CN103109322B - 用于提供具有层叠的自由层的磁隧穿结元件的方法和系统以及使用这样的磁性元件的存储器 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于提供可用于磁性器件中的磁子结构的方法和系统以及使用该子结构的磁性元件和存储器。该磁子结构包括多个铁磁层和多个非磁性层。多个铁磁层与多个非磁性层交替。多个铁磁层是与多个非磁性层不能混合的，并且相对于多个非磁性层在化学上稳定。多个铁磁层实质上没有与多个非磁性层产生相互作用的磁死层。此外，多个非磁性层在多个铁磁层中引起垂直各向异性。磁子结构配置为当写电流流过磁子结构时可在多个稳定的磁状态之间转换。

Description

用于提供具有层叠的自由层的磁隧穿结元件的方法和系统以及使用这样的 磁性元件的存储器

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2010年11月6日提交的第12/941031号美国专利申请以及2010年7月16日提交的第61/365281号美国临时专利申请的权益，这两个专利申请都被转让给本申请的受让人，并通过引用结合于此。

政府权力

本发明是在由DARPA授予的第HR0011-09-C-0023号赠予/合同的条件下通过美国政府支持完成。所有的副本都获准公开发行，没有任何权限限制。美国政府保留本发明中的某些权利。

技术领域

背景技术

磁存储器，尤其是磁随机存取存储器（MRAM），已经由于其在操作期间在高读/写速度、优良的耐久性、非易失性和低功耗方面的潜力而引起越多越多的关注。MRAM能够利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种MRAM是自旋转移矩随机存取存储器（STT-RAM）。STT-RAM利用磁元件，该磁元件至少部分地通过驱动经过该磁元件的电流来写入。

例如，图1示出常规磁隧穿结（MTJ）10，因为它可以使用在常规STT-RAM中。常规MTJ10通常位于底接触11上，使用常规籽层12且包括常规反铁磁（AFM）层14、常规被钉扎层16、常规隧穿势垒层18、常规自由层20和常规盖层22。还示出了顶接触24。

常规接触11和24用于在电流垂直于面（CPP）方向或者沿着z轴驱动电流，如图1所示。常规隧穿势垒层18是非磁性的，并例如是薄绝缘体诸如MgO。常规籽层12通常用于辅助具有期望的晶体结构的随后层（诸如AFM层14）的生长。常规自由层20直接暴露于顶接触24会导致无序的界面、死磁区和增强的阻尼。因此，在沉积顶接触24之前，常规的盖层22直接设置在自由层20上。该常规的盖用作扩散阻挡且改善常规自由层24的表面质量。

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。虽然被示出为简单（单一）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可以是包括通过薄导电层诸如Ru反铁磁或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。此外，其他类型的常规MTJ10可以包括通过额外的非磁势垒或导电层（未示出）而与自由层20分离的额外被钉扎层（未示出）。

常规自由层20具有可改变的磁化21。虽然被示出为简单层，但是常规自由层20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的薄导电层而反铁磁或铁磁耦合的磁性层的合成层。虽然被示出为在平面内，但是常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。例如，在常规自由层20中可以产生垂直各向异性。如果平面外退磁能超过与垂直各向异性相关的能量（垂直各向异性能），则垂直各向异性可以被称为部分垂直磁各向异性（PPMA）。因而，磁化21保持在平面内，尽管具有垂直于平面的各向异性。如果面外退磁能小于垂直各向异性能，则自由层20的磁化将会在平面外（例如，在图1中的z方向上）。由于诸多原因（诸如降低写入自由层20所需的电流密度）而可能期望垂直磁化21。

还要求常规MTJ10热稳定以用于STT-RAM中。在等待时间（latency）期间，热扰动使常规自由层20内的磁矩振荡和/或进动。这些热扰动会导致常规自由层20的磁化21的反转，使常规MTJ10不稳定。为了提供抵抗这样的热扰动的热稳定性，期望自由层20中分离相反取向的磁化状态的能量势垒具有足够的大小。通常，这至少部分地通过确保常规自由层20具有足够的体积来实现。此外，自由层20通常具有与其相关的多种各向异性。平面外退磁能涉及与薄膜各向异性相关的形状各向异性并且一般将自由层20的磁化限定在平面内。在图1示出的常规MTJ10中，常规自由层20可以具有形状各向异性，允许自由层磁化21沿着x轴是稳定的，如图1所示。此外，可以存在额外的各向异性，例如与常规自由层20的晶体结构相关的各向异性。

尽管常规磁性元件10可以利用自旋转移来写入并使用在STT-RAM中，但是存在缺陷。一般地，期望等比例缩小至更高的存储器密度，因此常规磁性元件的更小尺寸。磁性元件10对于这样的等比例缩小会具有障碍，与自由层磁化21是在平面内还是垂直于平面无关。具体地，在常规自由层的磁化21在平面内的情形下，写入常规磁性元件10所需的电流密度会仍然相对较高，而磁阻仍会低于期望的。对于其中常规自由层20的磁化21垂直于平面的常规磁性元件，也会存在对等比例缩小的障碍。通常地，这样的磁性元件10使用高沉积温度，这可能与叠层中其他层（诸如常规势垒层18）的保护不相容。如果，如通常期望的，晶体MgO将被用作常规势垒层18，则在这样的多层中使用的材料也会受到限制。最终，这样的磁性元件会具有不对称的RH环（RH loop），这对于磁存储器中的使用是不期望的。

因此，需要一种可改善基于自旋转移矩的存储器的等比例缩小的方法和系统。这里描述的方法和系统解决了这样的需要。

发明内容

示例性实施方式提供了用于提供可用于磁性器件中的磁子结构的方法和系统、以及使用该子结构的磁性元件和存储器。该磁子结构包括多个铁磁层和多个非磁性层。铁磁层与多个非磁性层交替。铁磁层是与多个非磁性层不能混合的，并相对于多个非磁性层在化学上稳定。铁磁层实质上没有与多个非磁性层产生相互作用的磁死层（magnetically dead layer）。此外，非磁性层在多个铁磁层中引起垂直各向异性。磁子结构配置为当写电流流过磁子结构时可在多个稳定的磁状态之间转换。

附图说明

图1示出常规的磁性元件。

图2示出磁子结构的示例性实施方式。

图3示出磁子结构的另一示例性实施方式。

图4示出磁子结构的另一示例性实施方式。

图5示出磁子结构的另一示例性实施方式。

图6示出利用磁子结构的磁性元件的示例性实施方式。

图7示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图8示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图9示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图10示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图11示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图12示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图13示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图14示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图15示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图16示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。

图17示出在存储单元的存储器元件中利用磁子结构的存储器的示例性实施方式。

图18示出用于制造磁子结构的方法的示例性实施方式。

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装置。给出以下说明，以使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并且以下说明在专利申请及其要求的背景下提供。在此描述的示例性实施方式的各种变形以及一般性原理和特征将易于变得明显。主要在特定实施例中提供的特定方法和系统方面描述了示例性实施方式。然而，方法和系统会在其它实施例中有效地运行。短语诸如“示例性实施方式”、“一个实施方式”和“另一实施方式”可以指的是相同或不同的实施方式以及多个实施方式。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多或少的组件，并且可以进行组件的布置和类型的变化而不脱离本发明的范围。示例性实施方式还将在具有某些步骤的特定方法的背景下描述。然而，对于具有不同和/或额外的步骤以及与示例性实施方式不是不相容的不同次序的步骤的其它方法，方法和系统也有效地运行。因而，本发明不旨在被限制到所示出的实施方式，而是给予与在此描述的原理和特征一致的最宽范围。

描述了用于提供磁子结构以及利用该磁子结构的磁性元件和磁存储器的方法和系统。磁子结构包括多个铁磁层和多个非磁性层。铁磁层与非磁性层交替。铁磁层是与多个非磁性层不能混合的并相对于该多个非磁性层在化学上稳定。铁磁层实质上没有与多个非磁性层产生相互作用的磁死层。此外，非磁性层在铁磁层中引起垂直各向异性。磁子结构配置为当写电流流过磁子结构时可在多个稳定的磁状态之间转换。

示例性实施方式在具有某些组件的特定磁子结构、磁性元件和磁存储器的背景下描述。本领域普通技术人员将容易地理解，本发明与具有和本发明不相容的其它和/或额外组件和/或其它特征的磁性元件和磁存储器的使用相容。方法和系统还在自旋转移现象、层状结构中的磁各向异性以及其它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，方法和系统的行为的理论解释是基于自旋转移、磁各向异性和其它物理现象的当前理解进行的。然而，在此描述的方法和系统并不取决于特定物理解释。本领域普通技术人员还将容易地理解，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，方法和系统与其它结构相容。此外，方法和系统在某些层是合成和/或简单层的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，层可以具有其它结构。此外，方法和系统在磁性元件和/或子结构具有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，还可以使用具有与方法和系统不是不相容的额外层和/或不同层的磁性元件和/或子结构。此外，某些组件被描述为磁性的、铁磁性的和亚铁磁性的。当在这里使用时，术语磁性的可以包括铁磁的、亚铁磁的或类似结构。因而，当在这里使用时，术语“磁性的”或“铁磁的”包括，但是不限于铁磁体和亚铁磁性材料。方法和系统还在单一元件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，方法和系统与具有多个元件且使用多个子结构的磁存储器的使用相容。此外，当在这里使用时，“平面内”实质上是在磁性元件的层中的一层或多层的平面内或与之平行。相反地，“垂直”对应于实质上垂直于磁性元件的层中的一层或多层的方向。

除了上述现象之外，已经确定，某些盖层22可以在常规自由层20中引起PPMA。例如，MgO盖层22可以在常规自由层20中引起PPMA。在一些这样的磁性元件中，自由层20的磁化可以在平面内。当与其它各向异性结合时，PPMA可以导致常规磁化21垂直于平面。虽然被称为“部分”垂直磁各向异性，但是PPMA可以实际上导致完全垂直磁化。对于利用PPMA的平面内和垂直于平面的两种磁性元件，PPMA不能等比例缩小至高存储密度。因为磁性元件10被等比例缩小至更高的密度，所以自由层20被制作得更厚以提供热稳定性。在这样的情况下，已经确定，对于更厚的自由层21，PPMA会被其他效应支配。此外，MgO盖的使用会具有寄生电阻，该寄生电阻是常规磁性元件10的电阻的增大部分。因而，等比例缩小会是有问题的，特别在期望PPMA用于为自由层提供垂直各向异性的情形下。虽然可以有其它的方案，但是这样的方案通常具有缺点。例如，解决这些问题中的一些的磁性元件会包括大量的材料以及其他的处理，该大量的材料会需要多个溅射靶，该其它处理会是困难的。

图2示出在磁器件中使用的磁子结构100的示例性实施方式，该磁器件诸如可用于磁存储器诸如STT-RAM中的磁性元件。磁子结构100包括与非磁性层104交替的铁磁层102。铁磁层102和非磁性层104可以被认为结合成一个或多个双层110-i。在示出的实施方式中，存在n个双层110-1、110-2至110-n。在示出的实施方式中，示出可选的非磁性层101和可选的铁磁层106。层101和106中的任一个或两者可以被省略。取决于其中将要使用磁子结构100的器件，底层和顶层可以被期望是铁磁性的，底层和顶层二者可以被期望是非磁性的，仅底层可以被期望是磁性的或仅顶层可以被期望是磁性的。因而，层101和106可以用于将磁子结构100修整至期望的应用。此外，期望铁磁层106和非磁性层101分别与铁磁层102和非磁性层104一致。因此，以下关于层102和104的讨论也可以分别应用于层106和101。

铁磁层102和非磁性层104相对于彼此是不能混合的并且在化学上稳定。因此，在铁磁层102中使用的磁性材料不趋于与非磁性层104中使用的非磁性材料混合。此外，铁磁层102不与非磁性层104化学反应而形成其它化合物。代替地，铁磁层102和非磁性层104形成整齐的界面。换句话说，铁磁层102和非磁性层104形成分离的结构而不是合金。此外，在一些实施方式中，磁“死”层没有形成在与相邻的非磁性层的界面处或界面附近的铁磁层102中。在这样的实施方式中，铁磁层102不与非磁性层104相互作用，该相互作用会导致这样的死层形成在界面处或界面附近。在其它实施方式中，会期望提供磁化被削弱的铁磁层102，使得利用该磁子结构的自由层具有减小的磁化。在一些这样的实施方式中，可以允许磁“死”层的混合和形成。然而，其它机制诸如掺杂也可以用来提供具有减小的磁化的铁磁层102。虽然在图2中示出为明显的层，但是在一些实施方式中，非磁性层104可以是不连续的。例如，非磁性层104可以具有小孔（pinholes）。在其它实施方式中，孔可以足够大使得非磁性层104可以被认为本质上是颗粒状的。因此，非磁性层104可以由岛形成。在一些这样的实施方式中，期望这样的岛在z方向上的厚度不大于10埃。此外，在一些实施方式中，这样的岛在z方向上的厚度可以不大于8埃。在这样的实施方式中，部分铁磁层102可以穿过非磁性层104延伸使得铁磁层102彼此物理接触。然而，这样的实施方式中的非磁性岛的密度在磁子结构100的对应于铁磁层102的某些区域内下降为零。

可用于非磁性层104使得磁子结构100具有以上性能的材料可以包括一种或多种材料诸如Al、AlN、铝氧化物、Au、Cr、晶体MgO、Cu、掺杂的MgO、铟锡氧化物、Mg、Mo、NiO、Pd、Pt、Ru、RuO₂、硅氧化物、SiN、Ta、TaN、Ti、TiN、V、W、Y。此外，非磁性层104可以是导电的（例如，金属的）或绝缘的（例如，氧化物）。例如，晶体MgO可以用于非磁性层104中的一层或多层。在其中使用绝缘的非磁性层104的实施方式中，优选的使非磁性层104不连续以降低非磁性层104的电阻。可用于铁磁层102使得磁结构100具有以上性能的材料包括Co、Fe和Ni中的一种或多种。此外，铁磁层102可以是合金或氧化物。在一些实施方式中，期望化学计量的CoFe和/或CoFeB可以用于铁磁层。在磁性层102中使用的Co、Fe和Ni的合金或氧化物可以包括其它材料。例如，在一些实施方式中，磁子结构100可以具有至少100且不大于1300emu/cc的磁化。在这样的实施方式中，CoFeB的化学计量以及用于非磁性层104的Cr和/或V的厚度可以被修整以实现除以上性能之外的期望的磁化。此外，所选择的材料也可以为其它性能而被选择。例如，在一些实施方式中，被选择用于层102和104的材料可以为诸如晶体MgO势垒层的层提供期望的生长模板。此外，用于层102和104的材料以及层102和104的厚度可以被选择使得磁子结构100具有较高的磁阻和/或可利用自旋转移矩转换。

虽然被示出为相同的，但是铁磁层102可以在成分和厚度上相同或不同。类似地，非磁性层104可以在成分和厚度上相同或不同。然而，通常期望铁磁层102比非磁性层104厚。在一些实施方式中，例如，每个铁磁层102是相邻的非磁性层104的至少三倍厚。此外，铁磁层102和非磁性层104的厚度和数量或重复数（n）可以被修整以提供磁子结构100的期望总厚度。铁磁层102和非磁性层104的厚度和数量或重复数（n）也可以被修整以提供磁子结构100的其他性能，诸如期望的磁化。在一些实施方式中，期望磁子结构100的总厚度为至少2纳米且不大于4纳米。这样的厚度可以允许在平面内（平行于x-y平面）的更小尺寸的磁子结构的热稳定性。为了在平面内更小的尺寸，可以进一步增大磁子结构的厚度。

磁子结构100，尤其是非磁性层104，也可以被配置为在铁磁层102之间提供期望的相互作用。例如，如果非磁性层104变薄，特别地如果非磁性层104包括小孔和/或不连续，则铁磁层可以被强烈地铁磁耦合。在这样的实施方式中，磁子结构的铁磁层102可以本质上用作单一层。在其它实施方式中，非磁性层104可以被配置为使得铁磁层102被反铁磁耦合。在其它实施方式中，非磁性层104可以是连续的，但是铁磁层102可以被铁磁耦合。在其它实施方式中，非磁性层104可以仍然被制作得较厚，使得铁磁层102仅被偶极子耦合（dipole couple）。此外，非磁性层104的厚度可以改变，使得一些铁磁层102具有铁磁耦合、反铁磁耦合和/或偶极子耦合的混合。例如，对于厚度变化的非磁性层104，铁磁层102之间的RKKY耦合在反铁磁耦合和铁磁耦合之间振荡。通过改变非磁性层104的厚度，单个结构100或不同结构中的铁磁层102之间的耦合可以是铁磁的或反铁磁的。此外，偶极子耦合在大厚度的非磁性层104时处于支配地位。因而，非磁性层104的厚度可用于修整铁磁层102之间的磁耦合。

因为铁磁层102与非磁性层104交替，所以磁子结构100可以具有减小的磁矩。例如，通过使CoFe、CoFeB、包括CoFe的合金和/或包括CoFeB的合金与诸如Cr和/或V的非磁性层交替，磁子结构可以具有期望的磁矩。例如，对于子结构，可以实现低磁矩。低磁矩可以被期望以减小用于磁性元件的自由层的转换电流，如下面所述。此外，铁磁层102可以仍然在磁性上用作单层。

除了以上确定的性能之外，还确定，磁子结构100还可以表现出PPMA。更具体地，铁磁层与非磁性层104交替的组合可以在相邻的铁磁层102中引起垂直各向异性。铁磁层102可以对垂直各向异性具有额外的贡献。因而，如果平面外退磁能超过垂直各向异性，则磁子结构的磁矩可以在平面内。在其它实施方式中，在铁磁层中引起的垂直各向异性可以为使得磁子结构100的磁矩垂直于平面（例如，在z方向上）。因此，磁子结构100可以具有平行于z方向的易磁化轴。在这样的实施方式中，磁子结构100的垂直各向异性，其中PPMA有助于该垂直各向异性，相应于大于磁子结构100的平面外退磁能的垂直各向异性能。因而，可以提供热稳定的厚（例如，厚度为2纳米或更大）的磁子结构，同时仍保持PPMA从而为磁子结构100提供显著的各向异性。结果，对于可能具有垂直各向异性的自旋转移扭矩，磁子结构100可以表现出减小的转换电流。

此外，磁子结构100可以表现出较小的阻尼。因此，磁子结构100可以用于将STT-RAM技术等比例缩小至更高的密度。从工艺观点来看，这些益处可以被相当容易地实现。例如，如果相同的铁磁材料用于所有的铁磁层102并且相同的非磁性材料用于所有的非磁性层104，则子结构100可以仅通过两个沉积靶来制造。此外，不需要使用高的沉积温度，例如超过400摄氏度的温度。因此，磁子结构100可以与磁性器件（诸如使用晶体MgO作为隧穿势垒层的磁隧穿结）相容。最后，应注意，由于层厚度和材料可以在整个磁子结构100调整，所以可以具有提高的用于修整磁子结构100的性能的能力。

图3示出磁子结构100’的另一示例性实施方式。磁子结构100’类似于磁子结构100。因此，磁子结构100’的类似部分与磁子结构100类似地标记。因此，磁子结构100’包括分别与可选的非磁性层101、铁磁层102、非磁性层104和可选的铁磁性层106相应的可选的非磁性层101’、铁磁层102’、非磁性层104’和可选的铁磁层106’。因而，双层110-1’、110-2’至110-n’分别对应于双层110-1、110-2至110-n。

磁子结构100’的铁磁层102’和非磁性层104’可以包括分别与用于铁磁层102和非磁性层104的材料和厚度相似的材料和厚度。尽管铁磁层102’被示出为具有相同的厚度，但是不同的厚度也是可以的。类似地，尽管非磁性层104’被示出为具有相同的厚度，但是不同的厚度也是可以的。最后，尽管示出为连续层，但是小孔和不连续层也是可以的，尤其对于非磁性层104’。这样的不连续性可以确保在给定的非磁性子层的任一侧上的磁性子层之间的直接交换耦合。

铁磁层102’和非磁性层104’被配置为使得强垂直各向异性在磁子结构100’中引起。更具体地，铁磁层102’和非磁性层104’的交替在这些层中引起PPMA，该PPMA与垂直于平面（即，在z方向上）的磁各向异性的任何其他分量的组合超过平面外退磁能。因而，磁子结构100’的易磁化轴在z方向上，如图3所示。为了实现这样的各向异性，可以修整层102’和104’的材料和厚度。例如，铁磁层102’可以包括CoFeB，非磁性层102’可以包括Cr和/或V。例如，可以使用Co₂₀Fe₆₀B₂₀。此外，非磁性层104’的厚度可以不超过相邻的磁性层102’的三分之一。铁磁层102’和非磁性层104’的这样的修整可以提供期望的垂直各向异性，即使对于厚的磁子结构100’。例如，在一些实施方式中，磁子结构100’的厚度（在z方向上的尺寸）大于或等于2纳米。此外，在一些实施方式中，可以在铁磁层104’中引起其它垂直各向异性和/或磁各向异性的平面内分量可以被减小。因而，磁子结构100’的易磁化轴

因而，磁子结构100’可以具有垂直于平面的易磁化轴。结果，磁子结构100’可以使用在其中期望磁化垂直于平面的磁性器件中。例如，磁子结构可以用于可利用自旋转移矩写入的磁隧穿结的自由层中。因此，可以实现磁子结构100的某些益处，诸如低的写电流密度。此外，虽然垂直各向异性本质上可以是界面的，但是交替的层102’和104’可以允许各向异性可以存在于具有更小平面内尺寸的更厚的、热稳定的磁子结构100’中。因而，使用磁子结构100’的磁性元件可以被等比例缩小至更高的密度，因此平面内更小的尺寸。此外，磁子结构100’可以共享磁子结构100的一个或多个其余益处，诸如较高的磁阻。

图4示出磁子结构100’’的另一示例性实施方式。磁子结构100’’类似于磁子结构100。因此，磁子结构100’’的类似部分与磁子结构100类似地标记。因此，磁子结构100’’包括分别与可选的非磁性层101、铁磁层102、非磁性层104和可选的铁磁层106对应的可选的非磁性层101’’、铁磁层102-1、102-2至102-n、非磁性层104-1、104-2至104-n和可选的铁磁层106’’。因而，双层110-1’’、110-2’’至110-n’’分别对应于双层110-1、110-2至110-n。

磁子结构100’’的铁磁层102’’和非磁性层104’’可以包括分别与用于铁磁层102和非磁性层104的材料类似的材料。在所示的实施方式中，铁磁层102-1至102-n的厚度以及非磁性层104-1至104-n的厚度变化。然而，在其它实施方式中，仅铁磁层102-1至102-n的厚度变化。在其它实施方式中，仅非磁性层104-1至104-n的厚度变化。此外，层102-1至102-n以及104-1至104-n的厚度被示出为以特定的方式变化。然而，层102-1至102-n以及104-1至104-n的厚度可以以另一方式变化。此外，在磁子结构100’’中使用的材料可以类似于在磁子结构100和100’中使用的那些。

通过改变层102-1至102-n的厚度和/或层104-1至104-n的厚度，可以修整磁子结构100’的各种性能。更具体地，磁性层102-1至102-n之间的耦合、磁子结构100’的磁各向异性、磁阻、磁矩、层间磁相互作用和/或其它特性可以适于期望的应用。此外，如以上讨论的，用于铁磁层102-1至102-n以及非磁性层104-1至104-n中的一个或多个的材料也可以变化。结果，可以改善配置磁子结构以具有期望性能的能力。

图5示出磁子结构100’’’的另一示例性实施方式。磁子结构100’’’类似于磁子结构100。因此，磁子结构100’’’的类似部分与磁子结构100类似地标记。因此，磁子结构100’’’包括分别与可选的非磁性层101、铁磁层102、非磁性层104和可选的铁磁层106对应的可选的非磁性层101’’’、铁磁层102’’、非磁性层104’’和可选的铁磁层106’’。因而，双层110-1’’’、110-2’’’至110-n’’’分别对应于双层110-1、110-2至110-n。尽管子结构100’’’被示出为包括连续的非磁性层104-n’，但是在其它实施方式中，所有的非磁性层104-i’均是不连续的。在其它实施方式中，不同数量的非磁性层104-i’是不连续的。

磁子结构100’’’的铁磁层102’’’和非磁性层104-1’至104-n’可以包括分别类似于与用于铁磁层102/102’/102-1至102-n和非磁性层104/104’/104-1至104-n的材料类似的材料。类似地，磁子结构100’’’的铁磁层102’’’和非磁性层104-1’至104-n’可以具有分别与铁磁层102/102’/102-1至102-n和非磁性层104/104’/104-1至104-n的上述那些类似的厚度。然而，如图5所示，非磁性层104-1’至104-n’中的至少一些是不连续的。类似地，虽然被示出为连续的，但是在其它实施方式中，铁磁层102’’中的一层或多层可以是不连续的。在所示的实施方式中，非磁性层104-n’中的至少一层是连续的。然而，在其它实施方式中，不同数量的非磁性层104-1’至104-n’可以是不连续的。此外，不连续层104-1’和104-2’可以具有小的小孔、较大的孔或可以由非磁性岛组成。在一些实施方式中，会期望岛为平坦的“薄烤饼”形状。在其它实施方式中，岛的长宽比可以是不同的。然而，在所示出的实施方式中，岛的密度在与层104-1’和104-2’相应的区域中增大，而在与铁磁层102’’相应的区域内减小或降为零。期望岛的厚度不大于10埃。此外，在一些实施方式中，这样的岛在z方向上的厚度可以不大于8埃。由于铁磁层102’’穿过不连续层104-1’和104-2’延伸，所以可以改善铁磁层102’’之间的耦合。因而，铁磁层102’’可以以更类似于单一铁磁层的方式起作用。该特性可以在期望使用磁性元件100’’’的一些应用中是期望的。因而，也可以使用层102’’和104-1’至104-n’的厚度和连续性来优化磁结构100’’’。

图6示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件200的示例性实施方式。为了清晰起见，图6没有按比例。磁性元件200可以用于诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件200包括被钉扎层220、非磁间隔层230和自由层240。还示出了可选的钉扎层210，其可以用于固定被钉扎层220的磁化（未示出）。在一些实施方式中，可选的钉扎层210是通过交换偏置相互作用来钉扎被钉扎层220的磁化（未示出）的AFM层。然而，在其它实施方式中，可以省略可选的钉扎层210。此外，磁性元件200可以包括其它和/或额外的层诸如籽层和/或盖层。磁性元件200还被配置为当写电流流过磁性元件240时允许自由层240在稳定的磁状态之间转换。因而，自由层240可利用自旋转移矩来转换。

被钉扎层220和自由层240是磁性的，因此可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，尤其以合金的形式。虽然被示出为简单层，但是被钉扎层220可以包括多个层。例如，被钉扎层220可以是包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用与Ru或其它材料的薄层交替的多个磁性层。

间隔层230是非磁性的。在一些实施方式中，间隔层230是绝缘体，例如隧穿势垒。在这样的实施方式中，间隔层230可以包括晶体MgO，其可以提高磁性元件的隧穿磁阻（TMR）。在其它实施方式中，间隔层可以是诸如Cu的导体。在备选实施方式中，间隔层230可以具有别的结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。

自由层240具有可以经由自旋转移转换的可改变磁化（未示出）。自由层240包括诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构。为简单起见，没有示出磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’。在一些实施方式中，自由层240由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’构成。在其它实施方式中，自由层可以包括其它层。例如，自由层可以是包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’作为铁磁层中的一层或多层的SAF。备选地，自由层240可以包括邻接磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的铁磁层或多层。因而，自由层240可以包括与非磁性层交替的铁磁层，该铁磁层是与非磁性层不能混合的，且相对于非磁性层在化学上稳定，并且实质上没有会在铁磁层中产生磁死层的相互作用。此外，如下面所述，可以在铁磁层以及由此自由层240中引起垂直各向异性。

在自由层240中使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’或者将磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’用作自由层240可以提供许多益处。自由层240可以具有垂直各向异性。至少一部分垂直各向异性可以由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’内的PPMA引起。在一些实施方式中，总的垂直各向异性使得自由层240的易磁化轴垂直于平面（例如，在z方向上）。因此，自由层240可以具有小于其垂直各向异性能的平面外退磁能。在其它实施方式中，自由层240可以具有大于或等于其垂直各向异性能的平面外退磁能。这样的自由层240的易磁化轴可以在平面内。由于较高的垂直各向异性，用于自旋转移矩的转换电流密度可以减小。即使在自由层240由于厚的磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’而很厚的情形下，垂直各向异性也可以至少部分地经由PPMA提供。在一些实施方式中，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’以及由此自由层240可以为至少2纳米厚。在一些这样的实施方式中，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’以及由此自由层可以高达4纳米厚。因此，自由层240可以在平面内在较小的尺寸是热稳定的，并且对于减小的转换电流密度仍保持垂直各向异性。

也可以选择磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的材料和层厚度以及因此自由层240的材料和层厚度以提高磁性元件200的性能。材料可以被选择以改善TMR。例如，CoFe、CoFeB（诸如Co₂₀Fe₆₀B₂₀）和/或类似铁磁材料可以使用在磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’中以提供与晶体MgO非磁间隔层230相容的微结构。因而，期望的势垒层可以用于非磁间隔层230。由于不需要使用超过400摄氏度的沉积温度来制造磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’以及由此自由层240，所以期望的隧穿势垒层可以经受得住磁性元件200的制造。此外，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以具有低磁矩，其可以进一步减小磁性元件200的转换电流密度。例如，由于非磁性层被引入到磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’中，所以磁矩可以被减小。此外，可以修整磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的铁磁层之间的磁耦合。磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的铁磁层可以被铁磁耦合、反铁磁耦合或主要地偶极子耦合。当被反铁磁耦合时，可以减小自由层240的磁矩。这些配置可以使用相对少量的材料且不用高温沉积来实现。此外，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以配置为具有弱阻尼。此外，由于可以省略诸如MgO的绝缘盖层以利于使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’，所以可以减小磁性元件200的部分的寄生电阻。因此，磁性元件200的性能可以通过使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’而提高。因此，在自由层240中使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁性元件200可以对于平面内的较小尺寸以及由此较高的STT-RAM密度如所期望地起作用。

图7示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件200’的另一示例性实施方式。为了清晰起见，图7没有按比例。磁性元件200’可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件200’类似于磁性元件200，因此包括类似的结构。磁性元件200’包括与可选的钉扎层210、被钉扎层220、非磁间隔层230和自由层240类似的可选的钉扎层210’、被钉扎层220’、非磁间隔层230’和自由层240’。层210’、220’、230’和240’分别具有与层210、220、230和240类似的结构和功能。然而，在所示的实施方式中，被钉扎层220’而不是自由层240’包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’。此外，磁性元件200’可以包括其它和/或额外的层诸如籽层和/或盖层。磁性元件200还被配置为当写电流流过磁性元件240时允许自由层240’在稳定的磁状态之间转换。因此，自由层240’可利用自旋转移矩转换。

自由层240’是磁性的，因而可以包括Ni、Fe和Co中的的一种或多种，尤其以合金的形式。此外，自由层240’具有可利用自旋转移转换的可改变磁化。虽然被示出为简单层，但是自由层240’可以包括多个层。例如，自由层240’可以是包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用与Ru或其它材料的薄层交替的多个磁性层。间隔层230’类似于间隔层230。

被钉扎层220’具有被固定在特定方向上的磁化（未示出）。被钉扎层220’还包括磁子结构，诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’。为简单起见，没有示出磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’。在一些实施方式中，被钉扎层220’由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’构成。在其它实施方式中，被钉扎层220’可以包括其它层。例如，被钉扎层220’可以是包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’作为铁磁层中的一层或多层的SAF。备选地，被钉扎层220’可以包括邻近磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的铁磁层或多层。因此，被钉扎层220’可以包括与非磁性层交替的铁磁层，该铁磁层是与非磁性层不能混合的，相对于非磁性层在化学上稳定，并且实质上没有会在铁磁层中产生磁死层的相互作用。此外，如下面所述，可以在铁磁层以及由此被钉扎层220’中引起垂直各向异性。

磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的特性以及磁性元件200’的益处可以类似于以上对磁性元件200描述的那些。特别地，在被钉扎层220’中使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’或者使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’作为被钉扎层220’可以允许被钉扎层220’具有例如由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’内的PPMA引起的垂直各向异性。在一些实施方式中，垂直各向异性使得被钉扎层220’的易磁化轴垂直于平面（例如，在z方向上）。在一些实施方式中，垂直各向异性改善被钉扎层220’的垂直于平面（例如，在z方向上）的磁化的钉扎。因此，可以对磁性元件200’实现垂直取向的益处。例如，可以实现减小的转换电流密度。

图8示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件200’’的另一示例性实施方式。为了清晰起见，图8没有按比例。磁性元件200’’可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件200’’类似于磁性元件200和200’，因此包括类似的结构。磁性元件200’’包括与可选的钉扎层210/210’、被钉扎层220/220’、非磁间隔层230/230’和自由层240/240’类似的可选的钉扎层210’’、被钉扎层220’’、非磁间隔层230’’和自由层240’’。层210’’、220’’、230’’和240’’分别具有与层210/210’、220/220’、230/230’和240/240’类似的结构和功能。然而，在所示的实施方式中，被钉扎层220’’包括参考层226、间隔层224和被钉扎层222。被钉扎层220’’可以因此是SAF。在所示的实施方式中，参考层226和/或被钉扎层222包括磁结构100、100’、100’’和/或100’’’。因此，可以实现以上对于磁性元件200’描述的益处。

图9示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件200’’’的另一示例性实施方式。为了清晰起见，图9没有按比例。磁性元件200’’’可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件200’’’类似于磁性元件200、200’和200’’，因此包括类似的结构。磁性元件200’’’包括与可选的钉扎层210/210’/210’’、被钉扎层220/220’/220’’、非磁间隔层230/230’/230’’和自由层240/240’/240’’类似的可选的钉扎层210’’’、被钉扎层220’’’、非磁间隔层230’’’和自由层240’’’。层210’’’、220’’’、230’’’和240’’’分别具有与层210/210’/210’’、220/220’/220’’、230/230’/230’’和240/240’/240’’类似的结构和功能。虽然没有分别地示出，但是被钉扎层220’’’可以包括多个磁结构100/100’/100’’/100’’’，例如类似于被钉扎层220’’。备选地，被钉扎层220’’’可以包括单个磁子结构100/100’/100’’/100’’’，例如类似于被钉扎层220’。自由层240’’’还包括一个或多个磁子结构100/100’/100’’/100’’’。因此，可以实现以上关于磁性元件200、200’和/或200’’描述的益处。

图10示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件250的示例性实施方式。为了清晰起见，图10没有按比例。磁性元件250可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件250包括被钉扎层270、非磁间隔层280和自由层290。还示出可选的钉扎层260，其可以用于固定被钉扎层270的磁化（未示出）。在一些实施方式中，可选的钉扎层260是通过交换偏置相互作用来钉扎被钉扎层270的磁化（未示出）的AFM层。然而，在其它实施方式中，可以省略可选的钉扎层260。此外，磁性元件250可以包括其它和/或额外的层，诸如籽层和/或盖层。磁性元件250还被配置为当写电流流过磁性元件250时允许自由层290在稳定的磁状态之间转换。因此，自由层290是可利用自旋转移矩转换的。

间隔层280是非磁性的。在一些实施方式中，间隔层280是绝缘体，例如隧穿势垒。在这样的实施方式中，间隔层280可以包括晶体MgO，其可以提高磁性元件的隧穿磁阻（TMR）。在其它实施方式中，间隔层可以是诸如Cu的导体。在备选实施方式中，间隔层280可以具有别的结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。

被钉扎层270和自由层290是磁性的，因此可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，尤其以合金的形式。虽然被示出为简单层，但是被钉扎层270和/或自由层290可以包括多层。例如，被钉扎层270和/或自由层290可以是包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用与Ru或其它材料的薄层交替的多个磁性层。此外，被钉扎层270和/或自由层290可以包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’（未示出）。然而，与被钉扎层270相反，自由层240具有可经由自旋转移来转换的可改变磁化（未示出）。在所示的实施方式中，自由层290具有垂直于平面（在z方向上）的易磁化轴。然而，在其它实施方式中，自由层290可以具有完全或部分地在平面内的易磁化轴。类似地，被钉扎层270的磁化被示出为被钉扎在垂直方向上。然而，在其它实施方式中，被钉扎层270的磁化可以是在包括平面内的其它方向上。

磁性元件250还包括诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构。因此，磁性元件250可以包括与非磁性层交替的铁磁层，该铁磁层是与该非磁性层不能混合的，相对于该非磁性层在化学上稳定，并且在至少一些实施方式中实质上没有会在铁磁层中产生磁死层的相互作用。此外，如下面所述，可以在铁磁层以及因此自由层240中引起垂直各向异性。

磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以用作自由层290和非磁间隔层之间的界面层。因而，自由层240可以提供许多益处。更具体地，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以具有例如由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’内的PPMA引起的垂直各向异性。此垂直各向异性可以增强自由层290的垂直各向异性。由于垂直各向异性，对于磁性元件250，可以减小用于自旋转移矩的转换电流密度。在一些实施方式中，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’以及自由层240可以为至少2纳米厚。在一些这样的实施方式中，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’以及自由层可以达到4纳米厚。磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以强烈地铁磁耦合到自由层240。磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’以及由此自由层240可以在平面内热稳定在较小的尺寸。

还可以选择用于磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的材料和层厚度以提高磁性元件250的性能。材料可以被选择以改善TMR。例如，CoFe、CoFeB（诸如Co₂₀Fe₆₀B₂₀）和/或类似的铁磁材料可以使用在磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’中以提供与晶体MgO非磁间隔层280相容的微结构。因而，期望的势垒层可以用于非磁间隔层280。由于不需要使用超过400摄氏度的沉积温度来制造磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’，所以期望的隧穿势垒层可以经受得住磁性元件250的制造。此外，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以具有低磁矩，这可以进一步减小磁性元件250的转换电流密度，因为自由层290可以与磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’磁耦合。磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的期望配置可以使用相对少量的材料且不用高温沉积来实现。此外，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以配置为具有弱阻尼。此外，由于可以省略诸如MgO的绝缘盖层以利于使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’，所以可以减小磁性元件250的部分的寄生电阻。因而，磁性元件250的性能可以通过使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’而提高。因此，使用邻近于自由层290的磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁性元件250可以对于平面内较小的尺寸以及由此较高的STT-RAM密度如所期望地起作用。

图11示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件250’的示例性实施方式。为了清晰起见，图11没有按比例。磁性元件250可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件250’包括分别与可选的钉扎层260、被钉扎层270、非磁间隔层280和自由层290类似的可选的钉扎层260’、被钉扎层270’、非磁间隔层280’和自由层290’。此外，磁性元件250’可以包括其它和/或额外的层，诸如籽层和/或盖层。磁性元件250’还被配置为当写电流流过磁性元件250’时允许自由层290’在稳定的磁状态之间转换。因而，自由层290’是可利用自旋转移矩转换的。

磁性元件250’还包括诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构。因此，磁性元件250’可以包括与非磁性层交替的铁磁层，铁磁层是与该非磁性层不能混合的，相对于该非磁性层在化学上稳定，并且在至少一些实施方式中实质上没有会在铁磁层中产生磁死层的相互作用。然而，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’邻近被钉扎层270’而不是自由层290’。

磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以用作被钉扎层270’和非磁间隔层280’之间的界面层。因而，被钉扎层270’可以提供许多益处。例如，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以具有例如由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’内的PPMA引起的垂直各向异性。此垂直各向异性可以增强被钉扎层270’的垂直各向异性。在一些实施方式中，至少一部分被钉扎层270’磁化可以保留在平面内。在这样的实施方式中，被钉扎层270’的平面外退磁能不大于垂直各向异性能。在其它实施方式（包括图11所示的实施方式）中，被钉扎层270’的磁化可以垂直于平面。在这样的实施方式中，平面外退磁能小于垂直各向异性能。因此，被钉扎层270’可以在垂直磁性元件250’中更好地起作用。由于垂直各向异性，对于磁性元件250’，可以减小用于自旋转移矩的转换电流密度。还可以选择磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的材料和层厚度以提高磁性元件250的性能。材料可以被选择以改善TMR。例如，CoFe、CoFeB和/或类似的铁磁材料可以使用在磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’中以提供与晶体MgO非磁间隔层280’相容的微结构。因此，期望的势垒层可以用于非磁间隔层280’。磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的期望配置可以使用相对少量的材料且不用高温沉积来实现。此外，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以配置为具有弱阻尼。此外，由于可以省略诸如MgO的绝缘盖层以利于使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’，所以可以减小磁性元件250’的一部分的寄生电阻。因此，磁性元件250’的性能可以通过使用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’而提高。因此，使用邻近于被钉扎层270’的磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁性元件250’可以对于平面内较小的尺寸以及由此较高的STT-RAM密度如所期望的起作用。

图12示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件250’’的示例性实施方式。为了清晰起见，图12没有按比例。磁性元件250’’可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件250’’包括分别与可选的钉扎层260/260’、被钉扎层270/270’、非磁间隔层280/280’和自由层290/290’类似的可选的钉扎层260’’、被钉扎层270’’、非磁间隔层280’’和自由层290’’。此外，磁性元件250’’可以包括其它和/或额外的层，诸如籽层和/或盖层。磁性元件250’’还被配置为当写电流流过磁性元件250’’时允许自由层290’’在稳定的磁状态之间转换。因而，自由层290’’是可利用自旋转移矩来转换的。

磁性元件250’’还包括诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构。因此，磁性元件250’’可以包括与非磁性层交替的铁磁层，铁磁层是与该非磁性层不能混合的，相对于该非磁性层在化学上稳定，并且在至少一些实施方式中实质上没有会在铁磁层中产生磁死层的相互作用。第一磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’邻近被钉扎层270’，而第二磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’邻近自由层290’’。磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’可以用作被钉扎层270’’和非磁间隔层280’’之间以及自由层290’’和非磁间隔层280’’之间的界面层。因而，可以实现磁性元件250和/或250’的益处。

图13示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件300的示例性实施方式。为了清晰起见，图13没有按比例。磁性元件300可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件300包括第一被钉扎层320、第一非磁间隔层330、自由层340、第二非磁间隔层350和第二被钉扎层360。还示出可选的钉扎层310和370，其可以分别用于固定被钉扎层320和360的磁化（未示出）。在一些实施方式中，可选的钉扎层310和370是通过交换偏置相互作用来钉扎被钉扎层320和360的磁化（未示出）的AFM层。然而，在其它实施方式中，可以省略可选的钉扎层320和/或370。此外，磁性元件300可以包括其它和/或额外的层，诸如籽层和/或盖层。磁性元件300还被配置为当写电流流过磁性元件300时允许自由层340在稳定的磁状态之间转换。因而，自由层340是可利用自旋转移矩转换的。

间隔层330和350是非磁性的。在一些实施方式中，间隔层330是绝缘体，例如隧穿势垒。在这样的实施方式中，间隔层330和/或350可以包括晶体MgO，这可以增强磁性元件的隧穿磁阻（TMR）。在其它实施方式中，间隔层330和/或350可以是导体，诸如Cu。在备选实施方式中，间隔层330和/或350可以具有别的结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。在一些实施方式中，间隔层330和350都是绝缘隧穿势垒。然而，在其它实施方式中，仅一个间隔层330或350是绝缘隧穿势垒。相应地，另一个间隔层350或330可以是导电的。

被钉扎层320和360以及自由层340是磁性的，因此可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，尤其以合金的形式。虽然被示出为简单层，但是被钉扎层320和360可以包括多个层。例如，被钉扎层320和360中的一层或多层可以是包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用与Ru或其它材料的薄层交替的多个磁性层。被钉扎层320和370的磁化可以是在垂直方向上。然而，在其它实施方式中，被钉扎层320和370的磁化可以在另一方向（包括部分或完全在平面内）上。

此外，自由层340可以包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’（没有单独示出）。自由层340还具有可经由自旋转移来转换的可改变磁化（未示出）。自由层340可以具有垂直于平面（在z方向上）的易磁化轴。然而，在其它实施方式中，自由层340可以具有完全或部分地在平面内的易磁化轴。自由层340可以由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’构成，或者还可以包括其他层。因此，自由层340可以类似于自由层240。因此，对于磁性元件300可以实现与对磁性元件200实现的那些类似的益处。此外，可以实现双磁结构诸如双磁隧穿结或单势垒磁隧穿结（其中一个非磁间隔层是势垒层而另一个是导电的）的益处。

图14示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件300’的示例性实施方式。为了清晰起见，图14没有按比例。磁性元件300’可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件300’类似于磁性元件300。因此，磁性元件300’包括分别与第一被钉扎层320、第一非磁间隔层330、自由层340、第二非磁间隔层350和第二被钉扎层360类似的第一被钉扎层320’、第一非磁间隔层330’、自由层340’、第二非磁间隔层350’和第二被钉扎层360’。还示出分别与可选的钉扎层310和370类似的可选的钉扎层310’和370’。然而，在其它实施方式中，可以省略可选的钉扎层320’和/或370’。此外，磁性元件300’可以包括其它和/或额外的层，诸如籽层和/或盖层。磁性元件300’还被配置为当写电流流过磁性元件300’时允许自由层340’在稳定的磁状态之间转换。因而，自由层340’是可利用自旋转移矩转换的。

与磁性元件300相反，自由层340’可以不包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’。然而，自由层390’可以包括多层。例如，自由层340’可以是包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用与Ru或其它材料的薄层交替的多个磁性层。自由层340’的磁化可以在垂直方向上。然而，在其它实施方式中，自由层340’的磁化可以在另一方向（包括部分或完全在平面内）上。

被钉扎层320’和/或被钉扎层360’可以包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’（未单独示出）。被钉扎层320’和/或被钉扎层360’可以具有垂直于平面（在z方向上）的易磁化轴。然而，在其它实施方式中，被钉扎层320’和/或被钉扎层360’可以具有完全或部分地在平面内的易磁化轴。被钉扎层320’和/或被钉扎层360’可以由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’构成，或者还可以包括其它层。因此，被钉扎层320’和/或被钉扎层360’可以类似于被钉扎层220’或220’’。因此，可以对磁性元件300’实现与对磁性元件200’和/或200’’实现的益处类似的益处。此外，可以实现双磁结构诸如双磁隧穿结或单势垒磁隧穿结（其中一个非磁间隔层是势垒层而另一个是导电的）的益处。

图15示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件300’’的示例性实施方式。为了清晰起见，图15没有按比例。磁性元件300’’可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件300’类似于磁性元件300和300’。磁性元件300’’因此包括分别与第一被钉扎层320/320’、第一非磁间隔层330/330’、自由层340/340’、第二非磁间隔层350/350’和第二被钉扎层360/360’类似的第一被钉扎层320’’、第一非磁间隔层330’’、自由层340’’、第二非磁间隔层350’’和第二被钉扎层360’’。还示出分别与可选的钉扎层310/310’和370/370’类似的可选的钉扎层310’’和370’’。然而，在其它实施方式中，可以省略可选的钉扎层310’’和/或370’’。此外，磁性元件300’’可以包括其它和/或额外的层，诸如籽层和/或盖层。磁性元件300’’还被配置为当写电流流过磁性元件300’’时允许自由层340’’在稳定的磁状态之间切换。因此，自由层340’’是可利用自旋转移矩转换的。

自由层340’’以及被钉扎层320’’和/或360’’的一个或多个可以包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’（未单独示出）。自由层340’’、被钉扎层320’’和/或被钉扎层360’’可以具有垂直于平面（在z方向上）的易磁化轴。然而，在其它实施方式中，自由层340’’、被钉扎层320’’和/或被钉扎层360’’可以具有完全或部分地在平面内的易磁化轴。自由层340’’、被钉扎层320’’和/或被钉扎层360’’可以由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’构成，或者还可以包括其它层。因此，自由层340’’、被钉扎层320’’和/或被钉扎层360’’可以类似于自由层240/240’’’和/或被钉扎层220’/220’’/220’’’。因此，可以对磁性元件300’’实现与对磁性元件200、200’、200’’和/或200’’实现的那些类似的益处。此外，可以实现双磁结构诸如双磁隧穿结或单势垒磁隧穿结（其中一个非磁间隔层是势垒层而另一个是导电的）的益处。

图16示出利用诸如磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件400的另一示例性实施方式。为了清晰起见，图16没有按比例。磁性元件400可以使用在诸如STT-RAM的磁存储器中。磁性元件400包括第一被钉扎层420、第一非磁间隔层430、自由层440、第二非磁间隔层450和第二被钉扎层460。还示出可选的钉扎层410和470，其可以用于分别固定被钉扎层420和460的磁化（未示出）。在一些实施方式中，可选的钉扎层410和470是通过交换偏置相互作用来钉扎被钉扎层420和460的磁化（未示出）的AFM层。然而，在其它实施方式中，可以省略可选的钉扎层420和/或470。此外，磁性元件300可以包括其它和/或额外的层，诸如籽层和/或盖层。磁性元件400还被配置为当写电流流过磁性元件400时允许自由层440在稳定的磁状态之间转换。因此，自由层440是可利用自旋转移矩转换的。

间隔层430和450是非磁性的。在一些实施方式中，间隔层430是绝缘体，例如隧穿势垒。在这样的实施方式中，间隔层430和/或450可以包括晶体MgO，这可以提高磁性元件的隧穿磁阻（TMR）。在其它实施方式中，间隔层430和/或450可以是导体，诸如Cu。在备选实施方式中，间隔层430和/或450可以具有别的结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。在一些实施方式中，间隔层430和450都是绝缘隧穿势垒。然而，在其它实施方式中，仅一个间隔层430或450是绝缘隧穿势垒。相应地，另一个间隔层450或430可以是导电的。

被钉扎层420和360以及自由层440是磁性的，因此可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，尤其以合金的形式。虽然被示出为简单层，但是层420、460和/或440可以包括多层。例如，层420、460和/或440的一个或多个可以是包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用与Ru或其它材料的薄层交替的多个磁性层。层420、460和/或440的磁化可以在垂直方向上。然而，在其它实施方式中，层420、460和/或440的磁化可以在其它方向（包括部分或完全地在平面内）上。此外，虽然被示出为简单层，但是自由层440、被钉扎层420和/或被钉扎层460的一个或多个可以包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’（没有单独示出）。自由层440、被钉扎层420和/或被钉扎层460可以由磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’构成，或者还可以包括其它层。自由层440还具有可经由自旋转移转换的可改变磁化（未示出）。自由层440可以具有垂直于平面（在z方向上）的易磁化轴。然而，在其它实施方式中，自由层440可以具有完全或部分地在平面内的易磁化轴。类似地，被钉扎层420和/或460可以具有垂直于平面（在z方向上）的易磁化轴。然而，在其它实施方式中，420和/或460可以具有完全或部分地在平面内的易磁化轴。

磁性元件400还包括一个或多个可选的磁子结构100/100’/100’’/100’’’。这样的可选的磁子结构100/100’/100’’/100’’’可以位于以下位置中的一个或多个处：在非磁间隔层430和被钉扎层420之间、在自由层440和非磁间隔层430之间、在自由层440和非磁性间隔物450之间和/或在被钉扎层460和非磁间隔层450之间。因此，磁性元件400可以类似于磁性元件250、250’和/或250’’中的一个或多个。因而，可以对磁性元件250、250’和/或250’’实现与对磁性元件400实现的那些类似的益处。此外，可以实现双磁结构诸如双磁隧穿结或单势垒磁隧穿结（其中一个非磁间隔层是势垒层而另一个是导电的）的益处。

已经公开了利用磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的各种磁性元件200、200’、200’’、200’’’、205、250’、250’’、300、300’、300’’和400。注意到，磁性元件200、200’、200’’、200’’’、205、250’、250’’、300、300’、300’’和400的各个特征可以被组合。类似地，磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的一些或全部特征可以被组合。因此，可以实现磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’的一个或多个益处，诸如即使在较大厚度时的垂直各向异性、热稳定性、较高磁阻、能够被修整的磁矩、可以被修整的磁相互作用、减小的寄生电阻、对于自旋转移的低写入电流密度和/或弱阻尼。

此外，使用诸如子结构100、100’、100’’和/或100’’’的磁子结构的磁性元件可以使用在磁存储器中。图17示出一个这样的存储器500的示例性实施方式。磁存储器500包括读/写列选择驱动器502和506以及字线选择驱动器504。注意到，可以提供其它和/或不同的组件。存储器500的存储区包括磁存储单元510。每个磁存储单元包括至少一个磁性元件512和至少一个选择器件514。在一些实施方式中，选择器件514是晶体管。磁性元件512包括磁子结构100、100’、100’’和/或100’’’。因此，磁性元件512可以是磁性元件200、200’、200’’、200’’’、205、250’、250’’、300、300’、300’’、400或其一些组合。因而，磁存储器500可以享有上述益处，诸如热稳定性和低写入电流密度。

图18示出用于制造磁子结构的方法600的示例性实施方式。为简单起见，一些步骤可以被省略或组合。在磁子结构100的背景下描述了方法600。然而，方法600可以使用在诸如子结构100’、100’’和100’’’的其它磁子结构上。此外，方法600可以被包括到诸如磁性元件200、200’、200’’、200’’’、205、250’、250’’、300、300’、300’’、400和/或512的磁性元件的制造中。因而，方法600可以用于制造STT-RAM或其它磁存储器。必要时，方法600可以在提供下面的非磁性层101之后开始。

铁磁层102经由步骤602提供。步骤602可以包括将期望的材料诸如包括CoFeB的合金沉积至铁磁层102的期望厚度。在其它实施方式中，铁磁层102的一部分可以被去除以实现期望厚度。在一些实施方式中，铁磁层可以被毯式沉积（blanket deposit）。在其它实施方式中，光刻可以将铁磁层的沉积限制于某些区域。非磁性层104经由步骤604提供。步骤604可以包括沉积期望的非磁性材料，包括但不限于Cr和V。此外，可以在步骤602中沉积期望厚度的材料。在一些实施方式中，非磁性层104可以被毯式沉积。在其它实施方式中，光刻可以将非磁性层的沉积限制于某些区域。铁磁-非磁性双层的这样的形成被重复n-1次，使得所形成的结构包括重复n次的双层。因而，形成了磁子结构100、100’、100’’和100’’’。然后，可以经由步骤608完成磁结构100、100’、100’’和100’’’的制造。例如，可以定义其中使用磁子结构100、100’、100’’和100’’’的磁性元件。因此，使用该方法600，可以制造磁性元件100、100’、100’’和100’’’。因此，可以实现磁性元件的益处。

已经描述了提供磁子结构的方法和系统、使用该磁子结构的磁存储器元件、以及使用该磁存储器元件/磁子结构制造的存储器。根据示出的示例性实施方式描述了所述方法和系统，本领域普通技术人员将容易地理解，可以对实施方式进行变化，并且任何变化会在所述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进行许多变形而不脱离附加权利要求的精神和范围。

Claims (38)

1.一种在磁性器件中使用的磁子结构，所述磁子结构包括：

多个铁磁层；

多个非磁性层，所述多个铁磁层与所述多个非磁性层交替，所述多个铁磁层是与所述多个非磁性层不能混合的并相对于所述多个非磁性层在化学上稳定，并且所述多个铁磁层实质上没有与所述多个非磁性层产生相互作用的磁死层，所述多个非磁性层在所述多个铁磁层中引起垂直各向异性，所述垂直各向异性对应于垂直各向异性能，其中所述磁子结构具有平面外退磁能，所述垂直各向异性能大于所述平面外退磁能；

其中所述磁子结构配置为当写电流流过所述磁子结构时在多个稳定的磁状态之间转换。

2.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层包括Al、AlN、铝氧化物、Au、Cr、晶体MgO、Cu、掺杂的MgO、铟锡氧化物、Mg、Mo、NiO、Pd、Pt、Ru、RuO₂、硅氧化物、SiN、Ta、TaN、Ti、TiN、V、W、Y中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层包括至少一种氧化物。

4.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层包括Ni、Co和Fe的至少一种。

5.根据权利要求4所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层包括至少一种氧化物。

6.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层包括CoFe和CoFeB中的至少一种，其中所述多个非磁性层包括Cr和V中的至少一种，其中所述磁子结构具有至少100且不大于1300emu/cc的磁化。

7.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层的每个具有实质上相等的厚度。

8.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层的至少一部分具有不同的厚度。

9.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的每个具有实质上相等的厚度。

10.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的至少一部分具有不同的厚度。

11.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的每个具有单一成分。

12.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的至少一部分具有不同的成分。

13.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的至少一部分是不连续的。

14.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层的每个比所述多个非磁性层中的相邻非磁性层厚。

15.根据权利要求12所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层的每个是所述多个非磁性层中的所述相邻非磁性层的至少三倍厚。

16.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述磁子结构具有至少2纳米且不大于4纳米的总厚度。

17.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述磁子结构的厚度是至少3纳米。

18.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层配置为使得所述多个铁磁层通过所述多个非磁性层铁磁耦合。

19.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层配置为使得所述多个铁磁层通过所述多个非磁性层反铁磁耦合。

20.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层配置为使得所述多个铁磁层具有实质上为零的层间交换耦合，从而所述多个铁磁层被偶极子耦合。

21.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层配置为使得所述多个铁磁层的第一部分通过所述多个非磁性层铁磁耦合并且所述多个铁磁层的第二部分通过所述多个非磁性层反铁磁耦合。

22.一种在磁性器件中使用的磁性元件，所述磁性元件包括：

被钉扎层；

非磁间隔层；以及

自由层，所述非磁间隔层位于所述自由层和所述被钉扎层之间；

其中所述磁性元件包括至少一个根据权利要求1所述的磁子结构；以及

其中所述磁性元件配置为当写电流流过所述磁性元件时允许所述自由层在多个稳定的磁状态之间转换。

23.根据权利要求22所述的磁性元件，其中所述自由层和所述被钉扎层中的至少一个包括所述磁子结构。

24.根据权利要求22所述的磁性元件，其中所述磁子结构位于所述非磁间隔层和所述自由层之间。

25.根据权利要求24所述的磁性元件，其中所述自由层具有平面外退磁能以及大于所述平面外退磁能的垂直各向异性能。

26.根据权利要求24所述的磁性元件，其中所述自由层具有平面外退磁能以及小于所述平面外退磁能的垂直各向异性能。

27.根据权利要求22所述的磁性元件，其中所述磁性元件的磁子结构位于所述非磁间隔层和所述被钉扎层之间。

28.根据权利要求27所述的磁性元件，其中所述被钉扎层具有平面外退磁能以及大于所述平面外退磁能的垂直各向异性能。

29.根据权利要求27所述的磁性元件，其中所述被钉扎层具有平面外退磁能以及小于所述平面外退磁能的垂直各向异性能。

30.根据权利要求22所述的磁性元件，还包括：

额外间隔层；以及

额外被钉扎层，所述额外间隔层位于所述自由层和所述额外被钉扎层之间。

31.根据权利要求30所述的磁性元件，其中所述自由层、所述被钉扎层和所述额外被钉扎层中的至少一个包括所述磁子结构。

32.根据权利要求30所述的磁性元件，其中所述额外间隔层和所述间隔层中的至少一个是绝缘隧穿势垒层。

33.一种磁存储器，包括：

多个磁存储单元，所述多个磁存储单元的每个包括至少一个磁性元件，所述至少一个磁性元件包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层，所述非磁间隔层位于所述自由层和所述被钉扎层之间，所述磁性元件包括至少一个根据权利要求1所述的磁子结构；

所述至少一个磁性元件配置为在写电流流过所述磁性元件时允许所述自由层在多个稳定的磁状态之间转换。

34.根据权利要求33所述的磁存储器，其中所述自由层和所述被钉扎层中的至少一个包括所述磁子结构。

35.根据权利要求33所述的磁存储器，其中所述磁子结构位于所述非磁间隔层和所述自由层之间。

36.根据权利要求33所述的磁存储器，其中所述自由层具有平面外退磁能以及大于所述平面外退磁能的垂直各向异性能。

37.根据权利要求33所述的磁存储器，其中所述磁子结构位于所述非磁间隔层和所述被钉扎层之间。

38.根据权利要求33所述的磁存储器，其中所述至少一个磁性元件的每个还包括：

额外间隔层；以及

额外被钉扎层，所述额外间隔层位于所述自由层和所述额外被钉扎层之间。