专利名称：具有高选择性的磁阻随机存取存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁阻随机存取存储器，尤其涉及一种高选择性的磁阻随机存取存储器。
背景技术：
磁阻随机存取存储器(MRAM)是一种自旋的电子装置，现已被发展成为有能力代替传统的动态随机存取存储器(DRAM)和闪速存储器(FLASHMEMORY)的下一代存储器装置。动态随机存取存储器具有快速的数据写入速度，但是一旦切除电源，存储在DRAM里面的数据就会被抹掉。闪速存储器的数据写入速度比DRAM慢1,000倍。MRAM具有排列如铁磁层/绝缘层/铁磁层的多层薄膜结构，并且根据铁磁层中磁性材料的磁化方向，通过控制电子束的自旋隧道来存储数据。
图1是传统磁阻随机存取存储器单元的基本结构图。当电流施加到位线11和字线13时，安置在位线11和字线13的交叉点上的第一单元15的一个自由层的磁化方向被反转。因此，磁性的信息被写入一个磁性存储器的比特位。然而，在磁阻随机存取存储器的一个阵列中，当电流施加到字线13和位线11时，磁场会不可避免地作用于分别位于字线13和位线11上的第二单元17和第三单元19。
图2是示出被选择用于数据写入的第一单元15与位于第一单元15周围第二单元17和第三单元19的电阻-磁性场(R-H)特性的曲线图。虽然第二单元17和第三单元19没有被选择用于数据写入，磁场也会对它们有影响。
f1是示出第一单元15的R-H特性的曲线图，f2是示出第三单元19的R-H特性的曲线图，f3是示出第二单元17的R-H特性的曲线图。从f1、f2和f3中可看到，传统的MRAM单元的R-H曲线中有两个离散状态。转折点，即磁场中具有中间状态的阻抗的区域，出现在曲线f1上的A和A′、曲线f2的点B以及曲线f3的C。这些转折点是降低MRAM阵列的可选择性的主要因素。
彼此之间相互垂直的位线11和字线13所施加的电场，导致第一单元15的反转磁场H0低于其它邻近的单元。在f1的图表中，在点f1sw可达到全反转的磁场H0。当施加28Oe的反转磁场H0时，虽然第一单元15的自由层中的磁场矢量方向被反转，但是位于字线13上的第二单元17的自由层中的磁场矢量方向并没有被反转。在f3中，转折点(点C)产生于比H0大的磁场H2中。因此，第二单元17中的磁化反转没有发生。然而，在f2中，转折点(点B)产生于比H0小的磁场中。因此，当施加磁场H0时，位于位线11上的第三单元19中的某些磁化域中的磁场矢量会被部分地转换，因而导致错误。
因此，为了提高MRAM的可选择性，MRAM的单元需要被重新设计以消除转折点或在有转折点的情况下避免影响MRAM的可选性。
发明内容
本发明提供一种能够消除转折点而具有高选择性的磁阻随机存储存储器。
本发明的一方面提供了一种磁阻随机存储存储器，包括磁场矢量方向为固定的第一磁性层；与第一磁性层平行定位并且磁场矢量方向可以被反转的第二磁性层；插入第一磁性层和第二磁性层之间的非磁性层，第二磁性层的纵横比为2或更小，厚度为5nm或更小，饱和磁化强度为800emu/cm3或更小。
第二磁性层的纵横比可以是1.5或更小，优选地为1.4或更小，特别优选为1.3或更小，尤其为1.2或更小，甚至优选为是1.1或1.0或更小。
第二磁性层的厚度可以是4nm或更小，优选为3nm或更小。
第二磁性层的饱和磁化强度可以是700emu/cm3或更小，优选为600emu/cm3或更小。
第一或第二磁性层或无磁性层可以被构造为多层结构，并且无磁性层可以是由导电材料制成。
在本发明中，通过构造一个纵横比为2或更小、厚度为5nm或更小、饱和磁化强度为800emu/cm3或更小的自由层，来消除转折点，这使得高选择性的存储器实现成为可能。
下面对参照附图对其中的实施例加以详细地描述，上述的和本发明的其他特征及优点将会更加明显。其中图1是传统的磁阻随机存取存储器基本结构图；图2是示出图1中的MRAM单元中被选择用于数据写入的第一单元和位于第一单元周围的第二单元和第三单元的电阻-磁性场(R-H)的特性的曲线图；图3是根据本发明一个实施例的MRAM单元的示意性结构框图；图4A-4E是示出了依据一个预定纵横比(AR)的自由层的厚度(t)和饱和磁化强度(Ms)，Hc2/Hc1(HR)的分布情况的图表；图5A-5E是示出了依据一个预定纵横比(AR)的自由层的厚度(t)和饱和磁化强度(Ms)，全转换磁场(Hsw)的分布情况的图表；图6是示出了本发明的一个实施例中的MRAM单元的可选择性根据处理能力和制作中的HR的变化情况的图表；图7A是示出了一个磁畴中360度的畴壁结构的框图；图7B是示出了一个磁畴中的磁涡流结构的框图；以及图8是示出了根据本发明一个实施例具有AR＝1.5、t＝3、Ms＝600emu/cm3规格的MRAM单元中的电阻-磁性场曲线的模拟图。
具体实施例方式
在下文中，将参照附图，对依据本发明实施例的一个磁阻随机存取存储器(MRAM)加以描述。
在本发明中，如图2中所示，为了把转折点以数值的形式重现，需要将用于未选择的预定单元的全转换而所需的一个磁场被定义为Hc1(见图2中的点f3sw)，以及将用于产生转折点的一个初始磁场定义为Hc2。Hc2/Hc1作为转折点的量变项。在这里，Hc2/Hc1等于1时意味着MRAM单元的电阻-磁性场曲线没有转折点。
图3是示出了根据本发明实施例的MRAM单元的示意性结构框图。
在图3中，本发明的一个实施例中的MRAM单元30具有叠层的结构，包括由磁性材料制成的第一磁性层31和第二磁性层35、和插入第一磁性层31和第二磁性层35之间的非磁性层33。第一磁性层31和第二磁性层35中的一个用作固定层，在该层中，磁畴的磁场矢量的方向为固定的。另一方面，另一个磁性层用作自由层，在该层中磁畴的磁场矢量的方向可以通过施加磁场而反转。例如，第一磁性层31是固定层，第二磁性层35是自由层。在该情况中，MRAM单元30被设定这样的纵横比(AR)，以使位线方向的最大轴线长度(l)和字线方向的最小轴线长度(s)的比为2或更小，以及作为自由层的第二磁性层35的厚度(t)和饱和磁化强度分别为5nm或更小和为800emu/cm3或更小。
本发明的一个实施例中的MRAM单元可能由多于两个的磁性层构成。相似地，在该情况中，只要自由层的AR设置为2或更小、自由层的t为5nm或更小、自由层的Ms为800emu/cm3或更小，转折点同样可以被消除，这使高选择性MRAM单元的实现成为可能。
图4A-4E是示出了根据一个预定纵横比(AR)的自由的厚度(t)和饱和磁化强度(Ms)，Hc2/Hc1(HR)的分布情况的图表。如果表现最小转折点发生率的变量HR大于或等于0.7，存储器就会有更少的转折点。
在图4A中，当AR等于1时，如果当t的取值范围在4nm和5nm之间，那么Ms必须为900emu/cm3或更小，以使HR的值大于或等于0.8。当t减小到小于4nm时，要使HR大于或等于0.8，Ms的最大值要增加。在t等于2.5nm时，Ms要为1,200emu/cm3或更小，HR的值才会不小于0.8。
在图4B中，当AR等于1.5时，如果t等于5nm，那么Ms要为800emu/cm3或更小，HR的值才会不小于0.8。随着t的减少，要使HR大于或等于0.8，Ms的最大值相应增加。
在图4C中，当AR等于2时，如果t等于5nm，那么Ms要为800emu/cm3或更小，HR的值才会不小于0.8。当t减小到小于5nm时，，要使HR大于或等于0.8，Ms的最大值相应增加。
在图4D中，当AR等于2.5时，大于或等于0.8的HR的值分布在t为2.8nm或更小和Ms为600emu/cm3或更小的区域中。然而，由于在剩余的区域中能够无规律地观测到HR为0.8或更大的值，因此很难适当地设定MRAM单元的规格。
在图4E中，当AR等于3时，HR为0.8或更大的值可在岛形的区域中局部地观测到，因此很难适当地设定MRAM单元的规格。
从图4A-图4E中可以看出，MRAM单元优选地设定为AR为2或更小、t为5nm或更小、Ms为800emu/cm3或更小，以使HR为0.7或更大，优选地为0.8或更大。
图5A-图5E是示出了依据一个为预定纵横比(AR)的自由层的厚度(t)和饱和磁化强度(Ms)，全转换磁场(Hsw)的分布情况的图表。用于有效全转换的磁场(Hsw)的参考值是150Oe。MRAM单元的Hsw小于150Oe意味着该MRAM单元可以在低的驱动电压的情况下执行转换。
图5A-图5E，和图4A-图4E类似，当AR为2.5或3时，大于150Oe的Hsw可以被大体地观测到，而与t或Ms无关。另一方面，对一个AR小于或等于2的MRAM单元来说，如果t为5nm或更小并且Ms为800emu/cm3或更小，可以很稳定地得到为150Oe或更小的Hsw。这意味着，当AR减小时，Hsw也减小。因此，甚至可以在一个低的驱动电压下进行驱动。
如图4E和图5E中所显示，当AR等于3时，如果t大于或等于5nm并且Ms大于或等于800emu/cm3(右上方)，HR为0.6或更小并且Hsw不小于150Oe。如图7B所示，这可以通过MRAM单元中局部生成的转折点来解释。另一方面，如图7A所示，如果AR的值高达了3或2.5，并且t和Ms的值比较小(左下方)，那么在某些畴中就会产生360度的畴壁。这导致畴壁连接而生成转折点，因而降低了HR的值。
同时，参考图4A-图4C和图5A-图5C，如果AR为2或更小，t为5nm或更小，Ms为800emu/cm3或更小，可以观测到一个宽的无转折点区域(见图的左下方)。当MRAM单元的AR为2或更小，t为5nm或更小，Ms为800emu/cm3或更小时，没有转折点并导致生成了360度畴壁。这也许是因为无转折点区域不具备一个预定的磁化质量(Ms×t)，该磁化质量是生成出现转折点的因素诸如如涡流所必需的。
图6是示出了本发明的一个实施例中的MRAM单元的可选择性根据处理能力和制作中的HR的变化情况的图表。对照图6，2σ代表最小的处理能力，6σ代表最大的处理能力。甚至当处理能力低至2σ时，只要HR大于0.7，仍旧可能得到等于1的可选择性。
如图4A-图4C所示，根据本发明的一个实施例的AR为2或更小，t为5nm或更小，Ms为800emu/cm3或更小的MRAM单元，其HR不小于0.7。因此，根据本发明的一个实施例的MRAM单元，可以在不考虑处理能力的情况下表现出高选择性。
图7A是示出了一个磁畴中360度畴壁结构的示意框图，图7B是示出了一个磁畴中的磁涡流结构的示意框图。通常，电阻-磁性场中的转折点曲线被假定为由MRAM中的畴壁或磁涡流所引起。
依据本发明的一个实施例中的MRAM单元形成的技术特征是AR为2或更小，t为5nm或更小，并且Ms为800emu/cm3或更小。结果，畴壁(D)或磁涡流(E)被消除，这使阻止转折点在磁-电阻特征中的出现成为可能。
图8是示出了本发明的一个实施例中具有AR＝1.5、t＝3、Ms＝600emu/cm3规格的MRAM单元的电阻-磁性场的曲线的模拟图。从图8中可见，当与传统MRAM单元对比时，观测不到转折点。换句话说，依据本发明的一个实施例的MRAM单元具有无转折点、电阻-磁性场的特性，因而表现了无需考虑处理能力的高选择性。
尽管已参考优选实施例而特别地示出和描述了本发明，但本领域技术人员可以轻易理解的是，如所附权利要求限定那样，在并不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的变化。
权利要求
1.一种磁阻随机存取存储器，包括一第一磁性层，其磁场矢量的方向是固定的；一第二磁性层，其设置为与所述第一磁性层平行，并且其磁场矢量的方向是可反转的；以及一插入第一磁性层和第二磁性层之间的非磁性层；该第二磁性层的纵横比为2或更小，厚度为5nm或更小，饱和磁化强度为800emu/cm3或更小。
2.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的纵横比为1.5或更小。
3.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的纵横比为1.4或更小。
4.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的纵横比为1.3或更小。
5.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的纵横比为1.2或更小。
6.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的纵横比为1.1或更小。
7.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的纵横比为1.0或更小。
8.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的厚度为4nm或更小。
9.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的厚度为3nm或更小。
10.如权利要求1或8或9所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的饱和磁化强度为700emu/cm3或更小。
11.如权利要求1或8或9所述的磁阻随机存取存储器，其中第二磁性层的饱和磁化强度为600emu/cm3或更小。
12.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中第一磁化层和第二磁化层是由多层结构构成的。
13.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中无磁化层由多层结构构成的。
14.如权利要求1所述的磁阻随机存取存储器，其中无磁化层是由导电材料构成的。
全文摘要
提供一种磁阻随机存取存储器。该磁阻随机存取存储器包括一个磁化矢量方向为固定的第一磁性层，一个在位置上与第一磁性层平行、一个磁化矢量方向可以被反转的第二磁性层，插入第一磁性层和第二磁性层之间的非磁性层，该第二磁性层的纵横比为2或更小，厚度为5nm或更小，饱和磁化强度为800emu/cm
文档编号G11C11/15GK1558422SQ20041000361
公开日2004年12月29日 申请日期2004年1月7日 优先权日2003年1月7日
发明者李炅珍, 朴玩濬 申请人:三星电子株式会社