TWI565109B - 具有垂直磁性隧道接合之磁性裝置 - Google Patents

具有垂直磁性隧道接合之磁性裝置 Download PDF

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Description

具有垂直磁性隧道接合之磁性裝置 相關申請案之交互參照
本申請案為申請於2010年8月24日之美國專利申請案第12/862,074號的部份延續案以及在U.S.C.第35條第120項下主張其優先權，第12/862,074號主張申請於2009年9月11日之韓國專利申請案第10-2009-0086084號及申請於2009年9月30日之韓國專利申請案第10-2009-0093306號的優先權，其全部內容併入本文作為參考資料。本申請案也為為申請於2011年4月21日之美國專利申請案第13/091,215號的部份延續案以及在U.S.C.第35條第120項下主張其優先權，第13/091,215號主張申請於2010年4月21日之韓國專利申請案第10-2010-0037017號的優先權，其全部內容併入本文作為參考資料。
發明領域
本發明係有關於具有垂直磁性隧道接合之磁性裝置。
發明背景
本發明的示範具體實施例係有關於一種半導體 裝置，特別是，有關於有垂直磁性隧道接合的磁性裝置，例如磁性記憶體裝置。
隨著可攜式計算裝置及無線通訊裝置的用途增加，半導體裝置可能需要更高的密度、更低的功率及/或非揮發性。磁性記憶體裝置可能能夠滿足前述技術要求。
磁性記憶體裝置的示範資料儲存機構為磁性隧道接合(MTJ)的隧道磁致電阻(TMR)效應。在TMR效應下，藉由切換自旋力矩可控制MTJ的磁性取向。例如，已開發出有MTJ的磁性記憶體裝置使得MTJ有數百至數千百分比的TMR比率。
發明概要
本發明的示範具體實施例提供包含垂直磁性隧道接合的磁性裝置。
本發明的其他示範具體實施例提供有厚度減少之垂直磁性隧道接合的磁性裝置。
本發明的其他示範具體實施例提供具有組配成可減少自由層及釘紮層之磁相互作用之垂直磁性隧道接合的磁性裝置。
在一些具體實施例中，磁性裝置包含一自由層結構、一釘紮層結構、以及在其間的一隧道勢壘，其中該釘紮層結構或該自由層結構中之至少一者包含有內在垂直磁化性質的第一磁性層，有內在面內磁化性質的第二磁性層，以及插在該第一及該第二磁性層之間的一交換耦合 層。該交換耦合層可具有經選定成在該第一及該第二磁性層之間可提供有所欲數量之反鐵磁性交換耦合的厚度，使得該第二磁性層由於至少部份與該第一磁性層反鐵磁性交換耦合而呈現外在垂直磁化方向。
在一些具體實施例中，該反鐵磁性交換耦合之數量至少可為4,000Oe。
在一些具體實施例中，該第二磁性層之飽和磁化值與該第一磁性層之飽和磁化值的比率在約0.6至約1.5的範圍內。
在一些具體實施例中，該第一磁性層之飽和磁化值與該第二磁性層之飽和磁化值實質相同。在一些具體實施例中，該第一及該第二磁性層的飽和磁化值各自可在約600至1400emu/cc的範圍內。
在一些具體實施例中，該交換耦合層為釕、銥或銠。
在一些具體實施例中，該交換耦合層厚約2.5埃至約7埃。
在一些具體實施例中，該交換耦合層厚約3至約4埃。
在一些具體實施例中，該第一磁性層厚約10埃至約80埃，以及該第二磁性層厚約5埃至約20埃。
在一些具體實施例中，該第一磁性層的Ku值至少有3x106erg。該Ku值為垂直磁性各向異性能量(亦即，在與第一磁性層之平面垂直之方向的磁性各向異性能量)，在一些具體實施例中，該第一磁性層由單層鈷基 合金組成。
在一些具體實施例中，該第一磁性層包含由(Cox/Pty)n組成的多層堆疊。在一些具體實施例中，x/y可在0.5至1.5的範圍內。
在一些具體實施例中，磁性裝置包含含有自由層結構、釘紮層結構及在其間之隧道勢壘的磁性隧道接合。該釘紮層結構可具有：有內在垂直磁化性質的第一磁性層，有內在面內磁化性質的第二磁性層，以及插在該第一及該第二磁性層之間的一交換耦合層。該交換耦合層的厚度可經選定成可提供有所欲數量之反鐵磁性交換耦合於該第一及該第二磁性層之間，以及該第二磁性層由於與該第一磁性層反鐵磁性交換耦合而呈現外在垂直磁化方向。
根據本發明的示範具體實施例，磁性裝置可包含含有自由層結構、釘紮層結構及在其間之隧道勢壘的磁性隧道接合。該釘紮層結構可包含有內在垂直磁化性質的第一磁性層，有內在面內磁化性質的第二磁性層，以及插在該第一及該第二磁性層之間的一交換耦合層。該交換耦合層的厚度可經選定成可提供有所欲數量之反鐵磁性交換耦合於該第一及該第二磁性層之間，以及該第二磁性層由於與該第一磁性層反鐵磁性交換耦合而可呈現外在垂直磁化方向。該磁性隧道接合的交換耦合強度可在約4,000至約10,000Oe的範圍內。
在示範具體實施例中，可選擇該交換耦合層的厚度使得該第二磁性層有與第一磁性層之磁化方向反平行的 垂直磁化。
在示範具體實施例中，該交換耦合層可由釕、銥或銠中之至少一者形成。
在示範具體實施例中，該交換耦合層的厚度在約2.5埃至約5.0埃的範圍內。
在示範具體實施例中，該第一磁性層可包含下列各物中之至少一：1)由添加元素X之鈷-鉑合金或鈷-鉑合金製成的單層結構，在此元素X可為硼、釕、鉻、鉭或氧化物中之至少一者，或2)包含相互交替堆疊之含鈷層及貴金屬層的多層結構。該等含鈷層可由鈷、鈷鐵、鈷鎳或鈷鉻中之一者形成，以及該等貴金屬層可由鉑與鈀中之一者形成。
在示範具體實施例中，該第二磁性層可為包含Co、CoFeB、CoFeBTa、CoHf或CoZr中之至少一者的單層或雙層結構。
在示範具體實施例中，該自由層結構可包含有該內在面內磁化性質的一自由層，以及誘發該自由層之垂直磁化性質的一非磁性金屬氧化物層。
在示範具體實施例中，該自由層可為包含Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、CoFeSiB或CoZr中之至少一者的單層或多層結構。
在示範具體實施例中，該非磁性金屬氧化物層可為包含鉭氧化物、氧化鎂、氧化釕、氧化銥、氧化鉑、氧化鈀或氧化鈦中之至少一者以及與該自由層直接接觸的單層或多層結構。
在示範具體實施例中，該裝置可進一步包含：使該磁性隧道接合連接至一切換裝置的第一傳導元件，以及使該磁性隧道接合連接至一互連線的第二傳導元件。該自由層結構可插在該第一傳導元件與該隧道勢壘之間或插在該第二傳導元件與該隧道勢壘之間。
根據本發明的示範具體實施例，磁性裝置可包含含有自由層結構、釘紮層結構及在其間之隧道勢壘的磁性隧道接合。自由層及釘紮層結構可各自包含有一內在面內磁化性質的一面內層以及誘發該面內層之垂直磁化性質的一垂直層。該自由層結構的垂直層可包含一非磁性金屬氧化物層，以及該釘紮層結構的垂直層可包含一交換耦合層與具有內在垂直磁化性質的一垂直層。該交換耦合層的厚度可經選定成該釘紮層結構的垂直層與面內層在其間可經受反鐵磁性交換耦合。
在一些具體實施例中，該磁性裝置可進一步包含：下電極，上電極，配置於該下電極與該上電極之間的磁性隧道接合，以及該磁性裝置的總厚度可小於約15奈米。
在示範具體實施例中，該交換耦合層可配置於該釘紮層結構的垂直層與面內層之間，以及可提供直接覆蓋該自由層結構之面內層的該非磁性金屬氧化物層。
在示範具體實施例中，該交換耦合層可由釕、銥或銠中之至少一者形成。
在示範具體實施例中，該交換耦合層可具有最大化該釘紮層結構之垂直層及面內層之反鐵磁性交換耦合的 厚度。
在示範具體實施例中，該交換耦合層的厚度可在約2.5埃至約5.0埃的範圍內。
在示範具體實施例中，該非磁性金屬氧化物層可為包含鉭氧化物、氧化鎂、氧化釕、氧化銥、氧化鉑、氧化鈀或氧化鈦中之至少一者的單層或多層結構。
在示範具體實施例中，該垂直層可包含含鈷垂直磁性材料中之至少一者。
在示範具體實施例中，該垂直層可由添加元素X的鈷-鉑合金或鈷-鉑合金形成，在此元素X可為硼、釕、鉻、鉭或氧化物中之至少一者。
在示範具體實施例中，該垂直層可為包含相互交替堆疊之含鈷層及貴金屬層的多層結構，該等含鈷層可由鈷、鈷鐵、鈷鎳及鈷鉻中之一者形成，以及該等貴金屬層可由鉑與鈀中之一者形成。
在示範具體實施例中，該垂直層可為包含第一垂直層及第二垂直層的雙層結構，以及該第一及該第二垂直層各目包含：一層添加元素X的鈷-鉑合金或鈷-鉑合金，在此元素X可為硼、釕、鉻、鉭或氧化物中之至少一者，或包含相互交替堆疊之含鈷層及貴金屬層的多層結構。該等含鈷層可由鈷、鈷鐵、鈷鎳及鈷鉻中之一者形成，以及該等貴金屬層可由鉑與鈀中之一者形成。
在示範具體實施例中，該釘紮層結構可進一步包含：插在該交換耦合層與該垂直層之間的一鈷層或一富鈷層。
在示範具體實施例中，該釘紮層結構的面內層可為包含鈷、鐵或彼等之合金中之至少一者的單層或多層結構。
在示範具體實施例中，該釘紮層結構的面內層可為包含有該內在面內磁化性質之一對磁性層以及插在其間之一非磁性金屬層的多層結構。
在示範具體實施例中，該釘紮層結構的面內層可為包含Co、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、CoFeSiB或CoZr中之至少一者的單層或雙層結構。
在示範具體實施例中，該自由層結構的面內層可為包含鈷、鐵、鎳或彼等之合金中之至少一者的單層或多層結構。
在示範具體實施例中，該自由層結構的面內層可為包含Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、CoFeSiB或CoZr中之至少一者的單層或多層結構。
在示範具體實施例中，該自由層結構的面內層可為包含有該內在面內磁化性質之一對磁性層以及插在其間之一非磁性金屬層的多層結構。例如，該對磁性層可由CoFeB形成，以及該非磁性金屬層可為厚約2埃至20埃的鉭層。
在示範具體實施例中，該裝置可進一步包含：使該磁性隧道接合連接至一切換裝置的第一傳導元件，以及使該磁性隧道接合連接至一互連線的第二傳導元件。該第二傳導元件可為包含貴金屬層、磁性合金層或金屬層中之至少一者的單層或多層結構。
在示範具體實施例中，可配置與第一傳導元件之 距離比第二傳導元件更近的自由層結構，以及可配置與第二傳導元件之距離比第一傳導元件更近的釘紮層結構。
在示範具體實施例中，可配置與第二傳導元件之距離比第一傳導元件更近的自由層結構，以及可配置與第一傳導元件之距離比第二傳導元件更近的釘紮層結構。
140‧‧‧磁性裝置
1300‧‧‧電子裝置/電子系統
1310‧‧‧控制器
1320‧‧‧輸入/輸出裝置
1330‧‧‧記憶體
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1350‧‧‧匯流排
1400‧‧‧記憶體系統
1410‧‧‧記憶體裝置
1420‧‧‧記憶體控制器
1430‧‧‧主機
BL‧‧‧下電極
CL1‧‧‧第一傳導層
CL2‧‧‧第二傳導層
CS1‧‧‧第一傳導結構
CS2‧‧‧第二傳導結構
ECL‧‧‧交換耦合層
FIS‧‧‧自由層結構
FRL‧‧‧自由層
Hex‧‧‧磁場強度
L1、L2‧‧‧第一及第二互連線
MS1‧‧‧第一磁性結構
MS2‧‧‧第二磁性結構
MTJ‧‧‧磁性隧道接合
MTJ1‧‧‧第一類磁性隧道接合
MTJ2‧‧‧第二類磁性隧道接合
PL1‧‧‧第一釘紮層(或第一磁性層)
PL2‧‧‧第二釘紮層(或第二磁性層)
PLS‧‧‧釘紮層結構
PMI‧‧‧垂直磁化誘發層
PNL‧‧‧釘紮層
SW‧‧‧選擇元件/選擇裝置
SUB‧‧‧基板
TBR‧‧‧隧道勢壘
TMR‧‧‧隧道磁致電阻
UMC‧‧‧單位記憶格
由以下結合附圖的簡要說明可更加明白示範具體實施例。第1圖至第15圖為如本文所述不具限定性的示範具體實施例。
第1圖的電路圖根據本發明的示範具體實施例舉例圖示磁性記憶體裝置的單位記憶格(unit memory cell)。
第2圖至第6圖的電路圖根據本發明的示範具體實施例舉例圖示選擇裝置(selection device)。
第7圖根據本發明的示範具體實施例示意圖示第一類磁性隧道接合。
第8圖根據本發明的示範具體實施例示意圖示第二類磁性隧道接合。
第9圖的透視圖根據本發明的示範具體實施例舉例圖示構成磁性隧道接合的自由層結構。
第10圖的透視圖根據本發明的示範具體實施例舉例圖示構成磁性隧道接合的釘紮層結構。
第11圖為描述本發明之一些方面的曲線圖。
第12圖的剖面圖根據本發明的示範具體實施例舉例圖示磁性隧道接合。
第13圖的橫截面圖根據本發明的其他示範具體實施例舉例圖示磁性隧道接合。
第14圖的橫截面圖根據本發明的其他示範具體實施例舉例圖示磁性隧道接合。
第15圖的流程圖根據本發明的一些示範具體實施例舉例圖示製造磁性裝置的方法。
第16圖及第17圖的方塊圖根據本發明的示範具體實施例示意圖示包含半導體裝置的電子裝置。
應注意，附圖旨在圖示某些示範具體實施例之方法、結構及/或所用材料的一般特性以及補充以下所提供的書面說明。不過，附圖並未按比例繪製以及不精確地反映任何給定具體實施例的確切結構或效能特性，而且不應被解釋成是要界定或限制示範具體實施例所涵蓋的數值或性質範圍。例如，為求說明清楚，可能減少或誇大分子、層、區域及/或結構元件的相對厚度及定位。附圖中使用類似或相同的元件符號旨在表示其中有類似或相同的元件或特徵。
較佳實施例之詳細說明
此時用圖示示範具體實施例的附圖更完整地描述本發明的示範具體實施例。不過，本發明的示範具體實施例可用許多不同的形式實作而且不應被視為限於本文提到的具體實施例；反而，提供該等具體實施例是要讓本揭示內容徹底及完成，以及向本技藝一般技術人員完整地傳達示範具體實施例的概念。附圖中，為求說明清楚而誇大 層及區域的厚度。圖中類似的元件用相同的元件符號表示，因而省略它們的描述。
應瞭解，當一元件被稱為“連接”或“耦合”至另一元件時，它可直接連接或耦合至該另一元件或可存在中介元件。相比之下，當一元件被稱為“直接連接”或“直接耦合”至另一元件時，則沒有中介元件。全文用相同的元件符號表示類似的元件。如本文所用的，用語“及/或”包括相關列舉項目中之一或更多的任何及所有組合。用來描述元件或層間之關係的其他字詞應以類似的方式解釋(例如，“之間”與“直接在...之間”、“毗鄰”與“直接鄰接”、“在...上”與“直接在...上”)。
應瞭解，雖然用語“第一”、“第二”等等在此可用來描述各種元件、組件、區域、層及/或部份，然而這些元件、組件、區域、層及/或部份應不受限於該等用語。該等用語只是用來區別一元件、組件、區域、層或部份與另一元件、組件、區域、層或部份。因此，可稱以下所述之第一元件、組件、區域、層或部份為第二元件、組件、區域、層或部份而不脫離示範具體實施例的教導。
有空間相對性的術語，例如本文所用的“下方”、“下”、“低於”、“上方”、“上”、及其類似者易於用來描述一元件或特徵與其他元件或特徵在圖中的關係。應瞭解，該等有空間相對性的術語是想要用來涵蓋使用中之裝置或操作的不同方位，除了描繪於附圖中的方位以外。例如，如果圖中裝置翻過來，被描述成在其他元件或特徵“之下”或 “下方”的元件則方位變成是在其他元件或特徵“上面”。因此，示範術語“下方”可涵蓋上方及下方的方位。裝置可以其他方式定位(旋轉90度或其他方位)且據此解釋本文所使用的有空間相對性的述語。
本文所使用的術語目的只是要用來描述特定具體實施例且不是想要用來限定示範具體實施例。如本文所使用的，“一”與“該”的單數形式是想要也包含複數形式，除非上下文以其他方式清楚表示。應瞭解，用語“包含”及/或“包括”是詳述有列出之特徵、整數、步驟、操作、元件、及/或組件的存在，但不預先排除它有或附加一或更多其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件、及/或彼等之組群的存在。
本文係參考示意圖示本發明之理想化實施例(以及中間結構)的橫截面圖來描述本發明的示範具體實施例。同樣地，可預期示意圖會有例如製造技術及/或公差所造成的形狀差異。因此，本發明的示範具體實施例不應被視為受限於圖中繪出之區域的特定形狀，而是要涵蓋例如製造所造成的形狀差異。例如，圖示成長方形的植入區有圓形或弧形的特徵及/或在邊緣植入濃度會有梯度，而不是由植入區到非植入區的二元式變化。同樣，植入所形成的埋藏區可能導致多少植入於在埋藏區與植入表面之間的區域。因此，附圖所圖示的區域本質上是示意性且圖中形狀不是想要繪出裝置中之區域的實際形狀且不是想要用來限定示範具體實施例的範疇。
除非另有定義，本文所使用的所有術語(包括技術及科學術語)的意思是與本發明示範具體實施例所屬之技藝的一般技術人員所理解的相同。更應瞭解，術語，例如一般字典所定義的，應被解釋成在相關技藝的背景下為有一致性的意思且不被解釋成理想化或有過度形式的意義，除非明確界定於本文。
相關的垂直磁性隧道接合及技術特徵揭示於各自申請於2010年8月24日、2011年7月13日及2012年2月16日的美國專利申請案第12/862,074號、第13/181,957號及第13/398,617號，其全部內容併入本文作為本申請案的一部份。
第1圖的電路圖根據本發明的示範具體實施例舉例圖示磁性記憶體裝置的單位記憶格。
請參考第1圖，單位記憶格UMC可配置於相互交叉的第一及第二互連線L1及L2之間。單位記憶格UMC可與第一及第二互連線L1及L2串聯連接。單位記憶格UMC可包含選擇元件(selection element)SW與磁性隧道接合MTJ。選擇元件SW與磁性隧道接合MTJ相互電氣串聯連接。在示範具體實施例中，第一及第二互連線L1及L2中之一者可用作字元線，而另一個可用作位元線。
可將選擇元件SW組配成可選擇性地控制穿經磁性隧道接合MTJ的電流。例如，如第2圖至第6圖所示，選擇元件SW可為二極體、pnp雙極電晶體、npn雙極電晶體、NMOS場效電晶體(FET)及PMOS FET中之一種。如果選擇元件SW為3端子切換裝置，例如雙極電晶體及/或 MOSFET，附加互連線(未圖示)可連接至選擇元件SW。
磁性隧道接合MTJ可包含第一磁性結構MS1、第二磁性結構MS2、以及在其間的隧道勢壘TBR。隧道勢壘TBR可包含非磁性材料。在一具體實施例中，隧道勢壘TBR可由絕緣材料層形成。替換地，隧道勢壘TBR可包含多個層。例如，隧道勢壘TBR可包含鎂(Mg)，鈦(Ti)，鋁(Al)，鎂-鋅(MgZn)及/或鎂-硼(MgB)的氧化物，及/或鈦(Ti)及/或釩(V)的氮化物。例如，隧道勢壘TBR可由氧化鎂(MgO)層形成。第一及第二磁性結構MS1及MS2各自可包含由磁性材料(例如，鐵磁性材料)形成的至少一磁性層。在某些具體實施例中，如第1圖所示，磁性隧道接合MTJ可進一步包含：加插在第一磁性結構MS1、選擇裝置SW之間的第一傳導結構CS1，以及可插在第二磁性結構MS2、第二互連線L2之間的第二傳導結構CS2。
可將第一及第二磁性結構MS1及MS2的磁性層中之一者組配成有不被在尋常情況下產生之弱外部磁場改變的固定磁化方向。以下，為了便於說明，用語‘釘紮層PNL'會用來代表有固定磁化性質的磁性層。與此相反，可將第一及第二磁性結構MS1及MS2的磁性層中之另一者組配成其磁化方向可用操作時源於自旋極化電流及/或外加磁場的角動量切換。以下，用語‘自由層FRL'會用來代表有可切換磁化性質的磁性層。亦即，如第7圖及第8圖所示，磁性隧道接合MTJ可包含用隧道勢壘TBR分離的至少一自由層FRL與至少一釘紮層PNL。
磁性隧道接合MTJ的電阻對於自由層及釘紮層FRL及PNL之磁化方向的相對取向有敏感性。例如，在自由層及釘紮層FRL及PNL之相對磁性取向反平行時，磁性隧道接合MTJ的電阻可遠大於在平行時的。因此，藉由改變自由層FRL的磁化方向可控制磁性隧道接合MTJ的電阻，以及根據本發明示範具體實施例，電阻的差異可用作磁性記憶體裝置的資料儲存機構。
如第7圖及第8圖所示，磁性隧道接合MTJ的第一及第二磁性結構MS1及MS2可順序形成於基板SUB上。基板SUB可為半導體基板。基板SUB可包含傳導區及/或絕緣區。在示範具體實施例中，根據自由層FRL與基板SUB的相對位置或自由層FRL與釘紮層PNL的堆疊順序，磁性隧道接合MTJ可分成兩種，例如：(a)第一類磁性隧道接合MTJ1，在此第一及第二磁性結構MS1及MS2各自包含釘紮層PNL與自由層FRL，如第7圖所示，以及(b)第二類磁性隧道接合MTJ2，在此第一及第二磁性結構MS1及MS2各自包含自由層FRL與釘紮層PNL，如第8圖所示。
根據本發明的一些方面，第一及第二磁性結構MS1及MS2中之一者可為將會用第9圖描述的自由層結構FLS，以及另一個可為將會用第10圖描述的釘紮層結構PLS。自由層結構FLS可為包含自由層FRL的多層磁性結構，以及釘紮層結構PLS可為包含釘紮層PNL的多層磁性結構。
第9圖的透視圖根據本發明的示範具體實施例舉例圖示構成磁性隧道接合的自由層結構。
根據某些具體實施例，自由層結構FLS可包含自由層FRL與覆蓋自由層FRL的垂直磁化誘發層PMI，如第9圖所示。自由層結構FLS可用作第一或第二磁性結構MS1或MS2中之一者。
自由層FRL可由有內在面內磁化性質(以下，稱為“面內磁性材料”)的磁性材料形成。在此，內在面內磁化性質意指磁性層的磁化方向經定向成在沒有外在因素時與其縱向平行。例如，如果以厚度(例如，z向長度)相對小於水平寬度(例如，x及y向長度)的薄膜形式提供該磁性層，則有內在面內磁化性質的磁性層有平行於xy平面的磁化方向。如下述，“內在面內磁化性質”係指磁性層的面內磁化，它在沒有外在因素時可發現。
根據某些具體實施例，例如，用包含鈷、鐵、鎳或彼等之合金中之至少一者的單層或多層結構，可實現自由層FRL的內在面內磁化性質，自由層FRL可為包含Fe、Co、Ni、CoFe、NiFe、NiFeB、CoFeB、CoFeBTa、CoHf、CoFeSiB或CoZr至少一者的單層或多層結構。在某些具體實施例中，自由層FRL可為包含鐵層、CoHf層及CoFeB層的多層結構。為了讓讀者更了解本發明，舉例描述自由層FRL的內在面內磁化材料，但是本發明的示範具體實施例不受限於此。自由層FRL的厚度可在約6埃至約30埃範圍內，或在某些具體實施例中，在約10埃至約20埃的範圍內。
在某些具體實施例中，自由層FRL的形式可為包含有內在面內磁化性質之一對磁性層與插在其間之一非磁 性金屬層的多層結構。例如，自由層FRL可包含由鈷-鐵-硼(CoFeB)合金與插在其間之鉭層製成的兩層。自由層FRL中可形成厚約2埃至20埃的鉭層。
垂直磁化誘發層PMI可與自由層FRL直接接觸，以及由於直接接觸，自由層FRL的磁化方向可變成與自由層FRL的厚度方向(例如，z方向)實質平行。換言之，垂直磁化誘發層PMI可為讓自由層FRL有內在面內磁化性質以呈現垂直磁化方向的外在因素。在此方面，相互接觸的垂直磁化誘發層PMI與自由層FRL可構成有外在垂直磁化性質(以下，稱為外在垂直結構)的結構。
為了實現技術特徵，垂直磁化誘發層PMI可由能夠在自由層FRL與其接觸之表面上誘發應力的材料形成。在此情形下，以下，垂直磁化誘發層PMI可稱為‘應力誘發層'或‘接觸垂直層'。例如，垂直磁化誘發層PMI可由含氧材料形成。替換地，垂直磁化誘發層PMI可為非磁性金屬氧化物中之至少一種。例如，垂直磁化誘發層PMI的形式可為包含鉭氧化物、氧化鎂、氧化釕、氧化銥、氧化鉑、氧化鈀、氧化鈦、氧化鋁、氧化鎂鋅、氧化鉿或氧化鎂硼中之至少一者的單層或多層結構。為了讓讀者更了解本發明，舉例描述有應力誘發性質或接觸垂直性質(contact perpendicularing property)的材料，但是本發明的概念不受限於此。
如果垂直磁化誘發層PMI由非磁性金屬氧化物中之至少一種形成，垂直磁化誘發層PMI可具有高於自由層 FRL的電阻率。這意謂磁性隧道接合MTJ的電阻與垂直磁化誘發層PMI的電阻可強烈相依。為了降低此一相依性，可形成有薄結構的垂直磁化誘發層PMI。例如，垂直磁化誘發層PMI可比自由層FRL薄些。在示範具體實施例中，垂直磁化誘發層PMI的厚度可在約3埃至約10埃的範圍內，在某些具體實施例中，在約4埃至約6埃的範圍內。
第10圖的透視圖根據本發明的示範具體實施例舉例圖示構成磁性隧道接合的釘紮層結構。
根據某些具體實施例，釘紮層結構PLS可包含第一釘紮層(或第一磁性層)PL1，第二釘紮層(或第二磁性層)PL2，以及插在其間的交換耦合層ECL，如第10圖所示。釘紮層結構PLS可構成第一及第二磁性結構MS1及MS2中之一者。
第一釘紮層PL1可由有內在垂直磁化性質(以下，稱為垂直磁性材料)的磁性材料形成。在此，內在垂直磁化性質意指磁性層的磁化方向經定向成在沒有外在因素時與其厚度方向實質平行。例如，如果以厚度(例如，z向長度)相對小於水平寬度(例如，x及y向長度)的薄膜形式提供磁性層，則有內在垂直磁化性質的磁性層可具有與xy平面平行的磁化方向。如下述，“內在垂直磁化性質”係指磁性層的垂直磁化，它在沒有外在因素時可發現。
根據某些具體實施例，用包含含鈷垂直磁性材料的單層或多層結構，可實現第一釘紮層PL1的內在垂直磁化性質。
在某些具體實施例中，第一釘紮層PL1可為包含添加元素X之鈷-鉑合金或鈷-鉑合金的單層或多層結構，在此元素X為硼、釕、鉻、鉭或氧化物中之至少一者。在其他具體實施例中，第一釘紮層PL1的形式可為包含交替相互堆疊之含鈷層及貴金屬層的多層結構。該等含鈷層可包含鈷，鈷鐵，鈷鎳，鈷鉻，或彼等之組合，以及該等貴金屬層可包含鉑，鈀或彼等之組合。又在其他具體實施例中，第一釘紮層PL1的形式可為包含以上在說明某些具體實施例時所例舉之至少一材料(例如，添加元素X的鈷-鉑合金或鈷-鉑合金)和以上在說明其他具體實施例時所例舉之至少一材料(例如，鈷，鈷鐵，鈷鎳，鈷鉻，鉑，及鈀)的多層結構。在一些具體實施例中，第一釘紮層PL1的厚度可約10埃至約80埃的範圍內，或在約30埃至約55埃的範圍內。
為了讓讀者更了解本發明，舉例描述第一釘紮層PL1的內在垂直磁化材料，但是本發明的示範具體實施例不受限於此。例如，第一釘紮層PL1可包含下列各物中之至少一者：a)CoFeTb，其中鋱(Tb)的相對含量為10%或更多，b)CoFeGd，其中釓(Gd)的相對含量為10%或更多，c)CoFeDy，d)有L10結構的FePt，e)有L10結構的FePd，f)有L10結構的CoPd，g)有L10結構的CoPt，h)有六角密積(HCP)結構的CoPt，i)包含提及於a)至h)項之至少一材料的合金，或j)包含交替堆疊之磁性層及非磁性層的多層結構。包含交替堆疊之磁性層及非磁性層的多層結構可包含(Co/Pt)n、(CoFe/Pt)n、(CoFe/Pd)n、(CoP)n、(Co/Ni)n、 (CoNi/Pt)n、(CoCr/Pt)n或(CoCr/Pd)n中之至少一者，在此下標n係表示堆疊數。在某些具體實施例中，第一釘紮層PL1可進一步包含：將會與交換耦合層ECL接觸的鈷層或富鈷層。
與此相反，第二釘紮層PL2可由有內在面內磁化性質(亦即，面內磁性材料)的磁性材料形成。換言之，第二釘紮層PL2可具有經定向成在沒有外在因素時與其最大表面(例如，xy平面)實質平行的磁化方向。
用包含鈷、鐵或彼等之合金中之至少一者的單層或多層結構，可實現第二釘紮層PL2的內在面內磁化性質。例如，第二釘紮層PL2可為包含CoFeB、CoFeBTa、CoHf、Co、CoFeSiB或CoZr中之至少一者的單層或多層結構。在示範具體實施例中，第二釘紮層PL2的形式可為包含鈷層及CoHf層的雙層結構或包含CoFeBTa層及CoFeB層的雙層結構。
在其他示範具體實施例中，第二釘紮層PL2的形式可為包含有內在面內磁化性質之一對磁性層與插在其間之非磁性金屬層的多層結構。例如，第二釘紮層PL2可包含由鈷-鐵-硼(CoFeB)合金與插在其間之鉭層製成的兩層。
為了讓讀者更了解本發明，舉例描述第二釘紮層PL2的內在面內磁化材料，但是本發明的示範具體實施例不受限於此。在某些具體實施例中，第二釘紮層PL2的厚度可在約5埃至約20埃的範圍內，或在約10埃至約17埃的範圍內。
交換耦合層ECL可包含釕、銥、銠或彼等之組合。根據本發明的示範具體實施例，由於第一及第二釘紮層PL1及PL2反鐵磁性交換耦合，第二釘紮層PL2可具有與 其厚度方向實質平行的磁化。換言之，交換耦合層ECL與第一釘紮層PL1可提供外在因素讓第二釘紮層PL2有內在面內磁化性質以呈現垂直磁化方向。在此方面，第一及第二釘紮層PL1及PL2與在其間的交換耦合層ECL可構成外在垂直結構，其垂直磁化係由反鐵磁性交換耦合造成。
可選定交換耦合層ECL的厚度使得第二釘紮層PL2可具有與第一釘紮層PL1反平行的垂直磁化。此外，可選定交換耦合層ECL的厚度使得第一及第二釘紮層PL1及PL2的反鐵磁性交換耦合可最大化。如以下在說明第11圖時所述，通過實驗，發現提供厚約2.5埃至約5.0埃，或在某些具體實施例中，厚約3埃至約4埃的交換耦合層ECL是有利的，以及有意外的結果，特別是在製造磁性裝置期間以300℃進行退火時。不過，在某些加工條件(例如，在以300℃以上進行退火時)下，交換耦合層ECL的厚度可在約2.5埃至約7.5埃的範圍內。在以300℃以上進行退火時，可因構成磁性層的相互擴散或互混而增加交換耦合層ECL的厚度。
在一些具體實施例中，形成本揭示內容之磁性裝置的各種磁性層可由COFeSiB形成。
第11圖的曲線圖用來描述本發明概念的一些方面。特別是，第11圖的曲線圖圖示交換耦合之磁場強度Hex對於交換耦合層之厚度T的相依性，此係得自包含如第10圖所述之釘紮層結構PLS的樣本。負值Hex意指系統處於反鐵磁性耦合狀態。
請參考第11圖，交換耦合強度Hex在3.5埃及7埃 附近有局部極小值以及在5.5埃附近有局部最大值。換言之，交換耦合強度Hex在7埃約為-5000oe，在5.5埃約為-2000oe，以及在3.5埃約為-13000oe。在此，當交換耦合層有在2.5埃至5.0埃之間或在3埃至4埃之間的厚度T時，交換耦合強度Hex小於在3.5埃的，亦即，-5000oe。
換言之，當交換耦合層的厚度T在約2.5埃至約5.0埃之間時，或更特別的是，在約3埃至約4埃之間，交換耦合強度Hex有全域最小值。這意謂，以此具體實施例而言，當交換耦合層有例如在約2.5埃至約5.0埃，或更窄地在約3埃至約4埃之間的厚度時，釘紮層結構PLS可呈現最大化的反鐵磁性耦合效應。不過，也應注意，與隧道阻障層的相互作用可能進一步影響釘紮層結構PLS的反鐵磁性耦合效應。
在一些具體實施例中，本揭示內容的具體實施例可設定交換耦合層對應至茹德曼-基特爾-柏谷-芳田(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida，RKKY)耦合作用(圖示於第11圖)之第一尖峰的厚度。
第12圖的橫截面圖根據本發明的示範具體實施例舉例圖示磁性隧道接合，以及第13圖的橫截面圖根據本發明的其他示範具體實施例舉例圖示磁性隧道接合。
請參考第12圖，釘紮層結構PLS，隧道勢壘TBR，及自由層結構FLS可順序堆疊於基板SUB上。換言之，可將自由層結構FLS與釘紮層結構PLS組配成可形成如先前在說明第7圖時所述的第一類磁性隧道接合MTJ1。
根據本具體實施例，第一傳導結構CS1可配置於第一類磁性隧道接合MTJ1、基板SUB之間，以及第二傳導結構CS2可裝設於第一類磁性隧道接合MTJ1上。在某些具體實施例中，第一傳導結構CS1可用作用以形成第一類磁性隧道接合MTJ1的種子層，及/或用作使選擇裝置SW電連接至第一類磁性隧道接合MTJ1的互連圖案或電極。第二傳導結構CS2可用作覆蓋第一類磁性隧道接合MTJ1的覆蓋層，及/或用作電連接第一類磁性隧道接合MTJ1與第二互連線L2的互連圖案或電極。
在某些具體實施例中，第一傳導結構CS1可包含順序堆疊於基板SUB上的第一傳導層CL1及第二傳導層CL2。第一傳導層CL1可為厚約20埃的CoHf層或鉭層，以及第二傳導層CL2可為厚約40埃的釕層。為了讓讀者更了解本發明，舉例描述第一及第二傳導層CL1及CL2的材料，但是本發明的概念不受限於此。
可形成覆蓋垂直磁化誘發層PMI以及形式為包含貴金屬層、磁性合金層或金屬層中之至少一者之單層或多層結構的第二傳導結構CS2。例如，用於第二傳導結構CS2的貴金屬層可由Ru、Pt、Pd、Rh或Ir中之至少一者，以及磁性合金層可包含Co、Fe或Ni中之至少一者，以及金屬層可由Ta或Ti形成。為了讓讀者更了解本發明，舉例描述用於第二傳導結構CS2的材料，但是本發明的概念不受限於此。
請參考第13圖，自由層結構FLS，隧道勢壘TBR，及釘紮層結構PLS可順序堆疊於基板SUB上。換言 之，可將自由層結構FLS與釘紮層結構PLS組配成可形成如先前在說明第8圖時所述的第二類磁性隧道接合MTJ2。
根據本具體實施例，可將自由層結構FLS與釘紮層結構PLS組配成自由層FRL與第二釘紮層PL2兩者可覆蓋隧道勢壘TBR。此外，第一傳導結構CS1可裝設於第二類磁性隧道接合MTJ2、基板SUB之間，以及第二傳導結構CS2可裝設於第二類磁性隧道接合MTJ2上。在一些具體實施例中，第一傳導結構CS1可用作用以形成第二類磁性隧道接合MTJ2的種子層，及/或用作使選擇裝置SW電連接至第二類磁性隧道接合MTJ2的互連圖案或電極。第二傳導結構CS2可用作覆蓋第二類磁性隧道接合MTJ2的覆蓋層，及/或用作電連接第二類磁性隧道接合MTJ2與第二互連線L2的互連圖案或電極。
在一些具體實施例中，第一傳導結構CS1可包含可順序堆疊於基板SUB上的第一傳導層CL1及第二傳導層CL2。可形成覆蓋垂直磁化誘發層PMI以及形式為包含貴金屬層、磁性合金層或金屬層中之至少一者之單層或多層結構的第二傳導層CL2。為了讓讀者更了解本發明，舉例描述第一傳導結構CS1的材料，但是本發明的概念不受限於此。
在一些具體實施例中，如第14圖所示，磁性裝置140可包含自由層結構FLS，釘紮層結構PLS，以及在其間的隧道勢壘TBR。釘紮層結構PLS可包含有內在垂直磁化性質的第一磁性層PL1，有內在面內磁化性質的第二磁性層PL2，以及插在第一及第二磁性層PL1、PL2之間的交換耦 合層ECL。可選定交換耦合層ECL的厚度以在第一及第二磁性層PL1及PL2之間提供有合意或最大數量的反鐵磁性交換耦合，使得第二磁性層PL2至少部份由於與第一磁性層PL1反鐵磁性交換耦合而有外在垂直磁化方向。該反鐵磁性交換耦合之數量至少可為4,000Oe。
在一些具體實施例中，自由層結構FLS可能不包括如在說明第12圖及第13圖時所述的PMI層。
在一些具體實施例中，第一磁性層PL1之飽和磁化值與第二磁性層PL2之飽和磁化值的比率在約0.6至約1.5的範圍內。
在一些具體實施例中，第一磁性層PL1的飽和磁化值與第二磁性層PL2的飽和磁化值實質相同。例如，第一及第二磁性層PL1、PL2的飽和磁化值各自可在約600至1400emu/cc的範圍內。
在一些具體實施例中，交換耦合層ECL例如可為釕，銥或銠。在一些具體實施例中，交換耦合層ECL的厚度約為3埃至約4埃。
在一些具體實施例中，第一磁性層(或第一釘紮層)PL1的厚度在約10埃至約80埃的範圍內，以及第二磁性層(或第二釘紮層)PL2的厚度在約5埃至約20埃的範圍內。
在一些具體實施例中，第一磁性層PL1的Ku值至少有3x106erg。該Ku值為垂直磁性各向異性能量(亦即，在第一磁性層PL1平面之垂直方向的磁性各向異性能量)。
在一些具體實施例中，第一磁性層PL1可包含單 層鈷基合金。在一些具體實施例中，第一磁性層PL1可包含由(Cox/Pty)n組成的多層堆疊。在一些具體實施例中，x/y在0.5至1.5之間。
在一些具體實施例中，磁性裝置包含含有自由層結構、釘紮層結構及在其間之隧道勢壘的磁性隧道接合。該釘紮層結構可具有有內在垂直磁化性質的第一磁性層，有內在面內磁化性質的第二磁性層，以及插在該第一及該第二磁性層之間的一交換耦合層。該交換耦合層的厚度可經選定成可提供有所欲數量之反鐵磁性交換耦合於該第一及該第二磁性層之間，以及該第二磁性層由於與該第一磁性層反鐵磁性交換耦合而呈現外在垂直磁化方向。該交換耦合層的厚度可在約2.5埃至約7.0埃之間。
在一些其他具體實施例中，雖然未圖示，自由層結構FLS可包含與有內在垂直磁化性質之第一磁性層PL1類似的另一第一磁性層，與有內在面內磁化性質之第二磁性層PL2類似的另一第二磁性層，以及與介於第一及第二磁性層PL1及PL2之間之交換耦合層ECL類似的另一交換耦合層。在一具體實施例中，就此情形而言，釘紮層結構PLS可能沒有夾在如上述之第一及第二磁性層之間的交換耦合層ECL。
在一些具體實施例中，自由層結構FLS與釘紮層結構PLS兩者可具有有交換耦合層ECL配置於其間的上述第一及第二磁性層結構PL1、PL2。
在其他的磁性裝置結構中，自由層之保磁力 (coercivity)與釘紮層之保磁力的分離度(△Hsw)可能不足以及自由層的磁滯迴路(hysteresis loop)可能不對稱，這使得寫入資料於記憶格幾乎為不可能。此外，如果堆疊高度大於30奈米，則難以實現有較高程度之整合的磁性裝置。在有些情形下，自由層及釘紮層的磁滯迴路可能不合意地重疊，而實質降低切換機率及切換穩定性。另外，如果堆疊高度大於30奈米，則難以實現有較高程度之整合的磁性裝置。
不過，在有上述特徵中之一些或所有下，本揭示內容之磁性裝置的自由層可具有對稱磁滯迴路以及釘紮層之保磁力與自由層之保磁力之間有大分離度，因此可顯著改善寫入機率及切換穩定性。
儘管用其他具體實施例或上述本發明特徵的其他組合可得到本揭示內容的上述效果，然而本揭示內容的發明人已發現該等發明效果可能有例外，例如，藉由形成包含釘紮層的磁性隧道接合裝置，該釘紮層包含有內在垂直磁化性質的第一磁性層，有內在面內磁化性質的第二磁性層，以及插在該第一及該第二磁性層之間的一交換耦合層，在此該交換耦合層的厚度經選定成在該第一及該第二磁性層之間可提供有合意數量的反鐵磁性交換耦合，使得該第二磁性層由於至少部份與該第一磁性層反鐵磁性交換耦合而有外在垂直磁化方向，該反鐵磁性交換耦合之數量至少為4,000Oe，在此該第一磁性層的磁化值與該第二磁性層的飽和磁化值實質相同，在此該交換耦合層為釕，銥或 銠，在此該交換耦合層的厚度約為3埃至約4埃，在此該第二磁性層包含單層鈷基合金或由((Cox/Pty)n組成的多層堆疊，在此x為鈷層的厚度以及y為鉑層的厚度。
第15圖的流程圖根據本發明的一些示範具體實施例舉例圖示磁性裝置的製造方法。
請參考第15圖，在步驟S1可形成下電極BL於基板SUB上。在步驟S2，順序形成有內在垂直磁化性質的第一磁性層PL1，交換耦合層ECL，及有內在面內磁化性質的第二磁性層PL2以形成釘紮層結構PLS於下電極BL上。交換耦合層的厚度經選定成在該第一及該第二磁性層之間可提供有合意數量的反鐵磁性交換耦合使得該第二磁性層由於至少部份與該第一磁性層反鐵磁性交換耦合而有外在垂直磁化方向。第一磁性層PL1的飽和磁化值可與第二磁性層PL2的飽和磁化值實質相同。該反鐵磁性交換耦合之數量至少可約為4,000Oe。例如，該反鐵磁性交換耦合之數量可在約4,000Oe至10,000Oe之間。該交換耦合層可為釕，銥或銠，在此該交換耦合層的厚約3埃至約4埃，以及在此該第二磁性層可包含單層鈷基合金。替換地，可藉由沉積由(Cox/Pty)n組成的多層堆疊來形成該第二磁性層，在此x為鈷層的厚度以及y為鉑層的厚度。在步驟S3，可形成隧道勢壘TBR於釘紮層結構PLS上。在步驟S4，形成自由層結構FLS於隧道勢壘TBR上。在步驟S5，形成覆蓋自由層結構FLS的上電極UL以形成磁性裝置。
再者，磁性裝置的總厚度(堆疊高度)，例如，下、 上電極與配置其間的磁性隧道接合可等於或小於約15奈米。因此，用本揭示內容的一些具體實施例，有可能使MTJ裝置厚度幾乎減少50%。結果，可實現磁性裝置的進一步縮小。
第16圖及第17圖的方塊圖根據本發明的示範具體實施例示意圖示包含半導體裝置的電子裝置。
請參考第16圖，包含根據本發明示範具體實施例之半導體裝置的電子裝置1300可用於個人數位助理(PDA)，膝上電腦，行動電腦，網路平板電腦，無線電話，手機，數位音樂播放器，有線或無線電子裝置，或至少包含其中兩種的複雜電子裝置。電子裝置1300可包含通過匯流排1350相互組合的控制器1310，輸入/輸出裝置1320(例如，小鍵盤，鍵盤，顯示器，記憶體1330，及無線介面1340。控制器1310可包含，例如，至少一微處理器，數位訊號處理器，微控制器或其類似物。可將記憶體1330組配成可儲存將會被控制器1310使用的命令代碼或使用者資料。記憶體1330可包含根據本發明示範具體實施例的半導體裝置。電子裝置1300可使用無線介面1340，其係經組配成可用RF訊號傳送資料或接收來自無線通訊網路的資料。無線介面1340可包含，例如，天線，無線收發器等等。電子系統1300可使用通訊系統的通訊介面協定，例如CDMA、GSM、NADC、E-TDMA、WCDMA、CDMA2000、Wi-Fi、Muni Wi-Fi、Bluetooth、DECT、Wireless USB、Flash-OFDM、IEEE 802.20、GPRS、iBurst、WiBro、WiMAX、 WiMAX-Advanced、UMTS-TDD、HSPA、EVDO、LTE-Advanced、MMDS等等。
請參考第17圖，描述包含根據本發明示範具體實施例之半導體裝置的記憶體系統。記憶體系統1400可包含用以儲存大量資料的記憶體裝置1410與記憶體控制器1420。記憶體控制器1420控制記憶體裝置1410以便讀取儲存於記憶體裝置1410的資料或寫入資料至記憶體裝置1410內以回應主機1430的讀寫請求。記憶體控制器1420可包含位址對映表(address mapping table)用以使主機1430(例如，行動裝置或電腦系統)所提供的位址對映至記憶體裝置1410的實體位址。記憶體裝置1410可為根據本發明示範具體實施例的半導體裝置。
以上所揭示的半導體記憶體裝置可用各式各樣的封裝技術囊封。例如，根據上述示範具體實施例之半導體記憶體裝置的囊封可用以下技術中之任一：堆疊式封裝(POP)技術，球閘陣列(BGAs)技術，晶片尺寸構裝(CSP)技術，塑料引線晶片載體(PLCC)技術，塑料雙列直插式封裝(PDIP)技術，華夫盤封裝技術(die in waffle pack technique)，晶圓式晶粒技術(die in wafer form technique)，板上晶片(COB)技術，陶瓷雙列直插式封裝(CERDIP)技術，塑料四方扁平封裝(PQFP)技術，薄型四方扁平封裝(TQFP)技術，小外形封裝(SOIC)技術，縮小型外形封裝(SSOP)技術，薄型小外形封裝(TSOP)技術，薄型四方扁平封裝(TQFP)技術，系統級封裝(SIP)技術，多晶片封裝(MCP) 技術，晶圓級製造封裝(WFP)技術，以及晶圓級加工堆疊封裝(WSP)技術。
裝入根據上述示範具體實施例中之一者之半導體記憶體裝置的封裝年可進一步包含：控制該半導體記憶體裝置的至少一半導體裝置(例如，控制器及/或邏輯裝置)。
根據本發明的示範具體實施例，自由層及第二釘紮層可由有內在面內磁化性質的材料形成。儘管如此，自由層通過與垂直磁化誘發層接觸可呈現垂直磁化，以及第二釘紮層通過與由內在垂直磁化材料製成之第一釘紮層有增強反鐵磁性交換耦合而呈現垂直磁化。由於面內磁化材料利用外在因素而有垂直磁化性質，因此垂直磁性隧道接合可具有減少的厚度。
此外，在第一及第二釘紮層之間，在第一及第二釘紮層之間有可致能反鐵磁性交換耦合的交換耦合層。在示範具體實施例中，可形成厚度可最大化第一及第二釘紮層之反鐵磁性交換耦合的交換耦合層。這使得能夠有效地減少自由層與第二釘紮層的磁相互作用。
上述單一MTJ結構只是一些實施例。本揭示內容的原理也可應用於自旋邏輯裝置(spin logic device)。自旋邏輯裝置，例如，可為全自旋邏輯(ASL)裝置與非揮發性自旋邏輯裝置。
此外，本揭示內容的發明概念可用來形成需要快取的系統單晶片(SOC)裝置。在這種情形下，SOC裝置可包含根據本揭示內容形成而耦合至微處理器的MTJ元件。
此外，本揭示內容的原理可應用於其他MTJ結構，例如雙MTJ結構，其中有自由層夾在其間的兩個參考層。
在整個本專利說明書中，在本發明的精神及範疇內，顯示於一具體實施例的特徵都可加入其他具體實施例。
本專利說明書中提到的“一具體實施例”或“具體實施例”係指本發明至少一具體實施例含有結合該具體實施例所描述的特殊特徵、結構、或特性。因此，本專利說明書中各處出現片語“在一具體實施例中”或“在具體實施例中”不一定都是指同一個具體實施例。此外，可以任何適當的方式組合該等特殊特徵、結構、或特性於一或更多個具體實施例中。
如本文所使用的，用語磁性可涵蓋鐵磁性或其類似者。因此，用語“磁性”或“鐵磁性”，例如，包括鐵磁體與次鐵磁體。此外，如本文所使用的，“面內”實質在磁性接合層中之一或更多之平面內或與其平行。反之，“垂直”是與磁性接合層中之一或更多實質垂直的方向。
本文以最有利於了解本發明的方式把各種操作描述成是以多個離散步驟完成。不過，提及步驟的順序不意謂該等操作有順序依賴性或完成步驟的順序必須是該等步驟所呈現的順序。
關於本文實質任何複數及/或單數用語的用法，熟諳此藝者若認為背景及/或應用適當時可由複數轉成單數或由單數轉成複數。為了說明簡潔，各種單數/複數排列可能會在此明確規定。
熟諳此藝者應瞭解，一般而言，用於本文的用語，特別是用於隨附申請專利範圍(例如，隨附申請專利範圍主體)的，大體希望作為“開放性”用語(例如，用語“包含”應被解釋成“包含但不受限於”，用語“具有”應被解釋成“至少具有”，用語“包含”應被解釋成“包含但不受限於，等等。熟諳此藝者也應瞭解，如果想要有特定數字的引介式申請項敘述，則此意圖會明確敘述於申請項中，以及在沒有此類敘述時，就沒有這種意圖。例如，為幫助理解，下列隨附申請專利範圍可能包含使用引介片語“至少一”及“一或更多，以引介申請項敘述。不過，使用此類片語不應被視為意謂申請項敘述加入不定冠詞“一(a)”或“一(an)”是要使包含此類申請項敘述的任何特定申請項限定為只包含此一敘述的實施例，即使同一個申請項包含引介片語“一或更多”或“至少一”以及“一(a)”或“一(an)”之類的不定冠詞(例如，“一(a)”及/或“一(an)”應被解釋成意指“至少一”或“一或更多”)；這在不定冠詞用來引介申請項敘述時也成立。此外，以使用與“A、B或C中之至少一者等等”類似之約定的情形而言，此一編排的意思大體旨在熟諳此藝者會了解該約定(例如，“有A、B或C中之至少一者的系統”可包含但不受限於只有A、只有B、只有C、有A及B、有A及C、有B及C及/或有A、B、C的系統、等等)。熟諳此藝者也應瞭解，不論是在說明、申請項還是附圖中，表示兩個或更多替代用語的實質任何選言字詞及/或片語應被理解成涵蓋包含該等用語中之一個、任一或兩者的可能性。例如，片語“A或B” 會被理解成包括“A”或“B”或“A與B”的可能性。
儘管已特別圖示及描述本發明的示範具體實施例，然而本技藝一般技術人員會明白在形式及細節上仍可做出變體而不脫離隨附申請專利範圍的精神及範疇。
CL1‧‧‧第一傳導層
CL2‧‧‧第二傳導層
CS1‧‧‧第一傳導結構
CS2‧‧‧第二傳導結構
ECL‧‧‧交換耦合層
FLS‧‧‧自由層結構
FRL‧‧‧自由層
PL1‧‧‧第一釘紮層(或第一磁性層)
PL2‧‧‧第二釘紮層(或第二磁性層)
PLS‧‧‧釘紮層結構
PMI‧‧‧垂直磁化誘發層
SUB‧‧‧基板
TBR‧‧‧隧道勢壘

Claims (10)

  1. 一種磁性記憶體裝置，其係包含：一下電極；在該下電極上方的一磁性隧道接合，該磁性隧道接合包含一自由層結構、一釘紮層結構、以及在其間的一隧道勢壘；以及在該磁性隧道接合上方的一上電極，其中該自由層及該釘紮層結構各自包含具有一內在面內磁化性質的一面內層與一垂直磁化誘發層用以誘發該面內層的一垂直磁化性質，其中該自由層結構之該垂直磁化誘發層包含一非磁性金屬氧化物層，以及該釘紮層結構之該垂直磁化誘發層包含一交換耦合層與具有內在垂直磁化性質的一垂直層，其中該交換耦合層具有一厚度經選定，以此方式該釘紮層結構之該垂直層與該面內層係經受其間的反鐵磁性交換耦合。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該交換耦合層配置於該釘紮層結構的該垂直層與該面內層之間，以及該非磁性金屬氧化物層係經裝設成直接地覆蓋該自由層結構之該面內層。
  3. 如請求項1所述之裝置，其中該交換耦合層係由釕、銥或銠其中至少一者形成。
  4. 如請求項1所述之裝置，其中該交換耦合層的厚度最大化該釘紮層結構之該垂直層與該面內層之間的該反鐵磁性交換耦合。
  5. 如請求項1所述之裝置，其中該交換耦合層的厚度在約2.5埃(Å)至約5.0埃的範圍內。
  6. 如請求項1所述之裝置，其中該非磁性金屬氧化物層為包含鉭氧化物、氧化鎂、氧化釕、氧化銥、氧化鉑、氧化鈀或氧化鈦其中至少一者的單層或多層結構。
  7. 如請求項1所述之裝置，其中該釘紮層結構之該面內層為包含鈷、鐵或彼等之合金中之至少一者的單層或多層結構。
  8. 如請求項1所述之裝置，其中該釘紮層結構之該面內層為包含有該內在面內磁化性質之一對磁性層以及插在其間之一非磁性金屬層的多層結構。
  9. 如請求項1所述之裝置，其中該自由層結構之該面內層為包含有該內在面內磁化性質之一對磁性層以及插在其間之一非磁性金屬層的多層結構。
  10. 如請求項9所述之裝置，其中該對磁性層均由CoFeB形成，以及該非磁性金屬層為厚約2埃至約20埃的一鉭層。
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