TWI643367B - 形成磁性裝置的自由層的材料組成、自由層與磁性元件 - Google Patents

形成磁性裝置的自由層的材料組成、自由層與磁性元件 Download PDF

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Abstract

一種用於形成STT結構(諸如，單MTJ結構或雙MTJ結構)中的自由層的材料組成可包含CoxFeyMz，其中M為非磁性材料，其輔助形成良好結晶取向且在所述自由層與MgO界面之間匹配。材料M較佳不偏析至MgO界面，或若材料M偏析至MgO界面，則材料M亦不會顯著損害自由層的PMA。自由層可更包含連接層，其中M在退火期間被吸引至插入層。自由層可包含分級組成CoxFeyMz，其中z在自由層內改變。

Description

形成磁性裝置的自由層的材料組成、自由層與磁性元件 【相關申請案的交叉參考】
本申請案為2011年12月5日申請的美國專利申請案第13/311,308號的部分接續申請案，且主張其優先權，而美國專利申請案第13/311,308號為2009年9月15日申請的美國專利申請案第12/560,362號的接續申請案，且主張其優先權，所述美國專利申請案中的每一者的全部內容以引用方式併入本文中。
本文件是關於磁性材料以及具有至少一個自由鐵磁性層的結構。
各種磁性材料使用多層結構，所述多層結構具有設置為「自由」層的至少一個鐵磁性層，所述「自由」層的磁性方向可由外部磁場或控制電流改變。磁性記憶體裝置可使用此等多層結構來建構，其中資訊基於自由層的磁性方向來儲存。
此種多層結構的一個實例為包含至少三層的自旋閥(spin valve,SV)：兩個鐵磁性層以及位於所述兩個鐵磁性層之間的傳導層。此種多層結構的另一實例為包含至少三層的磁性或磁阻性穿隧接面(MTJ)：兩個鐵磁性層以及位於所述兩個鐵磁性層之間作為阻障層的非磁性絕緣體的薄層。用於中間阻障層的絕緣體不導電，且因此充當兩個鐵磁性層之間的阻障。然而，當絕緣體的材料足夠薄(例如，幾奈米或更少)時，兩個鐵磁性層中的電子在跨越阻障層施加至兩個鐵磁性層的偏壓電壓下由於穿隧效應而「穿透」絕緣體的薄層。
值得注意的是，對於跨越MTJ或SV結構的電流的電阻隨著兩個鐵磁性層中的磁化的相對方向而變化。當兩個鐵磁性層的磁化彼此平行時，跨越MTJ或SV結構的電阻處於最小值RP。 當兩個鐵磁性層的磁化彼此反平行(anti-parallel)時，跨越MTJ或SV的電阻處於最大值RAP。此效應的量值通常藉由MTJ中的穿隧磁阻(TMR)或SV中的磁阻(MR)來表徵，定義為(RAP-RP)/RP。
本文件揭露使用磁性元件的技術、裝置以及系統，所述磁性元件至少包含：固定磁性層，具有垂直異向性；非磁性間隔物層；以及自由磁性層，具有垂直異向性，其促進實質上垂直於磁性層的平面的磁化。所述間隔物層位於所述固定層與所述自由 層之間。所述磁性元件經設置以允許自由層在寫入電流穿過磁性元件時使用自旋轉移來切換。
在一個態樣中，揭露在多層磁性元件中提供垂直異向性的方法以及結構。在一個實施方案中，固定層被提供為具有在實質上垂直於所述固定層的方向上固定的磁化，非磁性間隔物層被提供於所述固定層上方，且自由層相對於所述固定層以及所述間隔物層而定位，以使得所述間隔物層位於所述自由層與所述固定層之間。所述自由層具有實質上垂直於所述自由層且可相對於所述固定層磁化而改變的自由層磁化。界面層與所述間隔物層接觸且為磁性層。連接層與所述界面層以及所述自由層接觸。所述連接層具有一種結構，所述結構在所述自由層與所述界面層之間提供維持所述界面層的磁化實質上垂直於所述界面層的磁性耦合，且在所述自由層與所述界面層之間提供間距以允許所述自由層以及所述界面層具有不同材料結構。
所述自由層及/或所述固定層經設置以具有垂直異向性。 在某些實施方案中，所述自由層及/或所述固定層可包含鐵磁性(Ni,Fe,Co)100-y(Pd,Pt)y，其中y介於20原子%與80原子%之間，或介於50原子%與75原子%之間。
在某些實施方案中，具有垂直異向性的所述自由層及/或所述固定層可包含與非磁性材料組合的鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)50(Pd,Pt)50。在某些實施方案中，所述非磁性材料可包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、 Re、Au、Ag、Cu中的至少一者。在某些實施方案中，所述非磁性材料可包含B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬中的至少一者。在某些實施方案中，所述非磁性材料可包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu中的至少一者以及B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。
在某些實施方案中，具有垂直異向性的所述自由層及/或所述固定層可包含與非磁性材料組合的鐵磁性材料Ni、Fe或至少包含Ni及/或Fe的Ni、Fe及/或Co的合金。在某些實施方案中，所述非磁性材料可包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。
在某些實施方案中，具有垂直異向性的所述自由層及/或所述固定層可包含與非磁性材料組合的鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)。 在某些實施方案中，所述非磁性材料可包含Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd中的至少一者以及Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu中的至少一者。在某些實施方案中，所述非磁性材料可包含Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd中的至少一者以及B、C、N、O、Al、Si、 P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。
在某些實施方案中，具有垂直異向性的所述自由層及/或所述固定層可包含材料Mn及/或至少包含與非磁性材料組合的Ni、Al、Cr及/或Fe。在某些實施方案中，所述非磁性材料可包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。
在某些實施方案中，具有垂直異向性的所述自由層及/或所述固定層可包含多層，所述多層包含磁性材料層與非磁性材料層的交替層。在某些實施方案中，所述磁性材料層包含(Ni,Fe,Co)，且所述非磁性材料層包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu中的至少一者。 在某些實施方案中，所述磁性材料層包含(Ni,Fe,Co)，且所述非磁性材料層包含B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。在某些實施方案中，所述磁性材料層包含(Ni,Fe,Co)50(Pd,Pt)50，且所述非磁性材料層包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu中的至少一者。在某些實施方案中，所述磁性材料層包含與Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu中的至少一者組合的(Ni,Fe,Co)。 在某些實施方案中，所述磁性材料層包含與Cr、Ta、Nb、V、W、 Hf、Ti、Zr、Pt、Pd中的至少一者組合的(Ni,Fe,Co)，且所述非磁性材料層包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu中的至少一者。在某些實施方案中，所述磁性材料層包含與B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn中的至少一者組合的(Ni,Fe,Co)，且所述非磁性材料層包含Cr、Pt、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu中的至少一者。在某些實施方案中，所述磁性材料層包含與Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd中的至少一者組合的(Ni,Fe,Co)，且所述非磁性材料層包含B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。
在另一態樣中，一種裝置被提供為包含磁性元件陣列，所述磁性元件陣列包含基板以及形成於所述基板上的磁性元件。 每一磁性元件包含：固定層，具有在實質上垂直於所述固定層的方向上固定的固定層磁化；非磁性間隔物層，位於所述固定層上方；界面層，與所述間隔物層接觸且為磁性層；連接層，與所述界面層接觸；以及自由層，與所述連接層接觸，且具有實質上垂直於所述自由層且可基於自旋力矩轉移相對於所述固定層磁化而改變的自由層磁化。所述連接層具有一種結構，所述結構在所述自由層與所述界面層之間提供維持所述界面層的磁化實質上垂直於所述界面層的磁性耦合，且在所述自由層與所述界面層之間提供間距以允許所述自由層以及所述界面層具有不同材料結構。所述自由層包含電路，所述電路耦合至所述磁性元件陣列，且供應 電流以在實質上垂直於每一磁性元件的層的方向上流經所述層以基於自旋力矩轉移而在兩個磁化方向之間切換所述自由層的所述磁化。
雖然圖式可能在一些情形下展示配置為鄰近於磁性層的界面層的不同磁化，但應注意，當存在鄰近於磁性層的界面層時，兩者可強耦合且充當單一切換元件。此外，當磁性層(無論是固定磁性層還是自由磁性層)實施有界面層時，所述界面層可實際上成為所述界面層所鄰近的所述固定層或所述自由層的一部分，且因此與自由層/固定層加上獨立界面層相比，可被視為兩部分自由層或固定層(例如，「自由層部分A+自由層部分B」或「固定層部分A+固定層部分B」。
此等及其他實施方案更詳細地描述於圖式、實施方式以及申請專利範圍中。
1‧‧‧基板
10‧‧‧磁性元件
10'‧‧‧磁性元件
12‧‧‧反鐵磁性(AFM)層
12'‧‧‧AFM層
14‧‧‧固定層
14'‧‧‧固定層
15‧‧‧固定磁化
15'‧‧‧固定層磁化
16‧‧‧導電間隔物層
16'‧‧‧絕緣阻障層
18‧‧‧自由層
18'‧‧‧自由層
19‧‧‧可改變的磁化
19'‧‧‧可改變的磁化
20‧‧‧頂部觸點
22‧‧‧底部觸點
100‧‧‧磁性元件
100'‧‧‧磁性元件
110‧‧‧固定層
110'‧‧‧固定層
111‧‧‧固定層磁化
111'‧‧‧固定層磁化
120‧‧‧非磁性間隔物層
120'‧‧‧非磁性間隔物層
130‧‧‧自由層
130'‧‧‧自由層
131‧‧‧自由層磁化
131'‧‧‧磁化
200‧‧‧裝置
200'‧‧‧裝置
200"‧‧‧裝置
210‧‧‧磁化層/固定層
210'‧‧‧固定層
210"‧‧‧固定層
211‧‧‧固定的實質上垂直的磁化
211'‧‧‧固定的實質上垂直的磁化
211"‧‧‧固定的實質上垂直的磁化
220‧‧‧非磁性間隔物層
220'‧‧‧間隔物層
220"‧‧‧間隔物層
230‧‧‧磁化層/界面層
230'‧‧‧第一界面層
230"‧‧‧第一界面層
231‧‧‧實質上垂直的磁化
231"‧‧‧實質上垂直的磁化
240'‧‧‧第一連接層
250‧‧‧磁化層/自由層
250'‧‧‧自由層
250"‧‧‧自由層
251‧‧‧垂直磁化
251'‧‧‧實質上垂直的磁化
251"‧‧‧實質上垂直的磁化
260'‧‧‧界面層
260"‧‧‧第二界面層
261'‧‧‧實質上垂直的磁化
261"‧‧‧實質上垂直的磁化
300‧‧‧磁性元件
300'‧‧‧磁性元件
300"‧‧‧磁性元件
330‧‧‧磁性層/界面層
330'‧‧‧第一界面層
331‧‧‧高磁化
331'‧‧‧實質上垂直的磁化
340‧‧‧磁性層/連接層
360‧‧‧第二界面層
361‧‧‧磁化
370‧‧‧連接層
400‧‧‧裝置
410‧‧‧磁性元件
500‧‧‧磁性裝置
501‧‧‧磁性元件
510‧‧‧導體線
520‧‧‧第二導體線
530‧‧‧電子隔離裝置/電晶體
540‧‧‧驅動電流
601‧‧‧位元線選擇器
602‧‧‧源極線選擇器
603‧‧‧字元線選擇器
610‧‧‧胞元
620‧‧‧選擇電晶體
5000‧‧‧記憶卡
5010‧‧‧控制器
5020‧‧‧記憶體
6000‧‧‧系統
6010‧‧‧控制器
6020‧‧‧輸入/輸出(I/O)單元
630‧‧‧記憶體單元
640‧‧‧介面單元
650‧‧‧匯流排
圖1A展示呈自旋閥的形式的磁性元件的實例。
圖1B展示呈自旋穿隧接面的形式的磁性元件的實例。
圖2A及圖2B描繪固定層位於非磁性間隔物的下方及上方的具有垂直異向性的兩個磁性元件的實例。
圖3A、圖3B及圖3C展示基於一或多個界面層的具有垂直異向性的磁性元件的實例。
圖4A、圖4B及圖4C展示基於界面層及連接層的具有垂直異向性的磁性元件的兩個實例。
圖5描繪基於界面層及連接層的各自具有垂直異向性的磁性元件的陣列的裝置的實例。
圖6描繪連接至位元線以及隔離裝置的具有異向性自由層及/或固定層的磁性元件的實例。
圖7描繪圖6中的裝置的例示性實施方案，其說明以垂直異向性自由層及/或固定層基於自旋轉移力矩切換來操作裝置的電路。
圖8為說明包括鐵(Fe)及硼(B)的自由層的原子結構的示意圖，所述原子結構是根據硼配置於自由層內不同位置處的四個不同設置。
圖9a及圖9b為分別說明圖8所示的四個不同結構中的每一者的異向性以及相對穩定性的曲線圖。
圖10為比較圖8的自由層的原子結構與根據本發明概念的一個實施例的含有鍺(Ge)的自由層的原子結構的示意圖。
圖11a、圖11b及圖11c為分別比較圖10所示的結構的異向性、相對穩定性以及B及Ge濃度的曲線圖。
圖12為比較兩個不同溫度下的包含間隙B及Ge的自由層的異向性的曲線圖。
圖13為說明具有非晶化劑X的六個不同自由層結構的原子結構的示意圖。
圖14a、圖14b及圖14c為分別比較根據圖13的六個不同結構中的每一者而配置的不同非晶化劑X的異向性、相對穩定性以及層濃度的曲線圖。
圖15為比較兩個不同溫度下的不同非晶化劑X的異向性的曲線圖。
圖16為展示根據本發明概念的實施例的記憶卡的方塊圖。
圖17為展示根據本發明概念的實施例的系統的方塊圖。
具有由非磁性間隔物分離的自由層以及固定層的多層磁性元件在基板上單塊地生長時，需要鄰近層的某些材料性質相容或匹配(例如，晶格結構的匹配)。此可能限制適用於形成此等結構的材料的選擇，且因此影響所建構的磁性元件的性質。本文件中所描述的多層磁性元件的實例具有實質上垂直於自由層以及固定層的磁化(magnetization)。自由層以及固定(參考)層可包括若干鐵磁性層以提高TMR比率，達成高STT效率，且減小阻尼常數(damping constant)。
以下部分首先描述磁性元件的結構，且接著提供具有實質上垂直的磁化的磁性元件以及用於對所述磁性元件進行設計的額外層的實例。
圖1A及圖1B描繪形成於基板1上的例示性磁性元件10以及10'。磁性元件10為自旋閥，且包含反鐵磁性 (antiferromagnetic,AFM)層12、固定層14、導電間隔物層16以及自由層18。亦可使用其他層，諸如，晶種層或覆蓋層。固定層14以及自由層18為鐵磁性的。自由層18被描繪為具有可改變的磁化19。自由層18的磁化能夠自由地回應於外部磁場、驅動電流或兩者的組合而旋轉。導電間隔物層16為非磁性的。AFM層12用於將固定層14的磁化釘紮(pin)於特定方向上。在後退火(post annealing)之後，鐵磁性層14被釘紮而具有固定磁化15。 亦描繪頂部觸點20以及底部觸點22，其可用於驅動電流穿過磁性元件10。
圖1B所描繪的磁性元件10'為磁性穿隧接面。磁性元件10'包含AFM層12'、具有固定層磁化15'的固定層14'、絕緣阻障層16'、具有可改變的磁化19'的自由層18'。阻障層16'對於電子在磁性穿隧接面10'中穿隧而言為足夠薄的。
在TMR或MR效應中流經MTJ或SV的電流的電阻與兩個鐵磁性層之間的相對磁性方向之間的關係可供非揮發性磁性記憶體裝置使用，以將資訊儲存於磁性元件的磁性狀態中。基於TMR或MR效應的磁性隨機存取記憶體(magnetic random access memory,MRAM)裝置(例如)可為電子RAM裝置的替代且與其競爭。在此等裝置中，一個鐵磁性層經設置以具有固定磁性方向，且另一鐵磁性層為磁性方向可改變為與固定方向平行或相反的「自由」層，且因此作為記錄層而操作。資訊是基於MTJ或SV的阻障的兩側上的兩個鐵磁性層的相對磁性方向而儲存。舉例而 言，二進制位元「1」及「0」可記錄為MTJ或SV中的兩個鐵磁性層的平行定向以及反平行定向。將位元記錄或寫入於MTJ或SV中可藉由切換自由層的磁化方向(例如，採用藉由將電流供應至安置為交叉條帶形狀的寫入線而產生的寫入磁場，或基於自旋轉移效應採用流經MTJ或SV的電流，採用施加寫入磁場與電流兩者的組合，或採用其他方式)來達成。
將自旋轉移效應用於切換的磁性隨機存取記憶體裝置可在低於實際裝置應用的107安培/平方公分的低切換電流密度Jc(例如，約106安培/平方公分或低於106安培/平方公分)下操作。此低切換電流密度有利地實現具有高偏壓電流的密集封裝的記憶胞(例如，次微米橫向尺寸)的形成。自旋轉移切換電流密度Jc的減小對於製造以高操作速度、低電力消耗以及高空間密度的記憶胞為特徵的MRAM裝置可為關鍵的。然而，在記憶體裝置的降低的技術節點的情況下，熱穩定性降低且日益影響此等裝置的效能。在MTJ保存所儲存的資料時的延時的週期期間，自由層中的磁化並非完全靜態的，且可由於熱波動而改變，所述熱波動允許自由層內的磁矩振盪或旋進。此等波動的隨機本質使得可導致自由層磁化的倒轉的罕有的異常大的波動發生。
具有垂直異向性的磁性材料可用於在包含自旋轉移磁性裝置的磁性裝置中提供提高的熱穩定性。在此等裝置中，熱活化因素取決於磁性元件的自由層的體積以及垂直磁性異向性，且熱穩定性隨著磁性元件的體積減小而降低。大的垂直異向性可補償 由於相關聯於減小的裝置大小的體積的減小而引起的降低的熱穩定性。此外，對於利用垂直異向性的自旋轉移裝置，在裝置設計中不再需要平面內(in-plane)形狀異向性。因此，裝置形狀可為圓形的，而非細長形狀的，以改良半導體裝置面積密度。
基於自旋轉移模型，在不存在外部磁場的情況下，針對具有平面外(out-of-plane)或垂直的主要異向性的膜，切換電流密度可表達為：Jc呈比例變化於α Ms t(H⊥-4πMs)/η其中α為現象吉伯特阻尼(phenomenological Gilbert damping)，t及Ms分別為自由層的厚度以及飽和磁化。H⊥為可因界面(或表面)異向性及/或磁彈性能量的效應而引起的本質垂直單軸異向性場。η對應於自旋轉移切換的效率。4πMs源自實質上垂直於膜平面的去磁場。
針對具有平面外垂直異向性的膜的狀況，H⊥的絕對值通常大於4πMs的絕對值。因此，在具有垂直異向性的膜的狀況下，(H⊥-4πMs)項以及相關聯的切換電流密度Jc可經由自由層的H⊥的最佳化而減小。此外，自由層的磁化Ms的減小可用於減小切換電流密度Jc。
基於具有實質上垂直的磁化層的磁性元件的磁性裝置可使用自旋轉移效應來切換。小自旋轉移切換電流以及高讀取信號可藉由在自旋閥以及磁性穿隧接面膜中使用實質上垂直的磁化來達成。
圖2A描繪基板1上的磁性元件100的一個實施方案。此磁性元件100包含位於頂部的自由層130以及位於底部的固定層110，自由層130與固定層110兩者具有垂直異向性。非磁性間隔物層120形成於固定層110與自由層130之間。固定層110具有實質上垂直於固定層110的固定層磁化111，且自由層130具有實質上垂直於自由層130的可倒轉的自由層磁化131。可使用自旋轉移效應來寫入自由層磁化131。在此實例中，固定層110位於非磁性間隔物層120下方以及基板1上方，且自由層130位於非磁性間隔物層120上方。固定層110及/或自由層130可包含以非磁性層或氧化物層形成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。非磁性間隔物層120可包含絕緣層，諸如，Al2O3、MgO、TiO、TaO以及其他氧化物。非磁性間隔物層120可包含傳導層，諸如，Cu。可包含反鐵磁性層，以在後退火之後將固定層磁化111的磁化釘紮於所要方向上。
圖2B描繪基板1上的磁性元件100'的另一實施方案，磁性元件100'具有自由層以及固定層，自由層與固定層兩者具有垂直異向性。磁性元件100'包含具有固定層磁化111'的固定層110'、非磁性間隔物層120'以及具有可使用自旋轉移而寫入的磁化131'的自由層130'。固定層110'位於非磁性間隔物層120'上方，且自由層130'位於非磁性間隔物層120'下方以及基板1上方。固定層110'及/或自由層130'可包含以非磁性層或氧化物層形成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。非磁性間 隔物層120'可包含絕緣層，諸如，Al2O3、MgO、TiO、TaO以及其他氧化物。非磁性間隔物層120'可包含傳導層，諸如，Cu。可包含反鐵磁性層，以在後退火之後將固定層磁化111'的磁化釘紮於所要方向上。
覆蓋層可在圖2A中包含於自由層130上方，且在圖2B中包含於固定層110'上方。且，晶種層可在圖2A中包含於固定層110與基板1之間，且在圖2B中包含於自由層130'與基板1之間。 無論具有平面內異向性還是垂直異向性，覆蓋層與晶種層兩者可為單層或多層結構、結晶或非晶狀態、金屬或氧化物、磁性或非磁性的。覆蓋層及/或晶種層可為以下各者中的至少一者：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu；或B、C、N、O、Al、Si、P、S或其合金、或與過渡金屬的氧化物、氮化物、矽化物，諸如，AlMg、CrTi、CrMo、CrRu、NiAl、NiP、NiFeCr、MgO、TaO、TiO、AlO、SiO、CuAlO、TiN、TaN、CuN、FeSi、CoO、NiO。覆蓋層及/或晶種層可針對垂直性質而改良紋理，針對堆疊生長及穿隧磁阻而改良界面性質，針對相互擴散而充當終止層，針對堆疊穩定性而提供保護蓋或塗層，及/或屏蔽磁性層免受雜散磁場影響。
在圖2A中，為了獲得具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，鐵磁性材料以及非磁性材料可組合於用於自由層130及/或固定層110中或用於自由層130及/或固定層110的單一鐵磁性層中。因此，可藉由組合鐵磁性材料以及非磁性材料而製 造具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110。此外，可藉由提供包含磁性層以及非磁性層的多層的自由層而提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110。
在圖2B中，可藉由提供包含鐵磁性材料以及非磁性材料的自由層及/或固定層而實施具有垂直異向性的磁性層。為了獲得具有垂直異向性的自由層130'及/或固定層110'，鐵磁性材料以及非磁性材料可組合於用於自由層130'及/或固定層110'中或用於自由層130'及/或固定層110'的單一鐵磁性層中。因此，可藉由組合鐵磁性材料以及非磁性材料而製造具有垂直異向性的自由層130'及/或固定層110'。此外，可藉由提供包含磁性層以及非磁性層的多層的自由層而提供具有垂直異向性的自由層130'及/或固定層110'。
在一個實施方案中，具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110可具備鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)100-y(Pd,Pt)y，其中y介於20原子%與80原子%之間，或介於50原子%與75原子%之間。 此處，(Ni,Fe,Co)表示Ni、Fe、Co或Ni、Fe及/或Co的合金。 同樣，(Pd,Pt)表示Pd、Pt或Pd與Pt的合金。舉例而言，在此實施方案中，自由層130及/或固定層110可包括Co50Pt50或Co50Pd50。自由層130及/或固定層110可包含以非磁性層或氧化物層形成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。
在第二實施方案中，可藉由組合鐵磁性材料(Ni,Fe, Co)50(Pd,Pt)50與材料X來提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中X包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu中的至少一者。 在一個實施方案中，X的含量介於0與50原子%之間。舉例而言，在此實施方案中，自由層130可包括Co45Pd55、Co45Pd45Cu10、Co45Pd45Re10。自由層130及/或固定層110可包含以非磁性層或氧化物層形成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。
在第三實施方案中，可藉由組合鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)50(Pd,Pt)50與材料X來提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中X包含B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬中的至少一者。在一個實施方案中，X的含量介於0與50原子%之間。自由層130及/或固定層110可包含以非磁性層或氧化物層形成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。
在第四實施方案中，可藉由組合鐵磁性材料Ni、Fe或至少包含Ni及/或Fe的Ni、Fe及/或Co的合金與材料X來提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中X包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。在一個實施方案中，X的含量介於0與80原子%之間。 自由層130及/或固定層110可包含以非磁性層或氧化物層形成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。
在第五實施方案中，可藉由組合鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)50(Pd,Pt)50與材料X及Y來提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中X包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu；且其中Y包含B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。在一個實施方案中，X的含量介於0與50原子%之間。在一個實施方案中，Y的含量介於0與50原子%之間。自由層130及/或固定層110可包含以非磁性層或氧化物層形成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。
在第六實施方案中，可藉由(Ni,Fe,Co)與材料X及Y來提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中X包含Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd；且其中Y包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。在一個實施方案中，X及/或Y的含量介於0與80原子%之間。自由層130及/或固定層110可包含以非磁性層或氧化物層形成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。
在第七實施方案中，可藉由(Ni,Fe,Co)與材料X及Y來提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中X包含 Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho；且其中Y包含B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。在一個實施方案中，X及/或Y的含量介於0與80原子%之間。自由層130及/或固定層110可包含以非磁性層或氧化物層形成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。
在第八實施方案中，可由包括磁性材料及材料Y的交替層的多層提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中磁性材料層包含(Ni,Fe,Co)，且Y包含Ni、Fe、Co、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。Y的厚度可比磁性層薄、與磁性層相等或比磁性層厚。
在第九實施方案中，可由包括磁性材料及材料Y的交替層的多層提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中磁性材料層包含(Ni,Fe,Co)，且Y包含Ni、Fe、Co、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。Y的厚度可比磁性層薄、與磁性層相等或比磁性層厚。
在第十實施方案中，可由包括磁性材料及非磁性材料的交替層的多層提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中磁性材料層包含鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)50(Pd,Pt)50，且非磁性材料層包含材料X，其中X包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、 Os、Re、Au、Cu。非磁性材料層的厚度可比磁性層薄、與磁性層相等或比磁性層厚。
在第十一實施方案中，可由包括磁性材料及非磁性材料的交替層的多層提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中藉由組合鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)與材料X來提供磁性材料層，其中X包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。 非磁性材料層的厚度可比磁性層薄、與磁性層相等或比磁性層厚。
在第十二實施方案中，可由包括磁性材料及材料Y的交替層的多層提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中藉由組合鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)與材料X來提供磁性材料層，其中X包含Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd，且Y包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。Y的厚度可比磁性層薄、與磁性層相等或比磁性層厚。
在第十三實施方案中，可由包括磁性材料及材料Y的交替層的多層提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中藉由組合鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)與材料X來提供磁性材料層，其中X包含B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn中的至少一者，且Y包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。Y的厚度可比磁性層薄、與磁性層相等或比磁性層厚。
在第十四實施方案中，可由包括磁性材料及材料Y的交替層的多層提供具有垂直異向性的自由層130及/或固定層110，其中藉由組合鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)與材料X來提供磁性材料 層，其中X包含Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd，且Y包含B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。Y的厚度可比磁性層薄、與磁性層相等或比磁性層厚。
在第十五實施方案中，具有垂直異向性的所述自由層及/或所述固定層可包含材料Mn及/或至少包含與非磁性材料組合的Ni、Al、Cr、Co及/或Fe。在某些實施方案中，所述非磁性材料可包含Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物或過渡金屬矽化物中的至少一者。
上述實施方案可應用於圖12B中的固定層110'及/或自由層130'。
因為藉由自旋轉移效應而切換磁性元件所需的電流取決於自由磁性層的異向性場與去磁場之間的差異，所以引入垂直異向性可提供降低自旋轉移切換電流的益處。此外，在一些實施方案中，磁性元件的組成的控制可修改磁性材料的居裏溫度(Curie temperature)及磁矩，其可達成較低的自旋轉移切換電流以及提高的熱穩定性的益處。此外，在一些實施方案中，磁性元件的組成的控制可改良膜生長，其可導致磁性元件及裝置的改良的總效能。
在圖2A中的垂直磁性元件中，自由層130與間隔物層 120直接接觸。因此，自由層130以及間隔物層120的材料的晶格結構必須匹配。此限制可限制適用於形成此等結構的材料，且因此限制所建構的磁性元件的性質。舉例而言，基於圖2A及圖2B中的設計的一些垂直MTJ裝置使用展現不需要的高阻尼常數、低STT效率以及低TMR比率的材料。低TMR比率轉而導致STT-RAM晶片的不需要的低讀取速度，且低STT效率導致不需要的高STT切換電流。
下文所描述的垂直磁性元件的實施方案包含：固定層，具有在實質上垂直於固定層的平面的方向上固定的磁化；非磁性間隔物層，位於所述固定層上方；以及自由層。此外，一或多個額外層可包含於間隔物層與自由層之間及/或間隔物層與固定層之間，以對磁性元件的所要性質進行設計，例如，提高自旋轉移效率。此一或多個額外層在間隔物層與自由層及固定層中的至少一者之間形成中間物，以允許各種磁性材料用於自由層或固定層來達成磁性元件的所要性質。
在一些實施方案中，可提供一或多個界面層以與間隔物層接觸。此界面層為展現實質上垂直於所述界面層的磁化的磁性材料的薄層。此界面層可足夠薄(例如，小於1奈米或約1奈米)，以經由與自由層以及固定層的磁性耦合而維持所述界面層的磁化實質上垂直於磁性元件中的層。
圖3A、圖3B及圖3C展示具有此等額外層的具有垂直磁化的磁性元件的三個實例。在圖3A中的裝置200中，自由層為具 有可在兩個垂直方向上切換的垂直磁化251的磁化層250。固定層為具有固定的實質上垂直的磁化211的磁化層210。非磁性間隔物層220位於自由層250與固定層210之間。額外磁化層230(即，界面層)提供於自由層250與間隔物層220之間，以在自由層250與間隔物層220之間提供中間物，且具有實質上垂直的磁化231，實質上垂直的磁化231磁性釘紮至自由層250的磁化251以基於自旋力矩轉移隨著自由層250而切換。界面層230的厚度足夠薄(例如，小於1奈米)，以允許磁化231強耦合至自由層250的磁化251。界面層230的存在消除自由層250與間隔物層220之間的直接接觸以及界面，以允許所選擇的磁性材料用於自由層250。
圖3B展示使用界面磁化層的不同設計。此裝置200'包含：自由層250'，具有實質上垂直的磁化251'；間隔物層220'；界面層260'，與間隔物層220'接觸，且具有實質上垂直的磁化261'；以及固定層210'，具有固定的實質上垂直的磁化211'。界面層260'位於間隔物層220'與固定層210'之間，以消除固定層210'與間隔物層220'之間的直接界接(interfacing)。界面層260'的磁化261'磁性耦合及釘紮至固定層210'的固定磁化211'。
圖3C展示在間隔物層的相對側上實施兩個界面層以分離自由層與固定層兩者使之免於與間隔物層直接接觸的裝置的實例。此裝置200"包含：自由層250"，具有實質上垂直的磁化251"；間隔物層220"；第一界面層230"，與間隔物層220"接觸，且具有實質上垂直的磁化231"；固定層210"，具有固定的實質上垂直的 磁化211"；以及第二界面層260"，具有實質上垂直的磁化261"。 第一界面層230"位於間隔物層220"與自由層250"之間，以消除自由層250"與間隔物層220"之間的直接界接。第一界面層230"的磁化231"磁性耦合至自由層250"的自由磁化251"以隨著自由層250"而切換。第二界面層260"位於間隔物層220"與固定層210"之間，以消除固定層210"與間隔物層220"之間的直接界接。第二界面層260"的磁化261"磁性耦合及釘紮至固定層210"的固定磁化211"。
在其他實施方案中，兩個額外鄰近層的一或多個膜堆疊可包含於間隔物層與自由層之間及/或間隔物層與固定層之間，以對磁性元件的所要性質進行設計。一個膜堆疊的兩個額外鄰近層中，第一額外層為與間隔物層接觸的界面層。此界面層為具有「原生」磁化的磁性層，所述「原生」磁化實質上垂直於所述層，或在缺少與其他層的相互作用的情況下平行於界面層且實質上垂直於固定層磁化。在平行於界面層且實質上垂直於固定層磁化的狀況下，當與其他層磁性耦合時，界面層的磁化變得實質上垂直於界面層。第二額外層為連接層，其與一側上的界面層接觸且與另一側上的自由層或固定層接觸，以提供界面層與自由層或固定層的磁性耦合，以確保界面層的磁化實質上垂直於界面層。連接層為與實質上垂直的層以及界面層分開的層，且在實質上垂直的層與界面層之間實體上生長。可使界面層的厚度足夠大(例如，大於2至20埃)以達成大TMR比率。
圖4A展示具有此等額外層的具有實質上垂直的磁化的 磁性元件300的實例。自由層為具有可在兩個垂直的且相反的方向之間切換的實質上垂直的磁化251的層250。固定層為具有固定的垂直磁化211的層210。兩個額外層為位於自由層250與間隔物層220之間的磁性層330及340。磁性層330為具有足以提供高磁化331的厚度的界面層，且磁性層340為與自由層250及界面層330接觸以將界面層330的磁化磁性拉動至垂直於界面層330的連接層。
在此實例中，當界面層330獨立且不與其他層磁性耦合時，界面層330的磁化331位於界面層330的平面中。連接層340具有一種結構以在自由層250與界面層330之間提供磁性耦合，以確保界面層330的磁化垂直於界面層330。舉例而言，可使連接層340足夠薄以實現磁性耦合，所述磁性耦合將界面磁性層的磁化自其原始平面內方向驅動至垂直於平面的最終方向。界面層330的垂直磁化增強磁性元件的總體垂直異向性，且因此使自由層250穩定化而不受熱擾動及磁性擾動影響。可選擇連接層340以降低高磁化的界面層330與自由層250中的任一者或兩者的阻尼。
此外，連接層340在自由層250與界面層330之間提供結構分離或緩衝，以允許自由層250以及界面層330具有不同材料結構。連接層340的此功能提供選擇自由層250以及其他層的材料以增強最終磁性元件300的性質的靈活性。在由絕緣材料製成時，連接層340可防止自由層250的結晶性質影響由間隔物層220形成的穿隧接面阻障的結晶性。本設計消除實質上垂直的自由 層250與阻障層220之間的直接接觸，以避免自由層250的晶體性質與阻障層220的相關。因此，可設計層250及220的不同晶體性質(諸如，晶格類型)，以增強自旋力矩效率及TMR，而不限於由層250及220的相容性強加的限制。作為實例，磊晶MgO(001)結構可用作高品質的穿隧接面阻障，以改良STT裝置中的TMR比率。連接層340亦可促進在高極化的界面層330中誘發所要垂直異向性，且因此輔助實質上垂直的自由層250將高極化的界面層330的磁化自平面內方向拉動至實質上垂直的方向。
連接層340可由各種材料製成。一些實例包含電阻-面積積(resistance-area product)低於間隔物層220的包含MgO的結晶材料，諸如，MgO/Mn、MgO/Cr、MgO/V、MgO/Ta、MgO/Pd、MgO/Pt、MgO/Ru以及MgO/Cu。非晶材料亦可用於形成連接層340，諸如，氧化物SiOx、AlOx以及TiOx。氮化物材料亦可用於形成連接層340，諸如，TiN、TaN、CuN、SiNx。連接層340亦可由諸如以下各者的結晶匹配材料形成：Mn、Cr、W、Mo、V、Ru、Cu、Pt、Pd、Au以及Ta。
界面磁性層330可經設置以展現高自旋極化以及低阻尼。作為實例，當間隔物層220為MgO時，可選擇界面層330的材料以產生高TMR比率。在沉積時，此界面層330具有平面內異向性，且其異向性在多層結構形成時變為實質上垂直於界面層330。舉例而言，界面層330可包含Fe、FeCo、CoFeB以及具有高磁化及與MgO結晶性匹配的材料。
圖4B展示在間隔物層的兩側上具有界面層的磁性元件300'的實例。此裝置300'包含：自由層250'，具有實質上垂直的磁化251'；間隔物層220'；第一界面層330'，位於間隔物層220'與自由層250'之間，且具有實質上垂直的磁化331'；固定層210'，具有固定的實質上垂直的磁化211'；第二界面層360，與間隔物層220'接觸；以及連接層370，位於第二界面層360與固定層210'之間。第一界面層330'位於間隔物層220'與自由層250'之間，以消除自由層250'與間隔物層220'之間的直接界接。界面層330'的磁化331'磁性耦合至自由層250'的自由磁化251'，以隨著自由層250'而切換。連接層370將界面層360的磁化361磁性耦合至固定層210'，且因此固定磁化361。第二界面層360以及連接層370位於間隔物層220'與固定層210'之間，以消除固定層210'與間隔物層220'之間的直接界接。
圖4C展示磁性元件300"的另一實例，其除具有位於自由層與間隔物層之間的連接層以及界面層之外，亦在固定層與間隔物層之間實施第二連接層以及第二界面層。如所說明，磁性元件300"包含：自由層250'，具有實質上垂直的磁化251'；非磁性間隔物層220'；以及固定層210'，具有實質上垂直的磁化211'。類似於圖4A中的設計，在自由層250'與間隔物層220'之間，形成了第一界面層230'及第一連接層240'。在固定層210'與間隔物層220'之間，形成了具有高極化的第二界面層260'以及電阻-面積積低於間隔物層220'以在第二界面層260'與固定層210'之間提供耦合的 第二連接層270'。
上述固定層及/或自由層中的界面層及/或連接層亦可用於固定層位於間隔物上方的MTJ結構。
圖5展示具有磁性元件的陣列的例示性裝置400，所述磁性元件包含具有垂直異向性的至少一個自由層。裝置400包含形成於基板上的磁性元件410的陣列。每一磁性元件410可經設置以基於上述圖3A、圖3B、圖3C、圖4A、圖4B及圖4C中的設計而具有垂直異向性。裝置400亦包含具有隔離電晶體、讀取及寫入線的電路以及用於存取個別磁性元件410的邏輯電路。裝置400可用於磁性記憶體系統中。
針對基於自旋力矩轉移的自由層的切換，可實施上述磁性元件設計。圖6及圖7描述用於基於自旋力矩轉移而切換的電路。
圖6說明包含單位胞元的陣列的例示性磁性裝置500的一部分。每一單位胞元包含基於自旋轉移力矩效應的磁性元件501。標記為「位元線」的導體線510藉由連接至磁性元件501的一個末端而電耦合至磁性元件501，以供應電性驅動電流540穿過磁性元件501的層，以在磁性元件501中實現自旋轉移力矩效應。 諸如隔離電晶體的電子隔離裝置530連接至磁性元件501的一側，以回應於施加至電晶體530的閘極的控制信號而控制電流540。標記為「字元線」的第二導體線520電連接至電晶體530的閘極，以供應所述控制信號。在操作中，驅動電流540流經磁性 元件501中的層，以在電流540大於藉由磁性元件501的材料以及層結構來判定的切換臨限值時改變自由層的磁化方向。磁性元件501中的自由層的切換是單獨基於由驅動電流540導致的自旋轉移力矩，而不依賴於由導體線510及520或其他來源產生的磁場。
基於自旋轉移力矩效應的磁性元件501可實施為各種設置，諸如，MTJ、自旋閥、MTJ與自旋閥的組合、兩個MTJ的組合以及其他設置。自由層及受釘紮層中的每一者可為單一磁性層或磁性地耦合在一起的多個層的複合結構。
圖7展示基於自旋轉移力矩切換而操作陣列式磁性記憶體裝置的例示性電路。每一胞元610串聯連接至對應於圖6中的隔離裝置530的選擇電晶體620。如所說明，位元線選擇器601、源極線選擇器602以及字元線選擇器603耦接至胞元陣列以控制每一胞元的操作。
現將參看經由全始計算(ab-initio calculation)而獲得的圖8至圖15來描述額外發明概念。如同早先的實施例，以下發明概念特定針對多層磁性元件(諸如，用於垂直自旋轉移力矩(P-STT)結構的單MTJ結構或雙MTJ結構中)中的自由層結構。 額外應用是針對混合自由層實施例(亦即，具有交換耦合在一起的2個子層)或針對其中配置有連接層以吸引非晶化材料的自由層。舉例而言，可使用本發明概念來達成其他益處，以針對平面內結構而提供PPMA材料來幫助降低切換電流。
已揭露用於在多層磁性元件中提供自由層的眾多材料。 舉例而言，如上文所論述，可由包括磁性材料及材料Y的交替層的多層提供具有垂直異向性的自由層，其中藉由組合鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)與材料X來提供磁性材料層，其中X包含B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In及/或Sn中的至少一者；且其中Y包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au及/或Cu中的至少一者。在習知多層磁性結構中，自由層中的磁性材料層通常包括CoFeB，此是因為B的包含產生與MgO層的良好晶格結構匹配。 然而，不幸的是，自由層中的B的存在降低垂直磁性異向性(PMA)等級，在硼過於接近於MgO界面時尤為如此。且因為B在接近MgO層時具有最低能量狀態(且因此最穩定)，所以用於自由層結構中的B傾向於遷移至MgO界面，此處，B妨礙Fe-O混成，且因此大幅降低PMA。
自由層結構中的間隙硼(B)的存在相對於純鐵(Fe)的使用會降低PMA。圖8以及圖9a及圖9b說明在自由層的Fe中具有間隙B的效應。首先參看圖8，展示間隙B在自由層結構中存在於各種位置處的四個結構。在結構1中，硼位於MgO界面處，且在結構2至4中，B配置為依序較遠離MgO界面且較接近於自由層或自由層連接層的塊體(或中心)。圖9a及圖9b中提供的兩個曲線圖說明各種結構的異向性以及相對穩定性。
如自圖9a及圖9b可見，結構1(其中硼處於MgO界面處)在四個結構中具有最大能階，且因此具有最高相對穩定性。 然而，不幸的是，當硼原子配置於自由層的中間而最遠離MgO界面時，達成最大異向性，如在圖4中。硼原子配置為接近MgO邊界的結構1提供最大穩定性，但導致強的平面內(負)異向性。 如進一步可見，結構2及3為不穩定的，其中結構2具有弱異向性(強的負異向性)，且結構3僅具有略微正異向性。
然而，在結構4中，在B原子配置為接近自由層的中心的情況下，可獲得良好的正異向性。此外，硼偏析輪廓(segregation profile)指示接近MgO界面的位置(結構1)與位於自由層的中間的位置(結構4)之間的約30兆電子伏特(meV)的能量阻障。 此能量阻障與動力阻障一起可允許B原子保留於自由層的中間，且因此保持PMA。在B原子位於接近自由層的中心的此等設置中，因此可將B原子用於自由層結構中且仍維持良好PMA。
一種解決方案為引入連接至自由層結構中(諸如，經由配置為接近自由層的中心的連接層)的組(Ta)或另一適當材料(例如，W、Mn、Nb、Cr、V、Ru、Cu、Pt、Pd、Au)。連接層(諸如，包含Ta的連接層)的使用可吸引B遠離MgO界面，且因此改良PMA等級。
根據本發明概念的原理，將B(無論是整體還是部分)替換為一或多種不同非晶化劑可導致具有提高的PMA的穩定自由層。舉例而言，較佳的替代非晶化劑較佳具有以下屬性中的一或多者：(1)不偏析至MgO界面，而是在自由層或自由層內的連接層的塊體/中心中偏析；或(2)即使偏析至MgO界面，亦不會導 致PMA的大幅降低或倒轉。已被標識為具有此等屬性且因此充當對B的理想替代的一些材料包含(例如)鍺(Ge)、鋰(Li)、鈹(Be)、氫(H)、氮(N)以及氟(F)氣體。特定言之，預期Ge的使用維持PMA，即使Ge接近MgO界面而偏析亦是如此。
圖10、圖11a、圖11b、圖11c及圖12幫助說明在STT裝置的自由層結構中以Ge取代B的益處。圖10為比較圖8所說明的四個結構與包含Ge而非B的類似結構的示意性原子圖。圖11a、圖11b及圖11c提供比較圖10的四個自由層結構1、2、3及4中的異向性、穩定性以及B及Ge的濃度的圖表。圖12概述各種溫度下與B結構相比的Ge結構的改良的異向性特性。
現參看圖10、圖11a、圖11b、圖11c及圖12，比較自由層結構中使用的B及Ge的特性。如圖11b中可見，B及Ge的偏析輪廓相似，具有朝向MgO界面的強趨勢。因此，當B與Ge兩者配置為最接近於MgO邊界時，B與Ge兩者處於其最穩定狀態。 然而，如圖11a所示，配置為接近於MgO界面的Ge原子不與接近MgO界面的B原子的存在一樣多地降低Ks(以及因此，降低PMA)。如圖12進一步展示，與來自間隙B原子的負PMA相比，在自由層中使用Ge可在各種溫度下導致正PMA。因此，Ge為用於替換自由層中的B的有力候選者，此是因為，即使Ge配置於MgO界面處，亦不會顯著損害自由層的PMA。
已對用於其他技術(亦即，自旋閥結構)中的CoFeGe結構進行的研究已展示使用此組成的額外益處，包含(例如)可 控制的Ms、高MR以及極低阻尼。
圖13、圖14a、圖14b、圖14c及圖15說明關於其他可能的自由層非晶化劑(包含(例如)Li、Be、H及F)的異向性、穩定性以及濃度特性。在圖14a、圖14b及圖14c中，針對圖13的各種結構-2、-1、1、2、3及4而比較此等各種材料的異向性、相對穩定性以及濃度。在圖13中，結構-2及-1說明非晶化材料X配置於MgO層內(無論是在中心(結構-2)還是界面處(結構-1))的狀況。關於自由層中的非晶化材料的位置，結構1至4類似於圖8及圖10所示的先前結構1至4。
參看圖13、圖14a、圖14b、圖14c及圖15，如自此等圖表及曲線圖可見，將材料Li、Be、H及F中的任何一或多者用作非晶化劑可導致正PMA值與相對穩定的結構。因此，此等材料中的每一者作為用於在根據本發明概念的自由層結構中替換B(無論是整體還是部分)的可能的替代非晶化劑是理想的。
因此，根據本發明概念的一個特定態樣，一種用於形成STT結構中的自由層的材料組成可包括：CoxFeyMz，其中M為選自由以下各者組成的群組的非磁性材料：Ge、Bi、Li、Be、F、N及H。非磁性材料M較佳具有輔助形成良好結晶取向且與MgO匹配的性質(例如，材料M較佳充當在沉積時為非晶的且在退火後為結晶的非晶化材料)。材料M亦較佳不偏析至MgO界面，或若材料M偏析至MgO界面，則材料M不會顯著損害Fe與O的混成，且因此不會顯著降低PMA。
根據本發明概念的另一態樣，一種用於形成STT結構中的自由層的材料組成可包括：MgO/CoxFeyMz(連接層)CoxFeyMz/MgO，其中M在退火期間被吸引至連接層。連接層可(例如)包含鉭(Ta)。藉由提供連接層以吸引材料M，此可防止M朝向MgO界面遷移，且因此保持PMA。
根據本發明概念的又一態樣，一種用於形成STT結構中的自由層的材料可包括：分級組成CoxFeyMz，其中z在自由層內改變。舉例而言，最大濃度的M(亦即，提高的z)可配置為接近自由層的中心，且可朝向MgO界面而降低。此可(例如)使用共同濺鍍或其他適當技術來達成。針對諸如H及F的氣體，可(例如)使用反應性濺鍍技術。
圖16為展示根據本發明概念的實施例的記憶卡5000的方塊圖。
參看圖16，控制器5010以及記憶體5020可配置於記憶卡5000中以交換電信號。舉例而言，當控制器5010發佈命令時，記憶體5020可傳輸資料。記憶體5020可包含根據上述例示性實施例中的任一者的磁性裝置。根據本發明概念的各種例示性實施例的磁性裝置可配置於具有對應於本發明概念所屬的技術領域中所熟知的對應邏輯閘設計的各種形狀的架構記憶體陣列(未圖示)中。配置有多個列及行的記憶體陣列可形成一或多個記憶體陣列組(未圖示)。記憶體5020可包含記憶體陣列(未圖示)或記憶體陣列庫(未圖示)。且，記憶卡5000可更包含典型列解碼器(未 圖示)、行解碼器(未圖示)、I/O緩衝器(未圖示)及/或控制暫存器(未圖示)，以驅動上述記憶體陣列組(未圖示)。記憶卡5000可用於各種記憶卡，諸如，記憶棒卡、智慧型媒體(smart media,SM)卡、安全數位(secure digital,SD)卡或多媒體卡(multimedia card,MMC)等。
圖17為展示根據本發明概念的實施例的系統6000的方塊圖。
參考圖17，系統6000可包含控制器6010、輸入/輸出(I/O)單元6020、記憶體單元630以及介面單元640。系統6000可為行動系統或用於傳輸或接收資訊的系統。行動系統可為PDA、攜帶型電腦、平板電腦(web tablet)、無線電話、行動電話、智慧型電話、數位音樂播放器或記憶卡。控制器6010可執行程式且控制系統6000。控制器6010可為(例如)微處理器、數位信號處理器、微控制器或其類似裝置。I/O單元6020可用於輸入或輸出系統6000的資料。系統6000可藉由使用I/O單元6020連接至外部設備(諸如，個人電腦或網路)而與外部設備交換資料。I/O單元6020可為(例如)小鍵盤、鍵盤或顯示器。記憶體630可儲存用於控制器6010的操作的程式碼及/或資料及/或儲存由控制器6010處理的資料。記憶體630可包含根據上述例示性實施例中的任一者的磁性記憶體裝置或記憶體元件。介面單元640可為系統6000與外部設備之間的資料傳輸路徑。控制器6010、I/O單元6020、記憶體單元630以及介面單元640可經由匯流排650而彼此通信。 舉例而言，系統6000可用於行動電話、MP3播放器、導航系統、攜帶型多媒體播放器(PMP)、固態磁碟(SSD)或家用電器。
遍及本說明書，一個實施例所示的特徵可在本發明概念的精神及範疇內併入於其他實施例中。
遍及本說明書對「一個實施例」或「一實施例」的引用意謂結合所述實施例而描述的特定特徵、結構或特性包含於本發明的至少一個實施例中。因此，用語「在一個實施例中」或「在一實施例中」遍及本說明書在各處的出現未必全部指同一實施例。此外，在一或多個實施例中，特定特徵、結構或特性可以任何合適方式組合。
雖然本文件含有許多具體內容，但此等具體內容不應解釋為對任何發明的範疇或申請專利範圍的範疇的限制，而是解釋為對本發明的特定實施例所特有的特徵的描述。在獨立實施例的情形下描述於本文件中的某些特徵亦可組合地實施於單一實施例中。相比而言，在單一實施例的情形下描述的各種特徵亦可獨立地或以任何適當子組合實施於多個實施例中。此外，雖然特徵在上文描述為以某些組合作用且可甚至最初如此主張，但來自所主張的組合的一或多個特徵可在一些狀況下自所述組合刪除，且所主張的組合可針對子組合或子組合的變化。
應注意，雖然圖式可能在一些情形下展示配置為鄰近於磁性層的界面層的不同磁化，但應注意，當存在鄰近於磁性層的界面層時，兩者可強耦合且充當單一切換元件。此外，當磁性層 (無論是固定磁性層還是自由磁性層)實施有界面層時，所述界面層可實際上成為所述界面層所鄰近的所述固定層或所述自由層的一部分，且因此與自由層/固定層加上獨立界面層相比，可被視為兩部分自由層或固定層(例如，「自由層部分A+自由層部分B」或「固定層部分A+固定層部分B」。
此外，雖然在本文中僅揭露少許實施方案，但基於本文件中所描述及說明的內容，可進行關於所描述的實施方案的變化及增強，且熟習此項技術者將理解其他實施方案。因此，本發明概念不應解釋為限於本文中所揭露的特定實施例。

Claims (20)

  1. 一種用於形成磁性裝置的自由層的材料組成，所述材料組成包括：CoxFeyMz，其中M為非磁性材料，其充當非晶化劑以輔助將自由層的結晶取向與磁性裝置的MgO界面匹配，且其中M不偏析至所述MgO界面，或若M偏析至所述MgO界面，則M亦不會損害所述自由層的垂直磁性異向性，其中所述組成包括分級組成，在所述分級組成中，所述非磁性材料M的濃度z在所述自由層內改變，其中所述濃度z朝向所述自由層的中心變高，且朝向所述MgO界面變低。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的用於形成磁性裝置的自由層的材料組成，其中M是選自由以下各者組成的群組：Ge、Bi、Li、Be、F、N及H。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的用於形成磁性裝置的自由層的材料組成，其中M包括Ge。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的用於形成磁性裝置的自由層的材料組成，其中所述磁性裝置包括單MTJ結構。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的用於形成磁性裝置的自由層的材料組成，其中所述磁性裝置包括雙MTJ結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的用於形成磁性裝置的自由層的材料組成，其中所述自由層包括具有彼此交換耦合的兩個或 更多子層的混合自由層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的用於形成磁性裝置的自由層的材料組成，其中所述材料組成用作平面內磁性裝置的PPMA材料。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的用於形成磁性裝置的自由層的材料組成，其中所述自由層更包括連接層，所述連接層配置為接近所述自由層的中心，且經設置以吸引所述非磁性材料M遠離所述MgO界面。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的用於形成磁性裝置的自由層的材料組成，其中所述連接層包括Ta。
  10. 一種STT結構中的自由層，包括：MgO界面，配置為接近自由層結構，所述自由層結構包括：材料組成，包括CoxFeyMz；以及連接層，配置於所述材料組成內，其中M為非磁性材料，其充當非晶化劑以輔助形成良好結晶取向且與所述MgO界面匹配，且其中在退火期間，M被吸引至所述連接層，其中所述組成包括分級組成，在所述分級組成中，所述非磁性材料M的濃度z在所述自由層內改變，其中所述濃度z朝向所述自由層的中心變高，且朝向所述MgO界面變低。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的STT結構中的自由層，其 中所述連接層包括Ta。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的STT結構中的自由層，其中所述連接層配置為接近所述自由層的中心。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的STT結構中的自由層，其中所述非磁性材料M包括B。
  14. 一種磁性元件，包括：固定層，具有在垂直於所述固定層的方向上固定的固定層磁化；自由層，與所述固定層平行，且具有垂直於所述自由層且可相對於所述固定層磁化而改變的自由層磁化；以及MgO層，在所述MgO層與所述自由層之間提供MgO界面，其中所述自由層包括材料組成，所述材料組成包括：CoxFeyMz，其中M為非磁性材料，其充當非晶化劑以輔助形成良好結晶取向且與STT裝置的所述MgO界面匹配，且其中M不偏析至所述MgO界面，或若M偏析至所述MgO界面，則M亦不會損害所述自由層的PMA，其中所述材料組成包括分級組成，在所述分級組成中，所述非磁性材料M的濃度z在所述自由層內改變，其中所述非磁性材料M的所述濃度z朝向所述自由層的中心變高，且朝向所述MgO界面變低。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的磁性元件，其中M是選 自由以下各者組成的群組：Ge、Bi、Li、Be、F、N及H。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的磁性元件，其中所述STT裝置包括單MTJ結構。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的磁性元件，其中所述STT裝置包括雙MTJ結構。
  18. 如申請專利範圍第14項所述的磁性元件，其中所述自由層包括具有彼此交換耦合的兩個或更多子層的混合自由層。
  19. 如申請專利範圍第14項所述的磁性元件，其中所述材料組成用作平面內磁性裝置的PPMA材料。
  20. 如申請專利範圍第14項所述的磁性元件，其中所述自由層更包括連接層，所述連接層配置為接近所述自由層的中心，且經設置以吸引所述非磁性材料M遠離所述MgO界面。
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