[發明專利]平面式磁化自旋軌道磁性組件

在審

• 申請號: 202110202621.8
• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN114300613A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 李欣翰;魏拯華;王藝蓉;楊姍意;張耀仁
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/12;G11C11/16
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 張燕華

本發明提供一種平面式磁化自旋軌道磁性組件。此平面式磁化自旋軌道磁性組件包括重金屬層、上電極以及磁穿隧接面。磁穿隧接面設置于重金屬層與上電極之間。磁穿隧接面包括自由層以及固定層。自由層設置于重金屬層上，且自由層具有第一膜面面積。固定層設置于自由層上，且固定層具有第二膜面面積。自由層的膜面形狀的長軸方向與固定層的膜面形狀的長軸方向之間具有預設夾角，且第一膜面面積大于第二膜面面積。

技術領域

本發明涉及一種平面式磁化自旋軌道磁性組件。

背景技術

磁內存(Magnetic Random Access Memory,MRAM)具有速度快、低耗能、高密度、非揮發性，和幾乎可無限次讀寫的優勢，被預測為是下一世代內存的主流。磁內存中存儲元件的主要結構是由鐵磁/非磁性金屬/鐵磁三層材料的固定層(Pined Layer)、穿隧阻障層(Tunneling Barrier Layer)及磁性材料的自由層(Free Layer)所堆棧組成的堆棧結構。此種堆棧結構可被稱為磁穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)組件。由于寫入電流僅通過被選擇的磁穿隧接面組件，而磁化翻轉取決于寫入電流的強度以及外部磁場的強度，因此在磁穿隧接面組件微縮之后反而有利于寫入電流的下降，理論上將能夠同時解決提升寫入選擇性以及降低寫入電流的問題。

以自旋軌道力矩(Spin-Orbit-Torque,SOT)機制來進行讀寫的磁穿隧接面組件可以區分為平面式MTJ組件(In-plane MTJ)以及垂直式MTJ組件(Perpendicular MTJ)。若利用自旋軌道力矩的機制來實現磁內存結構的話，可更為提升操作速度及寫入可靠度。SOT在平面式MTJ組件中的翻轉機制為，將寫入電流通入以鐵磁材料形成的重金屬層。重金屬層將因為自旋霍爾效應而產生自旋轉移力矩(Spin Transfer Torque,STT)。此外，寫入電流在經過材料接口處的垂直電場將會產生拉什巴力矩(Rashba Torque,RT)。由于STT以及RT這兩種力矩皆與寫入電流的方向垂直且平行于膜面，因此這兩種力矩將會相互加總而成為SOT使得鐵磁層的磁矩翻轉，達成寫入存儲元件的目的。

發明內容

本發明實施例提供一種平面式磁化自旋軌道磁性組件，通過對自由層與固定層的膜面形狀進行設計，使得自旋軌道力矩對于自由層的磁矩而言將會提供額外的側向力矩，從而略為降低自由層的磁矩在磁化翻轉的難度，進而達到省電效果。

本發明實施例的平面式磁化自旋軌道磁性組件包括重金屬層、上電極以及磁穿隧接面。磁穿隧接面設置于重金屬層與上電極之間。磁穿隧接面包括自由層以及固定層。自由層設置于重金屬層上，且自由層具有第一膜面面積。固定層設置于自由層上，且固定層具有第二膜面面積。自由層的膜面形狀的長軸方向與固定層的膜面形狀的長軸方向之間具有預設夾角，且第一膜面面積大于第二膜面面積。

基于上述，本發明實施例所提出的平面式磁化自旋軌道磁性組件經設計以將磁穿隧接面中自由層的膜面大于固定層的膜面，且使自由層與固定層的膜面形狀的長軸方向相互之間具有預設夾角。因此，可讓自由層的磁矩更容易受到自旋軌道力矩的影響而被調整。如此一來，自旋軌道力矩將會對自由層的磁矩向量提供額外的側向力矩，從而略為降低自由層的磁矩在磁化翻轉的難度。換句話說，本實施例的自由層磁矩將更易于受到重金屬層的電流所引發的自旋軌道力矩而發生磁化翻轉，因此可降低重金屬層中的寫入電流量級，進而達到省電效果。

附圖說明

圖1A是依照本發明的第一實施例的平面式磁化自旋軌道磁性組件的結構示意圖。

圖1B是圖1A中平面式磁化自旋軌道磁性組件的結構上視圖。

圖1C是圖1A中固定層與自由層的膜面形狀示意圖。

圖2是依照本發明的第一實施例與第二實施例的平面式磁化自旋軌道磁性組件的結構的側視圖。

圖3A是依照本發明的第二實施例的平面式磁化自旋軌道磁性組件的結構示意圖。