CN102804279B - 用于提供反向双磁隧道结元件的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于提供磁性结的方法和系统，该磁性结位于衬底上且可用于磁性器件中。该磁性结包括：第一被钉扎层；具有第一厚度的第一非磁间隔层；自由层；具有比第一厚度大的第二厚度的第二非磁间隔层；以及第二被钉扎层。第一非磁间隔层位于被钉扎层与自由层之间。第一被钉扎层位于自由层与衬底之间。第二非磁间隔层位于自由层和第二被钉扎层之间。此外，磁性结被配置使得在写电流经过磁性结时自由层可在多个稳定的磁态之间转换。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2011年3月11日提交的美国专利申请No.13/045,528以及2010年3月17日提交的美国临时专利申请No.61/315,001的权益，其中上述两个专利申请的发明名称均为“Methodandsystemforprovinginverteddualmagnetictunnelingjunctionelements”，且被转让给本申请的受让人，并且二者通过引用结合于此。
政府权力
本发明在由DARPA授予的赠与合同（grant/contract）No.HR0011-09-C-0023的情形下而在美国政府支持下进行。美国政府保留本发明中的某些权力。
背景技术
磁存储器，尤其是磁性随机存取存储器（MRAM），已经由于其在运行期间的高读/写速度、优良的持久性、非易失性和低功耗的潜力而受到越来越多的关注。MRAM能利用磁性材料作为信息记录介质来储存信息。一类MRAM是自旋转移力矩随机存取存储器（STT-RAM）。STT-RAM利用磁性结通过由该磁性结驱动的电流至少部分地写入。通过磁性结驱动的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋力矩。因此，具有对所述自旋力矩作出响应的磁矩的各层可以转换成期望的状态。
例如，图1示出了传统的磁隧道结（MTJ）10，其可用于传统的STT-RAM。传统MTJ10典型地位于底部接触11上，使用传统的籽层（seedlayer）12并包括传统的反铁磁（AFM）层14、传统的被钉扎层16、传统的隧道势垒层18、传统的自由层20和传统的盖层22。还示出了顶部接触24。
传统的接触11和24用于在电流垂直于平面（CPP）方向驱动电流，或者沿着图1所示的z轴方向驱动电流。传统的籽层12典型地用于辅助具有期望的晶体结构的随后的层（诸如AFM层14）的生长。传统的隧道势垒层18是非磁性的，其例如是薄绝缘体诸如MgO。
传统的被钉扎层16和传统的自由层20是磁性的。传统的被钉扎层16的磁化17典型地通过与AFM层14的交换偏置相互作用被固定或被钉扎在特定方向。虽然被描绘为简单（单一）层，但是传统的被钉扎层16可以包括多层。例如，传统的被钉扎层16可以是包括通过薄导电层（诸如Ru）反铁磁耦合的磁性层的合成反铁磁（SAF）层。在这样的SAF中，可以使用与Ru薄层交替的多个磁性层。在另一实施方式中，跨过Ru层的耦合可以是铁磁性的。此外，其它类的传统MTJ10可以包括通过额外的非磁性势垒或导电层（未示出）与自由层20分离的额外的被钉扎层（未示出）。
传统的自由层20具有可变的磁化21。虽然被描绘为简单层，但是传统的自由层20也可以包括多层。例如，传统的自由层20可以是包括通过薄导电层（诸如Ru）反铁磁耦合或铁磁耦合的磁性层的合成层。虽然被描绘为在平面内，但是传统的自由层20的磁化21可以具有垂直的各向异性。因而，被钉扎层16和自由层20可具有分别垂直于各层的平面取向的磁化17和21。
为了转换传统的自由层20的磁化21，电流被垂直于平面（沿z方向）驱动。当从顶部接触24到底部接触11驱动足够的电流时，传统的自由层20的磁化21可以被转换成平行于传统的被钉扎层16的磁化17。当足够的电流从底部接触11到顶部接触24驱动时，自由层的磁化21可以转换成反平行于被钉扎层16的磁化。磁化布置的差异对应于不同的磁阻，因而对应于传统MTJ10的不同逻辑状态（例如，逻辑“0”和逻辑“1”）。
当在STT-RAM应用中使用时，期望传统MTJ10的自由层21在相对低的电流被转换。临界转换电流（Ic0）是最小电流，在该最小电流处邻近平衡取向的自由层磁化21的无限小进动成为不稳定的。例如，可以期望Ic0是几mA的数量级或更小。此外，期望短路电流脉冲（shortcurrentpulse）用于以更高的数据速率编程传统的磁性元件10。例如，20-30ns数量级或更小的电流脉冲是被期望的。
虽然没有示出，但是传统的MTJ10可以是双MTJ。在这样的情形下，传统的MTJ10将包括额外的传统势垒层和额外的传统被钉扎层。传统的自由层20将位于势垒层之间。额外的势垒层将位于额外的传统被钉扎层与传统自由层20之间。在这样的传统的双MTJ中，传统的势垒层18典型地将与额外的传统势垒层（未示出）厚度相同或者比额外的传统势垒层（未示出）厚度厚。传统的双MTJ一般具有改善的转换电流和对称性、更小的工艺容限、更低的隧道磁阻（TMR）、高电阻面积乘积（RA）和不匹配晶体管供应电流的磁隧道结转换非对称性。另外，还可能发生正常布局的读干扰。
虽然传统的MTJ10和传统的双MTJ可以使用自旋转移写入并可以被用于STT-RAM中，但是它们存在缺点。例如，对于具有垂直取向的磁化17和21的传统MTJ10，磁阻可以比其磁化在平面内的传统MTJ10低。另外，如以上所述，传统的双MTJ可以具有比单MTJ低的磁阻。因此，来自传统的MTJ10的信号会低于期望值。这样的垂直的传统MTJ10还展现出高阻尼。因而，转换性能被不利地影响。因而，仍期望改善使用传统的MTJ10的存储器的性能。
因此，需要一种可以改善基于自旋转移力矩的存储器的性能的方法和系统。在此描述的方法和系统解决了这样的需求。
发明内容
描述了一种用于提供磁性结的方法和系统，该磁性结位于衬底上且可用于磁性器件中。该磁性结包括：第一被钉扎层；具有第一厚度的第一非磁间隔层；自由层；具有比第一厚度大的第二厚度的第二非磁间隔层；以及第二被钉扎层。第一非磁间隔层位于被钉扎层与自由层之间。第一被钉扎层位于自由层与衬底之间。第二非磁间隔层位于自由层与第二被钉扎层之间。此外，磁性结被布置使得在写电流经过磁性结时自由层可在多个稳定的磁态之间转换。
附图说明
图1描绘了一种传统的磁性结；
图2描绘了反向双磁性结的一示例性实施方式；
图3描绘了反向双磁性结的另一示例性实施方式；
图4描绘了反向双磁性结的另一示例性实施方式；
图5描绘了反向双磁性结的另一示例性实施方式；
图6描绘了反向双磁性结的另一示例性实施方式；
图7描绘了反向双磁性结的另一示例性实施方式；
图8描绘了反向双磁性结的另一示例性实施方式；
图9描绘了反向双磁性结的另一示例性实施方式；
图10描绘了反向双磁性结的另一示例性实施方式；
图11描绘了用于提供反向双磁性结的一示例性实施方式的方法的一示例性实施方式；
图12描述了利用反向双磁性结的存储器的一示例性实施方式。
具体实施方式
示例性实施方式涉及可用于磁性器件诸如磁存储器中的磁性元件，以及使用这样的磁性元件的器件。给出以下描述以使得本领域的普通技术人员能执行和使用本发明，并且以下描述以专利申请的文本形式及其要求的形式提供。对于示例性实施方式的各种变型以及在此描述的一般原理和特征将是易于明白的。主要在具体实施例中提供的具体方法和系统方面描述了示例性实施方式。然而，在其它实施例中，方法和系统将有效地运行。诸如“示例性实施方式”、“一个实施方式”和“另一实施方式”的短语可以指相同或不同的实施方式并且可以指多个实施方式。将关于具有某些组件的系统和/或器件描述实施方式。然而，系统和/或器件可以包括比所示出的那些组件多或少的组件，可以在不脱离本发明的范围的情形下，进行组件的布置和类型的变化。还将在具有某些步骤的具体方法的情况下描述示例性实施方式。然而，对于具有不同和/或额外步骤以及具有与示例性实施方式不一致的不同顺序的方法的其它方法，方法和系统有效地运行。因而，本发明不旨在限制于所示的实施方式，而是被给予与在此描述的原理和特征一致的最宽范围。
示例性实施方式在具有某些组件的具体磁性元件的情况下被描述。本领域的技术人员将易于理解本发明与磁性元件的使用一致，其中该磁性元件具有与本发明不是不一致的其它和/或额外的组件和/或其它特征。还在自旋转移现象的当前理解的情形下描述了该方法和系统。因此，本领域的普通技术人员将易于理解，对方法和系统的行为的理论解释基于对自旋转移的当前理解进行。另外，在某些层是合成和/或简单的情形下描述了方法和系统。然而，本领域的普通技术人员将易于理解各层可以具有其它结构。另外，在磁性元件具有特定层的情形下描述了该方法和系统。然而，本领域的普通技术人员将易于理解，还可以使用具有不与该方法和系统不一致的额外和/或不同层的磁性元件。此外，某些组件被描述为磁性的、铁磁性的、和亚铁磁性的。在此使用时，术语磁性可以包括铁磁性、亚铁磁或类似结构。因而，在此使用时，术语“磁性”或“铁磁性”包括但是不限于铁磁性的和亚铁磁性的。该方法和系统还在单一元件的情形下被描述。然而，本领域的普通技术人员将易于理解该方法和系统与具有多个元件的磁存储器的使用一致。另外，在此使用时，“平面内（in-plane）”实质上在磁性元件的各层的一层或多层的平面内或平行于上述平面。相反，“垂直（perpendicular）”相应于实质上垂直于磁性元件的各层的一层或多层的方向。
描述了用于提供位于衬底上且可用于磁性器件中的磁性结的方法和系统。磁性结包括第一被钉扎层、具有第一厚度的第一非磁间隔层、自由层、具有比第一厚度大的第二厚度的第二非磁间隔层、以及第二被钉扎层。第一非磁间隔层位于被钉扎层和自由层之间。第一被钉扎层位于自由层和衬底之间。第二非磁间隔层位于自由层和第二被钉扎层之间。此外，磁性结被布置使得在写电流经过磁性结时自由层可在多个稳定的磁态之间转换。
图2描绘了反向双磁性结（inverteddualmagneticjunction）100的一示例性实施方式。反向双磁性结100包括最靠近衬底101的第一被钉扎层111、第一非磁间隔层120、自由层130、第二非磁间隔层140、和第二被钉扎层140。被钉扎层110和150分别具有磁化111和151。自由层130被示为具有磁化131。然而，在其它实施方式中，层110、130和/或150可以具有其它磁化。反向双磁性结100包括作为隧道势垒层的非磁间隔层120和140。然而，在其它实施方式中，可以使用其它非磁间隔层120和140。例如，可以使用导电层或具有绝缘矩阵形式的导电通道或岛（island）的粒状层代替势垒层120和140。对于在此描述的所有实施方式都是如此。然而，为了简化，在此描述的磁性结仅在反向双磁隧道结（反向双MTJ）的情形下被描述。自由层130以及被钉扎层110和150一般是铁磁性的。然而，自由层130以及被钉扎层110和/或150中的一个或多个可以是包括但不限于合成反铁磁体的多层。在所示的实施方式中，还可以使用可选的籽层102和/或可选的盖层170。在一些实施方式中，例如，提供Ta籽。在所示的实施方式中，使用可选的AFM层104和160。这样的AFM层104和160分别用于每个被钉扎层110和150。在一些实施方式中，AFM层104和/或160可使用PtMn。在其它实施方式中，可以使用分别在适当位置钉扎或固定被钉扎层110和150的磁化111和151的其它机制。每个被钉扎层110和/或150可以包括诸如CoFe、CoFeB或CoFeB/CoFe双层的材料。势垒层/非磁间隔层120和140可包括诸如MgO的材料。自由层130可包括CoFeB或掺杂的CoFeB/CoFeB双层、CoFeB/CoFeB/CoFeB三层或CoFeB/非磁性层/CoFeB三层、或多层。例如，CoFeB可以掺杂Cu、Ta、Cr、V和/或其它元素并且可用于形成自由层130。然而，其它材料可用于反向双MTJ100的各层。
反向双MTJ100如此称呼是因为顶部势垒层140是更厚的势垒层。顶部/第二势垒层140比底部/第一势垒层120厚。在一些实施方式中，第二非磁间隔/势垒层150至少比第一非磁间隔/势垒层120厚5%。在一些这样的实施方式中，第二非磁间隔/势垒层140比第一非磁间隔/势垒层120厚不多于40%。例如，第二非磁间隔/势垒层140可以比第一非磁间隔/势垒层120厚0.05至0.5纳米。在其它实施方式中，第二非磁间隔/势垒层140比第一非磁间隔/势垒层120厚不多于30%。例如，第二非磁间隔/势垒层140可以比薄的非磁间隔/势垒层120厚0.05至0.3纳米。此外，如图1所见，更厚的非磁间隔/势垒层140比薄的非磁间隔/势垒层120更远离衬底。
已经预期更远离衬底且更厚的非磁间隔/势垒层140的使用不会改变反向双MTJ的性能。然而，反向双磁性结100可以具有比类似的传统MTJ更高的磁阻。例如，在一些实施方式中，反向双MTJ100可在室温（例如23摄氏度）具有50%-200%数量级的TMR。在其它实施方式中，反向双MTJ100可在室温（例如23摄氏度）具有大于100%或可能更高的TMR。相比而言，类似的传统双MTJ会具有50%-100%数量级的TMR。因而，在一些实施方式中，TMR可以至少加倍。因此，反向双MTJ100可具有传统的双MTJ的许多优点，同时产生更高的信号。
图3描绘了反向双MTJ100’的另一实施方式，该反向双MTJ100’具有薄的非磁间隔/势垒层120’以及与薄的非磁间隔/势垒层120相比更远离衬底101’的更厚的非磁间隔/势垒层150’。反向双磁性结100’的部分与图2中描绘的反向双磁性结100中的类似。类似的部分被类似地标记。因而，磁性结100’包括分别与具有磁化111的第一被钉扎层110、第一非磁间隔层120、自由层130、第二非磁间隔层140、和第二被钉扎层150’类似的具有磁化111’的第一被钉扎层110’、第一非磁间隔层120’、自由层130’、第二非磁间隔层140’、和具有磁化151’的第二被钉扎层150’。还示出了分别与层104、160、102和170类似的可选的AMF层104’和160’以及可选的籽层102’和可选的盖层170’。层102’、104’、110’、120’、130’、140’、150’、160’和170’的结构和功能分别与层102、104、110、120、130、140、150、160和170的类似。在所示的实施方式中，自由层130’是包括多个子层的多层。在所描绘的实施方式中，仅示出了两个子层132和134。然而，可使用其它数量的子层。子层B132可包括掺杂Cu、Ta、Cr、V和其它元素的CoFeB，而子层A134可包括CoFeB。在另一实施方式中，自由层130’可包括额外的层，该额外的层可以是或不是磁性的。例如，自由层130’可以是包括磁性层与一个或多个非磁性层交替的合成层。
图4描绘了反向双磁性结100”的另一实施方式，该反向双磁性结100”具有薄的非磁间隔/势垒层120”以及与薄的非磁间隔/势垒层120”相比更远离衬底101”的更厚的非磁间隔/势垒层140”。反向双磁性结100”的部分与反向双磁性结100和100’中的类似。类似的部分被类似地标记。因而，磁性结100”包括分别与第一被钉扎层110/110’、第一非磁间隔层120/120’、自由层130/130’、第二非磁间隔层140/140’、和具有磁化151/151’的第二被钉扎层150/150’类似的第一被钉扎层110”、第一非磁间隔层120”、自由层130”、第二非磁间隔层140”、和具有磁化151”的第二被钉扎层150”。还示出了分别与层104/104’、160/160’、102/102’和170/170’类似的可选的AMF层104”和160”以及可选的籽层102”和可选的盖层170”。层102”、104”、110”、120”、130”、140”、150”、160”和170”的结构和功能分别与层102/102’、104/104’、110/110’、120/120’、130/130’、140/140’、150/150’、160/160’和170/170’的类似。在图4所示的实施方式中，第一被钉扎层110”包括具有磁化115的被钉扎层或参考层116以及具有磁化113的钉扎层112，参考层116和钉扎层112的每个均是铁磁性的。钉扎层112和参考层116通过非磁性层114分离。例如，钉扎层112可包括CoFe，而参考层116可以包括CoFeB或CoFe/CoFeB双层。注意到，虽然仅第一被钉扎层110”被描绘为包括多层，但是第二被钉扎层150”或第一被钉扎层110”和第二被钉扎层150”二者均可以包括多层，诸如参考层116和钉扎层112。
图5描绘了反向双磁性结100”’的另一实施方式，该反向双磁性结100”’具有薄的非磁间隔/势垒层120”’以及与薄的非磁间隔/势垒层140”’相比更远离衬底101”’的更厚的非磁间隔/势垒层140”’。反向双磁性结100”的部分与反向双磁性结100、100’和100”中的类似。类似的部分被类似地标记。因而，磁性结100”’包括第一被钉扎层110”、第一非磁间隔层120”’、自由层130”’、第二非磁间隔层140”’、和第二被钉扎层150”，其分别与第一被钉扎层110/110’/110”、第一非磁间隔层120/120’/120”、自由层130/130’/130”、第二非磁间隔层140/140’/140”、和第二被钉扎层150/150’/150”类似。还示出了分别与层104/104’/104”、160/160’/160”、102/102’/102”和170/170’/170”类似的可选的AFM层104”’和160”’以及可选的籽层102”’和可选的盖层170”’。层102”’、104”’、110”’、120”’、130”’、140”’、150”’、160”’和170”’的结构和功能分别与层102/102’/102”、104/104’/104”、110/110’/110”、120/120’/120”、130/130’/130”、140/140’/140”、150/150’/150”、160/160’/160”和170/170’/170”的类似。在所示的实施方式中，第一被钉扎层110”’和第二被钉扎层150”’二者均包括多层。第二被钉扎层150”是包括具有磁化155的钉扎层156、非磁性层154和具有磁化153的参考层152的合成层。此外，第一被钉扎层110”’包括分别具有磁化113’和117的两个钉扎层112’和118、以及具有磁化115’的参考层116’。
图6描绘了反向双磁性结200的另一实施方式，该反向双磁性结200具有薄的非磁间隔/势垒层220以及与薄的非磁间隔/势垒层220相比更远离衬底的更厚的非磁间隔/势垒层240。反向双磁性结200的部分与反向双磁性结100、100’、100”和100”’中的类似。类似的部分被类似地标记。因而，磁性结200包括分别与第一被钉扎层110/110’/110”/110”’、第一非磁间隔层120/120’/120”/120”’、自由层130/130’/130”/130”’、第二非磁间隔层140/140’/140”/140”’、和第二被钉扎层150/150’/150”/150”’类似的第一被钉扎层210、第一非磁间隔层220、自由层230、第二非磁间隔层240、和第二被钉扎层250。虽然未示出，但是可以提供连接被钉扎层210和250的一层或多层的可选的AFM层。还示出了在衬底201上的可选的籽层202以及可选的盖层270，该可选的籽层220和可选的盖层270分别与层102/102’/102”/102”’和170/170’/170”/170”’类似。层202、204、210、220、230、240、250、260和270的结构和功能分别与层102/102’/102”/102”’、104/104’/104”/104”’、110/110’/110”/110”’、120/120’/120”/120”’、130/130’/130”/130”’、140/140’/140”/140”’、150/150’/150”/150”’、160/160’/160”/160”’和170/170’/170”/170”’的结构和功能类似。在所示的实施方式中，磁化211、231和251垂直于平面。虽然在图6中磁化211、231和251被示为仅具有垂直于平面的分量，并且在图1-5中仅具有平面内的分量，但是可使用垂直于平面和平面内的分量的混合。此外，虽然各层210、220和230被示为简单层，但是可使用包括合成反铁磁体的多层。
图7描绘了反向双磁性结200’的另一实施方式，该反向双磁性结200’具有薄的非磁间隔/势垒层220’以及与薄的非磁间隔/势垒层220’相比更远离衬底的更厚的非磁间隔/势垒层240’。反向双磁性结200’的部分与反向双磁性结200中的类似。类似的部分被类似地标记。因而，磁性结200’包括分别与第一被钉扎层210、第一非磁间隔层220、自由层230、第二非磁间隔层240、和第二被钉扎层250类似的第一被钉扎层210’、第一非磁间隔层220’、自由层230’、第二非磁间隔层240’、和第二被钉扎层250’。虽然未示出，但是可以提供连接被钉扎层210’和250’的一层或多层的可选的AFM层。还示出了在衬底201’上的可选的籽层202’以及可选的盖层270’，该可选的籽层220’和可选的盖层270’分别与层202和270类似。层202’、204’、210’、220’、230’、240’、250’、260’和270’的结构和功能分别与层202、204、210、220、230、240、250、260和270的结构和功能类似。在所示的实施方式中，一些层的磁化垂直于平面，而其它层的磁化在平面内。被钉扎层210’和250’的磁化211’和251’还彼此垂直。具体地，在图7中，第二被钉扎层250’具有垂直于平面的磁化，而第一被钉扎层210’具有在平面内的磁化。在另一实施方式中，自由层230’可以具有垂直于平面而不是如图所示的在平面内的磁化231’。虽然在图7中磁化被示为仅具有垂直于平面或仅在平面内的分量，但是垂直于平面和平面内的分量的混合可用于特定层。此外，虽然各层210’、220’和230’被示为简单层，但是可使用包括合成反铁磁体的多层。
图8描绘了反向双磁性结200”的另一实施方式，该反向双磁性结200”具有薄的非磁间隔/势垒层220”以及与薄的非磁间隔/势垒层220”相比更远离衬底的更厚的非磁间隔/势垒层240”。反向双磁性结200”的部分与反向双磁性结200和200’中的类似。类似的部分被类似地标记。因而，磁性结200”包括分别与第一被钉扎层210/210’、第一非磁间隔层220/220’、自由层230/230’、第二非磁间隔层240/240’、和第二被钉扎层250/250’类似的第一被钉扎层210”、第一非磁间隔层220”、自由层230”、第二非磁间隔层240”、和第二被钉扎层250”。虽然未示出，但是可以提供连接被钉扎层210”和250”中的一层或多层的可选的AFM层。还示出了在衬底201”上的可选的籽层202”以及可选的盖层270”，该可选的籽层220”和可选的盖层270”分别与层202/202’和270/270’类似。层202”、204”、210”、220”、230”、240”、250”、260”和270”的结构和功能分别与层202/202’、204/204’、210/210’、220/220’、230/230’、240/240’、250/250’、260/260’和270/270’的结构和功能类似。在所示的实施方式中，一些层的磁化垂直于平面，而其它层的磁化在平面内。被钉扎层210”和250”的磁化211”和251”还彼此垂直。具体地，在图8中，第二被钉扎层250”具有在平面内的磁化，而第一被钉扎层210”具有垂直于平面的磁化。在另一实施方式中，自由层230”可具有垂直于平面而不是如图所示的在平面内的磁化231”。虽然在图8中磁化被示为仅具有垂直于平面或仅在平面内的分量，但是垂直于平面和平面内的分量的混合可用于特定层。此外，虽然各层210”、220”和230”被示为简单层，但是可使用包括合成反铁磁体的多层。
图9描绘了反向双磁性结200”’的另一实施方式，该反向双磁性结200”’具有薄的非磁间隔/势垒层220”’以及与薄的非磁间隔/势垒层220”’相比更远离衬底201”’的更厚的非磁间隔/势垒层240”’。反向双磁性结200”’的部分与反向双磁性结200、200’和200”中的类似。类似的部分被类似地标记。因而，磁性结200”’包括分别与第一被钉扎层210/210’/210”、第一非磁间隔层220/220’/220”、自由层230/230’/230”、第二非磁间隔层240/240’/240”、和第二被钉扎层250/250’/250”类似的第一被钉扎层210”’、第一非磁间隔层220”’、自由层230”’、第二非磁间隔层240”’、和第二被钉扎层250”’。虽然未示出，但是可以提供连接被钉扎层210”’和250”’中的一层或多层的可选的AFM层。还示出了在衬底201”’上的可选的籽层202”’以及可选的盖层270”’，该可选的籽层220”’和可选的盖层270”’分别与层202/202’/202”和270/270’/270”类似。层202”’、204”’、210”’、220”’、230”’、240”’、250”’、260”’和270”’的结构和功能分别与层202/202’/202”、204/204’/204”、210/210’/210”、220/220’/220”、230/230’/230”、240/240’/240”、250/250’/250”、260/260’/260”和270/270’/270”的结构和功能类似。在所示的实施方式中，被钉扎层210”’和250”’的磁化211”’和251”’还彼此垂直。然而，磁化211”’和251”’二者均在平面内。在图9中，磁化251”’，其可以进入页面或穿出页面，也垂直于自由层230”’的易磁化轴（easyaxis）。虽然各层210”’、220”’和230”’被示为简单层，但是可使用包括合成反铁磁体的多层。
图10描绘了反向双磁性结200””的另一实施方式，该反向双磁性结200””具有薄的非磁间隔/势垒层220””以及与薄的非磁间隔/势垒层220””相比更远离衬底201”的更厚的非磁间隔/势垒层240””。反向双磁性结200””的部分与反向双磁性结200、200’、200”和200”’中的类似。类似的部分被类似地标记。因而，磁性结200””包括分别与第一被钉扎层210/210’/210”/210”’、第一非磁间隔层220/220’/220”/220”’、自由层230/230’/230”/230”’、第二非磁间隔层240/240’/240”/240”’、和第二被钉扎层250/250’/250”/250”’类似的第一被钉扎层210””、第一非磁间隔层220””、自由层230””、第二非磁间隔层240””、和第二被钉扎层250””。虽然未示出，但是可以提供连接被钉扎层210””和250””中的一层或多层的可选的AFM层。还示出了在衬底201””上的可选的籽层202””以及可选的盖层270””，该可选的籽层220””和可选的盖层270””分别与层202/202’/202”/202”’和270/270’/270”/270”’类似。层202””、204””、210””、220””、230””、240””、250””、260””和270””的结构和功能分别与层202/202’/202”/202”’、204/204’/204”/204”’、210/210’/210”/210”’、220/220’/220”/220”’、230/230’/230”/230”’、240/240’/240”/240”’、250/250’/250”/250”’、260/260’/260”/260”’和270/270’/270”/270”’的结构和功能类似。在所示的实施方式中，被钉扎层210””和250””的磁化211””和251””还彼此垂直。然而，磁化211””和251””二者均在平面内。在图10中，磁化211””，其可以进入页面或穿出页面，也垂直于自由层230””的易磁化轴。虽然各层210””、220””和230””被示为简单层，但是可使用包括合成反铁磁体的多层。
图3-图10的反向双磁性结100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”’和200””至少共享图2的反向双磁性结100的一些优点。具体地，势垒层的磁阻率或TMR可以显著增大。还可以注意到，自由层可以被设计使得顶侧（更远离衬底的更厚的势垒层）具有比底侧（更靠近衬底的更薄的势垒层）高的TMR。此外，期望第二被钉扎层和更厚的势垒被设计成具有比第一被钉扎层和更靠近衬底的更薄的势垒层高的TMR。例如，使用CoFeB（掺杂）/CoFeB双层自由层、具有上述厚度的MgO势垒层以及CoFeB或CoFeB/CoFe双层作为第二被钉扎层可能是期望的。
图11描绘了用于制造反向双磁性结的方法300的一示例性实施方式。为了简化，可以省略、组合或交替一些步骤。在磁性结100的情形下描述方法300。然而，方法310可以用于其它磁性结诸如结100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”’和/或200””。此外，方法300可以结合入磁性存储器的制造方法。因而，方法300可以用于制造STT-RAM或其它的磁存储器。方法300可以在提供籽层102和可选的AFM层104之后开始。
经由步骤302提供被钉扎层110。步骤302可以包括以被钉扎层110的期望厚度沉积期望的材料。此外，步骤302可以包括提供SAF。
经由步骤304提供非磁间隔/势垒层120。步骤304可以包括沉积期望的非磁材料，该非磁材料包括但是不限于晶体MgO。此外，可以在步骤304中沉积期望厚度的材料。
经由步骤306提供自由层130。可以经由步骤308提供额外的非磁间隔/势垒层，诸如层140。步骤308包括提供足够厚度的非磁间隔/势垒层140使得层140比层120厚。在一些实施方式中，步骤308包括沉积比层120厚的一层晶体MgO。
经由步骤310提供额外的被钉扎层，诸如层150。然后可以经由步骤312完成制造。例如，可以提供反铁磁层160和/或盖层170。在一些实施方式中，其中磁性结的各层沉积为叠层然后被定义，步骤312可以包括定义磁性结100、执行退火或完成磁性结100的制造的其它工艺。此外，如果磁性结100结合入存储器，诸如STT-RAM，则步骤312可以包括提供接触、偏置结构和存储器的其它部分。因此，可以实现磁性结的优点。
此外，磁性结100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”’和/或200””可用于磁存储器中。图12描绘了一个这样的存储器400的一示例性实施方式。磁存储器400包括读/写列选择驱动器402和406以及字线选择驱动器404。注意到，可以提供其它和/或不同的组件。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和至少一个选择驱动器414。在一些实施方式中，选择驱动器414是晶体管。磁性结412可以是磁性结100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”’和/或200””中的其中之一。虽然示为每个单元410一个磁性结412，但是在其它实施方式中，每个单元可以被提供其它数量的磁性结412。因而，磁存储器400可以享有上述优点，诸如更高的信号。
已经公开了各种双反向磁性结100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”’和200””。注意到，双反向结100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”’和200””的各种特征可以组合。因而，可以实现磁性结100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”’和200””的一个或多个优点，诸如改善的信号。
已经公开了用于提供可用于磁存储元件（例如，基于自旋转移力矩的存储器）的反向双磁性结的方法和系统、使用该磁存储元件制造的存储器。已经根据所示出的示例性实施方式描述了该方法和系统，本领域的普通技术人员将易于了解可以对实施方式进行各种改变，并且任何改变将落入该方法和系统的精神和范围内。例如，可使用包括图2-图10所示的一个或多个双反向MTJ的特征的各种组合。另外，虽然描述了势垒层，但是可使用其它非磁间隔层。因此，本领域的普通技术人员可以进行多种变形而不脱离所附权利要求的精神和范围。
Claims (17)
1.一种磁性结，位于衬底上且用于磁性器件中，该磁性结包括：
第一被钉扎层；
具有第一厚度的第一非磁间隔层；
自由层，所述第一非磁间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间，所述第一被钉扎层位于所述自由层和所述衬底之间；
具有比所述第一厚度大的第二厚度的第二非磁间隔层；以及
第二被钉扎层，所述第二非磁间隔层位于所述自由层和所述第二被钉扎层之间，
其中所述磁性结被配置使得在写电流经过所述磁性结时所述自由层可在多个稳定的磁态之间转换，
其中所述第一非磁间隔层和第二非磁间隔层都是绝缘的隧道势垒层。
2.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述第二厚度至少比所述第一厚度大5％。
3.根据权利要求2所述的磁性结，其中所述第二厚度比所述第一厚度大不多于40％。
4.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述第二厚度比所述第一厚度大0.05至0.5纳米。
5.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述磁性结的特征在于磁阻率大于100％。
6.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述第一非磁间隔层和所述第二非磁间隔层的至少之一包括MgO。
7.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述自由层具有实质上垂直于所述自由层的平面的自由层磁化。
8.根据权利要求7所述的磁性结，其中所述第一被钉扎层和所述第二被钉扎层的至少之一包括实质上垂直于被钉扎层平面的被钉扎层磁化。
9.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述第一被钉扎层、所述第二被钉扎层和所述自由层的至少之一是合成层。
10.根据权利要求1所述的磁性结，还包括：
连接所述第一被钉扎层的第一反铁磁层；以及
连接所述第二被钉扎层的第二反铁磁层。
11.一种位于衬底上的磁存储器，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，所述至少一个磁性结包括第一被钉扎层、第一非磁间隔层、自由层、第二非磁间隔层和第二被钉扎层，所述第一非磁间隔层位于所述第一被钉扎层与所述自由层之间，所述第二非磁间隔层位于所述第二被钉扎层与所述自由层之间，所述第一被钉扎层位于所述自由层和所述衬底之间，所述第一非磁间隔层具有第一厚度，所述第二非磁间隔层具有比所述第一厚度大的第二厚度，所述磁性结被配置使得在写电流经过所述磁性结时所述自由层可在多个稳定的磁态之间转换；以及
多条位线，
其中所述第一非磁间隔层和第二非磁间隔层都是绝缘的隧道势垒层。
12.根据权利要求11所述的磁存储器，其中所述第二厚度至少比所述第一厚度大5％且比所述第一厚度大不多于40％。
13.根据权利要求11所述的磁存储器，其中所述磁性结的特征在于磁阻率大于100％。
14.根据权利要求11所述的磁存储器，其中所述自由层具有实质上垂直于所述自由层的平面的自由层磁化。
15.根据权利要求14所述的磁存储器，其中所述第一被钉扎层和所述第二被钉扎层的至少之一包括实质上垂直于被钉扎层平面的被钉扎层磁化。
16.根据权利要求11所述的磁存储器，其中所述第一被钉扎层、所述第二被钉扎层和所述自由层的至少之一是多层。
17.一种用于提供磁性结的方法，该磁性结位于衬底上且用于磁性器件中，该方法包括：
提供第一被钉扎层；
提供具有第一厚度的第一非磁间隔层；
提供自由层，所述第一非磁间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间，所述第一被钉扎层位于所述自由层和所述衬底之间；
提供具有比所述第一厚度大的第二厚度的第二非磁间隔层；以及
提供第二被钉扎层，所述第二非磁间隔层位于所述自由层和第二被钉扎层之间，
其中所述磁性结被配置使得在写电流经过所述磁性结时所述自由层可在多个稳定的磁态之间转换，
其中所述第一非磁间隔层和第二非磁间隔层都是绝缘的隧道势垒层。
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