CN105762274B - 用于提供包括无Co自由层的磁结的方法和系统 - Google Patents

用于提供包括无Co自由层的磁结的方法和系统 Download PDF

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Abstract

公开了用于提供包括无Co自由层的磁结的方法和系统。描述了可用于磁装置的磁结以及用于提供磁结的方法。磁结包括自由层、非磁隔离层和参考层。自由层包括Fe和至少一种Fe合金中的至少一种。此外，自由层不包括Co。非磁隔离层与自由层邻接。非磁隔离层驻留在参考层和自由层之间。构造磁结使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定磁状态之间是可切换的。

Description

用于提供包括无Co自由层的磁结的方法和系统
本申请要求在2015年1月5日提交的题为PURE FE FREE LAYER(纯铁自由层)的第62/099,870号临时专利申请序列号的权益以及在2015年12月21日提交的第14/977,094号美国非临时申请的权益，所述专利申请分配给本申请的受让人，并且通过引用包含于此。
技术领域
本申请公开了一种用于提供包括无Co自由层的磁结的方法和系统。
背景技术
磁存储器(特别是磁随机存取存储器(MRAM))由于其在操作期间的高读/写速度、优异的耐力、非易失性和低功耗的潜能，已经受到越来越多的关注。MRAM可以利用磁材料作为信息记录介质来存储信息。一种MRAM是自旋转移力矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用至少部分地被通过磁结驱动的电流写入的磁结。通过磁结驱动的自旋极化电流在磁结中对磁矩施加自旋力矩。结果，响应于自旋力矩的具有磁矩的层可以切换至预期的状态。
例如，图1示出可以用于传统的STT-MRAM中的传统的磁隧道结(MTJ)10。传统的MTJ10通常位于基板12上。可以使用底接触14和顶接触22以通过传统的MTJ 10来驱动电流。传统的MTJ使用传统的种子层(未示出)，传统的MTJ可以包括覆盖层(未示出)并且可以包括传统的反铁磁(AFM)层(未示出)。传统的磁结10包括传统的参考层16、传统的隧道势垒层18和传统的自由层20。另外示出了顶接触22。传统的接触14和22被用于在电流垂直于平面(CPP)方向上驱动电流，或者沿如图1中所示的z轴驱动电流。通常，传统的参考层16最靠近层16、18和20的基板12。
传统的参考层16和传统的自由层20是磁性的。例如，传统的自由层20通常至少包括具有期望化学计量的CoFeB层。其他磁层和非磁层可以是传统的自由层20的一部分。传统的参考层16的磁化作用17在特定的方向上被固定或钉扎。尽管示出为单(单一)层，但是传统的参考层16可以包括多层。例如，传统的参考层16可以是包括通过诸如Ru的薄导电层而反铁磁地结合的磁层的合成反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中，可以使用与Ru的薄层交错的多个磁层。在另一个实施例中，与Ru层交叉的耦合可以是铁磁的。
传统的自由层20具有可变磁化作用21。尽管示出为单层，但是传统的自由层20也可以包括多层。例如，传统的自由层20可以是包括通过诸如Ru的薄导电层而反铁磁地或铁磁地结合的磁层的合成层。尽管示出为垂直于平面，但是传统的自由层20的磁化作用21可以在平面内。因此，参考层16和自由层20可以具有分别垂直于层的平面来定位的磁化作用17和21。
由于其用在各种应用中的潜力，所以不断对磁存储器进行研究以改善STT-RAM的性能。例如，为了获得垂直的磁矩17和21，已经提出了各种结构。然而，这样的结构会遭受更高的阻尼(这会增加所需的切换电流)、减小信号的较低的磁阻和/或其他问题。因此，需要可以改善自旋转移力矩类存储器的性能的方法和系统。这里描述的方法和系统满足这样的需要。
发明内容
描述了可用在磁装置中的磁结以及用于提供磁结的方法。磁结包括自由层、非磁间隔层和参考层。自由层包括Fe和至少一种Fe合金中的至少一种。此外，自由层不包括Co。非磁间隔层与自由层邻接。非磁间隔层位于参考层和自由层之间。磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的。
附图说明
图1示出传统的磁结。
图2示出无Co自由层的示例性实施例。
图3示出无Co自由层的另一示例性实施例。
图4示出无Co自由层的另一示例性实施例。
图5示出无Co自由层的另一示例性实施例。
图6示出无Co自由层的另一示例性实施例。
图7示出无Co自由层的另一示例性实施例。
图8示出无Co自由层的另一示例性实施例。
图9示出包括无Co自由层的磁结的示例性实施例，磁结可用在利用自旋转移力矩可编程的磁存储器中。
图10示出包括无Co自由层的磁结的另一示例性实施例，磁结可用在利用自旋转移力矩可编程的磁存储器中。
图11示出包括无Co自由层的磁结的另一示例性实施例，磁结可用在利用自旋转移力矩可编程的磁存储器中。
图12示出在存储单元的记忆元件中利用包括无Co自由层的磁结的存储器的示例性实施例。
图13是示出用于提供包括可用在利用自旋转移力矩可编程的磁存储器中的至少一个赫斯勒(Heusler)多层的磁结的方法的示例性实施例的流程图。
具体实施方式
示例性实施例涉及可用于诸如磁存储器的磁装置中的磁结，以及使用这样磁结的装置。磁存储器可以包括自旋转移力矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)并且可以用于使用非易失性存储器的电子装置中。这样的电子装置包括但不限于蜂窝式电话、智能手机、台式计算机、膝上型计算机以及其他便携式和非便携式计算装置。呈现下面的描述以使本领域普通技术人员能够实现并使用本发明，在专利申请及其权利要求的上下文中提供下面的描述。对示例性实施例的各种修改以及在此描述的一般原则和特征将是显而易见的。就具体实施方式中提供的具体方法和系统而言，对示例性实施例进行主要描述。然而，方法和系统将以其他实施方式进行有效地操作。诸如“示例性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的短语可以指相同或者不同的实施例以及多个实施例。将针对具有某些组件的系统和/或装置对实施例进行描述。然而，系统和/或装置可以包括比所示组件多或少的组件，在不脱离本发明范围的情况下，可以变化组件的布置和类型。也将在具有某些步骤的具体方法的上下文中对示例性实施例进行描述。然而，所述方法和系统可以对具有不同的步骤和/或附加的步骤的其他方法以及与示例性实施例不一致的不同顺序的步骤进行有效地操作。因此，本发明不意图限制于所示的实施例，但要符合的是最大范围与在此描述的原则和特征一致。
在具体方法、磁结和具有某些组件的磁存储器的背景下对示例性实施例进行描述。本领域普通技术人员将显而易见的是，本发明与具有与本发明不一致的其他组件和/或附加组件和/或其他特征的磁结和磁存储器的使用一致。也在目前理解的磁各向异性的自旋转移现象和其他物理现象的背景下对方法和系统进行描述。因此，本领域普通技术人员将显而易见的是，方法和系统的行为的原理解释是基于对自旋转移、磁各向异性和其他物理现象的该当前理解做出的。然而，在此描述的方法和系统不依赖于具体的物理解释。在与基板具有特定关系的结构的背景下对方法和系统进行描述。然而，本领域普通技术人员将显而易见的是，方法和系统与其他结构一致。另外，在作为合成和/或单的某些层的背景下对方法和系统进行描述。然而，本领域普通技术人员将容易意识到的是，层可以具有另一结构。此外，在具有特定层的磁结和/或结构的上下文中对方法和系统进行描述。然而，本领域普通技术人员将容易意识到的是，也可以使用具有与方法和系统不一致的附加的层和/或不同的层的磁结和/或结构。而且，某些组件被描述为是磁的、铁磁的和亚铁磁的。如这里使用的，术语磁的可以包括铁磁的、亚铁磁的等的结构。因此，如这里使用的，术语“磁的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。如这里使用的，“面内”大致在磁结的一个或更多个层的平面内，或者平行于所述平面。相反地，“垂直”和“垂直于平面”与大致与磁结的一个或更多个层垂直的方向对应。
描述了可用于磁装置的磁结和用于设置磁结的方法。磁结包括自由层、非磁间隔层和参考层。自由层包括Fe和至少一种Fe合金中的至少一种。此外，自由层不包括Co。非磁间隔层与自由层邻接。非磁间隔层位于参考层和自由层之间。构造磁结使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的。
图2示出无Co自由层100的示例性实施例。为了清晰起见，图2不是按比例绘制的。也示出了层102和104。如果自由层100位于其中使用自由层100的磁结的底部，那么层102可以是种子层。换句话说，如果自由层100比参考层靠近于基板，那么层102可以是诸如MgO的种子层。在这样的实施例中，层104是用于磁结的非磁间隔层。例如，层104可以是晶体MgO非磁间隔层。如果自由层100位于其中使用自由层100的磁结的顶部，那么层104可以是覆盖层。换句话说，如果自由层100比参考层远离基板，那么层104可以是诸如MgO的覆盖层。在这样的实施例中，层102是用于磁结的非磁间隔层。例如，层102可以是晶体MgO非磁间隔层。如果自由层100位于双磁结的中心，那么层102和104可以是非磁间隔层。在这样的实施例中，层102和104可以是MgO隧道势垒层。
自由层100具有磁矩103并且以纯Fe层和/或一个或更多个Fe合金层的形式包括Fe。然而，自由层100无Co。诸如CoFeB的Co基合金以及纯Co层不存在于自由层100中。因此，在一些实施例中，自由层100中仅有的磁元素为Fe。此外，在一些实施例中，自由层100不具有非磁插入层。在这样的实施例中，自由层100由Fe层和/或Fe合金层组成。自由层100可以仅包括Fe层和/或Fe1-xBx层，其中，x至少为0.2并且不大于0.5。此外，在自由层100中的不同合金层之间x可以变化。例如，自由层100可以包括名义上二十原子百分数B的FeB层和名义上四十原子百分数B的另一种FeB层。如在此使用的，FeB表示具有在上述范围内的化学计量的Fe和B的合金。在一些这样的实施例中，自由层100具有至少十埃并且不大于二十五埃的厚度。在一些这样的实施例中，自由层至少为十二埃并且不大于十八埃厚。在一些这样的实施例中，自由层100具有至少十五埃并且不大于二十埃的厚度。另外，自由层100的垂直磁各向异性能(perpendicular magnetic anisotropy energy)超过其平面外(out-of-plane)退磁能。因此，自由层100的磁矩可以垂直于平面。自由层100可以具有二十五埃或更小数量级的最大厚度以确保自由层磁矩103垂直于平面。自由层100位于其中的磁结也被构造成，使得当写入电流经过磁结时自由层100在稳定的磁状态之间是可切换的。
自由层100可以允许其用在磁结中以具有改善的性能。对于自由层100，使用Fe基材料。另外，如上所述，自由层100可以不具有诸如W或Ta的插入层，并且不具有Co。结果，自由层100可以具有低阻尼常数。在一些实施例中，阻尼常数可以低至0.005或更少。在一些这样的实施例中，用于自由层100的阻尼常数可以为0.002数量级。由于低阻尼常数，所以可以减小用于自旋转移力矩(STT)切换的切换电流。由于自由层100是如上所述的Fe基，所以自由层100可以具有高饱和磁化(Ms)。高Ms也可以有助于减小用于STT切换的切换电流。另外，自由层100具有高垂直磁各向异性。例如，磁各向异性可以与至少五百Oe并且不大于八千Oe数量级的磁场对应。然而，其他各向异性是可能的。自由层100的垂直磁各向异性能超过平面外退磁能。因此，自由层100的磁矩可以稳定地垂直于自由层100的平面。另外，使用自由层100和层102和/或104作为隧道势垒层的磁结可以具有高隧道磁阻(TMR)。因此，可以改善磁结的性能，尤其是用于STT切换。
图3示出无Co自由层110的示例性实施例。为了清晰起见，图3不是按比例绘制的。自由层110可以用作图2中所示的自由层100。因此，可以存在与层102和104类似的层，但为了简单起见，没有示出这些层。自由层110可以被视为自由层100的具体实施例。
自由层110包括Fe1-xBx层112和纯Fe层114。层112与层114邻接或者共享界面。对于Fe1-xBx层112，x至少为0.2并且不大于0.5。在一些实施例中，x名义上为0.4。在一些这样的实施例中，Fe1-xBx层112具有至少为十埃并且不大于二十五埃的厚度t1。在一些这样的实施例中，Fe1-xBx层112至少为十二埃并且不大于十八埃厚。在一些这样的实施例中，Fe1-xBx层112具有至少十五埃的厚度并且不大于二十埃。
Fe层114可以比Fe1-xBx层112显著地薄。例如，Fe层114可以具有不超过五埃的厚度t2。在一些实施例中，Fe层114可以不大于三埃厚并且大于零埃厚。例如，Fe层114可以至少为二埃厚并且不大于三埃厚。因此，Fe层114可以被视为位于Fe1-xBx层112上的Fe的粉尘。因此，自由层110的总厚度t与Fe1-xBx层112的厚度非常近似。另外，自由层110的垂直磁各向异性能超过其平面外退磁能。因此，自由层110的磁矩可以垂直于平面。另外，自由层110可以具有二十五埃或更小数量级的最大厚度以确保自由层磁矩垂直于平面。自由层110位于其中的磁结也被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层110在稳定的磁状态之间是可切换的。因此，自由层110由Fe1-xBx层112和Fe层114组成。不使用非磁插入层、Co层和Co基合金。
自由层110可以改善其中使用自由层110的磁结的性能。对于自由层110，使用纯Fe层114和CoFeB层112。自由层110不具有诸如W或Ta的插入层，并且不具有Co。结果，自由层110可以具有低阻尼常数和用于STT切换的切换电流。自由层110也可以具有高Ms，再次减小用于STT切换的切换电流。另外，自由层110具有高垂直磁各向异性，尤其在MgO层邻接自由层110的情况下。此外，使用自由层110的磁结可以具有高TMR。因此，可以改善磁结的性能(特别地对于STT切换)。
图4示出无Co自由层110’的示例性实施例。为了清晰起见，图4不是按比例绘制的。自由层110’可以用作图2中所示的自由层100。因此，可以存在与层102和104类似的层，但为了简单起见，没有示出这些层。自由层110’可以被视为自由层100的具体实施例。自由层110’也类似于自由层110。因此，自由层110’包括具有厚度t1的层112和具有厚度t2的层114，自由层110’的厚度与自由层110的厚度类似，厚度t1与层112的厚度类似，厚度t2与层114的厚度类似。然而，在图4所示的实施例中Fe层114比FeB层112靠近基板。
因此，自由层110’由Fe1-xBx层112和Fe层114组成。层112与层114邻接或者共享界面。因此，自由层110’共享自由层100和/或110的效益。因此，使用自由层110’的磁结可以具有高垂直各向异性、低阻尼和高TMR。
图5示出无Co自由层110”的示例性实施例。为了清晰起见，图5不是按比例绘制的。自由层110”可以用作图2中所示的自由层100。因此，可以存在与层102和104类似的层，但为了简单起见，没有示出这些层。另外，自由层110”可以被视为自由层100的具体实施例。自由层110”也可以与自由层110和110’类似。因此，自由层110”包括具有厚度t1的层112和具有厚度t2的层114，自由层110”的厚度与自由层110的厚度类似，厚度t1与层112的厚度类似，厚度t2与层114的厚度类似。
另外，自由层110”包括Fe层118。Fe层118类似于Fe层114，因此，Fe层118可以具有相同范围内的厚度。Fe层118的厚度可以但不需要与Fe层114的厚度相同。层112和114邻接，共享界面，并且层112和118邻接，共享界面。因此，自由层110”由与Fe层114和Fe层118共享界面并被Fe层114和Fe层118夹在中间的Fe1-xBx层112组成。
自由层110”共享自由层100、110和/或110’的效益。因此，当自由层110”用于磁结中时，自由层110”可以具有高垂直各向异性、导致低自旋转移切换电流的低阻尼以及高TMR。
图6示出无Co自由层120的示例性实施例。为了清晰起见，图6不是按比例绘制的。自由层120可以用作图2中所示的自由层100。因此，可以存在与层102和104类似的层，但为了简单起见，没有示出这些层。自由层120可以被视为自由层100的具体实施例。自由层120也可以与自由层110、110’和110”类似。因此，类似的组件具有相似的标号。
自由层120包括类似于上述层112的Fe1-xBx层122和类似于上述层114的纯Fe层124。Fe1-xBx层122与Fe层124邻接或者共享界面。对于Fe1-xBx层122，x至少为0.2并且不大于0.5。在一些实施例中，x名义上为0.4。在一些这样的实施例中，Fe1-xBx层122具有至少为十埃并且不大于二十五埃的厚度t1。在一些这样的实施例中，Fe1-xBx层122至少为十二埃并且不大于十八埃厚。在一些这样的实施例中，Fe1-xBx层122具有至少十五埃的厚度并且不大于二十埃。
Fe层124可以比Fe1-xBx层122明显地薄。例如，Fe层124可以具有不超过五埃的厚度t2。在一些实施例中，Fe层124可以不大于三埃厚并且大于零埃厚。例如，Fe层124可以至少为二埃厚并且不大于三埃厚。因此，Fe层124可以被视为位于Fe1-xBx层122上的Fe粉尘。
自由层120也包括与上述层112和122类似的Fe1-yBy层126。Fe1-yBy层126与Fe层124和Fe1-xBx层122邻接或共享界面。Fe1-yBy层126的厚度和化学计量范围与Fe1-xBx层122的厚度和化学计量范围类似。尽管这是可能的，但是化学计量可以但无需匹配层122和126。例如，Fe1-yBy层126可以具有名义上百分之四十B，然而Fe1-xBx层122可以名义上具有二十原子百分数B。在一些实施例中，较高的Fe浓度层可以靠近于基板。然而，在其他实施例中可以存在具有上述范围内的不同化学计量的FeB层122和126。相似地，Fe1-yBy层126的厚度t3可以但无需等于Fe1-xBx层122的厚度。
自由层120的垂直磁各向异性能超过其平面外退磁能。因此，自由层120的磁矩可以垂直于平面。自由层120可以具有二十五埃或更小数量级的最大厚度以确保自由层磁矩垂直于平面。自由层120位于其中的磁结也被构造成，使得当写入电流经过磁结时自由层120在稳定的磁状态之间是可切换的。因此，自由层120由Fe1-xBx层122和Fe层124以及Fe1-yBy层126组成。不使用非磁插入层、Co层和Co基合金。
自由层120可以允许其中使用自由层120的磁结具有改善的性能。对于自由层120，使用纯Fe层123以及CoFeB层122和126。自由层120不具有诸如W或Ta的插入层，并且不具有Co。结果，自由层120可以具有较低的阻尼常数和用于STT切换的切换电流。自由层120也可以具有高Ms，再次减小用于STT切换的切换电流。另外，自由层120具有高垂直磁各向异性，尤其在MgO层邻接自由层120的情况下。此外，使用自由层120的磁结可以具有高TMR。因此，可以改善磁结的性能，尤其对于STT切换而言。
图7示出无Co自由层120’的示例性实施例。为了清晰起见，图7不是按比例绘制的。自由层120’可以用作图2中所示的自由层100。因此，可以存在与层102和104类似的层，但为了简单起见，没有示出这些层。自由层120’可以被视为自由层100的具体实施例。自由层120’也与自由层120类似。因此，自由层120’包括具有厚度t1的层122、具有厚度t2的层124和具有厚度t3的层126，自由层120’的厚度与自由层120的厚度类似，厚度t1与层122的厚度类似，厚度t2与层124的厚度类似，厚度t3与层126的厚度类似。然而，在图7中所示的实施例中Fe层124比FeB层122和126靠近于基板。
因此，自由层120’由Fe1-xBx层122、Fe1-yBy层126和Fe层124组成。层122与层124邻接或共享界面。相似地，FeB层122与FeB层126邻接。因此，自由层120’共享自由层100、110、110’、110”和/或120的效益。因此，包括自由层120’的磁结可以具有高垂直各向异性、低阻尼、低切换电流和高TMR。
图8示出无Co自由层120”的示例性实施例。为了清晰起见，图8不是按比例绘制的。自由层120”可以用作图2中所示的自由层100。因此，可以存在与层102和104类似的层，但为了简单起见，没有示出这些层。另外，自由层120”可以被视为自由层100的具体实施例。自由层120”也与自由层120和120’类似。因此，自由层120”包括具有厚度t1的层122、具有厚度t2的层124和具有厚度t3的层126，自由层120”的厚度与自由层120的厚度类似，厚度t1与层122的厚度类似，厚度t2与层124的厚度类似，厚度t3与层126的厚度类似。
另外，自由层120”包括Fe层128。Fe层128与Fe层124类似，因此，Fe层128可以具有相同范围内的厚度t4。Fe层128的厚度可以但不需要与Fe层124的厚度相同。层122和124、层122和126以及层126和128邻接，共享界面。因此，自由层120”由Fe1-xBx层122、Fe1-yBy层126以及Fe层124和128组成。
自由层120”共享自由层100、120和/或120’的效益。因此，当自由层120”用于磁结中时，自由层120”可以具有高垂直各向异性、导致低自旋转移切换电流的低阻尼以及高TMR。
图9示出磁结200的示例性实施例，磁结200可用于利用自旋转移可编程的磁存储器中并且包括自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”。为了清晰起见，图9不是按比例绘制的。磁结200可以用于诸如STT-RAM的磁装置中，因此，可以用于各种电子装置中。磁结200包括具有磁矩211的自由层210、非磁间隔层220和具有磁矩231的参考层230。也示出了其中形成有包括但不限于晶体管的器件的底层基板201。也示出了底接触202、顶接触208、可选的种子层204和可选的覆盖层206。
如图9中可见，参考层230更靠近磁结200的顶部(距离基板201最远)。然而，在其他实施例中，参考层230可以比自由层210靠近基板201。可选的钉扎层(未示出)可以用于固定参考层230的磁化(未示出)。在一些实施例中，可选的钉扎层可以是通过交换偏压相互作用(exchange-bias interaction)来钉扎参考层230的磁化作用(未示出)的多层或者AFM层。然而，在其他实施例中，可以省略可选的钉扎层或者可以使用另一结构。
磁结200也被构造成当写入电流经过磁结200时允许自由层210在稳定的磁状态之间切换。因此，自由层210利用自旋转移力矩可切换。在一些实施例中，仅使用STT来实现切换。然而，在其他实施例中，包括但不限于自旋轨道力矩和/或施加的场的其他机制也可以有助于切换。
除接触202和206以及基板201之外，示出种子层204和覆盖层206。自由层210比参考层230靠近基板201并且生长在种子层204上。因此，种子层204可以是晶体MgO以改善自由层210的垂直各向异性。因此，种子层204可以类似于上述层102。
非磁间隔层220可以是MgO隧道势垒层。MgO层可以具有用于增强的隧道磁阻(TMR)的200取向。然而，在其他实施例中，非磁间隔层220可以是诸如Cu的导体，或者是另一种绝缘隧道势垒层。也可能是诸如绝缘矩阵中导电通道的其他构造。
参考层230和自由层210是磁的。在示出的实施例中，自由层210的垂直磁各向异性能超过其平面外退磁能。相似地，参考层230的垂直磁各向异性能超过其平面外退磁能。因此，自由层210的易磁化轴(easy axis)211和参考层230的磁矩231被示为垂直于平面(沿z方向)。在其他实施例中，层210和230中的一个或二者可以在平面内。
参考层230可以是多层。例如，参考层230可以是包括与非磁层交错的多个铁磁层的SAF。在这样的实施例中，铁磁层的磁矩可以反平行对齐。每个铁磁层也可以包括具有但不限于多个铁磁层的子层。在其他实施例中，参考层230可以是另一多层。此外，具有高自旋极化的极化增强层(PEL)222和/或其他层设置在参考层230和非磁间隔层220之间。在一些实施例中，PEL(未示出)可以位于自由层210和非磁间隔层220之间。例如，PEL 222可以包括CoFeB层。然而，在所示的实施例中，自由层210与非磁间隔层220共享界面。
自由层210是自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”。因此，自由层210可以由Fe层和Fe合金层组成。可以省略非磁插入层和含Co层。结果，磁结200可以享有自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”的效益。包括自由层210的磁结200可以具有高垂直各向异性、导致低自旋转移切换电流的低阻尼以及高TMR。因此，可以实现具有期望的磁取向、期望的信号和用于STT切换的适度切换电流的磁结200。
图10示出磁结200’的示例性实施例，磁结200’可用于利用自旋转移编程的磁存储器中并且使用自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”。为了清晰起见，图10不是按比例绘制的。磁结200’可以用于诸如STT-RAM的磁装置中，因此，可以用于各种电子装置中。磁结200’类似于磁结200。结果，相似的组件具有相似的标号。磁结200’包括与图9中示出的具有磁矩211的自由层210类似的具有磁矩211的自由层210、与图9中示出的非磁间隔层220类似的非磁间隔层220和与图9中示出的具有磁矩231的参考层230类似的具有磁矩231的参考层230。也示出了与图9中示出的基板201类似的底层基板201、与图9中示出的底接触202类似的底接触202、与图9中示出的顶接触208类似的顶接触208、与图9中示出的可选的种子层204类似的可选的种子层204、与图9中示出的可选的覆盖层206类似的可选的覆盖层206和与图9中示出的可选的PEL 222类似的可选的PEL 222。
磁结200’也被构造成当写入电流经过磁结200’时允许自由层210在稳定的磁状态之间切换。因此，自由层210利用自旋转移力矩可切换。在一些实施例中，仅使用STT来实现切换。然而，在其他实施例中，包括但不限于自旋轨道力矩和/或施加的场的其他机制也可以有助于切换。
如图10中可见，现在参考层230比自由层210靠近基板201。因此，非磁间隔层220设置在参考层230上。参考层230和自由层210是磁的并且与磁结200中的参考层230和自由层210类似。在所示的实施例中，参考层230的垂直磁各向异性能超过其平面外退磁能。相似地，自由层210的垂直磁各向异性能超过其平面外退磁能。因此，自由层210的易磁化轴211和参考层230的磁矩231被示为垂直于平面(沿z方向)。在其他实施例中，层210和230中的一个或二者可以在平面内。自由层210是自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”。在所示的实施例中，覆盖层206’可以是与图2中示出的层104类似的MgO覆盖层。这样的MgO覆盖层可以改善自由层210的性能，例如，通过增强自由层210的垂直磁各向异性。
磁结200’可以享有自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”以及磁结200的效益。因此，可以实现具有期望的磁取向、PMA构造、磁阻和用于STT切换的适度切换电流的磁结200’。
图11示出磁结200”的示例性实施例，磁结200”可用于利用自旋转移可编程的磁存储器中并且包括自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”。为了清晰起见，图11不是按比例绘制的。为了简单，也未示出基板。磁结200”可以用于诸如STT-RAM的磁装置中，因此，可以用于各种电子装置中。磁结200”类似于磁结200和/或200’。结果，相似的组件具有相似的标号。磁结200”包括与图9、图10中示出的具有磁矩211的自由层210类似的具有磁矩211的自由层210、与图9、图10中示出的非磁间隔层220类似的非磁间隔层220和与图9、图10中示出的具有磁矩231的参考层230类似的参考层230。也示出了与图9、图10中示出的基板201类似的底层基板201、与图9、图10中示出的底接触202类似的底接触202、与图9、图10中示出的顶接触208类似的顶接触208、与图9、图10中示出的可选的种子层204类似的可选的种子层204、与图9、图10中示出的可选的覆盖层206类似的可选的覆盖层206和与图9、图10中示出的PEL类似的可选的PEL 222。
磁结200”也被构造成当写入电流经过磁结200”时允许自由层210在稳定的磁状态之间切换。因此，自由层210利用自旋转移力矩可切换。在一些实施例中，仅使用STT来实现切换。然而，在其他实施例中，包括但不限于自旋轨道力矩和/或施加的场的其他机制也可以有助于切换。
如图11中可见，磁结200”是双磁结。因此，磁结200”也包括与层220类似的附加的非磁间隔层240和与层230/230’类似的附加的参考层250。在所示的实施例中，参考层230和250的磁矩231和251反平行对齐(在双状态下)。然而，在其他实施例或另一构造中，磁矩231和251可以呈反双状态(平行)。非磁间隔层240可以是导体、诸如晶体MgO的绝缘隧道势垒层或者可以具有另一结构。在一些实施例中，间隔层220和240是晶体MgO。这样的间隔层220和240可以不仅允许增大的TMR，而且允许自由层210的增强的垂直磁各向异性。参考层230和250的垂直磁各向异性能超过其平面外退磁能。因此，参考层230和250的磁矩是垂直于平面的。在其他实施例中，参考层230和/或250的磁矩可以在平面内。参考层250也可以是SAF。尽管未示出，但是可选的PEL可以被包括在间隔层240和参考层250之间。
自由层210是自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”。磁结200”可以享有自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”以及磁结200的效益。因此，可以实现具有期望的磁取向、PMA构造、磁阻和用于STT切换的适度切换电流的磁结200”。
自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”以及磁结200、200’和/或200”的各种构造受到关注。本领域普通技术人员将认识到的是，可以将自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”以及磁结200、200’和/或200”的具体特征结合。例如，自由层210可以包括多个重复的图3、图4中示出的双层112/114和/或多个重复的图6、图7中示出的三层122/124/126。然而，在这样的实施例中，可以调整层112、114、122、124和/或126的厚度使得自由层210的总厚度保持足够小以使自由层的垂直磁各向异性保持高。
图12示出可以使用磁结200、200’和/或200”以及自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”中的一个或更多个的存储器300的示例性实施例。磁存储器300包括读/写列选择驱动器302和306以及字线选择驱动器304。注意的是，可以设置其他和/或不同的组件。存储器300的存储区包括磁存储单元310。每个磁存储单元包括至少一个磁结312和至少一个选择装置314。在一些实施例中，选择装置314是晶体管。磁结312可以是在此公开的磁结200、200’和/或200”中的一个。尽管每个单元310示出一个磁结312，但是在其他实施例中，每个单元可以设置另一数量的磁结312。这样，磁存储器300可以享有上述效益。
图13示出用于制造包括无Co自由层并可用于诸如自旋转移力矩随机存取存储器(STT-RAM)的磁装置中(因此，可用于各种电子装置中)的磁结的方法400的示例性实施例。为了简单起见，可以省略一些步骤，以另一种或组合方式执行。此外，在已经执行形成磁存储器的其他步骤之后，可以启动方法400。为了简单起见，在磁结200、200’和200”背景下描述方法400。然而，可以形成其他磁结。
通过步骤402将参考层230/230’/330设置在基板上。在一些实施例中，步骤402包括沉积用于参考层230的材料。步骤402也可以包括设置具有但不限于SAF的多层。稍后可以限定参考层230的边缘，例如，在磁结的剩余层沉积之后。
通过步骤404设置非磁间隔层220。步骤404可以包括形成隧道势垒层的沉积MgO。在一些实施例中，步骤404可以包括利用例如射频(RF)溅射沉积MgO。在其他实施例中，可以沉积金属Mg，然后在步骤404中金属Mg被氧化。如以上对于步骤402所讨论的，稍后(例如，在磁结的剩余层的沉积之后)可以限定非磁间隔层220的边缘。另外，可以在步骤404中非磁间隔层220的沉积之后执行上述退火步骤。
通过步骤406设置自由层210。在一些实施例中，步骤406包括设置自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”。因此，非磁间隔层220位于参考层230和自由层210之间。如以上对于步骤402所讨论的，稍后(例如，在磁结的剩余层的沉积之后)可以限定参考层的边缘。
如果将要设置双磁结200”，那么通过步骤408来设置附加的非磁间隔层240。步骤408与步骤404类似。此外，可以对MgO间隔层240执行退火或者另外提供用于结晶的充足的能量。
如果正在制造双磁结200”，那么通过步骤410来设置参考层250。步骤410可以包括设置具有但不限于SAF的多层。可以完成磁结的制造。例如，可以沉积覆盖层并且限定磁结的边缘。
可以使用方法400来形成磁结200、200’和/或200”。因此，可以实现磁结200、200’和/或200”以及自由层100、110、110’、110”、120、120’和/或120”的效益。
已经描述了用于设置磁结以及使用磁结制造的存储器的方法和系统。已经根据示出的示例性实施例描述了方法和系统，本领域普通技术人员将显而易见的是，实施例可以有变化，并且任何变化将在方法和系统的精神和范围内。因此，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下本领域普通技术人员可以做出许多修改。

Claims (15)

1.一种位于基板上并能用在磁装置中的磁结，所述磁结包括：
自由层，包括从Fe金属和Fe1-xBx中选择的至少一种材料，自由层不包括Co；
非磁间隔层，与自由层邻接；以及
参考层，非磁间隔层位于参考层和自由层之间；
其中，磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的。
2.一种位于基板上并能用在磁装置中的磁结，所述磁结包括：
自由层，包括Fe层和Fe1-xBx层，自由层不包括Co；
非磁间隔层，与自由层邻接；以及
参考层，非磁间隔层位于参考层和自由层之间；
其中，磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的。
3.根据权利要求2所述的磁结，其中，自由层还包括：
附加的Fe层，Fe1-xBx层位于Fe层和附加的Fe层之间。
4.根据权利要求2所述的磁结，其中，自由层还包括Fe1-yBy层，Fe1-xBx层位于Fe层和Fe1- yBy层之间。
5.根据权利要求3所述的磁结，其中，x大于y。
6.根据权利要求4所述的磁结，其中，自由层还包括：
附加的Fe层，Fe1-xBx层和Fe1-yBy层位于Fe层和附加的Fe层之间。
7.一种位于基板上并能用在磁装置中的磁结，所述磁结包括：
自由层，由至少一个Fe层和至少一个Fe合金层组成，自由层不包括Co；
MgO种子层，与自由层邻接；
非磁间隔层，与自由层邻接；以及
参考层，非磁间隔层位于参考层和自由层之间；
其中，磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的。
8.一种位于基板上并能用在磁装置中的磁结，所述磁结包括：
自由层，由至少一个Fe层和至少一个Fe合金层组成，自由层不包括Co；
MgO覆盖层，与自由层邻接；
非磁间隔层，与自由层邻接；以及
参考层，非磁间隔层位于参考层和自由层之间；
其中，磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的。
9.一种位于基板上并能用在磁装置中的磁结，所述磁结包括：
自由层，由至少一个Fe层和至少一个Fe合金层组成，自由层不包括Co；
非磁间隔层，与自由层邻接；
附加的非磁间隔层，自由层位于非磁间隔层和附加的非磁间隔层之间；
参考层，非磁间隔层位于参考层和自由层之间；以及
附加的参考层，附加的非磁间隔层位于自由层和附加的参考层之间，
其中，磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的。
10.一种位于基板上的磁存储器，所述磁存储器包括：
多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每个包括至少一个磁结，所述至少一个磁结包括自由层、非磁间隔层和参考层，非磁间隔层与自由层邻接并位于参考层和自由层之间，自由层包括Fe层和Fe1-xBx层，自由层不包括Co，所述至少一个磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的；以及
多条位线，与所述多个磁存储单元结合。
11.根据权利要求10所述的磁存储器，其中，自由层还包括：
附加的Fe层，Fe1-xBx层位于Fe层和附加的Fe层之间。
12.根据权利要求11所述的磁存储器，其中，自由层还包括Fe1-yBy层，Fe1-xBx层位于Fe层和Fe1-yBy层之间。
13.根据权利要求12所述的磁存储器，其中，自由层还包括：
附加的Fe层，Fe1-xBx层和Fe1-yBy层位于Fe层和附加的Fe层之间。
14.一种位于基板上的磁存储器，所述磁存储器包括：
多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每个包括至少一个磁结，所述至少一个磁结包括自由层、非磁间隔层、附加的非磁间隔层、参考层和附加的参考层，非磁间隔层与自由层邻接并位于参考层和自由层之间，自由层由至少一个Fe层和至少一个Fe合金层组成，自由层不包括Co，自由层位于非磁间隔层和附加的非磁间隔层之间，附加的非磁间隔层位于自由层和附加的参考层之间，所述至少一个磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的；以及
多条位线，与所述多个磁存储单元结合。
15.用于提供位于基板上并且能用在磁装置中的磁结的方法，所述方法包括：
提供包括从Fe金属和Fe1-xBx中选择的至少一种材料的自由层，所述自由层不包括Co；
提供与自由层邻接的非磁间隔层；以及
提供参考层，非磁间隔层位于参考层和自由层之间；
其中，磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时自由层在多个稳定的磁状态之间是可切换的。
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