TW541530B - Cladded read-write conductor for a pinned-on-the-fly soft reference layer - Google Patents
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Description
五、發明説明（1 ) 發明之背景： 技術領域 产2明係有關於-種帶有軟鐵磁參考層之-磁性記 =;Γ!定位磁化方位和-全包覆讀寫導體;特別 \、種γ有軟鐵磁參考層之-磁性記憶胞，具有— =位磁化方位’亚包含_完全被—鐵磁包覆所環繞之 2體，因而一由流入讀寫導體之電流所產生之讀取式磁 琢未將該鐵磁包覆加以滲透，且實質上包含在該鐵磁包覆 之内口此，其磁化方位係在讀取記憶胞之操作中動態定 :二：進行書寫記憶胞之操作時’一由流經讀寫導體之書 寫电机所產生之一書寫式磁場將該鐵磁包覆加以渗透且延 伸至該鐵磁資料層以旋轉其磁化方位俾和一資料層交互作 用0 習知技術之描述 傳統以來，^態隨機存取記憶體（dram)、靜態隨機 存取記憶體（SRAM)、快閃（Flash)和硬碟機等之資料儲存裝 置一直在被廣泛地使用中，而如磁性隨機存取記憶體 (MRAM)等為-非揮發性記憶體之磁性記憶體則被視為是 資料儲存裝置之-替換品。—典型之MRAM包含一陣列的 磁性記憶胞。例如，-包含―資料層（又稱為儲存層或位元 層）參考層、以及介於資料層和參考層間之一中間層之 έ知磁性圮憶胞可以是一個穿隧磁阻記憶胞（TMR)、一巨 磁阻記憶胞（GMR)、或一超磁阻記憶胞（CMR)。該資料層、 參考層、和中間層可由一層或多層之材料所製成。資料層 541530 五 藉 外 、發明説明（ 通常為一層或一薄膜之磁性材料，可儲存一位元之資料做 為一可因應外部磁場的作用而改變之磁化方位。從而，資 料層之磁化方位（亦即其邏輯狀態）可以從代表「〇」邏輯2 恶之第一磁化方位旋轉（切換）到代表邏輯狀態「1」之第一 磁化方位，反之亦然。另一方面，參考層通常為一層磁化 方位被定位（即被固定）於一預定方向之磁性材料。此預定 方向係由用來製造磁性記憶胞之微電子製程所決定。 一般，一磁性記憶胞之邏輯狀態（即「〇」或「丨」）需 視資料層和參考層之相對磁化方位而定。例如，在一穿隧 磁阻記憶胞（穿隧接合記憶胞）中，當一電動勢偏壓橫跨加 到資料層和參考層時，電子經由中間層（為一薄介電層，通 常稱為穿隧阻障層）而在資料層和參考層之間遷移。這種導 致穿越阻障層之電子遷移現象也許可以稱之為量子機械穿 隧或自旋穿隧。邏輯狀態可藉量測記憶胞之電阻來決定。 例如，如果在其資料儲存層之整體磁化方位係平行於參考 層之定位磁化方位，則該磁性記憶胞係在低電阻狀態。反 之，如果在其資料儲存層之整體磁化方位係反向平行於參 考層之定位磁化方位，則.該磁性記憶胞係在高電阻狀態。 如以上所述，一儲存於磁性記憶胞之位元之邏輯狀態係 能改變資料層之整體磁化方位之外部磁場來書寫。這歧 部磁場可以視為將磁性記憶胞在其高低電阻狀態之間切換 之切換磁場。 第1圖描述一習知之穿隧接合記憶胞100，其包含一資 料層110 ’ 一芩考層Π2，以及一位於該資料層11〇和參考層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）
f! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、可丨 章 541530 A7 —___— Β7__ 五、發明説明（3 ) 112間之一絕緣阻障層114。此外，該記憶胞1〇〇可包含—和 。亥貧料層1 ίο相連之第一導電節點i 16，以及一和該參考層 112相連之第二導電節點丨丨8。外加電流可令其通過該第一 ;電節點116，以及該第二導電節點118以產生如前所述之 外部磁場。該第一及第二導電節點116、118可以是如以下 第4a和4b圖所述包含複數個記憶胞i⑽之一記憶陣列中之 仃和列導體（row and column conduct〇rs)。這些節點也可用 來量測記憶胞100之電阻以決定其邏輯狀態。該參考層112 具有一如圖中左向箭頭所示預先定位之磁化方位M1，而資 料層110具有一如圖中雙向箭頭所示之可變磁化方位M2。 在第2a圖中，資料層110之磁化方位M2係平行（即箭頭 為同向）於參考層112之磁化方位Ml，這導致記憶胞ι〇〇處 於一低電阻狀態。在另一方面，在第2b圖中，資料層i i 〇 之磁化方位M2係反向平行（anti-parallel)(即箭頭為反向）於 參考層112之磁化方位Ml，這導致記憶胞1〇〇處於一高電阻 狀態。 如第2c圖所示，由於資料層11〇和參考層112係由鐵磁 (ferromagnetic)材料所製成且互相緊鄰配置，參考層112之 定位磁化方位Μ1會產生一去磁化場D，此去磁化場d由參 考層112之一邊緣區域延伸至資料層11〇。第2d圖說明去磁 化場D在資料層110中之磁化方位M2所產生之效果。理想 上，資料層110之磁化方位會有一平行或反向平行於定位之 磁化方位Μ1。然而，由於去磁化場D的關係，如第2 d圖所 示，在理想磁化方位M2’（虛線箭頭）和實際磁化方位M2(實 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） !:顰，----------------、可---------------0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（ ------- μ 、）之間存在有—角位移㊀。此角位移θ導致高低狀態間 /、’行或反向平行）磁阻改變量錢/R之降低。我們的期望 疋磁阻㈣量_越大越好才能易於㈣資料層110中之 几狀心本貝上，磁阻改變量AR/R像是信號對雜訊之比 S/N。因此’習知之穿隧接合記憶胞100之缺點在導源於角 位私Θ所產生磁阻改變量AR/R之降低（亦#在讀取操作中 較低的S/N)。 習知穿隧接合記憶胞100之另一缺點在參考層112之磁 化方位Ml之疋位常需要多於_層之材料始能達成。例如， 在圖3a中^知穿隧接合記憶胞200包含有前述之資料層 210、第一和第二導電節點216、218、以及由各種不同材料 所夾成之複合參考層212、212a、和212b。該212層稱為「反 鐵磁層」（定位層），而212a層為一定位參考層。定位層212 將參考層212a之磁化方位乂丨在擬定之方位加以磁化，而 212b為一種子層。用來做為定位層212、參考層以以、和種 子層212b之材料之例子包含：做為定位層2122FeMn、
IrMn、ΝιΜη、或 PtMn ;做為參考層 212a 之 NiFe、NiFeCo、 或CoFe ;做為種子層212b·之NiFe、或NiFeCo。 另一方面，第3b圖說明了一習知具有比如第3a圖所示 者更大複雜度之穿隧連接記憶胞300。該習知之穿隧連接記 憶胞300包含有前述之資料層3 10、第一和第二導電節點 316、318、以及由各種不同材料所夾成之複合參考層312、 312a、312b、和312c。該定位層3 12設定一人工反鐵磁312c， 其結構比第3a圖中之反鐵磁層212更複雜。該人工反鐵磁 本紙張尺度適用中國國家標準（⑶幻M規格（210X297公釐）
(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 541530 A7 B7 五、發明説明 312c可以是一如下列之夾層材料：例如c〇/Ru/c〇 :或 CoFe/Ru/CoFe等。在第3b圖中，3l2a層為定位參考層，31沘 層為種子層，312層為反鐵磁層（定位層）。 因此，習知之穿隧連接記憶胞之另一缺點為在結構中 需要多層以形成參考層。由於需要額外的材料來形成這些 層，則需要額外的微電子製程來製造這些習知之穿隧連接 記憶胞200和300。這些額外的程序可導致將缺陷帶入穿隧 連接纪憶胞使圮憶體在製造時產生缺陷或使後來裝入記憶 體之產品失效。為了減少缺陷及增加產能，最好的辦法是 盡里降低複雜度及需要製造記憶體之製程步驟。又，形成 參考層所需之材料為製造較困難之材料，因此，在大量生 產磁性5己體日守，隶好使用易於製造之材料，才能使製造 程序簡化，並使製造成本降低。 另一習知之穿隧連接記憶胞之缺點為參考層必需 熱在退火的步驟，而退火程序頗花時間（一小時或一小時 上），且須讓記憶體保持於相同的磁場而曝露在2〇(rc到3〇〇 它之高溫下。由於磁化方位之設定需要在磁場中退火。 果這個磁性ό己彳思體遭遇到局溫，這就有可能使參考層之 位解除設定並喪失其磁化方位。若欲重新設定其磁化 位’則需要另一退火步驟。 第4a、4b、4c圖說明習知之穿隧連接記憶胞1〇〇之另一 缺點。在第4a圖中，一磁性記憶體15〇包含複數個以交又點 配置之記憶胞100。第一導電節點116被複製以形成穿越 憶胞100之「行導體」（第一行和第二行），而第二導電節 加 以 如 定 方 記 點
(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .、?τ— 541530 A7 — _—_ _B7__ 五、發明説明（6 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 118被複製以形成穿越記憶胞1〇〇(亦即記憶胞位於行和列 ‘體之父叉點）之「列導體」（第一列、第二列、和第三列）。 位於第二行和第三列交叉點之記憶胞100以皮選用來做為藉 將一電壓源V連接到第二行而令第一行保持浮動之「讀取 操作」（read operation)。第一列和第二列接地GND，而第 二列被連接到一與一虛擬接地相連接之感測放大器 S，於疋形成一電流路徑，而一電流〗流入第二行之導電節 點116。電流I的一部份1(}流入接地GND，而另一部分包括 一被感測放大器S所感測之r讀取式電流」；^。111的大小用 來指不儲存於記憶胞100a之一位元資料之磁化方位，但Ir 之大小不足以在「讀取操作」當中旋轉資料層之磁化方位。 第4b圖係對選定的記憶體1〇〇&做更詳細的圖示。電流 Ir依照右手定則產生一磁場Hr。其缺點出現在：該磁場 從其各個導體（即邊緣磁場）依徑向向外延伸而與陣列中之 鄰近記憶胞100交互作用，視這些記憶胞1〇〇彼此接近的程 度以及電流的大小而定，這些邊緣磁場可對儲存於未被選 用來作「讀取操作」之鄰近記憶胞10()中之一位元加以破壞。 同樣的情況’位於第一行和第三列交叉點之記憶胞 100b被遥用來做為藉將一電流Ιχ通過第三列，以及一電流 Ιγ通過第一行之「書寫操作」（write 〇perati〇n)。電流lx和 Ιγ產生與資料層互動之磁場以旋轉可變之磁化方位，因而 書舄一新位兀之貢料。 第4c圖係對選定的記憶體1〇卟做更詳細的圖示。電流 ly依知、右手定則產生一磁場Ηχ。同樣情況，電流込依照右手 本紙張尺度_中關家鮮（⑽）Α4規格⑽χ297公幻 541530 A7
訂
541530 五、發明説明（8 ) 代。場效電晶體（FET)係以電性接通或切斷（〇n 〇r _之方 式來選取某_特定的GMRf£憶胞以用來進行讀取操作。一 流經選定記憶胞之電流可藉像是❹”來感測。 因此，為了讀取一位元之儲存於資料層之資料，有必 要降低材料之層數。也有必要降低足以用來形成參考層之 材料之層數。此外，.有必要使磁性記憶胞在讀取操作或書 寫操作時產生之邊緣磁場侷限在參考層以使其對鄰近記憶 胞之干擾大大地降低。另外，有必要使磁性記憶胞中需要 用來進行讀取操作或書寫操作之電流減少，以使能量之消 耗和動力之損耗降低。最後，有必要使磁性記憶胞中資料 層磁化方位之角位移大大地減小或去除以便在讀取操作時 保持兩的磁阻（magnetoresistance)變量。 發明概要： 本發明為一像是穿隧磁阻記憶胞（TMR)、巨型磁阻記 憶胞（GMR)、以及裝入這些型式之磁性記憶胞之記憶體之 磁性記憶胞之設計上之改良。而且，本發明包含用來做為 磁性記憶胞之參考層材料上之改良，以及用來做為磁性記 憶胞之讀寫導體之結構上之改良。 以更大的層面來說，本發明係體現在一磁性記憶胞 上’此磁性記憶胞包含一用來儲存一位元資料以做為一可 變磁化方位之鐵磁資料層、一與鐵磁資料層進行電***流 之第一導體、一與鐵磁資料層接觸之中間層、以及一與中 間層接觸之軟鐵磁參考層其包含一讀寫導體以及一完全環 繞此讀寫導體以形成一經包含覆過之讀寫導體之鐵磁包 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） ---------------------餐！：----------訂；-------------費 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 12 、發明説明 覆包含—經整修後之厚度（亦即具有-某些區 層接較薄之斷面厚度）其包括-沿著與中間 觸之^鐵磁包覆之較薄部分以及—沿著不盘 觸之部分鐵磁包覆之較厚部分。該軟鐵磁參考: 非定位:磁化方位(亦即磁化方位沒有設定在預定的二)。 在頃取操作當中，_外部供應之「電流」流經讀 ««產生-讀取式磁場以因應此電流。鐵磁包 復亚〉又有被讀取式磁場所滲透，且讀取式磁場實質上包入 在鐵磁包覆内（包括較薄部分）。讀取式磁場之結果是= 鐵磁參考層之磁化方位係在製程中定位於一擬定之方位。 儲存於鐵磁資料層之—位元資料係藉量測軟鐵磁參考層和 第一導體間之電阻而讀取。 —相反的，在書寫操作當中，一第一「書寫電流」流經 頃寫導體而產生-書寫式磁場且沿著較薄部分並朝鐵磁資 料層方向向外延伸而加以滲透，而第二「書寫電流」流經 第一導體以產生也延伸至鐵磁資料層之第二「蚩 曰馬式石兹 場」。第一書寫式磁場配合第二書寫式磁場與鐵磁資料層 互作用以旋轉可變磁化方位，因而將一新位元書寫到鐵 資料層。在書寫操作當中，第-書寫式磁場並未將鐵磁 覆之較厚部分加以滲透。 本發明之經包覆過之讀寫導體之一附帶的好處為 緣磁場可顯著地降低，這是由於在讀取操作當中，從气 導體而來之讀取式磁場係實質上包含在鐵磁包覆内，且 交 包 邊 寫 一 w -A - α復Μ，且鐵 磁包覆之一厚度可以修整使得在書寫操作當中第一書寫式 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) Α4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、訂— 541530 A7 -------------- B7___ 五、發明説明（10 ) ~~-- 磁場能夠導入一實質上朝鐵磁資料層之方向，以至於在堂 寫操作當中能與鄰近記憶胞互動之邊緣磁場可大大地； 低。 在-讀取操作當中，本發明之鐵磁包覆提供予該讀取 式磁場-磁徑（通量閉路）。其結果，f知磁性記憶胞之去 磁化場大大地降低或被去除，因而角位移_移減至最 低，且在讀取操作中，磁阻具有較高的改變量。 由於讀取操作並不需要將軟鐵磁參考層之磁化方位 加以固定，故本發明藉鐵磁參考層解決了習知定位參考層 之缺點。相反的，為了要達成一讀取操作，本發明之軟鐵 磁參考層之磁化方位係藉著將一預定大小之電流流經讀寫 導體，而以動態的方式定位（亦即製程定位）於一擬定之方 位。因而，前述之附加材料層、和這些材料層之複雜度， 以及足夠需要來形成這些材料層之微電子製程步驟均得以 減少。藉由本發明之軟鐵磁參考層，磁場中參考層之退火 需求得以去除。而且，如果記憶體受熱，由於磁化方位係 以動態的方式在製程中被定位，則重新設定參考層之磁化 方位之可能性就會被本發明之軟鐵磁參考層所提出。 本务明之磁性記憶胞之另一優點為··足以用來達成讀 取或書寫操作之電流會減少而使動力之損耗（廢熱）以及動 力之消耗IV低。用來做為讀取或書寫操作之電流可以是靜 態的直流電或動態的脈動電流。如前所示，動力之祕以 及尾熱之產生最好減低到最小的程度，尤其是以電池為動 力來源之可攜帶式系統和高效率能源系統。 本紙張尺度適用中國國豕標準（QIS) A4規格（21〇X297公酱）
餐… (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 章 訂丨 14
在本發明夕 ^ 覆和中間&η—貫施例中，磁性記憶胞包含位於鐵磁包 在福取浐妆s之鐵磁盍層，並與鐵磁包覆呈磁性耦合。 谅％ U 取式磁％亚不滲透且實質上不包含在鐵 备、灸H 中而在書寫_作中，第-書寫式磁場 ㈢透鐵磁包覆宋 、載症盍層之較薄部分並朝鐵磁資料層之 万向向外延伸。妙' 十 ^ ^ ± …、、而，弟一書寫式磁場並不滲透鐵磁包覆 之較厚部分。 、在本餐明之另一實施例中，鐵磁資料層、鐵磁蓋層、 :及鐵磁包覆等可由高導磁率之軟磁性材料所製成。而本 發明，再一實施例中，鐵磁資料層、鐵磁蓋層、以及鐵磁 包覆等可由同一高導磁率之軟磁性材料所製成。 在本發明之-實施例中，鐵磁資料層、鐵磁蓋層、以 及鐵磁包覆等可由續頑（coercivity)材料所製成。 本發明之其它實施例中，磁性記憶胞可以為巨型磁阻 記憶胞。 本發明之其它實施樣態和優點可以由以下所述之詳 細說明及配合附帶相關之圖式，以舉例之方式解說本發明 之原理而更能明白。 較佳實施例之詳細說明 在以下詳細說明和圖示中，類似之元件係以類似之參 考號碼標示之。 如以下用來詳細說明之圖示，本發明所列實施例之磁 性記憶胞包含一鐵磁資料層，用來儲存一位元資料以做為 一可變磁化方位；一第一導體，與鐵磁資料層做電***流； 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 五、發明説明（π ) 中間層’與鐵磁資料層接觸；及一軟鐵磁參考層，與中 門層接觸，亚包含一讀寫導體和一鐵磁包覆，盆完全碌法 該讀寫導體以形成一經包覆過之讀寫導體。軟鐵磁參考ί 2有一非定位在預定方向之磁化方位。此後，該軟鐵磁來 考層之特徵就稱為「非定位磁化方位」。 、:寫導體產生-讀寫磁場以因應一外部供應之讀取 式電流，且讀取式磁場實質上包含於鐵磁包覆之内。本質 上，鐵磁包覆在讀寫導體周圍提供一封閉的磁徑（磁通閉 路）。猎將-預定大小及方向之電流通過該讀寫導體，其所 產生之磁場足夠強勁於軟鐵磁參考層内以在一已知方向建 立一磁化方位，使得該磁化方位能以動態的方式加以定位 (亦即磁化方位在製程中定位）。然而，讀取式磁場之強度 並未足夠來滲透軟鐵磁參考層之鐵磁包覆，以至於該讀2 式磁場需要實質上朝鐵磁包覆方向向外延伸且干涉或蓋過 儲存於鐵磁資料層之位元資料。邊緣磁場會干涉或破二儲 存於鄰近記憶胞之鐵磁資料層裡面之資料，而鐵磁包覆也 會大大地將此邊緣磁場減弱。該一位元之資料可以藉量測 軟鐵磁參考層和第一導體間之電阻來讀取。鐵磁包覆和鐵 磁資料層可用高導磁率之軟鐵磁材料來製造。鐵磁包覆具 有一經修整過之厚度，其係用來確認該讀取式磁場是否貪 λ上包含在鐵磁包覆内。然而，該經修整過之厚度包含一 與中間層接觸而沿著部分鐵磁包覆之較薄部分，因而在查 寫操作當中，一第一書寫式電流通過讀寫導體以產生第一 書寫式磁場，其沿著鐵磁包覆之較薄部分而將鐵磁包覆朝 本紙張尺度適用中國國家標準 (CNS) Α4規格（210X297公釐） 541530 五、發明説明 13 线磁資料層之方向向外延伸並將新的一位元資料書寫至鐵 磁資料犀。n 、， τ曰 而且，W述鐵磁包覆之經修整過之厚度包含一 /口著不與中間層接觸之部分鐵磁包覆之較厚部分。 本發明一個選擇性的實施例為：磁性記憶胞可以包含 、；中間層和鐵磁包覆間之一鐵磁蓋層。此鐵磁蓋層與鐵 磁包覆磁性耦合，因而使讀取式磁場讀取操作當中實質上 =含=鐵磁包覆和鐵磁蓋層内。基本上，鐵磁包覆和鐵磁 d又成磁性上之一體，且鐵磁包覆和鐵磁蓋層提供一環 繞碩寫導體之封閉磁徑（通量閉路）。 、另方面，第一書寫式磁場滲入與鐵磁蓋層相接觸之 鐵磁包覆之較薄部分。由此滲透的結果’在書寫操作中， =一書寫式磁場由鐵磁包覆和鐵磁蓋層之較薄部分朝鐵磁 貧料層之方向向外延伸而將新的一位元資料書寫到鐵磁 料層。如以上所述，鐵磁包覆具有—不與鐵磁蓋層接觸 較厚部分。 本發明之軟鐵磁參考層叫做「參考層」，這是因為磁 化方位能夠藉外部提供之電流加以動態定位(亦即動態固 定）到-已知方向。而其稱為「軟」是因為其所使用之磁性 材料不是一般的硬質定位材料（亦即諸如NiFe/IrMn等之反 鐵磁系統）。 本發明之磁性記憶胞之諸多優點中包括：經包覆過之 讀寫導體藉由實質上包含讀取式磁場而解決了邊緣磁場的 問題’而該讀取式磁場係在書寫操作中，由軟鐵磁表考層 之鐵磁包覆内之讀寫導體所產生者’因而，儲存於鄰近二 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 資 之
、可| (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 17 541530 A7 ^------—T _______ 五、發明説明（14 ) — 性記憶胞之資料並沒有被流散之磁場所破壞。形成定位參 考層之需求會伴隨著各種材料以及額外的製造步驟而導致 產旎之降低和製造成本之提高，而該軟鐵磁參考層也去除 了形成此定位參考層之需求。磁性記憶胞之退火需求也被 去除，且用來讀取或書寫之位元資料也減少，因而，動力 之消耗也隨著減少。 本發明之磁性記憶胞之另一優點為：鐵磁包覆在讀取 操作中提供通量閉路（flux cl〇sure)，導致鐵磁資料層中磁 化方位之角位移之「去磁化磁場」明顯地降低。因而，在 讀取操作中，磁阻存在有較高的改變量，這導致邏輯狀態 (亦即邏輯「0」或邏輯「丨」）間有較高的信號對雜訊之比 值（S/N)，使得這些邏輯狀態比較容易被偵測出來。 本毛明之磁性s己憶胞所設定之結構在磁性記憶體之 數種型態中均屬有效，但並不限定於TMR和GMR為基礎之 磁性記憶胞。雖然用於這些磁性記憶體之型態有別，且其 用來偵測參考層和鐵磁資料層之各種不同狀態（亦即平行 或反向平行）之物理效果也有所差異，但這些型態之磁性記 憶體之磁性設計均相同。.只要需要至少一對導體來旋轉鐵 磁資料層之磁化方位且需要一讀寫導體來量測鐵磁資料層 和茶考層間之電阻，本發明之磁性記憶胞和包括如前所述 之各種不同之磁性記憶體一樣有效。熟悉磁性記憶體之技 蟄人士會明瞭本發明之磁性記憶體也可以施行在一陣列之 磁性記憶胞以形成一像MRAM之資料儲存裝置（亦即一記 憶體）。該記憶體陣列之結構將視記憶胞之型態而定。例 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇X297公釐） 18 、一t (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 541530 A7 B7 五、發明説明（b 士 父又點S憶體結構很適合於一 TMR記憶胞陣列。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂— 如第5圖所示，一磁性記憶胞1〇包含一用來儲存一位 一資料做為可受磁化方位M2之鐵磁資料層Π (在磁性記 憶胞之技藝中，鐵磁資料層11也被視為是一儲存層或一位 兀層）；一第一導體29，與鐵磁資料層11做電***流；一中 門層13與鐵磁資料層11接觸；一鐵磁蓋層15，與中間層 13接觸；及一軟鐵磁參考層17，與鐵磁蓋層15接觸並具有 一非定位之磁化方位且包含一讀寫導體19和一鐵磁包覆 21，其凡全環繞該讀寫導體丨9以形成一經包覆過之讀寫導 體（亦即項寫導體19之各邊整個被鐵磁包覆21所包覆）。如 圖中虛線所示，軟鐵磁參考層17沿著部分鐵磁包覆21與鐵 磁盍層15接觸（此後鐵磁包覆21將被稱為包覆21，而鐵磁蓋 層15將被稱為蓋層15)。如圖5所示，包覆21及蓋層Μ之邊 緣不需要彼此削平。例如，其相鄰之邊緣可以互相嵌入。 再者，該包覆21具有一修整之厚度，其包含一沿著與 ^層15接觸之部分包覆21之較薄部分（見箭頭16)以及一沿 者不與蓋層15接觸之部分包覆21之較厚部分。此外，軟鐵 磁參考層17之魏方位並.沒有被定位，換$話說，在藉習 知之例如「於磁場中進行退火之程序」來製造當中，軟鐵 磁參考層17之磁化方位並沒有被預先設定。 相反的，如第6圖所示，一預定大小與方向之外部供 應之讀取式電流1R流經該讀寫導體19,因而產生一讀取式 磁场HR。在第6圖中係以「+」之記號表示此讀取式電流^ 是流入紙面，因而，依照右手定則，該讀取式磁場Hr具有
541530 Μ —------— —__Β7 五、發明説明（17) ~ -—- I順時針方向之向4。此讀取式磁場Hr實質上係包含於包 覆2i内’其結果，該軟鐵磁參考層17具有一以動態加以定 位（亦即製較位）之磁化方位Μ卜其⑷指向左方。只要電 流W寺續流經該讀寫導體19，則該磁化方位⑷仍然保持動 恶定位。在讀取式電流一流動當中，由於在鐵磁資料料 #权鐵磁參考層17之間流動之電子流經中間層13 ,在鐵磁 資料層11和軟鐵磁參考層1?之間存在著電阻。儲存於鐵磁 資料層11内之-位元資料之狀態可藉量測此電阻之大小和 /或改變值來決定之。例％，該電崎以在軟鐵磁參考層Η 和第一導體29之間加以量測。 在第6圖中，磁性記憶胞1〇並沒有包含蓋層^(見第5 圖）。然而，不論磁性記憶胞10是否包含蓋層15，在第6圖 中之軟鐵磁參考層17之如以上本發明所述之道理也適用於 此後將繼續討論之第心至外圖之說明。蓋層15為一選擇性 之結構，當蓋層15提出時（見第心至外圖），由於包覆21和 蓋層15兩者皆係由鐵磁材料所製成，且當此兩者彼此接觸 而在磁性上合而為一時，該讀取式磁場Hr*實質上包含在 包覆21和蓋層15之内。 引起電阻之現象在磁性記憶體技術當中，以及在 TMR、GMR、和CMR等記憶胞當中係無庸置疑者。例如， 在一以TMR為基礎之記憶胞中，此現象被視為是量子力學 上或自旋相依上之穿隧作用（quantum mechanic spin-dependent timneling)。在TMR記憶胞中，中間層 13為 一介電材料之薄穿隧磁阻障層，而經由此處電子量子力學 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）
.....鮝·「_ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、\叮| 五、發明説明（17 ) 上之穿隧（遷移）係通過鐵磁資料層丨丨和軟鐵磁參考層I?之 間。另一方面，在一以GMR為基礎之記憶胞中，此現象為 電子之自旋相依散佈（sPin士pendent scattering 〇f electrons) ’而中間層i 3為一非磁性材料之薄間隔層㈣扣以 her*)。不論是以上之哪種情況，鐵磁資料川和軟鐵磁參 考層Π間之電阻係依相對磁化方位而改變，而 也就是這種電阻之改變使其能用來感測儲存於鐵磁資料層 Π之一位元資料以決定其邏輯狀態為邏輯「〇」或邏輯「】」。 口此儲存於鐵磁資料層11之一位元資料可以藉如以 上所述之方法將讀取式電流IR通過讀寫導體19而在讀取操 作中加以項取至磁性圮憶體丨0上，然後量測鐵磁資料層η 和軟鐵磁參考層17間之電阻，而該位元之邏輯狀態（邏輯狀 態「〇」或邏輯狀態「1」）可以藉感測電阻之大小來決定。 現在就以參考第8a和8b圖以及第％和9b圖來說明如何以 Ml和M2之相對磁化方位去決定邏輯狀態。 如第8a圖表示，「+」之記號表示此讀取式電流匕係流 入紙面，使得讀取式磁場Hr具有一順時針方向之向量，且 軟鐵磁參考層17之製程定位之磁化方位“丨係平行於鐵磁 資料層11之可變磁化方位M2，亦即，M1*M2指向同一方 向。這種Ml和M2之安排可以導致鐵磁資料層丨丨和軟鐵磁 參考層17間之一預先決定之電阻來代表一邏輯狀態「〇」。 另一方面，如第8b圖所示，鐵磁資料層11之可變磁化 方位M2係反向平行於軟鐵磁參考層17之動態定位磁化方 位Ml，亦即，Ml和M2指向相反方向。因而，這種?41和 541530
發明説明 M2之安排可以導致鐵磁f料層n和軟鐵磁參考和間之 一預先決定之電阻來代表一邏輯狀態「丨」。 如第9a圖所示，做為進一步舉例，「 ^ ^ 」之記號表示此 項取式UIR係流出紙面，且軟鐵磁參考層17之動態定位 磁化方位⑷係反向平行於鐵磁資料層"之可變磁^方位 M2。而且’讀取式磁場知具有—反時針方向之向量使得 ⑷指向右方。這種MWM2之安排可以導致鐵磁資料川 和軟鐵磁參考層17間之—預先決定之電料代表—邏輯狀 態「1」。 相反的，鐵磁資料層11之可變磁化方位％2係平行於軟 鐵磁參考層17之動態定位磁化方位M1。因而，這侧和 M2之女排可以導致鐵磁資料層丨i和軟鐵磁參考層17間之 一預先決定之電阻來代表一邏輯狀態「〇」。 以上如前所述，不論蓋層15是否出現，在第心至外圖 所說明之讀取操作也適用。蓋層15之含入或排除將要在以 下和本發明之製作記憶胞10有關聯之方法中討論。而且， 當盍層1 5出現時，磁性上係如同與包覆合而為一（亦即磁性 上耦合），以至於如第8a至9b圖中所說明，讀取式磁場延伸 至蓋層15中。因此，如第8a至9b圖中所說明，蓋層15係為 L擇性者。因此，蓋層15可以被排除，且參考第^至9b圖 中所討論之讀取操作仍然適用。 哪一種邏輯狀態被指定為Ml和M2之間係平行和反平 行之決定可以是視應用之範圍而定，或此決定可以是經由 預先決定之規則而做出。例如，如第8a圖和第讣圖中之說 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） ----------------------擎「…7----------訂----------------9. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 22 541530 A7 B7 五、發明説明（19 明可以採用來做為規則，因此，讀取式電流^人紙面 「+」，以至於⑷係製程定位至—擬定之方位（亦即指方向 左方），且其規縣邏輯狀態「〇」時為Μι#σΜ2互相平行， 而邏輯狀態「1」時為馗丨和“]互相反平行。 在此本^明所描述之各實施例中，鐵磁資料層1 1、蓋 層15、以及包覆21均可由高導磁率之軟磁材料所製成。軟 磁材料為具有高的相對導磁率（亦即導磁率以為： # r ;其中 //『4 7Γ *1〇·7 H/m ;且 # =(4 疋 *1〇-7)*1〇〇〇 = 1·257* 1〇-3 H/m或以上）而有一大約1〇〇〇 A/m或以下之低 矯頑（coercive)力且小磁滯損失之材料。 用來做為包覆21之高導磁率軟磁材料使得磁化方位 Ml能以不滲透包覆21之讀取式磁場Hr之大小在製程中定 位，以至於讀取式磁場Hr能實質上包含在包覆21内。而 且，任何由包覆2 1向外延伸（亦即不包含在包覆2丨内）之讀 取式磁場!^!^不會將在鐵磁資料層丨丨内之可變磁化方位M2 加以旋轉（亦即讀取式磁場HRf會從其目前之方位將“2切 換）。其結果，用來產生讀取式磁場Hr之讀取式電流Ir就比 習知之磁性記憶胞者較小。同樣的，如果軟鐵磁參考層i 7 包含包覆15，則用於包覆21和蓋層15兩者之高導磁率之軟 磁材料就能以一不滲透包覆21和蓋層15之讀取式磁場hr 之大小使磁化方位Μ1在製程中定位，以至於讀取式磁場 HR實質上包含在包覆21和蓋層15内，而且，任何由包覆21 和蓋層15向外延伸之讀取式磁場hr不會將在鐵磁資料層 11内之可變磁化方位M2加以旋轉。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) _訂· 1 23 541530 A7 ------- B7 五、發明説明(2〇 ) "~一 - - 對比之下，用於包覆21之高導磁率軟磁材料可使由第 一書寫式電流IW1所產生之第一書寫式磁場Hwi流入讀寫導 體19以滲透包覆21，以至於第一書寫式磁場Η”由包覆幻 向外延伸至鐵磁資料層丨丨。如果包覆2丨出現的話，則第一 書寫式磁場HW1滲透包覆21和蓋層15兩者，並向外延伸至 鐵磁資料層11。不論是以上之哪種情況，包覆21之較薄部 分可加以操作來在書寫操作中支援包覆21之滲透，其中第 一書寫式電流IW1之大小係足以產生一滲透的磁場，亦即第 一書寫式磁場HW1。 在本發明之一實施例中，用於任何選定之一個或多個 鐵磁資料層11、蓋層15、和包覆21之高導磁率軟磁材料包 含但並不限定於以下表一所列舉之一材料所製成。 表1 :用於鐵磁資料層11、蓋層15、和包覆21之材料 鐵化鎳(NiFe) 鎳鐵合金(NiFe) 鈷化鐵鎳(NiFeCo) 鎳鐵鈷合金(NiFeCo) 鐵化鈷(CoFe) 鈷鐵合金(CoFe) 高導磁合金(PERMALLOY™) 在本發明之另一實施例中，鐵磁資料層丨丨、蓋層1 5、 和包覆21可以由同一高導磁率軟磁材料所製成。該同一高 導磁率軟磁材料包含但並不限定於以上表一所列舉之材 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） t (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、一叮| 24 541530 A7 B7 五、發明説明（21 ) 料。例如，鎳鐵合金（NiFe)或高導磁合金（PERMALLOY) 可用來製造鐵磁資料層11、蓋層15、和包覆21。 在本發明之一實施例中，用於任何選定之一個或多個 鐵磁資料層11、蓋層1.5、和包覆21具有一大於約1000 A/m 一相對導磁率。 在本發明之一實施例中，用於任何選定之一個或多個 鐵磁資料層11、蓋層15、和包覆21具有一大約等於或小於 1000八/!11之矯頑（(：〇€1^¥忖>0性導磁率。 讀寫導體19可以由一導電材料所製成。適合讀寫導體 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
25 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 541530 A7 B7 五、發明説明（22 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在本發明之之一實施例中，中間層13為一穿隧阻障層 且係由一絕緣材料（亦即不導電）所製成，其將鐵磁資料層 11自軟鐵磁參考層17處電性隔絕開來。該用來製造穿隧阻 障層之一介電材料包含但並不限定於以下表三所列舉之材 料，其厚度（見第13圖之T3)約在0.5〜5.0nm之間。 表3:用於穿隧阻障層之材料 二氧化矽(Si02) 二氮化矽(SiNx) 一氧化鎂(MgO) 三氧化二鋁(ai2o3) 氮化鋁(A1NX) 氧化钽(TaOx) 在本發明之另一實施例中，中間層13為一由一非磁性 材料所製成之間隔層。該用來製作中間層13之非磁性材料 可以是化學週期表中之3d、4d、或5d過渡金屬元素。該用 來製造間隔層之一非磁性材料包含但並不限定於以下表四 所列舉之材料，其厚度（見第13圖之T3)約在0.5〜5.0 nm之
26 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 541530 五、發明説明 23 如第11圖所示，本發明之磁性記憶胞1〇可包含穿越鐵 磁貝料層11且與其電***流之第一導體29。鐵磁資料層U 與第-導體29間之電***流可以藉兩者間彼此之接觸或藉 諸如導孔㈣、導塞（conductiveplug)等（圖中未顯示）之^ 接，構來達成。不過，第一導體29與鐵磁資料朴間之電 =流最好用接觸的方法’因為和連接結構相比其配置較 山貝（compact)而簡單。欲讀取一位元之資料則可藉如前述 之方法以里測第一導體29與鐵磁資料層1〗間之電阻來達 成H體29可以實質上垂直之方向或非垂直之方向 越鐵磁資料層11。基本上，第-導體29係以垂直之方向牙 越鐵磁資料層U，理由之一是微電子之設計和靠磨刀呈有 能：修正至微電子裝置之垂直配置，另-理由是有些刀具 不能做非垂直之配置。箆一逡祕 " I直弟V體29可以由包含但並不限定 於以上表2中所列舉之導電材料所製成。 如第7圖所示，本發明之一記憶體係由複數個（圖中 不三個）磁性記憶胞10所形成。每一磁性記憶胞ι〇各有i 層叫蓋層15為選擇性配傷)並與—共同之軟鐵磁參考層 接觸’且每-雜記憶胞·—位元:#料儲存於 鐵磁資料層η。欲讀取—位元之資料則可藉量測鐵磁資 層η與軟朗參考層丨頂之電阻來達成。此外，參考第 如上述’每—磁性記憶胞1G可包含與其鐵磁資料層 -電性父流之第一導體29。同樣的，欲讀取—位元 則可藉量測第-導體29與軟鐵磁參考層17間之電阻二達 成。於是，軟鐵磁參考層17與第—導體29可以成為—對 穿 穿 顯 蓋 17 之 料 11 11 料 導 本紙張尺度適财關家標準_ Μ規格（210X297公釐y
.....0!! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •訂| 五、發明説明（24 ) 體，分別像是一行導體和一 一、、. 幻¥體，或分別是一列導體和 行$體。如第7圖所示，這此# k二成對之導體彼此相交叉，且 磁性記憶胞10可以放在一成 、 x 5丁蛉體之父叉區。但這些成對 之導體不必彼此相交於垂直之方向。 士小所力悉之技蟄，—將—位元之資料書寫至鐵磁資 之書寫操作可以藉將—外部供應之電流^通過讀 寫導體19以產生第—書寫式磁場〜1及將—外部供應之電 以2通過第一導體29以產生第二書寫式磁場Hw2來達成。 = '第二書寫式磁場心，Hw2)以互相配合的方式與鐵 磁貝料層11互動來將該可變磁化方位M2轉動至—擬定之 方位。舉例來說，若鐵磁資料層11目前儲存-帶有指向左 方之M2之一邏輯狀態「°」，則第-、第二書寫式磁場(Hwl， w2)、互相配s的方式與鐵磁資料層11互動來將M2轉動 (亦即翻轉）至右方，使得—邏輯狀態「丨」被書寫至鐵磁資 料層11。 如第12圖所示，本發明之一記憶體7〇係由複數個（圖中 顯示三個）磁性記憶胞10所形成。每一磁性記憶胞10各有其 蓋層15(盍層15為選擇性配備）並與一共同之軟鐵磁參考層 π接觸，且其每一鐵磁資料層丨丨係與穿越鐵磁資料層η之 一第一導體29呈電***流。 書寫至一選定之磁性記憶胞10之一書寫操作可用以 下方法來達成。帶有一以11 a表示之鐵磁資料層之磁性記憶 胞10係藉將第一書寫式電流Iwl通過讀寫導體19及將一第 二書寫式電流U通過第一導體29而被選用於一書寫操 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 28 541530 A7 -s----— B7_____ 五、發明説明（25 ) 作。其它磁性記憶胞10則沒有被選用於一書寫操作，這是 因為沒有書寫式電流iwl流入各個第一導體29之緣故。第一 書寫式電流Iwl產生一第一書寫式磁場1^1，而第二書寫式 包抓IW2產生第一書寫式磁場11〜2。第一和第二書寫式磁 %(Hwl，Hw)以互相配合的方式互動來將鐵磁資料層之 可變磁化方位M2轉動至一擬定之方位。 在此再舉一例。一讀取至同一鐵磁資料層1U之一讀取 #作可藉將-預定大小和方位之讀取式電流^通過軟鐵磁 苓考層17之碩寫導體19來達成。讀取式電流“產生一讀取 式磁場hr，其係實質上包含在包覆21之中，且讀取式磁場 hr係以操作之方式來將磁化方位“丨加以動態定位。如圖7 所不，欲讀取儲存於鐵磁資料層Ua之一位元之資料則可藉 量測軟鐵磁參考層17與鐵磁資料層11a之第一導體29間之 電阻來達成。 書寫操作在第14a和14b圖中有詳盡之說明。如第工乜 圖所不，在書寫操作初期，可變磁化方位M2係指向左方。 第和第一書舄式磁場（Hwl，Hw)延伸至鐵磁資料層丨丨且 -起作用，使第一和第二書寫式磁場(Hwi，Η』開始轉動 Μ2第一書寫式電流Iwl(如圖中之虛線箭頭）之大小係使第 一書寫式磁場Hwi滲透蓋層21和蓋層15(沿著較較薄部 分），以至於第一書寫式磁場Hwi延伸進入鐵磁資料層u。 其人如第14b圖所示，由於第一和第二書寫式磁場出⑷， Hw2)之合成磁力作用在M2上，其結果使得可變磁化方位 M2被旋轉而指向右方。如果M2指向左方時，代表邏輯狀 本紙張尺度適财_轉準（_ A4規格⑽χ297公爱)
(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、^τ— 541530 A7 B7 發明説明（26 態「0」，則M2指向右方時，代表邏輯狀態「丨」。 •… (請先閱讀背面之注意事项再填窝本頁) 第l〇a〜10f圖係說明用來製造本發明經包覆過之讀寫 導體之動呈。以下設定之製程步驟之次序只是舉例而已， 實際上之製程步驟不需要如以下設定之次序。更且，熟乘 微電子技藝人士所知道之其它製程也可用來代#在此= 定製程步驟之次序。. 步驟-：如第10a圖所示，形成_介電層3卜並以例如 化學機械研磨法（Chemical Mechanical Polishing，CMP)加 、一-T— 以平坦化（planarized)。然後，在介電層31中蝕刻一淺溝 (trenCh)33以沉積一高導磁率軟磁材料使形成包覆21之一 部分。雖然在第10a圖中只說明介電層3丨之一部分，介電層 31可以是一個具有複數個形成於其内之淺溝之介電層3ι， 且介電層3 1可以延伸至超過如圖中虛線箭頭e所示之範圍。 步驟二··如第10b圖所示，包覆21a之一部分係藉等向 性（isotropic)之程序（以便使淺溝33之邊牆s和底部b有粗略 相同之被覆厚度）。包覆21a所使用之材料為一軟磁性材 料，亦即，其導磁率足夠來做為一磁心且透入整個斷面而 沒有任何裂痕或太多空洞(v〇ids)。由於包覆21a之等向性沉 積’其結果形成一淺溝3 5。 步驟三··如第10c圖所示，藉使用電鍍（electr〇plating) 或其它適當的沉積程序以形成讀寫導體19，則淺溝35充滿 著像銅（Cu)之導電材料。於是，整個結構被平坦化而得到 如第10c圖所說明之結構。需要注意的是，在第i〇c圖中， 讀寫導體19尚未完全被包覆。 30 541530 A7 B7 27 五、發明説明 步驟四：如第l〇d圖所示，另一高導磁率軟磁材料被 "匕積來封閉磁通路徑（magnetic flux抑化）而形成一全包覆 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) "貝寫‘體體19(亦即完全被包覆之片段21a、和21b所包 圍）回導磁率軟磁材料21b之厚度可以製作成與包覆21a 之底邛b或邊牆s之厚度不一樣。用來製造之材料可以 =同於或不同於用來製造21a之材料。此外，必需注意的 是，雖然在第10d圖中說明到該高導磁率軟磁材料21b延伸 至越過包覆21a之最外邊緣，言亥高導磁率軟磁材料加也可 以與其邊緣對齊或如圖中虛線}所示從其邊緣傲人。但高導 磁率車人磁材料21b之散入不應太遠才能避免與包覆21&形成 封閉磁通路徑。 、tr— 、遠擇性步驟：如第10e圖所示，在包覆21上（前述之表 也可"積另—高導磁率軟磁材料以 形$蓋層15。此時中間層13就沉積在蓋層15上。將蓋層15 匕3在内為一製程上之選擇。例如如以上所述，製程步驟 ^需要按照此處設定位層之次序。為此，磁性記憶胞⑺之 衣作或_可以先由鐵磁資料層η開始’在依次做中間層η 如此這般。财間層13使用之材料而定，或許需要蓋掉曰(亦 即加-保護層)以防止經沉積後與其所曝露之環境產生化 學仙。例如。若中間層13為-介電穿隧阻障層，則可能 ^儿積1由高導磁率軟磁材料所製成之蓋層加便與包 设21之向導磁率軟磁材料相容（咖_他）。蓋層15用來做 為介電穿隨阻障層之-保護蓋。蓋層15可以用與包覆川目 同或不同之材料所製成。 本紙張尺度適用中ΗΪΪ#準(⑽Α4規格⑵ 541530
五、發明説明（π ) 最後步驟：如第10f圖所示，鐵磁資料層u在中間層13 上形成。此外，可以用一導電材料來沉積在鐵磁資料層u 上以形成第一導體29。 上述之程序係模仿本發明之用來形成全包覆讀寫導 體（亦即19、21&、和2113)之一銅嵌入式（(：11_1：^111心(^1^)程 序。種程序所產生之平坦結構有利於製造圖丨〇d中之結 構，但疋其匕所週知之微電子技藝中之程序也可以用來 製造第10d圖中之結構。又，第1〇a〜1〇f圖說明可能用來製 本盔明之全包覆頊寫導體之一種方法。例如，製造方法 可旎與第10a〜1 Of圖所說明者之次序相反。此製造可以由 鐵磁資料層11開始，爾後繼續進行中間層丨3，然後至選擇 性之蓋層15，接著形成經包覆之讀寫導體。 在以上所述之程序中，包覆21、蓋層丨5、鐵磁資料層 11、δ賣舄導體19、以及中間層13所使用之材料可以包含但 並不限定於以上表1、表2、表3、和表4中所列舉者。 第13a圖說明包覆21、蓋層15、中間層π和鐵磁資料層 11間之尺寸關係。如前所示，軟磁材料被選用為包覆21之 材料使得由流入讀寫導體19之讀取式電流iR所產生之讀取 式磁場HR會將軟鐵磁參考層π之磁化方位Ml在製程中定 位。而且，結果產生之讀取式磁場Hr不會滲透包覆21，以 至於在ό貝取知作中’項取式磁場Hr實質上包含在包覆21 内。延伸起過包復21之任何項取式磁場η R不會將鐵磁資料 層11之可變磁化方位M2加以旋轉。相反的，在書寫操作 中’第一書寫式磁場H w i滲透該包覆21並延伸至鐵磁資料 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 32 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、可I •鬌— 541530 五、發明説明（29 ) 層11。因而，必須將包覆21之相對厚度加以修正使得在$ 取操作中，該讀取式磁場1^實質上包含在其 =項 暑^ 寫 才呆作中，第一書寫式磁場HW1滲透該包覆21。 如第13a圖所示，包覆21中鄰接中間層13之部分（亦艮
圖中虛線箭頭18所示之較薄部分）需要有一足 1 P μ貝上將 項取式磁場HR包含在包覆21内之最小厚度Di(亦即其厚度 足夠來提供磁通閉路）。包覆21之其餘部分可以有大於戋等 於最小厚度D!之厚度D2、D3、和D4;因此，d2、D3、和D 比較好的情況是，厚度D2、D3、和〇4大於厚度Di。 1 在書寫操作中，第一書舄式磁場會滲透包覆21 ;然 而，或許可以將包覆2丨之厚度加以修正使得厚度D2、 和〇4實質上大於厚度〇1以至於第一書寫式磁場Hwi沿著較 薄部分滲透該包覆21，且實質上朝著鐵磁資料層u之方 向其結果，第一書寫式磁場HW1以朝著鐵磁資料層丨1之 方向傳送，而在D2、D3、和D4等厚度方向（亦即較厚部分） 之邊緣磁場不會滲透包覆21或至少實質上在〇2、、和D4 處被包覆21之厚度所減弱。較好的情況是，選擇d2、、 和D4之厚度以避免包覆21之滲透。 同樣的，第13b圖說明包覆21、蓋層15、中間層13和 鐵磁資料層11間之尺寸關係。如前所示，軟磁材料被選用 為包覆21和蓋層15之材料使得由流入讀寫導體19之讀取式 電流Ir所產生之讀取式磁場HR會將軟鐵磁參考層17之磁化 方位Ml在製程中定位。而且，結果產生之讀取式磁場Hr 不會滲透包覆21和蓋層15，以至於讀取式磁場HR實質上包 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐） 541530 A7 B7 五、發明説明（3〇 含在包覆21和蓋層15内（亦即包覆21和蓋層15提供磁通閉 路）。延伸超過包覆21和蓋層15之任何讀取式磁場Hr不會將 鐵磁資料層11之可變磁化方位M2加以旋轉。相反的，在書 寫操作中，第一書寫式磁場Hwi滲透該包覆21和蓋層15並 延伸至鐵磁資料層11。因而，必須將包覆2丨之相對厚度加 以修正使得在讀取操作中該讀取式磁場Hr實質上包含在 其中，且在書寫操作中，第一書寫式磁場Hwi滲透該包覆 21和蓋層15。 如第13b圖所示，包覆21中鄰接蓋層15之部分（亦即圖 中之虛線前頭19)需要有一足以實質上將讀取式磁場包 含在包覆21和蓋層15内之最小合成厚度（Di+Ti)。包覆2ι 之其餘部分可以有大於或等於最小合成厚度（Di+Ti)之厚 度D2、d3、和d4 ;因此，d2、〇3、和Dp(Di+Ti)。比較好 的情況是，厚度D2、Ds、和D4大於厚度（Di+Ti)。 比 士以上所示，D2、D3、和D4之厚度可以做成實質上 實 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .、訂丨 ⑼仰者大，使得在書寫操作中第一書寫式磁糾们以 質上朝鐵磁資料層Π之方向滲透包覆2 j。 用於包覆、蓋層15、中間層13、和鐵磁資料層& 厚度和厚度範圍包含但不限定於以下之設定。 “包覆21可以有一大約3·0麵〜100.0 之厚度Dl ’而 盍層15可以有-大於h〇㈣之厚度。〇】和丁1之實際厚度 視包覆21和蓋層15所選定之材料而定。 又 中間層13可以有一大約〇·5咖〜5.〇 nm之厚度W3 之實際厚度-部分視中間層13選定之材料而定，另—部分 本紙張尺度適用中國國豕標準（〇β) A4規格（210X297公釐·） 34 541530 五、發明說明 則視記憶胞之型態而定，例如TMR記憶胞或gmr記憶胞。 —鐵磁資料層η可以有一約大於1〇腿之厚度 貫際厚度視記憶胞之型態及其應用而定。 軟鐵磁參考層17可以古—+ 有一見度W和一高度η。其寬度w 和高度Η有-部分視選定用於讀寫導體批尺寸以及包覆 之厚度D,、D2、D.3、和〇4而定。因此，此選定對 其應用範圍之依賴性頗高’這是因為其最後之尺寸係根據 例如包覆21及讀寫導體19之尺寸等之很多變數來決定的緣 故。 在發明詳細說明中所提出之具體的實施態樣或實施 例僅為了易於說明本發明之技術内容，而並非將本發明狹 義地限制於該實施例，在不超出本發明之精神及以下之 請專利範圍之情況，可作種種變化來實施。 圖式之簡單說明： 第1圖為習知帶有具定位之磁化方位之參考層之磁 記憶胞。 第2a及2b圖說明在第i圖中，習知介於參考層和資料層 間之磁性記憶胞，其整體平行和反向平行之各自磁化方位。 第2c及2d圖說明習知磁性記憶胞中資料層之磁化方位 上去磁化場之效應。 第3a及3b圖說明習知帶有多層參考層之磁性記憶胞 含一定位層及一經定位過之層。 第4a圖說明一習知磁性記憶體之一讀取操作和一書 操作包含一陣列之習知磁性記憶胞以及行和列導體。 中 性 包 寫 t (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂— 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公董） 35 M1530 A7 —------B7 __ 五、發明説明（32 ) 第4b圖說明一習知讀取至一經選定之磁性記憶胞之 碩取操作以及一由一流入行和列導體之讀取式電流所產生 之磁場。 第物圖說明一習知書寫至一經選定之磁性記憶胞之書 寫操作以及一由一流入行和列導體之電流所產生之邊緣磁 場。 第5圖說明本發明之帶有一軟鐵磁參考層之一磁性記 憶胞以及一全包覆讀寫導體。 第6圖說明本發明之一在讀取操作中，實質上包含在 一鐵磁包覆内之磁場。 第7圖說明本發明之一記憶體，其包含一帶有一軟鐵 磁芩考層和一全包覆讀寫導體之一陣列之磁性記憶胞。 第8a至9b圖說明本發明之一在書寫操作當中製程定位 之軟鐵磁參考層。 第10a至1 Of圖說明本發明之製造一帶有一軟鐵磁參考 層和全包覆讀寫導體之方法。 第11圖說明本發明之一帶有一軟鐵磁參考層，且包含 用來將一位元之資料書寫至一鐵磁資料層之第一導體。 第12圖說明本發明之一記憶體，其包含一帶有一軟鐵 磁茶考層和一第一導體之一陣列之磁性記憶胞，用來將一 位元之資料書寫至一選定之磁性記憶胞。 第13a和Hb圖說明本發明之一分別帶有一鐵磁包覆和 一鐵磁盍層之一軟鐵磁參考層之相對尺寸。 第14a和14b圖w兒明本發明之一能旋轉一鐵磁資料層之 磁化方位之書寫操作和切換磁場。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇x297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 36 541530 A7 B7 五、發明説明（33 ) 元件標號對照 10…記憶胞 ll，lla···資料層 13···中間層 15…蓋層 17…參考層 19…導體 21…包覆 29··.第一導體 31…介電層 100,200,300，100\100卜..記憶胞 110,210,310…資料層 112,212a，212b,312,312a,312b，312c···參考層 114…絕緣阻障層 116,216,316-"第一導電節點 118,218,318…第二導電節點 150…記憶胞 312…定位層 312c···人工反鐵磁 37 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公釐）
Claims (1)
- 541530 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 L 一種磁性記憶胞（10)包含： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -鐵磁資料層⑼’用來儲存一位元資料以做為一 可變磁化方位M2 ; 一第一導體（29)，與鐵磁資料層（11)做電***流； 一中間層（13)，與鐵磁資料層（11)接觸；及 ，-軟鐵磁參考層（17)，具有一非定位之磁化方位 Ml亚包含一讀寫導體（19)和一鐵磁包覆其完全環 繞該讀寫導體（19)，該鐵磁包覆（21)具有一經修整過之 厚度其包含-沿著與中間層（13)接觸之部分鐵磁包覆 (21)之較薄部分Dl以及一沿著不與中間層（13)接觸之部 分鐵磁包覆（21)之較厚部分， 、可 其中，在一讀取操作中，該軟鐵磁參考層乃係藉 由一流入该讀寫導體（19)之讀取式電流Ir所產生之該 讀取式磁場HR以製程定位至一擬定之方位，而且該讀 取式磁場1^並不滲透且實質上包含在該鐵磁包覆（21) 内，以及 其中，在一書寫操作中，該第一導體（29)係以操作 的方式產生一第一書寫式磁場HW1以因應流入該第一 導體（29)之第一書寫式電流Iwi，而且該第一書寫式磁 場HW1滲透該鐵磁包覆21之較薄部分仏並向外延伸至 鐵磁資料層11。 2·如申請專利範圍第1項之磁性記憶胞（1〇)，其中任何選 定之一個或多個鐵磁資料層（11)和鐵磁包覆（21)包含一 高導磁率之軟磁材料。 38 M1530 A8 B8 C8 D8、申請專利範園 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 3.如申請專利範圍第2項之磁性記憶胞⑽，其中該高導 磁率之軟磁材料為選自由鐵化錄、錄鐵合金、姑化鐵 鎳、錄鐵銘合金、鐵化姑、鈷鐵合金、和高導磁合金 (permalloy)所組成之族群中之—㈣料。 4·如申請專利範圍第W之磁性記憶胞⑽，其中該鐵磁 資料層⑴）和該鐵磁包覆（21)係由同—高導磁率之軟磁 材料所製成。 5. :申請專利範圍第i項之磁性記憶胞⑽，其中任何選 定之一個或多個鐵磁資料層（11)和鐵磁包覆（21)具有— 相對導磁率大於1000 A/m。 訂· 6. 如申請專利範圍第丨項之磁性記憶胞（10)，其中任何選 疋之一個或多個鐵磁資料層（11)和鐵磁包覆（21)具有一 矯頑（C〇ercivity)性導磁率大約等於或小於1000 A/m。 7·如申請專利範圍第1項之磁性記憶胞（10)，其中該讀寫 導體（19)為選自由銅、銅合金、鋁、鋁合金、銅化鋁、 鋁鋼合金、鈕、鈕合金、金、金合金、銀、銀合金所組 成之族群中之一種導電材料。 8·如申請專利範圍第丨項之磁性記憶胞（1〇)，其中該鐵磁 包覆（21)之經修整過之厚度大約是從3 〇 nn^|ji〇〇 〇 〜著不與中間層（13)接觸之部分鐵磁包覆（21)。 9·如申請專利範圍第1項之磁性記憶胞（ίο)，其更包含： 一鐵磁蓋層（15)，位於鐵磁包覆（21)和申間層 之間，並與鐵磁包覆（21)呈磁性耦合，該具有一經修整 過之厚度之鐵磁包覆（21)包含一沿著與鐵磁蓋層（15)接541530 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 觸之部分鐵磁包覆（21)之較薄部分〇1以及一沿著不與 鐵磁蓋層（15)接觸之部分鐵磁包覆（21)之較厚部分， 其中’在讀取操作當中，一產生之該讀取式磁場 hr並不參透且實質上包含在鐵磁包覆（21)和鐵磁蓋層 (15)内，以及 其中，在書寫操作中，該第一書寫式磁場HW1滲透 該鐵磁包覆（21)和該鐵磁蓋層（15)之較薄部分仏，並向 外延伸至該鐵磁資料層（11)。 10· —種磁性記憶胞（10)包括一用來儲存一位元資料以做 為一可變磁化方位之鐵磁資料層；一與鐵磁資料層做電 ***流之第一導體；一具有定位於一已知方向之磁化方 位之鐵磁參考層；-與參考層做電***流之第二導體； 以及一介於該鐵磁資料層和參考層間之中間層，其中該 位元係藉量測該第一和第-邕 7呆一冷體而頊取，又該位元係藉 將第一和第二電流通過該第一和第二導體以產生配合 與鐵磁資料層接觸來旋轉該可變磁化方位而書寫，此項 改良包含： 、 一軟鐵磁參考層（17)，且有一 Λ/Γ1 八有非疋位之磁化方位 Ml且包含一讀寫導體（19 ” 凡全娘繞該讀寫導體, 之鐵磁包覆（21)，該具有一經修 人 I正過之厚度之鐵磁包覆 (21)包έ 一沿著與中間層（13 )接觸之部分鐵磁包覆（2 1) 之較薄部分Dl，以及-沿著不 匕设（21) ^ ^ 〃中間層（13)接觸之部分 鐵磁包覆（21)之一較厚部分， 丨刀 其中，在一讀取操作中， ^权鐵磁參考層（17)係藉 (19) 覆 (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) •、一-τ_ 鳙： 本紙張尺度規格（21^ϊ7 40 六、申請專利範圍 由-流人該讀寫導體（19)之讀取式電流IR所產生之_ 讀擬定之方位，而且該讀 取式磁場1^並不滲透且實皙卜力 、 貝貝上包含在該鐵磁包覆（21) 内，以及 其中’在-書寫操作中，該第_導體（29)係以操作 的方式產生-第-書寫式磁場HW1以因應流入該第一 導體(29)之第一書寫式電流Iwi，而且該第一書寫式磁 場HW1滲透該鐵磁包覆⑵）之較薄部分a並向外延伸至 鐵磁資料層（11)。 11·如申請專利範圍第10項之磁性記憶胞（1〇)，更包含·· 一鐵磁蓋層（15)，位於鐵磁包覆（21)和中間層（13) 之間，並與鐵磁包覆（21)呈磁性輕合，而該具有經修整 過之厚度之鐵磁包覆（21)包含一沿著一與鐵磁蓋層（j 5) 接觸之部分鐵磁包覆（21)之較薄部分Di，和沿著一不與 鐵磁蓋層（15)接觸之部分鐵磁包覆（21)之較厚部分， 其中’在讀取操作中，產生之讀取式磁場Hr並不 苓透且實質上包含在鐵磁包覆（21)和鐵磁蓋層（15)中， 以及 其中，在書寫操作中，第一書寫式磁場會滲透鐵磁 包覆（21)和鐵磁蓋層（15)之較薄部分〇1並朝鐵磁資料 層（11)之方向向外延伸。 _________________________ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210X297公爱) -41 -
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