CN103887423A - 用于提供具有设计垂直磁各向异性的磁性结的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种提供可用在磁性装置中的磁性结的方法和系统。磁性结包括参考层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在参考层和自由层之间。自由层具有设计垂直磁各向异性。设计PMA包括绝缘插入层诱导PMA、应力诱导PMA、由于界面对称破坏导致的PMA以及晶格失配诱导PMA中的至少一个。磁性结被配置为使得当写电流通过磁性结时自由层在多个稳定的磁性状态之间可转换。

Description

用于提供具有设计垂直磁各向异性的磁性结的方法和系统
技术领域
本发明涉及用于提供具有设计垂直磁各向异性的磁性结的方法和系统。
背景技术
磁性存储器，特别是磁性随机存取存储器（MRAM），由于它们在操作期间的高读/写速度、优异的耐用性、非易失性和低功耗而已经引起越来越多的关注。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录媒介而存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）。STT-MRAM利用磁性结，该磁性结至少部分地由被驱动通过磁性结的电流写入。被驱动通过磁性结的自旋极化电流在磁性结中的磁矩上施加自旋力矩。结果，具有响应于自旋力矩的磁矩的层可以被转换为期望状态。
例如，图1绘示可以用于常规STT-MRAM的常规磁性隧道结（MTJ）10。常规MTJ通常位于底部接触11上，利用常规籽晶层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以及常规盖层22。还示出了顶部接触24。
常规接触11和24用于在电流垂直平面（CPP）方向或者沿图1所示的Z轴驱动电流。常规籽晶层12通常用于辅助随后的层诸如AFM层14的生长，使其具有期望的晶体结构。常规隧穿势垒层18是非磁性的，例如是薄的绝缘体，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的磁化的交换偏置相互作用而被固定或者被钉扎在特定方向。虽然被描绘为简单（单个）层，但常规被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是合成反铁磁（SAF）层，其包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁耦合的磁性层。在这样的SAF中，可以使用多个磁性层，在该多个磁性层中插入Ru薄层。在另一实施方式中，跨过Ru层的耦合可以是铁磁性的。多层也可以独立地使用或者用作SAF中的磁性层。此外，常规MTJ10的其他型式可以包括通过附加的非磁性势垒层或者导电层（未示出）与自由层20分离的附加的被钉扎层（未示出）。
常规自由层20具有可变的磁化21。虽然被描绘为简单层，但常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是合成层，其包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁地或铁磁地耦合的磁性层。虽然示出为在平面内，但常规自由层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可以分别具有垂直于层的平面取向的磁化17和21。
为了转换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面（在Z方向）驱动。当足够的电流被从顶部接触24驱动到底部接触11时，常规自由层20的磁化21可以转变为平行于常规被钉扎层16的磁化17。当足够的电流被从底部接触11驱动到顶部接触24时，自由层的磁化21可以转变为反平行于被钉扎层16的磁化。磁配置的差异相应于不同的磁阻，因此相应于常规MTJ10的不同逻辑状态（例如逻辑“0”和逻辑“1”）。因此，通过读取常规MTJ10的隧穿磁阻（TMR），可以确定常规MTJ的状态。
虽然常规MTJ10可以利用自旋转移写入，通过感测结的TMR而读取、并使用在STT-MRAM中，但存在缺点。例如，期望常规自由层20和常规被钉扎层16的磁矩垂直于平面，提供高的垂直磁各向异性（PMA）。当垂直各向异性能超过平面外退磁能时，发生高的PMA。这导致磁矩具有垂直于平面的分量并可以完全地垂直于平面。虽然存在这样的常规高PMA结，但PMA会由于各种因素而减小。例如，PMA会由于Co夹杂在CoFe自由层20中的Fe中、常规自由层20中存在硼以及其他因素而被减小。此外，常规自由层20的热稳定性难以利用常规高PMA材料保持。结果，常规MTJ的性能会受损失。因此，会期望用于调整PMA的机制。
因此，需要的是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致力于这样的需要。
发明内容
一种提供可用在磁性装置中的磁性结的方法和系统。磁性结包括参考层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在参考层和自由层之间。自由层具有设计垂直磁各向异性（PMA）。设计PMA包括绝缘插入层诱导PMA、应力诱导PMA、由于界面对称破坏导致的PMA以及晶格失配诱导PMA中的至少一个。磁性结被配置为使得当写电流通过磁性结时自由层在多个稳定的磁性状态之间可转换。
附图说明
图1绘示常规磁性结。
图2绘示磁性结的示范实施方式，该磁性结包括具有设计垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换的自由层。
图3绘示磁性结的另一示范实施方式，该磁性结包括具有设计垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换的自由层。
图4绘示磁性结的另一示范实施方式，该磁性结包括具有设计垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换的自由层。
图5绘示自由层的示范实施方式，该自由层具有插入层诱导垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换。
图6绘示自由层的另一示范实施方式，该自由层具有插入层诱导垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换。
图7绘示自由层的另一示范实施方式，该自由层具有插入层诱导垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换。
图8绘示自由层的示范实施方式，该自由层具有应力诱导垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换。
图9绘示自由层的另一示范实施方式，该自由层具有应力诱导垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换。
图10绘示自由层的示范实施方式，该自由层具有晶格常数失配诱导垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换。
图11绘示自由层的另一示范实施方式，该自由层具有晶格常数失配诱导垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换。
图12绘示在存储单元的存储元件中使用磁性结的存储器的示范实施方式。
图13绘示制造磁性结的方法的示范实施方式，该磁性结包括具有设计垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换的自由层。
图14绘示用于制造自由层的方法的示范实施方式，该自由层具有插入层诱导垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换。
具体实施方式
示范实施方式涉及可用于磁性设备诸如磁存储器中的磁性结以及利用这样的磁性结的装置。给出以下描述以使得本领域普通技术人员能够实施和使用本发明，以下描述被提供在专利申请及其要求的内容中。对于示范实施方式的各种修改以及在此描述的一般原理和特征将容易变得明显。示范实施方式主要描述特定实施中提供的特定方法和系统。然而，该方法和系统在其他实施中将有效地操作。诸如“示范实施方式”、“一个实施方式”和“另一实施方式”的表述可能指相同的实施方式或者不同的实施方式以及多个实施方式。将关于系统和/或具有某些组件的装置来描述实施方式。然而，系统和/或装置可以包括比示出的组件多或少的组件，可以对组件的布置和类型做出变化而不背离本发明的范围。也将在具有某些步骤的特定方法的背景下描述示范实施方式。然而，方法和系统对于具有不同步骤和/或附加步骤以及与本示范实施方式不一致的次序的步骤的其他方法可以有效地操作。因此，本发明并非旨在限于示出的实施方式，而是符合根据在此描述的原理和特征的最宽范围。
方法和系统提供磁性结以及利用该磁性结的磁存储器。磁性结包括参考层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在参考层和自由层之间。自由层具有设计垂直磁各向异性（PMA）。设计PMA包括绝缘插入层诱导PMA、应力诱导PMA、由于界面对称破坏导致的PMA以及晶格失配诱导PMA中的至少一个。用于绝缘插入层诱导PMA的机制可以涉及自由层材料和绝缘层材料之间的电子杂化，然而可以存在除电子杂化之外的其他机制。磁性结被配置为使得当写电流通过磁性结时自由层在多个稳定的磁性状态之间可转换。
在特定磁性结和具有某些组件的磁存储器的情形下描述示范实施方式。本领域普通技术人员将容易地认识到，本发明与磁性结和磁存储器的使用相一致，该磁性结和磁存储器具有与本发明不一致的其他组件和/或附加组件和/或其他特征。也在当前对磁各向异性（特别是垂直磁各向异性）的自旋转移现象及其他物理现象的理解的情形下描述该方法和系统。因此，本领域普通技术人员将容易地认识到，方法和系统的行为的推理性说明是基于当前理解的自旋转移、磁各向异性及其他物理现象而进行的。然而，在此描述的方法和系统不取决于特定的物理解释。本领域普通技术人员还将容易地认识到，在与基板具有特定关系的结构的情形下描述该方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易地认识到，该方法和系统与其他结构一致。此外，在合成的和/或简单的某些层的情形下描述该方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易地认识到，这些层可以具有另一结构。此外，在具有特定的层、材料和特性的磁性结和/或自由层的情形下描述该方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易地认识到，还可以使用具有与该方法和系统不一致的附加的层和/或不同的层、材料和/或特性的磁性结和/或自由层。此外，某些部件被称作是磁性的、铁磁性的和亚铁磁性的。当在此使用时，术语“磁性的”可以包括铁磁性的、亚铁磁性的或者类似的结构。因此，当在此使用时，术语“磁性的”或者“铁磁性的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。还在单个磁性结和自由层的情形下描述该方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易地认识到，该方法和系统与使用具有多个磁性结和使用多个自由层的磁存储器一致。此外，当在此使用时，“在平面内”基本上是在磁性结的一个或多个层的平面内或平行于该一个或多个层的平面。相反地，“垂直”相应于基本上垂直于磁性结的一个或多个层的方向。
图2绘示磁性结100的示范实施方式，该磁性结100包括具有设计垂直磁各向异性而且可利用自旋转移而转换的自由层。磁性结例如可以是磁性隧道结（MTJ）、自旋阀或者弹道磁阻结构或者其一些组合。磁性结100可以用于各种应用。例如，磁性结可以用于诸如STT-MRAM的磁存储器中。为了清晰，图2没有按比例。
磁性结包括参考层110、非磁性间隔层120、自由层130和盖层140。磁性结100被示出为位于基板102上。在一些实施方式中，磁性结100可以包括籽晶层和/或附加的盖层（未示出）。虽然层110、120、130和140被示出具有特定取向，但在其他实施方式中该取向可以改变。例如，自由层130可以更靠近磁性结100的底部（最靠近基板102）。还可以使用钉扎层（未示出）。通常，根据所示出的以及通常要求的，如果参考层110（亦称被钉扎层）的磁矩位于平面内则将使用钉扎层，但如果参考层110的磁矩垂直于平面则不会使用钉扎层。这样的钉扎层可以用于固定参考层110的磁化111。在一些实施方式中，钉扎层可以是AFM层或多层，其通过交换偏置相互作用钉扎参考层110的磁化（未示出）。磁性结100还被配置为使得当写电流通过磁性结100时允许自由层130在稳定的磁性状态之间转换。在一些实施方式中，写电流可以单独用于转换磁性结，而在其他实施方式中，写电流可以与其他转换机制一起用于转换磁性结。因此，自由层130的磁矩131可利用自旋转移力矩而转换。因为磁矩131是可转换的，磁矩131由双向箭头指示。
非磁性间隔层120可以是隧穿势垒层、导体或者其他结构，由于该非磁性间隔层120，在参考层110和自由层130之间表现出磁阻。在一些实施方式中，非磁性间隔层120是结晶MgO隧穿势垒层。这样的非磁性间隔层可以具有优选的结晶取向，诸如（100）取向。
虽然被绘示为简单层，但参考层110和/或自由层130可以包括多个层。例如，参考层110和/或该自由层130可以是合成反铁磁（SAF）层，其包括通过薄层诸如Ru而反铁磁耦合或者铁磁耦合的磁性层。在这样的SAF中，可以使用Ru或者其他材料的薄层插入其间的多个磁性层。参考层110和/或自由层130还可以是另一多层。
参考层110和/或自由层130可以每个具有超过平面外退磁能的垂直各向异性能。因而，参考层110和/或自由层130可以具有高的垂直磁各向异性（PMA）。在示出的实施方式中，参考层110和自由层130两者可以具有高的PMA。因此，在平衡状态中，参考层110和自由层130每个分别具有垂直于平面取向的磁矩111和131，如图2所示。换句话说，层110和130的易磁化轴垂直于平面。然而，在其他实施方式中，参考层110和自由层130中的一个或者两者可以具有平面内磁矩。参考层110的磁矩111可以被固定在特定方向。在示出的实施方式中，参考层110的磁矩111位于正z方向。在另一实施方式中，磁矩111可以在负z方向。在其他实施方式中，参考层110的磁矩可以稳定在另一方向，包括但不限于平面内。参考层110和/或自由层130的磁矩的其他取向是可能的。
自由层130具有设计PMA。换句话说，磁性结100已经配置为使得自由层130的PMA处于期望范围内。在一些实施方式中，自由层130本身配置为提供期望的PMA。在其他实施方式中，磁性结100的其他部分（其中一些可能没有在图2中示出）可以配置为在自由层130中诱导出期望的PMA。例如，设计PMA可以包括绝缘插入层诱导PMA、应力诱导PMA、由于界面对称破坏导致的PMA以及晶格失配诱导PMA中的一个或多个。对于插入到自由层中的特定磁性绝缘层发生绝缘插入层诱导PMA。当自由层中诱导出的应力导致PMA的变化时，会发生应力诱导PMA。例如，自由层可以制造为使得自由层处于应变之下。在其他实施方式中，其他层可以设置在磁性元件100中以施加应力在自由层上。晶格失配诱导PMA由自由层130的一部分和磁性结100中的另一层之间的失配产生。在一些实施方式中，这可以被认为是应力诱导PMA的特例。自由层130的设计PMA被配置为位于期望的范围内。在一些实施方式中，设计PMA使得自由层130具有高的PMA。因此，磁矩131垂直于平面，如图2所示。然而，在其他实施方式中，设计PMA可以配置为小于平面外退磁能。
使用设计PMA，自由层130的PMA可以依照要求配置。设计PMA可以允许自由层130在平衡状态中具有高的PMA。换句话说，在平衡状态中，自由层130的磁矩131可以垂直于平面并且热稳定，如图2所示。在转换期间，设计PMA可以配置为被减小或保持不变。因此，自由层130的PMA可以依照要求调整（tailor），特别是对于高的PMA。结果，可以提高自由层130的开关特性。
图3绘示磁性结100'的另一示范实施方式，该磁性结100'包括具有设计PMA而且可利用自旋转移而转换的自由层130'。为了清晰，图3没有按比例。磁性结100'类似于磁性结100。因此，相似的层被类似地标记。磁性结100'包括参考层110'、非磁性间隔层120'、自由层130'和盖层140'，分别类似于层110、120、130和140。虽然层110'、120'、130'和140'被示出为具有特定取向，但在其他实施方式中该取向可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结100'还被配置为使得当写电流通过磁性结100'时允许自由层130'的磁化在稳定的磁性状态之间转换。因此，自由层130'的磁化可利用自旋转移力矩而转换。此外，自由层130'具有类似于上述设计PMA的设计PMA。
在磁性结100'中，参考层110'是合成层，包括由非磁性间隔层114分离的两个铁磁层112和116。铁磁层112和116的磁矩113和117例如经由RKKY耦合而被反铁磁耦合。然而，在其他实施方式中，其他耦合机制是可能的。此外，铁磁层112和116两者都被绘示为具有高的PMA（PMA能大于平面外退磁能）。因而，磁矩113和117示出为垂直于平面。然而，在其他实施方式中，可以使用其他取向。
磁性结100'可以共有磁性结100的优点。因为自由层130'的设计PMA，自由层130'的磁矩131'可以垂直于平面并具有期望的PMA。此外，因为参考层110'的铁磁层112和116被反铁磁耦合，所以自由层130'由于该参考层110'而可以受到较小的外部场。因此磁性结100'的性能可以被改善。
图4绘示磁性结100"的另一示范实施方式，该磁性结100"包括具有设计PMA而且可利用自旋转移而转换的自由层130"。为了清晰，图4没有按比例。磁性结100"类似于磁性结100和/或100'。因此，相似的层被类似地标记。磁性结100"包括参考层110"、非磁性间隔层120"和自由层130"，分别类似于层110/110'、120/120'和130/130'。磁性结100"还包括代替盖层140/140'的附加的间隔层140"和附加的参考层150。虽然层110"、120"、130"和140"被示出为具有特定取向，但在其他实施方式中该取向可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。
磁性结100"还被配置为使得当写电流通过磁性结100"时允许自由层130"的磁化在稳定的磁性状态之间转换。因此，自由层130"的磁化可利用自旋转移力矩而转换。此外，自由层130"具有类似于上述设计PMA的设计PMA。
磁性结100"是包括两个参考层110"和150的双磁性结。虽然被示出为简单层，但参考层130"和/或150可以是合成的。参考层110"和150两者都被绘示为具有高的PMA（PMA能大于平面外退磁能）。因而，磁矩被示出为垂直于平面。然而，在其他实施方式中，可以使用其他取向。参考层110"和150的磁矩也可能被期望是反平行的。因此，如图4所示，如果参考层110"的磁矩处于正z方向，则参考层150的磁矩处于负z方向，反之亦然。
磁性结100"可以共有磁性结100和/或100'的优点。因为自由层130"的设计PMA，自由层130"的磁矩131"可以垂直于平面并具有期望的PMA。如果参考层110"和/或150是合成的，自由层130"处的外部场可以被进一步减小。此外，使用两个参考层110"和150。如果这些参考层110"和150的最靠近自由层130"的磁矩是反平行的，则在转换期间自由层130"上的自旋转移力矩可以增强。更具体而言，对于在垂直平面方向驱动的电流说，来自参考层110"和150的自旋极化电子应该在自旋转移转换上具有叠加效应。磁性结100"可以具有更低的转换电流。因此磁性结100'的性能可以被改善。
因此磁性结100、100'和/或100"至少部分地由于自由层130/130'/130"的设计PMA而受益。图5-11显示可以实现设计PMA的各种机制。绘示在图5-11中的机制可以单独地使用。在其他实施方式中，图5-11中的自由层的设计PMA中使用的一些或者所有机制可以在单个磁性结/自由层中组合。然而，自由层130、130'和/或130''的PMA也可以以另一方式被设计。
图5绘示具有设计PMA的自由层200的示范实施方式，该自由层可利用自旋转移而转换，并可以用于诸如磁性结100、100'和/或100''的磁性结中。为了清晰，图5没有按比例。自由层200示出为包括由绝缘插入层204分离的两个磁性层202和206，该绝缘插入层204可以用于设计自由层200的PMA。绝缘插入层204可以是磁性氧化物层。在一些实施方式中，自由层200由层202、204和206组成。在其他实施方式中，自由层200可以是多层，包括但不限于SAF。在这样的实施方式中，层202、204和/或206可以包括在SAF的铁磁层的一个或多个中。
磁性层202和206可以包括诸如CoFeB（具有达到20％的B）的材料。磁性层202和206也可以不超过20埃厚度。然而，在其他实施方式中，可以使用其他材料和/或其他厚度。磁性层202和/或206可以是导电的。磁性层202和/或206也可以是合金。在其他实施方式中，磁性层202和/或206可以具有低导电率，但仍被期望具有传送用于在CPP方向操作的足够电流的足够高的导电率。其他磁性材料可以用于提供自由层200的期望的特性。在一些实施方式中，磁性层202和206是CoFeB层，每层不超过20埃厚度。然而，层202和206的厚度使得自由层200是热稳定的。因此，期望自由层200的Δ（磁各向异性能除以kbT，其中T是室温）在六十以上。
氧化物层204可以提高邻接的磁性层202和206的PMA。氧化物层204也是磁性的。这与在铁磁层之间具有非磁性氧化物层诸如MgO、VO和TiO的磁性隧道结相反。虽然非磁性MgO可以用于提高磁性层202和204的PMA，但层202和206之间通过非磁性的MgO的耦合将是小的。结果，对于小尺寸来说，利用MgO代替氧化物层204所形成的自由层的热稳定性会被不利地影响。相反，磁性插入层204是铁磁氧化物层204。结果，磁性层202和206被铁磁耦合。也可以选择铁磁氧化物层204以提高铁磁层202和206的PMA。因此，由于通过磁性氧化物层204的铁磁耦合，自由层200可以具有提高的/设计PMA以及热稳定性。
在一些实施方式中，磁性氧化物层204包括NiO和NiOx的至少一个。NiO和NiOx对自由层200的PMA的增加程度类似于MgO。NiO是可以利用合金靶提供的镍氧化物。NiOx可以通过沉积Ni层并将该层氧化而形成。NiO在3-4单原子层或更大的厚度是反铁磁的。因此，对于NiO/NiOx，磁性氧化物层204可以小于三个单原子层厚度。在其他实施方式中，可以使用可以提高磁性层202和206的PMA的其他磁性氧化层。
因此，自由层200和诸如100、100'和/或100"的磁性结可以具有改善的性能。使用的材料诸如NiO和/或NiOx允许自由层200具有增加的PMA。结果，自由层200可以更稳定地具有垂直于平面的磁矩，如图5所示。此外，磁性层202和206通过磁性氧化物层204铁磁耦合。结果，自由层200即使在自由层200的小尺寸和磁性层202和206的小厚度下也可以更加热稳定。
因此，自由层200可以是热稳定的且适合使用于更高的存储密度。
图6绘示具有设计PMA的自由层200'的示范实施方式，该自由层可利用自旋转移而转换，并可以用于诸如磁性结100、100'和/或100''的磁性结中。为了清晰，图6没有按比例。自由层200'类似于自由层200。因此，相似的层被类似地标记。自由层200'包括其间插入磁性氧化物层204'和208的磁性层202'、206'和210。由磁性氧化物层204'分离的两个磁性层202'和206'分别类似于磁性氧化物层204以及磁性层202和206。虽然示出了特定数目的磁性层202'、206'和210以及特定数目的磁性氧化物/插入层204'和208，但可以使用另一数目的磁性层和磁性氧化物/插入层。因此，自由层200'被示出为由层202'、204'、206'、208和210组成。在其他实施方式中，自由层200'可以包括其间插入磁性层（未示出）的其他铁磁氧化物层（未示出）。
自由层200'包括附加的磁性氧化物层208和磁性层210。磁性氧化物层208类似于磁性氧化物层204'。磁性层210类似于层202'和206'。例如，磁性层210可以包括诸如CoFeB（具有达到20％的B）的材料。在一些实施方式中，磁性层210是不超过二十埃厚度的CoFeB层。然而，在其他实施方式中，可以使用其他材料和/或其他厚度。层202'、206'和210的厚度使得自由层200'是热稳定的。磁性氧化物层208可以提高邻接的磁性层210和206'的PMA。磁性氧化物层210还允许磁性层206'和210铁磁耦合。在一些实施方式中，磁性氧化物层208包括NiO和NiOx中的至少一个。在这样的实施方式中，磁性氧化物层208可以小于三个单原子层厚度以确保层208是铁磁的。因此，由于通过磁性氧化物层204'和208的铁磁耦合，自由层200'可以具有提高的/设计PMA以及热稳定性。
自由层200'共有自由层200的优点。具体地，自由层200'具有设计PMA。在一些实施方式中，自由层200'具有增加的PMA。此外，因为磁性层202和206以及磁性层202'、206'和210被铁磁耦合，所以自由层200和/或200'即使在小尺寸下也更加热稳定。结果，自由层200/200'的性能和含有自由层200/200'的磁性元件的性能可以被改善。
图7绘示具有设计PMA的自由层200"的示范实施方式，该自由层可利用自旋转移而转换，并可以用于诸如磁性结100、100'和/或100"的磁性结中。为了清晰，图7没有按比例。自由层200"类似于自由层200和200'。因此，相似的层被类似地标记。自由层200"包括由磁性插入层204"分离的两个磁性层202"和206"，它们分别类似于磁性氧化物/插入层204/204'以及磁性层202/202'和206/206'。在一些实施方式中，自由层200"由层202"、204"和206"组成。在其他实施方式中，自由层200"可以是包括但不限于SAF的多层。在这样的实施方式中，层202"、204"和/或206"可以包括在SAF的铁磁层的一个或多个中。
绝缘磁性插入层204"包括未氧化的磁性层203和207以及磁性氧化物层205。绝缘磁性插入层204"可以通过沉积磁性层、氧化该层以及沉积另一磁性层而形成。因此，磁性氧化物层205和未氧化的磁性层203可以由单个磁性层形成。在一些实施方式中，层203和207是Ni层，而磁性氧化物层205是被氧化的Ni。期望磁性氧化物层205是铁磁的（不是反铁磁）。因此，层205可以小于三个单原子层厚度。磁性层202"和206"可以是具有不超过20％的B并具有不超过20埃厚度的CoFeB层。然而，在其他实施方式中，可以使用其他磁性材料及其他厚度。绝缘磁性插入层204"仍可以提高磁性层202"和206"的PMA以及允许磁性层202"和206"之间的铁磁耦合。
自由层200"共有自由层200和/或200'的优点。具体地，自由层200"具有利用磁性插入层204"而调整的设计PMA。在一些实施方式中，自由层200"具有增加的PMA。此外，因为磁性层202"和206"被铁磁耦合，所以自由层200"更加热稳定。结果，自由层200"的性能和含有自由层200"的磁性元件的性能可以被改善。
图8绘示磁性结300的另一示范实施方式，该磁性结300包括具有设计PMA而且可利用自旋转移而转换的自由层330。为了清晰，图8没有按比例。磁性结300被示出为位于基板302上。磁性结300类似于磁性结100、100'和/或100"。因此磁性结300包括参考层310、非磁性间隔层320、具有设计PMA的自由层330、盖层340和可选的应力诱导层350。应力诱导层350在自由层330上施加应力，该应力可以用于设计自由层的PMA。参考层310、非磁性间隔层320和自由层330分别类似于参考层110/110'/110"、非磁性间隔层120/120'/120"和自由层130/130'/130"。盖层340也可以分别类似于盖层140/140'。虽然层310、320、330和340被示出为具有特定取向，但在其他实施方式中该取向可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结300还被配置为使得当写电流通过磁性结300时允许自由层330的磁化在稳定的磁性状态之间转换。因此，自由层330的磁矩331可利用自旋转移力矩而转换。在一些实施方式中，可以附加地使用或代替另一转换机制使用自旋转移力矩。此外，自由层330具有类似于上述设计PMA的设计PMA。
非磁性间隔层320可以是隧穿势垒层、导体或者其他结构，由于该非磁性间隔层320，在参考层310和自由层330之间表现出磁阻。在一些实施方式中，非磁性间隔层320是结晶MgO隧穿势垒层。这样的非磁性间隔层可以具有优选的结晶取向，诸如（100）取向。在这样的实施方式中，非磁性间隔层320可以提高PMA以及磁性结300的磁阻。
在示出的实施方式中，参考层310是包括由非磁性间隔层314分离的铁磁层312和316的SAF。铁磁层312和316例如经由RKKY耦合被反铁磁耦合。在其他实施方式中，参考层310可以包括附加层从而成为另一多层、可以是简单层和/或可以具有不同的磁耦合。自由层330被示出为是简单层。然而，在其他实施方式中，自由层330可以是多层，包括但不限于SAF、多层200、200'和/或200"或者具有另一结构。在图8示出的实施方式中，参考层310和/或自由层330中的每个具有高的PMA。因此，在平衡状态中，（参考层310的）铁磁层312和316以及自由层330中的每个具有分别垂直于平面取向的磁矩313、317和331，如图8所示。然而，在其他实施方式中，参考层310和自由层330中的一个或者两者可以具有平面内磁矩。参考层310的磁矩313和317可以被固定在特定方向。在示出的实施方式中，磁矩313和317分别在正z方向和负z方向上。在另一实施方式中，取向可以相反。在其他实施方式中，参考层330的磁矩313和/或317可以稳定在另一方向，包括但不限于平面内。参考层310和/或自由层330的磁矩的其他取向是可能的。
自由层330具有设计PMA。具体地，自由层330的PMA可以利用应力调整。已知材料的PMA（诸如CoFeB和其他包含Fe的材料的PMA）可以取决于该材料上的应力。根据材料、应力类型（张应力/压应力）、应力的大小及其他因素，应力可以增加或减小PMA。因此，通过调整自由层330上的应力，自由层330的PMA可以配置为在期望的范围内。此外，自由层可以合并磁性氧化物/插入层204、204'、208或者204"。
利用邻接的层320和/或340和/或利用可选的应力诱导层350，可以利用自由层330自身诱导出自由层330上的应力。例如，可以利用层320、330、340和/或350的沉积条件、材料的选择、厚度以及调整其他方面。此外，可以结合这些机制中的一个或多个。
在一些实施方式中，自由层330被沉积在加热的基板上，该加热的基板允许更大迁移率和/或晶格匹配中的挠性。下层320的晶格常数可以由于沉积而扩大，但随着磁性结300被冷却而收缩。结果，自由层330会承受应力。自由层330与围绕层320、340和/或350之间的晶格常数的失配会类似地在自由层330上施加应力，该应力影响自由层的PMA。晶格失配可以选择为使得自由层330具有期望的PMA。在一些实施方式中，期望与邻接层的晶格失配大于零且不超过大约百分之十。在一些实施方式中，期望该失配至少为百分之三且不超过百分之七。围绕的层的材料也可以被选择为利用此应力设计自由层的PMA。作为结晶MgO的非磁性间隔层320和/或盖层340也可以在自由层330上施加应力，该应力提高PMA。可以通过对MgO掺杂或通过其他方式改变结晶MgO的晶格常数而设计此应力。除了与邻接的层320和340的晶格失配之外，可以使用其他机制以向自由层330引入提高PMA的应力。
在一些实施方式中，应力可以配置为随时间恒定或者随时间改变。例如，自由层330的应力诱导PMA可以配置为由于施加通过磁性结300的转换电流而降低。这可以通过随温度改变的应力来实现。随着电流被驱动通过磁性结，磁性结300被加热。例如，如果在自由层330与邻接层320、340和/或350之间存在热膨胀系数的失配，则自由层330与邻接的层的膨胀程度不同。由于温度增加导致的膨胀失配会诱导出自由层330上的应力。此应力会改变PMA。在一些实施方式中，PMA随着温度/电流的增加而降低。PMA的该降低会允许自由层330的磁矩331从垂直平衡状态倾斜。结果，自旋转移力矩会更有效地转换磁矩。换句话说，自由层110的磁矩可以在更低的电流下转换。因此，自由层330的磁性状态在平衡状态中可以更加热稳定，但在更低的电流下转换，因为PMA由于电流的施加也降低了。
在一些实施方式中，自由层330上的应力也可以具有贯穿自由层的梯度。例如，如果自由层330是多层，可能发生这种情况。自由层330的子层之间的晶格失配可以诱导出自由层上的应力。自由层330也可以被沉积在加热的基板上。下层320的晶格常数可以由于沉积而扩大，但随着磁性结300被冷却而收缩。结果，自由层330可以经受应力，该应力可以具有贯穿自由层330的明显的梯度或者不具有贯穿自由层330的明显的梯度。应力的梯度以及由此导致的PMA的梯度可以为相同的热稳定性常数允许减小的转换电流。
应力诱导层350的位置和材料也可以用于设计自由层330的PMA。虽然绘示在盖层340的与自由层相反的一侧，但在一些实施方式中，应力诱导层350可以在盖层340的与自由层330相同的一侧。在一些这样的实施方式中，期望应力诱导层是薄的。在一些实施方式中，应力诱导层薄于二十埃。在一些这样的实施方式中，应力诱导层3450具有小于十埃的厚度。如果应力诱导层350不会实质上不利地影响转换或者TMR，应力诱导层350也可以在自由层330与非磁性间隔层320之间。在一些实施方式中，应力诱导层350包括Ru。在这样的实施方式中，为了增加PMA，期望Ru层350在MgO盖层340和自由层330两者之上。相反，在自由层350之下的Ru应力诱导层350导致降低的PMA。
利用对于层320、330、340和350的上述应力诱导机制中的一个或多个，可以设计自由层330的PMA。在一些实施方式中，自由层330的PMA可以增加，允许自由层磁矩331稳定在垂直配置。在一些这样的实施方式中，应力以及由此导致的自由层330的设计PMA的大小可以随温度而改变。结果，PMA可以在高温下降低，允许在更低的写电流下转换，同时保持热稳定性。因此，可以改善磁性结300的性能。
图9绘示磁性结300'的示范实施方式，该磁性结300'具有设计PMA而且可利用自旋转移而转换。磁性结300'被示出为位于基板302'上。为了清晰，图9没有按比例。磁性结300'类似于磁性结100、100'、100"和/或300。因此磁性结300'包括参考层310'、非磁性间隔层320'、具有设计PMA的自由层330'、盖层340'、应力诱导层350'以及应力诱导层360。应力诱导层360在自由层330上施加应力。参考层310'、非磁性间隔层320'、自由层330'以及可选的应力诱导层350'分别类似于参考层110/110'/110''/310、非磁性间隔层120/120'/120''320、以及自由层130/130'/130''/330和350。盖层340'也可以类似于盖层140/140'/340。虽然层310'、320'、330'和340示出为具有特定取向，但在其他实施方式中，此取向可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结300'还被配置为使得当写电流通过磁性结300'时允许自由层330'的磁化在稳定的磁性状态之间转换。因此，自由层330'的磁矩331'可利用自旋转移力矩而转换。在一些实施方式中，可以附加地使用或代替另一转换机制使用自旋转移力矩。此外，自由层330具有类似于上述设计PMA的设计PMA。
自由层330'的设计PMA可以配置为至少部分地利用应力。可以部分地利用应力诱导层350'（其可以是Ru）和盖层340'（其可以是结晶MgO）调整应力。此外，应力诱导层360可以通过参考层310'在自由层330'上诱导出应力。在一些实施方式中，可以代替应力诱导层350'使用应力诱导层360。应力诱导层360可以提高自由层330'上的应力。当与应力诱导层350'结合使用时，自由层330'上的应力可以被进一步调整。在一些实施方式中，应力诱导层350'和360可以用于进一步增加自由层的PMA。可以进一步配置PMA的其他性质，诸如温度依赖性。例如，层350'和360可以具有热膨胀系数的大的失配。例如由于写电流被驱动通过磁性结300'时的焦耳加热，磁性结300'的温度可以增加。磁性结300'的膨胀在层360和350'之间可以显著地改变。因此，自由层330'可以经受增加的应力。此应力的增加可以减小自由层330'的PMA。结果，自由层330'的磁矩331'可以偏离z方向（自旋转移力矩的驻点）。因此，自旋转移可以更有效地操作以转换自由层330'的磁矩331'。因此，磁性结300'的转换电流可以减小。
磁性结300'可以共有磁性结300的优点。附加的应力诱导层360的使用可以提供调整自由层330'上的应力的进一步机会。因此，可以进一步改善磁性结300的性能。
图10绘示磁性结400的另一示范实施方式，该磁性结400包括具有设计PMA而且可利用自旋转移而转换的自由层430。为了清晰，图10没有按比例。磁性结400被示出为位于基板402上。磁性结400类似于磁性结100、100'、100"、300和/或300'。因此磁性结400包括参考层410、非磁性间隔层420、具有至少利用晶格常数改变而设计的PMA的自由层430、以及盖层440。参考层410、非磁性间隔层420、自由层430以及盖层440分别类似于参考层110/110'/110''/310/310'、非磁性间隔层120/120'/120''/320/320'、自由层130/130'/130''/330/330'。盖层440也可以类似于盖层140/140'/340/340'。虽然层410、420、430和440被示出为具有特定取向，但在其他实施方式中该取向可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结400还被配置为使得当写电流通过磁性结400时允许自由层430的磁化在稳定的磁性状态之间转换。因此，自由层430的磁矩431可利用自旋转移力矩而转换。在一些实施方式中，可以附加地使用或代替另一转换机制使用自旋转移力矩。
非磁性间隔层420可以是隧穿势垒层、导体或者其他结构，用于在参考层410和自由层430之间表现出磁阻。在一些实施方式中，非磁性间隔层420是结晶MgO隧穿势垒层。在其他实施方式中，非磁性间隔层420可以包括WO、MgO、TiO、VO和MgO中的一个或多个。这样的非磁性间隔层可以具有优选的结晶取向，诸如（100）取向。在这样的实施方式中，非磁性间隔层420可以提高PMA以及磁性结300的磁阻。
在示出的实施方式中，参考层410是包括由非磁性间隔层414分离的铁磁层412和416的SAF。铁磁层412和416例如经由RKKY耦合被反铁磁耦合。在其他实施方式中，参考层410可以包括附加层从而成为另一多层、可以是简单层和/或可以具有不同的磁耦合。自由层430被示出为是简单层。然而，在其他实施方式中，自由层430可以是多层，包括但不限于SAF、多层200、200'和/或200"或者具有另一结构。在图10示出的实施方式中，参考层410和/或自由层430中的每个具有高的PMA。因此，在平衡状态中，参考层410的铁磁层412和416以及自由层430中的每个分别具有垂直于平面取向的磁矩413、417和431，如图10所示。然而，在其他实施方式中，参考层410和自由层430中的一个或者两者可以具有平面内磁矩。参考层410的磁矩413和417可以被固定在特定方向。在示出的实施方式中，磁矩413和417位于正z方向。在另一实施方式中，取向可以相反。在其他实施方式中，参考层430的磁矩413和/或417可以稳定在另一方向，包括但不限于平面内。参考层410和/或自由层430的磁矩的其他取向是可能的。
自由层430具有设计PMA。具体地，自由层430的PMA可以利用晶格常数失配而调整。例如，在常规磁性结10中，常规自由层20是通常的富铁的CoFe，而常规阻挡层18是结晶MgO。层18和20通常具有5.3%的晶格失配。在图10示出的实施方式中，自由层430具有与常规自由层20相比变化了的晶格常数以调整晶格失配。在一些实施方式中，自由层430被设计以具有增加的晶格常数以提高PMA。因此，层420和430之间的晶格失配大于5.3%。在一些实施方式中，可以使用新的二元或三元合金。例如，自由层可以包括Fe1-xMx，其中M是Al、Ti、Zr、Hf和/或Zn。类似地，自由层可以包括CoyFe1-x-yMx、CoyFe1-x-y-zBzMx，其中M是Al、Bi、Ta、Ti、Zr、Hf、Mo、W、Si、Ge、Sn和/或Zn。通常M是百分之几，例如不超过30%。在优选实施方式中，可以包括不超过10%。在其他实施方式中，包括Co2FeAl、Co2FeSi和/或NiMnSb的改型霍斯勒合金（Heusler alloy）可以用于增加晶格失配，因此增加自由层430的PMA。
磁性结400可以共有磁性结100、100'、100"、300和/或300'的优点。改变自由层430的晶格常数可以依照要求调整自由层430的PMA。因此，可以进一步改善磁性结400的性能。
图11绘示磁性结400'的示范实施方式，该磁性结400'具有设计PMA而且可利用自旋转移而转换。磁性结400'被示出为位于基板402'上。为了清晰，图11没有按比例。磁性结400'类似于磁性结100、100'、100"、300、300'和/或400。因此磁性结400'包括参考层410'、非磁性间隔层420'、具有设计PMA的自由层430'、以及盖层440'。参考层410'、非磁性间隔层420'、自由层430'和盖层440'分别类似于参考层110/110'/110''/310/310'/410、非磁性间隔层120/120'/120''/320/320'/420、自由层130/130'/130''/330/330'/430和盖层140/140'/340/340'/440。虽然层410、'420'、330'和340被示出为具有特定取向，但在其他实施方式中该取向可以改变。在一些实施方式中，可以包括可选的籽晶层（未示出）、可选的钉扎层（未示出）和/或可选的盖层（未示出）。磁性结400'还被配置为使得当写电流通过磁性结400'时允许自由层430'的磁化在稳定的磁性状态之间转换。因此，自由层430'的磁矩431'可利用自旋转移力矩而转换。在一些实施方式中，可以附加地使用或代替另一转换机制使用自旋转移力矩。此外，自由层430'具有类似于上述设计PMA的设计PMA。在一些实施方式中，自由层430'可以具有增加的晶格常数，如关于图10描述的。
返回参考图11，非磁性间隔层420'也可以具有调整的晶格常数。在一些实施方式中，非磁性间隔层420'的晶格常数已经配置为增加与自由层430'的晶格失配。例如，非磁性间隔层420'的晶格常数可以减小。
磁性结400'可以共有磁性结100、100'、100"、300，300'和/或400的优点。改变非磁性间隔层420'的晶格常数可以调整自由层430'的PMA。如果430'的晶格常数也改变，此效果可以增强。例如，非磁性间隔层420'的晶格常数可以减小，自由层430'的晶格常数增加。因此，可以进一步改善磁性结400'的性能。
因此，可以使用磁性结100、100'、100"、300、300'、400、400'和/或自由层200、200'和/或200"中的一个或多个。因为已经设计了PMA，所以可以改善磁性结100、100'、100"、300、300'、400、400'和/或自由层200、200'和/或200"的性能。
此外，磁性结100、100'、100"、300、300'、400、400'和/或自由层200、200'和/或200"可以用于磁存储器中。图12绘示一个这样的存储器500的示范实施方式。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。应当注意的是，可以提供其他和/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结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。磁性结512可以包括磁性结100、100'、100"、300、300'、400、400'和/或自由层200、200'和/或200"中的一个或多个。虽然示出每单元510一个磁性结512，但在其他实施方式中，可以每单元提供另一数目的磁性结512。
因为磁存储器500利用磁性结100、100'、100"、300、300'、400、400'和/或自由层200、200'和/或200"，所以可以改善性能。例如，可以使用更低的转换电流同时保持存储器400的热稳定性。
图13绘示用于制造磁性结诸如磁性结100、100'、100"、300、300'、400和/或400'的方法600的示范实施方式。为简单起见，可以省略、结合和/或分解一些步骤。在磁性结100的情形下描述方法600。然而，方法600可以使用在其他磁性结上。此外，方法600可以合并在磁存储器的制造中。因此，方法600可以用于制造STT-MRAM500或其他磁存储器。方法600还可以包括提供可选的籽晶层、可选的盖层和可选的钉扎层（未示出）。
参考层110经由步骤602提供。步骤602可以包括为参考层110沉积期望的材料至期望的厚度。此外，步骤602可以包括提供SAF。经由步骤604提供非磁性层120。步骤604可以包括沉积期望的非磁性材料，包括但不限于结晶MgO。此外，可以在步骤604中沉积期望厚度的材料。此外，对某些磁性结，诸如磁性结400和/或400'，可以调整非磁性层120的晶格常数。
自由层110经由步骤606提供。步骤606可以包括为自由层130沉积期望的材料至期望的厚度。更具体而言，提供的自由层具有期望的PMA。在步骤606中，制造层130、130'、130"、200、200'、330、330'、430和/或430'。步骤606可以包括提供SAF。在一些实施方式中，步骤606包括在沉积期间加热基板、沉积多个层和/或氧化该层的一些部分。
可以经由步骤608可选地提供应力诱导层350、350'和/或360。经由步骤610完成制造。在一些实施方式中，步骤610包括制造附加的间隔层和附加的被钉扎层。也可以在步骤610中沉积可选的盖层和/或其他层。因此，利用方法600，可以实现磁性结100、100'、100"、300、300'、400、400'和/或自由层200、200'和/或200"。
图14绘示用于制造自由层200、200'和/或200"的方法620的示范实施方式。为简单起见，可以省略、结合和/或分解一些步骤。然而，方法620可以使用在其他磁性结上。此外，方法620可以合并在磁存储器的制造中。因此，方法620可以用于制造STT-MRAM500或其他磁存储器。
导电磁性层202/202'/202"经由步骤622沉积。磁性层经由步骤624沉积。对于自由层200/200'，在步骤624中沉积的磁性层是磁性氧化物诸如NiO。对于自由层200"，沉积的磁性层可以用于形成磁性氧化物。在步骤624中沉积的磁性层经由步骤626被光学氧化。因此，可以形成层205。然后可以经由步骤628沉积另一磁性层207。因此，步骤624、646和628可以用于形成磁性插入层204"。制造经由步骤630完成。因此，利用方法620，可以实现自由层200、200'和/或200"的优点。
已经描述了用于提供具有设计PMA的自由层、利用这样的自由层的磁性结和利用该磁性结制造的存储器的方法和系统。已经根据示出的示范实施方式描述了该方法和系统，本领域普通技术人员将容易地认识到，可以对这些实施方式进行变化，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进行许多修改而不背离权利要求的精神和范围。

Claims (40)

1.一种在磁性装置中使用的磁性结，包括：
参考层；
非磁性间隔层；和
具有设计垂直磁各向异性的自由层，所述非磁性间隔层在所述参考层与所述自由层之间，所述设计垂直磁各向异性包括绝缘插入层诱导垂直磁各向异性、应力诱导垂直磁各向异性、由于界面对称破坏导致的垂直磁各向异性和晶格失配诱导垂直磁各向异性中的至少一个；
其中所述磁性结配置为使得当写电流通过所述磁性结时，所述自由层在多个稳定的磁性状态之间可转换。
2.如权利要求1所述的磁性结，其中所述设计垂直磁各向异性包括绝缘插入层垂直磁各向异性，其中所述自由层包括：
多个磁性层，所述多个磁性层包括至少一个氧化物层和多个导电层，所述至少一个氧化物层夹置在所述多个导电层之间。
3.如权利要求2所述的磁性结，其中所述至少一个氧化物层包括至少一个镍氧化物层。
4.如权利要求3所述的磁性结，其中所述自由层还包括邻接所述镍氧化物层的至少一个Ni层。
5.如权利要求1所述的磁性结，其中所述设计垂直磁各向异性包括应力诱导垂直磁各向异性，其中所述磁性结还包括：
应力诱导层，和
盖层，邻接所述自由层并位于所述自由层与所述至少一个应力诱导层之间。
6.如权利要求5所述的磁性结，其中所述盖层包括MgO，所述应力诱导层包括Ru。
7.如权利要求5所述的磁性结，其中所述自由层还包括：
多个磁性层，所述多个磁性层包括至少一个氧化物层和多个导电层，所述至少一个氧化物层夹置在所述多个导电层之间。
8.如权利要求5所述的磁性结，还包括：
附加的应力诱导层，所述参考层、所述自由层和所述非磁性间隔层在所述附加的应力诱导层与所述应力诱导层之间。
9.如权利要求8所述的磁性结，其中所述应力诱导层具有第一热膨胀系数，所述附加的应力诱导层具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数。
10.如权利要求8所述的磁性结，其中所述应力诱导层和所述附加的应力诱导层在所述自由层的应力中提供梯度。
11.如权利要求5所述的磁性结，其中所述应力诱导层在所述自由层上提供压应力。
12.如权利要求5所述的磁性结，其中所述应力诱导层在所述自由层上提供张应力。
13.如权利要求1所述的磁性结，其中所述设计垂直磁各向异性包括所述晶格失配诱导垂直磁各向异性，所述自由层和所述非磁性间隔层具有大于5.3%的晶格失配。
14.如权利要求13所述的磁性结，其中所述自由层还包括Fe1-sRs、CotFe1-t-uMu、CoyFe1-x-y-zBzMx和改型霍斯勒合金中的至少一个，其中R是Al、Ti、Zr、Hf和Zn中的至少一个，其中M是Al、Bi、Ta、Ti、Zr、Hf、Mo、W、Si、Ge、Sn和Zn中的至少一个。
15.如权利要求13所述的磁性结，其中所述非磁性间隔层还包括WO、MgO、TiO、VO和MgO中的至少一个。
16.一种磁存储器，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结，所述至少一个磁性结包括参考层、非磁性间隔层和自由层，所述自由层具有设计垂直磁各向异性，所述非磁性间隔层在所述参考层与所述自由层之间，所述设计垂直磁各向异性包括绝缘插入层诱导垂直磁各向异性、应力诱导垂直磁各向异性、由于界面对称破坏导致的垂直磁各向异性和晶格失配诱导垂直磁各向异性中的至少一个，所述磁性结被配置为使得当写电流通过所述磁性结时，所述自由层在多个稳定的磁性状态之间可转换；以及
多条位线。
17.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述设计垂直磁各向异性包括绝缘插入层垂直磁各向异性，其中所述自由层包括：
多个磁性层，所述多个磁性层包括至少一个氧化物层和多个导电层，所述至少一个氧化物层夹置在所述多个导电层之间。
18.如权利要求17所述的磁存储器，其中所述至少一个氧化物层包括至少一个镍氧化物层。
19.如权利要求18所述的磁存储器，其中所述自由层还包括邻接所述镍氧化物层的至少一个Ni层。
20.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述设计垂直磁各向异性包括应力诱导垂直磁各向异性，其中所述磁性结还包括：
应力诱导层，和
盖层，邻接所述自由层并位于所述自由层与所述至少一个应力诱导层之间。
21.如权利要求20所述的磁存储器，其中所述盖层包括MgO，所述应力诱导层包括Ru。
22.如权利要求20所述的磁存储器，其中所述自由层还包括：
多个磁性层，所述多个磁性层包括至少一个氧化物层和多个导电层，所述至少一个氧化物层夹置在所述多个导电层之间。
23.如权利要求20所述的磁存储器，还包括：附加的应力诱导层，所述参考层、所述自由层和所述非磁性间隔层在所述附加的应力诱导层与所述应力诱导层之间。
24.如权利要求23所述的磁存储器，其中所述应力诱导层具有第一热膨胀系数，所述附加的应力诱导层具有不同于所述第一热膨胀系数的第二热膨胀系数。
25.如权利要求23所述的磁存储器，其中所述应力诱导层和所述附加的应力诱导层在所述自由层的应力中提供梯度。
26.如权利要求20所述的磁存储器，其中所述应力诱导层在所述自由层上提供压应力。
27.如权利要求20所述的磁存储器，其中所述应力诱导层在所述自由层上提供张应力。
28.如权利要求16所述的磁存储器，其中所述设计垂直磁各向异性包括所述晶格失配诱导垂直磁各向异性，所述自由层和所述非磁性间隔层具有大于5.3%的晶格失配。
29.如权利要求28所述的磁存储器，其中所述自由层还包括Fe1-sRs、CotFe1-t-uMu、CoyFe1-x-y-zBzMx和改型霍斯勒合金中的至少一个，其中R是Al、Ti、Zr、Hf和Zn中的至少一个，其中M是Al、Bi、Ta、Ti、Zr、Hf、Mo、W、Si、Ge、Sn和Zn中的至少一个。
30.如权利要求28所述的磁存储器，其中所述非磁性间隔层还包括WO、MgO、TiO、VO和MgO中的至少一个。
31.一种提供在磁性装置中使用的磁性结的方法，所述方法包括：
提供参考层；
提供非磁性间隔层；和
提供具有设计垂直磁各向异性的自由层，所述非磁性间隔层在所述参考层与所述自由层之间，所述设计垂直磁各向异性包括绝缘插入层诱导垂直磁各向异性、应力诱导垂直磁各向异性、由于界面对称破坏导致的垂直磁各向异性和晶格失配诱导垂直磁各向异性中的至少一个；
其中所述磁性结配置为使得当写电流通过所述磁性结时，所述自由层在多个稳定的磁性状态之间可转换。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述设计垂直磁各向异性包括所述绝缘插入层垂直磁各向异性，其中提供所述自由层的步骤包括：
多个磁性层，所述多个磁性层包括至少一个氧化物层和多个导电层，所述至少一个氧化物层夹置在所述多个导电层之间。
33.如权利要求32所述的方法，其中所述至少一个氧化物层包括至少一个镍氧化物层。
34.如权利要求33所述的方法，其中提供所述多个磁性层的步骤还包括：
沉积镍层；
氧化所述镍层。
35.如权利要求31所述的方法，其中所述设计垂直磁各向异性包括应力诱导垂直磁各向异性，其中所述方法还包括：
提供应力诱导层，和
提供盖层，所述盖层邻接所述自由层并位于所述自由层与所述至少一个应力诱导层之间。
36.如权利要求35所述的方法，其中所述盖层包括MgO，所述应力诱导层包括Ru。
37.如权利要求35所述的方法，其中所述磁性结被制造在基板上，其中提供所述自由层的步骤还包括：
加热所述基板至室温以上的温度；以及
在所述基板处于所述温度时在所述基板上沉积所述自由层。
38.如权利要求35所述的方法，所述应力诱导垂直磁各向异性还包括：
附加的应力诱导层，所述参考层、所述自由层和所述非磁性间隔层在所述附加的应力诱导层与所述应力诱导层之间。
39.如权利要求31所述的方法，其中所述设计垂直磁各向异性包括所述晶格失配诱导垂直磁各向异性，所述自由层和所述非磁性间隔层具有大于5.3%的晶格失配。
40.如权利要求39所述的方法，其中所述自由层还包括Fe1-sRs、CotFe1-t-uMu、CoyFe1-x-y-zBzMx和改型霍斯勒合金中的至少一个，其中R是Al、Ti、Zr、Hf和Zn中的至少一个，其中M是Al、Bi、Ta、Ti、Zr、Hf、Mo、W、Si、Ge、Sn和Zn中的至少一个。
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