CN103887426A - 磁存储器、在磁器件中使用的磁性结和提供磁性结的方法 - Google Patents
磁存储器、在磁器件中使用的磁性结和提供磁性结的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103887426A CN103887426A CN201310713692.XA CN201310713692A CN103887426A CN 103887426 A CN103887426 A CN 103887426A CN 201310713692 A CN201310713692 A CN 201310713692A CN 103887426 A CN103887426 A CN 103887426A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- magnetic
- diffusionless transformation
- knot
- diffusionless
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 425
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 230000015654 memory Effects 0.000 title claims abstract description 40
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 315
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 39
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 28
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 25
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 23
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 12
- 229910001291 heusler alloy Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 9
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims description 7
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 6
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910002058 ternary alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 abstract description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 35
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 description 34
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 30
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 23
- 230000006870 function Effects 0.000 description 14
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 11
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 7
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000018199 S phase Effects 0.000 description 6
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 6
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 6
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 5
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 5
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 5
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 3
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 3
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 230000005293 ferrimagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
- G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
- G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
- G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
本发明提供一种磁存储器、在磁器件中使用的磁性结和提供磁性结的方法。方法和系统提供可在磁器件中使用的磁性结。该磁性结包括具有非磁间隔层的多个磁层。该磁性结还包括至少一个无扩散相变层。该磁性结被配置为在写电流穿过磁性结时可在多个稳定的磁状态之间转换。
Description
技术领域
本发明的示例实施方式涉及磁存储器、在磁器件中使用的磁性结和提供磁性结的方法。
背景技术
磁存储器、尤其是磁随机存取存储器（MRAM）由于其在操作期间关于高读/写速度、优良的耐用性、非易失性和低功耗的潜力而吸引了越来越多的关注。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移扭矩随机存取存储器（STT-RAM）。STT-RAM利用磁性结，而磁性结至少部分地通过被驱动经过该磁性结的电流写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流在该磁性结中的磁矩上施加自旋扭矩。结果，具有对自旋扭矩起反应的磁矩的层可以被切换到期望状态。
例如，图1示出了传统磁隧道结（MTJ）10，其可被用于传统STT-MRAM中。传统MTJ10通常位于底部接触11上，使用传统籽晶层12，并且包括传统反铁磁（AFM）层14、传统参考层16、传统隧道势垒层18、传统自由层20和传统盖层22。还示出顶部接触24。
传统籽晶层12通常用来辅助具有所需结晶结构的后续层（诸如AFM层14）的生长。传统隧道势垒层18是非磁性的，例如是薄绝缘体。为了更高的信号，传统隧道势垒层18通常为晶态MgO。
传统参考层16和传统自由层20是磁性的。传统参考层16的磁化17通常通过与AFM层14的磁化的交换偏置相互作用而被固定或钉扎在特定方向。此外，其它形式的传统MTJ10可能包括额外的参考层（未示出），该额外的参考层与自由层20被额外的非磁性阻挡层或导电层（未示出）隔开。传统自由层20具有可变的磁矩21。虽然被示作单一层，但是传统自由层20还可以包括多个层。通常，诸如CoFeB的材料被用于传统自由层16和/或参考层20中。
为了转换传统自由层20的磁矩21，垂直于平面（沿Z方向）驱动电流。当充分的电流被从顶部接触24驱动至底部接触11时，传统自由层20的磁矩21可以转换来平行于传统参考层16的磁矩17。当充分的电流被从底部接触11驱动至顶部接触24时，自由层的磁矩21可以转换来反平行于参考层16的磁矩。磁配置上的不同对应于不同的磁致电阻，因而对应于传统MTJ10的不同逻辑态（例如逻辑“0”和逻辑“1”）。于是，通过读取传统MTJ10的隧道磁致电阻（TMR），传统MTJ的状态能被确定。
图2是概要流程图，其示出用于制造传统磁性结10的传统方法50。借助步骤52，沉积用于磁性结10的层12、14、16、18、20和22。通常，使用全膜沉积。借助步骤54，限定传统磁性结10。例如，传统磁性结10可以被掩模覆盖，层12、14、16、18、20和22的暴露部分借助离子研磨被去除。
作为制造的一部分，传统磁性结10还借助步骤56退火。退火可被用于确保传统MTJ10的层具有所需结晶结构。例如，传统隧道势垒层18中的MgO在被沉积时通常是非晶的。另外，参考层16和/或自由层20通常包括CoFeB层，该CoFeB层具有高达20%的B。这些层16和/或20在被沉积时也可以是非晶的。为了传统MTJ10中的层16、18和20具有所需的结晶结构和晶体学取向，传统MTJ10在步骤56中被退火。传统MTJ10的退火通常在约300摄氏度的温度下进行。
虽然传统MTJ10可以起作用，但是将传统MTJ10结合到存储器中存在缺陷。例如，即使通过步骤56中进行的退火，传统MgO隧道势垒层18不会具有所需的结晶结构。例如，传统MgO隧道势垒层18不会具有所需的晶体结构。类似地，参考层16和自由层20不会如所需那样被完全结晶化。结果，传统MTJ10的TMR会减小。
另外，如以上讨论那样，自由层20和/或参考层16可以包括CoFeB。自由层20和/或参考层16中B的存在有助于传统隧道势垒层18的结晶化。据信，CoFeB中B的迁移允许了层16、18和/或20的晶格中非晶层重排成为有序化结晶结构的自由。然而，B的迁移也允许B互相扩散至MgO隧道势垒层18内。B也可扩散至传统MTJ10的叠层中的其它层。传统隧道势垒层18和其它层中B的存在会对传统MTJ的性能诸如TMR有害。于是，来自传统MTJ的信号再次被减小。
传统MTJ10的其它特性可能也需要被改善。例如，临界电流是需要被驱动经过传统MTJ10以转换自由层16的磁状态的写电流。传统MTJ10的临界电流对于自旋转移扭矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）中的使用可能太高。例如，对于STT-MRAM中的使用，临界转换电流密度会被期望低于1MA/cm2。此外，虽然传统参考层16和传统自由层20的磁矩17和21被显示为在平面内，但是这些磁矩可被期望垂直于平面。于是，自由层20和/或参考层16可被期望具有高的垂直磁各向异性（PMA）。高PMA在垂直各向异性能超过平面外退磁化能时发生。这导致具有垂直于平面的分量并可以完全垂直于平面的磁矩。虽然这样的传统高PMA结确实存在，但是PMA会被各种因素降低。例如，PMA会被CoFe自由层20中Fe内包含Co、传统自由层20中B的存在以及其它因素降低。此外，传统自由层20的热稳定性可能难以使用传统高PMA材料来保持。结果，传统MTJ的性能可能受损。因此，也需要用于定制PMA的机制。
因此，所需要的是可提高基于自旋转移扭矩的存储器的性能的方法和系统。本文所述的方法和系统解决这样的需求。
发明内容
一种方法和系统提供一种可在磁器件中使用的磁性结。该磁性结包括具有非磁间隔层的多个磁层。该磁性结还包括至少一个无扩散相变层。该磁性结被配置为在写电流穿过磁性结时可在多个稳定的磁状态之间转换。
附图说明
图1示出传统磁性结。
图2示出用于制造传统磁性结的传统方法。
图3示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的一示例性实施方式。
图4示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的另一示例性实施方式。
图5示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的另一示例性实施方式。
图6示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的另一示例性实施方式。
图7示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的另一示例性实施方式。
图8示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的另一示例性实施方式。
图9示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的另一示例性实施方式。
图10示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的另一示例性实施方式。
图11示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的另一示例性实施方式。
图12示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结的另一示例性实施方式。
图13示出在储存单元的存储元件中使用磁性结的存储器的一示例性实施方式。
图14示出用于制造磁性结的方法的一示例性实施方式，该磁性结包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换。
具体实施方式
示例性实施方式涉及可在诸如磁存储器的磁器件中使用的磁性结、以及使用这样的磁性结的器件。以下说明被做出以使得本领域普通技术人员能实施和使用本发明，并且以下说明被提供在本申请的上下文和其要求中。对本文所述示例性实施方式、以及总体原理和技术特征的各种更改将容易显而易见。示例性实施方式主要就具体实施中提供的具体方法和系统来被描述。然而，所述方法和系统在其它实施中将有效工作。短语“示例性实施方式”、“一实施方式”和“另一实施方式”既可以指相同的或不同的实施方式，又可以指多个实施方式。将就具有特定组元的系统和/或装置来描述实施方式。然而，系统和/或装置可以包括比所示组元更多或更少的组元，且可以进行组元布置和类型上的多种变动而不脱离本发明的范围。还将在具有特定步骤的具体方法的情形下描述示例性实施方式。然而，对于具有不同和/或额外步骤和顺序不同的步骤的其它方法，所述方法和系统有效地工作，前述顺序与示例性实施方式不一致。于是，本发明不是要受限于所示实施方式，而是将被给予与本文所描述的原理和特征相一致的最宽范围。
多种方法和多种系统提供了磁性结以及使用磁性结的磁存储器。一种方法和系统提供可在磁器件中使用的磁性结。该磁性结包括具有非磁性间隔层的多个磁层。该磁性结还包括至少一个无扩散相变层。该磁性结被配置为在写电流穿过磁性结时可在多个稳定的磁状态之间转换。
示例性实施方式在具有特定组件的具体磁性结和磁存储器的情况下被描述。本领域普通技术人员将轻易地认识到，本发明与具有不与本发明矛盾的其它和/或额外组件和/或其它特征的磁性结和磁存储器的使用相容。方法和系统还在对自旋转移现象、无扩散相变、磁各向异性（尤其是垂直磁各向异性）和其它物理现象的当前理解的情况下描述。因而，本领域普通技术人员将轻易地认识到，对方法和系统的行为的理论解释是基于对自旋转移、无扩散相变、磁各向异性和其它物理现象的此当前理解做出的。然而，本文中描述的方法和系统不依赖于具体的物理解释。本领域普通技术人员还将轻易地认识到，方法和系统在结构与衬底具有具体关系的情况下描述。然而，本领域普通技术人员将轻易地认识到，所述方法和系统与其它结构相容。此外，方法和系统在特定层是合成的和/或简单的这样的情况下描述。然而，本领域普通技术人员将轻易地认识到，所述层可具有其它结构。进一步，方法和系统在磁性结和/或自由层具有具体的层、材料和特性的情况下描述。然而，本领域普通技术人员将轻易地认识到，也可使用这样的磁性结和/或自由层，其具有不与所述方法和系统矛盾的额外的和/或不同的层、材料和/或特性。此外，某组件被描述为磁的、铁磁的和亚铁磁的。如本文所用那样，术语“磁的”可包括铁磁的、亚铁磁或类似结构。于是，如本文所用那样，术语“磁的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。方法和系统也在单个磁性结和自由层的情形下被描述。然而，本领域普通技术人员会轻易地认识到，所述方法和系统与具有多个磁性结和使用多个自由层的磁存储器的使用相容。而且，如本文中所用那样，“平面内”是基本上在磁性结的层中的一个层或更多个层的平面内，或者基本上与之平行。相反地，“垂直”相应于基本上垂直于磁性结的层中的一个层或更多个层的方向。
图3示出包括无扩散相变层并且可利用自旋转移转换的磁性结100的一示例性实施方式。磁性结可以是例如磁隧道结（MTJ）、自旋阀、或者弹道磁致电阻结构、或者它们的一些组合。磁性结100可以被用在各种应用中。例如，磁性结可以被用在诸如STT-MRAM的磁存储器中。为了清楚起见，图3未按比例绘制。
磁性结包括自由层110、非磁间隔层120、参考层130和无扩散相变层140。磁性结100被显示为位于衬底102上。在一些实施方式中，磁性结100可以包括籽晶层和/或盖层（未示出）。虽然层110、120和130被显示为具有特定取向，但是在其它实施方式中，这样的取向可以改变。例如，参考层130可以更靠近磁性结100的底部（最靠近衬底102）。钉扎层（未示出）也可以被使用。通常，如果参考层130（也被称为被钉扎层）的磁矩在平面内，则钉扎层会被使用，但是如果参考层130的磁矩垂直于平面，则钉扎层不会被使用，如所示和通常期望的那样。这样的钉扎层可被用于固定参考层130的磁矩。在一些实施方式中，钉扎层可以是AFM层或者多层，其通过交换偏置相互作用来钉扎参考层130的磁矩。注意，参考层130被显示为具有在正z方向上的磁矩。在其它实施方式中，参考层130的磁矩可以在负z方向或其它所需方向上。磁性结100还被配置为在写电流穿过磁性结100时允许自由层110在稳定的磁状态之间转换。在一些实施方式中，写电流可以单独被用于转换磁性结，然而在其它实施方式中，写电流可以再加上其它转换机制。于是，自由层110的磁矩可利用自旋转移扭矩转换。因为磁矩是可转换的，所以磁矩用双箭头表示。
非磁间隔层120可以是隧道势垒层、导体或者用于在参考层130和自由层110之间表现出磁致电阻的其它结构。在一些实施方式中，非磁间隔层120是晶态MgO隧道势垒层。这样的非磁间隔层可以具有择优晶体取向，诸如（100）取向。然而，在被沉积时，这样的非磁间隔层120可以是非晶的。
虽然参考层130和/或自由层110被描绘为单一层，但是可以包括多个层。例如，参考层130和/或自由层110可以是SAF，SAF包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的多个磁层。在这样的SAF中，可以使用多个磁层，所述多个磁层交替插入有Ru或其它材料的薄层。参考层130和/或自由层110也可以是另外的多个层。参考层130和/或自由层110还均被显示为具有超过平面外退磁能的垂直各向异性能。这样，参考层130和/或自由层110可以具有高的垂直磁各向异性（PMA）。于是，参考层130和自由层110均具有如图3所示的处于平衡态的其垂直于平面取向的磁矩。换句话说，层110和130的易轴垂直于平面。然而，在其它实施方式中，自由层110和参考层130之一或两者可以具有平面内磁矩。
磁性结100还包括无扩散相变层140。无扩散相变是材料的相之间的转变，该转变发生而没有长程原子移动，并且在该转变中相对的原子排列被保留。于是，结合在一起的原子可以仍然结合在一起。它们的配位也可以被保留。然而，原子的位置可以被略微改变。在一些情况下，无扩散相变层中原子的运动在许多原子之间可以被协调。在其它情形下，单个原子的运动可以小。无扩散相变体材料的一示例是马氏体相变。无扩散相变层140被配置为经历两个稳定相之间的无扩散相变。在一些实施方式中，无扩散相变在特定的温度范围内发生，该温度范围可取决于无扩散相变层140所需的功能。
诸如体无扩散相变的无扩散相变可被解释如下。然而，注意，本文中所述的磁性结中的无扩散相变层（包括但不限于无扩散相变层140）的使用和它们的功能不限于任何具体解释。无扩散相变材料的相可被命名为阿尔法（低温相）和伽马（高温相）。该材料可经历阿尔法相和伽马相之间的无扩散相变。这些相具有相交的自由能（G）与温度（T）的曲线。例如，阿尔法相的自由能曲线可以具有不同于伽马相的自由能曲线的斜度。在高温下，伽马相提供低能结构。相反，在低温下，阿尔法相为低能结构。阿尔法相和伽马相G与T的曲线的交点通常不对应于相变的开始。这是因为，为了使相变发生，通常需要额外的能量差作为驱动力来克服界面能、应变能和/或其它能。随着无扩散相变材料从高温冷却至远低于阿尔法相和伽马相G与T的交点的温度，可以获得足够大的自由能差。此自由能差能克服额外的能量影响。结果，无扩散相变开始。于是，该材料可以经历自伽马相至阿尔法相的无扩散相变。相反地，随着无扩散相变材料被加热至远高于阿尔法相和伽马相G与T的交点的温度，可再次获得足够大的自由能差。此自由能差能克服额外的能量影响。结果，自阿尔法相至伽马相的无扩散相变可以发生。在一些情形下，对于对应于最小量的原子移动并且可能对应于能源节约的相变，某些取向关系是优选的。然而，无扩散相变的起因可能在材料之间不同。在一些情形下，在从母相成核出新相的过程中，位错可以起作用。在其它情形下，某些原子可从一个间隙位跳跃至另一间隙位，导致不同的配位。于是，在无扩散相变中，多种机制可以起作用。
无扩散相变层140可以包括已知经历无扩散相变的材料。例如，无扩散相变材料可以包括TaxRu1-x和/或NiyTi1-y，其中x是至少0.2至0.8，y是至少0.3且不超过0.7。在一些实施方式中，x约为0.46-0.52，y为0.46-0.52。然而，在其它实施方式中，其它无扩散相变材料可以被使用。例如，过渡金属难熔金属组合物也可以被使用。这样的组合物常被用作籽晶层和/或盖层。这样的组合物的示例可以包括诸如Ti-W和Ti-Ta的材料。在其它实施方式中，可以使用形状记忆合金、赫斯勒合金（Heusler alloys）、以及诸如Ni-Mn-X的三元合金，其中X可以是金属。这样的材料的示例包括NiMnAl和NiMnGa。另外，无扩散相变层140中使用的无扩散相变材料可以包括掺杂剂。掺杂剂可以被用来配置无扩散相变层140的晶格内的移动量、由于相变引起的作用在周围层上的应力和/或层140经历无扩散相变的温度。掺杂剂也可被用来设计无扩散相变层140的相的晶格间距。另外，无扩散相变层的厚度可以被调整，以设计晶格内的移动量、应力和/或无扩散相变的温度。在一些实施方式中，可以使用置换掺杂剂，而不是间隙掺杂剂。这样的掺杂剂可以包括但不限于Fe（例如TaRuFe）和Co。掺杂剂的浓度可以取决于层上面和下面的界面以及工艺条件。然而，如果被使用，则通常期望掺杂剂大于0原子百分比且不超过5原子百分比。无扩散相变层140的厚度也可以被选择。在一些实施方式中，无扩散相变层140比晶胞（unit cell）厚。于是，期望无扩散相变层不小于4-5埃厚。在一些实施方式中，无扩散相变层140至少50纳米且不超过100纳米厚。然而，在其它实施方式中，其它的厚度是可能的。
图3的无扩散相变层140是籽晶层。于是，在所示实施方式中，无扩散相变层140毗连自由层110。在参考层130和自由层110的位置被颠倒的其它实施方式中，无扩散相变层140可以毗连参考层130。由于磁性结100的层110、120、130和140所具有的较小的厚度，无扩散相变层140仍可以接近非磁间隔层120。换句话说，无扩散相变层140邻近非磁间隔层120，并且在一些实施方式中，可以影响非磁间隔层。
在一些实施方式中，无扩散相变层140被配置为在磁性结100的退火温度下或该退火温度附近经历无扩散相变。在这样的实施方式中，无扩散相变层140可以被视为非磁间隔层120和/或磁层110和130的籽晶层。无扩散相变层140的相之间的转变可以有助于降低邻近的层110、120和/或130的原子重排激活能垒。换句话说，层140中发生的无扩散相变可以有助于允许层110、120和/或130的原子的重排。层110、120和/或130于是可以更容易地通过退火而从非晶变成晶体。另外，低温相可以被选择来与邻近的层110、120和/或130的所需结晶结构匹配。于是，层110、120和/或130可以更可能更充分地再结晶化成具有择优取向的所需结晶结构。例如，如果非磁间隔层120是MgO，则无扩散相变层140可以被配置为使得在退火之后，MgO层120更可能已经从被沉积的非晶层转变成BCC MgO层，该BCC MgO层具有择优晶体学取向：（100）。这样，磁性结100可以具有更高的TMR，因此具有改善的信号。
为了将无扩散相变层140配置为在所需温度下经历相变，可以采取对无扩散相变层140的预处理。换句话说，可以通过退火来激活无扩散相变层140。例如，可以通过在以下温度下的退火来激活无扩散相变层140，该温度超过磁性结100的叠层中的其余膜需要或可能耐受的温度。在这样的实施方式中，先于磁性结100的其余层的沉积，无扩散相变层140可以被沉积和退火。其它实施方式可以以另外的方式来实现激活。例如，可以进行对用于无扩散相变层140的材料的选择来调整激活温度。更具体地，材料和/或掺杂剂的成分可以被选择，以将退火温度调整为与磁性结100中的其它层的退火温度匹配。这样的工艺可在无扩散相变层140不位于叠层的底部的实施方式中使用。在其它实施方式中，可采用设置层140经历无扩散相变的温度的其它机制。
无扩散相变层140在使非磁间隔层120结晶化中的使用还可以消除自由层110和/或参考层130中对B的需要。具体地，无扩散相变层140可以提供非磁间隔层120、自由层110和/或参考层130能够结晶化成所需结晶结构（晶格和取向）的充分的晶格灵活性。对由B的使用提供的迁移的需要可以被减小或消除。因此，B至诸如MgO非磁间隔层120的其它层内的互扩散可以被减少或消除。于是，TMR可被改善。进一步，B的使用的减少或消除可以允许其它材料被用于自由层110和/或参考层130。这样的材料可以具有改善的性能，诸如更高的PMA、更高的自旋极化、或者其它特性的改善。例如，Fe可以被用于自由层110和/或参考层130。Fe具有较高的自旋极化，并且可以具有比CoFeB高的PMA。例如，Fe电子在氧化物界面处的杂化可以改善层110和/或130的PMA。
无扩散相变层140也可以被用来调整自由层110和/或参考层130的PMA。因为层140经历无扩散相变，所以无扩散相变层140中的原子可以改变物理位置。此位置改变可以在自由层110和/或参考层130上引起应力。在一些情形下，此应力可以被适当地限定。无扩散相变引起的应力可以影响自由层110和/或参考层130的PMA。于是，自由层110和/或参考层130的PMA可以被调整。于是，磁性结100的性能可以被改善提高。
此外，磁性结100在稳定的磁状态之间的转换可以被改善。无扩散相变层140可以被配置为在以下温度范围内经历无扩散相变，该温度范围对应于由于被驱动经过磁性结100的写电流而引起的磁性结100的焦耳热。此相变可以影响应力，因而影响自由层110的磁各向异性。在一些实施方式中，无扩散相变可以使自由层110的磁矩从静止点倾斜。这可以增大转换速度，并减小转换电流，导致改善的自旋转矩转换效率。在其它实施方式中，无扩散相变可以简单地改变转换的能垒。于是，转换磁性结100的磁状态所需的临界电流可以被减小。
于是，无扩散相变层140的使用可以改善磁性结的层110、120和130中的结晶结构的质量，可以改善信号（例如TMR），可以方便磁性结100的设计，并且可以提高磁性结100的性能。然而，注意，诸如由于无扩散相变层140引起的表面粗糙度以及晶格中的移动量（其可包括晶片翘曲）的特性可能需要被配置或最小化。
图4描绘了包括无扩散相变层140'并且可利用自旋转移转换的磁性结100'的另一示例性实施方式。为了清楚起见，图4未按比例绘制。磁性结100'类似于磁性结100。于是，类似层被相似地标注。磁性结100'包括分别与层110、120、130和140类似的自由层110'、非磁间隔层120'、参考层130'和无扩散相变层140'。虽然层110'、120'、130'和140'被显示为具有特定的取向，但是此取向在其它实施方式中可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结100'也被配置为在写电流穿过磁性结100'时允许自由层110'的磁化在稳定的磁状态之间转换。于是，自由层130'的磁化可利用自旋转移扭矩转换。
在磁性结100'中，无扩散相变层140'是盖层。于是，在所示实施方式中，无扩散相变层140'毗连参考层130'。在参考层130'和自由层110'的位置被颠倒的其它实施方式中，无扩散相变层140'可以毗连自由层110'。无扩散相变层140'可以具有与无扩散相变层140相同的结构和/或功能。例如，无扩散相变层140'可以被配置为在磁性结100'的退火温度下或该退火温度附近经历无扩散相变，和/或具有被选择来匹配邻近的层110'、120'和/或130'的所需结晶结构的晶格结构。于是，层110'、120'和/或130'可以更可能更充分地再结晶化成具有择优取向的所需结晶结构。这样，磁性结100'可以具有更高的TMR，因而可具有改善的信号。另外，相变层140'也可以消除自由层110'和/或参考层130'中对B的需要。因此，诸如MgO非磁间隔层120'的其它层的污染可以被减少或消除。于是，TMR可以被改善。进一步，其它材料可以被用于自由层110'和/或参考层130'。这样的材料可以具有改善的性能，诸如更高的PMA、更高的自旋极化、或者其它特性的改善。无扩散相变层140'也可以被用于调整自由层110'和/或参考层130'的PMA。于是，磁性结100'的性能可以被提高。无扩散相变层140'可以被配置为在以下温度范围内经历无扩散相变，该温度范围对应于由于被驱动经过磁性结100'的写电流引起的磁性结100'的焦耳热。此相变可以增大转换速度和/或减小转换电流。于是，无扩散相变层140'的使用可以改进磁性结100'。
磁性结100'于是可以分享磁性结100的益处。例如，磁性结100'可以具有改善的信号、改善的对磁层和阻挡层的控制、更少的层污染、减小的转换电流、以及改进的PMA。
图5描绘了包括两个无扩散相变层140"和142的磁性结100"的另一示例性实施方式。磁性结100"也可利用自旋转移转换。为了清楚起见，图5未按比例绘制。磁性结100"类似于磁性结100和100'。于是，类似层被相似地标注。磁性结100"包括分别与层110、120、130、140和140'类似的自由层110"、非磁间隔层120"、参考层130"和无扩散相变层140"和142。虽然层110"、120"、130"、140"和142被显示为具有特定的取向，但是此取向在其它实施方式中可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结100"也被配置为在写电流穿过磁性结100"时允许自由层110"的磁化在稳定的磁状态之间转换。
在磁性结100"中，无扩散相变层140"是籽晶层，而无扩散相变层142是盖层。无扩散相变层140"和142可以具有与无扩散相变层140和140'相同的结构和/或功能。例如，无扩散相变层140"和/或142可以被配置为在磁性结100"的退火温度下或该退火温度附近经历无扩散相变，和/或具有被选择来匹配邻近的层110"、120"和/或130"的所需结晶结构的晶格结构。于是，层110"、120"和/或130"可以更可能更充分地再结晶化成具有择优取向的所需结晶结构。这样，磁性结100"可以具有更高的TMR，因而可具有改善的信号。另外，相变层140"和/或142也可以消除自由层110"和/或参考层130"中对B的需要。因此，诸如MgO非磁间隔层120"的其它层的污染可以被减少或消除。于是，TMR可以被改善。进一步，其它材料可以被用于自由层110"和/或参考层130"。这样的材料可以具有改善的性能，诸如更高的PMA、更高的自旋极化、或者其它特性的改善。无扩散相变层140"和/或142也可以用于调整自由层110"和/或参考层130"的PMA。于是，磁性结100"的性能可以被提高。无扩散相变层140"和/或142可以被配置为在以下温度范围内经历无扩散相变，该温度范围对应于由于被驱动经过磁性结100"的写电流引起的磁性结100"的焦耳热。此相变可以增大转换速度和/或减小转换电流。于是，无扩散相变层140"和/或142的使用可以改进磁性结100"。
磁性结100"于是可以分享磁性结100和/或100'的益处。例如，磁性结100"可以具有改善的信号、改善的对磁层和阻挡层的控制、更少的层污染、减小的转换电流、以及改进的PMA。
图6绘示包括无扩散相变层140'''并且可利用自旋转移转换的磁性结100'''的另一示例性实施方式。为了清楚起见，图6未按比例绘制。磁性结100'''类似于磁性结100、100'和/或100"。于是，类似层被相似地标注。磁性结100'''包括分别与层110/110'/110"、120/120'/120"、130/130'/130"、以及140/140'/140"/142类似的自由层110'''、非磁间隔层120'''、参考层130'''和无扩散相变层140'''。虽然层110'''、120'''、130'''和140'''被显示为具有特定的取向，但是此取向在其它实施方式中可以改变。另外，虽然无扩散相变层140'''被描绘为籽晶层，但是在其它实施方式中，层140'''能够是盖层，或者能够既被用作籽晶层又被用作盖层。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结100'''也被配置为在写电流穿过磁性结100'''时允许自由层110'''的磁化在稳定的磁状态之间转换。
在磁性结100'''中，无扩散相变层140'''为籽晶层。于是，在所示实施方式中，无扩散相变层140'''毗连自由层110'''。在参考层130'''和自由层110'''的位置被颠倒的其它实施方式中，无扩散相变层140'''可以毗连参考层130'''。
无扩散相变层140'''为双层，该双层包括两个无扩散相变层144和146。无扩散相变层144和146可以具有与无扩散相变层140、140'和/或140"相同的结构和/或功能。例如，无扩散相变层144和/或146可以被配置为在磁性结100'''的退火温度下或该退火温度附近经历无扩散相变，和/或具有被选择来匹配邻近的层110'''、120'''和/或130'''的所需结晶结构的晶格结构。另外，相变层144和/或146可以消除自由层110'''和/或参考层130'''中对B的需要。无扩散相变层144和/或146也可以被用于调整自由层110'''和/或参考层130'''的PMA。无扩散相变层144和/或146可以被配置为在以下温度范围内经历无扩散相变，该温度范围对应于由于被驱动经过磁性结100'''的写电流引起的磁性结100'''的焦耳热。于是，双层无扩散相变层140'''可以具有多重功能，并且可以在不同的温度下经历无扩散相变，因为每个无扩散相变层144和146的特性可以被独立地调整。此外，无扩散相变层140'''可包括更多的无扩散相变层，以扩展其功能和无扩散相变发生的数量和/或温度范围。
无扩散相变层140'''可以导致磁性结100'''可具有更高的TMR，因而具有改善的信号。诸如MgO非磁间隔层120'''的其它层的污染可以被减少或消除。于是，TMR可以被改善。进一步，其它材料可以被用于自由层110'''和/或参考层130'''。这样的材料可以具有改善的性能，诸如更高的PMA、更高的自旋极化、或者其它特性的改善。无扩散相变层140'''也可以被用于调整自由层110'''和/或参考层130'''的PMA。于是，磁性结100'''的性能可以被提高。无扩散相变层140'''可以被配置为在以下温度范围内经历无扩散相变，该温度范围对应于由于被驱动经过磁性结100'''的写电流引起的磁性结100'''的焦耳热。此相变可以增大转换速度和/或减小转换电流。于是，无扩散相变层140'''的使用可以改进磁性结100'''。
图7绘示了包括无扩散相变层并且可以利用自旋转移转换的磁性结150的另一示例性实施方式。为了清楚起见，图7未按比例绘制。磁性结150类似于磁性结100、100'、100"和/或100'''。于是，类似层被相似地标注。磁性结150包括分别与层110/110'/110"/110'''、120/120'/120"/120'''和130/130'/130"/130'''类似的自由层160、非磁间隔层170和参考层180。虽然层160、170和180被显示为具有特定的取向，但是此取向在其它实施方式中可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结150也被配置为在写电流穿过磁性结150时允许自由层160的磁化在稳定的磁状态之间转换。
在磁性结150中，无扩散相变层被合并到自由层160内。在一些实施方式中，无扩散相变层是磁性无扩散相变层。例如，磁性无扩散相变层可以包括赫斯勒合金，诸如NiMnX，其中X是Sn、In、Sb和Ga中的一个或更多个。在一些实施方式中，自由层160可以由磁性无扩散相变层构成。在其它实施方式中，非磁性或磁性无扩散相变层（未个别示出）可以被合并到多层自由层160内，例如SAF内。
除了其作为自由层的常规功能外，包括无扩散相变层的自由层160可以具有与无扩散相变层140、140'、140″、140'''、142、142'、144和/或146相同的结构和/或功能。例如，包括无扩散相变层的自由层160可以被配置为在磁性结150的退火温度下或该退火温度附近经历无扩散相变，和/或具有被选择来匹配邻近的层170和/或180的所需结晶结构的晶格结构。于是，层170和/或180可以更可能更充分地再结晶化成具有择优取向的所需结晶结构。这样，磁性结150可以具有更高的TMR，因而可具有改善的信号。另外，包括无扩散相变层的自由层160也可以消除自由层和/或参考层180中对B的需要。因此，诸如MgO非磁间隔层170的其它层的污染可以被减少或消除。于是，TMR可以被改善。进一步，其它材料可以被用于包括无扩散相变层的自由层160和/或参考层180。这样的材料可以具有改善的性能，诸如更高的PMA、更高的自旋极化、或者其它特性的改善。自由层160的无扩散相变也可以被用于调整自由层160和/或参考层180的PMA。于是，磁性结150的性能可以被提高。自由层160中的无扩散相变层可以被配置为在以下温度范围内经历无扩散相变，该温度范围对应于由于被驱动经过磁性结150的写电流引起的磁性结150的焦耳热。此相变可以增大转换速度和/或减小转换电流。于是，包括无扩散相变层的自由层160的使用可以改进磁性结150。
磁性结150于是可以分享磁性结100、100'、100″和/或100'''的益处。例如，磁性结150可以具有改善的信号、改善的对磁层和阻挡层的控制、更少的层污染、减小的转换电流、以及改进的PMA。
图8绘示了包括无扩散相变层并且可以利用自旋转移转换的磁性结150'的另一示例性实施方式。为了清楚起见，图8未按比例绘制。磁性结150'类似于磁性结100、100'、100"、100'''和/或150。于是，类似层被相似地标注。磁性结150'包括分别与层150、160和180类似的自由层160'、非磁间隔层170'和参考层180'，参考层180'包括无扩散相变层。虽然层160'、170'和180'被显示为具有特定的取向，但是此取向在其它实施方式中可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结150'也被配置为在写电流穿过磁性结150'时允许自由层160'的磁化在稳定的磁状态之间转换。
在磁性结150'中，无扩散相变层被合并到参考层180'内。在一些实施方式中，无扩散相变层是磁性无扩散相变层。例如，磁性无扩散相变层可以包括赫斯勒合金，诸如NiMnX，其中X是Sn、In、Sb和Ga中的一个或更多个。在一些实施方式中，参考层180'可以由磁性无扩散相变层构成。在其它实施方式中，非磁性或磁性无扩散相变层（未个别示出）可以被合并到多层参考层180'内，例如SAF内。
除了其作为参考层的常规功能外，参考层180'的无扩散相变层可以具有与无扩散相变层140、140'、140″、140'''、142、142'、144和/或146相同的结构和/或功能。例如，包括无扩散相变层的参考层180'可以被配置，从而在磁性结150'的退火温度下或该退火温度附近经历无扩散相变，和/或具有被选择来匹配邻近的层160'和/或170'的所需结晶结构的晶格结构。于是，层160'和/或170'可以更可能更充分地再结晶化成具有择优取向的所需结晶结构。这样，磁性结150'可以具有更高的TMR，因而可具有改善的信号。另外，包括无扩散相变层的参考层180'也可以消除自由层160和/或参考层中对B的需要。因此，诸如MgO非磁间隔层170'的其它层的污染可以被减少或消除。于是，TMR可以被改善。进一步，其它材料可以被用于包括无扩散相变层的参考层180'和/或自由层160'。这样的材料可以具有改善的性能，诸如更高的PMA、更高的自旋极化、或者其它特性的改善。参考层180'的无扩散相变也可以被用于调整参考层180'和/或自由层160'的PMA。于是，磁性结150'的性能可以被提高。参考层180'中的无扩散相变层可以被配置为在以下温度范围内经历无扩散相变，该温度范围对应于由于被驱动经过磁性结150'的写电流引起的磁性结150'的焦耳热。此相变可以增大转换速度和/或减小转换电流。于是，包括无扩散相变层的参考层180'的使用可以改进磁性结150'。
磁性结150'于是可以分享磁性结100、100'、100″、100'''和/或150的益处。例如，磁性结150'可以具有改善的信号、改善的对磁层和阻挡层的控制、更少的层污染、减小的转换电流、以及改进的PMA。
图9绘示了包括无扩散相变层并且可以利用自旋转移转换的磁性结150″的另一示例性实施方式。为了清楚起见，图9未按比例绘制。磁性结150″类似于磁性结100、100'、100"、100'''、150和/或150'。于是，类似层被相似地标注。磁性结150″包括分别与层160/160'、170/170'和180/180'类似的自由层160″、非磁间隔层170″和参考层180″，自由层160″包括一无扩散相变层，参考层180″包括另一无扩散相变层。虽然层160″、170″和180″被显示为具有特定的取向，但是此取向在其它实施方式中可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结150″也被配置为在写电流穿过磁性结150″时允许自由层160″的磁化在稳定的磁状态之间转换。
在磁性结150″中，无扩散相变层被合并到自由层160″和参考层180″内。在一些实施方式中，无扩散相变层是磁性无扩散相变层。例如，磁性无扩散相变层可以包括赫斯勒合金，诸如NiMnX，其中X是Sn、In、Sb和Ga中的一个或更多个。在一些实施方式中，自由层160″和参考层180″可以由磁性无扩散相变层构成。在其它实施方式中，非磁性或磁性无扩散相变层（未个别示出）可以被合并到多层参考层180″和/或多层自由层160″内，例如SAF内。
除了其作为自由层和参考层的常规功能外，自由层160″和参考层180″的无扩散相变层可以具有与无扩散相变层140、140'、140″、140'''、142、142'、144和/或146相同的结构和/或功能。磁性结150″于是可以分享磁性结100、100'、100″、100'''、150和/或150'的益处。例如，磁性结150″可以具有改善的信号、改善的对磁层和阻挡层的控制、更少的层污染、减小的转换电流、以及改进的PMA。
图10绘示了包括无扩散相变层并且可以利用自旋转移转换的磁性结150'''的另一示例性实施方式。为了清楚起见，图10未按比例绘制。磁性结150'''类似于磁性结100、100'、100"、100'''、150、150'和/或150″。于是，类似层被相似地标注。磁性结150'''包括分别与层160/160'/160″、170/170'/170″和180/180'/180″类似的自由层160'''、非磁间隔层170'''和参考层180'''，自由层160'''可包括一无扩散相变层，参考层180'''可包括另一无扩散相变层。虽然层160'''、170'''和180'''被显示为具有特定的取向，但是此取向在其它实施方式中可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结150'''也被配置为在写电流穿过磁性结150'''时允许自由层160'''的磁化在稳定的磁状态之间转换。
此外，磁性结150'''被显示为包括两个可选的无扩散相变层190和192，无扩散相变层190和192分别用作籽晶层和盖层。可选的无扩散相变层190和/或192可以包括TaxRu1-x和/或NiyTi1-y，其中x为至少0.2至0.8，y为至少0.3且不超过0.7。在一些实施方式中，x约为0.46-0.52，y为0.46-0.52。于是，层190和192类似于层140、140'、140″、140'''、142、144和/或146。在磁性结150'''中，无扩散相变层被合并到自由层160'''和/或参考层180'''内。在一些实施方式中，这样的无扩散相变层是磁性无扩散相变层。例如，这些磁性无扩散相变层可以包括赫斯勒合金，诸如NiMnX，其中X是Sn、In、Sb和Ga中的一个或更多个。在一些实施方式中，自由层160'''和/或参考层180'''可以由磁性无扩散相变层构成。在其它实施方式中，非磁性或磁性无扩散相变层（未个别示出）可以被合并到多层参考层180'''和/或多层自由层160'''内，例如SAF内。
除了其作为自由层和参考层的常规功能外，自由层160'''和/或参考层180'''的无扩散相变层可以具有与无扩散相变层140、140'、140″、140'''、142、142'、144和/或146类似的结构和/或功能。另外，利用无扩散相变层190和/或192可以提供进一步的调整。磁性结150'''于是可以分享磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'和/或150″的益处。例如，磁性结150'''可以具有改善的信号、改善的对磁层和阻挡层的控制、更少的层污染、减小的转换电流、以及改进的PMA。
图11绘示了包括无扩散相变层并且可以利用自旋转移转换的磁性结150''''的另一示例性实施方式。为了清楚起见，图11未按比例绘制。磁性结150''''类似于磁性结100、100'、100"、100'''、150、150'、150″和/或150'''。于是，类似层被相似地标注。磁性结150''''包括分别与层160/160'/160″/160'''、170/170'/170″/170'''和180/180'/180″/180'''类似的自由层160''''、非磁间隔层170''''和参考层180''''，自由层160''''可包括一无扩散相变层，参考层180''''可包括另一无扩散相变层。虽然层160''''、170''''和180''''被显示为具有特定的取向，但是此取向在其它实施方式中可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结150''''也被配置为在写电流穿过磁性结150''''时允许自由层160''''的磁矩在稳定的磁状态之间转换。
如同磁性结150'''，磁性结150''''被显示为包括两个可选的无扩散相变层190'和192'，无扩散相变层190'和192'分别用作籽晶层和盖层。然而，无扩散相变层190'被显示为包括两个无扩散相变层194和196的双层。在其它实施方式中，层190'和192'中的任一个或两者可包括多层无扩散相变层。可选的无扩散相变层190'、194、196和/或192'可以包括TaxRu1-x和/或NiyTi1-y，其中x为至少0.2至0.8，y为至少0.3且不超过0.7。在一些实施方式中，x约为0.46-0.52，y为0.46-0.52。于是，层190'、192'、194和/或196类似于层140、140'、140″、140'''、142、144和/或146。在磁性结150''''中，无扩散相变层也被合并到自由层160''''和/或参考层180''''内。在一些实施方式中，这样的无扩散相变层是磁性无扩散相变层。例如，这些磁性无扩散相变层可以包括赫斯勒合金，诸如NiMnX，其中X是Sn、In、Sb和Ga中的一个或更多个。在一些实施方式中，自由层160''''和/或参考层180''''可以由磁性无扩散相变层构成。在其它实施方式中，非磁性或磁性无扩散相变层（未个别示出）可以被合并到多层参考层180''''和/或多层自由层160''''内，例如SAF内。
除了其作为自由层和参考层的常规功能外，自由层160''''和/或参考层180''''的无扩散相变层可以具有与无扩散相变层140、140'、140″、140'''、142、142'、144和/或146类似的结构和/或功能。另外，利用无扩散相变层190'和/或192'可以提供进一步的调整。磁性结150''''于是可以分享磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″和/或150'''的益处。例如，磁性结150''''可以具有改善的信号、改善的对磁层和阻挡层的控制、更少的层污染、减小的转换电流、以及改进的PMA。
图12绘示了包括无扩散相变层并且可以利用自旋转移转换的磁性结200的另一示例性实施方式。为了清楚起见，图12未按比例绘制。磁性结200类似于磁性结100、100'、100"、100'''、150、150'、150″、150'''和/或150''''。于是，类似层被相似地标注。磁性结200包括分别与层110/110'/110″/110'''/160/160'/160″/160'''/160''''、120/120'/120″/120'''/170/170'/170″/170'''/170''''和130/130'/130″/130'''/180/180'/180″/180'''/180''''类似的自由层210、非磁间隔层220和参考层230。磁性结200还包括额外的非磁间隔层240和额外的参考层250，额外的非磁间隔层240和额外的参考层250分别类似于层120/120'/120″/120'''/170/170'/170″/170'''/170''''和130/130'/130″/130'''/180/180'/180″/180'''/180''''。于是，磁性结200为双磁性结。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结200也被配置为在写电流穿过磁性结200时允许自由层210的磁化在稳定的磁状态之间转换。
双磁性结200包括无扩散相变层260和/或262。无扩散相变层260和262类似于层140、140'、140″、140'''、142、144、146、190'、192'、194和/或196。可选的无扩散相变层260和/或262可以包括TaxRu1-x和/或NiyTi1-y，其中x为至少0.2至0.8，y为至少0.3且不超过0.7。在一些实施方式中，x约为0.46-0.52，y为0.46-0.52。另外，自由层210以及参考层230和250可以具有合并于其中的无扩散相变层。在一些实施方式中，这样的无扩散相变层是磁性无扩散相变层。例如，磁性无扩散相变层可以包括赫斯勒合金，诸如NiMnX，其中X是Sn、In、Sb和Ga中的一个或更多个。在一些实施方式中，自由层210和/或参考层230和250可以由磁性无扩散相变层构成。在其它实施方式中，非磁性或磁性无扩散相变层（未个别示出）可以被合并到多层自由层210和/或多层参考层230和250内，例如SAF内。
磁性结200可以分享磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''和/或150''''的益处。例如，磁性结200可以具有改善的信号、改善的对磁层和阻挡层的控制、更少的层污染、减小的转换电流、以及改进的PMA。
另外，层210、230、250、260和/或262中的一个层或更多层中的无扩散相变层可以被用于将参考层230和250的磁矩设置到所需状态。双磁性结200被绘示为参考层230和250的磁矩处于双态（即排成反平行）。对于利用自旋转移扭矩写入而言，这是通常优选的状态。然而，对于读取，对磁性结200而言，处于反双态（磁矩排列成平行）可以是理想的。这样的状态可以具有更大的TMR，因此可以具有更高的信号。层210、230、250、260和/或262的无扩散相变中的一个或更多个可以被设置为使得参考层230和250中的一个或两者的磁各向异性被减小。参考层230或250的磁矩于是可以被转换。于是，参考层230和250可以如所需那样被置于双态或反双态。例如，在一些实施方式中，写操作过程中可以减小临界转换电流的同样的焦耳热可以导致层210、230、250、260和/或262中的一个层或更多层经历无扩散相变。此相变可被用于将参考层230和250置于双态。当写电流被去除时，无扩散相变将有关层210、230、250、260和/或262置回起始状态。为了读取或存储，参考层230和250然后可以被转换回反双态。于是，双磁性结200的操作可以被进一步改善。
在以上描述的磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200的实施方式中，已经示出了具有各种功能的各种无扩散相变层。然而，本领域普通技术人员将认识到，磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200的各个方面可以被结合。于是，具有多种功能的多个无扩散相变层可以被结合。
此外，磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200可以被用在磁存储器中。图13绘示了一个这样的存储器300的一示例性实施方式。磁存储器300包括读/写列选择驱动器302和306以及字线选择驱动器304。注意，可以提供其它和/或不同的组件。存储器300的存储区包括磁储存单元310。每个磁储存单元包括至少一个磁性结312和至少一个选择器件314。在一些实施方式中，选择器件314是晶体管。磁性结312可以包括磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200中的一个或更多个。虽然被显示为每个单元310有一个磁性结312，但是在其它实施方式中，每个单元可以被提供有其它数量的磁性结312。
因为磁存储器300使用了磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200，所以性能可以被提高。例如，可以获得磁存储器300的改善的TMR、更低的临界电流、被更好地调整的PMA、可转换的参考层、以及改善的制造。
图14绘示了用于制造具有无扩散相变层的磁性结的方法400的一示例性实施方式，该磁性结例如为磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200。为了简单起见，一些步骤可以被略去、结合和/或交错。方法400在磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200的情况下被描述。然而，方法400可以被用在其它磁性结上。进一步，方法400可以被合并到磁存储器的制造中。于是，方法400可以被用在制造STT-MRAM300或其它磁存储器中。方法400也可以包括提供可选的籽晶层、可选的盖层和可选的钉扎层。
借助步骤402，提供用于磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200的层。步骤402包括至少提供非磁间隔层，诸如MgO隧道势垒层。取决于无扩散相变层的位置和功能，可以提供其它层，诸如自由层、额外的非磁间隔层和/或参考层。
借助步骤404，提供用于磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200的无扩散相变层。步骤404可以包括为无扩散相变层以所需厚度沉积所需材料。作为此步骤的一部分，可以为无扩散相变层选择并提供适当的掺杂剂。在一些实施方式中，步骤404包括提供双层。在一些实施方式中，无扩散相变层可以是磁性的，并且可以起自由层和/或被钉扎层的全部或部分的作用。因为步骤404中提供的无扩散相变层可以在磁性结的叠层内，所以步骤402和404可以被交错。进一步，磁性结可以在单个步骤中被限定，该步骤将磁性结中被全膜沉积的所有层的一部分去除。
借助步骤406，磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200被退火。步骤406可以包括多重退火。在一些实施方式中，在200至350摄氏度的范围内的退火温度下执行步骤406。由于无扩散相变层的存在，通过步骤406中的退火实现的结晶化可以被更充分地完成。于是，使用方法400，磁性结100、100'、100″、100'''、150、150'、150″、150'''、150''''和/或200的益处可以被实现。
用于提供磁性结的方法和系统、以及利用该磁性结制造的存储器已被描述，该磁性结具有无扩散相变层并且可利用自旋转移转换。所述方法和系统已依照所示示例性实施方式得以描述，本领域普通技术人员会轻易地认识到，对所述实施方式能有多种变动，任何变动将在所述方法和系统的主旨和范围内。因此，本领域普通技术人员可以进行诸多改造，而不脱离所附权利要求的主旨和范围。
本申请要求第61/745,587号临时专利申请的优先权，其于2012年12月22日提交，名为“MTJ叠层中的无扩散相变”，被转让给本申请的受让人，并被参考引用于本文中。
Claims (33)
1.一种在磁器件中使用的磁性结，包括：
非磁间隔层；以及
至少一个无扩散相变层；
其中，所述磁性结被配置为在写电流穿过所述磁性结时能在多个稳定的磁状态之间转换。
2.如权利要求1所述的磁性结，其中所述磁性结位于衬底上，并且其中所述至少一个无扩散相变层是无扩散相变籽晶层、无扩散相变盖层和无扩散相变磁层中的至少一个，所述无扩散相变籽晶层在所述非磁间隔层和所述衬底之间，所述非磁间隔层在所述无扩散相变盖层和所述衬底之间。
3.如权利要求2所述的磁性结，其中所述至少一个无扩散相变层邻近所述非磁间隔层。
4.如权利要求3所述的磁性结，其中所述至少一个无扩散相变层毗连所述非磁间隔层。
5.如权利要求2所述的磁性结，其中所述磁性结包括自由层和参考层，所述非磁间隔层位于所述自由层和所述参考层之间，所述自由层和所述参考层中的至少一个包括所述无扩散相变磁层。
6.如权利要求5所述的磁性结，其中所述无扩散相变磁层相应于所述自由层。
7.如权利要求5所述的磁性结，其中所述自由层由所述无扩散相变磁层构成。
8.如权利要求5所述的磁性结，其中所述参考层由所述无扩散相变磁层构成。
9.如权利要求2所述的磁性结，其中所述非磁间隔层包括MgO，并且其中所述磁性结包括自由层和参考层，所述参考层和所述自由层中的至少一个由Fe构成。
10.如权利要求2所述的磁性结，其中所述至少一个无扩散相变层是包括第一无扩散相变层和第二无扩散相变层的双层，所述第一无扩散相变层被配置为在第一温度范围内经历第一无扩散相变，所述第二无扩散相变层被配置为在第二温度范围内经历第二无扩散相变。
11.如权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一个无扩散相变层被配置为经历至少一个无扩散相变，所述至少一个无扩散相变被配置为下列的至少之一：在所述非磁间隔层结晶化的第一温度范围内发生；导致垂直磁各向异性应力；帮助在双态和反双态之间转换所述磁性结；以及在与穿过所述磁性结的所述写电流相应的第二温度范围内发生。
12.如权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一个无扩散相变层具有高温相和低温相，所述低温相具有基于非磁间隔层结晶结构、自由层结晶结构和参考层结晶结构中的至少一个选择的结晶结构。
13.如权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一个无扩散相变层包括下列的至少之一：过渡金属难熔金属组合物、NixTi1-x、TayRu1-y、TiW、Ti-Ta、形状记忆合金、赫斯勒合金以及包括Ni和Mn的三元合金，其中x是至少0.2，y是至少0.3。
14.如权利要求13所述的磁性结，其中所述至少一个无扩散相变层包括大于0原子百分比且不超过5原子百分比的至少一种掺杂剂。
15.如权利要求1所述的磁性结，其中所述磁性结是双磁性结。
16.一种磁存储器，包括：
多个磁储存单元，所述多个磁储存单元中的每一个包括至少一个磁性结，所述至少一个磁性结包括多个层，所述多个层包括非磁间隔层和至少一个无扩散相变层，所述磁性结被配置为在写电流穿过所述磁性结时能在多个稳定的磁状态之间转换；以及
多条位线。
17.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述磁性结位于衬底上，并且其中所述至少一个无扩散相变层是无扩散相变籽晶层、无扩散相变盖层和无扩散相变磁层中的至少一个，所述无扩散相变籽晶层在所述非磁间隔层和所述衬底之间，所述非磁间隔层在所述无扩散相变盖层和所述衬底之间。
18.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述至少一个无扩散相变层邻近所述非磁间隔层。
19.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述至少一个无扩散相变层毗连所述非磁间隔层。
20.如权利要求17所述的磁存储器，其中所述磁性结包括自由层和参考层，所述非磁间隔层位于所述自由层和所述参考层之间，所述自由层和所述参考层中的至少一个包括所述无扩散相变磁层。
21.如权利要求20所述的磁存储器，其中所述无扩散相变磁层相应于所述自由层。
22.如权利要求20所述的磁存储器，其中所述自由层由所述无扩散相变磁层构成。
23.如权利要求20所述的磁存储器，其中所述参考层由所述无扩散相变磁层构成。
24.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述非磁间隔层包括MgO，并且其中所述磁性结包括自由层和参考层，所述参考层和所述自由层中的至少一个由Fe构成。
25.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述至少一个无扩散相变层是包括第一无扩散相变层和第二无扩散相变层的双层，所述第一无扩散相变层被配置为在第一温度范围内经历第一无扩散相变，所述第二无扩散相变层被配置为在第二温度范围内经历第二无扩散相变。
26.如权利要求25所述的磁存储器，其中所述至少一个无扩散相变层具有高温相和低温相，所述低温相具有基于非磁间隔层结晶结构、自由层结晶结构和参考层结晶结构中的至少一个选择的结晶结构。
27.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述至少一个无扩散相变层被配置为经历至少一个无扩散相变，所述至少一个无扩散相变被配置为下列的至少之一：在所述非磁间隔层结晶化的第一温度范围内发生；导致垂直磁各向异性应力；帮助在双态和反双态之间转换所述磁性结；以及在与穿过所述磁性结的所述写电流相应的第二温度范围内发生。
28.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述至少一个无扩散相变层包括下列的至少之一：过渡金属难熔金属组合物、NixTi1-x、TayRu1-y、TiW、Ti-Ta、形状记忆合金、赫斯勒合金以及包括Ni和Mn的三元合金，其中x是至少0.2，y是至少0.3。
29.如权利要求28所述的磁存储器，其中所述至少一个无扩散相变层包括大于0原子百分比且不超过5原子百分比的至少一种掺杂剂。
30.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述磁性结是双磁性结。
31.一种用于提供磁性结的方法，所述磁性结在磁器件中使用，所述方法包括：
提供包括非磁间隔层的多个磁层；以及
提供至少一个无扩散相变层；
其中，所述磁性结被配置为在写电流穿过所述磁性结时能在多个稳定的磁状态之间转换。
32.一种用于提供磁性结的方法，所述磁性结在磁器件中使用，所述方法包括：
提供包括非磁间隔层的多个层；以及
提供至少一个无扩散相变层；
其中，所述磁性结被配置为在写电流穿过所述磁性结时能在多个稳定的磁状态之间转换。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述至少一个无扩散相变层被配置为在至少一个温度范围内经历至少一个无扩散相变，所述至少一个温度范围相应于所述非磁间隔层的晶体转变，所述方法还包括：
在所述至少一个温度范围内退火所述磁性结。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201261745587P | 2012-12-22 | 2012-12-22 | |
| US61/745,587 | 2012-12-22 | ||
| US13/839,672 US9166152B2 (en) | 2012-12-22 | 2013-03-15 | Diffusionless transformations in MTJ stacks |
| US13/839,672 | 2013-03-15 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103887426A true CN103887426A (zh) | 2014-06-25 |
| CN103887426B CN103887426B (zh) | 2018-06-08 |
Family
ID=50956240
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310713692.XA Active CN103887426B (zh) | 2012-12-22 | 2013-12-20 | 磁存储器、在磁器件中使用的磁性结和提供磁性结的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103887426B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104801720A (zh) * | 2015-03-23 | 2015-07-29 | 湖北大学 | 一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法及其用途 |
| CN105355784A (zh) * | 2015-06-08 | 2016-02-24 | 清华大学 | 相变自旋非易失存储单元 |
| WO2020043020A1 (zh) * | 2018-08-28 | 2020-03-05 | 浙江驰拓科技有限公司 | 垂直磁化的mtj器件 |
| TWI693709B (zh) * | 2015-07-24 | 2020-05-11 | 南韓商愛思開海力士有限公司 | 電子裝置及其製造方法 |
| CN111341907A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-26 | 北京航空航天大学 | 磁隧道结、存储单元以及磁随机存储器 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101093721A (zh) * | 2006-06-22 | 2007-12-26 | 株式会社东芝 | 磁阻元件和磁性存储器 |
| US20070297103A1 (en) * | 2006-06-21 | 2007-12-27 | Headway Technologies, Inc. | Novel way to reduce the ordering temperature for Co2MnSi-like Heusler alloys for CPP, TMR, MRAM, or other spintronics device applications |
| US20110102948A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | Grandis, Inc. | Method and system for providing dual magnetic tunneling junctions usable in spin transfer torque magnetic memories |
| US20120075922A1 (en) * | 2009-05-19 | 2012-03-29 | Fuji Electric Co., Ltd. | Magnetic memory element and storage device using the same |
-
2013
- 2013-12-20 CN CN201310713692.XA patent/CN103887426B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070297103A1 (en) * | 2006-06-21 | 2007-12-27 | Headway Technologies, Inc. | Novel way to reduce the ordering temperature for Co2MnSi-like Heusler alloys for CPP, TMR, MRAM, or other spintronics device applications |
| CN101093721A (zh) * | 2006-06-22 | 2007-12-26 | 株式会社东芝 | 磁阻元件和磁性存储器 |
| US20120075922A1 (en) * | 2009-05-19 | 2012-03-29 | Fuji Electric Co., Ltd. | Magnetic memory element and storage device using the same |
| US20110102948A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | Grandis, Inc. | Method and system for providing dual magnetic tunneling junctions usable in spin transfer torque magnetic memories |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| M. NAZMUNNAHAR: "Martensitic Transformation in Ni50Mn50-xSnx (x=11,12.5) and Ni49Mn51-xSnx(x=13) Heusler Alloys", 《IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS》 * |
| RIE Y. UMETSUI: "Magnetic and ElectricalProperties,and Mechanism of Exchange Bias-field of 7-phaseand Llo-type Antiferromagnetic Mn Alloys", 《TRANS. MAGN, SOC.JAPAN》 * |
| RYOSUKE KAINUMA等: "Metamagnetic shape memory effect in NiMn-based Heusler-type alloys", 《JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY》 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104801720A (zh) * | 2015-03-23 | 2015-07-29 | 湖北大学 | 一种半金属哈斯勒合金Co2FeAl纳米线的制备方法及其用途 |
| CN105355784A (zh) * | 2015-06-08 | 2016-02-24 | 清华大学 | 相变自旋非易失存储单元 |
| CN105355784B (zh) * | 2015-06-08 | 2018-08-03 | 清华大学 | 相变自旋非易失存储单元 |
| TWI693709B (zh) * | 2015-07-24 | 2020-05-11 | 南韓商愛思開海力士有限公司 | 電子裝置及其製造方法 |
| US11195988B2 (en) | 2015-07-24 | 2021-12-07 | SK Hynix Inc. | Electronic device and method for fabricating the same |
| WO2020043020A1 (zh) * | 2018-08-28 | 2020-03-05 | 浙江驰拓科技有限公司 | 垂直磁化的mtj器件 |
| CN111341907A (zh) * | 2020-02-27 | 2020-06-26 | 北京航空航天大学 | 磁隧道结、存储单元以及磁随机存储器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103887426B (zh) | 2018-06-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8786039B2 (en) | Method and system for providing magnetic junctions having engineered perpendicular magnetic anisotropy | |
| JP6339829B2 (ja) | 磁気接合 | |
| TWI600149B (zh) | 用於磁性裝置的磁性接面 | |
| CN105244436B (zh) | 使用不对称的自由层且适用于自旋转移矩存储器的磁性结 | |
| TWI614746B (zh) | 磁性接面 | |
| KR102078595B1 (ko) | 호이슬러층들 및 비정질 삽입층을 포함하는 설계된 자성층을 제공하는 방법 및 시스템 | |
| EP2593938B1 (en) | Method and system for providing magnetic tunneling junction elements having laminated free layers and memories using such magnetic elements | |
| KR102198034B1 (ko) | 호이슬러 다중층을 포함하는 자기 접합을 제공하는 방법 및 시스템 | |
| TWI556233B (zh) | 以改良的切換來提供混合磁性穿隧接面元件的方法及其系統 | |
| CN108376736A (zh) | 磁装置和用于设置磁装置的方法 | |
| TWI602328B (zh) | 磁性接面 | |
| KR102188529B1 (ko) | 스핀 전달 토크 자기 램의 응용 분야에서 사용될 수 있는 수직 자기 접합의 벌크 수직 자기 이방성 자유 층을 제공하는 방법 및 시스템 | |
| TWI791782B (zh) | 磁性裝置、使用其的磁性記憶體及用於提供其的方法 | |
| US9508924B2 (en) | Method and system for providing rare earth magnetic junctions usable in spin transfer torque magnetic random access memory applications | |
| US20150041933A1 (en) | Method and system for providing magnetic junctions using bcc cobalt and suitable for use in spin transfer torque memories | |
| US9792971B2 (en) | Method and system for providing magnetic junctions with rare earth-transition metal layers | |
| CN103887426A (zh) | 磁存储器、在磁器件中使用的磁性结和提供磁性结的方法 | |
| KR20150108793A (ko) | 자기 장치에 사용할 수 있는 자기 접합 및 자기 메모리를 기판 상에 제공하는 방법 및 자기 접합 | |
| CN104009154A (zh) | 形成磁性器件的自由层的材料成分、自由层和磁性元件 | |
| CN109427962B (zh) | 磁性结及提供所述磁性结的方法和磁性存储器 | |
| KR102361086B1 (ko) | 스핀 전달 토크 응용에 이용 가능한 희석된 자유막 자기 접합을 제공하는 시스템 및 그 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |