TWI302705B - Magnetic random access memory array with thin conduction electrical read and write lines - Google Patents

Description

案號 94123592 Λ_Ά 1302705 一修正 曰 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種以磁性穿遂接面（MT j )作為記憶 體儲存裝置的設計與製造方法，特別是關於一種字元線與〜 位元線超細，因此能夠於MTJ自由層產生較高磁通量來作 一被給予的寫入電流之設計。 … 【先前技術】 磁性穿遂接面（MTJ )基本上包含有兩個被一穿遂阻 層分隔的電極，其為兩層被磁化的鐵磁性材料，而 礙層，一薄絕緣材料層。阻礙層必須相當的以供 的電荷載體（一般為電子）依據量子力學、犯 層。然而，穿遂的可能率乃依據自旋力；：以 狀態所能夠接受具有不同自旋方向電 ^ =贫賴者牙遂 總穿遂電流將依據向上自旋與向下自雷:=性。因此， 電：的轉向乃取決於電子自旋相對於 =2 。假如，相對的磁化方向是隨著外加 層的磁化方向 流將也隨之改變。就像一MTJ行為士 蹙變化，穿遂電 定電壓的穿遂電流的改變能夠判 ^ ^感測到作為一固 相對磁化方向。 斲構成MJT的兩鐵磁性層的 使用MTJ作為資料儲存裝置需要至 可以被相對於其它進行改變並且在鐵磁性層的磁力 在穿遂電流上或者相等物如接面 f =向的改變可以以 它最簡單組成例如兩型態記憶儲U ^化來感測出。在 :扣僅需要具有將磁化成4存'置’當寫入資料時 (高電阻）結構的能力，並且當讀化取(資低電阻）或者反平行 、’等’具有將它的 第7頁 1302705 _案號 94123592_年月日__ 五、發明說明（2) 穿遂電流改變或者量測的電阻改變。 事實上，MTJ的自由鐵磁性層可以被設計為具有一能自 由旋轉的磁化，但是傾向於較易排列在沿著它的容易軸向 (磁結晶異向性的方向）方向。固定層的磁化可以想像為 被一直排列在它的容易軸向。當自由層被隨著固定層反排 列，接面將產生最大電阻，當自由層隨著固定層排列，將 產生最小電阻。在典型的MRAM電路，MTJ元件設置於正交電 流傳遞線也就是字元線與位元線的交錯點。當兩個線都在 傳遞電流時，該元件利用它的自由層磁化方向所具有的改 變來寫入。當僅有一線正在傳遞電流時，元件的電阻可以 被感測出，因此，元件能有效的被讀取。需注意的是 ，在某些元件結構中可以發現額外的用來感測元件電阻的 電流傳遞線，但在最簡單的元件類別裡元件的作動如上所 陳述。這樣的MTJ 元 ##*Gallagheretal.(U.S.

Patent Νο·5， 650，958)所提出，Gallagher et al.教示具 .有一被固定鐵詞層的MT J組成，該被固定鐵詞層的磁化是在 層的平面，但無法自由旋轉，結合一自由磁化層，相較於 •被固定層該自由磁化層的磁化是可自由旋轉，其中該兩層 被一絕緣穿遂阻礙層分隔開。 MTJ MRAM元件與其它形式的DRAM在能源消耗與元件密 度上適當的競爭，MTJ必須被製作的相當的小，一般為次-微米尺寸。Parkin et al. (U.S. Patent Νο·6，166，948 )教示一種MTJ MRAM記憶胞的組成，在這種記憶胞的自由 層是由兩個反平行磁化層所構成，這兩個反平行磁化層被

第8頁 1302705 案號 94123592 Λ_η 曰 修正 五、發明說明（3) 一個間隙壁層分隔開，這間隙壁被選擇用來阻止兩個反平 行磁化層交換耦合但是能允許直接偶極耦合。自由層因此 具有封閉的通量迴線，並且在開關運作時，此兩層同時地 開關它們的磁化。Parkin強調次-微米尺寸結構需與容量範 圍在10-100 Mbit的DRAM記憶體競爭。Parkin指出如此小 的尺寸具有幾個相關連的問題，特別是超-順磁性，其是一 種自發的磁化熱變動，例如鐵磁性材料太小以至於具有有 效磁力異向性（在維持一給予的磁化方向下量測一樣品的 能力）。為了克服具有微小截面面積的MR AM記憶胞内的非 預期自發性熱變動，需要厚的磁化層。不幸的，需求的轉 換場尺寸隨層厚度增加，因此，付出於熱穩定記憶胞的代 價是必須花費大量的電流，以改變記憶胞自由層磁性方 向0 某一程度的異向性是必須的，假如MTJ記憶胞具有維持 磁化方向的能力，因此，能有效地儲存資料，甚至當寫入 ，電流為零時。當記憶胞尺寸持續縮小，必須尋求藉由形成 各種不同型態（如矩形、菱形、橢圓等）的記憶胞來提供 •磁性異向性程度，因此，與生倶來的結晶異向性的缺少將 被一形狀異向性抵銷。然而，這樣的形狀異向性具有自身 的問題。在MT J元件中所產生的最讓人煩惱的形狀相關問題 是由形狀異向性（非圓形樣品特性）所產生的非-均勻與無 法控制的場邊緣。當記憶胞尺寸減小，這些邊緣場相較於 記憶胞體的磁化變得格外的重要，並且在儲存與讀取資料 時具有一反轉效應。雖然，當這樣的形狀異方向足夠巨大

第9頁 1302705 ^ ^4123592 t 月 日 修正 五、發明說明（4) 時，能減少超大順磁性的不良影響，但它所具有的負面影 響是需要較大的電流來改變MTJ的磁化方向以達到儲存資^料 的目的。當它的形狀異向性高時，為了支付需要改變自、由 層的磁性方向所需電流問題提供一將低電流值所產生的場 集中的機制。這類似Durlam et al. (U· S· Patent No. I 211，090B1)所教示的形成一通量集中器，其為一軟磁性’ (NiF)層繞著一銅大馬氏格（damascene)電流傳輸線設 置。此層係繞著該銅線的三邊設置，該銅線形成位於MRAM 記憶胞底面的數字線。 兩個另外的方法係由Nakao (U· S· Patent No. 6， 509，621B2)所教示，在一具體實施例中，形成一固定層， 其材料選自在電流中無產生高百分比自旋極化電子的材料 與在另一具體實施例，應用一補償磁場，其由磁性屏蔽所 產生，以幫助在記憶胞元素中引起場逆轉。

Sekiguchi et al., (U· S· Patent No· 6， 611， • 455B2)教示另一方法，形成具有數個容易軸向的自由層 ，此些容易軸向垂直於層的平面，然後於相同的平面上形 •成字元線與位元線。 本發明也處理減少高電流需求的問題，以適應在超小 MRAM記憶胞自由層的磁化，其中超-順磁行為需要厚的自由 層，具體來說在1 〇〇nm以下，相較於傳統的厚度將近3 00nm 的情況下’藉此增加在自由層的轉換場，藉由如要素2。這 些細的線額外的好處是容易組設。在它們形成的圖案化過 程需要移除較少的材料，並且無需化學機械研磨（CMP )，

II

第10頁 1302705 案號 94123592 曰 修正 五、發明說明（5) 化學機械研磨法易在 後，這些超細的線很 化的各種結構配置。 線間。在下列的描述 胞配置的圖示一起描 【發明内容】 本發明之主要目 其更有效的使用字元 來運作時，線因此產 線厚度上產生無法控制的變異。最 容易形成相對於MTJ記憶胞具有位置變 本發明的記憶胞係位於字元線與位元 形成線的一般方法與它們相對於記憶 述。 的，在於提供一種MTJ MRAM記憶胞， 與位元線轉換電流，當需要較低電流 生作為轉換的有效強度磁場。 本發明之另一目的，在於提供一種形成這樣的記憶胞 與它的字元與位元線 的消除因化學機械研 的方法，其簡化製作過程並且實質上 磨法（CMP )所產生的不易控制因素 本發明之再一目的，在於提供這樣的記憶胞與陣列。 這些目標將以一MRAM記憶胞設計與利用高傳導率材料 所形成寬度小於1 0 0奈米的特殊尺寸的位元線與字元線所達 成。這傳導材料可以是高傳導率材料例如鋁、銅、金 、釕、钽、銅金、鎳鉻、姥，與這些材料的多層結構，例 如鎳鉻/銅多層薄片。 在習知的字元與位元線的高寬比（厚度n tn與寬度n w” 的比例）接近於1。應用簡單的物理（安培定律）指出當磁 場為H s時，在習知厚度為t寬度為w的線表面，運送電流強 度為I 時，Hs = 7rl/w。 對超細字元/位元線設計下，此處w>>t，磁場針尋下列

第11頁 1302705 案號 94123592 曰 修正 五、發明說明（6) 關係式：H s = 2 7Γ I / w。因此，增加線表面磁場兩倍。因為 MRAM記憶胞位在距離線表面非常短的位置，優點將某一程 度上的減少，但實質上依然存在，特別是當形成方法允許 線與記憶胞的距離維持一致細小時。 第一圖為本發明MTJ MRAM記憶胞的截面示意圖。這多 層的記憶胞元素，其水平的截面為大體上為圓形，位在一 沿著所描繪軸（它的寬度是在X方向它的厚度在y方向）之Z 軸延伸的超細寫入字元線的垂直分隔交錯處，與一超細位 元線（20 )，其沿著X軸（它的寬度在z方向，並且它的厚 度在y方向）長度延伸並且垂直地在字元線下方。這些線被 用來在記憶胞構成寫的運作，例如轉換它自由層的磁場。 寫入字元線與位元線被一絕緣層（1 5 )分隔開並且外圍被 絕緣層環繞。寫入字元線與位元線的厚度為tw，與tb ，其係小於它們的寬度Ww，與Wb與（沒有描繪）依據本發 明之目標，其中tw，與tb兩者小於100奈米並且它們的寬度 .是介於300〜500奈米。值的再次強調的是先前技術的字元 與位元線具有相當寬度與厚度，兩者介於3 0 0到5 0 0奈米 •間。超細字元或位元線的製程方式將於下詳細描述。 一 MTJ MRAM記憶胞元素（50)，其厚度介於2 00〜400 埃並且側面尺寸介於0. 3〜0. 7微米，於圖中被描繪位於字 元線（2 0 )與位元線（1 0 )的交錯位置。記憶胞元素是水 平多層結構，包含有一形成於位元線上的晶種層（5 1 )， 一反鐵磁固定層（52) ’ 一虛擬反鐵磁被固定層’其包含 有一第二（53)與第一（55)鐵磁層，其被一結合層分隔

第12頁 1302705 _案號94123592_年月日__ 五、發明說明（7) 開，一穿遂阻礙層（56)、一自由層（57)，其也可以是 薄片結構，與一位於位元線下方的覆蓋層（5 8 )。一被稱 為讀取字元線（5 9 )的附加傳導電極，其用來進行讀取的 運作，此一傳導電極形成於記憶胞上表面。字元線與傳導 層被一絕緣層（1 5 )分隔開。它也可以消除電極並且具有 字元線電性連接至記憶胞上表面。在記憶胞所使用的尺寸 與材料的詳細描述與製作過程將於下列的具體實施例中討 論。 【實施方式】 本發明的具體實施例是一MTJ MRAM記憶胞，其形成於 超細字元線與位元線的交錯點，特別是介於這些線間，因 此較小的電流仍可以在記憶胞自由層的位置上產生足夠的 轉換場。 請參閱第1圖，如圖所示多層MTJ記憶胞元素（5 0 )形 成於呈正交且垂直分開的本發明超細字元線（1 0 )與位元 .線（2 0 )間。這兩個線在垂直分開的水平面延伸彼此覆蓋 ，但是彼此絕緣並各自形成，記憶胞座落於此交錯位置上 •。以下，”交錯點π這個字意味著線的垂直分開交錯點。字 元線是垂直的穿出圖示平面，位元線是在圖示平面。一附 加傳導電極（5 9 )，（或者表示為讀取-字元線），作為讀 取運作之用，附加傳導電極（5 9 )形成於記憶胞上表面 。當記憶胞運作時，傳導電極一般將連結至一存取電晶體 ，其係用來判斷MRAM記憶胞邏輯狀態。電極彼此間絕緣並 且與字元線分隔開，但是很清楚的是，此一分隔開的距離

第13頁 1302705 五 曰 一 篆號 94123Μ9 、發明說明（8) 。位元ί U Γ ΐ Π 2 ϊ憶胞自由層的字元線場強度 、鋼、金4 "二二的南導電性材料所構成，例如鋁 層，例i德Ϊ/Λ、Λ /鎳鉻、铑，或者這些材料的多 ，並且t #、銅夕層，專片，構成厚度將近10 Onm或者更少 加度近似介於300至5〇〇〇11111間。如先前的聲明，一附 成於与Ϊ極（5 9 )，稱為一讀取字元線，沿著X方向延伸形 以1 L憶胞上表面上並且被用作為與位元線（20 )接面， 曰行％取運作。一連接線（6 0 )自電極（5 g )至一存取 曰曰體（於圖中未示）的一端，此一電晶體是用來判斷 MR錢記憶胞邏輯狀態（例如電阻）之電路系統的一部份 。在第la圖中所描繪的特殊表面配置，一單_MRAM記憶胞 與一單一電晶體連結。第1 d圖描繪出兩個這樣的記憶胞部 分的佈局，於圖中，每一個記憶胞被垂直分開地形成，交 錯的字元線與位元線和每一個記憶胞用來存取電晶體構成 特殊MRAM陣列設計的部分。 重回到記憶胞元素（5 0 )，一晶種層（5 1 )形成於位 元線（2 0 )上並且使得隨後形成的記憶胞層具有較高的品 質。晶種層可以是鎳鉻或者鎳鐵，其厚度接近5到1 0 0埃。 一單一被固定層，在此一具體實施例中，一虛擬鐵磁被固 定層被形成在晶種層上。虛擬層包含有一反鐵磁被固定層 (52)，一第二鐵磁層（53) ’ 一結合層（54)與一第一 鐵磁層（55)。反鐵磁層固定第二鐵磁層單一方向的磁性 ，並且第一磁性層被磁化在一相對於第一層反平行方向。 第一與第二鐵磁層是厚度接近5到100埃的钻鐵

第14頁 1302705 ----案號 94123592_ 年月曰_修正 —___ 五、發明說明（9) (CoFe )層且相配，因此表面配置的淨磁矩近似於零。虛 擬層係由厚度能夠於磁力矩間維持強反平行結合的铑、 釕、鉻或者銘層所構成。反鐵磁固定層（52)可以是

PtMn、NiMn、0sMn、IrMn、PtPdMn、PtCrMn 或者 FeMn 層， 而厚度介於10〜100埃。 穿 (55 ) 層，並 阻礙層 磁材可 或者它 反平行 釕、鉻 以維持 過程， 是有益 元素（ (Ru ) 字元線 上。— 寫字 線（59 像位元 層，並 遂阻礙層 上。這一 且厚度約 上。此一 選自鐵始 可以為多 方向磁化 或者銅的 介於兩鐵 設定鐵磁 的。覆蓋 50 ) 〇 覆 / 钽（Ta〕 (5 9 )形 由絕緣材 元線（1 0 )與字元 線，是由 且以符合 (56)形成於被固定層的第 观增 層係由絕緣材如氧化銘或者|g —铪氧化雙 介於7〜15埃。一鐵磁自由層（57)形成於 自由層可是由鐵磁材所構成的單層，而鐵 或者鎳鐵，而厚度大約為介於5〜1〇〇埃， 層結構，包含有第一與第二鐵磁層，其於 ，並且被一無鐵磁性但是為導電材如铑、 間隙層分隔開，間隙層具有一較佳的厚度 磁層間的強反平行結合。在形成記憶胞的 層的磁性非等方向與位元線垂直戍者平行 ^上58)形成於自由層上並且完成記憶胞 盍層可以為釕（Ru)、钽（Ta)或者由 所構成厚度約5〜10埃的多層結構。讀取 成於記憶胞元素（50 )的覆蓋層（58 ) r m,成的層環繞著記憶胞並且將 公、,3 (20)分隔開，且將讀取字元 i )刀隔開。寫人字元線（1 〇)，就 本發成厚度少於100奈米的超薄 、式形成。更者，分開讀取線與

1302705 _案號94123592_年月日__ 五、發明說明（10) 寫入字元線必須維持是小的，但足以維持在記憶胞元素自 由層之寫入字元線磁場強度。分隔物無大於超細線厚度是 較好的。 請參閱第1 b圖，其係一使用本發明之超細字元線 (10 )與位元線（20 )所構成之MTJ MR AM示意圖，其與第 la圖的設計不同在在第la圖的讀取字元線（59)是不存在 的並且，取而代之的是寫入字元線（1 0 )形成於接觸記憶 胞元素（5 0 )的上表面。此記憶胞元素與第1 a的記憶胞元 素相似，因此於圖中並不再進一步仔細描繪。在這個結構 ，記憶胞的邏輯狀態僅使用字元線與位元線來進行判斷。 依據第1 c圖，其為一MRAM記憶胞陣列的概略圖，在這個圖 中數個記憶胞元素（5 0 )(在圖中以兩個呈現）每一個元 素與第1 a圖的記憶胞元素相同，且記憶胞元素（5 0 )形成 於一共通字元線（1 0 )與一單獨位元線（2 0 )間，如第1 b 圖的結構。字元線隨後與一單一存取電晶體（於圖中未示 透過一連接導體（6 0 )連接。每一記憶胞僅呈現兩個是 為了清晰並且兩者皆標示為（5 0 )，且每一記憶胞與一獨 -立的位元線連接，該獨立的位元線標示為（2 0 )，其係指 出圖所顯示的平面。記憶胞元素的上表面，在此結構中為 晶種層（5 1 )，與位元線（2 0 )的底表面接觸，並且記憶 胞元素的底表面也就是覆蓋層與字元線（10)的上表面接 觸。這裡並沒有如第1 a圖符號為（59 )的獨立電極。字元 線（1 0 )與位元線（2 0 )所形成的方式係依據本發明接續 在第2 a〜d中的描述。在這個結構中與共用字元線接觸的所

第16頁 1302705 _案號9412359艺 五、發明說明（11) 年 月 日 铬正 有挹憶胞被一單一電晶體存取。需注意的是此一陣列是可 以被轉換’因此’字元線可以在位元線上，記憶胞元素具 有被轉換=層並且存取電晶體是在字元線上。 依據第ld圖，其係一兩個MTJ MR AM記憶胞的陣列圖， 每一個是第la圖的結構，其中每一記憶胞元素（5〇 )是位 於用本發明的方式所形成的交錯字元（1 0 )與位元（20 ) fΪ且此f位元線（20 )屬於每一記憶胞所共用，但 是每一字元線是位於一獨立記憶胞元素上。一電極（59 ) 形成於接觸每一記憶胞之覆蓋層（58)的上表面，並且與 字元線間利用絕緣材料（丨5 )絕緣，每一電極透過一導體 線（6 0 )，接置一存取電晶體（於圖中未示）。在這個陣 列結構’母一 $憶胞具有一個電晶體。值得注意的是整個 結構可以被轉換，因此位元線直立於記憶胞上，並且記憶 胞層結構被相對於第1 a圖轉換。 依據第2a-e圖，其概略的描繪出形成本發明之位元或 ，者字元線的步驟。這線末端的厚度不僅達成本發明的目標 ，也提供足夠的小電流轉換場，但是它也可被以相較現有 *較粗線的形成方式以一少離子束蝕刻（IBE )整理與化學機 械研磨（CMP )的較簡單方式來達成。 、 首先’明參閱第2a圖，其係描述本發明之製程步驟的 第一步形成超細字元線或者位元線。首先，一薄的導體層 (100 )沈積在一具有平整表面的基底（90 )上，並且沈胃積 至字元線或者位元線的預設最後厚度，其中沈積的方式可 以利用蒸鍍、離子束沈積（I BD )或者化學氣相沈積法

第17頁 1302705 J^ 94123592 月 曰 修正 五、發明說明（12) (CVD) °需強調的是，基底為一介電層，其包含有MTj MRAM記憶胞元素，其上表面是介電層上表面共平面。或者 基底也可以是一覆蓋在一傳導電極上的介電層，如第la圖 之（5 9 )。於此呈現的基底無詳細的描繪。光阻層（2〇 〇 ) 隨後形成於導體層上。 依據第2b圖，其係呈現出如現有技術中對光阻層進行 光阻圖案化製成以使其成為圖案化光組層（2丨〇 )。該圖案 化產生一條（或者數次條，假如不僅一個線被形成），條 具有線的寬度並且在適當的線方向延伸。 請參閱第2 c圖，其係呈現出此一圖案化光阻層（21 〇 ) 被用來作為一離子束蝕刻或者反應離子蝕刻的光罩，以移 除$體層的周圍部分並且留下位於圖案化光阻層下方的預 期字元/位元線（丨5 〇 )。隨後光阻層將被移除（於圖中未 示）’留下被適當安排在基底（9 〇 )上的字元/位元線 (150 ) 〇 ，請參閱第2 d圖，其係第2 c圖的構成結構，其中絕緣再 填充層（2 5 0 )被沈積以填充介於字元/位元線間的間隙而 •成’或者任何其它（於圖中未示）。在這個類型，MT J記憶 胞可被形成覆蓋在字元/位元線或者字元線的一正交位置， 其可覆蓋這些線，假如這些線是位元線。假如，這些被形 成巧線（1 5 0 )是位元線（與圖示平面成正交），隨後這些 覆蓋他們的正交線為字元線（進入圖示平面）。 最後’請參閱第2 e圖，此處所示僅為一個範例，一包 含有一MTJ MR AM記憶胞的基底（90 )，因此超細字元線

第18頁 1302705 索號 94123592 Λ：_Β 曰 修正 五、發明說明（13) (1 5 0 )被依照F i g 2 a - d形成，此一超細字元線位在記憶胞 上表面。熟悉該項技藝者是清楚的知道其它超細交錯的字 元/位元線結構可以形成於記憶胞元素位置上。 L扣辦从役剌。尸a 裉梆除，因此位元線不踟〜兆 因為一個厚的沈積在無CMP的情況下將不可避免具有的 =上士面，此一狀況隨後將引起其他 如不玉= 化、不佳的線延續與電性遷J因此，本發明 為了均勻與再現性，需要位元或者字元線（1 5 0 )表面 是不平滑的或者藉由化學機械研磨法（C Μ P )來減少厚度。 這樣的研磨將導致線中產生非預期中的厚度變數，這些變一 數將依序影響在MTJ記憶胞内的線與自由層間足夠的小與2 勻距離。厚度變數產生是因為對於CM p管理過程中與，=、、 止點難以控制。所以CMP被排除，因此位元線不能是厚；， 薄沈積消除需CMP製程的缺點並且提 昜的需求 斤述者，僅為本發明—較\供實'二二， 來限疋本發明實施之範圍， =例利範虔 '八，僻：¾ 、付儆及精袖 均應包括於太恭昍由咬 f所為之均等變 於本發明之申請專利範圍内。$ 所述之形狀、構造、特徵及精；本發明申二J修飾， 均龐欽扛μ , 一 > . Ί月评所為之诌鲨#化界丨/ 1302705 _案號 94123592_年月日__ 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1 a圖為本發明之具有記憶胞元素形成於超細字元與位元 線間的MTJ MRAM記憶胞橫截面示意圖。 第lb圖為本發明於第la圖的另一種結構的MTJ MR AM記憶胞 橫截面示意圖。 第lc圖為形成於超係字元與位元線間的MTJ MR AM記憶胞的 陣列（於圖中描繪兩個）的示意圖。 第1 d圖為兩個第1 a圖之記憶胞的陣列示意圖。 第2a-e圖為超細字元或者位元線的形成示意圖，其包含有 如何使以簡易的方式形成細的字元與位元線。 【主要元件符號說明】 1 0字元線 2 0位元線 50多層MTJ記憶胞元件 5 1晶種層 .5 2反鐵磁被固定層 5 3第二鐵磁層 ‘ 5 4結合層 5 5第一鐵磁層 5 6穿遂阻礙層 5 7鐵磁自由層 58覆蓋層 5 9附加傳導電極 6 0連接導體

第20頁 1302705 _案號 94123592_年月日_修正 圖式簡單說明 90基底 100導體層 1 5 0字元/位元線 2 0 0光阻層 2 1 0圖案化光組層 2 5 0絕緣再填充層

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Claims (1)

1302705 _案號 94123592 -年只 t 修正_ 六、申請專利範圍 1 · 一種形成於超細字元線與位元線交錯處的MTJ MR AM記 憶胞，其包括有： 一超細位元線，其具有一上表面與一下表面並且是由 高傳導率材料所形成，該超細位元線於一第一水平 面内的一第一方向延伸，且具有一厚度tb，其厚度 小於1 0 0奈米； 一超細寫入字元線，其具有一上表面與一下表面並且 由南傳導率材料所構成’該字元線在第二水平面上 與該第一方向成正交的方向延伸，該第二水平面垂 直分開該第一水平面並且該寫入字元線垂直穿過該 位元線以形成與該位元線垂直分隔交錯，該字元線 具有一厚度tw，其厚度小於100奈米；以及 一水平多層磁穿遂接合（MTJ )記憶胞元素，其具有 上表面與下表面並且包含有一磁性自由層，其形成 於該字元線與該位元線的交錯處。 ,2 ·如申請專利範圍第1項所述之形成於超細字元線與位 元線交錯處的MTJ MR AM記憶胞，其中該記憶胞元素係 - 形成於該字元與位元線間的交錯處並且該記憶胞元素 上表面電性連接至該字元線底面，該記憶胞元素底面 電性連接至位元線上表面並且該超細字元與位元線在 該記憶胞元素自由層產生磁場增益。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之形成於超細字元線與位 元線交錯處的MTJ MR AM記憶胞，其中該記憶胞元素包 含有一形成於上表面的傳導電極。

第22頁 1302705 _案號94123592_年月日__ 六、申請專利範圍 4 ·如申請專利範圍第3項所述之形成於超細字元線與位 元線交錯處的MTJ MR AM記憶胞，其中該記憶胞元素形 成在該字元線與該位元線的交錯處，並且該記憶胞元 素的下表面與該位元線的上表面連接，該字元線的下 表面是垂直在該傳導電極上，其中該超細字元與位元 線在該記憶胞元素自由層上產生磁場增益。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之形成於超細字元線與位 元線交錯處的Μ T J M R A Μ記憶胞，其中該高傳導率材料 是銅、金、銘、銀、銅銀、組、鉻、鎳鉻、鎳鐵鉻、 釕、铑，或者這些材料的多層薄片。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之形成於超細字元線與位 元線交錯處的MTJ MR AM記憶胞，其包含有： 一晶種層，形成於該位元線上表面； 一反鐵磁固定層，其形成於該晶種層上； 一虛擬鐵磁固定層，其係形成於該反鐵磁層上，該固 定層包含有大致上相同且相反磁力矩的第一與第二 鐵磁層，其係被一結合層分隔開； 一穿遂阻礙層，形成於該固定層上； 一鐵磁自由層，形成於該穿遂層上；以及 一覆蓋層，其係形成於該鐵磁自由層上，其中該鐵磁 層的鐵磁方向性被設定為與該位元線平行或者垂直 〇 7 ·如申請專利範圍第6項所述之形成於超細字元線與位 元線交錯處的MTJ MR AM記憶胞，其中該鐵磁層係一虛

第23頁 1302705 j 號 94123M2 六、申請專利範圍 擬鐵磁層，其包含有本質上相同並且磁力矩相反的第 修正 8 與第四鐵磁層，其係被一第二結合層分隔開，該第 一結合層之厚度需維持該磁力矩一強反平行結合。 如申請專利範圍第6項所述之形成於超細字元線鱼位 兀線交錯處的MTJ MRAM記憶胞，其中該反鐵磁層£由 鉑錳、鎳錳、OsMn、IrMn、PtPdMn、PtCrMn 或者FeMn 層所構成厚度介於10〜100埃的層，並且該鐵鈷戈者 鐵錄鐵磁層的厚度於5〜丨00埃，而結合層由铑、舒、 銅或者鉻所構成，而厚度為維持反平行結合鐵磁 需厚度。 θ α 9 一種介於由高導電率材料所構成之超細字元 線交錯位置的MT J MRAM記憶胞陣列，該陣列;;凡 至少一超細字元線，其具有一上表面與一下矣& , j於一第一方向，且該字元線具有二厚度tw，直= 度小於1 0 0奈米； 八厚 數個同樣的MTJ記憶胞元素，在該字元線的上 · 勻的分隔，每一該記憶胞元素的底面與 a —面均 表面接觸； /子疋線上 數個平行超細位元線，每一該位元線具有上、 並且該下表面電性連接至該MTJ記憶胞元素'中表面 的上表面，並且每一該位元線形成於_與該第一 向成正交的第二方向上，且具有一厚度讣^盆 f 小於10 0奈米；以及 '、 夂 一電性傳導連接，其形成於該字元線與該單_ 仔取電

1302705 _案號94123592_年月日 修正_ 六、申請專利範圍 晶體間。 1 0 ·如申請專利範圍第9項所述之MTJ MR AM記憶胞陣列，其 包含有： 一晶種層，其係形成於該位元線的下表面； 一反鐵磁固定層，其係形成於該晶種層上； 一虛擬鐵磁固定層，其係形成於該反鐵磁層上，該固 定層包含第一與第二鐵磁層其本質上相等並且磁力 矩相反，且被一第一結合層分隔開； 一穿遂阻礙層，其位於該固定層上； 一鐵磁自由層，其係位於該穿遂阻礙層上；以及 一覆蓋層，其係位於該鐵磁自由層上，並且與該字元 線上表面相連接，其中 該鐵磁層的異向性被設定為與該位元線平行或垂直。 1 1 · 一種介於由高導電率材料所構成之超細字元線與位元 線交錯位置的MTJ MR AM記憶胞陣列，該陣列包含有： 至少一超細位元線，其具有一上與下表面，該位元線 形成於一第一平面的第一方向，且具有一厚度tb， 其厚度小於1 0 0奈米； 數個平行的超細字元線，每一個具有一上與下表面， 該字元線形成於一第二平面上的第二方向，其與該 第一方向成正交，該超細字元線與該第一平面平行 且與於上方成正交並與該第一平面分隔開，且該字 元線具有一厚度tw，其厚度小於1 00奈米； 數個相同MTJ記憶胞元素，其形成於該位元線上介於

第25頁 1302705 _案號94123592_年月日__ 六、申請專利範圍 每一該位元線與該字元線的交錯位置，每一該記憶 胞元素具有一上與一下表面，其中每一該記憶胞的 該下表面與該位元線的上表面接觸；以及 一傳導電極，形成於每一該Μ T J記憶胞的上表面，該 傳導電極位於該字元線的下表面下方，並且與該字 元線絕緣，該電極與一存取電晶體電性連接。 1 2 ·如申請專利範圍第11項所述之MTJ MR AM記憶胞陣列， 其包含有： 一晶種層，其係形成於該位元線的下表面； 一反鐵磁固定層，其係形成於該晶種層上； 一虛擬鐵磁固定層，其係形成於該反鐵磁層上，該固 定層包含第一與第二鐵磁層其本質上相等並且磁力 矩相反，且被一第一結合層分隔開； 一穿遂阻礙層，其位於該固定層上；以及 一覆蓋層，其係位於該鐵磁自由層上，並且其中 該鐵磁層的鐵磁異向性被設定為與該位元線平行或垂 直。 1 3 · —種形成位於超細字元線與位元線交錯位置上的 MTJ MRAM記憶胞的方法，其包含有下列步驟： 提供一基底，其具有平的上表面； 於該基底上形成一由高傳導率材料所構成之超細水平 位元線，其於一第一方向上延伸並且寬度近似於 3 0 0〜5 0 0奈米，而厚度小於1 0 0奈米，其中該形成 更包含有：

第26頁 1302705 _案號94123592_年月日__ 六、申請專利範圍 於該基底上形成一由高傳電率材料所構成之第一層， 其厚度少於1 0 0奈米； 於該第一層上形成一光阻層； 對該光阻層進行圖案化，以留下一寬度近似3 0 0〜5 0 0 奈米的長條； 使用該長條作為蝕刻的光罩，以移除該長條周圍部分 的該第一傳導層； 沈積一由絕緣材所構成之層，以再填充該已移除的第 一傳導層位置； 移除該光組層長條，因此留下該位元線並且環繞著絕 緣層，具有一共用並且本質上平坦的上表面； 於該位元線上表面形成多層磁性穿遂接面（MT J )元素 ，該元素的上表面電性連接至該位元線； 形成一環繞該MT J元素的絕緣層，該絕緣層的上表面與 該元素的上表面共平面，並且與該基底表面共平面 〇 1 4 ·如申請專利範圍第1 3項所述之形成位於超細字元 線與位元線交錯位置上的MTJ MRAM記憶胞的方法，其 更包含有： 形成一超細字元線，其與該元素的上表面相連接，該 字元線被形成於一與基底平面表面相平行的平面上 ，該字元線於一與該位元成正交的方向延伸，並且 該字元線的形成包含有： 於該絕緣層的上表面形成一由高傳導率材料所構成之

第27頁 1302705 _案號 94123592_年月日__ 六、申請專利範圍 第二層，該傳導層與該元素的上表面接觸並且該傳 導層之厚度少於100奈米； 於該第二傳導層上形成一光阻層； 圖案化該光阻層，以留下一寬度介於300〜500奈米的 長條’其延伸在與該位元線成正交的一方向； 以該長條作為蝕刻光罩，以移除該長條周圍的部分該 第二傳導層； 沈積一絕緣材料層，以再填充該已移除的第二傳導層 部分；以及 移除該光阻層長條，因此留下該字元線與一圍繞的絕 緣層，其具有一共同與近似平面的上表面。 1 5 ·如申請專利範圍第1 3項所述之形成位於超細字元線與 位元線交錯位置上的Μ T J M R A Μ記憶胞的方法，其中該 高傳導率材料為銅、金、鋁、銀、銅銀、鈕、鉻、鎳 鉻、鎳鐵鉻、釕、铑，或者這些材料的多層薄片。 .1 6 ·如申請專利範圍第1 4項所述之形成位於超細字元線與 位元線交錯位置上的MTJ MRAM記憶胞的方法，其中該 - 高傳導率材料為銅、金、鋁、銀、銅銀、鈕、鉻、鎳 鉻、鎳鐵鉻、釕、铑，或者這些材料的多層薄片。 1 7 ·如申請專利範圍第1 3項所述之形成位於超細字元線與 位元線交錯位置上的MTJ MRAM記憶胞的方法，其含有 於該位元線上形成一晶種層； 於該晶種層上形成一反鐵磁固定層；

第28頁 1302705 _案號94123592_年月日 修正_ 六、申請專利範圍 於該反鐵磁固定層上形成一虛擬鐵磁固定層，該固定 層包含有一本質上相等且磁力矩相反的第一與第二 鐵磁層其係被一第一結合層分隔開； 於該固定層上形成一穿遂阻礙層； 於該穿遂阻礙層上形成一鐵磁自由層； 於該鐵磁自由層上形成一覆蓋層，並且設定該鐵磁層 的鐵磁異向性與該位元線平行或者成正交。 1 8 · —種形成位於超細字元線與位元線交錯位置上的MT J MRAM記憶胞的方法，其含有： 提供一具有本質上平面之上表面的基底，該表面包含 有一 MTJ MRAM記憶胞上表面； 於該基底表面上形成一超細水平位元線，其係由高傳 導率材料所構成，該位元線朝一第一方向延伸，並 且寬度介於300〜500奈米’而厚度小於100奈米’ 其中該形成更包含有： 於該基底上形成一第一高傳導層，其與該記憶胞的上 表面接觸，並且該層之厚度小於100奈米； 於該第一傳導層上形成一光阻層； 圖案化該光阻層以留下一寬度介於300〜500奈米的長 條； 以該長條為蝕刻光罩，以移除該長條周圍的部分該第 一傳導層； 移除該光阻長條，以顯露出該第一傳導層的該剩餘部 分，該部分為一水平超細位元線；

第29頁 1302705 _案號94123592_年月日__ 六、申請專利範圍 形成一第一絕緣層於該位元線上，該絕緣層覆蓋該剩 餘部分並且該層具有一近似平面的上表面； 於該位元線上表面形成多層磁性穿遂接面（MTJ )元 素，該元素的下表面電性連接至該位元線； 於該Μ T J元素上形成一傳導電極；以及 形成一近似平面的第二絕緣層，其係於該傳導電極上 〇 1 9 ·如申請專利範圍第1 8項所述之形成位於超細字元線與 位元線交錯位置上的MTJ MRAM記憶胞的方法，其更含 有利用面傳導率材料形成一超細水平字元線垂直於該 傳導電極上，利用該第二絕緣層隔離該傳導電極，並 且該字元線與該位元線成正交，其中該形成包含有： 於該第二絕緣層的平面上表面形成一第二層，其係由 高傳導率材料所構成，該第二傳導層厚度小於1 〇 〇 奈米， 於該第二傳導層上形成一光阻層； 圖案化該光阻層，以留下一寬度近似3 0 0〜5 0 0奈米的 一長條，垂直於該MTJ記憶胞上表面並且與該位元 線成正交； 使用該長條作為蝕刻光罩，以移除該長條周圍的部分 該第二傳導層；以及 移除該光阻長條，以暴露出該第二傳導層的剩餘部分 該部分為一水平字元線，其係與該位元線隔離。 2 0 ·如申請專利範圍第1 8項所述之形成位於超細字元線與

第30頁 1302705 _案號 94123592_年月日__ 六、申請專利範圍 位元線交錯位置上的MTJ MRAM記憶胞的方法，其中該 高傳導率材料為銅、金、鋁、銀、銅銀、鈕、鉻、鎳 鉻、鎳鐵鉻、釕、姥，或者這些材料的多層薄片。 2 1 ·如申請專利範圍第1 9項所述之形成位於超細字元線與 位元線交錯位置上的MTJ MRAM記憶胞的方法，其中該 高傳導率材料為銅、金、銘、銀、銅銀、钽、鉻、鎳 鉻、鎳鐵鉻、釕、铑，或者這些材料的多層薄片。 2 2 ·如申請專利範圍第1 8項所述之形成位於超細字元線與 位元線交錯位置上的MTJ MRAM記憶胞的方法，其中該 MTJ記憶胞元素的形成包含有： 於該位元線上形成一晶種層； 於該晶種層上形成一反鐵磁固定層； 於該反鐵磁固定層上形成一虛擬鐵磁固定層，該固定 層包含有一本質上相等且磁力矩相反的第一與第二 鐵磁層其係被一第一結合層分隔開； 於該固定層上形成一穿遂阻礙層； 於該穿遂阻礙層上形成一鐵磁自由層； 於該鐵磁自由層上形成一覆蓋層，並且設定該鐵磁層 的鐵磁異向性與該位元線平行或者成正交。

第31頁 1302705 _案號94123592_年月日_修正 k六、指定代表圖 .(一）、本案代表圖為：第la圖 (二）、本案代表圖之元件符號簡單說明： 1 0字元線 2 0位元線 50多層MTJ記憶胞元件 5 1晶種層 52反鐵磁被固定層 53第二鐵磁層 5 4結合層 5 5第一鐵磁層 5 6穿遂阻礙層 5 7鐵磁自由層 5 8覆蓋層 5 9附加傳導電極 6 0連接導體

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