用于动态钉扎软参考层的包层读导线制造技术

公开一种隧道结（１０），具有包层的读导线，由用于被动态钉扎的软参考层的高磁导率软磁材料形成。隧道结包括数据层（１１）、形成在数据层上的势垒层（１３）、形成在势垒层上的盖层（１５）和形成在盖层上的软参考层（１７）。软参考层（１７）包括读导线（１９）、完全包围读导线（１９）以形成包层的读导线的包层（２１）。软参考层（１７）具有未被钉扎的磁化取向（Ｍ１）。当外部供给读电流流经读导线时，读导线（１９）产生基本包含在包层（２１）中的并且可操作在需要的方向上动态钉扎磁化取向（Ｍ１）的磁场。存储在数据层（１１）中的位数据通过测量数据层（１１）与软参考层（１７）之间的电势差来读出。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及带有含未钉扎的磁化取向的软铁磁参考层的磁性存储单元。更具体地，本专利技术涉及带有软铁磁参考层的磁性存储单元，该软铁磁参考层具有未钉扎的磁化取向，并包括完全被铁磁包层环绕的读导线，因而由在读导线中流动的电流产生的读磁场不会饱和，并且完全容纳在铁磁包层中，并且软铁磁参考层的磁化取向由读磁场动态钉扎在需要的取向上。一般地，磁存储单元的逻辑状态(即“0”或“1”)决定于数据层和参考层的相对磁化取向。例如，在隧道磁电阻存储单元(隧道结存储单元)中，当电位偏置加在数据层和参考层两端时，电子通过中间层(称作隧道势垒层的薄介电层)在数据层和参考层之间迁移。这种导致电子穿过势垒层迁移的现象可称作量子力学开隧道或自旋开隧道。逻辑状态由测量存储单元的电阻来决定。例如，如果其数据存储层的总磁化取向平行于参考层的钉扎磁化取向，则磁存储单元处于低阻态。相反地，如果其数据存储层的总磁化取向反平行于参考层的钉扎磁化取向，则隧道结存储单元处于高阻态。如上所述，存储在磁存储单元的一位逻辑状态由改变数据层的总磁化取向的外加磁场来写入。外加磁场可能被称作在高阻和低阻态之间改变磁存储单元的改变场。附图说明图1所示是以前的隧道结存储单元100，包括数据层110，参考层112和位于数据层110和参考层112之间的绝缘势垒层114。此外，存储单元100可以包括与数据层110相通的第一导电结点116和与参考层112相通的第二导电结点118。外加电流可流过第一和第二导电结点(116，118)以产生上述的外加磁场。如同将参考如下图4a和4b进行讨论的那样，在包括大量存储单元100的存储阵列中，第一和第二导电结点(116，118)可以是成行成列的导体。结点也可以用于测量存储单元100的电阻从而决定它的逻辑状态。如左指箭头所示，参考层112的磁化取向M1钉扎在预定方向上。如双箭头所示，数据层110的磁化取向M2是可变的。在图2a中，数据层110的磁化取向M2平行于(也就是说箭头指向相同的方向)参考层112的磁化取向M1，导致存储单元100处于低阻态。另一方面，在图2b中，数据层110的磁化取向M2反平行于(也就是说箭头指向相反的方向)参考层112的磁化取向M1，导致存储单元100处于高阻态。因为数据层110和参考层112由彼此相邻很近的铁磁材料构成，所以如图2c所示，参考层112的钉扎磁化取向M1产生从参考层112的边缘畴扩展到数据层110的退磁场D。图2d示出数据层110磁化取向M2上退磁场D的影响，理想地，数据层110的磁化取向应当直线对准平行或反平行取向于钉扎磁化取向M1。然而，由于退磁场D，在理想的磁化取向M2’(虚箭头所示)和实际磁化取向M2(实箭头所示)之间存在着很小的角度偏移θ。角度偏移θ导致在高阻态和低阻态(也就是说平行或反平行)之间磁电阻ΔR/R的变化量减小。为了更容易地检测数据层110的位状态，要求磁电阻ΔR/R的变化量尽可能大。实质上，ΔR/R相当于信噪比S/N。在读操作时，更高的S/N导致可以检测到更强的信号以判定数据层110的位状态。因此，以前的隧道结存储单元100存在着一个缺点，即磁电阻ΔR/R的变化量由于角度偏移θ而减小(也就是说在读操作时的低S/N)。以前的隧道结存储单元100的另一个缺点是参考层112的钉扎磁化取向M1通常需要一层以上的材料才能产生钉扎效果。例如，在图3a中，以前的隧道结存储单元200包括前述的数据层210，第一和第二导电结点(216，218)，以及包括由不同材料组成三明治的复合参考层212，212a和212b。212层称作反铁磁层(钉扎层)，212a层是被钉扎的参考层。钉扎层212将参考层212a的磁化取向M1磁化在所需方向。212b层是籽晶层。例如，用于钉扎层212，参考层212a和籽晶层212b的材料包括FeMn，IrMn，NiMn或PtMn用于钉扎层212；NiFe，NiFeCo或CoFe用于参考层212a；NiFe或NiFeCo用于籽晶层212b。或者，如图3b所示，以前的隧道结存储单元300具有比图3a所示更为复杂的钉扎层312。以前的隧道结存储单元300包括前述的数据层310，第一和第二导电结点(316，318)，也包括不同材料组成的复杂三明治的复合参考层312，312a，312b和312c。钉扎层312设定人工反铁磁体312c的磁化取向，后者比图3a中的反铁磁层212结构更为复杂。人工反铁磁体312c可以是材料的三明治结构，如Co/Ru/Co或CoFe/Ru/CoFe。在图3b中，312a层是被钉扎的参考层，312b层是籽晶层，312层是反铁磁层(钉扎层)。因此，以前的隧道结存储器的一个缺点是在结构上需要更多层以组成参考层。由于需要额外的材料组成那些层，就需要额外的微电子加工步骤来生产以前隧道结存储单元200和300。那些额外的步骤可能会在隧道结存储器中引入缺陷，导致生产的存储器不合格或导致组合存储器的产品以后不能工作。为了减少缺陷并提高产额，要求降低复杂性以及减少制造存储器所需的加工步骤。此外，需组成参考层的材料难于加工。对于磁存储器的批量生产而言，要求采用易于加工的材料以简化制造过程并降低制造成本。以前的隧道结存储单元的另一个缺点是在退火步骤中，参考层必须经提高的温度加热。退火耗费时间(1小时或更长)并需要磁存储器在恒磁场下经受从200到300摄氏度温度范围的处理。因为需要磁场下退火以设定磁化取向，因此在以后磁存储器经受高温时，参考层的钉扎可能“不固定”并失去磁化取向。将需要另一次退火步骤以重新设定磁化取向。以前的隧道结存储单元100的另一个缺点如图4a和4b所示。在图4a中，磁存储器150包括大量配置成交叉阵列的存储单元100。第一导电结点116经重复组成横穿存储单元100的行导体(Row1和Row2)，第二导电结点118经重复组成同样横穿存储单元100的列导体(Col1，Col2和Col3)(也就是说存储单元100位于行列导体的交叉处)。通过将电压源V连接到Row2并让Row1悬空，位于Row2和Col3交叉处的存储单元100a被选择进行读操作。将Col1和Col2连接到GND，将Col3连接到读放大器，后者连接到虚地。结果就形成了电流通路，并且电流I流入Row2的导电结点116。如电流IG所示，一部分电流I流向GND。然而，电流I的的另一部分组成读电流IR，并被读放大器S读出。IR的大小指示存储在存储单元100a中的数据位的磁化取向，但是在读操作时，IR的大小不足以转动数据层的磁化取向。在图4b中，更详细地显示了选定的存储单元100a。依照右手法则，电流IR产生磁场HR。不利之处在于，磁场HR从其各自的导体沿径向外扩展(也就是说边缘场)，和阵列中的相邻存储单元100相互作用。决定于存储单元100的彼此邻近情形和电流IR的大小，那些边缘场可能破坏存储在相邻的存储单元100数据层中110的，没有被选定进行读操作的数据位。而且，以前的隧道结存储单元100的另一个缺点是从选定的存储单元100读取数据所需的电流IR可能非常大。尽管在图4a和4b中没有显示，触发数据层110的磁化方向的写入电流需要的幅度也可能非常大，通常在量值上大于IR。电流IR可能产生不需要的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道结，包括：数据层（１１），用于将位数据作为可改变的磁化取向（Ｍ２）存储；势垒层（１３），与数据层（１１）接触；盖层（１５），与势垒层（１３）接触；软参考层（１７），与盖层（１５）接触并具有未被钉扎的磁化取向（Ｍ１）， 包括读导线（１９）和完全包围读导线（１９）的包层（２１）；读导线（１９），响应于外部供给电流操作来产生磁场；包层（２１），操作来基本在包层（２１）内包含磁场，使得可改变的磁化取向（Ｍ２）不受未包含在包层（２１）内的磁场的任何部分的影 响，其中其中软参考层（１７）的磁化取向（Ｍ１）通过将预定大小和方向的电流流经读导线（１９）而被动态钉扎到需要的取向上，位通过测量软参考层（１７）与数据层（１１）之间的电压来读出。

【技术特征摘要】
US 2001-4-2 09/8250931.一种隧道结，包括数据层(11)，用于将位数据作为可改变的磁化取向(M2)存储；势垒层(13)，与数据层(11)接触；盖层(15)，与势垒层(13)接触；软参考层(17)，与盖层(15)接触并具有未被钉扎的磁化取向(M1)，包括读导线(19)和完全包围读导线(19)的包层(21)；读导线(19)，响应于外部供给电流操作来产生磁场；包层(21)，操作来基本在包层(21)内包含磁场，使得可改变的磁化取向(M2)不受未包含在包层(21)内的磁场的任何部分的影响，其中其中软参考层(17)的磁化取向(M1)通过将预定大小和方向的电流流经读导线(19)而被动态钉扎到需要的取向上，位通过测量软参考层(17)与数据层(11)之间的电压来读出。2.根据权利要求1所述的隧道结，其中数据层(11)、盖层(15)和包层(21)中的任何选择的一个或多个包括高磁导率软磁材料。3.根据权利要求2所述的隧道结，其中高磁导率软磁材料是从下面的一组中选择的材料镍铁、镍铁合金、镍铁钴、镍铁钴合金、钴铁、钴铁合金和坡莫合金。4.根据权利要求1所述的隧道结，其中数据层(11)、盖层(15)和包层(21)由相同的高磁导率软磁材料制造。5.根据权利要求1所述的隧道结，其中数据层(11)、盖层(15)和包层(21)中的任何选择的一个或多个具有大于约1000的相对磁导率。6.根据权利要求1所述的隧道结，其中数据层(11)、盖层(15)和包层(21)中的任何选择的一个或多个具有大约1000A/m或更小的矫顽力。7.根据权利要求1所述的隧道结，其中势垒...

【专利技术属性】
技术研发人员：M沙马，LT特兰，
申请(专利权)人：惠普公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]