CN100507591C - 用于磁电子器件的合成反铁磁结构 - Google Patents

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Abstract

一种近似平衡的合成反铁磁(SAF)结构，其能够优良地使用于诸如磁电阻存储单元的磁电子器件(5)中，该结构包括两个铁磁层(45，55)和分隔这两个铁磁层的一个反铁磁耦合层(65)。该SAF自由层(15)具有在该反铁磁耦合层中形成的弱耦合区域，其通过诸如退火、层叠反铁磁耦合层或在铁磁层的一个粗造化表面上形成反铁磁耦合层等处理来形成。相对于未处理的SAF自由层，该弱耦合区域降低了SAF自由层的翻转磁场。SAF翻转被用于这种结构的写入操作期间，而它的减小导致了写入操作期间更低的功耗及相应提高的器件性能。

Description

用于磁电子器件的合成反铁磁结构
相关申请
本申请与转让给当前申请的受让人的、于2001年10月16日提交的、标题为“可测磁电阻随机存取存储单元的写入方法”的第09/978859号未决美国专利申请相关。
技术领域
本发明涉及半导体磁电子器件，具体而言，本发明涉及储存磁性状态的器件中使用的半导体结构。
背景技术
磁电子器件的器件分类是一种广阔的器件类型，它包括电机、盘驱动器、某些像磁电阻随机存取存储器(MRAM)那样的半导体存储器件、以及集成电路，所述集成电路包括MRAM及诸如无线广播和处理电路等除MRAM之外的逻辑功能。所有类型的存储器件在电子系统中是极其重要的部件。三种最普遍的半导体存储技术是SRAM(静态随机存取存储器)、DRAM(动态随机存取存储器)和FLASH(非易失性随机存取存储器的一种形式)，它们本质上是非磁电的。这些存储器件中的每一种都使用电荷来储存信息，且每一种都具有其本身的优点。SRAM拥有快速的读写速度，但它是易失性的，并需要大的存储单元面积。DRAM拥有高的密度，但它也是易失性的，并且每几个毫秒就需要更新存储电容器。这种要求增加了控制电子器件的复杂度。
FLASH是当今使用的最主要的非易失性存储器件。FLASH使用浮动氧化物层中捕获的电荷来储存信息。FLASH的缺点包括需要高的电压条件和慢的编程和擦除次数。而且，FLASH存储器在存储器失效之前具有104-106周期的低的耐写度。此外，为了保持理想的数据保持性能，栅极氧化物的厚度必须在允许电子隧穿的阈值之上，如此便限制了FLASH的尺度趋向。
为了克服这些不足，已对一些新的磁存储器件进行评测。其中之一便是MRAM，它用磁性状态来储存位元。MRAM拥有接近于DRAM的速度性能的潜力。然而，为了商品化，MRAM必须具有与当前存储技术相当的存储密度、今后可换代升级、在低电压下操作、拥有低的功耗及有竞争力的读/写速度。
在对一个拥有存储单元阵列的MRM器件的一个MRAM单元进行写操作的期间，有大量的功率损耗。该写入操作包括用外部组接近MRAM磁性元件的导线来使电流通过。由这些电流产生的磁场足以切换磁性元件的自由层的磁性状态。此外，随着位元尺度的缩减，对于给定的形状和膜厚，该切换磁场增加，需要更大的电流进行切换。正如下面将要详细论述的，数据以磁性元件的自由层的磁性状态储存。因此商品化MRAM器件的重大挑战在于建构这样一种MRAM单元，以使用尽可能最小的磁场、从而以尽可能最小的写入电流来进行磁性状态的切换，同时在元件的整个阵列中保持数据的完整性。
因此，弥补现有技术中的前述及其它的固有不足将是极其有利的。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种磁电子存储器件，包括：一个合成反铁磁结构，包括两个铁磁层，这两个铁磁层中磁矩的净磁矩差小于15％；及一个分隔这两个铁磁层并且其中具有弱耦合区域(WCR)的反平行耦合层；以及一个在该合成反铁磁中感应出施加磁场的构件。
根据本发明的另一方面，提供一种制造合成反铁磁结构的工艺，该结构拥有一个合成反铁磁结构的位元磁性区，该工艺包括：沉积一个第一铁磁层；在该第一铁磁层之上沉积一个反平行耦合层；在该反平行耦合层上沉积一个第二铁磁层，其中这两个铁磁层中磁矩的净磁矩差小于15％；以及在该反平行耦合内形成弱耦合区域即WCR。
根据本发明的另一方面，提供一种磁电子器件，包括：至少一个写入线；和一个合成的反铁磁结构，包括：两个铁磁层，这两个铁磁层中磁矩的净磁矩差小于15％，及一个分隔这两个铁磁层并且其中具有弱耦合区域即WCR的反平行耦合层。
根据本发明的另一方面，提供一种磁电阻存储单元，包括：一个合成的反铁磁结构，包括：两个铁磁层，这两个铁磁层中磁矩的净磁矩差小于15％，及一个分隔这两个铁磁层并且其中具有弱耦合区域即WCR的反平行耦合层；以及一个在该合成反铁磁结构中感应出施加磁场的构件。
根据本发明的另一方面，提供一种合成反铁磁结构，包括：两个铁磁层；和一个分隔该两个铁磁层并其中具有弱耦合区即WCR的反平行耦合层，其中该两个铁磁层中磁矩的净磁矩差不大于15％。
附图说明
本发明通过示例的方式来表示，但不由这些附图来限制，其中相同的附图标记指示相同的元件，并且其中：
图1是按照本发明的磁电阻随机存取存储器(MRAM)器件的简化剖面视图；
图2是按照本发明的实施例的使用Savtchenko写入技术的MRAM器件的简化剖面视图；
图3是参考图2描述的MRAM器件的部分的简化平面视图，表示出字和位线；
图4是展示磁场强度组合的模拟结果的图，该磁场强度组合在参照图2描述的MRAM器件中产生了直接和触发写入模式；
图5是展示参考图2描述的MRAM器件的字电流和位电流的定时图；
图6是展示当向参考图2描述的MRAM器件中的一个“0”写入一个“1”时，在触发写入模式下的磁电阻随机存取存储器器件的磁矩转动的矢量图；
图7是展示当向参考图2描述的MRAM器件中的一个“1”写入一个“0”时，在触发写入模式下的磁电阻随机存取存储器器件的磁矩转动的矢量图；
图8是展示当向参考图2描述的MRAM器件中的一个“0”写入一个“1”时，在直接写入模式下的磁电阻随机存取存储器器件的磁矩转动的矢量图；
图9是展示当向参考图2描述的MRAM器件中的一个已为“0”的状态写入一个“0”时，在直接写入模式下的磁电阻随机存取存储器器件的磁矩转动的矢量图；
图10是当在参考图2描述的MRAM器件中只开通位电流时的字电流与位电流的定时图；
图11是当在参考图2描述的MRAM器件中只开通位电流时的磁电阻随机存取存储器器件的磁矩转动的矢量图；
图12是展示近似平衡的反铁磁结构的两个样品的归一化磁矩相对于所施加磁场的测绘曲线；
图13是图12的中央部件的放大图；
图14是按照本发明制造的合成反铁磁结构的一部分的透视图；
图15和16是按照本发明的实施例制造磁电阻隧道结存储单元的工艺的流程图。
本领域技术人员应当了解，图中的元件只是为了简单明了的说明，而并不一定是按比例绘制的。例如，图中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件放大了，以助于促进对本发明的实施例的理解。
具体实施方式
参见图1，展示了按照本发明的一般化MRAM阵列3的简化剖面图。在该图解中，只显示了单个磁电阻存储器件(或单元)10，但是应当了解，MRAM阵列3由许多MRAM器件10组成，而只显示一个这样的器件是为了简明地说明读取方法。
MRAM器件10是一个磁电阻隧道结存储单元，或是包括夹在写入导体之间的材料层的磁电阻隧道结器件(MTJD)，该写入导体是一个字线20和一个位线30。字线20和位线30包括有导电材料，电流能够从中流过并在MRAM器件10内感应出一磁场。在该图中，字线20位于MRAM器件10的顶部，而位线30位于MRAM器件10的底部并定向为与字线20成90°角(参见图3)。应当理解的是，为了进行有效的读取和写入操作，诸如该字线20和位线30那样的导体不需要与MRAM器件10的其它层进行物理接触，该导体只需要足够地接近磁场将施加的区域，以便该磁场生效。
MRAM器件10包括一个位元磁性区15、一个参考磁性区17和形成作为隧道阻挡层16的层的电绝组材料，以及字线20和位线39的承载着影响MRAM器件10的操作的电流部分。每一该位元磁性区15和参照磁性区17都可包括多于一个的层，其中的一些可以拥有与之关联的磁矩(这里所有的磁矩都用矢量表示)。例如，一些传统的MRAM拥有单一铁磁层或多层非平衡合成反铁磁区域的位元磁性区15。如下所述，本发明的位元磁性区15是近似平衡的多层合成反铁磁性的。该位元磁性区15和参考磁性区17邻近隧道阻挡层16，并设置于它的两个相对侧面上。MTJD的电阻由直接与隧道阻挡层接触的位元磁矩和参照磁矩的相对极化方向决定。磁矩是铁磁材料的物理属性。磁性材料和直接邻近于隧道阻挡层的区域15或17的相对极化角决定了高或低的状态。此处描述的实施例中，位元磁性区是一个自由铁磁区，这就意味着该位元磁矩在施加磁场存在的情况下会自由旋转。在不存在任何沿着磁轴的施加磁场时该位元磁矩拥有两个稳定的极性(状态)，该磁轴在此被称为“位元易磁化轴”，其是在沉积磁性材料和制造MRAM阵列3的磁性区15的时候确定的。与位元易磁化轴正交的轴被称为“难磁化轴”。
参见图2，展示了一个按照本发明的实施例的包括一MRAM器件72的MRAM阵列5的剖面图，它使用了在此将参照图2-11详细描述的Savtchenko写入技术。MRAM器件72具有参照图1描述的结构，需更细致说明的是，该位元磁性区15包括至少三个层，并拥有如参照图2-11实现的磁矩。该例中位元磁性区15是三层结构，该三层结构是一个反平行耦合层65夹在两个铁磁层45和55之间，即所谓的合成反铁磁层(下文中以SAF表示)。铁磁层45，55的标称厚度42，51在5至150埃的范围内，而反平行耦合层65的标称厚度46在3至30埃的范围内。文中的“标称”的意思是对于材料类型及用于沉积其的工艺而言在常规的制造公差之内近似、平均的厚度。
铁磁层45，55分别具有磁矩58和53(参见图3)，其具有各自矢量值M1和M2。而且，铁磁层45，55包括Ni、Fe、Co、Mn中的至少一种元素或它们的组合。反平行耦合层65包含一种在铁磁层45，55之间引起反磁交换耦合的材料(此处也称之为反铁磁交换材料)或包含一种在铁磁层45，55之间阻止交换耦合的材料(此外也称之为间隔材料)，或者两者都包含。该反铁磁交换材料包含Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cu、Nb、Mo、W、Ir、V中的至少一种元素或它们的组合，并且其本身不是反铁磁材料；相反，它是一种对生成SAF层的类反铁磁性能起关键作用的耦合层。该间隔材料是一种绝缘体，它的一个例子是Al2O3，或者是一种导体，它的一个例子是Ta和Al。反平行耦合层65可以包含两个或更多的层，其中的每一个层都可以是反铁磁交换层或间隔层。由于反平行耦合层65的耦合，磁矩58，53通常取向为反平行。该耦合可以像反铁磁交换材料被用作反平行耦合层65那样的引入。或者也可由MRAM器件72中的铁磁层的静磁场来产生该反平行耦合。因此，反平行耦合层65不必要一定提供超过基本去除两铁磁层45，55之间的铁磁耦合的任何额外耦合，并因此可以是一种间隔材料，举例来说，如绝缘体AlO或者导体Ta或Al。为了解释Savtchenko写入技术的目的，还定义有一个净磁矩40，它是磁矩58和53的矢量合成。而且，应当理解的是，位元磁性区15可以包括除三层结构之外的合成反铁磁层材料结构，并且本实施例中三层结构的使用只是为了图示。例如，这种合成反铁磁层材料结构的一个例子可以是包括铁磁层/反平行耦合层/铁磁层/反平行耦合层/铁磁层的五层叠层结构。铁磁层的数目表示为N。为了方便说明，以下假设N等于2，以便MRAM器件72在位元磁性区15中包括一个拥有磁矩53和58以及净磁矩40的三层结构。而且，只图解说明了位元磁性区15的磁矩。
在MRAM器件72中的两铁磁层45，55中的磁矩58，53可以具有不同的厚度或材料，以提供由
Figure C200380106461D0013194031QIETU
给出的净磁矩40。在Savtchenko写入技术的情况下，这种三层结构将是近似平衡的；也就是说，
Figure C200380106461D0013194043QIETU
小于M2和M1的平均值的百分之15(另外可简单地称“不平衡性小于百分之15”)，并且优选为接近于零，只要能够在批量生产中经济地制造。位元磁性区15的三层结构的磁矩随磁场的施加而自由旋转。在零磁场下，邻近隧道阻挡层16的磁矩，即位元磁矩58，将在沿着易磁化轴的两个极化方向中的一个方向上稳定。
用于读取位元磁矩58的极性的穿过MRAM器件72的测量电流取决于隧道磁电阻，其由位元磁矩58以及参考磁性区17的参考磁矩的取向与大小决定。当这两个磁矩平行时，则MRAM器件的电阻是低的，偏置电压将引起穿过MRAM器件72的一较大测量电流。该状态被定义“1”。当这两个磁矩反平行的时候，则MRAM器件的电阻是高的，施加电压偏置将引起穿过器件的一较小测量电流。该状态定义为“0”。应当理解，这种定义是任意的，也可以反过来定义，但在本例中这样定义是为了解释的目的。这样，在磁电阻存储器中，通过施加磁场来使区域15中的磁矩沿着位元易磁化轴59相对于区域17成平行或反平行方向取向，完成了数据的储存，而读取写入状态则依赖于电阻的测量，该测量取决于位元磁矩相对于参考磁矩的极性(这种相同的操作对于在此描述的所有MRAM器件都是有效的)。
对MRAM器件72的写入方法依赖于近似平衡SAF三层结构的“自旋翻转(spin-flop)”现象，这对于本领域普通技术人员是公知的。在此，术语“近似平衡”定义为M1和M2在彼此的15％之内，并包括M1与M2基本相等的情况。通过旋转铁磁层的磁矩，以致它们正交于所施加的磁场的方向而大致相互反平行，“自旋翻转”现象降低了施加的磁场中的总磁能。结合于每个铁磁磁矩在所施加磁场的方向上的微小偏斜，旋转，或“翻转”引起了总磁能的下降。
MRAM器件72优选为具有三层结构，其具有长宽比在1至5的范围内的非圆形的形状。应当理解，MRAM器件72的该位元磁性区15可具有其它的形状，比如方形、椭圆形、矩形或八方形，但为了方便起见，以圆形来说明。
而且，在MRAM阵列5的制造期间，接连的每个层(即30、55、65等)被沉积，或者说是依次形成，而每个MRAM器件72可以由选择性的沉积、光刻处理、蚀刻等半导体工业中的任何公知技术来定性。至少在铁磁层45和55的沉积期间，提供磁场来设定位元易磁化轴。所提供的磁场为磁矩53和58建立一个优选的各向异性轴。该位元易磁化轴59选择为在字线20和位线30之间成45°角。然而应当理解也可使用不同于45°角的角度。
参见图3，展示了按照本发明的实施例的MRAM阵列5的部分的一个简化平面图。位元磁性区15显示具有图2的MRAM器件72中的一个呈基本圆形的形状，但可替换为具有其它形状，比如长宽比基本大于1的椭圆形。位元磁矩40沿着在与写入导体(例如字线20)基本成45度的方向上的各向异性位元易磁化轴59取向。另一写入导体，即数据线30，与字线20正交。为方便说明MRAM器件72，所有的方向都将参考所示的x-与y-坐标系100，以及顺时针转动方向94和逆时针转动方向96。在MRAM阵列5中，对字电流60定义为沿正x轴方向流动为正，对位电流70定义为沿正y轴方向流动为正。字线20与位线30的目的是在MRAM器件10内产生一个施加磁场。正向字电流60将感应出一个圆周字磁场HW80，正向位电流70将感应出一个圆周位磁场HD90。由于字线20位于MRAM器件10的上方，在元件的平面中，由于正向字电流60，HW80将在正y方向施加到MRAM器件10。类似的，由于位线30位于MRAM器件10的下方，在元件的平面中，由于正向位电流70，HD90将在正x方向施加到MRAM器件10。应当理解，电流的正向和反向定义是任意的，在此只是为了说明的目的而如此定义。将电流反向的结果是改变了在MRAM器件10内感应的磁场的方向。电流感应磁场的特性已由本领域技术人员公知，在此不再深入探讨。
为了阐释MRAM阵列5的写入方法是如何进行的，假设磁矩53和58的优选各向异性轴被定向为相对于负x和负y方向成45°角，以及相当于正x和正y方向成45°角。作为例子，图2展示了磁矩53定向为相对于负x和负y方向成45°角。由于磁矩58通常取向于与磁矩53反平行，因此它相当于正x和正y方向成45°角。这种初始取向将用来展示写入方法的示例，其即将在下面讨论。
参照图4，图展示了位元磁性区15的SAF三层结构的切换行为的模拟结果。该模拟使用了两个单磁畴磁性层，它们具有几乎相等的内在各向异性场的磁矩(近似平衡SAF)，它们被反铁磁耦合，且它们的磁化动力学由公知的Landau-Lifshitz方程描述。该x轴是单位为奥斯特的字线磁场强度，而y轴是单位为奥斯特的位线磁场强度。磁场在按图5中显示的定时图的脉冲序列600中施加。该脉冲序列600包括作为时间函数的字电流60和位电流70。
在图4中图解了三个磁场区域的操作。在磁场区92中没有进行切换。对于磁场区95中的MRAM操作，直接写入方法是有效的。当使用直接写入方法时，不需要确定MRAM器件的初始状态，因为只有在写入状态与储存状态不同的情况下才进行状态的切换。写入状态的选择由字线20和位线30中的电流方向决定。例如，如果要写入“1”，那么两根线中的电流都是正的。如果“1”已经被存入元件中而将要写入“1”，那么MRAM器件的最终状态仍然为“1”。而且，如果储存了“0”而将用正电流写入“1”，那么MRAM器件的最终状态将会是“1”。当使用都是负电流的字线和位线来写入“0”时，将获得类似的结果。因此，任一种状态都可以用适当的电流脉冲极性来编程为所需的“1”或“0”，而无需考虑它的初始状态。在本公开文件的全文中，在磁场区域95中的操作将定义为“直接写入模式”。
在磁场区域97中的MRAM操作，触发写入方法是有效的。当使用触发写入方法时，需要在写入之前确定MRAM器件的初始状态，因为不管电流方向如何，只要对于字线20和位线30选择了相同的极性的电流脉冲，每次写入MRAM器件时都要切换状态。例如，如果初始储存了“1”，那么当一个正向电流脉冲序列流经字和位线之后，器件的状态将被切换到“0”。在所储存的“0”上重复正向电流脉冲序列，则状态返回到“1”。这样，为了能够向存储单元写入所期望的状态，MRAM器件72的初始状态必须首先被读取并与所要写入的状态相比较。读取与比较可能需要附加的逻辑电路，包括存储信息的缓冲器和比较存储器的状态的比较器。只有存储状态与要写入的状态不同的时候，才写入MRAM器件72。该方法的一个优点是功率消耗低，因为只对有区别的位元进行切换。使用触发写入方法的另一个优点是只需要单一极性的电压，并由此，可以使用更小的晶体管来驱动MRAM器件。在本公开文件的全文中，在磁场区域97中的操作将定义为“触发写入模式”。
两种写入方法都包括在字线20与位线30中提供电流，以便磁矩53和58可以取向为前述两个优选方向中的一个。为了阐明两种切换模式，现给出描述磁矩53，58和40的按时间演变的具体例子。
参见图6，其展示了触发写入模式下使用脉冲序列600在MRAM器件72中将一个“1”写入到一个“0”的矢量图。在该图中，在时间点t0处，磁矩53和58取向为如图2所示的优选方向。该取向将定义为“1”。
在时间点t1处，开通正向字电流60，其感应出正y轴方向的Hw80。正Hw80的作用效果是使得近似平衡的反平行MRAM三层“翻转”，并取向为与施加的磁场成约90°。此时铁磁层45和55之间的有限反铁磁交换互作用将使磁矩53和58向着磁场方向发生一个小角度的偏转，而净磁矩40将对向磁矩53和58之间的角度，并沿Hw80排列。因此，磁矩53按顺时针方向94旋转。由于净磁矩40是磁矩53和58的矢量和，磁矩58也按顺时针方向94旋转。
在时间点t2处，开通正位电流70，其感应了正的HD90。因此，净磁矩40同时被HW80向正y方向引导以及被HD90向正x方向引导，其结果是使净磁矩40进一步按顺时针方向94旋转，直到它大致取向在正x与正y方向之间的45°角处。由此，磁矩53和58也进一步按顺时针方向旋转。
在时间点t3处，关闭字电流60以便于此时只有HD90来引导净磁矩40，此时其将沿正x方向取向。此时磁矩53和58都将大致定向为通过它们的各向异性场难磁化轴失稳点的角度。
在时间点t4处，位电流70关闭，因此磁场力不作用在净磁矩40上。由此，磁矩53和58将变成为取向于它们的最近的优选方向，以最小化各向异性场能。在该例中，磁矩53的优选方向在相对于正y与正x方向成45°角的地方。该优先方向也与在时间点t0的磁矩53的初始方向成180°并被定义为“0”。因此，MRAM器件72已被切换到0。应当理解，也可通过使用字线20和位线30中的负电流而使磁矩53，58和40以逆时针方向96旋转，以此来切换MRAM器件72，但为解释的目的而另外示出。
参见图7，其展示了触发写入模式下使用脉冲序列600在MRAM器件72中将一个“0”写入到一个“1”的矢量图。与净磁矩40一样，同时示出了磁矩53和58，在如前所述的每一个时间点t0，t1，t2，t3和t4处，用相同的电流和磁场方向，能够将MRAM器件72的状态从“0”切换至“1”。由此，MRAM器件72的状态以触发写入模式写入，其相应于图4中的磁场区域97。
对于直接写入模式，假设磁矩53的大小大于磁矩58，以便磁矩40指向与磁矩53的相同方向，但在零磁场中具有更小的大小。这种不平衡磁矩引发了偶极子能量，其趋向于将总磁矩沿施加磁场排列，以打破近似平衡SAF的平衡性。因此，只能在电流给定的极化的方向进行切换。
参见图8，其展示了直接写入模式下使用脉冲序列600在MRAM器件72中将一个“1”写入到一个“0”的例子的矢量图。在此，存储器状态也被初始化为“1”，具有定向为相对于负x和负y方向成45°的磁矩53和定向为相对于正x和正y方向成45°的磁矩58。随着上述具有正字电流60的正位电流70的脉冲序列，以与前述触发写入模式类似的方式进行写入。注意，在时间点t1，磁矩再一次“翻转”，但由于不平衡的磁矩及各向异性场，产生的角度从90°偏移。在时间点t4之后，随着磁矩40如期望的那样与正x和正y方向成45°角地取向，MRAM器件10已被切换到“0”状态。当将一个“0”写入到一个“1”时也可获得类似的结果，只是此时用负字电流60和负位电流70。
参见图9，其展示了当新状态与已储存的状态相同时，利用直接写入模式在MRAM器件72中写入的一个例子的磁矩转动矢量图。在该例中，在MRAM器件72中已储存了一个“0”，而现在重复电流脉冲序列600来储存一个“0”。磁矩53和58在时间t1处试图“翻转”，但是因为不平衡的磁矩必然会反作用于施加磁场，旋转被减弱了。因此，转动出反向状态存在额外的能垒。在时间点t2，主磁矩53基本沿着正x轴排列，而离开其初始的各向异性场方向小于45°。在时间点t3，磁场沿着正x轴定向。现在不是进一步顺时针旋转，而是通过改变SAF磁矩相对于施加磁场的平衡性，系统降低了它的能量。无源磁矩58跨过x轴，且随着主磁矩53回到其原始方向附近，系统趋于稳定。因此，在时间t4处，当除去磁场时，储存于MRAM器件72中的状态仍为“0”。这一系列说明解释了图4中的磁场区域95所展示的直接写入模式的机制。因此，在本例中，写一个“0”要求字线20和位线30中都是正电流，相反，写一个“1”要求字线20和位线30中都是负电流。
如果又施加了更大的场，最终与翻转相关联的能量的下降量会超过由不平衡磁矩的耦极子能量引起的额外能垒，其中该不平衡性磁矩阻止着触发效应。在该点处，将发生触发效应，切换由磁场区域97描述。
如果时间点t3和t4相等或尽可能地接近，运用直接写入模式的磁场区域95可以被扩展，即触发模式磁场区域97可以被移到更高磁场的区域。在这种情况下，当开通字电流60时，磁场方向在相对于位元各向异性轴成45°角的地方开始，然后当位电流70开通时，其移动到与位元各向异性轴平行的方向。本例类似于传统的磁场施加次序。然而，此时字电流60和位电流70几乎同时关闭，以致于磁场方向不再进一步旋转。因此，施加场必须足够地大，以便于随着字电流60和位电流70都开通之后，净磁矩40已经通过了它的难磁化轴失稳点。由于此时磁场方向只旋转45°，而不是之前的90°，这样将更不易于发生触发写入模式的效应。拥有几乎一致的下落时间t3和t4的好处在于不存在对磁场上升时间t1和t2的顺序的额外限制。这样，可以以任何顺序开通磁场，或者也可以几乎同时开通。
参照图4-13描述的写入方法，即在此处被称为Savtchenko写入技术，具有高选择性，因为只有在时间t2和t3之间将字电流60和位电流70都开通才能够切换MRAM器件的状态。该特征图解于图12与13中，图10是展示当字电流60不开通而位电流70开通的时候，用于MRAM器件72中的脉冲序列600的定时图。图11是展示MRAM器件72的状态的相应表现行为的矢量图。在时间点t0处，如同净磁矩40，磁矩53和58如图3中的那样取向。在脉冲序列600中，在时间点t1处开通位电流70。在该时间期间，HD90将导致净磁矩40以正x方向定向。
由于从不开通字电流60，磁矩53和58从不穿过其各向异性场难磁化轴失稳点而旋转。其结果是，当在时间点t3处关闭位电流70时，磁矩53和58将各自重新取向于最近的优选方向，这就是时间t0处的初始方向。由此，MRAM器件72的状态未被切换。应当理解，如果在如上所述的类似时间点处打开字电流60，而不打开位电流70，则会取得相同的结果。此外，应当理解，即使同时开通强度不变的字电流60和位电流70，也将取得相同的结果。该特点保证了在一个阵列中只有一个MRAM器件将被切换，而同时其它的器件将保持其初始状态。其结果是避免了不期望的切换，位元的错误率被最小化了。这样，在类似于用于参照图2和3描述的MRAM器件71的方法中，对于施加磁场有一个值域，在该值域中，可以保证位元磁矩不会从一个稳定的极化旋转到位元易磁化轴59中的另一个。该值域对应于参照图4描述的磁场区域92，尽管应当理解的是，由于制造的差别，市场上得到的MRAM的非切换磁场区域的大小将略微小于对于一个器件而进行模拟的磁场区域的演示尺寸。
MRAM器件72的一个重大性能特征是功率用来在其中写入信息，且该功率直接与切换所需的磁场强度(此处也称之为“翻转磁场”)相关。应当理解的是，致使近似平衡SAF的磁性材料翻转所需的施加磁场的强度由SAF结构的各向异性场(位元磁性区15)和SAF结构的饱和场(图4中未示出)决定。这些参数依次是工程学确定的结果，它是在MRAM器件72的设计阶段制定的，以优化MRAM的制造和性能的许多方面。对于特定的磁场分量之间的关系(比如HW＝HD)，启动磁矩的翻转所需的翻转磁场通常由Hflop＝sqrt(Hk＊Hsat)来建立模型，其中Hflop是在触发模式下切换所需的磁场强度，Hk是各向异性场，而Hsat是SAF结构的饱和场。然而，按照本发明的优选实施例，在MRAM器件72的制造阶段形成的在MRAM器件72内分散的小区域，这里称之为“弱耦合区(WCR)”，克服了在样品中的剩余部分出现的反铁磁耦合，在大大小于Hsat的磁场下饱和且变为铁磁排列。这些区域致使Hflop减小，通过对一些样品的测量，该减小量大约为由上面公式给出的量的50％。应当理解，这种减小使MRAM阵列的功耗也可观地减少，因此它正是一种迫切期望的功用。除了具有一个减小量可测量的翻转磁场(当与传统模型相比较时)，WCR的特征还在于外推的剩磁，在不是如下所述地形成的近似平衡SAF结构中，其不存在。
参见图12，图中示出了近似平衡合成反铁磁结构的两个样品的归一化磁矩相对于沿着易磁化轴的施加磁场的测绘曲线；一个例子是以传统方式制造的，此处称之为传统SAF，而另一个是按照本发明的优选实施例制造的。它们是大块样品，其中SAF由NiFe的铁磁层和一种反铁磁交换耦合材料Ru构成。该结构的各向异性场为5Oe。曲线1405是按传统方式制造的样品的归一化磁矩相对于施加磁场的测绘曲线。在图13中，曲线1405的小磁场表现更好，图13是图12的中间部分的放大图。可以看到，随着磁场从零磁场增大，起始磁矩不改变。这对应于在该磁场范围内样品的磁化状态不改变。当磁场到达1435，即大约35Oe的磁场值大小时，该样品的净磁矩发生了突然改变。这对应于前面提到的SAF翻转，且在该点的磁场值Hflop1称为翻转磁场。两个层的磁矩基本上是反平行的，但此时取向于与施加磁场方向成90度。随着施加磁场的进一步增强，出现有一个线性区，这对应于随着每个磁矩都更加指向于施加磁场的方向，两个层的磁矩之间的角度的减小。当施加磁场达到施加磁场1425的值时，两个磁矩都指向施加磁场的方向，该样品磁矩饱和。该样品的该值大约为255Oe。可见，Hk(5Oe)、Hsat(255Oe)和翻转磁场Hflop1(35Oe)的这些值与上述模型取得了良好的一致性；35约等于sqrt(5＊255)。图12和13中还展示了随着磁场向零磁场1415的返回，磁矩的线性响应的外推。对于传统SAF 1405，外推的值在零磁场处为零。
在图12和13中展示的测绘曲线1410是按照本发明的优选实施例制造的SAF样品的归一化磁矩相对于施加磁场的曲线。在退火后它和上面提到的样品是一样的。参见图13，可以看到，在施加磁场接近零处的曲线的小磁场部分，曲线1410具有相似的表现。按照本发明的优选实施例制造的SAF结构的零磁场表现与按照传统方式制造的SAF相同；在零磁场下，该样品完全是反铁磁耦合的。由于读取是在零磁场下执行的，按照本发明的优选实施例制造的SAF结构与按照传统方式制造的SAF具有相同的零磁场表现是极其有利的。然而，应当了解，发生磁矩翻转的施加磁场的值(强度)1440，即Hflop2，接近以传统方式制造的SAF样品的翻转磁场1435(约35奥斯特)，Hflop1的一半(约18奥斯特)。此外，对于按照本发明的优选实施例制造的SAF样品，曲线1410展示了磁矩在约208奥斯特的施加磁场1430，Hsat2处达到饱和。不像上述的传统SAF，在Hk(5Oe)、Hsat(208Oe)和翻转磁场Hflop2(18Oe)这些值之间没有一致性。18不等于sqrt(5＊208)。具有相同各向异性场和SAF饱和场的按照本发明的优选实施例制造的样品的翻转磁场减小了，并由此减小了用于写入信息的功率。
在图12和13中还展示了曲线1410的线性部分的外推1420，当施加磁场是零的时候，其在纵向的归一化磁矩的轴上约为0.12。该交点在此处称为外推剩磁。WCR发生了按照本发明的优选实施例制造的近似平衡(SAF)样品所呈现的外推剩磁。不受理论的束缚，可以确信在零磁场下，SAF的这些弱耦合区域维持铁磁层之间的反平行排列，从而表现出与传统SAF相似的形式。这最可能是由于这些区域与周围的铁磁材料之间的交换耦合，其仍旧表现着强烈的反平行耦合。然而在低于传统翻转磁场的磁场下，该WCR饱和成为铁磁排列。这可由具有WCR的SAF在翻转转变之后的磁矩比没有WCR的有更大的增加得到证明。该WCR饱和的磁场与SAF的减小的翻转磁场相符合。可以相信，在这些WCR中的磁化改变导致了整个样品的翻转磁场的减小。从介于具有WCR和不具有WCR的SAF之间的剩余磁滞回线的磁矩与施加磁场的相同线性关系可以推导出WCR的饱和场。通过这种理论，WCR增加磁矩直到完成翻转(饱和)，接着该样品的仍旧呈反铁磁耦合的剩余区域对磁场呈现出与达到饱和前相似的响应。将该线性区反推到零磁场，提供了一种量化样品的这些WCR中包含的磁矩的方法，并且定义了上述外延剩磁。对于该样品，该区域形成了整个区域的大约12％。传统的SAF的外推剩磁将是零，因为这种SAF不拥有任何易饱和的WCR。X射线衍线的证据支持了这样一种观点，即这些区域并非是结构显著破坏的结果，而是两个铁磁层之间的弱化的耦合得以扩展的薄点(thin point)。当将具有WCR的SAF与没有WCR的SAF比较时，在翻转之后的线性区的相似表现也支持了在样品的大部分中没有显著变化的观点；它表现相同，并支持了在翻转期间增加的磁矩中存有差异的理论。根据实验，形成这些区域而在SAF中不提供显著且真正的剩磁，样品面积的百分比的上边界约为20％。如果SAF结构在比本发明的实施例中使用的温度更高的温度下进行了退火，这些区域会生长，并且甚至在零磁场处保持铁磁耦合。伴随着这种高温退火，铁磁层间形成了物理桥，打破了围绕于接触点的区域中的反平行耦合，并导致真正的(并非外推的)剩磁。
参见图14，显示了按照本发明形成的SAF结构15在制造后的一个部分的透视图。如上所述，分散的区域1610在此被称为弱耦合区(WCR)。呈现出任何非零外推剩磁的SAF结构是按照本发明形成的拥有WCR的SAF。此外，呈现出从上面给出的模型预计的值显著减小的翻转磁场的SAF是按照本发明形成的拥有WCR的SAF。
按照本发明的优选实施例，通过对近似平衡SAF结构进行退火形成了分散区域1610，该近似平衡SAF是利用传统沉积技术制造的，具有铁磁层和厚度基本均一(但不一定是相等)的反平行耦合层。这种处理不显著改变近似平衡SAF的层45、55、65的标称厚度。对于特定的材料系列和SAF结构的尺寸参数，退火处理的温度和持续时间通过实验确定，以通过减小翻转磁场来优化WCR的功用，同时防止永久剩磁。
根据本发明的另一个实施例，一种形成WCR的方法是制造多个层的反平行耦合层。这些层可以是不同的材料，并可以包括反铁磁交换耦合材料和间隔材料中的一种或两种，如上所述。这些层沉积的方式由实验来确定，以通过减小翻转磁场来优化WCR的功用，同时防止永久剩磁。
根据本发明的另一个实施例，可以沉积一个非常薄且均一的反铁磁交换耦合材料层，紧跟着它的是另一个反铁磁交换耦合材料层，后者的材料是以引入由实验确定的厚度变化的方式选择和沉积的，以得到优化的结果。挑选该材料和沉积参数来优化期望的结果。
根据本发明的另一个实施例，通过共同沉积一种间隔材料和反铁磁交换材料来形成WCR，以便在整个样品中分散有耦合减小的区域。该间隔材料会不混溶于使用的交换层，以此提供在整个样品中分散的更大的耦合减小的区域。选择材料和沉积参数来优选所期望的结果。
根据本发明的再一个实施例，一种形成WCR的方法是通过沉积一个第一铁磁层，然后使用任何公知技术，如蚀刻或研磨，来粗造化该铁磁层的表面；接着沉积反平行耦合层及一个第二铁磁层。该第一铁磁层还可以被处理成在反铁磁耦合层中引入三维岛状生长。
如此处所述的存储系统450，550可被包含于复杂的单片机系统中，该系统例如包括基本完整的蜂窝式无线电话台；或被包含于微处理器中，该微处理器用于各种各样的电子设备中，其包括便携式音乐播放器到汽车的很大范围内的消费类产品、像无线通讯台和通信控制系统等军用产品、以及商用设备，该设备从极为复杂的计算机到机器人、单片检测设备、乃至只要叫得出名字的电子设备的类型和种类。
参见图15，流程图中展示了制造一个SAF结构的工艺的某些步骤，利用本公开文本中说明的技术，该SAF结构可被用于磁电阻隧道结存储单元，一些步骤已在上文中描述，而可由本领域普通技术人员显而易见地获知的步骤未在此图中显示，但在SAF结构的制造中会用到。在步骤1710中，在一个基板上沉积一个第一铁磁层55(图2)，该基板例如是一个用于多个集成电路的基板，每个电路包括一个磁电阻隧道结存储单元的阵列，通过一个可电寻址的导体矩阵来访问该存储单元以进行读出和写入。或者该基板是通过移动读取/写入头来访问以进行读取和写入的存储器(像盘驱动器)的基板。该基板可以在步骤1710前就已经在其上形成有压纹层。在步骤1715，在该第一铁磁层上沉积一个反平行耦合层65(图2)。在步骤1720中，在反平行耦合层65上沉积一个第二铁磁层45(图2)。并且在步骤1725中，在反铁磁交换耦合层中形成WCR 1610(图14)。通过退火形成WCR1610，如步骤1730所示；或者通过在制造有粗造表面的第一铁磁层上沉积反平行耦合层，如步骤1735所示；或者通过第一铁磁层上的反平行耦合层的多层沉积，如步骤1740所示；或通过在第一铁磁层上形成作为间隔层与交换耦合材料的合金的反平行耦合，例如通过共同沉积间隔层和交换耦合材料，如步骤1745所示。层被沉积之后，通过退火形成WCR可以在任何点发生。WCR也可使用参照各种步骤描述的方法的组合来形成。磁电阻隧道结存储单元SAF的特征可以在于几个方面，包括方框1830中示出的翻转磁场的值显著低于该结构的各向异性场和SAF饱和场的积的平方根的特征、或者方框1835中示出的归一化的外推剩磁大于零的特征。
应当理解，在此描述的独特的SAF结构在用Savtchenko写入技术的存储单元(或为隧道形存储单元，或为非隧道型存储单元)中是优良的，而在其它重视低切换场的磁电子器件中，在此描述的SAF结构也是同样有用的。
在前面的说明书部分中，本发明及其功用与优点已参照特殊实施例加以说明。然而，本领域普通技术人员了解，在不背离本发明的范围的情况下，可以进行各种改进和变化。据此，说明书及附图应当被认为是出于解释的目的，而不是限定的目的，且所有的这种改进都应包括在本发明的范围内。功用、优点、问题的解决途径，以及任何可能导致功用、优点或解决途径得以表现或变得更加明解的因素并不应当被认为是任何或所有权利要求的关键的、必要的或本质的特征或因素。
此处所使用的术语“包括”、“包含”或类似的词句意在覆盖一个非排它的组合体，以便含有一系列元素的工艺、方法、物品或装置不止包括所述的那些元素，而可以包括未明确列出的或从属于这些工艺、方法、物品或装置的其它元素。

Claims (45)

1.一种磁电子存储器件，包括：
一个合成反铁磁结构，包括
两个铁磁层，这两个铁磁层中磁矩的净磁矩差小于15％，及
一个分隔这两个铁磁层并且其中具有弱耦合区域即WCR的反平行耦合层；以及
一个在该合成反铁磁中感应出施加的磁场的构件。
2.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该合成反铁磁结构是一个拥有位元磁矩的位元磁性区，当没有施加磁场时，该位元磁矩在位元易磁化轴上具有极性，该磁电子存储器件进一步包括：
一种设计为形成一个磁电阻隧道阻挡层的电绝缘材料，其中该位元磁性区位于电绝缘材料的一侧；以及
一个位于该电绝缘材料的相对一侧的参考磁性区，其中该电绝缘材料以及该位元和参考磁性区形成一个磁电阻隧道结器件即MTJD。
3.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中两个铁磁层中的每一层都包括Ni，Fe，Co，Mn中的至少一种元素或它们的组合。
4.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中反平行耦合层包括Ru，Os，Re，Cr，Rh，Cu，Nb，Mo，Ta，W，Ir，V中的至少一种元素或它们的组合。
5.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该反平行耦合层包括绝缘体或导体。
6.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该合成反铁磁结构具有在1至5的范围内的长宽比。
7.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该两个铁磁层具有在5至150埃范围内的厚度。
8.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该反平行耦合层具有在3至30埃范围内的标称厚度。
9.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该合成反铁磁结构包括由反平行耦合层相互隔开的N个铁磁层，该N个铁磁层包括所述两个铁磁层，其中N是大于或等于2的整数。
10.如权利要求9所述的磁电子存储器件，其中该反平行耦合层中的至少一层包括Ru，Os，Re，Cr，Rh，Cu，Nb，Mo，Ta，W，Ir，V中的至少一种元素或它们的组合。
11.如权利要求9所述的磁电子存储器件，其中该反平行耦合层中的至少一层包括绝缘体或导体。
12.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该WCR是通过退火形成的。
13.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该WCR是其中两个铁磁层被相互铁磁耦合的区域。
14.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该WCR包括一种交换耦合材料和间隔材料的合金。
15.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该WCR是通过反平行耦合层的多层沉积形成的。
16.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中该合成反铁磁结构的归一化外推剩磁大于零。
17.如权利要求1所述的磁电子存储器件，其中翻转磁场值小于该合成反铁磁结构的各向异性场和饱和场的乘积的平方根。
18.一种制造合成反铁磁结构的工艺，该结构拥有一个合成反铁磁结构的位元磁性区，该工艺包括：
沉积一个第一铁磁层；
在该第一铁磁层之上沉积一个反平行耦合层；
在该反平行耦合层上沉积一个第二铁磁层，其中这两个铁磁层中磁矩的净磁矩差小于15％；以及
在该反平行耦合层内形成弱耦合区域即WCR。
19.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中该WCR的形成获得了一个大于零的归一化外推剩磁。
20.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，进一步包括确定翻转磁场的值，其中执行该WCR的形成，直到翻转磁场的值小于第一与第二铁磁层的各向异性场和合成反铁磁饱和场的乘积的平方根。
21.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，进一步包括对该反平行耦合层进行退火来形成该WCR。
22.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中该WCR的形成进一步包括：在反平行耦合层的沉积期间，沉积反铁磁交换耦合材料和间隔材料的交替层。
23.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，进一步包括粗糙化该第一铁磁层的表面，其中由于该被粗糙化的第一铁磁层表面，该WCR的形成发生在该反平行耦合层的沉积期间。
24.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中该反平行耦合层的沉积包括沉积一种交换耦合材料和间隔材料的合金，在该合金沉积期间形成该反平行耦合层。
25.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中该WCR的形成包括在反平行耦合层的沉积期间使用高温。
26.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中该第一铁磁层的沉积包括沉积第一种材料，且该第二铁磁层的沉积包括沉积该第一种材料。
27.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中第一和第二铁磁层的沉积都包括沉积由Ni，Fe，Co中的至少一种元素或它们的组合。
28.如权利要求18所述的制造磁电阻隧道结存储单元的工艺，其中该反平行耦合层的沉积包括沉积Ru，Os，Re，Cr，Rh，Cu，Nb，Mo，Ta，W，Ir，V中的至少一种元素或它们的组合。
29.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中该反平行耦合层的沉积包括沉积绝缘体或导体。
30.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，进一步包括图形化该位元磁性区以具有在1至5的范围内的长宽比。
31.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中在该位元磁性区中沉积该第一和第二铁磁层获得不大于15％的净磁矩差。
32.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中在该位元磁性区中沉积该第一和第二铁磁层获得5至150埃范围内的厚度。
33.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中进行该反平行耦合层的沉积，直到该反平行耦合层拥有在3至30埃范围内的标称厚度。
34.如权利要求18所述的制造合成反铁磁结构的工艺，进一步包括沉积由反平行耦合层相互隔开的附加的铁磁层。
35.如权利要求34所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中该由反平行耦合层相互隔开的附加铁磁层的沉积包括使用Ru，Os，Re，Cr，Rh，Cu，Nb，Mo，Ta，W，Ir，V中的至少一种元素或它们的组合来沉积附加的反平行耦合层。
36.如权利要求34所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中该由反平行耦合层相互隔开的附加铁磁层的沉积包括使用绝缘体或导体材料来沉积每一个附加反平行耦合层。
37.如权利要求34所述的制造合成反铁磁结构的工艺，其中该由反平行耦合层相互隔开的附加铁磁层的沉积包括取得不超过15％的净磁矩不平衡性。
38.一种磁电子器件，包括：
至少一个写入线；和
一个合成的反铁磁结构，包括：
两个铁磁层，这两个铁磁层中磁矩的净磁矩差小于15％，及
一个分隔这两个铁磁层并且其中具有弱耦合区域即WCR的反平行耦合层。
39.一种磁电阻存储单元，包括：
一个合成的反铁磁结构，包括：
两个铁磁层，这两个铁磁层中磁矩的净磁矩差小于15％，及
一个分隔这两个铁磁层并且其中具有弱耦合区域即WCR的反平行耦合层；以及
一个在该合成反铁磁结构中感应出施加磁场的构件。
40.如权利要求39所述的磁电阻存储单元，其中该磁电阻存储单元是一个集成电路的多个磁电阻存储单元中的一个。
41.如权利要求39所述的磁电阻存储单元，其中该合成反铁磁结构的归一化外推剩磁大于零。
42.如权利要求39所述的磁电阻存储单元，其中翻转磁场的值低于该合成反铁磁结构的各向异性场和饱和场的乘积的平方根。
43.一种合成反铁磁结构，包括：
两个铁磁层；和
一个分隔该两个铁磁层并其中具有弱耦合区即WCR的反平行耦合层，其中该两个铁磁层中磁矩的净磁矩差不大于15％。
44.如权利要求43的合成反铁磁结构，其中该合成反铁磁结构的归一化外推剩磁大于零。
45.如权利要求43的合成反铁磁结构，其中翻转磁场的值低于该合成反铁磁结构的各向异性场和饱和场的乘积的平方根。
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