TWI505637B - 奈米自旋力矩震盪器製作方法、操作方法及其結構 - Google Patents

Description

奈米自旋力矩震盪器製作方法、操作方法及其結構

一種奈米自旋力矩震盪器及相關製造方法與操作方法，尤其是指一種垂直極化奈米自旋力矩震盪器，以及相對應前述奈米自旋力矩震盪器的製造方法與操作方法。

震盪器是用來產生時脈之重要元件。傳習於電路上使用之震盪器，多使用震盪晶體(如石英)為產生震盪來源，但其體積較大且與積體電路製程整合不易。後續對震盪器之發展方向，皆朝向於能大幅縮小元件尺寸且與固態積體電路製程容易整合。自旋電子物質是近年來被考慮用來作為產生震盪的前沿材料之一。因其不但體積小，理論上能產生永續能量且與目前積體電路製作技術能作有效整合。一自旋極化之電流通過奈米尺寸等級之多層磁薄膜。此極化電流與磁性薄膜產生散射並對磁薄膜中之磁化單元產生一自旋力矩(Spin Torque)。此自旋力矩引起磁薄膜中之磁化單元(Magnetization)產生不平衡狀態而使磁化單元發生轉動、進動或使磁化單元方向改變。這種效應即是著名之自旋角動量轉移效應(Spin-Torque Transfer Effect)。自旋電子震盪器基本原 理即是利用此種效應使磁化單元產生陀螺磁震盪(Gyromagnetic Oscillation)，震盪產生之頻率可以到達微波範圍，因此可作為微波元件之用。

習知自旋電子震盪器的設計，並未詳細考慮到磁化單元起始方向對產生震盪難易度的影響，因此對於形成震盪的控制性較為不易且形成震盪的效果較差。

本發明係在提供一種製作奈米自旋力矩震盪器之方法，及依此方法製作而成之奈米自旋力矩震盪器結構及操作方法。

為達成本發明目的，本發明之一態樣之一實施方式，係在提供一種製作一奈米自旋力矩震盪器的方法。首先形成一具有垂直磁異向性之第一磁性薄膜，第一磁性薄膜之磁化單元方向為垂直於第一磁性薄膜平面。在第一磁性薄膜上形成一非磁性介面層。在非磁性介面層上形成一具有水平磁異向性之第二磁性薄膜，其中第二磁性薄膜之最小邊長遠大於第二磁性薄膜之厚度，進而使第二磁性薄膜之磁化單元在第二磁性薄膜平面上且磁化單元方向平行於第二磁性薄膜平面。

為達成本發明目的，本發明之另一態樣之一實施方式，係在提供一種奈米自旋力矩震盪器結構，應用上述 製作方法製作而成。其結構包含一第一電極、一釘紮層、一第一非磁性層、一自由層及一第二電極。一釘紮層形成第一電極上，其中釘紮層包含一磁性層及一極化增益層。一第一非磁性層形成於釘紮層上，並且有一自由層形成於第一非磁性層上。在第一非磁性層上設有一第二電極。

為達成本發明目的，本發明之再一態樣之一實施方式，係在提供一種複合感應層。複合感應層設置於奈米自旋力矩震盪器之自由層與第二電極之間，其包含一第二非磁性層、一綜合反鐵磁層及一反鐵磁層。綜合反鐵磁層包含一第一鐵磁層、一第二鐵磁層及一第三非磁性層，其中第三非磁性層形成於第一鐵磁層及第二鐵磁層之間。第二非磁性層與奈米自旋力矩震盪器之自由層相連。一綜合反鐵磁層形成於第二非磁性層上。一反鐵磁層形成於綜合反鐵磁層上並與奈米自旋力矩震盪器之第二電極相連。

為達成本發明目的，本發明之又一態樣之一實施方式，係在提供一種操作一奈米自旋力矩震盪器的方法。輸入一直流電流通過釘紮層與自由層。直流電流通過釘紮層後傳導電子形成自旋極化。自旋極化電子通過自由層時，基於自旋角動量轉移效應(Spin-Torque Transfer Effect)的影響，產生一自旋力矩(Spin Torque)並作用 於自由層之磁化單元(Magnetization)上。在自由層平面上之磁化單元受此自旋力矩影響而由起始之平行於自由層平面方向開始產生環繞著自由層平面垂直軸之連續穩定之陀螺磁震盪(Gyromagnetic Oscillation)。

本發明之一態樣之一實施方式，釘紮層及自由層由鐵磁性材料組成，其可為Fe、Co、Ni或其合金NiFe、CoFe、CoNiFe或可在前述材料之中加入摻雜物，摻雜物可為B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt或C。另外，亦可為半金屬鐵磁性材料(Fe₃ O₄ 、CrO₂ 、PtMnSb、NiMnSb、BiFeO)。

本發明之一態樣之一實施方式，感應複合層之第一鐵磁層及第二鐵磁層材料可為Fe、Co、Ni或其合金CoFe、NiFe、CoNiFe。另可以在前述材料之中加入摻雜物(例如：B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt或C)。

本發明之一態樣之一實施方式，第一非磁性層及第二非磁性層特性為一穿隧阻障層，並且其組成材料可為非磁性金屬材料或絕緣材料。另外反鐵磁層之組成材料可為PtMn、NiMn、PdMn、IrMn、PdPtMn、MnO、MnS、MnTe、MnF₂ 、FeF₂ 、FeCl₂ 、FeO、CoCl₂ 、CoO、NiCl₂ 、Cr或NiO。

本發明之一態樣之一實施方式，釘紮層之磁化單元與自由層之磁化單元方向可為同向，此時輸入直流電流 方向為由釘紮層往自由層。釘紮層之磁化單元與自由層之磁化單元方向亦可為反向，此時輸入直流電流方向為由自由層往釘紮層。

本發明提供之奈米自旋力矩震盪器及相關方法，藉由具垂直磁異向性(Perpendicular Magnetic Anisotropy)之釘紮層使輸入直流電流產生自旋極化，並藉由控制具有水平(Horizontal Magnetic Anisotropy)磁異向性之自由層厚度，使自由層平面最小邊長遠大於自由層之厚度。因此自由層磁化單元起始方向將被限制在平面上並平行於平面。由於自由層磁化單元起始狀態位於能量低點，因此不需外加場且只需小電流就可利用自旋角動量轉移效應使自由層磁化單元產生環繞自由層平面垂直軸之陀螺磁震盪。因此本發明對震盪之控制性較佳。並且本發明在奈米自旋力矩震盪器之自由層上設計一感應複合層之結構。藉由反鐵磁層可讀取自由層之磁化單元震盪訊號，並且藉由一對具反平行磁化方向之鐵磁層可降低漏磁場對訊號的干擾。

請參照第1圖，第1圖為奈米自旋力矩震盪器100的最簡結構圖。一第一電極110上設有一釘紮層120。釘紮層120包含一磁性層121及一極化增益層122。釘 紮層120之磁性層121及極化增益層122具有非常強的垂直磁異向性(Perpendicular Magnetic Anisotropy)。此垂直磁異向性使磁性層121的磁化單元方向m1及極化增益層122的磁化單元方向m2垂直於釘紮層120之平面。極化增益層122目的為加強電子自旋極化之用。釘紮層120上設有一第一非磁性層130。一自由層140設於第一非磁性層130上。自由層140與釘紮層120產生交互耦合作用。因此第一非磁性層130必須為一導電但不導磁之金屬層，或是一極薄之絕緣層而能形成穿隧之用。自由層140上設有一第二電極150。

請繼續參照第2圖。第2圖為感應複合層200與第1圖之奈米自旋力矩震盪器100最簡結構組合示意圖。一感應複合層200包含一第二非磁性層210、一綜合反鐵磁層220及一反鐵磁層230。第二非磁性層210形成於如第1圖所示之奈米自旋力矩震盪器100之自由層140上。第二非磁性層210作用同於如第1圖所示之奈米自旋力矩震盪器100之第一非磁性層130，為使奈米自旋力矩震盪器100能與感應複合層200產生交互作用，第二非磁性層210必須為一導電但不導磁之金屬層，或是一極薄而能形成穿隧之絕緣層。一綜合反鐵磁層220形成於第二非磁性層210上。綜合反鐵磁層220包含一第一鐵磁層221、一第二鐵磁層223及一第三非磁性層222。第三非磁性層222位於第一鐵磁層221和 第二鐵磁層223之間。第一鐵磁層221之磁化單元m4和第二鐵磁層223之磁化單元m5具有反平行之方向，其作用在抵銷漏磁場而減少震盪訊號的干擾。一反鐵磁層230形成於綜合反鐵磁層220上，其作用在於利用磁場交互作用讀出自由層之磁化單元m3之震盪訊號，震盪訊號透過轉換可為電流或電壓訊號。

請繼續參照第3圖，第3圖為本發明之奈米自旋力矩震盪器100操作方法示意圖。由第一電極110注入一直流電流I。直流電流I通過具強烈垂直磁異向性之釘紮層120，使傳導電子產生自旋極化。透過自旋角動量轉移效應，一自自旋力矩(Spin Torque)產生並作用於自由層140之磁化單元m3上。自由層140之磁化單元m3起始方向為在自由層140平面上並平行於自由層140平面(In-Plane)。當磁化單元m3受到自旋力矩作用時，將產生離開平面(Out-of-plane)之陀螺磁震盪。感應複合層200之反鐵磁層230與自由層140產生交互作用造成磁阻變化之增益而讀取出震盪訊號。綜合反鐵磁層220包含有具反平行磁化方向之第一鐵磁層221和第二鐵磁層223，此能抵消來自於漏磁場的干擾而使自由層140之磁化單元m3形成之陀螺磁震盪能更加穩定。

本發明之奈米自旋力矩震盪器100，透過一直流電流I通過具有強烈垂直磁異向性之釘紮層120與厚度極 薄之自由層140，藉由角動量轉移效應而使自由層140之磁化單元m3產生震盪。磁化單元m3起始方向在自由層140平面上並平行於自由層140平面。此時位於能量最低點，因此本發明之奈米自旋力矩震盪器100不須外加磁場且只需要小電流就足夠產生離開平面之陀螺磁震盪。因此本發明對震盪控制性更佳。控制直流電流I大小可以改變震盪頻率並控制磁化單元m3的變化。本發明並設計一感應複合層200與奈米自旋力矩震盪器100結合。感應複合層200之反鐵磁層230可加強磁阻變化而經過轉換可讀取電流或電壓訊號，更搭配一綜合反鐵磁層220而降低漏磁場對震盪訊號的影響而使震盪頻率更穩定。並且本發明之奈米自旋力矩震盪器可經由習知之製程方法製造出來，因此可與現行之固態積體電路作很好之整合。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此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‧‧‧奈米自旋力矩震盪器

110‧‧‧第一電極

120‧‧‧釘紮層

121‧‧‧磁性層

122‧‧‧極化增益層

130‧‧‧第一非磁性層

140‧‧‧自由層

150‧‧‧第二電極

200‧‧‧感應複合層

210‧‧‧第二非磁性層

220‧‧‧綜合反鐵磁層

221‧‧‧第一鐵磁層

222‧‧‧第三非磁性層

223‧‧‧第二鐵磁層

230‧‧‧反鐵磁層

I‧‧‧直流電流

m1‧‧‧磁化單元

m2‧‧‧磁化單元

m3‧‧‧磁化單元

m4‧‧‧磁化單元

m5‧‧‧磁化單元

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖為奈米自旋力矩震盪器最簡結構圖。

第2圖為本發明之感應複合層與第1圖之奈米自旋力矩震盪器最簡結構組合示意圖

第3圖為本發明之奈米自旋力矩震盪器操作方法示意圖。

100‧‧‧奈米自旋力矩震盪器

110‧‧‧第一電極

120‧‧‧釘紮層

121‧‧‧磁性層

122‧‧‧極化增益層

130‧‧‧第一非磁性層

140‧‧‧自由層

150‧‧‧第二電極

200‧‧‧感應複合層

210‧‧‧第二非磁性層

220‧‧‧綜合反鐵磁層

221‧‧‧第一鐵磁層

222‧‧‧第三非磁性層

223‧‧‧第二鐵磁層

230‧‧‧反鐵磁層

I‧‧‧直流電流

m1‧‧‧磁化單元

m2‧‧‧磁化單元

m3‧‧‧磁化單元

m4‧‧‧磁化單元

m5‧‧‧磁化單元

Claims (23)

1. 一種製作一奈米自旋力矩震盪器的方法，其包含：形成一具有垂直磁異向性之第一磁性薄膜，該第一磁性薄膜之磁化單元方向為垂直於該第一磁性薄膜平面；在該第一磁性薄膜上形成一非磁性介面層；在該非磁性介面層上形成一具有水平磁異向性之第二磁性薄膜，其中該第二磁性薄膜之最小邊長遠大於該第二磁性薄膜之厚度，進而使該第二磁性薄膜之磁化單元在該第二磁性薄膜平面上且該磁化單元方向平行於該第二磁性薄膜平面；以及在該非磁性介面層上形成一感應複合層。
2. 一種奈米自旋力矩震盪器，包含：一第一電極；一釘紮層，形成於該第一電極上，其中該釘紮層包含一磁性層及一極化增益層；一第一非磁性層，形成於該釘紮層上；一自由層，形成於該第一非磁性層上；一感應複合層，形成於該自由層上；以及一第二電極，形成於該感應複合層上； 其中，該感應複合層包含：一第二非磁性層，與該自由層相連；一綜合反鐵磁層，形成於該第二非磁性層上，其包含：一第一鐵磁層；一第三非磁性層，形成於該第一鐵磁層上；及一第二鐵磁層，形成於該第三非磁性層上；以及一反鐵磁層，形成於該綜合反鐵磁層上，並與該第二電極相連。
3. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該釘紮層及該自由層包含鐵磁性材料。
4. 如請求項3所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該鐵磁性材料為Fe、Co或Ni。
5. 如請求項3所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該鐵磁性材料為CoFe、NiFe或CoNiFe。
6. 如請求項4或請求項5所述之奈米自旋力矩震 盪器，其中該鐵磁性材料另具有至少一摻雜物，其中該摻雜物為B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt或C。
7. 如請求項3所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該鐵磁性材料為Fe₃ O₄ 、CrO₂ 、PtMnSb、NiMnSb或BiFeO。
8. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第一非磁性層為一穿隧阻障層。
9. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第一非磁性層由非磁性金屬材料組成。
10. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第一非磁性層由絕緣材料組成。
11. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第二非磁性層為一穿隧阻障層。
12. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第二非磁性層由非磁性金屬材料組成。
13. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第二非磁性層由絕緣材料組成。
14. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第一鐵磁層材料及該第二鐵磁層材料包含Fe、Co或Ni。
15. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第一鐵磁層材料及該第二鐵磁層材料包含CoFe、NiFe或CoNiFe。
16. 如請求項14或請求項15所述之奈米自旋力矩震盪器，其中另具有一摻雜物，該摻雜物為B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt或C。
17. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第三非磁性層材料為Ru、Rd或Cr。
18. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該反鐵磁層材料為PtMn、NiMn、PdMn、IrMn、PdPtMn、MnO、MnS、MnTe、MnF₂ 、FeF₂ 、FeCl₂ 、FeO、CoCl₂ 、CoO、NiCl₂ 、Cr或NiO。
19. 如請求項2所述之奈米自旋力矩震盪器，其中該第一鐵磁層之磁化單元及該第二鐵磁層之磁化單元方向為反平行。
20. 一種操作一奈米自旋力矩震盪器的方法，其包含：輸入一直流電流通過一釘紮層與一自由層；該直流電流通過該釘紮層後傳導電子形成自旋極化；自旋極化之該傳導電子通過該自由層時，基於自旋角動量轉移效應，產生一自旋力矩，並作用於位於該自由層之一平面上之一磁化單元；該磁化單元受該自旋力矩影響而由起始之平行於該平面方向開始產生環繞著該平面垂直軸之連續穩定之一陀螺磁震盪；以及透過一感應複合層讀出該陀螺磁震盪之訊號。
21. 如請求項20所述之操作一奈米自旋力矩震盪器的方法，其中該陀螺磁震盪係由該自由層之該磁化單元環繞該自由層垂直軸之進動(Precession)產生。
22. 如請求項20所述之操作一奈米自旋力矩震盪器的方法，其中該釘紮層之磁化單元與該自由層之磁化單元方向為同向且該輸入直流電流方向為由該釘紮層往該自由層。
23. 如請求項20所述之操作一奈米自旋力矩震盪器的方法，其中該釘紮層之磁化單元與該自由層磁化單元方向為反向且該輸入直流電流方向為由該自由層往該釘紮層。