TWI520133B - 磁性記憶體裝置 - Google Patents

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TWI520133B
TWI520133B TW099130729A TW99130729A TWI520133B TW I520133 B TWI520133 B TW I520133B TW 099130729 A TW099130729 A TW 099130729A TW 99130729 A TW99130729 A TW 99130729A TW I520133 B TWI520133 B TW I520133B
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金佑填
林佑昶
鄭峻昊
崔錫憲
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Description

磁性記憶體裝置
本文中之本發明係關於記憶體裝置，且更特定言之係關於磁性記憶體裝置。
本美國非臨時專利申請案根據35 U.S.C.§ 119規定主張2009年9月30日申請之韓國專利申請案第10-2009-0093306號及2009年9月11日申請之韓國申請案第10-2009-0086084號之優先權之權利，二者的全部揭示內容在此以引用的方式併入本文中。
隨著電子裝置之高速操作及低功率消耗得以實現，記憶體裝置亦可需要快速讀取/寫入效能及低操作電壓。將磁性記憶體裝置作為用以提供增加之速度及減小之操作電壓的記憶體裝置來研究。因為磁性記憶體裝置可提供高速操作及/或非揮發性特性，所以針對下一代記憶體，其已引起注意。
習知磁性記憶體裝置可包括磁穿隧接面樣式(MTJ)。磁穿隧接面樣式由兩個磁性物質及一***於該兩個磁性物質之間的絕緣層形成，且磁穿隧接面樣式之電阻值可根據該兩個磁性物質之磁化方向而變化。具體言之，當該兩個磁性物質之磁化方向反平行於彼此時，磁穿隧接面樣式可具有高電阻值。當該兩個磁性物質之磁化方向平行於彼此時，磁穿隧接面樣式可具有低電阻值。此等電阻值之間的差可用以寫入/讀取資料。
根據本發明性概念之一些實施例，磁性記憶體裝置可提供增強之可靠性、高磁阻比及/或減小之操作功率。
在一些實施例中，一種磁性記憶體裝置可包括一基板上之一穿隧障壁、第一接面磁性層及第二接面磁性層，及一非磁性層。該第一接面磁性層可接觸該穿隧障壁之一面。可藉由該第一接面磁性層使一第一垂直磁性層與該穿隧障壁分離。該第二接面磁性層可接觸該穿隧障壁之另一面，且可藉由該第二接面磁性層使一第二垂直磁性層與該穿隧障壁分離。該非磁性層可在該第一接面磁性層與該第一垂直磁性層之間。
在其他實施例中，當該磁性記憶體裝置操作時，該第一垂直磁性層之磁化方向與該第二垂直磁性層之磁化方向可垂直於該基板之平面。
在又其他實施例中，可在該第二接面磁性層與該第二垂直磁性層之間***另一非磁性層。
在甚至其他實施例中，該第一接面磁性層及/或該第二接面磁性層可具有一第一晶體結構，而該第一垂直磁性層及/或該第二垂直磁性層可具有不同於該第一晶體結構的一第二晶體結構。
在又其他實施例中，在該穿隧障壁與該第一接面之間的界面處之該穿隧障壁之晶體平面可與在該界面處之該第一接面磁性層的晶體平面等同。該第一晶體結構可為一NaCl型晶體結構或一BCC晶體結構，且該等晶體平面可為一 (001)晶體平面。
在其他實施例中，該第二晶體結構可為L10晶體結構、FCC晶體結構或六方封閉填充(HCP)晶格。
在又其他實施例中，該第一垂直磁性層及/或該第二垂直磁性層可包括一RE-TM(稀土-過渡金屬)合金。
在甚至其他實施例中，該第一垂直磁性層及/或該第二磁性層可包括交替堆疊多次之非磁性金屬層及鐵磁性金屬層，且該等鐵磁性金屬層可具有一至若干原子之一厚度。
在又其他實施例中，該第一接面磁性層及/或該第二接面磁性層可包括一合金磁性材料，該合金磁性材料包括選自由鈷(Co)、鐵(Fe)及鎳(Ni)組成的群組之至少一者，且該合金磁性物質可進一步包括一非磁性元素。
在一些實施例中，該非磁性層可具有一在約2Å(埃)至約20Å(埃)的一範圍中之厚度。
在其他實施例中，該非磁性層可包括選自非磁性金屬之至少一者。該非磁性金屬可為選自非磁性過渡金屬之至少一者。
在又其他實施例中，可藉由該非磁性層使該第一垂直磁性層與該第一接面磁性層彼此交換耦合。
在又其他實施例中，該非磁性層可進一步包括一接觸該非磁性層之頂面及/或底面之金屬化合物層，且該金屬化合物層可包括選自由金屬氧化物、金屬氮化物及金屬氮氧化物組成的群組之至少一者。
在本發明性概念之甚至其他實施例中，磁性記憶體裝置 可包括一基板上之一穿隧障壁、一接觸該穿隧障壁之一面且具有一平行於該基板之平面的平面之自由磁性層，及一接觸該穿隧障壁之另一面且具有一平行於該基板之平面的平面之參考磁性層。該自由磁性層及該參考磁性層可包括鐵(Fe)，且該自由磁性層之鐵含量可能等於或大於該參考磁性層之鐵含量。
在一些實施例中，該自由磁性層中之該鐵(Fe)含量按原子百分比計可在約40%至約60%的一範圍中。
在其他實施例中，該自由磁性層及/或該參考磁性層可進一步包括選自Co及Ni之至少一者。
在又其他實施例中，該自由磁性層及/或該參考磁性層可進一步包括一非磁性元素。
在甚至其他實施例中，當該磁性記憶體裝置操作時，該自由磁性層及該參考磁性層可具有垂直於該基板之平面/表面的磁化方向。
在又其他實施例中，當該磁性記憶體裝置操作時，該自由磁性層及該參考磁性層可具有平行於該基板之平面/表面的磁化方向。
在本發明性概念之又其他實施例中，磁性記憶體裝置可包括一基板。一第一磁性物質、一穿隧障壁及一第二磁性物質可順序地堆疊於該基板上。該第一磁性物質可包括鄰近於該基板且具有六方封閉填充(HCP)晶格結構之一第一垂直磁性層。
在一些實施例中，該六方封閉填充晶格之c軸線可實質 上垂直於該基板之平面。
在其他實施例中，該c軸線可為該第一垂直磁性層可易於磁化之一軸線。
在又其他實施例中，該磁性記憶體裝置可進一步包括在該基板與該第一垂直磁性層之間的包括該HCP晶格之一晶種層。
在甚至其他實施例中，第二磁性基板可進一步包括具有六方封閉填充晶格結構之一第二垂直磁性層。
在又其他實施例中，該第一磁性物質可包括鄰近於該第一垂直磁性層上之該穿隧障壁的一第一磁性接面層，且該第二磁性物質可包括鄰近於該第二垂直磁性層之下之該穿隧障壁的一第二磁性接面層。
在其他實施例中，該第二磁性接面層及該第一磁性接面層可包括一軟磁性材料。
在又其他實施例中，該磁性記憶體裝置可進一步包括該第一垂直磁性層與該第一磁性接面層之間的及/或該第二垂直磁性層與該第二磁性接面層之間的一交換耦合控制層。
在甚至其他實施例中，該交換耦合控制層可包括選自包括一過渡金屬元素之金屬元素的至少一者。
在又其他實施例中，該交換耦合控制層可進一步包括一藉由使該交換耦合控制層之表面氧化而形成的氧化物層。
在替代實施例中，該第二磁性物質可進一步包括在該第二垂直磁性層上交替堆疊多次之非磁性層及鐵磁性層。該 等鐵磁性層可具有一原子層厚度。
在又替代實施例中，該第一垂直磁性層可包括具有按原子百分比計在約10%至約45%的一範圍中之一鉑含量之一無序鈷-鉑合金。
在甚至替代實施例中，該第一垂直磁性層可包括Co3Pt。
在又替代實施例中，該第一垂直磁性層可進一步包括選自由硼(B)、鉻(Cr)及銅(Cu)組成的群組之至少一者。
在其他替代實施例中，該穿隧障壁可包括選自由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)及/或鎂-硼(MgB)之氧化物，及/或鈦(Ti)及/或釩(V)之氮化物組成的群組之至少一者。
在又其他替代實施例中，該磁性記憶體裝置可進一步包括該第二磁性物質上之一罩蓋層。該罩蓋層可包括選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一者。
在甚至其他替代實施例中，當該磁性記憶體裝置操作時，電流可在實質上垂直於該基板之該平面的一方向上流動。
在又其他替代實施例中，該第二磁性層之磁化方向及該第一磁性層之磁化方向可實質上垂直於該基板之該平面。
根據一些實施例，一種磁性記憶體裝置可包括一第一垂直磁性層、該第一垂直磁性層上之一非磁性層，及該非磁性層上之一第一接面磁性層，其中該非磁性層在該第一垂 直磁性層與該第一接面磁性層之間。一穿隧障壁可在該第一接面磁性層上，其中該第一接面磁性層在該非磁性層與該穿隧障壁之間。一第二接面磁性層可在該穿隧障壁上，其中該穿隧障壁在該第一接面磁性層與該第二接面磁性層之間。一第二垂直磁性層可在該第二接面磁性層上，其中該第二接面磁性層在該穿隧障壁與該第二垂直磁性層之間。
根據一些其他實施例，一種磁性記憶體裝置可包括包含鐵(Fe)之一自由磁性層、該自由磁性層上之一穿隧障壁，及該穿隧障壁上之包含鐵(Fe)之一參考磁性層。該穿隧障壁可在該自由磁性層與該參考磁性層之間。該自由磁性層中的鐵之一濃度可至少與該參考磁性層中的鐵之一濃度一樣大。
根據又其他實施例，一種磁性記憶體裝置可包括一基板、該基板上之一第一磁性物質、該第一磁性物質上之一穿隧障壁，及該穿隧障壁上之一第二磁性物質。該第一磁性物質可包括與該基板鄰近之具有六方封閉填充(HCP)晶格結構的一垂直磁性層。該磁性物質可在該基板與該穿隧障壁之間，且該穿隧障壁可在該第一磁性物質與該第二磁性物質之間。
包括隨附圖式以提供對發明性概念的進一步理解，且隨附圖式併入於本說明書中且構成本說明書之一部分。該等圖式說明發明性概念之例示性實施例，且與描述一起用以 解釋發明性概念之原理。
將在下文參看隨附圖式更詳細描述根據發明性概念之實施例之磁性記憶體裝置及用於形成磁性記憶體裝置的方法。提供待描述之實施例，以使得熟習此項技術者易於理解發明性概念之精神，且發明性概念不應被解釋為藉此限制。可在發明性概念之技術精神及範疇內以不同形式體現發明性概念之實施例。在該等圖式中，可誇示元件之厚度及相對厚度以清楚說明發明性概念之實施例。與位置有關之術語(諸如，本說明書中之上部及下部)為用以澄清描述之相對表達且不應被解釋為限於絕對元件之間的位置。
可藉由對實施例及隨附圖式的以下詳細描述之參考而使得更容易理解發明性概念及實現發明性概念之方法之優點及特徵。然而，發明性概念可以許多不同形式體現且不應被解釋為限於本文中所闡述之實施例。實情為，提供此等實施例以使得本發明將為詳盡且完整的，且此等實施例將向熟習此項技術者充分傳達發明性概念，且發明性概念將僅由附加申請專利範圍定義。相似參考數字遍及本說明書指代相似元件。
應理解，當一元件被稱作「在」另一元件「上」、「連接至」或「耦接至」另一元件時，其可直接位於另一元件上、直接連接至或直接耦接至另一元件，或可存在介入元件。對比而言，當一元件被稱作「直接在」另一元件「上」、「直接連接至」或「直接耦接至」另一元件時，不存在介入元件。如本文中所使用，術語「及/或」包括相 關聯所列項目中之一或多者的任何及所有組合。
應理解，儘管可在本文中使用術語「第一」、「第二」等來描述各種元件、組件、層及/或區段，但此等元件、組件、層及/或區段不應受此等術語限制。此等術語僅用以區分一元件、組件、或區段與另一元件、組件或區段。因此，可在不脫離發明性概念之教示的情況下將下文所論述之第一元件、組件、層或區段稱為第二元件、組件、層或區段。
除非另外定義，否則本文中所使用之所有術語(包括技術及科學術語)皆具有與由一般熟習發明性概念所屬之技術者通常理解之涵義相同的涵義。應進一步理解，術語(諸如，常用字典中所定義的彼等術語)應被解譯為具有與其在相關技術之背景下之涵義一致的涵義，且除非本文中明確地如此定義，否則其將不以理想化或過度正式之意義來解譯。
另外，當未特定定義本說明書中所使用的術語時，熟習此項技術者可理解本說明書中所使用之所有術語(包括技術及科學術語)。此外，當未特定定義字典中所定義的一般術語時，該等術語在此項技術中將具有正常涵義。
可在本文中使用諸如「在...之下」或「在...之上」或「上部」或「下部」或「水平」或「橫向」或「垂直」之相對術語來描述一個元件、層或區域與另一元件、層或區域的關係(如在圖式中所說明)。應理解，此等術語意欲包含裝置之除了圖式中所描繪之定向之外的不同定向。
本文中所使用之術語係出於僅描述特定實施例之目的且不欲限制實例實施例。如本文中所使用，單數形式「一」及「該」意欲亦包括複數形式，除非上下文另外清楚指示。應進一步理解，術語「包含」在本說明書中使用時指定所陳述之特徵、整體、步驟、操作、元件、層及/或組件之存在，但不排除一或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、層、組件及/或其群組之存在或添加。
在該等圖式中，所說明特徵可能歸因於(例如)製造技術及/或容差而改變。因此，應理解，發明性概念之實例實施例不限於該等圖式，而包括歸因於(例如)製造容差所引起的元件之特徵的修改。
(第一實施例及其修改實例)
參看圖1，將描述根據發明性概念之第一實施例之磁性記憶體裝置。下部電極110安置在基板100上。基板100可為基於半導體之半導體基板。基板100可包括一導電區域及/或一絕緣區域。下部電極110可電連接至基板100之導電區域。下部電極110可安置在基板100上及/或基板100中。下部電極110(例如)可具有選自由線、島狀物及/或板組成的群組之任一形狀。
第一垂直磁性層123可安置在下部電極110上。在一實施例中，第一垂直磁性層123可包括交替堆疊之非磁性層121及鐵磁性層122。鐵磁性層122可包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者，且非磁性層121可包括選自由鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、 銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)、金(Au)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。舉例而言，第一垂直磁性層123可為[Co/Pt]m、[Co/Pd]m、[Ni/Pt]m(m為每一層之堆疊次數且為2或2以上之自然數)，或其組合。在一實施例中，非磁性層121及鐵磁性層122可分別在約2次至約20次的範圍中堆疊。當電流在垂直於基板100及第一垂直磁性層123之平面的方向上流動時，該第一垂直磁性層123可經組態以使得其具有平行於該電流之磁化方向。對於此組態，鐵磁性層122可薄薄地形成以具有一至若干原子層之厚度。
第一非磁性層130可安置在第一垂直磁性層123上。第一非磁性層130可具有相對薄的厚度。舉例而言，第一非磁性層130可形成為具有在約2Å(埃)至約20Å(埃)的範圍中之厚度。第一非磁性層130可能不具有紋理。舉例而言，第一非磁性層130可均勻地形成於第一垂直磁性層123上，且由於薄的厚度而可能不具有紋理。
第一非磁性層130可包括選自包括非磁性過渡金屬之非磁性金屬元素之至少一者。舉例而言，第一非磁性層130可包括選自由以下各者組成的群組之至少一者：鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)及/或鉿(Hf)。
在一實施例中，第一非磁性層可形成為具有複數個層。舉例而言，第一非磁性層130可包括一第一下部金屬化合 物層133、一第一非磁性金屬層136及一第一上部金屬化合物層139，其順序地堆疊於垂直磁性層123上。儘管圖1中未展示，但第一非磁性層130可包括順序地堆疊於垂直磁性層123上的一金屬化合物層/非磁性金屬層及/或一非磁性金屬層/金屬化合物層。第一非磁性金屬層136可包括選自由以下各者組成的群組之至少一者：鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)及/或鉿(Hf)。第一下部金屬化合物層133及第一上部金屬化合物層139可為金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物，及/或其組合。舉例而言，每一金屬化合物層可由金屬層之化合物形成。相反地，第一非磁性層130可僅包括單一金屬層或複數個金屬層。可藉由第一下部金屬化合物層133及第一上部金屬化合物層139來防止及/或減小第一非磁性金屬層136中之金屬原子擴散至另一鄰近層中。
第一接面磁性層141可安置在第一非磁性層130上。第一接面磁性層141可包括軟磁性材料。第一接面磁性層141可具有低阻尼常數及高自旋極化比。舉例而言，第一接面金屬層141可包括選自由鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者。第一接面磁性層141可進一步包括選自包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、矽(Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)及/或氮(N)的非磁性材料之至少一者。具體言之，第一接面磁性層141可包 括CoFe及/或NiFe，且可進一步包括硼(B)。此外，為了降低第一接面磁性層141之飽和磁化，第一接面磁性層141可進一步包括選自由鈦(Ti)、鋁(Al)、矽(Si)、鎂(Mg)、鉭(Ta)及/或矽(Si)組成的群組之至少一者。
第一接面磁性層141與第一垂直磁性層123之間的第一非磁性層130可增強包括該等層之磁性記憶體單元之垂直磁性各向異性。舉例而言，可藉由第一非磁性層130使第一接面磁性層141與第一垂直磁性層123以反鐵磁性方式或鐵磁性方式交換耦合。因為第一垂直磁性層123具有高的垂直磁性各向異性，所以與第一垂直磁性層123交換耦合的第一接面磁性層141之垂直磁性各向異性亦可得以增強。在本說明書中將垂直磁性各向異性定義為待在垂直於基板100之平面的方向上磁化之層之性質。如本文中所使用，術語「垂直」可指代相對於基板100之表面垂直的方向。
第一接面磁性層141之晶體結構可歸因於第一非磁性層130而具有不同於第一垂直磁性層123之結構的結構。因此，可進一步增強磁穿隧接面之磁阻比。關於用於形成將隨後描述的第一接面金屬層141之方法來提供關於此之詳細描述。
穿隧障壁145可安置在第一接面金屬層141上。穿隧障壁145可具有比自旋擴散距離薄之厚度。穿隧障壁145可包括非磁性材料。在一實施例中，穿隧障壁145可由一絕緣材料層形成。相反地，穿隧障壁145可包括複數個層。舉例而言，穿隧障壁145可包括選自由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁 (Al)、鎂-鋅(MgZn)及/或鎂-硼(MgB)之氧化物，及/或鈦(Ti)及/或釩(V)之氮化物組成的群組之至少一者。舉例而言，穿隧障壁可由氧化鎂(MgO)層形成。
穿隧障壁145可具有與第一接面磁性層141之晶體結構類似的晶體結構。舉例而言，第一接面磁性層141可包括具有體心立方(BCC)結構之磁性材料或具有體心立方結構之磁性材料，其包括非磁性元素。當第一接面磁性層141包括非磁性元素時，磁性材料可變成非晶的。穿隧障壁145及第一接面磁性層141可分別具有NaCl型晶體結構及體心立方結構，且穿隧障壁145之(001)晶體平面可與第一接面磁性層141之(001)晶體平面接觸以形成界面。可藉此增強包括穿隧障壁145及第一接面磁性層141的磁穿隧接面之磁阻比。
第二接面磁性層149可安置在穿隧障壁145上。第二接面磁性層149可包括軟磁性材料。舉例而言，第二接面磁性層149可包括鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)原子，以使得可判定該等原子之含量以減小第二接面磁性層149之飽和磁化。第二接面磁性層149可具有低阻尼常數及高自旋極化比。為了達成此等目標，第二接面磁性層149可進一步包括選自包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、矽(Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)及/或氮(N)的非磁性材料之至少一者。舉例而言，第二接面磁性層149可包括CoFe及/或NiFe，且可進一步包括硼。此外，第二接面磁性層149可進一步包括選自包括鈦(Ti)、鋁(Al)、 矽(Si)、鎂(Mg)及/或鉭(Ta)的非磁性元素之至少一者。第二接面磁性層149中之選定非磁性元素之含量按原子百分比計可在約1%至約15%的範圍中。當第二接面磁性層149用作磁性記憶體單元之自由層時，可將該第二接面磁性層149之飽和磁化控制至小於第一接面磁性層141之飽和磁化之值的值。
第二接面磁性層149可具有與穿隧障壁145之晶體結構類似的晶體結構。舉例而言，穿隧障壁145及第二接面磁性層149可具有NaCl型晶體結構及體心立方結構，且穿隧障壁145之(001)晶體平面可與第二接面磁性層149之(001)晶體平面接觸以形成界面。可藉此增強包括第二接面磁性層149及穿隧障壁145的磁穿隧接面之磁阻比。
在一些實施例中，第二接面磁性層149中之鐵磁性原子之含量可能不同於第一接面磁性層141中之鐵磁性原子的含量。舉例而言，第一接面磁性層141及第二接面磁性層149可包括選自鈷(Co)、鎳(Ni)及/或鐵(Fe)之至少一者，而第二接面磁性層149中之鐵(Fe)含量可能等於或大於第一接面磁性層141中之鐵(Fe)含量。在此狀況下，第二接面磁性層149可充當自由層。
第二非磁性層150可安置在第二接面磁性層149上。第二非磁性層150可形成為具有相對薄的厚度。舉例而言，第二非磁性層150可形成為具有在約2Å(埃)至約20Å(埃)的範圍中之厚度。第二非磁性層150可能不具有紋理。舉例而言，第二非磁性層150可均勻地形成於第二接面磁性層 149上，且由於薄的厚度而可能不具有紋理。
第二非磁性層150可包括選自包括非磁性過渡金屬之非磁性金屬元素之至少一者。舉例而言，第二非磁性層150可包括選自由以下各者組成的群組之至少一者：鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)及/或鉿(Hf)。
在一些實施例中，第二非磁性層150形成為具有複數個層。舉例而言，第二非磁性層150可包括一第二下部金屬化合物層153、一第二非磁性金屬層156及一第二上部金屬化合物層159，其順序地堆疊於第二接面磁性層149上。儘管圖1中未展示，但第二非磁性層150可包括順序地堆疊於第二接面磁性層149上的一金屬化合物層/非磁性金屬層或一非磁性金屬層/金屬化合物層。第二非磁性金屬層156可包括選自由以下各者組成的群組之至少一者：鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)及/或鉿(Hf)。第二下部金屬化合物層153及第二上部金屬化合物層159可為金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物，或其組合。舉例而言，第二下部金屬化合物層153及第二上部金屬化合物層159可由第二非磁性金屬層156之化合物形成。可藉由第二下部金屬化合物層153及第二上部金屬化 合物層159來防止及/或減小第二非磁性金屬層156中之金屬原子擴散至另一鄰近層中。相反地，第二非磁性層150可僅包括單一金屬層或複數個金屬層。
第二垂直磁性層163可安置在第二非磁性層150上。在一些實施例中，第二垂直磁性層163可包括交替堆疊之非磁性層161及鐵磁性層162。鐵磁性層162可包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者，而非磁性層161可包括選自由鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)、金(Au)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。舉例而言，第二垂直磁性層163可包括[Co/Pt]n、[Co/Pd]n、[Ni/Pt]n(n為每一層之堆疊次數且為2或2以上之自然數)，或其組合。鐵磁性層162可形成為具有一至若干原子之厚度。可由第二非磁性層150加強第二垂直磁性層163與第二接面磁性層149之間的交換耦合。可藉此增強第二接面磁性層149之垂直磁性各向異性。
第二垂直磁性層163中之非磁性層161及鐵磁性層162之堆疊次數n可能不同於第一垂直磁性層123中之非磁性層121及鐵磁性層122之彼等堆疊次數m。舉例而言，第二垂直磁性層163中之非磁性層161及鐵磁性層162之堆疊次數可能小於第一垂直磁性層123中之非磁性層121及鐵磁性層122之彼等堆疊次數。在此狀況下，鄰近於第一垂直磁性層123之第一接面磁性層141可充當磁性記憶體單元之參考層，而鄰近於第二垂直磁性層163之第二接面磁性層149可充當磁性記憶體單元之自由層。相反地，第二垂直磁性層 163中之非磁性層161及鐵磁性層162之堆疊次數n可能大於第一垂直磁性層123中之非磁性層121及鐵磁性層122之彼等堆疊次數m。在此狀況下，第二接面磁性層141可充當參考層，而第一接面磁性層149可充當自由層。
第一接面磁性層141及第二接面磁性層149可根據待執行之功能而具有不同磁性性質。舉例而言，充當自由層之接面磁性層可具有比充當參考層之接面磁性層之飽和磁化小的飽和磁化。飽和磁化可受將包括之鐵磁性材料(Co、Ni及/或Fe)之比率及/或非磁性材料之比率控制。
第一接面磁性層141、穿隧障壁145及第二接面磁性層149可構成磁性記憶體單元之磁穿隧接面。可藉由使用磁穿隧接面之電阻值之間的差而將資料儲存於包括磁穿隧接面之磁性記憶體單元中，而不管自由層及參考層之磁化方向是平行於彼此或是反平行於彼此。自由層之磁化方向可根據供應至磁性記憶體單元之電流之方向而變化。舉例而言，在電流自第一接面磁性層141供應至第二接面磁性層149的狀況下之自由層之磁化方向可能反平行於在電流自第二接面磁性層149供應至第一接面磁性層141的狀況下之自由層之磁化方向。參考層及自由層之磁化方向可能垂直於基板100之平面。參考層可能垂直於基板100之平面且具有固定的第一磁化方向。自由層具有垂直於基板100之平面之磁化方向，且自由層之磁化方向可根據所供應之電流的方向而為第一磁化方向或反平行於第一磁化之第二磁化方向。
罩蓋層170可安置在第二垂直磁性層163上。罩蓋層170可包括選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鎂(Mg)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一者。
參看圖2，將描述根據發明性概念之一些實施例之磁性記憶體裝置的一所修改實例。為清晰及/或簡明起見，可省略對與圖1中所描述之元件實質上等同的相似元件之描述。
下部電極110安置在基板100上。晶種層115及第一垂直磁性層124安置在下部電極110上。晶種層115可包括構成六方封閉填充晶格(HCP)之金屬原子。晶種層115可形成為具有在自約10Å(埃)至約100Å(埃)的範圍中之厚度。晶種層115可包括釕(Ru)或鈦(Ti)。相反地，晶種層115可包括構成面心立方晶格(FCC)之金屬原子。舉例而言，晶種層115可包括鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)及/或鋁(Al)。晶種層115可包括單一層或具有不同晶體結構之複數個層。相反地，當構成第一垂直磁性層124之材料為非晶的時，可省略晶種層115。
第一垂直磁性層124之磁化方向可實質上垂直於基板100之平面且加以修改。為了達成此，第一垂直磁性層124可包括選自由具有L10晶體結構之材料、具有六方封閉填充(HCP)晶格之材料及非晶稀土過渡金屬(RE-TM)合金組成的群組之至少一者。舉例而言，第一垂直磁性層124可為選自具有L10晶體結構之材料(包括Fe50Pt50、Fe50Pd50、 Co50Pt50、Co50Pd50及/或Fe50Ni50)的至少一者。相反地，第一垂直磁性層124可包括具有按原子百分比計之約10%至約45%之鉑含量的無序鈷-鉑合金，或具有六方封閉填充(HCP)晶格之有序Co3Pt合金。相反地，第一垂直磁性層124可包括來自非晶RE-TM合金之至少一者，非晶RE-TM合金包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者及選自由稀土鋱(Tb)、鏑(Dy)及/或釓(Gd)組成的群組之至少一者。
第一非磁性層130可安置在第一垂直磁性層124上。第一非磁性層130可形成為具有薄的厚度。舉例而言，第一非磁性層130可形成為具有在約2Å(埃)至約20Å(埃)的範圍中之厚度。第一非磁性層130可能不具有紋理。舉例而言，第一非磁性層130可均勻地形成於第一垂直磁性層124上，且由於薄的厚度而可能不具有紋理。
第一非磁性層130可包括選自包括非磁性過渡金屬之非磁性金屬元素之至少一者。在一實施例中，第一非磁性層130可形成為具有複數個層。舉例而言，第一非磁性層130可包括一第一下部金屬化合物層133、一第一非磁性金屬層136及一第一上部金屬化合物層139，其順序地堆疊於垂直磁性層124上。儘管圖2中未展示，但第一非磁性層130可包括順序地堆疊於第一垂直磁性層124上的一金屬化合物層/非磁性金屬層或一非磁性金屬層/金屬化合物層。非磁性金屬層可包括選自由以下各者組成的群組之至少一者：鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、 鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)及/或鉿(Hf)。第一下部金屬化合物層133及第一上部金屬化合物層139可為金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氮氧化物，或其組合。舉例而言，金屬化合物層可為金屬層之化合物。相反地，第一非磁性層130可僅包括單一金屬層或複數個金屬層。
第一接面磁性層141、穿隧障壁145及第二接面磁性層149可順序地堆疊於第一非磁性層130上。第一接面磁性層141、穿隧障壁145及第二接面磁性層149可構成磁穿隧接面。可藉由第一非磁性層130使第一接面磁性層141與第一垂直磁性層123強烈地交換耦合。可藉此增強第一接面磁性層141之垂直磁性各向異性。第一接面磁性層141及第二接面磁性層149可包括軟磁性材料。當磁性記憶體單元操作時，第一接面磁性層141及第二接面磁性層149中之一者可充當參考層且另一者可充當自由層。充當自由層之接面磁性層可具有比充當參考層之接面磁性層之飽和磁化低的飽和磁化。
第二非磁性層150可安置在第二接面磁性層149上。第二非磁性層150可形成為具有薄的厚度。舉例而言，第二非磁性層可形成為具有在約2Å(埃)至約20Å(埃)的範圍中之厚度。第二非磁性層150可能不具有紋理。舉例而言，第二非磁性層150可均勻地形成於第二接面磁性層149上，且由於薄的厚度而可能不具有紋理。
第二垂直磁性層163可安置在第二非磁性層150上。第二垂直磁性層163可經組態以使得其具有垂直於基板100之平面之磁化方向。舉例而言，第二垂直磁性層163可包括交替堆疊之非磁性層161及鐵磁性層162，且鐵磁性層162可形成為具有一至若干原子之厚度。鐵磁性層162之磁化方向可能垂直於基板100之平面。可藉由第二非磁性層150使第二垂直磁性層163與第二接面磁性層149交換耦合。
罩蓋層170可形成於第二垂直磁性層163上。罩蓋層170可包括選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鎂(Mg)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一者。
參看圖3，將描述根據發明性概念之實施例之磁性記憶體裝置的一所修改實例。晶種層115及第一垂直磁性層124順序地堆疊於基板100及下部電極110上。晶種層115可包括單一金屬層及複數個金屬層。第一垂直磁性層124可包括具有垂直於基板100之平面之軸線且容易磁化的材料。第一垂直磁性層124可包括選自由具有L10晶體結構之材料、具有六方封閉填充(HCP)晶格之材料及非晶RE-TM合金組成的群組之至少一者。當第一垂直磁性層124包括非晶RE-TM合金時，可省略晶種層115。
第一非磁性層130可安置在第一垂直磁性層124上。第一非磁性層130可形成為具有薄的厚度。舉例而言，第一非磁性層130可形成為具有在約2Å(埃)至約20Å(埃)的範圍中之厚度。第一非磁性層130可能不具有紋理。
第一非磁性層130可包括選自包括非磁性過渡金屬之非磁性金屬元素之至少一者。在一實施例中，第一非磁性層130可形成為具有複數個層。舉例而言，第一非磁性層130可包括一第一下部金屬化合物層133、一第一非磁性金屬層136及一第一上部金屬化合物層139，其順序地堆疊於垂直磁性層124上。與該說明不同，第一非磁性層130可包括順序地堆疊於第一垂直磁性層124上的一金屬化合物層/非磁性金屬層或一非磁性金屬層/金屬化合物層。相反地，第一非磁性層130可僅包括單一金屬層或複數個金屬層。可藉由第一非磁性層130使第一垂直磁性層123與第一接面磁性層141交換耦合。
第一接面磁性層141、穿隧障壁145及第二接面磁性層149可順序地堆疊於第一非磁性層130上。第一接面磁性層141及第二接面磁性層149可包括軟磁性材料。當磁性記憶體單元操作時，第一接面磁性層141及第二接面磁性層149中之一者可充當參考層且另一者可充當自由層。充當自由層之接面磁性層可具有比充當參考層之接面磁性層之飽和磁化小的飽和磁化。
第二非磁性層150可安置在第二接面磁性層149上。第二非磁性層150可形成為具有薄的厚度。舉例而言，第二非磁性層150可形成為具有在約2Å(埃)至約20Å(埃)的範圍中之厚度。第二非磁性層150可能不具有紋理。
第二垂直磁性層164安置在第二非磁性層150上。第二垂直磁性層164可經組態以使得其具有垂直於構成磁穿隧接 面的第一接面磁性層141之平面及第二接面磁性層149之平面的磁化方向。可藉由第二非磁性層150使第二垂直磁性層164與第二接面磁性層149交換耦合。舉例而言，第二垂直磁性層164可包括非晶RE-TM合金。罩蓋層170可安置在第二垂直磁性層164上。
參看圖4A及圖4C以及圖1，將描述一種用於形成根據發明性概念之實施例之磁性記憶體裝置的方法。可省略參看圖1之描述中的一些。
參看圖4A，下部電極110可形成於基板100上。下部電極110可形成於基板100上及/或基板100中。
可將非磁性層121及鐵磁性層122交替堆疊於下部電極110上。非磁性層121及鐵磁性層122之堆疊次數可在約2至約20次的範圍中。鐵磁性層122可形成為具有一至若干原子之厚度。非磁性層121及鐵磁性層122可構成第一垂直磁性層123。
參看圖4B，第一下部金屬化合物層133可形成於第一垂直磁性層123上。金屬層可薄薄地形成於第一垂直磁性層123上，繼之以氧化及/或氮化以形成第一下部金屬化合物層133。金屬層可包括選自(例如)過渡金屬之至少一者。
第一非磁性金屬層136可形成於第一下部金屬化合物層133上。第一非磁性金屬層136可包括選自非磁性金屬(例如，非磁性過渡金屬)之至少一者。舉例而言，第一非磁性金屬層136及第一下部金屬化合物層133可包括選自由以下各者組成的群組之至少一者：鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦 (Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)及/或鉿(Hf)。第一非磁性金屬層136可包括與第一下部金屬化合物層133等同之金屬。
參看圖4C，第一上部金屬化合物層139形成於第一非磁性金屬層136上。可藉由第一非磁性金屬層136之頂面之氧化或氮化形成第一上部金屬化合物層139。針對氧化或氮化，可將少量氧化氣體及/或氮化氣體提供於第一上部金屬化合物層139之頂面上。相反地，單獨金屬層可形成於第一非磁性金屬層136上，繼之以氧化及/或氮化以形成第一上部金屬化合物層139，或單獨金屬化合物層可沈積以形成第一上部金屬化合物層139。
第一接面磁性層141、穿隧障壁145及第二接面磁性層149可順序地形成於第一上部金屬化合物層139上。第一接面磁性層141及第二接面磁性層149可包括軟磁性材料。在一實施例中，第一接面磁性層141及第二接面磁性層149可包括具有不同於彼此的飽和磁化之材料。第一及第二接面磁性層149可在非晶狀態下形成。在一實施例中，可進一步包括用於使第一接面磁性層149之頂部部分氧化之過程。
穿隧障壁145可包括選自由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)及/或鎂-硼(MgB)之氧化物，及/或鈦(Ti)及/或釩(V)之氮化物組成的群組之至少一者。相反地，穿隧障壁 145可包括複數個層。該複數個層可為選自由金屬層、金屬氧化物層、金屬氮化物層及/或金屬氮氧化物層組成的群組之至少兩個層。穿隧障壁145可具有預定晶體結構，例如，NaCl型晶體結構。
第二接面磁性層149可形成於穿隧障壁145上。當第二接面磁性層149用作磁性記憶體單元之自由層時，該第二接面磁性層149可具有小於第一接面磁性層141之飽和磁化的飽和磁化。或者，第二接面磁性層149之鐵(Fe)含量可能大於或至少等於第一接面磁性層141之鐵(Fe)含量。
可使第二接面磁性層149之頂面氧化及/或氮化。預下部金屬化合物層152可藉此形成於第二接面磁性層149之頂部部分中。可以與使第一非磁性金屬層136之頂面氧化及/或氮化相同的方式使第二接面磁性層149之頂面氧化及/或氮化。相反地，可省略第二接面磁性層149之氧化及/或氮化過程。
第二非磁性金屬層156可形成於第二接面磁性層149及預下部金屬化合物層152上。第二非磁性金屬層156可包括選自由以下各者組成的群組之至少一者：鎂(Mg)、鋁(Al)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鉭(Ta)、金(Au)、銀(Ag)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉬(Mo)、釩(V)、鎢(W)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、釔(Y)及/或鉿(Hf)。
再次參看圖1，第二上部金屬化合物層159形成於第二非磁性金屬層156上。可藉由第二非磁性金屬層156之頂面之氧化或氮化形成第二上部金屬化合物層159。針對氧化或 氮化，可將少量氧化氣體及/或氮化氣體提供於第二上部金屬化合物層159之頂面上。相反地，單獨金屬層可形成於第二非磁性金屬層156上，繼之以氧化及/或氮化以形成第二上部金屬化合物層159，或單獨金屬化合物層可沈積以形成第二上部金屬化合物層159。
可將非磁性層161及鐵磁性層162交替堆疊於第二上部金屬化合物層159上。鐵磁性層162可形成為具有一至若干原子之厚度。非磁性層161及鐵磁性層162可包括於第二垂直磁性層163中。第二垂直磁性層163中之非磁性層161及鐵磁性層162之堆疊次數可能不同於第一垂直磁性層123中之非磁性層121及鐵磁性層122之彼等堆疊次數。
在第二垂直磁性層163之形成之前及/或形成之後，可執行退火過程。經由該退火過程，非晶第一接面磁性層141及非晶第二接面磁性層149可結晶成穿隧障壁145之晶種層。退火過程可為磁性退火過程或另一退火過程。在穿隧障壁145充當晶種層時，穿隧障壁145可具有類似於第一接面層141及第二接面磁性層149之彼等晶體結構的晶體結構。或者，與穿隧障壁145接觸的第一接面層141之面及第二接面磁性層149之面可具有等於穿隧障壁之面的晶體平面。舉例而言，當穿隧障壁145之頂面及底面對應於NaCl型晶體結構之(001)晶體平面時，與穿隧障壁145接觸的第一接面磁性層141之面及第二接面磁性層149之面可為體心立方結構之(001)晶體平面。
在退火期間，第一非磁性層130及第二非磁性層150可防 止第一接面磁性層141及第二接面磁性層149沿著與穿隧障壁145不同的層之晶體結構結晶。舉例而言，當省略第一非磁性層130及第二非磁性層150時，第一接面磁性層141及第二接面磁性層149之結晶可受第一垂直磁性層123及第二垂直磁性層163影響。在此狀況下，第一接面磁性層141及第二接面磁性層149可能不具有等於穿隧障壁145之彼等晶體結構及/或晶體平面的晶體結構及/或晶體平面。當第一接面磁性層141及第二接面磁性層149具有不同於穿隧障壁145之彼等晶體結構及/或晶體平面的晶體結構及/或晶體平面時，包括此等元件之磁穿隧接面之電阻比可顯著減小。然而，當根據發明性概念之實施例將第一非磁性層130及第二非磁性層150***於第一垂直磁性層123與第一接面磁性層141之間及/或***於第二垂直磁性層163與第二接面磁性層140之間時，第一垂直磁性層123及第二垂直磁性層163可能不充當用於使第一接面磁性層141及第二接面磁性層149結晶的晶種層。因此，第一接面磁性層141及第二接面磁性層149之晶體結構可與穿隧障壁145之晶體結構對準。因此，可增強包括此等元件之磁穿隧接面之磁阻比。
罩蓋層170可形成於第二垂直磁性層163上。罩蓋層170可包括選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鎂(Mg)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一者。
可使第一垂直磁性層123、第一非磁性層130、第一接面 磁性層141、穿隧障壁145、第二接面磁性層149、第二非磁性層150、第二垂直磁性層163及罩蓋層170圖案化。可藉由選自包括光微影及/或電子束圖案化之各種圖案化過程之一者來執行該圖案化。可在所有層皆形成之後或在該等層中之一些形成之後執行該圖案化。當僅使該等層中之一些圖案化時，可在該等層中之其他者形成之後執行額外圖案化。
參看圖2，將描述一種用於形成根據發明性概念之實施例之磁性記憶體裝置的一所修改實例之方法。省略對用於形成參看圖1所描述的元件之方法的描述。
晶種層115可形成於基板100上。晶種層115可包括單一金屬層或複數個金屬層。晶種層115可包括具有預定晶體結構之金屬層。舉例而言，晶種層115可具有選自由體心立方晶格(BCC)、面心立方晶格(FCC)及六方封閉填充(HCP)晶格組成的群組之至少一晶體結構。
第一垂直磁性層124可形成於晶種層115上。可將晶種層115用作晶種而沈積第一垂直磁性層124。將晶種層115用作晶種而沈積之第一垂直磁性層124可具有HCP或L10晶體結構。當第一垂直磁性層124由非晶RE-TM合金形成時，可省略晶種層115。
參看圖3，將描述一種用於形成根據發明性概念之實施例之磁性記憶體裝置的一所修改實例之方法。省略對用於形成參看圖1及圖2所描述的元件之方法的描述。
第二垂直磁性層164形成於第二非磁性層150上。第二垂 直磁性層164可包括(例如)非晶RE-TM合金。儘管未圖示，但第二垂直磁性層164可包括複數個鐵磁性層。可在該等鐵磁性層之間***非磁性金屬層。可在具有垂直磁化方向之鐵磁性材料層之範疇內以各種形狀修改第二垂直磁性層164。
(第二實施例)
參看圖5，將描述根據發明性概念之第二實施例之磁性記憶體裝置。
下部電極210安置在基板200上。基板200可為基於半導體之半導體基板。基板200可包括一導電區域及/或一絕緣區域。下部電極210可電連接至基板200之導電區域。下部電極210可安置在基板200上及/或基板200中。下部電極210可具有選自由線、島狀物及/或板組成的群組之任一者。
釘紮層226安置在下部電極210上。該釘紮層可包括反鐵磁性材料。舉例而言，釘紮層226可包括選自由PtMn、IrMn、FeMn、NiMn、MnO、MnS、MnTe、MnF2、FeF2、FeCl2、FeO、CoCl2、CoO、NiCl2、NiO及/或Cr組成的群組之至少一者。釘紮層226可將鄰近磁性層之磁化方向固定在一個方向上。
可將下部參考層227提供於釘紮層226上。下部參考層227可包括鐵磁性材料。舉例而言，下部參考層227可包括選自由CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、NiFe、MnAs、MnBi、MnSb、CrO2、MnOFe2O3、FeOFe2O3、 NiOFe2O3、CuOFe2O3、EuO及/或Y3Fe5O12組成的群組之至少一者。可藉由釘紮層226將下部參考層227之磁化方向固定至一個方向。該一個方向可選自平行於基板200之平面之諸方向。另外舉例而言，下部參考層227可包括選自由具有L10晶體結構之材料、具有HCP之材料及非晶RE-TM合金組成的群組之至少一者。在此狀況下，下部參考層227之磁化方向可垂直於基板200之平面。
參考交換耦合層228可安置在下部參考層227上。參考交換耦合層228可包括選自由釕(Ru)、銥(Ir)、鉻(Cr)及/或銠(Rh)組成的群組之至少一者。
上部參考層241可形成於參考交換耦合層228上。上部參考層241可包括鐵(Fe)。上部參考層241可包括選自由鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者。上部參考層241可進一步包括來自包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、矽(Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)及/或氮(N)的非磁性材料之至少一者。上部參考層241可藉由參考交換耦合層228與下部參考層227交換耦合。
穿隧障壁245可形成於上部參考層241上。穿隧障壁245可包括非磁性材料。穿隧障壁245可包括選自由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)及/或鎂-硼(MgB)之氧化物，及/或鈦(Ti)及/或釩(V)之氮化物組成的群組之至少一者。舉例而言，穿隧障壁245可為氧化鎂(MgO)層。相反地，穿隧障壁245可包括複數個層，該複數個層包括金屬層及金屬化合物層。
穿隧障壁245可具有與上部參考層241之晶體結構類似的晶體結構。舉例而言，穿隧障壁245及上部參考層241可分別具有NaCl型晶體結構及體心立方結構。穿隧障壁245與上部參考層241之間的界面可包括等同晶體平面。舉例而言，穿隧障壁245之(001)晶體平面可包括上部參考層241之(001)晶體平面。
下部自由層249可安置在穿隧障壁245上。下部自由層249可包括鐵(Fe)。下部自由層249可包括選自由鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者。上部參考層241可進一步包括來自包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、矽(Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)及/或氮(N)的非磁性材料之至少一者。
下部自由層249中之鐵(Fe)含量可能高於上部參考層241中之鐵(Fe)含量。包括上部參考層241及下部自由層249之磁性記憶體單元之可靠性可能由於下部自由層249中的高的鐵含量而增強。當在構成磁穿隧接面之參考層與自由層之間的參考層之鐵含量為高時，包括磁穿隧接面之磁性記憶體單元可展示異常切換行為。在一實例中，包括相對低的鐵含量之自由層之磁化方向可能未維持在平行於參考層之磁化方向之方向上。因此，當磁性記憶體單元切換至平行狀態(自由層之磁化方向平行於參考層之磁化方向的狀態)時，自由層之磁化方向可異常地反轉。包括自由層之磁性記憶體單元之可靠性可由於此等異常切換現象而降級。然而，根據發明性概念之實施例，下部自由層249可 具有比上部參考層241之鐵含量高的鐵含量。因此，在磁性記憶體單元至平行狀態之切換動作過程中的下部自由層249之磁化方向可穩定地維持在平行於上部參考層241之磁化方向的狀態。下部自由層249之磁化方向可能不異常地反轉。因此，包括下部自由層249之磁性記憶體單元之可靠性可增強。
自由交換耦合層265可安置在下部自由層249上。自由交換耦合層265可包括選自由釕(Ru)、銥(Ir)、鉻(Cr)及/或銠(Rh)組成的群組之至少一者。
上部自由層266可安置在自由交換耦合層265上。上部自由層266可包括鐵磁性材料。舉例而言，上部自由層266可包括選自由CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、NiFe、MnAs、MnBi、MnSb、CrO2、MnOFe2O3、FeOFe2O3、NiOFe2O3、CuOFe2O3、EuO及/或Y3Fe5O12組成的群組之至少一者。當磁性記憶體單元操作時，上部自由層266之磁化方向可改變成平行於基板200之平面之第一方向或第二方向。另外舉例而言，上部自由層266可包括選自非晶RE-TM合金之至少一者。在此狀況下，當磁性記憶體單元操作時，上部自由層266之磁化方向可改變成垂直於基板200之平面之第一方向或第二方向。上部自由層266可藉由自由交換耦合層265與下部自由層249交換耦合。
罩蓋層270安置在上部自由層266上。罩蓋層270可包括選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一 者。
儘管未圖示，但下部自由層249及上部自由層266以及下部參考層227及上部參考層241之位置可改變。舉例而言，下部自由層249及上部自由層266可安置在穿隧障壁245之下，且下部參考層227及上部參考層241可安置在穿隧障壁245之上。在此狀況下，上部自由層266、自由交換耦合層265及下部自由層249可在下部電極210與穿隧障壁245之間順序地堆疊，而上部參考層241、參考交換耦合層228及下部參考層227可在穿隧障壁245與罩蓋層270之間順序地堆疊。
參看圖6，將描述根據發明性概念之第二實施例之磁性記憶體裝置的一所修改實例。可省略對參看圖5所描述之元件的描述。
垂直下部參考層223可安置在下部電極210上。垂直下部參考層223可包括交替堆疊之非磁性層221及鐵磁性層222。鐵磁性層222可包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者，而非磁性層121可包括選自由鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)、金(Au)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。舉例而言，垂直下部參考層223可包括[Co/Pt]m、[Co/Pd]m或[Ni/Pt]m(m為每一層之堆疊次數且為2或2以上之自然數)。在一些實施例中，非磁性層221及鐵磁性層222可分別堆疊約2至約20次。當電流在垂直於基板200及垂直下部參考層223之平面的方向上流動時，該垂直下部 參考層223可經組態以使得其具有平行於該電流之磁化方向。對於此組態，鐵磁性層222可薄薄地形成為具有一至若干原子層之厚度。
垂直上部自由層263可安置在下部自由層249上。垂直上部自由層263可包括交替堆疊之非磁性層261及鐵磁性層262。鐵磁性層262可包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者，而非磁性層261可包括選自由鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)、金(Au)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。舉例而言，垂直上部自由層263可包括[Co/Pt]n、[Co/Pd]n及/或[Ni/Pt]n(n為每一層之堆疊次數且為2或2以上之自然數)。在一些實施例中，非磁性層261及鐵磁性層262可分別堆疊約2至約20次。垂直上部自由層263中之非磁性層261及鐵磁性層262之堆疊次數n可能小於垂直下部參考層223中之非磁性層221及鐵磁性層222的堆疊次數m。
再次參看圖5，將描述一種用於形成根據發明性概念之第二實施例之磁性記憶體裝置的方法。下部電極210形成於基板200上。下部電極210可形成於基板200上及/或基板200中。
釕紮層226形成於下部電極210上。該釕紮層226可包括反鐵磁性材料。在一些實施例中，晶種層可形成為釕紮層226之替換物。晶種層可包括具有預定晶體結構之金屬，或金屬合金。
下部參考層227可形成於釘紮層226上。下部參考層227 可包括鐵磁性材料。舉例而言，下部參考層227可包括選自由CoFeB、Fe、Co、Ni、Gd、Dy、CoFe、NiFe、MnAs、MnBi、MnSb、CrO2、MnOFe2O3、FeOFe2O3、NiOFe2O3、CuOFe2O3、EuO及/或Y3Fe5O12組成的群組之至少一者。另外舉例而言，下部參考層227可包括選自由具有L10晶體結構之材料、具有六方封閉填充(HCP)晶格之材料及非晶RE-TM合金組成的群組之至少一者。
參考交換耦合層228可形成於下部參考層227上。參考交換耦合層228可包括選自由釕(Ru)、銥(Ir)、鉻(Cr)及/或銠(Rh)組成的群組之至少一者。
上部參考層241、穿隧障壁245及下部自由層249可形成於參考交換耦合層228上。上部參考層241及下部自由層249可在非晶狀態下形成，而穿隧障壁245可在NaCl型晶體狀態下形成。可藉由後續退火過程使上部參考層241及下部自由層249之晶體結構與穿隧障壁245之晶體結構對準。
自由交換耦合層265可形成於下部自由層249上。參考交換耦合層228可包括選自由釕(Ru)、銥(Ir)、鉻(Cr)及/或銠(Rh)組成的群組之至少一者。
上部自由層266可形成於自由交換耦合層265上。上部自由層266可包括鐵磁性材料。罩蓋層270可形成於上部自由層266上。
將堆疊於下部電極210上之層圖案化。可藉由選自包括光微影及電子束之各種圖案化過程之至少一者來執行該圖案化。可在所有層皆形成之後或在該等層中之一些形成之 後執行該圖案化。當僅使該等層中之一些圖案化時，可在該等層中之其他者形成之後執行額外圖案化。
參看圖6，將描述一種用於形成根據發明性概念之第二實施例之磁性記憶體裝置的一所修改實例之方法。省略對用於形成先前在圖5中所描述的元件之方法的描述。
可將非磁性層221及鐵磁性層222交替堆疊於下部電極210上。鐵磁性層222可沈積成具有一至若干原子之厚度。形成於下部電極210上之非磁性層221及鐵磁性層222可構成垂直下部參考層223。
可將非磁性層261及鐵磁性層262交替堆疊於下部自由層249上。鐵磁性層262可形成為具有一至若干原子之厚度。形成於下部自由層249上之非磁性層221及鐵磁性層222可構成垂直上部自由層263。
垂直下部參考層223中之非磁性層221及鐵磁性層222之堆疊次數可能大於垂直上部自由層262中之非磁性層261及鐵磁性層262的堆疊次數。
(第三實施例)
參看圖7，將描述根據發明性概念之第三實施例之磁性記憶體裝置。下部電極320安置在基板310上。基板310可為選自包括基於半導體元素之基板及基於金屬化合物之基板之各種基板的任一者。基板310可包括一導電區域及/或一絕緣區域。儘管將下部電極320說明為安置在基板310上，但該電極可包括於基板310中。下部電極320可為電極或電極接觸點。下部電極320可電連接至基板310中之導電 區域。舉例而言，下部電極320可電連接至選自包括一電晶體及一個二極體(包括於基板310中)之切換裝置的至少一者。
晶種層330安置在基板310上。晶種層330可包括構成六方封閉填充(HCP)晶格之金屬原子。如圖9中所說明，HCP可為包括三個a軸線、與a軸線一起構成六方平面之三個b軸線，及實質上垂直於該六方平面之c軸線的晶格。由a軸線及b軸線構成之六方平面可實質上平行於基板310之平面，而c軸線可實質上垂直於基板310之平面。構成晶種層330之晶體結構之(001)晶體平面可平行於基板310的平面。晶種層330可薄薄地形成。舉例而言，晶種層330可形成為具有在約10Å(埃)至約100Å(埃)的範圍中之厚度。晶種層330可包括釕(Ru)及/或鈦(Ti)。相反地，晶種層330可包括構成面心立方(FCC)晶格之金屬原子。舉例而言，晶種層330可包括鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)及/或鋁(Al)。
自由磁性物質340可安置在晶種層330上。自由磁性物質340可包括與晶種層330接觸之垂直自由磁性層342及垂直自由磁性層342上之接面自由磁性層348。與該說明不同，垂直自由磁性層342及接面自由磁性層348可包括複數個層。
垂直自由磁性層342可包括鐵磁性材料。包括於垂直自由磁性層342中之原子可構成HCP晶格。如圖9中所說明，垂直自由磁性層342之HCP晶格可包括一a軸線、一b軸線 及一c軸線。構成垂直自由磁性層342之HCP晶格之c軸線可實質上垂直於基板310之平面。構成垂直自由磁性層342之HCP晶格之(001)平面可平行於基板310之平面。垂直自由磁性層342之易於磁化之軸線可為c軸線。因此，垂直自由磁性層342之磁化方向可垂直於基板310。垂直自由磁性層342可具有在垂直於基板310之平面的方向上之磁性各向異性。
垂直自由磁性層342之鐵磁性性質及晶格結構可能歸因於構成垂直自由磁性層342之原子之種類及/或該等原子之含量而產生。
在一些實施例中，垂直自由磁性層342可包括具有按原子百分比計之在約10%至約45%的範圍中之鉑含量的無序鈷-鉑合金。垂直自由磁性層342中之鉑原子含量按原子百分比計可在約20%至約30%的範圍中。垂直自由磁性層342可進一步包括非磁性材料。舉例而言，垂直自由磁性層342可進一步包括選自由硼(B)、鉻(Cr)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。
在其他實施例中，垂直自由磁性層342可包括為有序合金之Co3Pt。垂直自由磁性層342可進一步包括非磁性材料。舉例而言，垂直自由磁性層342可進一步包括選自由硼(B)、鉻(Cr)、矽(Si)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。
在其他實施例中，垂直自由磁性層342可以複數個層之形式形成。在此狀況下，垂直自由磁性層342可包括順序 地堆疊於晶種層330上的具有HCP晶格之第一自由鐵磁性層及該第一自由鐵磁性層上之第二自由鐵磁性層。第一自由鐵磁性層可為選自先前所描述之垂直自由磁性層342之實施例的一者，而第二自由鐵磁性層可為包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者及選自稀土金屬之至少一者的合金。舉例而言，稀土金屬可為選自由鋱(Tb)、鏑(Dy)及/或釓(Gd)組成的群組之至少一者。相反地，第二自由鐵磁性層可為選自具有L10晶體結構之鐵磁性材料(包括Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Co50Pd50及/或Fe50Ni50)的至少一者。
垂直自由磁性層342可由於該垂直自由磁性層342之晶體結構(亦即，垂直自由磁性層342之HCP晶格結構)而具有高的垂直磁性各向異性。在本說明書中，垂直磁性各向異性意謂在垂直於基板310之平面的方向上之磁性各向異性。由於高的垂直磁性各向異性，包括垂直自由磁性層342之磁性記憶體裝置之可靠性可增強，且該磁性記憶體之操作功率可減小。具體言之，在經由垂直自由磁性層342傳輸之電子當中的許多電子之自旋方向可藉由該垂直自由磁性層342而在垂直於基板310之平面的方向上對準。因此，在經由垂直自由磁性層342傳輸之電子當中的許多電子可實質上用於磁性記憶體裝置之寫入操作中。因此，磁性記憶體裝置之可靠性可增強，且可使用相對小量之切換電流來操作磁性記憶體裝置。
下部交換耦合控制層344可安置在垂直自由磁性層342 上。下部交換耦合控制層344可包括具有大交換耦合常數之磁性材料或可增加表面磁性各向異性之非磁性材料。舉例而言，下部交換耦合控制層344可包括來自具有大交換耦合常數之鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)之至少一者。下部交換耦合控制層344可進一步包括鉑(Pt)。下部交換耦合控制層344之厚度可在約2Å(埃)至約20Å(埃)的範圍中。下部交換耦合控制層344可加強將加以描述的垂直自由磁性層342與接面自由磁性層348之間的交換耦合。因為垂直自由磁性層342在垂直於基板310之平面的方向上具有高的磁性各向異性，所以藉由垂直自由磁性層342及下部交換耦合控制層344進行交換耦合之接面自由磁性層348亦可在垂直於基板310之平面的方向上具有高的磁性各向異性。
另外舉例而言，下部交換耦合控制層344可包括選自包括過渡金屬之金屬元素之至少一者。下部交換耦合控制層344可包括選自包括鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銠(Rh)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)及/或鉑(Pt)之非磁性金屬的至少一者。因此，下部交換耦合控制層344可增加鄰近磁性層之表面之垂直磁性各向異性。
在一實施例中，下部交換耦合控制層344可進一步包括在該下部交換耦合控制層344之表面上的氧化物層。該氧化物層可為構成下部交換耦合控制層344之表面的材料之氧化物。
接面自由磁性層348可安置在下部交換耦合控制層344上。接面自由磁性層348可由於下部交換耦合控制層344及 /或垂直自由磁性層342而具有高的垂直各向異性。舉例而言，接面自由磁性層348可藉由具有高的垂直各向異性的垂直自由磁性層342及下部交換耦合控制層344而強烈交換耦合。另外舉例而言，接面自由磁性層348之表面之垂直磁性各向異性可由於包括非磁性金屬的下部交換耦合控制層344而增強。
接面自由磁性層348可包括軟磁性材料。接面自由磁性層348可具有低阻尼常數及高自旋極化比。舉例而言，接面自由磁性層348可包括鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)原子。接面自由磁性層348可進一步包括來自包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、矽(Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)及/或氮(N)的非磁性材料之至少一者。具體言之，接面自由磁性層348可包括CoFe及/或NiFe，且可進一步包括硼(B)。為了進一步降低接面自由磁性層348之飽和磁化，接面自由磁性層348可進一步包括選自由鈦(Ti)、鋁(Al)、矽(Si)、鎂(Mg)、鉭(Ta)及/或矽(Si)組成的群組之至少一者。隨著飽和磁化降低，包括接面自由磁性層348之磁性記憶體單元之切換電流可降低。
儘管未圖示，但接面自由磁性層348可包括複數個磁性層。舉例而言，接面自由磁性層348可包括第一自由鐵磁性層、自由非磁性層，及第二自由鐵磁性層(亦即，合成反鐵磁體(SAF)層)，其順序地堆疊於下部交換耦合控制層344上。接面自由磁性層348可包括具有呈各種形狀之可改變磁化方向之磁性層。
來自構成自由磁性物質340之複數個層的至少一層之磁化方向可改變。舉例而言，接面自由磁性層348可具有可改變之磁化方向。接面自由磁性層348之磁化方向可改變成垂直於基板310之第一方向或改變成由於自該接面自由磁性層348外部所提供的電及/或磁性因素而反平行於第一方向之第二方向。
穿隧障壁350可安置在自由磁性物質340上。穿隧障壁350可具有比自旋擴散距離薄之厚度。穿隧障壁350可包括非磁性材料。在一些實施例中，穿隧障壁350可由絕緣材料層形成。舉例而言，穿隧障壁350可包括選自由鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)、氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)及/或鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)組成的群組之至少一者。
參考磁性物質360可形成於穿隧障壁350上。參考磁性物質360可包括接面參考磁性層361、上部交換耦合控制層362及垂直參考磁性層363，其順序地堆疊於穿隧障壁350上。複數個上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可交替堆疊於垂直參考磁性層363上。
接面參考磁性層361可包括軟磁性材料。舉例而言，接面參考磁性層361包括鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)，且可判定該等原子之含量以使得可降低該接面參考磁性層361之飽和磁化。接面參考磁性層361可具有低阻尼常數及高自旋極化比。出於此目的，接面參考磁性層361可進一步包括來自包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、矽(Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)及/或氮(N) 的非磁性材料之至少一者。舉例而言，接面參考磁性層361可包括CoFe及/或NiFe，且可進一步包括硼。此外，接面參考磁性層361可進一步包括選自包括鈦(Ti)、鋁(Al)、矽(Si)、鎂(Mg)及/或鉭(Ta)的非磁性元素之至少一者。接面參考磁性層361中之選定非磁性元素之含量按原子百分比計可在約1%至約15%的範圍中。
接面自由磁性層348、穿隧障壁350及接面參考磁性層361可構成磁穿隧接面。根據發明性概念之實施例之磁性記憶體單元可藉由使用電阻值的差來儲存資料，而不管構成磁穿隧接面之兩個磁性物質之磁化方向，接面自由磁性層348及接面參考磁性層361平行於彼此或反平行於彼此。具體言之，根據經由磁穿隧接面而傳輸之電子之方向，接面自由磁性層348之磁化方向可改變。
舉例而言，當電子在自接面自由磁性層348至接面參考磁性層361的方向上移動時，具有在平行於接面參考磁性層361之磁化方向的磁化方向之第一方向上之自旋的電子可經由接面參考磁性層361傳輸，而具有在反平行於接面參考磁性層361之磁化方向的磁化之第二方向上之自旋的電子可能不經由接面參考磁性層361而傳輸(例如，被反射)且傳送至接面自由磁性層348。接面自由磁性層348之磁化方向可由於電子具有在第二方向上之自旋而為第二方向。因此，接面參考磁性層361及接面自由磁性層348可具有反平行於彼此之磁化方向。由具有反平行於彼此之磁化方向之磁性物質所構成的磁穿隧接面可具有相對高的電阻值。 在當前實施例中，第一方向及第二方向可為實質上垂直於基板310之平面的方向。
另外舉例而言，當電子自接面參考磁性層361移動至接面自由磁性層348時，經由接面參考磁性層361而傳輸的具有在第一方向上之自旋之電子可到達接面自由磁性層348。接面自由磁性層348之磁化方向可由於已到達接面自由磁性層348的具有在第一方向上之自旋之電子而改變成第一方向。因此，接面參考磁性層361及接面自由磁性層348可具有在第一方向上之磁化方向。由具有平行於彼此之磁化方向之磁性物質所構成的磁穿隧接面可具有相對低的電阻值。
以此方式，磁穿隧接面之電阻值可根據流動穿過磁穿隧接面之電子的方向而變化。可藉由使用電阻值之差而將資料儲存於磁性記憶體單元中。
上部交換耦合控制層362可安置在接面參考磁性層361上。上部交換耦合控制層362可包括具有大的交換耦合常數之材料(例如，鐵磁性金屬)，或可控制鄰近磁性物質之定向的材料(例如，非磁性金屬)。舉例而言，上部交換耦合控制層362可包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者。另外舉例而言，上部交換耦合控制層362可包括選自由鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銠(Rh)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)及/或鉑(Pt)組成的群組之至少一者。在一些實施例中，上部交換耦合控制層362可進一步包括在該上部交換耦合控制層362 之表面上的氧化物層。該氧化物層可為由上部交換耦合控制層362中的一些之氧化所形成的層。上部交換耦合控制層362之功能及構成可實質上與下部交換耦合控制層344之功能及構成等同。
垂直參考磁性層363可安置在上部交換耦合控制層362上。垂直參考磁性層363可包括鐵磁性材料。構成垂直參考磁性層363之原子可構成具有易於磁化之軸線的晶體結構，該軸線實質上垂直於基板310之平面。舉例而言，垂直參考磁性層363可包括鈷(Co)及/或鉑(Pt)有序合金或無序合金，且HCP晶格之c軸線可垂直於基板310之平面。因此，可顯著增強垂直參考磁性層363之垂直各向異性。垂直參考磁性層363可進一步包括選自由硼(B)、鉻(Cr)、矽(Si)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。
上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可安置在垂直參考磁性層363上。上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可包括交替堆疊之上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365。上部參考非磁性層364可包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者，而參考鐵磁性層365可包括選自由鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)、金(Au)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。舉例而言，上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可包括[Co/Pb]n、[Co/Pt]n或[Ni/Pt]n(n為2或2以上之自然數)。上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365之堆疊次數可在約2至約11次的範圍中。參考鐵磁性 層365可形成為具有極薄的厚度。舉例而言，參考鐵磁性層365可形成為具有原子層厚度。參考鐵磁性層365之磁化方向可能垂直於基板310之平面。
上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可以不同形狀安置。舉例而言，上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可包括第一參考鐵磁性層、參考非磁性層，及第二參考鐵磁性層(亦即，合成反鐵磁體(SAF)層)，其順序地堆疊於垂直參考磁性層363上。
罩蓋層370可安置在上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365上。罩蓋層370可包括選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一者。
參看圖7及圖8，將描述一種用於形成根據發明性概念之第三實施例之磁性記憶體裝置的方法。可省略先前參看圖7所描述之描述。
參看圖8，下部電極320形成於基板310上。下部電極320可包括金屬或金屬化合物。
晶種層330形成於下部電極320上。晶種層330可包括具有HCP晶格或FCC晶格之金屬。舉例而言，晶種層330可包括選自由釕(Ru)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)及/或鋁(Al)組成的群組之至少一者。晶種層330可形成為具有相對薄之厚度。舉例而言，晶種層330可形成為具有在約2Å(埃)至約20Å(埃)的範圍中之厚度。
垂直自由磁性層342形成於晶種層330上。垂直自由磁性 層342之晶體結構可與晶種層330之晶體結構對準。舉例而言，垂直自由磁性層342可形成為具有等於晶種層330之晶體結構的HCP晶格。垂直自由磁性層342可包括鈷(Co)及/或鉑(Pt)。垂直自由磁性層342可包括鈷(Co)及鉑(Pt)之有序合金或無序合金。
藉由將晶種層330用作晶種而生長之垂直自由磁性層342可藉由相對低的溫度過程而形成。舉例而言，藉由將晶種層330用作晶種而形成之垂直自由磁性層342可在室溫下沈積。
在磁性物質之磁化方向垂直於基板的磁性記憶體裝置之狀況下，使用具有一具大垂直各向異性之晶體結構的磁性物質(例如，由L10有序合金所構成之鐵磁性物質)。為了形成具有L10有序合金之鐵磁性物質，可能需要包括具有FCC晶格之鉻(Cr)晶種層及具有BCC晶格之鉑(Pt)晶種層之複數個晶種層。與單一晶種層相比，該複數個層更厚地形成。因此，可增加包括晶種層之裝置之大小。在晶種層之圖案化過程期間，可藉由蝕刻該晶種層之副產物而污染其他磁性層及絕緣層。詳言之，當藉由蝕刻晶種層之副產物而污染將隨後描述之穿隧障壁時，可能在該穿隧障壁上出現短路現象以使記憶體之功能降級。此外，可使用400℃或更高之高溫沈積過程及/或使用600℃或更高之高溫退火過程形成L10有序合金。
相反地，當根據本發明性概念之實施例形成具有HCP晶格之垂直自由磁性層342時，晶種層330可形成為單一層。 因此，晶種層330之厚度可比複數個層之厚度薄。垂直自由磁性層342之晶體結構可具有對晶種層330之高相依性。因此，根據本發明性概念之實施例之垂直自由磁性層342可甚至在低過程溫度下亦與晶種層330之晶體結構對準。亦即，高溫沈積過程或高溫退火過程可能並非必需的。
下部交換耦合控制層344可形成於垂直自由磁性層342上。下部交換耦合控制層344可包括具有大交換耦合常數之鐵磁性金屬，例如，選自包括鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)之金屬之至少一者。相反地，下部交換耦合控制層344可包括可增強鄰近磁性物質之表面磁性各向異性或控制待形成於該下部交換耦合控制層344上的磁性物質之晶體定向的非磁性材料。舉例而言，下部交換耦合控制層344可包括選自由鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銠(Ru)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)及/或鉑(Pt)組成的群組之至少一者。在一些實施例中，可使下部交換耦合控制層344之表面氧化。關於氧化之過程可包括：在下部交換耦合控制層344形成之前將極小量的氧氣注入至垂直自由磁性層342已形成之產物被載入的腔室中，或可藉由在下部交換耦合控制層344以原子層厚度形成且接著剩餘下部交換耦合控制層344形成之後將極小量的氧氣注入至該腔室中而形成氧化層。
接面自由磁性層348可形成於下部交換耦合控制層344上。可藉由垂直自由磁性層342及/或下部交換耦合控制層344來增強接面自由磁性層348之垂直各向異性。具體言 之，可藉由下部交換耦合控制層344之晶體結構來防止及/或減小接面自由磁性層348結晶成垂直自由磁性層342之晶體結構。舉例而言，當省略下部交換耦合控制層344時，可藉由加熱過程使在非晶狀態下所形成之接面自由磁性層348結晶成垂直自由磁性層342之晶體結構。在此狀況下，接面自由磁性層348之晶體結構可與垂直自由磁性層342之晶體結構對準(亦即，除了BCC結構之(001)晶體平面以外的(011)晶體平面)，且接著包括接面自由磁性層348之磁穿隧接面之磁阻比可降低。然而，因為垂直自由磁性層342藉由下部交換耦合控制層344而與接面自由磁性層348分離，所以接面自由磁性層348之晶體結構可能不與垂直自由磁性層342的晶體結構對準。因此，可增強磁穿隧接面之磁阻比。
再次參看圖7，穿隧障壁350可形成於接面自由磁性層348上。該穿隧障壁可包括選自由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)及/或鎂-硼(MgB)之氧化物，及/或鈦(Ti)及/或釩(V)之氮化物組成的群組之至少一者。舉例而言，穿隧障壁350可為氧化鎂(MgO)層。相反地，穿隧障壁350可包括複數個層。舉例而言，穿隧障壁可包括鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)、氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)，及/或鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)。可藉由使金屬氧化物或金屬氮化物沈積於接面自由磁性層348上或使金屬層形成於接面自由磁性層348上，且接著使該金屬層氧化來形成穿隧障壁350。在一實施例中，穿隧障壁350可具有預定晶體結構。舉例而 言，穿隧障壁350可具有NaCl型晶體結構(面心立方晶格結構)。
接面參考磁性層361可形成於穿隧障壁350上。接面參考磁性層361可具有相對低之飽和磁化。接面參考磁性層361可包括軟磁性材料。接面參考磁性層361可進一步包括非磁性材料。接面參考磁性層361可具有等於接面自由磁性層348之磁性性質的磁性性質。相反地，接面參考磁性層361可具有不同於接面自由磁性層348之磁性性質的磁性性質。舉例而言，接面參考磁性層361之厚度與接面參考磁性層361之飽和磁化的乘積可能大於接面自由磁性層348之厚度與接面自由磁性層348之飽和磁化的乘積。
接面參考磁性層361之晶體結構可與穿隧障壁350對準。舉例而言，當穿隧障壁350由具有平行於基板310之平面的NaCl(面心立方晶格)結構之(001)晶體平面的氧化鎂(MgO)形成時，接面參考磁性層361可與穿隧障壁350之晶體結構對準。因此，可增強接面參考磁性層361之垂直磁性各向異性。可藉由加熱過程執行接面參考磁性層361之結晶。
上部交換耦合控制層362可形成於接面參考磁性層361上。上部交換耦合控制層362可包括具有大交換耦合常數之磁性材料。因此，可增強垂直參考磁性層363與磁性接面參考磁性層361之間的交換耦合，以增加接面參考磁性層361之垂直磁性各向異性。上部交換耦合控制層362可充當晶種層，且可對準以使得垂直參考磁性層363之易於磁化之軸線垂直於基板310之平面。在一些實施例中，可使 上部交換耦合控制層362之表面氧化。關於氧化之過程可包括：在上部交換耦合控制層362形成之前將極小量的氧氣注入至上部接面參考磁性層361已形成之產物被載入的腔室中，或可藉由在上部交換耦合控制層362以原子層厚度形成且接著剩餘上部交換耦合控制層362形成之後將極小量的氧氣注入至該腔室中而形成氧化層。
垂直參考磁性層363可形成於接面參考磁性層361上。垂直參考磁性層363可為非晶鐵磁性層。舉例而言，垂直參考磁性層363可由非晶鈷(Co)及/或鉑(Pt)合金形成。垂直參考磁性層363可包括選自由硼(B)、鉻(Cr)、矽(Si)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。
上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可形成於垂直參考磁性層363上。上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可交替堆疊複數次以形成上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365。參考鐵磁性層365可形成為具有極薄的厚度。舉例而言，參考鐵磁性層365可形成為具有原子層厚度。
上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可以各種形式形成。舉例而言，上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365可包括第一參考鐵磁性層、參考非磁性層，及第二參考鐵磁性層(亦即，合成反鐵磁體(SAF)層)，其順序地堆疊於垂直參考磁性層363上。
由於垂直參考磁性層363及/或上部交換耦合控制層362在上部參考非磁性層364與接面參考磁性層361之間***， 故包括接面參考磁性層361的磁穿隧接面之磁阻比可增強。具體言之，當上部參考非磁性層364直接形成於接面參考磁性層361上時，構成上部參考非磁性層364之金屬可在加熱過程期間與構成參考磁性層361之材料反應以形成不具有磁性性質之層。可藉由該不具有磁性性質之層而顯著減小磁穿隧接面之磁阻比。
在一些實施例中，接面參考磁性層361可薄薄地形成，其中厚度等於或小於預定臨界厚度。在此狀況下，可藉由使接面參考磁性層361與上部參考非磁性層364反應而消耗接面參考磁性層361，以減小磁阻比。相反地，因為根據發明性概念之實施例，垂直參考磁性層363及/或上部交換耦合控制層362在接面參考磁性層361與上部參考非磁性層364之間形成，所以可能不形成不具有磁性性質之層。因此，未必消耗接面參考磁性層361。因此，可增強包括接面參考磁性層361之磁穿隧接面之磁阻比。
罩蓋層370可形成於上部參考非磁性層364及參考鐵磁性層365上。罩蓋層370可包括選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一者。
可使堆疊於基板310上之層圖案化。可在自下部電極320至罩蓋層370之所有層被堆疊之後執行圖案化，或可在其 他層之堆疊之前執行一些層之圖案化。可使用離子束製程及/或光微影製程來執行該圖案化。該圖案化可包括執行各向異性蝕刻過程。
(第四實施例)
參看圖10，將描述根據發明性概念之第四實施例之磁性記憶體裝置。下部電極420安置在基板410上。基板410可包括一導電區域及/或一絕緣區域。下部電極420可電連接至基板410中之導電區域。
晶種層430安置在下部電極420上。晶種層430可包括構成HCP晶格之金屬原子。HCP c軸線可實質上垂直於基板410之平面。
參考磁性物質440可安置在晶種層430上。參考磁性物質440可包括垂直參考磁性層442、下部交換耦合控制層444及/或接面參考磁性層448，其順序地堆疊於晶種層430上。
垂直參考磁性層442可包括鐵磁性材料。垂直參考磁性層442可具有在垂直於基板410的方向上之易於磁化之軸線。舉例而言，垂直參考磁性層442可包括六方封閉填充(HCP)晶格。如圖9中所說明，垂直參考磁性層442之六方封閉填充(HCP)晶格可包括a軸線、b軸線及c軸線。構成垂直參考磁性層442之HCP晶格之c軸線可實質上平行於構成晶種層430的c軸線。構成垂直參考磁性層442之HCP晶格之c軸線可實質上垂直於基板410的平面。垂直參考磁性層442之易於磁化之軸線可為c軸線。因此，垂直參考磁性層 442之磁化方向可垂直於基板410。
在一實施例中，垂直參考磁性層442可包括具有按原子百分比計在約10%至約45%的範圍中之鉑含量之鈷-鉑(CoPt)無序合金。垂直參考磁性層442中之鉑原子含量按原子百分比計可在約20%至約30%的範圍中。垂直參考磁性層442可進一步包括非磁性材料。舉例而言，垂直參考磁性層442可進一步包括選自由硼(B)、鉻(Cr)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。
在另一實施例中，垂直參考磁性層442可包括為有序合金之Co3Pt。垂直參考磁性層442可進一步包括非磁性材料。舉例而言，垂直參考磁性層442可進一步包括選自由硼(B)、鉻(Cr)、矽(Si)及/或銅(Cu)組成的群組之至少一者。
在又一實施例中，垂直參考磁性層442可包括複數個層。在此狀況下，垂直參考磁性層442可包括具有HCP晶格之第一參考鐵磁性層及該第一參考鐵磁性層上之第二參考鐵磁性層，其順序地堆疊於晶種層430上。第一參考鐵磁性層可為選自如先前所描述之垂直參考磁性層442之各種實施例的一者，而第二參考鐵磁性層可為包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者及選自稀土金屬之至少一者的合金。舉例而言，稀土金屬可為選自由鋱(Tb)、鏑(Dy)及/或釓(Gd)組成的群組之至少一者。相反地，第二參考鐵磁性層可為選自具有L10晶體結構之鐵磁性材料(包括Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Co50Pd50及/ 或Fe50Ni50)的至少一者。垂直參考磁性層442可由於該垂直參考磁性層442之HCP結構而具有高的垂直各向異性。因此，包括垂直參考磁性層442之磁性記憶體裝置之電阻分散及切換電流性質可得以改良。
下部交換耦合控制層444可安置在垂直參考磁性層442上。下部交換耦合控制層444可包括具有大交換耦合常數之磁性材料或可增加表面磁性各向異性之非磁性材料。舉例而言，下部交換耦合控制層444可包括來自具有大交換耦合常數之鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)之至少一者。下部交換耦合控制層444可進一步包括鉑(Pt)。下部交換耦合控制層444之厚度可在約2Å(埃)至約20Å(埃)的範圍中。下部交換耦合控制層444可加強將加以描述的垂直參考磁性層442與接面參考磁性層448之間的交換耦合。因為垂直參考磁性層442具有高的垂直各向異性(如先前所描述)，所以藉由垂直參考磁性層442及下部交換耦合控制層444而交換耦合之接面參考磁性層448亦可具有高的垂直各向異性。
另外舉例而言，下部交換耦合控制層444可包括選自包括鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銠(Rh)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)及/或鉑(Pt)之非磁性金屬的至少一者。非磁性金屬可控制鄰近磁性層之晶體結構之定向。在一些實施例中，下部交換耦合控制層444可進一步包括在該下部交換耦合控制層444之表面上的氧化層。該氧化層可為下部交換耦合控制層444之表面被氧化之層。可藉由該下部交換耦合控制層444來增強鄰近磁性層之表 面磁性各向異性。
穿隧障壁450可形成於接面參考磁性層448上。穿隧障壁450可包括選自由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)及/或鎂-硼(MgB)之氧化物，及/或鈦(Ti)及/或釩(V)之氮化物組成的群組之至少一者。穿隧障壁450可包括複數個層。舉例而言，穿隧障壁450可包括鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)、氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)，及/或鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)。
自由磁性物質460可安置在穿隧障壁450上。該自由磁性物質460可包括一接觸穿隧障壁450之接面自由磁性層461、該接面自由磁性層461上之一交換耦合控制層463，及該上部交換耦合控制層463上之一上部自由磁性層466。
接面自由磁性層461可包括軟磁性材料。接面自由磁性層461可具有低的飽和磁化。接面自由磁性層461亦可具有低阻尼常數及高自旋極化比。接面自由磁性層461可包括選自由鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者。接面自由磁性層461可進一步包括來自包括硼(B)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鈦(Ti)、釕(Ru)、鉭(Ta)、矽(Si)、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、碳(C)及/或氮(N)的非磁性材料之至少一者。
舉例而言，接面自由磁性層461可包括CoFe及/或NiFe，且可進一步包括硼(B)。此外，接面自由磁性層461可進一步包括選自包括鈦(Ti)、鋁(Al)、矽(Si)、鎂(Mg)及/或鉭(Ta)的非磁性元素之至少一者。接面自由磁性層461中之選 定非磁性元素之含量按原子百分比計可在約1%至約15%的範圍中。
上部交換耦合控制層463可安置在接面自由磁性層461上。上部交換耦合控制層463可包括具有大交換耦合常數之材料(例如，鐵磁性材料)，或可增加鄰近磁性物質之定向及垂直各向異性之材料(例如，非磁性金屬)。舉例而言，上部交換耦合控制層463可包括選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者。另外舉例而言，上部交換耦合控制層463可包括選自由鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)及/或鉑(Pt)組成的群組之至少一者。在一些實施例中，上部交換耦合控制層463可進一步包括接觸該上部交換耦合控制層463之氧化層。該氧化層可為上部交換耦合控制層463中的一些之氧化物。
上部自由磁性層466可包括單一磁性層或複數個磁性層。舉例而言，上部自由磁性層466可包括第一自由鐵磁性層、自由非磁性層，及第二自由鐵磁性層(亦即，合成反鐵磁體(SAF)層)，其順序地堆疊於上部交換耦合控制層463上。上部自由磁性層466可包括具有呈各種形狀之可改變磁化方向之磁性層。
罩蓋層470安置在上部自由磁性層466上。該罩蓋層可包括選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一者。
參看圖10，將描述一種用於形成根據發明性概念之第四實施例之磁性記憶體裝置的方法。為簡明起見，可省略對先前所描述之元件的進一步論述。
再次參看圖10，下部電極420及晶種層430形成於基板410上。晶種層430可包括具有HCP晶格或FCC晶格之金屬。舉例而言，晶種層430可包括選自由釕(Ru)、鈦(Ti)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)及/或鋁(Al)組成的群組之至少一者。晶種層430可形成為具有相對薄之厚度。舉例而言，晶種層430可形成為具有在約10Å(埃)至約100Å(埃)的範圍中之厚度。
垂直參考磁性層442形成於晶種層430上。垂直參考磁性層442可包括具有對晶種層430之大的相依性之材料。舉例而言，垂直參考磁性層442之晶體結構可與晶種層430之晶體結構對準。舉例而言，垂直參考磁性層442可沿著晶種層430之c軸線生長。因此，藉由將晶種層430用作晶種而生長之垂直參考磁性層442可經由相對低的溫度過程而形成。
舉例而言，垂直參考磁性層442可包括鈷(Co)及/或鉑(Pt)。垂直參考磁性層442可包括根據鈷(Co)及鉑(Pt)含量之有序合金或無序合金。舉例而言，將晶種層330用作晶種而形成之垂直參考磁性層442可在室溫下沈積。
下部交換耦合控制層444可形成於垂直磁性層442上。下部交換耦合控制層444可包括具有大交換耦合常數之鐵磁性金屬，例如，選自包括鐵(Fe)、鈷(Co)及/或鎳(Ni)之金 屬之至少一者。相反地，下部交換耦合控制層444可增加鄰近磁性物質之表面磁性各向異性。舉例而言，下部交換耦合控制層444可包括非磁性材料，例如，非磁性金屬元素或過渡金屬。下部交換耦合控制層444可包括選自由鈦(Ti)、鉻(Cr)、釕(Ru)、銠(Rh)、銅(Cu)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、鋁(Al)、鉭(Ta)、鈀(Pd)及/或鉑(Pt)組成的群組之至少一者。
在一些實施例中，可使下部交換耦合控制層444之表面氧化。關於氧化之過程可包括：在下部交換耦合控制層444形成之前將極小量的氧氣注入至垂直磁性層442已形成之產物被載入的腔室中，或藉由在下部交換耦合控制層444以原子層厚度形成且接著剩餘下部交換耦合控制層444形成之後將極小量的氧氣注入至該腔室中而形成氧化層。
接面參考磁性層448可形成於下部交換耦合控制層444上。可藉由垂直參考磁性層442及/或下部交換耦合控制層444來增強接面參考磁性層448之垂直各向異性。
穿隧障壁450形成於接面參考磁性層448上。穿隧障壁450可包括選自由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)及/或鎂-硼(MgB)之氧化物，及/或鈦(Ti)及/或釩(V)之氮化物組成的群組之至少一者。相反地，穿隧障壁450可包括複數個層。舉例而言，穿隧障壁450可包括鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)、氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)，及/或鎂(Mg)/氧化鎂(MgO)/鎂(Mg)。在一實施例中，穿隧障壁450可具有NaCl型結構(體心立方晶格結構)。舉例而言，穿隧障壁450可包 括氧化鎂(MgO)。
接面自由磁性層461形成於穿隧障壁450上。接面自由磁性層461可具有相對低之飽和磁化。接面自由磁性層461可進一步包括非磁性材料。接面自由磁性層461可在非晶狀態下形成。
上部交換耦合控制層463可形成於接面自由磁性層461上。在一實施例中，接面自由磁性層461可包括具有大交換耦合常數之磁性材料。因此，隨著接面自由磁性層461與將在隨後描述之上部自由磁性層466之間的交換耦合增加，接面自由磁性層461之垂直各向異性可增加。具體言之，當上部交換耦合控制層形成於接面自由磁性層461上時，接面自由磁性層461之晶體結構可能不結晶成將在隨後描述之上部自由磁性層466之晶體結構，但可與穿隧障壁450的晶體結構對準。在接面自由磁性層461與穿隧障壁450之晶體結構對準時，包括該接面自由磁性層461的磁穿隧接面之磁阻比可增強。在一實施例中，可使上部交換耦合控制層463與接面自由磁性層461之間的界面氧化。可藉由在上部接面自由磁性層461形成之後將極小量的氧氣注入至上部接面自由磁性層461已形成於上之基板410被載入的腔室中來執行氧化之過程，或藉由在交換耦合控制層463以原子層厚度形成且接著剩餘交換耦合控制層463形成之後將極小量的氧氣注入至該腔室中來形成氧化物。
上部自由磁性層466可形成於上部交換耦合控制層463上。上部自由磁性層466可包括一單一層(其包括一鐵磁性 材料)或包括該單一層之複數個層。在一實施例中，該上部自由磁性層466可包括鐵磁性層-反鐵磁性層-鐵磁性層結構。
罩蓋層470可形成於上部交換耦合控制層463上。罩蓋層470可包括選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一者。
根據本發明性概念之一些實施例，由於非磁性層在垂直磁性層與接面磁性層之間干預，故包括該接面磁性層的磁穿隧接面之磁阻比及垂直磁化性質可改良。另外，在磁性記憶體裝置之操作期間，切換性質可經由分別具有不同鐵含量的自由磁性層及參考磁性層來改良。因此，磁性記憶體裝置之可靠性可改良。
根據本發明性概念之其他實施例，磁性層可具有六方封閉填充(HCP)晶格，該六方封閉填充(HCP)晶格具有垂直於基板100之平面且易於磁化之軸線。因此，電子之自旋方向可排列至相對於基板之垂直方向。因此，磁穿隧接面之磁阻比可改良。另外，包括磁穿隧接面之磁性記憶體裝置之切換電流可降低。
上文所揭示之標的物將被視為說明性的且非限制性的，且附加申請專利範圍意欲涵蓋所有此等修改、增強，及屬於本文中所揭示之發明性概念之真正精神及範疇的其他實施例。因此，在法律所允許的最大程度上，藉由以下申請專利範圍及其等效物之最廣闊容許之解譯來判定本發明性 概念之範疇，且本發明性概念之範疇不應受上述實施方式約束或限制。
100‧‧‧基板
110‧‧‧下部電極
115‧‧‧晶種層
121‧‧‧非磁性層
122‧‧‧鐵磁性層
123‧‧‧第一垂直磁性層
124‧‧‧第一垂直磁性層
130‧‧‧第一非磁性層
133‧‧‧第一下部金屬化合物層
136‧‧‧第一非磁性金屬層
139‧‧‧第一上部金屬化合物層
141‧‧‧第一接面磁性層/第一接面金屬層
145‧‧‧穿隧障壁
149‧‧‧第二接面磁性層
150‧‧‧第二非磁性層
152‧‧‧預下部金屬化合物層
153‧‧‧第二下部金屬化合物層
156‧‧‧第二非磁性金屬層
159‧‧‧第二上部金屬化合物層
161‧‧‧非磁性層
162‧‧‧鐵磁性層
163‧‧‧第二垂直磁性層
164‧‧‧第二垂直磁性層
170‧‧‧罩蓋層
200‧‧‧基板
210‧‧‧下部電極
221‧‧‧非磁性層
222‧‧‧鐵磁性層
223‧‧‧垂直下部參考層
226‧‧‧釘紮層
227‧‧‧下部參考層
228‧‧‧參考交換耦合層
241‧‧‧上部參考層
245‧‧‧穿隧障壁
249‧‧‧下部自由層
261‧‧‧非磁性層
262‧‧‧鐵磁性層
263‧‧‧垂直上部自由層
265‧‧‧自由交換耦合層
266‧‧‧上部自由層
270‧‧‧罩蓋層
310‧‧‧基板
320‧‧‧下部電極
330‧‧‧晶種層
340‧‧‧自由磁性物質
342‧‧‧垂直自由磁性層
344‧‧‧下部交換耦合控制層
348‧‧‧接面自由磁性層
350‧‧‧穿隧障壁
360‧‧‧參考磁性物質
361‧‧‧接面參考磁性層
362‧‧‧上部交換耦合控制層
363‧‧‧垂直參考磁性層
364‧‧‧上部參考非磁性層
365‧‧‧參考鐵磁性層
370‧‧‧罩蓋層
410‧‧‧基板
420‧‧‧下部電極
430‧‧‧晶種層
440‧‧‧參考磁性物質
442‧‧‧垂直參考磁性層
444‧‧‧下部交換耦合控制層
448‧‧‧接面參考磁性層
450‧‧‧穿隧障壁
460‧‧‧自由磁性物質
461‧‧‧接面自由磁性層
463‧‧‧上部交換耦合控制層
466‧‧‧上部自由磁性層
470‧‧‧罩蓋層
圖1為說明根據本發明性概念之第一實施例之磁性記憶體裝置的視圖；圖2為說明根據本發明性概念之第一實施例的磁性記憶體裝置之一所修改實例的視圖；圖3為說明根據發明性概念之第一實施例的磁性記憶體裝置之另一所修改實例的視圖；圖4A至圖4C為描述用於根據發明性概念之第一實施例的磁性記憶體裝置之方法的視圖；圖5為說明根據發明性概念之第二實施例之磁性記憶體裝置的視圖；圖6為說明根據本發明性概念之第二實施例的磁性記憶體裝置之一所修改實例的視圖；圖7為說明根據發明性概念之第三實施例之磁性記憶體裝置的視圖；圖8為描述用於根據發明性概念之第三實施例的磁性記憶體裝置之方法的視圖；圖9為描述根據發明性概念之第三實施例之晶體結構的視圖；及圖10為說明根據本發明性概念之第四實施例之磁性記憶體裝置的視圖。
100‧‧‧基板
110‧‧‧下部電極
121‧‧‧非磁性層
122‧‧‧鐵磁性層
123‧‧‧第一垂直磁性層
130‧‧‧第一非磁性層
133‧‧‧第一下部金屬化合物層
136‧‧‧第一非磁性金屬層
139‧‧‧第一上部金屬化合物層
141‧‧‧第一接面磁性層/第一接面金屬層
145‧‧‧穿隧障壁
149‧‧‧第二接面磁性層
150‧‧‧第二非磁性層
153‧‧‧第二下部金屬化合物層
156‧‧‧第二非磁性金屬層
159‧‧‧第二上部金屬化合物層
161‧‧‧非磁性層
162‧‧‧鐵磁性層
163‧‧‧第二垂直磁性層
170‧‧‧罩蓋層

Claims (31)

  1. 一種磁性記憶體裝置，其包含：一第一垂直磁性層；該第一垂直磁性層上之一非磁性層，其中該非磁性層包括一金屬化合物層，該金屬化合物層包含選自由一金屬氧化物、一金屬氮化物及/或一金屬氮氧化物組成的群組之至少一者；該非磁性層上之一第一接面磁性層，其中該非磁性層在該第一垂直磁性層與該第一接面磁性層之間；該第一接面磁性層上之一穿隧障壁，其中該第一接面磁性層在該非磁性層與該穿隧障壁之間；該穿隧障壁上之一第二接面磁性層，其中該穿隧障壁在該第一接面磁性層與該第二接面磁性層之間；及該第二接面磁性層上之一第二垂直磁性層，其中該第二接面磁性層在該穿隧障壁與該第二垂直磁性層之間。
  2. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該第一垂直磁性層與該第二垂直磁性層之磁化方向相對於該穿隧障壁之一平面而垂直。
  3. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該非磁性層為一第一非磁性層，該裝置進一步包含：該第二接面磁性層與該第二垂直磁性層之間的一第二非磁性層。
  4. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該第一接面磁性層及/或該第二接面磁性層包含一第一晶體結構，且其中該 第一垂直磁性層及/或該第二垂直磁性層包含不同於該第一晶體結構的一第二晶體結構。
  5. 如請求項4之磁性記憶體裝置，其中在該穿隧障壁與該第一接面磁性層之間的一界面處之該穿隧障壁之一晶體平面與在該穿隧障壁與該第一接面磁性層之間的該界面處之該第一接面磁性層之一晶體平面為相同的。
  6. 如請求項5之磁性記憶體裝置，其中該第一晶體結構為一體心立方(BCC)晶體結構，且該晶體平面為一(001)晶體平面。
  7. 如請求項4之磁性記憶體裝置，其中該第二晶體結構為L10晶體結構或六方封閉填充晶格。
  8. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該第一垂直磁性層及/或該第二磁性層包含交替堆疊多次之非磁性金屬層及鐵磁性金屬層，且該等鐵磁性金屬層包含一至若干原子之一厚度。
  9. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該第一接面磁性層及/或該第二接面磁性層包含選自由鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)組成的群組之至少一者，及一非磁性元素。
  10. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該第一垂直磁性層及/或該第二垂直磁性層包含一RE-TM合金。
  11. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該非磁性層具有一在約2Å(埃)至約20Å(埃)的一範圍中之厚度。
  12. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該非磁性層包含一非磁性金屬。
  13. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該非磁性層包含一非磁性過渡金屬。
  14. 如請求項1之磁性記憶體裝置，其中該第一垂直磁性層及該第一接面磁性層經由該非磁性層而交換耦合。
  15. 一種磁性記憶體裝置，其包含：一基板；該基板上之一第一磁性物質，該第一磁性物質包含與該基板鄰近之具有六方封閉填充(HCP)晶格結構的一垂直磁性層；該第一磁性物質上之一穿隧障壁，其中該第一磁性物質在該基板與該穿隧障壁之間；及該穿隧障壁上之一第二磁性物質，其中該穿隧障壁在該第一磁性物質與該第二磁性物質之間。
  16. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其中該HCP晶格之一c軸線實質上相對於該基板之一平面而垂直。
  17. 如請求項16之磁性記憶體裝置，其中該c軸線為該垂直磁性層易於磁化之一軸線。
  18. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其進一步包含：具有一HCP晶格結構之一晶種層，其中該晶種層在該基板與該垂直磁性層之間。
  19. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其中該垂直磁性層為一第一垂直磁性層，且其中該第二磁性物質包含具有一HCP晶格結構之一第二垂直磁性層。
  20. 如請求項19之磁性記憶體裝置，其中該第一磁性物質包 括與該穿隧障壁鄰近之一第一磁性接面層，其中該第一磁性接面層在該第一垂直磁性層與該穿隧障壁之間，其中該第二磁性物質包括與該穿隧障壁鄰近之一第二磁性接面層，且其中該第二磁性接面層在該穿隧障壁與該第二垂直磁性層之間。
  21. 如請求項20之磁性記憶體裝置，其中該第一磁性接面層及該第二磁性接面層中之每一者包含一軟磁性材料。
  22. 如請求項20之磁性記憶體裝置，其進一步包含：該第一垂直磁性層與該第一磁性接面層之間的及/或該第二垂直磁性層與該第二磁性接面層之間的一交換耦合控制層。
  23. 如請求項22之磁性記憶體裝置，其中該交換耦合控制層之一晶體結構係與該第一磁性接面層之一晶體結構及/或與該第二磁性接面層之一晶體結構對準。
  24. 如請求項20之磁性記憶體裝置，其中該第二磁性物質包括在該第二垂直磁性層上交替堆疊多次之非磁性層及鐵磁性層。
  25. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其中該第一垂直磁性層包括具有按原子百分比計在10%至45%之一範圍中的一鉑含量之一無序鈷-鉑合金。
  26. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其中該第一垂直磁性層包含Co3Pt。
  27. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其中該第一垂直磁性層進一步包含選自由硼(B)、鉻(Cr)及/或銅(Cu)組成的群組 之至少一者。
  28. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其中該穿隧障壁包含選自由鎂(Mg)、鈦(Ti)、鋁(Al)、鎂-鋅(MgZn)及/或鎂-硼(MgB)之氧化物，及/或鈦(Ti)及/或釩之氮化物組成的群組之至少一者。
  29. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其進一步包含：該第二磁性物質上之一罩蓋層，其中該罩蓋層包含選自由鉭(Ta)、鋁(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)及/或氮化鈦(TiN)組成的群組之至少一者。
  30. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其中電流在該磁性記憶體裝置之操作期間在實質上相對於該基板之一平面而垂直的一方向上流動。
  31. 如請求項15之磁性記憶體裝置，其中該第一磁性層之一磁化方向及/或該第二磁性層之一磁化方向實質上相對於該基板之一平面而垂直。
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Families Citing this family (111)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008024078A1 (de) * 2008-05-17 2009-12-17 Forschungszentrum Jülich GmbH Speicher sowie Verfahren zum Schreiben und Auslesen von Information in einem Speicher
JP5072120B2 (ja) * 2009-09-25 2012-11-14 株式会社東芝 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
KR101096517B1 (ko) * 2009-10-19 2011-12-20 한국과학기술연구원 수직 자화 자성층을 갖는 자기 터널 접합 구조
KR20110071710A (ko) * 2009-12-21 2011-06-29 삼성전자주식회사 수직 자기터널접합과 이를 포함하는 자성소자 및 그 제조방법
US9299923B2 (en) 2010-08-24 2016-03-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic devices having perpendicular magnetic tunnel junction
US8907436B2 (en) 2010-08-24 2014-12-09 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic devices having perpendicular magnetic tunnel junction
JP5703641B2 (ja) * 2010-09-09 2015-04-22 ソニー株式会社 記憶素子及びメモリ
JP5652075B2 (ja) * 2010-09-13 2015-01-14 ソニー株式会社 記憶素子及びメモリ
US9647202B2 (en) * 2011-02-16 2017-05-09 Avalanche Technology, Inc. Magnetic random access memory with perpendicular enhancement layer
US9337417B2 (en) * 2010-12-10 2016-05-10 Avalanche Technology, Inc. Magnetic random access memory with perpendicular interfacial anisotropy
JP5123365B2 (ja) 2010-09-16 2013-01-23 株式会社東芝 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
JP5177585B2 (ja) * 2010-09-17 2013-04-03 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US20120267733A1 (en) * 2011-04-25 2012-10-25 International Business Machines Corporation Magnetic stacks with perpendicular magnetic anisotropy for spin momentum transfer magnetoresistive random access memory
JP2013033881A (ja) 2011-08-03 2013-02-14 Sony Corp 記憶素子及び記憶装置
KR101831931B1 (ko) 2011-08-10 2018-02-26 삼성전자주식회사 외인성 수직 자화 구조를 구비하는 자기 메모리 장치
JP2013115319A (ja) 2011-11-30 2013-06-10 Sony Corp 記憶素子、記憶装置
DE112012005566T8 (de) * 2012-01-04 2014-11-13 National Institute For Materials Science Seltenerdnanoverbundmagnet
US9007818B2 (en) 2012-03-22 2015-04-14 Micron Technology, Inc. Memory cells, semiconductor device structures, systems including such cells, and methods of fabrication
US8582253B1 (en) * 2012-06-04 2013-11-12 Western Digital (Fremont), Llc Magnetic sensor having a high spin polarization reference layer
US8923038B2 (en) 2012-06-19 2014-12-30 Micron Technology, Inc. Memory cells, semiconductor device structures, memory systems, and methods of fabrication
US9054030B2 (en) 2012-06-19 2015-06-09 Micron Technology, Inc. Memory cells, semiconductor device structures, memory systems, and methods of fabrication
KR102017623B1 (ko) * 2012-08-30 2019-09-03 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자
JP2014053498A (ja) 2012-09-07 2014-03-20 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子
US9136464B1 (en) * 2012-09-25 2015-09-15 Everspin Technologies, Inc. Apparatus and process for manufacturing ST-MRAM having a metal oxide tunnel barrier
JP6244617B2 (ja) * 2012-09-28 2017-12-13 ソニー株式会社 記憶素子、記憶装置、磁気ヘッド
US8737023B2 (en) * 2012-10-15 2014-05-27 Seagate Technology Llc Magnetic reader with tuned anisotropy
JP6342113B2 (ja) * 2012-12-19 2018-06-13 サムスン エレクトロニクス カンパニー リミテッド 改良型特性を有する磁気接合を提供する方法およびシステム
US9379315B2 (en) 2013-03-12 2016-06-28 Micron Technology, Inc. Memory cells, methods of fabrication, semiconductor device structures, and memory systems
US9130155B2 (en) * 2013-03-15 2015-09-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic junctions having insertion layers and magnetic memories using the magnetic junctions
KR102076086B1 (ko) * 2013-03-28 2020-02-11 인텔 코포레이션 고안정성 스핀트로닉 메모리
US9368714B2 (en) 2013-07-01 2016-06-14 Micron Technology, Inc. Memory cells, methods of operation and fabrication, semiconductor device structures, and memory systems
US9466787B2 (en) 2013-07-23 2016-10-11 Micron Technology, Inc. Memory cells, methods of fabrication, semiconductor device structures, memory systems, and electronic systems
US9178134B2 (en) 2013-08-30 2015-11-03 Masahiko Nakayama Magnetoresistive element and method of manufacturing the same
US9461242B2 (en) 2013-09-13 2016-10-04 Micron Technology, Inc. Magnetic memory cells, methods of fabrication, semiconductor devices, memory systems, and electronic systems
US9608197B2 (en) 2013-09-18 2017-03-28 Micron Technology, Inc. Memory cells, methods of fabrication, and semiconductor devices
US20150091110A1 (en) * 2013-09-27 2015-04-02 Charles C. Kuo Perpendicular Spin Transfer Torque Memory (STTM) Device with Coupled Free Magnetic Layers
US20150129946A1 (en) * 2013-11-13 2015-05-14 International Business Machines Corporation Self reference thermally assisted mram with low moment ferromagnet storage layer
KR102124361B1 (ko) * 2013-11-18 2020-06-19 삼성전자주식회사 수직 자기터널접합을 포함하는 자기 기억 소자
KR102126975B1 (ko) * 2013-12-09 2020-06-25 삼성전자주식회사 자기 기억 소자 및 그 제조 방법
US9236564B2 (en) * 2013-12-11 2016-01-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing an engineered magnetic layer including Heusler layers and an amorphous insertion layer
US10454024B2 (en) 2014-02-28 2019-10-22 Micron Technology, Inc. Memory cells, methods of fabrication, and memory devices
JP6180972B2 (ja) 2014-03-13 2017-08-16 株式会社東芝 磁気抵抗素子および磁気メモリ
US9281466B2 (en) 2014-04-09 2016-03-08 Micron Technology, Inc. Memory cells, semiconductor structures, semiconductor devices, and methods of fabrication
US9269888B2 (en) * 2014-04-18 2016-02-23 Micron Technology, Inc. Memory cells, methods of fabrication, and semiconductor devices
US9385309B2 (en) * 2014-04-28 2016-07-05 Qualcomm Incorporated Smooth seed layers with uniform crystalline texture for high perpendicular magnetic anisotropy materials
KR102255436B1 (ko) * 2014-05-27 2021-05-24 한양대학교 산학협력단 자기터널접합 소자 및 그 제조방법
US9508924B2 (en) * 2014-07-03 2016-11-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing rare earth magnetic junctions usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications
KR20160019253A (ko) * 2014-08-11 2016-02-19 에스케이하이닉스 주식회사 전자 장치
KR102238527B1 (ko) * 2014-09-29 2021-04-09 삼성전자주식회사 수직 자기 터널 접합 패턴을 포함하는 자기 기억 소자
US9640584B2 (en) * 2014-10-02 2017-05-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Method of manufacturing a magnetoresistive memory device
US9349945B2 (en) 2014-10-16 2016-05-24 Micron Technology, Inc. Memory cells, semiconductor devices, and methods of fabrication
US9768377B2 (en) 2014-12-02 2017-09-19 Micron Technology, Inc. Magnetic cell structures, and methods of fabrication
US9647204B2 (en) * 2014-12-05 2017-05-09 International Business Machines Corporation Spin torque MRAM based on Co, Ir synthetic antiferromagnetic multilayer
US10439131B2 (en) 2015-01-15 2019-10-08 Micron Technology, Inc. Methods of forming semiconductor devices including tunnel barrier materials
KR101705962B1 (ko) * 2015-01-19 2017-02-14 한양대학교 산학협력단 수직자기이방성을 갖는 mtj 구조 및 이를 포함하는 자성소자
CN104659202A (zh) * 2015-02-13 2015-05-27 西南应用磁学研究所 提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法
US9520553B2 (en) * 2015-04-15 2016-12-13 Micron Technology, Inc. Methods of forming a magnetic electrode of a magnetic tunnel junction and methods of forming a magnetic tunnel junction
US9478735B1 (en) * 2015-06-22 2016-10-25 Micron Technology, Inc. Magnetic tunnel junctions
CN104993046A (zh) * 2015-06-25 2015-10-21 华中科技大学 一种磁隧道结单元及其制备方法
US10522739B2 (en) 2015-06-26 2019-12-31 Intel Corporation Perpendicular magnetic memory with reduced switching current
US10832749B2 (en) 2015-06-26 2020-11-10 Intel Corporation Perpendicular magnetic memory with symmetric fixed layers
US10832847B2 (en) 2015-06-26 2020-11-10 Intel Corporation Low stray field magnetic memory
US9537088B1 (en) * 2015-07-13 2017-01-03 Micron Technology, Inc. Magnetic tunnel junctions
US9280992B1 (en) * 2015-07-28 2016-03-08 HGST Netherlands B.V. Hybrid longitudinal-field bias side shield for a scissor magnetic sensor and methods of making the same
JP5985728B1 (ja) * 2015-09-15 2016-09-06 株式会社東芝 磁気メモリ
KR20170037707A (ko) * 2015-09-25 2017-04-05 삼성전자주식회사 자기 기억 소자 및 이의 제조 방법
US9831422B2 (en) * 2015-10-21 2017-11-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory devices having perpendicular magnetic tunnel junction
JP6999122B2 (ja) * 2015-10-21 2022-01-18 三星電子株式会社 垂直磁気トンネル接合を含む磁気記憶素子
US10170690B2 (en) 2015-11-16 2019-01-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Hybrid-fl with edge-modified coupling
CN105428522B (zh) * 2015-12-01 2018-07-20 中电海康集团有限公司 一种用于stt-mram的磁性隧道结
CN105514261B (zh) * 2015-12-01 2018-07-20 中电海康集团有限公司 一种用于mram的磁性存储器件
US10614953B2 (en) * 2016-01-12 2020-04-07 University Of Florida Research Foundation, Inc. Mitigation of contamination of electroplated cobalt-platinum films on substrates
US9680089B1 (en) 2016-05-13 2017-06-13 Micron Technology, Inc. Magnetic tunnel junctions
US9825217B1 (en) * 2016-05-18 2017-11-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory device having cobalt-iron-beryllium magnetic layers
US10593869B2 (en) 2016-07-26 2020-03-17 Allegro Microsystems, Llc Methods for patterning a magnetic sensing layer
KR102566954B1 (ko) * 2016-08-04 2023-08-16 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자 및 그 제조 방법
WO2018104899A1 (en) * 2016-12-07 2018-06-14 Victoria University Of Wellington Rare earth nitride structures and devices and method for removing a passivating capping
WO2018125204A1 (en) * 2016-12-30 2018-07-05 Intel Corporation Perpendicular spin transfer torque memory (psttm) devices with enhanced stability and method to form same
CN110024148A (zh) * 2016-12-30 2019-07-16 英特尔公司 具有增强的垂直各向异性的垂直自旋转移矩存储器(pSTTM)器件及其形成方法
JP2018152432A (ja) * 2017-03-10 2018-09-27 東芝メモリ株式会社 磁気記憶装置
US10620279B2 (en) 2017-05-19 2020-04-14 Allegro Microsystems, Llc Magnetoresistance element with increased operational range
US11022661B2 (en) 2017-05-19 2021-06-01 Allegro Microsystems, Llc Magnetoresistance element with increased operational range
JP6803045B2 (ja) * 2017-06-08 2020-12-23 昭和電工株式会社 磁気記録媒体および磁気記憶装置
JP6449392B2 (ja) * 2017-08-16 2019-01-09 インテル・コーポレーション 装置、方法およびメモリ
US10509058B2 (en) 2018-01-12 2019-12-17 Allegro Microsystems, Llc Current sensor using modulation of or change of sensitivity of magnetoresistance elements
US10840001B2 (en) 2018-03-06 2020-11-17 Allegro Microsystems, Llc Magnetoresistance element with extended linear response to magnetic fields
KR102383108B1 (ko) * 2018-05-18 2022-04-04 삼성전자주식회사 웨이퍼 처리 장치 및 메모리 소자의 제조 방법
US11193989B2 (en) 2018-07-27 2021-12-07 Allegro Microsystems, Llc Magnetoresistance assembly having a TMR element disposed over or under a GMR element
US10605874B2 (en) 2018-08-06 2020-03-31 Allegro Microsystems, Llc Magnetic field sensor with magnetoresistance elements having varying sensitivity
US10879454B2 (en) * 2018-08-08 2020-12-29 Spin Memory, Inc. Magnetic tunnel junction memory element with improved reference layer stability for magnetic random access memory application
US10753989B2 (en) * 2018-08-27 2020-08-25 Allegro Microsystems, Llc Magnetoresistance element with perpendicular or parallel magnetic anistropy
US10734443B2 (en) 2018-08-27 2020-08-04 Allegro Microsystems, Llc Dual manetoresistance element with two directions of response to external magnetic fields
JP2020035976A (ja) * 2018-08-31 2020-03-05 キオクシア株式会社 磁気記憶装置
JP2020047703A (ja) * 2018-09-18 2020-03-26 キオクシア株式会社 磁気記憶装置
US10643643B1 (en) * 2019-01-23 2020-05-05 Western Digital Technologies, Inc. Spin torque oscillator device including a high damping field generation layer or a damping enhancing capping layer
CN110098318B (zh) * 2019-05-10 2020-11-03 北京航空航天大学 具有界面垂直磁各向异性的多膜层结构及磁随机存储器
US10866287B1 (en) 2019-07-10 2020-12-15 Allegro Microsystems, Llc Magnetic field sensor with magnetoresistance elements arranged in a bridge and having a common reference direction and opposite bias directions
US11215681B2 (en) 2019-07-10 2022-01-04 Allegro Microsystems, Llc Magnetic field sensor with stray field immunity and large air gap performance
CN112447661B (zh) * 2019-08-28 2023-05-02 芯恩（青岛）集成电路有限公司 一种铜互连结构及其制备方法
US11217626B2 (en) 2019-08-30 2022-01-04 Allegro Microsystems, Llc Dual tunnel magnetoresistance (TMR) element structure
US11127518B2 (en) 2019-08-30 2021-09-21 Allegro Microsystems, Llc Tunnel magnetoresistance (TMR) element having cobalt iron and tantalum layers
JP2021044429A (ja) * 2019-09-12 2021-03-18 キオクシア株式会社 磁気記憶装置
KR102632986B1 (ko) * 2019-10-01 2024-02-05 에스케이하이닉스 주식회사 전자 장치
US11187764B2 (en) 2020-03-20 2021-11-30 Allegro Microsystems, Llc Layout of magnetoresistance element
US11782103B2 (en) 2020-06-12 2023-10-10 Allegro Microsystems, Llc Dual double-pinned spin valve element having magnet bias with increased linear range
US11751486B2 (en) 2020-11-20 2023-09-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Templating layers for perpendicularly magnetized Heusler films/compounds
US11804321B2 (en) 2020-11-20 2023-10-31 Samsung Electronics Co., Ltd. Tunable templating layers for perpendicularly magnetized Heusler films
US11538987B2 (en) 2020-11-20 2022-12-27 Samsung Electronics Co., Ltd. IrAl as a non-magnetic spacer layer for formation of synthetic anti-ferromagnets (SAF) with Heusler compounds
US11630168B2 (en) 2021-02-03 2023-04-18 Allegro Microsystems, Llc Linear sensor with dual spin valve element having reference layers with magnetization directions different from an external magnetic field direction
EP4358139A1 (en) * 2021-08-19 2024-04-24 Huawei Technologies Co., Ltd. Magnetic device and manufacturing method therefor, magnetic memory and electronic device
US11719771B1 (en) 2022-06-02 2023-08-08 Allegro Microsystems, Llc Magnetoresistive sensor having seed layer hysteresis suppression

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5936293A (en) * 1998-01-23 1999-08-10 International Business Machines Corporation Hard/soft magnetic tunnel junction device with stable hard ferromagnetic layer
EP1187103A3 (en) 2000-08-04 2003-01-08 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magnetoresistance effect device, head, and memory element
JP3701593B2 (ja) * 2001-09-19 2005-09-28 株式会社日立グローバルストレージテクノロジーズ 垂直磁気記録媒体及び磁気記憶装置
FR2832542B1 (fr) * 2001-11-16 2005-05-06 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique a jonction tunnel magnetique, memoire et procedes d'ecriture et de lecture utilisant ce dispositif
JP2005032352A (ja) * 2003-07-14 2005-02-03 Toshiba Corp 粒子分散型膜を下地に用いた磁気記録媒体、その製造方法、および磁気記録再生装置
JP4169663B2 (ja) * 2003-07-25 2008-10-22 Ｈｏｙａ株式会社 垂直磁気記録媒体
KR100548997B1 (ko) 2003-08-12 2006-02-02 삼성전자주식회사 다층박막구조의 자유층을 갖는 자기터널 접합 구조체들 및이를 채택하는 자기 램 셀들
US6985385B2 (en) 2003-08-26 2006-01-10 Grandis, Inc. Magnetic memory element utilizing spin transfer switching and storing multiple bits
JP2005109263A (ja) * 2003-09-30 2005-04-21 Toshiba Corp 磁性体素子及磁気メモリ
US7242045B2 (en) 2004-02-19 2007-07-10 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element having low saturation magnetization free layers
US6992359B2 (en) 2004-02-26 2006-01-31 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element with free layers having high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
JP4146818B2 (ja) * 2004-04-21 2008-09-10 Ｔｄｋ株式会社 薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置
US7449345B2 (en) 2004-06-15 2008-11-11 Headway Technologies, Inc. Capping structure for enhancing dR/R of the MTJ device
US7241631B2 (en) 2004-12-29 2007-07-10 Grandis, Inc. MTJ elements with high spin polarization layers configured for spin-transfer switching and spintronics devices using the magnetic elements
JP4951858B2 (ja) * 2005-01-12 2012-06-13 ソニー株式会社 メモリ
JP4444241B2 (ja) 2005-10-19 2010-03-31 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ランダムアクセスメモリ、電子カード及び電子装置
JP2007273504A (ja) 2006-03-30 2007-10-18 Fujitsu Ltd 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記録装置、磁気ランダムアクセスメモリ
US20070297220A1 (en) * 2006-06-22 2007-12-27 Masatoshi Yoshikawa Magnetoresistive element and magnetic memory
US7643332B2 (en) * 2006-06-23 2010-01-05 Infineon Technologies Ag MRAM cell using multiple axes magnetization and method of operation
JP2008041827A (ja) 2006-08-03 2008-02-21 Alps Electric Co Ltd トンネル型磁気検出素子及びその製造方法
EP2098515B1 (en) 2006-11-30 2012-02-08 Kowa Company, Ltd. Substituted carbinol compound
US7791845B2 (en) * 2006-12-26 2010-09-07 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Tunneling magnetoresistive sensor having a high iron concentration free layer and an oxides of magnesium barrier layer
JP4738395B2 (ja) * 2007-09-25 2011-08-03 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ
KR100952438B1 (ko) 2008-02-29 2010-04-14 주식회사 하이닉스반도체 반도체 메모리 장치
JP4724196B2 (ja) * 2008-03-25 2011-07-13 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子及び磁気ランダムアクセスメモリ

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Publication number Publication date
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