TW573376B - Magnetic switching element and magnetic memory - Google Patents

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Description

經濟部智慧財產局員工消f合作社印势 573376 A7 B7 五、發明説明（1 ) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於磁性記憶體，而更爲詳細則是有關根據 規定由磁性半導體層所誘發之強磁性的磁化方向之情況，將 可比以往以大幅低消耗電力來產生磁化之磁性切換元件與， 採用此之磁性記憶體。 採用磁性體膜之磁性電阻效果元件係被使用於磁頭，磁 性感知器等之同時並提案使用於固體磁性記憶體（磁性電阻 效果記憶體：MRAM(Magnetic Random Access Memory))。 【先前技術】 近年來，提案有針對插入1層電介質於2個磁性金屬層 之間的夾層構造，對於膜面垂直地流動電流，並作爲利用隧道 電流之磁性電阻效果元件，即所謂「強磁性隧道接合元件 (Tunneling Magneto-Resistance effect:TMR 元件」，而針對強 磁性隧道接合元件係因可得到20%以上之磁性電阻變化率 (厂八？？421^8.79,4724( 1 996))，故提升對1^1^%之民生化應用 之可能性。 此強磁性隧道接合元件係於強磁性電極上將 0.6nm〜2.0nm厚度之薄A1(鋁）層成膜之後，可根據將此表面曝 曬於氧輝光放電或氧氣之情況來由形成由A1203而成之隧道 阻擋層之情況實現。 另外，提案有賦予反強磁性層於此強磁性1重隧道接合之 單側一方的強磁性層，並具有將單方作爲磁化固定層之構造 之強磁性1重隧道接合（日本特開平10_4227號公報）。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） I I I I I I裝 I 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -5- 經濟部智慧財產笱員工消費合作社印製 573376 A7 B7 五、發明説明（2 ) 另外也提案有藉由分散於電介質中之磁性粒子的強磁 性隧道接合及強磁性2重隧道接合（連續膜 )(Phys.Rev.B56(10)，R5747( 1 997)，應用磁性學會雜誌23,4-2,( 1999),Appl.Phys.Lett.7 3( 1 9),2829( 1 998),Jpn.J.Appl.Phys.39 ，L1035(2001))。 即使針對此，當得到20%〜50%之磁性電阻變化率的情況 與，以及即使增加爲了得到所期望之輸出電壓値而施加於強 磁性隧道接合元件之電壓値，從抑制磁性電阻變化率的減少 之情況亦有對MR AM之應用之可能性。 而採用這些強磁性1重隧道接合或強磁性2重隧道接合 之磁性記錄元件係爲不揮發性，且具有寫入讀出時間也快速 維持在10毫微秒以下，改寫次數也有10的15次方次以上之電 位，特別是採用強磁性2重隧道接合之磁性記錄元件係如上述 所述，因爲了得到所期望之輸出電壓値而施加於強磁性隧 道接合元件之電壓値，抑制磁性電阻變化率的減少，故可得到 較大的輸出電壓，並作爲磁性記錄元件來表示理想之特性。 但，關於記憶體之元件尺寸係採用lTr(電晶體）-lTMR結 構（例如：揭示在USP5,734,605號公報）之情況，有著無法縮小 半導體之 DRAM(Dynamic Random Access Memory)尺寸以下 之問題。 爲了解決這個問題，提案有於位元線（bit)與數字線 (word)之間串聯接續TMR元件與二極體之二極體型結構 (1^?5,640,343號公報）及，於位元線（bit)與數字線（word)之 間配置 TMR元件之單純矩陣型元件（DE 19744095，W〇 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -6 - 573376 經濟部智惡財產局資工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（3) 9914760)。 但，不管再任何情況亦對於寫入至記錄層時係進行根據 由電流脈衝之電流磁場的磁化反轉，因此將會產生記憶體之 消耗電力變大，集成化時有著配線之容許電流密度限度而無 法大量化之問題。 另外，當寫入電流的絕對値不爲IMa以下時，因爲了流動 電流之驅動器的面積將變大，故對於與其他形式之不發揮固 體記憶體（FeRAM:強誘電體記憶體，FLASH:快閃記憶體）等來 做比較之情況，亦有晶片尺寸變大之問題。 【發明內容】 如以上所述，對於爲了實現磁性記憶體之超大容量化之 情況係必須採用消耗電力少之結構及新寫入方法，另外，同樣 的要求係存在於需要開啓磁場之一切用途，例如，即使針對在 磁性記錄磁頭及磁性傳動裝置等，如可不經由電流磁場而切 換磁場，將可實現具有從以往的構造有大幅躍進性能之各種 磁應用裝置。 本發明之第1磁性切換元件之特徵係具備有實質固著磁 化方向之強磁性層與，由設置於從前述強磁性層之磁場達 到之範圍內，且施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至強磁性 狀態之磁性半導體層，並施加電壓於前述磁性半導體層時，因 應前述強磁性層之前述磁化方向之磁化則被形成於前述磁 性半導體層。 又，在此，「磁場及範圍內」係指在磁性半導體層與強磁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公釐） 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 573376 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（4) 性層之間產生磁性之相互作用的範圍內，並只要有產生磁性 之相互作用，除了鄰接磁性半導體層與強磁性層來設置之情 況外，亦包含間離磁性半導體層與強磁性層來設置之情況及， 界在非磁性層等層於這些之間之情況等。 另外，本發明之第2磁性切換元件之特徵係具備有閘道 電極與，根據施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至強磁性狀 態之磁性半導體層與，設置在前述閘道電極與前述磁性半導 體層之間或與前述閘道電極相反側之實質固著磁化方向之 強磁性層，並藉由前述閘道電極來施加電壓於前述磁性半導 體層時，因應前述強磁性層之前述磁化方向之磁化則被形成 於前述磁性半導體層。 另一方面，本發明之磁性記憶體之特徵係具備有具有實 質固著磁化於第1方向之強磁性層與，由設置於從前述第1 強磁性層之磁場達到之範圍內，且施加電壓之情況，從常磁性 狀態遷移至強磁性狀態之第1磁性半導體層，並施加電壓於前 述第1磁性半導體層時，因應前述第1強磁性層之前述磁化方 向之磁化則被形成於前述磁性半導體層之第1磁性切換元件 與，具有實質固著磁化於與前述第1方向不同之第2方向之 第2強磁性層與，由設置於從前述第2強磁性層之磁場達到 之範圍內，且施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至強磁性狀 態之第2磁性半導體層，並施加電壓於前述第2磁性半導體層 時，因應前述第2強磁性層之前述磁化方向之磁化則被形成於 前述磁性半導體層之第2磁性切換元件與，擁有具有由強磁性 體而成之記錄層的磁性電阻效果元件之記憶體元件，另於前 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公羡) 一 -8- 裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 573376 A7 B7 五、發明説明（5 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 述第1磁性切換元件之前述第1磁性半導體層形成前述磁化 時，而因應其磁化之磁化則被形成於前述記錄層，而於前述第 2磁性切換元件之前述第2磁性半導體層形成前述磁化時，而 因應其磁化之磁化則被形成於前述記錄層。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 另一方面，本發明之第2磁性記憶體之特徵係具備有具有 第1閘道電極與，根據施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至 強磁性狀態之第1磁性半導體層與，設置在前述第1閘道電極 與前述第1磁性半導體層之間或與前述第1磁性半導體層之 前述第1閘道電極相反側而實質固著磁化方向於第1方向之 第1強磁性層，並藉由前述第1閘道電極來施加電壓於前述第1 磁性半導體層時，因應前述第1強磁性層之前述磁化方向之磁 化則被形成於前述第1磁性半導體層之第1磁性切換元件與， 具有第2閘道電極與，根據施加電壓之情況，從常磁性狀態遷 移至強磁性狀態之第2磁性半導體層與，設置在前述第2閘道 電極與前述第2磁性半導體層之間或與前述第2磁性半導體 層之前述第2閘道電極相反側而實質固著磁化方向於與第1 方向不同之第2方向之第2強磁性層，並藉由前述第2閘道電極 來施加電壓於前述第2磁性半導體層時，因應前述第2強磁性 層之前述磁化方向之磁化則被形成於前述第2磁性半導體層 之第2磁性切換元件與，擁有具有由強磁性體而成之記錄層的 磁性電阻效果元件之記憶體元件，另於前述第1磁性切換元件 之前述第1磁性半導體層形成前述磁化時，而因應其磁化之磁 化則被形成於前述記錄層，而於前述第2磁性切換元件之前述 第2磁性半導體層形成前述磁化時，而因應其磁化之磁化則被 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9- 573376 A7 B7 五、發明説明（6) 形成於前述記錄層。 ---------批衣-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 如根據本發明，由電壓的施加將可得到規定之磁化，進而 實現超消耗電力之磁性切換元件，磁性記憶體或磁性探頭，磁 性磁頭等之情況，在產業上有極大的優點。 【實施方式】 以下，持續參照圖面就有關本發明之實施形態進行說明 〇 圖1係爲說明本發明之磁性切換元件之要部構成及其動 作之槪念圖，即，如同圖（a)所示，本發明之磁性切換元件係具 有堆積磁性半導體層10與強磁性層20與閘道絕緣膜30與閘 道電極40之構造。 線 磁性半導體層10係具有磁性之性質與半導體之性質，並 由擁有這2種性質相關之物質所而成的層，具體而言係可舉出 添加Μη(錳）或Cr(鉻）等元素於III-V族化合物半導體或者 II-VI族化合物半導體等之半導體。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如此之磁性半導體係針對在無施加電壓之狀態係表示 常磁性之性質，而此係因含有之Μη(錳）或Ci:(鉻）等磁性元素 的濃度低的原因，故這些磁性元素之相互作用則爲稀薄。 對此，當施加電壓於如此之磁性半導體時，將誘發強磁性 (Nature 40 8,944(2000)·)，而此係根據施加電壓之情況使磁性 半導體中的電子或正孔的濃度變化，而顯著地將所添加之錳 或鉻等同爲磁性元素相互作用。 作爲磁性半導體層10之材料係例如可採用（InMn)As,(Ca 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 573376 A7 B7 五、發明説明（7 ) ，1^11)八8，（211，^/[11)1^，0&叱211〇，1^〇2等之摻雜遷移金屬至寬隙半 導體之材料系或，（〇(11.111；〇〇6?2，(：1^5，（〇3，(：1*)八3等。 根據摻雜於寬隙半導體之遷移金屬之種類，濃度，磁性 半導體係可實現反強磁性，常磁性，強磁性之各種磁性狀態， 而作爲本發明之磁性半導體層1 〇係可得到誘發強磁性之構 成。 例如根據施加電壓於（InMn)As稀薄磁性半導體之情況 來控制（InMn)As中之正孔（孔）數，再由使Mn(錳）自旋間之相 互作用產生之情況，將可誘發強磁性。 根據本發明係如圖1所示，藉由閘道絕緣膜30來根據閘道 電極將可施加電壓，而如根據此構成，因電流不會流動至切換 元件，故比較於使以往之電流磁場產生之元件，將可大幅降抵 銷耗電力。 但，單只對於磁性半導體層10施加電壓之情況係無法控 制到被此所誘發之磁化方向，對此，針對本發明係根據鄰接強 磁性層20之情況，控制被磁性半導體層10所誘發之強磁性之 磁化方向。 即，如圖1(b)所示，針對本發明之磁性切換元件係鄰接於 磁性半導體層1 0來設置具有磁化Ml之強磁性層20,而在此狀 態下，當藉由聞道絕緣膜30來施加電壓於聞道電極40時，電壓 則被施加至磁性半導體層10,並誘發強磁性，並且，在此產生 之磁化M2係根據鄰接之強磁性層20之磁化Ml之作用，形成 於與此同一方向，如此將可誘發規定之方法的磁化M2於磁性 半導體層10,並使此磁場作用於作用對象100。 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
-11 - 573376 Α7 Β7 五、發明説明（8) 在此，作用對象100係作爲磁性探頭來採用例如磁性記憶 體之記錄層或磁性記憶媒體，或者磁化M2之情況的對象物等 ，另外，作用對象100係只要設置在被磁性半導體層10所誘發 之磁化M2到達之範圍即可，隨之，如同代替配置在磁性半導 體層10之端面附近，例如配置在其下面附近亦可。 如此，如根據本發明，根據施加電壓於聞道電極40之情況 ，將可誘發規定方向之磁化於磁性半導體層10,進而可實現可 以低消耗電力控制磁化之開.關之切換開關。 另外，圖1所例示之構成係表示本發明之切換開關之基本 槪念構成，而有關各要素係可加上各種變形，例如如後述所詳 述地，根據於強磁性層20與閘道絕緣膜30之間更加地使反磁 性層與強磁性層堆積的情況，可使磁化方向反轉，以及更可做 插入非磁性層等之各種變形。 另外，關於各要素之堆積順序並不係定圖1所示，例如如 圖2所例示地，亦可使磁性半導體層10與強磁性層20之堆積順 序反轉，對此情況，根據藉由閘道絕緣膜30來施加電壓於磁性 半導體層10之情況，誘發強磁性，而其磁化M2係沿著鄰接之 強磁性層20之磁化Μ 1之方向所形成，隨之可對於設置在磁性 半導體層10附近之作用對象100來切換磁化M2。 另外，又，針對圖1，亦可將閘道絕緣膜30與強磁性層20作 爲一體化。 圖3係表示將閘道絕緣膜與強磁性層一體化之磁性切換 元件之模式圖，即，如採用電絕緣性且具有強磁性之材料，將 可將閘道絕緣膜30與強磁性層20作爲一體化來形成，而作爲 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇X297公釐） ---------^—— (請先閱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^ -12- 573376 A7 B7 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（9) 如此之材料係例如可舉出亞鐵酸鹽等之酸化鐵系之磁性材 料等。 以下，作爲本發明之磁性切換元件之應用例，首先就有關 使用本發明之磁性切換元件來構成之磁性記憶體進行說明 〇 圖4乃至圖7係爲說明本發明之磁性記憶體之單位元件 之寫入原理之槪念圖。 首先，圖4及圖5所示之構造係爲根據本發明之第1形式之 緣建構成，並將本發明之切換元件直接對於記憶體記錄元件 之記錄層配置之構成，即，本發明之切換元件1 A，1 B形成在強 磁性層52之兩側，並於強磁性層52之中央附近係依序絕緣性 之隧道阻擋層54與強磁性層56所堆積來構成磁性電阻效果 元件，也就是，強磁性層係作爲記錄層來作用，而強磁性層56 係作爲磁化固著層來作用。 那麼，在此針對一對之磁性切換元件1A，1B，強磁性層56 係各自具有相反方向之磁化Ml,隨之當施加電壓於閘道電極 40時，產生在這些磁性半導體層10,10之磁化M2的方向以因 應這些強磁性層20,20之磁化方向成違反方向。 也就是，可因應施加電壓於切換元件1A，1B任何一個之 情況來選擇對於爲TMR元件50之記憶層之強磁性層52的寫 入磁化M2之方向，並可進行2値資訊之寫入。 並且，關於圖1如前述所述，如根據本發明，因不必流動電 流來產生磁場，故可大幅地降低消耗電力。 在此，作爲磁性電阻效果元件50係可採用具有由至少2層 裝 訂 線 (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） -13- 經濟部智慈財產局員工消費合作社印^ 573376 A7 B7 五、發明説明（ 之強磁性層5 2,5 6與，至少1層之閘道絕緣層54而成之強磁性 隧道接合之構成，當採用強磁性隧道接合時，由改變磁性層之 自旋偏極率，除了可控制信號輸出，由改變隧道阻擋絕緣層之 厚度及阻擋高度之情況可控制接合電阻之優點。 另外，針對這些磁性電阻效果元件50係希望接近於強磁 性層56(ΡΙΝ層）設置反強磁性層58,因根據反強磁性層58可確 實固著PIN層56之磁化方向。 如此根據賦予反強磁性層58之PIN層56之磁化自旋方 向與記錄層52之磁化自旋方向爲平行或反平行，因接合電阻 改變，故根據檢測信號輸出之情況將可容易地讀出記錄層52 之自旋資訊。 另外，因根據本發明之切換元件來進行寫入，故磁性電阻 效果元件50之強磁性記錄層52係希望具有一軸異方性，因此 可使寫入磁化自旋方向安定。 接著，圖5所示之具體例的情況，切換元件1C係具有與如 圖4所示之構成同樣之構成，但，切換元件1D係具有從磁性 半導體層10依序堆積強磁性層20，非磁性層22，強磁性層 24,反強磁性層26之構造，如此根據組合非磁性層22〜反強磁 性層26之情況，將可使控制磁性半導體層10之磁化方向之強 磁性層20之磁化Ml之方向對於切換元件1C進行反轉，隨之 對於考慮對強磁性層之磁化固著處理之情況，將可得到容易 製造之優點。 另一方面，圖6及圖7所示之構造係爲本發明之第2形式之 元件構成，而切換元件1E〜1H係具有爲了對於磁性電阻效果 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） 批衣 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -14- 573376 Α7 Β7 五、發明説明（11) 元件50之記錄層52施加偏差磁場之強磁性層60。 圖6所示之記憶體元件之情況，切換元件1E之要部係具 有與圖4及圖5所示之切換元件1A及1C相同之層構造。 隨之，當施加電壓於這些切換元件1E與1F之任何一個之 情況，於各自之磁性半導體層1 〇都將形成相反方向之磁化 M2,並根據藉由強磁性層60來使此磁化作用在TMR元件之 記錄層52之情況，將可自由地寫入2値資訊。 另外，圖7所示之記憶體元件之情況，設置偏差施加用之 強磁性層60於磁性半導體層10與閘道絕緣膜30之間，對於此 情況，磁性半導體層1 0係根據施加電壓來形成磁化M2於強 磁性層2 0之磁化Μ 1之方向，並根據磁化形成磁化於強磁性層 60,再由此偏差磁場，將可自由地寫入2値資訊於記錄層52。 另外，又，針對圖7所例示之構造亦可將閘道絕緣膜30與 偏差施加用之強磁性層60作爲一體化，即，如採用電絕緣性且 具有強磁性之磁料，將可將這些2個層作爲一體化來形成，而 作爲這樣之材料係可舉出例如亞鐵酸鹽等之酸化鐵系之磁 性材料。 以上，如圖4乃至圖7所例示地，如根據本發明，根據使從 本發明之切換元件1Α〜1Η之磁場作用在記憶體記錄層52之 情況，並不是電流磁場而是根據電壓將可自旋反轉，作爲結果 ，將可實現大幅降低消耗電力之磁性記憶體。 又，針對圖4乃至圖7所示之具體例係作爲記憶體記憶元 件之磁性電阻效果元件，設置有強磁性隧道接合TMR(強磁性 1重隧道接合），但，本發明並不限定於此構成，只要記錄磁爲由 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） ---------^-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、?τ 線 經濟部智慈財產局肖工消費合作社印製 -15- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 573376 A7 B7 五、發明説明（ 可切換之強磁性層而成之構成，亦可採用其他構造之記憶體 元件。 圖8係說明針對圖5所例示之第1形式之記憶體元件之寫 入之模式圖，即，同圖所例示之記憶體元件之情況，對於TMR 元件50之磁化固著層56係接續著對紙面呈平行方向配置之 位元線BL 1，而對於記錄層52係接續著對紙面呈垂直方向配 置之位元線BL2。 在此，圖8(a)及（b)係表示寫入2値資訊之中的「〇」，而同 圖（c)及（d)係表示寫入2値資訊之中的「1」。 對於改寫記憶體元件之自旋資訊時係施加負的電壓於 切換元件1C或1D，或者於位元線BL1或BL2施加正的電壓，如 此，注入正孔於磁性半導體層10,並磁性半導體層10則從常磁 性狀態磁氣相轉移至強磁性狀態，此時，磁性半導體層1〇(強 磁性狀態）之自旋方向係根據與直接設置於磁性半導體層10 之強磁性層20之磁氣相互作用，規定爲強磁性層20之磁化Ml 之方向。 第1形式之記憶體元件之情況，因於此磁性半導體層10亦 接何有記憶體元件之記錄層52,故記憶體元件之記錄層52亦 根據記錄層52與磁性半導體層10之相互作用來規定於強磁 性層20之磁化M2之方向進行自旋反轉。 另外，圖9係說明針對圖6所例示之第2形式之記憶體元件 之寫入之模式圖，有關同圖係對於與關於圖1乃至圖8前述之 構成相同之要素係附上同樣的符號，而詳細之說明係省略。 圖9所示之具體例之情況，於磁性半導體層10鄰接設置爲 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -16- 573376 A7 B7 五、發明説明（ 了施加偏差磁場於記錄層52之強磁性層60,並且，根據磁性 半導體層10與偏差施加用強磁性層60之相互作用，規定偏差 施加用強磁性層60之自旋方向，並由從偏差施加用強磁性層 60之遺漏磁場（stray field),對記憶體元件之記錄層52施加偏 差磁場，而記錄層52則自旋反轉。 圖8及圖9所例示之構造之情況，針對切換元件1D，1F，爲 了規定磁性半導體層10之磁化自旋M2之方向所設置之強磁 性層20之磁化Ml之方向，賦予反強磁性層26,並藉由強磁性 層24與非磁性層22所堆積，當作爲如此之構造時，將強磁性層 20之固著自旋之方向，對於對象之切換元件1C，1E之強磁性 層之固著自旋之方向將可容易地180度反轉。 圖1〇係例示本發明之磁性記憶體之矩陣構成之模式圖， 即，由切換元件1與磁性電阻效果元件50所構成之記憶體元件 係如同圖所示地，配置在配線爲矩陣狀之位元線BL1，BL2與 字元線WL1，WL2之交差點的位置。 並且，根據適宜的施加規定電壓於這些位元線或字元線 之況，將對與磁性電阻效果元件50所組合之一對切換元件之 任何一個的磁性半導體層10誘發強磁性，使規定之磁化自旋 形成，並，根據此磁化自旋將可施行使鄰接之磁性電阻效果元 件50之記錄層之磁化反轉來進行寫入。 另外，對於爲了讀出磁性電阻效果元件50之記錄資訊係 選擇位元線BL 1，BL2,並檢測流動至接續於這些之磁性電阻 效果元件之方向，而作爲爲了讀出之具體的結構係如後詳述 地，可採用使用MOS開關及二極體等之結構，於配線爲矩陣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財4局g(工消費合作社印製 -17- 573376 經濟部智慧財產局工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（ 狀之位元線與字元線之週邊部具有選擇用電晶體之結構（單 純矩陣型）等。 如採用本發明之磁性切換元件，根據藉由閘道絕緣膜30 來施加閘道電壓之情況將可控制磁性電阻效果元件50之記 錄層52之磁性力矩方向，作爲其結果，將可不必以電流寫入而 以電壓來寫入，消耗電力明顯降低，伴隨這樣的情況將可實現 週邊電路之規模及尺寸縮小之小型高性能之固體磁性記憶 體。 又，針對本發明所矮用之磁性電阻效果元件50之記錄層 52之磁化方向係如後數詳述地未必爲直線狀。 圖11(a)〜（f)係例示記錄層52之平面形狀及其磁化方向之 模式圖。 磁性電阻效果元件之記錄層52係如同圖所例示地可具 有各種平面形狀，而形成於此之磁化M3係因應其形狀來形成 「邊緣區域」，即，磁性記錄層52係例如如同圖（a)所示，可作 爲附加突出部於長方形之一方的對角兩端之形狀及，如同圖 (b)所示之平行四邊形，如同圖（c)所示之菱形，如同圖（d)所 示之橢圓形，（e)邊緣傾斜型，（f)以45度角將長方形四角切齊 之鼓形（根據作爲此（f)之形狀將可明顯降低切換磁場）等之各 種情況，並且，如同圖（a)及（b)之非對稱形狀之情況，磁化M3 係並不爲直線狀，而是根據邊緣區域的形成來彎曲，針對本發 明係亦可使用具有如此灣曲之磁化M3之記錄層，而這些非對 稱之形狀係可根據將針對在微縮法採用之分度線之圖案形 狀作爲非對稱形狀容易地制作。 裝 訂 線 (請先閱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） -18- 573376 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（15) 另外，將磁性記錄層52圖案型成爲圖11(a)〜（c)或（e)〜（f) 所示之形狀之情況，實際上角部多爲圓狀，但角部即使爲圓狀 也可以。 另外在此，期望磁性記錄層之記錄層52之寬度W與長 度L的比L/D係比1 .2還大之情況，並對於長度L之方向賦 予一軸異方性，因此將可對於相互反對向之2方向確實且容易 地規定磁化M3之方向。 接著，關於可使用於本發明之磁性記憶體之磁性電阻效 果元件之堆積構成具體例來做說明。 圖12及圖13係表示具有強磁性一重隧道接合之磁性電 阻效果元件之剖面構造之模式圖。 即，圖1 2之磁性電阻效果元件之情況，於下地層B F上依 序堆積有反強磁性層AF，強磁性層FM1，隧道阻擋層TB，強 磁性層FM2,保護層PB，另鄰接於反強磁性層AF所重疊之強 磁性層FM 1則作爲磁化固著發揮作用，而堆積在隧道阻擋層 TB上之強磁性層FM2則作爲記錄層來發揮作用。 圖13之磁性電阻效果元件之情況，針對在隧道阻擋層TB 之上下各自設置重疊強磁性層FM與非磁性層NM與強磁性 層FM之重疊膜SL，而此情況，設置在反強磁性層AF與隧道 阻擋層TB之間之重疊膜SL亦作爲磁化固著層來發揮作用， 另設置在隧道阻擋層TB上之重疊膜SL則作爲記錄層來發 揮作用。 圖14乃至圖16係表示具有強磁性2重隧道接合之磁性電 阻效果兀件之剖面構造之模式圖，而有關這些圖面係對於關 裝 „ 訂 線 (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） -19- 573376 A7 B7 五、發明説明（16) 於賦予與圖1 2及圖1 3相同要素之同一符號，故省略詳細之說 明。 装-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 例示於圖14乃至圖16係之構造情況，前述之構成都設置 有2層的隧道阻擋層TB，並於其上下設置有強磁性層FM或， 強磁性層FM與非磁性層NM之重疊膜SL，對於例示在此之2 重隧道接合元件之情況係鄰接設置在其上下之反強磁性層 AF之強磁性層FM或重疊膜則作爲磁化固著發揮作用，而設 置在2層的隧道阻擋層TB之間之強磁性層FM或重疊膜SL 則作爲記錄層來發揮作用。 當採用如此之性2重隧道接合時則有著可增加對於記錄 層之磁化方向之電流變化的利點。 又，針對本發明之磁性記憶體來採用之磁性電阻效果元 件係並不限於圖1 2乃至圖1 6係所例示之構成，而除此之外例 如也可採用使第1強磁性層與非磁性層與第2強磁性層重疊 之所謂「自旋磁阻構造」之磁性電阻效果元件等。 線 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 作爲磁性電阻效果元件所採用之任何構造之情況亦可 使作爲將一方的強磁性層實質固著之「磁化固著層亦稱（pin 層）」來發揮作用，另可使作爲根據從外部施加磁場將另一方 之強磁性層變化磁化方向之「磁性記錄層」來發揮作用。 另外，如後述之詳述，根據讀出方式係亦作爲記錄層可採 用鄰接設置於反強磁性層之強磁性層。 針對這些磁性電阻效果元件，可作爲磁化固著層來採用 之強磁性體係可採用例如：Fe(鐵），Co(鈷），Ni(鎳），或這些合金 或，自旋分極率大之磁化強度，Cr〇2，RXMn〇3-y(在此R係表示 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -20- 573376 A 7 B7 經濟部智慧財產局工消費合作社印製 五、發明説明（17) 希土類，X係表示Ca(鈣），Ba(鋇），Sr(鋸））等氧化物，或NiMnSb( 鎳·鐘·銻），PtMnSb(白金錳·鍊）、C〇2MnGe、C〇2MnSi等之惠斯 勒（錳鋁銅）磁性合金。 另外，對於磁性固著層，作爲磁性半導體可採用 (11^11)八8，（0&，1^11)八8，（211，1^11)丁6,0&义211〇,1：丨〇2等之摻雜遷移 金屬至寬隙半導體之材料系或，（Cd^Mnx)GeP2，CrAs，（Ga ，Cr)As 等。 根據摻雜於寬隙半導體之遷移金屬之種類，濃度，磁性 半導體係可實現反強磁性，常磁性，強磁性之各種磁性狀態， 並亦可採用磁性半導體在針對圖12乃至圖16所例示之磁性 電阻效果元件之強磁性層，反強磁性層，非磁性層。 另外，對於磁性半導體根據以稀薄的濃度摻雜磁性元素 之情況，將可採用施加電壓來只注入電子或正孔時表示磁性 之構成，以ZnO爲例時，例如摻雜Μη於ZnO時，得到反強磁 性，而摻雜V，Cr，Fe，Co或Ni時，得到強磁性，另摻雜Ti或 Cu時，得到常磁性。 另外，對於GaN摻雜Μη之情況係因Ca爲3價，Μη爲2價 ，故孔亦自動的被摻雜，而無需如Ζη〇地摻雜正孔，順便帶述 對於GaN摻雜Μη之情況係成爲強磁性。 由這些合金而成之磁性固化層係期望具有一方向異方 性之情況，另外其厚度係期望在〇·1ηιη以上lOOnm以下，又此 強磁性層之膜厚係必須爲不會成爲超強磁性之程度之厚度， 而更期望的厚度爲〇.4nm以上。 另外，對於作爲磁化固著層來採用之強磁性體係期望爲 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -21 - 573376 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（18) 附加反強磁性膜來固著磁化之情況，而作爲如此之反強磁性 膜係可舉出Fe(鐵）-Μη(錳）· Pt(白金）-Μη(錳）· Pt(白金）-Cr( 鉻）-Μη(錳）· Ni(鎳）-Μη(錳）.Ir(銥）-Μη(錳）.NiO(氧化鎳 ).Fe2〇3(氧化鐵），或上述之磁性板導體。 另外，對這些磁性體係可添加Ag(銀），Cu(銅），Au(金），A1( 鋁），Mg(鎂），Si(矽），Bi(鉍），Ta(鉅），B(硼），C(炭），〇（氧），N(氮），Pd( 鈀），Pt(白金），Ζι*(鉻），Ir(銥），W(鎢），Mo(鉬），Nb(鈮）Η(氫）等非磁 性元素來調節磁性特性或其他調節結晶性，機械特性，化學特 性等各種物性之情況。 另外，作爲磁化固著層亦可採用強磁性層與非磁性層 之重疊膜，例如，可採用圖13所例示之強磁性層/非磁性層/強 磁性層之3層構造，而此情況，期望藉由非磁性層來在兩側之 強磁性層發揮反強磁性之層間的相互作用。 對於更具體來說，作爲固著磁性層於一方向之方法，期望 將 Co(Co-Fe)/Ru/Co(Co-Fe)，Co(Co-Fe)/ Ir(銥）/ Co(Co-Fe)， Co(Co-Fe)/Os/ Co(Co-Fe)，磁性半導體強磁性層/磁性半導體 非磁性層/磁性半導體強磁性層等之3層構造之重疊膜作爲磁 化固著層，並又於此鄰接設置反強磁性膜。 即使作爲此情況之反強磁性膜亦與前述之構成相同地 可採用 Fe- Mn，Pt· Mn, Pt- Cr- Mn，Ni- Mn，Ir- Mn，Ni〇， FeaCh，磁性半導體等，當採用此構造時，除了此磁化固著層之 磁化牢固地固著磁化之外，另外可減少由磁化固著層之洩漏 磁場（stray field)，並根據改變形成磁化固著層之2層強磁性層 膜厚之情況，將可調整磁性記錄層之磁化移動。 (請先閱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） -22- 573376 Α7 Β7 五、發明説明（19) 另一方面，即使作爲磁性記錄層之材料亦可與磁化固著 層相同地可採用例如：Fe(鐵），Co(鈷），Ni(鎳），或這些合金或， 自旋分極率大之磁化強度，Cr〇2，RXMnCh.y(在此R係表示希 土類，X係表示Ca(鈣），Ba(鋇），Sr(緦））等氧化物，或NiMnSb(鎳 •錳·銻），PtMnSb(白金錳·銻）C〇2MnGe、C〇2MnSi等之惠斯勒（ 猛銘銅）fe性合金。 作爲由這些材料而成之磁性記錄層之強磁性層係期望 對於膜面具有略平型之方向之一軸異方性之情況，另外其膜厚係 期望在O.lnm以上lOOnm以下，又此強磁性層之膜厚係必須爲不 會成爲超強磁性之程度之厚度，而更期望的厚度爲0.4nm以上。 另外，作爲磁性記錄層亦可採用軟磁性層/強磁性層之2 層構造或，強磁性層/軟磁性層/強磁性層之3層構造，而作爲 磁性記錄層，根據採用強磁性層/非磁性層/強磁性層之3層構 造或，採用強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性 層之5層構造來控制強磁性層之層間的相互作用強度之情況， 即使爲記憶體元件之磁性記錄層之元件寬度成爲亞微粒亦 不用增加電流磁場之消耗電力及可得到更期望之效果，而5層 構造之情況，中間強磁性層係更期望採用軟磁性層或由非磁 性元素所分斷之強磁性層。 針對磁性記錄層亦可於磁性體添加Ag(銀），Cu(銅），Au( 金），A1(鋁），Mg(鎂），Si(矽），Bi(鉍），Ta(鉅），B(硼），C(炭），〇(氧），N( 氮），Pd(鈀），Pt(白金），Z:r(鉻），Ir(銥），W(鎢），Mo(鉬），Nb(鈮）Η(氫） 等非磁性元素來調節磁性特性或其他調節結晶性，機械特性， 化學特性等各種物性之情況。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財4局g(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（210X 297公釐） -23- 573376 A7 B7 經濟部智慈財產局a(工消費合作社印製 五、發明説明（2Q) 另一方面，對於作爲磁性電阻效果元件來採用TMR元件 之情況，作爲設置在磁化固著層與磁化記錄層之間的隧道阻 擋層TB之材料係可採用Al2〇3(氧化鋁），Si〇2(氧化矽），Mg〇( 氧化鎂），A1N (氫化銘），B i 2 0 3 (氫化鉍），M g F 2 (氟化鎂），C a F 2 (氟 化鈣），SrTi〇2(氧化鈦·緦），AlLaCh(氧化鑭·鋁），A1-N-0 (氧化 氫化鋁），非磁性半導體（Zn〇，InMn，CaN，CaAs，Ti〇2，Zn，Te，或塗 抹遷移金屬於這些上之構成）等。 這些化合物係從化學量論來看並不需要完全正確之組 合，並即使存在有氧素，氫素，氣素等之欠損或過不足亦可，另 外，此絕緣層（誘電體層）之厚度係期望相當於隧道電流動之 厚度程度，而事實上係期望在l〇nm以下。 如此之磁性電阻效果元件係可採用各種濺射法，蒸鍍法， 分子線外延生長法，CVD法等之通常的薄膜形成手段來形成 在規定之基板上，而作爲此情況之基板係可採用例如：Si(矽 )，Si〇2(氧化矽），Al2〇3(氧化鋁），尖晶石，A1N(氫化鋁），CaAs， CaN等各種之基板。 另外，於基板上，作爲下地層及保護層等，亦可設置由Ta( 鉅），Ti(鈦），Pt(白金），Pd(鈀），Au(金），Ti(鈦）/Pt(白金），Ta(鉅 )/Pt(白金），Ti(鈦）/Pd(鈀），Ta(钽）/ Pd(鈀），Cu(銅），A1(鋁）， CaAs，CaN，ZnO, TiCh等之半導體下地等而成之層。 另外作爲偏磁用磁性層，固著用強磁性層係添加Pt，Pd 等之元素於Fe，Co，Ni或這些合金來做成半硬膜也無妨。 以上，關於針對本發明之磁性記憶體之磁性電阻效果元 件，切換元件之配置關係，材料已說明過。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -24- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 573376 A7 B7 五、發明説明（21) 接著，就有關本發明之磁性記憶體之元件構造來舉出具 體例來說明。 首先，關於可採用在本發明之磁性記憶體之讀出用結構 之第1具體例來做說明。 圖17〜圖21係表示可採用於本發明之磁性記憶體之讀出 用結構之第1具體例之模式圖，即，同圖係表示記憶體陣列之 剖面構造圖，有關這些圖面係對於關於與圖1乃至圖16前述之 構成相同之要素係附上相同之符號，而詳細之說明則省略。 針對此構造係於配線成矩陣狀之讀出用位元線BL 1，BL2 接續著複數之磁性電阻效果元件C，所謂「單純之矩陣形」 之讀出結構。 對於讀出時係由選擇電晶體ST根據選擇位元線 BL1，BL2之情況，可將讀出電流流動至目的的磁性電阻效果 元件50,然後再根據讀出放大器SA進行檢測。 圖18係表示採用圖5所例示之第1形式記憶體元件之單 純矩陣型磁性記憶體之具體例。 另外，圖1 9係表示將磁性電阻效果元件50作爲強磁性2重 隧道接合之具體例。 另一方面，圖20係表示採用圖6所例示之第2形式記憶體 元件之單純矩陣型磁性記憶體之具體例。 另外，圖2 1係表示將磁性電阻效果元件50作爲強磁性2重 隧道接合之具體例。 針對圖1 7乃至圖2 1所示之任何一個構成，對於寫入至記 錄層52係也根據施加電壓至閘道電極40注入電子或正孔於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------裝------訂------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -25- 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 573376 A7 _B7_ 五、發明説明（23 磁性半導體層10之情況來進行。 接著，圖22及圖23係表示可採用於本發明之磁性記憶體 之讀出用結構之第2具體例之模式圖，即，具體例係爲作爲讀 出用結構來採用CMOS之情況的構造例。 採用CMOS之情況，讀出係將下部選擇電晶體ST開啓， 再藉由位元線BL1流動讀出電流至磁性電阻效果元件50來進 行，另一方面，寫入係根據施加電壓於任何一個切換元件之閘 道電極40注入正孔至磁性半導體層10之情況來進行，在此，圖 22係採用第1形式之記憶體元件之情況，圖23係採用第2形式 之記憶體元件之情況。 圖24乃至圖26係表示可採用於本發明之磁性記憶體之 讀出用結構之第3具體例之模式圖，針對此結構係對於讀出用 位元線BL 1來並連接續複數之磁性電阻效果元件50。 對於讀出時係根據由各自選擇電晶體ST選擇接續在作 爲目的之磁性電阻效果元件50之位元線BL1及BL2,再由讀 出放大器SA檢測電流，二極體D係再讀出這些時具有藉由 配縣爲矩陣狀之其他磁性電阻效果元件C來遮斷流動之迂 迴電流之作用。 寫入係根據施加電壓於任何一個切換元件之閘道電極 40注入正孔至磁性半導體層1〇之情況來進行。 在此，圖25係採用第1形式記憶體元件之情況，而圖26係 採用第2形式記憶體元件之情況。 接著，關於可採用在本發明之磁性記憶體之結構之第4 具體例來做說明。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------批衣------、玎------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -26- 573376 A7 B7 五、發明説明（23) 圖27乃至圖29係表示讀出用結構之第4具體例之模式圖， SP，同圖係表示記憶體元件之剖面構造。 -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 針對此結構係作爲於讀出用位元線BL 1與讀出用位元 線BL2之間並聯接續「梯形」著複數之磁性電阻效果元件C 之結構。 寫入係根據施加電壓於與磁性電阻效果元件50所組合 之任何一個切換元件之閘道電極40,並注入電子或正孔至其 磁性半導體層1 0之情況來進行，在此，圖29係表示採用第1形 式記憶體元件之情況，而圖26係採用第2形式記憶體元件之情 況。 經濟部智惡財凌局員工消費合作社印製 另一方面，對於讀出係施加電壓於位元線BL1及BL2之 間，如此電流將流動至在此之間並聯所接續之所有磁性電阻 效果元件50,根據讀出放大器SA邊檢測此電流的合計，邊施 加寫入電壓於因應目的之磁性電阻效果元件50之切換元件， 然後將目的之磁性電阻效果元件50之磁性記錄層52之磁化 改寫至規定之方向，根據檢測此時之電流變化的情況，將可進 行記錄在目的之磁性電阻效果元件之磁性記錄層52之2値資 訊的讀出。 即，改寫前之磁性記錄層52之磁化方向如與改寫後之磁 化方向爲相同之情況，根據讀出放大器SA所檢測之電流係 沒有變化，但，對於在改寫前後磁性記錄層52之磁化方向反轉 之情況係根據讀出放大器SA所檢測之電流則根據磁性電阻 效果變化，如此將可讀出改寫前之磁性記錄層52之磁化方向， 即收納資料。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -27- 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 573376 A7 B7 五、發明説明（24) 但，此方法係再讀出時使收納資料變化，所謂因應「破壞 讀出」。 對此，對於將磁性電阻效果元件之構成作爲磁化自由層/ 絕緣層（非磁性層）/磁性記錄層之構造的情況係可進行所謂 「非破壞讀出」，即，對於採用此構造之磁性電阻效果元件之 情況係根據紀錄磁化方向於磁性記錄層，而在讀出時係使磁 性記錄層之磁化方向作適宜的變化來將讀出電流作比較之 情況，將可讀出磁性記錄層之磁化方向，但對於此情況係有必 要將磁性記錄層之磁化反轉磁場作爲比磁化自由層之磁化 反轉磁場還小之設計。 接著，就有關採用本發明之切換元件之磁性探頭及磁性 磁頭來進行說明。 圖30係表示本發明之磁性探頭及磁性磁頭之基本構成 之槪念圖，有關同圖係對於關於與圖1乃至圖29前述之構成 相同之要素係附上相同之符號，而詳細之說明則省略。 本發明之磁性探頭係設置一對切換元件於磁極70之兩 側，而表示在同圖之具體例之情況，這些切換元件係相當於圖 1所示之構成，並且，針對這些切換元件係固著於強磁性層20 之磁化Ml互相相反的方向，隨之，施加電壓於磁性半導體層 10來誘發強磁性時，形成在各自之磁性半導體層10的磁化M2 之方向也因應這些成爲相反方向，根據此磁化M2來形成磁化 於磁極70,並施加其洩漏磁場M3於作用對象100。 本發明之磁性探頭進行之動作時係施加規定電壓於V0-VI間或V0-V2間之任何一個，如此一對之切換元件之任何一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ---------批衣------、玎------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -28- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 573376 A7 B7 五、發明説明（2$ 個一方的磁性半導體層10則形成磁化M2,並可從磁極70施加 規定方向之磁場於作用對象100,而作爲作用對象1〇〇,例如如 採用磁性記憶媒體，此磁性探頭係可作爲寫入用之磁性磁頭 來使用，此情況因寫入磁場之形成時也不會流動電流，固可大 幅降低消耗電力，且亦可縮小驅動電路之容量及規模。 又更加地，此磁性探頭係不只是磁性磁頭而應用於爲了 施加磁場之所爲的用途來得到同樣之作用效果。 另外，圖3 1所例示之構成係不只只有一例，例如如圖3 1所 示附加反磁性層於切換元件或其他將圖6乃至圖30例示之任 何一個構造進行變形亦包含在本發明之範圍。 【實施例】 以下，持續參照實施例，就有關本發明之實施形態進行更 詳細之說明。 (第1實施例） 首先，作爲本發明之地1實施形態，將圖18所示例隻單純 矩陣構造之記憶體陣列作爲基本，關於製作1個記憶體元件， 並確認第1形式之記憶體元件之動作原理的例來做說明。 關於此磁性記憶記憶體之構造，如沿著其製造順序來做 說明，誠如下記說明 於無圖示之基板上，首先作爲下層之位元線BL由金屬 鑲崁法製作由銅（Cu)而成之厚度Ιμιη之配線層，然後，以CVD 法來製作絕緣層，進行CMP，再進行平坦化，之後，根據濺射 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ：297公釐） 裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -29- 573376 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（26) 法將具有強磁性1重隧道接合之TMR元件之重疊構造膜進 行成膜，而其各層之材質及層厚係從下側依序爲 ，Ta(10nm)/Ru(3nm)/Ir-Mn(8nm)/CoFe(3nm)/Ru(lnm)/CoFe (3nm)/Al〇x(lnm)/CoFeNi(2nm)/Ru(5nm)/Ta(3nm)進行成膜，並 由圖案形成，此時，磁性記錄層係由C 〇 F e N i (2 n m)(小面積）/ Ru(1.5nm)/ CoFeNi(2nm)(大面積）而成，並藉由Ru層，強磁性 之相互作用則作用著。 接著，根據由作爲金屬光罩來採用最上層之W層，另採 用腐飽氣體之RIE(Reactive Ion Etching)，將重疊構造膜腐倉虫 至下側之Ta爲止之情況，製作TMR元件C2之獨立圖案。 之後，於圖案化後之CoFeNi/ Ru/ Ta之上方採用低溫 TE〇S(Tetra Ethyl Ortho Silicate)處理來將Si〇x成膜後，將圖 18所示之構造左側半面Si〇2進行RIE至Ta爲止進行剝離 後，採用縣射裝置，低溫MBE(Molecular Beam Epitaxy)，從下 側依序形成磁性半導體（CaMn)N(20nm)/CoFe(3nm)/ Ir-Mn(8nm)/Ta(3nm)/Si〇2(3 00nm)/Ru(10nm)之堆積構造。 作爲絕緣體根據低溫TEOS法堆積Si〇x，然後由CMP平 坦化後，將Ru作爲1.5nm之強磁性層CoFeNi(2nm)/Ru(5nm) 〇 接著，以相同的方法將Ru作爲金屬光罩來製作採用圖1 8 所示之構造之左側的切換元件，更加地，以相同的方法形成右 側之切換元件之磁性半導體（CaMn)N(20nm)/CoFe(3nm)/ Ir-Mn(8nm)/Ru(lnm)/CoFe(3nm)/Ir-Mn(8nm)/Ta(3nm)/Si〇2 (300nm)/Ru(l〇nm)之後以Si〇2覆蓋再以CMP進行平坦 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2IOX 297公釐） -30- 573376 A7 B7 五、發明説明（27) 化後形成via,而形成閘道電極及位元線BL2。 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 之後，導入可施加磁場之熱處理爐，並各自將一軸異方性 導入至TMR元件之磁性記錄層及TMR元件，切換元件之磁 性固著層。 針對如此所製作之本發明之磁性記憶體，爲了確認切換 元件之原理施加電壓於閘道電極並測定TMR元件之信號輸 出，其結果當交互施加電壓於2個切換元件之時，將可確認MR 比變化37%，進而得到本發明之磁性記憶體之效果實證。 (第2實施例） 首先，作爲本發明之地2實施形態，將圖20所示例隻單純 矩陣構造之記憶體陣列作爲基本，關於製作1個記憶體元件， 並確認第2形式之記憶體元件之動作原理的例來做說明。 線 經濟部智慈財產局8工消费合作社印製 於無圖示之基板上，首先作爲下層之位元線BL1由金屬 鑲崁法製作由銅（Cu)而成之·厚度Ιμιη之配線層，然後，以CVD 法來製作絕緣層，·進行 CMP(Chemical Mechanical Deposition)，再進行平坦化，之後，根據濺射法將具有強磁性1 重隧道接合之TMR元件之重疊構造膜進行成膜，而其各層之 材質及層厚係從下側依序作爲，了3(211111)/1111(311111)/?1-Mn(12nm)/CoFe(2.5nm)/Ru(lnm)/CoFe(3nm)/A10x(lnm)/CoFeN i(1.8nm)/Ru(1.5nm)/ CoFeNi( 1.8nm)/ Ta(9nm)/ Ru(30nm),接 著，根據由作爲金屬光罩來採用最上層之Ru層，另根據採用 氯系腐鈾氣體之RIE(Reactive Ion Etching)，將重疊構造膜腐 蝕至下側之Ru/ Ta/ Cu爲止之情況，製作TMR元件C2之獨 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） -31 - 573376 A7 B7 經濟部智慧財1局員工消費合作社印製 五、發明説明（28) 立圖案。 之後，採用低溫TEOS處理來將Si〇x成膜後，將圖20所示 之構造左側半面SiCh進行RIE至Ta爲止進行剝離後，採用 濺射裝置，低溫MBE，從下側依序形成CoFe(5nm)/磁性半導 體（CaMn)N(20nm)/ CoFe(3nm)/ Ir-Mn( 8nm)/ Ta( 3 nm)/ Si〇2(300nm)/ Ru(10nm)之堆積構造。 接著，以相同的方法將Ru作爲金屬光罩來製作採用圖20 所示之構造之左側的切換元件，更加地，以相同的方法形成右 側之切換元件之磁性半導體（CaMn)N(20nm)/ CoFe(3nm)/ Ru(lnm)/ CoFe(3nm)/ Ir-Mn(8nm)/ Ta(3nm)/ Si〇2( 3 00nm)/ Ru(lOnm)之後以SiCh覆蓋再以CMP進行平坦化後形成via, 而形成閘道電極及位元線BL2。 之後，導入可施加磁場之熱處理爐，並各自將一軸異方性 導入至TMR元件之磁性記錄層及TMR元件，切換元件之磁 性固著層。 針對如此所製作之本發明之磁性記憶體，爲了確認切換 元件之原理施加電壓於閘道電極並測定TMR元件之信號輸 出，其結果當交互施加電壓於2個切換元件之時，將可確認MR 比變化42%，進而得到本發明之磁性記憶體之效果實證。 以上，持續參照具體例，就有關本發明之實施形態已做過 說明，但，本發明係並不侷限於這些具體例，例如：有關構成切 換元件及磁性電阻效果元件之磁性半導體層，強磁性體，絕緣 膜，反強磁性體，非磁性金屬層，電極等之具體的材料及，膜厚， 形狀，尺寸等係根據該業者做適當選擇，同樣實施本發明，而 裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -32 - 573376 A7 B7 五、發明説明（ 得到相同效果之構成亦包含在本發明之範圍。 同樣地，關於以構成本發明之磁性記憶體之構造，材質， 形狀，尺寸，亦根據該業者做適當選擇，同樣實施本發明，而得 到相同效果之構成亦包含在本發明之範圍。 另外，本發明係不只是長度方向磁性記錄方式，另垂直方 向磁性記錄方式之磁性磁頭，或者關於磁性再生裝置亦可同 樣地是用來得到相同之效果。 其他，作爲本發明之實施形態將上述之磁性記憶體作爲 基礎，有關該業者適宜作設計變更來實施之所有的磁性記憶 體亦同樣屬於本發明之範圍。 【圖式簡單說明】 【圖1】 爲說明本發明之磁性切換元件之要不構成及其動作之 槪念圖。 【圖2】 表示使磁性半導體層10與強磁性層20之重疊順序反轉 之構造的模式圖。 【圖3】 表示將閘道絕緣膜與強磁性層一體化之磁性切換元件 之模式圖。 【圖4】 爲說明本發明之磁性記憶體之單位元件之寫入原理之 槪念圖。 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） W-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1·
I 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 -33- 573376 A 7 B7 五、發明説明（3() 【圖5】 爲說明本發明之磁性記憶體之單位元件之寫入原理之 槪念圖。 【圖6】 爲說明本發明之磁性記憶體之單位元件之寫入原理之 槪念圖。 【圖7】 爲說明本發明之磁性記憶體之單位元件之寫入原理之 槪念圖。 【圖8】 說明針對圖5所例示之第1形式之記憶體元件之寫入之 丰旲式圖。 【圖9】 說明針對圖6所例示之第2形式之記憶體元件之寫入之 f吴式圖。 【圖10】 例示本發明之磁性記憶體之矩陣構成之模式圖。 【圖11】 例示記錄層52之平面形狀及其磁化方向之模式圖。 【圖1 2】 表示具有強磁性一重隧道接合之磁性電阻效果元件之 剖面構造之模式圖。 【圖13】 表示具有強磁性一重隧道接合之磁性電阻效果元件之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公釐） ---------裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 蛵濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -34- 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 573376 A7 B7 五、發明説明（31) 剖面構造之模式圖。 【圖14】 表示具有強磁性2重隧道接合之磁性電阻效果元件之剖 面構造之模式圖。 【圖15】 表示具有強磁性2重隧道接合之磁性電阻效果元件之剖 面構造之模式圖。 【圖16】 表示具有強磁性2重隧道接合之磁性電阻效果元件之剖 面構造之模式圖。 【圖17】 表示可採用於本發明之磁性記憶體之讀出用結構之第1 具體例之模式圖。 【圖18】 表示採用圖5所例示之第1形式記憶體元件之單純矩陣 型磁性記憶體之具體例。 【圖19】 表示將磁性電阻效果元件50作爲強磁性2重隧道接合之 具體例。 【圖20】 表示採用圖6所例示之第2形式記憶體元件之單純矩陣 型磁性記憶體之具體例。 【圖21】 表示將磁性電阻效果元件50作爲強磁性2重隧道接合之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Α4規格（210x297公嫠） I I I I — 訂 n ϋ — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -35- 573376 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7_ ___五、發明説明（3念 具體例。【圖22】 表示可採用於本發明之磁性記憶體之讀出用結構之第2 具體例之模式圖。【圖23】 表示可採用於本發明之磁性記憶體之讀出用結構之第2 具體例之模式圖。【圖24】 表示可採用於本發明之磁性記憶體之讀出用結構之第3 具體例之模式圖。【圖25】 表示可採用在使用第1形式之記憶體元件之情況的本發 明磁性記憶體之讀出用結構之第3具體例模式圖。【圖26】 表示可採用在使用第1形式之記憶體元件之情況的本發 明磁性記憶體之讀出用結構之第3具體例模式圖。【圖27】 表示讀出用結構之第4具體例之模式圖。【圖28】 表示採用第1形式之記憶體元件之讀出用結構之第4具 體例模式圖。【圖29】 表示採用第2形式之記憶體元件之讀出用結構之第4具 體例模式圖。 ---------批衣------1T------^ (請先聞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） -36- 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 573376 A7 B7 五、發明説明（3含 【圖30】 表示本發明之磁性探頭及磁性磁頭之基本構成之槪念 圖。 【圖31】 表示附加反強磁性層於切換元件之本發明之磁性探頭 及磁性磁頭的基本構成槪念圖。 【符號說明】 DL1，DL2 數字線 C1，C2 磁性電阻效果元件 BL 位元線 FM 強性磁性層 NM 非磁性層 SA 放大器
Ml,M2 讀出用配線 AF 非強性磁性層 TB 遂道阻擋層 SL 重疊膜 SM 覆蓋層 310 驅動器 320 薄板（SINKER)
Trl 切換元件 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -37-

Claims (1)

  1. 573376 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍， 1. 一種磁性切換元件，其特徵爲具備有實質固著磁化方 向之強磁性層與，由設置於從前述強磁性層之磁場達到之 範圍內，且施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至強磁性狀態 之磁性半導體層，其中施加電壓於前述磁性半導體層時，因應 前述強磁性層之前述磁化方向之磁化則被形成於前述磁性 半導體層。 2. 如申請專利範圍第1項之磁性切換元件，其特徵爲鄰接 前述強磁性層設置反強磁性層之情況。 3. 如申請專利範圍第1項之磁性切換元件，其特徵爲鄰接 前述強磁性層依序堆積非磁性層，強磁性膜，反強磁性層， 並前述強磁性膜與前述強磁性層之磁化方向呈相互相反方 向之情況。 4. 一種磁性切換元件，其特徵爲具備有聞道電極與，根據 施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至強磁性狀態之磁性半 導體層與，設置在前述閘道電極與前述磁性半導體層之間或 與前述閘道電極相反側之實質固著磁化方向之強磁性層，其 中並藉由前述閘道電極來施加電壓於前述磁性半導體層時，. 因應前述強磁性層之前述磁化方向之磁化則被形成於前述 磁性半導體層。 5. 如申請專利範圍第4項之磁性切換元件，其特徵爲更具 備設置在前述閘道電極與前述磁性半導體層之間的閘道絕 緣膜。 6. 如申請專利範圍第4項之磁性切換元件，其特徵爲前述 強磁性層係設置於前述閘道電極與前述磁性半導體層之間， i紙張尺度逋用中國國家揉準（CNS )八4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 訂 線 -38 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 573376 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍2 並具有電絕緣性之情況。 7. 如申請專利範圍第4項之磁性切換元件，其特徵爲鄰接 前述強磁性層設置反強磁性層之情況。 8. 如申請專利範圍第4項之磁性切換元件，其特徵爲鄰接 前述強磁性層依序堆積非磁性層，強磁性膜，反強磁性層， 並前述強磁性膜與前述強磁性層之磁化方向呈相互相反方 向之情況。 9. 一種磁性記憶體，其特徵爲具備有具有實質固著磁化 於第1方向之強磁性層與，由設置於從前述第1強磁性層之 磁場達到之範圍內，且施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至 強磁性狀態之第1磁性半導體層，並施加電壓於前述第1磁性 半導體層時，因應前述第1強磁性層之前述磁化方向之磁化則 被形成於前述磁性半導體層之第1磁性切換元件與，具有實 質固著磁化於與前述第1方向不同之第2方向之第2強磁性層 與，由設置於從前述第2強磁性層之磁場達到之範圍內，且施 加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至強磁性狀態之第2磁性半 導體層，並施加電壓於前述第2磁性半導體層時，因應前述第2 強磁性層之前述磁化方向之磁化則被形成於前述磁性半導 體層之第2磁性切換元件與，擁有具有由強磁性體而成之記錄 層的磁性電阻效果元件之記憶體元件，另於前述.第1磁性切換 元件之前述第1磁性半導體層形成前述磁化時，而因應其磁化 之磁化則被形成於前述記錄層，而於前述第2磁性切換元件之 前述第2磁性半導體層形成前述磁化時，而因應其磁化之磁化 則被形成於前述記錄層。 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） : -39- ---------^------1T------0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 573376 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 _六、申請專利範圍3 10·如申請專利範圍第9項之磁性記憶體，其特徵爲前述 磁性電阻效果元件係具有由強磁性體而成之固著層與，設置 在前述記錄層與前述固著層之間的隧道阻擋層。 1 1 ·如申請專利範圍第9項之磁性記憶體，其特徵爲前述 第1方向與前述第2方向呈相互略相反之方向。 12. 如申請專利範圍第11項之磁性記憶體，其特徵爲前 述前述記錄層係具有其磁化可容易地沿著規定軸之方向的 一軸異方性，並前述磁化成爲容易之方向則與形成在第1及第 2磁性半導體層之前述磁化之方向呈略平行之情況。 13. —種磁性記憶體，其特徵爲具備有具有第1閘道電極 與，根據施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至強磁性狀態之 第1磁性半導體層與，設置在前述第1閘道電極與前述第1磁性 半導體層之間或與前述第1磁性半導體層之前述第1閘道電 極相反側而實質固著磁化方向於第1方向之第1強磁性層，並 藉由前述第1閘道電極來施加電壓於前述第1磁性半導體層 時，因應前述第1強磁性層之前述磁化方向之磁化則被形成於 前述第1磁性半導體層之第1磁性切換元件與，具有第2閘道. 電極與，根據施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至強磁性狀 態之第2磁性半導體層與，設置在前述第2閘道電極與前述第2 磁性半導體層之間或與前述第2磁性半導體層之前述第2閘 道電極相反側而實質固著磁化方向於與第1方向不同之第2 方向之第2強磁性層，並藉由前述第2閘道電極來施加電壓於 前述第2磁性半導體層時，因應前述第2強磁性層之前述磁化 方向之磁化則被形成於前述第2磁性半導體層之第2磁性切 本紙張尺度逋用中國國家梂準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） " ： -40- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 装· ,ιτ 線 573376 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍4 換元件與，擁有具有由強磁性體而成之記錄層的磁性電阻效 果元件之記憶體元件，另於前述第1磁性切換元件之前述第1 磁性半導體層形成前述磁化時，而因應其磁化之磁化則被形 成於前述記錄層，而於前述第2磁性切換元件之前述第2磁性 半導體層形成前述磁化時，而因應其磁化之磁化則被形成於 前述記錄層。 14.如申請專利範圍第13項之磁性記憶體，其特徵爲更 具備設置在前述第1閘道電極與前述第1磁性半導體層之間 的第1閘道絕緣膜與設置在前述第2閘道電極與前述第2磁性 半導體層之間的第2閘道絕緣膜之情況。 1 5 .如申請專利範圍第1 3項之磁性記憶體，其特徵爲前 述第1強磁性層係設置於前述第1閘道電極與前述第1磁性半 導體層之間，並具有電絕緣性，而前述第2強磁性層係設置於 前述第2閘道電極與前述第2磁性半導體層之間，並具有電絕 緣性之情況。 16. 如申請專利範圍第13項之磁性記憶體，其特徵爲鄰 接前述第1強磁性層設置第1反強磁性層，並鄰接前述第2強磁 性層設置第2反強磁性層之情況。 17. 如申請專利範圍第13項之磁性記憶體，其特徵爲鄰 接前述第1及第2強磁性層之任何一方，並依序堆.積非磁性層， 強磁性膜，反強磁性層，並前述第1及第2強磁性層之前述任 何一方與強磁性膜之磁化方向呈相互相反方向，而前述第1及 第2強磁性層之磁化方向則朝相反方向之情況。 18. 如申請專利範圍第13項之磁性記憶體，其特徵爲前 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） : I—II I—裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -41 - 573376 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 _ D8六、申請專利範圍5 述磁性電阻效果元件係具有由強磁性體而成之固著層與，設 置在前述記錄層與前述固著層之間的隧道阻擋層。 19·如申請專利範圍第13項之磁性記憶體，其特徵爲前 述第1方向與前述第2方向呈相互略相反之方向。 20.如申請專利範圍第19項之磁性記憶體，其特徵爲前 述前述記錄層係具有其磁化可容易地沿著規定軸之方向的 一軸異方性，並前述磁化成爲容易之方向則與形成在第1及第 2磁性半導體層之前述磁化之方向呈略平行之情況。 2 1. —種磁性記憶體，其特徵爲具備有具有實質固著磁 化於第1方向之強磁性層與，由設置於從前述第1強磁性 層之磁場達到之範圍內，且施加電壓之情況，從常磁性狀態遷 移至強磁性狀態之第1磁性半導體層，並施加電壓於前述第 1磁性半導體層時，因應前述第1強磁性層之前述磁化方向 之磁化則被形成於前述磁性半導體層之第1磁性切換元件 與，具有實質固著磁化於與前述第1方向不同之第2方向 之第2強磁性層與，由設置於從前述第2強磁性層之磁場 達到之範圍內，且施加電壓之情況，從常磁性狀態遷移至強磁 性狀態之第2磁性半導體層，並施加電壓於前述第2磁性半 導體層時，因應前述第2強磁性層之前述磁化方向之磁化則 被形成於前述磁性半導體層之第2磁性切換元.件與，擁有具 有由強磁性體而成之記錄層的磁性電阻效果元件之記憶體 元件，另將於前述第1磁性切換元件之前述第1磁性半導體 層形成前述磁化時，而因應其磁化之磁化則被形成於前述記 錄層，而於前述第2磁性切換元件之前述第2磁性半導體層 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4规格（21〇><297公釐） ：—' -42- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝· 、1T 線 573376 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍6 形成前述磁化時，而因應其磁化之磁化則被形成於前述記錄 層所構成之記憶體元件採用複數個來設置成矩陣狀，並根據 選擇這些記憶體元件，施加前述電壓於其記憶體元件之前述 第1及第2前述磁性半導體層之任何一個的情況，作爲可對 其記憶體元件之前述磁性半導體層之前述記錄層寫入因應2 値資訊之任何一個之磁化之情況。 I I 裝 訂 I 線 (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 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -43-
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