TWI447726B - 磁性隨機存取記憶體 - Google Patents

Description

磁性隨機存取記憶體

本發明是有關於一種磁性隨機存取記憶體，且特別是有關於一種具垂直磁化量之自旋傳輸力矩磁性隨機存取記憶體

磁性隨機存取記憶體(magnetic random access memory,MRAM)之基本架構是由一固定層(pinned layer)、一穿隧阻障層(barrier layer)、一自由層(free layer)所組成。藉由改變自由層之磁矩方向相對於固定層之磁矩方向為平行或反平行時，磁阻分別為低電阻態與高電阻態來儲存資訊。

傳統磁性隨機存取記憶體以導線通入電流產生之磁場執行寫入動作，例如已經量產之Standalone MRAM。對於磁場翻轉(field-switching)的MRAM，其寫入線所產生之磁場易對鄰近位元產生干擾造成誤寫入，且隨元件尺寸變小，所需之翻轉場變大，不利微縮。因此在65nm技術節點以下之MRAM，使用自旋傳輸力矩(STT，Spin transfer torque)的機制，利用自旋極化電子與局部磁矩之角動量守恆機制翻轉元件之自由層磁矩方向，以執行寫入動作。STT寫入電流與元件尺寸成正比，適合微縮，但當元件尺寸縮小時，自由層中所儲存的磁能(KuV)也隨之變小，易受溫度所產生隨機熱擾動場干擾，影響元件之熱穩定性。雖然選擇飽合磁化量高的材料或增加自由層厚度可提高元件之熱穩定性，但如此一來翻轉所需之電流亦隨之增加。因此降低翻轉電流同時保持適當的熱穩定性為發展STT-MRAM最重要的議題。

磁性隨機存取記憶體的依材料特性可區分為水平式(IMA，inplane magnetization anisotropy)與垂直式(PMA，perpendicular magnetization anisotropy)二種。圖1繪示傳統水平式磁性隨機存取記憶體的結構剖面示意圖。參閱圖1，水平式磁性隨機存取記憶體結構包括一磁性固定層100，具有固定磁化方向102，不受外部施加的磁場所改變，其磁化方向當作參考之用。在固定層100上有一穿隧絕緣層104。一磁性自由層106在穿隧絕緣層104上。磁性自由層106具有可以切換的磁化方向108。磁性自由層106的磁化方向108可以藉由外部施加磁場或通入電流自由改變成與磁化方向102平行或是反平行。藉由量取磁性自由層106與固定層100之間由於平行或是反平行所產生磁阻的差異來判定磁性自由層106所儲存的位元資料。

圖2A-2B繪示垂直式MRAM結構剖面示意圖。參閱圖2A，垂直式MRAM的結構基本上是由磁性固定層110、穿隧絕緣層112與磁性自由層114疊置所構成。磁性固定層110的磁化方向120是固定方向，且垂直於其水平面。磁性自由層114的磁化方向122亦可藉由外部磁場或通入電流自由切換於二個方向，但垂直於水平面。

然而，若就圖1的水平式的MRAM結構，若直接以垂直磁化材料取代水平磁化材料，而構成垂直式磁性磁阻元件如圖2A的結構時，由於許多垂直材料，如Co/Pt、Co/Ne、Co/Pd等多層膜的序化方向為面心立方f.c.c.(111)，因此以MgO作為穿隧絕緣層112時，無法在介面形成高磁阻變化率(MR ratio)所需之體心立方b.c.c.(002)序化方向。較低的磁阻變化率會限制元件之操作速度，因此，需要加入一適當的極化增強(polarization enchancement)插入層介於垂直式材料與MgO穿隧絕緣層112之間，與MgO介面形成高磁阻變化率所需之序化方向，以提高垂直式磁性磁阻元件的磁阻變化率。參閱圖2B，另一種垂直式MRAM結構，以圖2A的結構為基礎，增加插入層116、118介於垂直式材料磁性層與MgO的穿隧絕緣層112之間。此插入層116、118一般為CoFeB等具有高極化率(polarization)且可在MgO介面形成(002)序化方向之材料，這些材料雖然屬於水平式材料，但利用兩者間的強耦合作用力，垂直式材料可強迫水平式材料插入層之磁矩立起為垂直磁化方向。

垂直式磁性材料之異向性能量大，因此在尺寸微縮到十分微小時仍可保有足夠之熱穩定性。例如硬碟碟片所使用之垂直式磁性材料，其晶粒(grain)大小僅有十數nm，但其熱穩定性係數(KuV/k_B T)仍可大於60。因此使用具垂直磁矩方向材料之垂直式MRAM被認為是尺寸進一步微縮時深具潛力的關鍵技術。然而由於垂直磁性材料之阻尼常數(damping constant)一般來說較水平磁性材料大，因此以STT翻轉垂直材料自由層時，其翻轉所需之臨界電流密度(critical current density，Jc)均大於水平式材料。若能進一步降低翻轉垂直式材料磁之臨界電流密度，將有助於垂直式MRAM之量產應用。

本發明提供一種垂直式磁性隨機存取記憶體，可以降低翻轉自由層磁矩方向所需之臨界電流密度，以降低寫入電流。

本發明提出一種磁性隨機存取記憶體具有垂直磁矩方向。磁性隨機存取記憶體包括一第一磁性層，一第二磁性層，一第一極化增強層(polarization enchancement layer)，一第二極化增強層，一穿隧阻障層，一間隔層及一自由輔助層(free assisting layer)。第一磁性層與第一極化增強層組成固定層，有垂直的一第一磁矩方向且有一第一垂直磁化異向性。第二磁性層與第二極化增強層組成自由層，有垂直的一第二磁矩方向且有一第二垂直磁化異向性。第一極化增強層形成於第一磁性層與穿隧阻障層之間，第二極化增強層形成於第二磁性層與穿隧阻障層之間，穿隧阻障層形成於該第一極化增強層與該第二極化增強層之間。間隔層形成於該第一磁性層上。自由輔助層在該間隔層上，具有一水平磁化異向性，其中該間隔層與該穿隧阻障層是在該自由層的相對兩側。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本案提出一種磁性隨機存取記憶體結構，有利於降低操作電流密度。以下舉一些實施例來描述本發明，但是本發明不限於所舉的實施例，且實施例之間有可以適當結合。

圖3繪示本發明一實施例，為使用於磁性隨機存取記憶體元件150之結構剖面示意圖。磁性隨機存取記憶體元件150可與電晶體(isolation transistor)及其它所需之線路(configurations)(未繪示)形成磁性隨機存取記憶體之記憶單元(memory cell)。於圖3中，元件150之結構包含一磁矩方向垂直於膜面之自由層212，一磁矩方向垂直於膜面之固定層204，一穿隧阻障層206形成於自由層212與固定層204之間。自由層212包含一第二磁性層208以及一第二極化增強層210。第二極化增強層210與穿隧阻障層206接觸。固定層204包含一第一磁性層200及一第一極化增強層202。第一極化增強層202與穿隧阻障層206接觸。

第一磁性層200擁有一第一垂直磁化異向性，第二磁性層208擁有一第二垂直磁化異向性。其中第一垂直磁化異向性大於第二垂直磁化異向性。在一般操作下，固定層204磁矩方向為垂直膜面，且不受寫入電流影響，自由層212磁矩方向則隨寫入電流218之極性而形成與固定層204磁矩方向平行或反平行之方向，使磁性隨機存取記憶體元件150之電阻態為低或高，分別記錄邏輯「0」或邏輯「1」。

又，一間隔層214形成於磁性自由層208上。一自由輔助層216形成於自由層212上。也就是間隔層214是形成於自由輔助層216與自由層212之間。間隔層214與自由層212之接觸面為自由層212與穿隧阻障層206接觸面之另一側。自由輔助層216具有一水平磁化異向性。調整間隔層為適當之厚度，可使自由輔助層216與自由層212之間除靜磁場(static magnetic field)外並無RKKY耦合作用等的其它層間耦合作用力(interlayer exchange coupling)。自由輔助層216的磁矩方向在水平的方向可以自由變化。又，基於實際製造的材料特性，自由輔助層216的磁矩方向於未通入電流時如箭頭所示與自由輔助層的水平表面可以相夾有容許的一小角度。磁矩方向於通入電流時則受來自自由層之自旋傳輸力矩影響而不限於在此角度下旋轉變化。

以下以圖4說明間隔層214與翻轉輔助層216作用機制。圖4中僅簡單繪示自由層212，間隔層214與自由翻轉層216，省略穿隧阻障層206與固定層204。其中箭頭代表初始磁矩方向，今欲通入一極化電流使圖4中之自由層212之磁矩方向由繪示之(0,0,1)翻轉為(0,0,-1)。本案使用藉由發明人於論文「Reduction in critical current density for spin torque transfer switching with composite free layer」(Appl. Phys. Letts. 93,092504(2008))所使用之模擬程式，驗證本案提出的結構所達到的效果，由Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程式：

其中為磁性層磁矩單位向量(reduced magnetization)，γ為磁旋比常數(gyromagnetic constant)，H _eff 為包含單軸異向性場(uniaxial anisotropy field)，去磁場(demagnetization field)，磁偶極場(dipole field)，層間交換耦合場(interlayer exchange coupling field)之等效場；H _T 為隨機熱擾動場，其機率分布為μ=0，σ=之高斯常態分布，其中k _B 為波茲曼常數，T為溫度，V為體積，Ms為飽和磁化量(saturation magnetization)，Δτ為熱擾動之時間間隔(perturbation time interval)。其中自旋傳輸力矩(spin transfer torque)可寫為：

其中e為電子電荷(electron charge)，J為電流密度(current density)，η為自旋傳輸力矩之效率(spin torque efficiency)，為約化蒲朗克常數(reduced Planck constant)，d為薄膜厚度(film thickness)，為極化電流之單位向量。

自旋傳輸力矩之大小與與相對的夾角有關。當其夾角正為0或π時，根據(2)式計算所得的力矩為0。

模擬中首先給定一電流密度為J ₀ 之極化電流，模擬僅有單一自由層212，而無自由輔助層216存在時，自由層磁矩進動(precession)的情形。結果發現在此一電流密度J ₀ 下，自由層212之磁矩並無法於所给定之電流脈衝(current pulse)長度(10ns)下成功翻轉，如圖5所示，磁矩方向雖因極化電流所提供之自旋傳輸力矩而偏離Z軸，但在電流關掉後即因其垂直異向性而回到(0,0,1)之平衡方向。然模擬中若加入一自由輔助層216，並使一間隔層214於自由層212與自由輔助層216之間使兩者間除靜磁場外無其它層間耦合作用力時，則同樣之電流密度J ₀ 下，即可成功將自由層212之磁矩方向由(0,0,1)翻轉為(0,0,-1)，如圖6所示。顯示自由輔助層216降低了自由層212翻轉所需之臨界電流密度。要注意的是，自由輔助層216之磁矩方向在無電流時，為靜磁場與本身去磁場之平衡位置，在通入電流時，則因磁矩與電流之交互作用而產生自由進動(precession)。模擬結果顯示若以反鐵磁層(AFM，antiferromagnetic layer)等方式，將自由輔助層216之磁矩方向固定時，則無法達到所欲降低翻轉電流之功效。

間隔層214例如包含Ta、Cu、Ru、Pd、Pd、Al、Ti、Au、Ag或含上述金屬之組合或其合金，其厚度不小於20，使自由層與自由輔助層之間之層間交換耦合作用力(interlayer exchange coupling)微弱可忽略者，例如交換耦合常數J(exchange coupling constant)之絕對值小於0.001mJ/m² ，但是實際設計的範圍也可以依所要達到的微弱程度而變化，以產生前述自由輔助層的輔助翻轉作用。合適之間隔層214的一個實施例例如為50之Cu。自由輔助層216例如含Co、Fe、Ni之金屬或合金，如NiFe、CoFeB、CoFe、Co、Ni、Fe等，其厚度小於50。合適之自由輔助層216例如20之NiFe。

本案可以於使用具垂直異向性自由層之自旋傳輸力矩磁性隨機取記憶體元件中，旨提供一具水平異向性之磁性層，以輔助元件中之垂直異向性自由層進行翻轉，降低翻轉所需之臨界電流。又，此一具水平異向性之磁性層與垂直異向性自由層插入一間隔層，使兩者間僅有微弱或沒有耦合作用力，使元件翻轉所需之臨界電流降低但不影響元件之熱穩定性或元件之磁阻。

又於一實施方式，磁性自由層208的垂直磁化異向性可以小於磁性固定層200的垂直磁化異向性。又或是於一實施方式，其自由層212的厚度是小於固定層204的厚度，其代表磁性自由層208比磁性固定層200薄，因此在翻轉磁性自由層208時，其操作電流不會翻轉磁性固定層200。

以下描述圖3中的固定層204與自由層212的進一步詳細結構。圖8繪示本發明一實施例，磁性隨機存取記憶體結構的剖面示意圖。參閱圖8，其結構與圖3相似，而固定層204與自由層212的較詳細結構。

磁性隨機存取記憶體元件150的結構中，固定層204的磁性固定層200例如是PMA參考層。第一極化增強層202例如是磁性層狀多層膜。第二極化增強層210例如也是磁性層狀多層膜。磁性自由層208例如是PMA自由層。

第一極化增強層202的層狀多層膜結構例如是由鐵磁與非磁交錯疊置的層狀多層膜，接觸設置在磁性固定層200上，其磁化方向會耦合成一致。穿隧阻障層206接觸設置於第一極化增強層202上。第二極化增強層210的層狀多層膜接觸設置在穿隧阻障層206上，其磁化方向與磁性自由層208的磁化方向耦合成一致。磁性自由層208是PMA自由層，接觸設置於層狀多層膜結構的第二極化增強層210上，有一第二磁化方向垂直於磁性自由層，可以被切換成與第一磁化方向平形或反平行。

在圖8的一實施例中，二個極化增強層202、210的磁性層狀多層膜結構當作插入層，其中穿隧阻障層206例如是MgO的水平材料。對於單一個磁性層狀多層膜結構，以第一極化增強層202為例，其例如是由鐵磁與非磁交錯疊置的層狀多層膜。圖9-10繪示本發明一實施例，極化增強層的結構示意圖。

參閱圖9，對於磁性層狀多層膜的結構，在其最外層的兩層是鐵磁層(FM)202a、202c，而在這兩層的鐵磁層202a、202c之間，取決於疊層數量以鐵磁材料與非磁材料交錯疊置。對於以三層的磁性層狀多層膜的結構而言，在兩層的鐵磁層202a、202c之間還有非磁性膜202b。

就較佳性能而言，與穿隧阻障層206接觸的鐵磁層202a的材料仍以CoFeB的材料為主，其厚度例如在5-20埃的範圍，其中較佳的是10-15埃的範圍。非磁性膜202b的材料例如是Ta、Ru、Cr、Al、Mg、Cu、Ti或Pt。非磁性膜202b的厚度例如是在0.5-5埃的範圍，其中較佳的是0.5-3埃的範圍。與磁性固定層200接觸的鐵磁層202c的材料例如是含Co的鐵磁材料，其更例如是Co、CoFe、CoFeB的材料，然而鐵磁層202c的材料也可以其他相同效果的鐵磁材料，例如Fe、Ni、或NiFe。鐵磁層206c的厚度例如是1-6埃，其更例如是3-5埃。

至於第二極化增強層210的層狀多層膜結構，其也是如圖9的結構，但是鐵磁層202c與磁性自由層208接觸，鐵磁層206a與穿隧阻障層206接觸。也就是說，二個極化增強層202、210的層狀多層膜結構例如是對稱於穿隧阻障層206。

又，磁性層狀多層膜層數不限於三層結構，而可以更多。參閱圖10，其磁性層狀多層膜例如是五層的結構，由三層鐵磁層202a、202c、202e與二層非磁性膜202b、202d交錯疊置所構成。其中，鐵磁層202a與穿隧阻障層206接觸，鐵磁層202e與磁性固定層200接觸。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．磁性固定層

102．．．磁矩方向

104．．．穿隧絕緣層

106．．．磁性自由層

108．．．磁矩方向

110．．．磁性固定層

112．．．穿隧絕緣層

114．．．磁性自由層

116、118．．．插入層

120、122．．．磁矩方向

150．．．磁性隨機存取記憶體元件

200．．．第一磁性層

202．．．第一極化增強層

202a、202c、202e．．．鐵磁層

202b、202d．．．非磁性膜

204．．．固定層

206．．．穿隧阻障層

208．．．第二磁性層

210．．．第二極化增強層

212．．．自由層

214．．．間隔層

216．．．自由輔助層

218．．．施加電流

圖1繪示傳統水平式磁性隨機存取記憶體的結構剖面示意圖。

圖2A-2B繪示垂直式MRAM結構剖面示意圖。

圖3繪示本發明一實施例，性隨機存取記憶體結構的剖面示意圖。

圖4繪示本發明一實施例，圖3的結構就操作機制可以簡化成翻轉輔助層對自由層的翻轉效果的探討。

圖5繪示依據本發明一實施例，沒有翻轉輔助層時，自由層的磁化向量的翻轉狀態。

圖6繪示依據本發明一實施例，有翻轉輔助層但作用強度為零時，自由層的磁化向量的翻轉狀態。

圖7繪示依據本發明一實施例，有翻轉輔助層但作用強度強時，自由層的磁化向量的翻轉狀態。

圖8繪示本發明一實施例，性隨機存取記憶體結構的剖面示意圖。

圖9-10繪示本發明一實施例，極化增強層的結構示意圖。

150．．．磁性隨機存取記憶體元件

200．．．第一磁性層

202．．．第一極化增強層

204．．．固定層

206．．．穿隧阻障層

208．．．第二磁性層

210．．．第二極化增強層

212．．．自由層

214．．．間隔層

216．．．自由輔助層

218．．．施加電流

Claims (9)

1. 一種磁性隨機存取記憶體，具有垂直磁矩方向，包括：一固定層，包含一第一磁性層與一第一極化增強層，具有垂直的一第一磁矩方向，且有一第一垂直磁化異向性；一自由層，包含一第二磁性層與一第二極化增強層，具有垂直的一第二磁矩方向，且有一第二垂直磁化異向性；一穿隧阻障層，形成於該固定層與該自由層之間，其中該第一極化增強層是在該第一磁性層與該穿隧阻障層之間，該第二極化增強層是在該第二磁性層與該穿隧阻障層之間，該穿隧阻障層是在該第一極化增強層與該第二極化增強層之間；一間隔層，形成於該自由層上；以及一自由輔助層，在該間隔層上，具有一水平磁化異向性，且該自由輔助層有一磁矩方向可自由變化，其中該間隔層與該穿隧阻障層是在該第一磁性層的相對兩側。
2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體，其中該第一垂直磁化異向性大於該第二垂直磁化異向性。
3. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體，其中該第一磁性層與該第二磁性層是含Co或Fe之鐵磁性材料之單層膜結構或由鐵磁性材料與非磁性材料層交替的層狀多層膜結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體，其中，該第一極化增強層與該第二極化增強層是含Co或Fe之鐵磁性材料之單層膜結構或由鐵磁性材料與非磁性材料層交替的層狀多層膜結構。
5. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體，其中該穿隧阻障層的材料是氧化鎂或氧化鋁。
6. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體，其中該間隔層有一厚度使該自由輔助層與該第一磁性層維持一作用強度以下。
7. 如申請專利範圍第6項所述之磁性隨機存取記憶體，其中該作用強度的交換耦合常數J之絕對值小於0.001mJ/m² 。
8. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體，其中該自由輔助層的磁矩方向在未通入電流時與水平方向平行或是接近平行。
9. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體，其中該自由層的該第二磁矩方向，可依照垂直流經過的一電流方向而改變，以與該固定層的該第一磁矩方向構成平行或是反平行的狀態。