專利名稱：穩(wěn)定的磁存貯單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁存貯器領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及在磁存貯器中提供一種穩(wěn)定的磁存貯單元。
諸如磁隨機(jī)存取存貯器(MRAM)等磁存貯器通常包括一磁存貯單元陣列。每個(gè)磁存貯單元通常包括一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和一參考層。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層通常是在可以通過施加外部磁場(chǎng)而改變的取向上的磁化圖形的一層磁性材料或一磁性材料薄膜，該參考層通過是一層磁性材料，其中的磁化被固定或“釘住”在一特定方向上。
在磁存貯單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的磁化圖形通過包括兩個(gè)不同的磁化區(qū)——其內(nèi)部區(qū)和邊緣區(qū)。在內(nèi)部區(qū)中的磁化通常對(duì)準(zhǔn)的是一般稱為的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的易軸(easy axis)。在邊緣區(qū)中的磁化趨于沿相應(yīng)的邊對(duì)準(zhǔn)。在磁存貯單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的總磁化取向根據(jù)內(nèi)部區(qū)的磁化以及邊緣區(qū)的磁化產(chǎn)生。
通常，磁存貯單元的狀態(tài)依賴于其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和參考層的相對(duì)磁化取向。如果一磁存貯單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的總磁化取向平行于其參考層的磁化取向，則該磁存貯單元通常處于低電阻狀態(tài)。相反，如果其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的總磁化取向反平行于其參考層的磁化取向，則該磁存貯單元通常處于高電阻狀態(tài)。
通常，存儲(chǔ)在磁存貯單元中的位的邏輯狀態(tài)通過施加外部磁場(chǎng)被寫入，該磁場(chǎng)改變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的總磁化取向。該外部磁場(chǎng)可稱作切換磁場(chǎng)，該切換磁場(chǎng)在其高和低電阻狀態(tài)之間切換磁存貯單元。穩(wěn)定磁存貯單元可被定義為一種保持其高或低電阻狀態(tài)直到被一適當(dāng)定義的切換磁場(chǎng)切換為止的磁存貯單元。
磁存貯器的制造工藝通常在靠近單個(gè)磁存貯單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的邊緣地方產(chǎn)生表面不規(guī)則性。例如，這種表面不規(guī)則性可以由在形成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的邊緣的構(gòu)圖步驟中的不精確引起。在磁存貯器中，當(dāng)在光刻范圍內(nèi)形成較小的元件以便實(shí)現(xiàn)較高的存儲(chǔ)密度時(shí)，這種影響通常變得更加明顯。不幸的是，這種表面不規(guī)則性可致使個(gè)別的磁存貯單元不穩(wěn)定。例如，這種表面不規(guī)則性可在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的邊緣區(qū)中產(chǎn)生具有不可預(yù)測(cè)或隨機(jī)的取向和切換性能的磁圖形。
使這些負(fù)面影響最小化的一種現(xiàn)有解決方案是將每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層構(gòu)成為具有沿其易軸伸長(zhǎng)的尺寸的矩形。與來自邊緣的作用相比，這種結(jié)構(gòu)通常增加了易軸對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的最終磁化方向的作用。不幸的是，在寫操作中，這種矩形配置通常需要更多的能量以翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的磁化方向，從而增加了使用這種結(jié)構(gòu)的MRAM的功耗。另外，這種矩形磁存貯單元通常限制了可以被包含在MRAM中的總的存貯單元密度。
本發(fā)明公開了一種穩(wěn)定的磁存貯單元，包括一具有內(nèi)部區(qū)和一對(duì)端部區(qū)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，該對(duì)端部區(qū)靠近該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的一對(duì)相對(duì)邊。該穩(wěn)定的磁存貯單元包括一穩(wěn)定材料，該材料將端部區(qū)的磁化固定至一預(yù)定方向，借此在端部區(qū)中消除了隨機(jī)取向的磁化圖形，從而導(dǎo)致該磁存貯單元的可預(yù)測(cè)的切換性能。
本發(fā)明還公開了一種用于穩(wěn)定磁存貯單元的方法，該方法采用了一系列寫入場(chǎng)(write field)，以便在磁存貯單元的端部區(qū)中消除隨機(jī)定向的磁化圖形。
本發(fā)明的其它性能和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)下面的詳細(xì)描述而變得明白。
本發(fā)明根據(jù)其具體的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述，因此對(duì)附圖進(jìn)行參考，其中

圖1a-1b描述了一穩(wěn)定的磁存貯單元實(shí)施例；-圖2a-2b描述了在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中用于磁存貯單元的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的磁化取向；圖3示出了一種用于穩(wěn)定一磁存貯單元的方法；圖4是一包括磁存貯單元陣列的磁存貯器的頂視圖。
圖1a-1b描述了一穩(wěn)定的磁存貯單元40的實(shí)施例。磁存貯單元40包括一存儲(chǔ)可變磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50和一具有固定磁取方向的參考層54。磁存貯單元40還包括在靠近數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的相對(duì)邊緣的一對(duì)端部區(qū)57-58中的一些固定磁化取向的穩(wěn)定材料層55-56。
在該實(shí)施例中，磁存貯單元40包括位于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50與參考層54之間的隧道阻擋層52。磁存貯單元40的這種結(jié)構(gòu)可被稱作自旋(spin)隧道器件，在該器件的讀操作期間，電荷通過隧道阻擋層52遷移。這種通過隧道阻擋層52的電荷遷移是由于公知的自旋隧道現(xiàn)象并且在一讀電壓加到磁存貯單元40時(shí)發(fā)生。在一替換實(shí)施例中，一巨型磁阻(GMR)結(jié)構(gòu)可被用于磁存貯單元40中。
圖1a示出了磁存貯單元40的截面圖。圖1b示出了磁存貯單元40的剖面頂視圖。端部區(qū)57-58對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的一對(duì)相對(duì)邊，該對(duì)相對(duì)邊垂直于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的易軸。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的易軸與圖示的x軸平行。
在一實(shí)施例中，穩(wěn)定材料層55-56固定端部區(qū)57-58中的磁化取向到一基本上平行于y軸的方向。在一替換實(shí)施例中，穩(wěn)定材料層55-56固定端部區(qū)57-58中的磁化取向到一基本上反平行于y軸的方向。
穩(wěn)定材料55-56不僅固定在端部區(qū)57-58中的磁化方向，而且提供了用于層50-54的邊緣的絕緣并防止電耦合至用于提供對(duì)磁存貯單元40的讀寫訪問的導(dǎo)體。在一個(gè)實(shí)施例中，穩(wěn)定材料55-56為鎳氧化物材料，該鎳氧化物材料提供反鐵磁性能以固定端部區(qū)57-58并且提供適當(dāng)?shù)慕^緣性能。在另外的一些實(shí)施例中，諸如Fe2O3或永磁材料等其它反鐵磁材料可用于穩(wěn)定材料55-56。
在其中的磁存貯單元40為GMR結(jié)構(gòu)的一些實(shí)施例中，可不需要穩(wěn)定材料55-56的絕緣性能，使得諸如鎳錳等材料是適用的。在這樣的實(shí)施例中，穩(wěn)定材料55-56將用作用于相鄰GMR單元的導(dǎo)體以及用于各個(gè)GMR單元邊緣的導(dǎo)體。
在一個(gè)實(shí)施例中，尺寸dx和dy被選擇為基本上相等并且構(gòu)成用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的正方形。與采用矩形存貯單元時(shí)獲得的相比，該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的正方形可增強(qiáng)在MRAM中獲得的密度。這樣，對(duì)于一給定的最小部件尺寸，與矩形磁存貯單元相比，在一給定的基片面積上可以形成更多的正方形磁存貯單元。在其它的實(shí)施例中，可以采用矩形。
參考層54可以是諸如鎳鐵(NiFe)等坡莫合金層，該層被耦合至一固定坡莫合金層磁化取向的反鐵磁層。反鐵磁材料可以是鐵錳(FeMn)或鎳錳(NiMn)。用于該反鐵磁材料的可替換材料包括NiO、TbCo、PtMn和IrMn。
圖2a-2b說明了在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50中用于磁存貯單元40的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的磁化取向。圖2a示出了第一穩(wěn)定狀態(tài)，而圖2b示出了第二穩(wěn)定狀態(tài)。
響應(yīng)施加的切換磁場(chǎng)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的內(nèi)部的磁化圍繞x軸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的易軸旋轉(zhuǎn)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的內(nèi)部的磁化在第一穩(wěn)定狀態(tài)中基本上取向與x軸反平行的方向，而在第二穩(wěn)定狀態(tài)中基本上取向與x軸平行的方向。
在端部區(qū)57-58中的磁場(chǎng)被固定在基本上垂直于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的易軸的方向上。這樣防止了第一或第二穩(wěn)定狀態(tài)的其中之一比另一個(gè)更穩(wěn)定。
圖3示出一種用于穩(wěn)定磁存貯單元40的方法。該方法采用了一偏置磁場(chǎng)，以便在施加一切換磁場(chǎng)之前，最小化在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50中隨機(jī)取向的磁化圖形的小區(qū)域。該偏置磁場(chǎng)減小了在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的側(cè)面區(qū)域中的自由磁極數(shù)，這樣減少了不需要的范圍內(nèi)的成核位置(nucleation site)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的側(cè)面區(qū)域是靠近與易軸平行的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的相對(duì)邊的區(qū)域。
包括步驟100-106的用于穩(wěn)定磁存貯單元40的方法被作為一個(gè)例子描述，其中，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層40內(nèi)部的磁化取向基本上在正x方向，而在端部區(qū)57-58中的磁化方向處于正y方向。
在步驟102中，施加一磁場(chǎng)以旋轉(zhuǎn)端部區(qū)57-58中的磁化朝向所需的方向并且減少端部區(qū)57-58中的自由磁極。在一個(gè)實(shí)施例中，該所需的方向是正y方向(Hy+)。在該例中，在步驟102中施加的磁場(chǎng)處于正y方向。在步驟102開始時(shí)，由于在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的側(cè)面區(qū)中的磁化處于正x方向，因此磁化的反轉(zhuǎn)通過旋轉(zhuǎn)而不是域核化(domain mucleation)進(jìn)行。該Hy+磁場(chǎng)對(duì)端部區(qū)57-58起一偏置磁場(chǎng)的作用，以減少自由磁極數(shù)并且對(duì)準(zhǔn)端部區(qū)57-58中的磁化到正y方向上。
在步驟104中，施加一磁場(chǎng)以旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50內(nèi)部的磁化取向，使其朝向所需的邏輯狀態(tài)。該步驟寫磁存貯單元40為一對(duì)應(yīng)位的所需第一或第二邏輯狀態(tài)。在該例中，采用一在負(fù)x方向(Hx-)上的磁場(chǎng)將磁化方向旋轉(zhuǎn)到負(fù)x方向。在步驟104后，在端部區(qū)57-58中和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的側(cè)面區(qū)中的磁化主要處于正y方向。磁化的反轉(zhuǎn)是通過旋轉(zhuǎn)而不是域核化。在步驟104后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的總磁化最靠近負(fù)x方向和易軸。
在步驟106中，在步驟102中施加的磁場(chǎng)被消除。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的內(nèi)部區(qū)中的磁化變成主要取向x軸方向。
在步驟108中，在步驟104中施加的磁場(chǎng)被消除。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50中的磁化保持在定義所需邏輯狀態(tài)的方向，該方向在本例中為負(fù)x方向。
在另一實(shí)施例中，在步驟102之前，施加一磁場(chǎng)以減少在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的側(cè)面區(qū)中的自由磁極。該磁場(chǎng)的方向通過讀當(dāng)前的位狀態(tài)來確定。該磁場(chǎng)被施加在與當(dāng)前的位狀態(tài)相同的方向上。在該例中，在步驟100中施加的磁場(chǎng)是一在正x方向(Hx+)上的磁場(chǎng)。
不管端部區(qū)57-58怎樣如圖1a-1b所示固定，方法步驟100-108都可用于磁存貯單元40。
圖4是包括一磁存貯單元陣列的磁存貯器10的頂視圖，該陣列由磁存貯單元40和另外的磁存貯單元41-43一起構(gòu)成。磁存貯器10還包括導(dǎo)體20-21和30-31的陣列，允許對(duì)磁存貯單元40-43的讀寫訪問。導(dǎo)體30-31是頂部導(dǎo)體，而導(dǎo)體20-21是正交的低部導(dǎo)體。每個(gè)磁存貯單元40-43具有尺寸dx和dy。
通過施加電流至導(dǎo)體20-21和30-31，磁存貯單元40-43被穩(wěn)定并且其邏輯狀態(tài)被操縱。例如，根據(jù)右手定則，在+x方向施加到導(dǎo)體30的一電流在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50中產(chǎn)生在+y方向上的磁場(chǎng)(Hy+)。在-x方向施加到導(dǎo)體30的一電流在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50中產(chǎn)生在-y方向上的磁場(chǎng)。類似地，在+y方向施加到導(dǎo)體20的一電流在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50中產(chǎn)生在+x方向上的磁場(chǎng)(Hx+)，而在-y方向施加到導(dǎo)體20的一電流在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50中產(chǎn)生在-x方向上的磁場(chǎng)(Hx-)。這些感應(yīng)的磁場(chǎng)Hx+、Hx-、Hy+、Hy-可以用于穩(wěn)定和/或?qū)懘糯尜A單元40的邏輯狀態(tài)。
本發(fā)明的上述詳細(xì)描述被提供用于說明的目的并且不認(rèn)為是窮舉的或者是將本發(fā)明限于所公開的精確實(shí)施例。因此，本發(fā)明的范圍由后附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1.一種磁存貯單元，包括一具有內(nèi)部區(qū)和一對(duì)端部區(qū)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)，該對(duì)端部區(qū)(57-58)靠近該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的一對(duì)相對(duì)邊；材料(55-56)，該材料在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的上表面上與端部區(qū)(57-58)重疊，該材料(55-56)在提供一用于該磁存貯單元的絕緣層的同時(shí)，通過固定端部區(qū)(57-58)中的磁化至一預(yù)定方向來穩(wěn)定該磁存貯單元。
2.權(quán)利要求1的磁存貯單元，其中該預(yù)定方向是基本上垂直于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的易軸。
3.權(quán)利要求1的磁存貯單元，其中該相對(duì)邊緣垂直于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的易軸。
4.權(quán)利要求1的磁存貯單元，其中該材料(55-56)是一種還提供絕緣性能的反鐵磁材料。
5.權(quán)利要求4的磁存貯單元，其中該反鐵磁材料是鎳氧化物。
6.權(quán)利要求4的磁存貯單元，其中該反鐵磁材料是Fe2O3。
7.權(quán)利要求1的磁存貯單元，其中該材料(55-56)是一種永磁體。
8.權(quán)利要求1的磁存貯單元，其中，邏輯狀態(tài)采用下列步驟被寫入磁存貯單元施加一磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的端部區(qū)(57-58)中的磁化以減少在端部區(qū)(57-58)中的自由磁極；施加一磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)內(nèi)部區(qū)中的磁化方向到一用于該邏輯狀態(tài)的所需方向。
9.權(quán)利要求8的磁存貯單元，其中，該邏輯狀態(tài)采用下列附加步驟被寫入磁存貯單元在施加一旋轉(zhuǎn)端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場(chǎng)之前，施加一減少在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的一對(duì)相對(duì)側(cè)面區(qū)中的自由磁極的磁場(chǎng)。
10.權(quán)利要求8的磁存貯單元，其中，該邏輯狀態(tài)采用下列附加步驟被寫入磁存貯單元消除旋轉(zhuǎn)端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場(chǎng)；消除旋轉(zhuǎn)內(nèi)部區(qū)中的磁化取向的磁場(chǎng)。
11.一種用于穩(wěn)定磁存貯單元的方法，包括步驟施加一磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)磁存貯單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的一對(duì)相對(duì)端部區(qū)(57-58)中的磁化以減少在該端部區(qū)(57-58)中的自由磁極；施加一磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的內(nèi)部區(qū)中的磁化取向到一用于邏輯狀態(tài)的所需方向。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所需方向基本上平行于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的易軸。
13.權(quán)利要求11的方法，其中所需方向基本上反平行于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的易軸。
14.權(quán)利要求11的方法，其中旋轉(zhuǎn)相對(duì)端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場(chǎng)基本上正交于旋轉(zhuǎn)內(nèi)部區(qū)中的磁化取向的磁場(chǎng)。
15.權(quán)利要求11的方法，還包括步驟施加一減少在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的一對(duì)相對(duì)側(cè)面區(qū)中的自由磁極的磁場(chǎng)。
16.權(quán)利要求11的方法，其中施加一減少在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的一對(duì)相對(duì)側(cè)面區(qū)中的自由磁極的磁場(chǎng)的步驟在施加旋轉(zhuǎn)相對(duì)端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場(chǎng)之前進(jìn)行。
17.權(quán)利要求16的方法，其中減少側(cè)面區(qū)中的自由磁極的磁場(chǎng)基本上平行于旋轉(zhuǎn)內(nèi)部區(qū)中的磁化取向的磁場(chǎng)。
18.權(quán)利要求11的方法，還包括消除旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的相對(duì)端部區(qū)(57-58)中的磁化的磁場(chǎng)的步驟。
19.權(quán)利要求11的方法，還包括消除旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的內(nèi)部區(qū)中的磁化取向的磁場(chǎng)的步驟。
20.權(quán)利要求11的方法，還包括在磁存貯單元中提供穩(wěn)定材料(55-56)的步驟，該穩(wěn)定材料(55-56)固定端部區(qū)(57-58)中的磁化至預(yù)定方向。
全文摘要
一種穩(wěn)定的磁存貯單元,包括:一具有內(nèi)部區(qū)和一對(duì)端部區(qū)57—58的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50和穩(wěn)定材料55—56,該端部區(qū)靠近該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層50的一對(duì)相對(duì)邊,該材料固定端部區(qū)57—58中的磁化至一預(yù)定方向。一種用于穩(wěn)定磁存貯單元的方法,包括施加一磁場(chǎng)的步驟,該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)磁存貯單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層(50)的一對(duì)相對(duì)側(cè)面區(qū)中的磁化以朝向一預(yù)定方向并且減少在磁存貯單元的一對(duì)相對(duì)端部區(qū)57—58中的自由磁極,借此減少端部區(qū)57—58中的不可預(yù)知的切換性能的可能性。
文檔編號(hào)G11C11/14GK1247367SQ9911194
公開日2000年3月15日 申請(qǐng)日期1999年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月4日
發(fā)明者J·A·布魯特, T·C·安東尼, M·K·巴塔查亞 申請(qǐng)人:惠普公司