磁阻式随机存取存储器的复合自由层的制作方法

在各种实施例中，本公开涉及磁阻式随机存取存储器，并且更特别地涉及用于磁阻式随机存取存储器的复合自由层。

背景技术

各种类型的磁阻式随机存取存储器(mram)使用磁隧道结储存数据。磁隧道结(mtj)可以包含“固定”和“自由”磁性层，其中自由层的磁矩可以切换成与固定层的磁矩平行或反平行。薄的电介质或势垒层可以将固定层和自由层分开，并且由于量子隧穿，电流可以流过势垒层。平行状态和反平行状态之间的电阻上的差异允许储存数据。例如，低电阻可以对应于二进制“1”并且高电阻可以对应于二进制“0”。替代地，低电阻可以对应于二进制“0”并且高电阻可以对应于二进制“1”。

在自旋转移扭矩(stt)mram中，可以通过使自旋极化电流通过mtj以改变自由层的磁矩来写入数据。然而，通过mtj的高写入电流可能加速势垒层的损耗，并且自旋极化的读取电流可能干扰或更改储存的数据。相比之下，在自旋轨道扭矩(sot)mram中，可以通过施加电流通过与自由层相邻的自旋霍尔效应材料来写入数据，从而产生改变自由层的磁矩的纯自旋电流。与stt-mram相比，使用纯自旋电流的写入可以改善可靠性和数据保留，但是用于产生自旋电流的高电流可能导致与发热、高功率消耗、用于切换大电流的大的晶体管大小等有关的设计问题。

技术实现要素：

提出了用于磁阻式随机存取存储器的设备。在一个实施例中，用于储存数据的磁隧道结包含固定层、势垒层和复合自由层。在某个实施例中，势垒层设置于固定层和复合自由层之间。在其它实施例中，复合自由层包含平面内各向异性自由层、垂直磁各向异性(pma)诱导层和铁磁性非晶态层。在某个实施例中，可以布置pma诱导层，使得平面内各向异性自由层位于势垒层和pma诱导层之间。在其它实施例中，铁磁性非晶态层可以设置在平面内各向异性自由层和pma诱导层之间。

提出了用于磁阻式随机存取存储器的系统。在一个实施例中，磁阻式随机存取存储器裸芯包含多个磁隧道结。在某个实施例中，磁隧道结包含参考层、势垒层和复合自由层。在其它实施例中，势垒层设置于参考层和复合自由层之间。在一个实施例中，复合自由层包含平面内各向异性自由层、铁磁性非晶态层和pma诱导层。在某个实施例中，平面内各向异性自由层可以与势垒层相接触。在其它实施例中，铁磁性非晶态层可以与平面内各向异性自由层相接触。在一些实施例中，pma诱导层可以与铁磁性非晶态层相接触。

在另一个实施例中，设备包含基于复合自由层的平面内磁矩的取向而将数据储存在磁隧道结的复合自由层中的机构。在某个实施例中，设备包含永久诱导复合自由层的pma的机构。在另一实施例中，设备包含将储存数据的机构与永久诱导pma的机构分开的机构，使得用于储存数据的机构的晶体结构不受永久诱导pma的机构的影响。

附图说明

下面参考附图中图示的具体实施例而包含了更特定的描述。应理解，这些附图仅描绘了本公开的某些实施例，并且因此不认为是对其范围的限制，通过使用附图利用附加特征和细节来描述和解释本公开，附图中：

图1是包括磁阻随机存取存储器(mram)的系统的一个实施例的示意性框图；

图2是图示mram裸芯的一个实施例的示意性框图；

图3是图示磁隧道结阵列的一个实施例的示意图；

图4是图示包括复合自由层的磁隧道结的一个实施例的示意性框图；

图5是图示用于垂直磁各向异性(pma)诱导层的超晶格的一个实施例的示意性框图；

图6是图示与用于pma诱导层的超晶格结构有关的复合自由层的实施例的有效磁化的图示；

图7是图示磁隧道结的实施例的隧道磁阻的图示；

图8是图示用于制造磁隧道结的方法的一个实施例的示意性流程图；以及

图9是图示用于制造磁隧道结的方法的另一个实施例的示意性流程图。

具体实施方式

本公开的方面可以实施为设备、系统、方法或计算机程序产品。相应地，本公开的方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包含固件、驻留软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，其在本文中可以全部总体上称为“电路”、“模块”、“设备”或“系统”。此外，本公开的各方面可以采取计算机程序产品的形式，计算机程序产品实施为储存计算机可读和/或可执行程序代码的一个或多个非瞬态计算机可读储存介质中。

本申请文本中描述的许多功能单位已被标记为模块，以便更加特别强调它们的实现方式独立性。例如，模块可以实现为包括定制vlsi电路或门阵列的硬件电路，诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立式组件的现成半导体。模块也可以实现为诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置等的可编程硬件装置。

模块还可以至少部分地实现为软件，以由各种类型的处理器执行。例如，可执行代码的识别的模块可以包括例如计算机指令的一个或多个物理或逻辑块，其可以例如组织为对象、进程或函数。尽管如此，识别的模块的可执行部不需要在物理上位于一起，而是可以包括储存在不同位置中的不同指令，当这些指令在逻辑上结合在一起时构成模块并实现模块的所述目的。

事实上，可执行代码的模块可以包含单个指令或许多指令，并且甚至可以分布在数个不同的代码段上、在不同的程序中、跨数个存储器装置等。在模块或模块的部分实现为软件的情况下，软件部分可以储存在一个或多个计算机可读和/或可执行储存介质上。可以利用一个或多个计算机可读储存介质的任意组合。例如，计算机可读储存介质可以包含但不限于例如电子的、磁的、光学的、电磁的、红外的或半导体的系统、设备或装置，或前述的任意适合的组合，但不包含传播的信号。在本文档的上下文中，计算机可读和/或可执行储存介质可以是可以含有或储存程序的任意有形和/或非瞬态介质，该程序可以由指令执行系统、设备、处理器或装置使用或与之结合使用。

用于进行本公开的方面的操作的计算机程序代码可以以一种或多种编程语言的任意组合来编写，包含面向对象的编程语言(诸如python、java、smalltalk、c++、c#、objectivec等)，常规过程编程语言(诸如“c”编程语言、脚本编程语言)，和/或其他类似编程语言。程序代码可以部分地或完全地在用户的计算机上和/或数据网络之上在远程计算机或服务器等中的一个或多个上执行。

如本文所使用的组件包含有形的、物理的、非瞬态装置。例如，组件可以实现为包括定制vlsi电路、门阵列或其他集成电路的硬件逻辑电路；诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立式装置的现成半导体；和/或其他机械或电气装置。组件也可以实现为诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置等的可编程硬件装置。组件可以包括通过印刷电路板(pcb)的线路等与一个或多个其他组件电通信的一个或多个硅集成电路装置(例如，芯片、裸芯、裸芯平面、封装体)或其他分立式电气装置。在某些实施例中，本文描述的模块中的每个可以可选地由组件体现或实现为组件。

如本文所使用的电路包括一个或多个电气和/或电子组件的集合，其提供电流的一个或多个通路。在某些实施例中，电路可以包含电流的返回通路，以使得该电路是封闭回路。然而，在另一个实施例中，不包含电流的返回通路的组件的集合可以称为电路(例如开放回路)。例如，无论集成电路是否接地(作为电流的返回通路)，集成电路都可以被称为电路。在各种实施例中，电路可以包含集成电路的一部分、集成电路、集成电路的集合、具有或不具有集成电路装置的非集成电气和/或电子组件的集合等。在一个实施例中，电路可以包含定制的vlsi电路、门阵列、逻辑电路或其他集成电路；诸如逻辑芯片、晶体管或其他分立式装置的现成半导体；和/或其他机械或电气装置。电路还可以实现为诸如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑装置等的可编程硬件装置(诸如，作为固件、网表等)中的合成电路。电路可以包括通过印刷电路板(pcb)的线路等与一个或多个其他组件电通信的一个或多个硅集成电路装置(例如，芯片、裸芯、裸芯平面、封装体)或其他分立式电气装置。在某些实施例中，本文描述的模块中的每个可以由电路实施或实现为电路。

本说明书通篇对“一个实施例”、“实施例”或类似语言的引用意指关于实施例中描述的特定特征、结构或特性包含在本公开的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”以及类似的语言可以但不一定全部指代相同的实施例，而是意指“一个或多个但不是全部的实施例”，除非明确地另外指明。除非明确地另外指明，术语“包含”、“包括”、“具有”及其变体意味着“包含但不限于”。项目的枚举列举并不暗示项目中任意或全部是互相排斥和/或互相包含的，除非明确地另外指明。除非明确地另外指明，术语“个(a)”、“一个(an)”和“该”也指代“一个或多个”。

以下参考根据本公开的实施例的方法、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方面。应该理解，可以通过计算机程序指令来实现示意性流程图和/或示意性框图中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。这些计算机程序指令可以被提供到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/或动作的机构。

还应该注意的是，在一些替代实施方式中，框中提到的功能可以不按照图中提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，相继示出的两个框实际上可以实质上同时执行，或者框有时可以以相反的顺序执行。可以设想其他的步骤和方法，其在功能、逻辑或效果上等同于所示的图示的一个或多个框或其部分。尽管在流程图和/或框图中可以采用各种箭头类型和线型，但是它们理解为不限制对应的实施例的范围。例如，箭头可以指示所描绘的实施例的枚举的步骤之间的未指定持续时间的等待或监控周期。

在以下详细描述中，参考了形成其一部分的附图。前述的发明内容仅是说明性的，并不旨在以任意方式限制。除了如上所述的说明性方面、实施例和特征之外，通过参考附图和以下详细描述，其他的方面、实施例和特征将变得显而易见。每个图中的元件的描述可以指代前面的图示的元件。相同的数字可以指代图示中的相同元件，包含相同元件的替代实施例。

图1描绘了包括磁阻式随机存取存储器(mram)150的系统100。在所描绘的实施例中，系统包含计算装置110。在各种实施例中，计算装置110可以指代能够通过在电子数据上进行算术或逻辑操作来计算的任意电子装置。例如，计算装置110可以是服务器、工作站、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、智能手机、用于另一电子装置的控制系统、网络附接的储存体装置、存储局域网络上的块装置、路由器、网络交换机等。在某些实施例中，计算装置110可以包含储存计算机可读指令的非瞬态计算机可读储存介质，计算机可读指令配置为使计算装置110进行本文公开的方法中的一个或多个的步骤。

在所描绘的实施例中，计算装置110包含处理器115、存储器130以及储存体140。在各种实施例中，处理器115可以指代实行由计算装置进行的算术或逻辑操作的任意电子元件。例如，在一个实施例中，处理器115可以是执行储存的程序代码的一般用途处理器。在另一个实施例中，处理器115可以是对由存储器130和/或储存体140储存的数据进行操作的现场可编程门阵列(fpga)、应用专用集成电路(asic)等。在某个实施例中，处理器115可以是用于储存体装置(例如，在储存体局域网络上)、网络装置等的控制器。

在所描绘的实施例中，处理器115包含缓存120。在各种实施例中，缓存120可以储存由处理器115使用的数据。在某些实施例中，缓存120可以比存储器130更小并更快，并且可以复制存储器130的频繁使用的位置中的数据等。在某些实施例中，处理器115可以包含多个缓存120。在各种实施例中，缓存120可以包含用于储存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、磁阻式随机存取存储器(mram)150等。例如，在一个实施例中，缓存120可以包含sram122。在另一个实施例中，缓存120可以包含mram150。在某个实施例中，缓存120可以包含sram122、mram150和/或其他存储器介质类型的组合。

在一个实施例中，存储器130通过存储器总线135耦接到处理器115。在某些实施例中，存储器130可以储存由处理器115直接可寻址的数据。在各种实施例中，存储器130可以包含用于储存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，在一个实施例中，存储器130可以包含dram132。在另一个实施例中，存储器130可以包含mram150。在某个实施例中，存储器130可以包含dram132、mram150和/或其他存储器介质类型的组合。

在一个实施例中，储存体140通过储存体总线145耦接到处理器115。在某些实施例中，储存总线145可以是计算装置110的外围总线，诸如外围组件互连高速(pciexpress或pcie)总线、串行先进技术附件(sata)总线、并行先进技术附件(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先进开关(pcie-as)总线等。在各种实施例中，储存体140可以储存由处理器115无法直接寻址的数据，但是该数据可以经由一个或多个储存体控制器存取。在某些实施例中，储存体140可以比存储器130更大。在各种实施例中，储存体140可以包含用于储存数据的一种或多种类型的储存体介质，诸如硬盘驱动器、nand闪速存储器142、mram150等。例如，在一个实施例中，储存体140可以包含nand闪速存储器142。在另一个实施例中，储存体140可以包含mram150。在某个实施例中，储存体140可以包含nand闪速存储器142、mram150和/或其他储存体介质类型的组合。

在各种实施例中，可以在缓存120、存储器130、储存体140和/或储存数据的另一个组件中使用mram150来储存数据。例如，在所描绘的实施例中，计算装置110在缓存120、存储器130以及储存体140中包含mram150。在另一个实施例中，计算装置110可以对于存储器130使用mram150，并且可以对于缓存120或储存体140使用其他类型的存储器或储存体介质。相反地，在另一个实施例中，计算装置110可以对于储存体140使用mram150，并且可以对于缓存120或存储器130使用其他类型的存储器介质。此外，如果存储器130是非易失性的，则一些类型的计算装置110可以包含存储器130而没有储存体140(例如，在微控制器中)，可以对于专用处理器115包含存储器130而没有缓存120，等等。鉴于本公开内容，缓存120、存储器130和/或储存体140的各种组合以及缓存120、存储器130、储存体140和/或其他应用的mram150的用途将是清楚的。

在各种实施例中，mram150可以包含一个或多个芯片、封装体、裸芯或其他集成电路装置，其构成一个或多个印刷电路板、储存体外壳和/或其他机械和/或电气支承结构上设置的磁阻式存储器。例如，一个或多个双列直插式内存模块(dimm)、一个或多个扩展卡和/或子卡、固态驱动器(ssd)或其他储存体装置，和/或另一个存储器和/或储存体形状因数可以包括mram150。mram150可以与计算装置110的主板集成和/或安装在计算装置110的母板上，安装在计算装置110的端口和/或插槽中，安装在网络上的不同计算装置110和/或专用储存体器具上，通过外部总线与计算装置110通信等。

在各种实施例中，mram150可以包含一个或多个mram裸芯，该mram裸芯，其包含用于储存数据的多个磁隧道结(mtj)。在某些实施例中，mtj包括固定层、势垒层和复合自由层。复合自由层可以包含平面内各向异性自由层、铁磁性非晶态层和垂直磁各向异性(pma)诱导层。在某些实施例中，与具有非复合自由层的mtj相比，包含平面内各向异性自由层、铁磁性非晶态层和pma诱导层的复合自由层可以降低写入电流和功率消耗，同时提供适合于读取储存的数据的隧道磁阻(tmr)比(例如，高电阻状态和低电阻状态与反平行状态之间的差异的度量)。下面关于图2至图9进一步详细描述mram150。

图2描绘了mram裸芯150的一个实施例。mram裸芯150可以实质上类似于参考图1所述描述的mram150。在所描绘的实施例中，mram裸芯150包含磁隧道结的阵列200、行电路202、列电路204和裸芯控制器206。

在各种实施例中，mram裸芯150可以指代集成电路，集成电路包含磁阻式数据储存的mram单元(例如，mtj)的核心阵列200和与阵列200通信的外围组件(例如，行电路202、列电路204和/或裸芯控制器206)两者。在某些实施例中，一个或多个mram裸芯150可以被包含在存储器模块、储存体装置等中。

在所描绘的实施例中，阵列200包含用于储存数据的多个磁隧道结。在一个实施例中，阵列200可以是二维阵列。在另一个实施例中，阵列200可以是包含mtj的多个平面和/或层的三维阵列。在各种实施例中，阵列200可以是经由行电路202由行(例如，字线)可寻址的和经由列电路204由列(例如，位线)可寻址的。

在某些实施例中，裸芯控制器206与行电路202和列电路204协作以在阵列200上进行存储器操作。在各种实施例中，裸芯控制器206可以包含诸如功率控制电路、地址解码器、状态机等的组件，功率控制电路在存储器操作期间控制供应到行电路202和列电路204的功率和电压，地址解码器将接收的地址转译为由行电路202和列电路204使用的硬件地址，状态机实现并控制存储器操作。裸芯控制器206可以经由线208与计算装置110、处理器115、总线控制器、储存体装置控制器、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的一个实施例。mtj阵列200可以实质上类似于参考图2所述描述的mtj阵列200。在所描绘的实施例中，mtj阵列200包含用于储存数据的多个mtj350，mtj350耦接到写入字线(wl-w)302、读取字线(wl-r)和位线304。

在所描绘的实施例中，mtj350包含具有由单头箭头指示的固定或钉扎的磁矩的固定层或参考层。在另一个实施例中，mtj350包含具有由双头箭头指示的可以改变或切换的磁矩的自由层。薄的电介质或势垒层可以将固定层和自由层分开，并且由于量子隧穿，电流可以跨势垒层流动。如果固定层和自由层的磁矩实质上彼此平行(在本文中称为mtj350的平行状态)，则电子隧穿过势垒层的概率更高，并且如果固定层和自由层的磁矩实质上彼此反平行(在本文中称为mtj350的反平行状态)，则电子隧穿过势垒层的概率更低。因此，mtj350的电阻在反平行状态下比在平行状态下更高。

在各种实施例中，mtj350的平行状态和反平行状态之间的电阻上的差异允许储存数据。例如，低电阻可以对应于二进制“1”并且高电阻可以对应于二进制“0”。替代地，低电阻可以对应于二进制“0”并且高电阻可以对应于二进制“1”。较高的反平行电阻与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将指示反平行电阻是平行电阻的两倍(例如，比平行电阻更大100％)。

在某些实施例中，mtj350的tmr比可以与从mtj350读取数据的难度有关。例如，如果mtj350的反平行电阻与平行电阻之间的比较高，则较低的读取电压可以足以在反平行和平行状态中产生可检测的不同读取电流。相反，如果mtj350的反平行电阻与的平行电阻之间的比率较低，则除非施加较高的读取电压，否则反平行和平行状态下的读取电流可能不是可检测地不同的。因此，增加mtj350的tmr(或避免可以降低tmr的因素)可以促进mtj350的读取操作。

在所描绘的实施例中，mtj350是自旋轨道扭矩(sot)mtj，可以通过施加通过与自由层相邻的自旋霍尔效应(she)材料的电流，从而产生用于改变自由层的磁矩的纯自旋电流，以对其写入数据。在各种实施例中，she材料可以指代展现自旋霍尔效应的任意材料，其诱导垂直于材料中的电流的自旋电流。例如，she材料的层内的平面内电流可以导致跨层的自旋电流。可以基于电流的方向来控制自旋电流的方向。因此，在mtj350包含与自由层相邻或接触的she材料的层的某些实施例中，she层内的平面内电流可以将自旋电流注入到自由层中，以改变自由层的磁矩。

在所描绘的实施例中，写入字线302和位线304对于sot-mtj350耦接到she层的相对侧，使得写入字线302和位线304之间的电压差在写入字线302与位线304的交叉点处的mtj350的she层中诱导平面内电流。因此，在所选写入字线302与所选位线304的交叉点处将数据写入到mtj350可以包含，将编程电压施加到所选写入字线302，并且将零(或其他参考)电压施加到所选位线304，以使得mtj350的she层中的电流在自由层中引起自旋电流，以改变自由层的磁矩。

在各种实施例中，mtj阵列200可以包含晶体管、选择器等，其在写入操作期间防止通过未选的mtj350的杂散电流。例如，在一个实施例中，未选的写入字线302和未选的位线304的电压可以设定为编程电压的一半，以使得在未选的mtj350(例如，不在所选写入字线302或所选位线304上的mtj350)的写入字线302与位线304之间不存在电压差，并且在半选择的mtj350(例如，位于所选写入字线302或所选位线304中的任一个上但不位于两者上的mtj350)的写入字线302与位线304之间存在编程电压的一半的电压差。在另一实施例中，mtj的选择器可以不允许电流流动，除非写入字线302与位线304之间的电压差大于编程电压的一半。因此，选择器、晶体管或其他开关装置可以允许写入操作在不更改其他mtj350中储存的数据的情况下更改一个mtj350中的储存的数据。

在另一个实施例中，可以同时将数据写入到mtj350的行。例如，可以将行的写入字线302接地，并且可以将正或负编程电压施加到位线304以将不同的数据值写入该行中的mtj350。鉴于本公开内容，将数据写入到单独的mtj350或使用各种几何形状的mtj阵列200中的多个mtj350的各种方式将是清楚的。

在各种实施例中，从mtj350读取数据可以包含测量、检测或感测mtj350的电阻(例如，指示mtj350处于平行状态还是反平行状态)。例如，在一个实施例中，可以跨自由层、势垒层和固定层施加已知的电压，并且可以测量或感测所得的电流以检测电阻。在另一个实施例中，可以通过自由层、势垒层和固定层施加已知电流，并且可以测量或感测所得的mtj350的电压降以检测电阻。在某些实施例中，mtj阵列200或mram裸芯150可以包含感测放大器、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，并储存转换的数据。

在所描绘的实施例中，读取字线306和位线304耦接到mtj350，以施加通过自由层、势垒层和固定层的电流。例如，从所选读取字线306与所选位线304的交叉点处的mtj350读取数据可以包含，将读取电压施加到所选读取字线306，并且将零(或其他参考)电压施加到所选位线304，以使得通过mtj350的电阻可以被感测。如上面对于写入操作所描述的，选择器、晶体管等可以防止在读取操作期间通过未选mtj350的杂散电流。此外，可以同时从mtj350的行读取数据。例如，可以将读取电压施加到行的读取字线206，并且可以将位线304接地，使得对于多个位线304感测所获得的电流。鉴于本公开内容，从单独的mtj305或使用各种几何形状的mtj阵列200中的多个mtj350读取数据的各种方式将是清楚的。

图4描绘了包括复合自由层400的磁隧道结350的一个实施例。mtj150可以实质上类似于关于图3所述描述的mtj350。在所描绘的实施例中，mtj350包含固定层或参考层412、自由层400和设置在固定层和自由层400之间的势垒层410，其可以实质上如上面关于图3所述的。在所描绘的实施例中，自由层400是复合自由层，其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和铁磁性非晶态层406。此外，在所描绘的实施例中，mtj还包含自旋霍尔效应层402，其可以实质上如上面关于图3所述的。在各种实施例中，mtj350的层可以由诸如物理气相沉积、溅射等的各种技术来形成或沉积。在某些实施例中，图4中未示出的另外的层(诸如盖层)可以被包含在mtj350中或者在制造mtj350的过程中。

在一个实施例中，固定层或参考层412包含具有固定的或钉扎的磁矩的铁磁性材料。如本文所使用的，术语“铁磁性”可以用于指代能够自发磁化(例如，在不存在外部施加的磁场的情况下保持磁化)的任意材料。因此，“铁磁性”材料可以指代严格的铁磁性(ferromagnetic)材料(例如，单独的微观磁矩完全对准)或者指代亚铁磁性(ferrimagnetic)材料(例如，单独的微观磁矩部分地反对准)。

在各种实施例中，“固定”或“钉扎”的磁矩指代当自由层400的磁矩改变或翻转时，至少在取向上实质上不变的磁矩。因此，例如，在一个实施例中，固定层412可以包括具有比自由层400的铁磁性材料更高的矫顽力的铁磁性材料。在这样的实施例中，外部磁场可以改变固定层412和自由层400两者的磁化，但是对自由层400具有更大的影响。在另一个实施例中，固定层412可以包括具有通过与反铁磁体交换耦合而钉扎的磁矩的铁磁性薄膜。例如，在一个实施例中，固定层412可以包含合成反铁磁体(例如，钴/铁和钌多层)、钌或铱间隔体以及包括钴/铁/硼合金(cofeb)的铁磁性层。

在各种实施例中，固定层412的磁矩可以为自由层400的磁矩的取向提供参考。例如，在各种实施例中，自由层400的总磁矩可以与固定层412的磁矩平行或反平行。因此，固定层412被描绘为具有由单头箭头指示的参考磁矩，并且自由层400的平行或反平行的磁矩由双头箭头指示。

在各种实施例中，势垒层410设置在固定层或参考层412与自由层400之间。在某些实施例中，势垒层410包括电介质材料，例如镁氧化物(mgo)。在某些实施例中，势垒层410可以小于20埃(angstrom)厚，使得跨势垒层410的电子的量子隧穿允许电流流过mtj350。

总体上，在各种实施例中，自由层400可以包括具有相对于固定层412的磁矩可以被改变、切换或翻转的磁矩的铁磁性材料。如关于图3所描述的，改变自由层400的磁矩改变了mtj350的电阻，以允许储存数据。在某些实施例中，自由层400的铁磁性材料可以包含cofeb合金。在所描绘的实施例中，自由层400是复合自由层，其具有下面进一步详细描述的组件。在某些实施例中，读取数据可以包含从端子t2424(或端子t1422)到端子t3426施加电流，以感测mtj350的电阻。

在一个实施例中，自旋霍尔效应层402包括如上关于图3所述的自旋霍尔效应(she)材料。在各种实施例中，she层402可以描述为mtj350的部分，或者可以描述为耦接到mtj(其中mtj本身包含固定层412、自由层400和势垒层410)。在所描绘的实施例中，she层402配置为使得she层402内的平面内电流在复合自由层400中引起自旋电流。例如，在一个实施例中，从端子t1422到端子t2424的电流可以将具有第一取向的自旋电流注入到复合自由层400中。在其它实施例中，从端子t2424到端子t1422的相反电流可以将具有与第一取向相反的取向的自旋电流注入到复合自由层400中。自旋电流可以改变或翻转自由层400的磁矩以写入数据。

在某些实施例中，为了切换非复合自由层的磁矩，she层402中的电流密度可以在每平方厘米一千万至一亿安培的数量级上。高切换电流密度可以导致与发热、高功率消耗、用于切换大电流的大的晶体管大小等相关的设计问题。然而，具有平面内磁矩的自由层400的切换电流密度与自由层400的有效磁化成正比，其中有效磁化限定为饱和磁化减去垂直磁各向异性。因此，在某些实施例中，增加自由层400的垂直各向异性可以降低mtj350的切换电流密度。在各种实施例中，复合自由层400可以配置为具有总体的面内各向异性(具有对各向异性的垂直分量)以降低mtj的切换电流。

在所描绘的实施例中，复合自由层400包含平面内各向异性自由层408、铁磁性非晶态层406和垂直磁各向异性(pma)诱导层404。在各种实施例中，平面内各向异性自由层408可以包括具有可改变的平面内磁矩的铁磁性材料。例如，在一个实施例中，平面内各向异性自由层408可以包含铁磁性cofeb合金。如上所述，平面内各向异性自由层408的磁矩可以被来自she层402的自旋电流改变。在某些实施例中，平面内各向异性自由层408可以高达30埃厚。在其它实施例中，平面内各向异性自由层408可以是至少5埃厚。

如本文所使用的，诸如“平面内”和“垂直”的术语可以用于描述相对于mtj350的层方向或取向(例如，对于诸如磁矩、磁化、电流密度等的矢量量化(vectorquantity))。在一个实施例中，术语“垂直”指代与层的表面成直角的方向(例如，垂直地在图4中)，并且术语“平面内”指代平行于层的表面的方向(例如，水平地在图4中)。然而，在另一个实施例中，矢量、取向或方向可以包含垂直分量和平面内分量的组合，并且但是可以基于是垂直分量还是平面内分量具有更大的大小而被描述为“垂直”或“平面内”中的任一个。例如，在一个实施例中，在磁矩包含非零平面内分量和垂直分量的情况下，如果平面内分量大于垂直分量，则可以将其描述为“平面内”磁矩。

在各种实施例中，磁各向异性可以指代其中磁化在能量上有利的方向或轴。例如，在一个实施例中，磁各向异性可以指代用于磁化铁磁性材料的“易轴”的方向，其中铁磁性材料的磁矩倾向于沿“易轴”取向，但可指向沿着该轴的任一方向。

在某些实施例中，平面内各向异性自由层408具有面内磁各向异性。在其它实施例中，平面内各向异性自由层408的平面内磁各向异性可以与固定层412的磁矩平行或实质上平行。因此，平面内各向异性自由层408的磁矩可以被来自she层402的自旋电流而改变，但是与面内磁各向异性对准的磁矩将实质上平行于或实质上反平行于固定层412的磁矩。因此，在各种实施例中，基于平面内磁矩的平行或反平行取向，平面内各向异性自由层408可将数据储存在复合自由层400中。

在一个实施例中，pma诱导层404配置为对复合自由层400的磁各向异性诱导、增加或添加垂直分量。在某些实施例中，pma诱导层404可以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的切换电流密度可以与自由层400的有效磁化成正比，其中有效磁化限定为饱和磁化减去垂直磁各向异性。因此，在某些实施例中，增加垂直各向异性可以降低复合自由层400的有效磁化，从而降低mtj350的切换电流密度。

在各种实施例中，pma诱导层404可以包含任意诱导pma的各种材料。例如，在一个实施例中，pma诱导层404可以包含交替的“x”和“y”层的超晶格。在一个实施例中，“x”层可以包含0.5至10埃的钴和/或铁，并且“y”层可以包含0.5至10埃的铂、钯和/或镍。可以选择交替[x/y]结构的重复数目，以通过诱导pma来降低复合自由层400的有效磁化，同时在平面内保持复合自由层400的总磁矩。在某个实施例中，例如，pma诱导层404可以包含交替的钴层和铂层的超晶格。在其它实施例中，交替的钴层和铂层的超晶格可以包含三个钴层和三个铂层。在一些实施例中，钴层可以是3.4埃厚，并且铂层可以是1.4埃厚。

在另一个实施例中，pma诱导层404可以包含稀土和过渡金属合金。例如，在一个实施例中，pma诱导层404可以包含具有10至30原子百分比的钆(稀土金属)的钴和/或铁(过渡金属)的合金。在另一个实施例中，pma诱导层404可以包含l10相合金。在某些实施方案中，合金的l10相可以指代类似于面心立方晶体结构的结构，但是在交替的平面中以合金的不同元素排列。在一个实施例中，pma诱导层404的l10相合金可以包含“x”和“y”元素的等原子合金，其中“x”元素可以是钴或铁，并且“y”元素可以是铂、钯或镍。在某个实施例中，可以在高于(或等于)300摄氏度的温度下沉积l10相合金。在某些实施例中，pma诱导层404可以包含子层的组合，子层包含超晶格、稀土和过渡金属合金、l10相合金和/或其他pma诱导结构。

在各种实施例中，由pma诱导层404添加到复合自由层400的pma的量可以与pma诱导层404的厚度成正比(或可以随pma诱导层404的厚度增加)。因为复合自由层400的有效磁化等于饱和磁化减去垂直各向异性，所以初始地从零开始增加pma降低了复合自由层400的有效磁化，从而允许切换电流的对应的降低。然而，在饱和磁化以上对pma的进一步增加可能增加有效磁化和开关电流，因为复合自由层400的总磁矩变为平面外。因此，在某些实施例中，选择pma诱导层404的厚度，使得pma诱导层404降低复合自由层400的有效磁化，并且使得复合自由层400的总磁矩是平面内的。在各种实施例中，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的总磁矩可以称为平面内。

在各种实施例中，mtj350的制造商可以通过控制一个或多个单独合金层(诸如，稀土和过渡金属合金)或l10相合金的沉积，和/或通过控制超晶格结构的重复层的数目，来控制pma诱导层404的厚度。有效磁化、切换电流密度或切换电流的“降低”可以与省略pma诱导层404的复合自由层400结构相比较。

在所描绘的实施例中，pma诱导层404设置为使得平面内各向异性自由层408在势垒层410和pma诱导层404之间。例如，可以将mtj350构造为具有沉积在基板上的固定层412，并且平面内各向异性自由层408可以在势垒层410上方并且在pma诱导层404下方。在另一个实施例中，可以将mtj350构造为具有沉积在基板上的she层402，并且平面内各向异性自由层408可以在势垒层410下方并且在pma诱导层404上方。

在某些实施例中，平面内各向异性自由层408的结晶可以从与势垒层410的界面进行。例如，在一个实施例中，可以将平面内各向异性自由层408沉积为非晶态结构，并退火以使得平面内各向异性自由层408以与势垒层410的伪外延关系结晶。固定层412、势垒层410和平面内各向异性自由层408中的匹配或类似晶体结构(例如伪外延)可以促进穿过势垒层410的量子隧穿，并且这种结构的tmr可以适合于读取数据。相比之下，平面内各向异性自由层408内或者平面内各向异性自由层408和势垒层410之间的界面处的晶体取向失配可能妨碍量子隧穿，使得mtj350的电阻在平行和反平行状态两者下都是高的，这样的结构的低tmr可能会使mtj350较不适合或不适合储存数据。

在某些实施例中，pma诱导层404的晶体结构可以不同于势垒层410的晶体结构。例如，在各种实施例中，势垒层410可以具有立方晶体结构，并且pma诱导层404可以具有面心立方晶体结构。在其它实施例中，如果pma诱导层404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的两侧进行的结晶可能引起平面内各向异性自由层408内的晶体失配，导致mtj350的低tmr。

因此，在某些实施例中，铁磁性非晶态层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，在一个实施例中，平面内各向异性自由层408可以与势垒层410接触，铁磁性非晶态层406可以与平面内各向异性自由层408接触，并且pma诱导层404可以与铁磁性非晶态层406接触。

在某些实施例中，铁磁性非晶态层406可以包含是铁磁性的和非晶态的两者的任意材料。在某些实施例中，pma诱导层404和铁磁性非晶态层406的铁磁性材料可以将自旋电流从she层402传导到平面内各向异性自由层408中。相比之下，诸如重金属原子的非铁磁性材料可能散射自旋电流，从而妨碍mtj350的写入操作。

在某些实施例中，铁磁性非晶态层406的非晶态结构允许平面内各向异性自由层408在退火期间的结晶是基于势垒层410的晶体结构的而不是基于pma诱导层的晶体结构的。例如，铁磁性非晶态层406可以将平面内各向异性自由层408与pma诱导层404分开，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之外的另一不是非晶态的层直接接触平面内各向异性自由层408，则铁磁性非晶态层406可以防止或减轻mtj350的tmr的降低。

在一个实施例中，铁磁性非晶态层406可以包含一种或多种铁磁性元素、一种或多种玻璃形成元素以及一种或多种用于防止一种或多种玻璃形成元素的迁移的稳定元素的合金。(如本文所使用的，当提及合金时，“元素”具体指代原子的类型，而不是更一般地指组分。)铁磁性元素可以是铁、钴、镍或展示铁磁性的任意其他元素。在一个实施例中，一种或多种铁磁性元素可以包含铁、钴，或铁和钴的组合。

在各种实施例中，玻璃形成元素可以指代倾向于干涉或防止一种或多种铁磁性元素的结晶而使得铁磁性非晶态层406保持为非晶态固体或类玻璃状态的任意元素。例如，在某个实施例中，一种或多种玻璃形成元素可以包括硼。然而，在一些实施例中，玻璃形成元素可能在将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态层406内迁移，允许在具有低浓度玻璃形成元素的区域开始结晶，使得铁磁性非晶态层406不再是非晶态的。因此，在某些实施例中，铁磁性非晶态层406可以包含用于防止一种或多种玻璃形成元素迁移的一种或多种稳定元素。(然而，在另一个实施例中，一种或多种玻璃形成元素可能不会充分地迁移以允许退火期间的结晶，并且可以省略一种或多种稳定元素)。

在各种实施例中，稳定元素可以包含倾向于减少或防止铁磁性非晶态层406中的玻璃形成元素的迁移的任意元素。例如，硼与钽、钛或锆之间的高化学亲和力可以防止硼在铁磁性非晶态层406内的迁移，从而维持非晶态结构。在一个实施例中，一种或多种稳定元素可以包含钽、钛，或钽和钛的组合。

在一个实施例中，铁磁性非晶态层406可以包含具有十原子百分比或更多的一种或多种玻璃形成元素的合金。在某个实施例中，合金可以包含五原子百分比或更少的一种或多种稳定元素。在一些实施例中，合金可以包含至少百分之三的一种或多种稳定元素。

在一个实施例中，铁磁性非晶态层406包括钴、铁和/或镍的合金，且具有至少十原子百分比的硼和至少三原子百分比的钽、钛和/或锆。在另一个实施例中，铁磁性非晶态层406包括钴、铁和/或镍的合金，且具有至少二十原子百分比的铪、锆、硅、锗、钽和/或铌。

在一个实施例中，铁磁性非晶态层406包括钴、钛和硼的合金(cotib)。在另一个实施例中，铁磁性非晶态层406包括钴、铁、硼和钽(cofebta)的合金。在某些实施例中，即使在高达700k的温度下退火之后，cotib和cofebta合金也可以保持非晶态。

图5描绘了pma诱导层404的超晶格的一个实施例。在各种实施例中，超晶格可以指代周期性分层结构。在所描绘的实施例中，pma诱导层404包括交替的钴层502和铂层504的超晶格。在各种实施例中，单独的钴层502和铂层504的厚度可以小于10埃。在一个实施例中，钴层502可以是3.4埃厚，并且铂层504可以是1.4埃厚。在制造期间中可以选择或控制钴层502和铂层504的重复的数目，以(通过诱导pma)降低复合自由层400的有效磁化，同时使复合自由层400的总磁矩在平面内。

图6是描绘复合自由层400的实施例的有效磁化关于pma诱导层404的超晶格的交替的钴和铂层(例如，图5中的钴层502和铂层504)的重复的数目的图。有效磁化在图6中标准化，使得具有零重复(例如，不具有pma诱导层404)的有效磁化等于1。该图示出了随着附加重复的降低的效磁化，以使得具有三个钴层和三个铂层的有效磁化在标准化值的0.1和0.2之间。因此，在某些实施例中，pma诱导层404可以将复合自由层400的有效磁化降低为五分之一至十分之一。

在某些实施例中，mtj的切换电流可以与复合自由层400的有效磁化上的降低成正比地降低。例如，在一个实施例中，在没有pma诱导层404的情况下切换电流密度可以高达每平方厘米五千万安培，并且pma诱导层404可以将切换电流密度降低一个数量级至五百万安培每平方厘米。

在某个实施例中，she层402内的平面内电流在复合自由层400中引起自旋电流，并且pma诱导层404将平面内电流的电流密度降低到每平方厘米一百万至一千万安培之间。在其它实施例中，pma诱导层404可以将平面内电流的电流密度降低到每平方厘米三百万与七百万安培之间。在某个实施例中，pma诱导层404可以将平面内电流的电流密度降低至每平方厘米四百万与六百万安培之间。

然而，pma诱导层404的超晶格的交替的钴层和铂层的过多重复可能诱导足够的pma，使得复合自由层400的磁矩不再处于平面内。例如，图6的图的降低趋势表明，超晶格结构的四次或更多次重复将使复合自由层400的有效磁化为负或在平面外。

图7是描绘磁隧道结的实施例的隧道磁阻(tmr)的图示。如上所述，tmr可以指代mtj的较高的反平行电阻与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。在各种实施例中，更高的tmr对应于反平行状态和平行状态之间更明显的差异，并且增加的tmr可以促进降低读取电流和/或电压。图7中的图示描绘了不存在pma诱导层404的tmr，使得平面内各向异性自由层408的晶体结构受到she层402和/或铁磁性非晶态层406的影响。

在所描绘的图中，具有钽she层402且不具有铁磁性非晶态层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态层406的mtj的tmr低于100％，并且接近75％。铂的面心立方体结构可能引起在退火期间的平面内各向异性自由层408的错结晶，导致tmr上的下降。然而，引入10埃厚的cotib铁磁非晶体层406使具有铂she层402的tmr回到大致100％。因此，由于错结晶导致的tmr上的下降可以由铁磁性非晶态层406充分地防止或减轻。

图8是图示用于制造磁隧道结的方法800的一个实施例的示意性流程图。方法800开始，并且制造商在基板上沉积802固定层412。制造商在固定层412上沉积804势垒层410。制造商在势垒层410上沉积806平面内各向异性自由层408。制造商在平面内各向异性自由层408上沉积808铁磁性非晶态层406。制造商在铁磁性非晶态层406上将pma诱导层404或超晶格沉积810。制造商在pma诱导层404上沉积812自旋霍尔效应层402，并且方法800结束。

图9是图示用于制造磁隧道结的方法900的另一个实施例的示意性流程图。方法900开始，并且制造商在基板上沉积902自旋霍尔效应层402。制造商在自旋霍尔效应层402上将pma诱导层404沉积904。制造商在pma诱导层404上沉积906铁磁性非晶态层406。制造商在铁磁性非晶态层406上沉积908平面内各向异性自由层408。制造商在平面内各向异性自由层408上沉积910势垒层410。制造商在势垒层410上沉积912固定层412，并且方法900结束。

在各种实施例中，将数据储存在复合自由层400中的机构可以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。其他实施例可以包含将数据储存在复合自由层400中的类似或等同机构。

在各种实施例中，为复合自由层400永久诱导垂直磁各向异性(pma)的机构可以包含pma诱导层404、超晶格、稀土和过渡金属合金、l10相合金等。其他实施例可以包含在复合自由层400中诱导pma的类似或等同机构。

在各种实施例中，将储存数据的机构与永久诱导pma的机构分开的机构可以包含铁磁性非晶态层406、一种或多种铁磁性元素、一种或多种玻璃形成元素、防止一种或多种玻璃形成元素的迁移的一种或多种稳定元素、cotib合金、cofebta合金等。其他实施例可以包含将储存数据的机构与永久诱导pma的机构分开的类似或等同机构。

在各种实施例中，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机构可以包含she层402、钽层、铂层、写入字线、位线，字线驱动器、电源等。其他实施例可以包含产生自旋电流的类似或等同机构。

本公开可以在不脱离其精神或基本特征的情况下以其他具体形式来实现。所描述的实施例在所有方面仅被认为是说明性的而非限制性的。因此，本公开的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来指示。在权利要求的等同的含义和范围内的所有改变都将包含在其范围内。