CN1599937A - 包括动态参考层之磁阻记忆胞元 - Google Patents

Abstract

本案系关于一种配置，其系用于增加一磁阻记忆胞元(17)阻值之相对变化，该磁阻记忆胞元(17)于备情形皆具有一记忆层(1)与一参考层(3)于一信道阻障(2)之两侧，该参考层(3)系被形成为一磁性软层，且其磁化作用可受存写操作影响，且藉由一参考备援场或一参考磁化作用电流(11)，其可被再次定方位。

Description

包含动态参考层之磁阻记忆胞元

本发明系关于用于增加磁阻记忆胞元之相对阻值差，在一半导体装置中，该磁阻记忆胞元在一第一磁化态与一第二磁化态之间，具有一记忆层与一参考层于信道阻障两侧，其中该记忆层之磁化相对于该参考层之参考磁化系为单向，其中该第二磁化态系相对于该参考磁化被相对地引导。

一磁阻记忆胞元通常系包含两铁磁系统，且其间具有一非铁磁隔离层。在最简单的范例中，该两系统系包含一铁磁层。

该第一铁磁层典型系以硬铁材质制造，例如钴-铁合金。此铁磁层具有磁性与方向之永久磁化作用，而作为一参考层。

以一软铁材质所制造的第二铁磁层，典型为镍-铁合金，系形成一记忆层。在对应于该记忆胞元之一资料内容的方式中，该记忆层之磁化作用系为单一方向，或是与该参考层之该磁化作用反向。因此，根据其资料内容，该记忆胞元具有两种可区分之磁化作用状态(单向、被反向引导)。

若该磁阻记忆胞元系以信道效应为基础，则该隔离层的材质系为介电质。在两铁电层之单向磁化作用的例子中，电子自一铁电层过渡至另一铁电层的频率系高于两层为反向之磁化作用的例子。在该层系统之传导性，推论该记忆层之磁化作用相对于该参考层之磁化作用方位以及该记忆胞元之资料内容是可能的。

该磁阻记忆胞元之两磁化状态之传导性或阻值的差别越大，其干扰豁免的程度越高，且更简单的是该内存胞元之资料内容可被读出。阻值作用差别越大时，该两铁磁层所具有的磁性区域越少，且该两层中旋转极化作用越高。

在目前的先前技艺中，例如，以信道效应为基础的磁阻记忆胞元的例子中，两磁化作用状态的的阻值差系为15-20％。在具有磁阻记忆胞元的半导体装置中，相对地，在该半导体装置中具有相同磁化作用状态的两相邻记忆胞元之阻值，亦可明显大于20％。因此，传导性在两具有相同程度磁化作用的记忆胞元之间偏离，如同在一记忆胞元之两磁化作用状态之间偏离。这使得更难以评估该磁化作用状态与评估一记忆胞元之该资料内容。

在一磁阻记忆胞元之参考层的习用观念里，该参考层系被设计为带磁性之硬层，其系在制造一半导体装置过程中接收其磁化作用，该半导体装置系具有一磁阻记忆胞元，以保持该半导体装置之整个服务寿命。该磁阻记忆胞元之温度与长期数据稳定性，系直接取决于该参考层之磁化作用之稳定性。

在本案之观念中，该参考层系耦合(被固定)至天然反铁磁层，或是补充反向磁化作用之至少另一铁磁层，以形成一人为反铁磁。相较于个别硬磁层，经由Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida作用而耦合至此一程度的铁磁与返铁磁系统，系具有改良的温度与长期资料稳定度，且对于干扰磁场较不敏感。

第3图系说明透过一磁阻记忆胞元之剖面示意图。在此例子中，一参考系统6与一记忆系统，系包含一个别记忆层1，彼此相反地置于一信道阻障2的两侧。该参考层3系为该参考系统6的子层，其方位系向着该信道阻障2。在此例子中，该参考系统6系形成一人为反铁磁层系统(从F)，其系包含该参考层3与一参考耦合层5于一间隔层4(间隔)的两侧，该参考耦合层5之一磁化作用9系与该参考层3之参考磁化作用8反向。

在相同的方式中，该参考层3(而后称为被针扎层，pinned layer)可经由该间隔4被耦合至另一层(针扎层，pinning layer)，其系由天然反铁磁材质所制造。此观念系来自于磁性感应器，特别是来自于磁性读/写头。

复数个耦合机制，例如尼尔(Neel)作用(橘皮耦合)、针孔耦合以及经由磁漏场的作用，系作用于该参考层8或该参考系统6与该记忆层7之间。

强力耦合层之磁化作用逆转，系比弱耦合系统更慢。所以，现今参考系统的观念，系用以减少这些作用的强度，以获得该磁阻记忆胞元之更佳的动态性质。

其次，在该磁阻记忆胞元之该记忆层中，这些作用之总和所造成的偏压场，系导致该记忆层之不对称转换作用。所以，目前的观念是尝试在该记忆层的位置上，达到磁性耦合机制的补偿。

综述如下，该参考层或参考层系统之部分矛盾需求如下所述：

-温度稳定性，长期资料稳定性，以及磁场不敏感性，各自需要一厚的且具磁性的硬参考层。

-该记忆层之对称转换作用系以该参考层之可靠地具再现性的表面粗糙度以及一可调整的漏损场。

所以，本发明之目的系提供一排列，其系于两不同磁化作用状态的一磁阻记忆胞元中，增加阻值差。再者，目的是要提供可用以实施此排列的方法。

在前言中所述的排列形式中，本发明目的之达成系藉由如申请专利范围第1项中所述之特征。达到该目的之方法，系如申请专利范围第10项所述者。本发明之其它优点发展系如申请专利范围之依附项中所述。

所以，根据本发明之排列形式中，位于一半导体装置中一磁阻记忆胞元之参考层，可为一具磁性之软层。这可藉由以软磁材质制造而达成，例如镍-铁合金。再者，该参考层可被制作成薄的。该参考层系不含有区域或仅含有一些区域，且存在一高旋转极化作用。

当存写至该记忆胞元时，该记忆胞元之地址线之存写电流，系产生磁场，若有需要，其系够强以可靠地改变该记忆胞元之一记忆层之磁化作用。由于该软磁参考层距离该记忆层仅有数奈米，所以藉由该存写电流所产生之磁场，其磁化作用亦受到影响与倾斜，是否该参考极化作用之方位有适当的定方位计算器。

由于该记忆胞元之读取系统可以仅辨识该记忆层与参考层(平行/反平行)之磁化作用之相对方位，该记忆胞元之后续读出总产生平行的低阻值的资料内容，且在存写之后，该两层皆为相同方位。

因此必须确定的是在存写至该记忆胞元之过程之后，原始的参考磁化作用系被重新建立在该参考层中。

此可藉由磁性备援场之辅助而达成。由于在本案之结构中，参考层与记忆层之间的距离仅有数奈米，作用在该参考层上的备援场亦作用于该记忆层上，其方位必须永远被保留，然而系与该备援场无关。

其系藉由该参考层之吸附场强度相对于该记忆层之吸附场强度之合适选择，而被确认。

该记忆层之吸附场强度通常系由该半导体装置所可能使用之存写电流而定。

一方面设计该备援场，在该记忆层中仍活化的比例系明显小于该记忆层之吸附场强度，以确保在该备援场之反平行方位与该记忆层之磁化作用中足够的干扰豁免。另一方面，该备援场必须够大以可靠地定方位该参考层。其亦包含一足够的稳定性以对抗外部动态干扰场。

一方面，该参考层的吸附场强度所面临的问题在于其必须明显小于该参考层位置之该备援场，以获得可靠地控制。另一方面，对于在读取操作中无暂时备援场的例子，该参考层之该吸附场强度，仍够大以进行稳定的读取操作，亦即够强足以很慢反应至外部动态干扰场。若在该读取操作中，一稳定状态备援场或在该读取操作中活化的暂时备援场被导引加至该参考磁化作用，则对于对抗外部场的相同稳定度而言，可选择较小的该参考层之吸附场强度。

磁阻记忆胞元之结构中较佳的吸附场强度值，于该记忆层系为3kA/m且于该参考层系为0.5kA/m。例如该备援场应具有0.8kA/m。

该备援磁场可以多种方式产生。在第一较佳实施例中，该参考层之磁化作用系藉由安排在接近该参考层之相互连接点而被定方位。在此例子中，该参考磁化作用电流仅存在一短期时间。该电流脉冲可被结合至后续存写操作，或是结合至一读取操作，其系在该读取操作之前与/或过程中被立刻诱发。此最后造成对于外部干扰场具有更高的稳定性。

该电流脉冲总是受到单纯地局部影响，亦即相对于被存写或是立即被读取的记忆胞元。该交互连接可为任何被需要且除了其原本功能之外可传导电流脉冲之交互连接。然而，亦可能提供用于此目的之交互连接。

在两例子中，藉由未被个别定方位的电流脉冲，可减少更高电能耗费损失之电路支出，而非藉由同时定方位记忆胞元组。

在本发明之一第二实施例中，系提供一半导体装置，其具有至少一硬磁参考备援系统，其系藉由至少一非铁磁层而自该磁性软参考层隔离出来。

在最简单的例子中，该参考备援系统系包含一参考备援层，其系带有与该参考磁化作用相对之一参考备援磁化作用。在本发明之此实施例中，每一次自该参考磁化作用之方向偏移，该参考层之磁化作用系再次自动定方位至该参考磁化作用。

可局部实现一参考备援系统，亦即个别实现每一记忆胞元。

然而，在本发明之一较佳实施例中，该参考备援系统系作为该半导体装置之一整体剖面区域上之一简单参考备援层，该区域系与该参考层平行。所以，以一简单方式即产生在该参考层位置大部分均质之备援场。

可提供此一参考备援层于该半导体装置之内与之外。

若一参考备援层系用于一半导体装置之内，则较佳系藉由习知处理晶圆与制造该记忆胞元材质之技术于晶圆阶段完成，例如可使用钴-铁合金。可藉由建构该参考备援层而影响此一参考备援层之磁性性质。

在该半导体装置中，可将该参考备援层用于该记忆胞元之下，而与后续钝化层隔离，例如一介电质层。

在具有复数个记忆胞元平面之半导体装置例子中，每一记忆胞元平面可被分配于至少一参考备援层，其系因应个别记忆胞元平面之特定需求而被磁化。在此例子中，该记忆胞元平面与参考备援层交互在该半导体装置之层结构中。在此例子中，一参考备援层亦可被分配于至少两记忆胞元平面，其系在该参考备援层彼此对立。

若该参考备援层系用于包覆该半导体装置过程之中或之后，则可支撑该半导体装置外部之参考备援层。而后此一参考备援层系被连带分配至所有的记忆胞元平面。

解决方法系为使用铁磁材质所制之包覆壳体或是将该半导体装置定方位于一合适载体上。

根据本发明，用于该半导体装置外部之一参考备援层之排列的较佳实施例，系一预先磁化的薄层或一预先磁化的膜，其较佳系用于该半导体装置之至少一表面其系与该参考层平行。

在任何情况中，用于保护该半导体装置免受外部场影响之排列，可作为参考备援层，亦或是，该参考备援层可作为该半导体装置之屏蔽。

为了产生在所有记忆胞元上均质的一备援场，该参考备援层较佳系用在该半导体装置一整体剖面区域上，该区域系与该记忆层平行。

该参考备援层之后续建构，可微调该记忆层中的补偿层。

该参考备援系统的磁性稳定性决定该磁阻记忆胞元之温度与长期层之该参考磁化作用的机制(参考重设)之完成，系于所读入之资料无关。该机制系基于已知的效应，例如静磁场分析、尼尔耦合或是针孔耦合。

根据本发明之方法的一较佳实施例中，系在每一读取操作之前，完成该参考重设。对于该读取操作，所选择的方法，其中该参考磁化作用之破坏系同于存写操作过程中之方式。此方法提供该记忆胞元之两状态较佳的辨别能力。

在本发明之第一实施例中，产生该参考备援场作为该半导体装置之内或之外一硬磁参考备援系统之静电参考备援场。

在第二较佳实施例中，藉由一参考磁化作用电流产生该参考备援场。对于该参考磁化作用电流，邻接该参考层之被动层中，提供一交互连接或是使用一已存在的交互连接电路以达此目的。

在本发明之此实施例中，系以关于该磁化记忆层之漏损场，该参考磁化作用系为稳定之方式，而设计该参考层之黏着场强度。

本发明可藉由参考下列图标而得以更详细说明，其中相同参考符号系对应于相同组件。

图标之简单说明

第1图系根据本发明之第一与第二实施例，说明磁阻记忆胞元之剖面示意图。

第2图系根据本发明之第三实施例，说明一磁阻记忆胞元之剖面示意图。

第3图系说明一习知磁阻记忆胞元之剖面示意图。

第3图已于发明背景中解释说明。

第1图系说明具有磁阻记忆胞元17之半导体装置之剖面示意图，该剖面示意图非实际大小，仅系用于说明本发明之主要特征。

一记忆胞元17系包含一记忆层1与一参考层3于信道阻障2之两侧。该参考层3带有参考磁化作用8。根据该记忆胞元17之资料内容，该记忆层1之磁化作用7系与该磁化作用8平行或反平行。

一被动层(交互连接层)12之方位系与该信道阻障层12相反，且邻接于该参考层3。该被动层12系被用于一介电质层13之上。

在第1图a中，该参考备援系统系形成为一分布的参考备援层16。

该磁性硬参考备援层16带有一参考备援磁化作用15，其方位系与该参考磁化作用8相反。

该参考备援层16与该参考层3之间结合活性之漏损场，系作为该磁化作用之反平行方位，且旋转该参考层3之磁化作用，该磁化作用已自该参考磁化作用8之方向偏斜而回复至该参考磁化作用8之方向。

在第1图b中，一局部参考备援系统14系于该介电质层3与该参考层3相对。在此例子中，该局部参考备援系统14系延伸超过分配予一记忆胞元17之区域。

在此例子中，该参考备援系统14系由一局部铁磁参考备援层20与具有磁化作用21之反铁磁参考备援耦合层17于一非磁性参考备援间隔层18之两侧而形成。该磁化作用20、21系经由RKKY作用而被彼此固定耦合。若该磁化作用20、21之强度系彼此偏离，则该局部参考备援系统14形成一漏损场(净力矩)，其形成该参考磁化作用8之该备援场，且可被用以达到该记忆层1与该参考层3间，尼尔作用之补偿。

藉由存写电流而产生之存写磁场，其将该记忆层1之该磁化作用7，自与该参考磁化作用8之一平行状态，转换为反平行状态，亦以相同方式作用于该参考层3之该磁化作用。

虽然后者与该存写磁场的来源间距离较大且有效磁场亦较小，但是该磁性软参考层之该黏着场强度系明显较低。

在该存写磁场已经衰退之后，仅有该记忆层1与该参考备援层16或是该参考备援系统14之漏损场耦合作用在该参考层3之上，该参考备援层16或是该参考备援系统14之漏损场耦合系具主导性的。

由于在该参考层3中活化的该备援场系比该磁性软参考层3之黏着场强度更强，所以该参考层3之磁化作用系再次于该参考磁化作用8之方向中旋转。

第2图系说明本发明之第二实施例中一磁阻记忆胞元17之剖面示意图。

该记忆胞元17包含一记忆层1与一参考层3于信道阻障2之两侧。该参考层3带有参考磁化作用8。根据该记忆胞元17之资料内容，该记忆层1之磁化作用7系与该参考磁化作用8平行或反平行。数据稳定性。因此，在本发明之另一实施例中，该参考备援系统系一磁性硬层系统。

为达该目的，透过以一具传导性非磁性材质(典型系为贵金属，例如钌、金、铜、钯、铂、锇、汞或铑)所制造之参考备援间隔层，而将该参考备援层耦合至资参考备援结合层，其系与由铁磁材质(例如钴-铁合金)所制成，且相对于该参考备援层之磁化作用系为反平行磁化作用(AAF)，或是耦合至以天然抗铁磁材质所制造之层。Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida作用的结果，该旋转极化作用系结合在该参考备援间隔层两侧之两层中。该参考备援层系以此方式而为磁性稳定。

若相对于该参考备援间隔层之一参考备援系统之铁磁次层变成不对称的，亦即具有不同的层厚度，则该参考备援系统具有一静力矩(而后称为漏损场)。该漏损场成为该参考层之备援场。

该备援场亦可被用以补偿一偏压场，其系由于不同的耦合机制而活化在该记忆层中。

所以，在具有磁性软参考层之磁阻记忆胞元中，相较于习知具有硬磁参考层之结构，该旋转极化作用系明显增加。该记忆胞元之两状态，亦即根据该记忆胞元之二元资料内容，记忆层与参考层之磁化作用之平行或反平行方位，可被更简单地区分。该半导体装置用于测量与评估该记忆胞元之阻值的电路支出，可被减少，且可增加对于干扰的豁免。

根据本发明之一排列中，该参考层系受到该存写电流的影响，该存写电流系控制该记忆层之磁化作用。若在存写操作过程中该记忆层系被磁化相反于该参考磁化作用，则该存写电流所产生的磁场亦与该参考磁化作用相反。在此例子中，该参考层之磁化作用系倒反的。由于资料内容的评估是根据该记忆层与该参考层中的相对方位，但系被储存于该记忆层之磁化作用方位的形式中，所以测量系用以重建该参考磁化作用。

因此，根据本发明之方法，在该磁阻记忆胞元被读取之前，藉由一参考备援场，于该参考层中重建该参考磁化作用。因而可接受因一存写操作之参考磁化作用之影响。

无论是在存写操作之后或是每一读取操作之前，用于重建该参考

在此范例中，一交互连接10系配置于该参考层3之表面，参考层3系与该信道阻障2相对，在该交互连接10中，在一读取操作过程与/或之前，一参考磁化作用电流11系以箭号方向流通。由该参考磁化作用电流11所产生的磁场系作用于该参考磁化作用之方向。

在此范例中，相对于该记忆层1之该漏损场，该参考层3之该黏着层强度系足够大。

组件符号

1记忆层

2信道阻障

3参考层

4间隔层(间隔)

5参考耦合层

6参考系统

7记忆层之磁化作用

8参考磁化作用

9参考耦合层之磁化作用

10交互连接

11参考磁化作用电流

12被动层

13介电质层

14局部参考备援系统

15参考备援磁化作用

16分布的参考备援层

17磁阻记忆胞元

18参考备援间隔层

19参考备援耦合层

20局部参考备援层

21参考备援耦合层之磁化作用

Claims (12)

1.一配置，用于一半导体装置中增加一磁阻记忆胞元(17)之阻值差，其中该磁阻记忆胞元(17)于各情形皆具有一记忆层(1)与一参考层(3)于一信道阻障(2)之两侧，其系于一第一磁化作用态与一第二磁化作用态之间，在该第一磁化作用态中，关于该参考层(3)之一参考磁化作用(8)，该记忆层(1)之一磁化作用(7)系为单向，在该第二磁化作用态中，关于该参考磁化作用(8)，该磁化作用(7)系为相反方位，

其特征在于

该参考层(3)系被形成为一磁性软层且具有一高旋转极化作用，

在该记忆层(1)之该磁化作用(7)之改变中，可允许该参考层(3)之该磁化作用之偏移或改变，

在该记忆层(1)之该磁化作用(7)未改变方位之所给定的该磁阻记忆胞元(17)上，至少下一读取操作之前，该参考层(3)之该磁化作用之该方位可被再次设定于该参考磁化作用(8)之该方向中。

2.如申请专利范围第1项之配置，其特征在于

一交互连接(10)，其中系在一读取操作之前，流通一参考磁化作用电流(11)，其可在该参考层(3)中产生该参考磁化作用(8)。

3.如申请专利范围第1项之配置，其特征在于

一磁性硬参考备援系统(14/16)于该参考层(3)之侧上，其系与该信道阻障(2)相反，该系统系藉由至少一非磁性层(13)而自该参考层(3)隔离，且具有一参考备援磁化作用(15)，其可在该参考层(3)中产生该参考磁化作用(8)。

4.如申请专利范围第3项之配置，其特征在于

一局部参考备援系统(14)系被分配于该半导体装置中的每一磁阻记忆胞元(17)。

5.如申请专利范围第3项之配置，其特征在于

该参考备援系统系被形成为一分布的参考备援层(16)，其系与该参考层(3)平行，且同时延伸超过该半导体装置之整体剖面区域。

6.如申请专利范围第5项之配置，其特征在于

该分布的参考备援层(16)系位于该半导体装置之外部。

7.如申请专利范围第5或6项之配置，其特征在于

该参考备援层(16)系被建构用于该记忆层(1)中漏损场之一微调。

8.如申请专利范围第5至7项之配置，其特征在于

一参考备援耦合层(19)，其系藉由一参考备援间隔层(18)而自该参考备援层隔离，且固定一局部参考备援层(20)之该磁化作用(15)。

9.如申请专利范围第8项之配置，其特征在于

该参考备援耦合层(19)系带有一磁化作用(21)且该参考备援层(20)系带有具不同强度之一磁化作用(15)，以及该局部参考备援系统(14)之一合力漏损场系用以补偿该记忆层(1)与该参考层(3)间一顽磁的尼尔作用，因而对称该记忆层(1)之一转换作用。

10.一记忆方法，用于操作一磁阻记忆胞元(17)，该磁阻记忆胞元(17)于各情形皆具有一记忆层(1)与一磁性软参考层(3)于一半导体装置中一信道阻障(2)之两侧，其包含下列步骤：

根据被储存之资料，定方位该磁阻记忆胞元(17)之该记忆层(1)之磁化作用(7)，该参考层(3)之一参考磁化作用(8)可偏斜，

重建该参考层(3)之该参考磁化作用(8)，以及

读出该磁阻记忆胞元(17)之该资料。

11.如申请专利范围第10项之方法，其特征在于

在该磁阻记忆胞元(17)之该读出过程中，该参考层(3)之该参考极化作用(8)可偏斜。

12.如申请专利范围第10至11任一项之方法，其特征在于

为重建该参考层(3)之该参考磁化作用(8)，在接近该参考层(3)之一交互连接(10)中，控制一参考磁化作用电流(11)。