TW201308343A - 磁性移位暫存器的讀取器 - Google Patents

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Abstract

一種磁性移位暫存器的讀取器，包括磁性參考層、穿隧層、磁性抵銷層以及絕緣層。磁性參考層與磁性抵銷層各自配置於磁性軌道的不同側，以各自提供反平行的磁場。於磁性軌道的垂直方向上，磁性抵銷層部分或全部重疊於磁性參考層。磁性參考層電性連接至讀取電路。磁性抵銷層為浮接。穿隧層配置於磁性參考層與磁性軌道之間，以提供磁穿隧接面。絕緣層配置於磁性抵銷層與磁性軌道之間，以阻絕磁性軌道的電流穿隧至磁性抵銷層。

Description

磁性移位暫存器的讀取器
本發明是有關於一種磁性記憶體(magnetic memory)，且特別是有關於一種磁性移位暫存器的讀取器。
硬碟是目前容量最大之非揮發性儲存裝置，但移動磁區與讀寫磁區資料時需靠機械動作，因此讀寫速度很慢。沒有機械動作的磁性記憶體完全以電流或電壓驅動，因此能大幅加快讀寫速度，擴大其應用範圍。自從利用電流脈衝來移動磁壁(current-driven domain wall motion)相關的理論與實驗陸續提出後，使磁性移位暫存器記憶體更有實現的可能。目前磁性移位暫存器已經可整合於矽晶片中，可以說是「硬碟晶片(HDD on a chip)」。這種記憶體有機會取代現在的動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory,DRAM)、靜態隨機存取記憶體(Static Random Access Memory,SRAM)以及快閃記憶體(FLASH Memory)。
本發明提供一種磁性移位暫存器的讀取器，可降低磁性參考層的第一磁場對軌道磁壁移動(domain wall motion)之影響。
本發明實施例提出一種磁性移位暫存器的讀取器，包括磁性參考層(magnetic reference layer)、穿隧層(Tunneling layer)、磁性抵銷層(magnetic canceling layer)以及絕緣層(isolate layer)。磁性參考層配置於該磁性移位暫存器的磁性軌道(magnetic track)的第一側，以提供具有第一方向的第一磁場至該磁性軌道。磁性參考層電性連接至讀取電路。穿隧層配置於磁性參考層與磁性軌道之間。穿隧層提供磁穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)於磁性參考層與磁性軌道之間。磁性抵銷層配置於磁性軌道的第二側。於磁性軌道的垂直方向上，磁性抵銷層部分或全部重疊於磁性參考層。磁性抵銷層提供具有第二方向的第二磁場至該磁性軌道。其中，該第二方向不同於該第一方向，且該磁性抵銷層為浮接(floating)。絕緣層配置於磁性抵銷層與磁性軌道之間，以阻絕磁性軌道的電流穿隧至磁性抵銷層。
基於上述，本發明實施例所述讀取器利用第二磁場的反向磁矩(magnetic moment)來抵銷(canceling)來自磁性參考層之第一磁場，因此可降低磁性參考層的第一磁場對軌道磁壁移動之影響。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A-1C繪示磁性移位暫存器100的操作範例示意圖。磁性移位暫存器100包含磁性軌道(magnetic track) 140、寫入元件(Writing device) 115及讀取器120。此磁性軌道140以磁性金屬材料或鐵磁性材料(ferromagnetic material)來形成，例如水平異向磁化(In-plane Magnetic Anisotropy,IMA)材料NiFe、CoFe與CoFeB等，或垂直異向磁化(Perpendicular Magnetic Anisotropy,PMA)材料(Co/Ni)x、(Co/Pt)x與(Co/Pd)x等多層膜材料，或CoPt、CoPd、FePt、Co、CoFeB等合金，或TbFeCo等稀土元素與過渡金屬組成之垂直異性磁化合金，或前述之所有垂直異性磁化材料與CoFe、Co、CoFeB、NiFe等水平異向性磁化材料組成之垂直異向性磁化複合磁性層等。磁性軌道140可做為位元暫存區(Reservoir region)以提供資訊儲存及移動的軌道。磁性軌道140內具有位元儲存區(Storage region) 135。磁性軌道140上可以磁化成許多小區域的磁區(Magnetic Domains)，例如磁區125與磁區130。這些磁區之磁化向量(magnetization)的方向，可以表示儲存資訊的0與1邏輯值。
在資訊儲存起始態(Quiescent state)時，也就是不加電流脈衝145驅動磁壁移動之穩態時，位元儲存區135是不會移動的(如圖1A所示)。欲依序讀取位元儲存區135的位元資訊時，通入磁性軌道140的電流脈衝145會導致每一個磁區(例如磁區125、130等)向電子流的方向產生磁壁移動(Domain Wall Motion,DWM)。此磁性移位暫存器100的讀取器120是用磁穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)與磁性軌道140相連接。在磁壁移動的過程中，讀取器120可以讀取位元儲存區135中每一個的磁區所儲存的資訊。
圖1B顯示在磁壁移動的過程中磁性移位暫存器100的一個暫態狀態。讀取器120可以讀取最接近磁區的位元資訊。在這個暫態狀態，已經將先前讀取過磁區的位元資訊移入右側磁性軌道之內，直到所有儲存在位元儲存區135的磁區位元資訊都讀取完畢，如圖1C所示。
此磁性移位暫存器100在寫入資料時，也是藉由通入電流脈衝145移動磁壁，而將欲寫入資料的磁區移動到寫入元件115之處。配合磁壁移動的時序，寫入元件115將特定方向的外露磁場(Stray field)移到寫入區，導致最接近寫入元件115的磁區之磁矩(magnetic moment)翻轉成目標方向。而後，再藉由反向的電流脈衝145將位元儲存區135移回原位，如圖1A所示。
磁性移位暫存器100的主體為包含多磁區之磁性軌道140，而磁性軌道140通常是一條磁性奈米線。磁性軌道140的材料可分類為水平異向磁化(IMA)材料與垂直異向磁化(PMA)材料，有關於水平異向磁化材料，尤其是NiFe(Permalloy)，利用電流脈衝來移動磁壁(current-driven domain wall motion)是最廣為研究的。但由於在水平異向磁化軌道中存在的磁壁寬度與線寬相當，而且磁壁對磁場非常敏銳，因此磁壁之間距不能太短，否則容易受磁壁之相互磁場作用而產生相吸或相斥現象而造成磁矩之改變。通常，水平異向磁化軌道的磁壁間距必須為線寬的5倍以上，因此水平異向磁化軌道不利於高密度之需求。
垂直異向磁化材料其垂直異向能很大，可克服膜層之去磁能(Demagnetization energy)，讓磁偶極方向可以站立於膜層表面之上。垂直異向磁化材料由於Ku很大，磁壁寬度極小(可達20nm以下)。垂直異向磁化材料磁壁間之相互作用較小，磁壁間隔距離可以很近，因此相較於水平異向磁化軌道而言，垂直異向磁化軌道密度可提升10倍以上。除此之外，由理論的計算或模擬可知垂直異向磁化磁壁對於軌道缺陷的敏感度較低，而且可利用膜厚與線寬之調整使其電流下降10倍以上，因此理論上的磁壁移動特性會較水平異向磁化磁壁為佳。由於垂直異向磁化材料有高密度與需要較低之電流密度即可驅動磁壁移動之特性，因此成為磁性軌道140之首選材料。以下實施例將以垂直異向磁化材料實施磁性軌道140。
無論如何，本發明並不限制磁性軌道140的材質與幾何形狀。例如，水平異向磁化材料或是其他磁性材質均可以應用於磁性軌道140。另外，磁性軌道140的幾何形狀也可以是水平直線或是其他幾何形狀，包括二維幾何形狀及/或三維幾何形狀。
圖2A-2B繪示圖1A-1C中讀取器120的操作範例示意圖。圖2A-2B可以參照圖1A-1C的相關說明。讀取器120包括磁性參考層(magnetic reference layer) 121與穿隧層(Tunneling layer) 122。磁性參考層121配置於磁性軌道140的第一側(例如上側或下側)，以提供具有第一方向(例如向下)的第一磁場至磁性軌道140。磁性參考層121材質為鐵磁材料，例如垂直異向磁化材料(Co/Ni)x、(Co/Pt)x與(Co/Pd)x等多層膜材料，或CoPt、CoPd、FePt、Co、CoFeB等合金，或TbFeCo等稀土元素與過渡金屬組成之垂直異性磁化合金，或前述之所有垂直異性磁化材料與CoFe、Co、CoFeB、NiFe等水平異向性磁化材料組成之垂直異向性磁化複合磁性層等。於本實施例中，磁性參考層121材質為垂直異向磁化材料。
穿隧層122配置於磁性參考層121與磁性軌道140之間，以提供磁穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)於磁性參考層121與磁性軌道140之間。穿隧層122是厚度極薄的非導體材質，例如AlOx或MgO等。由於穿隧層122的厚度非常薄，因此穿隧層122會發生穿隧效應(Tunneling Effect)而可以讓電子穿隧於其中，使得電流220可以通過穿隧層122。
磁性參考層121電性連接至讀取電路210。讀取電路210可以依據電流220的大小而得知磁阻(magnetoresistance)大小，然後依據磁阻大小而得知最接近讀取器120之磁區的位元資訊。例如，最接近讀取器120之磁區與磁性參考層121之磁矩方向互為平行時(如圖2A所示)，其所產生磁阻較小。最接近讀取器120之磁區與磁性參考層121之磁矩方向互為反平行(anti-parallel)時(如圖2B所示)，其所產生磁阻較大。因此，磁性軌道140的磁區可以被用來記錄0或1的數位資料。
然而，磁性參考層121的外露磁場(stray field)會影響磁性軌道140中磁壁之移動。例如圖2A所示，磁區230與磁性參考層121之磁矩方向互為反平行，因此磁區230與磁性參考層121之間存在一個排斥力。此排斥力會成為磁區230向右移動的阻力。
圖3A-3C繪示磁性移位暫存器300的讀寫裝置及操作示意圖。圖3A-3C可以參照圖1A-1C與圖2A-2B的相關說明。此讀寫裝置包含磁性參考層121、穿隧層122、穿隧層323與磁性參考層324。穿隧層323與磁性參考層324的實現方式可以參照圖2A-2B所述磁性參考層121與穿隧層122的相關說明。磁性參考層121與磁性參考層324均電性連接至寫入電路310。磁性參考層121電性連接至讀取電路210。於資料寫入狀態下，磁性參考層121選擇性地電性連接至寫入電路310，如圖3A-3B所示。於資料讀取狀態下，磁性參考層121選擇性地電性連接至讀取電路210，如圖3C所示。
於資料寫入狀態下，寫入電路310可以施加電流至磁性參考層121、穿隧層122、穿隧層323與磁性參考層324，以改變磁區330的磁矩方向。例如，若寫入電路310施加電子流341的方向是從磁性參考層324經由穿隧層323、磁區330、穿隧層122至磁性參考層121(如圖3A所示)，則磁區330的磁矩方向會被設定為向上。若寫入電路310施加電子流342的方向是從磁性參考層121經由穿隧層122、磁區330、穿隧層323至磁性參考層324(如圖3B所示)，則磁區330的磁矩方向會被設定為向下。
於資料讀取狀態下，磁性參考層121選擇性地電性連接至讀取電路210，如圖3C所示。在此磁性移位暫存器300的讀取過程可以參照圖2A-2B的相關說明，故不予贅述。由於磁性參考層324磁矩方向與磁性參考層121磁矩方向互呈反向，因此磁性參考層324的反向磁矩可以抵銷來自磁性參考層121之外露磁場。反之，磁性參考層121的反向磁矩可以抵銷來自磁性參考層324之外露磁場。因此，磁性參考層324可降低磁性參考層121對磁性軌道140中磁壁移動之影響。
然而，請參照圖3C，在讀取電路210進行讀取操作的過程中，由於磁性軌道140的電子會分流(current shunting)至穿隧層323與磁性參考層324，導致磁性移位暫存器300必需增加操作電流。例如，增加移動磁壁的電流脈衝145及/或增加讀取電路210的讀取電流。
圖4是依照本發明實施例說明一種磁性移位暫存器400的讀取器410之結構示意圖。圖4可以參照圖1A-1C、圖2A-2B與圖3A-3C的相關說明。請參照圖4，讀取器410包括磁性參考層411、穿隧層412、絕緣層(isolated layer) 413以及磁性抵銷層(magnetic canceling layer) 414。磁性參考層411配置於磁性移位暫存器400的磁性軌道140的第一側。磁性抵銷層414配置於磁性軌道140的第二側(例如在磁性參考層411的對側)。於本實施例中，磁性參考層411配置於磁性軌道140的上側，而磁性抵銷層414配置於磁性軌道140的下側。在其他實施例中，磁性參考層411可以配置於磁性軌道140的下側，而磁性抵銷層414則配置於磁性軌道140的上側。於磁性軌道140的垂直方向上，例如圖4所示X軸方向，磁性抵銷層414部分或全部重疊於磁性參考層411。
穿隧層412配置於磁性參考層411與磁性軌道140之間，以提供磁穿隧接面(MTJ)於磁性參考層411與磁性軌道140之間。其中，磁性參考層411與穿隧層412之實施方式與讀取操作過程可以參照圖2A-2B中磁性參考層121與穿隧層122的相關說明，故不再贅述。
磁性參考層411電性連接至讀取電路210，而磁性抵銷層414為浮接(floating)。磁性參考層411與磁性抵銷層414材質為垂直異向磁化材料。磁性參考層411與磁性抵銷層414材質可以是相同。在其他實施例中，磁性參考層411與磁性抵銷層414材質可為不同。磁性參考層411可以提供具有第一方向的第一磁場至磁性軌道140，磁性抵銷層414可以提供具有第二方向的第二磁場至磁性軌道140，其中該第二方向不同於磁性參考層411的磁場方向。例如，該第二方向與該第一方向相差180°。於本實施例中，磁性參考層411的磁矩方向為向下，而磁性抵銷層414的磁矩方向為向上。另外，磁性參考層411的磁矩等於磁性抵銷層414的磁矩。在其他實施例中，磁性參考層411的磁矩不等於磁性抵銷層414的磁矩，例如磁性抵銷層414的磁矩小於磁性參考層411的磁矩，或者是磁性抵銷層414的磁矩大於磁性參考層411的磁矩。磁性抵銷層414與磁性參考層411的磁矩差值可以依照實際設計需求來決定，例如二者差值小於10高斯。由於磁性抵銷層414磁矩方向與磁性參考層411磁矩方向互呈反平行，因此磁性抵銷層414的反向磁矩可以抵銷來自磁性參考層411之外露磁場。因此，磁性抵銷層414可降低磁性參考層411對磁性軌道140中磁壁移動之影響。
絕緣層413配置於磁性抵銷層414與磁性軌道140之間。絕緣層413是厚度較厚的非導體材質或是高阻值的薄膜，例如SiO2、AlOx或MgO等。於本實施例中，絕緣層413的厚度大於30。由於絕緣層413的厚度是足夠厚的，因此絕緣層413可以阻絕磁性軌道140的電流(或電子流)穿隧至磁性抵銷層414。也就是說，絕緣層413的厚度足以避免發生穿隧效應。因此，圖4所示讀取器410改善了圖3C所示穿隧層323與磁性參考層324所引發電流分流(current shunting)的缺點。另一方面，由於絕緣層413需要的厚度較厚，所需之製程容忍空間或誤差容忍度較大，因此在製造過程中可以因使用化學機械研磨(chemical mechanical polish,CMP)製程對絕緣層413厚度作調整，以降低製造成本，不像圖3A~3C中對應之穿隧層需很薄而不利於製程控制而有損製作良率。
圖5是依照本發明另一實施例說明一種讀取器410之結構示意圖。圖5可以參照圖4的相關說明。不同於圖4所示實施例之處，在於圖5所示磁性參考層411的磁矩方向為向上，而磁性抵銷層414的磁矩方向為向下。
圖6是依照本發明再一實施例說明一種讀取器601之結構示意圖。讀取器601包括磁性參考層610、穿隧層412、絕緣層413以及磁性抵銷層620。圖6可以參照圖4的相關說明。不同於圖4所示實施例之處，在於圖6所示磁性參考層610與磁性抵銷層620為人造反鐵磁(synthetic anti-ferromagnetic,SAF)結構。
請參照圖6，磁性參考層610包括包括鐵磁層611、非磁性金屬層612以及鐵磁層613。相類似的，磁性抵銷層620包括鐵磁層621、非磁性金屬層622以及鐵磁層623。鐵磁層611電性連接至讀取電路210。鐵磁層621、非磁性金屬層622以及鐵磁層623保持浮接。圖6所示鐵磁層611、613、621與623的材質可以是垂直異向磁化材料(Co/Ni)x、(Co/Pt)x與(Co/Pd)x多層膜材料，或CoPt、CoPd、FePt、Co、CoFeB等合金，或TbFeCo等稀土元素與過渡金屬組成之垂直異性磁化合金，或前述之所有垂直異性磁化材料與CoFe、Co、CoFeB、NiFe等水平異向性磁化材料組成之垂直異向性磁化複合磁性層等。非磁性金屬層612與622的材質可以是Ru、Cu或是其他非磁性的金屬材料。
綜上所述，上述諸實施例所述磁性參考層的磁矩與磁性抵銷層的磁矩互為反平行。讀取器利用磁性抵銷層的磁矩來抵銷來自磁性參考層之外露磁場，因此可降低磁性參考層的外露磁場對磁性軌道中磁壁移動之影響。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、300、400．．．磁性移位暫存器
115．．．寫入元件
120、410、601．．．讀取器
121、324、411、610．．．磁性參考層
122、323、412．．．穿隧層
125、130、230、330．．．磁區
135．．．位元儲存區
140．．．磁性軌道
145．．．電流脈衝
210．．．讀取電路
220、341、342．．．電流
310．．．寫入電路
413．．．絕緣層
414、620．．．磁性抵銷層
611、613、621、623．．．鐵磁層
612、622．．．非磁性金屬層
圖1A-1C繪示磁性移位暫存器的操作範例示意圖。
圖2A-2B繪示圖1A-1C中讀取器的操作範例示意圖。
圖3A-3C繪示磁性移位暫存器的讀寫裝置示意圖。
圖4是依照本發明實施例說明一種磁性移位暫存器的讀取器之結構示意圖。
圖5是依照本發明另一實施例說明一種讀取器之結構示意圖。
圖6是依照本發明再一實施例說明一種讀取器之結構示意圖。
140．．．磁性軌道
145．．．電流脈衝
210．．．讀取電路
220．．．電流
400．．．磁性移位暫存器
410．．．讀取器
411．．．磁性參考層
412．．．穿隧層
413．．．絕緣層
414．．．磁性抵銷層

Claims (11)

  1. 一種磁性移位暫存器的讀取器，包括：一磁性參考層，配置於該磁性移位暫存器的一磁性軌道的一第一側，以提供磁穿隧接面磁阻之固定層，具有一第一方向的一第一磁場至該磁性軌道，其中該磁性參考層電性連接至一讀取電路；一穿隧層，配置於該磁性參考層與該磁性軌道之間，以提供一磁穿隧接面於該磁性參考層與該磁性軌道之間；一磁性抵銷層，配置於該磁性軌道的一第二側，且於該磁性軌道的垂直方向上該磁性抵銷層部分或全部重疊於該磁性參考層，以提供具有一第二方向的一第二磁場至該磁性軌道，其中該第二方向不同於該第一方向，且該磁性抵銷層為浮接；以及一絕緣層，配置於該磁性抵銷層與該磁性軌道之間，以阻絕該磁性軌道的電流穿隧至該磁性抵銷層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該磁性軌道、該磁性參考層與該磁性抵銷層為垂直異向磁化材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該第一側為該磁性軌道的上側，該第二側為該磁性軌道的下側。
  4. 如申請專利範圍第1項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該第一側為該磁性軌道的下側，該第二側為該磁性軌道的上側。
  5. 如申請專利範圍第1項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該第二方向與該第一方向相差180°。
  6. 如申請專利範圍第1項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該第二磁場的磁矩小於或等於該第一磁場的磁矩。
  7. 如申請專利範圍第1項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該第二磁場的磁矩與該第一磁場的磁矩二者差值小於10高斯。
  8. 如申請專利範圍第1項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該絕緣層的厚度大於30。
  9. 如申請專利範圍第1項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該磁性參考層與該磁性抵銷層為人造反鐵磁結構。
  10. 如申請專利範圍第9項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該磁性參考層的該人造反鐵磁結構包括：一第一鐵磁層，配置於該磁性軌道與該穿隧層的該第一側，且電性連接至該讀取電路，其中該第一鐵磁層的磁矩方向為該第二方向；一第一非磁性金屬層，配置於該穿隧層與該第一鐵磁層之間；以及一第二鐵磁層，配置於該穿隧層與該第一非磁性金屬層之間，其中該第二鐵磁層的磁矩方向為該第一方向。
  11. 如申請專利範圍第9項所述磁性移位暫存器的讀取器，其中該磁性抵銷層的該人造反鐵磁結構包括：一第三鐵磁層，配置於該磁性軌道與該絕緣層的該第二側，且該第三鐵磁層為浮接，其中該第三鐵磁層的磁矩方向為該第二方向；一第二非磁性金屬層，配置於該絕緣層與該第三鐵磁層之間，且該第二非磁性金屬層為浮接；以及一第四鐵磁層，配置於該絕緣層與該第二非磁性金屬層之間，且該第四鐵磁層為浮接，其中該第四鐵磁層的磁矩方向為該第一方向。
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