专利名称：用于改进响应的具有离轴基准层取向的磁存储器单元的制作方法
技术领域：
本发明属于磁存储器领域。更具体地说，本发明涉及带有具有离轴取向的基准层的磁存储器单元。
磁存贮器，例如磁随机存取存储器(MRAM)一般包括一簇磁存储器单元。每一磁存储器单元通常包括数据存储层和基准层。典型地，磁存贮器单元的逻辑状态依赖于数据存储层和基准层中的磁化相对取向。
磁存储器单元的数据存储层通常是存储可变磁化状态的磁性材料层或薄膜。这些可变磁化状态一般包括与通常被称为数据存储层易轴平行的方向上形成的磁化。数据存储层通常在其边缘附近形成磁化，该边缘也包括垂直易轴的边缘。在垂直边缘附近形成的磁化通常被称为边缘区域。在数据存储层中最后所得到的磁化取向是在边缘区域沿其易轴磁化的效应和垂直磁化的效应造成的结果。
磁存贮器单元的基准层通常是其磁化是在特定方向固定或钉住的磁性材料层。在典型的已有技术的磁存贮器单元内，基准层的形成使得其磁化固定在平行于数据存储层易轴的方向上。结果，在已有技术磁存储器单元的基准层中的磁化取向一般平行于数据存储层的易轴。
如果其数据存储层的磁化取向平行于其基准层中的磁化取向，那么磁存贮器单元一般处于低阻状态。作为对照，如果其数据存储层的磁化取向反向平行于其基准层中的磁化取向，那么磁存贮器单元一般处于高阻状态。
已有技术的磁存储器单元的写入通常是通过在数据存储层施加从一个方向到另一方向沿其易轴转动磁化取向的外磁场实现的。这就引起了磁存储器单元在高和低阻状态之间切换。磁存储器单元的逻辑状态可在读取操作中通过测量其阻抗而确定。
可惜，在这种磁存贮器单元中的边缘区域效应引起了数据存储层中最后所得到的磁化取向从其易轴的移走。这通常减少了磁存储器单元高低阻状态间的差异并且衰减了在读取操作中可得到的信号。这种信号的衰减通常增加了磁随机存储器单元的误码率。
用于最小化边缘区域的这些负面效应的一个已有的方法是形成矩形数据存储层，其长边沿易轴。这种结构与来自边缘区的贡献相比，通常增加了易轴对最终的数据存储层中磁化的贡献。然而，这种矩形轮廓在写入操作中通常需要更多的能量来倒转数据存储层中的磁化取向，因而引起了使用这种结构的磁随机存储器单元中能量消耗的增加。除此之外，这种矩形磁存储器单元通常限制了在磁随机存储器单元中所能得到的总体存储器单元密度。
公开一种磁存储器单元，它包括具有易轴的数据存储层和具有相对易轴的离轴方向上固定的磁化取向的基准层。尽管有数据存储层边缘区域效应，但这种结构仍然增加了在磁存储器单元的读取操作中信号的可获得性。此外，利用方形结构可得到较高MRAM密度的结构。
本发明的其他特征和优点将由下面的详细描述而变得清楚。
参照特定典型实施例描述本发明且附图相应为
图1示出了具有基准层的磁存储器单元的基本结构，该基准层带有相对其数据存储层的易轴的离轴磁化取向。
图2为表示具有离轴取向的磁存储器单元的基准层的顶视图。
图3a-3b表示了在数据存储层中用于磁存储器单元的双逻辑状态的磁化状态。
图4a-4b表示了用于磁存储器单元的双逻辑状态最终所得到的M1矢量。
图5a-5b表示了相对于数据存储层易轴的M2离轴取向效应。
图6为表示包括一簇磁存储器单元的磁存储器顶视图。
图1表示了具有基准层54磁存储器单元40的基本结构，该基准层带有相对其数据存储层50易轴的离轴磁化取向。相对于数据存储层50的易轴的基准层54的离轴取向角度的选择，增强了在磁存储器单元40上进行读取操作时信号的可获得性。
在实施例中，磁存储器单元40包括了数据存储层50和基准层54之间的隧道(tunnel)阻挡层52。这种磁存储器单元40的结构可被称为旋转隧道器件，因为在读取操作中电荷迁移通过隧道阻挡层52。这种通过隧道阻挡层52的电荷迁移是因为已知的旋转隧道现象并且它发生在读取电压施加到磁存储器单元40上之时。在另一实施例中，巨磁阻(GMR)结构可用于磁存储器单元40中。
磁存储器单元40的逻辑状态对应于数据存储层50和基准层54的磁化相对取向。在数据存储层50中的总体或最后所得到的磁化取向由矢量M1所代表。矢量M1包括来自于数据存储层50沿易轴和在边缘区域的磁化的贡献。在基准层54中的磁化取向由相对于数据存储层易轴的离轴的特定方向上固定的矢量M2来代表。
最后所得到的M1矢量依赖于磁存储器单元40的逻辑状态而改变。最后所得到的M1矢量由使用与磁存储器单元40有关的导体的外磁场施加所控制。这些外磁场的施加用于在包括易轴磁化和边缘区域的数据存储层50中翻转或转动磁化方向。
磁存储器单元40的逻辑状态取决于其根据M1和M2的相对取向不同所测得的阻抗。磁存储器单元40的阻抗可通过施加读取电压并且测量最后所得到的传感电流测得。
图2为表示磁存储器单元40的基准层54的顶视图。图2还表示了代表基准层54的磁化固定取向的M2矢量。M2矢量相对于x轴形成了角度θ0。M2矢量为离轴，其中数据存储层50的易轴平行于x轴。
根据角度θ0的磁化离轴取向M2可通过使用许多已知技术来实现。例如，基准层54可以是与抗铁磁层结合的坡莫合金层(NiFe)，它耦合到抗铁磁层中，在该层中将角度为θ0所限定的方向上的坡莫合金层中的磁化取向固定。抗铁磁材料可以是铁锰(FeMn)或镍锰(NiMn)材料。用于抗铁磁的另类材料包括NiO，TbCo，PtMn和IrMn。
M2的角度θ0可以通过在平行于理想M2矢量的方向上施加例如1000奥斯特的强磁场并加热磁存储器单元40至例如摄氏200度的高温来实现。然后磁存储器单元40在这种磁场存在时冷却，以在平行于理想角度θ0的方向上固定抗铁磁材料中的磁化取向。在退过火的抗铁磁材料和基准层54的坡莫合金材料间的磁交换耦合将M2固定在理想角度θ0。
另外，基准层54可以是具有高矫顽力的材料，例如钴铂合金。足够强度的磁场可被施加到基准层54上以把磁化取向M2固定到理想角度θ0。基准层54的相对高矫顽力在对磁存储器单元40写操作时所加的外磁场存在的条件下将阻止M2的切换。
图3a-3b表示了在数据存储层50中用于磁存储器单元40的双逻辑状态的磁化。图3a表示了第一逻辑状态而图3b表示了磁存储器单元40的第二逻辑状态。矢量60代表着沿平行于x轴的数据存储层50的易轴的磁化。一对矢量62和64代表在数据存储层50的垂直边缘区域的磁化。矢量62和64垂直于数据存储层50的易轴并且平行于y轴。
在第一逻辑状态，由矢量62和64所代表的边缘区域磁场处于y轴正方向，而在第二逻辑状态，边缘区域磁场处于y轴负方向。与其说如在已有技术中通过沿长数据存储层试图最小化边缘区域的磁场效应，不如使磁存储器单元40考虑用于角度θ0选择以在读取操作中增加信号的可获得性的边缘区域磁场。
图4a-4b表示了用于磁存储器单元40的双逻辑状态最终所得到的M1矢量。最终所得到的M1矢量考虑到对应于数据存储层50中的矢量60-64的磁化的贡献。图4a表示了用于第一逻辑状态的M1矢量，而图4b表示了用于磁存储器单元40的第二逻辑状态最终所得到的M1矢量。
最终所得到的M1矢量在外加磁场的影响下在两个逻辑状态之间翻转。如果角度θ0和θ1基本相等，在读取操作中从磁存储器单元40所获得的信号就被最大化。这就造成M1绕离轴转动角度θ0，并且或者平行或者反向平行于M2。
磁存储器单元40通过施加使边缘区域矢量62和64翻转至y轴正方向的外磁场和通过施加使易轴矢量60翻转至x轴正方向的外磁场而写入第一逻辑状态。这在M1矢量中导致了x轴正方向和y轴正方向相对于所示x轴有θ1角度。
磁存储器单元40通过施加使边缘区域矢量62和64翻转至y轴负方向的外磁场和通过施加使易轴矢量60翻转至x轴负方向的外磁场而写入第二逻辑状态。这在M1矢量中导致了x轴负方向和y轴负方向相对于所示x轴有θ1角度。
图5a-5b表示了相对于数据存储层50易轴的M2离轴取向效应。这些效应根据数据存储层50的晶状体各向异性值(HK)和数据存储层50厚度的不同而不同。
图5a表示了用于区分HK值的数据存储层50的角度θ0和厚度之间的关系。系列曲线80-82描绘了分别在5、20和100奥斯特的HK值时的最佳固定角度θ0。曲线80-82可用于在数据存储层50于给定厚度和给定HK值时选择最佳的固定角度θ0。
图5b表示了从磁存储器单元40获取的读取信号与在用曲线80-82所选择的最佳固定角θ0处不同的数据存储层50HK值时的数据存储层50厚度的关系。系列曲线90-92分别代表100、20和5奥斯特的HK值。
方向dx和dy的选择基本相等并且构成了用于数据存储层50的方形。数据存储层50的方形与当使用矩形存储器单元时可获得密度相比，增加了可在磁随机存取存储器中获得的密度。之所以如此是因为，对于给定的最小化特征尺寸，方形磁存储器单元在给定的基板面积上可比矩形磁存储器单元形成更多。
图6为表示包括一簇包含磁存储器单元40和另外的磁存储器单元41-43的磁存储器单元的磁存储器10的顶视图。磁存储器10也包括一簇导体20-21和30-31，它们控制对磁存储器单元40-43读和写。导体30-31是上部导体而导体20-21是正下面的导体。每一磁存储器单元40-43具有dx和dy轴向。
磁存储器单元40-43的逻辑状态是通过将电流到导体20-21和30-32上来控制的。例如，加到导体30的x轴正向的电流根据右手规则引起数据存储层50的y轴正向的磁场(Hy+)。加到导体30的x轴负向的电流引起数据存储层50的y轴负向的磁场(Hy-)。类似地，加到导体20的y轴正向的电流引起了数据存储层50的x轴正向的磁场(Hx+)，而加到导体20的y轴负向的电流引起了数据存储层50的x轴负向的磁场(Hx-)。这些感生的磁场Hx+，Hx-，Hy+和Hy-可被用来改变矢量60-64的方向，因而改变了磁存储器单元40的逻辑状态。
本发明上述的详细描述目的是为了说明，并不意味着穷举或限制本发明公开的特定实施例。因而，本发明的范围应由所附的权利要求书来限定。
权利要求
1.一种磁存储器单元，包括具有一个易轴的数据存储层；具有一固定在相对易轴的离轴方向上的磁化取向的基准层。
2.根据权利要求1的磁存储器单元，其中的方向是基本平行于在数据存储层中沿易轴磁化的矢量和数据存储层中垂直于易轴的一组磁化产生的矢量的。
3.根据权利要求2的磁存储器单元，其中磁存储器单元的逻辑状态的写入是通过施加一系列沿着易轴转动磁化方向的和垂直于易轴转动磁化方向的外磁场来实现的。
4.根据权利要求2的磁存储器单元，其中第一逻辑状态的写入是通过施加一系列外磁场实现的，该外加磁场沿易轴转动磁化方向直至基本上平行于基准层的磁化取向的x轴，并且垂直于易轴转动磁化方向直至基本上平行于基准层的磁化取向的Y轴。
5.根据权利要求2的磁存储器单元，其中第二逻辑状态的写入是通过施加一系列外磁场实现的，该外磁场沿易轴转动磁化方向直至基本上反向平行于基准层的磁化取向的x轴，并且垂直于易轴转动磁化方向直至基本上反向平行于基准层的磁化取向的Y轴。
6.根据权利要求1的磁存储器单元，其中它的方向的预选是根据数据存储层的厚度进行的。
7.根据权利要求1的磁存储器单元，其中它的方向的预选是根据数据存储层晶状体的各向异性进行的。
8.一种磁存储器，包括一系列磁存储器单元，每个具有带易轴的数据存储层和带有固定在相对于易轴的离轴的方向上的基准层；一组能使读取和写入到磁存储器单元上的导体。
9.根据权利要求8的磁存储器，其中它的方向基本上平行于由数据存储层中沿易轴的磁化和数据存储层中垂直于易轴的一套磁化产生的矢量。
10.根据权利要求9的磁存储器，其中磁存储器单元的一个特定逻辑状态的写入是通过施加一系列使用导体的外磁场来实现的，以转动沿易轴的磁存储器单元的数据存储层的一个特定磁化方向，并且转动垂直于易轴磁存储器单元的一个特定数据存储层的磁化方向。
11.根据权利要求9的磁存储器，其中特定一个磁存储器单元的第一逻辑状态的写入是通过施加一系列使用导体的外磁场来实现的，以转动沿易轴磁存储器单元的一个特定数据存储层的磁化方向直至基本上平行于在磁存储器单元的一个特定基准层中的磁化取向的x轴，并且转动垂直于易轴的磁存储器单元的一个特定数据存储层的磁化方向直至基本上平行于在磁存储器单元的一个特定基准层中的磁化取向的Y轴。
12.根据权利要求9的磁存储器单元，其中特定一个磁存储器单元的第二逻辑状态的写入是通过施加一系列使用导体的外磁场来实现的，以转动沿易轴磁存储器单元的一个特定数据存储层的磁化方向直至基本上反向平行于在磁存储器单元的一个特定基准层中的磁化取向的x轴，并且转动垂直于易轴的磁存储器单元的一个特定数据存储层的磁化方向直至基本上反向平行于在磁存储器单元的一个特定基准层中的磁化取向的Y轴。
13.根据权利要求8的磁存储器，其中的方向的预选是根据数据存储层的厚度来进行的。
14.根据权利要求8的磁存储器，其中的方向的预选是根据数据存储层的晶状体的各向异性来进行的。
15.一种用于给磁存储器单元提供改进响应的方法，其包括构成磁存储器单元的基准层的步骤，它采取了相对于磁存储器单元的数据存储层的易轴的离轴方向固定的磁化取向。
16.根据权利要求15的方法，其中形成基准层的步骤包括以固定在基本平行于矢量的方向上形成基准层，该矢量是由数据存储层中沿易轴方向的磁化和数据存储层中垂直于易轴方向的一组磁化产生的。
17.根据权利要求15的方法，其中形成基准层的步骤包括根据数据存储层的厚度选取方向的步骤。
18.根据权利要求15的方法，其中形成基准层的步骤包括根据数据存储层晶状体的各向异性选取方向的步骤。
19.根据权利要求15的方法，其中形成基准层的步骤包括在平行于离轴的方向上将一强磁场加到基准层上；将基准层加热到高温；在强磁场中冷却基准层，以固定基准层的磁化取向。
20.根据权利要求15的方法，其中形成基准层的步骤包括用具有高矫顽力的材料形成基准层；将一磁场加到基准层，以将基准面的磁化取向固定到离轴方向。
全文摘要
一种磁存储器单元,包括具有易轴的数据存储层和具有固定于相对易轴的离轴方向的磁化取向的基准层。尽管有在数据存储层的边缘区域的磁化效应,但是这种结构在磁存储器单元的读取操作中增强了信号可获性。此外,采用这种结构,就可以通过使用方形存储器单元结构获得高磁随机存取存储器密度。
文档编号G11C11/16GK1246708SQ9911832
公开日2000年3月8日 申请日期1999年8月27日 优先权日1998年8月27日
发明者M·K·巴塔查赖亚, J·A·布鲁格 申请人:惠普公司