具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器的製作方法

2023-05-19 02:44:21

本發明於涉及一種磁性隨存儲存器(magnetoresistiverandom-accessmemory，以下稱mram)，特別是涉及一種具熱穩定性(thermalstability)的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器(以下稱sot-mram)。

背景技術：

基於穿隧磁阻(tunnelingmagnetoresistance；簡稱tmr)效應的發現，使得由鐵磁性(ferromagnetics)自由層(freelayer)、厚度極薄的絕緣阻障層(barrierlayer)與鐵磁性固定層(pinnedlayer)所構成的磁性隨存儲存器(mram)，可通過電子的自旋(spin)特性並配合電流與外加磁場以快速地令該鐵磁性自由層的磁矩(magneticmoment)翻轉，從而使marm可通過自由層與固定層內的磁矩排列的關係來改變其電阻值，並藉此辨識出marm的0與1兩種訊號。因此，mram已被公認是下一世代的儲存器。以現有的mram當中，又以sot-mram因採用三接點(three-terminal)式的手段來傳輸其電訊號，其可避免元件在寫入訊號的過程中交流脈衝電訊號的電流頻繁地穿過絕緣阻障層所造成的損害而廣受重視。

然而，sot-mram目前仍無法被商品化的主要問題在於，其在寫入訊號的過程中仍需仰賴一外加磁場(appliedmagneticfield)才可達成寫入訊號的動作。也因為如此，使得使用者在使用sot-mram時需額外配備一可提供外加磁場的裝置，導致sot-mram遲遲無法被商品化。

為突破上述問題，a.vandenbrink等人則是於naturecommunications,doi:10.1038/ncomms10854(2016)公開有field-freemagnetizationreversalbyspin-halleffectandexchangebias一文(以下稱前案)。參閱圖1，公開於前案的一第一組實驗的一種自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器的一磁性自由層1，是由直流磁控濺鍍(dcmagnetronsputtering)法所製成。該磁性自由層1包括一形成於一經熱 氧化處理的矽基板(圖未示)上且厚度約1nm的ta膜11、一形成於該ta膜11上且厚度約3nm並具有自旋霍爾效應(spinhalleffect)的下pt膜12、一形成於該下pt膜12上且厚度約0.7nm並具有鐵磁性的co膜13、一形成於該co膜13上且厚度只約0.3nm的上pt膜14、一形成在該上pt膜14上且厚度約6nm的ir20mn80合金膜15，及一形成於該ir20mn80合金膜15上且厚度約1.5nm並用來保護該ir20mn80合金膜15的taox膜16。在前案的該第一組實驗所公開的該磁性自由層1中，是對該磁性自由層1施予電子束微影製程(electron-beamlithographyprocess)以形成一霍爾十字結構(hallcrosses，圖未示)後，並於該霍爾十字結構上形成兩對ti/au多層膜以完成電性接觸(contact)。後續，沿著該霍爾十字結構的其中一軸線以在225℃的溫度下對該霍爾十字結構施予一30分鐘的2.0t的水平方向的磁場退火(magneticfieldannealing)。最終，在該水平方向的磁場中冷卻以固定該霍爾十字結構的一交換偏移方向(exchange-biasdirection)。

此處需說明的是，為了因應知識爆炸的資訊時代以滿足記憶量的需求，本發明所屬技術領域中的相關技術人員無不想方設法地縮減記憶胞(memorycell)尺寸，以藉此提升mram的記錄密度。因此，鐵磁性材料在縮小晶粒尺寸(grainsize)以增加記錄密度的前提下，則需具備有足夠的磁異向性能(magneticanisotropicenergy；ku)以提供良好的熱穩定性(thermalstability；kuv/kbt)。然而，本發明的相關技術人員皆知，當鐵磁性材料體積過小時，將導致磁異向性能與鐵磁性材料體積的乘積(kuv)不足以克服外界溫度所造成的熱擾動，因而形成磁矩不穩定的超順磁現象(superparamagnetism)。因此，本發明的相關技術人員在提升mram的記錄密度的同時，也進一步地衍生出此技術領域所不樂見的熱穩定性不足的問題。

根據前案的分析結果顯示，該磁性自由層1經該水平方向的磁場退火後，雖然可藉由其所引入的該ir20mn80合金膜15的反鐵磁性(anti-ferromagnetic)產生該交換偏移方向，以在沒有外加水平磁場(也就是，0mt)的條件下經由電流脈衝(currentpulses)來翻轉磁矩。然而，參閱圖2可知，該磁性自由層1在其co膜13的一易軸(easyaxis)方向[也就是，垂直(out-ofplane)方向]上的磁滯迴路(hysteresisloop)圖卻 顯示出，該磁性自由層1的一矯頑磁力(magneticcoercivity；μ0hc)約為0.04t，而該磁性自由層1的交換偏移方向卻趨近0。因此，一旦該磁性自由層1在零場的條件下讀取其磁化態(magnetizationstate)以辨識該磁性自由層1所產生的0或1的訊號時，極容易受到環境溫度的幹擾，因而導致正飽和磁化(saturatedmagnetization；訊號0)與負飽和磁化(也就是；訊號1)的誤判。前案第一組實驗的磁性自由層1對於提升記錄密度的貢獻度相當有限。

雖然前案更進一步地延用該第一組實驗並改變該磁性自由層1的細部膜層結構以實施一第二組實驗，將該磁性自由層1的該ta膜11、該下pt膜12，與該co膜13的厚度分別增加至3nm、4nm與1.5nm，並移除該上pt膜14，且改變該ir20mn80合金膜15的厚度為0nm至15.0nm間，並使該taox膜16改由一厚度約2.0nm的pt膜取代，且在225℃的溫度下對該第二組實驗的一霍爾十字結構施予一30分鐘的0.2t的垂直方向的磁場退火，可使該磁性自由層1在該ir20mn80合金膜15的厚度為6nm時得到最大的交換偏移場(exchange-biasmagneticfield；heb)，使其交換偏移場(heb)大於其矯頑場(coercivemagneticfield；hc)以減少熱穩定性不足的問題。然而，前案的第二組實驗仍需對該ir20mn80合金膜15預先施予垂直場退火處理，才可令該磁性自由層1的交換偏移場(heb)大於其矯頑場(hc)，使得mram的製程難以簡化。

經上述說明可知，改良sot-mram的磁性自由層的結構，以在簡化mram製程的前提下同時解決熱穩定性不足的問題，是此技術領域的相關技術人員所待突破的難題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種可簡化mram製程並解決熱穩定性不足的問題的具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器。

本發明具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器，包含一個基板，及一個自旋軌道扭力式記憶胞。該自旋軌道扭力式記憶胞設置於該基板，並具有一磁性自由層。該磁性自由層包括一呈鐵磁性的第一金屬膜、一接觸該第一金屬膜且呈反鐵磁性的第二金屬膜，及一接觸該第一金屬膜並呈一自旋霍爾效應的第三金屬膜。

在本發明中，該第一金屬膜具有一足以使該第一金屬膜呈垂直磁異向性(perpendicularmagneticanisotropy；pma)的第一厚度(d1)，0.5nm<d16nm，該heb是在沿著該第一金屬膜的一難軸(hardaxis)對該磁性自由層同時提供有一外加磁場及一交流脈衝電訊號(ac-pulse-electricsignal)以達該交流脈衝電訊號所產生的一臨界電流密度(criticalcurrentdensity；jc)時所形成；該第二金屬膜是一未經垂直場退火與非經垂直場鍍膜(magneticfieldcoating)所構成的irmn合金膜；該磁性自由層本質上在達該臨界電流密度(jc)時具有一矯頑場(hc)，且|heb|>|hc|。

此外，在本發明中，該磁性自由層是經由該交流脈衝電訊號的一正幅值使該第三金屬膜通過該自旋霍爾效應以產生一正向自旋電流，且該正向自旋電流能在該第一金屬膜內提供一正向角動量(angularmomentum)，以在該交流脈衝電訊號達該臨界電流密度時使該正向自旋電流協同該正向角動量形成的一正向有效場(effectivefield)，該正向有效場能令該第一金屬膜內的磁矩達成朝上翻轉與朝下翻轉兩者其中一者，同時能令該第一金屬膜與該第二金屬膜界面間的未補償的自旋電子(uncompensatedelectron)是對應該第一金屬膜達成朝上排列與朝下排列兩者其中一者，以令該第一金屬膜與該第二金屬膜界面間的交換偏移場(heb)是作用於垂直方向；該磁性自由層是經由該交流脈衝電訊號的一負幅值使該第三金屬膜通過該自旋霍爾效應以產生一反向自旋電流，且該反向自旋電流能在該第一金屬膜內提供一反向角動量，以在該交流脈衝電訊號達該臨界電流密度時使該反向自旋電流協同該反向角動量形成一反向有效場，該反向有效場能令該第一金屬膜內的磁矩達成朝上翻轉與朝下翻轉兩者其中另一者，同時能令該第一金屬膜與該第二金屬膜界面間的未補償的自旋電子是對應該第一金屬膜達成朝上排列與朝下排列兩者其中另一者，以令該第一金屬膜與該第二金屬膜界面間的交換偏移場(heb)是作用於垂直方向。

本發明的具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器，0.8nm≤d1<1.2nm，8nm≤d2≤15nm。

本發明的具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器，該第一 金屬膜含有一選自下列所構成的群組的第一金屬：co、fe、ni，及前述第一金屬的組合；該第三金屬膜是由一第二金屬或一經摻雜有一第四金屬的第三金屬所製成，該第二金屬是選自一由下列所構成的群組：pd、pt、ta、mo及w，該第三金屬是選自一由下列所構成的群組：cu、pt、w，及前述第三金屬的組合，該第四金屬是選自一由下列所構成的群組：ir、pt、w、bi，及前述第四金屬的組合。

本發明的具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器，該第一金屬膜是由co所製成；該第三金屬膜是由pt所製成。

本發明的具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器，該第三金屬膜具有一第三厚度(d3)，1.5nm≤d3≤8nm。

本發明的具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器，1.5nm≤d3≤3.0nm。

本發明的有益效果在於：令0.5nm<d16nm以在未對該第二金屬膜實施垂直場退火及非經由垂直場鍍膜的條件下，借該第二金屬膜令該第一、二金屬膜界面間的未補償自旋電子通過自旋軌道扭力(sot)機制所產生的正向與負向有效場以朝上或朝下排列，從而提供足夠量且垂直作用於該第一、二金屬膜界面間的交換偏移場(heb)，因而在簡化mram製程的前提下取得|heb|>|hc|並解決熱穩定性不足的問題。

附圖說明

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：

圖1是一正視示意圖，說明公開於前案中的一種自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器的一第一組實驗的一磁性自由層；

圖2是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明前案第一組實驗的磁性自由層的磁性質；

圖3是一正視示意圖，說明本發明具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器的一實施例；

圖4是一示意圖，說明本發明該實施例、數個具體例(examples；以下稱e)與數個比較例(comparativeexamples，以下稱ce)於寫入時的實施態樣；

圖5是一幅值(magnitude)對時間的關係圖，說明本發明所述具體例(e)與所述比較例(ce)於寫入時所實施的一交流脈衝電訊號；

圖6是一克爾強度(kerrintensity；m/ms)對電流密度(currentdensity；j)關係圖，說明本發明一比較例1(ce1)的一磁性自由層的磁化態；

圖7是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該比較例1(ce1)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一正幅值時的磁性質；

圖8是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該比較例1(ce1)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一負幅值時的磁性質；

圖9是一克爾強度(m/ms)對電流密度(j)關係圖，說明本發明一具體例1(e1)的一磁性自由層的磁化態；

圖10是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該具體例1(e1)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一正幅值時的磁性質；

圖11是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該具體例1(e1)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一負幅值時的磁性質；

圖12是一克爾強度(m/ms)對電流密度(j)關係圖，說明本發明一具體例2(e2)的一磁性自由層的磁化態；

圖13是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該具體例2(e2)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一正幅值時的磁性質；

圖14是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該具體例2(e2)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一負幅值時的磁性質；

圖15是一克爾強度(m/ms)對電流密度(j)關係圖，說明本發明一比較例2(ce2)的一磁性自由層的磁化態；

圖16是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該比較例2(ce2)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一正幅值時的磁性質；

圖17是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該比較例2(ce2)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一負幅值時的磁性質；

圖18是一克爾強度(m/ms)對電流密度(j)關係圖，說明本發明一具體例3(e3)的一磁性自由層的磁化態；

圖19是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該具體例3(e3)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一正幅值時的磁性質；及

圖20是一垂直方向的磁滯迴路圖，說明本發明該具體例3(e3)的磁性自由層在該交流脈衝電訊號為一負幅值時的磁性質。

具體實施方式

如圖3所示，本發明具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器的一實施例，包含一個基板2，及一個設置於該基板2上的自旋軌道扭力式記憶胞3。

該自旋軌道扭力式記憶胞3具有一設置於該基板2的上的磁性自由層31、一設置於該基板2上的磁性固定層32、一夾置於該磁性自由層31與該磁性固定層32間的絕緣阻障層33，及一覆蓋該磁性自由層31並由ta所構成的保護層(cappinglayer)34。該磁性自由層31包括一呈鐵磁性的第一金屬膜311、一接觸該第一金屬膜311且呈反鐵磁性的第二金屬膜312，及一接觸該第一金屬膜311並呈一自旋霍爾效應的第三金屬膜313。具體地來說，本發明該實施例的該第三金屬膜313是形成於該絕緣阻障層33上，且該第一金屬膜311是夾置於該第二金屬膜312與該第三金屬膜313間。

在本發明該實施例中，該第一金屬膜311具有一足以使該第一金屬膜311呈垂直磁異向性(pma)的第一厚度(d1)，0.5nm<d16nm。如圖4所示，該heb是在沿著該第一金屬膜311的一難軸對該磁性自由層31同時提供有一外加磁場及一交流脈衝電訊號4以達該交流脈衝電訊號4所產生的一臨界電流密度(jc)時所形成。此處需補充說明的是，由於本發明該第一金屬膜311具有垂直磁異向性(pma)；因此，該第一金屬膜311的難軸所指的是如圖4所示的一水平方向+x。換句話說，該外加磁場所指的是一外加水平場(以下稱外加水平場)。詳細地來說，本發明該實施例於寫入訊號時，是沿該第一金屬膜311的難軸(如圖4所示的該水平方向+x)對該磁性自由層31同時提供該水平外加場與具有一正幅值41及一負幅值42的該交流脈衝電訊號4。如圖5所示，該交流脈衝電訊號4的該正幅值41與該負幅值42分別具有一上升時間(risetime)411與421、一持續時間(durationtime)412與422，及一下降時間(fall time)413與423。本發明對以下多個具體例(e)與多個比較例(ce)寫入訊號時所使用的所述上升時間411、421分別為8.3ns，所述持續時間412、422分別為10μs，且所述下降時間413、423分別為1μs。

此外，在本發明該實施例中，該第二金屬膜312是一未經垂直場退火與非經垂直場鍍膜所構成的irmn合金膜，且該irmn合金膜的組成是ir20mn80；該磁性自由層31本質上在達該臨界電流密度(jc)時具有一矯頑場(hc)，且|heb|>|hc|。此處附帶說明的是，該磁性自由層31本質上在達該臨界電流密度(jc)時具有該矯頑場(hc)的具體意義是指，當提供於該磁性自由層31的該交流脈衝電訊號4被移除後，該磁性自由層31仍具有該矯頑場(hc)，於此一併簡單說明。

再參閱圖4與圖5，在本發明該實施例中，該磁性自由層31是經由該交流脈衝電訊號4的該正幅值41使該第三金屬膜313通過該自旋霍爾效應以產生一正向自旋電流，且該正向自旋電流能在該第一金屬膜311內提供一正向角動量，以在該交流脈衝電訊號4達該臨界電流密度(jc)時使該正向自旋電流協同該正向角動量形成一正向有效場，該正向有效場能令該第一金屬膜311內的磁矩達成朝上翻轉與朝下翻轉兩者其中一者，同時能令該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的未補償的自旋電子是對應該第一金屬膜311達成朝上排列與朝下排列兩者其中一者，以令該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的交換偏移場(heb)是作用於垂直方向。

同樣地，該磁性自由層31是經由該交流脈衝電訊號4的該負幅值42使該第三金屬膜313通過該自旋霍爾效應以產生一反向自旋電流，且該反向自旋電流能在該第一金屬膜311內提供一反向角動量，以在該交流脈衝電訊號4達該臨界電流密度(jc)時使該反向自旋電流協同該反向角動量形成一反向有效場，該反向有效場能令該第一金屬膜311內的磁矩達成朝上翻轉與朝下翻轉兩者其中另一者，同時能令該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的未補償的自旋電子是對應該第一金屬膜311達成朝上排列與朝下排列兩者其中另一者，以令該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的交換偏移場(heb)是作用於垂直方向。

經上述幾段說明可知，本發明該實施例除了通過自旋軌道扭力 (sot)機制提供該正向的有效場與該反向的有效場以使該第一金屬膜311內的磁矩翻轉外。此外，本發明該實施例令該呈鐵磁性的第一金屬膜311的第一厚度(d1)大於0.5nm且小於1.5nm以具有垂直磁異向性(pma)，同時令該呈反鐵磁性的第二金屬膜(該irmn合金膜)312的第二厚度(d2)大於6nm，以在未對該第二金屬膜312實施垂直場退火及非經由垂直場鍍膜的條件下，借該第二金屬模312令該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的未補償自旋電子，同樣是通過自旋軌道扭力(sot)機制所提供的正向有效場與反向有效場以朝上或朝下排列，從而提供足夠量且垂直作用於該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的交換偏移場(heb)。

較佳地，0.8nm≤d1<1.2nm，8nm≤d2≤15nm。

較佳地，該第一金屬膜311含有一選自下列所構成的群組的第一金屬：co、fe、ni，及前述第一金屬的組合；該第三金屬膜313是由一第二金屬或一經摻雜有一第四金屬的第三金屬所製成，該第二金屬是選自一由下列所構成的群組：pd、pt、ta、mo及w，該第三金屬是選自一由下列所構成的群組：cu、pt、w，及前述第三金屬的組合，該第四金屬是選自一由下列所構成的群組：ir、pt、w、bi，及前述第四金屬的組合。該第一金屬膜311還可含有b。舉例來說，該第一金屬膜311也可由cofeb三元合金所構成。

在本發明的所述具體例(e)與所述比較例(ce)中，該第一金屬膜311是由co所製成；該第三金屬膜313是由pt所製成。

較佳地，該第三金屬膜313具有一第三厚度(d3)，1.5nm≤d3≤8nm。更佳地，1.5nm≤d3≤3.0nm。

此處需補充說明的是，該磁性自由層31在提供有該水平外加場的條件下，經由該交流脈衝電訊號4的正幅值41或負幅值42以達該臨界電流密度(jc)時使該第一金屬膜311內的磁矩達成朝上或朝下翻轉，並使該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間未補償的電子朝上排列或朝下排列的決定性因素，是取決於該第三金屬膜313的材質。

以本發明以下所述具體例(e)與所述比較例(ce)的第三金屬膜313是由pt所製成為例來說，該磁性自由層31在提供有該水平外加 場的條件下，是經由該交流脈衝電訊號4的正幅值41與該負幅值42以達該臨界電流密度(jc)時，分別令該第一金屬膜311內的磁矩朝下翻轉以達負飽和磁化量與朝上翻轉以達正飽和磁化量，並分別令該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的未補償的自旋電子朝下排列與朝上排列。

本發明該實施例雖然是以該自旋軌道扭力式記憶胞3具有該磁性自由層31、該磁性固定層32、該絕緣阻障層33及該保護層34為例做說明。然而，此處需補充說明的是，本發明所屬技術領域中的相關技術人員都應該知道，決定sot-mram所記錄的0與1等訊號的主要角色，仍在於該磁性自由層31。基於該磁性自由層31是用來主宰sot-mram所記錄的訊號的主要元件，申請人為縮減本案說明書的篇幅，以下有關於本案所述具體例(e)與所述比較例(ce)的具體實施條件及其分析數據等相關說明，是以其自旋軌道扭力式記憶胞3隻具有該磁性自由層31為例來說明。因此，以下所有涉及到各具體例(e)與各比較例(ce)的電性分析等相關說明，並非以sot-mram的阻態(resistance-state)來說明其所儲存的訊號，而是以其磁性自由層31的磁化態或克爾強度(m/ms)來說明其所儲存的訊號。所謂的克爾強度(m/ms)是被定義成磁性自由層31的經標準化(normalized)的一殘留磁化量(remanentmagnetization，m)對其一飽和磁化量(saturatedmagnetization，ms)的比值，於此一併先行說明。

本發明具熱穩定性的自旋軌道扭力式隨存儲存器的一比較例1(ce1)是根據該實施例來實施，其具體的製作方法及其細部結構是簡單說明於下。

首先，以直流磁控濺鍍法(dcmagnetronsputtering)於一經熱氧化(thermaloxidized)的矽晶圓(siwafer)上依序沉積一厚度為2.5nm的下ta膜、一厚度為2.0nm的下pt膜以作為該比較例1(ce1)的磁性自由層的一第三金屬膜、一厚度為1.17nm的co膜以作為該比較例1(ce1)的一第一金屬膜、一厚度為6.0nm的ir20mn80合金膜以作為該比較例1(ce1)的一第二金屬膜、一厚度為4.0nm的上pt膜，及一厚度為2.5nm的上ta膜，從而於該矽晶圓上形成一多層膜。

後續，利用光微影製程(photolithographyprocess)及反應式離子蝕刻法(reactive-ionetching，rie)使該多層膜圖案化(patterned)成數對外觀尺寸各為5μm×10μm的微米線，且每對微米線彼此交叉以形成一霍爾十字結構。最後，利用光微影製程、直流磁控濺鍍法與光阻剝離製程(lift-offprocess)於各對微米線的相反兩端緣上分別依序形成一厚度10nm的ta膜與一厚度100nm的pt膜以作為該比較例1(ce1)的一上電極。在本發明該比較例1(ce1)中，該上pt膜與該上ta膜也取代該比較例1(ce1)的該上電極。前述上電極並非本發明的技術重點，於此不再多加贅述。

整合上述各段詳細說明可知，本發明該比較例1(ce1)的磁性自由層為pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(6nm)。

本發明具熱穩定性的自旋軌道扭力式隨存儲存器的一具體例1(e1)大致上是相同於該比較例1(ce1)，其不同處是在於，本發明該具體例1(e1)是以一厚度為8nm的ir20mn80合金膜來作為該具體例1(e1)的一磁性自由層的一第二金屬膜；也就是，該具體例1(e1)的一矽晶圓上所形成的一多層膜為ta(2.5nm)/pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(8nm)/pt(4nm)/ta(2.5nm)；且該磁性自由層為pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(8nm)。

本發明具熱穩定性的自旋軌道扭力式隨存儲存器的一具體例2(e2)大致上是相同於該比較例1(ce1)，其不同處是在於，本發明該具體例2(e2)是以一厚度為10nm的ir20mn80合金膜來作為該具體例2(e2)的一磁性自由層的一第二金屬膜；也就是，該具體例2(e2)的一矽晶圓上所形成的一多層膜為ta(2.5nm)/pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(10nm)/pt(4nm)/ta(2.5nm)；且該磁性自由層為pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(10nm)。

本發明具熱穩定性的自旋軌道扭力式隨存儲存器的一比較例2(ce2)大致上是相同於該比較例1(ce1)，其不同處是在於，本發明該比較例2(ce2)是以一厚度為0.88nm的co膜來作為該比較例2(ce2) 的一磁性自由層的一第一金屬膜；也就是，該比較例2(ce2)的一矽晶圓上所形成的一多層膜為ta(2.5nm)/pt(2nm)/co(0.88nm)/ir20mn80(6nm)/pt(4nm)/ta(2.5nm)；且該磁性自由層為pt(2nm)/co(0.88nm)/ir20mn80(6nm)。

本發明具熱穩定性的自旋軌道扭力式隨存儲存器的一具體例3(e3)大致上是相同於該比較例2(ce2)，其不同處是在於，本發明該具體例3(e3)是以一厚度為8nm的ir20mn80合金膜來作為該具體例3(e3)的一磁性自由層的一第二金屬膜；也就是，該具體例3(e3)的一矽晶圓上所形成的一多層膜為ta(2.5nm)/pt(2nm)/co(0.88nm)/ir20mn80(8nm)/pt(4nm)/ta(2.5nm)；且該磁性自由層為pt(2nm)/co(0.88nm)/ir20mn80(8nm)。

再參閱圖4與圖5，此處需進一步補充說明的是，本發明於寫入所述比較例(ce1～ce2)與所述具體例(e1～e3)以分析其磁性質時，是通過一聚焦垂直式磁光克爾效應量測系統(focusedpolarmagneto-opticalkerreffectsystem；以下簡稱fmoke系統)5所產生的一直徑為5μm的聚焦雷射點51來分析，且所述比較例(ce1～ce2)與所述具體例(e1～e3)的磁化翻轉(magnetizationreversal)是在提供該交流脈衝電訊號4於所述比較例(ce1～ce2)與所述具體例(e1～e3)後被監測到；其中，交流脈衝電訊號4是由一型號為keysight33509b的隨意波形產生器(圖未示)所提供，其交流脈衝電訊號4的所述上升時間411、421與所述下降時間413、423是可被獨立調整，並受一型號為tektronixdpo5104b的示波器(oscilloscope，圖未示)所監測。此外，本發明於寫入所述比較例(ce1～ce2)與所述具體例(e1～e3)時的電流密度，是自寫入時所提供的電壓、測得的電阻與所述多層膜的一截面積計算取得。

參閱圖6可知，本發明該比較例1(ce1)雖然可在200oe的水平外加場與趨近+2.8×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩朝下翻轉以達負飽和磁化量(也就是說，m/ms等於-1)並寫入1的訊號，且於趨近-2.8×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩重新朝上翻轉以達正飽和磁化量(也就是說，m/ms等於+1)並重新寫入0的訊號。然而， 由圖7與圖8所顯示的該比較例1(ce1)的垂直方向的磁滯迴路圖可知，當該交流脈衝電訊號為一正幅值時(見圖7)，該比較例1(ce1)的交換偏移場(heb)只約238oe[也就是，該比較例1(ce1)的矯頑場(hc)卻已達548oe[也就是，此外，當該交流脈衝電訊號為一負幅值時(見圖8)，該比較例1(ce1)的交換偏移場(heb)只約232oe[也就是，該比較例1(ce1)的矯頑場(hc)也已達587oe[也就是，顯見該比較例1(ce1)的ir20mn80合金膜厚度只6nm，未能提供足夠量的交換偏移場(heb)。因此，當該比較例1(ce1)於0場的條件下讀取其訊號時，便容易受環境溫度所擾動從而導致訊號的誤判。

參閱圖9可知，本發明該具體例1(e1)不只可在200oe的水平外加場與趨近+3.2×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩朝下翻轉以達負飽和磁化量並寫入1的訊號，且於趨近-3.2×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩重新朝上翻轉以達正飽和磁化量並重新寫入0的訊號。此外，由圖10與圖11所顯示的該具體例1(e1)的垂直方向的磁滯迴路圖可知，當該交流脈衝電訊號為一正幅值時(見圖10)，該具體例1(e1)的交換偏移場(heb)已達約520oe[也就是，該具體例1(e1)的矯頑場(hc)卻只約340oe[也就是，當該交流脈衝電訊號為一負幅值時(見圖11)，該具體例1(e1)的交換偏移場(heb)已達約520oe[也就是，該具體例1(e1)的矯頑場(hc)也只約337oe[也就是，顯見該具體例1(e1)的ir20mn80合金膜厚度(8nm)足以提供足夠量且作用於垂直方向的交換偏移場(heb)。

進一步詳細地來說，由圖10顯示可知，當該具體例1(e1)在該交流脈衝電訊號為正幅值並處於0場時，該磁性自由層的第一金屬膜內的磁矩是朝下翻轉以處於負飽和磁化態，欲使該具體例1(e1)的第一金屬膜內的磁矩朝上翻轉以處於正飽和磁化態，則需提供趨近1koe的磁場才得以使其第一金屬膜內的磁矩朝上翻轉。同樣地，由圖11顯示可知，當該具體例1(e1)在該交流脈衝電訊號為負幅值並處於0 場時，該磁性自由層的第一金屬膜內的磁矩是朝上翻轉以處於正飽和磁化態，欲使該具體例1(e1)的第一金屬膜內的磁矩朝下翻轉至負飽和磁化態，也需提供趨近-1koe的磁場才得以使其第一金屬膜內的磁矩朝下翻轉。換句話說，當本發明該具體例1(e1)在0場時所分別得到的負飽和磁化態與正飽和磁化態相當穩定，並不容易受到磁場所擾動，且欲使前述負飽和磁化態與正飽和磁化態分別翻轉至正飽和磁化態與負飽和磁化態，則需藉由±1koe的磁場才得以達成。因此，圖10與圖11相對證實，當本發明該具體例1(e1)於0場的條件下讀取其訊號時，並不容易受環境溫度所擾動而導致訊號的誤判。

此外，承接上段說明，此處特別值得一提的是，也就是便是本發明該具體例1(e1)因一外在幹擾因素而產生磁矩的翻轉。然而，一旦該外在幹擾因素消失時，經翻轉的磁矩仍可因該外在幹擾因素的消失而瞬間重新翻轉回原來的磁化態；就如同圖10與圖11所顯示般，本發明該具體例1(e1)的磁矩仍可如同處於0場般，分別維持在負飽和磁化態與正飽和磁化態。反觀該前案第一組實驗的磁性自由層1(再參閱圖2)，一旦該磁性自由層1因該外在幹擾因素而產生磁矩的翻轉，便無法恢復至原來的磁化態。換句話說，本發明該具體例1(e1)的結構相較於其他結構(如，前案第一組實驗的磁性自由層1)，本發明擁有非常優異的抵抗外在環境幹擾的性質。

參閱圖12可知，本發明該具體例2(e2)不只可在200oe的水平外加場與趨近+2.9×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩朝下翻轉以達負飽和磁化量並寫入1的訊號，且於趨近-2.9×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩重新朝上翻轉以達正飽和磁化量並重新寫入0的訊號。此外，由圖13與圖14所顯示的該具體例2(e2)的垂直方向的磁滯迴路圖可知，當該交流脈衝電訊號為一正幅值時(見圖13)，該具體例2(e2)的交換偏移場(heb)約300oe[也就是，該具體例2(e2)的矯頑場(hc)卻只約200oe[也就是，當該交流脈衝電訊號為一負幅值時(見圖14)，該具體例2(e2)的交換偏移場(heb)約295oe[也就是，該具體例2(e2)的矯頑場(hc)也只約194oe[也就是，顯見該具體例2(e2)的ir20mn80 合金膜厚度(10nm)足以提供足夠量且作用於垂直方向的交換偏移場(heb)。

具體地來說，由圖13顯示可知，當該具體例2(e2)在該交流脈衝電訊號為正幅值並處於0場時，該磁性自由層的第一金屬膜內的磁矩是朝下翻轉以處於負飽和磁化態，欲使該具體例2(e2)的第一金屬膜內的磁矩朝上翻轉以處於正飽和磁化態，則需提供趨近0.9koe的磁場才得以使其第一金屬膜內的磁矩朝上翻轉。同樣地，由圖14顯示可知，當該具體例2(e2)在該交流脈衝電訊號為負幅值並處於0場時，該磁性自由層的第一金屬膜內的磁矩是朝上翻轉以處於正飽和磁化態，欲使該具體例2(e2)的第一金屬膜內的磁矩朝下翻轉至負飽和磁化態，也需提供趨近-0.9koe的磁場才得以使其第一金屬膜內的磁矩朝下翻轉。換句話說，當本發明該具體例2(e2)在0場時所分別得到的負飽和磁化態與正飽和磁化態相當穩定，並不容易受到磁場所擾動。因此，圖13與圖14相對證實，當本發明該具體例2(e2)於0場的條件下讀取其訊號時，並不容易受環境溫度所擾動而導致訊號的誤判。

參閱圖15可知，本發明該比較例2(ce2)雖然可在600oe的水平外加場與趨近+2.6×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩朝下翻轉以達負飽和磁化量並寫入1的訊號，且於趨近-2.6×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩重新朝上翻轉以達正飽和磁化量並重新寫入0的訊號。然而，由圖16與圖17所顯示的該比較例2(ce2)的垂直方向的磁滯迴路圖可知，當該交流脈衝電訊號為一正幅值時(見圖16)，該比較例2(ce2)的交換偏移場(heb)只約425oe[也就是，該比較例2(ce2)的矯頑場(hc)卻已達775oe[也就是，此外，當該交流脈衝電訊號為一負幅值時(見圖17)，該比較例2(ce2)的交換偏移場(heb)只約301oe[也就是，該比較例2(ce2)的矯頑場(hc)也已達780oe[也就是，顯見該比較例2(ce2)的ir20mn80合金膜厚度只6nm，無法提供足夠量的交換偏移場(heb)。因此，當該比較例2(ce2)於0場的條件下讀取其訊號時，便容易受環境溫度所擾動從而導致訊號的誤判。

參閱圖18可知，本發明該具體例3(e3)不只可在600oe的水平外加場與趨近+2.6×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩朝下翻轉以達負飽和磁化量並寫入1的訊號，且於趨近-3.0×107a/cm2的臨界電流密度(jc)時，使磁矩重新朝上翻轉以達正飽和磁化量並重新寫入0的訊號。此外，由圖19與圖20所顯示的該具體例3(e3)的垂直方向的磁滯迴路圖可知，當該交流脈衝電訊號為一正幅值時(見圖19)，該具體例3(e3)的交換偏移場(heb)已趨近773oe[也就是，該具體例3(e3)的矯頑場(hc)卻只約485oe[也就是，當該交流脈衝電訊號為一負幅值時(見圖20)，該具體例3(e3)的交換偏移場(heb)已趨近522oe[也就是，該具體例3(e3)的矯頑場(hc)卻只約480oe[也就是，顯見該具體例3(e3)的ir20mn80合金膜厚度(8nm)足以提供足夠量且作用於垂直方向的交換偏移場(heb)。

具體地來說，由圖19顯示可知，當該具體例3(e3)在該交流脈衝電訊號為正幅值並處於0場時，該磁性自由層的第一金屬膜內的磁矩是朝下翻轉以處於負飽和磁化態，欲使該具體例3(e3)的第一金屬膜內的磁矩朝上翻轉以處於正飽和磁化態，則需提供趨近1.40koe的磁場才得以使其第一金屬膜內的磁矩朝上翻轉。同樣地，由圖20顯示可知，當該具體例3(e3)在該交流脈衝電訊號為負幅值並處於0場時，該磁性自由層的第一金屬膜內的磁矩是朝上翻轉以處於正飽和磁化態，欲使該具體例3(e3)的第一金屬膜內的磁矩朝下翻轉至負飽和磁化態，也需提供趨近-1.2koe的磁場才得以使其第一金屬膜內的磁矩朝下翻轉。因此，當本發明該具體例3(e3)在0場時所分別得到的負飽和磁化態與正飽和磁化態相當穩定，並不容易受到磁場所擾動。圖19與圖20也相對證實，當本發明該具體例3(e3)於0場的條件下讀取其訊號時，並不容易受環境溫度所擾動而導致訊號的誤判。

整合前述所述具體例(e1～e3)與所述比較例(ce1～ce2)的詳細說明，本發明令該第一金屬膜311的第一厚度(d1)大於0.5nm且小於1.5nm以具有垂直磁異向性(pma)，同時令該第二金屬膜(該irmn合金膜)312的第二厚度(d2)大於6nm，以在未對該第二金屬膜312實施垂 直場退火以及非經由垂直場鍍膜的條件下，借該第二金屬膜312令該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的未補償自旋電子通過自旋軌道扭力(sot)機制所提供的正向有效場與反向有效場以朝下或朝上排列，從而提供足夠量且垂直作用於該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的交換偏移場(heb)，以在簡化mram製程的前提下取得|heb|>|hc|，並解決熱穩定性不足的問題。

綜上所述，本發明具熱穩定性的自旋軌道扭力式磁性隨存儲存器令0.5nm<d16nm以在未對該第二金屬膜312實施垂直場退火以及非經由垂直場鍍膜的條件下，借該第二金屬膜312令該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的未補償自旋電子通過自旋軌道扭力(sot)機制以朝下或朝上排列，從而提供足夠量且垂直作用於該第一金屬膜311與該第二金屬膜312界面間的交換偏移場(heb)，因而在簡化mram製程的前提下取得|heb|>|hc|，同時解決熱穩定性不足的問題。因此，確實可達到本發明的目的。