TW559807B - Magnetoresistive element and MRAM using the same - Google Patents

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TW559807B TW091104994A TW91104994A TW559807B TW 559807 B TW559807 B TW 559807B TW 091104994 A TW091104994 A TW 091104994A TW 91104994 A TW91104994 A TW 91104994A TW 559807 B TW559807 B TW 559807B
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559807 A7 B7 五、發明説明（） 發明背景 發明範圍 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明是關於一種應用於非依電性記憶體或類似者之 磁阻元件及使用此磁阻元件之磁性隨機存取記憶體。 相關背景技藝 最近，使用磁阻效應以儲存資訊的磁性記憶體元件由 於係高密度、高響應、非依電性固態記憶體元件而爲人所 注意。MRAMs(磁性隨機存取記憶體）以使用磁性記憶體元件 的記憶體裝置而吸引注意。磁性記憶體元件藉由一磁性層 的磁化方向儲存資訊，且可構成非依電性記憶體’用於半 永久性保存資訊。磁性隨機存取記憶體被期待充當各種記 憶體，諸如用於可攜式終端機與卡的資訊儲存元件。特別 地，具有使用旋轉隧道磁阻（TMR)效應之磁性記憶體元件的 MR AM可以利用TMR效應所獲得的高輸出特徵。此MR AM 也允許高速讀取，且預期可以實際使用。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 磁性記憶體元件可以具有一結構，其由一記憶體層與 參考層組成。通常，參考層是磁性材料層，其磁化方向固 定，或固定在一特定方向。記憶體層是用於儲存資訊的 層，且通常是一磁性層，能夠藉由在外部施加磁場而改變 它的磁化方向。記憶體元件的邏輯狀態是藉由記憶體層中 的磁化方向是否平行於參考層中者而決定。如果這些磁化 方向由於MR(磁阻）效應而互相平行，則磁性記憶體單元的 電阻減少，如果這些方向不平行，即，反平行，則磁性記 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -4- 559807 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（、 憶體單元的電阻增加。記憶體單元的的的邏輯狀態是藉由 測量它的電阻而決定。 藉由使電流通過導體產生的磁場改變記憶體層中的磁 化方向，將資訊寫入MR AM的記憶體單元。使用偵測電阻 絕對値之絕對偵測方法，或使用改變所讀取之偵測層的磁 化方向之不同偵測方法，將所寫入的資訊讀出。 記憶體元件的特性尺寸必須縮小，以具有高整合度。 通常在一縱向磁化層中，隨著微小化，由於薄膜表面中的 去磁化場，旋轉乃在薄膜邊緣捲曲。記憶體元件不能夠穩 定儲存磁性資訊。爲了防止此問題，本發明人已經在美國 專利6,219，725號揭示一 MR元件，其使用垂直於薄膜表面 而磁化的磁性薄膜（垂直磁化薄膜）。即使在微小化時，垂直 磁化薄膜也無任何捲曲。當此薄膜充當記憶體元件時，它 的特性尺寸可以充分縮小，以增加MR AM的密度。 MR元件包含二磁性層，其經由一非磁性層而堆疊。自 一磁性層洩漏的雜散磁場施加至另一磁性層。即使在無外 磁場時，亦保持施加磁場。 圖14A與14B顯示一具有垂直磁化薄膜的TMR元件之 磁化方向的例子。一磁性薄膜100與一矯頑力高於磁性薄 膜100的磁性薄膜200經由一非磁性薄膜300而堆疊。在圖 14A與14B顯示的二例中，磁性薄膜200向下磁化，磁性薄 膜100在圖14A中向下磁化，在圖14B中向上磁化。磁性 薄膜200是恆向下磁化的插接層。”〇”記錄圖14A的狀態， 而”1”記錄圖14B的狀態。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5- 559807 A7 B7 五、發明説明（、 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖15A顯示此元件的MH曲線（圖顯示磁化與一施加磁 場之間的關係），其假設是無雜散磁場自磁性薄膜以1之平 方比洩漏。因爲磁性薄膜（插接層）200的磁化方向不能改 變，故電阻對應於磁性薄膜（記憶體層）100的磁化方向而改 變。在無偏置磁場時，資訊只可以藉由施加一等於矯頑力 He的磁場H1或H2而記錄於記憶體層中。磁場H1使磁性 薄膜1 00自向上的方向的切換至向下的方向。磁場H2使磁 性薄膜10 0自向下的方向的切換至向上的方向。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 實際上，磁性薄膜（插接層）200施加一向下的磁場至磁 性薄膜（記憶體層）1〇〇。MR曲線以一偏置的磁場移位，如圖 15B所示。在此狀況，記錄磁場是H2 = Hc + Ho且Hl = Hc-H〇。將圖14B的狀態改變至圖14A的狀態所需要的磁場減 少Ho。相反地，將圖14A的狀態改變至圖14B的狀態所需 要的磁場增加Ho。圖15B顯示這時候的磁化曲線。此圖顯 示，流動通過一寫入線的電流値依據一再寫入磁化方向而 改變。電流消耗增加，或是當電流超過寫入線路的允許電 流密度時，寫入失敗。在此狀況，一切換磁場的強度將依 據記錄於一記憶體單元上的資訊而改變。如果需要切換磁 場H2的記憶體單元資訊經由二垂直寫入線，再寫入排列成 矩陣的記憶體單元中之記錄資訊，則需要切換磁場H1的相 鄰記憶體單元資訊也再寫入。此錯誤記錄操作發生的機率 高。如果偏置磁場Ho變成大於矯頑力He，如圖15C所 示，則只有一電阻値可被取入零磁場中。此使得絕對偵測 困難。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ297公釐） -6 - 559807 A7 B7_ 五、發明説明（、 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 當平方比不是1，如圖16 A與16 B所75 ’則一在零磁 場中的電阻値M2變成小於一反平行磁化狀態的最大磁化値 Mmax。電阻値也依據低矯頑力層的磁化強度而改變。在此 狀況，電阻讀出値的差M2-M1減少，使偵測敏感度惡化。 一具有非1之平方比的記憶體元件受到偏置磁場的影響更 大。即使當偏置磁場Ho小於矯頑力He時，此現象也發 生。注意，Μ1代表無外磁場時的最小電阻値；而M2代表 無外磁場時的最大電阻値。圖1 6Α顯示偏置磁場Ho存在時 的電阻値，而圖1 6 B顯示無偏置磁場Η 〇時的電阻値。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 對於非1的平方比而言，強度等於矯頑力之磁場的均 等施加未使磁化完全飽和，如圖1 6Β所示。使磁化完全飽 和的磁場，M = Ms，稱爲磁化飽和磁場Hs。當記憶體層完全 飽和以反平行於插接層時，電阻値相對於磁場而最大化爲 常數値。即，電阻値飽和的磁場等於Hs，如圖16B所示。 對於1的平方比而言，矯頑力可以視爲等於磁化切換磁 場。對於非1的平方比而言，矯頑力不能視爲等於此磁 場。在此狀況，必須藉由施加一磁場-其大於平方比爲1者-而切換磁化。在由雜散磁場產生的偏置磁場存在時，在施 加以切換磁化之磁場的強度差在磁化容易切換的方向與磁 化難以切換的方向之間變大。如果此元件充當MRAM的記 憶體元件，則上述錯誤操作發生的機率更高。當一磁化切 換磁場在以磁阻元件充當MR AM的記憶體元件時未受控 制，則可能發生故障。 本發明之一目的是解決問題，即，來自一磁性層的靜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><297公釐） -7- 559807 A7 B7 五、發明説明（备 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 止磁場使一充當記憶體元件或類似者的磁阻元件中之其他 磁性層的切換磁場偏置，及提供使用此磁阻元件的記憶體 元件，以及它的記錄/再生方法。 發明槪述 依據本發明，藉由一磁阻元件達成以上目的，磁阻元 件包括將一非磁性層夾置於第一磁性層與第二磁性層之間 的結構，第一磁性層垂直於一薄膜表面而磁化，第二磁性 層垂直於薄膜表面而磁化，具有大於第一磁性層之矯頑 力，其特徵爲一自第二磁性層施加至第一磁性層的磁場小 於第一磁性層的磁化飽和磁場。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以上的目的也藉由一記憶體元件而達成，記憶體元件 包括磁阻元件及磁場產生裝置，磁場產生裝置用於產生一 磁場，其垂直於一在磁阻元件中的薄膜表面，其特徵爲資 訊利用磁場產生裝置記錄於磁阻元件上。以上的目的又藉 由磁性隨機存取記憶體而達成，磁性隨機存取記憶體包括 複數記憶體元件、複數位元線、複數寫入線、記憶體元件 選擇切換元件及複數感測放大器，記憶體元件在一基板上 排列成矩陣，位元線各連接至記憶體元件中之對應者之一 端子，寫入線與位元線交叉，且充當磁場產生裝置，用於 施加磁場至記憶體元件，記憶體元件選擇切換元件各連接 至記憶體元件中之對應者之另一端子，感測放大器各具有 一連接至位元線中之對應者之端子，且偵測記憶體元件的 電阻値，其特徵爲資訊藉由自寫入與位元線施加的磁場而 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公嫠） -8- 559807 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（、 記錄，且資訊藉由施加電壓至位元線且輸入記憶體元件的 電阻至感測放大器而再生。 從較佳實施例的下列詳細說明並配合附圖，可明白本 發明的以上及其他目的、特性與優點。 圖式簡單說明 圖1 A與1 B是剖視圖，顯示一依據本發明第一實施例 的磁阻元件； 圖2 A與2 B是剖視圖，顯不一使用稀土鐵族合金充當 第二磁性層的磁阻元件； 圖3顯示稀土鐵族合金的組成物與飽和磁化強度之間 的關係； 圖4顯示自一垂直磁化薄膜洩漏之雜散磁場Η與元件 尺寸之間的關係； 圖5顯示稀土鐵族合金的組成物與飽和磁化之間的關 係； 圖6Α與6Β顯示一記憶體單元的基本結構； 圖7顯示具有一半導體元件之混合記憶體單元的基本 結構； 圖8顯不在一根據本發明之磁阻元件中的雜散磁場分 佈； 圖9顯示在根據本發明之磁阻元件中的另一雜散磁場 分佈； 圖10示意顯示在根據本發明之磁阻元件中的雜散磁場 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇χ297公楚） -9- 559807 A7 B7五、發明説明（> 之施加狀態； 圖11示意顯示在一使用傳統縱向磁化薄膜之磁阻元件 中的雜散磁場之施加狀態； 圖1 2顯示在一使用傳統縱向磁化薄膜之磁阻兀件中的 雜散磁場分佈； 圖1 3顯示在使用傳統縱向磁化薄膜之磁阻兀件中的另 一雑散磁場分佈； 圖14A與14B是剖視圖，顯示磁阻元件的結構； 圖15A、15B與15C顯不在一*平方比爲1之MR曲線上 的偏置磁場； 圖1 6A、1 6B顯示在一平方比非1之MR曲線上的偏置 磁場； 圖Π是等效電路圖，顯示一 MR AM，其磁阻元件排列 (請先閲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 成4x4矩陣， 以充當記憶體元件 元件對照表 1 第一磁性層 2 第二磁性層 11 記憶體層 12 插接層 13 絕緣層 31 汲極區域 32 源極區域 33 P型基板 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 559807 A7 B7 五'發明説明（备 40 感 測 線 40 位元 線 70 電 極 80 閘 極 電 極 100 磁 性 薄 膜 2〇〇 磁 性 薄 膜 3〇〇 非 磁 性 薄膜 900 寫 入 線 BL1 至 BL4 位 元 線 R11 至 R44 記 憶 體 元件 N2 絕 緣 層 SA1 至 SA4 感 測 放大器 丁11 至 T44 電 晶 Tsl 至 Ts4 切 換 元 件 WL1 至 WL4 寫 入 線 較佳 :實 施例詳細說明 1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將參考附圖’說明本發明的較佳實施例如下。 (第一實施例） 圖1 A與1 B是剖視圖，顯示一依據本發明第一實施例 的磁阻元件之薄膜結構。在圖1 A與1 B中，箭頭指示在磁 性層中的磁化方向。圖1A與1 B顯示磁阻元件之二預期磁 化狀態。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 559807 A7 B7_ 五、發明説明（备 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 如圖1A與1B所示，一垂直於薄膜表面而磁化之第一 磁性層1、一非磁性層（即，絕緣層N2)及一垂直於薄膜表面 而磁化之第二磁性層2以所標示的順序堆疊。絕緣層N2足 夠薄，以使隧道電流經由絕緣層N2而流動於磁性層1與2 之間。第二磁性層2的矯頑力（磁化飽和磁場）比第一磁性層 1高。電流經由絕緣層N2而流動於第一與第二磁性層1與 2之間時的電阻値依據第一與第二磁性層1與2之相對磁化 角而改變。更特別地，第一磁性層1、絕緣層N2與第二磁 性層2形成鐵磁隧道接面。磁性層1與2之導電電子通過 絕緣層N2，且維持它們的旋轉。隧道機率依據二磁性層1 與2之磁化狀態而改變。此被偵測爲隧道電阻的改變。電 阻値在磁性層1與2之磁化狀態互相平行時是小的，而在 它們互相反平行時是大的。藉由以一導體取代非磁性層， 則此磁阻元件在可當GMR元件。 在記錄/再生時，第二磁性層2總是在相同方向-例如， 向下-磁化。第一磁性層1依據記錄資訊，向上或向下磁 化。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 資訊的記錄是由第一磁性層的磁化方向決定。第一磁 性層在圖1 A中向下磁化，在圖1 B中向上磁化。可以使這 些方向對應於二進位儲存位準”0”與” Γ。這些狀態可以由電 流的方向控制，該電流經由一絕緣薄膜，流動通過一位於 元件附近的寫入線，以產生垂直於薄膜表面的磁場。電流 方向使一施加磁場的方向改變。爲了讀出所記錄的資訊， 一電流流動於發展出磁阻效應的方向。例如，對於TMR元 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12- 559807 A7 B7 五、發明説明（）〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 件而言，一電流通常垂直於薄膜表面而流動。兀件電阻値 依據第一與第二磁性層的磁化方向而改變，特別是依據鐵 族元素的磁化方向在這些磁性層之間係平行或反平行而改 變。測量元件電阻値，且自一參考電阻計算其差，以讀出 所記錄的資訊。 第二磁性層是一垂直磁化薄膜，且由諸如鐵磁製成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將參考圖2A與2B，解釋一狀況，其中一由稀土鐵族合金 製成的鐵磁層充當第二磁性層2。圖2A與2B中，每一實 體陣列指示一鐵族元素的次晶格磁化方向，而每一虛線箭 頭指示一稀土元素的次晶格磁化方向。第二磁性層2的組 成物大約設定於一補償的組成物。即，稀土元素的次晶格 磁化強度幾乎等於鐵族元素。圖3顯示稀土鐵族合金的內 含物與飽和磁化M s之間的關係。如圖3所示，稀土鐵族的 內含物之磁化依據稀土元素的數量而改變。整個第二磁性 層2的磁化是由次晶格磁化的差決定。所以，第二磁性層2 的磁化強度可以令人滿足地減少。由磁性層產生的磁場強 度成比正比於磁化強度。稀土鐵族合金薄膜-其組成物接近 補償的組成物-的使用可充分減少自第二磁性層2洩漏至第 一磁性層1的雜散磁場。磁阻效應之電阻的改變主要是依 據鐵族元素的次晶格磁化強度。總磁化強度可減少’不會 減少鐵族元素的次晶格磁化。因此’偏置磁場可以令人滿 足地減少，不會使磁阻效應惡化。 充當第二磁性層2的磁性層之材料的例子是TbFe、 TbFeCo、DyFe與DyFeCo，其具有相當高的矯頑力。充當第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13- 559807 A7 _B7 五、發明説明（ 一磁性層1的磁性層之材料的例子是GdFe與GdFeCo，其 矯頑力可以減少。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第一實施例中的第二磁性層2使用一薄膜，其飽和磁 化Ms可藉由設定稀土鐵族合金之組成物大約爲補償的組成 物而減少，如上述。此使一切換磁場增加。磁阻元件可以 使用第二磁性層當作插接層，適用於絕對偵測，且可減少 雜散磁場。垂直磁化薄膜的矯頑力可以容易地調整至若干 k〇e或更多。藉由正確選擇磁性層的材料，而不穿插使用反 鐵磁性薄膜，其與縱向磁化薄膜不同，可以形成高矯頑力 層。第一實施例的磁阻元件可以獲得具有簡單結構之所欲 的特徵，不會使結構複雜化。 第一實施例可以減少第二磁性層的飽和磁化，可以減 少洩漏至第一磁性層的雜散磁場，且可減少一偏置的磁 場。第二磁性層由稀土鐵族合金薄膜形成，且它的組成物 設定成大約爲補償的組成物。此可減少雜散磁場，且可增 加矯頑力。第二磁性層較佳爲充當插接層，其需要高矯頑 力。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (第二實施例） 表1以奧斯特（Oe)單位與公尺每安培（A/m)單位顯示在 一位置垂直於薄膜表面的雜散磁場Η，該位置與一垂直磁 化薄膜中心的上表面相隔的距離是ζ(毫微米），在無外磁場 的狀況，垂直磁化薄膜的薄膜厚度是h(毫微米），長度是 L(微米），寬度是L(微米），磁化（餘留磁化）是Μ。長度（=寬 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -14- 559807 B7 五、發明説明（>2 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 度）L越小，薄膜厚度越大，或Μ越大，則雜散磁場增加。 表1中，”ζ= 1.5毫微米”是使用於一 MRAM中之旋轉隧道薄 膜的薄膜厚度代表値。此薄膜厚度落在標準薄膜厚度範圍 中。對於ζ = 0.5毫微米至3毫微米而言，表1中的數値視爲 有效。 表1
Ms=10emu/cc Ms=20emu/cc Ms = 4 Oemu/cc h (nm) L (μπι) ζ (nm) H(0e) H (A/m) H (Oe) H (A/m) H (Oe) H (A/m) 20 0.1 1.5 22 1751 44 3502 87 6923 20 0.2 1.5 12 955 24 1910 48 3820 20 0.3 1.5 8 637 16 1273 33 2626 20 0.4 1.5 6 477 12 955 25 1990 20 0.5 1.5 5 398 10 798 20 1592 30 0.1 1.5 29 2308 57 4536 114 9072 30 0.2 1.5 17 1353 35 2785 70 5571 30 0.3 1.5 12 955 24 1910 49 3899 30 0.4 1.5 9 716 18 1432 37 2944 30 0.5 1.5 7 557 15 1194 30 2387 40 0.1 1.5 33 2626 65 5173 131 10425 40 0.2 1.5 22 1751 44 3502 89 7083 40 0.3 1.5 16 1273 32 2547 63 5014 40 0.4 1.5 12 955 24 1910 49 3699 40 0.5 1.5 10 7 96 20 1592 39 3104 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 雜散磁場Η以Oe單位表示，Μ/Η X h係就L而繪示 如圖4所示。它們的關係爲 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -15- 559807 A7 B7 五、發明説明（h M/H X h = 75 x L +2.6 …⑴ 雜散磁場H(Oe)可以是 H = M X h/(75 x L +2.6) …⑵ 令Π是圓形常數，則雜散磁場以A/m單位表示爲 N = 250 X Μ X h/(n χ (75 x L +2.6)) …⑵’ 考慮一磁阻元件充當MR AM的記憶體元件，偏置的磁 場必須小於第一磁性層1的磁化飽和磁場。當資訊藉由絕 對偵測方法讀出時，此是特別需要的。磁化飽和磁場的強 度等於或大於矯頑力。令Μ是方程式（2)中之第二磁性層2 的餘留磁化（emu/cc)，h是薄膜厚度（毫微米），L是元件長度 (微米），則第一磁性層的磁化飽和磁場Hs(Oe)較佳爲滿足 Μ χ h/(75 x L + 2.6)<Hs ... (3) 磁化飽和磁場以A/m單位表示爲 250 χ Μ χ h/(n χ(75 x L + 2.6))<Hs ….·⑶’ (第三實施例） 當第三實施例的磁阻元件充當MR AM的記憶體元件 時，第一磁性層充當偵測層，而第二磁性層充當記憶體 層。資訊藉由改變一高矯頑力層的磁化方向而寫入。在讀 取時’只切換第一磁性層的磁化，偵測電阻的改變，及偵 測差値，以使資訊再生。 如果特別地，高矯頑力層的磁化使用一鐵磁（稍後說明） 而減少’則磁化切換磁場增加。大的磁化切換磁場使切換 磁化所需要的能量-例如，流動通過一寫入線的電流値-增 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -16- 559807 A7 _B7 五、發明説明（）l4 加。此元件較佳爲自一磁化方向鎖定的磁性層形成第二磁 性層，及將磁化資訊記錄在第一磁性層中。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (第四實施例） 除了第一實施例中之磁阻元件的結構以外，檢驗第一 磁性層-即，低矯頑力層-的矯頑力（磁化飽和磁場）。第一磁 性層1的大矯頑力使得用於一 MR AM以寫入磁阻元件中所 需要的電流增加。一實用的矯頑力較佳爲至少200 〇e(1.59xl04A/m)或更少，以供消費者使用。以功率消耗表 示，矯頑力是100〇e(7.96xl03A/m)或更少，較佳爲50 〇e(3.98X103A/m)或更少，更佳爲 20 〇e(1.59xl03A/m)或更 少，最佳爲10 Oe(796A/m)或更少。當磁阻元件在一外磁場 的影響下充當MRAM的記憶體元件時，由於在寫至一相鄰 的記憶體元件時產生的磁場，磁化乃變動。爲了避免此現 象，矯頑力較佳爲5 Oe或更多。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 令Μ是一充當高矯頑力層之第二磁性層2的餘留磁化 (emu/cc)，h是薄膜厚度（毫微米），L是元件長度（微米），則 第二磁性層2-即，高矯頑力層-又較佳爲滿足 Μ X h/(75 x L + 2.6)<200 ... (4) (第五實施例） 除了第一實施例中之磁阻元件的結構以外，一充當高 矯頑力層之第二磁性層2的餘留磁化M(emu/cc)較佳爲接近 方程式（5)所示的値，方程式（5)是方程式（2)的修改： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公羡1 -17- 559807 A7 B7_ 五、發明説明（>5 M = Hs/h X (75 X L + 2.6) ---(5) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 其中h是第二磁性層的薄膜厚度（毫微米），L是元件長 度（微米），Hs(Oe)是第一磁性層1的磁化飽和磁場。 爲了以A/m單位表示第一磁性層1的磁化飽和磁場 Hs，方程式（5)重寫爲 Μ = Π X Hs/(250 x h x (74 x L +2.6)) ·_·(5)， 第二磁性層的薄膜厚度h較佳爲設定成約2毫微米至 1 00毫微米。此是因爲對於小於2毫微米的薄膜厚度而言， 磁化難以穩定維持。對於大於10毫微米的薄膜厚度而言， 允許的磁化値減少，不能確保組成物界限。容易發生過程 問題，諸如蝕刻困難。由此，薄膜厚度較佳爲80毫微米或 更少，更佳爲50毫微米或更少。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第二磁性層的薄膜厚度自2毫微米改變至50毫微米。 表2顯示當元件長度L選擇爲0.1微米、0.2微米、0·3微 米、0.4微米與0.5微米，第二磁性層的薄膜厚度h選擇爲 2毫微米、5毫微米、10毫微米、20毫微米、30毫微米、 40毫微米與50毫微米，且第一磁性層的矯頑力He選擇爲 5〇e (398 A/m)、10 〇e (796 A/m)、20 〇e ( 1.59 X 1 03 A/m)與 5 0〇e (3.98 x 1 03 A/m)，高矯頑力層的薄膜厚度與第二磁性 層2之餘留磁化M(emu/cc)的値。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -18- 559807 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（>6 表2 L h Η Μ Η Μ Η Μ Η Μ μπ\ nm 〇e emu/cc 〇e emu/cc 〇e emu/cc 〇e emu/cc 0.1 2 5 25 10 51 20 101 50 253 0.2 2 5 44 10 88 20 176 50 440 0.3 2 5 63 10 126 20 251 50 628 0.4 2 5 82 10 163 20 326 50 815 0.5 2 5 100 10 201 20 401 50 1003 0.1 5 5 10 10 20 20 40 50 101 0.2 5 5 18 10 35 20 70 50 17 6 0.3 5 5 25 10 50 20 100 50 251 0.4 5 5 33 10 65 20 130 50 326 0.5 5 5 40 10 80 20 160 50 401 0.1 10 5 5 10 10 20 20 50 51 0.2 10 5 9 10 18 20 35 50 88 0.3 10 5 13 10 25 20 50 50 126 0.4 10 5 16 10 33 20 65 50 163 0.5 10 5 20 10 40 20 80 50 201 0.1 20 5 3 10 5 20 10 50 25 0.2 20 5 4 10 9 20 18 50 44 0.3 20 5 6 10 13 20 25 50 63 0.4 2〇 5 8 10 16 20 33 50 82 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝·
、1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -19- 559807 Α7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（）7 表2 (續） 0.5 20 5 10 10 20 20 40 50 100 0.1 30 5 2 10 3 20 7 50 17 0.2 30 5 3 10 6 20 12 50 29 0.3 30 5 4 10 8 20 17 50 42 0.4 30 5 5 10 11 20 22 50 54 0.5 30 5 7 10 13 20 27 50 67 0.1 40 5 1 10 3 20 5 50 13 0.2 40 5 2 10 4 20 9 50 22 0.3 40 5 3 10 6 20 13 50 31 0.4 40 5 4 10 8 20 16 50 41 0.5 40 5 5 10 10 20 20 50 50 0.1 50 5 1 10 2 20 4 50 10 0.2 50 5 2 10 4 20 7 50 18 0.3 50 5 3 10 5 20 10 50 25 0.4 50 5 3 10 7 20 13 50 33 0.5 50 5 4 10 8 20 16 50 40 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -20- 559807 A7 B7 五、發明説明（）8 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 如上述，偏置磁場是50〇e (3.98 X 1 03 A/m)或更少，較 佳爲20〇e (1·59 X 1 03 A/m)或更少，更佳爲10〇e (796 A/m)，最佳爲5〇e (398A/m)或更少。以一實際非依電性記 憶體的整合程度表示，元件尺寸較佳爲0.3微米或更少。第 二磁性層的薄膜厚度較佳爲2毫微米或更多，如上述。薄 膜厚度的減少使得磁性層的體積於微小化時減少。磁化可 能變成難以熱穩定儲存。於是，第二磁性層的薄膜厚度更 佳爲5毫微米或更多。 h = 5毫微米，則L = 0.3微米或更少，H = 20〇e或更少。 h=10毫微米，則較佳爲L = 0.3微米或更少，H = 20〇e或更 少，更佳爲L = 0.1微米或更少，H = 20〇e或更少，最佳爲 H=10〇e或更少。 考慮此，則第二磁性層2的磁化強度是100 emu/cc或 更少，較佳爲50 emu/cc或更少，更佳爲20 emu/cc或更 少，最佳爲10 emu/cc或更少。 在以上說明中，元件長度L意指磁化元件的寬度與長 度二者之較長者。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (第六實施例） 圖5顯示稀土鐵族合金薄膜Gdx(FenC〇y)^(y = 0.1至 0.5)的組成物與飽和磁化之間的關係。而且，至於丁1^(?^-yC〇y)i〃與DyJFe^Coyh.x，當Gd濃度是在補償的組成物（於 圖5中約爲23.2%)或更多時，對於較高的稀土金屬內含量 而言，飽和磁化強度傾向於增加，且在補償的組成物或更 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -21 - 559807 A7 B7 五、發明説明（）9 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 少時，反之亦然。如第四實施例所述，第二磁性層2的磁 化強度應爲100 emu/cc或更少，較佳爲50 emu/cc或更少， 更佳爲20 emu/cc或更少，最佳爲10 emu/cc或更少。參考 圖5，具有此磁化強度的薄膜之組成物應落在補償組成物 ± 2.6原子％，較佳爲± 2.0原子％，更佳爲± 1.4原子％，最 佳爲± 0.25原子％。在此狀況，可以適用稀土次晶格主控組 成物或鐵族元素次晶格主控組成物。 (第七實施例） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 每一上述實施例的磁阻元件採用一磁場產生裝置，用 於產生垂直磁場。藉由磁場產生裝置，將資訊記錄在磁阻 元件中。此磁阻元件可以儲存爲記憶體元件。例如，如圖 6A與6B所示，一寫入線900經由一絕緣薄膜（未顯示），配 置於磁阻元件附近。絕緣薄膜配置成爲防止磁阻元件與寫 入線之間的電接觸。此在TMR元件中是特別重要的，因爲 於啓動操作時不發展出旋轉隧道效應。寫入線900在垂直 於片表面的方向延伸。在圖6A中，電流朝向片表面流動， 以向上改變第一磁性層1的磁化。圖6B中，一電流從片表 面，在前方向流動，以向下改變第一磁性層1的磁化。以 此方式，根據流動通過寫入線的電流方向，二進位資訊可 以記錄在磁阻元件中。 當使用此磁阻元件構建記憶體時，由磁阻元件形成的 記憶體元件排列於一矩陣中。較佳爲配置一切換元件，以 防止記憶體元件之間的串音。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -22- 559807 A7 B7 五、發明説明（灸〇 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖7是不意剖視圖’顯不具有一切換元件的1位元記 憶體單元。實際上，從上方觀看時，相同的記憶體單元對 準圖7的側向與深度方向，且排列於一矩陣中。 圖7中，一磁阻元件之一端子連接至在一由閘極電極 80、源極與汲極區域32與31組成的MOSFET(金屬氧化物 半導體場效電晶體）中的汲極區域3 1，源極與汲極區域32 與31是形成於矽半導體p型基板33中的n +型區域。磁阻 元件之另一端子連接至一感測線40。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在寫入/抹除記錄資訊時，電流流動通過垂直於片表面 而延伸的寫入線900及沿著片表面延伸的位元線40。結 果，資訊可以記錄在安置於這些線之間的交集之磁阻元件 (記憶體單元）。一連接至源極區域32的電極70接地。一電 流源與感測電路個別配置於感測線40的左與右側。此允許 施加一對應於磁阻元件電阻値的電位至感測電路，於是偵 測資訊。在第七實施例，寫入線恰位於元件旁。然而，寫 入線也可相對於記憶體元件而配置於基板側，或配置於與 基板對立之側，因爲一磁場足以幾乎垂直於薄膜表面而施 加。雖然將寫入線配置成恰位於元件旁可導致高電流效 率，但寫入線較佳爲在製造過程中配置於基板側。一垂直 於薄膜表面的磁場可由一來自位元線的磁場而施加，該位 元線連接至一相鄰的記憶體元件。 (第八實施例） 圖8與9顯示一雜散磁場之分佈的模擬結果，雜散磁 場由0.2微米□範圍的垂直磁化薄膜產生，且垂直於薄膜表 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -23- 559807 A7 B7 五、發明説明（灸1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 面。更特別地，如圖10所示，一自第二磁性層2的磁化Μ 洩漏之雜散磁場施加至第一磁性層1。使用比磁性層2高1 毫微米的値充當雜散磁場。 圖8中，二粗實線1代表50 emu/cc之磁化的模擬結 果；二實線2代表10 emu/cc之磁化的模擬結果；細實線3 代表5 emu/cc之磁化的模擬結果；虛線4代表2 emu/cc之 磁化的模擬結果。在任何狀況，薄膜厚度是50毫微米。 圖9中，實線1代表50毫微米之薄膜厚度的模擬結 果；虛線2代表30毫微米之薄膜厚度的模擬結果。在任一 狀況，磁化是10 emu/cc。這些磁化強度與薄膜厚度可以藉 由稀土鐵族合金製成的垂直磁化薄膜而容易地達成，稀土 鐵族合金是諸如 TbFe、GdFe、DyFe、DyFeCo、TbFeCo 或 GdFeCo 0 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖11顯示一狀態，其中一雜散磁場自一插接層1 2的 磁化RM施加至一記憶體層11，記憶體層11在一具有傳統 結構的縱向磁化薄膜中。一絕緣層1 3形成於插接層1 2與 記憶體層11之間。圖1 2顯示在薄膜表面1毫微米上方之 雜散磁場的分佈之模擬結果，雜散磁場是由0.2微米□範圍 的縱向磁化薄膜產生，且平行於薄膜表面。模擬結果顯 示，相較於一垂直磁化薄膜，1400 Oe(lllxl03A/m)之很大 的磁場施加於端面。圖1 3顯示在薄膜表面1毫微米上方之 雜散磁場的分佈之模擬結果，雜散磁場是由0.2微米x〇.6 微米縱向磁化薄膜產生，且垂直於薄膜表面。在此狀況， 也施加約1，〇〇〇〇e(79.6xl03A/m)的磁場。顯示於圖12與13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ：297公釐） ' -24- 559807 A7 B7 五、發明説明（幻 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 的縱向磁化薄膜具有3毫微米的薄膜厚度與1，〇〇〇 emu/cc的 磁化。在縱向磁化薄膜中，磁化切換是由磁化方向的旋轉 運動決定。一在端面的雜散磁場顯著貢獻於磁化切換。例 如，雜散磁場應使一偏置磁場增加。 根據以上的結果，比較一垂直磁化薄膜與縱向磁化薄 膜以發現，200〇e(15.9xl03A/m)或更少的雜散磁場施加於垂 直磁化薄膜，而1,000 〇e(79.6xl03A/m)或更多的雜散磁場施 加於縱向磁化薄膜。在垂直磁化薄膜，藉由設定膜厚度與 磁化，雜散磁場的強度可以抑制至5 0〇e (3.9 8 X 103 A / m )，且 進一步抑制至10 Oe(796A/m)或更少。此意指，在本發明的 磁阻元件中，偏置磁場可減少。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 通常，一用於傳統TMR元件的縱向磁化薄膜是由 NiFe、Co或Fe製成，而飽和磁化Ms大到約800至1，500 emu/cc。在此薄膜中，磁化的減少通常使電阻比減少。難以 減少偏置磁場，且維持電阻比。然而，在諸如稀土鐵族合 金的鐵磁中，飽和磁化Ms的強度可以容易地減少至約數十 emu/cc，不會減少電阻比。來自一磁鐵之雜散磁場的強度成 正比於飽和磁化Ms。對於鐵磁而言，磁化強度可減少，且 可抑制偏置磁場。 (第九實施例） 圖17是等效電路圖，顯示一 MR AM，其中描述於以上 實施例的磁阻元件排列爲4x4陣列，成爲記憶體元件。記 憶體元件的數目可以更大。位元線BL 1至BL4配置成互相 平行，而寫入線WL 1至WL4與位元線交叉，且配置成互相 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -25- 559807 A7 B7 五、發明説明（ί3 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 平行。在寫入線配置的位置，一幾乎垂直於薄膜表面的磁 場施加於記憶體元件。圖17顯示16記憶體元件Rl 1至 R44。每一記憶體元件之一端子連接至一切換元件，用於選 擇一記憶體元件，例如，對應的電晶體ΤΙ 1至Τ44之一。 記憶體元件之另一端子連接至一對應的位元線。位元線之 一端子經由對應的切換元件Tsl至Ts4之一，連接至對應 的SA1至SA4之一的一端子。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將解釋此MR AM的資訊寫入/讀取方法。寫入時，一電 流脈波施加至WL 1至WL4中之任一。一由此電流感應的磁 場改變一低矯頑力層的磁化，以記錄”！”或”0”。如果一電流 脈波於記錄資訊於R23時施加至配置成最靠近R23的 WL3，則相同的磁場也施加至R13、R33與R43。爲了只選 擇R23且記錄資訊，一電流脈波與WL3同時施加至BL2， 以在R23的平面內方向施加一磁場。與磁場只垂直於薄膜 表面而施加的狀況相比，此平面內磁場使得磁化切換容 易，即使施加一垂直於薄膜表面的小磁場時亦然。即，由 一位兀線的磁場充當輔助磁場。來自W L 3與B L 2的磁場允 許只記錄資訊於R23。 將說明資訊的讀取。例如，爲了自R23讀出資訊，對 應的切換元件T23啓動，以使電流流至BL2。偵測R23的 電阻値，且輸入至感測放大器SA2之端子。SA2的另一端 子預先接收一參考電位。根據參考電位，偵測R23的電阻 値，於是讀出資訊。 此實施例藉由以上的實施例中說明的磁阻元件充當記 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -26- 559807 A7 B7 五、發明説明（含4 憶體元件。自一高矯頑力層洩漏之雜散磁場的影響是弱 的。當以上述方式讀出資訊時，可增加”！”與”0”之間的電阻 差 値 訊 資 出 讀 確 精 可 且 (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（210X297公釐） -27-

Claims (1)

  1. 559807 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1. 一種磁阻元件，包括將一非磁性層夾置於第一磁性層 與第二磁性層之間的結構，第一磁性層係垂直於一薄膜表 面而磁化，第二磁性層係垂直於一薄膜表面而磁化’第二 磁性層具有大於第一磁性層之矯頑力， 其中，一自第二磁性層施加至第一磁性層的磁場小於 第一磁性層的磁化飽和磁場。 2. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，第二磁性層係 由鐵磁薄膜所形成。 3. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，第一與第二磁 性層係由鐵磁薄膜所形成的。 4. 如申請專利範圍第1項之元件，其中，Μ是第二磁性 層的餘留磁化（emu/cc)，h是薄膜厚度（毫微米）’ L是長度 (微米），且第一磁性層的磁化飽和磁場Hs(Oe)滿足 Μ X h/(75 x L + 2.6)<Hs 5 .如申請專利範圍第1項之元件，其中，第二磁性層的 磁化總是鎖定在相同的方向。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6. 如申請專利範圍第4項之元件，其中，第一磁性層的 磁化飽和磁場Hs不大於200〇e。 7. 如申請專利範圍第4項之元件，其中，第二磁性層的 薄膜厚度落在2毫微米至100毫微米的範圍中。 8. 如申請專利範圍第2項之元件，其中，第二磁性層由 大約在補償組成物的鐵磁薄膜形成。 9. 如申請專利範圍第8項之元件，其中，第二磁性層由 稀土鐵族元素合金的鐵磁薄膜形成’且鐵磁薄膜的組成物 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 559807 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 2 中之稀土元素含量落在± 2.6原子％內。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 10·如申請專利範圍4項之元件，其中，第二磁性層的 飽和磁化不大於1 00 emu/cc。 11·如申請專利範圍第2項之元件，其中，鐵磁層基本 上係由至少一稀土元素及至少一鐵族元素所組成，稀土元 素選自於Gd、Tb與Dy組成的群組，鐵族元素選自於Fe與 Co組成的群組。 12.—種記憶體元件，包括： 界定於申請專利範圍第1項中的該磁阻元件；及 石放場產生裝置’用以產生一 fe場’其垂直於一*在該磁 阻元件中的薄膜表面， 其中，資訊利用該磁場產生裝置而被記錄於該磁阻元 件上。 13·—種磁性隨機存取記憶體（MRAM)，包括： 一基板； 複數個界定於申請專利範圍第1 2項中的記憶體元件， 其在該基板上排列成矩陣， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 複數條位元線，各連接至該記憶體元件中之對應者的 一端子； 複數條寫入線，其與該位元線交叉，且用作該磁場產 生裝置，用以施加磁場至該記憶體元件； 記憶體元件選擇切換元件，各連接至該記憶體元件中 之對應者的另一端子；及 複數個感測放大器，各具有一連接至該位元線中之對 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -29- 559807 a8 C8 D8 六、申請專利範圍 3 應者的端子，且偵測該記憶體元件的電阻値， 其中，資訊藉由自該寫入與位元線所施加的磁場來予 以記錄，且 資訊藉由施加電壓至該位元線且輸入該記憶體元件的 電阻至該感測放大器而再生。 14.如申請專利範圍第13項之磁性隨機存取記憶體（ M R A Μ )，其中，藉由比較該記憶體元件的電阻値與輸 入至該感測放大器的另一端子之參考値，使資訊再1生° 0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) L- - ϋ— —Li 、言. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 .J_ I L— · 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -3Ό-
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