磁性隧道结结构、磁性随机存取存储单元、及光掩模转让专利
申请号 : CN200510081709.X
文献号 : CN1734662B
文献日 : 2010-06-09
发明人 : 河永奇 , 李将银 , 吴世忠 , 裵晙洙 , 金炫助 , 南坰兑
申请人 : 三星电子株式会社
摘要 :
本发明提供两端具有弯曲的凸出体的磁性隧道结结构、采用该结构的磁性RAM单元及其形成中使用的光掩模。该磁性隧道结结构包括堆叠在集成电路衬底上的被钉扎层图形、隧穿绝缘层图形和自由层图形。至少自由层图形包含主体以及俯视时分别从主体两端凸出的第一和第二弯曲凸出体。
权利要求 :
1.一种磁性隧道结结构，其具有堆叠在集成电路衬底上的被钉扎层图形、隧穿绝缘层图形和自由层图形，至少该自由层图形包括：方形的主体，它具有彼此相对的第一和第二侧边、从该第一侧边的一端延伸并与该第二侧边的一端相接触的第三侧边、以及从该第一侧边的另一端延伸并与该第二侧边的另一端相接触的第四侧边；
第一凸出体，其从对应于该第二和该第三侧边的接触点的第一顶点处向该主体之外凸出，该第一凸出体与该第二和该第三侧边接触；以及第二凸出体，其从对应于该第二和该第四侧边的接触点的第二顶点处向该主体之外凸出，该第二凸出体与该第二和该第四侧边接触，其中，该第一凸出体和该第二凸出体之间具有凹陷，且该被钉扎层图形和该隧穿绝缘层图形具有与该自由层图形相同的外形。
2.如权利要求1所述的磁性隧道结结构，其中该第一和该第二侧边长于该第三和该第四侧边。
3.如权利要求2所述的磁性隧道结结构，其中该第一侧边和该第二侧边具有同样的长度，并且该第三侧边和该第四侧边具有同样的长度。
4.如权利要求1所述的磁性隧道结结构，其中该隧穿绝缘层图形插入在该自由层图形和该被钉扎层图形之间。
5.如权利要求4所述的磁性隧道结结构，还包括钉扎层图形，它与被钉扎层图形相接触并位于与该隧穿绝缘层图形相对的一侧。
6.如权利要求1所述的磁性隧道结结构，其中该被钉扎层图形是单铁磁层。
7.如权利要求1所述的磁性隧道结结构，其中该被钉扎层图形是合成反铁磁层。
8.如权利要求1所述的磁性隧道结结构，其中该被钉扎层图形是由至少5层构成的混合合成反铁磁层。
9.如权利要求8所述的磁性隧道结结构，其中该混合合成反铁磁层包括顺序堆叠的下CoFeB层、下CoFe层、反铁磁耦合间隔层、上CoFe层和上CoFeB层，并且该反铁磁耦合间隔层是钌层和铬层中的一种。
10.如权利要求8所述的磁性隧道结结构，其中该混合合成反铁磁层包括顺序堆叠的下NiFe层、下CoFe层、反铁磁耦合间隔层、上CoFe层和上NiFe层，并且该反铁磁耦合间隔层是钌层和铬层中的一种。
11.如权利要求1所述的磁性隧道结结构，其中该自由层图形是单铁磁层。
12.如权利要求1所述的磁性隧道结结构，其中该自由层图形是合成反铁磁层。
13.如权利要求1所述的磁性隧道结结构，其中自由层图形是由至少5层构成的混合合成反铁磁层。
14.如权利要求13所述的磁性隧道结结构，其中该混合合成反铁磁层包括顺序堆叠的下CoFeB层、下CoFe层、反铁磁耦合间隔层、上CoFe层和上CoFeB层，并且该反铁磁耦合间隔层是钌层和铬层中的一种。
15.如权利要求13所述的磁性隧道结结构，其中该混合合成反铁磁层包括顺序堆叠的下NiFe层、下CoFe层、反铁磁耦合间隔层、上CoFe层和上NiFe层，并且该反铁磁耦合间隔层是钌层和铬层中的一种。
16.一种磁性随机存取存储器单元，包括：
形成在集成电路衬底上的存取晶体管；
设置在该衬底上的数字线；
设置在该数字线之上并电连接到该存取晶体管输出端子的底部电极；
磁性隧道结结构，其包括堆叠在该底部电极上的被钉扎层图形、隧穿绝缘层图形和自由层图形，至少该自由层图形包括主体以及分别从主体两端凸出的第一和第二凸出体，该主体呈方形，具有彼此相对的第一和第二侧边、从该第一侧边的一端延伸并与该第二侧边的一端相接触的第三侧边以及从该第一侧边的另一端延伸并与该第二侧边的另一端相接触的第四侧边，该第一凸出体从对应着该第二和第三侧边的接触点的第一顶点处向该主体之外凸出并与该第二和第三侧边接触，该第二凸出体从对应着该第二和第四侧边的接触点的第二顶点处向该主体之外凸出并与该第二和第四侧边接触，其中该第一凸出体和该第二凸出体之间具有凹陷，且该被钉扎层图形和该隧穿绝缘层图形具有与该自由层图形相同的外形；
设置在该磁性隧道结结构上的顶部电极；以及
设置在该顶部电极上面并电连接到该顶部电极的位线。
17.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元，还包括：
形成在该集成电路衬底的预定区域处用来定义有源区的隔离层；是MOS晶体管的存取晶体管，其具有形成在有源区中的源区和漏区以及横跨源区和漏区之间的沟道区设置的栅极电极，以及是MOS晶体管的漏区的输出端子。
18.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元，其中该主体具有矩形形状，该第一和第二侧边长于该第三和第四侧边。
19.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元，其中该隧穿绝缘层图形插入在自由层图形和被钉扎层图形之间。
20.如权利要求19所述的磁性随机存取存储器单元，还包括一个插入在该底部电极和被钉扎层图形之间的钉扎层图形。
21.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元，其中该被钉扎层图形是单铁磁层。
22.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元，其中该被钉扎层图形是合成反铁磁层。
23.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元，其中该被钉扎层图形是由至少5层构成的混合合成反铁磁层。
24.如权利要求23所述的磁性随机存取存储器单元，其中该混合合成反铁磁层包括顺序堆叠的下CoFeB层、下CoFe层、反铁磁耦合间隔层、上CoFe层和上CoFeB层，并且该反铁磁耦合间隔层是钌层和铬层中的一种。
25.如权利要求23所述的磁性随机存取存储器单元，其中该混合合成反铁磁层包括顺序堆叠的下NiFe层、下CoFe层、反铁磁耦合间隔层、上CoFe层和上NiFe层，且该反铁磁耦合间隔层是钌层和铬层中的一种。
26.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元，其中该自由层图形是单铁磁层。
27.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元，其中该自由层图形是合成反铁磁层。
28.如权利要求16所述的磁性随机存取存储器单元，其中该自由层图形是由至少5层构成的混合合成反铁磁层。
29.如权利要求28所述的磁性随机存取存储器单元，其中该混合合成反铁磁层包括顺序堆叠的下CoFeB层、下CoFe层、反铁磁耦合间隔层、上CoFe层和上CoFeB层，且该反铁磁耦合间隔层是钌层和铬层中的一种。
30.如权利要求28的所述磁性随机存取存储器单元，其中该混合合成反铁磁层包括顺序堆叠的下NiFe层、下CoFe层、反铁磁耦合间隔层、上CoFe层和上NiFe层，且该反铁磁耦合间隔层是钌层和铬层中的一种。
31.一种具有衬底和形成在衬底的主表面上的磁性隧道结图形的光掩模，该磁性隧道结图形包括：方形主图形，其具有彼此相对的第一和第二侧边以及彼此相对的第三和第四侧边；
第一凸出体图形，其从对应着该第二和第三侧边的接触点的第一顶点处向该方形主图形的外围凸出，该第一凸出体图形具有与包含第一顶点的主图形的第一角区域相交迭的部分；以及第二凸出体图形，其从对应着第二和第四侧边的接触点的第二顶点处向该方形主图形的外围凸出，该第二凸出体图形具有与包含第二顶点的主图形的第二角区域相交迭的部分，其中，该第一凸出体图形和该第二凸出体图形彼此分离。
32.如权利要求31所述的光掩模，其中该主图形具有矩形形状，且该第一和第二侧边长于该第三和第四侧边。
33.如权利要求32所述的光掩模，其中该第一和第二凸出体图形具有位于主图形外部的中心点。
34.如权利要求33所述的光掩模，其中该第一和第二凸出体图形的中心点与第二到第四侧边的延长线间隔开。
35.如权利要求32所述的光掩模，其中该第一和第二凸出体图形相对于与主图形中心点交叉的直线彼此对称。
36.如权利要求31所述的光掩模，其中该第一和第二凸出体图形具有方形外形和圆形外形中的一种。
37.如权利要求36所述的光掩模，其中该第一和第二凸出体图形具有位于主图形外部的中心点。
38.如权利要求37所述的光掩模，其中该第一和第二凸出体图形的中心点与第二到第四侧边的延长线间隔开。
39.如权利要求31所述的光掩模，其中该主图形、第一凸出体图形和第二凸出体图形是不透明的图形。
40.如权利要求39所述的光掩模，其中该不透明图形是铬图形。
说明书 :
技术领域
本发明涉及磁性随机存取存储器(MRAM)，更具体地，涉及在其两端具有弯曲凸出体的磁性隧道结结构、采用该结构的MRAM单元、以及其形成时使用的光掩模。
背景技术
MRAM器件作为非易失性存储器已经被广泛应用，它可以工作在低电压和高速度的条件下。在MRAM器件的单元中，数据存储在磁电阻的磁性隧道结(MTJ)结构中。该MTJ结构包括第一和第二铁磁层以及插入在它们之间的隧穿绝缘层。被称作自由层的第一铁磁层的磁极化可以被穿过MTJ结构的外部磁场改变。外部磁场可以由流过MTJ结构周围的电流感应，自由层的磁极化可以平行于或反平行于称作被钉扎(pinned)层的第二铁磁层的固定磁极化。用来产生磁场的电流流经设置在MTJ结构周围的被称作数字线(digitline)和位线(bit line)的导电层。
根据基于量子力学的自旋电子学，当自由层和被钉扎层中的磁自旋彼此平行排列时，流经MTJ结构的隧穿电流表现为最大值。另一方面，当自由层和被钉扎层中的磁自旋彼此反平行排列时，流经MTJ结构的隧穿电流具有最小值。因此，可以根据自由层中磁自旋的方向确定MRAM单元中的数据。
俯视时，大部分MTJ结构具有矩形形状或椭圆形状。这是因为当自由层中的磁自旋平行于自由层的纵向时，自由层中的磁自旋具有稳态。
MRAM器件包括多个MTJ结构。根据其制造工艺，多个MTJ结构可能会表现出不一致的翻转特性。在这种情况下，用来在MTJ结构中存储指定数据的外部磁场可能会彼此不同。相应地，MTJ结构的翻转特性越是不一致，就越是会降低MRAM器件的写入容限(writing margin)。特别地，当MTJ结构按比例缩小以实现高集成密度时，可能会明显地降低写入容限。
如果MTJ结构采用了由单铁磁层构成的被钉扎层，那么MTJ结构的磁滞曲线会由于被钉扎层中固定的磁自旋产生的寄生磁场而发生移动。也就是说，即使没有外部磁场施加到MTJ结构上，自由层中的磁自旋也会受到被钉扎层中固定磁自旋产生的寄生磁场的影响。因此，使自由层中的磁自旋平行于被钉扎层中的固定磁自旋排列的第一外部磁场的绝对值可能会不同于使自由层中的磁自旋反平行于被钉扎层中的固定磁自旋排列的第二外部磁场的绝对值。为了解决上述问题，合成反铁磁层(SAF)已被广泛用来作为被钉扎层。
另外，自由层也可以采用合成反铁磁层。在这种情况下，与由单铁磁层构成的自由层相比，由合成反铁磁层构成的自由层表现出更好的热稳定性和较低的磁极化偏差。
具有由合成反铁磁层构成的被钉扎层和自由层的磁性隧道结(MTJ)结构在Engel等人的美国专利6,531,723 B1中有所描述，其标题为“Magnetoresistance Random Access Memory for Improved Scalability”。然而，根据Engel等人的描述，从平面图观察MTJ结构为矩形或椭圆形的情况下，在改善写入容限方面会有一些限制。
此外，Higo提出的美国专利US 2003/0169147 A1描述了采用形状与矩形和椭圆形不同的MTJ结构的MRAM器件，其标题为“MagnetoresistiveEffect Element and Magnetic Memory Device”。根据Higo的描述，在一对彼此相对的C形自由层之间的区域穿过一个垂直写入电极。该写入电极电连接到位于自由层下面并与自由层相绝缘的被钉扎层。另外，在写入电极的两侧提供电连接到自由层的读出线。因此，Higo提出的MTJ结构可能要求复杂的制造过程。此外，Higo提出的MTJ结构只通过流经垂直写入电极的垂直电流来翻转。因此，可能需要较大的写入电流来改变存储在MTJ结构中的数据。这可能会引起在写入操作过程中功耗的增大。
根据基于量子力学的自旋电子学，当自由层和被钉扎层中的磁自旋彼此平行排列时，流经MTJ结构的隧穿电流表现为最大值。另一方面，当自由层和被钉扎层中的磁自旋彼此反平行排列时，流经MTJ结构的隧穿电流具有最小值。因此，可以根据自由层中磁自旋的方向确定MRAM单元中的数据。
俯视时，大部分MTJ结构具有矩形形状或椭圆形状。这是因为当自由层中的磁自旋平行于自由层的纵向时，自由层中的磁自旋具有稳态。
MRAM器件包括多个MTJ结构。根据其制造工艺，多个MTJ结构可能会表现出不一致的翻转特性。在这种情况下，用来在MTJ结构中存储指定数据的外部磁场可能会彼此不同。相应地，MTJ结构的翻转特性越是不一致，就越是会降低MRAM器件的写入容限(writing margin)。特别地，当MTJ结构按比例缩小以实现高集成密度时，可能会明显地降低写入容限。
如果MTJ结构采用了由单铁磁层构成的被钉扎层，那么MTJ结构的磁滞曲线会由于被钉扎层中固定的磁自旋产生的寄生磁场而发生移动。也就是说，即使没有外部磁场施加到MTJ结构上，自由层中的磁自旋也会受到被钉扎层中固定磁自旋产生的寄生磁场的影响。因此，使自由层中的磁自旋平行于被钉扎层中的固定磁自旋排列的第一外部磁场的绝对值可能会不同于使自由层中的磁自旋反平行于被钉扎层中的固定磁自旋排列的第二外部磁场的绝对值。为了解决上述问题，合成反铁磁层(SAF)已被广泛用来作为被钉扎层。
另外，自由层也可以采用合成反铁磁层。在这种情况下，与由单铁磁层构成的自由层相比，由合成反铁磁层构成的自由层表现出更好的热稳定性和较低的磁极化偏差。
具有由合成反铁磁层构成的被钉扎层和自由层的磁性隧道结(MTJ)结构在Engel等人的美国专利6,531,723 B1中有所描述，其标题为“Magnetoresistance Random Access Memory for Improved Scalability”。然而，根据Engel等人的描述，从平面图观察MTJ结构为矩形或椭圆形的情况下，在改善写入容限方面会有一些限制。
此外，Higo提出的美国专利US 2003/0169147 A1描述了采用形状与矩形和椭圆形不同的MTJ结构的MRAM器件，其标题为“MagnetoresistiveEffect Element and Magnetic Memory Device”。根据Higo的描述，在一对彼此相对的C形自由层之间的区域穿过一个垂直写入电极。该写入电极电连接到位于自由层下面并与自由层相绝缘的被钉扎层。另外，在写入电极的两侧提供电连接到自由层的读出线。因此，Higo提出的MTJ结构可能要求复杂的制造过程。此外，Higo提出的MTJ结构只通过流经垂直写入电极的垂直电流来翻转。因此，可能需要较大的写入电流来改变存储在MTJ结构中的数据。这可能会引起在写入操作过程中功耗的增大。
发明内容
一方面，本发明涉及两端具有弯曲凸出体的磁性隧道结结构。该磁性隧道结结构包括被钉扎层图形、隧穿绝缘层图形和自由层图形，它们层叠在集成电路衬底上。至少该自由层图形包括主体以及俯视时分别从主体两端凸出的第一和第二凸出体。俯视时，主体具有彼此相对的第一和第二侧边、从第一侧边的一端延伸并与第二侧边的一端接触的第三侧边、以及从第一侧边的另一端延伸并与第二侧边的另一端接触的第四侧边。此外，第一凸出体从对应着第二和第三侧边的接触点的第一顶点处凸出，并与第二和第三侧边接触。第二凸出体从对应着第二和第四侧边的接触点的第二顶点处凸出，并与第二和第四侧边接触。
在某些实施例中，第一和第二侧边可以长于第三和第四侧边。而且，第一侧边和第二侧边可以具有同样的长度，第三侧边和第四侧边可以具有同样的长度。
在另一些实施例中，隧穿绝缘层图形可以插入在自由层图形和被钉扎层图形之间，并且在俯视时隧穿绝缘层图形和被钉扎层图形可以具有与自由层图形相同的外形。
在另一些实施例中，被钉扎层图形可以是单铁磁层或合成反铁磁(SAF)层。自由层图形也可以是单铁磁层或合成反铁磁(SAF)层。
在其它实施例中，钉扎(pinning)层图形可以与被钉扎(pinned)层图形相接触。在这种情况下，钉扎层图形位于与隧穿绝缘层图形相对的一侧。钉扎层图形为反铁磁层。
另一方面，本发明涉及采用在其两端具有弯曲凸出体的磁性隧道结结构的MRAM单元。该MRAM单元包括形成在集成电路衬底上的存取晶体管和设置在带有存取晶体管的衬底上的数字线。底部电极设置在数字线上。该底部电极电连接到存取晶体管的输出端子。磁性隧道结结构位于底部电极上。该磁性隧道结结构包括堆叠的被钉扎层图形、隧穿绝缘层图形和自由层图形。至少该自由层图形具有主体以及俯视时分别从主体两端凸出的第一和第二凸出体。主体具有彼此相对的第一和第二侧边、从第一侧边的一端延伸并与第二侧边的一端接触的第三侧边、从第一侧边的另一端延伸并与第二侧边的另一端接触的第四侧边。另外，第一凸出体从对应着第二和第三侧边的接触点的第一顶点处凸出，并与第二和第三侧边接触。第二凸出体从对应着第二和第四侧边接触点的第二顶点处凸出，并与第二和第四侧边接触。顶部电极设置在磁性隧道结结构上。位线设置在顶部电极上，并且位线电连接到顶部电极。
在某些实施例中，存取晶体管可以是MOS晶体管。在这种情况下，输出端子对应着MOS晶体管的漏区。
在另一些实施例中，可设置位线与数字线交叉。
在另一些实施例中，主体可以具有矩形的形状。在这种情况下，第一和第二侧边可以长于第三和第四侧边。
在其它实施例中，隧穿绝缘层图形可以插入在自由层图形和被钉扎层图形之间。同样，在俯视时隧穿绝缘层图形和被钉扎层图形可以具有与自由层图形相同的外形。
再一方面，本发明涉及在形成其两端具有弯曲凸出体的磁性隧道结结构时使用的光掩模。该光掩模包括透明衬底和形成在透明衬底的主表面上的磁性隧道结图形。该磁性隧道结图形包括具有彼此相对的第一和第二侧边以及彼此相对的第三和第四侧边的方形主图形、从对应着第二和第三侧边的接触点的第一顶点处凸出的第一凸出体图形、以及从对应着第二和第四侧边的接触点的第二顶点处凸出的第二凸出体图形。该第一凸出体图形具有与主图形的第一角区域相交迭的部分，该第一角区域包含第一顶点，该第二凸出体图形具有与主图形的第二角区域相交迭的部分，该第二角区域包含第二顶点。
在某些实施例中，主图形可以是矩形形状的。也就是说，第一和第二侧边可以长于第三和第四侧边。在这种情况下，第一和第二凸出体图形可以是相对于与主图形中心点交叉的直线彼此对称的。
在另一些实施例中，俯视时的第一和第二凸出体图形可以是方形外形的或是圆形外形的。
在其它实施例中，主图形、第一凸出体图形和第二凸出体图形可以是不透明的图形。在这种情况下，不透明图形可以是铬图形。
在某些实施例中，第一和第二侧边可以长于第三和第四侧边。而且，第一侧边和第二侧边可以具有同样的长度，第三侧边和第四侧边可以具有同样的长度。
在另一些实施例中，隧穿绝缘层图形可以插入在自由层图形和被钉扎层图形之间，并且在俯视时隧穿绝缘层图形和被钉扎层图形可以具有与自由层图形相同的外形。
在另一些实施例中，被钉扎层图形可以是单铁磁层或合成反铁磁(SAF)层。自由层图形也可以是单铁磁层或合成反铁磁(SAF)层。
在其它实施例中，钉扎(pinning)层图形可以与被钉扎(pinned)层图形相接触。在这种情况下，钉扎层图形位于与隧穿绝缘层图形相对的一侧。钉扎层图形为反铁磁层。
另一方面，本发明涉及采用在其两端具有弯曲凸出体的磁性隧道结结构的MRAM单元。该MRAM单元包括形成在集成电路衬底上的存取晶体管和设置在带有存取晶体管的衬底上的数字线。底部电极设置在数字线上。该底部电极电连接到存取晶体管的输出端子。磁性隧道结结构位于底部电极上。该磁性隧道结结构包括堆叠的被钉扎层图形、隧穿绝缘层图形和自由层图形。至少该自由层图形具有主体以及俯视时分别从主体两端凸出的第一和第二凸出体。主体具有彼此相对的第一和第二侧边、从第一侧边的一端延伸并与第二侧边的一端接触的第三侧边、从第一侧边的另一端延伸并与第二侧边的另一端接触的第四侧边。另外，第一凸出体从对应着第二和第三侧边的接触点的第一顶点处凸出，并与第二和第三侧边接触。第二凸出体从对应着第二和第四侧边接触点的第二顶点处凸出，并与第二和第四侧边接触。顶部电极设置在磁性隧道结结构上。位线设置在顶部电极上，并且位线电连接到顶部电极。
在某些实施例中，存取晶体管可以是MOS晶体管。在这种情况下，输出端子对应着MOS晶体管的漏区。
在另一些实施例中，可设置位线与数字线交叉。
在另一些实施例中，主体可以具有矩形的形状。在这种情况下，第一和第二侧边可以长于第三和第四侧边。
在其它实施例中，隧穿绝缘层图形可以插入在自由层图形和被钉扎层图形之间。同样，在俯视时隧穿绝缘层图形和被钉扎层图形可以具有与自由层图形相同的外形。
再一方面，本发明涉及在形成其两端具有弯曲凸出体的磁性隧道结结构时使用的光掩模。该光掩模包括透明衬底和形成在透明衬底的主表面上的磁性隧道结图形。该磁性隧道结图形包括具有彼此相对的第一和第二侧边以及彼此相对的第三和第四侧边的方形主图形、从对应着第二和第三侧边的接触点的第一顶点处凸出的第一凸出体图形、以及从对应着第二和第四侧边的接触点的第二顶点处凸出的第二凸出体图形。该第一凸出体图形具有与主图形的第一角区域相交迭的部分，该第一角区域包含第一顶点，该第二凸出体图形具有与主图形的第二角区域相交迭的部分，该第二角区域包含第二顶点。
在某些实施例中，主图形可以是矩形形状的。也就是说，第一和第二侧边可以长于第三和第四侧边。在这种情况下，第一和第二凸出体图形可以是相对于与主图形中心点交叉的直线彼此对称的。
在另一些实施例中，俯视时的第一和第二凸出体图形可以是方形外形的或是圆形外形的。
在其它实施例中，主图形、第一凸出体图形和第二凸出体图形可以是不透明的图形。在这种情况下，不透明图形可以是铬图形。
附图说明
通过对本发明优选方面更具体的描述，本发明的上述以及其它目的、特点和优势将会变得明显，如附图所示，其中所有不同视图中的同样的附图标记表示相同的部件。附图并不需要按比例，重点是为了说明本发明的原理。附图中，为了清楚起见，区域的厚度和层的厚度都被放大了。另外，当描述一个层形成在另一个层或衬底上时，该层可以形成在另一个层或衬底上，或者第三层可以插入在该层和另一个层或衬底之间。
图1是根据本发明实施例的MRAM单元的等效电路图。
图2A是根据本发明实施例的MRAM单元的俯视图。
图2B是图2A所示的磁性隧道结结构的透视图。
图3是沿图2A中I-I′线取得的截面图。
图4是显示根据常见的合成反铁磁(SAF)层的反铁磁耦合间隔层的厚度的交换耦合能的曲线图。
图5是根据本发明实施例的MRAM单元的自由层和/或被钉扎层中采用的混合合成反铁磁(SAF)层的截面图。
图6是显示图2B和3所示的自由层的磁化特性的俯视图。
图7是显示用于形成图6所示的自由层的光掩模的俯视图。
图8到11是显示根据本发明实施例形成MRAM单元的方法的截面图。
图12包含显示传统磁性隧道结结构翻转特性的测量结果的星形曲线。
图13包含显示根据本发明制备的磁性隧道结结构的翻转特性的测量结果的星形曲线。
图14是显示图3所示三层SAF层和图5所示混合合成反铁磁层的磁化特性测量结果的图。
图1是根据本发明实施例的MRAM单元的等效电路图。
图2A是根据本发明实施例的MRAM单元的俯视图。
图2B是图2A所示的磁性隧道结结构的透视图。
图3是沿图2A中I-I′线取得的截面图。
图4是显示根据常见的合成反铁磁(SAF)层的反铁磁耦合间隔层的厚度的交换耦合能的曲线图。
图5是根据本发明实施例的MRAM单元的自由层和/或被钉扎层中采用的混合合成反铁磁(SAF)层的截面图。
图6是显示图2B和3所示的自由层的磁化特性的俯视图。
图7是显示用于形成图6所示的自由层的光掩模的俯视图。
图8到11是显示根据本发明实施例形成MRAM单元的方法的截面图。
图12包含显示传统磁性隧道结结构翻转特性的测量结果的星形曲线。
图13包含显示根据本发明制备的磁性隧道结结构的翻转特性的测量结果的星形曲线。
图14是显示图3所示三层SAF层和图5所示混合合成反铁磁层的磁化特性测量结果的图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的MRAM单元的等效电路图。
参考图1，提供了存取晶体管TA。存取晶体管TA的输出端子电连接到磁电阻(MR)的一端。存取晶体管TA可以是具有栅极电极、源区和漏区的MOS晶体管。在这种情况下，漏区对应存取晶体管TA的输出端子。另外，延伸栅极电极以作为字线(WL)，源区可以电连接到接地端子或公共源线。数字线DL设置在磁电阻MR的周围。数字线DL与磁电阻MR绝缘。磁电阻MR的另一端电连接到位线BL。
图2A是根据本发明实施例的MRAM单元的俯视图，图2B是图2A所示的磁性隧道结结构的透视图。此外，图3是图2A沿I-I′线取得的截面图。
参考图2A、2B和3，在集成电路衬底11的预定区域处提供存取晶体管TA。存取晶体管TA可以是MOS晶体管。在这种情况下，在形成在集成电路衬底11的预定区域的隔离层13定义的有源区13a处提供存取MOS晶体管TA。具体地，存取MOS晶体管TA包括形成在有源区13a中并彼此隔开的源区19s和漏区19d、以及设置在源区19s和漏区19d之间的沟道区上面的栅极电极17。栅极电极17延伸跨过有源区13a以作为字线(图1和2A中的WL)。栅极电极17通过栅极绝缘层15与有源区13a绝缘。
在具有存取MOS晶体管TA的衬底上设置漏极焊盘25d和公共源线25s。漏极焊盘25d通过漏极接触插栓(plug)23d电连接到漏区19d，公共源线25s通过源极接触插栓23s电连接到源区19s。漏区19d对应存取MOS晶体管TA的输出端子。公共源线25s可以电连接到接地端子，并可设置为平行于字线WL。
在具有公共源线25s和漏极焊盘25d的衬底上设置数字线29(图1和2A中的DL)。数字线29可以设置为与字线WL平行。磁电阻MR位于数字线29上面。磁阻MR可以包括顺序堆叠的底部电极37、磁性隧道结结构5和顶部电极55a。底部电极37经由底部电极接触插栓33电连接到漏极焊盘25d。这样，底部电极37就经由漏极接触插栓23d、漏极焊盘25d和底部电极接触插栓33电连接到了漏区19d。数字线29与磁电阻MR绝缘。
磁性隧道结结构5可以包括钉扎层图形39a、被钉扎层图形46a、隧穿绝缘层图形47a和自由层图形54a，它们顺序堆叠在底部电极37上。与此相反，也可以是自由层图形54a、隧穿绝缘层图形47a、被钉扎层图形46a和钉扎层图形39a顺序堆叠在底部电极37上。
钉扎层图形39a由反铁磁层构成，自由层图形54a和被钉扎层图形46a包括铁磁层。因此，与钉扎层图形39a相接触的被钉扎层图形46a具有固定的磁自旋，由于钉扎层图形39a即反铁磁层的存在它总是朝着特定的方向排列。隧穿绝缘层图形47a可以是绝缘层例如氧化铝(Al2O3)层。
被钉扎层图形46a可以是单铁磁层或是合成反铁磁(SAF)层。当被钉扎层图形46a是合成反铁磁(SAF)层时，被钉扎层图形46a包括下铁磁层41a、上铁磁层45a和插入在它们之间的反铁磁耦合间隔层图形43a。钌层可以用来作为反铁磁耦合间隔层图形43a。在这种情况下，下铁磁层图形41a包含总是沿着由钉扎层图形39a决定的特定方向排列的固定磁自旋，上铁磁层图形45a包含通过耦合间隔层图形43a沿着下铁磁层41a中的磁自旋的相反方向排列的固定磁自旋。因此，在由合成反铁磁(SAF)层构成的被钉扎层图形中的磁自旋的矢量和会明显小于由单铁磁层构成的被钉扎层图形中的磁自旋的矢量和。这样，采用由SAF层构成的被钉扎层图形的磁性隧道结结构可表现出稳定的磁滞曲线。
自由层图形54a也可以是单铁磁层或是SAF层。当自由层图形54a是SAF层时，自由层图形54a包括下铁磁层49a、上铁磁层53a和插在它们之间的反铁磁耦合间隔层图形51a。在这种情况下，即使有外部热应力作用在自由层图形54a上，自由层图形54a中的磁自旋也可以保持在稳态。此外，由于在进行刻蚀工艺从而形成自由层图形54a时造成的刻蚀损伤，所以自由层图形54a两端的磁自旋可能会具有非稳态。然而，如果自由层图形54a是SAF层，那么由于上铁磁层53a中的磁自旋和下铁磁层49a中的磁自旋彼此相互作用而分别沿相反的方向排列，所以自由层图形54a两端的磁自旋可以具有稳态。
如果被钉扎层图形46a和自由层图形54a都采用SAF层，磁性隧道结结构5的磁电阻由被钉扎层图形46a的上铁磁层45a中的磁自旋的排列方向和自由层图形54a的下铁磁层49a中的磁自旋的排列方向决定。也就是说，当上铁磁层45a中的磁自旋平行于下铁磁层49a中的磁自旋时，磁性隧道结结构5具有最小电阻值。相反，当上铁磁层45a中的磁自旋反平行于下铁磁层49a中的磁自旋时，磁性隧道结结构5具有最大电阻值。
如图2A所示，磁性隧道结结构5可以包括主体1，以及俯视时分别从主体1的两端凸出的第一和第二凸出体3a和3b。具体地，主体1包含彼此相对的第一和第二侧边1a和1b、从第一侧边1a的一端延伸并接触第二侧边1b的一端的第三侧边1c、以及从第一侧边1a的另一端延伸并接触第二侧边1b的另一端的第四侧边1d。第三侧边1c与第四侧边1d相对。同时，第一凸出体3a从对应着第二和第三侧边1b和1c的接触点的第一顶点P1处凸出，并与第二和第三侧边1b和1c相接触。类似地，第二凸出体3b从对应着第二和第四侧边1b和1d的接触点的第二顶点P2处凸出，并与第二和第四侧边1b和1d相接触。这样，第一和第二凸出体3a和3b从主体1的两端凸出，从而形成一对弯曲的凸出体。
俯视时，主体1可以具有方形的结构。主体1也可以具有矩形的结构。这时，第一和第二侧边1a和1b可以具有长度L，第三和第四侧边1c和1d可以具有小于长度L的宽度W。
优选地，面对与第一和第二凸出体3a和3b相接触的第二侧边1b的第一侧边1a具有直线形状。这是因为至少主体1中的磁自旋应优选地排列成平行于或反平行于流经数字线29的电流所感应的易磁场(easy magneticfield)。然而，当第一侧边具有圆形的形状(图2A中1e)而不是直线1a时，主体1中的磁自旋可能会表现出涡旋状态。在这种情况下，自由层图形54a中的磁自旋会显示出非稳态。
俯视时，被钉扎层图形46a和钉扎层图形39a可以具有不同于自由层图形54a的外形。在这种情况下，优选地至少使自由层图形54a具有图2A所示的主体1以及第一和第二凸出体3a和3b。
使用层间绝缘层100覆盖具有上述磁电阻MR的衬底。在层间绝缘层100上设置位线59(图1和2A中的BL)。位线59经由穿过层间绝缘层100的位线接触孔电连接到磁电阻(MR)，例如顶部电极55a。位线59设置成与数字线29交叉。
SAF层的特性可根据插于上铁磁层和下铁磁层之间的反铁磁耦合间隔层43a或51a的厚度而变化，如图4所示。
图4是显示常见SAF层的交换耦合能的图。在图4中，横坐标表示作为SAF层的反铁磁耦合间隔层的钌层的厚度TH，纵坐标表示SAF层的交换耦合能Jex。当交换耦合能Jex沿正方向增大时，上铁磁层和下铁磁层中的磁自旋则彼此更为强烈地呈平行排列。相反，当交换耦合能Jex沿负方向增大时，上铁磁层和下铁磁层中的磁自旋则彼此更为强烈地呈反平行排列。
如图4所示，交换耦合能Jex随着钌层厚度TH的增大，重复并交替地表现为正值和负值。此外，交换耦合能Jex随钌层厚度TH的增大趋于减小。因此，为了实现一种适合高性能MRAM单元的优良的SAF层，钌层必须具有优化的厚度(图4中的Top)，在该厚度处交换耦合能Jex表现为最大的负值。钌层的优化厚度Top可能会根据上铁磁层和下铁磁层的材料的不同而变化。
当SAF层的上铁磁层和下铁磁层都是镍铁(NiFe)层时，钌层的优化厚度约为这时，SAF层表现出的交换耦合能Jex为-0.036erg/cm2。此外，当上铁磁层和下铁磁层都是CoFeB层时，钌层的优化厚度约为这时，SAF层表现出的交换耦合能Jex为-0.021erg/cm2。另外，当上铁磁层和下铁磁层都是钴铁(CoFe)层时，钌层的优化厚度约为这时，SAF层表现出的交换耦合能Jex为-0.18erg/cm2。所以，与NiFe层和CoFeB层相比，CoFe层具有更适合用作SAF层的上铁磁层和下铁磁层的交换耦合能Jex。也就是说，应认识到NiFe层(或CoFeB层)不适合作为SAF层的上铁磁层和下铁磁层。
然而，与CoFe层相比，NiFe层和CoFeB层显示出相对稳定的没有纽结(kink)现象的磁滞特性。扭结现象恶化了磁性隧道结结构的翻转特性。因此，如果通过结合展现优越磁滞特性的铁磁层作为单自由层和展现高交换耦合能Jex的铁磁层作为SAF层来实现混合SAF层，那么混合SAF层会表现出比参考图3所述的三层SAF层54a或46a更优良的特性。
图5是可以用来代替图3所示的三层SAF层54a或46a的混合SAF层54a′或46a′的截面图。
参考图5，混合SAF层54a′或46a′包括顺序堆叠的下混合铁磁层108a、反铁磁耦合间隔层109a和上混合铁磁层114a。下混合铁磁层108a可以包括第一下铁磁层105a以及插于第一下铁磁层105a和反铁磁耦合间隔层109a之间的第二下铁磁层107a。此外，上混合铁磁层114a可以包括第一上铁磁层113a以及插于第一上铁磁层113a和反铁磁耦合间隔层109a之间的第二上铁磁层111a。这样，混合SAF层54a′或46a′至少由五个顺序堆叠的层构成。
反铁磁耦合间隔层109a可以是钌层或铬层。优选地，第一下铁磁层105a和第一上铁磁层113a为CoFeB层或NiFe层。此外，优选地，第二下铁磁层107a和第二上铁磁层111a为CoFe层，它具有比第一下铁磁层105a和第一上铁磁层113a更高的交换耦合能Jex。
如图5所示，第一和第二下铁磁层105a和107a彼此直接相接触。因此，第一下铁磁层105a中的磁自旋的排列总是平行于第二下铁磁层107a中的磁自旋。类似地，第一和第二上铁磁层113a和111a也是彼此直接相接触的。因此，第一上铁磁层113a中的磁自旋的排列总是平行于第二上铁磁层111a中的磁自旋。这样，即使与反铁磁耦合间隔层109a直接接触的第二下铁磁层107a和第二上铁磁层111a所形成的厚度为几个那么如果增大第一下铁磁层105a和第一上铁磁层113a的厚度，则混合SAF层54a′或46a′会显示出较之参考图3所说明的三层SAF层54a和46a的改进了的特性。
图6是显示图2B所示磁性隧道结结构5的自由层图形54a中的磁自旋翻转操作的俯视图。
参考图6，自由层图形54a由主体1′、第一凸出体3a′和第二凸出体3b′构成，它们分别对应图2A中所示的主体1、第一凸出体3a和第二凸出体3b。如果自由层图形54a为SAF层，自由层图形54a可以被看作是图3所示的下铁磁层49a。在这种情况下，下铁磁层49a中的磁自旋包括主体1′中的第一磁自旋S1、第一凸出体3a′中的第二磁自旋S2和第二凸出体3b′中的第三磁自旋S3。
通常，铁磁层中的磁自旋的排列方向依赖于铁磁层的形状。例如，当没有任何外部磁场施加在铁磁层上时，铁磁层中的磁自旋倾向于沿着铁磁层的纵向排列，以获得稳态。因此，图6所示的下铁磁层49a中的第一磁自旋S1会沿着平行于主体1′的纵向排列，即x轴。同样地，第二磁自旋S2会排列成自x轴向y轴的正方向旋转一定角度的状态，第三磁自旋S3会排列成自x轴向y轴的负方向旋转一定角度的状态。这样，第一到第三磁自旋S1、S2和S3产生了一个圆形磁场Hc以保持高稳态，如图6所示。也就是说，在不施加任何外部磁场的平衡态下，与传统的具有矩形自由层或椭圆形自由层的磁性隧道结结构相比，根据本发明的磁性隧道结结构的自由层图形中的磁自旋具有更稳定的态。
为了改变具有下铁磁层49a的磁性隧道结结构(图2A、2B和3中的5)中的数据，磁自旋S1、S2和S3应旋转180°。为了使磁自旋S1、S2和S3旋转180°，必须对下铁磁层49a施加一个平行于y轴的难磁场(hardmagnetic field)Hh和一个反平行于x轴的易磁场He。难磁场Hh可以通过向图2A和3所示的位线BL中通入第一写入电流来产生，易磁场He可以通过向图2A和3所示的数字线DL中通入第二写入电流来产生。在这种情况下，第一和第三磁自旋S1和S3，尤其是第三磁自旋S3，应当基本上平行于第二磁自旋S2排列。然而，如上所述，初始磁自旋S1、S2和S3比传统的磁性隧道结结构的磁自旋具有更稳定的状态。因此，需要一个大于某一特定值的临界难磁场，以使第一和第三磁自旋S1和S3平行于第二磁自旋S2排列。然而，一旦第一和第三磁自旋S1和S3平行于第二磁自旋S2排列，则用来旋转第一到第三磁自旋S1、S2和S3使其反平行于它们的初始状态的最小易磁场可以显著地低于用来翻转传统的磁性隧道结结构的易磁场。
图7是显示用于形成图6所示的自由层或图2A和2B所示的磁性隧道结结构的光掩模的俯视图。
参考图7，根据本发明的光掩模包括透明衬底101以及形成在透明衬底101的主表面上的磁性隧道结图形5m。该磁性隧道结图形5m包括方形主图形1m以及分别附于主图形1m两端的第一和第二凸出体图形3m′和3m″。具体地，主图形1m可以是具有长度L和小于长度L的宽度W的矩形形状。而且，主图形1m具有彼此相对的第一和第二侧边，以及彼此相对的第三和第四侧边。第一和第二侧边具有长度L，第三和第四侧边具有宽度W。这时，第一侧边或第二侧边的两端分别对应着第一和第二顶点P1和P2。
第一和第二凸出体图形3m′和3m″分别附于第一和第二顶点P1和P2。具体地，优选第一凸出体图形3m′是具有第一宽度X1和第一长度Y1的方形，第二凸出体图形3m″是具有第二宽度X2和第二长度Y2的方形。然而，第一和第二凸出体图形3m′和3m″也可以是圆形结构。第一凸出体图形3m′的一部分可以与包含第一顶点P1的主图形1m的第一角区域交迭，第二凸出体图形3m″的一部分可以与包含第二顶点P2的主图形1m的第二角区域交迭。这样，第一和第二凸出体图形3m′和3m″设置为分别从第一和第二顶点P1和P2处凸出。
第一凸出体图形3m′可以具有与第二凸出体图形3m″相同的尺寸。即，第一宽度X1可以与第二宽度X2相同，第一长度Y1可以与第二长度Y2相同。此外，第一凸出体图形3m′和第二凸出体图形3m″可以相对于经过主图形1m中心点的直线对称设置。第一和第二凸出体图形3m′和3m″的中心点C1和C2可以位于主图形1m的外部，如图7所示。在这种情况下，第一中心点C1和第一顶点P1之间距离的X和Y分量分别为X1′和Y1′，第二中心点C2和第二顶点P2之间距离的X和Y分量分别为X2′和Y2′。第一中心点C1可以不处在与第一顶点P1接触的第二侧边(或第一侧边)和第三侧边的延长线上，如图7所示。类似地，第二中心点C2也可以不处在与第二顶点P2接触的第二侧边(或第一侧边)和第四侧边的延长线上，如图7所示。
第一宽度X1可以与第一长度Y1相同，第二宽度X2可以与第二长度Y2相同。即，第一和第二凸出体图形3m′和3m″都可以是正方形。特别地，第一和第二凸出体图形3m′和3m″可以是具有相同尺寸的正方形。可选地，第一和第二凸出体图形3m′和3m″也可以是具有相同尺寸的长方形。即，第一和第二宽度X1和X2可以不同于第一和第二长度Y1和Y2。
主图形1m、第一凸出体图形3m′和第二凸出体图形3m″可以是不透明图形。例如，图形1m、3m′和3m″可以是铬图形。
图8到11是沿图2A的I-I′线取得的截面图，它们显示了制造采用根据本发明实施例的磁性隧道结结构的MRAM单元的方法。
参考图8，在集成电路衬底11的预定区域内形成隔离层13来定义有源区13a。使用业界熟知的常见工艺在有源区13a上形成存取晶体管TA。存取晶体管TA可以是MOS晶体管，它具有彼此隔开的源区19s和漏区19d，以及设置在源区19s和漏区19d之间的沟道区之上的栅极电极17，如图8所示。栅极电极17可形成为横跨有源区13a。在这种情况下，栅极电极17可延长以作为字线。栅极电极17通过栅极绝缘层15与有源区13a绝缘。
在具有存取晶体管TA的衬底上形成第一下层间绝缘层21。图形化第一下层间绝缘层21来形成源极接触孔和漏极接触孔，分别暴露出源区19s和漏区19d。分别在源极接触孔和漏极接触孔中形成源极接触插栓23s和漏极接触插栓23d。在具有接触插栓23s和23d的衬底上形成导电层，图形化导电层来形成与漏极接触插栓23d接触的漏极焊盘25d和与源极接触插栓23s接触的公共源线25s。公共源线25s可形成为平行于延伸的栅极电极17。在具有漏极焊盘25d和公共源线25s的衬底上形成第一上层间绝缘层27。第一下层间绝缘层21和第一上层间绝缘层27构成了第一层间绝缘层28。
参考图9，数字线29形成在第一上层间绝缘层27上。数字线29可形成为平行于栅极电极17。在具有数字线29的衬底上形成第二下层间绝缘层31。图形化第二下层间绝缘层31和第一上层间绝缘层27来形成底部电极接触孔，暴露出漏极焊盘25d，在底部电极接触孔中形成底部电极接触插栓33。然后在具有底部电极接触插栓33的衬底上形成第二上层间绝缘层35。第二下层间绝缘层31和第二上层间绝缘层35构成了第二层间绝缘层36。图形化第二上层间绝缘层35来形成凹槽，暴露出底部电极接触插栓33并与数字线29的一部分交迭。在沟槽中形成底部电极37。底部电极37可以通过常规的镶嵌技术来形成。
参考图10，在具有底部电极37的衬底上顺序形成钉扎层39、被钉扎层46、隧穿层47、自由层54和顶部电极层55。与此相反地，也可以在具有底部电极37的衬底上顺序形成自由层54、隧穿层47、被钉扎层46、钉扎层39和顶部电极层55。钉扎层39可以由反铁磁层例如P tMn层形成，隧穿层47可以由绝缘层如氧化铝(Al2O3)层形成。此外，被钉扎层46可以由单铁磁层或合成反铁磁(SAF)层形成。单铁磁层可以使用溅射技术由铁磁层例如钴铁(CoFe)层或镍铁(NiFe)层形成。当被钉扎层46是由SAF层形成时，被钉扎层46可以通过顺序堆叠下铁磁层41、反铁磁耦合间隔层43和上铁磁层45来形成。下铁磁层41和上铁磁层45可以由CoFe层或NiFe层形成，反铁磁耦合间隔层43可以由钌(Ru)层形成。
另外，自由层54也可以由单铁磁层或合成反铁磁(SAF)层形成。这时，单铁磁层可以由钴铁(CoFe)层或镍铁(NiFe)层形成。当自由层54由SAF层形成时，自由层54也可以通过顺序堆叠下铁磁层49、反铁磁耦合间隔层51和上铁磁层53来形成。下铁磁层49和上铁磁层53可以由CoFe层、NiFe层或CoNiFe层形成，反铁磁耦合间隔层51可以由钌(Ru)层形成。
参考图11，使用图7所示的光掩模，至少图形化顶部电极层55和自由层54。这样，在底部电极37上就形成了具有图6所示俯视图的顶部电极55a和自由层图形54a。可选地，也可以使用图7所示的光掩模，连续图形化顶部电极层55、自由层54、隧穿层47、被钉扎层46和钉扎层39。这种情况下，就在底部电极37上形成了具有和图2B所示结构相同的俯视图的钉扎层图形39a、被钉扎层图形46a、隧穿绝缘层图形47a以及自由层图形54a和顶部电极55a。钉扎层图形39a、被钉扎层图形46a、隧穿绝缘层图形47a和自由层图形54a构成了磁性隧道结结构5。
如上所述，当被钉扎层46由SAF层形成时，被钉扎层图形46a形成为具有顺序堆叠的下铁磁层图形41a、反铁磁耦合间隔层图形43a和上铁磁层图形45a。类似地，如上所述，当自由层54由SAF层形成时，自由层图形54a形成为具有顺序堆叠的下铁磁层图形49a、反铁磁耦合间隔层图形51a和上铁磁层图形53a。
在具有磁性隧道结结构5和顶部电极55a的衬底上形成第三层间绝缘层57。图形化该第三层间绝缘层57来形成位线接触孔，暴露出顶部电极55a。在具有位线接触孔的衬底上形成导电层，例如铝层，并且图形化导电层来形成位线59，它通过位线接触孔电连接到顶部电极55a。位线59形成为交叉数字线29。
<示例>
下文中，将对根据上述实施例和传统技术制备的磁性隧道结结构的翻转特性进行描述。
图12是显示星形曲线测量结果的图，该星形曲线展现了根据传统技术制备的磁性隧道结结构的翻转特性。在图12中，横轴表示相对于矫顽磁场Hc归一化的难磁场Hh/Hc，纵轴表示相对于矫顽磁场Hc归一化的易磁场He/Hc。这里，矫顽磁场Hc表示在不施加任何难磁场的情况下翻转传统的磁性隧道结结构所要求的最小的易磁场。
俯视时，表现图12所示测量结果的传统磁性隧道结结构制备为具有矩形形状。具体地，矩形磁性隧道结(MTJ)结构是使用具有长0.8μm和宽0.4μm的矩形磁性隧道结图形的光掩模来图形化的。
此外，所制备的矩形磁性隧道结结构包括顺序堆叠的钉扎层图形、被钉扎层图形、隧穿绝缘层图形和自由层图形。这种情况下，钉扎层图形由厚度为的PtMn层形成，隧穿绝缘层图形由厚度为的氧化铝层构成。另外，被钉扎层图形由合成反铁磁(SAF)层形成。具体地，SAF被钉扎层图形是通过顺序堆叠厚度为的下部CoFe层、厚度为的钌层和厚度为的上部CoFe层形成的。
在图12中，由符号“■”表示的数据对应着具有由单铁磁层形成的自由层图形的传统磁性隧道结结构的星形曲线，由符号“●”表示的数据对应着具有由SAF层形成的自由层图形的传统磁性隧道结结构的星形曲线。在这种情况下，单自由层图形由厚度为的CoNiFe形成，SAF自由层图形由顺序堆叠的厚度为的下部CoNiFe层、厚度为的钌层和厚度为的上部CoNiFe层形成。
参考图12，当对具有单自由层图形的传统磁性隧道结结构施加相当于半矫顽磁场Hc的难磁场时，具有单自由层图形的传统磁性隧道结结构在相当于至少0.63倍矫顽磁场Hc的易磁场的作用下发生翻转(见图12中α1)。另外，当对具有SAF自由层图形的传统磁性隧道结结构施加相当于半矫顽磁场Hc的难磁场时，具有SAF自由层图形的传统磁性隧道结结构在相当于至少0.57倍矫顽磁场Hc的易磁场的作用下发生翻转(见图12中α2)。这里，因子“α1”和“α2”是对应磁性隧道结结构的写入容限的数值。即，这个因子越是降低，写入容限越是更大。
图13是显示星形曲线测量结果的图，该星形曲线展现了根据本发明实施例制备的磁性隧道结结构的翻转特性。在图13中，横轴和纵轴分别表示与图12的横轴和纵轴相同的参数。此外，根据本发明制备的磁性隧道结结构在磁性隧道结结构的平面形状方面不同于传统的磁性隧道结结构。具体地，根据本发明的磁性隧道结结构是使用图7所示的光掩模制作的。在这种情况下，所制作的光掩模的磁性隧道结图形5m具有下面表1所列的尺寸。
表1
参考图13，当对具有单自由层图形的磁性隧道结结构施加相当于半矫顽磁场Hc的难磁场时，磁性隧道结结构在相当于0.43倍矫顽磁场Hc的易磁场的作用下发生翻转(见图13中α1′)。另外，当对具有SAF自由层图形的磁性隧道结结构施加相当于半矫顽磁场Hc的难磁场时，磁性隧道结结构在相当于0.13倍矫顽磁场Hc的易磁场的作用下发生翻转(见图13中α2′)。这样，与传统的磁性隧道结结构相比，根据本发明的磁性隧道结结构表现出改善了的写入容限。特别地，当根据本发明的磁性隧道结结构采用SAF自由层图形时，可以显著地提高磁性隧道结结构的写入容限。
图14是显示根据本发明实施例的三层结构的SAF层和混合SAF层的磁化特性曲线的测量结果的图。图14中，横轴表示施加给SAF层的外部磁场Hex，纵轴表示归一化的磁化强度M。
在图14中，符号“■”代表的数据表示三层结构的SAF层的磁化特性曲线，符号“●”代表的数据表示混合SAF层的磁化特性曲线。三层结构的SAF层是通过在衬底的整个表面上顺序堆叠厚度为的下部NiFe层、厚度为的钌层和厚度为的上部NiFe层而形成的。此外，混合SAF层是通过在衬底的整个表面上顺序堆叠厚度为的下部NiFe层、厚度为的下部CoFe层、厚度为的钌层、厚度为的上部CoFe层和厚度为的上部NiFe层形成的。
参考图14，当大约450(Oe)的外部磁场Hex施加到三层结构的SAF层时，三层结构的SAF层表现出的归一化磁化强度M为“1”。相反，混合SAF层在高于约1400(Oe)的外部磁场的条件下表现出的归一化磁化强度M为“1”。这里，当SAF层的上铁磁层中的全部磁自旋的排列完全平行于其下铁磁层中的全部磁自旋时，归一化磁化强度M的值为“1”。因此，为了迫使混合SAF层的所有铁磁层中的磁自旋彼此平行排列，要求外部磁场Hex的强度大于1400(Oe)，而为了迫使三层结构的SAF层的所有铁磁层中的磁自旋彼此平行排列，则只要求外部磁场Hex的强度约为450(Oe)。这意味着混合SAF层与三层结构的SAF层相比具有较高的交换耦合能(图4中负的Jex)。也就是说，应意识到混合SAF层具有比三层SAF层更优越的特性。
如上所述，根据本发明，至少自由层图形具有方形主体、以及俯视时分别从主体的两端凸出的一对弯曲凸出体。因此，自由层图形中的磁自旋产生一个圆形磁场，从而在没有任何外部磁场施加的平衡状态中保持稳态。另外，弯曲的凸出体提供了显著提高的写入容限。
这里已经公开了本发明的优选实施例，尽管采用了特定的术语，但它们只是被用来进行一般性的和描述性的阐释，而不是出于限制的目的。因此，本领域内普通技术人员应明白的是，在不脱离下面的权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上做出不同的变化。
本申请要求享有于2004年4月19日提交的韩国专利申请第2004-26689号的优先权，其全部内容在此予以引用作为参考。
参考图1，提供了存取晶体管TA。存取晶体管TA的输出端子电连接到磁电阻(MR)的一端。存取晶体管TA可以是具有栅极电极、源区和漏区的MOS晶体管。在这种情况下，漏区对应存取晶体管TA的输出端子。另外，延伸栅极电极以作为字线(WL)，源区可以电连接到接地端子或公共源线。数字线DL设置在磁电阻MR的周围。数字线DL与磁电阻MR绝缘。磁电阻MR的另一端电连接到位线BL。
图2A是根据本发明实施例的MRAM单元的俯视图，图2B是图2A所示的磁性隧道结结构的透视图。此外，图3是图2A沿I-I′线取得的截面图。
参考图2A、2B和3，在集成电路衬底11的预定区域处提供存取晶体管TA。存取晶体管TA可以是MOS晶体管。在这种情况下，在形成在集成电路衬底11的预定区域的隔离层13定义的有源区13a处提供存取MOS晶体管TA。具体地，存取MOS晶体管TA包括形成在有源区13a中并彼此隔开的源区19s和漏区19d、以及设置在源区19s和漏区19d之间的沟道区上面的栅极电极17。栅极电极17延伸跨过有源区13a以作为字线(图1和2A中的WL)。栅极电极17通过栅极绝缘层15与有源区13a绝缘。
在具有存取MOS晶体管TA的衬底上设置漏极焊盘25d和公共源线25s。漏极焊盘25d通过漏极接触插栓(plug)23d电连接到漏区19d，公共源线25s通过源极接触插栓23s电连接到源区19s。漏区19d对应存取MOS晶体管TA的输出端子。公共源线25s可以电连接到接地端子，并可设置为平行于字线WL。
在具有公共源线25s和漏极焊盘25d的衬底上设置数字线29(图1和2A中的DL)。数字线29可以设置为与字线WL平行。磁电阻MR位于数字线29上面。磁阻MR可以包括顺序堆叠的底部电极37、磁性隧道结结构5和顶部电极55a。底部电极37经由底部电极接触插栓33电连接到漏极焊盘25d。这样，底部电极37就经由漏极接触插栓23d、漏极焊盘25d和底部电极接触插栓33电连接到了漏区19d。数字线29与磁电阻MR绝缘。
磁性隧道结结构5可以包括钉扎层图形39a、被钉扎层图形46a、隧穿绝缘层图形47a和自由层图形54a，它们顺序堆叠在底部电极37上。与此相反，也可以是自由层图形54a、隧穿绝缘层图形47a、被钉扎层图形46a和钉扎层图形39a顺序堆叠在底部电极37上。
钉扎层图形39a由反铁磁层构成，自由层图形54a和被钉扎层图形46a包括铁磁层。因此，与钉扎层图形39a相接触的被钉扎层图形46a具有固定的磁自旋，由于钉扎层图形39a即反铁磁层的存在它总是朝着特定的方向排列。隧穿绝缘层图形47a可以是绝缘层例如氧化铝(Al2O3)层。
被钉扎层图形46a可以是单铁磁层或是合成反铁磁(SAF)层。当被钉扎层图形46a是合成反铁磁(SAF)层时，被钉扎层图形46a包括下铁磁层41a、上铁磁层45a和插入在它们之间的反铁磁耦合间隔层图形43a。钌层可以用来作为反铁磁耦合间隔层图形43a。在这种情况下，下铁磁层图形41a包含总是沿着由钉扎层图形39a决定的特定方向排列的固定磁自旋，上铁磁层图形45a包含通过耦合间隔层图形43a沿着下铁磁层41a中的磁自旋的相反方向排列的固定磁自旋。因此，在由合成反铁磁(SAF)层构成的被钉扎层图形中的磁自旋的矢量和会明显小于由单铁磁层构成的被钉扎层图形中的磁自旋的矢量和。这样，采用由SAF层构成的被钉扎层图形的磁性隧道结结构可表现出稳定的磁滞曲线。
自由层图形54a也可以是单铁磁层或是SAF层。当自由层图形54a是SAF层时，自由层图形54a包括下铁磁层49a、上铁磁层53a和插在它们之间的反铁磁耦合间隔层图形51a。在这种情况下，即使有外部热应力作用在自由层图形54a上，自由层图形54a中的磁自旋也可以保持在稳态。此外，由于在进行刻蚀工艺从而形成自由层图形54a时造成的刻蚀损伤，所以自由层图形54a两端的磁自旋可能会具有非稳态。然而，如果自由层图形54a是SAF层，那么由于上铁磁层53a中的磁自旋和下铁磁层49a中的磁自旋彼此相互作用而分别沿相反的方向排列，所以自由层图形54a两端的磁自旋可以具有稳态。
如果被钉扎层图形46a和自由层图形54a都采用SAF层，磁性隧道结结构5的磁电阻由被钉扎层图形46a的上铁磁层45a中的磁自旋的排列方向和自由层图形54a的下铁磁层49a中的磁自旋的排列方向决定。也就是说，当上铁磁层45a中的磁自旋平行于下铁磁层49a中的磁自旋时，磁性隧道结结构5具有最小电阻值。相反，当上铁磁层45a中的磁自旋反平行于下铁磁层49a中的磁自旋时，磁性隧道结结构5具有最大电阻值。
如图2A所示，磁性隧道结结构5可以包括主体1，以及俯视时分别从主体1的两端凸出的第一和第二凸出体3a和3b。具体地，主体1包含彼此相对的第一和第二侧边1a和1b、从第一侧边1a的一端延伸并接触第二侧边1b的一端的第三侧边1c、以及从第一侧边1a的另一端延伸并接触第二侧边1b的另一端的第四侧边1d。第三侧边1c与第四侧边1d相对。同时，第一凸出体3a从对应着第二和第三侧边1b和1c的接触点的第一顶点P1处凸出，并与第二和第三侧边1b和1c相接触。类似地，第二凸出体3b从对应着第二和第四侧边1b和1d的接触点的第二顶点P2处凸出，并与第二和第四侧边1b和1d相接触。这样，第一和第二凸出体3a和3b从主体1的两端凸出，从而形成一对弯曲的凸出体。
俯视时，主体1可以具有方形的结构。主体1也可以具有矩形的结构。这时，第一和第二侧边1a和1b可以具有长度L，第三和第四侧边1c和1d可以具有小于长度L的宽度W。
优选地，面对与第一和第二凸出体3a和3b相接触的第二侧边1b的第一侧边1a具有直线形状。这是因为至少主体1中的磁自旋应优选地排列成平行于或反平行于流经数字线29的电流所感应的易磁场(easy magneticfield)。然而，当第一侧边具有圆形的形状(图2A中1e)而不是直线1a时，主体1中的磁自旋可能会表现出涡旋状态。在这种情况下，自由层图形54a中的磁自旋会显示出非稳态。
俯视时，被钉扎层图形46a和钉扎层图形39a可以具有不同于自由层图形54a的外形。在这种情况下，优选地至少使自由层图形54a具有图2A所示的主体1以及第一和第二凸出体3a和3b。
使用层间绝缘层100覆盖具有上述磁电阻MR的衬底。在层间绝缘层100上设置位线59(图1和2A中的BL)。位线59经由穿过层间绝缘层100的位线接触孔电连接到磁电阻(MR)，例如顶部电极55a。位线59设置成与数字线29交叉。
SAF层的特性可根据插于上铁磁层和下铁磁层之间的反铁磁耦合间隔层43a或51a的厚度而变化，如图4所示。
图4是显示常见SAF层的交换耦合能的图。在图4中，横坐标表示作为SAF层的反铁磁耦合间隔层的钌层的厚度TH，纵坐标表示SAF层的交换耦合能Jex。当交换耦合能Jex沿正方向增大时，上铁磁层和下铁磁层中的磁自旋则彼此更为强烈地呈平行排列。相反，当交换耦合能Jex沿负方向增大时，上铁磁层和下铁磁层中的磁自旋则彼此更为强烈地呈反平行排列。
如图4所示，交换耦合能Jex随着钌层厚度TH的增大，重复并交替地表现为正值和负值。此外，交换耦合能Jex随钌层厚度TH的增大趋于减小。因此，为了实现一种适合高性能MRAM单元的优良的SAF层，钌层必须具有优化的厚度(图4中的Top)，在该厚度处交换耦合能Jex表现为最大的负值。钌层的优化厚度Top可能会根据上铁磁层和下铁磁层的材料的不同而变化。
当SAF层的上铁磁层和下铁磁层都是镍铁(NiFe)层时，钌层的优化厚度约为这时，SAF层表现出的交换耦合能Jex为-0.036erg/cm2。此外，当上铁磁层和下铁磁层都是CoFeB层时，钌层的优化厚度约为这时，SAF层表现出的交换耦合能Jex为-0.021erg/cm2。另外，当上铁磁层和下铁磁层都是钴铁(CoFe)层时，钌层的优化厚度约为这时，SAF层表现出的交换耦合能Jex为-0.18erg/cm2。所以，与NiFe层和CoFeB层相比，CoFe层具有更适合用作SAF层的上铁磁层和下铁磁层的交换耦合能Jex。也就是说，应认识到NiFe层(或CoFeB层)不适合作为SAF层的上铁磁层和下铁磁层。
然而，与CoFe层相比，NiFe层和CoFeB层显示出相对稳定的没有纽结(kink)现象的磁滞特性。扭结现象恶化了磁性隧道结结构的翻转特性。因此，如果通过结合展现优越磁滞特性的铁磁层作为单自由层和展现高交换耦合能Jex的铁磁层作为SAF层来实现混合SAF层，那么混合SAF层会表现出比参考图3所述的三层SAF层54a或46a更优良的特性。
图5是可以用来代替图3所示的三层SAF层54a或46a的混合SAF层54a′或46a′的截面图。
参考图5，混合SAF层54a′或46a′包括顺序堆叠的下混合铁磁层108a、反铁磁耦合间隔层109a和上混合铁磁层114a。下混合铁磁层108a可以包括第一下铁磁层105a以及插于第一下铁磁层105a和反铁磁耦合间隔层109a之间的第二下铁磁层107a。此外，上混合铁磁层114a可以包括第一上铁磁层113a以及插于第一上铁磁层113a和反铁磁耦合间隔层109a之间的第二上铁磁层111a。这样，混合SAF层54a′或46a′至少由五个顺序堆叠的层构成。
反铁磁耦合间隔层109a可以是钌层或铬层。优选地，第一下铁磁层105a和第一上铁磁层113a为CoFeB层或NiFe层。此外，优选地，第二下铁磁层107a和第二上铁磁层111a为CoFe层，它具有比第一下铁磁层105a和第一上铁磁层113a更高的交换耦合能Jex。
如图5所示，第一和第二下铁磁层105a和107a彼此直接相接触。因此，第一下铁磁层105a中的磁自旋的排列总是平行于第二下铁磁层107a中的磁自旋。类似地，第一和第二上铁磁层113a和111a也是彼此直接相接触的。因此，第一上铁磁层113a中的磁自旋的排列总是平行于第二上铁磁层111a中的磁自旋。这样，即使与反铁磁耦合间隔层109a直接接触的第二下铁磁层107a和第二上铁磁层111a所形成的厚度为几个那么如果增大第一下铁磁层105a和第一上铁磁层113a的厚度，则混合SAF层54a′或46a′会显示出较之参考图3所说明的三层SAF层54a和46a的改进了的特性。
图6是显示图2B所示磁性隧道结结构5的自由层图形54a中的磁自旋翻转操作的俯视图。
参考图6，自由层图形54a由主体1′、第一凸出体3a′和第二凸出体3b′构成，它们分别对应图2A中所示的主体1、第一凸出体3a和第二凸出体3b。如果自由层图形54a为SAF层，自由层图形54a可以被看作是图3所示的下铁磁层49a。在这种情况下，下铁磁层49a中的磁自旋包括主体1′中的第一磁自旋S1、第一凸出体3a′中的第二磁自旋S2和第二凸出体3b′中的第三磁自旋S3。
通常，铁磁层中的磁自旋的排列方向依赖于铁磁层的形状。例如，当没有任何外部磁场施加在铁磁层上时，铁磁层中的磁自旋倾向于沿着铁磁层的纵向排列，以获得稳态。因此，图6所示的下铁磁层49a中的第一磁自旋S1会沿着平行于主体1′的纵向排列，即x轴。同样地，第二磁自旋S2会排列成自x轴向y轴的正方向旋转一定角度的状态，第三磁自旋S3会排列成自x轴向y轴的负方向旋转一定角度的状态。这样，第一到第三磁自旋S1、S2和S3产生了一个圆形磁场Hc以保持高稳态，如图6所示。也就是说，在不施加任何外部磁场的平衡态下，与传统的具有矩形自由层或椭圆形自由层的磁性隧道结结构相比，根据本发明的磁性隧道结结构的自由层图形中的磁自旋具有更稳定的态。
为了改变具有下铁磁层49a的磁性隧道结结构(图2A、2B和3中的5)中的数据，磁自旋S1、S2和S3应旋转180°。为了使磁自旋S1、S2和S3旋转180°，必须对下铁磁层49a施加一个平行于y轴的难磁场(hardmagnetic field)Hh和一个反平行于x轴的易磁场He。难磁场Hh可以通过向图2A和3所示的位线BL中通入第一写入电流来产生，易磁场He可以通过向图2A和3所示的数字线DL中通入第二写入电流来产生。在这种情况下，第一和第三磁自旋S1和S3，尤其是第三磁自旋S3，应当基本上平行于第二磁自旋S2排列。然而，如上所述，初始磁自旋S1、S2和S3比传统的磁性隧道结结构的磁自旋具有更稳定的状态。因此，需要一个大于某一特定值的临界难磁场，以使第一和第三磁自旋S1和S3平行于第二磁自旋S2排列。然而，一旦第一和第三磁自旋S1和S3平行于第二磁自旋S2排列，则用来旋转第一到第三磁自旋S1、S2和S3使其反平行于它们的初始状态的最小易磁场可以显著地低于用来翻转传统的磁性隧道结结构的易磁场。
图7是显示用于形成图6所示的自由层或图2A和2B所示的磁性隧道结结构的光掩模的俯视图。
参考图7，根据本发明的光掩模包括透明衬底101以及形成在透明衬底101的主表面上的磁性隧道结图形5m。该磁性隧道结图形5m包括方形主图形1m以及分别附于主图形1m两端的第一和第二凸出体图形3m′和3m″。具体地，主图形1m可以是具有长度L和小于长度L的宽度W的矩形形状。而且，主图形1m具有彼此相对的第一和第二侧边，以及彼此相对的第三和第四侧边。第一和第二侧边具有长度L，第三和第四侧边具有宽度W。这时，第一侧边或第二侧边的两端分别对应着第一和第二顶点P1和P2。
第一和第二凸出体图形3m′和3m″分别附于第一和第二顶点P1和P2。具体地，优选第一凸出体图形3m′是具有第一宽度X1和第一长度Y1的方形，第二凸出体图形3m″是具有第二宽度X2和第二长度Y2的方形。然而，第一和第二凸出体图形3m′和3m″也可以是圆形结构。第一凸出体图形3m′的一部分可以与包含第一顶点P1的主图形1m的第一角区域交迭，第二凸出体图形3m″的一部分可以与包含第二顶点P2的主图形1m的第二角区域交迭。这样，第一和第二凸出体图形3m′和3m″设置为分别从第一和第二顶点P1和P2处凸出。
第一凸出体图形3m′可以具有与第二凸出体图形3m″相同的尺寸。即，第一宽度X1可以与第二宽度X2相同，第一长度Y1可以与第二长度Y2相同。此外，第一凸出体图形3m′和第二凸出体图形3m″可以相对于经过主图形1m中心点的直线对称设置。第一和第二凸出体图形3m′和3m″的中心点C1和C2可以位于主图形1m的外部，如图7所示。在这种情况下，第一中心点C1和第一顶点P1之间距离的X和Y分量分别为X1′和Y1′，第二中心点C2和第二顶点P2之间距离的X和Y分量分别为X2′和Y2′。第一中心点C1可以不处在与第一顶点P1接触的第二侧边(或第一侧边)和第三侧边的延长线上，如图7所示。类似地，第二中心点C2也可以不处在与第二顶点P2接触的第二侧边(或第一侧边)和第四侧边的延长线上，如图7所示。
第一宽度X1可以与第一长度Y1相同，第二宽度X2可以与第二长度Y2相同。即，第一和第二凸出体图形3m′和3m″都可以是正方形。特别地，第一和第二凸出体图形3m′和3m″可以是具有相同尺寸的正方形。可选地，第一和第二凸出体图形3m′和3m″也可以是具有相同尺寸的长方形。即，第一和第二宽度X1和X2可以不同于第一和第二长度Y1和Y2。
主图形1m、第一凸出体图形3m′和第二凸出体图形3m″可以是不透明图形。例如，图形1m、3m′和3m″可以是铬图形。
图8到11是沿图2A的I-I′线取得的截面图，它们显示了制造采用根据本发明实施例的磁性隧道结结构的MRAM单元的方法。
参考图8，在集成电路衬底11的预定区域内形成隔离层13来定义有源区13a。使用业界熟知的常见工艺在有源区13a上形成存取晶体管TA。存取晶体管TA可以是MOS晶体管，它具有彼此隔开的源区19s和漏区19d，以及设置在源区19s和漏区19d之间的沟道区之上的栅极电极17，如图8所示。栅极电极17可形成为横跨有源区13a。在这种情况下，栅极电极17可延长以作为字线。栅极电极17通过栅极绝缘层15与有源区13a绝缘。
在具有存取晶体管TA的衬底上形成第一下层间绝缘层21。图形化第一下层间绝缘层21来形成源极接触孔和漏极接触孔，分别暴露出源区19s和漏区19d。分别在源极接触孔和漏极接触孔中形成源极接触插栓23s和漏极接触插栓23d。在具有接触插栓23s和23d的衬底上形成导电层，图形化导电层来形成与漏极接触插栓23d接触的漏极焊盘25d和与源极接触插栓23s接触的公共源线25s。公共源线25s可形成为平行于延伸的栅极电极17。在具有漏极焊盘25d和公共源线25s的衬底上形成第一上层间绝缘层27。第一下层间绝缘层21和第一上层间绝缘层27构成了第一层间绝缘层28。
参考图9，数字线29形成在第一上层间绝缘层27上。数字线29可形成为平行于栅极电极17。在具有数字线29的衬底上形成第二下层间绝缘层31。图形化第二下层间绝缘层31和第一上层间绝缘层27来形成底部电极接触孔，暴露出漏极焊盘25d，在底部电极接触孔中形成底部电极接触插栓33。然后在具有底部电极接触插栓33的衬底上形成第二上层间绝缘层35。第二下层间绝缘层31和第二上层间绝缘层35构成了第二层间绝缘层36。图形化第二上层间绝缘层35来形成凹槽，暴露出底部电极接触插栓33并与数字线29的一部分交迭。在沟槽中形成底部电极37。底部电极37可以通过常规的镶嵌技术来形成。
参考图10，在具有底部电极37的衬底上顺序形成钉扎层39、被钉扎层46、隧穿层47、自由层54和顶部电极层55。与此相反地，也可以在具有底部电极37的衬底上顺序形成自由层54、隧穿层47、被钉扎层46、钉扎层39和顶部电极层55。钉扎层39可以由反铁磁层例如P tMn层形成，隧穿层47可以由绝缘层如氧化铝(Al2O3)层形成。此外，被钉扎层46可以由单铁磁层或合成反铁磁(SAF)层形成。单铁磁层可以使用溅射技术由铁磁层例如钴铁(CoFe)层或镍铁(NiFe)层形成。当被钉扎层46是由SAF层形成时，被钉扎层46可以通过顺序堆叠下铁磁层41、反铁磁耦合间隔层43和上铁磁层45来形成。下铁磁层41和上铁磁层45可以由CoFe层或NiFe层形成，反铁磁耦合间隔层43可以由钌(Ru)层形成。
另外，自由层54也可以由单铁磁层或合成反铁磁(SAF)层形成。这时，单铁磁层可以由钴铁(CoFe)层或镍铁(NiFe)层形成。当自由层54由SAF层形成时，自由层54也可以通过顺序堆叠下铁磁层49、反铁磁耦合间隔层51和上铁磁层53来形成。下铁磁层49和上铁磁层53可以由CoFe层、NiFe层或CoNiFe层形成，反铁磁耦合间隔层51可以由钌(Ru)层形成。
参考图11，使用图7所示的光掩模，至少图形化顶部电极层55和自由层54。这样，在底部电极37上就形成了具有图6所示俯视图的顶部电极55a和自由层图形54a。可选地，也可以使用图7所示的光掩模，连续图形化顶部电极层55、自由层54、隧穿层47、被钉扎层46和钉扎层39。这种情况下，就在底部电极37上形成了具有和图2B所示结构相同的俯视图的钉扎层图形39a、被钉扎层图形46a、隧穿绝缘层图形47a以及自由层图形54a和顶部电极55a。钉扎层图形39a、被钉扎层图形46a、隧穿绝缘层图形47a和自由层图形54a构成了磁性隧道结结构5。
如上所述，当被钉扎层46由SAF层形成时，被钉扎层图形46a形成为具有顺序堆叠的下铁磁层图形41a、反铁磁耦合间隔层图形43a和上铁磁层图形45a。类似地，如上所述，当自由层54由SAF层形成时，自由层图形54a形成为具有顺序堆叠的下铁磁层图形49a、反铁磁耦合间隔层图形51a和上铁磁层图形53a。
在具有磁性隧道结结构5和顶部电极55a的衬底上形成第三层间绝缘层57。图形化该第三层间绝缘层57来形成位线接触孔，暴露出顶部电极55a。在具有位线接触孔的衬底上形成导电层，例如铝层，并且图形化导电层来形成位线59，它通过位线接触孔电连接到顶部电极55a。位线59形成为交叉数字线29。
<示例>
下文中，将对根据上述实施例和传统技术制备的磁性隧道结结构的翻转特性进行描述。
图12是显示星形曲线测量结果的图，该星形曲线展现了根据传统技术制备的磁性隧道结结构的翻转特性。在图12中，横轴表示相对于矫顽磁场Hc归一化的难磁场Hh/Hc，纵轴表示相对于矫顽磁场Hc归一化的易磁场He/Hc。这里，矫顽磁场Hc表示在不施加任何难磁场的情况下翻转传统的磁性隧道结结构所要求的最小的易磁场。
俯视时，表现图12所示测量结果的传统磁性隧道结结构制备为具有矩形形状。具体地，矩形磁性隧道结(MTJ)结构是使用具有长0.8μm和宽0.4μm的矩形磁性隧道结图形的光掩模来图形化的。
此外，所制备的矩形磁性隧道结结构包括顺序堆叠的钉扎层图形、被钉扎层图形、隧穿绝缘层图形和自由层图形。这种情况下，钉扎层图形由厚度为的PtMn层形成，隧穿绝缘层图形由厚度为的氧化铝层构成。另外，被钉扎层图形由合成反铁磁(SAF)层形成。具体地，SAF被钉扎层图形是通过顺序堆叠厚度为的下部CoFe层、厚度为的钌层和厚度为的上部CoFe层形成的。
在图12中，由符号“■”表示的数据对应着具有由单铁磁层形成的自由层图形的传统磁性隧道结结构的星形曲线，由符号“●”表示的数据对应着具有由SAF层形成的自由层图形的传统磁性隧道结结构的星形曲线。在这种情况下，单自由层图形由厚度为的CoNiFe形成，SAF自由层图形由顺序堆叠的厚度为的下部CoNiFe层、厚度为的钌层和厚度为的上部CoNiFe层形成。
参考图12，当对具有单自由层图形的传统磁性隧道结结构施加相当于半矫顽磁场Hc的难磁场时，具有单自由层图形的传统磁性隧道结结构在相当于至少0.63倍矫顽磁场Hc的易磁场的作用下发生翻转(见图12中α1)。另外，当对具有SAF自由层图形的传统磁性隧道结结构施加相当于半矫顽磁场Hc的难磁场时，具有SAF自由层图形的传统磁性隧道结结构在相当于至少0.57倍矫顽磁场Hc的易磁场的作用下发生翻转(见图12中α2)。这里，因子“α1”和“α2”是对应磁性隧道结结构的写入容限的数值。即，这个因子越是降低，写入容限越是更大。
图13是显示星形曲线测量结果的图，该星形曲线展现了根据本发明实施例制备的磁性隧道结结构的翻转特性。在图13中，横轴和纵轴分别表示与图12的横轴和纵轴相同的参数。此外，根据本发明制备的磁性隧道结结构在磁性隧道结结构的平面形状方面不同于传统的磁性隧道结结构。具体地，根据本发明的磁性隧道结结构是使用图7所示的光掩模制作的。在这种情况下，所制作的光掩模的磁性隧道结图形5m具有下面表1所列的尺寸。
表1
参考图13，当对具有单自由层图形的磁性隧道结结构施加相当于半矫顽磁场Hc的难磁场时，磁性隧道结结构在相当于0.43倍矫顽磁场Hc的易磁场的作用下发生翻转(见图13中α1′)。另外，当对具有SAF自由层图形的磁性隧道结结构施加相当于半矫顽磁场Hc的难磁场时，磁性隧道结结构在相当于0.13倍矫顽磁场Hc的易磁场的作用下发生翻转(见图13中α2′)。这样，与传统的磁性隧道结结构相比，根据本发明的磁性隧道结结构表现出改善了的写入容限。特别地，当根据本发明的磁性隧道结结构采用SAF自由层图形时，可以显著地提高磁性隧道结结构的写入容限。
图14是显示根据本发明实施例的三层结构的SAF层和混合SAF层的磁化特性曲线的测量结果的图。图14中，横轴表示施加给SAF层的外部磁场Hex，纵轴表示归一化的磁化强度M。
在图14中，符号“■”代表的数据表示三层结构的SAF层的磁化特性曲线，符号“●”代表的数据表示混合SAF层的磁化特性曲线。三层结构的SAF层是通过在衬底的整个表面上顺序堆叠厚度为的下部NiFe层、厚度为的钌层和厚度为的上部NiFe层而形成的。此外，混合SAF层是通过在衬底的整个表面上顺序堆叠厚度为的下部NiFe层、厚度为的下部CoFe层、厚度为的钌层、厚度为的上部CoFe层和厚度为的上部NiFe层形成的。
参考图14，当大约450(Oe)的外部磁场Hex施加到三层结构的SAF层时，三层结构的SAF层表现出的归一化磁化强度M为“1”。相反，混合SAF层在高于约1400(Oe)的外部磁场的条件下表现出的归一化磁化强度M为“1”。这里，当SAF层的上铁磁层中的全部磁自旋的排列完全平行于其下铁磁层中的全部磁自旋时，归一化磁化强度M的值为“1”。因此，为了迫使混合SAF层的所有铁磁层中的磁自旋彼此平行排列，要求外部磁场Hex的强度大于1400(Oe)，而为了迫使三层结构的SAF层的所有铁磁层中的磁自旋彼此平行排列，则只要求外部磁场Hex的强度约为450(Oe)。这意味着混合SAF层与三层结构的SAF层相比具有较高的交换耦合能(图4中负的Jex)。也就是说，应意识到混合SAF层具有比三层SAF层更优越的特性。
如上所述，根据本发明，至少自由层图形具有方形主体、以及俯视时分别从主体的两端凸出的一对弯曲凸出体。因此，自由层图形中的磁自旋产生一个圆形磁场，从而在没有任何外部磁场施加的平衡状态中保持稳态。另外，弯曲的凸出体提供了显著提高的写入容限。
这里已经公开了本发明的优选实施例，尽管采用了特定的术语，但它们只是被用来进行一般性的和描述性的阐释，而不是出于限制的目的。因此，本领域内普通技术人员应明白的是，在不脱离下面的权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以在形式和细节上做出不同的变化。
本申请要求享有于2004年4月19日提交的韩国专利申请第2004-26689号的优先权，其全部内容在此予以引用作为参考。