CN101136451A

CN101136451A - 使用电感转换的磁随机存取存储器装置

Info

Publication number: CN101136451A
Application number: CNA2007101478364A
Authority: CN
Inventors: 金恩植; 鲜于国贤; 李成喆
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2008-03-05
Also published as: US7778067B2; KR100763921B1; US20080055789A1; JP2008060583A

Abstract

提供一种使用电感转换(CID)方法的磁存储器装置。所述使用CID方法的磁存储器装置包括：下部电极；磁阻结构，在下部电极上形成并包括两个边的宽度变化的自由层；以及上部电极，在磁阻结构上形成。

Description

使用电感转换的磁随机存取存储器装置

技术领域

本发明涉及一种磁随机存取存储器装置，具体说，涉及一种使用电感转换(CID)方法的磁随机存取存储器装置。

背景技术

随着信息产业的发展，会需要大量信息处理。因此，对可存储大量信息的数据存储介质的需求持续增加。由于这些增加的需求，进行了关于具有更高的数据存储速度的更小的信息存储介质的研究，结果，研发了各种类型的信息存储设备。

信息存储设备可划分为易失性信息存储设备和非易失性信息存储设备。在易失性信息存储设备的情况下，当关闭电源时所有记录的信息会被擦除。然而，易失性信息存储设备可具有更高信息记录和/或再现速度。在非易失性信息存储设备的情况下，即使关闭电源也不会擦除记录的信息。

易失性信息存储设备的示例为动态随机存取存储器(DRAM)装置。非易失性信息存储设备的示例可包括硬盘驱动(HDD)和随机存取存储器(RAM)装置。

图1A是作为现有技术的非易失性信息存储设备的示例的磁随机存取存储器(MRAM)的横截面图。

参照图1A，可在可电连接到晶体管10的基极12之上形成磁阻结构14。可在相应于磁阻结构14的区域中在基极12的下侧形成第一导线16a。可在磁阻结构14上形成第二导线16b。在现有技术MRAM中，为了记录信息，磁场可被施加到磁阻结构14以将磁阻结构的磁性材料磁化为两个存储器状态中的一个。

例如，当电流流过第一导线16a或第二导线16b时，可在第一导线16a或第二导线16b周围产生磁场。产生的磁场可确定磁阻结构14的自由层104的磁化方向，并因此可记录信息。磁阻结构14可包括：反铁磁性层101；固定层102，其磁化方向由反铁磁性层101固定；非磁性层103，在固定层102上形成；和/或自由层，在非磁性103上形成，并且它的磁化方向可反转。

使用磁场以转换期望的存储单元(memory cell)方向的存储器装置具有以下问题中的一个或多个。

首先，当减少单元格的大小以实现高密度存储器装置时，可增加自由层104的矫顽力(coercivity)，从而增加存储器装置的转换区域。因此，将被应用于存储器装置的电流的磁场必须更大。其次，在包括多个存储单元的存储器装置中，磁场可影响第一导线16a和第二导线16b周围的存储单元，并且还可转换不期望的存储单元。结果，在使用磁转换方法的磁存储器装置中，在确保选择性和高密度性方面具有困难。为处理上述问题，研究了使用电感转换(CID)方法的磁存储器装置。

图1B是使用CID方法的现有技术的存储器装置的透视图。参照图1B，可在电连接到晶体管10的下部电极17上依次形成磁阻结构14和上部电极18。在相应于下部电极17的磁阻结构14上可依次形成反铁磁性层101、由反铁磁性层101固定其磁化方向的固定层102、非磁性层103和/或在非磁性层103上形成并且其磁化方向可反转的自由层104。

在图1B的CID方法中，可通过将按照一个方向极化其旋转的电流通过下部电极17施加到磁阻结构14并通过使用电子的旋转转移直接将自由层104转换为期望的方向。

该方法有利于实现高密度，因为随单元大小的减小，可减少所需的电流。使用CID方法的磁存储器装置的问题在于转换所需要的临界电流仍然会很大，很难将其商品化。因此，正在进行用于减少临界电流的研究。

现将描述已经提出的减少临界电流的方法。

第一，极化因数的减小可减小临界电流。随输入的电流的极化因数增大，可减小转换所需要的临界电流。然而，因为极化因数是物质的基本特性，所以极化只可略有增加。第二，提出了一种使用多层结构的方法；然而，该处理较复杂。第三，进行了关于使用半金属(half-metal)的研究，因为众所周知理论上半金属具有较大的极化因数。然而，半金属也很难应用于产品。第四，提出了一种减少剩磁(remanent magnetization)的值和磁层的厚度的方法。然而，由于由单元自身的体积减少引起的超顺磁效应，无法保证记录的信息的稳定性。

发明内容

示例性实施例可提供一种使用CID方法的存储器装置，所述磁存储器装置具有可减小转换存储器装置所需要的临界电流的结构。根据示例性实施例，提供一种使用电感转换方法的磁存储器装置，包括：下部电极；磁阻结构，在下部电极上形成并且磁阻结构具有包含两个边的第一自由层，在宽度方向上两个边之间的距离是变化的；以及上部电极，在磁阻结构上形成。自由层的两个边的宽度可向边的中心凹陷，并且自由层可具有椭圆形结构。

磁阻结构可包括：反铁磁性层，在下部电极上形成；固定层，它的磁化方向由反铁磁性层固定；非磁性层，在固定层上形成；和/或自由层，在非磁性层上形成。或者，磁阻结构可包括：第一自由层，在下部电极上形成；非磁性层，在第一自由层上形成；第二自由层，在非磁性上形成；以及反铁磁性层，在第二自由层之上形成并用于固定第二自由层的磁化方向。第一自由层和第二自由层可包括四个边，其中，具有相互平行的两个边以及宽度变化的两个边。

第一自由层和第二自由层可包括四个边，其中，具有相互平行的两个边以及其宽度向边的中心凹陷的两个边。

附图说明

通过参照附图详细描述示例性实施例，示例性实施例的上述，以及其他特点和优点将会变得更加清楚，其中：

图1A是使用现有技术的磁转换方法的磁随机存取存储器(MRAM)的横截面图；

图1B是使用电感转换(CID)方法的存储器装置的透视图；

图2A是根据示例性实施例的使用CID方法的现有技术的存储器装置的透视图；

图2B是根据示例性实施例的使用CID方法的存储器装置的透视图；

图2C是根据示例性实施例的使用CID方法的磁存储器装置的自由层的平面图；

图3是示出根据具有椭圆形或矩形结构的磁存储器装置的极化常数的改变而改变的转换特征的示例性曲线图；

图4是示出根据具有椭圆形或矩形结构的磁存储器装置的剩磁值而改变的转换特征的示例性曲线图。

具体实施方式

现将参照附图全面描述根据示例性实施例的一种使用电感转换(CID)方法的磁存储器装置。在附图中，为了清楚扩大了层和区的厚度。

在此，公开示例性实施例的详细说明性实施例。然而，在此公开的特定结构性和功能性细节仅代表用于描述示例性实施例的目的。然而，这些示例性实施例可被实现为很多替换的形式，并且不应被解释为局限于在此阐明的示例性实施例。

因此，尽管示例性实施例能够被进行各种修改和替换的形式，但是示例性实施例在附图中以示例的方式被示出，并且在此将被详细描述。然而。应该理解：不具有将示例性实施例局限在公开的具体形式的目的，而相反地，示例性实施例将覆盖落入该示例性实施例的范围内的所有修改、等同物和替换。贯穿附图的描述，相同的标号表示相同部件。

将理解：尽管在此使用第一、第二等术语来描述各种部件，但是这些部件不应该由这些术语局限。这些术语仅用于将部件彼此区分。例如，在不脱离示例性实施例的范围的情况下，第一部件可被称作第二部件，并且类似地，第二部件可被称作第一部件。如在此所用，术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任何和所有结合。

将理解：当提到部件被“连接”或“结合”到另一部件时，可直接连接或结合到某一部件或可以是呈现介入中间的部件。相反，当提到部件被“直接连接”或“直接结合” 到另一部件，则不呈现介入中间部件。用于描述部件之间关系的其它词语应该以相同的方式被解释(例如，“之间”与“直接之间”，“相邻”与“直接相邻”，等)。

在此使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，并且不限制示例性实施例。如在此所用，除非上下文明确指示，否则单数形式“一个”、“所述”还试图包括复数形式。还将理解：当在此使用术语“包括”时，指定一定的特点、整体、步骤、操作、部件和/或组件的存在，但是不排除一个或更多其它特点、整体、步骤、操作、部件、组件和/或它们的组合的存在或增加。

还应注意到在某些可选择的实现中，标注的功能/作用可不按照在附图中标注的顺序发生。例如，顺序示出两幅附图，根据有关的功能/作用事实上可基本同时执行，或者有时按照相反的顺序执行。

在根据示例性实施例的使用CID方法的磁存储器装置中，为减少用于转换自由层所需要的临界电流值，磁存储单元的结构，具体说，自由层的结构不能够以矩形结构形成，而是能够以彼此面向的两个边的宽度变化的结构形成。

图2A是根据示例性实施例的使用CID方法的存储器装置的透视图。

参照图2A，根据示例性实施例使用CID方法的磁存储器装置可包括转换结构，例如，在可电连接到掺杂区(dopant region)(未示出)(诸如，晶体管20的源极和漏极区)的下部电极21上形成磁阻结构22和上部电极23。磁阻结构22可包括：反铁磁性层201；固定层202，其磁化方向可由反铁磁性层固定；非磁性层203和/或自由层204。在根据示例性实施例的使用CID方法的磁存储器装置中，自由层204可具有面向彼此的两个边，并且两个边之间的距离可变化。在图2A中，磁存储器装置可具有四个边，包括相互平行的两个边和向彼此逐渐弯曲以形成凹状的另外两个边。

在示例性实施例中，可由导电材料(诸如，用于磁存储器装置的电极的金属或金属氧化物)形成下部电极21和上部电极23。可由主要包含Mn的合金(诸如，IrMn、FeMn或NiMn)形成反铁磁性层201。可由例如NiFe或CoFe形成磁化方向由反铁磁性层201固定的固定层202。在巨磁电阻(GMR)装置的情况下，非磁性层203可以是由Cu形成的间隔层。在穿隧磁阻(TMR)装置的情况下，非磁性层203可以是由铝氧化物形成的绝缘层。可由铁磁性材料(诸如，NiFe或CoFe)形成可通过电子改变极化方向的自由层204。

图2B是根据示例性实施例的使用CID方法的存储器装置的透视图。在使用CID方法的存储器装置中，例如，磁阻结构22，自由层204可具有宽度向自由层204的中心逐渐增加的结构，从而类似于椭圆形结构。

参照图2B，根据示例性实施例的使用CID方法的存储器装置可包括在可电连接到掺杂区(未示出)(诸如，晶体管20的源极和漏极区)的下部电极21上形成的磁阻结构22和上部电极23。磁阻结构22可包括：反铁磁性层201；固定层202，其磁化方向可由反铁磁性层固定；非磁性层203和自由层204。与图2A的磁存储器装置不同，在图2B中，磁存储器装置可具有彼此面向的宽度逐渐增加的结构。在图2B中，可由用于形成所述层相同的材料形成使用CID方法的存储器装置的层，并且被示出具有与参照图2A描述的标号相同的标号。

图2C是根据示例性实施例的使用CID方法的磁存储器装置的自由层204的平面图。在图2A中，自由层204的两个边的宽度沿两个边的中心逐渐减小。在图2B中，彼此面向的两个边之间的宽度d可沿自由层204的中心逐渐增加。在图C中，自由层204可具有四个边31a、31b、31c和31d，并且可包括相互平行的两个边31a和31b，以及不相互平行的两个边31c和31d。也就是说，不相互平行的两个边31c和31d可具有宽度d，所述宽度d具有这样的形状：宽度d向自由层204的内侧增大并随后减小。也就是说，宽度d可具有通过切断图2A的结构的角落部分而形成的沙漏状。

在图2A和2B中，构成磁存储器装置的层可具有完全相同的形状。然而，在使用CID方法的磁存储器装置中，自由层204可形成彼此面向的边的宽度变化的结构。反铁磁性层201、固定层202和非磁性层203可形成如现有技术中的矩形结构，或可形成与自由层204相似的形状和结构。

在图2A和图2B中，磁阻结构22可具有在下部电极21上形成的反铁磁性层201。还可形成自由层204、非磁性层203、固定层202和反铁磁性曾201依次堆起的结构。磁存储器装置还可包括：缓冲层、下层和上层。

现将描述根据示例性实施例制作使用CID方法的磁存储器装置的处理。

可通过使用现有技术的半导体制造处理(具体说，MRAM制造处理)来形成使用CID方法的磁存储器装置。例如，可这样形成晶体管20：在基底上形成门绝缘层和电极层之后暴露基底的两个边，这样可允许通过掺杂形成源极和漏极。在晶体管20上涂上绝缘材料之后，可形成用于暴露源极和漏极的接触孔。在用导电材料填满接触孔之后，可形成下部电极21。在下部电极21上可依次形成反铁磁性层201、固定层202、非磁性层203和/或自由层204。在以彼此面向的边的宽度变化的形状蚀刻或形成自由层204之后，可在蚀刻的自由层204上形成上部电极23。

图3是示出根据示例性实施例的使用CID方法的磁存储器装置和具有现有技术的矩形结构的磁存储器装置的极化常数的改变而改变的转换特征的仿真结果的示例性曲线图。横轴表示自由层的磁化反转(magnetization inversion)(即，转换自由层所需要的电流)，并且纵轴表示磁化饱和值的归一化值Mx/Ms。

参照图3，比较具有矩形结构的自由层的磁存储器装置的极化常数为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5的抽样(specimens)el(p＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)的所需要的电流与具有椭圆形结构的自由层的磁存储装置的极化常数为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5的抽样el(p＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5)的所需要的电流。如果两个磁存储器装置的极化常数相同，则具有椭圆形结构的自由层的抽样所需要的电流几乎是具有矩形结构的自由层的抽样所需的电流的一半。

图4是示例性实施例的使用CID方法的磁存储器装置和具有现有技术的矩形结构的磁存储器装置的剩磁值的改变而改变的转换特征的仿真结果的示例性曲线图。横轴表示转换自由层所需要的电流。纵轴表示磁化饱和值的标归一化值Mx/Ms。

参照图4，关于具有椭圆形结构的自由层的磁存储器装置和具有矩形结构的自由层的磁存储器装置来计算转换自由层所需要的电流，分别具有剩磁ms为600ems/cc和800ems/cc。而且，具有椭圆形状的自由层的磁存储器装置所需要的电流几乎是具有现有技术的矩形自由层的磁存储器装置的需要的等级的一半。可以看出具有矩形结构且剩磁为800ems/cc的自由层的磁存储器所需要的电流与具有椭圆形结构且剩磁为600ems/cc的自由层的磁存储器所需要的电流相似。

因此，当与具有现有技术的矩形结构的磁存储器装置比较时，根据示例性实施例的磁存储器装置可具有更低的转换自由层所需要的临界电流和/或更高的记录稳定性。

根据示例性实施例的使用CID方法的磁存储器装置可具有一个或更多以下优点。

首先，不同于使用传统CID方法的磁存储器装置，根据示例性实施例使用CID方法的磁存储器装置可通过以自由层的彼此面向的两个边之间的宽度逐渐减小的结构形成磁存储器装置，具有减小用于存储器转换的临界电流和/或增加的记录可靠性。

其次，可使用现有技术的半导体制作处理来制造根据示例性实施例使用CID方法的磁存储器装置，并且因为磁存储器装置具有简单的结构，因此可具有大量生产的优点。

尽管参照附图描述了示例性实施例，但是示例性实施例不应被解释为局限于在此阐明的示例性实施例。例如，本领域技术人员可承认使用CID方法的磁存储器装置的磁阻结构可具有依次形成下部电极、自由层、非磁性层、固定层和反铁磁性层的结构，并且还可包括缓冲层、下层和/或上层。而且，在转换结构中，二极管可代替晶体管使用。而且，在图2A的结构中，也可以改变的宽度来形成相互平行的两个边。因此，示例性实施例的范围不是由示例性实施例的详细描述而是由权利要求限定。

Claims

1.一种磁存储器装置，包括：

磁阻结构，包括第一自由层，其中，第一自由层的两个边之间的距离在宽度方向上改变。

2.如权利要求1所述的磁存储器装置，其中，第一自由层的两个边向边的中心凹陷。

3.如权利要求1所述的磁存储器装置，其中，第一自由层的两个边之间的距离向两个边的中心增大，并且随远离边的中心而减小。

4.如权利要求1所述的磁存储装置，其中，第一自由层的两个边彼此相对，并且向彼此凸起。

5.如权利要求1所述的磁存储装置，其中，第一自由层具有椭圆形结构。

6.如权利要求1所述的磁存储装置，其中，第一自由层具有四个边，包括相互平行的两个边和不相互平行的两个边。

7.如权利要求1所述的磁存储装置，其中，第一自由层具有四个边，包括具有沿两个边的中心减小的宽度的两个边。

8.如权利要求1所述的磁存储装置，其中，第一自由层具有四个边，包括具有向两个边的中心增大并随后随远离两个边的中心而减小的宽度的两个边。

9.如权利要求1所述的磁存储器装置，其中，自由层具有非矩形形状。

10.如权利要求1所述的磁存储器装置，其中，自由层的两个边是彼此的镜像。

11.如权利要求1所述的磁存储器装置，其中，自由层的两个边之间的距离在宽度方向上随两个边的长度变化。

12.如权利要求1所述的磁存储器装置，还包括：

下部电极；

磁阻结构，在下部电极上；以及

上部电极，在磁阻结构上。

13.如权利要求12所述的磁存储器装置，其中，磁阻结构包括：

反铁磁性层，在下部电极上；

固定层，其磁化方向由所述反铁磁性层固定；

非磁性层，在固定层上；以及

第一自由层，在非磁性层上。

14.如权利要求12所述的磁存储器装置，其中，磁阻结构包括：

第一自由层，在下部电极上；

非磁性层，在第一自由层上；

第二自由层，在非磁性层上；以及

反铁磁性层，在第二自由层上并固定第二自由层的磁化方向。

15.如权利要求12所述的磁存储器装置，其中，下部电极、上部电极和磁阻结构层具有与自由层完全相同的形状。

16.如权利要求12所述的磁存储器装置，其中，下部电极、上部电极和磁阻结构层具有与自由层完全不同的形状。