CN1947272A - 具有高垂直各向异性和平面内平衡磁化的自由层的自旋转移磁性元件 - Google Patents

具有高垂直各向异性和平面内平衡磁化的自由层的自旋转移磁性元件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于提供可以在磁存储器中使用的磁性元件的方法和系统。该磁性元件包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。间隔层位于被钉扎层和自由层之间。当写入电流穿过磁性元件时，可使用自旋转移切换自由层。磁性元件还可包括阻挡层、第二被钉扎层。可替换地，包括第二被钉扎层和第二间隔层和静磁耦合到该自由层的第二自由层。至少一个自由层具有高垂直各向异性。高垂直各向异性具有是平面外退磁能的至少20％且小于100％的垂直各向异性能。

Description

具有高垂直各向异性和平面内平衡磁化的自由层的自旋转移磁性元件
技术领域
本发明涉及磁性存储系统，尤其涉及提供磁性元件的方法和系统，所述磁性元件在切换中应用自旋转移(spin transfer)效应，并可用较低切换电流密度切换。
背景技术
图1A和1B描述了常规磁性元件10和10’。常规磁性元件10是自旋阀并包括常规的反铁磁性(AFM)层12、常规被钉扎(pinned)层14、常规导电间隔层16和常规自由层18。还可以使用其它的层(未示出)，例如晶种或者覆盖层。常规被钉扎层14和常规自由层18是铁磁性的。因此，将常规自由层18描述成具有可变的磁化19。常规间隔层16是非磁性的。AFM层12用于在特定的方向上固定或者钉扎住被钉扎层14的磁化。自由层18的磁化通常响应于外部的磁场自由旋转。还描述了可用于驱动电流通过常规磁性元件10的顶部接触20和底部接触22。在图1B中描述的常规磁性元件10’是自旋隧道结。常规自旋隧道结10’的部分类似于常规自旋阀10。因此，常规磁性元件10’包括AFM层12’、常规被钉扎层14’、常规绝缘阻挡层16’和具有可变磁化19’的常规自由层18’。常规阻挡层16’足够薄，以使电子能在常规自旋隧道结10’中隧穿。
分别根据常规自由层18/18’的磁化19/19’和常规被钉扎层14/14’的磁化的方向，常规磁性元件10/10’的电阻分别改变。当常规自由层18/18’的磁化19/19’平行于常规被钉扎层14/14’的磁化时，常规磁性元件10/10’的电阻是低的。当常规自由层18/18’的磁化19/19’反平行于常规被钉扎层14/14’的磁化时，常规磁性元件10/10’的电阻是高的。为了感测常规磁性元件10/10’的电阻，驱动电流通过常规磁性元件10/10’。通常在存储器应用中，以CPP(电流垂直于平面)配置驱动电流，垂直于常规磁性元件10/10’的层(向上或者向下，在如图1A或者1B中所示的z方向上)。
而且，已具有垂直各向异性的膜已用于常规MRAM中以获得某些所需的性能。例如，具有垂直各向异性的GdFe和GdCoFe已用于磁性元件中，如在Naoki Nishimura等人的“Magnetic tunnel junction devicewith perpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”，Journal of Applied Physics，第91卷，第8期，第5246-5249页，2002年4月15日中公开的。然而，Nishimura公开的结构是设计用于标准基于场写入的(field-based-writing)MRAM装置。因此，通过给磁性元件施加外磁场来切换这种常规自由层的磁化。而且，与磁性元件10/10’相比，Nishimura公开的磁性元件具有垂直于膜平面取向的平衡磁化。因此，在这种常规磁性元件中自由层的磁化将在z方向上，如图1A和1B中所示。
为了克服与具有较高存储单元密度的磁性存储器相关的某些问题，可以利用自旋转移切换常规自由层10/10’的磁化19/19’。自旋转移是在常规磁性元件10’的背景下描述的，但是同样可应用于常规磁性元件10。在下述的公开物中详细描述了自旋转移的当前知识：J.C.Slonczewski，“Currenr-driven Excitation of Magnetic Multilayers”，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，第159卷，第L1页(1996)；L.Berger，“Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversedby a Current”，Phys.Rev.B，第54卷，第9353页(1996)，以及F.J.Albert，J.A.Katine和R.A.Buhrman，“Spin-polarized Current Switching of a CoThin Film Nanomagnet”，Appl.Phys.Lett.，第77卷，第23期，第3809页(2000)。因此，对自旋转移现象的下述描述是基于当前知识，并不意在限制本发明的范围。
当自旋极化电流以CPP配置穿过磁性多层例如自旋隧道结10’时，入射到铁磁性层上的电子的自旋角动量的一部分可转移到该铁磁性层。尤其是，入射到常规自由层18’的电子可将它们的自旋角动量的一部分转移到常规自由层18’。因此，如果电流密度足够高(大约107-108A/cm2)以及自旋隧道结的横向尺寸较小(大约小于两百纳米)，则自旋极化电流可切换常规自由层18’的磁化19’方向。而且，为了使自旋转移能切换常规自由层18’的磁化19’方向，常规自由层18’应当足够薄，例如，对于Co优选小于大约10纳米。当常规磁性元件10/10’的横向尺寸较小、在几百纳米的范围内时，基于自旋转移的磁化切换支配其它的切换机制，并变成可观察到的。因此，自旋转移适用于具有较小磁性元件10/10’的更高密度磁性存储器。
自旋转移现象可以CPP配置使用，作为使用外切换场来切换常规自旋隧道结10’的常规自由层18’的磁化方向的替代或额外手段。例如，可将常规自由层18’的磁化19’从反平行于常规被钉扎层14’的磁化切换到平行于常规被钉扎层14’的磁化。驱动电流从常规自由层18’到常规被钉扎层14’(传导电子从常规被钉扎层14’移动到常规自由层18’)。从常规被钉扎层14’移动的多数电子的自旋极化在与常规被钉扎层14’的磁化相同的方向。这些电子可将它们角动量的足够部分转移到常规自由层18’，以将常规自由层18’的磁化19’切换到平行于常规被钉扎层14’的磁化。可替换地，可将自由层18’的磁化从平行于常规被钉扎层14’的磁化的方向切换到反平行于常规被钉扎层14’的磁化。当将电流从常规被钉扎层14’驱动到常规自由层18’(传导电子在相反方向移动)时，多数电子的自旋极化在常规自由层18’的磁化的方向。这些多数电子通过常规被钉扎层14’传输。少数电子从常规被钉扎层14’反射，返回到常规自由层18’，并可转移它们的足够量的角动量，以切换自由层18’的磁化19’反平行于常规被钉扎层14’的磁化。
尽管自旋转移作为切换常规磁性元件10和10’的机制起作用，但是本领域普通技术人员容易理解的是，通常需要高电流密度促使常规磁性元件10和10’的切换。尤其是，切换电流密度在几个107A/cm2或更大的量级。因此，使用高写入电流以获得高切换电流密度。对于高密度MRAM，高工作电流带来设计问题，例如加热、高功耗、大晶体管尺寸以及其它问题。而且，如果使用例如常规元件10的自旋阀，那么输出信号小。在常规磁性元件10中，总电阻和SV基(SV-based)自旋转移元件中的电阻变化都较小，通常分别小于两欧姆和5％。
增大输出信号的一种提议方法是使用自旋隧道结，例如常规磁性元件10’，用于自旋转移装置。常规磁性元件10’可展示大电阻和大信号。例如，分别是，电阻超出1000欧姆以及电阻百分数变化超过40％。然而，本领域普通技术人员将容易理解的是，常规磁性元件10’的使用需要小工作电流，来保护常规磁性元件10’免受损坏或者击穿。
因此，所需要的是一种用于提供磁性存储元件的系统和方法，所述磁性存储元件具有可在较低电流密度使用自旋转移来切换并消耗较少能量的元件。本发明致力于这种需求。
发明内容
本发明提供了一种方法和系统，用于提供可用于磁性存储器中的磁性元件。所述磁性元件至少包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。间隔层存在于被钉扎层和自由层之间。构造磁性元件，以当写入电流穿过该磁性元件时允许使用自旋转移切换自由层。在一些方面中，磁性元件还包括阻挡层、第二被钉扎层。在其它的方面中，磁性元件还包括第二间隔层、第二被钉扎层和静磁耦合到第一自由层的第二自由层。在这些方面中，第二间隔层在第二被钉扎层和第二自由层之间，以及分隔层优选设置在第一和第二自由层之间，以确保它们静磁耦合。自由层具有高的垂直各向异性。对于一个或者多个自由层，垂直各向异性具有高的垂直各向异性能，其至少是平面外退磁能(out-of-planedemagnetization energy)的20％并小于100％。
根据这里公开的系统和方法，本发明提供了一种磁性元件，所述磁性元件可使用较低电流密度由于自旋转移而切换并具有较低切换电流密度的附带优点。
附图说明
图1A是常规磁性元件自旋阀的图。
图1B是另一常规磁性元件自旋隧道结的图。
图2A描述了根据本发明的磁性元件的一部分的第一实施例，其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图2B描述了根据本发明的磁性元件的一部分的该第一实施例的另一形式，其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图3A描述了根据本发明的磁性元件的一部分的该第一实施例的第二形式，至少由于高垂直各向异性其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图3B描述了根据本发明的磁性元件的一部分的该第一实施例的第三形式，至少由于高垂直各向异性其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图4描述了根据本发明的磁性元件的第二实施例，其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图5A是根据本发明的磁性元件的该第二实施例的优选形式，其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图5B描述了根据本发明的磁性元件的一部分的该第二实施例的第二形式，由于高垂直各向异性其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图5C描述了根据本发明的磁性元件的一部分的该第二实施例的第三形式，由于高垂直各向异性其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图6描述了根据本发明的磁性元件的一部分的第三实施例，其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图7A是根据本发明的磁性元件的该第三实施例的优选形式，其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图7B描述了根据本发明的磁性元件的一部分的该第三实施例的另一形式，至少由于高垂直各向异性其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图7C描述了根据本发明的磁性元件的一部分的该第三实施例的另一形式，至少由于高垂直各向异性其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
图8描述了根据本发明的方法的一个实施例的流程图，用于提供根据本发明的磁性元件的一个实施例，其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。
具体实施方式
本发明涉及对例如MRAM的磁性元件和磁性存储器的改进。提供以下描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并提供在专利申请及其需求的背景下。优选实施例的各种改变对本领域技术人员是显而易见的，并且这里的一般原理可应用到其它实施例中。因此，本发明不意在局限于所示出的实施例，而是符合与在此所描述的原理和特征相一致的最宽范围。
本发明提供了一种方法和系统，用于提供可在磁性存储器中使用的磁性元件。该磁性元件至少包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。间隔层存在于被钉扎层和自由层之间。将磁性元件构造为，当写入电流穿过该磁性元件时允许使用自旋转移切换自由层。在一些方面中，该磁性元件还包括阻挡层、第二被钉扎层。在其它方面中，该磁性元件还包括第二间隔层、第二被钉扎层和静磁耦合到第一自由层的第二自由层。在这样的方面中，第二间隔层在第二被钉扎层和第二自由层之间，并优选在第一和第二自由层之间提供分隔层，以确保它们静磁耦合。在一个方面中，一个或者多个自由层具有垂直的各向异性。该垂直各向异性所具有的垂直各向异性能至少为平面外退磁能的20％，并通常小于平面外退磁能的100％。
将根据具有某些部件的特定磁性存储器和特定磁性元件描述本发明。然而，本领域普通技术人员将容易理解的是，对于具有不同和/或附加部件的其它磁性存储元件和/或具有与本发明一致的不同和/或其它特征的其它磁性存储器而言，该方法和系统将有效地起作用。本发明还是在对自旋转移现象的当前理解的背景下描述的。因此，本领域普通技术人员将容易理解的是，对该方法和系统的特性的理论解释是基于对自旋转移的该当前理解。本领域普通技术人员还将容易理解的是，该方法和系统是在与衬底具有特定关系的结构的背景下描述的。例如，如图所示，结构的底部通常比结构的顶部更靠近下衬底。然而，本领域普通技术人员将容易理解的是，该方法和系统与具有与衬底不同关系的其它结构是一致的。而且，该方法和系统是在某些层为合成和/或单一(simple)的背景下描述的。然而，本领域普通技术人员将容易理解的是，所述层可具有另一结构。例如，尽管该方法和系统是在单一自由层的背景下描述的，但是没有什么可以阻止本发明使用合成的自由层。另外，本发明是在具有特定层的磁性元件的背景下描述的。然而，本领域普通技术人员将容易理解的是，还可以使用具有与本发明一致的附加的和/或不同层的磁性元件。而且，将某些部件描述成是铁磁性的。然而，如这里所使用，术语铁磁性可包括亚铁磁性或类似结构。因此，如这里所使用，术语“铁磁性”包括但不局限于铁磁体和亚铁磁体。本发明还是在单元件的背景下描述的。然而，本领域普通技术人员将容易理解的是，本发明和具有多元件、位线和字线的磁性存储器的使用一致。本发明还是在用于提供较低切换电流密度的特定机制、高各向异性的背景下描述的。然而，本领域普通技术人员将容易理解的是，这里描述的方法和系统可和用于减小切换电流密度的其它机制组合在一起，例如低饱和磁化强度自由层。
为了更具体地描述根据本发明的方法和系统，现在参考图2A，描述根据本发明的磁性元件100的一部分的第一实施例，其对于自旋转移具有减小的写入电流密度。磁性元件100优选用于磁性存储器中，例如MRAM中。因此，磁性元件100可用于包括隔离晶体管(未示出)的存储单元中，以及磁性存储器的其它构造中。而且，磁性元件100优选使用靠近磁性元件的顶部和底部的两个端子(未示出)。然而，没有什么阻止使用另一数量的端子，例如靠近磁性元件中心的第三端子。磁性元件100包括被钉扎层110、间隔层120和自由层130。如下所述，将自由层130构造成具有高垂直各向异性。磁性元件100通常还包括用于钉扎住被钉扎层110的磁化111的AFM层(未示出)、以及晶种层(未示出)和覆盖层(未示出)。而且，磁性元件100构造成，使得可以使用自旋转移写入自由层130。在优选实施例中，自由层130的横向尺寸，例如宽度w，因此是小的，并优选小于200纳米。而且，在横向尺寸之间优选设置一些差异，以确保自由层130在自由层130的平面内具有特定的易轴。
被钉扎层110是铁磁性的。在一个实施例中，被钉扎层110是合成的。在这种实施例中，被钉扎层110包括由非磁性层隔开的铁磁性层，并构造成使得铁磁性层反平行排列。可以构造被钉扎层110，以增大磁性元件100的体电阻率的自旋相关性。例如，被钉扎层110或者它的铁磁性层可是由重复的双层(在图2A中没有明确示出)所制成的多层。在一个这种实施例中，被钉扎层110可是(FexCo1-x/Cu)n的多层，其中n是重复FexCo1-x/Cu双层的次数的数量。在这种实施例中，n大于1，且双层的Cu层优选是1到8埃厚。间隔层120是非磁性的。在一个实施例中，间隔层120可是导电的，例如包括Cu。在其它实施例中，间隔层120是包括例如氧化铝的绝缘体的阻挡层。在这种实施例中，阻挡层120小于2纳米厚，使得电荷载流子可在自由层130和被钉扎层110之间隧穿。
自由层130是铁磁性的，并构造成具有高垂直各向异性。如这里所使用，当自由层130的垂直各向异性具有相应的垂直各向异性能，该垂直各向异性能至少是退磁能的20％并小于退磁能的100％，则对于单一自由层130出现高垂直各向异性。图2B描述了类似于磁性元件100的磁性元件100’。因此，相似地标注类似的部件。因此，磁性元件100’包括可使用自旋转移写入并具有高垂直各向异性的自由层130’。然而，自由层130’是合成的，包括被优选为Ru的非磁性层134隔开的两个铁磁性层132和136。构造非磁性层134，使得自由层130’的磁化133和137反平行排列。自由层130’具有高垂直各向异性，因为铁磁性层132和136具有高垂直各向异性。因此，铁磁性层132和136的垂直各向异性对应于一垂直各向异性能，该能量分别是铁磁性层132和136的退磁能的至少20％并小于100％。参考图2A和2B，将高垂直各向异性定义为具有退磁能的至少20％但小于100％的垂直各向异性能。因此，尽管垂直各向异性是重要的(substantial)，但是自由层130或者组成的铁磁性层132和136的平衡磁化位于平面内(在图2A和2B中没有向上或者向下的分量)。为了清楚，下面的描述主要是指自由层130。然而，所讨论的原理也适用包括铁磁性层132和136的自由层130’，以及磁性元件100’。
当自由层130的垂直各向异性能大于自由层130的平面外退磁能的20％并小于100％时，出现高垂直各向异性。因此，自由层130的磁化131在平衡时位于平面内(在不存在写入电流或者足够的外磁场时)。优选使用具有高垂直晶体各向异性的材料和/或通过以某种方式使层受到应力而提供高垂直各向异性。高垂直各向异性应当减小由于自旋转移而切换自由层130的磁化所需的临界切换电流密度Jc。
利用J.C.Slonczewski在Journal of Magnetism and MagneticMaterials，第159卷，第L1-L5页(1996)的“Current-driven Excitationof Magnetic Multilayers”中描述的普遍自旋转移自旋扭矩模型可以理解高垂直各向异性自由层减小切换电流密度的能力。根据Slonczewski的模型，对于自旋转移堆叠的自由层，切换电流密度Jc与以下成比例：
αtMs[Heff-2πMs]/g(θ)
其中
α＝唯象吉尔伯特(Gilbert)阻尼常数；
t＝自由层的厚度；
Ms＝自由层的饱和磁化强度；
Heff＝自由层的有效场；
g(θ)反映自旋转移效率
有效场Heff包括外磁场、形状各向异性场、平面内和平面外(也就是垂直)各向异性、以及双极场和交换场。垂直各向异性通常由晶体各向异性产生。项g(θ)依赖于被钉扎层110和自由层130的磁化的相对角取向。
高垂直各向异性减小切换电流密度的能力可如下解释。对于大多数磁性材料来说，平面外退磁项2πMs远大于Heff。例如，对于具有200nm主轴(majority axis)、100nm副轴(minority axis)以及20A厚度的Co薄膜椭圆而言，项2πMs大约是8kOe，其远大于小于几百Oe的Heff。可以将高垂直各向异性，通常是晶体各向异性，引入到自由层130，以抵消平面外退磁的大部分，但不是全部。因此，如上所定义，高垂直各向异性具有小于退磁能的100％的垂直各向异性能。高垂直各向异性具有优选在退磁能的20％到95％(在优选实施例中，是90％)之间的垂直各向异性能。因为平面外退磁能将仍然大于垂直各向异性能，所以自由层130的平衡磁化131应保持在平面内。然而，因为垂直各向异性已极大增加，所以有效场Heff(其包括垂直各向异性)和退磁项2πMs之间的差异减小。因此，自由层130的平衡磁矩保留在平面内，但是可以使用较低的切换电流密度切换。简而言之，为了减小自由层130磁化131的自旋转移所引入的切换的切换电流密度，应当为自由层130提供高垂直各向异性。
可以以多种方式提供自由层130的高垂直各向异性。为了提供高垂直各向异性，用于自由层130或者组成的铁磁性层132和136中的材料可以包括由于其晶体结构而具有高垂直各向异性的材料。在一个实施例中，自由层130或者铁磁性层132和134包括Co和CoFe；或者与Cr、Pt和/或Pd形成合金的Co和CoFe，其中选择Cr、Pt和Pd的成分以给出高的垂直各向异性，如上所定义。在优选实施例中，调整Co和CoFe中Cr、Pt和/或Pd的成分以满足如下条件：垂直各向异性能在平面外退磁能的20％和95％之间，优选90％。
在替换实施例中，自由层130或者铁磁性层132和134可以包括多层[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr，其中n在1和10之间，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。选择Co、CoFe、CoCr、Pd和Pt的准确厚度，使得垂直各向异性能在多层的平面外退磁能的20％和95％之间。在这些多层中的垂直各向异性归因于在铁磁性/Pd或者Pt的界面处的表面各向异性和在薄Co层中的应变。
图3A描述了根据本发明的磁性元件的一部分的该第一实施例的另一形式100”，其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。磁性元件100”类似于磁性元件100。因此，相似地标注类似的部件。因此，磁性元件包括自由层130”，其具有高垂直各向异性且使用自旋转移写入。而且，磁性元件100”优选使用磁性元件顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有什么阻止使用其它数量的端子，例如磁性元件中心附近的第三端子。在优选实施例中，自由层130”包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt、CoFeCrPt或者它们的多层组合，其具有固有的(intrinsic)垂直各向异性。磁性元件100”还包括可选的应力增大层152和154。可以使用应力增大层152和154中的一个或者两个。使用层154改变自由层130”的表面各向异性的应力，导致进一步增强了总垂直各向异性。应力增大层152还是增强自由层130”的总垂直各向异性的晶种层。当间隔层152导电时，应力增大层152可作为间隔层152的一部分。然而，如果间隔层120”是绝缘阻挡层，则包含应力增大层152可导致信号显著下降。在这种实施例中，应力增大层152因此是不希望的。应力增大层152和154可包括进一步促使自由层130”中垂直各向异性的几埃的材料，例如Pt、Pd、Cr、Ta、Au、Cu。然而，注意，在自由层130”或者在邻近(adjacent)层152和154中使用Pt和Pd可增大唯象Gilbert阻尼常数α。α的增大可取消由自由层130”中高垂直各向异性带来的一些或者所有的切换电流密度减小。而且，例如Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和CoFeCrPt的上述材料的垂直各向异性可通过膜本身中固有的应力进一步增大。可在膜沉积中和/或通过用高的压应力的绝缘体(电介质)围绕自旋转移堆叠(包含自由层130”)来引入这种固有应力。
图3B描述了根据本发明的磁性元件的一部分的该第一实施例的另一形式100，其对于自旋转移具有减小的写入电流密度。磁性元件100类似于磁性元件100。因此，该磁性元件包括自由层130”，其具有高垂直各向异性、可选的低饱和磁化强度、并使用自旋转移而写入。而且，磁性元件100优选使用磁性元件顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有什么阻止使用另一数量的端子，例如磁性元件中心附近的第三端子。
如上所定义，自由层130具有高垂直各向异性。自由层130还包括非常高垂直各向异性的铁磁性层160和铁磁性层162。在优选实施例中，至少部分地是由于非常高垂直各向异性的铁磁性层160而提供自由层130的高垂直各向异性。非常高垂直各向异性的铁磁性层160具有非常高的垂直各向异性。如这里所使用，非常高的垂直各向异性具有超出平面外退磁能的垂直各向异性能。因此，当单独存在时，具有非常高垂直各向异性的膜将使它的平衡磁化垂直于平面。非常高垂直各向异性的铁磁性层160优选是稀土过渡金属合金，例如GdFe和GdCoFe，其中稀土可在5到60原子％的范围内。这些稀土过渡金属合金允许具有相对低的阻尼常数和高的或者非常高的垂直各向异性。非常高垂直各向异性的铁磁性层160优选具有大于它自身的平面外退磁能的垂直各向异性能。铁磁性层162具有高的自旋极化。因此，铁磁性层162优选包括一种或者多种高自旋极化材料，例如Co、Fe或者CoFe。铁磁性层162具有小于它的平面外退磁能的垂直各向异性能。非常高垂直各向异性的铁磁性层160和铁磁性层162交换耦合。
非常高垂直各向异性的子层(sublayer)160和高自旋极化铁磁性层的交换耦合的组合为自由层130提供总的高垂直各向异性。在非常高垂直各向异性铁磁性层160的较大厚度，非常高垂直各向异性铁磁性层160和铁磁性层162的组合的总垂直各向异性能超过了非常高垂直各向异性铁磁性层160和铁磁性层162的总平面外退磁能。在这种情况中，非常高垂直各向异性铁磁性层160、铁磁性层162的磁化，以及因此自由层130的磁化，将垂直于膜平面取向。然而，如果减小非常高垂直各向异性铁磁性层160的厚度，则非常高垂直各向异性铁磁性层160和铁磁性层162的总垂直各向异性能比非常高垂直各向异性铁磁性层160和铁磁性层162的总平面外退磁能减小得更快。换句话说，自由层130的总垂直各向异性能比自由层130的总平面外退磁能减小得更快。可选择地，如果高自旋极化铁磁性层162的厚度增大，则非常高垂直各向异性铁磁性层160和铁磁性层162的总垂直各向异性能比非常高垂直各向异性铁磁性层160和铁磁性层162的总平面外退磁能增大得更慢。换句话说，自由层130的总垂直各向异性能比自由层130的平面外退磁能增大得更慢。当总垂直各向异性能变得小于总平面外退磁能时，非常高垂直各向异性铁磁性层160和铁磁性层162的平衡磁化旋转到膜平面中。换句话说，自由层130垂直各向异性能小于自由层130的平面外退磁能，且即使自由层130具有高垂直各向异性，但自由层130的磁化在平面内。因此，为了减小自旋转移切换电流，调整非常高垂直各向异性铁磁性层160和铁磁性层162的厚度，使得总的垂直晶体各向异性高。换句话说，层160和162的组合的垂直各向异性具有是退磁能的至少20％并小于100％的垂直各向异性能。在优选实施例中，该各向异性能是总平面外退磁能的90％。例如，在一个实施例中，磁性元件100可是顶部MTJ，在最靠近衬底的底部具有自由层130，在顶部具有间隔或者阻挡层120”和被钉扎层110”。这种磁性元件将包括：非常高垂直各向异性铁磁性层160/铁磁性层162/间隔(阻挡)层120/被钉扎层110/钉扎或者AFM层(未示出)。因此，磁性元件100的一个例子是AlCu[250A]/GdFeCo[t]/CoFe[10A]/Al2O3[8A]/CoFe[30A]/PtMn[150A]，其中优选将GdFeCo的厚度t调整在10和400埃之间，使得总垂直晶体各向异性能在总平面外退磁能的至少20％和小于100％之间，优选90％。因此，自由层130的平衡磁矩应保持在平面内。
在替换实施例中，非常高垂直各向异性铁磁性层160可包括多层[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr，其中n在1和10之间，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。选择重复次数n以及Co、CoFe、CoCr、Pd和Pt的准确厚度，使得总垂直各向异性能在自由层130的总平面外退磁能的20％和95％之间。
因此，磁性元件100、100’、100”和100使用具有高垂直各向异性的自由层。因此，可在较低的切换电流密度使用自旋转移写入磁性元件100、100’、100”和100。而且，可以组合磁性元件100、100’、100”和100的方面以进一步提高垂直各向异性。因此，可以实现磁性元件100、100’、100”和/或100的电流进一步减小或者另一性能改进。
图4描述了根据本发明的磁性元件200的第二实施例，其对于自旋转移具有减小的写入电流。磁性元件200包括共用自由层230的自旋阀部分204和自旋隧道结部分202。自旋阀部分204包括优选是反铁磁性(AFM)层260的钉扎层260、被钉扎层250、例如Cu的导电间隔层240、以及自由层230。在替换实施例中，可以用阻挡层代替导电间隔层240。自旋隧道结部分202包括优选是反铁磁性(AFM)层206的钉扎层206、被钉扎层210、阻挡层220和自由层230，其中阻挡层是构造成允许电子隧穿过它的绝缘体。参考图2A和4，当间隔层120导电时，层250、240和230类似于磁性元件100中的层110、120和130。类似地，当间隔层120是绝缘阻挡层时，层210、220和230分别类似于层110、120和130。因此，被钉扎层210和250优选对应于被钉扎层110，并可用类似的材料、层和/或工艺构造。例如，被钉扎层210和/或被钉扎层250可包括多层(FexCo1-x/Cu)n，其中n是大于1的重复次数。另外，Fe原子百分比x优选大约为0.5，以及Cu层优选是1到8埃厚。将自由层230构造成使用自旋转移写入，并具有高垂直各向异性。而且，磁性元件200优选使用磁性元件的顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有什么阻止使用其它数量的端子，例如磁性元件200中心附近的第三端子。磁性元件200还包括优选为AFM层的钉扎层206和260，用于分别钉扎住被钉扎层210和250的磁化。
优选以类似于自由层130、130’、130”和/或130的方式构造自由层230。因此，可使用类似于上述的材料和原理来获得自由层230的高垂直各向异性。可以使用具有高晶体垂直各向异性的材料和/或例如应力的其它条件来获得自由层330的高垂直各向异性。而且，如上关于自由层130’所述，自由层230可是合成的。因此，可在较低切换电流密度使用自旋转移写入磁性元件200。换句话说，磁性元件200可共享磁性元件100、100’、100”、100和/或它们的组合的优点。而且，当被钉扎层210和250反平行地排列时，自旋阀部分204和自旋隧道结部分202都可对写入自由层230作贡献。由于使用了阻挡层220，磁性元件200具有较高的电阻和磁阻。因此，在读取的过程中可获得较高的信号。
图5A是根据本发明的磁性元件300的第二实施例的优选形式，其对于自旋转移具有减小的写入电流密度。磁性元件300类似于图4中所描述的磁性元件200。因此，相似地标记类似的部件。因此，磁性元件包括自由层330，其对应于自由层230，具有高垂直各向异性且使用自旋转移写入。而且，磁性元件300优选使用磁性元件的顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有什么阻止使用另一数量的端子，例如磁性元件中心附近的第三端子。
优选以类似于自由层130、130’、130”、130和/或自由层230的方式构造自由层330。因此，可使用类似于上述的材料和原理来获得自由层330的高垂直各向异性。例如，可以使用具有高晶体垂直各向异性的材料和/或例如应力的其它条件来获得自由层330的高垂直各向异性。因此，上面相对于自由层130、130’、130”和130所述的材料是优选的。而且，如相对于自由层130’所述，自由层230可以是合成的。因为高的垂直各向异性，所以可以在较低的切换电流密度使用自旋转移写入磁性元件300。换句话说，磁性元件300可以共享磁性元件100、100’、100”、100和/或它们的组合的优点。因为使用了阻挡层340，所以磁性元件300具有较高的电阻和磁阻。因此，在读取的过程中可获得较高的信号。在替换实施例中，可以用导电层代替阻挡层320。然而，在这种实施例中，对于给定的读取电流，读取信号减小。
在磁性元件300中，被钉扎层310是合成的。因此，被钉扎层310包括被优选是Ru的非磁性层314隔开的铁磁性层312和316。构造非磁性层314，使得铁磁性层312和316反铁磁排列。而且，构造磁性元件300，使得铁磁性层316和被钉扎层350反平行。因此，自旋阀部分304和自旋隧道结部分310可以都对用于写入到磁性元件300的自旋转移作贡献。因此，可以使用甚至更低的切换电流来写入到磁性元件300。而且，因为邻近层312和350的磁化平行地排列，所以AFM层306和360可以在相同的方向上排列。因此，可以在同一步骤中排列AFM层306和360。因此，进一步简化了工艺。
可以以类似于上述的方式构造自由层230和330以及磁性元件200和300。例如，图5B描述了根据本发明的磁性元件的一部分的第二实施例300’的另一形式，其至少由于高垂直各向异性而对于自旋转移具有减小的写入电流密度。磁性元件300’类似于磁性元件300，因此共享它的优点。例如，自由层330’具有高垂直各向异性。而且，以类似于磁性元件100”的方式，磁性元件300’包括类似于应力增大层154的应力增大层380。尽管只描述了应力增大层380，但可以在自由层330’和阻挡层320’之间使用另一应力增大层。然而，该层将显著减小隧穿磁阻，因为该层将邻近阻挡层320。使用应力增大层380和/或在替换实施例中使用在自由层330’和阻挡层320’之间的应力增大层，可获得自由层330’的高垂直各向异性。因此，还可获得磁性元件100”的优点。
图5C描述了根据本发明的磁性元件300”的一部分的第二实施例的第三形式，其至少由于高垂直各向异性而对于自旋转移具有减小的写入电流密度。磁性元件300”类似于磁性元件300，因此共享它的优点。例如，自由层330”具有高垂直各向异性。而且，以类似于磁性元件100的方式，磁性元件300”包括优选类似于图3B中所示的非常高垂直各向异性铁磁性层160的非常高垂直各向异性铁磁性层390，以及类似于高自旋极化层162的高自旋极化铁磁性层391和393。因此，非常高垂直各向异性铁磁性层390优选是稀土过渡金属合金。而且，优选调整非常高垂直各向异性铁磁性层390和铁磁性层391和393的厚度，使得非常高垂直各向异性铁磁性层390和铁磁性层391和393的平衡磁化在平面内；如图所示。因此，可获得类似于自由层130的高垂直各向异性自由层330”。因此，还可获得磁性元件100的优点。
在替换实施例中，非常高垂直各向异性铁磁性层390可以包括多层[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr，其中n在1和10之间，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。选择重复次数n以及Co、CoFe、CoCr、Pd和Pt的准确厚度，使得总垂直各向异性能在自由层330”的总平面外退磁能的20％和95％之间。
图6描述了根据本发明的磁性元件400的一部分的第三实施例，其对于自旋转移具有减小的写入电流密度。该磁性元件包括两个结构402和404，每一个都类似于磁性元件100、100’、100”和/或100。因此，结构402包括例如分别类似于磁性元件100的层110、120和130的被钉扎层410、间隔层420和自由层430。结构402还包括优选为AFM层的钉扎层406。类似地，结构404包括例如分别类似于磁性元件100的层110、120和130的被钉扎层470、间隔层460和自由层450。结构404还包括优选为AFM层的钉扎层480。自由层430和450的一个或者两个具有高垂直各向异性。自由层430和/或450还可是合成的。在这种情况中，在自由层430和/或450内的铁磁性层(没有明确示出)将具有高垂直各向异性。而且，磁性元件400的自由层430和450静磁耦合，优选使得层430和450反铁磁排列。在所示的实施例，磁性元件400包括分隔层440。构造分隔层440，以确保自由层430和450仅静磁耦合。例如，优选构造分隔层440的厚度以确保自由层430和450由于静磁相互作用而反铁磁排列，该分隔层优选是非磁导体。尤其是，分隔层440用来使穿过其的自旋的极化随机化。例如，分隔层440包括材料，例如Cu、Ag、Au、Pt、Mn、CuPt、CuMn、Cu/Pt[1-20A]/Cu夹层(sandwich)、Cu/Mn[1-20A]/Cu夹层或者Cu/PtMn[1-20A]/Cu夹层。尽管分隔层用于磁性元件400中，但是没有什么阻止使用另一机制。例如，在一个实施例中，结构402可是包括第二被钉扎层(未示出)、第二间隔层(未示出)和钉扎层(未示出)的双结构。可以构造第二被钉扎层和间隔层以及钉扎层的厚度，以确保自由层430和450静磁耦合。
构造自由层430和/或自由层450，以具有高垂直各向异性，如上所定义。因此，自由层430和/或450可对应于自由层130、130’、130”和/或130。换句话说，在自由层430和/或者自由层450中使用的材料和/或性能与上面相对于磁性元件100、100’、100”和100所述的相同或者相似。因此，磁性元件400共享磁性元件100、100’、100”和100的很多优点。尤其是，可以在较低的切换电流密度使用自旋转移写入磁性元件。
在自由层430和450之间的静磁耦合提供了另外的优点。因为自由层430和450是静磁耦合的，所以在自由层450中的磁化变化反映在自由层430中。间隔层420可以是提供高信号的导电层或者阻挡层。而且，因为它们具有隔离的自由层450和430，所以可以分别单独地调整自旋阀404和自旋隧道结402的性能，以分别改善自旋阀和自旋隧道结的功能。
图7A是根据本发明的磁性元件500的第三实施例的优选形式，其对于自旋转移具有减小的写入电流密度。磁性元件500类似于图6所描述的磁性元件400。因此，相似地标注类似的部件。因此，该磁性元件包括自由层530和550，其分别对应于自由层430和450，它们中的任一个或者两个具有高垂直各向异性，且它们都使用自旋转移写入。自由层530和/或550还可是合成的。在这种情况中，在自由层530和/或550内的铁磁性层(没有明确示出)将具有高的垂直各向异性。而且，磁性元件500优选使用磁性元件的顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有什么阻止使用另一数量的端子，例如磁性元件500中心附近的第三端子。
被钉扎层510和570是合成的。因此，被钉扎层510包括被优选是Ru的非磁性层514隔开的铁磁性层512和516。铁磁性层512和516的磁化还反平行地排列。相似地，被钉扎层570包括被优选是Ru的非磁性层574隔开的铁磁性层572和576。铁磁性层572和576的磁化还反平行地排列。而且，间隔层520优选是阻挡层，其是绝缘的但允许电子在铁磁性层516和自由层530之间隧穿。间隔层560优选是导电层。因此，结构502是自旋隧道结，同时结构504是自旋阀。
优选分别以类似于自由层130、130’、130”、130和/或自由层430和450的方式来构造自由层530和/或550。因此，可以使用类似于上述的材料和原理来获得自由层530和/或550的高垂直各向异性。例如，可以使用具有高晶体垂直各向异性的材料和/或例如应力的其它条件来获得自由层530和/或550的高垂直各向异性。因此，上述关于自由层130、130’、130”和130讨论的材料是优选的。而且，如上面对于自由层130’的讨论，自由层530和/或550可以是合成的。由于高垂直各向异性，可以在较低的切换电流密度使用自旋转移写入磁性元件500。换句话说，磁性元件500可以共享磁性元件100、100’、100”和100和/或它们的组合的优点。
另外，由于自由层530和550静磁耦合，所以在自由层550的磁化方向中的变化，例如由于自旋转移导致的写入，反映在自由层530的磁化中。用阻挡层520，自旋隧道结502提供高信号。在替换实施例中，可用导电层代替阻挡层320。然而，在这种实施例中，对于给定的读取电流，读取信号减小。
如上所述，可以以类似于上面讨论的方式来构造自由层530和550，以及磁性元件500。例如，图7B是根据本发明的磁性元件500’的第三实施例的另一形式，其至少由于高垂直各向异性对于自旋转移具有减小的写入电流密度。磁性元件500’类似于磁性元件500，因此共享它的优点。例如，自由层530’和/或550’具有高的垂直各向异性。而且，以类似于磁性元件100”的方式，磁性元件500’包括类似于可选的应力增大层152和154的可选的应力增大层582、584和586。可以使用可选的应力增大层582、584和586的底部、顶部或者两者都用。尽管没有描述，但是可以在自由层530’和阻挡层520’之间放置可选的应力增大层。然而，这种可选的应力增大层可导致较低的磁阻。而且，可选的应力增大层586的使用对于自旋转移可导致较低的自旋扭矩，以及对于自旋阀504可导致较低的磁阻。因此，可获得自由层530”和/或550”的高垂直各向异性。由此，还可获得磁性元件100的优点。
图7C描述了根据本发明的磁性元件500”的一部分的第二实施例的第三形式，其由于高垂直各向异性而对于自旋转移具有减小的写入电流密度。磁性元件500”类似于磁性元件500，因此共享它的优点。例如，自由层530”和/或550”具有高的垂直各向异性。而且，以类似于磁性元件100的方式，自由层530”和550”分别包括非常高垂直各向异性的铁磁性层590和591，它们优选类似于图3C中描述的非常高垂直各向异性铁磁性层160。自由层530”和550”还包括具有高自旋极化的铁磁性层592和593。另外，可以选择性地将晶种层，例如AlCu 25nm，插在层540”和591之间，以帮助增强层591的垂直各向异性。而且，优选分别调整非常高垂直各向异性铁磁性层590和591以及铁磁性层592和593的厚度，使得非常高垂直各向异性铁磁性层590和591以及铁磁性层592和593的平衡磁化在平面内，如图所示。因此，非常高垂直各向异性铁磁性层590和591优选是稀土过渡金属合金。
可替换地，非常高垂直各向异性铁磁性层590和591可以是多层[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr，其中n在1和10之间，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。选择重复次数n以及Co、CoFe、CoCr、Pd和Pt的准确厚度，使得总垂直各向异性能在自由层130的总平面外退磁能的20％和95％之间。因此，可获得自由层530”和/或550”的高垂直各向异性。因此，还可提供磁性元件100的优点。
因此，由于在至少一个自由层中的高垂直各向异性和/或低饱和磁化强度，所以可在较低的切换电流密度使用自旋转移写入磁性元件100、100’、100”、100、200、300、300’、300”、400、500、500’和500”。而且，可以组合100、100’、100”、100、200、300、300’、300”、400、500、500’和500”的方面以提供进一步的优点。
图8描述了根据本发明的方法600的一个实施例的流程图，用于提供根据本发明的磁性元件的一个实施例，其对于自旋转移切换具有减小的写入电流密度。方法600是在磁性元件100的背景下描述的。然而，没有什么阻止将该方法600用于提供磁性元件100’、100”、100、200、300、300’、300”、400、500、500’和/或500”。通过步骤602提供被钉扎层，例如被钉扎层110。在一个实施例中，步骤602包括提供合成的被钉扎层。通过步骤604提供间隔层120。步骤604可以包括提供阻挡层或者导电层。通过步骤606提供具有高垂直各向异性的自由层130。在一些实施例中，可在步骤606之前提供非常高垂直各向异性的铁磁性层或者应力引入层。步骤606可以包括提供合成的自由层。在这种实施例中，步骤606还可以包括在自由层的铁磁性层之间提供高自旋极化层。如果提供磁性元件200、300、300’、300”、400、500、500’和/或500”，则通过步骤608提供附加被钉扎层、间隔层，以及在一些实施例中提供自由层。在这些实施例中，自由层可具有高垂直各向异性。因此，可提供磁性元件100’、100”、100、100””、200、300、300’、300”、300、400、500、500’、500”和/或500。
已经公开了一种提供磁性元件的方法和系统，所述磁性元件可在较低的切换电流密度使用自旋转移写入。尽管已经根据所示的实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员将容易理解的是，对这些实施例可以改变，并且那些变化将落在本发明的精神和范围内。因此，本领域普通技术人员可以做出很多改变，而不背离随附权利要求的精神和范围。

Claims (34)

1、一种磁性元件，包括：
被钉扎层；
间隔层，所述间隔层是非磁性的；和
具有自由层磁化的自由层，所述间隔层存在于所述被钉扎层和自由层之间，所述自由层具有高垂直各向异性和平面外退磁能，所述高垂直各向异性具有所述平面外退磁能的至少20％且小于100％的垂直各向异性能；
其中所述磁性元件构造成，当写入电流穿过磁性元件时，允许由于自旋转移而切换所述自由层磁化。
2、一种磁性元件，包括
第一被钉扎层；
间隔层，所述间隔层是导电的及非磁性的；
具有自由层磁化的自由层，所述间隔层存在于所述第一被钉扎层和自由层之间，所述自由层具有高垂直各向异性和平面外退磁能，所述高垂直各向异性具有小于所述平面外退磁能的100％的垂直各向异性能；
阻挡层，所述阻挡层是绝缘体，并具有允许隧穿所述阻挡层的厚度；
第二被钉扎层，所述阻挡层在所述自由层和第二被钉扎层之间；
其中所述磁性元件构造成，当写入电流穿过磁性元件时，允许由于自旋转移而切换所述自由层磁化。
3、如权利要求2的磁性元件，其中所述自由层是单一自由层。
4、如权利要求2的磁性元件，其中所述第一被钉扎层是包括邻近所述间隔层的铁磁性层的第一合成被钉扎层，其中所述铁磁性层具有第一磁化，以及所述第二被钉扎层具有第二磁化，以及其中所述第一磁化和第二磁化以相反的方向取向。
5、如权利要求4的磁性元件，其中所述第二被钉扎层是第二合成被钉扎层。
6、如权利要求5的磁性元件，其中所述第二合成被钉扎层包括邻近所述阻挡层的第二铁磁性层，其中所述第二铁磁性层具有第二磁化，以及其中所述第一磁化和第二磁化以相反的方向取向。
7、如权利要求2的磁性元件，其中构造所述第一被钉扎层和第二被钉扎层，使得来自所述第一被钉扎层和来自所述第二被钉扎层的电荷载流子都能对由于自旋转移而切换所述自由层磁化作贡献。
8、如权利要求2的磁性元件，其中所述垂直各向异性能是所述平面外退磁能的至少20％。
9、如权利要求8的磁性元件，其中所述垂直各向异性能小于所述平面外退磁能的95％。
10、如权利要求2的磁性元件，其中所述垂直各向异性能是所述自由层的平面外退磁能的90％。
11、如权利要求2的磁性元件，其中所述自由层包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt。
12、如权利要求11的磁性元件，其中调整Cr和/或Pt的量，使得所述垂直各向异性能是所述自由层的平面外退磁能的至少20％且小于或者等于95％。
13、如权利要求2的磁性元件，还包括：
邻近所述自由层的晶种层，所述晶种层包括Pt、Pd、Cr、Au、Cu，所述自由层包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、Fe、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt或者包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、Fe、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt的多层。
14、如权利要求2的磁性元件，其中所述自由层包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt，以及其中构造所述磁性元件，以包括所述自由层的固有应力，所述应力提供所述自由层的高各向异性的至少一部分。
15、如权利要求14的磁性元件，还包括：
在所述自由层上的应力增大层，所述应力增大层包括Cu、Au、Pt和/或Pd。
16、如权利要求2的磁性元件，其中所述自由层还包括：
非常高垂直各向异性铁磁性层；和
具有高自旋极化的铁磁性层，所述非常高垂直各向异性铁磁性层用于确保所述铁磁性层和所述非常高垂直各向异性铁磁性层的组合具有所述高垂直各向异性。
17、如权利要求16的磁性元件，其中所述非常高垂直各向异性铁磁性层包括GdFe和/或GdCoFe。
18、如权利要求16的磁性元件，其中所述非常高垂直各向异性铁磁性层包括[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr的多层，其中n在1和10之间，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。
19、如权利要求18的磁性元件，其中选择n使得所述自由层的总垂直各向异性能在所述总平面外退磁能的20％和95％之间。
20、一种磁性元件，包括：
第一被钉扎层；
第一间隔层，所述第一间隔层是非磁性的；
第一自由层，所述第一间隔层存在于所述第一被钉扎层和第一自由层之间，所述第一自由层具有第一平面外退磁能；
具有第二自由层磁化的第二自由层，所述第一自由层和第二自由层静磁耦合，所述第二自由层具有第二平面外退磁能；
非磁性的第二间隔层；
第二被钉扎层，所述第二间隔层位于所述第二自由层和第二被钉扎层之间；
其中所述磁性元件构造成，当写入电流穿过磁性元件时，允许由于自旋转移而切换所述自由层磁化；以及
其中所述第一自由层构造成具有第一高垂直各向异性，所述第一高垂直各向异性具有小于所述第一平面外退磁能的100％的第一垂直各向异性能，和/或所述第二自由层构造成具有第二高垂直各向异性，所述第二高垂直各向异性小于所述第二平面外退磁能的100％。
21、如权利要求20的磁性元件，还包括：
存在于所述第一自由层和第二自由层之间的分隔层，构造所述分隔层，以允许所述第一自由层和第二自由层静磁耦合。
22、如权利要求20的磁性元件，其中所述第一垂直各向异性能是所述第一平面外退磁能的至少20％，和/或所述第二垂直各向异性能是所述第二平面外退磁能的至少20％。
23、如权利要求22的磁性元件，其中所述第一垂直各向异性能小于或者等于所述第一平面外退磁能的95％，和/或所述第二垂直各向异性能小于或者等于所述第二平面外退磁能的95％。
24、如权利要求22的磁性元件，其中所述第一垂直各向异性能是所述第一平面外退磁能的90％，和/或所述第二垂直各向异性能是所述第二平面外退磁能的90％。
25、如权利要求20的磁性元件，其中所述第一自由层和/或第二自由层包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt。
26、如权利要求25的磁性元件，其中调整Cr和/或Pt的量，使得所述第一高垂直各向异性具有第一垂直各向异性能，所述第一垂直各向异性能是所述第一平面外退磁能的至少20％且小于或等于95％，和/或所述第二高垂直各向异性具有第二垂直各向异性能，所述第二垂直各向异性能是所述第二平面外退磁能的至少20％且小于或等于95％。
27、如权利要求20的磁性元件，还包括：
邻近所述第一自由层和/或第二自由层的至少一个晶种层，所述至少一个晶种层包括Pt、Pd、Cr、Au、Cu，以及其中所述第一自由层和/或第二自由层包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt或者包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、Fe、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt的多层。
28、如权利要求20的磁性元件，其中所述第一自由层和/或第二自由层包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt、CoFeCrPt，以及其中所述第一自由层构造成包括第一固有应力，所述第一固有应力提供所述第一高垂直各向异性的至少一部分，和/或所述第二自由层构造成包括第二固有应力，所述第二固有应力提供所述第二高垂直各向异性的至少一部分。
29、如权利要求20的磁性元件，还包括在所述第一自由层和/或第二自由层上的至少一个应力增大层，所述至少一个应力增大层包括Cu、Au、Pt和/或Pd。
30、如权利要求20的磁性元件，其中所述第一自由层和/或第二自由层还包括：
非常高垂直各向异性铁磁性层；和
具有高自旋极化的铁磁性层，所述非常高垂直各向异性铁磁性层用于确保所述非常高垂直各向异性铁磁性层和所述第一自由层的铁磁性的组合具有所述第一高垂直各向异性，和/或所述非常高垂直各向异性铁磁性层和所述第二自由层的铁磁性层的组合具有所述第二高垂直各向异性。
31、如权利要求30的磁性元件，其中所述非常高垂直各向异性铁磁性层包括GdFe和/或GdCoFe。
32、如权利要求30的磁性元件，其中所述非常高垂直各向异性铁磁性层包括[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr的多层，其中n在1和10之间，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。
33、如权利要求32的磁性元件，其中选择n使得所述第一垂直各向异性能在所述第一平面外退磁能的20％和95％之间，和/或所述第二垂直各向异性能在所述第二平面外退磁能的20％和95％之间。
34、一种用于提供磁性元件的方法，包括：
提供被钉扎层；
提供间隔层，所述间隔层是非磁性的；以及
提供具有自由层磁化的自由层，所述间隔层位于所述被钉扎层和自由层之间，所述自由层具有高垂直各向异性，所述高垂直各向异性具有所述自由层平面外退磁能的至少20％且小于100％的垂直各向异性能；
其中所述磁性元件构造成，当写入电流穿过磁性元件时，允许由于自旋转移而切换所述自由层磁化。
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