CN102468424B - 用于提供改进转换性能的混合磁隧道结元件的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于提供改进转换性能的混合磁隧道结元件的方法和系统。磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。非磁间隔层在被钉扎层和自由层之间。自由层具有易锥面磁各向异性。磁性结被配置为使得当写入电流流过磁性结时自由层在多个稳定磁状态之间可转换。

Description

用于提供改进转换性能的混合磁隧道结元件的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于提供混合磁隧道结元件的方法和系统。

背景技术

磁性存储器，特别地，磁性随机存取存储器(MRAM)由于在工作期间其在高读取/写入速度、优秀的耐久性、非易失性和低能耗方面的潜能而吸引了越来越多的关注。MRAM能利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM为自旋转移力矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM利用至少部分地由驱动穿过磁性结的电流实现的磁性结写入。驱动穿过磁性结的自旋极化电流在磁性结中施加自旋力矩到磁矩上。结果，具有响应于自旋力矩的磁矩的层可以被转换为期望的状态。

例如，图1示出常规磁隧道结(MTJ)10，其可以被用于常规STT-RAM中。常规MTJ10典型地位于底接触11上，使用常规籽晶层(seedlayer)12，以及包括常规反铁磁(AFM)层14、常规被钉扎层16、常规隧道势垒层18、常规自由层20和常规盖层22。顶接触24也被示出。

常规接触11和24被用于沿电流垂直于平面(CPP)方向或者沿图1所示的z轴方向驱动电流。常规籽晶层12典型地用于帮助后续的层诸如AFM层14生长以具有期望的晶体结构。常规隧道势垒层18是非磁性的，例如为诸如MgO的薄绝缘体。

常规被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规被钉扎层16的磁化17典型地通过与AFM层14的交换偏置相互作用(exchange-biasinteraction)而沿特定方向被固定或被钉扎。虽然常规被钉扎层16图示为简单(单个)层，但是它可以包括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是包括通过诸如Ru的薄导电层反铁磁耦合的多个磁性层的合成反铁磁(SAF)层。在这种SAF中，可以使用插入Ru薄层的多个磁性层。在另一实施例中，跨过Ru层的耦合可以是铁磁的。此外，常规MTJ10的其他变型可以包括附加被钉扎层(未示出)，该附加被钉扎层通过附加非磁势垒层或导电层(未示出)与自由层20分离开。

常规自由层20具有可变的磁化21。虽然常规自由层20图示为简单层，但是它也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过诸如Ru的薄导电层反铁磁耦合或铁磁耦合的多个磁性层的合成层。虽然常规自由层20的磁化21图示为面内磁化，但是它可以具有垂直各向异性。

为了转换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面(沿z轴方向)驱动。当足够的电流被从顶接触24驱动到底接触11时，常规自由层20的磁化21可以转换为平行于常规被钉扎层16的磁化17。当足够的电流被从底接触11驱动到顶接触24时，自由层的磁化21可以转换为与被钉扎层16的磁化反平行。在磁性配置上的差异对应于不同的磁致电阻并由此对应于常规MTJ10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。

当常规MTJ10的自由层21用于STT-RAM应用中时，期望以相对低的电流转换该自由层21。临界转换电流(Ico)是最低电流，在该最低电流下自由层磁化21在平衡取向周围的无限小进动(infinitesimalprecession)变得不稳定。例如，可以期望Ico在几mA或更小的数量级上。另外，短路电流脉冲被期望用于以更高的数据比率对常规磁性元件10编程。例如，期望20-30ns或更小数量级的电流脉冲。

虽然常规MTJ10可以利用自旋转移来写入并可以用在STT-RAM中，但是存在缺陷。例如，写入错误率会高于对于具有可接受的Ico和脉冲宽度的存储器的要求。写入错误率(WER)是当单元(即，常规磁性结的自由层20的磁化21)被施加至少等于典型转换电流的电流时该单元没有被转换的可能性。WER期望为10^-9或更小。但是，常规自由层20典型地具有严重超出此值的WER。另外，已经确定WER在缩短写入电流脉冲的改进方面会受到挑战。例如，图2为图表50，其绘示出对于不同宽度的脉冲WER的趋势。注意，图表50中没有画出实际的数据。取而代之，图表50旨在表示趋势。从最长到最短的脉冲宽度为曲线52、54、56和58。如在图表50中所示，脉冲宽度越大，WER相对写入电流具有越大的斜率。因此，对于相同的脉冲宽度，使用更大的写入电流可以带来WER的显著减少。然而，随着曲线54、56和58中脉冲宽度缩短，曲线54、56和58的斜率减小。对于减小的脉冲宽度，电流的增大更不容易带来WER的减少。结果，应用常规MTJ10的存储器会具有不能接受的高WER，通过增大写入电流不会消除该不能接受的高WER。

已经提出不同的常规方案来改进诸如WER的特性。例如，可以使用磁场辅助转换和/或具有复合结构的磁性结。然而，这种常规方案的减少WER同时保持其他特性的能力是有限的。例如，可扩展性(scalability)、能耗和/或稳定性会受到这种常规方法的不利影响。因此，使用常规MTJ的存储器的性能仍然期望被提高。

因此，需要可以提高基于存储器的自旋转移力矩性能的方法和系统。在此描述的方法和系统解决这种需求。

发明内容

本发明描述了用于提供在磁性器件中可使用的磁性结的一种方法和系统。磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。非磁间隔层在被钉扎层和自由层之间。自由层具有易锥面磁各向异性(easyconemagneticanisotropy)。磁性结被配置为使得当写入电流流过磁性结时自由层在多个稳定磁状态之间可转换。

附图说明

图1图示出常规磁性结。

图2为图示写入电流对写入错误率的趋势的图表。

图3图示出包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性结的示范实施例。

图4图示出用于自由层磁化的各向异性能的示范实施例。

图5图示出包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性元件的示范实施例。

图6图示出用于不同磁性结的各向异性能的示范实施例。

图7图示出具有易锥面各向异性的自由层的磁矩。

图8图示出包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性结的示范实施例。

图9图示出可用于磁性结中的具有易锥面各向异性的自由层的另一示范实施例。

图10图示出可用于磁性结中的具有易锥面各向异性的自由层的另一示范实施例。

图11图示出包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性结的另一示范实施例。

图12图示出制造包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性结的方法的示范实施例。

图13图示出在存储单元的存储元件中利用磁性结的存储器的示范实施例。

具体实施方式

示范实施例涉及可用于诸如磁存储器的磁性器件中的磁性结，以及使用这种磁性结的器件。给出下文的描述使得本领域一般技术人员能够实现和使用本发明，并且提供在专利申请的文件和其必要的文件中。对于示范实施例的各种变形以及在此描述的总原理和特征将容易地变明显。示范实施例在具体的实现中给出的具体方法和系统方面被主要地描述。然而，方法和系统将在其他的实现中有效地操作。诸如“示范实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的短语可以涉及相同或不同的实施例以及多个实施例。将关于具有特定部件的系统和/或器件来描述实施例。然而，系统和/或器件可以包括比图示的部件更多或更少的部件，可以对部件的布置和类型进行改变而没有背离本发明的范围。示范实施例也将在具有特定步骤的具体方法情况下被描述。然而，对于具有与示范实施例不一致的不同步骤和/或附加步骤以及不同顺序的步骤的其他方法，该方法和系统也有效地操作。因此，本发明不旨在限于图示的实施例，而是与根据在此描述的原理和特征的最宽范围一致。

用于提供磁性结以及利用磁性结的磁存储器的方法和系统被描述。示范实施例提供了用于提供磁性结的方法和系统，该磁性结可用于磁性器件中。磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。非磁间隔层在被钉扎层和自由层之间。自由层具有易锥面磁各向异性。磁性结被配置为使得当写入电流流过磁性结时自由层在多个稳定的磁状态之间可转换。

示范实施例在特定磁性结和具有特定部件的磁存储器情况下被描述。本领域一般技术人员将易于理解，本发明与使用磁性结和具有其他和/或附加部件和/或不与本发明一致的其他特征的磁存储器相一致。方法和系统也在当前理解的自旋转移现象、磁各向异性和其他物理现象的情况下进行描述。因此，本领域一般技术人员将易于理解，对方法和系统的行为的理论解释是基于当前理解的自旋转移现象、磁各向异性和其他物理现象而作出的。然而，这里描述的方法和系统不依赖具体物理解释。本领域一般技术人员还将易于理解，在具有与基板的特定关系的结构的情况下描述方法和系统。然而，本领域一般技术人员将易于理解，该方法和系统与其他结构一致。另外，该方法和系统在特定层为合成层和/或简单层的情况下被描述。然而，本领域一般技术人员将易于理解这些层能具有另一结构。此外，该方法和系统在具有特定层的磁性结和/或子结构的情况下被描述。然而，本领域一般技术人员将易于理解，也可以使用与该方法和系统不一致的具有附加层和/或不同层的磁性结和/或子结构。此外，某些部件被描述为磁性、铁磁和亚铁磁。如在此使用的，术语“磁性”能包括铁磁性、亚铁磁性或类似结构。因此，如在此使用的，术语“磁性”或“铁磁性”包括但不限于铁磁性和亚铁磁性。该方法和系统也在单个磁性结和子结构的情况下被描述。然而，本领域一般技术人员将易于理解方法和系统与使用具有多个磁性结的磁存储器和使用多个子结构一致。此外，如在此使用的，“面内”是基本上在磁性结的一个或更多层的平面内或者平行于磁性结的一个或更多层的平面。相反，“垂直于”相应于基本垂直于磁性结的一个或更多层的方向。

图3图示出磁性器件(例如诸如STT-RAM的磁存储器)中使用的磁性结100的示范实施例。为了清楚，图3没有按比例。磁性结100包括被钉扎层110、非磁间隔层120和自由层130。图中还示出了可选钉扎层104，其可以用于固定被钉扎层110的磁化(未示出)。在一些实施例中，可选钉扎层104可以是通过交换偏置相互作用钉扎住被钉扎层110的磁化(未示出)的AFM层或者多个层。然而，在其他实施例中，可选钉扎层104可以被省略或者可以使用其他结构。此外，磁性结100可以包括其他层和/或附加层，诸如，可选籽晶层102和/或可选盖层140。磁性结100也被配置为当写入电流流过磁性结100时允许自由层130在多个稳定磁状态之间转换。因此，自由层130是可利用自旋转移力矩转换的。

被钉扎层110是磁性的，由此可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，特别地，成为合金的形式。虽然图示为简单层，但是被钉扎层110可以包括多个层。例如，被钉扎层110可以是SAF，包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的多个磁性层。在这种SAF中，可以使用插入有Ru或其他材料的薄层的多个磁性层。被钉扎层110也可以是另一种多个层。虽然图3没有示出磁化，但是自由层可以具有超过面外退磁能(out-of-planedemagnetizationenergy)的垂直各向异性能。在图示的实施例中，易锥面(easycone)的对称轴基本垂直于自由层的平面。在另一实施例中，自由层中的垂直各向异性可以小于面外退磁能。在这种情况下，易锥面的对称轴基本处于自由层的平面内。

间隔层120是非磁性的。在一些实施例中，间隔层120是绝缘体，例如，隧道势垒。在这种实施例中，间隔层120可以包括结晶MgO，其可以增强磁性结的隧道磁致电阻(TMR)。在其他实施例中，间隔层可以是导体，诸如，Cu。在替换实施例中，间隔层120可以具有另一结构，例如，在绝缘基质中包括导电沟道的颗粒层。

自由层130是磁性的且由此可以包括Fe、Ni和/或Co中的至少一种。自由层130具有通过自旋转移可以被转换的可变磁化(未示出)。自由层130被图示为单个层。在其他实施例中，如下文所述，自由层130可以包括其他层。

此外，自由层130具有易锥面磁各向异性。易锥面各向异性由图3中的磁化M示出。由于易锥面各向异性，自由层130的总磁化在与垂直于磁性结100的层平面的方向(即，图3中的z轴)成一角度的情况下具有稳定态。该角度距离z轴还小于90度。因此，存在磁化的垂直于平面的分量。在图示的实施例中，易锥面的对称轴为沿z方向。然而，在其他实施例中，易锥面的对称轴可以沿另一方向，例如，沿面内x方向或y方向。

易锥面各向异性可以参考图3和图4理解。图4示出了对于自由层130的磁各向异性能145的一个实施例。参考图3和图4，对于易锥面各向异性，磁各向异性能145在磁性结100的平面的法线或其附近具有局部极大值。在图示的实施例中，局部极大值为距离z轴0度或在0度附近。在一些实施例中，局部极大值至少为k_bT的10倍，其中k_b为波耳兹曼常数，T为磁性结的工作温度。在其他实施例中，局部极大值至少为k_bT的二十倍。另外，磁各向异性能145在距离局部极大值某角度处具有局部极小值。自由层130的磁化沿着局部极小值是稳定的。因此，从图3中磁化M和能量145能够看出，自由层磁化在z轴周围的某角度是稳定的。这些稳定态形成了围绕磁性结100的层平面的法线的锥形。由此，自由层130的磁各向异性被称为易锥面各向异性。

在自由层130中引入易锥面各向异性可以提高自由层130的转换特性。由于易锥面各向异性，自由层130的磁化可以具有稳定态，其从磁性结100的层的法线的对准而倾斜(例如，从z轴倾斜)。此初始非零角允许自由层130的磁化更容易被自旋转移力矩转换。此特性对应于低写入错误率。甚至在低脉冲宽度(高数据率)下也可以实现低WER。特别地，甚至对于小于10ns的脉冲宽度，写入错误率相对写入电流的斜率可以保持足够大。在一些实施例中，10^-9或更小的可接受的写入错误率可以以10-30ns或更小的脉冲宽度实现。因此，取代利用诸如外部场的机理的辅助转换，易锥面各向异性处置了高错误率的实体原因。结果，甚至在低脉冲宽度下，自由层130可以具有改善的写入错误率。

磁性结100的其他性能也可以被提高。磁性结100的热稳定性和对称性不会受到不利的影响。磁各向异性能145中距离z轴0度处的局部极大值的量值可以是20倍的k_bT或更大。在一些实施例中，局部极大值至少为60倍的k_bT。此量值的局部极大值可以足够大以确保磁性结100的热稳定性。此外，由于不需要外部磁场来转换磁性结100，所以磁性结100可以对于更高的存储密度具有更好的扩展性。磁性结100和使用磁性结100的存储器的性能和灵活性可以由此得到改善。

自由层的易锥面各向异性可以以许多方式实现。图5图示了包括具有易锥面各向异性的自由层的磁性结100’的示范实施例。为了清楚，图5没有按比例。磁性结100’可以用于诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性结100’类似于磁性结100，因此包括相似的结构。磁性结100’包括可选种子层102’、可选钉扎层104’、被钉扎层110’、非磁间隔层120’、自由层130’和可选盖层140’，其分别与可选种子层102、可选钉扎层104、被钉扎层110、非磁间隔层120、自由层130和可选盖层140相似。层110’、120’、130’和140’具有分别类似于层110、120、130和140的结构和功能。

自由层130’包括多个层。具体地，由非磁交换相互作用控制层134分离开的磁性层132和136被示出。在图示实施例中，一个磁性层132具有负垂直各向异性，H_k。因此，独自地，此层的磁化将留在膜的平面中。在一些实施例中，层132可以包括部分垂直各向异性的效应。此效应减小了使此层的磁化沿z方向饱和所需的场。在一些实施例中，部分垂直各向异性是4πM_s的至少百分之二十并且小于4πM_s的百分之九十。另一个磁性层136具有高垂直各向异性H_k。在一些实施例中，高垂直各向异性的量值依赖磁性结的尺寸。例如，对于具有一百纳米数量级的直径的较大的磁性结100’，大的H_k可以大于一千奥斯特(1kOe)。相反，对于具有十纳米数量级的直径的较小的磁性结100’，H_k为大约五千奥斯特(5kOe)。层132和136为铁磁性的，由此包括Fe、Co和Ni中的一种或多种。包括但不限于B、Ta、Cs、Zr、Pt、Pd、Tb和/或Ru的其他材料可以也包括在层132和136中。注意，相同或不同的材料可以用于层132和136。层132和136以及交换相互作用控制层134所用的材料和/或厚度的组合可以被调整使得在层132和136中产生期望的各向异性。

自由层130’也包括相互作用控制层134。相互作用控制层可以用于控制磁性层132和136之间的磁相互作用，诸如，交换相互作用。相互作用控制层134是非磁性的。例如，Ta、Cr、Mg、MgO、Ti、W和/或Ru可以用于相互作用控制层134。相互作用控制层134的厚度也可以改变。在一些实施例中，相互作用控制层134至少为0.1nm并且不大于1.5nm。例如，如图使用Ru，相互作用控制层134可以至少为0.3nm并且不大于1.3nm。如果使用Ta，那么相互作用控制层134可以至少为0.1nm并且不大于1.0nm。

参考图6可以看出相互作用控制层134的使用，图6示出了对于不同磁交换相互作用的总能量与角度的关系。为了简单，图6的曲线以二维示出了磁性结100’可以(但并非必须)围绕z轴对称。参考图5-6，曲线152示出对于层132和136之间非常低的交换耦合时磁各向异性能与角度的关系。曲线154示出对于层132和136之间中间的交换耦合时磁各向异性能与角度的关系。在图示实施例中，交换耦合在1.5×10^-4J/m²的数量级上。通常，交换耦合在0.5×10^-4J/m²-20×10^-4J/m²的数量级上。曲线156示出对于层132和136之间高交换耦合时磁各向异性能与角度的关系。如曲线152和156所示，对于低和高交换耦合，不存在关于易锥面各向异性被局部极小值围绕的局部极大值。然而，对于中间的交换耦合，磁各向异性能在距离表面的法线0度附近具有局部极大值。

参考图7可以看出自由层130’的磁化，图7示出了具有易锥面各向异性的自由层130’的磁化的一个实施例。参考图5-7，负垂直各向异性层132具有磁化133。如果不存在磁性层132和136之间的相互作用，磁化133将位于平面内。然而，由于层132和136之间的交换相互作用，磁化133与z轴(磁性结100’的平面的法线)成一角度θ。高垂直各向异性层136具有磁化135。此磁化135可以在不存在另一层132的情况下沿z轴延伸。然而，由于交换相互作用，磁化135与z轴成一角度α。自由层130’的总磁化由磁化137给出。总磁化137以距离z轴角度ф延伸。此角度ф对应于能量曲线154中的最小值。

易锥面各向异性的效应可以数学地理解。自由层130’的每单位面积的磁各向异性能可以给出为距离特定方向的角度的函数：

E(θ，α)＝-H_K，132*M₁₃₂*t₁₃₂*cos²(θ)-H_K，136*M₁₃₆*t₁₃₆*cos²(α)+σ*cos(θ-α)

其中，H_K，132为对于层132的有效垂直各向异性场；M₁₃₂为层132的磁化；t₁₃₂为层132的厚度；H_K，136为对于层136的有效垂直各向异性场；M₁₃₆为层136的饱和磁化；t₁₃₆为层136的厚度；以及σ为面积交换能密度。最终结果为自由层的磁化137在与z轴成一角度是稳定的，如图7所示。自由层130’由此表现出易锥面各向异性。如上所述，自由层130’具有易锥面各向异性。结果，可以实现改善的转换特性、热稳定性和可扩展性。

图8示出了包括自由层的磁性结100”的示范实施例，该自由层具有易锥面各向异性。为了清楚，图8没有按比例。磁性结100”可以用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性结100”与磁性结100和100’相似，由此包括相似的结构。磁性结100”包括可选籽晶层102”、可选钉扎层104”、被钉扎层110”、非磁间隔层120”、自由层130”和可选盖层140”，其分别与可选籽晶层102/102’、可选钉扎层104/104’、被钉扎层110/110’、非磁间隔层120/120’、自由层130/130’和可选盖层140/140’相似。层110”、120”、130”和140”分别具有与层110/110’、120/120’、130/130’和140/140’相似的结构和功能。

自由层130”包括多个层。特别地，示出了通过非磁交换控制层134’分离的磁性层132’和136’。然而，与磁性结100’相比，层132’和136’的位置已经交换。在图示的实施例中，一个磁性层132’具有负垂直各向异性，H_k，并且比层136’距离被钉扎层110”更远。另一磁性层136’具有高垂直各向异性H_k。层132’和136’的材料和厚度与层132和136相似。此层136’比层132’更靠近被钉扎层110”。尽管磁性层132’和136’的位置变化，但是自由层130”仍然保持易锥面各向异性。因此，磁性结100”以与磁性结100和100’相似的方式起作用并且可以分享磁性层100和100’的优点。

图9示出了另一自由层200的示范实施例，其可以在磁性结100、100’和/或100”中使用。为了清楚，图9没有按比例。自由层200与自由层130/130’/130”相似并由此包括相似的结构。自由层200包括负垂直各向异性202和210、高垂直各向异性层206和相互作用控制层204和208。层202和210与层132/132’相似，而层206与层136/136’相似。类似地，相互作用控制层204和208与相互作用控制层134/134’相似。在自由层200中，高垂直各向异性层206被夹在两个负各向异性层202和208之间。所得的自由层200可以具有易锥面各向异性。因此，当自由层200在磁性结中使用时，它可以具有改善的写入错误率而没有牺牲热稳定性、扩展性或低临界转换电流。

图10示出了另一自由层200’的示范实施例，其可以在磁性结100、100’和/或100”中使用。为了清楚，图10没有按比例。自由层200’与自由层130/130’/130”/200相似，由此包括相似的结构。自由层200’包括高垂直各向异性层202’和210’、负垂直各向异性层206’和相互作用控制层204’和208’。层202’和210’与层136/136’/206相似，而层206’与层132/132’/202/210相似。相似地，相互作用控制层204’和208’与相互作用控制层134/134’/204/208相似。在自由层200’中，负垂直各向异性层206’被夹在两个高各向异性层202’和210’之间。所得的自由层200’可以具有易锥面各向异性。因此，当自由层200’在结中使用时，它可以具有改善的写入错误率而没有牺牲热稳定性、扩展性或低临界转换电流。

图11示出了包括自由层的另一磁性结250的示范实施例，该自由层具有易锥面各向异性。为了清楚，图11没有按比例。磁性结250可以用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性结250与磁性结100、100’、100”相似，由此包括相似的结构。磁性结250包括可选种子层252、可选钉扎层254、被钉扎层256、非磁间隔层258、自由层260和可选盖层268，其分别与可选种子层102/102’、可选钉扎层104/104’、被钉扎层110/110’、非磁间隔层120/120’、自由层130/130’和可选盖层140/140’相似。另外，磁性结250包括附加非磁间隔层262、附加被钉扎层264和附加可选钉扎层266。因此，磁性结250是双结。附加非磁间隔层262、附加被钉扎层264和附加可选钉扎层266与非磁间隔层258、被钉扎层256和可选钉扎层254相似。因此，磁性结250可以分享结100、100’和100”的优点。此外，由于磁性结250可以是双节，诸如双隧道结，所以可以减小用于磁性结250的转换电流并且改进转换特性。

图12示出了用于制造磁性子结构的方法300的示范实施例。为了简单，可以省略或组合一些步骤。在磁性结100的情况下描述方法300。然而，方法300可以在其他磁性结诸如结100’、100”和/或250上使用。此外，方法300可以被引入磁存储器的制造中。因此，方法300可以用于制造STT-RAM或其他磁存储器。在提供种子层102和可选钉扎层104之后，可以开始方法300。

通过步骤302提供被钉扎层110。步骤302可以包括沉积被钉扎层110的期望材料达到期望厚度。此外，步骤302可以包括提供SAF。通过步骤304提供非磁层120。步骤304可以包括沉积期望的非磁材料，包括但不限于结晶MgO。另外，在步骤304可以沉积材料的期望厚度。

通过步骤306提供具有易锥面各向异性的自由层130。在一些实施例中，步骤306可以通过沉积多个层，诸如自由层130’、130”、200和/或200’而完成。然后，通过步骤308完成了制造。例如，可以提供盖层140。在其他实施例中，可以提供附加间隔层262、附加被钉扎层264和可选附加钉扎层266。在磁性结的层被沉积成堆叠然后被定义轮廓的一些实施例中，步骤308可以包括定义磁性结100的轮廓、执行退火、或者另外完成磁性结100的制造。此外，如果磁性结100并入诸如STT-RAM的存储器中，步骤308可以包括提供存储器的接触、偏置结构和其他部分。因此，形成磁性结100、100’、100”和/或250。结果，可以实现磁性结的优点。

此外，可以在磁存储器中使用磁性结100、100’、100”和/或250。图13示出了一个这种存储器400的示范实施例。磁存储器400包括读取/写入列选择驱动器402和406以及字线选择驱动器404。注意，可以提供其他和/或不同的部件。存储器400的存储区包括磁存储单元410。每个磁存储单元包括至少一个磁性结412和至少一个选择器件414。在一些实施例中，选择器件414为晶体管。磁性结412可以是磁性结100、100’、100”和/或250之一。虽然每个单元410示出一个磁性结412，但是在其他实施例中，在每个单元中可以提供其他数量的磁性结412。这样，磁存储器400可以享有上文所述的优点，诸如，低软错误率和低临界转换电流。

已经公开了不同磁性结100、100’、100”和250以及自由层130、130’、130”、200和200’。注意，磁性结100、100’和250的不同特征可以被组合。因此，可以实现磁性结100、200、200’和250和/或自由层130、130’、130”、200和/或200’的优点中的一个或多个，诸如，减小的写入错误率、垂直各向异性、热稳定性和/或扩展性。

已经描述了用于提供磁性结和利用磁性结制造存储器的方法和系统。该方法和系统已经根据示出的示范实施例来描述，本领域一般技术人员将易于理解，可以对实施例进行改变，任何改变将在该方法和系统的精神和范围内。因此，本领域一般技术人员可以进行许多变形而没有脱离权利要求的精神和范围。

Claims (25)

1.一种在磁性器件中使用的磁性结，包括：

被钉扎层；

非磁间隔层；和

自由层，具有易锥面磁各向异性，所述非磁间隔层处于所述被钉扎层和所述自由层之间，所述自由层具有各向异性能，该各向异性能在与垂直于所述磁性结的平面的方向基本成零度角处具有局部极大值，并且在距离局部极大值的一定角度处具有局部最小值，所述自由层的磁化强度沿着所述局部最小值是稳定的，所述角度大于零度并且小于90度，从而所述自由层具有所述易锥面磁各向异性；

其中，所述磁性结被配置为使得当写入电流流过所述磁性结时所述自由层在多个稳定磁状态之间是可转换的。

2.如权利要求1所述的磁性结，其中所述自由层包括高垂直各向异性层、负垂直各向异性层以及在所述高垂直各向异性层与所述负垂直各向异性层之间的相互作用控制层，所述高垂直各向异性层和所述负垂直各向异性层提供所述易锥面磁各向异性。

3.如权利要求2所述的磁性结，其中所述高垂直各向异性层具有至少一千奥斯特的垂直各向异性场。

4.如权利要求3所述的磁性结，其中所述高垂直各向异性场至少为五千奥斯特。

5.如权利要求2所述的磁性结，其中所述相互作用控制层包括Ru、Ta、Mg、MgO、Ti、W和Cr中的至少一种。

6.如权利要求5所述的磁性结，其中所述相互作用控制层具有至少0.1nm且不大于1.5nm的厚度。

7.如权利要求2所述的磁性结，其中所述高垂直各向异性层比所述负垂直各向异性层更靠近所述被钉扎层。

8.如权利要求2所述的磁性结，其中所述负垂直各向异性层比所述高垂直各向异性层更靠近所述被钉扎层。

9.如权利要求2所述的磁性结，其中所述自由层还包括附加负垂直各向异性层和附加相互作用控制层，所述附加相互作用控制层处于所述高垂直各向异性层和所述附加负垂直各向异性层之间。

10.如权利要求2所述的磁性结，其中所述负垂直各向异性层还具有部分垂直各向异性。

11.如权利要求1所述的磁性结，其中所述局部极大值至少为10倍的玻尔兹曼常数乘以所述磁性结的温度。

12.如权利要求11所述的磁性结，其中所述局部极大值至少为20倍的玻尔兹曼常数乘以所述磁性结的温度。

13.如权利要求1所述的磁性结，其中所述非磁间隔层为隧道势垒层。

14.如权利要求13所述的磁性结，其中所述非磁间隔层包括结晶MgO。

15.如权利要求1所述的磁性结，还包括：

附加被钉扎层；和

附加非磁间隔层，所述附加非磁间隔层处于所述附加被钉扎层与所述自由层之间。

16.如权利要求15所述的磁性结，其中所述非磁间隔层和所述附加非磁间隔层中的至少之一为隧道势垒层。

17.一种磁存储器，包括：

多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每个包括至少一个磁性结，所述至少一个磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和具有易锥面磁各向异性的自由层，所述非磁间隔层处于所述被钉扎层与所述自由层之间，所述自由层具有各向异性能，该各向异性能在与垂直于所述磁性结的平面的方向基本成零度角处具有局部极大值，并且在距离局部极大值的一定角度处具有局部最小值，所述自由层的磁化强度沿着所述局部最小值是稳定的，所述角度大于零度并且小于90度，从而所述自由层具有所述易锥面磁各向异性，并且其中所述磁性结被配置为使得当写入电流流过所述磁性结时所述自由层在多个稳定磁状态之间是可转换的；和

多条位线。

18.如权利要求17所述的磁存储器，其中所述自由层包括高垂直各向异性层、负垂直各向异性层和在所述高垂直各向异性层与所述负垂直各向异性层之间的相互作用控制层，所述高垂直各向异性层和所述负垂直各向异性层提供所述易锥面磁各向异性。

19.如权利要求18所述的磁存储器，其中所述高垂直各向异性层具有至少一千奥斯特的垂直各向异性场。

20.如权利要求19所述的磁存储器，其中所述垂直各向异性场至少为五千奥斯特。

21.如权利要求18所述的磁存储器，其中所述自由层还包括附加负垂直各向异性层和附加相互作用控制层，所述附加相互作用控制层处于所述高垂直各向异性层和所述附加负垂直各向异性层之间。

22.如权利要求18所述的磁存储器，其中所述负垂直各向异性层还具有部分垂直各向异性。

23.如权利要求17所述的磁存储器，其中所述局部极大值至少为10倍的玻尔兹曼常数乘以所述磁性结的温度。

24.如权利要求23所述的磁存储器，其中所述局部极大值至少为20倍的玻尔兹曼常数乘以所述磁性结的温度。

25.如权利要求17所述的磁存储器，其中所述多个磁性结的每个还包括：

附加被钉扎层；和

附加非磁间隔层，所述附加非磁间隔层处于所述附加被钉扎层与所述自由层之间。