[发明专利]磁存储器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种存储器，更特别地，涉及一种磁存储器及其制造方法。

背景技术

磁存储器，例如磁随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)，也是一种非易失性存储器。磁存储器具有非易失性、高密集度、高读写速度、抗辐射线等优点。图1示出传统磁存储器单元的基本结构。参照图1，磁存储器单元104是叠层结构，其包括磁被钉扎层(magnetic pinnedlayer)、隧穿势垒(tunnel barrier)和磁自由层(magnetic free layer)。磁被钉扎层在一预定方向具有被钉扎的磁化(magnetization)或总磁矩(totalmagnetic moment)。磁存储器单元104利用与隧穿势垒相邻的磁物质(磁被钉扎层和磁自由层)的磁化来记录数据0或1。由于磁被钉扎层与磁自由层的磁化互为平行时所产生的磁致电阻较小，而二者的磁化互为反平行时所产生的磁致电阻较大，因此磁存储器单元104可以被用来记录数据0或1。

要存取一磁存储器单元，需要垂直交叉且通入适当电流的电流线100、102(其依照操作的方式，一般称为字线和位线)。互为垂直的导线100、102通入电流后会产生两个互为垂直的磁场。导线100、102所产生的磁场将施加在磁存储器单元104上。写入数据时，藉由位线(Bit Line，BL)和字线(WordLine，WL)100、102所交集而选择欲写入的磁存储器单元。藉由位线和字线100、102的感应磁场改变磁自由层的磁化方向，进而更改磁存储器单元104的磁致电阻值。而在读取存储器数据时，藉由输出电极106、108使所选择的磁存储器单元流入电流，从读取的电阻值可以判定存储器数据的数值。关于磁存储器的操作细节，是本领域普通技术人员可以了解的，不继续描述。

图2示出磁存储器的存储机制。在图2中，磁被钉扎层104a有被钉扎的磁矩方向107。磁自由层104c位于磁被钉扎层104a上方，其中间由隧穿势垒104b所隔离。磁自由层104c有磁矩方向108a或108b。由于磁矩方向107与磁矩方向108a平行，其产生的磁致电阻例如代表数据“0”；反之磁矩方向107与磁矩方向108b反平行，其产生的磁致电阻例如代表数据“1”。

对于一磁存储器单元而言，其磁致电阻R与磁场H大小的关系，如图3所示。实线表示单一磁存储器单元的磁致电阻线。然而，磁存储装置会包括多个存储器单元，其每一个存储器单元的翻转场大小会有差异，因此磁致电阻曲线会有如虚线所示的变化，这会造成存取错误。

图4示出传统存储器单元的阵列结构。图4的左图是一阵列结构，其由多条相互垂直的位线和字线组成，而每一个位线和字线的交叉点均配置一个磁存储器单元104。藉由位线和字线的电流而施加两个方向磁场Hx和Hy，以对磁存储器单元104写入数据。图4的右图是磁自由层的星状曲线(Asteroid curve)。在实线区域内，由于磁场小，因此外加的磁场Hx和Hy不会改变存储器单元104的磁化方向。在实线区域外的一有限区域内的磁场，可适合于磁场翻转的操作。如果磁场太大就会干扰到邻近的单元，也是不适合使用的。因此，一般以操作区域144的磁场作为操作磁场。然而，由于其他的存储器单元142也会感受到所施加的磁场，且由于相邻存储器单元142的操作条件变化，因此所施加的磁场也可能会改变其他存储器单元142的储存数据。因此，如图2的单层的自由层104c，会有存取错误的可能。

针对上述等问题，例如美国专利第6,545,906号，为了减少邻近单元在写入数据时的干扰情形，自由层以铁磁(FM)/非磁金属(M)/铁磁(FM)三层结构166来取代单层铁磁材料。如图5所示，在非磁金属层152上下两层的铁磁金属层150、154，以反平行排列，形成封闭的磁力线。在下面的磁被钉扎叠层168藉由隧穿势垒156而与磁自由层166隔开。磁被钉扎层168包括上被钉扎层(top pinned layer，TP)158、非磁金属层160、以及下被钉扎层(bottom pinned layer，BP)162。上被钉扎层和下被钉扎层有被钉扎的磁化。另外还有基底164在底部，例如是反铁磁层(anti-ferromagnetic layer，AFM)。