磁性隧道結（MTJ）和方法,以及使用其的磁性隨機存取存儲器（MRAM）與流程

2023-05-14 05:39:06 3

分案申請的相關信息

本案是分案申請。該分案的母案是申請日為2010年4月14日、申請號為201080016318.9、發明名稱為「磁性隧道結(mtj)和方法，以及使用其的磁性隨機存取存儲器(mram)」的發明專利申請案。

本申請案的技術大體上涉及磁性隧道結(mtj)、相關方法，和mtj在磁性隨機存取存儲器(mram)中的使用。

背景技術：

磁性隨機存取存儲器(mram)為非易失性存儲器，其中通過編程磁性隧道結(mtj)來存儲數據。mram是有利的，因為即使當切斷電力時mtj也可用以存儲信息。數據是作為小磁性元素而非電荷或電流而存儲於mtj中。圖1中說明示範性mtj10。數據是根據兩個層之間的磁性定向而存儲於mtj10中：自由層12安置於固定或釘扎層14上方。自由層12和釘扎層14是由鐵磁性材料形成。mtj10是以常規的「底部自旋閥」的配置而加以配置，其中釘扎層14安置於自由層12下方。自由層12與釘扎層14是通過由薄的非磁性電介質層形成的隧道結或勢壘16分離。即使當磁性h場歸因於mtj10的磁滯環路18而為「0」時，自由層12和釘扎層14也可存儲信息。如果將偏置電壓施加於耦合於mtj10的末端上的兩個電極20、22之間，則電子可穿隧通過隧道勢壘16。穿隧電流取決於自由層12與釘扎層14的相對定向。當使用自旋力矩轉移(stt)mtj時，在自由層和釘扎層的自旋對準在p與ap之間切換時的穿隧電流的差被稱為隧道磁阻比(tmr)。

當自由層12的磁性定向與釘扎層14的磁性定向彼此反平行(ap)(在圖1中展示為mtj10′)時，存在第一存儲器狀態(例如，邏輯「1」)。當自由層12的磁性定向與釘扎層14的磁性定向彼此平行(p)(在圖1中展示為mtj10″)時，存在第二存儲器狀態(例如，邏輯「0」)。通過在電流流動通過mtj10時感測電阻，可感測自由層12和釘扎層14的磁性定向以讀取存儲於mtj10中的數據。通過施加磁場以相對於釘扎層14將自由鐵磁性層12的定向改變到p或ap磁性定向，還可將數據寫入和存儲於mtj10中。自由層12的磁性定向可改變，但釘扎層14的磁性定向是固定的。

圖2說明類似於圖1中的mtj10的設計的sttmtj23(被稱為「mtj23」)。mtj23被提供作為mram位單元24的部分以存儲非易失性數據。mram位單元24可以存儲器陣列形式而提供且用作需要電子存儲器的任何類型的系統(例如(作為實例)計算機處理單元(cpu)或基於處理器的系統)的存儲器存儲裝置。提供金屬氧化物半導體(通常為n型mos，即，nmos)存取電晶體26以控制對mtj23的讀取和寫入。存取電晶體26的漏極(d)耦合到mtj23的底部電極22，底部電極22耦合到釘扎層14。寫入線(vwl)耦合到存取電晶體26的柵極(g)。存取電晶體26的源極(s)耦合到電壓源(vs)。位線(vbl)耦合到mtj23的頂部電極20，頂部電極20耦合到自由層12。

當讀取存儲於mtj23中的數據時，針對存取電晶體26激活位線(vbl)以允許電流在電極20、22之間流過mtj23。如通過施加於位線(vbl)上的電壓除以測得的電流所測量的低電阻是與在自由層12與釘扎層14之間的p定向相關聯。較高電阻是與在自由層12與釘扎層14之間的ap定向相關聯。當將數據寫入到mtj23時，通過激活寫入線(vwl)來激活存取電晶體26的柵極(g)。施加位線(vbl)與源線(vs)之間的電壓差。結果，在漏極(d)與源極(s)之間產生寫入電流(i)。如果磁性定向待從ap改變到p，則產生從頂部電極20流動到底部電極22的寫入電流(iap-p)，其在自由層12處誘發自旋轉移力矩(stt)以相對於釘扎層14將自由層12的磁性定向改變到p。如果磁性定向待從p改變到ap，則產生從底部電極22流動到頂部電極20的電流(ip-ap)，其在自由層12處誘發stt以相對於釘扎層14將自由層12的磁性定向改變到ap。

如圖2所說明，由電路供應以將mram位單元24中的mtj23從ap狀態切換到p狀態的寫入電流(i)(iap-p)可多於將mram位單元24中的mtj23從p狀態切換到ap狀態的寫入電流(i)(ip-ap)。此歸因於在mram位單元24中存取電晶體26的源極負載。存取電晶體26的源極負載具有如下效應：為將mtj23從ap狀態切換到p狀態所提供的寫入電流(i)多於為將mtj23從p狀態切換到ap狀態所提供的寫入電流(i)。然而，mtj23的固有磁特性需要相反情況。即，當mtj23用於mram位單元24中(如圖2所說明)時，將mtj23從p狀態切換到ap狀態所需要的寫入電流(i)多於將mtj23從ap狀態切換到p狀態所需要的寫入電流(i)。此通過圖3中的曲線圖30展示，曲線圖30說明作為寫入電流(ic)的函數的mtj23的固有磁特性。如其中所展示，將mtj23從p狀態切換到ap狀態所需要的寫入電流(i)的量(icp-ap)遠大於將mtj23從ap狀態切換到p狀態所需要的寫入電流(i)的量(icap-p)。此呈現設計衝突。一方面，mtj23的固有磁特性將mtj23從p狀態切換到ap狀態所需要的寫入電流(i)多於將mtj23從ap狀態切換到p狀態所需要的寫入電流(i)。然而，當mtj23用於mram位單元24中時，由電路供應以將mtj23從ap狀態切換到p狀態的寫入電流(i)可多於將mtj23從p狀態切換到ap狀態的寫入電流(i)。

總之，由於此設計衝突，mtj23的固有寫入電流特性未對準於當用於mram位單元24中時mtj23的寫入供應電流能力。當mtj23用於mram位單元24中時，需要更多寫入電流以將mtj23從p狀態切換到ap狀態。然而，mram位單元24可提供更多寫入電流以將mtj23從ap狀態切換到p狀態。因此，需要提供一種解決此設計衝突的mtj設計。結果，可實現在使用mram的電路和/或應用中存儲器狀態的更有效的切換。

技術實現要素：

「具體實施方式」中所揭示的實施例包括一種磁性隧道結(mtj)及其形成方法。mtj可用於磁性隨機存取存儲器(mram)位單元中以提供數據的磁性存儲。所述mram位單元包含mtj和存取電晶體。所述mtj包含mtj層結構，所述mtj層結構將隧道勢壘提供於第一電極與第二電極之間。自由層安置於所述第一電極與所述隧道勢壘之間。參考或釘扎層安置於所述第一電極與所述隧道勢壘之間。提供此mram位單元結構會耦合所述存取電晶體的漏極與所述mtj的所述自由層。結果，mram位單元寫入電路可供應或提供更多寫入電流以將所述mtj從平行(p)狀態切換到反平行(ap)狀態。此與將所述自由層安置於所述釘扎層上方且將所述存取電晶體的所述漏極耦合到所述釘扎層的常規mtj設計相反，在所述常規mtj設計中，所述mram位單元可供應較少寫入電流以將所述mtj從p狀態切換到ap狀態。通過將所述釘扎層安置於所述mtj中以使得所述存取電晶體的所述漏極耦合到所述自由層(如本文中所提供)，所述mtj的固有寫入電流特性對準於當用於mram位單元中時所述mtj的寫入供應電流能力。在兩種情況下，將所述mtj從p狀態切換到ap狀態所需要的寫入電流將多於將所述mtj從ap狀態切換到p狀態所需要的寫入電流。結果，與用於mram位單元中的常規mtj設計相比較，可供應更多電流以在所述mram位單元中將所述mtj從p狀態切換到ap狀態。

即使當將所述釘扎層和所述自由層安置於mtj設計中以使得所述存取電晶體的所述漏極耦合到所述自由層時，所述釘扎層的磁化也在給定方向上固定。如果所述釘扎層的所述磁化損失，則所述mtj不能用以保持或存儲信息。在此方面，可使用反鐵磁性材料(afm)來提供afm層。所述afm層將在給定方向上釘扎或固定所述釘扎層的所述磁化。所述afm層直接或間接耦合到所述釘扎層，其通常不是紋理化層。因此，所述afm層還可能不生長，且可能不會堅固地釘扎所述釘扎層的邊緣。此與常規mtj結構相反，在所述常規mtj結構中，afm層在底部處沉積於所述釘扎層下方的紋理化層上。在此方面，本文中所揭示的mtj實施例提供一種具有大於所述自由層的自由層表面區域的釘扎層表面區域的釘扎層。此允許所述afm層的更大表面區域耦合到所述釘扎層。因此，即使所述afm層未堅固地釘扎所述釘扎層的所述邊緣，所述afm層也可充分地釘扎所述釘扎層的足夠內部區域，以保持磁化且充當足夠用於mtj中的給定自由層大小的參考層。如果釘扎層未經提供成具有大於所述自由層的自由層表面區域的釘扎層表面區域，則由所述afm層堅固地釘扎的所述釘扎層的所述表面區域可能不足夠大而不能使所述釘扎層保持磁化和/或不能提供足夠用於所述mtj的參考層以恰當地起作用。

附圖說明

圖1為以平行(p)狀態和反平行(ap)狀態兩者所展示的現有技術中的磁性隧道結(mtj)的說明；

圖2為使用現有技術中的常規mtj設計的示範性mram位單元的圖；

圖3為說明用以將圖2的mtj的狀態從p切換到ap和從ap切換到p的寫入電流的示範性曲線圖；

圖4a為使用提供安置於自由層上方的釘扎層的示範性mtj設計的示範性mram位單元的圖；

圖4b為使用提供安置於釘扎層上方的自由層的示範性mtj設計的示範性mram位單元的圖；

圖5a為可用於圖4a的mram位單元中的mtj的一部分的示範性橫截面的圖；

圖5b為可用於圖4b的mram位單元中的mtj的一部分的示範性橫截面的圖；

圖6a為mtj的一部分的示範性橫截面的圖，所述mtj具有安置於上方的釘扎層且具有大於自由層的長度的長度，且可用於圖4a的mram位單元中；

圖6b為mtj的一部分的示範性橫截面的圖，所述mtj具有安置於下方的釘扎層且具有大於自由層的長度的長度，且可用於圖4b的mram位單元中；

圖7為雙自旋結構mtj的一部分的示範性橫截面的圖，所述雙自旋結構mtj具有安置於上方的釘扎層且具有大於自由層的長度的長度，且可用於圖4a或圖4b的mram位單元中；以及

圖8為雙自旋結構mtj的一部分的另一示範性橫截面的圖，所述雙自旋結構mtj安置於上方且具有大於自由層的長度的長度，且可用於圖4a或圖4b的mram位單元中。

具體實施方式

現參看各圖，描述本發明的若干示範性實施例。詞語「示範性」在本文中用以指「充當實例、例子或說明」。沒有必要將本文中描述為「示範性」的任何實施例均解釋為比其它實施例優選或有利。

「具體實施方式」中所揭示的實施例包括一種磁性隧道結(mtj)及其形成方法。mtj可用於磁性隨機存取存儲器(mram)位單元中以提供數據的磁性存儲。所述mram位單元包含mtj和存取電晶體。所述mtj包含mtj層結構，所述mtj層結構將隧道勢壘提供於第一電極與第二電極之間。自由層安置於所述第二電極與所述隧道勢壘之間。參考或釘扎層安置於所述第一電極與所述隧道勢壘之間。提供此mram位單元結構會耦合所述存取電晶體的漏極與所述mtj的所述自由層。結果，mram位單元寫入電路可供應或提供更多寫入電流以將所述mtj從平行(p)狀態切換到反平行(ap)狀態。此與將所述自由層安置於所述釘扎層上方且將所述存取電晶體的漏極耦合到所述釘扎層的常規mtj設計相反，在所述常規mtj設計中，所述mram位單元可供應較少寫入電流以將所述mtj從p狀態切換到ap狀態。通過將所述釘扎層安置於所述mtj中以使得所述存取電晶體的所述漏極耦合到所述自由層(如本文中所提供)，所述mtj的固有寫入電流特性對準於當用於mram位單元中時所述mtj的寫入供應電流能力。在兩種情況下，將所述mtj從p狀態切換到ap狀態所需要的寫入電流將多於將所述mtj從ap狀態切換到p狀態所需要的寫入電流。結果，與用於mram位單元中的常規mtj設計相比較，可供應更多電流以在所述mram位單元中將所述mtj從p狀態切換到ap狀態。

在此方面，圖4a說明含有示範性mtj42的示範性mram位單元40。為了將數據存儲於mtj42中，mtj42的定向使得存取電晶體的漏極耦合到mtj42的自由層44(與釘扎層46相反)。圖4a中的mtj42經配置以提供安置於自由鐵磁性層44上方的釘扎層46。此與常規mtj設計相反，在所述常規mtj設計中，自由層安置於釘扎層上方(例如在圖2所說明的mtj23中)。此切換型定向解決在mtj的寫入電流特性與使用mtj的mram位單元的寫入電流供應能力之間的上文所提及的設計衝突。所屬領域的技術人員應理解，釘扎層46還可安置於自由鐵磁性層44下方。圖4b展示此示範性實施例。

圖4b說明含有示範性mtj43的示範性mram位單元49。圖4b中的mtj43經配置以提供安置於釘扎層46上方的自由鐵磁性層44。釘扎層46耦合到第一電極48。自由層44耦合到第二電極50。位線(vbl)耦合到第一電極48。存取電晶體54的漏極(d)耦合到第二電極50。自由層44相對於存取電晶體54的漏極的此切換型定向解決在mtj的寫入電流特性與使用mtj的mram位單元的寫入電流供應能力之間的上文所提及的設計衝突。出於論述的目的，將參看圖4a，但所屬領域的技術人員應理解，可使用示範性mram位單元49。

在圖4a中，在此布置中將自由層44安置於釘扎層46下方允許存取電晶體的漏極耦合到mtj42的自由層44(與圖2中所說明的mram位單元24中的釘扎層相反)。結果，將mtj42從p狀態切換到ap狀態所提供的寫入電流可多於將mtj42從ap狀態切換到p狀態所提供的寫入電流。因此，當mtj42用於mram位單元40中時，mtj42的固有寫入電流特性與當用於mram位單元40中時mtj42的寫入電流供應能力兼容或對準。此兼容性或對準意味著：mtj42的固有寫入電流特性將mtj42從p狀態切換到ap狀態所需要的電流多於將mtj42從ap狀態切換到p狀態所需要的電流，而當用於mram位單元40中時mtj42的寫入電流供應能力將mtj42從p狀態切換到ap狀態所提供的電流還可多於將mtj42從ap狀態切換到p狀態所提供的電流。

如圖4a的示範性mram位單元40中所說明，釘扎層46耦合到第一電極48。自由層44耦合到第二電極50。位線(vbl)耦合到第一電極48。存取電晶體54的漏極(d)耦合到第二電極50。存取電晶體44展示為nmos電晶體；然而，可按需要而使用任何類型的電晶體。寫入線(vwl)耦合到存取電晶體54的柵極(g)。存取電晶體54的源極(s)耦合到電壓源(vs)。位線(vbl)耦合到mtj42的第一電極48。當讀取存儲於mtj42中的數據時，激活寫入線(vwl)以激活存取電晶體54來允許電流在第一電極48與第二電極50之間流過mtj42。如通過施加於位線(vbl)上的電壓除以測得的電流所測得的低電阻是與在自由層44與釘扎層46之間的p定向相關聯。較高電阻是與在自由層44與釘扎層46之間的ap定向相關聯。

當將數據寫入到mtj42時，首先確定自由層44和釘扎層46的現有磁性定向。如果需要改變磁性定向以將新數據存儲於mtj42中，則通過將電壓施加於寫入線(vwl)上而激活存取電晶體54的柵極(g)。在漏極(d)與源極(s)之間產生寫入電流。如果mtj42的磁性定向待從p狀態改變到ap狀態，則產生從第一電極48流動到第二電極50的電流(ip-ap)，以在自由層44處誘發自旋轉移力矩(stt)來相對於釘扎層46將自由層44的磁性定向改變到ap。如果mtj42的磁性定向待從ap狀態改變到p狀態，則產生從第二電極50流動到第一電極48的電流(iap-p)，以在自由層44處誘發stt來相對於釘扎層46將自由層44的磁性定向改變到p。

圖5a說明用於圖4a的mram位單元40中的mtj42的示範性橫截面。mtj42中的各層各自具有展示為「l1」的大致相同長度，所述長度可在(作為一實例)1.0納米(nm)與1.0微米(μm)之間。其中，釘扎層60安置於自由層44上方以改變圖4a的mram位單元40中的切換電流流動方向。釘扎層60可被提供作為合成反鐵磁性(saf)釘扎層結構58的部分。此在下文中進一步論述。通過在第二電極50上沉積層堆疊來形成mtj42。可通過濺鍍或離子束沉積來形成mtj42中的各層。在此實施例中，首先將自由層44放置或沉積於第二電極50的頂部上。自由層44具有對於釘扎層60或58的磁矩為p或ap的磁矩。自由層44的磁矩可響應於外部磁場而改變，且在自由層44與釘扎層60或58之間的磁矩的相對定向確定穿隧電流且因此確定隧道勢壘52的電阻。自由層44可形成為具有合適厚度，所述厚度可在(作為一實例)大約1nm與1μm之間。自由層44可由所要的任何合適鐵磁性材料形成。實例包括鈷(co)-鐵(fe)-硼(b)(cofeb)、cofe和鎳(ni)-鐵(nife)。自由層44還可包含複合鐵磁性層。

接下來將薄的介電材料放置或沉積於自由層44上以形成隧道勢壘52，隨後形成釘扎層60或58。隧道勢壘52可形成為具有合適厚度，所述厚度可在(作為一實例)大約1埃與20埃之間。隧道勢壘52可由所要的任何合適介電材料形成。實例包括氧化鎂(mgo)、氧化鋁(alox)和氧化鈦(tiox)。釘扎層60可被提供作為合成反鐵磁性(saf)釘扎層結構58的部分，合成反鐵磁性(saf)釘扎層結構58包含通過耦合層64分離的兩個鐵磁性層60、62。耦合層64可由非磁性或大體上非磁性的基底材料形成以形成非磁性間隔層，其一實例包括釕(ru)。鐵磁性層60、62可包含包括鐵的合金。釘扎層60還可包含單一釘紮鐵磁性層。釘扎層60可由任何合適鐵磁性材料形成且可具有任何合適厚度，所述厚度可在(作為一實例)大約1埃與100埃之間。

反鐵磁性材料(afm)層66在固定方向上直接或間接耦合到釘扎層60。可將afm層66放置或沉積於釘扎層60的頂部上，以在固定方向上固持或「釘扎」釘扎層60的磁矩。afm層66釘扎saf釘扎層結構58的磁化。通過與在給定方向上磁化的鄰近afm層66的交換耦合而在所述給定方向上釘扎釘扎層60或58。afm層66可形成為具有合適厚度，所述厚度可在(作為一實例)大約10埃與10000埃之間。afm層66可由所要的任何合適反鐵磁性材料形成。實例包括鉑-錳(ptmn)和銥-錳(irmn)。

圖5b說明用於圖4b的mram位單元49中的mtj43的示範性橫截面。mtj42中的各層各自具有展示為「l1」的大致相同長度，所述長度可在(作為一實例)1.0納米(nm)與1.0微米(μm)之間。其中，釘扎層60安置於自由層44下方以改變圖4b的mram位單元49中的切換電流流動方向。通過在第一電極48上沉積層堆疊來形成mtj43。可通過濺鍍或離子束沉積來形成mtj43中的各層。

在圖5b中，通過將反鐵磁性材料(afm)66放置或沉積於第一電極48的頂部上，afm層66耦合到第一電極48，以在固定方向上固持或「釘扎」釘扎層60的磁矩。耦合可為直接或間接的。afm層66可形成為具有合適厚度，所述厚度可在(作為一實例)大約10埃與10000埃之間。afm層66可由所要的任何合適反鐵磁性材料形成。實例包括鉑-錳(ptmn)和銥-錳(irmn)。可將釘扎層60放置或沉積於afm66的頂部上以作為合成反鐵磁性(saf)釘扎層結構58的部分。afm層66釘扎saf釘扎層結構58的磁化。接下來將薄的介電材料放置或沉積於釘扎層60上以形成隧道勢壘52，隨後形成自由層44。隧道勢壘52可形成為具有合適厚度，所述厚度可在(作為一實例)大約1埃與20埃之間。隧道勢壘52可由所要的任何合適介電材料形成。實例包括氧化鎂(mgo)、氧化鋁(alox)和氧化鈦(tiox)。鐵磁性層60、62可包含包括鐵的合金。釘扎層60還可包含單一釘紮鐵磁性層。釘扎層60可由任何合適鐵磁性材料形成且可具有任何合適厚度，所述厚度可在(作為一實例)大約1埃與100埃之間。

在此實施例中，將自由層44放置或沉積於隧道勢壘52上方和第二電極50下方。自由層44具有對於釘扎層60或58的磁矩為p或ap的磁矩。自由層44的磁矩可響應於外部磁場而改變，且在自由層44與釘扎層60或58之間的磁矩的相對定向確定穿隧電流且因此確定隧道勢壘52的電阻。自由層44可形成為具有合適厚度，所述厚度可在(作為一實例)大約1nm與1μm之間。自由層44可由所要的任何合適鐵磁性材料形成。實例包括鈷(co)-鐵(fe)-硼(b)(cofeb)、cofe和鎳(ni)-鐵(nife)。自由層44還可包含複合鐵磁性層。

如圖4a和圖4b所說明的示範性實施例中先前所論述，自由層44耦合到存取電晶體54的漏極。此改變圖4a和圖4b的mram位單元40和49中的切換電流流動方向。因此，mram位單元40和49可供應更多寫入電流以分別將mtj42和43從p狀態切換到ap狀態，此還需要更多寫入電流。然而，在圖4a中，afm層66可能不會充分地釘扎saf釘扎層結構58的磁化，使得saf釘扎層結構58可能損失其磁化(尤其在mtj邊緣處)。這是因為afm層66放置或沉積於saf釘扎層結構58的頂部上，其通常不是紋理化層。因此，afm層66無法生長，而在常規mtj結構中可實現所述生長，在所述常規mtj結構中，歸因於釘扎層安置於自由層下方，afm層在底部處沉積於釘扎層下方的紋理化種子層上。因此，在(例如)圖5a的mtj42中，afm層66可能不會堅固地釘扎saf釘扎層結構58的邊緣。如果未堅固地釘扎saf釘扎層結構58，則結果，此可導致操作裕度的損失且甚至導致磁化的損失和存儲於mtj42中的數據的崩潰。

為了解決此問題，圖6a說明mtj設計及其形成方法的替代示範性實施例。如所展示，mtj70被提供作為半導體裸片的部分。為了在固定方向上固定或釘扎釘扎層72的磁化，類似於圖5a的mtj42，使用反鐵磁性材料(afm)來提供afm層78。然而，mtj70提供具有大於自由層76的自由層表面區域的釘扎層表面區域的釘扎層72。在此實施例中，作為一實例，釘扎層72具有大於自由層76的長度的釘扎層長度，使得釘扎層72的橫截面的表面區域大於自由層76的橫截面的表面區域。通過提供具有大於自由層76的自由層表面區域的釘扎層表面區域的釘扎層72，此允許afm層78的更大表面區域放置、沉積或生長於釘扎層72的頂部上。因此，即使afm層78未堅固地釘扎釘扎層72的邊緣，afm層78也可充分地釘扎釘扎層72的足夠內部區域，以保持磁化和/或足夠充當用於mtj70中的給定自由層76大小的參考層。如果釘扎層72不具有大於自由層76的自由層表面區域的釘扎層表面區域，則由afm層78堅固地釘扎的釘扎層72的表面區域可能不足夠大而不能保持其磁化或不能提供足夠用於mtj70的參考層。

大於自由層表面區域的釘扎層表面區域不限於任何特定幾何形狀或物理設計。舉例來說，釘扎層的長度和/或寬度尺寸可大於自由層的長度和/或寬度尺寸，以提供具有大於自由層的表面區域的表面區域的釘扎層。作為另一實例，如果釘扎層和/或自由層的橫截面的結構為圓形或橢圓形，則這些尺寸可包括直徑或半徑、圓周或以上兩者。橢圓具有兩個半徑尺寸，且在釘扎層中所述兩個半徑尺寸中的任一者或兩者可大於在自由層中所述兩個半徑尺寸中的任一者或兩者。如果釘扎層和/或自由層的橫截面的結構為多邊形，則尺寸可包括邊的長度、邊之間的角度、高度和/或寬度，或其任何組合。另外，如果釘扎層和/或自由層的橫截面的結構不同，則只要釘扎層的表面區域大於自由層的表面區域，就可以任何方式來提供尺寸。此情況的一實例將為如下情況：釘扎層的橫截面為橢圓形且自由層的橫截面為多邊形，或釘扎層的橫截面為多邊形且自由層的橫截面為橢圓形。作為實例，對應的尺寸可包括直徑對長度、半徑對長度、直徑對寬度和半徑對寬度。

如圖6a的mtj70中所說明，釘扎層72和自由層76的橫截面為矩形。釘扎層72經提供成具有展示為「l2」的第一長度(在下文中為「釘扎層長度」)。自由層76經提供成具有展示為「l3」的第二長度(在下文中為「自由層長度」)。釘扎層長度l2大於自由層長度l3的長度。在此實施例中，此實現釘扎層72的表面區域大於自由層76的表面區域。釘扎層長度可為所要的任何長度。舉例來說，釘扎層長度可比自由層長度長至少百分之十(10％)。一個示範性實施例將釘扎層長度提供成比自由層長度大大約百分之一百一十(110％)與百分之三百(300％)之間。

可提供變化。舉例來說，在圖6a的mtj70中，第二電極82和/或隧道勢壘74的長度和/或寬度可以與自由層的長度和/或寬度相同或大體上相同的長度和/或寬度放置或沉積於mtj70中，或其可以不同長度和/或寬度放置或沉積於mtj70中。還作為一實例，只要釘扎層72具有大於自由層76的自由層表面區域的釘扎層表面區域，放置於afm層78上方的第一電極83的長度就可為與afm層78、釘扎層72或自由層76的長度和/或寬度相同的、長於或短於afm層78、釘扎層72或自由層76的長度和/或寬度的長度和/或寬度。舉例來說，釘扎層72的在圖6a中展示為「w2」的寬度(在下文中為「釘扎層寬度」)可大於自由層76的在圖6a中展示為「w3」的寬度(在下文中為「自由層寬度」)。作為一實例，釘扎層寬度w2可為120nm，且自由層寬度w3可為100nm。或者，釘扎層寬度與自由層寬度可相同或大體上相同的。釘扎層寬度還可小於自由層，但歸因於放置或沉積技術的約束，大多數設計將提供具有與自由層寬度相同或大體上相同的釘扎層寬度或大於自由層寬度的釘扎層寬度的釘扎層。

所屬領域的技術人員應理解，還可通過上文所論述的類似方法來增強圖4b中的saf釘扎層58的釘扎。圖6b說明mtj結構79的一實施例，其中釘扎層72具有大於自由層76的表面區域的表面區域。通過提供具有大於自由層76的自由層表面區域的釘扎層表面區域的釘扎層72，出於上文所論述的原因，此允許釘扎saf層72的增強的釘扎。大於自由層表面區域的釘扎層表面區域不限於任何特定幾何形狀或物理設計。

圖7和圖8說明也可使用的mtj結構的替代實施例，其包括在圖4a的mram位單元40和圖4b的mram位單元49中。這些mtj結構使用雙自旋結構，藉此使用兩個釘扎層。雙自旋mtj結構提供自由層，所述自由層的切換受來自兩個釘扎層的兩個自旋力矩影響。上文所提供的mtj的先前實例為單自旋結構，藉此僅使用一個釘扎層。雙自旋mtj結構通常允許以小於單自旋mtj結構通常所需要的寫入電流的寫入電流來切換自由層磁化。在圖7和圖8中所說明的雙自旋mtj結構中的每一者中，其各自含有具有大於自由層的表面區域的釘扎層表面區域的至少一個釘扎層，以提供afm層的表面區域來牢固地釘扎所述釘扎層。針對圖6a和圖6b的單自旋mtj70所提供的和上文所描述的所有可能性對於圖7和圖8的雙自旋mtj結構也是可能的。然而，出於此論述的目的，圖4a和圖6a的配置將用作圖7和圖8中所描述的實施例的實例配置。所屬領域的技術人員應理解，圖4b和圖6b還可用作圖7和圖8中所描述的實施例的實例配置。

轉到圖7，說明第一雙自旋mtj84。自由層86和隧道勢壘88被頂部釘扎層90和底部釘扎層92包圍。底部釘扎層92放置或沉積於afm層94(作為一實例，ptmn)上。afm層94放置或沉積於第二電極98的頂部上。自由層86放置或沉積於非磁性間隔層99(作為一實例，ru)上，非磁性間隔層99放置或沉積於底部釘扎層92的頂部上。可以saf釘扎層結構的形式來提供底部釘扎層92。以saf釘扎層結構的形式來提供頂部釘扎層90。afm層100放置或沉積於saf釘扎層結構90的頂部上以在給定方向上釘扎saf釘扎層結構90的磁化。saf釘扎層結構90的釘扎層長度(標記為「l4」)大於自由層86的自由層長度(標記為「l5」)。在此實施例中，此實現saf釘扎層結構90的表面區域大於自由層86的表面區域。saf釘扎層結構90的釘扎層長度可為所要的任何尺寸，且可具有大於自由層86的表面區域的表面區域。一個示範性實施例將saf釘扎層結構90的釘扎層長度提供成比自由層長度大大約百分之一百一十(110％)與百分之三百(300％)之間。還可以單一釘扎層結構的形式來提供頂部釘扎層90。

再次，可提供變化。舉例來說，第二電極98、afm層94、底部釘扎層92、非磁性間隔層99和/或隧道勢壘88中的任一者的長度和/或寬度可以與自由層長度相同或大體上相同的長度和/或寬度放置或沉積於mtj84中，或其可以不同長度和/或寬度放置或沉積於mtj84中。還作為一實例，放置於afm層100的頂部上的第一電極101的長度可為與afm層100、saf釘扎層結構90或自由層86的長度和/或寬度相同的、長於或短於afm層100、saf釘扎層結構90或自由層86的長度和/或寬度的長度和/或寬度。舉例來說，saf釘扎層結構90的在圖7中展示為「w4」的釘扎層寬度可大於自由層86的在圖7中展示為「w5」的自由層寬度。作為一實例，釘扎層寬度w4可為120nm，且自由層寬度w5可為100nm。或者，釘扎層寬度與自由層寬度可為相同或大體上相同的寬度。saf釘扎層結構90的釘扎層寬度還可小於自由層寬度，但歸因於放置或沉積技術的約束，大多數設計將為saf釘扎層結構90和自由層86提供相同或大體上相同的釘扎層寬度，或以大於自由層寬度的釘扎層寬度來提供saf釘扎層結構90。所需要的是具有大於自由層的自由層表面區域的釘扎層表面區域的釘扎層。

圖8說明替代性雙自旋mtj102。在此mtj102中，提供第一隧道勢壘104和第二隧道勢壘106。自由層108直接被第一隧道勢壘104和第二隧道勢壘106包圍。第一隧道勢壘104和第二隧道勢壘106分別直接被頂部釘扎層110和底部釘扎層112包圍。類似於圖7中的mtj設計，底部釘扎層112放置或沉積於afm層114上。afm層114放置或沉積於第二電極118的頂部上。可以saf釘扎層結構或單一釘扎層結構的形式來提供頂部釘扎層110和底部釘扎層112。afm層120放置或沉積於saf釘扎層結構110的頂部上以在給定方向上釘扎saf釘扎層結構110的磁化。saf釘扎層結構110的釘扎層長度(標記為「l6」)在長度上大於自由層108的長度(標記為「l7」)。在此實施例中，此實現saf釘扎層結構110的表面區域大於自由層108的表面區域。saf釘扎層結構110的釘扎層長度可為所要的任何長度，且可無限制地大於自由層長度。然而，一個示範性實施例將saf釘扎層結構110的釘扎層長度提供成比自由層長度大大約百分之一百一十(110％)與百分之三百(300％)之間。

再次，可提供變化。舉例來說，第二電極118、afm層114、底部釘扎層112以及第一隧道勢壘104和第二隧道勢壘106中的任一者的長度和/或寬度可以與自由層的長度和/或寬度相同或大體上相同的長度和/或寬度放置或沉積於mtj102中，或其可以不同長度和/或寬度放置或沉積於mtj102中。還作為一實例，放置於afm層120的頂部上的第一電極121的長度可為與afm層120、saf釘扎層結構110或自由層108的長度和/或寬度相同的、長於或短於afm層120、saf釘扎層結構110或自由層108的長度和/或寬度的長度和/或寬度。另外，saf釘扎層結構110的在圖8中展示為「w6」的釘扎層寬度可大於自由層108的在圖8中展示為「w7」的自由層寬度。作為一實例，寬度w6可為120nm，且寬度w7可為100nm。或者，其寬度可相同或大體上相同。saf釘扎層結構110的寬度還可小於自由層108的寬度，但歸因於沉積技術的約束，大多數設計將在saf釘扎層結構110與自由層108之間提供相同寬度，或提供具有大於自由層108的寬度的寬度的saf釘扎層結構110。所需要的是具有大於自由層的自由層表面區域的釘扎層表面區域的釘扎層。

可對以上mtj結構進行各種修改。可在任何定向或軸線上提供mtj結構，所述定向或軸線包括垂直(如所說明)、水平或成角度。另外，mtj層的橫截面可提供為具有所要的任何形狀，包括矩形、其它多邊形或橢圓形。包括釘扎層和自由層的mtj層可具有不同形狀或結構，所述形狀或結構具有相同或不同尺寸。視各個層的組成和所使用的蝕刻而定，放置或沉積某些層的次序可變化。對於具有長度和/或寬度尺寸的mtj結構，只要釘扎層具有大於自由層的自由層表面區域的釘扎層表面區域，在mtj結構中所提供的層的長度和/或寬度尺寸就可為所要的任何長度和/或寬度且可以相對於其它層的任何長度和/或寬度比。還應認識到，在以上實施例中，層和形成所述層的材料的次序僅為示範性的。另外，儘管在所說明的實施例中支撐結構通常被描繪為圓形或具有圓角，但在替代實施例中，支撐結構可具有不同形狀。此外，在一些實施例中，可放置或沉積和處理其它層(未圖示)以形成mtj裝置的部分或在襯底上形成其它結構。在其它實施例中，這些層可使用替代性沉積、圖案化和蝕刻材料與工藝形成、可以不同次序放置或沉積，或由不同材料構成，這將為所屬領域的技術人員所知曉。

另外，mtj可提供於任何電子裝置中用於存儲數據。mtj裝置可提供於mram位單元和/或mram位單元電路中以存儲數據，其中可將此數據存儲到mtj中、從mtj讀取此數據和/或將此數據寫入到mtj中。根據本文中所揭示的實施例的mtj可包括於或集成於半導體裸片中和/或任何其它裝置中，包括電子裝置。此些裝置的實例包括(但不限於)機頂盒、娛樂單元、導航裝置、通信裝置、個人數字助理(pda)、固定位置數據單元、移動位置數據單元、行動電話、蜂窩式電話、計算機、可攜式計算機、桌上型計算機、監視器、計算機監視器、電視、調諧器、無線電、衛星無線電、音樂播放器、數位音樂播放器、可攜式音樂播放器、視頻播放器、數字視頻播放器、數字視頻光碟(dvd)播放器和可攜式數字視頻播放器。

還應注意，描述在本文中的示範性實施例中的任一者中所描述的操作步驟以提供實例和論述。可以不同於所說明的序列的眾多不同序列來執行所描述的操作。此外，實際上可在許多不同步驟中執行在單一操作步驟中所描述的操作。另外，可組合在示範性實施例中所論述的一個或一個以上操作步驟。應理解，所屬領域的技術人員將容易明白，在流程圖中所說明的操作步驟可經受眾多不同修改。所屬領域的技術人員還應理解，可使用多種不同技術和技藝中的任一者來表示信息和信號。舉例來說，可通過電壓、電流、電磁波、磁場或磁性粒子、光場或光學粒子或其任何組合來表示可在整個以上描述中所參考的數據、指令、命令、信息、信號、位、符號和碼片。

提供對本發明的先前描述以使所屬領域的技術人員能夠製造或使用本發明。在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，所屬領域的技術人員將容易明白對本發明的各種修改，且本文中所界定的一般原理可適用於其它變化。因此，本發明無意限於本文中所描述的實例和設計，而是將賦予本發明與本文中所揭示的原理和新穎特徵一致的最廣範圍。