專(zhuān)利名稱(chēng)：多位磁性存儲(chǔ)裝置及其制造和操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲(chǔ)裝置及其制造和操作方法，更具體地說(shuō)，涉及一種利用自旋極化電流的多位磁性存儲(chǔ)裝置及其制造和操作方法。
背景技術(shù)：
涉及磁性存儲(chǔ)裝置的問(wèn)題之一是降低磁性存儲(chǔ)裝置的工作電流，從而減小當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)所選擇的裝置時(shí)對(duì)其它相鄰裝置的磁影響，并保證該裝置的結(jié)構(gòu)磁穩(wěn)定性。因此，不同于早期的利用磁場(chǎng)來(lái)記錄位數(shù)據(jù)的磁性存儲(chǔ)裝置，已經(jīng)提出了利用電流的自旋極化特性來(lái)記錄位數(shù)據(jù)的磁性存儲(chǔ)裝置。
圖1至圖4示出了利用電子的自旋極化來(lái)記錄數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)裝置。由于傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)裝置利用電子自旋，所以與早期的利用磁場(chǎng)的磁性存儲(chǔ)裝置相比，傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)裝置的優(yōu)點(diǎn)在于它們能準(zhǔn)確地選擇單元，而缺點(diǎn)在于自由磁性層和下磁性層之間的磁耦合弱。此外，傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)裝置的材料層的自旋極化電子的密度降低了，因而正常工作需要更大的電流。因此，難以使用上述傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種磁性存儲(chǔ)裝置，該磁性存儲(chǔ)裝置能夠使自由磁性層和下磁性層之間的磁耦合最小化，減小工作所需的自旋極化電流密度，獲得磁穩(wěn)定性。
本發(fā)明也提供了一種操作所述磁儲(chǔ)存裝置的方法。
本發(fā)明還提供了一種制造所述磁性存儲(chǔ)裝置的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種磁性存儲(chǔ)裝置，所述磁性存儲(chǔ)裝置包括開(kāi)關(guān)器件和連接到所述開(kāi)關(guān)器件的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其中，所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括彼此垂直并分開(kāi)設(shè)置的第一磁性層、第二磁性層和自由磁性層，所述第一磁性層和第二磁性層具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性，并且具有彼此相反的磁極化。
所述自由磁性層可包括彼此單獨(dú)形成的第一自由磁性層和第二自由磁性層。
所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)還可包括在所述第一自由磁性層和第二自由磁性層之間單獨(dú)形成的第三磁性層和第四磁性層，所述第三磁性層和第四磁性層具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性，并且具有彼此相反的磁極化。
所述第二磁性層和第三磁性層可以是具有相同的自旋極化電子傳輸特性并且具有彼此相反的磁極化的鐵磁層。
所述第二磁性層和第三磁性層可以是具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性并且具有相同的磁極化的鐵磁層。
所述第一、第二、第三和第四磁性層可以分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的自旋極化電子極化特性的鐵磁層，并且它們的磁極化分別為向上、向下、向上和向下。
所述第一和第二自由磁性層可具有彼此不同的厚度。
所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)還可包括設(shè)置在所述自由磁性層和所述第二磁性層之間的第三磁性層，所述第三磁性層傳輸自旋極性與所述第二磁性層傳輸?shù)碾娮拥淖孕龢O性相反的電子，并且具有與所述第二磁性層的磁極化相反的磁極化。其中，所述第一、第二和第三磁性層可分別為具有正、負(fù)和正極化特性的鐵磁層，它們的磁極化可分別為向上、向下和向上。
所述第一、第二和第三磁性層可分別為具有負(fù)、正和負(fù)極化特性的鐵磁層，它們的磁極化可分別為向上、向下和向上。
所述第一和第二磁性層可以是具有負(fù)和正極化特性的鐵磁層，它們的磁極化可分別為向上和向下或者向下和向上。
所述第一和第二磁性層可以是具有正和負(fù)極化特性的鐵磁層，它們的磁極化可分別為向上和向下或者向下和向上。
所述第一和第二磁性層之一可以是從包括NiFe層、Co層、CoFe層、Ni層、Fe層、NiFeCu層的組中選擇的層，另一層可以是從包括FeCr層、CrO2/Co層、Fe3O4層、La0.7Sr0.3MnO3層、FeCr/Cr層的組中選擇的層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種操作磁性存儲(chǔ)裝置的方法，該磁性存儲(chǔ)裝置包括開(kāi)關(guān)器件和連接到所述開(kāi)關(guān)器件的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其中所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括彼此垂直并分開(kāi)設(shè)置的第一磁性層、第二磁性層和自由磁性層，所述第一磁性層和第二磁性層傳輸自旋相反的電子，并且具有彼此相反的磁極化。所述方法包括將具有上自旋和下自旋的電子的第一電流供給到磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
在該方法中，可從所述自由磁性層向所述第一磁性層供給所述第一電流，或者以相反的方向供給所述第一電流。
還可在所述自由磁性層和所述第二磁性層之間設(shè)置第三磁性層，所述第三磁性層對(duì)電子的傳輸特性和磁極化與所述第二磁性層對(duì)電子的傳輸特性和磁極化相反。
所述自由磁性層還可包括彼此分開(kāi)的第一和第二自由磁性層。
在所述第一磁性層和第二磁性層之間可單獨(dú)形成第三磁性層和第四磁性層，所述第三磁性層和第四磁性層對(duì)電子具有彼此相反的傳輸特性，并且具有彼此相反的磁極化。
所述第二磁性層和第三磁性層可以是分別具有相同的電子傳輸特性并且具有彼此相反的磁極化的鐵磁層。
所述第二磁性層和第三磁性層可以是分別具有彼此相反的電子傳輸特性并且具有相同的磁極化的鐵磁層。
所述第一、第二、第三和第四磁性層可分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的電子極化特性的鐵磁層，并且它們的磁極化分別為向上、向下、向上和向下。
所述第一和第二自由磁性層可具有彼此不同的厚度。
所述第一、第二和第三磁性層可以是具有負(fù)、正和負(fù)的電子極化特性的鐵磁層，并且它們的磁極化分別為向上、向下和向上。
所述第一、第二和第三磁性層可以是具有正、負(fù)和正的電子極化特性的鐵磁層，并且它們的磁極化分別為向上、向下和向上。
可在供給第一電流之后以與第一電流相反的方向供給第二電流，所述第二電流的電流密度低于第一電流的電流密度。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種制造磁性存儲(chǔ)裝置的方法，該方法包括在基底上形成開(kāi)關(guān)器件；在基底上形成覆蓋開(kāi)關(guān)器件的中間絕緣層；在中間絕緣層上形成晶種層，以連接到開(kāi)關(guān)器件；在晶種層上順序地堆疊第一磁性層、第一非磁性層、第二磁性層、第二非磁性層、自由磁性層和罩蓋層；以預(yù)定的圖案將罩蓋層、自由磁性層、第二非磁性層、第二磁性層、第一非磁性層和第一磁性層圖案化；形成連接到罩蓋層的位線(xiàn)，其中所述第一和第二磁性層以具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性并具有彼此相反的磁極化的鐵磁層形成。
在該方法中，所述堆疊還可包括在所述第二非磁性層和所述自由磁性層之間順序地形成第三磁性層和第三非磁性層，所述第三磁性層是鐵磁層，該鐵磁層對(duì)自旋極化電子的傳輸特性與所述第二磁性層對(duì)自旋極化電子的傳輸特性相反，并且其磁極化與所述第二磁性層的磁極化相反。
所述堆疊還可包括在所述第二非磁性層上順序地堆疊第一自由磁性層、第三非磁性層、第三磁性層、第四非磁性層、第四磁性層、第五非磁性層、第二自由磁性層和所述罩蓋層。
所述第一和第二磁性層之一可以是具有正和負(fù)極化特性之一且具有向上和向下磁極化之一的鐵磁層。
所述第二磁性層可以是具有正和負(fù)極化特性之一且具有向上和向下磁極化之一的鐵磁層。
所述第二和第三磁性層可以是分別具有相同的自旋極化電子傳輸特性且具有彼此相反的磁極化的鐵磁層。
所述第二和第三磁性層可以是分別具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性且具有相同的磁極化的鐵磁層。
所述第一、第二、第三和第四磁性層可以分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的極化特性的鐵磁層，并且它們的磁極化分別為向上、向下、向上和向下。
所述第一和第二自由磁性層可具有彼此不同的厚度。
在本公開(kāi)中，這樣的磁性層被定義為具有正極化特性的層，這樣的磁性層指當(dāng)電流穿過(guò)該磁性層時(shí)穿過(guò)該磁性層的電子中自旋方向與該磁性層的磁極化方向相同的電子比自旋方向與該磁性層的磁極化方向相反的電子多的磁性層。另一方面，這樣的磁性層被定義為具有負(fù)極化特性的層，這樣的磁性層指當(dāng)電流穿過(guò)該磁性層時(shí)穿過(guò)該磁性層的電子中自旋方向與該磁性層的磁極化方向相反的電子比自旋方向與該磁性層的磁極化方向相同的電子多的磁性層。
本發(fā)明可提供具有磁穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的裝置。此外，這種結(jié)構(gòu)使得自旋極化電流密度增加，從而減小開(kāi)關(guān)工作所需的電流密度并且使寫(xiě)操作更快。當(dāng)磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括兩個(gè)自由磁性層時(shí)，可記錄多位數(shù)據(jù)，因此可提高器件的集成和記錄密度。


通過(guò)參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，附圖中圖1至圖4是傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)裝置的磁性隧道結(jié)(MTJ)單元的剖視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁性存儲(chǔ)裝置的示意圖；圖6根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖5的磁性存儲(chǔ)裝置的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的剖視圖；圖7是示出當(dāng)圖6中的第一磁性層為具有正極化特性的鐵磁層時(shí)自旋極化電子的傳輸特性的剖視圖；圖8是示出當(dāng)圖6中的第一磁性層為具有負(fù)極化特性的鐵磁層時(shí)自旋極化電子的傳輸特性的剖視圖；圖9是示出當(dāng)圖6中的第一和第二磁性層為對(duì)自旋極化電子具有相反的極化特性的鐵磁層時(shí)第一和第二磁性層周?chē)拇艌?chǎng)分布的示意性剖視圖；圖10是示出當(dāng)圖6中的第一和第二磁性層為對(duì)自旋極化電子具有相同的極化特性的鐵磁層時(shí)第一和第二磁性層周?chē)拇艌?chǎng)分布的示意性剖視圖；圖11是示出當(dāng)電流I-從圖6中的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的頂部流動(dòng)到底部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖；圖12是示出由圖11中示出的電流流動(dòng)引起的自由磁性層的磁極化的剖視圖；圖13是示出當(dāng)電流I+從圖6中的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的底部流動(dòng)到頂部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖；圖14是示出由圖13中示出的電流流動(dòng)引起的自由磁性層的磁極化的剖視圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖5中的磁性存儲(chǔ)裝置的另一磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的剖視圖；圖16是示出當(dāng)電流從圖15的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的頂部流動(dòng)到底部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖，在這種情況下，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一、第二和第三磁性層分別是具有正、負(fù)和正的極化特性的鐵磁層，它們的磁極化分別為向上、向下和向上；圖17是示出由圖16中示出的電流流動(dòng)引起的自由磁性層的磁極化的剖視圖；圖18是示出當(dāng)電流從圖15的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的底部流動(dòng)到頂部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖，在這種情況下，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一、第二和第三磁性層分別是具有正、負(fù)和正的極化特性的鐵磁層，它們的磁極化分別為向上、向下和向上；圖19是示出由圖18中示出的電流流動(dòng)引起的自由磁性層的磁極化的剖視圖；圖20是示出當(dāng)電流從圖15的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的頂部流動(dòng)到底部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖，在這種情況下，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一、第二和第三磁性層分別是具有負(fù)、正和負(fù)的極化特性的鐵磁層，它們的磁極化分別為向上、向下和向上；圖21是示出由圖20中示出的電流流動(dòng)引起的自由磁性層的磁極化的剖視圖；圖22是示出示出當(dāng)電流從圖15的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的底部流動(dòng)到頂部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖，在這種情況下，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一、第二和第三磁性層分別是具有負(fù)、正和負(fù)的極化特性的鐵磁層，它們的磁極化分別為向上、向下和向上；圖23是示出由圖22中示出的電流流動(dòng)引起的自由磁性層的磁極化的剖視圖；圖24是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖5的磁性存儲(chǔ)裝置的又一磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的剖視圖；圖25是示出當(dāng)電流從圖24的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的頂部流動(dòng)到底部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖，在這種情況下，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一、第二、第三和第四磁性層分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的極化特性的鐵磁層，它們的磁極化分別為向上、向下、向上和向下；圖26是示出由圖25中示出的電流流動(dòng)引起的自由磁性層的磁極化的剖視圖；圖27是示出當(dāng)電流從圖24的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的底部流動(dòng)到頂部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖，在這種情況下，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一、第二、第三和第四磁性層分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的極化特性的鐵磁層，它們的磁極化分別為向上、向下、向上和向下；圖28是示出由圖27中示出的電流流動(dòng)引起的自由磁性層的磁極化的剖視圖；
圖29是示出當(dāng)在第一電流從磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的頂部流動(dòng)到底部之后電流密度小于所述第一電流的第三電流從圖24的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的底部流動(dòng)到頂部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖，在這種情況下，圖24的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一、第二、第三和第四磁性層分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的極化特性的鐵磁層，其磁極化分別為向上、向下、向上和向下；圖30是示出第三電流如圖29中所示流過(guò)之后自由磁性層的磁極化的剖視圖；圖31是示出在第二電流被施加之后，當(dāng)電流密度小于所述第二電流的第四電流從圖24的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的自由磁性層的頂部流動(dòng)到底部時(shí)電子流動(dòng)的剖視圖，在這種情況下，圖24的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的第一、第二、第三和第四磁性層分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的極化特性的鐵磁層，其磁極化分別為向上、向下、向上和向下；圖32是示出第四電流如圖31中所示流過(guò)之后自由磁性層的磁極化的剖視圖；圖33至39是示出制造根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁性存儲(chǔ)裝置的方法的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
以下，將參照附圖來(lái)更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在附圖中，為了清晰起見(jiàn)，擴(kuò)大了層和區(qū)域的大小和厚度。
將描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多位磁性存儲(chǔ)裝置。圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁性存儲(chǔ)裝置的示意圖。參照?qǐng)D5，多位磁性存儲(chǔ)裝置包括晶體管40和連接到晶體管40的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42比如磁性隧道結(jié)(magnetic tunnelingjunction，MTJ)單元。晶體管40可以是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42的一端連接到位線(xiàn)44?？捎昧硗獾拈_(kāi)關(guān)裝置來(lái)替代晶體管40。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖5的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42的第一結(jié)構(gòu)示例的剖視圖。參照?qǐng)D6，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42包括順序堆疊的晶種層(seed layer)46、第一磁性層48、第一非磁性層50、第二磁性層52、第二非磁性層54、自由磁性層56和罩蓋層(capping layer)58。第一磁性層48和第二磁性層52以及自由磁性層56可以是鐵磁層。第一磁性層48和第二磁性層52可以是具有不同磁極化特性的鐵磁層。例如，第一磁性層48可以是具有正極化特性或負(fù)極化特性的鐵磁層。當(dāng)?shù)谝淮判詫?8為具有正極化特性的鐵磁層時(shí)，在流入第一磁性層48的上自旋(spin-up)電子e1和下自旋(spin-down)電子e2中，同具有與第一磁性層48的磁極化48p相反的自旋極化方向的下自旋電子e2相比，更多的具有與第一磁性層48的磁極化48p相同的自旋極化方向的上自旋電子e1穿過(guò)第一磁性層48，如圖7中所示。另一方面，當(dāng)?shù)谝淮判詫?8為具有負(fù)極化特性的鐵磁層時(shí)，在流入第一磁性層48的上自旋電子e1和下自旋電子e2中，同具有與第一磁性層48的磁極化48p相同的自旋極化方向的上自旋電子e1相比，更多的具有與第一磁性層48的磁極化48p相反的自旋極化方向的下自旋電子e2穿過(guò)第一磁性層48，如圖8中所示。圖7和圖8中的虛線(xiàn)箭頭表示電子的流動(dòng)方向，該方向與電流方向相反。
第二磁性層52可以是極化特性與第一磁性層48的極化特性相反的鐵磁層。此外，第二磁性層52的磁極化可與第一磁性層48的磁極化相反。如圖9中所示，為了靜磁穩(wěn)定性，當(dāng)?shù)谝淮判詫?8為具有正極化特性并且其磁極化48p向上的鐵磁層時(shí)，第二磁性層52可以是具有負(fù)極化特性并且其磁極化52p向下的鐵磁層。當(dāng)磁極化48p和52p彼此相反時(shí)，在第一磁性層48和第二磁性層52之間產(chǎn)生的磁場(chǎng)B1形成閉合的通量回路(flux loop)。因此，第一磁性層48和第二磁性層52變得在靜磁上穩(wěn)定。然而，如圖10中所示，當(dāng)?shù)谝淮判詫?8和第二磁性層52為分別具有正極化特性和負(fù)極化特性的鐵磁層并且其磁極化48p和52p彼此相同時(shí)，在第一磁性層48和第二磁性層52之間產(chǎn)生排斥的磁場(chǎng)B2。因此，第一磁性層48和第二磁性層52變得在靜磁上不穩(wěn)定。
當(dāng)?shù)谝淮判詫?8和第二磁性層52為具有正極化特性的鐵磁層時(shí)，第一磁性層48和第二磁性層52可以是NiFe層、Co層、CoFe層、Ni層、Fe層和NiFeCu層中的一種。當(dāng)?shù)谝淮判詫?8和第二磁性層52為具有負(fù)極化特性的鐵磁層時(shí)，第一磁性層48和第二磁性層52可以是FeCr層、CrO2/Co層、Fe3O4層、La0.7Sr0.3MnO3層和FeCr/Cr層中的一種。第一磁性層48和第二磁性層52的厚度可以不同。第一磁性層48和第二磁性層52可以是單一層或包括多個(gè)磁性層。多個(gè)磁性層可包括合成的反鐵磁(SAF)層。
返回參照?qǐng)D6，第二非磁性層54是隧道層(tunneling layer)。第二非磁性層54可以是導(dǎo)電層或絕緣層，比如氧化鋁(aluminum oxide)層和氧化錳(manganese oxide)層。晶種層46為磁性層、非磁性層或者包括磁性層和非磁性層的多個(gè)層的組合。晶種層46可以是例如鉭(Ta)層或釕(Ru)層或NiFeCr。罩蓋層58保護(hù)順序堆疊的材料層免受外部因素比如腐蝕的影響。
圖11至圖14示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有圖6的結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器的運(yùn)行。如圖11至圖14中所示，存儲(chǔ)裝置的運(yùn)行是基于磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42對(duì)流過(guò)其的電流的反應(yīng)。在這些附圖中，假設(shè)第一磁性層48和第二磁性層52分別為負(fù)極化特性和正極化特性并且第一磁性層48和第二磁性層52的磁極化分別向上和向下。然而，第一磁性層48和第二磁性層52的自旋極化特性和磁極化可顛倒。在圖11至圖14中，為了方便解釋?zhuān)降厥境鲈O(shè)置的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42。
圖11示出當(dāng)電流I-從第二非磁性層54流向第一磁性層48即上自旋電子e1和下自旋電子e2從第一磁性層48移向第二非磁性層54時(shí)自由磁性層56的反應(yīng)。參考符號(hào)-ρ表示負(fù)極化特性，參考符號(hào)+ρ表示正極化特性。
參照?qǐng)D11，在上自旋電子e1和下自旋電子e2移入第一磁性層48之前，在晶種層46(在圖13中未示出)中上自旋電子e1的數(shù)目幾乎等于下自旋電子e2的數(shù)目。然而，當(dāng)上自旋電子e1和下自旋電子e2穿過(guò)具有負(fù)極化特性和向上的磁極化的第一磁性層48時(shí)，上自旋電子e1以低于下自旋電子e2的速率穿過(guò)。因此，穿過(guò)第一磁性層48的下自旋電子e2的數(shù)目大于上自旋電子e1的數(shù)目。然后，當(dāng)?shù)谝环谴判詫?0中的電子穿過(guò)具有正極化特性和向下的磁極化的第二磁性層52時(shí)，大多數(shù)下自旋的電子e2穿過(guò)第二磁性層52，而只有一些上自旋電子e1穿過(guò)第二磁性層52。因此，穿過(guò)第二磁性層52的下自旋電子e2的數(shù)目比上自旋電子e1的數(shù)目大得多。因此，穿過(guò)第二磁性層52的上自旋電子e1和下自旋電子e2形成了大體的下自旋極化電流。下自旋極化電流流過(guò)自由磁性層56，然后，自由磁性層56的磁極化(用空白箭頭表示)變成與第二磁性層52的磁極化平行，如圖12中所示。
圖13示出當(dāng)電流I+從第一磁性層48流入第二非磁性層54即上自旋電子e1和下自旋電子e2從第二非磁性層54移向第一磁性層48時(shí)自由磁性層56的反應(yīng)。
參照?qǐng)D13，當(dāng)上自旋電子e1和下自旋電子e2穿過(guò)罩蓋層58(在圖13中未示出)、自由磁性層56和第二非磁性層54時(shí)，上自旋電子e1的數(shù)目幾乎等于下自旋電子e2的數(shù)目。然而，當(dāng)電子穿過(guò)具有正極化特性和向下的磁極化的第二磁性層52時(shí)，具有與第二磁性層52相同的極化的下自旋電子e2能夠穿過(guò)第二磁性層52，而具有與第二磁性層52相反的極化的上旋電子e1的大多數(shù)不能穿過(guò)第二磁性層52并被反射到自由磁性層56。因此，上自旋電子e1通過(guò)自由磁性層56返回。如圖14中所示，自由磁性層56的磁極化變成與第二磁性層52的磁極化相反。假設(shè)當(dāng)自由磁性層56的磁極化為如圖12中所示時(shí)，位數(shù)據(jù)“0”被記錄在磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42中，而當(dāng)自由磁性層56的磁極化為如圖14中所示時(shí)，位數(shù)據(jù)“1”被記錄在磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42中。
圖15是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖5的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42的剖視圖。參照?qǐng)D15，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42包括晶種層46和順序在晶種層46上堆疊的第一磁性層62、第一非磁性層64、第二磁性層66、第二非磁性層68、第三磁性層70、第三非磁性層72、自由磁性層56、罩蓋層58。第一磁性層62、第二磁性層66、第三磁性層70和自由磁性層56由鐵磁材料形成。如圖16和圖20中所示，第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70可以是正自旋極化層或負(fù)正旋極化層，而第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70中相鄰的磁性層應(yīng)該具有不同的極化特性。在圖16中，第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70分別是正極化特性、負(fù)極化特性和正極化特性。此外，第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70的磁極化分別向上、向下和向上。在圖20中，第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70是分別具有負(fù)極化特性、正極化特性和負(fù)極化特性的鐵磁層。此外，第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70的磁極化分別向上、向下和向上。
在圖16至圖23中，當(dāng)?shù)谝淮判詫?2、第二磁性層66和第三磁性層70分別具有正極化特性時(shí)，第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70可以是NiFe層、Co層、CoFe層、Ni層、Fe層和NiFeCu層中的一種。當(dāng)?shù)谝淮判詫?2、第二磁性層66和第三磁性層70分別具有負(fù)極化特性時(shí)，第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70可以是FeCr層、CrO2/Co層、Fe3O4層、La0.7Sr0.3MnO3層和FeCr/Cr層中的一種。在圖16至圖23中，為了便于解釋?zhuān)瑳](méi)有示出晶種層46和罩蓋層58。
參照?qǐng)D16，第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70分別具有正極化特性、負(fù)極化特性和正極化特性。當(dāng)初始包括1∶1比率的上自旋電子e1和下自旋電子e2的電子e從第一磁性層62移向自由磁性層56時(shí)，在電子順序地穿過(guò)第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70之后，上自旋電子e1與下自旋電子e2的比率急劇上升。因此，穿過(guò)自由磁性層56的電流I-變成上自旋極化的電流。響應(yīng)于這樣的電流，如圖17中所示，自由磁性層56的磁極化變成與第三磁性層70的磁極化相同。
如圖18中所示，當(dāng)?shù)谝淮判詫?2、第二磁性層66和第三磁性層70的自旋極化特性和磁極化特性與圖16中的自旋極化特性和磁極化特性相同并且電流方向與圖16中的電流方向相反時(shí)，初始包括1∶1比率的上自旋電子e1和下自旋電子e2的電子e從自由磁性層56移向第一磁性層62。這里，由于第三磁性層70為具有正極化特性和向上的磁極化的鐵磁層，所以當(dāng)電子穿過(guò)自由磁性層56后到達(dá)第三磁性層70時(shí)大量的下自旋電子e2被反射到自由磁性層56。從第三磁性層70反射的下自旋電子e2穿過(guò)自由磁性層56。因此，自由磁性層56的磁極化變成與下自旋電子e2的自旋極化相同。所以，如圖19中所示，自由磁性層56的磁極化與第三磁性層70的磁極化相反。如圖17中所示，當(dāng)?shù)谌判詫?0和自由磁性層56的磁極化相同時(shí)，假設(shè)位數(shù)據(jù)“0”被記錄在圖15的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42中。如圖19中所示，當(dāng)?shù)谌判詫?0和自由磁性層56的磁極化彼此相反時(shí)，假設(shè)位數(shù)據(jù)“1”被記錄在圖15的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42中。可選地，如圖17中所示，當(dāng)?shù)谌判詫?0和自由磁性層56的磁極化相同時(shí)，可以假設(shè)位數(shù)據(jù)“1”被記錄在圖15的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42中；如圖19中所示，當(dāng)?shù)谌判詫?0和自由磁性層56的磁極化彼此相反時(shí)，可以假設(shè)位數(shù)據(jù)“0”被記錄在圖15的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42中。
同時(shí)，通過(guò)用磁極化相反的鐵磁層來(lái)替代圖16中的第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70，可得到圖19中示出的結(jié)果。此外，通過(guò)用具有磁極化相反的鐵磁層來(lái)替代圖18中的第一磁性層62、第二磁性層66和第三磁性層70，可得到圖17中示出的結(jié)果。
如圖20中所示，當(dāng)?shù)谝淮判詫?2、第二磁性層66、第三磁性層70分別為具有負(fù)極化特性、正極化特性、負(fù)極化特性的鐵磁層并且它們的磁極化分別向上、向下、向上，而且初始包括1∶1比率的上自旋電子e1和下自旋電子e2的電子e從第一磁性層62移向自由磁性層56時(shí)，由于第一磁性層62、第二磁性層66、第三磁性層70的極化特性，在電子e穿過(guò)第三磁性層70后，電子e中的上自旋電子e1的濃度急劇減少。因此，具有更高濃度的下自旋電子e2的電流即下自旋極化電流流過(guò)自由磁性層56。因此，如圖21中所示，自由磁性層56的磁極化變成與第三磁性層70的磁極化相反。當(dāng)圖20中的第一磁性層62、第二磁性層66、第三磁性層70的極化特性不變而它們的磁極化顛倒即分別為向下、向上、向下時(shí)，自由磁性層56的磁極化變成與第三磁性層70的磁極化相同。
現(xiàn)在將描述電子e以與圖20中示出的方向相反的方向移動(dòng)的情況。參照?qǐng)D22，大量的上自旋電子e1從第三磁性層70反射到自由磁性層56。如圖23中所示，由于反射的上自旋電子e1使得自由磁性層56的磁極化變成與第三磁性層70的磁極化相同。如果圖22中的第一磁性層62、第二磁性層66、第三磁性層70的自旋極化特性不變而它們的磁極化變顛倒即分別為向下、向上和向下時(shí)，自由磁性層56的磁極化變成與第三磁性層70的磁極化相反。
圖24是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖5中的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42的剖視圖。參照?qǐng)D24，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42包括晶種層46和順序堆疊在晶種層46上的第一磁性層80、第一非磁性層82、第二磁性層84、第二非磁性層86、第一自由磁性層88、第三非磁性層90、第三磁性層92、第四非磁性層94、第四磁性層96、第五非磁性層98、第二自由磁性層100、罩蓋層58。第一磁性層80、第一非磁性層82、第二磁性層84和第二非磁性層86和第一自由磁性層88可形成下磁性隧道結(jié)(MTJ)單元，第三非磁性層90、第三磁性層92、第四非磁性層94、第四磁性層96、第五非磁性層98、第二自由磁性層100可形成上磁性隧道結(jié)(MTJ)單元。當(dāng)?shù)谝淮判詫?0、第二磁性層84、第三磁性層92和第四磁性層96分別為正極化特性時(shí)，第一磁性層80、第二磁性層84、第三磁性層92和第四磁性層96可以是NiFe層、Co層、CoFe層、Ni層、Fe層和NiFeCu層中的一種。當(dāng)?shù)谝淮判詫?0、第二磁性層84、第三磁性層92和第四磁性層96分別具有負(fù)極化特性時(shí)，第一磁性層80、第二磁性層84、第三磁性層92和第四磁性層96可以是FeCr層、CrO2/Co層、Fe3O4層、La0.7Sr0.3MnO3層和FeCr/Cr層中的一種。
如將參照?qǐng)D25至圖32描述的，根據(jù)提供到各層的電流方向或電流量，圖24中的第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化可以相同也可以不同，運(yùn)行所需的電流可根據(jù)第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的厚度而變化。為了便于解釋?zhuān)趫D25至圖32中沒(méi)有示出晶種層46和罩蓋層58。在圖25至圖32中，第一磁性層80、第二磁性層84、第三磁性層92和第四磁性層96分別為具有負(fù)極化特性、正極化特性、正極化特性、負(fù)極化特性的鐵磁層，并且它們的磁極化分別向上、向下、向上、向下。第一磁性層80、第二磁性層84、第三磁性層92和第四磁性層96的這些性質(zhì)可改變。
圖25和圖26示出了當(dāng)?shù)谝浑娏鱅1從第二自由磁性層100通過(guò)第一自由磁性層88流向第一磁性層80即電子e從第一磁性層80通過(guò)第一自由磁性層88移向第二自由磁性層100時(shí)第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化特性。
參照?qǐng)D25，當(dāng)初始包括1∶1比率的上自旋電子e1和下自旋電子e2的電子e穿過(guò)具有負(fù)極化特性的第一磁性層80和具有正極化特性的第二磁性層84時(shí)，電子e中下自旋電子e2的濃度增大。因此，穿過(guò)自由磁性層88的電流變成下自旋極化電流。如圖26中所示，由于有自旋極化電流，第一自由磁性層88的磁極化的方向變成與自旋極化電流的自旋極化的方向相同，從而，第一自由磁性層88的磁極化變成與第二磁性層84的磁極化相同。
已經(jīng)穿過(guò)第一自由磁性層88的自旋極化電流，換言之，下自旋電子e2對(duì)上自旋電子e1的比率高的電子e′穿過(guò)具有正極化特性的第三磁性層92，電子e′中的下自旋電子e2的濃度降低。接著，電子e′穿過(guò)具有負(fù)極化特性和向下的磁極化的第四磁性層96，從而主要是上自旋電子e1進(jìn)入第二自由磁性層100。因此，第二自由磁性層100的磁極化方向變成與上自旋電子e1的自旋極化方向相同。所以，如圖26中所示，第二自由磁性層100的磁極化變成與第四磁性層96的磁極化和第一自由磁性層88的磁極化相反。雖然在圖25中第二自由磁性層100和第一自由磁性層88具有相同的厚度，但是第二自由磁性層100和第一自由磁性層88的厚度也可以不同。
圖27和圖28示出當(dāng)提供第二電流I2從而電子e從第二自由磁性層100移向第一自由磁性層88時(shí)第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化特性。
參照?qǐng)D27，當(dāng)電子e在穿過(guò)第二自由磁性層100之后穿過(guò)具有負(fù)極化特性和向下的磁極化的第四磁性層96時(shí)，自旋極化方向與第四磁性層96的磁極化方向相同的下自旋電子e2的一些不能穿過(guò)第四磁性層96，并且這些下自旋電子e2在第四磁性層96和第五非磁性層98的邊界處被反射到第二自由磁性層100。當(dāng)被反射的下自旋電子e2穿過(guò)第二自由磁性層100時(shí)，第二自由磁性層100的磁極化方向變成與下自旋電子e2的自旋極化方向相同。結(jié)果，如圖28中所示，第二自由磁性層100的磁極化變成與第四磁性層96的磁極化相同。由于當(dāng)下自旋電子e2穿過(guò)第四磁性層96時(shí)一些下自旋電子e2被反射，所以穿過(guò)第四磁性層96后電子e″中的上自旋電子的濃度高于下自旋電子e2的濃度。在穿過(guò)具有正極化特性和向上的磁極化的第三磁性層92之后，電子e″中的上自旋電子e1的濃度增大。因此，上自旋極化電流被提供到第一自由磁性層88。當(dāng)上自旋極化電流穿過(guò)第一自由磁性層88時(shí)，第一自由磁性層88的磁極化方向變成與上自旋極化電流的自旋極化方向相同。結(jié)果，如圖28中所示，第一自由磁性層88的磁極化變成與第二磁性層84和第二自由磁性層100的磁極化相反。
圖29和圖30示出當(dāng)提供具有預(yù)定電流密度的電流I1(見(jiàn)圖25)從而使電子能夠從第一磁性層80通過(guò)第一自由磁性層88流向第二自由磁性層100，接著提供電流密度比第一電流I1低的第三電流I3從而使電子能夠在與第一電流I1相反的方向上流動(dòng)時(shí)第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化的變化。在圖25和圖29中，表示第一電流I1和第三電流I3的箭頭厚度的差異表示電流密度的差異。
具體地，當(dāng)?shù)谝浑娏鱅1被提供到圖24中的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42時(shí)，電子e的流動(dòng)如圖25中所示。因此，在提供第一電流I1之后，第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化如圖26中所示。圖29示出對(duì)磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42提供第三電流I3的過(guò)程，在該磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42中，第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化如圖26中所示。圖30示出在提供第三電流I3之后第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的最后的磁極化。因此，在圖29中的第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化是在提供第一電流I1之后得到的磁極化。
參照?qǐng)D29，電子ee2在與第三電流I3(用實(shí)線(xiàn)箭頭表示)相反的方向上流動(dòng)。虛線(xiàn)箭頭表示電子ee2流動(dòng)的方向。當(dāng)電子ee2在穿過(guò)第二自由磁性層100之后入射到第四磁性層96時(shí)，電子ee2在第四磁性層96和第五非磁性層98之間的邊界處被反射到第二自由磁性層100。雖然下自旋電子e2被反射，但是被反射的下自旋電子e2的數(shù)目少，因此第二自由磁性層100的磁極化沒(méi)有顛倒而是保持在由第一電流I1確定的方向上。同時(shí)，當(dāng)電子ee2順序地穿過(guò)第四磁性層96和第三磁性層92時(shí)，僅有上自旋電子e1進(jìn)入由于電流I1而被磁極化向下的第一自由磁性層88。由于進(jìn)入第一自由磁性層88的上自旋電子e1的數(shù)目大于反射到第二自由磁性層100的下自旋電子e2的數(shù)目，所以上自旋電子e1的數(shù)目可以至少為用于顛倒第一自由磁性層88的閾值。因此，如圖30中所示，第一自由磁性層88的磁極化變成向上，與第二自由磁性層100的磁極化相同。
圖31和圖32示出當(dāng)為了使電子能夠從第二自由磁性層100流向第一自由磁性層88而提供具有預(yù)定電流密度的第二電流I2(見(jiàn)圖27)，接著為了使電子能夠在與第二電流I2相反的方向上流動(dòng)而提供電流密度比第二電流I2低的第四電流I4時(shí)第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化的改變。在圖27和圖31中，表示第二電流I2和第四電流I4的箭頭的厚度的差表示電流密度的差異。當(dāng)?shù)诙娏鱅2被提供到圖24的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42時(shí)，電子e的流動(dòng)與圖27中所示的相同。因此，在提供第二電流I2之后，第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化如圖27中所示。圖31示出將第四電流I4提供到磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42的過(guò)程，在該磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42中，第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化如圖27中所示。圖32示出在提供第四電流I4之后第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的最后的磁極化。因此，圖31中的第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化是在提供第二電流I2后得到的磁極化。
參照?qǐng)D31，電子ee4在與第四電流I4(用實(shí)線(xiàn)箭頭表示)相反的方向上流動(dòng)。虛線(xiàn)箭頭表示電子ee4流動(dòng)的方向。當(dāng)電子ee4入射到具有負(fù)極化特性和向上的磁極化的第一磁性層80上時(shí)，因?yàn)樯献孕娮觘1在與第一磁性層80相同的方向上極化，所以電子ee4中的上自旋電子e1不能穿過(guò)第一磁性層80。由于第四電流I4的電流密度比第二電流I2的電流密度小得多，所以幾乎沒(méi)有上自旋電子e1能夠穿過(guò)第一磁性層80。因此，穿過(guò)第一磁性層80的電子ee4可僅包括下自旋電子e2。由于第二磁性層84具有正極化特性和向下的磁極化，所以與第二磁性層84具有相同極化的下自旋電子e2能夠穿過(guò)第二磁性層84。接著，穿過(guò)第二磁性層84的下自旋電子e2穿過(guò)第一自由磁性層88。由于下自旋電子e2幾乎全部穿過(guò)第一磁性層80和第二磁性層84，所以下自旋電子e2的密度足以顛倒第一自由磁性層88的磁極化。因此，當(dāng)下自旋電子e2穿過(guò)第一自由磁性層88時(shí)，第一自由磁性層88的磁極化顛倒成與下自旋電子e2相同的方向。結(jié)果，如圖32中所示，第一自由磁性層88的磁極化變成與第二自由磁性層100的磁極化相同。穿過(guò)第一自由磁性層88的下自旋電子e2被第三磁性層92和第四磁性層96阻擋。因此，穿過(guò)第一自由磁性層88的下自旋電子e2不能到達(dá)第二自由磁性層100，所以，當(dāng)提供第四電流I4時(shí)第二自由磁性層100不受影響。
在圖25至圖32中，可以交換第一磁性層80和第二磁性層84的位置。此外，可以交換第三磁性層92和第四磁性層96的位置。然而，在這種情況下，第三磁性層92和第四磁性層96的磁極化也分別從向上和向下改變?yōu)橄蛳潞拖蛏稀?br> 從圖25至圖32中示出的結(jié)果可以看出，當(dāng)如圖24中所示磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42包括第一自由磁性層88和第二自由磁性層100時(shí)，根據(jù)第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42具有四種不同的狀態(tài)第一種狀態(tài)，在該狀態(tài)中，第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化分別向下和向上，如圖26中所示；第二種狀態(tài)，在該狀態(tài)中，第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化分別向上和向下，如圖28中所示；第三種狀態(tài)，在該狀態(tài)中，第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化都向上，如圖30中所示；第四種狀態(tài)，在該狀態(tài)中，第一自由磁性層88和第二自由磁性層100的磁極化都向下，如圖32中所示。所述的第一種狀態(tài)、第二種狀態(tài)、第三種狀態(tài)和第四種狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)2位的數(shù)據(jù)，例如00、01、10和11。因此，當(dāng)磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42具有圖24中的結(jié)構(gòu)時(shí)，磁性存儲(chǔ)裝置可被用作多位磁性存儲(chǔ)裝置。
通過(guò)測(cè)量磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的阻抗并將測(cè)量的阻抗與基準(zhǔn)值作比較來(lái)讀取記錄在上述多位磁性存儲(chǔ)裝置中的數(shù)據(jù)。如果當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)存儲(chǔ)在磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)受損，例如如果自由磁性層中的一個(gè)的磁極化被顛倒，那么通過(guò)提供與為了測(cè)量阻抗而提供的預(yù)定電流的大小相同但方向相反的電流，可再次將自由磁性層的被顛倒的磁極化顛倒為原來(lái)的方向。因此，在讀取數(shù)據(jù)之后，多位磁性存儲(chǔ)裝置可保持其非易失性的性質(zhì)。讀取電流應(yīng)保持足夠低，以保證不影響存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)位。該電流應(yīng)該小于寫(xiě)電流的閾值。
現(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的制造多位磁性存儲(chǔ)裝置的方法。
參照?qǐng)D33，場(chǎng)效氧化層(未示出)形成在基底110的預(yù)定區(qū)域上。柵116形成在基底110的沒(méi)有形成場(chǎng)效氧化層的預(yù)定區(qū)域上?；?10可為p型半導(dǎo)體基底。柵116可包括柵絕緣層、柵電極和柵隔離。第一雜質(zhì)區(qū)112和第二雜質(zhì)區(qū)114在場(chǎng)效氧化層和柵116之間形成在基底110中。第一雜質(zhì)區(qū)112和第二雜質(zhì)區(qū)114可由預(yù)定的導(dǎo)電雜質(zhì)例如n型雜質(zhì)的離子注入形成。第一雜質(zhì)區(qū)112和第二雜質(zhì)區(qū)114關(guān)于柵116對(duì)稱(chēng)地形成。如果第一雜質(zhì)區(qū)112為漏區(qū)，那么第二雜質(zhì)區(qū)114可以是源區(qū)也可以不是源區(qū)。柵116以及第一雜質(zhì)區(qū)112和第二雜質(zhì)區(qū)114構(gòu)成了晶體管。
第一中間層絕緣層118形成在其上形成有晶體管的基底110上，第一中間層絕緣層118的表面被極化。
參照?qǐng)D34，曝光層PR形成在第一中間層絕緣層118上。利用光刻工藝，在曝光層PR中形成孔HPR，以暴露第一中間層絕緣層118的預(yù)定區(qū)域。在第一雜質(zhì)區(qū)112的正上方形成孔HPR?？蛇x的，孔HPR可形成在第二雜質(zhì)區(qū)114的正上方。利用曝光層PR作為掩模來(lái)刻蝕第一中間層絕緣層118的暴露的區(qū)域直到暴露第一雜質(zhì)區(qū)112為止。如圖35中所示，由于刻蝕使得接觸孔h1形成在第一中間層絕緣層118中，以暴露第一雜質(zhì)區(qū)112。隨后，去除曝光層PR。
接著，參照?qǐng)D36，用導(dǎo)電塞(conductive plug)120填充接觸孔h1。覆蓋導(dǎo)電塞120的頂面的導(dǎo)電墊片層(conductive pad layer)122形成在第一中間層絕緣層118上。磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124例如MTJ單元形成在導(dǎo)電墊片層122上。如圖36中所示，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124可形成在柵的上方，也可不用導(dǎo)電墊片層而直接與導(dǎo)電塞120接觸。磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124可以是圖6、圖15或圖24中示出的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42。圖37和圖38示出當(dāng)磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124具有與圖15的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)42相同的結(jié)構(gòu)時(shí)形成磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124的過(guò)程。
參照?qǐng)D37，晶種層126、第一磁性層128、第一非磁性層130、第二磁性層132、第二非磁性層134、第三磁性層136、第三非磁性層138、自由磁性層140和罩蓋層142順序地堆疊在導(dǎo)電墊片層122上。第一磁性層128可以是具有正極化特性或負(fù)極化特性的鐵磁層。這里，具有正極化特性的鐵磁層為例如NiFe層、Co層、CoFe層、Ni層、Fe層和NiFeCu層中的一種；具有負(fù)極化特性的鐵磁層為例如FeCr層、CrO2/Co層、Fe3O4層、La0.7Sr0.3MnO3層和FeCr/Cr層中的一種。第二磁性層132可以是具有正極化特性或負(fù)極化特性的鐵磁層。然而，當(dāng)?shù)谝淮判詫?28為正極化特性時(shí)，第二磁性層132可以是負(fù)極化特性。這里，第二磁性層132的磁極化可與第一磁性層128的磁化極性相反。第三磁性層136具有與第一磁性層128相同的磁極化特性。自由磁性層是可通過(guò)大于預(yù)定閾值的自旋極化電流來(lái)顛倒其磁極化的鐵磁層。第三非磁性層138用作隧道層。在導(dǎo)電墊片層122上堆疊材料層之后，覆蓋罩蓋層142的預(yù)定區(qū)域的曝光層圖案PR1形成在罩蓋層142上。接著，利用曝光層圖案RR1作為刻蝕掩模來(lái)刻蝕罩蓋層142的暴露區(qū)域和暴露區(qū)域間的材料層的部分，直到暴露導(dǎo)電墊片層122為止。作為刻蝕的結(jié)果，如圖38中所示，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124形成在導(dǎo)電墊片層122上，其中，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124具有晶種層圖案126a、第一磁性層圖案128a、第一非磁性層圖案130a、第二磁性層圖案132a、第二非磁性層圖案134a、第三磁性層圖案136a、第三非磁性層圖案138a、自由磁性層圖案140a和罩蓋層圖案142a。隨后，去除曝光層圖案PR1。參照?qǐng)D39，在形成磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124之后，導(dǎo)電墊片層122和覆蓋磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124的第二中間層絕緣層136形成在第一中間層絕緣層118上。利用照相和曝光(photographic and exposing)工藝，在第二中間層絕緣層136中形成通孔h2，通過(guò)該通孔h2，暴露出磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124的上表面，即罩蓋層圖案142a的上表面。接著，填充通孔h2的位線(xiàn)138形成在第二中間層絕緣層136上。
例如，根據(jù)本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)裝置的實(shí)施例可被作用記錄位數(shù)據(jù)的輔助單元，其中，在根據(jù)本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)裝置的實(shí)施例中，數(shù)字線(xiàn)在柵116和磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)124之間形成在第一中間層絕緣層118中。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，具有正極化特性的磁性層和具有負(fù)極化特性的磁性層順序地堆疊在磁性存儲(chǔ)裝置的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)中。因此，本發(fā)明可提供一種在磁性上具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)裝置。這種結(jié)構(gòu)使自旋極化電流密度能夠增大，從而減小了用于開(kāi)關(guān)操作所需的電流密度并且使寫(xiě)操作更快。
此外，如圖24中所示，磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)可包括在其中可記錄多位數(shù)據(jù)的兩個(gè)自由磁性層，從而可提高裝置的集成并提高記錄密度。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的示例性實(shí)施例具體示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，在不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對(duì)本發(fā)明中的形式和細(xì)節(jié)做各種改變。
權(quán)利要求
1.一種磁性存儲(chǔ)裝置，所述磁性存儲(chǔ)裝置包括開(kāi)關(guān)器件和連接到所述開(kāi)關(guān)器件的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其中，所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括彼此垂直并分開(kāi)設(shè)置的第一磁性層、第二磁性層和自由磁性層，所述第一磁性層和所述第二磁性層具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性，并且具有彼此相反的磁極化。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述自由磁性層包括彼此單獨(dú)形成的第一自由磁性層和第二自由磁性層。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)還包括在所述第一自由磁性層和所述第二自由磁性層之間單獨(dú)形成的第三磁性層和第四磁性層，所述第三磁性層和所述第四磁性層具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性，并且具有彼此相反的磁極化。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述第二磁性層和所述第三磁性層是具有相同的自旋極化電子傳輸特性并且具有彼此相反的磁極化的鐵磁層。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述第二磁性層和所述第三磁性層是具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性并且具有相同的磁極化的鐵磁層。
6.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述第一、第二、第三和第四磁性層分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的自旋極化電子極化特性的鐵磁層，并且它們的磁極化分別為向上、向下、向上和向下。
7.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述第一和第二自由磁性層具有彼此不同的厚度。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)還包括設(shè)置在所述自由磁性層和所述第二磁性層之間的第三磁性層，所述第三磁性層傳輸自旋極性與所述第二磁性層傳輸?shù)碾娮拥淖孕龢O性相反的電子，并且具有與所述第二磁性層的磁極化相反的磁極化。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述第一、第二和第三磁性層分別為具有正、負(fù)和正極化特性的鐵磁層，且它們的磁極化分別為向上、向下和向上。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述第一、第二和第三磁性層分別為具有負(fù)、正和負(fù)極化特性的鐵磁層，且它們的磁極化分別為向上、向下和向上。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一和第二磁性層分別是具有負(fù)和正極化特性的鐵磁層，且它們的磁極化分別為向上和向下或者向下和向上。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一和第二磁性層分別是具有正和負(fù)極化特性的鐵磁層，且它們的磁極化分別為向上和向下或者向下和向上。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一和第二磁性層之一是從包括NiFe層、Co層、CoFe層、Ni層、Fe層、NiFeCu層的組中選擇的層，另一層是從包括FeCr層、CrO2/Co層、Fe3O4層、La0.7Sr0.3MnO3層、FeCr/Cr層的組中選擇的層。
14.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述第一和第二磁性層之一是從包括NiFe層、Co層、CoFe層、Ni層、Fe層、NiFeCu層的組中選擇的層，另一層是從包括FeCr層、CrO2/Co層、Fe3O4層、La0.7Sr0.3MnO3層、FeCr/Cr層的組中選擇的層。
15.一種操作磁性存儲(chǔ)裝置的方法，所述磁性存儲(chǔ)裝置包括開(kāi)關(guān)器件和連接到所述開(kāi)關(guān)器件的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其中，所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括彼此垂直并分開(kāi)設(shè)置的第一磁性層、第二磁性層和自由磁性層，所述第一磁性層和第二磁性層傳輸自旋相反的電子，并且具有彼此相反的磁極化，所述方法包括將具有上自旋和下自旋的電子的第一電流供給到所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，從所述自由磁性層向所述第一磁性層供給所述第一電流，或者以相反的方向供給所述第一電流。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，還在所述自由磁性層和所述第二磁性層之間設(shè)置第三磁性層，所述第三磁性層對(duì)電子的傳輸特性和磁極化與所述第二磁性層對(duì)電子的傳輸特性和磁極化相反。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述自由磁性層還包括彼此分開(kāi)的第一和第二自由磁性層。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，在所述第一磁性層和所述第二磁性層之間單獨(dú)形成第三磁性層和第四磁性層，所述第三磁性層和所述第四磁性層對(duì)電子分別具有彼此相反的傳輸特性，并且具有彼此相反的磁極化。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述第二磁性層和所述第三磁性層是分別具有相同的電子傳輸特性并且具有彼此相反的磁極化的鐵磁層。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述第二磁性層和所述第三磁性層是分別具有彼此相反的電子傳輸特性并且具有相同的磁極化的鐵磁層。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述第一、第二、第三和第四磁性層分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的電子極化特性的鐵磁層，且它們的磁極化分別為向上、向下、向上和向下。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述第一和第二自由磁性層具有彼此不同的厚度。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一、第二和第三磁性層分別是具有負(fù)、正和負(fù)的電子極化特性的鐵磁層，且它們的磁極化分別為向上、向下和向上。
25.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一、第二和第三磁性層分別是具有正、負(fù)和正的電子極化特性的鐵磁層，且它們的磁極化分別為向上、向下和向上。
26.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，在供給所述第一電流之后以與所述第一電流相反的方向供給第二電流，所述第二電流的電流密度低于所述第一電流的電流密度。
27.一種制造磁性存儲(chǔ)裝置的方法，所述方法包括在基底上形成開(kāi)關(guān)器件；在所述基底上形成覆蓋所述開(kāi)關(guān)器件的中間絕緣層；在所述中間絕緣層上形成晶種層，以連接到所述開(kāi)關(guān)器件；在所述晶種層上順序地堆疊第一磁性層、第一非磁性層、第二磁性層、第二非磁性層、自由磁性層和罩蓋層；以預(yù)定的圖案將所述罩蓋層、所述自由磁性層、所述第二非磁性層、所述第二磁性層、所述第一非磁性層和所述第一磁性層圖案化；形成連接到所述罩蓋層的位線(xiàn)，其中，所述第一和第二磁性層以具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性并具有彼此相反的磁極化的鐵磁層形成。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述堆疊還包括在所述第二非磁性層和所述自由磁性層之間順序地形成第三磁性層和第三非磁性層，所述第三磁性層是鐵磁層，所述鐵磁層對(duì)自旋極化電子的傳輸特性與所述第二磁性層對(duì)自旋極化電子的傳輸特性相反，并且其磁極化與所述第二磁性層的磁極化相反。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述堆疊還包括在所述第二非磁性層上順序地堆疊第一自由磁性層、第三非磁性層、第三磁性層、第四非磁性層、第四磁性層、第五非磁性層、第二自由磁性層和所述罩蓋層。
30.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述第一和第二磁性層之一是具有正和負(fù)極化特性之一且具有向上和向下磁極化之一的鐵磁層。
31.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述第二磁性層是具有正和負(fù)極化特性之一且具有向上和向下磁極化之一的鐵磁層。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述第二和第三磁性層是分別具有相同的自旋極化電子傳輸特性且具有彼此相反的磁極化的鐵磁層。
33.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述第二和第三磁性層是具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性且具有相同的磁極化的鐵磁層。
34.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述第一、第二、第三和第四磁性層分別是具有負(fù)、正、正和負(fù)的極化特性的鐵磁層，并且它們的磁極化分別為向上、向下、向上和向下。
35.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述第一和第二自由磁性層具有彼此不同的厚度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用自旋極化電流的多位磁性存儲(chǔ)裝置及其制造和操作方法。所述磁性存儲(chǔ)裝置包括開(kāi)關(guān)器件和連接到所述開(kāi)關(guān)器件的磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，其中，所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)包括彼此垂直并分開(kāi)設(shè)置的第一磁性層、第二磁性層和自由磁性層，所述第一磁性層和所述第二磁性層具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性，并且具有彼此相反的磁極化。所述自由磁性層可包括彼此單獨(dú)形成的第一自由磁性層和第二自由磁性層。所述磁性存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)還可包括在所述第一自由磁性層和所述第二自由磁性層之間單獨(dú)形成的第三磁性層和第四磁性層，所述第三磁性層和所述第四磁性層具有彼此相反的自旋極化電子傳輸特性，并且具有彼此相反的磁極化。
文檔編號(hào)G11C11/15GK1828769SQ20061000320
公開(kāi)日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2006年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月5日
發(fā)明者林志慶, 金庸洙 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社