专利名称：具有低写入电流特性的磁随机存储器存储单元及其制备方法
技术领域：
本发明属于磁随机存储器技术领域，特别是提供了一种具有低写入电流特性的磁随机存储器(英文名为Magnetic Random Access Memory，以下简称MRAM)存储单元及其制备方法，实现了超高存储密度。
背景技术：
在二十一世纪的今天，信息产业已经成为重要的支柱产业，而信息的存储是当今信息科学的关键技术之一。大容量信息长期的存储主要是通过磁记录和光记录技术来实现。磁记录虽然已有很长的历史，但仍然是目前信息存储的主要方式。面对日新月异的信息时代，大容量、高速度、高密度和小型化已成为信息存储发展的必然趋势。MRAM结合了巨磁电阻(或隧道磁电阻)和芯片集成技术，具有高速存取、超高密度和不挥发等优良特性，无论在军事上还是民用上都有着至关重要的作用，被认为将最终取代目前被广泛运用的磁、光盘技术。因而对MRAM技术的研究也成为当今材料、电子、信息以及物理领域内的共同热点之一[K.Inomata“Present and future of magnetic RAM technology”，IEICETransaction on Electronics，E84-C，740-746，2001]。日本、美国等地都已投入巨资进行该方面的研究。随着去年十月摩托罗拉公司开发出世界第一个四兆存储量的MRAM，今年六月，美国的IBM公司也宣布开发出容量为十六兆的MRAM。但是进一步提高MRAM的存储量却仍然面对着很多挑战，其中主要的就是如何降低写电流，从而降低能量消耗。MRAM的存储单元实际上是表现出巨磁电阻效应的金属多层膜或表现出隧道磁电阻效应的铁磁性隧道结结构。存储的过程是通过金属多层膜的磁化取向的改变来实现。磁性存储元件的磁化切换场与其宽度成正比，即随着MRAM存储密度的提高，磁性存储元件的尺寸大幅度减小，其切换场也迅速增加，所需要的写电流也迅速增加。早在1996年，科学家就预测了电流垂直于平面几何构型的磁性多层膜中，极化电流的注入能诱发自旋转换，从而改变磁性膜的磁化方向，人们称其为“电流诱导磁化转换行为”，简称CIMS行为[J.C.Slonczewski，“Current-driven excitation of magneticmultilayers”，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Volume 159，Page L1-L9，1996]。运用CIMS不仅可以大幅度简化和改善MRAM的设计，而且随着存储元件尺寸的减小，所需消耗的写电流反而减小，使得实现高存储密度成为可能。尽管如此，迄今为止的所有试验报道中，产生CIMS的写电流密度都在107安培每平方厘米以上，在MRAM中，那么高的写电流密度会摧毁磁存储单元，如果想在MRAM中利用CIMS技术，就必须把写电流将至106安培每平方厘米左右。本申请人今年上半年在日本发表了该方面的相关研究成果[Y.Jiang et al.，“Substantial reduction of critical current for magnetizationswitching in an exchange-biased spin-valve”，Nature Materials，Vol.3，361-364，2004]，在纳米尺寸的金属多层膜的自旋阀器件中，运用6纳米的金属钌(以下简写为Ru)层可以有效的降低CIMS的写电流密度至2.3×106安培每平方厘米。该结果对CIMS在MRAM中的应用非常重要，因为其提出了一种降低写电流的思路。本发明通过进一步改善MRAM的存储单元的结构，从而进一步的降低了写电流，使得CIMS行为能完全适合被运用在MRAM的结构中，为实现超高存储密度的MRAM提供了可能性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有低写入电流特性的磁随机存储器存储单元及其制备方法，通过改变MRAM中存储元件的结构，有效的降低产生CIMS所需要的电流，即降低实现存储所需要的写电流，使CIMS能直接运用到MRAM中，从而实现超高存储密度的MRAM。
本发明采用二氧化硅基片，通过超高真空等离子体溅射(或磁控溅射)、分子束外延生长等手段首先制备出金属7～8层膜，其第五层也可以是绝缘层。然后通过电子束印刷和离子刻蚀的手段制备出纳米尺寸的7～8层膜器件即告完成。
本发明存储单元的结构如下多层膜的底层为20～200纳米厚的金属铜层，称为底电极层。
从底往上第二层为铁磁性的钴或钴铁合金，厚度为4～15纳米，其磁矩不容易转动，称为底钉扎铁磁层，从底往上第三层为金属钌层，厚度为4～6纳米，称为底隔离层。
从底往上第四层为铁磁性的钴或钴铁合金，厚度为1～3纳米，称为自由铁磁层，其磁矩可以自由旋转。
从底往上第五层为金属铜或绝缘体层(例如三氧化二铝等)，如为金属铜，则厚度为4～6纳米，该存储元件为巨磁电阻自旋阀结构；如为绝缘体层，则厚度为1～2纳米，该存储元件为铁磁性隧道结结构。
从底往上第六层为铁磁性的钴或钴铁合金，厚度为4～15纳米，其磁矩不容易转动，称为顶钉扎铁磁层。
从底往上第七层为20～200纳米的金属铜，为顶电极。
根据具体情况，在第六和第七层之间可以选择插入一层10～20纳米厚的反铁磁层，例如氧化钴或铱锰合金等，更好的钉扎住顶钉扎铁磁层的磁矩。
该结构用作MRAM的存储元件时，电流是由顶电极向底电极或反方向流动。由于两层隔离层的作用，三层铁磁层之间不存在耦合，自由铁磁层的磁化方向则可以自由转动。当电流由底电极流向顶电极时，顶钉扎铁磁层中的自旋被极化后进入自由铁磁层，带动自由铁磁层的磁矩转动，使得自由铁磁层与顶钉扎铁磁层的磁矩成平行排列，存储单元的电阻值低。反之，当电流由顶电极流向底电极时，底钉扎铁磁层中的自旋极化后先进入底隔离层，即金属钌层。金属钌与钴的界面出形成一种钌/钴合金，该合金强烈散射主自旋电子，使出现自旋的反极化，次自旋电子进入自由铁磁层，引起自由铁磁层与顶钉扎铁磁层的磁矩方向呈反平行，存储元件对外表现为高电阻。这样通过运用电流来控制存储元件的电阻值(即CIMS)，从而实现数据存储。
本发明的优点在于巧妙的利用金属钌散射主自旋的特性，大幅度的降低了在巨磁电阻自旋阀或铁磁性隧道结中实现CIMS所需要的写电流，降低了能量损耗，为实现超高存储密度的MRAM提供了可能性。
具体实施例方式
申请人根据上述结构，通过超高真空等离子体溅射、电子束印刷和离子刻蚀，制备出了两种巨磁电阻自旋阀结构，具体构成分别为例1铜(20纳米)/钴铁合金(4纳米)/钌(4纳米)/钴铁合金(1纳米)/铜(4纳米)/钴铁合金(4纳米)/铜(20纳米)。
例2铜(20纳米)/钴铁合金(10纳米)/钌(6纳米)/钴铁合金(3纳米)/铜(6纳米)/钴铁合金(10纳米)/铱锰合金(20纳米)/铜(200纳米)。
制备出的元件尺寸均为280×90纳米。通过测试，发现两元件均可以实现CIMS，所需要的写电流密度均低于1×106安培每平方厘米。这样低的写电流密度，使得该结构完全可以运用在MRAM中，并通过CIMS实现超高密度信息存储。
权利要求
1.一种具有低写入电流特性的磁随机存储器存储单的制备方法，其特征在于采用二氧化硅基片，通过超高真空等离子体溅射或磁控溅射、分子束外延生长手段首先制备出金属7～8层膜，然后通过电子束印刷和离子刻蚀的手段制备出纳米尺寸的7～8层膜器件。
2.一种用权利要求1所述方法制备的具有低写入电流特性的磁随机存储器存储单元，其特征在于a、多层膜的底层为20～200纳米厚的金属铜层，称为底电极层；b、从底往上第二层为铁磁性的钴或钴铁合金，厚度为4～10纳米，其磁矩不容易转动，称为底钉扎铁磁层，从底往上第三层为金属钌层，厚度为4～6纳米，称为底隔离层。c、从底往上第四层为铁磁性的钴或钴铁合金，厚度为1～3纳米，称为自由铁磁层；d、从底往上第五层为金属铜，厚度为4～6纳米，该存储元件为巨磁电阻自旋阀结构；e、从底往上第六层为铁磁性的钴或钴铁合金，厚度为4～10纳米；f、从底往上第七层为20～200纳米的金属铜。
3.按照权利要求2所述的存储单元，其特征在于第五层为绝缘体层三氧化二铝，厚度为1～2纳米，该存储元件为铁磁性隧道结结构。
4.按照权利要求2或3所述的存储单元，其特征在于在第六层和第七层之间插入一个10～20纳米厚的反铁磁层氧化钴或铱锰合金。
全文摘要
本发明提供了一种具有低写入电流特性的磁随机存储器存储单元及其制备方法。采用二氧化硅基片，通过超高真空等离子体溅射或磁控溅射、分子束外延生长手段首先制备出金属7～8层膜，然后通过电子束印刷和离子刻蚀的手段制备出纳米尺寸的7～8层膜器件。存储器存储单元包括底电极层，底隔离层、自由铁磁层、巨磁电阻自旋阀结构或铁磁性隧道结结构。本发明的优点在于巧妙的利用金属钌散射主自旋的特性，大幅度的降低了在巨磁电阻自旋阀或铁磁性隧道结中实现CIMS所需要的写电流，降低了能量损耗，为实现超高存储密度的MRAM提供了可能性。
文档编号H01L27/105GK1604228SQ20041000972
公开日2005年4月6日 申请日期2004年10月29日 优先权日2004年10月29日
发明者姜勇, 于广华, 王燕斌 申请人:北京科技大学