用于磁阻随机存取存储器的复合自由层的制作方法

在各种实施方案中，本公开涉及磁阻随机存取存储器，并且更具体地涉及用于磁阻随机存取存储器的复合自由层。

背景技术：

各种类型的磁阻随机存取存储器(mram)使用磁隧道结存储数据。磁隧道结(mtj)可包括“固定”和“自由”磁性层，其中自由层的磁矩可被切换成与固定层的磁矩平行或反平行。薄的电介质层或势垒层可分离固定层和自由层，并且由于量子隧穿，电流可流过势垒层。平行状态和反平行状态之间的电阻差异允许存储数据。例如，低电阻可对应于二进制“1”，并且高电阻可对应于二进制“0”。另选地，低电阻可对应于二进制“0”，并且高电阻可对应于二进制“1”。

在自旋转移矩(stt)mram中，可通过使自旋极化电流穿过mtj来写入数据，以改变自由层的磁矩。然而，穿过mtj的高写入电流可加速势垒层的磨损，并且自旋极化读取电流可干扰或改变存储的数据。相比之下，在自旋轨道转矩(sot)mram中，可通过施加电流使其穿过与自由层相邻的自旋霍尔效应材料来写入数据，因此生成用于改变自由层的磁矩的纯自旋电流。与stt-mram相比，使用纯自旋电流进行写入可提高可靠性和数据保持，但用于生成自旋电流的高电流可导致与加热、高功率消耗、用于切换大电流的大晶体管尺寸等相关的设计问题。

技术实现要素：

提出了用于磁阻随机存取存储器的装置。在一个实施方案中，用于存储数据的磁隧道结包括固定层、势垒层和复合自由层。在某个实施方案中，势垒层设置在固定层和复合自由层之间。在另一个实施方案中，复合自由层包括铁磁性非晶形层和平面内各向异性自由层。在某个实施方案中，平面内各向异性自由层可设置在铁磁性非晶形层和势垒层之间。在某些实施方案中，自旋霍尔效应(she)层可耦接到磁隧道结的复合自由层。在另外的实施方案中，she层可被配置为使得she层内的平面内电流将转矩施加到复合自由层上，从而在复合自由层中产生自旋电流。

提出了用于磁阻随机存取存储器的系统。在一个实施方案中，磁阻随机存取存储器管芯包括多个磁隧道结。在某个实施方案中，磁隧道结包括参考层、势垒层、复合自由层和包括铂的she层。在另一个实施方案中，势垒层设置在参考层和复合自由层之间。在某个实施方案中，复合自由层设置在she层和势垒层之间。在一个实施方案中，复合自由层包括平面内各向异性自由层和铁磁性非晶形层。在某个实施方案中，平面内各向异性自由层可与势垒层接触。在另一个实施方案中，铁磁性非晶形层可与平面内各向异性自由层接触。

在另一个实施方案中，装置包括用于基于复合自由层的平面内磁矩的取向将数据存储在用于磁隧道结的复合自由层中的装置。在某个实施方案中，装置包括用于产生自旋电流以改变复合自由层的平面内磁矩的取向的装置。在一些实施方案中，用于产生自旋电流的装置包括铂。在另一个实施方案中，装置包括用于将用于存储数据的装置和用于产生自旋电流的装置分离的装置，使得用于存储数据的装置的晶体结构不受用于产生自旋电流的装置的影响。

附图说明

下面参考附图中示出的具体实施方案包括了更具体的描述。应当理解，这些附图仅描绘了本公开的某些实施方案，因此不应被认为是对其范围的限制，通过使用附图，以附加的特异性和细节描述和解释了本公开，在附图中：

图1是包括磁阻随机存取存储器(mram)的系统的一个实施方案的示意性框图；

图2是示出mram管芯的一个实施方案的示意性框图；

图3是示出磁隧道结阵列的一个实施方案的示意图；

图4a是示出包括复合自由层的磁隧道结的一个实施方案的示意性框图；

图4b是示出包括复合自由层的磁隧道结的另一个实施方案的示意性框图；

图5是示出用于垂直磁各向异性(pma)诱导层的超晶格的一个实施方案的示意性框图；

图6是示出与用于pma诱导层的超晶格结构有关的复合自由层的实施方案的有效磁化强度的图表；

图7是示出用于磁隧道结的实施方案的隧道磁阻的图表；

图8是示出用于制造磁隧道结的方法的一个实施方案的示意性流程图；以及

图9是示出用于制造磁隧道结的方法的另一个实施方案的示意性流程图。

具体实施方式

本公开的各方面可体现为设备、系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开的各方面可采取完全为硬件的实施方案、完全为软件的实施方案(包括固件、常驻软件、微代码等)或结合软件和硬件方面的实施方案的形式，这些方面在本文中可全部统称为“电路”、“模块”、“设备”或“系统”。此外，本公开的各方面可采取在存储计算机可读程序代码和/或计算机可执行程序代码的一个或多个非暂态计算机可读存储介质中体现的计算机程序产品的形式。

本说明书中所述的许多功能单元已被标记为模块，以便更具体地强调这些功能单元的实现独立性。例如，模块可被实现为包括定制vlsi电路或门阵列的硬件电路、现成的半导体诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立部件。模块还可在可编程硬件装置诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑部件、可编程逻辑装置等中实现。

模块还可至少部分地在用于由各种类型的处理器执行的软件中实现。识别的可执行代码模块可例如包括计算机指令的一个或多个物理或逻辑块，该物理或逻辑块可例如被组织为对象、过程或函数。然而，识别的模块的可执行文件无需物理地定位在一起，但可包括存储在不同位置的不同指令，这些不同指令在逻辑地接合在一起时包括该模块并实现针对该模块所述的目的。

实际上，可执行代码模块可包括单个指令或许多指令，并且甚至可以在若干不同代码片段之上、在不同程序之间、跨若干存储器装置等分布。当模块或模块的部分在软件中实现时，这些软件部分可以存储在一个或多个计算机可读存储介质和/或计算机可执行存储介质上。可以利用一个或多个计算机可读存储介质的任何组合。例如，计算机可读存储介质可包括但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备或装置，或前述的任何合适组合，但不包括传播信号。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质和/或计算机可执行存储介质可以是可包含或存储用于供指令执行系统、设备、处理器或装置使用或与其结合的程序的任何有形和/或非暂态介质。

用于执行本公开的各方面的操作的计算机程序代码可以一种或多种编程语言的任何组合来编写，包括对象取向的编程语言诸如python、java、smalltalk、c++、c#、objectivec等，常规过程式编程语言，诸如“c”编程语言、脚本编程语言，和/或其他类似编程语言。程序代码可部分地或完全地在一个或多个用户的计算机上执行，并且/或者通过数据网络等在远程计算机或服务器上执行。

如本文所用，部件包括有形、物理的非暂态装置。例如，部件可被实现为：包括定制vlsi电路、门阵列或其他集成电路的硬件逻辑电路；现成的半导体，诸如逻辑芯片、晶体管，或其他分立装置；和/或其他机械装置或电气装置。部件还可在可编程硬件装置诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑部件、可编程逻辑装置等中实现。部件可以包括一个或多个硅集成电路装置(例如，芯片、管芯、管芯平面、封装件)或其他分立电气装置，这些装置通过印刷电路板(pcb)的电线等与一个或多个其他部件电连通。在某些实施方案中，本文所述的模块中的每个模块可另选地体现为或实现为部件。

如本文所用，电路包括提供用于电流的一个或多个通路的一组一个或多个电气部件和/或电子部件。在某些实施方案中，电路可包括用于电流的返回通路，使得该电路为闭环。然而，在另一个实施方案中，可将不包括用于电流的返回通路的一组部件称为电路(例如，开环)。例如，无论集成电路是否接地(作为用于电流的返回通路)，该集成电路都可被称为电路。在各种实施方案中，电路可包括集成电路的一部分、集成电路、一组集成电路、具有或不具有集成电路装置的一组非集成电气部件和/或电子部件等。在一个实施方案中，电路可包括：定制vlsi电路、门阵列、逻辑电路或其他集成电路；现成的半导体，诸如逻辑芯片、晶体管，或其他分立装置；和/或其他机械装置或电气装置。电路还可以实现为可编程硬件装置中的合成电路，诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑部件、可编程逻辑装置等(例如，作为固件、网表等)。电路可以包括一个或多个硅集成电路装置(例如，芯片、管芯、管芯平面、封装件)或其他分立电气装置，这些装置通过印刷电路板(pcb)的电线等与一个或多个其他部件电连通。在某些实施方案中，本文所述的模块中的每个模块可体现为或实现为电路。

本说明书通篇所提到的“一个实施方案”、“实施方案”或相似语言是指结合所述实施方案所描述的特定特征、结构或特性被包含在本公开的至少一个实施方案中。因此，本说明书通篇出现的短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”和相似语言可以但不一定全部是指同一个实施方案，而是指“一个或多个但不是所有实施方案”，除非另有明确说明。术语“包括”、“包含”、“具有”及其变体是指“包括但不限于”，除非另有明确说明。枚举的项目列表并不意味着项目中的任何或所有项目是互相排斥的和/或相互包容的，除非另有明确说明。术语“一”、“一个”和“该”也指“一个或多个”，除非另有明确说明。

下面参考根据本公开实施方案的方法、设备、系统和计算机程序产品的示意性流程图和/或示意性框图来描述本公开的各方面。应当理解，示意性流程图和/或示意性框图的每个框，以及示意性流程图和/或示意性框图中的框的组合可由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给计算机的处理器或其他可编程数据处理设备以生产机器，使得经由该处理器或其他可编程数据处理设备执行的指令创建用于实现在示意性流程图和/或示意性框图的一个或多个框中指定的功能和/或动作的装置。

还应当指出，在一些另选的实施方式中，框中示出的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，事实上，连续示出的两个框可基本上同时执行，或者这些框有时可以采用相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。可以设想在功能、逻辑或效果上等同于所示附图的一个或多个框或其部分的其他步骤和方法。尽管在流程图和/或框图中可以采用各种箭头类型和线条类型，但是应当理解这些箭头类型和线条类型不限制相应实施方案的范围。例如，箭头可以指示所描绘的实施方案的枚举的步骤之间的未指定持续时间的等待或监视时段。

在以下具体实施方式中，参考了构成该具体实施方式的一部分的附图。前述发明内容仅是例示性的，并不旨在以任何方式进行限制。除了以上描述的例示性方面、实施方案和特征之外，通过参考附图和以下具体实施方式，另外的方面、实施方案和特征将变得显而易见。每个图中的元件的描述可以参考前面的图的元件。相似的数字可以指代附图中的相似的元件，包括相似的元件的替代实施方案。

图1描绘了包括磁阻随机存取存储器(mram)150的系统100。在所描绘的实施方案中，系统包括计算设备110。在各种实施方案中，计算设备110可指能够通过对电子数据执行算术或逻辑运算进行计算的任何电子设备。例如，计算设备110可为服务器、工作站、台式计算机、膝上型计算机、平板电脑、智能电话、用于另一个电子设备的控制系统、附网存储设备、存储区域网络上的块设备、路由器、网络交换机等。在某些实施方案中，计算设备110可包括存储计算机可读指令的非暂态计算机可读存储介质，这些计算机可读指令被配置为使计算设备110执行本文公开的一种或多种方法的步骤。

在所描绘的实施方案中，计算设备110包括处理器115、存储器130和存储装置140。在各种实施方案中，处理器115可指执行由计算设备执行的算术或逻辑运算的任何电子元件。例如，在一个实施方案中，处理器115可为执行存储的程序代码的通用处理器。在另一个实施方案中，处理器115可为对由存储器130和/或存储装置140存储的数据进行操作的现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)等。在某个实施方案中，处理器115可为用于存储设备(例如，在存储区域网络上)、网络设备等的控制器。

在所描绘的实施方案中，处理器115包括高速缓存120。在各种实施方案中，高速缓存120可存储由处理器115使用的数据。在某些实施方案中，高速缓存120可比存储器130更小且更快，并且可在存储器130的常用位置等中复制数据。在某些实施方案中，处理器115可包括多个高速缓存120。在各种实施方案中，高速缓存120可包括用于存储数据的一种或多种类型的存储器介质，诸如静态随机存取存储器(sram)122、磁阻随机存取存储器(mram)150等。例如，在一个实施方案中，高速缓存120可包括sram122。在另一个实施方案中，高速缓存120可包括mram150。在某个实施方案中，高速缓存120可包括sram122、mram150和/或其他存储器介质类型的组合。

在一个实施方案中，存储器130通过存储器总线135耦接到处理器115。在某些实施方案中，存储器130可存储由处理器115直接可寻址的数据。在各种实施方案中，存储器130可包括用于存储数据的一种或多种类型的存储器介质，诸如动态随机存取存储器(dram)132、mram150等。例如，在一个实施方案中，存储器130可包括dram132。在另一个实施方案中，存储器130可包括mram150。在某个实施方案中，存储器130可包括dram132、mram150和/或其他存储器介质类型的组合。

在一个实施方案中，存储装置140通过存储总线145耦接到处理器115。在某些实施方案中，存储总线145可为计算设备110的外围总线，诸如外围部件互连高速(pciexpress或pcie)总线、串行高级技术附件(sata)总线、并行高级技术附件(pata)总线、小型计算机系统接口(scsi)总线、firewire总线、光纤通道连接、通用串行总线(usb)、pcie高级交换(pcie-as)总线等。在各种实施方案中，存储装置140可存储不能由处理器115直接寻址但可通过一个或多个存储控制器访问的数据。在某些实施方案中，存储装置140可大于存储器130。在各种实施方案中，存储装置140可包括用于存储数据的一种或多种类型的存储介质，诸如硬盘驱动器、nand闪存存储器142、mram150等。例如，在一个实施方案中，存储装置140可包括nand闪存存储器142。在另一个实施方案中，存储装置140可包括mram150。在某个实施方案中，存储装置140可包括nand闪存存储器142、mram150和/或其他存储介质类型的组合。

在各种实施方案中，mram150可用于将数据存储在高速缓存120、存储器130、存储装置140和/或存储数据的另一个部件中。例如，在所描绘的实施方案中，计算设备110包括高速缓存120中的mram150、存储器130和存储装置140。在另一个实施方案中，计算设备110可将mram150用于存储器130，并且可将其他类型的存储器或存储介质用于高速缓存120或存储装置140。相反，在另一个实施方案中，计算设备110可将mram150用于存储装置140，并且可将其他类型的存储介质用于高速缓存120和存储器130。另外，一些类型的计算设备110在存储器130为非易失性的情形下可包括没有存储装置140的存储器130(例如，在微控制器中)，可包括没有用于专用处理器115的高速缓存120的存储器130等。

考虑到本公开，高速缓存120、存储器130和/或存储装置140的各种组合以及针对高速缓存120、存储器130、存储装置140和/或其他应用的mram150的使用将是清楚的。

在各种实施方案中，mram150可包括设置在一个或多个印刷电路板、存储外壳和/或其他机械和/或电气支撑结构上的一个或多个芯片、封装件、管芯或包括磁阻存储器的其他集成电路设备。例如，一个或多个双列直插内存模块(dimm)、一个或多个扩展卡和/或子卡、固态驱动器(ssd)或其他存储设备以及/或者另一个存储器和/或存储形状因子可包括mram150。mram150可与计算设备110的主板集成并且/或者安装在该计算设备的主板上，安装在计算设备110的端口和/或插槽中，安装在不同计算设备110以及/或者网络上的专用存储设备上，通过外部总线与计算设备110通信等。

在各种实施方案中，mram150可包括一个或多个mram管芯，所述一个或多个管芯包括用于存储数据的多个磁隧道结(mtj)。在某些实施方案中，mtj包括固定层、势垒层和复合自由层。复合自由层可包括平面内各向异性自由层、铁磁性非晶形层和垂直磁各向异性(pma)诱导层。在某些实施方案中，与具有非复合自由层的mtj相比，包括平面内各向异性自由层、铁磁性非晶形层和pma诱导层的复合自由层可减小写入电流和功率消耗，同时提供适用于读取存储的数据的隧道磁阻(tmr)比(例如，高电阻状态和低电阻状态和反平行状态之间的差异的测量结果)。以下参照图2至图9更详细地描述了mram150。

图2描绘了mram管芯150的一个实施方案。mram管芯150可基本上类似于参考图1描述的mram150。在所描绘的实施方案中，mram管芯150包括磁隧道结的阵列200、行电路202、列电路204和管芯控制器206。

在各种实施方案中，mram管芯150可指集成电路，该集成电路包括用于磁阻数据存储的mram单元的芯阵列200(例如，mtj)以及用于与阵列200通信的外围部件(例如，行电路202、列电路204和/或管芯控制器206)两者。在某些实施方案中，一个或多个mram管芯150可包括在存储器模块、存储设备等中。

在所描绘的实施方案中，阵列200包括用于存储数据的多个磁隧道结。在一个实施方案中，阵列200可以是二维阵列。在另一个实施方案中，阵列200可为包括mtj的多个平面和/或层的三维阵列。在各种实施方案中，阵列200可为通过行电路202由行(例如，字线)可寻址的和通过列电路204由列(例如，位线)可寻址的。

在某些实施方案中，管芯控制器206与行电路202和列电路204协作以在阵列200上执行存储器操作。在各种实施方案中，管芯控制器206可包括部件诸如功率控制电路、地址解码器和状态机等，该功率控制电路控制在存储器操作期间提供给行电路202和列电路204的功率和电压，该地址解码器将接收的地址转换为由行电路202和列电路204使用的硬件地址，该状态机实施和控制存储器操作。管芯控制器206可以经由线208与计算装置110、处理器115、总线控制器、存储装置控制器、存储器模块控制器等通信，以接收命令和地址信息、传输数据等。

图3描绘了磁隧道结阵列200的一个实施方案。mtj阵列200可基本上类似于参考图2描述的mtj阵列200。在所描绘的实施方案中，mtj阵列200包括用于存储数据的多个mtj350，所述多个mtj耦接到写入字线(wl-w)302、读取字线(wl-r)306和位线304。

在所描绘的实施方案中，mtj350包括具有固定或钉扎磁矩的(由单箭头指示的)固定层或参考层。在另一个实施方案中，mtj350包括具有可改变或切换的磁矩的(由双箭头指示的)自由层。薄的电介质层或势垒层可分离固定层和自由层，并且由于量子隧穿，电流可流过势垒层。如果固定层和自由层的磁矩基本上彼此平行(在本文中称为mtj350的平行状态)，则电子隧穿穿过势垒层的概率为较高的，并且如果固定层和自由层的磁矩基本上彼此反平行(在本文中称为mtj350的反平行状态)，则电子隧穿穿过势垒层的概率为较低的。因此，穿过mtj350的电阻在反平行状态下可比在平行状态下高。

在各种实施方案中，mtj350的平行状态和反平行状态之间的电阻差异允许存储数据。例如，低电阻可对应于二进制“1”，并且高电阻可对应于二进制“0”。另选地，低电阻可对应于二进制“0”，并且高电阻可对应于二进制“1”。较高的反平行电阻和较低的平行电阻之间的差异(表达为较低的平行电阻的百分比)在本文中可称为mtj350的隧道磁阻(tmr)或tmr比。因此，例如，100％的tmr将指示反平行电阻为平行电阻的两倍(例如，比平行电阻大100％)。

在某些实施方案中，mtj350的tmr比可与从mtj350读取数据的难度有关。例如，如果mtj350的反平行电阻和平行电阻之间的比为较高的，则较低的读取电压可足以在反平行状态和平行状态下产生可检测的不同读取电流。相反地，如果mtj350的反平行电阻和平行电阻之间的比为较低的，则反平行状态和平行状态下的读取电流可为不可检测的不同读取电流，除非施加更高的读取电压。因此，增大mtj350的tmr(或避免可减小tmr的因素)可有利于mtj350的读取操作。

在所描绘的实施方案中，mtj350为自旋轨道转矩(sot)mtj，对于该mtj，可通过施加电流使其穿过与自由层相邻的自旋霍尔效应(she)材料来写入数据，因此生成用于将磁转矩施加到自由层的磁矩上从而改变自由层的磁矩的纯自旋电流。在各种实施方案中，she材料可指表现出自旋霍尔效应的任何材料，该材料诱导垂直于材料中的电流的自旋电流。例如，在各种实施方案中，she材料可包括铂、钨、掺杂铱的铜、掺杂铱的银等。在某些实施方案中，she材料层内的平面内电流可在该层之上产生自旋电流。可基于电流的方向来控制自旋电流的方向。因此，在其中mtj350包括与自由层相邻或接触的she材料层的某些实施方案中，she层内的平面内电流可(例如，通过将磁转矩施加到自由层上)将自旋电流注入自由层中，以改变自由层的磁矩。

在所描绘的实施方案中，写入字线302和位线304耦接到sot-mtj350的she层的相对两侧，使得在写入字线302和位线304之间的电压差诱导在写入字线302和位线304的交汇处的mtj350的she层中的平面内电流。因此，将数据写入在选定写入字线302和选定位线304的交汇处的mtj350可包括将编程电压施加到选定写入字线302，并且将零(或其他参考)电压施加到选定位线304，使得mtj350的she层中的电流施加转矩，从而在自由层中产生自旋电流，以改变自由层的磁矩。

在各种实施方案中，mtj阵列200可包括在写入操作期间防止穿过非选定mtj350的杂散电流的晶体管、选择器等。例如，在一个实施方案中，非选定写入字线302和非选定位线304的电压可被设置为编程电压的一半，使得用于非选定mtj350(例如，不在选定写入字线302或选定位线304上的mtj350)的写入字线302和位线304之间不存在电压差，并且使得用于半选定mtj350(例如，在选定写入字线302或选定位线304中的任一者上而非两者上的mtj350)的写入字线302和位线304之间存在编程电压的一半的电压差。在另一个实施方案中，mtj的选择器可不允许电流流动，除非写入字线302和位线304之间的电压差大于编程电压的一半。因此，选择器、晶体管或其他开关设备可允许写入操作改变一个mtj350中的存储的数据而不改变其他mtj350中的存储的数据值。

在另一个实施方案中，可同时将数据写入mtj350的行。例如，可将行的写入字线302接地，并且可将正编程电压或负编程电压施加到位线304以将不同的数据值在该行中写入mtj350。考虑到本公开，在使用各种几何形状的mtj阵列200中将数据写入单个或多个mtj350的各种方式将是清楚的。

在各种实施方案中，从mtj350读取数据可包括测量、检测或感测mtj350的电阻(例如，指示mtj350是处于平行状态还是反平行状态)。例如，在一个实施方案中，可在自由层、势垒层和固定层之上施加已知电压，并且可测量或感测得到的电流以检测电阻。在另一个实施方案中，可施加已知电流使其穿过自由层、势垒层和固定层，并且可测量或感测mtj350之上得到的电压降以检测电阻。在某些实施方案中，mtj阵列200或mram管芯150可包括感测放大器、锁存器等，以将来自位线304的低功率信号转换为表示1或0的逻辑电平，并且存储转换的数据。

在所描绘的实施方案中，读取字线306和位线304耦接到mtj350以施加电流使其穿过自由层、势垒层和固定层。例如，从在选定读取字线306和选定位线304的交汇处的mtj350读取数据可包括将读取电压施加到选定读取字线306，并且将零(或其他参考)电压施加到选定位线304，使得可感测穿过mtj350的电阻。如上文针对写入操作所描述的，选择器、晶体管等可在读取操作期间防止穿过非选定mtj350的杂散电流。另外，可同时从mtj350的行读取数据。例如，可将读取电压施加到行的读取字线306，并且可将位线304接地，使得针对多个位线304感测得到的电流。考虑到本公开，在使用各种几何形状的mtj阵列200中从单个或多个mtj350读取数据的各种方式将是清楚的。

图4a描绘了包括复合自由层400的磁隧道结350的一个实施方案。mtj350可基本上类似于参照图3所述的mtj350。在所描绘的实施方案中，mtj350包括固定层或参考层412、自由层400、以及设置在固定层和自由层400之间的势垒层410，这些层可基本上如上文参照图3所述。在所描绘的实施方案中，自由层400为复合自由层，该复合自由层包括平面内各向异性自由层408、垂直磁各向异性(pma)诱导层404和铁磁性非晶形层406。另外，在所描绘的实施方案中，mtj还包括自旋霍尔效应层402，该自旋霍尔效应层可基本上如上文参照图3所述。在各种实施方案中，mtj350的层可通过各种技术诸如物理气相沉积、溅射等形成或沉积。在某些实施方案中，图4a中未示出的另外的层诸如覆盖层可包括在mtj350中，或者包括在制造mtj350的过程中。

在一个实施方案中，固定层或参考层412包括具有固定或钉扎磁矩的铁磁性材料。如本文所用，术语“铁磁性”可用于指能够自发磁化(例如，在不存在外加磁场时保持磁化)的任何材料。因此，“铁磁性”材料可指严格的铁磁性材料(例如，单独的微观磁矩完全对准)或亚铁磁性材料(例如，单独的微观磁矩部分反对准)。

在各种实施方案中，“固定”或“钉扎”磁矩指当自由层400的磁矩改变或翻转时至少在取向上基本恒定的磁矩。因此，例如，在一个实施方案中，固定层412可包括具有比自由层400的铁磁性材料高的矫顽力的铁磁性材料。在此类实施方案中，外部磁场可改变固定层412和自由层400两者的磁化强度，但对自由层400具有较大影响。在另一个实施方案中，固定层412可包括具有通过与反铁磁体交换耦接而钉扎的磁矩的铁磁性薄膜。例如，在一个实施方案中，固定层412可包括合成反铁磁体(例如，钴/铁和钌多层)、钌或铱间隔物、以及包括钴/铁/硼合金(cofeb)的铁磁性层。

在各种实施方案中，固定层412的磁矩可为自由层400的磁矩的取向提供参考。例如，在各种实施方案中，自由层400的总磁矩可与固定层412的磁矩平行或反平行。因此，以由单箭头指示的参考磁矩描绘固定层412，并且由双箭头指示自由层400的平行磁矩或反平行磁矩。

在各种实施方案中，势垒层410设置在固定层或参考层412和自由层400之间。在某些实施方案中，势垒层410包含介电材料，诸如氧化镁(mgo)。在某些实施方案中，势垒层410的厚度可小于20埃，使得跨越势垒层410的电子的量子隧穿允许电流流动穿过mtj350。

一般来讲，在各种实施方案中，自由层400可包括具有可相对于固定层412的磁矩改变、切换或翻转的磁矩的铁磁性材料。如参照图3所述，改变自由层400的磁矩改变了mtj350的电阻，从而允许存储数据。在某些实施方案中，自由层400的铁磁性材料可包括cofeb合金。在所描绘的实施方案中，自由层400为复合自由层，其中下文更详细地描述了部件。在某些实施方案中，读取数据可包括将电流从端子t2424(或端子t1422)施加到端子t3426以感测mtj350的电阻。

在一个实施方案中，自旋霍尔效应层402包括如上文参照图3所述的自旋霍尔效应(she)材料，诸如铂、钨、掺杂铱的铜、掺杂铱的银等。在各种实施方案中，可将she层402描述为mtj350的一部分，或者可将该she层描述为耦接到mtj(其中mtj自身包括固定层412、自由层400和势垒层410)。在所描绘的实施方案中，she层402被配置为使得she层402内的平面内电流施加转矩，从而在复合自由层400中产生自旋电流。例如，在一个实施方案中，从端子t1422到端子t2424的电流可将具有第一取向的自旋电流注入复合自由层400中。在另一个实施方案中，从端子t2424到端子t1422的相反电流可将具有与第一取向相反的取向的自旋电流注入复合自由层400中。自旋电流可改变或翻转自由层400的磁矩以写入数据。

在某些实施方案中，用于切换非复合自由层的磁矩的she层402中的电流密度可为大约每平方厘米一千万至一亿安培。高切换电流密度可导致与加热、高功率消耗、用于切换大电流的大晶体管尺寸等相关的设计问题。然而，具有平面内磁矩的自由层400的切换电流密度可与自由层400的阻尼常数、自由层400的磁厚度和/或自由层400的有效磁化强度的乘积成比例，其中磁厚度被定义为饱和磁化强度乘以厚度，有效磁化强度被定义为饱和磁化强度减去垂直磁各向异性等。因此，在某些实施方案中，增加自由层400的垂直各向异性可减小mtj350的切换电流密度。在各种实施方案中，复合自由层400可被配置为具有总体平面内各向异性，该总体平面内各向异性具有各向异性的垂直分量，以减小mtj350的切换电流。在各种实施方案中，减小自由层400的阻尼常数、磁厚度和/或有效磁化强度可减小mtj350的切换电流。然而，减小磁厚度可使mtj350的平行状态或反平行状态更不稳定，且对数据保留产生不利影响。因此，在某些实施方案中，复合自由层400可被配置为通过减小自由层400(相对于非复合自由层400)的阻尼常数和/或有效磁化强度来减小切换电流。

在所描绘的实施方案中，复合自由层400包括平面内各向异性自由层408、铁磁性非晶形层406和垂直磁各向异性(pma)诱导层404。在各种实施方案中，平面内各向异性自由层408可包括具有可变的平面内磁矩的铁磁性材料。例如，在一个实施方案中，平面内各向异性自由层408可包括铁磁性cofeb合金。平面内各向异性自由层408的磁矩可通过来自she层402的自旋电流来改变，如上所述。在某些实施方案中，平面内各向异性自由层408的厚度可为最多至30埃。在另外的实施方案中，平面内各向异性自由层408的厚度可为至少5埃。

如本文所用，术语诸如“平面内”和“垂直”可用于描述相对于mtj350的层的方向或取向(例如，针对矢量诸如磁矩、磁化强度、电流密度等的方向或取向)。在一个实施方案中，术语“垂直”指与层的表面成直角的方向(例如，图4a中的垂直方向)，并且术语“平面内”指与层的表面平行的方向(例如，图4a中的水平方向)。然而，在另一个实施方案中，矢量、取向或方向可包括垂直分量和平面内分量的组合，但可基于具有更大的量值的一者(垂直分量或平面内分量)被描述为“垂直”或“平面内”。例如，在一个实施方案中，尽管磁矩包括非零的平面内分量和垂直分量，但是如果平面内分量大于垂直分量，则该方向或取向可被描述为“平面内”磁矩。

在各种实施方案中，磁各向异性可指其中磁化强度在能量上为有利的方向或轴线。例如，在一个实施方案中，磁各向异性可指用于对铁磁性材料进行磁化的“易轴”的方向，其中铁磁性材料的磁矩趋向于沿着“易轴”取向，但可沿着该轴的任一方向指向。

在某些实施方案中，平面内各向异性自由层408具有平面内磁各向异性。在另外的实施方案中，平面内各向异性自由层408的平面内磁各向异性可与固定层412的磁矩平行或基本上平行。因此，平面内各向异性自由层408的磁矩可由来自she层402的自旋电流改变，但与平面内磁各向异性对准的磁矩将与固定层412的磁矩基本上平行或基本上反平行。因此，在各种实施方案中，平面内各向异性自由层408可基于平面内磁矩的平行或反平行取向将数据存储在复合自由层400中。

在一个实施方案中，pma诱导层404被配置为将垂直分量诱导、增加或添加到复合自由层400的磁各向异性。在某些实施方案中，pma诱导层404可永久地添加或诱导复合自由层400的pma。如上所述，用于写入mtj350的切换电流密度可与自由层400的有效磁化强度成比例，其中有效磁化强度被定义为饱和磁化强度减去垂直磁各向异性。因此，在某些实施方案中，增加垂直各向异性可减小复合自由层400的有效磁化强度，从而减小mtj350的切换电流密度。

在各种实施方案中，pma诱导层404可包括诱导pma的各种材料中的任一种。例如，在一个实施方案中，pma诱导层404可包括交替的“x”层和“y”层的超晶格。在一个实施方案中，“x”层可包括0.5埃至10埃的钴和/或铁，并且“y”层可包括0.5埃至10埃的铂、钯和/或镍。可选择交替的[x/y]结构的多个重复，以通过诱导pma来减小复合自由层400的有效磁化强度，同时使复合自由层400的总磁矩保持在平面内。在某个实施方案中，例如，pma诱导层404可包括交替的钴层和铂层的超晶格。在另一个实施方案中，交替的钴层和铂层的超晶格可包括三个钴层和三个铂层。在一些实施方案中，钴层的厚度可为3.4埃，并且铂层的厚度可为1.4埃。

在另一个实施方案中，pma诱导层404可包括稀土和过渡金属合金。例如，在一个实施方案中，pma诱导层404可包括钴和/或铁(过渡金属)的合金，该合金具有十至三十原子百分比的钆(稀土金属)。在另一个实施方案中，pma诱导层404可包括l10相合金。在某些实施方案中，用于合金的l10相可指类似于面心立方晶体结构的结构，但在交替的平面中以合金的不同元素排列。在一个实施方案中，用于pma诱导层404的l10相合金可包括“x”元素和“y”元素的等原子合金，其中“x”元素可为钴或铁，并且“y”元素可为铂、钯或镍。在某个实施方案中，l10相合金可在高于(或等于)300摄氏度的温度下沉积。在某些实施方案中，pma诱导层404可包括次层的组合，该次层包括超晶格、稀土和过渡金属合金、l10相合金和/或另外的pma诱导结构。

在各种实施方案中，由pma诱导层404添加到复合自由层400中的pma的量可与pma诱导层404的厚度成比例(或可随该pma诱导层的厚度增大而增大)。因为复合自由层400的有效磁化强度等于饱和磁化强度减去垂直各向异性，所以从零开始增大pma会首先减小复合自由层400的有效磁化强度，从而允许相应地减小切换电流。然而，随着复合自由层400的总磁矩变为平面外的，pma进一步增大到饱和磁化强度之上可增大有效磁化强度和切换电流。因此，在某些实施方案中，pma诱导层404的厚度被选择为使得pma诱导层404减小复合自由层400的有效磁化强度，并且使得复合自由层400的总磁矩在平面内。在各种实施方案中，如果总磁矩的平面内分量大于总磁矩的垂直分量，则复合自由层400的总磁矩可被称为在平面内。

在各种实施方案中，mtj350的制造商可通过控制一个或多个单独的合金层诸如稀土和过渡金属合金、或l10相合金的沉积并且/或者通过控制超晶格结构的重复层的数量，来控制pma诱导层404的厚度。有效磁化强度、切换电流密度或切换电流的“减小”可为与省去pma诱导层404的复合自由层400结构相比较而言。

在所描绘的实施方案中，将pma诱导层404设置为使得平面内各向异性自由层408位于势垒层410和pma诱导层404之间。例如，mtj350可被构造为具有沉积在衬底上的固定层412，并且平面内各向异性自由层408可位于势垒层410上方且位于pma诱导层404下方。在另一个实施方案中，mtj350可被构造为具有沉积在衬底上的she层402，并且平面内各向异性自由层408可位于势垒层410下方且位于pma诱导层404上方。

在某些实施方案中，平面内各向异性自由层408的结晶可从与势垒层410的交界处进行。例如，在一个实施方案中，平面内各向异性自由层408可沉积为非晶形结构，并且可被退火使得平面内各向异性自由层408与势垒层410以伪外延关系结晶。固定层412、势垒层410和平面内各向异性自由层408中的匹配或类似的晶体结构(例如，伪外延)可有利于量子隧穿穿过势垒层410，并且用于此类结构的tmr可适用于读取数据。相比之下，在平面内各向异性自由层408内、平面内各向异性自由层408和势垒层410之间的交界处、或在层和层之间的另一个交界处的晶体取向不匹配可阻碍量子隧穿，使得mtj350的电阻在平行状态和反平行状态下为高的，并且用于此类结构的低tmr可使mtj350不太适用或不适用于存储数据。

在某些实施方案中，pma诱导层404和/或she层402的晶体结构可不同于势垒层410的晶体结构。例如，在各种实施方案中，势垒层410可具有立方或体心立方晶体结构，并且pma诱导层404和/或she层402可具有面心立方晶体结构。在另一个实施方案中，如果pma诱导层404和/或she层402要直接接触平面内各向异性自由层408，则在退火期间从平面内各向异性自由层408的两侧进行结晶可使在平面内各向异性自由层408内的晶体不匹配，从而导致用于mtj350的tmr低。

因此，在某些实施方案中，铁磁性非晶形层406设置在平面内各向异性自由层408和pma诱导层404之间。例如，在一个实施方案中，平面内各向异性自由层408可与势垒层410接触，铁磁性非晶形层406可与平面内各向异性自由层408接触，并且pma诱导层404可与铁磁性非晶形层406接触。

在某些实施方案中，铁磁性非晶形层406可包括铁磁性材料和非晶形材料两者的任何材料。在某些实施方案中，pma诱导层404和铁磁性非晶形层406的铁磁性材料可将自旋电流从she层402传导到平面内各向异性自由层408中。相比之下，非铁磁性材料(诸如重金属原子)可散射自旋电流，因此阻碍针对mtj350的写入操作。

在某些实施方案中，铁磁性非晶形层406的非晶形结构允许在退火期间的平面内各向异性自由层408的结晶基于势垒层410的晶体结构，而非基于pma诱导层404的晶体结构。例如，铁磁性非晶形层406可将平面内各向异性自由层408和pma诱导层404分离，使得平面内各向异性自由层408的晶体结构不受pma诱导层404的影响。因此，如果pma诱导层404或除势垒层410外的另一个不是非晶形的层直接接触平面内各向异性自由层408，则铁磁性非晶形层406可防止或减轻可能以其他方式出现的mtj350的tmr减小。

在一个实施方案中，铁磁性非晶形层406可包括一种或多种铁磁性元素、一种或多种玻璃成形元素和用于防止该一种或多种玻璃成形元素迁移的一种或多种稳定元素的合金。(如本文所用，当提到合金时，“元素”具体地指原子的类型，而不是更一般地指组分。)铁磁性元素可为铁、钴、镍或表现出铁磁性的任何其他元素。在一个实施方案中，该一种或多种铁磁性元素可包括铁、钴、或铁和钴的组合。

在各种实施方案中，玻璃成形元素可指趋于妨碍或防止一种或多种铁磁性元素结晶的任何元素，使得铁磁性非晶形层406保持为非晶形固体或玻璃样状态。例如，在某个实施方案中，一种或多种玻璃成形元素可包括硼。然而，在一些实施方案中，玻璃成形元素可在用于平面内各向异性自由层408退火的典型温度下在铁磁性非晶形层406内迁移，从而允许在具有低浓度玻璃成形元素的区域中开始结晶，使得铁磁性非晶形层406不再是非晶形的。因此，在某些实施方案中，铁磁性非晶形层406可包括用于防止一种或多种玻璃成形元素迁移的一种或多种稳定元素。(然而，在另一个实施方案中，该一种或多种玻璃成形元素可不充分迁移以允许在退火期间结晶，并且可省去该一种或多种稳定元素。)

在各种实施方案中，稳定元素可包括趋于减小或防止铁磁性非晶形层406中的玻璃成形元素迁移的任何元素。例如，硼和钽、钛、或锆之间的高化学亲和力可防止在铁磁性非晶形层406内的硼迁移，从而维持非晶形结构。在一个实施方案中，该一种或多种稳定元素可包括钽、钛、或钽和钛的组合。

在一个实施方案中，铁磁性非晶形层406可包括具有十原子百分比或更多原子百分比的该一种或多种玻璃成形元素的合金。在某个实施方案中，合金可包括五原子百分比或更少原子百分比的该一种或多种稳定元素。在一些实施方案中，合金可包括至少三百分比的该一种或多种稳定元素。

在一个实施方案中，铁磁性非晶形层406包括钴、铁和/或镍的合金，该合金具有至少十原子百分比的硼，以及至少三原子百分比的钽、钛和/或锆。在另一个实施方案中，铁磁性非晶形层406包括钴、铁和/或镍的合金，该合金具有至少二十原子百分比的铪、锆、硅、锗、钽和/或铌。

在一个实施方案中，铁磁性非晶形层406包括钴、钛和硼(cotib)的合金。在另一个实施方案中，铁磁性非晶形层406包括钴、铁、硼和钽(cofebta)的合金。在某些实施方案中，即使在最高至700k的温度下退火之后，cotib合金和cofebta合金也可保持非晶形。

图4b描绘了包括复合自由层400的磁隧道结350的另一个实施方案。mtj350可基本上类似于上文参照图3和图4a所述的mtj350。在所描绘的实施方案中，mtj350包括固定层或参考层412、自由层400、以及设置在固定层和自由层400之间的势垒层410，这些层可基本上如上文参照图3和图4a所述。在所描绘的实施方案中，自由层400为复合自由层，该复合自由层包括平面内各向异性自由层408和铁磁性非晶形层406，这些层可基本上如上文参照图4a所述。另外，在所描绘的实施方案中，mtj还包括自旋霍尔效应层402，该自旋霍尔效应层可基本上如上文参照图3和图4a所述。

在所描绘的实施方案中，mtj350不包括pma诱导层404。如图4a所示，平面内各向异性自由层408设置在铁磁性非晶形层406和势垒层410之间。然而，在图4b中，将铁磁性非晶形层406设置为在没有pma诱导层404的情况下与she层402接触。

在某些实施方案中，势垒层410可包括具有体心立方晶体结构的材料，诸如氧化镁。在另一个实施方案中，可将固定层412和/或平面内各向异性自由层408沉积为非晶形材料，并且退火期间的晶体形成可从与势垒层410的交界处进行，使得固定层412和/或平面内各向异性自由层408具有(或包括)体心立方晶体结构。相比之下，she层402和/或上文所述的pma诱导层404可包括具有面心立方结构的材料，诸如铂。

因此，在各种实施方案中，铁磁性非晶形层406可设置在平面内各向异性自由层408和pma诱导层404(如图4a中所描绘的)之间或设置在平面内各向异性自由层408和she层402之间(如图4b中所描绘的)。在某些实施方案中，设置铁磁性非晶形层406可破坏平面内各向异性自由层408的体心立方材料和pma诱导层404或she层402的面心立方材料之间的结晶连续性。如果she层402或除势垒层410外的另一个不是非晶形的层直接接触平面内各向异性自由层408，则通过避免面心立方材料和体心立方材料之间不匹配的交界，铁磁性非晶形层406可防止或减轻可能以其他方式出现的mtj350的tmr减小。另外，在某些实施方案中，铁磁性非晶态层406可减小自由层400的阻尼常数，并且/或者可减小自由层400的有效磁化强度，因此减小切换电流(与不具有铁磁性非晶形层406的自由层400相比较而言)。

图5描绘了pma诱导层404的超晶格的一个实施方案。在各种实施方案中，超晶格可指周期性层状结构。在所描绘的实施方案中，pma诱导层404包括交替的钴层502和铂层504的超晶格。在各种实施方案中，单独的钴层502和铂层504的厚度可小于10埃。在一个实施方案中，钴层502的厚度可为3.4埃，并且铂层504的厚度可为1.4埃。可在制造期间选择或控制钴层502和铂层504的多个重复，以(通过诱导pma)减小复合自由层400的有效磁化强度，同时使复合自由层400的总磁矩保持在平面内。

图6是描绘了与pma诱导层404的超晶格的交替的钴层和铂层(例如，图5的钴层502和铂层504)的多个重复有关的复合自由层400的实施方案的有效磁化强度的图表。有效磁化强度在图6中归一化，使得具有零重复(例如，没有pma诱导层404)的有效磁化强度等于1。该图表示出用附加的重复减小有效磁化强度，使得具有三个钴层和三个铂层的有效磁化强度在归一化值0.1和0.2之间。因此，在某些实施方案中，pma诱导层404可以五分之一至十分之一减小复合自由层400的有效磁化强度。

在另一个实施方案中，可与复合自由层400的有效磁化强度的减小成比例地减小mtj的切换电流。例如，在一个实施方案中，在没有pma诱导层404的情况下切换电流密度可高达每平方厘米5千万安培，并且pma诱导层404可将切换电流密度减小一个数量级到每平方厘米五百万安培。

在某个实施方案中，she层402内的平面内电流将转矩施加到复合自由层400上，从而在复合自由层400中产生自旋电流，并且pma诱导层404将平面内电流的电流密度减小到每平方厘米一百万安培至一千万安培之间。在另一个实施方案中，pma诱导层404可将平面内电流的电流密度减小到每平方厘米三百万安培至七百万安培之间。在某个实施方案中，pma诱导层404可将平面内电流的电流密度减小到每平方厘米四百万安培至六百万安培之间。

然而，pma诱导层404的超晶格的交替的钴层和铂层的过量重复可诱导足够的pma，使得复合自由层400的磁矩不再在平面内。例如，图6的图表中的减小趋势表明，超晶格结构的四个或更多个重复会使复合自由层400的有效磁化强度为负的或在平面外的。

图7是描绘了用于磁隧道结的实施方案的隧道磁阻(tmr)的图表。如上所述，tmr可指mtj的较高的反平行电阻和较低的平行电阻之间的差异，该差异表达为较低的平行电阻的百分比。在各种实施方案中，较高的tmr对应于反平行状态和平行状态之间更明显的差异，并且增大tmr可有利于减小读取电流和/或电压。图7中的图表描绘了在不存在pma诱导层404时的tmr，使得平面内各向异性自由层408的晶体结构受she层402和/或铁磁性非晶形层406的影响。

在所描绘的图表中，具有钽she层402且不具有铁磁性非晶形层406的mtj的tmr高于125％。相比之下，具有铂she层402且不具有铁磁性非晶形层406的mtj的tmr低于100％，并且接近75％。she层402中的铂的面心立方结构和势垒层410中氧化镁的体心立方结构可在退火期间使平面内各向异性自由层408错误结晶，从而导致tmr减小。然而，引入10埃厚的cotib铁磁性非晶形层406使具有铂she层402的tmr恢复到约100％。因此，可由铁磁性非晶形层406充分地防止或减轻由于错误结晶而导致的tmr减小。

图8是示出用于制造磁隧道结的方法800的一个实施方案的示意性流程图。方法800开始，并且制造商将固定层412沉积802在衬底上。制造商将势垒层410沉积804在固定层412上。制造商将平面内各向异性自由层408沉积806在势垒层410上。制造商将铁磁性非晶形层406沉积808在平面内各向异性自由层408上。制造商将pma诱导层404或超晶格沉积810在铁磁性非晶形层406上。制造商将自旋霍尔效应层402沉积812在pma诱导层404上，并且方法800结束。

图9是示出用于制造磁隧道结的方法900的另一个实施方案的示意性流程图。方法900开始，并且制造商将自旋霍尔效应层402沉积902在衬底上。制造商将pma诱导层404沉积904在自旋霍尔效应层402上。制造商将铁磁性非晶形层406沉积906在pma诱导层404上。制造商将平面内各向异性自由层408沉积908在铁磁性非晶形层406上。制造商将势垒层410沉积910在平面内各向异性自由层408上。制造商将固定层412沉积912在势垒层410上，并且方法900结束。

在各种实施方案中，用于将数据存储在复合自由层400中的装置可包括平面内各向异性自由层408、铁磁性材料、铁磁性合金、cofeb合金等。其他实施方案可包括用于将数据存储在复合自由层400中的类似或等效装置。

在各种实施方案中，用于永久性地诱导用于复合自由层400的垂直磁各向异性(pma)的装置可包括pma诱导层404、超晶格、稀土和过渡金属合金、l10相合金等。其他实施方案可包括用于在复合自由层400中诱导pma的类似或等效装置。

在各种实施方案中，用于将用于存储数据的装置和用于产生自旋电流的装置分离的装置可包括铁磁性非晶形层406、一种或多种铁磁性元素、一种或多种玻璃成形元素、用于防止一种或多种玻璃成形元素迁移的一种或多种稳定元素、cotib合金、cofebta合金等。其他实施方案可包括用于将用于存储数据的装置和用于产生自旋电流的装置分离的类似或等效装置。

在各种实施方案中，用于产生自旋电流以改变复合自由层400的平面内磁矩的取向的装置可包括she层402、钽层、铂层、写入字线、位线、字线驱动器、电源等。其他实施方案可包括用于产生自旋电流的类似或等效装置。

本公开可体现为其他具体形式而不背离其实质或基本特征。所述实施方案将在所有方面被认为仅仅是示例性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求而不是前述描述所指示。在权利要求书等同的含义和范围内的所有变化均包含在其范围内。