CN107689415A - 垂直磁化自旋轨道磁性元件 - Google Patents

垂直磁化自旋轨道磁性元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种垂直磁化自旋轨道磁性元件，包括重金属层、磁隧道结、第一反铁磁层、第一阻绝层以及第一外漏场施加层。磁隧道结设置于重金属层上。第一阻绝层设置于磁隧道结与第一反铁磁层之间。第一外漏场施加层设置于第一反铁磁层与第一阻绝层之间。第一外漏场施加层产生平行于膜面的外漏磁场。第一反铁磁层接触所述第一外漏场施加层以定义第一外漏场施加层所产生的磁矩方向。

Description

垂直磁化自旋轨道磁性元件
技术领域
本发明涉及磁存储器领域，特别涉及一种垂直磁化自旋轨道磁性元件。
背景技术
磁存储器(Magnetic Random Access Memory；MRAM)具有速度快、低耗能、高密度、非易失性和几乎可无限次读写的优势，被预测为下一代存储器的主流。磁存储器中存储元件的主要结构是由磁/非磁性金属/磁三层材料的固定层(Pinned Layer)、隧穿阻挡层(Tunneling Barrier Layer)及磁性材料的自由层(Free Layer)所堆栈组成的堆栈结构。此种堆栈结构可被称为磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction；MTJ)元件。由于写入电流仅通过被选择的磁隧元件，而磁化翻转取决于写入电流的强度以及外部磁场的强度，因此在磁隧道结元件缩小之后反而有利于写入电流的下降，理论上，能够同时解决写入选择性的提高以及写入电流的降低的问题。
以自旋轨道力矩(Spin-Orbit-Torque；SOT)机制来进行读写的磁隧道结元件可分为水平式MJT元件(In-plane MTJ)以及垂直式MTJ元件(Perpendicular MTJ)。垂直式MTJ相对于水平式MTJ具备较低的操作电流、较高的元件密度以及较佳的数据保存性。垂直式磁自旋翻转存储器(Perpendicular Spin Torque Transfer Random Access Memory；PSTT-RAM)被认为是新一代磁存储器，其通过自旋传输翻转(Spin Transfer Switching)作为记录0和1的数字信息，且以垂直式MTJ作为主要的磁存储单元结构，因而具备较佳的热稳定性，且具备比其他类型磁存储器操作电流更小的特性。
若利用自旋轨道力矩(Spin-Orbit-Torque；SOT)的机制来实现磁存储器结构，可使操作速度及写入可靠度得到提升。SOT在垂直膜面磁矩中的翻转原理机制为：将铁磁材料形成的重金属层(Heavy Metal Layer)施加写入电流，重金属层因为自旋霍尔效应以及外部磁场而产生自旋转移力矩(Spin Transfer Torque；STT)。此外，写入电流在经过材料界面处的垂直电场以及外部磁场后会产生拉什巴力矩(Rashba Torque；RT)。由于STT以及RT这两种力矩皆与写入电流的方向垂直且平行于膜面，这两种力矩相互叠加而成为SOT。因此，在与磁矩垂直的膜面上的铁磁材料施加磁场，可产生SOT而使得磁层的磁矩翻转，达到写入存储元件的目的。然而，上述机制需要另外输入写入电流以及外加磁场。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种垂直磁化自旋轨道磁性元件，在通过SOT机制来做为读写磁存储单元机制的情况下，能够简化用于控制磁存储单元结构的设计复杂度，且能自发性地对磁隧道结中的自由层产生磁场，进而替代外加磁场，在输入电流输入时可对存储单元结构中的磁矩产生翻转效果。
具体地说，本发明公开了一种垂直磁化自旋轨道磁性元件，包括：
重金属层；
磁隧道结，设置于该重金属层上；
第一反铁磁层；
第一阻绝层，设置于该磁隧道结与该第一反铁磁层之间；
第一外漏场施加层，设置于该第一反铁磁层与该第一阻绝层之间，产生平行于膜面的外漏磁场，其中该第一反铁磁层接触该第一外漏场施加层以定义该第一外漏场施加层所产生的磁矩方向。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该重金属层设置在该第一阻绝层上，该第一阻绝层设置在该第一外漏场施加层上。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该重金属层与该第一阻绝层具备相同的一第一膜面面积，且该磁隧道结具备一第二膜面面积，其中该第一膜面面积大于该第二膜面面积。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备一第三膜面面积，其中该第二膜面面积等于该第三膜面面积。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，其中该第三膜面面积小于该第一膜面面积且大于该第二膜面面积。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，其中该第三膜面面积等于该第一膜面面积。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，其中该第三膜面面积大于该第一膜面面积。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，还包括：第二阻绝层，设置在该磁隧道结上；第二反铁磁层；第二外漏场施加层，设置在该第二阻绝层上，其中该第二反铁磁层设置在该第二外漏场施加层上。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该重金属层、该第一阻绝层、该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第一膜面面积，且该磁隧道结、第二阻绝层、第二反铁磁层以及第二外漏场施加层具备第二膜面面积，其中该第一膜面面积大于该第二膜面面积。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一阻绝层的材料为氧化镁、氧化铝或两者的组合。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一反铁磁层经预定温度的场退火处理以固定该第一外漏场施加层所产生的该磁矩方向，该第一外漏场施加层由反铁磁材料构成，该反铁磁材料为白金锰、氧化锰、锰铁、氧化铬或上述四者的组合。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该重金属层从一电极接点接收输入电流以产生自旋电流，以使该磁隧道结发生磁化翻转，该重金属层的材料为钽、铂、钨或上述三者的组合。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该磁隧道结包括：自由层；隧穿阻挡层，设置于该自由层上；固定层，设置于该隧穿阻挡层上。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该自由层的材料为具有垂直异相性的铁磁材料，该自由层的磁矩矢量为垂直于膜面而排列。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该自由层为由多层铁磁材料形成的复合结构。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该隧穿阻挡层为氧化镁、氧化铝、镁或三者的组合。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该磁隧道结的形状为圆形或椭圆形，且该第一反铁磁层、该第一阻绝层及该第一外漏场施加层的形状为矩形。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一阻绝层设置在该磁隧道结层上，该第一外漏场施加层设置在该第一阻绝层上，且该第一反铁磁层设置在该第一外漏场施加层上。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该重金属层具备第一膜面面积，该磁隧道结具备第二膜面面积，其中该第一膜面面积大于该第二膜面面积。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，且该第一阻绝层具备该第二膜面面积，其中该第三膜面面积小于该第二膜面面积。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，且该第一阻绝层具备该第二膜面面积，其中该第三膜面面积等于该第二膜面面积。
所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，且该第一阻绝层具备该第二膜面面积，其中该第三膜面面积大于该第二膜面面积。
综上，本发明实施例所提出的垂直磁化自旋轨道磁性元件，可通过反铁磁层、阻绝层以及外漏场施加层而自发性地对磁隧道结中的自由层产生外漏磁场，进而替代外加磁场取得在输入电流输入时可对存储单元结构中的磁矩产生翻转的效果。如此一来，便可简化垂直磁化自旋轨道磁性元件在操作上的复杂度。由于可通过垂直磁化自旋轨道磁性元件自身产生外漏磁场而不需外加磁场，以及仅靠通过输入电流即可使垂直磁化自旋轨道磁性元件中磁隧道结的自由层产生磁矩翻转，如此便可大幅简化用以控制垂直磁化自旋轨道磁性元件的操作机制的设计难度，从而降低成本。
为让本发明的上述特征和优点更加易懂，下文结合实施例并配以附图作详细说明如下。
附图说明
图1为一种垂直磁化自旋轨道磁性元件的结构剖面示意图；
图2为第一实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件的结构剖面示意图；
图3为第二实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件的结构剖面示意图；
图4A为第三实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件的结构剖面示意图；
图4B为图4A的垂直磁化自旋轨道磁性元件的外漏磁场模拟示意图；
图5为第四实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件的结构剖面示意图；
图6为第五实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件的结构剖面示意图；
图7A为第六实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件的结构剖面示意图；
图7B为图7A的垂直磁化自旋轨道磁性元件的外漏磁场模拟示意图；
图8为第七实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件的结构剖面示意图；
图9为第八实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件的结构剖面示意图；
图10为第二实施例中自由层以及第一外漏场施加层在进行外漏磁场Hs模拟的示意图；
图11为第二实施例中自由层以及第一外漏场施加层在进行外漏磁场Hs模拟的另一示意图。
附图标识说明：
100、200、300、400、500、600、700、800、900：垂直磁化自旋轨道磁性元件
110：磁穿隧接面 120：固定层 122：上固定层
123、127：磁矩矢量 124：耦合层 126：下固定层
130：隧穿阻挡层 140：自由层 150：重金属层
141、142：指示磁矩方向的箭头
210、310、410、510、610、710、810、910：第一阻绝层
220、320、420、520、620、720、820、920：第一外漏场施加层
230、330、430、530、630、730、830、930：第一反铁磁层
912；第二阻绝层 922：第二外漏场施加层
932：第二反铁磁层 221、231、232、621、631、632：箭头
A1、A2、A3：膜面面积 H：外加磁场 Ic：输入电流
Hs、Hs1、Hs2：外漏磁场 Hsx：水平方向外漏磁场
Hsz：垂直方向外漏磁场 L1x、L2x、L3x、L1z、L2z、L3z：线
具体实施方式
图1为一种垂直磁化自旋轨道磁性元件100的结构剖面示意图。垂直磁化自旋轨道磁性元件100主要包括磁隧道结110以及重金属层150。在本实施例中，磁隧道结110包括：固定层120、隧穿阻挡层130以及自由层140。固定层120是由下固定层126、耦合层124以及上固定层122所组成的铁磁/非磁性金属/铁磁材料叠层。上固定层122的磁矩矢量123方向与下固定层126的磁矩矢量127方向互为相反且垂直于膜面，以呈现垂直态耦合排列，不受操作磁场或其他情况而改变。
固定层120设置于隧穿阻挡层130上。隧穿阻挡层130可设置在自由层140上。自由层140为垂直磁化自旋轨道磁性元件100中的存储层。重金属层150可从垂直磁化自旋轨道磁性元件100的电极接点接收输入电流Ic。并且，此输入电流Ic流过重金属层150时会因自旋霍尔效应(SHE)而产生多种具有不同方向的自旋电流，进而与外加磁场H产生合力矩，使自由层140的磁矩翻转，借以达成信息读写的目的。
为了方便说明，本发明多个实施例的附图中设置坐标轴X、Y、Z，以便于后续描述。X轴方向为膜面的延伸方向，Y轴方向为垂直纸面向上的方向，Z轴方向为垂直于膜面的方向。各层的膜面与XY平面平行，且图1中用以表示磁矩矢量或磁矩方向的箭头127、141属于正的Z轴方向，而箭头123、142属于负的Z轴方向，并依此类推。在本实施例中，外加磁场H的提供方向以及输入电流Ic的传输方向为正的X轴方向。
图1中的垂直磁化自旋轨道磁性元件100要通过外部输入的输入电流Ic以及外加磁场H才能实现信息读写。例如，当输入电流Ic为正值且具备外加磁场H时，自由层140所感应到的自旋转移力矩方向为垂直纸面向上(也就是正的Y轴方向)，使得自由层140中的磁矩方向从箭头141转换为箭头142。反之，当输入电流Ic为负值(也就是输入电流Ic的流向为反方向)且具备外加磁场H时，自由层140所感应到的自旋转移力矩方向为垂直纸面向下(也就是负的Y轴方向)，使得自由层140中的磁矩方向从箭头142转换为箭头141。但是，若没有外加磁场H，则不会产生自旋转移力矩。
本发明实施例提出一种垂直磁化自旋轨道磁性元件，可通过额外增设的反铁磁层、阻绝层以及外漏场施加层(Stray Field Applying Layer)来产生外漏磁场(或外漏场)，进而对磁隧道结中的自由层产生如同外加磁场的情形，借以在输入电流输入时可对垂直磁化自旋轨道磁性元件产生磁矩翻转的效果。以下举一些实施例来描述本发明构思，但是本发明不限于所举的实施例，且实施例之间可以适当结合。
图2是本发明的第一实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件200的结构剖面示意图。图2中的上固定层122及下固定层126的材料为具有垂直异向性的铁磁材料。上固定层122及下固定层126可以是单层或复合式多层结构。单层结构的上固定层122或下固定层126可通过例如铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)等铁磁材料或这些元素的合金来实现。多层复合式结构的上固定层122或下固定层126则可为铁磁材料与金属材料的复合层结构，例如钴(Co)铂(Pt)、钴(Co)镍(Ni)、钴(Co)钯(Pd)等元素组成的复合层结构。耦合层124的材料则可以是钌(Ru)。隧穿阻挡层130为特定厚度下具备磁隧穿条件的绝缘材料，这些绝缘材料可以为氧化镁、氧化铝、镁或三者的组合。
自由层140的材料为具有垂直异相性(或者垂直各向异性)的铁磁材料。自由层140主要可利用磁性膜层内的磁矩翻转来进行信息的读取，因此自由层140的铁磁材料可以是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、硼(B)或这些元素的合金，如CoFeB、NF、FeB等。自由层140可以是单层结构或是多层复合式结构。若自由层为多层铁磁材料形成的复合结构，这些多层复合结构的材料可以是钴(Co)铂(Pt)、钴(Co)镍(Ni)、钴(Co)钯(Pd)等元素组成的复合层结构。自由层140的磁矩矢量为垂直于膜面而排列。重金属层150的材料可以为钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)上述三者的组合等。
图2额外具备第一反铁磁层230、第一外漏场施加层220以及第一阻绝层210。第一阻绝层210设置于磁隧道结110与第一反铁磁层230之间。第一外漏场施加层220则设置于第一反铁磁层230与第一阻绝层210之间。第一反铁磁层230接触第一外漏场施加层220，借以定义第一外漏场施加层220所产生的磁矩方向为平行于膜面，如箭头231及232所示。详细来说，为了使第一反铁磁层230能够定义磁矩方向，可使第一反铁磁层230经由预定温度的退火处理，借此来通过第一反铁磁层230而固定第一外漏场施加层220所产生的磁矩方向(如箭头221所指的X轴磁矩方向)。第一反铁磁层230可由反铁磁材料构成，反铁磁材料可以是白金锰(PtMn)、氧化锰(MnO)、锰铁(IrMn)、氧化铬(CrO)、上述四者的组合等。
换句话说，第一外漏场施加层220受到第一反铁磁层230的影响(如箭头231、232所指的磁矩方向)，因而产生平行于膜面且外漏于第一外漏场施加层220的外漏磁场Hs。本实施例中第一外漏场施加层220中的磁矩方向如箭头221所示。第一外漏场施加层220由铁磁材料来构成，而此铁磁材料可以为铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、硼(B)或这些元素的合金。第一阻绝层210用以隔绝第一反铁磁层230对于磁矩排列方向的传递，也就是避免重金属层150中的电流Ic受到第一反铁磁层230的影响。另一方面，由于重金属层150中会产生自旋电流，第一阻绝层210也需要能够阻断重金属层150中自旋电流对于第一外漏场施加层220的影响。第一阻绝层210可以具备经实验而得的预定厚度，从而有效地隔开上下层的金属或铁磁材料的自旋电流传递，使各层的操作机制独立工作而不相互影响。第一阻绝层210的材料可以是氧化镁、氧化铝、镁或三者的组合。
如此一来，对自由层140来说，外漏磁场Hs的功能便会如同图1的外部磁场H一般。换句话说，操作垂直磁化自旋轨道磁性元件200仅需提供输入电流Ic到重金属层150，自由层140即会进行磁矩翻转而产生外漏磁场Hs，进而实现自由层140所存储的信息读写功能，而不需另外提供外部磁场H。如此一来，便可简化垂直磁化自旋轨道磁性元件200在进行读写操作上的复杂度。
本发明实施例中的第一阻绝层210、第一外漏场施加层220以及第一反铁磁层230设置在重金属层150下方。于本实施例中，图2的重金属层150设置在第一阻绝层210上，第一阻绝层210设置在第一外漏场施加层220上，且第一外漏场施加层220设置在第一反铁磁层230上。于符合本发明精神的其他实施例中，第一阻绝层、第一外漏场施加层以及第一反铁磁层也可设置在磁隧道结110的固定层120上方。
特别说明的是，本发明实施例针对垂直磁化自旋轨道磁性元件200中磁隧道结110以及外漏场施加层220的形状以及膜面面积相互进行比对以及对外漏磁场进行数据模拟，借以分析磁隧道结110中的自由层140与磁隧道结110之间采取何种形状或是面积比例以获得较佳的外漏磁场Hs，或是会受到其他方向的磁场干扰。磁隧道结110、重金属层150、第一阻绝层210、第一外漏场施加层220或第一反铁磁层230的形状可以为圆形、椭圆形、正方形或矩形。
以下假设磁隧道结110、重金属层150、第一阻绝层210、第一外漏场施加层220及第一反铁磁层230皆为圆形形状。磁隧道结110中各层(包括自由层140)的形状也为圆形。重金属层150在XY平面上具备第一膜面面积A1，磁隧道结110在XY平面上具备第二膜面面积A2。在本实施例中，第一膜面面积A1大于第二膜面面积A2。第一外漏场施加层220以及第一反铁磁层230在XY平面上具备相同的第三膜面面积A3。在此说明，对于自由层140来说，“水平方向外漏磁场Hs”为平行于自由层140膜面(即，平行于XY平面)的外漏磁场Hs的磁场分量，且水平方向外漏磁场Hs能有效地对自由层140进行自旋传输翻转效应。“垂直方向外漏磁场Hs”为垂直于自由层140膜面(即，与Z轴方向平行)的外漏磁场Hs的磁场分量。垂直方向外漏磁场Hs难以对自由层140产生自旋传输翻转效应，反而会干扰自旋传输翻转效应而使其效果变差。当第一外漏场施加层220的第三膜面面积A3相同于自由层140的第一膜面面积A2且两者形状一致的时候，通过针对图2至图5中外漏磁场Hs的模拟可知，图2自由层140边界处可感受到大于图3、图4、图5中自由层140边界处的水平方向外漏磁场Hs。然而，图2自由层140边界处也会感受到大于图3、图4、图5中自由层140的边界处的垂直方向外漏磁场Hs。
图3为本发明的第二实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件300的结构剖面示意图。第一反铁磁层330定义第一外漏场施加层320所产生的磁矩方向为平行于膜面，如箭头231及232所示。第一外漏场施加层320以箭头方向221来说明其磁矩方向。图2与图3之间的差异在于，图3的第一反铁磁层330及第一外漏场施加层320所具备的第三膜面面积A3小于重金属层150所具备的第一膜面面积A1，同时第三膜面面积A3大于磁隧道结110所具备的第二膜面面积A2。第一阻挡层310的膜面面积则为A1。通过针对图2至图5中外漏磁场Hs的模拟可知，图3自由层140边界处可感受到水平方向外漏磁场Hs及垂直方向外漏磁场Hs皆大于图4、图5中自由层140所感受到的水平方向外漏磁场Hs及垂直方向外漏磁场Hs，且皆小于图2中自由层140所感受到的水平方向外漏磁场Hs及垂直方向外漏磁场Hs。
图4A为本发明的第三实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件400的结构剖面示意图，图4B为图4A的垂直磁化自旋轨道磁性元件400的外漏磁场Hs模拟示意图。第一反铁磁层430定义第一外漏场施加层420所产生的磁矩方向为平行于膜面，如箭头231及232所示。第一外漏场施加层420以箭头方向221来说明其磁矩方向。图4A与图2、图3之间的差异在于，图4A的第一反铁磁层430及第一外漏场施加层420所具备的第三膜面面积A3等于重金属层150所具备的第一膜面面积A1。第一阻挡层410的膜面面积则为A1。借此，经由外漏磁场Hs的模拟以及图4B可知，图4B中自由层140整体所感受到的水平方向外漏磁场Hs(图4B中的磁场Hsx)较为平均，而垂直方向外漏磁场Hs(图4B中的磁场Hsz)的数值则比图2、图3的模拟数值小。详细来说，磁场Hsx的平均数值小于图2、图3自由层140的水平方向外漏磁场Hs，但大于图5自由层140的水平方向外漏磁场Hs。磁场Hsz的平均数值小于图2、图3自由层140的垂直方向外漏磁场Hs，但大于图5自由层140的垂直方向外漏磁场Hs。
图5为本发明的第四实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件500的结构剖面示意图。图5与图2、图3、图4之间的差异在于，图5的第一反铁磁层530及第一外漏场施加层520所具备的第三膜面面积A3大于重金属层150所具备的第一膜面面积A1。第一阻挡层410具备第一膜面面积A1。借此，经由外漏磁场Hs的模拟可知，图5中自由层140整体所感受到的水平方向外漏磁场Hs更为平均，而垂直方向外漏磁场Hs的数值则比图2、图3、图4的模拟数值小。换句话说，图5自由层140的水平方向外漏磁场Hs的平均数值皆小于图2至图4的水平方向外漏磁场Hs；图5自由层140的垂直方向外漏磁场Hs的平均数值亦皆小于图2至图4的垂直方向外漏磁场Hs。借此，基于图2至图5的模拟，为了使自由层140具备较均匀的水平方向外漏磁场Hs且避免获得较大的垂直方向外漏磁场Hs，第一反铁磁层及第一外漏场施加层所具备的膜面面积似乎等于或大于重金属层所具备的膜面面积较佳。
第一阻绝层、第一外漏场施加层以及第一反铁磁层也可设置在磁隧道结110的固定层120上方，在此以图6至图8的垂直磁化自旋轨道磁性元件600、700、800的结构来做为举例。图6是本发明的第五实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件600的结构剖面示意图。在本实施例中，第一阻绝层610设置在磁隧道结层110的固定层120上方。第一外漏场施加层620设置在第一阻绝层610上，且第一反铁磁层630设置在第一外漏场施加层620上。第一反铁磁层630定义第一外漏场施加层620所产生的磁矩方向为平行于膜面(即，平行于XY平面)，如箭头631及632所示。第一外漏场施加层620以箭头621所指方向来说明其磁矩方向作为举例。由于第一外漏场施加层620与重金属层150之间的距离较远，因此第一阻绝层610不需要阻断重金属层150中自旋电流对于第一外漏场施加层620的影响。但第一阻绝层610仍需隔绝第一反铁磁层630对于固定层120中耦合层124的磁矩排列方向的传递。第一阻绝层610、第一外漏场施加层620以及第一反铁磁层630的功用及材料如同图2的相应层所述。
在图6中，第一外漏场施加层620以及第一反铁磁层630具备相同的第三膜面面积A3。在此假设第一阻绝层610具备第二膜面面积A2，且第一外漏场施加层620以及第一反铁磁层630的第三膜面面积A3小于自由层140的第二膜面面积A2。经由外漏磁场Hs的模拟可知，图6的自由层140的磁场感受类似于图2的模拟。若是更详细比较，图2自由层140边界处的水平方向外漏磁场Hs略为大于图6自由层140边界处的水平方向外漏磁场Hs，而图6自由层140边界处的垂直方向外漏磁场Hs则略为大于图2自由层140边界处的垂直方向外漏磁场Hs。也就是说，相较于图6的自由层140，图2的自由层140能够较为有效地进行自旋传输翻转效应，且能略为降低垂直方向外漏磁场Hs的影响。
图7A为本发明的第六实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件700的结构剖面示意图，图7B为图7A的垂直磁化自旋轨道磁性元件700的外漏磁场Hs模拟示意图。第一反铁磁层730定义第一外漏场施加层720所产生的磁矩方向为平行于膜面，如箭头631及632所示。第一外漏场施加层720以箭头621所指方向来说明其磁矩方向。图6与图7A之间的差异在于，图7A的第一反铁磁层730及第一外漏场施加层720所具备的第三膜面面积A3等于磁隧道结110所具备的第二膜面面积A2。第一阻绝层710具备第二膜面面积A2。图7A的自由层140对于外漏磁场Hs的感受可参照图7B的模拟波形。经由图6至图8中外漏磁场Hs的模拟以及图7B可知，图7B中自由层140整体所感受到的水平方向外漏磁场Hs(图7B中的磁场Hsx)较为平均。详细来说，图7B中自由层140边界处的水平方向外漏磁场Hs及垂直方向外漏磁场Hs皆大于图6中自由层140边界处的水平方向外漏磁场Hs及垂直方向外漏磁场Hs，且小于图8中自由层140边界处的水平方向外漏磁场Hs及垂直方向外漏磁场Hs。
图8是本发明的第七实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件800的结构剖面示意图。第一反铁磁层830定义第一外漏场施加层820所产生的磁矩方向为平行于膜面，如箭头631及632所示。第一外漏场施加层820以箭头621所指方向来说明其磁矩方向。图6与图8之间的差异在于，图8的第一反铁磁层830及第一外漏场施加层820所具备的第三膜面面积A3大于磁隧道结110所具备的第二膜面面积A2。第一阻绝层810具备第二膜面面积A2。经由外漏磁场Hs的模拟可知，图8的自由层140的磁场感受类似于图5的模拟，也就是说，图8中自由层140整体所感受到的水平方向外漏磁场Hs，相较于图6、图7中自由层140的水平方向外漏磁场Hs更为平均且更为微弱，而图8中自由层140的垂直方向外漏磁场Hs，相较于图6、图7中自由层140的垂直方向外漏磁场Hs也要更微弱。因此，基于图6至图8的外漏磁场Hs模拟，为了使自由层140具备较均匀的水平方向外漏磁场Hs且避免获得较大的垂直方向外漏磁场Hs，第一反铁磁层及第一外漏场施加层所具备的膜面面积几乎等于或大于固定层120所具备的膜面面积为佳。
本发明实施例还可在图1的重金属层150下方以及固定层120上方皆放置阻绝层、外漏场施加层以及反铁磁层，借以强化自由层140中外漏磁场的强度。甚至，若适当地调整上方及下方的外漏场施加层的尺寸，还有可能让这两个外漏场施加层所产生的垂直方向外漏磁场相互抵销，借以降低自由层140受到干扰的机率。
图9是本发明的第八实施例的垂直磁化自旋轨道磁性元件900的结构剖面示意图。图9中，重金属层150设置在第一阻绝层910上，第一阻绝层910设置在第一外漏场施加层920上，且第一外漏场施加层920设置在该第一反铁磁层930上。第一反铁磁层930定义第一外漏场施加层920所产生的磁矩方向为平行于膜面，如箭头231及232所示。第一外漏场施加层720以箭头221来说明其磁矩方向。第二阻绝层912设置在磁隧道结110的固定层120上，第二外漏场施加层922设置在第二阻绝层912上，且第二反铁磁层932设置在第二外漏场施加层922上。第二反铁磁层932定义第二外漏场施加层922所产生的磁矩方向为平行于膜面，如箭头631及632所示。第二外漏场施加层922以箭头621所指方向来说明其磁矩方向。借此，第一外漏场施加层920所产生的水平方向外漏磁场Hs1与第二外漏场施加层922所产生的水平方向外漏磁场Hs2在水平方向上的磁场强度相加，使得自由层140得以获得在图2至图9中自由层140所感受到最强的水平方向外漏磁场Hs强度。相对地，由于垂直方向的外漏磁场Hs1与垂直方向的外漏磁场Hs2互为反向，因而在图9的自由层140处会略为相互抵消。也就是说，位于自由层140处平行于Z轴方向的垂直方向外漏磁场的数值将会降低，借以降低自由层140在进行自旋传输翻转效应时被干扰的机率。
本发明的实施例深入分析外漏场施加层的形状与自由层的形状是否会相互影响到自由层所感受到的外漏磁场。图10为本发明的第二实施例中自由层140以及第一外漏场施加层220在进行外漏磁场Hs模拟的示意图。为了方便说明，图10左方仅画出自由层140以及位于重金属层下方的第一外漏场施加层220，且在图10右上方画出第一外漏场施加层220所产生的水平方向外漏磁场Hsx的强度模拟图，图10右下方画出第一外漏场施加层220所产生的垂直方向外漏磁场Hsz的强度模拟图。在此假设，自由层140与第一外漏场施加层220的形状皆为圆形，自由层140的直径为300nm，且自由层140与第一外漏场施加层220之间的距离为5nm。在水平方向外漏磁场Hsx的强度模拟图中，线L1x、线L2x、线L3x分别表示当第一外漏场施加层220的直径为200nm、300nm、400nm时所产生的水平方向外漏磁场Hsx。在垂直方向外漏磁场Hsz的强度模拟图中，线L1z、线L2z、线L3z分别表示当第一外漏场施加层220的直径为200nm、300nm、400nm时所产生的垂直方向外漏磁场Hsz。由图10中的模拟图可知，当第一外漏场施加层220的直径越小，则自由层140的边界处会获得较大的水平方向外漏磁场Hsx，但也会获得较大的垂直方向外漏磁场Hsz的干扰。相对地，当第一外漏场施加层220的直径越大，则自由层140的边界处会获得越小的水平方向外漏磁场Hsx，同时垂直方向外漏磁场Hsz的干扰也越小。
图11是本发明的第二实施例中自由层140以及第一外漏场施加层220在进行外漏磁场Hs模拟的另一示意图。类似于图10，图11中左方仅画出自由层140以及位于重金属层下方的第一外漏场施加层220，且在图11中的右上方与右下方分别画出第一外漏场施加层220所产生的水平方向外漏磁场Hsx的强度模拟图及垂直方向外漏磁场Hsz的强度模拟图。图11与图10之间的差异在于，自由层140的形状为圆形，但第一外漏场施加层220的形状则为正方形。在水平方向外漏磁场Hsx的强度模拟图中，线L1x、线L2x、线L3x分别表示当第一外漏场施加层220的边长为200nm、300nm、400nm时所产生的水平方向外漏磁场Hsx。在垂直方向外漏磁场Hsz的强度模拟图中，线L1z、线L2z、线L3z分别表示当第一外漏场施加层220的边长为200nm、300nm、400nm时所产生的垂直方向外漏磁场Hsz。类似于图10，由图11中的模拟图可知，当第一外漏场施加层220的边长越小，则自由层140的边界处会获得较大的水平方向外漏磁场Hsx，但也会获得较大的垂直方向外漏磁场Hsz的干扰。相对地，当第一外漏场施加层220的边长越大，则自由层140的边界处会获得较小的水平方向外漏磁场Hsx，但垂直方向外漏磁场Hsz的干扰也越小。
综上所述，本发明实施例所提出的垂直磁化自旋轨道磁性元件，可通过反铁磁层、阻绝层以及外漏场施加层而自发性地对磁隧道结中的自由层产生外漏磁场，进而产生如外加磁场般地效果，在输入电流输入时，可对存储单元结构中的磁矩产生翻转。如此一来，可简化垂直磁化自旋轨道磁性元件在操作上的复杂度。由于通过垂直磁化自旋轨道磁性元件自身产生外漏磁场而不需外加磁场，以及仅靠通过输入电流即可使垂直磁化自旋轨道磁性元件中磁隧道结的自由层产生磁矩翻转，如此可大幅简化控制垂直磁化自旋轨道磁性元件的操作机制的设计难度，从而降低成本。
虽然本发明以上述实施例公开，但具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，任何本技术领域技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，可作一些的变更和完善，故本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

Claims (22)

1.一种垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，包括：
重金属层；
磁隧道结，设置于该重金属层上；
第一反铁磁层；
第一阻绝层，设置于该磁隧道结与该第一反铁磁层之间；以及
第一外漏场施加层，设置于该第一反铁磁层与该第一阻绝层之间，产生平行于膜面的外漏磁场，
其中该第一反铁磁层接触该第一外漏场施加层以定义该第一外漏场施加层所产生的磁矩方向。
2.如权利要求1所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，该重金属层设置在该第一阻绝层上，该第一阻绝层设置在该第一外漏场施加层上。
3.如权利要求2所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，该重金属层与该第一阻绝层具备相同的一第一膜面面积，且该磁隧道结具备第二膜面面积，其中该第一膜面面积大于该第二膜面面积。
4.如权利要求3所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备第三膜面面积，其中该第二膜面面积等于该第三膜面面积。
5.如权利要求3所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，其中该第三膜面面积小于该第一膜面面积且大于该第二膜面面积。
6.如权利要求3所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，其中该第三膜面面积等于该第一膜面面积。
7.如权利要求3所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，其中该第三膜面面积大于该第一膜面面积。
8.如权利要求2所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，还包括：
第二阻绝层，设置在该磁隧道结上；
第二反铁磁层；
第二外漏场施加层，设置在该第二阻绝层上，其中该第二反铁磁层设置在该第二外漏场施加层上。
9.如权利要求8所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该重金属层、该第一阻绝层、该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第一膜面面积，且该磁隧道结、第二阻绝层、第二反铁磁层以及第二外漏场施加层具备第二膜面面积，其中该第一膜面面积大于该第二膜面面积。
10.如权利要求1所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该第一阻绝层的材料为氧化镁、氧化铝、镁或三者的组合。
11.如权利要求1所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该第一反铁磁层经预定温度的场退火处理以固定该第一外漏场施加层所产生的该磁矩方向，该第一外漏场施加层由反铁磁材料构成，该反铁磁材料为白金锰、氧化锰、锰铁、氧化铬或上述四者的组合。
12.如权利要求1所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该重金属层从电极接点接收输入电流以产生自旋电流，以使该磁隧道结发生磁化翻转，该重金属层的材料为钽、铂、钨或上述三者的组合。
13.如权利要求1所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该磁隧道结包括：
自由层；
隧穿阻挡层，设置于该自由层上；
固定层，设置于该隧穿阻挡层上。
14.如权利要求13所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该自由层的材料为具有垂直异相性的铁磁材料，该自由层的磁矩矢量为垂直于膜面而排列。
15.如权利要求13所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该自由层为由多层铁磁材料形成的复合结构。
16.如权利要求13所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其中该隧穿阻挡层为氧化镁、氧化铝、镁或三者的组合。
17.如权利要求1所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该磁隧道结的形状为圆形或椭圆形，且该第一反铁磁层、该第一阻绝层及该第一外漏场施加层的形状为矩形。
18.如权利要求1所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该第一阻绝层设置在该磁隧道结层上，该第一外漏场施加层设置在该第一阻绝层上，且该第一反铁磁层设置在该第一外漏场施加层上。
19.如权利要求18所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该重金属层具备第一膜面面积，该磁隧道结具备第二膜面面积，其中该第一膜面面积大于该第二膜面面积。
20.如权利要求19所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，且该第一阻绝层具备该第二膜面面积，其中该第三膜面面积小于该第二膜面面积。
21.如权利要求19所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，且该第一阻绝层具备该第二膜面面积，其中该第三膜面面积等于该第二膜面面积。
22.如权利要求19所述的垂直磁化自旋轨道磁性元件，其特征在于，其中该第一外漏场施加层以及该第一反铁磁层具备相同的第三膜面面积，且该第一阻绝层具备该第二膜面面积，其中该第三膜面面积大于该第二膜面面积。
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