本揭示案是关于一种记忆体元件的层。

本揭示案大体上是关于挥发性及非挥发性记忆体，其用在独立记忆体晶片中及用于整合在逻辑晶片上的记忆体阵列。更特定而言，本揭示案是关于用于集成电路的磁性记忆体元件，此些磁性记忆体元件根据磁性隧道接合(magnetic tunnel junction，MTJ)元件内磁性膜层中的磁矩的方向来储存信息。最常见地将此种记忆体称作磁阻式随机存取记忆体或MRAM。
发明内容
本揭示案的一些实施方式提供一种用于记忆体元件的化合物自由层，包括铁磁自由层、设置于铁磁自由层上的非磁性阻障层，以及设置于非磁性阻障层上的第一超顺磁性自由层。非磁性阻障层在与面内方向平行延伸的介面处与铁磁自由层相遇，第一超顺磁性自由层具有磁化分量，磁化分量在面内方向上为超顺磁性的。
附图说明
当结合随附诸图阅读时，自以下详细描述最佳地理解本揭示案的态样。应注意，根据工业上的标准实务，各种特征未按比例绘制。事实上，为了论述清楚，可任意地增大或减小各种特征的尺寸。
图1A图示处在一个记忆体状态下的化合物自由层的一些实施例的三维视图；此化合物自由层结构包括铁磁自由层及超顺磁性自由层，且此化合物自由层结构适合于磁性隧道接合；
图1B图示处在第二记忆体状态下的化合物自由层的三维视图，其中铁磁自由层及超顺磁性层使其z方向磁化分量反转；
图1C及图1D图示化合物自由层的一些替代实施例的三维视图，此化合物自由层包括铁磁自由层、在此铁磁自由层之上的第一超顺磁性自由层，及在此第一超顺磁性层之上的第二超顺磁性自由层。两个超顺磁性子层的磁矩指向反平行的方向；
图2A图示根据一些实施例的描绘超顺磁性自由层内的时变磁化的单位向量的可能单位向量方向的三维图；
图2B图示根据图2A的隔离超顺磁性自由层沿x轴、y轴及z轴的时变磁化；
图2C及图2D图示针对有助于分别在向上及向下磁化状态下储存信息的情形而言，化合物自由层的超顺磁性子层内的可能磁矩方向的一些实施例；
图3A图示磁性隧道接合堆叠的一些实施例的三维视图，此磁性隧道接合堆叠包括具有超顺磁性自由层子层的化合物自由层；
图3B至图3G图示用于MTJ记忆体单元的MTJ堆叠结构的一些替代实施例；
图4A图示根据一些实施例当单元自高电阻状态被写入至低电阻状态时，磁性隧道接合堆叠内的磁层中的一些的磁化可如何转变；
图4B图示根据一些实施例的自高电阻状态被写入至低电阻状态的磁性隧道接合堆叠的一些磁层的更详细波形的实例；
图5A图示根据一些实施例当单元自低电阻状态被写入至高电阻状态时，磁性隧道接合堆叠内的层的磁化方向可如何转变；
图5B图示在磁性隧道接合堆叠自低电阻状态转变为高电阻状态时的更详细波形的实例；
图6图示与习知铁磁自由层(亦即，不具有超顺磁性自由层的铁磁自由层)的干扰率相比，通过具有超顺磁性自由层的化合物自由层的一些MTJ实施例可实现的读取干扰率的比较；
图7图示横截面图，此横截面图图示包括具有超顺磁性自由层的MTJ堆叠的磁阻式随机存取记忆体(MRAM)的一些实施例；
图8图示图7的MRAM的俯视图，如图7中的切线所指示；
图9图示制造磁性隧道接合堆叠的方法的一些实施例的流程图，此磁性隧道接合堆叠含有耦合至铁磁自由层的超顺磁性层；
图10图示图表，此图表描绘若干不同MRAM堆叠，以及MRAM堆叠中每一者在反平行(AP)状态及平行(P)状态下的各种层的磁化方向。
【符号说明】

本揭示案提供用于实施本揭示案的不同特征的许多不同实施例或实例。以下描述元件及布置的特定实例以简化本揭示案。当然，此些仅为实例，且并不意欲为限制性的。举例而言，在如下描述中第一特征在第二特征之上或在第二特征上形成可包括其中第一特征与第二特征形成为直接接触的实施例，且亦可包括其中额外特征可在第一特征与第二特征之间形成而使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。另外，本揭示案可在各种实例中重复元件符号及/或字母。此重复是出于简化及清楚的目的，且其自身并不表示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。
另外，为了描述简单起见，可在本文中使用诸如“在……之下”、“低于”、“下部”、“在……上方”、“上部”及其类似术语的空间相对术语，以描述如诸图中所图示的一个组件或特征与另一(其他)组件或特征的关系。除了诸图中所描绘的定向以外，此些空间相对术语意欲涵盖元件在使用中或操作中的不同定向。设备可以其他方式定向(旋转90度或以其他定向)，且可同样相应地解释本文中所使用的空间相对描述词。
磁性隧道接合(magnetic tunnel junction，MTJ)包括通过薄的非磁性阻障层(通常为量子力学隧道阻障层)分离开的第一铁磁膜及第二铁磁膜。此些铁磁膜中的一者(时常称作“参考层”)具有固定磁化方向，而另一铁磁膜(时常称作“自由层”)具有可变磁化方向。若参考层及自由层的磁化方向处于平行(parallel，P)定向，则电子将相对容易地穿隧经过隧道阻障层，意谓MTJ处于低电阻状态下。相反，若参考层及自由层的磁化方向处于反平行(antiparallel，AP)定向，则电子将较难穿隧经过隧道阻障层，意谓MTJ处于高电阻状态下。
通过使自由层的磁化方向反转，MTJ可在两种电阻状态之间切换。
存在可切换自由层的状态的诸多机制，包括通过来自记忆体阵列中的x地址线及y地址线的奥斯特(Oersted)场(如在所谓“场MRAM”中)，以及通过来自穿隧经过隧道阻障层的电子的自旋转移扭矩(spin-transfer torque，STT)(如在所谓“STT MRAM”中)。MTJ内的自由磁层及参考磁层有具有两个相反方向的各项异性轴，磁化可较佳指向此两个相反方向。此些各向异性轴可沿磁性膜层的平面中的某一方向，或其可沿垂直于层表面的方向。大体而言，为了达成面内各向异性，设计者使用具有大体面内的各向异性的形状(例如，细长的椭圆形板)，而非圆柱形或正方形板。另一方面，可在具有介面或固有各向异性的非常薄的膜中引发垂直各向异性，从而引发克服形状各向异性的效应。因此，具有垂直磁性各向异性的磁层可具有两个稳定的垂直磁化状态，且可占用相比于具有面内各向异性的磁性层较小的面积。针对相应磁性自由层具有类似磁稳定性(亦即，类似的数据保留)的情形，可使用相比于具有面内各向异性的磁性层较少的电流来对具有垂直各向异性的磁层写入。
在针对MRAM的各种方法当中，当今发展最严峻的是MTJ，此些MTJ具有垂直于层平面的各向异性轴，其中通过利用注入至磁自由层中的自旋的扭矩切换磁性状态来写入。考虑x-y-z座标系统，其中参考层、隧道阻障层及自由层各自在x方向与y方向上(x-y平面)横向地延伸；且参考层、隧道阻障层及自由层沿着z轴堆叠在彼此之上。在使用垂直磁性各项异性的层的实例中，自由层及参考层的磁化方向将指向相应层内的正或负z轴。取决于储存的状态，此些磁化方向为平行的(例如，沿z轴均向上或均向下)或反平行的(例如，沿z轴一个向上而另一个向下)，且因此仍引起MTJ的低电阻或高电阻状态。对于此类型的MTJ而言，能量障壁对于保留操作及写入操作两者而言是相同的或几乎相同的。(对于面内各项异性的自由层而言情况并非如此，其中写入所要克服的障壁大体上大于针对保留的障壁)。垂直磁化层的额外优势在于，x-y平面中的形状各向异性不提供优势，MTJ可在x-y平面中为对称的(例如，圆形或带圆角的正方形)，此有可能提供具有比面内MTJ高的封装密度的垂直MTJ。尽管有胜于面内MTJ的改良，但元件效率(大体定义为稳定能量与写入电流的比率)仍是严峻挑战，尤其是对于超快写入操作(通过利用由已注入的自旋产生的扭矩来产生自由层磁化的增长的面内进动运动来进行切换，直至切换到垂直方向为止)而言。当前用于切换的方法涉及写入电流量值，此写入电流量值直接随着针对保留的能量障壁扩大，且随着较小写入时间成指数扩大。此些大电流及电压不仅暗示着大量的能量耗散，而且可由于MTJ内的隧道阻障层的破坏而导致可靠性问题。
在STT MRAM元件中，存在两种稳定状态，一种为较高电阻(AP)状态且一种为较低电阻(P)状态。图10中的前两个元件列图示出STT MRAM 1002的例示性MTJ结构的若干层。此STT MRAM包括三个磁层，吾人已提到的铁磁参考层004及铁磁自由层104，以及还有固定硬磁体层010。其分别针对AP状态及P状态的磁化配置亦分别在第一元件列及第二元件列中图示出。固定硬磁体层010以反铁磁方式经由反铁磁交换耦合层012耦合至铁磁参考层004。固定硬磁体层010及铁磁参考层004执行若干功能。首先，此组合使得难以干扰或反转铁磁参考层004的磁化，以使得在元件操作期间此些层的磁化保持大体上垂直，且针对AP状态与P状态两者保持指向其相同的相应方向。其次，固定硬磁体层010及铁磁参考层004的磁矩很大程度上相互抵消，使得其在铁磁自由层104附近的净杂散场(按设计)很小。此又有助于铁磁自由层104具有对外部磁场的很小响应，其中量值以零外部磁场为中心。第三，具有堆叠中的所有磁层的最高磁矫顽力的固定硬磁体层010提供用以在制造期间或刚制造后初始化元件的机制。向下指向的大“设定”磁场将使固定硬磁体层010初始化为向下状态，接着随着设定场降低，反铁磁交换耦合导致铁磁参考层104指向与固定硬层相反的方向(例如，在图10中是向上)。因此，可在所需方向上初始化铁磁参考层004，且来自铁磁参考层004及固定硬磁体层010的杂散场可在铁磁自由层104附近很大程度上抵消。
通过施加电流脉冲流过STT MRAM堆叠来实现STT MRAM元件1002中的状态切换(AP至P，或P至AP)。对于向上流动的电子(及其相关联的自旋)而言，例如，经过铁磁参考层004，接着经过非磁性阻障层006(通常为隧道阻障层)，接着经过铁磁自由层104，铁磁自由层104的磁化方向将自指向下切换为指向上。用于切换的驱动力为来自作用于自由层的磁化的已注入电子的自旋的扭矩。由于需要与严格垂直的磁化层的初始偏差，所以存在切换延迟的可变分量。若净注入自旋磁矩方向与铁磁自由层104的磁化方向精确地平行，则不存在扭矩(且当此些方向接近于平行时扭矩极小)。一旦存在足以起动自旋扭矩效应的热波动，则切换凝核，此些自旋扭矩效应足够强以克服铁磁自由层101的固有阻尼。用于开始切换操作的长且可变的孵化时间为MTJ的高速写入操作的限制态样。
用于MRAM使用的另一类型的MTJ为所谓的正交自旋扭矩(Orthogonal Spin Torque，OST)MTJ 1004，诸如，在图10的第三及第四列中所示。OST MTJ包括附加磁层(图10中的所谓OST偏振层002a)，以起到将垂直力矩分量施加至已注入自旋电流的作用，以便迅速地启动导致自由层切换的扭矩。OST-MTJ可将面内抑或垂直磁性各向异性用于其铁磁自由层(ferromagnetic free layers，FFL)104。吾人关注在其FFL 104中具有垂直磁性各向异性的OST元件。图10中的第三及第四元件列图示OST MRAM元件1004的例示性磁层布置，其中铁磁自由层104及铁磁参考层004两者具有垂直磁化。硬磁体层010及铁磁参考层004使其磁性各向异性方向及磁化向量相反地指向垂直方向(z轴)，方式与在STT-MRAM元件1002中配置此些层的方式相同。将OST偏振层002a引入在铁磁自由层104的另一侧(亦即，顶侧)上，通过上部非磁性阻障层106与铁磁自由层104分离开。OST偏振层002a的磁化方向为面内的(xy平面)，指向xy平面内的特定方向并通过面内磁性各向异性(通常是由于形状各向异性)锚定在此特定方向上。OST偏振层002a通过上部非磁性阻障层106与FFL 104分离开，此上部非磁性阻障层106可为非磁性金属或隧道阻障层。(无论使用哪种设计均被设计成具有比非磁性阻障层006低的比电阻，使得上部非磁性阻障层106并不支配两种储存状态的比电阻，而此两种储存状态受非磁性阻障层006支配，此非磁性阻障层006大体为隧道阻障层)。上部非磁性阻障层106亦允许电子的自旋被输送穿过阻障层，此意谓OST偏振层002a导致由其注入的穿隧电子立即引发的扭矩，因为其自旋方向是与自非磁性阻障层006透射或反射的彼些反向垂直且不平行。因此，一旦电流开始流动，OST MRAM 1004就具有非垂直的自旋注入，此有助于通过提供初始的非零扭矩而迅速地孵化FFL 104的切换。此实质上提高了写入速度。
面内形状各向异性用以稳定OST偏振层002a中的磁化方向。与STT MRAM元件1002相比，此面内形状各向异性减小了OST MRAM元件1004的密度。另外，自OST偏振层002a至FFL 104的正交偶极场同时对MTJ具有以下三种有害影响。第一，其降低了针对保留的能量阻障，且因而数据信息可更容易地丢失，导致较大的保留错误率(Retention Error Rate，RER)。第二，在读取操作期间，电流流经MTJ以侦测其状态，且由于MTJ的较弱稳定性，MTJ的当前状态更容易被覆盖，从而导致较大的读取干扰率(Read Disturb Rate，RDR)。第三，因为FFL 104的偶极场未与铁磁参考层004对准良好，无论为平行还是反平行状态，磁性隧道接合在储存状态反转时的电阻的归一化改变(其穿隧磁阻(tunnelling magnetoresistance，TMR))皆受损害。
还存在OST-MTJ的称为进动自旋电流(Precessional Spin Current，PSC)MTJ 1006的另一扩展，诸如，在图10的第五及第六列中所示。在PSC MTJ1006中，使得OST偏振层在x-y平面中大体上为圆形，且OST偏振层(现称为PSC层002b)的磁化可自由地围绕MTJ结构的垂直(z)轴旋转。分别针对AP状态及P状态，在图10的第五及第六列中示出PSC MTJ元件1006的磁层。在图示中，在PSC层002b内相关联有虚线圆圈以指示彼层的磁化可在x-y平面方向内自由旋转。另外，PSC-MTJ中的PSC层002b的磁化方向遵循FFL 104的磁化方向的进动，切换操作依赖于PSC层002b的进动与FFL 104的进动的同步，其中PSC层002b的进动具有非零的旋转频率。在此类型的MTJ中，由于PSC层002b与FFL 104的磁化之间的非零角度，因此当电流开始流动时，FFL 104上的扭矩立即被启动。因此，孵化是即时的，且切换可更快，且其时序更可预测。因为PSC层002b切换地更迅速且可预测，所以可减少可靠写入所需的电流量。虽然可减少PSC MRAM 1006的面积，因为在任何层中均不需要形状各向异性，但PSC MRAM 
1006仍遭受影响OST元件1004效能的一些相同问题。来自PSC层002b的力矩将在一定程度上使FFL 104的磁化倾斜并使其储存较弱，亦即，造成其较大的保留错误率。出于类似原因，与无PSC层002b的单元相比，在读取操作期间无意中写入位元的概率会更大，亦即，增大了读取干扰率(read disturb rate，RDR)，此为不当的。又，以与OST元件1004类似的方式，PSC层
002b的力矩将影响FFL 104与铁磁参考层004的平行或反平行对准的程度，且借此降低穿隧磁阻。
还存在PSC MRAM 1008的采用倾斜的OST偏振层002c的另一变型。此由图10中的第七及第八列图示，其中将倾斜的OST偏振层002c示为垂直地倾斜出x-y平面。此倾斜的PSC MRAM 
1008亦不具有(或有微弱的)形状各向异性，且因此倾斜的OST偏振层002c自由地使其x-y分量在此平面内旋转。允许倾斜角度自离垂直轴0度变化至离垂直轴90度。注意，对于P状态而言，倾斜的OST偏振层002c将引导并加强自FFL 104出射的磁通线。然而，对于AP状态而言，自倾斜的OST偏振层002c及FFL 104出射的磁通线将彼此相对。因此，在P状态下，储存稳定性/数据保留将相对于STT或OST或不倾斜的PSC元件有一定的改良，但在AP状态下，储存稳定性/数据保留将被削弱。取决于元件及电路设计，RDR可被削弱或强化，但与STT MRAM情形相比，TMR仍将降级。
因此，需要一种支持快速切换的自旋扭矩转移元件，此元件具有储存稳定性、读取干扰率与TMR的较少损害。
因此，图10的最后两列图示化合物自由层MRAM 1010，其提供了利用特殊类型的超顺磁性自由层102a、102b的实质上改良的铁磁记忆体单元。此超顺磁性自由层102a、102b(若使得与其他磁层隔离)具有既非面内又非垂直的磁化方向。实情为，超顺磁性自由层102a、
102b具有在时间上随机变化的磁化方向，但时变磁化方向在面内与部分垂直之间连续变化。超顺磁性自由层102a、102b在x-y平面中足够对称，使得即使在最低的期望操作温度下，超顺磁性亦可克服由于围绕垂直轴的MTJ元件层形状的不对称性引起的任何微弱形状各向异性，此可能由于正常的MTJ制造限制或缺陷而发生。磁化方向的随机变化主要发生在x-y平面中，但亦一定程度上发生在垂直方向上。自此平面的变化的程度范围可为自x-y平面向上或向下至+/-20度至+/-30度或更大，在一些温度下具有一定概率。
本揭示案提供一种预期用于MRAM应用的MTJ堆叠，其中超顺磁性自由层102a、102b被置放在FFL 104上方的位置处(亦即，与铁磁参考层004相对)，并通过非磁性阻障层106与FFL 
104分离开，此非磁性阻障层106可为隧道阻障层或非磁性金属。在此位置处，超顺磁性自由层102a、102b静磁耦合至FFL 104且因此受自FFL 104出射的磁通量影响。事实上，超顺磁性自由层102a、102b在与自FFL 104出射的磁通线相同的垂直方向上获得净波动的垂直磁化分量。超顺磁性自由层在平面上方或下方的磁化平均角度范围可(例如)为自大概20度至55度。在储存状态下，超顺磁性自由层102a、102b因此耦合至FFL 104，作为表示FFL 104与超顺磁性自由层102a、102b的组合的“化合物”自由层类型。
此化合物自由层给MRAM堆叠带来诸多优势。超顺磁性层与FFL 104之间的磁耦合提供稳定反馈场，此改良了自由层的稳定性并因此实现更稳定的储存状态(更低的保留错误率)。另一方面，超顺磁性层与FFL 104之间的电相互作用在孵化期间为自由层供给非零扭矩，此导致在较低写入错误率下的较快写入且使用比先前方法少的电流。因为保留得以改良且写入电流得以减少此两者，实质上改良了元件效率(保留障壁除以写入电流)。另外，因为读取操作是在热波动可能导致伪切换的情况下进行，所以由于磁性相互作用而提供的额外保留稳定性亦有助于降低读取干扰率。因而，此超顺磁性层改良了写入成核及储存层(自由层)储存稳定性两者，借此同时解开读取、写入及保留约束并改良所有此三种错误率。
图1A示出根据一些实施例的化合物自由层100。化合物自由层100包括超顺磁性自由层
102、铁磁自由层104及非磁性阻障层106，此非磁性阻障层106将超顺磁性自由层102与铁磁自由层104分离开。
铁磁自由层104能够使其稳定磁化方向108在两种磁化状态中的一者之间改变，接着使此两种磁化状态与二进位数据状态相关。举例而言，在第一状态下，铁磁自由层104可具有第一磁化方向(例如，指向上，如以108图示)，此第一磁化方向与参考层的磁化方向(例如，参见图10中的1010的P状态)平行，此提供第一电阻。在第二数据状态下，如图1B中所图示，铁磁自由层104可具有第二磁化反向(例如，指向下，如以108*所图示)，此第二磁化方向与参考层的磁化方向(例如，参见图10中的1010的AP状态)反平行，此提供第二电阻，此第二电阻与第一电阻不同且可(例如)大于第一电阻。注意，如图1A及图1B中所图示，超顺磁性自由层力矩具有z分量，当数据状态改变时此z方向改变方向且因此在两种状态下z分量110z或
110z*指向与铁磁自由层的力矩(图1A：108，或图1B：108*)相同的大体方向。超顺磁性自由层的z力矩的反转有益于为自由层储存状态提供附加稳定性，如稍后将描述。
铁磁自由层104可为一种铁磁金属或合金，抑或铁磁金属的多层或分级组成物。其可另外具有薄的缓冲非磁性过渡金属层(例如，厚度为自0.1nm至1nm的Ta、Hf、W、Mo、V、Mg等)或此些过渡金属的破坏铁磁自由层(FFL)成为两个铁磁单元FFL1及FFL2的合金，此两个铁磁单元FFL1及FFL2可具有或可不具有相同的铁磁成分及厚度。此过渡金属可充当间隔物层以降低自由层的磁化。在高温元件制造处理步骤期间，其可交替地或组合地用于吸收自堆叠内的其它层扩散的硼。
在一些实施例中，例如，铁磁自由层104可包括磁性金属，诸如，钴、铁、镍及其合金。又，例如，在一些实施例中，铁磁自由层104可包括钴、铁及硼，诸如，CoFeB铁磁自由层；且非磁性阻障层106可包括诸如氧化铝(AlOx)或氧化钛(TiOx)的非晶阻障层或诸如氧化镁(MgO)或尖晶石(例如，MgAl2O4)的结晶阻障层。在另外实施例中，非磁性阻障层106可为薄的非磁性金属，诸如，Ta、TaN、W、WN、Mo、MoN、Hf或HfN。
在超顺磁性自由层102中，磁化方向110不稳定且可由于随机热波动而随机地改变方向。由于与自由层的磁性相互作用，因此尽管有随机性，但磁化方向110拾取与铁磁自由层
104的磁化方向108或108*平行的较佳磁化方向分量(图1A：110z，或图1B：110z*)，而超顺磁性自由层的磁化的x分量及y分量随机地变化。举例而言，在图1A中，将铁磁自由层104图示为具有沿着z轴向上的垂直磁化方向108。描绘一个储存状态，超顺磁性自由层102具有磁化方向110，此磁化方向110具有在平面内各个角度在时间上随机地变化的面内分量，但保持与铁磁自由层104的磁化方向108平行的磁化方向分量110z。因此，超顺磁性自由层102并非与铁磁自由层104反平行，而是具有磁化方向110，此磁化方向110具有在与铁磁自由层104的磁化方向108相同的方向上的分量(例如，110z)。由于超顺磁性自由层
(superparamagnetic free layer，SPFL)与铁磁自由层(ferromagnetic free layer，FFL)的此近似对准，相对于无超顺磁性自由层102的MTJ而言，仅存在TMR的轻微降级(约5％)。此为本揭示案取代OST-MTJ的态样。超顺磁性自由层102中的此种随机变化的面内磁化不稳定性在本文中称作超顺磁性且可以不同方式达成。
在一些实施例中，超顺磁性自由层102为单晶或多晶层，其在xy平面中具有对称或近似对称的形状(例如，圆形102c、正方形102s，或具有圆角的类正方形102r)，且具有关于经过化合物自由层100的中心轴112的大体轴向对称性。如先前所述，超顺磁性现象受热波动的强度影响，且如此，如果其可被热波动超越，则本文中的轴向对称性亦包括不对称性或不规则性。在此些实施例中，超顺磁性自由层102具有厚度t，其大于临界厚度。此临界厚度取决于块体各向异性KBulk、总界面各向异性KI、饱和磁化MS及铁磁体的横截面。前两个分量(KBulk及KI)以及铁磁体的厚度调节其各向异性，而后两个分量(KI及铁磁体的横截面)再次与其厚度一起确定其退磁。对于比临界厚度厚的铁磁体而言，退磁优先于各向异性以使来自z轴的磁化不稳定，且因此此临界厚度充当阈值。对于面内MTJ而言，不对称铁磁自由层被设计成比此阈值厚。然而，此些层中的强轴向不对称导致形状各向异性，亦即，磁化朝向其放松的优先轴。对于比临界厚度薄的铁磁体而言，铁磁体表现出垂直磁性各向异性，且因此对于此些垂直MTJ而言，铁磁自由层的厚度被设计成比阈值薄。在本揭示案中，铁磁自由层104被设计成比起临界厚度薄，而同时添加另一超顺磁性自由层102，此超顺磁性自由层
102的厚度被设计成大致等于其相应阈值或略微比其相应阈值厚。另外，由于此超顺磁性自由层102在xy平面中足够对称(例如，圆形102c、正方形102s，或在xy平面中具有圆角的正方形102r)，因此在xy平面中存在不足的形状各向异性以提供任何优先易磁化轴，磁化可放松至此易磁化轴并保持在彼方向上。此引起“无易磁化轴效应”，且使得超顺磁性自由层102的磁化不稳定，从而使得超顺磁性自由层102的磁化在热波动的影响下随机地改变方向。在一些实施例中，超顺磁性自由层102可具有外径r及/或长度l，及宽度w，此些大体上相等，且此些的范围为自1nm至500nm，且厚度为自0.3nm至20nm。在一些实施例中，单晶或多晶超顺磁性自由层可包括CoFeB铁磁合金(例如，Co20Fe60B20，其中此膜具有20％钴含量、60％铁含量及20％硼含量，按重量计)，其中临界厚度可为大致1.1nm至1.7nm(取决于铁磁自由层104的设计及所得性质)。在其他实施例中，单晶或多晶超顺磁性自由层可包括CoFe、FeB、NiFe、CoIr(例如，Co80Ir20)或其他合适铁磁层。
在其他方法中，并非超顺磁性自由层102为单个单晶或多晶层，而是超顺磁性自由层
102可包括多个超顺磁性纳米颗粒，每个超顺磁性纳米颗粒具有小于3nm至50nm的晶粒大小(直径)。((若干)超顺磁性层甚至可为大体上非晶的。)如同单晶或多晶超顺磁性层，超顺磁性纳米颗粒具有不稳定且在温度影响下随机改变方向的磁化方向。尽管有磁化方向的此随机改变，但由于来自铁磁自由层的偶极场，超顺磁性纳米颗粒仍保持与铁磁自由层104的磁化方向分量平行的磁化方向分量。在一些实施例中，超顺磁性纳米颗粒可包括钴、铁及硼，诸如，CoFeB(例如，Co20Fe60B20)或CoFe、FeB或NiFe。
当先前的垂直MTJ设计者观察到其自由层中的不稳定性时，他们倾向于针对垂直MTJ通过减小厚度和/或增大自由层的面积来“固定”不稳定性(以确保磁性定向保持稳固地垂直)，及/或针对面内MTJ通过增大形状各向异性(例如，使MTJ处于更偏心的椭圆形状以确保磁化状态足够离散)。相反，本方法添加了另一具有超顺磁性的铁磁层，而同时维持相同的铁磁自由层，并使用具有超顺磁性自由层的形状对称的MTJ并限制形状各向异性，此与习知方法相反。
图1C及图1D图示化合物自由层的一些替代实施例，现将其标记为100'。如同图1A的实施例，化合物自由层100'包括第一超顺磁性自由层102、铁磁自由层104及非磁性阻障层
106，此非磁性阻障层106将第一超顺磁性自由层102与铁磁自由层104分离开。然而，另外，此化合物自由层100'亦包括在第一超顺磁性自由层102之上的层间交换耦合(IEC)层107，及在此IEC层107之上的第二超顺磁性自由层109。在一些实施例中，IEC层107为金属间间隔物，诸如，钌(Ru)或铱(Ir)等等，此金属间间隔物有厚度，此厚度提供了第一超顺磁性自由层102与第二超顺磁性自由层109之间的反平行层间交换耦合。在一些实施例中，第一超顺磁性自由层102与第二超顺磁性自由层109可彼此具有相同成分。当第一超顺磁性自由层
102保持与铁磁自由层104的磁化方向108平行的磁化方向分量110z时，第二超顺磁性自由层109保持与铁磁自由层104的磁化方向108反平行的磁化方向分量111z。大体而言，第一超顺磁性自由层102被设计成具有比第二超顺磁性自由层109大的磁矩，以便较佳地提供铁磁自由层104的静磁稳定。图1D所示的实施例类似于图1C中所示的实施例。其是针对其中反转自由层的磁化108*的相反位元储存情形。在此第二位元储存状态下，超顺磁性自由层102及
109现使其磁化向量110*及111*反转。由于反平行交换耦合，图1C中的磁化向量110及111保持相反导向，但可使其磁化向量在x-y平面中旋转，且此些向量尤其一起自由旋转。类似地，图1D中的磁化向量110*及111*'一起自由旋转，而由于来自IEC层107的强反平行耦合，磁化向量110*及111*'各自指向彼此的反平行方向。将了解，尽管关于化合物自由层100图示并描述了以下诸图及描述，但在一些实施方案中，化合物自由层100'亦可取代化合物自由层
100。
图1C及图1D的此基于双超顺磁性自由层的设计可提供胜于基于单超顺磁性自由层的设计的改良。首先，双超顺磁性自由层改良了切换速度。超顺磁性自由层之间的偶极耦合及自旋扭矩两者有助于双超顺磁性自由层更快地切换。此又有助于FFL 104更快地切换。其次，由于来自第一超顺磁性自由层102的偶极场明显地被来自第二超顺磁性自由层109的偶极场抵消，因此基于双超顺磁性自由层的设计改良了下伏RL的稳定性。铁磁参考层的稳定性的改良抑制了MTJ中可能在其他情形下发生的向后切换的问题。第三，基于双超顺磁性自由层的设计改良了FFL 104的瞬时稳定性。在单超顺磁性自由层设计中，由于超顺磁性自由层的随机移动，因此尽管xy平面中的偶极场为零，但瞬时值仍非零，且因而瞬时稳定性可能小于设计值。在双超顺磁性自由层设计中，因为第一超顺磁性自由层102及第二超顺磁性自由层109在xy平面中相反地定向，所以其作用于FFL 104上的偶极场将在相反方向上。因而，来自第一超顺磁性自由层102的在FFL 104上的瞬时x-y偶极场将大体上得到补偿。因而，此将改良FFL 104的瞬时稳定性。
图2A图示隔离(亦即，不在MTJ堆叠中且不在化合物自由层堆叠中)的超顺磁性自由层
102的磁化方向110可如何在时间上变化的实例。在此情形下，超顺磁性自由层的磁化方向
110可被视为围绕z轴以角度p在时间上进动，以便(有高概率)保持在球体表面上的阴影环状区域内，但由于热搅动而频繁受到干扰的进动。由于随机热波动，沿各种轴的磁化的角度p及量值在时间上随机地改变，尤其是x分量及y分量。时变角度p保持大于某个角度(例如，大于大致70度)且小于某个最大角度(例如，小于在进动期间自垂直指向的z轴量测的大致+
110度)。图2B示出来自隔离的超顺磁性自由层的行为的宏观模拟的结果。左边影像及中心影像示出标准化磁化的x分量及y分量如何以类似随机的方式在+1与-1之间变化。最右影像示出磁化的z分量的变化。在此实例中，其具有标准化量值，此标准化量值高概率地低于约
0.3。在其他实例中，磁化的垂直分量经调整而具有略高量值，在此情况下，图2A中的描述高概率磁化方向的单个带(阴影区域)可分成两个带，自z＝0在正方向及负方向上略微偏移，磁化z分量自正转变为负的概率低。在下一段中描述的化合物自由层结构中，甚至可更佳地稳定超顺磁性自由层102的正或负子带。
当超顺磁性自由层102与化合物自由层中的铁磁自由层104组合时，磁层的静磁相互作用导致超顺磁性层具有非零的平均z分量，因为其磁化的z分量与铁磁自由层的z分量对准(当复合自由层处于储存状态时，亦即，不在写入中)。已结合对图1A中的磁化向量108及110以及图1B中的108*及110*的论述论述了此对准。图2C及图2D分别给出关于超顺磁性层磁化向量110及110*的行为的更多细节。图2C及图2D分别示出了当相邻的铁磁自由层的磁化处在向上或向下方向时，此些超顺磁性自由层的磁化向量可设想的角度范围。在图2C中，对于当铁磁自由层的磁化向量指向上的情形而言，SPFL层连续保持使其大致保持在阴影环内的磁化值，其中距垂直的角度θP↑在约35度与70度之间变化。对于当铁磁自由层的磁化向量指向下(图2D)的情形而言，SPFL层连续保持使其大致保持在下半球中的阴影环内的磁化值，其中角度θP↓在约110度与145度之间变化。并非严格呈锥形进动，磁化方向110实际上通过在xy平面中呈现随机旋摆及围绕z轴的随机固有旋转而摇晃。由于随机“摇晃”，磁化方向110实际上在时间上缺乏特定形状且缺乏面内易磁化轴。
因而，当SPFL层处于隔离中时，其磁化的z值徘徊在零附近。当SPFL层并入化合物自由层中时，其z分量值为正的或负的，反映出与铁磁自由层的磁化的正或负z方向对准的磁化向量分量。在储存状态下，SPFL层实际上成为稳定铁磁自由层力矩的上下方向的辅助层，在一定程度上表现为铁磁自由层的磁化的“磁性保持器”。稍后吾人将描述SPFL层的额外优势，此些优势用于辅助化合物自由层结构的写入操作(亦即，当不在储存状态下时)。
图3A图示根据一些实施例的铁磁记忆体堆叠300。铁磁记忆体堆叠300包括(若干)种晶层308、参考层结构302、下部非磁性阻障层306，及在铁磁参考层304之上的化合物自由层
100。化合物自由层100包括铁磁自由层104，及在此铁磁自由层104之上的超顺磁性自由层
102。
在一些实施例中，参考层结构302为多层结构，其包括在交换耦合夹层312之上的铁磁参考层304，此交换耦合夹层312又在铁磁硬层(亦即，固定硬层)310之上。交换耦合夹层312可包括Ru或Ir。铁磁硬层310的磁化方向310m由于其强的垂直各向异性(以及在制造整个晶圆或晶片之后初始化暴露于高磁场)而受约束或“固定”。铁磁硬层310可包括Pt/Co、Pd/Co或Ni/Co的重复多层，且层间交换耦合夹层312可大体上包括钌(Ru)或铱(Ir)。交换耦合夹层312具有预定厚度，其在铁磁硬层310与铁磁参考层304之间引入强的反平行磁耦合。举例而言，在交换耦合夹层312为钌(Ru)或铱(Ir)层的一些实施例中，交换耦合夹层312具有范围为自3埃至大致25埃的厚度，已知此厚度导致强的反平行耦合。在一些实施例中，用于强的反平行耦合的厚度对于铱间隔物而言为大致4.2埃至5.1埃，对于薄的钌间隔物而言为
4.0至4.5，或对于较厚的钌间隔物而言为8埃至11埃，按照耦合强度的降序排列。大体而言，最强耦合及较宽的制程窗口为较佳的。
铁磁参考层304为具有“固定”磁化方向304m的铁磁层。在一些实施例中，铁磁参考层
304为CoFeB层。其甚至可为多层的(例如包括Co或FeB的层)，且其可为分级的，且可甚至包括来自如W、Ta、Mo、Hf、V等的过渡金属的掺杂的或薄的插入层。此些类型的参考层有时在文献中称为复合层，或有时称作参考层、间隔物以及硬层或钉孔硬层的集合。由于交换耦合夹层312所提供的反平行交换耦合，铁磁参考层304的磁矩与铁磁硬层310的磁矩相反。举例而言，在图3A的实例中，将铁磁硬层310的磁化方向310m图示为指向上，且将磁化方向304m图示为沿z轴指向下。在其他实施例中，此些磁化方向可“翻转”，因而310m指向上且304m指向下。
下部非磁性阻障层306(薄的介电层或非磁性金属层)可将铁磁参考层304与铁磁自由层104分离开。在一些实施例中，下部非磁性阻障层306可包括诸如氧化铝(AlOx)或氧化钛(TiOx)的非晶阻障层或诸如氧化镁(MgO)或尖晶石(例如，MgAl2O4)的结晶阻障层。下部非磁性阻障层306可具有与上部非磁性阻障层106相同的成分或与其不同的成分。在铁磁记忆体堆叠为MTJ的实施例中，下部非磁性阻障层306为隧道阻障层，此隧道阻障层足够薄以允许电流在铁磁自由层104与铁磁参考层304之间的量子力学穿隧。在一些实施例中，上部非磁性阻障层106为非磁性金属。非磁性金属的实例包括但不限于：铜、铝、铅、锡、钛及锌；合金，诸如，黄铜及青铜；以及贵金属，诸如，金及银。
铁磁自由层104能够使其磁化方向在两种稳定磁化状态之间改变，此些稳定磁化状态是沿称作磁体的易磁化轴的轴方向。取决于磁化沿易磁化轴放松至此两种方向中的哪一者，MTJ具有不同电阻，此些电阻对应于储存在记忆体单元中的二进位数据状态。举例而言，在第一状态下(图3A中最右边的第一组箭头)，铁磁自由层104可具有第一磁化方向，在此第一磁化方向上，铁磁自由层104的磁化方向104mL与铁磁参考层304的磁化方向304m平行地对准，借此使铁磁记忆体堆叠300具备相对低的电阻。因此，在此第一状态(或平行状态，“P”)下，化合物自由层100的磁化方向可由铁磁自由层104的磁化方向104mL及超顺磁性自由层102的磁化方向102mL组成。对于第一状态而言，铁磁自由层104的磁化方向104mL与铁磁参考层的磁化方向304m平行地指向。又，在此第一状态下，超顺磁性自由层102具有磁化方向102mL，此磁化方向102mL在由于热相互作用而在时间上随机变化(在如图3A中的虚线环所图示的平面方向上)的同时，保持与铁磁参考层的磁化方向304m平行的磁化分量。此些磁化方向310m、304m、104mL及102mL导致铁磁记忆体堆叠300具有相对低第一电阻，例如，为3千欧至10千欧。
在第二状态下(图3A中最左边的第二组箭头)，铁磁自由层104可具有第一磁化方向，在此第一磁化方向上，铁磁自由层104的磁化与铁磁参考层304的磁化方向304m反平行地对准，借此使铁磁记忆体堆叠300具备相对高的电阻，例如，为6千欧至30千欧。因此，在第二状态下，化合物自由层100的磁化方向可由铁磁自由层104的磁化方向104mH及超顺磁性自由层102的磁化方向102mH组成。对于第二状态而言，铁磁自由层104的磁化方向104mH与铁磁参考层的磁化方向304m反平行地指向。又，在此第二状态下，超顺磁性自由层102具有磁化方向102mH，此磁化方向102mH由于热相互作用而在时间上在面内(x,y)方向上随机变化，但其保持与铁磁参考层的磁化方向304m反平行且与铁磁自由层104的磁化方向104mH平行的磁化分量。此些磁化方向310m、304m、104mH及102mH导致铁磁记忆体堆叠300具有高于第一电阻的第二电阻。
上部非磁性阻障层106(诸如，介电层或非磁性金属层)可将铁磁参考层104与超顺磁性自由层102分离开。上部非磁性阻障层106可包括诸如氧化铝(AlOx)或氧化钛(TiOx)的非晶阻障层或诸如氧化镁(MgO)或尖晶石(例如，MgAl2O4)的结晶阻障层。在大多数实施例中，非磁性阻障层106为薄隧道阻障层，其足够薄以允许电流在超顺磁性自由层102与铁磁自由层
104之间的量子力学穿隧。在一些其他实施例中，上部非磁性阻障层106可为非磁性金属，诸如，钽、钨、钼、铜、铬、镁、铝、铅、锡、钛及锌；合金，诸如，黄铜及青铜；以及贵金属，诸如，金及银，或二维材料，诸如，过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenide，TMD)，如MoS2、WS2等。在一个实施例中，上部非磁性阻障层106及下部非磁性阻障层306可由具有强[001]纹理的结晶或多晶MgO制成，其中上部阻障层的穿隧电阻实质上小于下部阻障层的穿隧电阻(例如，如小于四分的一)。
在一些实施例中，种晶层308包括Ta/Pt或Ru/Pt双层，或由TaN、Mg及Pt制成或由Ta、Ru及Pt制成的三层。在一些实施例中，种晶层可包括NiCr子层。在一些实施例中，种晶层的功能为促进光滑铁磁硬层的生长，此光滑铁磁硬层时常具有强的[111]纹理，此又导致铁磁硬层310的强的垂直磁性各向异性。
在一些实施例中，超顺磁性自由层102直接接触上部非磁性阻障层106，且上部非磁性阻障层106直接接触铁磁自由层104。在一些实施例中，超顺磁性自由层102、上部非磁性阻障层106及铁磁自由层104中的每一者大体上为圆柱形形状且具有大体上相等的直径。在其他实施例中，超顺磁性自由层102、上部非磁性阻障层106及铁磁自由层104中的每一者为正方形形状(具有或不具有圆角)或圆形，且具有自其中心至最外边缘的大体上相等的半径/直径。共同中心轴112线性地分别经过超顺磁性自由层102、上部非磁性阻障层106、铁磁自由层104、铁磁参考层结构302的相应中心部分。超顺磁性自由层102、上部非磁性阻障层
106、铁磁自由层104、铁磁参考层304及铁磁硬层结构310关于共同中心轴112轴向地对称。
应注意，严格对称不是强制性的，且因此在一些实施例中存在大体对称或近似对称。另外，在任何图案化的MTJ中，由于制程限制而会发生大小头。因此，即使存在轴向对称，所有层的半径或横截面亦不需要精确地相同。另外，在一些实施例中，对于铁磁参考层结构302子层而言，不需要维持轴向对称。实情为，参考层结构302子层可延伸超出超顺磁性自由层102、上部非磁性阻障层106及铁磁自由层104的尺寸，且可以非轴向对称的方式如此延伸。
图3B至图3G提供MTJ记忆体单元堆叠实施例的若干实例。在图3B至图3G中每一MTJ堆叠的右边，针对两种数据状态(例如，高电阻(HR)状态及低电阻(LR)状态)，将各种层的磁化方向示为在层旁边。
在图3B中，此图3B对应于图3A的情形，具有在交换耦合层312与铁磁参考层304之间的附加铁磁层314，314反平行(AP)地与铁磁硬层310耦合，但平行地与铁磁参考层304耦合。AP耦合的铁磁硬层314及铁磁参考层304形成了复合磁层，如在图3C中所图示。此复合磁层及铁磁硬层310以反铁磁方式耦合，以使得304、314、312及310共同地形成合成反铁磁体(SAF)。此耦合是由312引起，312可为具有强的Ruderman-Kitel-Kasuya-Yoshida(RKKY)层间交换耦合强度的过渡金属，诸如，钌或铱。在此，SAF中的铁磁层中的一者实际上为复合层(304+314)，且其自身可为分级的或多层的(具有更多层)。其在非磁性阻障层306附近的顶部区域充当参考层，而其在金属夹层312附近的下部区域充当硬层，此硬层亦以反铁磁方式耦合至铁磁硬层310。
图3C更明确地图示出304及314表现为一个复合磁层。此复合层经由交换耦合层312以反铁磁方式耦合至铁磁硬层310，以共同地形成合成反铁磁体(synthetic anti-
ferromagnet，SAF)。此交换耦合是由322引起，322可为过渡金属，诸如，钌或铱，其具有促进经由RKKY层间交换相互作用的强反平行磁耦合的厚度。
图3D为图3C的替代表示，此图3D另外图示在铁磁硬层310下方的种晶层。此种晶层308用以促进铁磁硬层310中的粘附性、光滑性及强的垂直硬磁性各向异性，此可由强<111>纹理引起。此种晶层308可为多层且可含有为Pt、Ta、Ta、CoFeB及NiCr的层。
图3A至图3D均示出其中例如304(或以上所述的含有304的复合层)的参考层的力矩与铁磁硬层的力矩相反的实施例。来自此两个层的磁场很大程度上在复合铁磁自由层104及超顺磁性自由层102附近彼此抵消。(在复合自由层附近很大程度上抵消的场有益于记忆体元件容忍来自外部磁场的干扰。)图3E至图3G图示替代的场抵消方案。在此情形下，铁磁参考层304的力矩在平行方向上与铁磁硬层310的力矩耦合，但在自由层附近，来自此两个层的场很大程度上被第二铁磁硬层330抵消，此第二铁磁硬层330位于超顺磁性自由层102上方，通过单层或多层非磁性金属328与此层分离开。层328不引发与超顺磁性自由层的交换耦合，但确实促进光滑<111>纹理化的第二铁磁硬层的生长。
图3F为图3E的替代表示，具有对间隔物金属层332的明确图示。在一些实施例中，间隔物金属层332可用Ru或Ir制作，但具有引发铁磁硬层310与铁磁参考层304之间的平行RKKY交换耦合的厚度(例如，大致3埃至4埃或者12埃至13埃)。
图3G为图3F的替代表示，在图3G中，复合层包括铁磁参考层304、(可选)间隔物金属层
332及铁磁硬层310。
图4A及图5A示出铁磁记忆体堆叠(诸如，图3A的铁磁记忆体堆叠300)可如何在高电阻状态与低电阻状态之间切换的一些实施例，且反的亦然。特定而言，图4A图示自高电阻状态(图4A的左侧)至低电阻状态(图4A的右侧)的转变；而图5A图示自低电阻状态(图5A的左侧)至高电阻状态(图5A的右侧)的转变。铁磁记忆体堆叠300包括铁磁硬层310、在铁磁硬层310之上的反平行交换耦合层312、在铁磁硬层310之上的铁磁参考层304，及在铁磁参考层304及非磁性阻障层306之上的化合物自由层100。化合物自由层100可包括铁磁自由层104，及在此铁磁自由层104之上的超顺磁性自由层102。上部非磁性阻障层106(诸如，介电层或非磁性金属层或2D材料)可将超顺磁性自由层102与铁磁自由层104分离开，且下部非磁性阻障层306(诸如，介电层)可将铁磁参考层304与铁磁自由层104分离开。
在图4A中，中心曲线图描绘了当铁磁记忆体堆叠300自高电阻状态(曲线图中的时间间隔402，亦参见图4A左侧的铁磁记忆体堆叠)切换至低电阻状态(曲线图中的402，亦参见图
4A右侧的铁磁记忆体堆叠)时，参考层(RL)、铁磁自由层(FFL)及超顺磁性自由层(SPFL)的单位磁化向量Mz的z分量与时间的关系。
在时间402处的高电阻状态下，参考层304具有指向上的磁化方向(304m)，铁磁自由层
104具有指向下的磁化方向104mH，且超顺磁性自由层102具有随机进动的磁化方向102mH，但保持具有与铁磁自由层104的磁化保持平行的磁化分量的磁化方向。因而，超顺磁性自由层
102不稳定其面内方向，但由于在铁磁自由层104与超顺磁性自由层102之间存在偶极耦合，因此在稳定状态下(不在写入过程中)，超顺磁性自由层102的至少一些分量保持与铁磁自由层104的磁化方向连续平行。此确保了正反馈，此正反馈改良了化合物自由层100对数据保留的总体稳定性。
接着，在时间406期间，施加电流密度脉冲iHtoL以使铁磁记忆体堆叠300自高电阻状态
402切换至低电阻状态404。电流密度脉冲iHtoL自超顺磁性自由层102流至铁磁硬层310，此意谓电子(其按惯例与电流方向相反地流动)自铁磁硬层310流动至超顺磁性自由层102。如自第4A中的中心曲线图可见，此电流脉冲iHtoL改变了铁磁自由层104及超顺磁性自由层102的磁化方向，使得超顺磁性自由层102及铁磁自由层104的磁化方向在与参考层304在404期间在低电阻下相同的方向上。在此实例中，对于低电阻状态而言，参考层304、铁磁自由层
104及超顺磁性自由层106的mz各自接近+1(超顺磁性层的mz由于其面内分量而不是完全为+
1)，然而，在其他实施例中，参考层304、铁磁自由层104及超顺磁性自由层102可各自接近-1(仍然是平行的)以给出低电阻状态404。在一些实施例中，iHtoL具有范围为自大致0.5MA-cm-2至大致60MA-cm-2的量值，以及范围为自0.5ns至250ns或更多的写入脉冲持续时间。
尽管STT为基础物理学，但图4A中的化合物自由层100自AP至P状态的此切换的操作机制非常明显地与其他MTJ的机制不同。在时间406期间，观察到，由于自FFL至SPFL的平行定向的入射自旋通量，SPFL首先倾向于沿z轴稳定而不是切换。另一方面，FFL接收来自RL(入射)及SPFL(反射)两者的反平行定向的自旋通量，此有助于触发FFL的切换。来自SPFL的反射自旋通量向量与FFL的磁矩之间的非零角度有助于孵化切换，而来自RL的入射通量的大量值有助于迅速转变。当时间最初进展至区域406时，SPFL的磁化向量与z轴对准，而FFL的磁化向量已移动至接近xy平面或穿过xy平面(亦即，FFL的mz交叉在图4A的中心图中的零)。
此再次导致来自SPFL的自旋通量向量与FFL的磁矩之间的大角度，此使得FFL能够迅速转变为P状态。当FFL穿过x-y平面时，由于FFL而入射在SPFL上的自旋通量改变正负号，此现在导致SPFL磁化向量开始反转方向。此情形进一步由来自FFL的作用于SPFL上的有利偶极场辅助。这共同地导致SPFL的非常急剧的切换。在切换之后(当写入电流仍在流动时)，由于来自FFL的入射通量，SPFL保持完全地沿z轴对准。在区域404中关断脉冲之后，SPFL开始远离z轴放松并由于xy方向上的超顺磁性而随机移动。另外，在SPFL的切换之后但当写入电流仍流动时，作用于FFL上的来自SPFL的反射通量与所需状态反平行，且因此略微减慢了FFL的完全切换，亦即，最后10％至20％。当在区域407中关断脉冲时，由于FFL的各向异性，此切换完成。然而，磁体的切换时间对应于磁体自其易磁化轴切换至最后一次磁化穿过正交平面所花费的时间，且因此FFL切换的最后阶段的减慢并不影响AP至P状态切换的切换时间。总的，对于AP至P状态切换而言，首先SPFL有助于孵化FFL的切换，接着FFL切换，此接着影响SPFL切换，然而，SPFL首先完成其切换，且仅当撤回电激励时FFL才完成切换。
尽管在以上描述中，吾人已主要聚焦于进动(超快速切换，小于约10ns至20ns)方案，但具有化合物自由层100的MTJ铁磁记忆体堆叠300亦可在热方案中(亦即，用于缓慢切换)胜于其他MTJ。
图4B描绘来自刚在图4A中描述的实例的更详细波形，其中MTJ自反平行状态切换至平行状态。在顶部波形中图示沿z、y及x轴的RL层、FFL层及SPFL层的磁化分量；且在底部波形中在对应时间处示出MTJ电压、MTJ电流及MTJ电阻。
图5A的中心曲线图描绘当铁磁记忆体堆叠300自低电阻(平行)状态(曲线图中的时间间隔502，亦参见图5A左侧的铁磁记忆体堆叠300)切换至高电阻(反平行)状态(曲线图中的
504，亦参见图5A右侧的铁磁记忆体堆叠300)时，参考层(RL)、铁磁自由层(FFL)及超顺磁性自由层(SPFL)的磁化方向mz与时间的关系。
在低电阻状态下，参考层304具有指向上的磁化方向(304m)，铁磁自由层104具有指向上的磁化方向104mL，且超顺磁性自由层102具有随机进动的磁化方向102mL，但保持具有与铁磁自由层104的磁化分量保持平行的磁化分量的磁化方向。因而，超顺磁性自由层102不在面内稳定，但在铁磁自由层104与超顺磁性自由层102之间存在偶极耦合，使得在稳定状态下(不在写入过程中)，超顺磁性自由层102的至少一些分量保持与铁磁自由层104的磁化方向连续平行。此确保了正反馈，改良了化合物自由层100对数据保留的总体稳定性。
接着，在时间506期间，施加电流密度脉冲iLtoH以使铁磁记忆体堆叠300自低电阻状态切换至高电阻状态。电流密度脉冲iLtoH自铁磁硬层310流至超顺磁性自由层102，此意谓电子(其按惯例与电流方向相反地流动)自超顺磁性自由层102流动至硬层310。如自中心曲线图可见，此电流脉冲改变了铁磁自由层104及超顺磁性自由层102的磁化方向，使得超顺磁性自由层102及铁磁自由层104的“z”磁化方向与铁磁参考层304反平行。在此实例中，对于高电阻状态而言，参考层304、铁磁自由层104及超顺磁性自由层102的mz各自接近-1(超顺磁性层的mz由于其面内分量而不是完全为-1)，然而，在其他实施例中，铁磁自由层104及超顺磁性自由层102可各自接近+1(仍然是平行的)以给出高电阻状态，前提是其与参考层反平行。在一些实施例中，iLtoH具有范围为自大致0.8MA-cm-2至大致60MA-cm-2的量值，以及范围为自0.5ns至250ns或更多的写入脉冲持续时间。
此MTJ实施例的此P至AP转变的操作机制与其AP至P状态转变不同。在此情形下，在时间区域506中，SPFL接收来自FFL的反平行(反射)自旋通量，且SPFL的磁矩与自旋通量向量成非零角度，其组合有助于迅速地切换SPFL。在506内的此初始时间期间，FFL接收来自SPFL的倾斜-几乎平行定向的入射自旋，并反射来自RL的反平行定向的自旋向量。因为此些自旋向量沿z轴具有相反投影，所以其部分地抵消掉且一定程度地最初抑制FFL的切换。一旦SPFL穿过xy平面，则来自SPFL及RL两者的自旋向量、自旋向量与FFL的磁矩之间的角度以及偶极场皆有利于促进FFL的切换。此迅速地切换FFL，具有超过SPFL的切换的切换。然而，在转变的此阶段，来自FFL的作用于SPFL的偶极场与来自FFL的作用于SPFL的反射自旋通量彼此相对，并争着在相反方向上“拉动”SPFL。因而，只要电激励起作用，SPFL的磁化便保持接近xy平面，且在主要在平面内的方向周围摇晃。当在时间区域504中关断电激励时，自旋通量消失，且来自FFL的作用在SPFL上的偶极场最终将其拉向FFL磁化的方向。总的，对于P至AP状态切换而言，首先FFL有助于孵化SPFL的切换，接着SPFL切换，此接着帮助FFL切换，FFL首先完成其切换，且仅当撤回电激励时SPFL才完成其切换。
图5B描绘更详细波形的实例，MTJ以此波形自平行状态切换至反平行状态。在顶部波形中图示沿z、y及x轴的RL层、FFL层及SPFL层的磁化分量；且在底部波形中在对应时间处示出MTJ电压、MTJ电流及MTJ电阻。
模拟结果比较切换数据状态所需的STT MRAM写入时间与使用含有超顺磁性自由层102的化合物自由层100的铁磁记忆体单元的写入时间，此些模拟结果证实后者明显更快。举例而言，在一些情形下，当将'a'微安的电流脉冲施加至无超顺磁性自由层的习知铁磁记忆体堆叠时，通过磁模型化估计实现切换的最小电流脉冲宽度为大致'b'ns，而在存在超顺磁性自由层的情况下，估计实现切换的最小电流脉冲宽度仅为'0.044b'ns。另外，当将'2a'微安的电流脉冲施加至无超顺磁性自由层的习知铁磁记忆体堆叠时，估计实现切换的最小电流脉冲宽度为大致'c'ns，而在存在超顺磁性自由层的情况下，估计实现切换的最小电流脉冲宽度仅为'0.33c'ns。另外，当将'3a'微安的电流脉冲施加至无超顺磁性自由层的习知铁磁记忆体堆叠时，估计实现切换的最小电流脉冲宽度为大致'd'ns，而在存在超顺磁性自由层的情况下，估计实现切换的最小电流脉冲宽度仅为'0.33d'ns。因此，与习知STT MRAM相比较，超顺磁性自由层改良了电流消耗及/或写入时间。因此，取决于所需的速度折衷，由于写入电流的实质性减小，尤其是对于超快速写入操作而言(否则其需要很大电流密度)，因此可能存在胜于其他STT-MRAM方法的次要益处。在大切换电流密度下，当FFL由于FL的新方向而切换作用在RL上的自旋通量时，注入的自旋及静磁力可能变得足够强以切换RL自身，此现象称为向后切换或回跳。此导致MTJ进入其中参考层及自由层均反转的状态，此状态具有与写入切换脉冲施加之前的原始磁性状态相同的电阻，此为可靠性问题。因而，对于大电流而言，时常可观察到，当电流首先增大时，写入错误率(write error rate，WER)下降，且接着稍后WER提升。因为具有含有超顺磁性子层实施例的化合物自由层的MTJ可以在低得多的电流密度下操作；所以可在达到开始触发向后切换现象的条件之前实现目标低WER。此允许此MTJ实现更佳的WER，而同时维持更稳定且可靠的RL。另外，首先观察到，因为现将较小电流用于切换，所以可使得驱动MTJ的存取晶体管更小，借此节省每一单元的宝贵的硅面积。
另外，因为FFL切换的孵化不依赖于FFL的热波动，而是依赖于SPFL与FFL之间的瞬时非零角度，所以写入时间的随机变化也明显减少，亦即，写入时间分布变得更窄。此实现了更可靠切换及用以驱动切换电流的更少约束的电路设计。
P至AP以及AP至P的切换机制的差别提供了用以控制切换电流或电压的对称性的额外工具。甚至可使得电流对称，或甚至可使得P至AP切换电流小于AP至P切换电流。在习知MTJ中，与AP至P状态切换相比较，P至AP切换耗费更多电流。通常为了帮助P至AP状态切换，通过共同最佳化参考层RL及钉孔层PL而在MTJ堆叠内设计小的杂散场，按照吾人的方向惯例，此杂散场在图4A及图5A中将为沿-z轴。然而，此导致更强的-z轴定向的杂散场作用于RL，此随着RL变得更不稳定而加剧向后切换的问题。因为在SPFL MTJ中，可甚至使P至AP比AP至P更高效，为了使AP至P与P至AP切换电流相当，将使用小的+z轴定向的杂散场。此将导致更强的+z轴定向的场作用于RL，此实际上将抑制MTJ的向后切换问题。因而，可经由MTJ可靠地驱动更大电流密度，以获得更快的写入时间。
现转向图6，吾人论述室温巨集自旋磁性模拟的结果，此些模拟证明通过使用化合物自由层结构改良了读取干扰及保留。此改良是由于超顺磁性自由层的力矩的垂直(z-)分量在两种储存状态下具有相反的z方向，以便改良铁磁自由层在每一情形下的稳定性。此种磁化的层切换z分量并非图10中前四个元件中所示的特征。
在图6中，读取操作实例是在施加“读取”电流的情况下进行，此“读取”电流沿与用于将位元写入平行磁化状态的方向相同的方向流动。在反平行状态下针对位元的读取操作期间，无意中将彼位元写入至平行状态的概率有限。将此无意结果的概率称为读取干扰率(read disturb rate，RDR)，且沿垂直轴绘制针对不同读取电流的RDR值。较高位元稳定性意谓在储存状态下较长的数据保留时间，及较低RDR。图6示出与习知MTJ位元相比较而言，具有化合物自由层结构的情况下针对位元的读取干扰率的比较。进行模拟以估计低至10-3至10-5的RDR的失败率。在彼范围之下，此曲线图使用此些结果与分析公式的拟合来推断读取干扰率的估计值。作为实例，对于5μA的读取电流而言，如垂直点线所指示，习知MTJ将具有10-20的RDR，而具有超顺磁性自由层的化合物自由层的MTJ具有低于10-25的RDR，低100,
000X倍。或者，可利用超顺磁性自由层以在不增大读取干扰率的情况下允许更高写入电流，在此实例中，将利用8μA来维持10-20的RDR。使用更高读取电流可实现更快读取操作。
在图6曲线图上，对零电流下的读取干扰率的比较对应于数据保留改良与含有SPFL子层的化合物自由层的比率。保留率可能减小地相当明显。在此估计中，保留率减小十亿倍以上，对应于数据保留时间增大相同倍数。
另外，将超顺磁性自由层添加在MTJ堆叠的化合物自由层中可用以实现更高温度恒定的MTJ单元且尤其是用以降低高温下的保留错误率。在标准MTJ中，因为磁体在低温下变得较强(磁化及各向异性增加)且在高温下变得较弱(磁化及各向异性减小)，所以更容易在高温下切换FFL且更难以在低温下切换FFL。在不使用偏压调整的情况下，驱动MTJ的存取晶体管自然会在较高温度下提供较大电流且在较低温度下提供较小电流。因而，在传统MTJ单元中，当MTJ已经更容易在高温下切换时，存取晶体管亦能够提供更大电流，此将使得切换更容易，而在低温下时，当更难以切换MTJ时，存取晶体管提供(在没有偏压调整的情况下)更小电流，且因此使得切换更加困难。现在，对于化合物自由层MTJ而言，温度的升高同时削弱FFL及SPFL两者，而温度的降低同时(磁性地)强化SPFL及FFL两者。此温度效应与FFL与SPFL之间的偶极相互作用相结合，倾向于随着温度升高而使SPFL更朝向z轴，且随着温度降低使其朝向x-y平面。因此，FFL与SPFL之间的孵化角度在低温下较大，此在传统上较难切换FL的情况下增大了切换效率。另一方面，由于FFL与SPFL之间的孵化角度在高温下较小，因此在传统上更容易切换FL的情况下，STT效率降低。因此，特别是对于自P状态至AP状态而言，超顺磁性层MTJ(SPFL MTJ)表现出与驱动晶体管的标志温度依赖性相反的标志温度依赖性。
因此，现在，当难以切换MTJ时，存取晶体管提供更大电流，而当更容易切换MTJ时，存取晶体管提供更小电流。此实现了更加热恒定的MTJ单元，且可导致允许更小的单元面积，因为可降低最大写入电流随温度的变化。另外，因为SPFL在高温下更朝向z轴对准，所以使FFL稳定的偶极场的正反馈更强。此有助于阻止FFL的稳定性在高温下降级，此又导致高温下的小得多的保留错误率。另外，其导致随着温度升高自由层的损失稳定性的更缓和的坡度，此又进一步使得设计能够同时实现低的WER及RDR两者的设计目标。
图7图示MRAM集成电路600的一些实施例的横截面图，此MRAM集成电路600包括安置在集成电路600的互连结构604中的铁磁记忆体堆叠300a、300b。举集成电路600包括基板606。
举例而言，基板600可为块体基板(例如，块体硅基板)或绝缘层上硅(SOI)基板。所图示的实施例描绘了一或多个浅沟槽隔离(STI)区域608，其可包括在基板606内的介电质填充的沟槽。
两个字线晶体管610、612安置在STI区域608之间。字线晶体管610、612分别包括字线栅电极614、616；分别包括字线栅极介电质618、620；包括字线侧壁间隔物622；以及包括源极/漏极区域624。源极/漏极区域624被安置在字线栅电极614、616与STI区域608之间的基板
606内，且经掺杂而具有第一导电类型，此第一导电类型与分别在栅极介电质618、620下方的通道区域的第二导电类型相反。举例而言，字线栅电极614、616可为掺杂的多晶硅或金属，诸如，铝、铜或其组合。举例而言，字线栅极介电质608、620可为氧化物(诸如，二氧化硅)，或高介电常数(k)的介电材料。举例而言，字线侧壁间隔物622可由氮化硅(例如，Si3N4)制成。
互连结构604布置在基板606之上并使元件(例如，晶体管610、612)彼此耦合。互连结构
604包括以交替方式彼此分层的多个IMD层626、628、630及多个金属化层632、634、636。举例而言，IMD层626、628、630可由低介电常数的介电质(诸如，未经掺杂的硅酸盐玻璃)或氧化物(诸如，二氧化硅)或极低介电常数的介电层制成。金属化层632、634、636包括金属线638、
640、642，此些金属线638、640、642可形成在沟槽内，且可由诸如铜或铝的金属制成。接触件
644自底部金属化层632延伸至源极/漏极区域624及/或栅电极614、616；且介层孔646在金属化层632、634、636之间延伸。接触件644及介层孔646延伸穿过介电保护层650、652(其可由介电材料制成且可在制造期间充当蚀刻终止层)。举例而言，介电保护层650、652可由极低介电常数的介电材料制成，诸如，SiC。举例而言，接触件644及介层孔646可由金属制成，诸如，铜或钨。
用以储存相应数据状态的MRAM铁磁记忆体堆叠300a、300b布置成在互连结构604内在相邻金属层之间。MRAM铁磁记忆体堆叠300a包括由导电材料制成的底部电极654及顶部电极656。在MRAM铁磁记忆体堆叠300a的顶部电极656与底部电极654之间，MRAM铁磁记忆体堆叠300a包括MTJ。
图8描绘图7的集成电路600的俯视图的一些实施例，如沿图7至图8中所示的切线所指示。可见，在一些实施例中，当自上方观察时，铁磁记忆体堆叠300a、300b可具有正方形(或具有圆角的正方形)或圆形的形状。然而，在其他实施例中，(例如)由于许多蚀刻制程的实用性，所图示的正方形形状的拐角可变圆，导致具有配有圆角的正方形形状或具有圆形形状的MRAM铁磁记忆体堆叠300a、300b。在一些实施例中，MRAM铁磁记忆体堆叠300a、300b分别布置在金属线640之上，且分别具有与金属线642直接电连接的顶部电极656，而在其间无介层孔或接触件。在其他实施例中，介层孔或接触件将顶部电极656耦合至金属线642。
图9图示制造磁性隧道接合堆叠的方法的一些实施例的流程图。
在步骤802处，在晶圆上形成种晶层。在一些实施例中，此步骤可(例如)对应于形成如在图3A中所图示的种晶层308。在一些实施例中，此种晶层可为多层堆叠。
在步骤804处，在种晶层之上形成铁磁硬层。在一些实施例中，此步骤可(例如)对应于形成如在图3A中所图示的铁磁硬层310。在一些实施例中，此铁磁硬层可为多层堆叠。
在步骤806处，在硬的铁磁硬层310之上形成金属夹层(通常为交换耦合夹层，其包括能提供反平行(反铁磁)交换耦合的厚度(例如，约3埃至5埃或8埃至10埃)的Ru或Ir。在一些实施例中，此步骤可(例如)对应于形成如在图3A中所图示的金属反平行交换耦合夹层312。
在步骤808处，在金属夹层之上形成铁磁参考层，此铁磁参考层可甚至为复合层，或铁磁参考层、间隔物及另一硬铁磁层的多层集合。在一些实施例中，此步骤可(例如)对应于形成如在图3A中所图示的铁磁参考层304。
在步骤810处，在铁磁参考层之上形成下部非磁性阻障层。在一些实施例中，此步骤可(例如)对应于形成如在图3A中所图示的底部非磁性阻障层306。
在步骤812处，在下部非磁性阻障层之上形成铁磁自由层104。在一些实施例中，此步骤可(例如)对应于形成如在图3A中所图示的铁磁自由层104。
在步骤814处，在铁磁自由层之上形成上部非磁性阻障层。在一些实施例中，此步骤可(例如)对应于形成如在图3A中所图示的上部非磁性阻障层106。
在步骤816处，在上部非磁性阻障层之上形成超顺磁性自由层。在一些实施例中，此步骤可(例如)对应于形成如在图3A中所图示的超顺磁性自由层102。
虽然在本文中将图9的流程图800图示并描述为一系列步骤或事件，但将了解，并非在限制意义上解释此些步骤或事件的所示排序。举例而言，一些步骤可以不同次序发生及/或与除了本文所图示及/或描述的步骤或事件之外的其他步骤或事件同时发生。另外，实施本文所述的一或多个态样或实施例并非需要所有图示步骤，且本文中所描绘的一或多个步骤可在一或多个单独的步骤及/或阶段中执行。
应注意，尽管主要在记忆体的上下文中描述本揭示案，但本揭示案亦可应用于自旋逻辑、基于自旋的随机数发生器，及作为计算元素的基于自旋的神经形态计算。在所有此些应用中，吾人依赖于MTJ的原始效能，且如在本揭示案中所述的任何此种MTJ的改良亦适用于此些技术。
因此，在一些实施例中，本揭示案提供一种记忆体元件。此记忆体元件包括化合物自由层结构，此化合物自由层结构包括铁磁自由层、设置于此铁磁自由层上的非磁性阻障层，以及设置于此非磁性阻障层上的超顺磁性自由层。
在其他实施例中，本揭示案提供一种记忆体元件，但是以不同方式提供。此记忆体元件包括具有固定磁化的硬铁磁层。在此硬铁磁层之上安置铁磁自由层。铁磁参考层具有固定磁化，此固定磁化与硬铁磁层的磁化相反。在此铁磁参考层之上安置下部非磁性阻障层。在此下部非磁性阻障层之上安置铁磁自由层。在此铁磁自由层之上安置上部非磁性阻障层。
超顺磁性自由层设置于此上部非磁性阻障层上。
在其他实施例中，本揭示案提供一种集成电路，此集成电路包括半导体基板。在此半导体基板之上安置互连结构，且包括彼此堆叠的多个介电层及多个金属层。此些金属层包括下部金属层及安置在此下部金属层之上的上部金属层。在此上部金属层之上布置磁阻式随机存取记忆体(MRAM)铁磁记忆体堆叠。此MRAM单元包括底部电极，此底部电极被安置在下部金属层之上且与下部金属层电接触。在底部电极的上部表面之上安置磁性隧道接合(MTJ)。此MTJ包括化合物自由层结构，此化合物自由层结构又包括磁性地耦合至自由层的超顺磁性自由层。在此MTJ的上部表面之上安置顶部电极。
根据本揭示案的一些实施方式，一种用于记忆体元件的化合物自由层包括铁磁自由层、设置于铁磁自由层上的非磁性阻障层，以及设置于非磁性阻障层上的第一超顺磁性自由层。非磁性阻障层在与面内方向平行延伸的介面处与铁磁自由层相遇，第一超顺磁性自由层具有磁化分量，磁化分量在面内方向上为超顺磁性的。
于一些实施例中，铁磁自由层具有垂直于介面的磁化轴，且第一超顺磁性自由层具有磁化，磁化在时间上以自磁化轴偏移时变量的角度随机地进动，时变量在进动期间保持大于零度且小于九十度，其中时变量保持磁化方向分量，当处于储存状态下时磁化方向分量保持与磁化轴连续地平行。
于一些实施例中，第一超顺磁性自由层的磁化方向在进动期间变化以表现出随机变化的旋摆，而同时当处在储存状态下时保持磁化分量与铁磁自由层的磁化方向平行。
于一些实施例中，第一超顺磁性自由层直接接触非磁性阻障层，且非磁性阻障层直接接触铁磁自由层。
于一些实施例中，共同中心轴分别线性地穿过铁磁自由层、非磁性阻障层及第一超顺磁性自由层的相应中心部分。
于一些实施例中，铁磁自由层、非磁性阻障层及第一超顺磁性自由层中的每一者为大体上圆柱形形状且具有围绕共同中心轴的大体上相等的半径，或为大体上正方形形状，具有或不具有围绕共同中心轴的圆角。
于一些实施例中，化合物自由层进一步包括设置于第一超顺磁性自由层上的第二超顺磁性自由层，以及设置于第一超顺磁性自由层上且使第一超顺磁性自由层与第二超顺磁性自由层分离开的层间交换耦合层。
根据本揭示案的一些实施方式，一种记忆体元件包括铁磁硬层、复合铁磁参考层、下部非磁性阻障层、铁磁自由层、上部非磁性阻障层、以及超顺磁性自由层。铁磁硬层具有固定磁化向量。复合铁磁参考层安置在铁磁硬层之上，复合铁磁参考层具有固定磁化，固定磁化与铁磁硬层的固定磁化向量相反。下部非磁性阻障层安置在复合铁磁参考层之上。铁磁自由层安置在下部非磁性阻障层之上。上部非磁性阻障层安置在铁磁自由层之上。超顺磁性自由层设置于上部非磁性阻障层上，超顺磁性自由层具有超顺磁性的面内分量。
于一些实施例中，超顺磁性自由层为连续结晶层，其具有在上部非磁性阻障层与超顺磁性自由层的上部表面之间垂直量测的厚度，其中超顺磁性自由层具有大体上相等且范围为自5nm至500nm的一长度、宽度及/或半径，且具有自0.5nm至20nm的一厚度。
于一些实施例中，记忆体元件进一步包括设置于超顺磁性自由层上的第二超顺磁性自由层，以及设置于超顺磁性自由层上且使超顺磁性自由层与第二超顺磁性自由层分离开的金属层间交换耦合层。
于一些实施例中，其中该金属层间交换耦合层包括钌(Ru)或铱(Ir)。
于一些实施例中，共同中心轴分别线性地穿过铁磁硬层、复合铁磁参考层、铁磁自由层、上部非磁性阻障层及超顺磁性自由层的相应中心部分。
于一些实施例中，铁磁硬层、复合铁磁参考层、铁磁自由层、上部非磁性阻障层及超顺磁性自由层中的每一者为圆柱形形状且具有大体上相等的半径。
于一些实施例中，下部非磁性阻障层及上部非磁性阻障层各自包括氧化镁、尖晶石、氧化铝或氧化钛。
于一些实施例中，上部非磁性阻障层包括铜、银、金、钽、钨、钼、铬、锰、过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenide，TMD)或石墨烯。
于一些实施例中，铁磁自由层具有磁化轴，且超顺磁性自由层具有磁化，第一超顺磁性自由层具有磁化，磁化以自磁化轴偏移时变量的时变角度随机地进动，时变量在进动期间保持大于零度且小于九十度，其中时变量变化但保持磁化方向分量，当处于储存状态下时磁化方向分量保持与磁化轴平行。
于一些实施例中，其中力矩在进动期间以时变量变化，以表现出随机旋摆，而同时在处于储存状态下时由于与铁磁自由层的磁性相互作用而保持与磁化轴平行的磁化方向分量。
于一些实施例中，超顺磁性自由层及铁磁自由层各自包括钴及/或铁及/或硼，且上部非磁性阻障层包括氧化镁、氧化铝、氧化钛、铜、银、金、钽、钨、钼、铬、锰、过渡金属二硫化物，或石墨烯。
根据本揭示案的一些实施方式，一种集成电路包括半导体基板、互连结构以及磁阻式随机存取记忆体(MRAM)磁性堆叠结构。互连结构安置在半导体基板之上，且包括彼此堆叠的多个介电层及多个金属层，其中金属层包括下部金属层及安置在下部金属层之上的上部金属层。MRAM磁性堆叠结构被布置在上部金属层之上，MRAM磁性堆叠结构包括底部电极、磁性隧道接合(magnetic tunnel junction，MTJ)，以及顶部电极。底部电极安置在下部金属层之上且与下部金属层电接触。MTJ安置在底部电极的上部表面之上，MTJ包括超顺磁性自由层。顶部电极安置在MTJ的上部表面之上。
于一些实施例中，MTJ包括铁磁硬层、铁磁参考层、下部非磁性阻障层、铁磁自由层，以及上部非磁性阻障层。铁磁硬层在底部电极之上，铁磁硬层具有硬磁化。铁磁参考层安置在铁磁硬层之上，铁磁参考层具有固定磁化，固定磁化与硬磁化相反。下部非磁性阻障层安置在铁磁参考层之上。铁磁自由层安置在下部非磁性阻障层之上。上部非磁性阻障层安置在铁磁自由层之上。超顺磁性自由层使上部非磁性阻障层与顶部电极分离开。
前文概述了若干实施例的特征，使得熟悉此项技艺者可较佳理解本揭示案的态样。熟悉此项技艺者应了解，他们可容易地使用本揭示案作为设计或修改用于实现相同目的及/或达成本文中所介绍的实施例的相同优势的其它制程及结构的基础。熟悉此项技艺者亦应认识到，此些等效构造不脱离本揭示案的精神及范畴，且他们可在不脱离本揭示案的精神及范畴的情况下对本文进行各种改变、代替及替换。