TWI277761B - Method for measuring hysteresis curve and anisotropic energy of magnetic memory units - Google Patents

Description

1277761 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種磁性記憶單元之磁滞曲線與異 向性能量之量測方法，且特別是有關於一種複數層磁性記 憶單元之磁滯曲線與異向性能量之量測方法。 【先前技術】 隨著生活中磁性元件的應用日漸廣泛，開發各種較佳 物理特性之磁性材料成為相關研究單位的當務之急，而測 量磁性材料的磁滯曲線與異向性能量（anis〇tr〇pic energy ; Ku)即為一種重要的材料特性判別方式。 習知的磁滞曲線量測方法係藉由振動樣品測磁儀 (Vibrating Sample Magnetometer ; VSM)或利用雷射光束科 爾（Kerr)旋轉角的量測取得。 VSM的量測原理是當具有磁性的樣品在線圈附近振 盪時’以線圈所感應的磁通量變化來反推測樣品的磁性 質。 雷射光束科爾（Kerr)旋轉角的量測原理是當一磁性物 夤在外加磁％作用下磁化或鐵磁性物質本身自發性的磁 化，會使得物質本身的折射率產生磁雙折射（magnetic birefringence)的覌象，即其右旋折射率和左旋折射率不相 同。此時讓一垂直入射且線性偏振的雷射光束垂直入射到 樣品表面，會有一磁光科爾效應產生讓表面反射出來的光 會形成橢圓偏振，得到一與入射光源相差一個科爾角（艮6打 5 1277761 angle)的橢圓偏振光，而利用橢圓偏振光的角度可使其判 別磁矩的方向，配合外加磁場來取得整體的磁滯曲線。 習知的單層異向性能量是利用VSM外加與待測樣品 之磁化量（magnetization)互相平行且強度遠大於磁化量的 磁％ ’取得待測樣品之磁滞變化曲線（hysteresis ι〇〇ρ)矯頭 場（coercive field)與單位磁化量大小之變化曲線後，另施加 與待測樣品之磁化量互相垂直且強度遠大於磁化量的磁 場’取得待測樣品之垂直異向性能量變化曲線圖，再配合 程式運算以取得異向性能量的值。 不論是習知之VSM或Kerr旋轉角量測方法皆易受環 境因素影響數據之正確性，VSM量測方式感測靈敏度高， 若樣品與線圈間之位置稍有偏差便會使數據差之千里， Kerr旋轉角量測方法之雷射光束的路徑、強度、角度偏差 亦皆會提高檢測之難度，因此本發明提出一利用異常霍爾 效應的方式來檢測取得磁性樣品的磁滯曲線與異向性能 里，此法可大大降低樣品磁滞曲線與異向性能量檢測之難 度與快速取得曲線及數據。 且習知之量測方法僅能測得單一材料之異向性能 量，若一磁性結構為複數個磁性材料組合而成，則此量測 方法便無法取得各個磁性材料之異向性能量。 上述習知技術所面臨的問題於現今磁性元件均由各 種材料之多層膜組成的情況下，係必然會㈣之課題，以 上問題均可由本發明所改善。 6 1277761 【發明内容】 技推決上述和其他的問題，並且達到本發明所主張的 本發明提供-種磁性記憶單元之磁滞曲線盘里 量測方法’以量測由複數個材料所組成之磁性 結構的異向性能量。

」此本發明的目的就是在提供—種磁滯曲線與異向 =月匕1之量測方法，以漸次外加磁場加上紀錄各次續頑場 、異，配合程式計算以得到個別材料之異向性能量。 根據本發明之上述目的，提出一種複數層磁性結構的 ”向！·生此里之篁測方法，此方法應用了異常霍爾效應， 外加磁場於具有垂直磁化量之磁性材料，將磁性㈣包含 之垂直磁化量偏向後’即產生一霍爾電壓(㈣Vo—)， 此種現象與通人電流於材料中，使材料中的電子與電洞朝 材料兩側分佈而形成的霍爾電壓不同，故稱為異常霍爾效 應。 、口此不同的磁性材料具有不同的矯頑場強度，外加 磁場使磁性結構中所有的磁性材料之淨磁化量均趨向同 一方向，而後漸次施加與各個磁性材料矯頑場互相平行與 反平行且強度略大於各個磁性材料矯頑場的磁場，再施2 互相垂直且強度遠大於各個磁性材料矯頑場的磁場，並逐 次紀錄矯頑場強度之變化曲線與異向性能量變化曲線；外 加磁場使磁性結構中的特定磁性材料之淨磁化量與其餘 兹f生材料的淨磁化量方向相反，而後漸次施加與各個磁性 7 Ϊ277761 口矯頑％互相垂直且強度略大於各個磁性材料矯頑場

=磁場，並逐次紀錄矯頑場強度之變化曲線與異向性能S ，化曲線，再配合程式運算以獲取特定磁性材料之異向性 能量。 本發明利用向量關係漸次取得各個磁性材料於不同 外加磁場下累加的異向性能量方程式，再以向量分析各; 程式逐次取得各個磁性材料的異向性能量值。本發明對各 ::平磁異向性或垂直磁異向性之磁性結構或材料均可 【實施方式】 、參知第1圖，其緣示依照本發明一較佳實施例的一種 以異带霍爾效應量測含有單層磁性材料元件的磁滞曲線 之方法。时的磁性科i⑽係由上保護層11G 12〇、下保護層130所組成。 層

1 12G為垂直異向性之磁性材料，例如亂鐵始 eC〇)、轼鐵鈷（TbFeCo)4鏑鐵鈷（DyFeC〇)。於磁性元 之z軸方向施加磁場14〇，使磁性層⑽之淨磁化 向偏轉。再於γ軸方向通以固定大小之電流 ^相場i4G的強度，最後可由χ軸方向取得霍 值之變化，而緣示出磁性元件1G0之磁滞曲線。（Χ 軸4的方向，請參照第1圖中的座標軸） 、^ 圖，其输示依照本發明一較佳實施例的一種 以異常霍爾效應量測含有單層磁性材料元件的異向性能 8 1277761 量之方法。圖中的磁性元件200係由上保護層210、磁性 層220、下保護層230所組成。 於磁性元件200之Z軸方向施加磁場240,磁性層220 之淨磁化量往同一方向偏轉。然後於磁性元件200外施加 ~ Y軸方向之磁場250，此Y軸方向之磁場250的值必須略 大於磁性層220的矯頑場，由此可得磁性層220的異向性 能量曲線，並透過程式運算可取得異向性能量值。（Y軸與 Z軸的方向，請參照第2圖中的座標軸） • 參照第3圖，其繪示依照本發明一較佳實施例的一種 異向性能量量測方法之第一階段。圖中的磁性元件300係 由下電極層310、第一主磁性層320、第一副磁性層330、 ，氧化物層340、第二副磁性層350、第二主磁性層360與 上電極層370組合而成的複數層磁性結構。 此磁性元件300可作為磁性記憶單元中的磁性穿隧接 面（Magnetic Tunneling Junction ; MTJ)，其中第一主磁性 層320與第二主磁性層360的淨磁化量較強，此第一主磁 瞻性層320的作用為磁性穿隨接面的自由層（free layer)，此 第二主磁性層360的作用則為磁性穿隧接面的被固定層 (pinned layer) 〇 第一主磁性層320的材料可為釓鐵鈷（GdFeCo)，此第 一主磁性層320包含淨磁化量321，此淨磁化量321易因 外加磁場而改變方向；第二主磁性層360的材料可為铽鐵 鈷（TbFeCo)，此第二主磁性層360包含淨磁化量361，此 淨磁化量361為垂直異向性；且第二主磁性層360的矯頑 9

1277761 場大於第一主磁性層320的矯頑場。 旦於磁性元件谓外施加垂直向下的磁場鳩，使淨磁 化1 321與淨磁化量361均轉往同一方向。 參照第4圖，其㈣依照本發明—較佳實施例的一種 異向性能量量測方法之第二階段。於磁性元件外施加 Ϊ平方向磁場381，此水平方向磁場如的值必須略大於 弟主磁性層320的襟頑場，但小於第二主磁性層遍的 :頑場，由此可得第一主磁性層32〇與第二主磁性層36〇 累加的異向性能量曲線’透過程式運算可取得下列之一 方程式·· JVUA = Ku32〇 + Ku36〇 在外加磁場381的作用下，KuA為第—主磁性層32 與第二主磁性層360累加的異向性能量，％“第―曰^ 性層320的異向性能量，KU36。為第二主磁性層·的里读 性能量。 a 參照第5圖，其纷示依照本發明一較佳實施例的—種 異向性能量量測方法之第三階段。於磁性元件遍外施加 垂直向上的磁場382 ’使淨磁化量321與淨磁化量361的 方向相反。 參照第6圖，其纷示依照本發明一較佳實施例的一種 異向性能量量測方法之第四階段。於磁性元件綱外施加 水平方向磁場383，此水平方向磁場383的值必須略大於 第一主磁性層320的矯頑場，但小於第二主磁性層360的 墙頑場，由此可得第-主磁性層32G與第二主磁性層36〇 1277761 累加的異向性能量曲線，透過程式運算可取得下 方程式： 』心弟一 Κ^Β = - Ku32〇 + Ku36〇 =上述之第一方程式與第二方程式可得下列之第三方程 Ku32〇 = (KuA - KuB) / 2 在外加磁場383的作用下，KuB為第-主磁性斧32〇 與第二主磁性層360累加的異向性能量，No為第二主磁 性層320的異向性能量，KU36Q為第二主磁性層_的 性能量。 … 因上述方法所外加的磁場均小於第二主磁性層鳩的 矯頑場，故無法取得完整的第二主磁性層36〇異向性能量 變化曲線。所以，重複上述第二與第三階段，但施加的水 平外加磁場的值需遠大於第一主磁性層320與第二主磁性 層360的續頑場，如此才能取得第二主磁性層36〇完整的 異向性能量變化曲線。 由上述第-、第二與第三方程式可知，第二主磁性層 360的異向性能量為表示為下列之第四方程式：

Ku36〇 == (KuA + KuB) / 2 在遠大於第一主磁性層320與第二主磁性層360續頑 場的外加磁場作用下，Kua為第—主磁性層似與第二主 磁:生層360的淨磁化1方向相同時累加的異向性能量，〖Μ 為第主磁杜層320與第二主磁性層36〇的淨磁化量方向 相反時累加的異向性能量，KU36“第二主磁性層的異 1277761 向性能量。由上述方法即 侍到弟一主磁性層320盥第-主磁性層360個別的異向性能量。 ”弟一 上述之複數層磁性社播 、、°構的異向性旎量量測方法整理 如下： 此複數層磁性結構至少包含作為被自由層之第一主 磁性層與作為固定層之第二主磁性層，外加垂直向下的磁 场於複數層磁性結構，此磁場使第—主磁性層與第二主磁 性層包含的複數個淨磁化量均同樣朝下；再於複數層磁性 結構外施加水平方向的磁場，此磁場強度略大於第-主磁 性層的續頑場’而小於第二主磁性層的_場，由此即可 取付第-主磁性層與一第二主磁性層累加的異向性能量 曲線，透過程式計算後即可得第一方程式。 ^待去除上述步驟的外加磁場後，於複數層磁性結構外 施加垂直向上的磁場，此磁場使第一主磁性層與第二主磁 性層所個別包含的淨磁化量方向相反；再於複數層磁性結 構外施加水平方向的磁場，此磁場強度略大於第一主磁性 層的矯頑場，而小於第二主磁性層的矯頑場，由此可取得 第一主磁性層與第二主磁性層累加的異向性能量曲線，透 過程式計算後即可得第二方程式；經由第一方程式與第二 方程式的計算可得到第一主磁性層的異向性能量。 待去除上述步驟的外加磁場後，於複數層磁性結構外 施加垂直向下的磁場，此磁場使第一主磁性層與第二主磁 性層包含的複數個淨磁化量均同樣朝下；再於複數層磁性 結構外施加水平方向的磁場，此磁場強度必須遠大於第一 12 1277761 性層與第二主磁性層的矯頑場，才能將第一主磁性層 "" 磁丨生層包含的複數個淨磁化量偏轉至水平方 "口而才此彳于到第一主磁性層與第二主磁性層累加的異 向性能量曲線，經由程式計算可取得第三方程式。、 ^待去除上述步驟的外加磁場後，於複數層磁性結構外 施加垂直向上的磁場，此磁場使第一主磁性層與第二主磁 性層所個別包含的淨磁化量方向相反；再於複數層磁性結 構外施加水平方向的磁場，此磁場強度必須遠大於第_主 磁性層與第二主磁性層的矯頑場，由此可取得第—主磁性 層與第二主磁性層累加的異向性能量曲線，經由程式計算 可=得第―四方程式；經由第三方程式與第四方程式的計^ 可得到第二主磁性層之異向性能量。 參照第7圖，其緣示依照本發明—較佳實施例的一種 程式運算之流程圖。此程式運算流程圖4〇〇，包含步驟 410，利用儀器分別將磁性元件中待測之第一部份與第二 邛刀的異向性旎置變化曲線量測記錄下來；步驟42〇為利 用交互梯度測磁儀（Alternating Gradient Magnet〇meter ; agm)或振動樣品測磁儀（赐_叩s卿^

Magnet〇meter ; VSM)量測出磁性元件之飽和磁化量 (Saturation magnetization ; Ms);步驟 43〇 為將異向性能量 起始值、飽和磁化量及原始的異向性能量曲線輸入此程 式；步驟440為利用先前推導之異向性能量方程式，求出 第一異向性能置值及第二異向性能量值；步驟45〇為利用 求出的第一及第二異向性能量值帶入先前推導之方程 13 Ϊ277761 心丨牛 與方程式求㈣形之差距；步驟460為 ㈣步驟45〇的結果是否符合，若不符合，則經由步驟你 =改變異向性能量起始值回_ 43〇重新輸入；若符 :’則步驟470表示所得之異向性能量值即為磁性元件之 異向性能量值。 上述之程式運算步驟整理如下·· —利用交互梯度測磁儀或振動樣品測磁儀等儀器量測 弟-主磁性層與第：主磁性層可得到飽和磁化量值與原 始的異向性能量曲線，將飽和磁化量值、原始的異向性能 量曲線與設定的異向性能量起始值輸入程式，藉由先前推 導之異向性能量方程式’算出第一異向性能量值與第二異 向性能量值。 將第-異向性能量值與第二異向性能量值代入先前 推導之方m較原圖與方程式求出之圖形是否符合； 若_果並不符合’則重新設定異向性能量起始值，並 重新計算；若比較結果為符合，則所得之第一異向性能量 值與第二異向性能量值即分別為第一主磁性層與第二主 磁性層的異向性能量值。 藉由上述之結構組成及實施例，本發明所製作的磁性 元件與習用相較具有下列優點： 1 · §磁性元件為複數個磁性材料所組成時，不論磁性 材料之易磁化轴為水平異向性或垂直異向性，此量測方法 均可求得個別磁性材料之異向性能量。 2·由此量測方法更瞭解各磁性材料間的交互作用，可 14 1277761 藉以逐步調整磁性材料的組成、厚度等條件，獲致更佳物 理特性之磁性元件。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 ▲為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例 能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： ^弟1圖係、會示依知本發明一較佳實施例的一種以異常 霍爾效應量測含有單層磁性材料元件的磁滯曲線之方。 ^第2圖係繪示依照本發明一較佳實施例的一種以異常 霍爾效應量測含有單層磁性材料元件的異向性能量 法。 苐3圖係、會示依照本發明一較佳實施例的一種異向性 能量量測方法第一階段之立體斜視圖。 第4圖係v、9示依照本發明一較佳實施例的一種異向性 能量量測方法第二階段之立體斜視圖。 第5圖係繪示依照本發明另一較佳實施例的一種異向 性能量量測方法第三階段之立體斜視圖。 八 第6圖係纷示依照本發明另一較佳實施例的一種異向 性能量量測方法第四階段之立體斜視圖。 … 第7圖係繪示依照本發明另一較佳實施例的一種程式 15 1277761 運算之流程圖。 【主要元件符號說明】 110 ： 130 ： 150 ： 210 ： 230 ： 250 ： 310 : 321 : 340 ： 360 : 370 381 383 410 430 450 461 100 :磁性元件 120 :磁性層 14 0 ·磁場 200 :磁性元件 220 :磁性層 240 :第一磁場 300 :磁性元件 320 :第一主磁性層 330 :第一副磁性層 350 :第二副磁性層 361 :淨磁化量 3 80 :磁場 3 82 :磁場 400 :程式運算流程圖 420 :步驟 440 :步驟 460 :步驟 470 :步驟 上保護層 下保護層 電流 上保護層 下保護層 第二磁場 下電極層 淨磁化量 氧化物層 第二主磁性層 :上電極層 :磁場 :磁場 :步驟 :步驟 :步驟 :步驟 16

Claims (1)

1277761 十、申請專利範園： 1. 一種含有單層磁性材料元件之磁滯曲線量測 包含以下步驟： ⑷施加-磁場垂直於該含有單層磁性材料元件 =·’使該含有單層磁性材料元件之淨磁化量往同—方向偏 ㈨通入-電流於該含有單層磁性材料元件之表面，該 =之彳I進方向垂直於該磁場，且平行於該含 材料儿件之表面；以及 之2)持f改變該磁場的強度，由—方向取得霍爾電麼值 ，緣示出該含有單層磁性材料元件之磁滯曲線；該 於步驟（心之制場，且垂直於步驟（b)中該電流 之订進方向。 件之料利範圍第1項所述之含有單層磁性材料元 人一'曲線1測方法，其中該含有單層磁性材料元件包 3上保濩層、一磁性層與一下保護層。 2項所述之含有單層磁性材料元 其中該磁性層包含之磁化量為垂 3·如申請專利範圍第 件之磁π曲線量測方法， 直異向性。 4·如申請專利範圍第2 件之磁滯曲線量測方法 項所述之含有單層磁性材料元 ’其中这磁性層為乳鐵始 17 1277761 (GdFeCo)、铽鐵鈷（TbFeC〇)或鏑鐵鈷（DyFeC〇)。 5· —種含有單層磁性材料元件之異向性能量量測方 法，包含以下步驟： ⑷該含有單層磁性材料元件包含—上保護層、一磁性 層與一下保護層；施加一第一磁場垂直於該磁性層表面， 使該磁性層之淨磁化量往同一方向偏轉； (b) 施加一第二磁場平行於該磁性層表面，該第二磁場 的強度必須略大於該磁性層的矯頑場；以及 (c) 紀錄該磁性層之異向性能量曲線，並透過程式運算 可取得異向性能量值。 6.如申請專利範圍第5項所述之含有單層磁性材料元 件之異向性此里里測方法，其中該磁性層包含之磁化量為 垂直異向性。 7·如申請專利範圍第5項所述之含有單層磁性材料元 件之異向性能量量測方法，其中該磁性層為釓鐵鈷 (GdFeCo)、铽鐵鈷（TbFeCo)或鏑鐵鈷（DyFeCo)。 8·—種磁性記憶單元之異向性能量量測方法，包含以 下步驟： (a) —複數層磁性結構至少包含一第一主磁性層與一 第二主磁性層，於該複數層磁性結構外施加一垂直向下的 1277761 磁場’該磁場使該第— 複數個淨磁化量均同樣朝:性層與該第二主磁性層包含的 (b)再於該複數層磁 注、、、°構外&加一水平方向66讲 眾，該磁場強度略大於今Μ H _ 、 於5亥弟一主磁性層的矯頑場，而小於 口亥弟一主磁性層的稱滿j日 , ^ ^ 頑％，由此可取得該第一主磁性層盥 該一第二主磁性層累加 "、 算即可取得-第-方程式； 狀H十 ⑷於該複數層磁性結構外施加—垂直向上下的磁 場1磁場使該第-主磁性層與該第二主磁性層包含的該 些淨磁化量的方向相反； ⑷外加-水平方向磁場，該磁場強度略大於該第—主 磁性層的橋頑場，而小於該第二主磁性層的續頌場由此 ::得該第一主磁性層與該第二主磁性層累加的異向性 月b 1曲線，透過該程式計算即可取得一第二方程式· (e) 由該第一方程式與該第二方程式的計算可得該第 一主磁性層之一異向性能量； (f) 於該複數層磁性結構外施加一垂直向下的磁場，該 磁場使該第一主磁性層與該第二主磁性層包含的複數個 淨磁化量均同樣朝下； (g) 再於該複數層磁性結構外施加一水平方向的磁 % ’ δ亥磁％強度必須遠大於該第一主磁性層與該第二主磁 性層的矯頑場，由此可取得該第一主磁性層與該第二主磁 性層累加的異向性能量曲線，透過該程式計算即可取得一 第三方程式； 1277761 (h)於該複數層磁性結構外施加—垂直向下的磁場，該 磁場使該第一主磁性層與該第二主磁性層包含的該些； 磁化量的方向相反； ~ * ⑴外加一水平方向磁場，該磁場強度必須遠大於該第 一主磁性層與該第二主磁性層的矯頑場，由此可取得該第 -主磁性層與該第二主磁性層累加的異向性能量曲線：透 過該程式計算即可取得一第四方程式；以及 G)由該第三方程式與該第四方程式的計算可得該第 二主磁性層之一異向性能量。 9·如申請專利範圍第8項所述之磁性記憶單元之異向 性能量量測方法，其中步驟0)之該第一主磁性層包含 磁化量為垂直異向性。 10·如申研專利範圍第8項所述之磁性記憶單元之 異向性能量量測方法，其中步驟⑷之該第_主磁性層包含 之磁化置為水平異向性。 1L如申請專利範圍第8項所述之磁性記憶單元之 異向性能量量測方法，#中步驟⑷之該第—主磁性層為礼 鐵鈷（GdFeCo)。 曰 12.如申請專利範圍第8項所述之磁性記憶單元之 異向性能量量測方法，其中步驟（&)之該第二主磁性層包含 20 1277761 之一磁化量為垂直異向性。 η如申請專㈣圍第8項所叙 異向性能量量測方法，其中l早兀之 、乂驟（&)之該第二主磁性層包含 之一磁化量為水平異向性。 14. 如申請專利範圍筮0 = s a wt曰 阖弟8項所述之磁性記憶單元之 異向性旎ϊ量測方法，其中驟 、甲^驟（a)之該第二主磁性層為f 鐵鈷（TbFeCo)。 不概丨王尽局铽 ，：請專利範圍第8項所述之磁性記憶單元之異 性：董置測方法’其中步驟㈦之該程式計算方式，包含 以下步驟： (a)以複數個儀器量測 ^ ^ _ ]該第一主磁性層與該第二主磁 :得之該些飽和磁化量值與原始異向性能量曲線，將 上’L貝枓與一設定之異向性能量起始值輸入該程式； ⑻制先前推導之異向性能量方程式，算出-第-異 向性旎ϊ值與一第二異向性能量值； ⑷：用該第一異向性能量值與該第二異向性能量值 ⑴推v之方€式’比較原圖與方程式求出之圖形 否符合； (，若步驟⑷的比較結果並不符合，則重新歧一異向 性能1起始值，回到步驟（a)重新計算；以及 ⑷若步驟⑷的比較結果符合，則所得之該第一異向性 21 1277761 一主磁性層 16, U利蛇圍第15項所述之磁性記憶單元之異 向性能量量測方法，其中步驟⑷之該些儀器為交互梯度测 磁儀（AGM)。 17_如申請專利範圍第15項所述之磁性記憶單元之異 向性能量量測方法，其中步驟（a)之該些儀器為振動樣品測 磁儀（VSM)。 22