TWI597823B - 磁性接面 - Google Patents

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TWI597823B
TWI597823B TW102143129A TW102143129A TWI597823B TW I597823 B TWI597823 B TW I597823B TW 102143129 A TW102143129 A TW 102143129A TW 102143129 A TW102143129 A TW 102143129A TW I597823 B TWI597823 B TW I597823B
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史蒂芬Ｍ 沃茨
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三星電子股份有限公司
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Description

磁性接面
本發明概念的實例實施例是關於磁性記憶體，且更特定言之，是關於磁性隨機存取記憶體。
磁性記憶體(特定言之，磁性隨機存取記憶體(magnetic random access memories,MRAM))由於其在操作期間的高讀取/寫入速度、卓越耐久性、非揮發性以及低電力消耗的潛能而引起增加的興趣。MRAM可將磁性材料用作資訊記錄媒體而儲存資訊。一種類型的MRAM為自旋轉移力矩隨機存取記憶體(spin transfer torque random access memory,STT-RAM)。STT-RAM利用磁性接面，而所述磁性接面至少部分藉由經由所述磁性接面而驅動的電流來寫入。經由磁性接面而驅動的自旋極化電流(spin polarized current)在磁性接面中對磁矩施加自旋力矩。因此，具有對自旋力矩作出回應的磁矩的層可切換為所要狀態。
舉例而言，圖1描繪習知磁性穿隧接面(MTJ)10，其可用於習知STT-RAM中。習知MTJ 10通常位於底部觸點11上，且使用習知晶種層12。習知MTJ 10包含習知自由層14、習知穿隧阻障層16、習知極化強化層(PEL)18、習知參考層22以及習知覆蓋層26。亦展示頂部觸點28。習知PEL 18、習知Ta間隔物層20以及習知參考層22可視為會形成習知參考堆疊。
習知觸點11及28用於在電流垂直於平面(current-perpendicular-to-plane,CPP)方向上或如圖1所示沿著z軸驅動電流。習知晶種層12通常用於輔助具有所要晶體結構的後續層的生長。習知穿隧阻障層16為非磁性的，且(例如)為薄絕緣體(諸如，MgO)。
習知自由層14以及習知參考層22的磁矩實質上垂直於平面(亦即，在z方向上)。參考層22為合成反鐵磁體(SAF)，所述SAF包含由作為RKKY相互作用的媒介的非磁性層24分離的兩個磁性層23及25。非磁性層24通常為Ru。磁性層23及25經由Ru層24而反鐵磁性地耦合，此舉減小自由層14處的外部磁場。磁性層23及25以及自由層14的垂直磁性各向異性Hk分別超過磁性層23、25及自由層14的平面外去磁能量。因此，其磁矩垂直，如圖1所示。通常，磁性層23及25實際上為多層，所述多層包含Co層與Pt或Pd層兩者。舉例而言，磁性層23及25可包含CoPd多層(Co層與Pd層交錯)、CoPt多層(Co層與Pt層交錯)或兩者。此外，可包含其他構成，諸如，額外Co及/或 Fe層。此等磁性多層具有足以使參考層22在磁性接面10的使用期間保持穩定的垂直各向異性。相比而言，習知自由層14的磁矩是可改變的。此在圖1中由雙箭頭15表示。
習知PEL層18強化在垂直(例如，z)方向上穿過的電流的自旋極化。習知PEL通常由磁性材料組成。舉例而言，通常使用CoFeB層、Fe層或鄰接Fe層的CoFeB層。習知PEL層18與參考層22磁性地耦合，以便確保習知PEL 18的磁性穩定性。
對於習知磁性接面10，需要高信號。因此，需要穿隧磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)大。大TMR通常與高品質的習知穿隧阻障16相關聯。習知穿隧阻障16通常為具有(100)取向的結晶MgO。此外，需要MgO與鄰接的鐵磁性層14及18之間的晶格失配相對小，以維持鐵磁性層14及18的垂直各向異性。舉例而言，CoFeB或Fe通常用於鐵磁性層14及18。
習知Ta間隔物層20用於確保習知參考層22及習知PEL 18具有獨立結晶取向。習知Ta間隔物層20亦減小鐵磁性層18與參考層22之間的釘紮磁場(pinning field)。此外，習知Ta間隔物層可防止材料(諸如，Ru及Pd)自參考層22擴散至磁性接面10的其他層。更具體言之，Ta間隔物層20防止Ru及Pd自非磁性層24擴散至穿隧阻障層16。Ru及/或Pd擴散至穿隧阻障層中會不利地影響習知磁性接面10的TMR。咸信Ru的擴散使MgO層16降級，且使MgO層16具有除所要(100)結構以外的結晶取向。習知Ta間隔物層20因此具有至少足以防止材料(諸如，Ru 及Pd)自參考層22擴散至PEL層18以及MgO穿隧阻障層16的厚度。咸信習知Ta間隔物層20為至少4埃厚，以便充當擴散阻障。在所示的習知磁性接面10中，習知Ta間隔物層20亦實現PEL 18與磁性層23之間的磁性耦合(諸如，RKKY耦合)。
為了切換習知自由層14的磁化15，垂直於平面(在z方向上)而驅動電流。當自頂部觸點28至底部觸點11而驅動足夠電流時，習知自由層14的磁化15可切換為平行於習知PEL 18的磁化。當自底部觸點11至頂部觸點28而驅動足夠電流時，自由層14的磁化15可切換為反平行(antiparallel)於習知PEL 18的磁化。磁性組態的差別對應於習知MTJ 10的不同磁阻，且因此對應於不同邏輯狀態(例如，邏輯「0」以及邏輯「1」)。因此，藉由讀取習知MTJ 10的穿隧磁阻(TMR)，可判定習知MTJ的狀態。
雖然習知MTJ 10可使用自旋轉移來寫入，藉由感測接面的TMR來讀取且用於STT-RAM中，但存在缺陷。特定言之，習知MTJ 10的穩定性或TMR可能比所要穩定性或TMR差。習知PEL 18可經由習知Ta間隔物層20而磁性地耦合至習知磁性層23。然而，熟知的是，經由Ta而進行的此耦合可能相對弱。舉例而言，Ta的RKKY耦合預期為小於Ru的量級的量級。此外，咸信經由Ta間隔物層20而進行的耦合是因諸如針孔(pinhole)或皺皮(orange peel)的機制而引起。此耦合機制是不可預測的且可能在整個晶圓上變化。此可能導致磁性記憶體中的個別記憶胞之間的變化。雖然熱穩定，但習知PEL 18可能在磁性接面的操作期 間具有自身的磁矩切換方向。換言之，針對特定磁性記憶體中的習知磁性接面10中的一些，習知PEL 18的磁矩可能不如所要磁矩一樣穩定。因此，可不利地影響習知MTJ的效能。
因此，需要可改良自旋轉移力矩式記憶體的效能的方法及系統。本文所述的方法及系統解決此需要。
方法及系統提供可用於磁性裝置中的磁性接面。所述磁性接面包含參考堆疊、非磁性間隔物層以及自由層。自由層磁矩垂直於平面。所述非磁性間隔物層位於所述PEL與所述自由層之間，且具有第一結晶取向。所述參考堆疊包含高垂直磁性各向異性(PMA)層以及分級極化強化層(graded PEL)。所述高PMA層具有垂直於平面的磁矩、第二結晶取向以及第一自旋極化。所述分級PEL位於所述高PMA層與所述非磁性間隔物層之間。所述分級PEL亦鄰近於參考層且與所述參考層磁性耦合。所述PEL包含磁性層以及非磁性插入層。所述PEL的至少一部分具有大於所述第一自旋極化的自旋極化，且鄰近於所述非磁性間隔物層。所述非磁性插入層中的每一者經設置以使得所述磁性層鐵磁性地耦合，且使得所述第一結晶取向與所述第二結晶取向解耦(decouple)。每一非磁性插入層具有不足以使所述結晶取向在不存在剩餘非磁性插入層的情況下解耦的厚度。當寫入電流穿過所述磁性接面時，所述自由層可在穩定磁性狀態之間切換。
10‧‧‧磁性穿隧接面
11‧‧‧底部觸點
12‧‧‧晶種層
14‧‧‧自由層/鐵磁性層
15‧‧‧磁化
16‧‧‧穿隧阻障層/MgO層
18‧‧‧極化強化層/鐵磁性層
20‧‧‧Ta間隔物層
22‧‧‧參考層
23‧‧‧磁性層
24‧‧‧非磁性層/Ru層
25‧‧‧磁性層
26‧‧‧覆蓋層
28‧‧‧頂部觸點
100‧‧‧磁性接面
102‧‧‧晶種層
104‧‧‧覆蓋層
110‧‧‧自由層
111‧‧‧磁矩
120‧‧‧非磁性間隔物層/結晶MgO穿隧阻障層
130‧‧‧分級PEL
130'‧‧‧分級PEL
130"‧‧‧分級PEL
130"'‧‧‧分級PEL
131‧‧‧磁矩
132‧‧‧磁性層/CoFeB層
132'‧‧‧磁性層/CoFeB'層
132"‧‧‧磁性層
133‧‧‧非磁性插入層
133'‧‧‧非磁性插入層
133"‧‧‧非磁性插入層
134‧‧‧磁性層
134'‧‧‧磁性層
134"‧‧‧磁性層
135‧‧‧非磁性插入層
135'‧‧‧非磁性插入層
135"‧‧‧非磁性插入層
136‧‧‧磁性層
136'‧‧‧磁性層
137‧‧‧非磁性層
138‧‧‧磁性層
140‧‧‧耦合層
150‧‧‧高垂直磁性各向異性層
151‧‧‧磁矩
160‧‧‧參考堆疊
200‧‧‧磁性接面
200'‧‧‧磁性接面
200"‧‧‧磁性接面
202‧‧‧晶種層
202'‧‧‧晶種層
202"‧‧‧晶種層
204‧‧‧覆蓋層
204'‧‧‧覆蓋層
204"‧‧‧覆蓋層
210‧‧‧自由層
210'‧‧‧自由層
210"‧‧‧自由層
220‧‧‧穿隧阻障層/非磁性間隔物層
220'‧‧‧穿隧阻障層/非磁性間隔物層
220"‧‧‧穿隧阻障層/非磁性間隔物層
230‧‧‧分級PEL
230'‧‧‧分級PEL
230"‧‧‧分級PEL
231‧‧‧磁矩
231'‧‧‧磁矩
231"‧‧‧磁矩
240‧‧‧磁性耦合層
240'‧‧‧磁性耦合層
240"‧‧‧磁性耦合層
250‧‧‧高PMA層
250'‧‧‧高PMA層
250"‧‧‧高PMA層
252‧‧‧磁性層
252'‧‧‧磁性層/多層
254‧‧‧非磁性層
254'‧‧‧非磁性層
256‧‧‧磁性層
256'‧‧‧磁性層/多層
260‧‧‧參考堆疊
260'‧‧‧參考堆疊
260"‧‧‧參考堆疊
300‧‧‧磁性接面
300'‧‧‧磁性接面
302‧‧‧晶種層
302'‧‧‧晶種層
304‧‧‧覆蓋層
304'‧‧‧覆蓋層
310‧‧‧自由層
310'‧‧‧自由層
311‧‧‧磁性層
312‧‧‧磁性層
313‧‧‧非磁性擴散阻障層
314‧‧‧磁性層
315‧‧‧非磁性層
316‧‧‧磁性層
317‧‧‧磁性層
318‧‧‧非磁性擴散阻障層
319‧‧‧磁性層
320‧‧‧非磁性間隔物層/穿隧阻障層
320'‧‧‧穿隧阻障層
330‧‧‧分級PEL
330'‧‧‧分級PEL
331‧‧‧磁矩
340‧‧‧磁性耦合層
340'‧‧‧磁性耦合層
350‧‧‧高PMA層
350'‧‧‧高PMA層
360‧‧‧參考堆疊
360'‧‧‧參考堆疊
365‧‧‧非磁性間隔物層
370‧‧‧分級PEL
380‧‧‧磁性耦合層
390‧‧‧高PMA層
400‧‧‧磁性記憶體
402‧‧‧讀取/寫入行選擇驅動器
404‧‧‧字元線選擇驅動器
406‧‧‧讀取/寫入行選擇驅動器
410‧‧‧磁性儲存胞元
412‧‧‧磁性接面
414‧‧‧選擇裝置
500‧‧‧方法
502~512‧‧‧步驟
圖1描繪習知磁性接面。
圖2描繪包含具有非磁性插入層的分級PEL且可使用自旋轉移而切換的磁性接面的例示性實施例。
圖3描繪包含非磁性插入層的分級PEL的例示性實施例。
圖4描繪包含非磁性插入層的分級PEL的另一例示性實施例。
圖5描繪包含非磁性插入層的分級PEL的另一例示性實施例。
圖6描繪具有包含非磁性插入層的分級PEL且可經由自旋轉移而切換的磁性接面的另一例示性實施例。
圖7描繪具有包含非磁性插入層的分級PEL且可經由自旋轉移而切換的磁性接面的另一例示性實施例。
圖8描繪具有包含非磁性插入層的分級PEL且可經由自旋轉移而切換的磁性接面的另一例示性實施例。
圖9描繪具有包含非磁性插入層的分級PEL且可經由自旋轉移而切換的磁性接面的另一例示性實施例。
圖10描繪具有包含非磁性插入層的分級PEL且可經由自旋轉移而切換的磁性接面的另一例示性實施例。
圖11描繪將磁性接面用於儲存胞元的記憶體元件中的記憶 體的例示性實施例。
圖12描繪用於提供具有包含非磁性插入層的分級PEL且可經由自旋轉移而切換的磁性接面的方法的例示性實施例。
例示性實施例是關於可用於磁性裝置(諸如，磁性記憶體)中的磁性接面以及使用此等磁性接面的裝置。以下描述經呈現以使一般熟習此項技術者能夠製作且使用本發明，並且是在專利申請案及其要求的情形下提供的。將容易瞭解對本文所述的例示性實施例以及通用原理及特徵的各種修改。例示性實施例主要是就特定實施方案中所提供的特定方法及系統而進行描述。然而，方法以及系統將在其他實施方案中有效地操作。諸如「例示性實施例」、「一個實施例」以及「另一實施例」的用語可指相同或不同實施例以及多個實施例。將關於具有某些組件的系統及/或裝置來描述實施例。然而，所述系統及/或裝置可包含比所展示的組件多或少的組件，且可進行所述組件的配置及類型的變化，而不偏離本發明的範疇。亦將在具有某些步驟的特定方法的情形下描述例示性實施例。然而，所述方法及系統針對其他方法而有效地操作，所述其他方法具有不同及/或額外步驟以及按照與例示性實施例不一致的不同次序的步驟。因此，本發明不欲限於所展示的實施例，而是符合與本文所述的原理及特徵一致的最廣範疇。
描述用於提供磁性接面以及利用所述磁性接面的磁性記 憶體的方法及系統。例示性實施例提供可用於磁性裝置中的磁性接面。所述磁性接面包含參考堆疊、非磁性間隔物層以及自由層。自由層磁矩垂直於平面。所述非磁性間隔物層位於所述PEL與所述自由層之間，且具有第一結晶取向。所述參考堆疊包含高垂直磁性各向異性(PMA)層以及分級極化強化層(PEL)。所述高PMA層具有垂直於平面的磁矩、第二結晶取向以及第一自旋極化。所述分級PEL位於所述高PMA層與所述非磁性間隔物層之間。所述分級PEL亦鄰近於參考層且與所述參考層磁性耦合。所述PEL包含磁性層以及非磁性插入層。所述PEL的至少一部分具有大於所述第一自旋極化的自旋極化，且鄰近於所述非磁性間隔物層。所述非磁性插入層中的每一者經設置以使得所述磁性層鐵磁性地耦合，且使得所述第一結晶取向與所述第二結晶取向解耦。當寫入電流穿過所述磁性接面時，所述自由層可在穩定磁性狀態之間切換。在一些實施例中，所述非磁性插入層中的每一者足夠薄，以使得單個非磁性插入層單獨將不會充當擴散阻障及/或將不會實現非磁性間隔物層與高PMA層之間的結晶轉變。
在具有某些組件的特定磁性接面及磁性記憶體的情形下描述例示性實施例。一般熟習此項技術者將容易認識到，本發明與具有與本發明不一致的其他及/或額外組件及/或其他特徵的磁性接面及磁性記憶體的使用一致。亦在磁性各向異性的自旋轉移現象以及另一物理現象的當前理解的情形下描述所述方法及系統。因此，一般熟習此項技術者將容易認識到，基於自旋轉移、 磁性各向異性以及另一物理現象的此當前理解而進行所述方法及系統的行為的理論解釋。然而，本文所述的方法及系統不取決於特定物理解釋。一般熟習此項技術者亦將容易認識到，在與基板具有特定關係的結構的情形下描述所述方法及系統。然而，一般熟習此項技術者將容易認識到，所述方法及系統與其他結構一致。此外，在合成及/或簡單的某些層的情形下描述所述方法及系統。然而，一般熟習此項技術者將容易認識到，所述層可具有另一結構。此外，在具有特定層的磁性接面及/或子結構的情形下描述所述方法及系統。然而，一般熟習此項技術者將容易認識到，亦可使用具有與所述方法及系統不一致的額外及/或不同層的磁性接面及/或子結構。此外，某些組件被描述為磁性的、鐵磁性的以及次鐵磁性的。如本文中所使用，術語「磁性」可包含「鐵磁性」、「次鐵磁性」或類似結構。因此，如本文中所使用，術語「磁性」或「鐵磁性」包含(但不限於)鐵磁體以及次鐵磁體。亦在單個磁性接面以及子結構的情形下描述所述方法及系統。然而，一般熟習此項技術者將容易認識到，所述方法及系統與具有多個磁性接面且使用多個子結構的磁性記憶體的使用一致。此外，如本文中所使用，「平面內」實質上位於磁性接面的層中的一或多者的平面內或平行於所述平面。相比而言，「垂直」對應於實質上垂直於磁性接面的層中的一或多者的方向。
圖2描繪包含具有非磁性插入層的PEL且可使用自旋轉移而切換的磁性接面100的例示性實施例。磁性接面可用於諸如 STT-RAM的磁性記憶體中。為了清楚起見，圖2未按照比例繪製。磁性接面100包括自由層110、非磁性間隔物層120以及參考堆疊160。參考堆疊160包含分級PEL 130、可選耦合層140以及高垂直磁性各向異性(PMA)層150。高PMA層150的磁矩需要垂直於平面。因此，如本文中所使用，高PMA層為垂直磁性各向異性超過平面外去磁能量的層。雖然稱為高PMA層，但在替代實施例中，高PMA層150的磁矩可處於平面內。雖然自由層110、非磁性間隔物層120、分級PEL 130、可選耦合層140及高PMA層150展示為特定定向，但此定向可在其他實施例中變化。舉例而言，高PMA層150可較接近於磁性接面100的底部(最接近於未展示的基板)。亦展示可選晶種層102以及可選覆蓋層104。晶種層102可包含多個層，包含(但不限於)Ta/RuCoFe雙層。覆蓋層104可為Ru及/或Ta覆蓋層。在其他實施例中，覆蓋層104可為另一材料。亦可使用釘紮層(未圖示)。一般而言，若高PMA層150的磁矩處於平面內，則將使用釘紮層，且若高PMA層150的磁矩垂直於平面，則通常將不使用釘紮層。在較佳實施例中，磁矩111、131及151垂直於平面，且不使用釘紮層。自由層110、分級PEL層130及高PMA層150的垂直磁性各向異性Hk分別超過自由層110、分級PEL層130及高PMA層150的平面外去磁能量。因此，其磁矩垂直，如圖2所示。自由層110的磁矩111為可改變的，且因此由雙箭頭指示。分級PEL 130具有磁矩131，磁矩131實質上藉由與高PMA層150的磁性耦合而固定。然而，磁矩131固定 的方向取決於分級PEL層130及高PMA層150是鐵磁性地耦合抑或反鐵磁性地耦合。因此，在圖2中展示相反方向上的兩個箭頭(磁矩131)。雖然高PMA層150展示為磁矩151處於特定方向上，但在其他實施例中，磁矩151可處於包含(但不限於)正z方向的另一方向上。磁性接面100亦經設置以允許自由層110使用在CPP方向上穿過磁性接面100的寫入電流而在穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層110可利用自旋轉移力矩來切換。在一些實施例中，自由層110可僅使用自旋轉移力矩來切換。在其他實施例中，自由層110可使用包含(但不限於)所施加的磁場的額外機制來切換。
非磁性間隔物層120可為磁阻展現於自由層110與高PMA層150之間的穿隧阻障層、導體或另一結構。在一些實施例中，非磁性間隔物層120為結晶MgO穿隧阻障層。在此等實施例中，通常需要結晶MgO穿隧阻障層120具有(100)取向/結構。在其他實施例中，非磁性間隔物層120可為導體，可包含在絕緣基質中的導電通道，或可具有另一結構。因此，磁性接面100可為MTJ、自旋閥(spin valve)、彈道磁阻結構(ballistic magnetoresistance structure)、另一磁阻結構或其某一組合。
雖然描繪為簡單層，但自由層110及/或高PMA層150可包含多個層。舉例而言，自由層110及/或高PMA層150可為包含經由薄層(諸如，Ru)而反鐵磁性地或鐵磁性地耦合的磁性層的SAF。在此SAF中，可使用與Ru或另一(其他)材料的薄 層交錯的多個磁性層。在一些實施例中，高PMA層150尤其需要為SAF以減小自由層110上的外部磁場。自由層110及/或高PMA層150亦可包含其他多層及/或超晶格(superlatice)。舉例而言，自由層110及/或高PMA層150可包含具有強化的垂直各向異性的CoPd及/或CoPt多層。或者，自由層110及/或高PMA層150可包含CoPd或CoPt超晶格，其為複合式CoPd及/或CoPt而非多層。此外，若高PMA層150及/或自由層110為SAF，則SAF中的磁性層中的一或多者可為CoPd及/或CoPt多層或超晶格。因此，自由層110及高PMA層150可包含與Pd層交錯的Co層、與Pt層交錯的Co層或兩者。此外，可包含其他構成，諸如，額外Co及/或Fe層。此等磁性多層具有足以使高PMA層150在磁性接面100的使用期間保持穩定的垂直各向異性。高PMA層150亦具有高PMA層150中所使用的材料所特有的自旋極化。
可選耦合層140為可能包含於磁性接面100中或可能不包含於磁性接面100中的非磁性層。舉例而言，可選耦合層140可為作為高PMA層150與分級PEL 130之間的RKKY相互作用的媒介的Ru層。在一些實施例中，可選耦合層140的厚度可經定製以在高PMA層150與分級PEL 130之間產生鐵磁性相互作用以及反鐵磁性相互作用中的一者。因此，分級PEL 130的磁矩131展示為平行於或反平行於高PMA層150的磁矩151。在其他實施例中，可省略可選耦合層140。在此等實施例中，分級PEL 130可與高PMA層150鐵磁性地耦合。在此等實施例中，分級PEL 130中 的磁性層(圖2未示)可鄰接高PMA層150(亦即，與高PMA層150共用界面)。在其他實施例中，分級PEL 130與高PMA層150反鐵磁性地耦合。在此等實施例中，分級PEL 130內的非磁性層(圖2未示)可鄰接高PMA層150。
分級PEL 130直接地或經由可選耦合層140而與高PMA層150磁性地耦合。分級PEL 130包含與多個非磁性插入層交錯的多個鐵磁性層。為了簡單起見，在圖2中未展示個別子層。分級PEL 130的至少一部分具有大於高PMA層的自旋極化的自旋極化。在一些實施例中，鄰接非磁性間隔物層120的分級PEL 130的至少所述部分具有此較高自旋極化。如上所述，分級PEL 130包含磁性層以及非磁性層。鄰接非磁性間隔物層120的磁性層的至少一部分具有高於高PMA層150的自旋極化。在一些實施例中，鄰接非磁性間隔物層120(或與非磁性間隔物層120共用界面)的整個磁性層具有較高自旋極化。舉例而言，可使用具有不大於40原子%的B的CoFeB。在一些實施例中，CoFeB可具有至少10原子%且不大於20原子%的B。剩餘磁性層可具有此較高自旋極化或可不具有此較高自旋極化。因此，分級PEL 130中的剩餘磁性層可由相同或另一材料製成。
除了磁性層之外，分級PEL 130亦包含非磁性插入層。在一些實施例中，非磁性插入層中的每一者包含Ta。在一些此等實施例中，非磁性插入層中的每一者由Ta組成。非磁性插入層可用於將高PMA層150的結晶取向與非磁性間隔物層120的結晶取 向解耦。舉例而言，針對一些厚度，Ta是非晶的。此非晶層可破壞將高PMA層150的晶序(crystal order)強加於非磁性間隔物層120上，且破壞將非磁性間隔物層120的晶序強加於高PMA層150上。非磁性插入層中的每一者具有一厚度，所述厚度小於單個非磁性插入層阻斷來自高PMA層150的晶序強加於非磁性間隔物層所需的厚度。因此，插入層中的每一者的厚度對於高PMA層150與非磁性間隔物層120之間的結晶解耦而言不充分。然而，所有非磁性插入層的厚度的總和足以破壞將高PMA層150的晶序強加於非磁性間隔物層120上。因此，高PMA層150可具有第一結晶取向，而非磁性間隔物層120具有第二不同結晶取向。
非磁性間隔物層亦可用於阻斷來自高PMA層150的材料(諸如，Pd及/或Ru)擴散至非磁性間隔物層120。若包含可選磁性耦合層140，則非磁性插入層亦可用於阻斷來自可選磁性耦合層140的材料(諸如，Ru)擴散至非磁性間隔物層120。然而，非磁性插入層中的每一者具有一厚度，所述厚度小於單個非磁性插入層阻斷高PMA層150與非磁性間隔物層之間的擴散所需的厚度。因此，插入層中的每一者的厚度對於高PMA層150與非磁性間隔物層120之間的擴散阻斷而言不充分。在一些實施例中，每一非磁性插入層的厚度為至少2埃，但小於3埃。對於由Ta組成的非磁性插入層，每一層的厚度因此小於3埃。然而，所有非磁性間隔物層的厚度的總和足以提供高PMA層150與非磁性間隔物層120之間的擴散阻斷。對於由Ta組成的非磁性插入層，此意謂非 磁性插入層的厚度的總和為至少4埃。舉例而言，若在分級PEL中使用兩個非磁性插入層，則每一層可大於或等於2埃厚，但小於3埃厚。
分級PEL 130中的非磁性插入層亦可改良分級PEL層130的垂直磁性各向異性。在分級PEL中使用非磁性插入層可在鄰接非磁性插入層的分級PEL的磁性層的部分中導致磁性「無感(dead)」層。因此，可減小飽和磁化Ms。較低的平面內磁性各向異性(4πMs)必須由分級PEL 130的垂直磁性各向異性克服，以具有高PMA，且因此具有平面外磁矩。分級PEL 130的淨垂直磁性各向異性可因此增大，從而允許分級PEL 130具有較高PMA。
磁性接面100可具有改良的效能。由於分級PEL 130的存在，磁性接面100可具有較高自旋極化，且因此具有較低切換電流。由於分級PEL層130中的非磁性插入層的存在，高PMA層150與非磁性間隔物層120(諸如，結晶MgO)的晶體結構亦可解耦。因此，高PMA層150與非磁性間隔物層120可各自具有所要結晶取向。因此，可達成磁性接面的高TMR。然而，應注意，每一非磁性插入層的厚度小於實現高PMA層150與非磁性間隔物層120之間的結晶轉變的單個層。非磁性插入層的使用(尤其若非磁性插入層為Ta插入層)亦可改良分級PEL 130的垂直各向異性。分級PEL 130內的此等非磁性插入層減小Mst。如上文所論述，減小的Mst可實現分級PEL 130中的較高垂直各向異性。此外，分級PEL 130包含非磁性插入層，所述非磁性插入層可一起防止 高PMA層150中的材料的擴散抵達非磁性間隔物層120。因此，諸如Ru的材料可用於高PMA層150中。此外，可選耦合層140亦可包含諸如Ru的材料。Ru的使用可改良高PMA層150內以及高PMA層150與分級PEL 130之間的耦合。舉例而言，相比於將Ta用作可選耦合層的磁性接面，可改良高PMA層150與分級PEL 130之間的磁性耦合。因此，可改良分級PEL 130以及高PMA層150的穩定性。此外，諸如Pd的材料可用於高PMA層150中。因此，可改良高PMA層150的磁性性質。每一非磁性插入層的厚度小於阻斷擴散的單個層。因此，分級PEL 130內的磁性層可彼此較佳地磁性耦合。此外，因為磁性層由非磁性插入層分離，所以不同材料可用於分級PEL 130內的不同磁性層。舉例而言，可接近於高PMA層150而使用具有較高RKKY耦合但具有較低自旋極化的材料以強化層130與150之間的磁性耦合。因此，可改良磁性接面100以及使用磁性接面100的記憶體的效能。
圖3描繪包含非磁性插入層的分級PEL 130'的例示性實施例，其可用於磁性裝置中的參考堆疊(諸如，磁性接面100中的參考堆疊160)中。為了清楚起見，圖3未按照比例繪製。分級PEL 130'類似於圖2的分級PEL 130，且可替代圖2的分級PEL 130來使用。參看圖2至圖3，分級PEL 130'可磁性地耦合至高PMA層150。在一些實施例中，此耦合可經由可選磁性耦合層140來實現。分級PEL 130'包含與非磁性插入層133及135交錯的磁性層132、134及136。雖然展示了三個磁性層132、134及136以及兩 個非磁性插入層133及135，但可使用另一數目的磁性層及/或非磁性插入層。此外，雖然將磁性層132及136描繪為處於PEL的兩個界面處(亦即，鄰接非磁性間隔物層120及高PMA層150或可選磁性耦合層140)，但在其他實施例中，非磁性層可沿著最接近於高PMA層150的界面而定位。
磁性層132、134及136經設置以使得分級PEL 130'的至少一部分具有高於高PMA層150的自旋極化。磁性層132具有高於高PMA層150的自旋極化，且為分級PEL 130'中最接近於非磁性間隔物層120的層。舉例而言，具有不大於40原子%的B的CoFeB可用於磁性層132。在一些實施例中，CoFeB層132可具有至少10原子%且不大於20原子%的B。剩餘磁性層134及136可具有此較高自旋極化或可不具有此較高自旋極化。因此，分級PEL 130'中的剩餘磁性層134及136可由相同或另一材料製成。可出於其他目的而獨立地定製此等剩餘磁性層134及136。在一些實施例中，剩餘磁性層134為類似於磁性層132的CoFeB層。磁性層136可為相比於磁性層132及剩餘磁性層134具有較強的與高PMA層150的磁性耦合的另一材料。舉例而言，在一些實施例中，磁性層136包含Co。此外，磁性層132、134及136經設置以使得其磁矩垂直於平面(亦即，在正z方向上或負z方向上)。因此，垂直各向異性能量可超過平面外去磁能量。最終，雖然將磁性層132、134及136描繪為具有相同厚度，但在一些實施例中，磁性層132、134及/或136的厚度可不同。
展示了兩個非磁性插入層133及135。在一些實施例中，非磁性插入層133及135中的每一者包含Ta。在一些此等實施例中，非磁性插入層133及135中的每一者由Ta組成。非磁性插入層133及135可因此將非磁性間隔物層以及高PMA層的晶體取向解耦。可強化使用分級PEL 130'的磁性接面的TMR。此外，非磁性插入層133及135可強化分級PEL 130'的Mst，且因此強化其PMA。非磁性插入層133及135亦可阻斷穿過分級PEL 130'的材料(諸如，Pd及/或Ru)的擴散。非磁性插入層133及135中的每一者具有一厚度，所述厚度小於單個非磁性插入層阻斷穿過分級PEL 130'的擴散所需的厚度。因此，非磁性插入層133及135中的每一者的厚度對於高PMA層150與非磁性間隔物層120之間的擴散阻斷而言不充分。類似地，非磁性插入層133及135中的每一者的厚度對於導致高PMA層150與非磁性間隔物層120之間的結晶轉變而言不充分。在一些實施例中，每一非磁性插入層133及135的厚度為至少1埃，但小於3埃。非磁性插入層133及135的厚度的總和(例如，t1+t2)足以提供高PMA層150與非磁性間隔物層120之間的擴散阻斷，且實現高PMA層150的結晶取向以不同於非磁性間隔物層的結晶取向。在一些實施例中，非磁性插入層的厚度的總和為至少4埃。此外，在一些實施例中，分級PEL 130'的總厚度不大於1奈米。
PEL 130'的使用可允許諸如磁性接面100的磁性接面具有改良的效能。由於分級PEL 130'(且更具體言之，較高自旋極 化的磁性層132)的存在，磁性接面可需要較低切換電流。非磁性插入層133及135可將非磁性層以及高PMA層的晶體取向解耦。此實現使用分級PEL 130'的磁性接面的改良的TMR。非磁性插入層133及135的使用(尤其若非磁性插入層133及135由Ta組成)亦可改良磁性層132、134及136的垂直各向異性。此外，非磁性插入層133及135可一起防止高PMA層以及可選耦合層中的材料的擴散抵達非磁性間隔物層。因此，諸如Pd及/或Ru的材料可用於高PMA層及/或可選磁性耦合層中，而不會不利地影響可用於非磁性間隔物層的結晶MgO穿隧阻障層。高PMA層內以及高PMA層與分級PEL 130'之間的磁性耦合可得以強化。因為非磁性插入層133及135比單個非磁性阻障層(未圖示)薄，所以可改良磁性層132、134及136之間的磁性耦合。此外，因為磁性層132、134及136由非磁性插入層133及135分離，所以不同材料可用於不同磁性層132、134及136。因此，可改良包含PEL 130'的磁性接面以及使用包含PEL 130'的磁性接面的記憶體的效能。
圖4描繪包含非磁性插入層的分級PEL 130"的例示性實施例，其可用於諸如磁性接面100的磁性裝置中。為了清楚起見，圖4未按照比例繪製。分級PEL 130"類似於圖2及圖3的分級PEL 130'及/或130，且可用於圖2及圖3的分級PEL 130'及/或130。因此，類似組件類似地進行標記。參看圖2至圖4，分級PEL 130"可磁性地耦合至高PMA層150。在一些實施例中，此耦合可經由可選磁性耦合層140來實現。分級PEL 130"包含與非磁性插入層 133'及135'交錯的磁性層132'、134'及136'。磁性層132'、133'、134'、135'及136'分別類似於磁性層132、133、134、135及136。此外，分級PEL 130"包含非磁性層137及磁性層138。磁性層138可視為類似於層136，此是因為希望將較高RKKY耦合的材料用於磁性層138。此外，希望將諸如CoFeB的材料用於磁性層136'，此是因為磁性層136'不再處於分級PEL 130"的邊緣。雖然展示了四個磁性層132'、134'、136'及138以及三個非磁性插入層133'、135'及137，但可使用另一數目的磁性層及/或非磁性插入層。此外，雖然將磁性層132'及138描繪為處於PEL的兩個界面處(亦即，鄰接非磁性間隔物層及高PMA層/可選磁性耦合層)，但在其他實施例中，非磁性層可沿著最接近於高PMA層的界面而定位。
磁性層132'、134'、136'及138是以類似於磁性層132、134及136的方式來組態。因此，磁性層132'可具有高於高PMA層的自旋極化，且為分級PEL 130"中最接近於非磁性間隔物層的層。舉例而言，具有不大於40原子%的B的CoFeB可用於磁性層132'。在一些實施例中，CoFeB層132'可具有至少10原子%且不大於20原子%的B。剩餘磁性層134'、136'及138可能具有此較高自旋極化或可能不具有此較高自旋極化。因此，剩餘磁性層134'、136'及138可由相同或另一材料製成。可出於其他目的而獨立地定製此等磁性層134'、136'及138。在一些實施例中，磁性層134'及136'為類似於磁性層132'的CoFeB層。磁性層138可為相比於磁性層132'、134'及136'具有較強的與高PMA層的磁性耦合 的另一材料。舉例而言，在一些實施例中，磁性層138包含Co。此外，磁性層132'、134'、136'及138經設置以使得其磁矩垂直於平面(亦即，在正z方向上或負z方向上)。因此，垂直各向異性能量可超過平面外去磁能量。最終，雖然將磁性層132'、134'、136'及138描繪為具有相同厚度，但在一些實施例中，磁性層132'、134'、136'及/或138的厚度可不同。
展示了三個非磁性插入層133'、135'及137。在一些實施例中，非磁性插入層133'、135'及137中的每一者包含Ta。在一些此等實施例中，非磁性插入層133'、135'及137中的每一者由Ta組成。非磁性插入層133'、135'及137可用於將高PMA層以及非磁性間隔物層的結晶取向解耦，藉此改良TMR。此外，非磁性插入層133'、135'及137可強化分級PEL 130"的PMA。因此，非磁性插入層133'、135'及137將用於阻斷穿過分級PEL 130"的材料(諸如，Pd及/或Ru)的擴散。非磁性插入層133'、135'及137中的每一者具有一厚度，所述厚度小於單個非磁性插入層阻斷穿過分級PEL 130"的擴散所需的厚度。因此，非磁性插入層133'、135'及137中的每一者的厚度對於高PMA層與非磁性間隔物層之間的擴散阻斷而言不充分。類似地，在一些實施例中，非磁性插入層133'、135'及137中的每一者的厚度對於高PMA層的結晶取向與非磁性間隔物層的結晶取向解耦而言不充分。在一些實施例中，每一非磁性插入層133'、135'及137的厚度為至少1埃，但小於3埃。在一些此等實施例中，每一非磁性插入層133'、135'及 137的厚度為至少2埃。非磁性插入層133'、135'及137的厚度的總和(例如，t1'+t2'+t3)足以提供高PMA層與非磁性間隔物層之間的擴散阻斷。類似地，非磁性插入層133'、135'及137的厚度的總和足以破壞將來自高PMA層的晶序強加於非磁性間隔物層。在一些實施例中，非磁性插入層的厚度的總和為至少4埃。
PEL 130"享有PEL 130及/或130'的益處。PEL 130'的使用可允許諸如磁性接面100的磁性接面具有改良的效能，諸如，較低切換電流、強化的垂直磁性各向異性、改良的TMR、強化的磁性耦合以及因此改良的穩定性。可在不會不利地影響非磁性間隔物層/穿隧阻障層的情況下達成此等益處。因此，可改良包含PEL 130"的磁性接面以及使用包含PEL 130"的磁性接面的記憶體的效能。
圖5描繪包含非磁性插入層的分級PEL 130"'的例示性實施例，其可用於諸如磁性接面100的磁性裝置中。為了清楚起見，圖5未按照比例繪製。分級PEL 130"'類似於圖2至圖4的分級PEL 130"、130'及/或130，且可用於圖2至圖4的分級PEL 130"、130'及/或130。因此，類似組件類似地進行標記。參看圖2至圖5，分級PEL 130"'可磁性地耦合至高PMA層150。在一些實施例中，此耦合可經由可選磁性耦合層來實現。分級PEL 130"'包含與非磁性插入層133"及135"交錯的磁性層132"及134"。磁性層132"、133"、134"及135"分別類似於磁性層132/132'、133/133'、134/134'及135/135'。雖然展示了兩個磁性層132"及134"以及兩個非磁性插 入層133"及135"，但可使用另一數目的磁性層及/或非磁性插入層。在所示的實施例中，非磁性插入層135"位於最接近於高PMA層的PEL 130"'的界面處。然而，在其他實施例中，磁性層可沿著最接近於高PMA層的界面而定位。
磁性層132"及134"是以類似於磁性層132/132'、134/134'及136/136'的方式來組態。因此，磁性層132"可具有高於高PMA層的自旋極化，且為分級PEL 130"'中最接近於非磁性間隔物層的層。舉例而言，具有不大於40原子%的B的CoFeB可用於磁性層132"。在一些實施例中，CoFeB層132"可具有至少10原子%且不大於20原子%的B。剩餘磁性層134"可能具有此較高自旋極化或可能不具有此較高自旋極化。因此，剩餘磁性層134"可由相同或另一材料製成。可出於其他目的而獨立地定製此層134"。在一些實施例中，層134"為類似於層132"的CoFeB層。此外，磁性層132"及134"經設置以使得其磁矩垂直於平面(亦即，在正z方向上或負z方向上)。因此，垂直各向異性能量可超過平面外去磁能量。最終，雖然將磁性層132"及134"描繪為具有相同厚度，但在一些實施例中，磁性層132"及134"的厚度可不同。
展示了兩個非磁性插入層133"及135"。在一些實施例中，非磁性插入層133"及135"中的每一者包含Ta。在一些此等實施例中，非磁性插入層133"及135"中的每一者由Ta組成。非磁性插入層133"及135"可將高PMA層以及非磁性間隔物層的結晶取向解耦，藉此改良TMR。此外，非磁性插入層133"及135"可強化 分級PEL 130"'的PMA。非磁性插入層133"及135"亦可阻斷穿過分級PEL 130"'的材料(諸如，Pd及/或Ru)的擴散。非磁性插入層133"及135"中的每一者具有一厚度，所述厚度小於單個非磁性插入層阻斷穿過分級PEL 130"'的擴散所需的厚度。因此，非磁性插入層133"及135"中的每一者的厚度對於高PMA層與非磁性間隔物層之間的擴散阻斷而言不充分，且不足以破壞高PMA層與非磁性間隔物層之間的結晶耦合。在一些實施例中，每一非磁性插入層133"及135"的厚度為至少2埃，但小於3埃。非磁性插入層133"及135"的厚度的總和(例如，t1"+t2")足以提供高PMA層與非磁性間隔物層之間的擴散阻斷。在一些實施例中，非磁性插入層的厚度的總和為至少4埃。
雖然非磁性層135"可位於PEL 130"'與高PMA層150"之間的界面處，但仍預期PEL 130"'具有改良的與高PMA層的磁性耦合。非磁性插入層135"的厚度t2"小於擴散阻障層的厚度。因此，除了未使用Ru(或另一較高RKKY相互作用的材料)的事實外，與高PMA層的磁性耦合可得以強化。
PEL 130"'享有PEL 130、130'及/或130"的益處。PEL 130"'的使用可允許諸如磁性接面100的磁性接面具有改良的效能，諸如，較低切換電流、改良的TMR、強化的垂直磁性各向異性、強化的磁性耦合以及因此改良的穩定性。可在不會不利地影響非磁性間隔物層/穿隧阻障層的情況下達成此等益處。因此，可改良包含PEL 130"'的磁性接面以及使用包含PEL 130"的磁性接面的記憶 體的效能。
圖6描繪包含參考堆疊且可經由自旋轉移而切換的磁性接面200的另一例示性實施例，所述參考堆疊具有包含非磁性插入層的分級PEL。為了清楚起見，圖6未按照比例繪製。磁性接面200類似於磁性接面100。因此，類似組件類似地進行標記。磁性接面200包含晶種層202、自由層210、在此實施例中可為穿隧阻障層220的非磁性間隔物層、參考堆疊260以及可選覆蓋層204，其分別類似於晶種層102、自由層110、非磁性間隔物層120以及參考堆疊160。參考堆疊260包含分級PEL 230、磁性耦合層240以及高PMA層250，其分別類似於PEL 130/130'/130"/130"'、可選磁性耦合層140以及高PMA層150。因此，類似組件具有與對應組件類似的結構以及功能。
在磁性接面200中，高PMA層250為SAF。特定言之，高PMA層250包含由非磁性層254分離的磁性層252及256。非磁性層254實現磁性層252與254之間的RKKY相互作用。在所示的實施例中，磁性層252與非磁性層254反鐵磁性地耦合。此外，磁性層252及非磁性層254為具有超過平面外去磁能量的垂直各向異性的多層或超晶格。舉例而言，可使用Co/Pd及/或CoPt多層及/或超晶格。此外，磁性層252及256可包含其他材料，諸如，Pt層及/或Co層。在一些實施例中，Co層為至少1埃厚且不大於2埃厚。在一些實施例中，Pd及Pt層可為至少1埃厚且不大於2埃厚。
分級PEL 230因此包含與非磁性插入層交錯的磁性層。為了簡單起見，在圖6中未展示磁性層以及非磁性插入層。然而，如上文所論述，分級PEL 230類似於分級PEL 130、130'及/或130"。分級PEL 230經由耦合層240而明確地耦合至高PMA層250。耦合層240類似於耦合層140。在一些實施例中，耦合層實現高PMA層250(高PMA層250的磁性層252)與分級PEL 230之間的RKKY相互作用。在所示的實施例中，耦合層240鐵磁性地耦合PEL 230與磁性層252。因此，分級PEL 230被展示為具有在負z方向上的磁矩231。在另一實施例中，磁矩231可處於與所展示的方向相反的方向上。分級PEL 230亦需要在兩個界面處具有磁性層。因此，可改良PEL 230與磁性層252之間的RKKY耦合。此外，具有高於多層252及/或256的自旋極化的PEL 230的磁性層與穿隧阻障層220共用界面。此外，可獨立地定製分級PEL 230的磁性層。舉例而言，最接近於耦合層240的磁性層可經設置以強化與磁性層252的RKKY耦合。
磁性接面200享有磁性接面100以及PEL 130、130'、130"及/或130"'的益處。磁性接面200可具有改良的效能，諸如，較低切換電流、較高TMR、強化的垂直磁性各向異性、強化的磁性耦合以及因此改良的穩定性。可在不會不利地影響穿隧阻障層220的情況下達成此等益處。因此，可改良磁性接面200以及使用磁性接面200的記憶體的效能。
圖7描繪包含參考堆疊且可經由自旋轉移而切換的磁性 接面200'的另一例示性實施例，所述參考堆疊具有包含非磁性插入層的分級PEL。為了清楚起見，圖7未按照比例繪製。磁性接面200'類似於磁性接面100及/或200。因此，類似組件類似地進行標記。磁性接面200'包含晶種層202'、自由層210'、在此實施例中可為穿隧阻障層220'的非磁性間隔物層、參考堆疊260'以及可選覆蓋層204'，其分別類似於晶種層102/202、自由層110/210、非磁性間隔物層120/220、參考堆疊160/260以及覆蓋層104/204。參考堆疊260'包含分級PEL 230'、磁性耦合層240'以及高PMA層250'，其分別類似於PEL 130/130'/130"/130"'/230以及高PMA層150/250。因此，類似組件具有與對應組件類似的結構以及功能。
在磁性接面200'中，高PMA層250'為類似於SAF 250的SAF。因此，高PMA層250'包含由非磁性層254'分離的磁性層252'及256'，其分別類似於非磁性層254、磁性層252及磁性層256。然而，在其他實施例中，高PMA層250'可並非SAF。實情為，高PMA層250'可為單個層。然而，多層、超晶格、簡單的鐵磁性層及/或非磁性層可包含於高PMA層250'中。
分級PEL 230'包含與非磁性插入層交錯的磁性層。為了簡單起見，在圖7中未展示磁性層以及非磁性插入層。然而，如上文所論述，分級PEL 230'類似於分級PEL 130、130'、130"及/或130"'。分級PEL 230'耦合至高PMA層250'。分級PEL 230'可在與多層252'的界面處具有磁性層或可在與多層252'的界面處具有非磁性插入層。若分級PEL 230'在與多層252'的界面處具有磁 性層，則分級PEL 230'與多層252'直接交換耦合(亦即，鐵磁性地耦合)。若界面處的非磁性插入層足夠薄，則分級PEL 230'與多層252'鐵磁性地耦合。然而，若界面處的非磁性插入層足夠厚，則分級PEL 230'可與磁性層252'反鐵磁性地耦合。因此，分級PEL 230'的磁矩231'可平行於或反平行於磁性層252'的力矩。因而，針對分級PEL 230'的磁矩231'，展示相反方向上的兩個箭頭。具有高於多層252'及256'的自旋極化的PEL 230'的磁性層與穿隧阻障層220'共用界面。此外'可獨立地定製分級PEL 230'的磁性層。
磁性接面200'享有磁性接面100及/或200以及PEL 130、130'、130"及/或130"'的益處。磁性接面200'可具有改良的效能，諸如，較低切換電流、強化的TMR、強化的垂直磁性各向異性、強化的磁性耦合以及因此改良的穩定性。可在不會不利地影響穿隧阻障層220'的情況下達成此等益處。因此，可改良磁性接面200'以及使用磁性接面200'的記憶體的效能。
圖8描繪包含參考堆疊且可經由自旋轉移而切換的磁性接面200"的另一例示性實施例，所述參考堆疊具有包含非磁性插入層的分級PEL。為了清楚起見，圖8未按照比例繪製。磁性接面200"類似於磁性接面100、200及/或200'。因此，類似組件類似地進行標記。磁性接面200"包含晶種層202"、自由層210"、在此實施例中可為穿隧阻障層220"的非磁性間隔物層、參考堆疊260"以及可選覆蓋層204"，其分別類似於晶種層102/202/202'、自由層110/210/210'、非磁性間隔物層120/220/220'、參考堆疊 160/260/260'以及覆蓋層104/204/204'。參考堆疊260"包含分級PEL 230"、磁性耦合層240"以及高PMA層250"，其分別類似於PEL 130/130'/130"/130"'/230/230'、可選磁性耦合層140/240以及高PMA層150/250/250'。因此，類似組件具有與對應組件類似的結構以及功能。
在磁性接面200"中，高PMA層250"並非SAF。然而，高PMA層250"可仍為具有超過平面外去磁能量的垂直各向異性的多層或超晶格。舉例而言，可使用Co/Pd及/或CoPt多層及/或超晶格。此外，高PMA層250"可包含其他材料，諸如，Pt層及/或Co層。
在所示的實施例中，分級PEL 230"包含與非磁性插入層交錯的磁性層。為了簡單起見，在圖8中未展示磁性層以及非磁性插入層。然而，如上文所論述，分級PEL 230"類似於分級PEL 230、230'、130、130'及/或130"。分級PEL 230"經由耦合層240"而明確地耦合至高PMA層250"。耦合層240"類似於耦合層140及/或240。在一些實施例中，耦合層實現高PMA層250"與分級PEL 230"之間的RKKY相互作用。在所示的實施例中，耦合層240"反鐵磁性地耦合PEL 230"與高PMA層250"。因此，分級PEL 230"被展示為具有在正z方向上的磁矩231"。因此，PEL 230"以及高PMA層250"可視為會一起形成SAF。分級PEL 230"亦需要在兩個界面處具有磁性層。因此，可改良PEL 230"與高PMA層250"之間的RKKY耦合。此外，具有高於高PMA層250"的自旋極化的 PEL 230"的磁性層與穿隧阻障層220"共用界面。此外，可獨立地定製分級PEL 230"的磁性層。舉例而言，最接近於耦合層240"的磁性層可經設置以強化與高PMA層250"的RKKY耦合。
磁性接面200"享有磁性接面100、200及/或200'以及PEL 130、130'、130"及/或130"'的益處。磁性接面200"可具有改良的效能，諸如，較低切換電流、改良的TMR、強化的垂直磁性各向異性、強化的磁性耦合以及因此改良的穩定性。此外，PEL 230"以及高PMA層250"可反磁性地耦合以減小自由層210"上的外部磁場。可在不會不利地影響穿隧阻障層220"的情況下達成此等益處。因此，可改良磁性接面200"以及使用磁性接面200"的記憶體的效能。
圖9描繪包含參考堆疊且可經由自旋轉移而切換的磁性接面300的另一例示性實施例，所述參考堆疊具有包含非磁性插入層的分級PEL。為了清楚起見，圖10未按照比例繪製。磁性接面300類似於磁性接面100、200、200'及/或200"。因此，類似組件類似地進行標記。磁性接面300包含晶種層302、自由層310、在此實施例中可為穿隧阻障層320的非磁性間隔物層、參考堆疊360以及可選覆蓋層304，其類似於晶種層102/202/202'/202"、自由層110/210/210'/210"、非磁性間隔物層120/220/220'/220"、參考堆疊160/260/260'/260"以及可選磁性覆蓋層104/204/204'/204"。參考堆疊360包含分級PEL 330、可選磁性耦合層340以及高PMA 350，其分別類似於PEL 130/130'/130"/130"'/230/230'/230"'、可選 磁性耦合層140/240/240'以及高PMA層150/250/250'/250"。因此，類似組件具有與對應組件類似的結構以及功能。
因此，分級PEL 330包含與非磁性插入層交錯的磁性層。為了簡單起見，在圖9中未展示磁性層以及非磁性插入層。然而，如上文所論述，分級PEL 330類似於分級PEL 130、130'、130"、230、230'及/或230"。分級PEL 330經由耦合層340而明確地耦合至高PMA層350。耦合層340類似於層140/240/240'。在一些實施例中，耦合層實現高PMA層350與分級PEL 230之間的RKKY相互作用。在所示的實施例中，耦合層340可鐵磁性地或反鐵磁性地耦合PEL 330與高PMA層350。耦合的性質可取決於耦合層340的厚度以及位於分級PEL 330與可選耦合層340或高PMA層350的界面處的非磁性插入層(若存在)的厚度。因此，分級PEL 330被展示為具有可在正z方向或負z方向上的磁矩331。
在磁性接面300中，自由層310為SAF。特定言之，自由層310包含由非磁性層315分離的磁性層311及316。非磁性層315實現磁性層311與316之間的RKKY相互作用。非磁性層315可(例如)為具有實現磁性層311與316之間的所要耦合的厚度的Ru層。
此外，磁性層311及316可類似於PEL 130、130'、130"、130"'、230、230'及/或230"。舉例而言，磁性層311可包含由非磁性擴散阻障層313分離的磁性層312及314。磁性層316可包含由非磁性擴散阻障層318分離的磁性層317及319。此外，磁性層 312、314、317及/或319可為具有超過平面外去磁能量的垂直各向異性的多層或超晶格。舉例而言，可使用Co/Pd及/或CoPt多層及/或超晶格。此外，磁性層312、314、317及/或319可包含其他材料，諸如，Pt層及/或Co層。至少最接近於非磁性間隔物層/穿隧阻障層320的磁性層319可需要具有高自旋極化。舉例而言，具有不大於40原子%的B的CoFeB可用於磁性層319。在一些此等實施例中，磁性層319可在CoFeB中包含至少10%且不大於40%的B。此外，磁性層314及317可經定製以改良磁性層311與316之間的RKKY耦合。
磁性接面300享有磁性接面100、200、200'及/或200"以及PEL 130、130'、130"及/或130"'的益處。磁性接面300可具有改良的效能，諸如，較低切換電流、改良的TMR、強化的垂直磁性各向異性、強化的磁性耦合以及因此改良的穩定性。可在不會不利地影響穿隧阻障層320的情況下達成此等益處。此外，自由層310可為使用Ru及/或Pd而不會不利地影響非磁性間隔物層320中所使用的任何結晶MgO的SAF。此是因為非磁性擴散阻障層313的存在。在此等非磁性擴散阻障層313及318如關於PEL 130、130'、130"、130"'、230、230'及/或230"所描述而較薄的實施例中，磁性層312與314以及層317與319之間的磁性耦合可得以強化。因此，可改良磁性接面300以及使用磁性接面300的記憶體的效能。
圖10描繪包含參考堆疊且可經由自旋轉移而切換的磁性 接面300'的另一例示性實施例，所述參考堆疊具有包含非磁性插入層的分級PEL。為了清楚起見，圖10未按照比例繪製。磁性接面300'類似於磁性接面100、200、200'、200"及/或300。因此，類似組件類似地進行標記。磁性接面300'包含晶種層302'、自由層310'、在此實施例中可為穿隧阻障層320'的非磁性間隔物層、參考堆疊360'以及可選覆蓋層304'，其分別類似於晶種層102/202/202'/202"/302、自由層110/210/210'/210"/310、非磁性間隔物層120/220/220'/220"/320以及覆蓋層104/204/204'/204"/304。參考堆疊360'包含分級PEL 330'、可選磁性耦合層340'以及高PMA層350'，其分別類似於PEL 130/130'/130"/130"'/230/230'/230"/330、可選磁性耦合層140/240/240'/340以及高PMA層150/250/250'/250"/350。因此，類似組件具有與對應組件類似的結構以及功能。
磁性接面亦包含額外非磁性間隔物層365、可選額外分級PEL 370、可選磁性耦合層380以及額外高PMA層390。非磁性間隔物層365類似於非磁性間隔物層320'。可選額外分級PEL 370類似於PEL 130、130'、130"、130"'、230、230'、230"、330及/或330'。可選耦合層380類似於可選耦合層140、240、240'、340及/或340'。高PMA層390類似於高PMA層150、250、250'、250"、350及/或350'。因此，磁性接面300'為雙磁性接面。在非磁性間隔物層320'及365兩者為穿隧阻障的實施例中，磁性接面300'為雙MTJ。在非磁性間隔物層320'及365兩者為導電阻障的實施例 中，磁性接面300'為雙自旋閥。然而，在其他實施例中，非磁性間隔物層320'及365無需享有類似性質。舉例而言，非磁性間隔物層320'及365中的一者可為導電阻障層而另一者為穿隧阻障層。
磁性接面300'享有磁性接面100、200、200'、200"、300以及PEL 130、130'、130"及/或130"'的益處。磁性接面300'可具有改良的效能，諸如，較低切換電流、強化的垂直磁性各向異性、強化的磁性耦合以及因此改良的穩定性。可在不會不利地影響穿隧阻障層320'及/或365的情況下達成此等益處。因此，可改良磁性接面300'以及使用磁性接面300'的記憶體的效能。
此外，磁性接面100、200、200'、200"、300及/或300'以及PEL 130、130'、130"、130"'、230、230'、230"、330、330'及/或370可用於磁性記憶體中。圖11描繪一個此類記憶體400的例示性實施例。磁性記憶體400包含讀取/寫入行選擇驅動器402及406以及字元線選擇驅動器404。應注意，可設置具有另一配置的其他及/或不同組件。記憶體400的儲存區域包含磁性儲存胞410。每一磁性儲存胞包含至少一個磁性接面412以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可包含磁性接面100、200、200'、200"、300及/或300'中的一或多者。雖然針對每一磁性儲存胞410展示了一個磁性接面412，但在其他實施例中，可針對每一磁性儲存胞設置任何數目個磁性接面412。因此，可在記憶體400中實現磁性接面100、200、200'、200"、300及/或300'以及PEL 130、130'、130"、130"'、230、230'、 230"、330、330'及/或370的益處。
圖12描繪用於製造磁性子結構的方法500的例示性實施例。為了簡單起見，可省略、組合及/或交錯一些步驟。在磁性接面100的情形下描述方法500。然而，方法500可用於其他磁性接面，諸如，接面200、200'、200"、300、300'及/或412。此外，方法500可併入至磁性記憶體的製造中。因此，方法500可用於製造STT-RAM或另一磁性記憶體。方法500亦可包含提供晶種層202以及可選釘紮層(未圖示)。
經由步驟502而提供自由層110。步驟502可包含將所要材料沉積於自由層210的所要厚度處。此外，步驟502可包含提供SAF。經由步驟504而提供非磁性層120。步驟504可包含沉積所要的非磁性材料，包含但不限於結晶MgO。此外，在步驟504中可沉積所要厚度的材料。
經由步驟506而提供分級PEL 130。步驟506包含沉積與所要厚度的非磁性插入層交錯的鐵磁性層。因此，在步驟506中沉積PEL 130'、130"及/或130"'中所描繪的層。然而，應注意，在約2埃的厚度處，步驟506中所沉積的層可能並不連續或厚度可變化。舉例而言，步驟506中形成的非磁性插入層可包含重疊島狀物及/或類似於針孔的開放區域。藉由後處理，可遷移此等非磁性插入層的部分。舉例而言，可稍後在製造中對磁性接面100進行退火。非磁性插入層中的材料(諸如，Ta)可接著遷移。由於退火誘發的遷移，重疊的島狀物可擴散以形成具有較小厚度變化 的層。可視情況經由步驟508而提供耦合層140。步驟508可包含沉積Ru層。在一些實施例中，可省略步驟508。
經由步驟510而提供高PMA層250。步驟510可包含將所要材料沉積於高PMA層250的所要厚度處。此外，步驟510可包含提供SAF及/或高垂直各向異性多層。舉例而言，可在步驟510中製造一或多個Co/Pd及/或Co/Pt多層。此外，其他磁性及/或非磁性材料亦可用於在步驟510中製造高PMA層。因此，步驟506、508及510可視為會製造參考堆疊260。
經由步驟512，完成磁性接面100的製造。可視情況在步驟512中提供任何額外層，諸如，穿隧阻障層365、分級PEL 370、耦合層380及高PMA層390。類似地，可在步驟512中提供覆蓋層或另一(其他)層。亦可執行退火、外部磁場中的磁矩的方向的設定及/或其他處理。因此，使用方法500，可達成PEL 130/130'/130"/130"'/230/230'/230"/330/330'以及磁性接面100、200、200'、200"、300及/或300'的益處。
已描述了用於提供包含具有PEL的參考堆疊的磁性接面的方法及系統以及使用所述磁性接面而製造的記憶體。已根據所示的例示性實施例描述了所述方法及系統，且一般熟習此項技術者將易於認識到可存在對實施例的變化，且任何變化將在所述方法及系統的精神及範疇內。因此，可由一般熟習此項技術者進行許多修改，而不偏離隨附申請專利範圍的精神及範疇。
100‧‧‧磁性接面
102‧‧‧晶種層
104‧‧‧覆蓋層
110‧‧‧自由層
111‧‧‧磁矩
120‧‧‧非磁性間隔物層/結晶MgO穿隧阻障層
130‧‧‧分級PEL
131‧‧‧磁矩
140‧‧‧耦合層
150‧‧‧高垂直磁性各向異性(PMA)層
151‧‧‧磁矩
160‧‧‧參考堆疊

Claims (10)

  1. 一種磁性接面，用於磁性裝置中，所述磁性接面包括：自由層，具有垂直於平面的自由層磁矩；非磁性間隔物層，具有第一結晶取向，參考堆疊，包含高垂直磁性各向異性(PMA)層以及分級極化強化層(PEL)，所述非磁性間隔物層位於所述分級PEL與所述自由層之間，所述分級PEL位於所述高PMA層與所述非磁性間隔物層之間，所述高PMA層具有垂直於平面的磁矩、第二結晶取向以及第一自旋極化，所述分級PEL鄰近於所述高PMA層且與所述高PMA層磁性地耦合，所述分級PEL包含多個磁性層以及多個非磁性插入層，所述分級PEL的至少一部分具有大於所述第一自旋極化的第二自旋極化且鄰近於所述非磁性間隔物層，所述多個非磁性插入層經設置以使得所述多個磁性層鐵磁性地耦合且使得所述第一結晶取向與所述第二結晶取向解耦，所述多個非磁性插入層中的每一者具有一厚度，所述多個非磁性插入層中的每一者的所述厚度不足以使所述第一結晶取向在所述多個非磁性插入層的剩餘部分不存在的情況下與所述第二結晶取向解耦；其中所述磁性接面經設置以使得在寫入電流穿過所述磁性接面時，所述自由層可在多個穩定磁性狀態之間切換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述多個非磁性插入層中的每一者的厚度的總和足以實現所述高PMA層與所述非磁性間隔物層之間的擴散阻斷，所述多個非磁性插入層中 的每一者的厚度不足以實現所述高PMA層與所述非磁性間隔物層之間的擴散阻斷。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述厚度的總和為至少4埃。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述厚度小於3埃。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的磁性接面，其中所述厚度為至少2埃。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述分級PEL包含Ta。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的磁性接面，其中所述分級PEL包括多個非磁性層，且所述多個非磁性層中的每一者由Ta組成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述高PMA層包含高垂直各向異性多層以及高垂直各向異性超晶格中的至少一者。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的磁性接面，其中所述高垂直各向異性多層以及所述高垂直各向異性超晶格中的所述至少一者包含Co/Pt多層、Co/Pd多層、CoPt超晶格以及CoPd超晶格中的至少一者。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的磁性接面，其中所述高PMA層為合成反鐵磁體，所述合成反鐵磁體包含第一磁性結構、 第二磁性結構以及所述第一磁性結構與所述第二磁性結構之間的非磁性層，所述第一磁性結構以及所述第二磁性結構中的至少一者包含所述高垂直各向異性多層以及所述高垂直各向異性超晶格中的所述至少一者。
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