CN108574041B - 磁性结、设置磁性结的方法和磁性存储器 - Google Patents

磁性结、设置磁性结的方法和磁性存储器 Download PDF

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Abstract

描述了磁性结、设置磁性结的方法和磁性存储器。磁性结包括参考层、非磁性间隔层和杂化自由层。杂化自由层使用穿过磁性结的电流在稳定的磁性状态之间是可切换的。非磁性间隔层位于杂化自由层与参考层之间。杂化自由层包括软磁性层、硬磁性层以及位于硬磁性层与软磁性层之间的氧化物耦合层。软磁性层具有不大于30的第一磁热稳定系数。硬磁性层具有是第一磁热稳定系数的至少两倍的第二磁热稳定系数。

Description

磁性结、设置磁性结的方法和磁性存储器
本申请要求于2017年3月13日提交的第62/470,842号美国临时专利申请以及于2017年5月23日提交的第15/603,402号美国非临时专利申请的优先权，上述美国专利申请通过引用包含于此。
技术领域
本发明涉及磁性结、设置磁性结的方法和磁性存储器。
背景技术
磁性存储器，特别是磁性随机存取存储器(MRAM)，由于它们在操作期间的高读/写速度、优异的耐久性、非易失性和低功耗的潜力已经引起越来越多的兴趣。MRAM可以使用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM使用至少部分由驱动通过磁性结的电流写入的磁性结。驱动通过磁性结的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋转矩。因此，具有响应于自旋转矩的磁矩的层可以被切换到期望的状态。
例如，传统的磁性隧道结(MTJ)可以用于传统的STT-MRAM中。传统的MTJ通常存在于基底上。传统的MTJ使用传统的种子层，可以包括覆盖层，并且可以包括传统的反铁磁性(AFM)层。传统的MTJ包括传统的参考层、传统的自由层以及位于传统的钉扎层与自由层之间的传统的隧道势垒层。传统的MTJ下方的底部接触件和传统的MTJ上的顶部接触件可以用于在电流垂直于平面(CPP)方向上驱动电流通过传统的MTJ。
传统的参考层和传统的自由层是磁性的。传统的参考层的磁化在特定方向上固定或钉扎。传统的自由层具有可变的磁化。传统的自由层可以是单层或包括多层。
为了对传统自由层的磁化进行切换，电流垂直于平面驱动。当足够的电流从顶部接触件驱动到底部接触件时，传统的自由层的磁化可以切换成与传统的底部参考层的磁化平行。当足够的电流从底部接触件驱动到顶部接触件时，自由层的磁化可以切换成与底部参考层的磁化反平行。磁性配置中的差异对应于传统MTJ的不同磁阻，因此对应于传统MTJ的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。
由于它们在各种应用中使用的潜力，所以正在进行磁性存储器的研究。期望用于改善STT-MRAM的性能的机制。例如，可以期望低的切换电流来用于更容易和更快速的切换。此外，期望自由层的磁矩在不施加切换电流的情况下是热稳定的。因此，需要的是可以改善自旋转移矩类存储器的切换和稳定性的方法和系统。这里描述的方法和系统解决了这种需要。
发明内容
描述了磁性结和用于设置磁性结的方法。磁性结包括参考层、非磁性间隔层和杂化自由层。杂化自由层使用穿过磁性结的电流在稳定的磁性状态之间可切换。非磁性间隔层位于杂化自由层与参考层之间。杂化自由层包括软磁性层、硬磁性层以及位于硬磁性层与软磁性层之间的氧化物耦合层。软磁性层具有不大于30的第一磁热稳定系数。硬磁性层具有是第一磁热稳定系数的至少两倍的第二磁热稳定系数。
磁性结具有杂化自由层，所述杂化自由层可以具有减小的阻尼并且磁热稳定系数除以临界切换电流密度的数量增大。因此，可以改善性能。
附图说明
图1描绘了可用在磁性装置中并具有包括氧化物耦合层的杂化自由层的磁性结的示例性实施例。
图2描绘了可用在磁性装置中并具有包括氧化物耦合层的杂化自由层的磁性结的另一示例性实施例。
图3描绘了可用在磁性装置中并具有包括氧化物耦合层的杂化自由层的磁性结的另一示例性实施例。
图4描绘了可用在磁性装置中并具有包括氧化物耦合层的杂化自由层的磁性结的另一示例性实施例。
图5描绘了可用在磁性装置中并具有包括氧化物耦合层的杂化自由层的磁性结的另一示例性实施例。
图6描绘了可用在磁性装置中并具有包括氧化物耦合层的杂化自由层的磁性结的另一示例性实施例。
图7描绘了可用在磁性装置中并具有包括氧化物耦合层的杂化自由层的磁性结的另一示例性实施例。
图8描绘了可用在磁性装置中并具有包括氧化物耦合层的杂化自由层的磁性结的另一示例性实施例。
图9是描绘用于设置可用在诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性装置中并包括具有氧化物耦合层的杂化自由层的磁性结的层的方法的示例性实施例的流程图。
图10描绘了在存储单元的存储器元件中利用磁性结的存储器的示例性实施例。
具体实施方式
示例性实施例涉及可用在诸如磁性存储器的磁性装置中的磁性结以及使用此磁性结的装置。磁性存储器可以包括自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT-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移动电话、智能电话、平板电脑、笔记本电脑以及其它便携式和非便携式计算装置。示例性实施例也可以用于不配置为用作磁性存储器的其它磁性装置中。给出下面的描述以使本领域普通技术人员能够制造并使用本发明，并且在专利申请及其要求的语境中提供下面的描述。对这里描述的示例性实施例以及一般原理和特征的各种修改将是容易清楚的。主要根据具体实施方式中提供的具体方法和系统来描述示例性实施例。然而，方法和系统将在其它实施方式中有效地运行。诸如“示例性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的短语可以表示相同或不同的实施例以及多个实施例。将参照具有某些组件的系统和/或装置来描述实施例。然而，系统和/或装置可以包括比所示的组件多或少的组件，并且可以在不脱离发明的范围的情况下对组件的布置和类型做出各种改变。还将在具有某些步骤的特定方法的语境中描述示例性实施例。然而，方法和系统对于其它方法有效地运行，所述其它方法具有不同和/或附加步骤以及与示例性实施例不一致的不同顺序的步骤。因此，本发明不意图限制于所示的实施例，而是以与在此描述的原理和特征一致的最宽范围为基础。
描述了磁性结和提供磁性结的方法。磁性结包括参考层、非磁性间隔层和杂化自由层。杂化自由层使用穿过磁性结的电流在稳定的磁性状态之间可切换。非磁性间隔层位于杂化自由层与参考层之间。杂化自由层包括软磁性层、硬磁性层和位于硬磁性层与软磁性层之间的氧化物耦合层。软磁性层具有不大于30的第一磁热稳定系数。硬磁性层具有是第一磁热稳定系数的至少两倍的第二磁热稳定系数。
在特定方法、磁性结和具有某些组件的磁性存储器的语境中描述了示例性实施例。本领域普通技术人员将容易认识到，本发明与具有其它和/或附加组件和/或与本发明不一致的其它特征的磁性结和磁性存储器的使用一致。也在对自旋转移现象、磁各向异性和其它物理现象的当前理解的语境中描述了方法和系统。因此，本领域普通技术人员将容易地认识到，基于对自旋转移、磁各向异性和其它物理现象的当前理解来做出方法和系统的行为的理论解释。然而，这里描述的方法和系统不依赖于具体的物理解释。本领域普通技术人员还将容易地认识到，在与基底具有特定关系的结构的语境中描述了方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易地认识到，方法和系统与其它结构一致。此外，在某些合成和/或简单的层的语境中描述方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易地认识到，这些层可以具有另一种结构。此外，在具有特定层的磁性结和/或子结构的语境中描述了方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易认识到，也可以使用具有与方法和系统不一致的附加和/或不同层的磁性结和/或子结构。此外，某些组件被描述为磁性、铁磁性和亚铁磁性。如这里所使用的，术语磁性可以包括铁磁性或亚铁磁性等的结构。因此，如这里所使用的，术语“磁性”或“铁磁性”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。如这里所使用的，“平面内”基本上在磁性结的一个或更多个层的平面内或与所述平面平行。相反，“垂直”和“垂直于平面”对应于基本上垂直于磁性结的一个或更多个层的方向。在某些合金的语境中也描述了方法和系统。除非另有说明，否则如果没有提及合金的具体浓度，则可以使用与方法和系统不一致的任意化学计量。磁性结也在具有特定厚度的层的语境中描述，并且被描绘为具有恒定厚度的连续层。本领域普通技术人员将理解的是，特别是对于非常薄的层，磁性结的一个或更多个层可以具有横跨(across)磁性结而变化的厚度和/或可以是不连续的。
图1描绘了可用于诸如使用自旋转移矩阵可编程的磁性存储器的磁性装置中并具有杂化自由层的磁性结100A的示例性实施例。为了清楚起见，图1不是按比例的。磁性结100A可以用于诸如自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)的磁性装置中，因此可用在各种电子装置中。磁性结100A包括具有磁矩111的参考层110、非磁性间隔层120和杂化自由层130A。磁性结100A也可以包括一个或更多个极化增强层(PEL)103。PEL 103可以包括CoFeB、CoFeC和/或类似的材料。在其它实施例中，可以省略PEL 103，或者可以采用附加的PEL。例如，可以在非磁性间隔层120与杂化自由层130A之间存在PEL。还示出了可选择的种子层102和覆盖层140。其上形成有磁性结100A的基底101存在于可选择的种子层下面。未示出底部接触件和顶部接触件，但可以形成底部接触件和顶部接触件。可选择的种子层102和覆盖层140可以用于对杂化自由层130A和/或参考层110的性质进行剪裁(tailor)。例如，可以期望覆盖层140包括MgO层、TaO、HfO、ZrO层、Mg/Ir层、Mg/Ru层和Mg/Re层中的一种或更多种。Mg/Ir层、Mg/Ru层和Mg/Re层是如下所述进行沉积、等离子体处理、原位退火和氧化的双层。
从图1中可以看出，磁性结100A是自钉扎(self-pinned)的底部钉扎磁性结。在其它实施例中，可以使用可选择的钉扎层(未示出)来对参考层110的磁化进行固定。在一些实施例中，可选择的钉扎层可以是通过交换偏置相互作用(exchange-bias interaction)来对磁化进行钉扎的反铁磁性(AFM)层或多层。然而，在其它实施例中，可以省略可选择的钉扎层，或者可以使用另一种结构。在所示的实施例中，参考层110的磁矩111被参考层110的磁各向异性所钉扎。
磁性结100A还被配置为允许杂化自由层130A的磁矩133和137使用穿过磁性结100A的写入电流在稳定的磁性状态之间切换。因此，当在电流垂直于平面(CPP)的方向上驱动写入电流通过磁性结100A时，杂化自由层130A利用自旋转移矩是可切换的。可以通过驱动读取电流通过磁性结100A来读取杂化自由层130A的磁矩133和137的方向。
磁矩133和137被描绘为从垂直于平面的方向倾斜。因此，磁矩在与垂直于平面的方向(示出参考层110的磁矩111所对准的方向)成若干角度(小于20度)处是稳定的。对于较快速的切换而言这样的配置可以是期望的。在一些实施例中，这种配置的切换可以在亚五纳秒(sub-five nanosecond)的范围中。在其它实施例中，磁矩133和/或137可以在包括但不限于在垂直于平面的另一方向上对准。
非磁性间隔层120可以是隧道势垒层。例如，非磁性间隔层120可以是具有(100)晶向的结晶MgO隧道势垒。例如，在一些实施例中，隧道势垒层120可以不大于1.5nm厚。在一些这样的实施例中，隧道势垒层120的厚度可以不超过1纳米。通常，期望隧道势垒层120具有不同的厚度。这种非磁性间隔层120可以增强磁性结100A的隧道磁阻(TMR)。在其它实施例中，非磁性间隔层120可以由包括但不限于导体的附加和/或其它材料形成。
参考层110被示出为简单的单层。然而，在其它实施例中，参考层110可以是多层。例如，参考层110可以是合成的反铁磁体(SAF)，所述反铁磁体(SAF)包括被诸如Ru的非磁性层分开并夹着所述非磁性层的两个磁性耦合铁磁层。参考层110具有高的垂直磁各向异性。换句话说，垂直磁各向异性能超过参考层110的平面外退磁能。这种配置允许参考层110的磁矩垂直于平面而稳定或者在可以接近垂直于平面的另一个方向上稳定。因此，参考层110的磁矩在平面外是稳定的。在可选择的实施例中，参考层110的磁矩可以在平面内是稳定的。在一些实施例中，参考层110可以是高垂直磁各向异性(Hk)多层。例如，参考层110可以是或者可以包括Co/Pt、Co/Ni和/或Co/Ir多层。可以使用具有其它结构的其它参考层。此外，在可选择的实施例中，参考层110可以具有平面内的磁矩111。
杂化自由层130A包括两个磁性层132和136以及氧化物耦合层134。软磁性层132最靠近非磁性间隔层120，而硬磁性层136远离非磁性间隔层120。在可选择的实施例中，可以颠倒层132和136的位置。杂化自由层130A具有高的垂直磁各向异性。换句话说，对于杂化自由层130A，垂直磁各向异性能超过了平面外退磁能。杂化自由层130A的磁矩可以在平面外是稳定的。在可选择的实施例中，杂化自由层130A的磁矩可以在平面内是稳定的。在一些实施例中，软磁性层132具有至少-2kOe且不大于0kOe的垂直磁各向异性场。例如，这种软磁性层132可以包括具有20至50原子百分比B的第一CoFeB层和Fe层的双层或者可以包括具有20至50原子百分比B的第一CoFeB层和具有不同硼含量的第二CoFeB的双层。第一CoFeB层可以大约是4埃至10埃厚，而第二CoFeB或Fe层可以大约是5埃至12埃厚。在一些实施例中，硬磁性层136具有至少3kOe且不大于6kOe的磁各向异性场。例如，硬磁性层136可以是包括第三CoFeB层和Fe层的双层或者可以是包括第三CoFeB层和具有不同硼含量的第四CoFeB层的双层。第三CoFeB层可以是4埃至10埃厚，而第四CoFeB或Fe层为3埃至7埃厚。然而，其它磁各向异性、厚度和/或材料对于层132和136是可能的。
每个磁性层132和136的特征还在于磁热稳定系数Δ＝KuV/kBT，其中Ku是层132或136的磁各向异性密度，kB是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度，V是层132或136的体积。因此由Ku-软层V软层/kBT给出软磁性层的第一磁热稳定系数Δs。因此由Ku-硬层V硬层/kBT给出硬磁性层的第二磁热稳定系数Δh。层的KuV是对层的磁矩进行切换的(温度依赖的)能量势垒的表达式。整个自由层130A的磁热稳定系数Δ自由层在非编程操作温度或待机温度(诸如在室温和室温附近)下至少为60。因此，杂化自由层130A在室温下是热稳定的。然而，软磁性层132在室温/待机温度下具有不超过30的Δs。在一些这样的实施例中，Δs在室温/待机温度下不超过20。在一些情况下，Δs在这样的温度下可以小于20。如果软磁性层132没有磁耦合到硬磁性层136，则由于低的磁热稳定系数，软磁性层132可以更容易在给定的温度下切换或响应于通过磁性结100A的特定电流而切换。硬磁性层136具有为软磁性层132的磁热稳定系数的至少两倍的磁热稳定系数Δh(Δh≥2Δs)。在一些实施例中，硬磁性层136具有是软磁性层132的磁热稳定系数的至少三倍的磁热稳定系数(Δh≥3Δs)。因此，如其名称所表示的，硬磁性层136比软磁性层132更稳定。
氧化物耦合层134通常是非磁性的并且使软磁性层132与硬磁性层136之间的磁性相互作用适度。氧化物耦合层134可以包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。在一些实施例中，氧化物耦合层134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种构成。例如，氧化物耦合层134可以由MgO形成。可选择地，氧化物耦合层134可以包括MgO和MoO。可以选择氧化物耦合层134的厚度以实现层132和136之间的交换耦合的期望大小。例如，氧化物耦合层134可以足够厚，使得软磁性层132和硬磁性层136以至少0.2erg/cm2且不大于0.8erg/cm2的特征交换能密度进行磁性耦合。这可以对应于至少1000Oe且不大于3000Oe的交换场(Hex)。在一些这样的实施例中，特征交换能密度为至少0.3erg/cm2且不大于0.5erg/cm2，其可以对应于至少1500Oe且不大于2500Oe的Hex。在一些情况下，层132和136之间的磁性相互作用的目标交换场是2000Oe。然而，在其它实施例中，其它交换场和交换能密度是可能的。
可以选择在氧化物耦合层134中使用的厚度和材料来对层132与层136之间的磁性耦合进行剪裁。可以通过具有至少5埃且不大于15埃的厚度的氧化物耦合层134来获得期望的交换场(例如，目标交换场)。在一些实施例中，对于期望的交换场，氧化物耦合层134(诸如MgO氧化物耦合层134)为至少6埃厚且不大于9埃厚。特别是在该厚度范围的下端处，氧化物耦合层134可以不连续。因此，尽管被描绘为均匀厚度的单层，但是氧化物耦合层134可以是不连续的并且具有变化的厚度。然而，相信的是，针对氧化物耦合层134中的钉扎孔(pinhole)或其它间断点(discontinuity)，对于上述厚度可以获得磁性层132与磁性层136之间期望的交换相互作用。这是因为交换相互作用可以在交换相互作用较强的区域(间断点/钉扎孔)与交换相互作用较低的区域(存在氧化物层/岛的区域)之间进行平均。因此，软磁性层132和硬磁性层136可以通过氧化物耦合层134具有期望的磁性相互作用。还注意的是，氧化物耦合层134可以期望为薄的以不仅提供磁性层132与磁性层136之间的期望的交换相互作用，还是导电的。因此，在CPP方向上驱动通过磁性结100A的读取或写入电流可以通过磁性结100A传导。
包括软磁性层132、硬磁性层136和氧化物耦合层134的杂化自由层130A的使用可以改善磁性结100A的性能。磁性结的一个品质因数(FOM)是磁热稳定系数除以临界切换电流密度(Δ/Jc0)。临界切换电流密度是使用自旋转移矩来切换磁性结所需的电流密度。Δ的增大对应于在静止(未被编程)时更稳定的杂化自由层130，这是所期望的。临界切换电流密度的降低意味着使用自旋转移矩更容易地切换杂化自由层130，这也是所期望的。因此，期望高的FOM。软磁性层132、氧化物耦合层134和硬磁性层136的组合具有改善的FOM。在一些情况下，可以实现FOM中至少2倍的改善，特别是对于上述范围内的磁性耦合。此外，磁性结100A可以不具有增大的阻尼。氧化物耦合层134的使用可以减轻否则将会对自旋转移矩切换产生不利影响的阻尼。因此，可以在不过度地牺牲阻尼的情况下实现FOM改善。某些氧化物耦合层134也可以增大磁性层132和136的垂直磁各向异性(PMA)。这也可以是有利的。因此可以改善磁性结100A的性能。
图2描绘了可用于诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性装置中并具有杂化自由层的磁性结100B的另一示例性实施例。为了清楚起见，图2不是按比例的。磁性结100B与磁性结100A类似。因此，相似的组件具有类似的标记。例如，磁性结100B包括分别与参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130A类似的参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130B。这些层110、103、120和130B分别具有与图1中描绘的层110、103、120和130A类似的结构和功能。例如，参考层110和杂化自由层130B可以均具有超过平面外退磁能的垂直磁各向异性。因此，如图所示，磁矩111、133和137可以垂直于平面而稳定或者从垂直于平面倾斜而稳定。还示出了与图1中描绘的种子层102和覆盖层140类似的可选择的种子层102和可选择的覆盖层140。然而，因为与用于磁性结100A相比这些种子层102和覆盖层140与不同的层相邻，所以它们可以被配置为用于其它目的。在其它实施例中，可以省略PEL 103，或者可以采用附加的PEL。其上形成有磁性结100B的基底101位于种子层的下方。未示出底部接触件和顶部接触件，但可以形成底部接触件和顶部接触件。
与磁性结100A相比，磁性结100B是顶部钉扎的磁性结。因此，参考层110比杂化自由层130B远离基底101。参考层110仍然是自钉扎的。在其它实施例中，可以使用可选择的钉扎层(未示出)来对参考层110的磁化进行固定。磁性结100B还被配置为允许杂化自由层的磁矩133和137使用穿过磁性结100B的写入电流在稳定的磁性状态之间切换。因此，当在CPP方向上驱动写入电流通过磁性结100B时，杂化自由层130B利用自旋转移矩是可切换的。可以通过驱动读取电流通过磁性结100B来读取杂化自由层130B的磁矩133和137的方向。
杂化自由层130B包括两个磁性层132和136以及氧化物耦合层134。杂化自由层130B的硬磁性层136与可选择的种子层102相邻。因此，在本实施例中，可选择的种子层102可以与图1的覆盖层类似。例如，种子层可以包括MgO层、TaO、HfO、ZrO层、Mg/Ir层、Mg/Ru层和Mg/Re层中的一种或更多种。如果使用，Mg/Ir层、Mg/Ru层和/或MgRe层是如沉积、等离子体处理、原位退火和氧化的双层。然而，在其它实施例中，可以使用其它种子层。软磁性层132最靠近非磁性间隔层120，而硬磁性层136远离非磁性间隔层120。在可选择的实施例中，可以颠倒层132和136的位置。
杂化自由层130B的磁热稳定系数Δs和Δh与上述类似。软磁性层132具有在室温/待机温度下不超过30的Δs。在一些这样的实施例中，Δs在室温/待机温度下不超过20。在一些情况下，Δs在这样的温度下可以小于20。硬磁性层136具有是软磁性层132的磁热稳定系数的至少两倍的磁热稳定系数Δh。在一些实施例中，硬磁性层136具有是软磁性层132的磁热稳定系数的至少三倍的磁热稳定系数。
氧化物耦合层134通常是非磁性的并且使软磁性层132与硬磁性层136之间的磁性相互作用适度。氧化物耦合层134可以包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。在一些实施例中，氧化物耦合层134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种构成。可以选择氧化物耦合层134的厚度以实现层132与层136之间的交换耦合的期望大小。氧化物耦合层134可以足够厚，使得软磁性层132和硬磁性层136以至少0.2erg/cm2且不大于0.8erg/cm2的特征交换能密度进行磁性耦合。在一些这样的实施例中，特征交换能密度为至少0.3erg/cm2且不大于0.5erg/cm2。然而，在其它实施例中，其它交换场和交换能密度是可能的。
可以选择在氧化物耦合层134中使用的厚度和材料来对层132与层136之间的磁性耦合进行剪裁。可以通过具有至少5埃且不大于15埃的厚度的氧化物耦合层134来获得期望的交换场。在一些实施例中，对于期望的交换场，氧化物耦合层134(诸如MgO氧化物耦合层134)为至少6埃厚且不大于9埃厚。特别是在该厚度范围的下端处，氧化物耦合层134可以不连续。还注意的是，可以期望氧化物耦合层134是导电的。
磁性结100B可以共享磁性结100A的优点。磁性结100B的FOM可以增大。在一些情况下，可以实现FOM中至少2倍的改善，特别是对于上述范围内的磁性耦合。可以在没有增大阻尼的情况下实现FOM的增大。氧化物耦合层134还可以增强磁性层132和136的PMA。因此可以改善磁性结100B的性能。
图3描绘了可用于诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性装置中并具有杂化自由层的磁性结100C的另一示例性实施例。为了清楚起见，图3不是按比例的。磁性结100C与磁性结100A和/或磁性结100B类似。因此，相似的组件具有类似的标记。例如，磁性结100C包括分别与参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130A/130B类似的参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130C。这些层110、103、120和130C分别具有与图1和图2中描绘的层110、103、120和130A/130B类似的结构和功能。例如，参考层110和杂化自由层130C可以均具有超过平面外退磁能的垂直磁各向异性。因此，如图所示，磁矩111、133和137可以垂直于平面而稳定或者从垂直于平面倾斜而稳定。还示出了与图1和图2中描绘的种子层102和覆盖层140类似的可选择的种子层102和可选择的覆盖层140。然而，因为与用于磁性结100A和100B相比这些种子层102和覆盖层140与不同的层相邻，所以它们可以被配置为用于其它目的。在其它实施例中，如图所示，可以省略PEL103，或者可以采用附加的PEL。其上形成有磁性结100C的基底101位于种子层的下方。未示出底部接触件和顶部接触件，但可以形成底部接触件和顶部接触件。
磁性结100C也被配置为允许自由层磁矩133和137使用穿过磁性结100C的写入电流在稳定的磁性状态之间切换。因此，当在CPP方向上驱动写入电流通过磁性结100C时，杂化自由层130C利用自旋转移矩是可切换的。可以通过驱动读取电流通过磁性结100C来读取杂化自由层130C的磁矩133和137的方向。
然而，磁性结100C是双磁性结。因此，磁性结100C也包括附加非磁性间隔层150和附加参考层160。还示出了在一些实施例中可以省略的可选择的附加PEL 152。可选择的PEL152与可选择的PEL 103类似。附加非磁性间隔层150类似于非磁性间隔层120。因此，附加非磁性间隔层150可以是隧道势垒层，诸如具有(100)晶向的结晶MgO的隧道势垒。附加非磁性间隔层150的厚度可以类似于非磁性间隔层120的厚度。然而，厚度通常是不同的。在其它实施例中，附加非磁性间隔层150可以由包括但不限于导体的附加和/或其它材料形成。附加参考层160类似于参考层110。参考层110被示出为简单的单层，但是可以是多层。附加参考层160具有高垂直磁各向异性和在平面外稳定的磁矩161。在所示的实施例中，磁矩161和111是反平行的。本配置可以减小切换磁矩133和137所需的写入电流的大小。然而，在其它实施例中，磁矩161和111可以不同地定向，包括但不限于平行。在可选择的实施例中，附加参考层160可以具有平面内的磁矩161。
杂化自由层130C包括两个磁性层132和136以及氧化物耦合层134。杂化自由层130C的磁热稳定系数Δs和Δh与上述的磁热稳定系数Δs和Δh类似。软磁性层132具有在室温/待机温度下不大于30的Δs。在一些这样的实施例中，Δs在室温/待机温度下不大于20。在一些情况下，Δs在这样的温度下可以小于20。硬磁性层136具有是软磁性层132的磁热稳定系数的至少两倍的磁热稳定系数Δh。在一些实施例中，硬磁性层136具有是软磁性层132的磁热稳定系数的至少三倍的磁热稳定系数。
氧化物耦合层134通常是非磁性的并且使软磁性层132与硬磁性层136之间的磁性相互作用适度。氧化物耦合层134可以包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。在一些实施例中，氧化物耦合层134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种构成。可以选择氧化物耦合层134的厚度以实现层132与层136之间的交换耦合的期望大小。氧化物耦合层134可以足够厚，使得软磁性层132和硬磁性层136以至少0.2erg/cm2且不大于0.8erg/cm2的特征交换能密度进行磁性耦合。在一些这样的实施例中，特征交换能密度为至少0.3erg/cm2且不大于0.5erg/cm2。然而，在其它实施例中，其它交换场和交换能密度是可能的。
可以选择在氧化物耦合层134中使用的厚度和材料来对层132与层136之间的磁性耦合进行剪裁。可以通过具有至少5埃且不大于15埃的厚度的氧化物耦合层134来实现期望的交换场。在一些实施例中，对于期望的交换场，氧化物耦合层134(诸如MgO氧化物耦合层134)为至少6埃厚且不大于9埃厚。特别是在该厚度范围的下端处，氧化物耦合层134可以不连续。还注意的是，可以期望氧化物耦合层134是导电的。
磁性结100C可以共享磁性结100A和/或磁性结100B的优点。磁性结100C的FOM可以增大。在一些情况下，可以实现FOM中至少2倍的改善。可以在没有增大阻尼的情况下实现FOM的增大。氧化物耦合层134还可以增强磁性层132和136的PMA。因此可以改善磁性结100C的性能。
图4描绘了可用于诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性装置中并具有杂化自由层的磁性结100D的另一示例性实施例。为了清楚起见，图4不是按比例的。磁性结100D类似于磁性结100A、磁性结100B和/或磁性结100C。因此，相似的组件具有类似的标记。例如，磁性结100D包括分别与参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130A/130B/130C类似的参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130D。这些层110、103、120和130D分别具有与图1至图3中描绘的层110、103、120和130A/130B/130C类似的结构和功能。例如，参考层110和杂化自由层130D可以均具有超过平面外退磁能的垂直磁各向异性。因此，如图所示，磁矩111、133和137可以垂直于平面而稳定或者从垂直于平面倾斜而稳定。还示出了与图1至图3中描绘的种子层102和覆盖层140类似的可选择的种子层102和可选择的覆盖层140D。在其它实施例中，可以省略PEL 103，或者可以采用附加的PEL。其上形成有磁性结100D的基底101位于种子层的下方。未示出底部接触件和顶部接触件，但可以形成底部接触件和顶部接触件。磁性结100D也被配置为使得当在CPP方向上驱动写入电流通过磁性结100D时，杂化自由层130D利用自旋转移矩是可切换的。可以通过驱动读取电流通过磁性结100D来对杂化自由层130D进行读取。
杂化自由层130D包括两个磁性层132和136以及氧化物耦合层134。杂化自由层130D的磁热稳定系数Δs和Δh与上述的磁热稳定系数Δs和Δh类似。氧化物耦合层134通常是非磁性的并且使软磁性层132与硬磁性层136之间的磁性相互作用适度。氧化物耦合层134可以包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。在一些实施例中，氧化物耦合层134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种构成。如上所述，可以选择氧化物耦合层134的厚度以实现层132与层136之间的交换耦合的期望大小。
覆盖层140D明确地示出为包括MgO层、TaO、HfO、ZrO层、Mg/Ir层、Mg/Ru层和Mg/Re层中的至少一种。尽管命名为Mg/Ir层、Mg/Ru层和Mg/Re层，但是这些层中的每层是沉积的、但经历等离子体处理和氧化步骤的双层。可以在等离子体处理和氧化步骤之间执行诸如快速热退火的原位退火。此外，Mg、Ir、Ru和Re层可以是薄的。在一些实施例中，这些层可以大约是1埃至3埃。例如，每层的目标厚度可以是2埃。然而，在等离子体处理和氧化之后，相信的是，Mg和Ir/Ru/Re不仅混合而且被氧化。Mg/Ir、Mg/Re和Mg/Ru层可以仅用于磁性结是与磁性结100D类似的底部钉扎磁性结的实施例中。这种覆盖层140D的使用可以增大硬磁性层136的磁性硬度和/或PMA。
磁性结100D可以共享磁性结100A、磁性结100B和/或磁性结100C的优点。磁性结100D的FOM可以增大。在一些情况下，可以实现FOM中至少2倍的改善。可以在没有明显增大阻尼的情况下实现FOM的增大。氧化物耦合层134还可以使磁性层132和136的PMA增大。覆盖层140D也可以用于改善硬磁性层136的磁性性质。因此可以改善磁性结100D的性能。
图5描绘了可用于诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性装置中并具有杂化自由层的磁性结100E的另一示例性实施例。为了清楚起见，图5不是按比例的。磁性结100E类似于磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C和/或磁性结100D。因此，相似的组件具有类似的标记。例如，磁性结100E包括分别与参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130A/130B/130C/130D类似的参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130E。这些层110、103、120和130E分别具有与图1至图4中描绘的层110、103、120和130A/130B/130C/130D类似的结构和功能。例如，参考层110和杂化自由层130E可以均具有超过平面外退磁能的垂直磁各向异性。因此，如图所示，磁矩111、133和137可以垂直于平面而稳定或者从垂直于平面倾斜而稳定。还示出了与图1至图4中描绘的种子层102和覆盖层140/140D类似的可选择的种子层102和可选择的覆盖层140。在其它实施例中，可以省略PEL 103或者可以采用附加的PEL。其上形成有磁性结100E的基底101位于种子层的下方。未示出底部接触件和顶部接触件，但可以形成底部接触件和顶部接触件。磁性结100E也被配置为使得当在CPP方向上驱动写入电流通过磁性结100E时，杂化自由层130E利用自旋转移矩是可切换的。可以通过驱动读取电流通过磁性结100E来对杂化自由层130E进行读取。
杂化自由层130E包括两个磁性层132和136以及氧化物耦合层134。杂化自由层130E的磁热稳定系数Δs和Δh与上述的磁热稳定系数Δs和Δh类似。氧化物耦合层134通常是非磁性的并且使软磁性层132与硬磁性层136之间的磁性相互作用适度。氧化物耦合层134可以包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。在一些实施例中，氧化物耦合层134由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种构成。如上所述，可以选择氧化物耦合层134的厚度以实现层132与层136之间的交换耦合的期望大小。
磁性结100E的杂化自由层130E也包括自旋转移矩(STT)减小层170和172。可以存在STT减小层170和172中的一个或两个。在杂化自由层130E的磁性层132和136之间，STT减小层170和172可以减少横跨(across)氧化物耦合层134的任何STT。因为它们邻接磁性层(例如，磁性层132或136)，所以STT减小层170和172可以是磁性的或非磁性的。例如，诸如Ru、Al、Ta、Ti、W、Mg、Cr、V、Mo、Si、Zn、Ga、Ge、Zr和/或Nb的非磁性材料可以用在STT减小层170和/或172中。诸如Ni的磁性材料可以存在于STT减小层170和/或172中。然而，因为Ni会减小PMA，因此不会期望将它用于STT减小层172中。使用STT减小层170和/或172会降低杂化自由层130E的STT切换效率。STT减小层170和172通常期望是薄的。例如，层170和172可以是至少1埃且不大于3埃厚。可以将其它材料和/或其它厚度用于STT减小层170和/或172，只要可以基本保持横跨氧化物耦合层134的期望耦合即可。
STT减小层170和/或172可以用于减少对杂化自由层130E进行切换的不对称性。当杂化自由层130E的磁矩133和137基本上平行于参考层110的磁矩111(即，磁矩133和137朝向页面的顶部定向)时，发生磁性结100E的平行(P)状态。当杂化自由层130E的磁矩133和137与参考层110的磁矩111基本上反平行(即，磁矩133和137朝向页面的底部定向)时，发生磁性结100E的反平行(AP)状态。磁性结在从P状态切换到AP状态时会需要比从AP状态切换到P状态时更高的将被驱动通过磁性结的切换电流。因为STT横跨氧化物耦合层134而发生，所以会发生这种不对称性。当从P状态切换到AP状态时，来自硬磁性层136的自旋极化电流抵消软磁性层132的切换。相反，当从AP状态切换到P状态时，来自硬磁性层136的自旋极化电流有助于软磁性层132的切换。因此，会出现切换电流的不对称性。STT减小层170和172均可以减轻横跨氧化物耦合层134的这种STT。因此，可以减少切换磁性结100E的不对称性。
磁性结100E可以共享磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C和/或磁性结100D的优点。磁性结100D的FOM可以增大。在一些情况下，可以实现FOM中至少2倍的改善。可以在没有明显增大阻尼的情况下实现FOM的增加。氧化物耦合层134还可以增强磁性层132和136的PMA。STT减小层170和/或172可以改善磁性结100E切换的对称性。因此可以改善磁性结100E的性能。
图6描绘了可用于诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性装置中并具有杂化自由层的磁性结100F的另一示例性实施例。为了清楚起见，图6不是按比例的。磁性结100F类似于磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D和/或磁性结100E。因此，相似的组件具有类似的标记。例如，磁性结100F包括分别与参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130A/130B/130C/130D/130E类似的参考层110、可选择的PEL103、非磁性间隔层120和杂化自由层130F。这些层110、103、120和130F分别具有与图1至图5中描绘的层110、103、120和130A/130B/130C/130D/130E类似的结构和功能。例如，参考层110和杂化自由层130F可以均具有超过平面外退磁能的垂直磁各向异性。因此，磁矩111、133和137可以垂直于平面而稳定或者从垂直于平面倾斜而稳定。还示出了与图1至图5中描绘的种子层102和覆盖层140/140D类似的可选择的种子层102和可选择的覆盖层140。在其它实施例中，可以省略PEL 103或者可以采用附加PEL。其上形成有磁性结100F的基底101位于种子层的下方。未示出底部接触件和顶部接触件，但可以形成底部接触件和顶部接触件。磁性结100F也被配置为使得当在CPP方向上驱动写入电流通过磁性结100E时，杂化自由层130E利用自旋转移矩是可切换的。可以通过驱动读取电流通过磁性结100F来对杂化自由层130F进行读取。
杂化自由层130F包括两个磁性层132和136以及氧化物耦合层134F。杂化自由层130F的磁热稳定系数Δs和Δh与上述的磁热稳定系数Δs和Δh类似。氧化物耦合层134F通常是非磁性的并且使软磁性层132与硬磁性层136之间的磁性相互作用适度。氧化物耦合层134F可以包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。在一些实施例中，氧化物耦合层134F由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种构成。如上所述，可以选择氧化物耦合层134F的厚度以实现层132与层136之间的交换耦合的期望大小。
磁性结100F的杂化自由层130F也包括位于氧化物耦合层134F内的STT减小层174。因此，氧化物耦合层134F可以被看作包括两个子层134F-1和134F-2。在杂化自由层130F的磁性层132和136之间，STT减小层174可以减少横跨氧化物耦合层134F的任何STT。因为STT减小层174位于氧化物耦合层134F内，所以它是非磁性的。例如，诸如Ru、Al、Ta、Ti、W、Mg、Cr、V、Mo、Si、Zn、Ga、Ge、Zr和/或Nb的非磁性材料可以用在STT减小层174中。通常把高自旋散射(high spin scattering)材料用于STT减小层174。STT减小层174通常期望是薄的。例如，层174可以是至少1埃且不大于5埃厚。可以将其它材料和/或其它厚度用于STT减小层174，只要可以基本保持横跨氧化物耦合层134F的期望耦合即可。
STT减小层174可以用于减少对杂化自由层130F进行切换的不对称性。因此，STT减小层174的操作与上述用于磁性结100E的层170和172的操作相似。更具体地，STT减小层174可以减轻导致切换不对称性增大的横跨氧化物耦合层134F的STT。因此，可以减少切换磁性结100F的不对称性。
磁性结100F可以共享磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D和/或磁性结100E的优点。磁性结100F的FOM可以增大。在一些情况下，可以实现FOM中至少2倍的改善。可以在没有明显增大阻尼的情况下实现FOM的增加。氧化物耦合层134F还可以增强磁性层132和136的PMA。STT减小层174可以改善磁性结100F切换的对称性。因此可以改善磁性结100E的性能。
图7描绘了可用于诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性装置中并具有杂化自由层的磁性结100G的另一示例性实施例。为了清楚起见，图7不是按比例的。磁性结100G类似于磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E和/或磁性结100F。因此，相似的组件具有类似的标记。例如，磁性结100G包括分别与参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130A/130B/130C/130D/130E/130F类似的参考层110、可选择的PEL 103、非磁性间隔层120和杂化自由层130G。这些层110、103、120和130G分别具有与图1至图6中描绘的层110、103、120和130A/130B/130C/130D/130E/130F类似的结构和功能。例如，参考层110和杂化自由层130G可以均具有超过平面外退磁能的垂直磁各向异性。因此，如图所示，磁矩111、133和137可以垂直于平面而稳定或者从垂直于平面倾斜而稳定。还示出了与图1至图6中描绘的种子层102和覆盖层140/140D类似的可选择的种子层102和可选择的覆盖层140。在其它实施例中，可以省略PEL 103，或者可以采用附加的PEL。其上形成有磁性结100G的基底101位于种子层的下方。未示出底部接触件和顶部接触件，但可以形成底部接触件和顶部接触件。磁性结100G也被配置为使得当写入电流在CPP方向上被驱动通过磁性结100G时，杂化自由层130G利用自旋转移矩是可切换的。可以通过驱动读取电流通过磁性结100G来读取杂化自由层130F。
杂化自由层130G包括两个磁性层132和136以及氧化物耦合层134G。杂化自由层130G的磁热稳定系数Δs和Δh与上述的磁热稳定系数Δs和Δh类似。氧化物耦合层134G通常是非磁性的并且使软磁性层132与硬磁性层136之间的磁性相互作用适度。氧化物耦合层134G可以包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。在一些实施例中，氧化物耦合层134G由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种构成。如上所述，可以选择氧化物耦合层134G的厚度以实现层132与层136之间的交换耦合的期望大小。
磁性结100G的杂化自由层130G包括STT减小层170和172以及位于氧化物耦合层134G内的STT减小层174。因此，氧化物耦合层134G可以被看作包括两个子层134G-1和134G-2。STT减小层170、172和174与上述的STT减小层类似。STT减小层170、172和/或174的使用会降低杂化自由层130G的STT切换效率。此外，氧化物耦合层134G内可以包括另一数量的STT减小层(未示出)。例如，可以采用4个、5个或更多个STT减小层，只要保持杂化自由层130G的期望的磁性耦合和其它磁性性质即可。在这样的实施例中，氧化物耦合层134G可以被分解为更多个子层。STT减小层170、172和174可以减轻导致切换不对称性增大的横跨氧化物耦合层134G的STT。因此，可以改善在切换磁性结100G中的对称性。
磁性结100G可以共享磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E和/或磁性结100F的优点。磁性结100G的FOM可以增大。在一些情况下，可以实现FOM中至少2倍的改善。可以在没有明显增大阻尼的情况下实现FOM的增加。氧化物耦合层134G还可以增强磁性层132和136的PMA。STT减小层170、172和/或174可以减小磁性结100G切换的不对称性。因此可以改善磁性结100G的性能。
图8描绘了可用于诸如使用自旋转移矩可编程的磁性存储器的磁性装置中并具有杂化自由层的磁性结100H的另一示例性实施例。为了清楚起见，图8不是按比例的。磁性结100H类似于磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E、磁性结100F和/或磁性结100G。因此，相似的组件具有类似的标记。例如，磁性结100H包括分别与参考层110、可选择的PEL103、非磁性间隔层120和杂化自由层130A/130B/130C/130D/130E/130F/130G类似的参考层110、可选择的PEL103、非磁性间隔层120和杂化自由层130H。这些层110、103、120和130H分别具有与图1至图7中描绘的层110、103、120和130A/130B/130C/130D/130E/130F/130G类似的结构和功能。例如，参考层110和杂化自由层130H可以均具有超过平面外退磁能的垂直磁各向异性。因此，如图所示，磁矩111、133和137可以垂直于平面而稳定或从垂直于平面倾斜而稳定。还示出了与图1至图7中描绘的种子层102和覆盖层140/140D类似的可选择的种子层102和可选择的覆盖层140。在其它实施例中，可以省略PEL 103或者可以采用附加PEL。其上形成有磁性结100H的基底101位于种子层的下方。未示出底部接触件和顶部接触件，但可以形成底部接触件和顶部接触件。磁性结100H也被配置为使得当写入电流在CPP方向上被驱动通过磁性结100H时，杂化自由层130H利用自旋转移矩是可切换的。可以通过驱动读取电流通过磁性结100H来读取杂化自由层130H。
磁性结100H是双磁性结。因此，磁性结100H也包括附加的非磁性间隔层150、可选择的附加PEL 152和具有磁矩161的附加参考层160。这些层150、152和160与上述层150、152和160类似。
杂化自由层130H包括两个磁性层132和136以及氧化物耦合层134H。杂化自由层130H的磁热稳定系数Δs和Δh与上述的磁热稳定系数Δs和Δh类似。氧化物耦合层134H通常是非磁性的并且使软磁性层132与硬磁性层136之间的磁性相互作用适度。氧化物耦合层134H可以包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。在一些实施例中，氧化物耦合层134H由MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种构成。如上所述，可以选择氧化物耦合层134H的厚度以实现层132与层136之间的交换耦合的期望大小。
磁性结100H的杂化自由层130H包括STT减小层170和172以及位于氧化物耦合层134H内的STT减小层174。因此，氧化物耦合层134H可以被看作包括两个子层134H-1和134H-2。STT减小层170、172和174与上述的STT减小层类似。STT减小层170、172和/或174的使用会降低杂化自由层130H的STT切换效率。此外，氧化物耦合层134H内可以包括另一数量的STT减小层(未示出)。例如，可以采用4个、5个或更多个STT减小层，只要保持杂化自由层130H的期望的磁性耦合和其它磁性性质即可。在这样的实施例中，氧化物耦合层134H可以被分解为更多个子层。STT减小层170、172和174可以减缓跨越氧化物耦合层134H的STT。
诸如磁性结100H的双磁性结会具有电压不对称性。用于P状态切换到AP状态和AP状态切换到P状态的被驱动通过磁性结100H的电流可以是基本相同的。然而，对于在不同方向上通过磁性结100H的写入电流，所需的电压会是不同的。这可能至少部分是由于P状态和AP状态中的电阻差异所导致的。通过对STT减小层170、172和/或174的数量和性质进行剪裁，可以调整这种不对称性。因此，可以改善磁性结100H的切换中的对称性。
磁性结100H可以共享磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E、磁性结100F和/或磁性结100G的优点。磁性结100G的FOM可以增大。在一些情况下，可以实现FOM中至少2倍的改善。可以在没有明显增大阻尼的情况下实现FOM的增加。氧化物耦合层134H还可以增强磁性层132和136的PMA。STT减小层170、172和/或174可以用于对磁性结100H切换的不对称性进行剪裁。因此可以改善磁性结100H的性能。
已经参照磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E、磁性结100F、磁性结100G和/或磁性结H描述了各种特征。本来领域普通技术人员将认识到，可以以未示出的并与这里描述的装置和方法不一致的方式来组合这些特征。
图9是描绘设置磁性结的层的方法200的示例性实施例的流程图，所述磁性结可用在磁性装置中并包括具有氧化物耦合层的杂化自由层。为了简明起见，可以省略一些步骤，可以以另一顺序执行一些步骤，一些步骤包括子步骤和/或组合。此外，方法200在已经执行了形成磁性存储器的其它步骤之后开始。在磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E、磁性结100F、磁性结100G和/或磁性结H的语境中描述了方法200。然而，方法200可以用于形成其它磁性结。此外，可以同时制造多个磁性结。
经由步骤202设置参考层110。步骤202可以包括沉积用于参考层的期望的材料和/或层。步骤202还可以包括提供可选择的PEL 103。在一些实施例中，在限定磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E、磁性结100F、磁性结100G和/或磁性结H的边缘之前沉积用于磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E、磁性结100F、磁性结100G和/或磁性结H的所有层。在其它实施例中，可以单独地限定一个或更多个层的边缘。如这里所述，提供磁性结的层的步骤可以包含这些可能性中的一者或两者。
经由步骤204设置非磁性间隔层120。因此，步骤204可以包括沉积导电层或绝缘层。步骤204还可以包括沉积诸如Mg的导电层，并氧化该层。
经由步骤206设置杂化自由层130A、130B、130C、130D、130E、130F、130G和/或130H。步骤206可以包括设置多个层132、134/134F/134G/134H和136。步骤206还可以包括设置STT减小层170、172和/或174。执行步骤202、204和206的顺序取决于所形成的磁性结是顶部钉扎磁性结还是底部钉扎磁性结。对于底部钉扎磁性结，首先执行步骤202。对于顶部钉扎磁性结，首先执行步骤206。
经由步骤208可选择地设置附加非磁性间隔层150。步骤208可以以与步骤204类似的方式执行。经由步骤210设置可选择的参考层160。步骤210还可以包括设置PEL 152。步骤210可以类似于步骤202。可以执行步骤208和步骤210来制造双磁性结。
经由步骤212可选择地设置覆盖层140/140D。步骤212可以包括设置MgO或TaO层。在其它实施例中，步骤212可以包括沉积Mg/Ir、Mg/Re和/或Mg/Ru双层、等离子体处理双层并且执行氧化步骤。这可以发生在使用Mg/Ir、Mg/Re和/或Mg/Ru覆盖层的底部钉扎磁性结。
经由步骤214，完成磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E、磁性结100F、磁性结100G和/或磁性结H的制造。
使用方法200，可以形成磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E、磁性结100F、磁性结100G和/或磁性结H。杂化自由层130A、130B、130C、130D、130E、130F、130G和/或130H可以用期望的氧化物耦合层134、134F、134G和/或134H制造。因此，可以实现具有改善的切换特性的具有自由层的磁性结。
图10描绘了存储器300的示例性实施例，所述存储器300可以使用包括杂化自由层(诸如杂化自由层130A、130B、130C、130D、130E、130F、130G和/或130H)的磁性结100A、磁性结100B、磁性结100C、磁性结100D、磁性结100E、磁性结100F、磁性结100G、磁性结H和其它磁性结H中的一个或更多个。磁性存储器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，可以设置其它和/或不同的组件。存储器300的存储区域包括磁性存储单元310。每个磁性存储单元包括至少一个磁性结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。磁性结312可以是包括杂化自由层130A、130B、130C、130D、130E、130F、130G和/或130H的磁性结100A、100B、100C、100D、100E、100F、100G、100H和/或其它磁性结中的一种。尽管每个单元310示出了一个磁性结312，但是在其它实施例中，每个单元可以设置另一数量的磁性结312。因此，磁性存储器300可以享有上述的优点。
已经描述了用于设置磁性结的方法和系统以及使用该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该方法和系统，并且本领域普通技术人员将容易地认识到，实施例可以存在变化，并且任何变化将在该方法和系统的精神和范围内。因此，在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可进行许多修改。

Claims (18)

1.一种可用在磁性装置中的磁性结，所述磁性结包括：
第一参考层；
第一非磁性间隔层；以及
杂化自由层，包括软磁性层、硬磁性层以及位于硬磁性层与软磁性层之间的氧化物耦合层，软磁性层在室温下具有不大于30的第一磁热稳定系数，硬磁性层具有是第一磁热稳定系数的至少两倍的第二磁热稳定系数，杂化自由层使用穿过磁性结的写入电流在多个稳定的磁性状态之间是可切换的，
其中，氧化物耦合层被配置为使得软磁性层和硬磁性层以至少0.2erg/cm2且不大于0.8erg/cm2的特征交换能密度进行磁性耦合，
其中，氧化物耦合层为至少5埃厚且不大于15埃厚。
2.根据权利要求1所述的可用在磁性装置中的磁性结，其中，磁性结还包括第二非磁性间隔层和第二参考层，所述杂化自由层位于第一非磁性间隔层与第二非磁性间隔层之间，第二非磁性间隔层位于杂化自由层与第二参考层之间。
3.根据权利要求1所述的可用在磁性装置中的磁性结，其中，特征交换能密度为至少0.3erg/cm2且不大于0.5erg/cm2，其中，第一磁热稳定系数不大于20，其中，软磁性层位于氧化物耦合层与第一非磁性间隔层之间。
4.根据权利要求1所述的可用在磁性装置中的磁性结，其中，氧化物耦合层为至少6埃厚且不大于9埃厚。
5.根据权利要求1所述的可用在磁性装置中的磁性结，其中，氧化物耦合层包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的可用在磁性装置中的磁性结，所述磁性结还包括与硬磁性层相邻的覆盖层，所述覆盖层包括MgO层、HfO、ZrO、TaO层、Mg/Ir层、Mg/Ru层和Mg/Re层中的至少一种，Mg/Ir层、Mg/Ru层和Mg/Re层中的每个是如沉积、经受等离子体处理、原位退火和氧化步骤的双层。
7.根据权利要求1所述的可用在磁性装置中的磁性结，其中，杂化自由层还包括：
至少一个减小层，所述至少一个减小层减小硬磁性层与软磁性层之间的自旋转移矩。
8.根据权利要求7所述的可用在磁性装置中的磁性结，其中，所述至少一个减小层包括嵌入在氧化物耦合层内的第一减小层。
9.根据权利要求7所述的可用在磁性装置中的磁性结，其中，所述至少一个减小层包括在氧化物耦合层的第一界面处的第二减小层。
10.一种磁性存储器，所述磁性存储器包括：
多个磁性存储单元，所述多个磁性存储单元中的每个包括至少一个磁性结，所述磁性结具有参考层、非磁性间隔层和杂化自由层，所述杂化自由层包括软磁性层、硬磁性层以及硬磁性层与软磁性层之间的氧化物耦合层，软磁性层的第一磁热稳定系数在室温下不大于30，硬磁性层的第二磁热稳定系数是第一磁热稳定性系数的至少两倍，氧化物耦合层被配置成使得软磁性层和硬磁性层以至少0.3erg/cm2且不大于0.5erg/cm2的特征交换能密度进行磁性耦合，氧化物耦合层为至少5埃厚且不大于15埃厚，杂化自由层使用穿过磁性结的写入电流在多个稳定的磁性状态之间是可切换的；以及
多条位线，与所述多个磁性存储单元结合。
11.一种设置可用在磁性装置中的磁性结的方法，所述方法包括：
设置参考层；
设置非磁性间隔层；以及
设置杂化自由层，设置杂化自由层的步骤还包括：
设置软磁性层，软磁性层在室温下具有不大于30的第一磁热稳定系数；
设置氧化物耦合层；以及
设置硬磁性层，氧化物耦合层位于硬磁性层与软磁性层之间，硬磁性层具有为第一磁热稳定系数的至少两倍的第二磁热稳定系数，杂化自由层使用穿过磁性结的写入电流在多个稳定的磁性状态之间是可切换的，
其中，氧化物耦合层被配置为使得软磁性层和硬磁性层以至少0.2erg/cm2且不大于0.8erg/cm2的特征交换能密度进行磁性耦合，
其中，氧化物耦合层为至少5埃厚且不大于15埃厚。
12.根据权利要求11所述的设置可用在磁性装置中的磁性结的方法，其中，氧化物耦合层被配置为使得软磁性层和硬磁性层以至少0.3erg/cm2且不大于0.5erg/cm2的特征交换能密度进行磁性耦合，其中，第一磁热稳定系数不大于20，其中，软磁性层位于氧化物耦合层与非磁性间隔层之间。
13.根据权利要求11所述的设置可用在磁性装置中的磁性结的方法，其中，氧化物耦合层为至少6埃厚且不大于9埃厚。
14.根据权利要求11所述的设置可用在磁性装置中的磁性结的方法，其中，氧化物耦合层包括MgO、MgTiO、MoO、SiO、TiO、TaO、AlO、RuO、NiO、HfO和IrO中的至少一种。
15.根据权利要求11所述的设置可用在磁性装置中的磁性结的方法，所述方法还包括：
与硬磁性层相邻地设置覆盖层，覆盖层包括MgO层、HfO、ZrO、TaO层、Mg/Ir层、Mg/Ru层和Mg/Re层中的至少一种，Mg/Ir层、Mg/Ru层和Mg/Re层中的每个是如沉积、经受等离子体处理、原位退火和氧化步骤的双层。
16.根据权利要求11所述的设置可用在磁性装置中的磁性结的方法，其中，设置杂化自由层的步骤还包括：
设置至少一个减小层，所述至少一个减小层减小硬磁性层与软磁性层之间的自旋转移矩。
17.根据权利要求16所述的设置可用在磁性装置中的磁性结的方法，其中，所述至少一个减小层包括嵌入在氧化物耦合层内的第一减小层。
18.根据权利要求16所述的设置可用在磁性装置中的磁性结的方法，其中，所述至少一个减小层包括在氧化物耦合层的第一界面处的第二减小层。
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