CN108376736A - 磁装置和用于设置磁装置的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了磁装置及用于设置磁装置的方法。描述了一种包括多个磁性结和至少一个自旋轨道相互作用(SO)活性层的磁存储器。每个磁性结包括被钉扎层、自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性间隔层。自由层具有倾斜的易磁化轴和高阻尼常数中的至少一种。倾斜的易磁化轴与垂直于平面方向成非零度锐角。高阻尼常数至少为0.02。所述至少一个SO活性层与自由层相邻并且输运平面内电流。所述至少一个SO活性层由于电流而对自由层施加SO力矩。利用SO力矩使自由层是可切换的。

Description

磁装置和用于设置磁装置的方法
本申请要求在2017年2月1日提交的发明名称为SOT MRAM WITH TILTED AXIS ANDENHANCED DAMPING(有倾斜轴和增强阻尼的SOT MRAM)的第62/453,104号临时专利申请的权益，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
本发明涉及一种包括具有倾斜的易磁化轴和增强的阻尼且利用自旋轨道力矩可编程的磁性结的磁装置及一种设置该磁装置的方法。
背景技术
磁存储器(特别是磁随机存取存储器(MRAM))由于它们的高读/写速度、优异的耐用性、非易失性和在操作期间功耗低的潜能，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。一些磁存储器利用电流来向磁材料进行写入。一种这样的磁存储器利用自旋轨道相互作用(spin-orbit interaction，SO)力矩来对磁性结进行编程。
SO力矩类存储器(诸如SO力矩磁随机存取存储器(SOT-MRAM))利用与具有高自旋轨道相互作用的线(下文中被称作SO线)结合的传统的磁隧道结(MTJ)。传统的MTJ包括被钉扎(或参考)层、自由层和位于被钉扎层与自由层之间的隧道势垒层。MTJ通常位于基底上并且可以包括种子层和覆盖层以及反铁磁(AFM)层。被钉扎层和自由层是磁性的。被钉扎层的磁化在特定方向上被固定或被钉扎。自由层具有可变的磁化。被钉扎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)而取向的它们的磁化。SO线与传统的MTJ的自由层相邻。高自旋轨道相互作用可以是由于由界面相互作用(Rashba效应)、一些其它效应和/或一些它们的结合引起的材料自身的体效应(自旋霍尔效应)。
在利用具有垂直于平面的磁矩的自由层的传统SO存储器中，通过经由SO线驱动的平面内电流(CIP)来执行写入。为了利用平面内电流来可靠地切换磁矩，施加适度的外部磁场或外部磁偏置(magnetic bias)。平面内电流产生可以用来使自由层磁矩切换的SO力矩。利用外部磁偏置来完成向期望方向的切换。例如，外部磁场、附加AFM层或偏置结构可以使自由层磁性地偏置以完成向期望状态的切换。在缺少这种外部磁场的情况下，所述切换用在磁存储器中是不够可靠的。
虽然传统的磁性结可以利用自旋转移来写入并且用于自旋转移力矩随机存取存储器(STT-RAM)中，但是存在缺点。通常，对于磁性结尺寸较小且面密度较高的存储器而言，外部场的使用是不可取的。AFM或偏置结构的使用会导致SO力矩的效率受到限制。因此，仍然期望对磁存储器中的切换进行改善的机制。
发明内容
描述了一种包括多个磁性结和至少一个自旋轨道相互作用(SO)活性层的磁存储器。每个磁性结包括被钉扎层、自由层和位于参考层与自由层之间的非磁性间隔层。所述自由层具有倾斜的易磁化轴和高阻尼常数中的至少一种。倾斜的易磁化轴与垂直于平面的方向成非零度锐角。高阻尼常数至少为0.02。所述至少一个SO活性层与自由层相邻并且输运平面内电流。所述至少一个SO活性层由于电流而对自由层施加SO力矩。利用SO力矩使自由层是可切换的。
描述了一种磁装置，该磁装置可以包括：多个磁性结，所述多个磁性结中的每个磁性结包括自由层、被钉扎层和非磁性间隔层，非磁性间隔层位于被钉扎层与自由层之间，自由层具有倾斜的易磁化轴和高阻尼常数中的至少一种，倾斜的易磁化轴与垂直于平面方向成非零度锐角，非零度锐角为至少5度且不大于10度，高阻尼常数为至少0.02且不多于0.8；以及至少一个自旋轨道相互作用活性层，与多个磁性结中的每个磁性结的自由层相邻，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层输运平面内电流，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层由于经过所述至少一个自旋轨道相互作用活性层的电流而对自由层施加自旋轨道相互作用力矩，利用自旋轨道相互作用力矩使自由层是可切换的。如果自由层具有倾斜的易磁化轴，则自由层包括以下中的至少一种：L10CoPt(111)层位于MgO/Pt(111)下层上的双层；Tbx(Fe50Co50)1-x层，其中，x大于0且小于1；Fe3Pt/[FePt/MgO]2双层；以及多层，所述多层包括选择层、耦合层和垂直层，垂直层具有比平面外退磁能大的高垂直各向异性能，耦合层是非晶的且位于选择层与垂直层之间，选择层选自倾斜的层和平面内各向异性层，倾斜的层具有与垂直于平面方向成附加非零度锐角的易磁化轴，平面内各向异性层具有平面内的优选轴。如果自由层包括高阻尼常数，则自由层包括至少5原子百分比且不多于20原子百分比的至少一种掺杂物，所述至少一种掺杂物包括Pt、Ir、Os、Re、W、Bi、Sm、Ho、Dy、Er中的至少一种。
描述了一种用于设置磁装置的方法，该方法可以包括：设置至少一个自旋轨道相互作用活性层；以及设置多个磁性结。多个磁性结中的每个磁性结包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层，非磁性间隔层位于被钉扎层与自由层之间，自由层具有倾斜的易磁化轴和高阻尼常数之中的至少一种，倾斜的易磁化轴与垂直于平面方向成非零度锐角，高阻尼常数为至少0.02。所述至少一个自旋轨道相互作用活性层与所述多个磁性结中的每个磁性结的自由层相邻，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层输运平面内电流，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层由于经过所述至少一个自旋轨道相互作用活性层的电流而对自由层施加自旋轨道相互作用力矩，利用自旋轨道相互作用力矩使自由层是可切换的。
附图说明
图1描绘了包括利用SO力矩可编程的并且包括倾斜的易磁化轴和/或高阻尼常数的磁性结的磁存储器的示例性实施例的透视图。
图2A至图2C描绘了在利用SO力矩切换之前、期间和之后的自由层的磁矩的示例性实施例。
图3A至图3C描绘了在利用SO力矩切换之前、期间和之后的自由层的磁矩的示例性实施例。
图4描绘了包括利用SO力矩可编程并且包括高阻尼常数的磁性结的磁存储器的另一示例性实施例的侧视图。
图5描绘了包括利用SO力矩可编程并且包括倾斜的易磁化轴和/或高阻尼常数的磁性结的磁存储器的另一示例性实施例的透视图。
图6描绘了包括利用SO力矩可编程并且包括倾斜的易磁化轴和/或高阻尼常数的磁性结的磁存储器的另一示例性实施例的透视图。
图7是描绘用于设置利用SO力矩可编程并且包括倾斜的易磁化轴和/或高阻尼常数的磁存储器的方法的示例性实施例的流程图。
图8是描绘用于设置利用SO力矩可编程并且包括倾斜的易磁化轴和/或高阻尼常数的磁性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性装置中的磁性结，以及使用这样的磁性结的装置。磁存储器可以包括磁随机存取存储器(MRAM)并可以用于采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它便携式和非便携式计算装置。呈现以下描述使本领域普通技术人员实现并使用本发明，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很明显的。示例性实施例关于具体实施方式中提供的具体方法和系统进行主要描述。然而，方法和系统将以其它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”的短语可以指相同的或者不同的实施例以及可以指多个实施例。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，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上下文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步骤和/或附加的步骤的其它方法以及与示例性实施例不一致的不同顺序的分步骤和/或步骤进行有效地操作。因此，本发明不意图受限于所示的实施例，但要符合的是最大范围与在此描述的原理和特征一致。
描述了包括多个磁性结和至少一个自旋轨道相互作用(SO)活性层的磁存储器。每个磁性结包括被钉扎层、自由层和位于参考层(被钉扎层)与自由层之间的非磁性间隔层。自由层具有倾斜的易磁化轴和高阻尼常数中的至少一种。倾斜的易磁化轴与垂直于平面的方向成非零度锐角。高阻尼常数为至少0.02。所述至少一个SO活性层与自由层相邻并且输运平面内电流。所述至少一个SO活性层由于电流对自由层施加SO力矩。自由层利用SO力矩是可切换的。
在具体方法、具有特定组件的磁性结和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，本发明与具有与本发明不相符的其它组件和/或附加组件和/或其它特征的磁性结和磁存储器的使用相符。另外，在目前理解的自旋轨道相互作用现象、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，基于对自旋轨道相互作用、磁各向异性和其它物理现象的这种当前理解来做出对方法和系统的行为的原理性解释。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，方法和系统与其它结构相符。另外，在作为合成的和/或单个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，层可以具有其它结构。此外，在具有特定层的磁性结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，也可以使用具有与方法和系统不相符的附加和/或不同的层的磁性结。此外，某些组件被描述为磁性的、铁磁性的和亚铁磁性的。如这里使用的，术语磁性可以包括铁磁性的、亚铁磁性的等结构。如这里使用的，“平面内”是基本上在磁性结的层中的一层或更多层的平面内，或是基本上平行于所述平面。相反地，“垂直”和“垂直于平面”对应于基本上与磁性结的层中的一层或更多层垂直的方向。
图1描绘了包括利用SO力矩可编程的并且具有倾斜的易磁化轴和/或高阻尼常数的磁性结的磁存储器100的示例性实施例的透视图。为了清晰起见，图1不是按比例的。另外，未示出磁存储器100的诸如位线、行选择器和列选择器的部分。磁存储器100包括磁性结110、选择器件104和与上述SO线类似的自旋轨道相互作用(SO)活性层130。还示出了可以位于SO活性层130与磁性结110之间的可选的插入层102。选择器件104可以是晶体管。在其它实施例中，可以使用可以具有其它位置的其它选择器件。在示出的实施例中，存储单元包括磁性结110和选择器件104。在其它实施例中，存储单元可以包括其它组件和/或附加组件。通常，在磁存储器100中包括多个磁性结110和多个存储单元。磁存储器100可以用于各种电子装置中。
磁性结110包括自由层112、非磁性间隔层114和具有磁矩117的被钉扎层116。磁性结110也可以包括可选的极化增强层(PEL)，PEL具有高自旋极化。例如，PEL可以包括Fe、CoFe和/或CoFeB。可以存在底接触件、顶接触件、可选的种子层和可选的覆盖层，但是为了简化而未示出。种子层可以包括具有(200)取向的薄的结晶MgO种子层。这样的MgO层可以增强相邻层的垂直磁各向异性(PMA)。类似地，覆盖层可以包括薄的结晶MgO层以增强相邻层的PMA。可以使用其它的种子层和/或覆盖层。在一些实施例中，SO活性层130比磁性结110靠近基底(未示出)。在其它实施例中，磁性结110比SO活性层130靠近基底(未示出)。可选的插入层102是非磁性的并且可以位于自由层112与SO活性层130之间以缓和SO相互作用。可以利用可选的钉扎层(未示出)固定被钉扎层116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)对被钉扎层116的磁化(未示出)进行钉扎的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。例如，在示出的被钉扎层116的磁矩117垂直于平面的实施例中，省略了这样的AFM层。
构造磁性结110，使得自由层112利用在SO活性层130的平面中经过SO活性层130的写入电流而在多个稳定磁性状态之间是可切换的。因此，自由层112利用SO力矩是可编程的。自由层112在缺少驱动通过磁性结110的写入电流的情况下是可编程的。换言之，不需要把自旋转移力矩(STT)写入磁性结110。在自由层112具有倾斜的易磁化轴EA的实施例中，自由层112在缺少外部磁场或磁偏置的情况下是可编程的。然而，在替代实施例中，可以使用驱动通过磁性结110的适度电流和/或外部磁场/磁偏置来帮助切换自由层磁矩。在示出的实施例中，自由层112可以具有其平面外稳定的磁矩。
非磁性(NM)间隔层114位于被钉扎层116与自由层112之间。非磁性间隔层114可以是MgO隧道势垒层。MgO层可以是结晶的并具有使隧道磁阻(TMR)增强的(200)取向。在其它实施例中，非磁性间隔层114可以是不同的隧道势垒层，可以是导电层或者可以具有另一种结构。
被钉扎层116是磁性的并且可以是多层。例如，被钉扎层116可以是合成反铁磁体(SAF)，其中，所述SAF包括多个铁磁层，所述多个铁磁层与非磁性层(诸如Ru)交错并将该非磁性层夹在其间。可以在被钉扎层116中使用其它的多层。在示出的实施例中，被钉扎层116的PMA能超过其平面外退磁能。因为被钉扎层116具有高的PMA(PMA能超过平面外退磁能)，所以被钉扎层116的磁矩117可以是垂直于平面的。因此，磁矩117可以像图1所示那样沿着正Z方向或反平行于图1所示的方向。例如，被钉扎层116可以包括多层或由多层组成，所述多层包括Co/Pt双层的一个或多个重复、CoPt合金、CoTb合金和/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，被钉扎层116可以包括可具有高PMA的CoFeB、FeB、CoB、Fe、Co2FeAl、Co2FeAlSi、Co2MnSi、MnGe和MnAl中的一种或多种。注意的是，如这里所使用的，CoFeB、FeB、CoB、CoPt和列出的其它材料表示未标明化学计量的合金。例如，CoFeB可以包括(CoFe)1-xBx，其中，按照所沉积的，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。其它材料和/或其它结构具有可以用于被钉扎层116的高的PMA。在其它实施例中，被钉扎层116的磁矩117可以是平面内的。
自由层112是磁性的并且可以是多层。自由层112包括倾斜的易磁化轴和高阻尼常数中的至少一种。在示出的实施例中，自由层112可以具有倾斜的易磁化轴EA。倾斜的易磁化轴是与垂直于平面的方向成非零度锐角的一个轴。如下讨论的，这样的倾斜的易磁化轴可以以较低的切换电流来提供较快的切换。对于自由层112，垂直于平面的方向是z方向。因此，倾斜的易磁化轴EA与z方向成非零度锐角θ。在一些实施例中，非零度锐角θ至少为2度且不大于20度。非零度锐角θ在一些实施例中至少为5度。在一些这样的实施例中，θ不大于10度。在示出的实施例中，倾斜的易磁化轴EA也在x-z平面中。如果自由层112具有倾斜的易磁化轴EA，则在缺少外部磁场且没有外部磁偏置的情况下，可以仅利用SO力矩来切换自由层112的磁矩。
可以以许多方法来实现倾斜的易磁化轴EA。在一些实施例中，可以通过制造具有倾斜的易磁化轴的一个或多个层来实现倾斜的易磁化轴EA。例如，自由层112可以包括双层或者由双层组成，所述双层是MgO/Pt(111)下层和位于其上的L10CoPt(111)层。这样的L10CoPt层可以具有与EA类似的倾斜的易磁化轴。自由层112可以包括Tbx(Fe50Co50)1-x层或者由其组成，其中，x大于0且小于1。如果在具有适当大小和方向的磁场中沉积这样的TbFeCo层和/或在具有适当大小和方向的磁场中对这样的TbFeCo层退火，则该TbFeCo层可以具有倾斜的易磁化轴。通常，利用高磁场(例如，大于3T)进行沉积和/或退火。例如，在与垂直于平面方向成附加的非零度角的磁场中沉积TbFeCo层，和/或在与垂直于平面方向成附加的非零度角的磁场中对TbFeCo层进行退火。Fe3Pt/[FePt/MgO]2双层可以包括在自由层112中或者形成自由层112。这样的FePt/[FePt/MgO]可以在一些条件下具有倾斜的易磁化轴。
自由层112也可以由包括上述层中的一个或更多个层的多层来形成。例如，自由层112可以包括与另一个选择层磁性地耦合的具有高PMA能的垂直层。如这里使用的，高PMA能是大于平面外退磁能的PMA能。在缺少其它层的情况下，这样的层具有垂直于平面的磁矩。这个高PMA能层可以通过耦合层(coupling layer)耦合到选择层，该耦合层可以是非晶的。选择层可以是倾斜的易磁化轴层或平面内各向异性层。选择层之所以被这样命名，是因为倾斜的易磁化轴允许自由层112在不需要施加外部磁场的情况下被写入到期望的(被选择的)状态。在自由层包括高PMA层、选择层和耦合层的实施例中，自由层的倾斜的易磁化轴是由于选择层而产生的。倾斜的易磁化轴层可以是上述层中的一个或多个层。高PMA层和倾斜的易磁化轴层的组合为自由层112提供了倾斜的易磁化轴EA。平面内各向异性层不仅具有平面内的磁矩而且具有平面内的优选方向。这样的优选方向可以是磁能最低的方向。高PMA层和平面内各向异性层的组合形成了用于自由层112的倾斜的易磁化轴EA。可以使用允许自由层具有倾斜的易磁化轴EA的其它单层和/或多层。
SO活性层130是具有强的自旋轨道相互作用并且用于切换自由层112的磁矩(未示出)的层。在+y方向或-y方向上沿着SO活性层130的长度在平面内驱动写入电流。图1中的箭头Jc表示在+y方向上驱动通过SO活性层130的写入电流的电流密度。该写入电流引起了伴随的SO相互作用，该伴随的SO相互作用造成了图1中示出的自旋轨道力矩TSO。在-y方向上的写入电流将造成在相反方向上的自旋轨道力矩(SO力矩)。可以利用在+x方向和-x方向上的SO力矩来将自由层112的磁矩编程到期望的状态。SO力矩因为在SO活性层130中被平面内驱动的电流和自旋轨道相互作用而发生。这与STT是相反的，STT是由于流经磁性结110的垂直于平面的电流而产生并且将自旋极化电荷载流子注入到自由层112中。在一些实施例中，只利用SO力矩来完成对磁性结110的编程。在其它实施例中，也可以将诸如自旋转移的另一机制用于切换中。因此，可以把在SO活性层130中产生的SO力矩用于切换自由层112的磁矩中。
在操作中，可以以传统方式读取磁性结110。因此，可以驱动不足以利用STT对磁性结110编程的读取电流在CPP(电流垂直于平面)方向上通过磁性结110。磁性结110的电阻基于自由层磁矩与被钉扎层的磁矩117之间的取向。因此，可以通过确定磁性结110的电阻来从磁性结110读取数据。
然而，在对磁性结110编程时，可以驱动与电流密度Jc对应的写入电流在平面内通过SO活性层130。因为自由层112具有倾斜的易磁化轴，所以可以仅利用SO力矩来切换自由层磁矩。更具体地讲，由SO活性层130产生的SO力矩可以使对自由层磁矩的切换开始进行，但是由于倾斜的易磁化轴EA的缘故，因而可以在没有外部磁场的情况下实现对自由层磁矩的最终状态的选择。
为了更好地理解对具有倾斜的易磁化轴的自由层112的切换，除了图1之外还参照图2A至图2C直到图3A至图3C。图2A至图2C描绘了利用SO力矩将自由层112的磁矩从第一稳定状态140切换到第二稳定状态140”的示例性实施例。图3A至图3C描绘了利用SO力矩将自由层112的磁矩从第二稳定状态140”切换到第一稳定状态140的示例性实施例。图2A描绘了倾斜的易磁化轴EA和自由层的处于第一状态的磁矩140。易磁化轴EA在x-z平面中与z轴成角θ。第一状态是这样的：磁矩140在-x方向和-z方向上具有分量并且沿着倾斜的易磁化轴EA。
在平面内驱动具有小于0的密度Jc(与图1中示出的Jc的方向相反)的写入电流通过SO活性层130。换言之，在负y方向上驱动写入电流通过SO活性层130。该电流在正x方向上产生SO力矩。响应于该SO力矩，磁矩140'如图2B所示转变到正x方向上。如图2B中可见的，磁矩140'沿着易磁化轴EA的在正x方向上的分量。当去除写入电流时，磁矩140”松弛为与易磁化轴EA对齐。因为易磁化轴EA的方向，所以磁矩140”松弛为在正x方向和正z方向上具有分量的第二稳定状态。这可以在图2C中看到。
图3A至图3C描绘了从第二稳定状态140”切换到第一稳定状态140。图3A描绘了倾斜的易磁化轴EA和处于第二稳定状态的磁矩140”。易磁化轴EA仍在x-z平面中与z轴成角θ。在平面内(例如，在图1的正y方向上)驱动具有大于0的密度Jc的写入电流通过SO活性层130。该写入电流在负x方向上产生SO力矩。响应于所产生的SO力矩，磁矩140”'转变为在负x方向上沿着x轴。这可以在图3B中看到。如图3B中可见的，磁矩140”'沿着易磁化轴EA的在负x方向上的分量并且较靠近第一稳定状态。当去除写入电流时，磁矩140”'松弛为与易磁化轴EA对齐。因为易磁化轴EA的方向，所以磁矩140”'松弛为处于第一稳定状态140。
因此，SO力矩可以使自由层112的磁矩从它的稳定状态140或140”变得不稳定。因为易磁化轴EA的倾斜，所以在相反方向上的SO力矩较靠近沿着易磁化轴EA处于相反方向上的不同的稳定状态。倾斜的易磁化轴EA和SO力矩的结合造成了期望的稳定状态140与140”之间的磁矩切换。因此，可以在不需要外部磁场或磁偏置的情况下利用经过SO活性层的平面内写入电流和SO力矩来完成自由层112的磁矩的切换。
自由层112可以具有高阻尼常数以及倾斜的易磁化轴，或者自由层112可以具有高阻尼常数来代替倾斜的易磁化轴。高阻尼常数至少为0.02。高阻尼常数可以至少为0.1。在一些实施例中，高阻尼常数至少为0.5。在一些情况下，高阻尼常数不超过0.8。可以通过对自由层112进行掺杂来提供高阻尼常数。掺杂使自由层112的阻尼常数增加到在不掺杂的情况下的自由层阻尼常数的至少5至10倍。例如，可以利用至少5原子百分比且不多于20原子百分比的掺杂物来获得上述至少0.02的高阻尼常数。掺杂物的上限可以是由于期望保持足够高的磁阻，而不是由于阻尼的限制。在一些实施例中，掺杂物可以包括Pt、Ir、Os、Re、W、Bi、Sm、Ho、Dy、Er中的至少一种。在一些实施例中，掺杂物选自Dy、W和Bi。
对高阻尼自由层112的使用可以获得自由层112在稳定的磁状态之间的较快的切换。在利用SO力矩切换时，阻尼振荡时间(ringing time)是磁矩落入到稳定状态所用的时间。阻尼振荡时间取决于阻尼常数α。较大的阻尼常数造成较少的阻尼振荡且较快落入到最终的稳定状态。因此，对于阻尼常数在上述范围内的自由层，SO力矩切换可以更快速地完成。
磁存储器100可以具有改善的性能。可以利用SO力矩和在平面内驱动通过SO活性层130的电流来对自由层112进行编程。因为没有为了编程而驱动STT写入电流通过磁性结110，所以可以避免对磁性结110的损坏。如果自由层112具有倾斜的易磁化轴EA，则利用SO力矩来写入到期望状态而不需要外部磁场。因此，不需要包括附加的电流输送线。也可以避免使用会干扰相邻磁性结的长程磁场。如果自由层112具有高阻尼常数，则利用SO力矩的切换可以是快速的。如果自由层112既具有倾斜的易磁化轴又具有高阻尼常数，则可以在缺少外部磁场的情况下实现快速切换。因此，可以改善磁存储器100的性能。
图4描绘了包括利用SO力矩可编程的磁性结160以及SO活性层170的磁存储器150的另一示例性实施例的侧视图。为了清晰起见，图4不是按比例的。此外，为了清晰起见，仅示出一些组件。例如，未示出选择器件和可选的插入层。虽然仅示出一个磁性结160和一个SO活性层170，但可以包括一个或两个的多种情况。磁存储器150可以用在各种电子装置中并且类似于磁存储器100。因此，相似的组件具有相似的标记。磁存储器150包括SO活性层170和磁性结160，该磁性结160包括自由层162、非磁性间隔层164和被钉扎层166，该SO活性层170与SO活性层130类似，该磁性结160与包括自由层112、非磁性间隔层114和被钉扎层116的磁性结110类似。因此，组件160、162、164、166和170可以具有分别与组件110、112、114、116和130的结构、功能和/或位置相似的结构、功能和/或位置。虽然未示出，但可以存在与上面描述的那些类似的底层基底、接触件、种子层、高PMA层、可选的插入层和/或覆盖层。
如图4可见，自由层162具有高阻尼常数。高阻尼常数至少为0.02。高阻尼常数可以至少为0.1。在一些实施例中，高阻尼常数至少为0.5且不多于0.8。可以通过对自由层162进行掺杂来提供高阻尼常数。例如，可以使用至少5原子百分比且不多于20原子百分比的掺杂物。在一些实施例中，掺杂物可以包括Pt、Ir、Os、Re、W、Bi、Sm、Ho、Dy、Er中的至少一种。在一些实施例中，掺杂物选自Dy、W和Bi。被添加的掺杂物的量可以足够使自由层162的阻尼常数增加到在不存在掺杂物的情况下的阻尼常数的至少5倍至10倍。在一些实施例中，掺杂物可以使阻尼常数增加到甚至多于在不存在掺杂物的情况下的阻尼常数的10倍。如上所讨论的，自由层162还可以具有倾斜的易磁化轴。
磁存储器150可以具有改善的性能。可以利用SO力矩和在平面内驱动通过SO活性层170的写入电流来对自由层162进行编程。因此，可以避免因为垂直于平面地驱动电流通过磁性结160而会发生的对磁性结160的损坏。自由层162具有较高的阻尼常数。因此，利用SO力矩的切换可以是快速的。然而，如果自由层162不具有倾斜的易磁化轴，则会施加外部磁场来选择自由层162所切换到的最终状态。因此，可以改善磁存储器150的性能。
图5描绘了包括在缺少外部磁场的情况下利用SO力矩可编程的磁性结160'的磁存储器150'的另一示例性实施例的透视图。为了清晰起见，图5不是按比例的。此外，为了清晰起见，仅示出一些组件。例如，未示出选择器件和可选的插入层。虽然仅示出一个磁性结160'和一个SO活性层170，但可以包括一个或两个的多种情况。磁存储器150'可以用在各种电子装置中并且类似于磁存储器100。因此，相似的组件具有相似的标记。磁存储器150'包括SO活性层170和磁性结160'，该磁性结160'包括自由层162'、非磁性间隔层164和被钉扎层166'，该SO活性层170与SO活性层130/170类似，该磁性结160'与包括自由层112/162、非磁性间隔层114/164和被钉扎层116/166的磁性结110/160类似。因此，组件160'、162'、164、166'和170可以具有分别与组件110/160、112/162、114/164、116/166和130/170的结构、功能和/或位置相似的结构、功能和/或位置。虽然未示出，但可以存在与上面描述的那些类似的底层基底、接触件、种子层、高PMA层、插入层和/或覆盖层。
被钉扎层166'是包括通过非磁性层196分开的两个磁性层188和198的合成反铁磁体(SAF)。非磁性耦合层(nonmagnetic coupling layer)196可以是诸如Ru和/或Ir的导电层，非磁性耦合层196允许磁性层188与磁性层198之间的Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)耦合。磁性层198是其PMA能大于平面外退磁能的高PMA层。因此，磁矩199是垂直于平面的。在一些实施例中，高PMA层198可以是Co/Pt多层或合金。磁性层188是包括极化增强层(PEL)190、耦合层192和高PMA层194的多层。PEL层具有高的自旋极化，并且可以由诸如CoFeB的材料形成。高PMA层194具有高的垂直磁各向异性(PMA能大于平面外退磁能)。因此，高PMA层194具有垂直于平面的磁矩195。在一些实施例中，高PMA层194可以是Co/Pt多层或合金。为了减少或打破层190与层194之间的结晶耦合(crystalline coupling)，耦合层192可以是非晶的。耦合层192也足够薄以允许磁性层190和194被铁磁耦合(ferromagnetically coupled)。例如，耦合层192可以包括Ta、Mo、W、Zr、FeTa、TaZr、FeZr、FeMgO、FeTaZr、FeCoZrB、PbB和FeCoB中的一种或更多种。磁性层188和198在示出的实施例中被反铁磁耦合。然而，在其它实施例中，被钉扎层166'可以由其它材料和/或其它层形成。
自由层162'是具有倾斜的易磁化轴的多层。在一些实施例中，自由层162'也具有与自由层162的高阻尼常数类似的高阻尼常数α。磁性层182和186以及耦合层184形成自由层162'。垂直层(perpendicular layer)186具有高的PMA。因此，如图5中所示，垂直层186的易磁化轴EA2可以是垂直于平面的。在一些实施例中，高PMA层186具有至少0.2的高阻尼常数。
选择层182(倾斜的选择层/倾斜的层)具有倾斜的易磁化轴EA1。在一些实施例中，选择层182具有至少0.2的高阻尼常数。易磁化轴EA1相对于z轴成角θ'。例如，选择层182可以是Tbx(Fe50Co50)1-x层，其中，x大于0且小于1，并且TbFeCo层已经被制造为具有倾斜的易磁化轴EA1。选择层可以是L10CoPt(111)层位于MgO/Pt(111)下层上的双层。例如，在L10CoPt层可以是至少6埃且不多于40埃的厚度时，MgO下层可以是至少6埃且不多于14埃。然而，其它厚度是可能的。选择层182也可以是Fe3Pt/[FePt/MgO]2双层。根据厚度和处理温度，该材料可以呈现倾斜的易磁化轴。例如，Fe3Pt层的厚度可以在3埃至20埃之间，FePt的厚度可以在3埃至10埃之间。MgO层的厚度可以在4埃至8埃之间。退火温度可以在350摄氏度至450摄氏度之间。这样的退火的磁场处于与易磁化轴的期望角度接近的角度并且被配置为造成易磁化轴的期望角度。对于这样的情况，Fe3Pt/[FePt/MgO]2双层可以具有倾斜的易磁化轴。在一些实施例中，选择层182的厚度至少为6埃且厚度不大于30埃。然而，其它厚度是可能的。选择层182被这样命名是因为易磁化轴EA1的倾斜允许在缺少外部磁场或外部磁偏置的情况下利用SO力矩将自由层162'写入到期望的(被选择的)状态。
耦合层184是非晶的并且足够厚使得减少或打破磁性层182与磁性层186之间的任何结晶耦合。耦合层184也足够薄以使磁性层182与186被铁磁耦合。在一些实施例中，例如，耦合层184的厚度可以至少为2埃且厚度不大于8埃。然而，其它厚度是可能的。耦合层184可以包括诸如Ta、Mo、W、Zr、FeTa、TaZr、FeZr、FeMgO、FeTaZr、FeCoZrB、PbB和FeCoB的材料。在耦合层184中使用的具体材料取决于用于磁性层182和186的材料。
之所以可以认为自由层162'具有倾斜的易磁化轴，是因为易磁化轴EA1的缘故，和/或是因为层182与层186之间的耦合引起自由层的磁矩在与z轴成一定角度处是稳定的。该角度可以与θ'相同，或者比θ'小。
磁性结160'以与磁性结110类似的方式起作用。因此，在平面内沿+y方向驱动写入电流通过SO活性层170使自由层磁矩切换到一种稳定状态，而在平面内沿-y方向驱动写入电流通过SO活性层170使自由层磁矩切换到另一种稳定状态。
磁性结160'可以具有改善的性能，因此磁存储器150'可以具有改善的性能。可以利用SO力矩和在平面内驱动通过SO活性层170的写入电流来对自由层162'进行写入。因此，不需要垂直于平面地驱动通过磁性结160'的电流。因为没有驱动通过磁性结160'的STT写入电流，所以可以避免对磁性结160'的损坏。因为自由层162'具有倾斜的易磁化轴，所以对于利用SO力矩进行写入而言，不需要外部磁场或磁偏置。因此，不需要包括附加的电流输运线。
也可以避免使用会干扰相邻磁性结的长程磁场。如果自由层162'也具有较高的阻尼常数，则利用SO力矩的切换可以较快速。因此，可以改善磁存储器150'的性能。
图6描绘了包括在缺少外部磁场的情况下利用SO力矩可编程的磁性结160”的磁存储器150”的另一示例性实施例的透视图。为了清晰起见，图6不是按比例的。此外，为了清晰起见，仅示出一些组件。例如，未示出选择器件和可选的插入层。虽然仅示出一个磁性结160”和一个SO活性层170，但可以包括一个或两个的多种情况。磁存储器150”可以用在各种电子装置中并且类似于磁存储器100。因此，相似的组件具有相似的标记。磁存储器150”包括SO活性层170和磁性结160”，该磁性结160”包括自由层162”、非磁性间隔层164和被钉扎层166'，该SO活性层170与SO活性层130/170类似，该磁性结160”与包括自由层112/162/162'、非磁性间隔层114/164和被钉扎层116/166/166'的磁性结110/160/160'类似。因此，组件160”、162”、164、166'和170可以具有分别与组件110/160/160'、112/162/162'、114/164、116/166/166'和130/170的结构、功能和/或位置相似的结构、功能和/或位置。虽然没有示出，但可以存在与上面描述的那些类似的底层基底、接触件、种子层、高PMA层和/或覆盖层。
被钉扎层166'是与图5中描绘的被钉扎层166'类似的SAF。因此，被钉扎层包括通过非磁性层196分开并且通过RKKY耦合而被磁耦合的磁性层188和198。层190、192、194、196和198与以上关于图5描述的那些层类似。然而，在其它实施例中，被钉扎层166'可以由其它材料和/或其它层形成。
自由层162”是具有倾斜的易磁化轴的多层。在一些实施例中，自由层162”也具有与自由层162的高阻尼常数类似的高阻尼常数α。因此，磁性层182'和/或186可以具有如上所述的高阻尼常数。耦合层184和高PMA层186与以上描述的那些类似。
自由层162”还包括示出为具有平面内的易磁化方向ED的选择层182'。
换言之，选择层182'(平面内选择层)是平面内各向异性层。无需多言，这是因为选择层182'的磁矩是平面内的。然而，选择层182'在平面中还具有优选方向(ED)。换言之，选择层182'在平面中具有磁能最低的方向。这样的材料的示例是CoIr20。CoIr合金由于强退磁场Hd和负K1磁晶各向异性场Ha而独特地具有非常高的Hk值。因此，平面内磁化方向是非常稳定的。例如，由于13kOe的Hd和15kOe的Ha，Co81Ir19的Hk为28kOe。因为选择层182'与高PMA层186之间的磁耦合，所以自由层162”沿着与图1中描绘的易磁化轴EA类似的倾斜的易磁化轴具有稳定的状态。因此，可以通过垂直层186与平面内选择层182'之间的交换耦合来获得倾斜的易磁化轴EA，其中，平面内选择层182'具有强的平面内磁各向异性场Hk。
磁性结160”以与磁性结110类似的方式起作用。因此，在平面内沿+y方向驱动写入电流通过SO活性层170使自由层磁矩切换到一种稳定状态，而在平面内沿-y方向驱动写入电流通过SO活性层170使自由层磁矩切换到另一种稳定状态。
磁性结160”可以具有改善的性能，因此磁存储器150”可以具有改善的性能。因为没有驱动通过磁性结160”的STT写入电流，所以可以避免对磁性结160”的损坏。因为自由层162”具有倾斜的易磁化轴，所以对于利用SO力矩进行写入而言，不需要外部磁场或磁偏置。因此，不需要包括附加的电流输运线。也可以避免使用会干扰相邻磁性结的长程磁场。如果自由层162”也具有较高的阻尼常数，则利用SO力矩的切换可以较快速。因此，可以改善磁存储器150”的性能。
虽然在此已经描述了具体的磁性结110、160、160'和160”，但本领域普通技术人员将认识到，在此描述的特征可以以未明确示出的方式来组合。另外，虽然在磁存储器的背景下进行了描述，但是包括但不限于磁性结110、160、160'和160”的在此描述的特征可以用于其它磁装置中。
图7描绘了用于制造在缺少外部磁场的情况下利用SO力矩可编程并且可用于各种电子装置中的磁存储器的方法200的示例性实施例。为了简化起见，一些步骤可以省略，可以以另一种顺序来执行，可以包括子步骤，和/或可以被组合。此外，可以在已经执行形成磁存储器的其它步骤之后开始方法200。为了简化起见，在磁存储器100的背景下描述方法200。然而，可以形成包括但不限于磁存储器150、150'和/或150”的其它磁存储器。
通过步骤202设置至少一个SO活性层130。步骤202可以包括沉积用于每个SO活性层130的期望的材料并且对其图案化。可以通过步骤204选择性地设置插入层102。
然后可以通过步骤206形成多个磁性结110。步骤206可以包括毯式沉积(blanketdeposit)用于自由层112、非磁性间隔层114、被钉扎层116和磁性结110中期望的任何附加层的层。还可以执行退火和/或其它处理步骤。然后可以限定磁性结110。例如，可以形成具有与磁性结110之间的空间对应的开口的掩模，并且可以实施反应离子蚀刻和/或其它去除工艺。然后可以完成对磁存储器的制造。
利用方法200可以制造磁存储器100、150、150'和/或150”。结果，可以获得磁存储器100、150、150'和/或150”以及/或者磁性结110、160、160'和/或160”的益处。
图8描绘了用于制造在缺少外部磁场的情况下利用SO力矩可编程并且可用于各种电子装置中的磁性结的方法210的示例性实施例。为了简化起见，一些步骤可以省略，可以以另一种顺序来执行，可以包括子步骤，和/或可以被组合。此外，可以在已经执行形成磁存储器或其它磁装置的其它步骤之后开始方法210。为了简化起见，在磁性结110的背景下来描述方法210。然而，可以形成包括但不限于磁性结160、160'和/或160”的其它磁性结。
通过步骤212来设置自由层112。自由层212具有倾斜的易磁化轴EA和/或至少为0.02的增大的阻尼常数。在一些实施例中，自由层112与SO活性层130邻接。步骤212可以包括设置用于自由层112、162、162'和/或162”的层。因此，步骤212可以包括在高磁场中沉积诸如TbFeCo层的层和/或在高磁场中对所述层中的一些层退火。在步骤212中还可以形成高PMA层、耦合层和/或其它层。步骤212还可以包括设置合适的种子层和/或覆盖层以获得自由层112、162、162'和/或162”的期望的晶体结构和/或磁性质。步骤212还可以包括添加诸如Pt、Ir、Os、Re、W、Bi、Sm、Ho、Dy和/或Er中的一种或更多种的掺杂物，以使层的阻尼常数增大。
通过步骤214设置非磁性间隔层114。步骤214可以包括沉积形成隧道势垒层的MgO。在一些实施例中，步骤214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214中使金属Mg氧化。
通过步骤216设置可以具有超过它的平面外退磁能的PMA的被钉扎层116。在一些实施例中，步骤216可以包括设置诸如SAF、高PMA多层和/或另一多层的多层。可以在单独的去除步骤中单独地限定自由层112、非磁性间隔层114和被钉扎层116。然而，通常，毯式沉积并且处理所述层以形成磁阻堆叠件。然后可以光刻地限定全部所述层以形成磁性结110。
因此，作为结果，可以形成磁性结110、160、160'和/或160”，可以获得磁性结110、160、160'和/或160”的益处。
已经描述了用于设置并使用磁性结的方法和系统以及使用磁性结制造的存储器。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认识到的是，可以变化实施例，并且任何变化将在方法和系统的精神和范围内。因此，在不脱离所附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 (18)

1.一种磁装置，所述磁装置包括：
多个磁性结，所述多个磁性结中的每个磁性结包括自由层、被钉扎层和非磁性间隔层，非磁性间隔层位于被钉扎层与自由层之间，自由层具有倾斜的易磁化轴和高阻尼常数中的至少一种，所述倾斜的易磁化轴与垂直于平面方向成非零度锐角，所述高阻尼常数为至少0.02；以及
至少一个自旋轨道相互作用活性层，与所述多个磁性结中的每个磁性结的自由层相邻，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层输运平面内电流，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层由于经过所述至少一个自旋轨道相互作用活性层的电流而对自由层施加自旋轨道相互作用力矩，利用自旋轨道相互作用力矩使自由层是可切换的。
2.根据权利要求1所述的磁装置，其中，自由层具有所述倾斜的易磁化轴，其中，所述非零度锐角为至少5度且不大于20度。
3.根据权利要求2所述的磁装置，其中，所述非零度锐角不大于10度。
4.根据权利要求2所述的磁装置，其中，自由层包括以下中的至少一种：
L10CoPt(111)层位于MgO/Pt(111)下层上的双层，
Tbx(Fe50Co50)1-x层，其中，x大于0且小于1，
Fe3Pt/[FePt/MgO]2双层，和
多层，所述多层包括选择层、耦合层和垂直层，所述垂直层具有比平面外退磁能大的高垂直各向异性能，所述耦合层是非晶的且位于所述选择层与所述垂直层之间，所述选择层选自倾斜的层和平面内各向异性层，所述倾斜的层具有与所述垂直于平面方向成附加非零度锐角的易磁化轴，所述平面内各向异性层具有平面内的优选轴。
5.根据权利要求4所述的磁装置，其中，自由层还具有高阻尼常数。
6.根据权利要求1所述的磁装置，其中，自由层包括至少一种掺杂物，所述至少一种掺杂物提供至少0.02的高阻尼常数。
7.根据权利要求6所述的磁装置，其中，所述高阻尼常数为至少0.5。
8.根据权利要求6所述的磁装置，其中，自由层包括至少5原子百分比且不多于20原子百分比的所述至少一种掺杂物。
9.根据权利要求6所述的磁装置，其中，所述至少一种掺杂物包括Pt、Ir、Os、Re、W、Bi、Sm、Ho、Dy、Er中的至少一种。
10.根据权利要求9所述的磁装置，其中，所述至少一种掺杂物选自Dy、W和Bi。
11.一种磁装置，所述磁装置包括：
多个磁性结，所述多个磁性结中的每个磁性结包括自由层、被钉扎层和非磁性间隔层，非磁性间隔层位于被钉扎层与自由层之间，自由层具有倾斜的易磁化轴和高阻尼常数中的至少一种，所述倾斜的易磁化轴与垂直于平面方向成非零度锐角，所述非零度锐角为至少5度且不大于10度，所述高阻尼常数为至少0.02且不多于0.8；以及
至少一个自旋轨道相互作用活性层，与所述多个磁性结中的每个磁性结的自由层相邻，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层输运平面内电流，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层由于经过所述至少一个自旋轨道相互作用活性层的电流而对自由层施加自旋轨道相互作用力矩，利用自旋轨道相互作用力矩使自由层是可切换的；
其中，如果自由层具有所述倾斜的易磁化轴，则自由层包括以下中的至少一种：
L10CoPt(111)层位于MgO/Pt(111)下层上的双层，
Tbx(Fe50Co50)1-x层，其中，x大于0且小于1，
Fe3Pt/[FePt/MgO]2双层，和
多层，所述多层包括选择层、耦合层和垂直层，所述垂直层具有比平面外退磁能大的高垂直各向异性能，所述耦合层是非晶的且位于所述选择层与所述垂直层之间，所述选择层选自倾斜的层和平面内各向异性层，所述倾斜的层具有与所述垂直于平面方向成附加非零度锐角的易磁化轴，所述平面内各向异性层具有平面内的优选轴；并且
其中，如果自由层包括所述高阻尼常数，则自由层包括至少5原子百分比且不多于20原子百分比的至少一种掺杂物，所述至少一种掺杂物包括Pt、Ir、Os、Re、W、Bi、Sm、Ho、Dy、Er中的至少一种。
12.一种用于设置磁装置的方法，所述方法包括：
设置至少一个自旋轨道相互作用活性层；以及
设置多个磁性结，
其中，所述多个磁性结中的每个磁性结包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层，非磁性间隔层位于被钉扎层与自由层之间，自由层具有倾斜的易磁化轴和高阻尼常数之中的至少一种，所述倾斜的易磁化轴与垂直于平面方向成非零度锐角，所述高阻尼常数为至少0.02，
其中，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层与所述多个磁性结中的每个磁性结的自由层相邻，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层输运平面内电流，所述至少一个自旋轨道相互作用活性层由于经过所述至少一个自旋轨道相互作用活性层的电流而对自由层施加自旋轨道相互作用力矩，利用自旋轨道相互作用力矩使自由层是可切换的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，自由层具有所述倾斜的易磁化轴，其中，所述非零度锐角为至少5度且不大于20度。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，设置所述多个磁性结的步骤包括设置自由层的步骤，设置自由层的步骤还包括以下步骤中的至少一个：
在MgO/Pt(111)下层上设置L10CoPt(111)层；
在与所述垂直于平面方向成附加非零度角的磁场中沉积Tbx(Fe50Co50)1-x层，其中，x大于0且小于1；
在与所述垂直于平面方向成所述附加非零度角的所述磁场中对所述Tbx(Fe50Co50)1-x层进行退火；
设置Fe3Pt/[FePt/MgO]2双层；以及
设置多层，所述多层包括选择层、耦合层和垂直层，所述垂直层具有比平面外退磁能大的高垂直各向异性能，所述耦合层是非晶的并位于所述选择层与所述垂直层之间，所述选择层选自倾斜的层和平面内各向异性层，所述倾斜的层具有与所述垂直于平面方向成附加非零度锐角的易磁化轴，所述平面内各向异性层具有平面内的优选轴。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，自由层还具有高阻尼常数。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，设置所述多个磁性结的步骤包括设置自由层的步骤，设置自由层的步骤包括在自由层的至少一个磁性层中提供至少一种掺杂物，所述至少一种掺杂物提供至少0.02的高阻尼常数。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，自由层的所述至少一个磁性层包括至少5原子百分比且不多于20原子百分比的所述至少一种掺杂物。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少一种掺杂物包括Pt、Ir、Os、Re、W、Bi、Sm、Ho、Dy、Er中的至少一种。
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