具有稳定自由铁磁层或多层自由铁磁层的磁性装置
专利汇可以提供具有稳定自由铁磁层或多层自由铁磁层的磁性装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且磁性 多层结构，例如磁性或磁阻隧穿结(MTJ)和自旋 阀 ，具有形成为邻接并磁性耦合到自由 铁 磁层 的磁性偏置层，以获得针对由例如热 波动 和杂散场导致的波动的期望 稳定性 。可以使用CMOS工艺制作具有使用该磁性偏置层的低纵横比的稳定MTJ单元，用于例如高 密度 MRAM 存储器 装置和其它装置。通过驱动垂直于这些层的写 电流 ，可以使用自旋转移感应切换来编程这种多层结构。每层自由铁磁层可包括两层以上的层且可以是包括第一和第二铁磁层以及介于该第一和第二铁磁层之间的非磁性间隔层的多层自由铁磁叠层。，下面是具有稳定自由铁磁层或多层自由铁磁层的磁性装置专利的具体信息内容。
1.一种装置，包括：
基板；以及
磁性单元，所述磁性单元形成于所述基板上且包括：
多层自由铁磁叠层，其具有在第一方向和基本上相反的第二方向之 间可改变的净磁化方向，所述多层自由铁磁叠层包括第一和第二铁磁层 以及介于所述第一和第二铁磁层之间的非磁性间隔；
磁性偏置层，其接触并磁性耦合到所述多层自由铁磁叠层，以增大 所述多层自由铁磁叠层的矫顽磁性并使得所述多层自由铁磁叠层的磁 化方向在所述第一方向和基本上相反的第二方向之间是可改变的；
固定铁磁层，其具有固定磁化方向；以及
绝缘体阻挡层，其形成于所述多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间 以在偏置电压下实现所述多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间的电子 隧穿，所述偏置电压施加在所述多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间并 跨过所述绝缘体阻挡层，
其中所述多层自由铁磁叠层置于所述磁性偏置层和绝缘体阻挡层之间。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述自由铁磁层中所述第一和第二 铁磁层之间的所述非磁性间隔包括：Ru、Re、Cu、Ta或Cu、或包含Ru、 Re、Cu、Ta或Cu的合金。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述非磁性间隔厚度介于4和10埃。
4.如权利要求1所述的装置，其中用于所述多层自由铁磁叠层中所述 第一和第二铁磁层的至少一层的铁磁材料包括：Co、包含Co的合金、Fe、 包含Fe的合金、Ni或包含Ni的合金。
5.如权利要求4所述的装置，其中用于所述多层自由铁磁叠层中所述 第一和第二铁磁层的至少一层的铁磁材料包括：CoFe、CoFeB、CoFeNiB、 CoFeTa、NiFe、CoPt、CoPd、FePt、Co2Mn(Al，Si)或Co2(Cr，Fe)(Al，Si)。
6.如权利要求1所述的装置，其中：
所述第一铁磁层与所述绝缘体阻挡层接触并包括CoFeX，其中X包括B、 P、Si、Nb、Zr、Hf、Ta和Ti中的至少一种，而且所述第二铁磁层与所述磁 性偏置层接触并包括软磁材料。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述第二铁磁层包括NiFe或NiFeCo。
8.如权利要求6所述的装置，其中所述第一和第二铁磁层具有相反的 磁致伸缩效应。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述多层自由铁磁叠层具有近零的 净磁致伸缩。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述多层自由铁磁叠层被所述磁性 偏置层弱钉扎以具有沿所述第一方向的磁化方向，所述磁化方向不同于所述 固定铁磁层的固定磁化方向。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述多层自由铁磁叠层的沿所述 第一方向的磁化方向从所述固定铁磁层的固定磁化方向偏移介于0和135度 的角度。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性单元具有沿平行于所述基 板的两个正交方向的尺寸之间的小于1.77的纵横比。
13.如权利要求12所述的装置，其中所述磁性单元具有沿平行于所述 基板的两个正交方向的尺寸之间的约1的纵横比。
14.如权利要求1所述的装置，还包括：
反铁磁(AFM)层，形成为与所述固定铁磁层接触以将所述固定铁磁层 的磁化钉扎为沿所述固定磁化方向。
15.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性偏置层包括反铁磁(AFM) 层，所述反铁磁层磁性耦合到所述多层自由铁磁叠层以增大所述多层自由铁 磁叠层的矫顽磁性同时使得可以切换所述多层自由铁磁叠层的磁化方向。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述磁性偏置层包括IrMn或PtMn。
17.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性偏置层包括PtPdMn、NiMn、 FeMn、FeMnRh、CrMn、FeNiMn、CoMn、RhMn、CrMnPt、CrMnCu、CrMnRh、 CrMnPd、CrMnIr、CrMnNi、CrMnCo、CrMnTi和CrAl中的至少一种。
18.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性偏置层包括金属性反铁磁 材料。
19.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性偏置层包括氧化物反铁磁 材料。
20.如权利要求19所述的装置，其中所述磁性偏置层包括Ni(Fe)O、 Fe(Co)O、Co(Fe)O、NiFe(Co)O和CrO中的至少一种。
21.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性偏置层包括FeS。
22.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性偏置层包括亚铁磁材料。
23.如权利要求22所述的装置，其中所述磁性偏置层包括TbCo、DyCo、 TbFe、TbFeCo、CoFeO、FeO、MnFeO和ZnFeO中的至少一种。
24.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性偏置层包括两层反铁磁层。
25.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性偏置层包括：
第一和第二反铁磁层；以及
介于所述第一和第二反铁磁层之间的间隔层。
26.如权利要求1所述的装置，其中所述磁性偏置层包括：
反铁磁层；以及
与所述反铁磁层接触的间隔层。
27.如权利要求26所述的装置，其中所述磁性偏置层还包括：
与所述反铁磁层接触的第二间隔层；以及
与所述第二间隔层接触的第二反铁磁层。
28.如权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二铁磁层通过所述非 磁性间隔被反铁磁耦合以具有相反磁化方向。
29.如权利要求1所述的装置，其中所述第一和第二铁磁层通过所述非 磁性间隔被铁磁耦合以具有平行磁化方向。
30.如权利要求1所述的装置，还包括形成于所述基板上的多个磁性单 元以形成阵列。
31.一种装置，包括：
基板；以及
磁性单元，所述磁性单元形成于所述基板上且包括：
多层自由铁磁叠层，其具有在第一方向和基本上相反的第二方向之 间可改变的净磁化方向，所述多层自由铁磁叠层包括第一和第二铁磁层 以及介于所述第一和第二铁磁层之间的非磁性间隔，其中所述第一和第 二铁磁层通过所述非磁性间隔被铁磁耦合以具有平行磁化方向；
固定铁磁层，其具有固定磁化方向；以及
绝缘体阻挡层，其形成于所述多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间 以在偏置电压下实现所述多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间的电子 隧穿，所述偏置电压施加在所述多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间并 跨过所述绝缘体阻挡层。
32.如权利要求31所述的装置，其中所述自由铁磁层中所述第一和第 二铁磁层之间的所述非磁性间隔包括：Ru、Re、Cu、Ta或Cu、或包含Ru、 Re、Cu、Ta或Cu的合金。
33.如权利要求31所述的装置，其中用于所述多层自由铁磁叠层中所 述第一和第二铁磁层的至少一层的铁磁材料包括：Co、包含Co的合金、Fe、 包含Fe的合金、Ni或包含Ni的合金。
34.如权利要求33所述的装置，其中用于所述多层自由铁磁叠层中所 述第一和第二铁磁层的至少一层的铁磁材料包括：CoFe、CoFeB、CoFeNiB、 CoFeTa、NiFe、CoPt、CoPd、FePt、Co2Mn(Al，Si)或Co2(Cr，Fe)(Al，Si)。
35.如权利要求31所述的装置，其中：
所述第一铁磁层与所述绝缘体阻挡层接触并包括CoFeX，其中X包括B、 P、Si、Nb、Zr、Hf、Ta和Ti中的至少一种，而且所述第二铁磁层与所述磁 性偏置层接触并包括软磁层。
36.如权利要求35所述的装置，其中所述第二铁磁层包括NiFe或 NiFeCo。
37.如权利要求35所述的装置，其中所述第一和第二铁磁层具有相反 的磁致伸缩效应。
38.如权利要求37所述的装置，其中所述多层自由铁磁叠层具有近零 的净磁致伸缩。
39.如权利要求31所述的装置，其中所述多层自由铁磁叠层被所述磁 性偏置层弱钉扎以具有沿所述第一方向的磁化方向，所述磁化方向不同于所 述固定铁磁层的固定磁化方向。
40.如权利要求39所述的装置，其中所述多层自由铁磁叠层的沿所述 第一方向的磁化方向从所述固定铁磁层的固定磁化方向偏移介于0和135度 的角度。
41.一种装置，包括：
自由铁磁层，其具有在第一方向和基本上相反的第二方向之间可改变的 磁化方向；
磁性偏置层，其形成为接触并磁性耦合到所述自由铁磁层，以增大所述 自由铁磁层的矫顽磁性并使得所述自由铁磁层的磁化方向在所述第一方向 和基本上相反的第二方向之间是可改变的；
固定铁磁层，其具有沿大致上所述第一方向被固定的磁化方向；以及
绝缘体阻挡层，其形成于所述自由铁磁层和固定铁磁层之间以在偏置电 压下实现所述自由铁磁层和固定铁磁层之间的电子隧穿，所述偏置电压施加 在所述自由铁磁层和固定铁磁层之间并跨过所述绝缘体阻挡层，
其中所述自由铁磁层置于所述磁性偏置层和绝缘体阻挡层之间。
42.如权利要求41所述的装置，还包括：
反铁磁(AFM)层，形成为与所述固定铁磁层接触以将所述固定铁磁层 的磁化钉扎为沿所述第一方向。
43.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层包括反铁磁(AFM) 层，所述反铁磁层磁性耦合到所述自由铁磁层以增大所述自由铁磁层的矫顽 磁性而不固定所述自由铁磁层的磁化方向。
44.如权利要求43所述的装置，其中所述磁性偏置层包括金属性反铁 磁材料。
45.如权利要求43所述的装置，其中所述磁性偏置层包括氧化物反铁 磁材料。
46.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层包括亚铁磁材料。
47.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层包括两层反铁磁 层。
48.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层包括：
第一和第二反铁磁层；以及
介于所述第一和第二反铁磁层之间的间隔层。
49.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层包括：
反铁磁层；以及
与所述反铁磁层接触的间隔层。
50.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层包括多个堆叠在 一起的双层结构，其中每个双层结构包括反铁磁层和与所述反铁磁层接触的 间隔层。
51.如权利要求41所述的装置，还包括：
第二自由铁磁层，其接触并磁性耦合到所述磁性偏置层以具有可改变的 磁化方向和增大的矫顽磁性；
第二固定铁磁层，其具有固定磁化方向；以及
第二绝缘体阻挡层，其形成于所述第二自由铁磁层和第二固定铁磁层之 间以在偏置电压下实现所述第二自由铁磁层和第二固定铁磁层之间的电子 隧穿，所述偏置电压施加在所述第二自由铁磁层和第二固定铁磁层之间并跨 过所述第二绝缘体阻挡层。
52.如权利要求41所述的装置，还包括：
第二自由铁磁层，其接触并磁性耦合到所述磁性偏置层以具有可改变的 磁化方向和增大的矫顽磁性；
第二固定铁磁层，其具有固定磁化方向；以及
非磁性间隔层，其形成于所述第二自由铁磁层和第二固定铁磁层之间， 以与所述第二自由铁磁层和第二固定铁磁层形成自旋阀。
53.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层、自由铁磁层、 绝缘体阻挡层和固定铁磁层形成侧剖面渐缩的叠层，使得所述自由铁磁层的 横向尺寸小于所述固定铁磁层。
54.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层、自由铁磁层、 绝缘体阻挡层和固定铁磁层形成叠层，所述叠层包括具有所述自由铁磁层的 台面顶部和具有所述固定铁磁层的底部，其中所述台面顶部的横向尺寸小于 所述底部，使得所述自由铁磁层的横向尺寸小于所述固定铁磁层。
55.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层的磁化方向排列 成与所述自由铁磁层的磁性易轴垂直。
56.如权利要求41所述的装置，其中所述磁性偏置层的磁化方向排列 成与所述自由铁磁层的磁性易轴平行。
57.一种方法，包括：
提供磁性隧穿结，所述磁性隧穿结包括具有可改变的磁化方向的自由铁 磁层、具有固定磁化方向的固定铁磁层、以及形成于所述自由铁磁层和固定 铁磁层之间的绝缘体阻挡层，以在偏置电压下实现所述自由铁磁层和固定铁 磁层之间的电子隧穿，所述偏置电压施加在所述自由铁磁层和固定铁磁层之 间并跨过所述绝缘体阻挡层；以及
提供磁性偏置层，所述磁性偏置层接触并磁性耦合到所述自由铁磁层， 以增大所述自由铁磁层的矫顽磁性并使得所述自由铁磁层的磁化方向是可 改变的，其中所述自由铁磁层置于所述磁性偏置层和绝缘体阻挡层之间。
58.如权利要求57所述的方法，还包括施加控制磁场以改变所述自由 铁磁层的磁化方向，从而改变所述第一和第二铁磁层之间的电阻。
59.如权利要求57所述的方法，还包括施加在所述磁性隧穿结内的所 述自由铁磁层和固定铁磁层之间垂直流过的可变和极化电流以改变所述自 由铁磁层的磁化方向，由此改变所述第一和第二铁磁层之间的电阻。
60.一种装置，包括：
自由铁磁层，其具有可改变的磁化方向；
磁性偏置层，其形成为接触并磁性耦合到所述自由铁磁层，以增大所述 自由铁磁层的矫顽磁性而不钉扎所述自由铁磁层的磁化方向，其中所述磁性 偏置层具有层厚度t、各向异性常数K和界面交换耦合常数J以满足K·t
反铁磁钉扎层，其接触并磁性耦合到所述钉扎铁磁层以致使所述钉扎铁 磁层的磁化方向沿所述预定方向固定，其中所述反铁磁钉扎层具有层厚度t’、 各向异性常数K’和界面交换耦合常数J’以满足K’·t’>J’；以及
中间层，其形成于所述自由铁磁层和钉扎铁磁层之间，
其中所述自由铁磁层置于所述磁性偏置层和中间层之间。
61.如权利要求60所述的装置，其中所述磁性偏置层包括奈耳温度高 于所述装置的工作温度的反铁磁材料。
62.如权利要求60所述的装置，其中所述磁性偏置层包括居里温度高 于所述装置的工作温度的亚铁磁材料。
63.如权利要求60所述的装置，其中所述中间层为形成于所述自由铁 磁层和钉扎铁磁层之间的绝缘体阻挡层，以实现在跨过所述绝缘体阻挡层的 偏置电压下所述自由铁磁层和钉扎铁磁层之间的电子隧穿。
64.如权利要求60所述的装置，其中所述中间层为非磁性金属间隔层。
65.如权利要求60所述的装置，其中所述自由铁磁层的横向尺寸小于 所述钉扎铁磁层和所述反铁磁钉扎层。
66.如权利要求60所述的装置，其中所述磁性偏置层的磁化方向排列 为与所述自由铁磁层的磁性易轴垂直。
本申请主张下述美国专利申请的利益：
1.题为“MAGNETIC DEVICE HAVING STABILIZED FREE FERROMAGNETIC LAYER”，2005年9月20日提交的共同待审的美国专利 申请No.11/232,356；以及
2.题为“MAGNETIC DEVICE HAVING MULTILAYERED FREE FERROMAGNETIC LAYER”，2006年8月1日提交的共同待审的美国专利 申请No.11/498,294。
上述两个美国专利申请的全部公开内容引用结合于此，作为本申请的说 明书的一部分。
技术领域
背景技术
这种多层结构的一个示例为磁性或磁阻隧穿结(MTJ)，其包括至少三 层：两层铁磁层和介于该两层铁磁层之间的薄层非磁性绝缘体作为阻挡层。 用于中间阻挡层的该绝缘体不导电并因此用做该两层铁磁层之间的阻挡。然 而，当绝缘体的厚度足够薄，例如几纳米以下时，在偏压施加到该两层铁磁 层跨过该阻挡层时，由于隧穿效应，两层铁磁层内的电子可以“穿过”该薄 层绝缘体。尤其是，对于跨过该MTJ结构的电流的电阻随该两层铁磁层内 的磁化的相对方向而改变。当两层铁磁层的磁化相互平行时，跨过MTJ结 构的电阻为最小值RP。当两层铁磁层的磁化相互反平行时，跨过MTJ结构 的电阻为最大值RAP。这种效应的幅值通常用定义为(RAP-RP)/RP的隧穿磁 阻(TMR)来表征。
TMR效应中流过MTJ的电流的电阻与两层铁磁层之间相对磁性方向之 间的关系可供非易失性磁性存储器装置将信息存储在MTJ的磁性状态内。 基于TMR效应的磁性随机存取存储器(MRAM)装置例如可以是电子RAM 装置的备选并与之相竞争。在这种装置中，一层铁磁层配置成具有固定磁性 方向，另一铁磁层为“自由”层，该自由层的磁性方向可以改变为与该固定 方向平行或相反。基于在MTJ的阻挡的两侧上的两层铁磁层的相对磁性方 向，信息被存储。例如，二进制位(bit)“1”和“0”可以被记录为MTJ中 两层铁磁层的平行和反平行取向。将位记录或写入MTJ可以通过切换自由 层的磁化方向来实现，例如通过供应电流至布置成十字条形的写入线(write line)而产生的写入磁场，基于自旋转移效应通过跨过MTJ的电流，或者通 过其它手段。在自旋转移切换中，改变自由层的磁化所需的电流小(例如 0.1mA以下)且可以显著小于用于场切换的电流。因此，MTJ中自旋转移切 换可以用于显著降低单元的功耗。
在基于MTJ单元的磁性存储器装置中需要高存储容量，这要求每个MTJ 单元小，从而增大给定晶片面积的MTJ单元数目。随着MTJ单元尺寸减小， 每个单元中MTJ的磁化方向会对例如热波动、外部场扰动或者超顺磁性的 各种因素变得更加敏感。这部分是因为用于存储和维持数字位的MTJ的矫 顽磁性所致的磁能随着MTJ单元尺寸而减小。当用于存储和维持数字位的 磁能随着单元尺寸减小到低于临界水平时，该临界水平通常为干扰源能量的 几倍，干扰能量足以改变MTJ单元的磁性状态并因此改变所存储的位。因 此，足够小单元内的MTJ的磁化方向会不期望地由于任一这些和其它因素 或其组合而改变，并因此改变或擦除MTJ中所存储的信息。该干扰可以是 由各种因素引起，例如单元周围的热波动的热能或者是由于MTJ单元与在 该单元存在的杂散磁场之间的交互作用引起的能量。
因此，期望增加MTJ和其它多层结构中自由铁磁层的矫顽磁性并因此 稳定自由铁磁层的磁性方向以耐受各种干扰。
发明内容
在一个方面，描述了一种装置，该装置包括磁化方向在第一方向和相反 第二方向之间可改变的自由铁磁层。磁性偏置层也形成于该装置中以接触并 磁性耦合到该自由铁磁层，以增大该自由铁磁层的矫顽磁性并使得该自由铁 磁层的磁化方向在第一方向和基本上相反的第二方向之间是可改变的。该装 置还包括固定铁磁层，其具有沿基本上该第一方向固定的磁化方向；以及绝 缘体阻挡层，其形成于该自由铁磁层和固定铁磁层之间以在偏置电压下实现 该自由铁磁层和固定铁磁层之间的电子隧穿，该偏置电压施加在该自由铁磁 层和固定铁磁层之间并跨过该绝缘体阻挡层。该自由铁磁层置于该磁性偏置 层和绝缘体阻挡层之间。
在另一方面，描述了一种包括下述布置的方法。提供磁性隧穿结，该磁 性隧穿结包括具有可改变的磁化方向的自由铁磁层、具有固定磁化方向的固 定铁磁层、以及形成于该自由铁磁层和固定铁磁层之间的绝缘体阻挡层，以 在偏置电压下实现该自由铁磁层和固定铁磁层之间的电子隧穿，该偏置电压 施加在该自由铁磁层和固定铁磁层之间并跨过该绝缘体阻挡层。还提供磁性 偏置层，该磁性偏置层接触并磁性耦合到该自由铁磁层，以增大该自由铁磁 层的矫顽磁性并使得该自由铁磁层的磁化方向是可改变的。该自由铁磁层置 于该磁性偏置层和绝缘体阻挡层之间。
在另一方面，本申请描述了一种装置，该装置包括：自由铁磁层，其具 有可改变的磁化方向；以及磁性偏置层，其形成为接触并磁性耦合到该自由 铁磁层，以增大该自由铁磁层的矫顽磁性而不钉扎该自由铁磁层的磁化方 向。该磁性偏置层具有层厚度t、各向异性常数K和界面交换耦合常数J以 满足K·t
在又一方面，本申请描述了具有至少一多层自由铁磁叠层的MTJ结构。 这种多层自由铁磁叠层的实施可以用于实现在仅具有单一材料的自由层中 难以实现的许多优点。例如，多层自由铁磁叠层内的非磁性间隔层可用作扩 散阻挡层，以阻止在沉积后退火期间的不期望扩散和结晶取向传播。
在基于多层自由铁磁叠层的装置的一个示例中，一种装置包括基板和形 成于该基板上的磁性单元。该磁性单元包括多层自由铁磁叠层，其具有在第 一方向和基本上相反的第二方向之间可改变的净磁化方向。该多层自由铁磁 叠层包括第一和第二铁磁层以及介于该第一和第二铁磁层之间的非磁性间 隔。固定铁磁层包含在该磁性单元内以具有固定磁化方向。该磁性单元还包 括绝缘体阻挡层，其形成于该多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间以在偏置 电压下实现该多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间的电子隧穿，该偏置电压 施加在该多层自由铁磁叠层和固定铁磁层之间并跨过该绝缘体阻挡层。
在基于多层自由铁磁叠层的装置的另一示例中，上述装置可包括磁性偏 置层，其接触并磁性耦合到该多层自由铁磁叠层，以增大该多层自由铁磁叠 层的矫顽磁性并使得该多层自由铁磁叠层的磁化方向在第一方向和基本上 相反的第二方向之间是可改变的。
在附图、详细描述以及权利要求中更详细地描述这些和其它方面、其变 型和调整。
附图说明
图1B和1C示出芯片上MTJ阵列以及CMOS基芯片布局结构的示例， 其中每个MTJ单元可使用具有磁性偏置层的MTJ。
图2示出具有磁性偏置层以增加耦合自由层的矫顽磁性的MTJ示例。
图3A和3B示出基于图2的MTJ设计的示例性磁性偏置层和耦合自由 层的磁性能。
图4和5示出使用磁性偏置层的MTJ的两个示例。
图6A和6B示出图2的单元设计的两种备选实施以减小自由层的尺寸 和减小自旋转移(spin-transfer)基切换电流(switching current)。
图7A和7B示出图5的单元设计的备选实施以减小自由层的尺寸和减 小自旋转移基切换电流。
图8示出MTJ结构的示例，其中自由层为具有第一和第二铁磁层以及 介于该两层铁磁层之间的非磁性层的夹层多层结构。
图9示出图8中的MTJ结构的一种实施的弱钉扎自由磁性层和钉扎层 之间的磁化方向的偏移(offset)。
具体实施方式
图1A示出形成于例如Si基板的基板101上的MTJ100的示例。MTJ100 构造在一层或多层种子层102上，种子层102直接形成于基板101上。在种 子层102上，反铁磁(AFM)层113首先形成，随后第一铁磁层111形成于 AFM层113顶上。在后退火(post annealing)之后，第一铁磁层111随后被 钉扎具有固定磁化。在某些实施中，该固定磁化可平行于基板101(即，基 板表面)。在第一铁磁层111顶上为例如金属氧化物层的薄绝缘体阻挡层130。 在MTJ100中，第二铁磁层112直接形成于阻挡层130顶上。此外，至少一 层帽层114形成于第二铁磁层112顶上以保护该MTJ。
第二铁磁层112的磁化不被钉扎，且在控制垂直流过MTJ的驱动电流 或者外部控制磁场时，可以自由地改变为平行于或反平行于第一铁磁层111 的固定磁化。为此，该层112为自由层(FL)。场工作范围内的磁场，或者 电流工作范围内的跨过该结的施加电流，可以迫使第二层112的磁化与钉扎 层111的固定磁化大致平行或者大致相反。许多磁性系统具有相互竞争的能 量贡献，其防止每个铁磁层中的磁畴或纳米磁体的完美的平行或反平行对 准。在MTJ中，第二层112中纳米磁体的能量状态的主要贡献趋于迫使纳 米磁体平行或反平行对准，因此产生大致平行或反平行对准。
图1B示出磁性存储器芯片装置的示例，其中基于图1A的MTJ设计或 其它MTJ设计的MTJ单元二维阵列单片形成于基板101上。笛卡尔坐标系 (x，y，z)用于说明芯片的不同尺寸。图1B中的矩形区块用于表示该存储 器芯片的MTJ单元的相对位置和每个MTJ单元的尺寸。在实际装置中，每 个单元可以是椭圆形状并沿x方向拉长。图1C示出包含图1B中的存储器 芯片的MTJ的各种结构的一种示例性布局，其中每个MTJ制作在基板上的 金属通路插塞上。每个MTJ单元示为具有沿x方向的长度L1和沿y方向的 长度L2，其中x和y方向均平行于基板的平面。每个MTJ单元沿x和y方 向的纵横比为A＝L1/L2。为了提高存储器芯片的存储面密度(areal density)， L1和L2均减小，从而提高存储器装置中给定面积内的MTJ单元的数目。
增大MTJ单元的热稳定性的一种已知技术是利用磁性单元的磁性记录 层的形状各向异性，以利于具体的磁化方向。在一些情形，大的形状各向异 性可用于补偿不足数量的内在结晶各向异性，该内在结晶各向异性从各向异 性场角度而言为例如几到几十奥斯特(Oersted)。根据静态磁模型，对于具 有面内主导各向异性的膜，椭圆形MTJ单元的切换场可以表示为：
HKeff＝HKins+HKshape
其中HKins表示由于结晶各向异性引起的各向异性场，HKshape表示由于形状各 向异性引起的各向异性场。特别是，HKshape正比于A·tF/L1，其中A为在平行 于MTJ层的平面内的MTJ的纵横比，L1为沿磁性单元的长轴的长度，以及 tF为自由层的厚度。最后，A应大于1，从而维持足够大的HKshape并因此维 持足够大的HKeff以满足对单元的热稳定性要求。大的各向异性对应于大的热 激活因子KuV/kBT，其中Ku为单轴各向异性能量，V为自由层的体积。
然而，嵌在CMOS制造工艺中的磁性单元的缩放会对单元的尺寸、几 何和纵横比(A)产生限制。例如，，130nm节点CMOS技术在忽略交叠规 则时可以将MTJ单元的纵横比A的上限限定为约1.77，如果考虑交叠规则 以设计每侧交叠0.055μm的0.23μm的通路尺寸，则可以将该上限限定为约 1。当使用更先进的90nm节点技术时，对于每侧交叠0.03μm的0.15μm通 路尺寸，MTJ单元的纵横比A实际上从1.67减小到1。因此，由于CMOS 制作对每个单元的纵横比A的限制，难以同时获得大的纵横比A和高的单 元密度。因此，基于形状各向异性来稳定MTJ单元的方法难以实施于具有 高面积单元密度的存储器装置。此外，具有不对称形状的单元增加了在制作 过程的工艺复杂性，且单元的一致性难以控制。
这种方法描述这样的技术和MTJ单元设计，其产生MTJ中自由层的大 的各向异性场或矫顽磁性，以改善MTJ单元的稳定性免受诸如热起伏和杂 散场的干扰，而不要求单元形状是不对称的。由于通过偏置层而提供的MTJ 单元内该自由层的大的各向异性场或矫顽磁性，因此具有高热稳定性的磁性 单元可以获得低的纵横比。结果，标准CMOS制作工艺可以与小尺寸的这 种MTJ单元的制作工艺相兼容，以构造用于MRAM和其它装置的高度集成 MTJ单元阵列。在各种实施中，具有高矫顽磁性的自由层的MTJ单元可以 设计成基于自旋转移感应磁场切换来工作用于记录数据。这种MTJ单元可 用于实现低功率和快的写入和读出。
图2示出MTJ单元设计200的一个示例，其具有高矫顽磁性的自由铁 磁层202而适于以低纵横比来获得期望的热稳定性水平。图2的MTJ的基 本层类似于图1的设计。自由层202与图1的自由层112不同之处在于磁性 偏置层201形成为接触并磁性耦合到自由层202以增大自由层202的矫顽磁 性。磁性偏置层201和自由层202之间的磁性耦合设置为这样的水平，即， 通过例如使用流过MTJ的驱动电流基于自旋转移切换，使得自由层202的 磁化方向可以在两个相反方向之间可改变或切换。在某些实施中，磁性偏置 层201的磁化方向可以排列为垂直于自由层202的磁性易轴(magnetic easy axis)以减小或最小化交换场或回路移位(loop shift)。在其它实施中，磁性 偏置层201的磁化方向可以排列为平行于自由层202的磁性易轴。
在图2所示结构中，钉扎层111具有固定磁化方向，该固定磁化方向是 沿第一或第二方向。绝缘体阻挡层130形成于自由层202和钉扎层111之间 以在偏置电压下实现该自由层202和钉扎层111之间的电子隧穿，其中该偏 置电压施加在自由层202和钉扎层111之间并跨过绝缘体阻挡层130。用于 形成绝缘体阻挡层130的金属可以是例如铝(Al)、铪(Hf)、锆(Zr)、钽 (Ta)和镁(Mg)。此外，基于不同金属的氮化物层可以用于实施该绝缘体 阻挡层130。某些示例为铝氮化物(例如AlN)、钛氮化物(例如TiN)、AlTi 氮化物(例如TiAlN)以及镁氮化物。各层111、202和114可具有多层结构 以包含两层以上的子层。磁性偏置层201可以是反铁磁的或亚铁磁的。
在这种设计中，铁磁层111接触AFM层113并磁性耦合到AFM层113。 铁磁层111不“自由”且无法被切换，因为其磁化方向被AFM层113固定。 AFM层113特别地设计成钉扎铁磁层111的磁化方向。这种情况下，AFM 层113可以用三个参数来表征：其层厚度tAF、其各向异性常数KAF以及其与 铁磁层111的界面交换耦合常数Jint。当AFM层113的这些参数满足如下条 件时：
KAF·tAF>Jint
AFM层113的磁性各向异性主导，且AFM层113通过层113和111之间的 磁性耦合来磁性控制层111的各向异性。这种条件下，铁磁层111的磁化方 向被AFM层113的单向各向异性所固定。例如通过使用大的AFM层厚度 tAF、具有大的各向异性常数KAF的AFM材料、或者大的tAF和大的KAF，可 以实现这种钉扎条件。可以使用具有大的AFM层厚度tAF但是较小的KAF来 实现该钉扎条件。
磁性偏置层201设计成磁性不同于AFM层113用于钉扎该层111并提 供与AFM层113不同的功能。尽管层201和自由层202相互磁性耦合，自 由层202仍是“自由”且其磁化方向可以基于自旋转移切换通过驱动电流来 改变。因此，偏置层201设计成满足下述条件：
KAF·tAF
磁性偏置层201设计成在KAF·tAF
作为另一示例，磁性偏置层201可以是分别由两种AFM材料AFM1和 AFM2制成的两层AFM子层的双层，或者是AFM1和AFM2双层的叠层。 每个AFM子层厚度可以为10至，且可以由IrMn或PtMn形成。例如， 子层AFM1的Mn成份对于IrMN为75-85原子％，或者对于PtMn为45-55 原子％。层厚度对于IrMn为，对于PtMn为。子层AFM2的 Mn成份对于IrMN为50-85原子％或者85-95原子％，对于PtMn为5-45原 子％或者55-80原子％，且具有可调整的层厚度。
磁性偏置层201也可以是三个层的三层，其中非磁性间隔(spacer)置 于两层AFM层AFM1和AFM2之间(即，AFM1/间隔/AFM2)，或者两层 以上双层AFM1/间隔(间隔＝Ru、Ta、NiFeCr，)的多层叠层。
在这些和其它实施例中，AFM1和AFM2层可具有类似或不同的组分和 结构。在具有两层以上子层的磁性偏置层中，与自由层接触的AFM子层设 计成厚度小于AFM临界层厚度。这提供了对交换偏置场Hex的进一步控制， 同时随着总磁性偏置层增长而增加矫顽磁性Hc。
磁控溅射可用于制作磁性偏置层。备选地，使用IBD的离子束辅助沉积 工艺可用于改性层结构和成份以增加Hc而减小Hex。此外，在场内离子辐 射磁性偏置层可用于增大Hc而减小Hex。
各种AFM材料可用于构造整个磁性偏置层201的一层或多层子层。例 如，可以使用下述AFM材料的任意一种或者任意两种以上的组合：(1)金 属性AFM材料：IrMn、PtMn、PtPdMn、NiMn、FeMn(Rh)、CrMn、FeNiMn、 CoMn、RhMn、CrMn(Pt、Cu、Rh、Pd、Ir、Ni、Co、Ti)和CrAl；(2)氧 化物AFM材料：Ni(Fe)O、Fe(Co)O、Co(Fe)O、NiFe(Co)O、CrO；以及(3) FeS。此外，磁性偏置层201的每种AFM材料也可以用例如TbCo、DyCo、 TbFe、TbFeCo、CoFeO、FeO和(Mn，Zn)FeO的一种或者两种以上亚铁磁材 料的组合来替换。在上述组分表达式中，()中的元素表示含量少的元素。 例如，在Fe(Co)O中，Co的含量少于Fe。
在CMOS设计和制造中的通路工艺要求交叠规则，因此限制磁性单元 的纵横比和尺寸。使用磁性偏置层的MTJ单元改善了自由层的热稳定性并 可以在CMOS工艺的限制内制作稳定的MTJ单元。自由层可以设计成具有 小厚度和小磁矩，以减小基于自旋转移效应来切换自由层的磁化方向所需的 自旋转移切换电流密度。磁性偏置层的存在使得这种薄的自由层可以具有增 大的矫顽磁性和期望的热稳定性。
一旦MTJ单元的尺寸和纵横比减小为低于200nm的尺寸或者小于 100nm，这种小的MTJ单元趋于热不稳定且承受磁畴结构和杂散场影响的边 缘效应。边缘效应趋于通过导致自旋卷起(curling up)或者形成自旋涡流 (vortex)状态而使自旋状态重新取向。自旋的重新取向会降低磁性单元的 磁性性能并增大信息存储中的数据错误率。使用磁性偏置层可在各种实施中 解决这些问题，使得由于磁性偏置场和自由层之间的各向异性能量交互作 用，自旋沿磁性偏置层的磁性易轴排列，改善了磁性单元的磁性性能。
显然，由于与磁性偏置层的磁性交互作用引起的自由层内增大的矫顽磁 性使得该MTJ单元可以获得耐受热波动和杂散场的期望水平的稳定性，而 不依赖于单元的形状各向异性。因此，如果单元形状各向异性的程度受限， 诸如当单元使用CMOS工艺来制作以具有约100nm尺寸时，使用磁性偏置 层使得MTJ单元的设计和制作可遵从由CMOS工艺技术施加的低纵横比。 这种情况下，磁性单元的几何或纵横比不再是MTJ单元的限制因素。因此， 使用磁性偏置层有利于单元设计和布局。此外，通过结构和工艺控制来调谐 磁性偏置层的各向异性，由此可以将自由层的矫顽磁性设置为期望数量。与 CMOS工艺中每个单元纵横比的控制相比，该调谐可以相对容易地实现且具 有改善的均匀性和工艺余量。
下面描述图2的设计中磁性偏置层以外的层的各种示例。
1.自由层
自由层(FL)为具有结晶结构或者非晶态的Co、Fe、Ni或其合金，该 非晶态是通过添加不同成份(0-30原子％)的硼或其它非晶形成元素来改性。 通过改变非晶形成元素的成份，可以将自由层的饱和磁化强度调整在 400-1500emu/cm3之间。按照输出信号(同时优化电流感应切换)保留在可 接受水平的方式，控制层厚度。
自由层可以是单层或者多层配置。对于单层情形，可以使用铁磁或亚铁 磁材料。多层配置的各层可以是铁磁或亚铁磁的磁性材料的组合，或者是磁 性和非磁性层的组合(例如合成反铁磁，其中两层铁磁层被非磁性间隔层所 隔开)。该合成结构中的间隔层还提供了扩散停止层的优点，防止反铁磁层 中使用的Mn元素可能扩散到阻挡层内。该铁磁层可以是Co、CoFe(5-40％)、 CoFe(5-40％)B(5-30％)、CoFe(5-40％)Ta(5-30％)、NiFe(～20％)、CoPt(5-40％)、 CoPd(5-40％)、FePt(5-40％)、Co2Mn(Al，Si)或Co2(Cr，Fe)(Al，Si)。亚铁磁层可 以是CoGd(15-35％)或FeGd(10-40％)。非磁性间隔层可以是Ru、Re或Cu。 所有成份均为原子百分比。
2.钉扎层
钉扎层(PL)为具有结晶结构或者非晶态的Co、Fe、Ni或其合金，该 非晶态是通过添加不同成份(0-30原子％)的硼或其它非晶形成元素来改性。 钉扎层可以是单层或者多层配置。对于单层情形，可以使用铁磁或亚铁磁材 料。多层配置的各层可以是铁磁或亚铁磁的磁性材料的组合，或者是磁性和 非磁性层的组合(例如合成反铁磁，其中两层铁磁层被非磁性间隔层所隔 开)。该铁磁层可以是Co、CoFe(5-40％)、CoFe(5-40％)B(5-30％)、 CoFe(5-40％)Ta(5-30％)、NiFe(～20％)、CoPt(5-40％)、CoPd(5-40％)、 FePt(5-40％)、Co2Mn(Al，Si)或Co2(Cr，Fe)(Al，Si)。亚铁磁层可以是 CoGd(15-35％)或FeGd(10-40％)。非磁性间隔层可以是Ru、Re或Cu。所有 成份均为原子百分比。
3.阻挡层
隧穿阻挡层可以是AlO(40-70％)、MgO(30-60％)、AlO(40-70％)N(2-30％)、 AlN(30-60％)和Al(Zr，Hf，Ti，Ta)O的单层，或者是上述具有结晶结构或非晶 态的膜的多层。通过沉积原始金属开始材料且随后使用自然氧化与/或等离子 体氧化来氧化所沉积的膜，或者通过射频溅射原始氧化物开始材料，由此加 工形成厚度介于和之间的阻挡层，使得存在跨过阻挡的隧穿电流。 该阻挡的电阻-面积乘积介于10和100Ω-μm2之间。阻挡和自由层之间以及 阻挡和钉扎层之间的界面的结构被优化以获得最大的电子自旋极化(极化 >40％)以及最大的隧穿磁阻(TMR)值(例如TMR>20％)。
4.间隔层
在自旋阀单元中，上述用于MTJ单元的阻挡层130被非磁性金属间隔 层取代。间隔材料的示例包括Cu、Ag、Pt、Ru、Re、Rh、Ta、Ti、两种以 上这些金属的组合、或者这些金属的合金。该非磁性间隔层可以由一种以上 上述金属结合纳米氧化物(NOL)层或电流限制层插入来制成。在某些实施 中，通过先沉积原始金属开始材料且随后使用自然氧化与/或等离子体氧化来 氧化所沉积的膜，或者通过射频溅射原始氧化物开始材料，由此形成该非磁 性间隔。该开始金属材料可以使用与钉扎层或自由层材料类似的材料，例如， 诸如CoFe、CoFeB和CoFeNiB磁性材料以及诸如Al、Ta、Ru和Ti的非磁 性材料。电流限制层可以是例如Cu/CoFe、FeSi、Al、Ta、Ru或Ti/NOL/Cu。
图2中具有磁性偏置层的MTJ单元使用“底MTJ”配置，其中钉扎铁 磁层111置于阻挡层130和基板101之间。备选地，在“顶MTJ”配置中， 自由层202及其磁性偏置层201可以置于阻挡层130下方和基板101上方。 图4示出这种MTJ的一个示例400，其中磁性偏置层201直接生长在种子层 102顶上。
可以基于具有磁性偏置层的上述MTJ来构造更复杂的结构。图5示出 双MTJ结构500，其中两个MTJ 510和520相互层叠并共享公用磁性偏置层 501。在该示例中，第一MTJ 510具有直接形成于种子层102顶上的钉扎AFM 层113A，且MTJ 510的其余层，钉扎层111A、阻挡层130A、自由层511 和磁性偏置层501顺序置于AFM层113A上方。MTJ 510的磁性偏置层501 也是MTJ 520的磁性偏置层，该MTJ 520包括顺序置于磁性偏置层501顶上 的自由层521、阻挡层130B、钉扎层111B和钉扎AFM层113B。一层或多 层帽层114随后型号参与MTJ 520顶上。
在上述磁性单元设计中，用于基于自旋转移来切换自由层的磁化方向的 电流可以通过减小自由层的尺寸而减小。切换电流的减小可以减小存储器单 元的功耗，并减轻高度集成存储器单元设计中的热散逸问题。除了具有偏置 层以增强薄自由层的热稳定性之外，单元几何可以设计成实现低的自旋转移 切换电流密度。
图6A和6B示出用于实施图2的单元设计的两种单元剖面设计，其具 有减小的自由层尺寸。在图6A，每个单元的多层叠层601的侧剖面形成斜 坡或渐缩以减小自由层202的横向尺寸。在图6B，每个单元的多层叠层602 成型为倒T形以具有台面(mesa)顶部和底部，该顶部包括自由层202和磁 性偏置层201，该顶部包含阻挡层130、钉扎层111、AFM层113和种子层 102。台面顶部的尺寸小于底部的尺寸以减小台面顶部中自由层的横向尺寸。 类似地，图7A和7B示出用于实施图5的单元设计的两种单元剖面设计， 其具有减小的自由层尺寸。
图6A和7A中的上述斜坡侧壁剖面可以在加工时通过斜坡掩模层来获 得，图6B和7B中的倒T形可以使用侧壁间隔工艺来获得。
通过用非磁性金属间隔层来替代MTJ阻挡绝缘体层，MTJ结构的上述 示例也可以被替换成自旋阀结构。例如，在图5，所示双结构可以是双自旋 过滤器，其通过用非磁性间隔层来替代两层阻挡层之一而将自旋阀和MTJ 相互堆叠。
基于具有磁性偏置层的上述MTJ单元的MRAM存储器装置可以设计成 利用自旋转移切换来将位(bit)储存在单元内。用于进行行选择和列选择的 电路元件，包括字线和位线，包含在MRAM存储器装置内。用于供应记录 数据用极化电流的写电流源和用于供应读取用读出电流的写电流源也设置 在该存储器装置内。这种存储器装置中的自旋转移切换可以实施为各种配 置。自旋转移的目前知识详细描述于J.C.Slonczewski，＂Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers，＂Journal of Magnetism and Magnetic Materials，vol.159，p.L1-L5(1996)；L.Berger，＂Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversed by a Current，＂Phys.Rev.B，Vol.54，p.9353 (1996)；以及F.J.Albert，J.A.Katine and R.A.Burhman，＂Spin-polarized Current Switching of a Co Thin Film Nanomagnet，＂Appl.Phys.Lett.，vol.77， No.23，p.3809-3811(2000)。然而，自旋转移可以实施为其它配置，超出上 述参考文献中所述的技术。
基于上述参考文献，自旋转移效应源于铁磁-正常金属多层的自旋依赖 电子输运性能。当自旋极化电流沿垂直于层方向穿过磁性多层结构时，入射 在铁磁层上的电子的自旋角动量与该铁磁-正常金属层之间界面附近的铁 磁层的磁矩交互作用。通过这种交互作用，电子将其角动量的一部分转移给 铁磁层。结果，如果电流密度足够高(约107至108A/cm2)且如果多层的尺 寸小(约小于两百纳米)，则自旋极化电流可以切换该铁磁层的磁化方向， 使得由垂直电流产生的螺旋磁场不重要。此外，为了减小用于改变自由层的 磁化方向的切换电流，铁磁层应足够薄，例如，优选地在某些实施中对于 Co而言小于约10纳米。与需要更大切换电流的厚自由层相比，在没有磁性 偏置层时，薄自由层具有较小的矫顽磁性且较不稳定。使用磁性偏置层使得 自由层薄以获得小的切换电流，同时在自由层内维持足够水平的矫顽磁性， 以耐受热波动和杂散磁场。
如上所述，各种磁性结构的示例中的自由铁磁层可包括两层以上的层。 这种多层自由铁磁层可以实施为各种配置。例如，多层自由铁磁层可包括磁 性材料的组合，且每种磁性材料可以是铁磁性或亚铁磁性。用于自由铁磁层 的这种组合中的铁磁材料可包括：Co、包含Co的合金、Fe、包含Fe的合 金、Ni或包含Ni的合金。因此，作为具体示例，用于自由铁磁层的这种组 合中的铁磁材料可包括：Co、包含Co的合金、Fe、包含Fe的合金、Ni和 包含Ni的合金中的两种以上。用于自由铁磁层的组合的合适铁磁合金的某 些示例包括：CoFe、CoFeB、CoFeNiB、CoFeTa、NiFe、CoPt、CoPd、FePt、 Co2Mn(Al，Si)和Co2(Cr，Fe)(Al，Si)。用于自由铁磁层的亚铁磁材料可以是例如 CoGd或FeGd。
显然，多层自由铁磁层可包括磁性层和非磁性层的组合。一个具体示例 为具有两层铁磁层和介于该两层铁磁层之间的非磁性间隔层的夹层多层结 构。
图8示出MTJ结构800的示例，其中多层自由铁磁叠层810为具有第 一、第二铁磁层811、812和介于该两层铁磁层811、812之间的非磁性间隔 层813的夹层多层结构。非磁性间隔层813设计成允许两层铁磁层811和812 之间的磁性耦合，使得该多层自由铁磁叠层810整体上行为类似于自由铁磁 层，该自由铁磁层可以通过跨过MTJ的驱动电流而被切换且可以通过MTJ 内的磁性偏置层201而被稳定。多层自由铁磁叠层810也可以用于在其它结 构中实施自由层，例如图1A、4、5、6A、6B、7A和7B中所示的示例。当 用做磁性存储器装置时，与阻挡层130接触的第一铁磁层811主要作为记录 层，以沿两个方向之一来存储记录的位。
多层自由铁磁叠层810可设计成提供多个优点，这些优点在仅具有单一 材料的自由层中是难以实现的。例如，非磁性间隔层813可作为扩散阻挡层， 以阻止在沉积后(post deposition)退火期间的不期望扩散和结晶取向传播。
作为另一示例，铁磁材料可呈现磁致伸缩(magnetostriction)效应，即， 材料的尺寸和形状随磁场改变。磁致伸缩效应是不期望的，部分原因为MTJ 阵列中一个MTJ单元与另一MTJ单元之间的任意形状或尺寸改变会导致 MTJ单元的行为变化，并因此使装置性能退化。在用于多层自由铁磁叠层 810的夹层多层结构中使用两层铁磁层811、812，这使得该夹层多层结构可 以设计成减小用于多层自由铁磁叠层810的夹层多层结构的净磁致伸缩效 应。例如，用于两层铁磁层811、812的材料可以选择为具有近零磁致伸缩 效应。当这一点难以实现时，用于两层铁磁层811、812的材料可以选择为 呈现沿相反方向的磁致伸缩，使其磁致伸缩效应在用于多层自由铁磁叠层 810的夹层多层结构中相互抵消，从而实现零或近零净磁致伸缩。
因此，用于多层自由铁磁叠层810的夹层多层结构提供了在选择用于层 811、812和813的材料以及设计该结构的总体性能方面的工程灵活性，这在 单一材料自由层设计中是难以达成的。
多层自由铁磁叠层810中两层铁磁层811、812的相对磁化方向可以实 施为两种配置。第一种配置为反平行配置，其中两层铁磁层811、812的磁 化方向由于两层811、812的反铁磁耦合而设置为彼此相反。两层811、812 之间的反铁磁耦合维持该反平行配置，使得两层811、812的磁化方向一起 切换。第二种配置为平行配置，其中两层铁磁层811、812的磁化方向由于 两层811、812的铁磁耦合而设置为彼此平行。两层811、812之间的铁磁耦 合维持该平行配置，使得两层811、812的磁化方向一起切换。这两种配置 不同。在自旋扭矩转移切换下，与平行配置的情形相比，反平行配置趋于具 有更高的阈值切换电流。因此，平行配置可以有利地实施于某些装置中以获 得低的切换电流并因此减小功耗。
对于两层给定铁磁层811、812，层811、812之间的非磁性间隔层813 可以配置成将多层自由铁磁叠层810设置为这两种配置之一。对于给定导电 和非磁性材料作为间隔层813，间隔层813的厚度可以被控制以实现铁磁耦 合或反铁磁耦合。当间隔层813是由例如钌制成时，当Ru层813的厚度约 为3、或7、或18、或31埃时，可实现反铁磁耦合。当Ru层813的厚度介 于3和7、或者7和18、或者18和31埃之间时，在层811、812之间可实 现铁磁耦合。
在实施中，适于两层铁磁层811、812的铁磁材料可包括例如Co、包含 Co的合金、Fe、包含Fe的合金、Ni或者包含Ni的合金。作为具体示例， 铁磁材料可包括：CoFe、CoFeB、CoFeNiB、CoFeTa、NiFe、CoPt、CoPd、 FePt、Co2Mn(Al，Si)或Co2(Cr，Fe)(Al，Si)。非磁性间隔层813可以是例如Ru、 Re或Cu。由于存在磁性稳定多层自由铁磁叠层810的磁性偏置层201，每 个MTJ单元可以被图案化以具有沿平行于每层的两个正交方向的尺寸之间 的低纵横比，其中每个MTJ单元包括磁性偏置层201、多层自由铁磁叠层 810、绝缘体阻挡层130和钉扎铁磁层111。该低纵横比可设置为约1以增大 单元密度并与CMOS制作工艺兼容。
作为多层自由铁磁叠层810的夹层多层结构的具体示例，与钉扎层130 接触的第一铁磁层811可以是CoFeX，其中X包括B、P、Si、Nb、Zr、Hf、 Ta和Ti中的至少一种。与磁性偏置层201接触的第二铁磁层812可以是例 如NiFe或NiFeCo合金的软磁材料，其具有近零磁致伸缩。第一铁磁层811 的CoFeX的成份和第二铁磁层812的材料的成份可以选择为具有相反磁致 伸缩效应，使得自由层叠层810的磁致伸缩可以近零。获得期望材料成份的 一种方法为控制用于第一铁磁层811的CoFeX中元素(即，Co、Fe和X) 的相对百分比和用于第二铁磁层812的NiFe或NiFeCo中元素的相对百分 比。
非磁性层813可以制成足够薄，使得两层铁磁层811、812磁性耦合。 两层铁磁层之间的磁性耦合可以是许多磁性耦合机制中的任意一种或其组 合。这种磁性耦合机制的一个示例为基于核磁矩或者通过传导电子交互作用 的金属内局域化内d壳层电子自旋的通过RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)层间耦合的铁磁耦合。另一个示例为由非 磁性间隔层的界面粗糙度引起的“橙皮(orange peel)”静磁耦合。第三个示 例为通过空间不连续例如形成于非磁性间隔层813内的针孔(pin hole)的磁 性耦合。用于非磁性间隔层813的材料可以是Ru、Re、Cu、Ta、或者包含 任一这些材料的非磁性合金的任意一种。非磁性层的厚度在零至几十埃的范 围。作为具体示例，可以使用4埃到10埃的薄非磁性层。
磁性偏置层201可以由例如PtMn的单一AMF层制成，且厚度可以薄 于与强钉扎场相关联的临界厚度。备选地，磁性偏置层201可具有多层结构， 该多层结构具有非磁性层插入。如上所述，磁性偏置层201增强了相邻的多 层自由铁磁叠层810的面内各向异性或矫顽磁性，且也为相邻的多层自由铁 磁叠层810提供了弱钉扎场。磁性偏置层201的磁性取向可以按照下述方式 来设置，即，相邻的多层自由铁磁叠层810中的弱钉扎场的方向不同于隧穿 阻挡层130下方的钉扎层111的钉扎磁化方向。
图9示出弱钉扎多层自由铁磁叠层810和钉扎层111之间的磁化方向的 偏移。当多层自由铁磁叠层810的磁化方向设置为与钉扎层方向相差θ角时， 由自旋扭矩转移电流产生的开始扭矩值大，且与该角度承受由热随机扰动引 起的变化和干扰的情形相比具有小得多的变化。在这种偏移设计下，平均 STT切换电流减小且其在高切换速度(例如，切换时间为ns量级)时的分 布可以最小化。在实施中，偏移角θ可以设置为介于0至180度之间的值， 例如0至135度。例如，与用于钉扎层(PL)设置(PL/PtMn)的第一退火 相比，通过在更低磁场和更低温度下的MTJ膜(或图案化装置)的第二退 火，可以获得该偏移角。
尽管本申请的说明书包含许多细节，不过这些细节不应理解为对任何发 明范围或者所主张的范围的限制，而应理解为对具体实施例的特征细节的描 述。在本说明书中描述的分离实施例中的特定特征也可以在单一实施例中组 合实施。相反，在单一实施例的情形中描述的各种特征也可以分别实施于多 个实施例或者实施为任何合适的子组合。此外，尽管在上文中特征被描述为 在特定组合中起作用且甚至最初如此被主张，来自所主张的组合的一个或多 个特征在某些情形下可以从该组合去除，且所主张的组合可以涉及子组合或 子组合变型。
仅描述了一些示例。本领域技术人员可以容易地认识到，可以对所描述 的示例进行变化、调整和改进。
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