專利名稱：一種磁性存儲(chǔ)器裝置以及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用作電腦主要儲(chǔ)存媒介的存儲(chǔ)器裝置，并特別涉及使用磁性存儲(chǔ)器設(shè)備作為單個(gè)存儲(chǔ)器單元的存儲(chǔ)器陣列。
背景技術(shù)：
用作為電腦主要存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器單元，其理想特征為高速、低耗電、非易失性、以及低成本。低成本通過簡單制造與小表面積而實(shí)現(xiàn)。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元非常快速并消耗少量能源，但每秒必須更新許多次，且需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以在每個(gè)存儲(chǔ)器單元中加入電容。閃速電可擦除/編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)存儲(chǔ)器單元為非易失性、具有低感測(cè)能量、且可建構(gòu)為單一設(shè)備，但需要數(shù)微秒以寫入以及數(shù)毫秒以清除，使其由于速度太慢而無法應(yīng)用于許多領(lǐng)域，特別是做為電腦主存儲(chǔ)器。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器單元如動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)、只讀存儲(chǔ)器(ROM)、以及電可擦除/編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)等，在其存儲(chǔ)器單元的水平面形成有電流，因此其所占用的總面積為基本存儲(chǔ)器單元區(qū)域加上作為電接觸區(qū)域的面積總和，因此無法達(dá)到理論最小存儲(chǔ)器單元區(qū)域。
與動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)不同的是，利用鐵磁性區(qū)域的磁化方向以儲(chǔ)存信息的磁性存儲(chǔ)器單元，可以長時(shí)間保存所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)，因此為非易失性的。數(shù)種利用磁性狀態(tài)以改變其鐵磁性區(qū)域附近的材料的電阻值的存儲(chǔ)器單元，總稱為磁阻性(magnetoresistive，MR)存儲(chǔ)器單元。由多個(gè)磁性存儲(chǔ)器單元所組成的陣列通常稱為磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器或是MRAM。
為了商業(yè)的實(shí)用性，MRAM必須具有下列性質(zhì)與目前存儲(chǔ)器技術(shù)相當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器密度、可根據(jù)未來代的微縮化、在低電壓下操作、低耗能、以及具競(jìng)爭(zhēng)性的讀/寫速度。
對(duì)于MRAM裝置而言，非易失性存儲(chǔ)器狀態(tài)的穩(wěn)定性、讀/寫循環(huán)的可重復(fù)性、以及在存儲(chǔ)器單元與單元間切換場(chǎng)(switching field)的一致性，為其設(shè)計(jì)特征中最重要的三個(gè)方面。在MRAM中的存儲(chǔ)器狀態(tài)并非以電力維持，而是以磁矩(magnetic moment)向量的方向來維持。其通過施加磁場(chǎng)并引起MRAM設(shè)備中的磁性材料被磁化為二種可能的存儲(chǔ)器狀態(tài)中的一種，而得以儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。其通過感測(cè)此MRAM設(shè)備在此二種存儲(chǔ)器狀態(tài)的電阻值差異，而得以讀取數(shù)據(jù)。通過將電流通過此磁性結(jié)構(gòu)外部的帶狀線、或通過這些磁性結(jié)構(gòu)本身，而產(chǎn)生用以寫入數(shù)據(jù)的磁場(chǎng)。
隨著MRAM設(shè)備的橫向尺寸逐漸縮小，產(chǎn)生了三個(gè)問題。第一，此切換場(chǎng)隨著給定形狀以及薄膜厚度而增加，因而需要較大的磁場(chǎng)以進(jìn)行切換。第二，總切換體積降低，使得逆操作的能障(energy barrier)降低。此能障指將磁矩向量從一個(gè)存儲(chǔ)器狀態(tài)切換至另一個(gè)狀態(tài)所需要的總能量。此能障將決定在MRAM設(shè)備中數(shù)據(jù)的保存情況以及錯(cuò)誤率，并且若此能障太小，可能因?yàn)闊岵▌?dòng)(thermofluctuation，或超順磁性，superparamagnetism)而發(fā)生非預(yù)期的逆操作。當(dāng)能障太小時(shí)可能發(fā)生的一個(gè)主要問題在于，欲在陣列中選擇性地切換MRAM設(shè)備將變成極度困難。選擇性可允許切換設(shè)備而不至于不慎切換其他MRAM設(shè)備。最后，由于切換場(chǎng)由形狀所產(chǎn)生，因此隨著MRAM設(shè)備尺寸的縮小，切換場(chǎng)也變得對(duì)于形狀變化更為敏感。由于照相平板在小尺寸日漸困難，MRAM設(shè)備欲維持精準(zhǔn)的切換分布也將有困難。
與公知的MRAM設(shè)備有關(guān)的上述問題會(huì)造成其他問題。例如，為了改變此磁性感測(cè)設(shè)備的狀態(tài)以編程公知的MRAM設(shè)備，需要更高的電流。該高電流產(chǎn)生了數(shù)個(gè)問題，包括高耗能使得MRAM不適用于許多移動(dòng)裝置的應(yīng)用。此外，由此電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通常難以控制，使得串?dāng)_(cross talk)問題在橫向尺寸日益縮小的MRAM中特別容易發(fā)生。
公知的MRAM設(shè)備的另一個(gè)問題為，為了在編程此MRAM設(shè)備中的磁性感測(cè)設(shè)備時(shí)所需要產(chǎn)生的電流以及相關(guān)磁場(chǎng)，典型地需要二條電流線路。必需包含二條電流線路則限制了MRAM設(shè)備縮小的可能性、以及尺寸縮小時(shí)的最大可能密度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備。該設(shè)備包括基板、至少一個(gè)相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)線、以及至少一個(gè)磁阻性存儲(chǔ)器單元，其與該至少一個(gè)相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)線以一個(gè)非導(dǎo)磁性導(dǎo)體材料分隔，且位于該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)線所感應(yīng)的磁場(chǎng)的區(qū)域中。本發(fā)明同時(shí)公開用以制造該設(shè)備的方法。
以下詳細(xì)說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與方法。本發(fā)明內(nèi)容說明章節(jié)目的并非在于定義本發(fā)明。本發(fā)明由權(quán)利要求范圍所定義。所有本發(fā)明的實(shí)施例、特征、觀點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)等將可通過下列說明權(quán)利要求范圍及附圖獲得充分了解。


圖1及1B為根據(jù)實(shí)施例的MRAM存儲(chǔ)器單元配置的示意圖；圖2為在先技術(shù)公知的MRAM設(shè)備的電流路徑與磁場(chǎng)感測(cè)設(shè)備的示意圖；圖3為在先技術(shù)的另一公知MRAM設(shè)備的電流路徑與磁場(chǎng)感測(cè)設(shè)備的示意圖；圖4為在先技術(shù)的又一公知MRAM設(shè)備的電流路徑與磁感測(cè)設(shè)備之示意圖；
圖5為包括如圖1中所示的MRAM設(shè)備的MRAM存儲(chǔ)器單元的MRAM設(shè)備示意圖；圖6為圖5的MRAM設(shè)備所包括的MRAM存儲(chǔ)器單元的示例性寫入電流的示意圖；圖7為圖6的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)示意圖；圖8為當(dāng)圖6的電流逆向操作時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)示意圖；圖9為以磁通量密度對(duì)彼此分隔距離小于1μm的存儲(chǔ)器單元位置變化圖，而示出本文中所描述的存儲(chǔ)器單元的模擬行為；以及圖10示出示例性存儲(chǔ)器單元中，磁通量密度對(duì)與單獨(dú)設(shè)備的相對(duì)位置的變化圖。
主要設(shè)備符號(hào)說明100，200，300，400MRAM單元102 磁性金屬層104，206，306，406磁感測(cè)設(shè)備106 鄰近導(dǎo)體層202，204，302，310，402，410 電流線304，308，404，408磁性材料(磁性鉗)500 MRAM設(shè)備602 寫入電流702，704 磁場(chǎng)具體實(shí)施方式
圖1A為說明實(shí)施例的示意圖，其可包括MRAM設(shè)備的MRAM單元100，其根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的系統(tǒng)與方法配置。很明顯地，其并非將MRAM單元100或包括有MRAM單元100的MRAM裝置中的所有層、結(jié)構(gòu)、及/或電路示出于圖1中。為了方便，其僅示出涉及MRAM單元100的部分特定元素、層、及/或視圖。雖然與MRAM單元100有關(guān)的所有層、元素、以及電路并未示于圖1中，但其不應(yīng)被視為對(duì)MRAM單元100形成特別限制、或排除其他可能的層、元素、及/或電路。此外，雖然在圖1中所示的各層以二維方式顯示，但應(yīng)注意的是各層實(shí)際上均為三維結(jié)構(gòu)。
如圖中所示，MRAM單元100包括相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)線，其可以稱為磁性金屬層102，以及在接近磁性金屬層102處包括磁阻存儲(chǔ)器單元，其可以稱為磁感測(cè)設(shè)備104。磁感測(cè)設(shè)備104在某些特定實(shí)施例中，以鄰近導(dǎo)體層106與磁性金屬層102分隔。磁性金屬層可包括相關(guān)的長度、高度、以及寬度，三者的范圍可介于10nm至10μm之間。相似地，磁感測(cè)設(shè)備104可包括相關(guān)的長度、高度、以及寬度，三者的范圍依據(jù)不同實(shí)施例而可介于5nm至10μm之間。
磁性金屬層102可包括磁導(dǎo)率(μ)，其介于10至108之間。磁性金屬層102為導(dǎo)體且其電阻率(ρ)介于約4μΩ-cm至約108μΩ-cm之間。磁性金屬層102也可包括飽和磁化值(Ms)，其介于10高斯至約2.5特斯拉之間。用以構(gòu)成磁性金屬層102的材料可包括至少一個(gè)帶有結(jié)晶相的元素。例如，磁性金屬層可包括鎳(Ni)、鐵(Fe)、鈷(Co)、硼(B)、鉬(Mo)、鋅(Zn)、鉛(Pb)、硅(Si)、碳(C)、氧(O)、及/或任何其他可以提供上述電阻率與飽和磁化值的材料。
鄰近導(dǎo)體106可配置為用以連接磁感測(cè)設(shè)備104以及磁性金屬層102。鄰近導(dǎo)體106的電阻率(ρ)可界于1至1010μΩ-cm之間。鄰近導(dǎo)體106可為金屬、導(dǎo)電化合物、半導(dǎo)體材料、或任何其他包括落于上述范圍的電阻率的材料。這些材料可包括，例如銅(Cu)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、硅(Si)、鎢(W)、銀(Ag)、釕(Ru)、銥(Ru)、鉑(Pt)等。
磁感測(cè)設(shè)備104可包括單一或多層的鐵/反鐵磁性設(shè)備。此磁性設(shè)備可包括如磁隧穿結(jié)(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)裝置、巨磁阻(Giant Magnetoresistance，GMR)裝置、超巨磁阻(ColossalMagnetoresistance，CMR)裝置、各向異性磁阻(AnisotropicMagnetoresistance，AMR)裝置、磁光(MO)設(shè)備、或磁盤。例如，磁感測(cè)設(shè)備104可包括磁隧穿結(jié)設(shè)備，其包括有鐵磁層、絕緣體、另一鐵磁層、以及反鐵磁層?；蛘?，磁感測(cè)設(shè)備104可包括磁隧穿設(shè)備，其包括有鐵磁層、絕緣層、以及另一鐵磁層，或磁遂穿設(shè)備，其包括有反鐵磁層、鐵磁層、絕緣體、以及另一鐵磁層。
在另一實(shí)施例中，磁感測(cè)設(shè)備104可包括GMR設(shè)備，其包括有鐵磁層、薄導(dǎo)電層、另一鐵磁層、以及反鐵磁層。可與本發(fā)明的系統(tǒng)與方法共同使用的替代性巨磁阻裝置，可包括鐵磁層、薄導(dǎo)電層、以及另一鐵磁層，或反鐵磁層、鐵磁層、薄導(dǎo)電層、以及另一鐵磁層。
或者，超巨磁阻裝置，其包括以錳為基礎(chǔ)并帶有至少二元素的化合物，例如鑭鍶錳氧化物(LaSrMnO)、鐠鈣錳氧化物(PrCaMnO)、鑭鈣錳氧化物(LaCaMnO)等，可被用作為磁感測(cè)設(shè)備104。在另一實(shí)施例中，各向異性的磁阻設(shè)備、磁光設(shè)備、或磁盤，其包括有3d的過渡鐵磁元素、或其他元素的合金等，可被用作為磁感測(cè)設(shè)備104。
上述各不同實(shí)施例中所提及的這些鐵磁層，可包括3d過渡鐵磁元素或與其他元素的合金，例如銅鐵、鎳鐵、鈷鐵硼、鐵、鈷等。上述所提及的該反鐵磁層可包括過渡抗鐵磁元素或與其他元素的合金，例如鐵錳、銥錳、鎳氧、鉑錳、鎳錳、銅氧等。其他上述所提及的反鐵磁層可包括鐵磁反層其包括或不包括反鐵磁材料，例如鈷鐵/釕/鈷鐵、鈷鐵/釕/鈷鐵/銥錳等。上述所提及的絕緣層可包括如氧化鋁、氧化鎂等材料，且上述提及的這些薄導(dǎo)電層可包括如銅、銀、各、釕、銥等材料。
可理解的是，上述所提及的這些設(shè)備、各層、以及材料僅作為舉例之用，且不應(yīng)被視為將本文所述的系統(tǒng)與方法限制于任何特定設(shè)備結(jié)構(gòu)及/或材料中。此外，該高磁導(dǎo)率導(dǎo)電元素或?qū)Ь€，可包括非環(huán)形的截面。這可允許磁場(chǎng)從該高磁導(dǎo)率設(shè)備的一側(cè)通過至另一側(cè)。舉例而言，此截面區(qū)域可為多角形。
該磁阻性存儲(chǔ)器單元可位于該高磁導(dǎo)率導(dǎo)線的相鄰二角落或左右邊緣間。
如下所詳述，磁性金屬層102可用于傳導(dǎo)這些用以產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)則可用將磁感測(cè)裝置編程至二狀態(tài)中的一個(gè)。此外，磁性金屬層102可用以傳導(dǎo)該些驅(qū)動(dòng)此待決定的磁感測(cè)裝置104的電流。通過以這種方式使用磁性層102以傳導(dǎo)讀取與寫入電流，在執(zhí)行讀取與寫入操作時(shí)所使用的電流與公知裝置相比之下，是較低的。此外，此磁性層102中的低電流可減低甚至消除任何串?dāng)_問題。甚至者，金屬位線的數(shù)目與公知的MRAM裝置相比之下可降低，因而允許尺寸更進(jìn)一步縮小，并增加密度。
圖2示出用于示例性MRAM單元200的電流線202與204、以及磁感測(cè)設(shè)備206。如前所解釋，磁感測(cè)設(shè)備206包括磁性材料，此磁性材料可通過磁感測(cè)設(shè)備206中的鐵磁區(qū)域的磁化方向而設(shè)定以儲(chǔ)存信息。由流經(jīng)電流線202與204的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)By與Bx，可影響此磁化方向。
電流線202與204典型地由如銅等非磁性材料所構(gòu)成。由流經(jīng)電流線202與204的電流Ix與Iy所產(chǎn)生的磁場(chǎng)By與Bx，依據(jù)安培定律產(chǎn)生。若此二磁場(chǎng)的總和(Bx+By)大于磁感測(cè)設(shè)備206的矯頑磁場(chǎng)，則磁感測(cè)設(shè)備206可被編程至二種編程狀態(tài)之一。
舉例而言，當(dāng)電流Ix與Iy以圖中所示的方向流動(dòng)時(shí)，即從圖示的右側(cè)流至左側(cè)并流入頁面，且電流的幅度足以使得Bx+By大于磁感測(cè)設(shè)備206的高壓場(chǎng)時(shí)，則磁感測(cè)設(shè)備的磁矩向量可被切換至此二編程狀態(tài)之一。電流Ix與Iy的反向流向，則會(huì)將另一用以編程方向的磁感測(cè)設(shè)備206的磁矩向量，切換至此二編程狀態(tài)的另一個(gè)。
不幸地，部分由于電流線202與204由非磁性材料所構(gòu)成，其需要從數(shù)毫安至數(shù)十毫安的大電流以產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)Bx與By，以克服磁感測(cè)設(shè)備206的能障。此外，也無法良好地控制磁場(chǎng)By與Bx的分布，而避免各存儲(chǔ)器單元之間的串話。
在圖3的實(shí)施例中，示出了另一示例性MRAM單元的電流線302與310、以及磁感測(cè)設(shè)備306，其中電流線302與310由磁性材料304與308所圍繞。對(duì)于電流線302而言，其以圖3右側(cè)視圖所示。MRAM單元300的操作方式與MRAM單元200相同；然而，由于在電流線302與310間、以及圍繞著電流線302與310的磁性材料304與608之間的電阻率有所差異，電流Ix與Iy的大部分流經(jīng)電流線302與310的非磁性材料部分。此外，由于磁性材料304與308的限制操作，亦被稱為磁性鉗(magnetic clamp)，分別由電流Ix與Iy所產(chǎn)生的磁場(chǎng)Bx與By被局限，因此磁場(chǎng)分布可受到較佳的控制。非常重要的是，磁性鉗304與308作用為圍繞電流線302與310的U型磁鐵。因此，磁場(chǎng)Bx與By的大部分聚集于磁性鉗304與308之間。
對(duì)于圖3中的存儲(chǔ)器單元而言，用以編程磁感測(cè)設(shè)備306以及MRAM單元300的電流Ix與Iy，低于在MRAM單元200中所需；然而，其仍需要數(shù)毫安。串?dāng)_的問題有改善，然而圖3的設(shè)備比圖2的設(shè)備更難以制造。
圖4示出另一示例性MRAM單元400的電流線402與410、以及磁感測(cè)裝置406。如同MRAM單元300一般，電流線402與410被磁性材料404與408所限制。然而此磁感測(cè)裝置406使用合成反鐵磁耦合(Synthetic Antiferromagnetic Coupling，SAF)。為了使用SAF耦合，磁感測(cè)設(shè)備406由多層構(gòu)成。這些層包括第一鐵磁層、厚度大約為0.7nm的極薄導(dǎo)電層、以及第二鐵磁層。此外，電流Ix與Iy以不同時(shí)序產(chǎn)生脈沖。此差異脈沖將使此第一與第二鐵磁層的磁化作用在不同時(shí)間切換。若第一與第二鐵磁層的磁化作用均被切換，則磁感測(cè)設(shè)備406被編程至二編程狀態(tài)之一。若此磁化作用未被切換，則磁感測(cè)設(shè)備406則仍被編程保留于其目前狀態(tài)。
使用SAF技術(shù)可有效地消除串?dāng)_；然而，一般需要非常大的電流以編程磁感測(cè)設(shè)備406。舉例而言，其需要數(shù)十毫安以改變此感測(cè)設(shè)備406的狀態(tài)。此外，此磁感測(cè)設(shè)備406所需的極薄導(dǎo)電層，非常難以制造及控制。若此極薄導(dǎo)電層的厚度變動(dòng)太大，則無法正確操作此存儲(chǔ)器單元。
此外，在圖2-4所示的每個(gè)存儲(chǔ)器單元需要二個(gè)電流線以編程其所包括的磁感測(cè)設(shè)備。相反地，在存儲(chǔ)器單元100中，僅需要磁性材料層102以編程磁感測(cè)裝置104。因此，可通過使用圖1所示的結(jié)構(gòu)而省略一個(gè)電流線。
圖5示出MRAM設(shè)備500的側(cè)視圖，其包括二個(gè)例示的MRAM單元100。圖5示出了數(shù)個(gè)與MRAM單元100相關(guān)的重要尺寸，包括磁性金屬層102的寬度(Wμ)、磁感測(cè)設(shè)備104的寬度(Wm)、磁感測(cè)設(shè)備104與磁性金屬層102之間的距離(d)、以及各磁性金屬層102之間的空間(S)。d的示例性范圍可介于4nm至100nm之間。Wμ的示例性范圍可介于10nm至10μm之間。Wm的示例性范圍則可介于5nm至10cm之間。s的示例性范圍可介于5nm至10μm之間。然而，必須注意的是，這些范圍僅作為舉例之用，也可以使用其他范圍。
如圖6所示，寫入電流602可沿著磁性金屬層102的二方向之一流動(dòng)。如圖7所示，電流602會(huì)在磁性金屬層102中產(chǎn)生磁場(chǎng)704，也會(huì)引起磁場(chǎng)702流經(jīng)此磁感測(cè)設(shè)備104。在圖7中，顯示此電流流入頁面中而產(chǎn)生順時(shí)鐘方向的磁場(chǎng)702與704。此磁場(chǎng)704的強(qiáng)度，根據(jù)安培定律，正比于磁性金屬層102的磁導(dǎo)率值。因此，若磁性金屬層102的磁導(dǎo)率在約105范圍中，依據(jù)安培定則，則表示磁場(chǎng)704的強(qiáng)度將會(huì)比公知為沒有使用磁性金屬層102的磁場(chǎng)強(qiáng)度高105倍。
另一方面，由于漸縮外型，靠近磁性金屬層102的邊界的磁場(chǎng)704，將不會(huì)在磁性金屬層102的內(nèi)部形成環(huán)狀環(huán)。相反地，磁場(chǎng)704將會(huì)從磁性金屬層102的表面向外泄漏。此泄漏磁場(chǎng)702與在磁性金屬層102內(nèi)部磁場(chǎng)704的關(guān)系，遵循連續(xù)方程式。亦即，在磁性金屬層102外側(cè)的磁場(chǎng)702的垂直分量、等于磁性金屬層102內(nèi)部的磁場(chǎng)704的垂直分量。
由于磁性金屬層102的高磁導(dǎo)率而被放大的磁場(chǎng)704，會(huì)進(jìn)一步引起磁場(chǎng)702的高強(qiáng)度；然而外側(cè)的磁場(chǎng)在沒有磁性金屬層102的高磁導(dǎo)率時(shí)，應(yīng)遵循安培定律，即此磁性金屬層外部的高強(qiáng)度磁場(chǎng)702被局限于接近磁性金屬層102的表面處。此高強(qiáng)度磁場(chǎng)702的范圍應(yīng)介于離磁性金屬層102的表面數(shù)百納米范圍內(nèi)。另一方面，根據(jù)麥克斯韋第二方程，此磁場(chǎng)的分量將等于零，在磁性金屬層102外部的漏磁場(chǎng)也應(yīng)在磁性金屬層102的外部形成環(huán)狀回圈。此磁場(chǎng)702流經(jīng)磁感測(cè)裝置104的環(huán)狀路徑，將導(dǎo)致磁感測(cè)設(shè)備104的活性層的磁化方向逆轉(zhuǎn)。這也將導(dǎo)致其電阻狀態(tài)在二者間轉(zhuǎn)換。
在圖8中，電流602被逆轉(zhuǎn)，而使其流出頁面，進(jìn)而在磁性金屬層102內(nèi)部產(chǎn)生逆時(shí)針方向磁場(chǎng)704、以及在磁感測(cè)設(shè)備104內(nèi)部產(chǎn)生漏磁場(chǎng)702。相同地，若漏磁場(chǎng)702大于磁感測(cè)設(shè)備104之的壓場(chǎng)，則可能發(fā)生電阻態(tài)的編程，且此次與圖7中的磁場(chǎng)702所產(chǎn)生的電阻態(tài)相反。
以這種方式利用磁性金屬層102編程磁感測(cè)裝置104，可大幅減低甚至消除各存儲(chǔ)器單元100之間的串?dāng)_。甚至，用以產(chǎn)生足以克服磁感測(cè)裝置104的高壓場(chǎng)的磁場(chǎng)所需要的電流，將大幅降低。例如，用以產(chǎn)生2,800高斯的磁場(chǎng)702，僅需要440μA的電流；然而目標(biāo)單元100外部的磁場(chǎng)則倍數(shù)衰減而降至近乎零。因此，以上述方式使用磁性金屬層102，可產(chǎn)生低電流、且無串?dāng)_的MRAM單元100。
此外，相對(duì)于公知的MRAM設(shè)計(jì)中需要二條電流線以編程磁感測(cè)裝置104，本發(fā)明僅需使用單一電流線。
請(qǐng)參照?qǐng)D9，其以磁通量密度對(duì)間隔少于1μm的存儲(chǔ)器單元的位置變化圖，而示出本發(fā)明的存儲(chǔ)器單元的模擬特性。在此模擬中，導(dǎo)磁線與磁感測(cè)設(shè)備的磁導(dǎo)率分別為10000以及5。此磁感測(cè)設(shè)備的鐵磁層厚度為60nm、且寬度為0.6μm。此導(dǎo)磁線的寬度為1.0μm、且厚度(高度)為400nm。介于磁感測(cè)設(shè)備與μ金屬間的距離為60nm。在另一實(shí)施例中，介于磁感測(cè)設(shè)備與μ金屬間的距離為4至100nm。所施加的電流為440μA。如圖9所指出，440μA可在目標(biāo)存儲(chǔ)器單元的表面生成2800高斯的B磁場(chǎng)。此外，當(dāng)目標(biāo)存儲(chǔ)器單元位于強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)，鄰近存儲(chǔ)器單元?jiǎng)t幾乎不受到其他設(shè)備的磁性串話。
圖10示出在示例性存儲(chǔ)器單元中，以磁通量密度對(duì)與單獨(dú)設(shè)備的相對(duì)位置的變化圖的模擬狀態(tài)。此磁感測(cè)裝置的鐵磁層厚度與寬度，分別為3nm與0.6μm。此導(dǎo)磁線的寬度與厚度(高度)，分別為1.0μm以及400nm。位于磁感測(cè)設(shè)備與導(dǎo)磁線之間的距離為60nm。所施加的電流為12μA。此磁感測(cè)設(shè)備的高壓場(chǎng)為50高斯。圖10顯示出，在導(dǎo)磁線表面的長距離(100nm)之外，磁場(chǎng)依據(jù)安培定律而大幅降低至5.5高斯。
如上所示，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種用以儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的磁性存儲(chǔ)器設(shè)備以及方法。第一，此新穎MRAM設(shè)備的構(gòu)造較為耐久。再者，僅需要使用一電流線以寫入至此設(shè)備。合乎需要地，與某些公知的設(shè)備與方法相比之下，其還僅需較低的寫入電流以有效地儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。某些特定實(shí)施例還降低了串?dāng)_。因此，在小范圍內(nèi)可置入更多設(shè)備，且不至于損失訊號(hào)或存儲(chǔ)器狀態(tài)的完整性。其他特征或額外優(yōu)點(diǎn)，也可被熟悉此領(lǐng)域人士所領(lǐng)略。
雖然本發(fā)明已參照較佳實(shí)施例來加以描述，可以理解的是，本發(fā)明創(chuàng)作并不受限于其詳細(xì)描述內(nèi)容。替換方式及修改已在先前描述中建議，并且其他替換方式及修改將為本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易想到的。特別是，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與方法，所有具有實(shí)質(zhì)上相同于本發(fā)明的構(gòu)造結(jié)合而達(dá)成與本發(fā)明實(shí)質(zhì)上相同結(jié)果的皆不脫離本發(fā)明的精神范圍。因此，所有這些替換方式及修改意欲落在本發(fā)明所附的權(quán)利要求及其等價(jià)物所界定的范圍中。任何在前文中提及的專利申請(qǐng)以及印刷文本，均列為本案的參考。
權(quán)利要求
1.一種非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其包括基板；位于該基板上的相對(duì)高磁導(dǎo)率的導(dǎo)體設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體設(shè)備包括多邊形的橫截面、并包括磁導(dǎo)率介于10μ至108μ之間的材料；以及磁阻性存儲(chǔ)器單元，其由非導(dǎo)磁性導(dǎo)體材料與該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素分隔，且其位于介于該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素的相鄰二角落間的區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素比該磁阻性存儲(chǔ)器單元寬。
3.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，包括多個(gè)非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中每個(gè)該非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備包括獨(dú)立的相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素。
4.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素與該磁阻性存儲(chǔ)器單元之間的距離介于約4nm至約100nm之間。
5.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素包括的材料包括以下的至少一種鎳、鐵、鈷、硼、鉬、鋅、鉛、硅、碳、以及氧。
6.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素包括在操作溫度下的電阻率介于約4μΩ-cm至約108μΩ-cm之間的材料。
7.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素系包括飽和磁化值介于約10高斯至約2.5特斯拉之間的材料。
8.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素系包括磁導(dǎo)率介于約10μ至108μ之間，且其電阻率在操作溫度下介于約4μΩ-cm至約108μΩ-cm之間的材料。
9.如權(quán)利要求8所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體元素系包括飽和磁化值介于約10高斯至約2.5特斯拉之間的材料。
10.如權(quán)利要求1所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該磁阻性存儲(chǔ)器單元系包括磁隧穿結(jié)設(shè)備、巨磁阻設(shè)備、超巨磁阻設(shè)備、各向異性磁阻設(shè)備、磁光設(shè)備、或磁盤。
11.如權(quán)利要求10所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該磁隧穿結(jié)設(shè)備包括第一鐵磁層、絕緣層、以及第二鐵磁層。
12.如權(quán)利要求11所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該磁隧穿結(jié)設(shè)備還包括反鐵磁層、其鄰接至該第一或第二鐵磁層。
13.如權(quán)利要求11所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該磁隧穿結(jié)設(shè)備的絕緣層可為氧化鋁或氧化鎂。
14.如權(quán)利要求10所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該巨磁阻設(shè)備包括第一鐵磁層、薄傳導(dǎo)層、以及第二鐵磁層。
15.如權(quán)利要求14所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該巨磁阻設(shè)備還包括反鐵磁層，其鄰接至該第一或第二鐵磁層。
16.一種磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其包括磁阻性存儲(chǔ)器元件，其鄰接至相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體，其中該磁阻性存儲(chǔ)器元件以及該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體被非導(dǎo)磁性導(dǎo)體材料所分隔；以及其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體包括多邊形的橫截面，且其用于用以反應(yīng)所施加的電流而直接產(chǎn)生磁場(chǎng)，其中從接近該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體的角落處的漏磁場(chǎng)的強(qiáng)度，與該導(dǎo)體內(nèi)的磁場(chǎng)的強(qiáng)度為同一量級(jí)；以及其中鄰接至該非導(dǎo)磁性導(dǎo)體材料的該磁阻存儲(chǔ)器設(shè)備的磁化方向，被導(dǎo)向于與初始方向不同的方向。
17.如權(quán)利要求16所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體包括有磁導(dǎo)率介于10μ至108μ之間的材料。
18.如權(quán)利要求16所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體包含的材料包括下列一種鎳、鐵、鈷、硼、鉬、鋅、鉛、硅、碳、氧、以及上述材料的組合物。
19.如權(quán)利要求16所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體包括在操作溫度下的電阻率介于約4μΩ-cm至約108μΩ-cm之間的材料。
20.如權(quán)利要求16所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體包括飽和磁化(Ms)介于約10高斯至約2.5特斯拉之間的材料。
21.如權(quán)利要求16所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體系包括磁導(dǎo)率介于10μ至108μ之間，且在操作溫度下的電阻率介于約4μΩ-cm至約108μΩ-cm之間的材料。
22.如權(quán)利要求21所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)體包括有飽和磁化介于約10高斯至約2.5特斯拉之間的材料。
23.如權(quán)利要求16所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該磁阻存儲(chǔ)器設(shè)備包括磁隧穿結(jié)設(shè)備、巨磁阻設(shè)備、超巨磁阻設(shè)備、各向異性磁阻設(shè)備、磁光設(shè)備、或磁碟。
24.如權(quán)利要求23所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該磁穿隧結(jié)設(shè)備包括第一鐵磁層、絕緣層、以及第二鐵磁層。
25.如權(quán)利要求23所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該磁隧穿結(jié)設(shè)備還包括反鐵磁層、其鄰接至該第一或第二鐵磁層。
26.如權(quán)利要求24所述的非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該磁隧穿結(jié)設(shè)備的絕緣層可為氧化鋁或氧化鎂。
27.如權(quán)利要求23所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該巨磁阻設(shè)備包括第一鐵磁層、薄傳導(dǎo)層、以及第二鐵磁層。
28.如權(quán)利要求27所述的磁阻性存儲(chǔ)器設(shè)備，其中該巨磁阻設(shè)備還包括反鐵磁層，其鄰接至該第一或第二鐵磁層。
全文摘要
本發(fā)明公開一種非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備。該設(shè)備包括基板、至少一個(gè)相對(duì)高磁導(dǎo)率的導(dǎo)線、以及至少一個(gè)磁阻性存儲(chǔ)器單元，其以一絕緣材料與該至少一個(gè)相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)線分隔，且其位于該相對(duì)高磁導(dǎo)率導(dǎo)線中所感應(yīng)的磁場(chǎng)中的區(qū)域。本發(fā)明還公開了用以制造該設(shè)備的方法。
文檔編號(hào)H01L27/22GK1953227SQ20061013889
公開日2007年4月25日 申請(qǐng)日期2006年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者何家驊, 謝光宇 申請(qǐng)人:旺宏電子股份有限公司