TWI556233B - 以改良的切換來提供混合磁性穿隧接面元件的方法及其系統 - Google Patents

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迪恩特 阿帕科夫
默罕馬 托爾菲克 昆恩比
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Description

以改良的切換來提供混合磁性穿隧接面元件的方法及其系統
本發明由國防先進研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)授予的第HR0011-09-C-0023號合同在美國政府支持下完成。美國政府享有對本發明的特定權利。
本發明有關於磁性記憶體系統，且特別是有關於以改良的切換執行來提供混合磁性穿隧接面元件的方法及系統。
磁性記憶體，特別是磁性隨機存取記憶體(magnetic random access memories,MRAMs)，由於其操作期間之高讀取/寫入速度、優秀的耐用性、非揮發及低功率消耗的潛力，已引起愈來愈多的興趣。MRAM可利用磁性材料作為資訊紀錄媒介來儲存資訊。一種類型的MRAM為自旋傳輸力矩隨機存取記憶體(spin transfer torque random access memory,STT-RAM)。STT-RAM利用至少部份藉由經驅動經過磁性接面的電流來寫入的磁性接面。經驅動經過磁性接面的自旋極化電流(spin polarized current)施加了自旋力矩於磁性接面中的磁矩上。結果，可切換具有回應於自旋力矩之磁性元件之膜層至所期望的狀態。
例如，圖1描繪可使用於傳統STT-RAM中的傳統磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)10。傳統MTJ 10通常存在於底接觸(contact)11、使用傳統種子層 12，且包括傳統反鐵磁性(antiferromagnetic,AFM)層14、傳統固定層(pinned layer)16、傳統穿隧阻障層18、傳統自由層(free layer)20及傳統頂蓋層22。亦顯示出頂接觸24。
傳統接觸11及24使用於在電流垂直於平面(current-perpendicular-to-plane,CPP)的方向或沿著如圖1所示的z軸驅動電流。通常利用傳統種子層12來幫助具有所期望晶體結構的後續膜層的成長，諸如AFM層14。傳統穿隧阻障層18為非磁性且例如是薄絕緣體(諸如：氧化鎂(MgO))。
傳統固定層16及傳統自由層20為磁性的。通常藉由與AFM層14之交換偏壓(exchange-bias)相互作用來固定傳統固定層16之磁化向量(magnetization)17於特定方向。雖然描繪為簡易(單一)層，但傳統固定層16可包括多層。例如，傳統固定層16可為合成反鐵磁層(synthetic antiferromagnetic,SAF)，其包括經過薄導體層(諸如釕(Ru))反鐵磁性地耦合的磁性層。在這種SAF中，可使用與釕薄層交錯的多層磁性層。在另一實施例中，遍及釕層的耦合可為鐵磁性的。此外，傳統MTJ 10的其他變體可包括額外固定層(未表示)，其藉由額外非磁性阻障層或導體層(未表示)而與自由層20分離。
傳統自由層20具有可變換的磁化向量21。雖然描繪為簡易層，傳統自由層20亦可包括多層。例如，傳統自由層20可為合成層，其包括經過薄導體層(諸如釕(Ru)) 反鐵磁性地或鐵磁性地耦合的磁性層。雖然表示為共平面，但傳統自由層20的磁化向量21可具有垂直異向性。
為了切換傳統自由層20的磁化向量21，垂直於平面(於z方向)來驅動電流。當從頂接觸24驅動足夠電流到底接觸11時，傳統自由層20的磁化向量21可切換為平行於傳統固定層16的磁化向量17。當從底接觸11驅動足夠電流到頂接觸24時，自由層20的磁化向量21可切換為反平行(antiparallel)於固定層16的磁化向量17。磁性配置的差異對應於不同的磁阻，且因此對應於傳統MTJ 10的不同的邏輯狀態(例如：邏輯的「0」及邏輯的「1」)。
當使用於STT-RAM應用時，期望傳統MTJ 10的自由層21在相對低的電流下切換。臨界切換電流(critical switching current,Ic0)為最低電流，在此最低電流下，在圍繞著平衡方向的自由層磁化向量21之無窮小進動(infinitesimal precession)變得不穩定。例如，可期望Ic0為小量毫安培或更小的等級。此外，期望短電流脈衝(short current pulse)以較高資料速率使用於傳統磁性穿隧接面10的程式化中。例如，期望電流脈衝在20到30奈秒或更少的等級。
雖然傳統MTJ 10可使用自旋傳輸寫入及使用於STT-RAM中，但有著缺點。例如，對於具有可接受的Ic0及脈寬的記憶體，寫入錯誤率(write error rate,WER)是高於所期望的。寫入錯誤率(WER)為當單元(cell)經受至少等於典型切換電流之電流時不切換單元(也就是傳 統磁性接面的自由層20的磁化向量21)的可能性。期望WER為10-9或更小。然而，傳統自由層20一般具有遠超過此數值的WER。此外，已測定出WER對於改善短寫入電流脈衝可能是有挑戰性的。例如，圖2為描繪對於不同寬度的脈衝之WER趨勢的圖形50。注意到無標繪實際數據於圖形50中。反而，以圖形50表達趨勢。從最長到最短的脈寬為曲線52、54、56及58。如圖形50中可見，對於較高脈寬，WER相對於寫入電流具有較高的斜率。因此，對於相同脈寬之較高寫入電流的應用可造成WER的顯著降低。然而，當縮短曲線54、56及58的脈寬，曲線54、56及58的斜率減小。對於減小的脈寬，電流的增加較不可能造成WER的降低。結果，運用傳統MTJ 10的記憶體可能具有無法接受的高WER，此高WER可能無法藉由寫入電流的增加來改善。
已提出各種傳統解決方法來改善諸如WER的特性。 例如，可使用協助切換的磁場及/或具有複合結構的磁性接面。然而，這種傳統結構的降低WER但維持其他特性的能力有限。例如，藉由這種傳統方法可能不利地影響可調整度(scalability)、能量消耗及/或熱穩定度。因此，使用傳統MTJ之記憶體的效能仍期望於改善。
據此，需要可改善以自旋傳輸力矩為基礎之記憶體的效能的方法及系統。本文描述的方法及系統提出這種需求。
描述一種用於提供可使用在磁性裝置中的磁性接面 的方法及系統。磁性接面包括固定層、非磁性間隔層及自由層。非磁性間隔層在固定層與自由層之間。自由層具有簡單錐形磁異向性(easy cone magnetic anisotropy)。配置磁性接面使得寫入電流在通過磁性接面時，自由層在多數個穩定磁態之間是可切換的。
例示性實施例是有關於可使用在磁性裝置(諸如：磁性記憶體)中的磁性接面，以及使用這種磁性接面的裝置。 下列描述的呈現是為使本領域中具通常知識者能夠製作及使用本發明，且提供於專利應用及其需求中。對於例示性實施例之各種修改及本文描述之通用原理及特徵將為顯而易見的。主要以在特定實施中所提供之特定方法及系統來描述例示性實施例。然而，方法及系統將有效地操作於其他實施中。例如是「例示性實施例」、「一個實施例」及「另一實施例」的詞語可指稱相同或不同的實施例及多種實施例。將以關於具有特定組件的系統及/或裝置來描述實施例。然而，系統及/或裝置可包括多於或少於所示的那些組件，且可在不背離於本發明的範疇下做出組件之排列及類型的變化。例示性實施例亦將以具有特定步驟之特定方法來描述。然而，方法及系統有效地操作於其他具有不同及/或額外步驟及不同順序的步驟(仍與例示性實施例相符)。 因此，本發明無意欲受限於所示實施例，而是以與本文所描述之原理及特徵一致的最廣範疇為根據。
描述用於提供磁性接面及利用磁性接面之磁性記憶 體的方法及系統。例示性實施例提出用於提供可使用於磁性裝置中的磁性接面的方法及系統。磁性接面包括固定層、非磁性間隔層及自由層。非磁性間隔層在固定層及自由層之間。自由層具有簡單錐形磁異向性。配置磁性接面使得寫入電流在通過磁性接面時自由層在多數個穩定磁態之間是可切換的。
以具有特定組件之特定磁性接面及磁性記憶體來描述例示性實施例。所屬領域中具通常知識者將易於明白本發明與具有與本發明相符之其他及/或額外組件及/或其他特徵的磁性接面及磁性記憶體的使用相符。亦以此目前理解的自旋傳輸現象、磁異向性及其他物理現象來描述方法及系統。所以，所屬領域中具通常知識者將易於明白此方法及系統之行為的理論解釋是以目前理解之自旋傳輸現象、磁異向性及其他物理現象為基礎。然而，本文描述的方法及系統非取決於特定物理解釋。所屬領域中具通常知識者亦將易於明白是以具有特定關於基板(substrate)之結構來描述方法及系統。然而，所屬領域中具通常知識者將易於明白方法及系統與其他結構相符。此外，以特定合成及/或簡易膜層來描述方法及系統。然而，所屬領域中具通常知識者將易於明白膜層可具有另一結構。除此之外，以具有特定膜層之磁性接面及/或次結構來描述方法及系統。然而，所屬領域中具通常知識者將易明白亦可使用具有與本方法及系統相符之額外及/或不同膜層的磁性接面及/或次結構。而且，描述特定組件為磁性的、鐵磁性的及 亞鐵磁性的。如本文所使用，術語「磁性的」可包括鐵磁性的、亞鐵磁性的或類似者。因此，如本文所使用，術語「磁性的」或「鐵磁性的」包括但不受限於鐵磁體及亞鐵磁體。亦以單一磁性接面及次結構來描述方法及系統。然而，所屬領域中具通常知識者將易於明白方法及系統與具有多種磁性接面及使用多種次結構之磁性記憶體的使用相符。此外，如本文所使用，「共平面」為實質上在磁性接面之一層或多層膜層的平面內或平行於磁性接面之一層或多層膜層的平面。反言之，「垂直」對應為實質上垂直於磁性接面之一層或多層膜層的方向。
圖3描繪使用於磁性裝置(例如：磁性記憶體(諸如STT-RAM))之磁性接面100的一例示性實施例。為求清晰，圖3未依照比例。磁性接面100包括固定層110、非磁性間隔層120及自由層130。亦顯示出選擇性固定層104，此選擇性固定層104可使用於使固定層110的磁化向量(未繪示)固定。在一些實施例中，選擇性固定層104可為藉由交換偏壓相互作用來使固定層110之磁化向量(未繪示)固定的AFM層或多層。然而，在其他實施例中，可忽略選擇性固定層104或可使用另一結構。此外，磁性接面100可包括其他及/或額外膜層(諸如選擇性種子層102及/或選擇性頂蓋層140)。亦配置磁性接面100，以使自由層130在寫入電流通過磁性接面100時可在穩定磁態之間切換。因此，利用自旋傳輸力矩之自由層130為可切換的。
固定層110為磁性的，且因此可包括鎳(Ni)、鐵(Fe)及鈷(Co)中的一種或多種，特別是合金型式。雖然描繪為單一層，但固定層110可包括多層。例如，固定層110可為SAF，其包括經過薄層(諸如釕(Ru))反鐵磁性地或鐵磁性地耦合的磁性層。在這種SAF中，可使用與釕薄層或其他材料薄層交錯的多層磁性層。固定層110亦可為另一多層。雖然磁化向量未描繪於圖3中，但自由層可具有超越平面外之去磁能量(out-of-plane demagnetization energy)的垂直異向性能量。在所示的實施例中，簡單錐形的對稱軸實質上為垂直於自由層的平面。在另一實施例中，自由層中的垂直異向性可小於平面外之去磁能量。在這種案例下，簡單錐形的對稱軸實質上是在自由層的平面中。
間隔層120為非磁性的。在一些實施例中，間隔層120為絕緣體(例如：穿隧阻障)。在這種實施例中，間隔層120可包括結晶氧化鎂(crystalline MgO)，此結晶氧化鎂可提高磁性接面的穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)。在其他實施例中，間隔層可為導體(諸如銅)。在替代實施例中，間隔層120可具有另一結構，例如是包括絕緣矩陣(insulating matrix)中之導電通道(conductive channels)的顆粒層。
自由層130為磁性的，且因此可包括鐵、鎳及/或鈷中至少其中之一。自由層130具有可變換的磁化向量(未繪示)，此可變換的磁化向量可經自旋傳輸切換。自由層130 描繪為單一層。在其他實施例中，描述於以下，自由層130可包括其他層。
此外，自由層130具有簡單錐形磁異向性。在圖3中，藉由磁化向量M來顯示簡單錐形磁異向性。由於簡單錐形磁異向性的關係，自由層130之總磁化向量在一個角度處(自垂直於磁性接面100之膜層的平面的方向算起(也就是圖3中的z軸))具有穩態。此角度自z軸算起亦少於90度。因此，有一磁化向量之平面分量的垂直線。在所示的實施例中，簡單錐形的對稱軸沿著z方向。然而，在其他實施例中，簡單錐形的對稱軸可以是在另一方向中(例如：沿著共平面的x方向或y方向)。
可隨參考圖3及圖4來了解簡單錐形磁異向性。圖4描繪對於自由層130之磁異向性能量145的一個實施例。 參照圖3及圖4，對於簡單錐形磁異向性，磁異向性能量145在或靠近磁性接面100之平面的垂直線處具有局部極大值。在所示的實施例中，局部極大值在或靠近自z軸算起的0度處。在一些實施例中，局部極大值至少為kbT的10倍，其中kbT為波茲曼常數(Boltzman’s constant)，且T為磁性接面的操作溫度。在其他實施例中，局部極大值至少為kbT的20倍。此外，磁異向性能量145在一些自局部極大值算起的角度處具有局部極小值。自由層130的磁化向量在沿著局部極小值處是穩定的。因此，如藉由圖3中之磁化向量M及磁異向性能量145可見，自由層磁化向量在一些圍繞z軸的角度處是穩定的。這些穩態形成圍繞 磁性接面100之膜層的平面的垂直線的錐形。於此，自由層130之磁異向性稱為簡單錐形磁異向性。
在自由層130中之簡單錐形磁異向性的引入(introduction)可改善自由層130的切換特性。由於簡單錐形磁異向性的關係，自由層130之磁化向量可具有傾斜於磁性接面100之膜層的垂直線的走向(例如是傾斜於z軸)的穩態。此非0起始角度使得更易於藉由自旋傳輸力矩來切換自由層130的磁化向量。此特性對應於較低的寫入錯誤率。甚至可在低脈寬(高數據速率)來達到較低的WER。尤其，甚至對小於10奈秒的脈寬，寫入錯誤率相對於寫入電流的斜率可維持足夠大。在一些實施例中，對於10到30奈秒或更少的脈寬可達到10-9或更小的可接受寫入錯誤率。因此，並不是使用諸如外場的機制來協助切換，而是使用簡單錐形磁異向性來處理高錯誤率的物理原因。所以，甚至對於較低的脈寬，自由層130可具有改善的寫入錯誤率。
亦可提高磁性接面100的其他性質。可不會不利地影響磁性接面100的熱穩定度及對稱性。在磁異向性能量145中之自z軸算起的0度的局部極大值的量可為kbT的20倍或更多。在一些實施例中，局部極大值至少為kbT的60倍。此量的局部極大值可足夠地確保磁性接面100的熱穩定度。除此之外，因為可不需要外磁場來切換磁性接面100，磁性接面100為可擴充至較高的記憶體密度。磁性接面100及使用磁性接面100的記憶體的效能及靈活度可因 此改善。
自由層之簡單錐形磁異向性可以若干方式達成。圖5描繪一種包括具有簡單錐形磁異向性之自由層的磁性接面100’的一例示性實施例。為求清晰，圖5未依照比例。磁性接面100’可使用於磁性記憶體(諸如STT-RAM)。磁性接面100’雷同於磁性接面100，且因此包括相似的結構。 磁性接面100’包括各自雷同於選擇性種子層102、選擇性固定層104、固定層110、非磁性間隔層120、自由層130及選擇性頂蓋層140之選擇性種子層102’、選擇性固定層104’、固定層110’、非磁性間隔層120’、自由層130’及選擇性頂蓋層140’。固定層110’、非磁性間隔層120’、自由層130’及選擇性頂蓋層140’具有各自雷同於固定層110、非磁性間隔層120、自由層130及選擇性頂蓋層140的結構及功能。
自由層130’包括多層。特別是，繪示出藉由相互作用控制層134來分離磁性層132及136。在所示的實施例中，一磁性層132具有負垂直異向性場Hk。因此，此膜層之磁化向量會藉由本身而保持於膜的平面中。在一些實施例中，磁性層132可包括部分垂直異向性的效應。此效應降低需要飽和此膜層沿著z方向之磁化向量的場。在一些實施例中，部分垂直異向性至少為4 π Ms的20%且小於4 π Ms的90%。磁性層136具有高垂直異向性Hk。在一些實施例中，高垂直異向性的量取決於磁性接面的尺寸。例如，對於具有100奈米等級直徑的直徑之較大磁性接面100’， 大Hk可大於1000厄司特(Oersted)(1kOe)。相較而言，對於具有10奈米等級直徑之較小的磁性接面100’，Hk接近5000厄司特(5kOe)。磁性層132及136為鐵磁性的，且因此包括鐵、鈷及鎳中的一或多者。包括但不受限於硼(B)、鉭(Ta)、銫(Cs)、鋯(Zr)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、鋱(Tb)及/或釕的其它材料亦可包括於磁性層132及136中。注意到相同或不同的材料可使用於磁性層132及136。 可修改(tailor)磁性層132及136(以及交換相互作用控制層134)所使用之材料的組合及/或厚度，使得在磁性層132及136中產生所期望的異向性。
自由層130’亦包括相互作用控制層134。相互作用控制層134可使用於管理磁性層132及136之間的磁性相互作用(諸如交換相互作用)。相互作用控制層134為非磁性的。例如，鉭、鉻、鎂、氧化鎂、鈦(Ti)、鎢(W)及/或釕可使用於相互作用控制層134。相互作用控制層134的厚度亦可改變。在一些實施例中，相互作用控制層134至少為0.1奈米且不大於1.5奈米。例如，若使用釕，相互作用控制層134可至少為0.3奈米且不大於1.3奈米。 若使用鉭，則相互作用控制層134可至少為0.1奈米且不大於1.0奈米。
相互作用控制層134的使用可隨參考圖6所見，其描繪各種磁***換相互作用之總能量相對於角度的關係。簡單來說，當磁性接面100’可(但不需為)沿著z軸對稱時，圖6中的曲線是以二維方式來描繪。參照圖5及圖6，曲 線152描繪出在磁性層132及136之間之非常低的交換耦合(exchange coupling)的磁異向性能量相對於角度的關係。曲線154描繪出在磁性層132及136之間之中等的交換耦合的磁異向性能量相對於角度的關係。在所示的實施例中，交換耦合為1.5×10-4焦耳/平方公尺的等級。一般而言，交換耦合是在0.5×10-4焦耳/平方公尺到20×10-4焦耳/平方公尺的等級。曲線156描繪出在磁性層132及136之間之高交換耦合的磁異向性能量相對於角度的關係。如可見於曲線152及156，對於低的及高的交換耦合來說，簡單錐形磁異向性沒有由局部極小值所環繞的局部極大值。 然而，對於中等的交換耦合來說，磁異向性能量具有自表面的垂直線算起之接近0度處的局部極大值。
自由層130’之磁化向量可隨參考圖7所見，其描繪對於具有簡單錐形磁異向性之自由層130’的磁化向量的一個實施例。參照圖5到圖7，負垂直異向性層(磁性層132)具有磁化向量133。若磁性層132及136之間無相互作用，磁化向量133會位於平面。然而，由於磁性層132及136之間的交換相互作用的關係，磁化向量133會在自z軸算起(垂直於磁性接面100’的平面)的一個角度θ處。高垂直異向性層(磁性層136)具有磁化向量135。在沒有其他的磁性層132的出現下，磁化向量135可沿z軸。然而，由於交換相互作用的關係，磁化向量135會在自z軸算起的一個角度α處。藉由磁化向量137來給定自由層130’之總磁化向量。總磁化向量137位在自z軸算起的一個角度 ψ處。此角度對應於能量曲線154中的極小值。
簡單錐形磁異向性之效應可以數學來理解。自由層130’之每單位面積的磁異向性能量可由自特定方向算起的角度的方程式來得到：E(θ,α)=-HK,132*M132*t132*cos2(θ)-HK,136*M136*t136*cos2(α)+σ＊cos(θ-α)
其中Hk,132為磁性層132之有效的垂直異向性場；M132為磁性層132之磁化向量；t132為磁性層132之厚度；Hk,136為磁性層136之有效的垂直異向性場；M136為磁性層136之飽和磁化向量；t136為磁性層136之厚度，以及σ為面積交換能量密度(areal exchange energy density)。如圖7所示，最終的結果為自由層之磁化向量137在自z軸算起的一個角度處是穩定的。自由層130’因此顯示出簡單錐形異向性。如上述，自由層130’具有簡單錐形異向性。所以，可達成改善切換特性、熱穩定度及可調整度。
圖8描繪包括具有簡單錐形異向性的自由層之磁性接面100”的一例示性實施例。為求清楚起見，圖8未按照比例。磁性接面100”可使用於磁性記憶體(諸如STT-RAM)。磁性接面100”雷同於磁性接面100及100’，且因此包括相似結構。磁性接面100”包括各自雷同於選擇性種子層102/102’、選擇性固定層104/104’、固定層110/110’、非磁性間隔層120/120’、自由層130/130’及選擇性頂蓋層140/140’之選擇性種子層102”、選擇性固定層104”、固定 層110”、非磁性間隔層120”、自由層130”及選擇性頂蓋層140”。固定層110”、非磁性間隔層120”、自由層130”及選擇性頂蓋層140”的結構及功能具有各自雷同於膜層固定層110/110’、非磁性間隔層120/120’、自由層130/130’及選擇性頂蓋層140/140’的結構及功能。
自由層130”包括多層。特別是，繪示出藉由非磁***換控制層134’分離的磁性層132’及136’。然而，已由磁性接面100’來切換磁性層132’及136’的位置。在所示的實施例中，磁性層132’具有負垂直異向性場Hk，且較磁性層136’更遠離固定層110”。磁性層136’具有高垂直異向性場Hk。 磁性層132’及磁性層136’的材料及厚度雷同於磁性層132及磁性層136的材料及厚度。此磁性層136’較磁性層132’接近固定層110”。儘管磁性層132’及136’的位置的改變，自由層130”仍維持簡單錐形異向性。因此，磁性接面100”以雷同的方式作用，且可分享磁性接面100及100’的優點。
圖9描繪另一自由層200的例示性實施例，此自由層200可使用在磁性接面100、100’及/或100”中。為求清楚起見，圖9未按照比例。自由層200雷同於自由層130/130’/130”，且因此包括類似的結構。自由層200包括負垂直異向性層202及210、高垂直異向性層206及相互作用控制層204及208。負垂直異向性層202及210雷同於負垂直異向性層(磁性層132/132’)，而高垂直異向性層206雷同於高垂直異向性層(磁性層136/136’)。類似地，交互作用控制層204及208雷同於交互作用控制層 134/134’。在自由層200中，高垂直異向性層206夾在兩層負異向性層202及208之間。所產生的自由層200可具有簡單錐形異向性。因此，當使用於磁接面時，自由層200可具有改善的寫入錯誤率而毋須犧牲熱穩定度、可調整度及低臨界切換電流。
圖10描繪另一自由層200’之例示性實施例，此自由層200’可使用在磁性接面100、100’及/或100”中。為求清楚起見，圖10未按照比例。自由層200’雷同於自由層130/130’/130”/200，且因此包括類似的結構。自由層200’包括高垂直異向性層202’及210’、負垂直異向性層206’及相互作用控制層204’及208’。高垂直異向性層202’及210’雷同於磁性層136/磁性層136’/高垂直異向性層206，而負垂直異向性層206’雷同於磁性層132/磁性層132’/負垂直異向性層202/負垂直異向性層210。類似地，交互作用控制層204’及208’雷同於交互作用控制層134/134’/204/208。在自由層200’中，負垂直異向性層206’夾在兩層高垂直異向性層202’及210’之間。所產生的自由層200’可具有簡單錐形異向性。因而，當使用於接面時，自由層200’可具有改善的寫入錯誤率而毋須犧牲熱穩定度、可調整度及低臨界切換電流。
圖11描繪另一包括具有簡單錐形異向性的自由層的磁性接面250之例示性實施例。為求清楚起見，圖11未按照比例。磁性接面250可使用於磁性記憶體(諸如STT-RAM)。磁性接面250雷同於磁性接面100、100’、 100”，且因此包括相似的結構。磁性接面250包括各自雷同於選擇性種子層102/102’、選擇性固定層104/104’、固定層110/110’、非磁性間隔層120/120’、自由層130/130’及選擇性頂蓋層140/140’之選擇性種子層252、選擇性固定層254、固定層256、非磁性間隔層258、自由層260及選擇性頂蓋層268。此外，磁性接面250包括額外非磁性間隔層262、額外固定層264及額外選擇性固定層266。因此，磁性接面250為雙重(dual)接面。額外非磁性間隔層262、額外固定層264及額外選擇性固定層266雷同於非磁性間隔層258、固定層256及選擇性固定層254。因此，磁性接面250可分享磁性接面100、100’及100”的優點。進一步地，因為磁性接面250可為雙重接面(諸如雙重穿隧接面)，因此對於磁性接面250而言，可降低切換電流且可改善切換特性。
圖12描繪用於製造磁性次結構之方法300的例示性實施例。為求簡單起見，可忽略或結合一些步驟。方法300描述於磁性接面100的背景中。然而，方法300可使用在其他磁性接面上，諸如磁性接面100’、100”及/或250。此外，方法300可合併於磁性記憶體的製造中。因此，方法300可使用於製造STT-RAM或其他磁性記憶體。方法300可在提供種子層102及選擇性固定層104後開始。
經由步驟302來提供固定層110。步驟302可包括將所需材料沈積至固定層110的所需厚度。此外，步驟302可包括提供SAF。經由步驟304來提供非磁性層120。步 驟304可包括沈積所需非磁性材料，包括但不受限於結晶氧化鎂。另外，可在步驟304沈積所需的材料厚度。
經由步驟306來提供具有簡單錐形異向性之自由層130。在一些實施例中，可藉由沈積多層(諸如自由層130’、130”、200及/或200’)來完成步驟306。接著經由步驟308而完成製造。例如，可提供頂蓋層140。在其他實施例中，可提供額外間隔層262、額外固定層264及額外的選擇性固定層266。在一些實施例中(沈積磁性接面的膜層成堆疊，然後定義)，步驟308可包括定義磁性接面100、執行退火或以其他方式來完成磁性接面100的製作。此外，若將磁性接面100與記憶體(諸如STT-RAM)合併，步驟308可包括提供記憶體的接觸(contact)、偏壓結構(bias structure)及其他部份。因此，形成磁性接面100、100’、100”及/或250。結果，可達到磁性接面的優點。
此外，磁性接面100、100’、100”及/或250可使用於磁性記憶體中。圖13描繪這一種記憶體400的例示性實施例。磁性記憶體400包括讀取/寫入行選擇驅動器402及406和字元線選擇驅動器404。注意到，可提供其他及/或不同組件。記憶體400的儲存區域包括磁性儲存單元410。各個磁性儲存單元包括至少一個磁性接面412及至少一個選擇裝置414。在一些實施例中，選擇裝置414為電晶體。 磁性接面412可為磁性接面100、100’、100”及/或250中的一者。雖然每單元描繪一個磁性接面412，但在其他實施例中，可提供每單元另一數量的磁性接面412。如此一 來，磁性記憶體400可享有上述優點，諸如較低軟錯率(soft error rate)及低臨界切換電流。
已揭露各種磁性接面100、100’、100”及250及自由層130、130’、130”、200及200’。注意到，可結合各種磁性接面100、100’、100”及250的特徵。因此，可達到磁性接面100、200’、200”及250及自由層130、130’、130”、200及/或200’之一個或多個優點，諸如降低寫入錯誤率、垂直異向性、熱穩定性及/或可調整度。
已描述一種用於提供磁性接面及使用此磁性接面製造之記憶體的方法及系統。已根據所示之例示性實施例來描述方法及系統，且所屬領域中具通常知識者易於明白實施例可有變化，且任何變化是在方法及系統的精神及範疇之內。據此，在不背離於所附申請範圍之精神及範疇下，可藉由所屬領域中具通常知識者來製作眾多修飾。
10‧‧‧傳統磁性穿隧接面
11‧‧‧底接觸
12‧‧‧傳統種子層
14‧‧‧傳統反鐵磁性層
16‧‧‧傳統固定層
17、21、133、133’、135、135’、137‧‧‧磁化向量
18‧‧‧傳統穿隧阻障層
20‧‧‧傳統自由層
22‧‧‧傳統頂蓋層
24‧‧‧傳統頂接觸
50‧‧‧圖形
52、54、56、58、152、154、156‧‧‧曲線
100、100’、100”、250、412‧‧‧磁性接面
102、102’、102”、252‧‧‧選擇性種子層
104、104’、104”、254、266‧‧‧選擇性固定層
110、110’、110”、256、264‧‧‧固定層
120、120’、120”、258、262‧‧‧非鐵磁性間隔層
130、130’、130”、260‧‧‧包括簡單錐形磁異向性的自由層
132、132’、202、206’、210‧‧‧負垂直異向性層
134、134’、204、204’、208、208’‧‧‧相互作用控制層
136、136’、202’、206、210’‧‧‧高垂直異向性層
140、140’、140”、268‧‧‧選擇性頂蓋層
200、200’‧‧‧自由層
300‧‧‧方法
302‧‧‧步驟302
304‧‧‧步驟304
306‧‧‧步驟306
308‧‧‧步驟308
400‧‧‧記憶體
402‧‧‧讀取、寫入行選擇驅動器
404、406‧‧‧字元線選擇驅動器
410‧‧‧磁性儲存單元
414‧‧‧選擇裝置
x、y、z‧‧‧座標軸
M‧‧‧磁化向量
α、ψ、θ‧‧‧角度
圖1描繪傳統磁性接面。
圖2為描繪寫入電流相對於寫入錯誤率之趨勢的圖形。
圖3描繪一種包括具有簡單錐形異向性之自由層的磁性接面的一例示性實施例。
圖4描繪自由層磁化向量之異向性能量的一例示性實施例。
圖5描繪一種包括具有簡單錐形異向性之自由層的磁性元件的一例示性實施例。
圖6描繪各種磁性接面之異向性能量的一例示性實施例。
圖7描繪具有簡單錐形異向性之自由層的磁矩。
圖8描繪一種包括具有簡單錐形異向性之自由層的磁性接面的一例示性實施例。
圖9描繪一種具有可使用於磁性接面之簡單錐形異向性的自由層的另一例示性實施例。
圖10描繪可使用於磁性接面之具有簡單錐形異向性自由層的另一例示性實施例。
圖11描繪一種包括具有簡單錐形異向性之自由層的磁性接面的另一例示性實施例。
圖12描繪一種用於製造包括具有簡單錐形異向性之自由層的磁性接面的方法的一例示性實施例。
圖13描繪一種利用在儲存單元之記憶體元件中的磁性接面的記憶體的一例示性實施例。
100‧‧‧磁性接面
102‧‧‧選擇性種子層
104‧‧‧選擇性固定層
110‧‧‧固定層
120‧‧‧非鐵磁性間隔層
130‧‧‧包括簡單錐形磁異向性的自由層
140‧‧‧選擇性頂蓋層
x、y、z‧‧‧座標軸
M‧‧‧磁化向量

Claims (23)

  1. 一種磁性接面，使用於磁性裝置中，所述磁性接面包括：固定層；非磁性間隔層；以及自由層，具有簡單錐形磁異向性，所述非磁性間隔層存在於所述固定層與所述自由層之間；其中所述磁性接面經配置使得寫入電流在通過所述磁性接面時所述自由層在多數個穩定磁態之間是可切換的，其中所述自由層包括高垂直異向性層、負垂直異向性層及在所述高垂直異向性層及所述負垂直異向性層之間的相互作用控制層，所述高垂直異向性層及所述負垂直異向性層提供所述簡單錐形異向性，且其中所述自由層更包括額外負垂直異向性層及額外相互作用控制層，所述額外相互作用控制層存在於所述高垂直異向性層及所述額外負垂直異向性層之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性接面，其中所述高垂直異向性層具有至少1000厄斯特的垂直異向性場。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之磁性接面，其中高的所述垂直異向性場至少為5000厄斯特。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性接面，其中所述相互作用控制層包括釕(Ru)、鉭(Ta)、鎂(Mg)、氧化鎂(MgO)、鈦(Ti)、鎢(W)及鉻(Cr)中至少一種。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之磁性接面，其中所述相互作用控制層具有至少0.1奈米且不大於1.5奈米的厚度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之磁性接面，其中所述高垂直異向性層較所述負垂直異向性層接近所述固定層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之磁性接面，其中所述負垂直異向性層較所述高垂直異向性層接近所述固定層。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之磁性接面，其中所述負垂直異向性層更具有部分垂直異向性。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之磁性接面，其中所述自由層具有異向性能量，所述異向性能量實質上在自垂直於所述磁性接面的平面的方向算起的零度處具有局部極大值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之磁性接面，其中所述局部極大值至少為10乘以波茲曼常數乘以所述磁性接面的溫度。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之磁性接面，其中所述局部極大值至少為20乘以波茲曼常數乘以所述磁性接面的溫度。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之磁性接面，其中所述非磁性間隔層為穿隧阻障層。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之磁性接面，其中所述非磁性間隔層包括結晶氧化鎂(MgO)。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之磁性接面，更包括： 額外固定層，以及額外非磁性間隔層，所述額外非磁性間隔層存在於所述額外固定層及所述自由層之間。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之磁性接面，所述非磁性間隔層及所述額外非磁性間隔層中至少一者為穿隧阻障層。
  16. 一種磁性記憶體，包括：多數個磁性儲存單元，各所述多數個磁性儲存單元包括至少一磁性接面，所述至少一磁性接面包括固定層、非磁性間隔層及具有簡單錐形磁異向性之自由層，所述非磁性間隔層存在於所述固定層及所述自由層之間，其中所述磁性接面經配置使得寫入電流在通過所述磁性接面時所述自由層在多數個穩定磁態之間是可切換的；以及多數個位元線，其中所述自由層包括高垂直異向性層、負垂直異向性層及在所述高垂直異向性層與所述負垂直異向性層之間的相互作用控制層，所述高垂直異向性層及所述負垂直異向性層提供所述簡單錐形異向性，且其中所述自由層更包括額外負垂直異向性層及額外相互作用控制層，所述額外相互作用控制層存在於所述高垂直異向性層及所述額外負垂直異向性層之間。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之磁性記憶體，其中所述高垂直異向性層具有至少1000厄斯特的垂直異向性場。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之磁性記憶體，其中所述垂直異向性場至少為5000厄斯特。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之磁性記憶體，其中所述負垂直異向性層更具有部分垂直異向性。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之磁性記憶體，其中所述自由層具有異向性能量，所述異向性能量實質上在自垂直於所述磁性接面的平面的方向算起的零度處具有局部極大值。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之磁性記憶體，其中所述局部極大值至少為10乘以波茲曼常數乘以所述磁性接面的溫度。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之磁性記憶體，其中所述局部極大值至少為20乘以波茲曼常數乘以所述磁性接面的溫度。
  23. 如申請專利範圍第16項所述之磁性記憶體，其中各所述至少一磁性接面更包括：額外固定層；以及額外非磁性間隔層，所述額外非磁性間隔層存在於所述額外固定層與所述自由層之間。
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