TW201639205A - 磁性接合、磁性記憶體、用於提供磁性接合的方法 - Google Patents
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Abstract
本發明闡述一種可用於磁性裝置中的磁性接合以及一種用於提供磁性接合的方法。磁性接合包括自由層、非磁性間隔層及參考層。自由層包含鐵及至少一種鐵合金中的至少一者。此外，自由層不含鈷。非磁性間隔層鄰接自由層。非磁性間隔層駐留於參考層與自由層之間。磁性接合被配置成當寫入電流經過磁性接合時使自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換。
Description
本發明概念是有關於一種用於提供包含無鈷自由層之磁性接合的方法與系統。
磁性記憶體特別是磁性隨機存取記憶體（magnetic random access memories，MRAMs）已因其在運作期間的高讀取/寫入速度、優異耐久性、非揮發性及低功耗的可能性而引起越來越多的關注。磁性隨機存取記憶體可利用磁性材料作為資訊記錄媒體而儲存資訊。磁性隨機存取記憶體的一種類型是自旋轉移力矩隨機存取記憶體（spin transfer torque random access memory，STT-MRAM）。自旋轉移力矩磁性隨機存取記憶體利用至少部分地由藉由磁性接合所驅動的電流寫入的磁性接合。藉由磁性接合所驅動的自旋極化電流對磁性接合中的磁矩（magnetic moment）施加自旋力矩。因此，具有對自旋力矩作出回應的磁矩的層可切換至所需狀態。
舉例而言，圖1繪示傳統磁性穿隧接合（magnetic tunneling junction，MTJ）10，乃因其可用於傳統自旋轉移力矩磁性隨機存取記憶體中。傳統磁性穿隧接合10通常駐留於基板12上。底部接觸層14及頂部接觸層22可用於藉由傳統磁性穿隧接合10來驅動電流。傳統磁性穿隧接合使用傳統種子層（未示出），可包括頂覆層（未示出），並可包括傳統反鐵磁性（antiferromagnetic，AFM）層（未示出）。傳統磁性接合10包括傳統參考層16、傳統穿隧障壁層18及傳統自由層20。亦示出頂部接觸層22。傳統接觸層14及22用於如圖1所示在電流垂直於平面（current-perpendicular-to-plane，CPP）的方向上或沿z軸驅動電流。通常，傳統參考層16最接近層16、18及20的基板12。
傳統參考層16及傳統自由層20是磁性的。舉例而言，傳統自由層20通常包括具有所需化學計量比（stoichiometry）的至少一個鈷鐵硼(CoFeB)層。其他磁性及非磁性層可為傳統自由層20的一部分。傳統參考層16的磁化17在特定方向上為固定的或被釘紮。傳統參考層16儘管被繪示為簡單（單一）層，但可包括多個層。舉例而言，傳統參考層16可為包括藉由薄導電層（例如釕）而經反鐵磁性耦合的磁性層的合成反鐵磁性（synthetic antiferromagnetic，SAF）層。在此種合成反鐵磁性中，可使用與釕薄層交錯的多個磁性層。在另一實施例中，跨越釕層的耦合可為鐵磁性的。
傳統自由層20具有可變磁化21。傳統自由層20儘管被繪示為簡單層，但亦可包括多個層。舉例而言，傳統自由層20可為包括藉由薄導電層（例如釕）而經反鐵磁性或鐵磁性耦合的磁性層的合成層。傳統自由層20的磁化21儘管被示出為垂直於平面的，但亦可處於平面內。因此，參考層16及自由層20可具有分別被取向成垂直於所述層的平面的其磁化17及21。
由於磁性記憶體用於各種應用中的可能性，因此對磁性記憶體的研究正不斷進行以提高自旋轉移力矩隨機存取記憶體（spin transfer torque random access memory，STT-RAM）的效能。舉例而言，為達成垂直磁矩17及21，已提出各種結構。然而，此種結構可遭遇更高的阻尼（此增加了所需切換電流）、使訊號減少的更低磁電阻及/或其他問題。因此，所需要者是一種可提高自旋轉移力矩類型的記憶體的效能的方法與系統。本文所述的方法與系統滿足此種需要。
本發明闡述一種可用於磁性裝置中的磁性接合及一種用於提供所述磁性接合的方法。所述磁性接合包括自由層、非磁性間隔層及參考層。所述自由層包含鐵及至少一種鐵合金中的至少一者。此外，所述自由層不含鈷。所述非磁性間隔層鄰接所述自由層。所述非磁性間隔層駐留於參考層與所述自由層之間。所述磁性接合被配置成當寫入電流經過所述磁性接合時所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換。
示例性實施例是有關於可用於磁性裝置（例如磁性記憶體）中的磁性接合以及使用此種磁性接合的裝置。磁性記憶體可包括自旋轉移力矩磁性隨機存取記憶體（STT-MRAMs），並可用於採用非揮發性記憶體的電子裝置中。此種電子裝置包括但不限於蜂巢式電話、智慧型電話、工作台、膝上型電腦以及其他可攜式及非可攜式計算裝置。介紹以下說明是為了能夠使此項技術中具有通常知識者製造及使用本發明，且在專利申請案及其要求的上下文中提供以下說明。本文所述的示例性實施例以及一般原理及特徵的各種潤飾將輕易地顯而易見。主要根據在特定實施方式中提供的特定方法及系統來闡述示例性實施例。然而，所述方法及系統將在其他實施方式中有效地運作。例如「示例性實施例」、「一個實施例」及「另一實施例」等措詞可指代相同或不同實施例以及多個實施例。將關於具有某些組件的系統及/或裝置來闡述所述實施例。然而，所述系統及/或裝置可包括較所示者更多或更少的組件，且在不背離本發明的範圍的條件下可對組件的佈置及類型作出變化。亦在具有某些步驟的特定方法的上下文中闡述示例性實施例。然而，對於具有不同及/或額外步驟以及按照與示例性實施例不一致的不同次序的步驟的其他方法而言，所述方法及系統亦有效地運作。因此，本發明並非旨在僅限於所示實施例，而是符合與本文所述原理及特徵一致的最廣泛的範圍。
在具有某些組件的特定方法、磁性接合及磁性記憶體的上下文中闡述示例性實施例。此項技術中具有通常知識者將易於認識到，本發明與具有不與本發明不一致的其他及/或額外組件及/或其他特徵的磁性接合及磁性記憶體的使用相一致。亦在對自旋轉移現象的、磁性各向異性的及其他物理現象的當前理解的上下文中闡述所述方法及系統。因此，此項技術中具有通常知識者將易於認識到，基於對自旋轉移、磁性各向異性及其他物理現象的此當前理解而對所述方法及系統的行為進行理論闡釋。然而，本文所述方法及系統並不依賴於特定物理闡釋。在與基板具有特定關係的結構的上下文中闡述所述方法及系統。然而，此項技術中具有通常者將易於認識到，所述方法及系統與其他結構相一致。此外，在正合成的及/或簡單的某些層的上下文中闡述所述方法及系統。然而，此項技術中具有通常知識者將易於認識到，所述層可具有另一結構。此外，在具有特定層的磁性接合及/或子結構的上下文中闡述所述方法及系統。然而，此項技術中具有通常知識者將易於認識到，亦可使用具有不與所述方法及系統不一致的額外及/或不同層的磁性接合及/或子結構。此外，某些組件被闡述為磁性的、鐵磁性的及次鐵磁性的。本文所用用語磁性可包括鐵磁性、次鐵磁性或類似結構。因此，本文所用用語「磁性」或「鐵磁性」包括但不限於鐵磁體及次鐵磁體。本文所用「處於平面內」是實質上位於或平行於磁性接合的各層中的一或多個層的平面內。相反地，「垂直於」及「垂直於平面」對應於實質上垂直於磁性接合的各層中的一或多個層的方向。
本發明闡述一種可用於磁性裝置中的磁性接合及一種用於提供所述磁性接合的方法。所述磁性接合包括自由層、非磁性間隔層(nonmagnetic spacer layer，NM spacer layer)及參考層。所述自由層包含鐵及至少一種鐵合金中的至少一者。此外，所述自由層不含鈷。所述非磁性間隔層鄰接所述自由層。所述非磁性間隔層駐留於參考層與所述自由層之間。所述磁性接合被配置成當寫入電流經過所述磁性接合時使所述自由層能夠在多個穩定磁性狀態之間切換。
圖2繪示無鈷自由層100的示例性實施例。為清晰起見，圖2未按比例繪製。亦示出層102及104。層102可在自由層100駐留於其中使用自由層100的磁性接合的底部時為種子層。換言之，層102可在自由層100較參考層更接近基板時為種子層，例如氧化鎂(MgO)。在此種實施例中，層104為用於磁性接合的非磁性間隔層。層104可例如為結晶MgO非磁性間隔層。若自由層100位於其中使用自由層100的磁性接合的頂部，則層104可為頂覆層。換言之，層104可在自由層100較參考層距基板更遠時為頂覆層，例如MgO。在此種實施例中，層102為用於磁性接合的非磁性間隔層。舉例而言，層102可為結晶MgO非磁性間隔層。若自由層100位於雙重磁性接合的中心，則層102及104可為非磁性間隔層。在此種實施例中，層102及104可為MgO穿隧障壁層。
自由層100具有磁矩103，並包含呈純鐵層及/或一或多個鐵合金層形式的鐵。然而，自由層100不含鈷。例如CoFeB等鈷系合金以及純鈷層不存在於自由層100中。因此，在某些實施例中，自由層100中的唯一磁性元素是鐵。此外，在某些實施例中，自由層100沒有非磁性插入層。在此種實施例中，自由層100由鐵層及/或鐵合金層組成。自由層100可僅包括鐵層及/或Fe1-x
Bx
層，其中x為至少0.2且不大於0.5。此外，x可在自由層100中的不同合金層之間變化。舉例而言，自由層100可包括標稱地為20原子%硼的FeB層及標稱地為40原子%硼的另一FeB層。本文所用的FeB表示具有處於上述範圍內的化學計量比的鐵與硼的合金。在某些此種實施例中，自由層100具有至少10埃且不大於25埃的厚度。在某些此種實施例中，自由層為至少12埃且不大於18埃厚。在某些此種實施例中，自由層100具有至少15埃且不大於20埃的厚度。此外，自由層100的垂直磁性各向異性能超過其平面外去磁能（out-of-plane demagnetization energy）。因此，自由層100的磁矩可垂直於平面。自由層100可具有大約25埃或小於25埃的最大厚度，以確保自由層磁矩103垂直於平面。在自由層100中的磁性接合亦被配置成當寫入電流經過磁性接合時，使自由層100能夠在各穩定磁性狀態之間切換。
自由層100可使得其中使用自由層100的磁性接合能夠具有提高的效能。對於自由層100，使用鐵系材料。此外，如上所述，自由層100可不具有插入層（例如鎢或鉭）且不含鈷。因此，自由層100可具有更低的阻尼常數。在某些實施例中，阻尼常數可低至0.005或小於0.005。在某些此種實施例中，自由層100的阻尼常數可為大約0.002。由於更低的阻尼常數，用於自旋轉移力矩（spin transfer torque，STT）切換的切換電流可得到減少。由於自由層100如上所述為鐵系，因此自由層100可具有高飽和磁化（saturation magnetization，Ms
）。高飽和磁化亦可有助於減少用於自旋轉移力矩切換的切換電流。此外，自由層100具有高垂直磁性各向異性。舉例而言，磁性各向異性可對應於大約至少500奧斯特（Oersted，Oe）且不大於8000奧斯特的磁場。然而，其他各向異性亦為可能的。自由層100的垂直磁性各向異性超過平面外去磁能。因此，自由層100的磁矩可為穩定垂直於自由層100的平面。此外，使用自由層100及層102及/或104作為穿隧障壁層的磁性接合可具有高穿隧磁電阻（tunneling magnetoresistance，TMR）。因此，磁性接合的效能可得到提高，特別是對於自旋轉移力矩切換而言。
圖3繪示無鈷自由層110的示例性實施例。為清晰起見，圖3未按比例繪製。自由層110可用作圖2所示自由層100。因此，可存在類似於層102及104的層，但為簡明起見並未示出所述層。自由層110可被視為自由層100的特定實施例。
自由層110包括Fe1-x
Bx
層112及純鐵層114。層112鄰接層114或與層114共享界面。對於Fe1-x
Bx
層112，x為至少0.2且不大於0.5。在某些實施例中，x標稱地為0.4。在某些此種實施例中，Fe1-x
Bx
層112具有為至少10埃且不大於25埃的厚度t1。在某些此種實施例中，Fe1-x
Bx
層112為至少12埃且不大於18埃厚。在某些此種實施例中，Fe1-x
Bx
層112具有至少15埃且不大於20埃的厚度。
鐵層114可顯著薄於Fe1-x
Bx
層112。舉例而言，鐵層114可具有不超過5埃的厚度t2。在某些實施例中，鐵層114可為不大於3埃厚且大於0埃厚。舉例而言，鐵層114可為至少2埃厚且不大於3埃厚。因此，鐵層114可被視為駐留於Fe1-x
Bx
層112上的鐵的敷粉（dusting）。自由層110的總厚度t因此非常相似於Fe1-x
Bx
層114的厚度。此外，自由層110的垂直磁性各向異性能超過其平面外去磁能。因此，自由層110的磁矩可垂直於平面。此外，自由層110可具有大約25埃或小於25埃的最大厚度，以確保自由層磁矩垂直於平面。在自由層110中的磁性接合亦被配置成當寫入電流經過磁性接合時，使自由層110能夠在各穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層110由Fe1-x
Bx
層112及鐵層114組成。不使用非磁性插入層、鈷層及鈷系合金。
自由層110可提高其中使用自由層110的磁性接合的效能。對於自由層110，使用純鐵層114及CoFeB層112。自由層110不具有插入層（例如，鎢或鉭）且不含鈷。因此，自由層110可具有更低的阻尼常數及用於自旋轉移力矩切換的切換電流。自由層110亦可具有高飽和磁化，以再次減少用於自旋轉移力矩切換的切換電流。此外，自由層110具有高垂直磁性各向異性，特別是當MgO層鄰接自由層110時。此外，使用自由層110的磁性接合可具有高穿隧磁電阻。因此，磁性接合的效能可得到提高，特別是對於自旋轉移力矩切換而言。
圖4繪示無鈷自由層110’的示例性實施例。為清晰起見，圖4未按比例繪製。自由層110’可用作圖2所示自由層100。因此，可存在類似於層102及104的層，但為簡明起見並未示出所述層。自由層110’可被視為自由層100的特定實施例。自由層110’亦類似於自由層110。自由層110’因而包括分別具有厚度t1及t2的層112及114，其分別類似於自由層110以及層112及114的厚度。然而，在圖4所示實施例中，鐵層114較FeB層112更接近基板。
因此，自由層110’由Fe1-x
Bx
層112及鐵層114組成。層112鄰接層114或與層114共享界面。自由層110’因此共享自由層100及/或110的益處。使用自由層110’的磁性接合因此可具有高垂直各向異性、低阻尼及高穿隧磁電阻。
圖5繪示無鈷自由層110’’的示例性實施例。為清晰起見，圖5未按比例繪製。自由層110’可用作圖2所示自由層100。因此，可存在類似於層102及104的層，但為簡明起見並未示出所述層。此外，自由層110’’可被視為自由層100的特定實施例。自由層110’’亦類似於自由層110及110’。自由層110’’因此包括分別具有厚度t1及t2的層112及114，其分別類似於自由層110以及層112及114的厚度。
此外，自由層110’’’包括鐵層118。鐵層118類似於鐵層114，且因此可具有處於相同範圍內的厚度。鐵層118的厚度可相同於鐵層114的厚度，但不是必須。層112與114以及層112與118鄰接，以共享界面。因此，自由層110’’由Fe1-x
Bx
層112組成，Fe1-x
Bx
層112與鐵層114及鐵層118共享界面且由鐵層114及鐵層118夾置於中間。
自由層110’’共享自由層100、110及/或110’的益處。自由層110’因此可具有高垂直各向異性、引起低自旋轉移切換電流的低阻尼及當用於磁性接合中時的高穿隧磁電阻。
圖6繪示無鈷自由層120的示例性實施例。為清晰起見，圖6未按比例繪製。自由層120可用作圖2所示自由層100。因此，可存在類似於層102及104的層，但為簡明起見並未示出所述層。自由層120可被視為自由層100的特定實施例。自由層120亦類似於自由層110、110’及110’’。因此，類似組件具有相似標記。
自由層120包括分別類似於以上所述的層112及114的Fe1-x
Bx
層122及純鐵層124。Fe1-x
Bx
層122鄰接鐵層124或與鐵層124共享界面。對於Fe1-x
Bx
層122，x為至少0.2且不大於0.5。在某些實施例中，x標稱地為0.4。在某些此種實施例中，Fe1-x
Bx
層122具有為至少10埃且不大於25埃的厚度t1。在某些此種實施例中，Fe1-x
Bx
層122為至少12埃且不大於18埃厚。在某些此種實施例中，Fe1-x
Bx
層122具有至少15埃且不大於20埃的厚度。
鐵層124可顯著薄於Fe1-x
Bx
層122。舉例而言，鐵層124可具有不超過5埃的厚度t2。在某些實施例中，鐵層124可為不大於3埃厚且大於0埃厚。舉例而言，鐵層124可為至少2埃厚且不大於3埃厚。因此，鐵層124可被視為駐留於Fe1-x
Bx
層122上的鐵的敷粉。
自由層120亦包括類似於以上所述的層112及122的Fe1-y
By
層126。Fe1-y
By
層126鄰接鐵層124及Fe1-x
Bx
層122或與鐵層124及Fe1-x
Bx
層122共享界面。Fe1-y
By
層126的厚度及化學計量比範圍類似於Fe1-x
Bx
層122的厚度及化學計量比範圍。儘管有可能，但所述化學計量比可匹配但無需匹配層122及126。舉例而言，Fe1-y
By
層126可標稱地為40%的鈷，而Fe1-x
Bx
層122可標稱地為20原子%的硼。在某些實施例中，更高鐵濃度的層可更接近基板。然而，在其他實施例中可存在具有處於上述範圍內的不同化學計量比的FeB層122及126。相似地，Fe1-y
By
層126的厚度t3可等於Fe1-x
Bx
層122的厚度，但不是必須。
自由層120的垂直磁性各向異性能超過其平面外去磁能。因此，自由層120的磁矩可垂直於平面。自由層120可具有大約25埃或小於25埃的最大厚度，以確保自由層磁矩垂直於平面。在自由層120中的磁性接合亦被配置成當寫入電流經過磁性接合時，使自由層120能夠在各穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層120由Fe1-x
Bx
層122及鐵層124以及Fe1-y
By
層126組成。不使用非磁性插入層、鈷層及鈷系合金。
自由層120可使得其中使用自由層120的磁性接合能夠具有提高的效能。對於自由層120，使用純鐵層123及CoFeB層122及126。自由層120不具有插入層（例如鎢或鉭）且不含鈷。因此，自由層120可具有更低阻尼常數及用於自旋轉移力矩切換的切換電流。自由層120亦可具有高飽和磁化，以再次減少用於自旋轉移力矩切換的切換電流。此外，自由層120具有高垂直磁性各向異性，特別是當MgO層鄰接自由層120時。此外，使用自由層120的磁性接合可具有高穿隧磁電阻。因此，磁性接合的效能可得到提高，特別是對於自旋轉移力矩切換而言。
圖7繪示無鈷自由層120’的示例性實施例。為清晰起見，圖4未按比例繪製。自由層120’可用作圖2所示自由層100。因此，可存在類似於層102及104的層，但為簡明起見並未示出所述層。此外，自由層120’可被視為自由層100的特定實施例。自由層120’亦類似於自由層120。自由層120’因此包括分別具有厚度t1、t2及t3的層122、124及126，其分別類似於自由層120以及層122、124及126的厚度。然而，在圖7所示實施例中，鐵層124較FeB層122及126更接近基板。
因此，自由層120’由Fe1-x
Bx
層122、Fe1-y
By
層126及鐵層124組成。層122鄰接層124或與層124共享界面。相似地，層FeB122鄰接FeB層126。自由層120’因此共享自由層100、110、110’、110’’及/或120的益處。包括自由層120’的磁性接合因此可具有高垂直各向異性、低阻尼、低切換電流及高穿隧磁電阻。
圖8繪示無鈷自由層120’’的示例性實施例。為清晰起見，圖8未按比例繪製。自由層120’’可用作圖2所示自由層100。因此，可存在類似於層102及104的層，但為簡明起見並未示出所述層。此外，自由層120’’可被視為自由層100的特定實施例。自由層120’’亦類似於自由層120及120’。自由層120’’因此包括分別具有厚度t1、t2及t3的層122、124及126，其分別類似於自由層120以及層122、124及126的厚度。
此外，自由層120’’包括鐵層128。鐵層128類似於鐵層124，且因此可具有處於相同範圍內的厚度t4。鐵層128的厚度可相同於鐵層124的厚度，但不是必須。層122與124、層122與126、以及層126與128鄰接，以共享界面。因此，自由層120’’由Fe1-x
Bx
層122、Fe1-y
By
層126、以及鐵層124及128組成。
自由層120’’共享自由層100、120及/或120’的益處。自由層120’因此可具有高垂直各向異性、引起低自旋轉移切換電流的低阻尼及當用於磁性接合中時的高穿隧磁電阻。
圖9繪示磁性接合200的示例性實施例，磁性接合200可用於利用自旋轉移的可程式化的磁性記憶體中，且包括自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’。為清晰起見，圖9未按比例繪製。磁性接合200可用於例如自旋轉移力矩隨機存取記憶體等磁性裝置中，且因此可用於各種電子裝置中。磁性接合200包括具有磁矩211的自由層210、非磁性間隔層220及具有磁矩231的參考層230。亦示出下層基板201，在下層基板201中可形成有包括但不限於電晶體的裝置。亦示出底部接觸層202、頂部接觸層208、可選種子層204及可選頂覆層206。
如在圖9中可見，參考層230更接近磁性接合200的頂部（距基板201最遠）。然而，在其他實施例中，參考層230可較自由層210更接近基板201。可使用可選釘紮層（未示出）來固定參考層230的磁化（未示出）。在某些實施例中，可選釘紮層可為藉由交換偏壓交互作用（exchange-bias interaction）而釘紮參考層230的磁化（未示出）的反鐵磁性層或多層。然而，在其他實施例中，可選釘紮層可省略或可使用另一結構。
磁性接合200亦被配置成當寫入電流經過磁性接合200時，容許自由層210在各穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層210能夠利用自旋轉移力矩而進行切換。在某些實施例中，僅使用自旋轉移力矩來達成所述切換。然而，在其他實施例中，其他機構（包括但不限於自旋軌道力矩及/或施加場）亦可有助於所述切換。
除接觸層202及206以及基板201之外，亦示出種子層204及頂覆層206。自由層210較參考層230更接近基板201，且生長於種子層204上。因此，種子層204可為結晶MgO以提高自由層210的垂直各向異性。因此，種子層204可類似於上述層102。
非磁性間隔層220可為MgO穿隧障壁層。MgO層可具有用於增強的穿隧磁電阻（TMR）的200取向。然而，在其他實施例中，非磁性間隔層220可為導體（例如銅）或另一絕緣穿隧障壁層。其他構型（例如絕緣基質中的導電性通道）亦為可能的。
參考層230及自由層210為磁性的。在所示實施例中，自由層210的垂直磁性各向異性超過其平面外去磁能。相似地，參考層230的垂直磁性各向異性超過其平面外去磁能。因此，自由層210的易磁化軸（easy axis）211及參考層230的磁矩231被示出為垂直於平面（在z方向上）。在其他實施例中，層210及230中的一者或二者可處於平面內。
參考層230可為多層。舉例而言，參考層230可為包括與非磁性層交錯的多個鐵磁性層的合成反鐵磁性。在此種實施例中，鐵磁性層的磁矩可被耦合成反平行的。每一鐵磁性層亦可包括子層，所述子層包括但不限於多個鐵磁性層。在其他實施例中，參考層230可為另一多層。此外，在參考層230與非磁性間隔層220之間設置具有高自旋極化及/或其他層的極化增強層（polarization enhancement layer，PEL）222。在某些實施例中，極化增強層（未示出）可位於自由層210與非磁性間隔層220之間。舉例而言，極化增強層222可包括CoFeB層。然而，在所示實施例中，自由層210與非磁性間隔層220共享界面。
自由層210為自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’。因此，自由層210可由鐵層及鐵合金層組成。非磁性插入層及含鈷層可被省略。因此，磁性接合200可享受自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’的益處。包括自由層210的磁性接合200可具有高垂直各向異性、引起更低自旋轉移切換電流的低阻尼及高穿隧磁電阻。因此，可達成具有所需磁性取向、訊號及用於自旋轉移力矩切換的適中切換電流的磁性接合200。
圖10繪示磁性接合200’的示例性實施例，磁性接合200’可用於利用自旋轉移的可程式化的磁性記憶體中且使用自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’。為清晰起見，圖10未按比例繪製。磁性接合200’可用於例如自旋轉移力矩隨機存取記憶體等磁性裝置中，且因此可用於各種電子裝置中。磁性接合200’類似於磁性接合200。因此，相似組件具有相似標記。磁性接合200’包括具有磁矩211的自由層210、非磁性間隔層220及具有磁矩231的參考層230，其分別類似於圖9所示的具有磁矩211的自由層210、非磁性間隔層220及具有磁矩231的參考層230。亦示出下層基板201、底部接觸層202、頂部接觸層208、可選種子層204、可選頂覆層206及可選極化增強層222，其類似於圖9所示的基板201、底部接觸層202、頂部接觸層208、可選種子層204、可選頂覆層206及可選極化增強層222。
磁性接合200’亦被配置成當寫入電流經過磁性接合200’時，容許自由層210在各穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層210能夠利用自旋轉移力矩進行切換。在某些實施例中，僅使用自旋轉移力矩來達成所述切換。然而，在其他實施例中，其他機構（包括但不限於自旋軌道力矩及/或施加場）亦可有助於所述切換。
如在圖10中可見，參考層230此刻較自由層210更接近基板201。非磁性間隔層220因此設置於參考層210上。參考層230及自由層210為磁性的，且類似於磁性接合200中的參考層230及自由層210。在所示實施例中，參考層230的垂直磁性各向異性超過其平面外去磁能。相似地，自由層210的垂直磁性各向異性超過其平面外去磁能。因此，自由層210的易磁化軸211及參考層230的磁矩231被示出為垂直於平面（在z方向上）。在其他實施例中，層210及230中的一者或兩者可處於平面內。自由層210為自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’。在所示實施例中，頂覆層206’可為MgO頂覆層，所述MgO頂覆層類似於圖2所示的層104。此種MgO頂覆層可例如藉由增強自由層210的垂直磁性各向異性而提高自由層210的效能。
磁性接合200’可享受自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’以及磁性接合200的益處。因此可達成具有所需磁性取向、PMA構型、磁電阻及用於自旋轉移力矩切換的適中切換電流的磁性接合200’。
圖11繪示磁性接合200’’的示例性實施例，磁性接合200’’可用於利用自旋轉移的可程式化的磁性記憶體中且包括自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’。為清晰起見，圖11未按比例繪製。為簡明起見，亦未示出基板。磁性接合200’’可用於例如自旋轉移力矩隨機存取記憶體等磁性裝置中，且因此可用於各種電子裝置中。磁性接合200’’類似於磁性接合200及/或200’。因此，相似組件具有相似標記。磁性接合200’’包括具有磁矩211的自由層210、非磁性間隔層220及參考層230’，其分別類似於圖9至圖10所示的具有磁矩211的自由層210、非磁性間隔層220及具有磁矩231的參考層230。亦示出下層基板201、底部接觸層202、頂部接觸層208、可選種子層204、可選頂覆層206及可選極化增強層222，其類似於圖9至圖10所示的基板201、底部接觸層202、頂部接觸層208、可選種子層204、可選頂覆層206及極化增強層。
磁性接合200’’亦被配置成當寫入電流經過磁性接合200’’時，容許自由層210在各穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層210能夠利用自旋轉移力矩進行切換。在某些實施例中，僅使用自旋轉移力矩來達成所述切換。然而，在其他實施例中，其他機構（包括但不限於自旋軌道力矩及/或施加場）亦可有助於所述切換。
如在圖11中可見，磁性接合200’’’為雙重磁性接合。因此，磁性接合200’’’亦包括分別類似於層220及230/230’的額外的非磁性間隔層240及額外的參考層250。在所示實施例中，參考層230及250的磁矩231及251被排成反平行的（處於雙重狀態中）。然而，在其他實施例或另一構型中，磁矩231及251可處於反雙重狀態（平行）中。非磁性間隔層240可為導體、絕緣穿隧障壁層(例如結晶MgO)亦或可具有另一結構。在某些實施例中，間隔層220及240為結晶MgO。此種間隔層220及240可不僅能夠使自由層210的穿隧磁電阻增加且亦能夠使其垂直磁性各向異性增強。參考層230及250的垂直磁性各向異性超過其平面外去磁能。因此，參考層230及250的磁矩垂直於平面。在其他實施例中，參考層230及/或250的磁矩可處於平面內。參考層250亦可為合成反鐵磁性。儘管未示出，但可在間隔層240與參考層250之間包括可選極化增強層。
自由層210為自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’。磁性接合200’’可享受自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’以及磁性接合200的益處。因此，可達成具有所需磁性取向、PMA構型、磁電阻及用於自旋轉移力矩切換的適中切換電流的磁性接合200’’。
突出顯示自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’以及磁性接合200、200’及/或200’’的各種構型。此項技術中具有通常知識者將認識到，自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’的各種特徵與磁性接合200、200’及/或200’’的特定特徵可加以組合。舉例而言，自由層210可包括多個重複的圖3至圖4所示的雙層112/114及/或多個重複的圖6至圖7所示的三層122/124/126。然而，在此種實施例中，可調整層112、114、122、124及/或126的厚度，以使得自由層210的總厚度保持足夠小，以使自由層的垂直磁性各向異性保持為高的。
圖12繪示記憶體300的示例性實施例，記憶體300可使用磁性接合200、200’及/或200’’以及自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’中的一或多者。磁性記憶體300包括讀取/寫入行選擇驅動器302及306以及字元線選擇驅動器304。注意，可提供其他及/或不同組件。記憶體300的儲存區包括磁性儲存胞元310。每一磁性儲存胞元包括至少一個磁性接合312及至少一個選擇裝置314。在某些實施例中，選擇裝置314為電晶體。磁性接合312可為本文所揭露的磁性接合200、200’及/或200’’中的一者。儘管對每一胞元310示出一個磁性接合312，但在其他實施例中，可對每一胞元提供另一數目的磁性接合312。因此，磁性記憶體300可享受上述益處。
圖15繪示用於製作磁性接合的方法400的示例性實施例，所述磁性接合包括無鈷自由層且可用於例如自旋轉移力矩隨機存取記憶體（STT-RAM）等磁性裝置中，且因此可用於各種電子裝置中。為簡明起見，某些步驟可省略、在另一者中執行或加以組合。此外，方法400可在形成磁性記憶體的其他步驟已執行之後開始。為簡明起見，在磁性接合200、200’及200’’的上下文中闡述方法400。然而，可形成其他磁性接合。
經由步驟402，在基板上提供參考層230/230’/330。在某些實施例中，步驟402包括沈積用於參考層230的材料。步驟402亦可包括提供多層，所述多層包括但不限於合成反鐵磁性。可在隨後（例如在磁性接合的剩餘層的沈積之後）界定參考層230的邊緣。
經由步驟404，提供非磁性間隔層220。步驟404可包括沈積MgO，此形成穿隧障壁層。在某些實施例中，步驟404可包括使用例如射頻（radio frequency，RF）濺射來沈積MgO。在其他實施例中，可在步驟404中沈積金屬鎂然後進行氧化。如以上關於步驟402所述，可在隨後（例如在磁性接合的剩餘層的沈積之後）界定非磁性間隔層220的邊緣。此外，可在步驟404中的非磁性間隔層220的沈積之後執行以上所述的退火步驟。
經由步驟406，提供自由層210。在某些實施例中，步驟406包括提供自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’。因此，非磁性間隔層220位於參考層230與自由層210之間。如以上關於步驟402所述，可在隨後（例如在磁性接合的剩餘層的沈積之後）界定參考層的邊緣。
若將提供雙重磁性接合200’’，則經由步驟408提供額外的非磁性間隔層240。步驟408類似於步驟404。此外，可對MgO間隔層240執行退火或以其他方式提供足夠的能量以用於結晶。
若正製作雙重磁性接合200’’’’，則經由步驟410提供參考層250。步驟410可包括提供多層，所述多層包括但不限於合成反鐵磁性。可完成磁性接合的製作。舉例而言，可沈積頂覆層且界定磁性接合的邊緣。
使用方法400，可形成磁性接合200、200’及/或200’’。因此，可達成磁性接合200、200’及/或200’’以及自由層100、110、110’、110’’、120、120’及/或120’’的益處。
已闡述了一種用於提供磁性接合及使用所述磁性接合所製作的記憶體的方法及系統。已根據所示示例性實施例闡述了所述方法及系統，且此項技術中具有通常知識者將易於認識到，可存在實施例的變型且任何變型將處於所述方法及系統的精神及範圍內。因此，在不背離隨附申請專利範圍的精神及範圍的條件下，此項技術中具有通常知識者可作出諸多潤飾。
10‧‧‧傳統磁性穿隧接合
12、201‧‧‧基板
14、22、202、208‧‧‧接觸層
16‧‧‧傳統參考層
17‧‧‧磁化/垂直磁矩
18‧‧‧穿隧障壁層
20‧‧‧傳統自由層
21‧‧‧可變磁化/垂直磁矩
100、110、110’、110’’、120、120’、120’’、130、210‧‧‧自由層
102、104‧‧‧層
103、211、231、251‧‧‧磁矩
112、122、132‧‧‧Fe1-xBx層
114、118、124、128、134、138‧‧‧鐵層
126、136‧‧‧Fe1-yBy層
200、200’、200’’、312‧‧‧磁性接合
204‧‧‧種子層
206、206’‧‧‧頂覆層
220、240‧‧‧非磁性間隔層
222‧‧‧極化增強層
230、230’、250‧‧‧參考層
300‧‧‧磁性記憶體
302、306‧‧‧讀取/寫入行選擇驅動器
304‧‧‧字元線選擇驅動器
310‧‧‧磁性儲存胞元
314‧‧‧選擇裝置
400‧‧‧方法
402、404、406、408、410‧‧‧步驟
t‧‧‧總厚度
t1、t2、t3、t4‧‧‧厚度
12、201‧‧‧基板
14、22、202、208‧‧‧接觸層
16‧‧‧傳統參考層
17‧‧‧磁化/垂直磁矩
18‧‧‧穿隧障壁層
20‧‧‧傳統自由層
21‧‧‧可變磁化/垂直磁矩
100、110、110’、110’’、120、120’、120’’、130、210‧‧‧自由層
102、104‧‧‧層
103、211、231、251‧‧‧磁矩
112、122、132‧‧‧Fe1-xBx層
114、118、124、128、134、138‧‧‧鐵層
126、136‧‧‧Fe1-yBy層
200、200’、200’’、312‧‧‧磁性接合
204‧‧‧種子層
206、206’‧‧‧頂覆層
220、240‧‧‧非磁性間隔層
222‧‧‧極化增強層
230、230’、250‧‧‧參考層
300‧‧‧磁性記憶體
302、306‧‧‧讀取/寫入行選擇驅動器
304‧‧‧字元線選擇驅動器
310‧‧‧磁性儲存胞元
314‧‧‧選擇裝置
400‧‧‧方法
402、404、406、408、410‧‧‧步驟
t‧‧‧總厚度
t1、t2、t3、t4‧‧‧厚度
圖1繪示傳統磁性接合。 圖2繪示無鈷自由層的示例性實施例。 圖3繪示無鈷自由層的另一示例性實施例。 圖4繪示無鈷自由層的再一示例性實施例。 圖5繪示無鈷自由層的又一示例性實施例。 圖6繪示無鈷自由層的又一示例性實施例。 圖7繪示無鈷自由層的又一示例性實施例。 圖8繪示無鈷自由層的又一示例性實施例。 圖9繪示磁性接合的示例性實施例，所述磁性接合包括無鈷自由層，可用於使用自旋轉移力矩的可程式化的磁性記憶體中。 圖10繪示磁性接合的再一示例性實施例，所述磁性接合包括無鈷自由層，可用於使用自旋轉移力矩的可程式化的磁性記憶體中。 圖11繪示磁性接合的又一示例性實施例，所述磁性接合包括無鈷自由層，可用於使用自旋轉移力矩的可程式化的磁性記憶體中。 圖12繪示利用儲存胞元的記憶體元件中包括無鈷自由層的磁性接合的記憶體的示例性實施例。 圖13是繪示一種用於提供磁性接合的方法的示例性實施例的流程圖，所述磁性接合包括至少一個赫斯勒（Heusler）多層且可用於使用自旋轉移力矩的可程式化的磁性記憶體中。
100‧‧‧自由層
102、104‧‧‧層
103‧‧‧磁矩
Claims (20)
- 一種磁性接合，駐留於基板上且可用於磁性裝置中，所述磁性接合包括： 自由層，包含鐵及至少一種鐵合金中的至少一者，所述自由層不含鈷； 非磁性間隔層，鄰接所述自由層；以及 參考層，所述非磁性間隔層駐留於參考層與所述自由層之間； 其中所述磁性接合被配置成當寫入電流經過所述磁性接合時，使所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換。
- 如申請專利範圍第1項所述的磁性接合，其中所述自由層由至少一個鐵層及至少一個鐵合金層組成。
- 如申請專利範圍第2項所述的磁性接合，其中所述自由層包含選自鐵金屬及Fe1-x Bx 中的至少一種材料。
- 如申請專利範圍第2項所述的磁性接合，其中所述自由層包括鐵層及Fe1-x Bx 層。
- 如申請專利範圍第4項所述的磁性接合，其中所述自由層更包括： 額外的鐵層，所述Fe1-x Bx 層位於所述鐵層與所述額外的鐵層之間。
- 如申請專利範圍第4項所述的磁性接合，其中所述自由層更包括Fe1-y By 層，所述Fe1-x Bx 層位於所述鐵層與所述Fe1-y By 層之間。
- 如申請專利範圍第5項所述的磁性接合，其中x大於y。
- 如申請專利範圍第6項所述的磁性接合，其中所述自由層更包括： 額外的鐵層，所述Fe1-x Bx 層及所述Fe1-y By 層位於所述鐵層與所述額外的鐵層之間。
- 如申請專利範圍第2項所述的磁性接合，更包括： MgO種子層，鄰接所述自由層。
- 如申請專利範圍第2項所述的磁性接合，更包括： MgO頂覆層，鄰接所述自由層。
- 如申請專利範圍第2項所述的磁性接合，更包括： 額外的非磁性間隔層，所述自由層位於所述非磁性間隔層與所述額外的非磁性間隔層之間；以及 額外的被釘紮層，所述額外的非磁性間隔層位於所述自由層與所述額外的被釘紮層之間。
- 一種磁性記憶體，駐留於基板上，所述磁性記憶體包括： 多個磁性儲存胞元，所述多個磁性儲存胞元中的每一者包括至少一個磁性接合，所述至少一個磁性接合包括自由層、非磁性間隔層及參考層，所述非磁性間隔層鄰接所述自由層且駐留於參考層與所述自由層之間，所述自由層包含鐵與至少一種鐵合金中的至少一者，所述自由層不含鈷，所述至少一個磁性接合被配置成當寫入電流經過所述磁性接合時，使所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換；以及 多個位元線，與所述多個磁性儲存胞元耦合。
- 如申請專利範圍第12項所述的磁性記憶體，其中所述自由層由至少一個鐵層及至少一個鐵合金層組成。
- 如申請專利範圍第13項所述的磁性記憶體，其中所述自由層包括鐵層及Fe1-x Bx 層。
- 如申請專利範圍第14項所述的磁性記憶體，其中所述自由層更包括： 額外的鐵層，所述Fe1-x Bx 層位於所述鐵層與所述額外的鐵層之間。
- 如申請專利範圍第15項所述的磁性記憶體，其中所述自由層更包括Fe1-y By 層，所述Fe1-x Bx 層位於所述鐵層與所述Fe1-y By 層之間。
- 如申請專利範圍第16項所述的磁性記憶體，其中所述自由層更包括： 額外的鐵層，所述Fe1-x Bx 層及所述Fe1-y By 層位於所述鐵層與所述額外的鐵層之間。
- 如申請專利範圍第13項所述的磁性記憶體，更包括： 額外的非磁性間隔層，所述自由層位於所述非磁性間隔層與所述額外的非磁性間隔層之間；以及 額外的被釘紮層，所述額外的非磁性間隔層位於所述自由層與所述額外的被釘紮層之間。
- 一種用於提供磁性接合的方法，所述磁性接合駐留於基板上且可用於磁性裝置中，所述用於提供磁性接合的方法包括： 提供自由層，所述自由層包含鐵及至少一種鐵合金中的至少一者，所述自由層不含鈷； 提供非磁性間隔層，所述非磁性間隔層鄰接所述自由層；以及 提供參考層，所述非磁性間隔層駐留於參考層與所述自由層之間； 其中所述磁性接合被配置成當寫入電流經過所述磁性接合時，使所述自由層能夠在多種穩定磁性狀態之間切換。
- 如申請專利範圍第19項所述的用於提供磁性接合的方法，其中所述自由層由至少一個鐵層及至少一個鐵合金層組成。
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