CN110476264B - 用于mram的具有高面内磁化强度的进动自旋电流结构 - Google Patents

用于mram的具有高面内磁化强度的进动自旋电流结构 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种磁阻式随机存取存储器MRAM。MRAM装置具有磁性隧道结堆叠，其在磁性隧道结结构中具有性能经显著改进的自由层。所述MRAM装置利用进动自旋电流PSC磁性层结合垂直MTJ，其中所述PSC磁性层的面内磁化方向是自由旋转。所述进动自旋电流磁性层由例如坡莫合金的具有面心立方晶体结构的材料构成。

Description

用于MRAM的具有高面内磁化强度的进动自旋电流结构
技术领域
本专利文档大体上涉及自旋转移力矩磁性随机存取存储器，且更特定来说，涉及磁性隧道结堆叠，所述磁性隧道结堆叠通过使用进动自旋电流结构而在磁性隧道结结构中具有性能经改进的自由层，所述进动自旋电流结构通过使用具有面心立方材料的材料而具有高面内各向异性。
背景技术
磁阻式随机存取存储器(“MRAM”)为通过磁性存储元件存储数据的非易失性存储器技术。这些元件为可保持磁化且被非磁性材料(例如非磁性金属或绝缘体)分离的两个铁磁板或电极。一般来说，板中的一者使其磁化钉扎(即，“参考层”)，意指此层具有比另一层高的矫顽性且需要更大磁场或自旋极化电流来改变其磁化的定向。第二板通常被称为自由层且可通过相对于参考层更小的磁场或自旋极化电流改变其磁化方向。
MRAM装置通过改变自由层的磁化的定向而存储信息。特定来说，基于自由层相对于参考层处于平行还是反平行对准，可在每一MRAM单元中存储“1”或“0”。由于自旋极化电子隧穿效应，单元的电阻由于两个层的磁化的定向而改变。单元的电阻将针对平行及反平行状态而不同且因此单元的电阻可用于在“1”与“0”之间进行区分。MRAM装置的一个重要特征为其为非易失性存储器装置，这是因为甚至在电源关闭时其仍维持信息。两个板的横向大小可为亚微米且磁化方向仍可相对于热波动稳定。
自旋转移力矩或自旋转移开关使用自旋对准(“极化”)电子来改变磁性隧道结中自由层的磁化取向。一般来说，电子拥有自旋，即电子所固有的经量化数目的角动量。电流一般来说为非极化的，即，其由50％向上自旋电子及50％向下自旋电子组成。使电流通过磁性层会将电子极化，其中自旋定向对应于磁性层(即，极化器)的磁化方向，因此产生自旋极化电流。如果自旋极化电流经传递到磁性隧道结装置中的自由层的磁性区域，那么电子将把其自旋-角动量的部分转移到磁化层以在自由层的磁化上产生力矩。因此，此自旋转移力矩可切换自由层的磁化，其实际上基于自由层相对于参考层在平行状态还是反平行状态中而写入“1”或“0”。
图1说明用于常规MRAM装置的磁性隧道结(“MTJ”)堆叠100。如所展示，堆叠100包含一或多个晶种层110，所述一或多个晶种层在堆叠100的底部处提供以在上面所沉积层中起始所要结晶生长。此外，MTJ 130沉积在SAF层120的顶部上。MTJ 130包含参考层132，其为磁性层，非磁性隧穿势垒层(即,绝缘体)134、及自由层136，其也是磁性层。应理解，参考层132实际上为SAF层120的部分，但是当非磁性隧穿势垒层134及自由层136形成在参考层132上时，形成MTJ 130的铁磁板中的一者。如图1中所展示，磁性参考层132具有垂直于其平面的磁化方向。还如在图1中所看到，自由层136也具有垂直于其平面的磁化方向，但其方向可以变化180度。
SAF层120中的第一磁性层114安置在晶种层110上方。SAF层120还具有安置在第一磁性层114上方的反铁磁性耦合层116。此外，非磁性间隔物140安置在MTJ 130的顶部上且极化器150安置在非磁性间隔物140的顶部上。极化器150为磁性层，其在其平面中具有磁性方向，但是垂直于参考层132及自由层136的磁性方向。提供极化器150以使施加到MTJ结构100的电子(“自旋对准电子”)电流极化化。此外，可在极化器150的顶部上提供一或多个覆盖层160，以保护MTJ堆叠100下面的层。最后，硬掩模170沉积在覆盖层160上，并经提供以使用反应离子蚀刻(RIE)工艺来图案化MTJ结构100的下层。
已经提出各种机制来辅助磁性隧道结(MTJ)装置中的自由层磁化切换，例如用于面内磁性隧道结装置的正交自旋转移。一个问题是，为了实现面内MTJ结构的正交自旋转移效应，可能需要大的自旋电流来进行切换。对大切换电流的需求可能限制此类装置的商业适用性。提出降低切换电流的一种方法是降低自由层的磁化强度。然而，如果自由层的有效磁化强度显着降低，那么必须限制正交效应，使得自由层不会进入使自由层磁化的最终状态不确定的进动模式。这定义了面内OST结构的操作窗口。在面内装置中，与图1中所展示的不同，参考层及自由层的磁化方向在层的平面中。面内装置的另一方面是热稳定性要求可能将MTJ装置的大小限制到大约六十纳米或更高。
对于例如图1中所展示那些的垂直MTJ结构，进动不是问题。正交极化器在初始状态下作用于自由层磁化，但是当进动保持时，固定正交极化器150仅有助于自由层磁化旋转的一半周期，同时其损害周期的另一半。参考图2A到2B及3对此进行说明。图2A到2B展示MTJ的自由层136的切换。如所看到，自由层136具有垂直于极化器150磁化方向的磁化方向200。自由层136的磁化方向200可以旋转180度。图2A到2B展示关于自由层136的磁化矢量的轴的进动。在进动期间，磁矢量200开始围绕其轴以锥形方式旋转，使得其磁化矢量200'从自由层136的垂直轴202偏转。对于理想状况，在开始进动之前，没有磁矢量200的分量在自由层136的平面中，一旦进动开始，磁矢量200'的分量可经发现既在面内又正交于自由层136。随着磁矢量200'继续进动(即，切换)，矢量200'的旋转从自由层136的中心进一步延伸，如在图2B中所看到。
在使用例如极化器150的极化器的现有MTJ装置中，极化器150的磁化方向是固定的，如图1及3中所展示。还参见美国专利第6,532,164号，其中指出极化层的磁化方向在电流存在下不会变化。在电流通过MTJ之前，自由层136具有与极化器150的磁化方向实质上垂直的磁化方向200。虽然自由层136的磁化方向200可以旋转180度，但此旋转通常被自由层的固有阻尼能力205排除，所述固有阻尼能力由指向轴线202的矢量205表示(在图2A以及图3中展示为虚线)。轴线202垂直于自由层136的平面。此阻尼205具有由阻尼常数定义的值，其维持自由层136的磁化方向。
使电流通过极化器150产生自旋极化电流，其在磁化矢量200上沿极化器150的方向产生自旋转移力矩210。来自极化器的该自旋转移力矩增加了导致自由层磁化方向切换的主自旋转移力矩。在如图1中所展示的那些的装置中，当自旋转移力矩210开始帮助克服自由层136固有的阻尼205时，磁方向200'开始围绕其轴线进动，如图2A中所展示。如在图3中所看到，自旋转移力矩210有助于自由层136的磁化方向以锥状方式围绕垂直于层的平面的轴202进动。当自旋极化电流横穿堆叠100时，自由层136的磁化以连续方式进动(即，它以如图3中所展示的连续方式自身接通)，其中维持振荡直到自由层136的磁方向在自旋力矩引起进动之前的磁方向相反，即，自由层136的磁方向切换180度。
图3说明由极化磁性层150提供的自旋极化电流辅助的MTJ的自由层136的进动。来自极化器150的自旋极化电子提供了有助于克服进动215的前半部分中的阻尼205的力矩210，因为由自旋极化电流提供的力矩210与自由层136的固有阻尼205的力矩相反。这在图3的中间部分的右侧示出。然而，来自极化器150的自旋极化电子实际上在进动220的后半部分期间损害了切换过程。其原因在于自旋极化电流中的电子自旋仅在其极化方向上施加力矩210。因此，当磁矢量处于与极化电子的自旋相反的进动周期220的一半时，自旋转移力矩210实际上与自由层136的固有阻尼205一起工作以使旋转更加困难。这在图3的中间部分的左侧展示。实际上，是参考层132(图3中未展示)的磁化矢量在电子的自旋损害进动的所述一半进动周期期间克服自由层136的阻尼以及自旋转移力矩210，且因此是参考层132允许完成进动。
在这些现有装置中，由于极化器150的磁化方向是固定的，一旦进动保持不变，其对完全的180度进动的切换机构没有任何正面影响。这是因为当所有矢量紧密对准时，极化电子将最有助于自旋转移力矩。
在由与本专利文档相同的申请人提交的美国专利申请案第14/814,036号中，揭示一种具有进动自旋电流磁性层的MRAM装置，所述进动自旋电流磁性层与磁性隧道结的自由磁性层物理分离且是通过非磁性间隔物耦合到所述自由磁性层。在此共同待决申请案中所描述的装置中，进动自旋电流磁性层的磁化方向跟随自由磁性层的磁化方向的进动，从而致使自旋转移力矩辅助自由磁性层的磁化矢量的切换。美国专利申请案第14/814,036号的揭示内容通过全文引用的方式并入本文中。
当使用具有垂直磁性隧道结的面内进动自旋电流磁性层时，希望在面内维持进动自旋电流磁性层的磁矩，同时还减小其磁矩。不幸的是，许多铁磁材料如CoFeB具有界面垂直的磁晶各向异性(“IPMA”)，因此导致磁场方向在平面外。为了避免IPMA，必须增加CoFeB的厚度，通常厚度大于1.5nm。然而，1.5nm厚的CoFeB层增加了磁矩，使得其等于或大于自由层的磁矩，因此失去了单独为进动自旋电流磁性层的低磁矩设定面内磁化的能力。这是不希望的，因为进动自旋电流磁性层应保持在面内，且如所论述的，可以通过降低进动自旋电流磁性层的磁矩来提高性能。这导致磁性隧道结的自由层附近的强偶极场，这降低了自由层稳定性。
发明内容
本发明揭示一种具有磁性隧道结堆叠的MRAM装置，所述磁性隧道结堆叠在磁性隧道结结构中具有性能经显著改进的自由层，所述磁性隧道结结构需要显著较低切换电流且显著减少用于MRAM应用的切换时间。
在实施例中，磁性装置包含在第一平面中的第一合成反铁磁性结构。合成反铁磁性结构包含磁性参考层，其中磁性参考层具有垂直于第一平面的磁化矢量且具有固定磁化方向。实施例还包含在第二平面中且安置在磁性参考层上方的非磁性隧道势垒层。实施例进一步包含在第三平面中且安置在非磁性隧道势垒层上方的自由磁性层。自由磁性层具有垂直于第三平面的磁化矢量，且具有可从第一磁化方向进动到第二磁化方向的磁化方向。磁性参考层、非磁性隧道势垒层及自由磁性层形成磁性隧道结。实施例进一步包含在第四平面中的非磁性间隔物，其安置在自由磁性层上方。磁性耦合层包括MgO。在实施例中，进动自旋电流磁性层存在于第五平面中，所述进动自旋电流磁性层与自由磁性层物理分离并通过非磁性间隔物耦合到自由磁性层。进动自旋电流磁性层具有磁化矢量及在第五平面中的可在任何磁方向上自由旋转的磁化分量。包括材料的进动自旋电流磁性层具有面心立方(fcc)晶体结构。实施例进一步包含在第六平面中的覆盖层，所述第六平面安置在进动自旋电流磁性层上方。电流被引导通过覆盖层、进动自旋电流磁性层、非磁性间隔物、自由磁性层、非磁性隧道势垒层及磁性参考层，其中电流的电子在进动自旋电流磁性层的磁方向上对准。进动自旋电流磁性层的磁化方向自由地跟随自由磁性层的磁化方向的进动，从而致使自旋转移力矩辅助自由磁性层的磁化矢量的切换。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层的磁化矢量的磁化方向在第五平面中。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层的磁化方向具有在第五平面中的可在所述第五平面中自由旋转的磁化分量。
在磁性装置的实施例中，具有面心立方(fcc)晶体结构的材料为包括镍(Ni)及铁(Fe)的坡莫合金。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层包括Fe层、Ru层及面心立方晶体结构层，其包括具有面心立方晶体结构的材料。Fe层可以安置在非磁性间隔物上方，Ru层可以安置在Fe层上方，且面心立方晶体结构层可以安置在Ru层上方。
在磁性装置的实施例中，具有面心立方晶体结构的材料为包括镍(Ni)及铁(Fe)的坡莫合金。
在磁性装置的实施例中，覆盖层包括TaN层。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层包括Fe层、Ru层、CoFeB层及面心立方晶体结构层，其包括具有面心立方晶体结构的材料。Fe层可以安置在非磁性间隔物上，Ru层可以安置在Fe层上方，CoFeB层可以安置在Fe层上方，且面心立方晶体结构层可以安置在CoFeB层上方。
在磁性装置的实施例中，具有面心立方晶体结构的材料为包括镍(Ni)及铁(Fe)的坡莫合金。
在磁性装置的实施例中，覆盖层包括TaN层。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层包括：Fe层；Ru层；第一CoFeB层；面心立方晶体结构层，其包括具有面心立方晶体结构的材料；及第二CoFeB层。Fe层可以安置在非磁性间隔物上，Ru层可以安置在Fe层上方，第一CoFeB层可以安置在Fe层上方，面心立方晶体结构层可以安置在第一CoFeB层上方，且第二CoFeB层可以安置在面心立方静态结构层上方。
在磁性装置的实施例中，具有面心立方晶体结构的材料为包括镍(Ni)及铁(Fe)的坡莫合金。
在磁性装置的实施例中，覆盖层包括TaN层。
在磁性装置的实施例中，覆盖层包括MgO层。
在磁性装置的实施例中，覆盖层包括Ru层。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层包括Fe层及NiFe层，其中NiFe层为具有面心立方晶体结构的材料，Fe层安置在非磁性间隔物上方，NiFe层安置在Fe层上方。进动自旋电流磁性层进一步包括安置在NiFe层上方的第三层。
在磁性装置的实施例中，第三层包括CoFeB。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层磁耦合到自由磁性层。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层电子耦合到自由磁性层。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层的进动与自由磁性层的进动同步。
在磁性装置的实施例中，进动自旋电流磁性层具有大于零的旋转频率。
在磁性装置的实施例中，自由磁性层具有有效磁各向异性，使得其易磁化轴线指向远离垂直方向并相对于其垂直平面形成角度。
附图说明
包含为本发明说明书的部分的附图说明当前较佳实施例，且与上文给出的一般说明及下文给出的详细说明一起用于解释及教示本文中所描述的MTJ装置的原理。
图1说明用于MRAM装置的常规MTJ堆叠。
图2A到2B说明MTJ中的自由层的进动。
图3说明与具有固定磁化方向的极化磁性层一起使用的MTJ中的自由层的进动。
图4说明与具有可自由旋转的磁化方向的进动自旋电流磁性层一起使用的MTJ中的自由层的进动。
图5说明用于具有进动自旋电流磁性层的MRAM装置的MTJ堆叠。
图6A到6B为展示具有进动自旋电流磁性层的MRAM装置的制造步骤的流程图。
图7说明用于具有进动自旋电流磁性层的MRAM装置的MTJ堆叠的实施例。
图8说明用于具有进动自旋电流磁性层的MRAM装置的MTJ堆叠的实施例。
图9说明用于具有进动自旋电流磁性层的MRAM装置的MTJ堆叠的实施例。
图10说明实施例的进动自旋电流磁性层的磁方向。
图11为各种垂直磁性隧道结装置的薄膜振动样品磁强计(VSM)主要磁滞回线数据的曲线图。
图12为说明具有进动自旋电流磁性层的MRAM装置的铁磁谐振(FMR)的曲线图。
图13说明用于具有进动自旋电流磁性层的MRAM装置的MTJ堆叠的替代实施例。
各图不一定按比例绘制且类似结构或功能的元件一般来说贯穿各图出于说明性目的而由相似参考编号表示。各图仅打算促进对本文中所描述的各种实施例的描述；各图不描述本文中所揭示的教示的每一方面且不限制权利要求书的范围。
具体实施方式
以下描述经呈现以使得所属领域的任何技术人员能够创建进动自旋电流结构并将其用于例如MRAM装置的磁性半导体装置。可单独或结合其它特征利用本文中所揭示的特征及教示中的每一者来实施所揭示系统及方法。参考附图进一步详细地描述既单独又组合地利用许多这些额外特征及教示的代表性实例。此详细说明仅打算教示所属领域的技术人员关于实践本发明教示的优选方面的进一步细节且不打算限制权利要求书的范围。因此，以下详细说明中所揭示的特征的组合可并非在最广泛意义上实践教示所必要的，且替代地仅经教示以尤其描述本发明教示的代表性实例。
在以下描述中，仅出于解释的目的，阐述具体的术语以提供对本教示的透彻理解。然而，对于所属领域技术人员来说显而易见的是，这些具体细节不是实践本教示所必需的。
本专利文档揭示一种不使用具有固定磁化方向的极化层的MRAM装置。代替具有固定磁化方向的极化层，本专利文档中所描述的MRAM装置利用进动自旋电流(PSC)磁性层350结合垂直MTJ 330，其中PSC层的面内磁化分量方向是自由旋转(且例如在图5及7中展示)。在一个实施例中，PSC磁性层350可以与自由层磁化进动动态一起旋转。这将显著地改进自旋电流在克服自由层336的固有阻尼方面的影响，因为PSC层将有助于自旋力矩贯穿进动周期的整个轨道运动而非仅进动的一半克服此阻尼。在整个180度旋转期间的此进动自旋电流效应显著地增强了自由层磁化切换。
图4说明使用具有旋转的磁化矢量270的PSC磁性层350而非具有固定磁化方向的磁矢量的极化层150的MRAM装置背后的概念。此实施例中的自由层336类似于先前所论述的自由层136，因为其具有固有的阻尼特性205，其可以借助于自旋转移力矩来克服。然而，图4中所展示的实施例用PSC磁性层350代替极化层150。如在图4的底部部分中所看到，由穿过自由层336的自旋电流产生的自旋转移力矩310的方向随着PSC磁性层350的磁化方向的旋转而改变。如在图4的中间所看到，自旋转移力矩310有助于自由层336的磁化方向200'以锥状方式围绕垂直于层的平面的轴线202进动。图4展示磁方向200'围绕轴线202旋转的进动。如所论述，当自旋极化电流横穿装置时，自由层336的磁化以连续方式进动(即，其以如图4中所展示的连续方式自身接通)，其中维持振荡直到自由层336的磁方向在自旋力矩引起进动之前的磁方向相反，即，自由层136的磁方向切换180度。进动自旋电流层350及自由层336磁及/或电子耦合，使得PSC磁性层350的磁化矢量270的磁化方向可自由地跟随自由层336的磁矢量的进动旋转。这可以在图4中看到。
如在图4的右侧中所看到，自旋极化电子提供力矩310有助于克服进动215的前半部分中的阻尼205，因为由自旋极化电流提供的力矩310与自由层336的固有阻尼205的力矩相反。如所论述，PSC磁性层350的磁化矢量270的磁化方向旋转。因此，由PSC磁性层350产生的自旋电流的电子的极化也改变。这意味着施加在自由层336的磁矢量上的力矩310的方向也改变，这可以在图4的底部上看到。因此，与具有固定的极化磁性层150的现有装置不同，自旋极化电流中的电子的自旋在进动周期的两个半周期(包含其中具有固定极化磁性层150的装置实际上损害进动的进动周期220的一半)中施加力矩310。这可以在图4的左侧中看到。如所看到，力矩310继续有助于在整个进动循环中克服自由层136的固有阻尼205。因此，使用PSC磁性结构350的装置可以在整个切换周期内提供自旋转移力矩310。
在实施例中，PSC磁性层350的进动矢量270自由地跟随自由层336的磁矢量的进动旋转。自由层的磁化方向通过来自参考层132的自旋力矩310切换。其中电流的方向定义最终状态。
在图5中展示具有进动自旋电流MTJ结构300的存储器单元。存储器单元300形成在衬底上，所述衬底可为硅或其它适当的材料，且可包含在其上制作的互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。MTJ结构300包含一或多个晶种层320，所述一或多个晶种层提供在堆叠300的底部处以在上述所沉积层中起始所要结晶生长。第一合成反铁磁(SAF)层322安置在晶种层320上。第一SAF层322为具有垂直于其平面的磁化方向的磁性层。下文将论述第一SAF层322的构造的细节。反铁磁(AFM)耦合层324安置在第一SAF层322上方。AFM耦合层324为非磁性层。第二SAF层326安置在AFM耦合层324上方。第二SAF层326具有垂直于其平面的磁方向。第一SAF层322及第二SAF层326的磁方向是反平行的，如在图5中所展示。下文还将论述第二SAF层326的构造的细节。铁磁性耦合层328放置在第二SAF层326上方。铁磁性耦合层328为非磁性层。MTJ 330沉积在铁磁性耦合层328上方。MTJ 330包含参考层332、隧穿势垒层(即，绝缘体)334及自由层336。MTJ 330的参考层332经制作在铁磁性耦合层328上方。MTJ 330的隧道势垒层334经制作在参考层332上方。MTJ 330的自由层336经制作在隧穿势垒层334上方。注意，合成反铁磁性层326在技术上还包含铁磁性耦合层328及参考层332，但出于解释目的，此处单独展示。
如图5中所展示，参考层332的磁化矢量具有垂直于其平面的磁化方向。还如在图5中所看到，自由层336也具有垂直于其平面的磁化矢量，但其方向可以变化180度。另外，自由层336设计可以包含指向远离其垂直轴线数度的自由层336的磁化。自由层磁化的倾斜角度可以归因于与PSC磁性层350的交互或由于磁晶各向异性，将另外有助于通过改进开关的启动来切换自由层磁化。因为参考层332及自由层336各自具有垂直于其相应平面的磁方向，所以MTJ 330被称为垂直MTJ。
非磁性间隔物340安置在MTJ 330上方。PSC磁性层350安置在非磁性间隔物340上方。在一个实施例中，PSC磁性层350具有磁化矢量，所述磁化矢量具有平行于其平面的磁方向，且垂直于参考层332及自由层336的磁矢量。可在PSC层350的顶部上提供一或多个覆盖层370，以保护MTJ堆叠300下面的层。
非磁性间隔物340具有许多性质。例如，非磁性间隔物340物理地分离自由层336及PSC层350。非磁性间隔物340促进强磁性及/或电子耦合，使得PSC磁性层350的磁方向自由地跟随自由层336的进动周期。换句话说，非磁性间隔物340将PSC磁性层350的磁方向耦合到自由层336的磁方向。非磁性间隔物340有效地将自旋电流从PSC磁性层350传输到自由层336中，因为其优选地具有长的自旋扩散长度。非磁性间隔物340还促进良好的微结构及高隧道磁阻(TMR)，且有助于保持自由层336的阻尼常数低。
PSC磁性层350至少具有以下性质。首先，在一个实施例中，PSC磁性层350的磁化方向是在所述层的平面中，但垂直于自由层336的磁化方向。在其它实施方式中，例如在图10中展示，PSC磁性层350的磁化方向可以具有水平分量X及垂直分量Z使得自由层336的平面与PSC磁性层350的磁方向270之间的角度θ可为0与小于90度之间的任何值，但如所论述，角度尽可能接近零，使得磁方向保持在面内。同样地，如所展示，磁化矢量也可以旋转矢量旋转，在图10中展示为锥形旋转280，同时围绕其垂直轴线进动。注意，自由层336的平面与PSC磁性层350的磁方向270之间的角度θ会在此情况下变化。
如在图5中所看到且如上文所论述，PSC磁性层350具有位于层平面中的磁方向。因为具有面心立方(fcc)晶体结构的材料往往具有高的面内各向异性，所以其在本文中所描述的实施例中用于面内PSC磁性层350。在实施例中，PSC磁性层350由具有fcc晶体结构的NiFe合金构成。如同坡莫合金的Ni-Fe组合物(其包括大约80％的镍及20％的Fe铁)的具有高磁导率，软磁性质(例如，低易磁化轴线矫顽性且实际上没有难磁化轴线矫顽性)且提供从中通过的电子的良好自旋极化。还要注意，坡莫合金不具有垂直的磁晶各向异性(“PMA”)。PMA对于面内磁性层为不合需要的，且是使用坡莫合金的另一原因。
使用Ni-Fe坡莫合金导致面内PSC层350具有低于自由层336的磁矩的磁矩，且可以促进PSC层350的所要磁化。
图5中所展示的MTJ结构中的晶种层320优选地包括Ta、TaN、Cr、Cu、CuN、Ni、Fe或其合金。第一SAF层322优选地包括Co/Ni或Co/Pt多层结构。第二SAF层326优选地包括Co/Ni或Co/Pt多层结构加上由具有2到5埃厚度的钽构成的薄的非磁性层以及薄的CoFeB层(0.5到3纳米)。反铁磁性耦合层324优选地由Ru制成，其具有在3到10埃范围内的厚度。铁磁性耦合层328可由Ta、W、Mo或Hf制成，其具有在1到8埃范围内的厚度。隧穿势垒层334优选地由例如MgO的绝缘材料制成，具有大约10埃的厚度。自由层336优选地由沉积在隧穿势垒层334顶部的CoFeB制成。自由层336也可以具有Fe、Co、Ni或其合金的层。MTJ 330上方的间隔物层340可为任何非磁性材料，例如2到20埃的钌、2到20埃的Ta、2到20埃的TaN、2到20埃的Cu、2到20埃的CuN，或2到20埃的MgO。
现在将描述使用进动自旋电流MTJ结构300写入位的方式。特定来说，例如通过电流源375供应电流，电流源375使电流通过进动自旋电流磁性层350、非磁性间隔物340、自由磁性层336、非磁性隧道势垒层334及参考层332。通过进动自旋电流磁性层350的电流的电子在其磁方向上自旋极化，因此产生自旋极化电流，其通过非磁性间隔物340、自由磁性层336、隧穿势垒层334及参考磁性层332。自旋极化电流在自由磁性层336上施加自旋转移力矩，这有助于克服构成自由层336的磁性材料的固有阻尼。这有助于自由磁性层336绕其轴线进动，如图4中所展示。
一旦自由磁性层336的磁方向开始进动，PSC磁性层350的磁方向开始旋转，如还在图4中所看到。此旋转是由自由磁性层336及PSC磁性层350之间通过非磁性间隔物340的磁及/或电子耦合引起的。PSC磁性层350的磁方向的旋转引起电流的电子的自旋极化从而以对应于PSC磁性层350的磁方向的方式改变。因为自旋极化电流的电子的自旋对应于PSC磁性层350的磁方向，且PSC磁性层350的磁方向跟随自由磁性层336的进动，电子的自旋沿着在整个切换周期内变化的方向将自旋转移力矩施加到自由层336。因此，使用PSC磁性结构350的装置可以在整个切换周期内提供自旋转移力矩205。
特定来说，本文中所描述的利用PSC磁性层350及间隔物340的结构产生进动磁化，其在整个进动周期中向MTJ的自由层336提供自旋电流，且因此显着增强自由层切换过程，这将导致更快的写入时间。
在图6A到6B中展示制造MRAM堆叠500的实施例的方法400的流程图。在图7中展示MRAM堆叠500。MRAM堆叠将形成在衬底上，在一个实施例中，衬底可为硅衬底，且在其它实施例中，可为任何其它适当的衬底材料。在步骤402中，沉积晶种层520。在实施例中，可以通过在步骤404处沉积TaN层504且然后在步骤406处沉积Cu层506来构造晶种层520。在实施例中，TaN层504为具有5纳米厚度的薄膜且Cu层506为具有5纳米厚度的薄膜。在替代实施例中，TaN层504可具有从2到20纳米范围内的厚度，而Cu层506可具有从0到20纳米范围内的厚度。
在步骤408处，沉积第一垂直合成反铁磁性层522。在实施例中，第一垂直合成反铁磁性层522可包括Pt层508(在步骤410处沉积)，Co/Pt多层510(在步骤412处沉积)及Co层512(在步骤414处沉积)。在实施例中，Pt层508为具有0.7纳米厚度的Pt薄膜。在其它实施例中，Pt层508可包括具有从0.5到20纳米范围的厚度的Pt薄膜。Co/Pt多层510可包括具有0.6纳米厚度的Co薄膜及具有0.4纳米厚度的Pt薄膜。在其它实施例中，Co/Pt多层510的Co层可以具有0.1至1纳米的厚度，且Co/Pt多层510的Pt层可以具有从0.1到1纳米范围的厚度。在实施例中，重复Co/Pt多层510，使得Co/Pt多层510包括六个Co/Pt多层。在实施例中，Co层512为具有0.6纳米厚度的薄膜。在其它实施例中，Co层512可具有从0.1到1.0纳米范围的厚度。
如在图7中所看到，第一垂直合成反铁磁性层522具有磁矢量，所述磁矢量具有垂直于其平面的方向。第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向为固定的，且在正常操作条件下不会改变方向(即，旋转或进动)。选择层的厚度以具有高各向异性，同时管理自由层536上的杂散场。
在步骤416处，沉积交换耦合层524。在实施例中，交换耦合层524包括具有0.8纳米厚度的Ru薄膜，且在其它实施例中，可为从0.3到1.5纳米的范围。
在步骤418处，制作第二垂直合成反铁磁性层526。第二垂直合成反铁磁性层526的制作(步骤418)包括许多步骤，且包含制作磁性隧道结530的参考层532，如将论述。在步骤420处，沉积Co层514。在实施例中，Co层514为具有0.3纳米厚度的薄膜，且在其它实施例中，可以具有0.1到1.0纳米的厚度。此后，在步骤420处，沉积Co/Pt多层516。在实施例中，Co/Pt多层516包括具有0.6纳米厚度的Co薄膜及具有0.4纳米厚度的Pt薄膜。在其它实施例中，Co薄膜可以具有0.1到1.0纳米的厚度，而Pt薄膜可以具有0.1到1.0纳米的厚度。此外，Co/Pt多层516可包括如本文中所描述的多个Co/Pt层。在实施例中，Co/Pt多层516具有两个具有上文所描述厚度性质的Co/Pt多层。在步骤422处沉积Co/Pt多层516之后，本文中所描述的方法在步骤424处沉积钴层518。在实施例中，Co层518为具有0.6纳米厚度的薄膜，而其它实施例，Co层518可以具有在0.1到1.0纳米范围内的厚度。Co层514、Co/Pt层516及Co层518一起形成磁性结构。Co层514、Co/Pt层516及Co层518的组合的磁方向为固定的，垂直于每一层的平面，且反平行于第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向。Co层514、Co/Pt层516及Co层518的组合的磁性质将与第二垂直合成反铁磁性层526的参考层532的磁性质交互，以生成具有固定磁方向的磁矢量，所述固定磁方向也垂直于每一层第二垂直合成反磁性层526的平面(尽管数度的变化在所考虑的垂直范围内)并反平行于第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向。这些磁矢量经说明且图7，其中可看到垂直合成反铁磁性层526具有固定且垂直磁方向，所述磁方向反平行于第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向。
在沉积Co层518(步骤424)之后，沉积铁磁性耦合层528(步骤526)。在实施例中，铁磁性耦合层528为具有0.2纳米厚度的Ta薄膜。在其它实施例中，铁磁性耦合层528可为具有从0.1到1.0纳米范围的厚度的Ta、W、Hf或Mo(或其它适当的材料)的薄膜。
在步骤426处沉积铁磁性耦合层528之后，沉积参考层532(步骤428)。步骤428，参考层532的制作，包括若干步骤，包含沉积磁性层527(步骤430)，沉积钨(W)层529(步骤432)及沉积磁性层531(步骤434)。在实施例中，磁性层527包括具有0.6纳米厚度的CoFeB薄膜，其中合金为六十(60)％的Fe，二十(20)％的Co及二十(20)％的B。W层529包括具有0.2纳米厚度的W薄膜。磁性层531包括具有0.8纳米厚度的CoFeB薄膜，其中合金为六十(60)％的Fe，二十(20)％的Co及二十(20)％的B。在其它实施例中，磁性层527可包括具有从0.5到1.0纳米范围的厚度的CoFeB薄膜，W层529可包括具有0.1到1.0纳米的厚度的薄膜，且磁性层531可包括具有0.5到2.0纳米的厚度的CoFeB薄膜。
参考层532使用磁性材料构造，使得其具有磁矢量，所述磁矢量具有垂直于其平面的磁方向，在方向上固定，且反平行于第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向。如所论述且如在图7中所看到，第二垂直合成反铁磁性层526的集合材料具有磁矢量，所述磁矢量具有垂直于其集合层中的每一者的平面的磁方向，在方向上为固定并反平行于第一垂直合成反铁磁性层522的磁方向。注意，第一垂直合成反铁磁性层522及第二垂直合成反铁磁性层526的特定磁方向并不重要，只要其垂直于其相应平面且彼此反平行即可。
如所论述，参考层532为形成磁性隧道结530的结构中的一者。在图6B上继续展示制造包含磁性隧道结530的MRAM堆叠500的方法的流程图。在步骤436处，非磁性隧道势垒层534沉积在参考层532上。在实施例中，非磁性隧穿势垒534形成为绝缘材料(例如，MgO)的薄膜。上文论述非磁性隧穿势垒534的用途。在步骤438处继续磁性隧道结530的制造，此时自由层536沉积在非磁性隧穿势垒534上方。自由层536的制作包括若干步骤。在步骤440处，在非磁性隧穿势垒534上方沉积磁性层535。在实施例中，磁性层535由具有1.2纳米厚度的CoFeB薄膜构成，其中合金为六十(60)％的Fe，二十(20)％的Co及二十(20)％的B。在其它实施例中，磁性层535可包括CoFeB薄膜或具有从0.5到2.0纳米厚度范围的其它合适磁性材料。自由层535的制造在步骤442处继续，其中沉积W层537。在实施例中，W层537包括具有0.2纳米厚度的W薄膜，且在其它实施例中，可具有从0.1到1.0纳米范围的厚度。在步骤444处，自由层536的制造继续形成磁性层539。在实施例中，磁性层535可包括具有0.9纳米厚度的CoFeB薄膜，其中合金为六十(60)％的Fe、二十(20)％Co及二十(20)％的B。在其它实施例中，磁性层539可包括CoFeB薄膜或具有从0.5到1.5纳米范围的厚度的其它合适的磁性材料。
磁性层535及539连同非磁性W层537一起形成自由磁性层536。自由磁性层536具有磁性矢量，所述磁性矢量具有垂直于其平面的磁性方向。另外，自由磁性层536设计可以包含自由层536的磁化，其指向远离其垂直轴线数度。自由层磁化的倾斜角度可以归因于与PSC磁性层550的交互或由于磁晶各向异性，将另外有助于通过改进开关的启动来切换自由层磁化。如图7中所展示，自由磁性层536的磁方向可以从一个方向切换180度到另一反向平行方向。
在步骤438处制作磁性隧道结530之后，执行步骤446，其中沉积间隔物540。在实施例中，间隔物540可包括具有0.8纳米的厚度的MgO薄膜。在其它实施例中，间隔物层540可包括MgO薄膜，其具有从0.5到1.5纳米范围的厚度。在其它实施例中，间隔物层540可如2015年9月25日提交申请的且名称为“具有自旋电流注入覆盖层的MRAM装置的自旋转移力矩结构”的美国专利申请案第14/866,359号中所描述构造。美国专利申请案第14/866,359号特此通过全文引用方式并入本文中。
在沉积间隔物层540之后，沉积进动自旋电流磁性层550(步骤450)。如图6B中所看到，进动自旋电流磁性层550的制造包括若干步骤。在步骤452处，在间隔物层540上方制作磁性Fe层543。在实施例中，磁性Fe层543包括具有0.6纳米厚度的Fe薄膜。在其它实施例中，间隔物543可包括Fe薄膜，其具有从0.5到2.0纳米范围的厚度。
在步骤454处，Ru层545沉积在磁性Fe层543上方。在实施例中，Ru层545可包括具有1.5纳米厚度的Ru薄膜，且在其它实施例中，可包括具有从0.4到5.0纳米范围厚度的Ru薄膜。
在步骤456处，沉积磁性NiFe层547。在实施例中，磁性NiFe层547包括八十(80)％的Ni及二十(20)％的Fe，且具有3.0纳米的厚度。在其它实施例中，NiFe层547可具有在0.5到5.0纳米范围内的厚度。NiFe层547还可包括多个层。在一个此类实施例中，层547包括CoFeB及NiFe的薄膜。在另一实施例中，层547包括在CoFeB层之间的NiFe层。
在步骤450处制造进动自旋电流磁性层550之后，沉积覆盖层551(步骤460)。覆盖层551的制造可包括沉积TaN层553(步骤462)及沉积Ru层(步骤464)。在实施例中，TaN层553包括具有2.0纳米厚度的TaN薄膜，而在其它实施例中，TaN层553可以具有从1.0到5.0纳米范围的厚度。在实施例中，Ru层555包括具有十(10)纳米厚度的Ru薄膜，而在其它实施例中，Ru层555可以具有从1.0到20纳米范围的厚度。在其它实施例中，覆盖层551包括Ru层(没有TaN)或MgO层。在若干原因中，特定的覆盖结构的选择受到所使用的特定退火温度的影响。这是归因于这些特定材料将取决于退火温度具有不同的特性的事实。
最后，在步骤466处，沉积硬掩模557。硬掩模557可包括具有7.0纳米厚度的TaN层。
如图7中所展示，进动自旋电流磁性层550具有在平面中且可以在任何磁方向上自由旋转的磁方向。期望进动自旋电流磁性层550的磁矢量在其旋转时保持在面内。这是由于如图4中所看到的事实，进动自旋电流磁性层550的磁矢量在旋转期间保持在面内越多，可以在磁性自由层536上施加更多的力矩，这有助于克服自由层536的阻尼205。因为希望在旋转期间保持进动自旋电流磁性层550的磁矢量在面内，所以本文中所描述的实施例利用具有高面内各向异性的材料。
坡莫合金为具有面心晶体结构的NiFe合金。坡莫合金由大约八十(80)％的Ni及二十(20)％的Fe组成，且具有软磁特性(例如，低易磁化轴线矫顽性和几乎没有难磁化轴线矫顽性)，且具有良好的自旋极化。将坡莫合金用于进动自旋电流磁性层550的层547(其位于PSC层550-TaN层551界面处)因此提供具有可以低于自由层磁化的磁矩的面内磁方向。
因此，除了NiFe层547之外，进动自旋电流磁性层550可以在与TaN层551的界面处以及还在NiFe层547及Ru层545的界面处包含额外的Co、CoFeB或其它Co合金层。其一个实例可为NiFe层547与TaN层551之间以及NiFe层547与Ru层545之间的CoFeB薄膜(图7中未展示)。在此实施例中，NiFe层547与Ru层545之间的CoFeB层可具有从1埃到10埃范围的厚度。使用CoFeB层可以避免NiFe层547与TaN层551的强混合。注意，在其它实施例中，进动自旋电流磁性层550还可以具有其它层以改进NiFe层547、TaN层551及Ru层545之间的界面性质/性能。此类额外材料的实例包含Co或包含Co的合金。
其它材料可用于进动自旋电流磁性层550及TaN层551的界面处，其实例包含Co、Fe及含有这些元素的合金，例如CoFeB。同样地，选择具有各种界面层的不同Co-Fe比可以使得可能获得进动自旋电流磁性层550的所要磁化。MRAM堆叠装置的其它实施例在图8及9中展示。在这些实施例中，结构类似于图6A到6B及图7的上下文中描述的实施例，差异为进动自旋电流磁性层550的结构。在图8中所展示的MRAM装置600中，进动自旋电流磁性层550包括安置在间隔物540上方的Fe层643。Fe层643可包括具有0.5到1.0纳米厚度为的Fe薄膜。在此实施例中，进动自旋电流磁性层550进一步包括CoFeB层647。CoFeB层647可具有从0.5到4.0纳米范围的厚度。
图9中展示MRAM堆叠700的另一实施例。在图9中所展示的实施例中，进动自旋电流磁性层550包括在间隔物540上方的Fe层743。Fe层743包括具有从0.5到1.0纳米范围的厚度的Fe薄膜。NiFe层745安置在Fe层743上方。如所论述，NiFe层745，例如坡莫合金，为具有面心立方晶体结构的材料，且可以具有从1.0到5.0纳米范围的厚度。如在本文中所论述的实施例中，NiFe层745可为80％的Ni及20％的Fe。在此实施例中，进动自旋电流磁性层550进一步包括CoFeB层747。CoFeB层747可具有从0.5到1.5纳米范围的厚度。
选择材料使得可以独立地设置进动自旋电流磁性层550的磁化，同时还控制影响自由层切换性能的PSC层的面外磁化分量。
图11为具有进动自旋电流磁性层550的垂直磁性隧道结装置的薄膜振动样品磁强计(VSM)主要磁滞回线数据的曲线图。为了获得此VSM)主磁滞回线(在图11中标记为1105)，施加DC磁场。所施加磁场以-14000奥斯特开始，然后下降到0.00奥斯特，然后上升到+14000奥斯特。然后所施加磁场从+14000奥斯特平稳地降低到0.00奥斯特，然后增加到-14000奥斯特。DC所施加磁场的正负符号指示磁场扫描的面内所施加磁场方向。通过施加在样本的平面中的DC磁场，即，沿着磁性隧道结530的难磁化轴线取得VSM测量值，经展示为图11中的曲线图的Y轴上的归一化磁矩。通过箭头1110A及1110B所指示的围绕零施加磁场(零奥斯特)的尖锐转变指示进动自旋电流磁性层550为面内磁化，即沿沿着易磁化轴线磁化。
图12展示磁性隧道结装置500的铁磁谐振，其具有在二十四(24)GHz下测量的进动自旋电流磁性层550。沿垂直方向施加磁场。8000奥斯特处的虚线1010指示在面内进动自旋电流磁性层550与垂直磁化自由磁性层536之间在24GHz下区域边界ω/γ-8.0千高斯。根据谐振方程式：ω/γ＝Hres-4πMeff，进动自旋电流磁性层550的谐振指示强大的面内磁化强度。有效磁化强度值展示自由层的有效垂直各向异性(4πMeff--4.0千高斯)及PSC层的强有效面内各向异性(4πMeff～7.5千高斯)。
图13中展示替代实施例。在此实施例中，磁性装置1300使其MTJ堆叠相对于图5中所展示的实施例为倒置的。特定来说，磁性装置1300包含晶种层1370。进动自旋电流磁性层1350放置在晶种层1370上方。进动自旋电流磁性层1350可包括在图5及7到9的上下文中所描述的任何实施例，位置所述层倒置。作为实例，进动自旋电流磁性层1350可以包括在晶种层1370上方的磁性NiFe坡莫合金层547，在NiFe坡莫合金层547上方的Ru层1345，以及在Ru层1345上方的磁性Fe层。如所论述，可在不脱离本专利文档的教示的范围的情况下，用其它面心材料代替NiFe坡莫合金层547。
非磁性间隔物1340放置在PSC层1350上方。非磁性间隔物1340具有与上文所论述的非磁性间隔物340及540相同的性质、构造及特性。MTJ 1330放置在非磁性间隔物1340上方。MTJ 1330通常由自由层1336(其放置在非磁性间隔物1340上方)及参考层1332构成。自由层1336及参考层1332通过隧穿势垒层1334在空间上彼此分离，所述隧穿势垒层由例如MgO等绝缘材料制成。如上文，MTJ 1330作为垂直MTJ，因为参考层及自由层两者的磁方向均垂直于其相应平面。如关于其它实施例所论述，自由磁性层1336设计可以包含自由层1336的磁化，其指向远离其垂直轴线数度。自由层磁化的倾斜角度可以归因于与PSC磁性层1350的交互或由于磁晶各向异性，将另外有助于通过改进开关的启动来切换自由层磁化。铁磁性耦合层1328放置在参考层1332上方。合成反铁磁(SAF)层1326安置在铁磁性耦合层1328上方。反铁磁性耦合层1324放置在SAF层1326上方。另一合成反铁磁性层1322放置在反铁磁性耦合层1324上方。注意，SAF层1326在技术上也包含铁磁性耦合层1328及参考层1332，但是出于解释的目的此处单独展示。SAF层1326及1322也垂直于磁方向。最后，覆盖层1320放置在SAF层1320上方。电流可以由电流源1374提供。除了层的排序之外，磁性装置以与关于图5及7中所展示的实施例所描述的相同的方式操作。因此，正如图5及7中所展示，PSC磁性层1350以使得在自由层1336的整个进动循环中以有益的方式施加自旋转移力矩310的方式旋转。
图5、7到9及13中所说明的装置300、500、600、700及1300的所有层均可通过薄膜溅射沉积系统而形成，如所属领域的技术人员将了解。薄膜溅射沉积系统可包含必需的物理气相沉积(PVD)室(每一室具有一或多个靶材)、氧化室及溅射蚀刻室。通常，溅射沉积过程涉及具有超高真空的溅镀气体(例如，氩、氪、氙等)，且靶材可由待沉积于衬底上的金属或金属合金制成。因此，当本说明书陈述层被放置在另一层上方时，可以使用此系统沉积此类层。也可以使用其它方法。应了解，用以制造MTJ堆叠300所需的剩余步骤对所属领域的技术人员来说为众所周知的，且将不在本文中进行详细描述以免不必要地使本文中的揭示内容的方面模糊。
所属领域的技术人员应了解，多个MTJ结构300可经制造且提供为STT-MRAM装置的相应位单元。换句话说，每一MTJ堆叠300、500、600、700及1300可实施为具有多个位单元的存储器阵列的位单元。
以上描述及图式仅应视为对实现本文中所描述的特征及优点的特定实施例的说明。可对特定过程条件作出修改及替代。因此，此专利文档中的实施例并不视为受前述说明及图式限制。

Claims (19)

1.一种磁性装置，其包括
第一合成反铁磁性结构，其在第一平面中，所述合成反铁磁性结构包含磁性参考层，所述磁性参考层具有垂直于所述第一平面的磁化矢量且具有固定磁化方向；
非磁性隧道势垒层，其在第二平面中且安置在所述磁性参考层上方，所述第二平面平行于所述第一平面；
自由磁性层，其在第三平面中且安置在所述非磁性隧道势垒层上方，所述第三平面平行于所述第二平面，所述自由磁性层具有垂直于所述第三平面的磁化矢量且具有能够从第一磁化方向进动到第二磁化方向的磁化方向，所述磁性参考层、所述非磁性隧道势垒层及所述自由磁性层形成磁性隧道结；
非磁性间隔物，其在第四平面中且安置在所述自由磁性层上方，所述第四平面平行于所述第三平面，所述磁性间隔物层包括MgO；
进动自旋电流磁性层，其在第五平面中，其与所述自由磁性层物理分离且通过所述非磁性间隔物耦合到所述自由磁性层，所述第五平面平行于所述第四平面，所述进动自旋电流磁性层具有磁化矢量及在所述第五平面中的能够在任何磁方向上自由旋转的磁化分量，所述进动自旋电流磁性层包括Fe层、Ru层及面心立方晶体fcc结构层，所述Fe层安置在所述非磁性间隔物上方，所述Ru层安置在所述Fe层上方，且所述面心立方晶体结构层安置在所述Ru层上方；
覆盖层，其在第六平面中且安置在所述进动自旋电流磁性层上方；
其中电流被引导通过所述覆盖层、所述进动自旋电流磁性层、所述非磁性间隔物、所述自由磁性层、所述非磁性隧道势垒层及所述磁性参考层，其中所述电流的电子在所述进动自旋电流磁性层的所述磁方向上对准；且
其中所述进动自旋电流磁性层的所述磁化方向自由地跟随所述自由磁性层的所述磁化方向的进动，从而致使自旋转移力矩辅助所述自由磁性层的所述磁化矢量的切换。
2.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述进动自旋电流磁性层的所述磁化矢量的所述磁化方向在所述第五平面中。
3.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述进动自旋电流磁性层的所述磁化方向具有在所述第五平面中的能够在所述第五平面中自由旋转的磁化分量。
4.根据权利要求1所述的磁性装置，其中具有所述面心立方fcc晶体结构的材料为包括镍Ni及铁Fe的坡莫合金。
5.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述覆盖层包括TaN层。
6.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述进动自旋电流磁性层进一步包括CoFeB层，所述CoFeB层安置在所述Fe层上方，且所述面心立方晶体结构层安置在所述CoFeB层上方。
7.根据权利要求6所述的磁性装置，其中具有所述面心立方晶体结构的材料为包括镍Ni及铁Fe的坡莫合金。
8.根据权利要求7所述的磁性装置，其中所述覆盖层包括TaN层。
9.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述进动自旋电流磁性层进一步包括第一CoFeB层及第二CoFeB层，所述第一CoFeB层安置在所述Fe层上方，所述面心立方晶体结构层安置在所述第一CoFeB层上方，且所述第二CoFeB层安置在所述面心立方晶体结构层上方。
10.根据权利要求9所述的磁性装置，其中具有所述面心立方晶体结构的材料为包括镍Ni及铁Fe的坡莫合金。
11.根据权利要求10所述的磁性装置，其中所述覆盖层包括TaN层。
12.根据权利要求10所述的磁性装置，其中所述覆盖层包括MgO层。
13.根据权利要求10所述的磁性装置，其中所述覆盖层包括Ru层。
14.一种磁性装置，其包括：
第一合成反铁磁性结构，其在第一平面中，所述合成反铁磁性结构包含磁性参考层，所述磁性参考层具有垂直于所述第一平面的磁化矢量且具有固定磁化方向；
非磁性隧道势垒层，其在第二平面中且安置在所述磁性参考层上方，所述第二平面平行于所述第一平面；
自由磁性层，其在第三平面中且安置在所述非磁性隧道势垒层上方，所述第三平面平行于所述第二平面，所述自由磁性层具有垂直于所述第三平面的磁化矢量且具有能够从第一磁化方向进动到第二磁化方向的磁化方向，所述磁性参考层、所述非磁性隧道势垒层及所述自由磁性层形成磁性隧道结；
非磁性间隔物，其在第四平面中且安置在所述自由磁性层上方，所述第四平面平行于所述第三平面，所述磁性间隔物层包括MgO；
进动自旋电流磁性层，其在第五平面中，其与所述自由磁性层物理分离且通过所述非磁性间隔物耦合到所述自由磁性层，所述第五平面平行于所述第四平面，所述进动自旋电流磁性层具有磁化矢量以及所述第五平面中的磁化分量，其中所述第五平面中的所述磁化分量能够在所述第五平面中的任何磁方向上自由旋转，其中所述进动自旋电流磁性层包括Fe层及NiFe层，其中所述NiFe层为具有所述面心立方晶体结构的所述材料，所述Fe层安置在所述非磁性间隔物上方，所述NiFe层安置在所述Fe层上方，且所述进动自旋电流磁性层进一步包括安置在所述NiFe层上方的第三层；
覆盖层，其在第六平面中且安置在所述进动自旋电流磁性层上方；
其中电流被引导通过所述覆盖层、所述进动自旋电流磁性层、所述非磁性间隔物、所述自由磁性层、所述非磁性隧道势垒层及所述磁性参考层，其中所述电流的电子在所述进动自旋电流磁性层的所述磁方向上对准；且
其中所述进动自旋电流磁性层的所述磁化方向自由地跟随所述自由磁性层的所述磁化方向的进动，从而致使自旋转移力矩辅助所述自由磁性层的所述磁化矢量的切换。
15.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述进动自旋电流磁性层磁耦合到所述自由磁性层。
16.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述进动自旋电流磁性层电子耦合到所述自由磁性层。
17.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述进动自旋电流磁性层的进动与所述自由磁性层的进动同步。
18.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述进动自旋电流磁性层具有大于零的旋转频率。
19.根据权利要求1所述的磁性装置，其中所述自由磁性层具有有效磁各向异性，使得其易磁化轴线指向远离垂直方向并相对于其垂直平面形成角度。
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