多位磁存储元件制造技术

多位磁存储单元（４００）包含第一（４１０）和第二数据层。有一个反铁磁耦合层对（４３０，４５０）介于第一和第二数据层之间。在一个实施例中，第一和第二数据层有不同的矫顽性。存储单元结构包含多个分隔层（４２０，４６０）从而将第一和第二数据层与反铁磁耦合层对分隔开来。在一个实施例中，介于反铁磁耦合层对之间的耦合层（４４０）是一种可导、包含钌（Ｒｕ）或铜（Ｃｕ）的金属材料。在一个实施例中，介于每一个第一、第二数据层和反铁磁耦合层对之间的分隔层（４２０，４６０）是不可导的，这样的单元是自旋相关隧道磁阻（ＴＭＲ）单元。作为选择，分隔层（４２０，４６０）是可导的，则这种单元是巨磁阻（ＧＭＲ）单元。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及固定存储器领域。特别是本专利技术引出多位磁存储单元。一类固定存储器依赖于磁阻原理。把特别有用的磁阻效应称为巨磁阻效应。在一个实施例中，基于巨磁阻(GMR)的磁存储单元是由导磁层和一个非导磁性金属层组成的多层结构。单元的磁状态由一个磁层中的磁矢量与另一个磁层(如平行或逆平行)中的磁矢量的相对取向来决定。单元的阻抗根据磁矢量间的相对取向发生变化。因此单元的状态可以通过将电压加到单元上并测量因此产生的传感电流来确定。一类GMR存储单元固定其中一个磁层的磁矢量。包含固定磁矢量的层称为基准层。单元状态就可以通过改变其它磁层中磁矢量的方向来控制。并把非固定的磁层称为数据层。数据层中磁矢量的方向通过一个磁场的应用进行控制，该磁场至少在低场强时对固定层中磁矢量几乎没有影响。将这类单元称为自旋开关(spin valve)单元或巨磁阻单元。自旋相关隧道(spin dependent tunneling)单元使用非传导性的阻挡层如电介质材料来代替介于基准层和数据层之间的金属层。介于基准层和数据层之间的传送机构要通过隧道阻挡层。因此可以把这种单元称为隧道磁阻(TMR)单元。TMR单元能比可导的GMR单元提供更多的优点。尤其是用TMR单元结构与GMR单元结构相比，看到阻抗很大的变化。对于GMR和TMR单元结构，由于基准层和数据层的接近会使基准层或固定层能在数据层中产生静磁或退磁场。来自基准层的静磁场就能够成为支配场并永久改变数据层的磁化。数据存储因此就变的不可靠了。尽管为补偿GMR单元结构中的静磁场可以增加金属分离层的高度，但是TMR结构中阻挡层的高度由于需要使阻挡层足够薄以容纳量子隧道而受到制约。一种现有技术的磁存储单元结构利用两个数据层存储多个比特。这种结构的不足之处之一就是为减少静磁场效应每一层的长宽比必须为5或更大，从而降低了由这种单元构造的设备的存储密度。另一个不足之处是现有技术结构只能实现两个阻抗值。决定设备的状态需要后面有一重写操作的一个破坏性的回读电路。考虑到众所周知的系统和方法的局限性，将对一种磁存储单元结构和制造这种结构方法加以描述。多位磁存储单元的一个实施例包括第一和第二数据层。一对反铁磁耦合的基准层置于第一和第二数据层之间。在一个实施例中第一和第二数据层具有特殊的矫顽性。存储单元结构包含一个分隔层用来将反铁磁耦合层对与第一和第二数据层的每一个分隔开来。在一个实施例中，分隔层是不可导的。在可选的另一个实施例中，分隔层是可导的。在不同的实施例中，为改善数据层之间的磁场可以对磁层的高度和长度进行选择。在一个实施例中，第一和第二数据层的高度是不相同的。在另一个实施例中，介于第二数据层和反铁磁耦合层对之间的分隔层的高度与介于第一数据层和反铁磁耦合基准层对之间的分隔层的高度是不相同的。制造多位磁存储单元的方法包括在半导体的衬底上形成一个第一铁磁层的步骤。该方法还包含在第一铁磁层上形成一个第二铁磁层的步骤。反铁磁耦合层对形成使得将反铁磁耦合层对配置在第一和第二铁磁层之间。下面将结合附图和详细描述来阐明本专利技术的其它特征和优点。本专利技术将结合实例进行说明，并且不局限于附图范围内，其中相同标记表示类似的元件和其中附图说明图1为具有GMR单元结构的磁存储单元的一个实施例。图2为TMR单元结构的一个实施例。图3说明由于基准层中产生的静磁场作用而使数据层中的磁矢量与基准层中的磁矢量逆平行。图4为多位磁存储单元结构的一个实施例。图5为与图4数据层中的磁矢量的相对方向相对应的阻抗值表格。图6为具有不同长度数据层的磁存储单元结构的一个实施例。图7为3位磁存储单元结构的一个实施例。图8为在两个数据层之间有一反铁磁耦合层对的多位磁存储单元的形成方法的一个实施例。当交替磁层中磁矢量的相对方向由于外加场的作用而发生变化时，在多层铁磁性/非磁性结构中观察到的阻抗会发生变化而产生巨磁阻(GMR)效应。该结构的阻抗是邻近磁层中磁矢量之间夹角的函数。将具有相同方向的磁矢量称为“平行”。而把相反方向的磁矢量称为逆平行。磁金属的电阻率依赖于电子自旋到层中磁矢量的方向。具有平行自旋的电子会历经较少的散射，这会导致材料的低电阻率。当磁层中的矢量在低场强中为逆平行时，在两个磁层中就没有具有低散射率的电子了。因此材料的电阻率就会增加了。因此多层铁磁性/非磁性结构的电阻率依赖于不同磁层中磁矢量的相对方向。图1为磁存储单元100的一个实施例，它具有插入在两个磁层110和130之间的一个非磁性分隔层120。每一个磁层有一个磁矢量112和132。图例中磁矢量112和132是逆平行的。磁层110和130为可导的金属层。在一类磁存储单元(如GMR)中分隔层120为可导的金属层。图2为磁存储单元200的另一个实施例。单元200包含两个磁层210和230，由电介质或不可导的分隔层220分隔。在本例中磁矢量212和232是平行的。电流通过在磁层210和230之间的量子隧道贯穿分隔层220进行流动。这类单元是自旋相关的隧道磁阻(TMR)单元。构造磁存储单元时可以使其中一个层中的磁矢量“固定”以防止变化。将这种单元称为自旋开关单元。如图1和图2所示，如果将磁层130和230固定的话，就可将磁层110和210称为数据层，将层130和230称为基准层。单元的状态由数据层和基准层之间的磁矢量的相对方向来决定。假设基准层有一个固定的磁矢量232，单元200就能表现出两个状态与一个单比特信息相对应。磁存储单元还可以设计用来存储多位信息。由于磁层之间距离的减少，基准层中磁矢量对数据层的作用就变得更为明显了。如图3所示，基准层330对数据层310施加一静磁场作用。静磁场在数据层310中感应产生一个相对于基准层330中逆平行的磁矢量，分别用矢量332和312表示。由于插入的分隔层320的尺寸减少，基准层330中的静磁场可能会永久改变数据层310中的磁化特性使磁存储单元不能可靠地存储数据。对非隧道设备或GMR设备来说，这个不期望的效应能够通过增加金属分隔层120的高度而得到一定程度改善。然而对隧道结构来说，分隔层220的高度要受到支持量子隧道需求的制约。图4为多位磁存储单元400的一个实施例。单元400包含一对基准层430和450，以及两个数据层410、470。层430和450由薄分隔层440分隔开来。可以选择层440的高度和组分从而导致层430和层450之间形成永久的反铁磁耦合。在一个实施例，分隔层440的厚度介于0.5和1.0纳米之间。在不同实施例中，层440由钌(Ru)或铜(Cu)组成。用第一分隔层420将第一数据层410与基准层430分隔开来。相似地，用第二分隔层460将第二数据层470与基准层450分隔开来。在一个实施例中，分隔层420和460是不可导的非金属层，这样的单元400是一个TMR单元。在可选的另一个实施例中，层420和460为可导的金属层，这样的单元400是一个GMR单元。反铁磁耦合层对(430,450)会建立相反的静磁场。然而由于相对于该对靠近每个数据层，这些层彼此间相对接近，相反磁场实质上会彼此抵消。因此，由层430和450中逆平行的磁矢量产生的相反的静磁场，不会对数据层410或数据层470产生明显的基本影响。此外，为减少数据层间相互的静磁场影响可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储单元装置包括：由磁性材料构成的第一和第二数据层；以及介于第一和第二数据层之间的一反铁磁耦合层对。

【技术特征摘要】
US 2000-3-9 09/5223081．一种存储单元装置包括由磁性材料构成的第一和第二数据层；以及介于第一和第二数据层之间的一反铁磁耦合层对。2．如权利要求1中所述的装置，其中用高度为G1的第一分隔层将第一数据层与第一基准层分隔开来，用高度为G2的第二分隔层将第二数据层与第二基准层分隔开来，且G1≠G2。3．如权利要求2中所述的装置，其中每一个分隔层是由不可导的非磁性材料构成的阻挡层。4．如权利要求2中所述的装置，其中每一个分隔层由可导的非磁性材料构成。5．如权利要求1、2、3或4中所述的装置，其中第一和第二数据层有不同的矫顽性。6．如权利要求1、2、3或4...

【专利技术属性】
技术研发人员：MK巴塔查里亚，
申请(专利权)人：惠普公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]