專利名稱：磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)。本發(fā)明尤其涉及用來消除可在MRAM的存儲(chǔ)單元中產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Magnetic Random Access Memory下面稱為“MRAM”)，作為能高速寫入、且具有大的改寫次數(shù)的非易失性存儲(chǔ)器而引人注目。
典型的MRAM的存儲(chǔ)單元如圖1所示，包括由具有固定的自發(fā)磁化的釘針層(釘扎層，pinned layer)101、具有能反轉(zhuǎn)的自發(fā)磁化的自由層102、插在釘針層101和自由層102之間的非磁性間隔層103構(gòu)成的磁阻元件104。自由層102能反轉(zhuǎn)地形成，以使其自發(fā)磁化的方向可以與釘針層101的自發(fā)磁化方向平行或反向平行。
存儲(chǔ)單元將1比特的數(shù)據(jù)作為自由層102的自發(fā)磁化方向來存儲(chǔ)。存儲(chǔ)單元可取得自由層102的自發(fā)磁化和釘針層101的自發(fā)磁化平行的“平行”狀態(tài)和自由層102的自發(fā)磁化與釘針層101的自發(fā)磁化反向平行的“反平行”狀態(tài)的兩個(gè)狀態(tài)。存儲(chǔ)單元通過將“平行”狀態(tài)和“反平行”狀態(tài)中的一個(gè)對(duì)應(yīng)于“0”，另一個(gè)對(duì)應(yīng)于“1”，從而存儲(chǔ)1比特的數(shù)據(jù)。
從存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)讀出可以通過檢測(cè)由磁阻效應(yīng)引起的存儲(chǔ)器單元的電阻變化來進(jìn)行。釘針層101和自由層102的自發(fā)磁化的方向?qū)Υ鎯?chǔ)單元的電阻有影響。在釘針層101和自由層102的自發(fā)磁化的方向平行的情況下，存儲(chǔ)單元的電阻為第一值R，在反平行的情況下，存儲(chǔ)單元的電阻為第二值R+ΔR。釘針層101和自由層102的自發(fā)磁化的方向，即存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)可通過檢測(cè)存儲(chǔ)單元的電阻來判別。
向存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)寫入通過在存儲(chǔ)單元陣列上配置的信號(hào)線(典型的為字線和位線)流過電流，通過由該電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)使自由層102的自發(fā)磁化的方向反轉(zhuǎn)來進(jìn)行。
由于構(gòu)成自由層102的強(qiáng)磁性體本質(zhì)上(即，作為該強(qiáng)磁性體的塊(bulk)性質(zhì))相對(duì)施加磁場(chǎng)具有對(duì)稱的磁場(chǎng)一磁化特性(H-M特性)，所以存儲(chǔ)單元的電阻值理想上如圖2A所示，相對(duì)于為進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入向該存儲(chǔ)單元施加的寫入磁場(chǎng)表示出對(duì)稱的特性。
但是，現(xiàn)實(shí)的存儲(chǔ)單元的電阻值如圖2B所示，相對(duì)于寫入磁場(chǎng)表示出非對(duì)稱的特性，即，有時(shí)存儲(chǔ)器具有偏置磁場(chǎng)Hoff。偏置磁場(chǎng)Hoff的存在意味著寫入數(shù)據(jù)所需的磁場(chǎng)在“1”和“0”上不同。由于偏置磁場(chǎng)Hoff使存儲(chǔ)器動(dòng)作裕量減小，進(jìn)一步，使數(shù)據(jù)寫入所需的電流增加，所以不好。
作為該偏置磁場(chǎng)產(chǎn)生的原因，已知有桔皮效應(yīng)(Orange Peel Coupling，或Neel’s coupling)。Kools等在論文“J.C.S.Kools et al.“Effect of finitemagnetic film thickness on Neel coupling in spin valves”J.Appl.Phys.，85，4466(1999)”中公開了由桔皮效應(yīng)引起的偏置磁場(chǎng)的產(chǎn)生。
如圖3所示，桔皮效應(yīng)由釘針層101和自由層102的表面的不平坦性引起。在MRAM的存儲(chǔ)單元的制造工藝中，釘針層101和自由層102的表面完全平坦實(shí)際上是很困難的，釘針層101和自由層102的表面實(shí)際上有起伏。釘針層101和自由層102的起伏使釘針層101和自由層102的自發(fā)磁化間產(chǎn)生了層間耦合磁場(chǎng)(Interlayer coupling field)。該層間耦合磁場(chǎng)成為存儲(chǔ)單元具有偏置磁場(chǎng)的原因。
作為偏置磁場(chǎng)產(chǎn)生的另一原因，已知有靜磁耦合效應(yīng)(Magneto-Staticcoupling)。有時(shí)將靜磁耦合效應(yīng)稱為邊緣效應(yīng)。如圖4所示，靜磁耦合效應(yīng)因釘針層101的端部產(chǎn)生磁極而引起。將該磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)HMS施加給自由層102，因此，反轉(zhuǎn)了自由層102的自發(fā)磁化的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生非對(duì)稱性。該反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的非對(duì)稱性成為存儲(chǔ)單元具有偏置磁場(chǎng)的原因。
美國專利No.6233172公開了通過利用使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)產(chǎn)生彼此反方向的磁場(chǎng)，使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)抵消，從而使存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)為0的技術(shù)。
圖5表示上述美國專利中公開的MRAM的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括基板112、下部電極層疊膜114、間隔層116和上部電極層疊膜118。下部電極層疊膜114由底層120、反強(qiáng)磁性體層122、釘針強(qiáng)磁性體層124、釕層126和固定強(qiáng)磁性體層128構(gòu)成。上部電極層疊膜118由自由強(qiáng)磁性層130和保護(hù)層132構(gòu)成。釘針強(qiáng)磁性體層124和固定強(qiáng)磁性體層128具有固定的自發(fā)磁化，自由強(qiáng)磁性層130具有能反轉(zhuǎn)的自發(fā)磁化。該美國專利公開了桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)的抵消能通過滿足下式M1T1＜M2T2來實(shí)現(xiàn)。在這里，T1是釘針強(qiáng)磁性體層124的膜厚，M1是釘針強(qiáng)磁性體層124的磁化。進(jìn)一步，T2是固定強(qiáng)磁性體層128的膜厚，M2是固定強(qiáng)磁性體層128的磁化。該式可通過設(shè)為T1＜T2，且M1＝M2，T1＝T2，且M1＜M2，或T1＜T2，且M1＜M2而成立。
但是，如圖6A和圖6B所示，靜磁耦合效應(yīng)在自由層102內(nèi)部中，不是均勻的效應(yīng)。圖6B表示針對(duì)具有圖6A所示形狀的矩形存儲(chǔ)單元，計(jì)算了通過靜磁耦合效應(yīng)施加給自由層102的磁場(chǎng)的大小的結(jié)果。自由層102受到的磁場(chǎng)在接近釘針層101的端部位置上大，在遠(yuǎn)離釘針層101的端部位置上小。這樣，自由層102受到的磁場(chǎng)不均勻，對(duì)于存儲(chǔ)單元的內(nèi)部整體來說，抵消桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)是困難的。
進(jìn)一步，近年來的MRAM的細(xì)微化的發(fā)展對(duì)于MRAM中含有的多個(gè)存儲(chǔ)單元的每一個(gè)，使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)抵消是困難的。隨著MRAM的細(xì)微化，自由層變薄，因此，桔皮效應(yīng)增大。進(jìn)一步，釘針層的大小變小，靜磁耦合效應(yīng)增大。桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)的增大分別使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)大小的制造偏差增大，因此，每個(gè)存儲(chǔ)單元的這些效應(yīng)的偏差增大。對(duì)于每個(gè)存儲(chǔ)單元，該偏差的增大使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)的抵消變得困難，對(duì)于MRAM的存儲(chǔ)單元陣列中含有的全部存儲(chǔ)單元來說妨礙了偏置磁場(chǎng)的消除。
公開特許公報(bào)(特開2000-332318和特開平10-188235)公開了一種通過控制向自由層施加的外部磁場(chǎng)，來提供靈敏度高且可靠性高的磁頭用的磁阻元件的構(gòu)造。但是，這些文獻(xiàn)一點(diǎn)也沒有談及使磁阻元件的自由層的偏置磁場(chǎng)為0。磁頭雖然要求自由層處于適當(dāng)?shù)钠珘狐c(diǎn)，但是不需要使自由層的偏置磁場(chǎng)為0。
從這些背景看出，希望提供一種使存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)更有效地減少的技術(shù)。尤其，希望提供一種對(duì)存儲(chǔ)單元的內(nèi)部整體，均勻減小偏置磁場(chǎng)的技術(shù)或不影響制造偏差，而可以對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)單元消除偏置磁場(chǎng)的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種使MRAM的存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)更有效地減小的技術(shù)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種對(duì)于MRAM的存儲(chǔ)單元內(nèi)部整體，均勻減小偏置磁場(chǎng)的技術(shù)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種抑制了MRAM的制造偏差施加給該MRAM的存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)的消除的惡劣影響的技術(shù)。
在本發(fā)明的一個(gè)觀點(diǎn)中，MRAM包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；固定層，其具有固定自發(fā)磁化；和間隔層，其由非磁性體形成，并插在所述自由層和所述固定層之間。形成固定層，以使其實(shí)質(zhì)上使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)不影響自由層。由于該MRAM最初使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)不影響自由層，所以不會(huì)產(chǎn)生桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)的偏差或存儲(chǔ)單元內(nèi)的靜磁耦合效應(yīng)的不均勻性的問題。
固定層有包括第一釘針層，其具有朝向與作為所述固定自發(fā)磁化的方向的第一方向相反的第二方向，磁化方向被固定的其他固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其設(shè)置在第一釘針層和所述自由層之間，且具有所述固定自發(fā)磁化的情況。這時(shí)，優(yōu)選通過第一釘針層和第二釘針層的結(jié)構(gòu)的最佳化，形成所述固定層，以便實(shí)質(zhì)上使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)不影響所述自由層。
固定層影響自由層的桔皮效應(yīng)的抑制可通過使第一釘針層通過桔皮效應(yīng)施加給所述自由層的第一磁場(chǎng)和所述第二釘針層通過桔皮效應(yīng)施加給所述自由層的第二磁場(chǎng)的和實(shí)質(zhì)上為0來有效地實(shí)現(xiàn)。
最好在固定層進(jìn)一步包括插在所述第一釘針層和所述第二釘針層之間的非磁性的其他間隔層的情況下，該其他間隔層具有使所述固定自發(fā)磁化和所述其他固定自發(fā)磁化反強(qiáng)磁性地耦合的膜厚。該其他間隔層使所述固定自發(fā)磁化和所述其他的固定自發(fā)磁化的方向穩(wěn)定，以使該MRAM的動(dòng)作穩(wěn)定。
最好在配置固定層，以使其沿所述第一方向延伸的情況下，固定層的端部與自由層的距離大到由端部的磁極生成的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上不與所述自由層鏈接的程度。由于靜磁耦合效應(yīng)由在固定層的端部上生成的磁極引起，所以端部和自由層的距離充分大，有效地抑制了固定層影響自由層的靜磁耦合效應(yīng)。
在本發(fā)明的其他觀點(diǎn)中，MRAM包括具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化的自由層；層疊鐵氧固定層；和由非磁性體形成，插在自由層和層疊鐵氧固定層之間的間隔層。層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有向第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其具有向與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化。第一釘針層包括第一部分，其配置為沿所述第一方向延伸；第二部分，其在所述第一部分上，形成為在與形成了該磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的基板的表面垂直的方向上，與第二釘針層位置匹配(aligned)。形成第一釘針層和第二釘針層，以使層疊鐵氧固定層實(shí)質(zhì)上使桔皮效應(yīng)不影響自由層。進(jìn)一步，設(shè)第一固定自發(fā)磁化的大小為M1，所述第二固定自發(fā)磁化的大小為M2，第二釘針層的厚度為t2時(shí)，形成第二部分，以使其實(shí)質(zhì)上具有(M2/M1)·t2的厚度。具有這種厚度的第二部分取消了第二釘針層的端部的磁極生成的磁場(chǎng)，有效地抑制了固定層影響自由層的靜磁耦合效應(yīng)。
在本發(fā)明的進(jìn)一步的其他觀點(diǎn)中，MRAM包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；層疊鐵氧固定層；和非磁性間隔層，插在所述自由層和所述層疊鐵氧固定層之間。層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有沿第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其插在所述自由層和所述第一釘針層之間，具有沿與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化。形成第一釘針層和第二釘針層，以使第一釘針層通過桔皮效應(yīng)向所述自由層施加的第一磁場(chǎng)與第二釘針層通過桔皮效應(yīng)向所述自由層施加的第二磁場(chǎng)的和實(shí)質(zhì)上為0。在該MRAM中，用第一釘針層向自由層施加的桔皮效應(yīng)抵消第二釘針層向自由層施加的桔皮效應(yīng)，層疊鐵氧固定層實(shí)質(zhì)上不向自由層施加桔皮效應(yīng)。通過桔皮效應(yīng)的抑制，該MRAM可以有效地抑制存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)。
最好在層疊鐵氧固定層進(jìn)一步包括設(shè)置在所述第一釘針層和所述第二釘針層之間的非磁性的其他間隔層的情況下，其他間隔層具有使所述第一固定自發(fā)磁化和所述第二固定自發(fā)磁化反強(qiáng)磁性地耦合的膜厚。
在本發(fā)明的又一其他觀點(diǎn)中，MRAM包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；固定層，其具有沿第一方向固定的固定自發(fā)磁化；和間隔層，其由非磁性體形成，插在所述自由層和所述固定層之間。配置所述固定層，以使其沿所述第一方向延伸；所述固定層的端部和所述自由層的距離大到由所述端部的磁極生成的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上不與所述自由層鏈接的程度。由于靜磁耦合效應(yīng)由固定層的端部的磁極生成的磁場(chǎng)引起，所以所述固定層的端部和所述自由層的距離充分大，有效地抑制了靜磁耦合效應(yīng)。
在本發(fā)明的進(jìn)一步的其他觀點(diǎn)中，MRAM包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；層疊鐵氧固定層；和非磁性間隔層，其插在自由層和層疊鐵氧固定層之間。層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有沿第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其設(shè)置在自由層和第一釘針層之間，具有沿與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化。第一釘針層包括第一部分，其配置為沿所述第一方向和所述第二方向延伸；第二部分，其在所述第一部分上，形成為在與形成了該磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的基板的表面垂直的方向上，與所述第二釘針層位置匹配。設(shè)所述第一固定自發(fā)磁化的大小為M1，所述第二固定自發(fā)磁化的大小為M2，所述第二釘針層的厚度為t2時(shí)，形成第二部分，以使其實(shí)質(zhì)上具有(M2/M1)·t2的厚度。具有(M2/M1)·t2的厚度的第二部分通過靜磁耦合效應(yīng)產(chǎn)生與第二釘針層通過經(jīng)此耦合效應(yīng)施加給自由層的磁場(chǎng)大致相同的大小、且方向相反的磁場(chǎng)。具有(M2/M1)·t2的厚度的第二部分取消了第二釘針層施加給自由層的靜磁耦合效應(yīng)，有效地抑制了層疊鐵氧固定層影響自由層的靜磁耦合效應(yīng)。
在本發(fā)明的進(jìn)一步的其他觀點(diǎn)中，MRAM包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；層疊鐵氧固定層；和非磁性的間隔層，其插在自由層和層疊鐵氧固定層之間。層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有沿第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其設(shè)置在間隔層和第一釘針層之間，具有沿與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化。決定所述第一固定自發(fā)磁化的大小、所述第二固定自發(fā)磁化的大小、所述第一釘針層的厚度、所述第二釘針層的厚度，以使所述層疊鐵氧固定層通過桔皮效應(yīng)施加給所述自由層的磁場(chǎng)的大小和所述層疊鐵氧固定層通過靜磁耦合效應(yīng)施加給所述自由層的磁場(chǎng)的大小都為10(Oe)以下。設(shè)計(jì)該MRAM，以便通過第一釘針層和第二釘針層的最佳化，使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)最初不影響自由層。所以，在該MRAM中不發(fā)生桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)的偏差與存儲(chǔ)單元內(nèi)的靜磁耦合效應(yīng)的不均勻性的問題。
在本發(fā)明的進(jìn)一步的其他觀點(diǎn)中，MRAM包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；層疊鐵氧固定層；和非磁性間隔層，其插在自由層和層疊鐵氧固定層之間。層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有沿第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其設(shè)置在所述間隔層和所述第一釘針層之間，具有沿與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化。決定第一固定自發(fā)磁化的大小M1、所述第二固定自發(fā)磁化的大小M2、所述第一釘針層的膜厚t1和所述第二釘針層的膜厚t2，以使下式成立M1M2·t1t2>1.]]>這樣，決定第一固定自發(fā)磁化的大小M1、所述第二固定自發(fā)磁化的大小M2、所述第一釘針層的膜厚t1、所述第二釘針層的膜厚t2有效地抑制了桔皮效應(yīng)。
為了簡(jiǎn)化該MRAM的制造工藝，最好第一釘針層和第二釘針層由同一材料形成，所述M1和所述M2實(shí)質(zhì)上相等。
另外，下式M1＞M2成立在能使桔皮效應(yīng)實(shí)質(zhì)上為0方面最好。
以上的結(jié)構(gòu)特別適合于間隔層由非磁性體且作為絕緣體的材料形成，間隔層的厚度薄到沿厚度方向流過隧道電流的程度的情況，即MTJ用于存儲(chǔ)單元的情況。這是因?yàn)樵贛TJ用于存儲(chǔ)單元的情況下，間隔層的膜厚變薄，桔皮效應(yīng)的影響變大。上述的MRAM的結(jié)構(gòu)使用了MTJ，因此，可以有效地抑制桔皮效應(yīng)大的存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)。
如上面所說明的，本發(fā)明使MRAM存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)更有效地減小。
另外，本發(fā)明對(duì)于MRAM的存儲(chǔ)單元的內(nèi)部整體，均勻地減少了MRAM的存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)。
另外，本發(fā)明抑制了MRAM的制造偏差對(duì)該MRAM的存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)的消除的惡劣影響。


圖1是表示現(xiàn)有的MRAM的剖面圖；圖2A表示理想的存儲(chǔ)單元的電阻特性；圖2B表示實(shí)際的存儲(chǔ)單元的電阻特性；圖3表示由桔皮效應(yīng)引起的偏置磁場(chǎng)；圖4表示由靜磁耦合效應(yīng)引起的偏置磁場(chǎng)；圖5是表示現(xiàn)有的MRAM的剖面圖；圖6A和圖6B是說明由靜磁耦合效應(yīng)引起的偏置磁場(chǎng)在存儲(chǔ)單元內(nèi)的不均勻性的圖；圖7是表示本發(fā)明的MRAM的第一實(shí)施方式的剖面圖；圖8是表示本發(fā)明的MRAM的第一實(shí)施方式的平面圖；圖9是表示桔皮效應(yīng)引起的偏置磁場(chǎng)的曲線圖；圖10是說明第一釘針層7影響自由層11的桔皮效應(yīng)的圖；圖11是表示本發(fā)明的MRAM的第二實(shí)施方式的剖面圖；圖12是表示本發(fā)明的MRAM的第二實(shí)施方式的平面圖；圖13是表示本發(fā)明的MRAM的第二實(shí)施方式的放大剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖，說明根據(jù)本發(fā)明的MRAM的實(shí)施方式。
(第一實(shí)施方式)圖7表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的MRAM的結(jié)構(gòu)。為了有助于該結(jié)構(gòu)的理解，注意圖7所示的MRAM結(jié)構(gòu)的縱橫比值與實(shí)際的MRAM的比值不同。
第一實(shí)施方式的MRAM具有基板1和下部電極2。在基板1上形成了下部電極2。下部電極2包括金屬引線層3、晶種(seed)層4和反強(qiáng)磁性層5。金屬引線層3典型地由Al或Cu形成。籽晶層4典型地由Ta膜、或Ta與Ru膜的層疊膜形成。反強(qiáng)磁性層5由反強(qiáng)磁性體、典型地由FeMn、IrMn或PtMn形成。
在下部電極2上形成有層疊鐵氧固定層6。層疊鐵氧固定層6包括第一釘針層7、第二釘針層9和插在其間的非磁性體間隔層8。第一釘針層7和第二釘針層9由強(qiáng)磁性體形成，因此，分別具有自發(fā)磁化。第一釘針層7和第二釘針層9典型地由CoFe、NiFe或NiFeCo形成。非磁性體間隔層8由導(dǎo)電性的非磁性體，典型地由Ru形成。
在反強(qiáng)磁性層5上形成第一釘針層7，第一釘針層7具有的自發(fā)磁化通過第一釘針層7和反強(qiáng)磁性層5間的交換耦合，向一x方向固定。前述的晶種層4具有改善反強(qiáng)磁性層5和第一釘針層7間的交換耦合特性的作用。為了得到良好的交換耦合特性，最好在反強(qiáng)磁性層5和第一釘針層7形成后，在幾百奧斯特以上的磁場(chǎng)中，在交換耦合消失的堵塞(blocking)溫度以上的溫度下進(jìn)行熱處理。在使用了IrMn作為反強(qiáng)磁性膜5的情況下，最好在250～300℃下進(jìn)行1小時(shí)的熱處理。
第二釘針層9具有的自發(fā)磁化通過第一釘針層7和第二釘針層9間的反強(qiáng)磁性的交換耦合，向+x方向固定。第一釘針層7和第二釘針層9具有的自發(fā)磁化的方向相反。為了增強(qiáng)第一釘針層7和第二釘針層9間的反強(qiáng)磁性的交換耦合，將非磁性體間隔層8的膜厚抑制在10以下。
為了使具有這種結(jié)構(gòu)的層疊鐵氧固定層6的特性良好，最好在層疊鐵氧固定層6形成后，在10000奧斯特以上的磁場(chǎng)中，在250～300℃的溫度下進(jìn)行熱處理。
在層疊鐵氧固定層6的第二釘針層9上形成絕緣阻擋層10。絕緣阻擋層10典型地由氧化鋁(Al2O3)形成。很薄地形成絕緣阻擋層10，以使沿膜厚方向(即，沿垂直于基板1的方向)流過隧道電流。絕緣阻擋層10的膜厚典型地是1～5nm。
如圖8所示，配置下部電極2、層疊鐵氧固定層6和絕緣阻擋層10，以使其沿X軸方向延伸。
如圖7所示，在絕緣阻擋層10上形成多個(gè)自由層11。自由層11由強(qiáng)磁性體形成，因此，具有自發(fā)磁化。自由層11的自發(fā)磁化能夠反轉(zhuǎn)。形成自由層11，以使其沿X方向?yàn)榧?xì)長(zhǎng)。自由層11的自發(fā)磁化被允許向著+x方向和-x方向。自由層11與層疊鐵氧固定層6的端部6a、6b充分分離，以使在層疊鐵氧固定層6的端部生成的磁極6a、6b產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上不與自由層11鏈接。
一個(gè)自由層11、絕緣阻擋層10、層疊鐵氧固定層6的第二釘針層9分別形成MTJ(Magnetic Tunnel Junction)，一個(gè)MTJ作為一個(gè)存儲(chǔ)單元使用。將寫入存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)作為自由層11的自發(fā)磁化的方向存儲(chǔ)。通過TMR效應(yīng)(Tunnel Magneto-Resistance效應(yīng))，自由層11的自發(fā)磁化的方向、即寫入存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)對(duì)MTJ的電阻(即，存儲(chǔ)單元的電阻)有影響。利用MTJ的電阻變化，判斷在存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
在多個(gè)自由層11上分別形成上部電極12。上部電極12包括覆蓋層13和金屬引線層14。覆蓋層13典型地由Ta形成，金屬引線層14典型地由Al、Cu形成。
本實(shí)施方式的MRAM通過不彼此抵消桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)，而積極減小層疊鐵氧固定層6影響自由層11的桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)兩者，或使其實(shí)質(zhì)上為0，從而消除了存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)。通過桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)向自由層11施加的磁場(chǎng)變小或?qū)嵸|(zhì)上為0，有效地消除了因桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)的偏差引起的存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)的產(chǎn)生的問題。
使層疊鐵氧固定層6施加給自由層11的桔皮效應(yīng)實(shí)質(zhì)上為0，通過用第一釘針層7施加給自由層11的桔皮效應(yīng)來抵消第二釘針層9施加給自由層11的桔皮效應(yīng)而實(shí)現(xiàn)。因各自的不平坦性引起，第一釘針層7和第二釘針層9分別向自由層11施加桔皮效應(yīng)。由于第一釘針層7和第二釘針層9具有的自發(fā)磁化向著反方向，所以第一釘針層7和第二釘針層9通過桔皮效應(yīng)施加的磁場(chǎng)反向。因此，通過使第一釘針層7和第二釘針層9通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的大小實(shí)質(zhì)上一致，從而可以使層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上為0。
第二釘針層9向自由層11施加的桔皮效應(yīng)與由第一釘針層7向自由層11施加的桔皮效應(yīng)產(chǎn)生的抵消通過第一釘針層7的磁化M1、第一釘針層7的膜厚t1、第二釘針層9的磁化M2和第二釘針層9的膜厚t2間的關(guān)系的最佳化來實(shí)現(xiàn)。合適的磁化M1、M2和膜厚t1、t2的關(guān)系在下面導(dǎo)出。
一個(gè)強(qiáng)磁性體膜與受桔皮效應(yīng)影響的其他強(qiáng)磁性體膜的距離越近，該一個(gè)強(qiáng)磁性體膜受到的該桔皮效應(yīng)越大，且該其他強(qiáng)磁性體膜的磁化越大，桔皮效應(yīng)越大。因此，通過使比第二釘針層9還遠(yuǎn)離自由層11的第一釘針層7的磁化M1比第二釘針層9的磁化M2大，從而可以使第一釘針層7和第二釘針層9通過桔皮效應(yīng)向自由層11施加的磁場(chǎng)的大小一致，可以使層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)向自由層11施加的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上為0。
雖然使第一釘針層7的磁化M1比第二釘針層9的磁化M2大在桔皮效應(yīng)的抑制方面很好，但是從簡(jiǎn)化MRAM的制造工藝的觀點(diǎn)來看不好。為了簡(jiǎn)化MRAM的制造工藝，最好第一釘針層7和第二釘針層9由同一材料形成，這時(shí)，第一釘針層7的磁化M1和第二釘針層9的磁化M2實(shí)質(zhì)上一致。
但是，即使在第一釘針層7的磁化M1和第二釘針層9的磁化M2實(shí)質(zhì)上一致的情況下，也可通過最佳化第一釘針層7的膜厚t1、第二釘針層9的膜厚t2，來抑制層疊鐵氧固定層6向自由層11施加的桔皮效應(yīng)，可以使其實(shí)質(zhì)上為0。下面，進(jìn)行該理論性考察。
J.C.S.Kools等，在上述的現(xiàn)有技術(shù)提到的論文中，算出在兩個(gè)強(qiáng)磁性體膜周期性起伏的系統(tǒng)中，通過桔皮效應(yīng)產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)Hoff，并進(jìn)行了公開。根據(jù)Kools等的模型，該偏置磁場(chǎng)Hoff近似由下式算出。
Hoff=2π2h2Mp2λtF·exp(-2π2tAlOλ)·[1-exp(-2π2tPλ)]·[1-exp(-2π2tFλ)]···(1)]]>這里，h是強(qiáng)磁性體膜起伏的振幅，λ是強(qiáng)磁性體膜起伏的周期，tF是受到桔皮效應(yīng)的強(qiáng)磁性體膜的膜厚，tAlO是插在強(qiáng)磁性體膜之間的非磁性膜的膜厚，tP是施加桔皮效應(yīng)的強(qiáng)磁性體膜的膜厚，Mp是施加桔皮效應(yīng)的強(qiáng)磁性體膜的磁化。若擴(kuò)展Kools等的模型，以使其可適用于層疊鐵氧固定層6，則自由層11從層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)受到的偏置磁場(chǎng)的大小HOFF由下式表示。
Hoff=2π2h2MP2λtF·[exp(-2π2tAlOλ)]·{1-exp(-22t2λ)}]]>·{1-exp(-2π2tFλ)}-exp{-2π2(tAlO+t2+tR)λ}]]>·{1-exp(-2π2t1λ)}·{1-exp(-2π2tFλ)}···(2)]]>在這里，h是第一釘針層7、第二釘針層9和自由層11起伏的振幅，λ是這些層的起伏周期，tR是非磁性體間隔層8的膜厚，tF是自由層11的膜厚，tAlO是絕緣阻擋層10的膜厚，t1是第一釘針層7的膜厚，t2是第二釘針層9的膜厚，MP是第一釘針層7和第二釘針層9的磁化的大小，M1和M2相等。
圖9是將第二釘針層9的厚度t2作為參數(shù)，表示t1/t2和偏置磁場(chǎng)的大小HOFF的關(guān)系的曲線圖。其中，該曲線圖是將h作為7，λ作為180，tAlO作為15而作成。如圖9所示，通過使t2為10以下，使t1/t2為約4.5，從而可以使自由層11從層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)受到的偏置磁場(chǎng)的大小HOFF實(shí)質(zhì)上為0。在其他條件中，可以通過最佳化第一釘針層7的膜厚t1、第二釘針層9的膜厚t2，使由桔皮效應(yīng)引起的偏置磁場(chǎng)的大小HOFF實(shí)質(zhì)上為0。
但是，因MRAM設(shè)計(jì)上的其他原因，可能有層疊鐵氧固定層6影響自由層11的桔皮效應(yīng)實(shí)質(zhì)上為0不合適的情況。在該情況下，也最好積極減少層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)向自由層11施加的磁場(chǎng)。最好將層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層的磁場(chǎng)抑制在10(Oe)以下。使層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)向自由層11施加的磁場(chǎng)為10(Oe)以下，可以通過最佳化第一釘針層7的磁化M1、第一釘針層7的膜厚t1、第二釘針層9的磁化M2和第二釘針層9的膜厚t2間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。
更詳細(xì)的，層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)可以通過增大M1/M2而減小。如上所述，第一釘針層7和第二釘針層9分別具有的自發(fā)磁化的方向相反，且第一釘針層7距自由層11的距離比第二釘針層9還遠(yuǎn)。由于使桔皮效應(yīng)作用的強(qiáng)磁性體膜與自由層11的距離越大，通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的大小越小，所以通過使M1比還M2大、即通過增大M1/M2，而可以減小層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)。
進(jìn)一步，層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)能通過增加t1/t2而減小。圖10是說明其理由的圖。第二釘針層9的膜厚t2越小，第一釘針層7和第二釘針層9通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的大小就越成為接近的值。如上所述，由于第一釘針層7和第二釘針層9通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的方向相反，所以第二釘針層9的膜厚t2越小，層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)就越小。
另一方面，第一釘針層7的膜厚t1越大，用第一釘針層7通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)抵消第二磁場(chǎng)9通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的效果就越變大。其理由如下。第二釘針層9通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)H2是第二釘針層9與非磁性間隔層8接合的界面上產(chǎn)生的磁極生成的磁場(chǎng)和第二釘針層9與絕緣阻擋層10接合的界面上產(chǎn)生的磁極生成的磁場(chǎng)的合成磁場(chǎng)。由于后者的磁場(chǎng)強(qiáng)，所以合成磁場(chǎng)H2的方向與第二釘針層9具有的自發(fā)磁化的方向一致。
另一方面，第一釘針層7通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)通過(1)第一釘針層與反強(qiáng)磁性層5接合的界面7a上產(chǎn)生的磁極m1b；(2)第一釘針層7與非磁性間隔層8接合的界面7b上產(chǎn)生的磁極m1t；產(chǎn)生。磁極m1t產(chǎn)生的磁場(chǎng)H1t具有抵消第二釘針層9通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)H2的作用，另一方面，磁極m1b產(chǎn)生的磁場(chǎng)H1b與磁場(chǎng)H2為相同的方向，具有增加自由層11的偏置磁場(chǎng)的作用。因此，最好磁極m1b產(chǎn)生的磁場(chǎng)H1b不施加到自由層11。第一釘針層7的膜厚t1越大，磁極m1b施加給自由層11的磁場(chǎng)H1b越小，因此，抵消第二釘針層9通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的磁極m1t的作用變強(qiáng)。因此，第一釘針層7的膜厚t1越大，用第一釘針層7通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)抵消第二釘針層9通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的效果變得越大。
這樣，第一釘針層7的膜厚t1越大、第二釘針層9的膜厚t2越小、即，t1/t2越大，層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)越小。
雖然M1/M2和t1/t2分別越大，層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)越可以變小，但是M1/M2和t1/t2最好大到下述式子成立的程度。
M1M2·t1t2>1···(3)]]>通過使M1/M2和t1/t2大到式(3)成立的程度，從而可以有效地減小層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)。
這時(shí)，與上述相同，為了簡(jiǎn)化MRAM的制造工藝，最好由同一材料形成第一釘針層7和第二釘針層9。這時(shí)，第一釘針層7的磁化M1和第二釘針層9的磁化M2實(shí)質(zhì)上一致。在M1和M2實(shí)質(zhì)上一致的情況下，通過使第一釘針層7的膜厚t1比第二釘針層9的膜厚t2大，即，通過使t1＞t2，可以使式(3)成立。
另一方面，抑制層疊鐵氧固定層6通過靜磁耦合效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)如圖8所示，通過使層疊鐵氧固定層6充分沿X軸方向充分長(zhǎng)地延伸，使自由層11與層疊鐵氧固定層6的端部6a、6b充分分離來實(shí)現(xiàn)。自由層11與層疊鐵氧固定層6的端部6a、6b分離為層疊鐵氧固定層6的端部6a、6b上生成的磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上不與自由層11鏈接的程度。由于靜磁耦合效應(yīng)由端部6a、6b上生成的磁極引起，所以通過使層疊鐵氧固定層6的端部6a、6b與自由層11充分分離，從而可以使層疊鐵氧固定層6影響自由層11的靜磁耦合效應(yīng)實(shí)質(zhì)上為0。
但是，因MRAM的設(shè)計(jì)上的其他原因，可能有層疊鐵氧固定層6影響自由層11的靜磁耦合效應(yīng)實(shí)質(zhì)上為0不合適的情況。該情況下，也最好積極減小層疊鐵氧固定層6通過靜磁耦合效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)，最好為10(Oe)以下。通過適當(dāng)變大層疊鐵氧固定層6的端部6a、6b和自由層11的距離，從而可以容易實(shí)現(xiàn)層疊鐵氧固定層6通過靜磁耦合效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)為10(Oe)以下。
如上面所說明的，在本實(shí)施方式的MRAM中，通過層疊鐵氧固定層6中含有的第一釘針層7的磁化M1和膜厚t1與第二釘針層9的磁化M2和膜厚t2的最佳化，使層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的大小實(shí)質(zhì)上為0或?yàn)?0(Oe)以下。進(jìn)一步，通過使層疊鐵氧固定層6的端部6a、6b與自由層11充分分離，從而可以使層疊鐵氧固定層通過靜磁耦合效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的大小實(shí)質(zhì)上為0或?yàn)?0(Oe)以下。由此，有效地減少了存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)。由于層疊鐵氧固定層6通過桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)影響自由層11的磁場(chǎng)分別變小，所以由制造偏差造成的影響減小，進(jìn)一步，還抑制了存儲(chǔ)單元內(nèi)部的不均勻性。
(第二實(shí)施方式)圖11表示本發(fā)明的MRAM的第二實(shí)施方式。為了理解容易，注意圖11所示的MRAM的構(gòu)造的縱橫比值與實(shí)際的MRAM不同。
在第二實(shí)施方式的MRAM中，通過具有與第一實(shí)施方式的層疊鐵氧固定層6不同結(jié)構(gòu)的層疊鐵氧固定層6’，進(jìn)行了桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)的抑制。
在第二實(shí)施方式的MRAM中采用的層疊鐵氧固定層6’包括一個(gè)第一釘針層7’、多個(gè)非磁性體間隔層8’、在非磁性體間隔層8’上分別形成的第二釘針層9’。第一釘針層7’和第二釘針層8’由強(qiáng)磁性體形成，因此，分別具有自發(fā)磁化。第一釘針層7’和第二釘針層9’典型地由CoFe、NiFe或NiFeCo形成。非磁性體間隔層8’由導(dǎo)電性的非磁性體、典型地由Ru形成。
在反強(qiáng)磁性體層5上形成第一釘針層7’，第一釘針層7’具有的自發(fā)磁化通過第一釘針層7和反強(qiáng)磁性層5間的交換耦合，向-x方向固定。第二釘針層9’具有的自發(fā)磁化通過第一釘針層7’和第二釘針層9’間的反強(qiáng)磁性的交換耦合，向+x方向固定。第一釘針層7’和第二釘針層9’具有的自發(fā)磁化的方向相反。
第一釘針層7’由在反強(qiáng)磁性層5上形成的第一部分7a’和第二部分7b’構(gòu)成。第一部分7a’配置為沿x軸方向延伸，第一部分7a’的端部形成為充分離開自由層11。
在第一部分7a’上設(shè)置多個(gè)第二部分7b’。分別對(duì)第一釘針層9’設(shè)置一個(gè)第二部分7b’。在第二部分7b’上形成非磁性體間隔層8’，在非磁性體間隔層8’上形成第二釘針層9’。在第二釘針層9’上依次形成絕緣阻擋層10、自由層11和上部電極12。
自匹配地蝕刻形成第二部分7b’、非磁性體間隔層8’、第二釘針層9’、絕緣阻擋層10、自由層11和上部電極12。因此，從垂直于基板1的表面的方向看，第二釘針層9’和第二部分7b’具有相同的形狀且位置匹配。
在第二實(shí)施方式中也與第一實(shí)施方式的MRAM相同，通過積極減小層疊鐵氧固定層6’影響自由層11的桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)，或使其實(shí)質(zhì)上為0，來抑制、消除了存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)。
層疊鐵氧固定層6’影響自由層11的桔皮效應(yīng)的抑制與第一實(shí)施方式相同，通過第一釘針層7’的膜厚t1和磁化M1、與第二釘針層9’的膜厚t2和磁化M2的最佳化來實(shí)現(xiàn)。在這里，所謂第二實(shí)施方式的第一釘針層7’的膜厚t1是指第一部分7a’的膜厚t1b和第二部分7b’的膜厚t1t之和。積極減小層疊鐵氧固定層6’通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)，優(yōu)選抑制為10(Oe)以下，最好抑制為實(shí)質(zhì)上是0。
如上所述，通過設(shè)為M1＞M2，或即使在M1＝M2的情況下，通過最佳化膜厚t1、t2，從而層疊鐵氧固定層6’通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)可以實(shí)質(zhì)上為0。
進(jìn)一步，在層疊鐵氧固定層6’通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上不為0的情況下，如式(3)所成立的，通過決定第一釘針層7’的膜厚t1和磁化M1與第二膜厚9’的膜厚t2和磁化M2，來抑制層疊鐵氧固定層6’通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)。從制造工藝的簡(jiǎn)化的觀點(diǎn)來看，在第一釘針層7’和第二釘針層9’采用同一材料、磁化M1、M2實(shí)質(zhì)上相同的情況下，如t1＞t2所成立的，決定第一釘針層7’的膜厚t1和第二釘針層9’的膜厚t2。
另一方面，靜磁耦合效應(yīng)的抑制通過第一釘針層7’的第一部分7a’和第二部分7b’的結(jié)構(gòu)最佳化來進(jìn)行。如圖12所示，第一部分7a’沿x軸方向長(zhǎng)長(zhǎng)地延伸，以使第一部分7a’的端部7c’、7d’與自由層11充分分離。更詳細(xì)的，第一部分7a’的端部7c’、7d’與自由層11充分分離，以使端部7c’、7d’上生成的磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上不與自由層11鏈接。
如圖13所示，形成第二部分7b’，以便用第二部分7b’影響自由層11的靜磁耦合效應(yīng)抵消第二釘針層9’影響自由層11的靜磁耦合效應(yīng)。更具體的，形成第二部分7b’的膜厚t1t，以使其實(shí)質(zhì)上與(M2/M1)·t2一致。這樣，決定了膜厚t1t的第二部分7b’抵消第二釘針層9’影響自由層11的靜磁耦合效應(yīng)，由此，可以使層疊鐵氧固定層6’通過靜磁耦合效應(yīng)影響自由層11的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上為0。第二部分7b’的端部7e’、7f’上生成的磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)H1tc的大小與M1·t1t成正比。另一方面，第二釘針層9’的端部9a’、9b’生成的磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)H2C的大小與M2·t2成正比。如上所述，由于磁化M1和磁化M2的方向相反，所以磁場(chǎng)H1tc和磁場(chǎng)H2C的方向也相反。因此，通過使第二部分7b’的膜厚t1t與(M2/M1)·t2實(shí)質(zhì)上一致，從而使磁場(chǎng)H1tc與磁場(chǎng)H2c的大小實(shí)質(zhì)上一致，由此，可以用第二部分7b’影響自由層11的靜磁耦合效應(yīng)抵消第二釘針層9’影響自由層11的靜磁耦合效應(yīng)。
如上所述，通過使第一部分7a’和第二部分7b’的結(jié)構(gòu)最佳化，從而可以使層疊鐵氧固定層6’通過靜磁耦合效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上為0。即使在層疊鐵氧固定層6’通過靜磁耦合效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上不為0的情況下，通過將第二部分7b’的膜厚t1t定義為(M2/M1)·t2的附近，從而也可以使層疊鐵氧固定層6’通過靜磁耦合效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)容易地為10(Oe)以下。
如上面所說明的，在第二實(shí)施方式的MRAM中，通過層疊鐵氧固定層6’中含有的第一釘針層7’的磁化M1和膜厚t1與第二釘針層9’的磁化M2與膜厚t2的最佳化，可以使層疊鐵氧固定層6’通過桔皮效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)大小實(shí)質(zhì)上為0或?yàn)?0(Oe)以下。進(jìn)一步，通過第一釘針層7’的第一部分7a’和第二部分7b’的結(jié)構(gòu)的最佳化，可以使層疊鐵氧固定層6’通過靜磁耦合效應(yīng)施加給自由層11的磁場(chǎng)的大小實(shí)質(zhì)上為0或?yàn)?0(Oe)以下。由此，有效地減小了存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)。由于層疊鐵氧固定層6’通過桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)影響自由層11的磁場(chǎng)分別變小，所以由制造偏差造成的影響減小，進(jìn)一步，還抑制了存儲(chǔ)單元內(nèi)部的不均勻性。
權(quán)利要求
1.一種磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；固定層，其具有固定自發(fā)磁化；和間隔層，其由非磁性體形成，并插在所述自由層和所述固定層之間；所述固定層實(shí)質(zhì)上使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)不影響所述自由層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述固定層包括第一釘針層，其具有向與作為所述固定自發(fā)磁化的方向的第一方向相反的第二方向固定了磁化方向的其他固定自發(fā)磁化；和第二釘針層，其設(shè)置在所述第一釘針層和所述自由層之間，且具有所述固定自發(fā)磁化；形成所述第一釘針層和所述第二釘針層，以使所述固定層實(shí)質(zhì)上不使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)影響所述自由層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第一釘針層通過桔皮效應(yīng)施加到所述自由層上的第一磁場(chǎng)和所述第二釘針層通過桔皮效應(yīng)施加到所述自由層上的第二磁場(chǎng)之和實(shí)質(zhì)上為0。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述固定層進(jìn)一步包括插在所述第一釘針層和所述第二釘針層之間的非磁性間隔層；所述間隔層具有使所述固定自發(fā)磁化和所述其他的固定自發(fā)磁化反強(qiáng)磁性地耦合的膜厚。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，配置所述固定層，以使其沿所述第一方向延伸；所述固定層的端部與所述自由層的距離大到由所述端部的磁極生成的磁場(chǎng)實(shí)質(zhì)上不與所述自由層鏈接的程度。
6.一種磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；層疊鐵氧固定層；和間隔層，其由非磁性體形成，并插在所述自由層和所述層疊鐵氧固定層之間；所述層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有向第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其具有向與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化；第一釘針層包括第一部分，其配置為沿所述第一方向延伸；第二部分，其在所述第一部分上形成為，在與形成了該磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的基板的表面垂直的方向上與所述第二釘針層位置匹配；形成所述第一釘針層和所述第二釘針層，以使所述層疊鐵氧固定層實(shí)質(zhì)上使桔皮效應(yīng)不影響所述自由層；在設(shè)所述第一固定自發(fā)磁化的大小為M1，所述第二固定自發(fā)磁化的大小為M2，所述第二釘針層的厚度為t2時(shí)，通過使所述第二部分實(shí)質(zhì)上具有(M2/M1)·t2的厚度，來形成所述層疊鐵氧固定層，以使靜磁耦合效應(yīng)不影響所述自由層。
7.一種磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；層疊鐵氧固定層；和非磁性間隔層，其插在所述自由層和所述層疊鐵氧固定層之間；所述層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有沿第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其設(shè)置在所述自由層和所述第一釘針層之間，具有沿與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化；所述第一釘針層通過桔皮效應(yīng)向所述自由層施加的第一磁場(chǎng)與所述第二釘針層通過桔皮效應(yīng)向所述自由層施加的第二磁場(chǎng)之和實(shí)質(zhì)上為0。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述層疊鐵氧固定層進(jìn)一步包括設(shè)置在所述第一釘針層和所述第二釘針層之間的非磁性的其他間隔層；所述其他間隔層具有使所述第一固定自發(fā)磁化和所述第二固定自發(fā)磁化反強(qiáng)磁性地耦合的膜厚。
9.一種磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；固定層，其具有沿第一方向固定的固定自發(fā)磁化；和間隔層，其由非磁性體形成，并插在所述自由層和所述固定層之間；配置所述固定層，以使其沿所述第一方向延伸；所述固定層的端部和所述自由層的距離大到由所述端部的磁極生成的磁場(chǎng)不與所述自由層實(shí)質(zhì)上鏈接的程度。
10.一種磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；層疊鐵氧固定層；和非磁性間隔層，其插在所述自由層和所述層疊鐵氧固定層之間；所述層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有沿第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其設(shè)置在所述自由層和所述第一釘針層之間，具有沿與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化；第一釘針層包括第一部分，其配置為沿所述第一方向和所述第二方向延伸；第二部分，其在所述第一部分上形成為，在與形成了該磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的基板的表面垂直的方向上與所述第二釘針層位置匹配；在設(shè)所述第一固定自發(fā)磁化的大小為M1、所述第二固定自發(fā)磁化的大小為M2、所述第二釘針層的厚度為t2時(shí)，所述第二部分實(shí)質(zhì)上具有(M2/M1)·t2的厚度。
11.一種磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；層疊鐵氧固定層；和非磁性間隔層，其插在所述自由層和所述層疊鐵氧固定層之間；所述層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有沿第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其設(shè)置在所述間隔層和所述第一釘針層之間，具有沿與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化；決定所述第一固定自發(fā)磁化的大小、所述第二固定自發(fā)磁化的大小、所述第一釘針層的膜厚、所述第二釘針層的膜厚，以使所述層疊鐵氧固定層通過桔皮效應(yīng)施加給所述自由層的磁場(chǎng)的大小和所述層疊鐵氧固定層通過靜磁耦合效應(yīng)施加給所述自由層的磁場(chǎng)的大小都為10(Oe)以下。
12.一種磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，包括自由層，其具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化；層疊鐵氧固定層；和非磁性的間隔層，其插在所述自由層和所述層疊鐵氧固定層之間；所述層疊鐵氧固定層包括第一釘針層，其具有沿第一方向固定的第一固定自發(fā)磁化；第二釘針層，其設(shè)置在所述間隔層和所述第一釘針層之間，具有沿與所述第一方向相反的第二方向固定的第二固定自發(fā)磁化；決定第一固定自發(fā)磁化的大小M1、所述第二固定自發(fā)磁化的大小M2，所述第一釘針層的膜厚t1和所述第二釘針層的膜厚t2，以使下式成立M1M2·t1t2>1.]]>
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述M1和所述M2實(shí)質(zhì)上相等。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第一釘針層和所述第二釘針層由同一材料形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，下述式M1＞M2成立。
16.根據(jù)權(quán)利要求1～15中任一項(xiàng)所述的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于，所述間隔層由非磁性體且作為絕緣體的材料形成；所述間隔層的厚度薄到沿厚度方向流過隧道電流的程度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使MRAM的存儲(chǔ)單元的偏置磁場(chǎng)更有效地減少的技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的MRAM包括具有能反轉(zhuǎn)的自由自發(fā)磁化的自由層(11)；具有固定自發(fā)磁化的固定層(6)；和由非磁性體形成，插在所述自由層(11)和所述固定層(6)之間的間隔層(10)。形成固定層(6)，以便實(shí)質(zhì)上使桔皮效應(yīng)和靜磁耦合效應(yīng)不影響自由層(11)。
文檔編號(hào)G11C11/16GK1669147SQ0381638
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2003年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月9日
發(fā)明者松寺久雄, 沼田秀昭 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社