CN101290947A - 磁存储器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁存储器，包括堆叠、第一写入导线以及第二写入导线。堆叠包括磁被钉扎层、隧穿势垒以及磁自由层以形成磁隧道结。其中，磁隧道结具有一长轴。第一写入导线配置于堆叠下方，且于一投影面上，第一写入导线与磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。第二写入导线配置于堆叠上方，且于该投影面上，第二写入导线与磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。

Description

磁存储器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种存储器，更特别地，涉及一种磁存储器及其制造方法。

背景技术

磁存储器，例如磁随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)，也是一种非易失性存储器。磁存储器具有非易失性、高密集度、高读写速度、抗辐射线等优点。图1示出传统磁存储器单元的基本结构。参照图1，磁存储器单元104是叠层结构，其包括磁被钉扎层(magnetic pinnedlayer)、隧穿势垒(tunnel barrier)和磁自由层(magnetic free layer)。磁被钉扎层在一预定方向具有被钉扎的磁化(magnetization)或总磁矩(totalmagnetic moment)。磁存储器单元104利用与隧穿势垒相邻的磁物质(磁被钉扎层和磁自由层)的磁化来记录数据0或1。由于磁被钉扎层与磁自由层的磁化互为平行时所产生的磁致电阻较小，而二者的磁化互为反平行时所产生的磁致电阻较大，因此磁存储器单元104可以被用来记录数据0或1。

要存取一磁存储器单元，需要垂直交叉且通入适当电流的电流线100、102(其依照操作的方式，一般称为字线和位线)。互为垂直的导线100、102通入电流后会产生两个互为垂直的磁场。导线100、102所产生的磁场将施加在磁存储器单元104上。写入数据时，藉由位线(Bit Line，BL)和字线(WordLine，WL)  100、102所交集而选择欲写入的磁存储器单元。藉由位线和字线100、102的感应磁场改变磁自由层的磁化方向，进而更改磁存储器单元104的磁致电阻值。而在读取存储器数据时，藉由输出电极106、108使所选择的磁存储器单元流入电流，从读取的电阻值可以判定存储器数据的数值。关于磁存储器的操作细节，是本领域普通技术人员可以了解的，不继续描述。

图2示出磁存储器的存储机制。在图2中，磁被钉扎层104a有被钉扎的磁矩方向107。磁自由层104c位于磁被钉扎层104a上方，其中间由隧穿势垒104b所隔离。磁自由层104c有磁矩方向108a或108b。由于磁矩方向107与磁矩方向108a平行，其产生的磁致电阻例如代表数据“0”；反之磁矩方向107与磁矩方向108b反平行，其产生的磁致电阻例如代表数据“1”。

对于一磁存储器单元而言，其磁致电阻R与磁场H大小的关系，如图3所示。实线表示单一磁存储器单元的磁致电阻线。然而，磁存储装置会包括多个存储器单元，其每一个存储器单元的翻转场大小会有差异，因此磁致电阻曲线会有如虚线所示的变化，这会造成存取错误。

图4示出传统存储器单元的阵列结构。图4的左图是一阵列结构，其由多条相互垂直的位线和字线组成，而每一个位线和字线的交叉点均配置一个磁存储器单元104。藉由位线和字线的电流而施加两个方向磁场Hx和Hy，以对磁存储器单元104写入数据。图4的右图是磁自由层的星状曲线(Asteroid curve)。在实线区域内，由于磁场小，因此外加的磁场Hx和Hy不会改变存储器单元104的磁化方向。在实线区域外的一有限区域内的磁场，可适合于磁场翻转的操作。如果磁场太大就会干扰到邻近的单元，也是不适合使用的。因此，一般以操作区域144的磁场作为操作磁场。然而，由于其他的存储器单元142也会感受到所施加的磁场，且由于相邻存储器单元142的操作条件变化，因此所施加的磁场也可能会改变其他存储器单元142的储存数据。因此，如图2的单层的自由层104c，会有存取错误的可能。

针对上述等问题，例如美国专利第6,545,906号，为了减少邻近单元在写入数据时的干扰情形，自由层以铁磁(FM)/非磁金属(M)/铁磁(FM)三层结构166来取代单层铁磁材料。如图5所示，在非磁金属层152上下两层的铁磁金属层150、154，以反平行排列，形成封闭的磁力线。在下面的磁被钉扎叠层168藉由隧穿势垒156而与磁自由层166隔开。磁被钉扎层168包括上被钉扎层(top pinned layer，TP)158、非磁金属层160、以及下被钉扎层(bottom pinned layer，BP)162。上被钉扎层和下被钉扎层有被钉扎的磁化。另外还有基底164在底部，例如是反铁磁层(anti-ferromagnetic layer，AFM)。

针对三层结构的磁自由层166，使第一写入线和第二写入线相对于自由层166的磁各向异性轴(magnetic anisotropic axis)有45度的夹角，磁各向异性轴方向就是所谓的易轴(easy axis)方向。这样，第一写入线和第二写入线可分别对磁自由层166，依照一先后关系，施加与易轴夹角为45度的磁场，以旋转磁自由层166的磁化。图6示出磁场施加的时序。在图6中，上图表示易轴(双箭头所示)与磁场方向的相对方向。图6的下图是对第一写入线和第二写入线施加电流的时序。其中电流I1表示会产生相对易轴正45度方向的磁场，即上图的垂直轴；电流I2表示会产生相对易轴负45度方向的磁场，即上图的水平轴。依照施加电流的时序，磁自由层166的上下两个铁磁层150、154的磁化方向会翻转。这种施加电流的时序，是藉由两个状态来达成，因此也称为双态模式(toggle mode)操作。每经过一次的双态模式操作，磁自由层166的上下两个铁磁层150、154的磁化方向会反转一次。由于上被钉扎层158的磁化方向被钉扎，下铁磁层154的磁化方向会平行或反平行于上被钉扎层158的磁化方向，因此可以储存一个二进位(binary)数据。

图7示出在磁自由层166的上下两铁磁层150、154的磁化与外加磁场大小的反应。参阅图7，在(a)的情形，细箭头表示磁自由层166的上下两铁磁层150、154的磁化方向。在(b)的情形，当外加磁场H(粗箭头)小的状况，两磁化方向不会被改变。在(c)的情形，当外加磁场H增大到适当值时，铁磁层150、154的磁化方向会受磁场H的影响而达到一平衡状态，因此会有一张角。此时的磁场范围就是双态模式下的双态操作区域，其磁化的旋转，是利用相互垂直的两个方向的磁场，依照一特定时序的变化(参见图6)。因此磁化是以阶段的方式被翻转。然而，在(d)的情形，如果磁场H太大，两磁化的方向就一直被导向与磁场H相同的方向，这不是适当的操作区域。

图8示出藉由图6的操作电流所产生的磁场，施加在存储器单元上的翻转机制。参阅图8，在时段t0，没有施加磁场，因此在自由层上铁磁层150、154的磁化是反平行。在时段t1，在与易轴方向相隔+45度的方向施加一磁场H1于磁自由层。此时，铁磁层150、154的磁化依据施加的磁场方向被转动。在时段t2，同时施加H2的磁场。此H2的磁场方向，相对于易轴方向为-45度方向。因此，如果两个磁场的大小相等，则总磁场的方向会在易轴方向。此时，铁磁层150、154的磁化再度被旋转。接着，在时段t3，停止施加磁场H1。此时，总磁场是由磁场H2提供，因此铁磁层150、154的磁化再度被旋转。要注意的是，在时段t3铁磁层150、154的磁化，相对易轴而言已大致上被反转。于是，在时段t4，当外部磁场消失时，两磁化以反平行的方向回到易轴方向，这样铁磁层150、154的磁化被翻转。

图9示出相对外加磁场的对应操作区域。参阅图9，针对图8的双态操作模式，对应在磁场座标上的操作区域分类，是属于双态区域97。其它还会有不切换区域92与直接区域95。直接区域95位于不切换区域92与双态区域97之间，其细节不在此继续描述。

现有技术美国专利第6,633,498提出减少操作磁场的设计。图10示出缩减操作磁场的设计示意图。参阅图10，此传统的设计是调整磁被钉扎叠层的上被钉扎层158与下被钉扎层162的总磁矩170、172的大小，使产生外漏磁场。此外漏磁场会对磁自由层产生一偏置磁场H_BIAS，如右图所示。双态操作区域的起始点已向磁场零点接近。其中，要调整总磁矩的大小，依简单的方式可以藉由厚度来调整。

对于上述的传统方式，虽然可以藉由调整偏置磁场H_BIAS的大小而使双态操作区域的起始点向磁场零点接近，然而偏置磁场H_BIAS并不是可以无限制的增大。本发明对传统技术详细研究后发现如果偏置磁场H_BIAS太强，则至少会直接干扰存储器单元内所储存的数据，造成数据存取的失败。

发明内容

本发明提供一种磁存储器及其制造方法，可以在低电流下增加操作区域，减低写入数据时的干扰问题。在元件小型化时，本发明能够维持较佳的翻转特性以及足够的热稳定性条件。

为解决上述问题，本发明提出一种磁存储器，包括堆叠、第一写入导线以及第二写入导线。该堆叠包括磁被钉扎层(magnetic pinned layer)、隧穿势垒(tunnel barrier)以及磁自由层(magnetic free layer)以形成磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)。其中，磁隧道结具有一长轴。第一写入导线配置于堆叠下方，且于一投影面上，第一写入导线与磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。第二写入导线配置于堆叠上方，且于该投影面上，第二写入导线与磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。

本发明提出一种磁存储器的制造方法。首先，提供基底。于该基底上方形成第一写入导线。于第一写入导线上方形成堆叠，其包括磁被钉扎层、隧穿势垒以及磁自由层以形成磁隧道结，其中该磁隧道结具有一长轴。于一投影面上，第一写入导线与磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。于堆叠上方形成第二写入导线，且于该投影面上，第二写入导线与磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。

本发明因使写入导线与磁隧道结的长轴方向夹角小于45度(亦即使两条写入导线的夹角小于90度)，因此可以增加偏置磁场H_BIAS的大小而使双态操作区域的起始点向磁场零点接近，以便在低电流下增加操作区域，减少写入数据时的干扰问题。尤其在元件小型化时，本发明能够维持较佳的翻转特性以及足够的热稳定性条件。

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1示出传统磁存储器单元的基本结构。

图2示出传统磁存储器的存储机制。

图3示出磁存储器单元的磁致电阻R与磁场H大小的关系。

图4示出传统存储器单元的阵列布局。

图5示出传统存储器单元的基本结构。

图6示出传统存储器单元的布局与磁场施加的时序。

图7示出在自由叠层166的上下两铁磁层150、154的磁化与外加磁场大小的反应。

图8示出藉由图6的操作电流所产生的磁场，施加在存储器单元上的翻转机制。

图9示出两个自由层上的两磁化，相对外加磁场的对应操作区域。

图10示出缩减操作磁场的设计示意图。

图11示出本发明实施例对图10中的下被钉扎层162的厚度作变化，以微磁学模拟自由层的磁化翻转成功的机率。

图12A～12B是依照本发明实施例示出偏置磁场与外加操作磁场之间的关系示意图。

图13是依照本发明实施例示出偏置磁场与理想磁场方向之间差异。

图14是依照本发明实施例说明一种磁存储器的布局图。

图15是依照本发明实施例说明另一种磁存储器1500的布局图。

图16是依据本发明实施例示出偏置磁场与外加磁场的向量图。

【主要元件符号说明】

92：不切换区域

95：直接区域

97：双态区域

100、102：电流线

104、142：磁存储器单元

104a、168：磁被钉扎层

104b、156：隧穿势垒

104c、166：磁自由层

106、108：电极

107、108a、108b、170、172：磁矩方向

144：操作区域

150：第四铁磁层

152：第二非磁金属层

154：第三铁磁层

158：第二铁磁层

160：第一非磁金属层

162：第一铁磁层

164：基底

1200、1202、1204、H1410、H1420、Hx、Hy：外加的写入磁场

1208、1210、1212：总磁场

1206a、1206b、H1410a、H1410b、H1420a、H1420b：向量分量

1400、1500：本发明实施例的磁存储器

1410：第一写入导线

1420：第二写入导线

1430：磁隧道结

1610：磁场H1410与H1420在易轴方向的合成向量

H_BIAS、1206：偏置磁场

t0～t4：时段

具体实施方式

本发明对图10中的下被钉扎层162的厚度作变化，以量测翻转自由层的磁化的成功机率，其结果如图11所示。参阅图11，圆点的数据表示厚度为4.3nm的情形。另外，三角形点的数据表示厚度为4.5nm的情形，方形点的数据表示厚度为5.5nm的情形。厚度愈大则偏置磁场愈大。对应于图6的写入操作磁场，在H1＝H2的条件下，以H1或H2的磁场大小当作横座标。其中，上被钉扎层158的厚度以3.0nm为参考厚度。对于圆点的分布情形，当磁场约43 Oe时就可以成功翻转磁自由层的一对磁矩，其翻转成功机率可以维持在良好的结果。当下被钉扎层162的厚度增加时，如三角形点的分布，其操作磁场可以缩减，而翻转成功机率也可以维持在接受的范围。当下被钉扎层162的厚度更增加到5.5nm时，虽然可以产生强的偏置磁场，以减低翻转所需的磁场(约为17Oe)，然而其翻转成功机率不大于百分之四十(如方形点的分布)。因此，已知技术的下被钉扎层162的厚度有一个极限厚度，若超过此厚度则此元件无法顺利操作。

本发明发现此问题后，继续探讨可能机制与解决方法。图12A～12B示出偏置磁场与传统外加操作磁场之间的关系示意图。参阅图12A，由于磁场是可相加的向量，因此在图8所示的三个时段t1～t3中，相对易轴方向所施加的外加操作磁场分别是1200、1202与1204。虚线的方向表示与易轴所夹的角度为45度。参阅图12B，在存储器单元的磁被钉扎层168的外漏磁场，会对磁自由层166施加偏置磁场1206。因此，在三个时段t1～t3的总磁场分别是1208、1210、1212。明显地、在时段t1与t3的总磁场1208、1212不是在预期的理想方向上。再者，在时段t2的总磁场1210强度可能会太大。这些是造成翻转失败的可能原因之一。

在找出可能原因之后，本发明继续分析其机制，以寻求可以解决的方式。图13是依照本发明实施例示出偏置磁场与理想磁场方向之间差异。参阅图13，将偏置磁场1206分解成在45度的两个向量分量1206a、1206b。在时段t1(左图)，由于向量分量1206b是在预期的理想方向上，因此，实际预期的操作磁场1200可以减少，即写入电流可以减小，但是实际在45度方向所得到的有效磁场(即1206b+1200)仍足够大。此时要考虑的问题便简化成如何克服多余的向量分量1206a。在时段t2(中图)，由于偏置磁场1206就在易轴方向，因此得到有效磁场为偏置磁场1206加上操作磁场1200与1204的合成向量1202。在时段t3(右图)，与时段t1类似，多余的向量分量1206b需要被解决。

图14是依照本发明实施例说明一种磁存储器的布局图。磁存储器1400包括堆叠、第一写入导线1410以及第二写入导线1420。此堆叠包括磁被钉扎层(magnetic pinned layer)、隧穿势垒(tunnel barrier)以及磁自由层(magnetic free layer)以形成磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)1430。其中，磁隧道结1430具有一长轴。此长轴可以是磁自由层的磁各向异性轴(magnetic anisotropic axis)

在本实施例中，此堆叠可以参照图5实施。此堆叠包括磁被钉扎层168、隧穿势垒156(例如AlO_x或MgO)以及磁自由层166以形成磁隧道结1430。磁被钉扎层168与磁自由层166可以用合成反铁层(syntheticanti-ferromagnetic，SAF)实现。磁被钉扎层168包括第一铁磁层162(例如CoFe、CoFeB、NiFe或NiFeCr)、第一非磁金属层160(例如Ru或Cu)以及第二铁磁层158(例如CoFe、CoFeB、NiFe或NiFeCr)。磁自由层166包括第三铁磁层154(例如CoFe、CoFeB、NiFe或NiFeCr)、第二非磁金属层152(例如Ru或Cu)以及第四铁磁层150(例如CoFe、CoFeB、NiFe或NiFeCr)。

适当地调整磁被钉扎层168的第一铁磁层162与第二铁磁层158的总磁矩大小。其中，要调整总磁矩大小的方式可以藉由决定铁磁层162与158的厚度来调整。如上所述，由于铁磁层162与158的总磁矩不相等，因此会产生外漏磁场。此外漏磁场会对磁自由层166提供偏置磁场H_BIAS，而使双态操作区域的起始点向磁场零点接近。

请继续参照图14。第一写入导线1410配置于堆叠下方。于一投影面上，第一写入导线1410与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。第二写入导线1420配置于堆叠上方。于该投影面上，第二写入导线1420与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。例如，第一写入导线1410与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角为-35度，而第二写入导线1420与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角为+35度。应用本发明者可以依据其特殊设计需求(例如偏置磁场H_BIAS的大小)而决定写入导线1410或1420与隧道结1430长轴方向的夹角。

应用本发明者亦可以依据本发明的精神而以其他布局方式实现磁存储器。例如，图15是依照本发明实施例说明另一种磁存储器1500的布局图。请参照图15，磁存储器1500的第一写入导线1410配置于堆叠下方，而第二写入导线1420配置于堆叠上方。于一投影面上，第一写入导线1410与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度，而第二写入导线1420与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。亦即，第一写入导线1410与第二写入导线1420二者夹角小于90度且大于0度，且磁隧道结1430的长轴方向被夹于第一写入导线1410与第二写入导线1420二者的锐角中。

图16是依据本发明实施例示出偏置磁场与外加磁场的向量图。由于写入导线1410(或1420)与磁隧道结1430的长轴方向夹角小于45度且大于0度(例如35度或是其他角度)，因此写入导线1410(或1420)的电流所产生的磁场H1410(或H1420)与磁隧道结1430的长轴方向夹角会大于45度(例如55度或是其他角度)。

请参照图16，将偏置磁场1206分解成在45度的两个向量分量1206a、1206b。在时段t1，写入导线1410将提供磁场H1410给存储器单元。由于磁场H1410与磁隧道结1430的长轴方向夹角大于45度(例如55度或是其他角度)，因此磁场H1410具有两个向量分量H1410a与H1410b。由于向量分量H1410b是在预期的理想方向上，因此实际预期的操作磁场H1410可以减少(即写入导线1410的写入电流可以减小)，但是实际在45度方向所得到的有效磁场(即1206b+H1410b)仍足够大。另外，由于向量分量H1410a是在向量分量1206a的相反方向上，因此向量分量1206a可以被减小(甚至可以完全抵销)。

在时段t2，写入导线1410与1420将同时提供磁场H1410与H1420给存储器单元。由于磁场H1410与H1420的夹角大于90度，因此磁场H1410与H1420在易轴方向的合成向量1610会比已知技术的外加总磁场(例如图12B的总磁场1210)还小，因此得到有效磁场(偏置磁场1206加上合成向量1610)不至于太大。

在时段t3，写入导线1420将提供磁场H1420给存储器单元。由于磁场H1420与磁隧道结1430的长轴方向夹角大于45度(例如55度或是其他角度)，因此磁场H1420具有两个向量分量H1420a与H1420b。由于向量分量H1420a是在预期的理想方向上，因此实际预期的操作磁场H1420可以减少(即写入导线1420的写入电流可以减小)，但是实际在45度方向所得到的有效磁场(即1206a+H1410a)仍足够大。另外，由于向量分量H1420b是在向量分量1206b的相反方向上，因此向量分量1206b可以被减小(甚至可以完全抵销)。

上述实施例因使写入导线1410(或1420)与磁隧道结的长轴方向夹角小于45度，也就是使二条写入导线1410与1420的夹角小于90度，因此可以比已知技术增加更多的偏压磁场，而使双态操作区域的起始点更向磁场零点接近。在上述实施例中，第一写入导线1410与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角可以是-35度，而第二写入导线1420与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角可以是+35度。应用本发明者可以依据其特殊设计需求(例如偏置磁场H_BIAS的大小)而决定写入导线1410或1420与隧道结1430长轴方向的夹角。因此，上述实施例可以在低电流下增加操作区域，减低写入数据时的干扰问题。尤其在元件小型化时，上述实施例能够维持较佳的翻转特性以及足够的热稳定性条件。

以下将说明磁存储器1400或1500的制造方法。首先提供基底，然后在该基底上方形成第一写入导线1410。在第一写入导线1410上方形成堆叠，其包括磁被钉扎层、隧穿势垒以及磁自由层以形成磁隧道结1430。其中，磁隧道结具有长轴，且于一投影面上第一写入导线1410与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。在该堆叠上方形成第二写入导线1420。在该投影面上，第二写入导线1420与磁隧道结1430的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。

虽然本发明已以较佳实施例描述如上，但是这并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可以进行一些更动与润饰，因此本发明的保护范围由所附权利要求书及其等价物定义。

Claims (14)

1.一种磁存储器，包括：

堆叠，其包括磁被钉扎层、隧穿势垒以及磁自由层以形成磁隧道结，其中该磁隧道结具有一长轴；

第一写入导线，配置于该堆叠下方，且于一投影面上该第一写入导线与该磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度；以及

第二写入导线，配置于该堆叠上方，且于该投影面上，该第二写入导线与该磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。

2.如权利要求1所述的磁存储器，其中该磁被钉扎层包括：

第一铁磁层；

第一非磁金属层；以及

第二铁磁层。

3.如权利要求2所述的磁存储器，其中该第一铁磁层与该第二铁磁层的磁场强度不相等。

4.如权利要求1所述的磁存储器，其中该磁被钉扎层为合成反铁磁结构。

5.如权利要求1所述的磁存储器，其中该磁被钉扎层提供偏置磁场至该磁自由层。

6.如权利要求1所述的磁存储器，其中该磁自由层包括：

第三铁磁层；

第二非磁金属层；以及

第四铁磁层。

7.如权利要求1所述的磁存储器，其中该磁自由层为合成反铁磁结构。

8.一种磁存储器的制造方法，包括：

提供基底；

在该基底上方形成第一写入导线；

在该第一写入导线上方形成堆叠，其包括磁被钉扎层、隧穿势垒以及磁自由层以形成磁隧道结，其中该磁隧道结具有一长轴，且于一投影面上该第一写入导线与该磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度；以及

在该堆叠上方形成第二写入导线，且于该投影面上，该第二写入导线与该磁隧道结的长轴方向二者夹角小于45度且大于0度。

9.如权利要求8所述的磁存储器制造方法，其中该磁被钉扎层包括第一铁磁层、第一非磁金属层以及第二铁磁层。

10.如权利要求9所述的磁存储器制造方法，其中该第一铁磁层与该第二铁磁层的磁场强度不相等。

11.如权利要求8所述的磁存储器制造方法，其中该磁被钉扎层提供偏置磁场至该磁自由层。

12.如权利要求8所述的磁存储器制造方法，其中该磁自由层为合成反铁磁结构。

13.如权利要求8所述的磁存储器制造方法，其中该磁自由层包括第三铁磁层、第二非磁金属层以及第四铁磁层。

14.如权利要求8所述的磁存储器制造方法，其中该磁自由层为合成反铁磁结构。

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