專利名稱：磁性隧道結(jié)單元及磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，尤其涉及一種具有低磁矩自由磁層的磁性隧道結(jié)(MTJ)單元及具有該磁性隧道結(jié)單元的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)。
背景技術(shù)：
磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)包括晶體管和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁性隧道結(jié)(MTJ)單元。MTJ單元的磁致電阻(MR)比率依據(jù)上下堆疊的磁層的磁極化方向而變化。MRAM是一種利用這些MTJ單元的特性來(lái)寫數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備。
為從MRAM中準(zhǔn)確地讀出數(shù)據(jù)，優(yōu)選的是MRAM具有盡可能大的感應(yīng)極限(sensing margin)。所述感應(yīng)極限通常由MTJ單元的MR比率來(lái)決定。
為了提高M(jìn)TJ單元的MR比率，必須確保MTJ單元的穩(wěn)定性和一致性。為了達(dá)到這個(gè)目的，MTJ單元的隧道氧化層必須具有均勻的厚度，并且必須首先建立穩(wěn)定的制造過(guò)程。
此外，MRAM必須確保選擇性，也就是說(shuō)，在選擇所選的MTJ單元的操作過(guò)程中，一定不能影響鄰近于所選MTJ單元的其他MTJ單元。然而，在已知的MRAM(下文中，指的是傳統(tǒng)的MRAM)情況下，已經(jīng)報(bào)告有異常現(xiàn)象發(fā)生，例如在向MTJ單元寫數(shù)據(jù)或從MTJ單元讀數(shù)據(jù)的操作過(guò)程中，有邊緣釘壓(edge pinning)和渦流釘壓(vortex pinning)。
由于這些現(xiàn)象，在數(shù)據(jù)讀/寫操作過(guò)程中需要更大的反轉(zhuǎn)場(chǎng)(switchingfield)。因此，這里將存在失效位，也就是，在數(shù)據(jù)讀/寫操作過(guò)程中，MTJ單元不被正常的反轉(zhuǎn)場(chǎng)反轉(zhuǎn)。所述失效位產(chǎn)生的原因是因?yàn)镸TJ單元沒(méi)有在正常的反轉(zhuǎn)場(chǎng)里反轉(zhuǎn)。
圖1示出了在傳統(tǒng)MTJ單元的數(shù)據(jù)讀/寫操作過(guò)程中，在自由磁層里發(fā)生的邊緣釘壓，及圖2示出了邊緣釘壓造成的磁滯特性的變化。
圖3示出了在傳統(tǒng)MTJ單元的數(shù)據(jù)讀/寫操作過(guò)程中，在自由磁層里發(fā)生的渦流釘壓，及圖4示出了渦流釘壓造成的磁滯特性的變化。
在圖2和圖4中，參考符號(hào)“■”是指在提供磁場(chǎng)時(shí)的磁滯特性，及參考符號(hào)“○”是指當(dāng)提供的磁場(chǎng)消失時(shí)的磁滯特性。
圖5示出了傳統(tǒng)MRAM的數(shù)據(jù)寫操作過(guò)程中的MTJ單元的反轉(zhuǎn)分布，該傳統(tǒng)MRAM的自由磁層是由CoFe/NiFe構(gòu)成，即，CoFe層的厚度為10及NiFe層的厚度為30。在圖5中，附圖標(biāo)記C1、C2、C3和C4是指失效位的比率，即，沒(méi)有在正常的反轉(zhuǎn)場(chǎng)里反轉(zhuǎn)的MTJ單元的比率。
參見圖5，沒(méi)有在正常反轉(zhuǎn)場(chǎng)里反轉(zhuǎn)的MTJ單元在遠(yuǎn)超出正常反轉(zhuǎn)場(chǎng)(C1、C2、C4)之外的反轉(zhuǎn)場(chǎng)里反轉(zhuǎn)，或是在達(dá)到遠(yuǎn)低于正常反轉(zhuǎn)場(chǎng)(C3)的反轉(zhuǎn)場(chǎng)里反轉(zhuǎn)。
在傳統(tǒng)的MRAM情況下，通過(guò)將MTJ單元的磁層，尤其是自由磁層(CoFe/NiFe)構(gòu)成為較薄的層可以提高一體化程度。然而，由于自由磁層比較薄，因此所述自由磁層的磁矩的熱穩(wěn)定性會(huì)降低。這就意味著所述MTJ單元不是熱穩(wěn)定的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種為了提高一體化程度而包括薄的自由磁層的MRAM的MTJ單元。所述MTJ單元沒(méi)有因邊緣釘壓或渦流釘壓而引發(fā)的糾結(jié)，并且所述MTJ單元是熱穩(wěn)定的。
并且，本發(fā)明提供一種包括所述MTJ單元的MRAM。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種MTJ(磁性隧道結(jié))單元包括下電極；及順序地堆疊在下電極上的下磁層、隧道層、上磁層和上電極，其中所述上磁層包括厚度為5nm或更小的自由磁層。
所述自由磁層可以是具有800emu/cm3或更小的磁矩的磁層，或可以是CoFe層和NiFe層的堆疊層。
所述MTJ單元的縱橫比可以是2或更小。
所述磁層是磁矩小于400emu/cm3的無(wú)定形稀土過(guò)渡屬?gòu)?fù)合層、磁矩小于600emu/cm3的無(wú)定形過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合層和FeTb層之一。
所述自由磁層可以進(jìn)一步包括在所述磁層和隧道層之間形成的過(guò)濾層，其中過(guò)濾層的磁矩比磁層的磁矩大。
所述下磁層可以包括釘壓層(pinning layer)和SAF(合成的抗鐵磁性)層的堆疊層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種MRAM(磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)包括晶體管；連接到該晶體管的MTJ單元；由該晶體管和MTJ單元包圍的中間絕緣層；用來(lái)將數(shù)據(jù)寫到MTJ單元的數(shù)據(jù)線，其中MTJ單元的縱橫比為2或更小。
MTJ單元可以包括厚度為5nm或更小的自由磁層。
自由磁層可以具有等同于與MTJ單元有關(guān)的上述說(shuō)明的特性。
本發(fā)明可以阻止在MTJ單元中發(fā)生異常的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，例如邊緣釘壓和渦流釘壓。并且，本發(fā)明能降低反轉(zhuǎn)場(chǎng)的強(qiáng)度。


通過(guò)參照附圖來(lái)詳細(xì)的描述示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu)勢(shì)將更加明顯。
圖1示出了在傳統(tǒng)MRAM的數(shù)據(jù)寫操作過(guò)程中，在MTJ單元的自由磁層里發(fā)生的邊緣釘壓；圖2示出了由圖1示出的邊緣釘壓造成的MTJ單元的磁滯特性的變化；圖3示出了在傳統(tǒng)MRAM的數(shù)據(jù)寫操作過(guò)程中，在MTJ單元的自由磁層里發(fā)生的渦流釘壓；圖4示出了由圖3示出的渦流釘壓造成的MTJ單元的磁滯特性的變化；圖5示出了在傳統(tǒng)MRAM的數(shù)據(jù)寫操作過(guò)程中，MTJ單元的反轉(zhuǎn)分布；圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MRAM的MTJ單元的剖面圖；圖7是說(shuō)明在圖6示出的MTJ單元里的自由磁層形成有兩個(gè)磁層的情況下的剖面圖；圖8是說(shuō)明在圖6示出的MTJ單元里的自由磁層形成有兩個(gè)磁層，及釘壓層是由SAF層構(gòu)成的情況下的剖面圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例在MRAM的數(shù)據(jù)寫操作過(guò)程中的MTJ單元的反轉(zhuǎn)分布；圖10示出了傳統(tǒng)MTJ單元的H-R特性；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的MTJ單元的H-R特性；及圖12至14示出了根據(jù)MTJ單元的縱橫比、自由磁層的磁矩和厚度的關(guān)系，能夠使MTJ單元沒(méi)有糾結(jié)的MTJ單元和自由磁層的條件。
具體實(shí)施例方式
參照附圖，將更加全面的描述本發(fā)明，其中示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以多種不同形式體現(xiàn)，并且不限制在本文所提出的實(shí)施例中；此外，提出這些實(shí)施例以使公開全面和完整，并會(huì)將本發(fā)明的原理充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。在附圖中，為了清楚而將層的厚度和區(qū)域擴(kuò)大了。附圖中相同的標(biāo)記代表相同的元件，因此省略了對(duì)它們的描述。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MRAM的MTJ單元的剖視圖。
參見圖6，根據(jù)本發(fā)明的MTJ單元包括連接到開關(guān)元件(例如晶體管)的襯墊導(dǎo)電層10(在下文中稱為下電極層)。下電極層10可以是鉭(Ta)電極或一氮化鈦(TiN)電極。另外，根據(jù)本發(fā)明的MTJ單元包括順序地堆疊在下電極10之上的子晶層12、釘壓層(pinning layer)14、固定層(pinned layer)16、隧道層18、自由磁層20及蓋層22。上電極(未圖示)堆疊在蓋層22之上。所述子晶層12可以是無(wú)定形金屬層、釕(Ru)層或鎳鐵(NiFe)層。所述釘壓層14可以是抗鐵磁層，例如是銥鎂(IrMn)層或是鉑鎂(PtMn)層。固定層16可以是單層或包括多個(gè)材料層。在固定層16包括多個(gè)材料層的情況下，固定層16可以是如圖8所示的合成的抗鐵磁性(SAF)層，通過(guò)依次堆疊第一固定層16a、中間層16b及第二固定層16c來(lái)構(gòu)成該固定層16。第一固定層16a可以是抗鐵磁層，例如是鈷鐵(CoFe)層。中間層可以是金屬層，例如是釕(Ru)層。第二固定層16c可以是抗鐵磁層，例如是鈷鐵(CoFe)層。
所述隧道層18可以是具有預(yù)定厚度的氧化層，例如厚度為15的氧化鋁(AlOx)層。自由磁層20可以是具有預(yù)定磁矩的預(yù)定厚度的材料層，例如厚度是5nm或更小、磁矩是800emu/cm3或更小的無(wú)定形材料層。具有磁矩為800emu/cm3或更小的無(wú)定形材料層可以分成第一無(wú)定形復(fù)合層和第二無(wú)定形復(fù)合層。優(yōu)選的是，第一無(wú)定形復(fù)合層是磁矩小于400emu/cm3的無(wú)定形稀土過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合層，但這第一無(wú)定形復(fù)合層也可以是其它材料層。優(yōu)選的是，第二無(wú)定形復(fù)合層是磁矩小于600emu/cm3的無(wú)定形過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合層，但這第二無(wú)定形復(fù)合層也可以是其它材料層。例如，無(wú)定形稀土過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合層可以是鈷鋱(CoTb)層，及所述無(wú)定形過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合層可以是鈷鋯化合物(CoZrX)。這里的“X”可以是鋱(Tb)或鈮(Nb)。
除了無(wú)定形復(fù)合層之外，鐵鋱(FeTb)層也可以用作自由磁層20。如果滿足上述厚度，也可以使用包括鈷鐵(CoFe)層和鎳鐵(NiFe)層的材料層。在包括鈷鐵(CoFe)層和鎳鐵(NiFe)層的材料層的情況下，自由磁層20可以是厚度為3的CoFe層和厚度為30的NiFe層的堆疊層，或是厚度為5的CoFe層和厚度為30的NiFe層的堆疊層。
盡管自由磁層20可以是單層，但如果考慮到如圖7和8所示的MR比率的增加，自由磁層20也優(yōu)選為雙層。
參見圖7，自由磁層20包括順序堆疊的第一和第二磁層20a和20b。第一磁層20a是增加自由磁層20的MR比率的過(guò)濾層。第一磁層20a可以是具有大極化率的鐵磁層，例如是鈷鐵(CoFe)層。第二磁層20b可以是磁矩為800emu/cm3或更小的無(wú)定形材料層。即使當(dāng)自由磁層20形成有第一和第二磁層20a和20b時(shí)，自由磁層20的總厚度優(yōu)選為5nm或更小。
堆疊在自由磁層20上的蓋層22是在蝕刻工藝中用來(lái)保護(hù)所述自由磁層20的層。蓋層22可以是釕(Ru)層。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的MTJ單元的特性。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明MTJ單元的陣列中的失效位的出現(xiàn)率，其中MTJ單元包括形成有厚度為5的CoFe層和厚度為30的NiFe層的自由磁層。
對(duì)比圖5和圖9，可以看出包括根據(jù)本發(fā)明MTJ單元的陣列中的失效位的出現(xiàn)率較少。這就意味著根據(jù)本發(fā)明MTJ單元的大部分都正常轉(zhuǎn)變了。
圖10和11分別示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明的MTJ單元的H-R特征曲線。圖10中，附圖標(biāo)記P1和P2是指H-R特征曲線的畸變部分，這些畸變是由渦流釘壓造成的；及附圖標(biāo)記P3是H-R特征曲線的畸變部分，該畸變是由邊緣釘壓造成的。
對(duì)比圖10和11可以看出，圖10中的畸變部分P1、P2和P3沒(méi)有在圖11中出現(xiàn)。這種結(jié)果表明根據(jù)本發(fā)明的MTJ單元沒(méi)有由邊緣釘壓或渦流釘壓造成的糾結(jié)。
圖12和圖14示出了MTJ單元的縱橫比(AR)、自由磁層的厚度及MTJ單元的糾結(jié)的相互關(guān)系。在圖12至14，附圖標(biāo)記A1是指沒(méi)有糾結(jié)的區(qū)域，及附圖標(biāo)記A2是指具有糾結(jié)的區(qū)域。
參加圖12，在MTJ單元的縱橫比是“1”的情況下，如果自由磁層的厚度為5nm并且磁矩(Ms)為800emu/cm3，則所述MTJ單元沒(méi)有糾結(jié)。而且，當(dāng)自由磁層較薄的時(shí)候，例如厚度是3nm或更小，即使是在自由磁層的磁矩(Ms)為1000emu/cm3或更多的時(shí)候，所述MTJ單元也可以沒(méi)有糾結(jié)。
參見圖13，在MTJ單元的縱橫比為“1.5”的情況下，也同樣可以提供上述趨向。
圖14示出了在MTJ單元的縱橫比為“2”的情況下，使MTJ單元沒(méi)有糾結(jié)的條件。
參見圖14可以看出，在自由磁層的厚度大于5nm的情況下，所述MTJ單元不會(huì)沒(méi)有糾結(jié)。
從圖12至圖14的結(jié)果可以得知，為了讓圖6至圖8的MTJ單元沒(méi)有糾結(jié)，優(yōu)選的是自由磁層20由具有上述厚度和磁矩的材料層構(gòu)成。并且，優(yōu)選MTJ單元的縱橫比是2或更小。
同時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的MRAM可以包括形成于基片上的典型的晶體管(例如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET))，連接到所述晶體管的圖6、7或8中的MTJ單元，及他們包圍的中間絕緣層。根據(jù)本發(fā)明的MRAM也可以包括用來(lái)將數(shù)據(jù)寫入MTJ單元的數(shù)據(jù)線。
由于以上描述了MTJ單元，并且其它部件都是公知的，因此省略對(duì)根據(jù)本發(fā)明的MRAM的結(jié)構(gòu)描述。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的MRAM的MTJ單元縱橫比為2。而且，所述MTJ單元包括由厚度為5nm或更少及磁矩為800emu/cm3或更少的無(wú)定形復(fù)合層構(gòu)成的自由磁層。因此，在使用根據(jù)本發(fā)明的MRAM的MTJ單元的情況下，通過(guò)構(gòu)成較薄的自由磁層，可以增加一體化程度。此外，可以確保熱穩(wěn)定性并可使MTJ單元沒(méi)有糾結(jié)。而且，由于自由磁層具有小的磁矩，反轉(zhuǎn)場(chǎng)的強(qiáng)度也可以降低。
如果滿足上述厚度和磁矩的條件，自由磁層可以由其它材料層來(lái)構(gòu)成。而且自由磁層可以由三層構(gòu)成。
雖然已參照最佳實(shí)施例詳細(xì)的示出了本發(fā)明，然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解的是，在不脫離以下權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種磁性隧道結(jié)單元，包括下電極；及順序地堆疊在下電極上的下磁層、隧道層、上磁層及上電極，其中上磁層包括厚度為5nm或更小的自由磁層。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)單元，其中所述自由磁層是磁矩為800emu/cm3或更小的磁層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的磁性隧道結(jié)單元，其中磁性隧道結(jié)單元的縱橫比為2或更小。
4.如權(quán)利要求2所述的磁性隧道結(jié)單元，其中所述磁層是具有小于400emu/cm3的磁矩的無(wú)定形稀土過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合層、具有小于600emu/cm3的磁矩的無(wú)定形過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合層和FeTb層之一。
5.如權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)單元，其中所述自由磁層包括順序堆疊的CoFe層和NiFe層。
6.如權(quán)利要求2所述的磁性隧道結(jié)單元，其中所述自由磁層進(jìn)一步包括在所述磁層和所述隧道層之間形成的過(guò)濾層，所述過(guò)濾層的磁矩大于所述磁層的磁矩。
7.如權(quán)利要求6所述的磁性隧道結(jié)單元，其中所述過(guò)濾層是CoFe層。
8.如權(quán)利要求1所述的磁性隧道結(jié)單元，其中所述下磁層包括釘壓層和合成的抗鐵磁層的堆疊層。
9.一種磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括晶體管；連接至所述晶體管的磁性隧道結(jié)單元；及包圍所述晶體管和所述磁性隧道結(jié)單元的中間絕緣層，其中所述磁性隧道結(jié)單元的縱橫比為2或更小。
10.如權(quán)利要求9所述的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述磁性隧道結(jié)單元包括厚度為5nm或更小的自由磁層。
11.如權(quán)利要求10所述的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述自由磁層是磁矩為800emu/cm3或更小的磁層。
12.如權(quán)利要求11所述的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述磁層是具有小于400emu/cm3的磁矩的無(wú)定形稀土過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合層、具有小于600emu/cm3的磁矩的無(wú)定形過(guò)渡金屬?gòu)?fù)合層和FeTb層之一。
13.如權(quán)利要求10所述的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述自由磁層是CoFe層和NiFe層的堆疊層。
14.如權(quán)利要求11所述的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述自由磁層進(jìn)一步包括磁矩大于所述磁層的過(guò)濾層。
15.如權(quán)利要求14所述的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其中所述過(guò)濾層是CoFe層。
全文摘要
本發(fā)明公開了磁性隧道結(jié)單元及磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。磁性隧道結(jié)(MTJ)單元包括具有低磁矩的自由磁層，磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)包括MTJ單元。MRAM的MTJ單元包括下電極；和順序地堆疊在下電極上的下磁層、隧道層、上磁層和上電極。上磁層包括厚度為5nm或更小的自由磁層。MTJ單元的縱橫比可以是2或更小，自由磁層的磁矩可以是800emu/cm
文檔編號(hào)G11C11/15GK1617258SQ200410095989
公開日2005年5月18日 申請(qǐng)日期2004年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者金泰完, 樸祥珍, 黃仁俊 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社