TWI704558B - 無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體 - Google Patents

Abstract

一種無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，包括一自旋電流源層、一鐵磁性自由層、一反鐵磁層、一穿隧阻障層以及一鐵磁性參考層。所述自旋電流源層具有一電流方向，鐵磁性自由層則設置於所述自旋電流源層上，且所述鐵磁性自由層具有與所述電流方向垂直之磁化易軸。所述反鐵磁層設置在所述鐵磁性自由層與所述自旋電流源層之間，且所述反鐵磁層係與所述自旋電流源層以及與所述鐵磁性自由層直接接觸。所述穿隧阻障層設置於所述鐵磁性自由層上，而所述鐵磁性參考層是設置於所述穿隧阻障層上。

Description

無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體

本發明是有關於一種自旋軌道矩（spin-orbit torque，SOT）磁性隨機存取記憶體（magnetic random access memory， MRAM），且特別是有關於一種無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體。

磁性隨機存取記憶體（MRAM）因為其具有非揮發性、非破壞式寫入以及足夠快速的寫入運作速度，是目前半導體產業聚焦的新興記憶體，對於低功耗的智慧晶片、感測器等領域都將扮演重要角色。

為了要達成MRAM的磁性層翻轉，自旋軌道矩（SOT）是一個相當具有潛力的機制。此機制藉由重金屬/自由層磁矩相互作用的機制來完成資料寫入的動作。與目前業界主流的自旋轉移矩（spin transfer troque, STT）不同的是，SOT 的運作方式並不會讓電流經過穿隧層來達成磁矩翻轉，而影響了記憶體的耐久性，並且SOT的機制也被認為具有更快的記憶體運作速度。

目前設計的SOT-MRAM通常需要施加一水平方向外加磁場讓磁矩傾斜，破壞其對稱性，才能讓磁矩受到自旋電流影響時進行決定性翻轉，而非隨機決定最後的翻轉方向。但在實際應用中若要透過外在因素製造一外加磁場，如電流磁效應等，元件將難以微縮且運作效率不佳，徒增額外功耗。

本發明提供一種自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，無需外加磁場即可使磁性自由層達到磁矩完全翻轉，且具有較佳的熱穩定性。

本發明的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，包括一自旋電流源層、一鐵磁性自由層、一反鐵磁層、一穿隧阻障層以及一鐵磁性參考層。所述自旋電流源層具有一電流方向，鐵磁性自由層則設置於所述自旋電流源層上，且所述鐵磁性自由層具有與所述電流方向垂直之磁化易軸。所述反鐵磁層設置在所述鐵磁性自由層與所述自旋電流源層之間，且所述反鐵磁層係與所述自旋電流源層以及與所述鐵磁性自由層直接接觸。所述穿隧阻障層設置於所述鐵磁性自由層上，而所述鐵磁性參考層是設置於所述穿隧阻障層上。

在本發明的一實施例中，上述的反鐵磁層具有足以產生交換偏壓效應的厚度。

在本發明的一實施例中，上述的鐵磁性自由層的交換偏壓磁場大於矯頑場。

在本發明的一實施例中，上述的反鐵磁層具有不足以產生交換偏壓效應的厚度。

在本發明的一實施例中，上述的鐵磁性自由層在零磁場下具有單一磁態。

在本發明的一實施例中，上述的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體還可包括一釘紮層，設置在所述鐵磁性參考層上。

在本發明的一實施例中，上述的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體還可包括一耦合層，設置在所述釘紮層與所述鐵磁性參考層之間。

在本發明的一實施例中，上述的反鐵磁層提供的交換偏壓磁場在小於鐵磁性自由層的矯頑場時，仍能提升所述鐵磁性自由層的熱穩定性。

基於上述，本發明在鐵磁性自由層與自旋電流源層之間設置反鐵磁層，且所述反鐵磁層係與所述自旋電流源層以及與所述鐵磁性自由層直接接觸，經實驗證明，在無外加磁場的情況下，即使鐵磁性自由層的磁化易軸垂直於電流方向，本發明的自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體也能達到零（磁）場翻轉的效果，因此更能應用於記憶體的商業發展。另外，若是反鐵磁層具有足以產生交換偏壓效應的厚度，還能藉由垂直交換偏壓，進一步地提升鐵磁性自由層的熱穩定性，以利於元件小型化的發展。

為讓本發明的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。

以下內容提供一種實施方式與多個實驗例，用於實施本發明的不同特徵。元件與配置的特定範例之描述如下，以簡化本發明的揭示內容。當然這些僅為範例，並非用於限制本發明的範圍與應用。

應理解的是，當元件被稱為「連接」或「耦接」至另一元件時，其可以是直接連接或耦接至其他元件，或者可能存在中間元件。反之，當元件被稱為「直接連接」或「直接接觸」至另一元件時，將不存在中間元件。至於表示空間的用語 (諸如「在…下」、「在…上」、「下」、「較低」、「上」、「較高」等)涵蓋圖式中所繪示的方向性以外之使用或操作中的元件的不同方向性。舉例來說，若圖式中的元件反轉，則描述為在其他元件或特徵「下」或「下方」的元件將轉向為其他元件「上」。因此，示例性用語「上」可以涵蓋上及下兩個方向。元件可轉向於其他方向(旋轉90度或其他方向)時，則本文所使用的空間相對描述可被對應地解釋。

再者，為了清楚起見，各個區域或膜層的相對厚度及位置可能縮小或放大。另外，在圖式中使用相似或相同的元件符號表示相似或相同元件或特徵的存在。

圖1是依照本發明的一實施例的一種無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體（SOT-MRAM）的剖面示意圖。

請參照圖1，本實施例的SOT-MRAM至少包括一自旋電流源層100、一鐵磁性自由層102、一反鐵磁層104、一穿隧阻障層106以及一鐵磁性參考層108。自旋電流源層100具有一電流方向110。換句話說，本實施例的SOT-MRAM是一種三端式MTJ結構，寫入路徑即為自旋電流源層100的電流方向110，而讀取路徑則是由鐵磁性參考層108沿垂直於電流方向110往下經由鐵磁性自由層102至自旋電流源層100，以藉由電流誘導的自旋流來產生自旋轉移力矩，進而達到調控磁性隨機存取記憶體的目的。自旋電流源層100為自旋霍爾反應層或自旋霍爾材料層，其材料例如重金屬，且可列舉但不限於鉈(Ta)、鉑(Pt)、鎢(W)等。

鐵磁性自由層102則是設置於自旋電流源層100上，且鐵磁性自由層102具有與電流方向110垂直之磁化易軸（easy axis）。鐵磁性自由層102包括金屬或金屬合金，可列舉但不限於Fe、Co、Ni、Ir、B、Bi、Pt、Pd、Ta、Tb、Mo、Cu、Pt、W或前述兩種或三種金屬的合金，諸如FeB、CoFe、FePt、FePd、CoPt、CoPd、CoNi、CoFeB或TbFeCo。鐵磁性自由層102與自旋電流源層100通常不是相同材料。

所述反鐵磁層104設置在鐵磁性自由層102與自旋電流源層100之間，且反鐵磁層104不但與鐵磁性自由層102直接接觸，反鐵磁層104也與自旋電流源層100直接接觸。傳統上認為反鐵磁層104會影響電流穿過鐵磁性自由層102，所以將其設置在鐵磁性參考層108側，但本發明人等發現將反鐵磁層104設置在鐵磁性自由層102與自旋電流源層100之間，仍可經由電流誘使鐵磁性自由層102內的磁矩完全翻轉。而且，傳統上認為在寫入操作需要施加一水平方向外加磁場，使鐵磁性自由層102的磁矩有序地傾斜至特定角度或者與電流方向110平行，才能讓磁矩受到自旋電流影響時進行決定性翻轉，而非隨機決定最後的翻轉方向。

然而，本發明人等發現將反鐵磁層104設置在鐵磁性自由層102與自旋電流源層100之間，不需要外加磁場，即使鐵磁性自由層102具有與所述電流方向110垂直之磁化易軸112，也能通過自旋電流源層100提供的電流，來完全翻轉鐵磁性自由層102的磁矩，而達到改變SOT-MRAM的資料狀態（0或1）的效果。所述反鐵磁層104的材料包括非鐵磁性金屬、其合金或者金屬氧化物等，可列舉但不限於Mn、Cr及其合金或者氧化鎳、氧化鈷等金屬氧化物；若以電流傳導的觀點來看，反鐵磁層104優選為FeMn、PtMn、IrMn、NiMn、OsMn、PtPdMn、PtCrMn等。

在一實施例中，反鐵磁層104具有足以產生交換偏壓效應的厚度d，而使反鐵磁層104提供的交換偏壓磁場（exchange-bias magnetic field，H _EB）大於鐵磁性自由層102的矯頑場（coercive field，H _C）。下表1是反鐵磁層104的材料及其對應的厚度d下限，所以若要產生交換偏壓效應，反鐵磁層104的厚度d依據材料的種類可能要大於2.1nm、大於4nm、大於8nm、或者大於10nm。

表1

材料	足以產生交換偏壓的厚度下限(奈米)
FeMn	4~5
IrMn	2.1~2.3
PtMn	8~10
PdMn	10
NiMn	10
NiO	10
CoO	10

一旦反鐵磁層104提供的交換偏壓磁場比鐵磁性自由層102的矯頑場大到一定程度，會使鐵磁性自由層102在零磁場下只具有單一磁態。換句話說，鐵磁性自由層102的異向性將不容易受到熱擾動影響致使記錄錯誤，來大幅提高元件發展至奈米尺寸的熱穩定性。

在另一實施例中，所述反鐵磁層104即使具有不足以產生交換偏壓效應的厚度，也不需要外加磁場，就能通過自旋電流源層100提供的電流，來完全翻轉鐵磁性自由層102的磁矩，而達到改變SOT-MRAM的資料狀態（0或1）的效果。

請繼續參照圖1，本實施例的SOT-MRAM中的穿隧阻障層106是設置於鐵磁性自由層102上，且所述穿隧阻障層106一般是金屬氧化物或其它是合的絕緣材料。鐵磁性參考層108則設置於所述穿隧阻障層106上，其具有在操作期間不可被改變之磁性取向。另外，本實施例的SOT-MRAM還可包括一釘紮層114，設置在鐵磁性參考層108上，用以進一步固定鐵磁性參考層108的磁化（磁矩）。而在所述釘紮層114與所述鐵磁性參考層108之間還可加設一耦合層116，用以耦合釘紮層114與鐵磁性參考層108。所述耦合層116可列舉但不限於Ru、Os、Re、Cr、Rh及Cu或其組合。此外，在釘紮層114上還可沉積一層上電極118。

以上各層的形成方式例如濺鍍、物理氣相沉積（PVD）或化學氣相沉積（CVD），諸如高密度化學氣相沉積（HDP CVD）、低壓化學氣相沉積（LPCVD）或電漿增強化學氣相沉積（PECVD）均可應用於本發明。

以下列舉實驗來驗證本發明的實施效果，但本發明並不侷限於以下的內容。

〈實驗例1〉

製作一個如圖2所示的實驗樣品，其製程如下。基於該鐵磁性自由層是用來主宰SOT-MRAM所記錄的訊號的主要元件，所以實驗樣品中省略穿隧阻障層和鐵磁性參考層，因此以下所有實驗並非以SOT-MRAM的阻態（resistance-state）來說明其所儲存的訊號，而是以其鐵磁性自由層的磁化態或克爾強度（Kerr Intensity）來說明其所儲存的訊號。所謂的克爾強度是被定義成鐵磁性自由層之經標準化（normalized）之一殘留磁化量（remanent magnetization，M）對其一飽和磁化量（saturated magnetization，Ms）的比值(M/Ms)，合先敘明。

首先，以直流磁控濺鍍法（DC magnetron sputtering)於經熱氧化（thermal oxidized）之(100)矽晶圓(未繪示)上依序沉積一層厚度為3 nm的Ti 膜作為附著層（adhesion layer）200、一層厚度為6 nm的Cu膜作為底層（underlayer）202、厚度為2.4 nm的Co/Ni多層膜（[Co 0.3/Ni 0.6)] ₂/Co 0.3/Ni 0.3，單位是nm）作為鐵磁性自由層102、一層厚度為10 nm的Fe ₅₀Mn ₅₀作為反鐵磁層102、一層厚度為5 nm的Pt作為自旋電流源層100以及一層厚度為2 nm的Ti 膜作為覆蓋層（capping layer）。在初鍍下，鐵磁性自由層102（Co/Ni多層膜）和反鐵磁層102（Fe ₅₀Mn ₅₀）即有垂直的交換偏壓（exchange bias）產生。

後續，利用光微影製程（photolithography process)及離子束蝕刻法（ion-beam etching，IBE)進行圖案化，而使上述多層膜成為外觀尺寸各為10μm × 10μm的微米圖案。最後，利用光微影製程、直流磁控濺鍍法與光阻剝離製程(lift-off process)於微米線之相反兩端緣上分別形成上電極(未繪示)。

實驗例1的實驗樣品的磁性質是透過一聚焦垂直式磁光克爾效應量測系統（focusedpolar magneto-optical Kerr effect system，以下簡稱FMOKE系統）204所產生的聚焦雷射206(直徑為5μm)來分析，且實驗例1的磁化翻轉（magnetization reversal）是在提供交流脈衝電訊號於實驗例1的實驗樣品後被監測到，結果請見圖3。其中，上述交流脈衝電訊號是由一型號為Keysight 33509B之隨意波形產生器(未繪示)所提供，實驗例1使用的脈衝電訊號為10μs的脈衝寬度，其上升時間為8.4ns，下降時間為1μs，並受一型號為Tektronix DPO5104B的示波器（oscilloscope，未繪示）所監測。此外，寫入實驗例1的實驗樣品的電流密度是自寫入時所提供的電壓、測得的電阻與實驗樣品之一截面積計算取得。

圖3是本發明的實驗例1所得到的克爾強度-電流密度的關係曲線圖。從圖3可得到，實驗例1可在無外加磁場下，於趨近-3.40×10 ⁷A/cm ²的臨界電流密度(Jc)時，使磁矩朝下翻轉以達負飽和磁化量並寫入1的訊號，且於趨近+3.49×10 ⁷A/cm ²的臨界電流密度(Jc)時，使磁矩重新朝上翻轉以達正飽和磁化量並重新寫入0的訊號。

圖4和圖5則是實驗例1的鐵磁性自由層102在電流密度分別達到負臨界值與正臨界值後的磁滯迴圈圖。由圖4和圖5可得到，實驗例1在零外加磁場(0 Oe)下只具有單一磁態，得以證明反鐵磁層104具有足以產生交換偏壓效應的厚度，且具有優異的熱穩定性。

〈實驗例2〉

根據實驗例1的方式製作一個如圖2所示的實驗樣品，但將實驗例1的實驗樣品中的厚度為10 nm的Fe ₅₀Mn ₅₀反鐵磁層變更為厚度為6 nm的Fe ₅₀Mn ₅₀反鐵磁層。隨後進行分析，結果顯示於圖6~8。

圖6是本發明的實驗例2所得到的克爾強度-電流密度的關係曲線圖。從圖6可得到，實驗例2可在無外加磁場下也能達到完全翻轉。

圖7和圖8則是實驗例2的鐵磁性自由層在電流密度分別達到負臨界值與正臨界值後的磁滯迴圈圖。由圖7和圖8可得到，實驗例2的反鐵磁層提供的交換偏壓磁場大於鐵磁性自由層的矯頑場，得以證明厚度較小的反鐵磁層同樣能產生交換偏壓效應，進而改善熱穩定性。

〈實驗例3〉

根據實驗例1的方式製作一個如圖2所示的實驗樣品，但將實驗例1的實驗樣品中的厚度為10 nm的Fe ₅₀Mn ₅₀反鐵磁層變更為厚度為4 nm的Fe ₅₀Mn ₅₀反鐵磁層。隨後進行分析，結果顯示於圖9。

圖9是本發明的實驗例3所得到的克爾強度-電流密度的關係曲線圖。從圖9可得到，實驗例3可在無外加磁場下也能達到完全翻轉。至於交換偏壓效應則未出現在實驗例3。

綜上所述，本發明的自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體是在鐵磁性自由層與自旋電流源層之間設置反鐵磁層，並經實驗證明這樣的結構，在無外加磁場的情況下，即使鐵磁性自由層的磁化易軸垂直於電流方向110，也能達到零（磁）場翻轉的效果。另外，本發明的反鐵磁層若是具有足以產生交換偏壓效應的厚度，還能藉由垂直交換偏壓，進一步地提升鐵磁性自由層的熱穩定性，且不會影響電流穿過鐵磁性自由層。

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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:自旋電流源層 102:鐵磁性自由層 104:反鐵磁層 106:穿隧阻障層 108:鐵磁性參考層 110:電流方向 112:磁化易軸 114:釘紮層 116:耦合層 118:上電極 200:附著層 202:底層 204:FMOKE系統 206:聚焦雷射 d:厚度

圖1是依照本發明的一實施例的一種無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體的剖面示意圖。 圖2是本發明的實驗樣品的示意圖。 圖3是本發明的實驗例1所得到的克爾強度（Kerr Intensity）對電流密度的關係曲線圖。 圖4是本發明的實驗例1的鐵磁性自由層在初始時為正飽和磁態且通入元件之電流密度達到負臨界值後的磁滯迴圈圖。 圖5是本發明的實驗例1的鐵磁性自由層在初始時為負飽和磁態且通入元件之電流密度達到正臨界值後的磁滯迴圈圖。 圖6是本發明的實驗例2所得到的克爾強度對電流密度的關係曲線圖。 圖7是本發明的實驗例2的鐵磁性自由層在初始時為正飽和磁態且通入元件之電流密度達到負臨界值後的磁滯迴圈圖。 圖8是本發明的實驗例2的鐵磁性自由層在初始時為負飽和磁態且通入元件之電流密度達到正臨界值後的磁滯迴圈圖。 圖9是本發明的實驗例3所得到的克爾強度對電流密度的關係曲線圖。

100:自旋電流源層

102:鐵磁性自由層

104:反鐵磁層

106:穿隧阻障層

108:鐵磁性參考層

110:電流方向

112:磁化易軸

114:釘紮層

116:耦合層

118:上電極

d:厚度

Claims (8)

1. 一種無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，包括：一自旋電流源層，其具有與其膜面平行的一電流方向；一鐵磁性自由層，設置於所述自旋電流源層上，且所述鐵磁性自由層具有與所述自旋電流源層之膜面垂直以及與所述電流方向垂直之磁化易軸；一反鐵磁層，設置在所述鐵磁性自由層與所述自旋電流源層之間，且所述反鐵磁層係與所述自旋電流源層以及與所述鐵磁性自由層直接接觸；一穿隧阻障層，設置於所述鐵磁性自由層上；以及一鐵磁性參考層，設置於所述穿隧阻障層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，其中所述反鐵磁層具有足以產生交換偏壓效應的厚度。
3. 如申請專利範圍第2項所述的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，其中所述反鐵磁層提供的交換偏壓磁場大於所述鐵磁性自由層的矯頑場。
4. 如申請專利範圍第1項所述的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，其中所述反鐵磁層具有不足以產生交換偏壓效應的厚度。
5. 如申請專利範圍第1項所述的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，其中所述鐵磁性自由層在零磁場下具有單一磁態。
6. 如申請專利範圍第1項所述的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，更包括一釘紮層，設置在所述鐵磁性參考層上。
7. 如申請專利範圍第6項所述的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，更包括一耦合層，設置在所述釘紮層與所述鐵磁性參考層之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述的無外加磁場自旋軌道矩磁性隨機存取記憶體，其中所述反鐵磁層提供的交換偏壓磁場在小於所述鐵磁性自由層的矯頑場時，能提升所述鐵磁性自由層的熱穩定性。

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