CN117279478A - 具有辅助层的自旋转移矩mram及其操作方法 - Google Patents

具有辅助层的自旋转移矩mram及其操作方法 Download PDF

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Abstract

一种MRAM单元，所述MRAM单元包括：磁性隧道结，所述磁性隧道结包括具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于所述参考层与所述自由层之间的非磁性隧道阻挡层；自旋扭矩振荡器叠堆；和第一非磁性隔层，所述第一非磁性隔层位于所述自由层与所述自旋扭矩振荡器叠堆之间。

Description

具有辅助层的自旋转移矩MRAM及其操作方法
本案是申请号为201980006531.2，申请日为2019年8月30日，题目为“具有辅助层的自旋转移矩MRAM及其操作方法”的申请的分案。
相关申请
本申请要求2018年12月6日提交的美国非临时申请序列号16/212,257、16/212,342和16/212,420的优先权，前述申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及磁存储设备领域，并且特别涉及具有辅助层的自旋转移矩(STT)磁阻随机存取存储器(MRAM)设备及其操作方法。
背景技术
自旋转移矩(“STT”)是指磁性隧道结或自旋阀中的磁层取向由自旋极化电流修改的效应。一般地，电流是非极化的，其中电子具有随机自旋取向。自旋极化电流是电子由于优先自旋取向分布而具有非零净自旋的电流。自旋极化电流可通过使电流通过磁性极化层来生成。当自旋极化电流流过磁性隧道结或自旋阀的自由层时，自旋极化电流中的电子可将其角动量中的至少一些转移到自由层，从而产生扭矩以磁化自由层。当足够量的自旋极化电流通过自由层时，可采用自旋转移矩以翻转自由层中的自旋取向(例如，改变磁化)。可采用自由层的不同磁化状态之间的磁性隧道结的电阻差以将数据存储在磁阻随机存取存储器(MRAM)单元内，取决于自由层的磁化是平行于还是反平行于参考层的磁化。
发明内容
根据本公开的一个方面，MRAM设备包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含：具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻挡层；具有负磁各向异性的负磁各向异性辅助层，该负磁各向异性在垂直于固定磁化方向的平面内提供面内磁化；和第一非磁间隔层，该第一非磁间隔层位于自由层与负磁各向异性辅助层之间。
根据本公开的另一方面，MRAM设备包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻挡层；第一磁性辅助层；第二磁性辅助层；反铁磁耦合间隔层，该反铁磁耦合间隔层位于第一磁性辅助层与第二磁性辅助层之间；和第一非磁性间隔层，该第一非磁性间隔层位于自由层与第一磁性辅助层之间。反铁磁耦合间隔层被配置为在第一磁性辅助层的第一磁化方向与第二磁性辅助层的第二磁化方向之间提供反铁磁耦合。
根据本公开的另一方面，MRAM单元包括磁性隧道结，该磁性隧道结包含具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性隧道阻隔层；自旋矩振荡器叠堆；和第一非磁性隔层，该第一非磁性隔层位于自由层与自旋扭矩振荡器叠堆之间。
附图说明
图1是包括处于阵列构型的本公开的电阻存储器单元的存储器设备的示意图。
图2示出了根据本公开的第一实施方案的示例性STT MRAM单元的第一构型。
图3示出了根据本公开的第一实施方案的示例性STT MRAM单元的第二构型。
图4示出了根据本公开的第一实施方案的示例性STT MRAM单元的第三构型。
图5示出了根据本公开的第一实施方案的示例性STT MRAM单元的第四构型。
图6A示出了在自由层的自旋从向上状态转变到向下状态期间的示例性旋进图案。
图6B示出了在自由层的自旋从向下状态转变到向上状态期间的示例性旋进图案。
图7示出了根据本公开的第二实施方案的示例性STT MRAM单元的第一构型。
图8示出了根据本公开的第二实施方案的示例性STT MRAM单元的第二构型。
图9示出了根据本公开的第二实施方案的示例性STT MRAM单元的第三构型。
图10示出了根据本公开的第二实施方案的示例性STT MRAM单元的第四构型。
图11示出了比较STT MRAM单元。
图12是示出作为通过比较STT MRAM单元的电流密度的函数的转变概率的曲线图。
图13是示出作为通过本公开的第二实施方案的示例性STT MRAM单元的电流密度的函数的转变概率的曲线图。
图14示出了根据本公开的第三实施方案的示例性STT MRAM单元的第一构型。
图15示出了第一耦合模式中示例性自旋转移矩MRAM单元内自旋扭矩层与自旋极化层的磁化之间的反铁磁耦合。
图16示出了第二耦合模式中示例性自旋转移矩MRAM单元内自旋扭矩层与自旋极化层的磁化之间的反铁磁耦合。
图17示出了第三耦合模式中示例性自旋转移矩MRAM单元内自旋扭矩层与自旋极化层的磁化之间的反铁磁耦合。
图18示出了第四耦合模式中示例性自旋转移矩MRAM单元内自旋扭矩层与自旋极化层的磁化之间的反铁磁耦合。
图19示出了根据本公开的第三实施方案的示例性MRAM单元的第二构型。
图20示出了根据本公开的第三实施方案的示例性MRAM单元的第三构型。
图21示出了根据本公开的第三实施方案的示例性MRAM单元的第四构型。
具体实施方式
如以上所讨论，本公开涉及一种具有辅助层的自旋转移矩(STT)MRAM设备及其操作方法，其各个方面在下面描述。
附图未按比例绘制。在其中示出元件的单个实例的情况下可以重复元件的多个实例，除非明确地描述或以其他方式清楚地指出不存在元件的重复。相同的附图标号是指相同的元件或相似的元件。除非另外明确指出，否则具有相同附图标号的元件被假定为具有相同的材料组成。序号诸如“第一”、“第二”和“第三”仅仅被用于标识类似的元件，并且在本公开的整个说明书和权利要求书中可采用不同序号。如本文所用，定位在第二元件“上”的第一元件可以定位在第二元件的表面的外侧上或者第二元件的内侧上。如本文所用，如果在第一元件的表面和第二元件的表面之间存在物理接触，则第一元件“直接”定位在第二元件上。如本文所用，“过程中”结构或“瞬态”结构是指随后被修改的结构。
如本文所用，“层”是指包括具有厚度的区域的材料部分。层可在下层或上覆结构的整体上方延伸，或者可具有小于下层或上覆结构的范围的范围。另外，层可以是均匀或不均匀的连续结构的厚度小于连续结构的厚度的区域。例如，层可以定位在连续结构的顶部表面和底部表面之间或在连续结构的顶部表面和底部表面处的任何一对水平平面之间。层可水平地、垂直地和/或沿着锥形表面延伸。衬底可以是层，可以在其中包括一个或多个层，和/或可以在其上、在其之上和/或在其之下具有一个或多个层。
如本文所用，“层叠堆”是指层的叠堆。如本文所用，“线”或“线结构”是指具有主要延伸方向的层，即具有该层延伸最大的方向。
参见图1，示出了包括处于阵列构型的本公开实施方案的存储器单元180的磁存储器设备的示意图。磁存储器设备可被配置为包含MRAM单元180的MRAM设备500。如本文所用，“MRAM设备”是指包含允许随机访问的单元的存储器设备，例如，根据用于读取选择存储器单元的内容的命令访问任何选择存储器单元。
本公开的实施方案的MRAM设备500包括存储器阵列区域550，该存储器阵列区域包含位于相应的字线(其可包括如图所示的第一导电线30或处于替代构型的第二导电线90)和位线(其可包括如图所示的第二导电线90或处于替代构型的第一导电线30)的交叉处的相应MRAM单元180的阵列。MRAM设备500还可包含连接到字线的行解码器560、连接到位线的感测电路570(例如，感测放大器和其他位线控制电路)、连接到位线的列解码器580和连接到感测电路的数据缓冲器590。MRAM单元180的多个实例以形成MRAM设备500的阵列构型提供。因此，每个MRAM单元180可以是包括相应第一电极和相应第二电极的双端子设备。应当注意，元件的位置和互连是示意性的，并且元件可以不同的构型来布置。此外，MRAM单元180可制造为分立设备，即单个隔离设备。
每个MRAM单元180包括磁性隧道结或自旋阀，该磁性隧道结或自旋阀根据不同磁性材料层的磁化对准具有至少两种不同的电阻状态。磁性隧道结或自旋阀设置在每个MRAM单元180内的第一电极与第二电极之间。在随后的部分中详细描述了MRAM单元180的构型。
参见图2，示意性示出了第一实施方案的示例性STT MRAM单元180的第一构型。STTMRAM单元180包括磁性隧道结(MTJ)140。磁性隧道结140包括具有固定竖直磁化的参考层132、位于参考层132与自由层136之间的非磁性隧道屏障层134。在一个实施方案中，参考层132位于非磁性隧道阻挡层134下方，而自由层136位于非磁性隧道阻挡层134上方。然而，在其他实施方案中，参考层132位于非磁性隧道阻挡层134上方，而自由层136位于非磁性隧道阻挡层134下方，或者参考层132和自由层136可位于非磁性隧道阻挡层134的相对横向侧上。在一个实施方案中，参考层132和自由层136具有相应的正单轴磁各向异性。
一般地，磁性薄膜每单位体积的磁能取决于磁性薄膜的磁性材料的磁化取向。每单位体积的磁能可由磁化方向与垂直于磁性薄膜平面(诸如磁性薄膜的顶面或底面)的竖直轴之间的角度θ(或sin2θ)和磁化方向与垂直于磁性薄膜平面的固定竖直平面之间的方位角δ的多项式来估计。作为sin2θ的函数的每单位体积的磁能的一阶项和二阶项包括K1sin2θ+K2sin4θ。当K1为负而K2小于-K1/2时，函数K1sin2θ+K2sin4θ在θ为π/2时具有最小值。如果作为θ的函数的磁各向异性能量仅在θ为π/2时具有最小值，则磁性膜的磁化优选完全保持在膜平面内，并且膜被称为具有“负磁各向异性”。如果作为θ的函数的磁各向异性能量仅在θ为0或π时具有最小值，则磁性膜的磁化垂直于膜平面，并且膜被称为具有“正磁各向异性”。具有正磁各向异性的薄晶磁性膜具有磁化保持垂直于薄晶磁性膜的平面(即，垂直于薄晶磁性膜横向延伸所沿的两个方向)的趋势。具有负磁各向异性的薄晶磁性膜在薄晶磁性膜的平面内具有磁化，尽管在膜平面内磁化不具有优选的取向。
参考层132和自由层136具有相应的正单轴磁各向异性的构型为自由层136提供了双稳态磁化状态。双稳态磁化状态包括自由层136具有平行于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)的磁化(例如，磁化方向)的平行状态，和自由层136具有反平行于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)的磁化(例如，磁化方向)的反平行状态。
参考层132可包括Co/Ni或Co/Pt多层结构。参考层132还可包括由厚度为0.2nm至0.5nm的钽构成的薄非磁性层和薄CoFeB层(厚度在0.5nm至3nm的范围内)。非磁性隧道阻挡层134可包括任何隧穿阻挡材料，诸如电绝缘材料，例如氧化镁。非磁性隧道阻挡层134的厚度可为0.7nm至1.3nm，诸如约1nm。自由层136可包括Fe、Co和/或Ni中的一种或多种的合金，诸如组成提供正单轴磁各向异性的CoFeB。
在一个实施方案中，参考层132可作为合成反铁磁结构(SAF结构)120内的部件提供。SAF结构120可包括：参考层132；具有与固定竖直磁化反平行的磁化的固定铁磁层112；和位于参考层132与固定铁磁层112之间的反铁磁耦合层114，该固定铁磁层面向与参考层132的第二侧面相对的参考层132的第一侧面，该第二侧面面向非磁性隧道阻挡层134。该反铁磁耦合层114的厚度引起参考层132与固定铁磁层112之间的反铁磁耦合。换句话讲，反铁磁耦合层114可锁定在参考层132的磁化与固定铁磁层112的磁化之间的反铁磁对准，以将参考层132的磁化和固定铁磁层112的磁化锁定在适当位置。在一个实施方案中，反铁磁耦合层可包括钌并且厚度可在0.3nm至1nm的范围内。
第一非磁性间隔层150设置在与自由层136面向非磁性隧道阻挡层134的第一侧相对的自由层136的第二侧上方。第一非磁性隔层150包括非磁性材料，诸如钽、钌、氮化钽、铜、氮化铜或氧化镁。在一个实施方案中，第一非磁性间隔层150可包括导电金属材料。另选地，第一非磁性间隔层150可包括隧穿介电材料诸如氧化镁。第一非磁性间隔层150的厚度可在0.2nm至2nm的范围内，尽管也可采用更小和更大的厚度。
负磁各向异性辅助层160可设置在第一非磁性间隔层150上方和自由层136的第二侧上方。负磁各向异性辅助层160可具有足够负值K1的负磁各向异性，以向负磁各向异性辅助层160提供面内磁化。面内磁化是位于图2中的水平面内的磁化，该水平面垂直于参考层132的固定竖直磁化。
在一个实施方案中，难磁化轴平行于负磁各向异性辅助层160的主表面的法线方向(即，轴垂直于层160的平面并且平行于参考层132的固定竖直磁化)，而易磁化平面平行于负磁各向异性辅助层160的平面(即，易磁化平面垂直于图2中参考层132的固定竖直磁化)。在一个实施方案中，在负磁各向异性辅助层160的平面(即，易磁化平面)内，不存在易轴方向。负磁各向异性辅助层160通过第一非磁性间隔层150与自由层136自旋耦合。
在一个实施方案中，负磁各向异性辅助层160的磁各向异性的方位角依赖性分量可为零或与室温下的热能(即kBT，其中kB为玻尔兹曼常数，T为297.15开尔文(其为室温))相比不显著。例如，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴的每单位体积的磁各向异性的最大变化可小于室温下热能的1/2倍。在此类情况下，在通过负磁各向异性辅助层160施加电流时，负磁各向异性辅助层160的磁化在平行于第一非磁间隔层150与负磁各向异性辅助层160之间界面的水平面内自由旋进。在一个实施方案中，负磁各向异性辅助层160的磁能可在负磁各向异性辅助层160的磁化在水平面内旋转下是不变的。
在一个实施方案中，负磁各向异性辅助层160包括均匀负磁各向异性材料。如本文所用，“均匀”材料是指整体具有统一材料组成的材料。在一个实施方案中，负磁各向异性辅助层160包括钴铱合金和/或基本上由钴铱合金组成。可选择钴铱合金的材料组成以提供负磁各向异性。在一个实施方案中，钴铱合金可包括原子浓度在60％至98％(诸如70％至90％，例如80％)的范围内的钴原子，和原子浓度在40％至2％(诸如30％至10％，例如20％)的范围内的铱原子。在一个实施方案中，钴铱合金仅包含钴、铱和不可避免的杂质。在另一个实施方案中，除了钴和铱之外，可将多达5原子％的元素添加到合金中。在例示性示例中，具有Co0.8Ir0.2组成的钴铱合金的K1值约为-0.6×106J/m3。在另一个实施方案中，负磁各向异性辅助层160包括钴铁合金和/或基本上由钴铁合金组成。可选择钴铁合金的材料组成以提供负磁各向异性。在一个实施方案中，钴铁合金可包括原子浓度在80％至99.8％(诸如90％至99.5％，例如99％)的范围内的钴原子，和原子浓度在20％至0.2％(诸如10％至0.5％，例如1％)的范围内的铁原子。在例示性示例中，具有Co0.9Fe0.1组成的钴铁合金的K1值约为-0.99×106J/m3。负磁各向异性辅助层160的厚度可在1nm至10nm的范围内，诸如1.5nm至6nm，尽管也可采用更小和更大的厚度。
在一个实施方案中，非磁性封盖层170可位于负磁各向异性辅助层160上方。非磁性封盖层170可包括非磁性、导电材料，诸如W、Ti、Ta、WN、TiN、TaN、Ru和Cu。非磁性封盖层170的厚度可在1nm至20nm的范围内，尽管也可采用更小和更大的厚度。
包括从SAF结构120到非磁性封盖层170的材料层的层叠堆可向上或向下沉积，即，从SAF结构120朝向非磁性封盖层170或从非磁性封盖层170朝向SAF结构120。层叠堆可形成为连续层的叠堆，并且随后可图案化成每个MRAM单元180的离散图案化层叠堆。
MRAM单元180可包括电连接到位线90(如图1所示)的一部分或包括该位线的一部分的第一端子92和电连接到字线30(如图1所示)的一部分或包括该字线的一部分的第二端子32。可切换第一端子和第二端子的位置，以使得第一端子电连接到SAF结构120，并且第二端子电连接到封盖层170。
可选地，每个MRAM单元180可包括专用转向设备，诸如被配置为在向转向设备施加合适电压时激活相应的离散图案化层叠堆(120,140,150,160,170)的访问晶体管或二极管。转向设备可电连接在图案化层叠堆与相应MRAM单元180的相应的字线30或位线90中的一者之间。
在一个实施方案中，施加到第一端子92的电压极性可根据要在自由层136中编程的磁化状态的极性而改变。例如，可在从反平行状态到平行状态的转变期间将第一极性的电压施加到第一端子92(相对于第二端子32)，并且可在从平行状态到反平行状态的转变期间将第二极性的电压(其与第一极性相反)施加到第一端子92。此外，本文还设想了用于激活离散图案化层叠堆(120,140,150,160,170)的电路变型。
通过使电流流过离散图案化层叠堆(120,140,150,160,170)，自由层136的磁化方向可翻转(即，从向上到向下，反之亦然)。自由层136的磁化可在编程过程期间围绕竖直方向(即，电流的流动方向)旋进，直到磁化的方向翻转180度，此时电流的流动停止。在一个实施方案中，负磁各向异性辅助层160的磁化可围绕平行于参考层132的固定磁化方向的竖直轴自由旋转，同时电流流过离散图案化层叠堆(120,140,150,160,170)。这一构型允许负磁各向异性辅助层160，在电流开始流过MRAM单元180时，在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴旋进的开始阶段期间，向自由层136的磁化提供初始非竖直扭矩。
在一个实施方案中，MRAM单元180可被配置为在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴旋进期间，提供负磁各向异性辅助层160的面内磁化与自由层136的磁化之间的耦合，并且在电流流过MRAM单元180时，提供负磁各向异性辅助层160的面内磁化和自由层136的磁化的同步旋进。
由于负磁各向异性辅助层160的负磁各向异性，在一个实施方案中，负磁各向异性辅助层160的面内磁化可向自由层提供初始扭矩，以促进自由层136的切换开始。一旦自由层136开始旋进，自由层136就可向负磁各向异性辅助层160提供自旋扭矩，以致使负磁各向异性辅助层160磁化也旋进。这一负磁各向异性辅助层160旋进继而可进一步辅助自由层136的切换。负磁各向异性辅助层160具有面内易磁化平面而缺乏固定易轴方向的实施方案比辅助层的磁化方向(例如，易轴)固定的现有技术辅助层更有效。
参见图3，通过用包括多层叠堆(262,264)的负磁各向异性辅助层260替换具有均匀材料组成的负磁各向异性辅助层160，示例性自旋转移矩MRAM单元180的第二构型可从图2的示例性自旋转移矩MRAM单元180的第一构型导出。多层叠堆(262,264)可包括第一磁性材料层262和第二磁性材料层264的多个重复。第一磁性材料层262可包括第一磁性材料和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层264可包括第二磁性材料和/或可基本上由第二磁性材料组成。
可选择每个第一磁性材料层262的组成和厚度以及每个第二磁性材料层264的组成和厚度，以使得多层叠堆(262,264)提供面内磁化，即，垂直于参考层132的固定磁化方向的磁化(即，垂直于参考层132的固定磁化方向而没有易磁化轴的易磁化平面)。负磁各向异性辅助层260可具有足够负值K1的负磁各向异性，以向负磁各向异性辅助层260提供面内磁化。
在一个实施方案中，负磁各向异性辅助层260的磁各向异性的方位角依赖性分量可为零或与室温下的热能相比不显著。例如，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴的每单位体积的磁各向异性的最大变化可小于室温下热能的1/2倍。在此类情况下，在通过负磁各向异性辅助层260施加电流时，负磁各向异性辅助层260的磁化在平行于第一非磁间隔层150与负磁各向异性辅助层260之间界面的平面内自由旋进。在一个实施方案中，负磁各向异性辅助层260的磁能可在负磁各向异性辅助层260的磁化在水平面内旋转下是不变的。
在一个实施方案中，第一磁性材料层262包括钴，并且第二磁性材料层264包括铁。在一个实施方案中，第一磁性材料层262基本上由钴组成，并且第二磁性材料层264基本上由铁组成。每个第一磁性材料层262的厚度可在0.3nm至1nm的范围内，并且每个第二磁性材料层264的厚度可在0.3nm至1nm的范围内。负磁各向异性辅助层260内的重复总数(即，第一磁性材料层262和第二磁性材料层264的对总数)可在2至20的范围内，诸如4至10。在一个实施方案中，多层叠堆(262,264)包括周期性重复的单元层叠堆，该单元层叠堆包括第一磁性材料层262和第二磁性材料层264。在例示性示例中，包括由具有相同厚度的钴层和铁层组成的单元层叠堆的重复的钴-铁多层叠堆的K1值可约为-1.1×106J/m3。
参见图4，通过将第二非磁性间隔层190和钉扎磁化层192插入负磁各向异性辅助层160与非磁封盖层170之间，示例性自旋转移矩MRAM单元180的第三构型可从图2的示例性自旋转移矩MRAM单元180的第一构型导出。
第二非磁性间隔层190可位于第一非磁性间隔层150的相反侧上的负磁各向异性辅助层160上。第二非磁性间隔层190包括非磁性材料，诸如钽、钌、氮化钽、铜、氮化铜或氧化镁。在一个实施方案中，第二非磁性间隔层190可包括导电材料。另选地，第二非磁性间隔层190可包括介电材料诸如氧化镁。第二非磁性间隔层190的厚度可在0.2nm至2nm的范围内，尽管也可采用更小和更大的厚度。第二非磁性间隔层190可包括与第一非磁性间隔层150的材料相同的材料，或可包括与该第一非磁性间隔层的材料不同的材料。
钉扎磁化层192是具有正单轴磁各向异性的磁性层。换句话讲，K1的值为正，并且K1sin2θ支配所有其他高阶项和取决于钉扎磁化层192的材料的每体积的磁各向异性能量的sin(n∏)(或cos(nΠ))的项。钉扎磁化层192的正单轴磁各向异性提供平行于或反平行于参考层132的固定竖直磁化的磁化。在一个实施方案中，钉扎磁化层192的K1值可大于自由层136的K1值，以使得在MRAM单元180的编程期间钉扎磁化层192的磁化沿竖直方向(即，垂直于离散图案化层叠堆(120,140,150,160,190,192,170)的各个层之间的界面)保持钉扎。钉扎磁化层192的磁化可保持平行于或反平行于参考层132的磁化。
在一个实施方案中，钉扎磁化层192可包括Co/Ni或Co/Pt多层结构。钉扎磁化层192还可包括由厚度为0.2nm至0.5nm的钽构成的薄非磁性层和薄CoFeB层(厚度在0.5nm至3nm的范围内)。钉扎磁化层192可致使负磁各向异性辅助层160的面内磁化振荡。负磁各向异性辅助层160的面内磁化的振荡可在编程期间对自由层136的磁化产生旋转自旋扭矩，并且因此可有助于用通过离散图案化层叠堆(120,140,150,160,190,192,170)的较低电流切换自由层136的磁化。在一个实施方案中，钉扎磁化层192和负磁各向异性辅助层160的磁化组合对自由层136的磁化施加非水平和非竖直磁场(即，既不平行于也不垂直于参考层132的磁化方向的场)，以减小在切换自由层136的磁化期间通过离散图案化层叠堆(120,140,150,160,190,192,170)的所需电流大小。
参见图5，通过用包含多层叠堆(262,264)的负磁各向异性辅助层260替换具有均匀材料组成的负磁各向异性辅助层160(该多层叠堆包括以上关于图3所述的第一磁性材料层262和第二磁性材料层264的多次重复)，示例性自旋转移矩MRAM单元180的第四构型可从图4的示例性自旋转移矩MRAM单元180的第三构型导出。
参见图1至图5所示的示例性自旋转移矩MRAM单元180的所有构型，示例性自旋转移矩MRAM单元180可被单独编程并且读取。读取(即，感测)自由层136的磁化状态可通过跨选择的离散图案化层叠堆{120,140,150,(160或260),170}或{120,140,150,(160或260),(190,192),170}的第一端子92和第二端子32施加读取偏置电压来执行。自由层136的磁化与参考层132之间的平行或反平行对准确定每个MRAM单元180中选择的离散图案化层叠堆的电阻，并且因此确定在第一端子92与第二端子32之间流动的电流大小。可感测电流大小以确定自由层136的磁化状态和由检测的磁化状态编码的数据。
示例性自旋转移矩MRAM单元180到自由层136的相反磁化状态的编程可通过使电流流过选择的离散图案化层叠堆{120,140,150,(160或260),170}或{120,140,150,(160或260),(190,192),170}并且通过引起自由层136的磁化方向的翻转(即，切换)来执行。具体地，电流可流过选择的离散图案化层叠堆，该离散图案化层叠堆包括磁性隧道结140、第一非磁性间隔层150和负磁各向异性辅助层(160或260)。在电流开始流过磁性隧道结140、第一非磁性间隔层150和负磁各向异性辅助层(160或260)时，在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴旋进的开始阶段期间，负磁各向异性辅助层(160或260)的面内磁化向自由层136的磁化提供初始非竖直扭矩。
在一个实施方案中，在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴(VA)旋进期间，负磁各向异性辅助层(160或260)的面内磁化与自由层136的磁化耦合，以提供负磁各向异性辅助层(160或260)的面内磁化M2和自由层136的磁化M1的同步旋进，同时电流流过MRAM单元180，如图6A和图6B所示。图6A示出了自由层136的磁化M1从“向上”状态到“向下”状态的转变，并且图6B示出了自由层136的磁化M1从“向下”状态到“向上”状态的转变。在一个实施方案中，负磁各向异性辅助层(160或260)的面内磁化M2和自由层136的磁化M1在切换自由层136的磁化期间可保持在同一旋转竖直平面内。自由层136的磁化M1的水平(面内)分量与负磁各向异性辅助层(160或260)的面内磁化M2之间的耦合可为反铁磁性或铁磁性。图6A和图6B示出了在切换自由层136的磁化期间自由层136的磁化M1的水平(面内)分量与负磁各向异性辅助层(160或260)的面内磁化M2之间的耦合为反铁磁性的示例。
图7示出了根据第二实施方案的STT MRAM单元180。第二实施方案的STT MRAM单元180的层112、114、132、134、136和150可与图2所示的第一实施方案的STT MRAM单元180的相应层112、114、132、134、136和150相同，并且因此以上相对于第一实施方案而描述。第一磁性辅助层162可设置在第一非磁性间隔层150上。第一磁性辅助层162包括具有第一磁性各向异性的第一磁性材料。在一个实施方案中，第一磁性辅助层162可具有有足够负值K1的第一负磁性各向异性，以向第一磁性辅助层162提供第一面内磁化。面内磁化是位于垂直于参考层132的固定竖直磁化方向的水平面内的磁化。
在一个实施方案中，第一磁性辅助层162的磁各向异性的方位角依赖性分量可为零或与室温下的热能(即kBT，其中kB为玻尔兹曼常数，T为297.15开尔文(其为室温))相比不显著。例如，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴的每单位体积的磁各向异性能量的最大变化可小于室温下热能的1/2倍。在此类情况下，在通过第一磁性辅助层162施加电流时，第一磁性辅助层162的磁化在平行于第一非磁性间隔层150与第一磁性辅助层162之间界面的水平面内自由旋进。在一个实施方案中，第一磁性辅助层162的磁能可在第一磁性辅助层162的磁化在水平面内旋转下是不变的。
在一个实施方案中，具有负磁各向异性的材料诸如第一磁辅助层162具有平行于层的主表面的法线方向(即，轴垂直于层的平面并且平行于参考层132的固定竖直磁化方向)的难磁化轴，而易磁化平面平行于层的平面(即，易磁化平面垂直于图7中参考层132的固定竖直磁化方向)。在一个实施方案中，易磁化平面内不存在易轴方向。
在一个实施方案中，第一磁性辅助层162括均匀负磁各向异性材料。如本文所用，“均匀”材料是指整体具有统一材料组成的材料。在一个实施方案中，第一磁性辅助层162包括钴铱合金和/或基本上由钴铱合金组成。可选择钴铱合金的材料组成以提供负磁各向异性。在一个实施方案中，钴铱合金可包括原子浓度在60％至98％(诸如70％至90％，例如80％)的范围内的钴原子，和原子浓度在40％至2％(诸如30％至10％，例如20％)的范围内的铱原子。在一个实施方案中，钴铱合金仅包含钴、铱和不可避免的杂质。在另一个实施方案中，除了钴和铱之外，可将多达5原子％的元素添加到合金中。在例示性示例中，具有Co0.8Ir0.2组成的钴铱合金的K1值约为-0.6×106J/m3。在另一个实施方案中，第一磁性辅助层162包括具有六边形晶体结构的钴铁合金和/或基本上由具有六边形晶体结构的钴铁合金组成。可选择钴铁合金的材料组成以提供负磁各向异性。在一个实施方案中，钴铁合金可包括原子浓度在80％至99.8％(诸如90％至99.5％，例如99％)的范围内的钴原子，和原子浓度在20％至0.2％(诸如10％至0.5％，例如1％)的范围内的铁原子。在例示性示例中，具有Co0.9Fe0.1组成的钴铁合金的K1值约为-0.99×106J/m3。第一磁性辅助层162的厚度可在1nm至10nm的范围内，诸如1.5nm至6nm，尽管也可采用更小和更大的厚度。
在另一个实施方案中，第一磁性辅助层162包括多层堆叠，该多层堆叠包括第一磁性材料层和第二磁性材料层的多次重复。第一磁性材料层可包括第一磁性材料和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层可包括第二磁性材料和/或可基本上由第二磁性材料组成。可选择每个第一磁性材料层的组成和厚度以及每个第二磁性材料层的组成和厚度，以使得多层叠堆提供面内磁化，即垂直于参考层132的固定磁化方向的磁化。第一磁性辅助层162可具有有足够负值K1的负磁性各向异性，以向第一磁性辅助层162提供第一面内磁化。
在一个实施方案中，第一磁性材料层包括钴，并且第二磁性材料层包括铁。在一个实施方案中，第一磁性材料层基本上由钴组成，并且第二磁性材料层基本上由铁组成。每个第一磁性材料层的厚度可在0.3nm至1nm的范围内，并且每个第二磁性材料层的厚度可在0.3nm至1nm的范围内。第一磁性辅助层162内的重复总数(即，第一磁性材料层和第二磁性材料层的对总数)可在2至20的范围内，诸如4至10。在一个实施方案中，多层叠堆包括周期性重复的单元层叠堆，该单元层叠堆包括第一磁性材料层和第二磁性材料层。
反铁磁耦合间隔层164可位于第一磁性辅助层与第二磁性辅助层之间，诸如在第一非磁性间隔层150的相反侧上的第一磁性辅助层162上，该第一非磁性间隔层位于自由层136与第一磁性辅助层162之间。反铁磁耦合间隔层164包括在第一磁性辅助层152与第二磁性辅助层166之间引起Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida(RKKY)耦合相互作用的金属材料，该第二磁性辅助层在一个实施方案中位于反铁磁耦合间隔层164上。在RKKY耦合相互作用中，限定铁磁金属层的磁化方向的局部内部d-或f-壳电子自旋通过中间非磁性材料层中的传导电子相互作用，以限定另一铁磁金属层中优选磁化方向的方向。可选择反铁磁耦合间隔层164的厚度，以使得第二磁性辅助层166的第二面内磁化方向反平行于第一磁性辅助层162的第一面内磁化方向。换句话讲，反铁磁耦合间隔层164的厚度可在提供第一磁性辅助层162的第一磁化方向与第二磁性辅助层166的第二磁化方向之间的反铁磁耦合的范围内。在一个实施方案中，反铁磁耦合间隔层164包括钌或基本上由钌组成，并且厚度在0.1nm至1.0nm的范围内。
第二磁性辅助层166可设置在反铁磁耦合间隔层164上。第二磁性辅助层166包括具有第二磁性各向异性的第二磁性材料，该第二磁性材料可与第一磁性辅助层162的材料相同或不同。在一个实施方案中，第二磁性辅助层166可具有有足够负值K1的第二负磁性各向异性，以向第二磁性辅助层166提供第二面内磁化方向。面内磁化方向是位于垂直于参考层132的固定竖直磁化方向的水平面内的磁化方向。
在一个实施方案中，第二磁性辅助层166的磁各向异性的方位角依赖性分量可为零或与室温下的热能(即kBT，其中kB为玻尔兹曼常数，T为297.15开尔文(其为室温))相比不显著。例如，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴的每单位体积的磁各向异性的最大变化可小于室温下热能的1/2倍。在此类情况下，在通过第二磁性辅助层166施加电流时，第二磁性辅助层166的磁化在平行于反铁磁耦合间隔层164与第二磁性辅助层166之间界面的水平面内自由旋进。在一个实施方案中，第二磁性辅助层166的磁能可在第二磁性辅助层166在水平面内旋转下是不变的。
在一个实施方案中，第二磁性辅助层166包括均匀负磁性各向异性材料。在一个实施方案中，第二磁性辅助层166包括相对于第一磁性辅助层162所述的钴铱合金或钴铁合金，和/或基本上由相对于该第一磁性辅助层所述的钴铱合金或钴铁合金组成。可选择钴铱合金的材料组成以提供负磁各向异性。在一个实施方案中，钴铱合金可包括原子浓度在20％至80％范围内的钴原子和余量原子浓度的铱原子。第二磁性辅助层166的厚度可在1nm至10nm的范围内，诸如1.5nm至6nm，尽管也可采用更小和更大的厚度。
在另一个实施方案中，第二磁性辅助层166包括多层堆叠，该多层堆叠包括第一磁性材料层和第二磁性材料层的多次重复。第一磁性材料层可包括第一磁性材料和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层可包括第二磁性材料和/或可基本上由第二磁性材料组成。可选择每个第一磁性材料层的组成和厚度以及每个第二磁性材料层的组成和厚度，以使得多层叠堆提供面内磁化，即垂直于参考层132的固定磁化方向的磁化。第二磁性辅助层166可具有有足够负值K1的负磁性各向异性，以向第二磁性辅助层166提供第二面内磁化。
在一个实施方案中，第一磁性材料层包括钴，并且第二磁性材料层包括铁。在一个实施方案中，第一磁性材料层基本上由钴组成，并且第二磁性材料层基本上由铁组成。每个第一磁性材料层的厚度可在0.3nm至1nm的范围内，并且每个第二磁性材料层的厚度可在0.3nm至1nm的范围内。第二磁性辅助层166内的重复总数(即，第一磁性材料层和第二磁性材料层的对总数)可在2至20的范围内，诸如4至10。在一个实施方案中，多层叠堆包括周期性重复的单元层叠堆，该单元层叠堆包括第一磁性材料层和第二磁性材料层。
一般地，第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166中的每一者可独立选自均匀负磁性各向异性材料，以及包括第一磁性材料层和第二磁性材料层的多次重复的多层叠堆。在一个实施方案中，第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166中的每一者可独立选自钴铱合金、具有六边形晶体结构和低铁含量的钴铁合金或包括钴层和铁层的单元叠堆的多次重复的多层叠堆。在一个实施方案中，第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166中的至少一者包括多层叠堆，该多层叠堆包括周期性重复的单元层叠堆，并且单元层叠堆包括第一磁性材料层和第二磁性材料。
在一个实施方案中，非磁性封盖层170可位于第二磁性辅助层166上方。非磁性封盖层170可包括非磁性、导电材料，诸如W、Ti、Ta、WN、TiN、TaN、Ru和Cu。非磁性封盖层170的厚度可在1nm至20nm的范围内，尽管也可采用更小和更大的厚度。
包括从SAF结构120到非磁性封盖层170的材料层的层叠堆可向上或向下沉积，即，从SAF结构120朝向非磁性封盖层170或从非磁性封盖层170朝向SAF结构120。层叠堆可形成为连续层的叠堆，并且随后可图案化成每个MRAM单元180的离散图案化层叠堆。
MRAM单元180可包括电连接到位线90(如图1所示)的一部分或包括该位线的一部分的第一端子92和电连接到字线30(如图1所示)的一部分或包括该字线的一部分的第二端子32。可切换第一端子和第二端子的位置，以使得第一端子电连接到SAF结构120，并且第二端子电连接到封盖层170。
可选地，每个MRAM单元180可包括专用转向设备，诸如被配置为在向转向设备施加合适电压时激活相应的离散图案化层叠堆(120,140,150,162,164,166,170)的访问晶体管或二极管。转向设备可电连接在图案化层叠堆与相应MRAM单元180的相应的字线30或位线90中的一者之间。
在一个实施方案中，施加到第一端子92的电压极性可根据要在自由层136中编程的磁化状态的极性而改变。例如，可在从反平行状态到平行状态的转变期间将第一极性的电压施加到第一端子92(相对于第二端子32)，并且可在从平行状态到反平行状态的转变期间将第二极性的电压(其与第一极性相反)施加到第一端子92。此外，本文还设想了用于激活离散图案化层叠堆(120,140,150,162,164,166,170)的电路变型。
通过使电流流过离散图案化层叠堆(120,140,150,162,164,166,170)，自由层136的磁化方向可翻转(即，从向上到向下，反之亦然)。自由层136的磁化方向可在编程过程期间围绕竖直方向(即，电流的流动方向)旋进，直到磁化的方向翻转180度，此时电流的流动停止。
第一磁性辅助层162的第一磁化方向和第二磁性辅助层166的第二磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向自由旋进，同时在通过第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔层164和第二磁性辅助层166施加电流时保持其间的反铁磁对准，例如，在编程期间。在通过参考层132施加电流时，参考层132的固定竖直磁化方向保持相同的取向。
在磁性存储设备的操作期间，电流可流过磁性隧道结140、第一非磁性间隔层150、第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔层164和第二磁性辅助层166。
在一个实施方案中，第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔层164和第二磁性辅助层166有助于将自由层的电子自旋更多保持在平面内，以抵消将电子自旋倾斜出平面的自旋扭矩。由于反铁磁耦合，包括第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔层164和第二磁性辅助层166的反铁磁耦合辅助膜还倾向于每个层内的单个域，从而在辅助自由层136切换的过程期间保持更一致的磁化，这是更期望的。这一实施方案的一个附加益处在于，三层辅助膜内的通量闭合可最小化来自自由层136上的反铁磁耦合辅助膜的杂散场，这将有助于改善MRAM单元180的热稳定性和数据留存。
在一个实施方案中，在电流开始流过MRAM单元180时，在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴旋进的开始阶段期间，第一磁性辅助层162、反铁磁耦合间隔层164和第二磁性辅助层166的组合被配置为向自由层136的磁化提供初始非竖直扭矩。MRAM单元180被配置为在自由层136的磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴旋进期间提供自由层136的磁化方向与第一磁性辅助层162的第一磁化方向之间的磁耦合，并且在电流流过MRAM单元180时，提供第一磁性辅助层162的第一磁化方向和自由层136的磁化方向的同步旋进。
参见图8，通过用包括不具有单轴磁各向异性的第一铁磁材料的第一磁性辅助层263替换具有第一面内磁化的第一磁性辅助层162，并且通过用包括不具有单轴磁各向异性的第二铁磁材料的第二磁辅助层266替换具有第二面内磁化的第二磁辅助层166，示例性自旋转移矩MRAM单元180的第二构型可从图7所示的示例性自旋转移矩磁性存储器设备的第一构型导出。在一个实施方案中，第一磁性辅助层263和第二磁性辅助层266可具有非单轴磁各向异性。如本文所用，“非单轴磁各向异性”是指对于φ的所有值，每体积的磁各向异性能量的最小值不在θ＝0、θ＝π或θ＝π/2的方向上出现的磁各向异性。换句话讲，具有非单轴磁各向异性的磁性膜中的磁化取向不是垂直于磁性膜的平面或所有面内方向的集合的竖直方向。
选择反铁磁耦合间隔层164的厚度以提供第一磁性辅助层263的第一磁化与第二磁性辅助层266的第二磁化之间的反铁磁耦合。因此，第一磁性辅助层263的第一磁化和第二磁性辅助层266的第二磁化可为反铁磁耦合。此外，作为第一磁化和第二磁化(其保持彼此反平行)的空间取向的函数的每体积磁各向异性能量的变化可与室温下的热能相当或小于室温下的热能(即kBT，其中T为293.15开尔文)。
第一磁性辅助层263和第二磁性辅助层266中的每一者包括相应的软磁材料，该软磁材料不具有可相同或不同的单轴磁各向异性。在一个实施方案中，第一磁性辅助层263和第二磁性辅助层266中的每一者包括选自以下的相应材料和/或基本上由选自以下的相应材料组成：具有大于40原子％的铁(诸如45原子％至70原子％的铁)和余量钴的CoFe合金，或NiFe合金。
通过使电流流过离散图案化层叠堆(120,140,150,263,164,266,170)，自由层136的磁化方向可翻转(即，从向上到向下，反之亦然)。自由层136的磁化方向可在编程过程期间围绕竖直方向(即，电流的流动方向)旋进，直到磁化方向的方向翻转180度，此时电流的流动停止。
自由层136的磁化方向可通过使电流流过离散图案化层叠堆(120,140,150,263,164,266,170)来编程，例如，从平行于参考层132的固定竖直磁化方向的平行状态到反平行于参考层132的固定磁化方向的反向平行状态，反之亦然。第一磁性辅助层263的第一磁化方向和第二磁性辅助层266的第二磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴
以相对于竖直轴成0度与180度之间的角度自由旋进，同时在通过第一磁性辅助层263、反铁磁耦合间隔层164和第二磁性辅助层266施加电流时保持其间的反铁磁对准，例如，在编程期间。在编程期间第一磁性辅助层263的第一磁化方向和第二磁性辅助层266的第二磁化方向的倾斜角，与在MRAM单元180的编程期间当倾斜角相对于竖直轴从0度变化到180度或从180度变化到0度时自由层136的磁化方向的角度同步。在通过参考层132施加电流时，参考层132的固定竖直磁化方向保持相同的取向。
在磁性存储设备的操作期间，电流可流过磁性隧道结140、第一非磁性间隔层150、第一磁性辅助层263、反铁磁耦合间隔层164和第二磁性辅助层266。第一磁性辅助层263、反铁磁耦合间隔层164和第二磁性辅助层266的组合被配置为在电流开始流过MRAM单元180时，在自由层136的磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴旋进的开始阶段期间向自由层136的磁化方向提供初始非竖直扭矩。MRAM单元180被配置为在自由层136的磁化方向围绕平行于参考层132的固定竖直磁化方向的竖直轴旋进期间提供自由层136的磁化方向与第一磁性辅助层263的第一磁化方向之间的磁耦合，并且在电流流过MRAM单元180时，提供第一磁性辅助层263的第一磁化方向和自由层136的磁化方向的同步旋进。
参见图9，通过将第二非磁性间隔层190和钉扎磁化层192插入第二磁性辅助层166与非磁封盖层170之间，示例性自旋转移矩MRAM单元180的第三构型可从图7的示例性自旋转移矩MRAM单元180的第一构型导出。
第二非磁性间隔层190可位于反铁磁耦合间隔层164的相反侧上的第二磁性辅助层166上。第二非磁性间隔层190包括非磁性材料，诸如钽、钌、氮化钽、铜、氮化铜或氧化镁。在一个实施方案中，第二非磁性间隔层190可包括导电材料。另选地，第二非磁性间隔层190可包括隧穿介电材料诸如氧化镁。第二非磁性间隔层190的厚度可在0.2nm至2nm的范围内，尽管也可采用更小和更大的厚度。第二非磁性间隔层190可包括与第一非磁性间隔层150的材料相同的材料，或可包括与该第一非磁性间隔层的材料不同的材料。
钉扎磁化层192是具有正单轴磁各向异性的磁性层。换句话讲，K1的值为正，并且K1sin2θ支配所有其他高阶项和取决于钉扎磁化层192的材料的每体积的磁各向异性能量的sin(nφ)(或cos(nφ))的项。钉扎磁化层192的正单轴磁各向异性提供平行于或反平行于参考层132的固定竖直磁化的磁化。在一个实施方案中，钉扎磁化层192的K1值可大于自由层136的K1值，以使得在MRAM单元180的编程期间钉扎磁化层192的磁化沿竖直方向(即，垂直于离散图案化层叠堆(120,140,150,162,164,166,190,192,170)的各个层之间的界面)保持钉扎。钉扎磁化层192的磁化可保持平行于或反平行于参考层132的磁化。
在一个实施方案中，钉扎磁化层192可包括Co/Ni或Co/Pt多层结构。钉扎磁化层192还可包括由厚度为0.2nm至0.5nm的钽构成的薄非磁性层和薄CoFeB层(厚度在0.5nm至3n m的范围内)。钉扎磁化层192可致使第二磁性辅助层166的面内磁化振荡。第二磁性辅助层166的磁化的面外振荡可在编程期间对自由层136的磁化产生旋转自旋扭矩，并且因此可有助于用通过离散图案化层叠堆(120,140,150,162,164,166,190,192,170)的较小电流切换自由层136的磁化。在一个实施方案中，钉扎磁化层192、第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166的磁化组合对自由层136的磁化施加非水平非竖直磁场(即，既不平行于也不垂直于参考层132的固定磁化方向的场)，以减小在切换自由层136的磁化期间通过离散图案化层叠堆(120,140,150,162,164,166,190,192,170)的所需电流大小。
参见图10，通过用包括不具有单轴磁各向异性的第一铁磁材料的第一磁性辅助层263替换具有第一面内磁化的第一磁性辅助层162，并且通过用包括不具有单轴磁各向异性的第二铁磁材料的第二磁辅助层266替换具有第二面内磁化的第二磁辅助层166，示例性自旋转移矩MRAM单元180的第四构型可从图9所示的示例性自旋转移矩磁性存储设备的第三构型导出。
选择反铁磁耦合间隔层164的厚度以提供第一磁性辅助层263的第一磁化与第二磁性辅助层266的第二磁化之间的反铁磁耦合。因此，第一磁性辅助层263的第一磁化和第二磁性辅助层266的第二磁化可为反铁磁耦合。此外，作为第一磁化和第二磁化(其保持彼此反平行)的空间取向的函数的每体积磁各向异性能量的变化可与室温下的热能相当或小于室温下的热能(即kBT，其中T为293.15开尔文)。
参见图1和图7至10所示的示例性自旋转移矩MRAM单元180的所有构型，示例性自旋转移矩MRAM单元180可被单独编程并且读取。读取(即，感测)自由层136的磁化状态可通过跨选择的离散图案化层叠堆{120,140,150,(162或263),164,(166或266),170}或{120,140,150,(162或263),164,(166或266),(190,192),170}的第一端子92和第二端子32施加读取偏置电压来执行。自由层136的磁化与参考层132之间的平行或反平行对准确定每个MRAM单元180中选择的离散图案化层叠堆的电阻，并且因此确定在第一端子92和第二端子32之间流动的电流大小。可感测电流大小以确定自由层136的磁化状态和由检测的磁化状态编码的数据。
图11示出了可通过省略所有磁性辅助层(162,166,263,266)、反铁磁耦合间隔层164、第二非磁性间隔层190和钉扎磁化层192而从示例性自旋转移矩MRAM单元180导出的比较自旋转移矩MRAM单元280。因此，在比较自旋转移矩MRAM单元280中不存在自由层136的磁化旋进期间的辅助特征。第一磁性辅助层和第二磁性辅助层(162,166)以及反铁磁耦合间隔层164在示例性自旋转移矩MRAM单元180的第一构型中的效果如图12和图13所示。
图12是示出作为通过图11的比较自旋转移矩磁性存储设备的电流密度的函数的转变概率的曲线图。图13是示出作为通过图7所示的示例性自旋转移矩磁性存储设备的第一构型的电流密度的函数的转变概率的曲线图。图12和图13的设备区域基本上相同。
图12示出了对于图11的比较自旋转移矩MRAM单元280，约3.9×1010A/m2的电流密度对于在5纳秒内引起自由层136的磁化从平行状态到反平行状态的转变是必要的，并且约-2.1×1010A/m2的电流密度对于在5纳秒内引起自由层136的磁化从反平行状态到平行状态的转变是必要的。图13示出了对于图7的示例性自旋转移矩MRAM单元180，约2.5×1010A/m2的电流密度对于在5纳秒内引起自由层136的磁化从平行状态到反平行状态的转变是必要的，并且约-1.68×1010A/m2的电流密度对于在5纳秒内引起自由层136的磁化从反平行状态到平行状态的转变是必要的。因此，图12和图13示出了第一磁性辅助层162和第二磁性辅助层166以及反铁磁耦合间隔层164存在示例性自旋转移矩MRAM单元180的第一构型中将针对示例性自旋转移矩MRAM单元180的第一构型用于使平行到反平行转变所需的电流密度(即，切换电流的大小)和用于使反平行到平行转变所需的电流密度减少了20至30％。因此，与缺少第一磁性辅助层、反铁磁耦合间隔层和第二磁性辅助层的相同MRAM单元280相比，实施方案MRAM单元180的切换电流大小减小至少20％。
图14示出了根据第三实施方案的STT MRAM单元180。第二实施方案的STT MRAM单元180的层112、114、132、134和136可与图2所示的第一实施方案的STT MRAM单元180的相应层112、114、132、134和136相同，并且因此以上相对于第一实施方案而描述。第一非磁性间隔层150设置在与面向非磁性隧道阻挡层134的自由层136的第一侧相对的自由层136的第二侧上方。第一非磁性间隔层150包括非磁性材料。第一非磁性间隔层150可包括电绝缘材料(即，介电材料)，诸如氧化镁。另选地，第一非磁性间隔层150可包括导电金属材料，诸如钽、钌、氮化钽、铜或氮化铜。第一非磁性间隔层150的厚度可在0.2nm至2nm的范围内，尽管也可采用更小和更大的厚度。
自旋扭矩层362可设置在第一非磁性间隔层150上。在图14所示的第一实施方案中，自旋扭矩层362包括第一磁性材料，该第一磁性材料相对于平行于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)的竖直方向具有第一锥形磁化(例如，磁化方向)。如本文所用，“锥形磁化”是指相对于平行于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)的轴具有大于零而小于90度(诸如10度至80度，例如30度至60度)的角度的旋转磁化(例如，磁化方向)。
对于每体积的磁各向异性能量，可向各种对称类型提供锥形磁化。例如，具有每体积磁各向异性能量的铁磁膜对竖直轴的倾斜角θ和方位角φ可具有形式为E/V＝K1sin2θ+K2sin4θ+K3sin6θcos(6φ)的函数依赖性，该每体积磁各向异性能量具有关于垂直于铁磁膜平面的竖直轴的六重旋转对称轴。如果K1为负并且K2大于K1/2，则铁磁膜在q的两个值处具有易磁化方向的双向锥。易磁化方向的双向锥的锥角θc1和θc2通过θc2＝π–θc1相关。
具有不同磁各向异性对称性的铁磁膜可以以类似的方式提供锥形磁化。例如，具有四面体对称性的每体积磁各向异性能量的铁磁膜对竖直轴的倾斜角θ和方位角φ可具有形式为E/V＝K1sin2θ+K2sin4θ+K3sin4θsin(2φ)的函数依赖性。具有菱形对称性的每体积磁各向异性能量的铁磁膜对竖直轴的倾斜角θ和方位角φ可具有形式为E/V＝K1sin2θ+K2sin4θ+K3cosθsin3θcos(3φ)的函数依赖性。如果K3为零或与1/2kBT(其中kB为玻尔兹曼常数，T为开尔文为单位的室温，即每体积的磁各向异性能量的293.15)相比不显著，则锥形磁化围绕竖直轴自由旋转(例如，以高频振荡)。
在一个实施方案中，自旋扭矩层362的磁各向异性的方位角依赖性分量可为零或与室温下的热能(即kBT，其中kB为玻尔兹曼常数，T为297.15开尔文(其为室温))相比不显著。例如，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴的每单位体积的磁各向异性能量的最大变化可小于室温下热能的1/2倍。在这种情况下，在通过自旋扭矩层362施加电流时，自旋扭矩层362的锥形磁化在平行于第一非磁性隔层150与自旋扭矩层362之间界面的水平面内自由旋进。在一个实施方案中，自旋扭矩层362的磁能可在自旋扭矩层362的磁化在水平面内旋转下是不变的。
自旋扭矩层362可包括提供锥形磁化的任何铁磁膜。例如，自旋扭矩层362可包括锥形磁化材料，诸如稀土元素(诸如钕、铒)，或至少一种稀土元素和非稀土元素(诸如铁、硼、钴、铜和/或锆)的合金。在一个实施方案中，自旋扭矩层362可包括均匀锥形磁化材料，即，提供锥形磁化的均匀材料。如本文所用，“均匀”材料是指整体具有统一材料组成的材料。自旋扭矩层362的厚度可在0.6nm至10nm的范围内，诸如1.2nm至5nm，尽管也可采用更小和更大的厚度。
第二非磁性隔层364可位于第一非磁性隔层150的相反侧上的自旋扭矩层362上。在一个实施方案中，第二非磁性间隔层364包括厚度在0.2nm和2nm之间的电绝缘层，诸如氧化镁。
自旋极化层366可设置在第二非磁性间隔层364上。在另一个实施方案中，自旋扭矩层362和自旋极化层366的形成顺序可颠倒，以使得自旋极化层366的位置比自旋扭矩层362更靠近自由层136。一般地，自旋扭矩振荡器叠堆(例如，辅助层叠堆)370包括位于自旋扭矩层362与自旋极化层366之间的第二非磁性隔层364。
自旋极化层366具有锥形磁化，该锥形磁化在本文中被称为第二锥形磁化。自旋极化层366可包括单个磁性材料层或多个磁性材料层。自旋极化层366的第二锥形磁化可由具有第二锥形磁化的单个磁性材料层提供，或者可由具有面内磁化和竖直(即，竖直或轴向)磁化的一组铁磁材料层提供。第二磁性材料具有垂直于参考层132的固定竖直磁化(例如，磁化方向)的面内磁化分量。第二磁性材料的面内磁化分量被反铁磁耦合到第一锥形磁化的面内分量。
图14示出了自旋极化层366由单个铁磁材料层组成的实施方案，该铁磁材料层相对于平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直方向具有第二锥形磁化。在一个实施方案中，自旋极化层366的磁各向异性的方位角依赖性分量可为零或与室温下的热能(即kBT，其中kB为玻尔兹曼常数，T为297.15开尔文(其为室温))相比不显著。例如，围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴的每单位体积的磁各向异性能量的最大变化可小于室温下热能的1/2倍。在此类情况下，在通过自旋极化层366施加电流时，自旋极化层366的锥形磁化在平行于第一非磁性间隔层150与自旋扭矩层362之间界面的水平面内自由旋进。在一个实施方案中，自旋极化层366的磁能可在自旋极化层366的磁化在水平面内旋转下是不变的。
在一个实施方案中，自旋极化层366可包括提供锥形磁化的任何铁磁膜。例如，自旋极化层366可包括锥形磁化材料，诸如稀土元素(诸如钕、铒)，或至少一种稀土元素和非稀土元素(诸如铁、硼、钴、铜和/或锆)的合金。在一个实施方案中，自旋极化层366可包括均匀锥形磁化材料，即，提供锥形磁化的均匀材料。自旋扭矩层362和自旋极化层366的铁磁材料可相同或不同。自旋极化层366的厚度可在0.6nm至10nm的范围内，诸如1.2nm至5nm，尽管也可采用更小和更大的厚度。
如果自旋极化层366的磁化为锥形磁化，即第二锥形磁化，则自旋极化层366的第二锥形磁化可以以各种模式与自旋扭矩层362的第一锥形磁化耦合。
图15示出了示例性自旋转移矩MRAM单元180内自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT与自旋极化层366的第二锥形磁化MP之间的反铁磁耦合的第一模式。图15示出了在旋进瞬间自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT与自旋极化层366的第二锥形磁化MP之间的相对对准。在第一模式中，自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT的竖直分量和自旋极化层366的第一锥形磁化MP的竖直分量可彼此反平行。
在这一模式中，自旋扭矩层362的第一锥形磁化的面内分量和自旋极化层366的磁化(其可为第二锥形磁化)的面内磁化分量可为反铁磁对准。在这一模式中，自旋扭矩层362的第一锥形磁化的面内分量和自旋极化层366的磁化的面内磁化分量围绕平行于竖直方向(即，平行于参考层132的固定竖直磁化的方向(例如，磁化方向)并且垂直于层叠堆(120,140,150,370,170)的各种界面)的竖直轴自由旋进，同时在通过自旋扭矩层362、第二非磁性隔层364和自旋极化层366施加电流时保持反铁磁对准。在通过参考层132施加电流时，参考层132的固定竖直磁化保持相同的取向。
在图15中，自旋扭矩层362的磁化MT可在水平面中(如将相对于以下图21所示的第四实施方案更详细地描述)，或者自旋扭矩层362的磁化MT可为锥形，并且其锥角(即，垂直于各种材料层之间界面的竖直方向与表示第一锥形磁化方向MT的矢量之间的角度)和自旋极化层366的第二锥形磁化MP的锥角可在自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT和自旋极化层366的第二锥形磁化MP的旋进期间保持相同，这发生在编程自由层136的磁化期间(即，在自由层136的竖直磁化从平行状态翻转到反平行状态期间，反之亦然)。在一个实施方案中，自旋极化层366的总磁化(即，第二锥形磁化)与自旋扭矩层362的第一锥形磁化之间的相对角在通过自旋扭矩层362、第二非磁性间隔层364和自旋极化层366施加电流时保持固定在选自90度(不包括)至180度(包括)的范围内的值。
图16示出了示例性自旋转移矩MRAM单元180内自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT和自旋极化层366的第二锥形磁化MP之间的反铁磁耦合的第二模式。图16示出了在旋进瞬间自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT和自旋极化层366的第二锥形磁化MP之间的相对对准。在第二模式中，自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT的竖直分量和自旋极化层366的第二锥形磁化MP的竖直分量可彼此平行，即，两者都可指向上或两者都可指向下。
自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT的锥角(即，垂直于各种材料层之间界面的竖直方向与表示第一锥形磁化MT的方向的矢量之间的角度)和自旋极化层366的第二锥形磁化MP的锥角可在自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT和自旋极化层366的第二锥形磁化MP的旋进期间变化。在一个实施方案中，自旋极化层366的总磁化(例如，第二锥形磁化)与自旋扭矩层362的第一锥形磁化之间的相对角在通过自旋扭矩层362、第二非磁性间隔层364和自旋极化层366施加电流时在90度(不包括)至180度(包括)的范围内变化。
图17示出了示例性自旋转移矩MRAM单元180内自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT和自旋极化层366的第二锥形磁化MP之间的反铁磁耦合的第三模式。图17示出了在旋进瞬间自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT和自旋极化层366的第二锥形磁化MP之间的相对对准。在第三模式中，自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT的竖直分量和自旋极化层366的第二锥形磁化MP的竖直分量可彼此反平行，即，一者指向上而另一者指向下。
自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT的锥角(即，垂直于各种材料层之间界面的竖直方向与表示第一锥形磁化MT的方向的矢量之间的角度)和自旋极化层366的第二锥形磁化MP的锥角可在自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT和自旋极化层366的第二锥形磁化MP的旋进期间变化。在一个实施方案中，自旋极化层366的总磁化(例如，第二锥形磁化)与自旋扭矩层362的第一锥形磁化之间的相对角在通过自旋扭矩层362、第二非磁性间隔层364和自旋极化层366施加电流时在90度(不包括)至180度(包括)的范围内变化。
图18示出了示例性自旋转移矩MRAM单元180内自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT和自旋极化层366的第二锥形磁化MP之间的反铁磁耦合的第四模式。图18示出了在旋进瞬间自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT和自旋极化层366的第二锥形磁化MP之间的相对对准。在第四模式中，自旋扭矩层362的第一锥形磁化MT的竖直分量和自旋极化层366的第二锥形磁化MP的竖直分量可彼此反平行，并且第一磁化和第二磁化的频率相同，以使得第一磁化方向矢量和第二磁化方向矢量指向相反方向(例如，当一者指向左时，另一者指向右，反之亦然)。因此，在第四模式中，第一磁化方向和第二磁化方向在竖直方向和水平方向上都反平行(例如，第一锥形磁化方向和第二锥形磁化方向的竖直分量和水平分量都反平行)。
这一第四模式导致大量噪声，并且与第一模式、第二模式和第三模式相比不是优选的。因此，第一磁化方向和第二磁化方向优选地在竖直方向和水平方向上都不反平行。
回到图14，自旋极化层366可设置为具有均匀组成的单个自旋极化层，并且可具有相对于竖直方向的第二锥形磁化。一般地，单个自旋极化层可具有平行于或反平行于自旋扭矩层362的第一锥形磁化的轴向磁化分量的轴向磁化分量。在一些实施方案中，自旋极化层366可具有反平行于自旋扭矩层362的锥形磁化的轴向分量的轴向磁化分量(即，竖直磁化分量)。在一些实施方案中，自旋极化层366可具有平行于自旋扭矩层362的锥形磁化的轴向分量的轴向磁化分量(即，竖直磁化分量)。
在一个实施方案中，非磁性封盖层170可位于自旋极化层366上方。非磁性封盖层170可包括非磁性、导电材料，诸如W、Ti、Ta、WN、TiN、TaN、Ru和Cu。非磁性封盖层170的厚度可在1nm至20nm的范围内，尽管也可采用更小和更大的厚度。
包括从SAF结构120到非磁性封盖层170的材料层的层叠堆可向上或向下沉积，即，从SAF结构120朝向非磁性封盖层170或从非磁性封盖层170朝向SAF结构120。层叠堆可形成为连续层的叠堆，并且随后可图案化成每个MRAM单元180的离散图案化层叠堆。
MRAM单元180可包括电连接到位线90(如图1所示)的一部分或包括该位线的一部分的第一端子92和电连接到字线30(如图1所示)的一部分或包括该字线一部分的第二端子32。可切换第一端子和第二端子的位置，以使得第一端子电连接到SAF结构120，并且第二端子电连接到封盖层170。
可选地，每个MRAM单元180可包括专用转向设备，诸如被配置为在向转向设备施加合适电压时激活相应的离散图案化层叠堆(120,140,150,162,164,166,170)的访问晶体管或二极管。转向设备可电连接在图案化层叠堆与相应MRAM单元180的相应的字线30或位线90中的一者之间。
在一个实施方案中，施加到第一端子92的电压极性可根据要在自由层136中编程的磁化状态的极性而改变。例如，可在从反平行状态到平行状态的转变期间将第一极性的电压施加到第一端子92(相对于第二端子32)，并且可在从平行状态到反平行状态的转变期间将第二极性的电压(其与第一极性相反)施加到第一端子92。此外，本文还设想了用于激活离散图案化层叠堆(120,140,150,162,164,166,170)的电路变型。
通过使电流流过离散图案化层叠堆(120,140,150,362,364,366,170)，自由层136的磁化方向可翻转(即，从向上到向下，反之亦然)。自由层136的磁化方向可在编程过程期间围绕竖直方向(即，电流的流动方向)旋进，直到磁化的方向翻转180度，此时电流的流动停止。
在通过自旋扭矩层362、第二非磁性间隔层364和自旋极化层366施加电流时，自旋扭矩层362的第一锥形磁化和自旋极化层366的第二锥形磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴自由旋进，例如，在编程期间。在通过参考层132施加电流时，参考层132的固定竖直磁化保持相同的取向。
在MRAM单元的操作期间，电流可流过磁性隧道结140、第一非磁性间隔层150、自旋扭矩层362、第二非磁性间隔层364和自旋极化层366。包括自旋扭矩层362、第二非磁性隔层364和自旋极化层366的组合的自旋扭矩振荡器叠堆370被配置为在电流开始流过MRAM单元180时，在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴旋进的开始阶段期间向自由层136的磁化提供初始非竖直扭矩。MRAM单元180被配置为在自由层136的磁化围绕平行于参考层132的固定竖直磁化的竖直轴旋进期间，提供自由层136的磁化与自旋扭矩层362的第一磁化之间的磁耦合，并且在电流流过MRAM单元180时，提供自旋扭矩层362的第一磁化和自由层136的磁化的同步旋进。
参见图19，示出了示例性自旋转移矩MRAM单元180的第二构型。自旋极化层366包括具有不同材料组成的多个层(3662,3664,3666)的层叠堆。自旋极化层366包括具有与第二锥形磁化的面内磁化分量相同的磁化的第一自旋极化分量层3662的层叠堆。第一自旋极化分量层3662可具有零磁各向异性或负单轴磁各向异性，以使得第一自旋极化分量层3662的磁化平行于MRAM单元180的各个层之间的界面。
在一个实施方案中，第一自旋极化分量层3662包括钴铱合金和/或基本上由钴铱合金组成。可选择钴铱合金的材料组成以提供负单轴磁各向异性。在一个实施方案中，钴铱合金可包括原子浓度在60％至98％(诸如70％至90％)的范围内的钴原子，和余量原子浓度的铱原子。在例示性示例中，具有Co0.8Ir0.2组成的钴铱合金的K1值约为-0.6×106J/m3。在另一个实施方案中，第一自旋极化分量层3662包括钴铁合金和/或基本上由钴铁合金组成。可选择钴铁合金的材料组成以提供负单轴磁各向异性。在一个实施方案中，钴铁合金可包括原子浓度在80％至99.8％(诸如90％至99.5％)的范围内的钴原子，和余量原子浓度的铁原子。在例示性示例中，具有Co0.9Ir0.1组成的钴铁合金的K1值约为约-0.99×106J/m3。在另一个实施方案中，第一自旋极化分量层3662包括钴铁硼(CoFeB)合金和/或基本上由钴铁硼(CoFeB)合金组成。第一自旋极化分量层3662的厚度可在1nm至10nm的范围内，诸如1.5nm至6nm，尽管也可采用更小和更大的厚度。
在另一个实施方案中，第一自旋极化分量层3662包括多层堆叠，该多层堆叠包含第一磁性材料层和第二磁性材料层的多次重复。第一磁性材料层可包括第一磁性材料和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层可包括第二磁性材料和/或可基本上由第二磁性材料组成。
在一个实施方案中，第一磁性材料层包括钴，并且第二磁性材料层包括铁。在一个实施方案中，第一磁性材料层基本上由钴组成，并且第二磁性材料层基本上由铁组成。每个第一磁性材料层的厚度可在0.3nm至1nm的范围内，并且每个第二磁性材料层的厚度可在0.3nm至1nm的范围内。第一自旋极化分量层3662内的重复总数(即，第一磁性材料层和第二磁性材料层的对总数)可在2至20的范围内，诸如4至10。在一个实施方案中，多层叠堆包括周期性重复的单元层叠堆，该单元层叠堆包括第一磁性材料层和第二磁性材料层。在例示性示例中，包括由具有相同厚度的钴层和铁层组成的单元层叠堆的重复的钴-铁多层叠堆的K1值可约为-1.1×106J/m3。
自旋极化层366还包括具有平行于或反平行于参考层132的竖直方向的轴向磁化的第二自旋极化分量层3666。在一个实施方案中，第二自旋极化分量层3666包括钴层以及铂层或钯层的多层叠堆。第二自旋极化分量层3666可具有正单轴磁各向异性，以使得第二自旋极化分量层3666的磁化为轴向，即，垂直于MRAM单元180的各个层之间的界面。第二自旋极化分量层3666的轴向磁化可平行于或反平行于参考层132的固定竖直磁化方向。
在一个实施方案中，第二自旋极化分量层3666可通过可选的第三非磁性间隔层3664与第一自旋极化分量层3662竖直间隔开。第三非磁性隔层3664可包括非磁性材料，诸如MgO、Cu、Ag、AgSn、Cr或Ge。在一个实施方案中，第一自旋极化分量层3662可与第二非磁性间隔层364接触。
在这种情况下，第一自旋极化分量层3662和第二自旋极化分量层3666的组合磁化提供第二锥形磁化，该第二锥形磁化在MRAM单元180的编程期间围绕竖直轴自由旋转(例如，振荡)。在这种情况下，第一自旋极化分量层3662和第二自旋极化分量层3666的组合磁化提供了耦合到自旋扭矩层362的第一锥形磁化的附加锥形磁化(即，第二锥形磁化)。在编程期间，在通过自旋扭矩层362、第二非磁性间隔层364和自旋极化层366施加电流时，第二锥形磁化和第一锥形磁化围绕平行于参考层132的磁化的竖直方向的竖直轴旋进。第一锥形磁化和第二锥形磁化之间的耦合模式优选为图15至图17所示的第一模式、第二模式或第三模式中的任一种。
参见图20，通过交换第一自旋极化分量层3662和第二自旋极化分量层3666的位置，根据本公开的实施方案的示例性自旋转移矩MRAM单元180的第三构型可从示例性自旋转移矩MRAM单元180的第二构型导出。在这种情况下，第二自旋极化分量层3666可与第二非磁性间隔层364接触。第三构型中的示例性自旋转移矩MRAM单元180可与第一构型和第二构型中的示例性自旋转移矩MRAM单元180以相同的方式操作。
图21示出了根据本公开的实施方案的示例性自旋转移矩MRAM单元180的第四构型。通过用具有面内磁化(即，具有负单轴磁各向异性)的自旋扭矩层462代替具有第一锥形磁化的自旋扭矩层362，示例性自旋转移矩MRAM单元180的第四构型可从示例性自旋转移矩MRAM单元180的第一构型、第二构型和第三构型导出。换句话讲，自旋扭矩层462的磁化的轴向分量可为零，并且自旋扭矩层462的磁化(例如，磁化方向)可由面内分量组成。在这种情况下，自旋扭矩层462的总磁化与自旋扭矩层462的面内磁化分量相同。
在一个实施方案中，自旋扭矩层462包括均匀负单轴磁各向异性材料。如本文所用，“均匀”材料是指整体具有统一材料组成的材料。在一个实施方案中，自旋扭矩层462包括钴铱合金和/或基本上由钴铱合金组成。可选择钴铱合金的材料组成以提供负单轴磁各向异性。在一个实施方案中，钴铱合金可包括原子浓度在60％至98％(诸如70％至90％)的范围内的钴原子，和余量原子浓度的铱原子。在例示性示例中，具有Co0.8Ir0.2组成的钴铱合金的K1值约为-0.6×106J/m3在另一个实施方案中，自旋扭矩层462包括钴铁合金和/或基本上由钴铁合金组成。可选择钴铁合金的材料组成以提供负单轴磁各向异性。在一个实施方案中，钴铁合金可包括原子浓度在80％至99.8％(诸如90％至99.5％)的范围内的钴原子，和余量原子浓度的铁原子。在例示性示例中，具有Co0.9Ir0.1组成的钴铁合金的K1值约为-0.99×106J/m3。在另一个实施方案中，自旋扭矩层462包括钴铁硼(CoFeB)合金和/或基本上由钴铁硼(CoFeB)合金组成。自旋扭矩层462的厚度可在1nm至10nm的范围内，诸如1.5nm至6nm，尽管也可采用更小和更大的厚度。
在另一个实施方案中，自旋扭矩层462包括多层堆叠，该多层堆叠包含第一磁性材料层和第二磁性材料层的多次重复。第一磁性材料层可包括第一磁性材料和/或可基本上由第一磁性材料组成。第二磁性材料层可包括第二磁性材料和/或可基本上由第二磁性材料组成。
在一个实施方案中，第一磁性材料层包括钴，并且第二磁性材料层包括铁。在一个实施方案中，第一磁性材料层基本上由钴组成，并且第二磁性材料层基本上由铁组成。每个第一磁性材料层的厚度可在0.3nm至1nm的范围内，并且每个第二磁性材料层的厚度可在0.3nm至1nm的范围内。自旋扭矩层462内的重复总数(即，第一磁性材料层和第二磁性材料层的对总数)可在2至20的范围内，诸如4至10。在一个实施方案中，多层叠堆包括周期性重复的单元层叠堆，该单元层叠堆包括第一磁性材料层和第二磁性材料层。在例示性示例中，包括由具有相同厚度的钴层和铁层组成的单元层叠堆的重复的钴-铁多层叠堆的K1值可约为-1.1×106J/m3。自旋扭矩层462可与以上结合第一至第三实施方案所述的任何自旋极化层366一起使用。
通过在电流开始流过MRAM单元180时在自由层136的磁化围绕与参考层132的固定竖直磁化平行的竖直轴旋进的开始阶段期间向自由层136的磁化提供初始非竖直扭矩，自旋扭矩层(362或462)和自旋极化层366的各种实施方案组合提供减小用于使平行到反平行转变的电流密度和用于使反平行到平行转变的电流密度的益处。
具体地，在电流流过MRAM单元180的叠堆的写入过程期间，自旋扭矩层和自旋极化层两者的磁化以高频率振荡，其中锥角(磁化与叠堆层界面的法向轴之间的角度)介于0度与90度之间，如图14至18所示。自旋扭矩层的振荡磁化可具有以下非限制性益处中的一个或多个，从而导致自由层136的切换电流较低。第一，与自由层136的初始磁化正交的自旋扭矩层362磁化的面内分量可在自由层136上产生大的自旋扭矩以有助于其初始旋进。第二，自旋扭矩层362的振荡磁化可导致前述扭矩的旋转，这有助于在自由层136的整个旋进切换过程中最大化辅助效果。第三，由自由层136中的自旋扭矩层362磁化产生的直流场可主要是面内AC场，该AC场也与自由层的初始磁化方向正交。因此，这也有助于提供旋转扭矩以辅助自由层136切换。
虽然前面提及特定优选实施方案，但是将理解本公开不限于此。本领域的普通技术人员将会想到，可对所公开的实施方案进行各种修改，并且此类修改旨在落在本公开的范围内。在本公开中示出采用特定结构和/或构型的实施方案，应当理解，本公开可以以功能上等同的任何其他兼容结构和/或构型来实践，前提条件是此类取代不被明确地禁止或以其他方式被本领域的普通技术人员认为是不可能的。本文引用的所有出版物、专利申请和专利均以引用方式全文并入本文。

Claims (18)

1.一种MRAM单元，所述MRAM单元包括：
磁性隧道结，所述磁性隧道结包括具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于所述参考层与所述自由层之间的非磁性隧道阻挡层；
自旋扭矩振荡器叠堆；和
第一非磁性隔层，所述第一非磁性隔层位于所述自由层与所述自旋扭矩振荡器叠堆之间；
其中：
所述自旋扭矩振荡器叠堆包括自旋扭矩层、自旋极化层和位于所述自旋扭矩层与所述自旋极化层之间的第二非磁性间隔件；
所述自旋扭矩层包括第一磁性材料，所述第一磁性材料具有相对于平行于所述参考层的所述固定竖直磁化方向的竖直轴的第一锥形磁化；并且
所述自旋极化层包括第二磁性材料，所述第二磁性材料具有相对于平行于所述参考层的所述固定竖直磁化方向的所述竖直轴的第二锥形磁化。
2.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述自旋扭矩层位于所述第一非磁性间隔层上，所述第二非磁性间隔层位于所述自旋扭矩层上，并且所述自旋极化层位于所述第二非磁性间隔层上。
3.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中在通过所述自旋扭矩层、所述第二非磁性隔层和所述自旋极化层施加电流时，所述第一锥形磁化的面内分量和所述第二锥形磁化的面内分量围绕所述竖直轴自由旋进。
4.根据权利要求3所述的MRAM单元，其中在通过所述参考层施加电流时，所述参考层的所述固定竖直磁化方向保持相同的取向。
5.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述自旋极化层包括相对于所述竖直轴具有所述第二锥形磁化的铁磁材料。
6.根据权利要求5所述的MRAM单元，其中所述铁磁材料具有轴向磁化分量，所述轴向磁化分量平行于或反平行于所述自旋扭矩层的所述第一锥形磁化的轴向磁化分量。
7.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述自旋极化层包括：
第一自旋极化分量层，所述第一自旋极化分量层具有零磁化或负磁化；和
第二自旋极化分量层，所述第二自旋极化分量层具有平行于或反平行于所述竖直轴的轴向磁化。
8.根据权利要求7所述的MRAM单元，其中所述第二自旋极化分量通过第三非磁性间隔层与所述第一自旋极化分量层竖直间隔开。
9.根据权利要求7所述的MRAM单元，其中所述第二自旋极化分量包括钴层以及铂层或钯层中的至少一者的多层叠堆。
10.根据权利要求9所述的MRAM单元，其中所述第一自旋极化分量包括钴铱合金，所述钴铱合金包括70原子％至90原子％的钴和10原子％至30原子％的铱。
11.根据权利要求9所述的MRAM设备，其中所述第一自旋极化分量包括钴铁合金，所述钴铁合金包括90原子％至99.5原子％的钴和0.5原子％至10原子％的铁。
12.根据权利要求9所述的MRAM设备，其中所述第一自旋极化分量包括钴铁硼合金。
13.根据权利要求9所述的MRAM设备，其中所述第一自旋极化分量包括钴层和铁层的多层叠堆。
14.根据权利要求9所述的MRAM单元，其中所述第一自旋极化分量层和所述第二自旋极化分量层的组合磁化提供耦合到所述自旋扭矩层的所述第一锥形磁化的所述第二锥形磁化。
15.根据权利要求1所述的MRAM单元，还包括位于所述自旋极化层上方的非磁性封盖层并且包括金属材料。
16.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中所述自旋扭矩振荡器叠堆被配置为在电流开始流过所述MRAM单元时，在所述自由层的磁化围绕平行于所述参考层的所述固定竖直磁化方向的竖直轴旋进的开始阶段期间，向所述自由层的所述磁化提供初始非竖直扭矩。
17.一种MRAM单元，所述MRAM单元包括：
磁性隧道结，所述磁性隧道结包括具有固定磁化方向的参考层、自由层和位于所述参考层与所述自由层之间的非磁性隧道阻挡层；
自旋扭矩振荡器叠堆；和
第一非磁性隔层，所述第一非磁性隔层位于所述自由层与所述自旋扭矩振荡器叠堆之间；
其中：
所述自旋扭矩振荡器叠堆包括自旋扭矩层、自旋极化层和位于所述自旋扭矩层与所述自旋极化层之间的第二非磁性间隔件；所述自旋扭矩层包括具有负磁化的第一磁性材料；并且
所述自旋极化层包括第二磁性材料，所述第二磁性材料具有相对于平行于所述参考层的所述固定竖直磁化方向的竖直轴的第二锥形磁化。
18.根据权利要求17所述的MRAM单元，其中所述第一磁性材料包括钴铱合金、钴铁合金、钴铁硼合金或钴层和铁层的多层叠堆，所述钴铱合金包括70原子％至90原子％的钴和10原子％至30原子％的铱，所述钴铁合金包括90原子％至99.5原子％的钴和0.5原子％至10原子％的铁。
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