FM3之后形成釘扎層FMl。非磁性層Nl分隔釘扎層FMl與自由磁性層FM2。自由磁 性層FM2可以與作為磁隧穿結(jié)的絕緣體的另一個(gè)非磁性層N2和參考層FM3形成磁隧穿結(jié)。 Nl也可以是絕緣層，以使得FMl和FM2形成第二磁隧穿結(jié)。參考層FM3可以用于讀取器件 的狀態(tài)。參考層FM3與自由磁性層FM2通過非磁性層N2分隔。如上詳細(xì)說明地，各種材料 可以用于制成倒置疊層200的各個(gè)層。另外，層可以具有各種不同厚度。
[0029] 圖3是根據(jù)說明性實(shí)施方式的倒置疊層300的圖示。各層的厚度在納米級（nm)。 另外，顯示了與圖2中的層相關(guān)的FM1、FM2、FM3、Nl和N2層。在倒置疊層300中，磁隧穿 結(jié)層302在底部，垂直極化器304在頂部。在一些實(shí)施方式中，極化器被沉積在磁隧穿結(jié)的 頂上，磁隧穿結(jié)由FM2、N2和FM3層構(gòu)成。在倒置疊層300中，磁隧穿結(jié)層302更接近于襯 底或半導(dǎo)體器件（CMOS)晶片。與例如圖1的在底部具有極化器的非倒置疊層的磁隧穿結(jié) 層相比，磁隧穿結(jié)層302也更光滑。磁隧穿結(jié)層302的光滑度的增大，即粗糙度的減小，減 小了磁隧穿結(jié)層302和周圍層內(nèi)的尖角。具體而言，與非倒置疊層的第二非磁性層相比，第 二非磁性層N2 (308)的光滑度增大。絕緣層內(nèi)的粗糙度影響何時(shí)及在何種情況下磁隧穿擊 穿。倒置疊層300具有更光滑的非磁性層308,其與使用非倒置疊層的正交自旋轉(zhuǎn)移MRAM 器件相比，該更光滑的非磁性層308通過增大擊穿電壓并改進(jìn)磁開關(guān)特性而改進(jìn)了正交自 旋轉(zhuǎn)移MRAM器件的性能。倒置疊層300還可以減小橫跨晶片的器件特性中的變化。Cu(N) 層是可選的層，在多個(gè)實(shí)施方式中不存在這個(gè)層。Cu(N)層形成了到器件的電接觸。這個(gè)觸 點(diǎn)可以是襯底的一部分，例如CMOS驅(qū)動器。Cu (N)層也可以由不同材料制成，例如但不限于 Al、Ta、Cu0
[0030] 圖6A-6D示出了倒置疊層與非倒置疊層的磁隧穿結(jié)層的光滑度之間的區(qū)別。圖6A 和6C是非倒置疊層的透射電子顯微鏡截面。在圖6A和6C中可以以兩個(gè)不同比例來觀看第 二非磁性層MgO 602。圖6B和6D是根據(jù)說明性實(shí)施方式的倒置疊層的透射電子顯微鏡截 面。在圖6B和6D中可以以兩個(gè)不同比例來觀看第二非磁性層MgO 604。將圖6A和6C與 圖6B和6D相比可以見到，第二非磁性層604比第二非磁性層602更光滑?？梢詫gO層的 粗糙度的幅度從非倒置疊層中的2. 9+/-2. 7納米（nm)減小到倒置疊層中的0. 8+/-0. 3nm。 在此，將幅度定義為最小值與最大值之間的垂直距離。MgO層的粗糙度的波長也從非倒置疊 層的33. 1+/-11. Onm減小到倒置疊層中的23. 2+/-14. 6nm。在此，將波長定義為分別在最小 值與最大值和最大值與最小值之間的水平距離的兩倍。粗糙度減小產(chǎn)性較高的器件擊穿電 壓，其導(dǎo)致在寫電壓與擊穿電壓之間較大的間隔。這導(dǎo)致操作過程中器件故障較少的更高 的器件性能。
[0031] 可以借助附加層來性產(chǎn)其他倒置疊層。圖4是根據(jù)說明性實(shí)施方式的具有合成反 鐵磁體極化器404的倒置疊層400的圖示。倒置疊層400類似于圖3中所示的倒置疊層 300。區(qū)別在于垂直極化器304被并入到合成反鐵磁體404中。薄反鐵磁耦合層402在合成 反鐵磁體中建立兩個(gè)鐵磁性層304與405的反平行磁取向。這建立了包括垂直極化器304 的合成反鐵磁體極化器404。在所示示例中，反鐵磁親合層包含舒。在這個(gè)示例中，舒是合 成反鐵磁體中的材料之一，且是在含Ni/Co與含Pd/Co的層之間建立反鐵磁耦合的層。在 其他實(shí)施方式中，可以使用其他合成反鐵磁材料，例如但不限于，鉻、銅等。Cu(N)層是可選 的層，且在多個(gè)實(shí)施方式中不存在這個(gè)層。
[0032] 合成反鐵磁磁體極化器404減小了在倒置疊層400的垂直極化器與自由磁性層 FM2之間的磁相互作用。磁相互作用的降低提高了器件性能，例如但不限于，在切換過程中 (例如寫數(shù)據(jù)）自由層的更均勻的磁化旋轉(zhuǎn)；減小了不希望有的熱引起的切換事件的可能 性（例如擦除或破壞存儲數(shù)據(jù)的波動）。
[0033] 圖5是根據(jù)說明性實(shí)施方式的具有釘扎合成反鐵磁體極化器404的倒置疊層500 的圖示。倒置疊層500類似于圖4中所示的倒置疊層400,但增加了為反鐵磁體的銥錳層 502。在其他實(shí)施方式中，使用了其他的反鐵磁體。反鐵磁體502的添加釘扎住了（pin)合 成反鐵磁體極化器404,給予垂直交換偏置。這使得垂直極化器304在器件使用過程中，針 對不希望出現(xiàn)的退磁，更為硬磁性且更穩(wěn)定。這可以導(dǎo)致較長的器件壽命以及更多的可重 復(fù)性器件操作。Cu(N)層是可選層，且在多個(gè)實(shí)施方式中不存在這個(gè)層。
[0034] 除了使垂直極化器倒置以外，改變Nl層內(nèi)的材料可以影響倒置疊層的特性。圖7 是根據(jù)說明性實(shí)施方式的在頂上沒有極化器的倒置磁隧穿結(jié)700的圖示。Cu(N)層是可選 的層，且在多個(gè)實(shí)施方式中不存在這個(gè)層。倒置磁隧穿結(jié)700包含磁隧穿結(jié)層302,但沒有 垂直極化器。在實(shí)驗(yàn)中，使用平面隧穿效應(yīng)技術(shù)（CIPT)中的電流來測量隧穿磁阻（TMR)。 取決于MgO層的厚度，在與CoFeB自由層的分界面處，具有銅的疊層呈現(xiàn)出55%到69 %的 TMR。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，去除了銅層。TMR顯著增大到157%。下表1總結(jié)了這些發(fā)現(xiàn)。MgO 層的厚度沒有被優(yōu)化，可以借助優(yōu)化的MgO層來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的增大，但這些優(yōu)化不是用于 本發(fā)明的操作的材料。
[0035]
[0036] 表1
[0037] 盡管不限于以下原因，但銅可以在與之共享分界面的CoFeB層中引入其面心立方 (fee)晶體結(jié)構(gòu)。對于最佳TMR，CoFeB的（體心立方）bcc結(jié)構(gòu)是有利的。銅層可以使極化 器和磁隧穿結(jié)磁去耦。在這些實(shí)施方式中，在銅夾層與CoFeB自由層之間的Cu/CoFeB分界 面是電氣性能降低（例如較小的TMR)的原因。使用bcc結(jié)構(gòu)，而不是諸如銅的fee結(jié)構(gòu)， 可以增大堆疊的TMR。另外，使用比CoFeB在更高的溫度處晶化的材料有利于bee結(jié)構(gòu)的 CoFeB的形成，并可以增大TMR。
[0038] 在一個(gè)實(shí)施方式中，銅層由bee非磁性層代替。圖8是根據(jù)說明性實(shí)施方式的倒 置疊層800的圖示。倒置疊層800類似于圖3的倒置疊層300,包含非磁性層Nl。這個(gè)Nl 層的材料可以是多種材料。Cu(N)層是可選的層，且在多個(gè)實(shí)施方式中不存在這個(gè)層。圖9 示出了 Nl層包括銅的一個(gè)示例。在這個(gè)示例中，倒置疊層800與圖3的倒置疊層300相同。 但非磁性層Nl可以由其他材料制成。如上所述，用bee非磁性物質(zhì)代替銅（fee金屬），可 以增大倒置疊層800的TMR。圖10示出了這個(gè)示例。在圖10中，非磁性層Nl包括bee非 磁性材料1002。bee非磁性材料1002與自由磁性層FM2接合（interface)。另外，bee非 磁性材料1002可以支持例如CoFeB層的下面的bee自由磁性層FM2的生長。bee非磁性層 具有長自旋擴(kuò)散長度，使得電流在通過極化器后保持大的垂直自旋極化。下表2總結(jié)了可 以用作bee非磁性材料1002的一些材料。在與這些材料的任意材料一起使用時(shí)，Nl層的 厚度可以小于或約等于用作bee非磁性材料1002的材料的自旋擴(kuò)散長度。
[0039]
[0040] 表 2
[0041] 在另一個(gè)實(shí)施方式中，非磁性層Nl可以由fee和bee材料組成。圖11是根據(jù)說明 性實(shí)施方式的具有fee非磁性層1004和bee非磁性層1002的倒置疊層的圖示。在這個(gè)實(shí) 施方式中，bee非磁性層1002與例如CoFeB的自由磁性層FMl相鄰；fee非磁性層1004與 極化器相鄰。這確保了在夾層/極化器分界面的層具有相同的fee晶體結(jié)構(gòu)，還確保了在 夾層/自由層分界面的層具有相同的bee晶體結(jié)構(gòu)。在這個(gè)實(shí)施方式中可以使用不同fee 和bee材料。表3總結(jié)了可以使用的材料的一些非限制性組合。
[0042]
[0043] 表 3
[0044]