TWI283405B - Vortex magnetic random access memory - Google Patents
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Description
1283405 喝 _案號94125250_年月日__ •五、發明說明(1) 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種磁性隨機存取記憶體(MR AM )記憶胞 結構,更特別地是一種磁性穿遂接面(MTJ )具有一低深寬比 率橢圓形狀,其中一自由層和參考層具有一磁化的渴旋狀 態。流量終止結構使一更小磁性隨機存取記憶體(MR AM )記 憶胞具有密集陣列。 【先前技術】 磁性隨機存取記憶體(MRAM)合併磁性穿遂接面(MTJ) 猷如一強大候補之記憶儲存裝置,可提供高密度、快速(1 -30 十億分之一秒讀/寫速度)及非揮發性解決方法等,以 因應未來記憶體之應用。一種磁性隨機存取記憶體(MR AM ) 陣列,通常包含一水平面上之平行第一傳導線的陣列,一 第二水平面上之平行第二傳導線的陣列,此第二傳導線的 陣列分隔其上第一傳導線陣列,建構於第一傳導線之一垂 直角方向,以及一磁性穿遂接面(MT J )放置於第一傳導線和 第二傳導線之間的每一個穿越點處。當一第二傳導線為一 位元線,一第一傳導線可為一字元線,反之亦然。二者擇 一地,該第一傳導線可為一分割線,其為一底層電極。在 該第一傳導線之陣列下有具代表性地其他裝置包括電晶體 及二極體。 該磁性穿遂接面(Μ T J )包括一層狀堆疊之結構,在其中 兩個鐵磁層是藉由一薄無磁性絕緣層分隔,猶如氧化铭或 銘氮氧化物此稱為一穿遂阻障層。其一之鐵磁層為一固定 層,其中該磁化(磁矩)方向或多或少不變的依循一預先設 定方向,以及藉由和一鄰接斥鐵磁(AF Μ)固定層改變耦合而
1283405 _案號94125250_年月曰 修正_ ,五、發明說明(2) 固定。第二鐵磁層為一自由層,在此磁化方向可藉由一外 、 部磁場而轉變。此自由層的磁化方轉變以因應外部磁場, 其是藉由傳遞電流通過傳導線而發生。當此自由層的磁化 方向與固定層的磁化方向平行,穿遂電流有一較低磁阻穿 越該絕緣層(穿遂阻障),除此之外當該自由層和固定層的 磁化方向不平行,該磁性穿遂接面(MT J )儲備訊息例如一種 具有二個不同磁性狀態的結果。 在一讀取操作中,訊息讀取是藉由感測磁性穿遂接面 (Μ T J )的磁性狀態(磁阻程度),其藉由一感測電流通過磁性 穿遂接面(MTJ),具代表性地在於一電流垂直至平面(CPP) 結構中。在一寫入操作中,訊息寫入至磁性穿遂接面(Μ T J ) 是藉由磁性狀態轉變至相反的磁性狀態,此相反的磁性狀 態產生於外部磁場,例如運用一位元線和一字元線電流的 結果。記憶胞有選擇地寫入訊息是取決於來自一位元線和 一字元線的磁場,係當鄰接的記憶胞(半選擇記憶胞)只揭 露一位元線或一字元線磁場時。由於磁性穿遂接面(Μ T J )之 尺寸和形狀差異會影響自由層之磁場轉變,係當寫入訊息 至選擇記憶胞時,一半選擇記憶胞之磁性狀態可能會不合 意地改變。 為儲備資料(磁性狀態)免於消磁,在儲備磁性層中之 一^平面内磁性各異性必須夠強大。電流設計是根據形狀各 異性包含矩形、橢圓形、眼形、和類菱形等圖案。這些設 計的一個問題在於續頑磁性(C 〇 e r c i ν i t y )是高度地取決於 形狀、深寬比率以及磁性穿遂接面(MT J )記憶胞尺寸,也因 此對記憶胞形狀及其邊緣形狀很敏感,其會因圖案製程而
1283405 —年 月 修正 曰 案號 94125250 •五、發明說明(3) 受到變化。如一結果,磁性穿遂接面(MTJ)記憶胞之差異造 成磁場南度轉變且難以控制。 相較於現在動態隨機存取記憶體(DRAM)、靜態隨機存 取記憶體(SRAM )和快閃記憶體之技術,磁性隨機存取記憶 體(MRAM)記憶胞的尺寸大小必須於次微米範圍内,铁而, 微米記憶胞的尺寸大小,熱量的變動能任意地轉變記 2 f 特f ί對半選擇記憶胞。為防止半選擇記憶胞 需f更強大之磁性異向性,另—轉變需求為 括g ί ρ ί ^ρ,Λ“ ί因為南電流和電力消耗而使磁性隨機 與現今外在技術相抗衡。因此,提 i纪口 _〜!?/( Μ^ι ί ί另一意涵在於有助於致使磁性隨機讀 取A k、體(MRAM)具有高密度及高速度表現。 (MRAM)陣』1弟,1 H ;鄰:^ ::性隨機讀取記憶體 ,憶胞具有二個磁„二=機;==題) 弟一傳導層,範例中包含已形成之底岸帝 土, 極3與在其上之磁性穿遂接面(MTJ) 4 ‘】° 3 '母一底严私 層5包圍在其旁邊。在此範例中,在’其係以一絕緣 位兀線6,其連接磁性穿遂接面(MTJ) 一傳辱層中具有一個 一第二絕緣層7形成於第二傳導層上 頂端。代表性地, 化學機械研磨製程(CMP)平坦化。一包含位元線6且以一 元線陣列形成於一第三絕緣層8之中,=傳導層9可為一字 之上。其他的電路(圖中未示)用以針糸+於一第二絕緣層7 選擇某些磁性穿遂接面(MTJ)。、个對讀取或寫入操作時 請參閱第2圖,圖示一代表性的 w M性穿遂接面(MTJ) 4 1283405 _案號94125250_年月曰 修正_ *五、發明說明(4) 惠 為一層狀堆疊包含一或多個基底種子層1 〇,例如鎳鐵鉻 一 (NiFeCr)形成於底層電極3之上。其次,一斥鐵磁(AFM)固 定層1 1可為鉑錳(PtMn),例如,形成於該種子層1 0上。有 一鐵磁★固定〃層1 2已知為一參考層於斥鐵磁(AFM)層1 1 上,其可為一合成的複合層包含始鐵(CoFe)層。此穿遂阻 障層1 3於固定層1 2上,通常包含一絕緣原料猷如氧化鋁 (A1203)。穿遂阻障層13之上是一鐵磁 '自由層〃 14,其為 另一複合層’例如,包含錄鐵(N i F e )。在磁性穿遂接面 (Μ T J )堆疊之頂層為一或多個覆蓋層1 5。此組成中僅使使用 一覆蓋層,此覆蓋層1 5包含傳導原料例如釕(Ru ),為使電 力連接至鄰接形成之位元線6。這個磁性穿遂接面(MTJ)堆 疊具有一所謂基底參考層結構。二擇一地,磁性穿遂接面 (MTJ)堆疊有一頂端參考層結構,在其t 一自由層形成於一 種子層上,其相繼形成一穿遂阻障層、一參考層、一斥鐵 磁(AFM)層和一覆蓋層。 於美國專利U S 6,6 5 4,2 7 8,一種製程用以形成一種磁 化渦旋,在一磁性穿遂接面(MT J )之參考磁性區域,有一零 的淨磁矩。運用磁場致使其渦旋中心轉變至垂直角方向相 對於跟隨軸或至淨磁矩已經運用的磁場。 一種磁性穿遂接面(MTJ)裝置揭露於美國專利US 6, 2 6 9,0 1 8,其中一自由層和固定層形狀為似圓狀(等向的), 且在其形成的满旋中具有磁化。當一寫入電流量通過該磁 性穿遂接面(MTJ),一自我磁場被形成於轉變自由層之磁化 滿旋狀態,其來自於一第一預先確定之順時針或逆時針慣 向至第二預先確定之順時針或逆時針慣向。
第10頁 1283405 w 案號 94125250_年月日_修正 •五、 發明說明(5) 一 磁 性 原 理 揭 露 於 美 國 專 利 中 請 公 開 號 2004/0021539 其 中 一 鐵 磁 原 料 的 迴 圈 對 於 相 反 感 測 的 磁 性 場 區 具 有 一 相 同 的 數 值 〇 依 資 料 保 存 兩 凹 痕 圓 形 磁 圈 相 疊 積 其 一 置 於 另 者 之 上 J 在 此 其 中 一 磁 圈 之 區 域 不 是 平 行 就 是 不 平 行 至 該 第 二 磁 圈 之 域 〇 於 美 國 專 利 中 請 公 開 號2002/0196658 一 白 旋 渦 旋 建 構 於 一 儲 存 元 件 之 一 圓 形 形 狀 薄 膜 致 使 在 白 旋 渴 旋 中 心 產 生 一 垂 直 磁 化 〇 一 第 二 磁 性 薄 膜 於 其 頂 端 或 底 部 表 面 具 有 一 垂 直 磁 化 〇 一 種 環 形 線 圈 讀 或 寫 的 方 式 於 美 國 專 利US 6 ,266 ,289 揭 露 其 一 環 形 線 圈 元 素 置 於 二 個 或 四 個 電 流 傳 導 偏 壓 次 線 之 間 〇 一 該 次 線 擴 大 致 使 該 環 形 線 圈 元 素 的 軸 向 開 啟 y 致 使 一 /1¾ 旋 磁 場 在 此 產 生 〇 - 第 二 次 線 產 生 一 磁 場 為 橫 向 的 相 對 至 該 渴 旋 磁 場 〇 [ 發 明 内 容 ] 本 發 明 之 @ 的 在 於 提 供 一 種 磁 性 隨 機 存 取 記 憶 體 (MRAM) 記 憶 胞 結 構 根 據 一 磁 性 穿 遂 接 面 (MTJ)具有一 -橢圓 形 狀 J 在 其 中 之 一 白 由 層 和 '— 參 考 層 具 有 一 〉咼 旋 磁 化 〇 本 發 明 更 進 — 步 @ 的 在 於 提 供 一 種 於 由 層 和 參 考 層 形 成 渦 旋 磁 化 的 方 式 根 據 第 '— g 的 包 含 運 用 第 一 方 向 一 第 -一 磁 場 以 及 運 用 一 與 該 第 方 向 相 反 方 向 之 第 二 磁 場 本 發 明 之 另 一 § 的 在 於 提 供 一 種 於 白 由 層 之 渦 旋 磁 化 切 換 轉 變 的 方 式 , 其 來 白 一 第 一 旋 轉 方 向 轉 變 至 第 二 旋 轉 方 向 〇
第11頁 J283405 >_案號94125250_年月曰 修正_ *五、發明說明(6) 此第一個目的用以達到一磁性隨機存取記憶體(MR AM ) ^ 記憶胞結構中之一磁性穿遂接面(MTJ)形成於一第一傳導線 和一第二傳導線之間,其中第二傳導線穿越第一傳導線。 此磁性穿遂接面(Μ T J )有利地擁有一橢圓形狀,其具有流量 終止結構。換言之,磁性穿遂接面(MT J)具有橢圓形狀的側 壁、一頂端和一底部。在一實施例中,該橢圓限定其側壁 形,其深寬比率(長軸長度/短軸長度),小於3。二者擇一 地,橢圓之形狀是藉由包含不相稱尺寸的短軸以及連接相 同尺寸的長軸之兩個半橢圓形構成。在此案例中,長軸比 率相對於該橢圓總寬度需小於5。較佳者,第一傳導線之寬 度和第二傳導線之寬度需比磁性穿遂接面(Μ T J )的橫面尺寸 (寬度)大50%。 此磁性穿遂接面(MTJ)有一底層可為一種子層形成於第 一傳導線之上。一斥鐵磁(AF Μ)固定層形成於種子層上和一 參考(固定)層形成於斥鐵磁(AFM)層上。上述該參考層相繼 地建構一穿遂阻障層、一自由層和一覆蓋層。在一實施例 中,參考層具有一磁化渦旋固定以於順時針方向旋轉,自 由層形成有一磁化渦旋以順時針方向旋轉(低磁阻狀態)或 逆時針方向旋轉(高磁阻狀態)。選擇性地,參考層具有一 磁化渦旋固定以逆時針方向旋轉,而自由層有一磁化渦旋 形成於一逆時針方向旋轉(低磁阻狀態)或順時針方向旋轉 (高磁阻狀態)。自由層之磁化渦旋的旋轉可被改變,其藉 由一於第一方向沿著第一軸之外部磁場阻斷渦旋以及留置 殘餘磁化,其通常沿著第一軸排列。然後一更小反向磁場 應用於沿著第一軸相反於第一方向誘發一渦旋磁性狀態。
第12頁 1283405 _;_案號 94125250_年月日__ •五、發明說明(7) 4 一經反向磁場轉移,一殘餘磁化繼續旋轉於一渦旋結構中 _ ,相對於此其發生於該兩磁場運用之前。 一種形成渦旋磁化的方法揭露在淨淨磁矩(net magnetic moment )實質上為零。在自由層之磁化的渦旋狀 態藉由中斷該記憶胞形狀之對稱性,如先前所描述之橢圓 形狀其以兩個半橢圓合成。首先,在跟隨一第一軸之自由 層中運用一高磁場排列磁化方向。形狀對稱致使一殘餘磁 化在橢圓形狀自由層的兩末端盤旋,此狀態稱為〃狀 態。當運用一小的反向磁場,該''C 〃狀態產生一渦旋狀 態。例如,當磁化藉由一高場界沿著一 + x方向形成,一更 小的反向磁場運用於-X方向中將形成一順時針方向之渦旋 旋轉。另一方面’如果磁化是措由南磁場跟隨最初設定之 ---X方向形成,一更小的反向磁場運用於該+ X方向中將於 一逆時針方向中產生一渦旋旋轉結果。 對於此參考層,磁化渦旋以如下方法產生。此渦旋固 定是藉由運用某一特定臨界溫度之上的溫度,致使此斥鐵 磁(A F Μ)層處於一順磁性狀態,然後降低溫度以至固定渦旋 固定方向。關於一鉑錳(PtMn)斥鐵磁(AFM)層,此磁性穿遂 接面(MTJ)為圖案化以提出橢圓形狀無退火之該鉑錳(PtMn) 恢復其斥鐵磁狀態。在鉑錳(PtMn)退火溫度下,此參考層 中引發一渦旋狀態,且此鉑錳(P t Μη )層改變至一斥鐵磁狀 態。此渴旋狀態更易藉由增加一摻雜物包含一或多個碳 (C)、氮(Ν)、硼(Β)、鍅(Zr)、钽(Ta)、鉑(Pt)、鈮(Nb)或 铪(H f )等於自由層和參考層中引發,以降低該耦合常數的 轉變。
第13頁 1283405 _‘案號 94125250_年月曰 修正_ ’五、發明說明(8) 【實施方式】 本發明是一種磁性隨機存取記憶體(MR AM )結構根據一 磁性穿遂接面(MTJ),在此一自由層和一參考層具有一渴旋 磁化狀態及一約零的淨磁化能率,其產生和轉變是藉由運 用一第一方向中之一第一磁場以及而後一反方向中之一更 小磁場。此圖式依實例方法提供並且無限定本發明範圍。 雖然僅有一磁性隨機存取記憶體(MR AM)記憶胞描繪於圖式 中,其可了解於一陣列中有複數的磁性隨機存取記憶體 (MRAM)記憶胞,於一磁性隨機存取記憶體(MRAM)晶片上含 有倍數的欄與列。當此實施例的示範關聯至一磁性穿遂接 面(MT J )具有一底層自旋閘門結構時,該領域的這些技巧會 表現於本發明亦運用一頂端自旋閘門結構。 請參閱第3圖所示,為一磁性隨機存取記憶體(MRAM)結 構之一部份,包含一基板2 1,其可為矽或其他半導體基 板。基板2 1典型地包含其他裝置,例如電晶體和二極體。 一第一傳導線2 2包含一導電材料例如銅(C u ),其藉由如大 家所熟知的技術形成於基板2 1上,較佳者有一小於5 0 0 0埃 的厚度。具代表性地,該第一傳導線2 2係和一第一絕緣層 (圖中未示)共面,其形成於第一傳導線的一陣列之中。該 第一傳導線之陣列係可包含平行的字元線、平行的位元線 或剖面線。每一第一傳導線2 2係可覆蓋於一磁性層之側壁 和底面,例如鎳鐵(NiFe)、結鐵(CoFe)、姑鎳鐵(CoNiFe) 或其他鈷(Co )、鎳(N i )或鐵(F e )之陣列,其以傳統的方法 形成。此第一傳導線2 2的頂端面對一相繼形成之自由層2 7 ,此並無覆蓋。這些磁性鍍層的厚度大約10至5000埃。
第14頁 1283405 _案號 94125250 年 月 曰 修正 ‘五、發明說明(9) 一磁性穿遂接面(Μ T J ) 3 0係以該領域這些已知的方法形 成於第一傳導線22上。常見地,一磁性穿遂接面(jjTJ)層狀 堆豐疋會以〉賤鍵沈積第一傳導線陣列上,並鄰接第一絕緣 層’然後以連續圖案蝕刻形成產生複數之磁性穿遂接面 (MTJ)於第一傳導線上,在此每一磁性穿遂接面(MTj)具有 一頂端、底部和側壁。接續地,一第二絕緣層2 9包含矽氧 化物或一低k介電材料形成覆蓋該磁性穿遂接面(M T j ),而 後平坦化和磁性穿遂接面(MTJ) 30之上端表面28a共面。 位於磁性穿遂接面(MTJ) 3〇中之底部層具代表地的為 一種子層2 3 ’例如鎳鐵鉻(n i F e C r ),其引發於鄰接形成層 中規律且始、集的群組成長。上述之種子層23為一斥鐵磁 (AFM)固定層24,其較佳實施例為鉑錳(PtMn),雖然鎳錳 (NiMn)、鐵龜(〇sMn)、鉉 |孟(ιΓΜη)、釕锰(RuMn)、錢猛 (RhMn)、纪廷(PdMn)、釕铑錳(RuRhMn)或是鉻鈀錳(CrPdMn 亦可使用為該斥鐵磁(AFM)層,其係用於一覆蓋參考層25中 固定磁化方向。此參考層2 5較佳者包含一或多個鎳(N i )、 始(Co)和鐵或是一合金,即具有一約1〇至2〇〇埃之厚 度。本發明的一重點在於該參考層2 5進一步的包含一摻雜 物以重量計約具1%至4〇%的濃度,係為一或多個碳(c)、氮 (N)爛(B)、錯(Zr)、组(Ta)、i6(Pt)、銳(Nb)或铪 (H f ) °此摻雜物係必要地,以降低參考層中改變耦合常 書ί 促使一渦旋磁化狀態形成,此將說明於下一個段 落。選擇性地,參考層2 5係可為一個合成不平行固定 (SyAP)層’其中二個鐵磁層,例如輕微不同厚度的鈷鐵 (C〇Fe) ’藉由一薄釕(Ru)、铑(Rh)、鉻(Cr)或銅(Cu)耦合
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___案號· 94125250 '五、發明說明(10) 層分離,係維持強大之不平行磁性耦合於該二鐵磁層之間 。注意此實施例中摻雜物並非加入於此合成不平行固定 (SyAP)參考層中。 一穿遂阻障層2 6形成於參考層2 5上。於一實施例中, 一鋁(A 1 )層濺鍍沈積於參考層上,並且隨即氧化以致形成 一穿遂阻障層2 6,其包含一厚度約1 1至1 5埃的氧化鋁 (AlOx),此氧化在殘留磁性穿遂接面(MTJ)被濺鍍沈積之 前0 有一個自由層27形成於穿遂阻障層26之上,較佳者具 有一約1 0至2 0 0埃的厚度且可為一複合層。像似參考層2 f ,此自由層包含一或多個鎳(Ni)、鈷(Co)和鐵(Fe)或是一 陣列,係以一或多個碳(C)、氮(N)、硼(B)、鍅(Zr)、釦 (Ta)、鉑(Pt)、鈮(Nb)或給(Hf ),藉以重量計算其摻雜’〜 濃度約於1 %至40%之間。此外,此自由層27可為一合成 鐵磁(SAF)層,其中二個鐵磁層例如鎳鐵(NiFe)藉由— (Ru)、铑(Rh)、銅(Cu)或鉻(以)耦合層分離。二 地二! —複合層,其中-第-鐵磁層為反平 間隔物。這些金屬間隔二匕透過-無鐵磁性之金屬 金(Au)、錯(Zr)、鎳路(物Ν·=鉻(⑴、组、銀Ug)、 紅轉’其結果於自由層中之一淨 適當的厚度,以避免蟻2lCr)、或鎳鐵鉻(NiFeCr)具有一 此自由層有一合成斥纖=耦合轉換於該二鐵磁層之間。當 穿隧阻障層2 6,其係柃^性(SAF )結構,第一鐵磁層鄰接至 層係於一反方向有一碼竣方中有一渴旋旋轉且該第二鐵磁 磁矩約為零。
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—案號 94125250 五、發明說明(11) 磁性穿隧接面(MTJ)30f之最上層為一覆蓋層28,具有 一約50至40 0埃的厚度,其具代表性的傳導材料如銅(Cu')、 釕(Ru)或包含一上釕(Ru)層的複合層。 一第二傳導線31形成於該上端表面28a之上並連接第二 絕緣層2 9,其係藉由一傳統的方法且為第二傳導線陣列的 一部份包含平行的位元線及平行的字元線。一磁性穿隧接 面(MT J )類似於磁性穿隧接面(MT J ) 3 0形成於一第二傳導線 和一第一傳導線之間,其每一位置位於一第二傳導線穿越 一第一傳導線處。由此可知於磁性隨機存取記憶體(MR AM ) 結構中之第一和第二傳導線,藉由已知的電鍍製程或一無 電鍍的方法形成,其中一片金屬薄膜沉積於一基板上,而 後圖案化形成傳導線。由熟悉此些技術人士所知悉者,此 第二傳導線3 1可包含一導電材料例如銅(cu ),其憑藉一磁 性層覆蓋於該線頂端和側壁。此導電材料的厚度較佳者係 低於5 0 0 0埃。面對該上端表面28a的第二傳導線31的底部係 沒有被一磁性鍍層覆蓋。此論述之目的,在於第二傳導線 此後將以一位元線3 1提及,而第一傳導線將以一字元線2 2 提及。在一方面,位元線3 1和字元線2 2垂直排列。在一讀 取操作中’一感測電流隨著該z軸直接通過位於字元線2 2和 位元線3 1之間的磁性穿隧接面(MT J) 3 0。 請參閱第4圖’為該磁性穿遂接面(MT j )的該上端表面 28a之俯視圖。由此可知於此磁性穿隧接面(MTJ)3()中的每 一層次皆具有和該上端表面2 8a相同的形狀。一實施例中 ’上端表面28a有一橢圓形狀,其中長軸32是沿著X軸建構 且有一長度c。短軸3 3是沿著y軸形成且有一長度d。較佳
第17頁 1283405 ____案號 94125250__年 月_Θ_修正___ .'五、發明說明(12) 者,c除以d ( c / d )的比率約小於3。因此,該磁性穿遂接面 〜(MTJ)30包含一橢圓形側壁、一上端表面28、一底部,介於 上端表面和底部之間的厚度約於5 0至1 0 0 0埃之間。雖然在 此實施例中此長轴吻合X軸且其短軸吻合y軸,但此X轴和y 軸的設計是可轉變。換言之,此長軸可沿著y軸形成而此短 軸可沿著X軸形成。 請參閱第5圖,一個二擇一的實施例圖示,其中該磁性 穿遂接面(MTJ)的上端表面28a為一不對稱橢圓的形狀,其 有一長軸3 6隨著該X軸形成有一長度b。此橢圓包含兩個半 橢圓(圖中未示),其具有短軸34和35尺寸為el和e2。分別 地’在此e 1大於e 2而e 1加e 2等於此不對稱橢圓之總寬度e。 此二個半橢圓隨著該X軸接合。在此範例,長度b與寬度e之 比率較佳者為小於5。選擇性地,此長軸36可隨y軸形成且 其短軸34和35亦可隨X軸形成。 請參閱第6圖,為一磁性穿遂接面(MT j ) 3 〇中的覆蓋層 2 8之上、表面俯視圖,圖中顯示其與字元線2 2及位元線3 1 之關聯。一絕緣層代表性形成為和該位元線3丨共面,其已 經移除以露出此第二絕緣層2 9。較佳者,此字元線2 2的寬 度wl較磁性穿遂接面(MTJ)3〇與上端表面28a的寬度d大50% 。代表性地’此寬度d和長度c皆小於5微米。 兩個前述於第4圖和第5圖的橢圓形狀允許一渦旋磁化 狀態以一順時釺方向旋轉或一逆時針方向旋轉形成於參考 層2 5和自由層2 7之中。此渦旋形成的方法說明如後。請參 閱第7圖,一實施例圖示在此該參考層2 5具有一渦旋磁化4 〇 以順時針方向旋轉,且該自由層2 7亦具有種渦旋磁化4 1以
第18頁 1283405 案號94125250 ' 年 月 曰 修正 -五、發明說明(13) 順時針方向旋轉,其結果造成一種低磁阻狀態χ'0π。選擇 性地,該參考層2 5和自由層2 7皆具有一種渦旋磁化以逆時 針方向旋轉以致形成一種低磁阻狀態。第7圖亦顯示一構 造,在此參考層具有一渦旋磁化4 0以順時針方向旋轉,而 自由層2 7具有一渦旋磁性4 2以逆時針方向旋轉,此時形成 一高磁阻狀態Μ ’’ 。這些熟悉此領域之技術人士將明瞭該 相同高磁阻狀態亦可發生於當該參考層和其自由層皆具有 一渴旋磁化而分別地以逆時針方向旋轉和順時針方向旋 轉。在所有範例中,一流量終止構造係用以達成在該磁性 穿遂接面(MTJ)之邊緣不會發生轉變。 本發明於該自由層中的轉變行為大多取決於内在薄膜 特性,例如轉換固定_合和M s t (磁性流量飽和X密度值)超 越於形狀之各異性。因此,根據形狀之各異性更多更高偏 壓運用於對照一傳統的磁性穿遂接面(MT J )。再者,一磁性 穿遂接面(MT J )含鐵磁層具高偏壓,而依照本發明之一橢圓 形狀能建構一更小的磁性隨機存取記憶體(MR AM )記憶胞, 其需要非常密集的磁性隨機存取記憶體(MRAM)陣列。另 外,藉由本發明該較高偏壓提供儲存位元之穩定性,值得 注目地,於一寫入的操作中半選擇性之磁性穿遂接面(MT J ) 記憶胞增加該磁阻至使其抹除。再者,一低深寬比率橢圓 形磁性穿遂接面(MT J )易於建製理想之高密度陣列。 在第8a和8b圖示中,電腦模擬狀態圖示一渦旋磁化如 何於一自由層27中形成。於一水平面中之各別的(x,y)座標 上,此自由層中多數小箭頭符號代表磁化方向,其係與基 板2 1平行。該X軸定義為沿著其橢圓形狀自由層的長軸之方
第19頁 1283405 _案號 94125250_‘年月日 修正_ '五、發明說明(14) 向和該y軸為沿著自由層的短軸之方向。在此這些略圖中, 此長軸和短軸的比率為1. 5,自由層2 7的厚度為8 0埃,其具 有600ems/cc之Ms值。在模擬狀態60 (第8a圖)中,此自由 層2 7的磁化方向5 0為最初地設定沿著+ X軸,其係藉由於此 + X軸方向中之一第一磁場應用1 0 0至2 5 0厄斯特。雖然此殘 餘磁化通常是平行的面對X轴,但自由層的每一末端有一微 弱盤旋此稱為一 ''C 〃狀態。其次,藉由一第二磁場一渦旋 磁化產生,其小於該第一磁場且其運用於-X方向。模擬狀 態6 1 (第8b圖)圖示,此渦旋磁化41係形成在運用該-X軸方 向中之一具有7 5厄斯特的一第二磁場之後,而後移除該第 二磁場。其重點為該第二磁場之磁力達到某種數值(成核 場)可引發一渦旋形成。在第二磁場移除之後,此渦旋磁化 4 1保持一種順時針方向旋轉。注意對於運用該第一及第二 磁場之移除的時間長度在此無論述。 於第9 a及9 b圖中為一電腦模擬狀態,圖中顯示如何在 一自由層2 7中建構一渦旋磁化以逆時針方向旋轉。在模擬 狀態6 2中(第9 a圖),此自由層2 7的磁化方向5 1為最初設定 沿著X轴,其藉由在此-X方向運用一大約100至2 5 0厄斯特一 第一磁場。一種稱為〃之狀態通常產生於自由層的每一 末端。其次,一渦旋磁化藉由運用一第二磁場引發,此磁 場小於第一磁場且運用於+ x方向。模擬狀態63中(第9b圖) 圖示渦旋磁化42形成於+ x方向運用一個磁力具有75厄斯特 之一第二磁場之後,而後再移除該第二磁場;第二磁場之 磁力規模到達一臨界值,其為成核場,以引發一渦旋形成 是很重要的。一經移除該第二磁場,此渦旋磁化4 2保持一
第20頁 1283405 案號 94125250 ____Ά 修正 五、發明說明(15) 逆時針方向旋轉。 請參閱第1 0圖,為一電腦立體圖中之結構轉變,在其 中X軸為運用磁場而y軸為磁阻的磁性等同對應。在此實施 例中,此自由層2 7有一滿旋磁化,其於逆時針旋轉方向如 第9圖所示,以及參考層2 5具一固定渦旋磁化在一順時針旋 轉方向中如該電腦模擬狀態6 4 (第1 2圖)所示。自第A點開 始,磁性穿遂接面(MTJ)處於一高磁阻狀態,藉由自由層27 中渴旋旋轉的轉變,磁性穿遂接面(Μ T J )在第E點轉變至一 低磁阻狀態。此程序包含在一 + X軸方向運用一第一磁場, 在此藉由一字元線22和位元線31之電流供應。第一磁場的 增強隨著該曲線7 1上升至第一步驟中的第Β點。結果,此渦 旋42a轉生向上(垂直於該第一磁場),更多磁化平行的朝向 該X轴,例如電腦模擬狀態6 5 (第1 3圖)。當第一磁場增強超 越臨界第B點,此滿旋4 2 a中斷並於+ X方向產生磁化方向, 例如電腦模擬狀態6 6 (第1 4圖)。此第一磁場移除後(曲線 7 2 ),此殘餘磁化(第C點)於X軸方向排列,但處於一 、' C " 狀態例如模擬狀態6 7所示(第1 5圖)。其次,一更小第二磁 場運用於-X方向。曲線73顯示該磁阻如何轉變,例如此第 二磁場增加。在第二臨界第D點,一渦旋磁化4 1 a以一順時 針旋轉引發於自由層2 7之中(第1 6圖)。此第二磁場移除之 後,此殘餘磁化保持一渦旋結構隨曲線7 4,在達到一低磁 阻狀態第E點之後仍保持一順時針旋轉。渦旋4 1 a轉變沿著y 軸於第二磁場移除之後以適應一低能量狀態。 在本實施例中,當自由層27有一 80埃的厚度及600 emu/cc之Ms值時,該臨界點第B點處於156厄斯特
第21頁 1283405 _案號94125250_年月曰 修正_ 、五、發明說明(16) (0 e r s t e d ),以及第二臨界點第D點處於-6 0厄斯特 、(0 e r s t e d )。當然,該臨界點第B、D點的評估,能非常倚賴 該自由層之Ms值、厚度和形狀。一實際的操作,其可明暸 該第一磁場代表性的使用大於或等於1 5 6 厄斯特以及並無 跳躍至第B點。而且,該第二磁場立即使用一 -6 0 厄斯特無 跳躍程式。代表性地,該第一磁場和第二磁場皆使用一 1至 1 0 0之十億分之一秒週期。另外,於第一磁場和第二磁場之 間的阻礙時間並無臨界,可轉變從0至大約1 0之十億分之一 秒。 請參閱第1 1圖,為一結構轉變之電腦模擬圖,其中磁 性穿遂接面(MT J)轉變自一低磁阻狀態轉變至一高磁阻狀 態。在實施例中,自由層2 7具有一順時針方向之一渦旋磁 化如第8 a圖所示,以及參考層2 5有一順時針方向有固定的 渦旋磁化如該電腦模擬6 4 (第1 2圖)。自第E點開始,此磁性 穿遂接面(MT J )處於一低磁阻狀態,此磁性穿遂接面(MT J ) 在第A點處轉變為處於一高磁阻狀態,其藉由在自由層2 7 t 轉變渦旋旋轉。此程序包含運用一於-X軸方向中之第一磁 場,其是藉由一字元線2 2和位元線3 1之電流供應。雖然代 表性地一跳躍程式(r a m p p r 〇 g r a m )無被使用以及第一磁 場具一相等或大於一即將使用的磁力第F點,第一磁場的規 模可隨該曲線75增強至於第一步驟中的第F點。於F點,此 渦旋轉變至垂直於第一磁場,在此-X方向更多磁化平行朝 向X軸。當第一磁場增強超越此臨界點第F點,此渦旋中斷 且此磁化方向通常以-X方向排列。此第一磁場移除後(曲線 76),此殘餘磁化(第G點)排列於此-X方向但處於一 〃狀
第22頁· 1283405 ___案號 94125250_年 月 ·曰修正 _ -五、發明說明(17) 態。其次,於+ X方向一更小第二磁場運用。曲線77顯示當 •該第二磁場增強磁阻如何轉變。在一第二臨界點第Η點,在 自由層2 7引發一渦旋磁化,其以一逆時針方向旋轉相似於 第9a圖所示。此第二磁場可立即運用一相等或大於第η點之 規模。第一磁場和第二磁場之間的阻礙時間較佳者為〇至大 約1 0之十億分之一秒。於该第二磁場移除後,此殘餘磁化 隨著曲線7 8保持一渦旋結構以及直至到達a點一高磁阻狀態 後仍保持一逆時針方向旋轉。在此實施例中,此臨界點F處 於-240 0e而弟二臨界點弟Η點處於+140 0e。然而,臨界 點第F、Η點的評估,仍非常倚賴該自由層之MS值、厚度和 形狀。 此轉變渦旋磁性狀態的方法是值得信賴的且更有選擇 力,超越轉變一具形狀各異性的磁性穿遂接面(MT J ),緣故 來自一磁性穿遂接面(Μ T J )具有一渦旋磁化且有一流量終止 結構和一更高偏壓,其歸於它的低深寬比率橢圓形狀。 一種重點於該參考層2 5中固定一渦旋磁化狀態為此渦 旋磁化必須發生在下斥鐵磁(AFM)層24其''固定〃渦旋結構 之前。當此斥鐵磁(AFM)層24包含始猛(PtMn),舉例而言, 則磁性穿遂接面(MTJ )圖案化至其要求之形狀而無須退火, 此斥鐵磁(A F Μ )層達到其斥鐵磁狀態。其次,一渦旋狀態藉 由第一方向的第一磁場引發於該參考層2 5中,如沿著+ χ轴 然後運用一與第一方向反方向之一更小磁力的第二磁場。 然後晶圓退火致使該鉑錳(PtΜη)層轉變或使其維持該斥_ 磁狀態。在此方面,此參考層之渦旋狀態為固定於不是順 時針即逆時針旋轉。二者擇一地,此參考層2 5之渦旋狀辦
第23頁 1283405 _案號94125250_年月 曰‘ 修正_ k五、發明說明(18) # 固定可藉由以高於斥鐵磁(AFM)層24的需求溫度先加熱基板 • 2 1,如同熟悉此領域的人士所知悉之技術,而後在參考層 中引發渦旋狀態,其結果產生是藉由退火基板無一磁場去 冷卻參考層的渦旋狀態。 以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特 點,其目的在使熟習此項技藝之人士能瞭解本發明之内並 據以實施,當不能以之限定本發明之專利範圍,即大凡依 本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾,仍應涵蓋在 本發明之專利範圍内。
第24頁 1283405 _案號94125250_年月曰 ‘修正_ -圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1圖為一剖面示意圖,圖示一形式上的磁性隨機存取記憶 體(MRAM)結構,其中磁性穿遂接面(MTJ)插置於一第一傳導 線和一第二傳導線之間。 第2圖為第1圖中之磁性穿遂接面(MTJ)之放大示意圖,圖示 該磁性穿遂接面(MT J )中的多層結構。 第3圖為本發明之一磁性隨機存取記憶體(MR AM )結構的剖視 圖,圖示其中磁性穿遂接面(MTJ)建構於一第一傳導線和一 第二傳導線之間,其側壁鄰接至一絕緣層。 第4圖為第3圖中之該磁性穿遂接面(MTJ)的俯視圖,圖示該 接面具有一橢圓形狀及一長軸和一短軸。 第5圖為本發明中選擇性的實施例之磁性穿遂接面(MT J )的 俯視圖,圖示此橢圓建構包含二個半橢圓以該相同的長軸 連接。 第6圖為第3圖中之該磁性穿遂接面(MT J )的俯視圖,圖示其 與一第一和第二傳導線之位置關係。 第7圖為顯示該渦旋如何於自由層和參考層中阻斷該磁性穿 遂接面(Μ T J )的低和高磁阻狀態。 第8a、8b、9a、9b圖為一電腦模擬狀態,其圖示如何運用 一磁性層中的最初磁化方向阻斷該渦旋旋轉方向。 第10及11圖為一略圖圖示於一自由層中之渦旋如何藉由運 用一跟隨該X軸第一場界而後一跟隨該-X軸之更小反向磁場 致使其從一方向轉變至另一反方向。 第1 2圖為一電腦模擬狀態其圖示於磁性穿遂接面(MT J )中之
第25頁 1283405 _案號 94125250_ 年月 曰_f|i£_ -圖式簡單說明 參考層的一渦旋磁化狀態。 第1 3 - 1 6圖分別為在多種轉變程度下一自由層中之磁化狀 態,其來自一渴旋旋轉從一方向轉變至另一反方向。 【主要元件符號說明】 1磁性隨機讀取記憶體(M R A Μ)陣列 2基板 3底層電極 4磁性穿遂接面(MTJ) 5第"^絕緣層 6位元線 7第二絕緣層 8第三絕緣層 9第三傳導層 1 0基底種子層 11斥鐵磁固定層(AFM) 1 2鐵磁固定層 1 3穿遂阻障層 1 4鐵磁自由層 1 5覆蓋層 2 0 - 2 1基板 2 2傳導線 2 2字元線 2 3種子層 24斥鐵磁(AFM)固定層
第26頁 1283405 _案號94125250_年月日 修正 , -圖式簡單說明 25參考層 2 6穿遂阻障層 27自由層 2 8覆蓋層 28a上端表面 2 9第二絕緣層 30磁性穿遂接面(MTJ) 3 1第二傳導線 3 1位元線 32長軸 3 3 - 3 5短轴 4 0 - 4 2渦旋磁化 4 1 a渴旋 4 2 a渦旋 5 0 - 5 1磁化方向 6 0 - 6 3模擬狀態 6 4 - 6 6電腦模擬狀態 6 7 - 6 8模擬狀態 7 1 - 7 8曲線
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Claims (1)
1283405 _案號94125250_年月日 修正 、_ •六、申請專利範圍 1 · 一種磁性穿遂接面(MTJ),具有一長度以及寬度,建 構於一磁性隨機存取記憶體(MR AM)之一第一傳導線以 及一第二傳導線之間,包含: (a ) —自由層,具有一摻雜物,用以降低其改變耦 合常數,該自由層具有一滿旋磁化,其具有一旋 轉方向; (b ) —參考層,具有一有一掺雜物,用以降低其改 變耦合常數,該參考層有一旋轉方向之渦旋磁 化,其固定是藉由連接一斥鐵磁(AFM)層;以及 (c) 一穿遂阻障層,位於該自由層與參考層之間。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J), 其中該自由層以及參考層之旋轉方向兩者皆為順時針 方向或兩者皆為逆順時針方向,並產生一低磁阻狀 3 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J), 其中該自由層之旋轉方向以及該參考層之旋轉方向相 反,以產生一高磁阻狀態。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J), 其中該磁性穿遂接面之長度與寬度係藉由一具有一厚 度、一頂端和一底部之橢圓形側壁來定義,其中該底 部位於該第一傳導線上,該頂端連接該第二傳導線, 以及決定該橢圓之側壁形狀,具有一低深寬比率(長 度/寬度)約小於3,其中以一長軸尺寸為該長度以及 短軸尺寸為該寬度。
第28頁 1283405 _案號94125250_年月曰 修正_;_ -六、申請專利範圍 5 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J ), 其中該磁性穿遂接面具有一不對稱的橢圓形狀側壁, 其具有一厚度、一頂端、和一底部,其中該底部位於 一第一傳導線上,該頂端連接一第二傳導線,以及該 不對稱的橢圓其限定側壁形狀是藉由兩個半橢圓構成 ,其有相同的長軸以及依隨該長軸接連,其中該第一 半橢圓具有一第一短軸的尺寸以及第二半橢圓具有一 第二短軸的尺寸,該第二短軸的尺寸小於該第一短軸 的尺寸。 6 ·如申請專利範圍第5項所述之磁性穿遂接面(MT J), 其中該不對稱的橢圓具有一沿著該長軸之長度以及一 寬度,該寬度為該第一與第二短軸尺寸的總合,且其 中該長度除以寬度的比率約小於5。 7 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J ), 其中該自由層以及參考層包含一或多個鎳(N i )、鐵 (Fe)以及鈷(Co),或其陣列,以及該摻雜物為一個碳 (C)、氮(N)、硼(B)、锆(Zr)、鈕(Ta)、鉑(Pt)、鈮 (Nb )或铪(H f ),藉以重量計算其濃度約於1 %至4 0 %之 間。 8 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J), 其中該斥鐵磁(AFM)層包含始锰(PtMn)、鎳锰(NiMn) 、锇猛(OsMn)、錶猛(IrMn)、釕猛(RuMn)、鍵锰 (RhMn)、把猛(PdMn)、釕姥猛(RuRhMn)或鉻飽锰 (CrPdMn)。
第29頁 1283405 _案號 94125250_年月日____ -六、申請專利範圍 9 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J ), 其中該參考層有一合成不平行固定(SyAP)結構,其中 一耦合層包含铑(Rh)、釕(Ru)、鉻(Cr)或銅(Cu)建構 於二鐵磁層之間。 1 0 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J ), 其中該自由層有一合成不平行固定(SyAP )結構,其 中一耦合層包含铑(Rh)、釕(Ru)、鉻(Cr)或銅(Cu)建 構於二鐵磁層之間。 1 1 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J ), 其中該自由層為一複合層,其中一第一鐵磁層為不平 行的磁耦合至第二鐵磁層,其通過一非鐵磁性金屬間 隔物。 1 2 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J ), 其中該第二傳導線係為一位元線,包含一電傳導無磁 性層,其厚度小於5 0 0 0埃以及其寬度比該磁性穿遂接 面的寬度更大。 1 3 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J ), 其中該第一傳導線係為一字元線,包含一電傳導材料 ,其厚度小於5 0 0 0埃以及其寬度比該磁性穿遂接面該 寬度大5 0 %。 1 4 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J ), 其中每一該第二傳導線以及該第一傳導線具有四邊, 包含一邊連接該磁性穿遂接面以及其中一磁性電鍍層 建構於該三邊上,此並無連接該磁性穿遂接面。
第30頁 1283405 _案號94125250_年月曰 修正_; -六、申請專利範圍 1 5 ·如申請專利範圍第1項所述之磁性穿遂接面(MT J ), 其中該自由層具有一約1 0至2 0 0埃的厚度以及該參考 層有一約1 0至2 0 0埃的厚度。 1 6 · —種磁性隨機存取記憶體(MR AM )結構,形成於一基板 上,包含: (a) —第一傳導線的陣列,位於一第一水平面上; (b) —平行的第二傳導線陣列朝向與第一傳導線垂直 的方向以及一第二水平面上,其係平行至該第一水 平面並位於該第一水平面上;以及 (c ) 一磁性穿遂接面(MT J )陣列,排列於該第一水平面 以及該第二水平面之間,其中一磁性穿遂接面位於 每一個一第二傳導線穿越一第一傳導線的位置,該 磁性穿遂接面包含: (1 ) 一自由層,具有一摻雜物,用以降低其改變耦合 常數,該自由層具有一渦旋磁化,其具有一旋轉方 向; (2 ) —參考層,具有一有一摻雜物,用以降低其改變 耦合常數,該參考層有一旋轉方向之渦旋磁化,其 固定是藉由連接一斥鐵磁(AFM)層;以及 (3) —穿遂阻障層,位於該自由層與參考層之間。 1 7 ·如申請專利範圍第1 6項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中該磁性穿遂接面有一長度以及寬度 ,藉由一橢圓形側壁,其具有一厚度、一頂端和一底 部來定義,其中該底部位於一第一傳導線上以及該頂
第31頁 1283405 _案號94125250_年月日__ -六、申請專利範圍 端連接一第二傳導線。 1 8 ·如申請專利範圍第1 7項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中該橢圓決定其側壁形狀,具有一長 軸尺寸,其係為該長度,一短軸尺寸係為該寬度,以 及該長度除以該寬度的比率約小於3。 1 9 ·如申請專利範圍第1 7項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中該橢圓限定其邊外圍形狀,其藉由 兩個半擴圓構成,其有相同的長轴尺寸以及依隨該長 軸接連,其中該第一半橢圓具有一第一短軸的尺寸以 及第二半橢圓具有一第二短軸的尺寸,該第二短軸的 尺寸小於該第一短軸的尺寸。 2 0 ·如申請專利範圍第1 9項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中該橢圓有一沿著該長軸之長度以及 一寬度,該寬度為該第一與及第二短軸尺寸的總合, 且其中該長度除以寬度的比率約小於5。 2 1 ·如申請專利範圍第1 7項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中該磁性穿遂接面有一長度以及一寬 度,其大約小於5微米。 2 2 ·如申請專利範圍第1 6項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中該自由層以及參考層包含一或多個 鎳(N i )、鐵(F e )以及鈷(Co ),或其陣列,以及該摻雜 物為一個碳(C)、氮(N)、硼(B)、鍅(Zr)、钽(Ta)、 鉑(Pt)、鈮(Nb)或銓(Hf ),藉以重量計算其濃度約於 1%至40%之間。
第32頁 1283405 ·*. __案號94125250_年月曰 修正_ -六、申請專利範圍 2 3 ·如申請專利範圍第1 6項所述之磁性隨機存取記憶體 (^^八%)結構,其中該斥鐵磁(八?河)層包含鉑錳(?七%11) 、鎳猛(NiMn)、锇猛(OsMn)、銀锰(IrMn)、釕I孟 (RuMn)、姥锰(RhMn)、把猛(PdMn)、釕姥猛(RuRhMn) 或絡把I孟(CrPdMn)。 2 4 ·如申請專利範圍第1 6項所述之磁性隨機存取記憶體 (MR AM)結構,其中該參考層為一複合層有一合成不平 行固定(SyAP )結構,其中一聯結層包含铑(Rh)、釕 (Ru)、鉻(Cr)或銅(Cu)建構於二鐵磁層之間。 2 5 ·如申請專利範圍第1 6項所述之磁性隨機存取記憶體 (MR AM)結構’其中該自由層為一複合層有一合成斥鐵 磁性(SAF)結構,其中一耦合層包含铑(Rh)、釕(Ru) 、鉻(C r )或銅(C u )建構於二鐵磁層之間。 2 6 ·如申請專利範圍第1 6項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中該自由層為一複合層,其中一第一 鐵磁層為不平行磁性耦合至第二鐵磁層,其通過一非 鐵磁性金屬間隔物。 2 7 .如申請專利範圍第1 6項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構’其中該第二傳導線係為一位元線以及該 第一傳導線係為一字元線,其皆有一小於5 0 0 0埃的厚 度。 2 8 ·如申請專利範圍第2 7項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中一或兩個該字元線以及該位元線包 含一磁性覆蓋鍍層,位於一電傳導層上,其中該磁性
第33頁 1283405 _案號 94125250_年月日__ -六、申請專利範圍 覆蓋鍍層並無覆蓋該電傳導層之外圍,該電傳導層面 對該磁性穿遂接面。 2 9 ·如申請專利範圍第1 7項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中該第一傳導線有一寬度較該磁性穿 遂接面(MTJ)的寬度大50%以及該第二傳導線有一寬度 較該磁性穿遂接面(Μ T J )的寬度大。 3 0 ·如申請專利範圍第1 6項所述之磁性隨機存取記憶體 (MRAM)結構,其中該自由層以及參考層之旋轉方向為 兩者皆順時針方向或兩者皆逆時針方向,致使該磁性 穿遂接面(MT J )中產生一低磁阻狀態。 3 1 ·如申請專利範圍第1 6項所述之磁性隨機存取記憶體 (MR AM)結構,其中該自由層之旋轉方向相反於參考層 之旋轉方向,致使該磁性穿遂接面(MT J )中產生一高 磁阻狀態。 3 2 · —種在磁性穿遂接面(MT J )之磁性層中形成一渦旋磁 化狀態的方法,包含: (a)提供一基板,其上形成有一沿著第一軸之第一傳 導線; (b )形成一磁性穿遂接面(MT J )於該第一傳導線上,該 磁性穿遂接面具有一橢圓形側壁、頂端與底部表面 ,一長度與一寬度,以及包含一參考磁性層以及一 自由磁性層,在此一殘餘磁化排列於一第一方向中 , (c )形成一第二傳導線連接該磁性穿遂接面之頂端表
第34頁 1283405 __案號94125250_年月曰 修正_ •六、申請專利範圍 面以及沿著一垂直於該第一軸之第二軸而形成; (d) 於該第一以及該第二傳導線產生電流,致使於一 第二方向中產生一反向磁場相反於該第一方向,該 反向磁場於該自由磁性層引發一渦旋磁化狀態;以 及 (e) 移除該反向磁場。 3 3 ·如申請專利範圍第3 2項所述之方法,其中形成該磁性 穿遂接面(MTJ)包含於該第一方向運用一高磁場,致 使產生該殘餘磁化,以及其中該反向磁場小於該高磁 場。 3 4 ·如申請專利範圍第3 2項所述之方法,其中一第一渦旋 磁化形成於該自由磁層,以及於該參考層中形成一第 二渴旋磁化。 3 5 ·如申請專利範圍第3 4項所述之方法,其中於該第一渦 旋磁化以及該第二渦旋磁化,兩者皆具一順時針方向 或逆時針方向旋轉,致使於該磁性穿遂接面中產生一 低磁阻狀態。 3 6 ·如申請專利範圍第3 4項所述之方法,其中該第一渦旋 磁化具有一旋轉,該旋轉相反於該第二渦旋磁化之旋 轉,致使該磁性穿遂接面中產生一低磁阻狀態。 3 7 ·如申請專利範圍第3 2項所述之方法,其中該橢圓決定 其橢圓形狀側壁,具有一長軸尺寸係為該長度,一短 軸尺寸係為該寬度,以及該長度除以該寬度的比率約 小於3 〇
第35頁 1283405 _案號94125250_年月曰 修正_ •六、申請專利範圍 3 8 ·如申請專利範圍第3 2項所述之方法,其中該橢圓決定 其橢圓形側壁為一不對稱的橢圓是藉由兩個半橢圓構 成,其有相同的長軸以及沿著該長軸接連,以及其中 該第一半橢圓具有一第一短轴的尺寸以及該第二半橢 圓具有一第二短軸的尺寸,該第二短軸的尺寸小於該 第一短軸的尺寸。 3 9 ·如申請專利範圍第3 8項所述之方法,其中該不對稱的 橢圓具有一沿著該長軸之長度以及一寬度,該寬度為 該第一以及第二短軸尺寸的總合,其中該長度除以寬 度的比率約小於5。 4 0 ·如申請專利範圍第3 4項所述之方法,其中該磁性穿遂 接面更包含一斥鐵磁(AFM)層鄰接形成於該參考磁性 層,該斥鐵磁(AFM)層固定該第二渦旋磁化以一順時 針方向或逆時針方向旋轉。 4 1 ·如申請專利範圍第3 2項所述之方法,其中該第一傳導 線以及該第二傳導線皆包含一電傳導層以及一磁性覆 蓋鍍層形成於其上,其中該磁性覆蓋鍍層並無覆蓋該 電傳導層之外圍,該電傳導層面對該磁性穿遂接面 (MTJ)。 4 2 ·如申請專利範圍第3 2項所述之方法,其中該自由磁性 層以及參考磁性層包含一或多個鎳(N i )、鐵(F e )以及 鈷(Co),或其陣列,以及該摻雜物為一個碳(C)、氮 (N)、硼(B)、锆(Zr)、钽(Ta)、鉑(Pt)、鈮(Nb)或铪 (Hf ),藉以重量計算其濃度約於1 %至40%之間。
第36頁 1283405 _案號94125250_年月曰 修正_ •,六、申請專利範圍 4 3 ·如申請專利範圍第3 2項所述之方法,其中該磁性穿遂 接面(MT J )為磁性穿遂接面陣列的一部份,其係形成 於該磁性隨機存取記憶體(MRAM)結構中之一第一電傳 導層陣列以及一第二電傳導層陣列之間。 4 4 · 一種轉變渦旋磁化狀態的方法,其係在一磁性穿遂接 面(MTJ)之一自由磁性層中自一第一旋轉方向轉換至 一第二旋轉方向,該方法包含: (a) 提供一基板,其上形成一第一傳導線,一第二傳 導線形成於該第一傳導之上並垂直該第一傳導線, 以及一磁性穿遂接面(MT J)形成於該二傳導線之間 ,該磁性穿遂接面具有一橢圓形側壁、頂端與底部 表面,一長度與一寬度,以及包含一自由磁性層, 其具一殘餘磁化排列於一第一旋轉方向中; (b) 於一第一方向產生一足夠磁力的一第一磁場,其 沿著一第一軸至中斷該渦旋磁化以及於該第一方向 之該自由磁性層中產生一殘餘磁化; (c )移除該第一磁場; (d) 於相對於該第一方向之一第二方向產生一第二磁 場,該第二磁場具有在一第二旋轉方向引起一渦旋 磁化之磁力,該第二旋轉方向係相對於該第一旋轉 方向;以及 (e) 移除該第二磁場。 4 5 ·如申請專利範圍第44項所述之方法,其中該第二磁場 具有一小於第一磁場的磁力。
第37頁 1283405 _案號 94125250___年月 日 鉻_ -六、申請專利範圍 4 6 ·如申請專利範圍第44項所述之方法,其中該磁性穿遂 接面(MTJ)更包含一參考層,在一第二旋轉方向具有 一固定渦旋磁化,其是藉由一鄰接的斥鐵磁(AFM)層 以及於步驟(e )後在該磁性穿遂接面(MT J )中產生一低 磁阻狀態。 47 ·如申請專利範圍第44項所述之方法,其中該磁性穿遂 接面(MTJ)更包含一參考層,在一第一旋轉方向具有 一固定渦旋磁化,其是藉由一鄰接的斥鐵磁(AFM)層 以及於步驟(e)後在該磁性穿遂接面(MTJ)中產生一高 磁阻狀態。 4 8 ·如申請專利範圍第4 6項所述之方法,其中該自由層具 有一大約100至2000 emu/cc的Ms值以及一大約10至 2 0 0埃的厚度。 4 9 ·如申請專利範圍第4 7項所述之方法,其中該自由層具 有一大約100至2000 emu/cc的Ms值以及一大約1〇至 2 0 0埃的厚度。 5 0 ·如申請專利範圍第4 8項所述之方法,其中該第一旋轉 方向為逆時針方向,該第二旋轉方向為順時針方向, 該第一磁場的磁力大約+ 50至+ 500厄斯特(Oersted)以 及該第二磁場的磁力大約-5至-200 厄斯特(Oersted) 〇 5 1 ·如申請專利範圍第4 9項所述之方法,其中該第一旋轉 方向為順時針方向,該第二旋轉方向為逆時針方向, 該第一磁場的磁力大約-50至-500厄斯特(Oersted)以
第38頁 1283405 ^_案號94125250_年月曰 修正_ ,六、申請專利範圍 及該第二磁場的磁力大約+ 5至+ 200厄斯特(Oersted) 〇 5 2 ·如申請專利範圍第4 4項所述之方法,其中該磁性穿遂 接面(MTJ)更包含一參考磁性層,其具有一渦旋磁化 ,且該自由磁性層以及參考磁性層皆包含一或多個鎳 (N i )、鐵(F e )以及鈷(Co ),或其陣列,以及該摻雜物 為一個碳(C)、氮(N)、硼(B)、锆(Zr)、钽(Ta)、鉑 (Pt)、鈮(Nb)或铪(Hf ),藉以重量計算其濃度約於1% 至4 0 %之間。 5 3 ·如申請專利範圍第44項所述之方法,其中該第一磁場 運用一大約1至1 0 0之十億分之一秒週期以及該第二磁 場運用一大約1至1 0 0之十億分之一秒週期。 5 4 ·如申請專利範圍第4 4項所述之方法,其中移除該第一 磁場包含一大約0至1 0之十億分之一秒週期,其中無 磁場。
第39頁 1283405 案號 94125250 Λ_η 曰 修正 '六、指定代表圖 (一) 、本案代表圖為:第3圖 (二) 、本案代表圖之元件符號簡單說明: 2 0、2 1基板 2 2字元線 24斥鐵磁(AFM)固定層 2 6穿遂阻障層 28覆蓋層 2 9第二絕緣層 3 1第二傳導線(位元線) 2 2傳導線 23種子層 25參考層 27自由層 28a上端表面 30磁性穿遂接面(MTJ)
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