TWI717038B - 磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性裝置和其製造方法 - Google Patents

磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性裝置和其製造方法 Download PDF

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Abstract

本案提供一種磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置，該裝置包括安置在基板上的自旋軌道扭矩層，以及安置在該自旋軌道扭矩層上的磁性層。金屬氧化層安置在該磁性層上。自旋軌道扭矩層之多個部分從磁性層及金屬氧化層向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。

Description

磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性裝 置和其製造方法
本揭示內容是關於一種磁性隨機存取記憶體輔助裝置和其製造方法。
磁性隨機存取記憶體(magnetic random access memory；MRAM)提供與揮發性靜態隨機存取記憶體(static random access memory；SRAM)相當的效能，以及與揮發性動態隨機存取記憶體(dynamic random access memory；DRAM)相當的具有較低功耗的密度。與非揮發性記憶體(non-volatile memory；NVM)快閃記憶體相比，MRAM提供快得多的存取時間並且隨時間變化具有最小程度的劣化，而快閃記憶體可僅在有限次數下被重寫。一種類型的MRAM為自旋傳遞扭矩隨機存取記憶體(spin transfer torque random access memory；STT-RAM)。STT-RAM利用至少部分地由經由磁穿隧接面(magnetic tunneling junction；MTJ)驅動的電流寫入的 MTJ。另一種類型的MRAM為自旋軌道轉矩RAM(spin orbit torque RAM；SOT-RAM)。
在一些實施方式中，本揭示內容是關於一種磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置，包含：安置在基板上的自旋軌道扭矩層；安置在自旋軌道扭矩層上的磁性層；以及安置在磁性層上的金屬氧化層，其中自旋軌道扭矩層之多個部分從磁性層及金屬氧化層向外延伸，這些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。
在一些實施方式中，本揭示內容是關於一種磁性隨機存取記憶體(MRAM)輔助的非揮發性物理不可複製函數(physical unclonable function；PUF)的裝置，包含：自旋軌道扭矩層，安置在基板上，具有沿第一方向上延伸的第一區域；自旋軌道扭矩層之複數個第二區域，沿著垂直於第一方向的第二方向延伸，其中複數個第二區域沿著第一方向彼此間隔開；複數個第一磁性層安置在自旋軌道扭矩層之第一區域上，其中等第一磁性層各位於一對第二區域之間，對第二區域在相對自旋軌道扭矩層之第一區域的第二方向上延伸；以及金屬氧化層，安置在等第一磁性層之每一者上。
在一些實施方式中，本揭示內容是關於一種製造磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置的方法，包含：在基板上形成自旋軌道扭矩層；圖案化自旋軌道 扭矩層以在基板上形成交叉形狀的自旋軌道扭矩層；在交叉形狀的自旋軌道扭矩層之中心部分上形成第一磁性層；以及在第一磁性層上形成金屬氧化層。
5:支撐層
10:底部金屬層
15:絕緣層
20:磁性層
22:下部磁性層
24:上部磁性層
25:中部層
26:界面層
28:界面層
30:非磁性金屬氧化層
40:第二磁性層
45:下部電極
50:上部觸點
55:半導體基板
60:中間金屬層
65:通道區域
70:反鐵磁層
75:源極/汲極區域
80:第三磁性層
85:閘極電極
90:電壓表
95:閘極介電層
100:陣列
105:導電觸點
115:電晶體
115':電晶體
120:高磁場
125:磁場方位
130:電流I+
135:寫入電流I+
600:陣列
700:電路
800:積體電路
810:裝置
S210:操作
S220:操作
S230:操作
S240:操作
S310:操作
S320:操作
S330:操作
S340:操作
S350:操作
S360:操作
S370:操作
S410:操作
S420:操作
S430:操作
S440:操作
S450:操作
S510:操作
S520:操作
S530:操作
S540:操作
S550:操作
S560:操作
S570:操作
S580:操作
S590:操作
本揭示內容當與附圖一起閱讀時將從以下實施方式中最佳地理解。強調地是，根據行業中的標準實踐，各個特徵並未按比例繪製並且係僅用於說明目的。實際上，為了論述清晰起見，各個特徵之尺寸可以任意地增加或減小。
第1圖為根據本案之實施例的MRAM輔助的NVM霍爾效應(Hall effect)裝置的示意圖。
第2圖為根據本案之實施例的MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的示意橫截面圖。
第3圖為根據本案之實施例的MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的示意橫截面圖。
第4圖為根據本案之實施例的MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的示意橫截面圖。
第5圖為圖示根據本案之實施例的製造MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的方法的流程圖。
第6A圖、第6B圖、第6C圖及第6D圖圖示根據本案之實施例的用於MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的製造操作的各個階段。
第7A圖、第7B圖、第7C圖圖示根據本案之實施例的用於MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的製造操作的各個階段之一者。
第8A圖、第8B圖、第8C圖圖示根據本案之實施例的用於MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的製造操作的各個階段之一者。
第9A圖、第9B圖、第9C圖圖示根據本案之實施例的用於MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的製造操作的各個階段之一者。
第10A圖及第10B圖圖示根據本案的實施例的MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置。
第11圖圖示根據本案的實施例的MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的操作。
第12A圖、第12B圖及第12C圖圖示根據本案的實施例的MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的操作。
第13圖圖示根據本案的實施例的MRAM輔助的非揮發性實體不可仿製裝置。
第14圖圖示當施加寫入電流時的MRAM輔助的非揮發性實體不可仿製裝置的隨機轉換。
第15圖為圖示根據本案之實施例的製造MRAM輔助的裝置的方法的流程圖。
第16圖為圖示根據本案之實施例的寫入MRAM輔助的裝置的方法的流程圖。
第17圖為圖示根據本案之實施例的製造MRAM輔助的裝置的方法的流程圖。
第18圖圖示根據本案的實施例的MRAM輔助的非揮發性實體不可仿製裝置的隨機性。
第19A和19B圖圖示根據本案之實施例的寫入及讀取陣列中的MRAM輔助裝置。
第20A、20B及20C圖圖示嵌入在積體電路中的MRAM輔助裝置。
應理解，以下揭示內容提供了用於實施本發明實施例之不同特徵的許多不同實施例，或實例。下文描述了元件和佈置之特定實施例或實例以簡化本案。當然，該等實例僅為實例且並不意欲作為限制。例如，元件之尺寸不限於所揭示之範圍或值，但是可取決於裝置之製程條件及/或所要性質。此外，在以下描述中之第一特徵在第二特徵之上或上方之形式可包括其中第一特徵與第二特徵直接接觸形成之實施例，且亦可包括其中可介於第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵，以使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸之實施例。為了簡化及清晰起見，各種特徵可以不同比例任意繪製。在附圖中，一些層/特徵可為了簡化起見而省略。
此外，諸如「在......下方」、「在......之下」、「下部」、「在......之上」、「上部」等等空間相對術語可在本文中為了便於描述之目的而使用，以描述如附圖中所示 之一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係。空間相對術語意欲涵蓋除了附圖中所示的定向之外的在使用或操作中的裝置的不同定向。裝置可經其他方式定向(旋轉90度或以其他定向)並且本文所使用的空間相對描述詞可同樣相應地解釋。此外，術語「由......製成」可意謂「包含」或「由......組成」。此外，在以下製造製程中，可能在所描述之操作中/之間存在一或多個額外操作，並且操作之順序可改變。在本案中，用語「A、B及C中之一者」意謂「A、B及/或C」(A、B、C、A及B、A及C、B及C，或A及B及C)，且不意謂來自A的一個元素，來自B的一個元素及來自C的一個元素，除非另有說明。
STT MRAM具有以下特徵，諸如非揮發性性質、與矽-互補金屬氧化物半導體(silicon-complementary metal oxide semiconductor；Si-CMOS)的相容性、快速讀取及寫入速度、高耐久性及資料保持、相對小的位元格大小及環境穩健性，並且因此STT MRAM為用於需要記憶體的所有CMOS積體電路(integrated circuit；Ic)的下一突破性技術。STT MRAM的高價值新興應用為用於中央處理單元(central processing unit；CPU)或微控制器單元(microcontroller unit；MCU)低位準快取，該低位準快取歸因於其非揮發性而提供系統速度提升及更快開啟的有吸引力的益處。然而，該應用對記憶體的速度提出了嚴格的要求，更特定言之對於比讀取速度慢得多的寫入速度的嚴格的要求。MCU的快取應用需要低功耗，這對 於STT MRAM是困難的，因為其在寫入操作期間花費大量電流以改變磁化狀態。在當前的STT MRAM技術中，歸因於在耐久性及保持方面不可避免的效能折衷，經由薄膜堆疊及寫入方案最佳化的寫入速度提高及經由堆疊最佳化及CD降低的寫入電路減少可能會停滯。已提出如高頻輔助寫入操作之新穎想法，但可能並不可行。在最佳所報告的STT MRAM寫入速度與電流與快取應用程式所需的彼等之間存在一顯著差距，這可能總結成硬體缺陷。
相比之下，自旋軌道傳遞(或扭矩)(spin-orbital-transfer；SOT)磁性切換為一種新興的寫入概念，其具有對寫入電流及速度提供數量級改進的可能性。SOT被視為對於高速、低功率快取應用的解決方案。
第1圖為根據本案的實施例的在切換中利用自旋軌道交互作用的MRAM輔助的非揮發性記憶體(NVM)霍爾效應的示意圖。
MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置包括形成在支撐層5之上的底部金屬層10，如自旋軌道交互作用(SOT)有效層。進一步，MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置包括第一磁性層20，其為安置在底部金屬層10上的自由磁性層或資料儲存層；金屬氧化層30，安置在第一磁性層20上；且在一些實施例中，包含第二磁性層40，如安置在金屬氧化層30上的參考層。在一些實施例中，金屬氧化層30為非磁性的。在一些實施例中，作為電極的頂部導電層50安置在第二磁性層40上。
自由層20(第一磁性層)的磁矩係使用自旋軌道交互作用效應切換。在一些實施例中，第一磁性層20的磁矩係僅使用自旋軌道交互作用效應切換。在其他實施例中，第一磁性層20的磁矩係使用效應之組合切換。例如，第一磁性層20之磁矩係使用自旋轉移扭矩作為初始效應來切換，該初始效應可藉由由自旋軌道交互作用引入的扭矩來輔助。在其他實施例中，初始切換機制為由自旋軌道交互作用引入的扭矩。在該實施例中，包括但不限於自旋轉移扭矩的另一效應可輔助切換。
底部金屬層10為具有強自旋軌道交互作用的自旋軌道有效層，並且可用於切換第一磁性層20的磁矩。底部金屬層10用於產生自旋軌道磁場H。更特定言之，在通過底部金屬層10的平面中驅動之電流及伴隨的自旋軌道交互作用可產生自旋軌道磁場H。自旋軌道磁場H等同於在第一磁性層20中磁化的自旋軌道扭矩T，其中T=-γ[M×H]。扭矩及磁場可因此可交換地稱為自旋軌道場及自旋軌道扭矩。此反映了自旋軌道交互作用為自旋軌道扭矩及自旋軌道場的起源的事實。自旋軌道扭矩是對於在底部金屬層10中的平面中驅動的電流及自旋軌道交互作用而發生。相比之下，自旋轉移扭矩係歸因於流經第一磁性層20、非磁性間隔物層30及第二磁性層40(參考層)的垂直至平面電流，該電流注入自旋極化電荷載子至第一磁性層20中。自旋軌道扭矩T可平行於易磁化軸將第一磁場20的磁矩從其平衡狀態偏轉。自旋軌道扭矩T可將第一磁性層20的磁化傾斜，該扭矩 顯著地快於具有類似最大幅度的習知STT扭矩。在一些實施例中，切換可使用自旋軌道扭矩完成。在其他實施例中，諸如自旋轉移之另一機制可用於完成切換。所產生的自旋軌道場/自旋軌道扭矩可從而用於切換第一磁性層20的磁矩。
在一些實施例中，底部金屬層的交互作用包括自旋霍爾效應。對於自旋霍爾效應，電流I+是在第一方向(x方向上)上於底部金屬層10的平面中被驅動(亦即，平面內電流，大體上在第1圖的x-y平面中)。換言之，電流I+是垂直於薄膜的堆疊方向而驅動，該等薄膜包括底部金屬層10及第一磁性層20(亦即，垂直於表面的法線，第1圖中的z方向)。具有垂直於電流方向及垂直於表面法線(z方向)的特定方位的自旋的電荷載子積聚在底部金屬層10的表面處。大部分該等自旋極化載子擴散至第一磁性層20(自由層)中。此擴散在第一磁性層20的磁化上產生扭矩T。因為磁化上的扭矩等效於磁化上的有效磁場，如上文所述，所以自旋積聚等效地在第一磁性層20上產生磁場H。對於自旋霍爾效應的自旋軌道場為第一磁性層20的自旋軌道極化及磁矩的交叉乘積。因而，扭矩的幅度與載子的平面內電流密度I+及自旋極化成比例。當由自旋霍爾效應引入的極化平行於第一磁性層20的易磁化軸時，自旋霍爾效應可用於切換第1圖中所示的磁性堆疊層。為了獲得自旋軌道扭矩T，電流脈衝在通過底部金屬層10的平面中驅動。所得的自旋軌道扭矩T抵消了阻尼力矩，如此導致第一磁性層20的磁化以類似方式切換至習知STT切換。
歸因於通過SOT層的電流I+，經由異常霍爾效應及逆向自旋霍爾效應的組合，橫電壓(霍爾電壓)在SOT層中產生。在一些實施例中，橫電壓用作信號/記憶體。如第1圖中所示，在一些實施例中，電壓表90經連接至SOT層10之部分，該部分在大體上垂直(橫向)於電流流動方向(x方向)的第二方向(y方向)上延伸。電壓表量測在第二方向上的SOT層的邊緣上的電位。經量測的電位差指示磁層20的磁場方位。
如上所述，底部金屬層10為自旋軌道有效層，該有效層引起與第一磁性層20的強自旋軌道交互作用。在一些實施例中，SOT層10包括重金屬或由重金屬摻雜的材料。例如，此材料可選自於A及由B摻雜的M。A包括Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sb、Te、Hf、Ta(包括高電阻非晶β-Ta)、W(包括α-W及β-W)、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At，及/或上述各者之組合；M包括以下至少一者：Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au、Hg、Pb、Si、Ga、GaMn或GaAs；並且B包括以下至少一者：V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、P、S、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In Sb、Te、I、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi、Po、At、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb。在一些實施例中，SOT包括Ir摻雜的Cu及/或Bi摻雜的Cu。摻雜是在約0.1至約10原子 百分比的範圍中。在其他實施例中，SOT層為鉑、鎢、鉭及PtMn之一或多者。在一些實施例中，底部金屬層10的厚度在約2nm至約20nm的範圍中；並且在其他實施例中，底部金屬層10的厚度在約5nm至約15nm的範圍中。在一些實施例中，由例如IrMn製成的反鐵磁層安置在底部金屬層10與支撐層5之間。
在本案中，「元素層」或「化合物層」通常意謂元素或化合物的含量大於99%。
作為資料儲存層的第一磁性層20為自由層，該層具有可切換的磁矩。在一些實施例中，磁性層20為鐵磁的並且包括Fe、Ni及Co之一或多者。在一些實施例中，磁性層20包括CoxFeyB。x及y的值可在順序上不同以獲得不同的磁性/結晶性。在一些實施例中，磁性層20具有大於約500高斯的矯頑磁性。在一些實施例中，磁性層20具有範圍從大於約500高斯至約750高斯的矯頑磁性。在一些實施例中，磁性層具有範圍從大於約500高斯至約600高斯的矯頑磁性。
在一些實施例中，第一磁性層20包括下部磁性層22、中部層25及上部磁性層24，如第2圖中所示。在一些實施例中，下部磁性層22為鈷鐵硼(CoFeB)層、鈷/鈀(CoPd)層及/或鈷鐵(CoFe)層，在一些實施例中，具有範圍從約0.6nm至約1.2nm的厚度。在某些實施例中，下部磁性層22為FexCoyB1-x-y，其中0.50
Figure 108135318-A0305-02-0013-1
x
Figure 108135318-A0305-02-0013-2
0.70且0.10
Figure 108135318-A0305-02-0013-3
y
Figure 108135318-A0305-02-0013-4
0.30。在其他實施例中，0.55
Figure 108135318-A0305-02-0014-5
x
Figure 108135318-A0305-02-0014-6
0.65且0.15
Figure 108135318-A0305-02-0014-7
y
Figure 108135318-A0305-02-0014-8
0.25。
在一些實施例中，上部磁性層24為鈷鐵硼(CoFeB)層、鈷/鈀(CoPd)層及/或鈷鐵(CoFe)層，具有範圍從約1.0nm至約3.0nm的厚度；或在一些實施例中，上部磁性層24為NiFe層，具有範圍從約0.4nm至約3.0nm的厚度。在某些實施例中，上部磁性層24為FexCoyB1-x-y，其中0.50
Figure 108135318-A0305-02-0014-9
x
Figure 108135318-A0305-02-0014-10
0.70且0.10
Figure 108135318-A0305-02-0014-11
y
Figure 108135318-A0305-02-0014-12
0.30。在其他實施例中，0.55
Figure 108135318-A0305-02-0014-13
x
Figure 108135318-A0305-02-0014-14
0.65且0.15
Figure 108135318-A0305-02-0014-15
y
Figure 108135318-A0305-02-0014-16
0.25。在一些實施例中，上部磁性層24係由與下部磁性層22相同的材料製成。在一些實施例中，上部磁性層22係由與下部磁性層22不同的材料製成。
在一些實施例中，中間非磁性層25為一耦合層並且係由W、Mo、Pt及Ru以及上述各者的合金之一或多者製成。在一些實施例中，中間非磁性層25的厚度係在從約0.2nm至約0.5nm的範圍中。經由中間非磁性層25之耦合材料，第一磁性層20之下部磁性層22與上部磁性層24耦合。此耦合將破壞對稱性，且因此無電場切換是可能的。在一些實施例中，如第2圖中所示，下部磁性層22的磁場方向大體上水平(垂直於薄膜堆疊方向)，而上部磁性層24的磁場方向大體上垂直(平行於薄膜堆疊方向)。在一些實施例中，例如下部磁性層22的磁場方向可以一小角度(例如，1度至30度)傾斜，該傾斜可導致穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance；TMR)率的降級。在一些實施例中， TMR率可藉由控制下部磁性層22及上部磁性層24之至少一者的厚度來最佳化。
在一些實施例中，如第3圖所示，界面層26及28分別安置在下部磁性層22與中間非磁性層25之間，以及在中間非磁性層25與上部磁性層24之間。在一些實施例中，界面層26及28係由FeB製成。在一些實施例中，界面層26及28的厚度係在從約0.5nm至約2nm的範圍中。當中間非磁性層25安置在下部磁性層22與上部磁性層24之間(換言之，中間非磁性層25插入在第一磁性層20中)時，可在中間非磁性層25與下部磁性層22及/或上部磁性層24之間的界面處觀察到無感層(dead layer)，該無感層可減弱垂直磁各向異性(perpendicular magnetic anisotropy；PMA)。藉由插入界面層26及28，有可能抑制無感層，並且保持或提高PMA。
非磁性金屬氧化層30係由介電材料製成。在一些實施例中，非磁性金屬氧化層30包括結晶或非晶氧化鎂(magnesium oxide；MgO)層。在其他實施例中，非磁性金屬氧化層30係由氧化鋁製成。在一些實施例中，金屬氧化層30具有範圍從約0.3nm至約1.2nm的厚度；並且在其他實施例中，非磁性層30的厚度在從約0.5nm至約1.0nm的範圍中。在一些實施例中，金屬氧化層30為需要用於磁性層20的垂直磁各向異性的材料。
在一些實施例中，裝置包括第二磁性層40。第二磁性層40為其中磁矩不改變的參考層。在一些實施例中， 第二磁性層40係由與如上文所述的第一磁性層20相同的材料製成。在一些實施例中，第二磁性層40包括多層磁性材料。在一些實施例中，第二磁性層40包括鈷(Co)及鉑(Pt)的多層結構。在一些實施例中，第二磁性層40的厚度在約0.2nm至約1.0nm的範圍中；並且在其他實施例中，第二磁性層40的厚度在約0.3nm至約0.5nm的範圍中。
在一些實施例中，第二磁性層40為包括合成反鐵磁層的多層，該合成反鐵磁層具有由非磁性層(諸如，Ru)間隔的鐵磁層。在一些實施例中，將第二磁性層40的磁矩固定就位的諸如反鐵磁層之定位層安置在第二磁性層40上，其中Ru層插入於該第二磁性層與該定位層之間。在一些實施例中，第一及第二磁性層為結晶的。
在一些實施例中，裝置包括如電極的頂部導電層50。頂部導電層50包括Ta、Ru、Au、Cr、Pt、Cu、Ni、W、及Al之一或多層。
支撐層5係由介電材料製成，諸如氧化矽、氮氧化矽、氮化矽、氧化鋁、氧化鎂或任何其他適當材料。在一些實施例中，支撐層5為半導體裝置中的淺溝槽隔離層、層間介電(interlayer dielectric；ILD)層或金屬間介電層(inter-metal dielectric；IMD)。
此外，如第2圖中所示，中間金屬層60安置在非磁性金屬氧化層30與第二磁性層40之間。在一些實施例中，中間金屬層60由非磁性材料製成。在某些實施例中，中間金屬層60由Mg製成。在一些實施例中，中間金屬層60的 厚度在約0.1nm至約0.6nm的範圍中；並且在其他實施例中，中間金屬層60的厚度在約0.2nm至約0.5nm的範圍中。在其他實施例中，不使用中間金屬層。
在一些實施例中，反鐵磁層70形成在第二磁性層上，並且第三磁性層80形成在反鐵磁層70上，如第2圖中所示。反鐵磁層70有助於固定第二磁性層40的磁矩。在一些實施例中，反鐵磁層70包括銣(Ru)或任何其他適當的反鐵磁材料。在一些實施例中，反鐵磁層70的厚度係在從約0.2nm至約0.8nm的範圍中。
第三磁性層80包括一或多層磁性材料。在一些實施例中，第三磁性層80包括鈷、鐵、鎳及鉑的一或多者。在一些實施例中，第三磁性層80的材料與第二磁性層40的材料相同或不同。在某些實施例中，第三磁性層80為CoPt層。在一些實施例中，第三磁性層的厚度在從約0.5nm至約1.5nm的範圍中；並且在其他實施例中，第三磁性層的厚度在約0.7nm至約1.2nm的範圍中。
第1圖至第3圖中所示的層之每一者可藉由適當的薄膜形成方法形成，該等方法包括物理氣相沉積(physical vapor deposition；PVD)，包括濺射；分子束磊晶法(molecular beam epitaxy；MBE)；脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition；PLD)；原子層沉積(atomic layer deposition；ALD)；電子束(electron beam；e-beam)磊晶；化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)；或衍生CVD製程，進一步包括低壓 CVD(low pressure CVD；LPCVD)、超高真空CVD(ultrahigh vacuum CVD；UHVCVD)、減壓CVD(reduced pressure CVD；RPCVD)；電鍍，或上述方法的任何組合。
在一些實施例中，薄膜堆疊係藉由上述薄膜形成操作形成，並且在形成薄膜堆疊之後，對薄膜堆疊執行圖案化操作以形成如第1圖中所示的SOT單元，該圖案化操作包括一或多個微影及蝕刻操作。
在一些實施例中，底部金屬層10形成在支撐層5上。底部金屬層10可藉由PVD、CVD、ALD，或任何其他適當的薄膜形成方法形成。隨後，第一磁性層20係藉由使用PVD、CVD、ALD，或任何其他適當的薄膜形成方法形成。如上文所述，第一磁性層20包括下部磁性層22、中間非磁性層25及上部磁性層24。在一些實施例中，第一磁性層20進一步包括界面層26及28。該等層順序地形成在底部金屬層10上。進一步，剩餘的層順序形成在第一磁性層20上。
第4圖為根據本案之實施例的SOT MRAM單元的示意橫截面圖。在此實施例中，堆疊薄膜的次序顛倒。
本案的實施例將霍爾感測器與磁性隨機存取記憶體(MRAM)組合以提供非揮發性記憶體(NVM)裝置。與需要外部磁場的霍爾感測器不同，本案的實施例不需要外部磁場。本案提供與習知霍爾效應裝置相比更簡單的非揮發性霍爾效應裝置。
參考第5圖至第9C圖描述製造MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的方法。第5圖為圖示根據本案之實施例的製造MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的方法的流程圖。在操作S210中，自旋軌道扭矩層10形成在基板5上。隨後，在操作S220中，磁性層20形成在自旋軌道扭矩層10上。在操作S230中，金屬氧化層30隨後形成在磁性層上。在操作S240中，自旋軌道扭矩層10、磁性層20，及金屬氧化層30經圖案化以便自旋軌道扭矩層10之多個部分從磁性層20及金屬氧化層30向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。
將進一步參考第6A圖至第9C圖描述製造根據本案之一些實施例的MRAM輔助的裝置的方法。如第6A圖中所示，在一些實施例中，絕緣層15形成在半導體基板5上。在一些實施例中，半導體基板5為矽基板。在一些實施例中，基板5為係晶元並且絕緣層15為氧化矽層。在一些實施例中，絕緣層15係藉由CVD或PVD操作形成；在其他實施例中，絕緣層係藉由熱氧化基板5形成。
如第6B圖中所示，在一些實施例中，下部電極45沿著基板5及絕緣層15的一部分形成。在一些實施例中，絕緣層15係藉由光微影及蝕刻操作，隨後藉由沉積導電材料形成。在一些實施例中，過量的導電材料係藉由研磨或回蝕操作移除。在一些實施例中，執行化學機械研磨(chcmical mechanical polishing；CMP)操作以平面化下部電極45的 上表面及絕緣層15或基板5。在一些實施例中，導電材料係選自Ta、Ru、Au、Cr、Pt、W、Cu、Ni、Al及上述材料之合金。
在一些實施例中，SOT層10隨後在絕緣層15及下部電極45上形成，如第6C圖中所示。在一些實施例中，SOT層10係由鉑、鎢、鉭及PtMn之一或多者形成。
如第6D圖中所示，磁性層20在SOT層10上形成，並且金屬氧化層30在磁性層20上形成。在一些實施例中，磁性層為CoxFeyB並且金屬氧化層30為MgO以形成層堆疊。在一些實施例中，層堆疊包括形成在金屬氧化層30上的一或多個額外磁性層40以改變磁性層20的磁性(Hc)。
層堆疊經順序地圖案化，如第7A圖、第7B圖及第7C圖中所示。第7A圖為平面圖，第7B圖為沿著第7A圖中的線A-A’獲取的橫截面圖，並且第7C圖為沿著第7A圖中的線B-B’獲取的橫截面圖。如圖所示，第二磁性層40、金屬氧化層30、第一磁性層20，及SOT層5經圖案化以形成十字形狀，儘管本案並不限於此形狀。層堆疊係使用光微影及蝕刻操作圖案化。
下一步，第二磁性層40、金屬氧化層30及第一磁性層20進一步經圖案化以相對於SOT層10減少其寬度，如第8A圖、第8B圖及第8C圖中所示。第8A圖為平面圖，第8B圖為沿著線A-A’獲取的橫截面圖，並且第8C圖為沿著第8A圖中的線B-B’獲取的橫截面圖。第二磁性層40、金屬氧化層30及第一磁性層20進一步使用光微影及蝕刻操作圖 案化。可選的第二磁性層40、金屬氧化層30及第一磁性層20經圖案化以便該等經圖案化層位於十字形SOT層10的中心部分上。換言之，SOT層10的相對側在大體上垂直的方向上從第一磁性層20、金屬氧化層30及可選第二磁性層40的邊緣向外延伸。在一些實施例中，下部電極45經電連接至十字形SOT層10的四個端部。
在一些實施例中，包括導電材料的上部觸點50隨後形成在MRAM輔助的裝置上，如第9A圖、第9B圖及第9C圖中所示。第9A圖為平面圖，第9B圖為沿著第9A圖中的線A-A’獲取的橫截面圖，並且第9C圖為沿著線B-B’獲取的橫截面圖。上部觸點可使用光微影及材料沉積技術形成。
第10A圖為根據本案之實施例的MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的橫截面圖；並且第10B圖為的裝置(不包括基板)的示意等角視圖，展示在施加寫入電流之前的裝置的操作。
第11圖為第10A圖及第10B圖的MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的示意等角視圖，展示當初始化磁性方位時的裝置的操作。初始磁場方位係由向下箭頭125指示。初始磁場方位係藉由施加範圍由約100Oe(oersted)至約2000Oe的磁場120或高電流115。在一些實施例中，磁場的範圍介於約200Oe至約1000Oe。在一些實施例中，施加電流115係以一電流密度施加至SOT層10，該電流密度大於沿著x方向施加的1×1011A/m2的電流密度。在一些實施例中，電流115為DC脈衝，用於至少1ns的一段持續時間。 橫電壓係藉由連接至SOT層10端部的電壓表90橫跨y方向量測，以決定磁性層20的磁場方位。
第12A圖至第12C圖為MRAM輔助的NVM霍爾效應裝置的示意等角視圖。第12A圖為圖示施加寫入電流I+至第11圖的MRAM輔助的裝置的示意圖。寫入電流I+沿著x方向施加至SOT層10，並且橫電壓係橫跨SOT層10的多個部分的y方向由電壓表90量測，該電壓表沿著y方向延伸超出磁性層20。如第12B圖中所示，若寫入電流I+小於特定裝置的閾值電流，則裝置的磁場方位125不從初始狀態變化；而在第12C圖中，當寫入電流大於閾值時，裝置的磁場方位反轉。藉由使用電壓表90觀察電壓變化來驗證磁場方位125是否已改變。磁場方位取決於電流。在SOT-MRAM的一些實施例中，在相同的電流方向上施加大於閾值電流的附加電流脈衝時，磁場方位不會從第二磁場方位翻轉回到第一磁場方位。
在一些實施例中，磁性層的磁場方位係藉由施加至少約1×1011A/m2的電流密度至SOT層來切換。在一些實施例中，施加至SOT層的電流密度在從約1×1011A/m2至約1×1012A/m2的範圍中。本發明實施例不限於該等電流密度，因為改變磁場方位的電流密度的值取決於裝置元件的材料性質。
在一些實施例中，複數個MRAM輔助的裝置(或單元)係以陣列佈置。取決於複數個MRAM輔助的裝置的處理溫度及MRAM輔助的裝置的各個層(包括穿隧阻 障層)的厚度，MRAM輔助的裝置的磁性在陣列中的各個裝置(單元)之間改變。例如，接近於施加至裝置行或陣列的閾值電壓的特定寫入電流可導致裝置翻轉其磁場方位，同時陣列中的其他裝置不切換。特定裝置是否改變其磁場方位是隨機的並且基於每一裝置的層中的局部差異。矯頑磁性在某些範圍之內隨機地分佈。因此，一些裝置可在特定寫入電流下改變磁場方位，而其他裝置不改變其磁場方位。
矯頑磁性中的此自然發生的隨機性允許根據本案之複數個MRAM輔助的裝置得以用於物理不可複製函數(physical unclonable function；PUF)的應用。在實施例中，陣列100中的裝置係藉由施加高於每一單元的閾值電流的電流I+ 130至SOT層10來初始化(設定至0)。在一些實施例中，外部磁場用於初始化陣列中的複數個裝置。如第13圖中所示，每一各個裝置的磁場方位125係以相同方向設定。隨後，在第14圖中，接近於閾值電流之寫入電流I+ 135經施加至陣列。因為施加至裝置的寫入電流I+ 135接近於閾值電流，所以一些裝置將從0翻轉至1，而其他裝置保持在0狀態，如第14圖中所示。陣列中的哪一裝置翻轉是隨機的並且不可預測，因此，裝置是物理上不可仿製的。在一些實施例中，隨機性是製造過程的結果。在一些實施例中，物理不可複製函數用於建立陣列100中的隨機圖案。在一些實施例中，隨機圖案用作電子識別。在一些實施例中，該等隨機圖案可用作安全性特徵，諸如信用卡的上的磁條。
在一些實施例中，變化寫入電流I+ 135以改變裝置的數目，此舉改變磁場方位。因為寫入電流I+ 135接近於閾值電流，所以降低施加至自旋軌道扭矩層10的寫入電流I+ 135將減少其中磁性層20之磁場方位改變的裝置的數目。另一方面，增加寫入電流將增加其中磁性層20的磁場方位改變的裝置的數目。
在一些實施例中，陣列為單元100的線性陣列，如第13圖及第第14圖中所示。單元藉由自旋軌道扭矩層10彼此連接，並且線性陣列沿著寫入電流I+流動的方向延伸。在一些實施例中，單元100的線性陣列係藉由如本文所述的材料沉積、光微影，及蝕刻操作形成。在其他實施例中，如在平面圖中可見，MRAM輔助的單元的複數個線性陣列經佈置以形成二維陣列，該二維陣列具有MRAM輔助的單元的複數個行或列。
第15圖為圖示根據本案之實施例的製造MRAM輔助的裝置的方法的流程圖。在操作S310中，自旋軌道扭矩層10形成在基板5上。操作S320中，第一磁性層20形成在自旋軌道扭矩層10上。隨後，在操作S330中，金屬氧化層30形成在磁性層20上。在一些實施例中，在操作S340中，第二磁性層40隨後形成在金屬氧化層30上。在操作S350中，自旋軌道扭矩層10、第一磁性層20、金屬氧化層30，及可選第二磁性層40經圖案化以便自旋軌道扭矩層10之多個部分從第一磁性層20、金屬氧化層30，及第二磁性層40向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及 第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。在一些實施例中，在操作S360中，在形成金屬氧化層30之前並且在形成第二磁性層40之後，形成中間層60。在一些實施例中，在操作S370中，導電層50在第二磁性層40上形成。
第16圖為圖示根據本案之實施例的寫入MRAM輔助的裝置的方法的流程圖。在操作S410中，確定MRAM輔助的裝置的第一磁性層的磁場方位。裝置包括安置在基板5上的自旋軌道扭矩(SOT)層10。第一磁性層20安置在自旋軌道扭矩層10上，並且金屬氧化層30安置在第一磁性層20上。在一些實施例中，磁場方位係藉由量測橫跨SOT層的多個部分的橫電壓來確定，該SOT層在大體上垂直於SOT層中的電流流動的方向上從裝置的磁性層延伸。在操作S420中，施加至少1011A/m2的電流密度於自旋軌道扭矩層10。在一些實施例中，在操作S430中確定第一磁性層20的磁場方位是否在施加至少1011A/m2的電流密度至自旋軌道扭矩層之後已改變。在一些實施例中，第一磁性層20之磁場方位是否已改變係藉由在操作S440中施加讀取電流至MRAM輔助的裝置的SOT層來確定。在一些實施例中，確定第一磁性層的磁場方位包括在操作S450中施加讀取電流至MRAM輔助的非揮發性霍爾效應裝置的SOT層。
第17圖為圖示根據本案之實施例的製造MRAM輔助的裝置的方法的流程圖。在操作S510中，自旋軌道扭矩層10形成在基板5上。在操作S520中，自旋軌道扭矩層10經圖案化以在基板5上形成十字形自旋軌道扭矩 層。在操作S530中，第一磁性層20形成在十字形自旋軌道扭矩層10的中心部分上；並且在操作S540中，金屬氧化層30形成在第一磁性層20上。自旋軌道扭矩層10之多個部分從第一磁性層20及金屬氧化層30向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。在一些實施例中，在操作S550中，第二磁性層40在第一磁性層20上形成。在一些實施例中，具有開口的遮罩經形成在自旋軌道扭矩層之中心部分上，並且第二磁性層形成在遮罩開口中。在一些實施例中，在操作S560中，在形成第一磁性層20與第二磁性層40的操作之間形成中間層60。在一些實施例中，形成具有開口的遮罩在自旋軌道扭矩層10之中心部分上，並且形成中間層60在遮罩開口中。在一些實施例中，在操作S570中，在形成第一磁性層之前，形成遮罩層在自旋軌道扭矩層上；並且在操作S580中，在遮罩層中形成開口，暴露自旋軌道扭矩層的中心部分。在一些實施例中，遮罩層包括光阻劑層。在一些實施例中，金屬氧化層30包含一材料，該材料保持第一磁性層20的垂直磁各向異性。在一些實施例中，在操作S590中，形成導電層50在第一磁性層20上。
第18圖圖示在施加接近於閾值電流的寫入電流之後，MRAM輔助的裝置的10 X 8陣列600的隨機性。改變磁場方位的裝置表示為「1」，且不改變方位的裝置表示為「0」。歸因於各個SOT MRAM單元中的微量變化(諸如層厚度的變化)，產生改變磁場方位的單元及不改變方位 的單元的隨機圖案。例如，陣列可用於物理不可複製函數(PUF)的應用中，諸如電子識別。在一些實施例中，該等隨機圖案可用作安全性特徵，諸如信用卡的上的磁條。
第19A圖圖示根據本案的實施例的包含MRAM輔助的裝置的陣列的電路700佈線的一部分。裝置連接至字線WL、源線SL，及位元線BL。如圖所示，寫入電流從源線SL1至字線WL1施加至裝置。在位元線BL1處讀取橫向(霍爾)電壓信號。在一些實施例中，自旋軌道扭矩層的與V讀數相對的部分是浮動的。電荷將累積在SOT層的浮動側。在其他實施例中，如第19B圖所示，SOT層不包括浮動層。在一些實施例中，另一條位線BL1-、BL2-從V讀數連接到自旋軌道扭矩層的相反側。在一些實施例中，將自旋軌道扭矩層的相對側連接到兩條位線(例如，BL1 +和BL1-)提供了改善的信號。
在一些實施例中，霍爾電壓信號在範圍為約3%至約50%施加之電流的範圍內。霍爾電壓的數值取決於SOT材料。當啟動特定字線WL，一個單元的兩個電晶體開啟。隨後，輸入(或寫入)電流流經MRAM輔助的裝置的自旋軌道扭矩層，如此產生霍爾電壓Vreadout。霍爾電壓Vreadout出現在在位元線上，做為單元的資料。例如，啟動WL1及SL1產生在11(WL1及BL1)位置處的電壓讀出Vreadout。當啟動WL1及BL2時，產生在12(WL1及BL2)位置處的電壓讀出Vreadout，等等。
第20A、20B及20C圖圖示嵌入在積體電路800中的MRAM輔助裝置810。如第20A圖所示，裝置810位於M2佈線層，該M2佈線層在積體電路800的源線SL、位元線SL，及字線WL之上。裝置藉由導電觸點105連接至源線SL以及M1佈線層下的電晶體115、115’的源極/汲極區域75。電晶體115、115’包括閘極電極85及覆蓋通道區域65的閘極介電層95，該通道區域在半導體基板55中形成的源極/汲極區域75之間。在一些實施例中，相鄰電晶體115、115’之閘極電極85係藉由字線WL連接。第20B圖是第20A圖的MRAM輔助裝置的等軸(三維)視圖。第20C圖是第20A圖的MRAM輔助裝置的頂視圖。
根據本案的MRAM輔助的設備可提供寫入電流及速度的數量級改進。根據本案的裝置有益於高速、低功率的快取應用。在一些實施例中，形成MRAM輔助的非揮發性記憶體霍爾感測器切換。MRAM輔助的非揮發性記憶體霍爾感測器切換不需要外部磁場。在一些實施例中，根據本案的裝置的磁性非揮發性記憶體保持其磁場方位達約10年或更長時間。根據本案的裝置的矯頑磁性中的自然發生的隨機性有益於物理不可複製函數(PUF)的應用，包括電子識別應用。
本案之實施例為一種磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置，該裝置包括安置在基板上的自旋軌道扭矩層，以及安置在自旋軌道扭矩層上的磁性層。金屬氧化層安置在磁性層上。自旋軌道扭矩層之多個部分從磁性 層及金屬氧化層向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。在一實施例中，金屬氧化層包括材料，該材料保持磁性層的垂直磁各向異性。在一實施例中，磁性層具有大於500高斯的矯頑磁性。在一實施例中，金屬氧化層包含MgO。在一實施例中，磁性層包括CoFeB材料。在一實施例中，自旋軌道扭矩層包含鉑、鎢、鉭及PtMn之一或多者。在一實施例中，基板包括半導體基板。在一實施例中，基板包括矽。在一實施例中，基板包括具有絕緣層的半導體基板，該絕緣層插入在半導體基板與自旋軌道扭矩層之間。在一實施例中，自旋軌道扭矩層在平面圖中為十字形狀，並且磁性層及金屬氧化物層安置在十字形自旋軌道扭矩層的中心部分上。在一實施例中，磁性層的磁場方位係藉由施加1011A/m2之電流密度至自旋軌道扭矩層而改變。在一實施例中，在不施加外部電流或磁場的情況下，裝置保持其磁場方位達10年。在一實施例中，裝置包括安置在金屬氧化層上的第二磁性層。
本案之實施例為一種製造磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置的方法，該方法包括在基板上形成自旋軌道扭矩層，以及在自旋軌道扭矩層上形成磁性層。形成金屬氧化層在磁性層上。圖案化自旋軌道扭矩層、磁性層，及金屬氧化層以便自旋軌道扭矩層之多個部分從磁性層及金屬氧化層向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直 於第一方向。在一實施例中，金屬氧化層包括材料，該材料保持磁性層的垂直磁各向異性。在一實施例中，金屬氧化層包含MgO。在一實施例中，磁性層具有大於500高斯的矯頑磁性。在一實施例中，磁性層包括CoFeB材料。在一實施例中，自旋軌道扭矩層包含鉑、鎢、鉭及PtMn之一或多者。在一實施例中，基板包括半導體基板。在一實施例中，基板包括矽。在一實施例中，基板包括具有絕緣層的半導體基板，該絕緣層插入在半導體基板與自旋軌道扭矩層之間。在一實施例中，自旋軌道扭矩層、磁性層，及金屬氧化層經圖案化以便自旋軌道扭矩層在平面圖中為十字形，並且磁性層及金屬氧化物層安置在十字形自旋軌道扭矩層的中心部分上。
本案之另一實施例為一種磁性隨機存取記憶體(MRAM)輔助的非揮發性物理不可複製函數(PUF)裝置，包括安置在基板上的自旋軌道扭矩層，該自旋軌道扭矩層具有在第一方向上延伸的第一區域。自旋軌道扭矩層之複數個第二區域沿著垂直於第一方向的第二方向延伸。複數個第二區域沿著第一方向彼此間隔開。複數個第一磁性層安置在自旋軌道扭矩層之第一區域上。第一磁性層在一對第二區域之間各自定位，該對第二區域在相對該自旋軌道扭矩層之該第一區域的該第二方向上延伸。金屬氧化層安置在第一磁性層之每一者上。在一實施例中，裝置包括安置在金屬氧化層之每一者上的第二磁性層。在一實施例中，裝置包括安置在金屬氧化層與第二磁性層之每一者之間的中間層。在一實施例 中，裝置包括安置在金屬氧化層之每一者上的導電層。在一實施例中，自旋軌道扭矩層包含鉑、鎢、鉭及PtMn之一或多者。在一實施例中，基板包括具有絕緣層的半導體基板，該絕緣層插入在半導體基板與自旋軌道扭矩層之間。在一實施例中，第一磁性層包括CoFeB材料。在一實施例中，第一磁性層具有大於500高斯的矯頑磁性。在一實施例中，第一磁性層之一或多者的磁場方位係藉由施加1011A/m2之電流密度至自旋軌道扭矩層而改變。
本案之實施例為一種製造磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置的方法，該方法包括在基板上形成自旋軌道扭矩層，以及圖案化該自旋軌道扭矩層以在基板上形成十字形自旋軌道扭矩層。第一磁性層形成在十字形自旋軌道扭矩層的中心部分上，並且金屬氧化層形成在第一磁性層上。在一實施例中，自旋軌道扭矩層之多個部分從磁性層及金屬氧化層向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。在一實施例中，方法包括在形成第一磁性層之前，在自旋軌道扭矩層上形成遮罩層。在一實施例中，方法包括在遮罩層中形成開口，暴露自旋軌道扭矩層之中心部分。在一實施例中，遮罩層包括光阻劑層。在一實施例中，金屬氧化層包括材料，該材料保持第一磁性層的垂直磁各向異性。在一實施例中，方法包括在第一磁性層上形成導電層。在一實施例中，方法包括在第一磁性層上形成第二磁性層。在一些實施例中，方法包括在自旋軌道扭矩層之中心部 分上形成具有開口的遮罩，其中第二磁性層形成在遮罩開口中。在一實施例中，方法包括在第一磁性層與第二磁性層之間形成中間層。在一實施例中，方法包括在自旋軌道扭矩層之中心部分上形成具有開口的遮罩，其中中間層形成在遮罩開口中。
本案之另一實施例為一種製造磁性隨機存取記憶體輔助的裝置的方法，該方法包括在基板上形成自旋軌道扭矩層，以及在自旋軌道扭矩層上形成第一磁性層。形成金屬氧化層在磁性層上，形成第二磁性層在金屬氧化層上。圖案化自旋軌道扭矩層、第一磁性層、金屬氧化層，及第二磁性層以便自旋軌道扭矩層之多個部分從第一磁性層、金屬氧化層，及第二磁性層向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。在一實施例中，方法包括在第二磁性層上形成導電層。在一實施例中，方法包括在金屬氧化層與第二磁性層之間形成中間層。在一實施例中，金屬氧化層包括材料，該材料保持第一磁性層的垂直磁各向異性。在一實施例中，第一磁性層具有大於500高斯的矯頑磁性。在一實施例中，磁性層包含CoFeB材料。在一實施例中，自旋軌道扭矩層包含鉑、鎢、鉭及PtMn之一或多者。在一實施例中，基板包括半導體基板。在一實施例中，基板包括矽。在一實施例中，基板包括具有絕緣層的半導體基板，該絕緣層插入在半導體基板與自旋軌道扭矩層之間。在一實施例中，圖案化自旋軌道扭矩層、磁性層，及金屬氧化層以便自旋軌道扭矩 層在平面圖中為十字形，並且磁性層及金屬氧化物層安置在十字形自旋軌道扭矩層的中心部分上。
另一實施例為一種製造磁性隨機存取記憶體輔助的裝置的方法，該方法包括在基板上形成自旋軌道扭矩層，以及在自旋軌道扭矩層上形成第一磁性層。金屬氧化層經形成在磁性層上。第二磁性層經形成在金屬氧化層上。自旋軌道扭矩層、第一磁性層、金屬氧化層，及第二磁性層經圖案化以便自旋軌道扭矩層之多個部分從第一磁性層、金屬氧化層，及第二磁性層向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。在一實施例中，方法包括在第二磁性層上形成導電層。在一實施例中，方法包括在金屬氧化層與第二磁性層之間形成中間層。在一實施例中，金屬氧化層包含材料，該材料保持第一磁性層的垂直磁各向異性。在一實施例中，第一磁性層具有大於500高斯的矯頑磁性。在一實施例中，磁性層包括CoFeB材料。在一實施例中，自旋軌道扭矩層包含鉑、鎢、鉭及PtMn之一或多者。在一實施例中，基板包括半導體基板。在一實施例中，基板包括矽。在一實施例中，基板包括具有絕緣層的半導體基板，該絕緣層插入在半導體基板與自旋軌道扭矩層之間。在一實施例中，圖案化自旋軌道扭矩層、磁性層，及金屬氧化層以便自旋軌道扭矩層在平面圖中為十字形，並且磁性層及金屬氧化物層安置在十字形自旋軌道扭矩層的中心部分上。
另一實施例為一種磁性隨機存取記憶體輔助的裝置，該裝置包括安置在基板上的自旋軌道扭矩層，以及安置在自旋軌道扭矩層上的第一磁性層。金屬氧化層安置在磁性層上並且第二磁性層安置在金屬氧化層上。自旋軌道扭矩層之多個部分從第一磁性層、金屬氧化層及第二磁性層向外延伸，該些部分位於在平面圖中的第一方向的相對側及第二方向的相對側上，其中第二方向垂直於第一方向。在一實施例中，金屬氧化層包括材料，該材料保持第一磁性層的垂直磁各向異性。在一實施例中，第一磁性層具有大於500高斯的矯頑磁性。在一實施例中，金屬氧化層包含MgO。在一實施例中，第一磁性層包括CoFeB材料。在一實施例中，自旋軌道扭矩層包含鉑、鎢、鉭及PtMn之一或多者。在一實施例中，基板包括半導體基板。在一實施例中，基板包括具有絕緣層的半導體基板，該絕緣層插入在半導體基板與自旋軌道扭矩層之間。在一實施例中，自旋軌道扭矩層在平面圖中為十字形，並且磁性層及金屬氧化物層安置在十字形自旋軌道扭矩層的中心部分上。在一實施例中，裝置包括安置在第二磁性層上的導電層。在一實施例中，裝置包括安置在金屬氧化層與第二磁性層之間的中間層。在一實施例中，第一磁性層的磁場方位係藉由施加1011A/m2之電流密度至自旋軌道扭矩層而改變。在一實施例中，在不施加外部電流或磁場的情況下，裝置保持其磁場方位達10年。
另一實施例為向磁性隨機存取記憶體(MRAM)輔助的設備寫入的方法，包括確定MRAM輔助的 非揮發性霍爾效應裝置的第一磁性層的磁場方位。裝置包括安置在基板上的自旋軌道扭矩層、安置在自旋軌道扭矩層上的第一磁性層，以及安置在第一磁性層上的金屬氧化層。施加至少1011A/m2的電流密度於自旋軌道扭矩層。在一實施例中，方法包括確定第一磁性層的磁場方位是否在施加至少1011A/m2的電流密度至自旋軌道扭矩層之後已改變。在一實施例中，確定第一磁性層之磁場方位是否已改變包括施加讀取電流至MRAM輔助的裝置。在一實施例中，確定第一磁性層之磁場方位包括施加讀取電流至MRAM輔助的裝置。
另一實施例為產生隨機資料的方法，包括初始化複數個磁性隨機存取記憶體輔助單元，以便複數個磁性隨機存取記憶體輔助單元之每一者的磁性層沿第一方向排列。複數個磁性隨機存取記憶體輔助單元之每一者包括：自旋軌道扭矩層、安置在自旋軌道扭矩層上的磁性層，及安置在磁性層上的非磁性層。自旋軌道扭矩層之多個部分從磁性層及非磁性層向外延伸，該些部分在平面圖中的第一方面的相對側及第二方向的相對側上，該第二方向垂直於該第一方向，且相鄰的磁性隨機存取記憶體輔助單元藉由自旋軌道扭矩層沿著第一方向彼此連接。電流係沿著第一方向施加至自旋扭矩層，以便磁性隨機存取記憶體輔助單元之一或多者的磁性層的磁場方位從第一方向改變為第二方向。在一實施例中，方法包括改變電流以改變從第一方向改變為第二方向的磁性層的數目。在一實施例中，初始化複數個磁性隨機存取 記憶體輔助單元以便複數個磁性隨機存取記憶體輔助單元之每一者的磁性層沿第一方向排列之步驟係藉由施加外部磁場至複數個磁性隨機存取記憶體輔助單元來執行。在一實施例中，初始化複數個磁性隨機存取記憶體輔助單元以便複數個磁性隨機存取記憶體輔助單元之每一者的磁性層沿第一方向排列之步驟係藉由在第一方向上施加電流至自旋軌道扭矩層來執行。在一實施例中，複數個磁性隨機存取記憶體輔助單元為線性陣列。在一實施例中，複數個磁性隨機存取記憶體輔助單元為如在平面圖中所見的二維陣列。在一實施例中，非磁性層為金屬氧化層。在一實施例中，金屬氧化物為MgO。在一實施例中，每一磁性隨機存取記憶體輔助單元包括安置在非磁性層上的第二磁性層。
應將理解，在本文中並非必須論述所有優點，沒有特定優點對於所有實施例或實例是需要的，並且其他實施例或實例可以提供不同的優點。
前述內容概括了若干實施例或實例之特徵，以便熟習該項技術者可較佳地理解本案之態樣。熟習該項技術者應理解，其可輕易地使用本揭示內容作為用於設計或修改其他製程及結構之基礎，該等其他製程及結構用於實現本文介紹之實施例或實例的相同目的及/或達成相同優點。熟習該項技術者亦應瞭解，該等同等構造不背離本案之精神及範疇，且在不背離本案之精神及範疇之情況下，熟習該項技術者可以進行各種改變、替代及更改。
5:支撐層
10:底部金屬層
20:磁性層
30:非磁性金屬氧化層
40:第二磁性層
50:上部觸點
90:電壓表
I+:電流

Claims (10)

  1. 一種磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置，包含：安置在一基板上的一自旋軌道扭矩層；安置在該自旋軌道扭矩層上的一磁性層；以及安置在該磁性層上的一金屬氧化層，其中該自旋軌道扭矩層之多個部分從該磁性層及該金屬氧化層向外延伸，該些部分位於在平面圖中的一第一方向的相對側及一第二方向的相對側上，其中該第二方向垂直於該第一方向，且該自旋軌道扭矩層之該些部分在該平面圖上彼此間隔開。
  2. 如請求項1所述之磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置，其中該金屬氧化層包含一材料，該材料保持該磁性層的一垂直磁各向異性。
  3. 如請求項1所述之磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置，其中該基板包含具有一絕緣層的一半導體基板，該絕緣層插入在該半導體基板與該自旋軌道扭矩層之間。
  4. 如請求項1所述之磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置，其中該自旋軌道扭矩層在平面圖中為十字形，並且該磁性層及金屬氧化物層安置在該十字形自旋軌道扭矩層的一中心部分上。
  5. 一種磁性隨機存取記憶體(MRAM)輔助的非揮發性物理不可複製函數(physical unclonable function；PUF)的裝置，包含：一自旋軌道扭矩層，安置在一基板上，具有沿一第一方向上延伸的一第一區域；該自旋軌道扭矩層之複數個第二區域，沿著垂直於該第一方向的一第二方向延伸，其中該第一區域與該複數個第二區域在平面圖上彼此間隔開；複數個第一磁性層安置在該自旋軌道扭矩層之該第一區域上，其中該等第一磁性層各位於一對第二區域之間，該對第二區域在相對該自旋軌道扭矩層之該第一區域的該第二方向上延伸；以及一金屬氧化層，安置在該等第一磁性層之每一者上。
  6. 如請求項5所述之MRAM輔助的非揮發性PUF的裝置，進一步包含安置在該等金屬氧化層之每一者上的一第二磁性層。
  7. 如請求項6所述之MRAM輔助的非揮發性PUF的裝置，進一步包含安置在該金屬氧化層及該第二磁性層之每一者之間的一中間層。
  8. 如請求項5所述之MRAM輔助的非揮發性PUF的裝置，進一步包含安置在該等金屬氧化層之每一者上的一導電層。
  9. 如請求項5所述之MRAM輔助的非揮發性PUF的裝置，其中該基板包含具有一絕緣層的一半導體基板，該絕緣層插入在該半導體基板與該自旋軌道扭矩層之間。
  10. 一種製造一磁性隨機存取記憶體輔助的非揮發性霍爾效應裝置的方法，包含：在一基板上形成一絕緣層；在該絕緣層中形成一下部電極；在該絕緣層及該下部電極上形成一自旋軌道扭矩層；圖案化該自旋軌道扭矩層以在該基板上形成一交叉形狀的自旋軌道扭矩層；在該交叉形狀的自旋軌道扭矩層之一中心部分上形成一第一磁性層；以及在該第一磁性層上形成一金屬氧化層。
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