專利名稱：磁阻記憶胞元儲存層中磁偏場之補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系關(guān)于用于半導(dǎo)體裝置中，補(bǔ)償磁阻記憶胞元儲存層中磁偏場之裝置。此外，本發(fā)明系關(guān)于補(bǔ)償此偏場的方法。以磁阻效應(yīng)為基礎(chǔ)的記憶胞元，通常系以堆棧兩薄鐵磁層，其中夾有一非鐵磁隔離層，其系具有復(fù)數(shù)個原子層的厚度。
兩鐵磁層之一系由硬磁材質(zhì)所組成，典型地系由鈷-鐵合金所組成。磁化作用具有固定的強(qiáng)度與方向，其功能系作為一參考層。
以一軟磁材質(zhì)，典型地系使用鎳-鐵合金，所制成的第二鐵磁層，其系形成一儲存層。其磁化為同一位向或是與該參考層的磁化方向相反，對應(yīng)于該記憶胞元的資料內(nèi)容。
當(dāng)資料被存寫至該記憶胞元時，該記憶胞元之一地址線中存寫電流的方向，系相對該參考層之磁化，決定該儲存層中磁化的方向。
若記憶胞元結(jié)構(gòu)系基于一穿隧效應(yīng)(tunneling effect)(磁穿隧接合，magnetic tunneling junction，MTJ)，則該隔離層之材質(zhì)系一介電質(zhì)。在此范例中，讀出該記憶胞元之效應(yīng)，系為兩鐵磁層之磁化同位向時，通過該隔離層(隧道障蔽，tunnel barrier)的電子頻率，系高于兩鐵磁層之磁化位向反向時通過該隔離層的電子頻率。
因此，讀出該記憶胞元的效應(yīng)，系基于被磁化的鐵磁層之內(nèi)部性質(zhì)，而非基于該兩層所產(chǎn)生磁場的直接作用。其作用，或指鐵磁與反鐵磁耦合，系影響該記憶胞元的運(yùn)作表現(xiàn)。
在此范例中，鐵磁耦合一詞系指作用的比例，該作用為促進(jìn)該儲存層之磁化位向平行該參考層之磁化位向，以及抑制該儲存層之轉(zhuǎn)換方向與該參考層之磁化相反的。
因此，反鐵磁耦合一詞系指作用的比例，該作用為抑制儲存層位向平行該參考層之磁化位向，以及促進(jìn)該儲存層之磁化位向轉(zhuǎn)換之方向與該參考層之磁化方向相反。一個記憶胞元與相同記憶胞元，以及相鄰的記憶胞元之參考層與儲存層之間，鐵磁與反鐵磁耦合系對于具有磁阻記憶胞元之半導(dǎo)體裝置的內(nèi)部與外部，造成磁偏場。在被此偏場所滲入的一儲存層中，該偏場造成磁化方向轉(zhuǎn)變所需的場強(qiáng)度中之偏移(shift)，即所謂的矯頑電場強(qiáng)度(coercive field strength)。該偏移需要磁場中的不對稱性，其為存寫與存寫電流所需。
此效應(yīng)系如第2圖所說明，簡單化將其減少成為儲存層的一維(one-dimension)轉(zhuǎn)換。在此范例中，HC1與HC2系指在無偏場的情況下，M0與M1之間磁化轉(zhuǎn)換所需要的矯頑電場強(qiáng)度(coercive fieldstrength)，且HB系代表磁偏場的強(qiáng)度。
第2圖的上半部系說明在無偏場的情況下，一儲存層的磁化反轉(zhuǎn)曲線。特定的矯頑電場強(qiáng)度(coercive field strength)HC1與-HC1系以磁化軸而成對稱關(guān)系。
第2圖的下半部系相對于該磁場軸重疊偏場，說明由該存寫電流I所產(chǎn)生的磁場H(I)的一磁化曲線。對于此磁場，該磁化曲線顯然系自強(qiáng)度HB中心往HB的方向偏移。
若該偏場與該儲存層的磁化不同方向時，則磁化的轉(zhuǎn)換需要的磁場，其強(qiáng)度為特定的矯頑電場強(qiáng)度(coercive field strength)與該偏場的磁場強(qiáng)度總和。
在此范例中，該偏場設(shè)有一預(yù)先決定的最大存寫電流，減少保留關(guān)于該記憶胞元之儲存層中磁化的可信賴的改變。
若該偏場系與該儲存層的磁化相反時，則具有對應(yīng)于被該偏場之磁場強(qiáng)度所減少儲存層之特定矯頑電場強(qiáng)度(coercive fieldstrength)的磁場，已足以改變磁化。
在此范例中，甚至更小的磁場亦可改變磁化。因而可減少保留所不希望得到的磁化改變。一方面可用該半導(dǎo)體裝置外部來源，以極端的干擾場造成此磁場。此磁場的另一來源，系例如由該半導(dǎo)體裝置中相鄰記憶胞元之存寫電流所產(chǎn)生。
兩鐵磁層之間的距離，該儲存層的厚度以及形成該記憶胞元之層的粗糙度，系可決定該儲存層中偏場下的鐵磁耦合。
此方面參考文獻(xiàn)為1962年L.Néel于Compets Rendus Acd.Sci.255中所發(fā)表的內(nèi)容，以及特別是2000年A.Anguelouch等人在應(yīng)用物理信函(Applied Physics Letters)第76冊編號5中發(fā)表「在穿隧接合中微尺寸薄膜的二維磁轉(zhuǎn)換」。
在此范例中，該偏場的位向不需要與該存寫電流所產(chǎn)生磁場的位向平行，但是可具有與其垂直且平行于該儲存層的組件。此方面請參閱2000年A.Anguelouch等人在應(yīng)用物理信函(Applied PhysicsLetters)第76冊編號5中發(fā)表「在穿隧接合中微尺寸薄膜的二維磁轉(zhuǎn)換」中的第2圖a。造成此效應(yīng)的物理因素，并非完全已知，但是該偏場并不改變該記憶胞元生命期中的強(qiáng)度與方向。
特別地，該層的粗糙度造成該偏場的多變且難以預(yù)測的比例。在此范例中，粗糙度的影響因半導(dǎo)體裝置而有所不同，即使是相同設(shè)計(jì)而自不同晶圓所產(chǎn)生，然而若是自相同晶圓所產(chǎn)生的半導(dǎo)體裝置，則其粗糙度所造成的影響相似。
第3圖系說明一磁阻記憶胞元的橫切面。一隔離層2系位于一參考層4與一儲存層1之間。以一無磁性的中間層3b，將該參考層3分為一上參考次層3a與一下參考次層3c，產(chǎn)生一磁漏場(magneticleakage field)，其可產(chǎn)生箭號5所指的反鐵磁耦合。造成該鐵磁耦合的原因，亦即層的粗糙度以及隔離層與儲存層的厚度，系如箭號4所指。
為了減低偏場，一方面嘗試減少鐵磁耦合。另一方面，嘗試將該反鐵磁耦合設(shè)定朝向該偏場的補(bǔ)償。
使用較厚的儲存層以減少鐵磁耦合，面臨到改變磁化所需的層轉(zhuǎn)換電流的障礙。同樣地，依該記憶胞元的電阻需求以及熱動態(tài)需求，規(guī)定鐵磁層之間的距離。
由于反鐵磁耦合具穩(wěn)定的作用且具低的凈力矩，所以藉其限制補(bǔ)償。最大的效應(yīng)為必須使用參考次層之一，所以降低該參考層的穩(wěn)定性。再者，例如在該記憶胞元或該半導(dǎo)體裝置的圖案化操作過程中的磁阻結(jié)果以及依該儲存層的磁化方向旋轉(zhuǎn)，并不能影響鐵磁耦合的補(bǔ)償。再者，若半導(dǎo)體裝置是由不同晶圓所產(chǎn)生，則該反鐵磁耦合并不適合用于補(bǔ)償由該層之粗操度所引起的該鐵磁耦合，其系規(guī)則地彼此脫離。
所以，本發(fā)明之目的系提供一種裝置，其可用以補(bǔ)償半導(dǎo)體裝置中磁阻記憶胞元儲存層中的偏場，且其中該記憶胞元的幾何形狀并未改變。再者，本發(fā)明系提供可進(jìn)行該補(bǔ)償之方法。
在上述的裝置形式中，實(shí)行本案權(quán)利要求1之特征，可達(dá)成本發(fā)明之目的。達(dá)到本發(fā)明目的之方法系如本案權(quán)利要求7與12中所述。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)系如附屬權(quán)利要求中所述。
因此，根據(jù)本發(fā)明之裝置中，系以至少一合適的磁化補(bǔ)償層的一磁阻漏場(而后稱為補(bǔ)償場)，補(bǔ)償半導(dǎo)體裝置中磁阻記憶胞元儲存層中的偏場。
該補(bǔ)償層可被使用于該半導(dǎo)體裝置的外部與/或內(nèi)部。
若使用一補(bǔ)償層于一半導(dǎo)體裝置中，則較佳系以習(xí)知技術(shù)在晶圓的階層上處理晶圓以及使用制造該記憶胞元的材質(zhì)?？山逵稍撗a(bǔ)償層的圖案化，而影響此一補(bǔ)償層的磁性。
例如，在該半導(dǎo)體裝置中，可使用SiO2層隔離該補(bǔ)償層，該補(bǔ)償層可被使用于具有該記憶胞元的記憶胞元層之下。
在具有復(fù)數(shù)記憶胞元層的半導(dǎo)體裝置中，每一記憶胞元可被分配至少一補(bǔ)償層，其系一個別記憶胞元層的特定需求而被磁化。在此范例中，記憶胞元與補(bǔ)償層于該半導(dǎo)體裝置的層結(jié)構(gòu)中交替。
在一較佳的方式中，系使用該補(bǔ)償層于該半導(dǎo)體裝置中該記憶胞元層之后的第一被動。
若該補(bǔ)償層系被使用在收納該半導(dǎo)體裝置的過程之中或之后，則補(bǔ)償層須在該半導(dǎo)體裝置的外部。
此方法系使用鐵磁性質(zhì)的外殼或是將該半導(dǎo)體裝置定位于一合適的載體中。
根據(jù)本發(fā)明中該裝置的一較佳實(shí)施例，在該半導(dǎo)體裝置外部使用一補(bǔ)償層，其系為一可磁化的板或是此種形式的薄膜，較佳系使用在該半導(dǎo)體裝置的至少一表面上，其系與該儲存層平行。此范例的決定性關(guān)鍵在于該磁場的至少一組件系與該儲存層平行。
亦可使用一裝置，用以屏蔽該半導(dǎo)體裝置對抗外部場而作為補(bǔ)償層，或是作為屏蔽該半導(dǎo)體裝置的補(bǔ)償層。
為了產(chǎn)生在整個記憶胞元中均質(zhì)的補(bǔ)償場，較佳系在該半導(dǎo)體裝置之整個橫切區(qū)域上，使用該補(bǔ)償層，其系與該儲存層平行。
該補(bǔ)償層后續(xù)的圖案化，可微調(diào)該補(bǔ)償場。然而，在微調(diào)該補(bǔ)償場之前，必須決定。
該偏場之測量較佳系藉由半導(dǎo)體裝置的測試模式而進(jìn)行。在此范例中，該測量裝置系控制不同強(qiáng)度的兩磁性測量場，其系平行于該儲存層且彼此正交。端視于該測量場，該記憶胞元的一磁場決定型的特性值(此后稱為測量變量)，例如該記憶胞元的電阻，系被決定且被傳送至一外部測試裝置。在此范例中，在該半導(dǎo)體裝置的交叉連接中，在一合適的方式中藉由電流或者是藉由該記憶胞元之已存在的連接線之輔助而產(chǎn)生該測量場，其系為達(dá)此目的而特地被形成。
如同測量該半導(dǎo)體裝置的測量變量，可用相同的方法朝向外部刻出相關(guān)的交互連接。在此范例中，可藉由該半導(dǎo)體裝置外部之測量裝置，控制測量場且/或決定該測量變量。
在一較佳的方式中，該測量裝置系至少部分被整合于該半導(dǎo)體裝置中，且具有至少一可控制的電流源極、兩個三角波形產(chǎn)生以及適合此側(cè)離改變的一測量裝置。一側(cè)量操作僅于外部起始，而后該該測量變量之測量值系被往外部傳送。
在此范例中，該測量的記憶胞元可為該半導(dǎo)體裝置之功能記憶胞元、參考記憶胞元或是特別供于此方法之記憶胞元之一。所得到的資料系依據(jù)強(qiáng)度與方向，用以計(jì)算該補(bǔ)償場。
根據(jù)本發(fā)明之第一方法，該偏場之補(bǔ)償系藉由一補(bǔ)償層而完成，該補(bǔ)償層系已被使用于該半導(dǎo)體裝置且而后系依該偏場之測量值而被磁劃化。
該補(bǔ)償層系于外部磁場被磁化，其強(qiáng)度之設(shè)定系取決特定方向中于該補(bǔ)償層的材質(zhì)之該初始磁化曲線(初始曲線)，以及該偏場所決定之值。
該補(bǔ)償層系至少部分由硬磁材質(zhì)所組成，其具有一預(yù)先磁化。分配至該預(yù)先磁化的磁場系被重疊至該偏場以被補(bǔ)償。再者，該補(bǔ)償層之磁化作用并非接在該材質(zhì)之初始曲線之后。
所以，在已被預(yù)先磁化的補(bǔ)償層中，在某環(huán)境下決定該外部磁場強(qiáng)度之一不正確值，該磁場系磁化該補(bǔ)償層。該偏場未被完全補(bǔ)償。
因此，在一較佳的方式中，在該補(bǔ)償層之第一控制磁化后，再次測量該偏場。所得之測量值可被用以推導(dǎo)該補(bǔ)償層預(yù)先磁化之方向與強(qiáng)度。而后決定該外部磁場之強(qiáng)度與方向之一新的值，該外部磁場系控制該補(bǔ)償層之磁化，且系再次利用此一磁場而磁化該補(bǔ)償層。
根據(jù)本發(fā)明之第一方法，可于該半導(dǎo)體裝置之內(nèi)部或外部，提供該補(bǔ)償層。若要達(dá)到微調(diào)目的之需要，則其可被圖案化。根據(jù)本發(fā)明之第二方法，首先在使用一補(bǔ)償層之前，測量該偏場，其中該補(bǔ)償層已被適當(dāng)磁化。
因而該偏場之側(cè)量系于無補(bǔ)償層的情形下進(jìn)行，且不受此一補(bǔ)償層影響，因而簡化補(bǔ)償該偏場之方法。而后較佳系在生產(chǎn)該半導(dǎo)體裝置制程之一階段中，完成該補(bǔ)償，而后不再進(jìn)行重要的加熱步驟，其系改變該該半導(dǎo)體裝置的磁性條件。
基于該傳送的測量值，使用于該半導(dǎo)體裝置上系依據(jù)該偏場的強(qiáng)度與方向所制備的補(bǔ)償層，較佳系以硬扇區(qū)段所制備的薄膜。
在此范例中，在第一變異中，所制備的膜依據(jù)該磁化的強(qiáng)度與方向所儲存的第一收集形式而存在，且系以相同的位向使用該膜。
在第二變量中，所制備的膜系僅依據(jù)該磁化之強(qiáng)度所儲存的第二收集而存在，且依該偏場方向所指定的位向，而將該膜使用在該半導(dǎo)體裝置上。
在一特別較佳的方式中，所制備的補(bǔ)償層，亦指所制備的膜，具有定義該半導(dǎo)體裝置的鐫刻文字。
本發(fā)明之更詳細(xì)說明可參閱下列之圖式，其中相同的參考符號系指相同的對應(yīng)組件。
簡單圖式說明第1圖系根據(jù)本發(fā)明的第一與第二實(shí)施例，說明本發(fā)明之裝置。
第2圖系分別說明在無偏場與有一有效偏場的儲存層之磁化倒轉(zhuǎn)曲線。
第3圖系磁阻記憶胞元之圖式。
第2圖與第3圖已于導(dǎo)論中敘述。
第1圖系一簡單的橫切示意圖，說明具有磁阻記憶胞元6的一半導(dǎo)體裝置7，該橫切示意圖并非按照真實(shí)比例，且該說明并不會限制本發(fā)明的特征。
該記憶胞元6系由儲存、隔離與參考層1、2、3所建構(gòu)，在說明范例中，該記憶胞元6系被裝置于該半導(dǎo)體裝置7的單層上。一被動層11的使用，系平行于自該記憶胞元6所形成的一記憶胞元層。
在該記憶胞元6的參考與儲存層1，3之間，鐵磁耦合系產(chǎn)生一磁偏場。
虛線所指的組件具有該半導(dǎo)體裝置7所提供的補(bǔ)償層7，其系于第一實(shí)施例中被忽略。在第一實(shí)施例中，該補(bǔ)償層9之使用系平行于該儲存層1，其系藉由一被動層11而自該記憶胞元6被隔離，且在該磁化的磁場補(bǔ)償該儲存層1中的磁偏場的方式中，該補(bǔ)償層9可被磁化。為了獲得一磁場，其系由該補(bǔ)償層9的磁化而產(chǎn)生，且其系依據(jù)該半導(dǎo)體裝置7的所有儲存層1中的強(qiáng)度與方向而盡可能地相同，該補(bǔ)償層9較佳系覆蓋該半導(dǎo)體裝置7的整個橫切區(qū)域。
第二實(shí)施例亦包含虛線所指的組件，且具有一補(bǔ)償層10供于該半導(dǎo)體裝置7的外部以及具有一殼體8，其系至少部分環(huán)繞該半導(dǎo)體裝置7，排除提供于該半導(dǎo)體裝置7中的該補(bǔ)償層9。
為了上述的原因，使用于該半導(dǎo)體裝置外部的該補(bǔ)償層10，其較佳的使用系平行該儲存層1，且較佳系覆蓋平行該儲存層1的至少一整個表面。
圖標(biāo)符號說明M 磁化H(I) 存寫電流I所產(chǎn)生的一磁場之磁場強(qiáng)度HC1一特定的矯頑電場強(qiáng)度M0第一磁化M1第二磁化HB該偏場的磁場強(qiáng)度1 儲存層2 隔離層3 參考層3a 上參考次層3b 中間層3c 下參考次層4 鐵磁耦合之表現(xiàn)5 反鐵磁耦合之表現(xiàn)6 記憶胞元7 半導(dǎo)體裝置8 殼體9 該半導(dǎo)體裝置中的補(bǔ)償層10 該半導(dǎo)體裝置外部的補(bǔ)償層11 被動層
權(quán)利要求
1.一種裝置，其系用于一半導(dǎo)體裝置(7)中至少一磁阻記憶胞元(6)的一儲存層(1)中磁偏場的補(bǔ)償，其特征系為至少一補(bǔ)償層(9/10)，其系具有磁化，補(bǔ)償該儲存層(1)中的該偏場。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其特征系為該補(bǔ)償層(9)系位于該半導(dǎo)體裝置(7)中。
3.如權(quán)利要求1的裝置，其特征系為該補(bǔ)償層(10)系位于該半導(dǎo)體裝置(7)之外部。
4.如權(quán)利要求2的裝置，其特征系為藉由至少一隔離層(11)，而自該記憶胞元隔離該補(bǔ)償層(9)。
5.如任一權(quán)利要求1至4的裝置，其特征系為該補(bǔ)償層(9/10)所產(chǎn)生的磁場系平行該儲存層(1)，且系本質(zhì)上地延伸于該半導(dǎo)體裝置(7)之整個橫切區(qū)域上。
6.如任一權(quán)利要求1至5的裝置，其特征系為該補(bǔ)償層(9/10)系被圖案化以作為微調(diào)。
7.一種用于補(bǔ)償一半導(dǎo)體裝置(7)中一磁阻記憶胞元(6)的一儲存層(1)中磁偏場的方法，其系包含下列步驟使用一鐵磁補(bǔ)償層(9/10)；依據(jù)強(qiáng)度與方向，測量該偏場；以及藉由該補(bǔ)償層(9/10)之磁化，而補(bǔ)償該偏場。
8.如權(quán)利要求7的方法，其特征系為由于該補(bǔ)償層(9/10)之一預(yù)先磁化，至少重復(fù)一次該偏場之該測量與該補(bǔ)償，以排除一錯誤補(bǔ)償。
9.如權(quán)利要求7或8的方法，其特征系為該補(bǔ)償層(9)系被使用于該半導(dǎo)體裝置(7)中。
10.如權(quán)利要求7或8的方法，其特征系為該補(bǔ)償層(10)系被使用于該半導(dǎo)體裝置(7)之外部。
11.如任一權(quán)利要求7至10的方法，其特征系為該補(bǔ)償層(9/10)系被圖案化。
12.一種用于補(bǔ)償一半導(dǎo)體裝置(7)中一磁阻記憶胞元(6)的一儲存層(3)中磁偏場的方法，其系包含下列步驟依據(jù)強(qiáng)度與方向，測量該偏場；以及藉由使用一補(bǔ)償層(10)而補(bǔ)償該偏場，該補(bǔ)償層具有一磁化，其系補(bǔ)償該儲存層(3)中的該偏場。
13.如任一權(quán)利要求7至12的方法，其特征系為藉由該半導(dǎo)體裝置(7)測量模式中的一測量裝置，決定一測量變量的測量值且將其傳送至一測試裝置，該測量變量系特征化該磁偏場的該強(qiáng)度與該方向。
14.如權(quán)利要求13的方法，其特征系為該測量裝置系控制兩互呈正交的測量電流，其系與該儲存層平行，其系產(chǎn)生兩彼此正交的磁性測量場，以及對于以一測量裝置之該測量場的不同值對，決定該記憶胞元的一磁場決定特性變量。
15.如任一權(quán)利要求12至14的方法，其特征系為該測量裝置之提供，系至少部分于該半導(dǎo)體裝置(7)之中。
16.如任一權(quán)利要求12至15的方法，其特征系為藉由使用該補(bǔ)償層作為一膜，該半導(dǎo)體裝置(7)系被鐫刻。
全文摘要
本發(fā)明系關(guān)于半導(dǎo)體裝置(7)中磁阻儲存胞元(6)儲存表面(1)上補(bǔ)償偏壓磁場之裝置，并系關(guān)于補(bǔ)償此一偏壓場之方法。
文檔編號G11C11/16GK1550018SQ02817128
公開日2004年11月24日 申請日期2002年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月31日
發(fā)明者J·班格特, J 班格特 申請人:因芬尼昂技術(shù)股份公司