TW469451B - Magneto-resistive element and memory-cell-arrangement with such an element - Google Patents

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Description

4 6 9 4 5 Λ7 B7 五、發明說明（ 磁阻元件（亦稱為磁電阻元件）逐漸地用於記億體單胞 配置中以作為烕測器元件或記億體元件（所謂MRAMS)， 請參閲 S. Mengel, Technologieanaiyse Magnetisaus
Band 2，XHR-Technologien, Herausgeber V DI Techηo 1 ogie2entrub Physikalische Technologien, August 1 9 97。在學術界中使用一種結構作為磁阻元件 已為人所了解，此種结構具有至少二艏強磁層及一個介 於其間之非磁性層》依據此種層結構之構成方式來匾別 GMR元件，TMR元件及CMR元件。 在學術界中GMR元件之槪念是用在一種層結構中，此 種層結構具有至少二痼強磁層及一橱介於其間之非磁性 之導電層且顯示一種所謂GHR(giant magnetoresistance) 效應。在GMR效應下須了解下述事簧·· GMR元件之電阻是 與此二痼強磁層中之磁性是否平行對準或反（anti}平行 對準有關。此種6HR效應在和所謂AHRUnistoropie eagnetoresistance)效應比較時是較大的。對AMR效應 而言須了解的是：磁性導體中之電阻在平行於-及垂直 於磁化方向中者是不同的。AMR效應是與一種容積 請 先 閱 讀 背 之 注 意 事 項 再 I 本 頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 關5間 ft R )ί層 ϋ於 中阻 0 單ϊζ7 之道 性隧 磁於 強用 於是 生件 産元 及 層 磁 強 値二 ΐ 1 少 其M g ( τ 3 應中有 效界具 e)術構 ura學結 01在層 V 義 { 種 此 中 構 性 磁 .111 . 之 間阻 之磁 層種 磁 一 強示 艏顯 一一 樣 在同 得構 使結 * 層 Kfr--nil 薄種 很此 須。 層生 離發 隔流 種電 此道 。隧 層種 離一 隔有 之會 隔 性 磁 非 的 間 之 層 磁 強 傾二 於 介 lull 種 此 經 流 由 是 其 瞜 效 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Α7 4 '〇 9 45 1 Β7_ 五、發明說明（> ) 離層之自旋式（spin)極化之隧道電流所造成〇在此情況 下此TMR元件之電阻是與此二艏強磁層中之磁性是否平 行對準或反平行對準有關。相對之電阻變化值大約在β % 至3 0 %之間。 其它磁阻效應由於其大小（在室溫中相對之電阻變化 是100%至40(3% )而稱為Coliosal磁阻效應（CMR效應）， 此種磁阻效應由於其較大之矯磁（coercive)力而需要一 種較大之磁場以便在磁化狀態之間進行切換。 已建議（例如，請 #0S.Tehranietal.，IEDH96-193 and D.D· Tang, et al, IEDH 95-997)在記億體單 胞配置中使用GMR元件作為記億體元件。這些記億體元 件藉由譲出線而串聯》字線垂直於諛出線而延伸，字線 ' · " v一 ' .....w·； 不但與謓出線而且亦與記億體元件相隔離。施加於字線 上之信號會由於字線中流動之電流而産生磁場，此種磁 場在足夠大時會影響其下方之記樟體元龙。.為了寫入資 訊X/Y-導線，此X/ Y-導線相交於待寫入之記億體單胞 上方且須施加一些信號，這些信號會莅相交點産生一種 磁性轉換所需之足夠大之磁場。磁化方向因此會在二個 強磁層中之一個層中發生轉換現象。反之，另一瘊強磁 層中之磁化方向則保持不變ο在最後所述之強磁層中磁 化方向保持不變是由相鄰之可保持磁化方向之反強磁層 來逹成，或藉由下述情況來逹成，即，強磁層所需之轉 換門限值threshold)是藉由其它材料或其它尺寸（例如 ，層厚度）而相對於第一次所提及之強磁層來増大而達 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公Μ ) --------------Μ—— (請先閲讀背面之注意事項再^^本頁) . 『，線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 137 五、發明說明（々） 成。 在US 5 541 868中已建議一種環形之記億體元件，其 是與S MR效應有關。此種記憶體元件包含一種堆®，此 堆凝具有至少二锢環形之強磁性層元件及一餹配置於其 間之非磁性導電性層元件。這些強磁性層元件在材料之 組成上是不同的。瘡些強磁性層元件之一是較不易磁化 ( (硬磁性）的，另一値是較易磁化（軟磁性）的。為了寫入 資訊，則軟磁性層元件中之磁化方向須轉換，而硬磁性 層元件中之磁化方向則保持不變β 就磁阻元件技術上廣泛地用作磁阻式積體記憶體單胞 配置（所諝ΜΕΑΜ)或用作積體感測器配置而言，以半導體 製程技術使磁阻元件積體化是需要的。在此種半導雔製 程技術中，特別是在半導體配置結束時會茌所謂Backend 製程 中於晶 圖平面 （ 亦稱為 BEOL, Back end of line) 上産生至少大約450 °C之溫度（請參閲D. Widnann et al, Technologie integrieter Schaltungen, Springer Verlag 1 9 9 6,第58頁），磁阻元件同樣會感受到此種溫 (請先閱讀背面之注意事項再ί本頁) · " 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 元慮性有中閼輸 之考磁具域有傳 有須強不匾旋子 含而有 W 面自電 所性用 _ 界與種 中動使_在種此 統移 ，_ 會一與 糸散性U其害是 層擴散 Μ '則損應 性之擴U ，會效 胆，之 Μ 散散阻 磁等性15擴擴磁 ~ 於CU特 0 種種之5 由，之 U 此此中 -中Ν1件._ 之 ，件 圍，元 Ϊ 心變元 範CO層件擔改 ： 度，磁元人之象 溫Fe強阻令份現 種是變磁於成输 此別改之由料傳 在特會件，材子 。，種元能成電 度素一層功造之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 6 9 4 5 1 I Α7 — Β7 五、發明說明（4 ) ----------------- (請先閱讀背面之注意事項再^-寫本頁> 琨象有關。因此須期望：在此種界而中具有Inm至5nm之 能量範圍之與擴散有關之較小之材料漂移會造成磁性和 電性之巨大之改變。數餡奈米（1〇9 »)之擴散長度可使 界面持性完全改變，這樣會使磁阻元件之特性漂移或其 至完金失效（請參閲 I. kaur, W. Gwt, ” Fundamentals 〇 f Grain an Interphase Boundery Diffusion', Ziegler Press, Stuttgart (1989) Page 16 to 26, 2 8 7 , 3 1 6 to 318 and I k aur , ¥. G w t , L . Koziaa,
Handbook of Grain and Interphase Boundary Data, Volume 1 and 2, Ziegler Press, Stuttgart(1989), Page 8 to 13, 220 to 224, 403, 515, 528, 530,776 ,952 to 953, 966 to 998)〇 以半導體製程技術使磁阻元件積體化以及因此所可能 産生之困難性等問題目前為止並未在相關元件中有所討 論〇 --線. 本發明之目的是提供一種磁阻元件，其能在記億體製 程技術範圍中製成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製， 依據本發明，上述目的是以申請專利範圍第1項之磁 阻元件來逹成。本發明之其它樺~成方式則敘述在其餘各 項申請專利範圍中β '磁阻元件具有第一強磁性層元件，非磁性層元件以及 第二'強磁性層元件，其中非磁性層元件是配置在第一強 磁性層元件和第二強磁性層元件之間。非磁性層元件在 某一溫度範圍中具有一種擴散位障作用，此種溫度範圍 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 势梦碎1¾¾卡函B科恭卡co2s)>4:與+ 炉(tolo x S7々s i w- i s 9 (¾ 冰、J/ ® loonmx lulOTlm) 漭存雜费面5Έϊίί, ®&Ti, Ta, 宪， s I- w I ^ in w Λ ^ ,1 s 3 z Vβ s F sis ^woools^is^s—.。(M*4 银商LI. i Ϊ ^ I w , rRilp味冰$挪萍黎濉 i 画 il^is sm 翁皿 姗。$ —— ft i ® ft ® —-銘1,13 璐"盤 L2W3 。 滕 1 3isu^sIhp^rN^mwM , i Ml· i r Μ 3 i s< 濉 2 1)。 丨 s 丨 ww ii L 1 ti, s s Mu > s ft ^ M w 如 n sMb" s o 3- i s w. M ^ 0 ra w 3 3 ut ^ '举( V >w®swsis£J^i^ilw^iI^ffio j f^etbsiai。画 38|雜3萏4 : ®^H1 ^WS^SHWSSlo 1/^ 8 siilislwislo 银 5¾ — 加斯：挪丨 sssi^il <&Fe, Nr Co, Q a , Dys®®^58w-^l3is)， sssw_&$3( ®T1, Ta, ¢, Νσ, s o 3 i s . K ^ H^n s ^ s a , sisn^te> ^· lnM®s\ff i ^ Sr N^i Nr Co, ffi α , a ^ 9 ®^o i —- 8 s i ^ ΐ H p UM —- i /1· . ·附钟-in 挪 _ s 彥 w s s 3 i loonmx l5Gnm> // ·N e, s UJ s ft- Moasfi ihn$ssi^i^ilsluftLn ftws^w-$31 (¾ 裇 iOOnsiX 150nm>N 铜 ft 汗 1 經濟部智慧財產局員工消費"乍出妒楚 4 6 9 4 5 1 ' a? _；_B7_五、發明說明（7 ) 之線及相關之第二線L2中須分別流過一種電流，使第 一線L1和第二線L2之交叉點（記億體元件配置於此）産生 一種足夠大之磁場，以便使第二強磁性層元件之磁化方 向轉變。在各交叉點處之有效磁場因此是由流經第一 L1 所感應之磁場以及由流經第二線L2所感應之磁場所蠱加 而成〇 在此種記憶體單胞配置中，第一邏輯值對應於磁阻元 件之電陌值（其對應於第一強磁性層元件中磁化方向之 與第二強磁性層元件中者相平行之方向），第二邏輯值： 則對應於磁阻元件之另一電阻值（其對應於第一強磁性 層元件中磁化方向之與第二強磁性層元件中者反（anti) 平行之方向）β 符號之說明 — — — — — — — 丨 11— — — - * 丨 I (請先閱讀背面之注意事項再w本頁) 1… …第 -一 強 磁 性 層 元 件 2… …第 二 強 磁 性 層 元 件 3… …非 磁 性 之 層 元 件 L 1 ,. …第 線 L2 .. …第 二 線 S ,… ，·.記 億 體 元 件 線· 本紙張尺度適用Ψ國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

  1. 469451 A8 B8 C8 D8
    六、申請專利範圍 第881 1 1429號「磁阻元件及具有其之記憶體單胞配置」專 利案 （90年3月修正） (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) Λ申請專利範圍： 1. 一種磁阻元件，其特徵爲： -具有第一強磁性層元件（1)，非磁性層元件（3)以及第 強磁性層元件（2)， -非磁性層元件（3)配置在第一強磁性層元件（1)和第二 強磁層元件（2)之間， * -非磁性層元件（3)含有一種材料，其在一種溫度範圍 (其在製成此種磁阻元件時是需要的）中具有一種擴散 位障作用且本身不擴散至強磁性層元件（1，2)中。 2. 如申請專利範圍第1項之磁阻元件’，其中非磁性層元 件，其中非磁性層元件（3)在20°C和450°C之間的溫度範 圍中具有一種擴散位障作用。 3. 如申請專利範圍第1或第2項之磁阻元件.，其中非磁性 層元件（2)在其材料成份上是不同的。 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 4. 如申請專利範圍第1或第2項之磁阻元件，其中非磁性 層元件（3)含有：這些元素Ti，Ta，W，Mo中至少一種， 這些元素之氮化物，這些元素之矽化物，這些元素之 硼化物或這些元素中至少二種所構成之合金。 5. 如申請專利範圍第1項之磁阻元件’其中非磁性層元 件，其中非磁性層元件（1)和第二強磁性層元件（2)分別 含有這些元素Fe，Ti, Co, Gd, Dy中至少一種。 6. 如申請專利範圍第3項之磁阻元件’其中非磁性層元 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4规格（210 X 297公釐） 4 6 9 45 1 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 件，其中非磁性層元件（1)和第二強磁性層元件（2)分別 含有這些元素Fe, Ti，Co, Gd, Dy中至少一種。 7. —種記憶體單胞配置，其特徵在於具有如申請專利範圍 第1至6項中任一項之磁阻元件。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公I ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂---------M
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