TWI624088B - 用於提供具有易錐面各向異性的磁性穿隧接面元件之方法及系統 - Google Patents

用於提供具有易錐面各向異性的磁性穿隧接面元件之方法及系統 Download PDF

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TWI624088B
TWI624088B TW103100976A TW103100976A TWI624088B TW I624088 B TWI624088 B TW I624088B TW 103100976 A TW103100976 A TW 103100976A TW 103100976 A TW103100976 A TW 103100976A TW I624088 B TWI624088 B TW I624088B
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Abstract

描述可用於一磁性裝置內提供一磁性接面之方法及系統。該磁性接面包括一被釘扎層、一非磁性間隔層、及一自由層。該非磁性間隔層係在該被釘扎層與該自由層間。該自由層具有磁性各向異性，其中至少一部分係為雙軸各向異性。該磁性接面係經組配以當一寫入電流係通過該磁性接面時，使得該自由層係在多個穩定磁性狀態間為可切換。

Description

用於提供具有易錐面各向異性的磁性穿隧接面元件之方法及系統 參考相關申請案
本案為美國專利申請案第12/854,628號的部分連續案，名稱為用於提供具有易錐面各向異性的磁性穿隧接面元件之方法及系統，該案讓與本案之受讓人及援引於此並融入本說明書之揭示。
政府權利
本發明係遵照DARPA獎勵的撥款/合約第HR0011-09-C-0023號取得美國政府援助。美國政府保有本發明的某些權利。
發明領域
示範的實施例係有關於可用在磁性裝置諸如磁性記憶體的磁性接面，及使用此等磁性接面的該等裝置。
發明背景
磁性記憶體，特別是磁性隨機存取記憶體(MRAM)由於其高讀取/寫入速度潛力、優異的耐用性、非 依電性及於操作期間的低功耗，已經逐漸吸引眾人目光注意。MRAM可利用磁性材料作為資訊記錄媒體而儲存資訊。一種類型之MRAM為自旋轉移矩隨機存取記憶體(STT-RAM)。STT-RAM利用磁性接面，至少部分係藉驅動通過該磁性接面的電流寫入。驅動通過該磁性接面的自旋偏振電流在該磁性接面中的磁矩上施加一自旋矩。結果，具有應答於自旋矩的磁矩之層可被切換至期望狀態。
舉例言之，圖1描繪當用在習知STT-RAM的習知磁性穿隧接面(MTJ)10。習知MTJ 10典型地位在一底接點11上，使用習知晶種層12，及包括一習知反鐵磁(AFM)層14、一習知被釘扎層16、一習知穿隧位障層18、一習知自由層20、及一習知覆蓋層22。也顯示頂接點24。
如圖1顯示，習知接點11及24係用以於一電流垂直平面(CPP)方向或沿z軸驅動電流。習知晶種層12典型地用以協助隨後各層的長出，諸如AFM層14，具有期望的晶體結構。習知穿隧位障層18為非磁性例如為薄絕緣體，諸如MgO。
習知被釘扎層16及習知自由層20為磁性。習知被釘扎層16的磁化17為固定或被釘扎於一特定方向，典型地係藉與AFM層14的交換-偏移互動。雖然描繪為簡單(單)層，但習知被釘扎層16可包括多層。例如，習知被釘扎層16可為包括經由薄傳導層諸如釕而反鐵磁地或鐵磁地耦合的磁性層的一合成反鐵磁(SAF)層。於此種SAF中，可使用與釕薄層交插的多層磁性層。又，習知MTJ 10的其它版本 可包括藉額外非磁性位障或傳導層(圖中未顯示)而與自由層20分開的一額外被釘扎層(圖中未顯示)。
習知自由層20具有可改變磁化21。雖然描繪為單層，但習知自由層20也可包括多層。例如，習知自由層20可為包括經由薄傳導層諸如釕而以反鐵磁或鐵磁方式耦合的磁性層的一合成層。雖然顯示為同平面，但習知自由層20的磁化21可具有垂直各向異性。
為了切換習知自由層20的磁化21，垂直平面(於z方向)驅動一電流。當從頂接點24至底接點11驅動足量電流時，習知自由層20的磁化21可切換成平行習知被釘扎層16的磁化17。當從底接點11至頂接點24驅動足量電流時，該自由層的磁化21可切換成平行習知被釘扎層16的磁化。磁性組態的差異係相對應於不同的磁阻，因而相對應於習知MTJ 10的不同邏輯狀態(例如邏輯「0」及邏輯「1」)。
當用在STT-RAM應用時，習知MTJ 10的自由層磁化21期望以相對低電流切換。臨界切換電流(Jc0)係為環繞原先方向變不穩定的自由層磁化21之極微小進動的最低電流。用於室溫量測，此電流值係接近短脈衝(1-20奈秒)的切換電流。舉例言之，Jc0可能期望約為數毫安培或以下。此外，也期望快速切換時間。舉例言之，可能期望自由層20在少於20奈秒以內切換。此外，快速的切換時間也被期望。於某些情況下，期望少於10奈秒的切換時間。如此，資料期望以較高速度且使用充分低臨界電流儲存於習知MTJ 10。
雖然習知MTJ 10可使用自旋轉移被寫入及被用在STT-RAM，但仍有缺點。舉例言之，軟錯誤率可能高於具有可接受的Jc0及切換時間的記憶體之所期望者。軟錯誤率為當一胞元接受至少等於典型切換電流的一電流時不被切換的機率(亦即，習知磁性接面的自由層20之磁化21)。該軟錯誤率係期望為10-9或10-9以下。然而，習知自由層20典型地具有大為超過此值的軟錯誤率。舉例言之，軟錯誤率可為大於10-9的數個次冪幅值。結果，可能無法達成足夠低的Jc及足夠快的切換時間與可接受的軟錯誤率的組合。
為了要改良包括軟錯誤率等特性之多種習知機制已被提出。舉例言之，可使用複雜結構及/或外部磁場協助。然而，此等習知方案減低軟錯誤率同時保有其它特性的能力係有限的。例如，擴充性、能量消耗、及/或熱安定性可能受此等習知方法之不良影響。因此，使用習知MTJ的記憶體之效能仍然期望被改良。
據此，可改良以自旋轉移矩為基礎的記憶體之效能的方法及系統係被需要的。此處描述的方法及系統可滿足此一需要。
發明概要
示範的實施例提出可用於一磁性裝置內提供一磁性接面之方法及系統。該磁性接面包括一被釘扎層、一非磁性間隔層、及一自由層。該非磁性間隔層係在該被釘扎層與該自由層間。該自由層具有一磁性各向異性，其中 至少一部分係為一雙軸各向異性。該磁性接面係經組配使得當一寫入電流被通過該磁性接面時，該自由層在多個穩定磁性狀態間為可切換。
10‧‧‧磁性穿隧接面(MTJ)
11‧‧‧習知底接點
12‧‧‧習知晶種層
14‧‧‧習知反鐵磁(AFM)層
16‧‧‧習知被釘扎層
17‧‧‧習知被釘扎層之磁化
18‧‧‧習知穿隧位障層
20‧‧‧習知自由層
21‧‧‧習知自由層之磁化
22‧‧‧習知覆蓋層
24‧‧‧習知頂接點
100、200、200’、200”、200'''、 200''''、300、412‧‧‧磁性接面
102、202、202’、202”、202'''、202''''、302‧‧‧選擇性晶種層
104、204、204’、204”、204’”、204''''、304、360‧‧‧選擇性 釘扎層
110、210、210’、210”、210'''、210''''、310、350‧‧‧被釘扎層
120、120’、220、220’、220”、220’”、220''''、320、330‧‧‧非磁性間隔層
130、130’、130”、230、230’、 230”、230’”、230''''、330‧‧‧自由層
132、134、136、138‧‧‧層
140、240、240’、240”、240'''、240''''、370‧‧‧選擇性覆蓋層
150、150’‧‧‧線圖
160、170、180、180’‧‧‧能曲線
162、172、182‧‧‧最小值
164、174、186‧‧‧點
184‧‧‧局部最大值
212、212’、216、216’‧‧‧磁化、鐵磁層
214、214’‧‧‧非磁化間隔體
232、232’、236、236’‧‧‧易磁化 軸、鐵磁層
234、234’‧‧‧自由層磁化、非磁性間隔體
400‧‧‧磁性記憶體
402、406‧‧‧讀取/寫入行選擇驅動器
403‧‧‧行
404‧‧‧字線選擇驅動器
405‧‧‧列
410‧‧‧磁性儲存胞元
414‧‧‧選擇裝置
500‧‧‧方法
502-508‧‧‧步驟
圖1描繪一習知磁性接面。
圖2描繪包含具有雙軸各向異性的一自由層的一磁性接面之一示範實施例。
圖3描繪用於各種磁性接面的各向異性能的示範實施例。
圖4描繪用於一磁性接面的各向異性能的一示範實施例。
圖5描繪具有雙軸各向異性的一自由層的一示範實施例。
圖6描繪具有雙軸各向異性的一自由層的一示範實施例。
圖7描繪包含具有雙軸各向異性的一自由層的一磁性接面之一示範實施例。
圖8描繪包含具有雙軸各向異性的一自由層的一磁性接面之另一示範實施例。
圖9描繪包含具有雙軸各向異性的一自由層的一磁性接面之另一示範實施例。
圖10描繪包含具有雙軸各向異性的一自由層的一磁性接面之另一示範實施例。
圖11描繪包含具有雙軸各向異性的一自由層的 一磁性接面之另一示範實施例。
圖12描繪包含具有雙軸各向異性的一自由層的一磁性接面之另一示範實施例。
圖13描繪於(多個)儲存胞元的(多個)記憶元件中利用一磁性次結構的一記憶體之一示範實施例。
圖14描繪用於製造磁性次結構的一方法之一示範實施例。
較佳實施例之詳細說明
該等示範實施例係有關於可用在磁性裝置中諸如磁性記憶體的磁性接面，及使用此等磁性接面的該等裝置。後文詳細說明部分被呈現以使熟諳技藝人士能夠製作與使用本發明，且係以專利申請案的脈絡及其要求所提出。針對此處描述的示範實施例及其大致原理及特徵的各種修正將係顯然易明的。該等示範實施例主要係按照於特定具現中提出的特定方法及系統描述。然而，該等方法及系統將於其它具現中有效地操作。諸如「示範實施例」、「一個實施例」及「另一個實施例」等片語可意指相同的或不同的實施例以及多個實施例。該等實施例將就具有某些組件的系統及/或裝置方面描述。然而，該等系統及/或裝置可包括比所顯示者更多或更少的組件，且在不背離本發明之範圍下可做出組件的配置及類型上的變化。該等示範實施例也將就具有某些步驟的特定方法之脈絡被描述。然而，該方法及系統用於與該等示範實施例為不一致的具有不同 及/或額外步驟及不同順序的步驟之其它方法可有效地操作。如此，本發明係不意圖被限制於所顯示的實施例，但卻與此處描述的原理及特徵一致之最廣義範疇符合。
用於提供磁性接面的方法及系統以及利用該磁性接面的一磁性記憶體被描述。該等示範實施例提出用於在磁性裝置內提供磁性接面之方法及系統。該磁性接面包括一被釘扎層、一非磁性間隔層、及一自由層。該非磁性間隔層係介於該被釘扎層與該自由層之間。該自由層具有磁性各向異性，其中至少一部分係為雙軸各向異性。該磁性接面係經組配使得當一寫入電流被通過該磁性接面時，該自由層在多個穩定磁性狀態間為可切換。
該等示範實施例係就特定磁性接面及具有某些組件的磁性記憶體之脈絡被描述。熟諳技藝人士將容易認知到本發明係與具有與本發明並非不一致的其它及/或額外組件及/或其它特性之磁性接面及磁性記憶體的使用相符合。該方法及系統也係就目前對自旋轉移現象、磁性各向異性、及其它物理現象的理解脈絡描述。結果，熟諳技藝人士將容易認知到該方法及系統的作用之理論上的解釋係根據目前對自旋轉移現象、磁性各向異性、及其它物理現象的理解所做出。然而，此處描述的方法及系統並非取決於特定的物理解釋。熟諳技藝人士亦將容易認知到該方法及系統係就與基體有特定關係的結構脈絡被描述。然而，熟諳技藝人士將容易認知到該方法及系統係與其它結構相符合。此外，該方法及系統係以某些層為合成的及/或 單一體的脈絡所描述。然而，熟諳技藝人士將容易認知到該等層可具有其它的結構。此外，該方法及系統係以具有特定層的磁性接面及/或次結構的脈絡所描述。然而，熟諳技藝人士將容易認知到也可使用具有與該方法及系統並非不一致的額外及/或不同層的磁性接面及/或次結構。再者，某些組件被描述為係磁性、鐵磁性、及亞鐵磁性。如此處所使用，磁性一詞可包括鐵磁性、亞鐵磁性等類似結構。因此，如此處所使用，「磁性」或「鐵磁性」等詞包括但不被限制於鐵磁體及亞鐵磁體。該方法及系統也係就單一磁性接面及次結構的脈絡所描述。然而，熟諳技藝人士將容易認知到該方法及系統係與具有多個磁性接面且使用多個次結構的磁性記憶體之使用相符合。再者，如此處所使用，「同平面」係實質上在一磁性接面的多層中之一或多者的平面內或平行於一磁性接面的多層中之一或多者的平面。相反地，「垂直」則相對應於實質上垂直於該磁性接面的多層中之一或多者的一方向。
圖2描繪用在例如一諸如STT-RAM的磁性記憶體之一磁性裝置中的一磁性接面100之一示範實施例。為求清晰，圖2並非照比例繪製。該磁性接面100包括一被釘扎層110、一非磁性間隔層120、及一自由層130。釘扎層104亦被顯示，該釘扎層104可被用以固定該被釘扎層110的磁化(圖中未顯示)。於一些實施例中，該釘扎層104可為藉交換-偏移互動而固定該被釘扎層110的磁化(圖中未顯示)的一AFM層或多層。然而，於其它實施例中，釘扎層104可被 省略或可使用其它結構。再者，該磁性接面100可包括其它層及/或額外層，諸如選擇性晶種層102及/或選擇性覆蓋層140。該磁性接面100也係經組配以當一寫入電流被通過該磁性接面130時，允許該自由層130要在穩定磁性狀態間被切換。如此，該自由層130係利用自旋轉移矩為可切換。
該被釘扎層110為磁性，且因此可包括鎳、鐵、及鈷中之一或多者。雖然被描繪為一單層，但該被釘扎層110可包括多層。舉例言之，被釘扎層110可為包括經由薄層諸如釕(Ru)而反鐵磁地或鐵磁地耦合的磁性層之一種SAF。於此種SAF中，與釕或其它材料的薄層交插之多層磁性層可被使用。被釘扎層110也可為其它的多層。雖然磁化未被描繪於圖2中，但該自由層可具有超過非在同平面的去磁能之一垂直各向異性能。
間隔層120為非磁性。於一些實施例中，間隔層120為絕緣體，例如穿隧位障。於此等實施例中，間隔層120可包含結晶性氧化鎂，其可加強該磁性接面的穿隧磁阻(TMR)。於其它實施例中，該間隔層可為諸如銅之導體。於替代實施例中，該間隔層120可具有其它結構，例如於絕緣基材(insulating matrix)中包含傳導性通道的顆粒層。
自由層130為磁性，且因此可包括鐵、鎳及/或銅中之至少一者。該自由層130具有可改變磁化(圖中未顯示)，其可透過自旋轉移而被切換。該自由層130係描繪為單層。於其它實施例中，自由層130可包括其它層。舉例言之，該自由層可為SAF，其包含與非磁性層交插之鐵磁層 中之一或多者。替代地，該自由層130可包含鐵磁層或其它多層。
此外，該自由層130具有磁性各向異性。該磁性各向異性包含至少一個雙軸成分。該磁性各向異性也可包含一單軸成分。該磁性各向異性的該雙軸成分可實質上導致一經改良軟錯誤率而不會不良地影響特性，諸如臨界切換電流Jc0。注意自由層130整體、自由層130部分(例如，一或多層)、或自由層130的一些其它構成可具有雙軸各向異性。
雙軸各向異性的效果可在圖3及4分別地被描繪的線圖150及150’脈絡中被理解。線圖150及150’僅係用於解釋目的，而非意圖反映一特定磁性接面。再者，曲線160、170及180已被偏移以求清晰。參考圖2-4，舉例而言，自由層130的磁性各向異性能可藉由從特定方向的角度之函式表示如下：E(θ)=Kunisin2(θ)+Kbisin2(2θ)
Kunisin2(θ)項(「單軸項」)係相對應於單軸磁性各向異性。Kbisin2(2θ)項(「雙軸項」)係相對應於雙軸磁性各向異性。若該雙軸項為零，則自由層130將具有單軸各向異性。此點係相對應於圖3的單軸能曲線160。該能曲線160沿著易磁化軸(easy axis)方向具有最小值162。如此，單軸能曲線160具有最小值162於θ=-π、0、π。大體而言，此等方向係平行於及反平行於被釘扎層110的磁化(圖中未顯示)。近零度的自由層130之初始狀態係以點164顯示。此等方向 (例如θ=0)碰巧係相對應於自旋轉移矩及場矩的停駐點。在一自旋轉移矩停駐點，該自旋極化電流在自由層130的磁化上施加少的力矩或不施加力矩。針對單軸各向異性，該自旋轉移矩停駐點係相對應於組態，其中自由層130的磁化係在平衡位置且與易磁化軸(θ=0及π)對齊。如此處使用，易磁化軸係相對應於自由層130磁化係只對單軸各向異性為穩定中的方向。由於單軸項係相對應於自由層130磁化為在停駐點處，故回應於一施加臨界電流自由層130有不切換的更高機率。如此，對此一接面的軟錯誤率可更高。
若該單軸項為零，則針對如上文實施例中的自由層130之各向異性能為雙軸項。自由層130將具有雙軸各向異性。結果，能量最小值(自由層130的穩定狀態)將沿著及垂直於單軸易磁化軸方向兩者(θ=0、π/2、及π)。大體而言，此等方向係平行於、垂直於、及反平行於被釘扎層110的磁化(圖中未顯示)。此等方向中之一者(例如θ=π/2)碰巧係遠離自旋轉移矩的停駐點。然而，其餘兩個方向(θ=0、π)係接近自旋轉移矩的停駐點。
若除了單軸各向異性之外還有一些雙軸各向異性，則單軸能曲線160被雙軸項(Kbisin2(2θ))擾動。能曲線170描繪相對小的雙軸各向異性之角度的能量。易言之，雙軸各向異性的絕對值(或幅值)係小於單軸各向異性的絕對值。然而，雙軸各向異性與單軸各向異性的符號可相同或相異。由於小的雙軸項的導入，曲線170在接近於-π、0及π的最小值172為平坦化。接近0的自由層130之穩定狀態係以 點174顯示。由於能曲線170被平坦化，故自由層130的初始狀態可為較大的展開，而不改變磁化必須克服以切換至相反狀態的能障壁。如此，熱穩定性可能不受影響。自由層130的穩定狀態中之較大展開可相對應於為更可能在距易磁化軸的某個角度處之自由層130磁化。換言之，自由層130磁化更可能在圖3中的零度以外的角度處。如此，自由層的磁化更可能遠離自旋轉移矩的停駐點。結果，自由層130的磁化可更容易地藉由施加臨界切換電流而被切換。
隨著磁性各向異性能中雙軸項(Kbisin2(2θ))之幅值被進一步增加，單軸能曲線160更受擾動。能曲線180描繪相對於較大雙軸各向異性的角度之能量。曲線180的雙軸各向異性仍係小於單軸各向異性。易言之，雙軸各向異性的絕對值仍係小於單軸各向異性的絕對值。但於各種實施例中，單軸各向異性與雙軸各向異性的符號可相同或相異。由於較大雙軸項的導入，曲線不再於-π、0及π具有最小值。反而，最小值182為距-π、0及π的一個角度。局部最大值184係位在且接近0、-π及π處。易磁化軸與最小值182之間的角度可大於零但小於π/2。於一些實施例中，該角度為至少π/18且不大於π/4(10度-45度)。於一些此等實施例中，該角度為至少π/9且不大於π/6(20度-30度)。如此，自由層130磁化的穩定狀態可位在或接近該角度處(亦即在曲線180的能量最小值)。接近0的自由層130之穩定狀態係以點186顯示。由於能曲線180於0處具有局部最大值184，點186係位在或接近最小值182處。圖4描繪三維中的能曲線 180’。於所顯示的實施例中，曲線180/180’為對稱環繞易磁化軸(角度為0)。於一些實施例中，自由層130磁化可距單軸易磁化軸至少10度且不大於45度。於一些此等實施例中，自由層130磁化可穩定在距單軸易磁化軸至少10度且不大於45度的方向。自由層130的磁性各向異性可稱為錐面各向異性，且為單軸各向異性與雙軸各向異性的組合。自由層130的初始狀態中較大的展開可意謂自由層130的磁化更可能在距易磁化軸小角度或斜切處。換言之，自由層130的磁化更可能在圖3中的零度以外的角度處。如此，自由層130的磁化更可能遠離自旋轉移矩的停駐點。
自由層130中雙軸各向異性之導入可改良自由層130的切換特性。在接近0，能曲線的最小值可被平坦化(能曲線170)或被移離0(能曲線180)。自由層130磁化可因此具有從與易磁化軸排齊傾斜的一穩定狀態。自由層130的磁化可因此被視為更容易藉自旋轉移矩或場感應矩所切換。此特性係相對應於一較低軟錯誤率。此點甚至在高(少於10微秒的過渡時間)資料率時可為真。其也已決定於一些實施例中，此改良可實質上被達成而不會不良地影響臨界切換電流的幅值。再者，磁性接面100的熱安定性及對稱性可不受不良地影響。由於外部磁場可不需要切換磁性接面100，該磁性接面100可較大地擴充至較高記憶體密度。磁性接面100及使用該磁性接面100的一記憶體的效能及彈性可因此被改良。
其它各向異性可能引起易錐面各向異性，其係類 似於前述之雙軸與單軸各向異性的組合。針對具有在距極軸的一非零角度處的磁矩穩定之自由層出現易錐面各向異性。於此情況下，習知易磁化軸簡併成一錐面，使得若磁化係位在此一錐面，則系統的能量為無變化的。如此，自由層130可具有在距極軸的一非零角度處之能量最小值。尤其，具有不同的角相依性之二或多個各向異性的組合可導致易錐面各向異性。具有在一非零角度處之至少一個能量最小值及其中任何兩項的比率具有角相依性的一總各向異性能可引起易錐面各向異性。易言之，如下文的總能量可引起易錐面各向異性。
Etotal(θ)=E1(θ)+E2(θ)+E3(θ)+...+En(θ)，其中Ei(θ)/Ej(θ)=f(θ)
Etotal(θ)為具有至少一個最小值在θ0(0及極軸係相對應於θ=0。各個Ei(θ)，其中i=1、2、...、n為與θ有某些相依性的一能量項。)的自由層之總能。同理，f(θ)為隨θ改變的某個函式。前述的單軸及雙軸各向異性可被視為此種易錐面各向異性的特例。遵照前述標準的其它能項也可能引起易錐面各向異性。舉例言之，假設自由層130的各向異性能為Etotal(θ)=K1sin2(θ)+K2sin4(θ)。於此表示式中，E1(θ)為K1sin2(θ)，E2(θ)為K2sin4(θ)，及f(θ)為(K1/(K2sin2(θ))。兩個能量項可被視為次冪大於1的單軸項(具有θ相依性而非2θ相依性)。舉例言之，E1(θ)為第二次冪(sin2)，而E2(θ)為第四次冪(sin4)。此種組合具有於非零θ處的能量最小值，倘若對K1及K2值的某些限制(特別係K1<0，K2>-K1)被滿足。 總能符合前述標準，因此，確實具有易錐面各向異性。同理，雖然只有存在兩項，Etotal(θ)=K1 *Sin2(θ)+K4 *Sin6(θ)的總能導致一易錐面各向異性。此種易錐面各向異性的另一個實施例為具有斜方六面體晶體結構且以Etotal(θ)=K1 *Sin2(θ)+K2 *Sin4(θ)+K3 *Cos(θ)*Sin3(θ)所表示的總能之自由層130。再者，特定自由層可因為單軸、雙軸、及/或更高次冪單軸各向異性的組合而具有易錐面各向異性。舉例言之，可提供具有Etotal(θ)=K1sin2(θ)+K2sin4(θ)+Kunisin2(θ)+Kbisin2(2θ)的總各向異性能的自由層130。此一自由層具有不僅因為首二較高次冪項所致的易錐面各向異性，同時也具有因為第三項所致的第一次冪單軸各向異性及因為末項所致的雙軸各向異性所致的易錐面各向異性。如此，有具有二或多項的總各向異性能的自由層130具有在非零角度處的能量之至少一個最小值，且其中任兩項的比率隨角度結果而異也導致易錐面各向異性。
於一些實施例中，總能Etotal中的各向異性項的主起源為自由層130的磁晶各向異性。不同的磁晶各向異性可能由不同的晶相學結構及具有不同的角相依性所致。同理，易錐面各向異性可被視為至少部分靜磁感應。自由層130的去磁能(Kdemagsin2θ)可被視為具有負能常數Kdemag及對飽和磁化Ms之相依性的單軸各向異性。去磁能Kdemag的幅值可藉由控制Ms而被控制。因此，能量Etotal(θ)中的某些項之常數比率的幅值可藉由控制Ms而被控制。因而可達成期望的易錐面各向異性。同理，易錐面各向異性可藉由毗連自 由層的多個層所感應。舉例言之，上文總能中的能項中之至少一者可藉由隔開自由層130與參考層110或覆蓋層140的一相鄰間隔層120所感應。舉例言之，諸如氧化鎂的材料可感應一垂直各向異性，其促成如上總能、取決於θ，且因此可促成易錐面各向異性。此外，其它各向異性可促成總各向異性能。
易錐面各向異性的導入可具有改良自旋矩切換的效益。舉例言之，自由層130展示經改良的切換特性。接近0，能曲線的最小值可被平坦化或從0被移開，類似於圖3-4中所描繪的曲線170及180。自由層130的磁化可因此被視為藉由自旋轉移矩或場感應矩而更易切換。此特性係相對應於較低軟錯誤率。此點甚至於高(少於10微秒的過渡時間)資料率時亦為真。此項改良可實質上被達成而不會不良地影響臨界切換電流的幅值。再者，磁性接面100的熱安定性及對稱性可不受不良地影響。由於可無需外部磁場以切換磁性接面100，故磁性接面100可較大地擴充至較高的記憶體密度。磁性接面100及使用磁性接面100的一記憶體之效能及彈性可因此被改良。
易錐面各向異性及/或雙軸各向異性的導入可改良自由層130的特性。有多個方式來獲得此各向異性。圖5描繪具有雙軸各向異性的一自由層130’的一示範實施例。於一些實施例中，該自由層130’也可具有如前文討論的易錐面各向異性。非磁性間隔層120’也被顯示。於所示實施例中，該自由層130’可具有易錐面各向異性及/或雙軸各向 異性，其為結構感應、紋理感應、及/或磁化感應。除了雙軸各向異性之外，自由層130還可具有單軸各向異性。舉例言之，若自由層130’要具有結構感應的雙軸各向異性，則於一個方向的結晶能係數(K1=Kbi)增加，而於第一方向相對的一第二方向的飽和磁化Ms增加。達成此點的一個機制係顯示於圖6。圖6描繪具有雙軸各向異性的一自由層130”的一示範實施例。該自由層130”也可具有單軸各向異性。該自由層130”包括多層。於所示實施例中，四個層132、134、136及138被顯示。其它數量的層可被用在其它實施例。該等層132、134、136及138分別地具有飽和磁化Ms1、Ms2、Ms3及Ms4。同理，該等層132、134、136及138分別地具有雙軸結晶能係數Kbi1、Kbi12、Kbi13及Kbi14。如圖6中所見，較接近非磁性間隔層Ms增加(圖6中未顯示)。同理，較接近非磁性間隔層Kbi減少。此種多層可具有雙軸各向異性。另外或除了前述的機制外，雙軸各向異性可以另一方式於結構上被感應。於其它實施例中，特定材料濃度的分級可被用以達成類似的效果。舉例言之，一負Kbi可被用以提供雙軸各向異性。再者，某些材料更可能產生雙軸各向異性。舉例言之，自由層可包括LaSrMnO3、GaAs、MnAs、MnAl、Nd2Fe14B、Ho2Fe14B、NdFeB、Fe、FeCo、YCo5、Ni、含極少或無Co的鐵氧體、CoOFe2O3、FeO-Fe2O3、MnO-Fe2O3、NiO-Fe2O3、MgO-Fe2O3中之一或多者。如此，自由層130’/130”的結構可經修改(tailored)以達成期望的雙軸各向異性。
於其它實施例中，易錐面及/或雙軸各向異性可經紋理感應。舉例言之，假設提供具有立方各向異性的磁性層。此外，自由層130’可為具有同平面各向異性的一薄膜。該組合可具有由Asin2(θ)+Bsin22θ+Csin2θ給定之能量，其中A、B及C為係數。於此一實施例中，自由層130”具有雙軸各向異性組合單軸各向異性。此外，雙軸各向異性可透過自由層130’內的磁致伸縮感應。如此，自由層130’/130”具有雙軸各向異性。結果，自由層130/130’當被納入磁性接面時可提供於此描述的一或多個效益。
圖7描繪包括具有易錐面及/或雙軸各向異性的一自由層之磁性接面200之一示範實施例。於一些實施例中，該自由層可具有易錐面各向異性。為求清晰，圖7並非照比例繪製。磁性接面200可用在磁性記憶體，諸如STT-RAM。磁性接面200係類似於磁性接面100，且因此包括類似結構。該磁性接面200包括分別地類似於選擇性晶種層102、選擇性釘扎層104、被釘扎層110、非磁性間隔層120、自由層130及選擇性覆蓋層140的選擇性晶種層202、選擇性釘扎層204、被釘扎層210、非磁性間隔層220、自由層230及選擇性覆蓋層240。該等層210、220、230及240具有分別地類似於該等層110、120、130及140的結構及功能。如前文討論，自由層230具有雙軸各向異性。因此，可達成前述效益。
此外，自由層230具有其易磁化軸232，其實質上位在同平面。如此，垂直各向異性能不超過自由層230的非 在同平面去磁能。由於雙軸各向異性，自由層磁化234的穩定狀態係在距易磁化軸232角度θ處。角度θ係相對應於能曲線180的能量最小值。被釘扎層210也被顯示為具有其磁化212固定在同平面。如此，垂直各向異性能不超過被釘扎層210的非在同平面去磁能。然而，於另一個實施例中，磁化212可係在另一方向。
圖8描繪包括一具有易錐面及/或雙軸各向異性的自由層之一磁性接面200’之一示範實施例。於一些實施例中，該自由層可具有易錐面各向異性。為求清晰，圖8並非照比例繪製。磁性接面200’可用在磁性記憶體，諸如STT-RAM。磁性接面200’係類似於磁性接面100及200，且因此包括類似結構。該磁性接面200’包括分別地類似於選擇性晶種層102/202、選擇性釘扎層104/204、被釘扎層110/210、非磁性間隔層120/220、自由層130/230及選擇性覆蓋層140/240的選擇性晶種層202’、選擇性釘扎層204’、被釘扎層210’、非磁性間隔層220’、自由層230’及選擇性覆蓋層240’。該等層210’、220’、230’及240’具有分別地類似該等層110、120、130及140的結構及功能。此外，至少於某些實施例中，釘扎層204’可被省略。如前文討論，自由層230’具有雙軸各向異性。因此，可達成前述效益。
此外，自由層230’具有其易磁化軸232’，其實質上垂直於平面。如此，自由層230’的非在同平面去磁能係小於垂直各向異性能。由於雙軸各向異性，自由層磁化234’的穩定狀態係在距易磁化軸232角度θ’處。角度θ’係相對應 於能曲線180的能量最小值。被釘扎層210’也被顯示為具有其被固定垂直於平面的磁化。如此，被釘扎層210’的非在同平面去磁能係小於垂直各向異性能，然而，於另一個實施例中，磁化212’係可在另一方向。
圖9描繪包括一具有雙軸及/或易錐面各向異性的自由層之一磁性接面200”之一示範實施例。為求清晰，圖9並非照比例繪製。磁性接面200”可用在磁性記憶體，諸如STT-RAM。磁性接面200”係類似於磁性接面100/200/200’，且因此包括類似結構。該磁性接面200”包括分別地類似於選擇性晶種層102/202/202’、選擇性釘扎層104/204/204’、被釘扎層110/210/210’、非磁性間隔層120/220/220’、自由層130/230/230’及選擇性覆蓋層140/240/240’的選擇性晶種層202”、選擇性釘扎層204”、被釘扎層210”、非磁性間隔層220”、自由層230”及選擇性覆蓋層240”。該等層210”、220”、230”及240”具有分別地類似於那些層110/210/210’、120/220/220’、130/230/230’及140/240/240’的結構及功能。如前文討論，自由層230”具有雙軸各向異性。因此，可達成前述效益。自由層230”的易磁化軸未被顯示且因此可係在包括垂直於平面或同平面的期望方向中。
此外，被釘扎層210”為一SAF，其包括鐵磁層212及216以及非磁性間隔體214。於其它實施例中，被釘扎層210”可包括額外層及/或不同層。鐵磁層212透過交換耦接至釘扎層204’或透過其它機構而具有其磁化被固定。參考層 216係磁性耦接至固定磁化層212。
圖10描繪包括一具有雙軸及/或易錐面各向異性的自由層的一磁性接面200’”之一示範實施例。為求清晰，圖10並非照比例繪製。磁性接面200’”可用在諸如STT-RAM的磁性記憶體。磁性接面200’”係類似於磁性接面100/200/200’/200”且因此包括相似的結構。磁性接面200’”包括分別地類似於選擇性晶種層102/202/202’/202”、選擇性釘扎層104/204/204’/204”、被釘扎層110/210/210’/210”、非磁性間隔層120/220/220’/220”、自由層130/230/230’/230”及選擇性覆蓋層140/240/240’/240”的選擇性晶種層202’”、一選擇性釘扎層204’”、一被釘扎層210’”、一非磁性間隔層220’”、一自由層230’”及選擇性覆蓋層240’”。該等層210’”、220’”、230’”及240’”分別地具有類似於那些層110/210/210’/210”、120/220/220’/220”、130/230/230’/230”及140/240/240’/240”的結構及功能。如前文討論，自由層230’”具有雙軸各向異性。因此，可達成前述效益。自由層230’”的易磁化軸未被顯示且因此可係在包括垂直於平面或同平面的期望方向中。
此外，自由層230’”為一SAF，其包括鐵磁層232及236以及非磁性間隔體234。鐵磁層232及236係磁性地耦合。於一些實施例中，該等層232及236為反鐵磁性對齊。於其它實施例中，該等層232及236為鐵磁性對齊。自由層230’”也可包括額外層及/或不同層。於各種實施例中，鐵磁層232及236中之一或二者包括雙軸各向異性。如此，可達 成此處討論的效益。
圖11描繪包括一具有雙軸及/或易錐面各向異性的自由層的一磁性接面200””之一示範實施例。為求清晰，圖11並非照比例繪製。磁性接面200””可用在諸如STT-RAM的磁性記憶體。磁性接面200””係類似於磁性接面100/200/200’/200”/200’”且因此包括相似的結構。磁性接面200””包括分別地類似於選擇性晶種層102/202/202’/202”/202’”、選擇性釘扎層104/204/204’/204”/204’”、被釘扎層110/210/210’/210”/210’”、非磁性間隔層120/220/220’/220”/220’”、自由層130/230/230’/230”/230’”及選擇性覆蓋層140/240/240’/240”/240’”的選擇性晶種層202””、一選擇性釘扎層204””、一被釘扎層210””、一非磁性間隔層220””、一自由層230””及選擇性覆蓋層240””。該等層210””、220””、230””及240””分別地具有類似於那些層110/210/210’/210”/210’”、120/220/220’/220”/220’”、130/230/230’/230”/230’”及140/240/240’/240”/240’”的結構及功能。如前文討論，自由層230””具有雙軸各向異性。因此，可達成前述效益。自由層230””的易磁化軸未被顯示且因此係可在包括垂直於平面或同平面的期望方向中。
於所示實施例中，自由層230””及被釘扎層210””各自為一SAF。被釘扎層210””包括鐵磁層212’及216’以及非磁性間隔體214’。鐵磁層212’透過交換耦接至釘扎層204””或透過其它機制而具有其磁化被固定。參考層216’係 磁性耦接至固定磁化層214’。自由層230””因此包括鐵磁層232’及236’以及非磁性間隔體234’。鐵磁層232’及236’係磁性地耦合。於一些實施例中，該等層232’及236’為反鐵磁性對齊。於其它實施例中，該等層232’及236’為鐵磁性對齊。於各種實施例中，鐵磁層232’及236’中之一或二者包括雙軸各向異性。如此，可達成此處討論的效益。
圖12描繪包括一具有雙軸及/或易錐面各向異性的自由層的一磁性接面300之一示範實施例。為求清晰，圖12並非照比例繪製。磁性接面300可用在諸如STT-RAM的磁性記憶體。磁性接面300係類似於磁性接面100/200/200’/200”/200’”/200””且因此包括相似的結構。磁性接面300包括分別地類似於選擇性晶種層102/202/202’/202”/202’”/202””、選擇性釘扎層104/204/204’/204”/204’”/204””、被釘扎層110/210/210’/210”/210’”/210””、非磁性間隔層120/220/220’/220”/220’”/220””、自由層130/230/230’/230”/230’”/230””及選擇性覆蓋層140/240/240’/240”/240’”/240””的選擇性晶種層302、一選擇性釘扎層304、一被釘扎層310、一非磁性間隔層320、一自由層330、及選擇性覆蓋層370。該等層310、320、330及370分別地具有類似於那些層110/210/210’/210”/210’”/210””、120/220/220’/220”/220’”/220””、130/230/230’/230”/230’”/230””及140/240/240’/240”/240’”/240””的結構及功能。自由層330的 易磁化軸未被顯示且因此可係在包括垂直於平面或同平面的期望方向中。
磁性接面300也包括額外非磁性間隔層340、額外被釘扎層350、及額外釘扎層360。非磁性間隔層340係類似於非磁性間隔層320。額外被釘扎層350及選擇性額外釘扎層360分別係類似於該等層310及304。如此，磁性接面300為雙接面。舉例言之，若非磁性間隔層320及340為絕緣穿隧位障層，諸如結晶氧化鎂，則磁性接面300為雙重MTJ。若非磁性間隔層320及340為傳導性，則磁性接面300為雙自旋閥。非磁性間隔層320及340的其它結構亦是可能的。再者，非磁性間隔層320及340無需為相同。
自由層330具有雙軸各向異性。再者，自由層330可為類似於自由層130、230、230’、230”、230’”及/或230””中之任一者。因此，於雙磁性穿隧接面可達成前述之效益。舉例言之，磁性接面300可具有較低軟錯誤率而不犧牲熱安定性、擴充性、及低臨界切換電流。
各種磁性接面100、200、200’、200”、200’”、200””及300已被揭示。注意磁性接面100、200、200’、200”、200’”、200””及300的各種特徵可被組合。如此，可達成磁性接面100、200、200’、200”、200’”、200””及300之諸如減低軟錯誤率、垂直各向異性能、熱安定性及/或可擴充性的效益中之一或多者。
再者，磁性接面100、200、200’、200”、200’”、200””及300可用在磁性記憶體。圖13描繪此種記憶體400之 一示範實施例。磁性記憶體400包括讀取/寫入行選擇驅動器402及406以及字線選擇驅動器404。注意可提供其它組件及/或不同組件。記憶體400的儲存區包括磁性儲存胞元410。各個磁性儲存胞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，該選擇裝置414為一電晶體。該磁性接面412可為磁性接面100、200、200’、200”、200’”、200””及300中之一者。雖然每個胞元410顯示一個磁性接面412，但於其它實施例中，每個胞元可提供其它數目的磁性接面412。因而磁性記憶體400可分享前述效益，諸如較低軟錯誤率及低臨界切換電流。
圖14描繪製造磁性次結構之方法500的一示範實施例。為求簡明，可省略或組合某些步驟。方法500係以磁性接面100的脈絡被描述。然而，方法500可用在其它磁性接面上，諸如接面200、200’、200”、200’”、200””及/或300。再者，方法500可被納入磁性記憶體的製造，諸如磁性記憶體400。如此，方法500可被用在製造STT-RAM或其它磁性記憶體。方法500可於提供晶種層102及選擇性釘扎層104之後開始。
透過步驟502，提供被釘扎層110。步驟502可包括在被釘扎層110的期望厚度處沈積期望的材料。再者，步驟502可包括提供一SAF。透過步驟504，提供非磁化層120。步驟504可包括沈積期望的非磁性材料，包括但不限於結晶性氧化鎂。此外，於步驟502可沈積期望厚度的材料。
透過步驟506提供具有雙軸各向異性的自由層 130。於一些實施例中，步驟506可藉由沈積多層、SAF及/或其它結構被完成。然後透過步驟508完成製造。舉例言之，可提供覆蓋層140。於其它實施例中，可提供額外間隔層340、額外被釘扎層350及選擇性額外釘扎層360。於一些實施例中，其中磁性接面的該等層係沈積為一堆疊體，然後被界定，步驟508可包括界定磁性接面100、進行退火、或以其它方式完成磁性接面100的製造。再者，若磁性接面100被納入於記憶體中，諸如STT-RAM 400，則步驟508可包括提供接點、偏壓結構、及記憶體400的其它部分。
如此，磁性接面100、200、200’、200”、200’”、200””及/或300被形成。因此，可達成磁性接面的效益。
用於提供一磁性接面及使用磁性記憶體元件/磁性次結構製造的記憶體之方法及系統已被描述。該方法及系統已經根據所示示範實施例來描述，且熟諳技藝人士將容易認知到可對該等實施例做出變化，而任何變化將係在於該方法及系統之精神及範圍內。因此，熟諳技藝人士可在不背離隨附之申請專利範圍的精神及範圍的情況下做出許多修改。
範例1 根據此一範例，提供一種用於一磁性裝置的磁性接面，其包含：一被釘扎層；一非磁性間隔層；及具有一磁性各向異性能的一自由層，該非磁性間隔層位在該被釘扎層與該自由層間，該磁性各向異性能的至少一部分為一易錐面各向異性能，該易錐面各向異性能包括具有不同角相依性的多個能量項，使得該等多個能量項中之任二者的一比 率具有一角相依性，該易錐面各向異性能具有在一非零角度處的至少一個能量最小值；其中該磁性接面經組配使得當一寫入電流係通過該磁性接面時，該自由層係在多個穩定磁性狀態間可切換。
範例2 此一範例包括範例1之磁性接面，其中該等多個能量項包括至少一個單軸各向異性，其包括具有大於1的次冪之項。
範例3 此一範例包括範例2之磁性接面，其中該單軸各向異性相對應於一易磁化軸(easy axis)，其中該磁性各向異性能在距該易磁化軸之該非零角度處具有該至少一個最小值。
範例4 此一範例包括範例1之磁性接面，其中導致易錐面各向異性的該等各向異性項中之至少部分為結晶感應的。
範例5 此一範例包括範例1之磁性接面，其中導致易錐面各向異性的該等各向異性項中之至少部分為靜磁感應的。
範例6 此一範例包括範例1之磁性接面，其中該等能量項中之至少一者藉由將該自由層與該參考層分開的相鄰間隔層所感應。
範例7 此一範例包括範例1之磁性接面，其中該非磁性間隔層係為一穿隧位障層。
範例8 此一範例包括範例1之磁性接面，其中該非磁性間隔層係為一傳導性間隔層。
範例9 此一範例包括範例1之磁性接面，其中該被釘扎層包括一參考層、一間隔層、及一固定磁化層，該間隔層位在該參考層與該固定磁化層間。
範例10 此一範例包括範例1之磁性接面，其中該自由層包括一垂直各向異性能及一非在同平面(out-of-plane)去磁能，該非在同平面去磁能係小於該垂直各向異性能。
範例11 此一範例包括範例8之磁性接面，其中該被釘扎層包括一被釘扎層垂直各向異性能及一被固定層非在同平面去磁能，該被釘扎層非在同平面去磁能係小於該被釘扎層垂直各向異性能。
範例12 此一範例包括範例1之磁性接面，其中該自由層包括一垂直各向異性能及一非在同平面去磁能，該非在同平面去磁能係大於或等於該垂直各向異性能。
範例13 此一範例包括範例1之磁性接面，其進一步包含：一額外被釘扎層；及一額外非磁性間隔層，該額外非磁性間隔層位在該自由層與該額外被釘扎層間。
範例14 此一範例包括範例13之磁性接面，其中該非磁性間隔層及該額外非磁性間隔層中之至少一者包括結晶性氧化鎂。
範例15 根據此一範例，提供一種磁性記憶體，其包含：多個磁性儲存胞元，該等多個磁性儲存胞元各自包括至少一個磁性接面，該至少一個磁性接面包括一被釘扎層、一非磁性間隔層、及具有一磁性各向異性能的一自由層，該非磁性間隔層位在該被釘扎層與該自由層間，該磁性 各向異性的至少一部分係為n個易錐面各向異性能之至少一者，該易錐面各向異性能包括具有不同角相依性的多個能量項，使得該等多個能量項中之任二者的一比率具有一角相依性，該易錐面各向異性能具有在一非零角的至少一個能量最小值，該至少一個磁性接面係經組配以當一寫入電流係通過該磁性接面時，允許該自由層在多個穩定磁性狀態間被切換。
範例16 此一範例包括範例15之磁性記憶體，其中該等多個能量項包括至少一個單軸各向異性，其包括具有大於1的次冪之項。
範例17 此一範例包括範例15之磁性記憶體，其中該單軸各向異性相對應於一易磁化軸及其中該磁性各向異性相對應於在距該易磁化軸之該非零角具有該至少一個最小值的一磁性各向異性能。
範例18 此一範例包括範例15之磁性記憶體，其中該易錐面各向異性係為結晶感應的、靜磁感應的、結構感應的、及磁致伸縮感應的中之至少一者。
範例19 此一範例包括範例15之磁性記憶體，其中該非磁性間隔層係為一穿隧位障層。
範例20 此一範例包括範例15之磁性記憶體，其中該被釘扎層包括一參考層、一間隔層、及一固定磁化層，該間隔層位在該參考層與該固定磁化層間。
範例21 此一範例包括範例15之磁性記憶體，其中該自由層包括一垂直各向異性能及一非在同平面去磁 能，該非在同平面去磁能係小於該垂直各向異性能。
範例22 此一範例包括範例15之磁性記憶體，其中該自由層包括一垂直各向異性能及一非在同平面去磁能，該非在同平面去磁能係大於或等於該垂直各向異性能。
範例23 此一範例包括範例15之磁性記憶體，其中該磁性接面進一步包括：一額外被釘扎層；及一額外非磁性間隔層，該額外非磁性間隔層位在該自由層與該額外被釘扎層間。
範例24 此一範例包括範例23之磁性接面，其中該非磁性間隔層及該額外非磁性間隔層中之至少一者包括結晶性氧化鎂。

Claims (10)

  1. 一種用於一磁性裝置之磁性接面，其包含：一被釘扎層；一非磁性間隔層；及具有一磁性各向異性能的一自由層，該非磁性間隔層位在該被釘扎層與該自由層間，該磁性各向異性能的至少一部分為一易錐面各向異性能，該易錐面各向異性能包括具有不同角相依性的多個能量項，使得該等多個能量項中之任二者的一比率具有一角相依性，該易錐面各向異性能具有在一非零角度處的至少一個能量最小值；其中該磁性接面經組配使得當一寫入電流係通過該磁性接面時，該自由層係在多個穩定磁性狀態間可切換。
  2. 如請求項1之磁性接面，其中該等多個能量項包括至少一個單軸各向異性，其包括具有大於1的次冪之項。
  3. 如請求項2之磁性接面，其中該單軸各向異性相對應於一易磁化軸(easy axis)，其中該磁性各向異性能在距該易磁化軸之該非零角度處具有該至少一個最小值。
  4. 如請求項1之磁性接面，其中導致易錐面各向異性的該等各向異性項中之至少部分為結晶感應的、靜磁感應的、結構感應的、及磁致伸縮感應的中之至少一者。
  5. 如請求項1之磁性接面，其中該被釘扎層包括一參考層、一間隔層、及一固定磁化層，該間隔層位在該參考 層與該固定磁化層間。
  6. 如請求項1之磁性接面，其中該自由層包括一垂直各向異性能及一非在同平面(out-of-plane)去磁能，該非在同平面去磁能係小於該垂直各向異性能。
  7. 如請求項1之磁性接面，其中該自由層包括一垂直各向異性能及一非在同平面去磁能，該非在同平面去磁能係大於或等於該垂直各向異性能。
  8. 如請求項1之磁性接面，其進一步包含：一額外被釘扎層；及一額外非磁性間隔層，該額外非磁性間隔層位在該自由層與該額外被釘扎層間。
  9. 如請求項8之磁性接面，其中該非磁性間隔層及該額外非磁性間隔層中之至少一者包括結晶性氧化鎂。
  10. 一種磁性記憶體，其包含：多個磁性儲存胞元，該等多個磁性儲存胞元各自包括如請求項1至9中任一項之至少一個磁性接面。
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