CN103928607B - 提供具有易锥各向异性的磁性隧道结元件的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了用于提供可在磁性器件中使用的具有易锥各向异性的磁性隧道结元件的方法和系统。所述磁性结包括：被钉扎层、无磁性间隔层和自由层。所述无磁性间隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间。所述自由层具有磁各向异性，所述磁各向异性的至少一部分是双轴各向异性。将所述磁性结构造成使得所述自由层能够在写入电流通过所述磁性结时在多个稳定的磁状态之间转换。

Description

提供具有易锥各向异性的磁性隧道结元件的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请是转让给本申请受让人的名称为“用于提供具有双轴各向异性的磁性隧道结元件的方法和系统”的美国专利申请系列No.12/854,628的部分连续申请，在此通过引用方式将该申请并入本文。
政府权利
本发明是根据DARPA授予的许可/合同No.HR0011-09-C-0023在美国政府的支持下完成的。美国政府对本发明保留一定的权利。
背景技术
磁存储器，尤其是磁性随机存取存储器（MRAM），由于其在工作期间的高读取/写入速度、优秀的耐用性、非易失性和低能耗的潜能而吸引了越来越多的关注。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进行写入的磁性结。驱动穿过磁性结的自旋极化电流将自旋力矩施加到磁性结中的磁矩上。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示出常规磁性隧道结（MTJ）10，该常规磁性隧道结可以用于常规STT-RAM中。常规MTJ10通常位于底部接触件11上，使用（多个）常规种子层12，并且包括常规反铁磁（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。图1还示出了顶部接触件24。
常规接触件11和24用于在垂直平面电流（CPP）方向或者沿图1所示的z轴方向驱动电流。常规种子层12通常用于帮助后续各层（例如AFM层14）的生长以具有期望的晶体结构。常规隧道势垒层18是无磁性的，例如为诸如MgO等薄绝缘体。
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通常通过与AFM层14的交换偏置互感而沿特定方向被固定或被钉扎。虽然所示的常规被钉扎层16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可以是合成反铁磁（SAF）层，该合成反铁磁（SAF）层包括通过诸如Ru等薄导电层而被反铁磁耦合或铁磁耦合的多个磁性层。在这种SAF中，可以使用与Ru薄层交替布置的多个磁性层。此外，常规MTJ10的其他变型可以包括附加被钉扎层（未示出），该附加被被钉扎层通过附加无磁性势垒层或导电层（未示出）与自由层20分开。
常规自由层20具有可变的磁化21。虽然所示的常规自由层20为简单层，但是它也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是合成层，该合成层包括通过诸如Ru等薄导电层而被反铁磁耦合或铁磁耦合的多个磁性层。虽然所示的常规自由层20的磁化21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部接触件24驱动到底部接触件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部接触件11驱动到顶部接触件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与不同的磁致电阻相对应，并由此与常规MTJ10的不同逻辑状态（例如，逻辑“0”和逻辑“1”）相对应。
当常规MTJ10的自由层20用于STT-RAM应用中时，期望以相对低的电流转换该自由层20。临界转换电流（Jc0）是自由层磁化21在初始取向周围的无限小旋进（infinitesimalprecession）变得不稳定的最低电流。对于室温测量而言，该电流值接近于短脉冲（1-20ns）的转换电流。例如，可以期望Jc0在几mA或更小的数量级上。另外，还期望快速的转换时间。例如，可能会期望自由层20在短于二十纳秒内转换。在一些情况下，期望短于十纳秒的转换时间。因此，期望以更高的速度并使用足够低的临界电流将数据存储在常规MTJ10中。
虽然常规MTJ10可以利用自旋转移来写入并可以在STT-RAM中使用，但是存在缺陷。例如，其软失效率可能会高于具有可接受的Jc0和转换时间的存储器所要求的软失效率。软失效率是当至少等于通常转换电流的电流经过单元（即，常规磁性结的自由层20的磁化21）时该单元没有被转换的可能性。软失效率期望为10-9或更小。然而，常规自由层20的软失效率通常远超该数值。例如，软失效率可能会比10-9大几个数量级。因此，不能实现足够低的Jc0和足够快的转换时间与可接受的软失效率的结合。
已经提出各种常规机制来改进包括软失效率在内的特性。例如，可以使用复合结构和/或外部磁场辅助。然而，这些常规方案在降低软失效率的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/或热稳定性会受到这些常规方法的不利影响。因此，仍然期望提高使用常规MTJ的存储器的性能。
因此，需要可以提高基于自旋转移力矩的存储器的性能的方法和系统。本文描述的方法和系统解决这种需求。
发明内容
示意性实施例提供了用于提供可在磁性器件中使用的磁性结的方法和系统。所述磁性结包括：被钉扎层、无磁性间隔层和自由层。所述无磁性间隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间。所述自由层具有磁各向异性，所述磁各向异性的至少一部分是双轴各向异性。所述磁性结构造成使得所述自由层能够在写入电流通过所述磁性结时在多个稳定的磁状态之间转换。
附图说明
图1示出常规磁性结。
图2示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的示意性实施例。
图3示出各种磁性结的各向异性能的示意性实施例。
图4示出磁性结的各向异性能的示意性实施例。
图5示出具有双轴各向异性的自由层的示意性实施例。
图6示出具有双轴各向异性的自由层的示意性实施例。
图7示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的示意性实施例。
图8示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一个示意性实施例。
图9示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一个示意性实施例。
图10示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一个示意性实施例。
图11示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一个示意性实施例。
图12示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一个示意性实施例。
图13示出在存储单元的存储元件中使用磁性子结构的存储器的示意性实施例。
图14示出制造磁性子结构的方法的示意性实施例。
具体实施方式
示意性实施例涉及可用于诸如磁存储器等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普通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及其必要的文件中。对于示意性实施例的各种变形以及本文描述的一般性原理和特征将容易地变得清楚。主要根据具体的实施中给出的具体方法和系统描述了这些示意性实施例。然而，方法和系统可以在其他实施中有效地操作。诸如“示意性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”等短语可以涉及相同或不同的实施例以及多个实施例。将描述与具有特定部件的系统和/或装置有关的实施例。然而，系统和/或装置可以包括比所示的部件更多或更少的部件，可以在不脱离本发明的范围的情况下对部件的布置和类型进行改变。还将在具有特定步骤的具体方法背景下描述示意性实施例。然而，对于具有与示意性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，本发明不旨在限于所示的实施例，而是与根据本文描述的原理和特征的最宽范围一致。
对用于提供磁性结的方法和系统以及利用该磁性结的磁存储器进行描述。示意性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、无磁性间隔层和自由层。无磁性间隔层位于被钉扎层和自由层之间。自由层具有磁各向异性，并且磁各向异性的至少一部分是双轴各向异性。将磁性结构造成当写入电流流过磁性结时自由层可在多个稳定的磁状态之间转换。
在特定磁性结和具有特定部件的磁存储器背景下描述示意性实施例。本领域普通技术人员将容易认识到，本发明符合具有与本发明不一致的其他和/或附加部件和/或其他特征的磁性结和磁存储器的使用。还在自旋转移现象、磁各向异性和其他物理现象的目前理解的背景下描述方法和系统。因此，本领域普通技术人员将容易认识到，对方法和系统的行为的理论解释是基于自旋转移现象、磁各向异性和其他物理现象的目前理解而作出的。然而，本文描述的方法和系统不依赖具体的物理解释。本领域普通技术人员还将容易认识到，在具有与衬底特定关系的结构的背景下描述方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易认识到，该方法和系统符合其他结构。另外，在特定层为合成层和/或简单层的背景下描述该方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易认识到这些层可以具有其他结构。此外，在磁性结和/或子结构具有特定层的背景下描述该方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易认识到，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的、铁磁的和亚铁磁的。本文所使用的术语“磁性”可以包括铁磁性、亚铁磁性或类似结构。因此，本文所使用的术语“磁性”或“铁磁性”包括但不限于铁磁性和亚铁磁性。还在单个磁性结和子结构的背景下描述该方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易认识到该方法和系统符合具有多个磁性结并使用多个子结构的磁存储器的使用。此外，本文所使用的“面内”是基本上位于磁性结的一个或多个层的平面内或者平行于磁性结的一个或多个层的平面。相反，“垂直”对应于基本与磁性结的一个或多个层垂直的方向。
图2示出在磁性器件（例如，诸如STT-RAM等磁存储器）中使用的磁性结100的示意性实施例。为了清楚，图2没有按比例绘制。磁性结100包括被钉扎层110、无磁性间隔层120和自由层130。图中还示出了钉扎层104，该钉扎层可以用于固定被钉扎层110的磁化（未示出）。在一些实施例中，钉扎层104可以是通过交换偏置互感来钉扎住被钉扎层110的磁化（未示出）的一层或多层AFM层。然而，在其他实施例中，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，（多个）可选种子层102和/或（多个）可选盖层140。磁性结100还构造成当写入电流流过磁性结100时允许自由层130在各稳定的磁状态之间转换。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，因而可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，尤其包括合金形式。虽然所示的被钉扎层110为简单层，但是它可以包括多个层。例如，被钉扎层110可以是SAF，包括通过诸如Ru等多个薄层而被反铁磁或铁磁耦合的多个磁性层。在这种SAF中，可以使用与Ru或其他材料的薄层交替布置的多个磁性层。被钉扎层110也可以是其他多层。虽然图2没有示出磁化，但是自由层130可以具有超过面外去磁能（out-of-planedemagnetization energy）的垂直各向异性能。
间隔层120是无磁性的。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，这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，例如Cu。在替换实施例中，间隔层120可以具有其他结构，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，因而可以包括Fe、Ni和/或Co中的至少一种。自由层130具有可以通过自旋转移而转换的可变磁化（未示出）。所示的自由层130为单层。在其他实施例中，自由层130可以包括其他层。例如，自由层可以是SAF，该SAF包括与（多个）无磁性层交替布置的一层或多层铁磁层。作为选择，自由层130可以包括铁磁层或其他多层。
另外，自由层130具有磁各向异性。磁各向异性至少包括双轴分量。磁各向异性也可以包括单轴分量。磁各向异性的双轴分量可以改进软失效率而基本不会对例如临界转换电流Jc0等特性产生不利影响。应当注意，整个自由层130、自由层130的一部分（例如，一层或多层）或者自由层130的一些其他组成可以具有双轴各向异性。
可以在图3和图4分别描绘的图表150和150'的背景下理解双轴各向异性的作用。图表150和150'仅用于说明性的目的，而不是用来反映具体的磁性结。此外，为了清楚，曲线160、170和180已经被偏移。参考图2至图4，例如，自由层130的磁各向异性能可以表示为相对于特定方向的角度的函数：
E(θ)=Kunisin2(θ)+Kbisin2(2θ)
Kunisin2(θ)项（“单轴项”）对应于单轴磁各向异性。Kbisin2(2θ)项（“双轴项”）对应于双轴各向异性。如果双轴项为零，那么自由层130会具有单轴各向异性。这对应于图3的单轴能量曲线160。能量曲线160沿着易轴方向具有最小值162。因此，单轴能量曲线160在θ=-π，0，π处具有最小值162。一般来说，这些方向与被钉扎层110的磁化（未示出）平行和反平行。点164示出了自由层130的接近零度的初始状态。这些方向（例如，θ=0）正好对应于自旋转移力矩和场力矩的驻点。在自旋转移力矩驻点处，自旋极化电流对自由层130的磁化施加很小或不施加力矩。对于单轴各向异性而言，自旋转移力矩驻点对应于自由层130的磁化位于平衡位置并且与易轴（θ=0和π）对准的构造。本文所使用的易轴对应于自由层130的磁化仅对单轴各向异性稳定的方向。因为单轴项对应于自由层130在驻点处的磁化，所以存在自由层130不响应于施加的临界电流而转换的较高可能性。因此，这种磁性结的软失效率可能会较高。
如果单轴项为零，那么在上述实例中的自由层130的各向异性能为双轴项。自由层130会具有双轴各向异性。结果，能量最小值（自由层130的稳定状态）可以沿着单轴易轴方向和垂直于单轴易轴方向（θ=0，π/2和π）。一般来说，这些方向与被钉扎层110的磁化（未示出）平行、垂直和反平行。这些方向之一（例如，θ=π/2）正好远离自旋转移力矩的驻点。然而，其余两个方向（θ=0，π）接近自旋转移力矩的驻点。
如果除了单轴各向异性以外还存在一定程度的双轴各向异性，那么单轴能量曲线160会被双轴项（Kbisin2(2θ)）干扰。能量曲线170示出小双轴各向异性的能量与角度的关系。换句话说，双轴各向异性的绝对值（或大小）小于单轴各向异性的绝对值。然而，双轴各向异性和单轴各向异性的符号可以相同或不同。由于引入了小双轴项，因此曲线170在-π，0和π的最小值172附近变平。点174示出自由层130在0附近的稳定状态。因为能量曲线170变平，所以在不改变能量势垒（磁化必须克服能量势垒以转换到相反状态）的情况下，可以存在自由层130初始状态的较大扩展。因此热稳定性不会受到影响。自由层130的稳定状态的较大扩展可以对应于自由层130的磁化更可能位于相对于易轴的一定角度。换句话说，自由层130的磁化更可能位于除了图3中的零度以外的其他角度。因此，自由层130的磁化更可能远离自旋转移力矩的驻点。结果，通过施加临界转换电流，可以更容易地转换自由层130的磁化。
随着在磁各向异性能中的双轴项（Kbisin2(2θ)）的大小进一步增加，单轴能量曲线160进一步受到干扰。能量曲线180示出较大双轴各向异性的能量与角度关系。曲线180的双轴各向异性仍然小于单轴各向异性。换句话说，双轴各向异性的绝对值仍然小于单轴各向异性的绝对值。然而，在不同的实施例中，单轴各向异性和双轴各向异性的符号可以相同或不同。由于引入了较大双轴项，曲线在-π，0和π处不再具有最小值。取而代之的是，最小值182相对于0和π具有一定角度。局部最大值184位于0，-π和π处和附近。介于易轴与最小值182之间的该角度可以大于零并且小于π/2。在一些实施例中，该角度为至少π/18并且不大于π/4（10°至45°）。在一些实施例中，该角度为至少π/9并且不大于π/6（20°至30°）。因此，自由层130的稳定状态可以位于该角度（即，曲线180的能量最小值）处或附近。点186示出自由层130在0附近的稳定状态。因为能量曲线180在0处具有局部最大值184，所以点186位于最小值182处或附近。图4示出三维能量曲线180'。在所示的实施例中，曲线180/180'关于易轴（角度为0）对称。在一些实施例中，自由层130的磁化可以为相对于单轴易轴至少10度并且不大于45度。在一些实施例中，自由层130的磁化可以在相对于单轴易轴至少10度并且不大于45度的方向上是稳定的。自由层130的磁各向异性可以被称为锥各向异性并且是单轴各向异性与双轴各向异性的组合。自由层130的初始状态的较大扩展意味着自由层130的磁化更可能位于相对于易轴的小角度或者是倾斜的。换句话说，自由层130的磁化更可能位于除了图3中的零度以外的其他角度。因此，自由层130的磁化更可能远离自旋转移力矩的驻点。
在自由层130中引入双轴各向异性可以改进自由层130的转换特性。在0附近，能量曲线的最小值会变平（能量曲线170）或远离0（能量曲线180）。因此，自由层130的磁化可以具有相对于易轴准线倾斜的稳定状态。因此，可以认为自由层130的磁化更容易通过自旋转移力矩或场感应力矩而被转换。该特性对应于较低软失效率。即使在高（渡越时间小于10微秒）数据速率的情况下，这也是可靠的。还已经确定，在一些实施例中可以实现这种改进而基本不会对临界转换电流的大小产生不利影响。此外，对磁性结100的热稳定性和对称性没有不利影响。因为外部磁场不需要转换磁性结100，所以磁性结100可以更好地扩展到更高的存储密度。因此，可以改进磁性结100和使用磁性结100的存储器的性能和适应性。
其他各向异性可以产生与上述双轴各向异性与单轴各向异性的组合类似的易锥各向异性。对这样一种自由层会出现易锥各向异性：这些自由层具有在相对于极轴的非零角度处稳定的磁矩。在这种情况下，常规易轴退化成锥形，这样，如果磁化位于该锥形上，那么系统能量相同。因此，自由层130可以具有在相对于极轴的非零角度处的能量最小值。具体地说，具有不同角度相关性的两个或更多各向异性的组合可以产生易锥各向异性。这样一种总各向异性能可以产生易锥各向异性：该总各向异性能具有至少一个在非零角度处的能量最小值并且其中任意两项之比具有角度相关性。换句话说，以下总能量可以产生易锥各向异性：
Etotal(θ)=E1(θ)+E2(θ)+E3(θ)+...+En(θ)，其中Ei(θ)/Ej(θ)=f(θ)
Etotal(θ)是在θ≠0时具有至少一个最小值的自由层的总能量，极轴对应于θ=0。每一个Ei(θ)（其中i=1、2、...n）都是对θ具有一些相关性的能项。类似的是，f(θ)是随着θ变化的函数。上述单轴各向异性和双轴各向异性可以被认为是这种易锥各向异性的特殊情况。遵循上述标准的其他能项也可以产生易锥各向异性。例如，假设自由层130的各向异性能为Etotal(θ)=K1sin2(θ)+K2sin4(θ)。在该表达式中，E1(θ)为K1sin2(θ)，E2(θ)为K2sin4(θ)并且f(θ)为K1/(K2sin2(θ))。两个能项可以被认为是大于一次的单轴项（具有θ相关性而不是2θ相关性）。例如，E1(θ)是二次的(sin2)，而E2(θ)是四次的(sin4)。假设满足关于K1和K2值的特定约束（特别地，K1<0，K2>-K1），则该组合在非零的θ下具有能量最小值。总能量符合上述标准，因而具有易锥各向异性。类似的是，Etotal(θ)=K1*Sin2(θ)+K4*Sin6(θ)的总能量产生易锥各向异性，尽管只存在两项。这种易锥各向异性的另一个实例是具有斜方六面体结晶结构和由Etotal(θ)=K1*Sin2(θ)+K2*Sin4(θ)+K3*Cos(θ)*Sin3(θ)表示的总能量的自由层130。此外，由于单轴各向异性、双轴各向异性和/或更高次的单轴各向异性的组合，所以特定自由层会具有易锥各向异性。例如，可以提供总各向异性能为Etotal(θ)=K1sin2(θ)+K2sin4(θ)+Kunisin2(θ)+KbiSin2(2θ)的自由层130。不仅因为前两个较高次项，而且还因为由第三项产生的一次单轴各向异性和由最后一项产生的双轴各向异性，从而这种自由层具有易锥各向异性。因此，这样一种自由层130也会产生易锥各向异性：该自由层130的总各向异性能具有两项或更多项，具有至少一个在非零角度处的能量最小值，并且任意两项的比值随着角度结果而变化。
在一些实施例中，总能量Etotal(θ)中的各向异性项的主要来源是自由层130的磁晶各向异性。不同磁晶各向异性可能由不同的结晶结构引起并且具有不同的角度相关性。类似的是，可以认为易锥各向异性至少部分地由磁静力产生。可以认为自由层130的去磁能（Kdemagsin2θ）是具有负能量常数Kdemag和对饱和磁化Ms的相关性的单轴各向异性。可以通过控制Ms来控制去磁能的Kdemag的大小。因此，可以通过控制Ms来控制能量Etotal(θ)中的一些项的常数的比值的大小。因此，可以获得所期望的易锥各向异性。类似的是，邻接自由层的若干层可以产生易锥各向异性。例如，使自由层130与基准层110或盖层140隔开的相邻间隔层120可以产生上述总能量中的至少一个能项。例如，诸如MgO等材料可以产生有助于上述总能量并且取决于θ的垂直各向异性，因而可以有助于易锥各向异性。另外，其他各向异性也可以有助于总各向异性能。
易锥各向异性的引入可以有利于改进自旋力矩转换。例如，自由层130表现出改进的转换特性。与在图3至图4中示出的曲线170和180类似，在0附近，能量曲线的最小值会变平或远离0。因此，可以认为自由层130的磁化更容易通过自旋转移力矩或场感应力矩而被转换。该特性对应于较低软失效率。即使在高（渡越时间小于10微秒）数据速率的情况下，这也是可靠的。可以实现这种改进而基本不会对临界转换电流的大小产生不利影响。此外，对磁性结100的热稳定性和对称性没有不利影响。因为外部磁场不需要转换磁性结100，所以磁性结100可以更好地扩展到更高的存储密度。因此，可以改进磁性结100和使用磁性结100的存储器的性能和适应性。
易锥各向异性和/或双轴各向异性的引入可以改进自由层130的特性。存在多种方式来获得这种各向异性。图5示出具有双轴各向异性的自由层130'的示意性实施例。在一些实施例中，自由层130'也可以具有上述的易锥各向异性。附图还示出了无磁性间隔层120'。在所示的实施例中，自由层130'可以具有在结构上产生、纹理产生和/或磁致伸缩产生的易锥各向异性和/或双轴各向异性。除了双轴各向异性以外，自由层130还可以具有单轴各向异性。例如，如果自由层130'将要具有结构产生的双轴各向异性，那么晶体能量系数（K1=Kbi）沿着第一方向增大，同时饱和磁化Ms沿着与第一方向相反的第二方向增大。在图6中示出了一种实现方法。图6示出具有双轴各向异性的自由层130"的示意性实施例。自由层130"也可以具有单轴各向异性。自由层130"包括多个层。在所示的实施例中示出了4个层132、134、136和138。在其他实施例中可以使用其他数量的层。层132、134、136和138分别具有饱和磁化Ms1、Ms2、Ms3和Ms4。类似的是，层132、134、136和138分别具有双轴晶体能量系数Kbi1、Kbi2、Kbi3和Kbi4。如图6所示，Ms在无磁性间隔层（在图6中未示出）附近增大。类似的是，Kbi在无磁性间隔层附近减小。这种多层可以具有双轴各向异性。作为选择或者除了上述方法以外，可以通过其他方式在结构上产生双轴各向异性。在其他实施例中，特定材料的浓度的渐变可以用于实现类似的效果。例如，负Kbi可以用于提供双轴各向异性。此外，一些材料更可能产生双轴各向异性。例如，自由层可以包括以下成分中的一种或多种：LaSrMnO3、GaAs、MnAs、MnAl、Nd2Fe14B、Ho2Fe14B、NdFeB、Fe、FeCo、YCo5、Ni、含有微量或不含Co的铁氧体、CoOFe2O3、FeO-Fe2O3、MnO-Fe2O3、NiO-Fe2O3、MgO-Fe2O3。因此，可以对自由层130'/130"的结构进行定制以实现所期望的双轴各向异性。
在其他实施例中，可以纹理产生易锥各向异性和/或双轴各向异性。例如，假设提供具有立方各向异性的（多个）磁性层。另外，自由层130'可以是具有面内各向异性的薄层。该组合可以具有由Asin2(θ)+Bsin22θ+Csin2θ表示的能量，其中A、B和C为系数。在该实施例中，自由层130"具有与单轴各向异性结合的双轴各向异性。另外，可以通过自由层130'中的磁致收缩产生双轴各向异性。因此，自由层130'/130"具有双轴各向异性。结果，当自由层130'/130"合并到磁性结中时，可以提供本文所述的一个或多个优点。
图7示出包括具有易锥各向异性和/或双轴各向异性的自由层的磁性结200的示意性实施例。在一些实施例中，自由层可以具有易锥各向异性。为了清楚，图7没有按比例绘制。磁性结200可以用于诸如STT-RAM等磁存储器。磁性结200类似于磁性结100，因而包括类似的结构。磁性结200包括（多个）可选种子层202、可选钉扎层204、被钉扎层210、无磁性间隔层220、自由层230和（多个）可选盖层240，这些层分别类似于（多个）可选种子层102、可选钉扎层104、被钉扎层110、无磁性间隔层120、自由层130和（多个）可选盖层140。层210、220、230和240分别具有与层110、120、130和140类似的结构和功能。如上文所述，自由层230具有双轴各向异性。因此，可以获得上述优点。
另外，自由层230具有基本上位于平面内的易轴232。因此，垂直各向异性能没有超过自由层230的面外去磁能。由于双轴各向异性，自由层磁化234的稳定状态是在相对于易轴232的角度θ处。角度θ对应于能量曲线180的能量最小值。所示的被钉扎层210还具有固定在平面内的磁化212。因此，垂直各向异性能没有超过被钉扎层210的面外去磁能。然而，在其他实施例中，磁化212可以沿着其他方向。
图8示出包括具有易锥各向异性和/或双轴各向异性的自由层的磁性结200'的示意性实施例。在一些实施例中，自由层可以具有易锥各向异性。为了清楚，图8没有按比例绘制。磁性结200'可以用于诸如STT-RAM等磁存储器。磁性结200'类似于磁性结100和200，因而包括类似的结构。磁性结200'包括（多个）可选种子层202'、可选钉扎层204'、被钉扎层210'、无磁性间隔层220'、自由层230'和（多个）可选盖层240'，这些层分别类似于（多个）可选种子层102/202、可选钉扎层104/204、被钉扎层110/210、无磁性间隔层120/220、自由层130/230和（多个）可选盖层140/240。层210'、220'、230'和240'分别具有与层110、120、130和140类似的结构和功能。另外，在至少一些实施例中可以省略钉扎层204'。如上文所述，自由层230'具有双轴各向异性。因此，可以获得上述优点。
另外，自由层230'具有基本上垂直于平面的易轴232'。因此，自由层230'的面外去磁能小于垂直各向异性能。由于双轴各向异性，自由层磁化234'的稳定状态是在相对于易轴232的角度θ'处。角度θ'对应于能量曲线180的能量最小值。所示的被钉扎层210'还具有垂直于平面固定的磁化。因此，被钉扎层210'的面外去磁能小于垂直各向异性能。然而，在其他实施例中，磁化212'可以沿着其他方向。
图9示出包括具有双轴各向异性和/或易锥各向异性的自由层的磁性结200"的示意性实施例。为了清楚，图9没有按比例绘制。磁性结200"可以用于诸如STT-RAM等磁存储器。磁性结200"类似于磁性结100/200/200'，因而包括类似的结构。磁性结200"包括（多个）可选种子层202"、可选钉扎层204"、被钉扎层210"、无磁性间隔层220"、自由层230"和（多个）可选盖层240"，这些层分别类似于（多个）可选种子层102/202/202'、可选钉扎层104/204/204'、被钉扎层110/210/210'、无磁性间隔层120/220/220'、自由层130/230/230'和（多个）可选盖层140/240/240'。层210"、220"、230"和240"分别具有与层110/210/210'、120/220/220'、130/230/230'和140/240/240'类似的结构和功能。如上文所述，自由层230"具有双轴各向异性。因此，可以获得上述优点。自由层230"的易轴没有示出，因而可以沿着包括垂直于平面的方向或平面内的方向在内的期望方向。
另外，被钉扎层210"是包括铁磁层212和216以及无磁性间隔层214的SAF。在其他实施例中，被钉扎层210"可以包括附加的和/或不同的层。铁磁层212通过与钉扎层204"交换耦合或通过其他方式使其磁化固定。基准层216与固定磁化层212磁耦合。
图10示出包括具有双轴各向异性和/或易锥各向异性的自由层的磁性结200"'的示意性实施例。为了清楚，图10没有按比例绘制。磁性结200"'可以用于诸如STT-RAM等磁存储器。磁性结200"'类似于磁性结100/200/200'/200"，因而包括类似的结构。磁性结200"'包括（多个）可选种子层202"'、可选钉扎层204"'、被钉扎层210"'、无磁性间隔层220"'、自由层230"'和（多个）可选盖层240"'，这些层分别类似于（多个）可选种子层102/202/202'/202"、可选钉扎层104/204/204'/204"、被钉扎层110/210/210'/210"、无磁性间隔层120/220/220'/220"、自由层130/230/230'/230"和（多个）可选盖层140/240/240'/240"。层210"'、220"'、230"'和240"'分别具有与层110/210/210'/210"、120/220/220'/220"、130/230/230'/230"和140/240/240'/240"类似的结构和功能。如上文所述，自由层230"'具有双轴各向异性。因此，可以获得上述优点。自由层230"'的易轴没有示出，因而可以沿着包括垂直于平面的方向或平面内的方向在内的期望方向。
另外，自由层230"'是包括铁磁层232和236以及无磁性间隔层234的SAF。铁磁层232与铁磁层236磁耦合。在一些实施例中，铁磁层232与铁磁层236反铁磁对准。在其他实施例中，铁磁层232与铁磁层236铁磁对准。自由层230"'还可以包括附加的和/或不同的层。在不同的实施例中，铁磁层232和铁磁层236中的一个或两个包括双轴各向异性。因此，可以获得本文所述的优点。
图11示出包括具有双轴各向异性和/或易锥各向异性的自由层的磁性结200""的示意性实施例。为了清楚，图11没有按比例绘制。磁性结200""可以用于诸如STT-RAM等磁存储器。磁性结200""类似于磁性结100/200/200'/200"/200"'，因而包括类似的结构。磁性结200""包括（多个）可选种子层202""、可选钉扎层204""、被钉扎层210""、无磁性间隔层220""、自由层230""和（多个）可选盖层240""，这些层分别类似于（多个）可选种子层102/202/202'/202"/202"'、可选钉扎层104/204/204'/204"/204'"、被钉扎层110/210/210'/210"/210"'、无磁性间隔层120/220/220'/220"/220"'、自由层130/230/230'/230"/230"'、（多个）可选盖层140/240/240'/240"/240"'。层210""、220""、230""和240""分别具有与层110/210/210'/210"/210'"、120/220/220'/220"/220"'、130/230/230'/230"/230"'和140/240/240'/240"/240"'类似的结构和功能。如上文所述，自由层230""具有双轴各向异性。因此，可以获得上述优点。自由层230""的易轴没有示出，因而可以沿着包括垂直于平面的方向或平面内的方向在内的期望方向。
在所示的实施例中，自由层230""和被钉扎层210""均为SAF。被钉扎层210""包括铁磁层212'和216'以及无磁性间隔层214'。铁磁层212'通过与钉扎层204""交换耦合或通过其他方式使其磁化固定。基准层216'与固定磁化层214'磁耦合。因此，自由层230""包括铁磁层232'和236'以及无磁性间隔层234'。铁磁层232'与铁磁层236'磁耦合。在一些实施例中，铁磁层232'与铁磁层236'反铁磁对准。在其他实施例中，铁磁层232'与铁磁层236'铁磁对准。在不同的实施例中，铁磁层232'和铁磁层236'包括双轴各向异性。因此，可以获得本文所述的优点。
图12示出包括具有双轴各向异性和/或易锥各向异性的自由层的磁性结300的示意性实施例。为了清楚，图12没有按比例绘制。磁性结300可以用于诸如STT-RAM等磁存储器。磁性结300类似于磁性结100/200/200'/200"/200"'/200""，因而包括类似的结构。磁性结300包括（多个）可选种子层302、可选钉扎层304、被钉扎层310、无磁性间隔层320、自由层330和（多个）可选盖层370，这些层分别类似于（多个）可选种子层102/202/202'/202"/202"'/202""、可选钉扎层104/204/204'/204"/204"'/204""、被钉扎层110/210/210'/210"/210"'/210""、无磁性间隔层120/220/220'/220"/220"'/220""、自由层130/230/230'/230"/230"'/230""和（多个）可选盖层140/240/240'/240"/240"'/240""。层310、320、330和370分别具有与层110/210/210'/210"/210"'/210""、120/220/220'/220"/220"'/220""、130/230/230'/230"/230"'/230""、140/240/240'/240"/240"'/240""类似的结构和功能。自由层330的易轴没有示出，因而可以沿着包括垂直于平面的方向或平面内的方向在内的期望方向。
磁性结300还包括附加无磁性间隔层340、附加被钉扎层350和可选附加钉扎层360。无磁性间隔层340类似于无磁性间隔层320。附加被钉扎层350和可选附加钉扎层360分别类似于层310和304。因此，磁性结300为双结。例如，如果无磁性间隔层320和340是绝缘隧道势垒层，例如结晶MgO，则磁性结300是双MTJ。如果无磁性间隔层320和340是导体，则磁性结300是双自旋阀。无磁性间隔层320和340可以具有其他结构。此外，无磁性间隔层320和340不一定相同。
自由层330具有双轴各向异性。此外，自由层330可以与自由层130、230、230'、230"、230"'和/或230""中的任一个类似。因此，双磁性隧道结可以获得上述的优点。例如，磁性结300可以具有较低软失效率而不牺牲热稳定性、可扩展性或低临界转换电流。
已经公开了多种磁性结100、200、200'、200"、200"'、200""和300。应当注意，可以将磁性结100、200、200'、200"、200"'、200""和300的各个特征进行组合。因此，可以获得磁性结100、200、200'、200"、200"'、200""和300中的一个或多个优点，例如低软失效率、垂直各向异性、热稳定性和/或可扩展性。
此外，磁性结100、200、200'、200"、200"'、200""和300可以用于磁存储器。图13示出一个这种存储器400的示意性实施例。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。应当注意，可以提供其他和/或不同的部件。存储器400的存储区域包括磁存储单元410。每一个磁存储单元都包括至少一个磁性结412和至少一个选择装置414。在一些实施例中，选择装置414是晶体管。磁性结412可以是磁性结100、200、200'、200"、200"'、200""和300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，每个单元可以提供其他数量的磁性结412。因此，磁存储器400可以享有上述优点，例如较低软失效率和低临界转换电流。
图14示出制造磁性子结构的方法500的示意性实施例。为了简单，可以省略或合并一些步骤。在磁性结100的背景下描述该方法500。然而，方法500可以在其他诸如磁性结200、200'、200"、200"'、200""和/或300等其他磁性结上使用。此外，方法500可以结合到诸如磁存储器400等磁存储器的制造中。因此，方法500可以用于制造STT-RAM或其他磁存储器。可以在提供种子层102和可选钉扎层104之后开始方法500。
通过步骤502提供被钉扎层110。步骤502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502可以包括提供SAF。通过步骤504提供无磁性层120。步骤504可以包括沉积期望的无磁性材料（包括但不限于结晶MgO）。另外，在步骤504中可以期望厚度的沉积材料。
通过步骤506提供具有双轴各向异性的自由层130。在一些实施例中，步骤506可以通过沉积多个层、SAF和/或其他结构而完成。然后，通过步骤508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340、附加被钉扎层350和可选附加钉扎层360。在磁性结的层被沉积成叠层然后被定义轮廓的一些实施例中，步骤508可以包括定义磁性结100的轮廓、执行退火或者以其他方式完成磁性结100的制造。此外，如果磁性结100合并到诸如STT-RAM等存储器400中，步骤508可以包括提供存储器400的接触件、偏置结构和其他部分。
因此，形成了磁性结100、200、200'、200"、200"、200"'和/或300。因此，可以获得磁性结的优点。
已经描述了用于提供磁性结和利用磁性存储元件/磁性子结构制造的存储器的方法和系统。已经根据示出的示意性实施例描述了该方法和系统，本领域普通技术人员将容易认识到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，本领域普通技术人员可以在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下进行多种修改。

Claims (24)

1.一种在磁性器件中使用的磁性结，包括：
被钉扎层；
无磁性间隔层；以及
具有磁各向异性能的自由层，所述无磁性间隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间，所述磁各向异性能的至少一部分为易锥各向异性能，所述易锥各向异性能包括具有不同角度相关性的多个能项，使得所述多个能项中的任意两个能项之间的比值具有角度相关性，所述易锥各向异性能具有至少一个在相对于极轴的非零角度处的能量最小值；
其中，将所述磁性结构造成使得所述自由层能够在写入电流通过所述磁性结时在多个稳定的磁状态之间转换。
2.根据权利要求1所述的磁性结，其中，所述多个能项包括至少一个具有大于一次的项的单轴各向异性。
3.根据权利要求2所述的磁性结，其中，所述单轴各向异性对应于易轴，其中，所述磁各向异性能具有至少一个在相对于易轴的非零角度处的最小值。
4.根据权利要求1所述的磁性结，其中，产生易锥各向异性的至少一些所述各向异性项是结晶产生的。
5.根据权利要求1所述的磁性结，其中，产生易锥各向异性的至少一些所述各向异性项是磁静力产生的。
6.根据权利要求1所述的磁性结，其中，所述能项中的至少一个能项是由将所述自由层与基准层分开的相邻间隔层产生的。
7.根据权利要求1所述的磁性结，其中，所述无磁性间隔层是隧道势垒层。
8.根据权利要求1所述的磁性结，其中，所述无磁性间隔层是导电间隔层。
9.根据权利要求1所述的磁性结，其中，所述被钉扎层包括基准层、间隔层和固定磁化层，所述间隔层位于所述基准层与固定磁化层之间。
10.根据权利要求1所述的磁性结，其中，所述自由层包括垂直各向异性能和面外去磁能，所述面外去磁能小于所述垂直各向异性能。
11.根据权利要求8所述的磁性结，其中，所述被钉扎层包括被钉扎层垂直各向异性能和被钉扎层面外去磁能，所述被钉扎层面外去磁能小于所述被钉扎层垂直各向异性能。
12.根据权利要求1所述的磁性结，其中，所述自由层包括垂直各向异性能和面外去磁能，所述面外去磁能大于或等于所述垂直各向异性能。
13.根据权利要求1所述的磁性结还包括：
附加被钉扎层；以及
附加无磁性间隔层，所述附加无磁性间隔层位于所述自由层与所述附加被钉扎层之间。
14.根据权利要求13所述的磁性结，其中，所述无磁性间隔层和所述附加无磁性间隔层中的至少一个包括结晶MgO。
15.一种磁存储器，包括：
多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每一个都包括至少一个磁性结，所述至少一个磁性结包括被钉扎层、无磁性间隔层和具有磁各向异性能的自由层，所述无磁性间隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间，所述磁各向异性能的至少一部分为至少一个易锥各向异性能，所述易锥各向异性能包括具有不同角度相关性的多个能项，使得所述多个能项中的任意两个能项之间的比值具有角度相关性，所述易锥各向异性能具有至少一个在相对于极轴的非零角度处的能量最小值，将所述至少一个磁性结构造成允许所述自由层在写入电流通过所述磁性结时在多个稳定的磁状态之间转换。
16.根据权利要求15所述的磁存储器，其中，所述多个能项包括至少一个具有大于一次的项的单轴各向异性。
17.根据权利要求16所述的磁存储器，其中，所述单轴各向异性对应于易轴，并且其中，所述磁各向异性能对应于这样的磁各向异性能：所述磁各向异性能具有至少一个在相对于易轴的非零角度处的最小值。
18.根据权利要求15所述的磁存储器，其中，所述易锥各向异性是结晶产生的、磁静力产生的、结构产生的和磁致收缩产生的中的至少一个。
19.根据权利要求15所述的磁存储器，其中，所述无磁性间隔层是隧道势垒层。
20.根据权利要求15所述的磁存储器，其中，所述被钉扎层包括基准层、间隔层和固定磁化层，所述间隔层位于所述基准层与固定磁化层之间。
21.根据权利要求15所述的磁存储器，其中，所述自由层包括垂直各向异性能和面外去磁能，所述面外去磁能小于所述垂直各向异性能。
22.根据权利要求15所述的磁存储器，其中，所述自由层包括垂直各向异性能和面外去磁能，所述面外去磁能大于或等于所述垂直各向异性能。
23.根据权利要求15所述的磁存储器，其中，所述磁性结还包括：
附加被钉扎层；以及
附加无磁性间隔层，所述附加无磁性间隔层位于所述自由层与所述附加被钉扎层之间。
24.根据权利要求23所述的磁存储器，其中，所述无磁性间隔层和所述附加无磁性间隔层中的至少一个包括结晶MgO。
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