專利名稱：磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件，具體地說本發(fā)明涉及使用磁場(chǎng)的半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件。
背景技術(shù)：
存儲(chǔ)器件是電子系統(tǒng)中極為重要的組件。三種最重要的商用高密度存儲(chǔ)技術(shù)是SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)，以及FLASH(一種非易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。每種這些存儲(chǔ)器件都使用電荷來存儲(chǔ)信息，并且每種都的其自身的優(yōu)點(diǎn)。SRAM具有快的讀取和寫入速度，但是它是易失性的并且需要大的單元面積。DRAM具有高的密度，但是它也是易失性的并且需要每幾毫秒種刷新存儲(chǔ)電容器。這種需求增加了電子控制設(shè)備的復(fù)雜性。
FLASH是當(dāng)今使用的主要非易失性存儲(chǔ)器件。典型的非易失性存儲(chǔ)器件使用在浮動(dòng)氧化層中捕獲的電荷來存儲(chǔ)信息。FLASH的缺點(diǎn)包括高電壓需求和慢的程序及擦除時(shí)間。另外，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)器失效之前具有104-106次循環(huán)的不好的寫入耐性。另外，為了維持合理的數(shù)據(jù)保持，柵氧化物的厚度不得不保持在允許電子隧穿的閾值之上，從而限制FLASH的尺寸縮小趨勢(shì)。
為了克服這些缺點(diǎn)，正在評(píng)價(jià)新的磁性存儲(chǔ)器件。一種器件是磁電阻RAM(下文稱作“MRAM”)。MRAM具有與DRAM相似速度性能的潛在性。但是，為了成為商業(yè)上有活力的，MRAM必須具有與當(dāng)前的存儲(chǔ)技術(shù)可比的存儲(chǔ)密度、對(duì)于未來的生產(chǎn)可規(guī)?；⒃诘蛪合虏僮?、具有低的能耗，并且具有競(jìng)爭的讀/寫速度。
傳統(tǒng)的MRAM器件通過程序設(shè)計(jì)位存儲(chǔ)單元的自由磁性層，使其磁矩與固定磁性層平行或者反平行來存儲(chǔ)信息。兩個(gè)磁性層都位于形成磁電阻隧道結(jié)的薄絕緣勢(shì)壘的任一面。該隧道結(jié)的電阻取決于磁矩的相對(duì)方向或者是低的(平行)或者是高的(反平行)。為了讀取MRAM狀態(tài)，位單元的電阻可與參考單元比較。參考單元通常是另一個(gè)MRAM位或者在制造時(shí)磁性設(shè)置的位集合，并且在MRAM操作期間不會(huì)轉(zhuǎn)換。這些位可以結(jié)合形成用來比較的中點(diǎn)參考。所有處于低狀態(tài)的位具有低于這些中點(diǎn)參考位的電阻，因此提供了確定位狀態(tài)的方法。
這種途徑的主要問題是由于材料和方法質(zhì)量的變化，位位的電阻變化是顯著的。這些變化有時(shí)使之不能區(qū)分并分離彼此的高、低和中點(diǎn)電阻。舉例來說，如果低電阻位在顯著高于平均值的分布的尾部，它可能與中點(diǎn)單元分布的尾部重疊，并且不能確定或被正確地確定。根據(jù)電阻變化量，大的陣列可能在重疊區(qū)具有許多位。
因此，補(bǔ)救先前技術(shù)固有的前述和其它缺點(diǎn)將是高度有利的。


結(jié)合下面的附圖，從其下面優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的前述和進(jìn)一步且更具體的目的和優(yōu)點(diǎn)將對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員變得更加明顯。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)器件的簡化剖視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案具有傳統(tǒng)位磁區(qū)的MRAM器件的表示字和數(shù)位線的簡化平面圖。
圖3是表示在參照?qǐng)D2所述的MRAM器件中產(chǎn)生位磁區(qū)極性交換的施加磁場(chǎng)值的圖。
圖4是根據(jù)使用Savtchenko寫入技術(shù)的本發(fā)明實(shí)施方案的MRAM器件的簡化剖視圖。
圖5是參照?qǐng)D4所述的MRAM器件部分的表示字和數(shù)位線的簡化平面圖。
圖6是表示在參照?qǐng)D4所述的MRAM器件中產(chǎn)生直接或觸發(fā)寫入模式的磁場(chǎng)振幅組合模擬結(jié)果的圖。
圖7是表示參照?qǐng)D4所述的MRAM器件字電流和位電流的時(shí)間圖。
圖8是表示在參照?qǐng)D4所述的MRAM器件中將‘1’寫成‘0’時(shí)，觸發(fā)寫入模式下磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件磁矩旋轉(zhuǎn)的矢量圖。
圖9是表示在參照?qǐng)D4所述的MRAM器件中將‘0’寫成‘1’時(shí)，觸發(fā)寫入模式下磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件磁矩旋轉(zhuǎn)的矢量圖。
圖10是表示在參照?qǐng)D4所述的MRAM器件中將‘1’寫成‘0’時(shí)，直接寫入模式下磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件磁矩旋轉(zhuǎn)的矢量圖。
圖11是表示在參照?qǐng)D4所述的MRAM器件中將‘0’寫成已經(jīng)為‘0’的狀態(tài)時(shí)，直接寫入模式下磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件磁矩旋轉(zhuǎn)的矢量圖。
圖12是在參照?qǐng)D4所述的MRAM器件中只打開位電流時(shí)字電流和位電流的時(shí)間圖。
圖13是表示在參照?qǐng)D4所述的MRAM器件中只打開位電流時(shí)磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器件磁矩旋轉(zhuǎn)的矢量圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的包括MRAM器件的部分MRAM陣列的剖視圖。
圖15-18是用來描述參照?qǐng)D4所述的MRAM器件的讀取操作的平面視圖和圖形。
圖19是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的包括MRAM器件的部分MRAM陣列的剖視圖。
圖20是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案參照?qǐng)D20描述的MRAM器件的平面圖。
圖21和22是表示參照?qǐng)D20所述的MRAM器件讀取操作期間電阻值的圖。
圖23是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的包括MRAM器件的部分MRAM陣列的剖視圖。
圖24和25是表示參照?qǐng)D23所述的MRAM器件的平面圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明，表示了一般化的MRAM陣列3簡化剖視圖。在該圖中，只表示了一個(gè)磁電阻存儲(chǔ)器件(單元)10，但是應(yīng)當(dāng)理解MRAM陣列3包括大量的MRAM器件10，并且在描述讀取方法時(shí)為了簡化起見只表示了一個(gè)這種器件。
MRAM器件10是磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，或磁電阻隧道結(jié)器件(MTJD)，包含夾在作為字線20和位線30的寫入導(dǎo)體之間的材料層。字線20和位線30包括電流通過的導(dǎo)電材料。在該圖中，字線20位于MRAM器件10頂部并且位線30位于MRAM器件10的底部并且與字線20成90度角(參閱圖2和3)。應(yīng)當(dāng)理解諸如字線20和位線30的導(dǎo)體對(duì)于高效的讀取和寫入操作，不需要與MRAM器件10的其它層物理接觸，該導(dǎo)體只需要與施加了磁場(chǎng)的區(qū)域足夠近，以至于磁場(chǎng)是有效的。
MRAM器件10包括位磁區(qū)15、參考磁區(qū)17和形成用作隧道勢(shì)壘16的層的電絕緣材料，以及那些輸運(yùn)影響MRAM器件10操作的電流的字線20和位線30部分。位磁區(qū)15和參考磁區(qū)17每個(gè)都包含多于一層，其中有些具有與此相關(guān)的磁矩(所有的磁矩在本文中用矢量表示)。舉例來說，一些傳統(tǒng)的MRAMs具有只是一個(gè)鐵磁性層的位磁區(qū)15，并且一些傳統(tǒng)的MRAMs具有是多層不平衡的合成反鐵磁性區(qū)的位磁區(qū)15。位磁區(qū)15和參考磁區(qū)17位于與隧道勢(shì)壘16相鄰處，并分別在其相反面。MTJD的電阻由位磁矩和參考磁矩的相對(duì)極性確定。位磁矩位于位磁區(qū)15與隧道勢(shì)壘16相鄰的地方。參考磁矩位于參考磁區(qū)17與隧道勢(shì)壘16相鄰的地方。磁矩是鐵磁性材料的物理性質(zhì)。磁性材料和直接與隧道勢(shì)壘相鄰的磁區(qū)15或17的極化相對(duì)角度確定了高或低狀態(tài)。在本文描述的實(shí)施方案中，位磁區(qū)是自由的鐵磁性區(qū)，意指位磁矩在施加磁場(chǎng)時(shí)可以自由旋轉(zhuǎn)。位磁矩在沿著磁軸不施加任何磁場(chǎng)的情況下具有兩個(gè)穩(wěn)定的極性(狀態(tài))，所述磁軸在本文中稱作“位易磁化軸”，并且在沉積磁性材料和制造MRAM陣列3的磁區(qū)15時(shí)確定。與位易磁化軸正交的軸稱作“難磁化軸”。
參照?qǐng)D2，根據(jù)包括傳統(tǒng)位磁區(qū)15的本發(fā)明實(shí)施方案，表示了包括MRAM器件71的部分MRAM陣列4的簡化平面圖。MRAM器件71具有參照?qǐng)D1所述的結(jié)構(gòu)，精細(xì)地描述是MRAM器件71的位磁區(qū)15是具有位磁矩41的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。表明圖2的MRAM 4中位磁區(qū)15具有基本上圓形的形狀，但是可以可選地具有長徑比基本上大于1的其它形狀，例如橢圓。位磁矩41在與本實(shí)施例中是字線20的寫入導(dǎo)體基本上平行的方向上沿著各向異性的位易磁化軸59取向。為了簡化MRAM器件71的描述，所有方向參照所示的x-和y-坐標(biāo)系100以及順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向94和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向96。在MRAM 4中，如果在正x-方向流動(dòng)，定義字電流60為正，并且如果在正y-方向流動(dòng)，定義位電流70為正。字線20和位線30的目的是在MRAM器件10中產(chǎn)生施加磁場(chǎng)。正的字電流60將感應(yīng)圓周字磁場(chǎng)，HW80，并且正的位電流70將感應(yīng)圓周位磁場(chǎng)，HD90。因?yàn)樽志€20在元件平面內(nèi)MRAM器件10的上方，所以對(duì)于正字電流60，將在正y-方向上向MRAM器件10施加HW80。相似地，因?yàn)槲痪€30在元件平面內(nèi)MRAM器件10的下方，所以對(duì)于正位電流70，將在正x-方向上向MRAM器件10施加HD90。應(yīng)當(dāng)理解對(duì)于正和負(fù)電流的定義是任意的，并且此處只是出于舉例的目的而定義。反轉(zhuǎn)電流的作用是改變?cè)贛RAM器件10內(nèi)感應(yīng)的磁場(chǎng)的方向。電流感應(yīng)磁場(chǎng)的行為對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，并且不用更詳細(xì)地說明。信息以傳統(tǒng)方式存儲(chǔ)在位磁區(qū)15中，使用字線20和位線30同時(shí)產(chǎn)生能夠沿著位易磁化軸轉(zhuǎn)換位磁矩至兩種極性適當(dāng)?shù)囊环N的施加磁場(chǎng)。
參照?qǐng)D3，該圖表示其特征為需要施加磁場(chǎng)在典型的具有一層位磁區(qū)15的傳統(tǒng)MRAM器件71中轉(zhuǎn)換位磁矩41的極性。該圖的水平軸，HHARD，表示施加的磁場(chǎng)在難磁化軸上的分量，并且該圖的垂直軸，HEASY，表示施加的磁場(chǎng)在位易磁化軸上的分量。存在施加位于轉(zhuǎn)換界限305外的磁場(chǎng)操作的磁場(chǎng)區(qū)315，從而保證位磁矩41的極性在MRAM陣列4的所有良好的MRAM器件71中轉(zhuǎn)換。相似地，存在施加位于非轉(zhuǎn)換界限310內(nèi)的磁場(chǎng)操作的磁場(chǎng)區(qū)320，從而保證位磁矩41的極性在MRAM陣列4的所有良好的MRAM器件71中不轉(zhuǎn)換。(對(duì)于MRAM器件71的任何單次實(shí)驗(yàn)，界限305，310合并成單線)。磁場(chǎng)區(qū)315、320具有傳統(tǒng)的星形。使用參照?qǐng)D13-22在下面更詳細(xì)描述的參考磁區(qū)17，從位磁區(qū)15中讀取信息。
參照?qǐng)D4，根據(jù)使用在本文中參照?qǐng)D4-13詳細(xì)描述的Savtchenko寫入技術(shù)的本發(fā)明實(shí)施方案，表示了包括MRAM器件72的部分MRAM陣列5的剖視圖。MRAM器件72具有參照?qǐng)D1描述的結(jié)構(gòu)，精細(xì)地描述是位磁區(qū)15至少包含三層并且具有參照?qǐng)D4-13實(shí)現(xiàn)的磁矩。(參考磁區(qū)17在下面參照?qǐng)D14-25更詳細(xì)地描述)。本實(shí)施例中的位磁區(qū)15是三層結(jié)構(gòu)，它具有夾在兩個(gè)鐵磁性層45和55之間的反鐵磁性耦合間隔層65，假定稱之為合成反鐵磁性(下文稱作“SAF”)層。反鐵磁性耦合間隔層65具有厚度46，并且鐵磁性層45和55分別具有厚度42和51。
反鐵磁性耦合間隔層65優(yōu)選至少包括以下元素之一Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu、Nb、Mo、Ta、W、Ir、V，或者它們的組合，并且本身不是反鐵磁性材料；它是耦合層，這對(duì)于產(chǎn)生SAF層的類反鐵磁性性質(zhì)是關(guān)鍵的。此外，鐵磁性層45、55至少包括Ni、Fe、Co元素或其組合之一。同樣，應(yīng)當(dāng)理解位磁區(qū)15可以包括除了三層結(jié)構(gòu)以外的合成反鐵磁性層材料結(jié)構(gòu)，并且在本實(shí)施方案中使用三層結(jié)構(gòu)只是為了舉例說明的目的。舉例來說，一種這種合成反鐵磁性層材料結(jié)構(gòu)可能包括鐵磁性層/反鐵磁性耦合間隔層/鐵磁性層/反鐵磁性耦合間隔層/鐵磁性層結(jié)構(gòu)的五層堆疊。鐵磁性層的數(shù)量記為N。
鐵磁性層45、55分別具有各自矢量值為M1和M2的磁矩58和53(參閱圖5)。位磁區(qū)15的寫入狀態(tài)由與隧道勢(shì)壘16相鄰的磁矩58來確定。為了解釋Savtchenko寫入技術(shù)，還定義了磁矩58和53的矢量合成，凈磁矩40。磁矩58、53通常通過反鐵磁性耦合間隔層65的耦合反平行取向。反鐵磁性耦合還可以通過MRAM器件72中層的磁靜場(chǎng)來產(chǎn)生。因此，間隔層65在消除兩個(gè)鐵磁性層45、55之間的鐵磁性耦合之外，不一定必須提供任何附加的反鐵磁性耦合，并且因此可以是諸如AlO的絕緣體或諸如Ta或Cu的導(dǎo)體。
MRAM器件72的兩個(gè)鐵磁性層45、55中的磁矩58、53可以具有不同的厚度或材料，從而提供由ΔM＝(M2-M1)給出的凈磁矩40。在Savtchenko寫入技術(shù)的情況中，該三層結(jié)構(gòu)幾乎是平衡的，即當(dāng)不施加磁場(chǎng)時(shí)ΔM十分小或者是零。位磁區(qū)15三層結(jié)構(gòu)的磁矩在施加的磁場(chǎng)下可以自由旋轉(zhuǎn)。在零場(chǎng)下，與隧道勢(shì)壘16相鄰的磁矩，即位磁矩58在沿著易磁化軸的兩個(gè)極性方向之一上穩(wěn)定。
用來讀取位磁矩58極性的通過MRAM器件72的測(cè)量電流取決于隧道磁電阻，它受位磁矩58和參考磁區(qū)17的參考磁矩的方向和大小控制。當(dāng)這兩個(gè)磁矩平行時(shí)，MRAM器件的電阻是低的，并且偏壓感應(yīng)出較大的通過MRAM器件72的測(cè)量電流。該狀態(tài)被定義為“1”。當(dāng)這兩個(gè)磁矩是反平行的時(shí)，MRAM器件電阻是高的并且施加的偏壓感應(yīng)較小的通過器件的測(cè)量電流。該狀態(tài)被定義為“0”。應(yīng)當(dāng)理解這些定義是任意的并且可以是相反的，但是在本實(shí)施例中是出于舉例說明的目的。因此，在磁電阻存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過施加引起磁區(qū)15中的磁矩相對(duì)于磁區(qū)17沿著位易磁化軸59在平行和反平行之一的方向上取向的磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)，并且讀取寫入狀態(tài)依賴于電阻測(cè)量，其取決于位磁矩相對(duì)于參考磁矩的極性(這種相同的操作對(duì)于本文所述的所有MRAM器件是真實(shí)的)。
寫入MRAM器件72的方法依賴近平衡SAF三層結(jié)構(gòu)的“自旋-翻轉(zhuǎn)(spin-flop)”現(xiàn)象，這對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員是公知的。此處，術(shù)語“近平衡”定義為M1和M2彼此均在彼此的10％之內(nèi)?！白孕?翻轉(zhuǎn)”現(xiàn)象通過旋轉(zhuǎn)鐵磁性層的磁矩降低了施加磁場(chǎng)的總磁能，以至于它們名義上與施加的磁場(chǎng)方向正交，但仍顯著地彼此反平行。旋轉(zhuǎn)，或“翻轉(zhuǎn)”，結(jié)合施加磁場(chǎng)方向上每個(gè)鐵磁性磁矩小的偏離解釋了總磁能的降低。
當(dāng)在本實(shí)施例三層結(jié)構(gòu)的兩個(gè)鐵磁性層之間舉例說明反鐵磁性耦合層時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解鐵磁性層可以通過其它方式，例如靜磁場(chǎng)或其它特征被反鐵磁性耦合。舉例來說，當(dāng)單元的長徑比降低為五或更小時(shí)，鐵磁性層與靜磁通量閉合反平行耦合。
MRAM器件72優(yōu)選具有非圓形的三層結(jié)構(gòu)，其特征為長度/寬度比在1至5的范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解MRAM器件72的位磁區(qū)15可以具有其它形狀，例如方形、橢圓形、矩形，或菱形，但是為簡化起見作為圓形來舉例說明。
此外，在MRAM陣列5的制造期間，沉積每個(gè)后續(xù)層(即30、55、65等)，或者順序形成，并且每個(gè)MRAM器件72通過半導(dǎo)體工業(yè)中公知的任何技術(shù)中的選擇性沉積、光刻加工、蝕刻等來定義。至少鐵磁性層45和55沉積期間，提供磁場(chǎng)來設(shè)定位易磁化軸。所提供的磁場(chǎng)對(duì)于磁矩53和58產(chǎn)生優(yōu)選的各向異性軸。選擇位易磁化軸59在字線20和位線30之間成45°角。
參照?qǐng)D5，根據(jù)參照?qǐng)D3所述的本發(fā)明的實(shí)施方案，表示了部分MRAM陣列5的簡化平面圖。x-和y-坐標(biāo)系100、旋轉(zhuǎn)方向94、96和磁場(chǎng)及與字電流60和位電流70相關(guān)的極性定義與圖2中相同。為了簡化描述，假設(shè)N等于2，以至于MRAM器件72在位磁區(qū)15中包括一個(gè)三層結(jié)構(gòu)，具有磁矩53和58以及凈磁矩40。另外，只舉例說明位磁區(qū)15的磁矩。
為了說明MRAM陣列5寫入方法是怎樣工作的，假設(shè)磁矩53和58的優(yōu)選各向異性軸相對(duì)于負(fù)x-和負(fù)y-方向成45°角，并且相對(duì)正x-和正y-方向成45°角。舉例來說，圖4表明磁矩53相對(duì)于負(fù)x-和負(fù)y-方向成45°角。因?yàn)榇啪?8通常與磁矩53反平行取向，所以它相對(duì)于正x-和正y-方向成45°角。使用這種初始取向來表現(xiàn)寫入方法的實(shí)施例，這將在下面討論。
參照?qǐng)D6，該圖表示位磁區(qū)15的SAF三層結(jié)構(gòu)模擬轉(zhuǎn)換行為的結(jié)果。該模擬使用兩個(gè)單疇磁性層，其具有幾乎相同的磁矩(近平衡的SAF)，具有內(nèi)在各向異性且被反鐵磁性耦合，并且其磁化動(dòng)力學(xué)通過公知的Landau-Lifshitz等式來描述。x-軸是單位為奧斯特的字線磁場(chǎng)振幅，y-軸是單位為奧斯特的位線磁場(chǎng)振幅。如圖7中的時(shí)間圖所示，磁場(chǎng)以脈沖序列600來施加。脈沖序列600包括作為時(shí)間函數(shù)的字電流60和位電流70。
圖6舉例說明了操作的三個(gè)磁場(chǎng)區(qū)。在磁場(chǎng)區(qū)92中，沒有轉(zhuǎn)換。對(duì)于磁場(chǎng)區(qū)95中的MRAM操作，直接寫入方法是有效的。當(dāng)使用直接寫入方法時(shí)，不需要確定MRAM器件的初始狀態(tài)，因?yàn)樵摖顟B(tài)僅在被寫入的狀態(tài)與存儲(chǔ)的狀態(tài)不同時(shí)才被轉(zhuǎn)換。通過字線20和位線30中的電流方向來確定寫入狀態(tài)的選擇。舉例來說，如果要寫入‘1’，那么現(xiàn)兩個(gè)線中的電流方向?qū)⑹钦?。如果?’已經(jīng)存儲(chǔ)在元件中，并且正要寫入‘1’，那么MRAM器件的最終狀態(tài)將繼續(xù)為‘1’。此外，如果存儲(chǔ)了‘0’并且要用正電流寫入‘1’，那么MRAM器件的最終狀態(tài)將為‘1’。當(dāng)在字和位線中使用負(fù)電流來寫入‘0’時(shí)，可以獲得相似的結(jié)果。因此，不管其初始狀態(tài)如何，使用電流脈沖的適當(dāng)極性可以程序設(shè)計(jì)任何一種狀態(tài)為所需的‘1’或‘0’。在本發(fā)明整個(gè)公開內(nèi)容中，磁場(chǎng)區(qū)95中的操作將定義為“直接寫入模式”。
對(duì)于磁場(chǎng)區(qū)97中的MRAM操作，觸發(fā)寫入方法是有效的。當(dāng)使用觸發(fā)寫入方法時(shí)，在寫入前需要確定MRAM器件的初始狀態(tài)，因?yàn)椴还茈娏鞯姆较蛉绾?，只要?duì)于字線20和位線30選擇相同的極性電流脈沖，每次MRAM器件被寫入時(shí)其狀態(tài)轉(zhuǎn)換。舉例來說，如果初始存儲(chǔ)了‘1’，那么在一個(gè)正電流脈沖序列流過字和位線后，器件的狀態(tài)將被轉(zhuǎn)換成‘0’。對(duì)存儲(chǔ)的‘0’態(tài)重復(fù)正電流脈沖序列，使其返回至‘1’。因此，為了能夠?qū)⒋鎯?chǔ)元件寫成所需的狀態(tài)，必須首先讀取MRAM器件72的初始狀態(tài)并與要寫入的狀態(tài)比較。讀取和比較可能需要附加的邏輯電路，包括存儲(chǔ)信息的緩沖器和比較存儲(chǔ)狀態(tài)的比較器。只有當(dāng)存儲(chǔ)的狀態(tài)和要寫入的狀態(tài)是不同的時(shí)MRAM器件72才被寫入。這種方法的優(yōu)點(diǎn)之一是降低了能耗，因?yàn)橹挥胁煌奈槐晦D(zhuǎn)換。使用觸發(fā)寫入方法的其它優(yōu)點(diǎn)在于只需要單一極性的電壓，因此可以使用更小的晶體管來驅(qū)動(dòng)MRAM器件。在本發(fā)明整個(gè)說明中，磁場(chǎng)區(qū)97的操作將被定義為“觸發(fā)寫入模式”。
如前所述，兩種寫入方法都涉及在字線20和位線30中提供電流，以至于磁矩53和58可以在兩種優(yōu)選方向之一上取向。為了完全解釋兩種轉(zhuǎn)換模式，現(xiàn)在給出具體的實(shí)施例來描述磁矩53、58和40的時(shí)間演化。
參照?qǐng)D8，該矢量圖表示在MRAM器件72中使用脈沖序列600來將‘1’寫成‘0’的觸發(fā)寫入模式。在該圖中，t0時(shí)磁矩53和58在圖4所示的優(yōu)選方向上取向。該方向定義為‘1’。
t1時(shí)，打開正字電流60，其感應(yīng)在正y-方向上取向的HW80。正HW80的作用是引起近平衡的反排列MRAM三層“翻轉(zhuǎn)”，并且與施加磁場(chǎng)方向大約成90°取向。鐵磁性層45和55之間的有限反鐵磁交換作用允許磁矩53和58現(xiàn)在向磁場(chǎng)方向偏斜一個(gè)小的角度，并且凈磁矩40在磁矩53和58之間對(duì)著所述角度并與HW80成一行。因此，磁矩53沿順時(shí)針方向94旋轉(zhuǎn)。因?yàn)閮舸啪?0是磁矩53和58的矢量加和，所以磁矩58也沿順時(shí)針方向94旋轉(zhuǎn)。
t2時(shí)，打開正位電流70，其感應(yīng)正HD90。因此，凈磁矩40同時(shí)通過HW8指向正y-方向，并通過HD90指向正x-方向，其具有引起凈磁矩40進(jìn)一步沿順時(shí)針方向94旋轉(zhuǎn)，直至其通常在正x-和正y-方向之間成45°角取向的作用。因此，磁矩53和58也進(jìn)一步沿順時(shí)針方向94旋轉(zhuǎn)。
t3時(shí)，關(guān)閉字電流60，以至于現(xiàn)在只有HD90指向凈磁矩40，其現(xiàn)在將沿著正x-方向取向。磁矩53和58現(xiàn)在通常指向通過其各向異性難磁化軸不穩(wěn)定點(diǎn)的角度。
t4時(shí)，關(guān)閉位電流70，所以磁場(chǎng)力對(duì)凈磁矩40不起作用。因此，磁矩53和58將變成在其最近的優(yōu)選方向上取向，從而最小化各向異性能。在此情況中，磁矩53的優(yōu)選方向相對(duì)于正x-和正y-方向成45°角。該優(yōu)選方向還與t0時(shí)磁矩53的初始方向成180°，并且定義為‘0’。因此，MRAM器件72已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成‘0’。應(yīng)當(dāng)理解MRAM器件72還可以通過使用字線20和位線30中的負(fù)電流沿著逆時(shí)針方向96旋轉(zhuǎn)磁矩53、58和40來轉(zhuǎn)換，但是只是出于舉例說明的目的來表示。
參照?qǐng)D9，該矢量圖表示在MRAM器件72中使用脈沖序列600來將‘0’寫成‘1’的觸發(fā)寫入模式。舉例說明了在如前所述的每個(gè)時(shí)間t0、t1、t2、t3和t4時(shí)的磁矩53和58，以及凈磁矩40，表明使用相同的電流和磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)換MRAM器件從‘0’至‘1’的能力。因此，使用觸發(fā)寫入模式寫入MRAM器件72的狀態(tài)，這相應(yīng)于圖6中的磁場(chǎng)區(qū)97。
對(duì)于直接寫入模式，假設(shè)磁矩53在數(shù)值上大于磁矩58，以至于磁矩40指向與磁矩53相同的方向，但在零場(chǎng)中具有較小的值。這種不平衡的磁矩產(chǎn)生偶極能量，其在施加磁場(chǎng)下趨向于排列磁矩，從而打破了近平衡SAF的對(duì)稱性。因此，僅在給定電流極性的一個(gè)方向上發(fā)生轉(zhuǎn)換。
參照?qǐng)D10，該矢量圖表示在MRAM器件72中使用脈沖序列600和直接寫入模式將‘1’寫成‘0’的實(shí)施例。此處，存儲(chǔ)狀態(tài)初始為‘1’，磁矩53相對(duì)于負(fù)x-和負(fù)y-方向成45°，并且磁矩58相對(duì)于正x-和正y-方向成45°。在使用正的字電流60和正的位電流70施加上述的脈沖序列后，以與前面所述的觸發(fā)寫入模式相似的方式進(jìn)行寫入。注意t1時(shí)磁矩再次翻轉(zhuǎn)，但由于不平衡的磁矩和各向異性，所成的角度從90°傾斜。在t4后，MRAM器件10已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成‘0’態(tài)，其凈磁矩40按照需要與正x-和正y-方向成45°取向。當(dāng)現(xiàn)在只使用負(fù)的字電流60和負(fù)的位電流70將‘0’寫成‘1’時(shí)，得到相似的結(jié)果。
參照?qǐng)D11，該矢量圖表示當(dāng)新的狀態(tài)與已經(jīng)存儲(chǔ)的狀態(tài)相同時(shí)，對(duì)于使用直接寫入模式寫入的實(shí)施例MRAM器件中磁矩的旋轉(zhuǎn)。在本實(shí)施例中，MRAM器件72中已經(jīng)存儲(chǔ)了‘0’，并且現(xiàn)在重復(fù)電流脈沖序列600來存儲(chǔ)‘0’。磁矩53和58在t1時(shí)試圖“翻轉(zhuǎn)”，但因?yàn)椴黄胶獯啪乜隙▽?duì)施加的磁場(chǎng)有作用，所以旋轉(zhuǎn)減小。因此，從相反的狀態(tài)旋轉(zhuǎn)存在附加的能壘。t2時(shí)，主導(dǎo)磁矩53與正x-軸幾乎對(duì)齊，并且與其初始各向異性方向成小于45°的角度。t3時(shí)，磁場(chǎng)指向正x-軸?，F(xiàn)在系統(tǒng)通過相對(duì)于施加磁場(chǎng)改變SAF磁矩對(duì)稱性而降低其能量，而不是進(jìn)一步順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。被動(dòng)磁矩58穿過x-軸并且系統(tǒng)穩(wěn)定，主導(dǎo)磁矩53返回至接近其原始方向。因此，在除掉磁場(chǎng)的t4時(shí)，存儲(chǔ)在MRAM器件72中的狀態(tài)仍保持為‘0’。這種序列闡明了如圖6中磁場(chǎng)區(qū)95所示的直接寫入模式機(jī)理。因此，在這種約定下，為了寫入‘0’在字線20和位線30上均需要正的電流，相反為了寫入‘1’，在字線20和位線30上均需要負(fù)的電流。
如果施加較大的磁場(chǎng)，最終與翻轉(zhuǎn)相關(guān)的能量降低超過防止觸發(fā)事件的不平衡磁矩偶極能量產(chǎn)生的附加能壘。此時(shí)，發(fā)生觸發(fā)事件并且由磁場(chǎng)區(qū)97描述轉(zhuǎn)換。
如果時(shí)間t3和t4等于或接近于盡可能相等，可以擴(kuò)展應(yīng)用直接寫入模式的磁場(chǎng)區(qū)95，即觸發(fā)模式磁場(chǎng)區(qū)97可以被移至更高的磁場(chǎng)。在此情況中，磁場(chǎng)方向在字電流60打開時(shí)相對(duì)于位各向異性軸開始成45°，然后當(dāng)位電流70打開時(shí)，移動(dòng)至與位各向異性軸平行。本實(shí)施例與典型的磁場(chǎng)應(yīng)用序列相似。但是，現(xiàn)在字電流60和位電流70基本上同時(shí)關(guān)閉，以至于磁場(chǎng)方向不會(huì)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)。因此，施加磁場(chǎng)必須足夠大，以至于凈磁矩40已經(jīng)移過其難磁化軸不穩(wěn)定點(diǎn)，并且字電流60和位電流70打開。此時(shí)不太可能發(fā)生觸發(fā)寫入模式事件，因?yàn)榇艌?chǎng)方向現(xiàn)在僅旋轉(zhuǎn)45°，而不是前面的90°?；旧贤瑫r(shí)落入時(shí)間t3和t4的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)在對(duì)磁場(chǎng)升高時(shí)間t1和t2的順序沒有附加限制。因此，磁場(chǎng)可以以任何順序打開，或者還可以基本上同時(shí)打開。
參照?qǐng)D4-13描述的寫入方法，本文稱作Savtchenko寫入技術(shù)，是高度選擇性的，因?yàn)橹挥性跁r(shí)間t2和t3之間字電流60和位電流70已經(jīng)打開的MRAM器件將轉(zhuǎn)換狀態(tài)。該特征在圖12和13中闡述。圖12是表示當(dāng)字電流60沒有打開且位電流70打開時(shí)，MRAM器件72中使用的脈沖序列600的時(shí)間圖。圖13是表示MRAM器件72狀態(tài)的相應(yīng)行為的矢量圖。t0時(shí)，磁矩53和58以及凈磁矩40如圖5中所述取向。在脈沖序列600中，位電流70在t1時(shí)打開。此時(shí)，HD90將引起凈磁矩40指向正x-方向。
因?yàn)樽蛛娏?0決沒有打開，磁矩53和58不會(huì)通過其各向異性的難磁化軸不穩(wěn)定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，當(dāng)在t3時(shí)關(guān)閉位電流70時(shí)，磁矩53和58將在最近的優(yōu)選方向上重新取向，在此情況中為t0時(shí)的初始方向。因此，MRAM器件72的狀態(tài)沒有轉(zhuǎn)換。應(yīng)當(dāng)理解如果在與上述相似的時(shí)間下打開字電流60并且不打開位電流70，將得到相同的結(jié)果。此外，應(yīng)當(dāng)理解即便字電流60和位電流70都是同時(shí)打開并具有不變化的數(shù)值，也得到相同的結(jié)果。這種特征確保在陣列中只有一個(gè)MRAM器件將被轉(zhuǎn)換，而其它的器件仍保持其初始狀態(tài)。結(jié)果，避免了無意的轉(zhuǎn)換并且位錯(cuò)誤率最小化。因此，在與參照?qǐng)D2和3描述的MRAM器件71中使用的類似途徑，以及MRAM器件72的非轉(zhuǎn)換值中，施加磁場(chǎng)具有一個(gè)值的范圍，在該范圍內(nèi)能保證位磁矩在位易磁化軸59中不會(huì)從一個(gè)穩(wěn)定的極性旋轉(zhuǎn)至另一個(gè)。盡管應(yīng)當(dāng)理解商業(yè)上發(fā)布的MRAM非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)大小將略小于一個(gè)器件模擬的磁場(chǎng)區(qū)的圖示大小，但所述值的范圍相應(yīng)于參照?qǐng)D6描述的磁場(chǎng)區(qū)92，這說明了生產(chǎn)差異。與圖3所示傳統(tǒng)的非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)相比，使用Savtchenko技術(shù)轉(zhuǎn)換位磁矩的MRAM器件基本上對(duì)只有兩個(gè)正交電流線之一產(chǎn)生的磁場(chǎng)不太敏感。
參照?qǐng)D14，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，其中位磁區(qū)15包含在本文中參照?qǐng)D2和參照?qǐng)D4-6描述的任何結(jié)構(gòu)之一，表示了包括MRAM器件73的部分MRAM陣列6的剖視圖。此外，MRAM器件73中的參照磁區(qū)17是提供參照磁矩的受釘扎(pinned)磁層，包含與形成隧道勢(shì)壘16的電絕緣材料相鄰的鐵磁性層81，以及與鐵磁性層81相鄰的反鐵磁性層82。反鐵磁性層82優(yōu)選包括反鐵磁性材料，例如鐵-錳、銥-錳，或鉑-錳合金。鐵磁性層81至少包括元素Ni、Fe、Co或者它們的組合之一。
使用圖15-18來描述MRAM器件73的讀取操作。參照?qǐng)D15，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，表示MRAM器件73的平面圖。為了清晰起見，所示的位磁區(qū)15具有基本上大于1的長徑比并且相應(yīng)于參照?qǐng)D2描述的MRAM器件71的傳統(tǒng)位磁區(qū)15，或者參照?qǐng)D4-6描述的MRAM器件72的Savtchenko位磁區(qū)15，而且產(chǎn)生表現(xiàn)出兩個(gè)位磁矩穩(wěn)定值的位易磁化軸1435。應(yīng)當(dāng)理解有其它的方式來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生位易磁化軸1435的各向異性。當(dāng)位易磁化軸1435上施加磁場(chǎng)的分量1410具有零值時(shí)，參考磁區(qū)17具有低的長徑比來降低形狀各向異性，并且具有基本上與位易磁化軸1435正交的參考磁矩1430。低的長徑比優(yōu)選在0.8至1.2的范圍內(nèi)，但可以是其它接近1的值，即在0.6至1.4的范圍內(nèi)。當(dāng)位易磁化軸1435中的施加磁場(chǎng)具有零值時(shí)，參考磁矩1430的取向?qū)е略诒疚闹袠?biāo)識(shí)為參考磁電阻1510的磁電阻。在制造參考磁區(qū)17期間，按照本領(lǐng)域一般技術(shù)人員是公知的方式建立在不施加磁場(chǎng)的條件下參考磁矩1430基本上正交的方向。在圖15中表示的實(shí)施例中位磁矩的極性1425被定義為“0”態(tài)。參照?qǐng)D16，該圖表示對(duì)于圖15中描述的實(shí)施例，MRAM器件73的磁電阻對(duì)位易磁化軸1435中施加磁場(chǎng)分量的圖。當(dāng)位易磁化軸1435中施加磁場(chǎng)的分量1410為讀出(sense)值，該值位于與位磁區(qū)15的具體實(shí)施方案相關(guān)的非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)(例如參照?qǐng)D3描述的磁場(chǎng)區(qū)320和參照?qǐng)D6描述的磁場(chǎng)區(qū)92)，參考磁矩被施加的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)1440，并且MRAM器件73的磁電阻從參考磁電阻1510改變成小于參考磁電阻1510的磁電阻1520的第一個(gè)讀出值，因?yàn)槲挥谖灰状呕S1435中的旋轉(zhuǎn)參考磁矩1425分量的極性與“0”態(tài)中位磁矩的極性1440相反。這種磁電阻變化具有負(fù)的信號(hào)。
參照?qǐng)D17，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，表示了MRAM器件73的另一個(gè)平面圖。在本實(shí)施方案中，除了位磁矩的極性1625定義為“1”態(tài)外，每件事物都與參考圖15描述的情況相同。參照?qǐng)D18，對(duì)于圖17中描述的實(shí)施方案，該圖表示MRAM器件73的磁電阻對(duì)位易磁化軸1435中施加磁場(chǎng)分量的圖。此時(shí)，當(dāng)位易磁化軸1435中施加磁場(chǎng)分量1410為讀出值時(shí)，參考磁矩被施加的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)1440，并且MRAM器件73的磁電阻從參考磁電阻1510改變成大于參考磁電阻1510的磁電阻1720的第二個(gè)讀出值，因?yàn)槲挥谖灰状呕S1435中的旋轉(zhuǎn)參考磁矩1425分量的極性與“0”態(tài)中位磁矩的極性1440一致。這種磁電阻變化具有正的信號(hào)。
設(shè)計(jì)并且結(jié)合參考磁矩1430的釘扎強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)讀取操作的施加磁場(chǎng)，以至于當(dāng)使用施加磁場(chǎng)的讀出值時(shí)，位磁矩的狀態(tài)(極性)可靠地由MRAM器件73從參考磁電阻1510的磁電阻變化信號(hào)來指示。通常，通過選擇反鐵磁性層82和鐵磁性層81的材料和制造工藝參數(shù)，以至于當(dāng)施加磁場(chǎng)處于選擇的讀出值(位于非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)320(圖3)，92(圖6)內(nèi))時(shí)，參考磁矩充分地旋轉(zhuǎn)來感應(yīng)隧道勢(shì)壘16磁電阻的可靠信號(hào)變化，參考磁矩1430的釘扎強(qiáng)度被降低至傳統(tǒng)的“固定”參考磁矩的釘扎強(qiáng)度以下。因此，如同先有技術(shù)的MRAMs所做的一樣，已經(jīng)描述了一種可靠的發(fā)明，其避免了與使用外部參考來確定存儲(chǔ)的位磁矩狀態(tài)相關(guān)的事件。如同參考圖4-13所述，對(duì)于位磁區(qū)15，使用Savtchenko技術(shù)優(yōu)選地具體體現(xiàn)了MRAM器件73。這是由于讀取操作期間，Savtchenko技術(shù)位磁矩比傳統(tǒng)的技術(shù)對(duì)恒定的施加磁場(chǎng)具有更低的敏感性。應(yīng)當(dāng)理解對(duì)于Savtchenko技術(shù)，其中字和位線20，30參照位易磁化軸1435優(yōu)選成45度取向，讀取操作期間沿著電流線20和30或者兩者施加電流，從而沿著易磁化軸實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)分量。但是，如同參照?qǐng)D8-11所述，因?yàn)樾枰囟ǖ拿}沖序列來觸發(fā)位磁矩，所以響應(yīng)施加的磁場(chǎng)，位磁矩不會(huì)轉(zhuǎn)換至新的極性。在第一種可選擇的途徑中，當(dāng)對(duì)于位磁矩15和寫入操作使用Savtchenko技術(shù)時(shí)，字和位線20，30只有一個(gè)被激勵(lì)，從而產(chǎn)生在位易磁化軸1435上具有足夠數(shù)值的施加磁場(chǎng)來實(shí)施可靠的讀取操作。在第二種可選的途徑中，每個(gè)MRAM器件73都可能包括與位易磁化軸1435正交的分離讀取線(第三個(gè)電流線)，以至于僅由讀取線中的電流產(chǎn)生的施加磁場(chǎng)其基本上所有的磁場(chǎng)都處于沿著位易磁化軸1435的兩種極性之一。至于字線20和位線30，讀取線只需要接近施加磁場(chǎng)的參考磁區(qū)17。
參考圖19，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，其中(對(duì)于MRAM器件74)位磁區(qū)15包含本文中參照?qǐng)D2描述和參照?qǐng)D4-6描述的任何一種結(jié)構(gòu)，表示了包括MRAM器件74的部分MRAM陣列7的剖視圖。MRAM器件74中的參考磁區(qū)17包含與形成隧道勢(shì)壘16的電絕緣材料相鄰的合成反鐵磁性(SAF)層83，并且進(jìn)一步包含與SAF三層結(jié)構(gòu)83相鄰的釘扎反鐵磁性層57。SAF三層結(jié)構(gòu)83包含三層鐵磁性層46、反鐵磁性耦合層66(也更簡單地稱作耦合層66)和鐵磁性層56。這三層46、66、56優(yōu)選包含從分別與對(duì)于參照?qǐng)D4描述的MRAM器件72各層45、65、55所選擇的相同的材料中選擇。反鐵磁性釘扎層57包含例如鐵-錳、銥錳，或鉑-錳合金的反鐵磁性材料。MRAM器件74的讀取操作與MRAM器件73的讀取操作相同。再次參照?qǐng)D15-18，表示了位磁區(qū)15具有優(yōu)選在從1.5至3.0范圍內(nèi)，但可以是大于1的任何值的長徑比，并且相應(yīng)于參照?qǐng)D2描述的MRAM器件71的傳統(tǒng)位磁區(qū)15，或者參照?qǐng)D4-6描述的MRAM器件72的Savtchenko位磁區(qū)15，而且產(chǎn)生表現(xiàn)出兩個(gè)位磁矩穩(wěn)定值的位易磁化軸1435。應(yīng)當(dāng)理解有其它的方式來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生位易磁化軸1435的各向異性。當(dāng)位易磁化軸1435上施加磁場(chǎng)的分量1410具有零值時(shí)，參考磁區(qū)17具有接近于1的低長徑比(如上所述)來降低形狀各向異性至接近零，并且具有基本上與位易磁化軸1435正交的參考磁矩1430。
設(shè)計(jì)并且結(jié)合參考磁矩1430的轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)讀取操作的施加磁場(chǎng)，以至于當(dāng)使用施加磁場(chǎng)的讀出值時(shí)，位磁矩的狀態(tài)(極性)可靠地由MRAM器件73從參考磁電阻1510的磁電阻變化信號(hào)來指示，所述讀出值在位磁區(qū)15(例如參照?qǐng)D3描述的磁場(chǎng)區(qū)320和參照?qǐng)D6描述的磁區(qū)92)的特定實(shí)施方案相關(guān)的非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)之內(nèi)。在MRAM器件74的本實(shí)施方案中，對(duì)反鐵磁性釘扎層57，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)材料和工藝實(shí)現(xiàn)步驟，從而制造具有強(qiáng)釘扎強(qiáng)度的層-即層57是強(qiáng)釘扎層。通過選擇SAF三層結(jié)構(gòu)83的材料和制造工藝參數(shù)，參考磁矩1430的轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)強(qiáng)度被降低至傳統(tǒng)的“固定”參考磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)度以下。這些選擇可能包括設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)弱反鐵磁性耦合層66或鐵磁性層46、56的磁矩不平衡，或者兩個(gè)特征的一定組合，以至于層46的磁矩(參考磁矩1430)響應(yīng)于施加的磁場(chǎng)(傳感)而旋轉(zhuǎn)，而層56的磁矩保持不變。因此，如同先有技術(shù)的MRAMs所做的一樣，已經(jīng)描述了一種可靠的發(fā)明，其避免了與使用外部參考來確定存儲(chǔ)的位磁矩狀態(tài)相關(guān)的事件。出于對(duì)MRAM器件73描述的相同原因，如同參考圖4-13所述，對(duì)于位磁區(qū)15，使用Savtchenko技術(shù)優(yōu)選地具體體現(xiàn)了MRAM器件74。因此，如同在MRAM器件73中一樣，可以使用字和位線20，30之一或兩者來產(chǎn)生用于讀取存儲(chǔ)的位磁矩的施加磁場(chǎng)，或者可以為此添加第三根線，取決于位磁區(qū)15和寫入操作的技術(shù)。
參照?qǐng)D20-22，圖20表示了MRAM器件75的平面圖，并且圖21和22表示施加磁場(chǎng)的值對(duì)磁電阻隧道結(jié)器件75電阻的圖。在MRAM器件75中，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，位磁區(qū)15包含在本文中參照?qǐng)D2和參照?qǐng)D4-6描述的任何一種結(jié)構(gòu)。MRAM器件75的參考磁區(qū)17具有與圖19中對(duì)MRAM器件74的參考磁區(qū)17表示的相同垂直層結(jié)構(gòu)，并且按照MRAM器件74的最初方案來設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)層46、66、56、57。位磁區(qū)15具有位易磁化軸1435。MRAM器件75與MRAM器件74不同，因?yàn)閰⒖即艆^(qū)17具有基本上大于1的長徑比，其長軸1930與位易磁化軸1435平行。同MRAM器件74的SAF三層結(jié)構(gòu)一樣，MRAM器件75的SAF三層結(jié)構(gòu)83在基本上與位易磁化軸1435正交的鐵磁性層56(稱作受釘扎層56)中具有受釘扎磁矩1910。但是，參考磁矩(隧道勢(shì)壘16相鄰的鐵磁性層46中)通過參考磁區(qū)17的各向異性在兩個(gè)方向之一上傾斜，以至于與隧道勢(shì)壘16相鄰的參考磁矩具有兩個(gè)穩(wěn)定的位置1920、1925。穩(wěn)定位置(或狀態(tài))1920、1925與位易磁化軸1435的正交線成大致相等的角度。參考磁區(qū)17表示在圖20中，其具有比位磁區(qū)15更小的長徑比，但并非需要如此。可以使用磁區(qū)15和17之間的各種形狀差異，包括相同的形狀或不同的形狀。通過參考磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)強(qiáng)度(如同參照?qǐng)D14-18所述)和與位易磁化軸1435平行的方向上鐵磁性層46的各向異性來確定參考磁矩從位易磁化軸1435正交方向旋轉(zhuǎn)的角度。所述各向異性可以是圖20中舉例說明的形狀各向異性，但是可以可選地通過稱作磁感應(yīng)各向異性的(磁性層46)材料性質(zhì)來產(chǎn)生，該性質(zhì)當(dāng)然是MRAM 75設(shè)計(jì)期間確定的特性。因此，所述形狀可以具有任何長徑比，包括1。
應(yīng)當(dāng)理解當(dāng)位易磁化軸1435中的參考磁矩分量方向與磁區(qū)15中隧道勢(shì)壘16相鄰的位磁矩的極性相反時(shí)，MRAM器件75的磁電阻將高于位易磁化軸1435中的參考磁矩分量方向與磁區(qū)15中隧道勢(shì)壘16相鄰的位磁矩的極性相同時(shí)的情況。盡管參考磁矩有兩個(gè)穩(wěn)定的位置1920、1925，但是它們?nèi)菀资艿酵獠炕驘岬挠绊?，并且從一個(gè)狀態(tài)改變至另一個(gè)狀態(tài)。因此，盡管通過讀取磁電阻的絕對(duì)讀數(shù)，施加磁場(chǎng)的一個(gè)讀出值的應(yīng)用在某些情況下可以用來確定位磁矩的極性，但是讀取位磁區(qū)15極性的更優(yōu)選方法是使用至少在第一種極性下，然后在第二種極性下具有讀出值的施加磁場(chǎng)。在該方法中，設(shè)置施加磁場(chǎng)處于其在與位磁區(qū)15(例如參照?qǐng)D3描述的磁場(chǎng)區(qū)320和參照?qǐng)D6描述的磁區(qū)92)的特定實(shí)施方案相關(guān)的非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)之內(nèi)的讀出值，但足夠強(qiáng)至在位置1920和1925之間改變參考磁矩的位置。該方法通過確定MTJD磁電阻的變化信號(hào)提供了位磁矩極性的可靠指示。舉例來說，當(dāng)磁區(qū)15的隧道勢(shì)壘16相鄰的位磁矩具有圖20中所示的極性1950并且施加通過字和位線20，30(圖19)中的電流或多個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其在位易磁化軸1435上具有相反極性的分量(如圖21和22中H+所示)時(shí)，如果參考磁矩處于位置1920(圖20)，磁電阻將從圖21中點(diǎn)2005處的磁電阻移動(dòng)到點(diǎn)2010處的磁電阻，但是如果參考磁矩已經(jīng)處于位置1925(圖20)，其不會(huì)從圖中的點(diǎn)2015處的磁電阻顯著改變。當(dāng)然后施加在位易磁化軸1435上與極性1950具有相同極性的分量(如圖21和22中H_所示)的磁場(chǎng)時(shí)，如果參考磁矩已經(jīng)處于位置1925(圖20)，磁電阻將從圖21中點(diǎn)2010處的磁電阻(介于RMID和RHI之間)移動(dòng)到圖中點(diǎn)2020處的磁電阻(介于RMID和RRO之間)。在此實(shí)施方案中，當(dāng)位磁矩具有與圖20中所示極性1950相反的極性并且施加相同序列的磁場(chǎng)時(shí)，不管在讀取操作開始之前參考磁矩的狀態(tài)如何，磁電阻將點(diǎn)2020處的低值(介于RMID和RLO之間)改變到點(diǎn)2010處的高值(介于RMID和RHI之間)，如圖22所示。從這些圖(圖21和22)中可以看出位磁矩1950極性可以從MRAM器件75磁電阻變化的極性來確定。因此，如同在MRAM器件73，74中一樣，可以使用字和位線20，30之一或兩者來產(chǎn)生用于讀取存儲(chǔ)的位磁矩的施加磁場(chǎng)，或者可以為此添加第三根線，取決于位磁區(qū)15和寫入操作的技術(shù)。
參照?qǐng)D23，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，其中位磁區(qū)15包含在本文中參照?qǐng)D2和參照?qǐng)D4-6描述的任何一種結(jié)構(gòu)，表示了包括MRAM器件76的部分MRAM陣列8的剖視圖。此外，MRAM器件76中的參考磁區(qū)17是與形成隧道勢(shì)壘16的電絕緣材料相鄰的未受釘扎鐵磁性層85。鐵磁性層85包括至少元素Ni、Fe、Co或者它們的組合之一，并且通過工藝實(shí)現(xiàn)具有大約為1(并且優(yōu)選小于1.3)的長徑比以及能夠產(chǎn)生磁化渦流2310的厚度84的形狀，如圖24中參考磁區(qū)17的平面圖所示。因此，當(dāng)不施加磁場(chǎng)時(shí)，參考磁區(qū)17的渦流中心2320在參考磁區(qū)17的中央并且凈磁矩為零；而且MRAM器件76具有在本文中定義為參考磁電阻的磁電阻。沿著位磁區(qū)15易磁化軸的位磁矩2315也表示在圖24中。在MRAM器件76的讀取操作期間，施加在位易磁化軸中的磁場(chǎng)引起渦流中心2320移動(dòng)到與位易磁化軸正交的方向，如圖25所示，然后在參考磁區(qū)17中存在凈磁矩。當(dāng)施加磁場(chǎng)與位易磁化軸具有一定角度時(shí)，渦流中心在與凈施加磁場(chǎng)方向成90度的方向上移動(dòng)。但是，結(jié)果仍是相似的。舉例來說，當(dāng)通過與位易磁化軸成45度取向的字或位線20，30產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，典型地在使用字或位線20，30之一進(jìn)行讀取操作并且使用Savtchenko技術(shù)讀取位磁區(qū)15時(shí)，渦流中心在施加磁場(chǎng)的方向上移動(dòng)并且在或者與存儲(chǔ)的位磁矩相反或相同的位易磁化軸上存在分量。只要施加磁場(chǎng)在渦流區(qū)內(nèi)并且位于與位磁區(qū)15技術(shù)相關(guān)的非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)之內(nèi)，MRAM器件76的磁電阻從參考磁電阻的變化信號(hào)可靠地指示了位磁矩2315的極性，并且位磁矩2315沒有轉(zhuǎn)換。渦流區(qū)是施加磁場(chǎng)值的某個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)渦流中心的移動(dòng)是可逆的而沒有滯后，并且與施加磁場(chǎng)的分量成線性。
上述實(shí)施方案的更一般性描述是參考磁區(qū)17的參考磁矩及其磁狀態(tài)可以通過施加的磁場(chǎng)來改變，其值在與位磁區(qū)15的技術(shù)相關(guān)的非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)。隨著參考磁矩以預(yù)定的方式改變，這允許由電阻行為來確定自由層的取向。使用該技術(shù)允許每個(gè)位參考其自身。這就回避了對(duì)高、低和中點(diǎn)位之間小的電阻變化的需要。由于參考層狀態(tài)中預(yù)定的磁變化(即自參考)，所有位的狀態(tài)可以通過電阻變化來確定，而不需要與外部的位比較，這就是當(dāng)前的操作模式。
換句話說，本發(fā)明可以一般性描述為磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其包含設(shè)計(jì)成形成磁電阻隧道勢(shì)壘的電絕緣材料、位于電絕緣材料一面上的位磁區(qū)、位于電絕緣材料相反面上的參考磁區(qū)，以及金屬導(dǎo)體或其它運(yùn)輸電流用來在位和參考磁區(qū)內(nèi)感應(yīng)施加磁場(chǎng)的裝置。位磁區(qū)具有在不施加磁場(chǎng)時(shí)極性在位易磁化軸上的位磁矩；電絕緣材料以及位和參考磁區(qū)形成磁電阻隧道結(jié)器件MTJD。參考磁區(qū)具有參考磁矩，其至少具有相應(yīng)于施加磁場(chǎng)第一和第二值的第一和第二值。(注意在一些實(shí)施方案中，施加磁場(chǎng)的一個(gè)值為零。)位磁矩的極性通過在施加磁場(chǎng)的第一和第二值下測(cè)量MTJD的磁電阻來可靠地確定。施加磁場(chǎng)的第一和第二值在位磁矩的狀態(tài)沒有轉(zhuǎn)換的非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)。
應(yīng)當(dāng)理解分別包含本文描述的MRAM器件71、72、73、74、75、75、76(也稱為磁電阻隧道結(jié)器件)的RMAM陣列3、4、5、6、7、8可以有利地在廣泛的電光集成電路中使用，例如使用幾乎任何類型微處理機(jī)或信號(hào)處理機(jī)的任何電路，以及需要狀態(tài)定義的電路。結(jié)果，MRAM器件71-76可以有利地在虛擬的任何使用存儲(chǔ)器的電光設(shè)備中使用。盡管本發(fā)明的一個(gè)特征是RMAM器件71-76的非易失性，但應(yīng)當(dāng)理解這些器件的尺寸和速度將不會(huì)防止它們?cè)谄癫恍枰且资源鎯?chǔ)器的情況中使用。
在前面的說明中，已經(jīng)參考具體的實(shí)施方案說明了本發(fā)明及其利益。但是，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員領(lǐng)會(huì)到可以做出各種修改和改變而不會(huì)背離如下面權(quán)利要求提出的本發(fā)明的范圍。因此，說明書和圖表被認(rèn)為是舉例說明而不是限制性的，并且所有這種修改都打算包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。利益、優(yōu)點(diǎn)、問題的解決，以及任何可以引起任何利益、優(yōu)點(diǎn)或解決方案發(fā)生或變得更加明顯的元件并沒有構(gòu)思為任何或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵、必需或必要的特征或元件。
如本文所用，術(shù)語“包含”、“含有”或任何其它的變化都打算涵蓋非唯一的包涵，以至于包含一系列元件的過程、方法、物品或設(shè)備都不只包括那些元件，而是可以包括未清楚列出的或所述過程、方法、物品或設(shè)備內(nèi)在的其它元件。
已經(jīng)以如此清晰和精確的術(shù)語全面地描述了本發(fā)明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解并實(shí)踐同樣的內(nèi)容。本發(fā)明的權(quán)利要求如下。
權(quán)利要求
1.一種磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其包含設(shè)計(jì)成形成磁電阻隧道勢(shì)壘的電絕緣材料；位于電絕緣材料一面上的位磁區(qū)，位磁區(qū)在不施加磁場(chǎng)時(shí)具有極性在位易磁化軸上的位磁矩；位于電絕緣材料相反面上的參考磁區(qū)，其中電絕緣材料以及位和參考磁區(qū)形成磁電阻隧道結(jié)器件；以及在位和參考磁區(qū)內(nèi)感應(yīng)施加磁場(chǎng)的裝置；其中參考磁區(qū)具有低的長徑比，并且，在施加磁場(chǎng)的數(shù)值為零時(shí)，在該數(shù)值下磁電阻隧道結(jié)器件具有參考磁電阻，具有基本上與位易磁化軸正交的參考磁矩，并且其中當(dāng)施加磁場(chǎng)具有位于非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)的讀出值時(shí)，位磁矩的極性由參考磁矩的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的磁電阻隧道結(jié)器件的磁電阻變化的信號(hào)來可靠地指示，并且位磁矩的極性沒有轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其中參考磁區(qū)包含受釘扎的磁性層來提供參考磁矩，其包含與電絕緣材料相鄰的鐵磁性層；與鐵磁性層相鄰的反鐵磁性層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其中參考磁區(qū)包含釘扎方向與位易磁化軸正交的釘扎反鐵磁性層；及與釘扎反鐵磁性層和電絕緣材料相鄰并且提供參考磁矩的合成反鐵磁性層，其中參考磁矩具有轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)強(qiáng)度，以至于參考磁矩受具有讀出值的施加磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，并且其中轉(zhuǎn)動(dòng)反應(yīng)強(qiáng)度由合成反鐵磁性層中的耦合層強(qiáng)度、磁性各向異性和合成反鐵磁性層的鐵磁性層的磁矩不平衡的組合來確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其中合成反鐵磁性層包含被反鐵磁性耦合的N層鐵磁性層，其中N是大于或等于2的整數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其中參考磁區(qū)的長徑比介于0.6和1.4之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其中參考磁區(qū)的長徑比介于0.8和1.2之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其中位磁區(qū)包含被反鐵磁性耦合的N層鐵磁性層，其中N是大于或等于2的整數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其中在位和參考磁區(qū)內(nèi)感應(yīng)施加磁場(chǎng)的裝置包含通過位和參考磁區(qū)之一附近的字線；及與字線正交并通過位和參考磁區(qū)另一個(gè)附近的位線，其中字和位線基本上與位易磁化軸成45度取向。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其中在位和參考磁區(qū)內(nèi)感應(yīng)施加磁場(chǎng)的裝置進(jìn)一步包含通過參考磁區(qū)附近的讀取線。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其中在位和參考磁區(qū)內(nèi)感應(yīng)施加磁場(chǎng)的裝置包含通過位和參考磁區(qū)之一附近的字線；及與字線正交并通過位和參考磁區(qū)另一個(gè)附近的位線，其中字和位線之一基本上與位易磁化軸正交。
11.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元的集成電路。
12.一種包含根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元的電-光設(shè)備。
13.一種磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其包含設(shè)計(jì)成形成磁電阻隧道勢(shì)壘的電絕緣材料；位于電絕緣材料一面上的位磁區(qū)，位磁區(qū)在不施加磁場(chǎng)時(shí)具有極性在位易磁化軸上的位磁矩；位于電絕緣材料相反面上的參考磁區(qū)，其中電絕緣材料以及位和參考磁區(qū)形成磁電阻隧道結(jié)器件；以及在位和參考磁區(qū)內(nèi)感應(yīng)施加磁場(chǎng)的裝置；其中當(dāng)施加磁場(chǎng)的數(shù)值為零時(shí)，參考磁區(qū)具有如下參考磁矩，其具有通過參考磁區(qū)的各向異性而產(chǎn)生、與位易磁化軸的正交線近似成相等的角度的兩個(gè)穩(wěn)定位置，并且其中位磁矩的極性由磁電阻隧道結(jié)器件的磁電阻變化信號(hào)來可靠地指示，并且當(dāng)施加磁場(chǎng)的分量在位易磁化軸上從第一極性改變至第二極性而施加磁場(chǎng)具有位于非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)的讀出值時(shí)，位磁矩的極性沒有轉(zhuǎn)換。
14.一種磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其包含設(shè)計(jì)成形成磁電阻隧道勢(shì)壘的電絕緣材料；位于電絕緣材料一面上的位磁區(qū)，位磁區(qū)在不施加磁場(chǎng)時(shí)具有極性在位易磁化軸上的位磁矩；位于電絕緣材料相反面上的參考磁區(qū)，所述參考磁區(qū)具有大約為1的參考磁區(qū)長徑比，并且，包含一個(gè)未受釘扎的鐵磁性層，當(dāng)施加磁場(chǎng)為零時(shí)，其厚度足以形成凈磁矩為零的磁性渦流，其中電絕緣材料以及位和參考磁區(qū)形成磁電阻隧道結(jié)器件；以及在位和參考磁區(qū)內(nèi)感應(yīng)施加磁場(chǎng)的裝置；其中在施加磁場(chǎng)的數(shù)值為零時(shí)，磁電阻隧道結(jié)器件具有參考磁電阻，并且其中當(dāng)施加磁場(chǎng)具有位于非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)和渦流磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)的讀出值時(shí)，位磁矩的極性由磁電阻隧道結(jié)器件的磁電阻從參考磁電阻變化的信號(hào)來可靠地指示，并且位磁矩的狀態(tài)沒有轉(zhuǎn)換。
15.一種磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其包含設(shè)計(jì)成形成磁電阻隧道勢(shì)壘的電絕緣材料；位于電絕緣材料一面上的位磁區(qū)，位磁區(qū)在不施加磁場(chǎng)時(shí)具有極性在位易磁化軸上的位磁矩；位于電絕緣材料相反面上的參考磁區(qū)，其中電絕緣材料和位及參考磁區(qū)形成磁電阻隧道結(jié)器件；以及在位和參考磁區(qū)內(nèi)感應(yīng)施加磁場(chǎng)的電流傳輸導(dǎo)體；其中參考磁區(qū)具有參考磁矩，其至少具有相應(yīng)于施加磁場(chǎng)第一和第二值的第一和第二值，并且其中位磁矩的極性通過在施加磁場(chǎng)的第一和第二值下測(cè)量磁電阻隧道結(jié)器件的磁電阻來可靠地確定，并且其中施加磁場(chǎng)的第一和第二值在位磁矩的極性沒有轉(zhuǎn)換的非轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)區(qū)內(nèi)。
全文摘要
一種磁電阻隧道結(jié)存儲(chǔ)單元，其包含磁電阻隧道勢(shì)壘(16)、位磁區(qū)(15)、參考磁區(qū)(17)，以及在位和參考磁區(qū)感應(yīng)施加磁場(chǎng)的電流線路(20，30)。位磁區(qū)具有位磁矩(43，40，1425，1625，1950，2315)，其在沒有施加磁場(chǎng)時(shí)，在位易磁化軸方向(59，1435)上具有極性。隧道勢(shì)壘和位及參考磁區(qū)形成磁電阻隧道結(jié)器件(10，72，73，74，75，76)。在一些實(shí)施方案中(73，74，75)，參考磁區(qū)具有與位易磁化軸不平行的參考磁矩(40，1430，1440，1920，1925)。在其它實(shí)施方案(76)中，參考磁區(qū)具有凈參考磁矩基本上為零的磁化渦流(2310)。施加磁場(chǎng)會(huì)改變參考磁區(qū)的磁狀態(tài)，以至于可以通過磁電阻測(cè)量來確定位磁區(qū)的磁狀態(tài)。
文檔編號(hào)G11C11/15GK1708810SQ03817782
公開日2005年12月14日 申請(qǐng)日期2003年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月31日
發(fā)明者布拉德利·N.·恩格爾, 賈森·A.·詹尼斯基 申請(qǐng)人:飛思卡爾半導(dǎo)體公司