TW560046B - Digital memory cell device - Google Patents

Description

560046 A7 B7 五、發明説明（ 發明背景 本發明有關於用於數位記憶單元裝置。 這種數位δ己憶單元裝置用以磁性地儲存資訊，個別的記 憶單元裝置一般是記憶裝置的一部分，也常稱為MRAM(磁 性隨機存取記憶體）^使用這種記憶體可執行讀及/或寫操 作，各記憶單元裝置包括一軟磁讀及/或寫層系統，其藉由 中間層而與硬磁參考層系統分開，以目前這種記憶單元裝 置而言該參考層系統形成為一 AAF系統。參考層系統的參 考層的磁化是穩定的且不會在施加場時改變，同時藉由施 加場可切換軟磁讀及/或窝層系統的磁化。二個磁層系統可 互相平行或反平行的磁化。在各例中的上述二個狀態表示 一資訊位元，即邏輯零（0)或一（1)。若2層的磁化相對方向 從平行變成反平行或是從反平行變成平行，則此層結構上 的磁阻會改變一些。此磁阻變化可用於讀取儲存在記憶單 元中的數位資訊。單元磁阻的改變可以用電壓變化來偵 測，例如，若電壓增加則以邏輯零（〇)佔據該單元，及若電 壓減少則以邏輯一（1)佔據該單元。在GMR型（巨大磁阻）或 TMR型（隧道磁阻）的單元結構中當磁化方向從平行變成反 平行或是從反平行變成平行時，即可觀察到少數區域中的 極大磁阻變化。 這種磁性記憶單元的重要優點為資訊是永久性的儲存， 且供須維持任何基本電源仍可保持儲存，即使裝置斷電也 可儲存，而且裝置通電後可立即再供使用，這與習知半導 體記憶體不同。 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

裝 訂

560046 A7 ____B7 五、發明説明（2 ) 此例的中心元件是參考層系統形成其設計成為一 AAF系 統（AAF是指人造抗鐵磁），這種aAF系統的優點是它的高 磁硬性及經由所謂橘皮效應及/或經由巨觀磁靜耦合場而 較低的連接測量層系統。AAF系統一般包括一第一磁層或 一磁層系統，一抗鐵磁耦合層及一第二磁層或一磁層系 統，其藉由其磁化經由抗鐵磁耦合層而相反地連接到低磁 層之磁化。這種AAF系統可從二個磁鈷層及包括銅的抗鐵 磁耦合層形成。 為了改良A AF系統的硬度，即其對於外部場的阻力，習 知會在AAF系統之磁層配置一抗鐵磁層，該磁層遠測量層 系統。藉由此抗鐵磁層，直接相鄰的磁層即額外地固定磁 化，俾整個AAF系統變的更硬（互換固定或互換偏壓）。 惟上述的缺點是抗鐵磁層與位於其上的磁層間的較弱 連接，其一般小於0.3 mJ/m2，另一缺點是由抗鐵磁層及AAF 系統組成的偏壓層系統的磁化不易調整。這需要將偏壓層 系統的溫度增加到所謂抗鐵磁層的阻止溫度以上，以便去 除連接’同時必須施以強大的外部場及必須在此場中冷 卻。這會產生問題尤其是在惠斯頓橋式電路其具有反向的 AAF系統。若AAF系統的磁層厚度大約相等時也會發生困 難，因為AAF系統不具有淨磁矩或是僅有極小的淨磁矩， 且使用外部場是很難調整的。 使用含抗鐵磁層的AAF系統的另一缺點是抗鐵磁層的厚 度必須夠大以達成夠高的阻止溫度。結果，讀及寫時所需 的線間的距離，在該層系統的上面及下面且互相交又通 -5 - 冢紙張尺度適；?! + ® g家標準(CNS) A4規格(21GX 297公董)'' --- 560046 A7 _____Β7______ 五、發明説明（3 ) 稱為字及位元線，會增加，因而減少軟磁讀及/或寫層系統 中導電導體的場強度，該軟磁讀及寫層系統因而必須切換。 發明總結 本發明因此根據該問題而揭示一種記憶單元裝置，其可 容易的調整參考層系統的磁化且具有低的層系統高度。 為了解決此問題，以引言所述的那種數位記憶單元裝置 為例，根據本發明而提供的參考層系統，具有一層部分包 括含至少一亞鐵磁層的至少一偏壓層系統，偏壓層系統及 參考層之磁矩經由一耦合層而反向連接β 本發明較佳地建議使用具有至少一亞鐵磁層的偏壓層 系統’此偏壓層系統及/或亞鐵磁層之磁矩與參考層磁矩連 接’因而形成參考層系統。亞鐵磁層的特徵是它包括至少 一個磁子格，其磁矩方向與抗鐵磁層中的磁矩反平行。惟 磁矩不會完全互相補償，所以會產生淨磁矩。因此亞鐵磁 的外觀類似鐵磁者，除了飽和磁化的位準較低及飽和溫度 相依性較大以外。因為子格的磁化溫度剖面大致是不同 的’且子格是抗鐵磁性（反平行）地互相連接，在亞鐵磁中 有一溫度其中磁矩互相抵消（即相等且反平行），因而無淨 磁矩。此溫度稱為補償溫度。因此在補償溫度附近，亞鐵 磁層僅具有極小的淨磁矩或理論上無淨磁矩。雖然藉由補 償溫度窗以外的低外部場可調整亞鐵磁層的磁化，以及連 接固定層的方向，在補償溫度附近的鐵磁層磁化在無淨磁 矩之下是極穩定的。若藉由適當的材料選擇而設定亞鐵磁 層的補償溫度使得它在記憶單元裝置的操作溫度附近，結 果是一極穩定的偏壓層系統。藉由增減溫度在此補償溫度 -6 - 本紙張尺度適用巾g g家標準(CNS) Α4規格(210X297公复)""~ 60046 A7 _ B7_ 五、發明説明（4 ) 以外的範圍，即可順利的調整偏壓層系統的磁化。溫度變 化可以雙向發生，因為亞鐵磁材料的磁矩一般是反向通過 補償溫度。 使用參考層系統中的亞鐵磁層的另一優點是一連接AAF 系統的參考層的連接可選擇為極高，明確地大小約為 10 mJ/m2。這表示參考層系統相對於外部場可以是極穩定。 此外鐵磁層比上述的抗鐵磁層薄許多，其必須是厚的以 達成高的阻止溫度，因此可減少整個記憶單元裝置的厚 度。記憶單元裝置的字及位元線極靠近，所以可施加夠高 的場到軟磁讀及寫層系統，可避免距離相關的損失。 總之，依此能得到極穩定的記憶單元裝置其有減少的厚 度，儘管如此，仍可容易的相對於的偏壓層磁化作調整。 對於從多個這種記憶單元裝置形成的記憶裝置而言這也是 真實的。 根據本發明亞鐵磁層可由磁性轉移金屬及稀土金屬的 合金組成。或者鐵磁層也是一多層系統包括磁性轉移金屬 及稀土金屬。使用的磁性轉移金屬是鐵（Fe)或鈷（Co)，而使 用的稀土金屬是釤（Sm)，錄（Eu)，釓（Gd)或鉞（Tb)。 為了各耦合層的磁矩的強力及穩定連接，最好是藉由 RKKY 柄合（RKKY=Ruderman-Kittel-Kasuya_Joshida)而發生 它。 形成AAF系統之參考磁系統之淨磁矩在記憶格裝置之操 作窗中應非常低。為了達到最可能的穩定性，整體磁矩為 零乃為最期望者。 特別有利的是若參考層系統的至少一層具有一單轴各向 ¥紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) " " ------- 56〇〇46 A7 ______Β7___ 五、發明説明（5 ) 異性，其中磁化方向在操作溫度窗。各向異性可進—步增 強系統’可以在記憶單元裝置的軸方向感應該單軸各向異 性’其部分是由記憶單元裝置的幾何及方向所決定。 以本發明的第一配置為例，藉由參考層系統的一或所有 層的傾斜沈積可產生單軸各向異性。在此情況下例如層是 以相對於基板平面的角度作氣體沈積。 或者（或是額外的），也可藉由在磁場施以一較佳方向（其 在層系統產生時出現）而產生單軸各向異性。在此情況下， 出現的磁場方向決定產生的層系統的較佳方向。 產生各向異性的另一可能性是一種子層其上成長有參考 層系統。此種子層本身有預設方向，其轉移到成長層系統 且界定較佳方向或稍微方向。 又一可能性是藉由在磁場的熱退火相時施以一較佳方向 而產生單軸各向異性。 產生各向異性的另一可能性是在參考層系統的至少一層 或所有層，最好是其亞鐵磁層，具有高的磁束係數。在此 情況下，藉由各向異性的扭曲減輕能產生單軸各向異性β 在本文中最好是參考層系統的一層（或所有層）的結晶，或 亞鐵磁層的至少一結晶是長形的。 最後，產生各向異性的另一可能性是提供至少一扭曲或 變形層以增加各向異性的扭曲減輕。例如此層是由义〇2組 成。此層系統中壓力所感應的較佳方向是在考慮不同的熱 擴張特徵下感應的。 當然可了解的是也可同時使用上述可能性的至少2種方 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐） 560046 A7 ________B7 五、發明説明（6 ) 式以產生各向異性。 最後，一解耦合層，其使軟磁多層系統與參考層系統分 開’是金屬層或絕緣層或半導體層。 記憶單元裝置本身是極大磁阻，磁隧道接面或轉閥電晶 體系統。 最後，除了記憶單元裝置本身，本發明又與數位記憶裝 置有關，其包括複數個上述類型的記憶單元裝置，且排成 阵列或矩陣。 附圖簡單說明 以下配合附圖來說明典型實例即可更明了本發明的其他 優點，特徵及細節，其中·· 圖1顯示根據本發明的記憶單元裝置的第一實例的剖面 圖， 圖2的圖形顯示一亞鐵磁的溫度相依磁化曲線， 圖3顯示根據本發明的記憶單元裝置的第二實例，其具 有多層偏壓層系統， 圖4顯示根據本發明的記憶單元裝置的第三實例的剖面 圖’其具有多層AAF參考層系統， 圖5顯示根據本發明的記憶單元裝置的第四實例的剖面 圖，其具有一種子層以產生各向異性，及 圖6顯示根據本發明的記憶單元裝置的第五實例的剖面 圖’其具有一扭曲層以產生各向異性。 發明詳細說明 圖1顯示根據本發明的記憶單元裝置1的第一實例，它包 -9 - 560046 A7 _____B7 五、發明説明（7 ) 括參考層系統2，其藉由解耦合層3而與讀及寫層系統4分 開。圖中也顯示互成直角的上字線及下位元線5a , 5b，參 考層系統2包括一層部分6其包括下偏壓層系統7，其在典型 實例中包括亞鐵磁層8及相連的鐵磁層26。在圖中的例子， 亞鐵磁層8是合金層，使用的合金元件是轉移金屬，如Fe， Co，Νι及稀土金屬如Gd，Dy，Tb。具有相反磁矩μ的二個 磁子格在亞鐵磁層8中形成，如圖丨的反向箭號所示。惟二 個子格的磁矩在數目及/或強度上是不同的，即其在窄的補 償溫度範圍中互相是不補償的。結果是偏壓層系統7的淨磁 矩在補償溫度範圍外，此詳如以下所述。 偏壓層系統7的淨磁矩經由抗鐵磁耦合層系統9而與參 考層10的磁矩Μ反平行地連接。這表示磁矩μ以及參考層 10的磁化與偏壓層系統7的產生淨磁矩是反向的。總之，參 考層系統2形成AAF系統，偏壓層系統7(即鐵磁層8)，鐵磁 層26及參考層1 〇的磁化之間的連接是極大，即參考層丨〇的 磁化方向是極穩定的。此偏壓層系統7或亞鐵磁層8本身有 一單軸各向異性其中決定子格的磁化方向。此各向異性使 得偏壓層系統7本身的磁化極穩定，其又使得整個參考層系 統變的穩定。 圖2顯示亞鐵磁層8的溫度相依磁化曲線，橫座標顯示 溫度而縱座標顯示轉移金屬成分的子格的對應磁化（JTM), 稀土金屬成分的磁化（Jre)及產生的淨磁化（Jre.tm)。 由該典型實例的淨磁化曲線JRE-TM可看出，在考慮稀土金 屬成分的較大磁化JRE之下，結果是整體磁化隨著溫度上升 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210X 297公爱) 56〇〇46 A7 _ B7 一" " ——_ . - 立、發明説明（8 ) 而減少。惟在補償溫度TC()mp之下，總磁化是〇 ,即磁化Jre 與Jtm是相等且反向。當溫度再度上升時，磁化JTM即更明 顯，當到達居里點Tc時整體磁化即中斷。 此外可看出磁聚場強度Hc在此補償溫度Τ_ρ附近上升 極迅速’或是在考慮此溫度中出現的0淨磁矩之下在補償溫 度Tcomp是無限大的0 根據本發明，依使用材料，其尺寸及幾何等而選擇亞鐵 磁層8，而補償溫度Tc()mp附近的區域在操作溫度範圍中或是 與其一致，而記憶裝置1在該範圍中操作。即在記憶單元裝 置的正常操作中，亞鐵磁層的整體磁矩約為〇，即該層相對 於出現的外部場是極穩定的，因為磁聚場強度Hc是極高。 這表示參考層1 〇的耦合也是極穩定，因為亞鐵磁層8的功能 是耦合，或者偏壓層系統7不會在出現的場中改變。 另一優點是參考層10的磁化方向較簡單，已知在這種記 憶單元裝置中參考層1 〇的磁化必須極穩定。其位準是為寫 資訊的測量之信號，它與軟磁測量層系統4的磁化方向相 依，其在出現的外部磁場中可極易的轉動，且可相對於參 考層10的固定硬磁化方向而測量。因此必須調整參考層i 〇 的此磁化。 在根據本發明的記憶單元裝置中，在考慮使用亞鐵磁層 8之下此方向較簡單。為此目的，僅需要增減溫度到一程 度，其中移動的離開補償溫度Tcomp附近區域夠遠，以便產 生淨磁矩。現在藉由低的外部場而調整亞鐵磁層的磁化， 特別是因為亞鐵磁層的磁聚場強度較低。在考慮參考層夏〇 產生的連接之下，此層的磁化又設定為反平行。藉由使用 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) '— 560046 A7 一 B7 五、發明説明（9 ) 小的調整場作簡單稍微的溫度增減，即能調整亞鐵磁層的 磁化在期望方向，其中亞鐵磁層最好具有一單軸各向異 性。但不必如習知的使用含應用AAF系統的天然抗鐵磁以 升高溫度，以超過阻止溫度，且接著在高的外部磁場中冷 卻。 圖3顯示根據本發明的又一記憶單元裝置丨丨，在此例中 也有參考層系統2 ’，包括偏壓層系統7 ’，抗鐵磁摘合層系統 9·及參考層1〇，。與圖丨偏壓層系統7不同的是，固定層系統7 是多層系統包括不同層8*，8"，藉由轉移金屬而形成層8,， 及藉由稀土金屬而形成層8"。惟此固定層系統7,的操作方 法及特性與圖1系統所示的相同。 圖4顯示含多層參考層系統2”的記憶單元裝置12剖面 圖’它包括下層部分2"a包括下鐵磁層27(如鈷Co)，亞鐵磁 層28(如CoTb)及上鐵磁層29(如Co)。上層部分2，，b藉由其下 鐵磁層31(如Co)經由抗鐵磁耦合中層30(如Cu或釕R〇)而連 接。亞鐵磁層32(如CoTb)又施加到層3 1，而鐵磁層33(如Co) 施加到亞鐵磁層32。最後，經由解耦合層34而將實際讀及 寫層系統3 5分開，整個參考層結構形成a AF系統。 最後圖5顯示根據本發明的又一記憶單元裝置丨3，在該 典型實例中所示的結構對應圖1所示的。在此例中為了在偏 壓層系統7’"中產生各向異性，有一種子層14,其上沈積著 偏壓層系統7”’或亞鐵磁層8”，。種子層具有一較佳方向或各 向異性，其在層成長時轉移到亞鐵磁層8，"。最好量低此各 向異性或稍微方向建立個別子格的磁化。 -12 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 560046 A7 ______B7 五、發明説明（1〇 ) 參考圖6的記憶單元裝置丨5以說明產生此各向異性的又 一種可能方式，其結構與圖5所示的類似。惟在此例中一扭 曲層16如包括Si〇2其在亞鐵磁層中感應單軸方向的壓力， 其又感應單軸各向異性，且施加在偏壓層7 ”，，或亞鐵磁層 8ΠΠ，而不是種子層14(其當然也可提供 除了圖5，6所述的感應或產生單軸各向異性的可能方式 外’當然也可藉由亞鐵磁層的傾斜沈積，或藉由在出現中 施以一較佳方向，而產生此各向異性，這是若適當在熱退 火步驟或使用亞鐵磁層（含高的磁束係數）之下，及若適當 對應的決定層晶粒的形狀。熟於此技藝者能知道其他可能 方式以產生各向異性且能個別或組合地使用所有這些替代 方式。 -13 - 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Claims (1)

1. 560046 A8 B8 C8

   i. 一種用於讀及/或寫操作之數位磁性記憶單元裝置，具 有一軟磁讀及/或寫層系統及至少一硬磁參考層系統， 其設計成為一 AAF系統且包括至少一參考層其中參考 層系統（2, 2·，2"，2，"a，2，"b)具有—層部分包括至=、一偏壓 層系統（7, 7·，7，"，7"")具有至少一亞鐵磁層（8, 8,，8,"， 8"")，偏壓層系統（7, 7，，7，"，7"")及參考層（10, 1〇,, 1〇"a)之 磁矩經由一耦合層（9, 9，）而反向連接。 2·如申請專利範圍第1項之記憶單元裝置，其中亞鐵磁層 (8)由一磁性轉移金屬及一稀土金屬之合金組成。 3·如申請專利範圍第1項之記憶單元裝置，其中偏壓層系 統僅由亞鐵磁層（8)組成。 4·如申請專利範圍第1至3項中任一項之記憶單元裝置，其 中亞鐵磁層係一多層系統（8，，8”）包括一磁性轉移金屬及 一稀土金屬。 5 ·如申請專利範圍第1至3項中任一項之記憶單元裝置，其 中個別耦合層之至少一部分之磁矩藉由RKKY耦合經由 個別耦合層而連接。 6 ·如申凊專利範圍第1至3項中任一項之記憶單元裝置，其 中參考層系統（2, 2，，2”，2”，a，2，，，b)之淨磁矩形成一 AAF系 統’在記憶單元裝置（1，11，12, 13, 15, 18)之操作窗中其 遠低於飽和且較佳係〇。 7·如申請專利範圍第1至3項中任一項之記憶單元裝置，其 中參考層系統（2, 2，，2”，2"，a，2，，，b)之至少一層具有一單軸 各向異性。 -14 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210x 297公釐）

   裝 m 5_46 ABCD 7、申請專利範圍 8 ·如申請專利範圍第7項之記憶單元裝置，其中藉由參考 層系統（2, 2\ 2"，2f"a，2"fb)之至少一層或所有層之傾斜沈 積而產生單軸各向異性。 9.如申請專利範圍第7項之記憶單元裝置，其中藉由在層 系統產生期間出現之磁場中施以一較佳方向而產生單 轴各向異性。 10.如申請專利範圍第7項之記憶單元裝置，其中藉由一種 子層（14)其上成長參考層系統而產生單軸各向異性。 11·如申請專利範圍第7項之記憶單元裝置，其中藉由在— 磁場中之熱退火相期間施以一較佳方向而產生單轴各 向異性。 12·如申請專利範圍第7項之記憶單元裝置，其中參考層系統 之至少一層或所有層，較佳地係其亞鐵磁層，具有一高 磁束係數。 13·如申請專利範圍第12項之記憶單元裝置，其中藉由各向 異性扭曲減輕而產生單軸各向異性。 14·如申請專利範圍第13項之記憶單元裝置，其中參考層系 統之一或所有層之結晶，較佳地係亞鐵磁層結晶，係長 形。 15·如申請專利範圍第13項之記憶單元裝置，其中提供至少 一扭曲或變形層（16)以增加各向異性扭曲減輕。 16·如申凊專利範圍第1至3項中任一項之1己憶單元裝置，其 中參考層系統（2")包括二個層部分（2”a，2nb)，各有二個 鐵磁層（27, 29, 31，33)其間排列有一亞鐵磁層（28, 32),層 -15 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 560046 A8 B8 C8 D8 〜、申請專利範圍 系統經由一抗鐵磁搞合中層（3 0)而連接。 17·如申請專利範圍第1至3項中任一項之記憶單元裝置，其 中一解耦合層系統（3, 3”’），將一軟磁測量層系統（4, 4"’) 與一參考層系統（2, 2’，2"，2’"a，2”’b)分開，係一金屬層或 一絕緣層或一半導體層。

   18·如申請專利範圍第1至3項中任一項之記憶單元裝置，其 中它係一巨大磁阻，一磁隧道接面，或一轉閥電晶體系 統。 裝 19· 一種數位記憶裝置，包括多個如申請專利範圍第1至1 8 項中任一項之記憶單元裝置。 m -16 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）