CN107195774B - 自旋轨道扭力式磁性随存储存器及其写入方法 - Google Patents
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Abstract
一种自旋轨道扭力式磁性随存储存器及其写入方法。该自旋轨道扭力式磁性随存储存器包含一基板，及一设置于该基板并具有一磁性自由层的自旋轨道扭力式记忆胞。该磁性自由层包括彼此接触的至少一铁磁性第一金属膜及至少一呈自旋霍尔效应的第二金属膜。该第一金属膜具有一足以使该磁性自由层具有一介于±0.9的残留磁化量对饱和磁化量的比值的厚度。该比值是在沿着该第一金属膜的一难轴对该磁性自由层依序提供与释放一足以使该磁性自由层达该饱和磁化量的第一外加磁场后所达成，从而令该第一金属膜在沿着其难轴对磁性自由层提供一远小于该第一外加磁场的第二外加磁场与一交流脉冲电讯号以达其所产生的临界电流密度以上时，具有3级以上的磁域。
Description
技术领域
本发明于涉及一种随存储存器(random-access memory，以下称RAM)，特别是涉及一种自旋轨道扭力式磁性随存储存器(spin-orbit torque magnetoresistive random-access memory，以下称SOT-MRAM)及其写入方法。
背景技术
近几十年来，知识爆炸的资讯时代使得资讯更新的速度飞快，以致于不只储存资讯的RAM需求量与日俱增外，快速地将资讯储存到RAM的要求也有增无减。
现有的RAM可见有快闪储存器(flash)、电阻式储存器(ReRAM)、相变化(phasechange)储存器(PCRAM)与铁电(ferroelectric)储存器(FeRAM)。前述各种储存器的记忆胞(cell)于读写过程中，虽然因采用位元线(bit line)与字元线(write line)的二接点(twoterminal)式的手段来达成其电讯号的传输，而有利于缩减元件尺寸并增加记录密度。然而，前述储存器皆属多级储存(multi-level storage)，于写入(writing)前仍需实施初始化(initialization)的程序。换句话说，当前述记忆胞需连续执行写入与重新写入(rewriting)等动作前，都必须先实施初始化的程序，使已被写入的记忆胞恢复到原始的低阻态(low resistance state；LRS)。因此，避免不了储存器相关业界所不乐见的耗能与耗时等问题，也影响了储存器的写入速度。
基于上述各种RAM所带来的缺失，由于穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance；简称TMR)效应的发现，使得由铁磁性自由层(free layer)、厚度极薄的绝缘阻障层(barrier layer)与铁磁性固定层(pinned layer)所构成的磁性随存储存器(MRAM)，可通过电子的自旋(spin)特性并配合电流与外加磁场以快速地令该铁磁性自由层的磁矩(magnetic moment)翻转，从而使MARM可通过自由层与固定层内的磁矩排列的关系来改变其电阻值，并借此辨识出MARM的0与1两种讯号。因此，MRAM已被公认是下一世代的储存器。现有的MRAM可见有自旋转换扭力式(spin transfer torque，以下称STT)MRAM与SOT-MRAM。
Yiming Huai于AAPPS Bulletin December 2008,Vol.18,No.6,pp.33～40公开有Spin-Transfer Torque MARAM(STT-MARM):Challenges and Prospects一文(以下称前案1)。前案1于其引言处提及一种STT-MRAM(参阅图1)1的基本结构。该STT-MRAM1包括一具有一场效电晶体111的硅(Si)基板11、一电连接且设置于该场效电晶体111上的记忆胞12[也就是，磁穿隧结(magnetic tunnel junction，以下称MTJ)]，及一设置于该记忆胞12上的位元线13；其中，该记忆胞12具有一电连接该位元线13的自由层121、一电连接该场效电晶体111的固定层122，及一夹置于该自由层121与该固定层122间的氧化镁(以下称MgO)穿隧阻障层123，且该STT-MRAM1是以该场效电晶体111来做为一写入与读取0/1讯号时的字元线。虽然该STT-MRAM1属于二级储存(two-level storage)，可快速地写入0与1两种讯号。然而，因该STT-MRAM1是通过二接点式的手段来达成其电讯号的传输，以致于其写入时的电流是直接贯穿该记忆胞12，不只损伤该自由层121，也损伤该MgO穿隧阻障层123，从而引致介电崩溃(dielectric breakdown)的问题。
此外，Yusung Kim等人于IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.62,NO.2,FEBRUARY 2015公开有Multilevel Spin-Orbit Torque MARAMs一文(以下称前案2)。前案2在其引言中提及(参阅图2)，由一SOT记忆胞(也就是，MTJ)21与一重金属层22所构成的一SOT-MRAM2可以解决该STT-MRAM1前述缺失。详细地来说，如图2所示，该SOT记忆胞21具有一自由层211、一固定层212，及一夹置于该自由层211与该固定层212间的穿隧阻障层213；其中，该重金属层22是与该自由层211互相接触并电连接有一写入字元线23，该固定层212电连接有一读取字元线24，且该写入字元线23及该读取字元线24与一位元线25交错设置，以令该SOT-MRAM2是通过该写入字元线23、该读取字元线24及该位元线25的三接点(three-terminal)式的手段来传输其电讯号。虽然该SOT-MRAM2于写入时，是通过流经该重金属层22的电流所产生的自旋轨道交互作用，以于该自由层211中注入自旋电流(spincurrent)并令自由层211内的磁矩快速地翻转，从而不损及该自由层211与该穿隧阻障层213。然而，该SOT-MRAM2基于其讯号传输的手段为三接点式，以致于记忆胞的体积大而难以提升记录密度。
为解决记录密度难以提升的问题，前案2也在其内文中公开了两种多级储存的SOT-MRAM结构3。简单地来说(参阅图3与图4)，该多级储存的SOT-MRAM结构3是令彼此串联(series，如图3所示)的一第一记忆胞(也就是，MTJ1)31及一第二记忆胞(也就是，MTJ2)32与一重金属层33接触，或是令彼此并联(parallel，如图4所示)的该第一记忆胞31及该第二记忆胞32与该重金属层33接触，并通过三接点式的手段来传输讯号，以借由该第一记忆胞31与该第二记忆胞32共同创造出四个阻态(four resistance states)，从而达成多级储存。虽然该SOT-MRAM结构3所创造的四个阻态可以视为两个位元，并借此提升SOT-MRAM结构3的记录密度。然而，欲达成四个阻态的多级储存的SOT-MRAM结构3，是通过增加记忆胞的数量来达成，无形中也令SOT-MRAM结构3存在有体积过大的问题，其解决记录密度难以提升的贡献度仍然有限。
经上述说明可知，在不影响SOT-MRAM体积的前提下，以有效地提升SOT-MRAM的储存密度并增加SOT-MRAM的储存速度，是此技术领域的相关技术人员所待突破的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自旋轨道扭力式磁性随存储存器。
本发明的另一个目的，在于提供一种自旋轨道扭力式磁性随存储存器的写入方法。
本发明的于自旋轨道扭力式磁性随存储存器，包含：一个基板；及一个自旋轨道扭力式记忆胞。该自旋轨道扭力式记忆胞设置于该基板，并具有一磁性自由层。该磁性自由层包括彼此接触的至少一呈铁磁性的第一金属膜，及至少一呈一自旋霍尔效应(spin Halleffect)的第二金属膜。该第一金属膜具有一足以使该磁性自由层具有一介于+0.9至-0.9间的比值的厚度。该比值是该磁性自由层的一残留磁化量(remanent magnetization，以下称M)对一饱和磁化量(saturated magnetization，以下称Ms)的比值，且是在对该磁性自由层依序提供与释放一足以使该磁性自由层达该饱和磁化量的第一外加磁场后所达成。该第一外加磁场是沿着一实质平行于该第一金属膜的一难轴(hard axis)的第一方向提供。此外，在对该磁性自由层提供有一第二外加磁场及一交流脉冲电讯号(pulse electricsignal)以在大于该交流脉冲电讯号所产生的一临界电流密度(critical currentdensity；以下称Jc)时，该第一金属膜具有多个磁域(n-level domains)，且磁域的数量为3个及以上，该第二外加磁场是远小于该第一外加磁场且是沿着该第一方向提供，该交流脉冲电讯号的一正幅值与一负幅值的一绝对值具有一足以使该第一金属膜具有所述磁域的下降时间(fall time)。又，该磁性自由层在该临界电流密度时能具有一正饱和磁化量及一负饱和磁化量。
本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，该第一金属膜含有一选自下列所构成的群组的第一金属：Co、Fe、Ni，及前述第一金属的组合；该第二金属膜是由一第二金属或一经掺杂有一第四金属的第三金属所制成，该第二金属是选自一由下列所构成的群组：Pd、Pt、Ta、Mo及W，该第三金属是选自一由下列所构成的群组：Cu、Pt、W，及前述第三金属的组合，该第四金属是选自一由下列所构成的群组：Ir、Pt、W、Bi，及前述第四金属的组合。
本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，该第一金属膜含有Co，该第二金属膜是由Pt所制成，且该磁性自由层自邻近该基板的一侧朝上具有一(Pt/Co)N/X的膜层结构，且X是选自该第二金属中的任一第二金属。
本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，X是Pt。
本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，各第一金属膜对各第二金属膜的一厚度比值是介于0.05至1.0间，且磁域的数量为4个及以上。
本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，该第一金属膜含有Co及Fe的组合，且该第一金属膜还含有B，该第二金属膜是由Pd所制成；该磁性自由层还包括一接触第一金属膜并用于使该呈铁磁性的第一金属膜的磁矩垂直于一膜面的绝缘膜。
本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，该第一金属膜对该第二金属膜的一厚度比值是介于0.05至0.50间，且磁域的数量为4个及以上。
此外，本发明自旋轨道扭力式磁性随存储存器的写入方法，包含以下步骤：一步骤(a)；及一步骤(b)。该步骤(a)是在上述自旋轨道扭力式磁性随存储存器的自旋轨道扭力式记忆胞的磁性自由层提供该交流脉冲电讯号的该正幅值与该第二外加磁场，使该交流脉冲电讯号的该正幅值令该第二金属膜通过该自旋霍尔效应产生一正向的自旋电流，并于达该临界电流密度时令该第一金属膜内的磁矩(magnetic moment)翻转从而使该磁性自由层达该正饱和磁化量与该负饱和磁化量两者其中一者。该步骤(b)是直接于该步骤(a)后，在该自旋轨道扭力式记忆胞的磁性自由层提供该交流脉冲电讯号的该负幅值与第二外加磁场，使该交流脉冲电讯号的该负幅值令该第二金属膜通过该自旋霍尔效应产生一反向的自旋电流，并于达该临界电流密度时令该第一金属膜内的磁矩往回翻转从而使该磁性自由层达该正饱和磁化量与该负饱和磁化量两者其中另一者。
本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器的写入方法，当该步骤(a)与该步骤(b)的一电流密度大于该临界电流密度时，随着该步骤(a)与该步骤(b)的电流密度的增加，该磁性自由层的一磁化态是呈一连续型的变化。
本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器的写入方法，该步骤(a)与该步骤(b)的该交流脉冲电讯号的该下降时间是小于1000ns。
本发明的有益效果在于：该第一金属膜具有该足以使该磁性自由层在依序提供与释放该第一外加磁场后具有+0.9至-0.9间的残留磁化量对饱和磁化量的比值的厚度，可令该第一金属膜在小于该下降时间的交流脉冲电讯号达其临界电流密度以上与该第二外加磁场的条件下具所述磁域，以致于该自旋轨道扭力式记忆胞在不影响体积的前提下来执行该步骤(a)以令该磁性自由层的磁矩翻转后，无需经由初始化程序便可直接执行该步骤(b)以令磁矩往回翻转，有效地提升储存密度并增加储存速度。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：
图1是一立体图，说明公开于前案1中的一种STT-MRAM；
图2是一电路图，说明公开于前案2中的一种SOT-MRAM；
图3是一电路图，说明公开于前案2中的一种多级储存的SOT-MRAM；
图4是一电路图，说明公开于前案2中的另一种多级储存的SOT-MRAM；
图5是一正视示意图，说明本发明自旋轨道扭力式磁性随存储存器的一第一实施例；
图6是一示意图，说明该第一实施例的写入方法的实施态样；
图7是一幅值(magnitude)对时间的关系图，说明该第一实施例的写入方法的一脉冲电讯号；
图8是一正视示意图，说明本发明自旋轨道扭力式磁性随存储存器的一第二实施例；
图9是一克尔强度(Kerr intensity；M/Ms)对倾角(tilted angle；θt)关系图，说明本发明自旋轨道扭力式随存储存器的一比较例1(CE1)、一具体例1(E1)及一比较例2(CE2)的磁性质；
图10是一克尔强度(M/Ms)对电流密度(current density；J)关系图，说明本发明所述比较例1(CE1、CE2)及该具体例1(E1)的磁化态；
图11是一克尔强度(M/Ms)对电流密度(J)关系图，说明本发明该具体例1(E1)在一交流脉冲电讯号的不同下降时间下的磁性质；
图12是一电流密度(J)暨克尔强度(M/Ms)对水平外加磁场(Hx)的相图(phasediagram)，说明本发明所述比较例(CE1、CE2)及该具体例1(E1)的磁化态；
图13是一电流密度(J)对脉冲次数关系图，说明本发明该具体例1(E1)经连续提供600次的任意调变幅值与方向的交流脉冲电讯号后的电流密度；
图14是一自图13所汇整取得的克尔强度(M/Ms)对电流密度(J)关系图，说明本发明该具体例1(E1)的最终磁化态分布；
图15是一自图14的四条虚线所对应取得的克尔强度(M/Ms)对脉冲次数关系图，说明本发明该具体例1(E1)在四个不同脉冲条件下的4级的读/写测试结果；
图16是一自图15所取得的总计量(count)对克尔强度(M/Ms)关系图，说明本发明该具体例1(E1)的各脉冲条件下所对应的最终磁化态分布；
图17是一克尔强度(M/Ms)对倾角(θt)关系图，说明本发明自旋轨道扭力式随存储存器的一具体例2(E2)的磁性质；
图18是一克尔强度(M/Ms)对电流密度(J)关系图，说明本发明该具体例2(E2)的磁化态；
图19是一电流密度(J)对脉冲次数关系图，说明本发明该具体例2(E2)经连续提供600次的任意调变幅值与方向的交流脉冲电讯号后的电流密度；
图20是一自图19所汇整取得的克尔强度(M/Ms)对电流密度(J)关系图，说明本发明该具体例2(E2)的最终磁化态分布；
图21是一自图20的四条虚线所对应取得的克尔强度(M/Ms)对脉冲次数关系图，说明本发明该具体例2(E2)在四个不同脉冲条件下的4级的读/写测试结果；
图22是一自图21所取得的总计量(count)对克尔强度(M/Ms)关系图，说明本发明该具体例2(E2)的各脉冲条件下所对应的最终磁化态分布。
具体实施方式
<发明详细说明>
在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
如图5所示，本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器的一第一实施例，包含一个基板4，及一个设置于该基板4上的自旋轨道扭力式记忆胞5。
该自旋轨道扭力式记忆胞5具有一设置于该基板4的上方的磁性自由层51、一设置于该基板4上的磁性固定层52，及一夹置于该磁性自由层51与该磁性固定层52间的绝缘阻障层53。该磁性自由层51包括彼此接触的多个呈铁磁性的第一金属膜511，及多个呈一自旋霍尔效应的第二金属膜512。如图5所示，该磁性自由层51的所述第一金属膜511与所述第二金属膜512是彼此轮流地叠置于该绝缘阻障层53上。在本发明该第一实施例中，所述第一金属膜511具有一足以使该磁性自由层51具有一介于+0.9至-0.9间的比值的厚度。该比值是该磁性自由层51的一残留磁化量(M)对一饱和磁化量(Ms)的比值，且是在对该磁性自由层51依序提供与释放一足以使所述磁性自由层51达该饱和磁化量(Ms)的第一外加磁场后所达成。该第一外加磁场是沿着一实质平行于所述第一金属膜511的一难轴的第一方向+X提供(图未示)。
此外，参阅图6与图7，在本发明该第一实施例中，在对该磁性自由层51提供有一第二外加磁场及一交流脉冲电讯号6以在大于该交流脉冲电讯号所产生的一临界电流密度(Jc)时，各第一金属膜511具有多个磁域，且磁域的数量为3个及以上。该第二外加磁场是远小于该第一外加磁场且是沿着该第一方向+X提供(见图6)。该交流脉冲电讯号6的一正幅值61与一负幅值62的一绝对值具有一足以使所述第一金属膜511具有所述磁域的下降时间(见图7)611、621。该磁性自由层51在该临界电流密度时能具有一正饱和磁化量及一负饱和磁化量。
较佳地，磁域的数量为正偶数个；该第一外加磁场是介于5kOe至18kOe间；该第二外加磁场是介于-900Oe至900Oe间。
较佳地，各第一金属膜511含有一选自下列所构成的群组的第一金属：Co、Fe、Ni，及前述第一金属的组合；各第二金属膜512是由一第二金属或一经掺杂有一第四金属的第三金属所制成。该第二金属是选自一由下列所构成的群组：Pd、Pt、Ta、Mo及W；该第三金属是选自一由下列所构成的群组：Cu、Pt、W，及前述第三金属的组合；该第四金属是选自一由下列所构成的群组：Ir、Pt、W、Bi，及前述第四金属的组合。
更佳地，各第一金属膜511含有Co，各第二金属膜512是由Pt所制成，且该磁性自由层51自邻近该基板4的一侧朝上具有一(Pt/Co)N/X的膜层结构，且X是选自该第二金属中的任一第二金属。在本发明该第一实施例中，X是Pt；各第一金属膜511对各第二金属膜512的一厚度比值是介于0.05至1.0间，且磁域的数量为4个及以上。
再参阅图6及图7，本发明该第一实施例的写入方法，包含以下步骤：一步骤(a)；及一步骤(b)。该步骤(a)是在该第一实施例的自旋轨道扭力式记忆胞5的磁性自由层51提供该交流脉冲电讯号6的该正幅值61与该第二外加磁场，使该交流脉冲电讯号6的该正幅值61令所述第二金属膜512通过其自旋霍尔效应产生一正向的自旋电流，并于达该临界电流密度时令所述第一金属膜511内的磁矩翻转从而使该磁性自由层51达该正饱和磁化量(也就是说，M/Ms等于+1)与该负饱和磁化量(也就是说，M/Ms等于-1)两者其中一者。该步骤(b)是直接于该步骤(a)后，在该自旋轨道扭力式记忆胞5的磁性自由层51提供该交流脉冲电讯号6的该负幅值62与第二外加磁场，使该交流脉冲电讯号6的该负幅值62令所述第二金属膜512通过其自旋霍尔效应产生一反向的自旋电流，并于达该临界电流密度时令所述第一金属膜511内的磁矩往回翻转从而使该磁性自由层51达该正饱和磁化量(也就是说，M/Ms等于+1)与该负饱和磁化量(也就是说，M/Ms等于-1)两者其中另一者。
较佳地，在本发明该第一实施例的写入方法中，当该步骤(a)与该步骤(b)的一电流密度大于该临界电流密度时，随着该步骤(a)与该步骤(b)的电流密度的增加，该磁性自由层51的一磁化态是呈一连续型的变化；该步骤(a)与该步骤(b)的该交流脉冲电讯号6的所述下降时间611、621是小于1000ns。更佳地，该步骤(a)与该步骤(b)的该交流脉冲电讯号6的所述下降时间611、621是大于等于8.4ns，且该步骤(a)与该步骤(b)的该交流脉冲电讯号6的一持续时间(duration)612、622是介于1ms至50ns间。
如图8所示，本发明的自旋轨道扭力式磁性随存储存器及其写入方法的一第二实施例大致上是相同于该第一实施例，其不同处是在于，该第二实施例的该第一金属膜511与该第二金属膜512的数量是一层；该磁性自由层51还包括一接触该呈铁磁性的第一金属膜511并用于使该第一金属膜511的磁矩垂直于一膜面的绝缘膜513，以令该第一金属膜511具有一垂直磁异向性(perpendicular magnetic anisotropic)；该第一金属膜511含有Co及Fe的组合，且该第一金属膜511还含有B；该第二金属膜512是由Pd所制成。在本发明该第二实施例中，该第一金属膜511对该第二金属膜512的一厚度比值是介于0.05至0.50间，且磁域的数量为4个及以上。
本发明该第一实施例与该第二实施例虽是以具有该垂直磁异向性的该第一金属膜511为例做说明，但是本发明并不限于此。此处需补充说明的是，基于各第一金属膜511具有该垂直磁异向性；因此，各第一金属膜511的难轴是平行于如图6所示的第一方向+X，而垂直于各第一金属膜511的难轴的一易轴(easy axis)则是垂直于该第一方向+X。整合前述说明，在以下的本案数个具体例(Examples；以下称E)与数个比较例(Comparative Examples，以下称CE)的具体实施条件及其分析数据等相关说明中，涉及该第一外加磁场与该第二外加磁场等分析条件与写入条件皆是以水平外加磁场(Hx)来说明。
此外，本发明所述实施例虽然是以各自旋轨道扭力式记忆胞5具有磁性自由层51、该磁性固定层52及该绝缘阻障层53为例做说明。然而，此处需补充说明的是，本发明所属技术领域中具有通常知识者都应该知道，决定SOT-MRAM所记录的0与1等讯号的主要角色，仍在于该磁性自由层51。基于该磁性自由层51是用来主宰SOT-MRAM所记录的讯号的主要元件，申请人为缩减本案说明书的篇幅，以下有关于本案的数个具体例(E)与数个比较例(CE)的具体实施条件及其分析数据等相关说明，是以其自旋轨道扭力式记忆胞5只具有该磁性自由层51为例来说明。因此，以下所有涉及的各具体例(E)与各比较例(CE)的电性分析等相关说明，并非以SOT-MRAM的阻态(resistance-state)来说明其所储存的讯号，而是以其磁性自由层511的磁化态或克尔强度(M/Ms)来说明其所储存的讯号。所谓的克尔强度(M/Ms)是被定义成各磁性自由层51的经标准化(normalized)的该残留磁化量(M)对其饱和磁化量(Ms)的比值，于此一并先行说明。
又，此处需额外补充说明的是，决定该第一金属膜511具有所述磁域的条件，不只局限于该临界电流密度、该交流脉冲电讯号6的下降时间611、621，及该第一金属膜511对该第二金属膜512的厚度比值，也决定于该第一金属的磁性极化程度(magneticpolarization)、该第一金属膜511内的该第一金属的含量及其含量所构成的厚度。换句话说，只要是改变该第一金属的磁性极化程度与该第一金属膜511内的第一金属含量，该第一金属膜511对该第二金属膜512的厚度比值也会跟着改变，且临界电流密度也会跟着改变。因此，本发明该第一实施例的各第一金属膜511对各第二金属膜512的厚度比值是以介于0.05至1.0间为例做说明，且该第二实施例的该第一金属膜511对该第二金属膜512的厚度比值是以介于0.05至0.50间为例做说明，但是不限于此，也一并于此先行说明。
<比较例1(CE1)>
本发明自旋轨道扭力式随存储存器的一比较例1(CE1)是根据该第一实施例来实施，其具体的制作方法及其细部结构是简单说明于下。
首先，以直流磁控溅镀法(DC magnetron sputtering)于一经热氧化(thermaloxidized)的(100)硅晶圆(Si wafer)上依序沉积一厚度2.5nm的第一Ta膜、一做为该比较例1(CE1)的磁性自由层的(Pt/Co)N/Pt的膜层结构，及一厚度2.5nm的第二Ta膜，从而于该(100)硅晶圆上形成一多层膜。在该比较例1(CE1)中，N等于1；该(Pt/Co)N/Pt的膜层结构中的各Pt膜与各Co膜的厚度为2nm与0.9nm；且各Co膜对各Pt膜的一厚度比值为0.45。本发明该比较例1(CE1)的多层膜经一样品振动磁力计(vibrating sample magnetometer；VSM)测得，其具有一～9kOe的异向性磁场(magnetic anisotropy field；Hk)与一在一～18kOe的水平外加饱和磁化场(saturation field)下所取得的垂质残留磁化(out-of-planeremnant magnetization；Mr/Ms)等基本的磁性质。
后续，利用微影制程(photolithography process)及反应式离子蚀刻法(reactive-ion etching，RIE)使该多层膜图案化(patterned)成多个外观尺寸各为5μm×10μm的微米线，并从而完成该比较例1(CE1)的一自旋轨道扭力式磁性随存记忆胞。最后，利用微影制程、直流磁控溅镀法与光阻剥离制程(lift-off process)于各微米线上依序形成一厚度10nm的第三Ta膜与一厚度100nm的Pt膜以做为该比较例1(CE1)的一上电极。
整合上述各段的具体说明，本发明该比较例1(CE1)自该(100)硅晶圆朝上的一完整膜层结构为Ta(2.5nm)/[(Pt(2nm)/Co(0.9nm)]1/Pt(2nm)/Ta(2.5nm)/Ta(10nm)/Pt(100nm)。
<具体例1(E1)>
本发明自旋轨道扭力式随存储存器的一具体例1(E1)大致上是相同于该比较例1(CE1)，其不同处是在于，本发明该具体例1(E1)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的一磁性自由层的一膜层结构为(Pt/Co)2/Pt。因此，本发明该具体例1(E1)自一(100)硅晶圆朝上的一完整结构为Ta(2.5nm)/[(Pt(0.9nm)/Co(2nm)]2/Pt(2nm)/Ta(2.5nm)/Ta(10nm)/Pt(100nm)。
<比较例2(CE2)>
本发明自旋轨道扭力式随存储存器的一比较例2(CE2)大致上是相同于该比较例1(CE1)，其不同处在于，本发明该比较例2(CE2)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的一磁性自由层的一膜层结构为(Pt/Co)4/Pt。因此，本发明该比较例2(CE2)自一(100)硅晶圆朝上的一完整结构为Ta(2.5nm)/[(Pt(0.9nm)/Co(2nm)]4/Pt(2nm)/Ta(2.5nm)/Ta(10nm)/Pt(100nm)。
再参阅图6，本发明于写入及重新写入所述比较例(CE1、CE2)与该具体例1(E1)以分析其磁性质时，是通过一聚焦垂直式磁光克尔效应量测系统(focused polar magneto-optical Kerr effect system；以下简称FMOKE系统)7所产生的一直径为5μm的聚焦雷射点71来分析，且所述比较例(CE1、CE2)与该具体例1(E1)的磁化翻转(magnetizationreversal)是在提供该交流脉冲电讯号6于所述比较例(CE1、CE2)与该具体例1(E1)后被监测到；其中，交流脉冲电讯号6是由一型号为Keysight 33509B的随意波形产生器(图未示)所提供，其交流脉冲电讯号的一上升时间与下降时间是可被独立调整，并受一型号为Tektronix DPO5104B的示波器(oscilloscope，图未示)所监测。此外，本发明于反复写入所述比较例(CE1、CE2)与该具体例1(E1)时的电流密度，是自反复写入时所提供的电压、测得的电阻与所述完整结构的一截面积计算取得。
参阅图9可知，所述比较例(CE1、CE2)与该具体例1(E1)经依序提供与释放一高达18kOe的第一水平外加磁场[也就是，倾角(θt)等于0]后，所述比较例(CE1、CE2)与该具体例1(E1)的克尔强度(M/Ms)皆为0，证实所述比较例(CE1、CE2)与该具体例1(E1)在前述条件下达多级磁域的去磁化态。
参阅图10，显示有该比较例1(CE1；N＝1)、该具体例1(E1；N＝2)与该比较例2(CE2；N＝4)分别在提供有一具有一10μs的持续时间与一20ns的下降时间的交流脉冲电讯号及一+300Oe的第二水平外加磁场(Hx)的一写入条件下并经如图6所示的该FMOKE系统7分析取得的克尔强度(M/Ms)对电流密度(J)关系图(也就是，SOT切换曲线)；其中，该第二水平外加磁场(Hx)是沿图6所示的第一方向+X提供，且该第一方向+X是平行于所述比较例(CE1、CE2)与该具体例1(E1)的微米线的长度方向(longitudinal direction)。
由图10显示可知，当该比较例1(CE1；N＝1)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的电流密度大于等于其临界电流密度(Jc；约±7.7×107A/cm2)时，只显示有完整的二元切换行为。当该比较例2(CE2；N＝4)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的电流密度大于等于其临界电流密度(Jc；约±6×107A/cm2)时，则是进入克尔强度为0的去磁化态(demagnetized state)，未能具有正饱和磁化量(M/Ms等于+1)与负饱和磁化量(M/Ms等于-1)。反观该具体例1(E1)，当该具体例1(E1；N＝2)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的电流密度等于其临界电流密度(Jc；约±6×107A/cm2)时，该磁性自由层能达正饱和磁化量(M/Ms等于+1；见图10方形实心曲线)与负饱和磁化量(M/Ms等于-1；见图10圆形实心曲线)。此外，当该具体例1(E1；N＝2)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的电流密度大于其临界电流密度时，该磁性自由层的磁化态是可随着电流密度的增加而呈一连续型的变化，且经切换后的磁化态可持续下降至去磁化态。证实本发明该具体例1(E1)在下降时间为20ns的该交流脉冲电讯号与大于其临界电流密度的条件下，该磁性自由层的各Co膜具有多个磁域。本发明该具体例1(E1)的SOT切换行在无需实施初始化程序的写入条件下产生多级储存，将在后面的段落中进一步地详细说明，于此一并先行叙明。
显示于图10中的该具体例1(E1；N＝2)的方形实心曲线的正饱和磁化量与圆形实心曲线的负饱和磁化量虽是分别趋近+1与-1。然而，此处需补充说明的是，该具体例1(E1)的正饱和磁化量与负饱和磁化量未能分别为+1与-1的原因，只为讯号读取时的误差所致，于此一并先行说明。
本发明该具体例1(E1)在固定其交流脉冲电讯号的下降时间为20ns并改变其持续时间(50ns至1ms；也就是，50ns、100ns、200ns、500ns、1μs、10μs、100μs，及1ms)的条件下，该自旋轨道扭力式随存记忆胞的磁性自由层随着持续时间的缩减，其临界电流密度(Jc)是逐渐上升(约5.7×107A/cm2至约8×107A/cm2)，且在大于其临界电流密度(Jc)时，该磁性自由层的磁化态也呈连续型的变化，证实该具体例1(E1)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的磁性自由层的各Co膜仍具有所述磁域(图未示)。
又，参阅图11，本发明该具体例1(E1)的自旋轨道扭力式随存记忆胞在固定其交流脉冲电讯号的持续时间为10μs并改变其下降时间(20ns至1000ns)的条件下，该磁性自由层的磁化态(M/Ms)的变化在大于其临界电流密度(Jc；约6×107A/cm2)时，除了下降时间为1000ns的条件下是呈现减缓的趋势外，剩余的下降时间小于1000ns的交流脉冲电讯号的条件下，该磁性自由层的磁化态(M/Ms)的变化皆呈现出连续型的变化，证实本发明该具体例1(E1)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的磁性自由层的各Co膜在该交流脉冲电讯号的下降时间小于1000ns时，仍具有所述磁域(图未示)。
经前述图9至图11等分析数据的说明可知，本发明该具体例1(E1)的SOT-MRAM只存在有单一个自旋轨道扭力式记忆胞，其(Pt/Co)N/Pt膜层结构中的各Co膜对各Pt膜的厚度比值为0.45(各Co膜厚度为0.9nm)且N等于2时，却能在提供有该第二水平外加磁场(Hx＝+300Oe)与下降时间小于1000ns的交流脉冲电讯号以达大于其临界电流密度(Jc)的写入条件时，使各Co膜因该连续型的变化的磁化态而具有所述磁域。证实本发明该具体例1(E1)能在单一个自旋轨道扭力式记忆胞以不增加SOT-MRAM体积的前提下，借由各Co膜的所述磁域来增加SOT-MRAM的储存密度。
进一步参阅图12，显示有本发明该比较例1(CE1；N＝1)、该具体例1(E1；N＝2)与该比较例2(CE2；N＝4)经同时改变该第二水平外加磁场(Hx)与该电流密度以在交流脉冲电的持续时间与下降时间分别为10μs与20ns的条件下所取得的完整相图(phase diagram)。由图12显示可知，该比较例1(CE1；N＝1)在该第二水平外加磁场(Hx)达15Oe以上时，显示有自初始的负饱和磁化量(M/Ms等于-1；见蓝色区域)翻转至正饱和磁化量(M/Ms等于+1见红色区域)的二元切换，且其临界电流密度(Jc)是随着该第二水平外加磁场(Hx)的提升而下降。再参阅图12，该比较例2(CE2；N＝4)的切换行为则是自初始的负饱和磁化量(M/Ms等于-1，见蓝色区域)切换成去磁化态(M/Ms等于0；见绿色区域)。反观本发明该具体例1(E1；N＝2)，当该具体例1(E1)超过临界电流密度(Jc)时，存在有大范围区域的可通过电流密度与该第二外加水平磁场(Hx)来操纵的磁化态。换句话说，只要该具体例1(E1)于写入时是在提供有该第二水平外加磁场(Hx)及该交流脉冲电讯号以超出其临界电流密度(Jc)的条件下，经由改变该第二水平外加磁场(Hx)及电流密度，便可操控该具体例1(E1)的自旋轨道扭力式记忆胞的磁性自由层的磁化态。
进一步参阅图13，显示有本发明该具体例1(E1；N＝2)在提供有该第二水平外加磁场(Hx；+300Oe)及连续600次的任意改变幅值与方向的交流脉冲电讯号(持续时间为100ns；下降时间为20ns)的一反复写入条件后的电流密度分布；其中，电流密度是介于±5.5×107A/cm2至±8.8×107A/cm2间。由显示于图14的汇整自图13的克尔强度(M/Ms)对电流密度(J)关系可知，当该反复写入条件的电流密度小于该临界电流密度(Jc；±6.9×107A/cm2)时，该具体例1(E1)的最终磁化态仍是维持在其最初的磁化态；当该反复写入条件的电流密度超越该临界电流密度(Jc)时，该具体例1(E1)的最终磁化态(M/Ms)是随着电流密度的增加而呈连续型的变化，并在+0.9至-0.9间不受先前脉冲幅值所支配反复且精准地切换，初步证实该具体例1(E1)的切换行为能快速地产生n级储存。
此外，图15显示有自图14的四条虚线(四个不同脉冲条件)所对应取得的4级读/写关系。由图15显示可知，该具体例1(E1)在±7.1×107A/cm2与±8.6×107A/cm2等四个读/写条件下所显示的最终磁化态是彻底地分开，且未显示有初始化影响的迹象。又，图16显示有自图15所对应取得的各脉冲条件的最终磁化态的总计量分布关系。由图16显示可知，该具体例1(E1)在前述四个读/写条件所对应的各脉冲条件的四个最终磁化态的标准差(standard deviation)分布小(4％～5％M/Ms)，其来自该FMOKE系统7的杂讯与时间从属变化只约2％～2.5％M/Ms。证实该具体例1(E1)的切换行为在未实施初始化程序的条件下能经由自旋轨道扭力(SOT)的机制产生可靠的4级储存。在本发明该具体例1(E1)的分析条件中，是以±7.1×107A/cm2与±8.6×107A/cm2等四个读/写条件下来达成4级储存为例做说明。但是此处须说明的是，只要是在提供有该第二外加水平磁场(Hx)与该交流脉冲电讯号以达大于其临界电流密度并于该下降时间小于1000ns的写入条件下，调整为六个甚或是六个以上的电流密度值以做为读/写条件，则本发明该具体例1(E1)便可达成六级甚或是六级以上的储存。
<具体例2(E2)>
本发明自旋轨道扭力式随存储存器的一具体例2(E2)是根据该第二实施例来实施，其具体的制作方法及其细部结构是简单说明于下。
首先，以直流磁控溅镀法于一经热氧的(100)硅晶圆上沉积一厚度7nm的Pd膜。进一步地，通过直流磁控溅镀法于该Pd膜上沉积一厚度1nm的Co4Fe4B2膜，令该Pd膜与该Co4Fe4B2膜共同构成该具体例2(E2)的一磁性自由层。接着，以射频磁控溅镀法(r.f.magnetron sputtering)于该磁性自由层的该Co4Fe4B2膜上沉积一厚度2nm的MgO膜，以使该Co4Fe4B2膜的磁矩垂直于该Co4Fe4B2膜的一膜面，并于该MgO膜上沉积一厚度5nm的Ta膜。在该具体例2(E2)中，该Co4Fe4B2膜对该Pd膜的一厚度比值为0.143。
最后，利用微影制程及反应式离子蚀刻法使该Pd膜、该Co4Fe4B2膜、MgO膜与该Ta膜图案化成多数外观尺寸各为5μm×10μm的微米线，从而构成本发明该具体例2(E2)的一自旋轨道扭力式记忆胞。
整合上述各段的具体说明，本发明该具体例2(E2)自该(100)硅晶圆朝上的一完整结构为Pd(7nm)/Co4Fe4B2(1nm)/MgO(2nm)/Ta(5nm)。
参阅图17可知，该具体例2(E2)经依序提供与释放该18kOe的第一水平外加磁场[也就是，倾角(θt)等于0]后，该具体例2(E2)的克尔强度(M/Ms)皆为0，证实该具体例2(E2)在前述条件下可达多级磁域的去磁化态。
参阅图18，显示有该具体例2(E2)在提供有该具有该10μs的持续时间与该20ns的下降时间的交流脉冲电讯号及该+300Oe的第二水平外加磁场(Hx)的一写入条件下并经如图6所示的该FMOKE系统7分析取得的克尔强度(M/Ms)对电流密度(J)关系图(也就是，SOT切换曲线)。
由图18显示可知，当该具体例2(E2)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的电流密度等于其临界电流密度(Jc；约±4×107A/cm2)时，该磁性自由层能达负饱和磁化量(M/Ms等于-1；见图18圆形实心曲线)与正饱和磁化量(M/Ms等于+1；见图18方形实心曲线)。此外，当该具体例2(E2)的自旋轨道扭力式随存记忆胞的电流密度大于其临界电流密度时，该磁性自由层的磁化态是可随着电流密度的增加而呈一连续型的变化，且经切换后的磁化态可持续下降至去磁化态。证实本发明该具体例2(E2)在下降时间为20ns的该交流脉冲电讯号与大于其临界电流密度的条件下，该磁性自由层的各Co4Fe4B2膜具有多个磁域。
同样地，显示于图18中的该具体例2(E2)的圆形实心曲线的负饱和磁化量与方形实心曲线的正饱和磁化量虽是分别趋近-1与+1。然而，此处需补充说明的是，该具体例2(E2)的负饱和磁化量与正饱和磁化量未能分别为-1与+1的原因，也只为讯号读取时的误差所致，于此一并先行说明。
经前述图18的说明可知，本发明该具体例2(E2)的SOT-MRAM只存在有单一个自旋轨道扭力式记忆胞，且在该Co4Fe4B2膜对该Pd膜的厚度比值为0.143(该Co4Fe4B2膜厚度为1nm)时，却能在提供有该第二水平外加磁场(Hx＝+300Oe)与该下降时间为20ns的交流脉冲电讯号以达大于其临界电流密度(Jc)的写入条件时，使该Co4Fe4B2膜因该连续型的变化的磁化态而具有所述磁域。证实本发明该具体例2(E2)能在单一个自旋轨道扭力式记忆胞以不增加SOT-MRAM体积的前提下，借由该Co4Fe4B2膜的所述磁域来增加SOT-MRAM的储存密度。
进一步参阅图19，显示有本发明该具体例2(E2)在提供有该第二水平外加磁场(Hx；+300Oe)及连续600次的任意改变幅值与方向的交流脉冲电讯号(持续时间为100ns；下降时间为20ns)的一反复写入条件后的电流密度分布；其中，电流密度是介于±2.8×107A/cm2至±5×107A/cm2间。由显示于图20的汇整自图19的克尔强度(M/Ms)对电流密度(J)关系可知，当该反复写入条件的电流密度小于该临界电流密度(Jc；±3.5×107A/cm2)时，该具体例2(E2)的最终磁化态仍是维持在其最初的磁化态；当该反复写入条件的电流密度超越该临界电流密度(Jc)时，该具体例2(E2)的最终磁化态(M/Ms)是随着电流密度的增加而呈连续型的变化，并在+0.9至-0.9间不受先前脉冲幅值所支配反复地切换，初步证实该具体例2(E2)的切换行为能快速地产生n级储存。
图21显示有自图20的四条虚线(四个不同脉冲条件)所对应取得的4级读/写关系。由图21显示可知，该具体例2(E2)在±3.81×107A/cm2与±4.76×107A/cm2等四个读/写条件下所显示的最终磁化态是部分重叠。又，图22显示有自图21所对应取得的各脉冲条件的最终磁化态的总计量分布关系。由图22显示可知，该具体例2(E2)在前述四个读/写条件所对应的各脉冲条件的四个最终磁化态的标准差分布稍大(12％～15％M/Ms)，其来自该FMOKE系统7的杂讯与时间从属变化约6％～7.5％M/Ms。证实该具体例2(E2)的切换行为在未实施初始化程序的条件下能经由自旋轨道扭力(SOT)的机制产生4级储存。此处需补充说明的是，基于本发明该具体例2(E2)的磁性自由层中的该Co4Fe4B2膜对该FMOKE系统7的光敏感性不足因而产生许多无需的杂讯，以致于显示在图19至图22等分析数据中的最终磁化态分布甚或是四个脉冲条件所对应的磁化态分布出现较广的分布。因此，当分析本发明该具体例2(E2)所使用的该FMOKE系统7是变更成一适合分析该Co4Fe4B2膜的设备来分析时，如，运用异常霍尔效应(anomalous Hall effect)的分析原理以通过特定电路读取不同磁化态所对应的不同电阻，则可降低杂讯的产生并减缓前述最终磁化态分布较广的问题。
此外，在本发明该具体例2(E2)的分析条件中，虽然是以±3.81×107A/cm2与±4.76×107A/cm2四个读/写条件下来达成4级储存为例做说明。然而，同样地，只要是在提供有该第二外加水平磁场(Hx)与该交流脉冲电讯号以达大于其临界电流密度并于足以使该Co4Fe4B2膜具有多个磁域的下降时间的写入条件下，调整为六个甚或是六个以上的电流密度值以做为读/写条件，则本发明该具体例2(E2)也可达成六级甚或是六级以上的储存。
综上所述，本发明自旋轨道扭力式磁性随存储存器及其写入方法，该第一金属膜511具有该足以使该磁性自由层51在依序提供与释放该第一外加磁场后具有+0.9至-0.9间的残留磁化量对饱和磁化量的比值(M/Ms)的厚度，可令该第一金属膜511在小于该下降时间611、621的交流脉冲电讯号6达其临界电流密度以上与该第二外加磁场的条件下具多个磁域，以致于该自旋轨道扭力式记忆胞5在不影响体积的前提下来执行该步骤(a)的写入动作以令该磁性自由层51的磁矩翻转后，无需经由初始化程序便可直接执行该步骤(b)的再写入动作以令磁矩往回翻转，有效地提升SOT-MRAM的储存密度，并增加SOT-MRMA的储存速度。因此，确实可达到本发明的目的。
Claims (10)
1.一种自旋轨道扭力式磁性随存储存器，其特征在于，其包含：
一个基板；及
一个自旋轨道扭力式记忆胞，设置于该基板并具有一磁性自由层，该磁性自由层包括彼此接触的至少一呈铁磁性的第一金属膜，及至少一呈一自旋霍尔效应的第二金属膜；
其中，该第一金属膜具有一足以使该磁性自由层具有一介于+0.9至-0.9间的比值的厚度，该比值是该磁性自由层的一残留磁化量对一饱和磁化量的比值，且是在对该磁性自由层依序提供与释放一足以使该磁性自由层达该饱和磁化量的第一外加磁场后所达成，该第一外加磁场是沿着一实质平行于该第一金属膜的一难轴的第一方向提供；
其中，在对该磁性自由层提供有一第二外加磁场及一交流脉冲电讯号以在大于该交流脉冲电讯号所产生的一临界电流密度时，该第一金属膜具有多个磁域，且磁域的数量为3个及以上，该第二外加磁场是远小于该第一外加磁场且是沿着该第一方向提供，该交流脉冲电讯号的一正幅值及一负幅值的一绝对值具有一足以使该第一金属膜具有所述磁域的下降时间；及
其中，该磁性自由层在该临界电流密度时能具有一正饱和磁化量及一负饱和磁化量。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，其特征在于：该第一金属膜含有一选自下列所构成的群组的第一金属：Co、Fe、Ni，及前述第一金属的组合；该第二金属膜是由一第二金属或一经掺杂有一第四金属的第三金属所制成，该第二金属是选自一由下列所构成的群组：Pd、Pt、Ta、Mo及W，该第三金属是选自一由下列所构成的群组：Cu、Pt、W，及前述第三金属的组合，该第四金属是选自一由下列所构成的群组：Ir、Pt、W、Bi，及前述第四金属的组合。
3.根据权利要求2所述的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，其特征在于：该第一金属膜含有Co，该第二金属膜是由Pt所制成，且该磁性自由层自邻近该基板的一侧朝上具有一(Pt/Co)N/X的膜层结构，且X是选自该第二金属中的任一第二金属。
4.根据权利要求3所述的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，其特征在于：X是Pt。
5.根据权利要求4所述的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，其特征在于：各第一金属膜对各第二金属膜的一厚度比值是介于0.05至1.0间，且磁域的数量为4个及以上。
6.根据权利要求2所述的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，其特征在于：该第一金属膜含有Co及Fe的组合，且该第一金属膜还含有B，该第二金属膜是由Pd所制成；该磁性自由层还包括一接触第一金属膜并用于使该呈铁磁性的第一金属膜的磁矩垂直于一膜面的绝缘膜。
7.根据权利要求5所述的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，其特征在于：该第一金属膜对该第二金属膜的一厚度比值是介于0.05至0.50间，且磁域的数量为4个及以上。
8.一种自旋轨道扭力式磁性随存储存器的写入方法，其特征在于，其包含以下步骤：
一步骤(a)，在根据权利要求1至7任一权利要求所述的自旋轨道扭力式磁性随存储存器的自旋轨道扭力式记忆胞的磁性自由层提供该交流脉冲电讯号的该正幅值与该第二外加磁场，使该交流脉冲电讯号的该正幅值令该第二金属膜通过该自旋霍尔效应产生一正向的自旋电流，并于达该临界电流密度时令该第一金属膜内的磁矩翻转从而使该磁性自由层达该正饱和磁化量与该负饱和磁化量两者其中一者；及
一步骤(b)，是直接于该步骤(a)后，在该自旋轨道扭力式记忆胞的磁性自由层提供该交流脉冲电讯号的该负幅值与第二外加磁场，使该交流脉冲电讯号的该负幅值令该第二金属膜通过该自旋霍尔效应产生一反向的自旋电流，并于达该临界电流密度时令该第一金属膜内的磁矩往回翻转从而使该磁性自由层达该正饱和磁化量与该负饱和磁化量两者其中另一者。
9.根据权利要求8所述的自旋轨道扭力式磁性随存储存器的写入方法，其特征在于：当该步骤(a)与该步骤(b)的一电流密度大于该临界电流密度时，随着该步骤(a)与该步骤(b)的电流密度的增加，该磁性自由层的一磁化态是呈一连续型的变化。
10.根据权利要求8所述的自旋轨道扭力式磁性随存储存器的写入方法，其特征在于：该步骤(a)与该步骤(b)的该交流脉冲电讯号的该下降时间是小于1000ns。
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