專利名稱：降低功耗的mram器件各向異性軸角選擇方法和結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及磁隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器器件，更具體而言，涉及用于選擇MRAM器件的各向異性軸角度以降低功耗的方法和結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
磁(或磁電阻)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)是有潛力替代動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)以作為計(jì)算設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)器的非易失性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器技術(shù)。利用MRAM作為非易失性RAM，最終將能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)一開啟時(shí)就會(huì)變得活躍的“即時(shí)啟動(dòng)(instant on)”的系統(tǒng)，從而節(jié)省例如對(duì)于傳統(tǒng)PC在系統(tǒng)加電期間將引導(dǎo)數(shù)據(jù)從硬盤驅(qū)動(dòng)器傳輸?shù)揭资訢RAM所需的時(shí)間量。
磁存儲(chǔ)器元件(也稱隧道磁電阻效應(yīng)或TMR器件)包括設(shè)置在磁隧道結(jié)(MTJ)中、通過非磁性層(勢(shì)壘)將鐵磁層隔開的結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器元件中，并將其表示為磁性層中的磁化方向。更具體而言，一個(gè)磁性層的磁矩是固定或釘扎的(該層也稱參考層)，而另一磁性層(也稱“自由”層)的磁矩可在相對(duì)于參考層的固定磁化方向而言的相同與相反方向之間進(jìn)行切換。自由層磁矩的取向也稱作“平行”和“反平行”狀態(tài)，其中，平行狀態(tài)指自由層和參考層的磁矩取向相同，而反平行狀態(tài)指自由層和參考層的磁矩取向相反。
根據(jù)自由層的磁化狀態(tài)(平行或反平行)，響應(yīng)于在隧道結(jié)勢(shì)壘上施加的電壓，磁存儲(chǔ)器元件表現(xiàn)出兩個(gè)不同的電阻值。從而，TMR器件的具體電阻值反映出自由層的磁化狀態(tài)，其中，當(dāng)磁化方向平行時(shí)，電阻值較“小”，當(dāng)磁化方向反平行時(shí)，電阻值較“大”。因此，檢測(cè)電阻值的變化能夠使MRAM器件提供在磁存儲(chǔ)器元件中所存儲(chǔ)的信息(即，讀出操作)。存在有不同的用于對(duì)MRAM單元進(jìn)行寫入的方法，例如，通過在特定方向施加雙向電流，對(duì)Stoner-Wohlfarth星形MRAM單元寫入，以便將自由層磁性調(diào)整成平行或反平行狀態(tài)。自由層被制成具有稱作“易磁化軸”(EA)的磁化方向的最佳軸，這通常通過MTJ的固有各向異性，張力感應(yīng)各向異性和形狀各向異性的組合來設(shè)置。
當(dāng)足夠強(qiáng)的電流流過MRAM的字線和位線時(shí)，在寫入線和位線交叉處的這些電流所產(chǎn)生的合成場(chǎng)將使處在受激勵(lì)寫入線和位線的交叉處的特定MTJ的自由層的磁化方向旋轉(zhuǎn)。對(duì)電流級(jí)別進(jìn)行選擇，以使合成場(chǎng)超過自由層的切換閾值。對(duì)于Stoner-Wohlfarth星形MRAM結(jié)構(gòu)，將EA設(shè)置成與位線或字線的取向相同。
隨著MRAM器件橫向尺寸的減小，會(huì)出現(xiàn)數(shù)種問題。首先，對(duì)于給定形狀和薄膜厚度而言切換場(chǎng)增加了，從而需要更強(qiáng)的磁場(chǎng)用于切換。其次，總切換體積減小，從而用于反向的能量勢(shì)壘也減小了，其中，能量勢(shì)壘是指將磁矩矢量從一個(gè)狀態(tài)切換到另一狀態(tài)所需的能量。能量勢(shì)壘決定了MRAM器件的數(shù)據(jù)保持力和差錯(cuò)率，從而，如果勢(shì)壘過小，則會(huì)由于熱漲落出現(xiàn)意外的反向。此外，如果能量勢(shì)壘較小，很難有選擇性地對(duì)陣列中單個(gè)MRAM器件進(jìn)行切換而又不會(huì)對(duì)其他MRAM器件產(chǎn)生不利影響。再者，由于切換場(chǎng)由形狀產(chǎn)生，隨著MRAM器件尺寸的減小，切換場(chǎng)變得對(duì)形狀變化更為敏感。
有鑒于此，已提出了其中鐵磁材料的自由層包含有多個(gè)(例如兩個(gè))鐵磁層的MRAM器件。由于靜磁耦合，兩個(gè)鐵磁層的磁矩彼此反平行，從而使凈合成磁矩沿各向異性的易磁化軸取向。這種結(jié)構(gòu)允許實(shí)現(xiàn)改進(jìn)了選擇性的不同方法。更具體而言，寫入方法依賴“自旋翻轉(zhuǎn)(spin-flop)”現(xiàn)象，該現(xiàn)象通過旋轉(zhuǎn)鐵磁層的磁矩矢量以使鐵磁層磁矩矢量與所施加場(chǎng)方向的正交為次(nominally)，但仍然以彼此反平行為主，來降低所施加場(chǎng)的總磁能。旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)，與所施加場(chǎng)方向上每個(gè)鐵磁層磁矩矢量的較小偏轉(zhuǎn)相結(jié)合，導(dǎo)致總磁能降低。以定時(shí)序列施加到字線和位線的電流波形導(dǎo)致磁場(chǎng)能量使器件的有效磁矩旋轉(zhuǎn)大約180度。
在MRAM寫入的旋轉(zhuǎn)方法中，將器件構(gòu)造成使磁各向異性軸相對(duì)于字線和位線的取向成45°角。在功耗方面，各向異性軸的45°角取向僅對(duì)于其中字線和位線的場(chǎng)產(chǎn)生能力彼此基本相同的結(jié)構(gòu)是最佳的。然而在實(shí)際的MRAM結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常出現(xiàn)字線和位線的場(chǎng)產(chǎn)生效率并不相同的情形。例如，路線的電阻可能會(huì)發(fā)生變化和/或線路相對(duì)于MTJ的位置可能發(fā)生變化。另外，還可能使用磁墊來增強(qiáng)一組線的寫入效率，而對(duì)另一組線則不使用。此外，對(duì)于同時(shí)對(duì)陣列中所有位線進(jìn)行寫入的結(jié)構(gòu)，對(duì)字線應(yīng)用相當(dāng)大的電流和降低施加到數(shù)個(gè)位線的電流的量可能更為有效。
因此，最好能夠?qū)τ诮o定MRAM結(jié)構(gòu)，確定出用于降低功耗而又能保持閾值激勵(lì)能量以使MRAM器件保持選擇性的定制各向異性軸角度。

發(fā)明內(nèi)容
通過一種用于確定磁隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)器件的期望各向異性軸角度的方法，來克服或緩解現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷和不足。在示例性實(shí)施例中，該方法包括，選擇各向異性軸角度的多個(gè)最初值，以及對(duì)各向異性軸角度的每個(gè)所選最初值，確定MRAM器件的至少一個(gè)鐵磁層的最小厚度。最小厚度對(duì)應(yīng)于MRAM器件內(nèi)單個(gè)單元的預(yù)定激勵(lì)能量。對(duì)于各向異性軸角度的每個(gè)所選值，還確定出在MRAM器件的字線方向和位線方向上的最小施加磁場(chǎng)值，以便保持預(yù)定的激勵(lì)能量。對(duì)于各向異性軸的每個(gè)所選值，計(jì)算每位所施加功率值，其中，期望各向異性軸角度為對(duì)應(yīng)于最小每位功率值的所選各向異性軸角度。
在另一實(shí)施例中，磁隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)器件包括字線，位線和設(shè)置在字線與位線之間的存儲(chǔ)元件，存儲(chǔ)元件還包括參考磁層堆和自由磁層堆。自由磁層堆被形成為相對(duì)于字線和位線所定義的軸具有各向異性軸角度，其中，將各向異性軸角度取向成利于使器件的每位功率消耗最小。
在又一實(shí)施例中，磁隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器器件包括，多個(gè)字線，多個(gè)位線，和設(shè)置在字線和位線之間其相應(yīng)交叉處的多個(gè)存儲(chǔ)元件。多個(gè)存儲(chǔ)元件均包括參考磁層堆和自由磁層堆。自由磁層堆被形成為相對(duì)于字線和位線所定義的軸具有各向異性軸角度，其中，將各向異性軸角度取向成利于使器件的每位功率消耗最小。


后面，將參照示意性附圖進(jìn)行描述，在數(shù)個(gè)附圖中，對(duì)相同元件賦予了相同的附圖標(biāo)記，其中圖1(a)表示字和位軸從基線對(duì)稱條件的旋轉(zhuǎn)；圖1(b)表示，對(duì)于各向異性軸采用傳統(tǒng)45角取向的MRAM器件的旋轉(zhuǎn)切換周期的二維場(chǎng)圖；圖1(c)表示對(duì)應(yīng)于圖1(b)的閉環(huán)切換路徑的激勵(lì)能量曲線；圖2表示，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，用于選擇MRAM器件的各向異性軸角度以降低功耗的方法的流程圖；圖3(a)表示，利用圖2的方法，對(duì)于效率因子為4的MRAM器件的每位功率隨θ變化的示意曲線圖；圖3(b)表示，對(duì)于圖3(a)的情形，在所確定的θ最佳值處旋轉(zhuǎn)切換周期的二維場(chǎng)圖；圖3(c)表示對(duì)應(yīng)于圖3(b)的旋轉(zhuǎn)閉環(huán)切換路徑的激勵(lì)能量曲線圖；圖4(a)表示，利用圖2的方法，對(duì)于效率因子為8的MRAM器件的每位功率隨θ變化的示意曲線圖；圖4(b)表示，對(duì)于圖3(b)的情形，在所確定的θ最佳值處旋轉(zhuǎn)切換周期的二維場(chǎng)圖；圖4(c)表示對(duì)應(yīng)于圖4(b)的旋轉(zhuǎn)閉環(huán)切換路徑的激勵(lì)能量曲線圖；圖5(a)表示，利用圖2的方法，對(duì)于效率因子為256的MRAM器件的每位功率隨θ變化的示意曲線圖；圖5(b)表示，對(duì)于圖5(b)的情形，在所確定的θ最佳值處旋轉(zhuǎn)切換周期的二維場(chǎng)圖；圖5(c)表示對(duì)應(yīng)于圖5(b)的旋轉(zhuǎn)閉環(huán)切換路徑的激勵(lì)能量曲線圖；圖6(a)的一組普適曲線，示意性表示在字和位方向所施加磁場(chǎng)以及自由層厚度隨旋轉(zhuǎn)角度θ的變化；圖6(b)表示作為效率因子的函數(shù)N的最佳角度的曲線圖；圖6(c)表示與使用θ＝90°的值相比的功率節(jié)省的曲線圖；圖7表示，根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例，設(shè)置用于旋轉(zhuǎn)切換并使其各向異性軸最適于低功耗的MRAM陣列結(jié)構(gòu)的單個(gè)存儲(chǔ)器元件的簡(jiǎn)化截面圖；以及圖8表示如圖7所示MRAM結(jié)構(gòu)的頂視圖。
具體實(shí)施例方式
下面，描述用于選擇通過旋轉(zhuǎn)切換技術(shù)進(jìn)行寫入的MRAM器件的各向異性軸角度，從而降低功耗的方法和結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)而言之，各向異性軸的旋轉(zhuǎn)幾何設(shè)置從某些結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)45°角取向偏移，這些結(jié)構(gòu)例如為字線和位線的線電阻或場(chǎng)效率不同的情形，或同時(shí)對(duì)多個(gè)位進(jìn)行寫入的情形。對(duì)于給定的效率因子，通過描繪出每位所施加功率隨軸角度調(diào)整的變化來找出產(chǎn)生最低每位所施加功率值的特定旋轉(zhuǎn)角度，來確定對(duì)各向異性軸角度的所需調(diào)整。每位功率取決于芯片設(shè)計(jì)以及操作條件，旋轉(zhuǎn)切換周期期間在字線方向和位線方向上所施加磁場(chǎng)的強(qiáng)度，以及字線和位線之間的效率因子?？赏ㄟ^在每個(gè)方向上所施加磁場(chǎng)的二維圖的路徑，來顯現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切換周期。
所施加磁場(chǎng)圖所定義的封閉路徑，以及為保持激勵(lì)能量最小閾值所需的自由層堆厚度(以便阻止凈磁矩的自發(fā)翻轉(zhuǎn)并使器件保持選擇性)取決于所選各向異性軸角度。如以下所述，在字線與位線之間的效率因子越大，則最佳各向異性軸角度越發(fā)偏離用于旋轉(zhuǎn)切換的45°標(biāo)稱角度，此外，就會(huì)使自由層厚度增加得越大，以保持在磁場(chǎng)圖的整個(gè)封閉路徑周圍激勵(lì)能量的閾值。
在后面所給出的示例中，針對(duì)關(guān)于字線和位線的多種不對(duì)稱場(chǎng)效率描繪功率隨旋轉(zhuǎn)角度變化的曲線。在該描述中，假設(shè)字線用于效率目的，不過實(shí)際上，位線或字線還將會(huì)更高效。這些不對(duì)稱場(chǎng)效率可表示字線和位線本身效率之間的實(shí)際差異(例如，由于電阻不同或使用鐵磁墊)，或者，可表示對(duì)沿單個(gè)字線的數(shù)個(gè)位同時(shí)進(jìn)行寫入的情形。
此外，在后面所述示例中，采用某些初始MRAM器件參數(shù)即，固有各向異性偏置(Hi)＝10奧斯特(Oe)；材料磁化強(qiáng)度(Ms)＝1500emu/cc；以及自由鐵磁層的圓形結(jié)構(gòu)，其直徑約為300nm，且其間沒有交換耦合。
圖1(a)表示字和位軸從基線對(duì)稱條件的旋轉(zhuǎn)。盡管該功率優(yōu)化方法的實(shí)際效果是相對(duì)于字線和位線旋轉(zhuǎn)各向異性軸，然而為便于說明，將針對(duì)“旋轉(zhuǎn)”的字軸和“無旋轉(zhuǎn)”的位軸之間的角度θ來描述不對(duì)稱效率的旋轉(zhuǎn)示例。從而，字軸無旋轉(zhuǎn)時(shí)，θ等于90°。
現(xiàn)參照?qǐng)D1(b)和1(c)進(jìn)行描述，圖1(b)和1(c)顯示出基線的示例，其中，采用各向異性軸的傳統(tǒng)45°角取向，諸如字線和位線基本具有彼此相同的效率的情形。在該情形中，沿字線方向(y軸)的脈沖磁場(chǎng)幅度Hword與沿位線方向(x軸)的脈沖磁場(chǎng)幅度Hbit相同。在圖1(b)中示出對(duì)于該旋轉(zhuǎn)切換周期的二維場(chǎng)圖，并通過圍繞自旋翻轉(zhuǎn)點(diǎn)的方形封閉路徑來表示。相應(yīng)地，在圖1(c)中的激勵(lì)能量曲線表明，在整個(gè)切換周期(即，沿圖1(b)的方形路徑位置)保持最小激勵(lì)能量(例如，60kT)。
然而，正如先前所述，可能存在字線效率不同于位線效率的情形。從而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖2的流程圖表示出用于選擇MRAM器件的各向異性軸角度以降低功耗的方法200的流程圖。流程自方框202開始，確定出關(guān)于字線和位線的效率因子以及如上所述MRAM器件的初始器件參數(shù)。例如，在一個(gè)示意性設(shè)置中，每位功率(Pb)與芯片電壓(VDD)以及用其各自效率(Nb和Nw)定標(biāo)的位和字場(chǎng)(Hbit和Hword)的總和成比例，可表示為如下形式Pb＝VDD·(Nb·Hbit+Nw·Hword)(等式1)
在方框204中，選擇θ的第一旋轉(zhuǎn)值。θ的值定義了沿字線方向所施加場(chǎng)相對(duì)于切換點(diǎn)(toggle point)(處在二維場(chǎng)圖的基線45°軸上)的角度，進(jìn)而確定了自由堆的鐵磁層的厚度。從而，如方框206所示，計(jì)算出用于保持最小所需(預(yù)定義)激勵(lì)能量的厚度t。這確定了在基線45°軸上的切換點(diǎn)的位置。
在方框208中，還確定出兩倍于字場(chǎng)軸至切換點(diǎn)之間距離的所施加場(chǎng)Hbit。接下來，如方框210中所示，確定Hword的施加值(半選值)，以便保持最小預(yù)定義激勵(lì)能量。而且，Hword和Hbit將是θ的函數(shù)。之后，在方框212中，針對(duì)所選θ值計(jì)算并描述出每位所施加功率，所施加功率是Hword和Hbit的函數(shù)。重復(fù)該過程，直至針對(duì)每個(gè)所選θ值計(jì)算出每位功率，如判決方框214所示。一旦描繪出功率曲線，則對(duì)其進(jìn)行分析以找出導(dǎo)致最低每位功率值的特定θ值，如方框216中所示。
圖3(a)至3(c)表示出實(shí)現(xiàn)圖2方法的一種實(shí)現(xiàn)方式，其中，MRAM器件的字線效率是位線效率的四倍。例如，可通過對(duì)字線使用鐵磁墊而對(duì)位線不使用鐵磁墊，或者通過每個(gè)字有四個(gè)位的結(jié)構(gòu)，來獲得這種效果。在每種情形中，在字和位方向上使用相同的場(chǎng)將導(dǎo)致比實(shí)際所需更多的總寫入功率的消耗。因此，能減小在位方向上所施加磁場(chǎng)的幅度(Hbit)，同時(shí)能增大在字方向上所施加磁場(chǎng)的幅度(Hword)。換而言之，由磁場(chǎng)圖所定義的封閉路徑將從方形改變?yōu)楦娱L(zhǎng)方的形狀(即，更長(zhǎng)和更薄)。
特別是，圖3(a)表示出，根據(jù)圖2所述的方法，對(duì)于效率因子為4，在整個(gè)旋轉(zhuǎn)范圍(即，從在θ＝45°處的最大旋轉(zhuǎn)至θ＝90°處的無旋轉(zhuǎn))上，每位功率隨θ變化的結(jié)果圖。由此可見，對(duì)于該效率因子的最小功率約出現(xiàn)在θ＝52°的角度處，這表示，與無旋轉(zhuǎn)器件相比，功率降低約26％。圖3(b)表示對(duì)于θ＝52°的最小功率角度在切換點(diǎn)周圍的字線和位線場(chǎng)中的所施加場(chǎng)的封閉路徑。如圖3(c)所示，在兩個(gè)方向上所施加場(chǎng)的大小足以保持沿整個(gè)封閉環(huán)路徑上60kT的最小激勵(lì)能量。應(yīng)注意，在保持最小激勵(lì)能量中的折衷是，使自由層各個(gè)鐵磁部分的厚度從約2.9nm(無旋轉(zhuǎn))增加至θ＝52°處約12nm。
現(xiàn)參照?qǐng)D4(a)至4(c)，描述利用各向異性軸旋轉(zhuǎn)可使功率減少的另一示例。在該示例中，假設(shè)效率因子為8(同樣，例如每字有8位的結(jié)構(gòu)，或者字線的效率是位線的8倍)。圖4(a)也根據(jù)圖2所給出的方法描繪出旋轉(zhuǎn)角度隨每位功率變化的曲線，只不過這次表示在θ＝48.3°的角度處的最小功率。特別注意的是，與θ＝90°相比，在θ＝48.3°處總功率減少了43％。如圖(b)所示，長(zhǎng)方形的封閉路徑現(xiàn)在在字方向更為伸長(zhǎng)，在位方向更受限制，同時(shí)自由層厚度還增加至約25nm。圖4(c)描繪出激勵(lì)能量沿圖4(b)封閉路徑隨位置變化的曲線，再次確定此處說明的三個(gè)最小值滿足針對(duì)所計(jì)算厚度的最小激勵(lì)能量Hword和Hbit。
盡管字線與位線之間不對(duì)稱性越強(qiáng)，可得到的功率節(jié)省就越增加，不過一旦層厚度增到一定程度，會(huì)對(duì)有益方面有實(shí)際限制。圖5(a)至5(c)顯示出這一方面，其中，字線與位線之間不對(duì)稱性現(xiàn)為256的因子(由于采用每字有256位的結(jié)構(gòu)，更有可能導(dǎo)致發(fā)生這種情形)。如圖5(a)每位功率圖所示，最小功率消耗的最佳角度約在θ＝45.8°處，在此情形中，這表示與θ＝90°的情形相比功率減少83％。正如從圖5(b)中所看到的，封閉路徑在字方向非常長(zhǎng)，在位方向非常窄。換而言之，Hword的值(325Oe)比Hbit的值(8.89Oe)大得多。
此外，為保持在θ＝47°處的最小激勵(lì)能量，現(xiàn)將自由層厚度增加到100nm。從而，盡管對(duì)于高效率差異以及大字軸旋轉(zhuǎn)值而言，功率節(jié)省能比較顯著，不過，采取增加厚度的形式的實(shí)質(zhì)折衷將使得這樣的旋轉(zhuǎn)對(duì)于某些應(yīng)用是不期望的。然而，對(duì)于最大可接受的厚度，可通過更小旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)功率縮減。
在此處所描述的最優(yōu)化方法中厚度Hword和Hbit的確定可通過一組普適曲線來實(shí)現(xiàn)，如圖6(a)所示。普適曲線包括取決于旋轉(zhuǎn)角度θ的在字和位方向上所施加磁場(chǎng)，以及自由層厚度。而且，這些曲線特別對(duì)應(yīng)于先前所述的MRAM器件參數(shù)。從右向左看將注意到，Hword隨旋轉(zhuǎn)增加而增加，Hbit隨旋轉(zhuǎn)增加而減小，厚度隨旋轉(zhuǎn)增加而增加。根據(jù)Hword，Hbit和效率因子的值，能夠針對(duì)給定角度計(jì)算出每位功率。
應(yīng)該注意到，如果由于制造局限性使得不能支持和期望最佳的厚度，還能夠通過使用圖6(a)中對(duì)應(yīng)于最大可接受厚度的角度以及對(duì)應(yīng)于該角度的位和字場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)。
圖6(b)表示最佳角度的例子，其取決于每位功率的效率，每位功率與芯片電壓和線電流的乘積成比例?？煽吹降那€離散部分是由于人為計(jì)算造成。圖6(c)表示出通過使用最優(yōu)角度得到的功率降低百分比隨效率因子變化的示例。
通過使用上述最優(yōu)化方法，可通過其對(duì)應(yīng)于最小每位功率消耗的各向異性軸來構(gòu)造采用旋轉(zhuǎn)切換的MRAM器件。現(xiàn)參看圖7和8，顯示出根據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例、被設(shè)置用于旋轉(zhuǎn)切換并使其各向異性軸最適于低功耗的示例性MRAM結(jié)構(gòu)。
更具體而言，圖7表示MRAM陣列結(jié)構(gòu)中單個(gè)存儲(chǔ)器元件700的簡(jiǎn)化截面圖，其中，存儲(chǔ)器元件700設(shè)置在字線702和位線704之間。在所示示例中，顯示出字線702處在存儲(chǔ)元件頂部，而位線704處在存儲(chǔ)元件700的底部，并相對(duì)于字線702成90°角取向。然而，應(yīng)該理解，字線702和位線704的相對(duì)位置可互換(即，字線702處在存儲(chǔ)器元件700的底部，位線704處在存儲(chǔ)器元件700的頂部)。還應(yīng)理解，實(shí)際的MRAM陣列結(jié)構(gòu)將包括數(shù)個(gè)存儲(chǔ)元件，每個(gè)存儲(chǔ)元件處在陣列或字線和位線的對(duì)應(yīng)交叉處。
在任何情形中，存儲(chǔ)元件700都包括被釘扎(參考)層706，隧道勢(shì)壘708，和自由層710，其中，隧道勢(shì)壘708夾在被釘扎層706與自由層之間。此外，自由層710的特征(至少)在于具有夾在一對(duì)鐵磁層714之間的非磁性間隔層712的三層結(jié)構(gòu)。通常，鐵磁層714可包括諸如Ni，F(xiàn)e，Co之類的元素或其組合。
圖8表示如圖7所示MRAM結(jié)構(gòu)的頂視圖。盡管所示實(shí)施例以圓形存儲(chǔ)元件700(如以上示例)為代表，不過應(yīng)該理解，存儲(chǔ)元件700可采用其他形狀，例如方形，橢圓形，矩形，或菱形。
根據(jù)所設(shè)置的字線702與位線704之間的效率因子，對(duì)存儲(chǔ)元件確定最佳各向異性軸716。假設(shè)字線702和位線704的效率(無論何種原因)并不相等，則存儲(chǔ)元件700的各向異性軸716將不會(huì)如在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)切換MRAM器件中那樣沿相對(duì)于字線702和位線704所定義的正交x和y軸成45°的軸。而且，各向異性軸716的特定角度基于對(duì)特定效率因子產(chǎn)生每位最低功率的旋轉(zhuǎn)角度來確定。一旦將其確定，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的選擇性沉積，光刻處理，蝕刻，和磁場(chǎng)施加技術(shù)，來定義所需的各向異性軸。
盡管參照優(yōu)選實(shí)施例或?qū)嵤├枋隽吮景l(fā)明，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，在不偏離本發(fā)明范圍的條件下，可進(jìn)行多種變化，以及以等效元件代替其中的元件。此外，在不偏離本發(fā)明主要范圍的條件下，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，可進(jìn)行多種修改，以適應(yīng)具體情況或材料。因此，本發(fā)明并不意在局限于所披露以最佳方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體實(shí)施例，而是本發(fā)明還將包括在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)所涵蓋的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于確定磁隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)器件的期望各向異性軸角度的方法，所述方法包括選擇各向異性軸角度的多個(gè)最初值；針對(duì)各向異性軸角度的每個(gè)所選最初值，確定MRAM器件的至少一個(gè)鐵磁層的最小厚度，其中，所述最小厚度對(duì)應(yīng)于MRAM器件內(nèi)單個(gè)單元的預(yù)定激勵(lì)能量；針對(duì)各向異性軸角度的每個(gè)所選值，確定出在MRAM器件的字線方向和位線方向上的最小施加磁場(chǎng)值，以保持所述預(yù)定激勵(lì)能量；以及針對(duì)各向異性軸的每個(gè)所選值，計(jì)算每位所施加功率值；其中，期望各向異性軸角度為對(duì)應(yīng)于每位最小功率值的所選各向異性軸角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，針對(duì)給定所選各向異性軸角度的所述每位功率值由在與之相關(guān)的所述字線和位線方向上的所述最小施加磁場(chǎng)值計(jì)算出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，所述每位功率值還由MRAM器件的字線與位線之間的效率因子計(jì)算出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，通過一組普適曲線，根據(jù)各向異性軸角度的所述所選值，確定所述最小厚度和在所述字線和位線方向上的所述最小施加磁場(chǎng)值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，期望各向異性軸被配置用于MRAM器件的旋轉(zhuǎn)切換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括確定MRAM器件的所述至少一個(gè)鐵磁層的最大期望厚度；其中，對(duì)于小于或等于MRAM器件的所述至少一個(gè)鐵磁層的所述最大期望厚度的厚度，期望各向異性軸角度為對(duì)應(yīng)于最小每位功率值的所選各向異性軸角度。
7.一種磁隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)器件，被設(shè)置用于與之相關(guān)的各向異性軸的旋轉(zhuǎn)切換，包括字線；位線；設(shè)置在所述字線與所述位線之間的存儲(chǔ)元件，所述存儲(chǔ)元件還包括參考磁層堆和自由磁層堆；以及所述自由磁層堆被形成為相對(duì)于所述字線和所述位線所定義的軸具有各向異性軸角度，其中，將所述各向異性軸角度取向成利于使器件每位功率消耗最小。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的MRAM器件，其中，所述各向異性軸角度取決于所述字線與所述位線之間的效率因子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的MRAM器件，其中所述字線設(shè)置在與所述位線正交的方向上；以及所述各向異性軸角度相對(duì)于由所述字線和所述位線所定義的所述軸成非45°的角度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的MRAM器件，其中，所述自由磁層堆還包括由非鐵磁間隔層隔離的一對(duì)鐵磁層。
11.根據(jù)權(quán)利要求7的MRAM器件，其中，所述效率因子比1大。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的MRAM器件，其中，所述效率因子由所述字線與所述位線之間場(chǎng)生成效率的差異來確定。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的MRAM器件，其中，所述效率因子由所述字線所寫入的位數(shù)N來確定，其中，N大于1。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的MRAM器件，其中，還將所述各向異性軸角度取向成利于使對(duì)應(yīng)于所述自由磁層堆中至少一個(gè)鐵磁層的厚度的每位功率消耗最小，其中，所述厚度小于或等于其最大期望厚度。
15.一種磁隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)器件，包括多個(gè)字線；多個(gè)位線；設(shè)置在所述字線與所述位線之間的其相應(yīng)交叉處的多個(gè)存儲(chǔ)元件，所述多個(gè)存儲(chǔ)元件的每個(gè)還包括參考磁層堆和自由磁層堆；以及所述自由磁層堆被形成為相對(duì)于所述字線和所述位線所定義的軸具有各向異性軸角度，其中，還將所述各向異性軸角度取向成利于使器件每位功率消耗最小。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的MRAM器件，其中，所述各向異性軸角度取決于所述字線與所述位線之間的效率因子。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的MRAM器件，其中所述字線設(shè)置在與所述位線正交的方向上；以及所述各向異性軸角度相對(duì)于由所述字線和所述位線所定義的所述軸成非45°的角度。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的MRAM器件，其中，所述自由磁層堆還包括由非鐵磁間隔層隔離的一對(duì)鐵磁層。
19.根據(jù)權(quán)利要求23的MRAM器件，其中，所述效率因子比1大。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的MRAM器件，其中，所述效率因子由所述字線與所述位線之間的場(chǎng)生成效率的差異來確定。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的MRAM器件，其中，所述效率因子由所述字線所寫入的位數(shù)N來確定，其中，N大于1。
22.根據(jù)權(quán)利要求15的MRAM器件，其中，還將所述各向異性軸角度取向成利于使對(duì)應(yīng)于所述自由磁層堆中至少一個(gè)鐵磁層的厚度的每位功率消耗最小，其中，所述厚度小于或等于最大期望厚度。
全文摘要
一種用于對(duì)磁隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)器件確定期望各向異性軸角度的方法，所述方法包括選擇各向異性軸角度的多個(gè)最初值，對(duì)每個(gè)所選最初值，確定MRAM器件至少一個(gè)鐵磁層的最小厚度。最小厚度對(duì)應(yīng)MRAM器件內(nèi)單個(gè)單元的預(yù)定激勵(lì)能量。對(duì)于每個(gè)所選值，還確定出在MRAM器件的字線方向和位線方向上的最小施加磁場(chǎng)值，以便保持所述預(yù)定激勵(lì)能量。對(duì)于每個(gè)所選值，計(jì)算每位所施加功率值，其中，期望各向異性軸角度為對(duì)應(yīng)于最小每位功率值的所選各向異性軸角度。
文檔編號(hào)H01L43/00GK1725370SQ20051007913
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者菲利普·L.·特洛爾勞德, 戴維·W.·亞伯拉罕, 約翰·K.·德布洛斯 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司