形成磁性器件的自由層的材料成分、自由層和磁性元件的制作方法【專利摘要】用于形成STT結構體(例如單或雙MTJ結構體)中的自由層的材料成分可包括CoxFeyMz，其中M為幫助形成良好的結晶取向以及所述自由層和MgO界面之間的匹配的非磁性材料。所述材料M可優(yōu)選不偏析至MgO界面，或者如果其偏析至MgO界面，其不顯著降低所述自由層的PMA。所述自由層可進一步包括連接層，其中M在退火期間被吸引至連接層。所述自由層可包括CoxFeyMz的坡度成分，其中z在所述自由層中改變?！緦＠f明】形成磁性器件的自由層的材料成分、自由層和磁性元件[0001]相關申請的交叉引用[0002]本申請是2011年12月5日提交的美國專利申請序列號13/311，308的部分繼續(xù)申請并根據35U.S.C.§120要求其優(yōu)先權，美國專利申請序列號13/311，308是2009年9月15日提交的美國專利申請序列號12/560,362的繼續(xù)申請并要求來自其的優(yōu)先權，將以上美國專利申請各自的內容通過參考全部引入本文。【
技術領域：
】[0003]本文件涉及磁性材料和具有至少一個自由鐵磁性層的結構體?！?br>背景技術：
】[0004]多種磁性材料使用具有至少一個鐵磁性層的多層結構體，所述鐵磁性層配置為其磁方向可通過外部磁場或控制電流改變的“自由”層。磁存儲器件可使用這樣的多層結構體構造，其中基于自由層的磁方向存儲信息。[0005]這樣的多層結構體的一個實例是自旋閥(SV)，其包括至少三個層:兩個鐵磁性層和在所述兩個鐵磁性層之間的傳導層。這樣的多層結構體的另一實例是磁或磁阻隧道結(MTJ)，其包括至少三個層:兩個鐵磁性層和在所述兩個鐵磁性層之間的作為阻擋層的非磁性絕緣體的薄層。用于中間阻擋層的絕緣體不是電傳導性的且因此用作在所述兩個鐵磁性層之間的阻擋物。然而，當所述絕緣體的厚度足夠薄，例如幾納米或更小時，由于在跨越所述阻擋層施加至所述兩個鐵磁性層的偏壓下的隧道效應，所述兩個鐵磁性層中的電子可“穿透”通過所述絕緣體的薄層。[0006]特別地，對跨越所述MTJ或SV結構體的電流的電阻隨著在所述兩個鐵磁性層中的磁化的相對方向而改變。當所述兩個鐵磁性層的磁化彼此平行時，跨越所述MTJ或SV結構體的電阻處于最小值RP。當所述兩個鐵磁性層的磁化彼此反平行時，跨越所述MTJ或SV結構體的電阻處于最大值RAP。該效應的大小通常通過定義為(Rap-Rp)/Rp的在MTJ中的隧道磁阻(TMR)或在SV中的磁阻(MR)表征?！?br/>發(fā)明內容】[0007]本文件公開使用磁性元件的技術、器件和系統(tǒng)，所述磁性元件至少包括:具有垂直各向異性的固定磁性層、非磁性間隔體層、和具有垂直各向異性的自由磁性層，其促進(提升)基本上垂直于所述磁性層的平面的磁化。所述間隔體層存在于固定層和自由層之間。所述磁性元件配置成當寫入電流通過所述磁性元件時容許自由層利用自旋轉移而轉換。[0008]在一個方面中，公開方法和結構體以在多層磁性元件中提供垂直各向異性。在一種實施中，提供固定層以具有固定在基本上垂直于所述固定層的方向上的磁化，在所述固定層上方提供非磁性間隔體層，以及將自由層相對于所述固定層和所述間隔體層定位使得所述間隔體層在所述自由層和固定層之間。所述自由層具有基本上垂直于所述自由層且相對于固定層磁化能改變的自由層磁化。界面層與所述間隔體層接觸且為磁性層。連接層與所述界面層和所述自由層接觸。所述連接層具有如下結構:其提供將所述界面層的磁化保持為基本上垂直于所述界面層的在所述自由層和所述界面層之間的磁耦合，且提供在所述自由層和所述界面層之間的間隔以容許所述自由層和所述界面層具有不同的材料結構。[0009]所述自由層和/或所述固定層配置成具有垂直各向異性。在一些實施中，所述自由層和/或所述固定層可包括鐵磁體(Ni，Fe,Co)100_y(Pd,Pt)y，其中y范圍在20原子％和80原子％之間、或者在50原子％和75原子％之間。[0010]在一些實施中，所述具有垂直各向異性的自由層和/或固定層可包括與非磁性材料組合的鐵磁性材料(Ni，Fe，C0)5Q(Pd，Pt)5Q。在一些實施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一種:T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。在一些實施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一種:B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。在一些實施中，所述非磁性材料可包括T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu的至少一種以及B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物的至少一種。[0011]在一些實施中，所述具有垂直各向異性的自由層和/或固定層可包括與非磁性材料組合的鐵磁性材料N1、Fe、或者至少包括Ni和/或Fe的N1、Fe、和/或Co的合金。在一些實施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一種:T1、Zr、Hf;V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。[0012]在一些實施中，所述具有垂直各向異性的自由層和/或固定層可包括與非磁性材料組合的鐵磁性材料(Ni，Fe,Co)。在一些實施中，所述非磁性材料可包括Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、T1、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd的至少一種、以及T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu的至少一種。在一些實施中，所述非磁性材料可包括Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、T1、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd的至少一種、以及B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物的至少一種。[0013]在一些實施中，所述具有垂直各向異性的自由層和/或固定層可包括與非磁性材料組合的材料Mn和/或至少包括N1、Al、Cr、和/或Fe的材料。在一些實施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一種:T1、Zr、Hf;V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物、或過渡金屬娃化物。[0014]在一些實施中，所述具有垂直各向異性的自由層和/或固定層可包括包含磁性材料層和非磁性材料層的交替層的多層。在一些實施中，所述磁性材料層包括(Ni，Fe，Co)且所述非磁性材料層包括如下的至少一種:T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。在一些實施中，所述磁性材料層包括(Ni,Fe,Co)且所述非磁性材料層包括如下的至少一種:B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。在一些實施中，所述磁性材料層包括(Ni，Fe,Co)50(Pd,Pt)50且所述非磁性材料層包括Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu的至少一種。在一些實施中，所述磁性材料層包括與Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu的至少一種組合的(Ni,Fe,Co)。在一些實施中，所述磁性材料層包括與Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、T1、Zr、Pt、Pd的至少一種組合的(Ni,Fe,Co)且所述非磁性材料層包括Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu的至少一種。在一些實施中，所述磁性材料層包括與B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn的至少一種組合的(Ni,Fe,Co)且所述非磁性材料層包括Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu的至少一種。在一些實施中，所述磁性材料層包括與Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、T1、Zr、Pt、Pd的至少一種組合的(Ni，Fe,Co)且所述非磁性材料層包括如下的至少一種:B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。[0015]在另一方面中，提供器件以包括包含襯底和形成于所述襯底上的磁性元件的磁性元件陣列。各磁性元件包括:固定層，其具有固定在基本上垂直于所述固定層的方向上的固定層磁化；在所述固定層上方的非磁性間隔體層；與所述間隔體層接觸且為磁性層的界面層；與所述界面層接觸的連接層；和與所述連接層接觸的自由層，所述自由層具有基本上垂直于所述自由層且基于自旋扭矩轉移相對于所述固定層磁化能改變的自由層磁化。所述連接層具有如下結構:其提供將所述界面層的磁化保持為基本上垂直于所述界面層的在所述自由層和所述界面層之間的磁耦合，且提供在所述自由層和所述界面層之間的間隔以容許所述自由層和所述界面層具有不同的材料結構。該器件包括電路，其連接到所述磁性元件陣列并供應電流以在基本上垂直于各磁性元件的層的方向上流過所述層，以基于在兩個磁化方向之間的自旋扭矩轉移轉換所述自由層的磁化。[0016]盡管在一些情況下附圖可顯示對于鄰近磁性層布置的界面層的明顯的(不同的，distinct)磁化，但應注意，當存在鄰近磁性層的界面層時，這兩者可強烈地耦合且表現為單一轉換元件。另外，當磁性層(固定的或自由的)與界面層一起實施時，該界面層可有效地變成其鄰近的固定或自由層的一部分，且可因此被看作兩部分自由或固定層(例如，“自由層部分A+自由層部分B”或“固定層部分A+固定層部分B”)，與自由/固定層加單獨的界面層相反。[0017]這些和其它實施在附圖、說明書和權利要求書中更詳細地描述?！緦＠綀D】【附圖說明】[0018]圖1A顯示自旋閥形式的磁性元件的實例。[0019]圖1B顯示自旋隧道結形式的磁性元件的實例。[0020]圖2A和2B描繪擁有在非磁性間隔體下面和上方的固定層的具有垂直各向異性的兩個磁性元件的實例。[0021]圖3A、3B和3C顯示基于一個或多個界面層的具有垂直各向異性的磁性元件的實例。[0022]圖4A、4B和4C顯示基于界面和連接層的具有垂直各向異性的磁性元件的兩個實例。[0023]圖5描繪基于界面和連接層的各自具有垂直各向異性的磁性元件的陣列的器件的實例。[0024]圖6描繪具有連接至位線和隔離器件的垂直各向異性自由層和/或固定層的磁性元件的實例。[0025]圖7描繪圖6中的器件的示例性實施，其說明用垂直各向異性自由層和/或固定層基于自旋轉移扭矩轉換使所述器件運行的電路。[0026]圖8為說明包括鐵(Fe)和硼⑶的自由層的根據其中硼布置在所述自由層內的不同位置處的四種不同配置的原子結構的示意圖。[0027]圖9a和9b為分別說明圖8中所示的四種不同結構各自的各向異性和相對穩(wěn)定性的圖。[0028]圖10為比較圖8的自由層的原子結構和根據本發(fā)明構思的一個實施方式的包含鍺(Ge)的自由層的原子結構的示意圖。[0029]圖lla、llb和Ilc為分別比較圖10中所示結構的各向異性、相對穩(wěn)定性、以及B和Ge濃度的圖。[0030]圖12為比較包括填隙B和Ge的自由層在兩種不同溫度下的各向異性的圖。[0031]圖13為說明具有無定形化劑X的六種不同自由層結構的原子結構的示意圖。[0032]圖14a、14b和14c為對于根據圖13的六種不同結構各自布置的不同的無定形化劑X分別比較各向異性、相對穩(wěn)定性和層濃度的圖。[0033]圖15為比較不同的無定形化劑X在兩種不同溫度下的各向異性的圖。[0034]圖16為顯示根據本發(fā)明構思的實施方式的存儲卡的框圖。[0035]圖17為顯示根據本發(fā)明構思的實施方式的系統(tǒng)的框圖?！揪唧w實施方式】[0036]具有被非磁性間隔體分隔的自由層和固定層的多層磁性元件，當在襯底上整體地生長時，要求鄰近的層的一些材料性質是相容的或匹配，例如晶格結構的匹配。這可限制適合用于形成這樣的結構體的材料的選擇且因此影響所構造的磁性元件的性質。本文件中描述的多層磁性元件的實例具有基本上垂直于自由和固定層的磁化。自由層和固定(參比)層可由若干個鐵磁性層組成以提高TMR比、實現高的STT效率且降低阻尼常數。[0037]下面的部分首先描述磁性元件的結構，然后提供具有基本上垂直的磁化的磁性元件和用于制造所述磁性元件的額外的層的實例。[0038]圖1A和IB描繪形成于襯底I上的示例性磁性元件10和10’。磁性元件10為自旋閥且包括反鐵磁性(AFM)層12、固定層14、傳導性間隔體層16和自由層18。還可使用另外的層例如晶種或覆蓋層。固定層14和自由層18是鐵磁性的。自由層18被描繪為具有能改變的磁化19。自由層18的磁化響應外部磁場、驅動電流、或二者的組合自由旋轉。傳導性間隔體層16是非磁性的。AFM層12用于將固定層14的磁化釘扎(pin)在特定方向上。在后退火之后，鐵磁性層14釘扎有固定磁化15。還描繪了可用于驅動電流通過磁性元件10的頂接觸部(觸頭)20和底接觸部22。[0039]圖1B中描繪的磁性元件10’為磁性隧道結。磁性元件10’包括AFM層12’、具有固定層磁化15’的固定層14’、絕緣阻擋層16’、具有能改變的磁化19’的自由層18’。阻擋層16’足夠薄以使電子在磁性隧道結10’中隧穿。[0040]在對流動跨越MTJ或SV的電流的電阻與處于TMR或MR效應的兩個鐵磁性層之間的相對磁方向之間的關系可用于非易失性磁存儲器件以所述磁性元件的磁性狀態(tài)存儲信息?；赥MR或MR效應的磁性隨機存取存儲器(MRAM)器件例如可為電子RAM器件的替換物且可與電子RAM器件競爭。在這樣的器件中，一個鐵磁性層配置成具有固定磁方向且另一鐵磁性層為其磁方向可變成與固定方向平行或相反且因此作為記錄層運行的“自由”層?；谠谒鯩TJ或SV的阻擋物的兩側上的兩個鐵磁性層的相對磁方向存儲信息。例如，二進位“I”和“O”可記錄為在所述MTJ或SV中的兩個鐵磁性層的平行和反平行定向。在所述MTJ或SV中記錄或寫入位(比特,bit)可通過轉換自由層的磁化方向而實現，所述轉換自由層的磁化方向例如通過由向以交叉條形設置的寫入線供應電流產生的寫入磁場、基于自旋轉移效應通過流過所述MTJ或SV的電流、通過應用寫入磁場和電流兩者的組合、或者通過其它方式。[0041]對于實際的器件應用，將自旋轉移效應用于轉換的磁性隨機存取存儲器件可在低于107A/cm2(例如，大約或低于106A/cm2)的低的轉換電流密度J。下運行。該低的轉換電流密度有利地容許具有高的偏流的密集封裝的存儲單元(例如，亞微米橫向尺寸)的形成。自旋轉移轉換電流密度J。的減小對于制造以高的運行速度、低的功耗、和高的存儲單元空間密度為特征的MRAM器件可為關鍵的。然而，隨著存儲器件的降低的技術節(jié)點，熱穩(wěn)定性降低且愈加影響這些器件的性能。在當MTJ保持存儲數據的存儲轉發(fā)時間(latency)段期間，自由層中的磁化不是完全靜態(tài)的且可由于容許所述自由層中的磁矩振蕩或進動的熱波動而改變。這些波動的隨機性質容許可導致自由層的磁化倒轉的罕見的、不同尋常地大的波動的出現。[0042]可使用具有垂直各向異性的磁性材料在磁性器件(包括自旋轉移磁性器件)中提供提高的熱穩(wěn)定性。在這些器件中，熱活化因子取決于磁性元件的自由層的體積和垂直磁性各向異性，且熱穩(wěn)定性隨著磁性元件的體積減小而降低。大的垂直各向異性可補償由于與減小器件尺寸有關的體積的減小導致的降低的熱穩(wěn)定性。另外，對于利用垂直各向異性的自旋轉移器件，在器件設計中不再要求平面內形狀各向異性。因此，器件形狀可為圓形的代替細長的形狀以改善存儲器件面密度。[0043]基于自旋轉移模型,對于具有平面外或垂直優(yōu)勢的各向異性的膜，在不存在外場的情況下，轉換電流密度可表示為:[0044]Jc.改變.aMst(H丄-4JiMs)/η[0045]其中α為現象吉爾伯特阻尼，七和Ms分別為自由層的厚度和飽和磁化。Hi為本征垂直單軸各向異性場，其可得自界面(或表面)各向異性和/或磁致彈性能效應。Π對應于自旋轉移轉換的效率。4πMs來自基本上垂直于膜平面的去磁場。[0046]對于具有平面外垂直各向異性的膜的情況，H丄的絕對值通常大于4Ms的絕對值。因此，在具有垂直各向異性的膜的情況下，項(H1-4jiMs)和有關的轉換電流密度J?？赏ㄟ^自由層的Hi的優(yōu)化而減小。另外，自由層的磁化Ms的減小可用于減小轉換電流密度JcO[0047]基于具有基本上垂直的磁化層的磁性元件的磁性器件可使用自旋轉移效應轉換。小的自旋轉移轉換電流和高的讀取信號可通過在自旋閥和磁性隧道結膜中使用基本上垂直的磁化實現。[0048]圖2A描繪在襯底I上的磁性元件100的一種實施。該磁性元件100包括在頂部的自由層130和在底部的固定層110，兩者都具有垂直各向異性。非磁性間隔體層120形成于層Iio和130之間。固定層110具有基本上垂直于固定層110的固定層磁化111,且自由層130具有基本上垂直于自由層130的可逆自由層磁化131。自由層磁化131可利用自旋轉移效應寫入。在該實例中，固定層110在非磁性間隔體層120下面并在襯底I上方，且自由層130在非磁性間隔體層120上方。固定層110和/或自由層130可包括與非磁性或氧化物層成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。非磁性間隔體層120可包括絕緣層例如Al203、Mg0、Ti0、Ta0、和其它氧化物。非磁性間隔體層120可包括傳導層例如Cu?？砂ǚ磋F磁性層以在后退火之后將固定層磁化111的磁化釘扎在所需方向上。[0049]圖2B描繪在襯底I上的磁性元件100’的另一實施，磁性元件100’具有自由層和固定層，兩者都具有垂直各向異性。磁性元件100’包括具有固定層磁化111’的固定層110’、非磁性間隔體層120’、和具有可利用自旋轉移寫入的磁化131’的自由層130’。固定層110’在非磁性間隔體層120’上方，且自由層130’在非磁性間隔體層120’下面并在襯底I上方。固定層110’和/或自由層130’可包括與非磁性或氧化物層成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。非磁性間隔體層120可包括絕緣層例如A1203、Mg0、Ti0、Ta0、和其它氧化物。非磁性間隔體層120’可包括傳導層例如Cu?？砂ǚ磋F磁性層以在后退火之后將固定層磁化111的磁化釘扎在所需方向上。[0050]在圖2A中的自由層130和圖2B中的固定層110’上方可包括覆蓋層。此外，在圖2A中的固定層110和襯底I之間以及在圖2B中的自由層130’和襯底I之間可包括晶種層。覆蓋層和晶種層可在結構方面為單層或多層、在狀態(tài)方面為結晶的或無定形的、為金屬或氧化物、為磁性或非磁性的、具有平面內各向異性或具有垂直各向異性。所述覆蓋層和/或晶種層可為如下的至少一種:T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu;或B、C、N、0、A1、S1、P、S或它們的合金、或氧化物、氮化物或具有過渡金屬的硅化物，例如AlMg、CrT1、CrMo、CrRu、NiAl、NiP、NiFeCr、MgO、TaO,TiO、A10、SiO、CuAlO、TiN、TaN、CuN、FeS1、CoO、NiO0所述覆蓋層和/或晶種層可改善對于垂直性質的質地(紋理，texture)、改善對于堆棧增長和隧道磁阻的界面性質、充當對于相互擴散的停止層、提供對于堆棧穩(wěn)定性的保護罩或覆層、和/或保護磁性層不受雜散磁場的影響。[0051]在圖2A中，為了獲得具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110，可在用于或對于自由層130和/或固定層110的單一鐵磁性層中將鐵磁性材料和非磁性材料組合。因此，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過將鐵磁性和非磁性材料組合制造。此外，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過提供包括磁性和非磁性層的多層的自由層而提供。[0052]在圖2B中，具有垂直各向異性的磁性層可通過提供包括鐵磁性材料和非磁性材料的自由層和/或固定層實施。為了獲得具有垂直各向異性的自由層130’和/或固定層110’，可在用于或對于自由層130和/或固定層110的單一鐵磁性層中將鐵磁性材料和非磁性材料組合。因此，具有垂直各向異性的自由層130’和/或固定層110’可通過將鐵磁性和非磁性材料組合制造。此外，具有垂直各向異性的自由層130’和/或固定層110’可通過提供包括磁性和非磁性層的多層的自由層而提供。[0053]在一種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可擁有鐵磁性材料(Ni，Fe,Co)100_y(Pd,Pt)y，其中y范圍在20原子％和80原子％之間、或在50原子％和75原子％之間。這里，(Ni，Fe，Co)表示Ni，Fe，Co，或N1、Fe和/或Co的合金。同樣地，(Pd,Pt)表示Pd、Pt或Pd和Pt的合金。例如，在該實施中，自由層130和/或固定層110可由Co5tlPt5tl或Co5tlPd5tl構成。自由層130和/或固定層110可包括與非磁性或氧化物層成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。[0054]在第二種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過將鐵磁性材料(Ni，Fe，Co)5Q(Pd，Pt)5Q與材料X組合提供，其中X包括如下的至少一種:T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。在一種實施中，X的含量范圍在O原子％和50原子%之間。例如，在該實施中，自由層130可由Co45Pd55、Co45Pd45Cultl、Co45Pd45Re10構成。自由層130和/或固定層110可包括與非磁性或氧化物層成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。[0055]在第三種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過將鐵磁性材料(Ni，Fe,Co)50(Pd,Pt)50與材料X組合提供，其中X包括如下的至少一種:B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。在一種實施中，X的含量范圍在O原子％和50原子％之間。自由層130和/或固定層110可包括與非磁性或氧化物層成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。[0056]在第四種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過將鐵磁性材料N1、Fe、或至少包括Ni和/或Fe的N1、Fe和/或Co的合金與材料X組合提供，其中X包括如下的至少一種:T1、Zr、Hf;V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。在一種實施中，X的含量范圍在O原子％和80原子％之間。自由層130和/或固定層110可包括與非磁性或氧化物層成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。[0057]在第五種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過將鐵磁性材料(Ni，Fe，Co)5Q(Pd，Pt)5Q與材料X和Y組合提供；其中X包括如下的至少一種:T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu;和其中Y包括如下的至少一種:B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。在一種實施中，X的含量范圍在O原子％和50原子％之間。在一種實施中，Y的含量范圍在O原子％和50原子％之間。自由層130和/或固定層110可包括與非磁性或氧化物層成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。[0058]在第六種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可由(Ni,Fe,Co)與材料X和Y提供；其中X包括如下的至少一種:Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、T1、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd;和其中Y包括如下的至少一種:T1、Zr、Hf;V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。在一種實施中，X和/或Y的含量范圍在O原子％和80原子％之間。自由層130和/或固定層110可包括與非磁性或氧化物層成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。[0059]在第七種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可由(Ni,Fe,Co)與材料X和Y提供；其中X包括如下的至少一種:Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、T1、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho;和其中Y包括如下的至少一種:B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。在一種實施中，X和/或Y的含量范圍在O原子％和80原子％之間。自由層130和/或固定層110可包括與非磁性或氧化物層成多層的磁性材料，其中磁性子層可反鐵磁性地或鐵磁性地耦合。[0060]在第八種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過由磁性材料和材料Y的交替層構成的多層提供，其中磁性材料的層包括(Ni，Fe,Co)且Y包括如下的至少一種:N1、Fe、Co、T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性層。[0061]在第九種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過由磁性材料和材料Y的交替層構成的多層提供，其中磁性材料的層包括(Ni，Fe,Co)和Y包括如下的至少一種:N1、Fe、Co、B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性層。[0062]在第十種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過由磁性材料和非磁性材料的交替層構成的多層提供，其中磁性材料層包括鐵磁性材料(Ni1Fe1Co)50(Pd,Pt)5(|，且非磁性材料層包括材料X，其中X包括如下的至少一種:Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。所述非磁性材料層可在厚度方面薄于、等于、或厚于所述磁性層。[0063]在第^^一種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過由磁性材料和非磁性材料的交替層構成的多層提供，其中磁性材料層通過將鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)與材料X組合提供，其中X包括如下的至少一種:Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。所述非磁性材料層可在厚度方面薄于、等于、或厚于所述磁性層。[0064]在第十二種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過由磁性材料和材料Y的交替層構成的多層提供，其中磁性材料的層通過將鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)與材料X組合提供，其中X包括如下的至少一種=Cr,Ta、Nb、V、W、Hf、T1、Zr、Pt、Pd,且Y包括如下的至少一種:Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性層。[0065]在第十三種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過由磁性材料和材料Y的交替層構成的多層提供，其中磁性材料的層通過將鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)與材料X組合提供，其中X包括如下的至少一種:B、C、N、0、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn,且Y包括如下的至少一種:Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性層。[0066]在第十四種實施中，具有垂直各向異性的自由層130和/或固定層110可通過由磁性材料和材料Y的交替層構成的多層提供，其中磁性材料的層通過將鐵磁性材料(Ni,Fe,Co)與材料X組合提供，其中X包括如下的至少一種=Cr,Ta、Nb、V、W、Hf、T1、Zr、Pt、Pd，且Y包括如下的至少一種:B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或過渡金屬硅化物。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性層。[0067]在第十五種實施中，具有垂直各向異性的自由層和/或固定層可包括與非磁性材料組合的材料Mn和/或至少包括N1、Al、Cr、Co和/或Fe的材料。在一些實施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一種:T1、Zr、Hf;V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、S1、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物、或過渡金屬娃化物。[0068]以上實施可應用于圖2B中的固定層110’和/或自由層130’。[0069]由于通過自旋轉移效應轉換磁性元件所需的電流取決于自由磁性層的各向異性場和去磁場之間的差異，因此引入垂直各向異性可提供降低自旋轉移轉換電流的好處。而且，磁性元件的組成的控制在一些實施中可改變磁性材料的居里溫度和磁矩，這可實現更低的自旋轉移轉換電流和提高的熱穩(wěn)定性的好處。此外，磁性元件的組成的控制在一些實施中可改善膜生長，這可導致磁性元件和器件的改善的總體性能。[0070]在圖2A中的垂直磁性元件中，自由層130與間隔體層120直接接觸。這樣，用于自由層130和間隔體層120的材料需要在它們的晶格結構方面匹配。該約束可限制適合用于形成這樣的結構的材料且因此限制所構造的磁性元件的性質。例如，基于圖2A和2B中的設計的一些垂直MTJ器件使用呈現不期望的高阻尼常數、低STT效率和低TMR比的材料。低的TMR比又導致對于STT-RAM芯片的不期望的低讀取速度，且低的STT效率導致不期望的高STT轉換電流。[0071]下面描述的垂直磁性元件的實施包括固定層、在所述固定層上方的非磁性間隔體層、和自由層，所述固定層具有固定在基本上垂直于所述固定層的平面的方向上的磁化。另夕卜，在所述間隔體層和所述自由層之間和/或在所述間隔體層和所述固定層之間包括一個或多個額外的層以制造所述磁性元件的所需性質，例如，提高自旋轉移效率。這樣的一個或多個額外的層在所述間隔體層與所述自由層和所述固定層的至少一個之間形成中間物以容許多種磁性材料用于所述自由層或所述固定層以實現所述磁性元件的所需性質。[0072]在一些實施中，可提供一個或多個界面層以與間隔體層接觸。這樣的界面層為呈現基本上垂直于所述界面層的磁化的磁性材料的薄層。該界面層可足夠薄，例如，低于或大約lnm，以經由與自由層和固定層的磁耦合將其磁化保持為基本上垂直于磁性元件中的層。[0073]圖3A、3B和3C顯示擁有這樣的額外的層的具有垂直磁化的磁性元件的三個實例。在圖3A中的器件200中，自由層為具有可在兩個垂直的方向之間轉換的垂直磁化251的磁化層250。固定層為具有固定的基本上垂直的磁化211的磁化層210。非磁性間隔體層220位于自由層250和固定層210之間。額外的磁化層230即界面層提供在自由層250和間隔體層220之間以在自由層250和間隔體層220之間提供中間物并具有基本上垂直的磁化231，其磁釘扎至自由層250的磁化251以基于自旋扭矩轉移隨著自由層250轉換。界面層230的厚度足夠薄，例如，小于lnm，以容許磁化231強烈地耦合至自由層250的磁化251。界面層230的存在消除自由層250和間隔體層220之間的直接接觸和界面以容許所選擇的磁性材料用于自由層250。[0074]圖3B顯示使用界面磁化層的不同的設計。該器件200’包括具有基本上垂直的磁化251’的自由層250’、間隔體層220’、與間隔體層220’接觸并具有基本上垂直的磁化261’的界面層260’、和具有固定的基本上垂直的磁化211’的固定層210’。界面層260’位于間隔體層220’和固定層210’之間以消除固定層210’和間隔體層220’之間的直接界面連接。界面層260’的磁化261’磁耦合至并釘扎至固定層210’的固定磁化211’。[0075]圖3C顯示在間隔體層的相反側上實施兩個界面層以使自由層和固定層兩者都脫離與間隔體層的直接接觸的器件的實例。該器件200"包括具有基本上垂直的磁化251"的自由層250"、間隔體層220"、與間隔體層220"接觸并具有基本上垂直的磁化231"的第一界面層230"、具有固定的基本上垂直的磁化211"的固定層210"、和具有基本上垂直的磁化261"的第二界面層260"。第一界面層230"位于間隔體層220"和自由層250"之間以消除自由層250"和間隔體層220"之間的直接界面連接。第一界面層231"的磁化231"磁耦合至自由層250"的自由磁化251"以與自由層250"—起切換。第二界面層260"位于間隔體層220"和固定層210"之間以消除固定層210"和間隔體層220"之間的直接界面連接。第二界面層260"的磁化261"磁耦合至并釘扎至固定層210"的固定磁化211"。[0076]在另外的實施中，在間隔體層和自由層之間和/或在間隔體層和固定層之間包括兩個額外的相鄰層的一個或多個膜堆疊體以制造磁性元件的所需性質。在一個膜堆疊體中的兩個額外的相鄰層中，第一個額外的層為與間隔體層接觸的界面層。該界面層為具有“天然”磁化的磁性層，所述“天然”磁化基本上垂直于所述層，或者在不存在與另外的層的相互作用的情況下，平行于所述界面層且基本上垂直于固定層磁化。在后一情況中，當所述界面層與另外的層磁耦合時，所述界面層的磁化變得基本上垂直于所述界面層。第二個額外的層為連接層，其在一側上與所述界面層接觸且在另一側上與所述自由層或所述固定層接觸以提供所述界面層與所述自由層或所述固定層的磁耦合來確保所述界面層的磁化基本上垂直于所述界面層。所述連接層為與所述基本上垂直的層和所述界面層分離且在所述基本上垂直的層和所述界面層中間物理生長的層。可使所述界面層的厚度足夠大(例如，大于2-20?以實現大的TMR比)。[0077]圖4A顯示擁有這樣的額外的層的具有基本上垂直的磁化的磁性元件300的實例。自由層為具有可在兩個垂直且相反的方向之間轉換的基本上垂直的磁化251的層250。固定層為具有固定的垂直磁化211的層210。兩個額外的層為位于自由層250和間隔體層220之間的磁性層330和340。磁性層330為具有足以提供高的磁化331的厚度的界面層，且磁性層340為與自由層250和界面層330接觸以將界面層330的磁化磁拉成垂直于界面層330的連接層。[0078]當該實例中的界面層330是獨立式的(freestanding)且不與另外的層磁f禹合時，層330具有在界面層330的平面中的磁化331。連接層340具有提供自由層250和界面層330之間的磁耦合以確保界面層330的磁化垂直于界面層330的結構。例如，可使連接層340足夠薄以實現磁耦合，其將界面磁性層的磁化從其原始的平面內方向驅趕到垂直于所述平面的最終方向。界面層330的垂直磁化加強磁性元件的總體垂直各向異性且因此使自由層250對熱和磁擾動穩(wěn)定?？蛇x擇連接層340以減小高磁化界面層330和自由層250的任一個或兩者的阻尼。[0079]另外，連接層340提供自由層250和界面層330之間的結構分隔或緩沖以容許自由層250和界面層330具有不同的材料結構。連接層340的該功能提供在選擇用于自由層250和其它層的材料方面的靈活性以優(yōu)化提升最終磁性元件300的性質。當由絕緣材料制成時，連接層340可防止自由層250的結晶性質影響由間隔體層220形成的隧道結阻擋物的結晶性。本設計消除基本上垂直的自由層250和阻擋層220之間的直接接觸以避免自由層250和阻擋層220的晶體性質的相關性。因此，可設計層250和220的不同晶體性質(例如晶格類型)以提升自旋扭矩效率和TMR，而不限于由層250和220的相容性所施加的約束。作為實例，外延MgO(OOl)結構可用作高品質隧道結阻擋物以改善STT器件中的TMRt匕。連接層340還可促進誘導高極化界面層330中的所需垂直各向異性，且因此幫助基本上垂直的自由層250將高極化界面層330的磁化從平面內方向拉到基本上垂直的方向。[0080]連接層340可由多種材料制造。一些實例包括具有比間隔體層220低的電阻-面積乘積的包括MgO的結晶材料，例如MgO/Mn、MgO/Cr、MgO/V、MgO/Ta、MgO/Pd、Mg0/Pt、MgO/Ru、和Mg0/Cu。無定形材料也可用于形成連接層340，例如氧化物Si0x、A10x、和Ti0x。氮化物材料也可應用于形成連接層340，例如TiN、TaN、CuN、SiNx。連接層340還可由結晶匹配材料例如Mn、Cr、W、Mo、V、Ru、Cu、Pt、Pd、Au和Ta形成。[0081]界面磁性層330可配置成呈現高的自旋極化和低的阻尼。作為實例，當間隔體層220為MgO時，可選擇用于界面層330的材料以產生高的TMR比。在沉積時，該界面層330具有平面內各向異性，且當形成多層結構時，其各向異性變得基本上垂直于所述層。例如，界面層330可包括Fe、FeCo,CoFeB以及具有高的磁化和與MgO匹配的結晶性的材料。[0082]圖4B顯示在間隔體層的兩側上都具有界面層的磁性元件300’的實例。該器件300’包括具有基本上垂直的磁化251’的自由層250’、間隔體層220’、在間隔體層220’和自由層250’之間且具有基本上垂直的磁化331’的第一界面層330’、具有固定的基本上垂直的磁化211’的固定層210’、與間隔體層220’接觸的第二界面層360、以及在第二界面層360和固定層210’之間的連接層370。第一界面層330’位于間隔體層220’和自由層250’之間以消除自由層250’和間隔體層220’之間的直接界面連接。界面層330’的磁化331’磁耦合至自由層250’的自由磁化251’以隨著自由層250’轉換。連接層370將界面層360的磁化361磁耦合至固定層210’且因此將磁化361固定。第二界面層360和連接層370位于間隔體層220’和固定層210’之間以消除固定層210’和間隔體層220’之間的直接界面連接。[0083]圖4C顯示，除了具有在自由層和間隔體層之間的連接層及界面層之外，在固定層和間隔體層之間實施第二連接層和第二界面層的磁性元件300"的另一實例。如所說明的，磁性元件300"包括具有基本上垂直的磁化251’的自由層250’、非磁性間隔體層220’和具有基本上垂直的磁化211’的固定層210’。與圖4A中的設計類似，在自由層250’和間隔體層220’之間，形成第一界面層230’和第一連接層240’。在固定層210’和間隔體層220’之間，形成具有高極化的第二界面層260’和具有比間隔體層220’低的電阻-面積乘積以提供第二界面層260’和固定層210’之間的耦合的第二連接層270’。[0084]上述固定層和/或自由層中的界面層和/或連接層還可應用于具有在間隔體上方的固定層的MTJ結構體。[0085]圖5顯示具有擁有至少一個具有垂直各向異性的自由層的磁性元件的陣列的示例性器件400。器件400包括形成于襯底上的磁性元件410的陣列。各磁性元件410可配置成具有基于上述圖3A、3B、3C、4A、4B和4C中的設計的垂直各向異性。器件400還包括用于對單獨的磁性元件410存取的邏輯電路、讀取和寫入線、具有隔離晶體管的電路。器件400可用于磁存儲系統(tǒng)中。[0086]可實施以上磁性元件設計用于基于自旋矩轉移而轉換自由層。圖6和7描述用于基于自旋矩轉移的轉換的電路。[0087]圖6說明包括單位單元(unitcell)的陣列的示例性磁性器件500的一部分。各單位單元包括基于自旋轉移扭矩效應的磁性元件501。標記為“位線”的導體線510通過連接至磁性元件501的一端電連接至磁性元件501以供應驅動電流540通過磁性元件501的層以在磁性元件501中實現自旋轉移扭矩效應。電子隔離器件530，例如隔離晶體管，連接至磁性元件501的一側以響應于施加至晶體管530的柵極的控制信號控制電流540。標記為“字線”的第二導體線520電連接至晶體管530的柵極以供應該控制信號。在運行中，驅動電流540流經磁性元件501中的層以在電流540大于轉換閾值時改變自由層的磁化方向，所述轉換閾值由磁性元件501的材料和層結構決定。磁性元件501中的自由層的轉換是基于由驅動電流540單獨引起的自旋轉移扭矩，而不依賴于由線510和520或其它來源產生的磁場。[0088]基于自旋轉移扭矩效應的磁性元件501可以多種配置例如MTJ、自旋閥、MTJ和自旋閥的組合、兩個MTJ的組合和另外的配置實施。自由層和固定層各自可為單一磁性層或者磁稱合在一起的多層的復合結構。[0089]圖7顯示基于自旋轉移扭矩轉換運行陣列化的磁存儲器件的示例性電路。各單元610串聯連接至選擇晶體管620，其對應于圖6中的隔離器件530。如所說明的，位線選擇器601、源線選擇器602和字線選擇器603連接至單元陣列以控制各單元的運行。[0090]現在將參照通過ab-1nitio計算獲得的圖8至15描述額外的發(fā)明構思。如同早先的實施方式那樣，以下發(fā)明構思特別針對多層磁性元件中的自由層結構，例如在用于垂直自旋轉移扭矩(P-STT)結構的單或雙MTJ結構體中使用的。額外的應用是對于混雜自由層實施方式(即，具有2個交換耦合在一起的子層)、或者對于具有布置在其中的連接層以吸引無定形化材料的自由層。例如，另外的好處可通過使用本發(fā)明構思提供用于平面內結構的PPMA材料以幫助減小轉換電流而實現。[0091]已公開了許多材料用于提供多層磁性元件中的自由層。例如，如先前所討論的，具有垂直各向異性的自由層可通過由磁性材料和材料Y的交替層構成的多層提供，其中磁性材料的層通過將鐵磁性材料(Ni，Fe,Co)與材料X組合而提供，其中X包括如下的至少一種:B、C、N、0、Al、S1、P、S、Ga、Ge、Ir^P/*Sn;和其中Y包括如下的至少一種:Cr、Pt、Pd、Ir,Rh,Ru,Os,Re,Au和/或Cu。在常規(guī)的多層磁性結構體中，自由層中的磁性材料的層經常包括CoFeB，因為包括B產生與MgO層的良好的晶格結構匹配。然而，不幸地，B在自由層中的存在降低垂直磁性各向異性(PMA)水平，特別是當硼太接近MgO界面時。而且由于當B緊接于MgO層時B具有其最低能態(tài)(且因此是最穩(wěn)定的)，因此自由層結構中使用的B趨于遷移至MgO界面，其中其干涉Fe-O雜化且因此強烈地降低PMA。[0092]自由層結構中填隙硼⑶的存在相對于純鐵(Fe)的使用降低PMA。圖8及9a和9b說明在自由層的Fe中具有填隙B的效果。首先參照圖8，示出四種結構，其中填隙B存在于自由層結構中的多種位置處。在結構I中，硼位于MgO界面處，且在結構2至4中，硼順序地進一步遠離MgO界面且更接近于自由層或自由層連接層的本體(或中心)布置。圖9a和9b中提供的兩個圖說明所述多種結構的各向異性和相對穩(wěn)定性。[0093]如可從圖9a和9b看出的，結構I(其中硼位于MgO界面處)具有最低能級且因此具有四種結構的最高相對穩(wěn)定性。然而，不幸地，如在結構4中那樣，當硼原子布置在自由層的中間，離MgO界面最遠時，實現最大各向異性。具有布置在MgO邊界附近的硼原子的結構I提供最大穩(wěn)定性而且導致強的平面內(負的)各向異性。如可進一步看出的，結構2和3是不穩(wěn)定的，其中結構2具有差的各向異性(強的負的各向異性)，且結構3具有僅稍正的各向異性。[0094]然而，在結構4中，采用在自由層的中心附近布置的B原子，可獲得良好的正的各向異性。另外，硼偏析分布圖表明在MgO界面附近的位置(結構I)和在自由層的中間的位置(結構4)之間約30meV的能壘。該能壘，與動力學勢壘一起，可容許B原子停留在自由層的中間且由此保持PMA。在這樣的配置中，其中B原子位于自由層的中心附近，在自由層結構中使用B原子且仍保持良好的PMA可因此是可能的。[0095]一種解決方案是引入鉭(Ta)或另外的合適的材料(例如W、Mn、Nb、Cr、V、Ru、Cu、Pt、Pd、Au)，其連接到自由層結構中，例如通過布置在自由層的中心附近的連接層。連接層例如包括Ta的連接層的使用，可吸引B離開MgO界面且因此改善PMA水平。[0096]根據本發(fā)明構思的原理，用一種或多種不同的無定形化劑替換B(全部或部分地)可導致具有提高的PMA的穩(wěn)定的自由層結構。優(yōu)選的替代無定形化劑優(yōu)選具有以下屬性的一個或多個，例如:(I)它們不偏析至MgO界面，而是在自由層或在自由層內部的連接層的本體/中心中偏析；或者(2)即使偏析到MgO界面，它們也不導致PMA的強烈減小或倒轉。一些已被確定為具有這些屬性且因此用作B的有希望的替換物的材料包括，例如，鍺(Ge)、鋰(Li)、鈹(Be)、氫(H)、氮(N)和氟(F)氣體。特別地，預計Ge的使用保持PMA，即使其緊接于MgO界面偏析。[0097]圖10、lla、llb、llc和12幫助說明在STT器件的自由層結構中用Ge代替B的好處。圖10為將圖8中說明的四種結構與包括Ge而不是B的類似結構相比較的示意性原子圖。圖11a、Ilb和Ilc提供比較圖10的四種自由層結構1、2、3和4中的各向異性、穩(wěn)定性、以及B和Ge的濃度的圖表。圖12總結在多種溫度下與B結構相比較的Ge結構的改善的各向異性特性。[0098]現在參照圖10、lla、llb、llc和12，將對于在自由層結構中的使用比較B和Ge的特性。如可在圖1lb中看出的，B和Ge的偏析分布圖是類似的，具有強烈的朝向MgO界面的趨勢。因此，當它們最接近MgO邊界布置時，B和Ge兩者都處于其最穩(wěn)定的狀態(tài)。然而，如圖1la中所示，接近MgO界面布置的Ge原子不像在MgO界面附近的B原子的存在那樣多地使Ks(和因此的PMA)減小。如在圖12中進一步顯示的，與來自填隙B原子的負的PMA相反，在自由層中使用Ge可導致在多種溫度下的正的PMA。因此，Ge提供用于替換自由層結構中的B的強的侯選物，因為即使其布置在MgO界面處，其也不顯著損害自由層的PMA。[0099]已對在另外的技術(即自旋閥結構體)中使用的CoFeGe結構進行的研究已顯示出使用該成分的額外的好處，包括例如可控的Ms、高的MR、和非常低的阻尼。[0100]圖13、14a、14b、14c和15說明關于另外的潛在的自由層無定形化劑(包括例如L1、Be、H和F)的各向異性、穩(wěn)定性和濃度特性。在圖14a、14b和14c中，對于圖13的多種結構-2、_1、1、2、3和4比較這些各種材料的各向異性、相對穩(wěn)定性和濃度。在圖13中，結構-2和-1說明其中無定形化材料X布置在MgO層內在中心(結構-2)或在界面處(結構-1)的情況。關于無定形化材料在自由層中的位置，結構I至4與圖8和10中顯示的先前的結構類似。[0101]參照圖13、14a、14b、14c和15，如可從這些圖表和圖看出的，作為無定形化劑的材料L1、Be、H和F的任意一種或多種的使用可導致正的PMA值，具有相對穩(wěn)定的結構。這些材料各自因此具有作為用于在根據本發(fā)明構思的自由層結構中全部或部分地替換B的潛在替代無定形化劑的希望。[0102]因此，根據本發(fā)明構思的一個特別的方面，用于形成STT結構體中的自由層的材料成分(composition)可包括=CoxFeyMz，其中M為選自Ge、B1、L1、Be、F、N和H的非磁性材料。所述非磁性材料M優(yōu)選具有幫助形成良好的結晶取向和與MgO的匹配的性質(例如，所述材料M優(yōu)選充當無定形化材料，其在沉積時是無定形的且在退火之后是結晶的)。所述材料M還優(yōu)選不偏析至MgO界面，或者如果其偏析至MgO界面，其不顯著損害Fe和O的雜化且因此不顯著降低PMA。[0103]根據本發(fā)明構思的另一方面，用于形成STT結構體中的自由層的材料成分可包括:MgO/CoxFeyMz(連接層)CoxFeyMz/MgO，其中M在退火期間被吸引至所述連接層。所述連接層可例如包括鉭(Ta)。通過提供連接層以吸引材料M，這可防止M朝向MgO界面遷移且因此保持PMA。[0104]根據本發(fā)明構思的還一方面，用于形成STT結構體中的自由層的材料可包括:CoxFeyMz的坡度成分，其中z在自由層中改變。例如，M的最大濃度(即提高的z)可布置在所述自由層的中心附近且可朝向MgO界面降低。這可例如使用共濺射或其它合適的技術實現。例如，對于氣體如H和F，可使用反應性濺射技術。[0105]圖16為顯示根據本發(fā)明構思的實施方式的存儲卡5000的框圖。[0106]參照圖16，控制器510和存儲器520可布置在存儲卡5000中以交換電信號。例如，當控制器510發(fā)出指令時，存儲器520可傳輸數據。存儲器520可包括根據上述示例性實施方式的任一個的磁性器件。根據本發(fā)明構思的各種不例性實施方式的磁性器件可以具有對應于本發(fā)明構思所屬的【
技術領域：
】公知的相應邏輯門設計的多種形狀的構架存儲器陣列(未示出)布置。其中布置多個行和列的存儲器陣列可形成一個或多個存儲器陣列體(bank)(未示出)。存儲器520可包括存儲器陣列(未示出)或存儲器陣列體(bank)(未示出)。此外，存儲卡5000可進一步包括典型的行解碼器(未示出)、列解碼器(未示出)、I/O緩沖器(未示出)、和/或控制寄存器(未示出)以驅動上述存儲器陣列體(未示出)。存儲卡5000可用于多種存儲卡例如存儲棒卡、智能媒體(SM)卡、安全數字(SD)卡、或多媒體卡(MMC)。[0107]圖17為顯示根據本發(fā)明構思的實施方式的系統(tǒng)6000的框圖。[0108]參照圖17，系統(tǒng)6000可包括控制器610、輸入/輸出(I/O)單元620、存儲單元630和界面單元640。系統(tǒng)6000可為移動系統(tǒng)或者用于傳輸或接收信息的系統(tǒng)。所述移動系統(tǒng)可為PDA、便攜式計算機、網絡平板(webtablet)、無線電話、移動電話、智能電話、數字音樂播放器、或存儲卡?？刂破?10可執(zhí)行程序和控制系統(tǒng)6000?？刂破?10可為例如微處理器、數字信號處理器、微控制器、或與其類似的器件。I/O單元620可用于輸入或輸出系統(tǒng)6000的數據。系統(tǒng)6000可通過使用I/O單元620連接至外部裝置例如個人計算機或網絡而與所述外部裝置交換數據。I/O單元620可為例如鍵區(qū)、鍵盤、或顯示器。存儲器630可存儲用于控制器610的運行的編碼和/或數據和/或存儲通過控制器610處理的數據。存儲器630可包括根據上述示例性實施方式的任一種的磁存儲器件或存儲元件。界面單元640可為在系統(tǒng)6000和外部裝置之間的數據傳輸途徑?？刂破?10、I/O單元620、存儲單元630和界面單元640可通過信息轉移通路(總線，bus)650彼此通信。例如，系統(tǒng)6000可用于移動電話、MP3播放器、導航、便攜式多媒體播放器(PMP)、固態(tài)硬盤(SSD)、或家用電器。[0109]在整個說明書中，在一個實施方式中顯示的特征可引入在本發(fā)明構思的精神和范圍內的其它實施方式中。[0110]遍及本說明書提到“一個實施方式”或“實施方式”意指在本發(fā)明的至少一個實施方式中包括關于所述實施方式描述的特定特征、結構、或特性。因此，短語“在一個實施方式中”或“在實施方式中”在遍及本說明書的多個地方中的出現不一定全部是指相同的實施方式。而且，在一個或多個實施方式中可將特定的特征、結構或特性以合適的方式組合。[0111]盡管本文件包含許多細節(jié)，但是這些不應被解釋為對任何發(fā)明或所要求保護的內容的限制，而是應被解釋為對本發(fā)明的【具體實施方式】所特有的特征的描述。在本文件中在分別的實施方式的范圍中描述的一些特征也可在單一實施方式中組合實施。相反，在單一實施方式的范圍中描述的多個特征也可分別在多個實施方式中分別地或者以任何合適的子組合實施。而且，盡管特征可在上面描述為在一些實施方式中起作用且可甚至最初被像這樣要求保護，但是來自所要求保護的組合的一個或多個特征可在一些情況下從所述組合刪去，且所要求保護的組合可指向子組合或子組合的變型。[0112]還應注意，盡管附圖可在一些情況下顯示對于鄰近磁性層布置的界面層的明顯(不同)磁化，但是當存在鄰近磁性層的界面層時，這二者可強烈地耦合且將表現為單一轉換元件。另外，當磁性層(固定的或自由的)與界面層一起實施時，該界面層可有效地變成其所鄰近的固定或自由層的一部分，且可因此被認作兩部分自由或固定層(例如，“自由層部分A+自由層部分B”或“固定層部分A+固定層部分B”)，如與自由/固定層加單獨的界面層相反的。[0113]另外，盡管在本文中公開了僅一些實施，但是可進行關于所描述的實施的變型和提升，且基于在本文件中描述和說明的內容，另外的實施將被本領域技術人員理解。因此，本發(fā)明構思不應解釋為限于本文中公開的【具體實施方式】?！緳嗬蟆?.用于形成磁性器件的自由層的材料成分，所述材料成分包括:CoxFeJ,其中M為充當無定形化劑以幫助所述自由層的結晶取向與所述磁性器件的MgO界面匹配的非磁性材料，和其中M不偏析至MgO界面，或者如果其偏析至MgO界面，其不顯著損害所述自由層的垂直磁各向異性(PM)。2.根據權利要求1的材料成分，其中M選自:Ge、B1、L1、Be、F、N和H。3.根據權利要求1的材料成分,其中M包括Ge。4.根據權利要求1的材料成分，其中所述磁性器件包括單MTJ結構體。5.根據權利要求1的材料成分,其中所述磁性器件包括雙MTJ結構體。6.根據權利要求1的材料成分，其中所述自由層包括具有兩個或更多個彼此交換耦合的子層的混雜自由層。7.根據權利要求1的材料成分，其中所述成分包括其中所述非磁性材料M的濃度z在所述自由層內改變的坡度成分。8.根據權利要求7的材料成分，其中所述濃度z朝向所述自由層的中心最高且朝向MgO界面較低。9.根據權利要求1的材料成分,其中所述材料成分用作用于平面內磁性器件的PPMA材料。10.根據權利要求1的材料成分，其中所述自由層進一步包括連接層，所述連接層布置在所述自由層的中心附近且配置成將所述非磁性材料M吸引離開MgO界面。11.根據權利要求1的材料成分，其中所述連接層包括Ta。12.STT結構體中的自由層，包括:緊接于自由層結構布置的MgO界面，所述自由層結構包括:包括CoxFeyMz的材料成分；和布置在所述CoxFeyMz的材料成分內的連接層，其中M為充當無定形化劑以幫助形成良好的結晶取向和與MgO界面的匹配的非磁性材料，和其中M在退火期間被吸引至所述連接層。13.根據權利要求12的自由層，其中所述連接層包括Ta。14.根據權利要求12的自由層，其中所述連接層布置在所述自由層的中心附近。15.根據權利要求12的自由層，其中所述非磁性材料M包括B。16.根據權利要求12的自由層，其中所述材料成分包括CoxFeyMz的坡度成分，其中z在所述自由層中改變。17.磁性元件,包括:固定層，其具有固定在基本上垂直于所述固定層的方向上的固定層磁化；自由層，其與所述固定層平行并且具有基本上垂直于所述自由層且相對于所述固定層磁化能改變的自由層磁化；和MgO層,其提供所述MgO層和所述自由層之間的MgO界面，其中所述自由層包括材料成分，所述材料成分包括:CoxFeyMz，其中M為充當無定形化劑以幫助形成良好的結晶取向和與STT器件的MgO界面的匹配的非磁性材料,和其中M不偏析至MgO界面，或者如果其偏析至MgO界面，其不顯著損害所述自由層的PMA。18.根據權利要求17的磁性元件，其中M選自:Ge、B1、L1、Be、F、N和H。19.根據權利要求17的磁性元件，其中STT磁性元件包括單MTJ結構體。20.根據權利要求17的磁性元件，其中STT磁性元件包括雙MTJ結構體。21.根據權利要求17的磁性元件，其中所述自由層包括具有兩個或更多個彼此交換耦合的子層的混雜自由層。22.根據權利要求17的磁性元件，其中所述材料成分包括其中所述非磁性材料M的濃度z在所述自由層內改變的坡度成分。23.根據權利要求22的磁性元件，其中所述非磁性材料M的濃度z朝向所述自由層的中心最高且朝向MgO界面較低。24.根據權利要求17的磁性元件，其中所述材料成分用作用于平面內磁性器件的PPMA材料。25.根據權利要求17的磁性元件，其中所述自由層進一步包括連接層，所述連接層布置在所述自由層的中心附近且配置成將所述非磁性材料M吸引離開MgO界面。【文檔編號】H01L43/08GK104009154SQ201410069287【公開日】2014年8月27日申請日期:2014年2月27日優(yōu)先權日:2013年2月27日【發(fā)明者】R.切普爾斯凱,D.阿帕爾科夫申請人:三星電子株式會社