TWI287871B - Synthetic-ferrimagnet sense-layer for high density MRAM applications - Google Patents

Description

1287871 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大致上係相關於非揮發性記憶體裝置，用以作為 電腦儲存使用，及特別地，係有關非揮發性記憶體陣列， 其使用磁性記憶體元件以做為該個別的資料位元。 【先前技術】 積體電路設計者總是在找尋理想的半導體記憶體：一種 能夠非常快速地隨機存取、寫入或讀取的裝置，該裝置係 為非揮發性，而且係不限次數地修改，及消耗少量能源。 逐漸地已經將磁性隨機存取記憶體技術視為能夠 提供許多這些優點。 一 MRAM裝置典型地包含一陣列的磁性記憶體元件丨】， 其位在於如同圖1中所示的列線路13及行線路15導體的相 夂處。一簡單磁性記憶體元件具有的一結構會在'圖2中更加 詳細地表示。該磁性記憶體元件包含鐵磁層17及19，其係 由一非磁性層21所隔開。在一鐵磁層17中的磁化作用，典 型地稱做為該釘紮（pinned)層，係固定在某一方向上。該其 他鐵磁層19的磁化作用，經常稱做為該感測層，係非釘紮 的，所以它的磁化能夠自由地相對於該釘紮層的磁化的，，平 行與反平行狀怨之間切換。該感測層也可以稱作為該，，自 由’’層或儲存層，因此應了解的是當使用該術語，，感測層，， 時，該術語的意義並非是限制於該專門用語而是該層所執 行的功能。 儲存在一 MRAM記憶體元件中的邏輯值或位元係與一阻 84381 1287871 值有關’而該記憶體元件的阻值係由該感測層磁化相對於 3釘紮層磁化方向的相對方向來決定。該感測層的磁化相 對於该針紮層磁化的平行方向會導致低阻值。相反地，回 應該反平行方向，該磁性記憶體元件將會表示高阻值。參 考圖2，讀取該記憶體元件的組值的方法係取決於用以形成 將該釘紮層17輿該感測層19分開的該非磁性間隔層21的材 料種類。假如該非磁性間隔層21係由一傳導層所組成，像 疋鋼’則該記憶體元件的阻值可以經由該巨磁阻效應（giant magnetoresistance)來感測，其通常係包含一平行於該記憶體 兀件的該長軸20的方向流動的電流。假如該非磁性間隔層 係由一絕緣材料所組成，像是氧化鋁，則該阻值可以使用 泫夯隨磁阻效應（tunneling magnetoresistance)來感測，而這 係利用一垂直於從該感測層19到該釘紮層17的該非磁性間 隔層21的平面的方向流動的電流來完成。 一邏輯的”0”或”；1”通常係利用施加外部磁場（經由一電流） 來寫到該磁性記憶體元件，該磁場會旋轉該感測層的磁化 方向。典型地，一 MRAM記憶體元件係如此設計使得該感 測層及該釘紮層的磁化係沿著一軸對準，該軸已知係為該 磁易軸（easy axis) 27·。外邵磁場係施加以將該感測層的方向 沿著其磁易軸翻覆成相對於該釘紮層的磁化的方向，不是 平行就是反平行的方向，這係取決於所儲存的邏輯狀態。 MR AM I置典型地包含一正交陣列的列及行線路（電導 體）’其係用以在窝入時，施加外部磁場於該等磁性記憶體 兀件，以及也是用以在讀取時，感測一記憶體元件的阻值。 84381 1287871 額外的寫入及讀取導體也存在於該陣列之中。在如同圖1中 所示的該兩導體位準實現中，該等磁性記憶體元件係位在 於該等列13及行15線路的相交處。 參考圖1，藉由流過該行線路15的電流所產生的該磁場係 在此稱作為該磁易軸窝入場（easy_axis write field)。該磁易 轴寫入場係與該MRAM位元11 (圖2a)的磁易軸23在同一直 線上。當流過該列線路13的電流時所產生的該磁場係在此 稱作為該磁難軸窝入場（hard-axis write field)。該列傳導線 路13所產生的該磁難軸寫入場係平行於該mram位元丨工的 磁難軸25流動。 一記體體元件係挑選用以窝入，當它係暴露於一磁難軸 及一磁易轴的窝入場時。每個寫入場，藉由自己本身及當 只有以該等傳導線路之一所產生時，係因而通常稱作為一 半選擇場（half-select fteld)，因為一單一場本身虑該不足以 大到可以切換一記憶體元件的該感測層的磁化方向。實際 上，然而該磁難軸窝入場係經常稱作為該半選擇場，而該 磁易軸寫入場係經常稱作為該立^。這兩場係用以執行 窝入操作於一特定記憶體元件，當其藉由將電流通過相交 於該選擇元件的導體13, 15 (11)施加於彼此相關。儲存在 該選擇記憶體元件内，供一讀取或寫入操作存取的位元在 此係稱作為一 ”選擇位元，，。 該方法用以選擇供寫入的位元並非係理想的。在一窝入 操作期間，該等與該特定行線路15相耦合的未選擇記憶體 元件係暴露於该磁易軸窝入場，相同地，該等與該特定列 84381 1287871 線路13相耦合的未選擇記憶體元件丨丨係暴露於該磁難軸寫 入場。因此，重要的是將在該等MRAM記憶體元件的陣列 中的雜散磁場限制於一個無法造成半選擇位元被寫入的數 值。某些盘散！的來源包含來自鄰近寫入導體的場、該等 鄰近記憶體元件的鐵磁層所散發出的雜散場，及位在該 MRAM裝置外部的來源所產生的場。假如該等雜散、磁難 軸，及磁易軸的場的該組合值係太小以致於無法讓窝入一 位元，則這些雜散場也可以抑制窝入一選擇記憶體元件。 將本身表現於窝入一記憶體元件所要求的該寫入電流中的 非理想行為之其他來源係起因於難以製造對該等所施加寫 入場相同反應的一陣列的MRAM記憶體元件。該效應之某 些來源包含元件對元件幾何形狀的變化、元件對元件磁性 性貝的變化、及熱致性磁化波動。因&，該等磁難及磁易 2窝入場之特定值，及因而導致的該等列及行線路寫入電 b係為種食協，使得選擇記憶體元件係以足夠總是窝入 它們的限度來選擇，及未選擇記憶體元件係絕不會暴露於 大到足以非故意寫入它們之場。 * #如超順磁性或熱致性磁化逆轉之類的熱效應，及來自 几所產生的雒散場的效應會造成AM裝置有問 題。這些機制之任一種都會造成不可預期的寫入及讀取行 為。使用傳統的單層相層，很難克服這些效應，因為該 MRAM的位元密度係增加。 表面上似典波動的肉 磁材料的磁化，#屬^^ !之熱擾動是鐵 “、抽象的觀念。鐵磁材料的磁化之方 84381 1287871 向及大小係以現實統計量表示。在任何材料中，熱能量的 波動係連續地以微觀尺度發生，此處該等熱擾動的大小係 由該材料的溫度τ所決定。這些波動在平均該考慮樣品的整 個數里時，決定該系統在巨觀上可觀察的性質。在微觀層 級上，鐵磁性材料中之任何原子朝向特定方向的磁矩量的 可能性係與該Boltzmann係數（eu/KbT)成正比。此處，在該例 中，u係為與一特定磁矩量方向有關的能量，而Kb係為 Boltzman系數。當一特定原子矩方向的能量降低，或是當τ 及該溫度能量增加時，一原子在一固定期間内朝向一特定 方向的可能性便會降低。假如該比值1[1/]^了變得夠小的話， 則3原子的磁矩量會在熱擾動的影響下，自發性地改變方 向。一MRAM記憶體元件的感測層可以視同為原子磁矩量 或自旋之集合，其係緊密地耦合在一起且對準於相同方 向。定位該感測層之磁化所要求的能量因此能夠視為某些 能量密度乘上該感測層的體積，即Usw=u”v。當該溫度增加 或該感測層體積減少時，該感測層被發現係處於特定方向 的可能性會降低。再次地，假如usw/KbT係小，該感測層的 磁化之方向會對溫度波動呈現不穩定。具有低數值的 usw/KbT的特徵之記憶體位元易於具有不佳的資料保持時 間 等待夠久的話，則一波動便能夠自發性逆轉該磁化 一能夠在相較於該要求的資料保持時間為短的時間尺度上 自發性地逆轉磁性的磁性記憶體元件可以說是已經到達該 超侧㈣⑲限。當到達該超側磁性極限時 元件也會變得更為^受到半選擇寫人事件或偶發性t 84381 1287871 寫：-選擇記憶體元件的影響，因為一熱擾動會使得一位 兀無法在一特定時間期間窝人，或是它會在一特定時間間 距内窝入一半選擇位元。注意的是增加嫌倾記憶體密度 需要降低一MRAM位元的體積，因此將該技術推向更為靠 近該超側磁性的極限，或是推向熱擾動變成問題的範缚内。 傳統MRAM記憶體元件也會承受位元間互相作用，其係 由於族磁性記憶體元件丨丨感侧層所產生的雜散磁場。一 MRAM記憶體元件u之感測層係會產生雜散場，因為它並 非是封閉的磁通量結構。它回應該感測層磁向的方向，因 此在該感測層的邊緣處形成磁極。該雜散場的方向因此係 隨著在纪憶體元件中感測層之磁化方向而變化。這些磁 極所產生的該等雜散場會隨著離該感測層的距離的增加而 減少。然而，在一 MRAM陣列中之任何記憶體元件中，相 較万；切換该位元所要求的場，該等鄰近元件的雜散場係值 得注意的。在未設計中，記憶體元件需要更為緊 密地封裝在一起會使該問題更為惡化。因此有必要降低在 一MRAM記憶體元件中之該等磁性層所產生的該等雜散 層，進而降低記憶體元件對溫度波動的敏感度。 【發明内容】 本發明揭示一種藉由使用改良式感測層，將與起因於熱 擾動不穩定性及雜散場交互作用而漸增的Mram記憶體密 度有關之問題取小化之方法及裝置。所提議的該修正 MRAM位元11的堆疊係以一合成鐵磁所架構以作為該感測 層。該感測層係如此設計使得該等合成鐵磁的鐵磁層經由 84381 -10- 1287871 一像是Ru或Cu的金屬化合物所組成的RKKY互相作用，透 過一間隔層（spacer layer)係為雜散場耦合及反鐵磁***換 耦合。 【實施方式】 參考該等圖示，圖1說明一陣列9的磁性通道連接記憶體 元件11之簡化部份之上視圖。複數個行傳導線路i 5 (也稱為 行線路）的每個係分別地形成在該陣列9之每行中的複數個 記憶體元件11上。複數個列傳導線路13 (也稱為列線路）的 每個係分別地形成在該陣列9之每列中的該等記憶體元件 11的下面。该等列線路13提供該磁難轴磁場，已知也是一 半選擇場給該等記憶體元件11，而該等行線路丨5提供該磁 易軸切換場給該等記憶體元件丨丨。因此，對一特定記憶體 元件11之寫入係要求針對該選擇記憶體元件^，在兩線路 13及15上之信號。除了寫入該等記憶體元件u乏外，該等 列13及行15線路也可以用來讀取磁性記憶體元件^。 為人所熟知的是該陣列9也可以將列線路13放在每個記 憶體元件11的上面而該行線路15放在下面來架構。雖然圖1 描述一種MRAM陣列之配置，但是其他配置也係可行的。 同樣地，可以利用彼此堆疊的方式來提供複數個陣列9 的記憶體元件11於一 MRAM記憶體裝置内。同樣地，對該 等磁性記憶體元件11的讀取可以使用各種導體來完成，使 用導體配置也一樣，其包含置放在該感測層之上、之下或 與同層的额外或不同導體。 圖2a說明一磁性通道連結記憶體位元丨丨之透視圖，該簡 84381 -11 - 1287871 化係為了說明。一第一鐵磁層17 (由複數個堆疊的薄磁性層 所組成）及一第二鐵磁層19 (由其他複數個堆疊的薄磁性層 所組成）係與一絕緣非磁性間隔層21 —起形成，像是位於其 間之氧化鋁。該記憶體元件18之寬度（W)係定義成沿著該記 憶體元件得感測層的磁難軸25之距離。該記憶體元件20之 長度（L)係定義成沿著該記憶體元件之感測層之磁易磁性 軸23之距離。該記憶體元件11之長度（L)尺寸20通常係大於 該記憶體元件之寬度尺寸（W) 1 8。該感測層之縱橫比係定 義為L/W。在沒有施加一磁場（H)下，該感測層19係製造成 具有該感測層19之兩平衡磁性矩方向2 7之一較佳軸。沿著 該磁易軸23該感測層19之磁化有兩種可能的方向，其定義 該感測層19之兩磁性矩狀態2 7。相反地，該釘紮層17係製 造成只具有一磁化平衡或是較佳的磁化之磁性矩方向，而 該方向通常係與該感測層19之磁易軸23平行。該感測層I? 之磁性矩2 7較可邊選擇對準該磁性記憶體元件11之該l尺 寸20’或磁易轴23。 當圖1及2a說明一矩形的記憶體元件11，應了解的是該等 記憶體元件11能夠以任何想要形狀成形，包含橢圓形，像 是如圖2b中所示。其了矩形之外的位元形狀可用以改良一 陣列的記憶體元件之磁性特徵。本發明可實施於各種形狀 的記憶體元件，因此並非限於圖以中所示的該矩形位元形 狀。 圖3說明根據本發明建構之一示範改良式磁性通道連結 記憶體元件堆疊11。該記憶體元件u係由一連_材料層所 84381 -12- 1287871 組成，在一字元線路導體13與一行線路導體15之間，每一 層係形成於其他層之上。圖3中從下到上之磁性通道連接堆 疊係包含一基材31、一絕緣層33、該非鐵磁性金屬傳導列 線路13、一非磁性金屬層35、一長成反鐵磁性（af)材料層 39心種子層37、一第一鐵磁層41、該反鐵磁層39，而第一 鐵磁層41包含一釘紮層43、一非磁性通道障壁層45、一第 二鐵磁層47、一傳導間隔層49、一第三鐵磁層51、一非鐵 磁金屬層55,及該傳導行線路丨5。一合成亞鐵磁（femmagnet) 係被提供以作為感測層53，其包含該第二鐵磁層〇、間隔 層49及第三鐵磁層51。該第二鐵磁層47、間隔層的及該第 二鐵磁層51係架構成使得該第二鐵磁層47與該第三鐵層 係可以經由一 RKKY互相作用，透過在下面會進一步解釋的 該傳導間隔層49及耦合雜散場，為反鐵磁地互換耦合。 RKKY互相作用，也以該如如脱卜幻制而㈣卜加也理論 聞名’係為在鐵之内自旋之有效互相作用之模型。 該等術語鐵磁性（ferromagnetic)、反鐵磁性、亞鐵磁性 (femmagnetic)及順磁性（paramagnetic)需要更為詳細地加 以描述。鐵磁性材料可以視為一種由原子所組成之材料， 该原子具有磁矩或更精確地說具有”自旋”，這些原子备易 於彼此平行地對準而處於平衡狀態。因為該等原子彼此會 互相平行地對準之自旋性，該材料係具有為人所知的自發 性磁化’換耳之，該材料在沒有施加磁場之下，具有一淨 磁矩。這僅僅只對小長度尺度係為真。當鐵磁性物質夠大 時’它們會打散成數個磁疇（magnetic domains)，這可以降 84381 -13 - 1287871 低與該材料所產生的雜散場有關的能量，因而成為能量地 合適。要、/王意的是為了讓一材料内的鄰近原子之自旋能夠 彼此平行地對準，必須要在該等原子之間具有某些種類的 互動作用。該互動作用係為一量子力學效應，已知稱為交 換互動作用。或者，該交換互動作用可以利用一交換場來 描述。為了本文件之目的，該交換場之正值係表示在鄰近 自旋之間的鐵磁性耦合。一些常見的鐵磁性材料包含該等 元素鎳（Ni)、鐵（Fe)及鈷（c〇)，及多種合金，最常見的是鐵 化鎳（NiFe)。 反鐵磁係屬於固體磁性的類型，像是氧化錳（Mn〇)，其中 鄰近離子之行為就像是小型磁鐵（例如氧化錳離子，Mn2+) 在相當低溫下，在整個材料内自發性地以平行或反平行的 配置自我對準，使得該材料表現出幾乎沒有總外部磁性。 在反鐵磁性材料中，除了某些離子固體之外，其包含某些 金屬及合金，定位在一方向上之原子或離子所造成的磁性 係被該組對準於該相反方向上之磁性原子或離子所抵消。 為了本發明之目白勺，反鐵磁***換鞭合係表示該交換場之 負值。鐵磁性材料係為人所知，所以在本質上係能夠被建 構或發現。一些相關的鐵磁性材料的範例包含錳化鐵 (FeMn)、錳化鎳（ΝιΜη)、錳化鉑（PtMn)及錳化銥（IrMn)，常 常係用以釘紮一 MRAM記憶體元件之釘紮層。 一簡單亞鐵磁性材料係一種由在内部網格化 (mtenneshmg)陣列上之具有不同自旋值之磁原子所組成的 材料。鄰近料間之交換棋合係反鐵磁性，使得該等不同 84381 -14- 1287871 的子晶格（sub lattices)係以相反方向定位。因為與該等不同 子晶格有關的自旋係不同，所以存在一處於平衡狀態之淨 磁性量。因此亞鐵磁能夠表現一自發性磁性。該等最常見 到的亞鐵磁材料的類別係鐵氧體（ferrite)。 一順磁鐵係一種具有很強的熱擾動能量使得其蓋過鄰近 自旋間之交換互動作用之磁性材料。在這些材料中，該等 原子自旋的隨機方向造成在沒有施加磁場下產生零淨磁 性。當將一磁場施加於這些材料時，對於該等自旋的某些 部分會變得更有可能平行對準該施加場。隨著該施加場增 加，該順磁之磁性也增加。常見的順磁性材料包含銘（A1) 及K。同樣應注意的是鐵磁性材料在高溫下會變成順磁性， 此處熱擾動效應係蓋過該交換互動作用。該溫度已知稱為 該居理溫度（Curie temperature)。 兩鐵磁層能夠透過一非鐵磁性材料彼此間交诶耦合，而 該效應對於MRAM技術係相當重要。兩鐵磁層能夠藉由將 一層（例如該第三鐵磁層51)堆疊在具有一薄傳導間隔層（例 如層49，其末在該兩層47、5 1之間）之該其他層（例如該第二 鐵磁層47)之上而造成反鐵磁性地耦合，這係強制以相反方 向對準。兩反鐵磁性地搞合的鐵磁層的堆疊經常在假如該 等鐵磁層之淨矩沒有消除的話，稱作為一合成亞鐵磁 (synthetic ferrimagnet)，而假如該堆疊的淨矩係為零的話， 則稱作為一合成反鐵磁。 橫跨該傳導間隔器層49所發生的該相關的交換耦合係為 反鐵磁性，而通常稱為RKKY耦合。局部化磁矩之間的該 84381 -15- 1287871

Ruderman-Kittel-Yasuya-Yoshida (RKKY)互相作用係為一主 金屬（host metal)之傳導電子所傳達之一交換互相作用。通 常，該交換耦合的大小會減少，然後在與漸增的間隔層49 厚度相耦合之鐵磁與反鐵磁間震盪。在鐵磁與反鐵磁對準 間的該磁耦合之震靈（作為内部層厚度之函數）係為一般轉 換現象，金屬鐵磁係由一非鐵磁傳導内部層所分隔。 一合成亞鐵或反鐵磁之間隔層（例如4.9)必須係具有適合 的厚度，及由適合材料（例如銅化釕（RU Cu或各種不同的合 金））所組成，使得在該等兩鐵磁間所產生的該交換耦合係為 反鐵磁性，而具有所要求的大小。在本發明中使用兩種反 鐵磁性耦合的機構。這些機構就是雜散場耦合，其係為該 等層47及51之邊緣所產生的該等場之結果，以及交換車禹 合’其係為發生在整個該間隔層49中之互動作用。為了所 有意圖及目的，雜散場耦合直到該磁性記憶體元件已經模 式化才有意義。在整個該間隔層49中之交換耦合係在放置 藏等磁性薄膜之後馬上就存在。雜散場耦合係取決於磁性 尤憶體元件的大小，而在整個該間隔層49中之該交換|禺合 則是與該記憶體元件的L及W尺寸無關。 V圖4說明一 MRAM裝置之一合成亞鐵磁性感測層部分53 之橫斷面之概要表示，這將用以定義基本上用以描述本發 明之尺寸及參數。該合成亞鐵磁感測層53係由鐵磁層47及 51所組成，而由一傳導金屬間隔49所分隔，該間隔既非鐵 磁性也非反鐵磁性。該合成亞鐵磁感測層53之該等三層係 被模式化到一具有長度L及寬度形狀上。假設為了揭露 84381 -16- 1287871 該合成亞鐵磁感測層之目的，該形狀係為橢圓形，但是沒 有必要為了實行本發明而限制要為橢圓形。層47係由一具 有磁性]V[ 1之鐵磁性材料、飽和磁性Msat 1，及厚度11所組 成，使得假如層47係與該堆疊的剩餘部分為磁性隔絕，則 它將具有一矯頑值（coercivity)為Hcl。在沒有施加一磁場情 形下’ Ml將定位於沿著一磁易軸之兩可能方向之一。同樣 地，層51係由一具有磁性M2之鐵磁性材料、飽和磁性Msat2 及厚度t2所組成，使得假如層51係與該堆疊為磁性隔絕， 則它將具有一矯頑值為Hc2。在沒有施加一磁場情形下， M2將足位於沿著一磁易軸之兩可能方向之一。因為層係 被模式到一有限空間範圍之形狀，它產生一雜散磁場73， 其通過該層51之體積。該雜散磁場73係定義為Hdl2。在該 層51之體積内，Hd 12指向與該Ml方向相反之方向。以類似 方式模式化到一有限空間範圍之形狀之層51也會產生一雜 散磁場71，其通過該層47之體積。該雜散磁場71係定義為 Hd2卜在該層47之體積内，Hd21指向與該M2方向相反之方 向。假如該間隔層49係由一適當材料所組成並且以厚度ts 沉積，則可以傳達在鐵磁層47及51之間的反鐵磁***換隸 合。為了簡化起見，該交換耦合係表示成一磁場，其在層 47及51内係為相同大小Hexc。該交換場之定義只是用以說 明起見，而本發明並非要限制於在層47及51中相等交換場 之實例。該交換場Hexc係要成為反鐵磁性。因此在層47中， Hexc將會指向於與M2相反之方向，而在層51中之交換場將 會指向與Ml相反之方向。 84381 -17- 1287871 為了要建立一合成亞鐵磁感測層以及實現其優點，必須 遵循兩狀況，包含降低的内部位元互動作用極改良式熱穩 定性。首先，

Msatl*tl Φ Msat2*t2 ^ % 這係確保在該感測層有足夠的淨磁矩，使得它能夠以合理 的寫入場值寫入。其次，Ml必須隨時保持與M2反向。然而， 在實際的裝置中，線性關係會有些偏移，該線性關係偏移 愈大，則該裝置效能就愈差。為了讓Ml及M2能夠保持反 向，該等雜散場Hdl2及Hd21，及交換場Hexc必須設定成使 得Ml與M2間的反鐵磁方向在所有操作狀況下都很穩定。因 此一合成亞鐵磁感測層之設計者必須要正確地選擇該等參 數Msatl、Msat2、tl、t2、ts、Hcl、Hc2及該間隔的材料之 適當組合，以便建立穩健裝置。將Hecx考慮進來可以對裝 置設計提供比單獨使用雜散場所提供的更有彈性。特別 地，Hexc允許該設計者在選擇tl、t2及位元形狀時比可能只 有使用Hdl2及Hd21有更多的自由度，以在層47與51之間產 生反鐵磁耦合。 本發明之一實施例也可以使用巨磁阻（GMR)感測器來實 行。在一 GMR感測器中，該絕緣穿隧障壁45可以用像是銅 之導體來取代。窝入可以使用一 TMR感測層53，以對MRAM 位元11所執行的完全相同方式來執行，但是讀取卻是利用 流動一平行於該位元11之平面（相對於在該TMR MRAM位 元11實例中係為垂直）之電流來執行。一不同配置的列13及 行15傳導線路或額外傳導線路係被要求以一 GMR感測器來 84381 -18- 1287871 (micromagnetic)計算，所計算出一單一 4 nm厚度的鐵化鎳的 橢圓形模式的感測層（270 nm X 180 nm)之磁滯迴路 (hysteresis loop)與一合成亞鐵磁感測層53之磁滞迴路的比 較，該合成亞鐵磁感測層係類似於圖5b中所示，具有相同 尺寸及形狀。另外一種用以檢視熱穩定性之方法係觀察要 求寫入一位元之能量。對於一未選擇的位元，該能量係可 以表示成E=l/2Msat*Hc*V。要注意的是該合成亞鐵磁感測 層53之矯頑磁場（He)值係比該單一層薄膜之He值還要大 3 5%，以及該合成亞鐵磁之磁容積（volume)係為該單一層的 磁容積的3倍。磁容積及He之增加係有效地增加該熱穩定係 數1.35 * 3 = 4.05倍。同樣地，要注意的是該要求矯頑場並 沒有大到使得它會要求過大的電流以窝入一磁性位元11感 測層53。 圖7說明一具有Hexc = 0 Oe及Hexc二200 Oe的合成亞鐵 磁感測層之為磁性模擬。比較該Hexc = 0 Oe及該Hexc = 200 〇e實例之間，以說明將層47與51間的反鐵磁交換耦合包含 在該合成亞鐵磁感測層53内的優點。圖7中之該垂直軸係指 該合成亞鐵磁感測層的正交化磁矩，而該水平軸係指該磁 易軸寫入場。該平面圖係稱作為磁滯曲線或M(H)迴路。有 興趣的三個Η場數值在該等每個M(H)迴路中係很明顯的。 在該M(H)迴路中之該場H02處所發生的一突然轉變係產生 於當兩層47及51同時反向而因此保持在相反方向上時。在 該Μ中之該場H01及H03處所發生的該突然轉變係產生於當 兩層47及51改變方向係與其他層無關時。該場Η01及Η03的 84381 -20- 1287871 突然轉變的存在係意指Ml及M2能夠指向相同方向，當該感 測層係以很強的一寫入場寫入時。該合成亞鐵磁感測層53 因此會產生大於所要求的雜散場Hib。因此以大於H03之場 來窝入該位元並非所要求。再者，有可能H01會靠近0 Oe， 在該實例中，該合成亞鐵磁感測層係不穩定的，而磁化成 數個非所要的狀態。該等數值HOI、H02，及H03所有都是 關键地依賴於該等參數Msatl、Msat2、tl、t2、ts、Hcl， 及Hc2之數值。應注意的是所有其他裝置參數相同時，一反 鐵磁交換場之包含藉由將該等場H01及H03移動到較高數 值，會增加場H01與H02之間的分隔。該反鐵磁交換場也會 降低H01與H03間的差異，一效應導致一更為磁性穩定的感 測層。因此Hexc允許對於合成感測層之最佳化有更大的自 由度。假如該狀況H02<H01成立，則能夠表現導致所有相 關的窝入場的Ml及M2的反平行方向的Hexc的最小值係存 在。雖然要解析地解出該狀況係有困難，但是大概可以推 算[Hexc]係大於（（l/2)*[Hcl-Hc2+Hd21-Hdl2])，因為 Hexc 可用以穩定化一不穩定的合成亞鐵磁感測層的設計，而可 以提供在選擇Msatl、Msat2、tl，及t2時有較大範圍，導致 能夠建立一具有改良的熱擾動及降低雜散場Hib之感測層。 假設該最小交換耦合情形係符合的，該合成亞鐵磁感測 層53之磁性質在大範圍的Hexc數值上係穩定的。圖8係用以 展示變化Hexc的效應。圖8係為272 nm乘上180 nm大小的橢 圓形合成亞鐵磁感測層的該寫入場Hsw係作為Hexc與該磁 難軸偏移場Hy selected的函數的圖。該模擬堆疊係為鐵化鎳 84381 -21 - 1287871 (8 nm)/間隔/鐵化鎳（4 nm)，這係被挑選以允許該Hexc = Ο 〇e點能夠在該整個範圍的窝入場中作為一合成亞鐵磁感測 層來操作，也就是說，Hsw<H02。參考圖8，窝入餘裕可以 定義成該Hsw—selected與Hsw—unselected曲線之間的垂直距 離。我們期望能夠具有大的窝入餘裕，因為這允許該感測 層能夠以一被挑選能最大化一 MR AM陣列中的位元良率 (bit yield)之場值來寫入。從圖8中可以看出這係很明顯的， 當Hexc<200 Oe，寫入餘裕並沒有改變。當Hexc增加超過200 〇e時，寫入餘裕係緩慢地減少。在某些較大值的Hexc，窝 入餘裕會變成0，而該感測層無法被選擇用以在沒有寫入所 有位在該相同列線路上的位元下寫入。Hexc的上限係相當 程度地取決於該等參數Msatl、Msat2、tl、t2、ts、Hcl及 Hc2，這係需要對於每個裝置設計以實際經驗來決定。Hexc 可以藉由適當地挑選間隔材料、間隔厚度、Msatl、Msat2，tl 及t2來設定。 參考圖9，係揭露一種用以製造本發明之一實施例之可能 程序。要注意的是在該堆疊中的該等層也可以倒轉，這會 導致該等程序步驟的變化及可能也會改變方法。在任何狀 況下，首先，在處理區段113，該釘紮或參考層43係進行沉 積。該釘紮層4 3可以係一搞合的反鐵磁及鐵磁層結構、一 合成亞鐵磁、或一與一合成亞鐵堆疊相耦合的反鐵磁層。 該釘紮層43的材料可以從已知材料中挑選，這些可以供釘 紫層43結構使用包含4孟化鐵、巍化銀、巍化銘、鐘化鎳， 或氧化錄。對於一單一層釘紮層43或是在一辆合的反鐵磁 84381 22- 1287871 及鐵磁層的實例中，錳化銥可以供該反鐵磁層使用，而鐵 化鎳可以供該鐵磁層使用。接著，在處理段115中，該釘紮 層43係充分地平順化，其利用例如濺鍍蝕刻或其他技術， 以降低層表面不規則（Neel耦合）所引起的該磁場耦合。在處 #又117中 薄牙隨障壁層4 5係進行沉積。該穿隨障壁可 以從已知的材料中挑選，包含氧化鋁（Al2〇3)。在處理段ιΐ9 中該第一鐵磁層47係由像是鐵化鎳之類的鐵磁性材料所 形成，使得充分的鐵磁交換耦合及雜散場71、73耦合係出 現在孩第二鐵磁層47及將會接著沉積的該要求第三鐵磁層 51之間。最後，取決於該等材料的挑選，整個堆疊應該在 磁場存在的情形下進行退火，以便設定該等各層正確的磁 化方向。 充分的反鐵磁交換耦合係指一感測層53的設計，其提供 反鐵磁交換耦合於該第二鐵磁層47與該要求第三鐵磁層 5 1(接著形成）之間，使得該反鐵磁交換耦合係超過零而小於 一數值，在經過層47與橫跨過間隔層47之層51的反鐵磁交 換耦合的某一點之後，這要求一顯著增加的磁切換場強度 (Hsw) 〇 正如圖8所和，假定一特定合成亞鐵磁尺寸及材料，在反 鐵磁交換耦合之某一點（例如200 Oe)之後，所要求用以執行 窝入k作所施加的磁場（Ηχ)必須要增加，因此而增加要 求用以執行該感測層53磁矩75、77方向的切換的電流。在 某點’ § Hexc太強時，一磁難軸偏移（在相對該磁易軸19 心9〇度）將不夠充分以窝入該磁記憶體位元（11)感測層53 84381 -23 - 1287871 (切換該感測層53磁矩77、75的方向）。 接著，在處理段121中’該第二鐵磁層47可以平順化以降 低Neel耦合（界面不規則所引起在層47與51之間的磁搞 合）。在處理段123中，該間隔元件49係由形成間隔層的材 料形成，其包含允許反鐵磁交換耦合的Ru、鉻（Cr)或銅， 使得充足的反鐵磁交換耦合及雜散場耦合係出現在橫跨在 該第一鐵磁層4 7與該要求的第三鐵磁層51之間的間隔層 49。在處理段125中，該地三鐵磁層51係由像是鐵化鎳的鐵 磁材料所形成在該間隔層49之頂端，使得充足的反鐵磁交 換耦合及雜散場耦合係出現在橫跨在該第二鐵磁層47與該 第三鐵磁層51之間的間隔層49。再次地，要注意的是該反 鐵磁交換耦合屬性係取決於磁記憶體位元i丨的設計，包含 感測層設計、位元大小及材料，因而變化以達成所要求在 該感測層53中，充足的反鐵磁交換耦合及磁矩切換點分隔 之效應。 圖10說明一處理器系統151，其包含一 MRAM記憶體陣列 9，該陣列係由根據本發明之一實施例所見夠的磁記憶體元 件11所組成且與一處理器相耦合，例如用以資料交換的中 央處理器單元15 3。該等磁記憶體位元11係電氣地搞合到該 處理器15 1，以致於能夠允許從該等記憶體位元讀取及寫入 資料。該等磁記憶體位元11可以透過一記憶體控制器及未 繪圖的匯流排系統與該處理器151相耦合，或是透過其他資 料轉換結構與其他組件相搞合。 已針對本發明之各種特定實施例提出參考。這些實施例 84381 24- !287871 係利用充分細節來描述，以讓熟悉該項技藝者能夠實行本 發明。應了解的是本發明的其他實施例也可以採用，但是 結構及電氣的變化要在不悖離本發明的範圍或精神下完 成。 【圖式簡單說明】 本發明的這些及其他的特徵及優點從下列詳細描述中可 以更加了解，這係與該等伴隨圖示一起提供。 圖1說明一 MRAM磁性記憶體裝置中—陣列之磁性記憶 體元件之部分之上視剖面圖； & 圖2a說明一簡化的之磁性記憶體位元之透視圖，· 圖2b說明根據本發明之—示範實施例建構的—磁性記憶 體位元之上視圖； 圖3說明根據本發明之一示範實施例建構的一磁性記憶 體元件之橫斷面視圖； 圖4說明根據本發明之—示範實施例建構的—磁性記憶 體元件感測層之橫斷面視圖’其顯示磁場及磁矩量屬性； 圖5a說明根據本發明之一示範實施例之雜散場與合成鐵 磁上層厚度間的關係； 圖5b說明根據本發明之，示範實施例建構的—磁性記憶 體元件感測層之橫斷面視圖； 圖5c說明具有一位元與該鄰近位元相互作用而產生的雜 散場之兩鄰近位元之視圖； 圖6說明根據本發明之一示範實施例建構的—磁性記憶 體元件的磁滞迴路與不具有—合成鐵磁之感測層之磁滯迴 84381 -25- X287871 路的比較； 圖7說明根據本發明之—示範實施例建生^ 體7L件感測層的磁滞迴路與不具有反鐵磁性駆γ交換輕 合4磁性記憶體元件感測層之磁滯迴路的比較； 圖8說明當反鐵磁性RKKY交換搞合變化時，在根據本發 明之-示範實施例建構一合成感測層上執行一窝入操作所 要求的磁場密度之比較； 曲圖9說明根據本發明之一示範實施例之製造一磁性記憶 體元件之處理順序；及 圖10說明併入具有根據本發明之一示範實施例建構的記 fe體兀件之MRAM記憶體裝置之處理器系統。 【圖式代表符號說明】 9 11 13 15 17 18 19 20 21 23 25 27 陣列 磁性穿隧結點記憶體元件 列傳導線路 行傳導線路 鐵磁層（釘紮層） 該記憶體元件 鐵磁層（感測層） 長軸 非磁性層 磁易轴 磁難轴 兩磁矩狀怨 84381 -26- 1287871 L 長度 W 寬度 31 基材 33 絕緣體層 35 非磁性金屬層 37 (SEED) 種子層 39 反鐵磁層 41 第一鐵磁層 43 (ΡΙΝΙ) 釘紮層 45(T) 非磁性穿隧障壁層 47 一第二鐵磁層 49(S) 一傳導間隔層 51 一第三鐵磁層 53 (SENSE) 感測層 55 非鐵磁層金屬層 AF 反鐵磁性 71> 73 雜散磁性層 ts 厚度 Ml、M2 磁化 Hib 内部位元雜散場 151 處理器系統 153 中央處理器單元 84381 -27-

Claims (1)

125 ’祭—07109號專利申請案 f:丨輪梅r| 中文申請專利範圍替換本(％年2月/-一1—二::二么， 拾、申清專利範園： 1· 一種磁性記憶體元件之感測層，該感測層包含： 一第一可磁化層，具有定位於一第一方向上之磁矩； 一第二可磁化層，具有定位與該第一方向相反之一第 二方向上之磁矩； 一間隔層，其形成於該第一及第二可磁化層之間； 該等層係由足以提供雜散場耦合在跨越該間隔層的該 第一及第二層之間之材料及厚度所形成，使得該等第一 及第二層具有的磁矩係互為反平行方向；及 違等層係由足以提供反鐵磁交換搞合於跨越該間隔層 的該第一及第二層之間之材料及厚度所形成，使得該第 一及第二層的磁矩係在施加磁場的情形下，能夠自由地 實質上同步地旋轉，使得該等可磁化層的該第一及第二 磁矩能夠以該第一及第二方向的另一個方向來定位。 2·如申請專利範圍第1項之感測層，其包含： 一薄層，與該第一可磁化層有關，係由鈷所組成，插 入在該間隔層與該第一可磁化層之間；及 一薄層，與該第二可磁化層有關，係由鈷所組成，插 入在該間隔層與該第二可磁化層之間。 3·如申請專利範圍第1項之感測層，其包含： 一薄層，與該第一可磁化層有關，係由鐵化鈷所組成， ***在該間隔層與該第一可磁化層之間；及 • 一薄層，與該第二可磁化層有關，係由鐵化姑所組成， ***在該間隔層與該第二可磁化層之間。 84381-960216.doc _ 1 -

' ^ J y ___ m 一-似一^一〜 I 1287餐79|1071〇9號專利申請案 中文說明書替換頁(96年2月） 4. 如申請專利範圍第i項之感測層，其中 磁化層包含至少一層係為鐵化鎳。 〃 5. 如申請專利範圍第！項之感測|，其中該_第一與第二可 磁化層包含至少一層係為鐵化鈷。 、 6·如申請專利範圍第i項之感測層，其中該 磁化層包含至少一層係為姑。 心-可 7·如申請專利範圍第丨項之感測層，其中該等第一與第二可 磁化層包含至少一層係為鐵。 8·如申請專利範圍第丨項之感測層，其中該等第一與第二可 磁化層包含至少一層係為鎳。 ” 一 9·如申請專利範圍第丨項之感測層，其中該等第一與第二可 磁化層包含至少一層係為NiFec〇。 H).如申請專利範圍第i項之感測層，其中該間隔層厚度係使 得在該等第一與第二可磁化層之間反鐵磁交換耦合具有 一磁場值，該磁場係小於該等第一與第二可磁化層之一 具有該最大矯頑場值的該矯頑場值。 11.如申請專利範圍第i項之感測層，其中該第—可磁化層具 有一磁飽和倍的第一層厚度’其不等於該第二可磁化層 的磁飽和倍的第二層厚度。 12.如申請專利範圍第！項之感測層，其中該間隔層係為一傳 導材料。 13. 如申請專利範圍第！項之感測層，其中該間隔層係包含一 名了（Ru)層。 14. 如申請專利範圍第1項之感測層，其間 84381-960216.doc _ 2 -

1287餐忍107109號專利申請案 中文說明書替換頁(96年2'月）/ 銅（Cu)層。 15·如申請專利範圍第i項之感 磁性或反鐵磁性的導體。丨中孩間隔層非為—鐵 16.如申請專利範圍第i項之感測層，其中該等第一及第二可 磁化層係由各種具有該相同厚度的材料所形成。 π.如申請專利範圍第！項之感測層，其中該等第一及第二可 磁化層係由各種具有彼此万 仮此互不相同的厚度的材料所形 成0 18.如申請專利範圍第！項之感測層，其中該等層係以一擴圓 模式形成。 仪-種作為-磁性記憶體元件之感測層，該感測層包含： 一第一可磁化層，具有一第一材料成分、一厚度1丨及— 以一第一方向定位的磁矩； 一第二可磁化層係在該該第一可磁化層之上，該第二 可磁化層具有該弟一材料成分及一大於t丨的厚度及一以 與該第一方向相反的一第二方向定位的磁矩； 一傳導間隔層’其形成於該第一與第二可磁化層之間； 邊弟一及弟一可磁化層及傳導間隔層係形成以提供雜 散場耦合於該第一與第二層之間，使得該第一與第二層 具有磁矩係以彼此互為反平行方向來定位；及 該第一及第二可磁化層及傳導間隔層的每層都係由_ 足以提供具有大於〇且<= 200 Oe的反鐵磁交換耦合在跨 越該間隔層的該第一與第二層間之材料及厚度所形成， 該等第一及第二層之磁化方向在施加一磁場的情形下， 84381-9602l6.doc - 3 - Ι287·?9!ι〇7ΐ〇9號專利申請案 中文說明書替換頁(96年2月）/ 貫為上同步地旋轉 2〇·如申請專利範圍第19項之感測層，其中該間隔層厚度係 使得在該等第—與第二可磁化層之間的反鐵磁交換隸合 係小於該第-或第二可磁化層之—具有該最大矯頑場值 的該矯頑（Η)場值。 21· —種磁性記憶體結構，其包含： 一感測層，其包含： -第-可磁化層’具有定位於一第一方向上的磁矩； -第二可磁化層’具有定位於與該第一層相反方向的 磁矩； 一間隔層，其形成於該等第一與第二可磁化層之間； 該等層係由一足以提供雜散場耦合在該等第一與第二 可磁化層間，使得該等第一與第二可磁化層具有彼此互 相反向的磁矩的材料及厚度所形成； 該等層係由一足以提供反鐵磁交換耦合在該等第一與 第二層間使得該等第一與第二層之磁矩係能夠在施加磁 場的情形下實質上同步地自由旋轉，使得該等可磁化層 的該等第一與第二磁矩能夠以該等第一及第二方向的其 他方向定位的材料及厚度所形成； 一釘紮層；及 一穿随障壁，係由一非磁性材料所形成，放在該感測 層與該釘紮層之間。 22·如申请專利範圍第21項之磁性記憶體結構，其中在該等 第一與第二可磁化層之間橫跨該間隔層的反鐵磁交換耦 84381-960216.doc .4-

§791ΐ〇71〇9號專利申請案 中文說明書替換頁(96年2月） 合係在〇與<==200 〇e之間。 23·如申請專利範圍篥？〗馆、, 固矛21頁 < 磁性記憶體結構，尚包含一列 線路導體，其耦合 乂才疋供一磁場給該感測層，及一行線 路導體，以提供一磁γ从、、# ^ 磁％給孩感測層，其中當在該等第一 /、第一層間秩跨泫間隔層的反鐵磁交換耦合大於〇而 100 Oe時，讀紮層具有—磁場方向係實質上係在該列線 路的軸的1 5度之内。 24·如申μ專利紅圍第21項之磁性記憶體結構，其中該間隔 層厚度係使知在孩等第—與第二可磁化層之間橫跨該間 隔層的該反鐵磁交換耦合係小於該等第一或第二可磁化 層足一具有該最大矯頭場值之該矯頑場值。 25· —種磁性記憶體元件之陣列，其包含： 一基材； 一第一組實質上平行的電氣傳導線路，其形成在該基 材上； 一第二組實質上平行的電氣傳導線路，其形成在該基 材上，實質上正叉於該第一組的傳導線路且與該第一組 的傳導線路相交； 複數個磁性記憶體元件，每個該每個元件係形成於其 間’且耦合於該等第一及第二傳導線路相交點，該等元 件包含一磁性記憶體感測層，其包含： 一第一可磁化層，其具有一定位於一第一方向的磁矩； 一第二可磁化層，其具有定位於與該第一方向相反的 第二方向上的磁矩； 84381-960216.doc -5- π石! 107109號專利申請案 厂^_—γ~-—…—） 中文說明書替換頁(96 ^^月）p中上月翁更1(¾ =間隔層，其形成㈣等第—與第二可磁化層之間，· 二等層係由足以提供雜散場柄合於該第一盘第二声 間編間隔層使得該等第一及第二層具有彼：互：: 向足位的磁矩的材料及厚度所形成；及 β等層係由一足以提供反鐵磁交換耦合於該等第一與 第二層間橫跨該間隔層使得該等第一及第二層的磁矩係 能夠在施加一磁場的情形下，自由地實質上同步旋轉， 使得該等可磁化層的該等第一及第二磁矩能夠在該等第 一及第二方向的其他方向定位的材料及厚度所形成。 26·如申請專利範圍第25項之磁性記憶體元件之陣列，尚包 含其他靠近該感測層的傳導線路，其係用以讀取該等感 測層磁矩的磁方向。 27·如申請專利範圍第25項之磁性記憶體元件之陣列，尚包 含其他靠近該感測層的傳導線路，其係用以實質上同步 旋轉該等第一及第二可磁化層的磁矩。 28_如申請專利範圍第25項之磁性記憶體元件之陣列，尚包 含其他傳導線路’其係通過該感測層而係用以確定該感 測層磁矩的磁方向。 29.如申請專利範圍第25項之磁性記憶體元件之陣列，尚包 含其他傳導線路’其係通過該感測層而係用以實質上同 步旋轉該等第一及第二可磁化層的磁矩。 30· —種電腦系統，包含： 一處理器； 一磁性記憶體裝置，其電氣地耦合到該處理器，該記 84381 -960216.doc - 6 - 1287餐為107109號專利申請案,上:秦 中文說明書替換頁(96年2月）ί — ^-〜——二―一—, 憶體裝置包含： 一第一可磁化層，其具有定位於一第一方向上的磁矩； 一第二可磁化層，其具有定位於與該第一方向相反的 一第二方向上的磁矩； 一間隔層，其係形成於一第一與第二可磁化層之間； 該等層係由一足以提供雜散場耦合於該等第一與第二 層間使得該等第一及第二層具有彼此互為反平行方向定 位的磁矩的材料及厚度所形成；及 3等層係由一足以提供反鐵磁交換摘合於該等第一與 第二層間使得該等第一及第二層的磁矩係能夠在施加一 磁場的情形下自由地實質上同步旋轉，使得該等可磁化 層的該等第一及第二磁矩能夠在該等第一及第二方向的 其他方向定位的材料及厚度所形成。 31·如申請專利範圍第30項之電腦系統，其中該陣列的磁性 記憶體裝置透過一記憶體控制器及匯流排，電氣地與該 處理器相耦合。 32.如申請專利範圍第3〇項之電腦系統，其中該間隔層厚度 係使得在該等第一及第二可磁化層間橫跨該間隔層的反 鐵磁叉換耦合係小於該第一或第二可磁化層之一具有該 最大矯頑場值之矯頑場值。 33· —種磁性記憶體結構，其包含： 一感測層，其包含： 一第一可磁化層，其具有定位於_第一方向上的磁矩； 酬二可磁化層，其7具有定位於與該第-方向相反的 •01 赫, 1287_791107109號專利申請案 中文說明書替換頁(96年2月 第二方向上的磁矩； 一間隔層，其係形成於一第一與第二可磁化層之間； 該等層係由一足以提供雜散場耦合於該等第一與第二 層間使得该等第一及第二層具有彼此互為反平行方向定 位的磁矩的材料及厚度所形成；及 該等層係由一足以提供反鐵磁交換耦合於該等第一與 第二層間使得該等第一及第二層的磁矩係能夠在施加一 磁場的情形下自由地實質上同步旋轉，使得該等可磁化 層的該等第一及第二磁矩能夠在該等第一及第二方向的 其他方向定位的材料及厚度所形成； 一釘紮層；及 一傳導層，其放置在該感測層與該釘紮層之間。 34·如申請專利範圍第33項之磁性記憶體結構，尚包含： 一薄層’與該第一可磁化層有關，係由鈷所組成，插 入在該間隔層與該第一可磁化層之間；及 一薄層，與該第二可磁化層有關，係由鈷所組成，插 入在該間隔層與該第二可磁化層之間。 35.如申請專利範圍第33項之磁性記憶體結構，其包含： 一薄層’與該第一可磁化層有關，係由鐵化鈷所組成， ***在該間隔層與該第一可磁化層之間；及 一薄層，與該第二可磁化層有關，係由鐵化鈷所組成， ***在該間隔層與該第二可磁化層之間。 36·如申請專利範圍第33項之磁性記憶體結構，其中其中在 該等第一與第二可磁化層之間橫跨該間隔層的反鐵磁交 84381-960216.doc Q ΐ287Ι79!黯〇9號專利申請案 中文說明書替換頁(96年2'月） 換耦合係在〇與<=200 〇e之間。 37·如申請專利範圍第33項之磁性記憶體結構，尚包含一列 、、泉路導體，絲合以提供—磁場給該感測層，及一行線 料體，以提供-磁場給該感測層，其中當在該等第一 舁第一層間橫跨該間隔層的反鐵磁交換耦合大於〇而〈= ⑽㈣，該釘紮層具有-磁場方向係實質上係在該列線 路的軸的1 5度之内。 38·如申請專利範圍第33項之磁性記憶體結構，其中該間隔 層厚度係使得在該等第—與第二可磁化層之間橫跨該間 隔層的涘反鐵磁父換耦合係小於該等第一或第二可磁化 層之具彳遠最大橋頑場值之該橋頑場值。 39· -種製造一磁性記憶體元件之方法，其包含： 形成一釘紮或參考層，其在一基材支撐之一第一方向 上具有一磁化； 形成相鄰於該釘紮層之一穿隧障壁層；及 在相對於該釘紮層之穿隨障壁層之相鄭一邊形成一感 測層’孩感測層具有-第-鐵磁層及一第二鐵礤層，其 係藉由-導電間隔層所互相分隔，並具有一導致ς散場 。及反鐵磁人換輕合於該等第一與第二鐵磁層之間的 4〇·如申請專利範園第39項之方法，其中形成該 作尚包含； 在《随障壁層上形成該第—鐵磁層； 議德2^弟一鐵磁層上形成該導電間隔層；及 -9- 在該導電間隔層上形成該第二鐵磁層。 41·如申請專利範圍第4〇項之方法 、、 牙 万/奢，尚包含在形成其他層在 該釘紮層上之前，平順化該釘閘層之表面。 42·如申請專利範圍第4〇項之方法 万/去 尚包含在形成該導電間 隔層之前，平順化該第一鐵磁層σ 43.如申請專利範圍第40項之方法，其中該等第一及第二鐵 磁層係由包含鐵化鎳的材料所形成。 牧如申請專利範圍第40項之方法，其中該等第一及第二鐵 磁層係由包含鐵化鈷的材料所形成。 45.如申請專利範圍第4〇項之方法，其中該等第一及第二鐵 磁層係由包含鈷的材料所形成。 其中該等第一及第二鐵 其中該等第一及第二鐵 46·如申請專利範圍第4〇項之方法 磁層係由包含鐵的材料所形成 47·如申請專利範圍第叫項之方法 磁層係由包含鎳的材料所形成 48.如申請專利範圍第⑽項之方法 磁層係由包含NiFeCo的材料所形成 其中該等第一及第二鐵 49. 如申請專利範圍第40項之方法，其中該導電間隔層包含 一釕層。 50. 如申請專利範圍第4〇項之方法，其中該導電間隔層包含 一銅層。 其中該導電間隔層係為 Ο 其中該導電間隔層係以 51·如申請專利範圍第4〇項之方法， 一非為鐵磁性或反鐵磁性的導體 52·如申请專利範圍第4〇項之方法， 84381-960216.doc ---------------- G? 1287餐為1071〇9號專利申請案日修(更)正替换 中文說明書替換頁(96年2月^— — 使仔在居等弟一及弟_鐵磁層間的反鐵磁交換柄合小 於孩第一或第二鐵磁層之一具有該最大矯頑場值的該矯 頑（H)場值的厚度所形成。 53·如申請專利範圍第40項之方法，此處形成該等層係使得 該等層係由一足以提供雜散場耦合及反鐵磁交換耦合厚 度所形成，孩反鐵磁交換耦合係在〇到<=2〇〇〇6的範圍内 而在泫等第一與第二鐵磁層間橫跨該導電間隔層。 54·如申請專利範圍第4〇項之方法，其中形成該等第一及第 二鐵磁層的步驟包含形成包含鐵化鎳的該等第一及第二 層0 55.如申請專利範圍第4〇項之方法，其中第二層係以一厚度丈 所形成而第一層係以一大於厚度所形成。 56·如申請專利範圍第4〇項之方法，尚包含： 形成一薄層，與該第一鐵磁層有關，係由鈷所組成， ***在孩導電間隔層與該第一鐵磁層之間；及 形成一薄層，與該第二鐵磁層有關，係由鈷所組成， ***在該導電間隔層與該第二鐵磁層之間。 57·如申請專利範圍第4〇項之方法，尚包含： 、开y成薄層，與該第一鐵磁層有關，係由鐵化姑所組 成，***在該導電間隔層與該第一鐵磁層之間；及 形成一薄層，與該第二鐵磁層有關，係由鐵化姑所組 成，***在該導電間隔層與該第二鐵磁層之間。 58. —種製造一磁性記憶體元件之方法，其包含： 誦-96G^df —感測層，該感測層具有—第—鐵磁及—第二鐵 -11 -

12807丨09號專利申請案 中文說明書替換頁(96年2月） 磁層，其係藉由一導電間隔層所互相分隔，及具有一導 致雜散場耦合及反鐵磁交換耦合於該等第一與第二鐵磁 層之間跨越該導電間隔層的特性； 形成相鄰該感測層之一穿隧障壁展丨及 形成-釘紮或參考層，其在相對該感測層之該穿随障 壁之相鄰一邊處的一第一方向上具有一磁化。 59. 如申請專利範圍第則之方法，其中形成該感測層的動 作尚包含； 形成該第一鐵磁層在該穿隧障壁層上； 形成一導電間隔層在該第一鐵磁層上；及 形成該第二鐵磁層在該導電間隔層上。 60·如申請專利範圍第58項之方法，其中該導電間隔層係以 一使得在該等第一與第二鐵磁層之間的反鐵磁交換耦合 係小於該第一或第二鐵磁層之一具有該最大矯頑場值的 該矯頑（H)場值的厚度來形成。 61·如申請專利範圍第58項之方法，其中形成該間隔層係使 得該等層係由一足以提供雜散場耦合及反鐵磁交換耦合 的材料及厚度所形成’該反鐵磁交換耦合係大於〇及<== 200 Oe ’位在該等第一及第二鐵磁層之間橫跨該導電間隔 層。 62·如申請專利範圍第58項之方法，其中該第二鐵磁層係以 一厚度t所形成’而弟一鐵磁層係以大於t的厚度所形成。 63· —種製造一磁性記憶體元件之方法，其包含： 在一基材上形成一具有一第一方向上的磁化的釘紫 84381-960216.doc ·12_ ·、 I287^i_9號專利申請案版3月/ώ敝)正替換頁 中文說明書替換頁(96年2月）‘一一一一一一———一—一^ 層 平順化該釘紮層之表面； 形成一穿隧障壁層在該整個釘紮層上；及 形成一感測層在該整個穿隧障壁層上，該形成該感測 層的動作包含： 形成該第一磁化層在該整個穿隧障壁層上； 平順化該第一磁化層； 形成一間隔層在該整個第一磁化層上； 形成一第二磁化層在該整個間隔層上； 該第一及第二磁化層及間隔層係形成使得該等層跨越 該間隔層係為雜散耦合的及反鐵磁交換耦合的； 該第一及第二磁化層係為該第一層具有一磁化飽和乘 以該第一層的厚度不等於該第二層的磁化飽和乘以該第 二層的厚度。 64·如申請專利範圍第63項之方法，其中該間隔層係以一使 得在該等第一與第二磁化層之間的反鐵磁交換耦合係小 於該第一或第二磁化層之一具有該最大矯頑場值的該矯 頑（H)場值的厚度來形成。 65_如申請專利範圍第63項之方法，其中該感測層係形成在 該等第一與第二可磁化層之間的反鐵磁交換耦合具有比 零大而小於-能防止在施加磁場的情形下切換該感測層 的磁方向的數值。 66·如申請專利範圍第63項之方法，其中該第—磁化層、間 隔層及第二磁化層係由材料形成且具有足以 84381-960216.doc 13- > 1287線!1()71()9號專利申請案 中文說明書替換頁(96年2'月） 耦合與反鐵磁交換耦合在該等第一及第二磁化層間而橫 跨該間隔層的厚度，該反鐵磁交換耦合係大於〇<== 200 Oe 〇 67·如申請專利範圍第63項之方法，其中該第二磁化層係以 一厚度t所形成，而該第一層係以大於t的厚度所形成。 68· —種製造一磁性記憶體元件之方法，包括： 形成其在一基材上之一第一方向上具有一磁化之_釘 紮層； 形成相鄰該釘紮層之一導電層，用以產生一巨大磁阻 效應；及 在相對該釘紮層在該導電層之一邊上形成一感測層， 該感測層具有一第一及第二鐵磁層，其係藉由一導電間 隔層所互相分開，及具有一能導致雜散場耦合及反鐵磁 父換輕合在該等第一及第二鐵磁層之間的特性。 69·如申請專利範圍第68項之方法，其中該形成該感測層的 動作尚包括： 形成該第一鐵磁層在該導電層上； 形成一導電間隔層在該第一鐵磁層上；及 形成該第二鐵磁層在該導電間隔層上。 70.如中4專利範gj第68項之方法’其巾形成該等層使得該 等層係由一材料形成且具有足以提供雜散場耦合及反鐵 磁交換耦合的—厚度，該反鐵磁交換耦合係在大於0至< = 200 Oe的範園内而在該等第一與第二鐵磁層間橫跨該 導電間隔層。 84381-960216.doc -14 - 12 81^9\λ 〇7 η t tt t 中文說明書替換頁(96年2月） 71.如申請專利範園第68項之方1「·其.中該第二鐵磁層係以 所形成，而該第一層係以一大於⑽厚度所形成。 72·如申請專利範圍第68項之方法， 為-合成亞鐵磁。 巾㈣紫或參考層係 84381-960216.doc 15- 1287871

第092107109號專利申請案 中文圖式替換頁(96年2月） 〇 in 教 ，蛇 15- 10- h 5_ 〇 0- 聲一10· 一 15--20 離一具有上層及間隔層之厚度分別為4米及2奈米 之270奈米X 180奈米的橢圓形感測層150奈米處 之雜散場 5· 0 I、 4 6 合成亞鐵磁頂層厚度(奈米) 10 圖 5a 84381 1287871 Fi /(μ W- 51 ) 厚度(奈米) ( Mb P1 > Λι^ 纖1。蛛 53 < f 釕 \ •NiFe 6 nm 2 nm 4 nm 49 47 圖 5b Hib

圖 5c 84381 -6 -