专利名称：提高可伸缩性的磁电阻随机存取存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体存储器件。
具体而言，本发明涉及利用磁场的半导体随机存取存储器件。
背景技术：
存储器件是电子系统中极为重要的部件。三种最重要的商业高密度存储器技术为SRAM、DRAM和快擦写存储器。这些存储器件都使用电荷存储信息，且均具有其自身的优点。SRAM读和写速度快，不过其具有易失性，且需要大单元(cell)面积。DRAM高密度，不过也具有易失性，且需要每隔数毫秒就刷新一次存储电容器。这些需求增加了控制电子器件的复杂性。
如今，快擦写存储器(FLASH)在应用中成为主要的非易失性存储器件。典型的非易失性存储器件使用在浮动氧化物层(floating oxidelayer)中俘获的电荷来存储信息。快擦写存储器的缺点包括电压要求高以及编程和擦除时间长。另外，在存储器失效之前，快擦写存储器具有104～106个周期的较差写入持续时间。此外，为保持合理的数据记忆力，栅极氧化物的厚度必须保持高于允许电子隧道效应的阈值，因此限制了快擦写存储器定标趋势。
为克服这些缺陷，人们正对新型磁存储器件进行研究。一种这样的器件是磁电阻RAM(以后称之为“MRAM”)。MRAM有潜力具有类似于DRAM的速度性能。然而，为实现商用，MRAM必须具有同当前存储器技术可比的存储器密度，可伸缩适应未来升级，操作在低电压，功率消耗低，且读/写速度具有竞争力。
对于MRAM器件，存储器状态的稳定性，读/写周期的可重复性，和存储器元件至元件切换场的一致性成为其设计特性的三个最重要的方面。MRAM中存储器状态并不是由电能来保持，而是由磁矩矢量的方向来保持。通过施加磁场并且使单元中的磁性材料磁化成两种可能的存储器状态中的一种，来实现存储数据。通过检测电阻差来恢复数据，其中两种状态的电阻不同。通过流经在磁结构之外的导线或流经磁结构本身的电流来产生编程磁场。
传统MRAM器件取决于具有纵横比的位形状来产生提供切换场的形状各向异性。随着位尺寸的减小，出现了三个问题。首先，对于给定形状和膜厚度，切换场增大，需要更大的电流来切换。其次，减小了总切换体积(total switching volume)，从而，与切换体积和切换场成正比的、用于反转的能量势垒也减小。能量势垒指磁矩矢量从一个状态切换到另一个状态所需的能量。能量势垒决定MRAM器件的数据保持力和差错率，并且如果势垒过小，会因热涨落而出现不期望的反转。最后，由于切换场是由形状产生的，当位尺寸减小时，切换场变得对形状变化更为敏感。由于在更小尺度上光刻定标变得更为困难，MRAM器件将难于保持紧凑的切换分布。
因此，克服现有技术中固有的上述及其他缺陷，将很有意义。
因此，本发明的一个目的在于，提供一种新型、改进的磁电阻随机存取存储器件。
本发明的一个目的在于，提供一种新型、改进的磁电阻随机存取存储器件，其可在保持切换场近似恒定的同时进行定标。
本发明的另一目的在于，提供一种新型、改进的磁电阻随机存取存储器件，其具有可控的磁切换体积(magnetic switching volume)。
本发明的又一目的在于，提供一种新型、改进的磁电阻随机存取存储器件，其具有可控的能量势垒，以使器件的位差错率最小。
本发明的一个目的在于，提供一种新型、改进的磁电阻随机存取存储器件，其可使用传统光刻工艺制造。
本发明的另一目的在于，提供一种新型、改进的磁电阻随机存取存储器件，其切换场对形状的依赖性更小。
发明内容
为实现上述及其他目的和优点，本发明批露了一种可伸缩磁电阻隧道结存储器(下面称作“MRAM”)器件。MRAM器件包括在其上设置有固定磁区的衬底。然后在固定磁区上设置足够厚以作为电子隧道势垒的电绝缘材料，自由磁区处于电绝缘材料之上。靠近隧道势垒的固定磁区具有固定在最佳方向的合成磁矩矢量。
在优选实施例中，自由磁区包括合成反铁磁(以后称之为“SAF”)层材料。合成反铁磁层材料包括N个反铁磁耦合的铁磁材料层，其中，N为大于或等于2的整数。N个层决定了磁切换体积，通过改变N可对其进行调整。在优选实施例中，通过在各邻近铁磁层之间夹有反铁磁耦合间隔层，将N个铁磁层反铁磁耦合。
在优选实施例中，总的净磁矩矢量包括所有N个子层磁矩矢量的矢量和。因为将各子层与其邻近层反铁磁耦合，在零磁场中子层磁矩可以指向两个反平行的方向。从而由M1和M2之差决定总磁矩，其中M1和M2分别为每个方向的总子层磁矩。通过反铁磁耦合间隔层的耦合，磁矩矢量通常反平行取向。反铁磁耦合还通过MRAM结构中各层的静磁场来产生。从而，除了消除两个磁层之间的铁磁耦合外，间隔层不必提供任何附加的反铁磁耦合。
铁磁层中磁距矢量可以具有不同幅值，以提供由ΔM＝(M2-M1)指定的合成磁距矢量和子层磁矩分数平衡比(sub-layer momentfractional balance ratio)Mbr=(M2-M1)(M2+M1)=ΔMMtotal,]]>其中Mtotal＝M1+M2为N个层的总磁矩。N层结构的合成磁距矢量随施加的磁场而自由旋转。在零场中，合成磁距矢量的方向将是稳定的，该方向是由磁性各向异性决定的，即与固定磁区的合成磁矩矢量平行或反平行。
流过MRAM器件的电流取决于隧道磁电阻，隧道磁电阻由直接与隧道势垒邻近的自由和固定磁区的磁矩矢量的相对取向而决定。如果磁距矢量平行，则MRAM器件电阻较低，偏压将导致更大的电流流过器件。将此状态定义为“1”。如果磁距矢量反平行，则MRAM器件电阻较高，所施加的偏压将导致更小的电流流过器件。将此状态定义为“0”。应该理解，这些定义是随意的，反之也可，不过在此示例中所用定义出于说明目的。因此，在磁电阻存储器中，通过施加使得MRAM器件中的磁距矢量相对于固定参考层中的磁距矢量具有平行和反平行方向之中任一种方向的取向的磁场，来实现数据存储。
可以调整铁磁层的数量N，以增大自由磁区的磁切换体积。通过增大磁切换体积，增大了无意中使磁矩矢量反转所需的能量势垒。能量势垒增大带来的效果是减小了因热涨落的无意反转所造成的数据保持差错率。从而，增加了存储器状态的稳定性。增加铁磁层可以使子层磁矩平衡比Mbr不发生变化，并且对于圆形位形状，切换场保持恒定。因此，由于反铁磁耦合的各铁磁层必须克服其固有的各向异性而反转，总能量势垒增大，从而使磁切换体积增大，而不增大所需的切换电流。因而，可将MRAM器件定标至更小的横向尺寸，并且通过增加更多反铁磁耦合的铁磁层，同时保持恒定的子层力矩平衡比，可使磁切换体积保持恒定或者将其调整到所需数值。
在优选实施例中，MRAM器件的形状为圆形，使得不会因形状各向异性而对切换场产生影响。在这种结构中，主导设定切换场的参数为材料的感应磁各向异性Hk。对于如NiFeCo的典型材料而言，Hk大约仅为20Oe，这对于MRAM器件的操作而言是不能满足需要的。如果SAF N层结构包含在自由区中，则根据子层磁矩分数平衡比Mbr，使各向异性和切换场Hsw得以放大，从而使得Hsw=(M2+M1)(M2-M1)·Hk=HkMbr,]]>其中M1，M2分别为N层结构在每个方向的总子层磁矩。切换场增大是由于，更小的合成磁矩矢量对于外部磁场旋转N个铁磁层中的所有自旋(spin)而言，变得更难以控制。因此，相反磁矩的幅值彼此越接近，则有效切换场就越强。从而，通过控制感应Hk和子层磁矩平衡比Mbr，可以将切换场调节到合理数值。由于圆形形状并非切换场的主要来源，形状敏感性降低。此外，由于形状边缘处的有效磁荷远小于具有可比厚度的单层膜的有效磁荷，合成磁矩矢量的削弱进一步减小了形状变化的影响。
对本领域技术人员而言，结合以下附图，通过后面对本文优选实施例的详细描述，将易于理解上述及其他更为具体的本发明目的和优点图1表示可伸缩性提高的磁电阻随机存取存储器件的截面图；而图2表示当其他层保持恒定厚度40时，N层结构中体(bulk)自由层膜的矫顽力与一个铁磁层厚度之间的关系的图表。
具体实施例方式
现参看图1，图1说明根据本发明的可伸缩磁电阻隧道结存储单元5的简化截面图。可伸缩磁电阻隧道结存储单元5包括支持衬底10，在其上沉积有种子层。支持衬底10可以为例如半导体衬底或晶片，并且可以在其上形成半导体控制器件。种子层20形成在支持衬底10上，以帮助其余材料层的形成和操作。然后在种子层20上沉积反铁磁层30，反铁磁层包括例如Ni，Fe，Mn，Co或其组合物。应当理解，种子层20是可选的，并且在本优选实施例中包含有种子层仅出于说明目的。此外，设置反铁磁层30是出于制造方便，可以有许多其他可能结构。
具有合成磁矩矢量57的第一磁区55处于反铁磁层30上。电绝缘层70设置在第一磁区55上，具有合成磁矩矢量87的第二磁区135设置在电绝缘层70上。电绝缘层70作为隧道势垒结。应当理解，电绝缘层70可以包括多个绝缘层，不过所示出一层是用于说明目的。
反铁磁层30沿最佳磁轴单向栓固合成磁矩矢量57，除非施加足够大的磁场以克服层30的栓固作用。通常，反铁磁层30足够厚，以保证寄生信号和正常单元写入信号不会切换合成磁矩矢量57。
在优选实施例中，固定磁区55包括合成反铁磁层材料，合成反铁磁层材料包括将反铁磁耦合间隔层50夹在铁磁层60与铁磁层40之间的三层结构。不过应当理解，磁区55可以包含除三层结构以外的合成反铁磁层材料，在本实施例中使用三层结构仅出于说明目的。另外，磁区55为固定磁区，意味着当施加适当的磁场时合成磁矩矢量57不自由旋转，并用作参考层。
自由磁区135包含合成反铁磁层材料，合成反铁磁材料包括N个反铁磁耦合的铁磁层，其中N为大于或等于2的整数。在此处所示实施例中，为了简化起见，选择N等于2，从而磁区包括三层结构，其中，反铁磁耦合间隔层90夹在铁磁层80与铁磁层100之间。铁磁层80和100分别具有厚度81和101。另外，反铁磁耦合间隔层90具有厚度86。应当理解，磁区135中的合成反铁磁层材料可以包含具有不同数量铁磁层的其他结构，在本实施例中使用三层结构仅为了说明目的。例如，可以使用铁磁层/反铁磁耦合间隔层/铁磁层/反铁磁耦合间隔层/铁磁层构成的五层堆叠，其中N等于3。
通常，反铁磁耦合间隔层50和90包括元素Ru，Os，Re，Cr，Rh和Cu，或其组合。另外，铁磁层40，60，80和100通常包括Ni，Fe，Mn，Co或其组合的合金。铁磁层80和100分别具有磁矩矢量85和105，并且通常通过反铁磁耦合间隔层90的耦合保持反平行。此外，磁区135具有合成磁矩矢量87。合成磁距矢量57和87沿最佳方向的各向异性易磁化轴方向取向。另外，磁区135为自由磁区，意味着当存在施加磁场时合成磁矩矢量87自由旋转。
虽然图中在磁区55与135中反铁磁耦合层处于铁磁层之间，不过应当理解，可通过其他方式，例如静磁场或其他特性，将铁磁层反铁磁耦合。例如，当将单元的纵横比减小至5或更小时，由静磁通量闭包(magnetostatic flux closure)使铁磁层反平行耦合。在此情形中，任何阻挡层之间铁磁交换的非磁性间隔层都足以满足需要。不过，在优选实施例中，通过在各邻近铁磁层之间夹入反铁磁耦合材料使邻近铁磁层反铁磁耦合。使用合成反铁磁层材料的优点是，磁距矢量的反平行耦合防止在给定厚度处形成旋涡(vortex)，其中如果使用单层则会在该厚度处形成旋涡。
此外，在可伸缩磁电阻隧道结存储单元5的制造过程中，顺序沉积或按其他方式形成各个相继层(即20，30，40等)，可通过半导体制造业已知的任何技术有选择地进行沉积，光刻处理，刻蚀等来限定每个单元。在至少铁磁层80和100的沉积过程中，提供磁场来设置这些层的易磁化轴(感应各向异性)。还可以通过在存在磁场的情况下进行退火来在沉积之后设置各向异性轴。
可以调整自由区135中铁磁层的数量N，使得当将器件横向定标至更小尺寸时，自由区135的磁切换体积保持基本恒定或增大。因此，可以控制MRAM器件5的磁切换体积，从而能够使位差错率最小。可以选择层的厚度81和101和/或材料，使得在器件被横向定标时，切换磁矩85和105所需的磁场保持基本恒定(术语“基本恒定”意在包括适度的增大)。由于可以选择N个铁磁层以使磁矩平衡比Mbr不变，对于圆形平面，切换场Hsw保持恒定。由于各单个铁磁层必须克服其感应各向异性才能反转，用于磁距矢量反转的总能量势垒增大，从而在Hsw没有增大的条件下增大了有效体积。对于纵横比大于1的位形状而言，通过适当选择邻近铁磁层中的磁矩平衡，可以增大体积，同时使切换场的增加最小化。
在一可选实施例中，磁电阻隧道结存储单元5具有磁区55和135，对于非圆形平面，它们的长/宽比均在1至5的范围内。当自由和固定区135和55的纵横比小于5时，磁区135中的磁距矢量85和105极容易因静磁边缘场(magnetostatic fringing fields)而完全反平行对准。因此，该静磁耦合允许用不允许层间交换的间隔层替换反铁磁耦合层。在优选实施例中，MRAM器件5形状为圆形(通常平行于衬底10的横截面)，使得不会因形状各向异性对切换场造成影响，另外还由于易于使用光刻处理使器件横向定标至更小尺寸。不过应该理解，MRAM器件5可具有其他形状，如正方形，矩形，椭圆形，或菱形，但所示为圆形是出于简单起见。
在圆形平面内，主要设定切换场的参数为材料的感应磁各向异性Hk。对于诸如NiFeCo的典型材料，Hk大约仅为20Oe，这不适于MRAM器件的操作。如果N层结构包含在自由磁区中，则根据各个子层磁矩的子层磁矩平衡比来放大有效各向异性和切换场Hsw，使得HSW=(M85+M105)(M85-M105)·HK,]]>其中，M85，M105分别为铁磁层80和100中磁矩矢量的量值。
现参看图2，图2的图表说明了三层结构的有效切换场Hsw与铁磁层100的厚度101之间的关系。图2中数据图表由未形成图案的体材料膜产生，并且代表了圆形位图案的HSW变化趋势。因此，图2直接证实了不平衡合成反铁磁结构的放大效果。
在此具体示例中，选择反铁磁耦合间隔层90的厚度86为7，铁磁层80的厚度81为40。此外，在该示例中，反铁磁间隔层90包括Ru，铁磁层80和100包括NiFeCo。随着铁磁层100的厚度101从近似30改变至75，在近似为35至45的范围内HSW变化较大。对于最优化的MRAM器件操作，HSW应近似在50Oe和150Oe之间的范围内。可通过改变所示厚度101将HSW设置在该范围内。如果将厚度101设置在40，则HSW将近似为225奥斯特(Oersted)，这有可能过高了。如果将厚度101设置约43，则HSW将近似为75奥斯特，这是更为理想的值。关键在于，通过调整厚度81，86和101，可使HSW调整到所需的值。
这样，可伸缩磁电阻存储器件具有通过改变N就能够对其进行控制的磁切换体积。通过调整N，当将MRAM器件横向定标至更小尺寸时，可增大磁切换体积。从而，减少因热涨落所造成的位差错率。此外，通过改变铁磁层的厚度和/或材料，能够控制HSW。通过控制HSW，可将切换场调整至当将器件横向定标至更小尺寸时对于MRAM器件操作足够的所需值。
对本领域技术人员而言，会易于想到此处所述实施例的多种改变和变型。在这些改变和变型不偏离本发明精神的前提下，有意将它们包括在本发明的范围之内，并仅通过后面权利要求的合理解释进行描述。
以上通过如此清晰和简明的术语充分描述了本发明，从而本领域技术人员能够理解以及实现本发明，本发明权利要求为
权利要求
1.一种可伸缩磁电阻隧道结存储器单元，包括电绝缘材料，用于形成磁电阻隧道势垒；第一磁区，安置在电绝缘材料的一侧，第一磁区在电绝缘材料附近具有磁距矢量；第二磁区，安置在电绝缘材料的相对侧，第二磁区在绝缘材料附近具有磁距矢量，且在平行于或反平行于第一磁区磁距矢量的方位取向，电绝缘材料和第一及第二磁区形成磁电阻隧道结器件，并且第一和第二磁区其中至少一个包括具有磁切换体积的合成反铁磁层材料，合成反铁磁层材料包括N个反铁磁耦合的铁磁层，其中，N为大于或等于2的整数，且能够通过改变N来调整磁切换体积，从而当将磁电阻存储器元件横向定标至更小尺寸时，为切换非易失性存储器操作保持足够的能量势垒。
2.如权利要求1所述的可伸缩磁电阻隧道结存储器单元，其中，通过增大N来调整磁切换体积，使得当将磁电阻存储器元件横向定标至更小尺寸时切换体积保持基本恒定或增加。
3.如权利要求1所述的可伸缩磁电阻隧道结存储器单元，其中，当将磁电阻存储器元件横向定标至更小尺寸时，第一和第二磁区其中之一的子层磁矩分数平衡比保持恒定。
4.一种可伸缩磁电阻隧道结存储器单元，包括电绝缘材料，用于形成磁电阻隧道势垒；第一磁区，安置在电绝缘材料的一侧，第一磁区在电绝缘材料附近具有磁距矢量；第二磁区，安置在电绝缘材料的相对侧，第二磁区在绝缘材料附近具有磁距矢量，且在平行于或反平行于第一磁区的磁距矢量的方位取向，电绝缘材料和第一及第二磁区形成磁电阻隧道结器件，并且第一和第二磁区其中至少一个包括N个反铁磁耦合的铁磁层，其中，N为大于或等于2的整数，并且具有子层磁矩分数平衡比，通过改变子层磁矩分数平衡比来调整第一和第二磁区其中至少之一的切换场，使得磁电阻存储器元件能够横向定标至更小尺寸。
5.一种可伸缩磁电阻隧道结存储器单元，包括第一磁区，其合成磁矩矢量在不施加磁场时固定在最佳方向；电绝缘材料，安置第一磁区上，以形成磁电阻隧道势垒；和第二磁区，安置在电绝缘材料上，并具有可在相对第一磁区合成磁矩矢量平行和反平行的方位之间进行切换的合成磁矩矢量，电绝缘材料和第一及第二磁区形成磁电阻隧道结器件，并且第一和第二磁区其中至少一个包括N个反铁磁耦合的铁磁层，其中，N为大于或等于2的整数，并且第一和第二磁区其中至少一个包括用于设置切换场的子层磁矩分数平衡比。
6.如权利要求5所述的可伸缩磁电阻隧道结存储器单元，其中，通过在各邻近对的铁磁层之间夹有反铁磁耦合材料层使N个铁磁层反铁磁耦合。
7.如权利要求5所述的可伸缩磁电阻隧道结存储器单元，其中，第一和第二磁区其中至少一个具有当将器件横向定标至更小尺寸时保持基本恒定或增大的磁切换体积。
8.一种可伸缩磁电阻隧道结存储器单元，包括衬底；支持在衬底上的反铁磁材料；固定磁区，安置在反铁磁材料之上，包括合成反铁磁层材料，其合成磁矩矢量在不施加磁场时固定在最佳方向；电绝缘层，安置在固定磁区之上；和自由磁区，安置在电绝缘层上，连同电绝缘层和固定磁区形成磁电阻隧道结器件，自由磁区包括N层铁磁材料的合成反铁磁层材料，其中，N为大于或等于2的整数，且其中N层铁磁材料中各层具有磁矩矢量和磁切换体积，该磁矩矢量与N层铁磁材料中各邻近层的磁距矢量取向反平行，以将它们反铁磁耦合，且通过增大N可伸缩自由磁区的磁切换体积，以使切换体积保持基本恒定或增大，以对于非易失性存储操作保持足够的能量势垒进行切换，当将可伸缩磁电阻存储器元件横向定标至更小尺寸时，自由磁区的磁矩分数平衡比保持基本恒定。
9.一种制造可伸缩磁电阻隧道结存储器单元的方法，包括步骤提供限定表面的衬底；在衬底上支持具有磁切换体积以及合成磁矩矢量的固定磁区，其中，合成磁矩矢量沿最佳方向取向；在固定磁区上安置电绝缘隧道结层；在电绝缘隧道结层上安置具有合成磁矩矢量和磁切换体积的自由磁区，其中，合成磁矩矢量能够沿相对于固定磁区的合成磁矩矢量成平行和反平行之中其一的方向取向，自由磁区包括合成反铁磁层材料，合成反铁磁层材料包括N个反铁磁耦合的铁磁层，其中，N为大于或等于2的整数，且其中N个铁磁层各具有的磁矩矢量与N层铁磁材料中各邻近层的磁距矢量取向反平行；以及调整N个铁磁层的数量及其磁矩，以优化当改变器件横向尺寸时的磁切换体积，并选择自由磁区的子层磁矩分数平衡比以提供磁切换场，使得当将器件横向定标至不同尺寸时，对于非易失性存储操作保持足够的能量势垒进行切换。
全文摘要
一种可伸缩磁电阻隧道结存储器单元(5)，包括固定磁区(55)，其磁距矢量在不施加磁场时固定在最佳方向；电绝缘材料(70)，安置在固定铁磁区，以形成磁电阻隧道结；和自由铁磁区(135)，其磁距矢量取向在平行于或反平行于固定铁磁区磁距矢量的方位取向。自由铁磁区包括N个反铁磁耦合的铁磁层(80，100)，其中，N为大于或等于2的整数。可对N个铁磁层的数量进行调整，以增大MRAM器件的有效磁切换体积。
文档编号G11C11/16GK1589478SQ02822806
公开日2005年3月2日 申请日期2002年9月24日 优先权日2001年10月16日
发明者布拉德利·N·恩格尔, 莱欧尼德·塞维特勤科, 贾森·艾伦·简斯科, 尼古拉斯·D·里佐 申请人:自由度半导体公司