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具有耦合的自由 磁层的垂直自旋转移转矩 存储器(STTM)器件

阅读：912发布：2020-05-13

专利汇可以提供具有耦合的自由磁层的垂直自旋转移转矩存储器(STTM)器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且描述了具有增强的稳定性和低阻尼的垂直自旋转移转矩存储器 (STTM)器件。例如，用于磁隧道结的材料层堆叠体包括固定磁层。在所述固定磁层之上设置电介质层。在所述电介质层之上设置第一自由磁层。第二自由磁层与所述第一自由磁层磁耦合。，下面是具有耦合的自由磁层的垂直自旋转移转矩存储器(STTM)器件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于磁隧道结的材料层堆叠体，所述材料层堆叠体包括：
固定磁层；
设置在所述固定磁层之上的电介质层；
设置在所述电介质层之上的第一自由磁层；以及
与所述第一自由磁层磁耦合的第二自由磁层。
2.根据权利要求1所述的材料层堆叠体，还包括：
设置在所述第一自由磁层与所述第二自由磁层之间的导电材料层，所述导电材料层用于将所述第一自由磁层和所述第二自由磁层磁耦合，以提高所述第一自由磁层的有效厚度。
3.根据权利要求2所述的材料层堆叠体，其中，所述导电材料层包括以下材料的至少其中之一：钌(Ru)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)和镁(Mg)。
4.根据权利要求2所述的材料层堆叠体，其中，所述第一自由磁层包括CoFeB。
5.根据权利要求1所述的材料层堆叠体，其中，所述第二自由磁层包括CoFeB。
6.根据权利要求1所述的材料层堆叠体，其中，所述第二自由磁层包括设置在所述电介质材料层上的一对或多对交替的铁磁层和非磁层。
7.根据权利要求6所述的材料层堆叠体，其中，所述交替的铁磁层和非磁层分别包括钴(Co)和钯(Pd)，并且Pd层设置在所述导电材料层上。
8.根据权利要求1所述的材料层堆叠体，还包括：设置在所述第二自由磁层之上的附加的电介质层，其中，所述电介质层和所述附加的电介质层均包括氧化镁(MgO)。
9.一种非易失性存储器器件，包括：
底部电极；
设置在所述底部电极之上的固定磁层；
设置在所述固定磁层之上的电介质层；
设置在所述电介质层之上的第一自由磁层；
与所述第一自由磁层磁耦合的第二自由磁层；
设置在所述第二自由磁层之上的顶部电极；以及
电连接至所述顶部电极或所述底部电极、源线和字线的晶体管。
10.根据权利要求9所述的非易失性存储器器件，还包括：
设置在所述第一自由磁层与所述第二自由磁层之间的导电材料层，所述导电材料层用于将所述第一自由磁层和所述第二自由磁层磁耦合，以提高所述第一自由磁层的有效厚度。
11.根据权利要求10所述的非易失性存储器器件，其中，所述导电材料层包括以下材料的至少其中之一：钌(Ru)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)和镁。
12.根据权利要求10所述的非易失性存储器器件，其中，所述第一自由磁层包括CoFeB。
13.根据权利要求9所述的非易失性存储器器件，其中，所述第二自由磁层包括CoFeB。
14.根据权利要求9所述的非易失性存储器器件，其中，所述第二自由磁层包括设置在所述电介质材料层上的一对或多对交替的铁磁层和非磁层。
15.根据权利要求14所述的非易失性存储器器件，其中，所述交替的铁磁层和非磁层分别包括钴(Co)和钯(Pd)，并且Pd层设置在所述导电材料层上。
16.根据权利要求9所述的非易失性存储器器件，还包括：设置在所述第二自由磁层之上的附加的电介质层，其中，所述电介质层和所述附加的电介质层均包括氧化镁(MgO)。
17.一种用于磁隧道结的材料层堆叠体，所述材料层堆叠体包括：
固定磁层；
设置在所述固定磁层之上的电介质层；
设置在所述电介质层之上的自由磁层；以及
使铁磁层和非磁层交替的多层堆叠体，所述多层堆叠体与所述自由磁层磁耦合。
18.根据权利要求17所述的材料层堆叠体，还包括：
设置在所述自由磁层与所述多层堆叠体之间的导电材料层，所述导电材料层用于将所述自由磁层磁耦合至所述多层堆叠体，以提高所述自由磁层的有效厚度。
19.根据权利要求18所述的材料层堆叠体，其中，所述导电材料层包括以下材料的至少其中之一：钌(Ru)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)和镁。
20.根据权利要求17所述的材料层堆叠体，其中，所述自由磁层包括CoFeB。
21.根据权利要求18所述的材料层堆叠体，其中，交替的铁磁层和非磁层分别包括钴(Co)和钯(Pd)，并且Pd层设置在所述导电材料层上。
22.根据权利要求17所述的材料层堆叠体，还包括：
设置在所述多层堆叠体之上的附加的自由磁层。
23.根据权利要求22所述的材料层堆叠体，还包括：
设置在所述附加的自由磁层与所述多层堆叠体之间的附加的导电材料层，所述导电材料层用于将所述附加的自由磁层磁耦合至所述多层堆叠体。

说明书全文

具有耦合的自由 磁层的垂直自旋转移转矩 存储器(STTM)器件

技术领域

[0001] 本发明的实施例属于存储器器件的领域，并且具体而言，属于具有耦合的自由磁层以增强稳定性并提供低阻尼的垂直自旋转移转矩存储器(STTM)器件的领域。

背景技术

[0002] 在过去的几十年，集成电路中特征的缩放已经是不断发展的半导体产业背后的驱动力。缩放到越来越小的特征使半导体芯片的有限的不动产上的功能单元的密度增大。例如，缩小的晶体管尺寸允许在芯片上包含增大数目的存储器件，导致具有增大的容量的产品的制造。然而，对不断增大的容量的驱动不是没有问题的。优化每个器件的性能的必要性变得越来越重要。

[0003] 自旋转矩器件的操作是以自旋转移转矩现象为基础的。如果使电流通过被称为固定磁层的磁化层，它将出现自旋偏振。随着每一电子的通过，它的自旋(角动量)将被转移到被称为自由磁层的下一磁层的磁化，并将引起其磁化发生小的变化。即，实际上的由转矩引起的磁化进动。由于电子的反射，转矩还将被施加到相关固定磁层的磁化上。最终，如果电流超过某一临界值(其为磁性材料及其环境所引起的阻尼的函数)，那么自由磁层的磁化将通常在大约1-10纳秒的时间内被电流脉冲切换。固定磁层的磁化可以保持不变，因为由于几何结构或者相邻反铁磁层的原因，相关电流低于其阈值。

[0004] 可以采用自旋转移转矩来翻转磁随机存取存储器内的有源元件。相对于采用磁场来翻转有源元件的常规磁随机存取存储器，自旋转移转矩存储器或STTM具有较低的功耗、较好的可升级性的优点。但是，在STTM器件制造和使用领域仍然需要重大改进。附图说明

[0005] 图1图示了与常规自旋转移转矩存储器(STTM)器件的材料层堆叠体内的CoFeB层的厚度对照的阻尼的曲线图。

[0006] 图2图示了根据本发明的实施例的用于垂直STTM器件的材料层堆叠体的横截面图。

[0007] 图3图示了示出根据本发明的一个实施例的具有磁耦合自由层的相干切换的示例的示意图。

[0008] 图4图示了根据本发明的另一实施例的用于垂直STTM器件的另一材料层堆叠体的横截面图。

[0009] 图5图示了用于测量根据本发明的一个实施例的材料堆叠体的阻尼值的曲线图500。

[0010] 图6图示了根据本发明的另一实施例的用于垂直STTM器件的另一材料层堆叠体的横截面图。

[0011] 图7图示了根据本发明的另一实施例的用于垂直STTM器件的另一材料层堆叠体的横截面图。

[0012] 图8图示了根据本发明的实施例的包括自旋转移转矩元件的自旋转移转矩存储位单元的示意图。

[0013] 图9图示了根据本发明的实施例的电子系统的框图。

[0014] 图10图示了根据本发明的一个实施方式的计算设备。

具体实施方式

[0015] 描述了具有耦合的自由磁层以提供增强的稳定性和低阻尼的垂直自旋转移转矩存储器(STTM)器件。在以下描述中，阐述了诸如具体的磁层集成和材料体系等很多具体的细节，以提供对本发明的实施例的透彻理解。对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在不需要这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其它实例中，则未描述诸如集成电路设计布局等公知的特征，以免不必要地模糊本发明的实施例。此外，应当理解，附图所示的各种实施例只是说明性的表示，并且不必要按比例被绘制。

[0016] 一个或多个实施例涉及用于在垂直STTM系统中提高稳定性并降低阻尼或维持低阻尼的方法。应用可以在嵌入式存储器、嵌入式非易失性存储器(NVM)、磁随机存取存储器(MRAM)、磁隧道结(MTJ)器件、NVM、垂直MTJ、STTM以及非嵌入式或独立存储器中的使用。在实施例中，通过将第一自由磁层与第二自由磁层耦合来实现垂直STTM器件中的稳定性，如下文更详细的描述。所耦合的自由磁层提供了增强的稳定性和低阻尼。

[0017] 稳定性是基于STTM的器件以及由其制造的存储器阵列的缩放所面临的最重要的问题之一。随着缩放继续，需要更小的存储元件来配合缩放的单元尺寸，该需要驱动行业朝着垂直STTM的方向发展，对于小存储元件尺寸而言垂直STTM具有较高的稳定性。常见的垂直STTM是用材料层堆叠体实现的，所述堆叠体包括底部电极、固定磁层、电介质层(例如，MgO)、自由磁层(例如，CoFeB)、帽盖层(例如，Ta)和顶部电极。材料层堆叠体的磁隧道结(MTJ)部分包括固定磁层、电介质层和自由磁层。此材料堆叠体是用于制造STTM的基本材料堆叠体，并且可以以较高的复杂性来制造该材料堆叠体。例如，还可以将反铁磁层包含到底部电极和固定磁层之间。此外，电极自身可以包括多个具有不同属性的材料层。所述材料堆叠体的最基本形式可以是平面内系统，其中，各磁层的自旋如同各层本身一样处于相同平面内。但是，使用层或界面工程，可以将所述材料堆叠体制造为提供垂直自旋系统。在示例中，将自由磁层(例如，由CoFeB构成的自由磁层)从用于平面内STTM器件的常规厚度减薄。减薄程度可以充分到使得从自由磁层内的与电介质层内的氧相互作用(例如，与氧化镁(MgO)层相互作用)的铁/钴(Fe/Co)获得的垂直分量相对于自由CoFeB层的平面内分量占据优势地位。这一示例提供了以具有到自由层的一个界面(即CoFeB-MgO界面)的耦合的单层系统为基础的垂直系统。来自MgO层的氧对CoFeB层内的表面铁/钴原子(Fe/Co)造成的氧化程度为自由层提供了强度(稳定性)，使之具有垂直占据主导的自旋态。这一常规堆叠体无法提供高稳定性和低阻尼。将稳定性定义为两个磁态(例如(1，0)(平行，反平行))之间的能量势垒。稳定性等于有效磁各向异性、自由磁层的厚度和自由磁层的面积的乘积。阻尼涉及随着自旋从一种状态切换到另一种状态时自旋的磁化所经历的磁摩擦。阻尼越大意味着需要的写入电流越大。但是，对于上文描述的具有单自由磁层(例如，CoFeB膜)的常规材料堆叠体而言，阻尼随着以纳米(nm)计的CoFeB厚度的降低而升高，如图1中针对不同的常规材料堆叠体所图示的。因而，为了获得较薄CoFeB所代表的较高稳定性，常规材料堆叠体提供了较高的阻尼。

[0018] 在另一方面中，利用堆叠体内的附加的自由磁层增强了STTM单元的垂直性质或优势的稳定性，同时提供了降低的阻尼。作为示例，图2图示了根据本发明的实施例的用于垂直STTM器件的材料层堆叠体的横截面图。参考图2，用于垂直STTM器件的材料层堆叠体200包括电极202(例如，底部电极)、固定磁层206、电介质层208、自由磁层210、导电层212、自由磁层214、帽盖层216和电极220(例如，顶部电极)。在实施例中，图2所示的材料堆叠体是垂直系统，其中，磁层的自旋垂直于各层自身的平面。电介质层208可以是氧化镁(MgO)。这一2
层208可以具有约10欧姆微米的电阻*面积(RA)。MgO是MTJ中采用的自旋过滤隧道电介质。
所述电介质层还提供了用于所述自由磁层210的结晶化模板(例如，BCC001取向)。在一个实施例中，自由磁层210是CoFeB。这一层可以具有大约0.5-1.5nm(例如，1nm)的厚度。可以将这一层用作存储器存储。导电层212是薄导电膜，所述膜包括下述成分的至少其中之一：钌(Ru)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)和镁(Mg)。导电层212将自由层210和214磁耦合到一起，使得所述导电层增大自由层210的有效厚度，对于相同的给定面积而言其将提高总稳定性。注意，单个自由层的厚度不能被提高并实现相同的稳定性改善，因为较厚的CoFeB层将引起磁各向异性，从而使垂直磁化退化为平面内磁化。导电层还从自由层吸收杂质(例如，从CoFeB中吸收硼)，其将改善自由层的结晶化。更好的自由层结晶性改善了稳定性和自旋极化。而且，导电层应当只有几埃(例如，显著低于1nm)，从而使阻尼最小化。将自由层214磁耦合至自由层210，从而有助于通过提高自由层的总厚度而提高Keff*t。自由层214的示例包括CoFeB(例如，大约1nm)或者多层铁磁材料(例如，Co、CoFe)和非磁性物质(例如，Pd、Pt)，例如，Co/Pd乘以n，其中，n等于层数，Co和Pd的每者具有大约0.3nm的厚度。将导电帽盖层216设置到自由层214之上，并且可以将其用作低阻尼材料。导电帽盖层可以是诸如MgO或TaOx类的导电氧化物等非金属。对于金属帽而言，优选采用具有小的自旋混合传导率的材料，其将使阻尼最小化。这些材料通常是具有小的原子序数(Z)的较轻元素，例如，碳(C)、Ti、Al、TiN、TiAlN。但是，如果具有足够厚度的自由层材料(例如，对于与Ta帽盖层相邻的CoFeB而言约为2nm)，那么帽盖膜的类型并不是关键因素。对于较厚的耦合自由层而言，帽盖层由较重的元素构成，例如，Ta或Ru是容许的。因而，帽盖层的选择对于使阻尼最小化是重要的。

[0019] 图3图示了示出根据本发明的一个实施例的具有磁耦合自由层的相干切换的示例的示意图。示意图300示出了对于包括SiO2、Mg、第一自由层、Ta、第二自由层和MgO的材料堆叠体而言与磁场(Oe)对照的校正矩(emu)，其中，两个自由层(例如，Co20Fe60B20)的总厚度处于从1.04nm到1.93nm的变动范围内。在仍然保持垂直磁化的同时，切换特性(例如，从第一状态到第二状态的更加陡峭的切换跃迁)随着两个CoFeB的总厚度的提高而得以改善。

[0020] 图4图示了根据本发明的另一实施例的用于垂直STTM器件的另一材料层堆叠体的横截面图。用于垂直STTM器件的材料层堆叠体400包括电极402(例如，底部电极)、固定磁层406(例如，CoFeB层)、电介质层408(例如，大约1nm的MgO层)、自由磁层410(例如，大约1nm的CoFeB层)、导电层411(例如，大约0.3nm的Ta层)、自由磁层414(例如，大约1nm的CoFeB层)、电介质层414(例如，大约0.7nm的MgO层)、帽盖层416和电极420(例如，顶部电极)。将电介质层414的厚度选择为使得电介质层408的RA显著低于电介质层414的RA。将自由层410和412耦合到一起以实现高稳定性。可以将导电层411的厚度以及这一厚度与自由层410和412的厚度的比值设计为使阻尼最小化。例如，在一个实施例中，导电层411具有大约0.3nm的厚度，自由层410和412的每者具有大约1nm的厚度。理想地，可以将厚度比提高到一定程度，从而使阻尼最小化，但是这一比值存在限制，因为较厚的比值将引起垂直磁化的损失。将导电膜的厚度设计为尽可能得薄，对于Ta而言其上限约为1nm。处于自由磁层堆叠体得每一末端的双电介质层408和414(例如，约为0.7nm的MgO层)通过消除从CoFeB向MgO的自旋扩散(即，自旋泵送)而抑制所述末端处的阻尼。这样制造了堆叠体400并且将阻尼确定为接近本征值。

[0021] 图5图示了用于测量根据本发明的一个实施例的材料堆叠体的阻尼值的曲线图500。曲线图500图示了用于所述材料堆叠体的铁磁共振。可以从曲线510的斜率中提取阻尼α(例如，0.0064)。所述材料堆叠体具有大约0.005的本征阻尼值。

[0022] 图6图示了根据本发明的另一实施例的用于垂直STTM器件的另一材料层堆叠体的截面图。用于垂直STTM器件的材料层堆叠体600包括电极601(例如，底部电极)、固定磁层602(例如，CoFeB层)、电介质层603(例如，大约1nm的MgO层)、自由磁层604(例如，大约1nm的CoFeB层)、导电层606(例如，大约0.3nm的Ta层)以及交替的铁磁层和非磁性层的多层堆叠体617。例如，多层堆叠体617包括非磁性层608(例如，Pd)、铁磁层610(例如，Co)、非磁层612(例如，Pd)、铁磁层614(例如，Co)和非磁层616(例如，Pd)。多层堆叠体617起着第二自由磁层的作用。堆叠体600还包括导电层618(例如，大约0.3nm的Ta)、自由磁层620(例如，大约
1nm的CoFeB层)、电介质层622(例如，大约0.7nm的MgO层)和电极630(例如，顶部电极)。因而，材料堆叠体包括三个不同的自由磁层，它们包括自由磁层604、多层堆叠体617和自由磁层620。可以包括额外的自由磁层和/或多层堆叠体。

[0023] 材料堆叠体600与材料堆叠体400类似，只是将多层617插入到了自由层(例如，CoFeB)/导电层(例如，Ta)之间。多层堆叠体的强垂直磁化在保持低阻尼值的同时增强了稳定性。典型地，Co/Pd的厚度值约为0.3nm/0.3nm，因为较薄的膜将增强界面各向异性，并且将Co:Pd比保持为小的以使阻尼最小化。

[0024] 图7图示了根据本发明的另一实施例的用于垂直STTM器件的另一材料层堆叠体的横截面图。用于垂直STTM器件的材料层堆叠体700包括电极701(例如，底部电极)、固定磁层704(例如，CoFeB层)、电介质层706(例如，大约1nm的MgO层)、自由磁层708(例如，大约1nm的CoFeB层)、导电层710(例如，大约0.3nm的Ta层)以及交替的铁磁层和非磁性层的多层堆叠体717。例如，多层堆叠体717包括非磁层712(例如，Pd)、铁磁层714(例如，Co)、非磁层716(例如，Pd)、铁磁层718(例如，Co)和非磁层720(例如，Pd)。堆叠体700还包括电极730(例如，顶部电极)。

[0025] 多层堆叠体717通过导电层710磁耦合至自由层708。所述Co、Pd和导电层厚度的每者保持为几埃(例如，大约0.3nm)，以确保强磁耦合、高稳定性和低阻尼。在前面的示例中CoFeB和MgO保持大约1nm的较大厚度。

[0026] 在本发明的某些方面和至少一些实施例当中，某些术语含有某些可定义的含义。例如，“自由”磁层是存储可计算变量的磁层。“固定”磁层是具有固定磁化的磁层(具有比自由磁层高的磁硬度)。诸如隧道电介质(例如，MgO)或隧道氧化物等隧道势垒是位于自由磁层和固定磁层之间的隧道势垒。可以对固定磁层图案化，以建立对相关电路的输入和输出。
可以在使电流通过输入电极的同时通过自旋转移转矩效应来写入磁化。可以在向输出电极施加电压的同时通过隧穿磁致电阻效应来读取磁化。在实施例中，所述电介质层(例如，电介质层208)的作用在于引起大的磁致电阻比。所述磁致电阻是在两个铁磁层具有逆平行磁化时的电阻之间的差与具有平行磁化的状态的电阻的比值。

[0027] 参考图2、4、6、7，将自旋转移转矩元件200、400、600或700的包括自由磁层、电介质层(隧道势垒层)和固定磁层的部分称为磁隧道结。自由磁层和固定磁层可以是铁磁层。将下自由磁层与固定磁层分开的电介质层(隧道势垒层)可以具有大约1纳米或更小的厚度，例如，自由磁层与固定磁层之间的距离，从而使得在顶部电极和底部电极之间施加偏压的情况下电子能够通过其隧穿。

[0028] 在实施例中，MTJ实质上起着电阻器的作用，其中，通过MTJ的电学路径的电阻可以以“高”或“低”两个电阻态存在，取决于自由磁层和固定磁层中的磁化的方向或取向。在自由磁层210内的自旋方向为下(少数)的情况下，存在高电阻态，其中，耦合自由磁层和固定磁层中的磁化方向大体上与彼此相反或逆平行。在耦合自由磁层内的自旋方向为上(多数)的情况下，存在低电阻态，其中，耦合自由磁层和固定磁层中的磁化方向大体上与彼此对准或平行。应当理解，就MTJ的电阻态而言的术语“低”和“高”是与彼此相对的。换言之，高电阻态只是在可检测的意义上比低电阻态高的电阻，反之亦然。因而，使用可检测的电阻差，低电阻态和高电阻态可以表示不同的信息位(即，“0”或“1”)。

[0029] 可以采用自旋偏振电流通过被称为自旋转移转矩(STT)的过程来切换耦合自由磁层内的磁化方向。电流一般是非偏振的(例如，由大约50％的上自旋电子和大约50％的下自旋电子构成)。自旋偏振电流是具有更高数量的上自旋电子或者更高数量的下自旋电子的电流，其可以是使电流通过固定磁层而生成的。来自固定磁层的自旋偏振电流的电子隧穿通过隧穿势垒或电介质层208，并将其自旋角动量转移至自由磁层，其中，自由磁层将使其磁方向从逆平行变为固定磁层的方向或与之平行。可以通过反转电流使自由磁层返回至其原始取向。

[0030] 因而，MTJ可以通过其磁化状态存储单个位信息(“0”或“1”)。通过驱动电流通过MTJ而感测MTJ内存储的信息。(多个)自由磁层不需要功率保持其磁取向。因而，在去除对器件的供电时，MTJ的状态将得以保持。因此，在实施例中，分别由堆叠体200、400、600或700构成的自旋转移转矩存储位单元是非易失性的。

[0031] 再次参考上文与图2、3、4、6、7相关的描述，可以采用包括在磁隧道结中采用的磁性材料层的层的堆叠体来制造存储位单元。例如，图8图示了根据本发明的实施例的包括自旋转移转矩元件810的自旋转移转矩存储位单元800的示意图。

[0032] 参考图8，自旋转移转矩元件810可以包括电极802(例如，底部电极)、设置在电极802之上的固定磁层804、设置在固定磁层之上的电介质层806、设置在电介质层之上的第一自由磁层807、设置在第一磁层和第二自由磁层809之间的导电材料层808。导电材料层使第二自由磁层与第一自由磁层磁耦合。所述元件810(例如，200、400、600、700)还包括设置在第二自由磁层之上的帽盖层812和电极816(例如，顶部电极)。如图8所图示，将晶体管834电连接至底部电极、源线和字线。在另一实施例中，将晶体管834电连接至顶部电极而非底部电极。在实施例中，自旋转移转矩元件810是以垂直磁性为基础的。

[0033] 将顶部电极816电连接至位线832。可以使底部电极802与晶体管834耦合。可以使晶体管834按照本领域的技术人员理解的方式与字线836和源线838耦合。自旋转移转矩存储位单元800还可以包括用于其操作的额外的读写电路(未示出)、感测放大器(未示出)、位线参考(未示出)等，如本领域的技术人员将理解的。应当理解，可以将多个自旋转移转矩存储位单元800与彼此可操作地连接，以形成存储阵列(未示出)，其中，可以将所述存储阵列并入非易失性存储器件内。应当理解，可以将晶体管834连接至顶部电极或底部电极，尽管只示出了后者。

[0034] 图9图示了根据本发明实施例的电子系统900的框图。电子系统900可以对应于例如便携式系统、计算机系统、过程控制系统或者其它利用处理器和相关存储器的系统。电子系统900可以包括微处理器902(具有处理器904和控制单元906)、存储器设备908和输入/输出设备910(应当理解，在各种实施例中，电子系统900可以具有多个处理器、控制单元、存储器设备单元和/或输入/输出设备)。在一个实施例中，电子系统900具有一组指令，该组指令定义将通过处理器904对数据执行的操作以及处理器904、存储器设备908和输入/输出设备910之间的其它事务。控制单元906通过循环遍历一组操作而协调处理器904、存储器设备
908和输入/输出设备910的操作，该组操作将使得指令被从存储器设备908中检索出来并得以执行。存储器设备908可以包括如本说明书中所描述的自旋转移转矩元件。在实施例中，存储器设备908嵌入到微处理器902内，如图9所示。

[0035] 图10图示了根据本发明的一种实施方式的计算设备1000。计算设备1000容纳板1002。板1002可以包括多个部件，该部件包括但不限于处理器1004以及至少一个通信芯片
1006。将处理器1004物理和电耦合至板1002。在一些实施方式中，还将至少一个通信芯片
1006物理和电耦合至板1002。在其它实施方式中，通信芯片1006是处理器1004的一部分。

[0036] 根据其应用，计算设备1000可以包括一个或多个其它部件，这些部件可以或可以不物理和电耦合至母板1002。这些其它部件包括但不限于：易失性存储器(例如，DRAM)、非易失性存储器(例如，ROM)、闪速存储器、图形处理器、数字信号处理器、密码处理器、芯片组、天线、显示器、触摸屏显示器、触摸屏控制器、电池、音频编解码器、视频编解码器、功率放大器、全球定位系统(GPS)设备、罗盘、加速度计、陀螺仪、扬声器、照相机和大容量存储设备(例如，硬盘驱动器、光盘(CD)、数字多功能盘(DVD)等)。

[0037] 通信芯片1006使能用于来往于计算设备1100的数据的传输的无线通信。术语“无线”及其派生词可以用于描述可以通过使用经由非固体介质调制的电磁辐射来传送数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信信道等。术语并不暗示相关联的设备不包含任何接线，尽管在一些实施例中它们可以不包含接线。通信芯片1006可以实施多种无线标准或协议中的任何无线标准或协议，包括但不限于：Wi-Fi(IEEE 802.11族)、WiMAX(IEEE802.16族)、IEEE 802.20、长期演进(LTE)、Ev-DO、HSPA+、HSDPA+、HSUPA+、EDGE、GSM、GPRS、CDMA、TDMA、DECT、蓝牙、其派生物、以及被称为3G、4G、5G或更高代的任何其它无线协议。计算设备1000可以包括多个通信芯片1006。例如，第一通信芯片1006可以专用于较短范围的无线通信，例如，Wi-Fi和蓝牙，第二通信芯片1006可以专用于较长范围的无线通信，例如，GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO等。

[0038] 计算设备1000的处理器1004包括封装在处理器1004内的集成电路管芯1010。在本发明的一些实施方式中，所述处理器的集成电路管芯包括一个或多个器件1012，例如，根据本发明的实施方式构建的自旋转移转矩存储器。术语“处理器”可以指处理来自寄存器和/或存储器的电子数据以将该电子数据转换成可以被存储在寄存器和/或存储器中的其它电子数据的任何设备或设备的部分。

[0039] 通信芯片1006还包括封装在通信芯片1006内的集成电路管芯1020。根据本发明的另一实施方式，通信芯片的集成电路管芯包括一个或多个器件1021，例如，根据本发明的实施方式构建的自旋转移转矩存储器。

[0040] 在其它实施方式中，计算设备1000内容纳的另一部件可以包含集成电路管芯，所述集成电路管芯包括一个或多个器件，例如，根据本发明的实施方式构建的自旋转移转矩存储器。

[0041] 在各实施方式中，计算设备1000可以是膝上型电脑、上网本、笔记本、超级本、智能电话、平板电脑、个人数字助理(PDA)、超级移动PC、移动电话、台式计算机、服务器、打印机、扫描仪、监视器、机顶盒、娱乐控制单元、数字照相机、便携式音乐播放器或者数字视频记录仪。在另外的实施方式中，计算设备1000可以是处理数据的任何其它电子设备。

[0042] 因此，本发明的一个或多个实施例总体上涉及微电子存储器的制造。所述微电子存储器可以是非易失性的，其中，即使断电，所述存储器也可以保持所存储的信息。本发明的一个或多个实施例涉及用于非易失性微电子存储器设备的垂直自旋转移转矩存储元件。可以将这样的元件用到嵌入式非易失性存储器内，以利用其非易失性或者将其作为嵌入式动态随机存取存储器(eDRAM)的替代。例如，在给定技术节点内的具有竞争性的单元尺寸上，可以将这样的元件用于1T-1X存储器(X＝电容器或电阻器)。

[0043] 因而，本发明的实施例包括具有增强的稳定性和低阻尼的垂直自旋转移转矩存储器(STTM)器件。

[0044] 在实施例中，一种用于磁隧道结的材料层堆叠体包括：固定磁层、设置在所述固定磁层之上的电介质层、设置在所述电介质层之上的第一自由磁层、以及与所述第一自由磁层磁耦合的第二自由磁层。

[0045] 在一个实施例中，导电材料层设置在所述第一自由磁层与所述第二自由磁层之间。所述导电材料层用于将所述第一自由磁层和所述第二自由磁层磁耦合，以提高所述第一自由磁层的有效厚度。

[0046] 在一个实施例中，所述导电材料层包括以下材料的至少其中之一：钌(Ru)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)和镁(Mg)。

[0047] 在一个实施例中，所述第一自由磁层包括CoFeB。

[0048] 在一个实施例中，所述第二自由磁层包括CoFeB。

[0049] 在一个实施例中，所述第二自由磁层包括设置在所述电介质材料层上的一对或多对交替的铁磁层和非磁层。

[0050] 在一个实施例中，所述交替的铁磁层和非磁层分别包括钴(Co)和钯(Pd)，并且Pd层设置在所述导电材料层上。

[0051] 在一个实施例中，附加的电介质层设置在所述第二自由磁层之上。所述电介质层和所述附加的电介质层均包括氧化镁(MgO)。

[0052] 在一个实施例中，一种非易失性存储器器件包括：底部电极、设置在所述底部电极之上的固定磁层、设置在所述固定磁层之上的电介质层、设置在所述电介质层之上的第一自由磁层、与所述第一自由磁层磁耦合的第二自由磁层、设置在所述第二自由磁层之上的顶部电极、以及电连接至所述顶部电极或所述底部电极、源线和字线的晶体管。

[0053] 在一个实施例中，所述非易失性存储器器件还包括：设置在所述第一自由磁层与所述第二自由磁层之间的导电材料层。所述导电材料层用于将所述第一自由磁层和所述第二自由磁层磁耦合，以提高所述第一自由磁层的有效厚度。

[0054] 在一个实施例中，所述导电材料层包括以下材料的至少其中之一：钌(Ru)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)和镁。

[0055] 在一个实施例中，所述第一自由磁层包括CoFeB，并且其中，所述电介质层和所述第一自由磁层之间的界面为所述磁隧道结提供了垂直磁分量。

[0056] 在一个实施例中，所述第二自由磁层包括CoFeB。

[0057] 在一个实施例中，所述第二自由磁层包括设置在所述电介质材料层上的一对或多对交替的铁磁层和非磁层。所述交替的铁磁层和非磁层分别包括钴(Co)和钯(Pd)，并且Pd层设置在所述导电材料层上。

[0058] 在一个实施例中，所述非易失性存储器器件还包括：设置在所述第二自由磁层之上的附加的电介质层，其中，所述电介质层和所述附加的电介质层均包括氧化镁(MgO)。

[0059] 在一个实施例中，一种用于磁隧道结的材料层堆叠体包括：固定磁层、设置在所述固定磁层之上的电介质层、设置在所述电介质层之上的自由磁层、以及使铁磁层和非磁层交替的多层堆叠体。所述多层堆叠体与所述自由磁层磁耦合。

[0060] 在一个实施例中，所述材料层堆叠体还包括：设置在所述自由磁层与所述多层堆叠体之间的导电材料层。所述导电材料层用于将所述自由磁层磁耦合至所述多层堆叠体，以提高所述自由磁层的有效厚度。

[0061] 在一个实施例中，所述导电材料层包括以下材料的至少其中之一：钌(Ru)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)和镁。

[0062] 在一个实施例中，所述自由磁层包括CoFeB，并且其中，所述电介质层和所述自由磁层之间的界面为所述磁隧道结提供了垂直磁分量。

[0063] 在一个实施例中，交替的铁磁层和非磁层分别包括钴(Co)和钯(Pd)，并且Pd层设置在所述导电材料层上。

[0064] 在一个实施例中，所述材料层堆叠体还包括设置在所述多层堆叠体之上的附加的自由磁层。

[0065] 在一个实施例中，所述材料层堆叠体还包括：设置在所述附加的自由磁层与所述多层堆叠体之间的附加的导电材料层。所述导电材料层用于将所述附加的自由磁层磁耦合至所述多层堆叠体。

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