TW200400595A - Magnetic memory element having controlled nucleation site in data layer - Google Patents

Description

200400595 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 【發明所屬之技術領域】 發明領域 本發明係有關磁性記憶體元件。 5 【先前技術】 發明背景 考慮磁性隨機存取記憶體（MRAM)裝置之例子。此裝置 包括一個磁性隧道接面的磁性交叉點陣列。各磁性隧道接 面位在一條字組線和一條位元線之交叉點上，且具有在任 10何給定時刻呈兩種固定定向中之一種的磁化向量。這兩種 固定定向：平行和反平行，表示邏輯值、〇，和、。 在一''選定〃磁性隧道接面上之寫入操作，可藉由施加 寫入電流至相交於選定磁性隧道接面之字組線和位元線上 。寫入電流產生兩個正交的外部磁場。 15 一個、'半選定"磁性隧道接面只延伸於唯一一條被施加 寫入電流之導線（一條位元線或一條字組線）。因此，一個 半選定磁性隧道接面在寫入操作期間僅暴露於一個外部磁 場。磁性隧道接面被設計成在一個單一磁場存在時不會切 換。 20 然而現實中，MRAM陣列中磁性隧道接面切換的分佈 區域相當大，且表面上相同的磁性隧道接面之切換場並不 固定。某些半選定磁性隧道接面在唯一一個外部磁場存在 時切換，而某些選定磁性隧道接面在兩正交磁場存在時不 會切換。 200400595 玖、發明說明 當選定磁性隧道接面之磁化定向不切換時、或當一個 半選定磁性隧道接面之磁化定向不小心切換時，發生寫入 錯誤。在一個大型MRAM陣列中，許多寫入錯誤會形成錯 誤碼校正上大量的負擔。 5 【發明内容】 發明概要

依據本發明之一層面，一磁性記憶體元件之鐵磁資料 層形成有一受控晶核點。關於本發明其他的層面和優勢將 於隨後伴以圖示，以圖例方式詳加說明本發明之原則而明 10 暸。 圖式簡单說明 第1圖繪示一依據本發明之一實施例的MRAM裝置。 第2圖繪示MRAM裝置之磁性記憶體元件。 第3圖繪示磁性記憶體元件之磁滯現象曲線圖。 15 第4圖繪示MRAM裝置内資料層之一陣列。

第5 a- 5 f圖繪示具有不同型式和排列方式之受控晶核 點的資料層。 第6圖繪示一種依據本發明之一實施例來製造MRAM 裝置的方法。 20 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 如用於繪示之圖例所示，本發明在MRAM裝置上之具 體實現包括一個磁性記憶體元件的陣列。MRAM裝置之資 料層具有受控晶核點。受控晶核點改進磁性記憶體元件的 7 200400595 玖、發明說明 切換刀布，如此增加了寫至磁性記憶體元件的可靠度。 現在參考第1 ®，其繪示包括-個記憶體晶胞14之 陣列12的MRAM裝置10。記憶體晶胞14排成列與行， /、中歹J /σ X方向而行沿y方向延伸。此處僅示出少數相關 5 3己fe體晶胞14以簡化裝置1〇的描述。現實中可使用任何 尺寸的陣列。 字組線16沿記憶體晶胞陣列12之χ方向延伸，而位 元線1 8沿纪憶體晶胞陣列χ 2之y方向延伸。陣列1 $之 各列可有一條字組線16，且陣列12之各行可有一條位元 線1 8各5己彳思體晶胞1 4位在一條字組線丄6和一條位元 線1 8之交叉點上。 MRAM裝置1◦亦包括一讀/寫電路（未示出）以在記憶 體曰b胞1 4上執行讀和寫操作。讀/寫電路感測在讀取操作 期間選定記憶體晶胞的電阻狀態。讀/寫電路在寫入操作 15期間供應寫人電流至選^字組和位元線丄6和工8。 各記憶體晶胞14包括至少一個磁性記憶體元件。磁 性記憶體it件可為磁性隨道接面、巨型磁電阻式（_)裝 置AMR裝置、或任何其他資料層被切換的磁性記憶體裝 置。這些裝置包括由空間層隔開的鐵磁資料和參考層。若 磁性記憶體元件係一 GMR裝置，則該空間層由諸如銅之導 體金屬組成。若磁性記憶體元件為磁性隧道接面，則空間 層係由諸如A]_2〇3之材料組成的絕緣隧道障壁。 另參考第2圖，其顯示一範例磁性記憶體元件5〇。範 例磁性記憶體元件50係一包括一固定層52、一資料層54 200400595 玖、發明說明 、及一介於固定和資料層52和54間之絕緣隧道障壁％ 的磁性隧道接面。固定層52具有一磁化向量（由向量犯 表示），其定向於固定層52之平面，但因固定而不隨施加 所欲範圍之磁場而旋轉。資料層54具有一不固定的磁化 5向量（由向量M2表示），此磁化定向可定向於沿著位於資 料層5 4 ( —方向示以實線，一方向示以虛線）平面上的一 軸（'、任意"軸）上的兩個方向的其中一個方向。若固定層 52和資料層54之磁化向量（M1和M2)指向同向，磁性隧 道接面之定向為所謂的'、平行"。若固定層52和資料層54 1〇之磁化向量（M1和M2)指向反向，磁性隧道接面之定向為 所謂的”反平行"。 絕緣隧道障壁56允許量子力穿隧作用在資料層54和 固定層52間發生。此穿隧現象取決於電子自旋，其造成 磁性隧道接面的電阻與固定層52及資料層54之磁化向量 15具有成比例的函數關係。因此，磁化定向和儲存的邏輯值 可藉由感測磁性隧道接面的電阻狀態而讀取。 寫入電流產生交叉於選定記憶體晶胞之字組線16和 元線1 8的周圍磁場。當這兩個磁場相加時會超過資料 層的矯頑磁性而使得資料層54之磁化向量（mi)呈現所欲 2〇的定向。第3圖中顯示一磁性隧道接面之磁滯現象曲線圖 。矯頑磁性標示為Hc。當相加磁場超過矯頑磁性，磁性隧 道接面可被切換。 現在參考第4圖，其顯示MRAM裝置1〇之陣列12中 的夕個二貝料層5 4。資料層5 4具有受控晶核點5 8。晶核點 200400595 玖、發明說明 58 乃磁化逆轉開始之區域 之相鄰區域6◦為低的切換臨界。 它們具有相對於資料層5 4中 晶核點5 8被控制在陣列 5 12中之所有記憶體晶胞之資料層54的相同位置。此位置 較佳地沿著資㈣54之邊緣’且更佳地靠近角落。 切換逆轉之開始處’晶核，發生於晶核點58。由於晶 核點58不完全被資料層54之相鄰區域6〇所圍繞，介於 晶核點58和資料層54的相鄰區域⑼之間的磁性切換相 10 互影響被降低，且只發生在相鄰區域6〇和晶核點58之邊 界。因此，切換逆轉永遠從晶核點58開始，即使相鄰區 域6◦包含缺陷。

若晶核點58沿資料層54之邊緣形成，可降低晶核點 之不可測性。因此，裝置10中記憶體晶胞14的切換分佈 (矯頑磁性之分佈）更固定。 曰曰核點5 8可為從資料層5 4突出之突出物或資料層 15 内之凹入物。凹入物和突起物之形狀可為圓形、橢圓形 、矩形、或任何其他形狀。 晶核點5 8的尺寸可介於〇 · 2 5 W和0 · 7 5 W間，其中W 乃資料層54之寬度。然而晶核點58之尺寸並不限於此範 圍。晶核點58之尺寸可遠小於W，譬如在0.05W到0.1W 20 之範圍中。

晶核點58可像資料層54 —樣薄，或者更薄。因此突 出物可像資料層5 4 —樣薄，而凹入物可延伸穿過資料層 5 4 〇 穿過陣列1 2之晶核點5 8的尺寸和形狀可為固定的。 10 200400595 玖、發明說明 穿過陣列12 <固定尺寸和形狀應能改善晶核能之固定性 个限於第4圖所示晶核點 貝 排列之晶核點示於第5a_5f圖。第5a、5b σ ^ ^ 〇 t 顯 不晶核點58可為突出物而非凹入物，第5b至5f圖顯示 資料層5 4可具有多於一個的晶核點5 8 ;且第㊀ 5 f圖顯示兩晶核點5 8可形成於不同邊緣。 10 第5b到5e圖中，晶核點58在資料層54上呈現對 稱排列。然而，它們並非僅限於此。譬如，第5 f圖顯八 晶核點58具有非對稱的排列方式。非對稱排列方式可I 來抵消切換場内的偏移量。譬如，一個點可在較高切換場 的一個方向上以及較低切換場的其他方向上集結成核。^ 此偏移量因磁靜態而達到平衡。 現在參考第6圖，其繪示MRAM裝置之第一層級的製 15造過程。此製造過程將結合磁性隨道接面一同敘述。 讀/寫電路和其他電路形成在矽基體（11〇)内。位元線 形成在矽基體（110)上。一個堆疊的磁性記憶體元件材料 (114)被積設。一個堆疊的磁性隧道接面可包括固定的鐵 磁層材料、絕緣隧道障壁材料、及資料層材料。資料層材 20 料可在固定層材料之前或之後沉積。 位元被形成（116)。平版印刷術（例，光平版印刷術、 e光束平版印刷術）可用來決定一堆疊上的圖案，且位元可 藉由諸如離子壓印、化學蝕刻、乾蝕刻等程序來形成。因 此，晶核點（例如，突出物和凹下物）在位元形成其間形成 200400595 玖、發明說明 · 〇 一個硬的遮罩可在位元形成期間用來決定位元（包括 晶核點）。硬遮罩的一個優勢乃其減少邊緣參差，並使得 位元形成得更靠近。 5 各位元可壓印在其固定層。因此，晶核點亦可形成在 各固定層或各資料層上。 位元間之間隙填進絕緣介電質（118)。於是位元線被 積設（1 2 0 )。 籲 MRAM裝置可加入額外的層體。一種諸如二氧化矽之 10絕緣材料積設在最後一層上，而一個新的層體由反覆步驟 112 - 12〇來製造。 MRAM裝置可用於許多應用中。譬如，裝置可用 在裝置中之長期資料儲存，諸如固態硬碟和數位相機。其 可用於嵌入式應用，諸如超高速處理器和網路設備。 15 本發明並非局限於前述及繪示之特定實施例，本發明 乃依據隨後之申請專利範圍來解釋。 · 【圖式《簡苹^彰^明】 第1圖繪示一依據本發明之一實施例的mram裝置。 第2圖繚示MRAM裝置之磁性記憶體元件。 20 第3圖繪示磁性記憶體it件之磁滯現象曲線圖。 第4圖繪示MRAM裝置内資料層之一陣列。 第5a — 5f圖繪示具有不同型式和排列方式之受控晶核 點的資料層。

第6圖繪不一種依據本發明之一實施例來製造MRAM 12 200400595 玫、發明說明 裝置的方法。 【圖式之主要元件代表符號表】 10——MRAM裝置 12 · · · ·陣列 14 · · · ·記憶體晶胞 16·…字組線 18 · · · ·位元線 5〇· _ ••磁性記憶體元件 52 · · · ·固定層 5 4 · · · ·資料層 56·…絕緣隧道障壁 58· ·· ·晶核點 6〇· · · ·相鄰區域 110-120·…步驟

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Claims (1)

1. 200400595 拾、申請專利範圍 L一種用來製造資料儲存裝置的方法，該方法包含： 形成-個鐵磁資料層之陣列 第二相鄰區域，該第一區域 ：、…有第-矛 界值，該等第-區域大致上:域小的切㈣ 層相同位置的第-區域橫越過該陣列。—以，在該等資剩 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中 位於資料層之角落。 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中 位於資料層之邊緣。 10 4.如中請專利範圍第1項所述之方法，其中m「 域係該資料層中之凹入部或广-區 。 τ叶層犬出之突出部 5 5亥專第'一區j

   5.如申請專利範圍第丄項所述之方法，其中 有一個以上的第一區域。 各資料層具 15 6.如申請專利範圍第5項所述之方法，其中 有對稱排列的第一區域。 7 ·如申請專利範圍第5項所述之方法，其中 有非對稱排列的第一區域。 各該資料層具 各該資料層具

   8 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中 20 具有一致的尺寸和形狀橫越過該陣列。 9·如申請專利範圍第i項所述之方法，其中 在位元形成期間形成。 該等第一區域 該等第一區域 1〇·如申請專利範圍第 磁性隧道接面層體。 1項所述之方法， 更包含％成額外的 14