CN100409382C - 数字磁存储单元装置交换耦合层***的均匀磁化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种均匀磁化数字磁存储位置装置交换耦合层***的方法，其包括AAF(人造反铁磁))层***及交换耦合该AAF层***层的反铁磁层的使用。当该反铁磁层的磁化方向被决定时，该AAF层***的该磁性层于磁场饱和及之后，该反铁磁层磁化的方向及该饱和磁场的方向彼此的方向被改变，由此是在相对于彼此为0度＜α＜180度的角度α，于是该饱和磁场被关断。

Description

数字磁存储单元装置交换耦合层***的均匀磁化方法
技术领域
本发明涉及关于一种均匀磁化数字磁存储单元装置交换耦合层***的方法，数字磁存储单元装置包括AAF层***及交换耦合AAF层***层的层之反铁磁层。
背景技术
此种数字存储单元装置用于以磁性基准储存信息，个别存储单元装置一般为存储装置，一般亦称之为MRAM(磁性随机存取内存)，的一部份。此种内存可进行读取及/或写入操作。每一个别存储单元装置包括由中间层与硬磁参考层***分开的软磁读取及/或写入层***，其形成为AAF***，在本存储单元装置形式的情况下，参考层***的参考层的磁化为稳定的且在施用场不会改变，当软磁读取及/或写入层***的磁化可藉由施用场被切换时，该两个磁性层***可以平行或逆平行方式相关于彼此被磁化。在每一情况，该两个先前提及的状态表示一位信息，亦即逻辑零(“0”)或一(“1”)状态。若该两层的磁化的相对位向由平行变化为逆平行，或反之，则在此层结构上该磁阻变化数个百分点，此在阻抗的改变可被使用以读取储存于存储单元的数字资料，在该单元阻抗的变化可由电压变化被辨识。做为实例，在电压增加的情况下，该单元可由逻辑零(“0”)占据，及在电压减少的情况下，该单元可由逻辑一(“1”)占据。在GMR形式(巨磁阻)或TMR形式(隧道磁阻)的单元结构中，当该磁化方位由平行变化为逆平行，或反之，在数个百分点的范围的特别大的阻抗变化已被发现。
此种磁存储单元的重要优点为信息是以此种方式被永久储存，及可被储存且不需维持任何基本供应即使该装置被关断，及在装置被切换为开后可再次被立即提供，此与已知习知半导体内存相反。
在此情况下，中央组件部份为该参考层***，其形成为AAF***(AAF＝人造反铁磁)。此种AAF***为有利的因为藉由一般称的橘皮剥离作用及/或藉由巨静磁耦合场其具高磁刚性及至该读取及/或写入层***的相当低耦合。AAF***一般包括第一磁性层或磁性层***，反铁磁耦合层及第二磁性层或磁性层***，其是经由与该下方磁性层的磁化相反的该反铁磁耦合层与其磁化耦合。此种AAF***可由两个磁性Co层及由Cu制造的反铁磁耦合层形成。
为改良该AAF***的刚性，亦即其对外部场的阻抗，习惯排列一反铁磁层于距该读取及/或写入层***遥远的该AAF***的磁性层。此反铁磁层额外旋转在其磁化直接相邻的磁性层，且结果为该AAF***整体的变得更硬(交换自旋或交换偏移)。
该AAF***的磁刚性对应于所施用外部场的振幅，其为于相同方向(亦即平行设定)旋转该两个铁磁层的磁化所必需，此限制此种存储单元装置的读取及写入应用的磁窗口。
在此情况下，做为实例，除了在简介中所提及的材料组合之外，该AAF***的磁性层的目的总是亦包括两个铁磁CoFe层及被引入其间的Ru层要被尽可能均匀地磁化，理想上为以单一均匀磁化方向。在所讨论具该AAF层***及该额外交换耦合或旋转反铁磁耦合层(如由IrMn所制造的)的存储元件的情况下，磁化以一种方式被产生使得在该层堆栈的制造后，该层堆栈被加热至大于该反铁磁的阻隔温度，亦即如IrMn的阻隔温度，一种强磁场饱和在此期间存在的该AAF层***的两个磁性层。此产生该磁性层磁化的方位，及因为该耦合，亦产生该反铁磁层的磁化的方位，该温度再次降低。若该外部设定磁场接着同样被撤销，未耦合至该反铁磁层的该磁性层的磁化因为该AAF***耦合而开始旋转。然而，在此情况下，多种所谓的360°壁形成在该磁化层中。这些360°壁(其在关于进行域观察的方面被说明为缠绕、迂回线路)产生一系列缺点。由此，做为实例，可经由该内存组件分流的讯号，如在TMR内存组件(TMR＝隧道磁阻)的情况下为TMR讯号，被减少。由如坡莫合金所制造的该测量层的反磁化行为因泄漏场亦为较不利的，该测量层利用去耦合(如由Al2O3制造)层而与该人造反铁磁层***分开，这些经由该360°壁，其中磁化作用旋转一次经过360°。
发明内容
本发明基于该问题而提出一种方法，其在激活均匀磁化的同时尽最大可能地避免不利的360°壁。
为解决此问题，在于简介中所提及形式的方法的情况下，根据本发明，给定该反铁磁层的一个磁化的一个所限定的方向，该AAF层***的该磁性层是于磁场饱和及之后，该反铁磁层的磁化的方向位置及该饱和磁场彼此方向被改变，故它们为相对于彼此为0°＜α＜180°的角度α，之后该饱和磁场被关断。
本发明特别提出有利于该反铁磁钉轧层的磁化，其由于该相邻的人造反铁磁层***的强烈的交换耦合，维持其磁化，及该磁场的方向是在角度＜180°及＞0°，及接着关断该磁场。因该反铁磁层的磁化方向已被建立，该AAF层***的相邻磁性层的磁化接着在相同方向自动旋转，因为经由排列于其间的该耦合层，该AAF***的第二磁性层的耦合，该第二磁性层的磁化接着在相反方向旋转。然而，因该反铁磁层磁化的方向及该饱和磁场的设定事先已关于彼此仍存在，非经由180°的旋转，现在仅需要经由显著较小的角度的旋转发生，此是因为由于该角度设定与该饱和磁场仍事先存在，该两个磁性人造反铁磁层的仍饱和的磁化与该反铁磁层磁化的夹角不是0°或180°，而是在一个中间角度，现在该第二磁性AAF层的磁化仅必需旋转此中间角度，该磁化因而专一地在此一方向较佳地旋转，此方向具较短的旋转路径及接着允许更有利的旋转(以能量观点而言)，此因此排除该磁化的分解或该360°壁的形成，该360°壁主要是当该磁化必须旋转180°时而产生，因在此情况下，旋转在两个方向为可能的，称之为自180°至0°及自180°至360°(最后至”左边”及”右边”)，其导致壁形成。磁化方向的设定因而定义层磁化旋转的较佳旋转方向，其有利地使得该360°壁可被避免。
60°至120°的角度α，特别是90°，应权宜地被设定。在90°的角度的情况下，藉由该反铁磁层旋转的该相邻AAF层的磁化必须旋转90°及该第二磁性层的磁化同样地亦必须同样地旋转90°，但是在另一方向。对两种磁化而言，该路径为整体为相当短的，且结果为均匀磁化被建立。
为设定该角度的目的，关于磁化，可以设想到数种可能，在一方面，该内存组件可围绕固定磁场旋转；做为此的替代方案，该磁场可相对于该固定内存组件进行移动。最后，二者还可以彼此相互移动。
根据本发明方法使得避免360°壁的形成为可能，即使是在内存组件的第一磁化期间。为进行此目的，为设定该反铁磁层的磁化的目的，温度被增加至高于该层的阻隔温度，在温度增加期间，饱和磁场存在，之后，温度被降低且该层***的磁化被设定。因而，在此情况下，该AAF***的磁性层的饱和及该反铁磁层的磁化的设定被同时执行，因为高于该阻隔温度的温度，其被采用于该AAF***的相邻磁性层的磁化方向。温度接着降低，且结果为在温度降至低于该阻隔温度之后，该反铁磁层的磁化如同其是被冷冻的。该内存组件及/或该磁场接着被旋转以进行设定该角度α的目的且该磁场仍存在，之后其被关断及该AAF***的两个磁性层的磁化在该两个不同方向旋转。
然而，根据本发明的方法相同地亦可能后续地均匀化一已被磁化及具有360°壁的内存组件，亦即被不均匀地磁化。为进行此目的，该AAF层***的磁化于足够高的磁场被饱和而温度不需被事先增加。饱和后，该***被关于磁场旋转，如关于该反铁磁层的原先饱和方向旋转90°，在此情况下，后者被事先权宜地定向平行于该外部饱和磁场或者该内存组件已被相对应地放置。在旋转后，该外部磁场被被趋向后方，在此方法中，关于向后旋转是经由对应的该层磁化作用的角度区段，该层磁化作用是位于该外部磁场的方向，尽管该旋转是因为该饱和作用。
除了该方法，本发明进一步关于一种已根据本方法磁化的磁阻存储单元装置，而且，本发明是关于一种磁阻存储装置，其包括许多根据本发明的存储单元装置。
而且，本发明是关于一种装置以进行该方法，其包括一种衬底的连接座(其具至少一内存组件)，及亦包括磁场产生装置。该装置特征为该连接座及该磁场产生装置可关于彼此被旋转。根据本发明第一细节，该连接座可为旋转桌及该磁场产生装置可为固定的，亦即在此情况下该衬底(其本质上许多内存组件于此上形成)是关于该固定的磁场旋转。做为替代方案，该连接座可为固定的及该磁场产生装置可为旋转的。
特别有利的是若该连接座，及若适当时该旋转盘，可被加热以尽可能快速地加热该衬底至高于该阻隔温度的温度，若此是需要的。
附图说明
本发明的其它优点、特征及细节由叙述于下及亦以图式为基础的示例具体实施例得知，其中：
第1图显示在饱和磁场存在下于具温度高于该阻隔温度的磁化期间根据本发明存储单元装置的示意图，
第2图显示在具固定饱和磁场及具先前已降低的温度的旋转后第1图的存储单元装置，
第3图显示在磁场已被关断之后第2图的存储单元装置，
第4图显示根据本发明装置的第一具体实施例的示意图，及
第5图显示根据本发明装置的第二具体实施例的示意图。
附图标记清单：
1        存储单元装置
2        参考层***
3        去耦合层
4        软磁测量层***
5a、5b   字符及位线路
6        AAF层***
7        下方铁磁层
8        上方铁磁层
9        耦合层
10       反铁磁层
11       装置
12       连接座
13       旋转盘
14       衬底
15       磁场产生装置
16       装置
17       连接座
18       衬底
19       磁场产生装置
20       旋转装置
T        温度
H        磁场
P        箭头
N        极
S        极
具体实施方式
第1图显示根据本发明的存储单元装置1，此存储单元装置包括一般称的参考层***2，其经由去耦合层3(如Al2O3)自软磁测量层***4中去耦合，该说明进一步显示该字符及位线路5a、5b，其彼此间以直角在上方及下方运行。该参考层***2包括AAF层***6，AAF层***6包括下方铁磁层7、上方铁磁层8及排列于后二者中间的逆平行耦合耦合层9。该铁磁层可由如Co或CoFe制造，及该逆平行耦合耦合层可由如Cu或Ru制造，此种AAF层***的结构为足够已知的。
该参考层***2进一步包括由如Ni、FeMn、IrMn、NiMn、PtMn、CrPtMn、RhMn或PdMn所制造的反铁磁层10，其被提供于该下方铁磁层7下方。该反铁磁层10耦合位于其上方的该下方铁磁层7的磁化，亦即，后者在界面区域平行于该反铁磁层的磁矩被定方位。其结果为该铁磁层7的磁化由交换偏移旋转。此功能及此结构亦为足够已知的。
为达到设定该磁性层7及8的磁化及亦该反铁磁层10的磁化的目的，该存储单元装置(其在此处仅以示意图的形式被示出为细节及一般以在大面积晶片上的多个进一步内存组件形成)被加热至高于该反铁磁层10的阻隔温度T阻隔的温度T。在高于阻隔温度的温度下，该反铁磁层失去其反铁磁性质。该层的磁矩可由该外部磁场定位向，此种外部磁场H被施用，后者是大于饱和该磁性层7、8的磁化所需的饱和磁场Hs。由长箭头表示的该层7、8的磁化被明显地平行于该外部磁场被定位向，及该反铁磁层10的磁矩亦相对应地被定位向，接近该界面(其位于关于该磁性层7的界面区域)的磁矩平行地耦合于其。
此温度接着降低，故其是低于该阻隔温度T阻隔，当温度低于该阻隔温度时，该反铁磁层10再次进行至该反铁磁状态的瞬时；该磁化被”冷冻”。然而，该外部磁场仍以饱和方式存在。
如第2图所示，经由该角度α的旋转接着被进行，在此情况下α为90°，该反铁磁层10的磁化明显地维持在其原先设定的方向，亦即其不改变即使该外部饱和磁场H仍存在。该角度α为该层10的磁化方向关于该外部磁场H的角度，如第2图所说明。
与该反铁磁层10的固定磁化相反，在该存储单元装置关于固定外部磁场的旋转的情况下，在旋转期间该磁性层7及8的磁化旋转，亦即他们仍维持平行于该外部磁场H，如在第2图所明显示出。他们因而是在关于该反铁磁层10的磁化方向的角度，该角度同样地为α＝90°。
之后，参照第3图，该外部磁场被关断，这是由于不同指引的旋转过程发生在该两个磁性层7及8中的结果。虽然该下方磁性层7(在所示实例中其是位于相邻于该反铁磁层10)的磁化被朝向右边建立及因而平行于该反铁磁层10(其是接近该界面)的磁矩，此是由在该两层间强的交换耦合所主导，该磁性层8的磁化因为该耦合层9的耦合性质而在相反方向旋转。第3图由断线显示该磁化的起始位置，如可由第2图已知，及实箭头表示在旋转发生后的个别终端位置。明显地，两种磁化仅经由相当小的角度旋转，称之为经由90°，其由先前所采用该存储单元装置关于该外部磁场的设定所主导，如参考第2图所叙述。对该层7及8的个别磁化存在一种优异的最短旋转路径为了旋转进入该个别的设定，定义在一指定耦合的方法。由于此较佳的旋转方向，该磁化分解成为不同的磁化区域或是排除了形成不利的360°壁的情况。
第4图显示第一具体实施例的装置11，其用做进行参考第1-3图所叙述的方法，其包括以旋转盘13的形式的连接座12，其可被旋转如箭头P所显示。许多存储单元装置(其形成内存装置)及叙述于简介的层***形成于其上的衬底14被排列于该旋转盘，该旋转盘13本身可权宜地被加热。磁场产生装置15是由两个磁极N及S表示。为进行此方法，该衬底14被放置于该旋转盘13，接着为高度的加热及该外部饱和磁场的施用，之后为冷却及后续的旋转及最后该外部磁场的关断被执行，如参考第1-3图所详细叙述。
第5图显示根据本发明装置的进一步装置16，在此装置的情况下，该连接座17是以可加热的圆盘形成，然而，其无法被旋转。衬底18亦要被排列在该连接座17上。相反地，该磁场产生装置19，其在此情况下亦再次以该两个磁极N及S表示，以可旋转方式被装设于合适的旋转装置20，如以旋转盘的方式，同样地由箭头P表示。一种产生均匀磁化的些微改良方法在此装置的情况下为可能的。取代以在参考第2图所叙述方式关于该固定磁场旋转的存储单元装置，此处该存储单元装置维持固定的，但该磁场被旋转以进行设定该角度α的目的。
整体言之，本发明提出一种容易进行的方法，其不需任何额外耗时或昂贵的方法步骤及使得存储单元装置或存储***的相关层的均匀磁化可被进行。

Claims (13)

1. 一种均匀地磁化数字磁存储单元装置的交换耦合层***的方法，所述方法包括：
一人造反铁磁层***；及
一反铁磁层，用以与该人造反铁磁层交换耦合，
其中该人造反铁磁层包括：
一第一磁性层；
一第二磁性层；及
一耦合层，其位于该第一磁性层与第二磁性层之间；
其特征在于，给定反铁磁层磁化的一个限定方向，在一磁场中使该人造反铁磁层***的磁性层磁化饱和，之后，该反铁磁层的磁化方向位置与磁场的方向之间的关系发生改变，从而使两者相互间的夹角α为0°＜α＜180°，之后该磁场被关断。
2. 根据权利要求1的方法，其特征在于，夹角α介于60°至120°之间。
3. 根据权利要求2的方法，其特征在于，夹角α为90°。
4. 根据权利要求1或2的方法，其特征在于，该存储单元装置可围绕固定磁场旋转以设定所述夹角。
5. 根据权利要求1或2的方法，其特征在于，该磁场可关于该固定存储单元装置移动以设定所述夹角。
6. 根据权利要求1或2的方法，其特征在于，该磁场及该存储单元装置被移动以设定所述夹角。
7. 根据权利要求1或2的方法，其特征在于，为了设定该反铁磁层的磁化，温度被增加至超过该反铁磁层的阻隔温度，在温度增加期间，该饱和磁场存在，当温度被增加至超过该反铁磁层的阻隔温度之后，温度被降低及该人造反铁磁层***的磁化被设定。
8. 一种用于实施根据权利要求1或者2方法的装置，包括：
一具有至少一个存储单元装置的衬底的连接座；及
一磁场产生装置；
其特征在于，该连接座与该磁场产生装置可以彼此相互旋转。
9. 根据权利要求8的装置，其特征在于，该连接座为一种旋转盘及该磁场产生装置为固定的。
10. 根据权利要求8的装置，其特征在于，该连接座为固定的及该磁场产生装置为旋转的。
11. 根据权利要求8的装置，其特征在于该连接座可被加热。
12. 根据权利要求9的装置，其特征在于该旋转盘可被加热。
13. 一种均匀地磁化数字磁存储单元装置交换耦合层***的方法，其包括：
一人造反铁磁层***；及
一反铁磁层，用以与该人造反铁磁层***交换耦合；
其特征在于，给定反铁磁层磁化的一个限定方向，在一磁场中使该人造反铁磁层***的磁性层磁化饱和，之后，该反铁磁层的磁化方向位置与磁场的方向之间的关系通过旋转发生改变，从而使两者相互间的夹角α为0°＜α＜180°，之后该磁场被关断。
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