CN1617258A - 磁性隧道结单元及磁性随机存取存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了磁性隧道结单元及磁性随机存取存储器。磁性隧道结(MTJ)单元包括具有低磁矩的自由磁层，磁性随机存取存储器(MRAM)包括MTJ单元。MRAM的MTJ单元包括：下电极；和顺序地堆叠在下电极上的下磁层、隧道层、上磁层和上电极。上磁层包括厚度为5nm或更小的自由磁层。MTJ单元的纵横比可以是2或更小，自由磁层的磁矩可以是800emu/cm3或更小。

Description

磁性隧道结单元及磁性随机存取存储器
技术领域
本发明涉及半导体存储器，尤其涉及一种具有低磁矩自由磁层的磁性隧道结(MTJ)单元及具有该磁性隧道结单元的磁性随机存取存储器(MRAM)。
背景技术
磁性随机存取存储器(MRAM)包括晶体管和存储数据的磁性隧道结(MTJ)单元。MTJ单元的磁致电阻(MR)比率依据上下堆叠的磁层的磁极化方向而变化。MRAM是一种利用这些MTJ单元的特性来写数据的存储设备。
为从MRAM中准确地读出数据，优选的是MRAM具有尽可能大的感应极限(sensing margin)。所述感应极限通常由MTJ单元的MR比率来决定。
为了提高MTJ单元的MR比率，必须确保MTJ单元的稳定性和一致性。为了达到这个目的，MTJ单元的隧道氧化层必须具有均匀的厚度，并且必须首先建立稳定的制造过程。
此外，MRAM必须确保选择性，也就是说，在选择所选的MTJ单元的操作过程中，一定不能影响邻近于所选MTJ单元的其他MTJ单元。然而，在已知的MRAM(下文中，指的是传统的MRAM)情况下，已经报告有异常现象发生，例如在向MTJ单元写数据或从MTJ单元读数据的操作过程中，有边缘钉压(edge pinning)和涡流钉压(vortex pinning)。
由于这些现象，在数据读/写操作过程中需要更大的反转场(switchingfield)。因此，这里将存在失效位，也就是，在数据读/写操作过程中，MTJ单元不被正常的反转场反转。所述失效位产生的原因是因为MTJ单元没有在正常的反转场里反转。
图1示出了在传统MTJ单元的数据读/写操作过程中，在自由磁层里发生的边缘钉压，及图2示出了边缘钉压造成的磁滞特性的变化。
图3示出了在传统MTJ单元的数据读/写操作过程中，在自由磁层里发生的涡流钉压，及图4示出了涡流钉压造成的磁滞特性的变化。
在图2和图4中，参考符号“■”是指在提供磁场时的磁滞特性，及参考符号“○”是指当提供的磁场消失时的磁滞特性。
图5示出了传统MRAM的数据写操作过程中的MTJ单元的反转分布，该传统MRAM的自由磁层是由CoFe/NiFe构成，即，CoFe层的厚度为10及NiFe层的厚度为30。在图5中，附图标记C1、C2、C3和C4是指失效位的比率，即，没有在正常的反转场里反转的MTJ单元的比率。
参见图5，没有在正常反转场里反转的MTJ单元在远超出正常反转场(C1、C2、C4)之外的反转场里反转，或是在达到远低于正常反转场(C3)的反转场里反转。
在传统的MRAM情况下，通过将MTJ单元的磁层，尤其是自由磁层(CoFe/NiFe)构成为较薄的层可以提高一体化程度。然而，由于自由磁层比较薄，因此所述自由磁层的磁矩的热稳定性会降低。这就意味着所述MTJ单元不是热稳定的。
发明内容
本发明提供了一种为了提高一体化程度而包括薄的自由磁层的MRAM的MTJ单元。所述MTJ单元没有因边缘钉压或涡流钉压而引发的纠结，并且所述MTJ单元是热稳定的。
并且，本发明提供一种包括所述MTJ单元的MRAM。
根据本发明的一个方面，一种MTJ(磁性隧道结)单元包括：下电极；及顺序地堆叠在下电极上的下磁层、隧道层、上磁层和上电极，其中所述上磁层包括厚度为5nm或更小的自由磁层。
所述自由磁层可以是具有800emu/cm3或更小的磁矩的磁层，或可以是CoFe层和NiFe层的堆叠层。
所述MTJ单元的纵横比可以是2或更小。
所述磁层是磁矩小于400emu/cm3的无定形稀土过渡属复合层、磁矩小于600emu/cm3的无定形过渡金属复合层和FeTb层之一。
所述自由磁层可以进一步包括在所述磁层和隧道层之间形成的过滤层，其中过滤层的磁矩比磁层的磁矩大。
所述下磁层可以包括钉压层(pinning layer)和SAF(合成的抗铁磁性)层的堆叠层。
根据本发明的另一方面，一种MRAM(磁性随机存取存储器)包括：晶体管；连接到该晶体管的MTJ单元；由该晶体管和MTJ单元包围的中间绝缘层；用来将数据写到MTJ单元的数据线，其中MTJ单元的纵横比为2或更小。
MTJ单元可以包括厚度为5nm或更小的自由磁层。
自由磁层可以具有等同于与MTJ单元有关的上述说明的特性。
本发明可以阻止在MTJ单元中发生异常的反转现象，例如边缘钉压和涡流钉压。并且，本发明能降低反转场的强度。
附图说明
通过参照附图来详细的描述示例性实施例，本发明的上述和其它特征及优势将更加明显。
图1示出了在传统MRAM的数据写操作过程中，在MTJ单元的自由磁层里发生的边缘钉压；
图2示出了由图1示出的边缘钉压造成的MTJ单元的磁滞特性的变化；
图3示出了在传统MRAM的数据写操作过程中，在MTJ单元的自由磁层里发生的涡流钉压；
图4示出了由图3示出的涡流钉压造成的MTJ单元的磁滞特性的变化；
图5示出了在传统MRAM的数据写操作过程中，MTJ单元的反转分布；
图6是根据本发明实施例的MRAM的MTJ单元的剖面图；
图7是说明在图6示出的MTJ单元里的自由磁层形成有两个磁层的情况下的剖面图；
图8是说明在图6示出的MTJ单元里的自由磁层形成有两个磁层，及钉压层是由SAF层构成的情况下的剖面图；
图9示出了根据本发明的实施例在MRAM的数据写操作过程中的MTJ单元的反转分布；
图10示出了传统MTJ单元的H-R特性；
图11示出了根据本发明的MTJ单元的H-R特性；及
图12至14示出了根据MTJ单元的纵横比、自由磁层的磁矩和厚度的关系，能够使MTJ单元没有纠结的MTJ单元和自由磁层的条件。
具体实施方式
参照附图，将更加全面的描述本发明，其中示出了本发明的具体实施例。然而，本发明可以以多种不同形式体现，并且不限制在本文所提出的实施例中；此外，提出这些实施例以使公开全面和完整，并会将本发明的原理充分地传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚而将层的厚度和区域扩大了。附图中相同的标记代表相同的元件，因此省略了对它们的描述。
图6是根据本发明实施例的MRAM的MTJ单元的剖视图。
参见图6，根据本发明的MTJ单元包括连接到开关元件(例如晶体管)的衬垫导电层10(在下文中称为下电极层)。下电极层10可以是钽(Ta)电极或一氮化钛(TiN)电极。另外，根据本发明的MTJ单元包括顺序地堆叠在下电极10之上的子晶层12、钉压层(pinning layer)14、固定层(pinned layer)16、隧道层18、自由磁层20及盖层22。上电极(未图示)堆叠在盖层22之上。所述子晶层12可以是无定形金属层、钌(Ru)层或镍铁(NiFe)层。所述钉压层14可以是抗铁磁层，例如是铱镁(IrMn)层或是铂镁(PtMn)层。固定层16可以是单层或包括多个材料层。在固定层16包括多个材料层的情况下，固定层16可以是如图8所示的合成的抗铁磁性(SAF)层，通过依次堆叠第一固定层16a、中间层16b及第二固定层16c来构成该固定层16。第一固定层16a可以是抗铁磁层，例如是钴铁(CoFe)层。中间层可以是金属层，例如是钌(Ru)层。第二固定层16c可以是抗铁磁层，例如是钴铁(CoFe)层。
所述隧道层18可以是具有预定厚度的氧化层，例如厚度为15的氧化铝(AlOx)层。自由磁层20可以是具有预定磁矩的预定厚度的材料层，例如厚度是5nm或更小、磁矩是800emu/cm3或更小的无定形材料层。具有磁矩为800emu/cm3或更小的无定形材料层可以分成第一无定形复合层和第二无定形复合层。优选的是，第一无定形复合层是磁矩小于400emu/cm3的无定形稀土过渡金属复合层，但这第一无定形复合层也可以是其它材料层。优选的是，第二无定形复合层是磁矩小于600emu/cm3的无定形过渡金属复合层，但这第二无定形复合层也可以是其它材料层。例如，无定形稀土过渡金属复合层可以是钴铽(CoTb)层，及所述无定形过渡金属复合层可以是钴锆化合物(CoZrX)。这里的“X”可以是铽(Tb)或铌(Nb)。
除了无定形复合层之外，铁铽(FeTb)层也可以用作自由磁层20。如果满足上述厚度，也可以使用包括钴铁(CoFe)层和镍铁(NiFe)层的材料层。在包括钴铁(CoFe)层和镍铁(NiFe)层的材料层的情况下，自由磁层20可以是厚度为3的CoFe层和厚度为30的NiFe层的堆叠层，或是厚度为5的CoFe层和厚度为30的NiFe层的堆叠层。
尽管自由磁层20可以是单层，但如果考虑到如图7和8所示的MR比率的增加，自由磁层20也优选为双层。
参见图7，自由磁层20包括顺序堆叠的第一和第二磁层20a和20b。第一磁层20a是增加自由磁层20的MR比率的过滤层。第一磁层20a可以是具有大极化率的铁磁层，例如是钴铁(CoFe)层。第二磁层20b可以是磁矩为800emu/cm3或更小的无定形材料层。即使当自由磁层20形成有第一和第二磁层20a和20b时，自由磁层20的总厚度优选为5nm或更小。
堆叠在自由磁层20上的盖层22是在蚀刻工艺中用来保护所述自由磁层20的层。盖层22可以是钌(Ru)层。
现在将描述根据本发明的MTJ单元的特性。
图9示出了根据本发明MTJ单元的阵列中的失效位的出现率，其中MTJ单元包括形成有厚度为5的CoFe层和厚度为30的NiFe层的自由磁层。
对比图5和图9，可以看出包括根据本发明MTJ单元的阵列中的失效位的出现率较少。这就意味着根据本发明MTJ单元的大部分都正常转变了。
图10和11分别示出了根据现有技术和本发明的MTJ单元的H-R特征曲线。图10中，附图标记P1和P2是指H-R特征曲线的畸变部分，这些畸变是由涡流钉压造成的；及附图标记P3是H-R特征曲线的畸变部分，该畸变是由边缘钉压造成的。
对比图10和11可以看出，图10中的畸变部分P1、P2和P3没有在图11中出现。这种结果表明根据本发明的MTJ单元没有由边缘钉压或涡流钉压造成的纠结。
图12和图14示出了MTJ单元的纵横比(AR)、自由磁层的厚度及MTJ单元的纠结的相互关系。在图12至14，附图标记A1是指没有纠结的区域，及附图标记A2是指具有纠结的区域。
参加图12，在MTJ单元的纵横比是“1”的情况下，如果自由磁层的厚度为5nm并且磁矩(Ms)为800emu/cm3，则所述MTJ单元没有纠结。而且，当自由磁层较薄的时候，例如厚度是3nm或更小，即使是在自由磁层的磁矩(Ms)为1000emu/cm3或更多的时候，所述MTJ单元也可以没有纠结。
参见图13，在MTJ单元的纵横比为“1.5”的情况下，也同样可以提供上述趋向。
图14示出了在MTJ单元的纵横比为“2”的情况下，使MTJ单元没有纠结的条件。
参见图14可以看出，在自由磁层的厚度大于5nm的情况下，所述MTJ单元不会没有纠结。
从图12至图14的结果可以得知，为了让图6至图8的MTJ单元没有纠结，优选的是自由磁层20由具有上述厚度和磁矩的材料层构成。并且，优选MTJ单元的纵横比是2或更小。
同时，根据本发明的MRAM可以包括形成于基片上的典型的晶体管(例如，场效应晶体管(FET))，连接到所述晶体管的图6、7或8中的MTJ单元，及他们包围的中间绝缘层。根据本发明的MRAM也可以包括用来将数据写入MTJ单元的数据线。
由于以上描述了MTJ单元，并且其它部件都是公知的，因此省略对根据本发明的MRAM的结构描述。
如上所述，根据本发明的MRAM的MTJ单元纵横比为2。而且，所述MTJ单元包括由厚度为5nm或更少及磁矩为800emu/cm3或更少的无定形复合层构成的自由磁层。因此，在使用根据本发明的MRAM的MTJ单元的情况下，通过构成较薄的自由磁层，可以增加一体化程度。此外，可以确保热稳定性并可使MTJ单元没有纠结。而且，由于自由磁层具有小的磁矩，反转场的强度也可以降低。
如果满足上述厚度和磁矩的条件，自由磁层可以由其它材料层来构成。而且自由磁层可以由三层构成。
虽然已参照最佳实施例详细的示出了本发明，然而，本领域的普通技术人员可以理解的是，在不脱离以下权利要求所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上作出各种变化。

Claims (15)

1.一种磁性隧道结单元，包括：
下电极；及
顺序地堆叠在下电极上的下磁层、隧道层、上磁层及上电极，
其中上磁层包括厚度为5nm或更小的自由磁层。
2.如权利要求1所述的磁性隧道结单元，其中所述自由磁层是磁矩为800emu/cm3或更小的磁层。
3.如权利要求1或2所述的磁性隧道结单元，其中磁性隧道结单元的纵横比为2或更小。
4.如权利要求2所述的磁性隧道结单元，其中所述磁层是具有小于400emu/cm3的磁矩的无定形稀土过渡金属复合层、具有小于600emu/cm3的磁矩的无定形过渡金属复合层和FeTb层之一。
5.如权利要求1所述的磁性隧道结单元，其中所述自由磁层包括顺序堆叠的CoFe层和NiFe层。
6.如权利要求2所述的磁性隧道结单元，其中所述自由磁层进一步包括在所述磁层和所述隧道层之间形成的过滤层，所述过滤层的磁矩大于所述磁层的磁矩。
7.如权利要求6所述的磁性隧道结单元，其中所述过滤层是CoFe层。
8.如权利要求1所述的磁性隧道结单元，其中所述下磁层包括钉压层和合成的抗铁磁层的堆叠层。
9.一种磁性随机存取存储器，包括：
晶体管；
连接至所述晶体管的磁性隧道结单元；及
包围所述晶体管和所述磁性隧道结单元的中间绝缘层，
其中所述磁性隧道结单元的纵横比为2或更小。
10.如权利要求9所述的磁性随机存取存储器，其中所述磁性隧道结单元包括厚度为5nm或更小的自由磁层。
11.如权利要求10所述的磁性随机存取存储器，其中所述自由磁层是磁矩为800emu/cm3或更小的磁层。
12.如权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其中所述磁层是具有小于400emu/cm3的磁矩的无定形稀土过渡金属复合层、具有小于600emu/cm3的磁矩的无定形过渡金属复合层和FeTb层之一。
13.如权利要求10所述的磁性随机存取存储器，其中所述自由磁层是CoFe层和NiFe层的堆叠层。
14.如权利要求11所述的磁性随机存取存储器，其中所述自由磁层进一步包括磁矩大于所述磁层的过滤层。
15.如权利要求14所述的磁性随机存取存储器，其中所述过滤层是CoFe层。
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