TWI613845B - 垂直磁化自旋軌道磁性元件 - Google Patents

Abstract

一種垂直磁化自旋軌道磁性元件。垂直磁化自旋軌道磁 性元件包括重金屬層、磁穿隧接面、第一反鐵磁層、第一阻絕層以及第一外漏場施加層。磁穿隧接面設置於重金屬層上。第一阻絕層設置於磁穿隧接面與第一反鐵磁層之間。第一外漏場施加層設置於第一反鐵磁層與第一阻絕層之間。第一外漏場施加層產生平行於膜面的外漏磁場。第一反鐵磁層接觸所述第一外漏場施加層以定義第一外漏場施加層所產生的磁矩方向。

Description

垂直磁化自旋軌道磁性元件

本發明是有關於一種垂直磁化自旋軌道磁性元件。

磁記憶體(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記憶體的主流。磁記憶體中記憶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(Pinned Layer)、穿隧阻障層(Tunneling Barrier Layer)及磁性材料的自由層(Free Layer)所堆疊組成的堆疊結構。此種堆疊結構可被稱為磁穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction；MTJ)元件。 由於寫入電流僅通過被選擇之磁穿隧接面元件，而磁化翻轉取決於寫入電流的強度以及外部磁場的強度，因此在磁穿隧接面元件微縮之後反而有利於寫入電流的下降，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元件可以區分為水平式MTJ元件(In-plane MTJ)以及垂直式MTJ元件(Perpendicular MTJ)。相較水平式MTJ，垂直式MTJ具備較低的操作電流、較高的元件密度以及較佳的數據保存性。垂直式磁自旋翻轉記憶體(Perpendicular Spin Torque Transfer Random Access Memory；pSTT-RAM)被認為是新世代磁記憶體，其藉由自旋傳輸翻轉(Spin Transfer Switching)作為記錄0和1的數位資訊，且以垂直式MTJ作為主要的磁記憶胞結構，因而具備較佳的熱穩定性，且操作電流較其他類型的磁記憶體來的小。

若利用自旋軌道力矩(Spin-Orbit-Torque；SOT)的機制來實現磁記憶體結構的話，可更為提升操作速度及寫入可靠度。 SOT在垂直膜面磁矩中的翻轉機制為，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以及外部磁場而產生自旋轉移力矩(Spin Transfer Torque；STT)。此外，寫入電流在經過材料介面處的垂直電場以及外部磁場後將會產生拉什巴力矩(Rashba Torque；RT)。由於STT以及RT這兩種力矩皆與寫入電流的方向垂直且平行於膜面，因此這兩種力矩將會相互加總而成為SOT。因此，在與磁矩垂直的膜面上的鐵磁材料施加磁場的話，可產生SOT而使得鐵磁層的磁矩翻轉，達成寫入記憶元件的目的。然而，上述機制需要另外輸入寫入電流以及外加磁場。 廠商希望在透過SOT機制來做為讀寫磁記憶胞機制的情況下，能夠簡化用於控制磁記憶胞結構的設計複雜度。

本發明提供一種磁自旋翻轉記憶胞結構，能自發性地對磁穿隧接面中的自由層產生磁場，進而擁有如同外加磁場一般地在輸入電流輸入時可對記憶胞結構中的磁矩產生翻轉的效果。

本發明的垂直磁化自旋軌道磁性元件包括重金屬層、磁穿隧接面、第一反鐵磁層、第一阻絕層以及第一外漏場施加層。 磁穿隧接面設置於該重金屬層上。第一阻絕層設置於該磁穿隧接面與該第一反鐵磁層之間。第一外漏場施加層設置於第一反鐵磁層與第一阻絕層之間。第一外漏場施加層產生平行於膜面的外漏磁場。第一反鐵磁層接觸該第一外漏場施加層以定義該第一外漏場施加層所產生的磁矩方向。

基於上述，本發明實施例所提出的垂直磁化自旋軌道磁性元件可藉由反鐵磁層、阻絕層以及外漏場施加層而自發性地對磁穿隧接面中的自由層產生外漏的封閉型磁圈以產生外漏磁場，進而擁有如同外加磁場一般地在輸入電流輸入時可對記憶胞結構中的磁矩產生翻轉的效果。如此一來，便可簡化垂直磁化自旋軌道磁性元件在操作上的複雜度。由於可藉由垂直磁化自旋軌道磁性元件自身產生外漏磁場而不需外加磁場，以及僅靠通過輸入電流即可使垂直磁化自旋軌道磁性元件中磁穿隧接面的自由層產生磁矩翻轉，如此便可大幅簡化用以控制垂直磁化自旋軌道磁性元件的操作機制的設計難度，從而降低成本。

為讓本發明的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。

100、200、300、400、500、600、700、800、900‧‧‧垂直磁化自旋軌道磁性元件

110‧‧‧磁穿隧接面

120‧‧‧固定層

122‧‧‧上固定層

123、127‧‧‧磁矩向量

124‧‧‧耦合層

126‧‧‧下固定層

130‧‧‧穿隧能障層

140‧‧‧自由層

141、142‧‧‧指示磁矩方向的箭頭

150‧‧‧重金屬層

210、310、410、510、610、710、810、910‧‧‧第一阻絕層

220、320、420、520、620、720、820、920‧‧‧第一外漏場施加層

230、330、430、530、630、730、830、930‧‧‧第一反鐵磁層

912；第二阻絕層

922‧‧‧第二外漏場施加層

932‧‧‧第二反鐵磁層

221、231、232、621、631、632‧‧‧箭頭

A1、A2、A3‧‧‧膜面面積

H‧‧‧外加磁場

Hs、Hs1、Hs2‧‧‧外漏磁場

Hsx‧‧‧水平方向外漏磁場

Hsz‧‧‧垂直方向外漏磁場

Ic‧‧‧輸入電流

L1x、L2x、L3x、L1z、L2z、L3z‧‧‧線

圖1是一種垂直磁化自旋軌道磁性元件的結構剖面示意圖。

圖2是依照本發明的第一實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件的結構剖面示意圖。

圖3是依照本發明的第二實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件的結構剖面示意圖。

圖4A是依照本發明的第三實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件的結構剖面示意圖。

圖4B是如圖4A之垂直磁化自旋軌道磁性元件的外漏磁場模擬示意圖。

圖5是依照本發明的第四實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件的結構剖面示意圖。

圖6是依照本發明的第五實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件的結構剖面示意圖。

圖7A是依照本發明的第六實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件的結構剖面示意圖。

圖7B是如圖7A之垂直磁化自旋軌道磁性元件的外漏磁場模擬示意圖。

圖8是依照本發明的第七實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元 件的結構剖面示意圖。

圖9是依照本發明的第八實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件的結構剖面示意圖。

圖10是依照本發明的第二實施例中自由層以及第一外漏場施加層在進行外漏磁場Hs模擬的示意圖。

圖11是依照本發明的第二實施例中自由層以及第一外漏場施加層在進行外漏磁場Hs模擬的另一示意圖。

圖1是一種垂直磁化自旋軌道磁性元件100的結構剖面示意圖。垂直磁化自旋軌道磁性元件100主要包括磁穿隧接面110以及重金屬層150。在本實施例中，磁穿隧接面110包括固定層(pinned layer)120、穿隧能障層(tunnel barrier layer)130以及自由層(free layer)140。固定層120例如是由下固定層126、耦合層124以及上固定層122所組成的鐵磁/非磁性金屬/鐵磁材料疊層。上固定層122的磁矩向量123與下固定層126的磁矩向量127呈現互為相反且垂直於膜面以呈現垂直態耦合排列，不受操作磁場或其他情況而改變。

固定層120設置於穿隧能障層130上。穿隧能障層130可設置在自由層140上。自由層140為垂直磁化自旋軌道磁性元件100中的記憶層。重金屬層150可從垂直磁化自旋軌道磁性元件100的電極接點接收輸入電流Ic。並且，此輸入電流Ic將流過 重金屬層150以因自旋霍爾效應(SHE)而產生多種具備不同方向的自旋電流，進而與外加磁場H產生合力矩，使自由層140的磁矩翻轉，藉以達成資料讀寫的目的。

為了方便說明，本發明多個實施例的圖式中設置座標軸X、Y、Z，以利於後續描述。X軸方向為膜面的延伸方向，Y軸方向為垂直紙面向上的方向，Z軸方向為垂直於膜面的方向。各層的膜面與XY平面平行，且圖1中用以表示磁矩向量或磁矩方向的箭頭127、141屬於正的Z軸方向，而箭頭123、142屬於負的Z軸方向，並依此類推。在本實施例中，外加磁場H的提供方向以及輸入電流Ic的傳輸方向為正的X軸方向。

圖1中的垂直磁化自旋軌道磁性元件100還是要透過外部輸入的輸入電流Ic以及外加磁場H才能實現資料讀寫。例如，當輸入電流Ic為正值且具備外加磁場H時，自由層140所感應到的自旋轉移力矩方向為垂直紙面向上(亦即，正的Y軸方向)，使得自由層140中的磁矩方向從箭頭141轉換為箭頭142。相對地，當輸入電流Ic為負值(也就是輸入電流Ic的流向為反方向)且具備外加磁場H時，自由層140所感應到的自旋轉移力矩方向為垂直紙面向下(亦即，負的Y軸方向)，使得自由層140中的磁矩方向從箭頭142轉換為箭頭141。但是，若沒有具備外加磁場H時，自旋轉移力矩將不會產生。

本發明實施例提出一種垂直磁化自旋軌道磁性元件，可藉由額外增設的反鐵磁層、阻絕層以及外漏場施加層來產生外漏 磁場，進而對磁穿隧接面中的自由層產生如同外加磁場的情形，藉以在輸入電流輸入時可對垂直磁化自旋軌道磁性元件產生磁矩翻轉的效果。以下舉一些實施例來描述本發明精神，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2是依照本發明的第一實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件200的結構剖面示意圖。圖2中的上固定層122及下固定層126的材料可以是具有垂直異向性的鐵磁材料。上固定層122及下固定層126可以是單層或複合式多層結構。單層結構的上固定層122或下固定層126可透過例如是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)...等鐵磁材料或這些元素的合金來實現。多層複合式結構的上固定層122或下固定層126則可為鐵磁材料與金屬材料的複合層結構，例如以鈷(Co)/鉑(Pt)、鈷(Co)/鎳(Ni)、鈷(Co)/鈀(Pd)...等元素組成的複合層結構。耦合層124的材料則可以是釕(Ru)。穿隧能障層130為特定厚度下具備磁穿隧條件的絕緣材料。這些絕緣材料可以為氧化鎂、氧化鋁、鎂或三者的組合。

自由層140的材料為具有垂直異相性的鐵磁材料。自由層140主要可利用磁性膜層內的磁矩翻轉來進行資料的讀取，因此自由層140的鐵磁材料可以是鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、钆(Gd)、铽(Tb)、鏑(Dy)、硼(B)或這些元素的合金，如CoFeB、NF、FeB...等。自由層140可以是單層結構或是多層複合式結構。 若自由層為由多層鐵磁材料形成的複合結構的話，這些多層複合結構的材料則可以是鈷(Co)/鉑(Pt)、鈷(Co)/鎳(Ni)、鈷(Co) /鈀(Pd)...等元素組成的複合層結構。自由層140的磁矩向量為垂直於膜面而排列。重金屬層150的材料可以為鉭(Ta)、鉑(Pt)、鎢(W)、上述三者的組合...等。

圖2額外具備第一反鐵磁層230、第一外漏場施加層220以及第一阻絕層210。第一阻絕層210設置於磁穿隧接面110與第一反鐵磁層230之間。第一外漏場施加層220則設置於第一反鐵磁層230與第一阻絕層210之間。第一反鐵磁層230接觸第一外漏場施加層220，藉以定義第一外漏場施加層220所產生的磁矩方向為平行於膜面，如箭頭231及232所示。詳細來說，為了使第一反鐵磁層230能夠定義磁矩方向，可使第一反鐵磁層230經由預定溫度的場退火處理，藉此來藉由第一反鐵磁層230而固定第一外漏場施加層220所產生的磁矩方向(如，箭頭221所指的X軸磁矩方向)。第一反鐵磁層230可由反鐵磁材料構成，反鐵磁材料可以是白金錳(PtMn)、氧化錳(MnO)、錳鐵(IrMn)、氧化鉻(CrO)、上述四者的組合...等。

換句話說，第一外漏場施加層220受到第一反鐵磁層230的影響(如箭頭231、232所指的磁矩方向)，因而產生平行於膜面且外漏於第一外漏場施加層220之外的封閉型磁圈，藉以產生外漏磁場Hs。本實施例中第一外漏場施加層220中的磁矩方向可如箭頭221所示。第一外漏場施加層220可由鐵磁材料來構成，而此鐵磁材料可以為鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、硼(B)或這些元素的合金。第一阻絕層210 用以隔絕第一反鐵磁層230對於磁矩排列方向的傳遞，也就是避免重金屬層150中的電流Ic會受到第一反鐵磁層230的影響。另一方面，由於重金屬層150中將會產生自旋電流，第一阻絕層210也需要能夠阻斷重金屬層150中自旋電流對於第一外漏場施加層220的影響。第一阻絕層210可以具備經實驗而得的預定厚度，從而有效地隔開上下層的金屬或鐵磁材料的自旋電流傳遞，讓各層的操作機制能夠單純而不相互影響。第一阻絕層210的材料可以是氧化鎂、氧化鋁、鎂或三者的組合。

如此一來，對自由層140來說，外漏磁場Hs的功能便會如同圖1的外部磁場H一般。換句話說，操作垂直磁化自旋軌道磁性元件200僅需提供輸入電流Ic到重金屬層150，自由層140即會進行磁矩翻轉而產生外漏磁場Hs，進而實現自由層140所記憶的資料的讀寫功能，而不需另外提供外部磁場H。如此一來，便可簡化垂直磁化自旋軌道磁性元件200在進行讀寫操作上的複雜度。

本發明實施例中的第一阻絕層210、第一外漏場施加層220以及第一反鐵磁層230設置在重金屬層150下方。於本實施例中，圖2的重金屬層150設置在第一阻絕層210上，第一阻絕層210設置在第一外漏場施加層220上，且第一外漏場施加層220設置在第一反鐵磁層230上。於符合本發明精神的其他實施例中，第一阻絕層、第一外漏場施加層以及第一反鐵磁層也可設置在磁穿隧接面110的固定層120上方。

特別說明的是，本發明實施例針對垂直磁化自旋軌道磁性元件200中磁穿隧接面110以及外漏場施加層220的形狀以及膜面面積相互進行比對以及對外漏磁場進行數據模擬，藉以分析磁穿隧接面110中的自由層140與磁穿隧接面110之間採行何種形狀或是面積比例以獲得較佳的外漏磁場Hs，或是會受到其他方向的磁場干擾。磁穿隧接面110、重金屬層150、第一阻絕層210、第一外漏場施加層220或第一反鐵磁層230的形狀可以為圓形、橢圓形、正方形或矩形。

以下假設磁穿隧接面110、重金屬層150、第一阻絕層210、第一外漏場施加層220及第一反鐵磁層230皆為圓形形狀。 磁穿隧接面110中各層(包括自由層140)的形狀亦皆為圓形。重金屬層150在XY平面上具備第一膜面面積A1，磁穿隧接面110在XY平面上具備第二膜面面積A2。在本實施例中，第一膜面面積A1大於第二膜面面積A2。第一外漏場施加層220以及第一反鐵磁層230在XY平面上具備相同的第三膜面面積A3。在此說明，對於自由層140來說，『水平方向外漏磁場Hs』為平行於自由層140膜面(即，平行於XY平面)的外漏磁場Hs的磁場分量，且水平方向外漏磁場Hs能有效地對自由層140進行自旋傳輸翻轉效應。『垂直方向外漏磁場Hs』為垂直於自由層140膜面(即，與Z軸方向平行)的外漏磁場Hs的磁場分量。垂直方向外漏磁場Hs難以對自由層140進行自旋傳輸翻轉效應，反而會干擾自旋傳輸翻轉效應而使其效果變差。當第一外漏場施加層220的第三膜面 面積A3相同於自由層140的第一膜面面積A2且兩者形狀一致的時候，透過針對圖2至圖5中外漏磁場Hs的模擬可知，圖2自由層140邊界處可感受到大於圖3、圖4、圖5中自由層140邊界處的水平方向外漏磁場Hs。然而，圖2自由層140邊界處也會感受到大於圖3、圖4、圖5中自由層140的邊界處的垂直方向外漏磁場Hs。

圖3是依照本發明的第二實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件300的結構剖面示意圖。第一反鐵磁層330定義第一外漏場施加層320所產生的磁矩方向為平行於膜面，如箭頭231及232所示。第一外漏場施加層320以箭頭方向221來說明其磁矩方向。 圖2與圖3之間的差異在於，圖3的第一反鐵磁層330及第一外漏場施加層320所具備的第三膜面面積A3小於重金屬層150所具備的第一膜面面積A1，且第三膜面面積A3大於磁穿隧接面110所具備的第二膜面面積A2。第一阻擋層310的膜面面積則為A1。 透過針對圖2至圖5中外漏磁場Hs的模擬可知，圖3自由層140邊界處可感受到水平方向外漏磁場Hs及垂直方向外漏磁場Hs皆大於圖4、圖5中自由層140所感受到的水平方向外漏磁場Hs及垂直方向外漏磁場Hs，且皆小於圖2中自由層140所感受到的水平方向外漏磁場Hs及垂直方向外漏磁場Hs。

圖4A是依照本發明的第三實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件400的結構剖面示意圖，圖4B是如圖4A之垂直磁化自旋軌道磁性元件400的外漏磁場Hs模擬示意圖。第一反鐵磁層 430定義第一外漏場施加層420所產生的磁矩方向為平行於膜面，如箭頭231及232所示。第一外漏場施加層420以箭頭方向221來說明其磁矩方向。圖4A與圖2、圖3之間的差異在於，圖4A的第一反鐵磁層430及第一外漏場施加層420所具備的第三膜面面積A3將等於重金屬層150所具備的第一膜面面積A1。第一阻擋層410的膜面面積則為A1。藉此，經由外漏磁場Hs的模擬以及圖4B可知，圖4B中自由層140整體所感受到的水平方向外漏磁場Hs(圖4B中的磁場Hsx)較為平均，而垂直方向外漏磁場Hs(圖4B中的磁場Hsz)的數值則較圖2、圖3的模擬為少。詳細來說，磁場Hsx的平均數值小於圖2、圖3自由層140的水平方向外漏磁場Hs，但大於圖5自由層140的水平方向外漏磁場Hs。磁場Hsz的平均數值小於圖2、圖3自由層140的垂直方向外漏磁場Hs，但大於圖5自由層140的垂直方向外漏磁場Hs。

圖5是依照本發明的第四實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件500的結構剖面示意圖。圖5與圖2、圖3、圖4之間的差異在於，圖5的第一反鐵磁層530及第一外漏場施加層520所具備的第三膜面面積A3將大於重金屬層150所具備的第一膜面面積A1。第一阻擋層410具備第一膜面面積A1。藉此，經由外漏磁場Hs的模擬可知，圖5中自由層140整體所感受到的水平方向外漏磁場Hs更為平均，而垂直方向外漏磁場Hs的數值則較圖2、圖3、圖4的模擬為少。換句話說，圖5自由層140的水平方向外漏磁場Hs的平均數值皆小於圖2至圖4的水平方向外漏磁場Hs；圖5 自由層140的垂直方向外漏磁場Hs的平均數值亦皆小於圖2至圖4的垂直方向外漏磁場Hs。藉此，基於圖2至圖5的模擬，為了使自由層140具備較均勻的水平方向外漏磁場Hs且避免獲得較大的垂直方向外漏磁場Hs，第一反鐵磁層及第一外漏場施加層所具備的膜面面積似乎等於或大於重金屬層所具備的膜面面積較佳。

第一阻絕層、第一外漏場施加層以及第一反鐵磁層也可設置在磁穿隧接面110的固定層120上方，在此以圖6至圖8的垂直磁化自旋軌道磁性元件600、700、800之結構來做為舉例。 圖6是依照本發明的第五實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件600的結構剖面示意圖。在本實施例中，第一阻絕層610設置在磁穿隧接面層110的固定層120上方。第一外漏場施加層620設置在第一阻絕層610上，且第一反鐵磁層630設置在第一外漏場施加層620上。第一反鐵磁層630定義第一外漏場施加層620所產生的磁矩方向為平行於膜面(即，平行於XY平面)，如箭頭631及632所示。第一外漏場施加層620以箭頭621所指方向來說明其磁矩方向作為舉例。由於第一外漏場施加層620與重金屬層150之間的距離較遠，因此第一阻絕層610不太需要阻斷重金屬層150中自旋電流對於第一外漏場施加層620的影響。然而，第一阻絕層610仍需隔絕第一反鐵磁層630對於固定層120中耦合層124之磁矩排列方向的傳遞。第一阻絕層610、第一外漏場施加層620以及第一反鐵磁層630的功用及材料如同圖2的相應層所述。

在圖6中，第一外漏場施加層620以及第一反鐵磁層630 具備相同的第三膜面面積A3。在此假設第一阻絕層610具備第二膜面面積A2，且第一外漏場施加層620以及第一反鐵磁層630的第三膜面面積A3小於自由層140的第二膜面面積A2。經由外漏磁場Hs的模擬可知，圖6的自由層140的磁場感受將類似於圖2的模擬。若是更詳細比較，圖2自由層140邊界處的水平方向外漏磁場Hs略為大於圖6自由層140邊界處的水平方向外漏磁場Hs，而圖6自由層140邊界處的垂直方向外漏磁場Hs則略為大於圖2自由層140邊界處的垂直方向外漏磁場Hs。也就是說，相較於圖6的自由層140，圖2的自由層140能夠較為有效地進行自旋傳輸翻轉效應，且能略為降低垂直方向外漏磁場Hs的影響。

圖7A是依照本發明的第六實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件700的結構剖面示意圖，圖7B是如圖7A之垂直磁化自旋軌道磁性元件700的外漏磁場Hs模擬示意圖。第一反鐵磁層730定義第一外漏場施加層720所產生的磁矩方向為平行於膜面，如箭頭631及632所示。第一外漏場施加層720以箭頭621所指方向來說明其磁矩方向。圖6與圖7A之間的差異在於，圖7A的第一反鐵磁層730及第一外漏場施加層720所具備的第三膜面面積A3等於磁穿隧接面110所具備的第二膜面面積A2。第一阻絕層710具備第二膜面面積A2。圖7A的自由層140對於外漏磁場Hs的感受可參照圖7B的模擬波形。經由圖6至圖8中外漏磁場Hs的模擬以及圖7B可知，圖7B中自由層140整體所感受到的水平方向外漏磁場Hs(圖7B中的磁場Hsx)較為平均。詳細 來說，圖7B中自由層140邊界處的水平方向外漏磁場Hs及垂直方向外漏磁場Hs皆大於圖6中自由層140邊界處的水平方向外漏磁場Hs及垂直方向外漏磁場Hs，且小於圖8中自由層140邊界處的水平方向外漏磁場Hs及垂直方向外漏磁場Hs。

圖8是依照本發明的第七實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件800的結構剖面示意圖。第一反鐵磁層830定義第一外漏場施加層820所產生的磁矩方向為平行於膜面，如箭頭631及632所示。第一外漏場施加層820以箭頭621所指方向來說明其磁矩方向。圖6與圖8之間的差異在於，圖8的第一反鐵磁層830及第一外漏場施加層820所具備的第三膜面面積A3大於磁穿隧接面110所具備的第二膜面面積A2。第一阻絕層810具備第二膜面面積A2。經由外漏磁場Hs的模擬可知，圖8的自由層140的磁場感受類似於圖5的模擬，也就是說，圖8中自由層140整體所感受到的水平方向外漏磁場Hs相較於圖6、圖7中自由層140的水平方向外漏磁場Hs更為平均且較微弱，而圖8中自由層140的垂直方向外漏磁場Hs則較圖6、圖7中自由層140的垂直方向外漏磁場Hs為少。藉此，基於圖6至圖8的外漏磁場Hs模擬，為了使自由層140具備較均勻的水平方向外漏磁場Hs且避免獲得較大的垂直方向外漏磁場Hs，第一反鐵磁層及第一外漏場施加層所具備的膜面面積似乎等於或大於固定層120所具備的膜面面積較佳。

本發明實施例還可在圖1的重金屬層150下方以及固定層120上方皆放置阻絕層、外漏場施加層以及反鐵磁層，藉以強 化自由層140中外漏磁場的強度。甚至，若適當地調整上方及下方的外漏場施加層的尺寸，還有可能讓這兩個外漏場施加層所產生的垂直方向外漏磁場相互抵銷，藉以降低自由層140受到干擾的機率。

圖9是依照本發明的第八實施例的垂直磁化自旋軌道磁性元件900的結構剖面示意圖。於圖9中，重金屬層150設置在第一阻絕層910上，第一阻絕層910設置在第一外漏場施加層920上，且第一外漏場施加層920設置在該第一反鐵磁層930上。第一反鐵磁層930定義第一外漏場施加層920所產生的磁矩方向為平行於膜面，如箭頭231及232所示。第一外漏場施加層720以箭頭221來說明其磁矩方向。第二阻絕層912設置在磁穿隧接面110的固定層120上，第二外漏場施加層922設置在第二阻絕層912上，且第二反鐵磁層932設置在第二外漏場施加層922上。第二反鐵磁層932定義第二外漏場施加層922所產生的磁矩方向為平行於膜面，如箭頭631及632所示。第二外漏場施加層922以箭頭621所指方向來說明其磁矩方向。藉此，第一外漏場施加層920所產生的水平方向外漏磁場Hs1將與第二外漏場施加層922所產生的水平方向外漏磁場Hs2在水平方向上的磁場強度相加，使得自由層140得以獲得在圖2至圖9中自由層140所感受到最強的水平方向外漏磁場Hs強度。相對地，由於垂直方向的外漏磁場Hs1與垂直方向的外漏磁場Hs2互為反向，因而在圖9的自由層140處將會略為相互抵銷。也就是說，位於自由層140處平行 於Z軸方向的垂直方向外漏磁場的數值將會降低，藉以降低自由層140在進行自旋傳輸翻轉效應時被干擾的機率。

本發明之一實施例亦深入分析外漏場施加層的形狀與自由層的形狀是否會相互影響到自由層所感受到的外漏磁場。圖10是依照本發明的第二實施例中自由層140以及第一外漏場施加層220在進行外漏磁場Hs模擬的示意圖。為了方便說明，圖10中左方僅繪示自由層140以及位於重金屬層下方的第一外漏場施加層220，且在圖10中的右上方繪示第一外漏場施加層220所產生的水平方向外漏磁場Hsx的強度模擬圖，在圖10中的右下方繪示第一外漏場施加層220所產生的垂直方向外漏磁場Hsz的強度模擬圖。在此假設，自由層140與第一外漏場施加層220的形狀皆為圓形，自由層140的直徑為300nm，且自由層140與第一外漏場施加層220之間的距離為5nm。在水平方向外漏磁場Hsx的強度模擬圖中，線L1x/線L2x/線L3x分別表示當第一外漏場施加層220的直徑為200nm/300nm/400nm時所產生的水平方向外漏磁場Hsx。在垂直方向外漏磁場Hsz的強度模擬圖中，線L1z/線L2z/線L3z分別表示當第一外漏場施加層220的直徑為200nm/300nm/400nm時所產生的垂直方向外漏磁場Hsz。由圖10中的模擬圖可知，當第一外漏場施加層220的直徑越小，則自由層140的邊界處會獲得較大的水平方向外漏磁場Hsx，但也會獲得較大的垂直方向外漏磁場Hsz的干擾。相對地，當第一外漏場施加層220的直徑越大，則自由層140的邊界處會獲得較小的水 平方向外漏磁場Hsx，但垂直方向外漏磁場Hsz的干擾也越小。

圖11是依照本發明的第二實施例中自由層140以及第一外漏場施加層220在進行外漏磁場Hs模擬的另一示意圖。類似於圖10，圖11中左方僅繪示自由層140以及位於重金屬層下方的第一外漏場施加層220，且在圖11中的右上方與右下方分別繪示第一外漏場施加層220所產生的水平方向外漏磁場Hsx的強度模擬圖及垂直方向外漏磁場Hsz的強度模擬圖。圖11與圖10之間的差異在於，自由層140的形狀為圓形，但第一外漏場施加層220的形狀則為正方形。在水平方向外漏磁場Hsx的強度模擬圖中，線L1x/線L2x/線L3x分別表示當第一外漏場施加層220的邊長為200nm/300nm/400nm時所產生的水平方向外漏磁場Hsx。在垂直方向外漏磁場Hsz的強度模擬圖中，線L1z/線L2z/線L3z分別表示當第一外漏場施加層220的邊長為200nm/300nm/400nm時所產生的垂直方向外漏磁場Hsz。類似於圖10，由圖11中的模擬圖可知，當第一外漏場施加層220的邊長越小，則自由層140的邊界處會獲得較大的水平方向外漏磁場Hsx，但也會獲得較大的垂直方向外漏磁場Hsz的干擾。相對地，當第一外漏場施加層220的邊長越大，則自由層140的邊界處會獲得較小的水平方向外漏磁場Hsx，但垂直方向外漏磁場Hsz的干擾也越小。

綜上所述，本發明實施例所提出的垂直磁化自旋軌道磁性元件可藉由反鐵磁層、阻絕層以及外漏場施加層而自發性地對磁穿隧接面中的自由層產生外漏的封閉型磁圈以產生外漏磁場， 進而擁有如同外加磁場一般地在輸入電流輸入時可對記憶胞結構中的磁矩產生翻轉的效果。如此一來，便可簡化垂直磁化自旋軌道磁性元件在操作上的複雜度。由於可藉由垂直磁化自旋軌道磁性元件自身產生外漏磁場而不需外加磁場，以及僅靠通過輸入電流即可使垂直磁化自旋軌道磁性元件中磁穿隧接面的自由層產生磁矩翻轉，如此便可大幅簡化用以控制垂直磁化自旋軌道磁性元件的操作機制的設計難度，從而降低成本。

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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

200‧‧‧垂直磁化自旋軌道磁性元件

110‧‧‧磁穿隧接面

120‧‧‧固定層

122‧‧‧上固定層

123、127‧‧‧磁矩向量

124‧‧‧耦合層

126‧‧‧下固定層

130‧‧‧穿隧能障層

140‧‧‧自由層

150‧‧‧重金屬層

210‧‧‧第一阻絕層

220‧‧‧第一外漏場施加層

230‧‧‧第一反鐵磁層

Hs‧‧‧外漏磁場

Ic‧‧‧輸入電流

A1、A2、A3‧‧‧膜面面積

221、231、232‧‧‧箭頭

Claims (20)

1. 一種垂直磁化自旋軌道磁性元件，包括：重金屬層；磁穿隧接面，設置於該重金屬層上；第一反鐵磁層；第一阻絕層，設置於該磁穿隧接面與該第一反鐵磁層之間；以及第一外漏場施加層，設置於該第一反鐵磁層與該第一阻絕層之間，產生平行於膜面的外漏磁場，其中該第一反鐵磁層接觸該第一外漏場施加層以定義該第一外漏場施加層所產生的磁矩方向，其中該重金屬層設置在該第一阻絕層上，該第一阻絕層設置在該第一外漏場施加層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中所述重金屬層與該第一阻絕層具備相同的一第一膜面面積，且該磁穿隧接面具備一第二膜面面積，其中該第一膜面面積大於該第二膜面面積。
3. 如申請專利範圍第2項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該第一外漏場施加層以及該第一反鐵磁層具備一第三膜面面積，其中該第二膜面面積等於該第三膜面面積。
4. 如申請專利範圍第2項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該第一外漏場施加層以及該第一反鐵磁層具備相同的第 三膜面面積，其中該第三膜面面積小於該第一膜面面積且大於該第二膜面面積。
5. 如申請專利範圍第2項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該第一外漏場施加層以及該第一反鐵磁層具備相同的第三膜面面積，其中該第三膜面面積等於該第一膜面面積。
6. 如申請專利範圍第2項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該第一外漏場施加層以及該第一反鐵磁層具備相同的第三膜面面積，其中該第三膜面面積大於該第一膜面面積。
7. 如申請專利範圍第1項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，更包括：第二阻絕層，設置在該磁穿隧接面上；第二反鐵磁層；以及第二外漏場施加層，設置在該第二阻絕層上，其中該第二反鐵磁層設置在該第二外漏場施加層上。
8. 如申請專利範圍第7項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該重金屬層、該第一阻絕層、該第一外漏場施加層以及該第一反鐵磁層具備相同的第一膜面面積，且該磁穿隧接面、第二阻絕層、第二反鐵磁層以及第二外漏場施加層具備第二膜面面積，其中該第一膜面面積大於該第二膜面面積。
9. 如申請專利範圍第1項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該第一阻絕層的材料為氧化鎂、氧化鋁、鎂或三者的組合。
10. 如申請專利範圍第1項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該第一反鐵磁層經預定溫度的場退火處理以固定該第一外漏場施加層所產生的該磁矩方向，該第一反鐵磁由反鐵磁材料構成，該反鐵磁材料為白金錳(PtMn)、氧化錳(MnO)、錳鐵(IrMn)、氧化鉻(CrO)或上述四者的組合。
11. 如申請專利範圍第1項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該重金屬層從一電極接點接收輸入電流以產生自旋電流，以使該磁穿隧接面發生磁化翻轉，該重金屬層的材料為鉭(Ta)、鉑(Pt)、鎢(W)或上述三者的組合。
12. 如申請專利範圍第1項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該磁穿隧接面包括：自由層；穿隧能障層，設置於該自由層上；以及固定層，設置於該穿隧能障層上。
13. 如申請專利範圍第12項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該自由層的材料為具有垂直異相性的鐵磁材料，該自由層的磁矩向量為垂直於膜面而排列。
14. 如申請專利範圍第12項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該自由層為由多層鐵磁材料形成的複合結構。
15. 如申請專利範圍第12項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該穿隧能障層為氧化鎂、氧化鋁、鎂或三者的組合。
16. 如申請專利範圍第1項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該磁穿隧接面的形狀為圓形或橢圓形，且該第一反鐵磁層、該第一阻絕層及該第一外漏場施加層的形狀為矩形。
17. 一種垂直磁化自旋軌道磁性元件，包括：重金屬層；磁穿隧接面，設置於該重金屬層上；第一反鐵磁層；第一阻絕層，設置於該磁穿隧接面與該第一反鐵磁層之間；以及第一外漏場施加層，設置於該第一反鐵磁層與該第一阻絕層之間，產生平行於膜面的外漏磁場，其中該第一反鐵磁層接觸該第一外漏場施加層以定義該第一外漏場施加層所產生的磁矩方向，其中該第一阻絕層設置在該磁穿隧接面層上，該第一外漏場施加層設置在該第一阻絕層上，且該第一反鐵磁層設置在該第一外漏場施加層上，其中該重金屬層具備第一膜面面積，該磁穿隧接面具備第二膜面面積，其中該第一膜面面積大於該第二膜面面積。
18. 如申請專利範圍第17項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該第一外漏場施加層以及該第一反鐵磁層具備相同的第三膜面面積，且該第一阻絕層具備該第二膜面面積，其中該第三膜面面積小於該第二膜面面積。
19. 如申請專利範圍第17項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該第一外漏場施加層以及該第一反鐵磁層具備相同的第三膜面面積，且該第一阻絕層具備該第二膜面面積，其中該第三膜面面積等於該第二膜面面積。
20. 如申請專利範圍第17項所述的垂直磁化自旋軌道磁性元件，其中該第一外漏場施加層以及該第一反鐵磁層具備相同的第三膜面面積，且該第一阻絕層具備該第二膜面面積，其中該第三膜面面積大於該第二膜面面積。