TW451192B - Low switching field magnetic tunneling junction - Google Patents

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451 1 92 at _____B7_______ 五、發明說明（1 ) 此專利申請已於1998年7月20日歸檔爲美國專利申請案 第 09/118,979號。 發明領域 本發明有關記憶體細胞的磁性隧穿接合面，並且更特別 地是有關極高密度陣列記憶體細胞的極小磁性接合面》 發明背景 一磁性隨機存取記憶體（MRAM)爲一非揮發性記憶體， 基本上包括一巨大磁阻（GMR)材.料-或磁性随穿接合面（MTJ) 結構’一感測線和一字線。該MRAM採用磁性向量以錯存 記憶體狀態。當施加超過某一門檻値减強度的磁場至該磁 性材料時，在一或所有GMR材料或MTJ層内的磁性向量非 常快速地從一方向切換到一相反方向。根據該gmr材料或 MTJ内該磁性向量的方向，狀態被儲存，例如，一方向可 被定義爲無施加一磁場。由於該二狀態阻抗間的差異，可 透過將感測電流通過感測線内的細胞來讀取儲存在該GMR 材料或MTJ内的該狀態。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印Μ 在非常高密度陣列的磁性記憶體細胞内，個别細胞的大 小變得非常小’若該阵列建構得小到在現今的電子装置内 仍有用。隨著個別細胞的大小變得較小，該縱橫比（長寬 比）一般變得更小。在二層磁性記憶體細胞中，亦即，標 準随穿細胞’隨著該縱橫比小於5，該細胞内的磁性向量 -·. - _ 爲逆平行在非能量的（零磁場）情況。在一共同申請中的專 利申請案標題爲"具有已改良切換特徵的多層磁性記憶體 細胞"’序號爲08/723,159，於1996年9月25日歸樓，並且 -4- 本紙張尺度過用中國國家標準（CNSM4規格（2〗〇χ297公餐） » 451 1 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ______B7__五、發明說明（2 ) 讓渡給同一受讓人，揭露以逆平行磁性向量讀取細胞之方 法。同時，在一共同申請中的專利申請案標題爲"具有絕 緣及導通層的多層磁性裝置"，序號爲08/834,968，於1997 年4月7日歸檔’並且讓渡给同一受讓人，在二磁性層堆疊 中加入一假磁性層並且耦合至該二磁性層之―，以便其它 的磁性層爲一自由層。該假磁性層方法的缺點爲它依賴該 二磁性層間靜磁交互作用的取消，並且此靜磁交互作用強 度視該細胞和該層間空間的幾何學而哀。隨著該重要尺寸 縮小，這些參數也改變。 同時，在兩層磁性記憶體細胞中亦即，標準隧穿細 胞，隨著該縱橫比低於5，切換該細胞狀態所需的磁場量 急遽增加。一般而言，該細胞愈小，該細胞層做得愈薄， 以減少切換該細胞狀態所需磁場的量，由於該磁矩（由材 料決定）乘以該層的厚度決定所需的切換場。也可使用較 軟的磁性材料以減少該磁矩，但超小型記憶體細胞切換場 的減少有限。同時，隨著該細胞愈小，他們變得不穩定， 因爲，例如，當該記憶體細胞的大小爲1〇 nra或更小時， 由於該磁化能量屏障與該細胞的量成比例，該減少的量使 得該磁化能量屏障減少並且接近該熱波動能量，亦即 KT - 據此，十分需要提供能以較少磁場來寫入（儲存的狀態 被切換）的磁性隨機存取記憶^記憶體-細胞，並且有充― 份的量而不會被該熱波動能量影響β -本發明之另一目標爲提供一新且經改良的多態多層磁性 -5- -I I I I I L· I I I I 1 I ^ I (諳先閱讀背面之注意事項本頁) -SJ_ -線

-I 本纸張尺度適用中國國家標準（CNTS)A4規格<210x297公釐） 451 1 92 A7

五、發明說明（3 ) 記憶體細胞，設計成具有鐵磁耦合的磁性層，以 的切換場。 本發明之另一目標爲提供一新且經改良的多態多層磁性 記憶禮細胞’具有鐵磁耗合的磁性層，可製造成非常小且 縱橫比小於5。 . ^ 本發明之另一目標亦爲提供一新且經改良的多態多層磁 性疋憶链細胞，具有已増加的磁化能量屏障。 _ 發明摘要 ， 至少已部份解決上述及其它問題，並且上述及其它目的 已實現於一低切換場磁阻隧穿接合面龙憶體細胞内，包括 一反鐵磁核合多層結構’有第一和第二磁性層：_非磁性 導通層位於該成對磁性層間的平行並列内。該反鐵磁耗合 多層結構内的該成對磁阻層，透過具有不同厚度或不同磁 性材料，而建構成在不同磁場切換。同時，該反鐵磁耗合 多層結構中，由於該成對層的反鐵磁耦合和該縱橫比的關 係’成對磁阻層的每一層有一與無施加的磁場逆平行的磁 性向量。該細胞尚包括一磁阻結構，其磁性向量與第二磁 阻層向量的關係固定。電子絕緣材料位於該反鐵磁搞合多 層結構和該磁阻結構間的平行並列内，以形成—磁性隧穿 接合面。 基本上，切換該細胞内狀態所需要的該磁場由該反鐵磁 耦合多層結構中該二磁阻層間的差異所土定。同時，每一-個該第一和第二結構具有，或可建構成具有，較小淨磁 矩’並且因而該記憶體細胞有較小淨磁矩，以便它可位在 -0 * 本纸張尺度这用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x2g7公发） 請 先 間 讀 背 £ 之 ；ί 意 事 項

線 經濟部智慧財屋局員工消費合作社印製 α51 t 92 a： ---- B7 五、發明說明（4 ) 較接近臨接細胞而不影響臨接細胞的位置。 附圖之簡要敘述 請先閱讀背面之:i意事項本頁 參考以下附圈： 圖1爲如本發明低切換場磁性隧穿接合面記憶體細胞之 簡化側視圖； .. 囷2爲類似於圖1，囷示一不同模式及改良之圖； 圖3到圃9圈示步樣在切換該低切換場場磁性隧穿接合面 記憶體細胞從圖1模式切換至圖2,模式j並且 囷1 0爲如本發明之低切換場磁性隧穿接合面記憶體細胞 陣列的上部平面簡化圖。 _ — 較佳具體實例之敘诚 現在參考附圖’圈1圖示如本發明低切換場磁性随穿接 合面記憶體細胞1 0之放大簡化側視圖。磁性隧穿接合面 10 一般形成於一支撑基趙11上，並且包括一架在基體11 上的磁阻結構12 ; —位於結構12上的電子絕緣材料層 1 3 :以及一位於電子絕緣材料層！ 3的磁阻結構1 5 ;以便 將層13夾在磁阻結構12和15的中間並且形成一隧穿接合 面。 經濟部智慧財產局β' Η消費合作社印製 磁阻結構1 5由一反鐵磁耦合多層結構所組成，包括磁阻 層17和18 ; —非磁性導通層19位於磁阻層17和18間之平 行並列内。磁阻層1 7有一沿著平行於基體1 1平坦表面的 較佳磁性軸的磁性向量2 〇，並且磁阻層_丨8有一磁性向量 2 1。由於磁阻層1 7和1 8間的該尽鐵磁耦合以及/或縱橫比 約小於5，磁性向量2 〇和2 1與無施加的磁場逆平行至磁性 乂度適用中國S家標準（CNSM4規格（21ϋ X 297公釐） 451192 Α7 ----Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（5 ) 随穿接合面10。通常，在長寬比約小於4的細胞内，該層 磁性材料（困1内的層17和18)爲反鐵磁耦合的。一般而 言，在此揭露中，該術語”反鐵磁耦合的，，意味著該逆平行 狀態（闺示於圖1和2)之一是穩定的，並且該平行狀態是不 穩定的’並且由於該磁性向量總是傾向於移到一逆平行狀 態（朝向反方向）而的確需要一定磁場。視磁性結構15的笔 構、外形和大小而定，透過外形或磁性晶態各向異性可將 向量20和21限制成橫沿著該較佳磁性^抽。 在細胞外形爲圓形的情況下，例如，可透過單轴晶體場 各向異性（或磁性晶態各向異性）決定篇較佳磁化方向。此 較佳磁化方向於經偏磁場薄膜沉積時或於高磁場（亦即， 數個kOe)提高溫度（亦即，攝氏2〇〇度到3〇〇度）沉積之後將 該薄膜回火而設定《在外形爲方形或菱形的情況下，可沿 著該方形的對角線方向設定該單軸晶體各向異性。在細胞 外形爲橢圓形或長方形的情況下，可沿著該細胞的長軸設 定該單軸晶體各向異性β此處之較佳特色爲最小化該外形 影響，這有助於較窄細胞寬度所需切換場的上升，並且有 助於利用磁晶各向異性以設定一記憶體細胞所需的該較佳 磁化方向。 同時，以不同於磁阻層1 8的磁性向量2 1切換的磁場強 度來建構.磁阻層17，以切換磁性向量20的方向。可以數 • ·· _ _ 種不同方式實現此特色，包括透過將層17做得較層18薄~ (以較少材料），如圖1所示；透過以不同磁化（亦即，以較 層18軟的磁性材料來形成層17)，或該大小和磁化的某些 -8- 本紙張尺度適用中®國家標準（CNS>A4規格（2]〇 X 297公爱） i .1 ί I —1 n f Is I I 1·* I Λ ϋ n 入請先閱讚背面之注音？事項4^^本頁) 訂· xi/ c -線. 4S1 1 92 五、發明說明（6 組合來形成層i 7 β 磁阻層17和18每一層可爲單一層的鐵磁性材料，例如 層線、鐵、姑或其合金，包括有紅或白金在内的合金。 或者，層17和18中之一可爲一组合鐵磁性層，例如包含 層始鐵的鎳鐵钻層’或包括钴鐵和錄鐵銘和姑鐵層而以 姑鐵做爲與臨接層的介面的三層結構。適於非磁性導通層 19的材料包括大部份的電子導通材料例如銅等等。 磁阻結構1 2，包括至少一磁性層，一一磁性向量平行於該 較佳磁性軸，該層位於基體1 1上，有電予絕緣材料層1 3 位於結構1 2和1 5間之平行並列内，一以形成場磁性随穿接 合面10。在圖1中，將磁阻結構12圖示爲類似於結構15, 並且包括由一非磁性導通層27分離的磁阻層25和26。在 此應注意到僅層1 7和2 6，臨接於電子絕緣材料層丨3，有 助於該磁阻或磁性隧穿接合面10的模式變換。磁阻層26 有一磁性向量28，通常，在磁性隧穿接合面10的運作 内，是固定在沿較佳磁性軸的一方向内。因而，磁阻結構 12實質上可有任何架構，該架構包括一磁阻層，具有一固 定的磁性向量臨接電子絕緣材料層1 3，以產生一場磁性隧 穿接合面，並且最好有一實質的零磁矩’以在臨接細胞上 產生最小影響》 在一磁性細胞的隧穿接合面類型中，層13爲一屏障或隧 穿層’此層在反鐵磁性層17和26間產生一隧穿接合面， 讓電流垂直地經由層1 3從層1 7流到層2 6 (或反方向）。本 質上，磁性隧穿接合面10出現爲一相當高的阻抗（在此被 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 琦先閱讀背面之注意事項本頁) 裝 -線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 451 1 92 A7 B7 經濟部智慧財產局具工消費合作社印製 五、發明說明（7 ) 視爲一阻抗R)，與該細胞的方形區域和該電介質結構有 關，一般爲數千歐姆，亦即10到1〇〇〇千歐姆。當層17和 26内的該磁化向量爲逆平行時，如圖1所示，磁性随穿接 合面10的該阻抗R仍維持非常高。當層17和26内的該磁 化向量爲平行時，如囷2所示，磁阻随穿-接合面1〇的該阻 抗R明顯地下降。 在一特殊範例中，層17由約50埃厚的鈷（Co)所形成，層 1 3由約1 5埃厚的氧化鋁（八1203)所_形成，並且層26由約50 埃厚的鎳鐵（NiFe)所形成。層18約60埃厚，在此範例中比 層17厚’並且若出現層25的話，尾度也相當。透過通過 一經由層1 8到層2 5 (或反方向）的感測電流，可相當容易 地感測到磁性隧穿接合面1 0的該狀態。磁性隧穿接合面 10内阻抗的改變很容易讀取爲穿過場磁性隧穿接合面10 的電壓下降的改變，可方便地用於與記憶體陣列的接合面 内等等》 特別參考圖2，以不同模式圖示一類似於圖1該結構的結 構，並且圖示一稍微不同的具體實例，設計以類似元件加 上撇號的類似號碼代表該不同具體實例。在此具體實例 中，結構15'内的層17·和1 8·間的逆平行耦合被加強透過加 入磁通终止材料3(V定位以園繞層17'，18'和19’暴露的邊 緣。磁通閉合材料3(V爲任何包圍磁通線的軟性磁性材料， 或在各層之間完成一磁性電路。軟性磁性材料3(V僅分別從 層17,和18,將磁場線導引至一封閉的迴路，以進一步減少 該尾端磁極並且大大地減少雜散磁場。若出現該層，在與 -10- ---------U! — !-裝.-- ·<請先閱讀背面之注意事項本頁) 訂· V/. /1^ 線 本紙張尺度適用中®國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 451 1 92 A7 B7 五、發明說明（8 ) 層25· ’ 261和27·的共同接合面内可使用類似的磁通閉合材 料。 現在參考圖3到9，圖示從圖1該模式切換低切換場磁性 隨穿接合面記憶體細胞1〇至圖2的模式的數個步驟。特別 地’圖3圖示在圈1逆平行位置之磁阻層4 7向量20和磁阻 層18向量21。在此位置向量2〇也逆平行於磁性層26向章 2 8，以便磁性隧穿接合面記憶體細胞1 〇是在高阻抗模式 内。爲切換磁性隧穿接合面記憶體細胞1 〇至該低阻抗模式 (圖示於圖2中）*施加一足以將向量2〇切換成一如圖4所 示之與向量21的平行位置的起始小磁為至磁性隧穿接合面 1己憶體細胞10。然後施加一較大的正磁場至磁阻隧穿接合 面記憶體細胞10，使向量2〇和21反方向旋轉180度，分別 如圖示於圖5 ’ 6和7的該傳輸狀態所示。最後，向量2〇和 21被切換成圖示於圖8内的反方向並且，當移除該磁場 時’向量20再度假設一圖示於圖9内的逆平行狀態。圖示 於圖9内的該逆平行狀態爲一穩定狀態並且，代表磁性隧 穿接合面記憶體細胞1 〇的低阻抗模式。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 I kt n Ik n t— It n 1 tt n V * n n -請先閱讀背面之注意事項寫本頁) -線 由於磁阻層17和18的磁性向量20和21反方向旋轉180 度’該磁矩傾向於彼此抵消，並且需要一最小量磁場以執 行該切換運作。執行該切換運作所需的切換磁場的量主要 視磁性層17和18間厚度或材料^差異而定。亦即，由於 向量20和21的穩定模式爲逆平行的，透過形成層17和18~ 之一以便它在一不同於其它的展17和18的磁場強度下切 換’該模式切換導致向量20和21與該所產生的有利的抵 -11 - 本纸張弋度適用中1¾ 0家標準（CNS)A4規格（21ϋ X 297公餐） 4S1 t 92 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（9 ) 消磁矩反方向旋轉* 由本結構所實現的某些額外優點為該逆平行向量20和 2 1使得磁性隧穿接合面記憶體細胞1 〇有非常小的總磁矩 的事實。圖示於圖2的磁通閉合材料3〇_進一步加強此低磁 矩。同時’當該磁阻隧穿接合面記憶體細胞的大小接近1 〇 nm時，該磁化的能量屏陣（與該量成比例）接近該熱波動 能量（KT)。這造成該細胞不穩定。在本發明中可實質上減 少該切換場而不致於將該整體太小減^至一不穩定的程度。 因而，同時有二層以反方向切換的優點為該切換場由該二 切換層間厚度的差異或’更正確地」-厚度和磁化的產物間 的差異所決定。因而，此二層可厚到足以讓該二不同磁性 狀態的能量屏障大於該熱波動能'量。 現在參考圖1 0，圖示如本發明之低切換場磁阻隧穿接 合面記憶體細胞4 6高度陣列4 5的上部平面簡化圖。陣列 45成形於基體結構47上，可包括控制電子和其它週邊設 備，若可行的話。同時，若一反鐵磁性層等等的被包括為 基體結構47的部份，以將結構12的向量28釘在一固定位 置，該層可形成為一掩蔽層以便與每一個細胞46合作。 細胞4 6位在一共同列内，例如，使該上層磁性層連接至 該臨接細胞的底部磁性層，以形成一共同的感測線4 8。 此外’為了如上述將資訊寫入該細胞，以虛線圖示的字線 4 9耦合至位在一共同欄内的細[4 6。由於該零、或本質-上的零、細胞10的磁矩，此類型細胞可被放置得非常接 迓並且可大大增加這些細胞的陣列密度。 ' 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） {請先町讀背面之注意事項 I ·裝 i I 、—^' 本頁) 訂- ο 線· 451 彳 92 A7 ____B7____ 五、發明說明（10 ) 因而，已揭露能以較少磁場窝入（已儲存狀態被切換）的 新且已改良的磁性隨機存取記憶體和記憶體細胞。同時， 具有反鐵磁耦合的磁性層的該新且已改良的多態多層磁性 記憶體細胞能以較少磁場寫入（已儲存狀態被切換）並且其 量足以不被該熱波動能量所影響。此外，·所揭露具有反鐵 磁耦合磁性層的該新且已改良的多態多層磁性記憶體細胞 產生與陣列内的臨接細胞較少的磁***互作用，可被製造 成非常小且縱橫比小於5。此外.，該漸且已改良的多態多 層磁性記憶體細胞較易製造和使用，並且，由於其大小， 導致一高密度陣列細胞。 _ — 在圖示和敘述本發明之特殊具體實例之後，對那些熟於 先前技術的人將能產生進一步的修正和改良。因而，應瞭 解到本發明不僅限於所示之特別型式，並且意圖以所附之 專利申請範圍來涵蓋所有不偏離本發明精神及範蜂之改 良0 — -----Li:-------裝--- X) · (請先肊讀背面之注意事項^^?/寫本頁> 訂· ο -線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Claims (1)

1. ABCS 451 1 92 六、申請專利範圍 !•-種低切換場磁性随穿接合面記憶链細胞包括： 第一反鐵磁耦合多層結構，包括第一和第二磁阻層， 具有一第一非磁性導通層位於該第一和第二磁阻層間的 平行並列内；該第一磁阻層有第一磁性向量並且第二磁 阻層有第二磁性向量，該第一和第二磁性向量與無施加 的磁場逆平行，並且將該第—磁阻層建構成以不同於第 二磁阻層第二磁性向量的磁場強度來切換第一磁性向量 的方向； - ^ - 考 及第二結構，包括至少一磁阻層，具有—磁性向量與該 第一反鐵磁耦合多層結構的第一和舅二磁性向量之一平 行：以及 電子絕緣材料，平行並列於-該第一和第二結構之間以 形成一磁阻隧穿接合面β 2. 如申請專利範圍第丨項之低切換場磁性隧穿接合面記憶 體細胞，其中該第一和第二結構長寬比範圍爲丨到5。 3. 如申請專利範圍第1项之低切換場磁性隧穿接合面，其 中該第一和第二磁阻層在不同切換場切換有不同厚度。 4_如申請專利範固第1項之低切換場磁性隧穿接合面記憶 體細胞’其中該第-和第：雜層在不同切換場切㈣ 不同磁化。 5. —種低切換場磁性隧穿接合面記憶體細胞之高密度陣列 包括： _ - - 一有平坦表面之基體：以及 複數個相互連接的低切換場磁阻隧穿接合面記憶體細 -14- 本紙張尺度適用十國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐） l!llil!裝-! 請先閱讀背面之注意事項4^^本頁： 上a_ 線 經濟部智慧財i局貞工消費合作社印製 5 4

   力、申請專利範圍 胞支持於該基趙的平坦表面上，並且相互連接以形成 圮隐體陣列，該複數個細胞的每一個細胞之縱橫比小 於5 ’並且一上部平面爲圓形’菱形外形的，或橢圓形 的，每一個細胞包括： 第一反鐵磁耦合多層結構，包括第一和第二磁阻 層 第非磁性導通層拉於該第一和第二磁阻層问 的平行並列内；該第—磁性層有第—磁性向量並且第 二磁性層有第二磁性向量，第一> 第二磁性向量與無 施加的磁場逆平行，並且將該第一磁性層建構成以不 同於第二磁阻層第二磁性向量的滅場強度來切換第一 磁性向量的方向； 第二結構，包括至少一磁阻層，具有—磁性向量與 該第一反鐵磁耦合多層結構的第一和第二磁性向量之 一平行；以及 電子絕緣材料，平行並列於該第一反鐵磁耦合 結構和 該第二結構之間，以形成一磁阻隧穿接合面。 6. 如申請專利範圍第5項低切換場磁性隧穿接合面記悻體 細胞之高密度陣列，其中該第一和第二磁阻層在不同切 換場強度切換有不同厚度》 7. 如申請專利範圍第5項低切換場磁性隧穿接合面記情體 細胞之高密度陣列’其中該第一和第二磁性層在不同切-換％強度切換有不同磁化。 8. —種製造一低切換場磁性隧穿接合面記憶體細胞之方法 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210*297公釐） — 裝 I <請先閱讀背面之注意事項本頁) tr- 線* 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8B8C8D8 451192 六、申請專利範圍 包括以下該步驟： 提供一有平坦表面的基體； 在該基體上沉積一第一磁阻結構，該第一磁阻結構有 一磁性向量橫沿著平行於該平坦表面的一較佳磁性軸； 在該第一磁性結構上沉積一層電子絕-緣材料；並且 在該電子絕緣層上沉積第二磁性結構，包括 在該電子絕緣層上沉積有第一厚度的第—層磁阻材 料’並且提供該第—層一橫，沿著褒較佳磁性軸的磁性 向量： 在磁阻材料的該第一層上沉一積—第一非磁性導通 層；並且 在第一非磁性導通層上沉&與第一厚度不同的第二 厚度的第二層磁阻材料，並且提供一橫沿著該較佳磁 性轴與第一層磁阻材料磁性軸平行的磁性向量給第二 層，該第一和第二層磁阻材料和第一非磁性導通層定 義一反鐵磁耦合多層結構，在此該第二層磁性向量是 逆平行於無磁場施加的第一層磁性向量；並且 該第一磁阻結構'該層電子絕緣材料和該第二磁阻結 構形成一低切換場磁阻隧穿接合面記憶體細胞。 9.如申請專利範圍第8項製造—低切換場磁性隧穿接合面 記憶體細胞之方法’其中沉積第—和第二磁阻層之該步 驟包括在不同切換場切換以不$厚度沉積第一和第二磁 阻層。 Η),如申請專利範園第8項製造一低切換場磁性隨穿接合面 -16- 本纸張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（21^ ---ΙΊ — — — — — In Μ --- 請先閲讀背面之注意事項1^1.^本頁) ,\1/ .線‘ 絰濟部智慧財產局員工消费合作社印製 297公釐） 5 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 2 9 A8B8C8D8 六、申請專利範圍記憶體細胞之方法，其中沉積第一和第二磁阻層之該步 騍包括在不同切換場切換以不同磁化沉積第一和第二磁 性層。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (·請先閱讀背面之注意事項本頁)