TW594725B - Multi-bit magnetic memory cells - Google Patents
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Description
五、發明說明(1) 594725 發明背景 本發明係關於資訊儲存裝置。更具體地,本發明係關 於磁性記憶體裝置。 磁性隨機存取記憶體(“MRAM”)是一種被考慮用於短 5期和長期資料儲存的非依電性記憶體。MRAM具有較於諸 如DRAM、SRAM及快閃記憶體之短期記憶體低之功率消 耗量。MRAM實施讀、寫之操作遠快於(大小差了幾個等級) 諸如硬碟之傳統長期儲存裝置。另外,MRAM裝置較硬碟 更密集小巧且耗用較少功率。MRAM亦被考慮用於嵌入式 10 應用,諸如超快處理器及網路電器。 一個典型的MRAM裝置包含一組陣列記憶體晶胞陣 列、沿記憶體晶胞之列延伸的字組線及沿記憶體晶胞之行 延伸的位元線。每個記憶體晶胞位於一條字組線及一條位 元線的交叉點處,典型地並包括一個具有兩個邏輯狀態 15 (‘〇’和’ 1 ’)之單一磁性記憶體裝置(例如··一個磁性隧道接 面)。 增加MRAM之儲存密度是吾人不斷追求的目標。增加 儲存密度使增加每單位面積可以儲存之資訊量。 發明之概要說明 依據本發明之一層面,一磁性記憶體晶胞包含串聯之 第一及第二磁電阻式裝置。第一及第二裝置具有呈不同矯 頑磁性之第一及第二感測層。本發明之其他層面及優點將 於伴隨與伴隨附圖閱讀藉舉例方式闡明本發明之原理之詳 細描述時逐一瞭然。 4
五、發明說明(2) 圖式之簡介 第1圖為依據本發明之多位元記憶體晶胞的示意圖。 第2圖為一個多位元記憶體晶胞之磁滯迴圈的示意圖。 第3圖為一例示性感測層之示意圖。 5 第4-10圖為依據本發明之其他多位元記憶體晶胞的示 意圖例。 第11圖為包含一組多位元記憶體晶胞陣列之一個 MRAM裝置的圖。 第12圖及第13圖為第11圖中之裝置的不同製造方法之 10 圖例。 發明之詳細描述 如供說明用之圖式所示,本發明僅以包含串聯之第一 和第二磁電阻式裝置記憶體晶胞來具現。第一和第二磁電 15阻式裝置具有呈不同矯頑磁性且因而具有不同寫入點之感 測層。因此寫入操作可以選擇性地在第一或第二磁電阻式 裝置上執行。這樣的一個記憶體晶胞具有四種邏輯狀態, 它可以比只具有兩種邏輯狀態之傳統單一位元記憶體晶胞 儲存更多資料。接下來之段落描述不同型之磁電阻式裝置 20以及製造不同矯頑磁性的各式方法。 第1圖顯示一個包含串聯之磁性隧道接面12和14的一 例示性多位元記憶體晶胞1〇。第一磁性隧道接面12包含一 第一固定層16、一第一感測鐵磁(FM)層18、以及介於第一 固定層16和感測層18之間的一第一絕緣隧道障壁2〇。第一 594725 五、發明說明(3) 固定層16具有一定向於固定層16平面的之磁化向fM〇。第 一固疋層16之磁化向置M0維持在一個方向,即使在有一第 一合意範圍内之一外加磁場出現時亦然。例如,第一固定 層16可能為一個單層硬磁鐵、一個多層交換磁鐵或者一個 5 合成反鐵磁性磁鐵。 第一感測層18具有一非固定之磁化向量M1。第一感測 層18之磁化向量Ml可以在有一第一合意範圍之一外加磁 場出現時定向於兩方向中之其一。第一磁性隧道接面12之 磁化定向在感測層磁化向量Ml與固定層磁化向量M〇指向 10同方向時平行。而當感測層磁化向量Ml與固定層磁化向量 M0指向反方向時不平行。 第一絕緣隧道障壁20使得第一固定層16和第一感測 層18之間產生量子力學穿隧作用。此穿隧現象且電子自轉 相依性,使第一磁性隧道接面12之電阻值為第一固定層及 15感測層16和18之磁化向量M0和Ml之相對方位的函數。嬖 如,假如第一磁性隧道接面12之磁化定向是平行的,則其 電阻值為第一值(R1),而若是其磁化定向不平行,則為第 二值(R1 + AR2)。 第二磁化隧道接面14包含一個第二固定層22、一個第 20二感測FM層24、及一個介於第二固定和感測層22和24之間 的第二絕緣隧道障壁26。第二固定層22具有一定向於固^ 層22之平面的磁化向量M2,且維持在一個方向,即使在有 一第二合意範圍之一外加磁場出現時亦然。例如,第二固 定層22可能為一個單層硬磁鐵、一個多層交換磁鐵或者一 6 594725 五、發明說明(4) 個合成反鐵磁性磁鐵。 第二感測層24具有一磁化向量M3,其在有一第二合意 範圍之一外加磁場出現時可以定向於兩方向中之其一。假 如第二磁性隧道接面14之磁化定向是平行的,則其電阻值 5 為第三值(R2),而若其磁化定向不平行,則為第四值(R2+ △ R2)。 一非磁導分離層27位於第一和第二接面12和14之 間。此分離層27具有一厚度以避免第一和第二隧道接面12 和14之間出現磁性耦合,但分離層27允許隧道接面12和14 10 作電氣連接。此分離層27可由諸如銅、钽、金或釕等材料 形成。一個鈕分離層27亦可作為供由如IrMn之化合物製成 之第二固定層22利用的種子層。 第一和第二磁性隧道接面12和14之感測層18和24具 有不同的矯頑磁性。第一和第二磁性隧道接面12和14之例 15 示性磁滯迴圈L1和L2顯示於第2圖。如第2圖所示,第一磁 性隧道接面12較第二磁性隧道接面14有較大的矯頑磁性 (即,HC1>HC2)。因此第一合意範圍大於第二合意範圍, 且變更第一感測層磁化向量Ml較變更第二感測層磁化向 量M3需較大磁場。第一和第二磁性隧道接面12和14並不受 20 限於一套設妥之磁滯迴圈L1和L2,亦不受限於第一磁滯迴 圈L1之矯頑磁性高於第二磁滯迴圈L2之矯頑磁性。再者, 磁電阻式裝置12和14應具備可以區別四種不用邏輯狀態之 電阻值,其將在以下解釋。 多位元記憶體晶胞10位於第一和第二導體28和30之
7 594725 五、發明說明(5 ) 間:寫入電流供至第-和第二導體28和30以產生磁場。此 等磁場用來對磁性隧道接面12和14作寫入動作。亦即此等 磁%用來《^感測層磁化向量M1和M2之定向。寫人電流 之大小決定磁場強度且寫入電流之方向決定感測層磁化: 5 量切換的方向。 藉著提供適當大小及方向之寫入電流至第一和第二 導體28和30,可使一邏輯值只寫入至第二磁性隧道接面 12。在第-合意範圍中之所得磁場設定第一感測層磁化向 量Ml為所欲的方向。因為第一磁性隧道接面12具有較第二 10磁丨生隧道接面14為低之矯頑磁性,所得磁場亦設定與第一 感測層磁化向量Ml同方向之第二感測層磁化向量M3。 藉著提供適當大小及方向之寫入電流至第一和第二 導體28和30,可使一邏輯值只寫入至第二磁性隧道接面 14。在第一合意範圍中之所得磁場設定第二感測層磁化向 15量M3為所欲的方向。因為第二磁性隧道接面14具有較第一 磁性隧道接面12為低之橋頑磁性,所得磁場便不改變第一 感測層磁化向量Μ1之定向。 藉由施加一電壓跨於記憶體晶胞1〇上及測定一流經 記憶體晶胞10之感測電流值可以讀出記憶體晶胞1〇之邏輯 狀悉。感測電流值與串聯接面12及14之總電阻值成比例。 下表提供感測層磁化向量Μ1和M3於不同定向之電阻值狀 態之例子(設M0=->,而Μ2= —)。
Ml M3 接面雷卩且信 —> —> R1+ R2+AR2 、發明說明(6) —> R1+ R2 <— R1+AR1+ R2+AR2 < <— R1 +AR1+ R2 若第一和第二磁性隧道接面12和14具有相同的△電阻 值(即為’ ,則電阻值狀態r1+ 與電阻 值狀態R1 +AR1+ R2即難以區分。若△電阻之差異可分 辨’則記憶體晶胞10即具有四種可區分之邏輯狀態。△電 阻值可以尋得有所不同,譬如,使第一和第二絕緣隧道障 壁20和26具有不同的厚度,或用有不同極性之不同材料製 造第一和第二感測層i 8和2 4。 使第一和第二感測層18和2 4具有不同之矯頑磁性有許 夕方法。譬如第一和第二感測層18和24可以具有不同的形 狀和尺寸’可以具有不同的厚度,也可以用不同材料製造。 具有用不同材料製造之第一第二感測層的多位元記憶 體晶胞10如第1圖所示。典型感測層材料包含但非限於諸 如· NiFe、NiFeCo及CoFe。若第一感測層18由NiFeCo或 CoFe製造且第二感測層24由犯^製造,第一感測層18即具 有冋於第二感測層24之矯頑磁性。一般而言,提高鈷的百 分比會增加矯頑磁性。 第3圖為一矩形感測層之示意圖。感測層之高標記為 Η,寬標記為w,而厚度標為τ。大體上,增加高度或減少 寬度(W)或厚度(τ)會造成較低矯頑磁性。 包括有具不同厚度之包含第一和第二感測層118和124 的一個記憶體晶胞11〇如第4圖所示。第一感測層118之厚度 五、發明說明(7) 標記為τι,且第二感測層124之厚度標記為T2。若τι>τ2 且感測層118和124其他方面皆相同,第一磁性隧道接面112 之感測層118即會較第二磁性隧道接面114之感測層有較高 的橋頑磁性。 第5圖顯示具有相同形狀和不同尺寸之第一和第二磁 性隧道接面212和214。第6圖亦顯示具有相同形狀和不同尺 寸之第一和第二磁性隧道接面3 12和314。第7圖顯示具有不 同形狀和不同尺寸之第一和第二磁性隧道接面412和414。 第8圖顯示具有不同形狀和相同尺寸之第一和第二磁性隧 〇道接面512和514。不同尺寸可能包含不同長度和寬度。 磁性接面並不限於矩形和橢圓形。譬如磁性隧道接面 可為正方形或複雜的形狀如菱形、平行四邊形、斜方形或 任何對稱或非對稱之多邊形。 個多位元s己憶體晶胞並不限於每個接面具不同的形 狀或尺寸。譬如,第二磁性隧道接面之固定層和絕緣隧道 障壁可以有與下方之第一磁性隧道接面相同的形狀和尺 寸而唯有第二磁性隧道接面之感測Fm層有不同之形狀戍 尺寸。 般而s,第二(上位)磁性隧道接面會有較小的形狀 和尺寸。此乃緣於製造上之考慮,接下來將討論之。 第和第一磁性隧道接面之感測層橋頑磁性可藉不同 厚度、不同形狀、不同尺寸和不同材料之組合而製作得有 所不同。這些不同處的數值限制著控制寫入場數值之能力。 第9圖顯示一個包含共用一個固定層616之第一和第二 594725 五、發明說明(8) 磁性隨道接面612和614的多位元記憶體晶胞610。固定層 616可能為一硬磁鐵。因此第一磁性隧道接面612包含一個 第一感測層618、一個第一絕緣隧道障壁620及共用之固定 層616 ;第二磁性隧道接面614則包含一個第二感測層624、 5 —個第二絕緣隧道障壁626及共用之固定層616。第一和第
二磁性隧道接面612和614之矯頑磁性可由第一和第二感測 層618和624用不同之厚度、尺寸、形狀和材料或其中之任 一種組合製造而弄成有所不同。
固定層並不限於任何特定之設計。固定層可為硬磁 10 鐵。然而更普遍地,每個固定層會包含元件之堆疊。例如, 堆疊中可能包含一個或多個之種子層、一個反鐵磁(AF)固 定層及一個固定FM層。該等種子層對AF固定層建立一種 (111)或其他較佳的晶體結構定向,且AF固定層提供一個維 持固定層磁化向量之大交換場。該等種子層並非永遠必須 15 的;高能量沉積體即可用於形成紋理結構於固定層上以產 生交換耦合作用。 具有用來製造磁性交換場之適當紋理結構的固定層可 在其對應之感測層上生長出來。紋理形成技術係用於製造 磁電阻式讀取頭。 20 多位元記憶體晶胞不限於兩個磁電阻式裝置。譬如, 一個多位元記憶體晶胞可具有三個磁電阻式裝置,此種記 憶體晶胞具有八種邏輯狀態。 該等磁電阻式裝置並不限於絕緣隧道障壁積設於固定 FM層上及感測FM層積設於絕緣隧道障壁上。順序可以不 11 五、發明說明(9) 同0 第10圖顯示包含具有串聯之第一和第二感測層718和 724之第一和第二磁性隧道接面712和714之記憶體晶胞 710。第一和第二感測層718和724被把兩磁電阻式裝置712 5和714電氣相連之一非磁性材料(如:釕、銅、鋁)層713分 開。層體713亦解耦兩感測層718和724之磁化。記憶體晶胞 710可能有以下例示性結構:積設於鈕層715上之第一層 IrMn固定層716、固定層716之上之第一NiFe FM固定層 719、積設於第一固定層719之上之第一 a1203絕緣隧道障壁 10 720、積設於第一絕緣隧道障壁72〇之上之第一NiFe感測層 718、積設於第一感測層718上之RU層713、積設於Ru層713 上之第二NiFe感測層724、積設於第二感測層724上之第二 Al2〇3絕緣隧道障壁726、積設於第二隧道障壁726上之第二 NiFe固定層722、積設於第二固定層722上之第二lrMn固定 15層728、以及一個積設於第二固定層728之组頂罩層730。 此等多位元記憶體晶胞不限於磁性隧道接面。如巨型 磁電阻式裝置(GMR)之其他磁電阻式裝置亦可被使用。以 多重GMR裝置為基礎之多位元記憶體晶胞可有如前述之 任一結構’除了感測和固定層被傳導性非磁性金屬層而非 一絕緣隨道障壁分開。感測和固定層磁化向量之相對定向 影響GMR裝置之平面内電阻。 參照第11圖,一個MRAM裝置810包含一組多位元記憶 體晶胞814之電阻性交叉點陣列812。此等多位元記憶體晶 胞814成多行與多列排列,列沿\方向延伸且行沿y方向延 12 594725 五、發明說明(10 伸。圖中只顯示相當少數之記憶體晶胞814,以簡 裝置810之繪示。實際上陣列可為任何尺寸。 做為字組線816之線跡在陣列812之一側的平面上沿χ 方向延伸,做為位元線818之線跡在陣列812之相鄰侧的平 5面上沿向延伸。陣列812之每列可有一字組線816,且每 行有一位元線818。每個記憶體晶胞$丨4位於一字組線和一 位元線之交叉點上。MRAM裝置812包含用來感測被選定之 圯憶體晶胞在讀出操作期間之電阻狀態、以及用來在寫入 操作期間供應寫入電流到選定字組和位元線的一個讀取/ 10 寫入電路(圖上未示出)。 陣列812之第一及第二隧道接面間矯頑磁性之差異係 依據它們切換狀況分佈(亦即,它們切換之均勻程度)而 ,定。較大的分佈即需要陣列812中第一磁性隧道接面之平均 橋頑磁性(HcAVE1)與陣列812中第二磁性隧道接面之平均 15橋頑磁性(HcAVE2)間有較大差異。譬如,若第一磁性隨道 接面之平均矯頑磁性為HcAvEi = 1〇〇e且有個一 5〇e之分 佈’而第二磁性隧道接面之平均矯頑磁性為HcAvE2=2〇〇e 且有一個50e之分佈,則有些記憶體晶胞將無法區分第一 及第二磁性隧道接面間。因此第二磁性隧道接面應以代採 20用較高的平均矯頑磁性HcAVE2。 第12圖繪示包括具有由不同材料製作之磁電阻式裝置 之多位元記憶體晶胞陣列之MrAM裝置的製造。字組線形 成於晶圓上(91 〇),而第一磁性記憶層堆疊形成在字組線上 (912)。一非磁性傳導分離層設置於第一磁性記憶層堆疊之 13 594725 五、發明說明(11 ) 上(914)。 第二磁性記憶層堆疊建構在分離層上(916),第二堆疊 之感測層與第一堆疊之感測層以不同之材料或厚度製作。 第一和第二堆疊被圖案化成許多位元(918),再以電 5 介質材料填滿諸位元間之間隙(920)填滿位元間隙。位元線 佈於已圖案化的第二堆疊上(922)。 第13圖繪示包括具有不同尺寸及/或形狀之一些磁電 阻式裝置之MRAM裝置的製造。字組線佈於晶圓上 (1〇1〇),第一磁性記憶層堆疊形成於字組線上(1012),分離 1〇層置於第一磁性記憶層堆疊之上(1014),以及第二磁性記 憶層堆疊佈設於分離層上(1016)。第一堆疊中之諸層體和 第二堆疊中之諸層體可具有相同的組成方式。 第一遮罩步驟用來把第一和第二堆疊圖案化為第一種 大小及/或形狀(1018),第二遮罩步驟用來把至少第二堆疊 15 之感測層再度圖案化為第二種大小及/或形狀(1020),諸位 元間之間隙由電介質材料填滿(1022),而位元線佈於已圖 案化的第二堆疊上(1024)。 此等記憶體晶胞並不受限於前述之固定層。另外型式 之記憶體晶胞可包含一合成鐵磁固定層。此記憶體晶胞之 20 結構類似第1圖所示,除了分離層27是由諸如RU、Re、Rh 或Cu之材料製造以及具有允許兩固定層16和22間發生磁 性交換耦合作用之厚度。兩固定層16和22之磁化向量間之 磁性交換耦合非常強。 此等記憶體晶胞並不限於磁性隧道接面和GMR裝 14 594725 五、發明說明(12) 置。其他型式之磁性記憶體元件如大型磁電阻式(CMR)元 件也可以用。
依據本發明之MRAM裝置可用於廣泛的應用。譬如它 們可以取代DRAM、SRAM、快閃記憶體、及電腦内其他 5 快速的短期記憶體。他們也可以用於電腦内長期資料儲 存。此等MRAM裝置提供許多優於硬碟和其他傳統長期資 料儲存裝置之優點(譬如··較快速、尺寸較小)。依據本發 明之MRAM裝置也可以用在數位相機中供數位影像之長期 儲存。 〇 本發明並不限於前文描述及例示之該等特色實施例。 而本發明將純粹依據接下來之申請專利範圍。
元件標號對照表 10… …多位元記憶體晶胞 28··· ·· •第一導體 12… …磁性隧道接面 30··· ·· •第二導體 14… …磁性隧道接面 110··. …記憶體晶胞 16··· …第一固定層 112··· …第一磁性隧道接 18… …第一感測鐵磁(FM) 面 層 114··· …第二磁性隧道接 20… …第一絕緣隧道障壁 面 22··· 第一固疋層 118··· …第一感測層 24… …第二感測FM層 124··· …第二感測層 26··· …第二絕緣隧道障壁 212··· …第一磁性隧道接 27… …非磁導分離層 面 15 594725 五、發明說明(l3) 214……第二磁性隧道接 624……第二感測層 面 626……第二絕緣隧道障 312……第一磁性隧道接 壁 面 710……記憶體晶胞 314……第二磁性隧道接 712……第一磁性隧道接 面 面 412……第一磁性隧道接 713……非磁性材料層 面 714……第二磁性隧道接 414……第二磁性隧道接 面 面 715......组層 512……第一磁性隧道接 716……第一層IrMn固定 面 層 514……第二磁性隧道接 718……第一 NiFe感測層 面 719......第一 NiFe FM 固 610……多位元記憶體晶 定層 胞 720……第一 Al2〇3絕緣隧 612……第一磁性隧道接 道障壁 面 722……第二NiFe固定層 614……第二磁性隧道接 724……第二NiFe感測層 面 726……第二Al2〇3絕緣隧 616……固定層 道障壁 618……第一感測層 728……第二IrMn固定層 620……第一絕緣隧道障 730……鈕頂罩層 壁 810……MRAM裝置 16 594725 五、發明說明(ι〇 812… …電阻性交叉點陣 列 814… …多位元記憶體晶 胞 816··· …字組線 818......位元線 910〜922……製作步驟 1010〜1024……製作步驟 17
Claims (1)
- 59霞 ί 2 錄: 六、申請專利範圍 第91114386號申請案申請專利範圍修正本 1 · 一種磁性§己憶體晶胞(1 〇),其特徵在於· 12 5 該磁性記憶體晶胞包含有串聯之第__和第二磁電 裝置(12、Η),該第—磁電阻式裝置〇2)具有一第一感測層 ⑽,該第二磁電阻式裝置⑽具有—第二感測層(24广 其中,該等第—和第二感測層(18、24)具有不同的橋頌 磁性。 2. 如申請專利範圍第!項之記憶體晶胞,其中該等第一和第二 裝置(12、14)為磁性隧道接面。 3. 如申請專利範圍第2項之記憶體晶胞,其中該第—磁性隨道 接面(12)包含該第-感測層⑽及一個第一固定層⑽;且其 中該第二磁性隧道接面(14)包含該第二感測層(24)和—個第 二固定層(22)。 4·如申請專利範圍第2項之記憶體晶胞,其中該等第一及第二 裝置(712、714)之該等感測層(718、72句為背對背配置;且 其中該等感測層(718、724)被-非磁性材料層(713)所分開。 5·如申請專利請範圍第2項之記憶體晶胞,其中該等第一和第 二磁性隧道接面(612、614)共用一個固定層(616)。 6·如申請專利範圍第丨項之記憶體晶胞,其中該等第一和第二 裝置中之該等感測層(412/414、512/514)具有不同的形狀。 7.如申明專利範圍第ί項之記憶體晶胞,其中該等第一和第二 裝置中之該等感測層(212/214、312/314、412/414)具有不同 的尺寸。 8·如申請專利範圍第1項之記憶體晶胞,其中該等第一及第二 裝置(112、114)之該等感測層(118、124)具有不同之厚度。 18 六、申請專利範圍 9·如申請專利範圍第β之記憶體晶胞,其中該等第—及第二 裝置(12、14)之該等感測層(18、24)由不同材料製作。 1〇·如申請專利範圍第1項之該記憶體晶胞,其中該等第一及第 二裝置(12、14)具有可區別的不同△電阻值,藉此該記憶體 晶胞(10)有最少四種可區別之邏輯狀態。
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