专利名称：制造参考层之方法及备有此型参考层之mram存储单元的制作方法
技术领域：
本发明系关于一种制造MRAM存储单元之参考层的方法，以及关于一种具有以此方法制造的参考层之MRAM存储单元。
众所皆知，MRAM的配置方式系以有助于TMR(tunnelmagnetoresistance，穿隧磁阻〕效应的铁磁性储存为基础。伴随之第1图表示了一个习知利用所述TMR效应之MRAM存储单元概略的剖面图。该TMR存储单元包含了一配置于一位线5与一字线4之间的层堆栈，其具有一软磁层2、一穿隧氧化层3与一硬磁或参考层；该位线5与该字线4系彼此交错。如箭头方向所示，硬磁层1的磁化方向系已预先决定，而该软磁层2的磁化方向〔如双向箭头方向所示〕系利用藉由该字线4与该位线5所传送进来所对应的不同方向电流I、I’而设定；该等电流使得该软磁层2的磁化方向被极化为与该硬磁层1极化方向平行或反平行之方向。该层堆栈在层1与2为平行磁化时所具有之电阻系较两层1与2违反平行磁化时之电为小，其分别被以“0”与“1”状态而计算，反之亦然。
由于参考层的净磁化量决定了MRAM存储单元整体之行为与运作，因而在MRAM存储单元之制造过程中，需使其净磁化量可以一目标方式而设定。
因此，本发明的一项目的在于明确地提供一种用以制造MRAM存储单元参考层的方法，以及一种备有此型参考层之MRAM存储单元，使得该参考层的净磁化量与该MRAM存储单元整体之行为能够以一目标方式建立。
根据本发明，一种能够达成上述目的之MRAM存储单元参考层制造方法，其特征在于包含有下列之步骤A供一MRAM存储单元参考层之层系统，该层系统具有一第一层与一第二层，该第一层系由一具有第一居里温度TC1之材料所制成，其可藉一外部磁场而被永久磁化，而该第二层系由一具有第二居里温度TC2之材料所制成，该第二居里温度TC2明显低于该第一居里温度TC1，且该第二层可藉由与该第一层间之反铁磁耦合〔antiferromagnetic coupling〕而被磁化；
B产生一外部磁场；C藉由该外部磁场的作用，将该层系统自高于该第一居里温度TC1之一温度冷却至低于该第一居里温度TC1，该外部磁场之磁场强度系高于该第一层之饱和场强度，使得该第一层之磁化系藉由二次相变〔second-order phase transition〕而以该外部磁场之磁场方向为方位；以及D接着冷却该层系统至低于该第二居里温度TC2，该第二层之磁化系由于该第一与该第二层间的反铁磁耦合而以与该第一层之磁化反平行之方向为方位。
因此，建议以一例如为对称的、人为的反铁磁磁体〔AAF〕为该参考层，所述之反铁磁磁体包含了具有不同居里温度之两反铁磁耦合层；当其在一外加磁场作用下而自一高于该第一居里温度TC1之温度冷却时，该层系统之第一层的磁化系藉由一二次相变而以该外加磁场之方向为方位，且该磁场强度系较该第一层之饱和场强度为大；在更进一步冷却至低于该第二居里温度TC2时，该第二层之磁化系由于两层间的反铁磁耦合而以与该第一层磁化方向反平行之方向为方位。该两层〔意即该第一与第二层〕因而形成一人为之反铁磁磁体〔AAF〕。
其中重点是在较低之居里温度TC2下藉由二次相变所导致之该第二层内磁化分布之产生；存在于该第一层内之磁化分布藉由反铁磁耦合所存在的反平行耦合而转移至该第二层中。
当该第一与第二层之净磁化量〔饱和通量＝饱和磁化×层截面积〕系被相应而选择时，该层系统之净磁化量可能被设定为零；意即只要各别层之间的磁性耦合够强，关于在该外部磁场下之该人为反铁磁磁体内部所产生的磁化便能呈现高度稳定。
进一步而言，该层系统之净磁化亦得以藉由一目标方式而可控制性地设定，例如藉由选择较第一层为小的第二层饱和磁化或是截面积；因此，在不考虑具有相同饱和通量之两层所呈现之对称的人违反铁磁磁体之优势时，亦可使用所建议的层建构方式以制造一反向的人为反铁磁磁体。在TMR存储单元中，较薄的层系与穿隧能障接触。由于各层系基于固有本性而饱和，因此没有360°之磁壁，解决了习惯上的建构方式所存在的残余之360°磁壁减弱了讯号强度之问题。
在该步骤C中，该第一层所获得之一均匀磁化可藉由中间层之耦合而转移至该第二层中，该中间层系为在步骤〔A〕中所提供的层系统所具有之一在该第一与第二层间的一非常薄的中间耦合层；其尤其具有当该第一层饱和时，该第二层内部将不产生360°磁壁之优势。
下述之材料组合系特别针对该建议层系统之较佳的第一层与第二层组合a第一层为具有居里温度TC1为450℃之(Co，Fe，Mn)80(Si，B)20，而第二层为具有居里温度TC2为210℃之(Co，Fe，Mo)73(Si，B)27。一软磁性/软磁性〔soft/soft〕磁化行为系可藉此整体之材料组合而达成。
b第一层为具有居里温度Tc1为415℃之(Co，Fe)83(Si，B)17，而第二层为具有居里温度TC2为260℃之(Ni，Fe)78(Si，B，C)22。该材料组合系使该层系统产生一磁致伸缩〔magnetostrictive〕行为。
c第一层为具有居里温度TC1为400℃之Tb20Fe40Co40，而第二层为具有居里温度TC2为150℃之Tb20Fe80。该材料组合系使该层系统产生一亚铁磁性〔ferrimagnetic〕行为。
该中间层之材料种类可为钌(Ru)、铜(Cu)或金(Au)。
该第一层与该第二层之间的磁性耦合系与该中间层之厚度有关，其可被选择以产生一反铁磁耦合。
以该方法所制造之一参考层，以及备有此型参考层之MRAM存储单元具有下列之优势，特别是-各别层之磁化分布的目标设定；-净磁化量之消减或是该层系统之净磁化量可藉由该第一层与该第二层饱和磁化与厚度的选择而加以控制；-当该第一层被冻结〔frozen〕时，该第二层之磁化为非主动性〔高于TC2〕；-自该第一层至该第二层之均匀磁化的转移系藉由前述之该中间层磁性耦合而产生，此具有之优势尤其为，当该第一层饱和时，该第二层内不具有360°之磁壁；-在不考虑具有相同饱和通量之两层所呈现之对称的人违反铁磁磁体之优势时，亦可使用所建议的层建构方式以制造一反向的人为反铁磁磁体。在TMR存储单元中，较薄的层系与穿隧能障接触。由于各层系基于固有本性而饱和，因此没有360°之磁壁，解决了习惯上的建构方式所存在的残余之360°磁壁减弱了讯号强度之问题。
下述说明系参考各图式而叙述了根据本发明之方法与备有此一参考层之MRAM存储单元之典型实施例。下列图式之详细说明为第1图，系为一已说明之具有习知结构的MRAM存储单元之粗略的剖面图；第2图〔A〕与第2图〔B〕，系为具有根据本发明所制造之参考层之一MRAM存储单元的第一与第二典型实施例之粗略的剖面图；第3图，系为具有根据本发明之另一参考层之MRAM存储单元之第三典型实施例之粗略的剖面图；以及第4图，系粗略描述了根据本发明之参考层制造方法。
在第2图〔A〕与第2图〔B〕中所说明之根据本发明之MRAM存储单元的情形，一层堆栈包含了两层10与11，其系根据本发明而形成了一参考层系统R，一穿隧能障13与一软磁层12系位于一字线〔WORDL〕14与一位线〔BITL〕15之间。在第2图〔A〕中，层系统R之第一层10与第二层11各具有相同之饱和磁化量与相同的层截面积，因此该层系统R之净磁化量为零。
相反地，在第2图〔B〕中，该参考层之层系统R所具有的第一层10与第二层11具有一不同的净磁化量，其系由于所选择之第二层11的截面积较第一层10为小之故；而该较薄的第二层11系与该穿隧能障13接触。由于该第一层10与该第二层11系各别为固有之饱和，因此其不具有360°之磁壁，一MRAM存储单元之习知结构所具有之残余360°磁壁削减了讯号之问题系可因而被避免。
在第3图所叙述之第三实施例中，参考层层系统R’具有的建构系包含了一第一层100、一薄的中间耦合层102与一第二层101；藉由该中间层102的作用，该第一层100的均匀磁化系可藉由该中间耦合层102的耦合作用而转移至该第二层101。因此，当该第一层100饱和时，在该第二层101内不会出现360°磁壁。除此之外，在第3图中所描述之MRAM存储单元的第三实施例之结构系与第2图〔A〕之第一实施例之建构相同。
第4图描述了根据本发明之MRAM存储单元的参考层制造方法。提供一参考层层系统，该层系统具有一第一层与一第二层，该第一层系由一具有第一居里温度TC1之材料所制成，其可藉一外部磁场而被永久磁化；而该第二层系由一具有第二居里温度TC2之材料所制成，该第二居里温度TC2系明显低于该第一居里温度TC1，且该第二层可藉由与该第一层间之反铁磁耦合〔antiferromagnetic coupling〕而被磁化。在温度轴T表示了两居里温度TC1与TC2；在t1时，该层系统R、R’系自高于该第一居里温度TC1之一温度T0进行冷却至低于该第一居里温度TC1，所述之层系统R、R’系置于一外加磁场B1如箭头所示 中；在此例中，该第一层10之磁化系藉由二次相变而以该外加磁场B1之磁场方向为方位。此系假设B1的磁场强度大于该第一层10之饱和场强度。
再进一步地进行冷却时，切换该磁场B1为关闭，且此时温度T系降至低于该第二层11之第二居里温度TC2；在t2时，该第二层11之磁化系以对该第一层10反平行之方向为方位，其系由于该两层间之反铁磁耦合；这形成了一人为的反铁磁磁体AAF。如前所提及以及参考第3图所描述，该第一层对该第二层之反铁磁耦合亦藉由一中间耦合层的提供而产生。
如第4图中在t2时刻之虚线箭头所示，为了将第二层11内之磁化分布均匀化，当温度经过TC2时，可在不将第一层10之磁化反转的前提之下，外加一磁场方向系与该第一层10磁化相反之磁场B2；这需要该第一层具有足够的矫顽场〔coercitive field〕强度，或是具有一足够“方正”的磁性转换行为；为了达到这样的目的，该第一层10的磁化稳定度可藉由一自然之反铁磁磁体之耦合而稳定化，该反铁磁磁体具有之尼尔温度〔Neel temperature〕系较该第二、较低之居里温度TC2为高。
第一层与第二层之可行的层组合为第一层10〔100〕 TC1第二层11〔101〕 TC2特征(Co，Fe，Mn)80(Si，B)20485℃ (Co，Fe，Mo)73(Si，B)27210℃ 软磁/软磁性(Co，Fe)83(Si，B)17415℃ (Ni，Fe)78(Si，B，C)22260℃ 磁致伸缩Tb20Fe40Co40400℃ Tb20Fe80150℃ 亚铁磁性所有提及如第3图所述之中间层102可为钌(Ru)、铜(Cu)、金(Au)。
代表符号说明1；R；R’参考层2；12软磁层3；13穿隧能障10；100第一层11；101第二层102中间耦合层14字线15位线TC1；TC2居里温度B1；B2磁场t1；t2时间
权利要求
1.一种用于制造MRAM存储单元之一参考层的方法，其特征在于下列步骤(A)提供该参考层之一层系统，该层系统具有一第一层〔10；100〕与一第二层〔11；101〕，该第一层系由一具有第一居里温度〔TC1〕之材料所制成，其可藉一外部磁场而被永久磁化，而该第二层系由一具有第二居里温度〔TC2〕之材料所制成，该第二居里温度〔TC2〕明显低于该第一居里温度〔TC1〕，且该第二层可藉由与该第一层间之反铁磁耦合〔antiferromagnetic coupling〕而被磁化；(B)产生一外部磁场〔B1〕；(C)藉由该外部磁场〔B1〕的作用，将该层系统〔R；R’〕自高于该第一居里温度〔TC1〕之一温度冷却至低于该第一居里温度〔TC1〕，该外部磁场〔B1〕之磁场强度系高于该第一层之饱和场强度，使得该第一层之磁化系藉由二次相变〔second-order phase transition〕而以该外部磁场之磁场方向为方位；以及(D)接着冷却该层系统〔R；R’〕至低于该第二居里温度〔TC2〕，该第二层〔11；101〕之磁化系由于该第一与该第二层〔10；100与11；101〕间的反铁磁耦合而以与该第一层〔10；100〕之磁化反平行的方向为方位。
2.如权利要求第1项之制造方法，其中该层系统〔R；R’〕之净磁化〔net magnetization〕系藉由饱和磁通量〔saturation flux〕之选择而设定，特别是在该第一与该第二层〔10；100与11；101〕中的每一种之层截面。
3.如权利要求第1项之制造方法，其中该层系统〔R；R’〕之净磁化〔net magnetization〕系藉由该第一层〔10；100〕与该第二层11；101所个别具有之相同净磁化而设定为零。
4.如权利要求第1或2项之制造方法，其中该层系统〔R；R’〕之净磁化〔net magnetization〕系藉由该第二层的选择而被设定成不为零，因此该层截面系较该第一层〔10；100〕为小。
5.如权利要求前述各项中任一项之制造方法，其中，在步骤〔D〕中，在经过该第二居里温度TC2时，系施加一外部磁场〔B2〕，其磁场方向系与该第一层〔10；100〕之磁化方向相反。
6.如权利要求第1至5项中任一项之制造方法，其中，在步骤〔A〕中，所提供之一层系统〔R’〕系具有一位于该第一与第二层〔100与101〕间之非常薄的中间耦合层〔102〕，且在步骤〔D〕中，该反铁磁耦合系藉由该中间耦合层〔102〕而产生。
7.如权利要求第1至6项中任一项之制造方法，其中该第一层〔10；100〕之材料系选自一包含有(Co，Fe，Mn)80(Si，B)20、(Co，Fe)83(Si，B)17、Tb20Fe40Co40之族群，而第二层之材料系选自一包含有(Co，Fe，Mo)73(Si，B)27、(Ni，Fe)78(Si，B，C)22、Tb20Fe80之族群。
8.如权利要求第7项之制造方法，其中该中间耦合层〔102〕之材料系选自一包含有钌(Ru)、铜(Cu)、金(Au)之族群。
9.一MRAM存储单元，其具有一包含一层系统〔R；R’〕之参考层，该层系统具有一第一层〔10；100〕、一第二层〔11；101〕以及一参考层，该第一层系由一具有第一居里温度〔TC1〕之材料所制成，该第二层系由一具有第二居里温度〔TC2〕之材料所制成，该第二居里温度〔TC2〕明显低于该第一居里温度〔TC1〕，而该参考层系以如权利要求第1项至第8项所叙述之方法而制造。
全文摘要
本发明系关于一种制造MRAM存储单元参考层之方法及备有此型参考层之MRAM存储单元。此类型之参考层包含了两具有不同居里温度之磁性耦合层，当在一外部磁场中自一高于第一层(10)的居里温度(T
文档编号H01L43/08GK1643615SQ03806913
公开日2005年7月20日 申请日期2003年3月11日 优先权日2002年3月28日
发明者U·克洛斯特曼恩, M·鲁伊里格 申请人:因芬尼昂技术股份公司