TWI446341B - 用於提供具有壓合自由層之磁穿隧接面元件之方法和系統以及使用該磁性元件之記憶體 - Google Patents

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Description

用於提供具有壓合自由層之磁穿隧接面元件之方法和系統以及使用該磁性元件之記憶體
本發明係有關一種用於提供具有壓合自由層之磁穿隧接面元件之方法和系統以及使用該磁性元件之記憶體。
由於磁性記憶體(尤其是磁性隨機存取記憶體(MRAM))在操作期間所表現出的高讀取/寫入速度、優異的耐用性、非揮發性及低功耗之潛力，使其已引起越來越多的關注。MRAM可利用磁性材料作為資訊記錄媒體來儲存資訊。一種MRAM類型係自旋轉移力矩隨機存取記憶體(STT-RAM)。STT-RAM藉由驅動電流流過該磁性元件而至少局部寫入磁性元件。
舉例而言，第1圖描繪可用於習知STT-RAM中的習知磁穿隧接面(magnetic tunneling junction；MTJ)10。該習知MTJ 10通常位於底部接點11上，使用習知的晶種層12且包含習知的反鐵磁性層(AFM)14、習知的壓固層(pinned layer)16、習知的穿隧阻障層18、習知的自由層20以及習知的罩蓋層22。第1圖中亦顯示頂部接點24。
習知的接點11與24係用以在電流垂直於表面(current-perpendicular-to-plane；CPP)的方向上或沿著第1圖所示的z軸方向驅動電流。該習知的穿隧阻障層18係非磁性的且係例如薄絕緣體(如氧化鎂)。該習知的晶種層12通常係用以輔助生長後續具有所需之晶體結構的層，如AFM層14。該習知自由層20直接曝露於該頂部接點24可能造成不規律的介面、磁性無感區域(dead magnetic region)以及阻尼的增加。因此，在沉積頂部接點24之前，習知的罩蓋層22係直接設置於該自由層20上。此習知的罩蓋層22作為擴散阻擋並且改善該習知自由層24的表面品質。
該習知壓固層16與習知自由層20係磁性的。該習知壓固層16的磁化作用17典型上係由與該AFM層14的交換偏移交互作用而固定或壓固於特定方向。儘管描繪為簡單(單一)的層，但是該習知壓固層16可包含多層。舉例而言，該習知壓固層16可為包含磁性層的合成反鐵磁性(synthetic antiferromagnetic；SAF)層，該磁性層係以反鐵磁性或鐵磁性的方式透過如釕(Ru)的薄導電層耦合。在此類SAF中，可採用內插有釕薄層之多個磁性層。再者，其他版本的習知MTJ 10可包含額外的壓固層(未圖示)，該額外的壓固層藉由額外非磁性阻障或導電層(未圖示)而與該自由層20分隔。
該習知自由層20具有可改變的磁化作用21。儘管描繪為簡單的層，但是該習知自由層20亦可包含多層。舉例而言，該習知自由層20可為包含磁性層的合成層(synthetic layer)，該磁性層以反鐵磁性或鐵磁性的方式透過如釕(Ru)的薄導電層耦合。儘管顯示為在同平面(in-plane)，但是該習知自由層20的磁化作用21可具有垂直非等向性(perpendicular anisotropy)。舉例而言，可於該習知自由層20中引發垂直非等向性。倘若垂直面的消磁能量(out-of-plane demagnetization energy)超過有關該垂直非等向性之能量(垂直非等向性能量)，則該垂直非等向性可稱為局部垂直磁性非等向性(PPMA)。因此，儘管具有垂直於平面的非等向性，但是該磁化作用21仍保持在平面上。倘若垂直面的消磁能量小於該垂直非等向性能量，則該自由層20的磁化作用將會在垂直面(例如：在第1圖所示的z軸方向上)。欲得到垂直磁化作用21的理由有很多，如降低寫入該自由層20所需的電流密度。
STT-RAM中所使用的習知MTJ 10亦必須為熱穩定的。在潛伏期間(periods of latency)，熱擾動(thermal fluctuation)使得該習知自由層20內的磁矩發生振盪及/或旋進(precess)。此類熱擾動可能造成習知自由層20的磁化作用21反轉(reversal)，使得該習知MTJ 10不穩定。為了對抗此類熱擾動且提供熱穩定度，該自由層20中反向分隔磁化狀態的能量阻障係希望具有足夠的大小。典型上，可藉由確保該習知自由層20具有足夠體積而至少部份達到上述要求。此外，該自由層20通常具有與其本身有關的一些非等向性。該垂直面的消磁能量係關於與薄膜非等向性有關的形狀非等向性(shape anisotropy)，且通常將該自由層20的磁化作用局限在平面上。在第1圖所示的習知MTJ 10中，該習知自由層20可具有形狀非等向性，使得該自由層磁化作用21在沿著第1圖所示之x軸的方向上能夠穩定。再者，可能有額外的非等向性，例如與習知自由層20的晶體結構相關的額外非等向性。
儘管習知的磁性元件10可利用自旋轉移(spin transfer)被寫入且可用於STT-RAM中，但仍有缺點。一般而言，希望微縮至更高的記憶體密度，因此希望得到更小尺寸的習知磁性元件10。無論自由層磁化作用21係位在同平面或垂直面，磁化元件10的此類微縮化都可能有障礙。更具體而言，在該習知自由層20的磁化作用21位在同平面的情況下，寫入該習知磁性元件10所需的電流密度仍然相對較高，同時磁阻仍低於所需磁阻。對於該習知磁性元件中習知自由層20的磁化作用21垂直於平面的情況而言，微縮化亦可能有障礙。典型上，此類磁性元件10採用高沉積溫度，與該堆疊中其他層(如習知的阻障層18)的保存相牴觸。倘若欲採用結晶氧化鎂作為習知阻障層18(如一般所欲採用者)，則此類多層中所採用的材料亦可能受到限制。最終，此類磁性元件可具有不對稱RH迴路(asymmetric RH loops)，這並非用於磁性記憶體的情況中所樂見的。
因此，所需要的是能夠改善以自旋轉移力矩為基礎的記憶體之微縮化的方法與系統。本說明書所描述的方法與系統係針對解決此類需求。
本發明的例示實施例提供用於提供可使用於磁性裝置中的磁性子結構的方法與系統，以及使用該磁性子結構的磁性元件與記憶體。該磁性子結構包含複數層鐵磁性層(ferromagnetic layer)與複數層非磁性層(nonmagnetic layer)。該等鐵磁性層內插有該複數層非磁性層。該等鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定(chemically stable)。該等鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上亦無產生磁性無感層的交互作用(magnetically dead layer-producing interaction)。再者，該等非磁性層於該複數層鐵磁性層中引發垂直非等向性(vertical anisotropy)。當寫入電流(write current)通過該磁性子結構時，該磁性子結構係經組構為可在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
本發明的例示實施例係關於可使用於磁性裝置(如磁性記憶體)中的磁性元件以及使用此類磁性元件的裝置。以下內容使得於所屬技術領域中具有通常知識者能夠製造與使用本發明，且以專利申請案與其需求的背景提供。本說明書中所述的例示實施例與通用原則及特徵的各種修改將顯而易見。例示實施例主要針對以特殊實施方式所提供的特定方法與系統進行描述。然而，該方法與系統將可以其他實施方式有效地運作。如"例示實施例"、"一個實施例"、"另一實施例"等用語可能指相同的或不同的實施例與多個實施例。該等實施例將針對具有某些零件的系統及/或裝置進行描述。然而，該等系統及/或裝置可較所示者包含更多或更少零件，且可在不悖離本發明之範疇下對於零件排列且零件種類進行變化。亦在具有某些步驟的特定方法的背景下描述該等例示實施例。然而，該方法與系統對於具有不同及/或額外步驟或步驟順序與例示實施例不一致的其他方法亦能夠有效地運作。因此，本發明並非意圖限定於所示實施例，而意圖涵蓋與本說明所述之原則與特徵一致的最大範疇。
本說明書描述用於提供磁性子結構之方法與系統，以及利用該磁性子結構之磁性元件與磁性記憶體。該磁性子結構包含複數層鐵磁性層與複數層非磁性層。該等鐵磁性層內插有該等非磁性層。該等鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定。該等鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上沒有產生磁性無感層的交互作用。再者，該等非磁性層於該等鐵磁性層中引發垂直非等向性。當寫入電流通過該磁性子結構時，該磁性子結構係經組構為可在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
該等例示實施例在特定磁性子結構、磁性元件、及具有某些零件的磁性記憶體之背景下進行描述。於所屬技術領域中具有通常知識者將輕易地理解本發明係與使用具有其他及/或額外零件及/或其他與本發明不一致的特徵之磁性元件及磁性記憶體一致。本說明書中亦在目前所了解的自旋轉移(spin transfer)現象、層結構中的磁非等向性、及其他物理現象的背景下進行描述。因此，於所屬技術領域中具有通常知識者將輕易了解到本發明的方法及系統的行為的理論解釋係以目前所了解的自旋轉移、磁非等向性、及其他物理現象為基礎。然而，本說明書所述方法與系統並非取決於特定物理解釋。於所屬技術領域中具有通常知識者亦將輕易理解本說明書所述的方法與系統之結構係與基板有特定關係。然而，於所屬技術領域中具有通常知識者將輕易理解該方法與系統係與其他結構一致。此外，該方法與系統係以某些合成的及/或簡單的層的背景下進行描述。然而，於所屬技術領域中具有通常知識者將輕易理解到該等層可具有其他結構。再者，該方法與系統係以具有特定層的磁性元件及/或子結構的背景下進行描述。然而，於所屬技術領域中具有通常知識者將輕易理解到亦可使用具有與該方法與系統不一致的額外及/或不同層之磁性元件及/或子結構。此外，某些零件係描述為磁性的、鐵磁性的、及亞鐵磁性的。如本說明書中所使用者，術語「磁性的」可包含鐵磁性、亞鐵磁性的、或類似的結構。因此，如本說明書中所使用者，術語"磁性的"或"鐵磁性的"包含但不限定於鐵磁體及亞鐵磁體。該方法與系統亦以單一元件與子結構的背景下進行描述。然而，於所屬技術領域中具有通常知識者將輕易理解該方法與系統使用具有多個元件及使用多個子結構之磁性記憶體。再者，如本說明書中所使用者，"同平面(in-plane)"係實質上位於一層或多層磁性元件的平面內或平行於一層或多層磁性元件的平面。相反地，"垂直"對應於實質上垂直於該一層或多層磁性元件的方向。
除了上述現象以外，已確定某些罩蓋層(capping layer)22可於習知自由層20中引發PPMA。舉例而言，MgO罩蓋層22可於習知自由層20中引發PPMA。在某些此類磁性元件中，該自由層20的磁化作用可為共平面。當結合其他非等向性時，PPMA可能產生垂直於平面的習知磁化作用21。雖然稱為"局部(partial)"垂直磁性非等向性，但是PMMA實際上可造成完全垂直的磁化作用。對於使用PMMA且在共平面及垂直於平面的磁性元件兩者而言，該PMMA無法微縮至高記憶體密度。當磁性元件10微縮至更高的密度時，為了提供熱穩定度，該自由層將製造得更厚。在此類情況下，已經確定對於較厚的自由層21來說，該PPMA可能受到其他效應所主導。再者，使用MgO罩蓋可能具有寄生電阻，該寄生電阻係習知磁性元件10所增加的部份電阻。因此，尤其對於欲用以對該自由層提供垂直非等向性的PMMA而言，微縮化可能會有問題。儘管可能有其他的解決方案，但是此類解決方案一般具有某些缺點。舉例而言，解決這些問題的磁性元件可能包含大量材料，這些材料可能需要多個濺鍍目標(sputtering target)與其他可能很困難的處理過程。
第2圖描繪磁性裝置中所使用的磁性子結構100的例示實施例，如可用於磁性記憶體(如STT-RAM)中的磁性元件。該磁性子結構100包含內插有非磁性層104的鐵磁性層102。該鐵磁性層102與非磁性層104可被認為是結合成為一個或多個雙層110-i。在所示實施例中，有n個雙層110-1、110-2至110-n。在所示實施例中，顯示視需要的非磁性層101與視需要的鐵磁性層106。可省略該視需要的非磁性層101與視需要的鐵磁性層106的其中一者或兩者。取決於使用該磁性子結構100的裝置，所欲的底部層與頂部層可為鐵磁性的、所欲的底部層與頂部層皆可為非磁性的、僅所欲的底部層為磁性的、或者僅所欲的頂部層為磁性的。因此，該視需要的非磁性層101與視需要的鐵磁性層106可根據所欲的應用方式量身訂做該磁性子結構100。再者，希望該鐵磁性層106和該非磁性層101能夠分別與該鐵磁性層102和該非磁性層104一致。因此，以下針對該鐵磁性層102和該非磁性層104的討論亦可分別應用於層106和101。
該鐵磁性層102和非磁性層104相互混合且相互化學穩定。因此，該鐵磁性層102中所使用的磁性材料傾向不與該非磁性層104中所使用的非磁性材料混合。再者，該等鐵磁性層102並未與該非磁性層104發生化學交互作用而產生其他化合物。反之，該鐵磁性層102與非磁性層104形成乾淨的介面。換言之，該鐵磁性層102和該非磁性層104形成獨立的結構，而非形成合金結構。再者，於一些實施例中，磁性"無感(dead)"層並未在位於與非磁性層鄰接的介面處或靠近該介面處形成於該鐵磁性層102中。於此類實施例中，該鐵磁性層102與該非磁性層104無交互作用，使得此類無感層能夠形成於該介面處或靠近該介面處。於其他實施例中，欲提供經抑制磁化作用的鐵磁性層102，使得使用該磁性子結構的自由層具有經降低的磁化作用。於此類實施例中，可容許混合及形成磁性"無感"層。然而，亦可使用其他機制(如摻雜)，以提供具有經降低的磁化作用之鐵磁性層102。儘管顯示如第2圖所示的不同的層，但是在一些實施例中，該非磁性層104可能為非連續的。舉例而言，該非磁性層104可具有多個微孔(pinhole)。在其他實施例中，該等微孔具有足夠大的尺寸，使得該等非磁性層104可被視為本質上即為顆粒狀的。因此，非磁性層104可由多個島狀區(island)所形成。在此類實施例中，所欲的此類島狀區在z軸方向上的厚度不大於10埃(Angstrom)。再者，於一些實施例中，此類島狀區在z軸方向上的厚度可能不大於8埃。在此類實施例中，部份該鐵磁性層102可延伸穿過該非磁性層104，使得該等鐵磁性層102相互實體接觸。然而，在此類實施例中，於磁性子結構100對應於該鐵磁性層102的一些區域內，該非磁性島狀區的密度可能降到零。
可用於該非磁性層104以使得該磁性結構100具有上述性質之材料可包含如鋁、氮化鋁、氧化鋁、金、鉻、結晶氧化鎂、銅、摻雜的氧化鎂、氧化銦錫、鎂、鉬、氧化鎳、鈀、鉑、釕、二氧化釕、氧化矽、氮化矽、鉭、鉭、氮化鈦、氮化鈦、釩(V)、鎢(W)、釔(Y)的其中一種或多種材料。此外，該非磁性層104可為導電性材料(例如：金屬化物)或絕緣材料(例如：氧化物)。舉例而言，結晶氧化鎂可用於作為該等非磁性層104的其中一層或多層。在使用絕緣的非磁性層104的實施例中，宜具有非連續的非磁性層104，以降低該非磁性層104的電阻。可用於該鐵磁性層102以使得該磁性結構100具有上述性質之材料可包含鈷、鐵及鎳的其中一種或多種材料。再者，該鐵磁性層102可為合金或氧化物。在一些實施例中，可將具所欲的化學計量比之CoFe及/或CoFeB用於該鐵磁性層。該磁性層102中所使用的鈷、鐵及鎳的合金或氧化物可包含其他材料。舉例而言，在一些實施例中，該磁性子結構100可具有至少100且小於1300 emu/cc的磁化作用。在此類實施例中，除了上述性質以外，亦可量身訂做用於非磁性層104的CoFeB化學計量與鉻(Cr)及/或釩(V)的厚度，以達到所欲的磁化作用。此外，亦可選定用於達到其他性質的材料。舉例而言，在一些實施例中，所選定作為該層102與104的材料可提供如結晶氧化鎂阻障層(crystalline MgO barrier layer)之層所欲的生長樣板(growth template)。此外，可選定該層102及104的材料與厚度，使得該磁性子結構100具有較高的磁阻及/或可利用自旋轉移力矩(spin transfer torque)進行切換。
儘管所示為相同，但是該等鐵磁性層102可具有相同或不相同的組成成分與厚度。同樣地，該等非磁性層104亦可具有相同或不相同的組成成分與厚度。然而，一般而言，希望該等鐵磁性層102的厚度較該等非磁性層104的厚度更厚。舉例而言，在一些實施例中，各該鐵磁性層102的厚度較其所鄰接的非磁性層104的厚度更厚達至少三倍以上。再者，可量身訂做該鐵磁性層102與該非磁性層104的厚度與數量或重複數(n)，以提供磁性子結構100所欲的總厚度。亦可量身訂做該鐵磁性層102與該非磁性層104的厚度與數量或重複數(n)，以提供磁性子結構100的其他性質，如所欲的磁化作用。在一些實施例中，希望該磁性子結構100的總厚度達至少兩奈米且小於四奈米。如此厚度可容許該磁性子結構在平面上(平行該x-y平面)以較小尺寸達到熱穩定度。對於在平面上更小的尺寸而言，可進一歩增加該磁性子結構的厚度。
該磁性子結構100(尤其是該非磁性層104)亦可經組構成在鐵磁性層102之間提供所欲的交互作用。舉例而言，倘若該非磁性層104較薄，尤其倘若該非磁性層104包含微孔且/或為非連續的，則該等鐵磁性層可被強烈地鐵磁性耦合。在此類實施例中，該磁性子結構的鐵磁性層102實質上可作為單一層。在其他實施例中，可組構該非磁性層104，使得該等鐵磁性層102為反鐵磁性耦合。在其他實施例中，該等非磁性層104可為連續的，但該等鐵磁性層102可為鐵磁性耦合。在又其他實施例中，該等非磁性層104可製造成更厚，使得鐵磁性層102僅為雙極耦合(dipole coupled)。再者，可變化該等非磁性層104的厚度，使得一些鐵磁性層102具有鐵磁性耦合、反鐵磁性耦合、及/或雙極耦合之混合。舉例而言，該等鐵磁性層102之間的RKKY耦合在反鐵磁性與鐵磁性耦合之間振盪，用於改變該非磁性層104的厚度。藉由改變該非磁性層104的厚度，單一結構100或不同結構中的多層鐵磁性層102之間的耦合可為鐵磁性的或反鐵磁性的。此外，雙極耦合在厚度大的非磁性層104佔主導地位。因此，該非磁性層104的厚度可用以量身訂做該等鐵磁性層102之間的磁耦合(magnetic coupling)。
由於該鐵磁性層102係與該非磁性層104交替，該磁性子結構100可具有縮減的力矩(moment)。舉例而言，藉由將CoFe、CoFeB、包含CoFe的合金、及/或包含CoFeB的合金與如鉻及/或釩的非磁性層交替，則該磁性子結構可具有所欲的磁矩。舉例而言，該子結構可達到較低的力矩。如稍後所述，所欲的低力矩可降低用於磁性元件的自由層之切換電流(switching current)。此外，該鐵磁性層102仍可作為單一磁性層。
除了先前所認定的性質以外，也已確認該磁性子結構100亦可顯現出PPMA。更具體而言，該鐵磁性層內插該非磁性層104之組合可能在鄰近的鐵磁性層102中引發垂直非等向性。該等鐵磁性層102可對於垂直非等向性有額外貢獻。因此，倘若該垂直面的消磁能量超過該垂直非等向性，則該磁性子結構的磁矩可位於同平面(in plane)。在其他實施例中，於該鐵磁性層中引發的垂直非等向性可使得該磁性子結構100的磁矩垂直於平面(例如：於z軸方向上)。因此，該磁性子結構100可能具有平行於該z軸方向的易磁化軸(easy axis)。在此類實施例中，該磁性子結構100的垂直非等向性(由PPMA所貢獻者)所對應的垂直非等向性能量大於該磁性子結構100之垂直面的消磁能量。因此，可設置熱穩定的厚磁性子結構(例如：兩奈米或更大的厚度)，同時維持PPMA以對該磁性子結構100提供顯著的非等向性。如此一來，該磁性子結構100對於可能具有垂直非等向性的自旋轉移力矩顯現出較低的切換電流密度。
再者，該磁性子結構100可顯現出較低的阻尼(damping)。因此，該磁性子結構100可使用於微縮化STT-RAM技術中，以達到更高的密度。以處理的觀點來看，這些優點相當容易達成。舉例而言，倘若相同的鐵磁性材料用於所有鐵磁性層102且相同的非磁性材料係用於所有非磁性層104，則該磁性子結構100可僅僅製造有兩個沉積目標。此外，無須使用高沉積溫度，例如超過攝氏四百度的高溫。因此，該磁性子結構100可與磁性裝置(如利用結晶氧化鎂作為穿隧阻障層(tunneling barrier layer)之磁穿隧接面)一致。最終，留意到由於該磁性子結構100各處的層厚度與材料皆可調整，故可改善量身訂做該磁性子結構100的性質之能力。
第3圖描繪磁性子結構100’的另一例示實施例。該磁性子結構100’類似於該磁性子結構100。因此，該磁性子結構100’的類似部份係以類似該磁性子結構100的方式標示。因此，該磁性子結構100’包含分別對應於視需要的非磁性層101、鐵磁性層102、非磁性層104以及視需要的鐵磁性層106的視需要的非磁性層101’、鐵磁性層102’、非磁性層104’以及視需要的鐵磁性層106’。因此，雙層110-1’、110-2’至110-n’分別對應雙層110-1、110-2至110-n。
該磁性子結構100’的鐵磁性層102’與非磁性層104’可分別包含用於該鐵磁性層102與非磁性層104的類似材料與類似厚度。儘管該等鐵磁性層102’顯示為具有相同厚度，但是也可能具有不同的厚度。同樣地，儘管該等非磁性層104’顯示為具有相同厚度，但是也可能具有不同的厚度。最終，儘管顯示為連續的層，但是(尤其對於非磁性層104’而言)也可能為微孔及非連續的層。此非連續性可確保給定的非磁性子層的任意側上的磁性子層之間的直接交換耦合(direct exchange coupling)。
該鐵磁性層102’與非磁性層104’係組構成於該磁性子結構100’中引發強烈的垂直非等向性。更具體而言，該鐵磁性層102’與非磁性層104’的內插會在該等層中引發PPMA，結合垂直於平面(亦即，於z軸方向上)的磁性非等向性超過該垂直面的消磁能量之其他任何成分。因此，該磁性子結構100’的易磁化軸係如第3圖所示位於z軸方向上。為了達到此非等向性，可量身訂做該等層102’與104’的材料與厚度。舉例而言，該鐵磁性層102’可包含CoFeB且該非磁性層104’可包含鉻及/或釩。舉例而言，可採用CO20 Fe60 B20 。再者，該非磁性層104’的厚度可能小於鄰接的磁性層102’厚度的三分之一。如此量身訂做該鐵磁性層102’與非磁性層104’可對於更厚的磁性子結構100’提供所欲的垂直非等向性。舉例而言，在一些實施例中，該磁性子結構100’的厚度(在z軸方向上的尺寸)大於或等於兩奈米。此外，在一些實施例中，可於該鐵磁性層102’中引發其他垂直非等向性，及/或可降低該磁性非等向性的同平面成分。因此，該磁性子結構100’的易磁化軸。
因此，該磁性子結構100’可具有垂直於平面的易磁化軸。如此一來，該磁性子結構100’可用於磁性裝置中，其中，該磁性裝置所欲的磁化作用係垂直於平面的。舉例而言，該磁性子結構可用於可利用自旋轉移力矩寫入的磁穿隧接面的自由層中。因此，可達到該磁性子結構100的某些優點，如較低的寫入電流密度。此外，儘管該垂直非等向性本質上可為介面現象，但是內插該層102’與104’可使得非等向性出現於較厚、熱穩定且具有較小同平面尺寸的磁性子結構100’中。因此，使用該磁性子結構100’的磁性元件可微縮至更高的密度，且因此在平面上得到更小的尺寸。再者，該磁性子結構100’可享有該磁性子結構100所剩餘的一個或多個優點，如更高的磁阻。
第4圖描繪磁性子結構100"的另一例示實施例。該磁性子結構100"類似該磁性子結構100。因此，該磁性子結構100"的類似部份係標示為類似該磁性子結構100。因此，該磁性子結構100"包含視需要的非磁性層101"、鐵磁性層102-1、102-2至102-n、非磁性層104-1、104-2至104-n、以及視需要的鐵磁性層106"，分別對應於視需要的非磁性層101、鐵磁性層102、非磁性層104、以及視需要的鐵磁性層106。因此，雙層110-1"、110-2"至110-n"分別對應於雙層110-1、110-2至110-n。
該磁性子結構100"的鐵磁性層102"與非磁性層104"可分別包含類似該鐵磁性層102與非磁性層104所使用的材料。在所示實施例中，變化該鐵磁性層102-1至102-n的厚度與該非磁性層104-1至104-n的厚度。然而，在其他實施例中，僅僅變化該鐵磁性層102-1至102-n的厚度。在又其他實施例中，僅僅變化該非磁性層104-1至104-n的厚度。再者，層102-1至102-n及層104-1至104-n的厚度係顯示為以特定方式變化。然而，該層102-1至102-n及層104-1至104-n的厚度可以其他方式變化。此外，該磁性子結構100"中所使用的材料可類似磁性子結構100與100’中所使用的材料。
藉由變化該層102-1至102-n的厚度及/或層104-1至104-n的厚度，可量身訂做該磁性子結構100’的各種性質。更具體而言，該等磁性層102-1至102-n之間的耦合、該磁性子結構100’的磁性非等向性、磁阻、磁矩、層間磁交互作用、及/或其他特性可適配於所欲的應用方式。再者，如先前所討論，亦可變化該鐵磁性層102-1至102-n與非磁性層104-1至104-n的其中一者或多者所使用的材料。如此一來，可改善將該磁性子結構組構為具有所欲性質之能力。
第5圖描繪磁性子結構100’’’的另一例示實施例。該磁性子結構100’’’類似該磁性子結構100。因此，該磁性子結構100’’’的類似部份係標示為類似該磁性子結構100。因此，該磁性子結構100’’’包含視需要的非磁性層101’’’、鐵磁性層102"、非磁性層104"、及視需要的鐵磁性層106"，分別對應於視需要的非磁性層101、鐵磁性層102、非磁性層104、及視需要的鐵磁性層106。因此，雙層110-1’’’、110-2’’’至110-n’’’分別對應於雙層110-1、110-2至110-n。儘管該磁性子結構100’’’係顯示為包含連續的非磁性層104-n’，但是在其他實施例中，所有的非磁性層104-i’皆為非連續的。在其他實施例中，不同編號的非磁性層104-i’係非連續的。
該磁性子結構100’’’的鐵磁性層102’’’與非磁性層104-1’至104-n’可分別包含類似鐵磁性層102/102’/102-1至102-n及非磁性層104/104’/104-1至104-n所使用的材料之材料。同樣地，該磁性子結構100’’’的鐵磁性層102’’’與非磁性層104-1’至104-n’的厚度分別類似上述鐵磁性層102/102’/102-1至102-n及非磁性層104/104’/104-1至104-n之厚度。然而，如第5圖所示，該等非磁性層104-1’至104-n’的其中至少一些係非連續的。同樣地，儘管所示為連續的，但是在其他實施例中，該等鐵磁性層102"的一個或多個可為非連續的。在所示實施例中，至少一個非磁性層104-n’係連續的。然而，在其他實施例中，不同編號的非磁性層104-1’至104-n’可為非連續的。此外，該等非連續層104-1’和104-2’可具有小的微孔、大的洞孔、或者可由非磁性島狀區所構成。在一些實施例中，會希望該等島狀區是平坦的且為薄餅形的(pancakes in shape)。在其他實施例中，該等島狀區可具有不同的長寬比。然而，在所示實施例中，在對應於層104-1’與104-2’的區域中，可增加該等島狀區的密度，但是在對應於該等鐵磁性層102"的區域內，該等島狀區的密度可降低或降至零。該等島狀區的厚度希望小於10埃。再者，在一些實施例中，此類島狀區在z軸方向上的厚度可能小於8埃。由於該鐵磁性層102"延伸穿過非連續的層104-1’與104-2，故可改善該等鐵磁性層102"之間的耦合。因此，該鐵磁性層102"能夠以更類似單一鐵磁性層的方式作用。此特性可為欲使用該磁性元件100’’’的一些應用所希望的特性。因此，該等層102"及104-1’至104-n’的厚度與連續性亦可用以最佳化該磁性結構100’’’。
第6圖描繪利用如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的磁性子結構的磁性元件200的例示實施例。為了清楚起見，第6圖並未依比例描繪。該磁性元件200可使用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件200包含壓固層(pinned layer)220、非磁性間隔物層230及自由層240。又如圖所示，視需要的壓固層(optional pinning layer)210可用以固定該壓固層220的磁化作用(未圖示)。在一些實施例中，該視需要的壓固層210係AFM層，藉由交換偏移交互作用(exchange-bias interaction)鎖固該壓固層220的磁化作用(未圖示)。然而，在其他實施例中，可省略該視需要的鎖固層(pinning layer)210。再者，該磁性元件200可包含其他及/或額外的層，如晶種(seed)及/或罩蓋層。該磁性元件200亦經組構成使得當寫入電流(write current)通過該磁性元件200時，該自由層240能夠在多個穩定磁性狀態之間進行切換。因此，該自由層240可利用自旋轉移力矩進行切換。
該壓固層220與該自由層240係磁性的，且因此可包含(特別是以合金形式的)鎳、鐵、及鈷的其中一種或多種。儘管描繪為簡單的層，但是該壓固層220可包含多層。舉例而言，該壓固層220可為包含磁性層之SAF，該等磁性層係透過薄層以反鐵磁性或鐵磁性的方式耦合，如釕(Ru)。在此類SAF中，可採用內插有釕(Ru)薄層或其他材料的薄層之多個磁性層。
該間隔物層230係非磁性的。在一些實施例中，該間隔物層230係絕緣體，例如穿隧阻障(tunneling barrier)。在此類實施例中，該間隔物層230可包含結晶氧化鎂，可增強該磁性元件的穿隧磁阻(TMR)。在其他實施例中，該間隔物層可為如銅(Cu)之導體。在替代實施例中，該間隔物層230可具有其他結構，例如在絕緣基體(insulating matrix)中包含導電通道的顆粒狀層(granular layer)。
該自由層240具有可改變的磁化作用(未圖示)，其可經由自旋轉移進行切換。該自由層240包含磁性子結構，如該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。為了簡化起見，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’並未圖示。在一些實施例中，該自由層240係由該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’所組成。在其他實施例中，該自由層可包含其他層。舉例而言，該自由層可為SAF，其包含作為該等鐵磁性層的其中一者或多者的磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。或者，該自由層240可包含鄰接該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的鐵磁性層或多層。因此，該自由層240可包含內插有非磁性層的鐵磁性層，該非磁性層不能與鐵磁性層混合，且對該鐵磁性層化學穩定，且實質上在該鐵磁性層中沒有會產生磁性無感層的交互作用。再者，如稍後所述，可於鐵磁性層(以及該自由層240)中引發垂直非等向性。
在該自由層240中使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’或者使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’作為該自由層240可提供一些優點。該自由層240可具有垂直非等向性。該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’內的PPMA可引發至少一部份的垂直非等向性。在一些實施例中，該總垂直非等向性使得該自由層240的易磁化軸垂直於平面(例如：在z軸方向上)。因此，該自由層240可具有小於其垂直非等向性能量之垂直面的消磁能量。在其他實施例中，該自由層240可具有大於或等於其垂直非等向性能量之垂直面的消磁能量。此自由層240的易磁化軸可位於平面上。由於較高的垂直非等向性，使得用於自旋轉移力矩之切換電流密度得以降低。由於較厚的磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’，使得即使該自由層240有相當厚度，仍可經由PPMA至少部份提供此垂直非等向性。在一些實施例中，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’以及該自由層240的厚度至少有2奈米。在一些實施例中，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’以及該自由層的厚度可達4奈米。因此，該自由層240能夠在同平面以較小尺寸達到熱穩定，且仍對於降低的切換電流密度維持垂直非等向性。
亦可選定用於該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’以及該自由層240的材料與層厚度，以加強該磁性元件200的效能。可選定材料以改善TMR。舉例而言，CoFe、CoFeB(如Co20 Fe60 B20 )、及/或類似的鐵磁性材料可使用於該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’中，以提供與結晶氧化鎂非磁性間隔物層230一致的微結構。因此，可將所欲的阻障層用於該非磁性間隔物層230。因為無須使用超過攝氏四百度的高沉積溫度來製造該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’以及該自由層240，故製造該磁性元件200之後可殘留所欲的穿隧阻障層。此外，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可具有較低的力矩，可進一步降低用於該磁性元件200之切換電流密度。舉例而言，由於將非磁性層引進該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’中，故可降低力矩。此外，可量身訂做該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的鐵磁性層之間的磁耦合。該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的鐵磁性層可為鐵磁性耦合、反鐵磁性耦合、或主要為雙極耦合。當為反鐵磁性耦合時，可能降低該自由層的力矩。利用相對較少量的材料即可達到這些組構且無須高溫沉積。此外，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可組構成具有較低阻尼。此外，當可使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’而省略絕緣罩蓋層(如氧化鎂)時，可降低部份該磁性元件200的寄生電阻。因此，可透過使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’來增強該磁性元件200的效能。如此一來，在該自由層240中使用磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的磁性元件200可依需要而作用於較小的平面面積，且因此得到較高的STT-RAM密度。
第7圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件200’的另一例示實施例。為了清楚起見，第7圖未依比例描繪。該磁性元件200’可用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件200’類似該磁性元件200，因此包含相似的結構。該磁性元件200’包含視需要的鎖固層210’、壓固層220’、非磁性間隔物層230’、及自由層240’，類似視需要的壓固層210、壓固層220、非磁性間隔物層230、及自由層240。該等層210’、220’、230’、及240’分別具有類似層210、220、230、及240之結構與功能。然而，如該實施例所示，該壓固層220’包含磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’，而非該自由層240’。再者，該磁性元件200’可包含其他的及/或額外的層，如晶種及/或罩蓋層。該磁性元件200亦經組構成用以使該自由層240’在寫入電流通過該磁性元件240時在多個穩定磁性狀態之間進行切換。因此，該自由層240’可利用自旋轉移力矩進行切換。
該自由層240’係磁性的，因此可包含(特別是以合金形式的)鎳、鐵、及鈷的其中一種或多種。此外，該自由層240’具有可利用自旋轉移進行切換的可變化磁化作用。儘管描繪為簡單的層，但是該自由層240’可包含多層。舉例而言，該自由層240’可為包含磁性層之SAF，該等磁性層係透過如釕之薄層以反鐵磁性或鐵磁性的方式耦合。在此類SAF中，可採用內插有釕薄層或其他材料的薄層之多個磁性層。該間隔物層230’類似該間隔物層230。
該壓固層220’具有其本身的磁化作用(未圖示)，其磁化作用可固定於特定方向上。該壓固層220’亦包含磁性子結構，如該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。為了簡化起見，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’並未圖示。在一些實施例中，該壓固層220’係由該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’所組成。在其他實施例中，該壓固層220’可包含其他層。舉例而言，該壓固層220’可為SAF，其包含作為該等鐵磁性層的其中一者或多者的磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。或者，該壓固層220’可包含鄰接該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的鐵磁性層或多層。因此，該壓固層220’可包含內插有非磁性層的鐵磁性層，該非磁性層不能與鐵磁性層混合，且對該鐵磁性層化學穩定，且實質上在該鐵磁性層中沒有會產生磁性無感層的交互作用。再者，如稍後所述，可於鐵磁性層(以及該壓固層220’)中引發垂直非等向性。
該等磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的特性以及該磁性元件200’的優點可類似上述該磁性元件200的特性及優點。具體而言，在該壓固層220’中使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’或者使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’作為該壓固層220’可使得該壓固層220’具有垂直非等向性，例如由該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’內的PPMA所引發的垂直非等向性。在一些實施例中，該垂直非等向性使得該壓固層220’的易磁化軸垂直於平面(例如：在z軸方向上)。在一些實施例中，該垂直非等向性改善垂直於平面(在z軸方向上)之該壓固層220’的磁化作用的鎖固(pinning)。因此，可對該磁性元件200’達到垂直定向(perpendicular orientation)的優點。舉例而言，可降低切換電流密度。
第8圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件200"的另一例示實施例。為了清楚起見，第8圖未依比例描繪。該磁性元件200"可用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件200"類似該磁性元件200與200’，因此包含相似的結構。該磁性元件200"包含視需要的鎖固層210"、壓固層220"、非磁性間隔物層230"、及自由層240"，類似視需要的壓固層210/210’、壓固層220/220’、非磁性間隔物層230/230’、及自由層240/240’。該等層210"、220"、230"、及240"分別具有類似層210/210’、220/220’、230/230’、及240/240’之結構與功能。然而，如該實施例所示，該壓固層220"包含參考層(reference layer)226、間隔物層224、及壓固層222。因此，該壓固層220"可為SAF。在所示實施例中，該參考層226及/或該壓固層222包含磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。因此，可達到上述關於該磁性元件200’的優點。
第9圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件200’’’的另一例示實施例。為了清楚起見，第9圖未依比例描繪。該磁性元件200’’’可用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件200’’’類似該磁性元件200、200’、及200"，因此包含相似的結構。該磁性元件200’’’包含視需要的壓固層210’’’、壓固層220’’’、非磁性間隔物層230’’’、及自由層240’’’，類似視需要的鎖固層210/210’/210"、壓固層220/220’/220"、非磁性間隔物層230/230’/230"、及自由層240/240’/240"。該等層210’’’、220’’’、230’’’、及240’’’分別具有類似層210/210’/210"、220/220’/220"、230/230’/230"、及240/240’/240"之結構與功能。儘管未個別圖示，但該壓固層220’’’可包含多個磁性子結構100/100’/100"/100’’’，例如類似該壓固層220"。或者，該壓固層220’’’可包含單一磁性子結構100/100’/100"/100’’’，例如類似該壓固層220’。該自由層240’’’亦包含一個或多個磁性子結構100/100’/100"/100’’’。因此，可達到上述關於該磁性元件200、200’及/或200"的優點。
第10圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件250的例示實施例。為了清楚起見，第10圖並未依比例描繪。該磁性元件250可使用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件250包含壓固層270、非磁性間隔物層280及自由層290。又如圖所示，視需要的鎖固層260可用以固定該壓固層270的磁化作用(未顯示)。在一些實施例中，該視需要的鎖固層260係AFM層，藉由交換偏移交互作用鎖固該壓固層270的磁化作用(未圖示)。然而，在其他實施例中，可省略該視需要的鎖固層260。再者，該磁性元件250可包含其他及/或額外的層，如晶種(seed)及/或罩蓋層。該磁性元件250亦經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件250時，該自由層290能夠在多個穩定磁性狀態之間進行切換。因此，該自由層290可利用自旋轉移力矩進行切換。
該間隔物層280係非磁性的。在一些實施例中，該間隔物層280係絕緣體，例如穿隧阻障。在此類實施例中，該間隔物層280可包含結晶氧化鎂，可增強該磁性元件的穿隧磁阻(TMR)。在其他實施例中，該間隔物層可為如銅(Cu)之導體。在替代實施例中，該間隔物層280可具有其他結構，例如在絕緣基體中包含導電通道的顆粒狀層。
該壓固層270與該自由層290係磁性的，因此可包含(特別是以合金形式的)鎳、鐵、及鈷的其中一種或多種。儘管描繪為簡單的層，但是該壓固層270及/或該自由層290可包含多層。舉例而言，該壓固層270及/或該自由層290可為包含磁性層之SAF，該等磁性層係透過薄層(例如釕)以反鐵磁性或鐵磁性的方式耦合。在此類SAF中，可採用內插有釕(Ru)薄層或其他材料的薄層之多個磁性層。再者，該壓固層270及/或該自由層290可包含磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’(未圖示)。然而，相較於該壓固層270，該自由層240具有可變化之磁化作用(未圖示)，該磁化作用可利用自旋轉移進行切換。在所示實施例中，該自由層290具有其垂直於平面(在z軸方向上)的易磁化軸。然而，在其他實施例中，該自由層290具有其完全或局部同平面的易磁化軸。同樣地，該壓固層270的磁化作用係顯示為經壓固在垂直方向上。然而，在其他實施例中，該壓固層270磁化作用可位在包含同平面的另一方向上。
該磁性元件250亦包含磁性子結構，如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。因此，該磁性元件250可包含內插有非磁性層的鐵磁性層，該非磁性層不能與鐵磁性層混合，且對該鐵磁性層化學穩定，且在至少一些實施例中，在該鐵磁性層中實質上沒有會產生磁性無感層的交互作用。再者，如稍後所述，可於鐵磁性層(以及該自由層240)中引發垂直非等向性。
該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可用以作為該自由層290與該非磁性間隔物層之間的介面層(interfacial layer)。如此一來，該自由層240可提供一些優點。更具體而言，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可具有垂直非等向性，例如由該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’內的PPMA所引發者。此垂直非等向性可加強該自由層290的垂直非等向性。由於該垂直非等向性，使得用於自旋轉移力矩之切換電流密度得以降低以用於磁性元件250。在一些實施例中，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’以及該自由層240的厚度至少有2奈米。在一些實施例中，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’以及該自由層的厚度可達4奈米。該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可強烈鐵磁性耦合至該自由層240。因此，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’及該自由層240能夠在同平面以較小尺寸達到熱穩定。
亦可選定用於該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的材料與層厚度，以加強該磁性元件250的效能。可選定材料以改善TMR。舉例而言，CoFe、CoFeB(如Co20 Fe60 B20 )、及/或類似的鐵磁性材料可使用於該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’中，以提供與結晶氧化鎂非磁性間隔物層280一致的微結構。因此，可將所欲的阻障層用於該非磁性間隔物層280。因為無須使用超過攝氏四百度的高沉積溫度來製造該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’，故製造該磁性元件250之後可殘留所欲的穿隧阻障層。此外，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可具有較低的力矩，當該自由層290可與該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’磁性耦合時，可進一步降低用於該磁性元件250之切換電流密度。利用相對較少量的材料即可達到磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’所欲的組構且無須高溫沉積。此外，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可經組構為具有較低阻尼。此外，當可使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’而省略絕緣罩蓋層(如氧化鎂)時，可降低部份該磁性元件250的寄生電阻。因此，可透過使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’來增強該磁性元件250的效能。因此，使用鄰近該自由層290的磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的磁性元件250可如所欲作用於較小的平面面積，且因此得到較高的STT-RAM密度。
第11圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件250’的例示實施例。為了清楚起見，第11圖未依比例描繪。該磁性元件250’可用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件250’包含視需要的鎖固層260’、壓固層270’、非磁性間隔物層280’、及自由層290’，分別類似視需要的鎖固層260、壓固層270、非磁性間隔物層280、及自由層290。再者，該磁性元件250’可包含其他的及/或額外的層，如晶種及/或罩蓋層。該磁性元件250’亦經組構成用以使該自由層290’在寫入電流通過該磁性元件250’時在多個穩定磁性狀態之間進行切換。因此，該自由層290’可利用自旋轉移力矩進行切換。
該磁性元件250’亦包含磁性子結構，如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。因此，該磁性元件250’可包含內插有非磁性層的鐵磁性層，該非磁性層不能與鐵磁性層混合，且對該鐵磁性層化學穩定，且實質上在該鐵磁性層中沒有會產生磁性無感層的交互作用。然而，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’係鄰近該壓固層270’，而非鄰近該自由層290’。
該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可用以作為該壓固層270’與該非磁性間隔物層280’之間的介面層。如此一來，該壓固層270’可提供一些優點。舉例而言，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可具有垂直非等向性，例如由該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’內的PPMA所引發者。此垂直非等向性可加強該壓固層270’的垂直非等向性。在一些實施例中，在同平面可保留至少一部份該壓固層270’磁化作用。在此類實施例中，該壓固層270’之垂直面的消磁能量係小於該垂直非等向性能量。在其他實施例中，包含第11圖所示的實施例，該壓固層270’磁化可垂直於平面。在此類實施例中，該垂直面的消磁能量小於該垂直非等向性能量。因此，該壓固層270’更能夠作用於垂直的磁性元件250’中。由於該垂直非等向性，可降低該磁性元件250’用於自旋轉移力矩之切換電流密度。亦可選定用於該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的材料與層厚度，以加強該磁性元件250的效能。可選定材料以改善TMR。舉例而言，CoFe、CoFeB、及/或類似的鐵磁性材料可使用於該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’中，以提供與結晶氧化鎂非磁性間隔物層280’一致的微結構。因此，可將所欲的阻障層用於該非磁性間隔物層280’。利用相對較少量的材料即可達到磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’所欲的組構且無須高溫沉積。此外，該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可經組構為具有較低阻尼。此外，當可使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’而省略絕緣罩蓋層(如氧化鎂)時，可降低部份該磁性元件250’的寄生電阻。因此，可透過使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’來增強該磁性元件250’的效能。因此，使用鄰近該壓固層270’的磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的磁性元件250’可如所欲作用於較小的平面面積，且因此得到較高的STT-RAM密度。
第12圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件250"的另一例示實施例。為了清楚起見，第12圖未依比例描繪。該磁性元件250"可用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件250"包含視需要的鎖固層260"、壓固層270"、非磁性間隔物層280"、及自由層290"，分別類似視需要的鎖固層260/260’、壓固層270/270’、非磁性間隔物層280/280’、及自由層290/290’。再者，該磁性元件250"可包含其他的及/或額外的層，如晶種及/或罩蓋層。該磁性元件250"亦經組構成用以使該自由層290"在寫入電流通過該磁性元件250"時在多個穩定磁性狀態之間進行切換。因此，該自由層290"可利用自旋轉移力矩進行切換。
該磁性元件250"亦包含磁性子結構，如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。因此，該磁性元件250"可包含內插有非磁性層的鐵磁性層，該非磁性層不能與鐵磁性層混合，且對該鐵磁性層化學穩定，且在至少一些實施例中，在該鐵磁性層中實質上沒有會產生磁性無感層的交互作用。第一磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’係鄰近該壓固層270’，同時第二磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’係鄰近該自由層290"。該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’可用以作為該壓固層270"與該非磁性間隔物層280"之間以及該自由層290"與該非磁性間隔物層280"之間的介面層。如此一來，可達到該磁性元件250及/或250’的優點。
第13圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件300的例示實施例。為了清楚起見，第13圖並未依比例描繪。該磁性元件300可使用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件300包含第一壓固層320、第一非磁性間隔物層330、自由層340、第二非磁性間隔物層350、及第二壓固層360。又如圖所示，視需要的鎖固層310與370可分別用以固定該壓固層320與360的磁化作用(未圖示)。在一些實施例中，該視需要的鎖固層310與370係AFM層，藉由交換偏移交互作用鎖固該壓固層320與360的磁化作用(未圖示)。然而，在其他實施例中，可省略該視需要的鎖固層320及/或370。再者，該磁性元件300可包含其他及/或額外的層，如晶種(seed)及/或罩蓋層。該磁性元件300亦經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件300時，該自由層340能夠在多個穩定磁性狀態之間進行切換。因此，該自由層340可利用自旋轉移力矩進行切換。
該間隔物層330與350係非磁性的。在一些實施例中，該間隔物層330係絕緣體，例如穿隧阻障。在此類實施例中，該間隔物層330及/或350可包含結晶氧化鎂，可增強該磁性元件的穿隧磁阻(TMR)。在其他實施例中，該間隔物層330及/或350可為如銅(Cu)之導體。在替代實施例中，該間隔物層330及/或350可具有其他結構，例如在絕緣基體中具有包含導電通道的顆粒狀層(granular layer)。在一些實施例中，該間隔物層330與350兩者皆為穿隧阻障。然而，在其他實施例中，間隔物層330或350中僅有一者為絕緣穿隧阻障，另一間隔物層350或330分別可為導電性材料。
該壓固層320與360以及自由層340係磁性的，且因此可包含(特別是以合金形式的)鎳、鐵、及鈷的其中一種或多種。儘管描繪為簡單的層，但是該壓固層320與360可包含多層。舉例而言，該等壓固層320與360的其中一者或多者可為包含磁性層之SAF，該等磁性層係透過薄層(例如釕)以反鐵磁性或鐵磁性的方式耦合。在此類SAF中，可採用內插有釕(Ru)的薄層或其他材料的薄層之多個磁性層。該等壓固層320與370的磁化作用可位於垂直方向上。然而，在其他實施例中，該壓固層320與370的磁化作用可位於其他方向上，包含局部或完全位於平面方向上。
再者，該自由層340可包含磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’(未獨立圖示)。該自由層340亦具有可改變的磁化作用(未圖示)，其可經由自旋轉移進行切換。該自由層340可具有其垂直於平面(在z軸方向上)的易磁化軸。然而，在其他實施例中，該自由層340具有其完全或局部同平面的易磁化軸。該自由層340可由該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’所組成，或亦可包含其他層。因此，該自由層340可類似該自由層240。因此，該磁性元件300可達到類似該磁性元件200所達到的優點。此外，可達到雙磁性結構(如雙磁穿隧接面或者單一阻障磁穿隧接面，其中，一個非磁性間隔物層係阻障層而另一非磁性間隔物層係導電材料)的優點。
第14圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件300’的另一例示實施例。為了清楚起見，第14圖未依比例描繪。該磁性元件300’可用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件300’類似該磁性元件300。該磁性元件300’可包含第一壓固層320’、第一非磁性間隔物層330’、及自由層340’、第二非磁性間隔物層350’、以及第二壓固層360’，分別類似第一壓固層320、第一非磁性間隔物層330、及自由層340、第二非磁性間隔物層350、以及第二壓固層360。又如圖所示，視需要的鎖固層310’與370’分別類似視需要的鎖固層310與370。然而，在其他實施例中，可省略該視需要的鎖固層320’及/或370’。再者，該磁性元件300’可包含其他的及/或額外的層，如晶種及/或罩蓋層。該磁性元件300’亦經組構成用以使該自由層340’在寫入電流通過該磁性元件300’時在多個穩定磁性狀態之間進行切換。因此，該自由層340’可利用自旋轉移力矩進行切換。
對比該磁性元件300，該自由層340’可不包含磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。然而，該自由層390’可包含多層。舉例而言，該自由層340’可為包含磁性層之SAF，該等磁性層係透過薄層(例如釕)以反鐵磁性或鐵磁性的方式耦合。在此類SAF中，可採用內插有釕(Ru)的薄層或其他材料的薄層之多個磁性層。該自由層340’的磁化作用可位於垂直方向上。然而，在其他實施例中，該自由層340’的磁化作用可位於其他方向上，包含局部或完全位於同平面方向上。
該壓固層320’及/或該壓固層360’可包含磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’(未獨立圖示)。該壓固層320’及/或該壓固層360’可具有其垂直於平面(在z軸方向上)的易磁化軸。然而，在其他實施例中，該壓固層320’及/或該壓固層360’具有其完全或局部同平面的易磁化軸。該壓固層320’及/或該壓固層360’可由該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’所組成，或亦可包含其他層。因此，該壓固層320’及/或該壓固層360’可類似該壓固層220’或220"。因此，該磁性元件200’及/或200"可達到類似該磁性元件300’所達到的優點。此外，可達到雙磁性結構(如雙磁穿隧接面或者單一阻障磁穿隧接面，其中，一個非磁性間隔物層係阻障層而另一非磁性間隔物層係導電材料)的優點。
第15圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件300"的例示實施例。為了清楚起見，第15圖並未依比例描繪。該磁性元件300"可使用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件300"類似該磁性元件300與300’。因此，該磁性元件300"包含第一壓固層320"、第一非磁性間隔物層330"、自由層340"、第二非磁性間隔物層350"、及第二壓固層360"，分別類似第一壓固層320/320’、第一非磁性間隔物層330/330’、自由層340/340’、第二非磁性間隔物350/350’、及第二壓固層360/360’。又如圖所示，視需要的鎖固層310"與370"分別類似視需要的鎖固層310/310’及370/370’。然而，在其他實施例中，可省略該視需要的鎖固層310"及/或370"。再者，該磁性元件300"可包含其他及/或額外的層，如晶種及/或罩蓋層。該磁性元件300"亦經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件300"時，該自由層340"能夠在多個穩定磁性狀態之間進行切換。因此，該自由層340"可利用自旋轉移力矩進行切換。
該自由層340"以及該壓固層320"及/或360"之其中一者或多者可包含磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’(未獨立圖示)。該自由層340"、該壓固層320"及/或該壓固層360"可具有其垂直於平面(在z軸方向上)的易磁化軸。然而，在其他實施例中，該自由層340"、該壓固層320"及/或該壓固層360"具有其完全或局部同平面的易磁化軸。該自由層340"、該壓固層320"及/或該壓固層360"可由該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’所組成，或亦可包含其他層。因此，該自由層340"、該壓固層320"及/或該壓固層360"可類似該自由層240/240’’’及/或該壓固層220’/220"/220’’’。因此，該磁性元件200、200’、200"及/或200’’’可達到類似該磁性元件300"所達到的優點。此外，可達到雙磁性結構(如雙磁穿隧接面或者單一阻障磁穿隧接面，其中，一個非磁性間隔物層係阻障層而另一非磁性間隔物層係導電材料)的優點。
第16圖描繪利用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件400的另一例示實施例。為了清楚起見，第16圖並未依比例描繪。該磁性元件400可使用於如STT-RAM的磁性記憶體中。該磁性元件400包含第一壓固層420、第一非磁性間隔物層430、自由層440、第二非磁性間隔物層450、及第二壓固層460。又如圖所示，視需要的鎖固層410與470可分別用以固定該壓固層420與460的磁化作用(未圖示)。在一些實施例中，該視需要的鎖固層410與470係AFM層，藉由交換偏移交互作用鎖固該壓固層420與460的磁化作用(未圖示)。然而，在其他實施例中，可省略該視需要的鎖固層420及/或470。再者，該磁性元件400可包含其他及/或額外的層，如晶種(seed)及/或罩蓋層。該磁性元件400亦經組構，以使得當寫入電流通過該磁性元件400時，該自由層440能夠在多個穩定磁性狀態之間進行切換。因此，該自由層440可利用自旋轉移力矩進行切換。
該間隔物層430與450係非磁性的。在一些實施例中，該間隔物層430係絕緣體，例如穿隧阻障。在此類實施例中，該間隔物層430及/或450可包含結晶氧化鎂，可增強該磁性元件的穿隧磁阻(TMR)。在其他實施例中，該間隔物層430及/或450可為如銅(Cu)之導體。在替代實施例中，該間隔物層430及/或450可具有其他結構，例如在絕緣基體中具有包含導電通道的顆粒狀層。在一些實施例中，該間隔物層430與450兩者皆為絕緣穿隧阻障。然而，在其他實施例中，間隔物層430或450中僅有一者為絕緣穿隧阻障，另一間隔物層450或430分別可為導電性材料。
該壓固層420與460以及自由層440係磁性的，且因此可包含(特別是以合金形式的)鎳、鐵、及鈷的其中一種或多種。儘管描繪為簡單的層，但是該等層420、460及/或440可包含多層。舉例而言，該等層420、460及/或440的其中一者或多者可為包含磁性層之SAF，該等磁性層係透過薄層(例如釕Ru)以反鐵磁性或鐵磁性的方式耦合。在此類SAF中，可採用內插有釕(Ru)的薄層或其他材料的薄層之多個磁性層。該等層420、460及/或440的磁化作用可位於垂直方向上。然而，在其他實施例中，該等層420、460及/或440的磁化可位於其他方向上，包含局部或完全同平面方向上。再者，儘管顯示為簡單的層，但是該自由層440、該壓固層420、及/或該壓固層460之其中一層或多層可包含磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’(未象立圖示)。該自由層440、該壓固層420、及/或該壓固層460可由磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’所組成，亦可包含其他層。該自由層440亦具有可改變的磁化作用(未圖示)，其可經由自旋轉移進行切換。該自由層440可具有其垂直於平面(在z軸方向上)的易磁化軸。然而，在其他實施例中，該自由層440具有其完全或局部同平面的易磁化軸。同樣地，該壓固層420及/或460可具有其垂直於平面(在z軸方向上)的易磁化軸。然而，在其他實施例中，該壓固層420及/或460具有其完全或局部同平面的易磁化軸。
該磁性元件400亦包含一個或多個視需要的磁性子結構100/100’/100"/100’’’。此視需要的磁性子結構100/100’/100"/100’’’可位於下列其中一個或多個位置：該非磁性間隔物層430與該壓固層420之間、該自由層440與該非磁性間隔物層430之間、該自由層440與該非磁性間隔物層450之間、及/或該壓固層460與該非磁性間隔物層450之間。因此，該磁性元件400可類似該等磁性元件250、250’、及/或250"之其中一者或多者。因此，該磁性元件400可達到類似該磁性元件250、250’、及/或250"所達到的優點。此外，可達到雙磁性結構(如雙磁穿隧接面或者單一阻障磁穿隧接面，其中，一個非磁性間隔物層係阻障層而另一非磁性間隔物層係導電材料)的優點。
本發明已揭露利用磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的各種磁性元件200、200’、200"、200’’’、205、250’、250"、300、300’、300"及400。留意到，可將該等磁性元件200、200’、200"、200’’’、205、250’、250"、300、300’、300"及400的各種特徵結合在一起。同樣地，可將該等磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的一些或所有特徵結合在一起。因此，可達到該等磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的一種或多種優點，如對於更厚之厚度的垂直非等向性、熱穩定度、更高的磁阻、可量身訂做的磁矩、可量身訂做的磁交互作用、降低寄生電阻、對於自旋轉移的較低寫入電流密度、及/或較低的阻尼。
再者，使用磁性子結構(如磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’)的磁性元件可使用於磁性記憶體中。第17圖描繪一個此類磁性記憶體500的例示實施例。該磁性記憶體500包含讀取/寫入行選擇驅動器(column select driver)502與506，以及字線選擇驅動器(word line select driver)504。留意到，可設置其他及/或不同的零件。該記憶體500的儲存區域包含磁性儲存單元510。各該磁性儲存單元皆包含至少一個磁性元件512與至少一個選擇裝置514。在一些實施例中，該選擇裝置514係電晶體。該磁性元件512包含磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。因此，該磁性元件512可為磁性元件200、200’、200"、200’’’、205、250’、250"、300、300’、300"及400或上述各者的一些組合。如此一來，該磁性記憶體500可達到上述的優點，如熱穩定度與低寫入電流密度。
第18圖描繪製造磁性子結構的方法600的例示實施例。為了簡化起見，可省略一些步驟或將一些步驟結合在一起。該方法600係以該磁性子結構100的背景加以描述。不過，該方法600可使用於如子結構100’、100"、及/或100’’’的其他磁性子結構。再者，可將該方法600併入，以製造如磁性元件200、200’、200"、200’’’、205、250’、250"、300、300’、300"、400及/或512的磁性元件。因此，該方法600可用於製造STT-RAM或其他磁性記憶體。倘若需要的話，則可在設置下方非磁性層101之後開始該方法600。
經由步驟602可設置該鐵磁性層102。該步驟602可包含沉積所欲材料(如包含CoFeB的合金)至所欲之鐵磁性層102厚度。在其他實施例中，可移除部份該鐵磁性層102，以達到所欲的厚度。在一些實施例中，可全面沉積該鐵磁性層。在其他實施例中，光微影(photolithography)可將鐵磁性層的沉積限制於某些區域。經由步驟604可設置該非磁性層104。該步驟604可包含沉積所欲的非磁性材料(包含但不限定於鉻與釩)。此外，可於步驟602中沉積所欲厚度之材料。在一些實施例中，可全面沉積該非磁性層104。在其他實施例中，光微影可將非磁性層的沉積限制於某些區域。此鐵磁性-非磁性雙層的形成階段重複n-1次，使得所形成的結構包含n個重複的雙層。因此，形成該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’。接著，可經由步驟608完成該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的形成。舉例而言，可定義使用該磁性子結構100、100’、100"、及/或100’’’的磁性元件。因此，可利用該方法600製造該磁性元件100、100’、100"、及/或100’’’。因此，可達到該磁性元件的優點。
本發明已描述用於提供磁性子結構、利用該磁性子結構的磁性記憶體元件、以及利用該磁性記憶體元件/磁性子結構製造記憶體的方法與系統。該方法與系統已根據所示例示實施例進行描述，且於所屬技術領域中具有通常知識者將輕易理解到該等實施例可作出各種變化，且其任何變化皆落入該方法與系統之精神與範疇內。因此，於所屬技術領域中具有通常知識者可對該方法與系統作出許多修改，而未背離所附申請專利範圍的精神與範疇。
10．．．習知的磁穿隧接面
11．．．習知的底部接點
12．．．習知的晶種層
14．．．習知的反鐵磁性層
16．．．習知的壓固層
17、21．．．磁化作用
18．．．習知的穿隧阻障層
20．．．習知的自由層
22．．．習知的罩蓋層
24．．．習知的頂部接點
100、100’、100"、100’’’．．．磁性子結構
101、101’、101"．．．非磁性層(視需要)
102、102’、102-1、102-2、102-3、102"、106’’’．．．鐵磁性層
104、104’、104-1、104-2、104-n、101’’’、104-1’、104-2’、104-n’、．．．非磁性層
106、106’、106"．．．鐵磁性層(視需要)
110-1、110-2、110-n、110-1’、110-2’、110-n’、110-1"、
110-2"、110-n"、110-1’’’、110-2’’’、110-3’’’．．．雙層
200、200’、200"、200’’’、250、250’、250"、300、300’、300"、400．．．磁性元件
210、210’、210"、210’’’、260、260’、260"、310、310’、310"、370、370’、370"、410、470．．．鎖固層
220、220’、220"、222、220’’’、270、270’、270"、320、320’、320"、360、360’、360"、420、460．．．壓固層
230、230’、230"、230’’’、280、280’、280"、330、330’、330"、350、350’、350"、430、450．．．非磁性間隔物層
240、240’、240"、240’’’、290、290’、290"、340、340’、340"、440．．．自由層
100/100’/100"/100’’’．．．磁性子結構
224．．．間隔物層
226．．．參考層
500．．．磁性記憶體
502、506．．．讀取/寫入行選擇器/驅動器
504．．．字線選擇器/驅動器
510．．．磁性儲存單元
512．．．磁性元件
514．．．選擇裝置
600．．．方法
602、604、606、608．．．步驟
EASY AXIS．．．易磁化軸
第1圖描繪習知的磁性元件；
第2圖描繪磁性子結構的例示實施例；
第3圖描繪磁性子結構的另一例示實施例；
第4圖描繪磁性子結構的另一例示實施例；
第5圖描繪磁性子結構的另一例示實施例；
第6圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的例示實施例；
第7圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第8圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第9圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第10圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第11圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第12圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第13圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第14圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第15圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第16圖描繪利用磁性子結構的磁性元件的另一例示實施例；
第17圖描繪在儲存單元的記憶體元件中利用磁性子結構的記憶體的例示實施例；以及
第18圖描繪製造磁性子結構的方法的例示實施例。
600．．．方法
602、604、606、608．．．步驟

Claims (37)

  1. 一種磁性子結構，係使用於磁性裝置中，該磁性子結構包括：複數層鐵磁性層；複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層係內插有該複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定，該複數層鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上亦無產生磁性無感層的交互作用，該複數層非磁性層於該複數層鐵磁性層中引發垂直非等向性，其中，該垂直非等向性對應於垂直非等向性能量，且其中，該磁性子結構具有垂直面的消磁能量，該垂直非等向性能量係大於該垂直面的消磁能量；其中，當寫入電流通過該磁性子結構時，該磁性子結構係經組構為可在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層非磁性層包含鋁、氮化鋁、氧化鋁、金、鉻、結晶氧化鎂、銅、摻雜的氧化鎂、氧化銦錫、鎂、鉬、氧化鎳、鈀、鉑、釕、二氧化釕、氧化矽、氮化矽、鉭、氮化鉭、鈦、氮化鈦、釩、鎢、釔之至少一者。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之磁性子結構，其中，該複數層非磁性層包含至少一層氧化物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層鐵磁性層包含鎳、鈷、及鐵之至少一者。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之磁性子結構，其中，該複數層鐵磁性層包含至少一層氧化物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層鐵磁性層包含CoFe與CoFeB之至少一者，且其中，該複數層非磁性層包含鉻與釩之至少一者，且其中，該子結構具有至少100且小於1300emu/cc的磁化作用。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，各該複數層磁性層實質上具有相等厚度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層磁性層的至少一部份具有不同厚度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，各該複數層非磁性層實質上具有相等厚度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層非磁性層的至少一部份具有不同厚度。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，各該複數層非磁性層具有單一組成成分。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層非磁性層的至少一部份具有不同組成成分。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層非磁性層的至少一部份係非連續的。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，各該複數層鐵磁性層的厚度大於該複數層非磁性層之中與各該複數層鐵磁性層鄰接的非磁性層的厚度。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之磁性子結構，其中，各 該複數層鐵磁性層的厚度為該複數層非磁性層之中與各該複數層鐵磁性層鄰接的非磁性層的厚度的至少三倍。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該子結構的總厚度為至少2奈米且不大於4奈米。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該厚度為至少3奈米。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層非磁性層係經組構成使得該複數層鐵磁性層係透過該複數層非磁性層以鐵磁性的方式耦合。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層非磁性層係經組構成使得該複數層鐵磁性層係透過該複數層非磁性層以反鐵磁性的方式耦合。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層非磁性層係經組構成使得該複數層鐵磁性層實質上具有零層間交換耦合，使得該複數層鐵磁性層為雙極耦合。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之磁性子結構，其中，該複數層非磁性層係經組構成使得該複數層鐵磁性層的第一部份係透過該複數層非磁性層以鐵磁性的方式耦合，且該複數層鐵磁性層的第二部份係透過該複數層非磁性層以反鐵磁性的方式耦合。
  22. 一種磁性元件，係使用於磁性裝置中，該磁性子結構包括： 壓固層；非磁性間隔物層；以及自由層，該非磁性間隔物層位於該自由層與該壓固層之間；其中，該磁性元件包含至少一個磁性子結構，各該至少一個磁性子結構包含複數層鐵磁性層與複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層係內插有該複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定，該複數層鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上亦無產生磁性無感層的交互作用，該複數層非磁性層於該複數層鐵磁性層中引發垂直非等向性，其中，該垂直非等向性對應於垂直非等向性能量，且其中，該磁性子結構具有垂直面的消磁能量，該垂直非等向性能量係大於該垂直面的消磁能量；以及其中，該磁性元件係經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件時，允許該自由層在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之磁性元件，其中，該自由層與該壓固層之至少一者包含該至少一個磁性子結構的磁性子結構。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之磁性元件，其中，該至少一個磁性子結構的磁性子結構位於該非磁性間隔物層與該自由層之間。
  25. 如申請專利範圍第22項所述之磁性元件，復包括：額外間隔物層；以及額外壓固層，該額外間隔物層位於該自由層與該額外壓固層之間。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之磁性元件，其中，該自由層、該壓固層、及該額外壓固層之至少一者包含該至少一個磁性子結構的磁性子結構。
  27. 如申請專利範圍第25項所述之磁性元件，其中，該額外間隔物層與該間隔物層之至少一者係絕緣穿隧阻障層。
  28. 如申請專利範圍第22項所述之磁性元件，其中，該磁性元件的磁性子結構位於該非磁性間隔物層與該壓固層之間。
  29. 一種磁性元件，係使用於磁性裝置中，該磁性子結構包括：壓固層；非磁性間隔物層；以及自由層，該非磁性間隔物層位於該自由層與該壓固層之間，其中，該自由層具有垂直面的消磁能量以及大於該垂直面的消磁能量之垂直非等向性能量；其中，該磁性元件包含至少一個磁性子結構，各該至少一個磁性子結構包含複數層鐵磁性層與複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層係內插有該複數層非磁性 層，該複數層鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定，該複數層鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上亦無產生磁性無感層的交互作用，該複數層非磁性層於該複數層鐵磁性層中引發垂直非等向性；其中，該至少一個磁性子結構的磁性子結構位於該非磁性間隔物層與該自由層之間；以及其中，該磁性元件係經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件時，允許該自由層在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
  30. 一種磁性元件，係使用於磁性裝置中，該磁性子結構包括：壓固層；非磁性間隔物層；以及自由層，該非磁性間隔物層位於該自由層與該壓固層之間，其中，該自由層具有垂直面的消磁能量以及小於該垂直面的消磁能量之垂直非等向性能量；其中，該磁性元件包含至少一個磁性子結構，各該至少一個磁性子結構包含複數層鐵磁性層與複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層係內插有該複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定，該複數層鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上亦無產生磁性無感層的交 互作用，該複數層非磁性層於該複數層鐵磁性層中引發垂直非等向性；其中，該至少一個磁性子結構的磁性子結構位於該非磁性間隔物層與該自由層之間；以及其中，該磁性元件係經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件時，允許該自由層在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
  31. 一種磁性元件，係使用於磁性裝置中，該磁性子結構包括：壓固層，其中，該壓固層具有垂直面的消磁能量以及大於該垂直面的消磁能量之垂直非等向性能量；非磁性間隔物層；以及自由層，該非磁性間隔物層位於該自由層與該壓固層之間，其中，該磁性元件包含至少一個磁性子結構，各該至少一個磁性子結構包含複數層鐵磁性層與複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層係內插有該複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定，該複數層鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上亦無產生磁性無感層的交互作用，該複數層非磁性層於該複數層鐵磁性層中引發垂直非等向性；其中，該至少一個磁性子結構的磁性子結構位於該非磁性間隔物層與該自由層之間；以及 其中，該磁性元件係經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件時，允許該自由層在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
  32. 一種磁性元件，係使用於磁性裝置中，該磁性子結構包括：壓固層，其中，該壓固層具有垂直面的消磁能量以及小於該垂直面的消磁能量之垂直非等向性能量；非磁性間隔物層；以及自由層，該非磁性間隔物層位於該自由層與該壓固層之間，其中，該磁性元件包含至少一個磁性子結構，各該至少一個磁性子結構包含複數層鐵磁性層與複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層係內插有該複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定，該複數層鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上亦無產生磁性無感層的交互作用，該複數層非磁性層於該複數層鐵磁性層中引發垂直非等向性；其中，該至少一個磁性子結構的磁性子結構位於該非磁性間隔物層與該自由層之間；以及其中，該磁性元件係經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件時，允許該自由層在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
  33. 一種磁性記憶體，包括： 複數個磁性儲存單元，各該複數個磁性儲存單元包含至少一個磁性元件，該至少一個磁性元件包含壓固層、非磁性間隔物層、及自由層，該非磁性間隔物層位於該自由層與該壓固層之間，該磁性元件包含至少一個磁性子結構，各該至少一個磁性子結構包含複數層鐵磁性層與複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層係內插有該複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定，該複數層鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上亦無產生磁性無感層的交互作用，該複數層非磁性層於該複數層鐵磁性層中引發垂直非等向性，其中，該自由層具有垂直面的消磁能量以及大於該垂直面的消磁能量之垂直非等向性能量；該至少一個磁性元件係經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件時，允許該自由層在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之磁性記憶體，其中，該自由層與該壓固層之至少一者包含該至少一個磁性子結構的磁性子結構。
  35. 如申請專利範圍第33項所述之磁性記憶體，其中，該至少一個磁性子結構的磁性子結構位於該非磁性間隔物層與該自由層之間。
  36. 如申請專利範圍第33項所述之磁性記憶體，其中，該磁性子結構的磁性子結構位於該非磁性間隔物層與該 壓固層之間。
  37. 一種磁性記憶體，包括：複數個磁性儲存單元，各該複數個磁性儲存單元包含至少一個磁性元件，該至少一個磁性元件包含壓固層、非磁性間隔物層、及自由層、額外間隔物層、以及額外壓固層，該額外間隔物層位於該自由層與該額外壓固層之間，該非磁性間隔物層位於該自由層與該壓固層之間，該磁性元件包含至少一個磁性子結構，各該至少一個磁性子結構包含複數層鐵磁性層與複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層係內插有該複數層非磁性層，該複數層鐵磁性層不能與該複數層非磁性層混合且對該複數層非磁性層化學穩定，該複數層鐵磁性層與該複數層非磁性層之間實質上亦無產生磁性無感層的交互作用，該複數層非磁性層於該複數層鐵磁性層中引發垂直非等向性；該至少一個磁性元件係經組構成使得當寫入電流通過該磁性元件時，允許該自由層在複數個穩定磁性狀態之間進行切換。
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