TWI240415B - Magnetic random access memory - Google Patents

Description

1240415 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 相關申請案之交互參考 本申請案係以先前於2002年^月22曰提出申請之曰本專 利申請案第2002-340043號為基礎並聲請其利益，該申請案 之所有内容在此併入作為參考。 本發明係關於一種磁性隨機存取記憶體㈧义八虬 Magnetic Random Access Memory)，其同時具備高寫入再現 性及局寫入效率。 【先前技術】 為求同時具有非揮發性、高速性、大容量化的終極記憶 體’磁性隨機存取記憶體正在被研究、開發。 作為磁性隨機存取記憶體之記憶胞，以(Giant Magnet0-Resistance，E磁電阻）元件或mtj (以叫加^ Tunneling Resistance，穿隧磁電阻）元件為眾人所知。在資 料讀取方面，使用MTJ元件的記憶體與使用gmr元件的記 憶體相比，可確保較大的信號量，因此現在使用mtj元件 的磁性隨機存取記憶體受到廣泛研究、開發。 圖1係顯示使用MTJ元件之磁性隨機存取記憶體的晶胞 陣列構造之例。 MTJ元件之基本構造係藉由兩個磁性層（強磁性層）1 a、 1B包夾絕緣層（通道障壁）2之構造。胞資料係根據兩個磁性 層1A、1B之磁化方向為平行或反平行而予以判斷。此處， O:\89\89360.DOC 4 -6- 1240415 平行係指兩個磁性層1A、⑺之磁化方向為同方向；反平行 係指兩個磁性層1A、⑺之磁化方向為反方向。 反強磁性層3係@定磁性_之磁化方向。磁化方向固定 的磁性層出稱為固定層或栓層。#由磁場而改變磁化方向 的磁性層1A稱為記錄層或自由層。 口如圖2所示，寫入係藉由於磁性層ia進行向右或向左之磁 /乍用而進行如圖3所示，讀取係藉由檢測出元件之 電阻值而進行。Μτ;元件之魏方向為平㈣，㈣元件之 通道障壁之隧道電阻為最低，假設該狀態I「0」狀態。 元件之磁化方向為反平行時，MTJ元件之通道障壁之隨 道電阻為最高，假設該狀態為「1」狀態。 磁性隨機存取記憶體之最大課題係如何降低寫入電流。 使用贿元件之記憶體中，寫人電流值大於理想值（8 〜10 mA) ’且’寫入電流值於位元線之間的變動頗大，而 有產生誤寫入等之問題。 因而’為使磁性隨機存取記憶體實用化，必須將寫入電 流值及其變動降低至容 j合疔之位準。現在，對於寬度約0.6 、長度約 1 2 //τη + Α/Γ^ΓΤ - y止 .阳之MTJ 70件而言，就學會等提出的報告 中之寫入電流值約為8mA。 1由寫入電流而產生的磁場必須具有充足強度以使MT =^記錄層（例如，驗，厚度2〜5nm)的磁化方向以 η °此即表示’若減㈣以反轉ΜΊ7元件之記錄層之每 化方向所需的磁場，則亦可減小寫人電流之值。 牛之η己錄層之磁化方向反轉所需的磁場η為： O:\89\89360.DOC 4 1240415 4?rMsxt/F[〇e] (1) F係記錄層 t係§己錄層之厚声

Ms係記錄層之飽和磁化 之寬度。 根據⑴式可知，藉由減少記錄層 、、 件之年轉届# ^ 可減弱MTJ元 件之謂層之磁化方向反轉所需的磁場心 但為確保耐熱擾亂性，M 其限度。又，考慮―之= 層:=為。.一下時，則必須增大記錄層之厚?: 轉所需層之⑽向反 牛=、、，田化，記錄層之寬〇有變小之趨勢，因而如此下 去，寫入電流之值將會越來越大。 ，另方面’可流動於配線的電流之電流密度有其上限。 當配線由Cu構成之情形時’該上限係為lxl〇7[A/cm2]。又 ^伴隨MTJ元件之微細化，配線之剖面積亦會減少，因而 該上限將進一步降低。結果將無法産生用以反轉記錄層之 磁化方向所需的磁場Η。 於該情形下，已有新開發之技術問世，即磁輛式配線技 術0 磁軛式配線技術係於至少有MTJ元件存在之區域中，將作 為寫入線之配線（例如c_NiFe等之軟磁性材料（磁輛材赚 覆的技術根據该技術，可將磁場有效集中至mtj元件， 並降低寫入電流之值。 現在，於學界等提出的報告中，使用磁軛式配線技術之 O:\89\89360.DOC 4 1240415 "己憶體的寫入效率為未使用該技術之記憶體的兩倍。 即’由圖4之實驗結果亦可得知，為使MTJ元件之記錄層 之兹化方向反轉’使用磁辆式配線技術的記憶體與未使用 -亥技術之圯憶體相比，僅需一半之寫入電流即足夠。 使用磁軛式配線技術之磁性隨機存取記憶體雖可得到降 低寫入電流值之效果，但寫入電流之值或其變動程度仍不 足以達到磁性隨機存取記憶體實用化的地步。 · 例如，針對以磁軛材所被覆之寫入線，透過實驗及計算 · 機模擬進行研究之下，雖能夠確認寫人效率提高約兩倍T 〇 但也有干擾（半選擇胞之誤寫入）增多之新問題產生。 ' 為解決該問題，並進而實現寫人電流低減化，需檢討以 下三點： W冩入選擇電晶體 例如，對ΜΤ;元件個別設置寫人線，使電流僅流動於選 疋的]件之寫人線的技術，該技術可有效減少干擾。 ⑫被覆寫入線之所有表面 二磁輛材覆蓋寫入線之所有表面(上下面及側面)的技術 。精由以磁扼材包圍寫人線，可進—步提高寫人效率。 (D交換結合 使MTJ元件之記錄層(磁性材料)接觸至磁輛材(磁性材料) ’亚使MTJ之記錄層與磁輛材交換結合的技術。此處，交 換結合係指電能方面之交換相互作用關 之記錄層與磁軛材進行交換結合， 凡件 J捉回寫入效率。 圖5係適用前述及②之所有技術的磁性隨機存取記 O:\89\89360.DOC 4 -9- 1240415 憶體之MTJ元件及其附近的裝置構造之例。 MTJ兀件6配置於相互交叉之兩個寫入線4、5的交點。寫 入線5係連接至寫入選擇電晶體7。寫入線5之所有表面係以 磁軛材（NiFe等）8予以被覆。MTJ元件6直接配置於位在寫入 線5之上面的磁軛材8上。MTJ元件6之記錄層丨八係與磁軛材 8交換結合。 此處，於Ms為磁性層之飽和磁化、t為磁性層之厚度之情 形下，將Msxt定義為磁化量。 針對寫入線5之周圍的磁化量進行檢討下’得出寫入線5 之側面及下面為： EMsi! xti?=Msf xt* 其中，Ms’為磁軛材之飽和磁化，t，為磁軛材之厚度。 對此，於寫入線5之上面為： lMsiXti=Msxt + Msfxt? 八中Ms為MTJ元件之記錄層的飽和磁化，1為]^丁了元件 之記錄層的厚度。 因此，圖5之磁性隨機存取記憶體之以下關係成立： EMsi’xtnMsiXti。 根據圖5之裝置構造，就干擾方面可得到滿意之結果。但 至於寫入電流之值，僅能降低至丨mA左右。若假設寫入電 μ為1 mA，則流有該寫入電路的寫入選擇電晶體之尺寸（隧 道寬度）必須為1 μπι左右。又，如上所述，寫入選擇電晶體 係依每個]V[TJ元件而設。 因此，如欲構築含有256百萬位元或以上之記憶容量的磁 O:\89\89360.DOC 4 -10- 1240415 性隨機存取記憶體，則會成為不合乎實際的巨大的晶片尺 寸，與實用化的目標相去甚遠。 最大之問題點在於寫入再現性低。即，即使假設能夠以i mA的寫入電流進行寫入，但若重複進行覆寫，則會有十數 %之機率出現無法覆寫之現象(寫入成功率=約87%)。 推測八原因’由於重複覆寫過程中，被覆寫人線之磁輛 材（磁性材料）的磁化會殘留於寫入線之周方向，因此而有可 能產生磁軛材之導磁率變為極小之情形。 【發明内容】 本發明例之磁性隨機存取記憶體包含：含有用以記錄資 料之第-磁性層的記憶胞；用以賦予磁場至前述第一磁性 層的寫^線，·及覆蓋前述寫入線之全部或一部分的第二磁 性層；前述第一磁性層係與前述第二磁性層交換結合，且 月il述第一磁性層之第一磁化量Mslxtl及前述第二磁性層 中與前述第一磁性層交換結合之第一部分的第二磁化量 Ms2xt2的合計值，小於前述第二磁性層中除前述第一部分 、卜 弟—口F刀之主要部的第三磁化量Ms丨xtf之值。 中Ms 1係如述第一磁性層之飽和磁化，11係前述第一 磁性層之厚度，Ms2係前述第二磁性層之前述第一部分之飽 和磁化，t2係前述第二磁性層之前述第一部分之厚度，Ms, 係刚述第二磁性層之前述第二部分之主要部之飽和磁化， tf係W述第二磁性層之前述第二部分之主要部之厚度。 本發明例之磁性隨機存取記憶體包含：含有用以記錄資 料之第一磁性層的記憶胞；用以賦予磁場至前述第一磁性 O:\89\89360.DOC 4 -11- 1240415 層的寫入線；及霜芸奇、+、& ^ | ^ ;L寫入線之全部或一部分的第二磁 性層，前述第一磁性；备 乂 卜— 义、、卜 θ係一則述弟二磁性層交換結合，且 、J述弟了磁&層中與前述第—磁性層交換結合的第-部 分之厚f係設定為小於前述第二磁性層中除前述第一部分 以外之第二部分之主要部之厚度。 本”狀磁性隨機存取錢體包含：含有用以記錄資 ;''之弟一磁性層的記憶胞；用以賦予磁場至前述第一磁性 層的寫入線；及覆蓋前述寫八 呙入線之王部或一部分之第二磁 性層，前述第二磁性層係雨 曰你具有路出刖述寫入線之上面的凹 部；前述記憶胞係配詈於於 ^ 於刖述凹邰，刖述第一磁性層係於 該側面與前述第二磁性層交換結合。 【實施方式】 以下，辆細說明本發明例之磁性隨機存取記憶 體。 1、概要

本^月例係適用於含有以磁輛材（磁性材料）所被覆之寫 ^線的磁性隨機存取記憶體。磁姉由於具有使賦予MTJ 兀件之誘；磁场增大之作用，因而如使用該等磁軛式配線 技術，則基本上可葬由，丨、旦 J猎由夕里的寫入電流而有效反轉MTJ元 件之磁化方向。 又’本發明例係以磁軛式配線技術開發而成的交換結合 技術為4提，以進一步提高寫入效率。所謂交換結合技術 例如，係使MTJ元件接觸至磁軛材，並於…以元件之記錄 層與磁軛材之間產生電能上的交換相互作用之技術。 O:\89\89360.DOC 4 -12- 1240415

η ^ Ί工丨通揭:仔取記憶體中， 及下面，磁化量為： 听謂磁化置之概念。磁化量係 Ms」、磁性層之厚度為「t」 於寫入線5之側面 ZMsi 丨 xti，=Msfxtf

其中，Ms係MTJ元件之記錄層的飽和磁化，元件 之記錄層的厚度。 因此，在圖5之磁性隨機存取記憶體中，就磁化量而言， 以下關係成立：EMs/xt/c EMsiXti。 對此，在本發明例中，基於實驗結果，將MTJ元件之記 錄層（磁性材料）及與該記錄層交換結合之部分之磁軛材（磁 性材料）之總磁化量值設為小於覆蓋寫入線之其 他部分之磁軛材的磁化量EMSi，xti，之值。 EMsi’xmMsiXti 此處，當MTJ元件之記錄層含有n(n為複數）層之情形下， DMsiXti(i=l、2、3、…η)係含有該等η層之磁化量相加之值： EMsiXti - ZMsiχti + Ms2xt2 + Ms3xt3 + · _ _ + Msnxtn 〇 又’與MTJ元件之記錄層交換結合之部分的磁概材含有 m(m係複數）層之情形下，mSiXti(i=1、2、3、···m)係含有 該等m層之磁化量相加之值： O:\89\89360.DOC 4 -13- 1240415 同樣的，與MTU件之記錄層交換結合之部分的磁輕材 含有k(k係複數）層之情形下，（1=卜2、3、…幻係含有 該等k層之磁化量相加之值： ΣΜ3-xtMs2-xV+ Ms3-xt3-+ ... + Msk-xtk'. 如滿足前述關係’則接觸至MTJ元件之記錄層之部分之 磁概材的層構造與覆蓋寫人線之其他部分之磁耗材的層構 造可為相$ ’或者亦以同。又，構成接觸至MTJ元件之 記錄層之部分之磁扼材的材料與覆蓋寫人線之其他部分之 磁軛材的材料可為相互相同，或者亦可不同。 接觸至MT;元件之記錄層之部分之絲材與覆蓋寫入線 之其他部分的磁耗材具有同—層構造，且，由同_材料構 成之情料’如使接觸至肪元件之記錄層之部分之磁輛 材的厚度薄於覆盍寫人線之其他部分之磁扼材的厚度，則 可滿足前述關係。 如株用如此裝置構造，則可將寫

v u "·«·〜遇，千土 i m/v J 下。又，磁化置比11111(==1>131>^/此,>^，）越小，則寫入1 流之值越小，且，誤寫入亦可減少。 又，將磁輛材之磁化方向設定為該磁輛材所覆蓋之寫^ 線的延伸方向，藉此可實現寫人成功率之提高（誤寫入之& 少）。詳細說明如後述，然當磁化量比Rm設定為〇·9以下κ 果尤—疋為G.3以下時，已透過實驗結果確認具有顯著矣 本發明例係適用於寫入線， 惟寫入線可具有單獨作為寫 O:\89\89360.DOC 4 -14- 1240415 能：可具有寫入線以外之功能，例如作為讀取 =象例广下說明之例係以所謂交又點型胞陣列 。為+象’因而寫人線亦具有讀取線之功能。本發明例 限於交又點型胞陣列構造，亦可適用於例如兩條寫入線 之一條脫離MTJ元件而設之胞陣列構造，例如，一 +曰 體_一 MTJ胞陣列構造等。 私曰曰 2 ·例一 肖圖6係本發明之例一之磁性隨機存取記憶體之主要部的 裝置構造圖。圖7係圖6之構造的三次元立體圖。 寫入線4係向X軸方向延伸，寫入線5係向γ軸方向延伸。 寫入線4、5由例如Cu構成。MJT元件6係配置於該等相互交 又之兩條寫入線4、5的交點。MTJ元件6具有長方形狀，例 如X軸方向長、γ軸方向短。該情形下，MTJ元件6之磁化容 易轴為X車由。 MTJtl件6包含：例如，記錄層（磁性層）1A、固定層（磁性 層）1B、通道障壁層2及反磁性層3。MTJ元件6之反磁性層3 係配置於寫入線4側。反磁性層3由例如ptMn，c〇Fe等構成 。MTJ元件6之記錄層ία係配置於寫入線5側。記錄層丨八由 例如NiFe等構成。 MTJtl件6之固定層1B係接觸至反磁性層3，其磁化方向係 固定。固定層1B由例如NiFe構成。通道障壁層2係配置於記 錄層1A與固定層1B之間。通道障壁層2由例如Al2〇3構成。 寫入線5係藉由磁軛材（磁性材料）8所覆蓋。磁軛材8由例 如NiFe構成。磁軛材8之導磁率大於記錄層1 a之導磁率。磁 O:\89\89360.DOC 4 -15- 1240415 軛材8較記錄層1A更具有高飽和磁通密度。 於MTJtl件6所在部分以外的部分，磁軛材8係以幾乎均 一之厚度t’包圍寫入線5之周圍。如將mTJ元件6所在部分以 外之部分之磁軛材8的飽和磁化設為Ms，，則MTJ元件6所在 部分以外之部分之磁性層（磁軛材）的磁化量為： MTJ το件6之記錄層丨八係與覆蓋寫入線5之磁軛材8交換 結合。例如，MTJ元件6之記錄層^係接觸於磁軛材8，並 於MTJ兀件6之記錄層丨入與磁軛材8之間產生電能之交換相 互作用。 MTJ元件6所在部分之磁軛材8的厚度t2係薄於MTJ元件6 所在部分以外之部分的厚度（平均値片，。如將撾以元件6之記 錄層1A之厚度设為tl、將記錄層丨八之飽和磁化設為 (=Ms)，而將MTJ元件6所在部分之磁輛材8的飽和磁化設為 Ms2 ( Ms )，則MTJ元件6所在部分之磁性層（記錄層+磁軛 材）之磁化量的合計值為： IMSiXti =Msl xtl + Ms2xt2 =Msxtl + Ms?xt2。 本發明例中’如上所述，MTJ元件6之記錄層以及與該記 錄層1A父換結合之部分之磁軛材8的總磁化量吒之值 係設U小於覆蓋寫入線5之其他部分之磁輛材8的磁化量 EMs/xti’之值。 ^MSiXti< EMsi?xti? 3 ·例二 O:\89\89360.DOC 4 -16- 1240415 圖8係本發明之— 裝置構造圖。—則生隨機存取記憶體之主要部的 X軸（磁化=構""之特徵在於，與例—相比，Μτ;元件6之 4⑹方向之端部乃接觸至磁 ，MTJ元件6之記錄芦 W月Φ下 址合。關於直仙古 及側面處與磁軛材8交換 …M於其他方面，與例-完全相同。 ;中MTItL件6之記錄層及與該記 部分之磁軛材8的洎磁介曰νλ；Γ 兴。〇之 扪〜磁化罝以^%之值亦設定為小於覆芸 ’’、’入線5之其他部分之磁輛材8的磁化量[MSi，xt.，之值。 4 .例三 1 圖係本I明之例二之磁性隨機存取記憶體之主要部 裝置構造圖。 本例之4置構造之特徵在於，與例二相比，贿元件6之 正下方無仙材，即，贿元件6之下面直接接觸至寫入線 5之上面，而不需經由磁軛材。 由此，贿元件6僅於該又轴（磁化容易轴）方向之端部接 觸至磁輛材8。該情形下，MTJ元件6之記錄層係於該侧面 與磁輛材8交換結合。關於其他方面，與例二完全相同。 於本例中，MTJ兀件6之記錄層及與該記錄層交換結合之 部分之磁軛材8的總磁化量ΣΜ\ΧίΑ值亦設定為小於覆蓋 寫入線5的其他部分之磁軛材8的磁化量吖％，之值。 5 ·例四 圖10係本發明之例四之磁性隨機存取記憶體之主要部 裝置構造圖。 、 O:\89\89360.DOC 4 -17- 1240415 本例之衣置構造之特徵在於，與例一相比，磁輛材8僅覆 盍寫入線5之一部分。本例中，磁軛材8僅配置於兩條寫入 線4、5之交點，即MTJ元件6所在之部分。至於其他方面均 與例一完全相同。 於本例中，MTJ元件6之記錄層與磁軛材8交換結合。又 ，MTJ元件6之記錄層及與該記錄層交換結合之部分之磁軛 材8的總磁化量值係設定為小於覆蓋寫入線5的 其他部分之磁軛材8的磁化量ZMSi，xti，之值。 6 ·例五 圖11係本备明之例五之磁性隨機存取記憶體之主要部的 裝置構造圖。 本例之扁置構造之特徵在於，與例一相比，元件6之 磁化容易軸為Y軸。即，M17元件6具有χ軸方向短、γ轴方 向長之長方形狀。關於其他方面，與例一完全相同。 於本例中，MTJ元件6之記錄層係與磁軛材8交換結合。 又，以！77〇件6之記錄層及與該記錄層交換結合之部分之磁 輛材8的總磁化量SMSiXti之值係設定為小於覆蓋寫入線^ 的，、他口p刀之磁幸厄材8之磁化量之值。 7 ·例六 圖12係本發明之例六之磁性隨機存取記憶體之主要部的 裝置構造圖。 本例之裝置構造之特徵，與例一相比，在於寫入線5之下 面未t磁姉8覆蓋之點。關於其他方面，與例_完全相同 / 1*月开V下相較於以磁軛材8覆蓋寫入線5之所有表面之 O:\89\89360.DOC 4 -18- 1240415 ^形，可藉由製造工序數之減少而得到降低成本之效果。 於本例中，MTJ元件6之記錄層亦與磁軛材8交換結合， 且’ ΜΊ7元件6之記錄層及與該記錄層交換結合之部分之磁 軛材8的總磁化量加外之值係設定為小於覆蓋寫入線$ 的其他部分之磁軛材8之磁化量EMSi，xV之值。 再者，本例之情形，V係MTJ元件6所在部分以外的部分 ，且表不磁軛材8所在部分之磁軛材8的厚度（平均値）。 8 ·例七 圖13係本發明之例七之磁性隨機存取記憶體之主要部的 叙置構造圖。 本例之設置構造之特徵，與例一相，在於寫入線5之側 面未被磁軛材8覆蓋之點。關於其他方面，與例一完全相同 。該情形下，相較於以磁軛材8覆蓋寫入線5之全面之情形 ，可藉由製造工序數之減少而得到降低成本之效果。 於本例中，MTJ元件6之記錄層係與磁軛材8交換結合， 且MTJ元件6之δ己錄層及與該記錄層交換結合之部分之磁 輛材8的總、磁化量加外之值係設定為小於覆蓋寫入線5 的其他部分之磁軛材8的磁化量ΣΜδι，χ^，之值。 再者，於本例之情形中，ti，亦係MTJ元件6所在部分以外之 部分，且表不磁軛材8所在部分之磁軛材8的厚度（平均値）。 9 ·例八 圖14係本發明之例八之磁性隨機存取記憶體之主要部的 裝置構造圖。 本例之 < 置構^之特徵，與例一相比，在於於MU元件 O:\89\89360.DOC 4 -19- 1240415 之記錄層1A與磁軛材8之間配置有非磁性層9之點。非磁性 層9由例如Ru構成。關於其他方面，與例一完全相同。 該情形下，MTJ元件6之記錄層1A係介由非磁性層9與磁 軛材8交換結合。而且，MTJ元件6之記錄層1A及與該記錄 層1A父換結合之部分之磁|厄材8的總磁化量ZMSiX^之值係 設定為小於覆蓋寫入線5的其他部分之磁軛材8的磁化量 EMs/xt/之值。 10 ·磁輛材之磁化方向及寫入電流之流向 圖15及圖16係表示本發明之磁軛材之磁化方向的例。 本發明例中，磁軛材8之磁化方向宜始終朝向寫入線5之 延伸之方向，即朝向γ軸方向。採用如此構造可避免習知之 問題，即，磁輛材8之磁化因寫入動作之反復而歹堯留於寫入 線5之周方向，而降低磁軛材8之導磁率的問題。 圖15之例中，磁軛材8之磁化係向γ軸方向（自紙面之面前 位置向内的方向）或接近γ軸方向，又，圖Μ之例中，磁輕 材8之磁幻系向γ軸方向（自紙面之内側向面前位置的方向） 或接近Υ軸方向。 該情形下，MTJ元 向寫入線5之寬度 J元件6之磁化容易軸例如為X軸。 件6之記錄層1Α之磁化係X軸方向，即 方向（對應資料值，向右或向左）。 5之寫入電流的 圖17及圖18係本發明之流動於寫入線4 流向之例。 通系，寫入線4、5中之一條传妹當、、六私士 .^ ^ 卞係、、、工$机動有朝向固定方向 -入电流’另-條則流動有朝向對應寫人資料之值之方 O:\89\89360.DOC 4 -20- 1240415 向的寫入電流。 干，之例中，寫入線4係經常流動有朝向固定方向之寫入 p ’以磁輛材8覆蓋之寫入線$則流動有朝向對應寫入資 2值之方向的寫入電流。該情形下，㈣元件6之磁化容 易軸必須為X軸。 圖18之例中，寫入線4係流動有對應寫入資料之值之方向 :寫;:電流’且以磁輛材8覆蓋之寫人線5係經常流動有朝 °固疋方向之寫入電流。該情形下，Μτ 軸必須為Υ軸。 谷易 11 ·實驗結果（效果） 以下，具體說明本發明之效果。 ^ 件中σ又疋胞寬約為〇·4 ，胞長約為1.2 /m，並 设定MTJ元件盘盆-Γ ^ /、/、正下方之寫入線（數字線）之間隔約為15() 又MTJ兀件之記錄層使用5 nm左右之NiFe膜。 汶N形下，如為不使用磁軛式配線技術之磁性隨機存取 記憶體，則寫入動作 ώ 子取

丨户尸坏而之冩入電流的平均值約為1〇 mA 。又’如為使用磁輕式配線技術之磁性隨機存取記憶體， 則寫入動作所需之寫人電流的平均值約為5心。

又，根據具有如圖5所示之裝置構造的磁性隨機存取 體，寫入動作所需之寫人電流的平均值可減少至imA ^本發明例中，進一步將MTJ元件之記錄層及與該記錄層 父換結合之部分之磁輛材的總磁化量之值設定為 J ;後孤寫入線之的其他部分的磁軛材之磁化量”, 之值’猎此可將寫入動作所需之寫入電流的平均值減少至1 O:\89\89360.DOC 4 -21 - 1240415 mA以下。 圖19係表不本發明例之實驗效果（效果）。 說明本 此處，基於磁化量比（ZMSixti/EMSl，xV)之參數 發明例之效果。 根據本發明例可知，磁化量比經常為1以下。又，磁化量 越小，=人電流之平均值亦越小，從而可提高寫人效率里 根據實驗結果，藉將磁化量比設定為01左右，而可 入電流之值為(U mA左右。其結果，例如，於磁性隨機存 取§己憶體中設置寫人選擇電晶體’可減少干擾（半選擇胞之 誤寫入Ή，即使於晶片内設有寫入選擇電晶體，因其尺 寸（随道寬度）極小（約〇」㈣，因而可實現可用於實際之曰 片尺寸。 T aa 進而 方面， 效果。 ^根據實驗結果可知，纟寫入成功率（寫入再現性） 藉由將磁化量比設為〇·9以下或〇·3以下，可産生顯著 在磁化量比為！左右之情形下，寫入成功率為略超出8〇% ，但如將磁化量比較在G_9以了，則寫入成㈣會驟升至 95%左右。進而，如將磁化量比設定在〇3以下，則寫入成 功率幾乎為100%。 寫入成功率提高之原因之一 ’如圖15及圖16所示，在於 使磁軛材8之磁化方向朝向寫入線5延伸之方向。即，磁軛 材8之殘留磁化㈣大致朝向配線延伸之方向，目而於其後 之寫入動作中，磁軛材之導磁率可增大至1〇〇〇左右。 如此，根據本發明例，可將寫入效率較習知提高一位數以 O:\89\89360.DOC 4 -22- 1240415 上。即，可使寫入電流之值為i mA以下，甚至，為〇1 mA 以下。寫入成功率（寫入再現性）亦可藉磁化量比為〇 9以下而 確保為95%，藉磁化量比為〇·3以下而可達到幾乎為1〇〇%。 再者’根據實驗，進而確認以下方面。 MTJ元件之記錄層之磁化方向與磁軛材之磁化方向相同（平 行狀悲）之情形下，會形成洩漏磁場輔助交換結合之狀態， 進而，可將寫入電流之值為〇·〇5 mA以下。又，MTJ元件之 1錄層之磁化方向與磁軛材之磁化方向相反（反平行狀態） 守寫入電流之值可為〇· 1 mA以下，同時避免產生自晶片 外部的對磁場之干擾。 進而，MTJ兀件之記錄層的磁化方向與磁軛材的磁化方 向正又之日守，可提南磁輛材（磁性層）之導磁率，或降低寫入 電流等。 如抓用MTJtg件之附近藉寫入電流而發熱的構成，則可 使寫入電流之值為〇 · 〇 5 m a以下。 12 ·其他 本發明例亦可適用於配置於MTJ元件之正上方的寫入線 。即，以磁輛材覆蓋配置於心元件之正上方之寫入線， 亚使MTJ兀件之記錄層與該磁軛材交換結合。然後，亦可 將MTJ元件之記錄層及與該MTJ元件交換結合之部分之磁

辆材的總磁化量ΣΜ，之值設定為小於覆蓋被配置於MTJ 7C件正上方之寫入線之其他部分之磁軛材的磁化量 EMsi’xti’之值。

本發明例係，適用於未藉由導電材料（磁性材料）將MTJ O:\89\89360.DOC 4 -23- 1240415

元件與被磁概覆蓋之寫入線進行電性連接之情开 η 几件與寫人線亦可藉由絕緣㈣m P J 對應本發明例之適用，MT;元件 如，mtj元件t , ^ y狀未特別限定。例 質相同。 為〃寫入線之寬度實 單獨使用 亦可將兩 前述第一例〜第八例之構造可分別 個以上進行組合而使用。 13 ·總結 如上所述，根據本發明例，可實現藉提高寫人效率 氏寫入電流，並同時實現無誤寫人之高寫人再現性。 附加優點及修訂將附隨於已成熟之技藝產生 :中之廣義特徵，不得受限於本申請書中所揭示及= :細内谷及，表實施例。在不挣離追加中請及其同 :文件中所定義之一般概念的精神或範圍内，得於未來提 出不同的修訂内容。 【圖式簡單說明】 圖1係習知之磁性隨機存取記憶體的立體圖； 圖2係寫入動作的原理圖； 圖3係讀取動作的原理圖； 圖4係利用磁輛式配線技術提升寫入效率之效果圖； 圖5係習知之磁性隨機存取記憶體之剖面圖； 圖6係本發明例一之磁性隨機存取記憶體的剖面圖； 圖7係本發明例一之磁性隨機存取記憶體的立體圖； 圖8係本發明例二之磁性隨機存取記憶體的立體圖； O:\89\89360.DOC 4 -24- 1240415 圖9係本發明例三之磁性隨機存取記憶體的立體圖，· 圖1 〇係本發明例四之磁性隨機存取記憶體的立體圖； 圖11係本發明例五之磁性隨機存取記憶體的立體圖； 圖12係本發明例六之磁性隨機存取記憶體的立體圖，· 圖13係本發明例七之磁性隨機存取記憶體的立體圖； 圖14係本發明例八之磁性隨機存取記憶體的立體圖； 圖15係覆蓋寫人線之磁輛材之磁化方向的立體圖； 圖16係覆蓋寫入線之磁輛材之磁化方向的立體圖； 圖Π係流於寫入線之寫入線電流之方向的立體圖； 圖18係流於寫入線之寫入線電流之方向的立體圖； 圖19係磁化量比與寫入電流寫 ° 圖式代表符號說明】 成功率之關係圖。 ΙΑ、1Β 磁性層（強磁性層） 2 絕緣層（通道障壁） 3 反磁性層 4、5 寫入線 6 MTJ元件 7 寫入選擇電晶體 8 磁輛材 9 非磁性層 Rm 磁化量比 Ms 記錄層之飽和磁化 t 記錄層之厚度 F §己錄層之寬度 Η 磁場 O:\89\89360.DOC 4 -25-

Claims (1)

1240415 拾、申請專利範圍： L 一種磁性隨機存取記憶體，其包含： 3有用以記錄資料之第一磁性層的記憶胞； 具有賦予磁場至前述第一磁性層之功能的寫入線；及 覆盍前述寫入線之全部或部分的第二磁性層； ，前述第一磁性層係與前述第二磁性層交換結合，且， 岫述第一磁性層之第一磁化量Mslxti及前述第二磁性層 中與别述第一磁性層交換結合之第一部分之第二磁化量 Ms2xt2的合計值係小於前述第二磁性層中除前述第一部 分以外之第二部分之主要部的第三磁化量Ms，xt，之值。 (其中，Msl係前述第一磁性層之飽和磁化，u係前述 第一磁性層之厚度，Ms2係前述第二磁性層之前述第一部 刀之餘和磁化，t2係别述第二磁性層之前述第一部分之厚 度，Ms’係前述第二磁性層之前述第二部分之主要部之飽 和磁化，t，係前述第二磁性層之前述第二部分之主要部之 厚度。） 2·如申請專利範圍第1項之磁性隨機存取記憶體，其中將前 述第一及第二磁化量之合計値除以前述第三磁化量之値 所得之值係0.9以下。 如申明專利範圍第1項之磁性隨機存取記憶體，其中將前 述第一及第二磁化量之合計値除以前述第三磁化量之値 所得之值係0.3以下。 4·如申請專利範圍第1項之磁性隨機存取記憶體，其中前述 第二磁性層之磁化係朝向前述寫入線之長度方向。 O:\89\89360.DOC 5 1240415 从中π專利圍第4項之磁性隨機存取記憶體，其中前述 第性層之磁化係朝向前述寫入線之寬度方向。 、、申月專圍第5項之磁性隨機存取記憶體，其中於前 述寫入線中係流動有具有對應寫入資料之值的流向之寫 11 〜申明專利圍第4項之磁性隨機存取記憶體，其中前述 第一磁性層之磁化係朝向前述寫入線之長度方向。 .如申請專利範圍第7項之磁性隨機存取記憶體，其中於前述 寫入線中係流動有常保有固定方向的流向之寫入電流。 .如申請專利範圍第旧之磁性隨機存取記憶體，1中前述 弟二磁性層之導磁率大於前述第—磁性層之導磁率。 •如申睛專利範圍第i項之磁性隨機存取記憶體，其中前述第 -磁性層係較前述第—磁性層更具有高飽和磁通密度。 種磁性隨機存取記憶體，其包含·· 含有用以記錄資料之第一磁性層的記憶胞； 予磁場至前述第一磁性層之功能的寫入線；及 是现月’j述寫人線之全部或部分的第二磁性層； 二前Ϊ第一磁性層係與前述第二磁性層交換結合，且， :述弟二磁性層中與前述第一磁性層交換結合之 分的厚度係設定為小前 八 別11弟一磁性層中除前述第一部 71卜之弟二部分之主要部的厚度。 12_ = 項之磁性隨機存取記憶體’其中前 寫入選擇電晶體。 肖心擇月⑷己憶胞之 O:\89\89360.DOC 5 1240415 於 前 13.如申請專利範圍第u項之磁性隨機存取記憶體，其中 箾述第磁性層與第二磁性層之間配置有非磁性層。 14·如申μ專利範圍第丨3項之磁性隨機存取記憶體，其中 述非磁性層係Ru。 15. 如申明專利範圍第u項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第一磁性層係配置於前述寫入線之上部。 16. 如申明專利範圍第15項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第二磁性層係至少覆蓋前述寫入線之側面或下面。 17. 如申請專利範圍第u項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第二磁性層係僅配置於前述記憶胞之附近。 18. 如申請專利範圍第u項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第二磁性層之前述第一部分的層構造係與前述第二磁 性層之前述第二部分的層構造相同。 19. 如:請專利範圍第u項之磁性隨機存取記憶體，其中構 :前述第二磁性層之前述第一部分的材料係與構成前述 第二磁性層之前述第二部分的材料相同。 20. 如申請專利範圍第n項之磁性隨機存取記憶體 ^ 八 T 月1J 述弟-磁性層係藉由寫人動作時流動於前述寫人線 入電流而加熱。 21. 如:請專利範圍第Η項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第二磁性層之磁化係朝向前述寫入線之長度方向引 22. 如以㈣範圍第則之磁性隨機存取記憶又體，其中前 述第一磁性層之磁化係朝向前述寫入線之寬度方。^ 23. 如申請專利範圍第22項之磁性隨機存取記憶又體，向其。中於 O:\89\89360.DOC 5 1240415 線中係流動有具有對應寫入資料之值的流向之 24.^申料利範圍第21項之磁性隨機存取記憶體，盆中前 迷：―磁性層之磁化係朝向前述寫入線之長度方向。 •Γ請專利範圍第24項之磁性隨機存取記憶體中於 :述寫入線中係流動有常保有固定方向的流向之寫入電 26·:申請專利範圍第U項之磁性隨機存取記憶體，"前 1二磁性層之導磁率Μ前述第—磁性層之導磁率。 •如申請專利範圍第U項之磁性隨機存取記憶體 ;第二磁性層係較前述第-磁性層更具有高飽和磁通密 28. 如申請專利範圍第u項之磁性隨機存取記憶體，复 述弟-磁性層係於其下面及側面與前述第二磁性層交換 結合。 、 29. —種磁性隨機存取記憶體，其包含·· 含有用以記錄資料之第—磁性層的記憶胞； 具有賦予磁場至前述第一磁性層之功能的寫入線；及 覆蓋前述寫入線之全部或部分的第二磁性層； $述第二磁性層係包含露出前述寫入線之上面的凹邱 ;前述記憶胞係配置於前述凹部；前述第一磁性層係於 其側面與前述第二磁性層交換結合。 3〇.如申請專利範圍第29項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述寫入線係連接有於寫入動作時用以選擇前述記憶胞之 O:\89\89360.DOC 5 -4 - 1240415 寫入選擇電晶體。 1 ·如申凊專利範圍第29項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第一磁性層與第二磁性層之間配置有非磁性層。 32.如申凊專利範圍第3丨項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述非磁性層係Ru。 33·如申请專利範圍第29項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第磁性層係配置於前述寫入線之上部。 34·如申清專利範圍第33項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第二磁性層係至少覆蓋前述寫入線之側面或下面。 3 5·如申凊專利範圍第29項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第二磁性層係僅配置於前述記憶胞之附近。 3 6.如申請專利範圍第29項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第一磁性層係藉由寫入動作時流動於前述寫入線之寫 入電流而加熱。 37·如申請專利範圍第29項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第二磁性層之磁化係朝向前述寫入線之長度方向。 3 8.如申請專利範圍第37項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第一磁性層之磁化係朝向前述寫入線之寬度方向。 39·如申請專利範圍第38項之磁性隨機存取記憶體，其中於 W述寫入線中係流動有具有對應寫入資料之值的流向之 寫入電流。 40·如申請專利範圍第37項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第一磁性層之磁化係朝向前述寫入線之長度方向。 41 ·如申請專利範圍第40項之磁性隨機存取記憶體，其中於 O:\89\89360.DOC 5 1240415 前述寫入線中係流動有常保有固定方向的流向之寫入電 42. 如申請專利範圍第29項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第二磁性層之導磁率大於前述第一磁性層之導磁率。 43. 如申請專利範圍第29項之磁性隨機存取記憶體，其中前述 第二磁性層較前述第一磁性層更具有高飽和磁通密度。 44. 如申請專利範圍第29項之磁性隨機存取記憶體，其中前 述第一磁性層係於其下面及側面與前述第二磁性層交換 結合。 O:\89\89360.DOC 5 -6 -