CN102544353A - 磁性结、磁存储器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁性结、磁存储器及其方法。该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与自由层之间。该磁性结被配置为使得当写入电流流经该磁性结时自由层可在多个稳定磁性状态之间转换。被钉扎层和自由层中的至少一个包括磁性子结构。该磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层。每个插入层包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。磁性层交换耦合。

Description

磁性结、磁存储器及其方法
技术领域
本发明涉及磁性结、磁存储器及其方法。
背景技术
由于其高读/写速度、良好耐久性、非易失性和操作期间的低功耗的潜力，磁存储器，特别是磁随机存取存储器(MRAM)，已经受到越来越多的注意。MRAM能够使用磁材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM利用磁性结，该磁性结通过被驱动流经磁性结的电流而至少部分地被写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流施加自旋矩在磁性结中的磁矩上。结果，具有响应自旋矩的磁矩的层可以转换到期望的状态。
例如，图1示出常规磁隧道结(MTJ)10，其可以使用在常规STT-RAM中。常规MTJ 10通常位于底接触11上，使用常规籽晶层(或多个籽晶层)12并包括常规反铁磁(AFM)层14、常规被钉扎层16、常规隧穿势垒层18、常规自由层20和常规覆盖层22。顶接触24也被示出。
常规接触11和24用于在电流垂直于平面(CPP)方向上或沿如图1所示的z轴驱动电流。常规籽晶层12通常用于帮助具有期望晶体结构的后续层(诸如AFM层14)的生长。常规隧穿势垒层18是非磁性的，并例如为薄绝缘体诸如MgO。
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通常通过与AFM层14的交换偏置相互作用而被固定或钉扎在特定方向。尽管示出为单一(单个)层，但是常规被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是综合反铁磁(SAF)层，包括通过薄导电层(诸如Ru)反铁磁耦合的磁性层。在这样的SAF中，可以使用交插以Ru的薄层的多个磁性层。在另一实施例中，跨过Ru层的耦合可以是铁磁的。此外，常规MTJ 10的其他形式可以包括通过额外的非磁性势垒层或导电层(未示出)与自由层20分隔开的额外被钉扎层(未示出)。
常规自由层20具有可改变的磁化21。尽管示出为单一层，但是常规自由层20还可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄导电层诸如Ru反铁磁或铁磁地耦合的磁性层的综合层。尽管示出为平面内，但是常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。因此，被钉扎层16和自由层20可以具有它们的分别取向为垂直于层的平面的磁化17和21。
为了转换常规自由层20的磁化21，电流垂直于平面(在z方向上)驱动。当足够的电流从顶接触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可以转换为反平行于被钉扎层16的磁化。磁组态的差异对应于不同的磁致电阻，从而对应于常规MTJ 10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。
当用于STT-RAM应用中时，期望常规MTJ 10的自由层21以相对低的电流来转换。临界转换电流(Ic0)是在平衡取向附近的自由层磁化21的无穷小进动变得不稳定的最小电流。例如，期望Ic0可以为大约几mA或更小。此外，期望短的电流脉冲用于以较高的数据率来编程常规磁元件10。例如，期望大约20-30ns或更小的电流脉冲。
尽管常规MTJ 10可以利用自旋转移写入并使用在STT-RAM中，但是存在缺陷。例如，对于具有可接受的Ic0和脉冲宽度的存储器，写入错误率会高于所期望的。写入错误率(WER)是单元(也就是，常规磁性结的自由层20的磁化21)在受到至少等于典型转换电流的电流时没有转换的几率。WER期望为10-9或更小。然而，常规自由层20通常具有远超过该值的WER。此外，已经确定，对于较短写入电流脉冲，WER的改善具有挑战性。例如，图2是示出WER对于不同宽度的脉冲的趋势的曲线图50。应注意，实际的数据没有在曲线图50中绘出。相反，曲线图50意在指示趋势。脉冲宽度对于曲线52、54、56和58从最长到最短。如从图50可见，对于较高的脉冲宽度，WER与写入电流的关系曲线具有较高的斜率。因此，对于相同的脉冲宽度，较高写入电流的施加可以引起WER的显著降低。然而，随着脉冲宽度在曲线54、56和58中缩短，曲线54、56和58的斜率减小。对于减小的脉冲宽度，电流的增加不太可能引起WER的降低。因此，使用常规MTJ10的存储器会具有不可接受的高WER，该高WER不能通过写入电流的增加而补救。
已经提出各种常规方案来改善诸如WER的特性。例如，可以使用磁场辅助转换和/或具有复杂结构的磁性结。然而，这些常规方案的减小WER同时保持其他特性的能力有限。例如，可缩放性、能量损耗和/或热稳定性会受到这些常规方法的不利影响。
除了WER之外，对于常规MTJ 10还会存在其他的问题。对于具有垂直取向的磁化17和21的常规MTJ 10，磁致电阻会低于具有平面内磁化的常规MTJ 10。结果，来自常规MTJ 10的信号会低于所期望的。这样的垂直常规MTJ 10也表现出高的阻尼。因而，转换性能受到不利影响。因此，仍期望改善使用常规MTJ 10的存储器的性能。
因而，需要一种可以改善基于自旋转移矩的存储器的性能的方法和系统。这里描述的方法和系统解决了该需要。
发明内容
本发明描述了提供可用于磁性器件的磁性结的方法和系统。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与自由层之间。磁性结配置为使得当写入电流流经磁性结时自由层可在多个稳定的磁性状态之间转换。被钉扎层和自由层中的至少一个包括磁性子结构。磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层。每个插入层包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。磁性层被交换耦合。
附图说明
图1示出常规磁性结。
图2是示出写入电流与写入错误率的关系曲线的趋势的曲线图。
图3示出磁性子结构的示范性实施例。
图4示出磁性子结构的另一示范性实施例。
图5示出磁性子结构的另一示范性实施例。
图6示出磁性子结构的另一示范性实施例。
图7示出包括磁性子结构的磁性结的示范性实施例。
图8示出包括磁性子结构的磁性结的另一示范性实施例。
图9示出包括磁性子结构的磁性结的另一示范性实施例。
图10示出包括磁性子结构的磁性结的另一示范性实施例。
图11示出提供磁性子结构的方法的示范性实施例。
图12示出用于制造包括磁性子结构的磁性结的方法的示范性实施例。
图13示出在存储单元(多个存储单元)的存储元件(多个存储原件)中使用磁性结的存储器的示范性实施例。
具体实施方式
示范性实施例涉及可用于磁器件诸如磁存储器的磁性结以及使用该磁性结的器件。给出以下的描述使得本领域技术人员能够实施并使用本发明，并且该描述在专利申请及其要求的背景下提供。这里描述的一般原理和特征及示范性实施例的各种修改将是显而易见的。示范性实施例主要就在特定实施方式中提供的特定方法和系统而论进行了描述。然而，这些方法和系统将有效地在其他实施方式中起作用。措辞诸如“示范性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”可以指代相同或不同的实施例以及多个实施例。实施例将关于具有特定部件的系统和/或器件来描述。然而，系统和/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类型上进行变化而不背离本发明的范围。示范性实施例也将结合具有特定步骤的具体方法的上下文来描述。然而，方法和系统对于具有不同和/或额外步骤以及与示范性实施例不一致的不同次序的步骤的其他方法有效地起作用。因此，本发明并不意图限制于示出的实施例，而是符合与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。
提供磁性结以及利用该磁性结的磁存储器的方法和系统被描述。示范性实施例提供了方法和系统，用于提供可用于磁器件中的磁性结。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与自由层之间。磁性结配置为使得自由层在写入电流流过磁性结时可在多个稳定的磁性状态之间转换。被钉扎层和自由层中的至少一个包括磁性子结构。磁性子结构包括交插有至少一个插入层的至少两个磁性层。每个插入层包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。磁性层被交换耦合。
示范性实施例以特定磁性结和具有特定部件的磁存储器为背景来描述。本领域普通技术人员将容易地理解，本发明与具有与本发明不一致的其他和/或额外部件和/或其他特征的磁性结和磁存储器的使用一致。方法和系统也在对自旋转移现象、磁各向异性和其他物理现象的当前理解的背景下描述。因此，本领域普通技术人员将容易地理解，对方法和系统的表现的理论解释基于对自旋转移、磁各向异性和其他物理现象的该当前理解而做出。然而，这里描述的方法和系统不依赖于特定的物理解释。本领域普通技术人员也将容易地理解到，方法和系统在与基板具有特定关系的结构的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，方法和系统符合其他结构。此外，方法和系统在综合和/或简单的特定层的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，这些层可以具有其它结构。此外，方法和系统在具有特定层的磁性结和/或子结构的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，具有与方法和系统不一致的额外和/或其他层的磁性结和/或子结构也可以被使用。另外，特定部件被描述为磁性的、铁磁的和亚铁磁的。这里使用时，术语磁性可以包括铁磁性、亚铁磁性或类似的结构。因此，这里使用过时，术语“磁性”或“铁磁性”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。方法和系统也在单个磁性结和子结构的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，方法和系统符合具有多个磁性结及使用多个子结构的磁存储器的使用一致。此外，这里使用时，“平面内”是基本在磁性结的一个或多个层的平面内或与其平行。相反，“垂直”对应于基本垂直于磁性结的一个或多个层的方向。
图3示出可用于磁器件例如磁隧道结(MTJ)、自旋阀或弹道(ballistic)磁致电阻结构或其某些组合中的磁性子结构100的示范性实施例。其中使用磁性子结构100的磁器件可以用于各种应用中。例如，磁器件并由此磁性子结构可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。为了清晰，图3没有按比例。磁性子结构100包括第一铁磁层110、插入层120和第二铁磁层130。尽管层110、120和130以特定的取向示出，但是该取向可以在其它实施例中改变。例如，铁磁层110可以在磁性子结构100的顶部(离未示出的基板最远)。
铁磁层110和130可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，特别地以合金的形式。在一些实施例中，铁磁层110和130包括CoFe。在一些这样的实施例中，铁磁层110和130由CoFeB构成。铁磁层110和130中的一个或两者配置为在室温是稳定的。例如，铁磁层110和/或130的磁各向异性能可以为kbT的至少六十倍。在一些实施例中，铁磁层110和/或130的磁各向异性能在室温(大约三十摄氏度)为kbT的至少八十倍。此外，层110和130磁耦合。在一些这样的实施例中，层110和130交换耦合。在一些实施例中，该交换耦合促进铁磁层110和130的磁化(没有在图3中示出)的基本平行的取向。在其他实施例中，交换耦合可以促进层110和130的基本反平行或其他相对的取向。在这些实施例的一些中，层110和/或130可以具有高的垂直各向异性。换句话说，层110和/或130可以是弱平面内的。例如，在一些这样的实施例中，层110和/或130的垂直各向异性能可以接近但小于平面外(out-of-plane)退磁能(对于大单元接近4πMs，对于较小单元由于在边缘处减小的退磁场而小于4πMs)。例如，垂直各向异性能可以为平面外退磁能的至少百分之四十。在一些这样的实施例中，垂直各向异性能可以不超过退磁能的百分之九十。在其他的实施例中，层110和130的磁化都是垂直的。在另一些实施例中，层110和130的磁化中的一个或两者具有平面内和垂直于平面的分量。
插入层120是位于铁磁层110与130之间的非磁性层。插入层120可以是导电的。例如，插入层可以包括诸如Cr、Ta、Ti、W和Ru中的至少一种的材料。在一些这样的实施例中，插入层120由Cr、Ta、Ti、W和Ru中的一种构成。在其他的实施例中，插入层120可以是绝缘体诸如铝氧化物和/或MgO。插入层120可以用于调整层110和130之间的磁耦合。插入层120也可以用于改善使用磁性子结构100的磁隧道结的隧穿磁致电阻(TMR)。磁性子结构100的铁磁层之间的耦合及利用磁性子结构100的磁隧道结的TMR可以通过改变插入层120的成分和厚度以及铁磁层110和130的厚度和成分来调整。
磁性子结构100的特性可以利用插入层120和铁磁层110和130的组合来调整。结果，其中使用磁性子结构100的磁器件的特性也可以如期望地配置。例如，其中使用磁性子结构100的磁器件的TMR可以由于自由层的改善的晶化以及与隧道结的晶格匹配而增强，特别是对于具有两个势垒层的隧道结。转换特性诸如WER和数据率可以在其中使用磁性子结构100的磁器件中增强。
图4示出可用于磁器件诸如MTJ、自旋阀或弹道磁致电阻结构或其某些组合中的磁性子结构100’的示范性实施例。其中使用磁性子结构100’的磁器件可以用于各种应用中。例如，磁器件并且因而磁性子结构可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。为了清晰，图4没有按比例。磁性子结构100’类似于磁性子结构100。因此，类似的部件被类似地标记。因此磁性子结构100’包括类似于第一铁磁层110、插入层120和第二铁磁层130的第一铁磁层110’、插入层120’和第二铁磁层130’。尽管层110’、120’和130’以特定的取向示出，但是该取向可以在其他实施例中改变。例如，铁磁层110’可以在磁性子结构100’的顶部(离未示出的基板最远)。
磁性子结构100’配置为使得铁磁层110’具有弱平面内各向异性。因此，层110’的垂直各向异性能可以接近但小于平面外退磁能。例如，对于层110’，垂直各向异性能可以平面外退磁能的至少百分之四十。在一些这样的实施例中，垂直各向异性能可以不超过退磁能的百分之九十。因此，没有与层130’的相互作用，铁磁层110的磁化是平面内的。相反，层130’具有高垂直各向异性。因此，垂直各向异性能大于平面外退磁能。在一些实施例中，垂直各向异性能显著大于平面外退磁能。例如，在一些实施例中，垂直各向异性能可以比平面外退磁能大二至四千奥斯特(或更大)。
铁磁层110’和130’可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，特别是合金的形式。在一些实施例中，铁磁层110’和130’包括某些形式的CoFe，诸如CoFeB。例如，在一些实施例中，铁磁层110’和/或130’可以包括合金诸如CoFeB、CoPd、CoPt、FePt的单层和/或多层诸如Co/Pd、Co/Pt、Fe/Pt、Co/Ru。铁磁层110’和130’中的至少一个配置为在室温是稳定的。例如，铁磁层110’和/或130’中的一个或两个的磁各向异性能可以为kbT的至少六十倍。在一些实施例中，铁磁层110’和/或130’中的一个或两个的磁各向异性能在室温(大约三十摄氏度)为kbT的至少八十倍。
铁磁层110’和130’磁耦合。在一些这样的实施例中，层110’和130’交换耦合。磁化的最终结果也在图4中示出。铁磁层110’的磁化112、铁磁层130’的磁化132和结构100’的净磁化102被示出。如图4中可见，磁化112不是平面内的。这是因为层110’和130’之间的磁耦合。高垂直各向异性能层130’与弱平面内层110’磁耦合，使得层110’的磁化112为平面外的(out-of-plane)。因此，磁化112具有平面内和垂直于平面的分量。结果，磁性结构100’的净磁矩具有平面内和垂直于平面的分量。由于层110’和130’之间的交换耦合，磁性子结构100’的磁化102与z轴(正交于磁性子结构100’的平面)成角度θ。最终结果是磁性子结构100’的磁化102在与z轴成一角度处是稳定的。因此，可以实现改善的转换特性、热稳定性和可缩放性。
该初始非零角度允许磁性子结构100’的磁化被自旋转移矩更容易地转换。例如，磁性子结构100’可以用于MTJ中。对于这样的磁元件，该特性相应于低写入错误率。即使在低脉冲宽度(高数据率)也可以实现低WER。特别地，写入错误率与写入电流的关系曲线的斜率可以保持足够大，即使对于小于10ns的脉冲宽度。在一些实施例中，对于10-30ns或更小的脉冲宽度可以实现10-9或更小的可接受的写入错误率。因此，替代使用诸如外场的机制的辅助转换，高错误率的实质因素被解决。因此，当用于磁性元件诸如MTJ中时，即使对于小脉冲宽度，磁性子结构100’也可以具有改善的写入错误率。
图5示出可用于磁器件例如MTJ、自旋阀或弹道磁致电阻结构或其某些组合中的磁性子结构100”的示范性实施例。其中使用磁性子结构100”的磁器件可以用于各种应用中。例如，磁器件并且由此磁性子结构可以用于磁存储器诸如STT-RAM中。为了清晰，图5没有按比例。磁性子结构100”类似于磁性子结构100和100’。因此，类似的部件被类似地标记。因此磁性子结构100”包括类似于第一铁磁层110/110’、插入层120/120’和第二铁磁层130/130’的第一铁磁层110”、插入层120”和第二铁磁层130”。尽管层110”、120”和130”以特定的取向示出，但是该取向可以在其他的实施例中改变。例如，铁磁层110”可以在磁性子结构100”的顶部(离未示出的基板最远)。
磁性子结构100”还包括额外的插入层140和另一铁磁层150。在示出的实施例中，层110”和150具有弱平面内各向异性。因此，无需赘述，铁磁层110”和150的磁化是平面内的。层130”是强垂直的。在一些实施例中，层130”比层110”和150厚。例如，层130”可以具有等于层110”和150的厚度之和的厚度。层110”、130”和150磁耦合。在一些实施例中，层110”、130”和150交换耦合。此外，层130”在室温是磁稳定的。在一些实施例中，铁磁层130”的磁各向异性能在室温为kbT的至少六十倍。在一些这样的实施例中，铁磁层130”的磁各向异性能在室温为kbT的至少八十倍。
图5还分别示出层110”、130”和150的磁化112’、132’和152。此外，磁性子结构100”的净磁化102’被示出。磁化112’和152被示出为相同。然而，在其他的实施例中，磁化112’和152可以不同。如图5中可见，磁化112’和152不是平面内的。这是由于层110”/150与130”之间的磁耦合。结果，磁结构100”的净磁矩102’具有平面内和垂直于平面的分量。由于层110”/150与130”之间的交换相互作用，磁性子结构100’的磁化102’与z轴(正交于磁性子结构100”的平面)成角度θ’。最终结果是磁性子结构100”的磁化102’稳定与z轴成一角度处。因此，可以实现改善的转换特性、热稳定性和可缩放性。
磁性子结构100”分享磁性子结构100’的益处。具体地，当使用在磁性元件诸如MTJ中时，MTJ可以具有低WER。因此，当使用在磁性元件诸如MTJ中时，磁性子结构100”即使对于较短的脉冲宽度也可以具有改善的写入错误率。同时，磁性子结构100”可以是磁性稳定的。
图6示出可用于磁器件例如MTJ、自旋阀或弹道磁致电阻结构或其某些组合中的磁性子结构100”’的示范性实施例。其中使用磁性子结构100”’的磁器件可以用于各种应用中。例如，磁器件并且由此磁性子结构可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。为了清晰，图6没有按比例。磁性子结构100”’类似于磁性子结构100、100’和100”。因此，类似的部件被类似地标记。因此磁性子结构100”’包括类似于第一贴磁层110/110’/110”、插入层120/120’/120”、第二铁磁层130/130’/130”、额外插入层140和额外铁磁层150的第一铁磁层110”’、插入层120”’、第二铁磁层130”’、额外插入层140’和额外铁磁层150’。尽管层110”’、120”’、130”’、140’和150’以特定的取向示出，但是该取向可以在其他实施例中改变。例如，铁磁层130”’可以在磁性子结构100”’的顶部(离未示出的基板最远)。
在磁性子结构100”’中，弱平面内层110”’在垂直层130”和150’之间。无需赘述，铁磁层110”’的磁化是平面内的。在一些实施例中，层110”’厚于层130”’和150’。例如，层110”’可以具有等于层130”’和150’的厚度之和的厚度。层110”’、130”’和150’磁耦合。在一些实施例中，层110”’、130”’和150’交换耦合。此外，层130”’和150’在室温是磁稳定的。在一些实施例中，铁磁层130”’和/或150’的磁各向异性能在室温为kbT的至少六十倍。在其他的实施例中，铁磁层110”’、130”’和/或150’的磁各向异性能在室温为kbT的至少八十倍。
图6还分别示出层110”’、130”’和150’的磁化112”、132”和152’。此外，磁性子结构100”’的净磁化102”被示出。磁化132”和152’被示出为相同。然而，在其他的实施例中，磁化132”和152’可以不同。如图6中可见，磁化112”不是平面内的。这是由于层110”’和130”’/150’之间的磁耦合。结果，磁结构100”’的净磁矩102”具有平面内和垂直于平面的分量。由于层110”和130”’/150’之间的交换相互作用，磁性子结构100”的磁化102”与z轴(正交于磁性子结构100”’的平面)成角度θ”。最终结果是磁性子结构100”’的磁化102”稳定与z轴成一角度处。因此，可以实现改善的转换特性、热稳定性和可缩放性。
磁性子结构100”’分享磁性子结构100’的益处。具体地，当使用在磁性元件诸如MTJ中时，MTJ可以具有低WER。因此，当使用在磁性元件诸如MTJ中时，磁性子结构100”’即使对于较短的脉冲宽度也可以具有改善的写入错误率。同时，磁性子结构100”’可以是磁性稳定的。
图7示出包括磁性子结构的磁性结200的示范性实施例。为了清晰，图7没有按比例。磁性结200包括被钉扎层210、非磁间隔层220和自由层230。尽管层210、220和230以特定的取向示出，但是该取向可以在其它实施例中改变。例如，被钉扎层210可以靠近磁性结200的顶部(离未示出的基板最远)。还示出了可选的籽晶层202、可选的钉扎层204和可选的覆盖层240。可选的钉扎层204可以用于固定被钉扎层210的磁化(未示出)。在一些实施例中，可选的钉扎层204可以是通过交换偏置相互作用来钉扎被钉扎层210的磁化(未示出)的AFM层或多层。然而，在其他的实施例中，可以省略可选的钉扎层204，或者可以使用另一结构。磁性结200还配置为允许自由层230在写入电流流经磁性结200时在稳定的磁状态之间转换。因此，自由层230是可利用自旋转移矩来转换的。
尽管示出为单一层，但是被钉扎层210可以包括多个层。例如，被钉扎层210可以是包括通过薄层诸如Ru铁磁耦合或反铁磁耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用交插以Ru或其他材料的薄层的多个磁性层。被钉扎层210还可以是其他的多层。尽管磁化没有在图7中示出，但是被钉扎层210可以具有超过平面外退磁能的垂直各向异性能。因此，被钉扎层210可以使其磁矩垂直于平面取向。在其他的实施例中，被钉扎层210的磁矩是平面内的。被钉扎层210的磁化的其他取向也是可能的。
间隔层220是非磁性的。在一些实施例中，间隔层220是绝缘体，例如隧穿势垒层。在这样的实施例中，间隔层220可以包括晶体MgO，其可以增强磁性结的TMR。在其他的实施例中，间隔层可以是导体诸如Cu。在备选的实施例中，间隔层220可以具有另一结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。
自由层230包括磁性子结构100、100’、100”和/或100”’。在一些实施例中，自由层230由磁性子结构100、100’、100”和/或100”’构成。
由于磁性子结构100、100’、100”和/或100”’使用在自由层230中，所以磁性结200可以分享磁性子结构100、100’、100”和/或100”’的益处。具体地，磁性结200可以是热稳定的。此外，自由层230的净磁化可以与z轴成一角度，该角度小于九十度但大于零度。换句话说，自由层230的净磁化从z轴倾斜。因此，自由层230可以更容易使用自旋转移矩来转换。此外，可以降低磁性结的WER。
图8示出包括磁性子结构的磁性结200’的示范性实施例。为了清晰，图8没有按比例。磁性结200’类似于磁性结200。因此，相似的层被类似地标记。磁性结200’包括分别类似于层210、220和230的被钉扎层210’、非磁间隔层220’和自由层230’。尽管层210’、220’和230’以特定的取向示出，但是该取向可以在其他实施例中改变。例如，被钉扎层210’可以较靠近磁性结200’的顶部(离未示出的基板最远)。还示出可选的籽晶层202’、可选的钉扎层204’和可选的覆盖层240’，类似于可选的籽晶层202、可选的钉扎层204和可选的覆盖层240。磁性结200’还配置为使得自由层230’在写入电流流经磁性结200’时在稳定的磁状态之间转换。因此，自由层230’可利用自旋转移矩转换。
间隔层220’是非磁性的。在一些实施例中，间隔层220’是绝缘体，例如隧穿势垒层。在这样的实施例中，间隔层220’可以包括晶体MgO，其可以增强磁性结的隧穿磁致电阻(TMR)。在其他的实施例中，间隔层可以是导体诸如Cu。在备选的实施例中，间隔层220’可以具有另一结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。
自由层230’可以是单一层或可以包括多个层。例如，自由层230’可以是包括多个磁性层的SAF，所述磁性层通过薄层诸如Ru铁磁耦合或反铁磁耦合。在这样的SAF中，可以使用交插以Ru或其他材料的薄层的多个磁性层。自由层230’还可以是其他多层。尽管磁化没有在图8中示出，但是自由层可以具有超过平面外退磁能的垂直各向异性能。
被钉扎层210’包括磁性子结构100、100’、100”和/或100”’。在一些实施例中，被钉扎层210’由磁性子结构100、100’、100”和/或100”’构成。
图9示出包括磁性子结构的磁性结200”的示范性实施例。为了清晰，图9没有按比例。磁性结200”类似于磁性结200和200’。因此，相似的层被类似地标记。磁性结200”包括被钉扎层210”、非磁间隔层220”和自由层230”，分别类似于层210/210’、220/220’和230/230’。尽管层210”、220”和230”以特定的取向示出，但是该取向可以在不同的实施例中改变。例如，被钉扎层210”可以更靠近磁性结200”的顶部(离未示出的基板最远)。还示出了可选的籽晶层202”、可选的钉扎层204”和可选的覆盖层240”，类似于可选的籽晶层202/202’、可选的钉扎层204/204’和可选的覆盖层240/240’。磁性结200”还配置为允许自由层230”在写入电流流经磁性结200”时在稳定的磁状态之间转换。因此，自由层230”可利用自旋转移矩来转换。
被钉扎层210”包括磁性子结构100、100’、100”和/或100”’。在一些实施例中，被钉扎层210”由磁性子结构100、100’、100”和/或100”’构成。
间隔层220”是非磁性的。在一些实施例中，间隔层220”是绝缘体，例如隧穿势垒层。在这样的实施例中，间隔层220”可以包括晶体MgO，其可以增强磁性结的TMR。在其他的实施例中，间隔层220”可以是导体诸如Cu。在备选的实施例中，间隔层220”可以具有另一结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。
自由层230”包括磁性子结构100、100’、100”和/或100”’。在一些实施例中，自由层230”由磁性子结构100、100’、100”和/或100”’构成。
由于磁性子结构100、100’、100”和/或100”’使用在自由层230”中，所以磁性结200”可以分享磁性子结构100、100’、100”和/或100”’的益处。具体地，磁性结200”可以是热稳定的。此外，自由层230”的净磁化可以与z轴成一角度，该角度小于九十度但大于零度。换句话说，自由层230’的净磁化从z轴倾斜。因此，自由层230’可以更容易使用自旋转移矩来转换。此外，可以降低磁性结的WER。
图10示出包括磁性子结构的磁性结200”’的示范性实施例。为了清晰，图10没有按比例。磁性结200”’类似于磁性结200、200’和200”。因此，相似的层被类似地标记。磁性结200”’包括被钉扎层210”’、非磁间隔层220”’和自由层230”’，分别类似于层210/210’/210”、220/220’/220”和230/230’/230”。磁性结200”’还示出为包括可选的层202”’、204”’和240”’，分别类似于层202/202’/202”、204/204’/204”和240”。还示出额外的非磁间隔层250、额外的被钉扎层260和额外的可选钉扎层270。层250、260和270分别类似于层220/220’/220”/220”’、210/210’/210”/210”’和204/204’/204”/204”’。因此，磁性结200”’是双磁性结。尽管层210”’、220”’、230”’、250和260以特定的取向示出，但是该取向可以在不同的实施例中改变。例如，被钉扎层210”’可以更靠近磁性结200”’的顶部(离未示出的基板最远)。磁性结200”’还配置为允许自由层230”’在写入电流流经磁性结200”’时在稳定的磁状态之间转换。因此，自由层230”’可利用自旋转移矩来转换。
被钉扎层210”’、自由层230”’和/或被钉扎层260包括磁性子结构100、100’、100”和/或100”’。在一些实施例中，被钉扎层210”’、自由层230”’和/或被钉扎层260由磁性子结构100、100’、100”和/或100”’构成。
由于磁性子结构100、100’、100”和/或100”’使用在自由层230”’中，所以磁性结200”’可以分享磁性子结构100、100’、100”和/或100”’的益处。具体地，磁性结200”’可以是热稳定的。此外，自由层230”’的净磁化可以与z轴成一角度，该角度小于九十度但大于零度。换句话说，自由层230”的净磁化从z轴倾斜。因此，自由层230’可以更容易使用自旋转移矩来转换。此外，可以降低磁性结的WER。
图11示出制造磁性子结构的方法300的示范性实施例。为了简单起见，某些步骤可以被省略或合并。方法300在磁性子结构100的背景下来描述。然而，方法300可以使用在其他磁性子结构上，诸如子结构100’、100”和/或100”’。此外，方法300可以结合到磁存储器的制造中。因此，方法300可以用于制造STT-RAM或其他的磁存储器。
通过步骤302提供铁磁层110。步骤302可以包括以铁磁层110的期望厚度沉积期望的材料。通过步骤304提供插入层120。步骤304可以包括沉积期望的非磁性材料。此外，期望厚度的材料可以在步骤304中沉积。通过步骤306提供第二铁磁层。通过步骤308来可选地重复提供插入层和另一铁磁层的步骤。因此，可以提供具有期望数目的铁磁层和插入层的磁性子结构。因此，形成磁性子结构100、100’、100”和/或100”’。因此，可以实现磁性子结构的益处。
图12示出制造包括磁性子结构的磁性结的方法310的示范性实施例。为了简单，某些步骤可以被省略或合并。方法310在磁性结200的背景下描述。然而，方法310可以使用在其他磁性结诸如结200’、200”和/或200”’上。此外，方法310可以结合到磁存储器的制造中。因此方法310可以用于制造STT-RAM或其他磁存储器。方法310可以在提供籽晶层202和可选钉扎层204之后开始。
通过步骤312提供被钉扎层210。步骤S312可以包括以被钉扎层210的期望厚度沉积所需材料。此外，步骤S312可以包括提供SAF。在其他的实施例中，可以提供磁性子结构100、100’、100”和/或100”’。通过步骤S314提供非磁性层220。步骤S314可以包括沉积所需的非磁性材料，包括但不限于晶体MgO。此外，在步骤S314中可以沉积所需厚度的材料。
通过步骤S316提供可选地包括磁性子结构100、100’、100”和/或100”’的自由层230。通过步骤S318可以提供额外的非磁间隔层，诸如层250。通过步骤S320可以可选地提供额外的被钉扎层诸如层260。然后可以通过步骤S322完成制造。例如，可以提供覆盖层240。在其他的实施例中，可以提供可选的额外钉扎层270。在一些实施例中，其中磁性结的层被沉积为堆叠，然后被界定，步骤S322可以包括界定磁性结200、进行退火或者另外地完成磁性结200/200’的制造。此外，如果磁性结200/200’被包括到存储器诸如STT-RAM中，则步骤S322可以包括提供接触、偏置结构和存储器的其他部分。因此，可以实现磁性结的益处。
此外，磁性结200、200’、200”和/或200”’可以使用在磁存储器中。图13示出一个这样的存储器400的示范性实施例。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是晶体管。磁性结412可以是磁性结200、200’、200”和/或200”’之一。尽管每个单元410示出一个磁性结412，但是在其他的实施例中，每个单元可以提供其他数目的磁性结412。因而，磁存储器400可以分享上述的益处，诸如低的软错误率和低的临界转换电流。
已经公开了各种磁性子结构100、100’、100”和100”’以及磁性结200、200’、200”和200”’。注意，磁性子结构100、100’、100”和100”’以及磁性结200、200’、200”和200”’的各种特征可以结合。因此，可以实现磁性子结构100、100’、100”和100”’以及磁性结200、200’、200”和200”’的一个或多个益处，诸如降低的写入错误率、垂直各向异性、热稳定性和/或可缩放性。
已经描述了提供磁性子结构、磁性结和使用该磁性结制造的存储器的方法和系统。该方法和系统已经根据示出的示范性实施例描述，本领域普通技术人员将容易地理解，对实施例可以有改变，且任何变化将在该方法和系统的精神和范围内。因此，本领域普通技术人员可以做出许多修改而不背离权利要求书的精神和范围。
本申请要求于2010年12月31日提交的美国临时专利申请No.61/429041的权益，该申请转让给本申请的受让人，并通过引用结合于此。

Claims (40)

1.一种用于磁器件的磁性结，包括：
被钉扎层；
非磁间隔层；和
自由层，该非磁间隔层在该被钉扎层与该自由层之间；
其中该磁性结配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层可在多个稳定的磁性状态之间转换；并且
其中该被钉扎层和该自由层中的至少一个包括磁性子结构，该磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层，该至少两个磁性层交换耦合。
2.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少两个磁性层包括具有弱平面内各向异性的第一磁性层和具有高垂直各向异性的第二磁性层。
3.如权利要求2所述的磁性结，其中该弱平面内各向异性包括退磁场减去垂直各向异性，该垂直各向异性小于该退磁场。
4.如权利要求3所述的磁性结，其中该垂直各向异性至少为退磁场的0.4倍但不超过该退磁场的0.9倍。
5.如权利要求2所述的磁性结，其中该第二铁磁层包括退磁能和对应于该高垂直各向异性的垂直各向异性能，该垂直各向异性能超过该退磁能。
6.如权利要求2所述的磁性结，其中该磁性子结构具有期望的交换耦合，该插入层具有制作为提供该期望的交换耦合的厚度。
7.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少两个磁性层包括第三磁性层，其中该至少一个插入层包括邻接该第三磁性层的第二插入层。
8.如权利要求1所述的磁性结，其中该自由层包括该磁性子结构。
9.如权利要求1所述的磁性结，其中该被钉扎层包括该磁性子结构。
10.如权利要求1所述的磁性结，其中该被钉扎层和该自由层均包括该磁性子结构。
11.如权利要求2所述的磁性结，还包括：
额外非磁性层；和
额外被钉扎层；该额外非磁性层位于该自由层与该额外被钉扎层之间。
12.如权利要求11所述的磁性结，其中该额外被钉扎层包括额外磁性子结构，该额外磁性子结构具有交插以至少一个额外插入层的至少两个额外磁性层，该至少两个额外磁性层交换耦合。
13.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少一个插入层的每个包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。
14.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少一个插入层的每个由Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO之一构成。
15.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少两个磁性层的每个具有退磁场和垂直各向异性，该垂直各向异性小于该退磁场。
16.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少两个磁性层的每个具有退磁场和垂直各向异性，该垂直各向异性大于该退磁场。
17.如权利要求12所述的磁性结，其中该至少一个额外插入层的每个包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。
18.一种磁存储器，包括：
多个磁存储单元，该多个磁存储单元的每个包括至少一个磁性结，该至少一个磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层，该非磁间隔层位于该被钉扎层与该自由层之间，该磁性结配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层可在多个稳定磁性状态之间转换，该被钉扎层和该自由层中的至少一个包括磁性子结构，该磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层，该至少两个磁性层交换耦合；以及
多条位线。
19.如权利要求18所述的存储器，其中该至少两个磁性层包括具有弱平面内各向异性的第一磁性层和具有高垂直各向异性的第二磁性层。
20.如权利要求19所述的存储器，其中该弱平面内各向异性包括退磁场减去垂直各向异性，该垂直各向异性小于该退磁场。
21.如权利要求20所述的存储器，其中该垂直各向异性至少为退磁场的0.4倍但不超过该退磁场的0.9倍。
22.如权利要求18所述的存储器，其中该第二铁磁层包括退磁能和对应于该高垂直各向异性的垂直各向异性能，该垂直各向异性能超过该退磁能。
23.如权利要求19所述的存储器，其中该磁性子结构具有期望的交换耦合，该插入层具有制作为提供该期望的交换耦合的厚度。
24.如权利要求18所述的存储器，其中该至少两个磁性层包括第三磁性层，其中该至少一个插入层包括邻接该第三磁性层的第二插入层。
25.如权利要求18所述的存储器，其中该自由层包括该磁性子结构。
26.如权利要求18所述的存储器，其中该被钉扎层包括该磁性子结构。
27.如权利要求18所述的存储器，其中该被钉扎层和该自由层均包括该磁性子结构。
28.如权利要求19所述的存储器，还包括：
额外非磁性层；和
额外被钉扎层，该额外非磁性层位于该自由层与该额外被钉扎层之间。
29.如权利要求19所述的存储器，其中该额外被钉扎层包括额外磁性子结构，该额外磁性子结构具有交插以至少一个额外插入层的至少两个额外磁性层，该至少两个额外磁性层交换耦合。
30.如权利要求18所述的存储器，其中该至少一个插入层的每个包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。
31.如权利要求18所述的存储器，其中该至少一个插入层的每个由Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO之一构成。
32.如权利要求18所述的存储器，其中该至少两个磁性层的每个具有退磁场和垂直各向异性，该垂直各向异性小于该退磁场。
33.如权利要求18所述的存储器，其中该至少两个磁性层的每个具有退磁场和垂直各向异性，该垂直各向异性大于该退磁场。
34.如权利要求29所述的存储器，其中该至少一个额外插入层的每个包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。
35.一种提供用于磁器件的磁性结的方法，包括：
提供被钉扎层；
提供非磁间隔层；以及
提供自由层，该非磁间隔层位于该被钉扎层与该自由层之间；
其中该磁性结配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层可在多个稳定磁性状态之间转换；并且
其中提供被钉扎层的步骤和提供自由层的步骤中的至少一个包括提供磁性子结构，该磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层，该至少两个磁性层交换耦合。
36.如权利要求35所述的方法，其中该至少一个插入层的每个包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。
37.如权利要求35所述的方法，其中该至少一个插入层的每个由Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO之一构成。
38.一种用于磁器件的磁性结，包括：
被钉扎层；
非磁间隔层；和
自由层，该非磁间隔层位于该被钉扎层与该自由层之间；
其中该磁性结配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层可在多个稳定的磁性状态之间转换；并且
其中该被钉扎层和该自由层中的至少一个包括磁性子结构，该磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层，该至少两个磁性层交换耦合，该至少两个磁性层包括具有弱平面内各向异性的第一磁性层和具有高垂直各向异性的第二磁性层，该弱平面内各向异性包括第一退磁场减去第一垂直各向异性，该第一垂直各向异性小于该第一退磁场，该第二铁磁层包括第二退磁能和对应于该高垂直各向异性的第二垂直各向异性能，该第二垂直各向异性能超过该第二退磁能。
39.如权利要求38所述的磁性结，其中该第一垂直各向异性至少为该第一退磁场的0.4倍。
40.如权利要求38所述的磁性结，其中该第一垂直各向异性不超过该第一退磁场的0.9倍。
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