專利名稱：一種菱形的磁性隨機存儲器存儲單元的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子與固體電子技術領域，它特別涉及磁性隨機存儲器技術。
背景技術：
磁性隨機存儲器(簡稱MRAM)做為新型的信息存儲記錄器件，與半導體存儲器件比較，具有非易失、快速、抗輻射、抗干擾、低功耗、長壽命和低成本等優點，在民用和國防工業中有著極其重要的價值和應用前景，如可應用在計算機RAM、BIOS芯片，蜂窩電話、傳真機、固態錄象機、大容量存儲器和軍事目的與航天、航空等領域中。雖然2004年美國Mortorola公司已生產出4Mb的MRAM，但是，由于存儲單元的形狀對于存儲器的可靠性和記錄密度影響很大，應此，尋找新的存儲單元的形狀以提高器件的可靠性和記錄密度，仍然是科學研究的熱點問題。
眾所周知，MRAM是由磁性存儲單元陣列組成的，其單元的組合方式如圖1所示。現已公知的MRAM存儲單元主要有矩形，環形，橢圓形等幾種。
T.Schref等人研究了矩形單元并發現矩形單元在翻轉過程中有兩種磁矩分布狀態C態和S態(見文獻T.Schrefl，et al.，J.Appl，Phys.89，7000(2001))。但這兩種分布狀態不穩定并對熱波動很敏感(見文獻Anthony S.Arrott，Zeitschrift furMET.10，963(2002))。Anthony S.Arrott通過對矩形進行剪裁在理論上獲得了一個穩定的C態和一個亞穩的S態。N.Dao等人研究了環形的單元(見文獻N.Dao，S.L.Whittenburg，IEEE Trans.Magn，39，2525(2003))。他們的研究結果表明當環形的單元很小時，環形單元是通過兩個被稱作“洋蔥態”的穩定的渦旋態實現翻轉的。但環形的當尺寸很小時，其磁化分布狀態與環內外徑的比例及環的厚度緊密相關。因此，對洋蔥態來說將會出現不一致的翻轉過程。這種不一致的翻轉過程將導致在環形單元之間出現一個很大的翻轉場的分布，使得存儲信息出現誤碼，降低了MRAM的可靠性。Jehyun Lee等人研究了橢圓形的單元(見文獻JehyunLee，et al.，J.Magn.Magn.Mater.272-276(2004))。他們通過研究發現橢圓形的單元在翻轉過程中沒有邊緣磁疇出現并有一個相對比較穩定均勻的翻轉過程，但他們的研究同時也發現在不同尺寸時橢圓也出現了不同的翻轉過程.不同的翻轉過程會造成信息讀寫不可重復性，出現信息記錄的誤差。
發明內容
本發明提供一種菱形的磁性隨機存儲器存儲單元，由菱形磁性隨機存儲器存儲單元組成的磁性隨機存儲器(MRAM)具有讀寫準確、穩定的特點。
為了方便地描述本發明的內容，首先作術語定義存儲單元包括自由層，絕緣層和釘扎層(如圖3所示)，這三層皆為薄膜；長軸a是指磁性層的易磁化軸方向，它是與位線垂直的(如圖2所示)；短軸b是指磁性層的難磁化軸方向，它是與字線垂直的(如圖2所示)；自由層是指MRAM單元的信息記錄層，一般是軟磁薄膜(如圖3所示)；絕緣層是指MRAM單元中的中間介質材料，一般是AlOx(如圖3所示)；釘扎層是指MRAM單元中的一個磁矩相對固定的層，矯頑力比自由層大的薄膜構成(如圖3所示)。
本發明提供的一種菱形的磁性隨機存儲器存儲單元(如圖2、圖3所示)，它包括自由層4、絕緣層5、釘扎層6；其特征是所述的自由層4、絕緣層5、釘扎層6均為長軸與短軸尺寸相同的菱形，自由層4、釘扎層6分別位于絕緣層5的上下兩側組成磁性隨機存儲器存儲單元，所述的磁性隨機存儲器存儲單元的俯視圖形狀是菱形，所述菱形的長軸a與短軸b之比大于等于2，即a/b＞＝2。
本發明的工作原理是如圖3所示，本發明的存儲單元是多層膜的結構，其中上層和下層是軟硬不同的磁性層，中間層為絕緣層。記錄時，字線和位線同時通以合適的電流，以便只在其交叉處單元的較軟磁性層(即自由層)的磁化狀態得到改變如果兩層磁性層(自由層和釘扎層)磁矩平行，則單元呈低阻態，可定義為“0”；若反平行，則單元呈高阻態，可定義為“1”，如此便實現了信息的記錄。
由于靜磁作用，存儲單元的磁性層會出現磁矩的非一致取向，以及反轉過程的多樣性，這就導致了記錄信息的不確定性和寫入電流的不確定性，以致單元不能獲得唯一準確可靠的讀寫信息。所以，使單元具有一致取向的磁矩分布(單疇)，以及穩定單一的磁化反轉過程是MRAM單元設計的關鍵。
我們發現當菱形的長軸短軸比大于2時，菱形的存儲單元具有穩定的剩余磁化狀態，穩定的磁化反轉模式，以及由此帶來的穩定的反轉場。而且相對于現有的長方形、橢圓形等存儲單元，菱形存儲單元具有更穩定的剩磁結構和磁化反轉過程。
另外，由于菱形邊緣的線性特征，易于圖形加工，因此菱形更適合作為MRAM存儲單元的形狀。
利用本發明提供的菱形存儲單元按公知的磁性存儲單元陣列就可以組成菱形單元的磁性隨機存儲器。由本發明提供的菱形的磁性隨機存儲器存儲單元構成的磁性隨機存儲器具有信息記錄準確、讀寫過程穩定及信息記錄密度高等特點。
圖1是典型MRAM組成結構圖其中，1是字線，2是存儲單元，3是位線；圖2是菱形存儲單元的俯視圖其中，a是菱形的長軸，b是菱形的短軸；圖3是菱形存儲單元的主視圖其中，4是自由層，5是絕緣層，6是釘扎層；圖4是菱形存儲單元的星形曲線示意圖其中，橫坐標表示單元易磁化軸方向上的外磁場，縱坐標表示單元難磁化軸方向上的外磁場。7是長軸短軸比為1的單元的星形曲線，8是長軸短軸比為2的單元的星形曲線，9是長軸短軸比為4的單元的星形曲線，10是長軸短軸比為8的單元的星形曲線。
具體實施例方式采用美國國家標準局(NIST)提供的OOMMF微磁學模擬軟件就可以看到本發明提供的菱形MRAM存儲單元的優點。
我們模擬的典型的單元結構為三層膜結構，三層膜皆為菱形且長軸與短軸尺寸相同。長軸可以在200nm直到1600nm范圍內任取一值、短軸為200nm，厚度分別為自由層5nm、絕緣層1.5nm、釘扎層5nm。模擬結論有如下幾點1)將其磁化到飽和后，其剩磁狀態為單疇，能夠保證信息的記錄
2)對于長軸短軸比大于2的形狀，其反磁化均從單元中心開始，向四周擴展，反轉模式單一，因而反轉場也穩定。
3)反映其反轉時所要的外加的X方向和Y方向的磁場大小的所謂“星形線”如圖4所示，該曲線是MRAM設計的主要參數之一。
從圖4可以看出，增加單元的長軸短軸比，曲線向外移動，即在相同的偏置場下，大的長軸短軸比需要更高的反轉場。同時，當長軸短軸比的大于2時，其星形線差別不大，說明單元的反轉場受單元的尺寸影響很小，其翻轉過程很穩定。
權利要求
1.一種菱形的磁性隨機存儲器存儲單元，它包括自由層(4)、絕緣層(5)、釘扎層(6)；其特征是所述的自由層(4)、絕緣層(5)、釘扎層(6)均為長軸與短軸尺寸相同的菱形，自由層(4)、釘扎層(6)分別位于絕緣層(5)的上下兩側組成磁性隨機存儲器存儲單元，所述的磁性隨機存儲器存儲單元的俯視圖形狀是菱形，所述菱形的長軸a與短軸b之比大于等于2，即a/b＞＝2。
全文摘要
本發明提供了一種菱形的磁性隨機存儲器存儲單元，它包括自由層(4)、絕緣層(5)、釘扎層(6)；其特征是所述的磁性隨機存儲器存儲單元的俯視圖形狀是菱形，所述菱形的長軸a與短軸b之比(以下簡稱長寬比)大于等于2，即a/b＞＝2。由本發明提供的菱形的磁性隨機存儲器存儲單元構成的磁性隨機存儲器具有信息記錄準確、讀寫過程穩定及信息記錄密度高等特點。
文檔編號H01L43/00GK1790542SQ20041008151
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月17日 優先權日2004年12月17日
發明者張萬里, 張文旭, 湯如俊, 彭斌, 蔣洪川, 張懷武 申請人:電子科技大學