專利名稱：在數(shù)據(jù)層中具有控制成核位置的磁存儲(chǔ)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁存儲(chǔ)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
假定一個(gè)磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)(MRAM)器件的例子。器件包括磁隧道結(jié)的電阻交叉點(diǎn)陣列。每個(gè)磁隧道結(jié)位于字線和位線的交叉點(diǎn)處，并具有在任何給定時(shí)間表現(xiàn)為兩個(gè)穩(wěn)定取向中一個(gè)的磁化。這兩個(gè)穩(wěn)定取向，平行和反向平行，代表邏輯值‘0’和‘1’。
通過將寫電流提供到跨越選定磁隧道結(jié)的字線和位線進(jìn)行對(duì)“選定”磁隧道結(jié)的寫操作。寫電流產(chǎn)生兩個(gè)垂直的外部磁場。將磁隧道結(jié)設(shè)計(jì)得僅在存在兩個(gè)垂直磁場時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換(從平行到反向平行或反之亦然)。
“半選定”的磁隧道結(jié)僅沿著提供有寫電流的一個(gè)線(位線或字線)設(shè)置。由此，在寫操作期間，半選定的磁隧道結(jié)僅暴露到一個(gè)外部磁場。將磁隧道結(jié)設(shè)計(jì)得存在單個(gè)磁場時(shí)不進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
然而實(shí)際上，MRAM陣列中磁隧道結(jié)的轉(zhuǎn)換分布很大，標(biāo)稱類似的磁隧道結(jié)的轉(zhuǎn)換磁場很不均勻。一些半選定的磁隧道結(jié)僅存在單個(gè)外部磁場時(shí)轉(zhuǎn)換，一些選定的磁隧道結(jié)存在兩個(gè)垂直磁場時(shí)不轉(zhuǎn)換。
如果選定的磁隧道結(jié)的磁化取向不轉(zhuǎn)換，或者如果半選定的磁隧道結(jié)的磁化取向偶然轉(zhuǎn)換，那么發(fā)生寫錯(cuò)誤。在大的MRAM陣列中，許多寫錯(cuò)誤給錯(cuò)誤代碼校正增加了相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，磁存儲(chǔ)元件的鐵磁數(shù)據(jù)層由受控的成核位置(nucleation sites)形成。結(jié)合借助例子示出了本發(fā)明原理的附圖，從下面詳細(xì)的說明中，本發(fā)明的其它方案和優(yōu)點(diǎn)將變得很顯然。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的MRAM器件。
圖2示出了MRAM器件的磁存儲(chǔ)元件。
圖3示出了磁存儲(chǔ)元件的磁滯曲線。
圖4示出了MRAM器件中的數(shù)據(jù)層的一個(gè)陣列。
圖5a-5f示出了具有不同類型和布局的控制的成核位置的數(shù)據(jù)層。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制造MRAM器件的一個(gè)方法。
具體實(shí)施例方式
如為了示例的附圖所示，本發(fā)明體現(xiàn)在包括磁存儲(chǔ)元件的一個(gè)陣列的MRAM器件中。MRAM器件的數(shù)據(jù)層具有控制的成核位置?？刂频某珊宋恢酶纳屏舜糯鎯?chǔ)元件的轉(zhuǎn)換分布，增加了磁存儲(chǔ)元件寫操作的可靠性。
現(xiàn)在參考圖1，示出了包括存儲(chǔ)單元14的陣列12的MRAM器件10。存儲(chǔ)單元14以行和列排列，行沿x方向延伸，列沿y反向延伸。僅示出了較少數(shù)量的存儲(chǔ)單元14以簡化器件10的說明。實(shí)際上，可以使用任何尺寸的陣列。
字線16在存儲(chǔ)單元陣列12的x方向中延伸，位線18在存儲(chǔ)單元陣列12的y方向中延伸。陣列12的每一行可以有一個(gè)字線16和陣列12的每一列可以有一個(gè)位線18。每個(gè)存儲(chǔ)單元14位于字線16和位線18的交叉點(diǎn)。
MRAM器件10也包括對(duì)存儲(chǔ)單元14進(jìn)行讀和寫操作的讀/寫電路(未示出)。在讀操作期間，讀/寫電路讀出選定存儲(chǔ)單元的電阻狀態(tài)。在寫操作期間，讀/寫電路將寫電流提供到選定的字線和位線16和18。
每個(gè)存儲(chǔ)單元14包括至少一個(gè)磁存儲(chǔ)元件。磁存儲(chǔ)元件可以是磁隧道結(jié)、巨磁阻(GMR)器件、AMR器件、或其中轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)層的任何其它磁存儲(chǔ)器件。這些器件包括由間隔層隔開的鐵磁數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)層。如果磁存儲(chǔ)元件為GMR器件，那么間隔層由如銅的導(dǎo)電材料制成。如果磁存儲(chǔ)元件為磁隧道結(jié)，那么間隔層由如Al2O3的材料制成的絕緣隧道阻擋層。
再參考圖2，示出了示例性的磁存儲(chǔ)元件50。示例性的磁存儲(chǔ)元件50為磁隧道結(jié)，包括針扎層52、數(shù)據(jù)層54以及針扎層52和數(shù)據(jù)層54之間的絕緣隧道阻擋層56。針扎層52具有在針扎層52的平面中取向但固定的磁化(由向量M1表示)，以便存在關(guān)注范圍內(nèi)的施加磁場時(shí)不旋轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)層54具有沒有針扎的磁化(由向量M2表示)。然而，磁化可以在數(shù)據(jù)層54的平面中沿軸(“易”磁化軸)的兩個(gè)方向中一個(gè)中取向(一個(gè)方向用實(shí)線顯示，另一個(gè)方向用虛線顯示)。如果針扎層52和數(shù)據(jù)層54的磁化向量(M1和M2)的指向?yàn)橄嗤姆较?，那么磁性隧道結(jié)的取向稱為“平行”。如果針扎層52和數(shù)據(jù)層54的磁化向量(M1和M2)的指向?yàn)橄喾吹姆较颍敲创判运淼澜Y(jié)的取向稱為“反向平行”。
絕緣隧道阻擋層56允許在數(shù)據(jù)層54和針扎層52之間發(fā)生量子機(jī)械遂道效應(yīng)。這種遂道效應(yīng)現(xiàn)象為電子旋轉(zhuǎn)相關(guān)，使磁性隧道結(jié)的電阻為針扎層52和數(shù)據(jù)層54的磁化向量(M1和M2)的相對(duì)取向的函數(shù)。由此，可以通過讀出磁性隧道結(jié)的電阻狀態(tài)讀出磁化取向和存儲(chǔ)的邏輯值。
寫電流在跨越選定存儲(chǔ)單元的字線和位線16和18周圍產(chǎn)生磁場。當(dāng)同時(shí)存在時(shí)，這兩個(gè)磁場超過了數(shù)據(jù)層的矯頑磁力，并使數(shù)據(jù)層54的磁化向量(M1)表現(xiàn)為需要的取向。磁性隧道結(jié)的磁滯曲線顯示在圖3中。矯頑磁力用Hc表示。當(dāng)同時(shí)存在的磁場超過的矯頑磁力時(shí)，可以轉(zhuǎn)換磁性隧道結(jié)。
現(xiàn)在參考圖4，示出了MRAM器件10的陣列12中的多個(gè)數(shù)據(jù)層54。數(shù)據(jù)層54具有控制的成核位置58。成核位置58為磁化開始反向的區(qū)域。相對(duì)于數(shù)據(jù)層54的相鄰區(qū)域60，它們具有較低的轉(zhuǎn)換閾值?？刂瞥珊宋恢?8使它們?cè)陉嚵?2的所有存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)層54中具有相同的位置。這些位置優(yōu)選沿?cái)?shù)據(jù)層54的各邊緣，更優(yōu)選靠近各角。
成核，即開始轉(zhuǎn)換反向，發(fā)生在成核位置58。由于成核位置58沒有被數(shù)據(jù)層54的相鄰區(qū)域60完全環(huán)繞，因此成核位置58和數(shù)據(jù)層54的相鄰區(qū)域60之間的磁交換相互作用減少，僅發(fā)生在相鄰區(qū)域60和成核位置58的邊界。由此，即使相鄰區(qū)域60含有缺陷，轉(zhuǎn)換反向總是開始于成核位置58。
如果沿?cái)?shù)據(jù)層54上的邊緣形成成核位置58，那么減少了成核的隨機(jī)性。因此，器件10中存儲(chǔ)單元14的轉(zhuǎn)換分布(矯頑磁力分布)更均勻。
成核位置58可以從數(shù)據(jù)層54突出或凹陷(divet)在數(shù)據(jù)層54中。凹坑或突起的形狀可以是圓形、橢圓形、矩形或任何其它形狀。
成核位置58的尺寸可以在0.25W和0.75W之間，其中W為數(shù)據(jù)層54的寬度。然而，成核位置58的尺寸不限于該范圍。成核位置58的尺寸遠(yuǎn)小于W，例如在0.05W到0.1W的范圍內(nèi)。
成核位置58可以和數(shù)據(jù)層54一樣厚，或者更厚。由此突起可以與數(shù)據(jù)層54一樣厚，且凹坑可以延伸穿過數(shù)據(jù)層54。
橫越陣列12的成核位置58的尺寸和形狀相同。陣列12上相同的尺寸和形狀提高了成核能量的一致性。
數(shù)據(jù)層54不限于圖4所示的成核位置58。成核位置的其它類型和布局顯示在圖5a-5f中。圖5a，5b，5c，5f示出了代替凹坑成核位置58可以為突起，圖5b-5f示出了數(shù)據(jù)層54具有多于一個(gè)的成核位置58；圖5b，5e和5f示出了在不同的邊緣形成兩個(gè)成核位置58。
在圖5b-5e中，顯示出在數(shù)據(jù)層54上，成核位置58具有對(duì)稱的布局。然而，它們不限于此。例如，圖5f示出了成核位置58具有不對(duì)稱的布局。不對(duì)稱的布局用于補(bǔ)償轉(zhuǎn)換磁場中的偏移。例如，對(duì)于一個(gè)方向，一個(gè)位置可以較高的轉(zhuǎn)換磁場成核，對(duì)于另一方向，較低的轉(zhuǎn)換磁場就可以。由此由于靜磁偏移被抵消。
現(xiàn)在參考圖6，示出了MRAM器件的第一級(jí)的制備。結(jié)合磁性隧道結(jié)介紹制備。
讀/寫電路和其它電路形成在硅襯底中(110)。位線形成在襯底上(112)。淀積磁存儲(chǔ)元件材料的疊層(114)。磁隧道結(jié)的疊層包括針扎的鐵磁層材料、絕緣隧道阻擋材料以及數(shù)據(jù)層材料?？梢栽卺樤鷮硬牧现盎蛑蟮矸e數(shù)據(jù)層材料。
形成位線(116)。使用平版印刷(例如，光刻照相，電子束平版印刷)定義疊層上的圖形，通過例如離子銑削、化學(xué)腐蝕、干腐蝕等的工藝形成位線。圖形包括定義成核位置。由此形成位線期間形成成核位置(例如，突起，凹坑)。
形成位線期間使用硬掩模定義位線(包括成核位置)。硬掩模的優(yōu)點(diǎn)在于它減少了邊緣粗糙度，并使位線形成得更靠近。
每個(gè)位線可以研磨到它的針扎層。由此，成核位置也可以形成在每個(gè)針扎層上，以及每個(gè)數(shù)據(jù)層上。
用隔離介質(zhì)填充位線之間的間隙(118)。然后淀積位線(120)。
額外的級(jí)可以添加到MRAM器件。如二氧化硅的絕緣材料可以淀積在最后一級(jí)上，通過重復(fù)步驟112-120制備新的一級(jí)。
MRAM器件可以用在多種應(yīng)用中。例如，MRAM器件可以在如固態(tài)硬盤驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字照相機(jī)等的裝置中進(jìn)行長期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。它可以用在嵌入式應(yīng)用中，例如極快的處理器和網(wǎng)絡(luò)裝置。
本發(fā)明不限于以上介紹和示出的具體實(shí)施例。相反，根據(jù)下面的權(quán)利要求解釋本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種制備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件(10)的方法(114～116)，方法包括形成鐵磁數(shù)據(jù)層(54)的陣列(12)，每層(54)具有第一和第二相鄰區(qū)(58，60)，第一區(qū)(58)具有的轉(zhuǎn)換閾值低于第二區(qū)(60)的轉(zhuǎn)換閾值，第一區(qū)(58)基本上小于第二區(qū)(60)，第一區(qū)(58)位于陣列上的數(shù)據(jù)層上的相同位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一區(qū)(58)位于數(shù)據(jù)層(54)的各角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一區(qū)(58)位于數(shù)據(jù)層(54)的各邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一區(qū)(58)為數(shù)據(jù)層中的凹坑或數(shù)據(jù)層(54)上的突起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中每個(gè)數(shù)據(jù)層(54)具有多于一個(gè)的第一區(qū)(58)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中每個(gè)數(shù)據(jù)層(54)具有第一區(qū)(58)的對(duì)稱布局。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中每個(gè)數(shù)據(jù)層(54)具有第一區(qū)(58)的不對(duì)稱布局。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在陣列(12)上第一區(qū)(58)具有相同的尺寸和形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在位線形成期間形成第一區(qū)(58)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括形成額外的磁性隧道結(jié)層(52，56)。
全文摘要
磁存儲(chǔ)元件(50)的鐵磁數(shù)據(jù)層(54)形成有控制的成核位置(58)。磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)(“MRAM”)器件包括這種磁存儲(chǔ)元件(50)的陣列(12)。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1469384SQ0312313
公開日2004年1月21日 申請(qǐng)日期2003年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月17日
發(fā)明者J·H·尼克爾, M·巴塔查里亞, J H 尼克爾, 槔镅 申請(qǐng)人:惠普公司