TWI240272B

TWI240272B - MRAM with asymmetric clad conductor

Info

Publication number: TWI240272B
Application number: TW092115708A
Authority: TW
Inventors: Manoj K Bhattacharyya; Thomas C Anthony
Original assignee: Hewlett Packard Development Co
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-09-21
Also published as: US20040089904A1; TW200407885A; US6740947B1; CN100399474C; EP1420411A2; CN1527319A; EP1420411A3; JP2004165661A

Description

1240272 玖、發明說明：【發明所屬技術領域；1 發明領域本發明大致上係關於一種磁性記憶體裝置，其中至少 5 一導體包括一不對稱包覆。更具體地說，本發明係關於一種磁性§己憶體裝置，其中至少一導體包括一凹入之不對稱包覆，以使對一磁性記憶體晶胞之資料層之切換特性之不想要的效應最小化，同時提供切換場增強。 10 發明背景 15 嫩I王丨通俄仔取圯憶體（MRAM)為一興起之技術，其可提供對傳統貧料儲存或記憶體技術之其他選擇。mram具有想要的性質’諸如類似DRAM^速存取時間以及類似硬碟驅動機之非揮發性的資料保持。MRAM以之在一形成樣式之薄膜雜元件巾之—可變換之磁化方位來儲存一位元資料（即資訊），該在—形成樣式之薄膜磁性^件中之一可變換之磁化方位稱為一資料層，-儲存層，-自由層1 =資料薄膜。設計㈣層，如此使得其具有二個财和^ 同的磁性狀態，其定義一二元一（“丨”)和—二然資料位元儲存於資制中，但需要衫可仔=7°雖性和介電薄膜材料之層來形成-完整的磁性記，心:磁 —顯著的魏記憶體元件之型式為-自旋穿_=件。穿随之㈣是複_，且在此主題上有好的文獻置。自旋在第1a圖中，一先前MRAM記憶體元件1〇1包括—次料 20 1240272 層102和一參考層1〇4，其由一薄障礙層1〇6分離。典型上， I1 早礙層106具有一小於約2 〇nm之厚度。記憶體元件1〇1具有一寬度W和一長度l，且寬度w對長度L之比定義一外觀比 (即外觀比=W+L)。在一穿隧磁阻記憶體(TMR)中，障礙層 5 ι〇6為一非導電介電材料，諸如舉例而言為氧化鋁(ai2o3)。同，在一巨大磁阻記憶體(gmr)中，障礙層1〇6為一導體材料之薄層，諸如舉例而言為銅(Cu)。參考層1〇4具有一固疋的磁化方位108，即，固定磁化方位1〇8被固定在一預先决定的方向上且不回應—外部磁場而旋轉。對照來說，資 10料層1G2具有可Μ換之磁化方位⑽，其可回應—外界磁場而在一方位間方疋轉。可變換的磁化方位ι〇3 一般與資料層 1〇2之一可變軸Ε對齊。在第1b圖中’當固定的磁化方位108和可變換的磁化方位103指向相同方向（印它們彼此平行)時，資料層102儲存一 15 二元一（“1”）。另—士^ 面，當固定的磁化方位108和可變換的磁化方位103才曰向相反方向（即它們彼此逆平行）時，資料層 102儲存一二元零。在弟 Θ中先％記憶體元件1 〇 1 —般定位在二正交導體105和107之又1上。例如導體1G5可為—字線而導體 20可為一位兀線。總地來說，導體（1〇5，1〇7)可稱為寫入線。藉由產生分別流經導體1〇7和1〇5之電流Μ%依次所產生之二磁場Ηχ和Ηγ來將-位元資料寫入記憶體元件1〇1。磁場Ηχ和ΗΥ合作地與資料層1〇2互動以將可變換之磁化方位 103從其目前的方位旋轉至一新的方位。因此，若目前的方 1240272 位為與固定磁化方位1〇8平行（即在一 X軸X上之正X方向），如此使得一二元“1，，儲存於資料層102中，則磁場Ηχ和Ηγ將使可變換的磁化方位1〇3旋轉至一逆平行方位（即在X軸X上之負X方向），如此使得一二元“〇，，儲存於資料層1〇2中。 5 在第2a圖中，說明在從正X方向旋轉至負X方向之程序中之可變換的磁化方位103。那二個方向皆與可變軸e對齊。然而，在旋轉期間，可變換磁化方位1〇3將暫時與一固定軸Η對齊，其與一y.Y之正γ方向和負¥方向對齊。在第2b圖中，先前記憶體元件101定位於一類似的記憶 10體兀件1〇1之陣列201中，其亦被定位在多個配置在列和行中之導體107和1〇5之交叉上。為了說明之目的，在第以圖中，導體107為位元線而導體105為字線。藉由將電流^和匕通過字和位元線來將一位元的資料寫入至一所選擇的記憶體元件101 ’其定位於一字和位元線之交又上。在一正常寫 15入彳呆作期間，只在組合磁場Ηχ和Ηγ有足夠的大小來切換（即方疋轉）s己憶體元件1 〇 1之可變換磁化方位時，所選擇之記惊體元件101才被寫入。在第3a圖中，當可變換磁化方位103與可變軸£對齊時，先前資料層將彩有磁電荷，標註為加號+和一減號 20 -，且那些磁電荷(+，-)產生一解磁場HDE。解磁場HDE藉由減少旋轉可變換磁化方位103所需之組合磁場(Ηχ，Ηγ)之大小來協助資料層102之切換。基本上，旋轉可變換磁化方位 1〇3之能量量被減少了。類似地，在第3b圖中，當可變換磁化方位在一與固 1240272 疋軸Η平行之部份旋轉位置中時，由磁電荷(+，_)產生其他的磁場HDh。那些磁電荷對抗可變換磁化方位1〇3之進一步旋藉由解磁場（HDE，HDh)之大小來部份決定資料層1〇2之刀換特I*生隶好’解磁場hde之大小足以減少初始化可變換磁化方位103之旋轉所需之能量之量，且解磁場之大小足以略略阻擋可變換磁化方位1〇3之進一步旋轉，如此使得虽可變換磁化方位103通過固定軸η時，資料層1〇2不會立即切換（即從一邏輯“1”至一邏輯“〇，，）。 10 患贫MRAM設計之缺點之一為產生組合磁場（ΗΧ，ΗΥ) 所需之電流太高。有幾項理由使得高電流是不想要的。首先’南電流增加功率消耗，其在可攜式電子裝置或電池供電的電子裝置中是不想要的。其次，高電流會造成增加浪費熱產生’其可能需要風扇或其他冷卻裝置以有效地散掉 15浪費的熱。那些冷卻裝置增加電池供電的裝置中之成本，重置和功率汲取。第三，需要較大的驅動電路來供應那些咼電流且較大的驅動電路減少記憶體或其他在一記憶體裝置中之關鍵電路可用的晶圓面積之量。最後，承載電流之導體可能因為在導體中之高電流密度所造成之電移動而故 20 障。先岫用以減少電流(Ιγ，Ιχ)之方法包括以一軟磁性材料包覆導體（105，107)，如第4圖中所示的。一包覆112覆蓋一導體120之全部三個面且包括被導體12〇之一表面掩蓋且鄰近於資料層102之柱Ρ。包覆112增強了可用的磁場並於一沿 1240272 著x軸X之方向上建立一閉磁路徑11〇。閉磁路徑提供磁場 (HX，HY)之通量封閉且有效地將那些場與資料層丨〇2耦合。另外，閉磁路徑110增加了資料層1〇2之有效長度，藉此增加了資料層102之形狀非等向性。一大形狀非等向性增 5加了貢料層102之磁穩定性。一般來說，為了透過形狀非等向性實現所要的磁穩定性，使資料層1〇2在可變軸£之方向上較長，如此使得記憶體晶胞1〇1在寬度…維度上較其在長度L維度上要來得長。雖然有效長度的增加進一步增加了資料層102之磁穩定性，但其亦具有使其難以切換資料層 10之缺點。結果，需〜|多電流來實行切換資料層1〇2。因為已使資料層102在可變軸ε之方向上實體較長，所以藉由口入由閉磁路徑110所建立之有效長度來使得該實體長度更長。因此，即使包覆112具有將可得的磁場聚焦在資料層1〇2 上之效果，但使用包覆112惡化了切換電流需求。 15 再者，因為增加資料層1〇2之實體長度亦增加記憶體晶胞101所佔之面積，所以形狀非等向性上的所要增加是以增加記憶體晶胞尺寸為代價的。結果，外觀比在一約2〇至約 3·〇或更多之範圍中是常見的。因此，減少了面積密度，因為記憶體晶胞101佔用較大的面積。理想上來說，外觀比靡 20 盡可能地近於1·〇，如此使得可增加面積密度。在第5c圖中，一陣列203包括先前的記憶體元件1〇1，其位於在一對包覆導體（l〇5c，l〇7c)間之一交又上。在第5a 圖中’ '沿者第5c圖之X轴X之橫截面圖說明了具有^一覆苔導體107c之整個三個側面且包括位於被導體10及之一表面 1240272 掩蓋且位於資料層1〇2鄰近之柱1〇9{)之包覆1〇9之導體 107c。声第6a圖中，第5a圖之結構之一缺點為柱1〇9{)產生與由資料層102所產生之那些極性相反之磁電荷（+，_)。由柱 5 109p產生之磁電荷（+，-)明顯地減少或消除解磁場h，de，如此使得需要更多能量（即一更強的磁場!^)來旋轉可變換磁化方位103。結果，必須供應更多電流Ιγ以產生一磁場Ηχ之較鬲大小。因此，包覆109對資料層102之切換特性之一項有決定性效果。再者，包覆109增加資料層102之有效長度， 10如上述。因此，可進一步增加電流lY來實行切換資料層 102由包覆109所產生之閉磁路徑建立一通過資料層之低磁阻路徑，結果造成磁場與資料層1〇2之強烈耦合以及前述解磁場h’de之效應，且該強烈耦合使得資料層1〇2之有效長度之增加惡化。 15 在第5b圖中，沿著第5c圖之Y軸Y之橫截面圖說明導體 105c，其具有一包覆111，其覆蓋導體1〇5(：之全部三側面且包括柱lllp ’其位於被導體l〇5c之一表面掩蓋且位於與資料層102相鄰。在第6b圖中，第5b圖之結構之一缺點為柱111{)產生與 20由資料層1〇2所產生的那些極性相反之磁電荷(+，_)。那此磁電荷減少資料層102之抗磁力，結果減少或抵消了解磁場 H’Dh。結果，當其通過固定軸Η時只有少許或沒有對可變磁化方位103之旋轉之抵抗。因此，包覆111具有對資料層1〇2 之切換特性之其他項之不利效應。解磁場H，Dh之效應亦因 1240272 為磁場與資料層102因包覆111之故而強烈耦合而被加重。因此，存在對一磁性記憶體晶胞之一或多個導體之包覆結構之需求，其提供切換場增強而無對磁性記憶體晶胞之資料層之切換特性之不利效應。有對一包覆結構之需 5 求，其增加一磁性路徑之磁阻，如此使得磁性麵合減少。亦有對包覆結構之需求，其使得磁性記憶體晶胞之外觀比減少，如此使得面積密度增加。【發明内容】發明概要 10 本發明藉由不對稱地包覆一或多個橫跨一磁性記憶體晶胞來處理因為先前包覆導體所造成之前述問題。一磁性記憶體裝置包括一磁場感應記憶體晶胞和一於長度方向上橫跨記憶體晶胞之第一導體以及一於寬度方向上橫跨記憶體晶胞之第二導體。第一導體包括一覆蓋其之一上方表面 15 和二側表面之一部份之第一包覆。包覆包括位於與二側表面相鄰且沿著二側表面凹入一第一位移距離之第一對柱。在一實施例中，第二導體亦包括一第二包覆，其橫跨其之上方表面和二側表面之一部份。第二包覆包括位於與二側表面相鄰且沿著二側表面凹入一第二位移距離之第二 20 對柱。第一和第二位移距離不需彼此相等，如此使得第一和第二柱相對於記憶體晶胞之一資料層或在記憶體晶胞上之一二其他參考點並非彼此等距間隔。第一和第二導體之任一或二者可相對於其各別的橫跨方向來橫向地位移，如此使得導體與記憶體晶胞為中心對 1240272 稱。可使用橫向位移來改變在資料層内之一點，其中切換之集結隨記憶體晶胞之切換特性上的結果改變而發生。以凹入柱來減少由包覆導體和資料層所產生之磁場間之強烈磁耦合所造成之前述問題，因為增加了磁路徑之磁 5 阻。沿著可變軸之資料層之增加的有效路徑亦由凹入柱減少，因為增加的磁阻作用來減少磁場與資料層之耦合。

凹入柱減少了由柱所產生之磁電荷之消除效應，如此使得沿著資料層之一可變軸和一固定軸之解磁場被減少或消除，且獲得一所要的資料層切換特性，同時亦增強在第 10 一和第二導體中流動之電流所產生之切換場。藉由不對稱包覆一或二個第一和第二導體，可優於具有包覆導體之先前記憶體晶胞來減少記憶體晶胞之外觀比。

本發明之其他觀點和優點將從下列詳細說明而變得明 15 顯，連同附圖，並以示範本發明之原理之方式來說明。圖式簡單說明第la圖為一先前磁記憶體元件之輪廓圖。第lb圖為一說明在第la圖之先前磁記憶體元件中之資料儲存之示意圖。 20 第2a圖為一說明由二導體橫跨之先前記憶體元件之示意圖。第2b圖為一說明一先前MRAM陣列之示意圖。第3a和3b圖為說明分別沿著一先前記憶體元件之一可變軸和一固定軸之解磁場之俯視圖。 12 1240272 第4圖為一說明一先前包覆導體之橫截面圖。第5a和5b圖為說明具有一對包覆導體之先前記憶體元件之橫截面圖。第5c圖為一說明一具有由包覆導體橫跨之先前記憶體 5 晶胞之先前MRAM陣列之示意圖。第6a和6b圖說明先前記憶體元件分別因為第化和北圖之先前包覆之導體所造成之切換特性之不利效應。第7a圖為一輪廓圖，其說明根據本發明之磁場感應記憶體晶胞。 1〇第几圖為-第-導體之第-不對稱包覆之頂端平面圖，其根據本發明跨越一磁場感應記憶體晶胞。第7c圖為一第二導體之第二對稱包覆之底部平面圖，其根據本發明橫跨一磁場感應記憶體晶胞。第8a和8b圖為橫跨記憶體晶胞之第一導體和一第二導 15體之杈截面圖，且該第一導體包括根據本發明之第一不對稱包覆。第9a和9b圖為第8a和8b圖之第二導體之橫截面圖，其具有一根據本發明與之連接之第二對稱包覆。第10a和10b圖為第一和第二導體之橫截面圖，其包括 2〇一第一和一第二不對稱包覆，其根據本發明分別與之連接。第11圖為一頂端平面圖，其說明一磁場感應記憶體晶胞，其具有一寬度和一長度，其根據本發明大致彼此相等。第12a和12b圖為橫截面圖，其說明根據本發明分別相對於一預先決定點之第一和第二不對稱包覆之凹入柱之第 13 1240272 一和第二位移距離。第13圖為一示意圖，其根據本發明說明在第一和第二對柱和一資料層間之不對稱間隔。第14a和14b圖為橫截面圖，其分別根據本發明說明橫 5 向位移之第一和第二導體。

第15圖為一示意圖，其說明由一在第一導體中流動之電流所建立之解磁場，該第一導體根據本發明包括一第一不對稱包覆。第16圖為一示意圖，其說明一由在一包括根據本發明 10 之第二不對稱包覆之第二導體中之電流所建立之解磁場。第17a和17b圖為示意圖，其說明根據本發明之不對稱包覆厚度中之變化。第18圖為一具有根據本發明之不對稱包覆導體之磁性記憶體裝置之陣列之輪廓圖。 15 【實施方式】

較佳實施例之詳細說明在下列詳細說明和在幾個圖式中，類似的元件以類似的參考數字標示。如供說明目的之圖式中所示的，本發明實施於一種包 20 括一磁場感應記憶體晶胞（在下文中稱記憶體晶胞）之磁性記憶體裝置之不對稱包覆結構中。在第7a至8b圖中，一磁性記憶體晶胞10包含多個層，其包括但不受限於一參考層4，一資料層2，以及一位於資料和參考層（2,4)間之障礙層6。如在MRAM技藝上廣為了解 14 1240272 的，資料層2包括一以雙箭號Μ標註之可變換磁化方位，而參考層4包括一不回應外部磁場而旋轉其方位之固定磁化方位ρ。一般來5兒’決定固定磁化方位ρ且永久設定為記憶體晶胞10之製造程序之一部份。可變換磁化方位Μ可具有 5 一可與固定磁化方位Ρ平行或逆平行之方位，且方位可藉由外部地供應足夠大小之磁場來加以改變。

亦廣為了解到，在MRAM技藝中，障礙層6為一非導電材料之薄層（即一介電材料），諸如對一 TMR裝置之氧化鋁 (Al2〇3)，氮化鋁(Α1ΝΧ)，氧化鎂，或氧化鈕(Ta〇x)。反之， 10對一 GMR裝置而言，障礙層6為一導電非磁性材料，諸如銅 (Cu)，金(Au)，或銀(Ag)。雖然一磁場感應記憶體裝置可包括幾層薄膜材料，但為了簡化說明之目的，磁性記憶體晶胞10顯示為包括參考層4，資料層2，以及障礙層6，但並非理解為僅受限於那些層。 15 一第一導體11於記憶體晶胞1〇之一長度方向LD上橫跨

記憶體晶胞10，且第一導體11包括一頂端表面llt，二側表面11s，以及—底部表面iib(參考第8a圖）。在第7b圖中，第一導體11由一第一不對稱包覆13覆蓋，如下面將說明的。底部表面1 lb位於面對記憶體晶胞處（即底部表面1化面對 2〇資料層2)。底部表面lib不需與資料層2直接接觸，且在底部表面1 lb和資料層2之間可放置一或多層MRAM堆疊之薄膜材料。在第8a圖中，一第一不對稱包覆13與頂端表面lit和第一導體11之二側表面Us之一部份連接。即，第一不對稱包 15 1240272 覆13未覆蓋二側表面Us之全部。第一不對稱包覆13包括第一對柱13p，其沿著二側表面Us凹入（即在遠離資料層2之方向上）且與記憶體晶胞10位移一第一距離D1。在第一不對稱包覆13中之不對稱係因為包覆只涵蓋一部份的相對側表面 5 11s，如此使得第一對柱13p並未被底部表面Ub所掩蓋。在第8b圖中，一第二導體15在寬度方向wD上橫跨記憶體晶胞10且包括一頂端表面15t’二側表面15s和一底部表面 15b，其亦位於與記憶體晶胞10面對處（即底部表面15b面對資料層2)。如上面對底部表面nb所描述的，第二導體^之 10底部表面15b不需直接與資料層2接觸。上述外部磁場係由流經第一和第二導體（11，15)之電流(未顯示）所產生的，且那些外部磁場彼此結合以與資料層2交互作用以在對記憶體晶胞1 〇之寫入操作㈣婦可變磁化方位M。 L體來况，第一和第二導體（1U5)可稱為寫入線。視 15 '己憶體裝置之結構而定，第一導體11可為一字線而第二導一：、、、立元線或反之亦可。例如，字和位元線可配置於一陣列中，其中位元線橫越陣列之列，而字線橫越陣列之行或/、中位元線橫越陣列之行而字線橫跨陣列之列。在第18圖中’ ~Mram陣卿包括多個記憶體晶胞且包括 2〇在陣列5〇之一列中之-不對稱包覆的導體11以及在陣列50 之灯中之不對稱包覆的導體15(如下面將說明的）。記憶體晶胞1〇位於一列導體和-行導體之交叉上。、声第15圖中’ 一於第一導體11中流動之電流Ix產生一、两γ /、磁丨生地與資料層2透過一由第一不對稱包覆13 1240272 所建立之閉磁路徑相互作用（參看Ηγ之虛線，其說明與資料層2之通量封閉）。因為第一對極ι3ρ凹入第一距離di，所以閉磁路徑之一磁阻RG在第一對極13p上比在第一不對稱包覆13中之一磁阻Rc和一在資料層2中之磁阻尺〇來得高。基本 5上，第一距離D1插入一間隙中，其增加對Ηγ之閉磁路徑之總磁阻。結果，磁場Ηγ與資料層2之磁轉合減少，結果與固定軸h對齊且由資料層2第一對極13ρ與資料層2之接近所迭成之磁荷（+，-)所產生之解磁場HDh之大小減少。減少解磁場HDh之強度之一好處為當與固定軸匕對齊時 10可變磁化方位Μ阻擋進一步旋轉之傾向被減少。凹入的第一對極13ρ將第一不對稱包覆13之磁材料置於離開資料層2 處，如此使得在第一不對稱包覆13和資料層2之間有一較少的磁干擾。在先前具有包覆導體之記憶體晶胞中，包覆增強了資 15料層上之磁場，且結果減少了資料層之抗磁力以及解磁場 H’Dh之增加。解磁場H’Dh建立一對可變磁化方位μ之穩定的低能量狀態。因此，可變磁化方位“抗拒被旋轉出該穩定狀悲。因此，只有一足夠大小的磁場可驅使先前記憶體晶胞之可變磁化方位Μ旋轉出該穩定狀態。不幸地，需要一 20大電流來流生該磁場，且如上述，大電流是令人不滿意的。因此，藉由減少解磁場H〇h之磁耦合和大小，本發明之第一不對稱包覆13提供可變換磁化方位％之一受控能量狀態，其使得資料層2具有一改進的切換特性，以及將可變換磁化方位Μ通過固定軸h旋轉所需之電流。之大小減少。 17 1240272 在第12a圖中，第一位移距離D1可為一在第一組極13p 和第一導體11之底部表面lib之間測量之距離，或一在第一組極13p和在記憶體晶胞10上之一預先決定點間測量之距離。在記憶體晶胞10上之預先決定點可為資料層2。在第12a 5 圖中，障礙層6亦說明為對記憶體晶胞10上之預先決定點之一可能的選擇。記憶體晶胞10上之預先決定點之選擇可為視應用而定的，或其可僅為選擇之問題。

因為資料層2，障礙層6，參考層4，且任何其他包含記憶體晶胞10之層一般來說為具有幾奈米（n m)或更小之厚度 10 之薄膜層，第一導體11之底部表面lib為對記憶體晶胞10上之預先決定點之一合理選擇。另一方面，因為不對稱包覆 (13，17)之效應被設計來具有對資料層2之一效應，所以資料層2亦為對記憶體晶胞10上之預先決定點之一合理選擇。

在本發明之一實施例中，如第9a和9b圖中所說明的， 15 第二導體15包括一第二對稱包覆16，其與頂端表面15t和全部二側表面15s連接（即，第二對稱包覆16並非沿著二側表面 15s凹入)且包括一對被底部表面15b大致掩蓋之極16p。第二對稱包覆16增強了由流經第二導體15之電流（未顯示）所產生之磁場且增強磁場與資料層2之耦合。 20 在第7a圖中，僅為了說明之目的，記憶體晶胞10係參考一笛卡兒座標系統加以顯示，其中長度方向LD與一X軸X 對齊（亦參看第7b圖）且寬度方向WD與一 Y軸Y對齊（亦參看第7c圖）。長度方向LD大致與記憶體晶胞之長度正交，且寬度方向WD大致與記憶體晶胞之寬度W!正交。寬度界丨對 18 1240272 長度L!之比定義了記憶體晶胞10之外觀比ar(即， Ar=Wi+Li) 〇再者，在第7a至7c圖中，資料層2之可變軸e大致與X軸 X對齊，且資料層2之固定軸h大致與Y軸Y對齊。一般來說， 5 可變軸e和可變化磁化方位μ係與資料層2之最長側對齊以利用形狀異向性，其增加資料層2之磁化穩定性。在先前的記憶體晶胞中，形狀異向性之磁性穩定之好處代價為資料層具有一遠大於1·〇之外觀比，如此使得資料層之寬度維度大致大於長度維度。例如，在先前記憶體晶 10 胞中，外觀比可為從約2.0至約3·0或更多。當正交於先前記憶體晶胞之可變軸之導體被包覆時，包覆沿著可變軸增加了資料層之有效長度，其進一步增加資料層之磁性穩定性。然而，較長的有效長度使得資料層之切換更難且需要更多電流來實現資料層之切換。 15 在第一導體11上之第一不對稱包覆13提供必要的磁性切換場增強，其有效地將由電流匕產生之可用磁場與資料層2搞合’同時亦在資料層2中提供受控制之能量狀態，其改進資料層2之切換特性，且減少在包覆13和資料層2間之不要的磁場相互作用。因此，資料層2之磁性穩定性被增 20加’且寬度Wl可以外觀比AR*之對應減少和面積密度上的增加來加以減少。外觀比八11可為在從約1〇至約ι·6之範圍中。最好外觀比AR為盡可能地近於^，如此使得記憶體晶胞10之寬度Wi和長度大致彼此相等（即Wi=Li)，且資料層 2大致為正方形（麥看第11圖）。 19 !24〇272 在本發明之其他實施例中，如第10a和1〇b圖中所說明的，不對稱包覆結構進一步包括一與頂端表面15t和第二導體15之二側表面15s之一部份連接之第二不對稱包覆17。印’第二不對稱包覆17不涵蓋整個二側表面15s。第二不對 5 “

稱包覆17包括第二對枉Πρ，其沿著二側表面15s凹入（即在遠離資料層2之方向上）且與記憶體晶胞10位移以一第二距離D2。在第二不對稱包覆17中之不對稱亦係因為包覆只涵盍相對側表面15s之一部份之故，如此使得第二對柱17p未被底部表面15b覆蓋。在第12b圖中，第二位移距離D2可為一在第二組柱i7p 和第二導體15之底部表面15b間測量之距離，或一在第二組杈I7p和在記憶體晶胞10上之預先決定點間測量之距離。例如，在記憶體晶胞1〇上之預先決定點可為資料層2或位障層 6 〇 15 第13圖中，第一和第二對柱（13p，17p)為不對稱地相

對於資料層2上之預先決定點間隔開來，如此使得在第一對柱13p和資料層2上之預先決定點間之第一距離丁丨不等於在第二對柱17p和資料層2上之預先決定點間之距離Τ2(即 TbT2)。不對稱間隔可因為不同層材料之厚度上的差異之 20 故，其包含記憶體晶胞1 〇和/或第一和第二位移距離 (D1，D2)。雖然T被說明為小於T2，但T1亦可大於T2。第一位移距離D1可大於第二位移距離D2(即D1>D2)或第二位移距離D2可大於第一位移距離D1(即D2>D1)。資料層2之切換特性可藉由調整第一和第二位移距離(D1，D2)和/或第一和 20 1240272 第二距離(Τ1，Τ2)來加以調整。例如，通過資料層2之磁性路 L之磁阻隨著(D1，D2)或（Τ1，Τ2)上的增加而增力口。在第16圖中，在第二導體15中所流動之電流匕產生一磁場Hx，其磁性地與資料層2通過一由第二不對稱包覆17 5所建立之閉磁路徑交互作用（參看Ηχ之虛線，其說明與資料層2之通量封閉）。因為第二對柱17ρ凹入第二距離〇2，所以閉磁路徑之磁阻!^在第二對柱17p上高於在第二不對稱包覆17中之磁阻1^和在資料層2中之磁阻Re>。第二距離D2插入一空隙，其增ΜΗχ之閉磁路徑之總磁阻。結果為磁場Hx 1〇與貧料層2之磁性耦合之減少以及沿著可變軸e對齊且由資料層2中因為第二對柱17p與資料層2之相鄰而造成之磁荷 (V)所產生之解磁場HDe之大小之減少。與先前具有包覆導體之記憶體晶胞之大外觀比成鮮明的對比，本發明之其他優點為第二不對稱包覆允許資料層2 b之見度％之減少，如此使得外觀比Ar可減少，藉此增加面積密度。其他來自於減少外觀比Ar之好處包括資料層2之切換场特性上的改進和切換資料層2所需之電流上的減少。再者，任何因為寬度％上之減少所造成之形狀異向性 t的減少所造成之資料層2之磁性穩定性之減少被加以補 2〇彳員，因為第二不對稱包覆17增加沿著可變軸e之資料層2之有放長度口此，外觀比AR被加以減少，而未完全消除資料層2中之形狀異向性之好處。外觀比&可被減少至一從約 1·0至約1.6之範圍。最好外觀比Ar盡可能地近於1〇，如此使付3己憶體晶胞10之寬度Wi和長度L1大致彼此相等（即 21 1240272

Wl=Ll)，且資料層2具有一大致為正方形之形狀（參看第11 圖）。在外觀&ar上之減少並非受限於記憶體晶胞1〇，其具有矩幵V或正方幵，，如在此所說明的。例如，記憶體晶胞可具有包括但並不受限於一橢圓或長橢圓形狀之形 5 狀。

在第14a和14b圖中，資料層2之切換特性亦可藉由橫向地位移第一導體11和/或第二導體15來加以調整，如此使得 ^體⑴，15)並非對稱地在記憶體晶胞10之中心。例如，在第14a圖中，第一導體丨丨於一沿著¥軸丫之正方向上被橫向 1〇地位移（即，從資料層2之中心點C位移+，_)，如此使得第一導體11並非對稱地對稱中心點c。結果，在資料層2中之點 η，其中切換之核被從中心點c發生者被加以移開，藉此改變資料層2之切換特性。類似地，在第14b中，第二導體15 於者X轴X之負方向上橫向地位移’如此使得第二導體1 5 15 並非對稱地對稱於中心點c，在資料層2中之點η其中切換之核心發生者，被從中心點C處位移開來。第一導體η，第二導體15，或第一和第二導體（11，15)可被橫向地位移以實現在資料層2之切換特性中之所要的改變。本發明之不對稱包覆導體表面之其他優點為藉由不對 2〇稱地包覆第一和第二導體（11，15)之一或二者，改進了記憶體晶胞10之陣列50之半選擇邊界，如第18圖中所說明的。在半選擇邊界中之改進係以不對稱包覆獲得的，其有效地增加了外觀比AR，因為以不對稱包覆增加了資料層2之有效長度。 22 1240272

例如，若資料層2之實體維度為使得％$^且資料層2 之外觀比AR為約1 ·0，則第二導體15之不對稱包覆可增加資料層2之有效寬度，如此使得略略增加，且wpLi大於。做為一例子，若之實體維度為丨鄭⑺且不對稱 5包覆17具有將Wi增加至1·3μιη之效果，則資料層2之實體外觀比ARS 1.0(即Ι.Ομπι+Ι.ΟμΓη);然而，有效外觀比八尺為 1·3(即1·3μηι+1·0μιη)且在外觀比八!^之該有效增加改進了陣列50中之記憶體晶胞1〇間之半選擇之邊界。在第17a和17b圖中，第一和第二不對稱包覆（13,17)之 10 一範例分別包括沿著二側表面（lls，15s)之第一厚度q以及沿著頂端表面（llt，15t)之第二厚度t2，且第一厚度tl與第二厚度h不同（即t#t2)。^和。不同的厚度可能為用來形成不對稱包覆（13,17)之製程之產物或可故意引入以抵消在側表面 (11s，15s)上所長成之薄膜和在頂端表面（ilt，15t)上所長成 15 之薄膜間之磁性特性之差異。例如，第一厚度q可大於第二

厚度k(即t!>t2)。做為其他例子，tl可從比t2厚約1.2倍到約比 t2厚2.0倍。第一和第二導體（1U5)之適當的導電材料包括但不受限於銅（Cu)，鋁（A1)，銅化鋁（AlCu)，钽(Ta)，金(Au)，銀 20 (Ag)，以及那些材料之合金。第一和第二不對稱包覆（13，17) 之適當的鐵磁材料包括但不受限於鐵化鎳(NiFe)，碳化鐵鎳 (NiFeCo)，鐵化碳(CoFe)，PERMALLOY™，以及那些材料之合金。視用以形成第一和第二不對稱包覆（13，17)所用之程序 23 1240272

而定，第一對極13p之第一距離D1和第二對極17p之第二距離可能並非完全相等。即，在第二導體15之一側上的D1可能並非恰等於在第二導體15之另一側上之D2。例如，在第一導體11之一側表面1 Is上之第一距離D1可能並非恰等於 5 另一側表面11s上之第一距離D1，如此使得一柱13p不是比另一柱13p近於記憶體晶胞10上之預先決定點就是較之遠離。那些差異可能是肇因於例如用來形成不對稱包覆（13，17) 之程序中之沉積或喷濺率上的輕微差異之故。雖然已揭示並說明了本發明之幾項實施例，但本發明 10 並非受限於如此描述和說明之特定型式或部份之配置。本發明只受申請專利範圍之限制。【圖式簡單說明】第la圖為一先前磁記憶體元件之輪廓圖。第lb圖為一說明在第la圖之先前磁記憶體元件中之資 15 料儲存之示意圖。

第2a圖為一說明由二導體橫跨之先前記憶體元件之示意圖。第2b圖為一說明一先前MRAM陣列之示意圖。第3a和3b圖為說明分別沿著一先前記憶體元件之一可 20 變軸和一固定軸之解磁場之俯視圖。第4圖為一說明一先前包覆導體之橫截面圖。第5a和5b圖為說明具有一對包覆導體之先前記憶體元件之橫截面圖。第5c圖為一說明一具有由包覆導體橫跨之先前記憶體 24 1240272 10 15 20 晶胞之先前MRAM陣列之示意圖。第6a和6b圖說明先前記憶體元件分別因為第5&和外功之先前包覆之導體所造成之切換特性之不利致應。 ° 第7a圖為一輪廓圖，其說明根據本發明之磁場感靡“ 憶體晶胞。第7b圖為一第一導體之第一不對稱包覆之頂端平面圖，其根據本發明跨越一磁場感應記憶體晶胞。第7C圖為一第二導體之第二對稱包覆之底部平面圖，其根據本發明橫跨一磁場感應記憶體晶胞。第8a和8b圖為橫跨記憶體晶胞之第一導體和一第一、曾體之橫截面®，且該第-導體包括根據本發明之第一不= 稱包覆。 ^ 第9a和9b圖為第8_8b圖之第二導體之橫戴面圖，盆具有-根據本發明與之連接之第二對稱包覆。 /、 —第心和H)b圖為第-和第二導體之橫截面圖，其包括第#第一不對料包覆’其根據本發明分別與之連接。第11圖為一頂端平面圖，复 °兄明一磁場感應記憶體晶胞’其具有一見度和一長度，甘土亡丄 /、根據本發明大致彼此相等。第12a和12b圖為橫截面圖，复口其况明根據本發明分別相對於一預先決定點之第一和第_ 乐一不對稱包覆之凹入柱之第一和第二位移距離。第13圖為一示意圖，其根擔很蘇本發明說明在第一和第二對柱和一資料層間之不對稱間隔。第14a和14b圖為橫截面圖，，、刀別根據本發明說明橫

25 1240272 向位移之第一和第二導體。第15圖為一示意圖，其說明由一在第一導體中流動之電流所建立之解磁場，該第一導體根據本發明包括一第一不對稱包覆。 5 第16圖為一示意圖，其說明一由在一包括根據本發明之第二不對稱包覆之第二導體中之電流所建立之解磁場。

第17a和17b圖為示意圖，其說明根據本發明之不對稱包覆厚度中之變化。第18圖為一具有根據本發明之不對稱包覆導體之磁性 10 記憶體裝置之陣列之輪廓圖。【圖式之主要元件代表符號表】

2、102…資料層 …寬度 4、104…參考層 Lr··長度 6、106…障礙層 101…MRAM記憶體元件 10…記憶體晶胞 103···可變磁化方位 11s、15s…側表面 105、107···導體 lit、15t…頂端表面 108···固定磁化方位 13、17…不對稱包覆 111…包覆 13ρ、17p、109…柱 201、203…陣列 15…第二導體 R〇、Rc、Rd···磁阻 Dl、D2···距離 ΤΙ、t2…厚度 26

Claims

η I / , : i _Μ. —ζ -一一一拾、申請專利範圍弟92115708號中請案_請專利範圍修正本 94.03.22· 1. 一種磁性記憶體裝置之不對稱包覆結構，其包括一磁場感應記憶體晶胞，其包含·· 1-導體’其於_長度方向上跨越記憶體晶胞，且包括-頂端表面，二侧表面，以及一位於與記憶體晶胞面對之底部表面；一與頂端表面和只有二側表面之一部份連接之第不對稱包覆，且其包括一沿著二側表面凹入且與記憶體晶胞位移一第一距離之第一對柱；以及一第二導體’其於-寬度方向上橫跨記憶體晶胞，且其包括一頂端表面，二側表面以及一位於與記憶體晶胞面對之底部表面。 2·如申請專利範圍第！項之不對稱包覆結構，其中該長度方向大致與記憶體晶胞之長度正交，且該寬度方向大致

與記憶體晶胞之寬度正交，且該寬度對該長度之比定義一外觀比。 •如申請專利範圍第2項之不對稱包覆結構，其中該外觀比為在從約1.0至約1·6之範圍中。 2 0 4·如申請專利範圍第1項之不對稱包覆結構，其中該第一位移距離為一從由在該第一對柱與該第一導體之底部表面間之距離和在該第一對柱和在該記憶體晶胞上之預先決定的點間之距離構成之群組選出之距離。 5·如申清專利範圍第4項之不對稱包覆結構，其中在該記 27 1240272 憶體晶胞上之預先決定的點包含該記憶體晶胞之資料層。 6·如申請專利範圍第1項之不對稱包覆結構，其中該長度方向大致與該記憶體晶胞之可變軸對齊，且該寬产方向大致對齊該記憶體晶胞之固定軸。 7.如申請專利範圍第1項之不對稱包覆結構，其中該第二導體進-步包含-與頂端表面及全部二個側表面連接之第二對稱包覆，且其包括—對柱，其大致被底部表面覆蓋。 | 8·如申請專利範圍第1項之不對稱包覆結構，其中該第一導體橫向地位移，如此使得該第一導體並非對稱地在該 έ己憶體晶胞之中心。 9·如申請專利範圍第1項之不對稱包覆結構，其中該第一不對稱包覆進一步包括一沿著該二側表面之第一厚度以及沿著該頂端表面之一第二厚度，且該第一厚度係從不等於该第二厚度或大於該第二厚度中選擇的。瓜士:申請專利範圍第9項之不對稱包覆結構，其中該第— # 厚度係落在從約丨.2倍該第二厚度至約2 〇倍第二厚度之範圍中。 u.二申請專利範圍第1項之不對稱包覆結構’且進-步包 3 -與该頂端表面和只有該第二導體之二側表面之一 T份連接之第二不對稱包覆，且其包括—對沿著該第二導體之二側表面之第二對柱，且其與航㈣日日日胞位移有一第二距離。 28 1240272 12.如申請專利範圍第11項之不對稱包覆結構，其中該第二位移距離為一從由該第二對柱與該第二導體之底部表面間之距離和該第二對柱和該記憶體晶胞之一預先決定點間之距離所構成之群組中所選擇出來的一個距離。 5 13.如申請專利範圍第12項之不對稱包覆結構，其中在該記憶體晶胞上之預先決定點包含該記憶體晶胞之一資料層。

14. 如申請專利範圍第13項之不對稱包覆結構，其中該第一對柱和該第二對柱為相對於該資料層上之預先決定點 10 不對稱地分隔開來。 15. 如申請專利範圍第11項之不對稱包覆結構，其中該第二位移距離為大於第一位移距離。 16. 如申請專利範圍第11項之不對稱包覆結構，其中該第一位移距離大於第二位移距離。 15 17.如申請專利範圍第11項之不對稱包覆結構，其中該長度

方向大致與該記憶體晶胞之一長度正交，且該寬度方向大致與該記憶體晶胞之一寬度正交，且該寬度對該長度之比率定義一外觀比。 18. 如申請專利範圍第17項之不對稱包覆結構，其中該外觀 20 比為在從約1.0至約1.5之範圍内。 19. 如申請專利範圍第11項之不對稱包覆結構，其中該第一導體被橫向地位移，如此使得該第一導體並非對稱地位於該記憶體晶胞之中心。 20. 如申請專利範圍第11項之不對稱包覆結構，其中該第二 29 1240272 導體被橫向地位移，如此使得該第二導體並非對稱地位於該記憶體晶胞之中心。 21. 如申請專利範圍第11項之不對稱包覆結構，其中該第一導體被橫向地位移，如此使得該第一導體並非對稱地位 5 於該記憶體晶胞之中心，且其中該第二導體橫向地位移，如此使得該第二導體並非對稱地位於該記憶體晶胞之中心。

22. 如申請專利範圍第11項之不對稱包覆結構，其中該長度方向係大致對齊於該記憶體晶胞之可變軸，且該寬度方 10 向大致對齊於該記憶體晶胞之固定軸。 23. 如申請專利範圍第11項之不對稱包覆結構，其中該第一不對稱包覆和該第二不對稱包覆所選擇之一或二者進一步包括一沿著該二側表面之第一厚度以及沿著該頂端表面之第二厚度，且該第一厚度為從不等於該第二厚 15 度或大於該第二厚度中所選擇的。

24. 如申請專利範圍第23項之不對稱包覆結構，其中該第一厚度係落在從約1.2倍第二厚度至約2.0倍第二厚度之範圍中。 30