具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器的制作方法

本发明于涉及一种磁性随存储存器(magnetoresistiverandom-accessmemory，以下称mram)，特别是涉及一种具热稳定性(thermalstability)的自旋轨道扭力式磁性随存储存器(以下称sot-mram)。

背景技术：

基于穿隧磁阻(tunnelingmagnetoresistance；简称tmr)效应的发现，使得由铁磁性(ferromagnetics)自由层(freelayer)、厚度极薄的绝缘阻障层(barrierlayer)与铁磁性固定层(pinnedlayer)所构成的磁性随存储存器(mram)，可通过电子的自旋(spin)特性并配合电流与外加磁场以快速地令该铁磁性自由层的磁矩(magneticmoment)翻转，从而使marm可通过自由层与固定层内的磁矩排列的关系来改变其电阻值，并借此辨识出marm的0与1两种讯号。因此，mram已被公认是下一世代的储存器。以现有的mram当中，又以sot-mram因采用三接点(three-terminal)式的手段来传输其电讯号，其可避免元件在写入讯号的过程中交流脉冲电讯号的电流频繁地穿过绝缘阻障层所造成的损害而广受重视。

然而，sot-mram目前仍无法被商品化的主要问题在于，其在写入讯号的过程中仍需仰赖一外加磁场(appliedmagneticfield)才可达成写入讯号的动作。也因为如此，使得使用者在使用sot-mram时需额外配备一可提供外加磁场的装置，导致sot-mram迟迟无法被商品化。

为突破上述问题，a.vandenbrink等人则是于naturecommunications,doi:10.1038/ncomms10854(2016)公开有field-freemagnetizationreversalbyspin-halleffectandexchangebias一文(以下称前案)。参阅图1，公开于前案的一第一组实验的一种自旋轨道扭力式磁性随存储存器的一磁性自由层1，是由直流磁控溅镀(dcmagnetronsputtering)法所制成。该磁性自由层1包括一形成于一经热 氧化处理的硅基板(图未示)上且厚度约1nm的ta膜11、一形成于该ta膜11上且厚度约3nm并具有自旋霍尔效应(spinhalleffect)的下pt膜12、一形成于该下pt膜12上且厚度约0.7nm并具有铁磁性的co膜13、一形成于该co膜13上且厚度只约0.3nm的上pt膜14、一形成在该上pt膜14上且厚度约6nm的ir20mn80合金膜15，及一形成于该ir20mn80合金膜15上且厚度约1.5nm并用来保护该ir20mn80合金膜15的taox膜16。在前案的该第一组实验所公开的该磁性自由层1中，是对该磁性自由层1施予电子束微影制程(electron-beamlithographyprocess)以形成一霍尔十字结构(hallcrosses，图未示)后，并于该霍尔十字结构上形成两对ti/au多层膜以完成电性接触(contact)。后续，沿着该霍尔十字结构的其中一轴线以在225℃的温度下对该霍尔十字结构施予一30分钟的2.0t的水平方向的磁场退火(magneticfieldannealing)。最终，在该水平方向的磁场中冷却以固定该霍尔十字结构的一交换偏移方向(exchange-biasdirection)。

此处需说明的是，为了因应知识爆炸的资讯时代以满足记忆量的需求，本发明所属技术领域中的相关技术人员无不想方设法地缩减记忆胞(memorycell)尺寸，以借此提升mram的记录密度。因此，铁磁性材料在缩小晶粒尺寸(grainsize)以增加记录密度的前提下，则需具备有足够的磁异向性能(magneticanisotropicenergy；ku)以提供良好的热稳定性(thermalstability；kuv/kbt)。然而，本发明的相关技术人员皆知，当铁磁性材料体积过小时，将导致磁异向性能与铁磁性材料体积的乘积(kuv)不足以克服外界温度所造成的热扰动，因而形成磁矩不稳定的超顺磁现象(superparamagnetism)。因此，本发明的相关技术人员在提升mram的记录密度的同时，也进一步地衍生出此技术领域所不乐见的热稳定性不足的问题。

根据前案的分析结果显示，该磁性自由层1经该水平方向的磁场退火后，虽然可借由其所引入的该ir20mn80合金膜15的反铁磁性(anti-ferromagnetic)产生该交换偏移方向，以在没有外加水平磁场(也就是，0mt)的条件下经由电流脉冲(currentpulses)来翻转磁矩。然而，参阅图2可知，该磁性自由层1在其co膜13的一易轴(easyaxis)方向[也就是，垂直(out-ofplane)方向]上的磁滞回路(hysteresisloop)图却 显示出，该磁性自由层1的一矫顽磁力(magneticcoercivity；μ0hc)约为0.04t，而该磁性自由层1的交换偏移方向却趋近0。因此，一旦该磁性自由层1在零场的条件下读取其磁化态(magnetizationstate)以辨识该磁性自由层1所产生的0或1的讯号时，极容易受到环境温度的干扰，因而导致正饱和磁化(saturatedmagnetization；讯号0)与负饱和磁化(也就是；讯号1)的误判。前案第一组实验的磁性自由层1对于提升记录密度的贡献度相当有限。

虽然前案更进一步地延用该第一组实验并改变该磁性自由层1的细部膜层结构以实施一第二组实验，将该磁性自由层1的该ta膜11、该下pt膜12，与该co膜13的厚度分别增加至3nm、4nm与1.5nm，并移除该上pt膜14，且改变该ir20mn80合金膜15的厚度为0nm至15.0nm间，并使该taox膜16改由一厚度约2.0nm的pt膜取代，且在225℃的温度下对该第二组实验的一霍尔十字结构施予一30分钟的0.2t的垂直方向的磁场退火，可使该磁性自由层1在该ir20mn80合金膜15的厚度为6nm时得到最大的交换偏移场(exchange-biasmagneticfield；heb)，使其交换偏移场(heb)大于其矫顽场(coercivemagneticfield；hc)以减少热稳定性不足的问题。然而，前案的第二组实验仍需对该ir20mn80合金膜15预先施予垂直场退火处理，才可令该磁性自由层1的交换偏移场(heb)大于其矫顽场(hc)，使得mram的制程难以简化。

经上述说明可知，改良sot-mram的磁性自由层的结构，以在简化mram制程的前提下同时解决热稳定性不足的问题，是此技术领域的相关技术人员所待突破的难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可简化mram制程并解决热稳定性不足的问题的具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器。

本发明具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，包含一个基板，及一个自旋轨道扭力式记忆胞。该自旋轨道扭力式记忆胞设置于该基板，并具有一磁性自由层。该磁性自由层包括一呈铁磁性的第一金属膜、一接触该第一金属膜且呈反铁磁性的第二金属膜，及一接触该第一金属膜并呈一自旋霍尔效应的第三金属膜。

在本发明中，该第一金属膜具有一足以使该第一金属膜呈垂直磁异向性(perpendicularmagneticanisotropy；pma)的第一厚度(d1)，0.5nm<d1<1.5nm；该第二金属膜具有一足以对该磁性自由层提供有一交换偏移场(heb)的第二厚度(d2)，且d2>6nm，该heb是在沿着该第一金属膜的一难轴(hardaxis)对该磁性自由层同时提供有一外加磁场及一交流脉冲电讯号(ac-pulse-electricsignal)以达该交流脉冲电讯号所产生的一临界电流密度(criticalcurrentdensity；jc)时所形成；该第二金属膜是一未经垂直场退火与非经垂直场镀膜(magneticfieldcoating)所构成的irmn合金膜；该磁性自由层本质上在达该临界电流密度(jc)时具有一矫顽场(hc)，且|heb|>|hc|。

此外，在本发明中，该磁性自由层是经由该交流脉冲电讯号的一正幅值使该第三金属膜通过该自旋霍尔效应以产生一正向自旋电流，且该正向自旋电流能在该第一金属膜内提供一正向角动量(angularmomentum)，以在该交流脉冲电讯号达该临界电流密度时使该正向自旋电流协同该正向角动量形成的一正向有效场(effectivefield)，该正向有效场能令该第一金属膜内的磁矩达成朝上翻转与朝下翻转两者其中一者，同时能令该第一金属膜与该第二金属膜界面间的未补偿的自旋电子(uncompensatedelectron)是对应该第一金属膜达成朝上排列与朝下排列两者其中一者，以令该第一金属膜与该第二金属膜界面间的交换偏移场(heb)是作用于垂直方向；该磁性自由层是经由该交流脉冲电讯号的一负幅值使该第三金属膜通过该自旋霍尔效应以产生一反向自旋电流，且该反向自旋电流能在该第一金属膜内提供一反向角动量，以在该交流脉冲电讯号达该临界电流密度时使该反向自旋电流协同该反向角动量形成一反向有效场，该反向有效场能令该第一金属膜内的磁矩达成朝上翻转与朝下翻转两者其中另一者，同时能令该第一金属膜与该第二金属膜界面间的未补偿的自旋电子是对应该第一金属膜达成朝上排列与朝下排列两者其中另一者，以令该第一金属膜与该第二金属膜界面间的交换偏移场(heb)是作用于垂直方向。

本发明的具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，0.8nm≤d1<1.2nm，8nm≤d2≤15nm。

本发明的具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，该第一 金属膜含有一选自下列所构成的群组的第一金属：co、fe、ni，及前述第一金属的组合；该第三金属膜是由一第二金属或一经掺杂有一第四金属的第三金属所制成，该第二金属是选自一由下列所构成的群组：pd、pt、ta、mo及w，该第三金属是选自一由下列所构成的群组：cu、pt、w，及前述第三金属的组合，该第四金属是选自一由下列所构成的群组：ir、pt、w、bi，及前述第四金属的组合。

本发明的具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，该第一金属膜是由co所制成；该第三金属膜是由pt所制成。

本发明的具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，该第三金属膜具有一第三厚度(d3)，1.5nm≤d3≤8nm。

本发明的具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器，1.5nm≤d3≤3.0nm。

本发明的有益效果在于：令0.5nm<d1<1.5nm以使该第一金属膜具有垂直磁异向性(pma)，同时令d2>6nm以在未对该第二金属膜实施垂直场退火及非经由垂直场镀膜的条件下，借该第二金属膜令该第一、二金属膜界面间的未补偿自旋电子通过自旋轨道扭力(sot)机制所产生的正向与负向有效场以朝上或朝下排列，从而提供足够量且垂直作用于该第一、二金属膜界面间的交换偏移场(heb)，因而在简化mram制程的前提下取得|heb|>|hc|并解决热稳定性不足的问题。

附图说明

本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：

图1是一正视示意图，说明公开于前案中的一种自旋轨道扭力式磁性随存储存器的一第一组实验的一磁性自由层；

图2是一垂直方向的磁滞回路图，说明前案第一组实验的磁性自由层的磁性质；

图3是一正视示意图，说明本发明具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器的一实施例；

图4是一示意图，说明本发明该实施例、数个具体例(examples；以下称e)与数个比较例(comparativeexamples，以下称ce)于写入时的实施态样；

图5是一幅值(magnitude)对时间的关系图，说明本发明所述具体例(e)与所述比较例(ce)于写入时所实施的一交流脉冲电讯号；

图6是一克尔强度(kerrintensity；m/ms)对电流密度(currentdensity；j)关系图，说明本发明一比较例1(ce1)的一磁性自由层的磁化态；

图7是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该比较例1(ce1)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一正幅值时的磁性质；

图8是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该比较例1(ce1)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一负幅值时的磁性质；

图9是一克尔强度(m/ms)对电流密度(j)关系图，说明本发明一具体例1(e1)的一磁性自由层的磁化态；

图10是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该具体例1(e1)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一正幅值时的磁性质；

图11是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该具体例1(e1)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一负幅值时的磁性质；

图12是一克尔强度(m/ms)对电流密度(j)关系图，说明本发明一具体例2(e2)的一磁性自由层的磁化态；

图13是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该具体例2(e2)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一正幅值时的磁性质；

图14是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该具体例2(e2)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一负幅值时的磁性质；

图15是一克尔强度(m/ms)对电流密度(j)关系图，说明本发明一比较例2(ce2)的一磁性自由层的磁化态；

图16是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该比较例2(ce2)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一正幅值时的磁性质；

图17是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该比较例2(ce2)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一负幅值时的磁性质；

图18是一克尔强度(m/ms)对电流密度(j)关系图，说明本发明一具体例3(e3)的一磁性自由层的磁化态；

图19是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该具体例3(e3)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一正幅值时的磁性质；及

图20是一垂直方向的磁滞回路图，说明本发明该具体例3(e3)的磁性自由层在该交流脉冲电讯号为一负幅值时的磁性质。

具体实施方式

<发明详细说明>

如图3所示，本发明具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器的一实施例，包含一个基板2，及一个设置于该基板2上的自旋轨道扭力式记忆胞3。

该自旋轨道扭力式记忆胞3具有一设置于该基板2的上的磁性自由层31、一设置于该基板2上的磁性固定层32、一夹置于该磁性自由层31与该磁性固定层32间的绝缘阻障层33，及一覆盖该磁性自由层31并由ta所构成的保护层(cappinglayer)34。该磁性自由层31包括一呈铁磁性的第一金属膜311、一接触该第一金属膜311且呈反铁磁性的第二金属膜312，及一接触该第一金属膜311并呈一自旋霍尔效应的第三金属膜313。具体地来说，本发明该实施例的该第三金属膜313是形成于该绝缘阻障层33上，且该第一金属膜311是夹置于该第二金属膜312与该第三金属膜313间。

在本发明该实施例中，该第一金属膜311具有一足以使该第一金属膜311呈垂直磁异向性(pma)的第一厚度(d1)，0.5nm<d1<1.5nm；该第二金属膜312具有一足以对该磁性自由层31提供有一交换偏移场(heb)的第二厚度(d2)，且d2>6nm。如图4所示，该heb是在沿着该第一金属膜311的一难轴对该磁性自由层31同时提供有一外加磁场及一交流脉冲电讯号4以达该交流脉冲电讯号4所产生的一临界电流密度(jc)时所形成。此处需补充说明的是，由于本发明该第一金属膜311具有垂直磁异向性(pma)；因此，该第一金属膜311的难轴所指的是如图4所示的一水平方向+x。换句话说，该外加磁场所指的是一外加水平场(以下称外加水平场)。详细地来说，本发明该实施例于写入讯号时，是沿该第一金属膜311的难轴(如图4所示的该水平方向+x)对该磁性自由层31同时提供该水平外加场与具有一正幅值41及一负幅值42的该交流脉冲电讯号4。如图5所示，该交流脉冲电讯号4的该正幅值41与该负幅值42分别具有一上升时间(risetime)411与421、一持续时间(durationtime)412与422，及一下降时间(fall time)413与423。本发明对以下多个具体例(e)与多个比较例(ce)写入讯号时所使用的所述上升时间411、421分别为8.3ns，所述持续时间412、422分别为10μs，且所述下降时间413、423分别为1μs。

此外，在本发明该实施例中，该第二金属膜312是一未经垂直场退火与非经垂直场镀膜所构成的irmn合金膜，且该irmn合金膜的组成是ir20mn80；该磁性自由层31本质上在达该临界电流密度(jc)时具有一矫顽场(hc)，且|heb|>|hc|。此处附带说明的是，该磁性自由层31本质上在达该临界电流密度(jc)时具有该矫顽场(hc)的具体意义是指，当提供于该磁性自由层31的该交流脉冲电讯号4被移除后，该磁性自由层31仍具有该矫顽场(hc)，于此一并简单说明。

再参阅图4与图5，在本发明该实施例中，该磁性自由层31是经由该交流脉冲电讯号4的该正幅值41使该第三金属膜313通过该自旋霍尔效应以产生一正向自旋电流，且该正向自旋电流能在该第一金属膜311内提供一正向角动量，以在该交流脉冲电讯号4达该临界电流密度(jc)时使该正向自旋电流协同该正向角动量形成一正向有效场，该正向有效场能令该第一金属膜311内的磁矩达成朝上翻转与朝下翻转两者其中一者，同时能令该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的未补偿的自旋电子是对应该第一金属膜311达成朝上排列与朝下排列两者其中一者，以令该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的交换偏移场(heb)是作用于垂直方向。

同样地，该磁性自由层31是经由该交流脉冲电讯号4的该负幅值42使该第三金属膜313通过该自旋霍尔效应以产生一反向自旋电流，且该反向自旋电流能在该第一金属膜311内提供一反向角动量，以在该交流脉冲电讯号4达该临界电流密度(jc)时使该反向自旋电流协同该反向角动量形成一反向有效场，该反向有效场能令该第一金属膜311内的磁矩达成朝上翻转与朝下翻转两者其中另一者，同时能令该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的未补偿的自旋电子是对应该第一金属膜311达成朝上排列与朝下排列两者其中另一者，以令该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的交换偏移场(heb)是作用于垂直方向。

经上述几段说明可知，本发明该实施例除了通过自旋轨道扭力 (sot)机制提供该正向的有效场与该反向的有效场以使该第一金属膜311内的磁矩翻转外。此外，本发明该实施例令该呈铁磁性的第一金属膜311的第一厚度(d1)大于0.5nm且小于1.5nm以具有垂直磁异向性(pma)，同时令该呈反铁磁性的第二金属膜(该irmn合金膜)312的第二厚度(d2)大于6nm，以在未对该第二金属膜312实施垂直场退火及非经由垂直场镀膜的条件下，借该第二金属模312令该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的未补偿自旋电子，同样是通过自旋轨道扭力(sot)机制所提供的正向有效场与反向有效场以朝上或朝下排列，从而提供足够量且垂直作用于该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的交换偏移场(heb)。

较佳地，0.8nm≤d1<1.2nm，8nm≤d2≤15nm。

较佳地，该第一金属膜311含有一选自下列所构成的群组的第一金属：co、fe、ni，及前述第一金属的组合；该第三金属膜313是由一第二金属或一经掺杂有一第四金属的第三金属所制成，该第二金属是选自一由下列所构成的群组：pd、pt、ta、mo及w，该第三金属是选自一由下列所构成的群组：cu、pt、w，及前述第三金属的组合，该第四金属是选自一由下列所构成的群组：ir、pt、w、bi，及前述第四金属的组合。该第一金属膜311还可含有b。举例来说，该第一金属膜311也可由cofeb三元合金所构成。

在本发明的所述具体例(e)与所述比较例(ce)中，该第一金属膜311是由co所制成；该第三金属膜313是由pt所制成。

较佳地，该第三金属膜313具有一第三厚度(d3)，1.5nm≤d3≤8nm。更佳地，1.5nm≤d3≤3.0nm。

此处需补充说明的是，该磁性自由层31在提供有该水平外加场的条件下，经由该交流脉冲电讯号4的正幅值41或负幅值42以达该临界电流密度(jc)时使该第一金属膜311内的磁矩达成朝上或朝下翻转，并使该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间未补偿的电子朝上排列或朝下排列的决定性因素，是取决于该第三金属膜313的材质。

以本发明以下所述具体例(e)与所述比较例(ce)的第三金属膜313是由pt所制成为例来说，该磁性自由层31在提供有该水平外加 场的条件下，是经由该交流脉冲电讯号4的正幅值41与该负幅值42以达该临界电流密度(jc)时，分别令该第一金属膜311内的磁矩朝下翻转以达负饱和磁化量与朝上翻转以达正饱和磁化量，并分别令该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的未补偿的自旋电子朝下排列与朝上排列。

本发明该实施例虽然是以该自旋轨道扭力式记忆胞3具有该磁性自由层31、该磁性固定层32、该绝缘阻障层33及该保护层34为例做说明。然而，此处需补充说明的是，本发明所属技术领域中的相关技术人员都应该知道，决定sot-mram所记录的0与1等讯号的主要角色，仍在于该磁性自由层31。基于该磁性自由层31是用来主宰sot-mram所记录的讯号的主要元件，申请人为缩减本案说明书的篇幅，以下有关于本案所述具体例(e)与所述比较例(ce)的具体实施条件及其分析数据等相关说明，是以其自旋轨道扭力式记忆胞3只具有该磁性自由层31为例来说明。因此，以下所有涉及到各具体例(e)与各比较例(ce)的电性分析等相关说明，并非以sot-mram的阻态(resistance-state)来说明其所储存的讯号，而是以其磁性自由层31的磁化态或克尔强度(m/ms)来说明其所储存的讯号。所谓的克尔强度(m/ms)是被定义成磁性自由层31的经标准化(normalized)的一残留磁化量(remanentmagnetization，m)对其一饱和磁化量(saturatedmagnetization，ms)的比值，于此一并先行说明。

<比较例1(ce1)>

本发明具热稳定性的自旋轨道扭力式随存储存器的一比较例1(ce1)是根据该实施例来实施，其具体的制作方法及其细部结构是简单说明于下。

首先，以直流磁控溅镀法(dcmagnetronsputtering)于一经热氧化(thermaloxidized)的硅晶圆(siwafer)上依序沉积一厚度为2.5nm的下ta膜、一厚度为2.0nm的下pt膜以作为该比较例1(ce1)的磁性自由层的一第三金属膜、一厚度为1.17nm的co膜以作为该比较例1(ce1)的一第一金属膜、一厚度为6.0nm的ir20mn80合金膜以作为该比较例1(ce1)的一第二金属膜、一厚度为4.0nm的上pt膜，及一厚度为2.5nm的上ta膜，从而于该硅晶圆上形成一多层膜。

后续，利用光微影制程(photolithographyprocess)及反应式离子蚀刻法(reactive-ionetching，rie)使该多层膜图案化(patterned)成数对外观尺寸各为5μm×10μm的微米线，且每对微米线彼此交叉以形成一霍尔十字结构。最后，利用光微影制程、直流磁控溅镀法与光阻剥离制程(lift-offprocess)于各对微米线的相反两端缘上分别依序形成一厚度10nm的ta膜与一厚度100nm的pt膜以作为该比较例1(ce1)的一上电极。在本发明该比较例1(ce1)中，该上pt膜与该上ta膜也取代该比较例1(ce1)的该上电极。前述上电极并非本发明的技术重点，于此不再多加赘述。

整合上述各段详细说明可知，本发明该比较例1(ce1)的磁性自由层为pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(6nm)。

<具体例1(e1)>

本发明具热稳定性的自旋轨道扭力式随存储存器的一具体例1(e1)大致上是相同于该比较例1(ce1)，其不同处是在于，本发明该具体例1(e1)是以一厚度为8nm的ir20mn80合金膜来作为该具体例1(e1)的一磁性自由层的一第二金属膜；也就是，该具体例1(e1)的一硅晶圆上所形成的一多层膜为ta(2.5nm)/pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(8nm)/pt(4nm)/ta(2.5nm)；且该磁性自由层为pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(8nm)。

<具体例2(e2)>

本发明具热稳定性的自旋轨道扭力式随存储存器的一具体例2(e2)大致上是相同于该比较例1(ce1)，其不同处是在于，本发明该具体例2(e2)是以一厚度为10nm的ir20mn80合金膜来作为该具体例2(e2)的一磁性自由层的一第二金属膜；也就是，该具体例2(e2)的一硅晶圆上所形成的一多层膜为ta(2.5nm)/pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(10nm)/pt(4nm)/ta(2.5nm)；且该磁性自由层为pt(2nm)/co(1.17nm)/ir20mn80(10nm)。

<比较例2(ce2)>

本发明具热稳定性的自旋轨道扭力式随存储存器的一比较例2(ce2)大致上是相同于该比较例1(ce1)，其不同处是在于，本发明该比较例2(ce2)是以一厚度为0.88nm的co膜来作为该比较例2(ce2) 的一磁性自由层的一第一金属膜；也就是，该比较例2(ce2)的一硅晶圆上所形成的一多层膜为ta(2.5nm)/pt(2nm)/co(0.88nm)/ir20mn80(6nm)/pt(4nm)/ta(2.5nm)；且该磁性自由层为pt(2nm)/co(0.88nm)/ir20mn80(6nm)。

<具体例3(e3)>

本发明具热稳定性的自旋轨道扭力式随存储存器的一具体例3(e3)大致上是相同于该比较例2(ce2)，其不同处是在于，本发明该具体例3(e3)是以一厚度为8nm的ir20mn80合金膜来作为该具体例3(e3)的一磁性自由层的一第二金属膜；也就是，该具体例3(e3)的一硅晶圆上所形成的一多层膜为ta(2.5nm)/pt(2nm)/co(0.88nm)/ir20mn80(8nm)/pt(4nm)/ta(2.5nm)；且该磁性自由层为pt(2nm)/co(0.88nm)/ir20mn80(8nm)。

再参阅图4与图5，此处需进一步补充说明的是，本发明于写入所述比较例(ce1～ce2)与所述具体例(e1～e3)以分析其磁性质时，是通过一聚焦垂直式磁光克尔效应量测系统(focusedpolarmagneto-opticalkerreffectsystem；以下简称fmoke系统)5所产生的一直径为5μm的聚焦雷射点51来分析，且所述比较例(ce1～ce2)与所述具体例(e1～e3)的磁化翻转(magnetizationreversal)是在提供该交流脉冲电讯号4于所述比较例(ce1～ce2)与所述具体例(e1～e3)后被监测到；其中，交流脉冲电讯号4是由一型号为keysight33509b的随意波形产生器(图未示)所提供，其交流脉冲电讯号4的所述上升时间411、421与所述下降时间413、423是可被独立调整，并受一型号为tektronixdpo5104b的示波器(oscilloscope，图未示)所监测。此外，本发明于写入所述比较例(ce1～ce2)与所述具体例(e1～e3)时的电流密度，是自写入时所提供的电压、测得的电阻与所述多层膜的一截面积计算取得。

参阅图6可知，本发明该比较例1(ce1)虽然可在200oe的水平外加场与趋近+2.8×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩朝下翻转以达负饱和磁化量(也就是说，m/ms等于-1)并写入1的讯号，且于趋近-2.8×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩重新朝上翻转以达正饱和磁化量(也就是说，m/ms等于+1)并重新写入0的讯号。然而， 由图7与图8所显示的该比较例1(ce1)的垂直方向的磁滞回路图可知，当该交流脉冲电讯号为一正幅值时(见图7)，该比较例1(ce1)的交换偏移场(heb)只约238oe[也就是，该比较例1(ce1)的矫顽场(hc)却已达548oe[也就是，此外，当该交流脉冲电讯号为一负幅值时(见图8)，该比较例1(ce1)的交换偏移场(heb)只约232oe[也就是，该比较例1(ce1)的矫顽场(hc)也已达587oe[也就是，显见该比较例1(ce1)的ir20mn80合金膜厚度只6nm，未能提供足够量的交换偏移场(heb)。因此，当该比较例1(ce1)于0场的条件下读取其讯号时，便容易受环境温度所扰动从而导致讯号的误判。

参阅图9可知，本发明该具体例1(e1)不只可在200oe的水平外加场与趋近+3.2×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩朝下翻转以达负饱和磁化量并写入1的讯号，且于趋近-3.2×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩重新朝上翻转以达正饱和磁化量并重新写入0的讯号。此外，由图10与图11所显示的该具体例1(e1)的垂直方向的磁滞回路图可知，当该交流脉冲电讯号为一正幅值时(见图10)，该具体例1(e1)的交换偏移场(heb)已达约520oe[也就是，该具体例1(e1)的矫顽场(hc)却只约340oe[也就是，当该交流脉冲电讯号为一负幅值时(见图11)，该具体例1(e1)的交换偏移场(heb)已达约520oe[也就是，该具体例1(e1)的矫顽场(hc)也只约337oe[也就是，显见该具体例1(e1)的ir20mn80合金膜厚度(8nm)足以提供足够量且作用于垂直方向的交换偏移场(heb)。

进一步详细地来说，由图10显示可知，当该具体例1(e1)在该交流脉冲电讯号为正幅值并处于0场时，该磁性自由层的第一金属膜内的磁矩是朝下翻转以处于负饱和磁化态，欲使该具体例1(e1)的第一金属膜内的磁矩朝上翻转以处于正饱和磁化态，则需提供趋近1koe的磁场才得以使其第一金属膜内的磁矩朝上翻转。同样地，由图11显示可知，当该具体例1(e1)在该交流脉冲电讯号为负幅值并处于0 场时，该磁性自由层的第一金属膜内的磁矩是朝上翻转以处于正饱和磁化态，欲使该具体例1(e1)的第一金属膜内的磁矩朝下翻转至负饱和磁化态，也需提供趋近-1koe的磁场才得以使其第一金属膜内的磁矩朝下翻转。换句话说，当本发明该具体例1(e1)在0场时所分别得到的负饱和磁化态与正饱和磁化态相当稳定，并不容易受到磁场所扰动，且欲使前述负饱和磁化态与正饱和磁化态分别翻转至正饱和磁化态与负饱和磁化态，则需借由±1koe的磁场才得以达成。因此，图10与图11相对证实，当本发明该具体例1(e1)于0场的条件下读取其讯号时，并不容易受环境温度所扰动而导致讯号的误判。

此外，承接上段说明，此处特别值得一提的是，也就是便是本发明该具体例1(e1)因一外在干扰因素而产生磁矩的翻转。然而，一旦该外在干扰因素消失时，经翻转的磁矩仍可因该外在干扰因素的消失而瞬间重新翻转回原来的磁化态；就如同图10与图11所显示般，本发明该具体例1(e1)的磁矩仍可如同处于0场般，分别维持在负饱和磁化态与正饱和磁化态。反观该前案第一组实验的磁性自由层1(再参阅图2)，一旦该磁性自由层1因该外在干扰因素而产生磁矩的翻转，便无法恢复至原来的磁化态。换句话说，本发明该具体例1(e1)的结构相较于其他结构(如，前案第一组实验的磁性自由层1)，本发明拥有非常优异的抵抗外在环境干扰的性质。

参阅图12可知，本发明该具体例2(e2)不只可在200oe的水平外加场与趋近+2.9×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩朝下翻转以达负饱和磁化量并写入1的讯号，且于趋近-2.9×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩重新朝上翻转以达正饱和磁化量并重新写入0的讯号。此外，由图13与图14所显示的该具体例2(e2)的垂直方向的磁滞回路图可知，当该交流脉冲电讯号为一正幅值时(见图13)，该具体例2(e2)的交换偏移场(heb)约300oe[也就是，该具体例2(e2)的矫顽场(hc)却只约200oe[也就是，当该交流脉冲电讯号为一负幅值时(见图14)，该具体例2(e2)的交换偏移场(heb)约295oe[也就是，该具体例2(e2)的矫顽场(hc)也只约194oe[也就是，显见该具体例2(e2)的ir20mn80 合金膜厚度(10nm)足以提供足够量且作用于垂直方向的交换偏移场(heb)。

具体地来说，由图13显示可知，当该具体例2(e2)在该交流脉冲电讯号为正幅值并处于0场时，该磁性自由层的第一金属膜内的磁矩是朝下翻转以处于负饱和磁化态，欲使该具体例2(e2)的第一金属膜内的磁矩朝上翻转以处于正饱和磁化态，则需提供趋近0.9koe的磁场才得以使其第一金属膜内的磁矩朝上翻转。同样地，由图14显示可知，当该具体例2(e2)在该交流脉冲电讯号为负幅值并处于0场时，该磁性自由层的第一金属膜内的磁矩是朝上翻转以处于正饱和磁化态，欲使该具体例2(e2)的第一金属膜内的磁矩朝下翻转至负饱和磁化态，也需提供趋近-0.9koe的磁场才得以使其第一金属膜内的磁矩朝下翻转。换句话说，当本发明该具体例2(e2)在0场时所分别得到的负饱和磁化态与正饱和磁化态相当稳定，并不容易受到磁场所扰动。因此，图13与图14相对证实，当本发明该具体例2(e2)于0场的条件下读取其讯号时，并不容易受环境温度所扰动而导致讯号的误判。

参阅图15可知，本发明该比较例2(ce2)虽然可在600oe的水平外加场与趋近+2.6×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩朝下翻转以达负饱和磁化量并写入1的讯号，且于趋近-2.6×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩重新朝上翻转以达正饱和磁化量并重新写入0的讯号。然而，由图16与图17所显示的该比较例2(ce2)的垂直方向的磁滞回路图可知，当该交流脉冲电讯号为一正幅值时(见图16)，该比较例2(ce2)的交换偏移场(heb)只约425oe[也就是，该比较例2(ce2)的矫顽场(hc)却已达775oe[也就是，此外，当该交流脉冲电讯号为一负幅值时(见图17)，该比较例2(ce2)的交换偏移场(heb)只约301oe[也就是，该比较例2(ce2)的矫顽场(hc)也已达780oe[也就是，显见该比较例2(ce2)的ir20mn80合金膜厚度只6nm，无法提供足够量的交换偏移场(heb)。因此，当该比较例2(ce2)于0场的条件下读取其讯号时，便容易受环境温度所扰动从而导致讯号的误判。

参阅图18可知，本发明该具体例3(e3)不只可在600oe的水平外加场与趋近+2.6×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩朝下翻转以达负饱和磁化量并写入1的讯号，且于趋近-3.0×10⁷a/cm²的临界电流密度(jc)时，使磁矩重新朝上翻转以达正饱和磁化量并重新写入0的讯号。此外，由图19与图20所显示的该具体例3(e3)的垂直方向的磁滞回路图可知，当该交流脉冲电讯号为一正幅值时(见图19)，该具体例3(e3)的交换偏移场(heb)已趋近773oe[也就是，该具体例3(e3)的矫顽场(hc)却只约485oe[也就是，当该交流脉冲电讯号为一负幅值时(见图20)，该具体例3(e3)的交换偏移场(heb)已趋近522oe[也就是，该具体例3(e3)的矫顽场(hc)却只约480oe[也就是，显见该具体例3(e3)的ir20mn80合金膜厚度(8nm)足以提供足够量且作用于垂直方向的交换偏移场(heb)。

具体地来说，由图19显示可知，当该具体例3(e3)在该交流脉冲电讯号为正幅值并处于0场时，该磁性自由层的第一金属膜内的磁矩是朝下翻转以处于负饱和磁化态，欲使该具体例3(e3)的第一金属膜内的磁矩朝上翻转以处于正饱和磁化态，则需提供趋近1.40koe的磁场才得以使其第一金属膜内的磁矩朝上翻转。同样地，由图20显示可知，当该具体例3(e3)在该交流脉冲电讯号为负幅值并处于0场时，该磁性自由层的第一金属膜内的磁矩是朝上翻转以处于正饱和磁化态，欲使该具体例3(e3)的第一金属膜内的磁矩朝下翻转至负饱和磁化态，也需提供趋近-1.2koe的磁场才得以使其第一金属膜内的磁矩朝下翻转。因此，当本发明该具体例3(e3)在0场时所分别得到的负饱和磁化态与正饱和磁化态相当稳定，并不容易受到磁场所扰动。图19与图20也相对证实，当本发明该具体例3(e3)于0场的条件下读取其讯号时，并不容易受环境温度所扰动而导致讯号的误判。

整合前述所述具体例(e1～e3)与所述比较例(ce1～ce2)的详细说明，本发明令该第一金属膜311的第一厚度(d1)大于0.5nm且小于1.5nm以具有垂直磁异向性(pma)，同时令该第二金属膜(该irmn合金膜)312的第二厚度(d2)大于6nm，以在未对该第二金属膜312实施垂 直场退火以及非经由垂直场镀膜的条件下，借该第二金属膜312令该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的未补偿自旋电子通过自旋轨道扭力(sot)机制所提供的正向有效场与反向有效场以朝下或朝上排列，从而提供足够量且垂直作用于该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的交换偏移场(heb)，以在简化mram制程的前提下取得|heb|>|hc|，并解决热稳定性不足的问题。

综上所述，本发明具热稳定性的自旋轨道扭力式磁性随存储存器令0.5nm<d1<1.5nm以使该第一金属膜311具有垂直磁异向性(pma)，同时令d2>6nm以在未对该第二金属膜312实施垂直场退火以及非经由垂直场镀膜的条件下，借该第二金属膜312令该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的未补偿自旋电子通过自旋轨道扭力(sot)机制以朝下或朝上排列，从而提供足够量且垂直作用于该第一金属膜311与该第二金属膜312界面间的交换偏移场(heb)，因而在简化mram制程的前提下取得|heb|>|hc|，同时解决热稳定性不足的问题。因此，确实可达到本发明的目的。