TWI640001B - 感應式自旋軌道力矩元件及其製造方法 - Google Patents

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康隆 王
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Abstract

本發明係一種感應式自旋軌道力矩元件及其製造方法，其包含以化學氣相沉積一二維薄膜，以及以濺鍍形成一鐵磁材料層於薄膜上，其中二維薄膜之晶體結構具有至少一晶面成非對稱排列，並且二維薄膜之厚度為至少一單位晶胞層，且該至少一單位晶胞層之總和為奇數，藉由二維薄膜產生之垂直磁矩以及厚度的微縮，以減少元件尺寸以及製程成本。

Description

感應式自旋軌道力矩元件及其製造方法
本發明是關於一種力矩元件及其製造方法，尤其指感應式自旋軌道力矩元件。
現今普遍記憶體為靜態隨機存取記憶體(Static Random-Access Memory,SRAM)與動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory，DRAM)，前者優點為速度快，後者優點為密度高，然而兩種記憶體均主要以電晶體組成，體積龐大，且優點難以並存且均為揮發性記憶體。前瞻記憶體則住要係透過控制材料之磁性，產生0與1之狀態，可為非揮發性記憶體材料且兼容速度快與體積小之優點。
自旋電子元件之蓬勃發展，過去均係將磁矩沿著平面排列作為感應機制，惟為產生顯著磁性向量翻轉現象，使用材料須具備一定厚度，不適於大量生產。電子自旋(Spin)係指電子本身角動量使其如同古典物理自轉，並伴隨著力矩作用於電子軌道上。
習知技術磁性記憶體元件為了產生顯著磁化現象，且因磁矩通常沿著材料的平面，故須將磁性材料之厚度增加，並以貼附的方式將兩種材料組合在一起，然而此種方式將使的記憶體之體積增加，造成體積龐大，且更不利於大量生產。
本發明之目的在於提供一種感應式自旋軌道力矩元件及其製造方法，具有可感應材料自旋力矩之特性。
本發明之另一目的在於提供一種感應式自旋軌道力矩記憶體，具有微縮體積特性且製程成本低，適於大量生產。
為達到上述所指稱之各目的與功效，本發明係感應式自旋軌道力矩元件及其製造方法，其包含一二維薄膜、一鐵磁材料層，該二維薄膜之晶體結構至少有一晶面成非對稱排列。
在其中一實施例，揭露一種感應式自旋軌道力矩元件之製造方法，於一第一腔室以化學氣相沉積法形成一過渡金屬二硫屬化物層於一藍寶石上；經由一過渡腔室移轉至一第二腔室；以及於該第二腔室濺鍍形成一鐵磁材料層於該二維材料層之一第一方向上。
本發明之感應式自旋軌道力矩元件及其製造方法，使得記憶體元件厚度得以縮減，並且可一次形成大面積之元件，節省後續記憶體元件製程之成本。
10‧‧‧二維薄膜
20‧‧‧鐵磁材料層
301‧‧‧第一電極
302‧‧‧第二電極
401‧‧‧第一氧化層
402‧‧‧第二氧化層
a1‧‧‧鍵結
a2‧‧‧鍵結
C1‧‧‧第一腔室
C2‧‧‧第二腔室
G1‧‧‧第一閘門
G2‧‧‧第二閘門
LL‧‧‧過渡腔室
S1‧‧‧步驟1
S2‧‧‧步驟2
S3‧‧‧步驟3
X‧‧‧第二方向
Y‧‧‧第三方向
Z‧‧‧第一方向
第一圖：其係為本發明之一實施例之示意圖；第二A圖：其係為本發明之二維薄膜晶體結構俯視圖；第二B圖：其係為本發明之二維薄膜晶體結構側視圖；第三圖：其係為本發明感應式自旋軌道力矩元件之製造流程圖；第四圖：其係為本發明第一腔室C1、過渡腔室及第二腔室C2示意圖；第五圖：其係為本發明之自旋軌道記憶體實施例示意圖。
為使 貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：參照第一圖，其係一實施例之示意圖；如圖所示，本發明感應式自旋軌道力矩元件，其係包含：一二維薄膜10、一鐵磁材料層20。
二維薄膜10垂直該平面為一第一方向Z，鐵磁材料層20設置於該二維薄膜10之第一方向Z上，二維薄膜10之第二方向X與第三方向Y為平行薄膜之方向。
請一併參照第二A、二B圖，其係為二維薄膜晶體結構俯視圖及側視圖：如圖所示，該二維薄膜10晶體結構(Crystal structure)之晶面(Lattice plane)為非對稱排列(asymmetry)。所謂晶體結構，即係薄膜之一單位晶胞(Unit Cell)以週期性延伸排列；所謂晶面，即係透過米勒指數(Miller Index)指定之晶體平面；所謂非對稱排列，即係基於原子排列之非對稱結構(如第二B圖中，鍵結a1與鍵結a2長度與位置不相等，使的整體結構不對稱)。此外，電子自旋之操控，除材料特性外，也與材料之晶體結構具有相當關聯，若為對稱性結構，則可能發生電子自旋相互影響而削減力矩效應。本發明之二維薄膜10厚度為奇數個單位晶胞層，亦即二維薄膜10在第一方向Z上之晶體結構為1、3、5…層單位晶胞，藉此避免薄膜厚度在偶數層時產生對稱而減緩自旋軌道力矩效應，需注意的是，此處為便於理解以直角坐標X、Y與Z表示，惟並非限制晶體結構非對稱排列之晶面方向，而應係以米勒指數表示之晶面。
本發明使二維薄膜至少一晶面非對稱排列，於其他實施例之至少一係為2個晶面非對稱排列，具有薄膜表面之垂直磁矩，並結合鐵磁材料 層，當電流通過元件時，感應出自旋軌道力矩效應，使元件磁阻產生變化，以作為記憶體元件。
鐵磁材料層20選自係具有較佳垂直磁化之鐵鈷硼(CoFeB)。此外，電子元件之微縮使的二維材料逐漸受到重視，常見的二維材料例如過渡金屬二硫屬化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMDs)，其具有與石墨烯相似之單原子層晶體結構，且兼具垂直磁矩之特性，故過渡金屬二硫屬化物為電子微縮技術中相當重要的材料之一。過渡金屬二硫屬化物(TMDs)係得以MX表示之多元化合物，其中M為過渡金屬元素裡的第四、五或六族，X則為硫族元素，本發明之薄膜材料係具有自旋軌道隅合之過渡金屬二硫屬化物，例如：硫化鉬化合物(MoS、MoSSe)、硫化鎢化合物(WS、WSSe)、二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)或二硒化鎢(WSe2)，或以MX組合而成之多元化合物。由於此種過渡金屬二硫屬化物之晶體結構之原子排列趨近平面，如使用一單位晶胞層，不僅可達成感應自旋軌道力矩之功效，且可使元件尺度微縮，減少製程成本。
請參照第三圖，其係為本發明感應式自旋軌道力矩元件之製造流程圖，如圖所示，其包含，步驟S1：於一第一腔室以化學氣相沉積法(CVD)形成一過渡金屬二硫屬化物層於一藍寶石上；步驟2：經由過渡腔室(Load Lock)移轉至第二腔室；步驟3：於第二腔室濺鍍(Sputtering)形成一鐵磁材料層於過渡金屬二硫屬化物上。
請參照第四圖，其係為本發明第一腔室C1、過渡腔室及第二腔室C2示意圖，如圖所示：第一腔室C1、過渡腔室LL及第二腔室C2間分別具有第一閘門G1與第二閘門G2。於第一腔室中C1以化學氣相沉積方式完成過渡金屬二硫屬化物層，並調整過渡腔室LL之氣壓。當過渡腔室LL氣壓與第一腔室C1相同後，第一閘門G1打開並移轉至過渡腔室LL。接著第一閘門G1 關閉，並調整第二腔室C2之氣壓。當第二腔室C2氣壓與過渡腔室LL相同後，第二閘門G2打開並移轉至第二腔室C1，已完成後續濺鍍步驟。
透過化學氣相沉積法，可形成大面積之二維材料，減少記憶體元件製作成本。且由於材料界面中的缺陷會影響電子自旋效應，故本發明製作流程藉由過渡腔室緩衝製程時的壓力差，不讓載體碰到空氣，減少二維材料與鐵磁材料介面之缺陷，並影響自旋軌道力矩之效應。
請參照第五圖，其係為本發明之自旋軌道力矩記憶體實施例示意圖，如圖所示，除具有前述之二維薄膜10及鐵磁材料層20，更進一步包含第一電極301、第一氧化層401、第二電極302及第二氧化層402，該二維薄膜10及鐵磁材料層20被夾設於第一電極301、第一氧化層401與第二電極302、第二氧化層402之間，第一電極301與第二電極302耦接電壓產生電流通過，二維薄膜與鐵磁材料介面發生自旋軌道力矩效應，透過磁阻之變化而判斷記憶體元件之0或1狀態。相較於先前技術，二維薄膜厚度為原子層級，最低乃至一個單位晶胞層，記憶體厚度大幅減縮，且二維薄膜之製程可大面積製作進而裁切，相較於先前技術使用貼附方式，本發明之自旋軌道力矩記憶體之生產成本顯著降低。
本發明為一感應式自旋軌道力矩元件及其製造方法，其包含以化學氣相沉積法形成一二維薄膜，以及以濺鍍方法形成一鐵磁材料層於薄膜上，其中薄膜之晶體結構具有至少一晶面為非對稱排列，且薄膜厚度為奇數個單位晶胞層，最佳化為一單位晶胞層，使的元件厚度得以縮減，並且藉由上述結構與製造方法，可一次形成大面積之薄膜，進而圖形化後形成記憶體元件，節省製程成本。
故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。
惟以上所述者，僅為本發明一實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims (10)

  1. 一種感應式自旋軌道力矩元件，其包含：一二維薄膜；以及一鐵磁材料層，設置於該二維薄膜上；其中該二維薄膜之晶體結構有至少一晶面呈非對稱排列，該二維薄膜之厚度為至少一單位晶胞層，且該至少一單位晶胞層之總和為奇數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感應式自旋軌道力矩元件，其中該至少一晶面為2個晶面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之感應式自旋軌道力矩元件，其中該二維薄膜之材料選自具有自旋軌道隅合之過渡金屬二硫屬化物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之感應式自旋軌道力矩元件，其中該鐵磁材料層為鈷鐵硼。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之感應式自旋軌道力矩元件，其中二維薄膜垂直該晶面為第一方向，該鐵磁材料層設置於該二維薄膜之該第一方向上，該二維薄膜之第二方向與第三方向為平行薄膜之方向。
  6. 一種自旋軌道力矩記憶體，其包含：一第一電極；一第一氧化層，設置於該第一電極上；一二維薄膜，設置於該第一氧化層上；一鐵磁材料層，設置於該二為薄膜上；一第二氧化層，設置於該鐵磁材料層上；一第二電極，設置於該第二氧化層上；其中該二維薄膜之晶體結構有至少一晶面呈非對稱排列，該二維薄膜之厚度為至少一單位晶胞層。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之自旋軌道力矩記憶體，其中該至少一單位晶胞層之總和為奇數。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之自旋軌道力矩記憶體，其中該至少一晶面為2個晶面。
  9. 一種感應式自旋軌道力矩元件之製造方法，其步驟包含：於一第一腔室以化學氣相沉積法形成一過渡金屬二硫屬化物層於一藍寶石上；經由一過渡腔室移轉至一第二腔室；以及於該第二腔室濺鍍形成一鐵磁材料層於該二維材料層之一第一方向上。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之製造方法，其中該過渡金屬二硫屬化物層之厚度為至少一單位晶胞層，該至少一單位晶胞層之總和為奇數。
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