CN100336239C - 修改磁性隧道结转换场特性的方法 - Google Patents

Abstract

通过形成钉扎层和传感层(206和210)；并重新设置至少一层的磁化向量(220)，来制造磁性隧道结。

Description

修改磁性隧道结转换场特性的方法

                      技术领域

本发明涉及信息存储设备，更具体地说，是涉及包含磁性隧道结的存储设备。

                      背景技术

典型的磁随机存取存储器(“MRAM”)包含了一个存储单元阵列，沿着存储单元的行延伸的字线，沿着存储单元的列延伸的位线。每个存储单元位于字线和位线的交点上。

MRAM的存储单元可基于磁性隧道结(“MTJs”)，例如与自旋相关的隧道(“SDT”)结。典型的SDT结包含一个钉扎层、一个传感层以及夹在中间的绝缘隧道阻挡层。钉扎层有一个固定的磁化向量，可以在关注范围内的外加磁场存在时防止发生旋转。传感层有一个磁化向量，可以有以下两个取向：与钉扎层磁化向量相同，或与钉扎层磁化向量相反。如果钉扎层与感应层磁化向量方向相同，SDT结的取向就称做“平行”；如果钉扎层与感应层磁化向量方向相反，SDT结的取向就称做“反向平行”。

这两种稳定的取向，平行和反向平行，代表逻辑值“0”和“1”。该磁化取向又影响SDT结的电阻。SDT结的电阻在磁化取向为平行时为第一值，在磁化取向为反向平行时为第二值。因此，通过检测SDT结的电阻状态，可读出SDT结的磁化取向以及逻辑值。

通过将磁性存储单元层堆积成堆栈，然后将堆栈组合成存储部件，来制备存储单元阵列。该存储部件的理想尺寸、形状、厚度是统一的。

然而事实上，厚度、尺寸及形状并不统一。尺寸、形状和层厚度的变化，将导致MRAM阵列中存储部件的磁属性变化。特别是，这些参数的变化可以出现在晶片与晶片之间，但是它们也可以出现在模与模之间，阵列与阵列之间。这些变化会降低数据写的完整性，而且可能产生不希望的副作用：将未选定的位删除。当存储部件尺寸减小时，这些变化和不希望的影响更为显著，尤其是在对于传感层矫顽(磁)力的调节时。

然而，减小存储部件的尺寸是存储器制造厂商的目标，减小尺寸可增加存储密度，进而降低存储器成本。减小尺寸也能降低功率消耗，这是移动产品的优点。

                      发明内容

根据本发明的一方面，通过形成钉扎层和传感层，并重新设置至少一层的磁化向量，来制备磁性隧道结。通过结合用实例来表示发明原理的附图的详述，将使本发明的其它方面及其优点变得更加清楚。

                      附图简述

图1是包含了一种SDT结阵列的MRAM设备图释。

图2是一种SDT结的基本结构图释。

图3是一种制造SDT结的方法图释。

图4a，4b，4c是一种示例的SDT结传感层磁化向量图释。

图5a，5b，5c是不同的SDT结转换曲线图释。

图6aa，6ab，6ac，6b和6c是其它示例SDT结传感层磁化向量的图释。

                    具体实施方式

现在参照图1。该图表示包含SDT结14的电阻性交叉点阵列12的MRAM设备10。将SDT结14排列成行和列，其行沿着x方向延伸，而列沿着y方向延伸。为了简化对MRAM设备10的说明，这里只展示了比较少量的SDT结14，实际上任何尺寸的阵列都可能使用。

起字线16作用的轨迹沿着阵列12一侧的平面的x方向延伸；起位线18作用的轨迹沿着阵列12的相邻一侧的平面的y方向延伸。阵列12中每一行有一条字线16，阵列12中每一列有一条位线18。每个SDT结14位于字线16和位线18的交点上。MRAM设备10包含一种读/写电路(未展示)，在读取操作时，用于检测所选SDT结14的电阻状态；在写操作中，用于向所选字线16和位线18提供写电流。

参照图2。该图更详细地展示了SDT结14。该SDT结14包含了一个钉扎铁磁(FM)层52，在钉扎铁磁层52上的一个绝缘隧道阻挡层56，和在该隧道阻挡层56上的一个传感FM层54。钉扎FM层52有一种磁化向量M0，其取向在钉扎层52的平面内。钉扎FM层52可以由铁磁材料制成，例如NiFe，氧化铁(Fe₃O₄)，氧化铬(CrO₂)，钴，或者钴合金(例如CoFe，NiFeCo)。

钉扎层52的磁化向量(M0)可由包含第一种子层46、第二种子层48和AF钉扎层50的结构所钉扎。第一种子层46允许第二层48以(111)晶体结构取向生长，第二种子层48为AF钉扎层50建立(111)晶体结构取向。AF钉扎层50提供一种巨大的转换场，该转换场使钉扎铁磁层52的磁化向量M0保持在一个方向，甚至在所关注范围内的外加磁场存在时也是如此。这就使钉扎铁磁层52成为一个不能轻易转动的“硬”铁磁层。第一种子层46可以由钛(Ti)或钽(Ta)制成；第二种子层48可以由镍-铁(NiFe)或NiFeCo制成。其它的种子层材料包括Ru，TaN，TiN，Al₂O₃，和SiO₂。AF钉扎层50可以由合成铁磁材料(例如CoFe/Ru/CoFe多层)或反铁磁材料(例如IrMn，FeMn，PtMn)制成。

传感层54有一个未钉扎的磁化向量M1。相反，在关注范围内的外加磁场存在时，传感层磁化向量M1可以在两个方向中任意取一个取向。这就使传感层54成为一个“软”铁磁层。当传感层磁化向量M1的取向与钉扎层的磁化向量M0相同时，SDT结14的磁化取向为平行；当传感层磁化向量M1的取向与钉扎层的磁化向量M0相反时，SDT结14的磁化取向为反向平行。传感铁磁层材料包括，但不限于NiFe，NiFeCo，CoFe。

绝缘隧道阻挡层56允许量子机械隧道现象(quantum mechanicaltunneling)在钉扎层52与传感层54之间发生。这种隧道现象是依赖电子自旋的，它使得SDT结14的电阻成为钉扎层52、传感层54的相关磁化取向的函数。例如：如果SDT结14的磁化取向是平行，SDT结14的阻值为第一值(R)，如果磁化取向是反向平行，SDT结14的阻值为第二值(R+ΔR)。绝缘隧道阻挡层56可以由氧化铝(Al₂O₃)，二氧化硅(SiO₂)，氧化钽(Ta₂O₅)或氮化硅(SiN₄)制成。其它绝缘和某些半导体材料也可以用于绝缘隧道阻挡层56。

通过对连结SDT结14的字线16和位线18提供电流(1y，1x)，可将磁场(Hx，Hy)加到SDT结14。若字线16和位线18是直交的，外加的磁场(Hx，Hy)也将是直交的。

Neel“桔皮(orange-peel)”耦合(H_N)，也称作FM耦合，被认为是由于钉扎层52和传感层54之间接触面的粗糙造成的。该FM耦合的大小是：

$H_N=\frac{{\mathrm{\π}}^2{h}^2}{\sqrt{2}\mathrm{\λ}{t}_F}{M}_s{e}^{-2\mathrm{\π}\sqrt{2}{t}_S/\mathrm{\λ}}$

其中h和λ表示接触面粗糙的振幅和波长，M_s表示传感层54的饱和磁化。t_F，t_S分别表示传感层54和绝缘隧道阻挡层56的厚度。

静磁耦合(H_d)，也称作反铁磁(AF)耦合，被认为是由钉扎层52和第二种子层48边缘上的未补偿磁极造成的。反铁磁(AF)耦合的平均值为：

$H_M=A\frac{W^{\mathrm{\α}}}{L}$

其中W、L分别表示结的宽和长，A是一个常数，α与SDT结14的大小有关，当钉扎层52与传感层54之间的距离远远大于它们的宽度时，α值接近1；当钉扎层52与传感层54之间的距离远远小于它们的宽度时，α值接近0。

FM耦合在横跨SDT结14的区域时保持稳定，且与SDT结14的尺寸无关。相反，AF耦合在横跨SDT结14的区域和在SDT结14的体积之内时，都是高度不一致的。AF耦合还与结的尺寸和形状有关：在结的大小接近亚微米时，AF耦合会明显变强。

FM耦合趋向于将传感层54的磁化向量M1和钉扎层52的磁化向量M0对准在平行取向。AF耦合趋向于使传感层54的磁化向量M1远离钉扎层52的磁化向量M0。因此，在制造过程中，传感层磁化向量M1的取向，纯粹是由FM耦合和AF耦合决定的。晶体的各向异性和传感层54的磁致伸缩，也会影响传感层的磁化向量M1的取向和旋转。

参照图3。该图展示了制造SDT结14的一种方法。将字线形成在晶片上(200)，第一、第二种子层放置在字线上(202)。AF钉扎层放置在第二种子层上(204)，钉扎FM层放置在AF钉扎层上(206)。为了建立一个单轴的磁化各向异性，一般在所外加磁场存在的情况下放置FM层。

绝缘隧道阻挡层放置在钉扎FM层的顶上(208)。任选的分界层可夹住绝缘隧道阻挡层。

传感FM层放置在绝缘隧道阻挡层的顶上(210)，将这些层组合成SDT结的阵列(212)，在SDT结上形成位线(214)。传感层54的难轴(hard axes)、易轴(easy axes)分别用HA、EA表示。在制造的这一阶段，将传感层的磁化向量M1与易轴EA对准，而易轴EA与传感层54的x轴对准(参照图4b)。传感层54的磁化向量M1的角度θ₁＝0度。并且，钉扎层的磁化向量M0与传感层的磁化向量M1的角度(θ₀和θ₁)不必须相等。特别是在对位进行组合时，通过将其暴露于较高温度，可能会改变钉扎层52的磁化。

钉扎FM层在这一点上是经过退火的(框216)。钉扎FM层被加热超过其阻塞温度(blocking temperature，T_B)时，可通过在一段时间外加磁场，来设置钉扎层的磁化向量M0相对于钉扎层52的x轴的理想角度(θ₀)(参照图4a)。例如：通过在平行于磁化向量M0的理想角度θ₀的方向外加一个2000奥斯特(Oersteds)的强大磁场，且将SDT结加热到180℃-300℃持续15分钟到几小时，来设置钉扎层52的磁化向量角度(θ₀)，具体时间、温度由所用材料决定。然后在磁场存在时冷却该SDT结，将钉扎层磁化固定在理想的角度(θ₀)。在AF层和钉扎层之间的磁性转换耦合保持了钉扎的磁化向量(M0)。

对SDT结进行测试，以判定AF耦合比FM耦合强还是弱(218)。测量SDT结的转换特性可以达到这种效果。材料缺陷以及尺寸、形状的变化可能使不同SDT结拥有不同的转换曲线。我们可以通过测试很多结，来获得其退火后处于适当磁化向量角度(θ₀和θ₁)的统计平均值。

可以只改变传感层的磁化向量角度，也可以只改变钉扎层磁化向量角度，或者传感层与钉扎层磁化向量角度同时改变(220)。传感层的磁化角度只能按以下方法改变：将传感层加热超过易轴发生旋转的阈值温度(但要低于钉扎层的阻塞温度)，并加上一个与易轴成理想角度的磁场。重新退火并不会改变钉扎FM层的磁化角度，但是重新设置了传感层的易轴，使之沿着外加场方向。例如：通过将SDT结在180℃-250℃经过15-30分钟的退火，同时加入一个外部的1000奥斯特(Oersteds)的磁场，来改变NiFe的传感FM层的磁化角度。实际中的温度、持续时间和磁场由材料和层结构来决定。结果是传感层的磁化角度(θ₁)改变为一个新的角度，正如图4c所示。

钉扎层的磁化向量角度(θ₀)只能按以下方法改变：在不低于钉扎层材料的阻塞温度下将SDT结进行退火，这个温度根据材料不同通常在200℃-280℃之间。在退火的加热和冷却过程中，将SDT结暴露于一个设置磁化向量方向的磁场中。传感层的磁化向量也会被设置为与钉扎层的磁化向量方向相同。因此，为了恢复传感层的磁化向量，此后还要进行一次低温退火。

参照图5a，该图在x，y坐标系里展示了SDT结的第一、二、三对转换曲线：110a与110b，112a与112b，114a与114b。在这个特殊的例子里，由于数据采集于大型设备，所以AF耦合比FM耦合小。如果钉扎层和传感层的磁化向量(M0和M1)都沿着x轴，即传感层和钉扎层的磁化向量(M0和M1)之间角度为0度或180度时(参照图6aa)，第一对转换曲线110a和110b能够在退火之前得到。

为了从低电阻状态改变为高电阻状态，需向该结加上一个+H_x和+H_y(或-H_y)的组合场。该+H_y或-H_y场使传感层磁化向量(M1)远离它的易轴EA，但是来自钉扎层的FM耦合场会尽力将传感层磁化向量(M1)拉回，使之与钉扎层磁化向量(M0)对准，这样向量(M0与M1)之间的角度分离只能逐渐变化。由于传感层磁化向量(M1)与+H_x场之间的低转矩角度，SDT结改变状态需要一个更大的+H_x场(正如曲线110b所示)。另一方面，要从高电阻状态变为低电阻状态，需通过FM耦合场辅助-H_x场，这样只需要较小的-H_x场(正如曲线110a所示)。因此，写逻辑“1”比写逻辑“0”需要一个更大的组合场(正如向量A、B、C、D的相对幅度所示)。

通过将SDT结重新退火，来降低FM耦合的影响，从而设置钉扎层磁化向量(M0)与x轴的角度(例如θ₀＝+20)(参照图6ab)。传感层磁化向量(M1)的取向没有改变。作为结果，当外加+H_y场时，传感层磁化向量(M1)被进一步推离钉扎磁化。结果是曲线112b的右上部分。而曲线112b的右下部分是-Hy场造成的，该-Hy场将传感层磁化向量M1推向钉扎层磁化向量M0。这样，FM耦合变得更强大，更抵制旋转。曲线112a的左侧部分没有如此多的改变。由于两个磁化向量基本上是反向平行的，所以FM耦合对传感层54旋转的影响较小。

转换曲线112a和112b的上半部分的对称性允许SDT结的工作。一个+H_y磁场可以与一个+H_x磁场组合使用以生成一个磁场向量A’，该磁场向量A’可以使该SDT结由逻辑“0”转变为逻辑“1”。同样，一个+H_y磁场可以与一个-H_x磁场组合使用来生成一个磁场向量B，该磁场向量B可以使该SDT结由逻辑“1”转变为逻辑“0”。由于这种对称性，向量A’与B大小几乎相同，且都小于向量A。因此，退火有助于减小写场的大小，从而降低了生成该写场所需的电流。

如果重新设置了一个负角度(例如θ₀＝-20度)，就会生成相似的曲线114(参照图6ac)。曲线114的下半部分对于y轴对称。SDT结在该转换曲线下半部工作。一个-H_y磁场可以与一个+H_x磁场组合以生成使SDT结由逻辑“0”转变为逻辑“1”的向量D’。同样，一个-H_x磁场可以与一个-H_y磁场组合以生成使SDT结由逻辑“1”转变为逻辑“0”的向量C。再有，由于通过将钉扎层在一个角度下进行退火得到的这种对称，所以向量D’和C大小几乎相同，且都小于向量D。

参照图5b，该图在x，y坐标系里展示了SDT结的第一、第二转换曲线210和212a/b/c/d。在这个特殊的例子里，结的尺寸为一微米或者更小。因此AF耦合场是显著的，而且传感层的矫顽(磁)力H_c也有显著的提升。因为将该结退火，以便使易轴EA和传感层磁化向量M1沿x轴对准，产生了转换曲线210。写逻辑“1”和“0”需要大的H_x、H_y磁场。组合的磁场H_x、H_y用向量E、F表示。

通过将SDT结重新退火可减少AF耦合的影响，从而使钉扎层和传感层磁化向量与x轴所成角度相同(例如，θ₀＝θ₁＝+20度)。将钉扎层磁化向量M0固定在一个角度，传感层磁化向量(M1)可以与钉扎层磁化向量(M0)基本平行或反向平行，正如图6b所示。FM耦合场和AF耦合场也沿着新易轴互相指向对方。转换曲线212有四个部分：212a，212b，212c，212d，分别对应x，y坐标系的一个象限。212a部分在第一象限，第一象限中有将传感层磁化向量(M1)推向x轴的+H_y场，使之与+H_x场更趋于对准。由于低转矩影响，这就使传感层磁化向量(M1)由平行到反向平行的转换过程对外加+H_x场更不敏感。在第四象限的212b部分，对应于当在SDT结外加-H_y和+H_x场时，传感层磁化向量(M1)由平行到反向平行的转换过程。在这里，-H_y场将传感层磁化向量(M1)进一步推离水平的x轴，因此，对于较强的-H_y场，该转矩角度更大，传感层磁化向量(M1)对+H_x磁场更敏感。

在x，y坐标系第三、第二象限的212c、212d部分也有相似结果。+H_y磁场将传感层磁化向量(M1)进一步推离x轴，-H_x磁场将传感层磁化向量由反向平行翻转为平行。因此，传感层磁化向量(M1)的转换对-H_x磁场很敏感。另一方面，-H_y磁场将传感层磁化向量(M1)推向x轴，-H_x磁场将传感层磁化向量(M1)由反向平行翻转为平行。因此，传感层磁化向量(M1)的转换对-H_x磁场不甚敏感。结果是在曲线212a/212c和212b/212d之间对于x、y座标原点有良好的对称性。向量E’、F’代表将SDT结由反向平行到平行(即：写逻辑“0”)，和由平行到反向平行(即：写逻辑“1”)的转换组合临界磁场。E’、F’向量的幅度比E、F向量小，因此SDT结的转换需要更低的写电流。

参照图5c，该图展示了在退火中设置负角度(例如θ₀＝θ₁＝-20度)时，转换曲线的四个部分214a，214b，214c，214d(也可参照图6c)。这四个部分214a，214b，214c，214d与图5b中的212a，212b，212c，212d似为镜像关系。

如果在晶片上制造SDT结，SDT结阵列的角度可同时变化。重新设置磁化向量角度减少了横跨晶片的结特性的变化，特别是对于拥有相同尺寸和形状的SDT结。因此在生产可达到更好的过程控制。

在重新退火中可以设置不同角度。这些角度将依赖于期望的转换特性。这种灵活性使生产厂家可以对生产的变化进行补偿。

而且，减小临界转换场了，并且更为变对称。改善转换场的对称性降低了控制电路的复杂度，并改善了半选择界限(half-selectmargin)。减小转换场可降低功率消耗，这对便携设备来说很重要。

重新设置磁化向量角度可以改善写性能，降低由于半选择(half-select)造成的错误率。因此MRAM设备可以更可靠地工作，产量更高，成本更低。

根据本发明的MRAM设备可以应用于许多领域。例如：它可以替代DRAM、SDRAM、闪存以及其它快速、短期的计算机存储器。它可以用于计算机的长期数据存储。这种设备相对驱动和其它传统的长期数据存储设备有很多优点(例如速度更快、体积更小)。根据本发明的MRAM设备可用于数码相机，作为数字图像的长期存储设备。

SDT结不限于正方或长方的几何图形。例如：SDT结可以是椭圆形。

MRAM不限于SDT结，其它种类的磁性隧道结，例如大磁阻(CMR)和巨磁阻(GMR)，也可以使用。

本发明甚至不限于包含电阻性交叉点阵列的MRAM设备。它可以应用于任何包含磁性存储单元的存储设备，这些磁性存储单元需要将其磁性取向固定于某个方向。

本发明不限于上述的特定实施方案，而根据下面的权利要求书实施本发明。

Claims (9)

1.一种用于制作磁性隧道结的方法，包括：

形成包含钉扎层和传感层的磁性隧道结；和

重新设置至少一个层的磁化向量，

其中对于传感层在关注的方向上施加磁场的同时，通过在传感层的易轴旋转的阈值温度之上加热该结，重新设置传感层磁化角度。

2.如权利要求1的方法，其中在对该结进行退火的同时，通过在所关注的方向上施加磁场，重新设置磁化向量。

3.如权利要求1的方法，其中对于钉扎层在关注的方向上施加磁场的同时，通过在高于钉扎层的阻塞温度的温度上进行退火，重新设置钉扎层磁化向量。

4.如权利要求1的方法，还包括：

测试该结的转换特性；和

根据测试结果，重新设置至少一个磁化向量。

5.如权利要求2的方法，其中通过重新退火来重新设置传感层磁化向量和钉扎层磁化向量。

6.如权利要求1的方法，其中重新设置钉扎层磁化向量，以补偿强铁磁耦合和弱反铁磁耦合。

7.如权利要求1的方法，其中重新设置至少一个磁化向量，以改善转换曲线对称性。

8.如权利要求1的方法，其中重新设置至少一个磁化向量，以减小临界转换场。

9.如权利要求1的方法，其中重新设置至少一个磁化向量，以指向相同方向。

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