TW201435869A - 提供具有梯度磁性自由層之磁性接面的方法與系統 - Google Patents

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Abstract

一種提供適用於磁性裝置的磁性接面的方法與系統。磁性接面包括固定層、非磁性間隔層以及自由層。非磁性間隔層介於固定層及自由層之間。自由層具有在臨界切換電流密度中的梯度，以使自由層的第一部分的第一臨界切換電流密度低於自由層的第二部份的第二臨界切換電流密度。自由層的第二部份比第一部份更加遠離非磁性間隔層。磁性接面經組態以使自由層在寫入電流流經磁性接面時，可於多個穩定的磁性狀態間切換。

Description

提供具有梯度磁性自由層之磁性接面的方法與系統
本發明概念的示範實施例是關於磁性記憶體，且特別是有關於磁性隨機存取記憶體(magnetic random access memories,MRAMs)。
磁性記憶體，特別是磁性隨機存取記憶體(MRAMs)，由於操作時的高讀取/寫入速度、絕佳的耐用性、非揮發性及低功率消耗的潛力，已引起愈來愈多的關注。磁性隨機存取記憶體可利用磁性材料做為資料記錄媒介以儲存資訊。自旋轉移力矩隨機存取記憶體(spin transfer torque random access memory,STT-MRAM)是磁性隨機存取記憶體的一種。自旋轉移力矩隨機存取記憶體利用磁性接面來寫入，其磁性接面經寫入至少部分藉由驅動流經磁性接面的電流。自旋極化電流(spin polarized current)經驅動流經磁性接面，施加自旋力矩於磁性接面中的磁矩上。因此，具有回應自旋力矩的磁矩的膜層可被切換至所需的 狀態。
舉例而言，圖1描繪可用於傳統的自旋轉移力矩隨機存取記憶體中的傳統磁性穿隧接面(magnetic tunneling junction,MTJ)10。傳統磁性穿隧接面10通常存在底接點(contact)11、使用傳統種子層12，並且包括傳統反鐵磁性(antiferromagnetic,AFM)層14、傳統固定層(pinned layer)16、傳統穿隧阻障層18、傳統自由層20以及傳統覆蓋層22。圖1亦繪示出頂接點24。
傳統的接觸層11及24用於在電流垂直於平面(current-perpendicular-to-plane,CPP)的方向或是沿著如圖1所示的z軸方向驅動電流。通常利用傳統種子層12來幫助具有所需的結晶結構的後續層的成長，如傳統反鐵磁性層14。傳統穿隧阻障層18為非磁性且例如像是氧化鎂(MgO)的薄絕緣體。
傳統固定層16與傳統自由層20為磁性的。一般是藉由與反鐵磁性層14的磁化向量(magnetization)交換偏壓(exchange-bias)的交換作用來固定傳統固定層16的磁化向量17於特定方向上。雖然描繪為簡易(單一)層，但傳統固定層16可包含多層。舉例而言，傳統固定層16可為合成反鐵磁性層(synthetic antiferromagnetic,SAF)，其包括經由薄導體層(例如釕(Ru))反鐵磁性耦合的磁性層。在這種的合成反鐵磁性層中可使用與釕薄層交錯的多層磁性層。在另一個實施例中，遍及釕薄層的耦合可為鐵磁性的。此外，傳統磁性穿隧接面10的其他變形可包括額外的固定層(未繪示)，其藉由額外的非磁性阻障層或導 電層(未繪示)與自由層20分離。
傳統自由層20具有可變的磁化向量21，雖原描繪為簡易層，傳統自由層20亦可包括多層。例如，傳統自由層20可為合成層，其包括經由薄導電層(例如釕(Ru))反鐵磁性地或鐵磁性地耦合的磁性層。雖然圖式中繪示為共平面，但傳統自由層20與磁化向量21可具有垂直異向性。因此，固定層16與自由層20可分別具有與膜層的平面方向垂直的磁化向量17及21。
為了切換傳統自由層20的磁化向量21，以垂直於平面的方向(在z方向)來驅動電流。當從頂接點24驅動充分的電流到底接點11，傳統自由層20的磁化向量21可切換為與傳統固定層16的磁化向量17平行。當從底接點11驅動充份的電流到頂接點24，傳統自由層20的磁化向量21可切換為與傳統固定層16的磁化向量17反平行(antiparallel)。磁性配置的差異對應不同磁阻(magnetoresistance)，且因此對應傳統磁性穿隧接面10的不同邏輯狀態(例如，邏輯的「0」及邏輯的「1」)。因此，藉由讀取傳統磁穿隧接面10的穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance(TMR))可定義傳統磁性穿隧接面的狀態。
雖然傳統磁性穿隧接面10可藉由使用自旋轉移寫入，並藉由感應接面的穿隧磁組讀取，且用於自旋轉移力矩隨機存取記憶體中，但卻有缺點。舉例而言，傳統自由層20臨界切換電流密度(critical switching current density)Jc0比所期望的明顯高出許多。在某些情況下，臨界切換電流密度是以3到5倍的數量級高 於所需的臨界切換電流密度。臨界電流切換密度必須是能以自旋轉移切換傳統自由層20的磁矩21的電流密度(例如MA/cm2)。低切換電流被期望用來例如是減低切換時的消耗功率以及/或是改進切換速度或錯誤率。雖然傳統機制存在減少切換電流的方法，但皆會對於熱穩定性產生不利的影響。減少傳統磁穿隧接面10的熱穩定性會對於傳統磁穿隧接面10長時間可靠地儲存資料的能力產生負面衝擊。因而降低傳統磁性穿隧接面的效能。
根據上述，需要一種提升基於自旋轉移力矩的記憶體效能的方法及系統。此處所描述的方法與系統可解決這樣的需求。
一種提供適用於磁性裝置的磁性接面的方法與系統。磁性接面包括固定層、非磁性間隔層以及自由層。非磁性間隔層介於固定層與自由層之間。自由層具有在臨界切換電流密度(Jc0)中的梯度以使自由層的第一部份的第一臨界切換電流密度(Jc0)小於自由層的第二部份的第二臨界切換電流密度(Jc0)。自由層的第二部分比第一部份更加遠離非磁性間隔層。磁性接面經組態以使自由層在寫入電流經過磁性接面時，可於多個穩定的磁性狀態之間切換。
10‧‧‧傳統磁穿隧接面
11‧‧‧底接點
12‧‧‧傳統種子層
14‧‧‧傳統反鐵磁性層
16‧‧‧傳統固定層
17、21‧‧‧磁化向量
18‧‧‧穿隧阻障層
20‧‧‧傳統自由層
22‧‧‧傳統覆蓋層
24‧‧‧頂接點
100、100’、100”、412‧‧‧磁性接面
102、102’、102”‧‧‧基板
110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300、300’‧‧‧自由層
111、111’、131’‧‧‧磁矩
120、120’、120”、140‧‧‧非磁性間隔層
130、130’、130”‧‧‧固定/參考層
131‧‧‧磁化向量/磁矩
150‧‧‧固定層
202、204、206、208、210、222、222’、224、224’、226、226’、228、228’、230、230’、242、244、246、248、250、262、262’、 264、264’、266、266’、268、268’、270、270’、302、302’、304、304’、306、306’、308、308’、310、310’‧‧‧磁性層
201、203、205、207、221、221’、223、223’、225、225’、227、227’、241、243、245、247、261、261’、263、263’、265、265’、267、267’、301、301’、303、303’、305、305’、307、307’、309‧‧‧非磁性層
216、217‧‧‧曲線
320、320’‧‧‧磁性插入層
400‧‧‧磁性記憶體
402、406‧‧‧讀取\寫入行選擇\驅動器
404‧‧‧字元線選擇\驅動器
410‧‧‧磁性儲存單元
414‧‧‧選擇裝置
500‧‧‧方法
502、504、506、508‧‧‧步驟
Hk‧‧‧磁異向性
Jc0‧‧‧臨界切換電流密度
Ms‧‧‧飽和磁化量
圖1繪示傳統的磁性接面。
圖2繪示包括具有在臨界切換電流密度中的梯度且可利用自旋轉移來切換的自由層的磁性接面的一示範實施例。
圖3繪示包括具有在臨界切換電流密度中的梯度且可利用自旋轉移來切換的自由層的磁性接面的另一示範實施例。
圖4繪示包括具有在臨界切換電流密度中的梯度且可利用自旋轉移來切換的自由層的磁性接面的另一示範實施例。
圖5繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度且可利用自旋轉移來切換的自由層的一示範實施例。
圖6繪示表示具有膜層厚度且可利用自旋轉移來切換的磁性材料的材料性質變化的相圖。
圖7繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度與可利用自旋轉移來切換的自由層的另一示範實施例。
圖8繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度與可利用自旋轉移來切換的自由層的另一示範實施例。
圖9繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度與可利用自旋轉移來切換的自由層的另一示範實施例。
圖10繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度與可利用自旋轉移來切換的自由層的另一示範實施例。
圖11繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度與可利用自旋轉移來切換的自由層的另一示範實施例。
圖12繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度與可利用自旋 轉移來切換的自由層的另一示範實施例。
圖13繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度與可利用自旋轉移來切換的自由層的另一示範實施例。
圖14繪示在儲存單元的記憶體元件中記憶體使用磁性接面的一示範實施例。
圖15是包括具有在臨界切換電流密度中的梯度且可利用自旋轉移來切換的自由層的磁性接面的製造方法的示範實施例。
此處的示範實施例是關於適用於磁性裝置(例如磁性記憶體)的磁性接面及使用此磁性接面的裝置，下文中所提供的描述是為了使本領域中具有通常知識者能夠製作及使用本發明，且提供於專利申請的背景及其專利要求中。多種對示範實施例的修改及本文中描述的一般原理與特徵將為顯而易見的。本示範實施例主要描述的是，提供在特定實施中的特定方法與系統。然而，上述方法與系統將可有效地操作於其他實施例中。例如「示範實施例」、「一實施例」及「另一實施例」的用詞可指稱相同或相異的實施例及多種實施例。實施例將描述關於具有某些構件的系統及/或裝置。然而，系統及/或裝置可包括多於或少於所示的那些構件，且可在不脫離本發明範圍的情形下，產生構件排列與型式的多種變化。示範實施例亦將以具有特定步驟的特定方法為背景來描述。然而，上述的方法及系統可有效地操作於其他方法，其具 有不同及/或額外步驟以及不同順序的步驟，但未與本示範實施例不一致。因此本發明並非意欲限制於此所示的實施例中，而是以與本文所描述的原理與特徵的最廣範圍作為根據。
提供磁性接面以及使用此磁性接面的磁性記憶體的方法與系統。磁性接面包括固定層、非磁性間隔層以及自由層。非磁性間隔層介於固定層及自由層之間。自由層具有在臨界切換電流密度(Jc0)中的梯度以使自由層的第一部分的第一臨界切換電流密度Jc0低於自由層第二部份的第二臨界切換電流密度Jc0。自由層的第二部分比第一部份更遠離非磁性間隔層。磁性接面經組態以使自由層在寫入電流流經磁性接面時，可在多個穩定的磁性狀態之間切換。
在特定磁性接面與磁性記憶體的背景下所描述的示範實施例具有某些構件。在本領域中具有通常知識者將容易地明白本發明與具有與本發明一致的其他及/或額外構件及/或其他特性的磁性接面及磁性記憶體的使用方法一致。亦以目前習知的自旋轉移現象、磁異向性及其他物理現象為背景來描述方法與系統。所以，所屬領域具有通常知識者將容易地明白此方法與系統的行為的理論說明是以目前對於自旋轉移現象、異磁向性以及其他物理現象的理解為根據。然而，本文此處描述的方法與系統並非依據於特定的物理解釋。所屬領域具有通常知識者亦將輕易地明白所敘述的方法與系統是以與基板之間具特定關係的結構為背景。然而，所屬領域具有通常知識者將輕易地明白此方法與系統與其他 結構一致。此外，系統與方法是以特定合成層/或簡易層為背景來描述。然而，所屬領域具有通常知識者將輕易地明白上述的膜層可具有其他結構。除此之外，以具有特定層的磁性接面及/或自由層為背景來描述方法與系統。然而，所屬領域具有通常知識者將輕易地明白亦可使用具有與本方法及系統一致的額外/或不同層的磁性接面及/或自由層。而且，描述特定構件為磁性的、鐵磁性的以及亞鐵磁性的。如此處所使用，用詞「磁性的」可包括鐵磁性的、亞鐵磁性的或類似結構。因此如此處所述，用詞「磁性的」或「鐵磁性的」包括但不限制於鐵磁體或亞鐵磁體。上述方法與系統亦以單一磁性接面及自由層為背景來描述。然而，所屬領域具有通常知識者將輕易地明白上述方法與系統與具有多個磁性接面並使用多層自由層的磁性記憶體的使用一致。除此之外，如此處所使用，「共平面」為實質上在或平行於磁性接面的一層或多層膜層的平面。反言之，「垂直」對應至實質上垂直於磁性接面的一層或多層膜層的方向。
圖2繪示包括具有在臨界切換電流密度中的梯度且可利用自旋轉移來切換的自由層的磁性接面100的一示範實施例。磁性接面可例如是一個磁性穿隧接面、自旋閥(spin valve)或是彈道式(ballistic)磁阻結構，或是選用上述的各種組合。磁性接面100可被使用於不同的應用中。舉例而言，磁性接面可被使用於例如是自旋轉移力矩隨機存取記憶體的磁性記憶體中。為了圖式的清楚，圖2未按比例繪製。磁性接面包括自由層110，非磁性間隔 層120以及固定或參考層130。所示磁性接面100位於基板102上。在一些實施例中，磁性接面100可包括種子層(一層或多層)及/或覆蓋層(一層或多層)(未示出)。雖然膜層110、120以及130是以特定的方向表示，在其他實施例中，其方向可為不同。舉例而言，固定層130可更靠近磁性接面100的底端(最接近基板102的地方)。固定層(未示出)亦可被使用。大體而言，如所示，若固定層130的磁矩在平面上時，固定層將被使用；若是固定層130的磁矩垂直於平面時，固定層將不被使用。這種的固定層可被用來固定固定層130的磁化向量131。在一些實施例中，固定層可以是藉由交換偏壓的交互作用固定固定層130的磁化向量(未示出)的一層或是多層的反鐵磁性層。磁性接面100經組態以使自由層110在寫入電流流經磁性接面100時可於多個穩定的磁性狀態之間切換。因此，自由層110的磁矩111可使用自旋轉移力矩來切換。因為磁矩111為可切換，所以磁矩111以雙箭頭標示。
非磁性間隔層120可為磁阻出現在自由層110與固定層130之間的穿隧阻障層、導體或是其他結構。在一些實施例中，非磁性間隔層是120一層結晶氧化鎂穿隧阻障層。這種非磁性間隔層可具有較佳的結晶方向(crystallographic orientation)，例如是(100)方向。
雖然繪示為簡易層，自由層110及/或固定層130可包括多層。舉例而言，自由層110及/或固定層130可為包括透過例如是釕的薄層反鐵磁性地或鐵磁性地耦合的磁性層的合成反鐵磁性 層。在這種合成反鐵磁性層中，多層的磁性層與一層或多層的釕或是其他材料的薄層交錯。自由層110及/或固定層130亦可為其他的多層結構。
自由層110及/或固定層130可各自具有超越出平面消磁能的垂直異向能(perpendicular anisotropy energy)。因此，自由層110及/或固定層130可分別具有各自的磁矩111及/或131，其在如圖2所示的平衡狀態下，方向垂直於平面。換言之，自由層110及固定層130的易磁化軸(easy axes)垂直於平面。自由層的磁矩111可使用自旋轉移切換，且因此圖式中111以雙箭號標示。固定層130的磁矩131可固定於特定的方向上。在所示的實施例中，固定層130的磁矩131是在正z的方向上。在另一個實施例中，磁矩131可在負z的方向上。在其他實施例中，自由層110及/或固定層130的磁矩可穩定於另一個方向包括但不限制於平面方向。自由層110及/或固定層130的磁矩亦可能為其他方向。
自由層110具有在臨界切換電流密度Jc0的梯度。更詳細而言，臨界切換電流密度在較靠近非磁性間隔層120較低。因此，若自由層110的第二部份較第一部份遠離非磁性間隔層，自由層110的第一部分的第一臨界切換電流密度Jc0低於自由層110的第二部分的第二臨界切換電流密度Jc0。當以遠離非磁性間隔層120的方向(也就是以圖2中負z的方向)穿越自由層110，臨界切換電流密度Jc0增加。在一些實施例中，臨界切換電流密度Jc0單調地增加。增加的變化可為線性或是追隨其他曲線。在一些實施例 中，臨界切換電流密度Jc0d可在特定部份的自由層110上保持不變。然而，臨界切換電流密度Jc0在整個自由層110上並非一致。在一些實施例中，亦具有在自由層110的熱穩定性中的梯度。如同臨界切換電流密度Jc0，熱穩定性亦可隨愈加遠離非磁件間隔層120’而增加。在一些實施例中，熱穩定性以如同臨界切換電流密度Jc0的相同方式增加。然而，在其他實施例中，熱穩定性可以其他不同的方式改變。
在自由層110臨界切換電流密度Jc0中的梯度可以多種方式達成。舉例而言，臨界切換電流密度Jc0隨磁異向性Hk及飽和磁化量Ms而改變。在一些實施例中，磁異向性例如是垂直的磁異向性，其可隨著與非磁性間隔層120之間距離的增加而增加。在其他實施例中，飽和磁化量可隨著與非磁性間隔層120之間距離的增加而增加。在其他實施例中，這些量值可透過自由層110而增加或減少。然而，可以組合的方式使得在臨界切換電流密度Jc0-中所需的梯度被建立。舉例而言，在一些部份的自由層110上，磁異向性可減少，同時飽和磁化量可在相同的部份上增加。然而，這些參數及其他參數的組合使得切換電流密度隨著與非磁性間隔層之間距離的增加而增加。
在磁異向性HK、飽合磁化量MS及/或其他性質中可影響臨界切換電流密度的改變可以多種方法達成。在一些實施例中，自由層110可為具有磁性材料成分例如是鈷及/或鐵的濃度變化的合金。這種在組成濃度中的梯度可以多種的方式達成。舉例而言， 磁性材料以及其他材料可來自於共濺鍍多種靶材。藉由改變特定靶材的濺鍍速率，可改變合金的化學計量(stoichiometry)。梯度可經由沉積自由層110之後由於高溫退火所造成的原子擴散來達成。退火製程可現地或易地實施。這些技術與其他技術的一些組成可被使用。在其他實施例中，其他材料的濃度包括但不限制於例如是硼(B)的摻雜濃度可依所需達成的磁異向性及/或飽和磁化量的梯度作調整。
在一些實施例中，自由層110可為包括多層磁性層的多層結構。在一些這種實施例中，磁性層可與非磁性層交錯。非磁性層可為絕緣體例如是氧化鎂，導體例如是鉑(Pt)或鉛(Pb)，或是其他上述材料的組成。然而，磁性層透過非磁性層鐵磁性地耦合。磁性層經組態使得磁性層之間具有在臨界切換電流密度Jc0中的梯度。因此，較靠近非磁性間隔層120的磁性層具有比其他較遠離非磁性間隔層的磁性層更低的臨界切換電流密度Jc0。這種磁性層之間的臨界切換電流密度Jc0的梯度可藉由正確的選擇一個或多個磁性及/或非磁性材料、不同的磁性材料層厚度、不同的非磁性材料層的厚度以及其他一些類似的機制來達成。
磁性接面100可提升效能。因為在臨界切換電流密度Jc0中的梯度，自由層110的整體切換電流可被減少。在一些實施例中，臨界切換電流密度的總和可為1×106A/cm2。部分接近非磁性間隔層120的自由層110(例如磁性層)可輕易地自行切換。在一些實施例中，這部份的自由層110並非熱穩定。自由層110的下 一磁性部份可具有較高的切換電流以及較好的熱穩定性。自由層110最遠離非磁性間隔層120的部份可具有最好的熱穩定性及最高的臨界切換電流密度Jc0。因為自由層110較遠離非磁性間隔層120的磁性部分為熱穩定並且與自由層110較靠近非磁性間隔層120的部份鐵磁性地耦合，自由層110整體為熱穩定。因為自由層110較靠近非磁性間隔層120的部份具有較低的臨界切換電流密度Jc0並且與其他部份的自由層110鐵磁性地耦合，自由層110整體於較低的臨界切換電流密度Jc0中作切換。因此，可具有熱穩定性並達成較低的臨界切換電流密度Jc0。因此，可提升磁性接面100的效能。
圖3繪示包括具有在臨界切換電流密度中的梯度且可利用自旋轉移來切換的自由層110’的磁性接面100’的另一示範實施例。為了圖式的清楚，圖3非按比例繪製。磁性接面100’類似於磁性接面100。因此，相似的膜層以相似的符號表示。磁性接面100’包括分別類似於膜層110、120及130的自由層110’、非磁性間隔層120’以及固定層130’。雖然膜層110’、120’及130’以特定的方向表示，在其他實施例中，這個方向可以改變。在一些實施例中可包括選擇性的種子層(未示出)、選擇性的固定層(未示出)及/或選擇性的覆蓋層(未示出)。磁性接面100’亦經組態以使自由層110’的磁化向量在寫入電流流經磁性接面100’時可於多個穩定的磁性狀態之間切換。因此，自由層110’的磁化向量可以自旋轉移力矩來切換。
在磁性接面100’中，固定層130’比自由層110’較靠近基板102’。自由層110’具有類似於自由層110在臨界切換電流密度中的梯度。自由層110’的臨界切換電流密度在較靠近非磁性間隔層120’時較低。因此，若自由層110’的第二部份比第一部份更加遠離非磁性間隔層，自由層110’的第一部份的第一臨界切換電流密度Jc0低於自由層110’的第二部份的第二臨界切換電流密度Jc0。然而，因為固定層130’與自由層110’對於基板的方向已改變，當自由層110在圖3的正z方向(仍然是在遠離非磁性間隔層120’的方向)上時，臨界切換電流密度Jc0上升。在一些實施例中，臨界切換電流密度Jc0單調地增加。增加的變化可為線性或可跟隨曲線。在一些實施例中，特定部份的自由層110’的臨界切換電流密度Jc0可保持不變。然而，臨界切換電流密度Jc0在整個自由層110’上並非保持不變。在一些實施例中，自由層110’的熱穩定性亦具有梯度。如同臨界切換電流密度Jc0，熱穩定性亦隨著愈加遠離非磁性間隔層120’而增加。在一些實施例中，熱穩定性以與臨界切換電流密度Jc0相同的方式增加。然而，在其他實施例中，熱穩定性可以其他方式改變。
磁性接面100’可具有與磁性接面100共同的優點。因為在臨界切換電流密度Jc0中的梯度，多個部份的自由層110’鐵磁性耦合，可降低自由層110’整體的切換電流。在一些實施例中，臨界切換電流密度的總和可為1×106A/cm2。因為自由層110’較遠離非磁性間隔層120’的磁性部分為熱穩定且與自由層110’較靠近非 磁性間隔層120’的部分鐵磁性耦合，自由層110’整體為熱穩定。因此，可達成具熱穩定性與低臨界切換電流密度Jc0。磁性接面100’的效能亦因而被提升。
圖4繪示包括具有在臨界切換電流密度中的梯度且可利用自旋轉移來切換的自由層110”的磁性接面100”的另一示範實施例。為了圖式的清楚，圖4非按比例繪製。磁性接面100”類似於磁性接面100及/或100’。因此，相似的膜層以相似的符號表示。磁性接面100”包括分別類似於膜層110/110’、120/120’以及130/130’的自由層110”、非磁性間隔層120”以及固定層130”。在一些實施例中，可包括選擇性的種子層(未示出)、選擇性的固定層(未示出)及/或選擇性的覆蓋層(未示出)。磁性接面100”經組態以使自由層110”在寫入電流流經磁性接面100”時，可於多個穩定的磁性狀態之間切換。因此，自由層110”可利用自旋轉移力矩作切換。
除了膜層110”、120”以及130”之外，磁性接面100”包括額外的非磁性間隔層140與額外的固定層150。磁性接面100”因此成為雙磁性接面。非磁性間隔層140類似於間隔層120、120’以及120”。磁性接面可例如是雙磁性穿隧接面或是雙自旋閥。固定層150類似於固定層130、130’以及130”。
自由層110”具有類似於自由層110及110’在臨界切換電流密度中的梯度。然而，磁性接面100”具有兩個非磁性間隔層120”與140。自由層110”的臨界切換電流密度在較靠近非磁性間 隔層120”及140時較低。因此，最高的臨界切換電流密度位於或是接近於在z方向上的自由層110”的中間。當接近非磁性間隔層120”與140時，臨界切換電流密度下降。在一些實施例中，臨界切換電流Jc0至少在z方向上單調地向自由層110”的中心方向增加。增加的變化可為線性或是跟隨另一條曲線。在一些實施例中，臨界切換電流密度Jc0在特定部分的自由層110”上可保持不變。然而，臨界切換電流密度Jc0並非在整個自由層110”上皆為一致。在一些實施例中，自由層110”的熱穩定性亦具有梯度。如同臨界切換電流密度Jc0，熱穩定性亦隨著愈加遠離非磁性間隔層120”與140而增加。在一些實施例中，熱穩定性以與臨界切換電流密度Jc0相同的方式增加。然而，在其他實施例中，熱穩定性可以其他方式改變。
磁性接面100”與磁性接面100及/或100’可具有共同的優點。因為在臨界切換電流密度Jc0中的梯度，自由層110”的多個部份之間鐵磁性地耦合，自由層110”的整體切換電流可被減少。在一些實施例中，臨界切換電流密度的總和可為1×106A/cm2。因為自由層110”較遠離非磁性間隔層120”與140的磁性部分為熱穩定，並且與自由層110”較靠近非磁性間隔層120”及140的部分鐵磁性地耦合，自由層110”整體為熱穩定。因此，可達成具熱穩定性與較低的臨界切換電流密度Jc0。磁性接面100”的效能可因此被提升。
如上述討論，具有在臨界切換電流密度中的梯度的自由 層110、110’及/或110”可以多種方法達成。圖5及7~13繪示各種這樣的機制的實施例。圖5繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度且可利用自旋轉移來切換並具有多層的自由層200的一示範實施例。自由層200使用於自由層110、110’及110”的其中一層或多層。自由層200包括與非磁性層201、203、205及207交錯的磁性層202、204、206、208及210。磁性層202、204、206、208及210可因此包括鈷(Co)、鐵(Fe)及/或鎳(Ni)。雖然圖式示出五層的磁性層202、204、206、208、210以及四層的非磁性層201、203、205、207，亦可使用其他數量的磁性層及/或非磁性層。如上述討論，磁性層202、204、206、208及210可經組態以使磁異向性Hk由磁性層202增加至磁性層210，並使飽和磁化量Ms由磁性層202增加至磁性層210，或是磁異向性Hk及飽合磁化量Ms的組合由磁性層202至磁性層210共同增加。如此一來，臨界切換流密度由磁性層202增加至磁性層210。臨界切換電流密度因此隨著與非磁性間隔層(圖5未示)之間距離的增加而增加。類似地，磁性層202、204、206、208及210的熱穩定性可隨著與非磁性間隔層之間距離的增加而增加。此外，在圖五中，對於基板(未示出)無任何預設的特定關係。
圖6繪示表示具有厚度層且可利用自旋轉移來切換的磁性材料的材料性質變化的例子的相圖215。請參考圖5與圖6，曲線216表示磁異向性Hk，同時曲線217表示飽和磁化量Ms的變化。飽和磁化量Ms與磁異向性Hk皆隨磁性層的厚度而改變。可 選擇在自由層200之中磁性層202、204、206、208及210的磁性材料的厚度，以使飽合磁化量Ms與磁異向性Hk的組合造成較靠近非磁性間隔層的膜層具有比較遠離非磁性間隔層的膜層更高的臨界切換電流密度Jc0。因此，在一些實施例中，在臨界切換電流密度中的梯度可藉由不同厚度的膜層202、204、206、208以及210及/或不同厚度的膜層201、203、205及207來提供。
在其他實施例中，可改變使用於膜層201、202、203、204、205、206、207、208及210的材料。舉例而言，膜層202可包括具有不超過百分之三十的硼摻雜濃度的鈷鐵硼(CoFeB)，同時膜層204、206、208及210可包括其他例如是鈷化合物(CoX)和鐵化合物(FeX)的磁性材料。在一些實施例中，硼的組成可隨膜層的厚度改變。在一些實施例中，鈷鐵硼的硼摻雜濃度不超過百分之十。對於一個經加強的垂直磁異向性而言，鈷或鐵層可與鉑及/或鉛非磁性層201、203、205及207交錯。在一些這種實施例中，非磁性層201、203、205及207的厚度可至少為兩埃(angstrom)。然而，非磁性絕緣層的所需厚度可為不超過1.5奈米(nm)。在一些這種實施例中，非磁性絕緣層的所需厚度可為不超過1奈米。在一些實施例中，例如是氧化鎂的絕緣層可用在非磁性層201、203、205及207。在這種實施例中，膜層202、204、206、208及/或210的垂直磁異向性亦可被加強。然而，為了保持膜層202、204、206、208及210之間的交互耦合，絕緣非磁性層的厚度201、203、205及207可為較薄。例如，絕緣非磁性層201、203、205 及207的厚度可不超過8埃厚。然而，亦可能為其他厚度。若氧化鎂使用於絕緣層201、203、205及207，氧化鎂層201、203、205及207可各自為至少四埃且不超過十四埃的厚度。在其他實施例中，可使用膜層201、202、203、204、205、206、207、208及210的材料與厚度變化的組合。舉例而言，非磁性層201、203、205及207可包括以射頻(radio-frequency,RF)沉積氧化鎂層、氧化鎂與氮氧化物(NOX)層以及氧化鎂混合物層，其包括鎂、鎂與氮氧化物以及射頻氧化鎂。在這種實施例中，上述化合物的對象X可為硼(B)、磷(P)、矽(Si)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鈦(Ti)、鉍(Bi)、鎂(Mg)、鉻(Cr)、釕(Ru)、鍺(Ge)、鋨(Os)、鎢(W)、銠(Rh)、銥(Ir)、鋅(Zn)、釩(V)、鈮(Nb)、鉬(Mo)及銣(Rb)的其中一個或多個。或者，可採取改變膜層201、202、203、204、205、206、207、208及210其他參數的方式以在臨界切換電流密度之中取得理想的梯度。
舉例而言，圖7繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度並可利用自旋轉移來切換且包括多層的自由層220的一示範實施例。自由層220可用在自由層110、110’、110”及200的其中一層或多層。自由層220包括與非磁性層221、223、225及227交錯的磁性層222、224、226、228及230。雖然圖式示出五層的磁性層222、224、226、228及230與四層的非磁性層221、223、225及227，亦可使用其他數量的磁性及/或非磁性層。膜層221、222、223、224、225、226、227、228及230分別類似於膜層201、202、 203、204、205、206、207、208及210。此外，在圖7中，對於基板(未示出)無任何預設的特定關係。
在圖7所示的實施例中，磁性層222、224、226、228及230的厚度隨著與非磁性間隔層(圖7未示)之間距離增加而增加。在一些實施例中，可改變膜層221、222、223、224、225、226、227、228及/或230所使用的材料。非磁性層的厚度221、223、225及227的厚度則實質上地保持不變。可選擇磁性層222、224、226、228及230的磁性材料與厚度值以使較厚的膜層具有較高的臨界切換電流(例如是較高的垂直異向性及/或較高的飽和磁化量)。此外，較厚的膜層可具有較好的熱穩定性。如此一來，臨界切換電流密度由膜層222增加至230以使鄰界切換電流密度隨著與非磁性間隔層(圖7未示)之間距離的增加而增加。類似地，磁性層222、224、226、228及230的熱穩定性可隨著與非磁性結構層之間距離的增加而增加。這也說明自由層220的垂直磁異向性大於出平面的消磁能。因此，自由層220的磁矩可垂直於平面(也就是說實質上地沿著z軸)。
圖8繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度並可利用自旋轉移來切換且包含多層的自由層220’的一示範實施例。自由層220’類似於且可使用於自由層110、110’、110”、200及220其中的一層或多層。自由層220’包括與非磁性層221’、223’、225’及227’交錯的磁性層222’、224’、226’、228’及230’。雖然圖式示出五層的磁性層222’、224’、226’、228’及230’及四層的非磁性層 221’、223’、225’及227’，亦可使用其他數量的磁性及/或非磁性層。膜層221’、222’、223’、224’、225’、226’、227’、228’及230’分別類似於膜層201/221、202/222、203/223、204/224、205/225、206/226、207/227、208/228及210/230。此外，圖8中，對於基板(未示出)沒有假設任何特定關係。
在圖8所示的實施例中，磁性層222’、224’，226’、228’及230’的厚度隨著與非磁性間隔層(圖8未示)之間距離的增加而增加。在一些實施例中，膜層221’、222’、223’、224’、225’、226’、227’、228’及/或230’中所使用的材料亦可不同。非磁性層221’、223’、225’及227’的厚度實質上地保持不變。可選擇磁性層222’、224’、226’、228’及230’的磁性材料與厚度值以使較薄的膜層具有較高的臨界切換電流(例如是較高的垂直異向性及/或較高的飽和磁化量)。此外，較薄的膜層具有較好的熱穩定性。如此一來，臨界切換電流密度由膜層222’減少至膜層230’以使臨界切換電流密度隨著與非磁性間隔層(圖8未示)之間的距離增加而增加。類似地，磁性層222’、224’，226’、228’及230’的熱穩定性可隨著與非磁性間隔層之間距離的增加而增加。這也說明自由層220’的垂直磁異向性可大於出平面消磁能。因此，自由層220’的磁矩可垂直於平面(也就是實質上地沿著z軸)。
圖9繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度並可利用自旋轉移來切換且包括多層的自由層240的一示範實施例。自由層240類似於且可用於自由層110、110’、110”、200、220及220’ 的其中一層或多層。自由層240包括與非磁性層241、243、245及247交錯的磁性層242、244、246、248及250。雖然圖式示出五層的磁性層242、244、246、248及250及四層的非磁性層241、243、245及247，亦可使用其他數量的磁性及/或非磁性層。膜層241、242、243、244、245、246、247、248及250分別類似於膜層201/221/221’、202/222/222’、203/223/223’、204/224/224’、205/225/225’、206/226/226’、207/227/227’、208/228/228’及210/230/230’。此外，圖9中，對於基板(未示出)沒有假設任何特定關係。
在圖9所示的實施例中，非磁性層241、243、245及247的厚度隨著與非磁性間隔層(圖9未示)之間距離的增加而增加，在其他實施例中膜層241、243、245及247的厚度可以其他的方式作變化。在一些實施例中，膜層241、242、243、244、245、246、247、248及/或250中所使用的材料亦可不同。磁性層242、244、246、248及250的厚度實質上地保持不變。因為非磁性層241、243、245及247厚度的變化，可改變整個自由層240的膜層242、244、24、248及250之間的磁性耦合。如此一來，臨界切換電流密度由膜層242減少至膜層250以使臨界切換電流密度隨著與非磁性間隔層(圖9未示)之間的距離增加而增加。類似地，磁性層242、244、246、248及250的熱穩定性可隨著與非磁性間隔層之間距離的增加而增加。這也說明自由層240的垂直磁異向性可大於出平面消磁能。因此，自由層240的磁矩可垂直於平面(也 就是實質上地沿著z軸)。
圖10繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度並可利用自旋轉移來切換且包括多層的自由層260的一示範實施例。自由層260類似於且可用於自由層110、110’、110”、200、220、220’及240的其中一層或多層。自由層260包括與非磁性層261、263、265及267交錯的磁性層262、264、266、268及270。雖然圖式示出五層的磁性層262、264、266、268及270及四層的非磁性層261、263、265及267，亦可使用其他數量的磁性及/或非磁性層。膜層261、262、263、264、265、266、267、268及270分別類似於膜層201/221/221’/241、202/222/222’/242、203/223/223’/243、204/224/224’/244、205/225/225’/245、206/226/226’/246、207/227/227’/247、208/228/228’/248及210/230/230’/250。此外，圖10中，對於基板(未示出)沒有假設任何特定關係。
在圖10所示的實施例中，非磁性層261、263、265及267的厚度隨著與非磁性間隔層(圖10未示)之間距離的增加而增加。此外，磁性層262、264、266、268及270的厚度亦隨著與非磁性間隔層之間的距離而變化。在其他實施例中，膜層261、262、263、264、265、266、267、268及/或270的厚度可以其他的方式作變化。在一些實施例中，膜層261、262、263、264、265、266、267、268及/或270中所使用的材料亦可不同。因為膜層261、262、263、264、265、266、267、268及/或270厚度的變化，可改變整個自由層260的磁性耦合、磁異向性及/或飽和磁化量。如此一來，臨 界切換電流密度由膜層262減少至膜層270以使臨界切換電流密度隨著與非磁性間隔層(圖10未示)之間的距離增加而增加。類似地，磁性層262、264、266、268及270的熱穩定性可隨著與非磁性間隔層之間距離的增加而增加。這也說明自由層260的垂直磁異向性可大於出平面消磁能。因此，自由層260的磁矩可垂直於平面(也就是實質上地沿著z軸)。
圖11繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度並可利用自旋轉移來切換且包括多層的自由層260’的一示範實施例。自由層260’類似於且可用於自由層110、110’、110”、200、220、220’、240及260的其中一層或多層。自由層260’包括與非磁性層261’、263’、265’及267’交錯的磁性層262’、264’、266’、268’及270’。雖然圖式示出五層的磁性層262’、264’、266’、268’及270’及四層的非磁性層261’、263’、265’及267’，亦可使用其他數量的磁性及/或非磁性層。膜層261’、262’、263’、264’、265’、266’、267’、268’及270’分別類似於膜層201/221/221’/241/261、202/222/222’/242/262、203/223/223’/243/263、204/224/224’/244/264、205/225/225’/245/265、206/226/226’/246/266、207/227/227’/247/267、208/228/228’/248/268及210/230/230’/250/270。此外，圖11中，對於基板(未示出)沒有假設任何特定關係。
在圖11所示的實施例中，磁性層262’、264’、266’、268’及270’的厚度隨著與非磁性間隔層(圖11未示)之間距離的增加 而減少。此外，非磁性層261’、263’、265’及267’的厚度亦隨著與非磁性間隔層之間的距離而變化。在其他實施例中膜層261’、262’、263’、264’、265’、266’、267’、268’及/或270’的厚度可以其他的方式作變化。在一些實施例中，膜層261’、262’、263’、264’、265’、266’、267’、268’及/或270’中所使用的材料亦可不同。因為膜層261’、262’、263’、264’、265’、266’、267’、268’及/或270’厚度的變化，可改變整個自由層260’的磁性耦合、磁異向性及/或飽和磁化量。如此一來，臨界切換電流密度由膜層262’減少至膜層270’以使臨界切換電流密度隨著與非磁性間隔層(圖11未示)之間的距離增加而增加。類似地，磁性層262’、264’、266’、268’及270’的熱穩定性可隨著與非磁性間隔層之間距離的增加而增加。這也說明自由層260’的垂直磁異向性可大於出平面消磁能。因此，自由層260’的磁矩可垂直於平面(也就是實質上地沿著z軸)。
圖12繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度並可利用自旋轉移來切換且包括多層的自由層300的一示範實施例。然而，圖12中，對於基板(未示出)沒有假設任何特定關係。自由層300類似於且可用於自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260及260’的其中一層或多層。自由層300包括與非磁性層301、303、305及307交錯的磁性層302、304、306、308及310。雖然圖式示出五層的磁性層302、304、306、308及310及四層的非磁性層301、303、305及307，亦可使用其他數量的磁性及/或非磁 性層。膜層301、302、303、304、305、306、307、308及310分別類似於膜層201/221/221’/241/261/261’、202/222/222’/242/262/262’、203/223/223’/243/263/263’、204/224/224’/244/264/264’、205/225/225’/245/265/265’、206/226/226’/246/266/266’、207/227/227’/247/267/267’、208/228/228’/248/268/268’及210/230/230’/250/270/270’。在圖12所示的實施例中，膜層301、302、303、304、305、306、307、308及310的厚度可如同上述討論的方式改變。此外，膜層301、302、303、304、305、306、307、308及310中所使用的材料可依在臨界切換電流密度及其他性質中所欲達成的梯度作調整。這也說明自由層300的垂直磁異向性可大於出平面消磁能。因此，自由層300的磁矩可垂直於平面(也就是實質上地沿著z軸)。
此外，自由層300包括磁性插入層320。這層磁性插入層320鄰接非磁性間隔層(圖12未示)。在其他實施例中，磁性插入層320可位於自由層300的其他地方。額外的磁性插入層(未示出)亦可被使用。自由層300亦包括非磁性層309，其介於最靠近的磁性層302與磁性插入層320之間。所示的磁性插入層320可具有大於其餘膜層302、304、306、308及310的加強的自旋極化。舉例而言，磁性插入層320可包括具有含硼原子百分比不超過三十的鈷鐵硼。在一些實施例中，鈷鐵硼中的硼摻雜濃度不超過百分之十。在其他實施例中，磁性插入層320可包括鈷或鐵。
在圖12所示的實施例中，臨界切換電流密度隨著與非磁 性間隔層(圖12未示)之間距離的增加而增加。類似地，自由層300的熱穩定性可隨著與非磁性間隔層之間距離的增加而增加。此外，自由層300由於具有高自旋極性的磁性插入層320的存在而呈現增強的切換特性及/或增強的穿隧磁阻。
圖13繪示具有在臨界切換電流密度中的梯度並可利用自旋轉移來切換且包括多層的自由層300’的一示範實施例。然而，圖13中，對於基板(未示出)沒有假設任何特定關係。自由層300’類似於且可用於自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’及300的其中一層或多層。自由層300’包括與非磁性層301’、303’、305’及307’交錯的磁性層302’、304’、306’、308’及310’。雖然圖式示出五層的磁性層302’、304’、306’、308’及310’及四層的非磁性層301’、303’、305’及307’，亦可使用其他數量的磁性及/或非磁性層。膜層301’、302’、303’、304’、305’、306’、307’、308’及310’分別類似於膜層201/221/221’/241/261/261’/301、202/222/222’/242/262/262’/302、203/223/223’/243/263/263’/303、204/224/224’/244/264/264’/304、205/225/225’/245/265/265’/305、206/226/226’/246/266/266’/306、207/227/227’/247/267/267’/307、208/228/228’/248/268/268’/308及210/230/230’/250/270/270’/310。在圖13所示的實施例中，膜層301’、302’、303’、304’、305’、306’、307’、308’及310’的厚度可以上述討論的方式改變。此外，膜層301’、302’、303’、304’、350’、306’、307’、308’及310’中所使用的材料可依在臨界切換電 流密度及其他性質中所欲達成的梯度作調整。這也說明自由層300’的垂直磁異向性可大於出平面消磁能。因此，自由層300’的磁矩可垂直於平面(也就是實質上地沿著z軸)。
此外，自由層300’包括類似於磁性插入層320的磁性插入層320’。這層磁性插入層320’鄰接非磁性間隔層(圖12未示)。在其他實施例中，磁性插入層320’可位於自由層300’的其他地方。額外的磁性插入層(未示出)亦可被使用。所示的磁性插入層320’可具有大於其餘膜層302’、304’、306’、308’及310’的增強的自旋極化。舉例而言，磁性插入層320’可包括具有含硼原子百分比不超過十的鈷鐵硼。在一些實施例中，鈷鐵硼中的硼摻雜濃度不超過百分之十。在其他實施例中，磁性插入層320’可包括鈷或鐵。
在圖13所示的實施例中，臨界切換電流密度隨著與非磁性間隔層(圖13未示)之間距離的增加而增加。類似地，自由層300’的熱穩定性可隨著與非磁性間隔層之間距離的增加而增加。此外，自由層300’由於具有高自旋極性的磁性插入層320’的存在而呈現增強的切換特性及/或增強的穿隧磁阻。
因此，自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及300’可以用在例如是磁性接面100、100’及100”的磁性接面。因為在臨界切換電流中的梯度以及多個部份的自由層之間的鐵磁性耦合，自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及300’的整體切換電流密度可被減少。此外， 自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及/或300’保持熱穩定。因此，雖然部份的自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及/或300’可能會具有較高的切換電流(一般不期望發生)，合併臨界切換電流密度與部份或整層的自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及/或300’之間鐵磁性耦合的效應造成一般自由層所無法達成的較低的切換電流總和，且可以不犧牲自由層的熱穩定性。所以，臨界接面100、100’及/或100”的效能可被提升。
此外，可使用磁性接面100、100’及/或100”及自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及/或300’於磁性記憶體。圖14繪示一種記憶體400的一示範實施例。磁性記憶體400包括讀取\寫入行選擇驅動器402與406以及字元線選擇驅動器404。需一提的是，可提供其他及/或相異的構件。磁性記憶體400的儲存區域包括磁性儲存單元410。各個磁性儲存單元包括至少一個磁性接面412及至少一個選擇裝置414。在一些實施例中，選擇裝置414為電晶體。磁性接面412可包括磁性接面磁性接面100、100’及/或100”及自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及/或300’。雖然每個磁性儲存單元410繪示一個磁性接面412，在其他實施例中，每個磁性儲存單元410可提供其他數量的磁性接面412。
因為磁性記憶體400使用磁性接面100、100’及/或100”及自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、 300及/或300’，效能可被提升。特別是，可使用較低的切換電流且同時保持記憶體400的熱穩定性。
圖15繪示例如是磁性接面100、100’及/或100”的製造方法500的示範實施例。為了描述上的簡潔，某些步驟可被省略、合併及/或交錯。方法500是以磁性接面100為背景來描述。然而，方法100亦可使用於其他例如是接面100’及/或100”的磁性接面。此外，方法500可納入磁性記憶體的製造中。因此，方法500可被使用於製造自旋轉移力矩隨機存取記憶體400或是其他磁性記憶體。方法500亦可包括提供選擇性的種子層、選擇性的覆蓋層以及選擇性的固定層(未示出)。
透過步驟502提供自由層110。步驟502可包括以自由層110所需的厚度沉積所需的材料。更詳細地說，所提供的自由層具有在臨界切換電流密度中所需的梯度。在步驟502中，膜層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及/或300’被製造。步驟502可包括使用膜層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及/或300’的其中一層或多層以提供合成反鐵磁性層。透過步驟504提供非磁性層120。步驟504可包括沉積所需的非磁性材料包括但不限定於結晶氧化鎂。此外，在步驟504中，可沉積所需的材料厚度。
透過步驟506提供固定層130，步驟506可包括以固定層130所需的厚度沉積所需的材料。此外，步驟508可包括提供合成反鐵磁性層。
透過步驟508完成製造。在一些實施例中，步驟508包製造額外的間隔層例如是膜層140以及額外的固定層例如是膜層150。選擇性的覆蓋層及/或是其他膜層可沉積於步驟508。因此，使用方法500，可實現磁性接面100、100’及/或100”及自由層110、110’、110”、200、220、220’、240、260、260’、300及300’的優點。
已描述一種用於提供具有在臨界切換電流中的梯度的自由層、使用此自由層的磁性接面以及利用此磁性接面所製造的記憶體的方法與系統。已根據所示的示範實施例來描述系統與方法，並所屬領域具通常知識者將易於明白上述的實施例可有所變化，且任何方法與變化是在上述方法與系統的精神與範圍內。因此，在不脫離所附申請範圍的精神與範圍下，可藉所屬領域具通常知識者進行多種的修改與調整。
100’‧‧‧磁性接面
102’‧‧‧基板
110’‧‧‧自由層
111’‧‧‧磁矩
120’‧‧‧非磁性間隔層
130’‧‧‧固定層
131’‧‧‧磁矩
Hk‧‧‧磁異向性
Jc0‧‧‧臨界切換電流密度
Ms‧‧‧飽和磁化量

Claims (44)

  1. 一種磁性接面，適用於磁性裝置中，包括：固定層；非磁性間隔層；以及自由層，具有在臨界切換電流密度中的梯度以使所述自由層的第一部分的第一臨界切換電流密度低於所述自由層的第二部份的第二臨界切換電流密度，且所述自由層的所述第二部份比所述自由層的所述第一部份更遠離所述非磁性間隔層，其中所述磁性接面經組態以使所述自由層在寫入電流流經所述磁性接面時能夠於多個穩定的磁性狀態之間切換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述自由層包括多層的磁性層，所述多層的磁性層的第一層對應至所述自由層的所述第一部份，所述多層的磁性層的第二層對應至所述自由層的第二部份，所述第二層較所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述多層的磁性層具有熱穩定性梯度以使所述第一層的第一熱穩定性低於所述第二層的第二熱穩定性，且所述第二層較所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中在所述臨界切換電流密度中的所述梯度對應至在磁異向性中的異向梯度以使所述第一層的第一磁異向性低於所述第二層的第二磁異向性，且所述第二層較所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中在所述臨界切換電流密度中的所述梯度對應至在飽和磁化量中的磁性梯度以使所述第一層的第一飽和磁化量低於所述第二層的第二飽和磁化量，且所述第二層較所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中在所述臨界切換電流密度中的所述梯度對應至在磁異向性中的異向梯度以及在飽和磁化量中的磁性梯度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的磁性接面，其中所述異向梯度為所述至少一所述第一層的第一磁異向性低於所述第二層的第二磁異向性，且所述第二層較所述第一層更遠離所述非磁性間隔層，以及所述第一層的第一飽和磁化量低於所述第二層的第二飽和磁化量，且所述第二層比所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  8. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述自由層具有垂直磁異向性及出平面消磁能，所述垂直磁異向性大於所述出平面消磁能。
  9. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述多層的磁性層具有多個厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度大於所述第二厚度。
  10. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述多層的磁性層具有多種組成。
  11. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述自由層更包括與所述多層的磁性層交錯的多層的非磁性層。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的磁性接面，其中所述多層的非磁性子層包括鉛(Pb)、鉑(Pt)、鉍(Bi)、鋱(Tb)的至少其中 一個。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的磁性接面，其中所述多層的非磁性層具有一樣的厚度，且其中所述多層的磁性層具有多個厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度小於所述第二厚度。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的磁性接面，其中所述多層的非磁性層具有一樣的厚度，且其中所述多層的磁性層具有多個厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度大於所述第二厚度。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的磁性接面，所述多層的磁性層具有一樣的厚度，且其中所述多層的非磁性層具有多個厚度，所述多層的非磁性層的第一非磁性層較所述多層的非磁性層的第二非磁性層更接近所述非磁性分隔層，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度小於所述第二厚度。
  16. 如申請專利範圍第11項所述的磁性接面，其中多層的非磁性層包括鈷(Co)、鐵(Fe)及鎳(Ni)的至少其中一個。
  17. 如申請專利範圍第11項所述的磁性接面，其中所述自由層更包括：磁性插入層，由(Co)、鐵(Fe)、鐵鈷(CoFe)、硼化鐵(FeB)，硼化鈷(CoB)以及鈷鐵硼(CoFeB)的至少其中一個所構成。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的磁性接面，其中所述磁性插入層鄰接於所述非磁性間隔層。
  19. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，更包括： 額外的非磁性間隔層，所述自由層在所述非磁性間隔層與所述額外的非磁性間隔層之間；以及額外的固定層，所述額外的非磁性間隔層在所述自由層與所述額外的固定層之間，其中在所述自由層中的所述多層的磁性層包括第三層，所述第三層具有小於所述多層的磁性層的所述第二層的所述第二臨界切換電流密度的第三臨界切換電流密度，且所述第三層較所述第二層更接近所述額外的非磁性間隔層。
  20. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述自由層包括具有至少一鐵磁性材料與至少一其他材料的合金，所述至少一鐵磁性材料具有在濃度中的至少一第一梯度，且所述至少一其他材料具有在濃度中的至少一第二梯度以使所述自由層在所述臨界切換電流密度中具有所述梯度。
  21. 一種磁性記憶體，包括：多個磁性儲存單元，每一所述多個磁性儲存單元包括至少一磁性接面，所述至少一磁性接面包括固定層、非磁性間隔層以及自由層，所述自由層具有在臨界切換電流密度中的梯度以使所述自由層的第一部分的第一臨界切換電流密度低於所述自由層的第二部份的第二臨界切換電流密度，且所述第二部份較所述第一部分更遠離所述非磁性間隔層，所述磁性接面經組態以使所述自由層在寫入電流流經所述磁性接面時，能夠於多個穩定的磁性狀態之間切換；以及多條位元線。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的磁性記憶體，其中所述自由層包括多層的磁性層，所述多層的磁性層的第一層對應至所述 自由層的所述第一部份，所述多層的磁性層的第二層對應至所述自由層的所述第二部份，所述第二層比所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  23. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體，其中所述多層的磁性層具有熱穩定性梯度以使所述第一層的第一熱穩定性低於所述第二層的第二熱穩定性，且所述第二層較所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  24. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體，其中在所述臨界切換電流密度中的所述梯度對應至在磁異向性中的異向梯度以使所述第一層的第一磁異向性低於所述第二層的第二異磁向性，且所述第二層較所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  25. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體，其中在所述臨界切換電流密度中的所述梯度對應至在飽和磁化量中的磁性梯度以使所述第一層的第一飽和磁化量低於所述第二層的第二飽和磁化量，且所述第二層較所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  26. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體，其中在所述臨界切換電流密度中的所述梯度對應至在磁異向性中的異向梯度以及在飽和磁化量中的磁性梯度。
  27. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體，其中所述自由層具有垂直磁異向性及出平面消磁能，所述垂直磁異向性大於所述出平面消磁能。
  28. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體，其中所述多層的磁性層具有多個厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度大於所述第二厚度。
  29. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體，其中所述多層的磁性層具有多種組成。
  30. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體，其中所述自由層更包括與所述多層的磁性層交錯的多層的非磁性層。
  31. 如申請專利範圍第30項所述的磁性記憶體，其中所述多層的非磁性子層包括鉛(Pb)、鉑(Pt)、鋱(Tb)、鉍(Bi)的至少其中一個。
  32. 如申請專利範圍第30項所述的磁性記憶體，其中多層的非磁性層具有一樣的厚度，且其中所述多層的磁性層具有多個厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度小於所述第二厚度。
  33. 如申請專利範圍第32項所述的磁性記憶體，其中所述多層的非磁性層具有一樣的厚度，且其中多層的非磁性層具有多個厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度大於所述第二厚度。
  34. 如申請專利範圍第32項所述的磁性記憶體，其中所述多層的磁性層具有一樣的厚度，且其中所述多層的非磁性層具有多個厚度，所述多層的非磁性層的第一非磁性層較所述多層的非磁性的第二非磁性層更靠近所述非磁性間隔層，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度小於所述第二厚度。
  35. 如申請專利範圍第32項所述的磁性記憶體，其中所述自由層更包括：磁性插入層，由(Co)、鐵(Fe)、鐵鈷(CoFe)、硼化鐵(FeB)， 硼化鈷(CoB)以及鈷鐵硼(CoFeB)的至少其中一個所構成。
  36. 如申請專利範圍第22項所述的磁性記憶體，其中所述至少一磁性接面更包括：額外的非磁性間隔層，所述自由層在所述非磁性間隔層與所述額外的非磁性間隔層之間；以及額外的固定層，所述額外的非磁性間隔層在所述自由層與所述額外的固定層之間，其中在所述自由層的所述多層的磁性層包括第三層，所述第三層具有小於所述多層的磁性層的所述第二層的所述第二臨界切換電流密度的第三臨界切換電流密度，且所述第三層比所述第二層更接近所述額外的非磁性間隔層。
  37. 如申請專利範圍第21項所述的磁性記憶體，其中所述自由層包括具有至少一鐵磁性材料與至少一其他材料的合金，所述至少一鐵磁性材料具有在濃度中的至少一第一梯度，且所述至少一其他材料具有在濃度中的至少一第二梯度以使所述自由層在所述臨界切換電流密度中具有所述梯度。
  38. 一種用以提供磁性接面的方法，適用於磁性裝置中，包括：提供固定層；提供非磁性間隔層；以及提供具有在臨界切換電流密度中具有梯度的自由層以使所述自由層的第一部分的第一臨界切換電流密度低於所述自由層的第二部份的第二臨界切換電流密度，且所述第二部份比所述第一部份更遠離所述非磁性間隔層，其中所述磁性接面經組態以使所述自由層在寫入電流流經所述磁性接面時能夠於多個穩定的磁性狀 態之間切換。
  39. 如申請專利範圍第38項所述的提供磁性接面的方法，其中所述自由層包括多層的磁性層，所述多層的磁性層的第一層對應至所述自由層的所述第一部份，所述多層的磁性層的第二層對應至所述自由層的所述第二部份，所述第二層較所述第一層更遠離所述非磁性間隔層。
  40. 如申請專利範圍第38項所述的提供磁性接面的方法，其中所述自由層包括具有至少一鐵磁性材料與至少一其他材料的合金，所述至少一鐵磁性材料具有在濃度中的至少一第一梯度，且所述至少一其他材料具有在濃度中的至少一第二梯度以使所述自由層在所述臨界切換電流密度中具有所述梯度。
  41. 如申請專利範圍第40項所述的提供磁性接面的方法，其中提供所述自由層的步驟更包括：共濺鍍至少一磁性材料與來自多種濺鍍靶材的至少一其他材料。
  42. 如申請專利範圍第40項所述的提供磁性接面的方法，其中提供所述自由層的步驟更包括：沉積所述自由層；以及在所述沉積所述自由層的步驟之後退火處理所述自由層。
  43. 如申請專利範圍第42項所述的提供磁性接面的方法，其中所述退火處理所述自由層的步驟更包括：就地退火處理所述自由層。
  44. 如申請專利範圍第42項所述的提供磁性接面的方法，其中所述退火處理所述自由層的步驟更包括： 易地退火處理所述自由層。
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