專利名稱：制造參考層之方法及備有此型參考層之mram存儲單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系關(guān)于一種制造MRAM存儲單元之參考層的方法，以及關(guān)于一種具有以此方法制造的參考層之MRAM存儲單元。
眾所皆知，MRAM的配置方式系以有助于TMR(tunnelmagnetoresistance，穿隧磁阻〕效應(yīng)的鐵磁性儲存為基礎(chǔ)。伴隨之第1圖表示了一個習(xí)知利用所述TMR效應(yīng)之MRAM存儲單元概略的剖面圖。該TMR存儲單元包含了一配置于一位線5與一字線4之間的層堆棧，其具有一軟磁層2、一穿隧氧化層3與一硬磁或參考層；該位線5與該字線4系彼此交錯。如箭頭方向所示，硬磁層1的磁化方向系已預(yù)先決定，而該軟磁層2的磁化方向〔如雙向箭頭方向所示〕系利用藉由該字線4與該位線5所傳送進(jìn)來所對應(yīng)的不同方向電流I、I’而設(shè)定；該等電流使得該軟磁層2的磁化方向被極化為與該硬磁層1極化方向平行或反平行之方向。該層堆棧在層1與2為平行磁化時所具有之電阻系較兩層1與2違反平行磁化時之電為小，其分別被以“0”與“1”狀態(tài)而計算，反之亦然。
由于參考層的凈磁化量決定了MRAM存儲單元整體之行為與運(yùn)作，因而在MRAM存儲單元之制造過程中，需使其凈磁化量可以一目標(biāo)方式而設(shè)定。
因此，本發(fā)明的一項目的在于明確地提供一種用以制造MRAM存儲單元參考層的方法，以及一種備有此型參考層之MRAM存儲單元，使得該參考層的凈磁化量與該MRAM存儲單元整體之行為能夠以一目標(biāo)方式建立。
根據(jù)本發(fā)明，一種能夠達(dá)成上述目的之MRAM存儲單元參考層制造方法，其特征在于包含有下列之步驟A供一MRAM存儲單元參考層之層系統(tǒng)，該層系統(tǒng)具有一第一層與一第二層，該第一層系由一具有第一居里溫度TC1之材料所制成，其可藉一外部磁場而被永久磁化，而該第二層系由一具有第二居里溫度TC2之材料所制成，該第二居里溫度TC2明顯低于該第一居里溫度TC1，且該第二層可藉由與該第一層間之反鐵磁耦合〔antiferromagnetic coupling〕而被磁化；
B產(chǎn)生一外部磁場；C藉由該外部磁場的作用，將該層系統(tǒng)自高于該第一居里溫度TC1之一溫度冷卻至低于該第一居里溫度TC1，該外部磁場之磁場強(qiáng)度系高于該第一層之飽和場強(qiáng)度，使得該第一層之磁化系藉由二次相變〔second-order phase transition〕而以該外部磁場之磁場方向?yàn)榉轿?；以及D接著冷卻該層系統(tǒng)至低于該第二居里溫度TC2，該第二層之磁化系由于該第一與該第二層間的反鐵磁耦合而以與該第一層之磁化反平行之方向?yàn)榉轿弧?br> 因此，建議以一例如為對稱的、人為的反鐵磁磁體〔AAF〕為該參考層，所述之反鐵磁磁體包含了具有不同居里溫度之兩反鐵磁耦合層；當(dāng)其在一外加磁場作用下而自一高于該第一居里溫度TC1之溫度冷卻時，該層系統(tǒng)之第一層的磁化系藉由一二次相變而以該外加磁場之方向?yàn)榉轿?，且該磁場?qiáng)度系較該第一層之飽和場強(qiáng)度為大；在更進(jìn)一步冷卻至低于該第二居里溫度TC2時，該第二層之磁化系由于兩層間的反鐵磁耦合而以與該第一層磁化方向反平行之方向?yàn)榉轿?。該兩層〔意即該第一與第二層〕因而形成一人為之反鐵磁磁體〔AAF〕。
其中重點(diǎn)是在較低之居里溫度TC2下藉由二次相變所導(dǎo)致之該第二層內(nèi)磁化分布之產(chǎn)生；存在于該第一層內(nèi)之磁化分布藉由反鐵磁耦合所存在的反平行耦合而轉(zhuǎn)移至該第二層中。
當(dāng)該第一與第二層之凈磁化量〔飽和通量＝飽和磁化×層截面積〕系被相應(yīng)而選擇時，該層系統(tǒng)之凈磁化量可能被設(shè)定為零；意即只要各別層之間的磁性耦合夠強(qiáng)，關(guān)于在該外部磁場下之該人為反鐵磁磁體內(nèi)部所產(chǎn)生的磁化便能呈現(xiàn)高度穩(wěn)定。
進(jìn)一步而言，該層系統(tǒng)之凈磁化亦得以藉由一目標(biāo)方式而可控制性地設(shè)定，例如藉由選擇較第一層為小的第二層飽和磁化或是截面積；因此，在不考慮具有相同飽和通量之兩層所呈現(xiàn)之對稱的人違反鐵磁磁體之優(yōu)勢時，亦可使用所建議的層建構(gòu)方式以制造一反向的人為反鐵磁磁體。在TMR存儲單元中，較薄的層系與穿隧能障接觸。由于各層系基于固有本性而飽和，因此沒有360°之磁壁，解決了習(xí)慣上的建構(gòu)方式所存在的殘余之360°磁壁減弱了訊號強(qiáng)度之問題。
在該步驟C中，該第一層所獲得之一均勻磁化可藉由中間層之耦合而轉(zhuǎn)移至該第二層中，該中間層系為在步驟〔A〕中所提供的層系統(tǒng)所具有之一在該第一與第二層間的一非常薄的中間耦合層；其尤其具有當(dāng)該第一層飽和時，該第二層內(nèi)部將不產(chǎn)生360°磁壁之優(yōu)勢。
下述之材料組合系特別針對該建議層系統(tǒng)之較佳的第一層與第二層組合a第一層為具有居里溫度TC1為450℃之(Co，F(xiàn)e，Mn)80(Si，B)20，而第二層為具有居里溫度TC2為210℃之(Co，F(xiàn)e，Mo)73(Si，B)27。一軟磁性/軟磁性〔soft/soft〕磁化行為系可藉此整體之材料組合而達(dá)成。
b第一層為具有居里溫度Tc1為415℃之(Co，F(xiàn)e)83(Si，B)17，而第二層為具有居里溫度TC2為260℃之(Ni，F(xiàn)e)78(Si，B，C)22。該材料組合系使該層系統(tǒng)產(chǎn)生一磁致伸縮〔magnetostrictive〕行為。
c第一層為具有居里溫度TC1為400℃之Tb20Fe40Co40，而第二層為具有居里溫度TC2為150℃之Tb20Fe80。該材料組合系使該層系統(tǒng)產(chǎn)生一亞鐵磁性〔ferrimagnetic〕行為。
該中間層之材料種類可為釕(Ru)、銅(Cu)或金(Au)。
該第一層與該第二層之間的磁性耦合系與該中間層之厚度有關(guān)，其可被選擇以產(chǎn)生一反鐵磁耦合。
以該方法所制造之一參考層，以及備有此型參考層之MRAM存儲單元具有下列之優(yōu)勢，特別是-各別層之磁化分布的目標(biāo)設(shè)定；-凈磁化量之消減或是該層系統(tǒng)之凈磁化量可藉由該第一層與該第二層飽和磁化與厚度的選擇而加以控制；-當(dāng)該第一層被凍結(jié)〔frozen〕時，該第二層之磁化為非主動性〔高于TC2〕；-自該第一層至該第二層之均勻磁化的轉(zhuǎn)移系藉由前述之該中間層磁性耦合而產(chǎn)生，此具有之優(yōu)勢尤其為，當(dāng)該第一層飽和時，該第二層內(nèi)不具有360°之磁壁；-在不考慮具有相同飽和通量之兩層所呈現(xiàn)之對稱的人違反鐵磁磁體之優(yōu)勢時，亦可使用所建議的層建構(gòu)方式以制造一反向的人為反鐵磁磁體。在TMR存儲單元中，較薄的層系與穿隧能障接觸。由于各層系基于固有本性而飽和，因此沒有360°之磁壁，解決了習(xí)慣上的建構(gòu)方式所存在的殘余之360°磁壁減弱了訊號強(qiáng)度之問題。
下述說明系參考各圖式而敘述了根據(jù)本發(fā)明之方法與備有此一參考層之MRAM存儲單元之典型實(shí)施例。下列圖式之詳細(xì)說明為第1圖，系為一已說明之具有習(xí)知結(jié)構(gòu)的MRAM存儲單元之粗略的剖面圖；第2圖〔A〕與第2圖〔B〕，系為具有根據(jù)本發(fā)明所制造之參考層之一MRAM存儲單元的第一與第二典型實(shí)施例之粗略的剖面圖；第3圖，系為具有根據(jù)本發(fā)明之另一參考層之MRAM存儲單元之第三典型實(shí)施例之粗略的剖面圖；以及第4圖，系粗略描述了根據(jù)本發(fā)明之參考層制造方法。
在第2圖〔A〕與第2圖〔B〕中所說明之根據(jù)本發(fā)明之MRAM存儲單元的情形，一層堆棧包含了兩層10與11，其系根據(jù)本發(fā)明而形成了一參考層系統(tǒng)R，一穿隧能障13與一軟磁層12系位于一字線〔WORDL〕14與一位線〔BITL〕15之間。在第2圖〔A〕中，層系統(tǒng)R之第一層10與第二層11各具有相同之飽和磁化量與相同的層截面積，因此該層系統(tǒng)R之凈磁化量為零。
相反地，在第2圖〔B〕中，該參考層之層系統(tǒng)R所具有的第一層10與第二層11具有一不同的凈磁化量，其系由于所選擇之第二層11的截面積較第一層10為小之故；而該較薄的第二層11系與該穿隧能障13接觸。由于該第一層10與該第二層11系各別為固有之飽和，因此其不具有360°之磁壁，一MRAM存儲單元之習(xí)知結(jié)構(gòu)所具有之殘余360°磁壁削減了訊號之問題系可因而被避免。
在第3圖所敘述之第三實(shí)施例中，參考層層系統(tǒng)R’具有的建構(gòu)系包含了一第一層100、一薄的中間耦合層102與一第二層101；藉由該中間層102的作用，該第一層100的均勻磁化系可藉由該中間耦合層102的耦合作用而轉(zhuǎn)移至該第二層101。因此，當(dāng)該第一層100飽和時，在該第二層101內(nèi)不會出現(xiàn)360°磁壁。除此之外，在第3圖中所描述之MRAM存儲單元的第三實(shí)施例之結(jié)構(gòu)系與第2圖〔A〕之第一實(shí)施例之建構(gòu)相同。
第4圖描述了根據(jù)本發(fā)明之MRAM存儲單元的參考層制造方法。提供一參考層層系統(tǒng)，該層系統(tǒng)具有一第一層與一第二層，該第一層系由一具有第一居里溫度TC1之材料所制成，其可藉一外部磁場而被永久磁化；而該第二層系由一具有第二居里溫度TC2之材料所制成，該第二居里溫度TC2系明顯低于該第一居里溫度TC1，且該第二層可藉由與該第一層間之反鐵磁耦合〔antiferromagnetic coupling〕而被磁化。在溫度軸T表示了兩居里溫度TC1與TC2；在t1時，該層系統(tǒng)R、R’系自高于該第一居里溫度TC1之一溫度T0進(jìn)行冷卻至低于該第一居里溫度TC1，所述之層系統(tǒng)R、R’系置于一外加磁場B1如箭頭所示 中；在此例中，該第一層10之磁化系藉由二次相變而以該外加磁場B1之磁場方向?yàn)榉轿?。此系假設(shè)B1的磁場強(qiáng)度大于該第一層10之飽和場強(qiáng)度。
再進(jìn)一步地進(jìn)行冷卻時，切換該磁場B1為關(guān)閉，且此時溫度T系降至低于該第二層11之第二居里溫度TC2；在t2時，該第二層11之磁化系以對該第一層10反平行之方向?yàn)榉轿唬湎涤捎谠搩蓪娱g之反鐵磁耦合；這形成了一人為的反鐵磁磁體AAF。如前所提及以及參考第3圖所描述，該第一層對該第二層之反鐵磁耦合亦藉由一中間耦合層的提供而產(chǎn)生。
如第4圖中在t2時刻之虛線箭頭所示，為了將第二層11內(nèi)之磁化分布均勻化，當(dāng)溫度經(jīng)過TC2時，可在不將第一層10之磁化反轉(zhuǎn)的前提之下，外加一磁場方向系與該第一層10磁化相反之磁場B2；這需要該第一層具有足夠的矯頑場〔coercitive field〕強(qiáng)度，或是具有一足夠“方正”的磁性轉(zhuǎn)換行為；為了達(dá)到這樣的目的，該第一層10的磁化穩(wěn)定度可藉由一自然之反鐵磁磁體之耦合而穩(wěn)定化，該反鐵磁磁體具有之尼爾溫度〔Neel temperature〕系較該第二、較低之居里溫度TC2為高。
第一層與第二層之可行的層組合為第一層10〔100〕 TC1第二層11〔101〕 TC2特征(Co，F(xiàn)e，Mn)80(Si，B)20485℃ (Co，F(xiàn)e，Mo)73(Si，B)27210℃ 軟磁/軟磁性(Co，F(xiàn)e)83(Si，B)17415℃ (Ni，F(xiàn)e)78(Si，B，C)22260℃ 磁致伸縮Tb20Fe40Co40400℃ Tb20Fe80150℃ 亞鐵磁性所有提及如第3圖所述之中間層102可為釕(Ru)、銅(Cu)、金(Au)。
代表符號說明1；R；R’參考層2；12軟磁層3；13穿隧能障10；100第一層11；101第二層102中間耦合層14字線15位線TC1；TC2居里溫度B1；B2磁場t1；t2時間
權(quán)利要求
1.一種用于制造MRAM存儲單元之一參考層的方法，其特征在于下列步驟(A)提供該參考層之一層系統(tǒng)，該層系統(tǒng)具有一第一層〔10；100〕與一第二層〔11；101〕，該第一層系由一具有第一居里溫度〔TC1〕之材料所制成，其可藉一外部磁場而被永久磁化，而該第二層系由一具有第二居里溫度〔TC2〕之材料所制成，該第二居里溫度〔TC2〕明顯低于該第一居里溫度〔TC1〕，且該第二層可藉由與該第一層間之反鐵磁耦合〔antiferromagnetic coupling〕而被磁化；(B)產(chǎn)生一外部磁場〔B1〕；(C)藉由該外部磁場〔B1〕的作用，將該層系統(tǒng)〔R；R’〕自高于該第一居里溫度〔TC1〕之一溫度冷卻至低于該第一居里溫度〔TC1〕，該外部磁場〔B1〕之磁場強(qiáng)度系高于該第一層之飽和場強(qiáng)度，使得該第一層之磁化系藉由二次相變〔second-order phase transition〕而以該外部磁場之磁場方向?yàn)榉轿唬灰约?D)接著冷卻該層系統(tǒng)〔R；R’〕至低于該第二居里溫度〔TC2〕，該第二層〔11；101〕之磁化系由于該第一與該第二層〔10；100與11；101〕間的反鐵磁耦合而以與該第一層〔10；100〕之磁化反平行的方向?yàn)榉轿弧?br> 2.如權(quán)利要求第1項之制造方法，其中該層系統(tǒng)〔R；R’〕之凈磁化〔net magnetization〕系藉由飽和磁通量〔saturation flux〕之選擇而設(shè)定，特別是在該第一與該第二層〔10；100與11；101〕中的每一種之層截面。
3.如權(quán)利要求第1項之制造方法，其中該層系統(tǒng)〔R；R’〕之凈磁化〔net magnetization〕系藉由該第一層〔10；100〕與該第二層11；101所個別具有之相同凈磁化而設(shè)定為零。
4.如權(quán)利要求第1或2項之制造方法，其中該層系統(tǒng)〔R；R’〕之凈磁化〔net magnetization〕系藉由該第二層的選擇而被設(shè)定成不為零，因此該層截面系較該第一層〔10；100〕為小。
5.如權(quán)利要求前述各項中任一項之制造方法，其中，在步驟〔D〕中，在經(jīng)過該第二居里溫度TC2時，系施加一外部磁場〔B2〕，其磁場方向系與該第一層〔10；100〕之磁化方向相反。
6.如權(quán)利要求第1至5項中任一項之制造方法，其中，在步驟〔A〕中，所提供之一層系統(tǒng)〔R’〕系具有一位于該第一與第二層〔100與101〕間之非常薄的中間耦合層〔102〕，且在步驟〔D〕中，該反鐵磁耦合系藉由該中間耦合層〔102〕而產(chǎn)生。
7.如權(quán)利要求第1至6項中任一項之制造方法，其中該第一層〔10；100〕之材料系選自一包含有(Co，F(xiàn)e，Mn)80(Si，B)20、(Co，F(xiàn)e)83(Si，B)17、Tb20Fe40Co40之族群，而第二層之材料系選自一包含有(Co，F(xiàn)e，Mo)73(Si，B)27、(Ni，F(xiàn)e)78(Si，B，C)22、Tb20Fe80之族群。
8.如權(quán)利要求第7項之制造方法，其中該中間耦合層〔102〕之材料系選自一包含有釕(Ru)、銅(Cu)、金(Au)之族群。
9.一MRAM存儲單元，其具有一包含一層系統(tǒng)〔R；R’〕之參考層，該層系統(tǒng)具有一第一層〔10；100〕、一第二層〔11；101〕以及一參考層，該第一層系由一具有第一居里溫度〔TC1〕之材料所制成，該第二層系由一具有第二居里溫度〔TC2〕之材料所制成，該第二居里溫度〔TC2〕明顯低于該第一居里溫度〔TC1〕，而該參考層系以如權(quán)利要求第1項至第8項所敘述之方法而制造。
全文摘要
本發(fā)明系關(guān)于一種制造MRAM存儲單元參考層之方法及備有此型參考層之MRAM存儲單元。此類型之參考層包含了兩具有不同居里溫度之磁性耦合層，當(dāng)在一外部磁場中自一高于第一層(10)的居里溫度(T
文檔編號H01L43/08GK1643615SQ03806913
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月28日
發(fā)明者U·克洛斯特曼恩, M·魯伊里格 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司