TW200411660A - Increased magnetic stability devices suitable for use as sub-micron memories - Google Patents

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200411660 玖、發明就明 (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) 技術領域 本發明關於具有非並列耦合於不同層之間之磁性裝置， 尤其一非揮發性磁性記憶體，但是也關於用於磁性記錄及 磁性感測器之讀出頭及這種裝置之使用方法。 先前技術 目前藉由許多公司考慮磁性或磁阻隨機存取記憶體 (MRAM)如對快閃記憶體之一成功者。其係一非揮發性記憶 體裝置，不需要電力以維持儲存資訊。視這如超過大部分 其它類型之記憶體之一優點。 原先藉由美國Honeywell公司發展MRAM觀念，及使用在一 磁性多層裝置中之磁性方向如用於資訊讀出之資訊儲存及 產生阻抗差異。如所有記憶體裝置，在一 MRAM陣列中之各 個單元必須可以儲存至少二個代表或者一 ’’ 1"或一 之狀 態。 大磁阻（GMR)及導通磁阻（TMR)之不同類型之磁阻（MR)效 應存在目前係最重要一點。GMR效應及TMR或磁性導通連 接（MTJ)或旋轉附屬導通（SDT)效應提供暸解一非揮發性磁 性記憶體之可能性。這些裝置包含一薄膜之堆疊，其中至 少二個薄膜係強磁或亞磁，及藉由一非磁性中間層分割。 GMR係用於具有導體中間層之結構之磁阻及TMR係用於具 有介電中間層之結構之磁阻。如果將一非常薄導體配置於 二個強磁或亞磁薄膜之間，然後在薄膜之磁性方向係並列 時，合成多層結構之有效同平面阻抗係最小，及在薄膜之 -6- (2) 200411660

磁性方向係非並别 ^ &游一薄介電中間 ^ @在薄膜之磁性方 >i?L係最士 大（或因此阻抗係 歹! J 0φ , ’在薄膜之間之導 卫列時有阻抗係最大 層配置於二個強磁或亞磁薄膜之間 :係並列在薄膜之間之導通電 最小）’ *纟薄膜之磁性方向係非並 通電流係最小（或因此阻抗係最大）。 〜π Ν里概阻如在上面結構從並列走 之阻抗方面之百八η 为非並列磁性狀態 、八 百刀比增加。TMR裝置提供較高於OMR結構 〈百刀比磁阻’ &因此具有用於較高信號及較高速度之電 位。最近結果指示比較於在良好GMR單元中之6-9%磁阻， 導通產生超過4〇%磁阻。 遇系已知一主要類型之GMR裝置如在J· M. Daughton等 等’從轉附屬傳輸材料之應用”，L phys. D: APP1. Phys. 32 (1999) R169-177中說明之旋轉閥。在本結構中，利用一非強 磁材料（例如MnO或MnFe)將一強磁層之磁性釘住於一方向 中。其它層之磁性係自由旋轉但是如位元變得非常窄，其 傾向於相關於在可再現及穩定狀態中之釘住層之或者一並 列或一非並列配置方式。這些方向相應於磁性記憶體位元 < ”1’’或”0’’之狀態。在將二個強磁層之磁性從一並列（低阻 抗）狀態切換到一非並列（高阻抗）狀態或反之亦然時觀察到 在阻抗方面之一改變。可以藉由測量阻抗以測量單元之狀 態。 US-6,252,796也說明這一種旋轉閥單元，在一層中使用電 流以切換或重設強非並列耦合層如一整體，即其中一直係 非並列_合之磁性方向。 (3) (3)200411660 也已知如在J· Μ. Daughton等人之，，旋轉附屬傳輸材料之應 用 ’ J· Phys. D: Appl. Phys· 32 (1999) R169]77中說明之假旋 轉嫻（SV)單元。圖i中概略揭示一普通假旋轉閥堆疊1，在 廷些裝置中具有二個具有不匹配特性之磁性層2、3，即二 個具有不同保磁之強磁或亞磁層2、3，以使其中一試圖以 較低於其它層之範圍執行切換。可以觀察強磁層之保磁如 用於磁改變方向需要之磁場。藉由一中間層4，即藉由一銅 間隔刀割磁性層2、3二者。在磁性層2底部下提供一籽晶層 5以具有附屬於磁性層2之一良好結構，及在磁性層3之頂部 上提供一覆盍層6，例如一鈕覆蓋層如一抗氧化層。 可以藉由例如使用二個相同材料，但是具有不同厚度之 磁性薄膜產生提供具有不同保磁之磁性層2、3。在那個實 例中，較薄之薄膜3以較低範圍切換及係低保磁層或，，軟，，薄 膜，及較厚之薄膜2以一較高範圍切換及係高保磁層或"硬， 薄膜。一比較弱磁場之施加僅可以在”磁性軟，，層3之方向之 後，如同一強磁場可以切換層2、3二者之磁性方向。/假 旋轉閥單元1之阻抗在利用軟薄膜3之磁性方向配置硬薄膜 2之磁性方向範圍係最低。 為窝入一 ·Τ’或一 於一假旋轉閥MRAM陣列中，分別將 一正磁場、一負磁場施加於那個單元，其係足夠強到改變 高保磁層2之磁性方向。也已知高保磁層2係一”記憶禮層”。 藉由施加其係強到足以配置高保磁層2之磁性方向之/磁 場，也配置低保磁層3之磁性方向。藉由直接在磁性元件上 製造，及引導耦合於磁性元件之一導體完成窝入。通過導 200411660 W 體之—带、六γ蚀、 包/為脈衝產生並列於導體夕 之一磁P . 把孓干面及接近於其之表面 兹知。應該適當設計寫入電、云 、，冰廿士 切換範圍士外m ，以使其搞合於較大於 相對尸_ 錢—進位狀怨。為窝入一 卞位兀，反向寫入電流之方向。 低保磁層3行動如讀出其係儲存 * _ A… 於呵保磁層2之儲存狀態 在施加一低磁場時 乏一装置，及因此已知係一”參考層 4il m ^ 曰……瓜概臀時， 低磁場配置低保磁層3之 『生万向切換到有關或者並 列或非並列於高保磁層2，沒有 刀換南保磁層2之磁性方 σ 。根據移動施加之範圍，參考屉、 σ /亏層又万向必須穩定，不論 疋否冩入一並列或一並列結構。如fM U μ 且 如铤些並列及非並列結構 具有不同阻抗，可以在一稍後 仴傻日期躓回阻抗以決定是否 經儲存一 ”1”或一，，〇，，。 在-MRAM陣列中，包含複數個mram單元，直角線根據 及涵蓋各個位元傳送，編生切換場之電流。設計各個 位几以使其在電流係施加於僅'線時將不切換，但是永遠 在電流係流動通過二個交叉於選擇位元之線時切換。 在具有飼中間層之磁性多層及具有介電層之導通磁性多 層之間之實體及磁性類似點建議可以依據許多相同格式如 psv單元建構導通記憶體單元，但是具有如在j m⑽知 等人之”旋轉附屬傳輸材料之應用”d phys d: ¥ ¥ η (1999) R169-177中說明之一些限制，例如較小感測電流之使 用，其係不可以使用於幫助單元之切換。本建議附加接點 及較低於用於PSV單元之用於TMR之密度。 在S. Tehram等人之1999年九月”用於mram技術之程序及 200411660

(5) 觀點”，IEEE學會關於磁性，V〇l. Μ，N〇, 5，中說明一普通TMR 結構，及在圖2中揭示。TMR材料堆疊1〇包含二個磁性層， 一固定或釘住層11及一未固定磁性層12，二者例如包含

NiFe ’藉由一薄介電柵13例如由Α1〇χ製成，及一裝置，例如 一 IrMn釘住層14分割，釘住固定層η中之一層之磁性於一固 定方向中。用於一未耦合、未固定、強磁薄膜，薄膜之磁 性方向顯示在最後施加飽合場之方向中之一磁滯作用用 途。如果係施加一飽合場及然後拿走，未固定薄膜之磁性 方向將在那個範圍之方向中。如果係反向一飽合場及然後 拿走，將反向薄膜之磁性方向。因此在零施加場中，任何 一方向係可能。 刀別在多層堆聲之頂部上支配提供一底部電極Η及一頂 部電極16。未固定磁性層12之磁性方向係使用於資訊儲 存，及需要反向未固定層12之磁性用於一寫入操作。 單元10之阻抗係大，及感測電流係小（μΑ範圍）。記憶體位 元之阻抗係或者低或高根據未固定層12有關於釘住或固定 層11之相關磁性、並列或非並列。一外部施加場可以切換 未固足層12之磁性於二個狀態（並列或非並列於固定層11之 方向）之間。 在本結構中MR比率之一致及單元之絕對阻抗係重要，因 為在讀取模式時將TMR之絕對阻抗比較於一參考單元。如 果在一記憶體之一區塊中之主動裝置阻抗揭示一大阻抗改 變，一信號誤差可以在將它們比較於一參考單元時產生。 TMR早元1〇之阻抗係指數根據Α1 〇χ柵· 13之厚度。因此預期在 -10 - 200411660

ΑΙΟχ厚度方面之小改變。 在 US-5,936,293及 US-6,052,263 中也說明 TMR結構。 在TMR多層裝置1〇中，因為必須將電子導通通過柵層13， 必須將一感測電流Is垂直施加於層平面（CPP_垂直於平面之 電流）。在GMR裝置中，例如psv 1，感測電流Is通常在層之 平面（CIP-在平面中之電流）中流動，雖然一 cPp結構提供一 大磁阻效應。一 CPP GMR結構之一實例係一雙旋轉閥，其 具有一高保磁層在中間，藉由三個低保磁層圍繞。從頂部 到底部測量阻抗。在此實例中，MR效應係加倍。 依據在近幾年時間内對記憶體密度之觀點評估，—記憶 to元件不可以大於2〇〇 χ 2〇〇 nm。這種小單元尺寸將帶來嚴 重微磁性問題，其可以影響一 MRAM2穩定性。已經揭示類 、強磁粒子在▲溫係強磁，但是已知關於它們之尺寸結 構在一長週期之時間上之穩定性係小。在由單一磁性層製 成乏小結構之實例中，退磁場·實際幫助穩定一單一尺寸狀 :、然而，在一旋轉閥之實例中，二個強磁或亞磁層之出 司最低電力狀態係將二個磁性方向非並列配置時。這 有效㈣單元之狀態僅係亞敎及具有：個磁性層之磁性 、w知釋放到低能量非並列結構之一大可能性。 义肩依據-特定方式讀出它們係已知mram單元之一缺 點 。 :固疋磁性万向之旋轉閥之實例中，將資料儲存 、疋磁性層中，其當然應該不藉由讀出配置。在本實 例中，測量一輩分少π善丄 里早兀（絶對阻抗以瞭解其之内容；如果想要， -11- (7) (7)200411660 不同於-參考單元。藉由一切換元件，通常一電晶體之裝 置選擇單元，在本實例中包含每一單元需要一電晶體。 f psv單元之實例中，在—字元線中依㈣列方式連接一 些早兀（N)。藉由隨後將一小正及負脈衝施加於想要之位元 線時’測量-字元線（具有N單元之串列）之阻抗完成讀出。 附加磁場脈衝係在二個強磁層之切換場之間；因此在將其 :層疋磁性設定於一定義之方向中及然後反向時，具有較 高切換場之層（資料儲存層）將保持不變。從在字元線中產生 之阻抗改變之記號可以看到是否將一"丨”或—，,〇"儲存於在 字元及位元之交叉點之單元中。 發明内容 提供具有改進之可能性之一 MRAM單元以讀出在一行之 單元上之個別單元係本發明之一目的。 藉由根據本發明之一磁性裝置完成上面目的。這一種裝 置包含藉由一非磁性間隔層分割之一第一及—第二強磁或 亞磁層，藉以組成_农4·益 产卜 t ^ 成夕層結構。第一強磁或亞磁層具有一 昂數值4 一保磁及係使用如一記憶體層，及第二強磁或 亞磁層具有其係較低於第一數值之一第二數值之一保磁。 而且，邊裝置包含用於在一靜止狀態中時限制第一及第二 強磁或亞磁層之磁性方向進入一非並列狀態之裝置。— 」艮據-實施如W制裝置可以利用磁性異方性。在那個 只例中’彳以選擇第二強磁或亞磁層之成分以便於確保其 係較低於從第一強磁或亞絲g心、 ..4,/ 忠兹：¾亞磁層放射（一離散場之一保磁數 值。 •12- (8) (8)200411660 根據另一實施例，限制裝置可以利用形狀異方性。 那 個實例中’第一及第二強磁或亞磁層可以具有一不同形狀 限制裝置可以利用中間層通過間隔層耦合於第一及第一 強磁或亞磁層之間。間隔層可以具有一厚度，選擇並、 中間層耦合於第一及第二強磁或亞磁層之間，在一靜止狀 態中時限制第一及第二強磁或亞磁層之磁性方向進入一非 並列狀態。 根據本發明之磁性裝置可以包含一旋轉導通連拉。 錢。另 外，磁性裝置可以根據大磁阻（GMR)效應。 本發明也提供如在上面實施例之任何實施例中說明之 磁性裝置之陣列。 根據一實施例，這一種陣列可以包含四個根據本發明配 置如一惠斯頓電橋之磁性裝置。 根據另一實施例，藉由以串列方式耦合於行中及以串列 方式耦合於列中之磁性裝置組成陣列。陣列進一步包人 讀出電路，其利用在一行上及在一列上之一電位，及讀出 其代表儲存於在一列及在一行之交叉點之磁性裝置上之— 數值之一讀出數值。讀出電路可以利用到一列及一行之 單一電子脈衝以讀出該讀出數值。在這一種陣列中，儲存 於该磁性裝置上之數值可以代表一二進位碼之或者—” 1 或 一，，0，，〇 本發明也提供根據本發明之一磁性裝置之實施例之任何 實施例之如一磁性記憶體裝置，如一磁性感測器 Λ —石兹 性讀取頭之使用。 -13 - 200411660 而且，本發明提供一種根據利用改變施加之二 置，阻抗，讀出根據本發明之實施例之任何實施例之； 性I置之方法。在另一實施例中， 本發明提供一種根據利 用改變施加之磁場改變磁性折射效應，讀出根據本發 施例之任何實施例之一磁性裝置之 〜万法。 本發明之本質係設計一磁性多層 P, ^ 層裝置（例如，或者一旋轉 閥或一旋轉導通連接），其一直具 $讲成、 ，考以配置二個強磁或 亞磁層艾磁性方向於一非並列方 三個女斗 门中。討論執行該本質之 一個万式·磁性異方性、形狀異方 ^ m ^ ^ 丨生，及中間層耦合。根 據本發明〈實施例之裝置尤其 用於尚緊緻裝罾。 雖然已經持續在本範圍中之裝 本發明觀念係相信於代表實質新及進改變及發二 前讀出執行，導致本特性之更多有離開先 供應。尤其，立中—此 、、 釔疋及信賴裝置之 /、 二人係試圖避免搞合於、 明使用輕合於二個強磁或亞磁層之間1層…= 複數個層。 自礤層可以存在 :下=關於其藉由實例說明本發明之原理之圖式之 本二：得較佳瞭解本發明之”及特性。給定 面提出1 H沒有限制本發日月之範圍。下 〈特性圖式參考附加圖式。 貫施方式 將相關於特定會 σ 只她例及參考於明確圖式說明本發明.，但 疋本發明係不限 、 兮明、 中，但是僅藉由申請專利範圍限制。 說月 < 圖式僅係相 係概略及係非限制。在圖式中，在一些用於 -14- 200411660 (10) 說明目的之實例中擴大裝置及它們之層之尺寸 (ίο)

根據本發明之一磁性裝置可以結構重組如從先前技藝已 知之一 PSV，及例如在圖3八及3B中揭示。其係包含至少二個 強磁或亞磁層21及22,其藉由_非磁性間隔層23分割，藉以 組合一多層結構20。強磁層中之一層，例如層2丨，係一高

保磁層，及其它強磁層，層22，係一低保磁層。低保磁層 22可以例如具有一少於2〇 〇e之保磁數值，及高保磁層21具 有在20 Oe及200 Oe之間之一保磁數值◦使用高保磁層21如一 圮隱m層，即本層21之磁性方向決定是否將一” 〇，，或一，，丨，，數 值儲存於單元20中。記憶體層21之保磁數值係高於其它強 磁層22之保磁數值。根據本發明，一磁性裝置2〇進一步包 吕用於在一靜止或正常狀態中時，限制強磁層2丨、22之磁

性方向於非並列狀怨中之裝置。藉由靜止或正常狀態係指 在一低或零磁場中之一狀態。低磁場可以係地球之磁場（5〇 A/m)，或藉由環境利用之其它背景磁場。稍後依據更多細 節說明這種用於限制磁性方向於非並列狀態中之裝置。 如在先前技藝MRAM儲存方法中，—足夠高寫人磁場係使 用於儲存資料於根據本發明之一磁性裝置2〇中，以使重新 定向在高保磁層21中之磁性之方向。然後高保磁㈣係記 憶體層。相關於先前技藝，低保磁層22可以係一非常低保 磁層（具有在〇〇e及20Oe之間之一保磁數值），及高保磁層21 具有可以比較於目前存在RAM中之低保磁層之一保磁(具 高保磁層21應該係 有在20 Oe及200 〇e之間之一保磁數值） 可以切換。 -15 - 200411660

在圖3A中說明用於單元20代表數值”〇”或” i”之儲存狀 怨。為定址一單元用於寫入於單元之一陣列中，將一必須 窝入電流之一半數值施加於一列中，及將相等電流施加於 一行中。然後全部電流定址在一陣列中之一單一單元。本 一半選擇程序需要各個單元之磁滯迴路直角足以在單元之 初始狀態中施加或移動一半切換場離開一單元。藉由施加 組合之字元電流及感測電流將記憶體狀態寫入於一單元2〇 中以使產生之全部磁場超過硬磁層21之切換場。例如，為 寫入"1 ’’狀態，施加相應於正磁場之一字元電流；為寫入，，〇，， 狀態’在相對方向中施加字元電流。施加正磁場時，硬磁 層21之磁性方向例如切換到右方。同時，軟磁層22之磁性 方向也切換到相同方向。然而，提供用於在一靜止狀態時 限制硬磁層2 1及軟磁層22之磁性方向於非並列方向中之裝 置，例如，將”丨，，狀態寫入於硬磁層21中時，及移動磁場（藉 由寫入電流之裝置施加），軟磁層22之磁性方向切換前向非 並列方向。 根據本發明，具有低保磁之層22明顯係磁性軟，以使其 之磁性在一靜止狀態中，即在移動場時一直釋放到非並列 於記憶體層。現在參考低保磁層22如磁性夾層，如其允許 回復來自記憶體層21之離散磁流。因為夹層22，在一零外 部場（Happlied=〇)中，或在一低外部場八/⑷之所有單 元將具有獨立於單元之内容之一低能量非並列方向。而 且，它們也將具有相同（高）阻抗。 為讀取這一種MRAM單元20之内容，一讀取脈衝係使用於 -16- 200411660

(12) 設定夾層22之磁性方向及決定在高保磁記憶體層2 1中之磁 性之方向。這係在圖3B中說明，其中揭示單元20代表其係、 在讀出狀態中之數值”〇"及Π1Π。藉由施加如在圖3B中所示其 係大到足以切換軟磁性層22之磁性方向，但是小到足以讓 硬磁性層21之磁性方向不變之外部場HappliedM —單元2〇讀 出之記憶體狀態。單元20讀出之軟磁性層22之磁性方向或 者係已經配置於施加之外部場Happiied，或切換到配置於那個 場。這意謂用於儲存一狀態之單元20，其中將硬磁性層21 之磁性方向配置於施加之外部場Happlied(在圖3B之實例中之 "〇”狀態），軟磁性層22之磁性方向從非並列切換到並列。用 於儲存一狀態之單元20，其中硬磁性層21之磁性方向係非 並列施加之外部場Happiied(在圖3B之實例中之”1”狀態），及因 此軟磁性層22之磁性方向並列於施加之外部場仏，沒有 切換產生。因此，在”丨”狀態之阻抗保持低（二者之磁性方向 保持並列）時，”〇，，狀態之阻抗保持高（二者之磁性方向保持 非並列）。 、 产 、 ^ 一儲存裝置係使用於MRAM時，連同較小單元尺寸，伯 、、里儲存狀慼（二者之磁性方向非並列）將比在必須保持一 換1 ^置方式時更穩足。確實關於讀取係真實，將需要令 '"早兀到並列狀態，但是僅需要將本狀態用於讀出_ “：：並列狀態保持穩定大約lns讀出時間。在讀出— 外斤磁場之出現也穩定並列狀態。 法，^將貝料儲存於根據本發明之一 MRAM單元20中之i 早兀20具有在靜止狀態中之相同阻抗，不管其^ -17- 200411660

(13) 内容，即不管是否將一”丨，，或一” 〇，，儲存於單元2〇中。這揭示 用於其中用於讀出之單元之每一線僅使用一電晶體之 MRAM陣列之一優點。在圖4中，考慮將資料寫入之單元之 一線。 如果使用資料儲存之一習知方法（圖4A)，然後不可以藉由 m取或測1字元線之全部阻抗簡單完成讀取一選擇MRam 單元3〇之阻抗。這係因為在字元線上之阻抗係也根據在線 中4所有其它單元中之資料。通常藉由第一傳送一讀取脈 衝3 1到在例如一正方向中讀出（通過其運作直角於字元線 之位元、、泉）之單元3〇解決本問題。然後必須測量單元之阻 抗及因此傳送一負脈衝32。必須再次測量阻抗，及根據 二者阻抗之相減，發現讀出之單元％之阻抗。本讀取方法 具有慢之缺點。 圑化揭不根據本發明，例如在行及列中依據串列方式 合《磁性裝置之—陣列之_部分。根據本發明，及如在 中看到，僅需要一謂出脈衝3 3以讀出一特定單元3 4。 由嬪出電路（未揭示）提供讀出脈衝，及藉由本電路藉由 知裝置讀出定址元件之阻抗。測量之阻係讀出之單=4 狀態之 '絕對測量。其係確實已知參考數值。如果係施 脈衝33及阻抗改變，然後已知單元“之内容係”1” ；如果 :改變，内容係"〇，’（或反之如果係使用相對協定）。^抗 I万式係獨立於其係也在字元線上之其它元件如它們全 2有在靜止狀態中之相同阻抗。因此，如在字元線上2 、元件之阻抗全部係相同及也係已知，可以允許及/或 -18- 200411660

(14) 除這些阻抗之效能。根據本發明之裝置之本特性係可以使 用於GMR及TMR。 根據本發明之一第一實施例，在靜止狀態中時限制裝置 進入一非並列狀態之裝置係磁性異方性。選擇"夹層”22之成 分以確保一非常低保磁。本低保磁應該較低於從高保磁層 2 1放射之離散場。如果這係該實例，然後夾層將移動成為 一非並列配置方式。離散場之強度係難以評估用於一些理 由，即其係不相同及其根據高保磁層之時間比率及材料完 成之時間二者。然而，如果其係假設較低保磁較佳，例如 可以藉由使用圖5述擇夹層22之成分。假設施加在一 MRAM 中之範圍沿著如在圖5中給定之材料之比異方性場容易之 磁性軸係相等於保磁。從本圖式將出現例如Ni80Fe2〇合金（透 磁合金）係一良好候補。也可以通過圖5選擇其它強磁層（具 有高保磁Ηκ)。這考慮到來自字元/位元線之最大產生場強 度。在功能磁性X厚度係相同於二者強磁層時取得大部分穩 足非並列感測器。如果功能磁性χ厚度係相同於二者強磁 層，然後不具有磁滞磁場。可以通過夾層回復全部來自一 層之磁％。正相反’如果功能磁性1厚度係不相同於二者強 磁層’將具有其使得非並列能量狀態較高之磁滯磁場。如 果係在地球之磁場中使用裝置，應該選擇材料組成如同它 們之形狀，厚度及尺寸之層，以使地球之磁場不可以改變 夹層之磁性。 然而，圮住低保磁層，例如一透磁薄膜之厚度係重要， 滅圖利用增加厚度增加保磁也係重要。其可以有助於使用 200411660 (15) 用於低保磁層之薄NiFe

如保磁數值係低於這種薄薄膜。 這已經在例如 K_ J. Kirk等人 J· phyS. d: Appl· Phys.34 (200 1)中 說明，其中之圖2揭示在透磁合金之厚度之函數中之保磁數 值。 如果一使得一單一強磁層成為一直角粒子然後以—給定 寬度（通常大約一運算域牆之寬度），磁性將配置於沿著一長 轴定向之一運算域中。然而，如果具有二個強磁層，然後 在二個層中之磁性“之一非並列配置方式將積極變成更有 助於一給定時間比率。可以藉由一習於此技者計算或藉由 實驗決定本時間比率。如果夾層22具有一足夠低於一小粒 子之保磁將一直”翻轉”到非並列狀態。 根據本發明之一第二實施例，在靜止狀態中時限制裝置 進入一非並列狀態之裝置係形狀異方性。也可以利用在其 係沿著長軸延長配置之一小強磁粒子中之磁性之特性以確 呆非並列靜止狀態。本實施例利用一延長磁性材料，例 如一條材料具有依據沿著其之縱軸中之一方向磁化其本身 < —趨勢之事實。即使如果由相同合金製造二者層，然後 可以藉由使用用於層中之一層之一高時間比率建立一高保 兹層°如果第二層（低保磁層）具有一較低之時間比率，然後 可以一直取得一非並列狀態，如低時間比率粒子之磁性可 以旋轉以組成一非並列配置方式。 通常’在一多層結構中之不同層具有相同形狀，但是根 據本發明，為取得不同保磁，可以使用不同形狀之高及低 保磁層’例如利用在不同方向中之大及小軸（或因此任意轴） -20- 200411660 (16) 折射或，用於旋轉導通連接或GMR-CPP，在將硬磁性層蝕 刻成小條時之一連續軟磁性層。 根據本發明之一第三實施例，在靜止狀態中時限制裝置 進入一非並列狀態之裝置係中間耦合（透過中間層23耦 合），通常參考如RKKY中間層耦合。在圖6中可以看到一圖 形揭示槁合如一 Cu層厚度之函數。具有三個可見辛值，其 中第一二係非常明顯。以中間層之大厚度，將取樣解槁合。 在已知裝置中此係較佳狀態。可以從圖6看到藉由選擇其一 致於在_合強度方面之一最小量之一 Cu層厚度（大約丨8 之厚度），可以降低非並列狀態之能量。存在但是在圖6中 未揭示之在耦合強度方面之另一最小量，下降於一 〇 8 nm之 Cu層厚度。除銅外可以使用之材料係釕（Ru)、鍺（Rh)、金 (Au)，銥（Ir)或在Fe/Cr多層中之鉻（Cr)。因此，本發明之這實 施例包含一薄導體（金屬）中間層，選擇其之厚度以便於組成 南及低保磁層在一靜止狀態中之一非並列狀態。本中間層 隸合係可以在其本身或在具有上面實施例之任何實施例之 組合中使用以確保一非並列配置方式。 可以利用本發明之非並列狀態原理使用GMR及TMR裝置 二者。 根據本發明之裝置之磁性層較佳應該飛濺配置於具有在 埃-每秒範圍中之沈積速率之一高真空狀態中。尤其成功係 實體蒸發4沈積、特別平面磁電管飛濺，及離子波束沈積。 雖然有降低這種裝置之品質之傾向，也可以蒸發或使用電 鍍沈積。 (17) 200411660

控制磁性層之磁性特性係 之特定需求。例如，大部分 性，其係關於根據原子尺寸 晶片之層之沈積時可以設定 單轴異方性如在層之磁性中 方性中心影響材料之切換行 時投射一相同磁場通過晶片 重要’及這導致關於沈積程序 強磁材料具有一固有磁性異方 排列。在藉由施加一磁場通過 本異方性之方向。觀察產生之 之磁性任意及硬方向。因為異 動’沈積系統必須可以在沈積 ’通常在20-100 Oe之範園中。 保磁也係根據沈積程序，及必須藉由磁性合金及沈積狀態 之選擇控制。（軟及硬）磁性薄膜較佳應該相同厚度。 使用之所有其它層類似於習知裝置之假旋轉閥中使用之 諸層。 本發明也包含在TMR裝置中之隔離導通柵。已知一些方 法係用於產生隔離導通栅TMR裝置。最佳結果係使用於藉 由沈積一金屬銘層產生AlOx導通柵層，及然後藉由一些方 法中之一方法，例如電漿氧化、在空氣中之氧化、離子波 束氧化、藉由燃燒放電電漿之氧化、原子氧曝露，或紫外 線激勵〇2曝露氧化其。導通柵係非常薄，較佳小於2〇A。在 一暢通之小孔係非常平滑之外，因為在A10x厚度方面之小 改變導致在阻抗方面之大改變，在晶片上其係非常相同。 根據本發明之裝置可以係任何敏感於一磁場之裝置，例 如記憶體單元（MRAM單元）、感測器，及磁場讀取頭。 一種類型之感測器使用一惠斯頓電橋，其中，配置四個 根據本發明之磁阻元件以使在零施加場電橋之輸出電流也 係零。另一類型之感測器係一旋轉位置感測器，其中在根 -22- 200411660 (18) 據本發明之一條磁性裝置上將一外部磁鐵旋轉180。時，阻 抗從最小改變到最大，及在旋轉之後續180°時阻抗再次回 復到其之最小。 圖7揭示包含GMR元件70之列及行之部分之一 GMR基礎之 MRAM。GMR基礎之MRAM之各個元件70係一三層結構，包 含一高保磁層7 1及一低保磁層7 2，具有在其間之一非磁性 導體中間層73。藉由一位元線連接在一列上之GMR元件70 及藉由一字元線75連接在一行上之GMR元件70。這些位元線 74及字元線75係使用於寫入磁性方向於一選擇GMR元件70 之高保磁層71中，及讀出一選擇GMR元件70之内容。藉由在 相同時間傳送通過字元線75及通過位元線74之一相關大電 流完成窝入，其中字元線75及位元線74交叉於選擇GMR元件 70。這些組合電流係以使在選擇GMR元件70產生之全部磁場 根據是否將一 ”〇”或一 ’’Γ寫入於選擇GMR元件中，使得將高 保磁層71之磁性定向於一特定方向中。讀取一位元，或因 此藉由在位元線74上之一讀出脈衝完成決定高保磁層7 1之 磁性方向，其中脈衝係大到足以產生其可以切換低保磁層 72之磁性方向之一磁場。測量GMR元件70之阻抗，及由本測 量，已知GMR元件70之内容。 圖8揭示包含TMR元件80之列及行之部分之一 TMR基礎之 MRAM。各個元件80係一堆積結構，包含一固定或釘住層 81，一未固定磁性層82及在其中間之一介電柵83。藉由在強 磁或亞磁層81、82及在其中間之介電柵83之三明治上施加一 小電塵，電子可以導通通過介電概83。如在圖9B中所示， -23 - 200411660 (19) 藉由在相同時間施加一第一寫入電流通過一位元線84及施 加一第二窝入電流通過一字元線85完成窝入，字元線85及 位元線84交叉於選擇TMR元件80。這些組合電流係以使在選 擇TMR元件80產生之全部磁場根據是否將一 ”0”或一 ”1”寫入 於選擇TMR元件中，使得將高保磁層81之磁性定向於一特 定方向中。讀取一位元，或因此藉由在位元線84上之一讀 出脈衝完成決定一選擇TMR元件80高保磁層81之磁性方 向，其可以切換低保磁層82之磁性方向。這係在圖9A中揭 示。測量TMR元件80之阻抗，及由本測量，已知TMR元件80 之内容。 在圖8之結構中，每一 TMR元件80需要一電晶體86或切換 單元。在這一種電晶體86係ON用於一選擇TMR元件80時， 在位元線84上之一電流可以導通通過選擇TMR元件80。 本發明包含如用於磁碟裝置之讀取頭之裝置之使用。碟 片裝置之容量持續快速成長如在尺寸方面之縮小。這意謂 將越來越多資料寫入進入較小總數之空間。將資料寫入如 在具有一磁性材料之薄膜覆蓋之一碟片上之磁性之小範 圍。將資訊（’’1Π或儲存如這些範圍磁性之方向。藉由僅 感測在碟片之上面這些磁性範圍上之磁場讀取資訊。可以 依據一非常小磁場依據其之阻抗產生一可偵測改變，及這 種在阻抗方面之改變產生相應於在碟片上將其傳送，例如 到一電腦之資料之電子信號之這一種方式製造根據本發明 之讀取感測器。 代替於阻抗，可以測量其它特性，例如光學特性，例如 -24- (20) (20)200411660 /、係優於阻抗4磁折射效應；其代表在保磁方面因為一施 加=場之一改變導致在折射索引方面之一改變之效應。光 之口併及反射係數係根據折射索引及因此傳送及反射之遠 紅外線之強度係關於磁阻…則量光，一歐姆接點係不必 要。 根據本發明之一裝置係試圖於組成一小單元，例如一記 憶體單元，輕隹且古_ .. 八有 小於50 之最大運算域，最佳小於 1 //m。 在已經揭示及參考於較佳實施例說日月本發日月時，習於此 技者將瞭解可以在不離開本發明之範圍及精神下完成在型 式及細節中之一些改變或修改。尤其，說明之較佳實施例 ，關於Μ則單元，但是其不係關本發明之範圍於默細 早兀。進-步’不論其中上面說明參考係製造於—強磁層， 不包含-強磁薄膜或層之使用。不論參考係製造於一強磁 或亞磁層，應該瞭解本層係可以利用複數個層。 圖式簡單說明 圖1係根據先前技藝之一假旋轉閥堆疊 户且<一圖式說明。 圖2係如在技藝中已知之一普通TMR材料堆叠之一圖式

說明。 且；P 圖3A及3B係在根據本發明之個別儲 1賓存及讀出狀態中之 MRAM單元之”0”及”1”狀態之一圖式說明。 圖4A及4B代表MRAM單元分別依據資料 ，、饤儲存之一習知方 法，及根據本發明之一方法之情形讀出之一 系泉。 圖5揭示在NiFeCo薄膜之組合上之里 万性範園之屬性之 -25- 200411660 (21) 圖。 圖6揭示耦合於銅間隔厚度上之插入層之屬性之一圖。 圖7揭示部分之一 GMR基礎之MRAM。 圖8揭示部分之一 TMR基礎之MRAM。 圖9A及9B分別揭示通過相關於一 TMR元件之一位元線及 一字元線，用於讀取及寫入這一種元件之電流流程。 圖式代表符號說明 1 堆疊 2、3 磁性層 4 中間層 5 籽晶層 6 覆蓋層 10 TMR材料堆疊 11 磁性層 12、81 針住磁性層 13、82 未固定磁性層 14 薄介電柵 15 底部電極 16 頂部電極 20 、 30 、 34 XtX3 — 早兀 21、22 強磁層 23 非磁性間隔層 31 讀取脈衝 32 負脈衝 -26- 200411660 33 讀出脈衝 70 GMR元件 71 高保磁層 72 低保磁層 73 非磁性導體中間層 74、84 位元線 75、85 字元線 80 TMR元件 83 介電柵 86 電晶體 81 釘住磁性層 82 未固定磁性層

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Claims (1)

1. 200411660 拾、申請專利範圍 1. 一種磁性裝置，其包含： -一第一及一第二強磁或亞磁層，其藉由一非磁性間 層分割藉以組合一多層結構，該第一強磁或亞磁層具 一第一數值之一保磁及作為一記憶體層，及該第二強 或亞磁層具有低於該第一數值之一數值之一第二保磁， -限制裝置，其用於在一靜止狀態中時限制該第一及 第二強磁或亞磁層之磁性方向進入一非並列狀態。 2. 如申請專利範圍第1項之磁性裝置，其中該限制裝置利 磁性異方性。 3. 如申請專利範圍第2項之磁性裝置，其中選擇該第二強 或亞磁層之組合以使確保其係較低於從該第一強磁或 磁層擴散之一離散範圍之一保磁數值。 4. 如申請專利範圍第1項之磁性裝置，其中該限制裝置利 形狀異方性。 5. 如申請專利範圍第4項之磁性裝置，其中該第一及該第 強磁或亞磁層具有一不同形狀。 ’ 6. 如任何先前申請專利範圍之磁性裝置，其中該限制裝 利用插入層，其通過該中間層耦合於該第一及該第二 磁或亞磁層之間。 7. 如申請專利範圍第6項之磁性裝置，其中該間隔層具有 擇之一厚度以使該中間層摘合於該第一及該第二強磁 亞磁層之間，在一靜止狀態時限制這些強磁或亞磁層 隔 有 磁 及 用 磁 亞 用 置 強 選 或 進 200411660

   入一非並列狀態。 8. 如任何先前申請專利範圍之磁性裝置，其中該裝置包含 一旋轉導通連接。 9. 如申請專利範圍第1到7項之磁性裝置，其中該裝置係根 據大磁阻（GMR)效應。 10. 如申請專利範圍第1到9項之任何一項之磁性裝置之一陣 列。 11. 如申請專利範圍第10項之陣列，其包含將四個根據申請 專利範圍第1到9項之任何一項之磁性裝置配置如一惠斯 頓電橋。 12. 如申請專利範圍第10項之陣列，其中該磁性裝置係在行 中以串列方式耦合及在列中以串列方式编合，進一步包 含一讀出電路，該讀出電路將一電位施加於一列及一行 上及讀出代表儲存於在該一列及該一行之該交叉點之該 磁性裝置上之一數值之一讀出數值。 13. 如申請專利範圍第12項之陣列，其中儲存於該磁性裝置 上之數值代表一二進位碼之或者一 ”1”或一 "0"。 14. 如申請專利範圍第12或13項之陣列，其中該讀出電路將 一單一電子脈衝施加於該一列及該一行以讀出該讀出數 值。 15. —種如申請專利範圍第1至9項任一項之裝置之使用，以 做為一磁性記憶體元件。 16. —種如申請專利範圍第1至9項任一項之裝置之使用，以 做為一磁性感測器。 200411660

   17。一種如申請專利範圍第1至9項任一項之裝置之使用，以 做為一磁性讀取頭。 I8· —種讀出如申請專利範圍第1至9項任一項之磁性裝置之 方法，以利用改變施加之磁場改變該裝置之阻抗為基礎。 19。一種讀出如申請專利範圍第1至9項任一項之磁性裝置之 方法，以利用改變施加之磁場改變磁折射效應為基礎。