專利名稱：應(yīng)用磁疇壁移動(dòng)的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，且更特別是涉及應(yīng)用磁疇壁移動(dòng)的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
大多數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件可分為斷電后丟失全部數(shù)據(jù)的易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 件和斷電后保留全部數(shù)據(jù)的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件。
非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件包括硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD )和非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器 (RAM)。 HDD包括讀取、寫入的磁頭和旋轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)，而且可以存 儲(chǔ)100G字節(jié)或更多的數(shù)據(jù)。但是，具有類似HDD的旋轉(zhuǎn)部分的裝置存在 隨時(shí)間而磨損問(wèn)題，而且因此存在很高的操作故障的可能性，從而降低可靠 性。
廣泛使用的閃存是非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器的實(shí)例。但是，閃存具有讀寫速 度慢和使用周期短的缺點(diǎn)。針對(duì)閃存的缺點(diǎn)，開發(fā)了新的存儲(chǔ)器件，如鐵電 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)、磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)和相變隨機(jī)存取 存儲(chǔ)器(PRAM)。但是，與HDD相比，閃存、FRAM、 MRAM和PRAM 存儲(chǔ)能力較小，而且生產(chǎn)成本高。
因此，作為解決上述傳統(tǒng)非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件的缺點(diǎn)的方法，關(guān)于利 用磁疇壁移動(dòng)的新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件的研究和開發(fā)已經(jīng)開始。
現(xiàn)在描述磁性物質(zhì)的磁疇和磁疇壁。然后描述利用磁疇和磁疇壁的存儲(chǔ) 器件。
構(gòu)成鐵磁體的微小磁性區(qū)域稱為磁疇。磁疇內(nèi)電子的旋轉(zhuǎn)，即磁矩方向 相同。磁疇的大小和磁化方向可以通過(guò)磁物質(zhì)的形狀和大小以及外部能量適 當(dāng)?shù)乜刂啤?br> 磁疇壁為與其他磁疇磁化方向不同的磁疇的邊界部分。磁疇壁可以通過(guò) 外部石茲場(chǎng)或施與石茲性物質(zhì)的電流而移動(dòng)。
磁疇壁移動(dòng)的原理可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件，如HDD。即，當(dāng)響應(yīng)磁
性物質(zhì)中的具體數(shù)據(jù)而被磁化的磁疇移動(dòng)以通過(guò)讀寫頭時(shí)，讀寫操作是可能 的。這時(shí)，讀寫操作可以不通過(guò)直接旋轉(zhuǎn)記錄介質(zhì)。因此，可以解決傳統(tǒng)
HDD磨損和故障的問(wèn)題。應(yīng)用磁疇壁移動(dòng)原理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件的一種實(shí)例 已經(jīng)揭示在美國(guó)專利'第6,834,005 Bl中。
另外，；茲疇壁移動(dòng)原理可以應(yīng)用于存儲(chǔ)器如非易失性RAM。即寫/讀"0" 或'T，數(shù)據(jù)的非易失性存儲(chǔ)器可以通過(guò)這樣的原理實(shí)現(xiàn)，即磁性物質(zhì)內(nèi)的 電壓根據(jù)磁性物質(zhì)的磁疇壁移動(dòng)變換，該磁性物質(zhì)具有在特定方向磁化的磁 疇和磁疇壁。這樣，由于可以通過(guò)在線型磁性物質(zhì)中流入特定電流而改變磁 疇壁的位置來(lái)讀和寫數(shù)據(jù)，因此可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的高集成度裝置。因此， 當(dāng)利用石茲疇壁移動(dòng)原理時(shí)，與常身見的FRAM、 MRAM和PRAM相比，具有 非常大存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)器的制造是可能的。
但是，使用磁疇壁移動(dòng)的半導(dǎo)體器件的開發(fā)仍處在開始階段，而且仍存 在為了實(shí)際應(yīng)用所需要解決的一些問(wèn)題。問(wèn)題之一與磁疇壁的移動(dòng)能力有 關(guān)。如果磁疇壁的移動(dòng)慢，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)足夠快的讀/寫(操作)。磁性物質(zhì)中 的磁疇壁必須能夠在磁場(chǎng)中或在施加電流的情況下高速穩(wěn)定移動(dòng)。但是，與 磁疇壁移動(dòng)速度有關(guān)的物理現(xiàn)象還沒有從理論上分析清楚。因此，提高磁疇 壁移動(dòng)的速度困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供應(yīng)用磁疇壁移動(dòng)通過(guò)提高磁疇壁移動(dòng)速度來(lái)增加讀寫速度 的半導(dǎo)體器件。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所提供的半導(dǎo)體器件包括內(nèi)部磁疇壁移動(dòng)的磁 性物質(zhì)膜，其中該磁性物質(zhì)膜具有0.015到0.1的阻尼常數(shù)。
該磁性物質(zhì)膜可以是含有非磁性物質(zhì)的磁性物質(zhì)合金。
該磁性物質(zhì)膜可以是合金，其中非磁性物質(zhì)包含在選自由鎳-鐵(Ni-Fe)、 鈷(Co)、鈷-鎳(Co-Ni)、鈷-鐵(Co-Ni)和鈷-鐵-鎳(Co-Fe-Ni)組成的組中的至 少 一種磁性物質(zhì)中，而且該鎳-鐵(Ni-Fe )可以是Ni8()Fe20.
該非磁性物質(zhì)可以是選自由鋨(Os)、鈮(Nb)、釕(Ru)、銠(Rh)、鉭(Ta)、 4白(Pt)、鋯(Zr)、鈥(Ti)、釔(Pd)、硼(B)、鋅(Zn)和銀(Ag)組成的組中的至少 一種。
該非磁性物質(zhì)的原子含量可以是0.5%到10%。
該磁性物質(zhì)膜可以是選自由鈷(Co)、鈷鐵(CoFe)、鈷鎳(CoNi)和鈷鐵 鎳(CoFeNi)組成的組中的 一種。
該半導(dǎo)體器件還可以包括磁性物質(zhì)膜下表面上的非磁種層。
該非磁種層可以由選自由銅(Cu)、鋨(Os)、釕(Ru)、銠(Rh)、鉭(Ta)、 4白(Pt)、鋯(Zr)、鈥(Ti)、鈀(Pd)、硼(B)、鋅(Zn)和銀(Ag)組成的組中的一種 物質(zhì)形成。
該非磁種層的厚度可以為30到300 A。
該半導(dǎo)體器件還可以包括磁性物質(zhì)膜上表面上的非磁帽層 (non-magnetic capping layer )。
該非磁帽層可以由選自由銅(Cu)、鋨(Os)、釕(Ru)、銠(Rh)、鉭(Ta)、 柏(Pt)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、把(Pd)、硼(B)、鋅(Zn)和銀(Ag)組成的組中的一種 物質(zhì)形成。
該非磁帽層的厚度可以為30到300 A。


通過(guò)參照相關(guān)附圖對(duì)其中具體示范性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的上述和其 他特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明確。
圖1是磁化-時(shí)間(M-T)的圖線，表示了不同磁場(chǎng)下具有固定阻尼常數(shù) 的磁性物質(zhì)樣本的磁化特性；
圖2A到圖2C是M-T圖線，表示了不同阻尼常數(shù)和磁場(chǎng)下磁性物質(zhì)樣 本的磁化特性；
圖3是剖面圖，示出根據(jù)本發(fā)明的使用磁疇壁移動(dòng)的半導(dǎo)體器件。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照相關(guān)附圖對(duì)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的采用磁疇壁移動(dòng)的半導(dǎo)體器 件進(jìn)行詳細(xì)描述。
首先描述本發(fā)明的理-淪原理。
為了研究磁場(chǎng)內(nèi)磁疇壁的移動(dòng)的現(xiàn)象，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，可 以找到影響磁疇壁移動(dòng)的原因和提高磁疇壁移動(dòng)速度的方法。
首先，通過(guò)施加彼此不同的磁場(chǎng)，檢查五個(gè)磁性物質(zhì)樣本的磁疇壁移動(dòng) 現(xiàn)象，該五個(gè)磁樣本具有相同的阻尼常數(shù)并且在彼此不同的方向上具有兩個(gè)
磁疇。圖l給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，每一個(gè)磁性物質(zhì)樣本為條形，并包括縱 向彼此相反的方向磁化的磁疇，而且該樣本的阻尼常數(shù)為0.01。磁場(chǎng)沿條的
一個(gè)縱向方向施加到樣本上，其幅度為5、 10、 15、 20和40奧斯特(Oe)。 參照?qǐng)D1，隨著》茲場(chǎng)幅度從50e增加到150e，單位體積石茲矩值轉(zhuǎn)化(石茲 化值M)到-l.O的速度逐漸增加。這表明隨著》茲場(chǎng)幅度增加，磁化由于磁疇 壁移動(dòng)速度的增加而快速進(jìn)行。但是，當(dāng)磁場(chǎng)幅度增加到20Oe或更大時(shí)， 磁化曲線嚴(yán)重振蕩而且收斂到-1.0的磁化數(shù)值M的時(shí)間約為20ns。當(dāng)磁場(chǎng) 的幅度增加到40Oe時(shí)，收斂到-1.0的磁化數(shù)值M的時(shí)間遠(yuǎn)大于20ns。磁場(chǎng) 幅度大于20Oe時(shí)收斂到-1.0的磁化數(shù)值M的時(shí)間變慢的原因是磁疇壁的振 蕩。即，當(dāng)磁場(chǎng)幅度增加到大于某特殊值時(shí)，磁疇壁移動(dòng)速度由于磁疇壁振 蕩的影響而變慢。
為了確定磁疇壁移動(dòng)變慢的原因，通過(guò)施加磁場(chǎng)對(duì)多個(gè)具有不同阻尼常 數(shù)的磁性物質(zhì)樣本進(jìn)行了檢查。圖2A至圖2C給出了結(jié)果。磁性物質(zhì)樣本
的基本形狀和磁場(chǎng)方向與圖1中描述的磁性物質(zhì)樣本相同，而且每一磁性物 質(zhì)樣本的阻尼常數(shù)和磁場(chǎng)的施加情況在各曲線中給出。
參照?qǐng)D2A，當(dāng)150e的磁場(chǎng)施加到磁性物質(zhì)樣本時(shí)，發(fā)現(xiàn)阻尼常數(shù)為 0.015的樣本與阻尼常數(shù)為0.01相比表現(xiàn)出稍高的磁化速度。在磁移動(dòng)值M 接近-0.1的區(qū)域A,阻尼常數(shù)為0.015的樣本與阻尼常數(shù)為0.01相比表現(xiàn)出 更少磁化曲線的振蕩。
參照?qǐng)D2B,當(dāng)20Oe的磁場(chǎng)施加到-磁性物質(zhì)樣本時(shí)，阻尼常數(shù)為0.01 的樣本的磁化速度為20ns，但是阻尼常數(shù)為0.015的樣本的磁化速度為8ns。 即，當(dāng)阻尼常數(shù)由0.01增長(zhǎng)到0.015時(shí)，結(jié)果是磁化曲線的振蕩明顯減小， 而^f茲疇壁移動(dòng)的速度明顯增加。
參照?qǐng)D2C，當(dāng)40Oe的磁場(chǎng)施加到^茲性物質(zhì)樣本時(shí)，隨著阻尼常數(shù)由 0.015增長(zhǎng)到0.02，磁化速度逐漸增加，但是磁化曲線的振蕩幾乎保持不變。 然而，當(dāng)樣本的阻尼常數(shù)為0.03時(shí)，雖然施加40Oe的磁場(chǎng)，但是可以看到 磁化曲線幾乎不振蕩，而且磁化速度增加到與圖2A中的磁化曲線相近的水 平。在該情形，磁疇壁的振蕩幾乎不發(fā)生。
從圖1和圖2A到圖2C的實(shí)驗(yàn)中可得出，磁疇壁的移動(dòng)受磁疇壁的振 蕩作用影響，而且磁疇壁的振蕩作用可通過(guò)增加磁性物質(zhì)的阻尼常數(shù)消除。
這里，阻尼常數(shù)為與施加到磁性物質(zhì)的能量分布程度有關(guān)的常數(shù)，而且
其在如下Landau-Lifshitz-Gilbert等式(等式1 )中表示為a 。<formula>formula see original document page 8</formula> [等式1]
在等式1中，M表示石茲化，其為單位體積的磁矩，Y表示回轉(zhuǎn)磁比率 (gyromagnetic ratio )， Heff表示施力卩到樣本上的有效磁場(chǎng)，而Ms表示飽和磁 4匕(saturation magnetization )。
如在上述實(shí)驗(yàn)中證明的，通過(guò)從施加到樣本上的磁場(chǎng)消散能量，等式1 中阻尼常數(shù)oc的增加導(dǎo)致磁疇壁磁共振的減小。即隨著阻尼常數(shù)a的增加， 磁疇壁振蕩減小，進(jìn)而增加磁化速度。
因此，在本發(fā)明的實(shí)施例中，對(duì)于利用磁疇壁移動(dòng)的半導(dǎo)體器件，通過(guò) 采用阻尼常數(shù)為0.015并且更具體地范圍是0.015到0.1的磁性物質(zhì)膜來(lái)減小 磁疇壁振蕩。這樣，磁疇壁移動(dòng)可以穩(wěn)定地高速移動(dòng)。因此，本發(fā)明實(shí)施例 可以提供利用磁疇壁移動(dòng)大大提高工作速度的半導(dǎo)體器件。利用磁疇壁移動(dòng) 的半導(dǎo)體器件可以是如HDD的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件、如RAM的存儲(chǔ)器件或邏輯 裝置。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了如下三種增加磁性物質(zhì)膜的阻尼常數(shù)的方法。 第一種，通過(guò)使用在該磁性物質(zhì)中包含有非磁性物質(zhì)的合金可以使該磁 性物質(zhì)膜的阻尼常數(shù)增加到0.015或更高。該石茲性物質(zhì)可以是選自由鎳-鐵 (Ni-Fe)、鈷(Co)、鈷-鎳(Co-Ni)、鈷-鐵(Co-Ni)和鈷-鐵-鎳(Co-Fe-Ni)組成的 組中的至少一種，而該非磁性物質(zhì)可以是選自由鋨(Os)、鈮(Nb)、釕(Ru)、 銠(Rh)、鉭(Ta)、柏(Pt)、鋯(Zr)、鈦(Ti )、釔(Pd)、硼(B)、鋅(Zn)和銀(Ag) 組成的組中的至少一種。該非磁性物質(zhì)的原子含量可以是0.5%到10原子％ 當(dāng)在石茲性物質(zhì)Ni8()Fe2()(Py)中#1值增加時(shí)， 一磁性物質(zhì)的阻尼常數(shù)cc增加。 第二種，通過(guò)在^f茲性物質(zhì)膜的上下表面中至少一個(gè)上面加入非磁性物質(zhì) 膜可以使該磁性物質(zhì)膜的阻尼常數(shù)增加到0.015或更高。此時(shí)，包含在磁性 物質(zhì)膜下表面上的非石茲性物質(zhì)膜可以稱為非^茲種層(non-magnetic seed layer),而包含在磁性物質(zhì)膜上表面上的非磁性物質(zhì)膜可以稱為非磁帽層 (non-magnetic capping layer)。該非磁種層或非磁帽層可以由選自由銅(Cu )、 鋨(Os)、釕(Ru)、銠(Rh)、鉭(Ta)、柏(Pt)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、 4巴(Pd)、硼(B)、 鋅(Zn)和銀(Ag)組成的組中的一種物質(zhì)形成，厚度為30到300 A。
在N-Py-N結(jié)構(gòu)中，其中非磁種層和非磁帽層都包含在Py形成的磁性物 質(zhì)膜上，當(dāng)增加非磁性物質(zhì)層(非磁種層或非磁帽層)時(shí)，該磁性物質(zhì)膜的 阻尼常數(shù)oc增加。這里，N是由鉑(Pt)、 4巴(Pd)、鉭(Ta)或銅(Cu)形成的非 ^t性物質(zhì)膜。即，包括在該-磁性物質(zhì)膜上下表面上的非^磁性物質(zhì)膜導(dǎo)致了阻 尼常數(shù)cc的增加。
第三種，通過(guò)使用固有阻尼常數(shù)大于0.015的磁性物質(zhì)膜，例如，鈷(Co )、 鈷-鐵(Co-Ni)、鈷-鎳(Co-Ni)和鈷-鐵-鎳(Co-Fe-Ni),可以增加磁疇壁移動(dòng)的速 度以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目標(biāo)。在這種情況下，因磁疇壁移動(dòng)速度的提高而獲得半 導(dǎo)體器件工作速度的提高，無(wú)需在磁性物質(zhì)膜中包含非磁性物質(zhì)或是在磁性
物質(zhì)的上下表面上附加地包括非磁性物質(zhì)膜而可以得到。但是，阻尼常數(shù)a 可以通過(guò)附加地使用第一種或第二種方法繼續(xù)增加，并且可以最大化本發(fā)明 實(shí)施例的效果。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的使用磁疇壁移動(dòng)的半導(dǎo)體器件的剖面圖。參考 數(shù)字10、 20和30分別表示非磁種層、磁性物質(zhì)膜和非磁帽層。這里，該磁 性物質(zhì)膜20具有0.015到0.1的阻尼常數(shù)，而且可以包含非磁性物質(zhì)，如鋨 (Os)、鈮(Nb)、釕(Ru)、銠(Rh)、鉭(Ta)、柏(Pt)、鋯(Zr)、鈥(Ti)、鈀(Pd)、 硼(B)、鋅(Zn)或銀(Ag)。該非磁種層IO和非磁帽層30為可選的構(gòu)成元素。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)使用阻尼常數(shù)至少為0.015的磁性物質(zhì)作 為應(yīng)用磁疇壁移動(dòng)原理的半導(dǎo)體器件的磁性物質(zhì)膜可以使磁疇壁移動(dòng)速度 明顯增加。
因此，本發(fā)明有利于應(yīng)用磁疇壁移動(dòng)的半導(dǎo)體器件，如HDD、像非易 失性RAM的存儲(chǔ)器件或邏輯裝置的快速穩(wěn)定的磁疇壁移動(dòng)，進(jìn)而大大提高 了該半導(dǎo)體器件的工作速度。
雖然參照這里的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明給出了特定的展示和描述，但是本領(lǐng)域 中的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，可以在不背離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神 和范圍的情況下作出各種形式和細(xì)節(jié)上的改變。
本發(fā)明提出的具有高阻尼常數(shù)的磁性物質(zhì)膜，可以用于各種半導(dǎo)體器 件，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件如HD、存儲(chǔ)器件如RAM或邏輯裝置，而且某些情 況下，這種磁性物質(zhì)膜和加入到該磁性物質(zhì)膜中的組成元素可以與在此描述 的不同。因此，本發(fā)明的范圍不限于對(duì)本發(fā)明的具體描述，但是受權(quán)利要求 的限制。
權(quán)利要求
1、一種半導(dǎo)體器件，其包括內(nèi)部磁疇壁移動(dòng)的磁性物質(zhì)膜，其中該磁性物質(zhì)膜具有0.015到0.1的阻尼常數(shù)。
2、 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該磁性物質(zhì)膜是在磁性物質(zhì) 中包括非磁性物質(zhì)的的合金。
3、 如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中該非磁性物質(zhì)是選自由Os、 Nb、 Ru、 Rh、 Ta、 Pt、 Zr、 Ti、 Pd、 B、 Zn或Ag組成的組中的至少一種。
4、 如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中該非磁性物質(zhì)的原子含量是 0.5%到10%。
5、 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該磁性物質(zhì)膜是合金，其中 非磁性物質(zhì)包括在選自由Ni-Fe、 Co、 Co-Ni 、 Co-Fe和Co-Fe-Ni組成的組 中的至少 一種磁性物質(zhì)中。
6、 如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中該Ni-Fe是Ni8()Fe20.
7、 如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中該非磁性物質(zhì)是選自由Os、 Nb、 Ru、 Rh、 Ta、 Pt、 Zr、 Ti、 Pd、 B、 Zn或Ag組成的組中的至少一種。
8、 如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其中該非磁性物質(zhì)的原子含量是 0.5%到10%。
9、 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該磁性物質(zhì)膜是選自于由Co、 CoFe 、 CoNi和CoFeNi組成的組中的一種。
10、 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，還包括該磁性物質(zhì)膜下表面上的 非磁種層。
11、 如權(quán)利要求IO所述的半導(dǎo)體器件，其中該非磁種層由選自由Cu、 Os、 Ru、 Rh、 Ta、 Pt、 Zr、 Ti、 Pd、 B、 Zn和Ag組成的組中的一種物質(zhì)形成。
12、 如權(quán)利要求IO所述的半導(dǎo)體器件，其中該非磁種層的厚度為30到 300 A。
13、 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，還包括該磁性物質(zhì)膜上表面上的 非磁帽層。
14、 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件，其中該非磁帽層由選自由Cu、 Os、 Ru、 Rh、 Ta、 Pt、 Zr、 Ti、 Pd、 B、 Zn和Ag組成的組中的一種物質(zhì)形成。
15、如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件'其中該非磁帽層的厚度為30至 300人。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種應(yīng)用磁疇壁移動(dòng)的半導(dǎo)體器件。該半導(dǎo)體器件包括內(nèi)部磁疇壁移動(dòng)的磁性物質(zhì)膜，其中該磁性物質(zhì)膜具有0.015到0.1的阻尼常數(shù)。
文檔編號(hào)G11C11/14GK101106170SQ200610171218
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者李成喆, 林志慶, 金恩植 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社