TW201511373A - 具有接面磁性層與緩衝層之磁性記憶體元件 - Google Patents

具有接面磁性層與緩衝層之磁性記憶體元件 Download PDF

Info

Publication number
TW201511373A
TW201511373A TW103118899A TW103118899A TW201511373A TW 201511373 A TW201511373 A TW 201511373A TW 103118899 A TW103118899 A TW 103118899A TW 103118899 A TW103118899 A TW 103118899A TW 201511373 A TW201511373 A TW 201511373A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
magnetic
junction
cobalt
pinned
Prior art date
Application number
TW103118899A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI578586B (zh
Inventor
Joon-Myoung Lee
Yun-Jae Lee
Woo-Jin Kim
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Publication of TW201511373A publication Critical patent/TW201511373A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI578586B publication Critical patent/TWI578586B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

一種磁性記憶體元件，可包括自由磁性結構、穿隧阻障層以及固定磁性結構，其中穿隧阻障層介於自由磁性結構和固定磁性結構之間。固定磁性結構可包括第一固定層和第二固定層以及介於第一固定層和第二固定層之間的交換耦接層。第二固定層可介於第一固定層和穿隧阻障層之間，且第二固定層可包括接面磁性層以及介於接面磁性層和交換耦接層之間的緩衝層。緩衝層可包括含有非磁性金屬元素的材料層。亦提供相關的元件、結構以及方法。

Description

具有接面磁性層與緩衝層之磁性記憶體元件及其相關方法 【相關申請案】
此專利申請案主張2013年7月3日於韓國智慧財產局所提出的韓國專利申請案第10-2013-0077782號的優先權，其整體內容作為參照併入於此。
發明概念的例示性實施例是有關於記憶體元件，且特別是有關於磁性記憶體元件。
由於對於具有快的操作速度及/或低的功率消耗的電子元件的需求增加，故半導體元件也需要快的操作速度及/或低的操作電壓。已提出磁性記憶體元件來滿足上述需求。舉例來說，磁性記憶體元件可以提供技術上的優點，諸如低的延遲及/或非揮發性。因此，磁性記憶體元件被視為是新興的、下一代的記憶體元件。
磁性記憶體元件可包括磁性穿隧接面(magnetic tunnel junction；MTJ)。磁性穿隧接面可包括兩磁性層及插置於其間的穿隧阻障層。磁性穿隧接面的阻抗可視磁性層的磁化方向變化。舉例來說，相較於當磁性層具有平行磁化方向時來說，當磁性層具有反平行磁化方向時，磁性穿隧接面的阻抗可為較高的。可將此差異用於磁性記憶體元件的資料儲存操作。然而，仍需要更多的研究以能夠成功地且足夠地量產磁性記憶體元件。
本發明概念的例示性實施例可提供磁性記憶體元件以及其製造方法，其中磁性記憶體元件經設置而在磁性層之間具有增加的磁電阻(magnetoresistance)比例及/或增強的反鐵磁性耦接(antiferromagnetic coupling)。
根據本發明概念的一些實施例，磁性記憶體元件可包括自由磁性結構(free magnetic structure)、穿隧阻障層以及固定磁性結構(pinned magnetic structure)，其中穿隧阻障層介於自由磁性結構和固定磁性結構之間。固定磁性結構可包括第一固定層和第二固定層以及介於第一固定層和第二固定層之間的交換耦接層(exchange coupling layer)。第二固定層可介於第一固定層和穿隧阻障層之間，且第二固定層可包括接面磁性層(junction magnetic layer)和介於接面磁性層和交換耦接層之間的緩衝層。緩衝層可包括含有非磁性金屬元素的材料層。
非磁性金屬元素的原子量可大於接面磁性層中的任何元 素的原子量。
非磁性金屬元素的熔點可高於接面磁性層中的任何元素的熔點。
緩衝層的材料中的非磁性金屬元素的重量百分比可大於接面磁性層中的非磁性金屬元素的重量百分比。
非磁性金屬元素可包括鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鉬(Mo)及/或釩(V)中的至少一者。
緩衝層的材料更可包括鐵磁元素(ferromagnetic element)和非金屬元素。
鐵磁元素可包括鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)中的至少一者以及非磁性元素可包括硼(B)。
接面磁性層和緩衝層可具有不同的結晶特徵。接面磁性層的結晶程度可高於緩衝層的結晶程度。舉例來說，接面磁性層可具有體心立方(body centered cubic)晶體結構，而緩衝層可具有非晶(amorphous)結構。
接面磁性層可包括鈷、鐵及/或其合金中的至少一者。舉例來說，接面磁性層可包括鈷鐵硼(CoFeB)、鈷鉿(CoHf)、鈷及/或鈷鋯(CoZr)中的至少一者。
穿隧阻障層可包括氧化鎂(MgO)。
交換耦接層可包括釕、銥及/或銠中的至少一者。
此外，可於基板和固定磁性結構之間提供自由磁性結 構，或可於基板和自由磁性結構之間提供固定磁性結構。
根據本發明概念的其他一些實施例，磁性記憶體元件可包括自由磁性結構、穿隧阻障層以及固定磁性結構，其中穿隧阻障層介於自由磁性結構和固定磁性結構之間。固定磁性結構可包括第一固定層和第二固定層以及介於第一固定層和第二固定層之間的交換耦接層。第二固定層可介於第一固定層和穿隧阻障層之間。第二固定層可包括接面磁性層以及介於接面磁性層和交換耦接層之間的緩衝層，且接面磁性層和緩衝層可具有不同的結晶特徵。
接面磁性層的結晶程度可高於緩衝層的結晶程度。舉例來說，接面磁性層可具有體心立方晶體結構，而緩衝層可具有非晶結構。
接面磁性層可包括鈷、鐵及/或其合金中的至少一者。舉例來說，接面磁性層可包括鈷鐵硼(CoFeB)、鈷鉿(CoHf)、鈷及/或鈷鋯(CoZr)中的至少一者。
緩衝層可包括含有非磁性金屬元素、鐵磁元素以及非金屬元素的材料層。緩衝層的材料中的非磁性金屬元素的重量百分比可大於接面磁性層中的非磁性金屬元素的重量百分比。非磁性金屬元素的原子量可大於鈷的原子量。非磁性金屬元素可包括鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鉬(Mo)及/或釩(V)中的至少一者。鐵磁元素可包括鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)中的至少一者以及非金屬元素可包括硼。
穿隧阻障層可包括氧化鎂(MgO)。
交換耦接層可包括釕、銥及/或銠中的至少一者。
此外，自由磁性結構可介於基板和固定磁性結構之間，或固定磁性結構可介於基板和自由磁性結構之間。
根據本發明概念的其他實施例，磁性記憶體元件的形成方法可包括形成自由磁性結構(FRL)、於自由磁性結構上形成穿隧阻障層、於穿隧阻障層上形成非晶接面磁性層以及於非晶接面磁性層上形成非晶緩衝層。在形成穿隧阻障層、非晶接面磁性層以及非晶緩衝層以後，可對非晶接面磁性層與非晶緩衝層進行回火，以將非晶接面磁性層轉變為結晶接面磁性層，並保持非晶緩衝層。如此一來，在進行回火後，結晶接面磁性層的結晶度可高於非晶緩衝層的結晶度。
在進行回火後，可在結晶接面磁性層上形成交換耦接層，且可在交換耦接層上形成固定層。
在進行回火前，可在非晶接面磁性層上形成交換耦接層，且可在交換耦接層上形成固定層。
根據本發明概念的其他實施例，磁性記憶體元件的形成方法可包括於基板上形成固定層、於固定層上形成交換耦接層、於交換耦接層上形成非晶緩衝層、於非晶緩衝層上形成非晶接面磁性層以及於非晶接面磁性層上形成穿隧阻障層。可對非晶接面磁性層與非晶緩衝層進行回火，以將非晶接面磁性層轉變為結晶接面磁性層，並保持非晶緩衝層，如此一來結晶接面磁性層的結 晶度可高於非晶緩衝層的結晶度。
此外，可在穿隧阻障層上形成自由磁性結構(FRL)。
101‧‧‧晶種層
105‧‧‧第一交換耦接層
106‧‧‧第二交換耦接層
121‧‧‧第一緩衝層
122‧‧‧第一接面磁性層
161‧‧‧第二緩衝層
162‧‧‧第二接面磁性層
1300‧‧‧電子元件
1310‧‧‧控制器
1320‧‧‧輸入/輸出元件
1330‧‧‧記憶體
1340‧‧‧無線介面
1350‧‧‧匯流排
1400‧‧‧記憶體系統
1410‧‧‧記憶體元件
1420‧‧‧記憶體控制器
1430‧‧‧主機
CS1‧‧‧第一導電結構
CS2‧‧‧第二導電結構
FL1‧‧‧第一自由層
FL2‧‧‧第二自由層
FRL‧‧‧自由磁性結構
L1‧‧‧第一內連線
L2‧‧‧第二內連線
MS1‧‧‧第一垂直磁性結構
MS2‧‧‧第二垂直磁性結構
MTJ、MTJ1、MTJ2‧‧‧磁性穿隧接面
PL1‧‧‧第一固定層
PL2‧‧‧第二固定層
PNL‧‧‧參考磁性結構
Sub‧‧‧基板
SW‧‧‧選擇元件
TBR‧‧‧穿隧阻障
UMC‧‧‧單元記憶胞
搭配圖式簡單說明與所附圖式，將更清楚瞭解例示性實施例。所附圖式用以表示本文所述的非限制性的、例示性的實施例。
圖1是繪示根據發明概念的例示性實施例的磁性記憶體元件的單元記憶胞的電路示意圖。
圖2及圖3是繪示根據發明概念的例示性實施例的磁性穿隧接面的示意圖。
圖4是繪示根據發明概念的例示性實施例的參考磁性結構的截面示意圖，其構成磁性穿隧接面的一部分。
圖5是繪示根據本發明概念的例示性實施例的緩衝層的示意圖。
圖6是繪示根據本發明概念的其他例示性實施例的緩衝層的示意圖。
圖7是繪示根據本發明概念的其他例示性實施例的參考磁性層的截面示意圖，其構成磁性穿隧接面的一部分。
圖8至圖11是繪示根據本發明概念的例示性實施例的自由層的剖面圖，其可構成磁性穿隧接面的一部分。
圖12和圖13是繪示根據本發明概念的例示性實施例的電子元件的方塊示意圖，其包括半導體元件。
應理解，這些圖式意欲繪示特定例示性實施例中所使用的方法、結構及/或材料的一般特性，且意欲補充以下所提供的書面描述。然而，這些附圖並非依照比例且可能不會精準地反映任何給定的實施例的精準結構或性能特性，且不應被解釋為用以定義或限制例示性實施例所涵蓋的數值或特性的範圍。舉例而言，為了清楚起見，可能縮小或誇飾分子、層、區域及/或結構性部件的相對厚度以及位置。在各個附圖中所使用的相似或相同的符號意欲代表具有相似或相同部件或特徵。
將參考隨附圖式來更加全面地描述本發明概念的例示性實施例，隨附圖式中顯示了一些例示性實施例。然而，本發明概念的例示性實施例可按照許多不同形式來實施，且不應解釋為限於本文所闡述的實施例；反而，提供此本發明概念的例示性實施例以使得本揭露將徹底及完整，且將向本領域具有通常知識者完全傳達本發明概念的例示性實施例的範疇。在附圖中，為了清楚起見，誇示了層以及區域的厚度。附圖中類似的參考符號表示類似的部件，且因此其描述將加以省略。
應理解，當部件(element)被稱為”連接(connected)”或”耦接(coupled)”至另一部件時，其可直接連接至或耦接至所述另一部件，或可存在中介部件。相較之下，當部件被稱為”直接連接”或”直接耦接”至另一部件時，不存在中介部件。用作描述部 件或層之間的關係的其他用語應以類似的方式解釋(例如是”介於(between)”與”直接介於”、”鄰近(adjacent)”與”直接鄰近”、”在...之上”與”直接在...之上”)通篇描述中類似的數字代表類似的部件。如本文所用的術語”及/或”包含一或多個相關聯的列出項之任何及所有組合。
應理解，儘管本文中可使用術語”第一”、”第二”等來描述各種部件、組件、區域、層及/或區段，但此部件、組件、區域、層及/或區段不應受此等術語限制。此等術語僅用以區分一個部件、組件、區域、層或區段與另一部件、組件、區域、層或區段。因此，在不脫離例示性實施例的教示下，可將以下所論述的第一部件、組件、區域、層或區段稱為第二部件、組件、區域、層或區段。
為了描述的簡易起見，在本文中可使用空間相對術語(諸如”在...之下”、”在...下方”、”下部”、”在...上方”、”上部”以及其類似術語)，以描述如諸圖中所繪示的一個部件或特徵相對於另以描述如諸圖中所繪示的一個部件或特徵相對於另一部件或特徵的關係。應理解，除了諸圖中所描繪的定向之外，所述空間相對術語意圖涵蓋在使用中或操作中的元件的不同定向。舉例而言，若翻轉諸圖中的元件，則描述為在其他部件或特徵”下方”或”之下”的部件繼而將定向於其他部件或特徵”上方”。因此，例示性術語”在...下方”可涵蓋”在...上方”以及”在...下方”兩種定向。元件可以其他方式定向(旋轉90度或在其他的定向)，且可相應地闡釋本 文中所使用的空間相對描述詞。
本文所使用的術語僅出於描述特定實施例之目的，而不意圖限制例示性實施例。除非上下文另有清楚指示，否則如本文所使用的單數形式”一”以及”所述”亦意圖包含多數形式。應進一步理解，當本文使用術語”包括”及/或”包含”時，指定所述特徵、整數、步驟、操作、部件及/或組件的存在，但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、部件、組件及/或其群組的存在或添加。
除非另有定義，否則本文所使用的所有術語(包含技術以及科學術語)具有與本發明概念的例示性實施例所屬的領域中具有通常知識者通常瞭解的含意相同之含意。應進一步理解，術語(諸如在常用辭典中所定義的術語)應被解釋為具有與其在相關技術背景之含意一致的含意，且不應以理想化或過度正式的意義來解譯，除非本文中明確地如此定義。
圖1是繪示根據發明概念的例示性實施例的磁性記憶體元件的單元記憶胞的電路示意圖。
請參照圖1，單元記憶胞UMC可配置在彼此交錯的第一內連線L1和第二內連線L2之間。單元記憶胞UMC的構件可串接於第一內連線L1和第二內連線L2之間。單元記憶胞UMC可包括選擇元件SW和磁性穿隧接面MTJ。選擇元件SW和磁性穿隧接面MTJ可串聯於第一內連線L1和第二內連線L2之間。在特定實施例中，第一內連線L1和第二內連線L2中的一者可用作字元線，而另一者可用作位元線。
選擇元件SW可經設置以選擇性地控制通過磁性穿隧接面MTJ的電流。舉例來說，選擇元件SW可為二極體(diode)、pnp雙載子電晶體(bipolar transistor)、npn雙載子電晶體、N通道金氧半導體(n-channel metal-oxide-semiconductor，NMOS)場效電晶體(FET)以及P通道金氧半導體(p-channel metal-oxide-semiconductor，PMOS)場效電晶體中的一者。當選擇元件SW為三端開關元件(諸如雙極電晶體或MOSFET)時，額外的內連線(未繪示)可連接至選擇元件SW的控制電極或閘極。
磁性穿隧接面MTJ可包括第一垂直磁性結構MS1、第二垂直磁性結構MS2及插置於它們之間的穿隧阻障TBR。第一垂直磁性結構MS1及第二垂直磁性結構MS2各自可包括至少一層由磁性材料製成的磁性層。在例示性實施例中，如圖1所示，磁性穿隧接面MTJ可更包括插置在第一垂直磁性結構MS1與選擇元件SW之間的第一導電結構CS1、以及插置在第二垂直磁性結構MS2與第二內連線L2之間的第二導電結構CS2。
圖2及圖3是繪示根據發明概念的例示性實施例的磁性穿隧接面示意圖。第一垂直磁性結構MS1及第二垂直磁性結構MS2的磁性層中的一者可經設置而具有固定的磁化方向，此磁化方向不因為在通常環境中所產生的外部磁場方向改變。在本說明書中，為了方便描述，將使用詞彙“參考磁性結構PNL”來代表具有此種固定磁化性質的磁性層(亦稱為固定磁性結構)。反之，第一垂直磁性結構MS1及第二垂直磁性結構MS2的磁性層中的另一者 可經設置而具有可以藉由施加外部磁場而切換(switch)的磁化方向。下文中，將使用詞彙“自由磁性結構FRL”來表示具有此種可切換磁化性質的磁性層。舉例來說，如圖2及圖3所示，磁性穿隧接面MTJ可包括藉由穿隧阻障TBR而分開的至少一自由磁性結構FRL及至少一參考磁性結構PNL。
磁性穿隧接面MTJ的電阻可容易受到自由磁性結構FRL及參考磁性結構PNL的磁化方向的相對方向影響。舉例來說，當上述相對方向為反平行時，磁性穿隧接面MTJ的電阻可遠大於當上述相對方向為平行時的電阻。此意指可以藉由改變自由磁性結構FRL的磁化方向來控制磁性穿隧接面MTJ的電阻。根據發明概念的實施例的磁性記憶體元件可藉由根據上述資料儲存機制來實現。
如圖2及圖3所示，磁性穿隧接面MTJ的第一垂直磁性結構MS1及第二垂直磁性結構MS2可依序形成在基板Sub上。在此實例中，根據自由磁性結構FRL與基板Sub之間的相對設置、及/或自由磁性結構FRL及參考磁性結構PNL的形成順序，磁性穿隧接面MTJ可例如分類為以下兩種類型：(a)如圖2所示，第一型磁性穿隧接面MTJ1經設置以使得第一垂直磁性結構MS1及第二垂直磁性結構MS2包括參考磁性結構PNL及自由磁性結構FRL。
(b)如圖3所示，第二型磁性穿隧接面MTJ2經設置以使得第一垂直磁性結構MS1及第二垂直磁性結構MS2包括自由磁性 結構FRL及參考磁性結構PNL。
圖4是繪示根據發明概念的例示性實施例的參考磁性結構的截面示意圖，其構成磁性穿隧接面的一部分。
請參照圖4，根據本發明概念的例示性實施例，參考磁性結構PNL可包括第一子層(first sub-layer)、第一交換耦接層105以及提供於晶種層101和穿隧阻障層TBR之間的第二子層。舉例來說，第一子層可為第一固定層PL1且第二子層可為第二固定層PL2。如圖2所示，在本實施例中，參考磁性結構PNL可為第一型磁性穿隧接面MTJ1的一部分。
晶種層101可包括具有六方最密堆疊(hexagonal close packed；HCP)晶格組態的金屬原子。舉例來說，晶種層101可包括銣(Ru)及/或鈦(Ti)。可形成厚度範圍從10Å至100Å的晶種層101。在其他實施例中，晶種層101可包括具有面心立方(face-centered cubic；FCC)晶格組態的金屬原子。舉例來說，晶種層101可包括鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)或鋁(Al)中的至少一者。晶種層101可包括單層或多層，其中多層中至少有一層的晶體結構與其他層不同。
穿隧阻障TBR可包括鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂鋅(MgZn)及/或鎂硼(MgB)的氧化物及/或鈦(Ti)及/或钒(V)的氮化物中的至少一者。舉例來說，穿隧阻障TBR可由氧化鎂(MgO)層形成。或者是，穿隧阻障TBR可包括多層。舉例來說，穿隧阻障TBR可包括鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂鋅(MgZn) 及/或鎂硼(MgB)的氧化物及鈦(Ti)及/或钒(V)的氮化物中的一者。
第一固定層PL1可由展現內部垂直磁化性質(intrinsic perpendicular magnetization property)的磁性材料(後文中以”垂直磁化材料”表示)形成。於本文中，內部垂直磁化性質代表當沒有外部磁場施加於磁性層時，磁性層的磁化方向是平行於其厚度方向或垂直於其主表面。舉例來說，當具有垂直磁化性質的磁性層形成在基板上，則磁性層的磁化方向可實質上垂直於基板的頂表面。
對於第一固定層PL1而言，內部垂直磁化性質可透過提供有至少一含鈷垂直磁化材料的單層或多層結構來實現。在例示性實施例中，第一固定層PL1可為單層或多層結構，其包括鈷鉑合金或添加有元素X的鈷鉑合金中的至少一者，其中元素X可為硼、釕、鉻、鉭及/或氧中的至少一者。在其他實施例中，可以多層結構的形式提供第一固定層PL1，其中含鈷層和貴金屬層交替地和重複地堆疊。各含鈷層可為由鈷、鈷鐵、鈷鎳及/或鈷鉻形成的層，且每個貴金屬層可為由鉑及/或鈀形成的層。在其他實施例中，可以多層結構的形式提供第一固定層PL1，其中多層結構包括列舉在此例示性實施例中的至少一種材料(諸如鈷鉑合金或添加有元素X的鈷鉑合金)與列舉在其他例示性實施例中的至少一種材料(諸如鈷、鈷鐵、鈷鎳、鈷鉻、鉑及/或鈀)。
在例示性實施例中，第一固定層PL1的厚度範圍可從約 20Å至約80Å，具體而言，從約30Å至約55Å。已透過實例來描述用於第一固定層PL1的內部垂直磁化材料，以提供對於本發明概念的更佳理解，然本發明概念的例示性實施例不限於此。舉例來說，第一固定層PL1可包括下列中的至少一者：a)鋱的相對含量為10%或以上的鈷鐵鋱(CoFeTb)；b)釓的相對含量為10%或以上的鈷鐵釓(CoFeGd)；c)鈷鐵鏑(CoFeDy)；d)具有L10結構的鐵鉑(FePt)；e)具有L10結構的鐵鈀(FePd)；f)具有L10結構的鈷鈀(CoPd)；g)具有L10或L11結構的鈷鉑(CoPt)；h)具有六方最密堆疊(HCP)結構的鈷鉑；i)含a)至h)中所述材料中的至少一者的合金；及/或j)磁性層和非磁性層交替堆疊的多層結構。包括磁性層和非磁性層交替堆疊的多層結構可包括(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd)n、(CoP)n、(Co/Ni)n、(CoNi/Pt)n、(CoCr/Pt)n及/或(CoCr/Pd)n中的至少一者，其中下標n表示堆疊個數。在特定實施例中，第一固定層PL1更可包括鈷層或富含鈷的層，其經配置以與第一交換耦接層105接觸。
第一交換耦接層105可由釕、銥及/或銠中的至少一者形成。根據本發明例示性實施例，第二固定層PL2可藉由第一交換耦接層105反磁性地交換耦接至第一固定層PL1，因而具有與其厚度方向平行的磁化方向。可控制第一交換耦接層105的厚度，使得第二固定層PL2可具有和第一固定層PL1反平行的磁化方向的垂直磁化。舉例來說，第一交換耦接層105的厚度範圍可從約2Å至約10Å
第二固定層PL2可包括與穿隧阻障層TBR的第一接面磁性層122以及位於第一接面磁性層122與第一交換耦接層105之間的第一緩衝層121。第一接面磁性層122可由展現內部平面內磁化性質(intrinsic in-plane magnetization property)的磁性材料(後文以”內部平面內磁化材料”表示)形成。在本文中，內部平面內磁化性質代表當沒有外部磁場施加於磁性層時，磁性層的磁化方向是平行於其縱向方向。舉例來說，當具有內部平面內磁化性質的磁性層形成在基板上時，磁性層的磁化方向可實質上平行於基板的頂表面。換言之，當沒有外加磁場施加於磁性層時，第一接面磁性層122可具有與其最大面積的表面平行的磁化方向。
在例示性實施例，第一接面磁性層122的內部平面內磁化性質可由單層或多層結構來實施，所述單層或多層結構包括鈷、鐵或其合金中的至少一者。舉例來說，第一接面磁性層122可為包括鈷鐵硼(CoFeB)、鈷鉿(CoHf)、鈷及/或鈷鋯(CoZr)中的至少一者的單層或多層結構。或者是，可以雙層結構的形式來提供第一接面磁性層122，雙層結構包括鈷層和鈷鉿層或鈷鐵硼鉭層和鈷鐵硼層。已透過實例來描述用於第一接面磁性層122的內部平面內磁性材料，以提供對於本發明概念的更佳理解，然本發明概念的例示性實施例不限於此。在特定實施例，第一接面磁性層122的厚度範圍可從約7Å至約25Å，或更尤其是從約10Å至約17Å。
外部因素可將第一接面磁性層122的磁化方向從平面內 狀態改變為垂直狀態。舉例來說，可將第一接面磁性層122形成為與穿隧阻障TBR接觸，且此接觸使第一接面磁性層122可展現垂直磁化方向。當穿隧阻障TBR作為外部因素改變第一接面磁性層122的磁化方向時，可將第一接面磁性層122描述成具有外部垂直磁化性質。換言之，第一接面磁性層122可為外部垂直磁化結構。
在將第一接面磁性層122形成為與穿隧阻障TBR接觸的例子中，由於第一接面磁性層122與穿隧阻障TBR之間的界面處具有界面非等向性(interface anisotropy)，因此第一接面磁性層122可展現外部垂直磁化性質或作為外部垂直磁化結構。有許多因素會造成界面非等向性。舉例來說，在穿隧阻障TBR包括氧化鎂和第一接面磁性層122包括鈷鐵硼的例子中，穿隧阻障TBR中的氧原子和第一接面磁性層122中的鐵原子之間的鍵結可造成界面非等向性。當第一接面磁性層122中的非金屬元素(諸如硼)從穿隧阻障TBR及第一接面磁性層122之間的界面向外排出時，可增加上述氧原子與鐵原子之間的鍵結。
第一接面磁性層122的界面非等向性可由在沉積第一接面磁性層122之後進行的額外熱製程(thermal treatment process)來實施。舉例來說，第一接面磁性層122的至少一部分可具有非晶結構，在沉積第一接面磁性層122後立即對其進行熱處理製程，使得第一接面磁性層122可轉變成具有外部垂直磁化性質。在熱處理製程期間，第一接面磁性層122的晶體結構可依據穿隧阻障 TBR的晶體結構而改變。舉例來說，穿隧阻障TBR具有氯化鈉的晶體結構，第一接面磁性層122的晶體結構可改變為具有和氯化鈉晶體結構相似的體心立方結構。換言之，穿隧阻障TBR和第一接面磁性層122的<001>晶體平面，可互相接觸因此形成界面。在穿隧阻障TBR和第一接面磁性層122之間的界面處的晶格匹配(lattice matching)可有助於增強磁性穿隧接面的磁阻比。
第一緩衝層121可包括結晶程度(degree of crystallinity，後文中以”結晶度”表示)低於第一接面磁性層122的結晶度的材料。即使兩層是在同樣的條件下生成，其中一層的結晶化程度可比另一層少，在本說明書中，將以”低結晶度”一詞來代表具有此結晶度性質的前者。而後，將參照圖5和圖6更詳細地描述第一緩衝層121。
圖5是繪示根據本發明概念的例示性實施例的緩衝層的示意圖。在本發明實施例中，第一緩衝層121可經設置以具有和第一接面磁性層122的磁化方向平行的磁化方向。第一緩衝層121和第一接面磁性層122可反磁性耦接至第一固定層PL1。第一緩衝層121可具有小於第一接面磁性層122的飽和磁化。舉例來說，第一緩衝層121可包括由鐵磁性元素、非金屬元素及/或非磁性金屬元素中至少一者製成的材料。再者，第一緩衝層121可以非磁性金屬元素對整體的比例(舉例來說，重量百分比或wt%)高於第一接面磁性層122的非磁性金屬元素對整體的比例的方式構成。非磁性金屬元素可以是元素，其原子質量大於鈷(Co)。舉例 來說，非磁性金屬元素可包括鉭、鎢、鈮、鈦、鉻、鉿、鋯、鉬及/或釩中的至少一者。鐵磁性元素可包括鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)中的至少一者。非金屬元素可以是硼(B)。在例示性實施例中，第一緩衝層121可以包括由鈷鐵硼鉭構成的層。
第一緩衝層121可以非磁性金屬元素對整體的比例範圍從約3wt%(重量百分比)至約30wt%的形式形成。在非磁性金屬元素的比例低於3wt%(重量百分比)的例子中，降低第一緩衝層121的結晶度可能是困難的。在非磁性金屬元素的比例高於30wt%(重量百分比)的例子中，第一緩衝層121可展現增強的非磁性性質，因此可減弱介於第一接面磁性層122和第一固定層PL1之間的交換耦接。將參照圖7來描述比例高於30wt%(重量百分比)的實施例。
由於低結晶度的第一緩衝層121的存在，因此能避免第一交換耦接層105和第一固定層PL1的結構因為熱處理製程而轉移(transfer)至第一接面磁性層122。舉例來說，若第一交換耦接層105的厚度相較於第一固定層PL1為較薄，第一固定層PL1的結晶結構可通過第一交換耦接層105而轉移至第一接面磁性層122。此第一固定層PL1的晶體結構的轉移可能劣化在穿隧阻障TBR和第一接面磁性層122之間的界面處的晶格匹配性質。舉例來說，在第一固定層PL1包括具有L11結構的鈷鉑且不具有第一緩衝層121的例子中，至少一部分的第一接面磁性層122可被第一固定層PL1的晶體結構影響且可轉變成具有面心立方的結構。 這可能導致第一固定層PL1和穿隧阻障TBR之間的界面處的晶格匹配性質劣化，因此磁性記憶體元件可能具有降低的磁阻比，且可能減弱磁性層之間的SAF耦接。
第一緩衝層121的晶體結構可與第一接面磁性層122的晶體結構不同。舉例來說，即使在第一緩衝層121沉積後，第一緩衝層121立即具有至少一部分的非晶結構，但由於第一固定層PL1的存在，其可在熱處理製程期間進行結晶化。在例示性實施例中，第一緩衝層121的原子堆積因子(APF)可高於第一接面磁性層122的原子堆積因子。舉例來說，至少一部分的第一緩衝層121可具有面心立方結構，而至少一部分的第一接面磁性層122可具有體心立方結構。然而，第一緩衝層121的結晶結構不限於此，且可根據第一固定層PL1的晶體結構而改變。
在熱處理製程期間，第一緩衝層121可從第一接面磁性層122吸收非金屬元素(諸如硼)，因此第一接面磁性層122可具有增強的界面非等向性性質。在例示性實施例中，第一緩衝層121的硼濃度可高於第一接面磁性層122的硼濃度。
圖6是繪示根據本發明概念的其他例示性實施例的緩衝層的示意圖。在本實施例中，第一緩衝層121可為非磁性層，其厚度約小於第一交換耦接層105的厚度的一半。舉例來說，第一緩衝層121的厚度可約等於或小於5Å。
在例示性實施例中，第一緩衝層121可為非晶鉭層、非晶鉑層及/或非晶氮化鈦(titanium nitride)層。在其他例示性實施 例中，第一緩衝層121可包括以下材料中的至少一者：鐵磁性元素、非金屬元素及/或非磁性金屬元素。再者，第一緩衝層121可以非磁性金屬元素對整體的比例(以重量百分比計)約高於30wt%(重量百分比)的形式構成。舉例來說，第一緩衝層121可包括鈷鐵硼鉭層，其中鉭的含量約等於或大於30wt%。
圖7是繪示根據本發明概念的其他例示性實施例的參考磁性層的截面示意圖，其構成磁性穿隧接面的一部分。請參照圖7，根據本發明的其他例示性實施例，參考層可包括依序提供在穿隧阻障TBR和第二導電結構CS2之間的第二固定層PL2、第一交換耦接層105以及第一固定層PL1。如參照圖3所述，參考層可作為第二型磁性穿隧接面MTJ2的一部分。第一固定層PL1和第二固定層PL2可經設置，以具有與圖6的第一固定層PL1和第二固定層PL2實質上相同的特徵，因此簡化或省略其中詳細描述。
根據本發明的例示性實施例，可能可防止/減少接面磁性層被第一固定層的晶體結構影響。再者，可能增強接面磁性層和穿隧阻障的界面處的晶格匹配。因此，磁性記憶體元件可經設置以具有增加的磁阻比與增加的磁性層間交換耦接強度。
圖8至圖11是繪示根據本發明概念的例示性實施例的自由層的剖面圖，其可構成磁性穿隧接面的一部分。
圖8和圖9說明自由層的剖面圖，所述自由層構成圖2的第一型磁性穿隧接面MTJ1。自由磁性結構FRL可包括依次地堆疊在穿隧阻障TBR和第二導電結構CS2之間的第一自由層 FL1、第二交換耦接層106以及第二自由層FL2。第一自由層FL1和第二自由層FL2可經由第二交換耦接層106而彼此反鐵磁性交換耦接。
第一自由層FL1可包括與穿隧阻障TBR接觸的第二接面磁性層162。第二接面磁性層162可由具有內部平面內磁化性質的材料形成。在例示性實施例中，第二接面磁性層162的內部平面內磁化性質可由包括鈷、鐵或其合金中的至少一者的單層或多層結構來實施。舉例來說，第二接面磁性層162可為包括鈷鐵硼(CoFeB)、鈷鉿(CoHf)、鈷及/或鈷鋯(CoZr)中的至少一者的單層或多層結構。再者，可以包括鈷層和鈷鉿層的雙層結構或包括鈷鐵硼鉭層和鈷鐵硼層的雙層結構形式提供第二接面磁性層162。
外部因素可將第二接面磁化層162的磁化方向從平面內狀態改變成垂直狀態。舉例來說，第二接面磁性層162可形成為與穿隧阻障TBR接觸，在此情況下，由於第二接面磁性層162與穿隧阻障TBR的界面處的界面非等向性，第二接面磁性層162可展現外部垂直磁化性質或作為外部垂直磁化結構。
第二交換耦接層106可為非磁性金屬層。舉例來說，第二交換耦接層106可由鉭、釕、銥及/或銠中的至少一者形成。第二自由層FL2與第一自由層FL1可包括相同材料。舉例來說，自由磁性結構FRL可包括一對自由層FL1、FL2以及插入此對自由層FL1、FL2之間的第二交換耦接層106，其中自由層FL1、FL2 由鈷鐵硼合金形成，第二交換耦接層106由鉭形成。
在其他實施例中，第二自由層FL2可由具有內部垂直磁化性質的磁性材料形成。內部垂直磁化性質可藉由包括至少一種含鈷垂直磁化材料的單層或多層結構來實施。舉例來說，第二自由層FL2可為單層或多層結構，其中單層或多層結構包括鈷鉑合金或添加有元素X的鈷鉑合金，元素X為硼、銠、鉻、鉭或氧化物中的至少一者。再者，第二自由層FL2可以多層結構的形式提供，此多層結構包括交替堆疊的含鈷層和貴金屬層。含鈷層可由鈷、鈷鐵、鈷鎳以及鈷鉻中的一者形成，以及貴金屬層可由鉑和鈀中的一者形成。在特定實施例中，可以多層結構形式提供第二自由層FL2，其中多層結構包括上文中列舉的至少一種材料(諸如鈷鉑合金或添加有元素X的鈷鉑合金)與至少一種材料(諸如鈷、鈷鐵、鈷鎳、鈷鉻、鉑及/或鈀)。
在例示性實施例中，如圖8所示，第二接面磁性層162可與第二交換耦接層106接觸。在其他實施例中，如圖9所示，第一自由層FL1可包括位於第二交換耦接層106和第二接面磁性層162之間的第二緩衝層161。在下文中將更詳細地描述第二緩衝層161。
第二緩衝層161可包括結晶度低於第二接面磁性層162的結晶度的材料。在例示性實施例中，第二緩衝層161的磁化方向可和第二接面磁性層162的磁化方向平行。第二緩衝層161可具有小於第二接面磁性層162的飽和磁化。舉例來說，第二緩衝 層161可包括鐵磁性元素、非金屬元素及/或非磁性金屬元素。再者，第二緩衝層161可以非磁性金屬元素對整體的比例(舉例來說，重量百分比或wt%)高於第二接面磁性層162的非磁性金屬元素對整體的比例的方式構成。非磁性金屬元素可以是元素，其原子質量大於鈷(Co)。舉例來說，非磁性金屬元素可包括鉭、鎢、鈮、鈦、鉻、鉿、鋯、鉬及/或釩中的至少一者。鐵磁性元素可包括鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)中的至少一者。非金屬元素可以是硼(B)。在例示性實施例中，第二緩衝層161可以包括由鈷鐵硼鉭構成的層。
第二緩衝層161可以非磁性金屬元素對整體的比例範圍從約3wt%(重量百分比)至約30wt%的形式形成。在非磁性金屬元素的比例低於3wt%(重量百分比)的例子中，降低第二緩衝層161的結晶度可能是困難的。在非磁性金屬元素的比例高於30wt%(重量百分比)的例子中，第二緩衝層161可展現增強的非磁性性質，因此可減弱介於第二接面磁性層162和第一固定層PL1之間的交換耦接。
由於低結晶度的第二緩衝層161的存在，因此能降低/避免第二自由層FL2的結構因為熱處理製程而轉移至第二接面磁性層162。第二緩衝層161的晶體結構可與第二接面磁性層162的晶體結構不同。舉例來說，即使在第二緩衝層161沉積後，第二緩衝層161立即具有至少一部分的非晶結構，但由於第二自由層FL2的存在，其可在熱處理製程期間進行結晶化。在例示性實施例中， 第二緩衝層161的原子堆積因子(APF)可高於第二接面磁性層162的原子堆積因子。舉例來說，至少一部分的第二緩衝層161可具有面心立方結構，而至少一部分的第二接面磁性層162可具有體心立方結構。
在熱處理製程期間，第二緩衝層161可從第二接面磁性層162吸收非金屬元素(諸如硼)，因此第二接面磁性層162可具有增強的界面非等向性性質。因此，第二緩衝層161的硼濃度可高於第二接面磁性層162的硼濃度。
第二緩衝層161可為非磁性層，其厚度約小於第二交換耦接層106的厚度的一半。舉例來說，第二緩衝層161的厚度可約等於或小於5Å。在例示性實施例中，第二緩衝層161可包括非晶鉭層、非晶鉑層及/或非晶氮化鈦(titanium nitride)層。在其他實施例中，第二緩衝層161可包括以下材料中的至少一者：鐵磁性元素、非金屬元素及/或非磁性金屬元素。再者，第二緩衝層161可以非磁性金屬元素對整體的比例(以重量百分比計)約高於30wt%(重量百分比)的形式構成。舉例來說，第二緩衝層161可包括鈷鐵硼鉭層，其中鉭的含量約等於或大於30wt%(重量百分比)。
圖10與圖11是繪示構成圖3的第二型磁性穿隧接面MTJ2的自由層的剖面圖。自由磁性結構FRL可包括依次地堆疊在晶種層101和穿隧阻障TBR之間的第二自由層FL2、第二交換耦接層106以及第一自由層FL1。第一自由層FL1和第二自由層 FL2可經由第二交換耦接層106而彼此反鐵磁性交換耦接。除了第一自由層FL1和第二自由層FL2的位置不同以外，第一自由層FL1和第二自由層FL2可經設置，以具有與圖8與9的第一自由層FL1和第二自由層FL2實質上相同的特徵，因此簡化或省略其中詳細描述。
圖12和圖13是繪示根據本發明概念的例示性實施例的電子元件的方塊示意圖，其包括半導體元件。
參照圖12，根據發明概念的例示性實施例的包括半導體元件的電子元件1300可用於以下元件中：個人數位數手(personal digital assistant；PDA)、筆記型電腦、移動式電腦(mobile computer)、網路平板電腦(web tablet)、無線電話(wireless phone)、手機(cell phone)、數位音樂播放器(digital music player)、有線或無線的電子元件或包括這些功能性組合的複合式電子元件。電子元件1300可包括控制器1310、輸入/輸出元件1320(諸如小鍵盤(keypad)、鍵盤(keyboard)及顯示器等)、記憶體1330及/或無線介面1340，上述元件透過匯流排1350而彼此連接/耦接。舉例來說，控制器1310可包括微處理器、數位訊號處理器、微控制器等中的至少一者。記憶體1330可經設置以儲存用於控制器1310的指令碼(command code)及/或使用者資料。根據發明概念的例示性實施例的記憶體1330可包括半導體元件。電子元件1300可使用無線介面1340，無線介面1340經設置以使用RF(射頻)訊號來傳送資料至無線通訊網路及/或由無線通訊網路接收資料。舉例來說，無 線介面1340可包括天線、無線收發器等。電子系統1300可用於根據標準的通訊系統的通訊介面協定(communication interface protocol)中，根據標準的通訊系統例如是CDMA、GSM、NADC、E-TDMA、WCDMA、CDMA2000、Wi-Fi、Muni Wi-Fi、藍芽(Bluetooth)、DECT、無線USB、快閃OFDM(Flash-OFDM)、IEEE 802.20、GPRS、iBurst、WiBro、WiMAX、WiMAX-Advanced、UMTS-TDD、HSPA、EVDO、LTE-Advanced、MMDS等。
參照圖13，將描述包括根據發明概念的例示性實施例的 半導體元件的記憶體系統。記憶體系統1400可包括用於儲存相當大量資料的記憶體元件1410及記憶體控制器1420。記憶體控制器1420回應主機1430之讀取/寫入的要求以控制記憶體元件1410使其讀取儲存於記憶體元件1410中的資料或將資料寫入至記憶體元件1410中。記憶體控制器1420可包括位址對映表(address mapping table)，以用於從主機1430(例如移動式元件或電腦系統)提供位址對映至記憶體元件1410的實體位址。記憶體元件1410可為根據發明概念的例示性實施例的半導體元件。
可使用多種及多樣化的封裝技術來封裝以上所揭露的半 導體記憶體元件。舉例來說，可使用下列技術之任一者來封裝根據前述實施例的半導體記憶體元件，包括：堆疊式封裝(package on package；PoP)技術、球柵陣列封裝(ball grid array；BGA)技術、晶片尺寸封裝(chip scale package；CSP)技術、塑料式導線晶片承載封裝(plastic leaded chip carrier；PLCC)技術、塑料式雙列 直插式封裝(plastic dual in-line package；PDIP)技術、窩伏爾組件內晶片封裝(die in waffle pack)技術、盤內晶粒封裝(die in wafer form)技術、板上晶片封裝(chip on board；COB)技術、陶瓷雙內線封裝(ceramic dual in-line package；CERDIP)技術、塑料式四面扁平封裝(plastic quad flat pack；PQFP)技術、薄型四面扁平封裝(thin quad flat pack；TQFP)技術、小型封裝(small outline package；SOIC)技術、超小型封裝(shrink small outline package；SSOP)技術、薄型小型封裝(thin small outline，TSOP)技術、薄型四面扁平封裝(thin quad flat pack，TQFP)技術、系統級封裝(system in package；SIP)技術、多晶片封裝(multi-chip package；MCP)技術、晶圓級製程封裝(wafer-level fabricated package；WFP)技術及晶圓級加工堆疊封裝(wafer-level processed stack Package；WSP)。
安裝了根據上述實施例之一的半導體記憶體元件的封裝可更包括控制所述半導體記憶體元件的至少一種半導體元件(例如控制器及/或邏輯元件)。
根據發明概念的例示性實施例，磁性記憶體元件可具有增加的磁阻比及/或增加的磁性層間交換耦接強度。
雖然已特別地繪示及描述發明概念的例示性實施例，本領域具有通常知識人員將理解的是，可從其產生形式上及細節上的改變而不違背所附之申請專利範圍精神或範疇。
101‧‧‧晶種層
105‧‧‧第一交換耦接層
121‧‧‧第一緩衝層
122‧‧‧第一接面磁性層
PL1‧‧‧第一固定層
PL2‧‧‧第二固定層
PNL‧‧‧參考磁性結構
TBR‧‧‧穿隧阻障

Claims (25)

  1. 一種磁性記憶體元件，包括：自由磁性結構；穿隧阻障層；以及固定磁性結構，其中所述穿隧阻障層介於所述自由磁性結構和所述固定磁性結構之間，所述固定磁性結構包括第一固定層和第二固定層以及介於所述第一固定層和所述第二固定層之間的交換耦接層，所述第二固定層介於所述第一固定層和所述穿隧阻障層之間，所述第二固定層包括接面磁性層和介於所述接面磁性層和所述交換耦接層之間的緩衝層，以及所述緩衝層包括含有非磁性金屬元素的材料層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，其中所述非磁性金屬元素的原子量大於所述接面磁性層中的任何元素的原子量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，其中所述非磁性金屬元素的熔點高於所述接面磁性層中的任何元素的熔點。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，其中所述緩衝層的所述材料中的所述非磁性金屬元素的重量百分比大於所述接面磁性層中的非磁性金屬元素的重量百分比。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，其中所述非磁性金屬元素包括鉭(Ta)、鎢(W)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉻 (Cr)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鉬(Mo)及/或釩(V)中的至少一者。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，其中所述緩衝層的所述材料更包括鐵磁元素和非金屬元素。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的磁性記憶體元件，其中所述鐵磁元素包括鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳中的至少一者，以及所述非磁性元素包括硼。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，其中所述接面磁性層和所述緩衝層具有不同的結晶特徵。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的磁性記憶體元件，其中所述接面磁性層的結晶程度高於所述緩衝層的結晶程度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的磁性記憶體元件，其中所述接面磁性層具有體心立方晶體結構，所述緩衝層具有非晶結構。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，其中所述接面磁性層包括鈷、鐵及/或其合金中的至少一者。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的磁性記憶體元件，其中所述接面磁性層包括鈷鐵硼(CoFeB)、鈷鉿(CoHf)、鈷及/或鈷鋯(CoZr)中的至少一者。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，其中所述穿隧阻障層包括氧化鎂(MgO)。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，其中所述交換耦接層包括釕、銥及/或銠中的至少一者。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，更包括： 基板，其中所述自由磁性結構介於所述基板和所述固定磁性結構之間。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的磁性記憶體元件，更包括：基板，其中所述固定磁性結構介於所述基板和所述自由磁性結構之間。
  17. 一種磁性記憶體元件，包括：自由磁性結構；穿隧阻障層；以及固定磁性結構，其中所述穿隧阻障層介於所述自由磁性結構和所述固定磁性結構之間，所述固定磁性結構包括第一固定層和第二固定層以及介於所述第一固定層和所述第二固定層之間的交換耦接層，所述第二固定層介於所述第一固定層和所述穿隧阻障層之間，所述第二固定層包括接面磁性層以及介於所述接面磁性層和所述交換耦接層之間的緩衝層，且所述接面磁性層和所述緩衝層具有不同的結晶特徵。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的磁性記憶體元件，其中所述接面磁性層的結晶程度高於所述緩衝層的結晶程度。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的磁性記憶體元件，其中所述接面磁性層具有體心立方晶體結構，而所述緩衝層具有非晶結構。
  20. 如申請專利範圍第17項所述的磁性記憶體元件，其中所述接面磁性層包括鈷、鐵及/或其合金中的至少一者。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的磁性記憶體元件，其中所述接面磁性層包括鈷鐵硼(CoFeB)、鈷鉿(CoHf)、鈷及/或鈷鋯(CoZr)中的至少一者。
  22. 如申請專利範圍第20項所述的磁性記憶體元件，其中所述緩衝層包括含有非磁性金屬元素、鐵磁元素以及非金屬元素的材料層。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體元件，其中所述緩衝層的材料中的所述非磁性金屬元素的重量百分比大於所述接面磁性層中的非磁性金屬元素的重量百分比。
  24. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體元件，其中所述非磁性金屬元素的原子量大於鈷的原子量。
  25. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體元件，其中所述非磁性金屬元素包括鉭(Ta)、鎢(w)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鉬(Mo)及/或釩(V)中的至少一者。
TW103118899A 2013-07-03 2014-05-30 具有接面磁性層與緩衝層之磁性記憶體元件 TWI578586B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130077782A KR102082328B1 (ko) 2013-07-03 2013-07-03 수직 자기터널접합을 구비하는 자기 기억 소자
US14/155,725 US9203014B2 (en) 2013-07-03 2014-01-15 Magnetic memory devices having junction magnetic layers and buffer layers and related methods

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201511373A true TW201511373A (zh) 2015-03-16
TWI578586B TWI578586B (zh) 2017-04-11

Family

ID=52132226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW103118899A TWI578586B (zh) 2013-07-03 2014-05-30 具有接面磁性層與緩衝層之磁性記憶體元件

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9203014B2 (zh)
KR (1) KR102082328B1 (zh)
CN (1) CN104282832B (zh)
TW (1) TWI578586B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI743287B (zh) * 2017-03-13 2021-10-21 南韓商三星電子股份有限公司 磁性接面、提供磁性接面的方法及磁性記憶體

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101115039B1 (ko) * 2009-08-21 2012-03-07 한국과학기술연구원 자기터널접합 디바이스 및 그 제조 방법
KR101661275B1 (ko) * 2014-04-18 2016-09-29 한양대학교 산학협력단 메모리 소자
KR102451098B1 (ko) * 2015-09-23 2022-10-05 삼성전자주식회사 자기 메모리 장치 및 이의 제조 방법
US9831422B2 (en) 2015-10-21 2017-11-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory devices having perpendicular magnetic tunnel junction
US10944399B2 (en) * 2015-12-24 2021-03-09 Intel Corporation Multi-level spin logic
US20170263680A1 (en) * 2016-03-14 2017-09-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive memory device and manufacturing method of the same
US10386058B1 (en) 2016-03-17 2019-08-20 Shat-R-Shield, Inc. LED luminaire
US10767849B2 (en) 2016-04-25 2020-09-08 Shat-R-Shield, Inc. LED luminaire
KR102612437B1 (ko) * 2016-10-31 2023-12-13 삼성전자주식회사 자기 기억 소자
US10319903B2 (en) * 2016-11-29 2019-06-11 Micron Technology, Inc. Multiferroic magnetic tunnel junction devices
US10944050B2 (en) 2018-05-08 2021-03-09 Applied Materials, Inc. Magnetic tunnel junction structures and methods of manufacture thereof
JP2020043202A (ja) * 2018-09-10 2020-03-19 キオクシア株式会社 磁気記憶装置
CN112652704A (zh) * 2019-10-10 2021-04-13 上海磁宇信息科技有限公司 具有超薄合成反铁磁层的磁性隧道结单元
WO2021124517A1 (ja) * 2019-12-19 2021-06-24 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子および強磁性層の結晶化方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5019681B2 (ja) * 2001-04-26 2012-09-05 ルネサスエレクトロニクス株式会社 薄膜磁性体記憶装置
US7098495B2 (en) 2004-07-26 2006-08-29 Freescale Semiconducor, Inc. Magnetic tunnel junction element structures and methods for fabricating the same
US8063459B2 (en) 2007-02-12 2011-11-22 Avalanche Technologies, Inc. Non-volatile magnetic memory element with graded layer
US8623452B2 (en) 2010-12-10 2014-01-07 Avalanche Technology, Inc. Magnetic random access memory (MRAM) with enhanced magnetic stiffness and method of making same
WO2008155995A1 (ja) 2007-06-19 2008-12-24 Canon Anelva Corporation トンネル磁気抵抗薄膜及び磁性多層膜作製装置
KR101446334B1 (ko) 2008-05-07 2014-10-01 삼성전자주식회사 자기 저항 소자
WO2010026667A1 (en) 2008-09-03 2010-03-11 Canon Anelva Corporation Ferromagnetic preferred grain growth promotion seed layer for amorphous or microcrystalline mgo tunnel barrier
JP2010093117A (ja) 2008-10-09 2010-04-22 Fujitsu Ltd 磁気抵抗効果素子とその製造方法および情報記憶装置
WO2010080542A1 (en) * 2008-12-17 2010-07-15 Yadav Technology, Inc. Spin-transfer torque magnetic random access memory having magnetic tunnel junction with perpendicular magnetic anisotropy
JP5504704B2 (ja) 2009-06-16 2014-05-28 ソニー株式会社 記憶素子及びメモリ
US8558331B2 (en) * 2009-12-08 2013-10-15 Qualcomm Incorporated Magnetic tunnel junction device
JP4903277B2 (ja) 2010-01-26 2012-03-28 株式会社日立製作所 磁気抵抗効果素子、それを用いた磁気メモリセル及びランダムアクセスメモリ
KR101443190B1 (ko) 2010-05-26 2014-09-23 삼성전자주식회사 자기 터널 접합 소자
US20110318608A1 (en) 2010-06-29 2011-12-29 Headway Technologies, Inc. TMR device with novel pinned layer
JP2012129225A (ja) 2010-12-13 2012-07-05 Sony Corp 記憶素子、メモリ装置
US8325448B2 (en) 2011-02-11 2012-12-04 Headway Technologies, Inc. Pinning field in MR devices despite higher annealing temperature
JP5691604B2 (ja) 2011-02-17 2015-04-01 富士通株式会社 磁気トンネル接合素子及び磁気ランダムアクセスメモリ
KR101739952B1 (ko) 2011-02-25 2017-05-26 삼성전자주식회사 자기 메모리 장치

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI743287B (zh) * 2017-03-13 2021-10-21 南韓商三星電子股份有限公司 磁性接面、提供磁性接面的方法及磁性記憶體

Also Published As

Publication number Publication date
KR102082328B1 (ko) 2020-02-27
CN104282832B (zh) 2017-12-19
US20150008549A1 (en) 2015-01-08
US9203014B2 (en) 2015-12-01
CN104282832A (zh) 2015-01-14
KR20150004604A (ko) 2015-01-13
TWI578586B (zh) 2017-04-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI578586B (zh) 具有接面磁性層與緩衝層之磁性記憶體元件
TWI628653B (zh) 具有垂直磁性穿隧接面的磁性記憶體元件
US9691967B2 (en) Magnetic memory devices having perpendicular magnetic tunnel structures therein
US9923138B2 (en) Magnetic memory device and method for manufacturing the same
US9356228B2 (en) Magnetic tunneling junction devices, memories, memory systems, and electronic devices
JP6434688B2 (ja) 磁気メモリ素子及び磁性素子
TWI565109B (zh) 具有垂直磁性隧道接合之磁性裝置
CN106803532B (zh) 具有垂直磁隧道结的磁存储器件
US9424904B2 (en) Magnetic memory devices including oxide multiferroic material
KR20140135002A (ko) 자기 기억 소자 및 그 제조방법
KR102466342B1 (ko) 자기 메모리 소자
JP6999122B2 (ja) 垂直磁気トンネル接合を含む磁気記憶素子
KR102017622B1 (ko) 수직 자기터널접합을 구비하는 자기 메모리 장치들