專利名稱：磁性結(jié)、磁存儲器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性結(jié)、磁存儲器及其方法。
背景技術(shù)：
由于其高讀/寫速度、良好耐久性、非易失性和操作期間的低功耗的潛力，磁存儲器，特別是磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)，已經(jīng)受到越來越多的注意。MRAM能夠使用磁材料作為信息記錄介質(zhì)來存儲信息。一種類型的MRAM是自旋轉(zhuǎn)移矩隨機(jī)存取存儲器(STT-RAM)。 STT-RAM利用磁性結(jié)，該磁性結(jié)通過被驅(qū)動(dòng)流經(jīng)磁性結(jié)的電流而至少部分地被寫入。被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過磁性結(jié)的自旋極化電流施加自旋矩在磁性結(jié)中的磁矩上。結(jié)果，具有響應(yīng)自旋矩的磁矩的層可以轉(zhuǎn)換到期望的狀態(tài)。例如，圖1示出常規(guī)磁隧道結(jié)(MTJ) 10，其可以使用在常規(guī)STT-RAM中。常規(guī)MTJ 10通常位于底接觸11上，使用常規(guī)籽晶層(或多個(gè)籽晶層)12并包括常規(guī)反鐵磁(AFM)層 14、常規(guī)被釘扎層16、常規(guī)隧穿勢壘層18、常規(guī)自由層20和常規(guī)覆蓋層22。頂接觸M也被示出。常規(guī)接觸11和M用于在電流垂直于平面(CPP)方向上或沿如圖1所示的ζ軸驅(qū)動(dòng)電流。常規(guī)籽晶層12通常用于幫助具有期望晶體結(jié)構(gòu)的后續(xù)層(諸如AFM層14)的生長。常規(guī)隧穿勢壘層18是非磁性的，并例如為薄絕緣體諸如MgO。常規(guī)被釘扎層16和常規(guī)自由層20是磁性的。常規(guī)被釘扎層16的磁化17通常通過與AFM層14的交換偏置相互作用而被固定或釘扎在特定方向。盡管示出為單一(單個(gè))層，但是常規(guī)被釘扎層16可以包括多個(gè)層。例如，常規(guī)被釘扎層16可以是綜合反鐵磁 (SAF)層，包括通過薄導(dǎo)電層(諸如Ru)反鐵磁耦合的磁性層。在這樣的SAF中，可以使用交插以Ru的薄層的多個(gè)磁性層。在另一實(shí)施例中，跨過Ru層的耦合可以是鐵磁的。此外， 常規(guī)MTJ 10的其他形式可以包括通過額外的非磁性勢壘層或?qū)щ妼?未示出)與自由層 20分隔開的額外被釘扎層(未示出)。常規(guī)自由層20具有可改變的磁化21。盡管示出為單一層，但是常規(guī)自由層20還可以包括多個(gè)層。例如，常規(guī)自由層20可以是包括通過薄導(dǎo)電層諸如Ru反鐵磁或鐵磁地耦合的磁性層的綜合層。盡管示出為平面內(nèi)，但是常規(guī)自由層20的磁化21可以具有垂直各向異性。因此，被釘扎層16和自由層20可以具有它們的分別取向?yàn)榇怪庇趯拥钠矫娴拇呕?7和21。為了轉(zhuǎn)換常規(guī)自由層20的磁化21，電流垂直于平面(在ζ方向上)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)足夠的電流從頂接觸M驅(qū)動(dòng)到底接觸11時(shí)，常規(guī)自由層20的磁化21可以轉(zhuǎn)換為平行于常規(guī)被釘扎層16的磁化17。當(dāng)足夠的電流從底接觸11驅(qū)動(dòng)到頂接觸M時(shí)，自由層的磁化21 可以轉(zhuǎn)換為反平行于被釘扎層16的磁化。磁組態(tài)的差異對應(yīng)于不同的磁致電阻，從而對應(yīng)于常規(guī)MTJ 10的不同邏輯狀態(tài)(例如，邏輯“0”和邏輯“1”)。當(dāng)用于STT-RAM應(yīng)用中時(shí)，期望常規(guī)MTJ 10的自由層21以相對低的電流來轉(zhuǎn)換。 臨界轉(zhuǎn)換電流(IJ是在平衡取向附近的自由層磁化21的無窮小進(jìn)動(dòng)變得不穩(wěn)定的最小電流。例如，期望L可以為大約幾mA或更小。此外，期望短的電流脈沖用于以較高的數(shù)據(jù)率來編程常規(guī)磁元件10。例如，期望大約20-30ns或更小的電流脈沖。盡管常規(guī)MTJ 10可以利用自旋轉(zhuǎn)移寫入并使用在STT-RAM中，但是存在缺陷。例如，對于具有可接受的I。o和脈沖寬度的存儲器，寫入錯(cuò)誤率會(huì)高于所期望的。寫入錯(cuò)誤率 (WER)是單元(也就是，常規(guī)磁性結(jié)的自由層20的磁化21)在受到至少等于典型轉(zhuǎn)換電流的電流時(shí)沒有轉(zhuǎn)換的幾率。WER期望為10_9或更小。然而，常規(guī)自由層20通常具有遠(yuǎn)超過該值的WER。此外，已經(jīng)確定，對于較短寫入電流脈沖，WER的改善具有挑戰(zhàn)性。例如，圖2 是示出WER對于不同寬度的脈沖的趨勢的曲線圖50。應(yīng)注意，實(shí)際的數(shù)據(jù)沒有在曲線圖50 中繪出。相反，曲線圖50意在指示趨勢。脈沖寬度對于曲線52、54、56和58從最長到最短。 如從圖50可見，對于較高的脈沖寬度，TOR與寫入電流的關(guān)系曲線具有較高的斜率。因此， 對于相同的脈沖寬度，較高寫入電流的施加可以引起WER的顯著降低。然而，隨著脈沖寬度在曲線M、56和58中縮短，曲線M、56和58的斜率減小。對于減小的脈沖寬度，電流的增加不太可能引起WER的降低。因此，使用常規(guī)MTJlO的存儲器會(huì)具有不可接受的高WER，該高WER不能通過寫入電流的增加而補(bǔ)救。已經(jīng)提出各種常規(guī)方案來改善諸如TOR的特性。例如，可以使用磁場輔助轉(zhuǎn)換和/ 或具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)。然而，這些常規(guī)方案的減小WER同時(shí)保持其他特性的能力有限。 例如，可縮放性、能量損耗和/或熱穩(wěn)定性會(huì)受到這些常規(guī)方法的不利影響。除了 TOR之外，對于常規(guī)MTJ 10還會(huì)存在其他的問題。對于具有垂直取向的磁化 17和21的常規(guī)MTJ 10，磁致電阻會(huì)低于具有平面內(nèi)磁化的常規(guī)MTJ 10。結(jié)果，來自常規(guī) MTJ 10的信號會(huì)低于所期望的。這樣的垂直常規(guī)MTJ 10也表現(xiàn)出高的阻尼。因而，轉(zhuǎn)換性能受到不利影響。因此，仍期望改善使用常規(guī)MTJ 10的存儲器的性能。因而，需要一種可以改善基于自旋轉(zhuǎn)移矩的存儲器的性能的方法和系統(tǒng)。這里描述的方法和系統(tǒng)解決了該需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述了提供可用于磁性器件的磁性結(jié)的方法和系統(tǒng)。磁性結(jié)包括被釘扎層、非磁間隔層和自由層。非磁間隔層在被釘扎層與自由層之間。磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫入電流流經(jīng)磁性結(jié)時(shí)自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。被釘扎層和自由層中的至少一個(gè)包括磁性子結(jié)構(gòu)。磁性子結(jié)構(gòu)包括交插以至少一個(gè)插入層的至少兩個(gè)磁性層。每個(gè)插入層包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、鋁氧化物和MgO中的至少一種。磁性層被交換耦合。


圖1示出常規(guī)磁性結(jié)。圖2是示出寫入電流與寫入錯(cuò)誤率的關(guān)系曲線的趨勢的曲線圖。圖3示出磁性子結(jié)構(gòu)的示范性實(shí)施例。圖4示出磁性子結(jié)構(gòu)的另一示范性實(shí)施例。圖5示出磁性子結(jié)構(gòu)的另一示范性實(shí)施例。圖6示出磁性子結(jié)構(gòu)的另一示范性實(shí)施例。圖7示出包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)的示范性實(shí)施例。
圖8示出包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)的另一示范性實(shí)施例。圖9示出包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)的另一示范性實(shí)施例。圖10示出包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)的另一示范性實(shí)施例。圖11示出提供磁性子結(jié)構(gòu)的方法的示范性實(shí)施例。圖12示出用于制造包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)的方法的示范性實(shí)施例。圖13示出在存儲單元(多個(gè)存儲單元)的存儲元件(多個(gè)存儲原件)中使用磁性結(jié)的存儲器的示范性實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式示范性實(shí)施例涉及可用于磁器件諸如磁存儲器的磁性結(jié)以及使用該磁性結(jié)的器件。給出以下的描述使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┎⑹褂帽景l(fā)明，并且該描述在專利申請及其要求的背景下提供。這里描述的一般原理和特征及示范性實(shí)施例的各種修改將是顯而易見的。示范性實(shí)施例主要就在特定實(shí)施方式中提供的特定方法和系統(tǒng)而論進(jìn)行了描述。 然而，這些方法和系統(tǒng)將有效地在其他實(shí)施方式中起作用。措辭諸如“示范性實(shí)施例”、“一個(gè)實(shí)施例”和“另一實(shí)施例”可以指代相同或不同的實(shí)施例以及多個(gè)實(shí)施例。實(shí)施例將關(guān)于具有特定部件的系統(tǒng)和/或器件來描述。然而，系統(tǒng)和/或器件可以包括比所示出的部件更多或更少的部件，可以在部件的布置和類型上進(jìn)行變化而不背離本發(fā)明的范圍。示范性實(shí)施例也將結(jié)合具有特定步驟的具體方法的上下文來描述。然而，方法和系統(tǒng)對于具有不同和/或額外步驟以及與示范性實(shí)施例不一致的不同次序的步驟的其他方法有效地起作用。因此，本發(fā)明并不意圖限制于示出的實(shí)施例，而是符合與這里描述的原理和特征一致的最寬范圍。提供磁性結(jié)以及利用該磁性結(jié)的磁存儲器的方法和系統(tǒng)被描述。示范性實(shí)施例提供了方法和系統(tǒng)，用于提供可用于磁器件中的磁性結(jié)。磁性結(jié)包括被釘扎層、非磁間隔層和自由層。非磁間隔層在被釘扎層與自由層之間。磁性結(jié)配置為使得自由層在寫入電流流過磁性結(jié)時(shí)可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。被釘扎層和自由層中的至少一個(gè)包括磁性子結(jié)構(gòu)。磁性子結(jié)構(gòu)包括交插有至少一個(gè)插入層的至少兩個(gè)磁性層。每個(gè)插入層包括Cr、Ta、 Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、鋁氧化物和MgO中的至少一種。磁性層被交換耦合。示范性實(shí)施例以特定磁性結(jié)和具有特定部件的磁存儲器為背景來描述。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，本發(fā)明與具有與本發(fā)明不一致的其他和/或額外部件和/或其他特征的磁性結(jié)和磁存儲器的使用一致。方法和系統(tǒng)也在對自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象、磁各向異性和其他物理現(xiàn)象的當(dāng)前理解的背景下描述。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，對方法和系統(tǒng)的表現(xiàn)的理論解釋基于對自旋轉(zhuǎn)移、磁各向異性和其他物理現(xiàn)象的該當(dāng)前理解而做出。然而，這里描述的方法和系統(tǒng)不依賴于特定的物理解釋。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員也將容易地理解到，方法和系統(tǒng)在與基板具有特定關(guān)系的結(jié)構(gòu)的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，方法和系統(tǒng)符合其他結(jié)構(gòu)。此外，方法和系統(tǒng)在綜合和/或簡單的特定層的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，這些層可以具有其它結(jié)構(gòu)。 此外，方法和系統(tǒng)在具有特定層的磁性結(jié)和/或子結(jié)構(gòu)的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，具有與方法和系統(tǒng)不一致的額外和/或其他層的磁性結(jié)和/或子結(jié)構(gòu)也可以被使用。另外，特定部件被描述為磁性的、鐵磁的和亞鐵磁的。這里使用時(shí)，術(shù)語磁性可以包括鐵磁性、亞鐵磁性或類似的結(jié)構(gòu)。因此，這里使用過時(shí)，術(shù)語“磁性”或“鐵磁性”包括但不限于鐵磁體和亞鐵磁體。方法和系統(tǒng)也在單個(gè)磁性結(jié)和子結(jié)構(gòu)的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，方法和系統(tǒng)符合具有多個(gè)磁性結(jié)及使用多個(gè)子結(jié)構(gòu)的磁存儲器的使用一致。此外，這里使用時(shí)，“平面內(nèi)”是基本在磁性結(jié)的一個(gè)或多個(gè)層的平面內(nèi)或與其平行。相反，“垂直”對應(yīng)于基本垂直于磁性結(jié)的一個(gè)或多個(gè)層的方向。圖3示出可用于磁器件例如磁隧道結(jié)(MTJ)、自旋閥或彈道(killistic)磁致電阻結(jié)構(gòu)或其某些組合中的磁性子結(jié)構(gòu)100的示范性實(shí)施例。其中使用磁性子結(jié)構(gòu)100的磁器件可以用于各種應(yīng)用中。例如，磁器件并由此磁性子結(jié)構(gòu)可以使用在磁存儲器諸如STT-RAM 中。為了清晰，圖3沒有按比例。磁性子結(jié)構(gòu)100包括第一鐵磁層110、插入層120和第二鐵磁層130。盡管層110、120和130以特定的取向示出，但是該取向可以在其它實(shí)施例中改變。例如，鐵磁層110可以在磁性子結(jié)構(gòu)100的頂部(離未示出的基板最遠(yuǎn))。鐵磁層110和130可以包括Ni、Fe和Co中的一種或多種，特別地以合金的形式。 在一些實(shí)施例中，鐵磁層Iio和130包括Coi^e。在一些這樣的實(shí)施例中，鐵磁層110和130 由CoFeB構(gòu)成。鐵磁層110和130中的一個(gè)或兩者配置為在室溫是穩(wěn)定的。例如，鐵磁層 110和/或130的磁各向異性能可以為kbT的至少六十倍。在一些實(shí)施例中，鐵磁層110和 /或130的磁各向異性能在室溫(大約三十?dāng)z氏度)為kbT的至少八十倍。此外，層110和 130磁耦合。在一些這樣的實(shí)施例中，層110和130交換耦合。在一些實(shí)施例中，該交換耦合促進(jìn)鐵磁層110和130的磁化(沒有在圖3中示出)的基本平行的取向。在其他實(shí)施例中，交換耦合可以促進(jìn)層110和130的基本反平行或其他相對的取向。在這些實(shí)施例的一些中，層110和/或130可以具有高的垂直各向異性。換句話說，層110和/或130可以是弱平面內(nèi)的。例如，在一些這樣的實(shí)施例中，層110和/或130的垂直各向異性能可以接近但小于平面外(out-of-plane)退磁能(對于大單元接近4 π Ms，對于較小單元由于在邊緣處減小的退磁場而小于4 π Ms)。例如，垂直各向異性能可以為平面外退磁能的至少百分之四十。在一些這樣的實(shí)施例中，垂直各向異性能可以不超過退磁能的百分之九十。在其他的實(shí)施例中，層110和130的磁化都是垂直的。在另一些實(shí)施例中，層110和130的磁化中的一個(gè)或兩者具有平面內(nèi)和垂直于平面的分量。插入層120是位于鐵磁層110與130之間的非磁性層。插入層120可以是導(dǎo)電的。 例如，插入層可以包括諸如Cr、Ta、Ti、W和Ru中的至少一種的材料。在一些這樣的實(shí)施例中，插入層120由Cr、Ta、Ti、W和Ru中的一種構(gòu)成。在其他的實(shí)施例中，插入層120可以是絕緣體諸如鋁氧化物和/或MgO。插入層120可以用于調(diào)整層110和130之間的磁耦合。 插入層120也可以用于改善使用磁性子結(jié)構(gòu)100的磁隧道結(jié)的隧穿磁致電阻(TMR)。磁性子結(jié)構(gòu)100的鐵磁層之間的耦合及利用磁性子結(jié)構(gòu)100的磁隧道結(jié)的TMR可以通過改變插入層120的成分和厚度以及鐵磁層110和130的厚度和成分來調(diào)整。磁性子結(jié)構(gòu)100的特性可以利用插入層120和鐵磁層110和130的組合來調(diào)整。 結(jié)果，其中使用磁性子結(jié)構(gòu)100的磁器件的特性也可以如期望地配置。例如，其中使用磁性子結(jié)構(gòu)100的磁器件的TMR可以由于自由層的改善的晶化以及與隧道結(jié)的晶格匹配而增強(qiáng)，特別是對于具有兩個(gè)勢壘層的隧道結(jié)。轉(zhuǎn)換特性諸如WER和數(shù)據(jù)率可以在其中使用磁性子結(jié)構(gòu)100的磁器件中增強(qiáng)。圖4示出可用于磁器件諸如MTJ、自旋閥或彈道磁致電阻結(jié)構(gòu)或其某些組合中的磁性子結(jié)構(gòu)100’的示范性實(shí)施例。其中使用磁性子結(jié)構(gòu)100’的磁器件可以用于各種應(yīng)用中。例如，磁器件并且因而磁性子結(jié)構(gòu)可以使用在磁存儲器諸如STT-RAM中。為了清晰，圖 4沒有按比例。磁性子結(jié)構(gòu)100’類似于磁性子結(jié)構(gòu)100。因此，類似的部件被類似地標(biāo)記。 因此磁性子結(jié)構(gòu)100’包括類似于第一鐵磁層110、插入層120和第二鐵磁層130的第一鐵磁層110’、插入層120’和第二鐵磁層130’。盡管層110’、120’和130’以特定的取向示出， 但是該取向可以在其他實(shí)施例中改變。例如，鐵磁層110’可以在磁性子結(jié)構(gòu)100’的頂部 (離未示出的基板最遠(yuǎn))。磁性子結(jié)構(gòu)100’配置為使得鐵磁層110’具有弱平面內(nèi)各向異性。因此，層110’ 的垂直各向異性能可以接近但小于平面外退磁能。例如，對于層110’，垂直各向異性能可以平面外退磁能的至少百分之四十。在一些這樣的實(shí)施例中，垂直各向異性能可以不超過退磁能的百分之九十。因此，沒有與層130’的相互作用，鐵磁層110的磁化是平面內(nèi)的。相反，層130’具有高垂直各向異性。因此，垂直各向異性能大于平面外退磁能。在一些實(shí)施例中，垂直各向異性能顯著大于平面外退磁能。例如，在一些實(shí)施例中，垂直各向異性能可以比平面外退磁能大二至四千奧斯特(或更大)。鐵磁層110’和130’可以包括Ni、Fe和Co中的一種或多種，特別是合金的形式。 在一些實(shí)施例中，鐵磁層110’和130’包括某些形式的Coi^e，諸如Cc^eB。例如，在一些實(shí)施例中，鐵磁層110’和/或130’可以包括合金諸如Co!^B、C0Pd、C0Pt、i^Pt的單層和/或多層諸如Co/Pd、Co/Pt、i^/Pt、Co/Ru。鐵磁層110’和130’中的至少一個(gè)配置為在室溫是穩(wěn)定的。例如，鐵磁層110’和/或130’中的一個(gè)或兩個(gè)的磁各向異性能可以為kbT的至少六十倍。在一些實(shí)施例中，鐵磁層110’和/或130’中的一個(gè)或兩個(gè)的磁各向異性能在室溫(大約三十?dāng)z氏度)為kbT的至少八十倍。鐵磁層110’和130’磁耦合。在一些這樣的實(shí)施例中，層110’和130’交換耦合。 磁化的最終結(jié)果也在圖4中示出。鐵磁層110’的磁化112、鐵磁層130’的磁化132和結(jié)構(gòu) 100’的凈磁化102被示出。如圖4中可見，磁化112不是平面內(nèi)的。這是因?yàn)閷?10’和 130’之間的磁耦合。高垂直各向異性能層130’與弱平面內(nèi)層110’磁耦合，使得層110’的磁化112為平面外的(out-of-plane)。因此，磁化112具有平面內(nèi)和垂直于平面的分量。 結(jié)果，磁性結(jié)構(gòu)100’的凈磁矩具有平面內(nèi)和垂直于平面的分量。由于層110’和130’之間的交換耦合，磁性子結(jié)構(gòu)100’的磁化102與ζ軸(正交于磁性子結(jié)構(gòu)100’的平面)成角度Θ。最終結(jié)果是磁性子結(jié)構(gòu)100’的磁化102在與ζ軸成一角度處是穩(wěn)定的。因此，可以實(shí)現(xiàn)改善的轉(zhuǎn)換特性、熱穩(wěn)定性和可縮放性。該初始非零角度允許磁性子結(jié)構(gòu)100’的磁化被自旋轉(zhuǎn)移矩更容易地轉(zhuǎn)換。例如， 磁性子結(jié)構(gòu)100’可以用于MTJ中。對于這樣的磁元件，該特性相應(yīng)于低寫入錯(cuò)誤率。即使在低脈沖寬度(高數(shù)據(jù)率)也可以實(shí)現(xiàn)低WER。特別地，寫入錯(cuò)誤率與寫入電流的關(guān)系曲線的斜率可以保持足夠大，即使對于小于IOns的脈沖寬度。在一些實(shí)施例中，對于10-30ns 或更小的脈沖寬度可以實(shí)現(xiàn)10_9或更小的可接受的寫入錯(cuò)誤率。因此，替代使用諸如外場的機(jī)制的輔助轉(zhuǎn)換，高錯(cuò)誤率的實(shí)質(zhì)因素被解決。因此，當(dāng)用于磁性元件諸如MTJ中時(shí)，即使對于小脈沖寬度，磁性子結(jié)構(gòu)100’也可以具有改善的寫入錯(cuò)誤率。圖5示出可用于磁器件例如MTJ、自旋閥或彈道磁致電阻結(jié)構(gòu)或其某些組合中的磁性子結(jié)構(gòu)100”的示范性實(shí)施例。其中使用磁性子結(jié)構(gòu)100”的磁器件可以用于各種應(yīng)用中。例如，磁器件并且由此磁性子結(jié)構(gòu)可以用于磁存儲器諸如STT-RAM中。為了清晰，圖5 沒有按比例。磁性子結(jié)構(gòu)100”類似于磁性子結(jié)構(gòu)100和100’。因此，類似的部件被類似地標(biāo)記。因此磁性子結(jié)構(gòu)100”包括類似于第一鐵磁層110/110’、插入層120/120’和第二鐵磁層130/130，的第一鐵磁層110”、插入層120”和第二鐵磁層130”。盡管層110”、120”和 130”以特定的取向示出，但是該取向可以在其他的實(shí)施例中改變。例如，鐵磁層110”可以在磁性子結(jié)構(gòu)100”的頂部(離未示出的基板最遠(yuǎn))。磁性子結(jié)構(gòu)100”還包括額外的插入層140和另一鐵磁層150。在示出的實(shí)施例中，層110”和150具有弱平面內(nèi)各向異性。因此，無需贅述，鐵磁層110”和150的磁化是平面內(nèi)的。層130”是強(qiáng)垂直的。在一些實(shí)施例中，層130”比層110”和150厚。例如，層 130”可以具有等于層110”和150的厚度之和的厚度。層110”、130”和150磁耦合。在一些實(shí)施例中，層110”、130”和150交換耦合。此外，層130”在室溫是磁穩(wěn)定的。在一些實(shí)施例中，鐵磁層130”的磁各向異性能在室溫為kbT的至少六十倍。在一些這樣的實(shí)施例中， 鐵磁層130”的磁各向異性能在室溫為kbT的至少八十倍。圖5還分別示出層110”、130”和150的磁化112，、132，和152。此外，磁性子結(jié)構(gòu) 100”的凈磁化102’被示出。磁化112’和152被示出為相同。然而，在其他的實(shí)施例中， 磁化112’和152可以不同。如圖5中可見，磁化112’和152不是平面內(nèi)的。這是由于層 110V150與130”之間的磁耦合。結(jié)果，磁結(jié)構(gòu)100”的凈磁矩102’具有平面內(nèi)和垂直于平面的分量。由于層110”/150與130”之間的交換相互作用，磁性子結(jié)構(gòu)100’的磁化102’ 與ζ軸(正交于磁性子結(jié)構(gòu)100”的平面)成角度θ，。最終結(jié)果是磁性子結(jié)構(gòu)100”的磁化102’穩(wěn)定與ζ軸成一角度處。因此，可以實(shí)現(xiàn)改善的轉(zhuǎn)換特性、熱穩(wěn)定性和可縮放性。磁性子結(jié)構(gòu)100”分享磁性子結(jié)構(gòu)100’的益處。具體地，當(dāng)使用在磁性元件諸如 MTJ中時(shí)，MTJ可以具有低TOR。因此，當(dāng)使用在磁性元件諸如MTJ中時(shí)，磁性子結(jié)構(gòu)100”即使對于較短的脈沖寬度也可以具有改善的寫入錯(cuò)誤率。同時(shí)，磁性子結(jié)構(gòu)100”可以是磁性穩(wěn)定的。圖6示出可用于磁器件例如MTJ、自旋閥或彈道磁致電阻結(jié)構(gòu)或其某些組合中的磁性子結(jié)構(gòu)100”’的示范性實(shí)施例。其中使用磁性子結(jié)構(gòu)100”’的磁器件可以用于各種應(yīng)用中。例如，磁器件并且由此磁性子結(jié)構(gòu)可以使用在磁存儲器諸如STT-RAM中。為了清晰， 圖6沒有按比例。磁性子結(jié)構(gòu)100”’類似于磁性子結(jié)構(gòu)100、100’和100”。因此，類似的部件被類似地標(biāo)記。因此磁性子結(jié)構(gòu)100”’包括類似于第一貼磁層110/110’ /110”、插入層 120/120，/120”、第二鐵磁層130/130，/130”、額外插入層140和額外鐵磁層150的第一鐵磁層110”’、插入層120”’、第二鐵磁層130”’、額外插入層140’和額外鐵磁層150’。盡管層110”’、120”’、130”’、140’和150’以特定的取向示出，但是該取向可以在其他實(shí)施例中改變。例如，鐵磁層130”’可以在磁性子結(jié)構(gòu)100”’的頂部(離未示出的基板最遠(yuǎn))。在磁性子結(jié)構(gòu)100”’中，弱平面內(nèi)層110”’在垂直層130”和150’之間。無需贅述，鐵磁層110”’的磁化是平面內(nèi)的。在一些實(shí)施例中，層110”’厚于層130”’和150’。例如，層110”，可以具有等于層130”，和150，的厚度之和的厚度。層110”，、130”，和150， 磁耦合。在一些實(shí)施例中，層110”，、130”，和150，交換耦合。此外，層130”，和150，在室溫是磁穩(wěn)定的。在一些實(shí)施例中，鐵磁層130”’和/或150’的磁各向異性能在室溫為kbT 的至少六十倍。在其他的實(shí)施例中，鐵磁層110”’、130”’和/或150’的磁各向異性能在室溫為kbT的至少八十倍。圖6還分別示出層110”，、130”，和150，的磁化112”、132”和152，。此外，磁性子結(jié)構(gòu)100”’的凈磁化102”被示出。磁化132”和152’被示出為相同。然而，在其他的實(shí)施例中，磁化132”和152’可以不同。如圖6中可見，磁化112”不是平面內(nèi)的。這是由于層110”，和130”，/150，之間的磁耦合。結(jié)果，磁結(jié)構(gòu)100”，的凈磁矩102”具有平面內(nèi)和垂直于平面的分量。由于層110”和130”’/150’之間的交換相互作用，磁性子結(jié)構(gòu)100”的磁化102”與ζ軸(正交于磁性子結(jié)構(gòu)100”’的平面)成角度θ ”。最終結(jié)果是磁性子結(jié)構(gòu)100”’的磁化102”穩(wěn)定與ζ軸成一角度處。因此，可以實(shí)現(xiàn)改善的轉(zhuǎn)換特性、熱穩(wěn)定性和可縮放性。磁性子結(jié)構(gòu)100”’分享磁性子結(jié)構(gòu)100’的益處。具體地，當(dāng)使用在磁性元件諸如 MTJ中時(shí)，MTJ可以具有低TOR。因此，當(dāng)使用在磁性元件諸如MTJ中時(shí)，磁性子結(jié)構(gòu)100”， 即使對于較短的脈沖寬度也可以具有改善的寫入錯(cuò)誤率。同時(shí)，磁性子結(jié)構(gòu)100”’可以是磁性穩(wěn)定的。圖7示出包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)200的示范性實(shí)施例。為了清晰，圖7沒有按比例。磁性結(jié)200包括被釘扎層210、非磁間隔層220和自由層230。盡管層210,220和230 以特定的取向示出，但是該取向可以在其它實(shí)施例中改變。例如，被釘扎層210可以靠近磁性結(jié)200的頂部(離未示出的基板最遠(yuǎn))。還示出了可選的籽晶層202、可選的釘扎層204 和可選的覆蓋層M0。可選的釘扎層204可以用于固定被釘扎層210的磁化(未示出)。在一些實(shí)施例中，可選的釘扎層204可以是通過交換偏置相互作用來釘扎被釘扎層210的磁化(未示出)的AFM層或多層。然而，在其他的實(shí)施例中，可以省略可選的釘扎層204，或者可以使用另一結(jié)構(gòu)。磁性結(jié)200還配置為允許自由層230在寫入電流流經(jīng)磁性結(jié)200時(shí)在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因此，自由層230是可利用自旋轉(zhuǎn)移矩來轉(zhuǎn)換的。盡管示出為單一層，但是被釘扎層210可以包括多個(gè)層。例如，被釘扎層210可以是包括通過薄層諸如Ru鐵磁耦合或反鐵磁耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用交插以Ru或其他材料的薄層的多個(gè)磁性層。被釘扎層210還可以是其他的多層。盡管磁化沒有在圖7中示出，但是被釘扎層210可以具有超過平面外退磁能的垂直各向異性能。 因此，被釘扎層210可以使其磁矩垂直于平面取向。在其他的實(shí)施例中，被釘扎層210的磁矩是平面內(nèi)的。被釘扎層210的磁化的其他取向也是可能的。間隔層220是非磁性的。在一些實(shí)施例中，間隔層220是絕緣體，例如隧穿勢壘層。 在這樣的實(shí)施例中，間隔層220可以包括晶體MgO，其可以增強(qiáng)磁性結(jié)的TMR。在其他的實(shí)施例中，間隔層可以是導(dǎo)體諸如Cu。在備選的實(shí)施例中，間隔層220可以具有另一結(jié)構(gòu)，例如在絕緣基質(zhì)中包括導(dǎo)電通道的顆粒層。自由層230包括磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，。在一些實(shí)施例中，自由層230由磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，構(gòu)成。由于磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，使用在自由層230中，所以磁性結(jié) 200可以分享磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，的益處。具體地，磁性結(jié)200可以
是熱穩(wěn)定的。此外，自由層230的凈磁化可以與ζ軸成一角度，該角度小于九十度但大于零度。換句話說，自由層230的凈磁化從ζ軸傾斜。因此，自由層230可以更容易使用自旋轉(zhuǎn)移矩來轉(zhuǎn)換。此外，可以降低磁性結(jié)的WER。
圖8示出包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)200’的示范性實(shí)施例。為了清晰，圖8沒有按比例。磁性結(jié)200’類似于磁性結(jié)200。因此，相似的層被類似地標(biāo)記。磁性結(jié)200’包括分別類似于層210,220和230的被釘扎層210，、非磁間隔層220，和自由層230，。盡管層210’、220’和230’以特定的取向示出，但是該取向可以在其他實(shí)施例中改變。例如，被釘扎層210’可以較靠近磁性結(jié)200’的頂部(離未示出的基板最遠(yuǎn))。還示出可選的籽晶層202’、可選的釘扎層204’和可選的覆蓋層M0’，類似于可選的籽晶層202、可選的釘扎層 204和可選的覆蓋層M0。磁性結(jié)200’還配置為使得自由層230’在寫入電流流經(jīng)磁性結(jié) 200’時(shí)在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因此，自由層230’可利用自旋轉(zhuǎn)移矩轉(zhuǎn)換。間隔層220’是非磁性的。在一些實(shí)施例中，間隔層220’是絕緣體，例如隧穿勢壘層。在這樣的實(shí)施例中，間隔層220’可以包括晶體MgO，其可以增強(qiáng)磁性結(jié)的隧穿磁致電阻 (TMI )。在其他的實(shí)施例中，間隔層可以是導(dǎo)體諸如Cu。在備選的實(shí)施例中，間隔層220’可以具有另一結(jié)構(gòu)，例如在絕緣基質(zhì)中包括導(dǎo)電通道的顆粒層。自由層230’可以是單一層或可以包括多個(gè)層。例如，自由層230’可以是包括多個(gè)磁性層的SAF，所述磁性層通過薄層諸如Ru鐵磁耦合或反鐵磁耦合。在這樣的SAF中，可以使用交插以Ru或其他材料的薄層的多個(gè)磁性層。自由層230’還可以是其他多層。盡管磁化沒有在圖8中示出，但是自由層可以具有超過平面外退磁能的垂直各向異性能。被釘扎層210，包括磁性子結(jié)構(gòu)100、100’、100”和/或100”’。在一些實(shí)施例中， 被釘扎層210’由磁性子結(jié)構(gòu)100、100’、100”和/或100”’構(gòu)成。圖9示出包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)200”的示范性實(shí)施例。為了清晰，圖9沒有按比例。磁性結(jié)200”類似于磁性結(jié)200和200’。因此，相似的層被類似地標(biāo)記。磁性結(jié)200” 包括被釘扎層210”、非磁間隔層220”和自由層230”，分別類似于層210/210’、220/220’和 230/230’。盡管層210”、220”和230”以特定的取向示出，但是該取向可以在不同的實(shí)施例中改變。例如，被釘扎層210”可以更靠近磁性結(jié)200”的頂部(離未示出的基板最遠(yuǎn))。還示出了可選的籽晶層202”、可選的釘扎層204”和可選的覆蓋層240”，類似于可選的籽晶層 202/202，、可選的釘扎層204/204，和可選的覆蓋層Μ0/Μ0，。磁性結(jié)200”還配置為允許自由層230”在寫入電流流經(jīng)磁性結(jié)200”時(shí)在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因此，自由層230” 可利用自旋轉(zhuǎn)移矩來轉(zhuǎn)換。被釘扎層210”包括磁性子結(jié)構(gòu)100、100’、100”和/或100”’。在一些實(shí)施例中， 被釘扎層210”由磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，構(gòu)成。間隔層220”是非磁性的。在一些實(shí)施例中，間隔層220”是絕緣體，例如隧穿勢壘層。在這樣的實(shí)施例中，間隔層220”可以包括晶體MgO，其可以增強(qiáng)磁性結(jié)的TMR。在其他的實(shí)施例中，間隔層220”可以是導(dǎo)體諸如Cu。在備選的實(shí)施例中，間隔層220”可以具有另一結(jié)構(gòu)，例如在絕緣基質(zhì)中包括導(dǎo)電通道的顆粒層。自由層230”包括磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，。在一些實(shí)施例中，自由層230”由磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，構(gòu)成。由于磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，使用在自由層230”中，所以磁性結(jié) 200”可以分享磁性子結(jié)構(gòu)100、100’、100”和/或100”，的益處。具體地，磁性結(jié)200”可以
是熱穩(wěn)定的。此外，自由層230”的凈磁化可以與ζ軸成一角度，該角度小于九十度但大于零度。換句話說，自由層230’的凈磁化從ζ軸傾斜。因此，自由層230’可以更容易使用自旋轉(zhuǎn)移矩來轉(zhuǎn)換。此外，可以降低磁性結(jié)的WER。圖10示出包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)200”’的示范性實(shí)施例。為了清晰，圖10沒有按比例。磁性結(jié)200”’類似于磁性結(jié)200、200’和200”。因此，相似的層被類似地標(biāo)記。磁性結(jié)200”，包括被釘扎層210”’、非磁間隔層220”’和自由層230”’，分別類似于層 210/210，/210”、220/220，/220”和 230/230，/230”。磁性結(jié) 200”，還示出為包括可選的層 202”，、204”，和 240”，，分別類似于層 202/202，/202",204/204' /204” 和 240”。還示出額外的非磁間隔層250、額外的被釘扎層260和額外的可選釘扎層270。層250、260和270分別類似于層 220/220，/220”/220”，、210/210，/210”/210”，和 204/204，/204”/204”，。因此，磁性結(jié)200”，是雙磁性結(jié)。盡管層210”，、220”，、230”，、250和洸0以特定的取向示出， 但是該取向可以在不同的實(shí)施例中改變。例如，被釘扎層210”’可以更靠近磁性結(jié)200”’ 的頂部(離未示出的基板最遠(yuǎn))。磁性結(jié)200”’還配置為允許自由層230”’在寫入電流流經(jīng)磁性結(jié)200”’時(shí)在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因此，自由層230”’可利用自旋轉(zhuǎn)移矩來轉(zhuǎn)換。被釘扎層210”，、自由層230”，和/或被釘扎層260包括磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、 100”和/或100”，。在一些實(shí)施例中，被釘扎層210”’、自由層230”，和/或被釘扎層260 由磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，構(gòu)成。由于磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，使用在自由層230”，中，所以磁性結(jié)200”’可以分享磁性子結(jié)構(gòu)100、100’、100”和/或100”’的益處。具體地，磁性結(jié)200”’
可以是熱穩(wěn)定的。此外，自由層230”’的凈磁化可以與ζ軸成一角度，該角度小于九十度但大于零度。換句話說，自由層230”的凈磁化從ζ軸傾斜。因此，自由層230’可以更容易使用自旋轉(zhuǎn)移矩來轉(zhuǎn)換。此外，可以降低磁性結(jié)的WER。圖11示出制造磁性子結(jié)構(gòu)的方法300的示范性實(shí)施例。為了簡單起見，某些步驟可以被省略或合并。方法300在磁性子結(jié)構(gòu)100的背景下來描述。然而，方法300可以使用在其他磁性子結(jié)構(gòu)上，諸如子結(jié)構(gòu)100，、100”和/或100”，。此外，方法300可以結(jié)合到磁存儲器的制造中。因此，方法300可以用于制造STT-RAM或其他的磁存儲器。通過步驟302提供鐵磁層110。步驟302可以包括以鐵磁層110的期望厚度沉積期望的材料。通過步驟304提供插入層120。步驟304可以包括沉積期望的非磁性材料。 此外，期望厚度的材料可以在步驟304中沉積。通過步驟306提供第二鐵磁層。通過步驟 308來可選地重復(fù)提供插入層和另一鐵磁層的步驟。因此，可以提供具有期望數(shù)目的鐵磁層和插入層的磁性子結(jié)構(gòu)。因此，形成磁性子結(jié)構(gòu)100、100’、100”和/或100”’。因此，可以實(shí)現(xiàn)磁性子結(jié)構(gòu)的益處。圖12示出制造包括磁性子結(jié)構(gòu)的磁性結(jié)的方法310的示范性實(shí)施例。為了簡單， 某些步驟可以被省略或合并。方法310在磁性結(jié)200的背景下描述。然而，方法310可以使用在其他磁性結(jié)諸如結(jié)200’、200”和/或200”’上。此外，方法310可以結(jié)合到磁存儲器的制造中。因此方法310可以用于制造STT-RAM或其他磁存儲器。方法310可以在提供籽晶層202和可選釘扎層204之后開始。通過步驟312提供被釘扎層210。步驟S312可以包括以被釘扎層210的期望厚度沉積所需材料。此外，步驟S312可以包括提供SAF。在其他的實(shí)施例中，可以提供磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，。通過步驟S314提供非磁性層220。步驟S314可以包括沉積所需的非磁性材料，包括但不限于晶體MgO。此外，在步驟S314中可以沉積所需厚度的材料。通過步驟S316提供可選地包括磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100”，的自由層 230。通過步驟S318可以提供額外的非磁間隔層，諸如層250。通過步驟S320可以可選地提供額外的被釘扎層諸如層260。然后可以通過步驟S322完成制造。例如，可以提供覆蓋層M0。在其他的實(shí)施例中，可以提供可選的額外釘扎層270。在一些實(shí)施例中，其中磁性結(jié)的層被沉積為堆疊，然后被界定，步驟S322可以包括界定磁性結(jié)200、進(jìn)行退火或者另外地完成磁性結(jié)200/200’的制造。此外，如果磁性結(jié)200/200’被包括到存儲器諸如STT-RAM 中，則步驟S322可以包括提供接觸、偏置結(jié)構(gòu)和存儲器的其他部分。因此，可以實(shí)現(xiàn)磁性結(jié)的益處。此外，磁性結(jié)200、200，、200”和/或200”，可以使用在磁存儲器中。圖13示出一個(gè)這樣的存儲器400的示范性實(shí)施例。磁存儲器400包括讀取/寫入列選擇驅(qū)動(dòng)器402和 406以及字線選擇驅(qū)動(dòng)器404。注意，可以提供其他和/或不同的部件。存儲器400的存儲區(qū)包括磁存儲單元410。每個(gè)磁存儲單元包括至少一個(gè)磁性結(jié)412和至少一個(gè)選擇器件 414。在一些實(shí)施例中，選擇器件414是晶體管。磁性結(jié)412可以是磁性結(jié)200、200’、200” 和/或200”’之一。盡管每個(gè)單元410示出一個(gè)磁性結(jié)412，但是在其他的實(shí)施例中，每個(gè)單元可以提供其他數(shù)目的磁性結(jié)412。因而，磁存儲器400可以分享上述的益處，諸如低的軟錯(cuò)誤率和低的臨界轉(zhuǎn)換電流。已經(jīng)公開了各種磁性子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和100”，以及磁性結(jié)200、200，、200” 和200”’。注意，磁性子結(jié)構(gòu)100、100’、100”和100”’以及磁性結(jié)200、200’、200”和200”’ 的各種特征可以結(jié)合。因此，可以實(shí)現(xiàn)磁性子結(jié)構(gòu)100、100’、100”和100”’以及磁性結(jié)200、 200’、200”和200”’的一個(gè)或多個(gè)益處，諸如降低的寫入錯(cuò)誤率、垂直各向異性、熱穩(wěn)定性和
/或可縮放性。已經(jīng)描述了提供磁性子結(jié)構(gòu)、磁性結(jié)和使用該磁性結(jié)制造的存儲器的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)示出的示范性實(shí)施例描述，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解， 對實(shí)施例可以有改變，且任何變化將在該方法和系統(tǒng)的精神和范圍內(nèi)。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以做出許多修改而不背離權(quán)利要求書的精神和范圍。本申請要求于2010年12月31日提交的美國臨時(shí)專利申請No. 61/429041的權(quán)益， 該申請轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，并通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種用于磁器件的磁性結(jié)，包括被釘扎層；非磁間隔層；和自由層，該非磁間隔層在該被釘扎層與該自由層之間；其中該磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫入電流流經(jīng)該磁性結(jié)時(shí)該自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換；并且其中該被釘扎層和該自由層中的至少一個(gè)包括磁性子結(jié)構(gòu)，該磁性子結(jié)構(gòu)包括交插以至少一個(gè)插入層的至少兩個(gè)磁性層，該至少兩個(gè)磁性層交換耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中該至少兩個(gè)磁性層包括具有弱平面內(nèi)各向異性的第一磁性層和具有高垂直各向異性的第二磁性層。
3.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中該弱平面內(nèi)各向異性包括退磁場減去垂直各向異性，該垂直各向異性小于該退磁場。
4.如權(quán)利要求3所述的磁性結(jié)，其中該垂直各向異性至少為退磁場的0.4倍但不超過該退磁場的0. 9倍。
5.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中該第二鐵磁層包括退磁能和對應(yīng)于該高垂直各向異性的垂直各向異性能，該垂直各向異性能超過該退磁能。
6.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中該磁性子結(jié)構(gòu)具有期望的交換耦合，該插入層具有制作為提供該期望的交換耦合的厚度。
7.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中該至少兩個(gè)磁性層包括第三磁性層，其中該至少一個(gè)插入層包括鄰接該第三磁性層的第二插入層。
8.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中該自由層包括該磁性子結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中該被釘扎層包括該磁性子結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中該被釘扎層和該自由層均包括該磁性子結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，還包括額外非磁性層；和額外被釘扎層；該額外非磁性層位于該自由層與該額外被釘扎層之間。
12.如權(quán)利要求11所述的磁性結(jié)，其中該額外被釘扎層包括額外磁性子結(jié)構(gòu)，該額外磁性子結(jié)構(gòu)具有交插以至少一個(gè)額外插入層的至少兩個(gè)額外磁性層，該至少兩個(gè)額外磁性層交換耦合。
13.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中該至少一個(gè)插入層的每個(gè)包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、 V、Cu、Mg、鋁氧化物和MgO中的至少一種。
14.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中該至少一個(gè)插入層的每個(gè)由Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、 Cu、Mg、鋁氧化物和MgO之一構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中該至少兩個(gè)磁性層的每個(gè)具有退磁場和垂直各向異性，該垂直各向異性小于該退磁場。
16.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中該至少兩個(gè)磁性層的每個(gè)具有退磁場和垂直各向異性，該垂直各向異性大于該退磁場。
17.如權(quán)利要求12所述的磁性結(jié)，其中該至少一個(gè)額外插入層的每個(gè)包括Cr、Ta、Ti、 W、Ru、V、Cu、Mg、鋁氧化物和MgO中的至少一種。
18.—種磁存儲器，包括多個(gè)磁存儲單元，該多個(gè)磁存儲單元的每個(gè)包括至少一個(gè)磁性結(jié)，該至少一個(gè)磁性結(jié)包括被釘扎層、非磁間隔層和自由層，該非磁間隔層位于該被釘扎層與該自由層之間，該磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫入電流流經(jīng)該磁性結(jié)時(shí)該自由層可在多個(gè)穩(wěn)定磁性狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，該被釘扎層和該自由層中的至少一個(gè)包括磁性子結(jié)構(gòu)，該磁性子結(jié)構(gòu)包括交插以至少一個(gè)插入層的至少兩個(gè)磁性層，該至少兩個(gè)磁性層交換耦合；以及多條位線。
19.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該至少兩個(gè)磁性層包括具有弱平面內(nèi)各向異性的第一磁性層和具有高垂直各向異性的第二磁性層。
20.如權(quán)利要求19所述的存儲器，其中該弱平面內(nèi)各向異性包括退磁場減去垂直各向異性，該垂直各向異性小于該退磁場。
21.如權(quán)利要求20所述的存儲器，其中該垂直各向異性至少為退磁場的0.4倍但不超過該退磁場的0.9倍。
22.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該第二鐵磁層包括退磁能和對應(yīng)于該高垂直各向異性的垂直各向異性能，該垂直各向異性能超過該退磁能。
23.如權(quán)利要求19所述的存儲器，其中該磁性子結(jié)構(gòu)具有期望的交換耦合，該插入層具有制作為提供該期望的交換耦合的厚度。
24.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該至少兩個(gè)磁性層包括第三磁性層，其中該至少一個(gè)插入層包括鄰接該第三磁性層的第二插入層。
25.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該自由層包括該磁性子結(jié)構(gòu)。
26.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該被釘扎層包括該磁性子結(jié)構(gòu)。
27.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該被釘扎層和該自由層均包括該磁性子結(jié)構(gòu)。
28.如權(quán)利要求19所述的存儲器，還包括額外非磁性層；和額外被釘扎層，該額外非磁性層位于該自由層與該額外被釘扎層之間。
29.如權(quán)利要求19所述的存儲器，其中該額外被釘扎層包括額外磁性子結(jié)構(gòu)，該額外磁性子結(jié)構(gòu)具有交插以至少一個(gè)額外插入層的至少兩個(gè)額外磁性層，該至少兩個(gè)額外磁性層交換耦合。
30.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該至少一個(gè)插入層的每個(gè)包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、 V、Cu、Mg、鋁氧化物和MgO中的至少一種。
31.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該至少一個(gè)插入層的每個(gè)由Cr、Ta、Ti、W、Ru、 V、Cu、Mg、鋁氧化物和MgO之一構(gòu)成。
32.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該至少兩個(gè)磁性層的每個(gè)具有退磁場和垂直各向異性，該垂直各向異性小于該退磁場。
33.如權(quán)利要求18所述的存儲器，其中該至少兩個(gè)磁性層的每個(gè)具有退磁場和垂直各向異性，該垂直各向異性大于該退磁場。
34.如權(quán)利要求四所述的存儲器，其中該至少一個(gè)額外插入層的每個(gè)包括Cr、Ta、Ti、 W、Ru、V、Cu、Mg、鋁氧化物和MgO中的至少一種。
35.一種提供用于磁器件的磁性結(jié)的方法，包括提供被釘扎層；提供非磁間隔層；以及提供自由層，該非磁間隔層位于該被釘扎層與該自由層之間；其中該磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫入電流流經(jīng)該磁性結(jié)時(shí)該自由層可在多個(gè)穩(wěn)定磁性狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換；并且其中提供被釘扎層的步驟和提供自由層的步驟中的至少一個(gè)包括提供磁性子結(jié)構(gòu)，該磁性子結(jié)構(gòu)包括交插以至少一個(gè)插入層的至少兩個(gè)磁性層，該至少兩個(gè)磁性層交換耦合。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其中該至少一個(gè)插入層的每個(gè)包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、 V、Cu、Mg、鋁氧化物和MgO中的至少一種。
37.如權(quán)利要求35所述的方法，其中該至少一個(gè)插入層的每個(gè)由Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、 Cu、Mg、鋁氧化物和MgO之一構(gòu)成。
38.一種用于磁器件的磁性結(jié)，包括被釘扎層；非磁間隔層；和自由層，該非磁間隔層位于該被釘扎層與該自由層之間；其中該磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫入電流流經(jīng)該磁性結(jié)時(shí)該自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換；并且其中該被釘扎層和該自由層中的至少一個(gè)包括磁性子結(jié)構(gòu)，該磁性子結(jié)構(gòu)包括交插以至少一個(gè)插入層的至少兩個(gè)磁性層，該至少兩個(gè)磁性層交換耦合，該至少兩個(gè)磁性層包括具有弱平面內(nèi)各向異性的第一磁性層和具有高垂直各向異性的第二磁性層，該弱平面內(nèi)各向異性包括第一退磁場減去第一垂直各向異性，該第一垂直各向異性小于該第一退磁場， 該第二鐵磁層包括第二退磁能和對應(yīng)于該高垂直各向異性的第二垂直各向異性能，該第二垂直各向異性能超過該第二退磁能。
39.如權(quán)利要求38所述的磁性結(jié)，其中該第一垂直各向異性至少為該第一退磁場的 0.4 倍。
40.如權(quán)利要求38所述的磁性結(jié)，其中該第一垂直各向異性不超過該第一退磁場的 0. 9 倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁性結(jié)、磁存儲器及其方法。該磁性結(jié)包括被釘扎層、非磁間隔層和自由層。非磁間隔層在被釘扎層與自由層之間。該磁性結(jié)被配置為使得當(dāng)寫入電流流經(jīng)該磁性結(jié)時(shí)自由層可在多個(gè)穩(wěn)定磁性狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。被釘扎層和自由層中的至少一個(gè)包括磁性子結(jié)構(gòu)。該磁性子結(jié)構(gòu)包括交插以至少一個(gè)插入層的至少兩個(gè)磁性層。每個(gè)插入層包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、鋁氧化物和MgO中的至少一種。磁性層交換耦合。
文檔編號H01L43/12GK102544353SQ201110459298
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者D.阿帕爾科夫, V.尼基廷, X.唐 申請人:格蘭迪斯股份有限公司