CN100388386C - 磁阻存储单元储存层中磁偏场的补偿方法及半导体装置 - Google Patents

磁阻存储单元储存层中磁偏场的补偿方法及半导体装置 Download PDF

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Abstract

本发明是关于半导体装置(7)中磁阻储存单元(6)储存表面(1)上补偿偏压磁场的装置，并是关于补偿此一偏压场的方法。

Description

磁阻存储单元储存层中磁偏场的补偿方法及半导体装置
技术领域
本发明涉及用于半导体装置中，补偿磁阻存储单元储存层中磁偏场的装置。此外，本发明是关于补偿此偏场的方法。以磁阻效应为基础的存储单元，通常是以堆栈两薄铁磁层，其中夹有一非铁磁隔离层，其具有复数个原子层的厚度。
背景技术
两铁磁层之一由硬磁材质所组成，典型地由钴-铁合金所组成。磁化作用具有固定的强度与方向，其功能是作为一参考层。
以一软磁材质，典型地使用镍-铁合金，所制成的第二铁磁层，其形成一储存层。其磁化为同一位向或是与该参考层的磁化方向相反，对应于该存储单元的信息内容。
当信息被存写至该存储单元时，该存储单元之一地址线中存写电流的方向，相对该参考层的磁化，决定该储存层中磁化的方向。
若存储单元结构基于一穿隧效应(tunneling effect)(磁穿隧接合，magnetic tunneling junction，MTJ)，则该隔离层的材质是一介电质。在此范例中，读出该存储单元的效应，为两铁磁层的磁化同位向时，通过该隔离层(隧道障蔽，tunnel barrier)的电子频率，高于两铁磁层的磁化位向反向时通过该隔离层的电子频率。
因此，读出该存储单元的效应，基于被磁化的铁磁层的内部性质，而非基于该两层所产生磁场的直接作用。其作用，或指铁磁与反铁磁耦合，影响该存储单元的运作表现。
在此范例中，铁磁耦合一词指作用的比例，该作用为促进该储存层的磁化位向平行该参考层的磁化位向，以及抑制该储存层的转换方向与该参考层的磁化相反的。
因此，反铁磁耦合一词指作用的比例，该作用为抑制储存层位向平行该参考层的磁化位向，以及促进该储存层的磁化位向转换的方向与该参考层的磁化方向相反。一个存储单元与相同存储单元，以及相邻的存储单元的参考层与储存层之间，铁磁与反铁磁耦合对于具有磁阻存储单元的半导体装置的内部与外部，造成磁偏场。在被此偏场所渗入的一储存层中，该偏场造成磁化方向转变所需的场强度中的偏移(shift)，即所谓的矫顽电场强度(coercive field strength)。该偏移需要磁场中的不对称性，其为存写与存写电流所需。
此效应如第2图所说明，简单化将其减少成为储存层的一维(one-dimension)转换。在此范例中，HC1与HC2指在无偏场的情况下，M0与M1之间磁化转换所需要的矫顽电场强度(coercive fieldstrength)，且HB代表磁偏场的强度。
第2图的上半部说明在无偏场的情况下，一储存层的磁化反转曲线。特定的矫顽电场强度(coercive field strength)HC1与-HC1以磁化轴而成对称关系。
第2图的下半部相对于该磁场轴重叠偏场，说明由该存写电流I所产生的磁场H(I)的一磁化曲线。对于此磁场，该磁化曲线显然是自强度HB中心往HB的方向偏移。
若该偏场与该储存层的磁化不同方向时，则磁化的转换需要的磁场，其强度为特定的矫顽电场强度(coercive field strength)与该偏场的磁场强度总和。
在此范例中，该偏场设有一预先决定的最大存写电流，减少保留关于该存储单元的储存层中磁化的可信赖的改变。
若该偏场与该储存层的磁化相反时，则具有对应于被该偏场的磁场强度所减少储存层的特定矫顽电场强度(coercive field strength)的磁场，已足以改变磁化。
在此范例中，甚至更小的磁场亦可改变磁化。因而可减少保留所不希望得到的磁化改变。一方面可用该半导体装置外部来源，以极端的干扰场造成此磁场。此磁场的另一来源，例如由该半导体装置中相邻存储单元的存写电流所产生。
两铁磁层之间的距离，该储存层的厚度以及形成该存储单元的层的粗糙度，可决定该储存层中偏场下的铁磁耦合。
此方面参考文献为1962年L.Néel于Compets Rendus Acd.Sci.255中所发表的内容，以及特别是2000年A.Anguelouch等人在应用物理信函(Applied Physics Letters)第76册编号5中发表「在穿隧接合中微尺寸薄膜的二维磁转换」。
在此范例中，该偏场的位向不需要与该存写电流所产生磁场的位向平行，但是可具有与其垂直且平行于该储存层的组件。此方面请参阅2000年A.Anguelouch等人在应用物理信函(Applied PhysicsLetters)第76册编号5中发表「在穿隧接合中微尺寸薄膜的二维磁转换」中的第2图a。造成此效应的物理因素，并非完全已知，但是该偏场并不改变该存储单元生命期中的强度与方向。
特别地，该层的粗糙度造成该偏场的多变且难以预测的比例。在此范例中，粗糙度的影响因半导体装置而有所不同，即使是相同设计而自不同晶圆所产生，然而若是自相同晶圆所产生的半导体装置，则其粗糙度所造成的影响相似。
第3图说明一磁阻存储单元的横切面。一隔离层2是位于一参考层4与一储存层1之间。以一无磁性的中间层3b，将该参考层3分为一上参考次层3a与一下参考次层3c，产生一磁漏场(magneticleakage field)，其可产生箭号5所指的反铁磁耦合。造成该铁磁耦合的原因，亦即层的粗糙度以及隔离层与储存层的厚度，如箭号4所指。
为了减低偏场，一方面尝试减少铁磁耦合。另一方面，尝试将该反铁磁耦合设定朝向该偏场的补偿。
使用较厚的储存层以减少铁磁耦合，面临到改变磁化所需的层转换电流的障碍。同样地，依该存储单元的电阻需求以及热动态需求，规定铁磁层之间的距离。
由于反铁磁耦合具稳定的作用且具低的净力矩，所以藉其限制补偿。最大的效应为必须使用参考次层之一，所以降低该参考层的稳定性。再者，例如在该存储单元或该半导体装置的图案化操作过程中的磁阻结果以及依该储存层的磁化方向旋转，并不能影响铁磁耦合的补偿。再者，若半导体装置是由不同晶圆所产生，则该反铁磁耦合并不适合用于补偿由该层的粗糙度所引起的该铁磁耦合，其规则地彼此脱离。
发明内容
所以，本发明的目的是提供一种装置，其可用以补偿半导体装置中磁阻存储单元储存层中的偏场，且其中该存储单元的几何形状并未改变。再者，本发明提供可进行该补偿的方法。
本发明所提出的半导体装置包含了多个磁阻存储单元以及一补偿层，每一个存储单元包含一参考层与一储存层，其中该参考层是由硬磁材料所组成，而该储存层是由软磁材料所组成；该补偿层具有补偿该储存层中的偏场的磁化，且该磁化平行于该储存层并延伸于该半导体装置的整个横切区域上。
本发明所提出的用于补偿半导体装置中磁阻存储单元的储存层中磁偏场的方法包含下列步骤：使用一铁磁补偿层；测量该偏场的强度与方向；以及借助该补偿层的磁化来补偿该偏场。
根据另一实施方式，本发明所提出的用于补偿半导体装置中磁阻存储单元的储存层中磁偏场的方法包含下列步骤：测量该偏场的强度与方向；以及借助使用一补偿层而补偿该偏场，该补偿层具有一磁化，其补偿该储存层中的该偏场。
因此，根据本发明的装置中，以至少一合适的磁化补偿层的一磁阻漏场(而后称为补偿场)，补偿半导体装置中磁阻存储单元储存层中的偏场。
该补偿层可被使用于该半导体装置的外部与/或内部。
若使用一补偿层于一半导体装置中，则较佳以习知技术在晶圆的阶层上处理晶圆以及使用制造该存储单元的材质。可借助该补偿层的图案化，而影响此一补偿层的磁性。
例如，在该半导体装置中，可使用SiO2层隔离该补偿层，该补偿层可被使用于具有该存储单元的存储单元层之下。
在具有复数存储单元层的半导体装置中，每一存储单元可被分配至少一补偿层，其一个别存储单元层的特定需求而被磁化。在此范例中，存储单元与补偿层于该半导体装置的层结构中交替。
在一较佳的方式中，使用该补偿层于该半导体装置中该存储单元层之后的第一被动。
若该补偿层被使用在收纳该半导体装置的过程之中或之后，则补偿层须在该半导体装置的外部。
此方法使用铁磁性质的外壳或是将该半导体装置定位于一合适的载体中。
根据本发明中该装置的一较佳实施例，在该半导体装置外部使用一补偿层，其为一可磁化的板或是此种形式的薄膜，较佳使用在该半导体装置的至少一表面上，其与该储存层平行。此范例的决定性关键在于该磁场的至少一组件与该储存层平行。
亦可使用一装置，用以屏蔽该半导体装置对抗外部场而作为补偿层，或是作为屏蔽该半导体装置的补偿层。
为了产生在整个存储单元中均质的补偿场，较佳在该半导体装置的整个横切区域上，使用该补偿层，其与该储存层平行。
该补偿层后续的图案化，可微调该补偿场。然而，在微调该补偿场之前，必须决定。
该偏场的测量较佳借助半导体装置的测试模式而进行。在此范例中，该测量装置控制不同强度的两磁性测量场，其平行于该储存层且彼此正交。端视于该测量场，该存储单元的一磁场决定型的特性值(此后称为测量变量)，例如该存储单元的电阻，被决定且被传送至一外部测试装置。在此范例中，在该半导体装置的交叉连接中，在一合适的方式中借助电流或者是借助该存储单元的已存在的连接线的辅助而产生该测量场，其为达此目的而特地被形成。
如同测量该半导体装置的测量变量，可用相同的方法朝向外部刻出相关的交互连接。在此范例中，可借助该半导体装置外部的测量装置，控制测量场且/或决定该测量变量。
在一较佳的方式中，该测量装置至少部分被整合于该半导体装置中，且具有至少一可控制的电流源极、两个三角波形产生以及适合此侧离改变的一测量装置。一侧量操作仅于外部起始，而后该测量变量的测量值被往外部传送。
在此范例中，该测量的存储单元可为该半导体装置的功能存储单元、参考存储单元或是特别供于此方法的存储单元之一。所得到的信息依据强度与方向，用以计算该补偿场。
根据本发明的第一方法，该偏场的补偿借助一补偿层而完成，该补偿层已被使用于该半导体装置且而后依该偏场的测量值而被磁划化。
该补偿层于外部磁场被磁化，其强度的设定取决特定方向中于该补偿层的材质的该初始磁化曲线(初始曲线)，以及该偏场所决定的值。
该补偿层至少部分由硬磁材质所组成，其具有一预先磁化。分配至该预先磁化的磁场被重叠至该偏场以被补偿。再者，该补偿层的磁化作用并非接在该材质的初始曲线之后。
所以，在已被预先磁化的补偿层中，在某环境下决定该外部磁场强度的一不正确值，该磁场磁化该补偿层。该偏场未被完全补偿。
因此，在一较佳的方式中，在该补偿层的第一控制磁化后，再次测量该偏场。所得的测量值可被用以推导该补偿层预先磁化的方向与强度。而后决定该外部磁场的强度与方向的一新的值，该外部磁场控制该补偿层的磁化，且再次利用此一磁场而磁化该补偿层。
根据本发明的第一方法，可于该半导体装置的内部或外部，提供该补偿层。若要达到微调目的的需要，则其可被图案化。根据本发明的第二方法，首先在使用一补偿层之前，测量该偏场，其中该补偿层已被适当磁化。
因而该偏场的侧量于无补偿层的情形下进行，且不受此一补偿层影响，因而简化补偿该偏场的方法。而后较佳在生产该半导体装置制程之一阶段中，完成该补偿，而后不再进行重要的加热步骤，其改变该半导体装置的磁性条件。
基于该传送的测量值，使用于该半导体装置上依据该偏场的强度与方向所制备的补偿层，较佳以硬扇区段所制备的薄膜。
在此范例中，在第一变量中，所制备的膜依据该磁化的强度与方向所储存的第一收集形式而存在，且以相同的位向使用该膜。
在第二变量中，所制备的膜仅依据该磁化的强度所储存的第二收集而存在，且依该偏场方向所指定的位向，而将该膜使用在该半导体装置上。
在一特别较佳的方式中，所制备的补偿层，亦指所制备的膜，具有定义该半导体装置的镌刻文字。
本发明的更详细说明可参阅下列的附图，其中相同的参考符号指相同的对应组件。
附图说明
第1图是根据本发明的第一实施例，说明本发明的半导体装置内部的补偿层。
第2图是分别说明在无偏场与有一有效偏场的储存层的磁化倒转曲线。
第3图是磁阻存储单元的附图。
第4图是根据本发明的第二实施例，说明本发明的半导体装置外部的补偿层。
具体实施方式
第2图与第3图已于导论中叙述。
第1图是一简单的横切示意图，说明具有磁阻存储单元6的一半导体装置7，该横切示意图并非按照真实比例，且该说明并不会限制本发明的特征。
该存储单元6由储存、隔离与参考层1、2、3所建构，在说明范例中，该存储单元6被装置于该半导体装置7的单层上。一被动层11的使用，平行于自该存储单元6所形成的一存储单元层。
在该存储单元6的参考与储存层1，3之间，铁磁耦合产生一磁偏场。
虚线所指的组件具有该半导体装置7所提供的补偿层7，其于第一实施例中被忽略。在第一实施例中，该补偿层9的使用平行于该储存层1，其借助一被动层11而自该存储单元6被隔离，且在该磁化的磁场补偿该储存层1中的磁偏场的方式中，该补偿层9可被磁化。为了获得一磁场，其由该补偿层9的磁化而产生，且其依据该半导体装置7的所有储存层1中的强度与方向而尽可能地相同，该补偿层9较佳覆盖该半导体装置7的整个横切区域。
第二实施例亦包含虚线所指的组件，且具有一补偿层10供于该半导体装置7的外部以及具有一壳体8，其至少部分环绕该半导体装置7，排除提供于该半导体装置7中的该补偿层9。
为了上述的原因，使用于该半导体装置外部的该补偿层10，其较佳的使用平行该储存层1，且较佳覆盖平行该储存层1的至少一整个表面。
图标符号说明：
M    磁化
H(I) 存写电流I所产生的一磁场的磁场强度
HC1  一特定的矫顽电场强度
M0   第一磁化
M1   第二磁化
HB   该偏场的磁场强度
1    储存层
2    隔离层
3    参考层
3a   上参考次层
3b   中间层
3c   下参考次层
4    铁磁耦合的表现
5    反铁磁耦合的表现
6    存储单元
7    半导体装置
8    壳体
9    该半导体装置中的补偿层
10   该半导体装置外部的补偿层
11   被动层

Claims (16)

1.一种半导体装置，其特征为该半导体装置(7)包含：
多个磁阻存储单元，每个存储单元(6)包含一参考层(3)与一储存层(1)，其中该参考层(3)是由硬磁材料所组成，而储存层(1)是由软磁材料所组成；以及
一补偿层(9)，其具有补偿该储存层(1)中的偏场的磁化，且该磁化平行于该储存层(1)并延伸于该半导体装置(7)的整个横切区域上。
2.如权利要求1的半导体装置，其特征为
该补偿层(9)位于该半导体装置(7)中。
3.如权利要求1的半导体装置，其特征为
该补偿层(9)位于该半导体装置(7)的外部。
4.如权利要求2的半导体装置，其特征为
该补偿层(9)是借助至少一隔离层(11)而与该存储单元隔离。
5.如权利要求1至4任一项所述的半导体装置，其特征为
该补偿层(9)被图案化以进行微调。
6.一种用于补偿一半导体装置(7)中一磁阻存储单元(6)的一储存层(1)中磁偏场的方法，其包含下列步骤：
使用一铁磁补偿层(9)；
测量该偏场的强度与方向；以及
借助该补偿层(9)的磁化来补偿该偏场，其中排除由于该补偿层(9)的预先磁化而产生的来自第二步骤的测量值与来自所述补偿层的测量值之间的错误补偿。
7.如权利要求6的方法，其特征为
至少重复一次该偏场的该测量与该补偿，以排除由于该补偿层(9)的预先磁化而产生的一错误补偿。
8.如权利要求6或7的方法，其特征为
该补偿层(9)是使用于该半导体装置(7)中。
9.如权利要求6或7的方法，其特征为
该补偿层(9)是使用于该半导体装置(7)的外部。
10.如权利要求6或7所述的方法，其特征为
图案化该补偿层(9)。
11.如权利要求7的方法，其特征为
借助该半导体装置(7)的测量模式中的一测量装置来决定一测量变量的测量值，且将该测量值传送至一测试装置，其中该测量变量特征化该磁偏场的强度与方向。
12.一种用于补偿一半导体装置(7)中一磁阻存储单元(6)的一储存层(3)中磁偏场的方法，其包含下列步骤：
测量该偏场的强度与方向；以及
借助使用一补偿层(9)而补偿该偏场，该补偿层具有一磁化，其补偿该储存层(3)中的该偏场。
13.如权利要求12的方法，其特征为
借助该半导体装置(7)的测量模式中的一测量装置来决定一测量变量的测量值，且将测量值传送至一测试装置，其中该测量变量特征化该磁偏场的强度与方向。
14.如权利要求13的方法，其特征为
该测量装置控制两个与该储存层平行且互呈正交的测量电流，其产生两个彼此正交的磁性测量场，以及
该存储单元的一磁场决定特性变量是各针对一测量装置的测量场的不同值而决定。
15.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征为
该测量装置是提供于至少部分于该半导体装置(7)中。
16.如权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征为
使用该补偿层为一膜，且该半导体装置(7)被镌刻。
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