TWI398973B - 垂直式磁性磁阻元件結構 - Google Patents

Description

垂直式磁性磁阻元件結構

本發明是有關於一種垂直式磁性磁阻元件結構。

就磁性隨機存取記憶體(MRAM)的結構，一般都是以水平磁異向性(In-plane Magnetic Anisotropy,IMA)材料，或稱為水平式磁化材料，作為磁控穿隧接合面(Magnetic tunneling junction，MTJ)結構之磁性層，例如Co、Fe、CoFe、NiFe、CoFeB等磁性材料。以藉由自旋力矩轉換(Spin Torque Transfer，STT)為機制的隨機存取記憶體(STT MRAM)為例，水平式MTJ結構所遇到最大的挑戰在於降低元件寫入電流密度的同時，還需提高元件對於熱擾動的穩定度並且提高寫入與讀取資料的準確度。預估在進入45奈米製造尺寸時，水平式STT MRAM將面臨寫入電流與熱穩定性無法同時兼顧的問題，除非在磁性材料的特性上有所突破。

另外以垂直式磁異向性(Perpendicular Magnetic Anisotropy,PMA)材料，或稱為垂直式磁化材料，取代水平式磁化材料之STT元件被認為是解決上述問題最可行的方法。目前已開發的垂直式磁化材料包括(1)非晶態的稀土-過渡金屬合金(RE-TM alloy)，例如TbFeCo或GdFeCo；(2)因界面效應造成垂直異向性之多層膜系統，例如Co/Pt或Co/Ni多層膜；(3)L1₀ 序化結構合金，例如FePt或CoPt 合金。不論是哪一種垂直磁化材料，用在以MgO為穿隧絕緣層的MTJ結構(簡稱MgO-MTJ)上都遇到磁阻變化率遠不如水平式MTJ的問題。主要是因為MgO-MTJ要具有高磁阻變化率，必須符合以下兩個條件：(1)MgO為(001)晶向；(2)相鄰的鐵磁層需為bcc結構且具有(001)晶向。若直接以上述的PMA材料直接與MgO堆疊，明顯地是無法滿足高磁阻變化率的條件，因此需要有一可提供正確介面的插入層介於PMA材料與MgO之間。

圖1繪示傳統水平式磁性磁阻元件結構剖面示意圖。參閱圖1，水平式磁性磁阻元件結構包括一磁性固定層100，具有固定磁化方向102，不受外部施加的磁場所改變，其磁化方向當作參考之用。在固定層100上有一穿隧絕緣層104。一磁性自由層106在穿隧絕緣層104上。磁性自由層106具有可以切換的磁化方向108。磁性自由層106的磁化方向108可以藉由外部施加的磁場自由改變成與磁化方向102平行或是反平行。藉由量取磁性自由層106與固定層100之間由於平行或是反平行所產生磁阻的差異來判定磁性自由層106所儲存的位元資料。

圖2A-2B繪示垂直式磁性磁阻元件結構剖面示意圖。參閱圖2A，垂直式磁性磁阻元件結構基本上是由磁性固定層110、穿隧絕緣層112與磁性自由層114疊置所構成。磁性固定層110的磁化方向120是固定方向，且垂直於其水平面。磁性自由層114的磁化方向122是可以自由切換於二個方向，但也是垂直於其水平面。

然而，就圖1的水平式的磁性磁阻元件結構，若直接以垂直磁化材料取代水平磁化材料，而構成垂直式磁性磁阻元件如圖2A的結構，相對於以MgO作為穿隧絕緣層112，會有不正確的晶體結構與方向性。這將使得磁阻變化率(MR ratio)遠小於水平式磁性磁阻元件。

因此，需要一適當的插入層介於PMA材料的磁性層與MgO的穿隧絕緣層112之間以提高垂直式磁性磁阻元件的磁阻變化率。參閱圖2B，另一種垂直式磁性磁阻元件結構，以圖2A的結構為基礎，增加插入層116、118介於PMA材料的磁性層與MgO的穿隧絕緣層112之間。而此插入層116、118的磁化方向也需為垂直磁化。

圖3繪示傳統水平式MgO-MTJ，以CoFeB為磁性層為具有高磁阻變化率之原因。參閱圖3，以MgO為基礎的穿隧絕緣層132，其晶體結構是(001)。傳統使用的磁性層130、134是非晶體(amorphous crystal,A)結構的CoFeB。經過退火(annealing)136後，非晶體結構的CoFeB改變成為晶體結構，而形成bcc(001)結構的磁性層130’、134’。因此其結構符合MgO-MTJ可具有高磁阻變化率之條件。

圖4繪示傳統以CoFeB作為插入層在垂直式磁性磁阻元件結構的方法示意圖。此插入層之目的如前述為提升元件磁阻變化率。參閱圖4，藉由圖3的方式，以圖2的結構為基礎，其插入層116、118是A-CoFeB的材料。經過退火136後，傳統垂直式磁性磁阻元件結構中的插入層116’、118’就具有bcc(001)結構。然而，就垂直式磁性磁 阻元件結構而言，CoFeB仍是水平磁化材料，其磁化方向傾向於平躺膜面，需藉由與相鄰的PMA膜之間的耦合作用力使其磁化方向耦合成垂直方向。但CoFeB因具有可觀的飽和磁化量而有明顯的去磁場效應，當去磁場的效應大過與相鄰PMA膜之間的耦合作用力，插入的CoFeB就會回到水平方向的磁化排列狀態，而此時元件就喪失了垂直式STT翻轉的特性。

本發明的至少一實施例提供一種垂直式磁性磁阻元件結構，藉由對插入層的結構改變使至少能提升磁阻變化率。

本發明的至少一實施例提出一種垂直式磁性磁阻元件結構包括一磁性參考層、一第一磁性層狀多層膜、一穿隧絕緣層、一第二磁性層狀多層膜以及一磁性自由層。磁性參考層有固定的一第一磁化方向，垂直於磁性參考層。第一磁性層狀多層膜接觸設置在該磁性參考層上，第一磁性層狀多層膜包含非磁性層。穿隧絕緣層接觸設置於該第一磁性層狀多層膜上。第二磁性層狀多層膜接觸設置在該穿隧絕緣層上，第二磁性層狀多層膜包含非磁性層。磁性自由層接觸設置於第二磁性層狀多層膜上，有一第二磁化方向垂直於磁性自由層，可以被切換成與第一磁化方向平行或反平行。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特 舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明提出一插入層結構應用於垂直式磁性多層膜磁阻元件，可以提升垂直式磁阻多層膜元件之磁阻變化率。

本發明的至少一實施方式，提出一種[鐵磁/非磁]層狀多層膜結構作為PMA與MgO之間的插入層。其中非磁性層的厚度很薄使得相隔的鐵磁性層之間仍有平行耦合的作用力存在。另外，非磁性材料可稀釋磁性層的磁化量，因此使得層狀多層膜整體表現猶如具有低飽和磁化量的單一鐵磁性膜。由於此插入層與相鄰的PMA膜耦合，而其低飽和磁化量產生較低的去磁場效應，因此層狀多層膜的磁化向量亦呈垂直膜面的磁化排列。藉由適當的鐵磁性層材料，此層狀多層膜的插入層與MgO的介面可為bcc(001)的結構，且符合MgO-MTJ具有高磁阻變化率的條件。

圖5繪示本發明一實施例，垂直式磁性磁阻元件結構的剖面示意圖。參與圖5，垂直式磁性磁阻元件結構包括一磁性參考層200也稱為PMA參考層200、磁性層狀多層膜206、一穿隧絕緣層202、一磁性層狀多層膜208以及一磁性自由層204也稱為PMA自由層。磁性參考層200，是PMA參考層，具有固定的一第一磁化方向，垂直於磁性參考層。磁性層狀多層膜206是由鐵磁與非磁交錯疊置的層狀多層膜，接觸設置在磁性參考層200上，其磁化方向與磁性參考層200的磁化方向耦合成一致。穿隧絕緣層202 接觸設置於磁性層狀多層膜206上。磁性層狀多層膜208接觸設置在穿隧絕緣層202上，其磁化方向與204的磁化方向耦合成一致。磁性自由層204是PMA自由層，接觸設置於磁性層狀多層膜208上，有一第二磁化方向垂直於磁性自由層，可以被切換成與第一磁化方向平行或反平行。

在圖5的一實施例中，二個磁性層狀多層膜206、208當作插入層，其中穿隧絕緣層202例如是MgO的水平材料。對於單一個磁性層狀多層膜206、208而言，其例如是由鐵磁與非磁交錯疊置的層狀多層膜。圖6繪示依據本發明一實施例，以磁性層狀多層膜結構的插入層剖面結構示意圖。參閱圖6，磁性層狀多層膜的結構，在其最外層的兩層是鐵磁層(FM)206a、206c，而在這兩層的鐵磁層206a、206c之間，取決於疊層數量以鐵磁材料與非磁材料交錯疊置。以鐵磁層206為例，對於以三層的磁性層狀多層膜的結構而言，在兩層的鐵磁層206a、206c之間還有非磁性膜206b。

就較佳性能而言，與穿隧絕緣層接觸的鐵磁層206a的材料仍以CoFeB的材料為主，其厚度例如在5-20埃的範圍，其中較佳的是10-15埃的範圍。非磁性膜206b的材料例如是Ta、Ru、Cr、Al、Mg、Cu、Ti或Pt。非磁性膜206b的厚度例如是在1-5埃的範圍，其中較佳的是1-3埃的範圍。與磁性參考層200接觸的鐵磁層206c的材料例如是含Co的鐵磁材料，其更例如是Co、CoFe、CoFeB的材料，然而鐵磁層206c的材料也可以其他相同效果的鐵磁材 料，例如Fe、Ni、或NiFe。鐵磁層206c的厚度例如是1-6埃，其更例如是3-5埃。

至於磁性層狀多層膜208，其也是如圖6的結構，鐵磁層206c與磁性自由層204接觸，鐵磁層206a與穿隧絕緣層202接觸。也就是說，例如是磁性層狀多層膜206與磁性層狀多層膜208是對稱於穿隧絕緣層202。

又，磁性層狀多層膜層數不限於三層結構，而可以更多。圖7繪示依據本發明一實施例，以磁性層狀多層膜結構的插入層剖面結構示意圖。參閱圖7，其磁性層狀多層膜例如是五層的結構，由三層鐵磁層206a、206c、206e與二層非磁性膜206b、206d交錯疊置所構成。其中，鐵磁層206a與穿隧絕緣層202接觸，鐵磁層206e與PMA材料層接觸。鐵磁層206a的較佳的材料與厚度圖5所述。鐵磁層206e與PMA材料層接觸，其較佳的材料與厚度也如圖5所述。

取本發明所舉的其中一個實施例與傳統的結構做實驗觀察，本發明採用的多層膜插入層有助於達到垂直方向的磁化向量排列。

圖8繪示本發明針對傳統的鐵磁插入層的結構在水平膜面以及垂直膜面二個方向的磁滯曲線圖，樣品在量測磁滯曲線之前先經過300℃、2小時的退火。參閱圖8(a)，傳統的鐵磁插入層結構中，PMA磁性參考層是Co/Pt多層膜，插入層(insert)是鐵磁層。穿隧絕緣層是MgO。參閱圖8(b)，以插入層為單一的CoFeB，而厚度為10埃為例。在 圖8(b)中，L-loop如方點資料所示，是在水平方向施加磁場H量測的水平方向磁化量變化。P-loop如圓點資料所示，是在垂直方向施加磁場量測的垂直方向磁化量變化。由L-loop的資料看出，插入層上具有水平的磁化向量，因此在沒有施加磁場下，仍有水平方向的磁化量。在圖8(c)中，插入層為Co 4埃/CoFeB 10埃，其L-loop的資料亦顯示如圖8(b)之行為，插入層的磁化方向主要為水平膜面方向排列。

圖9繪示本發明針對新提出的插入層結構在水平膜面以及垂直膜面二個方向的磁滯曲線圖，樣品在量測磁滯曲線之前先經過300℃、2小時的退火。參閱圖9(a)，插入層結構是多層膜結構，其以五層結構的繪示為例。參閱圖9(b)，如果本發明的插入層結構是以三層結構為例，其例如是由Co 4埃/Ta 1.5埃/CoFeB 10埃所組成。L-loop的資料顯示其通過零點，也就是說在沒有施加磁場下，並沒有水平方向的磁化量，且隨施加的磁場變化緩和。參閱圖9(c)，如果本發明的插入層結構是以五層結構為例，其例如是由Co 4埃/Ta 1.5埃/CoFeB 5埃/Ta 1.5埃/CoFeB 10埃所組成。L-loop的資料顯示其通過零點，也就是說在沒有施加磁場下，並沒有水平方向的磁化量，且隨施加的磁場變化緩和。

因此，本發明的多層膜插入層結構應用於垂直式磁性磁阻元件結構，除了提供MgO穿隧絕緣層上下兩側磁性層為CoFeB，且插入層的磁化方向與相鄰的PMA膜耦合 成一致而呈垂直磁化排列。如此可確保磁性磁阻元件可具有如傳統水平式磁阻元件般的高磁阻變化率，且具有垂直式STT翻轉的特性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧磁性固定層

102‧‧‧磁化方向

104‧‧‧穿隧絕緣層

106‧‧‧磁性自由層

108‧‧‧磁化方向

110‧‧‧磁性固定層

112‧‧‧穿隧絕緣層

114‧‧‧磁性自由層

116、118‧‧‧插入層

116’、118’‧‧‧插入層

120、122‧‧‧磁化方向

130、134‧‧‧磁性層

130’、134’‧‧‧磁性層

132‧‧‧穿隧絕緣層

136‧‧‧退火

200‧‧‧磁性參考層

202‧‧‧穿隧絕緣層

204‧‧‧磁性自由層

206、208‧‧‧磁性層狀多層膜

206a、206c、206e‧‧‧鐵磁層

206b、206d‧‧‧非磁性膜

圖1繪示傳統水平式磁性磁阻元件結構剖面示意圖。

圖2A-2B繪示垂直式磁性磁阻元件結構剖面示意圖。

圖3繪示以CoFeB為磁性層之傳統水平式MgO-MTJ結構剖面示意圖。

圖4繪示傳統以CoFeB作為插入層在垂直式磁性磁阻元件結構的方法示意圖。

圖5繪示本發明一實施例，垂直式磁性磁阻元件結構的剖面示意圖。

圖6繪示依據本發明一實施例，以磁性層狀多層膜結構的插入層剖面結構示意圖。

圖7繪示依據本發明一實施例，以磁性層狀多層膜結構的插入層剖面結構示意圖。

圖8繪示本發明針對傳統的鐵磁插入層的結構在水平膜面以及垂直膜面二個方向的磁滯曲線圖。

圖9繪示本發明針對新提出的插入層結構在水平膜面 以及垂直膜面二個方向的磁滯曲線圖。

200‧‧‧磁性參考層

202‧‧‧穿隧絕緣層

204‧‧‧磁性自由層

206、208‧‧‧磁性層狀多層膜

Claims (19)

1. 一種垂直式磁性磁阻元件結構，包括：一磁性參考層，有固定的一第一磁化方向，垂直於該磁性參考層；一第一磁性層狀多層膜，接觸設置在該磁性參考層上，該第一磁性層狀多層膜包含非磁性層；一穿隧絕緣層，接觸設置於該第一磁性層狀多層膜上；一第二磁性層狀多層膜，接觸設置在該穿隧絕緣層上，該第二磁性層狀多層膜包含非磁性層；以及一磁性自由層，接觸設置於該二磁性層狀多層膜上，有一第二磁化方向垂直於該磁性自由層，可以被切換成與該第一磁化方向平行或反平行，其中該第一磁性層狀多層膜包含至少三個材料層，由鐵磁性材料層與非磁性材料層交錯疊置，且鐵磁性材料層是在外表的兩層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中在該第一磁性層狀多層膜中與該穿隧絕緣層接觸的一內部鐵磁層是CoFeB；以及與該磁性參考層接觸的一外部鐵磁層是含Co鐵磁層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該內部鐵磁層的厚度是5-20埃，以及該外部鐵磁層的厚度是1-6埃，又在該內部鐵磁層與該外部鐵磁層之間的一非磁性層的厚度為1-5埃。
4. 如申請專利範圍第2項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該內部鐵磁層的厚度是10-15埃，以及該外 部鐵磁層的厚度是3-5埃，又在該內部鐵磁層與該外部鐵磁層之間接觸的一非磁性層的厚度為1-3埃。
5. 如申請專利範圍第2項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中在該第一磁性層狀多層膜中介於該內部鐵磁層與該外部鐵磁層之間的一非磁性層是Ta、Ru、Cr、Al、Mg、Cu、Ti或Pt。
6. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該第一磁性層狀多層膜是三層結構，包括：一含Co鐵磁層，在該磁性參考層上；一非磁性層，在該含Co鐵磁層上；以及一CoFeB鐵磁層，在該非磁性材料層上，與該穿隧絕緣層接觸。
7. 如申請專利範圍第6項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該非磁性層是Ta、Ru、Cr、Al、Mg、Cu、Ti或Pt。
8. 如申請專利範圍第6項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該CoFeB鐵磁層的厚度是5-20埃，該非磁性層的厚度是1-5埃，該含Co鐵磁層的厚度是1-6埃。
9. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該第二磁性層狀多層膜包含至少三個材料層，由鐵磁性材料層與非磁性材料層交錯疊置，且鐵磁性材料層是在外表的兩層。
10. 如申請專利範圍第9項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中在該第二磁性層狀多層膜中與該穿隧絕緣層 接觸的一內部鐵磁層是CoFeB；以及與該磁性自由層接觸的一外部鐵磁層是含Co鐵磁層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該內部鐵磁層的厚度是5-20埃，以及該外部鐵磁層的厚度是1-6埃，又在該內部鐵磁層與該外部鐵磁層之間接觸的一非磁性層的厚度為1-5埃。
12. 如申請專利範圍第10項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該內部鐵磁層的厚度是10-15埃，以及該外部鐵磁層的厚度是3-5埃，又在該內部鐵磁層與該外部鐵磁層之間的一非磁性層的厚度為1-3埃。
13. 如申請專利範圍第10項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中在該第一磁性層狀多層膜中介於該內部鐵磁層與該外部鐵磁層之間的一非磁性層是Ta、Ru、Cr、Al、Mg、Cu、Ti或Pt。
14. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該第二磁性層狀多層膜是三層結構，包括：一含Co鐵磁層，在該磁性自由層下；一非磁性層，在該含Co鐵磁層下；以及一CoFeB鐵磁層，在該非磁性材料層下，與該穿隧絕緣層接觸。
15. 如申請專利範圍第14項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該非磁性層是Ta、Ru、Cr、Al、Mg、Cu、Ti或Pt。
16. 如申請專利範圍第14項所述之垂直式磁性磁阻 元件結構，其中該CoFeB鐵磁層的厚度是5-20埃，該非磁性層的厚度是1-5埃，該含Co鐵磁層的厚度是1-6埃。
17. 如申請專利範圍第1項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該第一磁性層狀多層膜與該第二磁性層狀多層膜是至少三層結構對稱於該穿隧絕緣層，且是由鐵磁性材料層與非磁性材料層交錯疊置，且鐵磁性材料層是在外表的兩層。
18. 如申請專利範圍第17項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中以朝向該穿隧絕緣層為內部，該第一磁性層狀多層膜與該第二磁性層狀多層膜分別包括：一CoFeB鐵磁層，與該穿隧絕緣層接觸；一含Co鐵磁層，在該CoFeB鐵磁層的外部；以及一非磁性層，在該含Co鐵磁層與該CoFeB鐵磁層之間。
19. 如申請專利範圍第18項所述之垂直式磁性磁阻元件結構，其中該CoFeB鐵磁層的厚度是5-20埃，該非磁性層的厚度是1-5埃，該含Co鐵磁層的厚度是1-6埃。