专利名称：修改磁性隧道结转换场特性的方法
技术领域：
本发明涉及信息存储设备，更具体地说，是涉及包含磁性隧道结的存储设备。
背景技术：
典型的磁随机存取存储器(“MRAM”)包含了一个存储单元阵列，沿着存储单元的行延伸的字线，沿着存储单元的列延伸的位线。每个存储单元位于字线和位线的交点上。
MRAM的存储单元可基于磁性隧道结(“MTJs”)，例如与自旋相关的隧道(“SDT”)结。典型的SDT结包含一个钉扎层、一个传感层以及夹在中间的绝缘隧道阻挡层。钉扎层有一个固定的磁化向量，可以在关注范围内的外加磁场存在时防止发生旋转。传感层有一个磁化向量，可以有以下两个取向与钉扎层磁化向量相同，或与钉扎层磁化向量相反。如果钉扎层与感应层磁化向量方向相同，SDT结的取向就称做“平行”；如果钉扎层与感应层磁化向量方向相反，SDT结的取向就称做“反向平行”。
这两种稳定的取向，平行和反向平行，代表逻辑值“0”和“1”。该磁化取向又影响SDT结的电阻。SDT结的电阻在磁化取向为平行时为第一值，在磁化取向为反向平行时为第二值。因此，通过检测SDT结的电阻状态，可读出SDT结的磁化取向以及逻辑值。
通过将磁性存储单元层堆积成堆栈，然后将堆栈组合成存储部件，来制备存储单元阵列。该存储部件的理想尺寸、形状、厚度是统一的。
然而事实上，厚度、尺寸及形状并不统一。尺寸、形状和层厚度的变化，将导致MRAM阵列中存储部件的磁属性变化。特别是，这些参数的变化可以出现在晶片与晶片之间，但是它们也可以出现在模与模之间，阵列与阵列之间。这些变化会降低数据写的完整性，而且可能产生不希望的副作用将来选定的位删除。当存储部件尺寸减小时，这些变化和不希望的影响更为显著，尤其是在对于传感层矫顽(磁)力的调节时。
然而，减小存储部件的尺寸是存储器制造厂商的目标，减小尺寸可增加存储密度，进而降低存储器成本。减小尺寸也能降低功率消耗，这是移动产品的优点。
发明内容
根据本发明的一方面，通过形成钉扎层和传感层，并重新设置至少一层的磁化向量，来制备磁性隧道结。通过结合用实例来表示发明原理的附图的详述，将使本发明的其它方面及其优点变得更加清楚。
附图简述
图1是包含了一种SDT结阵列的MRAM设备图释。
图2是一种SDT结的基本结构图释。
图3是一种制造SDT结的方法图释。
图4a，4b，4c是一种示例的SDT结传感层磁化向量图释。
图5a，5b，5c是不同的SDT结转换曲线图释。
图6aa，6ab，6ac，6b和6c是其它示例SDT结传感层磁化向量的图释。
具体实施例方式
现在参照图1。该图表示包含SDT结14的电阻性交叉点阵列12的MRAM设备10。将SDT结14排列成行和列，其行沿着x方向延伸，而列沿着y方向延伸。为了简化对MRAM设备10的说明，这里只展示了比较少量的SDT结14，实际上任何尺寸的阵列都可能使用。
起字线16作用的轨迹沿着阵列12一侧的平面的x方向延伸；起位线18作用的轨迹沿着阵列12的相邻一侧的平面的y方向延伸。阵列12中每一行有一条字线16，阵列12中每一列有一条位线18。每个SDT结14位于字线16和位线18的交点上。MRAM设备10包含一种读/写电路(未展示)，在读取操作时，用于检测所选SDT结14的电阻状态；在写操作中，用于向所选字线16和位线18提供写电流。
参照图2。该图更详细地展示了SDT结14。该SDT结14包含了一个钉扎铁磁(FM)层52，在钉扎铁磁层52上的一个绝缘隧道阻挡层56，和在该隧道阻挡层56上的一个传感FM层54。钉扎FM层52有一种磁化向量M0，其取向在钉扎层52的平面内。钉扎FM层52可以由铁磁材料制成，例如NiFe，氧化铁(Fe3O4)，氧化铬(CrO2)，钴，或者钴合金(例如CoFe，NiFeCo)。
钉扎层52的磁化向量(M0)可由包含第一种子层46、第二种子层48和AF钉扎层50的结构所钉扎。第一种子层46允许第二层48以(111)晶体结构取向生长，第二种子层48为AF钉扎层50建立(111)晶体结构取向。AF钉扎层50提供一种巨大的转换场，该转换场使钉扎铁磁层52的磁化向量M0保持在一个方向，甚至在所关注范围内的外加磁场存在时也是如此。这就使钉扎铁磁层52成为一个不能轻易转动的“硬”铁磁层。第一种子层46可以由钛(Ti)或钽(Ta)制成；第二种子层48可以由镍-铁(NiFe)或NiFeCo制成。其它的种子层材料包括Ru，TaN，TiN，Al2O3，和SiO2。AF钉扎层50可以由合成铁磁材料(例如CoFe/Ru/CoFe多层)或反铁磁材料(例如IrMn，FeMn，PtMn)制成。
传感层54有一个未钉扎的磁化向量M1。相反，在关注范围内的外加磁场存在时，传感层磁化向量M1可以在两个方向中任意取一个取向。这就使传感层54成为一个“软”铁磁层。当传感层磁化向量M1的取向与钉扎层的磁化向量M0相同时，SDT结14的磁化取向为平行；当传感层磁化向量M1的取向与钉扎层的磁化向量M0相反时，SDT结14的磁化取向为反向平行。传感铁磁层材料包括，但不限于NiFe，NiFeCo，CoFe。
绝缘隧道阻挡层56允许量子机械隧道现象(quantum mechanicaltunneling)在钉扎层52与传感层54之间发生。这种隧道现象是依赖电子自旋的，它使得SDT结14的电阻成为钉扎层52、传感层54的相关磁化取向的函数。例如如果SDT结14的磁化取向是平行，SDT结14的阻值为第一值(R)，如果磁化取向是反向平行，SDT结14的阻值为第二值(R+ΔR)。绝缘隧道阻挡层56可以由氧化铝(Al2O3)，二氧化硅(SiO2)，氧化钽(Ta2O5)或氮化硅(SiN4)制成。其它绝缘和某些半导体材料也可以用于绝缘隧道阻挡层56。
通过对连结SDT结14的字线16和位线18提供电流(1y，1x)，可将磁场(Hx，Hy)加到SDT结14。若字线16和位线18是直交的，外加的磁场(Hx，Hy)也将是直交的。
Neel“桔皮(orange-peel)”耦合(HN)，也称作FM耦合，被认为是由于钉扎层52和传感层54之间接触面的粗糙造成的。该FM耦合的大小是HN=π2h22λtFMse-2π2ts/λ]]>其中h和λ表示接触面粗糙的振幅和波长，Ms表示传感层54的饱和磁化。tF，tS分别表示传感层54和绝缘隧道阻挡层56的厚度。
静磁耦合(Hd)，也称作反铁磁(AF)耦合，被认为是由钉扎层52和第二种子层48边缘上的未补偿磁极造成的。反铁磁(AF)耦合的平均值为HM=AWαL]]>其中W、L分别表示结的宽和长，A是一个常数，α与SDT结14的大小有关，当钉扎层52与传感层54之间的距离远远大于它们的宽度时，α值接近1；当钉扎层52与传感层54之间的距离远远小于它们的宽度时，α值接近0。
FM耦合在横跨SDT结14的区域时保持稳定，且与SDT结14的尺寸无关。相反，AF耦合在横跨SDT结14的区域和在SDT结14的体积之内时，都是高度不一致的。AF耦合还与结的尺寸和形状有关在结的大小接近亚微米时，AF耦合会明显变强。
FM耦合趋向于将传感层54的磁化向量M1和钉扎层52的磁化向量M0对准在平行取向。AF耦合趋向于使传感层54的磁化向量M1远离钉扎层52的磁化向量M0。因此，在制造过程中，传感层磁化向量M1的取向，纯粹是由FM耦合和AF耦合决定的。晶体的各向异性和传感层54的磁致伸缩，也会影响传感层的磁化向量M1的取向和旋转。
参照图3。该图展示了制造SDT结14的一种方法。将字线形成在晶片上(200)，第一、第二种子层放置在字线上(202)。AF钉扎层放置在第二种子层上(204)，钉扎FM层放置在AF钉扎层上(206)。为了建立一个单轴的磁化各向异性，一般在所外加磁场存在的情况下放置FM层。
绝缘隧道阻挡层放置在钉扎FM层的顶上(208)。任选的分界层可夹住绝缘隧道阻挡层。
传感FM层放置在绝缘隧道阻挡层的顶上(210)，将这些层组合成SDT结的阵列(212)，在SDT结上形成位线(214)。传感层54的难轴(hard axes)、易轴(easy axes)分别用HA、EA表示。在制造的这一阶段，将传感层的磁化向量M1与易轴EA对准，而易轴EA与传感层54的x轴对准(参照图4b)。传感层54的磁化向量M1的角度θ1＝0度。并且，钉扎层的磁化向量M0与传感层的磁化向量M1的角度(θ0和θ1)不必须相等。特别是在对位进行组合时，通过将其暴露于较高温度，可能会改变钉扎层52的磁化。
钉扎FM层在这一点上是经过退火的(框216)。钉扎FM层被加热超过其阻塞温度(blocking temperature，TB)时，可通过在一段时间外加磁场，来设置钉扎层的磁化向量M0相对于钉扎层52的x轴的理想角度(θ0)(参照图4a)。例如通过在平行于磁化向量M0的理想角度θ0的方向外加一个2000奥斯特(Oersteds)的强大磁场，且将SDT结加热到180℃-300℃持续15分钟到几小时，来设置钉扎层52的磁化向量角度(θ0)，具体时间、温度由所用材料决定。然后在磁场存在时冷却该SDT结，将钉扎层磁化固定在理想的角度(θ0)。在AF层和钉扎层之间的磁性转换耦合保持了钉扎的磁化向量(M0)。
对SDT结进行测试，以判定AF耦合比FM耦合强还是弱(218)。测量SDT结的转换特性可以达到这种效果。材料缺陷以及尺寸、形状的变化可能使不同SDT结拥有不同的转换曲线。我们可以通过测试很多结，来获得其退火后处于适当磁化向量角度(θ0和θ1)的统计平均值。
可以只改变传感层的磁化向量角度，也可以只改变钉扎层磁化向量角度，或者传感层与钉扎层磁化向量角度同时改变(220)。传感层的磁化角度只能按以下方法改变将传感层加热超过易轴发生旋转的阈值温度(但要低于钉扎层的阻塞温度)，并加上一个与易轴成理想角度的磁场。重新退火并不会改变钉扎FM层的磁化角度，但是重新设置了传感层的易轴，使之沿着外加场方向。例如通过将SDT结在180℃-250℃经过15-30分钟的退火，同时加入一个外部的1000奥斯特(Oersteds)的磁场，来改变NiFe的传感FM层的磁化角度。实际中的温度、持续时间和磁场由材料和层结构来决定。结果是传感层的磁化角度(θ1)改变为一个新的角度，正如图4c所示。
钉扎层的磁化向量角度(θ0)只能按以下方法改变在不低于钉扎层材料的阻塞温度下将SDT结进行退火，这个温度根据材料不同通常在200℃-280℃之间。在退火的加热和冷却过程中，将SDT结暴露于一个设置磁化向量方向的磁场中。传感层的磁化向量也会被设置为与钉扎层的磁化向量方向相同。因此，为了恢复传感层的磁化向量，此后还要进行一次低温退火。
参照图5a，该图在x，y坐标系里展示了SDT结的第一、二、三对转换曲线110a与110b，112a与112b，114a与114b。在这个特殊的例子里，由于数据采集于大型设备，所以AF耦合比FM耦合小。如果钉扎层和传感层的磁化向量(M0和M1)都沿着x轴，即传感层和钉扎层的磁化向量(M0和M1)之间角度为0度或180度时(参照图6aa)，第一对转换曲线110a和110b能够在退火之前得到。
为了从低电阻状态改变为高电阻状态，需向该结加上一个+Hx和+Hy(或-Hy)的组合场。该+Hy或-Hy场使传感层磁化向量(M1)远离它的易轴EA，但是来自钉扎层的FM耦合场会尽力将传感层磁化向量(M1)拉回，使之与钉扎层磁化向量(M0)对准，这样向量(M0与M1)之间的角度分离只能逐渐变化。由于传感层磁化向量(M1)与+Hx场之间的低转矩角度，SDT结改变状态需要一个更大的+Hx场(正如曲线110b所示)。另一方面，要从高电阻状态变为低电阻状态，需通过FM耦合场辅助-Hx场，这样只需要较小的-Hx场(正如曲线110a所示)。因此，写逻辑“1”比写逻辑“0”需要一个更大的组合场(正如向量A、B、C、D的相对幅度所示)。
通过将SDT结重新退火，来降低FM耦合的影响，从而设置钉扎层磁化向量(M0)与x轴的角度(例如θ0＝+20)(参照图6ab)。传感层磁化向量(M1)的取向没有改变。作为结果，当外加+Hy场时，传感层磁化向量(M1)被进一步推离钉扎磁化。结果是曲线112b的右上部分。而曲线112b的右下部分是-Hy场造成的，该-Hy场将传感层磁化向量M1推向钉扎层磁化向量M0。这样，FM耦合变得更强大，更抵制旋转。曲线112a的左侧部分没有如此多的改变。由于两个磁化向量基本上是反向平行的，所以FM耦合对传感层54旋转的影响较小。
转换曲线112a和112b的上半部分的对称性允许SDT结的工作。一个+Hy磁场可以与一个+Hx磁场组合使用以生成一个磁场向量A’，该磁场向量A’可以使该SDT结由逻辑“0”转变为逻辑“1”。同样，一个+Hy磁场可以与一个-Hx磁场组合使用来生成一个磁场向量B，该磁场向量B可以使该SDT结由逻辑“1”转变为逻辑“ 0”。由于这种对称性，向量A’与B大小几乎相同，且都小于向量A。因此，退火有助于减小写场的大小，从而降低了生成该写场所需的电流。
如果重新设置了一个负角度(例如θ0＝-20度)，就会生成相似的曲线114(参照图6ac)。曲线114的下半部分对于y轴对称。SDT结在该转换曲线下半部工作。一个-Hy磁场可以与一个+Hx磁场组合以生成使SDT结由逻辑“0”转变为逻辑“1”的向量D’。同样，一个-Hx磁场可以与一个-Hy磁场组合以生成使SDT结由逻辑“1”转变为逻辑“0”的向量C。再有，由于通过将钉扎层在一个角度下进行退火得到的这种对称，所以向量D’和C大小几乎相同，且都小于向量D。
参照图5b，该图在x，y坐标系里展示了SDT结的第一、第二转换曲线210和212a/b/c/d。在这个特殊的例子里，结的尺寸为一微米或者更小。因此AF耦合场是显著的，而且传感层的矫顽(磁)力Hc也有显著的提升。因为将该结退火，以便使易轴EA和传感层磁化向量M1沿x轴对准，产生了转换曲线210。写逻辑“ 1”和“0”需要大的Hx、Hy磁场。组合的磁场Hx、Hy用向量E、F表示。
通过将SDT结重新退火可减少AF耦合的影响，从而使钉扎层和传感层磁化向量与x轴所成角度相同(例如，θ0＝θ1＝+20度)。将钉扎层磁化向量M0固定在一个角度，传感层磁化向量(M1)可以与钉扎层磁化向量(M0)基本平行或反向平行，正如图6b所示。FM耦合场和AF耦合场也沿着新易轴互相指向对方。转换曲线212有四个部分212a，212b，212c，212d，分别对应x，y坐标系的一个象限。212a部分在第一象限，第一象限中有将传感层磁化向量(M1)推向x轴的+Hy场，使之与+Hx场更趋于对准。由于低转矩影响，这就使传感层磁化向量(M1)由平行到反向平行的转换过程对外加+Hx场更不敏感。在第四象限的212b部分，对应于当在SDT结外加-Hy和+Hx场时，传感层磁化向量(M1)由平行到反向平行的转换过程。在这里，-Hy场将传感层磁化向量(M1)进一步推离水平的x轴，因此，对于较强的-Hy场，该转矩角度更大，传感层磁化向量(M1)对+Hx磁场更敏感。
在x，y坐标系第三、第二象限的212c、212d部分也有相似结果。+Hy磁场将传感层磁化向量(M1)进一步推离x轴，-Hx磁场将传感层磁化向量由反向平行翻转为平行。因此，传感层磁化向量(M1)的转换对-Hx磁场很敏感。另一方面，-Hy磁场将传感层磁化向量(M1)推向x轴，-Hx磁场将传感层磁化向量(M1)由反向平行翻转为平行。因此，传感层磁化向量(M1)的转换对-Hx磁场不甚敏感。结果是在曲线212a/212c和212b/212d之间对于x、y座标原点有良好的对称性。向量E’、F’代表将SDT结由反向平行到平行(即写逻辑“0”)，和由平行到反向平行(即写逻辑“1”)的转换组合临界磁场。E’、F’向量的幅度比E、F向量小，因此SDT结的转换需要更低的写电流。
参照图5c，该图展示了在退火中设置负角度(例如θ0＝θ1＝-20度)时，转换曲线的四个部分214 a，214b，214c，214d(也可参照图6c)。这四个部分214a，214b，214c，214d与图5b中的212a，212b，212c，212d似为镜像关系。
如果在晶片上制造SDT结，SDT结阵列的角度可同时变化。重新设置磁化向量角度减少了横跨晶片的结特性的变化，特别是对于拥有相同尺寸和形状的SDT结。因此在生产可达到更好的过程控制。
在重新退火中可以设置不同角度。这些角度将依赖于期望的转换特性。这种灵活性使生产厂家可以对生产的变化进行补偿。
而且，减小临界转换场了，并且更为变对称。改善转换场的对称性降低了控制电路的复杂度，并改善了半选择界限(half-selectmargin)。减小转换场可降低功率消耗，这对便携设备来说很重要。
重新设置磁化向量角度可以改善写性能，降低由于半选择(half-select)造成的错误率。因此MRAM设备可以更可靠地工作，产量更高，成本更低。
根据本发明的MRAM设备可以应用于许多领域。例如它可以替代DRAM、SDRAM、闪存以及其它快速、短期的计算机存储器。它可以用于计算机的长期数据存储。这种设备相对驱动和其它传统的长期数据存储设备有很多优点(例如速度更快、体积更小)。根据本发明的MRAM设备可用于数码相机，作为数字图像的长期存储设备。
SDT结不限于正方或长方的几何图形。例如SDT结可以是椭圆形。
MRAM不限于SDT结，其它种类的磁性隧道结，例如大磁阻(CMR)和巨磁阻(GMR)，也可以使用。
本发明甚至不限于包含电阻性交叉点阵列的MRAM设备。它可以应用于任何包含磁性存储单元的存储设备，这些磁性存储单元需要将其磁性取向固定于某个方向。
本发明不限于上述的特定实施方案，而根据下面的权利要求书实施本发明。
权利要求
1.一种方法包括形成一种包含钉扎层和传感层(206和210)的磁性隧道结；和重新设置至少一层的磁化向量(220)。
2.如权利要求1的方法，其中通过在对结进行退火时，在一个关注的方向加一个磁场，来重新设置磁化向量。
3.如权利要求1的方法，其中通过在高于钉扎层的阻塞温度进行退火时，同时在钉扎层关注方向外加磁场，来重新设置钉扎层的磁化向量。
4.如权利要求1的方法，其中通过将结加热高于使传感层易轴旋转的阈值温度，同时在传感层关注方向外加磁场，来重新设置传感层磁化角度。
5.如权利要求1的方法，其中还包括测试结的转换特性(220)；根据测试结果重新设置至少一个磁化向量(220)。
6.如权利要求1的方法，其中通过重新退火来重新设置传感层和钉扎层的磁化向量。
7.如权利要求1的方法，其中重新设置钉扎层的磁化向量，对强铁磁耦合和弱反铁磁耦合进行补偿。
8.如权利要求1的方法，其中重新设置至少一个磁化向量以改善转换曲线的对称性。
9.如权利要求1的方法，其中重新设置至少一个磁化向量以减小临界转换场。
10.如权利要求1的方法，其中重新设置至少一个磁化向量以指向相同方向。
全文摘要
通过形成钉扎层和传感层(206和210)；并重新设置至少一层的磁化向量(220)，来制造磁性隧道结。
文档编号H01L27/105GK1412863SQ0214449
公开日2003年4月23日 申请日期2002年9月30日 优先权日2001年10月4日
发明者T·安东尼, L·特兰, M·沙马 申请人:惠普公司