專利名稱：具有軟基準層的磁存儲器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁存儲器件，特別涉及具有軟基準層的磁存儲器件。
背景技術：
磁隨機存取存儲器(“MRAM”)為用于短期和長期存儲數(shù)據(jù)的非易失存儲器。MRAM的功耗低于如DRAM、SRAM和閃速存儲器等的短期存儲器。MRAM進行的讀取和寫入操作比常規(guī)的長期存儲器件例如硬盤驅動器快得多(高幾個數(shù)量級)。此外，MRAM比硬盤驅動器更致密并且功耗更低。MRAM也被用于如極快處理器和網(wǎng)絡應用等的嵌入式應用。
典型的MRAM器件包括存儲單元的陣列、沿存儲單元的行延伸的字線、以及沿存儲單元的列延伸的位線。每個存儲單元位于字線和位線的交叉點。
存儲單元基于隧道(tunneling)磁阻(TMR)器件，例如自旋相關隧道(SDT)結。典型的SDT結包括針扎(pinned)層、讀出層以及夾在針扎層和讀出層之間的絕緣隧道阻擋層。針扎層具有在感興趣范圍內(nèi)施加磁場時固定而不旋轉的磁化取向。讀出層具有兩個方向的任何一個中取向的磁化與針扎層磁化的相同方向或與針扎層磁化的相反方向。如果針扎層和讀出層的磁化為相同的方向，那么SDT結的取向稱做“平行”。如果針扎層和讀出層的磁化為相反的方向，那么SDT結的取向稱做“反向平行”。這兩個穩(wěn)定的取向，平行和反向平行，對應于邏輯值‘0’和‘1’。
通過底層的反鐵磁性(AF)針扎層確定針扎層的磁化取向。AF針扎層提供了大的交換場，該磁場將針扎層的磁化保持在一個方向。AF層下面通常為第一和第二籽晶層。第一籽晶層允許第二籽晶層以(111)晶向生長。第二籽晶層為AF針扎層建立(111)晶體結構取向。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方案，磁性存儲器件包括第一和第二鐵磁層。每個鐵磁層具有可以在兩個方向中的任何一個取向的磁化。第一鐵磁層比第二鐵磁層的矯頑磁性高。磁性存儲器件還包括用第二鐵磁層形成閉合磁通路線的結構。
從下面結合附圖借助闡明本發(fā)明的原理的例子的詳細說明中，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將變得很顯然。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的磁存儲器件。
圖2示出了磁存儲器件的數(shù)據(jù)和基準層的磁滯回線。
圖3示出了讀取磁存儲器件的第一種方法。
圖4示出了讀取磁存儲器件的第二種方法。
圖5a-5e和6a-6e進一步示出了第二種方法。
圖7a示出了執(zhí)行第二種方法的電路。
圖7b和7c為圖7a所示電路的時序圖。
圖8a示出了執(zhí)行第二方法的另一電路。
圖8b和8c為圖8a所示電路的時序圖。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的MRAM器件。
圖10-14示出了制造MRAM器件的方法。
圖15示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的磁存儲器件。
圖16-17示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的磁存儲器件。
具體實施例方式
參考圖1，示出了磁存儲器件8。磁隧道結10包括數(shù)據(jù)層12、基準層14以及數(shù)據(jù)層和基準層12和14之間的絕緣隧道阻擋層16。數(shù)據(jù)和基準層12和14都由鐵磁材料制成。數(shù)據(jù)層12具有能在兩個方向的任何一個中取向的磁化(由向量M1)表示，通常沿數(shù)據(jù)層12的易磁化軸(EA1)?；鶞蕦?4具有能在兩個方向的任何一個中取向的磁化(由向量M2)表示，通常沿它的易磁化軸(EA2)。顯示的易磁化軸(EA1，EA2)沿相同方向延伸。
如果數(shù)據(jù)和基準層12和14的磁化向量(M1和M2)的指向為相同的方向，那么磁性隧道結10的取向稱為“平行”(參見圖5b和6c)。如果數(shù)據(jù)和基準層12和14的磁化向量(M1和M2)的指向為相反的方向，那么磁性隧道結10的取向稱為“反向平行”(參見圖5c和6b)。這兩個穩(wěn)定的取向，平行和反向平行，對應于邏輯值‘0’和‘1’。
絕緣隧道阻擋層16允許在數(shù)據(jù)和基準層12和14之間發(fā)生量子機械遂道。這種遂道現(xiàn)象為電子目旋相關，使磁性隧道結10的電阻為數(shù)據(jù)和基準層12和14的磁化向量(M1和M2)的相對取向的函數(shù)。例如，如果磁性隧道結10的磁化取向為平行，那么磁性隧道結10的電阻為第一值(R)，如果磁性隧道結10的磁化取向為反向平行，那么電阻為第二值(R+？R)。絕緣隧道阻擋層16由氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化硅(SiN4)、氮化鋁(AlNx)、或氧化鎂(MgO)制成。其它的介質和某些半導體材料可以用做絕緣隧道阻擋層16。絕緣隧道阻擋層16的厚度從約0.5納米到約三納米。
現(xiàn)在參考圖2，分別示出了數(shù)據(jù)和基準層12和14的磁滯回路L1和L2。數(shù)據(jù)層12的矯頑磁力(Hc1)比基準層14的矯頑磁力(Hc2)高得多。數(shù)據(jù)層12的矯頑磁力(Hc1)比基準層14的矯頑磁力(Hc2)大至少2-5倍。例如，數(shù)據(jù)層12的矯頑磁力(Hc1)約25Oe，基準層14的矯頑磁力(Hc2)約5Oe。優(yōu)選使基準層14的矯頑磁力(Hc2)盡可能地低(例如，通過使基準層14盡可能地薄)。由此，可以認為基準層14比數(shù)據(jù)層12“更軟”，是由于它的磁化向量(M2)很容易翻轉。
通過使兩層12和14的位形狀、幾何結構、成分、厚度等不同，可以將兩層12和14的矯頑磁力制得不同?？梢允褂玫蔫F磁層材料包括鎳鐵(NiFe)、鎳鐵鈷(NiFeCo)、鈷鐵(CoFe)、NiFe和Co的其它磁性軟合金、摻雜的非晶鐵磁性合金以及PERMALLOYTM合金。例如，數(shù)據(jù)層12可以由例如NiFeCo或CoFe的材料制成，基準層14可以由例如NiFe的材料制成。
再參考圖1，第一電導體18與數(shù)據(jù)層12接觸。第一電導體18由導電材料例如鋁、銅或金屬合金制成。
通過包括部分覆蓋有如NiFe的鐵磁材料的第二電導體22的結構20設置基準層的磁化向量(M2)的方向。第二導體22由導電不導磁的材料例如銅、鋁或金屬合金制成，在垂直于第一導體18的方向中延伸。
鐵磁覆層24完全覆蓋第二導體22的三個側面。畫出的覆層厚度放大了厚度為約1nm到50nm(通常為5nm)。第二導體22的未覆蓋側直接接觸基準層14。
部分覆層24直接接觸基準層14，由此基準層14與覆層24磁性通訊。由此基準層14和覆層22形成閉合的磁通路線(虛線表示)。
現(xiàn)在參考圖5a和5b。當電流(IR)施加到第二導體22，在第二導體22周圍產(chǎn)生磁場。如果電流流入第二導體22內(nèi)(由“X”表示)，那么磁場使基準層磁化向量(M2)指向右(圖5b)。如果電流在相反方向中流動由“？”表示，那么磁場使基準層磁化向量(M2)指向左(圖5c)。
取消電流(IR)之后，基準層磁化向量(M2)保持它的取向。保持取向是由于閉合磁通路線由基準層14和覆層24形成。
假設磁性隧道結10具有1兆歐姆的標稱電阻(R)，且有30％的遂道磁致電阻。如果數(shù)據(jù)層磁化向量(M1)指向左，磁場使基準層磁化向量(M2)指向右(圖6b)，磁性隧道結10的磁化取向為反向平行，磁性隧道結10的阻值將為R+？R或1.3兆歐姆。如果數(shù)據(jù)層磁化向量(M1)指向左，磁場使基準層磁化向量(M2)指向左(圖6c)，那么磁性隧道結10的磁化取向平行，磁性隧道結10的阻值將為R＝1.0兆歐姆。
通過設置數(shù)據(jù)層磁化向量(M1)的方向，數(shù)據(jù)寫入到磁性隧道結10。在寫操作期間，寫電流提供到第一和第二導體18和22。提供到第一導體18的電流在第一導體18周圍產(chǎn)生磁場，提供到第二導體22的電流在第二導體周圍產(chǎn)生磁場。當兩個磁場合并時，超過了數(shù)據(jù)層12的矯頑磁力(Hc1)，因此，使數(shù)據(jù)層12的磁化向量(M1)設置在需要的取向(取向取決于提供到第一和第二導體18和22的電流方向)。數(shù)據(jù)層磁化向量M1將設置為對應于邏輯‘1’的取向或對應于邏輯‘0’的取向的一個方向。由于基準層14的矯頑磁力(Hc2)小于數(shù)據(jù)層12的矯頑磁力，合并的磁場產(chǎn)生基準層14的磁化(M2)呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)層12的磁化(M1)取向相同。
通過讀出磁性隧道結10的電阻狀態(tài)(R或R+？R)，可以從磁性隧道結10讀取數(shù)據(jù)。圖3示出了讀取磁存儲器件10的第一種方法。讀電流提供到第二導體22，將基準層磁性設置在已知方向中(方框312)。所得磁場不影響數(shù)據(jù)層12的磁化。由于基準層14的矯頑磁力(Hc2)很低，因此讀取電流的量值也低。
移走讀取電流(方框314)，但基準層14保持它的磁化取向。電壓施加在第一和第二導體18和22上，因此跨越磁性隧道結10(方框316)。電壓使讀出電流流過磁性隧道結10。
通過讀出流過磁性隧道結10的電流測量磁性隧道結10的電阻(方框318)。讀出電流反比于磁性隧道結10的電阻。由此Is＝V/R或者Is＝V/(R+？R)，其中V為施加的電壓，Is為讀出電流，R為器件10的標稱電阻，？R為從平行磁化取向到反向平行磁化取向產(chǎn)生的電阻變化。
既然基準層的磁化向量(M2)的方向與磁性隧道結10的磁化取向已知，那么可以確定數(shù)據(jù)層磁化的方向(方框320)。數(shù)據(jù)層磁化的方向表示是否邏輯‘1’或邏輯‘0’存儲在磁性隧道結10中。
圖4示出了讀取磁存儲器件10的第二種方法。第一電流脈沖施加到第二導體22(方框412)。第一電流脈沖將基準層磁化設置在第一方向中。電壓施加在磁性隧道結10上(方框414)，通過讀出流過磁性隧道結的電流測量磁性隧道結10的電阻狀態(tài)(方框416)。第二電流脈沖施加到第二導體22(方框418)。第二電流脈沖的極性與第一電流脈沖相反；因此，第二電流脈沖將基準層磁化設置在第二(相反)方向中。電壓施加在磁性隧道結10上(方框420)，第二次測量磁性隧道結10的電阻狀態(tài)。這兩次測量得到電阻狀態(tài)順序<Rp，Rap>或<Rap，Rp>，其中Rap為磁性隧道結10的磁化取向為反向平行時的電阻狀態(tài)，Rp為磁性隧道結10的磁化取向為平行時的電阻狀態(tài)。
確定電阻狀態(tài)過渡的方向(即，從Rp到Rap，或Rap到Rp)(方框424)。過渡方向表示數(shù)據(jù)層12的磁化取向，因此邏輯值存儲在磁存儲器件10中。
圖5a-5e進一步示出了與存儲邏輯‘0’的數(shù)據(jù)層12有關的第二種方法。第一和第二脈沖252和254施加到第二導體22(圖5a)。第一脈沖252臨時地與第二脈沖254隔開。第一脈沖252具有正極性(對應于邏輯‘0’)，將基準層的磁化向量(M2)取向在與數(shù)據(jù)層12相同的方向中(圖5b)，由此磁隧道結10的磁化方向平行并且它的阻值為Rp。第二脈沖254具有負極性254(對應于邏輯‘1’)。將基準層的磁化向量(M2)取向在相反方向(圖5c)，由此磁性隧道結10的磁化方向反向平行并且它的電阻狀態(tài)為Rap。由此器件10的電阻從Rp過渡到Rap(圖5d)。Rp到Rap過渡表示邏輯‘0’存儲在存儲器件10中。對應的讀出電流脈沖顯示在圖5e中。
圖6a-6e示出了與存儲邏輯‘1’的數(shù)據(jù)層12有關的第二種方法。相同的正和負電流脈沖252和254施加到第二導體22(圖6a)。磁性隧道結從反向平行磁化取向(圖6b)過渡為平行磁化取向(圖6c)，由此磁存儲器件10的電阻從Rap過渡到Rp(圖6d)。由此從Rap到Rp過渡表示邏輯‘1’存儲在磁性隧道結10中。對應的讀出電流脈沖顯示在圖6e中。
該第二讀取方法為自基準。因此，該動態(tài)方法對不同器件上的電阻變化不敏感。
第二方法不限于對應于邏輯‘0’的正極性和對應于邏輯‘1’的負極性。例如，正極性能容易地對應于邏輯‘1’，第一和第二脈沖分別具有負和正極性。
檢測電阻過渡的簡單讀出放大器510顯示在圖7a中，時序圖顯示在圖7b和7c中(圖7b對應于圖5a-5e，圖7c對應于6a-6e)。流過磁性隧道結10的讀出電流(Is)提供到讀出放大器512。讀出電流脈沖在時間T1和T2發(fā)生。讀出放大器512的輸出提供了與讀出電流量值成正比的電壓(Vs)。放大器輸出提供到比較器514和延遲元件516的第一輸入(IN+)，延遲元件具有TD＝T1-T2秒的延遲(TD)。延遲元件516的輸出提供到比較器514的第二輸入(IN-)。比較器514將第一比較器輸入(IN+)處的讀出電壓(Vs)與第二比較器輸入(IN-)處的延遲讀出電壓比較。使能脈沖(EN)在時間T3發(fā)生，能夠比較比較器輸入(IN+IN-)處的電壓。比較器514的輸出(VOUT)表示存儲在磁性隧道結10中的邏輯狀態(tài)。
檢測電阻過渡的另一簡單讀出放大器550顯示在圖8a中，時序圖顯示在圖8b和8c中(圖8b對應于圖5a-5e，圖8c對應于6a-6e)。流過磁性隧道結10的讀出電流(Is)提供到讀出放大器552。讀出電流脈沖在時間T1和T2發(fā)生。放大器552產(chǎn)生與讀出電流量值成正比的電壓(Vs)。放大器552的輸出提供到第一和第二采樣/保持556和558。第一采樣/保持556采樣時間T1時的放大器輸出(第一電流脈沖)，第二采樣/保持558采樣時間T2時的放大器輸出(第二電流脈沖)。使能脈沖(EN)在時間T3提供到比較器554，能夠比較采樣/保持556和558的內(nèi)容。比較器554的輸出(VOUT)表示存儲在磁性隧道結10中的邏輯狀態(tài)。
現(xiàn)在參考圖9，示出了包括磁性隧道結10的陣列612的MRAM器件610。磁性隧道結10以行和列的形式排列，行沿x方向延伸，列沿y方向延伸。僅示出較小量的磁性隧道結10以簡化MRAM器件610的圖示。實際上，可以使用任何尺寸的陣列。
起字線614作用的導電條沿x方向在陣列612一側的平面中延伸。字線614接觸磁性隧道結10的數(shù)據(jù)層。起位線616作用的導電條沿y方向在陣列612的相鄰側的平面中延伸。位線616部分覆蓋有鐵磁材料?？梢砸粋€字線614用于陣列612的每行，一個位線616用于陣列612的每列。每個磁性存儲隧道結10位于字線614和位線616的交叉點。
每個位線616完全覆蓋在三個側面上。每個位線的未覆蓋側接觸基準層的列。由此，每個覆蓋位線616閉合基準層列的磁通路線。
MRAM器件610也包括第一和第二行解碼器618a和618b，第一和第二列解碼器620a和620b以及讀出/寫入電路622。讀取和寫入操作期間，解碼器618a、618b、620a和620b選擇字線和位線614和616。選定的磁性隧道結10位于選定字線和位線614和616的交叉點。
讀出/寫入電路622包括寫入操作期間施加寫入電流到選定字線和位線614和616的電流源624。讀出/寫入電路622包括讀出放大器626、地連接628、以及讀取操作期間施加電壓的電壓源630。
磁性隧道結10通過許多平行路徑耦合在一起。在一個交叉點看到的電阻等于與其它行和列中磁性隧道結10電阻平行的交叉點處的磁性隧道結10的電阻。由此磁性隧道結10的陣列612可以表征為交叉點電阻器網(wǎng)絡。
由于磁性隧道結10連成為交叉點電阻器網(wǎng)絡，因此寄生或潛通路電流干擾選定的磁性隧道結10上的讀取操作。閉鎖器件例如二極管或晶體管可以連接到磁性隧道結10。這些閉鎖器件阻止了寄生電流。
讀取/寫入電流622可以使用以上介紹的讀取方法。然而，如果不使用閉鎖器件，那么讀取方法如下修改。
可以使用受讓人的US專利No.6,259,644中公開的“等電位”法處理寄生電流。如果使用等電位法，讀取/寫入電路622提供了未選定位線616和選定位線616相同的電位，或者提供了未選定字線614和選定字線616相同的電位。
現(xiàn)在參考圖10，示出了制造MRAM器件610的方法。使用Cu金屬鑲嵌工藝制造覆蓋位線616。工藝開始于平面化介質層710，其中在淀積互連金屬之前腐蝕出溝槽(圖10)。用各向同性工藝淀積鐵磁材料24的薄層，由此側壁覆蓋有與溝槽底部大致相同的厚度(圖11)。鐵磁材料可滲透足以作為磁芯，它的剖面是連續(xù)的，沒有任何斷裂或太多空隙。然后通過電鍍或其它合適方法用銅22填充溝槽。然后平面化結構。平面化的結構顯示在圖2中。
淀積磁性材料的疊層。疊層包括用于數(shù)據(jù)層14的材料，用于絕緣隧道阻擋16的材料，以及用于基準層12的材料。用于基準層14的材料用鐵磁覆層形成了磁通路線。
疊層構圖成位線(圖13和14)。位線之間的間距用介質材料填充，形成字線。每個字線形成在一行數(shù)據(jù)層12上。
根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器件的另一實施例顯示在圖15-17中。圖15示出了磁存儲器件的第二實施例，除了結構820之外，與第一實施例相同。除了覆蓋第二導體22的三個側面之外，鐵磁覆層824覆蓋第二導體22的部分上表面。在上表面上，覆層824的相對部分定義了磁隙826。磁隙826用介質材料填充。這些部分與第二導體22直接接觸。
結構820提供有比磁性隧道結10大的剖面，以補償制造公差。在制造期間，基準層14在限定磁隙826的鐵磁覆層部分上居中。然而，實際上，會發(fā)生未對準。即使發(fā)生未對準，基準層14仍然設置在鐵磁覆層824上以閉合磁通路線。
圖16-17示出了磁存儲器件908的第三實施例，除了基準層914和結構20之間的介質層926，以及添加了在基準層14之間延伸的無磁段(non-magnetic segment)914之外，與第一實施例相同。介質層826很薄足以將基準層914磁耦合到結構20的鐵磁覆層24。然而介質層826的厚度足以將基準層914與鐵電覆層24和第二導體22電絕緣。段914導電。由此得到三導體設計。
雖然結合磁性隧道結介紹了本發(fā)明，但不限于此。本發(fā)明可以適用于具有類似運行特性的其它類型的磁阻器件。例如，本發(fā)明可以適用于巨磁阻(GMR)器件。除了非導磁金屬層代替絕緣隧道阻擋層將數(shù)據(jù)層和基準層隔開之外，GMR器件具有于TMR器件相同的基本結構。示例性的隔離層金屬包括金、銀和銅。數(shù)據(jù)和基準磁化向量的相對取向影響了GMR器件的面內(nèi)電阻。
本發(fā)明不限于GMR和TMR器件。例如，本發(fā)明可以適用于頂部和底部旋轉閥。
雖然介紹和示出了本發(fā)明的幾個具體實施例，但本發(fā)明不限于所介紹和示出的具體形式或布局。取而代之，本發(fā)明根據(jù)以下權利要求構成。
權利要求
1.一種數(shù)據(jù)存儲器件(610)，包括磁性存儲單元(10)的陣列(612)，每個存儲單元(10)包括數(shù)據(jù)鐵磁層(12)和基準鐵磁層(14)；在第一方向中延伸的多個第一導電條(614)，每個第一導電條(614)接觸一組數(shù)據(jù)層(12)；以及在第二方向中延伸的多個結構(616)，每個結構(616)用一組基準層(14)形成閉合磁通路線。
2.根據(jù)權利要求1的器件，其中鐵磁層(12和14)具有在寫入操作期間可以在第一和第二方向中變換的磁性，在讀取操作期間，僅有基準層(14)在第一和第二方向中變換的磁性。
3.根據(jù)權利要求1的器件，其中第一方向大致垂直于第二方向。
4.根據(jù)權利要求1的器件，還包括電路(622)，將選定的存儲單元(10)的基準層(14)的磁化取向設置在第一方向中，確定選定存儲單元(10)的電阻狀態(tài)，將選定的存儲單元(10)的基準層(14)的磁化取向設置在第二方向中，確定選定存儲單元(10)的電阻狀態(tài)，以及檢查選定存儲單元(10)的電阻狀態(tài)的變化。
5.根據(jù)權利要求4的器件，其中電路(622)通過確定電阻狀態(tài)過渡的方向檢查變化。
6.根據(jù)權利要求4的器件，其中電路(622)通過將電位施加到跨越選定存儲單元(10)的結構(616)確定選定存儲單元(10)的電阻狀態(tài)；以及將相等電位施加到?jīng)]有跨越選定存儲單元(10)的結構(616)和導電條(614)的子結構。
7.根據(jù)權利要求1的器件，其中每個結構(616)包括覆蓋有磁鐵材料(24)的導體(22)，部分磁鐵材料(24)與一組基準層(14)磁通訊。
8.根據(jù)權利要求7的器件，其中每個導體(22)的表面幾乎被覆蓋，其中每個導體(22)的未覆蓋表面直接接觸一組基準層(14)。
9.根據(jù)權利要求7的器件，其中部分磁鐵材料(24)定義了每個導體(22)上的磁隙(826)，該部分直接接觸一組基準層(14)。
10.根據(jù)權利要求7的器件，其中介質層(926)將至少一個結構(20，616)與它的對應組的基準層(14)電絕緣，其中導電、不導磁段(914)在基準層(14)之間延伸。
全文摘要
一種磁性存儲器件(10)包括第一和第二鐵磁層(12和14)。每個鐵磁層(12和14)具有可以在兩個方向中的任何一個取向的磁化。第一鐵磁層(12)比第二鐵磁層(14)的矯頑磁性高。磁性存儲器件(10)還包括用第二鐵磁層(14)形成閉合磁通路線的結構(20)。
文檔編號G11C11/15GK1427416SQ0215785
公開日2003年7月2日 申請日期2002年12月20日 優(yōu)先權日2001年12月20日
發(fā)明者M·沙馬, T·C·安東尼, L·特蘭 申請人:惠普公司