CN104009154B - 形成磁性器件的自由层的材料成分、自由层和磁性元件 - Google Patents

Abstract

用于形成STT结构体(例如单或双MTJ结构体)中的自由层的材料成分可包括Co_xFe_yM_z，其中M为帮助形成良好的结晶取向以及所述自由层和MgO界面之间的匹配的非磁性材料。所述材料M可优选不偏析至MgO界面，或者如果其偏析至MgO界面，其不显著降低所述自由层的PMA。所述自由层可进一步包括连接层，其中M在退火期间被吸引至连接层。所述自由层可包括Co_xFe_yM_z的坡度成分，其中z在所述自由层中改变。

Description

形成磁性器件的自由层的材料成分、自由层和磁性元件

相关申请的交叉引用

本申请是2011年12月5日提交的美国专利申请序列号13/311,308的部分继续申请并根据35U.S.C.§120要求其优先权，美国专利申请序列号13/311,308是2009年9月15日提交的美国专利申请序列号12/560,362的继续申请并要求来自其的优先权，将以上美国专利申请各自的内容通过参考全部引入本文。

技术领域

本文件涉及磁性材料和具有至少一个自由铁磁性层的结构体。

背景技术

多种磁性材料使用具有至少一个铁磁性层的多层结构体，所述铁磁性层配置为其磁方向可通过外部磁场或控制电流改变的“自由”层。磁存储器件可使用这样的多层结构体构造，其中基于自由层的磁方向存储信息。

这样的多层结构体的一个实例是自旋阀(SV)，其包括至少三个层：两个铁磁性层和在所述两个铁磁性层之间的传导层。这样的多层结构体的另一实例是磁或磁阻隧道结(MTJ)，其包括至少三个层：两个铁磁性层和在所述两个铁磁性层之间的作为阻挡层的非磁性绝缘体的薄层。用于中间阻挡层的绝缘体不是电传导性的且因此用作在所述两个铁磁性层之间的阻挡物。然而，当所述绝缘体的厚度足够薄，例如几纳米或更小时，由于在跨越所述阻挡层施加至所述两个铁磁性层的偏压下的隧道效应，所述两个铁磁性层中的电子可“穿透”通过所述绝缘体的薄层。

特别地，对跨越所述MTJ或SV结构体的电流的电阻随着在所述两个铁磁性层中的磁化的相对方向而改变。当所述两个铁磁性层的磁化彼此平行时，跨越所述MTJ或SV结构体的电阻处于最小值RP。当所述两个铁磁性层的磁化彼此反平行时，跨越所述MTJ或SV结构体的电阻处于最大值RAP。该效应的大小通常通过定义为(R_AP-R_P)/R_P的在MTJ中的隧道磁阻(TMR)或在SV中的磁阻(MR)表征。

发明内容

本文件公开使用磁性元件的技术、器件和系统，所述磁性元件至少包括：具有垂直各向异性的固定磁性层、非磁性间隔体层、和具有垂直各向异性的自由磁性层，其促进(提升)基本上垂直于所述磁性层的平面的磁化。所述间隔体层存在于固定层和自由层之间。所述磁性元件配置成当写入电流通过所述磁性元件时容许自由层利用自旋转移而转换。

在一个方面中，公开方法和结构体以在多层磁性元件中提供垂直各向异性。在一种实施中，提供固定层以具有固定在基本上垂直于所述固定层的方向上的磁化，在所述固定层上方提供非磁性间隔体层，以及将自由层相对于所述固定层和所述间隔体层定位使得所述间隔体层在所述自由层和固定层之间。所述自由层具有基本上垂直于所述自由层且相对于固定层磁化能改变的自由层磁化。界面层与所述间隔体层接触且为磁性层。连接层与所述界面层和所述自由层接触。所述连接层具有如下结构：其提供将所述界面层的磁化保持为基本上垂直于所述界面层的在所述自由层和所述界面层之间的磁耦合，且提供在所述自由层和所述界面层之间的间隔以容许所述自由层和所述界面层具有不同的材料结构。

所述自由层和/或所述固定层配置成具有垂直各向异性。在一些实施中，所述自由层和/或所述固定层可包括铁磁体(Ni，Fe，Co)_100-y(Pd，Pt)_y，其中y范围在20原子％和80原子％之间、或者在50原子％和75原子％之间。

在一些实施中，所述具有垂直各向异性的自由层和/或固定层可包括与非磁性材料组合的铁磁性材料(Ni，Fe，Co)₅₀(Pd，Pt)₅₀。在一些实施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一种：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。在一些实施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一种：B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。在一些实施中，所述非磁性材料可包括Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu的至少一种以及B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物的至少一种。

在一些实施中，所述具有垂直各向异性的自由层和/或固定层可包括与非磁性材料组合的铁磁性材料Ni、Fe、或者至少包括Ni和/或Fe的Ni、Fe、和/或Co的合金。在一些实施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一种：Ti、Zr、Hf；V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。

在一些实施中，所述具有垂直各向异性的自由层和/或固定层可包括与非磁性材料组合的铁磁性材料(Ni，Fe，Co)。在一些实施中，所述非磁性材料可包括Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd的至少一种、以及Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu的至少一种。在一些实施中，所述非磁性材料可包括Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd的至少一种、以及B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物的至少一种。

在一些实施中，所述具有垂直各向异性的自由层和/或固定层可包括与非磁性材料组合的材料Mn和/或至少包括Ni、Al、Cr、和/或Fe的材料。在一些实施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一种：Ti、Zr、Hf；V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。

在一些实施中，所述具有垂直各向异性的自由层和/或固定层可包括包含磁性材料层和非磁性材料层的交替层的多层。在一些实施中，所述磁性材料层包括(Ni，Fe，Co)且所述非磁性材料层包括如下的至少一种：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。在一些实施中，所述磁性材料层包括(Ni，Fe，Co)且所述非磁性材料层包括如下的至少一种：B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。在一些实施中，所述磁性材料层包括(Ni，Fe，Co)₅₀(Pd，Pt)₅₀且所述非磁性材料层包括Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu的至少一种。在一些实施中，所述磁性材料层包括与Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu的至少一种组合的(Ni，Fe，Co)。在一些实施中，所述磁性材料层包括与Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd的至少一种组合的(Ni，Fe，Co)且所述非磁性材料层包括Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu的至少一种。在一些实施中，所述磁性材料层包括与B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn的至少一种组合的(Ni，Fe，Co)且所述非磁性材料层包括Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu的至少一种。在一些实施中，所述磁性材料层包括与Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd的至少一种组合的(Ni，Fe，Co)且所述非磁性材料层包括如下的至少一种：B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。

在另一方面中，提供器件以包括包含衬底和形成于所述衬底上的磁性元件的磁性元件阵列。各磁性元件包括：固定层，其具有固定在基本上垂直于所述固定层的方向上的固定层磁化；在所述固定层上方的非磁性间隔体层；与所述间隔体层接触且为磁性层的界面层；与所述界面层接触的连接层；和与所述连接层接触的自由层，所述自由层具有基本上垂直于所述自由层且基于自旋扭矩转移相对于所述固定层磁化能改变的自由层磁化。所述连接层具有如下结构：其提供将所述界面层的磁化保持为基本上垂直于所述界面层的在所述自由层和所述界面层之间的磁耦合，且提供在所述自由层和所述界面层之间的间隔以容许所述自由层和所述界面层具有不同的材料结构。该器件包括电路，其连接到所述磁性元件阵列并供应电流以在基本上垂直于各磁性元件的层的方向上流过所述层，以基于在两个磁化方向之间的自旋扭矩转移转换所述自由层的磁化。

尽管在一些情况下附图可显示对于邻近磁性层布置的界面层的明显的(不同的，distinct)磁化，但应注意，当存在邻近磁性层的界面层时，这两者可强烈地耦合且表现为单一转换元件。另外，当磁性层(固定的或自由的)与界面层一起实施时，该界面层可有效地变成其邻近的固定或自由层的一部分，且可因此被看作两部分自由或固定层(例如，“自由层部分A+自由层部分B”或“固定层部分A+固定层部分B”)，与自由/固定层加单独的界面层相反。

这些和其它实施在附图、说明书和权利要求书中更详细地描述。

附图说明

图1A显示自旋阀形式的磁性元件的实例。

图1B显示自旋隧道结形式的磁性元件的实例。

图2A和2B描绘拥有在非磁性间隔体下面和上方的固定层的具有垂直各向异性的两个磁性元件的实例。

图3A、3B和3C显示基于一个或多个界面层的具有垂直各向异性的磁性元件的实例。

图4A、4B和4C显示基于界面和连接层的具有垂直各向异性的磁性元件的两个实例。

图5描绘基于界面和连接层的各自具有垂直各向异性的磁性元件的阵列的器件的实例。

图6描绘具有连接至位线和隔离器件的垂直各向异性自由层和/或固定层的磁性元件的实例。

图7描绘图6中的器件的示例性实施，其说明用垂直各向异性自由层和/或固定层基于自旋转移扭矩转换使所述器件运行的电路。

图8为说明包括铁(Fe)和硼(B)的自由层的根据其中硼布置在所述自由层内的不同位置处的四种不同配置的原子结构的示意图。

图9a和9b为分别说明图8中所示的四种不同结构各自的各向异性和相对稳定性的图。

图10为比较图8的自由层的原子结构和根据本发明构思的一个实施方式的包含锗(Ge)的自由层的原子结构的示意图。

图11a、11b和11c为分别比较图10中所示结构的各向异性、相对稳定性、以及B和Ge浓度的图。

图12为比较包括填隙B和Ge的自由层在两种不同温度下的各向异性的图。

图13为说明具有无定形化剂X的六种不同自由层结构的原子结构的示意图。

图14a、14b和14c为对于根据图13的六种不同结构各自布置的不同的无定形化剂X分别比较各向异性、相对稳定性和层浓度的图。

图15为比较不同的无定形化剂X在两种不同温度下的各向异性的图。

图16为显示根据本发明构思的实施方式的存储卡的框图。

图17为显示根据本发明构思的实施方式的系统的框图。

具体实施方式

具有被非磁性间隔体分隔的自由层和固定层的多层磁性元件，当在衬底上整体地生长时，要求邻近的层的一些材料性质是相容的或匹配，例如晶格结构的匹配。这可限制适合用于形成这样的结构体的材料的选择且因此影响所构造的磁性元件的性质。本文件中描述的多层磁性元件的实例具有基本上垂直于自由和固定层的磁化。自由层和固定(参比)层可由若干个铁磁性层组成以提高TMR比、实现高的STT效率且降低阻尼常数。

下面的部分首先描述磁性元件的结构，然后提供具有基本上垂直的磁化的磁性元件和用于制造所述磁性元件的额外的层的实例。

图1A和1B描绘形成于衬底1上的示例性磁性元件10和10′。磁性元件10为自旋阀且包括反铁磁性(AFM)层12、固定层14、传导性间隔体层16和自由层18。还可使用另外的层例如晶种或覆盖层。固定层14和自由层18是铁磁性的。自由层18被描绘为具有能改变的磁化19。自由层18的磁化响应外部磁场、驱动电流、或二者的组合自由旋转。传导性间隔体层16是非磁性的。AFM层12用于将固定层14的磁化钉扎(pin)在特定方向上。在后退火之后，铁磁性层14钉扎有固定磁化15。还描绘了可用于驱动电流通过磁性元件10的顶接触部(触头)20和底接触部22。

图1B中描绘的磁性元件10′为磁性隧道结。磁性元件10′包括AFM层12′、具有固定层磁化15′的固定层14′、绝缘阻挡层16′、具有能改变的磁化19′的自由层18′。阻挡层16′足够薄以使电子在磁性隧道结10′中隧穿。

在对流动跨越MTJ或SV的电流的电阻与处于TMR或MR效应的两个铁磁性层之间的相对磁方向之间的关系可用于非易失性磁存储器件以所述磁性元件的磁性状态存储信息。基于TMR或MR效应的磁性随机存取存储器(MRAM)器件例如可为电子RAM器件的替换物且可与电子RAM器件竞争。在这样的器件中，一个铁磁性层配置成具有固定磁方向且另一铁磁性层为其磁方向可变成与固定方向平行或相反且因此作为记录层运行的“自由”层。基于在所述MTJ或SV的阻挡物的两侧上的两个铁磁性层的相对磁方向存储信息。例如，二进位“1”和“0”可记录为在所述MTJ或SV中的两个铁磁性层的平行和反平行定向。在所述MTJ或SV中记录或写入位(比特，bit)可通过转换自由层的磁化方向而实现，所述转换自由层的磁化方向例如通过由向以交叉条形设置的写入线供应电流产生的写入磁场、基于自旋转移效应通过流过所述MTJ或SV的电流、通过应用写入磁场和电流两者的组合、或者通过其它方式。

对于实际的器件应用，将自旋转移效应用于转换的磁性随机存取存储器件可在低于10⁷A/cm²(例如，大约或低于10⁶A/cm²)的低的转换电流密度J_c下运行。该低的转换电流密度有利地容许具有高的偏流的密集封装的存储单元(例如，亚微米横向尺寸)的形成。自旋转移转换电流密度J_c的减小对于制造以高的运行速度、低的功耗、和高的存储单元空间密度为特征的MRAM器件可为关键的。然而，随着存储器件的降低的技术节点，热稳定性降低且愈加影响这些器件的性能。在当MTJ保持存储数据的存储转发时间(latency)段期间，自由层中的磁化不是完全静态的且可由于容许所述自由层中的磁矩振荡或进动的热波动而改变。这些波动的随机性质容许可导致自由层的磁化倒转的罕见的、不同寻常地大的波动的出现。

可使用具有垂直各向异性的磁性材料在磁性器件(包括自旋转移磁性器件)中提供提高的热稳定性。在这些器件中，热活化因子取决于磁性元件的自由层的体积和垂直磁性各向异性，且热稳定性随着磁性元件的体积减小而降低。大的垂直各向异性可补偿由于与减小器件尺寸有关的体积的减小导致的降低的热稳定性。另外，对于利用垂直各向异性的自旋转移器件，在器件设计中不再要求平面内形状各向异性。因此，器件形状可为圆形的代替细长的形状以改善存储器件面密度。

基于自旋转移模型，对于具有平面外或垂直优势的各向异性的膜，在不存在外场的情况下，转换电流密度可表示为：

J_c.改变.αM_st(H_⊥-4πMs)/η

其中α为现象吉尔伯特阻尼，t和M_s分别为自由层的厚度和饱和磁化。H_⊥为本征垂直单轴各向异性场，其可得自界面(或表面)各向异性和/或磁致弹性能效应。η对应于自旋转移转换的效率。4πMs来自基本上垂直于膜平面的去磁场。

对于具有平面外垂直各向异性的膜的情况，H_⊥的绝对值通常大于4πMs的绝对值。因此，在具有垂直各向异性的膜的情况下，项(H_⊥-4πMs)和有关的转换电流密度J_c可通过自由层的H_⊥的优化而减小。另外，自由层的磁化Ms的减小可用于减小转换电流密度J_c。

基于具有基本上垂直的磁化层的磁性元件的磁性器件可使用自旋转移效应转换。小的自旋转移转换电流和高的读取信号可通过在自旋阀和磁性隧道结膜中使用基本上垂直的磁化实现。

图2A描绘在衬底1上的磁性元件100的一种实施。该磁性元件100包括在顶部的自由层130和在底部的固定层110，两者都具有垂直各向异性。非磁性间隔体层120形成于层110和130之间。固定层110具有基本上垂直于固定层110的固定层磁化111，且自由层130具有基本上垂直于自由层130的可逆自由层磁化131。自由层磁化131可利用自旋转移效应写入。在该实例中，固定层110在非磁性间隔体层120下面并在衬底1上方，且自由层130在非磁性间隔体层120上方。固定层110和/或自由层130可包括与非磁性或氧化物层成多层的磁性材料，其中磁性子层可反铁磁性地或铁磁性地耦合。非磁性间隔体层120可包括绝缘层例如Al₂O₃、MgO、TiO、TaO、和其它氧化物。非磁性间隔体层120可包括传导层例如Cu。可包括反铁磁性层以在后退火之后将固定层磁化111的磁化钉扎在所需方向上。

图2B描绘在衬底1上的磁性元件100′的另一实施，磁性元件100′具有自由层和固定层，两者都具有垂直各向异性。磁性元件100′包括具有固定层磁化111′的固定层110′、非磁性间隔体层120′、和具有可利用自旋转移写入的磁化131′的自由层130′。固定层110′在非磁性间隔体层120′上方，且自由层130′在非磁性间隔体层120′下面并在衬底1上方。固定层110′和/或自由层130′可包括与非磁性或氧化物层成多层的磁性材料，其中磁性子层可反铁磁性地或铁磁性地耦合。非磁性间隔体层120可包括绝缘层例如Al₂O₃、MgO、TiO、TaO、和其它氧化物。非磁性间隔体层120′可包括传导层例如Cu。可包括反铁磁性层以在后退火之后将固定层磁化111的磁化钉扎在所需方向上。

在图2A中的自由层130和图2B中的固定层110′上方可包括覆盖层。此外，在图2A中的固定层110和衬底1之间以及在图2B中的自由层130′和衬底1之间可包括晶种层。覆盖层和晶种层可在结构方面为单层或多层、在状态方面为结晶的或无定形的、为金属或氧化物、为磁性或非磁性的、具有平面内各向异性或具有垂直各向异性。所述覆盖层和/或晶种层可为如下的至少一种：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu；或B、C、N、O、Al、Si、P、S或它们的合金、或氧化物、氮化物或具有过渡金属的硅化物，例如AlMg、CrTi、CrMo、CrRu、NiAl、NiP、NiFeCr、MgO、TaO、TiO、AlO、SiO、CuAlO、TiN、TaN、CuN、FeSi、CoO、NiO。所述覆盖层和/或晶种层可改善对于垂直性质的质地(纹理，texture)、改善对于堆栈增长和隧道磁阻的界面性质、充当对于相互扩散的停止层、提供对于堆栈稳定性的保护罩或覆层、和/或保护磁性层不受杂散磁场的影响。

在图2A中，为了获得具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110，可在用于或对于自由层130和/或固定层110的单一铁磁性层中将铁磁性材料和非磁性材料组合。因此，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过将铁磁性和非磁性材料组合制造。此外，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过提供包括磁性和非磁性层的多层的自由层而提供。

在图2B中，具有垂直各向异性的磁性层可通过提供包括铁磁性材料和非磁性材料的自由层和/或固定层实施。为了获得具有垂直各向异性的自由层130′和/或固定层110′，可在用于或对于自由层130和/或固定层110的单一铁磁性层中将铁磁性材料和非磁性材料组合。因此，具有垂直各向异性的自由层130′和/或固定层110′可通过将铁磁性和非磁性材料组合制造。此外，具有垂直各向异性的自由层130′和/或固定层110′可通过提供包括磁性和非磁性层的多层的自由层而提供。

在一种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可拥有铁磁性材料(Ni，Fe，Co)_100-y(Pd，Pt)_y，其中y范围在20原子％和80原子％之间、或在50原子％和75原子％之间。这里，(Ni，Fe，Co)表示Ni，Fe，Co，或Ni、Fe和/或Co的合金。同样地，(Pd，Pt)表示Pd、Pt或Pd和Pt的合金。例如，在该实施中，自由层130和/或固定层110可由Co₅₀Pt₅₀或Co₅₀Pd₅₀构成。自由层130和/或固定层110可包括与非磁性或氧化物层成多层的磁性材料，其中磁性子层可反铁磁性地或铁磁性地耦合。

在第二种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过将铁磁性材料(Ni，Fe，Co)₅₀(Pd，Pt)₅₀与材料X组合提供，其中X包括如下的至少一种：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。在一种实施中，X的含量范围在0原子％和50原子％之间。例如，在该实施中，自由层130可由Co₄₅Pd₅₅、Co₄₅Pd₄₅Cu₁₀、Co₄₅Pd₄₅Re₁₀构成。自由层130和/或固定层110可包括与非磁性或氧化物层成多层的磁性材料，其中磁性子层可反铁磁性地或铁磁性地耦合。

在第三种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过将铁磁性材料(Ni，Fe，Co)₅₀(Pd，Pt)₅₀与材料X组合提供，其中X包括如下的至少一种：B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。在一种实施中，X的含量范围在0原子％和50原子％之间。自由层130和/或固定层110可包括与非磁性或氧化物层成多层的磁性材料，其中磁性子层可反铁磁性地或铁磁性地耦合。

在第四种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过将铁磁性材料Ni、Fe、或至少包括Ni和/或Fe的Ni、Fe和/或Co的合金与材料X组合提供，其中X包括如下的至少一种：Ti、Zr、Hf；V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。在一种实施中，X的含量范围在0原子％和80原子％之间。自由层130和/或固定层110可包括与非磁性或氧化物层成多层的磁性材料，其中磁性子层可反铁磁性地或铁磁性地耦合。

在第五种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过将铁磁性材料(Ni，Fe，Co)₅₀(Pd，Pt)₅₀与材料X和Y组合提供；其中X包括如下的至少一种：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu；和其中Y包括如下的至少一种：B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。在一种实施中，X的含量范围在0原子％和50原子％之间。在一种实施中，Y的含量范围在0原子％和50原子％之间。自由层130和/或固定层110可包括与非磁性或氧化物层成多层的磁性材料，其中磁性子层可反铁磁性地或铁磁性地耦合。

在第六种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可由(Ni，Fe，Co)与材料X和Y提供；其中X包括如下的至少一种：Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd；和其中Y包括如下的至少一种：Ti、Zr、Hf；V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。在一种实施中，X和/或Y的含量范围在0原子％和80原子％之间。自由层130和/或固定层110可包括与非磁性或氧化物层成多层的磁性材料，其中磁性子层可反铁磁性地或铁磁性地耦合。

在第七种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可由(Ni，Fe，Co)与材料X和Y提供；其中X包括如下的至少一种：Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Gd、Tb、Dy、Ho；和其中Y包括如下的至少一种：B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。在一种实施中，X和/或Y的含量范围在0原子％和80原子％之间。自由层130和/或固定层110可包括与非磁性或氧化物层成多层的磁性材料，其中磁性子层可反铁磁性地或铁磁性地耦合。

在第八种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过由磁性材料和材料Y的交替层构成的多层提供，其中磁性材料的层包括(Ni，Fe，Co)且Y包括如下的至少一种：Ni、Fe、Co、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性层。

在第九种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过由磁性材料和材料Y的交替层构成的多层提供，其中磁性材料的层包括(Ni，Fe，Co)和Y包括如下的至少一种：Ni、Fe、Co、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性层。

在第十种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过由磁性材料和非磁性材料的交替层构成的多层提供，其中磁性材料层包括铁磁性材料(Ni，Fe，Co)₅₀(Pd，Pt)₅₀，且非磁性材料层包括材料X，其中X包括如下的至少一种：Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。所述非磁性材料层可在厚度方面薄于、等于、或厚于所述磁性层。

在第十一种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过由磁性材料和非磁性材料的交替层构成的多层提供，其中磁性材料层通过将铁磁性材料(Ni，Fe，Co)与材料X组合提供，其中X包括如下的至少一种：Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。所述非磁性材料层可在厚度方面薄于、等于、或厚于所述磁性层。

在第十二种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过由磁性材料和材料Y的交替层构成的多层提供，其中磁性材料的层通过将铁磁性材料(Ni，Fe，Co)与材料X组合提供，其中X包括如下的至少一种：Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd，且Y包括如下的至少一种：Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性层。

在第十三种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过由磁性材料和材料Y的交替层构成的多层提供，其中磁性材料的层通过将铁磁性材料(Ni，Fe，Co)与材料X组合提供，其中X包括如下的至少一种：B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn，且Y包括如下的至少一种：Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性层。

在第十四种实施中，具有垂直各向异性的自由层130和/或固定层110可通过由磁性材料和材料Y的交替层构成的多层提供，其中磁性材料的层通过将铁磁性材料(Ni，Fe，Co)与材料X组合提供，其中X包括如下的至少一种：Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd，且Y包括如下的至少一种：B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。Y可在厚度方面薄于、等于、或厚于磁性层。

在第十五种实施中，具有垂直各向异性的自由层和/或固定层可包括与非磁性材料组合的材料Mn和/或至少包括Ni、Al、Cr、Co和/或Fe的材料。在一些实施中，所述非磁性材料可包括如下的至少一种：Ti、Zr、Hf；V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Ag、Cu、B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In、Sn、Gd、Tb、Dy、Ho、Nd、氧化物、氮化物、或过渡金属硅化物。

以上实施可应用于图2B中的固定层110′和/或自由层130′。

由于通过自旋转移效应转换磁性元件所需的电流取决于自由磁性层的各向异性场和去磁场之间的差异，因此引入垂直各向异性可提供降低自旋转移转换电流的好处。而且，磁性元件的组成的控制在一些实施中可改变磁性材料的居里温度和磁矩，这可实现更低的自旋转移转换电流和提高的热稳定性的好处。此外，磁性元件的组成的控制在一些实施中可改善膜生长，这可导致磁性元件和器件的改善的总体性能。

在图2A中的垂直磁性元件中，自由层130与间隔体层120直接接触。这样，用于自由层130和间隔体层120的材料需要在它们的晶格结构方面匹配。该约束可限制适合用于形成这样的结构的材料且因此限制所构造的磁性元件的性质。例如，基于图2A和2B中的设计的一些垂直MTJ器件使用呈现不期望的高阻尼常数、低STT效率和低TMR比的材料。低的TMR比又导致对于STT-RAM芯片的不期望的低读取速度，且低的STT效率导致不期望的高STT转换电流。

下面描述的垂直磁性元件的实施包括固定层、在所述固定层上方的非磁性间隔体层、和自由层，所述固定层具有固定在基本上垂直于所述固定层的平面的方向上的磁化。另外，在所述间隔体层和所述自由层之间和/或在所述间隔体层和所述固定层之间包括一个或多个额外的层以制造所述磁性元件的所需性质，例如，提高自旋转移效率。这样的一个或多个额外的层在所述间隔体层与所述自由层和所述固定层的至少一个之间形成中间物以容许多种磁性材料用于所述自由层或所述固定层以实现所述磁性元件的所需性质。

在一些实施中，可提供一个或多个界面层以与间隔体层接触。这样的界面层为呈现基本上垂直于所述界面层的磁化的磁性材料的薄层。该界面层可足够薄，例如，低于或大约1nm，以经由与自由层和固定层的磁耦合将其磁化保持为基本上垂直于磁性元件中的层。

图3A、3B和3C显示拥有这样的额外的层的具有垂直磁化的磁性元件的三个实例。在图3A中的器件200中，自由层为具有可在两个垂直的方向之间转换的垂直磁化251的磁化层250。固定层为具有固定的基本上垂直的磁化211的磁化层210。非磁性间隔体层220位于自由层250和固定层210之间。额外的磁化层230即界面层提供在自由层250和间隔体层220之间以在自由层250和间隔体层220之间提供中间物并具有基本上垂直的磁化231，其磁钉扎至自由层250的磁化251以基于自旋扭矩转移随着自由层250转换。界面层230的厚度足够薄，例如，小于1nm，以容许磁化231强烈地耦合至自由层250的磁化251。界面层230的存在消除自由层250和间隔体层220之间的直接接触和界面以容许所选择的磁性材料用于自由层250。

图3B显示使用界面磁化层的不同的设计。该器件200′包括具有基本上垂直的磁化251′的自由层250′、间隔体层220′、与间隔体层220′接触并具有基本上垂直的磁化261′的界面层260′、和具有固定的基本上垂直的磁化211′的固定层210′。界面层260′位于间隔体层220′和固定层210′之间以消除固定层210′和间隔体层220′之间的直接界面连接。界面层260′的磁化261′磁耦合至并钉扎至固定层210′的固定磁化211′。

图3C显示在间隔体层的相反侧上实施两个界面层以使自由层和固定层两者都脱离与间隔体层的直接接触的器件的实例。该器件200″包括具有基本上垂直的磁化251″的自由层250″、间隔体层220″、与间隔体层220″接触并具有基本上垂直的磁化231″的第一界面层230″、具有固定的基本上垂直的磁化211″的固定层210″、和具有基本上垂直的磁化261″的第二界面层260″。第一界面层230″位于间隔体层220″和自由层250″之间以消除自由层250″和间隔体层220″之间的直接界面连接。第一界面层231″的磁化231″磁耦合至自由层250″的自由磁化251″以与自由层250″一起切换。第二界面层260″位于间隔体层220″和固定层210″之间以消除固定层210″和间隔体层220″之间的直接界面连接。第二界面层260″的磁化261″磁耦合至并钉扎至固定层210″的固定磁化211″。

在另外的实施中，在间隔体层和自由层之间和/或在间隔体层和固定层之间包括两个额外的相邻层的一个或多个膜堆叠体以制造磁性元件的所需性质。在一个膜堆叠体中的两个额外的相邻层中，第一个额外的层为与间隔体层接触的界面层。该界面层为具有“天然”磁化的磁性层，所述“天然”磁化基本上垂直于所述层，或者在不存在与另外的层的相互作用的情况下，平行于所述界面层且基本上垂直于固定层磁化。在后一情况中，当所述界面层与另外的层磁耦合时，所述界面层的磁化变得基本上垂直于所述界面层。第二个额外的层为连接层，其在一侧上与所述界面层接触且在另一侧上与所述自由层或所述固定层接触以提供所述界面层与所述自由层或所述固定层的磁耦合来确保所述界面层的磁化基本上垂直于所述界面层。所述连接层为与所述基本上垂直的层和所述界面层分离且在所述基本上垂直的层和所述界面层中间物理生长的层。可使所述界面层的厚度足够大(例如，大于以实现大的TMR比)。

图4A显示拥有这样的额外的层的具有基本上垂直的磁化的磁性元件300的实例。自由层为具有可在两个垂直且相反的方向之间转换的基本上垂直的磁化251的层250。固定层为具有固定的垂直磁化211的层210。两个额外的层为位于自由层250和间隔体层220之间的磁性层330和340。磁性层330为具有足以提供高的磁化331的厚度的界面层，且磁性层340为与自由层250和界面层330接触以将界面层330的磁化磁拉成垂直于界面层330的连接层。

当该实例中的界面层330是独立式的(free standing)且不与另外的层磁耦合时，层330具有在界面层330的平面中的磁化331。连接层340具有提供自由层250和界面层330之间的磁耦合以确保界面层330的磁化垂直于界面层330的结构。例如，可使连接层340足够薄以实现磁耦合，其将界面磁性层的磁化从其原始的平面内方向驱赶到垂直于所述平面的最终方向。界面层330的垂直磁化加强磁性元件的总体垂直各向异性且因此使自由层250对热和磁扰动稳定。可选择连接层340以减小高磁化界面层330和自由层250的任一个或两者的阻尼。

另外，连接层340提供自由层250和界面层330之间的结构分隔或缓冲以容许自由层250和界面层330具有不同的材料结构。连接层340的该功能提供在选择用于自由层250和其它层的材料方面的灵活性以优化提升最终磁性元件300的性质。当由绝缘材料制成时，连接层340可防止自由层250的结晶性质影响由间隔体层220形成的隧道结阻挡物的结晶性。本设计消除基本上垂直的自由层250和阻挡层220之间的直接接触以避免自由层250和阻挡层220的晶体性质的相关性。因此，可设计层250和220的不同晶体性质(例如晶格类型)以提升自旋扭矩效率和TMR，而不限于由层250和220的相容性所施加的约束。作为实例，外延MgO(001)结构可用作高品质隧道结阻挡物以改善STT器件中的TMR比。连接层340还可促进诱导高极化界面层330中的所需垂直各向异性，且因此帮助基本上垂直的自由层250将高极化界面层330的磁化从平面内方向拉到基本上垂直的方向。

连接层340可由多种材料制造。一些实例包括具有比间隔体层220低的电阻-面积乘积的包括MgO的结晶材料，例如MgO/Mn、MgO/Cr、MgO/V、MgO/Ta、MgO/Pd、MgO/Pt、MgO/Ru、和MgO/Cu。无定形材料也可用于形成连接层340，例如氧化物SiO_x、AlO_x、和TiO_x。氮化物材料也可应用于形成连接层340，例如TiN、TaN、CuN、SiN_x。连接层340还可由结晶匹配材料例如Mn、Cr、W、Mo、V、Ru、Cu、Pt、Pd、Au和Ta形成。

界面磁性层330可配置成呈现高的自旋极化和低的阻尼。作为实例，当间隔体层220为MgO时，可选择用于界面层330的材料以产生高的TMR比。在沉积时，该界面层330具有平面内各向异性，且当形成多层结构时，其各向异性变得基本上垂直于所述层。例如，界面层330可包括Fe、FeCo、CoFeB以及具有高的磁化和与MgO匹配的结晶性的材料。

图4B显示在间隔体层的两侧上都具有界面层的磁性元件300′的实例。该器件300′包括具有基本上垂直的磁化251′的自由层250′、间隔体层220′、在间隔体层220′和自由层250′之间且具有基本上垂直的磁化331′的第一界面层330′、具有固定的基本上垂直的磁化211′的固定层210′、与间隔体层220′接触的第二界面层360、以及在第二界面层360和固定层210′之间的连接层370。第一界面层330′位于间隔体层220′和自由层250′之间以消除自由层250′和间隔体层220′之间的直接界面连接。界面层330′的磁化331′磁耦合至自由层250′的自由磁化251′以随着自由层250′转换。连接层370将界面层360的磁化361磁耦合至固定层210′且因此将磁化361固定。第二界面层360和连接层370位于间隔体层220′和固定层210′之间以消除固定层210′和间隔体层220′之间的直接界面连接。

图4C显示，除了具有在自由层和间隔体层之间的连接层及界面层之外，在固定层和间隔体层之间实施第二连接层和第二界面层的磁性元件300″的另一实例。如所说明的，磁性元件300″包括具有基本上垂直的磁化251′的自由层250′、非磁性间隔体层220′和具有基本上垂直的磁化211′的固定层210′。与图4A中的设计类似，在自由层250′和间隔体层220′之间，形成第一界面层230′和第一连接层240′。在固定层210′和间隔体层220′之间，形成具有高极化的第二界面层260’和具有比间隔体层220′低的电阻-面积乘积以提供第二界面层260′和固定层210′之间的耦合的第二连接层270’。

上述固定层和/或自由层中的界面层和/或连接层还可应用于具有在间隔体上方的固定层的MTJ结构体。

图5显示具有拥有至少一个具有垂直各向异性的自由层的磁性元件的阵列的示例性器件400。器件400包括形成于衬底上的磁性元件410的阵列。各磁性元件410可配置成具有基于上述图3A、3B、3C、4A、4B和4C中的设计的垂直各向异性。器件400还包括用于对单独的磁性元件410存取的逻辑电路、读取和写入线、具有隔离晶体管的电路。器件400可用于磁存储系统中。

可实施以上磁性元件设计用于基于自旋矩转移而转换自由层。图6和7描述用于基于自旋矩转移的转换的电路。

图6说明包括单位单元(unit cell)的阵列的示例性磁性器件500的一部分。各单位单元包括基于自旋转移扭矩效应的磁性元件501。标记为“位线”的导体线510通过连接至磁性元件501的一端电连接至磁性元件501以供应驱动电流540通过磁性元件501的层以在磁性元件501中实现自旋转移扭矩效应。电子隔离器件530，例如隔离晶体管，连接至磁性元件501的一侧以响应于施加至晶体管530的栅极的控制信号控制电流540。标记为“字线”的第二导体线520电连接至晶体管530的栅极以供应该控制信号。在运行中，驱动电流540流经磁性元件501中的层以在电流540大于转换阈值时改变自由层的磁化方向，所述转换阈值由磁性元件501的材料和层结构决定。磁性元件501中的自由层的转换是基于由驱动电流540单独引起的自旋转移扭矩，而不依赖于由线510和520或其它来源产生的磁场。

基于自旋转移扭矩效应的磁性元件501可以多种配置例如MTJ、自旋阀、MTJ和自旋阀的组合、两个MTJ的组合和另外的配置实施。自由层和固定层各自可为单一磁性层或者磁耦合在一起的多层的复合结构。

图7显示基于自旋转移扭矩转换运行阵列化的磁存储器件的示例性电路。各单元610串联连接至选择晶体管620，其对应于图6中的隔离器件530。如所说明的，位线选择器601、源线选择器602和字线选择器603连接至单元阵列以控制各单元的运行。

现在将参照通过ab-initio计算获得的图8至15描述额外的发明构思。如同早先的实施方式那样，以下发明构思特别针对多层磁性元件中的自由层结构，例如在用于垂直自旋转移扭矩(P-STT)结构的单或双MTJ结构体中使用的。额外的应用是对于混杂自由层实施方式(即，具有2个交换耦合在一起的子层)、或者对于具有布置在其中的连接层以吸引无定形化材料的自由层。例如，另外的好处可通过使用本发明构思提供用于平面内结构的PPMA材料以帮助减小转换电流而实现。

已公开了许多材料用于提供多层磁性元件中的自由层。例如，如先前所讨论的，具有垂直各向异性的自由层可通过由磁性材料和材料Y的交替层构成的多层提供，其中磁性材料的层通过将铁磁性材料(Ni，Fe，Co)与材料X组合而提供，其中X包括如下的至少一种：B、C、N、O、Al、Si、P、S、Ga、Ge、In和/或Sn；和其中Y包括如下的至少一种：Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au和/或Cu。在常规的多层磁性结构体中，自由层中的磁性材料的层经常包括CoFeB，因为包括B产生与MgO层的良好的晶格结构匹配。然而，不幸地，B在自由层中的存在降低垂直磁性各向异性(PMA)水平，特别是当硼太接近MgO界面时。而且由于当B紧接于MgO层时B具有其最低能态(且因此是最稳定的)，因此自由层结构中使用的B趋于迁移至MgO界面，其中其干涉Fe-O杂化且因此强烈地降低PMA。

自由层结构中填隙硼(B)的存在相对于纯铁(Fe)的使用降低PMA。图8及9a和9b说明在自由层的Fe中具有填隙B的效果。首先参照图8，示出四种结构，其中填隙B存在于自由层结构中的多种位置处。在结构1中，硼位于MgO界面处，且在结构2至4中，硼顺序地进一步远离MgO界面且更接近于自由层或自由层连接层的本体(或中心)布置。图9a和9b中提供的两个图说明所述多种结构的各向异性和相对稳定性。

如可从图9a和9b看出的，结构1(其中硼位于MgO界面处)具有最低能级且因此具有四种结构的最高相对稳定性。然而，不幸地，如在结构4中那样，当硼原子布置在自由层的中间，离MgO界面最远时，实现最大各向异性。具有布置在MgO边界附近的硼原子的结构1提供最大稳定性而且导致强的平面内(负的)各向异性。如可进一步看出的，结构2和3是不稳定的，其中结构2具有差的各向异性(强的负的各向异性)，且结构3具有仅稍正的各向异性。

然而，在结构4中，采用在自由层的中心附近布置的B原子，可获得良好的正的各向异性。另外，硼偏析分布图表明在MgO界面附近的位置(结构1)和在自由层的中间的位置(结构4)之间约30meV的能垒。该能垒，与动力学势垒一起，可容许B原子停留在自由层的中间且由此保持PMA。在这样的配置中，其中B原子位于自由层的中心附近，在自由层结构中使用B原子且仍保持良好的PMA可因此是可能的。

一种解决方案是引入钽(Ta)或另外的合适的材料(例如W、Mn、Nb、Cr、V、Ru、Cu、Pt、Pd、Au)，其连接到自由层结构中，例如通过布置在自由层的中心附近的连接层。连接层例如包括Ta的连接层的使用，可吸引B离开MgO界面且因此改善PMA水平。

根据本发明构思的原理，用一种或多种不同的无定形化剂替换B(全部或部分地)可导致具有提高的PMA的稳定的自由层结构。优选的替代无定形化剂优选具有以下属性的一个或多个，例如：(1)它们不偏析至MgO界面，而是在自由层或在自由层内部的连接层的本体/中心中偏析；或者(2)即使偏析到MgO界面，它们也不导致PMA的强烈减小或倒转。一些已被确定为具有这些属性且因此用作B的有希望的替换物的材料包括，例如，锗(Ge)、锂(Li)、铍(Be)、氢(H)、氮(N)和氟(F)气体。特别地，预计Ge的使用保持PMA，即使其紧接于MgO界面偏析。

图10、11a、11b、11c和12帮助说明在STT器件的自由层结构中用Ge代替B的好处。图10为将图8中说明的四种结构与包括Ge而不是B的类似结构相比较的示意性原子图。图11a、11b和11c提供比较图10的四种自由层结构1、2、3和4中的各向异性、稳定性、以及B和Ge的浓度的图表。图12总结在多种温度下与B结构相比较的Ge结构的改善的各向异性特性。

现在参照图10、11a、11b、11c和12，将对于在自由层结构中的使用比较B和Ge的特性。如可在图11b中看出的，B和Ge的偏析分布图是类似的，具有强烈的朝向MgO界面的趋势。因此，当它们最接近MgO边界布置时，B和Ge两者都处于其最稳定的状态。然而，如图11a中所示，接近MgO界面布置的Ge原子不像在MgO界面附近的B原子的存在那样多地使Ks(和因此的PMA)减小。如在图12中进一步显示的，与来自填隙B原子的负的PMA相反，在自由层中使用Ge可导致在多种温度下的正的PMA。因此，Ge提供用于替换自由层结构中的B的强的侯选物，因为即使其布置在MgO界面处，其也不显著损害自由层的PMA。

已对在另外的技术(即自旋阀结构体)中使用的CoFeGe结构进行的研究已显示出使用该成分的额外的好处，包括例如可控的Ms、高的MR、和非常低的阻尼。

图13、14a、14b、14c和15说明关于另外的潜在的自由层无定形化剂(包括例如Li、Be、H和F)的各向异性、稳定性和浓度特性。在图14a、14b和14c中，对于图13的多种结构-2、-1、1、2、3和4比较这些各种材料的各向异性、相对稳定性和浓度。在图13中，结构-2和-1说明其中无定形化材料X布置在MgO层内在中心(结构-2)或在界面处(结构-1)的情况。关于无定形化材料在自由层中的位置，结构1至4与图8和10中显示的先前的结构类似。

参照图13、14a、14b、14c和15，如可从这些图表和图看出的，作为无定形化剂的材料Li、Be、H和F的任意一种或多种的使用可导致正的PMA值，具有相对稳定的结构。这些材料各自因此具有作为用于在根据本发明构思的自由层结构中全部或部分地替换B的潜在替代无定形化剂的希望。

因此，根据本发明构思的一个特别的方面，用于形成STT结构体中的自由层的材料成分(composition)可包括：Co_xFe_yM_z，其中M为选自Ge、Bi、Li、Be、F、N和H的非磁性材料。所述非磁性材料M优选具有帮助形成良好的结晶取向和与MgO的匹配的性质(例如，所述材料M优选充当无定形化材料，其在沉积时是无定形的且在退火之后是结晶的)。所述材料M还优选不偏析至MgO界面，或者如果其偏析至MgO界面，其不显著损害Fe和O的杂化且因此不显著降低PMA。

根据本发明构思的另一方面，用于形成STT结构体中的自由层的材料成分可包括：MgO/Co_xFe_yM_z(连接层)Co_xFe_yM_z/MgO，其中M在退火期间被吸引至所述连接层。所述连接层可例如包括钽(Ta)。通过提供连接层以吸引材料M，这可防止M朝向MgO界面迁移且因此保持PMA。

根据本发明构思的还一方面，用于形成STT结构体中的自由层的材料可包括：Co_xFe_yM_z的坡度成分，其中z在自由层中改变。例如，M的最大浓度(即提高的z)可布置在所述自由层的中心附近且可朝向MgO界面降低。这可例如使用共溅射或其它合适的技术实现。例如，对于气体如H和F，可使用反应性溅射技术。

图16为显示根据本发明构思的实施方式的存储卡5000的框图。

参照图16，控制器510和存储器520可布置在存储卡5000中以交换电信号。例如，当控制器510发出指令时，存储器520可传输数据。存储器520可包括根据上述示例性实施方式的任一个的磁性器件。根据本发明构思的各种示例性实施方式的磁性器件可以具有对应于本发明构思所属的技术领域公知的相应逻辑门设计的多种形状的构架存储器阵列(未示出)布置。其中布置多个行和列的存储器阵列可形成一个或多个存储器阵列体(bank)(未示出)。存储器520可包括存储器阵列(未示出)或存储器阵列体(bank)(未示出)。此外，存储卡5000可进一步包括典型的行解码器(未示出)、列解码器(未示出)、I/O缓冲器(未示出)、和/或控制寄存器(未示出)以驱动上述存储器阵列体(未示出)。存储卡5000可用于多种存储卡例如存储棒卡、智能媒体(SM)卡、安全数字(SD)卡、或多媒体卡(MMC)。

图17为显示根据本发明构思的实施方式的系统6000的框图。

参照图17，系统6000可包括控制器610、输入/输出(I/O)单元620、存储单元630和界面单元640。系统6000可为移动系统或者用于传输或接收信息的系统。所述移动系统可为PDA、便携式计算机、网络平板(web tablet)、无线电话、移动电话、智能电话、数字音乐播放器、或存储卡。控制器610可执行程序和控制系统6000。控制器610可为例如微处理器、数字信号处理器、微控制器、或与其类似的器件。I/O单元620可用于输入或输出系统6000的数据。系统6000可通过使用I/O单元620连接至外部装置例如个人计算机或网络而与所述外部装置交换数据。I/O单元620可为例如键区、键盘、或显示器。存储器630可存储用于控制器610的运行的编码和/或数据和/或存储通过控制器610处理的数据。存储器630可包括根据上述示例性实施方式的任一种的磁存储器件或存储元件。界面单元640可为在系统6000和外部装置之间的数据传输途径。控制器610、I/O单元620、存储单元630和界面单元640可通过信息转移通路(总线，bus)650彼此通信。例如，系统6000可用于移动电话、MP3播放器、导航、便携式多媒体播放器(PMP)、固态硬盘(SSD)、或家用电器。

在整个说明书中，在一个实施方式中显示的特征可引入在本发明构思的精神和范围内的其它实施方式中。

遍及本说明书提到“一个实施方式”或“实施方式”意指在本发明的至少一个实施方式中包括关于所述实施方式描述的特定特征、结构、或特性。因此，短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”在遍及本说明书的多个地方中的出现不一定全部是指相同的实施方式。而且，在一个或多个实施方式中可将特定的特征、结构或特性以合适的方式组合。

尽管本文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明或所要求保护的内容的限制，而是应被解释为对本发明的具体实施方式所特有的特征的描述。在本文件中在分别的实施方式的范围中描述的一些特征也可在单一实施方式中组合实施。相反，在单一实施方式的范围中描述的多个特征也可分别在多个实施方式中分别地或者以任何合适的子组合实施。而且，尽管特征可在上面描述为在一些实施方式中起作用且可甚至最初被像这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征可在一些情况下从所述组合删去，且所要求保护的组合可指向子组合或子组合的变型。

还应注意，尽管附图可在一些情况下显示对于邻近磁性层布置的界面层的明显(不同)磁化，但是当存在邻近磁性层的界面层时，这二者可强烈地耦合且将表现为单一转换元件。另外，当磁性层(固定的或自由的)与界面层一起实施时，该界面层可有效地变成其所邻近的固定或自由层的一部分，且可因此被认作两部分自由或固定层(例如，“自由层部分A+自由层部分B”或“固定层部分A+固定层部分B”)，如与自由/固定层加单独的界面层相反的。

另外，尽管在本文中公开了仅一些实施，但是可进行关于所描述的实施的变型和提升，且基于在本文件中描述和说明的内容，另外的实施将被本领域技术人员理解。因此，本发明构思不应解释为限于本文中公开的具体实施方式。

Claims (21)

1.用于形成磁性器件的自由层的材料成分，所述材料成分包括：

Co_xFe_yM_z，其中M为充当无定形化剂以帮助所述自由层的结晶取向与所述磁性器件的MgO界面匹配的非磁性材料，和

其中M不偏析至MgO界面，

其中M选自：Ge、Bi、Li、Be、F、N和H。

2.根据权利要求1的材料成分，其中M包括Ge。

3.根据权利要求1的材料成分，其中所述磁性器件包括单MTJ结构体。

4.根据权利要求1的材料成分，其中所述磁性器件包括双MTJ结构体。

5.根据权利要求1的材料成分，其中所述自由层包括具有两个或更多个彼此交换耦合的子层的混杂自由层。

6.根据权利要求1的材料成分，其中所述成分包括其中所述非磁性材料M的浓度z在所述自由层内改变的坡度成分，其中所述浓度z朝向所述自由层的中心最高且朝向MgO界面较低。

7.根据权利要求1的材料成分，其中所述材料成分用作用于平面内磁性器件的PMA材料。

8.根据权利要求1的材料成分，其中所述自由层进一步包括连接层，所述连接层布置在所述自由层的中心附近且配置成将所述非磁性材料M吸引离开MgO界面。

9.根据权利要求8的材料成分，其中所述连接层包括Ta。

10.STT结构体中的自由层，包括：

紧接于自由层结构布置的MgO界面，所述自由层结构包括：

包括Co_xFe_yM_z的材料成分；和

布置在所述Co_xFe_yM_z的材料成分内的连接层，

其中M为充当无定形化剂以帮助形成良好的结晶取向和与MgO界面的匹配的非磁性材料，和

其中M在退火期间被吸引至所述连接层，

其中M选自：Ge、Bi、Li、Be、F、N和H。

11.根据权利要求10的自由层，其中所述连接层包括Ta。

12.根据权利要求10的自由层，其中所述连接层布置在所述自由层的中心附近。

13.根据权利要求10的自由层，其中所述非磁性材料M包括B。

14.根据权利要求10的自由层，其中所述材料成分包括Co_xFe_yM_z的坡度成分，其中z在所述自由层中改变，其中z朝向所述自由层的中心最高且朝向MgO界面较低。

15.磁性元件，包括：

固定层，其具有固定在基本上垂直于所述固定层的方向上的固定层磁化；

自由层，其与所述固定层平行并且具有基本上垂直于所述自由层且相对于所述固定层磁化能改变的自由层磁化；和

MgO层，其提供所述MgO层和所述自由层之间的MgO界面，

其中所述自由层包括材料成分，所述材料成分包括：

Co_xFe_yM_z，其中M为充当无定形化剂以帮助形成良好的结晶取向和与STT器件的MgO界面的匹配的非磁性材料，和

其中M不偏析至MgO界面，

其中M选自：Ge、Bi、Li、Be、F、N和H。

16.根据权利要求15的磁性元件，其中STT磁性元件包括单MTJ结构体。

17.根据权利要求15的磁性元件，其中STT磁性元件包括双MTJ结构体。

18.根据权利要求15的磁性元件，其中所述自由层包括具有两个或更多个彼此交换耦合的子层的混杂自由层。

19.根据权利要求15的磁性元件，其中所述材料成分包括其中所述非磁性材料M的浓度z在所述自由层内改变的坡度成分，其中所述非磁性材料M的浓度z朝向所述自由层的中心最高且朝向MgO界面较低。

20.根据权利要求15的磁性元件，其中所述材料成分用作用于平面内磁性器件的PMA材料。

21.根据权利要求15的磁性元件，其中所述自由层进一步包括连接层，所述连接层布置在所述自由层的中心附近且配置成将所述非磁性材料M吸引离开MgO界面。