TWI398871B - 減少功率之磁阻性隨機存取記憶體元件及用於製造一磁阻性記憶體元件之方法 - Google Patents

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Description

減少功率之磁阻性隨機存取記憶體元件及用於製造一磁阻性記憶體元件之方法
本發明係關於一種電磁裝置，更特定言之係關於一種需要較低操作功率之磁阻性隨機存取記憶體元件。
電磁裝置、旋轉電子裝置及自旋電子裝置均係利用主要由電子旋轉產生的效應之裝置之同義詞。電磁效應係用於大量的資訊裝置，並且提供非揮發性、可靠、抗輻射及高密度的資料儲存及擷取。大量電磁資訊裝置包括，但不限制於，磁阻性隨機存取記憶體(magnetoresistive random access memory；MRAM)、磁性感測器及磁碟機的讀取/寫入頭。通常，電磁資訊裝置，例如MRAM，包括一記憶體元件陣列。各記憶體元件通常具有一結構，其包括由各種非磁性層分離之多個磁性層。隨磁性層內之磁化向量方向儲存資訊。一磁性層內之磁性向量係磁性固定或確定的，而另一磁性層之磁化方向可在分別稱為「平行」及「反平行」狀態之相同及相反方向間自由切換。與平行及反平行磁性狀態對應，磁性記憶體元件分別具有低及高電阻狀態。相應地，測量電阻變化之方向可使電磁資訊裝置，例如MRAM裝置，提供儲存於磁性記憶體元件內之資訊。
圖1說明具有一或多個記憶體元件12之傳統記憶體元件陣列10。作為以一種類型之磁性記憶體元件之範例，磁性穿隧接面(magnetic tunnel junction；MTJ)元件包括一固定強磁性層14，其具有相對於外部磁場固定的磁化方向，以及一自由強磁性層16，其具有關於外部磁場自由旋轉的磁化方向。固定層及自由層由絕緣穿隧阻障層18分離。記憶體元件12之電阻依賴透過自由與固定強磁性層間之穿隧阻障層的旋偏極化電子穿隧現象。穿隧現象為電子自旋相依，使得MTJ元件的電性回應與自由及固定強磁性層間之導電電子的相對方位及自旋極化成函數關係。
記憶體元件陣列10包括導體20，其亦稱為數位線20，沿記憶體元件12之列延伸；及導體22，其亦稱為字元線或位元線22，沿記憶體元件12之行延伸。記憶體元件12位於數位線20與位元線22之交叉點。藉由向數位線20及位元線22供應電流切換記憶體元件12之自由層16的磁化方向。電流建立磁場，其將選定記憶體元件之磁化方位從平行切換至反平行，反之亦然。
圖2說明傳統線性數位線20及位元線22產生的磁場。為簡化MRAM裝置10之說明，所有方向皆參考所示x及y座標系統50。將一位元電流IB 30定義為在一正x方向流動時為正，而將一數位電流ID 34定義為在一正y方向流動時為正。通過位元線22之正位元電流IB 30產生圓周位元磁場HB 32，而正數位電流ID 34將引起圓周數位磁場HD 36。磁場HB 32及HD 36組合以切換記憶體元件12之磁場方位。
較大位元及數位線電流不合需要，因為記憶體陣列功率消耗在MRAM應用中係嚴重限制因素。較高位元及數位電流需要較大位元及數位線以及寫入電路，以處理高電流。此可產生更大、更昂貴的MRAM裝置。然而，對較小記憶體裝置的需求與日俱增。雖然可透過(例如)圖案化較小記憶體元件等技術實現較小裝置大小，較小記憶體元件增加了與記憶體元件相關聯之各向異性的形狀組件。隨著各向異性增加，改變磁化方向所需之電流數量也增加。
相應地，需要提供低功率MRAM記憶體元件，其需要減小或最小化之電流以改變元件之磁性方向。此外，需要提供MRAM裝置，其需要用於程式化之低功率。另外，藉由隨後的實施方式及隨附申請專利範圍並結合附圖及上述先前技術，可清楚本發明之其他需要的功能及特徵。
以下本發明之詳細說明實質上僅係示範性，而非限制本發明或本發明之應用及使用。此外，亦不會受限於前述先前技術或以下實施方式中出現的任何理論。
現在參考圖3，根據本發明之示範性具體實施例，MRAM陣列100之簡化斷面圖包含可縮放磁阻性記憶體元件102。此說明中，為簡單起見僅顯示單一磁阻性記憶體元件102，但應瞭解MRAM陣列100可由許多磁阻性記憶體元件102組成。
磁阻性記憶體元件102夾在一位元線122及一數位線120之間。位元線122及數位線120包括導電材料，以便電流可以從中通過。此說明中，位元線122位於磁阻性記憶體元件102之頂部，數位線120位於磁阻性記憶體元件102之底部，並且與位元線122成90度角地加以引導。雖然說明位元線122及數位線120與記憶體元件102實體上接觸，應瞭解本發明之各種具體實施例並不受限於此，位元線122及/或數位線120可與記憶體元件102實體上分離。此外，雖然說明位元線122位於數位線120上方，應瞭解可使用數位線120及位元線122之反向定位。
磁阻性記憶體元件102包含第一磁性區域104、第二磁性區域106及置放於第一磁性區域104與第二磁性區域106間的穿隧阻障108。本發明之一項具體實施例中，磁性區域104包括合成抗強磁性(SAF)結構110，其係具有夾在兩個強磁性部分130與132間之抗強磁性耦合間隔層134的結構。另外，第二磁性區域106可具有SAF結構112，其具有置放於兩個強磁性部分140與142間之抗強磁性耦合間隔層144。然而，應明白第二磁性區域106可具有任何適合形成可操作記憶體元件102之結構。
強磁性部分130及132分別各具有磁距向量150及152，其通常藉由抗強磁性耦合間隔層134保持反平行。磁性區域104具有合成磁距向量154，而磁性區域106具有合成磁距向量156。合成磁距向量154及156沿相對於位元線122及數位線120成一角度之一方向內的各向異性易磁化軸加以定位。本發明之一較佳具體實施例中，合成磁距向量154及156在相對於位元線122及/或數位線120成範圍從大約30度至大約60度之角度下加以定位。本發明之一更佳具體實施例中，合成磁距向量154及156在與位元線122及數位線120成大約45度之一角度下加以定位。另外，磁性區域104為自由強磁性區域，意味著合成磁距向量154在存在施加磁場的情況下可自由地旋轉。磁性區域106是一固定強磁性區域，意味著合成磁矩向量156在存在一適度施加磁場存在的情況下不能自由旋轉，並用作參考層。
兩個強磁性部分130及132可具有不同厚度或材料，以提供合成磁距154，其由△M ＝M 2 －M 1 給出。本發明之一較佳具體實施例中，SAF結構110實質上係平衡的；就是說，△M小於M2 －M1 平均值的百分之15(另外可簡單地描述為「不平衡小於百分之15」)，並且更佳的係在以經濟方式製造的生產批量中盡可能接近零。
MRAM陣列100之製造期間，依順序沉積或以其他方式形成各後續層(以下予以詳細說明)，且可使用半導體行業內熟知的任何技術藉由特定沉積、光微影處理、蝕刻等等定義各記憶體元件102。至少強磁性部分130及132之沉積期間，提供一磁場以設定較佳各向異性易磁化軸(感應本質各向異性)。所提供之磁場建立用於磁距向量150及152之較佳各向異性易磁化軸。如以下所詳細說明，除本質各向異性外，一之記憶體元件之縱橫比(即長度除以寬度)大於可具有一形狀各向異性之記憶體元件，其定義平行於記憶體元件之長軸的易磁化軸。亦可將此易磁化軸選擇相對於位元線122及/或數位線120成一角度，較佳的係大約30至60度之角度，更佳的係大約45度之角度。
圖4說明根據本發明之一具體實施例的MRAM陣列100之一簡化平面圖。為簡化磁阻性記憶體元件102之說明，所有方向皆參考所示x及y座標系統160。為進一步簡化說明，僅說明區域104之磁距向量，因為其會進行切換。如上所述，合成磁距向量154在相對於位元線122及數位線120之角度下沿各向異性易磁化軸162加以定位。如圖所示，將一位元電流IB 170定義為在一正x方向流動時為正，而將一數位電流ID 172定義為在一正y方向流動時為正。通過位元線122之正位元電流IB 170產生圓周位元磁場HB 174，而正數位電流ID 172將引起圓周數位磁場HD 176。磁場HB 174及HD 176組合以切換記憶體元件102之第一磁性區域104的磁性方位。
圖5為關於磁場HB 174及磁場HD 176的程式化區域或窗口之圖示說明200，其中可可靠地切換第一磁性區域104。MRAM陣列100中，藉由將電流流經接近個別記憶體元件之位元線及數位線來程式化個別記憶體元件。藉由選擇性地切換個別記憶體元件102之第一磁性區域104的磁距方向儲存資訊。根據位元之先前狀態將記憶體元件狀態程式化為「1」或「0」；即，將「1」切換為「0」或將「0」切換為「1」。所有其他記憶體元件102僅曝露於來自單一線路(－選定記憶體元件)或非線路的磁場。當記憶體元件之磁性區域104根據磁場之施加或撤除確定地在「0」狀態與「1」狀態間切換時，記憶體元件得以可靠地切換。某種程度上根據磁場之施加或撤除隨機地在「0」狀態與「1」狀態間切換的記憶體元件不能提供可靠或需要的切換。
由於程序及材料變更，記憶體元件102之陣列具有平均值為〈Hsw〉且標準偏差為σs w 的切換場之分佈。通常，記憶體元件102之陣列需要滿足預定切換或程式化誤差率。相應地，為採用大致相同的電流程式化MRAM陣列100內之記憶體元件102，由電流產生的施加場較佳的係大於平均切換場〈Hsw〉，差值不小於大約Nσs w ，此處N為正數，其大至足以確保實際切換誤差率不會超過預定程式化誤差率，且對於大小為大約1 Mbit或更大的記憶體通常大於或等於6。
此外，具有可施加於選定記憶體元件之最大飽和場HS A T ，以確保可靠切換。當施加於磁性區域104時，飽和場HS A T 對應於使磁矩向量150及152可大致平行地對準的該場。因此，HS A T 已知為區域104內SAF結構的飽和場，並且係層130與132間的抗強磁性耦合之量度。同樣由於程序及材料變更，記憶體元件102之陣列具有平均值為〈HS A T 〉且標準偏差為σs a t 的飽和場之分佈。因此，施加場較佳的係保持小於大約〈HS A T 〉－Nσs a t ，或選定記憶體元件無法得以可靠地程式化。
因此，對於滿足預定切換誤差率或具有低於預定切換誤差率之誤差率的可靠程式化，存在操作窗口202，其用於從程式化場HB 174及HD 176產生的施加磁場H。沿圖5所示之虛線的操作窗口之大小Hw i n 大致由等式Hw i n (〈Hsat〉－Nσs a t )－(〈Hsw〉＋Nσs w )代表。此窗口202內部，實質上所有記憶體元件皆可在無誤差情況下加以程式化。此窗口外部，無法程式化或無法在無可能的誤差之情況下程式化記憶體元件。例如，圖示說明200之區域204為藉由位元電流IB 170及數位電流ID 172施加於記憶體元件102的磁場H大於HS A T ，且磁阻性記憶體元件102之第一磁性區域104不能可靠地在「1」與「0」狀態間切換。圖示說明200之區域206為施加場H小於切換場HS W 的區域，且磁阻性記憶體元件102之第一磁性區域104不能切換。
用於寫入記憶體元件102之磁性切換場由以下等式代表： 此處Hk 為第一磁性區域104之總各向異性，且如上所述，HS A T 為抗強磁性耦合飽和場，即HS A T 為磁阻性記憶體元件102之第一磁性區域104將可靠地切換的最大磁場。Hk 可由以下等式代表：Hk (總)＝Hk (本質)＋Hk (形狀)，此處，Hk (本質)為包含磁性區域104之材料的本質各向異性，且Hk (形狀)為由於磁性區域104之形狀而引起的各向異性。同樣，HS A T 可由以下等式代表：HS A T (總)＝HS A T (本質)＋HS A T (形狀)。
此等式中，HS A T (本質)為第一磁性區域104之磁性層在形成為連續薄膜時實質上彼此平行的磁場，且HS A T (形狀)代表由於磁性區域104之形狀引起的磁性區域104之磁性層的靜磁耦合。
相應地，為減小磁阻性記憶體元件102所需的功率，即減小或最小化切換磁阻性記憶體元件102之第一磁性區域104所需的電流，可減小或最小化磁性區域104之HS W 。為最小化HS W ，可減小或最小化Hk (總)或HS A T (總)，或者兩者。因此，根據本發明之具體實施例，可減小或最小化Hk (本質)、Hk (形狀)、HS A T (本質)或HS A T (形狀)或其任何組合。
再次參考圖3，根據本發明之一示範性具體實施例，為減小或最小化切換第一磁性區域104所需之電流，從而減小記憶體元件102所需之功率，可將強磁性部分130及132製造使得磁性區域104具有一低Hk (總)值。然而，本發明之一較佳具體實施例中，磁性區域104之Hk (總)值可能未低至使得磁性區域104以及磁阻性記憶體元件102係熱不穩定及揮發性的。熱不穩定性指記憶體狀態因磁性層130及132內之熱波動而切換。對用於第一磁性區域104之熱波動的能量阻障Eb 大致上由等式Eb ＝M S ×V ×H k 代表，此處MS 為層130及132內磁性材料之飽和磁化強度，V為層130及132之總體積(面積x厚度)，Hk 如上所定義。本發明之一項具體實施例中，Hk (總)具有低於大約15 Oe徵米除以區域寬度的一值，此處「區域寬度」為第一磁性區域104之尺寸(微米)，其垂直於第一磁性區域104之縱軸及第一磁性區域104之厚度。本發明之一較佳具體實施例中，Hk (總)具有範圍從大約10 Oe微米÷區域寬度(微米)至大約15 Oe微米÷區域寬度(微米)之一值。
本發明之一項具體實施例中，為減小Hk (總)，從而減小記憶體元件102之功率要求，強磁性部分130及132可由具有低Hk (本質)值的一或多層材料形成。本文所使用的術語低Hk (本質)值意味著小於或等於大約10 Oe的Hk (本質)值。適合形成磁性區域104之強磁性部分130及132但不會使磁性區域104變得熱不穩定的低Hk (本質)值材料之範例包括鎳(Ni)、鐵(Fe)、鈷(Co)、或Ni合金、Fe合金、或Co合金，例如NiFeB、NiFeMb、NiFeTa、NiFeCo等等。強磁性部分130及132可由相同材料形成或由具有低Hk (本質)值的不同材料形成。
根據本發明之另一具體實施例，為減小記憶體元件102之功率要求，可使用產生低Hk (形狀)值之材料製造磁性區域104，以形成強磁性部分130及132。然而同樣地，形成磁性區域104之材料所產生的Hk (總)值可能未低至使得磁性區域104以及磁阻性記憶體元件102係熱不穩定及揮發性的。如上所述，產生用於給定記憶體元件形狀之低Hk (形狀)值的材料包括具有低飽和磁化強度MS 之材料。本文所使用的術語「低飽和磁化強度」或「低磁化強度」指磁化強度小於或等於Ni8 0 Fe2 0 之磁化強度的該等材料。Ni8 0 Fe2 0 具有約等於800 kA/m之磁化強度及約為1 Tesla之飽和通量密度。由於形成強磁性部分130及132之材料的磁化強度亦直接影響各層之靜磁耦合，用於強磁性部分130及132之低磁化強度材料亦用於減小或最小化HS A T (形狀)。相應地，部分130及132之材料的磁化強度越低，Hk (形狀)及HS A T (形狀)值則越低。適合形成強磁性部分130及132之低磁化材料包含Ni8 0 Fe2 0 及Ni合金、Fe合金或Co合金，例如NiFeB、NiFeMb、NiFeTa及NiFeCo。另外，強磁性部分130及132可由相同或不同低磁化材料形成。
Ni8 0 Fe2 0 與鉬、鉭、硼等材料之摻雜亦可產生具有低Hk (本質)值且磁化強度小於Ni8 0 Fe2 0 之磁化強度的材料，從而有利於低功率記憶體元件102之製造。然而，與此類材料摻雜亦可降低穿過穿隧阻障108之磁阻，從而降低記憶體元件102之性能。儘管穿隧電子之自旋極化決定磁阻，但低磁化強度材料通常亦可具有低自旋極化。相應地，本發明之一替代具體實施例中，如圖6所述，磁阻性記憶體元件250可具有一強磁性部分132，其包含兩種材料，具有減小磁性區域104之Hk (形狀)值的低磁化強度之第一材料252，以及置放成接近穿隧阻障108之第二材料254，其具有補償因第一材料252引起的磁阻降低之高極化。本文所使用之術語「高極化材料」為自旋極化大於或等於Ni8 0 Fe2 0 的任何材料。第二材料254可包含(例如)Co、Fe及CoFe等材料，當第一材料252具有低於Ni8 0 Fe2 0 之磁化強度時亦可包含Ni8 0 Fe2 0 。本發明之一較佳具體實施例中，第一材料252及/或第二材料254包含也具有低Hk (本質)的材料，如上所述。由於第一磁性區域104較佳的係磁矩平衡之SAF結構，本發明之一項具體實施例中，強磁性部分130具有一厚度，使得強磁性部分132及130之磁矩具有相同大小。本發明之另一具體實施例中，強磁性部分130亦包含第一材料252及第二材料254。
單一磁性層之Hk(形狀)約與N d ×M s ×t /w成正比，此處Nd 為消磁因數，其隨縱橫比增加，t為層厚度，w為區域寬度。此公式亦適用於第一磁性區域104之SAF結構內的各層。儘管相較於可比厚度為2×t的單一膜，第一磁性區域104之SAF結構未減小(形狀)，但由於切換程序內之不對稱，Hk(形狀)仍有限。磁性層在切換期間並非完全反平行，因此各層之靜磁場(其產生Hk(形狀))未完全彼此消除。
本發明之另一具體實施例中，可將磁性區域104製造成具有用於強磁性層130及132之最小可能厚度t。如上所述，較薄厚度t將產生較小Hk(形狀)及HS A T (形狀)，因為產生Hk(形狀)及HS A T (形狀)的靜磁場與厚度成正比。最小厚度可能受限於熱穩定性要求。應注意，藉由減小t，層130及132之Hk(形狀)及總體積V針對位元而減小，以便能量阻障減小大約t2 。除熱穩定性要求外，最小厚度亦受能力限制，以在穿隧阻障頂部生長一高品質連續磁性膜。本發明之一項具體實施例中，層130及132之最佳最小厚度t在大約3.5 nm至大約5 nm的一範圍內。
再次參考圖3，根據本發明之另一具體實施例，為減小記憶體元件102之功率要求，藉由將第一磁性區域104形成為具有低縱橫比之形狀，亦可將其製造成具有低Hk (形狀)值。本發明之一項具體實施例中，第一磁性區域104具有一長度，其較佳的係沿區域104之一長軸加以測量，以及垂直於該長度之一寬度加以測量，且就非圓形平面而言，其長度/寬度比在大約1至大約3的一範圍內。例如，如圖10所述，本發明之一項具體實施例中，記憶體元件400，其可與記憶體元件102相同，可具有橢圓形之第一磁性區域104，其具有長度402及寬度404，且長度/寬度比為大約1至大約3。本發明之另一具體實施例中，如圖11所述，記憶體元件410，其可與記憶體元件102相同，可具有矩形之第一磁性區域104，其具有長度412及寬度414，且長度/寬度比為大約1至大約3。或者，記憶體元件之第一磁性區域104可為圓形(長度/寬度比為1)，以最小化由於形狀各向異性Hk (形狀)引起的切換場，另外因為其更容易使用光微影程序在橫向上將裝置縮小至更小尺寸。然而，應瞭解第一磁性區域104可具有任何其他適合形狀，例如方形或菱形。本發明之一較佳具體實施例中，第一磁性區域104具有範圍為大約2至大約2.5的一長度/寬度比。
根據本發明之另一具體實施例，為減小記憶體元件102之功率要求，可將磁性區域104製造成減小或最小化HS A T (總)。然而，如上文參考圖5所述，磁性區域104之HS A T (總)值可能未低至不存在可操作程式化窗口。換言之，雖然可減小或最小化HS A T (總)，其值較佳的係使得可操作以切換磁性區域104之程式化窗口可如上由等式Hw i n 〈HS A T 〉－N σs a t )－(〈Hsw〉＋N σs w )來定義，此處Hw i n 為藉由電流ID 及IB 施加於磁阻性記憶體元件102以切換磁性區域104之磁場。本發明之一項具體實施例中，HS A T (總)具有範圍從大約150 Oe至大約350 Oe的值。一較佳具體實施例中，HS A T (總)具有小於或等於大約180/w0 . 5 (Oe)的值，此處w為磁性區域104之區域寬度，如上所述。
目前記憶體元件尺寸在0.5至1微米的範圍內，HS A T (總)之主導者來自HS A T (本質)。HS A T (本質)由抗強磁性耦合材料及其厚度決定，其包含抗強磁性耦合間隔層134及其厚度。一般而言，抗強磁性耦合間隔層134包含元素釕、鋨、錸、鉻、銠、銅之一或其組合。較佳的係抗強磁性耦合間隔層134包含釕。本發明之一項具體實施例中，可藉由製造具有一厚度之抗強磁性耦合間隔層134，使得磁性區域104包含一第二級SAF來減小或最小化HS A T (本質)，從而減小或最小化HS A T (總)。圖7為曲線圖，其說明HS A T (本質)值與可用於形成抗強磁性耦合間隔層134的抗強磁性耦合材料(例如釕)之厚度間的典型關係。如圖7所示，抗強磁性耦合材料在厚度280之第一峰值或第一範圍下作為抗強磁性耦合間隔層134而操作。第一峰值280下，抗強磁性耦合間隔層134形成具有圖3之強磁性層130及132的第一級SAF。抗強磁性耦合材料亦可在厚度282之第二峰值或範圍下作為抗強磁性耦合間隔層134而操作，從而形成具有強磁性層130及132之第二級SAF。如圖7所述，HS A T (本質)值在第一峰值280下相對地高於第二峰值282下。因此，藉由形成作為第二級SAF之磁性區域104，其中抗強磁性耦合間隔層134耦合間隔層134具有第二峰值282之厚度範圍內的一厚度，可減小或最小化HS A T (總)，從而減小或最小化HS W 。此外，相較於第一級峰值，第二峰值作為間隔層厚度之函數更平緩，因此間隔層厚度可在較寬範圍上變化，且仍供應標稱大小相同之HS A T (本質)。HS A T 對間隔層厚度之不敏感度可符合強固及可重複製造之需要。
如上所述，雖然較佳的係將HS A T (總)最小化以降低磁阻性記憶體元件102之功率要求，HS A T (總)較佳的係足夠大，以便具有用於程式化記憶體元件102之可操作程式化窗口。因此，雖然可需要將磁性區域104製造為第二級SAF，HS A T (總)可能過低，以致無法提供用於記憶體元件102之滿意程式化窗口。如圖7內之第三峰值284所述，接近抗強磁性耦合間隔層134之表面而置放的材料，例如包含Co、Fe或CoFe之材料，其產生較高抗強磁性交換耦合，可將HS A T (本質)增加至可接受值。相應地，參考圖8，本發明之另一具體實施例中，磁阻性記憶體元件300可包含置放於抗強磁性耦合間隔層134之第一表面的第一介面層302，及/或置放於抗強磁性耦合間隔層134之第二表面的第二介面層304。適合形成介面層302及304之材料包含此等材料：例如Co、Fe、CoFe及Co合金或Fe合金，例如CoFeTa或CoFeB。
再次參考圖7，本發明之另一具體實施例中，可將磁性區域104製造為第一級SAF，其中抗強磁性耦合間隔層134具有第一峰值280之厚度範圍內的一厚度。然而，較佳的係抗強磁性耦合間隔層134具有大於產生最大HS A T (本質)的厚度tm a x 之一厚度。關於此點，可沿第一峰值280最佳化HS A T (本質)，以減小記憶體元件102之功率要求，同時也提供可切換記憶體元件102之適當程式化窗口。
本發明之另一具體實施例中，當將磁性區域104製造為第一級SAF時，可藉由利用介面層302及/或304進一步最佳化HS A T (本質)，如圖8所述。由於實際原因，可需要採用一抗強磁性耦合間隔層厚度製造磁性區域104，其呈現大致上等於或低於預定HS A T (本質)之HS A T (本質)。例如，可需要形成具有一厚度之抗強磁性耦合間隔層，以便處理期間的任何厚度偏差不會顯著影響HS A T (本質)值。換言之，可需要形成具有一厚度之抗強磁性耦合間隔層，其處於第一峰值280之更平坦或更穩定區域。然而，此厚度下，HS A T (本質)可低於期望之HS A T (本質)。因此，如圖8所述，介面層302及/或304可用於將HS A T (本質)增加至期望值。
亦可減小或最小化HS W ，從而藉由減小或最小化HS A T (形狀)而減小記憶體元件102之功率要求。如上所述，本發明之一項具體實施例中，可藉由用低磁化強度材料製造磁性層130及132而減小或最小化HS A T (形狀)。同樣如上所述，本發明之另一具體實施例中，可藉由將磁性層130及132製造為具有最小厚度t而減小或最小化HS A T (形狀)。本發明之另一示範性具體實施例中，亦可藉由製造記憶體元件102而減小HS A T (形狀)，該記憶體元件102沿各向異性軸具有一或多個實質上尖銳或銳利末端的形狀，其呈現的強磁性層130及132之靜磁耦合低於具有實質圓形末端之形狀的記憶體元件102(例如圓形記憶體元件102)之層130及132的靜磁耦合。例如，如圖9所述，可將記憶體元件102形成為橢圓形，其沿記憶體元件之縱軸322包含實質上尖銳或銳利的末端320。相較於具有末端實質上為圓形的圓形形狀或橢圓形形狀之可比記憶體元件102，具有此形狀之記憶體元件102呈現較小靜磁耦合，從而具有較低HS A T (形狀)值。然而應明白，可將該記憶體元件102製造為各種其他形狀，例如菱形，其將呈現減小之靜磁耦合，從而具有減小或最小化之HS A T (形狀)。
因此，已說明根據本發明之磁阻性隨機存取記憶體元件，其需要用於程式化之較低功率。用於程式化記憶體元件之功率要求與等式H SW 所代表之磁性切換場HS W 相關。本發明之具體實施例提供用於減小及/或最小化Hk 及HS A T 之方法及結構。雖然前述實施方式中已提出至少一項範例性具體實施例，但應明白存在大量變更。亦應明白示範性具體實施例僅係範例，並非以任何方式限制本發明之範圍、適用性或組態。相反，前述實施方式為熟習技術人士提供用於實施本發明之示範性具體實施例的方便途徑，應明白在示範性較佳具體實施例中所說明的元件之功能及配置中可進行各種變更，而不背離隨附申請專利範圍所提出的本發明之範疇。
10．．．記憶體元件陣列
12．．．記憶體元件
14．．．固定強磁性層
16．．．自由強磁性層
18．．．穿隧阻障層
20．．．數位線
22．．．位元線
30．．．正位元電流IB
32．．．磁場HB
34．．．磁場HD
36．．．圓周數位磁場HD
50．．．x及y座標系統
100．．．MRAM陣列
102．．．磁阻性記憶體元件
104．．．磁性區域
106．．．磁性區域
108．．．穿隧阻障
110．．．SAF結構
112．．．SAF結構
120．．．數位線
122．．．線路
130．．．強磁性層
132．．．強磁性層
134．．．抗強磁性耦合間隔層
140．．．強磁性部分
142．．．強磁性部分
144．．．抗強磁性耦合間隔層
150．．．磁矩向量
152．．．磁矩向量
154．．．磁矩向量
156．．．磁矩向量
160．．．y座標系統
162．．．各向異性易磁化軸
164．．．角度
170．．．電流IB
172．．．數位電流ID
174．．．磁場HB
176．．．數位磁場HD
200．．．圖示說明
202．．．窗口
204．．．區域
206．．．區域
250．．．磁阻性記憶體元件
252．．．材料
254．．．材料
280．．．峰值
282．．．峰值
284．．．峰值
300．．．磁阻性記憶體元件
302．．．介面層
304．．．介面層
320．．．末端
322．．．縱軸
400．．．記憶體元件
402．．．長度
404．．．寬度
410．．．記憶體元件
412．．．長度
414．．．寬度
本發明已結合以下圖式予以說明，其中相同數字指示相同元件，以及圖1說明一傳統記憶體元件陣列；圖2說明產生於傳統記憶體元件陣列之記憶體元件的磁場；圖3為根據本發明之示範性具體實施例的記憶體元件之斷面圖；圖4為圖3之記憶體元件的平面圖，其說明產生於記憶體元件之磁場；圖5為圖3之記憶體元件的程式化窗口之圖示說明；圖6為根據本發明之另一示範性具體實施例的記憶體元件之斷面圖；圖7為反強磁性耦合材料之抗強磁性耦合飽和場與抗強磁性耦合材料之厚度間的關係之圖示說明；圖8為根據本發明之另一示範性具體實施例的記憶體元件之斷面圖；圖9為具有虛線所示的根據本發明之示範性具體實施例的記憶體元件之記憶體元件陣列的示意圖；圖10為具有橢圓形狀之記憶體元件的示意圖；以及圖11為具有矩形形狀之記憶體元件的示意圖。
100．．．MRAM陣列
102．．．磁阻性記憶體元件
104．．．磁性區域
106．．．磁性區域
108．．．穿隧阻障
110．．．SAF結構
112．．．SAF結構
120．．．數位線
122．．．線路
130．．．強磁性層
132．．．強磁性層
134．．．抗強磁性耦合間隔層
140．．．強磁性部分
142．．．強磁性部分
144．．．抗強磁性耦合間隔層
150．．．磁矩向量
152．．．磁矩向量
154．．．磁矩向量
156．．．磁矩向量

Claims (20)

  1. 一種磁阻性隨機存取裝置，其具有一記憶體元件陣列，各記憶體元件包含：一固定磁性部分，一穿隧阻障部分，其係置放成接近該固定磁性部分；以及一自由SAF結構，其係置放成接近該穿隧阻障部分，其中：該記憶體元件陣列具有一有限磁場程式化窗口Hwin ，其由等式Hwin (〈Hsat〉-N σsat )-(〈Hsw〉+Nσsw )代表；〈Hsw〉為用於該陣列之一平均切換場；〈Hsat〉為用於該陣列之一平均飽和場；用於該各記憶體元件之Hsw由等式代表，其中Hk 代表該各記憶體元件之該自由SAF結構的一總各向異性場，以及HSAT 代表用於該各記憶體元件之該自由SAF結構的一總抗強磁性耦合飽和場；N係大於或等於1之一整數；σsw 係用於〈Hsw〉之一標準偏差；以及σsat 係用於〈HSAT 〉之一標準偏差，及其中該自由SAF結構係配置成具有Hk 、HSAT 及N值，以便該記憶體元件陣列係熱穩定的且需要低於一預定電流值之電流來操作。
  2. 如請求項1之磁阻性隨機存取裝置，其中該陣列的該各記憶體元件之該自由SAF結構的Hk 具有不大於15 Oe微米 除以該自由SAF結構之一寬度的一值，其中該寬度為該自由SAF結構之一尺寸(微米)，其垂直於該自由SAF結構之一縱軸。
  3. 如請求項1之磁阻性隨機存取裝置，其中該自由SAF結構包含兩個磁性部分，該等兩個磁性部分之各個包含一低磁化強度材料層。
  4. 如請求項3之磁阻性隨機存取裝置，其中該等至少兩個磁性部分之各個包含一材料，其係選自由Ni、Fe、Co、Ni合金、Fe合金及Co合金所組成之群組。
  5. 如請求項3之磁阻性隨機存取裝置，其中該低磁化強度材料與至少一種材料摻雜，其係選自由鉬、鉭及硼組成之群組。
  6. 如請求項3之磁阻性隨機存取裝置，該等兩個磁性部分之至少一者進一步包含一高自旋極化材料層。
  7. 如請求項1之磁阻性隨機存取裝置，其中該自由SAF結構包含兩個磁性部分，該等兩個磁性部分之各個具有不大於大約5 nm之一厚度。
  8. 如請求項1之磁阻性隨機存取裝置，其中該自由SAF結構具有一長度及一寬度，以及範圍從1至3之一長度/寬度比。
  9. 如請求項8之磁阻性隨機存取裝置，其中該自由SAF結構具有範圍從2至2.5之一長度/寬度比。
  10. 如請求項1之磁阻性隨機存取裝置，該自由SAF結構具有範圍從150 Oe至350 Oe之一HSAT 值。
  11. 如請求項1之磁阻性隨機存取裝置，該自由SAF結構係配置成具有小於180/w0.5 (Oe)之一HSAT 值，其中w為該自由SAF結構之寬度(微米)。
  12. 如請求項1之磁阻性隨機存取裝置，其中該自由SAF結構為一第二級SAF結構。
  13. 如請求項12之磁阻性隨機存取裝置，其中該自由SAF結構包含藉由一抗強磁性耦合間隔層分離的兩個磁性部分以及一材料層，其產生高於該單獨抗強磁性耦合間隔層之一抗強磁性交換耦合。
  14. 如請求項1之磁阻性隨機存取裝置，其中該自由SAF結構包含藉由一抗強磁性耦合間隔層分離的兩個磁性部分，其中該抗強磁性耦合間隔層之一厚度使得該自由SAF結構為一第一級SAF結構，且其中該抗強磁性耦合間隔層之該厚度大於使該強磁性耦合材料之一抗強磁性耦合飽和場HSAT 處於一最大值的一厚度。
  15. 如請求項1之磁阻性隨機存取裝置，其中該自由SAF結構具有一各向異性軸且具有一形狀，其具有實質上沿該各向異性軸置放的至少一個實質銳利末端。
  16. 一種用於製造一磁阻性記憶體元件之方法，該方法包含：沉積覆蓋一數位線之一固定磁性部分；形成覆蓋該固定磁性部分之一穿隧阻障部分；沉積覆蓋該穿隧阻障部分之一第一磁性部分，該第一磁性部分包含一材料，其具有不大於Ni80 Fe20 之一磁化強度的一磁化強度； 形成一抗強磁性耦合層，其覆蓋該第一磁性部分；以及沉積覆蓋該抗強磁性耦合間隔層之一第二磁性部分，該第二磁性部分包含一材料，其具有不大於Ni80 Fe20 之一磁化強度的一磁矩；以及形成覆蓋該第二磁性部分之一位元線；其中該第一磁性部分、該抗強磁性耦合層及該第二磁性部分形成一自由SAF結構，且其中將該第一磁性部分及該第二磁性部分形成為該自由SAF結構實質上係平衡的，且具有相對於該數位線及該位元線成一角度地定位之一合成磁矩。
  17. 如請求項16之用於製造一磁阻性記憶體元件的方法，其中該第一磁性部分及該第二磁性部分各由一材料形成，其係選自由Ni、Fe、Co、Ni合金、Fe合金及Co合金所組成之群組。
  18. 如請求項17之用於製造一磁阻性記憶體元件的方法，其中沉積一第一磁性部分之該步驟包含沉積具有選自由鉬、鉭及硼組成之群組中之至少一種材料的一第一磁性部分之步驟。
  19. 如請求項17之用於製造一磁阻性記憶體元件的方法，其中沉積一第二磁性部分之該步驟包含沉積具有選自由鉬、鉭及硼組成之群組中之至少一種材料的一第二磁性部分之步驟。
  20. 如請求項16之用於製造一磁阻性記憶體元件的方法，沉積一第一磁性部分之該步驟進一步包含沉積覆蓋該穿隧 阻障部分之一第一材料層的該步驟，該第一材料層包含一材料，其具有大於該第一磁性部分之一自旋極化的自旋極化，沉積一第二磁性部分之該步驟進一步包含沉積一第二材料層的該步驟，該第二材料層包含一材料，其具有使該自由SAF結構實質上磁矩平衡的一磁矩。
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