专利名称：用于磁性存储装置的合成铁磁体参考层的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性存储装置的领域。更具体地说，本发明涉及一种用于磁性存储装置的合成铁磁体参考层。
典型的MRAM装置包括一个存储单元阵列，沿此存储单元行伸展的字线，和沿其列伸展的位线。每个存储单元处于字线和位线的交汇点上。
存储单元可能是基于隧道磁阻装置(TMR)，例如与旋动有关的隧道(SDT)结。典型的SDT结包含一个闭合(Pinned)层，一个读出(Sense)层，和一个夹在闭合层和读出层之间的绝缘隧道势垒。闭合层的磁化方向是固定的，在涉及范围内不因外加磁场的存在而旋转。读出层可以在两个方向中的一个方向磁化与闭合层同样的磁化方向或与闭合层相反的磁化方向。如果闭合层和读出层的磁化方向相同，则把SDT结的取向称作“平行”。若两者磁化方向相反，则把SDT结的取向称作“反向平行”。这两个规定的取向(平行或反向平行)可能相当于逻辑值“0”和“1”。
闭合层的磁化方向可以采用一个在下面的反铁磁(AF)性固定层来固定。AF性固定层提供一个较大的交换场，它使闭合层保持在一个方向磁化。在AF层下面一般为第一种子层和第二种子层。第一种子层可以让第二种子层沿着晶体结构的方向生长。第二种子层为AF固定层建立晶体结构取向。
在某些常规型磁阻存储装置中，闭合层具有一个净磁矩，这会导致一个不希望有的效果。其中之一是去磁磁场效应。例如，闭合层的磁性层与读出层相接触并相互作用。当读出层通过其磁化方向贮存信息时，显然必须使它的磁化方向保持不变。因此，来自闭合层的磁场的相互作用可能会引起数据丢失，(如果这个磁场太强的话)。第二个问题是，存在来自闭合层的磁场需要采用一个非对称磁场来转换数据层的状态，这将增加写入过程的复杂性。还有一个问题是，写入过程中容许的杂散磁场降低了。
由于希望制造大容量的存储器，就要求加工尽可能密集的存储单元阵列。然而，所有参考层的累积去磁效应可能会限制存储单元的封装密度。
闭合结构的另一个缺点是，实现固定(例如AF固定层和种子层)所需的材料的加工既复杂又昂贵。
因此，需要有一种采用磁阻存储单元的信息存贮装置。另外，还要求这种装置中的去磁磁场最小化，这种去磁磁场在常规磁性存储装置中可能都存在。还需要提供一种装置，其与常规磁性存储装置相比制造更经济并且使用更少更简单的材料。
图2A和2B是按本发明的具体实施形式的参考层的示意图。
图3A是按本发明的具体实施形式的参考层的磁滞回线的示意图。
图3B是按本发明的具体实施形式的参考层的图3A所示的磁滞回线的放大示意图。
图4A和4B是按本发明的具体实施形式的参考层的示意图。
图5是按本发明的具体实施形式的读取磁性存储装置上一个信息位的步骤流程图。
图6是按本发明的具体实施形式的磁性存储装置示意图。
参看
图1，磁性存储装置10包括一磁性隧道结11，该磁性隧道结包含一数据层12，一参考层14，和一处在这两层之间的隧道势垒16。这两层12和14都可由铁磁材料制成。数据层12可具有沿两个方向中的任何一个方向取向的磁化强度(以矢量M1表示)，该方向通常沿着数据层的易磁化轴(EA1)。
可以把参考层14构造成以使其具有基本为0的净磁矩。因此，可以说参考层l4的净磁化矢量基本为0。但是，参考层14也可以有多个磁化矢量，例如磁化矢量M2A和M2B。这两个矢量可以相等而相反，从而在某个距离处彼此抵消。不过磁化矢量M2A离隧道势垒16可能比磁化矢量M2B要近。这两个磁化矢量M2A和M2B可以取向成沿两个方向中的任何一个，一般是沿y轴。但是，磁化矢量M2A和M2B不一定与参考层14的易磁化轴(EA2)正交。
如果数据层12和参考层14的磁化矢量(M1和M2A)指向同一方向，则可把磁性隧道结11的取向称为“平行的”。若它们指向相反的方向，则把磁性隧道结11的取向称为“反向平行的”。这两个取向，即平行和反向平行，相当于逻辑值“0”和“1”。究竟哪个取向代表哪个逻辑值是任意的。
绝缘隧道势垒16可以让数据层12和参考层14之间发生量子力学隧道效应。这个隧道效应现象与电子旋动有关，它使得磁性隧道结11的阻抗成为数据层12和参考层14的磁化矢量(M1和M2A)的相对取向的函数。因此，通过把数据层12和参考层14的磁化取向建立成不相同就可以贮存一个位。例如，若磁性隧道结11的磁化取向是平行的，磁性隧道结11的阻抗为第一个值(R)，则当磁化取向反向平行时，阻抗为第二个值(R+ΔR)。但是，本发明并不限定这两层彼此相对的磁化取向要么是平行的，要么是反向平行的。更一般而言，可以把每层的磁化取向选定成，以使对于两种不同状态的层之间测量的阻抗不相同。两种稳定的取向可能包括数据层12和参考层14的磁取向磁化矢量(M1和M2A)之间的第一角度范围和第二角度范围，其中隧道层两端的阻抗具有与两种稳定取向相应的第一和第二阻抗。
绝缘隧道势垒16可以用氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氮化硅(SiN4)、氮化铝(AlNx)，或氧化镁(MgO)来制造。也可以用其它的电介质和某些半导体材料。绝缘隧道势垒16的厚度可从0.5纳米左右至3纳米左右。不过本发明并不限定在这个范围。
数据层12可用铁磁材料来做。参考层14可以采用合成铁磁体(SF)，也称为人造反铁磁体。
沿y-轴伸展的第一导体18与数据层12相接触。沿x-轴伸展的第二导体20与参考层14相接触。所示的第一导体18和第二导体20是相互正交的。但本发明不只限于正交的排列方向。在第二导体20下面是第三导体22，它也是沿x-轴伸展的。电绝缘体24(例如一层电介质材料)将第二导体20和第三导体22隔开。导体18、20和22可用导电材料(如铝、铜、金或银)制造。
现在来看图2A和2B，合成的铁磁体参考层14可包含第一和第二铁磁体层50和52，其间用隔离层54(如金属隔离层)隔开。铁磁层50和52可用钴铁(CoFe)、镍铁(NiFe)、钴(Co)等材料制造，隔离层54可用导电而不导磁的材料来制造，例如钌(Ru)、铼(Re)、铑(Rh)、铜(Cu)、碲(Te)、铬(Cr)等。
可以把隔离层54的尺寸(如厚度)选定成，以便让第一和第二铁磁体层50、52互相耦合，使它们的磁性取向为反向平行的，如图2A和2B所示。该厚度取决于制造隔离层54的材料。在一个具体实施形式中，此厚度可能在0.2nm至2nm之间。但是，可能其它的厚度对于使两个铁磁层50和52耦合更合适。
例如，上铁磁层52(M2A)的磁化矢量在图2A中沿着负y-轴。而下铁磁层50(M2B)的磁化矢量是沿正y-轴。
非常低的矫顽磁性使得SF参考层14的磁化矢量(M2A和M2B)很容易在图2和2B所示的排列方向之间转变。实际上，铁磁层50和52的磁化矢量M2A和M2B的取向在施加磁场之前可以是任意方向。一旦施加了磁场，它们的取向就确定了。只需要在铁磁层50和52上施加一个很小的磁场，就可以迫使磁化矢量M2A和M2B成为图2A或2B所示的那种已知位置(即与外加磁场正交)。
在本发明的某些具体实施形式中，合成的铁磁体参考层14包含两个以上的铁磁层。在这些实施形式中，相邻的铁磁层可以用隔离层54连接在一起，而且它们的磁性取向可以相反。合成的铁磁体参考层14的净磁矩基本为零。在一些具体实施形式中，合成铁磁体参考层14中的铁磁层数可以是双数和单数。
图3A为一种合成的铁磁体参考层14(其示例性的尺寸和材料为3nm的CoFe/0.75nm的Ru/3nm的CoFe)的典型磁滞回线。每一个独立的铁磁层50、52的矫顽磁性约为10-100奥斯特(即约800-8000安培/米)，而且具有相似的磁滞回线。不过，本发明并不限于这个范围内的矫顽磁性。两个铁磁层50和52的矫顽磁性可以基本相同。这可以用同一厚度的相同材料来得到；但本发明并不限制只有这种实现大致相同的矫顽磁性的方法。另外，也不要求每个铁磁层具有相同的矫顽磁性。对于具有两个以上的铁磁层的实施形式，各铁磁层的组合的矫顽磁性使得参考层14的净磁矩基本为0。
如图所示，组合的铁磁层50和52的磁滞回线通过净磁矩为0的原点。对于具有两个以上的铁磁层的实施形式，铁磁层的组合磁矩使得参考层14的净磁矩基本为0。因此，在某些具体实施形式中，各铁磁层不具有相同的磁矩。
两个铁磁层50和52的磁化矢量M2A，M2B之间的交互耦合可能很强。因此，需要很强的磁场才能使铁磁层50和52的磁化矢量M2A、M2B饱和。例如，可能需要4000奥斯特(即3.2×105安/米)的磁场才能使两个铁磁层50和52沿同一方向完全地旋转。通过选择适当的厚度和材料的隔离层54，以便使交互耦合适当地较强，以致在正常工作条件下几乎不发生什么旋转，而且铁磁层50和52的指向相差180度。
仍然参看图3A，当铁磁层50和52处于比较高的磁场时，它们可能旋转并沿外加磁场的方向取向。这在图中由在磁滞回线下Hs很大(正或负)的点处的平行双箭头来表示。这一点在图4A和4B中也有说明，图中磁化矢量M2A和M2B平行于外加磁场(H)。使两个铁磁层50和52饱和所需的磁场比通常用于读取磁阻装置的磁场大得多。
在较低的磁场下，可能存在两个稳定的磁化取向，而且它们可能与外加场正交。再参照图3，在靠近y轴处，用两个分别向上和向下的箭头来表明铁磁层50和52的磁化矢量是与外加磁场正交的。
图3B表示图3A的磁滞回线在低的外加磁场下的详细情况。在磁阻装置中用于读取和写入的典型磁场下，离开磁性失量M2A和M2B之间180°的旋转量可能很小。例如，当外加磁场约为100奥斯特(8000安/米)时，θ角可能只有2度左右。θ是磁矢量M2A和M2B偏离与外加场正交的角度。因此，在正常工作条件下，磁矢量是近似与外加场正交的。这种状态在图2A和2B中也表示出来了。
现在来看图5的流程图，这是一个提供操作磁性存储装置的方法的具体实施例。步骤510将信息位储存在数据层12中。这可以通过向选择的字线18和/或位线20施加一个或多个电流以在数据层12中建立磁化矢量M1来实现。此时铁磁层50和52的磁性取向M2A，M2B无关紧要，因为它们可以在以后再确定。
例如，在一种实施形式中，可通过将写入电流加到第一导体18和第二导体20上以便把数据写入磁性隧道结11。供给第一导体18的电流产生一个围绕第一导体18的磁场，而供给第二导体20的电流产生一个围绕第二导体20的磁场。这两个磁场组合之后超过数据层12的矫顽磁性，从而使数据层12的磁化矢量(M1)沿着所希望的取向而设定，(此取向将取决于提供给第一导体18和第二导体20的电流的方向)。磁化将设定成沿着相当于逻辑“1”的取向，或者沿着相当于逻辑“0”的取向。
在写入电流从导体18和20除去后，数据层12的磁化矢量(M1)保持它的取向。铁磁层50和52的磁化矢量(M2A和M2B)可能受到写入过程的影响，而且可能保持或可能不保持该取向。若参考层14“特别软”，则当写电流从第一和第二导体18和20除去时，磁化矢量(M2A和M2B)可能丢失它们的磁化取向。
在一种具体实施形式中，可能采用第三导体22来帮助写入操作。通过在写入操作中向第三导体22施加电流，围绕第三导体22所产生的磁场可以与其它两个磁场组合起来，以帮助沿所需取向设定数据层12的磁化矢量(M1)。
在步骤520中，向参考层14施加一个磁场，以在参考层14的一层(例如铁磁层52)中建立一个磁性取向(如M2A)，它基本上与磁场正交。参考层14本身具有第一层和第二层，它们具有基本相同的矫顽磁性并沿相反的方向磁耦合。参考层14的第一铁磁层52的磁性取向相对于数据层12的磁性取向M1是基本平行的或是基本反向平行的。
举例来说，可以向第三导体22施加一个电流，并且这样产生的磁场使得铁磁层50和52的磁化矢量M2A和M2B呈现特定取向。由于第三导体22离铁磁层50和52中的一个比离另一个更远，磁性取向可以根据每个铁磁层50、52内的一个方向的择优选取而已知，这个方向部分地取决于通过第三导体22的电流的方向。所产生的磁场不影响数据层12的磁化矢量(M1)。另外，由于参考层14的矫顽磁性极低，第三导体电流的值可能较低。例如，均衡合成的铁磁体参考层14的矫顽磁性可能只有几个奥斯特(即几百安/米)。
在步骤530中，对第一铁磁层52和数据层12之间的阻抗进行测量，以确定数据层12的磁性取向M1。用这种方式来确定贮存在存储装置中的信息位。该步骤可以通过在向第三导体22施加电流的同时，向磁性隧道结11施加一个电压来完成。可以利用第一和第二导体18和20来向磁性隧道结11两端施加电压。此电压引起一个读出电流以流过磁性隧道结11。读出电流(Is)反比于磁性隧道结11的阻抗。因此，Is＝V/R或Is＝V/(R+ΔR)，式中V为外加电压，Is为被读出的电流，R是装置10的正常阻抗，ΔR是平行磁化取向和反向平行磁化取向间的阻抗之差。
参考图6，图中表示一个MRAM(磁性随机存取存储器)装置610，它包含磁性隧道结11的阵列612。磁性隧道结11按行和列安排，行沿y方向伸展，列沿x方向伸展。为简单说明MRAM装置610，图中只画了了较少数目的磁性隧道结11。实际上，可以采用无论什么尺寸的阵列。
起到字线18作用的导电元件在阵列612的一个侧上的平面内沿着x轴伸展。字线18与磁性隧道结11的数据层12相接触。起到位线20作用的导电元件在阵列612的相邻侧上的平面内沿着y轴伸展。位线20与磁性隧道结11的参考层14相接触。对于阵列612的每一行可能有一个字线18，而对于阵列612的每一列可能有一个位线20。每个磁性存储隧道11位于字线18和位线20的交汇点上。
起到读出线22作用的导电元件也沿着y方向伸展。读出线22离隧道结可能比离位线20远些，而且可能与位线20绝缘。MRAM装置还包含第一和第二两个行解码器614a和614b，及第一和第二两个列解码器614a和616b，还有一个读/写电路618。读/写电路618包括一个读出放大器620，接地连线622，行电流源624，电压源626，和列电流源628。
在一个选定的磁性隧道结11上进行写入过程中，第一行解码器614a将选定的字线18的一端与行电流源624相连接，第二行解码器614b将选定的字线的另一端与地相连接，第一列解码的616a将选定的位线20的一端与地相连接，第二列解码器616b将选定的位线20的另一端与列电流源628相连接。结果写入电流就流过选定的字和位线18和20。写入电流产生一个磁场，使磁性隧道结11换向。列解码器616a和616b也可以引起一个写入电流，流过与选定的磁性隧道结相交的读出线22。此第三写入电流产生一个附加磁场，帮助转换选定的磁性隧道结11。
数据层12的易磁化轴可能沿着y方向。因而各数据层12可能在y方向具有它们的磁性矢量。
在一个选定的磁性隧道结11上进行读出的过程中，第一和第二列解码器616a和616b可能引起一个稳态读出(参考)电流，流过与选定的磁性隧道结11相交的读出线22。此读出电流将产生一个磁场，使得磁化矢量M2A和M2B沿平行于字线18的方向取向。
当读出电流仍然施加的同时，第一行解码器614a将电压源626与一选定的字线18相连接，第一列解码器616a将一个选定的位线20与读出放大器620的虚地输入端相连接。结果，读出电流经选定磁性隧道结11流至读出放大器620的输入端。按这种方式可以确定该选定磁性隧道结11的阻抗。但是，本发明并不限于只有这种确定磁性隧道结11的阻抗的方法。
至此描述过的磁性隧道结11包含许多独立的参考层14，每一个参考层14具有与之相应的数据层12和隧道势垒16相同的几何形状。但是，本发明并不限于只具有与数据层和隧道势垒相同几何形状的参考层14。参考层14也可以与字和位线18和20具有相同的几何形状，或者其它形状。
虽然本发明通过一些特定的具体实施形式来对本发明加以描述，但应指出，并不能因此认为本发明只限于这些具体实施形式，而应该按照下面的权利要求书来规定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于磁性存储装置的参考层，其包括第一磁性材料层(50)，其可操作地沿第一磁性取向和第二磁性取向被磁化；第二磁性材料层(52)，其可操作地沿第一磁性取向和第二磁性取向被磁化；上述第一层(50)和第二层(52)具有基本相同的矫顽磁性；和在所述第一层(50)和第二层(52)之间的隔离层(16)，该隔离层的尺寸适当地确定成，以使所述第一层(50)和第二(52)层沿相反的方向磁耦合。
2.如权利要求1所述的参考层，其特征在于，所述第一层(50)和第二层(52)是这样构造的，即，使得它们的磁性取向趋于与外加磁场方向基本正交。
3.如权利要求1所述的参考层，其特征在于，所述第一层(50)和第二层(52)是铁磁层。
4.如权利要求1所述的参考层，其特征在于，所述隔离层(16)是导电且不导磁的。
5.如权利要求1所述的参考层，其特征在于，所述第一层(50)和第二层(52)的厚度基本相同。
6.一种磁性存储装置，其包括合成的铁磁体参考层(14)；数据层(12)，其具有第一磁性取向和第二磁性取向；处于参考层(14)和数据层(12)之间的隧道层(16)；该参考层(14)包括第一磁性材料层(50)；第二磁性材料层(52)；该第一层(50)和第二层(52)可操作地被磁化，使得参考层(14)的净磁矩基本为零；位于所述第一层(50)和第二层(52)之间的隔离层(16)，其尺寸确定成使所述第一层(50)和第二层(52)沿相反的方向磁耦合；以及该参考层(14)具有两个稳定的磁性取向，在第一稳定状态下，所述第一层(50)沿第一方向，而所述第二层(52)沿相反的方向；在第二稳定状态下，所述第一层(50)沿所述相反的方向，而所述第二层(52)沿所述第一方向，且所述各个方向都基本与外加场正交。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，其还包括用于在所述第二层(52)中产生磁性取向的装置，该取向基本平行或反向平行于所述数据层(12)的所述磁性取向。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二层(52)相对于所述数据层(12)定位，使得两个稳定磁性取向包括相对于所述数据层(12)内的所述磁性取向的第一角度范围和第二角度范围，并且所述隔离层(16)两端的阻抗具有与所述两个稳定取向相应的第一阻抗和第二阻抗。
9.一种用于磁性存储装置的合成的铁磁体参考层，其包括多个磁性材料层(50，52)，它们具有第一磁性取向和第二磁性取向；至少一个隔离层(16)，其位于上述多个层(50，52)的相邻层之间，该至少一个隔离层的尺寸适当地确定成，使得所述相邻层沿相反的方向磁耦合；以及所述多个磁性材料层(50，52)可操作地被磁化，以使得所述参考层(14)的净磁矩基本为零。
10.如权利要求9所述的参考层，其特征在于，所述多个磁性材料层(50，52)如此构造，即，使得它们的磁性取向趋于与外加磁场的方向基本上正交。
全文摘要
一种用于磁性存储装置的合成铁磁体参考层(14)。此参考层(14)具有第一和第二磁性材料层(50，52)，它们可操作地沿第一和第二磁性取向被磁化。位于磁性材料层(50，52)之间的隔离层(16)的尺寸被适当地确定，以使磁性层(50，52)沿相反方向磁耦合。各磁性材料层(50，52)具有基本相同的矫顽磁性。
文档编号H01F10/32GK1442861SQ0311993
公开日2003年9月17日 申请日期2003年3月6日 优先权日2002年3月6日
发明者M·沙马, L·T·特兰 申请人:惠普公司