TW200304700A - Method for producing a reference layer and MRAM memory cell provided with such a reference layer - Google Patents

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Description

200304700 五、發明說明（1) 描述 製造參考層之方法及備有此一參考層之MRAM記憶胞 元。 本發明係關於一種製造MRAM記憶胞元之參考層之方 法，尤指一種具有以此方式產生之參考層之MRAM記憶胞 元。 如已知，MARM設計是基於具有TMR(TMR = Tunneling Magnetoresistance，隧道磁致電阻）效應協助之鐵磁儲存 體。所附之圖一表示使用該TMR效應之已知MRAM記憶胞元 之截面圖。此MR AM記憶胞元包括，具有一軟磁層2的層堆 璺’一隨道氧化物層3以及一硬磁或參考層，並位於互相 交叉之一位元線5與一字元線4之間。硬磁層1的磁化方向 (箭號）是預定的，而軟磁層2的磁化方向（雙箭號）可由 MRAM記憶胞元之製造期間於一目標方式中調整。 一因此，本發明之一目的在於指定一種製造MRAM記憶胞 兀之參考層之方法以及備有以此方式製造之參考層之MRAM 記憶胞元，因此該參考層之淨磁化（net magnetizati〇n) 方向以及因此MRAM記憶胞元之全部行為考於一目標方式中 被設定。 ' ^依據本發明，一種達成此目的之製造MRAM記憶胞元之 參考層之方法的特徵在於以下步驟： (A)提供一參考層之層系統，該層系統具有第一居里 點（curie point)。之材料之一第一層，該層可被一外部 Ι^βΠΗί 第5頁 200304700 、發明說明（2) u、琢永久磁化’以及具有第二居里點（curie P〇int)Tc2之 材料之一繁一 JB m 9 矛一層，Tc2低於該第一居里點TV許多，該層可由 反鐵磁地與該第—層耦合而被磁化； (B )產生一外部磁場； (C)該層系統從高於該第一居里點TV之溫度在該外部 、％之作用下被冷卻至低於該第一居里點y，該外部 之強度大於該第一層之飽和場強度，因此該第一層之= 係沿該外部磁場之場方向之第二階相位變遷為方向；以 a 一（D)該層系統接著被冷卻至該第二居里點τ。2之下，該及 第一層之磁化方向由於該第一與該第二層之間的逆磁^ 與该第一層之磁化逆平行（antiparallel)。 而 囚此 同居里點 (artific 加的磁場 第一層的 變遷的方 度。在進 之磁化方 一層之磁 形成一個 為此參考 之反鐵磁 ial anti 中從高於 磁化是在 向，假設 ^^步冷卻 向由於該 化逆平行 人造反鐵 層所提出者為，例如，對稱的，且 地耦合的二層的人造的反鐵磁體 ferromagnet，AAF)。當於一個外部施 第一居里點TV的溫度冷卻時，層系統' 由沿著外部磁場之場方向的第二階相的 外部磁場的強度大於第一層之飽和強仅 至低於第二居里點Tc2的溫度時，第二 第一與該第二層之間的逆磁化而與 。因此，也就是說，該第一層及第二第 磁體（AAF)。 〜層 重要的是在於藉由在第二層的較低居里點Tc2之第一 t 相位變遷而在第二層中產生磁化分佈。於此情況中，^階 在第一層的磁化分佈藉由存在的以反鐵磁耦合的.現 啊a而被
第6頁 200304700 五、發明說明（3) 轉換至該第二層。 如果該第一及第二層之淨磁（飽和磁通量=飽和磁化 X層截面）在每一情況中被對應選擇，可以設定層系統之 淨磁化為0 ’亦即’在所產生之人工反鐵磁體中的磁化因 此應該相對於外部場是很穩定的，只要個別層之間的磁耦 合夠強。 此外，層系統之淨磁化也可於目標控制的方式中被設 定’例如藉由選擇飽和磁化或第二層之層剖面比第一層 小。因此，如果對稱的人工反鐵磁體的優點被省略，其中 該一層具有相同的飽和磁通量，所提供的層結構可被用以 製造一逆人工反鐵磁體。在TMR記憶胞元中，此薄層隨後 與該隧道障礙接觸。可消除存在於慣用結構情況中殘留 3 6 0。牆衰減訊號的問題，因為每一層本質的飽和且因此 沒有任何3 6 0 °牆。 在步驟（C)所獲得之第一層的同質磁化也可藉由中間 層耦合而被轉換至第二層。換句話說，在步驟（A)，提供 一種在第一與第二層之間具有一極薄中間層的層系統。除 此之外，其優點在於，以第一層飽和而沒有3 6 〇。牆 於之第二層中。 以下的材料組合尤其對於所提出之層系統之第一層及 第二層是較好的： (A)第層·（C〇，Fe，Mn)8Q (S i，B)2Q，具有居里點 =485 °C，而第二層：（c〇，Fe，Mo)73(Si，β)27，具有居 ^ 點Tc2 - 2 1 0 C。軟/軟磁化行為整體由此材料組合而達
第7頁 200304700 五、發明說明（4) 成。 (B) 第一層：（Co， Fe)83(Si，B)n，具有居里點T。1 = 415 °C ，而第二層··（Ni， Fe)78(Si， B)22，具有居里點Tc2 = 26(TC。此材料組合使層系統之磁 性變化行為變得 可能。 (C) 第一層：Tb2GFe4GCo4Q，具有居里點T。1 = 40 0 °C，而 第二層：Tb2QFe8Q，具
有居里點Tc2 = 1 50 °C。此材料組合使層系統之鐵磁的 行為變得可能。 中間層的材料可以是釕，銅或金。 第一層與第二層之間的磁耦合係依據中間層的厚度而 定’其選擇必須使反鐵磁搞合發生。 一種由此方法製造之參考層以及備有此參考層之MRAM 記憶胞元具有以下的優點，其特徵在於： --有目標地設定個別層中的磁化分佈； --消除淨磁化或可由飽和磁化及第一層與第二層之厚 度控制之層系統之淨磁化；
--當第一層被冷凍時，地二層的磁化不活動（在T。2之 上）； --藉由所述之中間層麵合之從第一層至第二層之同質 磁化的轉換，除此之外，這具有以第一層飽和而沒有360 °牆發生於之第二層中； --如果對稱的人工反鐵磁體的優點被省略，其中該二
第8頁 200304700 五、發明說明（5) 層具有相同的飽和磁通量’所提供的層結構可被用以製造 一逆人工反鐵磁體。在TMR記憶胞元中，此薄層隨後與該 隧道障礙接觸。可消除存在於慣用結構情況中殘留3 6 0 ° 牆衰減訊號的問題，因為每一層本質的飽和且因此沒有任 何360 °牆。 依據本發明之MRAM記憶胞元被表示於圖2A及2B，一層 堆疊包括二層1 〇及11，其形成依據本發明之一參考層系統 R，一隧道障礙13以及一軟磁層12位於一字元線（W0RDLM4 與一位元線（BITL) 1 5之間。在圖2A，層系統R之第一層1 〇 及第二層11在每一情況中具有相同的飽和磁化以及相同的 層剖面，產生層系統R之淨磁化為0。 相反地，在圖2B，參考層的層系統r的第一層丨〇及第 二層11藉由選擇第二層11之層剖面小於第一層1〇之層剖面 而具有不同的淨磁化。此較薄的第二層11與隧道障礙1 3接 觸。因為每一層，也就是第一層10及第二層丨丨，本質上是 飽和的且因此沒有360 °牆，可消除存在於已知MRAM記憶 胞元結構中殘留360 °牆衰減訊號的問題。 〜 在圖二之第二實施例之剖面形式中，參考層之層系統 R’的結構包括一第一層100，一薄中間層1〇2以及一第二層 101。藉由该中間搞合層102 ’第一層1〇〇之同只磁化夢由 中間耦合的層1 〇 2的耦合而被轉換。因此，以第一層^和 而沒有360 °牆發生於之第二層中。為了重新復位I表示 於圖三以及對應本發明之MRAM記憶胞元之第三實施例的結 構具有與圖2A所示相同的第一實施例。
200304700 五、發明說明（6) 方法圖四h依據本發明製造MRAMt己憶胞元之一參考層之 點” Si考層…，之層系統’該層系統具有第-居里 …c 材料的第一層，該層可被一外ϋρ成p、 及且右篦-& m / 卜4磁％水久磁化，以 Ϊ點(curiepoint)v之材料之-第二層， 芦C v許多，該層可由反鐵磁地盘該第- 層耦合而被磁化。溫度軸T表示此 :、弟 間ti，層系統R，R，從高於第一居里里及Tc2。在牯 於第一居里IhTM : C之溫度被冷卻至低 屏里點TV之溫度，層系統R R， 號）中被飽和。於此愔3中，g 外邛磁％B1 (則 磁場B之場太a t 第一層1〇之磁化以沿該外部 向之第二階相位變遷為方向。 強唐大於枯铉 « , 必外邵磁％B之 5$穴於該第一層10之飽和場強度。 t2 ^ ^ 成π古A山 弟一層 居里溫度Tc2之下，第二層11之 化逆平三=該第二層之間的逆磁化而與該第一層1 0之磁 及夂昭I =形成一個人造反鐵磁體（AAF)。如所述，以 供而給予。 苐一層的耦合也可由中間耦合層的提
如圖四中在時間t2的虛箭頭所示，為了同質 中的磁化分佈，牿&丨亦处产4一 貝弟一層J J 唆a , 特別可能在經過Tc2時，施加一個場方内也 第一層10的磁化方向相反的第二磁 =向與 成施加於第一層i 0之磁化❹Μ '八要k不足以形 「 0之磁化的磁逆轉。第一層10的足夠的 μ 1 η =」切換仃為對此而言之必須的。為達此目的，第 層10的磁化穩定性可以藉由輕合至尼爾溫度（Neei卓-
200304700 五、發明說明（7) temperature)在第二之上，低於居里溫度1^2的天然反鐵磁 而達成穩定。 第一層及第二層的可行層材料可能是 第一層 10(100) Tel 第=層 11(101) Tc2 f淀隱 (Cb，Fe，Mi)8〇(lSi，B)2〇 485°C (Co, Fe，Mb)73(Si，B)27 210°C (軟物 (Q>9Fe>3(Si9B)i7 415〇C (M，Fe)78(Si，B)22 260°C 磁丨、纖七
Tb2〇Fe4〇QM〇 400〇C TteFea) 150〇C 鐡玆 以上所述之圖三所示之中間層1 0 2的材料可以是釕，
銅或金。
第11頁 200304700 圖式簡單說明 第一圖表示已知之一MR AM記憶胞元之剖面圖。 第二圖表示本發明具有一參考層之MRAM記憶胞元之第一及第 二實施例之截面圖。 第三圖表示本發明備有另一參考層之另一 MRAM記憶胞元之第 三實施例。 第四圖表示本發明方法製造參考層之圖式。 元件符號說明 1； r； r 參考層 2; 12 軟磁層 3; 13 隧道障礙 10 ; 100 第一層 11 ; 101 第二層 14 字元線 15 位元線 102 中間麵合層 Tel;Tc2 居里點 B1 ;B2 磁場 11 ; 12 時間
第12頁

Claims (1)

  1. 200304700 ^、、申清專利範圍 1 · 一種製造MRAM記憶胞元之參考層之方法，其特徵在於以 下步驟： ' (A) 提供該參考層之層系統，該層系統具有第—居里點 (curie p〇int)(Tci)之材料之一第一層（1〇; 1〇〇)，該層可 被一外部磁場永久磁化，以及具有第二居里點（Tc2 ) 之材 料之一第二層（11 ; 1 〇 1)，Tc2低於該第一居里點（) 許多， 該層可由反鐵磁地與該第一層反鐵磁耦合而被磁 化； (B) 產生一外部磁場（B丨）；
    (C) 該層系統（R ; r ’）從高於該第一居里點（Ί )之溫度在 該外部磁場（B1)之作用下被冷卻至低於該第一居里點 (TV)，該外部磁場（B1)之強度大於該第一層（1〇; 1〇〇)之飽 和場強度，因此該第一層（丨〇 ;丨〇 〇 )之磁化係沿該外部磁場 之場方向，藉第二階相位變遷而定向；以及 (D) 該層系統（r;r’）接著被冷卻至該第二居里點（τ。2)之 下’該第二層之磁化方向由於該第一與該第二 層 (10; 100與11;1〇1)之間的逆磁化耦合而與該第一層之磁化 逆平行（antiparallel)。 2 ·如申請專利範圍第1項之製造方法，其特徵在於：
    该層糸統（R ; R ’）之淨磁化係經由飽和磁通之選擇而設 定，尤其是該第一與該第二層（1〇;1〇〇與11;101)每一情 況 中之層剖面。 3·如申請專利範圍第1或2項之製造方法，特徵在於： 該層系統（R;R，）之淨磁化藉由在每一情況中該第一層 (10 ; 100)與該第二層（11;1〇1)之相同淨磁化而被設定為
    第13頁 200304700 六、申請專利範圍 4·如申請專利範圍第1或2項之製造方法，其特徵在於： 該層系統（R;R，）之淨磁化藉由該第 >層（11)之選擇而 被設定為不等於0，因此其層剖面小於該第一層（10;100) 之層剖面。 /、曰ΰ 5·如前述申請專利範圍之任一項之製造方法，其特徵在 於： ' 在步驟（D)中，於經過該第二居里黠（Tc2)時，一外部磁 場（B2)被施用，其場方向與該第一層（1〇; 1〇〇)之磁化方向 相反。 6 ·如申請專利範圍第1至5項之任一項之製造方法，其特徵 在於： 在於 在步驟（A)中，提供一層系統（R，），其具有該第一與第 一層（1〇〇及1〇1)之間之一極薄中間麵合層（1〇2)，以及 + 驟（D)中之反鐵磁耦合係由該中間耦合層（1〇2)所提供v 7·如申請專利範圍第1至6項之任一項之製造方法，其特徵 第一層 ，…》义山 · ν, κρ Μη)8。（ S i，Β)20，（ Co，F e )83 (S i，β ) ; 丁匕 p r · ’ 以及第二層（11;101)之材料係由^下』Q e4、Q 〇40 ; Fe’ Mo)73(Si，B)27 “Ni，Fe)78(Si，所·選 * :(C〇， 8.如申請專利範圍第7項之製造方法，复）22」Tb2〇Fe8〇。 該中間耦合層（102)的材料係從| 、特徵在於： 選出。 攸具有釘，銅或金之群中
    第14頁 200304700 六、申請專利範圍 ， 9. 一種MR AM記憶胞元，其特徵在於： 其具有包括一層系統（R;R’）之一參考層，該層系統具有 τ 第一居里點（curie ροίηθ(ΐν)之材料之一第一層 ， (1 0 ; 1 0 0 )，以及具有第二居里點（Tc2)之材料之一第二層 (11 ; 1 0 1 )，該第二居里點（Tc2 )低於該第一居里點（T。1 )許 多，以及 該參考層係由申請專利範圍第1至8項之一所描述之方法 所製造。
    第15頁
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