TW578169B - Magneto-resistance effect film and memory using it - Google Patents

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578169 A7 B7 五、發明説明（1) 發明背景 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明是關於磁阻效應膜以及使用該膜之記憶體。 相關背景技藝 近年來，如固態記憶體之半導體記憶體經常被使用在 資訊技術設備且有各式的記憶體包括動態隨機存取記憶體 (DRAM)，鐵電隨機存取記憶體（F e R A Μ )，快 閃電子抹除可程式唯讀記憶體（E E P R〇Μ )等等。這 逛半導體記憶體的特性包括優點與缺點且存在無記憶體滿 足所有由本資訊設備需要之規格。例如，D R A Μ有高記 錄密度且大量可複寫次數，但是揮發性記憶體，其沒有電 源的供應即失去資訊。快閃E E P R〇Μ是非揮發性的， 但它需要長時間作爲資訊的抹除且因此不適於資訊的快速 處理。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 相對於上述半導體記憶體，磁阻效應隨機存取記憶體 (M R A Μ )是可滿足由關於記錄時間，讀出時間，記錄 密度，可複寫次數，功率消耗等之許多資訊設備所需之所 有規格之永久性記憶體。特別是，M R A Μ使懸垂自旋穿 隧磁阻效應的使用產生大讀出訊號且因此在較高的記錄密 度的完成或快速讀出是有利的，且如M R A Μ之其實用性 在最近的硏究.報告中被證實。 用作M R A Μ的元件之磁阻效應膜的基本架構是兩磁 層係穿過非磁層相鄰地形成之三層結構。經常作爲非磁膜 使用之材料是C u與A 1 2〇3。具有此導體如C u或其類 -------- -----Π. .4 7______ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Μ規格（21 ΟΧ 297公釐） 578169 A7 B7 五、發明説明（2) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 似做的非磁層之磁阻效應膜是所謂的巨大磁阻（G M R ) 膜，且具有此絕緣體如A 1 2〇3或其類似做的非磁層之磁 阻效應膜是所謂的懸垂自旋穿隧磁阻效應（T M R )膜。 通常，T M R膜展現大於G M R膜之磁阻效應。 由於元件大小之降低以加強M R A Μ的記錄密度， M R A Μ使用向平面經磁化膜達到面對因爲去磁場的影響 或磁化的旋度c u r 1 i n g於末面之資訊的保留之失敗 的問題。爲了克服此問題，例如，有以矩形形成磁層的方 法，但此方法不允許元件大小之降低。所以，記錄密度之 許多改進不能由該方法預期。因此做了一個建議以，例如 ，如曰本公開專利案號1 1 — 21 3650 (U · S ·專 利數字6 ，2 1 9，2 7 5 )說明之由垂直地經磁化膜的 使用克服上述問題。在此方法中，去磁場不增加甚至由於 元件大小之降低，且因此它最好以較小於M R A Μ使用向 平面經磁化膜之大小實現磁阻效應膜。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在使用垂直地經磁化膜之磁阻效應膜的例子，磁阻效 應膜的電子阻抗在兩磁層彼此平行之磁化的方向之狀態中 相當小，但電子阻抗在磁化的方向彼此逆平行之狀態中相 當大，如在使用向平面經磁化膜之磁阻效應膜的例子。圖 1 Α至1 D解釋使用垂直地經磁化膜之磁阻效應膜的經磁 化狀態與阻抗的強度間之關係之示例。圖1 A至1 D中， 各磁阻效應膜由第一磁層（讀出層）2 1 ，堆疊在讀出層 上且具有較讀出層2 1高之強制力之垂直地經磁化膜做的 第二磁層（記錄層）2 3，以及夾在這些層間之非磁層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 578169 A7 B7 五、發明説明（3) 2 2構成的。讀出層2 1與記錄層2 3說明之箭頭表示個 層之磁化的方向。在本範例中假設記錄層2 3之向上磁化 方向代表” 1 ”且向下方向代表” 〇 ” 。 當兩層之磁化的方向都向上時如圖1 A所示，磁阻效 應膜相當小。當讀出層2 1之磁化的方向向下且記錄層 2 3之磁化的方向向上如圖1 C所示時，電子阻抗變相當 大。因此，當外部磁場被採用以便引導” 1 ”的記錄狀態 之讀出層2 1之磁化向上，之後另一外部磁場被採用以便 引導讀出層2 1之磁化向下，磁阻效應膜的電子阻抗改變 成增加。此改變允許” 0 ”的資訊被讀出。然而，在讀出 作業採用之外部磁場應是不至於改變記錄層2 3之磁化的 方向之強度的磁場。另一方面，電子阻抗在讀出層2 1之 磁化的方向是向上且記錄層2 3之磁化的方向是向下如圖 1 B所示之狀態中相當大，反之電子阻抗在兩層之磁化的 方向都向下如圖1 D所示之狀態相當小。因此，當類似以 上之讀出作業在” 0 ”的記錄狀態被實行，電子阻抗改變 成降低。所以，此改變允許” 0 ”的資訊被讀出。 主要用作先前說明之讀出層與記錄層之垂直地經磁化 膜之材料包括合金膜及至少一選自地球稀有金屬如G d， Dy，Tb等之元素與至少一選自過渡金屬如Co ，Fe ，N i等之元.素的人造柵格膜；過渡金屬與貴重金屬如 C o/P t與其它的人造柵格膜；垂直於膜表面之方向具 有磁晶各向異性’如C 0 C r與其匕之合金膜。追些金屬 之間，地球稀有金屬與過渡金屬的非晶合金是最簡單的以 _____ ______— - R - __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X297公羡） -----------^^衣-- (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 578169 A7 _B7 五、發明説明（4) 形成垂直地經磁化膜且適合使用於記憶元件。特別是，含 G d如地球稀有金屬之非晶合金是最好可應用至記憶元件 ’因爲降低飽合之磁場與強制力是可能的。 順便一提，爲了達成大的磁阻效應，必需放具有大自 旋極化之磁性材料在具有非磁膜之介面。然而，有大的磁 阻效應在非磁膜係夾在含如上述之G d之非晶合金做的磁 膜間之三層結構的磁阻效應膜中不能獲得之問題。可想要 的理由是存在G d原子在具有非磁膜之介面。即，4 f電 子對於G d的磁化是重要的且不同於導電電子。當此原子 存在於具有非磁層之介面時，與G d原子碰撞之電子在 G M R膜的例子中不經歷自旋散射且在T M R膜的例子中 不經歷自旋穿隧。因此，總磁阻效應在磁阻效應膜中微小 的出現。 發明的節要

本發明的目的是解決習知技藝之問題且提供具有大磁 阻效應之磁阻效應膜與使用磁阻效應膜之記憶體。V 本發明的上述目的係由磁阻效應膜達成，包含：垂直 地經磁化膜構成的第一磁層；堆疊在第一磁層上之垂直地 經磁化膜構成的第二磁層；夾在第一與第二磁層間之非磁 層；以及以粒狀於第一及第二磁層的其中之一與非磁層間 形成且具有自旋極化大於第一與第二磁層的其中之一的自 旋極化之第一磁區，其中第一磁區係與第一及第二磁層的 其中之一交換耦合。本發明的目的也係由記憶體達成，包 _____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -----------衣-- (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 578169 A7 B7 五、發明説明（5) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 含：磁阻效應膜構成的記億元件；記錄資訊於記憶元件之 機構；以及讀取記錄於記憶元件之資訊’其中磁阻效應膜 包含：垂直地經磁化膜構成的第一磁層；堆疊在第一磁層 上之垂直地經磁化膜構成的第二磁層；夾在第一與第二磁 層之非磁層；以及以粒狀於第一與第二磁層的其中之一及 非磁層間形成且具有自旋極化大於第一與第二磁層的其中 之一的自旋極化之第一^磁區’其中第一 δ纟纟區係與弟一%及弟 二磁層的其中之一交換耦合。 圖形的簡要說明 圖1 A，1 Β，1 C，與1 D是解釋磁阻效應膜的經 磁化狀態與阻抗的強度間之關係之示例； 圖2是顯示本發明的磁阻效應膜的第一實施例之槪要 截面圖； 圖3是顯示本發明的磁阻效應膜的第二實施例之槪要 截面圖； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖4是顯示本發明的磁阻效應膜的比較實施例之槪要 截面圖； 圖5是顯示使用本發明的磁阻效應膜之部分記憶體之 槪要截面圖； 圖6是顯示用於圖5的記憶體之磁阻效應膜的架構之 槪要截面圖； 圖7是記錄資訊於圖5的記憶體之寫入線路的電路圖 本紙張尺度適用中國國家標準（CNs ) A4規格（210X297公釐） 578169 A7 B7 五、發明説明（6) 圖8是讀取記錄於圖5的記憶體之資訊之電子電路圖 ;以及 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖9是顯示使用本發明的磁阻效應膜記錄資訊於記憶 體及讀取記錄在記憶體之資訊之電子電路之圖。 元件對照表 21:讀出層 2 2 :非磁層 2 3 :記錄層 111:第一磁層 1 1 2 :第二磁層 113:非磁層 114:第一磁區 1 :矽基底 116:保護膜 121:絕緣膜 1 2 2 :上電極 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 2 3 :接觸窗 1 1 : p型矽基底 1 2，1 3 : η型擴散區 3 4 2 :聞電極 3 5 6 :接地線 351，352，353，354，355，357 :接觸插件 _^_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 578169 A7 B7 五、發明説明（7) 352，353，354，355，357:接觸插 件 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 2 5 2 :位元線 1 0 5 :磁阻效應膜 3 5 8 :區域接線 2 3 2 :導體 3 4 1 :閘電極 2 3 1 :導體 1 1 5 :第二磁區 101，102，103，104，106，107 ，1 0 8，1〇9 :磁阻效應膜 311，312，313，314，321，322 ，3 2 3，3 2 4 :導體 211，212，213，214，215，216 ，217，218，219，220，221，222, 223，224，225，226:電晶體 4 4 1 :電源供應器 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 233，234，235，236，237，238 ，2 3 9 :導體 3 3 1，3 3 2，3 3 3 ··位元線 2 7 1，. 2 7 2 :導體 5 0 0 :感應放大器 2 4 0，2 4 1 ，2 4 2 ··電晶體 1〇0 :電阻 _- in -_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 578169 A7 ___B7 五、發明説明（8) 412:電源供應器 3 4 3 ··閘電極 較佳實施例的詳細說明 圖2是顯示根據本發明之磁阻效應膜的第一實施例之 槪要截面圖。圖2中，第一磁層1 1 3係透過非磁層 1 1 2堆疊在第一磁層1 1 1之上。即，非磁層係夾在第 一磁層1 1 1與第二磁層1 1 3之間。粒狀的第一磁區 1 1 4係在第二磁層1 1 3與非磁層1 1 2間之介面形成 。第一磁區有大於第二磁層1 1 3的自旋極化。第一磁區 1 1 4係與第二磁層1 1 3交換耦合。 第一磁層1 1 1與第二磁層1 1 3組成的垂直地經磁 化膜最好是地球稀有金屬與過渡金屬的非晶合金做的。非 磁層1 1 2最好是C U或A 1 2〇3做的。第一磁區1 1 4 係粒狀且具有高自旋極化的材料做的，例如，C 〇或 CoFe合金。通常，Co或CoFe合金本身不展示大 的垂直的磁各向異性。所以，當它以膜狀形成時，因爲去 磁場的影響，磁化以膜的向平面方向被引導。因此對於引 導垂直於膜表面之方向之磁化，高能量是需要的。然而， 當此磁性材料如C 〇，C 〇 F e合金等以球狀被形成時， 沒有形狀各向異性且因此磁化可相當簡單地以任何方向被 引導。實際上以完美地球狀形成磁性材料是困難的，但這 些以粒狀形成之磁性材料可達成類似於以球狀形成之磁性 材料之效果。磁性材料的形狀根據成型方法，成型條件， —_________ _ 11 _ 本紙張尺度適用中關家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·#τ填寫太 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 578169 A7 B7 五、發明説明（9) 以及下層的狀態而不同。磁性材料可由蒸發以粒狀較噴濺 更簡單地形成。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 圖2顯示第一磁區1 1 4係在非磁層1 1 2與第二磁 層1 1 3間之介面形成，但如上述具高自旋極化之材料做 的磁區也許係在非磁膜1 1 2與第一磁層1 1 1間之介面 形成。進一步，具高自旋極化之材料做的磁區也許分別係 在第一磁層111與非磁層112間之介面及第二磁層 1 1 3與非磁層1 1 2間之介面形成作第一磁區與第二磁 區。磁阻效應在兩介面具有磁區之架構較其中之一介面具 .有磁區之架構更顯著地出現。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在第一磁層1 1 1與非磁層1 1 2間之介面或第二磁 層1 1 3與非磁層1 1 2間之介面形成之磁區中，磁化最 好係在垂直於膜表面之方向以0的磁場被引導，‘即’在沒 有自外界之磁場的應用之狀態中。當如所述的磁區之磁化 係有關垂直於膜表面之方向傾斜時，最好是磁區之磁化隨 著垂直於膜表面之方向之磁場的應用被快速地引導成垂直 於膜表面之方向。當本發明的磁阻效應膜被應用至記憶元 件時，在記錄或讀出作業中應用磁場至磁阻效應膜之機構 經常是電子流流過導體以應用由電子流產生之磁場至該膜 之機構。這導體通常係A 1或A 1合金做的，且有電流密 度的限制。所以，也有可被應用至記憶元件的磁阻效應膜 之磁場的強度的限制。可真正被應用至記憶元件之磁場的 強度根據記憶體單元的結構而不同，但該限制是接近4 k A / m。因此，在第一磁層與非磁層間之介面或第二磁 ___ - 17 -_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 578169 A7 ___B7_ 五、發明説明（1?) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 層與非磁層間之介面形成之磁區之磁化需要在不超過4 k A /m的經磁化膜自外界被採用之狀態以垂直於膜表面 之方向被引導。 磁阻效應膜中，兩或更多磁層係透過數n m厚之非磁 層堆疊，且靜電耦合力作用於兩磁層間。特別是，既然 T M R的非磁層是大約2 n m厚之超薄，如果磁層之磁化 的強度高時，靜電耦合力變極大。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在兩磁層顛倒之磁化可在某些例子中由同強度的經採 用磁場造成。當具有強磁化之磁性材料如C 〇 ，C 〇 F e 合金或其類似被放置以便接觸非磁層的介面如本發明的磁 阻效應膜的例子，大靜電耦合力被預期有作用。降低靜電 耦合力的方法可能是第一磁層或第二磁層之磁化係以相對 於在介面形成之第一或第二磁區之磁化之方向被引導以降 低磁層之磁化與磁區（粒狀的磁性材料）之磁化結果產生 的磁場之方法。例如，在粒狀的磁性材料是C 〇 F e且第 一或第二磁層是G d F e的例子中，當磁層的成分是地球 (Gd )稀有子柵格磁化主導時，可被達成。當C 〇 F e 膜（磁區）係與G d F e膜（磁層）交換耦合時， C 〇 F e膜之F e原子的自旋與C 〇原子的自旋是平行於 G d F e膜之F e原子的自旋，但是逆平行於G d原子的 自旋。因此，當該成分是G d子柵格磁化主導時， G d F e膜之磁化的方向變成逆平行於C 〇 F e膜之磁化 的方向，以致於兩磁性材料結果產生的磁化強度變低。 在磁阻效應膜對記憶元件的應用有兩類可想到的架構 ___n___ 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><297公釐） 578169 A7 _B7_ 五、發明説明（ ••其中與非磁層有接觸形成之兩磁層的其中之一之磁化係 由應用於記錄作業之磁場顛倒，但另一磁層之磁化不被顛 倒之架構；以及其中兩磁層之磁化都被顛倒之架構。然而 ，在兩磁層之磁化都被顛倒的例子中，對於顛倒各個磁層 之磁化所需之磁場在強度上是不同的。即，當圖2所示之 磁阻效應膜被應用至記憶元件時，第一磁層1 1 1與第二 磁層1 1 3需要有互相不同的強制力。這些磁層之外使用 具有大強制力之磁層當作記錄層且使用較小的強制力之磁 層當作讀出層是共通的事實。 當僅具有可逆的磁化之磁層的其中之一之磁阻效應膜 被使用作記憶元件，爲了以非破壞性的方式讀出經記錄的 資訊，磁阻效應膜的電子阻抗被比較，例如，與固定的電 阻的阻抗値同時維持磁阻效應膜的磁化狀態，以決定它是 否大於或小於固定的阻抗値。 在兩磁層之磁化都是可逆的之例子中，資訊被記錄於 遭受與相當強的磁場相反之磁化之磁層且經記錄的資訊係 由反轉其它磁層之磁化且偵測該時之阻抗的改變而讀出。 對於改變磁阻效應膜之磁化的方向，磁場在垂直於膜 表面之方向被採用。磁阻效應膜是記憶元件之地方，在垂 直於膜表面之方向採用之磁場是根據被記錄之資訊決定之 方向之磁場。因此，在垂直於膜表面之方向採用之磁場需 要能夠快速地改變其方向。爲此原故，使用磁阻效應膜之 記憶體通常被裝配以致於在垂直於膜表面之方向採用之磁 場係由流過導體之電子流產生且磁場的方向係由改變電子 ——_- 14 -_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X：297公釐） ----------衣-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-5χ> 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 578169 A7 _B7 _ 五、發明説明（作 流的方向切換至另一方。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 除了膜表面之垂直方向之磁場之外’由應用膜的向平 面方向之間任意方向之磁場，降低應用至磁阻效應膜之磁 場的強度是可能的。此方法的應用允許選擇的記錄在任何 記憶元件。在向平面方向應用之磁場也許被產生，例如， 由永久磁石的使用，或由放導體於磁阻效應膜之上或下且 採用藉此產生之磁場的方法，至該膜。進一步，採用向平 面磁場之接線也可被使用作記憶體之位元線。 (範例1 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖3是顯示根據本發明之磁阻效應膜的第二實施例之 槪要截面圖。圖3中，參考數字1表示矽基底，1 1 1表 示第一磁層也作用爲下電極，112表示非磁膚，113 表示第二磁層，1 1 4表示第一磁區，1 1 6表示保護膜 ，1 2 1表示絕緣膜，1 2 2表示上電極。本範例中，具 有大於第一磁層1 1 1的自旋極化之磁區1 1 4的自旋極 化係以粒狀於第一磁層1 1 1與非磁層1 1 2間形成。第 一磁區1 1 4係與第一磁層1 1 1耦合交換。 圖3所示之磁阻效應膜係根據如下所示之過程產生。 首先，矽基底1被放在真空室中，且由Gd柵格磁化主導 GduF e 7.4構成垂直地.經磁化膜由噴濺於基底1上被形 成作5 0 n m的厚度之第一磁層1 1 1 。隨後，當真空室 被維持在真空狀態中，多個C 〇區域係由噴濺形成作大約 平均直徑2 · 5 n m粒狀之第一磁區1 1 4於第一磁層 ^ :— ------ . n 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 578169 A7 B7 五、發明説明（1 1 1 1的表面上。進一步，A 1 2〇3膜係由噴濺形成作 1 · 5 nm厚度之非磁層1 1 2於第一磁區1 1 4上且之 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 後基底被曝露於大氣以產生自然氧化。 接著，基底1再次被帶入真空室且F e子柵格磁化主 導丁 b i 9 F e 8 i的膜係由噴濺形成作3 0 n m厚度之第二 磁層1 1 3於非磁膜1 1 2上。進一步，P t膜被形成作 5 n m厚度之保護膜1 1 6於第二磁層1 1 3上。 隨後，第一抗蝕層係以1 // m X 1 // m的大小形成於 如上堆疊之層上，且T b i 9 F e 8 i膜係由銑洗系統自除了 第一抗蝕層下之區域外之區域移除。接著A 1 2 ◦ 3膜被形 成作3 0 n m厚度之絕緣膜1 2 1。之後，第一抗蝕層與 於其上沈澱之A 1 2〇3膜被移除。接著第二抗蝕層被沈澱 於其上，且之後第二抗蝕層被提除，且之後第二抗蝕層被 提除，藉此形成啞鈴狀的上電極1 2 2。進一步，爲了連 接接觸電流源與電壓計至第一磁層（下電極）1 1 1 ，部 分的絕緣膜1 2 1係由離子銑洗移除，藉此形成接觸窗 12 3° 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 接觸電流源與電壓計係連接至如上說明之磁阻效應膜 以測量磁阻效應膜的磁抗的改變率，且測量的結果是3 0 %。 (比較的範例） 圖4是顯示磁阻效應膜的比較範例之槪要截面圖。圖 4的磁阻效應膜有與圖3所示之磁阻效應膜相同的架構， 本^張尺^^中國國家標準（(：奶）八4規格（210'/297公釐）~' ^ 578169 Α7 Β7 五、發明説明（ 除了它沒設有第一磁區1 1 4。所以，圖4中相同的參考 符1號表示圖3相同的數字且其詳細說明在此被省略。 C讀先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) 圖4的磁阻效應膜係根據與範例1相同的方法與程序 產生’除了由真空蒸發形成的第一磁區1 1 4的步驟的省 略外。因此產生之磁阻效應膜的磁抗的改變率係由與範例 1相同的方法測量，且結果是1 · 8 %。 圖5是顯示使用本發明的磁阻效應膜之記憶體的部分 之槪要截面圖。圖5中，數字11表示p型矽基底。兩η 型擴散區1 2與1 3被形成在此基底1 1。接著字元線（ 閘電極）3 4 2係穿過這些區1 2與1 3間之絕緣膜 1 2 3放置，因此形成電晶體。 接地線3 5 6係透過接觸插件3 5 1連接至η型擴散 區1 2。磁阻效應膜1 〇 5係透過接觸插件3 5 2， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 5 7，3 5 3，3 5 4與區域接線3 5 8連接至η型擴 散區1 3。磁阻效應膜1 0 5係透過接觸插件3 5 5連接 至位元線2 5 2。進一步，產生磁場之導體2 3 2被設在 磁阻效應膜1 0 5的旁邊。本範例中，記憶體係由多個記 憶元件構成的，各由如上說明之架構的單元構成，以矩陣 型式於同一矽基底上。圖5中，數字3 4 1表示相鄰的記 憶元件之字元線（閘電極），數字2 3 1表示相鄰的記憶 元件之導體。 圖6是顯示圖5的記憶體使用之磁阻效應膜1 〇 5的 架構之槪要截面圖。圖6中，數字1 1 1表示第一磁層’ 1 1 2表示非磁層，1 1 3表示第二磁層，1 1 4表示第 ____ 17 - ____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 578169 A7 B7 五、發明説明（$ 一磁區，1 1 5表示第二磁區，以及1 1 6表示保護膜。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖6所示之磁阻效應膜係根據如下所說明之過程產生 。首先，G d柵格磁化主導G d 2 6 F e 7 4的垂直地經磁化 膜被形成作5 0 n m的厚度之第一磁層1 1 1。接著c 〇 區被形成作大約平均直徑2 · 5 n m粒狀之第一磁區於第 一磁層1 1 1上。隨後，A 1 2〇3膜被形成作1 . 5 n m 厚度之非磁層1 1 2於第一磁區上。接著C 〇區被形成作 大約平均直徑2 · 5 n m粒狀之第二磁區1 1 5於非磁層 1 1 2上。進一步，Tb子柵格磁化主導Tb27F e73的 膜被形成作3 0 n m厚度之第二磁層1 1 3於第二磁區 1 1 5上。最後，P t膜被形成作5 n m厚度之保護膜 1 1 6於第二磁層1 1 3上。 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 下列將說明記錄在圖5的記憶體之資訊的作業。圖7 是記錄在圖5的記憶體中之寫入線的電路圖。圖7中，數 字1 0 1至1 0 9各代表以3列3行的矩陣型式形成之磁 阻效應膜。磁阻效應膜1 0 1至1 0 9附近，導體3 1 1 ，3 1 2，3 1 3與3 1 4係以列方向並列，且導體 321 ，322 ，323與324以行方向。導體311 ，3 1 2，3 1 3與3 1 4係在它們的一端彼此連接且透 過各個電晶體211 ，212，213與214在它們連 接至電源供應器4 1 1的另一端彼此連接。另~方面，導 體3 2 1 ，3 2 2，3 2 3與3 2 4係在它們的〜端彼此 連接且透過各個電晶體223，224，225與226 在它們的另一端彼此連接。所連接之導體3 2 1至3 2 4 ______ ΛΟ _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉八4規格（210X 297公釐） - 578169 A7 __ B7_ _ 五、發明説明（作 的另一端係透過各個電晶體215，216，217與 218連接至導體311 ，312，313與314。導 體321，322，323與324係透過各個電晶體 219，220，221 與 222 接地。 圖7中，例如，在磁阻效應膜1 〇 5之磁化被選擇地 顛倒之例子中，電晶體2 1 2 ，2 1 7，2 2 5與2 2 0 被打開且其它電晶體被關掉。接著電子流流過導體3 1 2 ，313 ’ 323與322以產生繞著這些導體之磁場。 所以，自四導體同方向的磁場被應用僅至磁阻效應膜 1 0 5。此時，這些磁場結果產生的磁場被調整以便有點 強於元件的磁膜的磁化顛倒，藉以僅磁阻效應膜1 〇 5之 磁化可被選擇性顛倒。對於應用以反方向上述例子之磁場 '9 至磁阻效應膜1 0 5，電晶體2 1 3，2 1 6，2 2 4與 2 2 1被打開，且其它電晶體被關掉。在此例中，以反方 向上述例子之電子流流過導體3 1 2，3 1 3 ，3 2 3與 3 2 2以應用對磁阻效應膜1 0 5反方向的磁場。 下列將說明讀出圖5的記憶體之資訊的作業。圖8是 讀出記錄在圖5的記憶體之資訊之電路圖。圖8中，數字 1 0 1至1 0 9代表以3列3行的矩陣型式形成之磁阻效 應膜。磁阻效應膜1 0 1至1 0 9分別係在它們的一端連 接至電晶體2.3 1至2 3 9的集極。電晶體2 3 1至 2 3 9的射極接地。在磁阻效應膜1 0 1至1 〇 9之間， 各列之磁阻效應膜的另一端係各連接至位元線3 3 1， 332，或333。這些位元線331至333係由連接 ___- 1Q _ _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ί. ί — -- V 1 i - - r I - i I - - I (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製 578169 A7 B7 五、發明説明（巧 至感應放大器5 0 0的一輸入端之導體2 7 1至2 7 2在 它們的一端彼此連接。 另一方面，位元線3 3 1 ，3 3 2與3 3 3的另一端 係透過各個透過固定的電阻1 〇 〇連接至電源供應器 4 1 2之電晶體2 4〇’ 2 4 1與2 4 2彼此連接。電晶 體2 3 1至2 3 9之間，各行之電晶體的閘電極係分別連 接至字元線34 1 ’ 342與343。 圖8中，例如，記錄於磁阻效應膜1 〇 5之資訊被讀 出之地方，電晶體2 3 5與電晶體2 4 1被打開。此建立 電源供應器4 1 2 ’固定電阻1 0 0 ’與磁阻效應膜 1 0 5串聯之電路。爲此原故，電源供應電壓以對應於固 定電阻1 0 0的阻抗與磁阻效應膜1 〇 5的阻抗的比例之 電壓被分成固定電阻1 〇 〇與磁阻效應膜1 〇 5_。既然電 源供應電壓被固定’磁阻效應膜的電壓變化如磁阻效應膜 的阻抗變化。此電壓的變化係由感應放大器5 0 0偵測以 讀取資訊。 (範例3 ) 圖9是顯示記錄資訊於使用本發明的磁阻效應膜之記 憶體與讀取記錄於記憶體之資訊之電子電路。不同於範例 2是X方向寫入線被排除在垂直於膜表面之方向之磁場的 產生之X方向寫入線與Y方向寫入線外，位於記憶兀件旁 邊。本範例中，電子流係流過記錄作業之位元線以產生膜 的向平面方向之磁場，且自垂直於膜表面之方向之磁場的 -?n-__ 〆紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） I. n I- ;1 mV ϋϋ 1 HI m I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 578169 A7 _ B7 五、發明説明（1麥 產生之寫入線之磁場與自位元線之膜的向平面方向之磁場 結果產生的磁場被應用以改變想要的記憶元件之磁化的方 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 向° \/ 圖9中，數字1 〇 1至1〇9代表以3列3行的矩陣 型式形成之磁阻效應膜。各磁阻效應膜有如圖5所示架構 。磁阻效應膜1 0 1至1 0 9分別係在它們的一端連接至 電晶體2 3 1至2 3 9的集極。電晶體2 3 1至2 3 9的 射極接地。在磁阻效應膜1 0 1至1 0 9之間，各列之磁 阻效應膜的另一端分別係各連接至位元線3 3 1 ，3 3 2 與3 3 3。這些位元線3 3 1至3 3 3係透過電晶體 2 2 7連接至感應放大器5 0 0的一輸入端在它們的一端 彼此連接。參考電壓（Re f .)係應用至感應放大器 5 0 0的另一端。連接至彼此之位元線3 3 1至3 3 3係 透過電晶體2 2 8在一端接地。 另一方面，位元線3 3 1 ，3 3 2與3 3 3的另一端 係透過各個透過固定電阻1 0 0連接至電源供應器4 1 2 之電晶體2 4 0，2 4 1與2 4 2彼此連接。電晶體 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 3 1至2 3 9之間，各行之電晶體的閘電極係分別連接 至字元線341，342與343。 沿著行方向之導體（寫入線）3 1 1 ，3 1 2， 3 1 3與3 1. 4係在磁阻效應膜1 0 1至1 0 9附近並置 。導體3 1 1 ，3 1 2，3 1 3與3 1 4係在它們的一端 彼此連接且透過各個連接至電源供應器4 1 1之電晶體 2 1 1 ，2 1 2 ，2 1 3與2 1 4在它們的另一端彼此連 __-21 >_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 578169 A7 ____ B7 五、發明説明（， (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 接。導體3 11 ，312，313與314的另一端也係 透過各個電晶體215，216，21 7與218彼此連 接。因此連接之另一端進一步分別係透過電晶體2 2 3， 224與225連接至各個位元線331，332與 3 3 3 ° 下列將說明本範例的記憶體之記錄作業。例如，對於 選擇地顛倒磁阻效應膜1 0 5之磁化，電晶體2 1 2 , 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 2 1 7，2 2 4與2 2 8被打開且其它電晶體被關掉。在 此例中，電子流流過寫入線3 1 2與3 1 3以應用垂直於 膜表面之方向之磁場至磁阻效應膜1 〇 5。另一方面，電 子流也流過位元線3 3 2以應用膜的向平面方向之磁場至 磁阻效應膜1 0 5。所以，膜的向平面方向與垂直於膜表 面之磁場被應用僅至磁阻效應膜1 〇 5 ，藉此僅磁阻效應 膜1 0 5之磁化可被選擇性地顛倒。對於應用反方向之磁 場至磁阻效應膜1 0 5，電晶體2 1 3 ，2 1 6，2 2 4 與2 2 8被打開且其它電晶體被關掉。此例中，電子流流 過位元線3 3 2且也透過寫入線3 1 2與3 1 3以相反於 上述例子之方向流動以應用磁阻效應膜1 〇 5反方向的磁 場。 下列將說明讀出本範例的記憶體之資訊的作業。例如 ，對於讀取記.錄於磁阻效應膜1 0 5之資訊，電晶體 2 3 5與電晶體2 4 1被打開。此建立電源供應器4 1 2 ，固定電阻1 0 0，與磁阻效應膜1 0 5串聯之電路。所 以，電源供應電壓以對應於固定電阻1 0 0的阻抗與磁阻 ___ -99-_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 578169 A7 ___B7_ 五、發明説明（2少 效應膜1 0 5的阻抗的比例之電壓被分成固定電阻1 〇 0 與磁阻效應膜1 0 5。既然電源供應電壓被固定，磁阻效 應膜的電壓變化如磁阻效應膜的阻抗變化。此電壓的變化 係由感應放大器5 0 0偵測以讀取資訊。 如上述，本發明已實現具有大磁阻效應之磁阻效應膜 以及於至少第一及第二磁層的其中之一與非磁層間以粒狀 形成且具有大於這些磁層的自旋極化之磁層的提供的基礎 上使用它之記憶體。 本發明除了以上說明之實施例與範例外允許改變與修 改的變化。應了解本發明包含不違背申請專利範圍的範圍 所做的所有這樣的改變與修改。 (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（210X 297公釐） -22^

Claims (1)

1. 578169 AB-CD 正充修補 月 r i / 六、申請專利範圍 第9 1 1 1 1 484號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國92年1〇月28日修正 1 · 一種磁阻效應膜，包含垂直地經磁化膜構成的第 一磁層（1 1 1 )，堆疊在該第一磁層上之垂直地經磁化 膜構成的第二磁層（1 1 3 )，以及夾在該第一與第二磁 層間之非磁層（1 1 2 )， 其中於該第一及第二磁層的其中之一磁層與非磁層間 形成有呈粒狀且具有自旋極化大於第一與第二磁層的其中 之一磁層的自旋極化之第一磁區（1 1 4 )且其中第一磁 區被建構以與該第一及第二磁層的其中之一磁層交換耦合 〇 2 ·如申請專利範圍第1項之磁阻效應膜，其中進一 步提供於該第一及第二磁層之另一個磁層與非磁層間形成 有呈粒狀且具有自旋極化大於第一與第二磁層之另一磁層 的自旋極化之第二磁區（1 1 5 )且其中該第二磁區被建 構以與該第一及第二磁層之另一磁層交換耦合。 3 ·如申請專利範圍第2項之磁阻效應膜，其中在無 施加外部磁場的狀態中，該第一磁區與第二磁區的其中之 一磁區之磁化係朝向垂直於膜表面之方向，其中在無施加 外部磁場之狀態中，該第一磁區與第二磁區的另一磁區之 磁化係以自垂直於膜表面之方向傾斜之方向引導，且其中 在具有外部磁場施加在垂直於膜表面之方向之狀態中，第 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 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 578169 A8 B8 C8 ___D8 六、申請專利範圍 一及第一磁區之磁化都朝向垂直於膜表面之方向。 4 ·如申請專利範圍第1項之磁阻效應膜，其中該非 磁層由絕緣體構成。 5 ·如申請專利範圍第1項之磁阻效應膜，其中在無 施加外部磁場的狀態中，該第一磁區之磁化係朝向垂直於 膜表面之方向引導。 6 ·如申請專利範圍第1項之磁阻效應膜，其中在無 施加外部磁場之狀態中，該第一磁區之磁化係以自垂直於 膜表面之方向傾斜之方向引導，且其中在具有外部磁場施 加在垂直於膜表面之方向之狀態中，第一磁區之磁化係朝 向垂直於膜表面之方向引導。 7 ·如申請專利範圍第1項之磁阻效應膜，其中該第 一及第二磁層的其中之一是由稀土金屬次晶格磁化主導稀 有金屬與過渡金屬的非晶合金構成，且其中該第一磁區是 由過渡金屬構成。 8 · —種記憶體，包含：由如申請專利範圍第1至7 項中任一項所提之磁阻效應膜構成之記憶元件；記錄資訊 於該記憶元件之機構；以及讀取記錄於該記憶元件之資訊 之機構。 9 ·如申請專利範圍第8項之記憶體，其中記錄資訊 機構包含使電流流過設在該記憶元件附近之導體（3 1 1 一 314，321 — 324)之機構，及其中自導體產生 之磁場係應用至記憶元件，藉此執行記錄。 1 〇 ·如申請專利範圍第8項之記憶體，其中記錄資 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2!〇χ297公嫠） -2 - ^------、玎------^ (請先閲't*背面之注意事項再填寫本頁) 578169 A8 B8 C8 _ D8 六、申請專利範圍 訊機構施加與膜同一平面方向之磁場與垂直於膜表面之磁 場至該記憶元件且由垂直於膜表面之磁場，決定被記錄之 資訊的導向。 1 1 .如申請專利範圍第1 〇項之記憶體，其中位元 線（3 3 1 — 3 3 3 )係連接至該記憶元件且其中一電流 係流過位元線，以施加與膜同一平面方向之磁場至記憶元 件。 (請先閲·«背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 線 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规格（210X297公釐） -3-