TWI643329B - 磁性接面 - Google Patents

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儸曼 可普斯奇
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Abstract

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層、非磁性間隔物層以及自由層。所述非磁性間隔物層位於所述參考層與所述自由層之間。所述自由層具有經設計的垂直磁性異向性。所述經設計的PMA包含以下各者中的至少一者：絕緣插入層誘發式PMA、應力誘發式PMA、因界面對稱性破缺而引起的PMA以及晶格失配誘發式PMA。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。

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-MRAM)。STT-MRAM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(magnetic moment)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-MRAM中。習知MTJ 10通常位於底部接點11上，使用習知晶種層12，且包含習知反鐵磁性(AFM)層14、習知固定層(pinned layer)16、習知穿隧阻障層18、習知自由層20以及習知覆蓋層22。亦展示頂部接點24。
習知接點11及24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(諸如，AFM層14)的生長。習知穿隧阻障層18為非磁性的，且(例如)為薄絕緣體(諸如，MgO)。
習知固定層16以及習知自由層20為磁性的。習知固定層16的磁化量(magnetization)17通常藉由與AFM層14的磁化量的交換偏壓相互作用(exchange-bias interaction)而固定或釘紮(pin)於特定方向上。雖然描繪為簡單(單個)層，但習知固定層16亦可包含多個層。舉例而言，習知固定層16可為合成反鐵磁性(synthetic antiferromagnetic,SAF)層，其包含經由薄導電層(諸如，Ru)而反鐵磁性地耦合的磁性層。在此SAF中，可使用與Ru的薄層交錯的多個磁性層。在另一實施例中，跨越Ru層的耦合可為鐵磁性的。在SAF中，亦可獨立地使用多層或與磁性層一起使用多層。此外，其他版本的習知MTJ 10可包含藉由額外非 磁性阻障或導電層(未圖示)而與自由層20分離的額外固定層(未圖示)。
習知自由層20具有可改變的磁化量21。雖然描繪為簡單層，但習知自由層20亦可包含多個層。舉例而言，習知自由層20可為合成層，其包含經由薄導電層(諸如，Ru)而反鐵磁性地或鐵磁性地耦合的磁性層。雖然展示為處於平面內(in-plane)，但習知自由層20的磁化量21可具有垂直異向性。因此，固定層16的磁化量17以及自由層20的磁化量21可分別定向為垂直於所述層的平面。
為了切換習知自由層20的磁化量21，垂直於平面(在z方向上)而驅動電流。當自頂部接點24至底部接點11而驅動足夠電流時，習知自由層20的磁化量21可切換為平行於習知固定層16的磁化量17。當自底部接點11至頂部接點24而驅動足夠電流時，自由層的磁化量21可切換為反平行於固定層16的磁化量。磁性組態的差別對應於習知MTJ10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(tunneling magnetoresistance,TMR)，可判定習知MTJ的狀態。
雖然習知MTJ 10可使用自旋轉移(spin transfer)來寫入，藉由感測接面的TMR來讀取且用於STT-MRAM中，但存在缺陷。舉例而言，可需要習知自由層20以及習知固定層16的磁矩垂直於平面，從而提供高垂直磁性異向性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)。因此，當垂直異向性能量超過平面外去磁能量時，可發生高PMA。此導致磁矩具有垂直於平面的分量且可能完全垂直於平面。雖然存在此些習知高PMA接面，但PMA可因各種因素而減小。舉例而言，可因在CoFe自由層20中將Co包含至Fe中、因在習知自由層20中存在硼以及其他因素而減小PMA。此外，習知自由層20的熱穩定性可能難以使用習知高PMA材料來維持。因此，習知MTJ的效能可能受到影響。因此，可需要定製PMA的機構。
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。
本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層、非磁性間隔物層以及自由層。所述非磁性間隔物層位於所述參考層與所述自由層之間。所述自由層具有經設計的垂直磁性異向性。所述經設計的PMA包含以下各者中的至少一者：絕緣插入層誘發式PMA(insulating insertion layer induced PMA)、應力誘發式PMA(stress induced PMA)、因界面對稱性破缺而引起的PMA以及晶格失配誘發式PMA(lattice mismatch induced PMA)。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。
10‧‧‧磁性穿隧接面(MTJ)
11‧‧‧底部接點
12‧‧‧晶種層
14‧‧‧反鐵磁性(AFM)層
16‧‧‧固定層
17、21‧‧‧磁化量
18‧‧‧穿隧阻障層
20、130、130'、130"、200、200'、200"、330、330'、430、430'‧‧‧自由層
22、140、140'、340、340'、440、440'‧‧‧覆蓋層
24‧‧‧頂部接點
100、100'、100"、300、300'、400、400'、512‧‧‧磁性接面
102、102'、102"、302、302'、402、402'‧‧‧基板
110、110'、110"、150、310、310'、410、410'‧‧‧參考層
111‧‧‧磁矩
112、116、312、312'、316、316'、412、412'、416、416'‧‧‧ 鐵磁性層
113、117、131、131'、313、313'、317、317'、331、331'、413、413'、417、417'、431、431'‧‧‧磁矩
114、120、120'、120"、314、314'、320、320'、414、414'、420、420'‧‧‧非磁性間隔物層
140"‧‧‧間隔物層
202、202'、202"、203、206、206'、206"、207、210‧‧‧磁性層
204、204'、204"、208‧‧‧氧化物層
205‧‧‧氧化物層
350、350'、360‧‧‧應力誘發層
500‧‧‧磁性記憶體
502、506‧‧‧讀取/寫入行選擇驅動器
504‧‧‧字元線選擇驅動器
510‧‧‧磁性儲存單元
514‧‧‧選擇裝置
600、620‧‧‧方法
602、604、606、608、610、622、624、626、628、630‧‧‧步驟
圖1描繪習知磁性接面。
圖2描繪包含具有經設計的垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的磁性接面的例示性實施例。
圖3描繪包含具有經設計的垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的磁性接面的另一例示性實施例。
圖4描繪包含具有經設計的垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的磁性接面的另一例示性實施例。
圖5描繪具有插入層誘發式垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的例示性實施例。
圖6描繪具有插入層誘發式垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的另一例示性實施例。
圖7描繪具有插入層誘發式垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的另一例示性實施例。
圖8描繪具有應力誘發式垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的例示性實施例。
圖9描繪具有應力誘發式垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的另一例示性實施例。
圖10描繪具有晶格參數失配誘發式垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的例示性實施例。
圖11描繪具有晶格參數失配誘發式垂直磁性異向性且可使 用自旋轉移而切換的自由層的另一例示性實施例。
圖12描繪將磁性接面用於儲存單元的記憶體元件中的記憶體的例示性實施例。
圖13描繪用於製造包含具有經設計的垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層的磁性接面的方法的例示性實施例。
圖14描繪用於製造具有插入層誘發式垂直磁性異向性且可使用自旋轉移而切換的自由層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本領域具有通常知識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，所述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。
方法及系統提供磁性接面以及利用所述磁性接面的磁性記憶體。所述磁性接面包含參考層、非磁性間隔物層以及自由層。所述非磁性間隔物層位於所述參考層與所述自由層之間。所述自由層具有經設計的垂直磁性異向性。所述經設計的PMA包含以下各者中的至少一者：絕緣插入層誘發式PMA、應力誘發式PMA、因界面對稱性破缺而引起的PMA以及晶格失配誘發式PMA。用於絕緣插入層誘發式PMA的機制可與自由層材料與絕緣層材料之間的電子混成(electron hybridization)相關，然而，除電子混成外，亦可存在其他機制。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。
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。本領域具有通常知識者將容易認識到，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。亦在磁性異向性(特定言之，垂直磁性異向性)的自旋轉移現象以及其他物理現象的當前理解的情形下描述所述方法及系統。因此，本領域具有通常知識者將容易認識到，基於自旋轉移、磁性異向性以及其他物理現象的此 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。本領域具有通常知識者亦將容易認識到，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，本領域具有通常知識者將容易認識到，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，本領域具有通常知識者將容易認識到，所述層可具有另一結構。此外，在具有特定層、材料以及特性的磁性接面及/或自由層的情形下描述所述方法及系統。然而，本領域具有通常知識者將容易認識到，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、材料及/或特性的磁性接面及/或自由層。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自由層的情形下描述所述方法及系統。然而，本領域具有通常知識者將容易認識到，所述方法及系統與具有多個磁性接面且使用多個自由層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描繪包含具有經設計的垂直磁性異向性且其可使用自旋轉移而切換的自由層的磁性接面100的例示性實施例。磁性 接面100可為(例如)磁性穿隧接面(MTJ)、自旋閥(spin valve)或彈道磁阻結構(ballistic magnetoresistance structure)、或其某一組合。磁性接面100可用於各種應用中。舉例而言，磁性接面可用於諸如STT-MRAM的磁性記憶體中。為了清楚起見，圖2未按照比例繪製。
磁性接面包含參考層110、非磁性間隔物層120、自由層130以及覆蓋層140。磁性接面100被展示為位於基板102上。在一些實施例中，磁性接面100可包含晶種層及/或額外覆蓋層(未圖示)。雖然層110、120、130及140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，自由層130可較接近於磁性接面100的底部(最接近於基板102)。亦可使用釘紮層(pinning layer)(未圖示)。一般而言，若參考層110(亦稱為固定層)的磁矩處於平面內，則將使用釘紮層，且若參考層110的磁矩垂直於平面，則將不使用釘紮層，此情形已得以展示且一般為所要的。此釘紮層可用於固定參考層110的磁矩111。在一些實施例中，釘紮層可為藉由交換偏壓相互作用來固定參考層110的磁化量(未圖示)的AFM層或多層。磁性接面100亦經設置以允許自由層130在寫入電流穿過磁性接面100時在穩定磁性狀態之間切換。在一些實施例中，可單獨使用寫入電流來切換磁性接面，而在其他實施例中，可使用寫入電流以及其他切換機制。因此，自由層130的磁矩131可利用自旋轉移力矩來切換。因為磁矩131為可切換的，所以磁矩131由雙箭頭指示。
非磁性間隔物層120可為磁阻展現於參考層110與自由層130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。此非磁性間隔物層可具有較佳結晶取向，諸如，(100)取向。
雖然描繪為簡單層，但參考層110及/或自由層130可包含多個層。舉例而言，參考層110及/或自由層130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或另一材料的薄層交錯的多個磁性層。參考層110及/或自由層130亦可為另一多層。
參考層110及/或自由層130可各自具有超過平面外去磁能量的垂直異向性能量。因此，參考層110及/或自由層130可具有高垂直磁性異向性(PMA)。在所示的實施例中，參考層110與自由層130兩者具有高PMA。因此，參考層110以及自由層130各自使其磁矩111及磁矩131分別在平衡狀態下垂直於平面而定向，如圖2所示。換言之，參考層110及自由層130的易磁化軸(easy axes)垂直於平面。然而，在其他實施例中，參考層110以及自由層130中的一者或兩者可具有平面內磁矩。參考層110的磁矩111可固定於特定方向上。在所示的實施例中，參考層110的磁矩111處於正z方向上。在另一實施例中，磁矩111可處於負z方向上。在其他實施例中，參考層110的磁矩111可穩定於另一方向上，包含(但不限於)處於平面內。參考層110及/或自由層130的磁矩的其他定向是可能的。
自由層130具有經設計的PMA。換言之，磁性接面100經設置以使得自由層130的PMA處於所要範圍中。在一些實施例中，自由層130自身經設置以提供所要PMA。在其他實施例中，磁性接面100的其他部分(其中的一些可能未展示於圖2中)可經設置以在自由層130中誘發所要PMA。舉例而言，經設計的PMA可包含以下各者中的一或多者：絕緣插入層誘發式PMA、應力誘發式PMA、因界面對稱性破缺而引起的PMA以及晶格失配誘發式PMA。絕緣插入層誘發式PMA針對插入至自由層中的特定磁性絕緣層而發生。應力誘發式PMA可在自由層中所誘發的應力導致PMA的改變時發生。舉例而言，自由層可經製造以使得自由層處於應變下。在其他實施例中，其他層可設置於磁性元件100中以對自由層施加應力。晶格失配誘發式PMA是因磁性接面100中自由層130的一部分與另一層之間的失配而引起。在一些實施例中，此可視為應力誘發式PMA的特殊狀況。自由層130的經設計的PMA經設置以處於所要範圍中。在一些實施例中，經設計的PMA使得自由層130具有高PMA。因此，磁矩131垂直於平面，如圖2所示。然而，在其他實施例中，經設計的PMA可經設置以小於平面外去磁能量。
使用經設計的PMA，自由層130的PMA可視需要來設計。經設計的PMA可允許自由層130在平衡狀態下具有高PMA。換言之，在平衡狀態下，自由層130的磁矩131可垂直於平面且熱穩定，如圖2所示。在切換期間，經設計的PMA可經設置以減 小或保持不變。因此，自由層130的PMA可視需要(特定言之，針對高PMA)來定製。因此，自由層130的切換特性可增強。
圖3描繪包含具有經設計的PMA且其可使用自旋轉移而切換的自由層130'的磁性接面100'的另一例示性實施例。為了清楚起見，圖3未按照比例繪製。磁性接面100'類似於磁性接面100。因此，類似層類似地進行標記。磁性接面100'包含分別類似於參考層110、非磁性間隔物層120、自由層130及覆蓋層140的參考層110'、非磁性間隔物層120'、自由層130'以及覆蓋層140'。雖然參考層110'、非磁性間隔物層120'、自由層130'及覆蓋層140'展示為特定定向，但此定向可在其他實施例中變化。在一些實施例中，可包含可選晶種層(未圖示)、可選釘紮層(未圖示)及/或可選覆蓋層(未圖示)。磁性接面100'亦經設置以允許自由層130'的磁化量在寫入電流穿過磁性接面100'時在穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層130'的磁化量可利用自旋轉移力矩來切換。此外，自由層130'具有類似於上述經設計的PMA的經設計的PMA。
在磁性接面100'中，參考層110'為合成層，包含由非磁性間隔物層114分離的兩個鐵磁性層112及116。鐵磁性層112及116的磁矩113及磁矩117(例如)經由RKKY耦合而反鐵磁性地耦合。然而，在其他實施例中，其他耦合機制可為可能的。此外，鐵磁性層112及116兩者被描繪為具有高PMA(PMA能量大於平面外去磁能量)。因此，磁矩113及磁矩117被展示為垂直於平面。然而，在其他實施例中，可使用其他定向。
磁性接面100'可享有磁性接面100的益處。由於自由層130'的經設計的PMA，自由層130'的磁矩131'可垂直於平面且具有所要PMA。此外，因為參考層110'的鐵磁性層112及鐵磁性層116反鐵磁性地耦合，所以自由層130'可由於參考層110'而經受較小的外部磁場。因此，磁性接面100'的效能可得以改良。
圖4描繪包含具有經設計的PMA且其可使用自旋轉移而切換的自由層130"的磁性接面100"的另一例示性實施例。為了清楚起見，圖4未按照比例繪製。磁性接面100"類似於磁性接面100及/或100'。因此，類似層類似地進行標記。磁性接面100"包含分別類似於參考層110/110'、非磁性間隔物層120/120'及自由層130/130'的參考層110"、非磁性間隔物層120"以及自由層130"。磁性接面100"亦包含代替覆蓋層140/140'的額外間隔物層140"以及額外參考層150。雖然參考層110"、非磁性間隔物層120"、自由層130"及覆蓋層140"展示為特定定向，但此定向可在其他實施例中變化。在一些實施例中，可包含可選晶種層(未圖示)、可選釘紮層(未圖示)及/或可選覆蓋層(未圖示)。
磁性接面100"亦經設置以允許自由層130"的磁化量在寫入電流穿過磁性接面100"時在穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層130"的磁化量可利用自旋轉移力矩來切換。此外，自由層130"具有類似於上述經設計的PMA的經設計的PMA。
磁性接面100"為包含兩個參考層110"及參考層150的雙磁性接面。雖然展示為簡單層，但參考層110"及/或參考層150可 為合成的。參考層110"及參考層150兩者被描繪為具有高PMA(PMA能量大於平面外去磁能量)。因此，磁矩被展示為垂直於平面。然而，在其他實施例中，可使用其他定向。參考層110"及參考層150的磁矩亦可需要為反平行的。因此，如圖4所示，若參考層110"的磁矩處於正z方向上，則參考層150的磁矩處於負z方向上，且反之亦然。
磁性接面100"可享有磁性接面100及/或100'的益處。由於自由層130"的經設計的PMA，自由層130"的磁矩131"可垂直於平面且具有所要PMA。若參考層110"及/或150為合成的，則自由層130"處的外部磁場可進一步減小。此外，使用了兩個參考層110"及150。若此些參考層110"及150的最接近於自由層130"的磁矩為反平行的，則切換期間的自由層130"上的自旋轉移力矩可增強。更具體言之，來自參考層110"及150的自旋極化電子應對垂直於平面的方向上驅動的電流的自旋轉移切換具有加成效應。磁性接面100"可具有較低切換電流。因此，磁性接面100"的效能可得以改良。
磁性接面100、100'及/或100"至少部分由於自由層130/130'/130"的經設計的PMA而享有益處。圖5至圖11指示可藉以達成經設計的PMA的各種機制。亦可獨立地使用圖5至圖11所描繪的機制。在其他實施例中，可在單個磁性接面/自由層中組合圖5至圖11中用於自由層的經設計的PMA的一些或全部機制。然而，並不妨礙自由層130、130'及/或130"的PMA以另一方式來 設計。
圖5描繪具有經設計的PMA、可其使用自旋轉移來切換且可用於磁性接面(諸如，磁性接面100、100'及/或100")中的自由層200的例示性實施例。為了清楚起見，圖5未按照比例繪製。自由層200被展示為包含由絕緣插入層(氧化物層204)分離的兩個磁性層202及磁性層206，絕緣插入層(氧化物層204)可用於對自由層200的PMA進行設計。絕緣插入層(氧化物層204)可為磁性氧化物層。在一些實施例中，自由層200由磁性層202、絕緣插入層(氧化物層204)及磁性層206組成。在其他實施例中，自由層200可為包含(但不限於)SAF的多層。在此等實施例中，磁性層202、絕緣插入層(氧化物層204)及/或磁性層206可包含於SAF的鐵磁性層中的一或多者中。
磁性層202及206可包含諸如CoFeB(具有多達20%的B)的材料。磁性層202及206亦可為不超過20埃厚。然而，在其他實施例中，可使用其他材料及/或其他厚度。磁性層202及/或206可為導電性的。磁性層202及/或206亦可為合金。在其他實施例中，磁性層202及/或206可具有較低導電率，但仍將需要具有足夠高的導電率，以承載用於在CPP方向上操作的足夠電流。可使用其他磁性材料來提供自由層200的所要特性。在一些實施例中，磁性層202及206為CoFeB層，其各自不超過20埃厚。然而，磁性層202及磁性層206的厚度使得自由層200為熱穩定的。因此，自由層200的Δ(磁性異向性能量除以kbT，其中T為室溫)需要 高於60。
氧化物層204(插入層)可增強鄰接的磁性層202及磁性層206的PMA。氧化物層204(插入層)亦為磁性的。此與可在鐵磁性層之間具有非磁性氧化物層(諸如，MgO、VO以及TiO)的磁性穿隧接面形成對比。雖然非磁性MgO可用於增強磁性層202及磁性層206的PMA，但經由非磁性MgO而實現的磁性層202及磁性層206之間的耦合將較小。因此，針對較小尺寸，代替氧化物層204(插入層)而使用MgO來形成的自由層的熱穩定性可能受到負面影響。相比而言，磁性插入層(氧化物層204)為鐵磁性氧化物層204。因此，磁性層202及磁性層206鐵磁性地耦合。鐵磁性氧化物層204(插入層)亦可經選擇以增強鐵磁性層202及磁性層206的PMA。因此，自由層200可由於經由磁性氧化物層204(插入層)而實現的鐵磁性耦合而具有增強的/經設計的PMA以及熱穩定性。
在一些實施例中，磁性氧化物層204(插入層)包含NiO及NiOx中的至少一者。NiO及NiOx以類似於MgO的程度增大自由層200的PMA。NiO為可使用合金靶而提供的氧化鎳。NiOx可藉由沉積Ni層且使所述層氧化而形成。NiO在3至4個單層或多於3至4個單層的厚度下為反鐵磁性的。因此，針對NiO/NiOx，磁性氧化物層204(插入層)可小於三個單層厚。在其他實施例中，可使用可增強磁性層202及磁性層206的PMA的其他磁性氧化物。
自由層200且因此磁性接面(諸如，100、100'及/或100") 可具有改良的效能。諸如NiO及/或NiOx的材料的使用使自由層200具有增大的PMA。因此，自由層200可較可能以垂直於平面的磁矩而穩定，如圖5所示。此外，磁性層202及磁性層206經由磁性氧化物層204(插入層)而鐵磁性地耦合。因此，自由層200可較熱穩定，即使是在較小尺寸的自由層200以及較小厚度的磁性層202及206的情況下亦是如此。因此，自由層200可熱穩定且適用於較高記憶體密度。
圖6描繪具有經設計的PMA、可其使用自旋轉移來切換且可用於磁性接面(諸如，磁性接面100、100'及/或100")中的自由層200'的例示性實施例。為了清楚起見，圖6未按照比例繪製。自由層200'類似於自由層200。因此，類似層類似地進行標記。自由層200'包含與磁性氧化物層204'(插入層)及磁性氧化物層208(插入層)交錯的磁性層202'、磁性層206'及磁性層210。由磁性氧化物層204'(插入層)分離的兩個磁性層202'及磁性層206'分別類似於由磁性氧化物層204(插入層)分離的磁性層202及磁性層206。雖然展示了特定數量的磁性層202'、磁性層206'及磁性層210以及特定數量的磁性氧化物層204'(插入層)及磁性氧化物層208(插入層)，但可使用另一數目的磁性層以及磁性氧化物/插入層。因此，自由層200'被展示為由磁性層202'、磁性氧化物層204'(插入層)、磁性層206'、磁性氧化物層208(插入層)及磁性層210構成。在其他實施例中，自由層200'可包含與磁性層(未圖示)交錯的其他鐵磁性氧化物層(未圖示)。
自由層200'包含額外磁性氧化物層208(插入層)以及磁性層210。磁性氧化物層208(插入層)類似於磁性氧化物層204'(插入層)。磁性層210類似於磁性層202'及磁性層206'。舉例而言，磁性層210可包含諸如CoFeB(具有多達20%的B)的材料。在一些實施例中，磁性層210為CoFeB層，其不超過20埃厚。然而，在其他實施例中，可使用其他材料及/或其他厚度。磁性層202'、磁性層206'及磁性層210的厚度使得自由層200'為熱穩定的。磁性氧化物層208(插入層)可增強鄰接的磁性層210及磁性層206'的PMA。磁性氧化物層208亦使磁性層206'及磁性層210鐵磁性地耦合。在一些實施例中，磁性氧化物層208(插入層)包含NiO及NiOx中的至少一者。在此等實施例中，磁性氧化物層208(插入層)可小於三個單層厚以確保磁性氧化物層208(插入層)為鐵磁性的。因此，自由層200'可由於經由磁性氧化物層204'(插入層)及磁性氧化物層208(插入層)而實現的鐵磁性耦合而具有增強的/經設計的PMA以及熱穩定性。
自由層200'享有自由層200的益處。特定言之，自由層200'具有經設計的PMA。在一些實施例中，自由層200'具有增大的PMA。此外，因為磁性層202及磁性層206以及磁性層202'、磁性層206'及磁性層210鐵磁性地耦合，所以自由層200及/或自由層200'較熱穩定性，即使是在較小尺寸的情況下亦是如此。因此，自由層200/200'的效能以及併有自由層200/200'的磁性元件的效能可得以改良。
圖7描繪具有經設計的PMA、可使用自旋轉移來切換之且可用於磁性接面(諸如，磁性接面100、100'及/或100")中的自由層200"的例示性實施例。為了清楚起見，圖7未按照比例繪製。自由層200"類似於自由層200及自由層200'。因此，類似層類似地進行標記。自由層200"包含由磁性插入層(氧化物層204")分離的兩個磁性層202"及磁性層206"，磁性層202"及磁性層206"以及磁性插入層(氧化物層204")分別類似於磁性層202/202'及磁性層206/206'以及磁性氧化物層204/204'(插入層)。在一些實施例中，自由層200"由磁性層202"、磁性插入層(氧化物層204")及磁性層206"組成。在其他實施例中，自由層200"可為包含(但不限於)SAF的多層。在此等實施例中，磁性層202"、磁性氧化物層204"(磁性插入層)及/或磁性層206"可包含於SAF的鐵磁性層中的一或多於一者中。
絕緣磁性插入層(氧化物層204")包含未氧化的磁性層203及未氧化的磁性層207以及磁性氧化物層205。絕緣磁性插入層(氧化物層204")可藉由沉積磁性層、使所述層氧化且沉積另一磁性層而形成。因此，磁性氧化物層205以及未氧化的磁性層203可由單個磁性層形成。在一些實施例中，未氧化的磁性層203及未氧化的磁性層207為Ni層，而磁性氧化物層205為氧化的Ni。磁性氧化物層205需要為鐵磁性的(而不是反鐵磁性的)。因此，磁性氧化物層205可為小於三個單層厚。磁性層202"及磁性層206"可為具有不超過20%的B且具有不超過20埃的厚度的 CoFeB層。然而，在其他實施例中，可使用其他磁性材料以及其他厚度。絕緣磁性插入層(氧化物層204")可更增強磁性層202"及磁性層206"的PMA且實現磁性層202"及磁性層206"之間的鐵磁性耦合。
自由層200"享有自由層200及/或自由層200'的益處。特定言之，自由層200"具有使用磁性插入層(氧化物層204")而定製的經設計的PMA。在一些實施例中，自由層200"具有增大的PMA。此外，因為磁性層202"及磁性層206"鐵磁性地耦合，所以自由層200"較熱穩定。因此，自由層200"的效能以及併有自由層200"的磁性元件的效能可得以改良。
圖8描繪包含具有經設計的PMA且其可使用自旋轉移而切換的自由層330的磁性接面300的另一實施例。為了清楚起見，圖8未按照比例繪製。磁性接面300被展示為位於基板302上。磁性接面300類似於磁性接面100、100'及/或100"。磁性接面300因此包含參考層310、非磁性間隔物層320、具有經設計的PMA的自由層330、覆蓋層340以及可選應力誘發層350。應力誘發層350對自由層330施加應力，所述應力可用於對自由層的PMA進行設計。參考層310、非磁性間隔物層320以及自由層330分別類似於參考層110/110'/110"、非磁性間隔物層120/120'/120"以及自由層130/130'/130"。覆蓋層340亦可分別類似於覆蓋層140/140'。雖然參考層310、非磁性間隔物層320、具有經設計的PMA的自由層330及覆蓋層340展示為特定定向，但此定向可在其他實施 例中變化。在一些實施例中，可包含可選晶種層(未圖示)、可選釘紮層(未圖示)及/或可選覆蓋層(未圖示)。磁性接面300亦經設置以允許自由層330的磁化量在寫入電流穿過磁性接面300時在穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層330的磁矩331可利用自旋轉移力矩來切換。在一些實施例中，除另一切換機制外或代替另一切換機制，可使用自旋轉移力矩。此外，自由層330具有類似於上述經設計的PMA的經設計的PMA。
非磁性間隔物層320可為磁阻展現於參考層310與自由層330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320為結晶MgO穿隧阻障層。此非磁性間隔物層可具有較佳結晶取向，諸如，(100)取向。在此等實施例中，非磁性間隔物層320可增強磁性接面300的PMA以及磁阻。
在所示的實施例中，參考層310為包含由非磁性間隔物層314分離的鐵磁性層312及鐵磁性層316的SAF。鐵磁性層312及鐵磁性層316(例如)經由RKKY耦合而反鐵磁性地耦合。在其他實施例中，參考層310可包含額外層(為另一多層)，可為簡單層及/或可具有不同磁性耦合。自由層330被展示為簡單層。然而，在其他實施例中，自由層330可為包含(但不限於)SAF的多層(多層自由層200、自由層200'及/或自由層200")或具有另一結構。在圖8所示的實施例中，參考層310及/或自由層330各自具有高PMA。因此，(參考層310的)鐵磁性層312及鐵磁性層316以及自由層330各自使其磁矩313、磁矩317及磁矩331分別 在平衡狀態下垂直於平面而定向，如圖8所示。然而，在其他實施例中，參考層310以及自由層330中的一者或兩者可具有平面內磁矩。參考層310的磁矩313及磁矩317可固定於特定方向上。在所示的實施例中，磁矩313及磁矩317分別處於正z方向以及負z方向上。在另一實施例中，可顛倒所述定向。在其他實施例中，參考層310的磁矩313及/或磁矩317可穩定於另一方向上，包含(但不限於)處於平面內。參考層310及/或自由層330的磁矩的其他定向是可能的。
自由層330具有經設計的PMA。特定言之，自由層330的PMA可使用應力來定製。已知，諸如CoFeB以及其他含Fe材料的材料的PMA可取決於材料上的應力。應力可取決於材料、應力的類型(拉伸/壓縮)、應力的量值以及其他因素而增大或減小PMA。因此，藉由定製自由層330上的應力，自由層330的PMA可經設置以處於所要範圍中。此外，自由層可併有磁性氧化物層204(插入層)、磁性氧化物層204'(插入層)、磁性氧化物層208(插入層)或磁性氧化物層204"(插入層)。
可使用自由層330自身、使用鄰接的非磁性間隔物層320及/或覆蓋層340及/或使用可選應力誘發層350來誘發自由層330上的應力。舉例而言，可使用非磁性間隔物層320、自由層330、覆蓋層340及/或可選應力誘發層350的沉積條件、材料的選擇、厚度的選擇以及定製所述層的其他態樣。此外，可組合此等機制中的一或多於一者。
在一些實施例中，自由層330沉積在加熱的基板上，此舉實現晶格匹配(lattice matching)的較大的遷移率以及靈活性。下伏層(underlying layer)(非磁性間隔物層320)的晶格常數可在沉積後膨脹，但隨著磁性接面300冷卻而收縮。因此，自由層330可經受應力。自由層330與周圍非磁性間隔物層320、覆蓋層340及/或可選應力誘發層350之間的晶格常數的失配可類似地在自由層330上施加應力，而所述應力影響自由層的PMA。此晶格失配可經選擇以使得自由層330具有所要PMA。在一些實施例中，與鄰接的層的晶格失配需要大於零且不超過約10%。在一些實施例中，失配需要為至少3%且不超過7%。周圍層的材料亦可經選擇以使用此應力來對自由層的PMA進行設計。作為結晶MgO的非磁性間隔物層320及/或覆蓋層340亦可在自由層330上施加應力，而所述應力增大PMA。此應力可藉由對MgO進行摻雜或以其他方式改變結晶MgO的晶格常數來設計。除了與鄰接的非磁性間隔物層320及覆蓋層340的晶格失配之外，可使用將應力引入至自由層330中的增強PMA的其他機制。
在一些實施例中，應力可經設置以隨著時間而保持恆定或隨時間而變化。舉例而言，自由層330的應力誘發式PMA可經設置以在經由磁性接面300而施加切換電流後減小。此可經由溫度相依(temperature dependent)的應力來達成。隨著經由磁性接面而驅動電流，磁性接面300發熱。若(例如)在自由層330與鄰近非磁性間隔物層320、覆蓋層340及/或可選應力誘發層350 之間存在熱膨脹係數的失配，則自由層330以與鄰接的層不同的程度膨脹。由於溫度的升高而引起的此膨脹失配可在自由層330上誘發應力。此應力可改變PMA。在一些實施例中，PMA隨著溫度/電流升高而減小。此PMA減小可使自由層330的磁矩331自垂直平衡狀態傾斜。因此，自旋轉移力矩可較有效地切換磁矩。換言之，自由層330的磁矩可在較低電流下切換。因此，在平衡狀態下，自由層330的磁性狀態可較熱穩定，但可在較低電流下切換，此是因為PMA亦在電流的施加後減小。
在一些實施例中，自由層330上的應力亦可跨越自由層而具有梯度。舉例而言，若自由層330為多層，則可能發生此情形。自由層330的子層之間的晶格失配可在自由層上誘發應力。自由層330亦可沉積在加熱的基板上。下伏層(非磁性間隔物層320)的晶格常數可在沉積後膨脹，但隨著磁性接面300冷卻而收縮。因此，自由層330可經受應力，而所述應力在整個自由層330上可能具有或可能不具有可見的(appreciable)梯度。應力的梯度(且，因此，PMA的梯度)可針對相同的熱穩定常數而實現減小的切換電流。
應力誘發層350的位置及材料亦可用於對自由層330的PMA進行設計。雖然描繪於與自由層相反的覆蓋層340的一側上，但在一些實施例中，應力誘發層350可位於與自由層330相同的覆蓋層340的一側上。在一些此等實施例中，應力誘發層需要薄。在一些實施例中，應力誘發層比20埃薄。在一些此等實施 例中，應力誘發層350具有小於10埃的厚度。若應力誘發層350並不實質上不利地影響切換或TMR，則應力誘發層350亦可位於自由層330與非磁性間隔物層320之間。在一些實施例中，應力誘發層350包含Ru。在此等實施例中，Ru層(應力誘發層350)需要位於MgO覆蓋層340與自由層330兩者上方以達成增大的PMA。相比而言，Ru應力誘發層350位於自由層330下方導致減小的PMA。
使用上文針對非磁性間隔物層320、具有經設計的PMA的自由層330、覆蓋層340及可選應力誘發層350所述的應力誘發機制中的一或多於一者，可對自由層330的PMA進行設計。在一些實施例中，可增大自由層330的PMA，從而使自由層磁矩331穩定於垂直組態中。在一些此等實施例中，應力且因此自由層330的經設計的PMA的量值可為溫度相依的。因此，在較高溫度下，可減小PMA，從而在維持熱穩定性的同時在較低寫入電流下實現切換。因此，磁性接面300的效能可得以改良。
圖9描繪具有經設計的PMA且其可使用自旋轉移而切換的磁性接面300'的例示性實施例。磁性接面300'被展示為位於基板302'上。為了清楚起見，圖9未按照比例繪製。磁性接面300'類似於磁性接面100、100'、100"及/或300。磁性接面300'因此包含參考層310'、非磁性間隔物層320'、具有經設計的PMA的自由層330'、覆蓋層340'、應力誘發層350'以及應力誘發層360。應力誘發層360在自由層330'上施加應力。參考層310'、非磁性間隔 物層320'、自由層330'以及可選應力誘發層350'分別類似於參考層110/110'/110"/310、非磁性間隔物層120/120'/120"/320、及自由層130/130'/130"/330，以及應力誘發層350。參考層310'是包括鐵磁性層312’、鐵磁性層316’與非磁性間隔物層314’的SAF，其中所述非磁性間隔物層314’分隔所述鐵磁性層312’與所述鐵磁性層316’。覆蓋層340'亦可類似於覆蓋層140/140'/340。雖然參考層310'、非磁性間隔物層320'、自由層330'及覆蓋層340'展示為特定定向，但此定向可在其他實施例中變化。在一些實施例中，可包含可選晶種層(未圖示)、可選釘紮層(未圖示)及/或可選覆蓋層(未圖示)。磁性接面300'亦經設置以允許自由層330'的磁化量在寫入電流穿過磁性接面300'時在穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層330'的磁矩331'可利用自旋轉移力矩來切換。在一些實施例中，除另一切換機制外或代替另一切換機制，可使用自旋轉移力矩。此外，自由層330'具有類似於上述經設計的PMA的經設計的PMA。
自由層330'的經設計的PMA可至少部分使用應力來組態。此應力可部分使用應力誘發層350'(其可為Ru)以及可為結晶MgO的覆蓋層340'來定製。此外，應力誘發層360可經由參考層310'而在自由層330'上誘發應力。在一些實施例中，應力誘發層360可替代應力誘發層350'來使用。應力誘發層360可增強自由層330'上的應力。當結合應力誘發層350'來使用時，可進一步定製自由層330'上的應力。在一些實施例中，應力誘發層350'及 應力誘發層360可用以進一步增大自由層的PMA。可進一步組態PMA的其他性質，諸如，溫度相依性。舉例而言，應力誘發層350'及應力誘發層360可具有大的熱膨脹係數失配。隨著經由磁性接面300'而驅動寫入電流，磁性接面300'的溫度可(例如)由於焦耳加熱而提高。磁性接面300'的膨脹可在應力誘發層360與應力誘發層350'之間相差甚多。因此，自由層330'可經受增大的應力。此應力增大可減小自由層330'的PMA。因此，自由層330'的磁矩331'可偏離z方向(自旋轉移力矩的停滯點)。因此，自旋轉移可較有效地操作以切換自由層330'的磁矩331'。因此，磁性接面300'的切換電流可減小。
磁性接面300'可享有磁性接面300的益處。額外應力誘發層360的使用可提供定製自由層330'上的應力的其他機會。因此，磁性接面300'的效能可進一步得以改良。
圖10描繪包含具有經設計的PMA且其可使用自旋轉移而切換的自由層430的磁性接面400的另一實施例。為了清楚起見，圖10未按照比例繪製。磁性接面400被展示為位於基板402上。磁性接面400類似於磁性接面100、100'、100"、300及/或300'。因此，磁性接面400包含參考層410、非磁性間隔物層420、具有至少使用晶格常數改變而經設計的PMA的自由層430以及覆蓋層440。參考層410、非磁性間隔物層420、自由層430以及覆蓋層440分別類似於參考層110/110'/110"/310/310'、非磁性間隔物層120/120'/120"/320/320'、自由層130/130'/130"/330/330'。覆蓋層440 亦可類似於覆蓋層140/140'/340/340'。雖然層參考410、非磁性間隔物層420、自由層430及覆蓋層440展示為特定定向，但此定向可在其他實施例中變化。在一些實施例中，可包含可選晶種層(未圖示)、可選釘紮層(未圖示)及/或可選覆蓋層(未圖示)。磁性接面400亦經設置以允許自由層430的磁化量在寫入電流穿過磁性接面400時在穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層430的磁矩431可利用自旋轉移力矩來切換。在一些實施例中，除另一切換機制外或代替另一切換機制，可使用自旋轉移力矩。
非磁性間隔物層420可為磁阻展現於參考層410與自由層430之間的穿隧阻障層、導體或其他結構。在一些實施例中，非磁性間隔物層420為結晶MgO穿隧阻障層。在其他實施例中，非磁性間隔物層420可包含WO、TiO、VO以及MgO中的一或多於一者。此非磁性間隔物層可具有較佳結晶取向，諸如，(100)取向。在此等實施例中，非磁性間隔物層420可增強磁性接面400的PMA以及磁阻。
在所示的實施例中，參考層410為包含由非磁性間隔物層414分離的鐵磁性層412及鐵磁性層416的SAF。鐵磁性層412及鐵磁性層416(例如)經由RKKY耦合而反鐵磁性地耦合。在其他實施例中，參考層410可包含額外層(為另一多層)，可為簡單層及/或可具有不同磁性耦合。自由層430被展示為簡單層。然而，在其他實施例中，自由層430可為包含(但不限於)SAF的多層(多層自由層200、自由層200'及/或自由層200")或具有另 一結構。在圖10所示的實施例中，參考層410及/或自由層430各自具有高PMA。因此，參考層410的鐵磁性層412及鐵磁性層416以及自由層430各自使其磁矩413、磁矩417及磁矩431分別在平衡狀態下垂直平面而定向，如圖10所示。然而，在其他實施例中，參考層410以及自由層430中的一者或兩者可具有平面內磁矩。參考層410的磁矩413及磁矩417可固定於特定方向上。在所示的實施例中，磁矩413及磁矩417處於正z方向上。在另一實施例中，可顛倒所述定向。在其他實施例中，參考層410的磁矩413及/或磁矩417可穩定於另一方向上，包含(但不限於)處於平面內。參考層410及/或自由層430的磁矩的其他定向是可能的。
自由層430具有經設計的PMA。特定言之，自由層430的PMA可使用晶格參數的失配來定製。舉例而言，在習知磁性接面10中，習知自由層20通常為富含鐵的CoFe，而習知阻障層18為結晶MgO。習知阻障層18及習知自由層20通常具有5.3%的晶格失配。在圖10所示的實施例中，自由層430具有已相對於習知自由層20的晶格常數改變的晶格常數以定製晶格失配。在一些實施例中，自由層430已經設計為具有增大的晶格常數以增強PMA。因此，非磁性間隔物層420與自由層430之間的晶格失配大於5.3%。在一些實施例中，可使用新的二元或三元合金。舉例而言，自由層可包含Fe1-xMx，其中M為Al、Ti、Zr、Hf及/或Zn。類似地，自由層可包含CoyFe1-x-yMx、CoyFe1-x-y-zBzMx，其中M為 Al、Bi、Ta、Ti、Zr、Hf、Mo、W、Si、Ge、Sn及/或Zn。通常，M將為較小百分比，例如，不超過30%。在較佳實施例中，M可包含不超過10%。在其他實施例中，包含Co2FeAl、Co2FeSi及/或NiMnSb的改良型豪斯勒合金(Heusler alloy)可用於增大晶格失配，且因此，增大自由層430的PMA。
磁性接面400可享有磁性接面100、100'、100"、300及/或300'的益處。改變自由層430的晶格參數可視需要定製自由層430的PMA。因此，磁性接面400的效能可進一步得以改良。
圖11描繪具有經設計的PMA且其可使用自旋轉移而切換的磁性接面400'的例示性實施例。磁性接面400'被展示為位於基板402'上。為了清楚起見，圖11未按照比例繪製。磁性接面400'類似於磁性接面100、100'、100"、300、300'及/或400。因此，磁性接面400'包含參考層410'、非磁性間隔物層420'、具有經設計的PMA的自由層430'以及覆蓋層440'。參考層410'、非磁性間隔物層420'、自由層430'以及覆蓋層440'類似於參考層110/110'/110"/310/310"/410、非磁性間隔物層120/120'/120"/320/320'/420、自由層130/130'/130"/330/330'/430以及覆蓋層140/140'/340/340'/440。參考層410'是包括鐵磁性層412’、鐵磁性層416’與非磁性間隔物層414’的SAF，其中所述非磁性間隔物層414’分隔所述鐵磁性層412’與所述鐵磁性層416’。雖然參考層410'、非磁性間隔物層420'、自由層430'及覆蓋層440'展示為特定定向，但此定向可在其他實施例中變化。在一些實施 例中，可包含可選晶種層(未圖示)、可選釘紮層(未圖示)及/或可選覆蓋層(未圖示)。磁性接面400'亦經設置以允許自由層430'的磁化量在寫入電流穿過磁性接面400'時在穩定磁性狀態之間切換。因此，自由層430'的磁矩431'可利用自旋轉移力矩來切換。在一些實施例中，除另一切換機制外或代替另一切換機制，可使用自旋轉移力矩。此外，自由層430'具有類似於上述經設計的PMA的經設計的PMA。在一些實施例中，自由層430'可具有增大的晶格參數，如關於圖10所述。
返回參看圖11，非磁性間隔物層420'亦可具有定製的晶格參數。在一些實施例中，非磁性間隔物層420'的晶格參數經設置以增大與自由層430'的晶格失配。舉例而言，非磁性間隔物層420'的晶格參數可減小。
磁性接面400'可享有磁性接面100、100'、100"、300、300'及/或400的益處。改變非磁性間隔物層420'的晶格參數可定製自由層430'的PMA。若430'的晶格參數亦改變，則此效應可增強。舉例而言，非磁性間隔物層420'的晶格參數可減小，且自由層430'的晶格參數增大。因此，磁性接面400'的效能可進一步得以改良。
因此，可使用磁性接面100、100'、100"、300、300'、400、400'及/或自由層200、自由層200'及/或自由層200"中的一或多於一者。因為已對PMA進行設計，所以可改良磁性接面100、磁性接面100'、磁性接面100"、磁性接面300、磁性接面300'、磁性 接面400、磁性接面400'及/或自由層200、自由層200'及/或自由層200"的效能。
此外，磁性接面100、磁性接面100'、磁性接面100"、磁性接面300、磁性接面300'、磁性接面400、磁性接面400'及/或自由層200、自由層200'及/或自由層200"可用於磁性記憶體中。圖12描繪一個此類記憶體500的例示性實施例。磁性記憶體500包含讀取/寫入行選擇驅動器502及讀取/寫入行選擇驅動器506以及字元線選擇驅動器504。應注意，可提供其他及/或不同組件。記憶體500的儲存區域包含磁性儲存單元510。每一磁性儲存單元包含至少一個磁性接面512以及至少一個選擇裝置514。在一些實施例中，選擇裝置514為電晶體。磁性接面512可包含磁性接面100、磁性接面100'、磁性接面100"、磁性接面300、磁性接面300'、磁性接面400、磁性接面400'及/或自由層200、自由層200'及/或自由層200"中的一或多於一者。雖然針對每一單元510展示了一個磁性接面512，但在其他實施例中，可針對每一單元設置另一數目的磁性接面512。
因為磁性記憶體500利用磁性接面100、磁性接面100'、磁性接面100"、磁性接面300、磁性接面300'、磁性接面400、磁性接面400'及/或自由層200、自由層200'及/或自由層200"，所以效能可得以改良。舉例而言，可在維持記憶體500的熱穩定性的同時使用較低切換電流。
圖13描繪用於製造磁性接面(諸如，磁性接面100、100'、 100"、300、300'、400及/或400')的方法600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600。然而，方法600可用於其他磁性接面。此外，方法600可併入至磁性記憶體的製造中。因此，方法600可用於製造STT-MRAM 500或其他磁性記憶體。方法600亦可包含提供可選晶種層、可選覆蓋層以及可選釘紮層(未圖示)。
經由步驟602而提供參考層110。步驟602可包含將所要材料沉積於參考層110的所要厚度處。此外，步驟602可包含提供SAF。經由步驟604而提供非磁性層120。步驟604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604中可沉積所要厚度的材料。此外，針對某些磁性接面(諸如，磁性接面400及/或400')，可定製非磁性層120的晶格參數。
經由步驟606而提供自由層110。步驟606可包含將所要材料沉積於自由層130的所要厚度處。更具體言之，所提供的自由層具有所要PMA。在步驟606中，製造自由層130、自由層130'、自由層130"、自由層200、自由層200'、自由層330、自由層330'、自由層430及/或自由層430'。步驟606可包含提供SAF。在一些實施例中，步驟606包含在沉積期間對基板進行加熱，沉積多個層及/或使所述層的一些部分氧化。
可視情況經由步驟608而提供應力誘發層350、應力誘發層350'及/或應力誘發層360。經由步驟610而完成製造。在一些實施例中，步驟610包含製造額外間隔物層以及額外固定層。亦 可在步驟610中沉積可選覆蓋層及/或其他層。因此，使用方法600，可達成磁性接面100、磁性接面100'、磁性接面100"、磁性接面300、磁性接面300'、磁性接面400、磁性接面400'及自由層200、自由層200'及/或自由層200"的益處。
圖14描繪用於製造自由層200、自由層200'及/或自由層200"的方法620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。然而，方法620可用於其他磁性接面。此外，方法620可併入至磁性記憶體的製造中。因此，方法620可用於製造STT-MRAM 500或另一磁性記憶體。
經由步驟622而沉積導電磁性層202/202'/202"。經由步驟624而沉積磁性層。針對自由層200/200'，步驟624中所沉積的磁性層為磁性氧化物，諸如，NiO。針對自由層200"，所沉積的磁性層可用於形成磁性氧化物。視情況經由步驟626而使步驟624中所沉積的磁性層氧化。因此，可形成氧化物層205。可接著經由步驟628而沉積另一磁性層207。因此，步驟624、步驟626及步驟628可用於形成磁性插入層(氧化物層204")。經由步驟630而完成製造。因此，使用方法620，可達成自由層200、自由層200'及/或自由層200"的益處。
已描述用於提供具有經設計的PMA的自由層的方法及系統、使用此自由層的磁性接面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，且本領域具有通常知識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，可由本領域具有通常知識者進行許多修改，而不偏離隨附申請專利範圍的精神及範疇。

Claims (10)

  1. 一種磁性接面，用於磁性裝置中，包括：參考層；非磁性間隔物層；以及自由層，具有經設計的垂直磁性異向性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)，所述自由層包含多個磁性層，所述多個磁性層包含至少一個鐵磁性氧化物層以及多個導電層，所述至少一個鐵磁性氧化物層夾在所述多個導電層之間，所述非磁性間隔物層位於所述參考層與所述自由層之間，所述經設計的PMA包含絕緣插入層誘發式PMA、應力誘發式PMA、因界面對稱性破缺而引起的PMA以及晶格失配誘發式PMA中的至少一者；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，其中所述經設計的PMA包含所述絕緣插入層誘發式PMA。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的磁性接面，其中所述至少一個氧化物層包含至少一個氧化鎳層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的磁性接面，其中所述自由層更包含至少一個Ni層，鄰接所述氧化鎳層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述經設計的PMA包含所述應力誘發式PMA且其中所述磁性接面更包含：應力誘發層；以及 覆蓋層，鄰接所述自由層且位於所述自由層與至少一個所述應力誘發層之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的磁性接面，其中所述覆蓋層包含MgO，且所述應力誘發層包含Ru。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的磁性接面，其中所述自由層更包含：多個磁性層，所述多個磁性層包含至少一個氧化物層以及多個導電層，所述至少一個氧化物層夾在所述多個導電層之間。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的磁性接面，更包括：額外應力誘發層，所述參考層、所述自由層以及所述非磁性間隔物層位於所述額外應力誘發層與所述應力誘發層之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的磁性接面，其中所述應力誘發層具有第一熱膨脹係數，且所述額外應力誘發層具有與所述第一熱膨脹係數不同的第二熱膨脹係數。
  10. 如申請專利範圍第8項所述的磁性接面，其中所述應力誘發層以及所述額外應力誘發層提供所述自由層的應力梯度。
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