CN106876581A - 具有细长自由层的磁结及其提供方法和包括其的磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有细长自由层的磁结及其提供方法和包括其的磁存储器。描述了一种可用于磁性装置的磁结。所述磁结具有自由层、参考层以及在参考层与自由层之间的非磁性间隔层。当写入电流经过磁结时，自由层在稳定磁状态之间是可切换的。自由层具有在第一方向上的长度、在与第一方向垂直的第二方向上的宽度、交换刚度和与长度除以宽度相等的长宽比。长宽比大于1。交换刚度不小于2×10‑6erg/cm。

Description

具有细长自由层的磁结及其提供方法和包括其的磁存储器
本申请要求于2015年11月16日提交的第62/255,994号临时专利申请和于2016年2月12日提交的第15/043,349号非临时专利申请的权益，通过引用将所述申请包含于此。
技术领域
本发明涉及一种磁结及其提供方法和一种包括其的磁存储器，更具体地讲，涉及一种具有细长自由层的磁结及其提供方法和一种包括其的磁存储器。
背景技术
磁存储器，特别是磁随机存取存储器(MRAM)因其在操作期间读/写速度高、耐力优秀、非易失性和低功耗的潜能而受到越来越多的关注。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。MRAM的一种类型是自旋转移力矩随机存储存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用由被驱动经过磁结的电流来至少部分地对其进行写入的磁结。被驱动经过磁结的自旋极化电流在磁结中对磁矩施加自旋力矩。结果，具有响应于自旋力矩的磁矩的层可被切换到期望的状态。
例如，传统磁隧道结(MTJ)可以用于传统STT-MRAM中。传统MTJ包括传统被钉扎层(或传统参考层)、传统自由层以及在传统参考层与传统自由层之间的传统隧道势垒层。传统MTJ可以包括传统反铁磁(AFM)层。
传统参考层和传统自由层是磁性的。传统参考层的磁化在特定的方向上被固定或被钉扎。传统自由层具有可变的磁化。传统自由层可以是单层或可以包括多层。参考层和自由层可以具有垂直于层的平面(垂直于平面)或在层的平面内(平面内)来取向的它们的磁化。
为了切换传统自由层的磁矩，在电流垂直于平面(CPP)方向上驱动电流经过传统MTJ。此电流被参考层所自旋极化。当在CPP构造中驱动足够的电流经过传统磁结时，自由层的磁矩可以被切换为平行于或反平行于参考层磁矩。磁构造上的差异对应于不同的磁阻，并因此对应于传统MTJ的不同逻辑状态(例如，逻辑“1”和逻辑“0”)。
因为其用在各种应用中的潜力，所以对磁存储器的研究正在进行中。用于改善STT-RAM的性能的方法受到期待。例如，期望在平衡状态(当没有被写入时)下热稳定的磁结和可以以相对适当的写入电流来编程的磁结。此外，足够高的磁阻对于读取磁结的状态来说是有益的。对更小的磁结和更高的面密度存储器而言，期望保留这些特征。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。
发明内容
描述了一种可用于磁性装置的磁结。所述磁结具有自由层、参考层以及在参考层与自由层之间的非磁性间隔层。当写入电流经过磁结时，自由层在稳定磁状态之间是可切换的。自由层具有在第一方向上的长度、在与第一方向垂直的第二方向上的宽度、交换刚度和与长度除以宽度相等的长宽比。长宽比大于1。交换刚度不小于2×10-6erg/cm。
附图说明
图1和图2描绘了包括具有细长的自由层并利用自旋转移可编程的磁结的磁性装置的示例性实施例的侧视图和俯视图。
图3A和图3B描绘了尺寸、热稳定、长宽比和交换刚度之间关系的示例性实施例。
图4和图5描绘了具有细长的自由层并利用自旋转移可编程的磁结的示例性实施例的侧视图和透视图。
图6描绘了包括具有细长的自由层并利用自旋转移可编程的磁结的磁性装置的示例性实施例的俯视图。
图7描绘了具有细长的自由层并利用自旋转移可编程的磁结的示例性实施例的侧视图。
图8是描绘了用于提供具有细长的自由层并利用自旋转移力矩可编程的磁存储器的方法的示例性实施例的流程图。
图9描绘了包括具有细长的自由层并利用自旋转移可编程的磁结的磁性装置的另一示例性实施例。
具体实施方式
示例性实施例涉及一种可用于诸如磁存储器的磁性装置中的磁结，以及一种使用这样的磁结的装置。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电话、智能手机、台式计算机、膝上型计算机以及其它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理和特征将是清楚明白的。关于具体实施方式中提供的具体方法和系统来主要描述示例性实施例。然而，方法和系统将以其它实施方式有效地操作。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指多个实施例。将针对具有特定组件的系统和/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，并且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。也将在具有特定步骤的具体方法的背景中对示例性实施例进行描述。然而，所述方法和系统对具有不同的和/或附加的步骤、分步骤和/或与示例性实施例不符的不同顺序的步骤的其它方法有效地操作。因此，本发明不意图受限于所示实施例，而是适合于符合在此描述的原理和特征的最大范围。
描述了可用于磁性装置中的磁结以及用于提供磁结的方法。所述磁结具有自由层、参考层以及在参考层与自由层之间的非磁性间隔层。当写入电流经过磁结时，自由层在稳定磁状态之间是可切换的。自由层具有在第一方向上的长度、在与第一方向垂直的第二方向上的宽度、交换刚度和与长度除以宽度相等的长宽比。长宽比大于1。交换刚度不小于2×10-6erg/cm。
在具体方法、磁结和具有特定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容易认识到，本发明符合具有与本发明不符的其它和/或附加组件和/或其它特征的磁存储器和磁结的使用。也在目前理解的自旋转移现象、磁各向异性和其它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容易认识到，方法和系统的行为的理论解释是基于对自旋转移、磁各向异性和其它物理现象的这种当前的理解而做出的。然而，在此描述的方法和系统不依赖于具体的物理解释。本领域的普通技术人员也将容易认识到，在与基底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容易认识到，方法和系统符合其它结构。另外，在作为综合的和/或简单的特定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认识到，层可以具有另一个结构。此外，在具有特定层的磁结的背景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认识到，也可以使用具有与方法和系统不符的附加的层和/或不同的层的磁结。再者，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。如这里使用的，“平面内”是基本上在磁结的层中的一层或更多层的平面内，或者基本上平行于所述平面。相反地，“垂直”和“垂直于平面”对应于基本上与磁结的层中的一层或更多层垂直的方向。
图1和图2描绘了可用于磁存储器中的、利用自旋转移力矩可编程的并具有细长的(elongated)自由层的磁结100的示例性实施例的侧视图和俯视图。为了清晰起见，图1和图2不是按比例绘制的。磁结100可以用于诸如STT-RAM的磁性装置中，因此，磁结100可以用于各种电子装置中。
磁结100包括具有磁矩121的自由层120、非磁性间隔层130和具有磁矩141的参考层140。也示出了可以在其中形成有包括但不限于晶体管的器件的底层基底101。磁结100也可以包括具有高自旋极化的可选的极化增强层(PEL)132。例如，PEL 132可以包括Fe和/或CoFe。也示出了底接触件102、顶接触件104、可选的种子层110和可选的覆盖层112。例如，种子层110可以包括具有(200)取向的薄的晶体MgO种子层。这样的MgO层可以增强邻近的参考层140的垂直磁各向异性(PMA)。类似地，覆盖层112可以包括薄的晶体(200)MgO层以增强邻近的自由层120的PMA。在示出的实施例中，参考层140比层120靠近基底。因此，磁结100是底部被钉扎的结。虽然示出了层120、130、132和140与基底101的具体关系，但在其它实施例中，顺序可以不同。例如，在另一实施例中，从离基底101最近到最远，层可以是120、130、132(如果存在)和140。因此，磁结100可以是顶部被钉扎的磁结。在替代实施例中，磁结100可以是包括附加参考层以及在自由层120与附加参考层(未示出)之间的非磁性间隔层的双磁结。
可选的钉扎层(未示出)可以用来固定参考层140的磁化(未示出)。可选的钉扎层可以是通过交换偏置相互作用(exchange-bias interaction)来钉扎参考层140的磁化(未示出)的AFM层或多层。然而，在其它实施例中，可以省略可选的钉扎层或者可以使用另一种结构。
其它层(包括但不限于具有高自旋极化的其它PEL、磁性或非磁性插入层和/或其它层)可以包括在磁结100的层中或者可被认为是可以用在磁结100中的单独的层。然而，为了简便起见，仅示出了一个这样的层132。构造磁结100，使得自由层利用经过磁结100的写入电流而在多个稳定磁性状态间是可切换的。因此，自由层120利用自旋转移力矩是可编程的。
非磁性间隔层130位于参考层140与自由层120之间。非磁性间隔层130可以是MgO隧道势垒层。MgO层可以是晶体并可以具有用于增强的隧道磁阻(TMR)的(200)取向。在其它实施例中，非磁性间隔层130可以是不同的隧道势垒层，可以是导电层或可以具有另一种结构。
参考层140是磁性的。参考层140可以是多层。参考层140可以是包括与诸如Ru的非磁性层交错并将其夹在参考层140之间的多个铁磁层的合成反铁磁(SAF)。因此，参考层140也可以包括具有但不限于多个铁磁层的子层。具有高自旋极化的PEL 132设置在参考层140的最靠近非磁性间隔层130的部分处。在其它实施例中，可以省略PEL 132。
在示出的实施例中，参考层140的PMA能超过其平面外退磁能(out-of-planedemagnetization energy)。因此，参考层140具有高的PMA。如在这里使用的，高的PMA是使PMA能大于平面外退磁能的PMA。因为参考层140具有高PMA，所以参考层140的磁矩141可以是垂直于平面的(在图1中所示的方向上示出的沿Z方向或反平行于图1中所示的方向)。在这样的实施例中，通常不使用钉扎层。例如，参考层140可以包括多层，所述多层包括Co/Pt双层、CoPt合金、CoTb合金的多个重复和/或Co/Tb双层的多个重复。这样的组合可以具有高的PMA。相似地，参考层140可以包括可具有高PMA的CoFeB、FeB、CoB、Fe、Co2FeAl、Co2FeAlSi、Co2MnSi和MnAl中的一种或多种。注意的是，如这里所使用的，CoFeB、FeB、CoB和MnAl表示未标明化学计量的合金。例如，CoFeB可以包括(CoFe)1-xBx，其中，x大于或等于0且小于或等于0.5。例如，x可以至少是0.2且不大于0.4。相似地，FeB可以是Fe1-xBx，其中，x大于或等于0且小于或等于0.5。其它材料和/或结构具有可能用于参考层140的高的PMA。在其它实施例中，参考层140的磁矩141可以是平面内的。
在示出的实施例中，参考层140不必须是细长的(elongated)。参考层140的长度lr基本上与宽度wr相同(wr≈lr)。因此，参考层的长宽比可以接近或等于1。如这里所使用的，长宽比为平面内的并且等于平面内的一个维度除以另一维度(例如，长度除以宽度)。在其它实施例中，参考层可以是细长的。例如，参考层140可以沿与自由层120相同方向延伸(lr>wr)。可选地，参考层140可以沿不同方向延伸(lr<wr)。此外，参考层140被示出为比自由层120长且宽(lr>l,wr>w)。在其它实施例中，参考层140可以与自由层120尺寸相同，比自由层120窄和/或不像自由层120那么长。
自由层120是磁性的，并且在磁结100处于静态时具有超过平面外退磁能的PMA能。换言之，当没有写入电流施加到磁结100时，PMA能大于平面外退磁能。因此，自由层120具有高的PMA。自由层120的磁矩121可以如图1中所示垂直于平面(沿+z或-z方向)取向。磁结也被构造为使得可以利用被驱动经过磁结的写入电流(例如，利用自旋转移)来切换自由层120的磁矩121。
自由层120和磁结100适合于在较高密度的磁性存储应用中使用。为了在这样的应用中使用，自由层120具有较小尺寸并且在平衡态(equilibrium)是热稳定的。当磁结100处于静止(不写入)时出现平衡态。此外，自由层120的宽度w不超过20纳米。在一些实施例中，w不超过16纳米。
为了在磁结100处于静止时使自由层120热稳定，自由层120的热稳定常数Δ可以至少为100(Δ≥100)。在其它实施例中，热稳定期望的Δ可以不同。Δ由KuV/kbT给出，其中，Ku为磁各向异性密度，kb为玻尔兹曼常数，T为开尔文温度，V为自由层120的体积。因此，Δ～KutA，其中A为自由层120的占用区域(footprint，或底部投影)的面积，t为厚度。注意的是，面积可以近似为w×l，其中w和l分别为自由层120的宽度和长度。在一些实施例中，期望自由层120的厚度t保持相对薄。例如，t可以不超过3纳米。在一些实施例中，t不超过2纳米。在一些这样的实施例中，t至少为1.5纳米。因此，Δ～(Kut)wl，其中对于给定厚度的自由层120而言，Kut基本上为常数。如上所述，期望自由层120的宽度w可以小于或等于20纳米。然而，长度l对选择期望值而言可以有一些自由度。因此，可以通过延伸自由层来增大自由层120的Δ值。换言之，为提高热稳定性，自由层120可以具有大于1的长宽比(AR)。在一些实施例中，自由层120的AR至少为2。在一些这样的实施例中，长宽比大于2。注意的是，对于相同的Δ，临界电流(编程磁结所需的写入电流)可以独立于自由层长度l。因此，可以增大自由层120的AR以改善自由层120的热稳定性而不增大所需的写入电流。
如果仅增大自由层120的长宽比，磁结100的切换会变得不均匀。更具体地，在一些尺寸下(此处称为“临界尺寸”)，自由层120的切换不再是均匀的。在这一制度中，Δ可能不再遵循上述的关系(Δ～Kut)。为了解决这一问题，可以配置交换刚度Aex(exchangestiffness)。因此，除了具有大于1的长宽比之外，还可以增大自由层120的Aex以在较小尺寸和较高存储密度下允许期望的热稳定性和操作。
交换刚度Aex取决于各种因素，包括自由层120的材料的选择。一些磁性材料具有高的交换刚度。如这里所使用的，高的交换刚度至少为2×10-6erg/cm。例如，元素Fe、元素Co、SmCo5、MnGe、Co2FeSi、Co2MnSi、FexCo1-x可以具有足够高的交换刚度，其中x至少为0.5且小于0.65(可以是0.53或0.63)。诸如MnGe的减小的饱和磁化材料会是可取的以减小面外退磁能。因此，可以在自由层120中使用一种或更多种这样的材料。例如，自由层120可以是包括至少一层诸如上述这些高交换刚度材料的多层。在其它实施例中，自由层120可以由高交换刚度材料的一层或更多层构成。如这里所使用的，“高交换刚度自由层”是具有至少2×10- 6erg/cm的交换刚度且包括至少2×10-6erg/cm的交换刚度的一层或更多层(由至少2×10- 6erg/cm的交换刚度的一层或更多层构成)的自由层。此外，期望高交换刚度层的界面为平滑的。较平滑的界面趋于增大交换刚度。
高交换刚度层也被期望为没有诸如玻璃促进成分的磁性杂质。通常在自由层中使用的一种这样的成分为B。因此，如果高交换刚度层随着沉积而包括诸如B的玻璃促进成分，那么期望随后的工艺来去除大部分或全部的玻璃促进成分。为了增强TMR和/或其它目的，可以期望在沉积的自由层120中使用这样的玻璃促进成分。
交换刚度也随着厚度(t)增大而增大。因此，高交换刚度层可以为2纳米数量级。在一些实施例中，高交换刚度层可以约为1.8nm。在这样的实施例中，自由层120可以由高交换刚度层构成。还注意到，可以期望磁结100的电阻面积乘积(RA)是适当的，例如，小于大约30Ohm×μm2。然而，在其它实施例中，RA的其它范围是可能的。
参照图3A和图3B可以理解交换刚度和长宽比的选择。图3A和图3B描绘了自由层120的尺寸、热稳定性、长宽比和交换刚度之间关系的示例性实施例。图3A描绘与各种交换刚度的长宽比相对的临界尺寸。如图3A中可见，对于具体的临界尺寸，允许的长宽比伴随着交换刚度的增大而增大。如上面所讨论，通常期望自由层120的宽度超过临界尺寸。因此，对于任意长宽比，更高的交换刚度在增大长宽比的同时，允许更大的减小自由层120的宽度的自由度。图3B描绘与各种长宽比的自由层120的宽度相对的具体的(期望的)Δ的Kut(也即Δ)。如图3B中可见，对于具体的宽度，增大的长宽比给出更高的Kut。因此，对于更高的长宽比，Δ更易保持在期望的热稳定性值处。如此，可以期望增大的长宽比和交换刚度。
因此，对于小尺寸下的热稳定性，期望自由层120具有大于1的长宽比和不小于2×10-6erg/cm的交换刚度。在一些实施例中，长宽比至少为2。在一些这样的实施例中，长宽比至少为3。因为长宽比大于1，所以自由层120被称为细长的长宽比。自由层120的交换刚度至少为2×10-6erg/cm。在一些实施例中，交换刚度至少为3×10-6erg/cm。因此，自由层120可以在小尺寸下具有至少100的Δ。因此，宽度w可以不超过20纳米，厚度t可以不超过3纳米。在一些这样的实施例中，t不超过2纳米。在这样小的宽度和厚度下，对于上述的长宽比和交换刚度，自由层120可以是热稳定的。
在操作中，自由层120具有高PMA。由于上述长宽比和交换刚度，自由层120的Δ对于热稳定性可以足够高。例如，Δ可以至少为100。因此，当磁结100处于静止(不被读取或编程)时，自由层120是磁稳定的且其磁矩垂直于平面。可以通过沿CPP方向(即沿z轴)驱动的写入电流来对自由层120编程。取决于电流的方向，自由层的磁矩121可以平行于或反平行于参考层140的磁矩141。如上所述，自由层120的大于1的长宽比不会对切换电流有不利影响。因此，磁结100可以经由自旋转移力矩而被编程。
磁结100对于较小尺寸和/或较高存储密度可以具有改善的性能。自由层120和参考层140可以具有它们的垂直于平面取向的磁矩，这对于改善性能而言可以是可期望的。因为高的PMA、长宽比和交换刚度，所以自由层120在磁结100处于静止时为热稳定的。即使自由层120的宽度可以是20纳米以下，自由层120也为热稳定的。结果，磁结100可以在较高存储密度应用中使用。因此，可以改善磁结100和利用磁结100的磁存储器的性能。
图4和图5描绘了具有细长的自由层并利用自旋转移可编程的磁结100'的示例性实施例的侧视图和透视图。为了清晰起见，图4和图5不是按比例绘制的。磁结100'可以用于诸如STT-RAM的磁性装置，因此，磁结100'可以用于各种电子装置中。磁结100'类似于磁结100。结果，相似的组件具有相似的标号。磁结100'包括与在图1中描绘的具有磁矩121的自由层120类似的具有磁矩121的细长的自由层120、与图1中描绘的非磁性间隔层130类似的非磁性间隔层130'和与图1中描绘的具有磁距141的参考层140类似的具有磁矩141的参考层140'。也示出了可选的种子层110、可选的覆盖层112和可选的PEL 132。虽然未示出，但可以包括与图1中示出的基底101类似的底层基底、与图1中示出的底接触件102类似的底接触件和与图1中示出的顶接触件104类似的顶接触件。另外，可以存在一层或更多层附加PEL(未示出)。另外，虽然看起来好像自由层120最接近基底(未在图1中示出)且参考层140离基底最远，但是其它的关系是可能的。例如，参考层140可以最接近基底且自由层120可以离基底最远。
在图4和图5示出的实施例中，自由层120具有与上述自由层120类似的长宽比、厚度、宽度、长度和交换刚度。参考层140'、非磁性间隔层130'和可选层132'还可以具有如上所述的相同结构和功能。在示出的实施例中，这些层共享自由层120的占用区域。例如，参考层140'可以具有与自由层120相同的宽度和长度。因此，参考层140'是细长的参考层。在一些实施例中，参考层140'和非磁性间隔层130'均共享自由层120的占用区域。在磁结100'中，层130'、132'和/或140'的任意组合具有与自由层120相同的长宽比和尺寸。换言之，磁结100'共享层120的长宽比。因此，层120、130'、132'和140'的边缘可以利用同一掩模和离子减薄工艺一起限定。
磁结100'享有磁结100的益处。因为自由层120是细长的(长宽比大于1)并且具有高交换刚度(至少2×10-6erg/cm)，所以自由层120在磁结100'未被写入时可以是热稳定的并且对于磁结100'的较小尺寸而言可以是热稳定的。因此，磁结100'可以在高面密度的磁性存储器中使用并且被用于较小尺寸的应用。此外，可以使用单个掩膜工艺来限定全部层120、130'、132'、140'的边缘。因此，可以简化磁结100'的制造。
图6描绘了具有细长的自由层并利用自旋转移可编程的磁结100”的示例性实施例的俯视图。为了清晰起见，图6不是按比例绘制的。磁结100”可以用于诸如STT-RAM的磁性装置，因此，磁结100”可以被用于各种电子装置中。磁结100”类似于磁结100和/或磁结100'。结果，相似的组件具有相似的标号。然而，因为描绘俯视图，所以仅示出自由层120'。
如上所述，自由层120'是细长的且具有高交换刚度。自由层120'具有与上述自由层120类似的长宽比、厚度、宽度、长度和交换刚度。其余层(未示出)可以与磁结100和/或磁结100'所描绘的其余层类似。然而，在示出的实施例中，自由层120'在x-y平面中的占用区域不是椭圆的。在示出的实施例中，自由层120'具有大体上的矩形形状的占用区域。磁结100”的其余层可以具有相同或不同的长宽比和形状。在其它实施例中，自由层120'的占用区域可以具有不同的形状。然而，期望保持上述长宽比和交换刚度。
磁结100”享有磁结100的益处。因为自由层120'是细长的(长宽比大于1)且具有高交换刚度(至少2×10-6erg/cm)，所以自由层120'在磁结100”未被写入时可以是热稳定的并且对于磁结100”的较小尺寸而言可以是热稳定的。因此，磁结100”可以在高面密度的磁性存储器中使用并被用于较小尺寸的应用。
图7描绘了包括可用于利用自旋转移力矩可编程的磁存储器中的细长的自由层的磁结150的另一个示例性实施例。为了清晰起见，图7不是按比例绘制的。磁结150可以用于诸如STT-RAM的磁性装置中，因此，磁结150可以用于各种电子装置中。磁结150类似于磁结100、磁结100'和/或磁结100”。结果，相似的组件具有相似的标号。磁结150包括与分别在图1、图2、图4、图5和图6中描述的具有磁矩121的自由层120/120'、非磁性间隔层130和具有磁距141的参考层140类似的具有磁矩171的细长的自由层170、非磁性间隔层172和具有磁矩181的参考层180。磁结150也包括附加的参考层160和附加的非磁性间隔层164。层164和172中的一层或两层可以是绝缘隧道势垒层。也示出了可选的种子层154、可选的覆盖层156和可选的PEL 162与182。虽然未示出，但可以包括与图1中示出的基底101类似的底层基底、与图1中示出的底接触件102类似的底接触件和与图1中示出的顶接触件104类似的顶接触件。另外，可以存在一层或更多层附加PEL(未示出)。因此磁结150是双磁结。
自由层170可具有自由层120和/或120'的交换刚度和长宽比。另外，磁结150是双磁结。虽然示出为双状态(磁矩181反平行于磁矩161)，但在其它实施例中，磁结150可以是反双态(磁矩161和磁矩181平行)。
磁结150享有磁结100、磁结100'和/或磁结100”的益处。因为自由层170具有如上所述的长宽比和交换刚度，所以自由层170可以在较小的尺寸下是热稳定的。因此，磁结100”可以在高面密度的磁性存储器中使用并被用于较小尺寸的应用。
图8描绘了用于制造包括细长的自由层并且可用于诸如STT-RAM的磁性装置中(因此，可用于各种电子装置中)的磁结的方法200的示例性实施例。为了简单起见，一些步骤可以被省略，可以被以另一种顺序执行，可以包括分步骤并且/或者可以被组合。此外，所述方法200可以在已经执行了形成磁存储器的其它步骤之后开始。为了简单起见，在磁结100和150的背景下描述方法200。然而，可以形成包括但不限于磁结100'和/或100”的其它磁结。
通过步骤202，设置其PMA超过其平面外退磁能的参考层140/160。在一些实施例中，步骤202可以包括设置诸如SAF的多层、高PMA多层和/或其它多层。
通过步骤204，设置非磁性间隔层130/164。步骤204可以包括沉积MgO以形成隧道势垒层。在一些实施例中，步骤204可以包括利用例如射频(RF)溅射来沉积MgO。在其它实施例中，可以沉积金属Mg，然后在步骤204中使金属Mg被氧化。
通过步骤206，设置自由层120/170。非磁性间隔层130/164在参考层140/160与自由层120/170之间。在平衡态下(当磁结100处于静止时)自由层120/170的PMA能可以大于其退磁能。因此，磁矩121/171可以垂直于平面。此外，自由层120/170具有不小于2×10-6erg/cm的高交换刚度和大于1的长宽比。在一些实施例中，长宽比至少可以为2。交换刚度在一些实施例中可以至少为3×10-6erg/cm。为了获得高的交换刚度，自由层120/170在步骤206中的制造可以包括配置加工条件来优化交换刚度。例如，可以选择在溅射自由层120/170的膜中使用的气体的压力以使交换刚度增加。自由层120/170的制造可以包括增加晶格(lattice)的密度的步骤、降低界面的粗糙度的步骤和/或确保从自由层120/170中去除诸如B的非磁性玻璃促进组件的步骤。此外，可以将自由层120/170的长宽比设定为步骤206的一部分。因此，在步骤206中形成的自由层120/170可以是细长的。
为了确定交换刚度足够高，步骤206可以包括对自由层120/170和/或磁结100/150进行测试。步骤206的这一部分可以在制造之后(例如在已经完整制造磁结100/150之后)发生。例如，可以在非圆形图案化的位(bit)上使用铁磁共振(FMR)以直接确定自由层120/170的交换刚度。也可以使用诸如测量居里温度(Tc)来间接测量交换刚度。因此，步骤206可以包括确定自由层120/170不仅具有期望的长宽比，而且具有期望的交换刚度。
通过步骤208，可以选择性地设置附加的非磁性间隔层172。步骤208可以包括沉积MgO以形成隧道势垒层。在一些实施例中，步骤208可以包括利用例如射频(RF)溅射来沉积MgO。在其它实施例中，可以沉积金属Mg，然后在步骤208中使金属Mg被氧化。对于磁结100可以省略步骤208。
通过步骤210，可以选择性地设置其PMA可以超过其平面外退磁能的附加的参考层180。非磁性间隔层172在参考层180与自由层170之间。在一些实施例中，步骤210可以包括设置诸如SAF的多层、高PMA多层和/或其它多层。
在一些实施例中，步骤206可以在步骤204之前执行，步骤204可以在步骤202之前执行。然而，其它顺序是可能的。例如，步骤的顺序可以是如所示出的步骤202、步骤204、步骤206、步骤208(如果执行)和步骤210(如果执行)。
可以完成磁结100/150的制造。所述制造方法可以包括与剩余步骤交织的分步骤。例如，完成磁结100/150的步骤可以包括设置一层或更多层PEL。也可以在制造过程中实施一次或更多次退火。另外，可以限定磁结100/150的边缘。至少自由层120/170的长宽比大于1。在一些实施例中，磁结100/150的更多(或全部)层的长宽比大于1。例如，可以在磁结100/150的层的堆叠件上设置掩模。掩模覆盖将要形成磁结100的区域，并在磁结之间的区域上方具有开口。掩模具有诸如图2、图5和图6中示出的椭圆或矩形的细长的形状。然后可执行离子减薄。磁结之间的区域可以被再填充和/或形成其它结构。因此，完成具有细长的自由层120/170的磁结的制造。
使用方法200，可以形成磁结100、100'、100”和/或150。因此，可以获得磁结100、磁结100'、磁结100”和/或磁结150的益处。
图9描绘了可以使用磁结100、磁结100'、磁结100”和/或磁结150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，可以设置其它和/或不同的组件。存储器300的存储区包括磁存储单元310。多条位线与多个磁存储单元310结合。每个磁存储单元包括至少一个磁结312和至少一个选择器件314。在一些实施例中，选择器件314是晶体管。磁结312可以是在此公开的磁结100、磁结100'、磁结100”和/或磁结150中的一个。尽管每个单元310示出一个磁结312，但是在其它实施例中，每个单元可以设置另一数量的磁结312。这样，磁存储器300可以享有上述益处。
已经描述了用于设置磁结和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容易明白，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 (19)

1.一种磁结，所述磁结位于基底上并可用于磁性装置中，所述磁结包括：
参考层；
非磁性间隔层；以及
自由层，所述非磁性间隔层位于参考层和自由层之间，自由层具有在第一方向上的长度、在第二方向上的宽度、长宽比和交换刚度，所述长宽比为长度除以宽度且大于1，所述交换刚度不小于2×10-6erg/cm；
其中，磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时，自由层在多个稳定磁状态之间是可切换的。
2.如权利要求1所述的磁结，其中，所述交换刚度至少为3×10-6erg/cm。
3.如权利要求1所述的磁结，其中，自由层具有基本上与长度和宽度垂直的厚度，所述厚度至少为1.5纳米且不超过2纳米。
4.如权利要求1所述的磁结，其中，自由层基本上无玻璃促进成分。
5.如权利要求1所述的磁结，其中，所述宽度不超过20纳米。
6.如权利要求5所述的磁结，其中，所述宽度不超过16纳米。
7.如权利要求1所述的磁结，其中，自由层包括Fe、Co、SmCo5、MnGe、Co2FeSi、Co2MnSi、FexCo1-x中的至少一种，其中x至少为0.5且小于0.65。
8.如权利要求1所述的磁结，其中，所述长宽比至少为2。
9.如权利要求1所述的磁结，其中，自由层具有椭圆形的占用区域。
10.如权利要求1所述的磁结，其中，参考层和非磁性间隔层具有所述长宽比。
11.如权利要求1所述的磁结，其中，自由层具有至少100的热稳定常数。
12.如权利要求1所述的磁结，所述磁结还包括：
附加的非磁性间隔层，自由层位于非磁性间隔层和所述附加的非磁性间隔层之间；以及
附加的参考层，所述附加的非磁性间隔层位于自由层和所述附加的参考层之间。
13.一种磁存储器，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参考层、非磁性间隔层和自由层，所述非磁性间隔层位于参考层和自由层之间，自由层具有在第一方向上的长度、在第二方向上的宽度、长宽比和交换刚度，所述长宽比为长度除以宽度且大于1，所述交换刚度不小于2×10-6erg/cm，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。
14.一种用于提供位于基底上并且可用在磁装置中的磁结的方法，所述方法包括以下步骤：
设置参考层；
设置非磁性间隔层；以及
设置自由层，所述非磁性间隔层位于参考层和自由层之间，自由层具有在第一方向上的长度、在第二方向上的宽度、长宽比和交换刚度，所述长宽比为长度除以宽度且大于1，所述交换刚度不小于2×10-6erg/cm；
其中，磁结被构造成使得当写入电流经过磁结时，自由层在多个稳定磁状态之间是可切换的。
15.如权利要求14所述的方法，其中，交换刚度至少为3×10-6erg/cm。
16.如权利要求14所述的方法，其中，所述宽度不超过20纳米。
17.如权利要求14所述的方法，其中，长宽比至少为2。
18.如权利要求14所述的方法，其中，自由层具有椭圆的占用区域。
19.如权利要求14所述的方法，其中，参考层和非磁性间隔层具有所述长宽比。
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