TW512335B - Magnetically stable magnetoresistive memory element - Google Patents

Description

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：η, 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（1) 發明之技彳杆銪埤 本發明係關於一種 是敘述磁性記憶體單元 S 發明之昔ίϋΐ -種隨=&記憶體之形式係依靠一被稱為巨大磁電阻 (GMR)效麵丨磁電阻效應。以GMR為主之基記憶體單元具 有數個複層結構，包括被數個導電性磁性層失在中間的一 非磁性層。該單元的磁性狀態係藉由於磁性層中的一磁場 向量對另-磁性層（例如平行或反向平行）中的一磁場向 量的相對方位決定。該單元的電阻係根據於該等磁場向量 的相對方位改變。因此，該單元的狀態可藉由供應一電流 通過該單元，並測量所產生的感應電流而測定。 該等磁性材料層通常係以諸如方形或矩形的幾何圖案 化之膜形成。圖案化之磁性層儲存結構的一缺點係在於該 複數磁區可形成於該等磁性層中，致使該單元的狀態在閱 讀作業期間不確定。該單元磁區構形的變化亦導致該單元 的磁區切換區域（例如矯頑磁嫁不規則變動。 為減少由該等磁區產生之< I、性，形狀的各向異性通 常藉由增加一層的一尺寸（例‘，長度）對應該層的 寸（例如寬度）來產生’以致於‘少域狀態的數量。然而， 相反於方形的矩形形狀的一缺點在於該記憶體密度的顯著 減少。 發明之概沭 有馨於已知系統及方法的缺點，本案揭示一種磁電阻 m 記憶體的領域，本發明特別 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁} 512335 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（2) 記憶體單元之一實施例，該記憶體單元包括第一及第二導 電性磁性層。該第一及第二層之一去在丄麻 信乙者係大體上為，Ή”或，T， 形。一隔離層係配置於該第一及第-爲+日日 汉罘一層之間。在許多不同 的實施例中，該第一及第-^ φ石| 禾一層中至少一者包括鎳-鐵 (NiFe)、錄-鐵（CoFe)或錄_猶处 乂螺鐵-姑（NiFeCo)合金中 之一者。 在一實施例中，該記憶體單元裝罢 早疋裝置包括數個導電性磁 性參考及資料層。該資料層大體上兔，， 曰八菔上為Η或”I，，形。該”η” 或’Τ’形前面幾何傳送一穩定單a “ '平w形狀各向異 體單元的該資料層。一隔離層係配置於該參考及資料層ΐ 間。該單元可為一隧道磁電阻單元赤一 早兀次一巨大磁電阻單元。 在-實施例中，該隔離層係為非導電性，而在另一實施例 中為導電性。在許多不同的實施例中，該參考及資料層中 之一者，包括鎳-鐵、鈷-鐵或鎳_鐵_鈷合金中之一者。 藉由附圖及下列詳細的敘述， 月瞭本發明其他的特徵 及優點。 圖示說明 本發明係以例示方今_彳說 一 但不限制於附圖的圖 示’其中相似參考資料警同的元件，其中： 第1圖圖示說明一_依賴 施例。 W 電阻兄憶體早兀的-實 第2圖圖示說明於一非均暫讲α 非勺貪磁性膜的一磁區圖形。 第3圖圖示說明於具有γ軸單 竿由各向異性的磁性膜的 磁區圖形。 1騰的 -5- 私紙€尺度迥用甲國國家標準（CNS)A4規格（210 297公爱- .—-----訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（3) 第4圖圖示說明於亦具有γ㈣軸各向|性n 形磁性膜之一磁區圖形。 第5圖圖示說明於一陣列中夕 干〜甲之多數個記憶體單元之 一’’Η”形感應層。 詳細說明 當可擇磁性層之數個磁i县A B H， 歎彳u磁％向置的相對方位隨著一供應 區的函數而改變，自於一複層鐵磁性/非磁性結構觀測到 的阻力之改變，產球η 士 # @ / 生巨大磁電阻（GMR )效應。該結 構的阻力係為於鄰近磁性層之該等磁場向量間的一角度函 數。具有相同方位的數個磁場向量係被稱為”平行”。相反 方位的數個磁場向量被稱為反向平行。 由於該複層鐵磁性/非磁性結構的電阻係數，係視數 個不同的磁性層的磁場向量之相對方位而定。通常，該等 磁％向1的一平行度校對呈現出一低電阻率的情形。當該 等磁性層的向量反向平行，該複層結構的阻力係為最大 值D玄等磁场向量的其他數個相對方位之中介電阻率係被 觀察到。 第1圖圖示說明一磁性記憶體單元1〇〇的一實施例， 具有被一磁性膜層110及丨3〇夾在中間的一非磁性隔離層 120 "亥等磁性層各具有一磁場向量112及132。該等圖示 說明的磁場向量112及132係為反向平行。當該等磁場向量 具有相同的方位，其等被稱為平行。該等磁性層11〇及13() 係為導電性金屬層。通常，磁性層及包括一鎳-鐵 (NlFe)、姑-鐵（CoFe)或—鎳-鐵-始（NiFeCo)合金。 衣--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

512335 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（4) 當磁場向量112及132平行時，層11〇及13〇之間的

Ri。當磁場向量m及132為反向平行時，由—總量增加的 阻力為咖。通常，磁性層110及13〇具有不同的橋頌磁性。 其中-種磁性記憶體單元隔離層12Q，其係為 性金屬層。諸如一單元被稱為— ”gmr，，單元的單元，及 金屬導電性經過該隔離層，係為該二磁性層間電流之主運 輸機構。如果該隔板夠薄，當該隔離層12〇為一絕 導電性隔板，電流可藉由磁性層11〇及13〇間之量子力學隨 道效用完成。該單元被稱為隧道磁電阻單元。 予 磁電阻單元可被建構成諸如該等層中之—者的磁場向 置為插鎖，以避免改變。該等單元係被稱為旋轉闕單元。 如果層m為插銷，則層！職稱為該資料或感應層，而声 13〇則被稱為該參考層。該單元的狀態係藉由該等資料: 參考層間之該等磁場向量的相對方位界定。給定該參考層 具有-固定磁場向量132，單μ⑻具有對應訊息之一單一 位元顯示二狀態。 該磁性單元結構亦被稱為一堆疊，且可包含附加於該 參考、隔離及資料層上之其他層。特別的是’該參考及該 貝科層各可搞合至數個導電性（圖未^)，以便利感應該 早兀的狀態。專有名詞”GMR，，習慣應用於—具有金屬導電 性㈣電阻單元，不拘於層的數量或形式，作為於該參考 及貧料層間該主電流運輸機構。相同地，專有名詞”霞，， 習慣應用於-具有量子力學随道效用的磁電阻單元，作為 不拘於數量或形狀之該參考及資料層間的該主電流傳輸機 Μ氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公髮） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁)

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部 智 慧 局 氣 工 消 社 印 製 圖案化的磁性層產生__傾向於消磁該層的靜磁場。名 -圖案化的膜的邊緣，通常此消磁場大於任何維持該磁化 作用垂直於該圖案化的邊緣的項目。結果，該靜磁場傾向 於方疋轉罪近该等邊緣的磁場向量。磁化作用旋轉靠近該等 邊緣，形成该磁性膜中的數個域壁，產生數個磁場向量的 稷數個域，其中，該等域的磁場向量並非全部對準。當閱 項該電磁性單元時，該等複數個域傾向於產生噪音或是橫 過該單元不同阻力區域，造成該寫入單元狀態判斷的^ 或不可此此外’该域狀態的不同，會於該轉換領域產生 不穩定’其會致使該寫入過程無法預測。 第2圖圖示說明於磁性各向異性薄膜圖案化的為一矩 形該磁區。對於記憶體的應用，該薄膜理想上應具有一單 -磁場向量。然而’如上所述，不同磁場向量方位的域傾 向於形成。在此例示中，四域（21〇, 22〇, 23〇及⑽各呈 有一不同的磁場向量產生。例如於該f料層的—磁化作用 狀態，由於沒有較佳的磁化方向，而不能於—記憶 作用。 磁各向異性大體上關於一磁性材料磁化作用的較佳方 向之表現。各向異性的介入可重大地改善該消磁場的作 用：例如，於該磁各向異性觀察，可建構為不同的組成物 或形狀。磁性晶粒各向異性應用於物質組合物的影像及於 能力的方向依賴性之定向結晶，以磁化於磁場的一樣本。 通常選擇膜狀’以使用於一磁性固定記憶體應用，表現單 -------^-tr--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _____ -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵G X 297公釐） 512335 A7 五、發明說明（6) 軸磁性晶粒各向異性。該材質係容易沿著一特定轴磁化。 此軸通常被稱為該膜的，，容易軸”。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第3圖圖示說明一種圖案化的矩形單元，其具有於γ 方向（即該γ軸為該容易轴）之單一各向異性。雖然，該 結果域構形係為第2圖的改良，等但是該水平方位邊緣域 的磁場向量302,職352及356具有於四個可能方位的相同 行為能力的。在寫入一值至該單元，並不能保證歸因於該 等域狀態的此域構形。當企圖閱讀該記憶體單元的内容物 及需要寫入該磁場的非内容物，此依序造成於一噪音程度 的增加。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第4圖圖示說明一種” Η”或”〗，，形膜幾何，其附加單一 各向〃 14至忒磁性膜。形狀各向異性敘述於該能力方向 依賴性之該幾何對磁化於一供應磁性區之一不同磁性各向 異性的影響。一般而言，一膜的磁化作用最難沿著其最短 尺寸，因為該消磁區於該方向為最大。就厚度為τ且寬度 為W的一矩形磁性元件而言，該形狀各向異性係決定於 Hshape=4;rMsT/W，其中％係為該元件的飽和磁化。延伸部 分或凸出部（例如408, 410, 412, 414 )使該方形幾何改變 為一Η形層，其具有主要對應於hb該等組合物的數個域 402，404，406。磁化作用係藉由相同於通常想像用於數個 磁性g己憶體單元之材料的數百奥斯特（〇ersted )之形狀 各向異性，被強迫沿著該等凸出部的長方向平行。該專有 名词”H”及”1”係可參考該第4圖中圖示說明之結構的形狀 互換使用。 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ^12335 A7 五、發明說明（1) 雖然域402，406仍靠近該等邊緣形成，但是該形狀各 向異性的使用，有助於確保關於該邊緣域4〇2及4〇6中的向 量方向之可預測性。因此，該形狀各向異性結合沿著該該 X車由產生之具有一可複製狀態的域構形供應之一初始區 域。第4圖圖示說明應用於該正1軸方向一區域後的磁化 方位。尤其，藉由減少該域狀態，使該Η形幾何傾向於減 少潛在的閱讀及寫入之模糊性。 寫入至具有該資料層之單元4〇〇主要變化，只有域4〇4 中之該等向量的方位。一旦設定，該邊緣區域的4〇2及4〇6 的磁化方位係藉由該凸出部之該大形狀各向異性固定。第 3及4圖^產生二域，苐4圖的幾何傾向於產生用於瞭解 該相同儲存值的數個可能狀態。當閱讀及寫入該單元時， 此依序減少該等模糊性。 第5圖圖示說明形成陣列500的多數個記憶體單元之 该Η形感應層510，520，530及540。具有該Η形的感應層， 該等單元可如一單一最小線寬般接近地分開間隔於該义及乂 方向，並還維持於每一記憶體單元之一可預測磁化狀態。 因此，就2λ的一最小間距而言，該等單元可如入般接近 分開間隔。該單元於一4 λ2區域產生之每一側（包括單元 間的間隔），具有2 λ尺寸。 在一實施例中，該等凸出部的高度（△)係為入的ι〇 %-25%。通常，蝕刻加工係可改良光學界定特徵以產生 尺寸，其決不小於該光學分析又。因此，雖然該U代表 對於線間距（即該線尺寸及該間隔尺寸）蝕刻加工，諸如 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·ϋ I I emi I 一口、I I 1_1 n ϋ _ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^335

五、發明說明（8) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 可使用反作用力離子蝕刻，以在增加數線間的間距2 △的 同犄，縮小忒線見2 △。熟知此技藝者，可將該反作用力 離子蝕刻加工與其他習知加工技術結合，如第5圖所述增 加該凸出部區域的寬度△。 以忒Η幾何之形狀各向異性介入，亦減少需要寫入之 磁場的範圍。參考第3圖，例如，_寫入係藉由沿著二軸 320之應用而完成。該等區域可藉由通過電流經由位於該 單元上方或下方之數個正交導電性產生。於該域352即 的該等磁場向量的方位係相同於單元35〇之區域Ηχ的方 位。然而，單元300於於域306的該磁場向量的方位係相反 於該區域Ηχ的方位。因此，單元3〇〇及35〇將於不同值取 轉換，建議需要一較寬範圍的電流，以使用不需對應該前 述狀恶之一給定狀態寫入。相對地，就陣列5⑼的全部單 元而a ’於该邊緣域的磁場向量之方位大體上相同。因此， 需要寫入電流之一較窄的範圍，以程式化該等具有H形資 料層的單元。 在前面詳細敘述中，本發明已參考其例示實施例說 明。其可達成之不同的變形及改變，不脫離本發明申請專 利範圍之寬大的精神及領域。因此，該說明及圖示係為一 圖示說明，而不是一限制性。 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） --------訂---------^^^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 512335 A? L明（ --^ 9) 元件符號對照表 100 磁性記憶體單元 112 磁場向量 130 磁性膜層 210 域 230 域 300 單元 306 磁場向量 350 單元 356 磁场'向量 402 域 406 域 410 延伸部分或凸出 414 延伸部分或凸出 510 Η形感應層 530 Η形感應層 110磁性膜層 120非磁性隔離層 132磁場向量 220域 240域 302磁場向量 320軸 352 磁場向量 400單元 404 域 408延伸部分或凸出 412延伸部分或凸出 500 陣列 520 Η形感應層 540 Η形感應層 Γ I n Hi mMMmt n i_l I a ·ϋ ϋ 11 ·ϋ ϋ— - y · 11 ϋ ·ϋ I ϋ ϋ —ϋ I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印i农 512335 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種記憶體單元裝置，其包括： 一第一及第二磁性層，其中該第一及第二層中至 少一者大體上為”H”形；及 一隔離層對，配置於該第一及第二層之間。 2. —種記憶體單元裝置，其包括： 一作為一參考層之磁性第一層及一作為一資料層 之磁性第二層，其中該資料層大體上為”H”形，及 一隔離層，配置於該參考及資料層之間。 3. 根據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該隔離層 係為導電性。 4. 根據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該隔離層 係為非導電性。 5. 根據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該裝置形 成一巨大磁電阻（GMR )記憶體單元。 6. 根據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該裝置形 成一隧道磁電阻（TMR)記憶體單元。 7. 根據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該第一及 第二層具有不同的矯頑磁性。 8. 根據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該第一及 第二層中一者係為插銷。 9. 根據申請專利範圍第1或2項之裝置，其中該第一及 第二層中至少一者包含下述材料中之一：鎳-鐵 (NiFe)、鈷-鐵（CoFe)或鎳-鐵-鈷（NiFeCo)合金。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） —--------—^—^丨訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 512335 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 10. —種記憶體裝置，其包括： 多數個磁電阻記憶體單元，每一單元具有一 ”H5 形資料層。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印？衣 14· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）