TWI231936B - Magneto-resistive element and magnetic memory device - Google Patents

Description

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【發明所屬之技術領域】 、本發明係有關於包含磁化方向依據外部磁場變化 磁丨生體之磁阻效應元件及利用該磁化方向之變化儲存資訊 【先前技術】 在利用這種磁阻效應元件之磁性記憶裝置上，已知磁 性隨機存取記憶體（以下也稱為MRAM :MagnetiC RandQm

Access Memory)。在本MRAM，利用在磁阻效應元件所含之 2二種強磁性體之磁化方向之組合（平行或反平行）儲存資 訊。而，藉著偵側因2種強磁性體之磁化方向係平行時和 反平行時而異之磁阻效應元件之電阻值變化（即，電流或 電壓之變化）讀出所儲存資訊。 現在實用化之MR AM係利用巨大磁阻（GMR : Giant Magnet0-Resist ive)效應的。在利用得到本GMR效應之gmr 元件之MRAM上已知在美國專利第534 3422號公開的。在此 情况’ GMR效應意指當在沿著易磁化軸方向之平行之2層之 磁性層之磁化方向係相平行時電阻值變成最小，在反平行 時變成最大之現象。在使用本GMR元件2MRAM上，有矯頑 磁力差型（虛擬Spin Valve型：Pseudo spin Valve型）和 父換偏壓型（Spin Valve型）。在矯頑磁力差型之mrAM， GMR元件具有2層強磁性層和位於其間之非磁性層，利用2 種強磁性體之矯頭磁力差寫入及讀出資訊。在此，在GMr 元件’例如具有「鎳鐵合金（NiFe) /銅（Cu) /鈷（c〇)」之構

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值。而，在交換偏壓型之 έ性層之交換結合固定磁 ^外部磁場變化之感磁層 固定層和感磁層之磁化方 造時之電阻變化率係約6〜8%之小值。

以及位於其間之非磁性層，利用 向之差異寫入及讀出資訊。例如GMR元件之構造採用「白 金錳（PtMn)/鈷鐵（CoFe)/銅（Cu)/c〇Fe」時之電阻變化率 係約1 0%，顯示比矯頑磁力差型大之值，但是不足以達成 進一步之儲存速度之提高或存取速度之提高。 為解決上這些問題點，提議一種MRAM，將利用隧道磁 阻效應（以下稱為TMR效應）之圖丨丨所示之構造之磁阻效應 元件（以下稱為TMR元件）120用作儲存單元。本MRAM如圖 所示，具備複數位元線1 〇 5，相平行的配設；複數寫入用 字線1 0 6，相平行的配設而且配設成和各位元線丨〇 5正交； 複數讀出用字線11 2，沿著各寫入用字線丨〇6配設；以及複 數TMR元件1 2 0 ’配設成位於位元線1 〇 5和寫入用字線1 〇 6之 正交部分（交又部分）之間。在此情況，TMR元件1 20如圖1 j 所示，具備第一磁性層102、隧道障礙層1〇3以及作為第2 磁性層之感磁層1 〇 4，這些各層1 〇 2、1 〇 3以及1 〇 4按照此順 序疊層而成。 在此情況，TMR效應係通過隧道障礙層1 〇3流動之隧道 電流依據在隔著極薄之作為絕緣層（非磁性導電層）之隧道 障礙層103之作為強磁性層之2層之第一磁性層1〇2及感磁 層1 0 4之間之磁化方向之相對角度而變之效果。具體而 言，在第一磁性層1〇2及感磁層1〇4之各磁化方向相平行時

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電阻值變成最小，相反平行時變成最大。又，在利用TMR 效應之MRAM，在TMR元件120採用例如CoFe/鋁氧化物 /CoFe」之構造之情況，電阻變化率高達約4〇%，又，因電 阻值也大’易取得和M0SFET等半導體裝置組合時之匹配。 因而，和具有GMR元件之MRAM相比，可容易的得到更高之 輸出，期待儲存容量或存取速度提高。在本利用TMR效應 之MRAM，藉著因電流流向位元線1〇5和寫入用字線1〇6而產 生之電流磁場，令在TMR元件丨20之感磁層1〇4之磁化方向 變成既疋之方向，儲存資訊。而，在讀出所儲存之資訊 時，經由位元線1〇5和讀出用字線112與隧道障礙層1〇：3垂 直方向之電流流向TMR元件120，偵側TMR元件12〇之電阻變 化。此外，關於利用TMR效應之MR AM，公開於美國專利第 562992 2號或特開平9-9 1 949號公報等。 [專利文獻1 ] 美國專利第53 43422號專利說明書 [專利文獻2] 美國專利第5 6 2 9 9 2 2號專利說明書 [專利文獻3] 特開平9 -9 1 94 9號公報 【發明内容】 發明要解決之課題 可是，在利用本磁阻效應元件之MRAM，有以下之問題 點。即’在本M R A Μ，依據在正交配置之位元線1 〇 5和寫入

2186-6215-PF(N2);Ahddub.ptd 第7頁 1231936 五、發明說明（4) 用字線1 0 6流動之雷泠％ 2丨立 β 變感磁層m之磁化m】：！(，電流磁場)改 120儲存資訊。可是，二二各在：:件 封入特定之區域）之磁y$路（在磁性上未 寫入效率低之問題點。同時、，夕之在"果’在本MRAM，有 可能對相鄰之m元件12门丄= 之磁通而 又’為了將TMR元件120更高密集化 ^ ^™R ^ ^ ^ 1 ； 於在TMR元件120之各磁性層1〇2、1〇4之疊層面内方向之： 對於寬度之厚度比變大，反磁場增大之結果， 磁層之磁化方向所需之磁場強度增大。可是，如上述戶=感 示，因在位元線105和寫入用字線1〇6流動之電流所引 感應磁場係開路磁場，寫入效率變低之結果，纟改變感磁 層之磁化方向而儲存資訊時，也存在需要大的寫入流 問題點。 本發明鑑於上述之問題點’其主要目妁在於提供一 磁阻效應元件，在感磁層内高效率的產生磁場，令寫入嗖 率提高。X，本發明之別的目的在於提供一種磁性記憶裝 置，利用小的寫入電流可高效率的記錄資訊，而且可 寫入時對相鄰之磁阻效應元件之影響。 一 解決課題之手段 疊層體 為運成上迷之目的，本發明之磁阻效應元件，包括 ，在第一寫入線及該二寫入線之交又部分配置成 1231936 五、發明說明（5) 於該第一寫入線及該第二寫入線之間’同時包含磁化方向 依據在該第一寫入線及遺第^一寫入線之周圍產生之各磁場 之合成磁場而變之感磁層’而且在構造上電流在相對於憂 層面垂直之方向流動’·及磁性體’藉著個別的包覆在該交 叉部分之該第一寫入線及該第二寫入線雙方各自形成對於 該第一寫入線之環形磁性層及對於該第二寫入線之環形磁 性層；該感磁層在構造上包含位於在該磁性體之該第一寫 入線及該第二寫入線之間之該各環形磁性層之共用部位。 在此情況，該感磁層在構造上具備對於該共用部位在 磁性上交換綠合之較好。 又，該感磁層將非磁性導電層及磁性層按照其順序在 該共用部位疊層而成，在構造上該磁性層對於該共用却 、π 仿 可反強磁性結合較好。 此外，該感磁層和對於該第一寫入線之該環形磁性居 及對於该第一寫入線之該環形磁性層之一方在電氣上 較好。 哽接 又’該疊層體在構造上包括：非磁性層；第一礤性 層，在該非磁性層之一方側疊層，磁化方向固定；以及 感磁層在亥非磁性層之和該第一磁性層反側疊層；. 造上依照该電流可讀出資訊較好。 此外，該第一磁性層具有比該感磁層大之矯頑 好。 刀車父 且層體具備在該第一磁性層之和該非磁性； 側疊層而且和該第一讲 > 祕 q反 /弟 磁性層父換結合之反強磁性之第_ 1

2186-6215-PF(N2);Ahddub.ptd 第9頁 1231936 五、發明說明（6) 性層較好。 又，該疊 一磁性層之和 且和該第一磁 層，在該第三 該第三磁性層 又，用可 好。 又，本發 種之磁阻效應 寫入線，配設 效應元件在該 自配設成位於 在此情況 數項出線，在 ’在該第 疊層，而 第四磁性 ’而且和 層體最好具備強磁性之 該非磁性層反側經由非 ^生層反強磁性結合，及 磁性層之和該第一磁性 交換結合。 令產生隧道效應之絕緣 明之磁性記憶裝置，包 元件；複數該第一寫入 成各自和複數該第一寫 第一寫入線及該第二寫 該第一寫入線及該第二 ’包括複數用以使該電 構造上可依照該電流讀 第三磁性層 磁性導電層 反強磁性之 層反侧疊層 層構成該非磁性層較 括：複數上 線；以及複 入線交叉； 入線之各交 寫入線之間 流流向該疊 出資訊較好 述其中一 數該第二 該各磁阻 叉部分各 Ο 層體之複 【實施方式】 以下，參照圖面詳細說明本發明之實施例。 首先，參照圖1說明磁性記憶裝置M之構造。 於制=裝置"具備位址緩衝器51、資料緩衝器52、 i = ; J、儲存單元群54 1方向驅動電路部56以及X 方向驅動電路部5 8。 u儲ί!元群54如圖1、2所示，在由字線方向（X方向） 和位兀線方向（Υ方向）構成之矩 万门） 早之各义叉部位排列複數

!231936 五、發明說明（7) 最^ H1而在成構、止在上此況’各個儲存單元1係儲存資料之 位，在構造上可儲存「！」*「〇」之位元資料。具 ，而各儲存单Μ如圖2所示，在構造上具備而 方6::ί所示：依據在TMR元件2。之2層磁性層之各磁化 平行_位元資料。此外’在此 2存早元群54之儲存單元】之各列稱為字列χη(χι、在 、將各行稱為位元列γη⑺、γ2、…）。又，在儲 5和早Λ群54 ’如圖2所示，將沿著¥方向排列之複數位元線 ”。者X方向排列並配設成各自和各位元線5交叉之複數 =入用字線（第二寫入線）6連接成矩陣狀。在此情況，各 字線6之一端侧（圖2中之右端側）各自接地。又，各 ，Ϊ β元1纟這些交又冑分配設成位於位元線5和寫入用 =6之間。在此，沿著共用之位元線5並列之儲存單μ 上述之位元列Υη，沿著共用之寫入用字線6並列之儲 ^早元1構成上述之字列Χη。又’在儲存單元群54，和各 入用字線6並列的各自連接作為讀出線之讀出用字線 ，和對應之字列Χη之儲存單元！在電氣上連接。此外， 在f實施例之磁性記憶裝置Μ ’採用位元線5兼具寫入用位 疋線（第一寫入線）和作為讀出線之位元線雙方之構造。 Υ方向驅動電路部56如圖i所示，具備γ方向位址解碼 益56Α、言賣出用之感測放大器56Β、寫入用之γ方向電流驅 動器56C以及Υ方向接地電路56D。在此情況，感測放大写 56B、Y方向電流驅動器5 6C以及γ方向接地電路5 6d對於儲 存單元群54和儲存單元i之各位元列γη連接。且體而古， 1231936 五、發明說明（8) =2所示，感測放Α||56ΒΑγ方向電流驅動器咖各 各4 7L線5之一端侧（圖2中之上端側）連接。 =路，各自、和各位…另一端則^ 數Η關-此情況，Y方向接地電路56D如圖2所示，利用複 4關7L件（例如NPN型之電晶體TR)構 電路56D，夂雷曰駟k , t ^ #个乃句接地 各電曰曰體TR之集極和對應之位元線5之另一端 接，各電晶體TR之射極端子接地。又，各電晶體邝 極端子共同的連接，同時供給來自控制 g 入之信號。 | 0 <兄4寫 X方向驅動電路部5 8具備X方向位址解碼器5 8 用之7向接地電綱以及寫入用之,方向_ 硒仔早兀群54和儲存早兀1之各位元列χη連接。且 之如，所示，X方向接地電路58β各自和各讀“ :ϊ之,連接，X方向接地電路58Β各自和 之另-端側連接。因此，如圖！所示，例如依據自χ Ρ立址解碼器58Α&Υ方向位址解碼器56Α輸出之字方向 1及位元方向之位址（Χη、γη)唯一的選擇某一個儲存單元 位址緩衝器51具備外部位址輸入端子Α〇〜Α2〇，而且經 、57和¥方向位址解碼器56Α及乂方向位址解碼 裔58Α連接。本位址緩衝器51外部位址輸入端子Α 入用以，儲存單元i之位址資料，在其内部所配設之J 部級衝為放大器具有將位址資料放大至在位址解碼器

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、58A所需之電壓位準為止之功能。又，位址緩衝器5i 將所輸入之位址資料分成儲存單元群54之字列χη方向及位 凡列γη方向之2個位址資料後各自向位址解碼器56Α、58Α ▲資料緩衝器52具備外部資料端子D〇〜D7，而且經由控 制信號線53A和控制邏輯部53連接。又，資料緩衝器52具 備按照自控制邏輯部53經由控制信號線53A所輸入之控制 信號動作之輸入用緩衝器52A及輸出用緩衝器52B。在此情 況，輸入用緩衝器52A經由寫入用資料匯流排6〇、61各自 和γ方向電流驅動器56(：及又方向電流驅動器58C連接， 憶體寫入時自外部資料端子D〇〜D7取入寫入資料，將該 入資料放大至所需之電壓位準後，向電流驅動器56c :58c ，出。又’輸出用緩衝器52B經由讀出用資料匯流排

感測放大器56B連接，在記憶體讀出時將自感測放大器MB 所輸出之讀出資料變換成低阻抗後，向外部資料 DO〜D7輸出。 、 控制邏輯部53具備輸入端子cs及輸入端子Μ， 料緩衝器52、Y方向驅動電路部56以及χ方向驅動電路：5貝8 之動作。具體而言，本控制邏輯部53依照經由輸入端子 所輸入之晶片選擇信號及經由輸入端子肫所輸入之允 入之信號，對於資料緩衝器52決定是否使輸人用緩衝器·、、、 52A及輸出用緩衝器52B之其中—個變成活化。又制 輯部將晶片冑擇信號及允許寫入之信號放Α ς = 電路部56、58所需之電壓位準後輸 合驅動 1231936 五、發明說明（10) 其次，參照圖3說明儲存單元1之構造。 儲存單兀1如圖3所不，具備磁性體2及TMR元件2〇。在 此情況，磁性體2配设於位元線5及寫入用字線6之各交叉 部分，個別的包覆在各乂又部分之位元線5及寫入用字線6 雙方。具體而言，磁性體2在構造上具備平板形之磁性體 部2a，配设成位於位元線5及寫入用字線6之間；磁性體部 2b，形成U字形，配設成包圍位元線5之下側及左右兩側； 以及磁性體部2c，形成倒U字形，而且相對於磁性體部2b 偏移90度後配設，包圍寫入用字線6之上側及前後側。在 此情況，磁性體部2b之上端側和磁性體部以之下面以無間 隙之狀態密接。密接。又，磁性體部2c也一樣，其下端側 和磁性體部2a之上面以無間隙之狀態密接。此外，在本專 利說明書之「以無間隙之狀態密接」之概念當然包含直接 密接之構造，也包含經由在製程上發生之微少之氧化層或 雜質層等密接之構造。 藉著本構造’在父叉部分之位元線5利用用磁性體部 2a和磁性體部2b形成之環形磁性層RM1個別的包覆。又， 在交叉部分之寫入用字線6也利用用磁性體部2a和磁性體 部2c形成之環形磁性層RM2個別的包覆。因此，在電a产 向位元線5及寫入用字線6時，利用環形磁性層RM1、=2/;1形 成對於在各線5、6之周圍發生之磁場之閉磁路。此外，在 交又部分之位元線5和環形磁性層RM 1之間及寫入用字線6 和環形磁性層RM2之間各自配設絕緣材料3，採用位$線5 及寫入用字線6不直接接合之構造。又，在磁性體2之環形

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性層RM1和沿著各寫入用字線6並設之讀出用字線i2 ，和讀出用字線1 2在電氣上連接 又，磁性體2可用鐵（Fe)、鎳鐵合金（NiFe)、鈷c〇、 鈷鐵合金CoFe以及NiFeCo等形成❶此外，為了使得在交又 部分之位元線5及寫入用字線6所引起之磁場難向磁性體2 之外部洩漏’使磁性體2之導磁率儘量大較好。具體而 言，在磁性體2之導磁率上設為2〇〇〇以上，甚至6〇〇〇以上 較好。 TMR元件20如圖3所示，係將用以使隧道電流流動之非 磁性層21、第一磁性層2 2(以下稱為「磁性層22」）以及係 各環形磁性層RM 1、RM2之共用部位之在功能上作為感磁層 23之磁性體部2a疊層而成之疊層體，配設於位元線5及寫 入用字線6之間。 ' … 在此情況，非磁性層2 1因在功能上作為隧道障礙層 (令產生隧道效應之絕緣層），依據隧道電阻等決定其厚 度。一般’在使用TMR元件20之磁性記憶裝置1^|，為^和電 晶體等半導體裝置匹配，隧道電阻之適當值係約數丨〇 k Ω ·( /z m)2。可是，為了使磁性記憶裝置高密度化及動作 高速度化，隨道電阻值係ΙΟΚΩ · ( //m)2以下較好，係u Ω · ( // m)2以下更好。又，為了實現那種隧道電阻值，非 磁性層21之厚度係2nm以下較好，係丨· 5ηιη以下更好。但， 在非磁性層2 1之厚度太薄之情況，雖然可減少隨道電阻 值，但是因發生由磁性層22及感磁層23之接合界面之凹凸 所引起之漏電流，MR比可能降低。因此，為了防止之，需

2186-6215-PF(N2);Ahddub.ptd 第15頁 1231936 五、發明說明（12) 要將非磁性層21形成為不發生漏電流之厚 ， 形成為0. 3nm以上之厚度較好。 /、體而σ 磁性層22係在功能上作為所謂的固 磁力比感磁層23大之材料爐七品(增用績頑 成，在非磁性㈣之==而中且之磁下 〜 圖中之下方側）疊層。在此愔 況，磁性層22因具有比感磁層23大之橋頌磁；層不； :23之磁化方向影響，其磁化方向長期間保持固=。 ^ ’磁性層22例如用姑鐵合金c〇Fe構成。但 材料’也可採用單體之始c"白金 未限= 合金（NiFeCo)等。 Pt)、鎳鈷鐵 感磁層23係在功能上作為所謂的自由層之# 性層2 1之另一方侧（係和磁性層2 2反側曰 聶展a μ、+、私- 尽以汉侧圖3中之上方側） 且曰如上述所不，本感磁層23由在位元線5 成之環形磁性細丨及在寫以字線6之 周圍所/ 磁性層RM2之共用部位（磁性體部2a)構成。因成在之// 層23，如圖4所示，在電流按照圖 此在感磁 5及寫入用字線6時，發生由利用環形磁性===路線 發生之磁場μπ和利用€形磁性層RM2之閉m磁路 MF2合成之合成磁場，减磁声毛生之磁％ 々以失昭α磁層23杈照该合成磁場之方向磁 ，（例如 > …圖3、4所示之箭號方向）。因此， 感磁層23之方向讀出在儲存單元1所儲存之資訊' 、 又’ TMR το件20藉著磁性層22和位元線5 而且利用磁性體2之磁性體部2a構成感磁層23，^上生連接 使得位於位元線5及寫入用字線6間。1^ 人除了非磁性層 第16頁 2186-6215-PF(N2);Ahddub.ptd 1231936 五、發明說明（13)

21以外，磁性層22及磁性體2(包含感磁層23)都由具有導 3性之材料構成。因此，在電壓作用於位元線5和讀出用 =線12之間時’因位元線5經由繼元件2〇和磁性㈣在電 乳上連接，電流在相對於疊層面垂直之 方向）流向TMR元件2 0。 Μ T ν/其次，說明在磁性記憶裝置M之寫入動作。 在本^記憶裝置M，f先，位址緩_51取人經由 ::Γΐ ί:子A0〜A20所輸入之位址資料，用内部緩衝 ;;二::二線55、57傳給γ方向及X方向之位址解 時，資料緩衝器52取入經由外部資料端 子D0〜D7所輸入之寫入資料，用内部緩衝器放大後，經由 寫入用資料匯流排6 0、6 1 # & γ # & & χ ^ 56C、58C。 1寻、°γ方向及X方向之電流驅動器 而，位址解碼器56Α、58Α依昭位 和位址資料對應之解碼值之位；線5位及址寫貝入料 情況，利用電流驅動器5 6C、58C依’’、’用字線6。在必 元線5及寫入用字線6之電流之方：：= = = Y方向接地電路56D輸出允許寫入之信=制邏輯°P53: 至導通狀能。u JL 々各電晶體TR移 至導通狀心因而，唯一的選擇電流流向位 用字線6雙方之儲存單μ後 二線5及， 位元資料（寫入資料）。 保存早几1寫入既定之 其次，說明在磁性記憶裝置乂之讀出 在本磁性記憶裝置Μ，首先 乍。 位址輸入端子Α0〜Α2〇取入位址資料，用\\器⑴呈由外部 貝丁叶用内部緩衝器放大

1231936 五、發明說明（14) 二，經由位址線55、57傳給Y方向及χ方向之位址解碼器 56Α、58Α。而，位址解碼器56Α、58Α依照位址資料各自選 擇具有和位址資料對應之解碼值之位元線5及讀出用 12。又，控制邏輯部53在讀出動作日寺，停止向以向接地 電路56D輸出允許寫人之信號，今各電晶體54α移至非導通 狀態。又，感測放大器56Β經由内藏之電流偵側用電阻對 =選擇之位元線5開始施加既定之電壓。而，χ方向接地電 路58Β經由内藏之電晶體令所選擇之讀出用字線12接地。 因而:讀出電流在感測放大器56β、所選擇之位元線5、在 該=元線5及所選擇之讀出用字線丨2雙方之交又部分之儲 ，單兀1内之TMR το件20、該儲存單元j之磁性體2、讀出用 字線—12以及X方向接地電路58β之路徑流動。在此情況，在 TMR το件20，其内部電阻依據在2層磁性層22、23之磁化方 向之組合差異很大。因而，在該電流路徑流動之 :湖R元件20儲存之資訊之内容而變。因此，感測放大 器56Β依照在内藏之電流偵側用電阻之兩端間發生之電壓 之大小（即在電流偵側用電阻流動之電流之大小），經由讀 出用i料匯流排62向資料緩衝器52輸出和在儲存單元1儲 存之貝料（貝讯）之内容（j或〇 )對應之讀出資料。接著，利 用外部裝置經由資料緩衝器52之外部資料端子D〇〜D7讀 向資料f衝器52輸出之讀出資料。 =疋’右依據本磁性記憶裝置Μ，藉著在位元線5及寫 入用子線之各父又部分，配設形成個別的包覆在各交叉 口Ρ刀之位元線5及寫入用字線6雙方之環形磁性層RMi、RM2 2186-6215-PF(N2);Ahddub.ptd 第18頁 1231936 五、發明說明（15) 之磁性體2 ’而且用各環形磁性層r μ 1、R Μ 2之共用部位（磁 性體部2a)構成TMR元件20之感磁層23，可將因在位元線5 及寫入用字線6流動之電流在這些各線5、6之周圍發生之 磁通封入環形磁性層RM1、RM2(閉磁路）内。因而，可降低 漏磁之發生之結果，可大幅度減少對相鄰之儲存單元1之 不良影響。即，若依據本磁性記憶裝置M，用包覆位元線5 及寫入用字線6各自之周圍之各環形磁性層RMi、RM2之共 用部位（磁性體部2a)形成感磁層23。因而，若依據本磁性 記憶裝置Μ，如上述所示因可降低漏磁之發生，可向感磁 層23高效率的傳達因漏磁減少而提高了密度之磁性體^之 内部磁通之結果，可令高效率的改變感磁層23之磁化方 向。 此外，本發明未限定為上述之實施例。例如， :磁性記憶裝置Μ，說明了採用只用個別的包覆位元線5及 寫入用字線6雙方之環形磁性層RM1、RM2之丑用 / 、仁疋未限疋如此。例如，如圖5所示，也可换用/ 磁性層21和磁性體部2a之間配設使用導電性磁性 23A之一方之構件之磁性層24之 ，、冓成感磁層 材料，可使TMR元件2〇之【變化率變^擇偏極率高之 用矯頑磁力比磁性體一材料形成：好二 第19頁 2186.62l5-PF(N2);Ahddub.ptd 1231936 五、發明說明（16) 種構造’可令磁性層24之磁化方向更安定。在此之磁性體 部2a之矯頑磁力意指假設了和疊層體接觸之部分或疊層體 之投影之部分之形狀之情況之磁性體部2a之矯頌磁力。9 又，若依據本構造，在TMR元件20之形成製程，因可在同 一室内將磁性層24和形成隧道障礙層之非磁性層2丨連續的 成膜，可防止磁性層24和非磁性層2 1之界面之^的元f所 引起之污染，結果可使TMR元件20之MR變化率變大。、 此外，也可採用儲存單元1B，如圖6所示，在磁性體 部2a將薄層狀之非磁性導電層25和磁性層24按照其順序疊 層而構成感磁層23B，在構造上磁性層24對於磁性體部 "T反強磁f生、、O a。在此情況，感磁層2 3 b由磁性體部2 a、 磁性層24以及非磁性導電層25構成。若依據本儲存單元 1 B，除了上述之例子之效果以外，還可令磁性層之磁化 方向更安定。 又，也可採用儲存單元1C，如νί 7所示，對於上述之 儲存單元1Α之構造，莊装、 义之 ^ 精耆在磁性層2 2之和非磁性層2 1之反 :設（疊層）和第-磁性層22交換結合之反強磁性且導電

Val之磁J生/( ί二磁性層）26，將TMR元件20形成為Μη =6磁化方之Λ層Λ°若依據本儲存單元1c，可將磁性層 未® fα ί疋的保持在固定方向之狀態。此外，雖 層25之構造。 早兀1也可一樣的應用配設非磁性導電 又，也可採用儲左话-1ΤΛ 儲存單元1Α之構造Ϊ 如圖8所示，對於上述之 乂 ’在磁性層2 2之和非磁性層2 1反侧將經

1231936 五、發明說明（17) 由非磁性導電層2 7和磁性層2 2反強磁性結合之強磁性且導 電性之磁性層（第三磁性層）2 8，而且在該磁性層2 8之和磁 性層2 2反側將和磁性層2 8交換結合之反強磁性之磁性層 (第四磁性層）29疊層，形成了TMr元件2〇。若依據本儲存 單元1D，因可降低自磁性層22對感磁層23A之靜磁場之影 響’可南效率的改變感磁層23A之磁化方向。又，可將磁 性層22之磁化方向更安定保持在固定方向之結果，可使 TMR元件2 0之MR變化率變大。此外，雖未圖示，對於儲存 單元1、1B也可一樣的應用配設非磁性導電層27、磁性^ 2 8以及磁性層2 9之構造。 曰 又，在上述之磁性記憶裝置M，舉例說明了在配 6儲.存亩單二 1、U、1B、“…之部位位元線5及寫入用字線 6垂直的父士之例子，但是如圖9所示，。位元線5及寫入友 ^子線6在X又部位相平行之構造，對於配置於該交^ =之儲存单7°1E也可應用儲存單元1、1A、1B、1C、1D: ，造。在此情況’例如以儲存單心為基本 :，1E如圖1〇所示，只在和 集土 ：：存 磁性層RM1和環形磁祕舔PM0 τ 文J配叹成％形 不衣形磁性層肫2平行之構造和儲 異，其他之構成元件相同。 早凡1A相 樣的可使用利用在：元線5及在：構以，汶和儲存單元1A- ^ ^ ^ ,η ^ 1兀踝b及寫入用字線6流動之雷泣方止 成磁場令感磁層23之磁化方向反轉； 其他之儲存早Si、1B、lc 轉又，以 存單元也一樣，呈 1D之構造為基本所構成之儲 同之效果。 炙儲存早兀1、1B、ic、1D相

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如 著個別 寫入線 第二駕 的構成 入線之 内，可 阻效應 減少漏 高效率 感磁層 場，可 又 置對於 層，因 選擇偏 大。此 性層， 層整體 此 設置對層，可 效果 以上所 的包覆 雙方各 入線之 感磁層 周圍發 降低漏 元件之 磁而提 的產生 之磁化 充分的 ’若依 各環形 在係構 極率高 外，藉 可令磁 之磁化 外，若 於各環 令磁性 示，若依據 在第一寫入 自形成對於 環形磁性層 ’因可將因 生之磁通封 磁之發生之 不良影響。 高了密度之 磁場之結果 方向。gp ， 提高寫入效 據本發明之 磁性層之共 成感磁層之 之材料，可 著使用橋頑 性層之磁化 方向更安定 依據本發明 形磁性層之 層之磁化方 本發明 線及第 第一寫 之磁性 在兩寫 入由各 結果， 又，因 磁性體 ，可用 可在感 率〇 磁阻效 用部位 一方之 使磁阻 磁力比 方向更 化。 之磁阻 共用部 向更安 之磁阻效 一寫入線 入線之環 體，令含 入線流動 環形磁性 可大幅度 可降低漏 之内部磁 更小之電 磁層内高 應元件 之交叉 形磁性 有各環 之電流 層構成 降低對 磁之發 通可在 流而效 效率的 ，設置藉 部分之各 層及對於 形磁性層 而在各寫 之閉磁路 相鄰之磁 生，用因 感磁層内 率的改變 產生磁 應元件，藉著在感磁層設 在磁性上交換結合之磁性 構件之磁性層之材料上可 效應元件之MR變化率變 共用部位大之材料形成磁 安定之結果’也可令感磁 效應元件，藉著在感磁層 位可反強磁性結合之磁性 疋之結果’可令感磁層整

1231936 五、發明說明（19) 體之磁化方向安定化。 又’若依據本發明之磁阻效應元件，藉著將感磁層和 對於第一寫入線之環形磁性層及對於第二寫入線之環形磁 性層之一方在電氣上連接，因可經由磁性體連接磁阻效應 元件和讀出線，可簡化磁阻效應元件之構造，可實現高密 度之記憶元件。 又’若依據本發明之磁阻效應元件，藉著將第一磁性 層之矯頑磁力設為比感磁層大之矯頑磁力，可將在第一磁 性層之磁化方向保持在固定方向。 此外’若依據本發明之磁阻效應元件，藉著在第一磁 性層之和非磁性層反側將和第一磁性層交換結合之反強磁 性之第2磁性層疊層而將疊層體形成Spin Valve構造，可 將第一磁性層之磁化方向更安定的保持在固定方向。。 又’若依據本發明之磁阻效應元件，藉著用在第一磁 性層之和非磁性層反側經由非磁性導電層疊層而且和第一 磁性層反強磁性結合之強磁性之第三磁性層及在第三磁性 層之和第一磁性層反側疊層而且和第三磁性層交換結合之 反強磁性之第四磁性層形成疊層體，因可降低自第一 ^性 層對感磁層之靜磁場之影響，可高效率的改變感磁層之磁 化=向。又，可將第一磁性層之磁化方向更安定的保持在 固定方向之結果，可磁阻效應元件之MR變化率變大。 又’若依據本發明之磁阻效應元件，藉著在第一 線及第二寫入線之各交又部分將各磁阻效應元件各自阳# 成位於第一寫入線及第二寫入線之間，因可封入在各寫二

1231936 五、發明說明（20) 線之周圍發生之磁通，可降低漏磁之發生之結果，可大幅 度降低對相鄰之磁阻效應元件之不良影響。因此，可實現 磁阻效應元件之高密度化。又，因可降低漏磁之發生，可 向感磁層高效率的傳達因減少漏磁而提高了密度之磁性體 之内部磁通之結果，可用更小之電流高效率的改變感磁層 之磁化方向。即，利用小的寫入電流可高效率的記錄資 訊。因此，在將磁阻效應元件小型化（微小化）時反磁場增 大之情況，也可不用大的寫入電流就可使資訊記錄確實 化0

2186-6215-PF(N2);Ahddub.ptd 第24頁 1231936 圖式簡單說明 圖1係表示本發明之磁性記憶裝置M 圖。 之整體構造之方塊 圖2係表示在圖1之磁性記憶裝置Μ 其周邊電路之構造之方塊圖。 ：存單元群54及 圖3係在圖2所示之儲存單元1沿著 剖面圖。 #罵入用字線6剖開之 次圖4係表示藉著使電流流向位元線& — 貝訊記錄於感磁層23之原理之原理圖。寫入用子線6將 圖5係表示別的儲存單元構造之 圖6係表示別的儲存單元1B之構造之剖面J。 圖7係表示別的儲存單元lc 二 圖8係表示別的儲存單元1〇之構造之:。 圖9係表示採用了別的儲存 圖 造之平面圖。 的儲存早凡1E之儲存單元群之構 圖10係表示圖9所示之儲在留 面圖。 4存早70 1E之沿著X — X線之剖 圖11係表不以往作為儲左 元線105剖開之剖面圖。 早兀之元件120之沿著位 圖1 2係表示採用了圖1〗一 置之構造之平面圖。 不之儲存單元之磁性記憶裝 符號說明】 6〜寫入用字線； 2〜磁性體； 5〜位元線； 2 a〜磁性體部；

2186-6215-PF(N2);Ahddub.ptd 第25頁 1231936 圖式簡單說明 12〜讀出用字線； 20〜TMR元件； 2 1〜非磁性層； 2 2〜第一磁性層； 23、23A、23B〜感磁層；24〜磁性層； 2 5〜非磁性導電層； 2 6〜磁性層（第二磁性層）； 27〜非磁性導電層； Μ〜磁性記憶裝置； 1、1Α、IB、1C、ID、1Ε〜儲存單元。

2186-6215-PF(N2);Ahddub.ptd 第26頁

Claims (1)

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1 · 一種磁阻效應元件，包括： 成位二4第：寫入線及該二寫入線之交叉部分配置 第—寫入線及該第二寫入線之周圍產生之各 ^ ^ S s 4磁層，而且在構造上電流在相對 於逢層面垂直之方向流動；及 線及ΪΪ體，藉著個別的包覆在該交叉部分之該第-寫入 磁地=ί Γ寫入線雙方各自形成對於該第一寫入線之環形 磁性層及對於該第二寫入線之環形磁性層； 其特徵在於： 孩感磁層在構造上包含位於在該磁性體之該第一寫入 線及該第二寫入線之間之該各環形磁性層之共用部位。 、2.如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，該 感磁層具備磁性層，對於該共用部位在磁性上交換結合。 、3 ·如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，該 感磁層將非磁性導電層及磁性層按照其順序在該共用部位 疊層而成，在構造上該磁性層對於該共用部位可反強磁性 結合。 4 ·如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，該 感磁層和對於該第一寫入線之該環形磁性層及對於該第二 寫入線之該壤形磁性層之一方在電氣上連接。 5 ·如申請專利範圍第1項之磁阻效應元件，其中，該 疊層體在構造上包括：非磁性層；第一磁性層，在該非磁 性層之一方側疊層，磁化方向固定；以及該感磁層，在該

2186-6215-PF(N2);Ahddub.ptd 第27頁 1231936 六、申請專利範圍 非磁性層之和該第一磁性層反側疊層； 在構造上依照該電流可讀出資訊。 6. 如申請專利範圍第5項之磁阻效應元件，其中，該 第一磁性層具有比該感磁層大之矯頑磁力。 7. 如申請專利範圍第5項之磁阻效應元件，其中，該 疊層體包括反強磁性之第二磁性層，在該第一磁性層之和 該非磁性層反側疊層，而且和該第一磁性層交換結合。 8. 如申請專利範圍第5項之磁阻效應元件，其中，該 疊層體包括··強磁性之第三磁性層，在該第一磁性層之和 該非磁性層反側經由非磁性導電層疊層，而且和該第一磁 性層反強磁性結合；及反強磁性之第四磁性層，在該第三 磁性層之和該第一磁性層反側疊層，而且和該第三磁性層 交換結合。 9. 如申請專利範圍第5項之磁阻效應元件，其中，該 非磁性層用可令產生隧道效應之絕緣層構成。 1 0 . —種磁性記憶裝置，包括： 複數如申請專利範圍第1至9項之其中一項之磁阻效應 元件； 複數該第一寫入線；以及 複數該第二寫入線，配設成各自和複數該第一寫入線 交叉； 其特徵在於： 該各磁阻效應元件在該第一寫入線及該第二寫入線之 各交叉部分各自配設成位於該第一寫入線及該第二寫入線

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