DE60203677T2

DE60203677T2 - Verfahren zum Ändern der Schaltfeldeigenschaften von magnetischen Tunnelübergängen

Info

Publication number: DE60203677T2
Application number: DE60203677T
Authority: DE
Inventors: Thomas Sunnyvale Anthony; Lung Saratoga Tran; Manish Sharma
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-10-04
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: KR100923772B1; TWI222063B; CN1412863A; KR20030029023A; US6828610B2; JP2003218430A; CN100336239C; US20040129928A1; EP1300853A1; DE60203677D1; EP1300853B1; US6649423B2; US20030067802A1; JP4456805B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Magnettunnelübergang und ein Verfahren zum Bilden desselben. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Speichervorrichtungen, die Magnettunnelübergänge umfassen.
Eine typische Magnetdirektzugriffsspeicher- („MRAM"-) Vorrichtung umfasst ein Array aus Speicherzellen, Wortleitungen, die sich entlang Zeilen der Speicherzellen erstrecken, und Bitleitungen, die sich entlang Spalten der Speicherzellen erstrecken. Jede Speicherzelle ist an einem Kreuzungspunkt einer Wortleitung und einer Bitleitung angeordnet.
Die MRAM-Speicherzellen können auf Magnettunnelübergängen („MTJs") basieren, wie z. B. spinabhängigen Tunnelübergängen („SDT"-Übergängen). Ein typischer SDT-Übergang umfasst eine festgelegte Schicht, eine Erfassungsschicht und eine Isolationstunnelbarriere, die sandwichartig zwischen den festgelegten und Erfassungs-Schichten angeordnet ist. Die festgelegte Schicht weist einen Magnetisierungsvektor auf, der fest ist, um sich nicht in Gegenwart eines angelegten Magnetfelds in einem Bereich von Interesse zu drehen. Die Erfassungsschicht weist einen Magnetisierungsvektor auf, der in eine von zwei Richtungen ausgerichtet werden kann:
die selbe Richtung wie der Magnetisierungsvektor der festgelegten Schicht oder eine entgegengesetzte Richtung zu dem Magnetisierungsvektor der festgelegten Schicht. Wenn die Magnetisierungsvektoren der festgelegten und Erfassungs-Schicht in der selben Richtung sind, wird die Ausrichtung des SDT-Übergangs als „parallel" bezeichnet. Wenn die Magnetisierungsvektoren der festgelegten und der Erfassungs-Schicht in entgegengesetzten Richtungen sind, wird die Ausrichtung des SDT-Übergangs als „antiparallel" bezeichnet.
Diese zwei stabilen Ausrichtungen, parallel und antiparallel, stellen logische Werte von „0" und „1" dar. Die Magnetisierungsausrichtung ihrerseits beeinflusst den Widerstand des SDT-Übergangs. Der Widerstand des SDT-Übergangs ist ein erster Wert, wenn die Magnetisierungsausrichtung parallel ist, und ein zweiter Wert, wenn die Magnetisierungsausrichtung antiparallel ist. Die Magnetisierungsausrichtung des SDT-Übergangs und daher sein logischer Wert können gelesen werden, durch Erfassen seines Widerstandszustands.
Das Speicherzellenarray kann durch Aufbringen eines Stapels aus Magnetspeicher-Elementschichten und Strukturieren des Stapels in Speicherelemente hergestellt werden. Idealerweise sind Größe, Form und Dicke der Speicherelemente einheitlich.
In der Praxis jedoch sind Dicke, Größe und Form nicht einheitlich. Abweichungen in Größe, Form und Schichtdicke führen zu Abweichungen bei den Magneteigenschaften der Speicherelemente in dem MRAM-Array. Genauer gesagt können die Abweichungen dieser Parameter von Wafer zu Wafer auftreten, aber sie können auch von Chip zu Chip und von Array zu Array auftreten. Diese Abweichungen können die Integrität des Schreibens von Daten reduzieren und können ferner den unerwünschten Nebeneffekt der Löschung nicht-ausgewählter Bits aufweisen. Wenn Speicherelemente in der Größe reduziert werden, werden diese Abweichungen und ihre unerwünschten Wirkungen stärker, insbesondere im Hinblick auf die Schalt-Koerzivität der Erfassungsschichten.
Es ist somit eine Aufgabe von Speicherherstellern, die Größe der Speicherelemente zu reduzieren. Das Reduzieren der Größe erhöht die Speicherungsdichte, was wiederum die Speicherungskosten reduziert. Das Reduzieren der Größe reduziert ferner den Leistungsverbrauch, was vorteilhaft für mobile Produkte ist.
Das Dokument US 6,172,904 offenbart eine Magnetspeicherzellenanordnung, die eine zusätzliche Referenzschicht umfasst, die mit einer Erfassungsschicht durch eine Abstandhalterschicht gekoppelt ist. Magnetfelder werden bei verschiedenen Temperaturen angelegt, um das Magnetfeld M3 und M1 einzustellen.
Das Dokument US 6,114,719 offenbart eine Magnettunnelübergang-Speicherzelle. Nach der Verbindung mit einer Bitleitung wird die Magnetisierung einer Schicht neu ausgerichtet zum Austauschkoppeln mit einer festen ferromagnetischen Schicht durch Ausheilen und Kühlen in Gegenwart eines Magnetfeldes.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich, die beispielhaft eine Anzahl von bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung darstellen.
1 ist eine Darstellung einer MRAM-Vorrichtung, die ein Array aus SDT-Übergängen umfasst.
2 ist eine Darstellung der grundlegenden Struktur eines SDT-Übergangs.
3 ist eine Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines SDT-Übergangs.
4a, 4b u. 4c sind Darstellungen von exemplarischen Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektoren des SDT-Übergangs.
5a, 5b u. 5c sind Darstellungen unterschiedlicher SDT-Übergang-Schaltkurven.
6aa, 6ab, 6ac, 6b u. 6c sind Darstellungen anderer exemplarischer Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektoren des SDT-Übergangs.
Es wird nun Bezug auf 1 genommen, die eine MRAM-Vorrichtung 10 darstellt, die ein resistives Kreuzpunktarray 12 aus SDT-Übergängen 14 umfasst. Die SDT-Übergänge 14 sind in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei sich die Zeilen entlang einer X-Richtung erstrecken und die Spalten entlang einer Y-Richtung erstrecken. Nur eine relativ geringe Anzahl der SDT-Übergänge 14 ist gezeigt, um die Darstellung der MRAM-Vorrichtung 10 zu vereinfachen. In der Praxis können Arrays einer beliebigen Größe verwendet werden.
Leiterbahnen, die als Wortleitungen 16 funktionieren, erstrecken sich entlang der X-Richtung in einer Ebene auf einer Seite des Arrays 12. Leiterbahnen, die als Bitleitungen 18 funktionieren, erstrecken sich entlang der Y-Richtung in einer Ebene auf einer benachbarten Seite des Arrays 12. Es kann eine Wortleitung 16 für jede Zeile des Arrays 12 und eine Bitleitung 18 für jede Spalte des Arrays 12 vorliegen. Jeder SDT-Übergang 14 ist an einem Kreuzungspunkt einer Wortleitung 16 und einer Bitleitung 18 angeordnet. Die MRAM-Vorrichtung 10 umfasst eine Lese-/Schreib-Schaltung (nicht gezeigt) zum Erfassen der Widerstandszustände der ausgewählten SDT-Übergänge 14 während Leseoperationen und zum Liefern von Schreibströmen zu ausgewählten Wort- und Bit-Leitungen 16 und 18 während Schreiboperationen.
Es wird Bezug auf 2 genommen, die einen SDT-Übergang 14 detaillierter zeigt. Der SDT-Übergang 14 umfasst eine festgelegte ferromagnetische (FM-) Schicht 52, eine isolierende Tunnelbarriere 56 auf der festgelegten FM-Schicht 52 und eine Erfassungs-FM-Schicht 54 auf der Tunnelbarriere 56. Die festgelegte FM-Schicht 52 weist einen Magnetisie rungsvektor M0 auf, der in der Ebene der festgelegten Schicht 52 ausgerichtet ist. Die festgelegte FM-Schicht 52 kann aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein, wie z. B. NiFe, Eisenoxid (Fe₃O₉), Chromoxid (CrO₂), Kobalt oder Kobaltlegierungen (z. B. CoFe, NiFeCo).
Der Magnetisierungsvektor M0 der festgelegten Schicht 52 kann durch eine Struktur festgelegt sein, die eine erste und eine zweite Keimschicht 46 und 48, und eine AF-Pinningschicht 50 umfasst. Die erste Keimschicht 46 ermöglicht, dass die zweite Keimschicht 48 mit einer (111) Kristallstrukturausrichtung gewachsen wird, und die zweite Keimschicht 48 bildet eine (111) Kristallstrukturausrichtung für die AF-Pinningschicht 50. Die AF-Pinningschicht 50 schafft ein großes Austauschfeld, das den Magnetisierungsvektor M0 der festgelegten FM-Schicht 52 in einer Richtung hält, sogar in der Gegenwart eines angelegten Magnetfeldes in einem Bereich von Interesse. Dies macht die festgelegte FM-Schicht 54 zu einer „harten" FM-Schicht, die sich nicht leicht dreht. Die erste Keimschicht 46 kann aus Titan (Ti) oder Tantal (Ta) hergestellt sein, und die zweite Keimschicht 48 kann aus Nickel-Eisen (NiFo) oder NiFeCo hergestellt sein. Andere Keimschichtmaterialien umfassen Ru, TaN, TiN, Al₂O₃ und SiO₂. Die AF-Pinningschicht 50 kann aus einem synthetischen ferromagnetischen Material (z. B. CoFe/Ru/CoFe-Mehrfachschichten) oder einem antiferromagnetischen Material (z. B. IrMn, FeMn, PtMn) hergestellt sein.
Die Erfassungsschicht 54 weist einen Magnetisierungsvektor M1 auf, der nicht festgelegt ist. Statt dessen kann der Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor M1 in einer von zwei Richtungen in Gegenwart eines angelegten Magnetfeldes in einem Bereich von Interesse ausgerichtet sein. Dies macht die Erfassungsschicht 54 zu einer „leichten" FM-Schicht. Die Magnetisierungsausrichtung des SDT-Übergangs 14 ist parallel, wenn der Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor M1 in der selben Richtung ausgerichtet ist wie der Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektor M0, und ist antiparallel, wenn der Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor M1 in der entgegengesetzten Richtung zu dem Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektor M0 ausgerichtet ist. Erfassungs-FM-Schichtmaterialien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf NiFe, NiFeCo und CoFe.
Die isolierende Tunnelbarriere 56 ermöglicht, dass eine quantenmechanische Tunnelbildung zwischen der festgelegten und der Erfassungs-Schicht 52 und 54 auftritt. Dieses Tunnelbildungsphänomen ist elektronenspinabhängig, was den Widerstand des SDT-Übergangs 14 zu einer Funktion der relativen Ausrichtungen der Magnetisierung der festgelegten und der Erfassungs-Schicht 52 und 54 macht. Zum Beispiel ist der Widerstand des SDT-Übergangs 10 ein erster Wert (R), wenn die Magnetisierungsausrichtung des SDT-Übergangs 14 parallel ist, und ein zweiter Wert (R+ΔR), wenn die Magnetisierungsausrichtung antiparallel ist. Die isolierende Tunnelbarriere 56 kann aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumdioxid (SiO₂), Tantaloxid (Ta₂O₅) oder Siliziumnitrit (SiN₄) hergestellt sein. Andere Dielektrika und bestimmte Halbleitermaterialien können für die isolierende Tunnelbarriere 56 verwendet werden.
Magnetfelder (Hx, Hy) können an den SDT-Übergang 14 angelegt werden, durch Liefern von Strömen (Iy, Ix) zu den Wort- und Bitleitungen 16 und 18, die den SDT-Übergang 14 kontaktieren. Wenn die Wort- und Bit-Leitung 16 und 18 orthogonal sind, sind die angelegten Magnetfelder (Hx, Hy) ebenfalls orthogonal.
Eine Neel-„Orangenschale"-Kopplung (H_N), ebenfalls bezeichnet als FM-Kopplung, wird angeblich durch eine Schnittstellen-Rauhigkeit zwischen der festgelegten und Erfassungs-Schicht 52 und 54 verursacht. Der Wert der FM-Kopplung ist
wobei h und λ die Amplitude und Wellenlänge der Schnittstellenrauhigkeit sind, M_s die Sättigungsmagnetisierung der Erfassungsschicht 54 ist. Die Ausdrücke t_F und t_S sind Dicke der Erfassungsschicht 54 bzw. der isolierenden Tunnelbarriere 56.
Eine magnetostatische Kopplung (H_δ), ebenfalls bezeichnet als antiferromagnetische (AF-) Kopplung wird angeblich durch nicht-kompensierte magnetische Pole an Kanten der festgelegten Schicht 52 und der zweiten Keimschicht 48 verursacht. Die durchschnittliche AF-Kopplung ist
wobei W und L die Übergangs-Breite und -Länge sind, A eine Konstante ist und α eine Abhängigkeit von den Abmessungen des SDT-Übergangs 14 ist. Der Wert von α sollte sich 1 annähern, wo die Trennung zwischen der festgelegten und der Erfassungs-Schicht 52 und 54 viel größer ist als ihre Breite. Der Wert von α sollte sich 0 annähern, wo die Trennung zwischen der festgelegten und der Erfassungs-Schicht 52 und 54 viel geringer ist als ihre Breite.
Die FM-Kopplung bleibt konstant über dem Bereich des SDT-Übergangs 14 und sie ist unabhängig von der Größe des SDT-Übergangs 14. Im Gegensatz dazu ist die AF-Kopplung höchst uneinheitlich über dem Bereich des SDT-Übergangs 14 und innerhalb des Volumens des SDT-Übergangs 14. Die AF-Kopplung ist ebenfalls abhängig von der Übergangs-Größe und -Form. Sie wird bedeutend fester, wenn die Übergangsabmessungen sich dem Submikronenbereich nähern.
Die FM-Kopplung neigt dazu, den Magnetisierungsvektor M1 der Erfassungsschicht 54 in einer parallelen Ausrichtung zu dem Magnetisierungsvektor M0 der festgelegten Schicht 52 auszurichten. Die AF-Kopplung neigt dazu, den Magnetisierungsvektor M1 der Erfassungsschicht 54 weg von dem Magnetisierungsvektor M0 der festgelegten Schicht 52 zu drängen. Folglich richtet sich während der Herstellung der Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor M1 entlang einer Ausrichtung aus, die ein Nettoergebnis der FM-Kopplung und der AF-Kopplung ist. Die Kristall-Anisotropie und Magnetostriktion der Erfassungsschicht 54 beeinflusst ferner die Ausrichtung und die Drehung des Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektors M1.
Es wird nun Bezug auf 3 genommen, die ein Verfahren zum Herstellen eines SDT-Übergangs 14 zeigt. Wortleitungen werden auf einem Wafer gebildet (200), und eine erste und eine zweite Keimschicht werden auf die Wortleitungen aufgebracht (202). Eine AF-Pinningschicht wird auf die zweite Keimschicht aufgebracht (204) und eine festgelegte FM-Schicht wird auf die AF-Pinningschicht aufgebracht (206). Die FM-Schichten werden üblicherweise in Gegenwart eines angelegten Magnetfeldes aufgebracht, um eine uniaxiale magnetische Anisotropie einzurichten.
Eine isolierende Tunnelbarriere wird auf die festgelegte FM-Schicht aufgebracht (208). Optionale schnittstellenmäßige Schichten können die isolierende Tunnelbarriere sandwichartig einnehmen.
Eine Erfassungs-FM-Schicht wird auf die isolierende Tunnelbarriere aufgebracht (210), die Schichten werden in ein Array aus SDT-Übergängen strukturiert (212) und Bitleitungen werden auf den SDT-Übergängen gebildet (214). Schwere und leichte Achsen der Erfassungsschicht 54 werden durch HA bzw. EA (hard axes, easy axes) bezeichnet. Auf dieser Stufe der Herstellung wird der Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor M1 mit der leichten Achse EA ausgerichtet, die mit der X-Achse der Erfassungsschicht 54 ausgerichtet ist (siehe 4b). Der Winkel (θ₁) des Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektors M1 ist θ₁ = 0 Grad. Ferner sind die Winkel (θ₀ und θ₁) der festgelegten und Erfassungs-Schicht-Magnetisierungsvektoren M0 und M1 nicht notwendigerweise gleich. Genauer gesagt kann die Magnetisierung der festgelegten Schicht 52 geändert worden sein, durch Aussetzen gegenüber relativ hohen Temperaturen während der Bitstrukturierung.
Die festgelegte FM-Schicht wird nachfolgend an diesem Punkt ausgeglüht (Block 216). Die festgelegte FM-Schicht wird über ihre Blockbildungstemperatur (T_B) erwärmt und ein gewünschter Winkel (θ₀) des Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektors M0 im Hinblick auf die X-Achse der festgelegten Schicht 52 (siehe 4a) wird eingestellt durch Anlegen eines Magnetfelds über eine Zeitperiode. Zum Beispiel kann der Magnetisierungsvektorwinkel (θ₀) der festgelegten Schicht 52 eingestellt werden, durch Anlegen eines starken Magnetfeldes von 2.000 Oersteds in einer Richtung parallel zu dem gewünschten Winkel (θ₀) des Magnetisierungsvektors M0 und Erwärmen des SDT-Übergangs auf eine Temperatur von 180°C–300°C für 15 Minuten bis mehrere Stunden, abhängig von dem Material. Der SDT-Übergang wird dann abgekühlt in Anwesenheit dieses Magnetfeldes, um die Festgelegte-Schicht-Magnetisierung in dem gewünschten Winkel (θ₀) zu befestigen. Eine Magnetaustauschkopplung zwischen der AF-Schicht und der festgelegten Schicht hält den Magnetisierungsvektor M0 festgelegt.
Die SDT-Übergänge werden getestet, um zu bestimmen, ob eine AF-Kopplung stärker ist als eine FM-Kopplung oder umgekehrt (218). Dies kann durchgeführt werden, durch Messen der Schaltcharakteristika der SDT-Übergänge. Material-Defekte und -Abweichungen in Größe und Form können verursachen, dass unterschiedliche SDT-Übergänge unterschiedliche Schaltkurven aufweisen. Ein Testen kann an vielen Übergängen durchgeführt werden, um ein statistisches Mittel für ein nachfolgendes Ausheilen an entsprechenden Magnetisierungsvektorwinkeln (θ₀ und θ₁) zu erhalten.
Eine Änderung wird nur an dem Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektorwinkel, nur dem Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektorwinkel oder sowohl an dem Erfassungs-Schichtals auch dem Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektorwinkel (220) durchgeführt. Der Magnetisierungswinkel nur von der Erfassungsschicht kann wie folgt geändert werden. Die Erfassungsschicht wird über eine Schwellentemperatur für eine Leichte-Achse-Drehung erwärmt (aber unter die Blockbildungstemperatur der festgelegten Schicht), und ein Magnetfeld wird in einem gewünschten Winkel an die leichte Achse angelegt. Das erneute Ausheilen ändert den Magnetisierungswinkel der festgelegten FM-Schicht nicht, stellt jedoch die Leichte-Achse-Erfassungsschicht entlang des extern angelegten Feldes neu ein. Zum Beispiel kann der Magnetisierungswinkel einer NiFe-Erfassungs-FM-Schicht geändert werden durch Ausheilen des SDT-Übergangs bei einer Temperatur von 180°C–250°C für 15–30 Minuten, während ein externes Magnetfeld von 1.000 Oersteds angelegt wird. Die tatsächlichen Temperaturen, Dauer und Magnetfelder sind materialabhängig und schichtstrukturabhängig. Als ein Ergebnis wird der Erfassungsschicht-Magnetisierungswinkel (θ₁) auf einen neuen Winkel geändert, wie in 4c gezeigt ist.
Der Magnetisierungsvektorwinkel (θ₀) nur von der festgelegten Schicht kann wie folgt geändert werden. Der SDT-Übergang wird bei oder über der Blockbildungstemperatur des Festgelegte-Schicht-Materials ausgeglüht. Die Temperatur liegt üblicherweise im Bereich von 200–280°C, abhängig von dem Material. Während der Erwärmungs- und Abkühl-Stufen der Auskühlung wird der SDT-Übergang einem Magnetfeld ausgesetzt, das die Richtung des Magnetisierungsvektors einstellt. Der Magnetisierungsvektor der Erfassungsschicht wird ebenfalls in der selben Richtung eingestellt wie der Magnetisierungsvektor der festgelegten Schicht. Daher wird ein nachfolgender Auskühlschritt bei niedriger Temperatur durchgeführt, um den Magnetisierungsvektor der Erfassungsschicht wiederherzustellen.
Es wird nun Bezug auf 5a genommen, die die ersten, zweiten und dritten Paare von SDT-Übergangs-Schaltkurven 110a und 110b, 112a und 112b und 114a und 114b im Hinblick auf die X- und Y-Achse zeigt. Bei diesem bestimmten Beispiel ist die AF-Kopplung gering relativ zu der ferromagnetischen Kopplung (FM), da die Daten von einer großen Vorrichtung gesammelt wurden. Das erste Paar von Schaltkurven 110a und 110b kann vor dem Ausheilen resultieren, wenn der Festgelegte- und der Erfassungs-Schicht-Magnetisierungsvektor (M0 und M1) beide entlang der X-Achse zeigen, wodurch der Winkel zwischen dem Erfassungs- und Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektor (M0 und M1) entweder 0° oder 180° beträgt (wie in 6aa gezeigt ist).
Um von einem Niedrigwiderstandszustand zu einem Hochwiderstandszustand zu schalten, werden die kombinierten Felder +Hx und +Hy (oder -Hy) an den Übergang angelegt. Das +Hy- oder -Hy-Feld verursacht, dass sich der Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) weg von seiner leichten Achse EA bewegt, aber das FM-Kopplungsfeld von der festgelegten Schicht wird versuchen, den Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) zu ziehen, um denselben mit dem Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektor (M0) derart auszurichten, dass die Winkeltrennung zwischen den Vektoren (M0 und M1) sich nur schrittweise ändert. Aufgrund eines niedrigen Drehmomentwinkels zwischen dem Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) und dem +Hx-Feld wird ein höherer Wert des +Hx-Feldes für den SDT-Übergang benötigt, um Zustände zu schalten (wie durch Kurve 110b gezeigt ist). Andererseits, um von dem Hochwiderstandszustand in den Niedrigwiderstandszustand zu schalten, assistiert das FM-Kopplungsfeld dem -Hx-Feld derart, dass ein kleinerer -Hx benötigt wird (wie durch Kurve 110a gezeigt ist). Somit wird ein höher kombiniertes Feld benötigt, um eine logische „1" zu schreiben, als für eine logische „0" (wie durch die relativen Größen der Vektoren A, B, C und D dargestellt ist).
Die Auswirkung der FM-Kopplung kann reduziert werden, durch erneutes Ausheilen des Übergangs, um den Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektor (M0) in einem Winkel (z. B. θ₀ = +20 Grad) von der X-Achse einzustellen (siehe 6ab). Die Ausrichtung des Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektors (M1) wird nicht verändert. Als ein Ergebnis, wenn ein +Hy-Feld angelegt wird, wird der Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) weiter weg von der festgelegten Magnetisierung gedrückt. Das Ergebnis ist der obere rechte Teil der Kurve 112b. Der untere rechte Teil der Kurve 112b ist das Ergebnis des -Hy-Feldes, das den Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor M1 hin zu dem Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektor M0 drückt. Somit ist die FM-Kopplung stärker und wird resistenter gegenüber Drehung. Die linke Seite der Kurve 112a ändert sich nicht so viel. Da die zwei Magnetisierungsvektoren im Wesentlichen antiparallel zueinander sind, hat die FM-Kopplung weniger Einfluss auf die Drehung der Erfassungsschicht 54.
Die Symmetrie für die obere Hälfte der Schaltkurven 112a und 112b ermöglicht die Operation des SDT-Übergangs. Ein +Hy-Magnetfeld kann in Kombination mit einem +Hx-Magnetfeld verwendet werden, um einen Magnetfeldvektor A' zu erzeugen, der den SDT-Übergang von einer logischen „0" auf eine logische „1" schaltet. Auf ähnliche Weise kann ein +Hy-Magnetfeld in Kombination mit einem -Hx-Magnetfeld verwendet werden, um einen Magnetfeldvektor B zu erzeugen, der den SDT-Übergang von einer logischen „1" zu einer logischen „0" schaltet. Aufgrund dieser Symmetrie haben die Vektoren A' und B ungefähr die selbe Größe und sie sind beide in ihrer Größe kleiner als der Vektor A. Somit hilft das Ausheilen, die Größe des Schreibfeldes zu reduzieren und daher den Strom, der zum Erzeugen des Schreibfeldes benötigt wird.
Eine ähnliche Kurve 114 resultiert, wenn der entgegengesetzte Winkel (z. B. θ₀ = –20 Grad) wieder eingestellt wird (siehe 6ac). Die untere Hälfte der Kurve 114 ist symmetrisch entlang der Y-Achse. Der SDT-Übergang wird hergestellt, um in der unteren Hälfte der Schaltkurve zu arbeiten. Ein -Hy-Magnetfeld kann in Kombination mit einem +Hx-Magnetfeld angelegt werden, um einen Vektor D' zu erzeugen, der den SDT-Übergang von einer logischen „0" auf eine logische „1" schaltet. Auf ähnliche Weise kann ein -Hx-Magnetfeld in Kombination mit einem -Hy-Magnetfeld angelegt werden, um einen Vektor C zu erzeugen, der den SDT-Übergang von einer logischen „1" auf eine logische „0" schaltet. Wiederum, aufgrund der Symmetrie, die durch Ausheilen der festgelegten Schicht bei einem Winkel erhalten wird, sind die Vektoren D' und C ungefähr gleich groß und sie sind beide in ihrer Größe kleiner als Vektor D.
Es wird nun Bezug auf 5b genommen, die erste und zweite SDT-Übergangsschaltkurven 210 und 212a/b/c/d im Hinblick auf die X- und Y-Achse zeigt. Bei diesem bestimmten Beispiel ist die Übergangsgröße ein Mikrometer oder weniger. Daher ist das AF-Kopplungsfeld wesentlich und die Koerzivität Hc der Erfassungsschicht erhöht sich ebenfalls wesentlich. Die Schaltkurve 210 resultiert, da der Übergang ausgeglüht wird, um die leichte Achse EA und den Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor M1 entlang der X-Achse auszurichten. Eine große Größe von Hx- und Hy-Magnetfeldern wird benötigt, um eine logische „1" und eine logische „0" zu schreiben. Die kombinierten Magnetfelder Hx und Hy werden durch Vektoren E und F dargestellt.
Die Auswirkung der AF-Kopplung kann reduziert werden durch erneutes Ausheilen des SDT-Übergangs, derart, dass sowohl die festgelegte als auch die Erfassungs-Schicht-Magnetisierungsvektoren in dem gleichen Winkel (z. B. θ₀ = θ₁ = +20 Grad) relativ zu der X-Achse sind. Der Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektor M₀ ist fest bei einem Winkel; der Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) könnte im Wesentlichen parallel oder antiparallel zu dem Festgelegte-Schicht-Magnetisierungsvektor (M0) sein, wie in 6b gezeigt ist. Das FM-Kopplungsfeld und das AF-Kopplungsfeld zeigen ebenfalls entlang dieser neuen EA und sind entgegengesetzt zueinander. Die Schaltkurve 212 weist vier Segmente 212a, 212b, 212c und 212d auf, die jeweils einem Quadranten auf der X- und Y-Achse entsprechen. Das Segment 212a ist in dem ersten Quadranten und weist +Hy auf, das den Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) hin zu der X-Achse drückt, wodurch derselbe mehr mit dem +Hx-Feld ausgerichtet wird. Dies macht das Schalten des Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektors (M1) von parallel zu antiparallel weniger empfindlich für das angelegte +Hx-Feld aufgrund der niedrigen Drehmomentwirkung. Das Segment 212b in dem vierten Quadranten entspricht dem Schalten des Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektors (M1) von dem parallelen in den antiparallelen Zustand, wenn das -Hy- und +Hx-Feld an den SDT-Übergang angelegt werden. In diesem Fall drückt das -Hy-Feld den Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) weiter weg von der horizontalen X-Achse; somit ist der Drehmomentwinkel größer für eine größere Größe -Hy und der Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) ist empfindlicher für das +Hx-Magnetfeld.
Ähnliche Ergebnisse treten mit den Segmenten der Schaltkurve 212c und 212d in dem dritten und zweiten Quadranten der X-Y-Achsen auf. Das +Hy-Magnetfeld drückt den Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) weiter weg von der X-Achse und das -Hx-Magnetfeld kehrt den Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor von antiparallel zu parallel um. Somit ist das Schalten des Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektors (M1) empfindlich gegenüber dem -Hx-Magnetfeld. Andererseits drückt das -Hy-Magnetfeld den Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) hin zu der X-Achse und das -Hx-Magnetfeld kehrt den Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektor (M1) von antiparallel zu parallel um. Folglich ist das Schalten des Erfassungsschicht-Magnetisierungsvektors (M1) weniger empfindlich für das -Hx-Magnetfeld. Folglich besteht eine gute Symmetrie zwischen den Kurven 212a/212c und 212b/212d im Hinblick auf die Mitte der X-Y-Koordinate. Vektoren E' und F' stellen das kombinierte kritische Magnetfeld zum Schalten des SDT-Übergangs von antiparallel zu parallel (d. h. zum Schreiben einer logischen „0") und von parallel zu antiparallel (d. h. zum Schreiben einer logischen „1") dar. Die Größe der Vektoren E' und F' ist kleiner als die Größe der Vektoren E und F. Somit werden niedrigere Schreibströme benötigt, um den SDT-Übergang umzuschalten.
Es wird nun Bezug auf 5c genommen, die die vier Segmente 214a, 214b, 214c und 214d der Schaltkurve zeigt, wenn ein negativer Winkel (z. B. θ0 = θ1 = –20 Grad) während des Ausheilens eingestellt wird (siehe auch 6c). Die vier Segmente 214a, 214b, 214c und 214d erscheinen als ein Spiegel der vier Segmente 212a, 212b, 212c und 212d, gezeigt in 5b.
Wenn die SDT-Übergänge auf einem Wafer hergestellt sind, können die Winkel eines Arrays aus SDT-Übergängen gleichzeitig geändert werden. Die Neueinstellung der Magnetisierungsvektorwinkel reduziert Abweichungen bei den Eigenschaften der Übergänge über den Wafer, insbesondere für SDT-Übergänge, die die selbe Größe und Form aufweisen. Somit wird eine bessere Prozesssteuerung während der Herstellung erreicht.
Unterschiedliche Winkel können während des erneuten Ausheilens eingestellt werden. Die Winkel hängen ab von den gewünschten Schaltcharakteristika. Diese Flexibilität ermöglicht es den Speicherherstellern, die Herstellungsvariationen zu kompensieren.
Ferner werden kritische Schaltfelder reduziert und werden symmetrischer. Das Verbessern der Symmetrie der Schaltfelder reduziert die Komplexität der Steuerungsschaltungsanordnung und verbessert die Halbwählspanne. Das Reduzieren der Schaltfelder reduziert den Leistungsverbrauch, was wichtig für tragbare Vorrichtungen ist.
Das erneute Einstellen der Magnetisierungsvektorwinkel verbessert das Schreibverhalten und reduziert die Fehlerrate aufgrund eines Halbwählens. Somit arbeitet die MRAM-Vorrichtung zuverlässiger, weist einen besseren Ertrag auf und hat niedrigere Kosten.
Die MRAM-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei einer großen Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel kann sie DRAM, SDRAM, Flash und andere schnelle Kurzzeitspeicher in Computern ersetzen. Sie kann für Langzeitdatenspeicherung in einem Computer verwendet werden. Eine solche Vorrichtung bietet viele Vorteile (z. B. schnellere Geschwindigkeit, geringere Größe) gegenüber Festplatten und anderen herkömmlichen Langzeitdatenspeicherungsvorrichtungen. Die MRAM-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann in digitalen Kameras für eine Langzeitspeicherung digitaler Bilder verwendet werden.
Die SDT-Übergänge sind nicht auf eine Quadrat- oder Rechteck-Geometrie eingeschränkt. Zum Beispiel könnten die SDT-Übergänge eine elliptische Geometrie aufweisen. Die MRAM-Vorrichtung ist nicht auf SDT-Übergänge beschränkt. Andere Typen von Magnettunnelübergängen, wie z. B. Kolossal-Magnetoresistenz- (DMR) und Giant-Magnetoresistenz- (GMR) Übergänge können verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht einmal auf MRAM-Vorrichtungen beschränkt, die resistive Kreuzpunktarrays umfassen. Sie kann an eine Speichervorrichtung angewendet werden, die Magnetspeicherelemente umfasst, deren Magnetausrichtungen in bestimmten Richtungen fest sein sollen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt, die oben beschrieben und dargestellt sind. Statt dessen ist die vorliegende Erfindung gemäß den nachfolgenden Ansprüchen ausgelegt.

Claims

Ein Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Bilden eines Magnettunnelübergangs (14), der festgelegte und Erfassungs-Schichten (52 und 54) umfasst; gekennzeichnet durch das Wiedereinstellen eines Magnetisierungsvektors von sowohl der Erfassungsschicht (54) als auch der festgelegten Schicht (52) durch erneutes Ausheilen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem jeder Magnetisierungsvektor erneut eingestellt wird, durch Anlegen eines Magnetfeldes in einer Richtung von Interesse, während der Übergang (14) ausgeheilt wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Magnetisierungsvektor der festgelegten Schicht wiedereingestellt wird, durch Ausheilen bei einer Temperatur über der Blockierungstemperatur der festgelegten Schicht (52), während ein Magnetfeld in einer Richtung von Interesse für die festgelegte Schicht (52) angelegt wird.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Erfassungsschicht-Magnetisierungswinkel wiedereingestellt wird, durch Erwärmen des Übergangs über eine Schwellentemperatur für eine Leichte-Achse-Drehung der Erfassungsschicht (54), während ein Magnetfeld in einer Richtung von Interesse für die Erfassungsschicht (54) angelegt wird.
Ein Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner das Testen der Schaltcharakteristika des Übergangs (14) und das Wiedereinstellen von zumindest einem Magnetisierungsvektor gemäß den Testergebnissen aufweist.
Ein Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Magnetisierungsvektor der festgelegten Schicht erneut eingestellt wird, um eine starke ferromagnetische Kopplung und eine schwache antiferromagnetische Kopplung zu kompensieren.
Ein Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Magnetisierungsvektor wiedereingestellt wird, um die Schaltkurvensymmetrie zu verbessern, um das kritische Schaltfeld zu reduzieren oder um in dieselbe Richtung zu zeigen.