TWI743287B - 磁性接面、提供磁性接面的方法及磁性記憶體 - Google Patents

磁性接面、提供磁性接面的方法及磁性記憶體 Download PDF

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Abstract

本發明闡述一種磁性接面以及一種提供所述磁性接面的方法。所述磁性接面包括基準層、非磁性間隔壁層及混合自由層。所述混合自由層利用穿過所述磁性接面的電流而在各穩定磁性狀態之間為可切換的。所述非磁性間隔壁層位於所述混合自由層與所述基準層之間。所述混合自由層包括軟磁性層、硬磁性層及位於所述硬磁性層與所述軟磁性層之間的氧化物耦合層。所述軟磁性層具有不大於30的第一磁性熱穩定性係數。所述硬磁性層具有第二磁性熱穩定性係數，所述第二磁性熱穩定性係數至少為所述第一磁性熱穩定性係數的兩倍。本發明另闡述一種磁性記憶體。

Description

磁性接面、提供磁性接面的方法及磁性記憶體
本發明是有關於一種磁性接面、一種提供磁性接面的方法及一種磁性記憶體。
磁性記憶體特別是磁性隨機存取記憶體（magnetic random access memory，MRAM）已因其在運作期間具有高讀取/寫入速度、優異耐久性、非揮發性及低功耗的潛力而受到越來越多的關注。磁性隨機存取記憶體可利用磁性材料作為資訊記錄媒體來儲存資訊。磁性隨機存取記憶體的一種類型是自旋轉移矩隨機存取記憶體（spin transfer torque random access memory，STT-MRAM）。自旋轉移矩磁性隨機存取記憶體利用磁性接面，所述磁性接面是至少部分地由穿過磁性接面驅動的電流來寫入。穿過磁性接面驅動的自旋極化電流對磁性接面中的磁矩（magnetic moment）施加自旋矩。因此，響應於自旋矩而具有磁矩的層可切換至所期望的狀態。
舉例而言，傳統磁性穿隧接面（magnetic tunneling junction，MTJ）可用於傳統自旋轉移矩磁性隨機存取記憶體中。傳統磁性穿隧接面通常位於基板上。傳統磁性穿隧接面使用傳統晶種層，可包括頂蓋層，並可包括傳統反鐵磁性（antiferromagnetic，AFM）層。傳統磁性穿遂接面包括傳統基準層、傳統自由層及位於傳統被釘紮層（pinned layer）與傳統自由層之間的傳統穿遂障壁層。位於傳統磁性穿遂接面下方的底部觸點及位於傳統磁性穿遂接面上的頂部觸點可用於在電流垂直於平面（current-perpendicular-to-plane，CPP）方向上穿過傳統磁性穿遂接面來驅動電流。
傳統基準層及傳統自由層是磁性的。傳統基準層的磁化被固定或釘紮於特定方向上。傳統自由層具有可變的磁化。傳統自由層可為單個層或包括多個層。
為了對傳統自由層的磁化進行切換，垂直於平面來驅動電流。當自頂部觸點至底部觸點驅動足夠的電流時，傳統自由層的磁化可切換成與傳統底部基準層的磁化平行。當自底部觸點至頂部觸點驅動足夠的電流時，自由層的磁化可切換成與底部基準層的磁化反平行。各磁性配置之間的差異與不同的磁阻對應且因此與傳統磁性穿遂接面的不同邏輯狀態（例如邏輯「0」及邏輯「1」）對應。
由於磁性記憶體具有用於各種應用中的潛力，因此正在進行對磁性記憶體的研究。期望提供提高自旋轉移矩隨機存取記憶體的效能的機制。舉例而言，為更容易地及更快速地進行切換，可期望切換電流更低。另外，期望自由層的磁矩在不施加切換電流時為熱穩定的。因此，需要一種可改良基於自旋轉移矩的記憶體的切換及穩定性的方法及系統。本文所述的方法及系統即滿足此種需要。
本發明闡述一種磁性接面以及一種提供所述磁性接面的方法。所述磁性接面包括基準層、非磁性間隔壁層及混合自由層。所述混合自由層利用穿過所述磁性接面的電流而在各穩定磁性狀態之間為可切換的。所述非磁性間隔壁層位於所述混合自由層與所述基準層之間。所述混合自由層包括軟磁性層、硬磁性層及位於所述硬磁性層與所述軟磁性層之間的氧化物耦合層。所述軟磁性層具有不大於30的第一磁性熱穩定性係數。所述硬磁性層第二磁性熱穩定性係數，所述第二磁性熱穩定性係數至少為所述第一磁性熱穩定性係數的兩倍。
所述磁性接面具有混合自由層，所述混合自由層可具有減小的阻尼且磁性熱穩定性係數除以臨界切換電流密度（critical switching current density）的量增大。因此，可提高效能。
示例性實施例是有關於能夠用於磁性裝置（例如磁性記憶體）中的磁性接面以及使用此種磁性接面的裝置。磁性記憶體可包括自旋轉移矩磁性隨機存取記憶體（STT-MRAM），且可用於採用非揮發性記憶體的電子裝置中。此種電子裝置包括但不限於蜂巢式電話、智慧型電話、輸入板（tablet）、膝上型電腦以及其他可攜式及非可攜式計算裝置。所述示例性實施例亦可用於不被配置用作磁性記憶體的其他磁性裝置中。以下說明是用於使此項技術中具有通常知識者能夠製作及使用本發明，且是在專利申請案及其要求的上下文中提供。對本文所述示例性實施例以及一般原理及特徵的各種潤飾將顯而易見。主要根據在特定實作方式中提供的特定方法及系統來闡述示例性實施例。然而，所述方法及系統在其他實作方式中亦將有效地運作。例如「示例性實施例」、「一個實施例」及「另一實施例」等片語可指代相同或不同的實施例以及多個實施例。將關於具有某些組件的系統及/或裝置來闡述所述實施例。然而，所述系統及/或裝置可包括較所示者更多或更少的組件，且在不背離本發明的範圍的條件下可對組件的排列及類型作出變化。亦將在具有某些步驟的特定方法的上下文中闡述示例性實施例。然而，對於具有不同及/或附加步驟以及按照不與示例性實施例不一致的不同次序的步驟的其他方法而言，所述方法及系統亦有效地運作。因此，本發明並非旨在僅限於所示實施例，而是符合與本文所述原理及特徵一致的最廣泛的範圍。
本發明闡述一種磁性接面以及一種提供所述磁性接面的方法。所述磁性接面包括基準層、非磁性間隔壁層及混合自由層。所述混合自由層利用穿過所述磁性接面的電流而在各穩定磁性狀態之間為可切換的。所述非磁性間隔壁層位於所述混合自由層與所述基準層之間。所述混合自由層包括軟磁性層、硬磁性層及位於所述硬磁性層與所述軟磁性層之間的氧化物耦合層。所述軟磁性層具有不大於30的第一磁性熱穩定性係數。所述硬磁性層具有第二磁性熱穩定性係數，所述第二磁性熱穩定性係數至少為所述第一磁性熱穩定性係數的兩倍。
在具有某些組件的特定方法、磁性接面及磁性記憶體的上下文中闡述示例性實施例。此項技術中具有通常知識者將易於認識到，本發明與具有不與本發明不一致的其他及/或附加組件及/或其他特徵的磁性接面及磁性記憶體的使用相一致。亦在對自旋轉移現象的、磁性各向異性的及其他物理現象的當前理解的上下文中闡述所述方法及系統。因此，此項技術中具有通常知識者將易於認識到，基於對自旋轉移、磁性各向異性及其他物理現象的此當前理解而對所述方法及系統的行為進行理論闡釋。然而，本文所述方法及系統並不依賴於特定物理闡釋。此項技術中具有通常知識者亦將易於認識到，在與基板具有特定關係的結構的上下文中闡述所述方法及系統。然而，此項技術中具有通常者將易於認識到，所述方法及系統與其他結構相一致。此外，在某些層是合成的層及/或簡單的層的上下文中闡述所述方法及系統。然而，此項技術中具有通常知識者將易於認識到，所述層可具有另一結構。此外，在磁性接面及/或子結構具有特定層的上下文中闡述所述方法及系統。然而，此項技術中具有通常知識者將易於認識到，亦可使用具有不與所述方法及系統不一致的附加及/或不同層的磁性接面及/或子結構。此外，某些組件被闡述為磁性的、鐵磁性的及次鐵磁性的。本文所用用語「磁性」可包括鐵磁性、次鐵磁性或類似結構。因此，本文所用用語「磁性」或「鐵磁性」包括但不限於鐵磁體及次鐵磁體。本文所述「平面內（in-plane）」是實質上位於磁性接面的各層中的一或多個層的平面內或平行於磁性接面的各層中的一或多個層的平面。相反地，「垂直於」及「垂直於平面」對應於實質上垂直於磁性接面的各層中的一或多個層的方向。亦在某些合金的上下文中闡述所述方法及系統。除非另外指明，否則若未提及合金的具體濃度，則可利用不與所述方法及系統不一致的任何化學計量比（stoichiometry）。亦在具有特定厚度且被繪示成具有恆定厚度的連續層的層的上下文中闡述磁性接面。此項技術中具有通常知識者應理解，特別是對於非常薄的層，磁性接面的一或多個層可具有在整個磁性接面上變化的厚度及/或者可為不連續的。
圖1繪示能夠用於磁性裝置（例如能夠利用自旋轉移矩進行程式化的磁性記憶體）中且具有混合自由層的磁性接面100A的示例性實施例。為清晰起見，圖1未按比例繪製。磁性接面100A可用於例如自旋轉移矩磁性隨機存取記憶體（STT-MRAM）等磁性裝置中，且因此可用於各種電子裝置中。磁性接面100A包括具有磁矩111的基準層110、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A。磁性接面100A亦可包括一或多個極化增強層（polarization enhancement layer，PEL）103。極化增強層103可包含CoFeB、CoFeC及/或類似的材料。在其他實施例中，極化增強層103可被省略，抑或可採用額外的極化增強層。舉例而言，可在非磁性間隔壁層120與混合自由層130A之間存在極化增強層。亦示出可選晶種層102及頂蓋層140。上面形成有磁性接面100A的基板101位於可選晶種層下方。未示出底部觸點及頂部觸點，但可形成有底部觸點及頂部觸點。可使用可選晶種層102及頂蓋層140來定製混合自由層130A及/或基準層110的性質。舉例而言，可期望頂蓋層140包括MgO層、TaO、HfO、ZrO層、Mg/Ir層、Mg/Ru層及Mg/Re層中的一或多者。Mg/Ir層、Mg/Ru層及Mg/Re層是如下文所述的經沈積而成、經電漿處理、經原位退火及經氧化的雙層。
如在圖1中可見，磁性接面100A是自釘紮（self-pinned）的底部被釘紮磁性接面（bottom pinned magnetic junction）。在其他實施例中，可使用可選釘紮層（圖中未示出）來固定基準層110的磁化。在一些實施例中，可選釘紮層可為藉由交換偏置交互作用（exchange-bias interaction）而對磁化進行釘紮的反鐵磁性層或多層。然而，在其他實施例中，可選釘紮層可被省略或可使用另一結構。在所示實施例中，基準層110的磁矩111是藉由基準層110的磁性各向異性來釘紮。
磁性接面100A亦被配置成容許混合自由層130A的磁矩133及磁矩137利用穿過磁性接面100A的寫入電流而在各穩定磁性狀態之間切換。因此，當在電流垂直於平面（CPP）方向上穿過磁性接面100A來驅動寫入電流時，混合自由層130A能夠利用自旋轉移矩進行切換。可藉由穿過磁性接面100A驅動讀取電流來讀取混合自由層130A的磁矩133及磁矩137的方向。
磁矩133及磁矩137被繪示成相對於垂直於平面方向傾斜。因此，磁矩在相對於垂直於平面方向較小的度數（小於二十度）處為穩定的，基準層110的磁矩111被示出為與所述垂直於平面方向對齊。此種配置可有利於更快速地切換。在一些實施例中，此種配置的切換可處於不到5奈秒範圍（sub-five nanosecond regime）內。在其他實施例中，磁矩133及/或磁矩137可在另一方向（包括但不限於垂直於平面方向）上對齊。
非磁性間隔壁層120可為穿隧障壁層。舉例而言，非磁性間隔壁層120可為具有（100）定向的晶體MgO穿遂障壁。舉例而言，穿遂障壁層120可在一些實施例中為不大於1.5奈米厚。在一些此種實施例中，穿遂障壁層120的厚度可不超過一奈米。一般而言，期望穿遂障壁層120具有不同的厚度。此種非磁性間隔壁層120可增強磁性接面100A的穿遂磁阻（tunneling magnetic resistance，TMR）。在其他實施例中，非磁性間隔壁層120可由附加材料及/或其他材料（包括但不限於導體）形成。
基準層110被示出為簡單的單層。然而，在其他實施例中，基準層110可為多層。舉例而言，基準層110可為合成反鐵磁體（synthetic antiferromagnet，SAF），所述合成反鐵磁體包括被非磁性層（例如Ru）分隔開且夾持所述非磁性層的兩個磁性耦合鐵磁層。基準層110具有高的垂直磁性各向異性。換言之，垂直磁性各向異性能量超過基準層110的平面外去磁能量（out-of-plane demagnetization energy）。此種配置容許基準層110的磁矩在垂直於平面方向上或在可接近垂直於平面的另一方向上為穩定的。因此，基準層110的磁矩在平面外為穩定的。在替代實施例中，層110的磁矩可在平面內為穩定的。在一些實施例中，基準層110可為高垂直各向異性（Hk ）多層。舉例而言，基準層110可為或可包括Co/Pt多層、Co/Ni多層及或Co/Ir多層。可使用具有其他結構的其他基準層。另外，在替代實施例中，基準層110可在平面內具有磁矩111。
混合自由層130A包括兩個磁性層132及磁性層136以及氧化物耦合層134。軟磁性層132最靠近非磁性間隔壁層120，而硬磁性層136較遠離非磁性間隔壁層。在替代實施例中，磁性層132與磁性層136的位置可顛倒。混合自由層130A具有高垂直磁性各向異性。換言之，垂直磁性各向異性能量超過混合自由層130A的平面外去磁能量。混合自由層130A的磁矩可在平面外為穩定的。在替代實施例中，混合自由層130A的磁矩可在平面內為穩定的。在一些實施例中，軟磁性層132具有至少-2千奧斯特（kOe）且不大於0千奧斯特的垂直磁性各向異性場（perpendicular magnetic anisotropy field）。舉例而言，此種軟磁性層132可包括由以下層構成的雙層：具有二十原子百分比至五十原子百分比的B的第一CoFeB層以及具有不同硼含量的Fe層或第二CoFeB層。第一CoFeB層可大約為四埃至十埃厚，而第二CoFeB層或Fe層可大約為5埃至十二埃厚。在一些實施例中，硬磁性層136具有至少3千奧斯特且不大於6千奧斯特的磁性各向異性場。舉例而言，硬磁性層136可為包括第三CoFeB層以及具有不同硼含量的Fe層或第四CoFeB層的雙層。第三CoFeB層可為四埃至十埃厚，而第四CoFeB層或Fe層為三埃至七埃厚。然而，磁性層132及磁性層136可具有其他磁性各向異性、厚度及/或材料。
磁性層132及磁性層136中的每一者亦由磁性熱穩定性係數Δ=Ku V/kB T來表徵，其中Ku 為磁性層132或磁性層136的磁性各向異性密度，kb 為波茲曼常數，T為凱氏溫度，且V為磁性層132或磁性層136的體積。因此，由Ku-soft layer Vsoft layer /kB T來表示軟磁性層的第一磁性熱穩定性係數Δs 。因此，由Ku-hard layer Vhard layer /kB T來表示硬磁性層的第二磁性熱穩定性係數Δh 。層的Ku V是所述層的磁矩切換的（溫度相關）能量障壁（energy barrier）的表達式。整個自由層130A的磁性熱穩定性係數Δfree layer 在非程式化運作溫度或待機溫度下（例如在室溫下及在大約室溫下）為至少六十。因此，混合自由層130A在室溫下為熱穩定的。然而，軟磁性層132在室溫/待機溫度下具有不大於30的Δs 。在一些此種實施例中，Δs 在室溫/待機溫度下不大於20。在一些情形中，Δs 在此種溫度下可小於20。若軟磁性層132未磁性耦合至硬磁性層136，則軟磁性層132可因低磁性熱穩定性係數而更可能在給定溫度下切換或因應於流過磁性接面100A的特定電流而切換。硬磁性層136具有至少為軟磁性層132的磁性熱穩定性係數的兩倍的磁性熱穩定性係數Δh （Δh ≥ 2Δs ）。在一些實施例中，硬磁性層136具有至少為軟磁性層132的磁性熱穩定性係數的三倍的磁性熱穩定性係數（Δh ≥ 3Δs ）。因此，顧名思義，硬磁性層136較軟磁性層132更穩定。
氧化物耦合層134一般為非磁性的，且會減弱軟磁性層132與硬磁性層136之間的磁性相互作用。氧化物耦合層134可包含MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者。在一些實施例中，氧化物耦合層134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者組成。舉例而言，氧化物耦合層134可由MgO形成。作為另一選擇，氧化物耦合層134可包含MgO及MoO。可對氧化物耦合層134的厚度進行選擇以達成磁性層132與磁性層136之間的所期望的交換耦合量值。舉例而言，氧化物耦合層134可足夠厚，以使得軟磁性層132與硬磁性層136以至少0.2爾格/平方公分且不大於0.8爾格/平方公分的特徵交換能量密度（characteristic exchange energy density）進行磁性耦合。此可與至少一千奧斯特且不大於三千奧斯特的交換場（Hex ）對應。在一些此種實施例中，特徵交換能量密度為至少0.3爾格/平方公分且不大於0.5爾格/平方公分，此可與至少一千五百奧斯特且不大於兩千五百奧斯特的Hex 對應。在一些情形中，磁性層132與磁性層136之間的磁性相互作用的目標交換場為兩千奧斯特。然而，在其他實施例中可為其他交換場及交換能量密度。
可對在氧化物耦合層134中所用的厚度及材料加以選擇以定製磁性層132與磁性層136之間的磁性耦合。對於厚度為至少5埃且不大於15埃的氧化物耦合層134而言，可達成所期望的交換場（例如目標交換場）。在一些實施例中，氧化物耦合層134（例如MgO氧化物耦合層134）為至少6埃厚且不大於9埃厚以達成所期望的交換場。尤其是在此厚度範圍的下限（lower end）處，氧化物耦合層134可為不連續的。因此，氧化物耦合層134儘管被繪示成均勻厚度的單層，但其可為不連續的且具有變化的厚度。然而，據信儘管氧化物耦合層134中存在針孔或其他不連續部，對於上述厚度亦可達成磁性層132與磁性層136之間的所期望的交換相互作用。此乃因交換相互作用可在交換相互作用較強的區（不連續部/針孔）與交換相互作用較弱的區（存在氧化物層/島的區）之間進行平均。因此，軟磁性層132與硬磁性層136可藉由氧化物耦合層134而具有所期望的磁性相互作用。亦注意，可期望氧化物耦合層134不僅薄以提供磁性層132與磁性層136之間的所期望的交換相互作用且亦為導電性的。因此，穿過磁性接面100A在電流垂直於平面方向上驅動的讀取電流或寫入電流可藉由磁性接面100A來傳導。
使用包括軟磁性層132、硬磁性層136及氧化物耦合層134的混合自由層130A可提高磁性接面100A的效能。磁性接面的一個優值（figure of merit，FOM）是磁性熱穩定性係數除以臨界切換電流密度（Δ/Jc0 ）。臨界切換電流密度是利用自旋轉移矩來切換磁性接面時所需要的電流密度。Δ的增大對應於當靜止（不進行程式化）時混合自由層130更穩定（此為所期望的）。臨界切換電流密度的減小意味著混合自由層130利用自旋轉移矩更輕易地切換，此亦為所期望的。因此，期望得到更高的優值。軟磁性層132、氧化物耦合層134及硬磁性層136的組合具有提高的優值。在一些情形中，可達成優值的至少兩倍的改善，尤其對於在上述範圍內的磁性耦合而言。此外，磁性接面100A可不具有增大的阻尼。氧化物耦合層134的使用可減輕原本會不利地影響自旋轉移矩切換的阻尼。因此，無需過度犧牲阻尼便可達成優值提高。某些氧化物耦合層134亦可增大磁性層132及磁性層136的垂直磁性各向異性（perpendicular magnetic anisotropy，PMA）。此亦可為有利的。磁性接面100A的效能因此可得以提高。
圖2繪示能夠用於磁性裝置（例如能夠利用自旋轉移矩而程式化的磁性記憶體）中且具有混合自由層的磁性接面100B的另一示例性實施例。為清晰起見，圖2未按比例繪製。磁性接面100B相似於磁性接面100A。因此，類似組件具有相似標記。舉例而言，磁性接面100B包括分別與基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A相似的基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130B。該些基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130B具有分別與圖1所示基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A相似的結構及功能。舉例而言，基準層110及混合自由層130B可分別具有超過平面外去磁能量的垂直磁性各向異性。因此，磁矩111、磁矩133及磁矩137可在垂直於平面方向上為穩定的抑或相對於垂直於平面方向傾斜，如圖所示。亦示出相似於圖1所示晶種層102及頂蓋層140的可選晶種層102及可選頂蓋層140。然而，該些晶種層102及頂蓋層140可被配置用於其他目的，乃因該些晶種層102及頂蓋層140相鄰於與磁性接面100A的層不同的層。在其他實施例中，極化增強層103可被省略，抑或可採用附加極化增強層。上面形成有磁性接面100B的基板101位於晶種層下方。未示出底部觸點及頂部觸點，但可形成有底部觸點及頂部觸點。
與磁性接面100A相比，磁性接面100B為頂部被釘紮磁性接面。因此，基準層110較混合自由層130B更遠離基板101。基準層110仍為自釘紮的。在其他實施例中，可使用可選釘紮層（圖中未示出）來固定基準層110的磁化。磁性接面100B亦被配置成容許混合自由層的磁矩133及磁矩137利用穿過磁性接面100B的寫入電流在各穩定磁性狀態之間切換。因此，當在電流垂直於平面方向上穿過磁性接面100B來驅動寫入電流時，混合自由層130B能夠利用自旋轉移矩進行切換。可藉由穿過磁性接面100B來驅動讀取電流來讀取混合自由層130B的磁矩133及磁矩137的方向。
混合自由層130B包括兩個磁性層132及磁性層136以及氧化物耦合層134。混合自由層130B的硬磁性層136相鄰於可選晶種層102。在此實施例中，因此，可選晶種層102可相似於圖1所示頂蓋層。舉例而言，晶種層可包括MgO層、TaO、HfO、ZrO層、Mg/Ir層、Mg/Ru層及Mg/Re層中的一或多者。若使用，則Mg/Ir層、Mg/Ru層及/或Mg/Re層是沈積而成、經電漿處理、經原位退火及經氧化的雙層。然而，在其他實施例中，可使用其他晶種層。軟磁性層132最靠近非磁性間隔壁層120，而硬磁性層136較遠離非磁性間隔壁層120。在替代實施例中，磁性層132及磁性層136的位置可顛倒。
混合自由層130B的磁性熱穩定性係數Δs 及磁性熱穩定性係數Δh 相似於以上所述的磁性熱穩定性係數。軟磁性層132在室溫/待機溫度下具有不大於30的Δs 。在一些此種實施例中，Δs 在室溫/待機溫度下不大於20。在一些情形中，Δs 可在此種溫度下小於20。硬磁性層136具有至少為軟磁性層132的磁性熱穩定性係數的兩倍的磁性熱穩定性係數Δh 。在一些實施例中，硬磁性層136具有至少為軟磁性層132的磁性熱穩定性係數的三倍的磁性熱穩定性係數。
氧化物耦合層134一般為非磁性的，且減弱軟磁性層132與硬磁性層136之間的磁性相互作用。氧化物耦合層134可包含MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者。在一些實施例中，氧化物耦合層134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者組成。可對氧化物耦合層134的厚度進行選擇以達成磁性層132與磁性層136之間的所期望的交換耦合量值。氧化物耦合層134可足夠厚，以使得軟磁性層132與硬磁性層136以至少0.2爾格/平方公分且不大於0.8爾格/平方公分的特徵交換能量密度進行磁性耦合。在一些此種實施例中，特徵交換能量密度為至少0.3爾格/平方公分且不大於0.5爾格/平方公分。然而，在其他實施例中可為其他交換場及交換能量密度。
可對在氧化物耦合層134中所用的厚度及材料加以選擇以定製磁性層132與磁性層136之間的磁性耦合。對於厚度為至少5埃且不大於15埃的氧化物耦合層134而言，可達成所期望的交換場。在一些實施例中，氧化物耦合層134（例如MgO氧化物耦合層134）為至少6埃厚且不大於9埃厚以達成所期望的交換場。尤其是在此厚度範圍的下限處，氧化物耦合層134可為不連續的。亦注意，可能期望氧化物耦合層134為導電性的。
磁性接面100B可共享磁性接面100A的有益效果。磁性接面100B的優值可增加。在一些情形中，可達成優值的至少兩倍的改善，尤其對於在上述範圍內的磁性耦合而言。無需增大阻尼便可達成優值的增加。氧化物耦合層134亦可增強磁性層132及磁性層136的垂直磁性各向異性。磁性接面100B的效能因此可得以提高。
圖3繪示能夠用於磁性裝置（例如能夠利用自旋轉移矩進行程式化的磁性記憶體）中且具有混合自由層的磁性接面100C的另一示例性實施例。為清晰起見，圖3未按比例繪製。磁性接面100C相似於磁性接面100A及/或磁性接面100B。因此，類似組件具有相似標記。舉例而言，磁性接面100C包括分別與基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B相似的基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130C。該些基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130C具有分別與圖1及圖2所示層基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B相似的結構及功能。舉例而言，基準層110及混合自由層130C可分別具有超過平面外去磁能量的垂直磁性各向異性。因此，磁矩111、磁矩133及磁矩137可在垂直於平面方向上為穩定的抑或相對於垂直於平面方向傾斜，如圖所示。亦示出相似於圖1及圖2所示晶種層102及頂蓋層140的可選晶種層102及可選頂蓋層140。然而，該些晶種層102及頂蓋層140可被配置用於其他目的，乃因該些晶種層102及頂蓋層140相鄰於與磁性接面100A及磁性接面100B的層不同的層。在其他實施例中，極化增強層103可被省略，抑或可採用附加極化增強層，如圖所示。上面形成有磁性接面100C的基板101位於晶種層下方。未示出底部觸點及頂部觸點，但可形成有底部觸點及頂部觸點。
磁性接面100C亦被配置成容許自由層磁矩133及磁矩137利用穿過磁性接面100C的寫入電流在各穩定磁性狀態之間切換。因此，當在電流垂直於平面方向上穿過磁性接面100C來驅動寫入電流時，混合自由層130C能夠利用自旋轉移矩進行切換。可藉由穿過磁性接面100C來驅動讀取電流來讀取混合自由層130C的磁矩133及磁矩137的方向。
然而，磁性接面100C為雙磁性接面。因此，磁性接面100C亦包括附加非磁性間隔壁層150及附加基準層160。亦示出可選附加極化增強層152，在一些實施例中，可選附加極化增強層152可被省略。可選極化增強層152相似於可選極化增強層103。附加非磁性間隔壁層150相似於非磁性間隔壁層120。因此，附加非磁性間隔壁層150可為穿遂障壁層，例如具有（100）定向的晶體MgO穿遂障壁。附加非磁性間隔壁層150的厚度可相似於非磁性間隔壁層120的厚度。然而，所述厚度一般為不同的。在其他實施例中，附加非磁性間隔壁層150可由附加材料及/或其他材料（包括但不限於導體）形成。附加基準層160相似於基準層110。基準層110被示出為簡單的單層，但可為多層。附加基準層160具有高垂直磁性各向異性及在平面外穩定的磁矩161。在所示實施例中，磁矩161與磁矩111為反平行的。此種配置可減小磁矩133及磁矩137進行切換所需要的寫入電流的大小。然而，在其他實施例中，磁矩161與磁矩111可以不同方式定向，其包括但不限於平行。在替代實施例中，附加基準層160可具有平面內磁矩161。
混合自由層130C包括兩個磁性層132及磁性層136以及氧化物耦合層134。混合自由層130C的磁性熱穩定性係數Δs 及磁性熱穩定性係數Δh 相似於以上所述者。軟磁性層132在室溫/待機溫度下具有不大於30的Δs 。在一些此種實施例中，Δs 在室溫/待機溫度不大於20。在一些情形中，Δs 在此種溫度下可小於20。硬磁性層136具有至少為軟磁性層132的磁性熱穩定性係數的兩倍的磁性熱穩定性係數Δh 。在一些實施例中，硬磁性層136具有至少為軟磁性層132的磁性熱穩定性係數的三倍的磁性熱穩定性係數。
氧化物耦合層134一般為非磁性的，且減弱軟磁性層132與硬磁性層136之間的磁性相互作用。氧化物耦合層134可包含MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者。在一些實施例中，氧化物耦合層134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者組成。可對氧化物耦合層134的厚度進行選擇以達成磁性層132與磁性層136之間的所期望的交換耦合量值。氧化物耦合層134可足夠厚，以使得軟磁性層132與硬磁性層136以至少0.2爾格/平方公分且不大於0.8爾格/平方公分的特徵交換能量密度進行磁性耦合。在一些此種實施例中，特徵交換能量密度為至少0.3爾格/平方公分且不大於0.5爾格/平方公分。然而，在其他實施例中可為其他交換場及交換能量密度。
可對在氧化物耦合層134中所用的厚度及材料加以選擇以定製磁性層132與磁性層136之間的磁性耦合。對於厚度為至少5埃且不大於15埃的氧化物耦合層134而言，可達成所期望的交換場。在一些實施例中，氧化物耦合層134（例如MgO氧化物耦合層134）為至少6埃厚且不大於9埃厚以達成所期望的交換場。尤其是在此厚度範圍的下限處，氧化物耦合層134可為不連續的。亦可能期望氧化物耦合層134為導電性的。
磁性接面100C可共享磁性接面100A及/或磁性接面100B的有益效果。磁性接面100C的優值可增加。在一些情形中，可達成優值的至少兩倍的改善。無需增大阻尼便可達成優值的增加。氧化物耦合層134亦可增強磁性層132及磁性層136的垂直磁性各向異性。磁性接面100C的效能因此可得以提高。
圖4繪示能夠用於磁性裝置（例如能夠利用自旋轉移矩進行程式化的磁性記憶體）中且具有混合自由層的磁性接面100D的另一示例性實施例。為清晰起見，圖4未按比例繪製。磁性接面100D相似於磁性接面100A、磁性接面100B及/或磁性接面100C。因此，類似組件具有相似標記。舉例而言，磁性接面100D包括分別與基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C相似的基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130D。該些基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130D具有分別與圖1至圖3所示基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C相似的結構及功能。舉例而言，基準層110及混合自由層130D可分別具有超過平面外去磁能量的垂直磁性各向異性。因此，磁矩111、磁矩133及磁矩137可在垂直於平面方向上為穩定的抑或相對於垂直於平面方向傾斜，如圖所示。亦示出相似於圖1至圖3所示晶種層102及頂蓋層140的可選晶種層102及可選頂蓋層140D。在其他實施例中，極化增強層103可被省略，抑或可採用附加極化增強層。上面形成有磁性接面100D的基板101位於晶種層下方。未示出底部觸點及頂部觸點，但可形成有底部觸點及頂部觸點。磁性接面100D亦被配置成當在電流垂直於平面方向上穿過磁性接面100D來驅動寫入電流時，混合自由層130D能夠利用自旋轉移矩進行切換。可藉由穿過磁性接面100D驅動讀取電流來讀取混合自由層130D。
混合自由層130D包括兩個磁性層132及磁性層136以及氧化物耦合層134。混合自由層130D的磁性熱穩定性係數Δs 及磁性熱穩定性係數Δh 相似於以上所述的磁性熱穩定性係數。氧化物耦合層134一般為非磁性的，且減弱軟磁性層132與硬磁性層136之間的磁性相互作用。氧化物耦合層134可包含MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者。在一些實施例中，氧化物耦合層134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者組成。可對氧化物耦合層134的厚度進行選擇以達成磁性層132與磁性層136之間的所期望的交換耦合量值，如上所述。
頂蓋層140D被明確地示出為包括MgO層、TaO、HfO、ZrO層、Mg/Ir層、Mg/Ru層及Mg/Re層中的至少一者。儘管被稱為Mg/Ir層、Mg/Ru層及Mg/Re層，但該些層中的每一者均是沈積而成但經過電漿處理及氧化步驟的雙層。可在電漿處理步驟與氧化步驟之間執行原位退火，例如快速熱退火。此外，Mg層、Ir層、Ru層及Re層可為薄的。在一些實施例中，該些層可大約為一埃至三埃。舉例而言，每一層的目標厚度可為兩埃。然而，在電漿處理及氧化之後，據信Mg與Ir/Ru/Re不僅混雜且亦被氧化。Mg/Ir層、Mg/Re層及Mg/Ru層可僅用於磁性接面是與磁性接面100D相似的底部被釘紮磁性接面的實施例。使用此種頂蓋層140D可增大硬磁性層136的磁性硬度（magnetic hardness）及/或垂直磁性各向異性。
磁性接面100D可共享磁性接面100A、磁性接面100B及/或磁性接面100C的有益效果。磁性接面100D的優值可增加。在一些情形中，可達成優值的至少兩個的改善。無需顯著增大阻尼便可達成優值的增加。氧化物耦合層134亦可增大磁性層132及磁性層136的垂直磁性各向異性。亦可使用頂蓋層140D來改善硬磁性層136的磁性性質。磁性接面100D的效能因此可得以提高。
圖5繪示能夠用於磁性裝置（例如能夠利用自旋轉移矩進行程式化的磁性記憶體）中且具有混合自由層的磁性接面100E的另一示例性實施例。為清晰起見，圖5未按比例繪製。磁性接面100E相似於磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C及/或磁性接面100D。因此，類似組件具有相似標記。舉例而言，磁性接面100E包括分別與基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C/130D相似的基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130E。該些基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130E具有分別與圖1至圖4所示基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C/130D相似的結構及功能。舉例而言，基準層110及混合自由層130E可分別具有超過平面外去磁能量的垂直磁性各向異性。因此，磁矩111、磁矩133及磁矩137可在垂直於平面方向上為穩定的、抑或相對於垂直於平面方向傾斜，如圖所示。亦示出相似於圖1至圖4所示晶種層102及頂蓋層140/140D的可選晶種層102及可選頂蓋層140。在其他實施例中，極化增強層103可被省略，抑或可採用額外的極化增強層。上面形成有磁性接面100E的基板101位於晶種層下方。未示出底部觸點及頂部觸點，但可形成有底部觸點及頂部觸點。磁性接面100E亦被配置成當在電流垂直於平面方向上穿過磁性接面100E驅動寫入電流時，混合自由層130E能夠利用自旋轉移矩進行切換。可藉由穿過磁性接面100E驅動讀取電流來讀取混合自由層130E。
混合自由層130E包括兩個磁性層132及磁性層136以及氧化物耦合層134。混合自由層130E的磁性熱穩定性係數Δs 及磁性熱穩定性係數Δh 相似於以上所述者。氧化物耦合層134一般為非磁性的，且減弱軟磁性層132與硬磁性層136之間的磁性相互作用。氧化物耦合層134可包含MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者。在一些實施例中，氧化物耦合層134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者組成。可對氧化物耦合層134的厚度進行選擇以達成磁性層132與磁性層136之間的所期望的交換耦合量值，如上所述。
磁性接面100E的混合自由層130E亦包括自旋轉移矩（spin transfer torque，STT）減小層170及自旋轉移矩減小層172。可存在自旋轉移矩減小層170及/或自旋轉移矩減小層172中的一者或兩者。自旋轉移矩減小層170及自旋轉移矩減小層172可減小混合自由層130E的磁性層132與磁性層136之間的在整個氧化物耦合層134上的任何自旋轉移矩。由於自旋轉移矩減小層170及自旋轉移矩減小層172鄰接磁性層（例如磁性層132或磁性層136），因此自旋轉移矩減小層170及自旋轉移矩減小層172可為磁性的或非磁性的。舉例而言，可在自旋轉移矩減小層170及/或自旋轉移矩減小層172中使用非磁性材料，例如Ru、Al、Ta、Ti、W、Mg、Cr、V、Mo、Si、Zn、Ga、Ge、Zr及/或Nb。可在自旋轉移矩減小層170及/或自旋轉移矩減小層172中存在磁性材料，例如Ni。然而，由於Ni可減小垂直磁性各向異性，因此可能不期望將Ni用於自旋轉移矩減小層172。使用自旋轉移矩減小層170及/或自旋轉移矩減小層172可降低混合自由層130E的自旋轉移矩切換效率。一般期望自旋轉移矩減小層170及自旋轉移矩減小層172為薄的。舉例而言，自旋轉移矩減小層170及自旋轉移矩減小層172可為至少一埃厚且不大於三埃厚。可對自旋轉移矩減小層170及/或自旋轉移矩減小層172使用其他材料及/或其他厚度，只要可實質上維持在整個氧化物耦合層134上的所期望的耦合即可。
可使用自旋轉移矩減小層170及/或自旋轉移矩減小層172來減小混合自由層130E的切換的非對稱性。當混合自由層130E的磁矩133及磁矩137實質上平行於基準層110的磁矩111（即，磁矩133及磁矩137被定向成朝向頁面的頂部）時，出現磁性接面100E的平行（parallel，P）狀態。當混合自由層130E的磁矩133及磁矩137實質上反平行於基準層110的磁矩111（磁矩133及磁矩137被定向成朝向頁面的底部）時，出現反平行（antiparallel，AP）狀態。磁性接面可能當自平行狀態切換至反平行狀態時較當自反平行狀態切換至平行狀態時需要穿過所述磁性接面來驅動更高的切換電流。由於在整個氧化物耦合層134上發生自旋轉移矩而可能發生此種非對稱性。來自硬磁性層136的自旋極化電流阻礙軟磁性層132在自平行狀態切換至反平行狀態時的切換。相反地，來自硬磁性層136的自旋極化電流有助於軟磁性層132在自反平行狀態切換至平行狀態時的切換。因此，可引起切換電流的非對稱性。自旋轉移矩減小層170及自旋轉移矩減小層172中的每一者可減輕在整個氧化物耦合層134上的此種自旋轉移矩。因此，磁性接面100E的切換的非對稱性可減小。
磁性接面100E可共享磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C及/或磁性接面100D的有益效果。磁性接面100E的優值可增加。在一些情形中，可達成優值的至少兩倍的改善。無需顯著增大阻尼便可達成優值的增加。氧化物耦合層134亦可增大磁性層132及磁性層136的垂直磁性各向異性。自旋轉移矩減小層170及/或自旋轉移矩減小層172可提高磁性接面100E的切換的對稱性。磁性接面100E的效能因此可得以提高。
圖6繪示能夠用於磁性裝置（例如能夠利用自旋轉移矩進行程式化的磁性記憶體）中且具有混合自由層的磁性接面100F的另一示例性實施例。為清晰起見，圖6未按比例繪製。磁性接面100F相似於磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D及/或磁性接面100E。因此，類似組件具有相似標記。舉例而言，磁性接面100F包括分別與基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C/130D/130E相似的基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130F。該些基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130F具有分別與圖1至圖5所示基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C/130D/130E相似的結構及功能。舉例而言，基準層110及混合自由層130F可分別具有超過平面外去磁能量的垂直磁性各向異性。因此，磁矩111、磁矩133及磁矩137可在垂直於平面方向上為穩定的、抑或相對於垂直於平面的方向傾斜。亦示出相似於圖1至圖5所示晶種層102及頂蓋層140/140D的可選晶種層102及可選頂蓋層140。在其他實施例中，極化增強層103可被省略，抑或可採用額外的極化增強層。上面形成有磁性接面100F的基板101位於晶種層下方。未示出底部觸點及頂部觸點，但可形成有底部觸點及頂部觸點。磁性接面100F亦被配置成當在電流垂直於平面方向上穿過磁性接面100F驅動寫入電流時，混合自由層130F能夠利用自旋轉移矩進行切換。可藉由穿過磁性接面100F驅動讀取電流來讀取混合自由層130F。
混合自由層130F包括兩個磁性層132及磁性層136以及氧化物耦合層134F。混合自由層130F的磁性熱穩定性係數Δs 及磁性熱穩定性係數Δh 相似於以上所述的磁性熱穩定性係數。氧化物耦合層134F一般為非磁性的，且減弱軟磁性層132與硬磁性層136之間的磁性相互作用。氧化物耦合層134F可包含MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者。在一些實施例中，氧化物耦合層134F由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者組成。可對氧化物耦合層134F的厚度進行選擇以達成層132與層136之間的所期望的交換耦合量值，如上所述。
磁性接面100F的混合自由層130F亦包括位於氧化物耦合層134F內的自旋轉移矩減小層174。因此，氧化物耦合層134F可被視為包括兩個子層134F-1及子層134F-2。自旋轉移矩減小層174可減小混合自由層130F的磁性層132與磁性層136之間的在整個氧化物耦合層134F上的任何自旋轉移矩。由於自旋轉移矩減小層174位於氧化物耦合層134F內，因此自旋轉移矩減小層174為非磁性的。舉例而言，可在自旋轉移矩減小層174中使用非磁性材料，例如Ru、Al、Ta、Ti、W、Mg、Cr、V、Mo、Si、Zn、Ga、Ge、Zr及/或Nb。一般對自旋轉移矩減小層174使用高自旋散射材料。一般期望自旋轉移矩減小層174為薄的。舉例而言，層174可為至少一埃厚且不大於5埃厚。可對自旋轉移矩減小層174使用其他材料及/或其他厚度，只要可實質上維持在整個氧化物耦合層134F上的所期望的耦合即可。
可使用自旋轉移矩減小層174來減小混合自由層130F的 切換的非對稱性。自旋轉移矩減小層174的運作因此類似於以上對於磁性接面100E的自旋轉移矩減小層170及自旋轉移矩減小層172所述的運作。更具體而言，自旋轉移矩減小層174可減輕會導致切換的非對稱性增大的整個氧化物耦合層134F上的自旋轉移矩。因此，磁性接面100F的切換的非對稱性可減小。
磁性接面100F可共享磁性接面磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D及/或磁性接面100E的有益效果。磁性接面100F的優值可增加。在一些情形中，可達成優值的至少兩倍的改善。無需顯著增大阻尼便可達成優值的增加。氧化物耦合層134F亦可增大磁性層132及磁性層136的垂直磁性各向異性。自旋轉移矩減小層174可提高磁性接面100F的切換的對稱性。磁性接面100F的效能因此可得以提高。
圖7繪示能夠用於磁性裝置（例如能夠利用自旋轉移矩進行程式化的磁性記憶體）中且具有混合自由層的磁性接面100G的另一示例性實施例。為清晰起見，圖7未按比例繪製。磁性接面100G相似於磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E及/或磁性接面100F。因此，類似組件具有相似標記。舉例而言，磁性接面100G包括分別與基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C/130D/130E/130F相似的基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130G。該些基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130G具有分別與圖1至圖6所示基準層110、102、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C/130D/130E/130F相似的結構及功能。舉例而言，基準層110及混合自由層130G可分別具有超過平面外去磁能量的垂直磁性各向異性。因此，磁矩111、磁矩133及磁矩137可在垂直於平面方向上為穩定的抑或相對於垂直於平面方向傾斜，如圖所示。亦示出相似於圖1至圖6所示晶種層102及頂蓋層140/140D的可選晶種層102及可選頂蓋層140。在其他實施例中，極化增強層103可被省略，抑或可採用額外的極化增強層。上面形成有磁性接面100G的基板101位於晶種層下方。未示出底部觸點及頂部觸點，但可形成有底部觸點及頂部觸點。磁性接面100G亦被配置成當在電流垂直於平面方向上穿過磁性接面100G驅動寫入電流時，混合自由層130G能夠利用自旋轉移矩進行切換。可藉由穿過磁性接面100G驅動讀取電流來讀取混合自由層130G。
混合自由層130G包括兩個磁性層132及磁性層136以及氧化物耦合層134G。混合自由層130G的磁性熱穩定性係數Δs 及磁性熱穩定性係數Δh 相似於以上所述者。氧化物耦合層134G一般為非磁性的，且減弱軟磁性層132與硬磁性層136之間的磁性相互作用。氧化物耦合層134G可包含MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者。在一些實施例中，氧化物耦合層134G由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者組成。可對氧化物耦合層134G的厚度進行選擇以達成層132與層136之間的所期望的交換耦合量值，如上所述。
磁性接面100G的混合自由層130G包括位於氧化物耦合層134G內的自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及自旋轉移矩減小層174。因此，氧化物耦合層134G可被視為包括兩個子層134G-1及子層134G-2。自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及自旋轉移矩減小層174相似於以上所述的自旋轉移矩減小層。使用自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及/或自旋轉移矩減小層174可降低混合自由層130G的自旋轉移矩切換效率。此外，在氧化物耦合層134G內可包括另一數目的自旋轉移矩減小層（圖中未示出）。舉例而言，可採用四個、五個或更多個自旋轉移矩減小層，只要維持混合自由層130G的所期望的磁性耦合及其他磁性性質即可。在此種實施例中，氧化物耦合層134G可被分成更多個子層。自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及自旋轉移矩減小層174可減輕會導致切換的非對稱性增大的整個氧化物耦合層134G上的自旋轉移矩。因此，磁性接面100G的切換的對稱性可提高。
磁性接面100G可共享磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E及/或磁性接面100F的有益效果。磁性接面100G的優值可增加。在一些情形中，可達成優值的至少兩倍的改善。無需顯著增大阻尼便可達成優值的增加。氧化物耦合層134G亦可增大磁性層132及磁性層136的垂直磁性各向異性。自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及/或自旋轉移矩減小層174可減小磁性接面100G的切換的非對稱性。磁性接面100G的效能因此可得以提高。
圖8繪示能夠用於磁性裝置（例如能夠利用自旋轉移矩進行程式化的磁性記憶體）中且具有混合自由層的磁性接面100H的另一示例性實施例。為清晰起見，圖8未按比例繪製。磁性接面100H相似於磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F及/或磁性接面100G。因此，類似組件具有相似標記。舉例而言，磁性接面100H包括分別與基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C/130D/130E/130F/130G相似的基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130H。該些基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130H具有分別與圖1至圖7所示基準層110、可選極化增強層103、非磁性間隔壁層120及混合自由層130A/130B/130C/130D/130E/130F/130G相似的結構及功能。舉例而言，基準層110及混合自由層130H可分別具有超過平面外去磁能量的垂直磁性各向異性。因此，磁矩111、磁矩133及磁矩137可在垂直於平面方向上為穩定的抑或相對於垂直於平面方向傾斜，如圖所示。亦示出相似於圖1至圖7所示晶種層102及頂蓋層140/140D的可選晶種層102及可選頂蓋層140。在其他實施例中，極化增強層103可被省略，抑或可採用額外的極化增強層。上面形成有磁性接面100H的基板101位於晶種層下方。未示出底部觸點及頂部觸點，但可形成有底部觸點及頂部觸點。磁性接面100H亦被配置成當在電流垂直於平面方向上穿過磁性接面100H驅動寫入電流時，混合自由層130H能夠利用自旋轉移矩進行切換。可藉由經由磁性接面100H驅動讀取電流來讀取混合自由層130H。
磁性接面100H為雙磁性接面。因此，磁性接面100H亦包括附加非磁性間隔壁層150、可選附加極化增強層152及具有磁矩161的附加基準層160。該些附加非磁性間隔壁層150、可選附加極化增強層152及附加基準層160相似於上述附加非磁性間隔壁層150、可選附加極化增強層152及附加基準層160。
混合自由層130H包括兩個磁性層132及磁性層136以及氧化物耦合層134H。混合自由層130H的磁性熱穩定性係數Δs 及磁性熱穩定性係數Δh 類似於以上所述者。氧化物耦合層134H一般為非磁性的，且減弱軟磁性層132與硬磁性層136之間的磁性相互作用。氧化物耦合層134H可包含MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者。在一些實施例中，氧化物耦合層134H由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者組成。可對氧化物耦合層134H的厚度進行選擇以達成磁性層132與磁性層136之間的所期望的交換耦合量值，如上所述。
磁性接面100H的混合自由層130H包括位於氧化物耦合層134H內的自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及自旋轉移矩減小層174。因此，氧化物耦合層134H可被視為包括兩個子層134H-1及子層134H-2。自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及自旋轉移矩減小層174相似於以上所述者。使用自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及/或自旋轉移矩減小層174可降低混合自由層130H的自旋轉移矩切換效率。此外，在氧化物耦合層134H內可包括另一數目的自旋轉移矩減小層（圖中未示出）。舉例而言，可採用四個、五個或更多個自旋轉移矩減小層，只要維持混合自由層130H的所期望的磁性耦合及其他磁性性質即可。在此種實施例中，氧化物耦合層134H可被分成更多個子層。自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及自旋轉移矩減小層174可減輕在整個氧化物耦合層134H上的自旋轉移矩。
雙磁性接面（例如磁性接面100H）可具有電壓非對稱性。穿過磁性接面100H驅動的用於平行狀態至反平行狀態切換的電流與用於反平行狀態至平行狀態切換的電流可實質上相同。然而，所需要的電壓對於在不同方向上穿過磁性接面100H的寫入電流而言可為不同的。此可至少部分地歸因於平行狀態與反平行狀態中的電阻的差異。藉由定製自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及/或自旋轉移矩減小層174的數目及性質，可對此種非對稱性進行調整。因此，磁性接面100H的切換的對稱性可提高。
磁性接面100H可共享磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F及/或磁性接面100G的有益效果。磁性接面100H的優值可增加。在一些情形中，可達成優值的至少兩倍的改善。無需顯著增大阻尼便可達成優值的增加。氧化物耦合層134H亦可增大磁性層132及磁性層136的垂直磁性各向異性。可使用自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及自旋轉移矩減小層174來定製磁性接面100H的切換的非對稱性。磁性接面100H的效能因此可得以提高。
已針對磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F、磁性接面100G及/或磁性接面100H闡述了各種特徵。此項技術中具有通常知識者將認識到，該些特徵可以未示出且不與本文所述的裝置及方法不一致的方式加以組合。
圖9是流程圖，其繪示一種提供能夠用於磁性裝置中且包括具有氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面層的方法200的示例性實施例。為簡明起見，一些步驟可被省略，且以另一次序執行或包括子步驟及/或加以組合。此外，方法200在已執行形成磁性記憶體的其他步驟之後開始。在磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F、磁性接面100G及/或磁性接面100H的上下文中闡述方法200。然而，方法200可用於形成其他磁性接面。此外，可同時製作多個磁性接面。
經由步驟202，提供基準層110。步驟202可包括沈積所期望材料及/或層以得到基準層。步驟202亦可包括提供可選極化增強層103。在一些實施例中，磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F、磁性接面100G及/或磁性接面100H的所有層是在界定磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F、磁性接面100G及/或磁性接面100H的邊緣之前沈積。在其他實施例中，可各別地界定一或多個層的邊緣。如本文所述，提供磁性接面層涵蓋該些可能性中的任一者或兩者。
經由步驟204，提供非磁性間隔壁層120。步驟204因此可包括沈積導電層或絕緣層。步驟204亦可包括沈積導電層（例如Mg）以及將所述層氧化。
經由步驟206，提供混合自由層130A、混合自由層130B、混合自由層130C、混合自由層130D、混合自由層130E、混合自由層130F、混合自由層130G及/或混合自由層130H。步驟206可包括提供磁性層132、氧化物耦合層134/134F/134G/134H及磁性層136。步驟206亦可包括提供自旋轉移矩減小層170、自旋轉移矩減小層172及/或自旋轉移矩減小層174。執行步驟202、步驟204及步驟206的次序相依於正形成的磁性接面是頂部被釘紮磁性接面還是底部被釘紮磁性接面。對於底部被釘紮磁性接面而言，首先執行步驟202。對於頂部被釘紮磁性接面而言，首先執行步驟206。
經由步驟208，視需要提供附加非磁性間隔壁層150。步驟208可以與步驟204相似的方式執行。經由步驟210，提供可選基準層160。步驟210亦可包括提供極化增強層152。步驟210可相似於步驟202。步驟208及步驟210可被執行用於製作雙磁性接面。
經由步驟212，視需要提供頂蓋層140/140D。步驟212可包括提供MgO層或TaO層。在其他實施例中，步驟212可包括沈積Mg/Ir雙層、Mg/Re雙層及/或Mg/Ru雙層、對所述雙層進行電漿處理以及執行氧化步驟。此可對利用Mg/Ir頂蓋層、Mg/Re頂蓋層及/或Mg/Ru頂蓋層的底部被釘紮磁性接面進行。
經由步驟214，完成磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F、磁性接面100G及/或磁性接面100H的製作。
利用方法200，可形成磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F、磁性接面100G及/或磁性接面100H。可製作具有所期望的氧化物耦合層134、氧化物耦合層134F、氧化物耦合層134G及/或氧化物耦合層134H的混合自由層130A、混合自由層130B、混合自由層130C、混合自由層130D、混合自由層130E、混合自由層130F、混合自由層130G及/或混合自由層130H。因此，可達成具有切換特性得到改善的自由層的磁性接面。
圖10繪示記憶體300的示例性實施例，記憶體300可使用包括混合自由層（例如混合自由層130A、混合自由層130B、混合自由層130C、混合自由層130D、混合自由層130E、混合自由層130F、混合自由層130G及/或混合自由層130H）的磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F、磁性接面100G、磁性接面100H及/或其他磁性接面中的一或多者。磁性記憶體300包括讀取/寫入行選擇驅動器302及讀取/寫入行選擇驅動器306以及字元線選擇驅動器304。應注意，可提供其他組件及/或不同組件。記憶體300的儲存區包括磁性儲存單元310。每一磁性儲存單元包括至少一個磁性接面312及至少一個選擇裝置314。在某些實施例中，選擇裝置314為電晶體。磁性接面312可為包括混合自由層130A、混合自由層130B、混合自由層130C、混合自由層130D、混合自由層130E、混合自由層130F、混合自由層130G及/或混合自由層130H的磁性接面100A、磁性接面100B、磁性接面100C、磁性接面100D、磁性接面100E、磁性接面100F、磁性接面100G、磁性接面100H及/或其他磁性接面中的一者。儘管每一磁性儲存單元310示出一個磁性接面312，但在其他實施例中，可對每一單元提供另一數目的磁性接面312。因此，磁性記憶體300可享有上述有益效果。
已闡述了一種用於提供磁性接面及使用所述磁性接面製作的記憶體的方法及系統。已根據所示示例性實施例闡述了所述方法及系統，且此項技術中具有通常知識者將輕易地認識到，可存在實施例的變型且任何變型均將處於所述方法及系統的精神及範圍內。因此，在不背離隨附申請專利範圍的精神及範圍的條件下，此項技術中具有通常知識者可作出諸多潤飾。
100A、100B、100C、100D、100E、100F、100G、100H、312:磁性接面
101:基板
102:晶種層/可選晶種層
103:極化增強層/可選極化增強層
110:基準層
111、161:磁矩
120:非磁性間隔壁層/穿遂障壁層
130A、130B、130C、130D、130E、130F、130G、130H:混合自由層
132:磁性層/軟磁性層
133、137:磁矩
134、134F、134G、134H:氧化物耦合層
134F-1、134F-2、134G-1、134G-2、134H-1、134H-2:子層
136:磁性層/硬磁性層
140、140D:頂蓋層
150:附加非磁性間隔壁層
152:可選附加極化增強層/可選極化增強層/極化增強層
160:附加基準層/可選基準層
170、172、174:自旋轉移矩減小層
202、204、206、208、210、212、214:步驟
302、306:讀取/寫入行選擇驅動器
304:字元線選擇驅動器
310:磁性儲存單元
314:選擇裝置
圖1繪示能夠用於磁性裝置中且具有包括氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面的示例性實施例。 圖2繪示能夠用於磁性裝置中且具有包括氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面的另一示例性實施例。 圖3繪示能夠用於磁性裝置中且具有包括氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面的另一示例性實施例。 圖4繪示能夠用於磁性裝置中且具有包括氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面的另一示例性實施例。 圖5繪示能夠用於磁性裝置中且具有包括氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面的另一示例性實施例。 圖6繪示能夠用於磁性裝置中且具有包括氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面的另一示例性實施例。 圖7繪示能夠用於磁性裝置中且具有包括氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面的另一示例性實施例。 圖8繪示能夠用於磁性裝置中且具有包括氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面的另一示例性實施例。 圖9是流程圖，其繪示一種提供能夠用於磁性裝置（例如能夠利用自旋轉移矩進行程式化的磁性記憶體）中且具有包括氧化物耦合層的混合自由層的磁性接面的方法的示例性實施例。 圖10繪示在儲存單元的記憶體元件中利用磁性接面的記憶體的示例性實施例。
100A‧‧‧磁性接面
101‧‧‧基板
102‧‧‧晶種層/可選晶種層
103‧‧‧極化增強層/可選極化增強層
110‧‧‧基準層
111‧‧‧磁矩
120‧‧‧非磁性間隔壁層/穿遂障壁層
130A‧‧‧混合自由層
132‧‧‧磁性層/軟磁性層
133、137‧‧‧磁矩/自由層磁矩
134‧‧‧氧化物耦合層
136‧‧‧磁性層/硬磁性層
140‧‧‧頂蓋層/可選頂蓋層

Claims (17)

  1. 一種磁性接面，適用於磁性裝置中，包括：第一基準層；非磁性間隔壁層；以及混合自由層，包括軟磁性層、硬磁性層及位於所述硬磁性層與所述軟磁性層之間的氧化物耦合層，所述軟磁性層在包括室溫在內的至少一個待機溫度下具有不大於30的軟層磁性熱穩定性係數，所述硬磁性層在所述待機溫度下具有至少為所述軟層磁性熱穩定性係數的兩倍的硬層磁性熱穩定性係數，所述軟層磁性熱穩定性係數為軟磁性層各向異性密度乘以軟磁性層體積除以波茲曼常數與所述軟磁性層的溫度，所述硬層磁性熱穩定性係數為硬磁性層各向異性密度乘以硬磁性層體積除以波茲曼常數與所述硬磁性層的溫度，所述混合自由層利用穿過所述磁性接面的寫入電流而在多種穩定磁性狀態之間為可切換的。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其更包括額外的非磁性間隔壁層及額外的基準層，所述混合自由層位於所述非磁性間隔壁層與所述額外的非磁性間隔壁層之間，所述額外的非磁性間隔壁層位於所述混合自由層與所述額外的基準層之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述氧化物耦合層被配置成使得所述軟磁性層與所述硬磁性層以至少0.2爾格/平方公分且不大於0.8爾格/平方公分的特徵交換能量密度進 行磁性耦合。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的磁性接面，其中所述特徵交換能量密度為至少0.3爾格/平方公分且不大於0.5爾格/平方公分，其中所述軟層磁性熱穩定性係數不大於20，並且其中所述軟磁性層位於所述氧化物耦合層與所述非磁性間隔壁層之間。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的磁性接面，其中所述氧化物耦合層的厚度為至少6埃且不大於9埃。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述氧化物耦合層的厚度為至少5埃且不大於15埃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述氧化物耦合層包含MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO及IrO中的至少一者。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，更包括與所述硬磁性層相鄰的頂蓋層，所述頂蓋層包括MgO層、HfO、ZrO、TaO層、Mg/Ir層、Mg/Ru層及Mg/Re層中的至少一者，所述Mg/Ir層、所述Mg/Ru層及所述Mg/Re層中的每一者均是經沈積而成且經過電漿處理、退火及氧化步驟的雙層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述混合自由層更包括：位於所述硬磁性層與所述軟磁性層之間的至少一個自旋轉移矩減小層。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的磁性接面，其中所述至少一個自旋轉移矩減小層包括嵌置於所述氧化物耦合層內的第一自旋轉移矩減小層。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的磁性接面，其中所述至少一個自旋轉移矩減小層包括位於所述氧化物耦合層的第一介面處的第一自旋轉移矩減小層。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述硬磁性層具有至少為3千奧斯特但不大於6千奧斯特的垂直磁性各向異性場。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述軟磁性層具有至少為-2千奧斯特且不大於0的垂直磁性各向異性場。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述氧化物耦合層與所述軟磁性層共享第一介面，與所述硬磁性層共享第二介面。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的磁性接面，其中所述硬磁性層具有至少為3千奧斯特且不大於6千奧斯特的垂直磁性各向異性場，所述軟磁性層具有為不大於2千奧斯特且至少為0的垂直磁性各向異性場量，其中，所述氧化物耦合層被配置成使得所述軟磁性層與所述硬磁性層以至少0.3爾格/平方公分且不大於0.5爾格/平方公分的特徵交換能量密度進行磁性耦合，並且所述氧化物耦合層具有至少6埃且不大於9埃的厚度。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的磁性接面，其中所述氧化物耦合層與所述軟磁性層共享第一介面，與所述硬磁性層共享第二介面。
  17. 一種磁性記憶體，包括：多個磁性儲存單元，所述多個磁性儲存單元中的每一者包括至少一個磁性接面，所述至少一個磁性接面具有基準層、非磁性間隔壁層及混合自由層，所述混合自由層包括軟磁性層、硬磁性層及位於所述硬磁性層與所述軟磁性層之間的氧化物耦合層，所述軟磁性層在待機溫度下具有不大於30的軟層磁性熱穩定性係數，所述硬磁性層在所述待機溫度下至少為所述軟層磁性熱穩定性係數的兩倍的硬層磁性熱穩定性係數，所述氧化物耦合層被配置成使得所述軟磁性層與所述硬磁性層以至少0.3爾格/平方公分且不大於0.5爾格/平方公分的特徵交換能量密度進行磁性耦合，所述軟層磁性熱穩定性係數為軟磁性層各向異性密度乘以軟磁性層體積除以波茲曼常數與所述軟磁性層的溫度，所述硬層磁性熱穩定性係數為硬磁性層各向異性密度乘以硬磁性層體積除以波茲曼常數與所述硬磁性層的溫度，所述混合自由層利用穿過所述磁性接面的寫入電流而在多種穩定磁性狀態之間為可切換的；以及多個位元線，與所述多個磁性儲存單元耦合。
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