專利名稱：具有低寫(xiě)入電流特性的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁隨機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種具有低寫(xiě)入電流特性的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(英文名為Magnetic Random Access Memory，以下簡(jiǎn)稱MRAM)存儲(chǔ)單元及其制備方法，實(shí)現(xiàn)了超高存儲(chǔ)密度。
背景技術(shù)：
在二十一世紀(jì)的今天，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為重要的支柱產(chǎn)業(yè)，而信息的存儲(chǔ)是當(dāng)今信息科學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)之一。大容量信息長(zhǎng)期的存儲(chǔ)主要是通過(guò)磁記錄和光記錄技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。磁記錄雖然已有很長(zhǎng)的歷史，但仍然是目前信息存儲(chǔ)的主要方式。面對(duì)日新月異的信息時(shí)代，大容量、高速度、高密度和小型化已成為信息存儲(chǔ)發(fā)展的必然趨勢(shì)。MRAM結(jié)合了巨磁電阻(或隧道磁電阻)和芯片集成技術(shù)，具有高速存取、超高密度和不揮發(fā)等優(yōu)良特性，無(wú)論在軍事上還是民用上都有著至關(guān)重要的作用，被認(rèn)為將最終取代目前被廣泛運(yùn)用的磁、光盤(pán)技術(shù)。因而對(duì)MRAM技術(shù)的研究也成為當(dāng)今材料、電子、信息以及物理領(lǐng)域內(nèi)的共同熱點(diǎn)之一[K.Inomata“Present and future of magnetic RAM technology”，IEICETransaction on Electronics，E84-C，740-746，2001]。日本、美國(guó)等地都已投入巨資進(jìn)行該方面的研究。隨著去年十月摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)出世界第一個(gè)四兆存儲(chǔ)量的MRAM，今年六月，美國(guó)的IBM公司也宣布開(kāi)發(fā)出容量為十六兆的MRAM。但是進(jìn)一步提高M(jìn)RAM的存儲(chǔ)量卻仍然面對(duì)著很多挑戰(zhàn)，其中主要的就是如何降低寫(xiě)電流，從而降低能量消耗。MRAM的存儲(chǔ)單元實(shí)際上是表現(xiàn)出巨磁電阻效應(yīng)的金屬多層膜或表現(xiàn)出隧道磁電阻效應(yīng)的鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。存儲(chǔ)的過(guò)程是通過(guò)金屬多層膜的磁化取向的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。磁性存儲(chǔ)元件的磁化切換場(chǎng)與其寬度成正比，即隨著MRAM存儲(chǔ)密度的提高，磁性存儲(chǔ)元件的尺寸大幅度減小，其切換場(chǎng)也迅速增加，所需要的寫(xiě)電流也迅速增加。早在1996年，科學(xué)家就預(yù)測(cè)了電流垂直于平面幾何構(gòu)型的磁性多層膜中，極化電流的注入能誘發(fā)自旋轉(zhuǎn)換，從而改變磁性膜的磁化方向，人們稱其為“電流誘導(dǎo)磁化轉(zhuǎn)換行為”，簡(jiǎn)稱CIMS行為[J.C.Slonczewski，“Current-driven excitation of magneticmultilayers”，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Volume 159，Page L1-L9，1996]。運(yùn)用CIMS不僅可以大幅度簡(jiǎn)化和改善MRAM的設(shè)計(jì)，而且隨著存儲(chǔ)元件尺寸的減小，所需消耗的寫(xiě)電流反而減小，使得實(shí)現(xiàn)高存儲(chǔ)密度成為可能。盡管如此，迄今為止的所有試驗(yàn)報(bào)道中，產(chǎn)生CIMS的寫(xiě)電流密度都在107安培每平方厘米以上，在MRAM中，那么高的寫(xiě)電流密度會(huì)摧毀磁存儲(chǔ)單元，如果想在MRAM中利用CIMS技術(shù)，就必須把寫(xiě)電流將至106安培每平方厘米左右。本申請(qǐng)人今年上半年在日本發(fā)表了該方面的相關(guān)研究成果[Y.Jiang et al.，“Substantial reduction of critical current for magnetizationswitching in an exchange-biased spin-valve”，Nature Materials，Vol.3，361-364，2004]，在納米尺寸的金屬多層膜的自旋閥器件中，運(yùn)用6納米的金屬釕(以下簡(jiǎn)寫(xiě)為Ru)層可以有效的降低CIMS的寫(xiě)電流密度至2.3×106安培每平方厘米。該結(jié)果對(duì)CIMS在MRAM中的應(yīng)用非常重要，因?yàn)槠涮岢隽艘环N降低寫(xiě)電流的思路。本發(fā)明通過(guò)進(jìn)一步改善MRAM的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步的降低了寫(xiě)電流，使得CIMS行為能完全適合被運(yùn)用在MRAM的結(jié)構(gòu)中，為實(shí)現(xiàn)超高存儲(chǔ)密度的MRAM提供了可能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有低寫(xiě)入電流特性的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元及其制備方法，通過(guò)改變MRAM中存儲(chǔ)元件的結(jié)構(gòu)，有效的降低產(chǎn)生CIMS所需要的電流，即降低實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)所需要的寫(xiě)電流，使CIMS能直接運(yùn)用到MRAM中，從而實(shí)現(xiàn)超高存儲(chǔ)密度的MRAM。
本發(fā)明采用二氧化硅基片，通過(guò)超高真空等離子體濺射(或磁控濺射)、分子束外延生長(zhǎng)等手段首先制備出金屬7～8層膜，其第五層也可以是絕緣層。然后通過(guò)電子束印刷和離子刻蝕的手段制備出納米尺寸的7～8層膜器件即告完成。
本發(fā)明存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)如下多層膜的底層為20～200納米厚的金屬銅層，稱為底電極層。
從底往上第二層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為4～15納米，其磁矩不容易轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為底釘扎鐵磁層，從底往上第三層為金屬釕層，厚度為4～6納米，稱為底隔離層。
從底往上第四層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為1～3納米，稱為自由鐵磁層，其磁矩可以自由旋轉(zhuǎn)。
從底往上第五層為金屬銅或絕緣體層(例如三氧化二鋁等)，如為金屬銅，則厚度為4～6納米，該存儲(chǔ)元件為巨磁電阻自旋閥結(jié)構(gòu)；如為絕緣體層，則厚度為1～2納米，該存儲(chǔ)元件為鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。
從底往上第六層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為4～15納米，其磁矩不容易轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為頂釘扎鐵磁層。
從底往上第七層為20～200納米的金屬銅，為頂電極。
根據(jù)具體情況，在第六和第七層之間可以選擇插入一層10～20納米厚的反鐵磁層，例如氧化鈷或銥錳合金等，更好的釘扎住頂釘扎鐵磁層的磁矩。
該結(jié)構(gòu)用作MRAM的存儲(chǔ)元件時(shí)，電流是由頂電極向底電極或反方向流動(dòng)。由于兩層隔離層的作用，三層鐵磁層之間不存在耦合，自由鐵磁層的磁化方向則可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電流由底電極流向頂電極時(shí)，頂釘扎鐵磁層中的自旋被極化后進(jìn)入自由鐵磁層，帶動(dòng)自由鐵磁層的磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)，使得自由鐵磁層與頂釘扎鐵磁層的磁矩成平行排列，存儲(chǔ)單元的電阻值低。反之，當(dāng)電流由頂電極流向底電極時(shí)，底釘扎鐵磁層中的自旋極化后先進(jìn)入底隔離層，即金屬釕層。金屬釕與鈷的界面出形成一種釕/鈷合金，該合金強(qiáng)烈散射主自旋電子，使出現(xiàn)自旋的反極化，次自旋電子進(jìn)入自由鐵磁層，引起自由鐵磁層與頂釘扎鐵磁層的磁矩方向呈反平行，存儲(chǔ)元件對(duì)外表現(xiàn)為高電阻。這樣通過(guò)運(yùn)用電流來(lái)控制存儲(chǔ)元件的電阻值(即CIMS)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于巧妙的利用金屬釕散射主自旋的特性，大幅度的降低了在巨磁電阻自旋閥或鐵磁性隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)CIMS所需要的寫(xiě)電流，降低了能量損耗，為實(shí)現(xiàn)超高存儲(chǔ)密度的MRAM提供了可能性。
具體實(shí)施例方式
申請(qǐng)人根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，通過(guò)超高真空等離子體濺射、電子束印刷和離子刻蝕，制備出了兩種巨磁電阻自旋閥結(jié)構(gòu)，具體構(gòu)成分別為例1銅(20納米)/鈷鐵合金(4納米)/釕(4納米)/鈷鐵合金(1納米)/銅(4納米)/鈷鐵合金(4納米)/銅(20納米)。
例2銅(20納米)/鈷鐵合金(10納米)/釕(6納米)/鈷鐵合金(3納米)/銅(6納米)/鈷鐵合金(10納米)/銥錳合金(20納米)/銅(200納米)。
制備出的元件尺寸均為280×90納米。通過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)兩元件均可以實(shí)現(xiàn)CIMS，所需要的寫(xiě)電流密度均低于1×106安培每平方厘米。這樣低的寫(xiě)電流密度，使得該結(jié)構(gòu)完全可以運(yùn)用在MRAM中，并通過(guò)CIMS實(shí)現(xiàn)超高密度信息存儲(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種具有低寫(xiě)入電流特性的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單的制備方法，其特征在于采用二氧化硅基片，通過(guò)超高真空等離子體濺射或磁控濺射、分子束外延生長(zhǎng)手段首先制備出金屬7～8層膜，然后通過(guò)電子束印刷和離子刻蝕的手段制備出納米尺寸的7～8層膜器件。
2.一種用權(quán)利要求1所述方法制備的具有低寫(xiě)入電流特性的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元，其特征在于a、多層膜的底層為20～200納米厚的金屬銅層，稱為底電極層；b、從底往上第二層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為4～10納米，其磁矩不容易轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為底釘扎鐵磁層，從底往上第三層為金屬釕層，厚度為4～6納米，稱為底隔離層。c、從底往上第四層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為1～3納米，稱為自由鐵磁層；d、從底往上第五層為金屬銅，厚度為4～6納米，該存儲(chǔ)元件為巨磁電阻自旋閥結(jié)構(gòu)；e、從底往上第六層為鐵磁性的鈷或鈷鐵合金，厚度為4～10納米；f、從底往上第七層為20～200納米的金屬銅。
3.按照權(quán)利要求2所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于第五層為絕緣體層三氧化二鋁，厚度為1～2納米，該存儲(chǔ)元件為鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于在第六層和第七層之間插入一個(gè)10～20納米厚的反鐵磁層氧化鈷或銥錳合金。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有低寫(xiě)入電流特性的磁隨機(jī)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元及其制備方法。采用二氧化硅基片，通過(guò)超高真空等離子體濺射或磁控濺射、分子束外延生長(zhǎng)手段首先制備出金屬7～8層膜，然后通過(guò)電子束印刷和離子刻蝕的手段制備出納米尺寸的7～8層膜器件。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元包括底電極層，底隔離層、自由鐵磁層、巨磁電阻自旋閥結(jié)構(gòu)或鐵磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于巧妙的利用金屬釕散射主自旋的特性，大幅度的降低了在巨磁電阻自旋閥或鐵磁性隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)CIMS所需要的寫(xiě)電流，降低了能量損耗，為實(shí)現(xiàn)超高存儲(chǔ)密度的MRAM提供了可能性。
文檔編號(hào)H01L27/105GK1604228SQ20041000972
公開(kāi)日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者姜勇, 于廣華, 王燕斌 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)