TWI734378B - 基於多位垂直磁隧道結的記憶體件 - Google Patents

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朴米里
李泫規
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Abstract

本發明揭示包括多位垂直磁隧道結的記憶體件。設置於記憶體件的多位垂直磁隧道結包括層疊於上部電極與下部電極之間的上部合成交換反鐵磁層、固定層、下部雙重自由層及上部自由層。

Description

基於多位垂直磁隧道結的記憶體件
本發明涉及記憶體件的磁隧道結，更詳細地，涉及在設置於可高速重寫的磁性非易失性記憶體的垂直磁隧道結中體現多位動作的技術思想。
為了代替以往DRAM和NAND快閃記憶體而提出了基於三維交叉點陣列(cross-point array)的存儲類記憶體(SCM，storage-class-memory)。
尤其，在新一代記憶體中，垂直旋轉傳遞轉矩磁性隨機記憶體(p-STTMRAM，perpendicular-spin-transfer-torque MRAM)為低電力高速器件，以嵌入式記憶體(embedded memory)的形態產品化。
由垂直旋轉傳遞轉矩磁性隨機記憶體構成的存儲類記憶體體現出與DRAM類似的讀寫速度和DRAM兩倍左右的延遲(latency)，從而作為代替DRAM的新一代記憶體受到矚目。
但是，僅通過以單位(single bit)動作的垂直旋轉傳遞轉 矩磁性隨機記憶體很難代替執行三階儲存單元(TLC，triple level cell)動作的NAND快閃記憶體。
因此，垂直旋轉傳遞轉矩磁性隨機記憶體為了代替NAND快閃記憶體而需要具有能夠以多位元(multi-bit)動作的垂直磁隧道結(perpendicular-magnetic tunnel junction，p-MTJ)。
具體地，以往的Fullp-MTJ、旋閥(Spin Valve，SV)結構體現為下部電極(bottom electrode)、種子層(seed layer)、合成交換反鐵磁層(synthetic anti-ferromagnetic multi-layers，SyAF)、連接層(bridge layer)、固定層(pinned layer)、隧道結層(tunnel barrier layer)、自由層(free layer，資訊存儲層)、覆蓋層(capping layer)及上部電極(top electrode)的結構。
即，與固定層的磁化方向相比，若以往的Full p-MTJ旋閥與自由層的磁化方向平行(parallel)，則處於低阻抗狀態(parallel state)，若反平行(anti-parallel)，則處於高阻抗狀態(anti-parallel state)，從而支援單位的動作，但不會支援多位的動作。
並且，在以往的Full p-MTJ選閥中，在作為上部固定層的選閥中，固定CoFeB固定層的垂直磁性的合成交換反鐵磁層由稀土類(rare-earth element)形成，從而擴展現象明顯且層數增加，因而工序成本高且需要更長的工序時間。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
韓國公開專利第10-2016-0113048號，“具有用於強化垂 直磁各向異性的雙重MgO介面及CoFeB層的垂直自旋傳遞扭矩(STT)存儲單元”
本發明實施例的目的在於，提供如下的多位垂直磁隧道結，即，根據下部雙重自由層的磁化方向和上部自由層的磁化方向實現四種阻抗狀態，從而可以實現多位動作。
並且，本發明實施例的目的在於，提供如下的多位垂直磁隧道結，即，通過利用下部雙重自由層和上部自由層的簡單結構體現多位元動作且輕鬆實現集成化。
本發明一實施例的多位垂直磁隧道結包括層疊於上部電極與下部電極之間的上部合成交換反鐵磁層、固定層、下部雙重自由層及上部自由層。
本發明一實施例的多位元垂直磁隧道結根據上述下部雙重自由層及上述上部自由層的磁化方向，呈現出第一阻抗狀態至第四阻抗狀態中的一種阻抗狀態。
上述第一阻抗狀態可以為當上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向平行(parallel)且上述下部雙重自由層與上述上部自由層的磁化方向平行時呈現的阻抗狀態。
上述第二阻抗狀態可以為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向反平行(anti-parallel)且上述下部雙重自由層與上述上部自由層的磁化方向平行時呈現的阻抗狀態。
上述第三阻抗狀態可以為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向平行且上述下部雙重自由層與上述上部自由層的磁化方向反平行時呈現的阻抗狀態。
上述第四阻抗狀態可以為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向反平行且上述下部雙重自由層與上述上部自由層的磁化方向反平行時呈現的阻抗狀態。
若從外部施加的磁場的大小在已設定的第一臨界值至已設定的第二臨界值的範圍內被掃頻(sweep)，則上述一種電阻狀態可按上述第二阻抗狀態、上述第四阻抗狀態、上述第一阻抗狀態及上述第三阻抗狀態的順序依次切換。
本發明一實施例的多位垂直磁隧道結還可包括：下部隧道結層，形成於上述固定層與上述下部雙重自由層之間；以及上部隧道結層，形成於上述下部雙重自由層與上述上部自由層之間。
上述下部雙重自由層可包括層疊而成的第一下部自由層、上部分割層及第二下部自由層。
本發明一實施例的多位垂直磁隧道結還可包括在上述上 部合成交換反鐵磁層的下部所形成的下部合成交換反鐵磁層。
本發明一實施例的多位垂直磁隧道結還可包括：下部分割層，形成於上述下部合成交換反鐵磁層與上述上部合成交換反鐵磁層之間；以及連接層，形成于上述上部合成交換反鐵磁層與上述固定層之間。
另一實施例的多位垂直磁隧道結包括層疊於上部電極與下部電極之間的上部合成交換反鐵磁層、固定層、下部雙重自由層及上部多重自由層。
另一實施例的多位垂直磁隧道結可根據上述下部雙重自由層及上述上部多重自由層的磁化方向，呈現出第一阻抗狀態至第四阻抗狀態中的一種阻抗狀態。
上述第一阻抗狀態可以為當上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向平行且上述下部雙重自由層與上述上部多重自由層的磁化方向平行時呈現的阻抗狀態。
上述第二阻抗狀態可以為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向平行且上述下部雙重自由層與上述上部多重自由層的磁化方向反平行時呈現的阻抗狀態。
上述第三阻抗狀態可以為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向反平行且上述下部雙重自由層與上述上部多重自由層的磁化方向平行時 呈現的阻抗狀態。
上述第四阻抗狀態可以為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向反平行且上述下部雙重自由層與上述上部多重自由層的磁化方向反平行時呈現的阻抗狀態。
若從外部施加的磁場的大小在已設定的第一臨界值至已設定的第二臨界值的範圍內被掃頻，則上述一種阻抗狀態可按上述第三阻抗狀態、上述第二阻抗狀態、上述第一阻抗狀態及上述第四阻抗狀態的順序依次切換。
另一實施例的多位垂直磁隧道結還可包括：下部隧道結層，形成於上述固定層與上述下部雙重自由層之間；以及上部隧道結層，形成於上述下部雙重自由層與上述上部多重自由層之間。
上述上部多重自由層可包括層疊而成的第一上部自由層、連接層及第二上部自由層，上述第二上部自由層由基於[Co/Pt]b的多層結構形成，其中，b為正整數。
另一實施例的多位垂直磁隧道結還可包括在上述上部合成交換反鐵磁層的下部所形成的下部合成交換反鐵磁層。
根據本發明的實施例，本發明可提供如下的多位垂直磁隧道結，即，根據下部雙重自由層的磁化方向和上部自由層的磁化方向實現四種阻抗狀態，從而可以實現多位動作。
根據本發明的實施例本發明可提供如下的多位垂直磁隧 道結，即，通過利用下部雙重自由層和上部自由層的簡單結構體現多位元動作且輕鬆實現集成化。
110:下部電極
120:上部電極
201、501:基板
202、502:下部電極
203、503:種子層
210、510:下部合成交換反鐵磁層
211、511:下部分割層
220、520:結構體
221、521:上部合成交換反鐵磁層
222、522:連接層
223、523:固定層
224、524:下部隧道結層
230、530:下部雙重自由層
231、531:第一下部自由層
232、532:上部分割層
233、533:第二下部自由層
234、534:上部隧道結層
240:上部自由層
241、544:覆蓋層
242、545:上部電極
540:上部多層自由層
541:第一上部自由層
542:上部連接層
543:第二上部自由層
AP1:第二阻抗狀態
AP2:第三阻抗狀態
AP3:第四阻抗狀態
M1:第一磁性層
M2:第二磁性層
M3:第三磁性層
M4:第四磁性層
R1AP、R2AP:磁化方向反平行
R1P、R2P:磁化方向平行
圖1為示出本發明實施例的多位垂直磁隧道結的簡圖。
圖2為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結的剖視圖。
圖3為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的例示圖。
圖4a至圖4b為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結的磁性特性的圖表，圖4c為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的切換特性的例示圖。
圖5為示出本發明第二實施例的多位垂直磁隧道結的剖視圖。
圖6為示出本發明第二實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的例示圖。
圖7a至圖7b為示出本發明第二實施例的多位垂直磁隧道結的磁性特性的圖表，圖7c為示出本發明第二實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的切換特性的例示圖。
圖8a至圖8b為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結和第二實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗變化特性的圖表。
以下，參照附圖，說明本發明的多種實施例。
實施例及在此使用的術語並非將本發明所記載的技術限定於特定實施形態，而是包括對應實施例的多種變更、等同技術方案和/或代替技術方案。
以下，在說明多種實施例的過程中，在判斷為對於相關的公知功能或結構的具體說明使本發明的主旨不清楚的情況下，將省略對其的詳細說明。
而且，後述的術語考慮到多種實施例中的功能來定義，可根據使用人員、操作人員的意圖或慣例改變。因此，上述定義以本說明書的全部內容為基礎定義。
圖中，對類似的結構要素賦予類似的附圖標記。
只要在文脈上未明確表示，單數的表現則包括複數的表現。
在本說明書中，“A或B”或“A和/或B中的至少一個”等的表現可以包括一同羅列的專案的全部可能性組合。
“第1、第2”、“第一”或“第二”等的表現可以與順序或重要程度無關地修飾對應結構要素，僅用於區分兩種結構要素，而並不限定對應結構要素。
當一種(例如：第一)結構要素與其他(例如：第二)結構要素“功能或通信連接”或“聯結”時，一種結構要素與其他結構要素直接連接或通過其他結構要素(例如：第三結構要素)連接。
在本說明書中，例如，根據情況，“以~方式構成(或設定)(configured to)”與軟體或硬體“適合於”、“具有~能力”、“以~方式改變”、“用於~”、“可以~”或“以~方式設計”可以互換(interchangeably)使用。
在任何情況下，“以~方式構成的裝置”意味著上述裝置與其他裝置或部件一同“進行~”。
例如，文句“以執行A、B及C的方式構成(或設定)的處理器”可以為執行用於執行對應動作的專用處理(例如，嵌入式處理器)或存儲於存儲裝置的一個以上的軟體程式，由此可指定對應動作的常用處理器(例如，中央處理器或應用處理器)。
並且，“或”意味著包含或“inclusive or”，而並非意味著排他性“exclusive or”。
即，只要並未提及或未從文脈明確表示，“x利用a或b”的表現則意味著自然的包容性排列(natural inclusive permutations)中的一種。
在上述具體實施例中，本發明中的結構要素根據所揭示的具體實施例以單數或複數表現。
但是，單數或複數的表現符合為了說明的便利而揭示的情況，上述實施例並不局限於單數或複數的結構要素，以複數表現的結構要素也可以變為單數，以單數表現的結構要素也可以變為複數。
另一方面，在本發明的說明中對具體實施例進行了說明， 在不超出多種實施例的技術思想的範圍內，可以進行多種變形。
因此，本發明的範圍並不局限於所說明的實施例，而是通過後述的發明要求保護範圍和與發明要求保護範圍等同的內容定義。
圖1為示出本發明實施例的多位垂直磁隧道結的簡圖。
參照圖1，本發明實施例的多位垂直磁隧道結可以根據下部雙重自由層的磁化方向和上部自由層的磁化方向實現四種阻抗狀態，從而可以體現多位動作。
並且，多位垂直磁隧道結可以通過基於下部雙重自由層和上部自由層的簡單結構體現多位元動作器件的高集成化。
具體地，多位垂直磁隧道結可包括在上部電極120(top electrode)和下部電極110(bottom electrode)之間層疊而成的第一磁性層M1、第二磁性層M2、第三磁性層M3及第四磁性層M4。
根據一實施方式，第一磁性層M1可包括下部合成交換反鐵磁層(lower SyAF layer)，第二磁性層M2可包括上部合成交換反鐵磁層(upper SyAF layer)、連接層(bridge layer)及固定層，第三磁性層M3可包括下部雙重自由層，第四磁性層M4可包括上部自由層。
根據一實施方式，上部自由層可呈單層或多層(多重)結構。
例如，上部自由層可以包含CoFeB物質，並由具有0.8nm至1.5nm的單層形成。並且，上部自由層包括第一上部自由層、 連接層及第二上部自由層，第二上部自由層可呈基於[Co/Pt]b的多層結構(其中，b為正整數)。
即，本發明實施例的多位垂直磁隧道結呈下部合成交換反鐵磁層、上部合成交換反鐵磁層、下部雙重自由層及上部自由層的層疊結構，根據下部雙重自由層及上述上部自由層的磁化方向實現四種阻抗狀態來體現多位元動作。
本發明實施例的多位垂直磁隧道結通過圖2至圖8進行更加具體的說明。
圖2為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結的剖視圖。
參照圖2，第一實施例的多位垂直磁隧道結可以包括在上部電極242與下部電極202之間層疊形成的上部合成交換反鐵磁層221、固定層223、下部雙重自由層230及上部自由層240。
根據實施例，第一實施例的多位垂直磁隧道結還可包括形成于上部合成交換反鐵磁層221的下部的下部合成交換反鐵磁層210。
並且，第一實施例的多位垂直磁隧道結還可包括：下部分割層211(lower spacing layer)，形成于下部合成交換反鐵磁層210與上部合成交換反鐵磁層221之間；以及連接層222(bridge layer)，形成于上部合成交換反鐵磁層221與固定層223之間。
並且，第一實施例的多位垂直磁隧道結還可包括：下部隧道結層224，形成於固定層223與下部雙重自由層230之間；以及 上部隧道結層234，形成於下部雙重自由層230與上部自由層240之間。
並且，第一實施例的多位垂直磁隧道結還可包括：覆蓋層241(capping layer)，形成於上部電極242與上部自由層240之間；種子層203(seed layer)，形成於下部電極202的上部；以及基板201，形成於下部電極202的下部。
具體地，基板201可以利用半導體基板。例如，基板201可以利用矽基板、砷化鎵基板、矽鍺基板、氧化矽基板等，根據實施例，多位元垂直磁隧道結可以利用矽基板。並且，在基板201上可以形成包括電晶體的選擇器件。
根據實施例，在基板201上可以形成絕緣層。絕緣層可以覆蓋選擇器件等規定的結構物，在絕緣層可以形成使選擇器件的至少一部分露出的連接孔。絕緣層可以利用非晶質結構的矽氧化膜(SiO2)等來形成。
下部電極202可以形成於絕緣層的上部。下部電極202可以利用導電性物質形成，也可以用金屬、金屬氮化物等形成。
並且，第一實施例的多位垂直磁隧道結可以呈第一下部電極及第二下部電極的雙重結構。第一下部電極可形成於絕緣層上，第二下部電極可形成於第一下部電極上。並且，第一下部電極可形成於絕緣層的內部，由此，可以與形成於基板201上的選擇器件相連接。
第一下部電極及第二下部電極可以由多晶(polycrystal) 物質形成。因此，第一下部電極及第二下部電極可以由bcc結構的導電性物質形成。例如，第一下部電極可以由鎢(W)等的金屬形成，第二下部電極可以由氮化鈦膜(TiN)等的金屬氮化物形成。
優選地，下部電極202可以呈包含鎢的第一下部電極及包含氮化鈦膜的第二下部電極的層疊結構。
第一下部電極及第二下部電極可以由多晶物質形成，由此，可以提高之後形成的磁性隧道結的結晶性。即，若形成第一下部電極及第二下部電極，則形成於其上部的磁性隧道結可以沿著第一下部電極的結晶方向成長，之後，若為了垂直各向異性而進行熱處理，則磁性隧道結的結晶性將進一步提高。
因此，以往，在非晶質的絕緣層形成非晶質的種子層及非晶質的磁性隧道結，因此，即使之後進行熱處理，結晶性也並不會比本發明更優秀。若磁性隧道結的結晶性得到提高，則當施加磁場時，磁化將進一步發生，在平行狀態下，通過磁性隧道結流動的電流將增加。因此，若將上述磁性隧道結適用於記憶體件，則器件的動作速度及可靠性將得到提高。
種子層203形成於下部電極202的上部，可以由能夠使下部合成交換反鐵磁層210及上部合成交換反鐵磁層230中的至少一個的結晶成長的物質形成。
種子層203可以包含選自由鉭(Ta)、釕(Ru)、鈦(Ti)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、鎂(Mg)、鈷(Co)、鋁(Al)及鎢(W)組成的組中的金屬或這些的合金。優選地，種子層203可以由鉑(Pt) 形成，並可以具有1nm至3nm的厚度。
下部合成交換反鐵磁層210、下部分割層211及上部合成交換反鐵磁層221可形成於種子層203的上部，用於執行對固定層223的磁化進行固定的作用，下部合成交換反鐵磁層210及上部合成交換反鐵磁層221以下部分割層211為介質以反鐵磁性結合。
例如，下部合成交換反鐵磁層210及上部合成交換反鐵磁層221可以呈磁性金屬與非磁性金屬交替層疊的結構。磁性金屬可以利用選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)等組成的組中的單一金屬或這些的合金，非磁性金屬可以利用選自由鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、銠(Rh)、釕(Ru)、鋨(Os)、錸(Re)、金(Au)及銅(Cu)組成的組中的單一金屬或這些的合金。
並且，下部合成交換反鐵磁層210及上部合成交換反鐵磁層221可以由[Co/Pd]X、[Co/Pt]X或[CoFe/Pt]X(其中，x為1以上的整數)形成。
優選地，下部合成交換反鐵磁層210可以由[Co/Pt]X(其中，X為1以上的整數)形成，上部合成交換反鐵磁層221可以由[Co/Pt/Co]形成。
更具體地，例如，下部合成交換反鐵磁層210可以由Co及Pt反復層疊6次而成的[Co/Pt]6形成，在此情況下，例如，Co的厚度可以為0.3nm至0.5nm，Pt的厚度可以小於Co的厚度，例如，可具有0.2nm至0.4nm的厚度。
下部分割層211可形成于下部合成交換反鐵磁層210與上部合成交換反鐵磁層221之間，可以由使下部合成交換反鐵磁層210及上部合成交換反鐵磁層221反磁性結合的非磁性物質形成。例如，下部分割層211可以由選自由釕(Ru)、銠(Rh)、鋨(Os)、錸(Re)及鉻(Cr)組成的組中的單獨或這些的合金形成，優選地，可以由釕(Ru)形成。
連接層222可形成于上部合成交換反鐵磁層221的上部，可以由多晶物質，例如，bcc結構的導電性物質形成，優選地，可以由鎢(W)形成。並且，例如，連接層222的厚度可以為0.3nm至0.5nm。
固定層223可形成於連接層222的上部，且磁化方向被固定，優選地，磁化方向從上部朝向下部固定。
例如，固定層223可以利用作為鐵磁物質的全赫斯勒(Full-Heusler)半金屬合金、非晶態稀土元素合金、磁性金屬(ferromagnetic metal)與非磁性金屬(nonmagnetic matal)交替層疊的錯層薄膜、具有L10型結構的合金或鈷基合金等的鐵磁物質形成。
全赫斯勒半金屬合金為CoFeAl、CoFeAlSi等，非晶態稀土元素合金為TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo等。並且，非磁性金屬與磁性金屬交替層疊的薄膜為[Co/Pt]、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Ru、Co/Os、Co/Au、Ni/Cu、CoFeAl/Pd、CoFeAl/Pt、CoFeB/Pd、CoFeB/Pt等。而且，具有L10型結構的合金為Fe50Pt50、 Fe50Pd50、Co50Pt50、Fe30Ni20Pt50、Co30Ni20Pt50等。並且，鈷基合金為CoCr、CoPt、CoCrPt、CoCrTa、CoCrPtTa、CoCrNb、CoFeB等。在這種物質中，CoFeB單層的厚度可以大於[Co/Pt]或Co/Pd的多層結構的厚度，從而可以增加磁阻抗比。
並且，與如Pt或Pd等的金屬相比，CoFeB可以被輕鬆蝕刻，因此，與含有Pt或Pd等的多層結構相比，CoFeB單層的製作工序簡單。不僅如此，可通過調節CoFeB的厚度來具有垂直磁化和水準磁化。優選地，固定層223可以利用CoFeB單層來形成。
下部隧道結層224形成於固定層223的上部，用於分離固定層223與下部雙重自由層230，可以在固定層223與下部雙重自由層230之間實現量子隧道效應(quantum mechanical tunneling)。
並且，上部隧道結層234形成於下部雙重自由層230的上部，用於分離下部雙重自由層230與上部自由層240，可以在下部雙重自由層230與上部自由層240之間實現量子隧道效應。
例如，下部隧道結層224及上部隧道結層234可以由氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化矽(SiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化矽(SiNx)或氮化鋁(AlNx)等形成。
優選地，下部隧道結層224及上部隧道結層234可以利用多晶氧化鎂形成。氧化鎂之後通過熱處理被紋理化成BCC100。
下部雙重自由層230可形成於下部隧道結層224的上部，上部自由層240可形成於上部隧道結層234的上部。
根據實施例，下部雙重自由層230可以包括層疊而成的第一下部自由層231、上部分割層232(upper spacing layer)及第二下部自由層233。
更具體地，下部雙重自由層230及上部自由層240並不朝向磁化方向被固定，而是可以從一方向沿著與此相向的方向改變。即，下部雙重自由層230及上部自由層240與固定層223的磁化方向相同(即，平行)，也可以相反(即，反平行)。
另一方面，下部雙重自由層230的第一下部自由層231及第二下部自由層233可以具有相同磁化方向，也可以具有不同方向的磁化。例如，第一下部自由層231及第二下部自由層233可分別具有垂直磁化，第一下部自由層231具有垂直磁化，第二下部自由層233具有水準磁化。
因此，本發明的實施例的多位垂直磁隧道結可包括下部雙重自由層230，由此，與單一存儲層相比，可以提高熱穩定性。
例如，下部雙重自由層230的第一下部自由層231、第二下部自由層233及上部自由層240可以由全赫斯勒半金屬合金、非晶態稀土元素合金、磁性金屬與非磁性金屬交替層疊的錯層薄膜、具有L10型結構的合金等的鐵磁物質形成。
並且，上部分割層232可以由不具有磁化的bcc結構的物質形成。因此，第一下部自由層231垂直磁化，上部分割層232不會被磁化，第二下部自由層233可以垂直或水準磁化。
在此情況下，第一下部自由層231及第二下部自由層233 分別由CoFeB形成，第一下部自由層231的厚度可以等於或小於第二下部自由層233的厚度。並且，上部分割層232的厚度可以小於第一下部自由層231及第二下部自由層233的厚度。例如，第一下部自由層231及第二下部自由層233可以利用CoFeB來以0.5nm至1.5nm的厚度形成，上部分割層232可以由bcc結構的物質形成，例如，可以將W以0.2nm至0.5nm的厚度形成。
並且，第一下部自由層231為了進一步增加垂直磁化而還可包含Fe。因此，第一下部自由層231可以由Fe及CoFeB層疊而成。在此情況下，Fe的厚度可以小於CoFeB的厚度，例如，厚度可以為0.3nm至0.5nm。
另一方面，上部自由層240可以利用CoFeB來以0.8nm至1.5nm的厚度形成。
覆蓋層241可以形成于上部自由層240的上部。並且，覆蓋層241可以由多晶物質，例如，bcc結構的導電性物質形成。例如，覆蓋層241可以由鎢(W)或鉭(Ta)形成。覆蓋層241由多晶物質形成，由此，可以提高磁性隧道結的結晶性。
覆蓋層241用於防止上部電極210的擴散。例如，覆蓋層241可以使用鉭(Ta)來以0.3nm至0.5nm的厚度形成，可以使用鎢(W)來以2nm至5nm的厚度形成。
上部電極242可以形成於覆蓋層241的上部，可以利用導電性物質形成，可以由金屬、金屬氧化物、金屬氮化物等形成。例如，上部電極242可以由選自由鉭(Ta)、釕(Ru)、鈦(Ti)、 鈀(Pd)、鉑(Pt)、鎂(Mg)及鋁(Al)組成的組中的單一金屬或這些的合金形成。
根據實施例，下部合成交換反鐵磁層210可以為圖1的第一磁性層M1，包括上部合成交換反鐵磁層221、連接層222及固定層223的結構體220可以為圖1的第二磁性層M2，下部雙重自由層230可以為圖1的第三磁性層M3，上部自由層240可以為圖1的第四磁性層M4。
並且，多位元垂直磁隧道結可以根據下部雙重自由層230及上部自由層240的磁化方向呈現出第一阻抗狀態至第四阻抗狀態中的一種阻抗狀態，從而可體現多位(multi-bit)動作。
第一實施例的多位垂直磁隧道結的多位動作可通過之後實施例和圖3至圖4c進行更加具體的說明。
圖3為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的例示圖。
參照圖3，圖3的(a)部分表示第一實施例的多位垂直磁隧道結的低阻抗狀態(parallel state，p state)，圖3的(b)部分至(d)部分表示第一實施例的多位垂直磁隧道結的高阻抗狀態(anti-parallel state；AP state1，AP state2，AP state3)。
根據圖3的(a)部分至(d)部分，在第一實施例的多位垂直磁隧道結中，第一磁性層(下部合成交換反鐵磁層，M1)和第二磁性層(上部合成交換反鐵磁層、連接層及固定層，M2)的磁化方向被固定旋轉(Fixed spin)，可根據第三磁性層(下部雙重 自由層，M3)及第四磁性層(上部自由層，M4)的磁化方向呈現出四種阻抗狀態。
具體地，因兩種自由層(下部雙重自由層及上部自由層)和兩種隧道結層(下部隧道結層及上部隧道結層)，第一實施例的多位垂直磁隧道結有可能發生阻抗差異。
即，第一實施例的多位垂直磁隧道結因第二磁性層M2與第三磁性層M3的磁化方向的差異發生阻抗差異，因第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向發生阻抗差異。
更具體地，第一阻抗狀態(P state)可以為當第二磁性層M2的磁化方向與第三磁性層M3的磁化方向平行(R1P)且第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向平行(R2P)時呈現的阻抗狀態。
第二阻抗狀態(AP state1)可以為當第二磁性層M2的磁化方向與第三磁性層M3的磁化方向反平行(R1AP)且第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向平行時(R2P)呈現的阻抗狀態。
第三阻抗狀態(AP state2)可以為當第二磁性層M2的磁化方向與第三磁性層M3的磁化方向平行(R1P)且第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向反平行(R2AP)時呈現的阻抗狀態。
第四阻抗狀態(AP state3)可以為當第二磁性層M2的磁化方向與第三磁性層M3的磁化方向反平行(R1AP)且第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向反平行(R2AP)時呈現的阻 抗狀態。
圖4a至圖4b為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結的磁性特性的圖表，圖4c為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的切換特性的例示圖。
參照圖4a至圖4c，圖4a表示基於第一實施例的多位垂直磁隧道結的+4kOe至-4kOe範圍的外部磁場大小H的磁矩(magnetic moment)特性，圖4b表示基於第一實施例的多位垂直磁隧道結的+1kOe至-1kOe範圍的外部磁場大小的磁矩特性，圖4c表示圖4b中的第一實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的切換特性。
根據圖4a，在外部磁場為+4kOe以上的區域中，第一實施例的多位垂直磁隧道結的第一磁性層M1至第四磁性層M4的磁化方向均整列(align)為向上旋轉(up spin)，在外部磁場為3kOe附近的區域中，多位元垂直磁隧道結的第二磁性層M2的磁化方向均切換為向下旋轉(down spin)。
並且，在外部磁場為-2KOe附近的區域中，多位元垂直磁隧道結的第三磁性層M3及第四磁性層M4均切換為向下旋轉，在外部磁場為-4kOe以下的區域中，多位元垂直磁隧道結的第一磁性層M1的磁化方向切換為向下旋轉。
根據圖4b至圖4c，若外部磁場的大小在已設定的第一臨界值至第二臨界值的範圍內被掃頻，則第一實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態按第二阻抗狀態AP1、第四阻抗狀態AP3、第 一阻抗狀態(P state)及第三阻抗狀態AP2的順序依次切換。例如，第一臨界值可以為+1kOe，第二臨界值可以為-1kOe。
具體地，當外部磁場從+1kOe向-1kOe掃頻時，第四磁性層的磁化方向可以切換為向下旋轉(AP1→AP3)，之後，第三磁性層的磁化方向可以切換為向下旋轉(AP1→P state)。
並且，當外部磁場從-1kOe向+1kOe掃頻時，第四磁性層的磁化方向可以切換為向上旋轉(Pstate→AP2)，之後，第三磁性層的磁化方向可以切換為向上旋轉(AP2→AP1)。
圖5為示出本發明第二實施例的多位垂直磁隧道結的剖視圖。
參照圖5，第二實施例的多位垂直磁隧道結可以包括形成於上部電極545與下部電極502之間的上部合成交換反鐵磁層521、固定層523、下部雙重自由層530及上部多重自由層540。
例如，下部雙重自由層530可以包括層疊而成的第一下部自由層531、上部分割層532(upper spacing layer)及第二下部自由層533。
根據實施例，第二實施例的多位垂直磁隧道結還可包括形成于上部合成交換反鐵磁層521的下部的下部合成交換反鐵磁層510。
並且，第二實施例的多位垂直磁隧道結還可包括：下部分割層511，形成于下部合成交換反鐵磁層510與上部合成交換反鐵磁層521之間；以及下部連接層522，形成于上部合成交換反鐵磁 層521與固定層523之間。
並且，第二實施例的多位垂直磁隧道結還可包括：下部隧道結層524，形成於固定層523與下部雙重自由層530之間；以及上部隧道結層534，形成於下部雙重自由層530與上部多重自由層540之間。
並且，第二實施例的多位垂直磁隧道結還可包括：覆蓋層544，形成於上部電極545與上部多重自由層540之間；種子層503，形成於下部電極502的上部；以及基板501，形成於下部電極502的下部。
設置於第二實施例的多位垂直磁隧道結的基板501、下部電極502、種子層503、下部合成交換反鐵磁層510、下部分割層511、上部合成交換反鐵磁層521、下部連接層522、固定層523、下部隧道結層524、下部雙重自由層530、上部隧道結層534、覆蓋層544及上部電極545可以分別與通過圖2說明的設置於第一實施例的多位垂直磁隧道結的基板201、下部電極202、種子層203、下部合成交換反鐵磁層210、下部分割層211、上部合成交換反鐵磁層221、連接層222、固定層223、下部隧道結層224、下部雙重自由層230、上部隧道結層234、覆蓋層241及上部電極242相同。
因此，在通過圖5說明的內容中，將省略與通過圖2說明的內容重複的說明。
根據實施例，上部多重自由層540可包括形成於上部隧 道結層234的上部且層疊而成的第一上部自由層541、上部連接層542及第二上部自由層543。
具體地，例如，第一上部自由層541及第二上部自由層543可以由全赫斯勒半金屬合金、非晶態稀土元素合金、磁性金屬與非磁性金屬交替層疊的錯層薄膜或具有L10型結構的合金等的鐵磁物質形成。
優選地，第一上部自由層541可分別由CoFeB形成，第二上部自由層543可呈基於[Co/Pt]b的層疊結構。
例如，更具體地，第二上部自由層543可以由Co及Pt反復層疊6次而成的[Co/Pt]6形成，在此情況下，例如，Co的厚度可以為0.3nm至0.5nm，Pt的厚度可小於Co的厚度，例如，厚度可以為0.2nm至0.4nm。
上部連接層542形成于第一上部自由層541與第二上部自由層543之間，可以由多晶物質，例如，bcc結構的導電性物質形成，優選地，可以由鎢(W)形成。並且，例如，連接層222的厚度可以為0.3nm至0.5nm。
根據實施例，下部合成交換反鐵磁層510可以為圖1的第一磁性層M1，包括上部合成交換反鐵磁層521、連接層522及固定層523的結構體520可以為圖1的第二磁性層M2，下部雙重自由層530可以為圖1的第三磁性層M3，上部多重自由層540可以為圖1的第四磁性層M4。
並且，多位元垂直磁隧道結可根據下部雙重自由層230及 上部多重自由層540的磁化方向呈現出第一阻抗狀態至第四阻抗狀態中的一種阻抗狀態，從而可以體現多位動作。
之後，通過實施例及圖6至圖7c，更加具體地說明第二實施例的多位垂直磁隧道結的多位動作。
圖6為示出本發明第二實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的例示圖。
參照圖6，圖6的(a)部分表示第二實施例的多位垂直磁隧道結的低阻抗狀態(parallel state，p state)，圖6的(b)部分至(d)部分表示第二實施例的多位垂直磁隧道結的高阻抗狀態(anti-parallel state；AP state1，AP state2，AP state3)。
根據圖6的(a)部分至(d)部分，在第二實施例的多位垂直磁隧道結中，第一磁性層(下部合成交換反鐵磁層，M1)和第二磁性層(上部合成交換反鐵磁層、連接層及固定層，M2)的磁化方向被固定旋轉(Fixed spin)，可根據第三磁性層(下部雙重自由層，M3)及第四磁性層(上部多重自由層，M4)的磁化方向呈現出4種阻抗狀態。
具體地，因兩種自由層(下部雙重自由層及上部多重自由層)和兩種隧道結層(下部隧道結層及上部隧道結層)，第二實施例的多位垂直磁隧道結有可能發生阻抗差異。
即，第二實施例的多位垂直磁隧道結因第二磁性層M2與第三磁性層M3的磁化方向的差異發生阻抗差異，因第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向發生阻抗差異。
更具體地，第一阻抗狀態(P state)可以為當第二磁性層M2的磁化方向與第三磁性層M3的磁化方向平行(R1P)且第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向平行(R2P)時呈現的阻抗狀態。
第二阻抗狀態(AP state1)可以為當第二磁性層M2的磁化方向與第三磁性層M3的磁化方向平行(R1P)且第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向反平行時(R2AP)呈現的阻抗狀態。
第三阻抗狀態(AP state2)可以為當第二磁性層M2的磁化方向與第三磁性層M3的磁化方向反平行(R1AP)且第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向平行(R2P)時呈現的阻抗狀態。
第四阻抗狀態(AP state3)可以為當第二磁性層M2的磁化方向與第三磁性層M3的磁化方向反平行(R1AP)且第三磁性層M3與第四磁性層M4的磁化方向反平行(R2AP)時呈現的阻抗狀態。
圖7a至圖7b為示出本發明第二實施例的多位垂直磁隧道結的磁性特性的圖表，圖7c為示出本發明第二實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的切換特性的例示圖。
參照圖7a至圖7c，圖7a表示基於第二實施例的多位垂直磁隧道結的+4kOe至-4kOe範圍的外部磁場大小H的磁矩(magnetic moment)特性，圖7b表示基於第二實施例的多位垂直磁隧道結的+1kOe至-1kOe範圍的外部磁場大小的磁矩特性，圖7c 表示在圖7b中的第二實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態的切換特性。
根據圖7a，在外部磁場為+4kOe以上的區域中，第二實施例的多位垂直磁隧道結的第一磁性層M1至第四磁性層M4的磁化方向均整列(align)為向上旋轉(up spin)，在外部磁場為3kOe附近的區域中，多位元垂直磁隧道結的第二磁性層M2的磁化方向均切換為向下旋轉(down spin)。
並且，在外部磁場為-2KOe附近的區域中，第二實施例的多位垂直磁隧道結的第三磁性層M3及第四磁性層M4均切換為向下旋轉，在外部磁場為-4kOe以下的區域中，多位元垂直磁隧道結的第一磁性層M1的磁化方向切換為向下旋轉。
根據圖7b至圖7c，若外部磁場的大小在已設定的第一臨界值至第二臨界值的範圍內被掃頻，則第二實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態按第三阻抗狀態AP2、第二阻抗狀態AP1、第一阻抗狀態(P state)及第四阻抗狀態AP3的順序依次切換。例如，第一臨界值可以為+1kOe，第二臨界值可以為-1kOe。
具體地，第二實施例的多位垂直磁隧道結與第一實施例的多位垂直磁隧道結不同，因上部多重自由層(第四磁性層，M4)的矯頑磁力(coercivity)，下部雙重自由層(第三磁性層，M3)可以優先切換，上部多重自由層(第四磁性層，M4)之後切換。
即，當外部磁場從+1kOe向-1kOe掃頻時，第三磁性層M3的磁化方向可以切換為向下旋轉(AP2→AP1)，之後，第四磁性層 M4的磁化方向可以切換為向下旋轉(AP1→P state)。
並且，當外部磁場從-1kOe向+1kOe掃頻時，第三磁性層M3的磁化方向可以切換為向上旋轉(P state→AP3)，之後，第四磁性層M4的磁化方向可以切換為向上旋轉(AP3→AP1)。
圖8a至圖8b為示出本發明第一實施例的多位垂直磁隧道結和第二實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗變化特性的圖表。
參照圖8a至圖8b，圖8a表示基於外部磁場大小H的第一實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗(resistance)變化，圖8b表示基於外部磁場大小的第二實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗變化。
根據圖8a至圖8b，隨著外部磁場在+1kOe至-1kOe的範圍掃頻，第一實施例的多位垂直磁隧道結的阻抗狀態按第二阻抗狀態AP1、第四阻抗狀態AP3、第一阻抗狀態P state及第三阻抗狀態AP2的順序依次切換，第二實施例的多位垂直磁隧道結可以按第三阻抗狀態AP2、第二阻抗狀態AP1、第一阻抗狀態P state及第四阻抗狀態AP3的順序依次切換。
即，第一實施例的多位垂直磁隧道結使用單層結構的上部自由層，第二實施例的多位垂直磁隧道結使用多層(多重)結構的上部自由層，由此，下部雙重自由層和上部自由層的磁化方向切換的範圍改變而導致阻抗狀態的改變，從而在阻抗-外部磁場(R-H)特性發生差異。
如上所述，通過限定的附圖說明了實施例，只要是本發明 所屬技術領域的普通技術人員，便可以從上述記載進行多種修改及變形。例如，即使說明的技術與說明的方法不同的循序執行和/或說明的系統、結構、裝置、電路等的結構要素與說明的方法不同的形態結合或組合或者通過其他結構要素或等同技術方案代替或置換，也可以實現適當結果。
因此，其他體現、其他實施例及與發明要求保護範圍等同的內容也屬於本發明的發明要求保護範圍。
120:上部電極 110:下部電極 M1:第一磁性層 M2:第二磁性層 M3:第三磁性層 M4:第四磁性層

Claims (15)

  1. 一種多位垂直磁隧道結，其中，包括層疊於上部電極與下部電極之間的上部合成交換反鐵磁層、固定層、下部雙重自由層、上部自由層以及在上述上部合成交換反鐵磁層的下部所形成的下部合成交換反鐵磁層。
  2. 如請求項1之多位垂直磁隧道結，其中，根據上述下部雙重自由層及上述上部自由層的磁化方向，呈現出第一阻抗狀態至第四阻抗狀態中的一種阻抗狀態。
  3. 如請求項2之多位垂直磁隧道結，其中，上述第一阻抗狀態為當上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向平行且上述下部雙重自由層與上述上部自由層的磁化方向平行時呈現的阻抗狀態。
  4. 如請求項2之多位垂直磁隧道結，其中，上述第二阻抗狀態為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向反平行且上述下部雙重自由層與上述上部自由層的磁化方向平行時呈現的阻抗狀態，上述第三阻抗狀態為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向平行且上述下部雙重自由層與上述上部自由層的磁化方向反平行時呈現的阻抗狀態， 上述第四阻抗狀態為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向反平行且上述下部雙重自由層與上述上部自由層的磁化方向反平行時呈現的阻抗狀態。
  5. 如請求項2之多位垂直磁隧道結，其中，若從外部施加的磁場的大小在已設定的第一臨界值至已設定的第二臨界值的範圍內被掃頻，則上述一種阻抗狀態按上述第二阻抗狀態、上述第四阻抗狀態、上述第一阻抗狀態及上述第三阻抗狀態的順序依次切換。
  6. 如請求項1之多位垂直磁隧道結，其中，還包括：下部隧道結層，形成於上述固定層與上述下部雙重自由層之間；以及上部隧道結層，形成於上述下部雙重自由層與上述上部自由層之間。
  7. 如請求項1之多位垂直磁隧道結，其中，上述下部雙重自由層包括層疊而成的第一下部自由層、上部分割層及第二下部自由層。
  8. 如請求項1之多位垂直磁隧道結，其中，還包括：下部分割層，形成於上述下部合成交換反鐵磁層與上述上部合成交換反鐵磁層之間；以及連接層，形成于上述上部合成交換反鐵磁層與上述固定層之間。
  9. 一種多位垂直磁隧道結，包括層疊於上部電極與下部電極之間的上部合成交換反鐵磁層、固定層、下部雙重自由層、上部多重自由層以及在上述上部合成交換反鐵磁層的下部所形成的下部合成交換反鐵磁層。
  10. 如請求項9之多位垂直磁隧道結，其中，根據上述下部雙重自由層及上述上部多重自由層的磁化方向，呈現出第一阻抗狀態至第四阻抗狀態中的一種阻抗狀態。
  11. 如請求項10之多位垂直磁隧道結，其中，上述第一阻抗狀態為當上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向平行且上述下部雙重自由層與上述上部多重自由層的磁化方向平行時呈現的阻抗狀態。
  12. 如請求項10之多位垂直磁隧道結，其中，上述第二阻抗狀態為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向平行且上述下部雙重自由層與上述上部多重自由層的磁化方向反平行時呈現的阻抗狀態，上述第三阻抗狀態為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向反平行且上述下部雙重自由層與上述上部多重自由層的磁化方向平行時呈現的阻抗狀態，上述第四阻抗狀態為上述上部合成交換反鐵磁層及上述固定層的磁化方向與上述下部雙重自由層的磁化方向反平行且上述下 部雙重自由層與上述上部多重自由層的磁化方向反平行時呈現的阻抗狀態。
  13. 如請求項10之多位垂直磁隧道結，其中，若從外部施加的磁場的大小在已設定的第一臨界值至已設定的第二臨界值的範圍內被掃頻，則上述一種阻抗狀態按上述第三阻抗狀態、上述第二阻抗狀態、上述第一阻抗狀態及上述第四阻抗狀態的順序依次切換。
  14. 如請求項9之多位垂直磁隧道結，其中，還包括：下部隧道結層，形成於上述固定層與上述下部雙重自由層之間；以及上部隧道結層，形成於上述下部雙重自由層與上述上部多重自由層之間。
  15. 如請求項9之多位垂直磁隧道結，其中，上述上部多重自由層包括層疊而成的第一上部自由層、連接層及第二上部自由層，上述第二上部自由層由基於[Co/Pt]b的多層結構形成，其中，b為正整數。
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