磁性结及其使用方法和磁存储器及系统的制作方法

专利名称：磁性结及其使用方法和磁存储器及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁存储领域。
背景技术：
磁存储器，特别地磁随机存取存储器(MRAM)由于其高的读/写速度、良好的耐久性、非易失性和操作期间低的功耗等潜力而引起日益增大的兴趣。MRAM能够利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移转矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM使用通过驱动经过磁性结的电流被至少部分写入的磁性结。驱动经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。结果，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，图I示出常规磁隧穿结(MTJ)IO，其可以使用在常规STT-RAM中。常规MTJlO通常位于底接触11上，使用常规籽层12并包括常规反铁磁(AFM)层14、常规被钉扎层16、常规隧穿势垒层18、常规自由层20和常规盖层22。还示出顶接触24。常规接触11和24用于在电流垂直于平面(CPP)方向或沿着如图I所示的z轴驱动电流。常规籽层12通常用于帮助具有期望的晶体结构的后续层诸如AFM层14的生长。常规隧穿势垒层18是非磁的并且是例如薄绝缘体诸如MgO。常规被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规被钉扎层16的磁化17通常通过与AFM层14的交换偏置相互作用而被固定或被钉扎在特定方向。尽管示出为简单(单个)层，但是常规被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁或铁磁地耦合的磁性层的综合反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中，可以使用交插有Ru薄层的多个磁性层。此外，常规MTJlO的其它形式可包括通过额外非磁势垒或导电层(未示出)与自由层20分隔开的额外被钉扎层(未示出)。常规自由层20具有可改变的磁化21。尽管被示出为简单的层，但是常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是综合层，包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁或铁磁地耦合的磁性层。尽管示出为在平面内，但是常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。为了切换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面(在z方向上)驱动。当足够的电流从顶接触24驱动到底接触11时，常规自由层20的磁化21可以切换为平行于常规被钉扎层16的磁化17。当足够的电流从底接触11驱动到顶接触24时，自由层的磁化21可以切换为反平行于被钉扎层16的磁化。磁配置的差异对应于不同的磁阻并由此对应于常规MTJlO的不同逻辑状态(例如，逻辑“O”或逻辑“ I ”)。尽管常规MTJlO可以使用自旋转移写入并使用在STT-RAM中，但是存在缺点。例如，切换常规自由层20的磁矩所需的电流会是高的。由于很多原因，高电流是不期望的。较高的电流消耗较多的功率，具有较高的可能性导致对常规隧穿势垒18的损伤，并会具有导致较低编程速率的较高上升时间。因此，仍期望改善使用常规MTJ的存储器的性能。

发明内容
示范性实施例提供使用可用于磁器件中的磁性结。该磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。该非磁间隔层在被钉扎层和自由层之间。磁性结被构造为使得当写入电流流经磁性结时自由层可在多个稳定的磁性状态之间切换。自由层和被钉扎层中的至少一个包括至少一种半金属(half metal)ο


图I示出使用自旋转移转矩切换的常规磁隧穿结。图2示出磁性结的示范性实施例。图3示出磁性结的另一示范性实施例。图4示出磁性结的另一示范性实施例。 图5示出磁性结的另一示范性实施例。图6示出磁性结的另一示范性实施例。图7示出磁性结的另一示范性实施例的一部分。图8示出磁性结的另一示范性实施例。图9示出磁性结的另一示范性实施例。图IOA和IOB示出磁性结的另一示范性实施例。图11示出磁性结的另一示范性实施例。图12示出在存储单元的存储元件中使用磁性结的存储器的示范性实施例。图13是示出提供磁性结的方法的示范性实施例的流程图。
具体实施例方式示范性实施例涉及可用于磁器件诸如磁存储器的磁性结以及使用这样的磁性结的器件。以下的描述被给出以使得本领域普通技术人员能够制作并使用本发明，并在本申请的上下文及其要求中来提供描述。对这里描述的示范性实施例以及一般原理和特征的各种修改将是容易明白的。示范性实施例主要就在具体实现中提供的具体方法和系统而言来描述。然而，方法和系统将在其它实施方式中有效工作。用语诸如“示范性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”可以指代相同或不同的实施例以及多个实施例。实施例将关于具有特定部件的系统和/或器件来描述。然而，系统和/或器件可以包括比示出的部件更多或更少的部件，可以进行部件的布置和类型的变化而不背离本发明的范围。示范性实施例还可在具有特定步骤的特定方法的上下文中来描述。然而，方法和系统对于具有不同和/或额外步骤以及与示范性实施例不一致的不同次序的步骤的其它方法也有效工作。因此，本发明并不旨在被限制到示出的实施例，而是应被给予与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。示范性实施例在具有特定部件的特定磁性结和磁存储器的上下文中来描述。本领域普通技术人员将容易地理解，本发明与具有其它和/或额外部件和/或与本发明不一致的其它特征的磁性结和磁存储器的使用是一致的。方法和系统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上下文中来描述。因此，本领域普通技术人员将容易地理解，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当前的理解而进行。然而，这里描述的方法和系统并不取决于特定的物理解释。本领域普通技术人员也将容易地理解，方法和系统在与衬底具有特定关系的结构的上下文中来描述。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，方法和系统与其它的结构是一致的。此外，方法和系统在特定层是综合和/或简单的上下文中来解释。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，所述层可以具有另外的结构。此外，方法和系统在具有特定层的磁性结和/或子结构的上下文来描述。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，也可以使用与所述方法和系统不一致的具有额外和/或不同层的磁性结和/或子结构。此外，特定的部件被描述为磁性的、铁磁的和亚铁磁的。这里所用时，术语磁性可以包括铁磁的、亚铁磁的或类似结构。因此，这里所用时，术语“磁性的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。方法和系统还在单个磁性结和子结构的上下文来描述。然而，本发明普通技术人员将容易地理解，方法和系统与具有多个磁性结和使用多个子结构的磁存储器的使用是一致的。此外，这里所用时，“平面内”是基本在磁性结的一个或多个层的平面内或平行于该平面。相反，“垂直于平面”或“离面”对应于基本垂直于磁性结的一个或多个层的方向。图2示出可用于磁存储器或其它器件中的磁性结100的示范性实施例。例如，磁性结100可以是磁隧穿结(MTJ)、自旋阀或弹道(ballistic)磁阻结构或一些其组合。磁性 结100可以使用在各种应用中。例如，磁性结可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。为了清晰，图2没有按比例。磁性结100包括被钉扎层110、非磁间隔层120和自由层130。还示出可选的钉扎层102，其可以是反铁磁(AFM)层，诸如PtMn。尽管层102、110、120和130被示出为具有特定的取向，但是该取向可以在其它的实施例中改变。例如，被钉扎层110可以在磁性结100的顶部(离没有示出的基板最远)。为了简化，没有示出可能存在的其它层，诸如籽层和/或盖层。非磁间隔层120可以是隧穿势垒层。在一些实施例中，间隔层120是MgO。在一些这样的实施例中，非磁间隔层120是晶体MgO，其可以增强磁性结100的隧穿磁阻(TMR)。在其它的实施例中，间隔层可以是导体，诸如Cu。在备选的实施例中，非磁间隔层120可以具有另外的结构，例如在绝缘基质中包含导电通道的颗粒层。在示出的实施例中，层110的磁化111和层130的磁化131是平面内的。然而，其他的取向是可能的。另外，由于自由层130的磁化是可改变的，所以磁化由易磁化轴131来表示。磁性结100构造为使得自由层磁化131可利用驱动经过磁性结的电流来切换。因此，磁性结100利用自旋转移转矩来切换。在一些实施例中，除了自旋转移转矩之外或者代替自旋转移转矩，还可以利用其他的现象来切换磁性结。在一些实施例中，被钉扎层110和自由层130可以包括铁磁材料。因此，层110和130可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，特别是以合金的形式。在一些实施例中，层110和130包括CoFe。层110和130配置为在室温稳定。例如，层110和130的磁各向异性能可以为kbT的至少六十倍。尽管层110和130示出为简单的层，但是在其他的实施例中，层110和130中的一个或多个可以为多层。例如，被钉扎层110和/或自由层130可以是包括通过薄层诸如Ru反铁磁或铁磁地耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中。可以使用交插有Ru或其他材料的薄层的多个磁性层。层110和/或130也可以是另外的多层。被钉扎层110和/或自由层130包括半金属。在一些实施例中，被钉扎层110和/或自由层130由半金属构成。在其他的实施例中，被钉扎层110和/或自由层130中的多层包括半金属层。例如，被钉扎层110和/或自由层130在与间隔层120的界面处可以具有包括半金属的层。在其他的实施例中，被钉扎层110和/或自由层130可以是包括一种或多种半金属的合金。半金属可以具有非常高的自旋极化。自旋极化(P)可以被定义为在费米能级处铁磁材料中向上(向下)自旋的百分比减去向下(向上)自旋的百分比。大部分常见的磁材料，诸如Fe、Co、Ni及其合金具有小于50%的低P。半金属是具有非常高的P(接近100%)的铁磁体，其在一个自旋取向上是金属性的而在其他自旋取向上是绝缘的。已经发现的一些半金属材料包括Cr02、Sr2FeMoO6, (LaO. 7SrO. 3)MnO3> Fe3O4和NiMnSb。可以被使用的其他半金属材料包括T=XYZ类型的所有化合物，其中X为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt 或 Au ；Y 为 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu ;Ζ为Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb、Bi。半金属材料还可以包括以上列出的任意或所有化合物T通过添加材料M而制得的TM化合物，其中M为Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt、Au、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb或Bi。此外,诸如猛氧化物的半金属氧化物包括RE1JMxMnO3，其中χ小于或等于1，M为Ca、Sr、Ba或Pb，RE为稀土金属诸如La、Ce、Pr、Nd、 Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 或 Lu 或者碱土金属诸如 Be、Mg、Ca、Sr、Ba 或 Ra。可以被使用的其他半金属氧化物包括双钙钛矿A2MT O6，其中A为上述稀土金属或碱土金属(例如，La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr、Ba 或 Ra), M和 Μ，为从以下的 Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au和Hg中选出的两种不同的元素。半金属还可以包括CrO2和Fe304。在操作中，写入电流被驱动经过磁性结100。取决于写入电流的方向，自由层130可以被切换使得其磁化131平行于或反平行于磁化111。在一些实施例中，磁场诸如外部磁场被施加在自由层期望被切换到的方向上，从而改善自由层130的切换特性。因此，自由层130利用自旋转移可切换。为了读取由磁性结100存储的数据，读取电流可以被驱动经过磁性结100。基于被钉扎层110的磁化111和自由层130的磁化131的相对取向而提供磁阻。磁性结100可以具有改善的性能。当高自旋极化半金属材料用作磁性结中的磁层时，求反自少量的(理论上对于理想的半金属为零)少数自旋的反向角动量也可以是少的。反向角动量的减少导致更小的切换电流。切换电流是利用自旋转移来切换自由层130的磁化所需要的电流。切换电流的减小可以是明显的。在一些实施例中，假设在自由磁层中为相干电子散射，当从35%自旋极化的材料变到80%自旋极化的材料时，切换电流可以理论上减小超过5个数量级。图3示出磁性结100'的示范性实施例。例如，图3没有按比例。磁性结100'类似于磁性结100。因此，相似的部件被相似地标记。因此磁性子结构100'包括第一被钉扎层110'、第一非磁间隔层120'和自由层130',它们类似于第一被钉扎层110、第一非磁间隔层120和自由层130。磁性结100'还包括第二非磁间隔层140和第二被钉扎层150。还可以提供第二可选钉扎层160。层110'、120'和130'的结构和功能分别类似于层110、120和130的结构和功能。此外，额外的非磁间隔层140和额外的被钉扎层150以及可选的钉扎层160被示出。额外的非磁间隔层140类似于间隔层120'。非磁间隔层140可以是隧穿势垒层，诸如MgO。在一些这样的实施例中，非磁间隔层140是晶体MgO。在其他的实施例中，非磁间隔层140可以是导体，诸如Cu。在备选的实施例中，非磁间隔层140可以具有另外的结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。额外的被钉扎层150类似于被钉扎层110'。被钉扎层150的结构和功能可以类似于被钉扎层110'的结构和功能。因此，被钉扎层150的磁化151被固定。此外，被钉扎层150可以包括半金属。因此，被钉扎层110'、自由层130'和被钉扎层150的一个或多个包括半金属。层11(V Λ30'和/或150可以由半金属组成，可以包括包含半金属的一个或多个层，或者可以具有其中包括半金属的其它结构。磁性结10(V以类似于磁性结100的方式来操作。磁性结10(V享有类似于磁性结100的益处。例如，在层11(V Λ30'和150的一个或多个中的半金属的使用可以导致低的切换电流。因此,可以改善磁性结10(V的性能。此外，磁性结10(V是双结。因而，磁性结IOOi的自旋转移转矩可以大于磁性结100的自旋转移转矩。因此可以增强磁性结10(V的性能。
图4示出磁性结200的示范性实施例。为了清晰，图4没有按比例。磁性结200类似于磁性结100。因此，相似的部件被相似地标记。磁性结200因此包括第一被钉扎层210、第一非磁间隔层220和自由层230,它们分别类似于第一被钉扎层110、第一非磁间隔层120和自由层130。层210、220和230的结构和功能分别类似于层110、120和130的结构和功能。因
此非磁间隔层220可以是隧穿势垒层、导电层，或具有另外的结构，诸如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。被钉扎层210和自由层230分别类似于层110和130。因此，层210和230中的一个或多个包括半金属。层210和/或230可以由半金属组成，可以包括包含半金属的一个或多个层，或者可以具有其中包含半金属的另外的结构。然而，层210和230的磁化垂直于平面。磁性结200以类似于磁性结100的方式操作。磁性结200享有类似于磁性结100的益处。例如，在层210和230的一个或多个中的半金属的使用可以导致低的切换电流。因此，可以改善磁性结200的性能。此外，磁化211和231是离面取向的。因而，磁性结200的切换可以在低的电流完成。因此，可以进一步增强磁性结200的性能。图5示出磁性结200'的示范性实施例。为了清晰，图5没有按比例。磁性结200'类似于磁性结200。因此，相似的部件被相似地标记。磁性结200'因此包括第一被钉扎层210'、第一非磁间隔层220'和自由层230',它们类似于第一被钉扎层210、第一非磁间隔层220和自由层230。磁性结200'还包括第二非磁间隔层240和第二被钉扎层250。层210'、220'和230'的结构和功能分别类似于层210、220和230的结构和功能。此外，示出额外的非磁间隔层240和额外的被钉扎层250。额外的非磁间隔层240类似于间隔层220'。非磁间隔层240可以是隧穿势垒层诸如MgO (晶体的或其他的)、导体诸如Cu，或者可以具有另外的结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。额外的被钉扎层250类似于被钉扎层210'。被钉扎层250的结构和功能可以类似于被钉扎层210'。被钉扎层250的磁化251由此被固定。此外,被钉扎层250可以包括半金属。因此，被钉扎层210'、自由层230'和被钉扎层250的一个或多个包括半金属。层210'、230'和/或250可以由半金属组成,可以包括包含半金属的一个或多个层,或者可以具有其中包括半金属的另外的结构。磁性结20(V以类似于磁性结200的方式来操作。磁性结20(V享有类似于磁性结200的益处。例如，在层21(V ,230'和250的一个或多个中的半金属的使用可以导致低的切换电流，该切换电流仅垂直于平面取向。因此，可以改善磁性结200'的性能。此外，磁性结200'是双结。因而，磁性结200'的自旋转移转矩可以大于磁性结200的自旋转移转矩。因此可以增强磁性结200'的性能。图6示出在磁器件例如磁存储器诸如STT-RAM中使用的磁性结300的示范性实施例。为了清晰，图6没有按比例。磁性结300包括被钉扎层310、非磁间隔层320和自由层330。还不出可选的钉扎层304,其可以用于固定被钉扎层310的磁化(未不出)。在一些实施例中，可选的钉扎层304可以是通过交换偏置相互作用来钉扎被钉扎层310的磁化(未示出)的AFM层或多层。然而，在其他的实施例中，可以省略可选的钉扎层304或者可以使用另外的结构。此外，磁性结300可以包括其他和/或额外的层诸如可选的籽层302和/或可选的盖层340。磁性结300也被构造为当写入电流流经磁性结300时允许自由层330在 稳定的磁状态之间切换。因此，利用自旋转移转矩自由层330可切换。被钉扎层310是磁性的并由此可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，特别是以合金的形式。尽管示出为简单的层，但是被钉扎层310可以包括多个层。例如，被钉扎层310可以是包括通过薄层诸如Ru反铁磁或铁磁地耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用交插有Ru或其他材料的薄层的多个磁性层。被钉扎层310还可以是另外的多层。尽管在图6中没有示出磁化，但是自由层可以具有超过离面退磁能的垂直各向异性能。在示出的实施例中，易磁化锥(easy cone)的对称轴基本正交于自由层的平面。在另一实施例中，自由层中的垂直各向异性可以小于离面退磁能。在这样的情形下，易磁化锥的对称轴基本在自由层的平面内。间隔层320是非磁性的。在一些实施例中，间隔层320是绝缘体，例如隧穿势垒。在这样的实施例中，间隔层320可以包括晶体MgO，其可以增强磁性结的隧穿磁阻。在其他的实施例中，间隔层可以是导体，诸如Cu。在备选的实施例中，间隔层320可以具有另外的结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。自由层330是磁性的并因此可以包括Fe、Ni和/或Co中的至少一种。自由层330具有可通过自旋转移来切换的可改变磁化(未示出)。自由层330被示出为单个层。在以下描述的其他的实施例中，自由层330可以包括其他的层。自由层330具有易磁化锥(easy cone)磁各向异性。易磁化锥各向异性在图6中通过磁化M示出。由于易磁化锥各向异性，自由层330的总磁化在离开垂直于磁性结100的层的平面的方向(也就是，图6中的z轴)的角度处具有相同能量的稳定状态。该角度也小于离z轴的90度。因此，存在磁化的垂直于平面的分量。在示出的实施例中，易磁化锥的对称轴沿z轴方向。然而，在其他的实施例中，易磁化锥的对称轴可以在另外的方向，例如沿平面内的χ或y方向。易磁化锥各向异性可以如下理解。对于易磁化锥各向异性，磁各向异性能在磁性结300的平面的法线处或附近具有局部的最大值。在示出的实施例中，局部极大值在离z轴的零度处或附近。在一些实施例中，局部极大值为kbT的至少十倍，其中kb为波尔兹曼常数，T为磁性结的操作温度。在其他的实施例中，局部极大值为KbT的至少二十倍。此外，磁各向异性能在离局部极大值的某些角度具有局部最小值。因此，如从图6中的磁化M和能量可见，自由层的磁化在z轴周围的某些角度是稳定的。这些稳定状态形成绕磁性结300的层的平面的法线的锥。因此，自由层330的磁各向异性被称为“易磁化锥各向异性”。被钉扎层310和/或自由层330包括半金属。在一些实施例中，被钉扎层310和/或自由层330由半金属组成。在其他的实施例中，被钉扎层310和/或自由层330中的多层包括半金属层。在该程度上，层310和330分别类似于层110和130。例如，被钉扎层310和/或自由层330可以具有在与间隔层320的界面处包括半金属的层。在其他的实施例中，被钉扎层310和/或自由层330可以 是包括一种或多种半金属的合金。可使用的某些半金属材料包括以上描述的半金属材料中的一种或多种。在自由层330中引入易磁化锥各向异性可以改善自由层330的切换特性。由于易磁化锥各向异性，自由层330的磁化可以具有从与磁性结300的层的法线成的直线倾斜(例如，从z轴倾斜)的稳定状态。该初始非零角度允许自由层330的磁化可更容易被自旋转移转矩切换。该特性对应于较低的写入错误率(WER)。即使在小的脉冲宽度(高数据率)下也可以实现低的WER。特别地，写入错误率与写入电流的斜率可以保持足够大，即使对于小于IOns的脉冲宽度。在一些实施例中，对于10-30ns或更小的脉冲宽度可以实现10_9或更小的可接受写入错误率。因此，代替利用诸如外部场的机理的辅助切换，易磁化锥各向异性处理了高错误率的物理原因。因此，自由层330可以具有改善的写入错误率，即使对于小的脉冲宽度。还可以增强磁性结300的其他性质。磁性结300的热稳定性和对称性不会受到不利的影响。在离z轴零度处的磁各向异性能的局部极大值的幅度可以为kbT的二十倍或更大。在离开z轴90度的总体极大值为kbT的至少六十倍。在一些实施例中，该总体极大值将为kbT的至少八十倍或更大。该幅度的总体极大值可以足够保证磁性结300的热稳定性。此外，由于可以不要求外部磁场来切换磁性结300，所以磁性结300可以较好地可调整到更高的存储器密度。磁性结300以及使用磁性结300的存储器的性能和灵活性可以由此改善。性能可以通过半金属的使用而进一步增强。具体地，切换电流可以通过被钉扎层310和/或自由层330中半金属的存在而被进一步减小。因此，可以进一步增强结300的性倉泛。易磁化锥各向异性可以以多种方式在自由层330中获得。图7示出可以在磁性结300中使用的另一自由层330'的示范性实施例。为了清晰，图7没有按比例。自由层330'类似于自由层330，并由此可以包括类似的结构。自由层330'包括负的垂直各向异性层331和可选的垂直各向异性层335、高垂直各向异性层333、以及相互作用控制层332和可选的相互作用控制层334。在其他的实施例中，自由层330'可以具有其他数目的层。铁磁层与非磁性的相互作用控制层交替。另外的负各向异性层与高各向异性层交替。例如，如果层330'仅包括三个层，则将包括层331、332和333。如果层330'包括两个额外的层，则相互作用控制层将分开负垂直各向异性层335和高垂直各向异性层(未示出)。在示出的实施例中，两个磁性层331和335具有负垂直各向异性Hk。因此，通过其自身，这些层的磁化会保持在膜的平面内。在一些实施例中，层331和335可以包括部分垂直各向异性的效果。换言之，层331和335的垂直各向异性是高的，但是不足以克服离面(out-of-plane)退磁能。部分垂直各向异性减少了使该层的沿z方向的磁化饱和所需要的场。在一些实施例中，部分垂直各向异性场至少为4 Ms的百分之二十且小于4 Ms的百分之九十。其他的磁性层333具有高的垂直各向异性Hk。在一些实施例中，高垂直各向异性的幅度取决于磁性结的尺寸。例如，对于较大的磁性结300，在直径方面具有在一百纳米的数量级的直径，大的Hk可以大于一千奥斯特(IkOe)。相反，对于具有在十纳米数量级的直径的较小磁性结300，取决于自由层的厚度和饱和磁化，Hk为约五千奥斯特(5k0e)或更大。层331、333和335是铁磁的并因此包括Fe、Co和Ni中的一种或多种。包括但不限于B、Ta、Cs、Zr、Pt、Pd、Tb和/或Ru的其他材料也可以被包括在层331、333和335中。此外，层331、333和335中的一个或多个可以包括上述半金属。注意，相同或不同的材料可以用于层331、333和335。层331、333和335的厚度和/或所用的材料的组合以及交换相互作用控制层332和334，可以被剪裁，使得期望的各向异性产生在层331、333和335中。在自由层330'中，高垂直各向异性层333夹设在两个负各向异性层331和335之间。所得的自由层330'可以具有易磁化锥各向异性。因此，当使用在磁性结中时，自由层330'可以具有改善的写入错误率而不牺牲热稳定性、可缩放性或低的临界切换电流。此外，临界切换电 流可以通过在层331、333和335的一个或多个中使用半金属而进一步减小。图8示出包括具有易磁化锥各向异性的自由层的另一磁性结300'的示范性实施例。为了清晰，图8没有按比例。磁性结300/可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。磁性结300;类似于磁性结300并由此包括类似的结构。磁性结30(V包括可选的籽层302'、可选的钉扎层304,、被钉扎层310'、非磁间隔层320,、自由层330 "和可选的覆盖层340,，它们分别类似于可选的籽层302、可选的钉扎层304、被钉扎层310、非磁间隔层320、自由层330、可选的覆盖层340。此外，磁性结300'包括额外的非磁间隔层350、额外的被钉扎层360和额外的可选钉扎层370。因此，磁性结30(V是双结。额外的非磁间隔层350、额外的被钉扎层360和额外的可选钉扎层370类似于非磁间隔层320/320'、被钉扎层310/310'和可选的钉扎层304/304'。被钉扎层360也可以包括一种或多种半金属。此外，由于磁性结30(V可以是双结，诸如双隧穿结，所以用于磁性结30(V的切换电流可以减小，切换特性可以被改善。图9示出可在磁存储器或其他器件中使用的磁性结400的示范性实施例。例如，磁性结400可以是磁隧穿结(MTJ)、自旋阀或弹道磁阻结构或它们的某些组合。磁性结400可以使用在各种应用中。例如，磁性结可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。为了清晰，图9没有按比例。磁性结400包括第一被钉扎层410、第一非磁间隔层420、自由层430、第二非磁间隔层440、第二被钉扎层450和偏置结构460。偏置结构460包括磁偏置层480、非磁层470和可选的AFM层490，其可用于将偏置层480的磁化固定在期望的方向。非磁层470配置为减少或断开被钉扎层450与磁偏置层480之间的磁交换耦合。在一些实施例中，非磁层可以包括Ta、Ru和/或MgO。在其他的实施例中，可以使用其他的材料。在备选的实施例中，层450与480之间的交换耦合可以以另外的方式断开。尽管层410、420、430、440、450,470和480示出具有特定的取向，但是该取向可以在其他的实施例中改变。例如，被钉扎层410可以在磁性结400的顶部处(离未示出的衬底最远)。被钉扎层410和450以及自由层430是铁磁的。因此，层410、430和450可以包括Ni、Fe和Co中的一种或多种，特别是以合金的形式。在一些实施例中，层410、430和/或450包括CoFe。在一些这样的实施例中，层410、430和450由CoFeB组成。层410、430和450中的一个或多个包括如上所述的半金属。在一些实施例中，层410、430和/或450由半金属组成。在其他的实施例中，层410、430和/或450中的多层包括半金属层。在该程度，层410、430和/或450类似于层110和130。例如，层410、430和/或450可以具有在与间隔层420和/或440的界面处包括半金属的层。在其他的实施例中，层410、430和/或450可以是包括一种或多种半金属的合金。可以使用的某些半金属材料包括上述半金属材料中的一种或多种。层410、430和450配置为在室温是稳定的。例如，层410、430和/或450的磁各向异性能可以为kbT的至少六十倍。在一些实施例中，410、430和/或450的磁各向异性能在室温(约三十摄氏度)为kbT的至少八十倍。尽管层410、430和/或450被示出为简单的层，但是在其他的实施例中，层410、430和/或450中的一个或多个可以是多层。例如，被钉扎层410和/或自由层430可以是包括通过薄层诸如Ru反铁磁或铁磁地耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用交插有Ru或其他材料的薄层的多个磁性层。层410、430 和/或450也可以是另外的多层。被钉扎层410和自由层430是磁性的且在平面内。被钉扎层410具有磁化411。自由层430的可改变磁化由易磁化轴431示出。因此附图标记431用于指示自由层430的易磁化轴和磁化两者。层410的磁化411和层430的磁化431基本上是平面内的。因此，层410和430的离面退磁能超过离面各向异性。对于大的单元，离面退磁场接近4 Ms，但是对于较小的单元由于在边缘处减小的退磁场而通常小于4 π Ms。尽管自由层430的磁化431是平面内的，但是在一些实施例中，自由层430具有高垂直各向异性。换言之，自由层430可以是弱平面内的。例如，在某些这样的实施例中，自由层430的垂直各向异性能可以接近但小于离面退磁能。例如，垂直各向异性能可以为离面退磁能的至少百分之四十。在某些这样的实施例中，垂直各向异性能可以为离面退磁能的至少百分之八十。此外在一些实施例中，垂直各向异性能不超过退磁能的百分之九十。高垂直各向异性可以以多种方式实现，包括但不限于使用期望的盖层，诸如MgO，加之或作为非磁间隔层420和/或440。自由层430也可以具有高阻尼，例如由于掺杂或通过多层的使用。自由层430也可以使用改善自旋转移、磁阻和/或其他期望的属性的半金属性铁磁材料或其他材料。最后，磁性结400被构造为使得自由层磁化431可利用被驱动经过磁性结的电流来切换。因此，磁性结400利用自旋转移转矩。在某些实施例中，除自旋转移转矩之外或代替自旋转移转矩，可以使用其他现象来切换磁性结。非磁间隔层420和440可以是导电的、隧穿势垒层、具有导电通道的绝缘层、或其他非磁层，磁性结400为此而具有磁阻。在某些实施例中，间隔层420和/或440为MgO。在某些这样的实施例中，非磁间隔层420和/或440为晶体MgO，其可以增强磁性结400的隧穿磁阻(TMR)。在其他的实施例中，间隔层420和/或440可以是导体，诸如Cu。在备选的实施例中，非磁间隔层420和/或440可以具有另外的结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。偏置结构460提供在自由层430处的磁偏置,其基本垂直于易磁化轴431并在自由层430处为平面内的。在示出的实施例中，磁偏置通过偏置层480提供。因此，偏置层480具有垂直于自由层430的易磁化轴431且在平面内的磁化。换言之，偏置层磁化481沿自由层430的难磁化轴。在某些实施例中，磁偏置具有自由层430的各向异性能的至少百分之二十且不超过百分之六十的磁能。在操作中，写入电流被驱动经过磁性结400。所产生的自旋转移转矩可以使得自由层430的磁化远离易磁化轴431倾斜。自由层的退磁场因此是非零的。自由层430的磁化然后绕退磁场进动。然后写入电流可以被去除。由偏置结构460(更具体地，偏置层480)产生的静态偏置场仍作用于自由层430。沿难磁化轴取向的该偏置场帮助将自由层430的磁化带回到平面内。由于来自偏置层480的场(未示出)的存在，自由层430的进动磁化将返回到处于平面内。更具体地，当写入电流从磁性结400去除时，自由层430的磁化然后趋向于返回到平面内的位置。这由于偏置层480产生的偏置场而发生。如果来自偏置结构460的偏置场足够强，则自由层430可重复地切换到期望的状态。在这样的实施例中，偏置场为自由层430的至少百分之二十。在其他的实施例中，磁性结400可以不会可重复地切换，除非写入电流在特定的时间去除。然而，静态偏置场的施加仍然增加了电流去除的时间的裕度。因此，可以实现可靠的切换，而对写入电流的同步具有放宽的容差。
为了读取由磁性结400存储的数据，读取电流可以被驱动经过磁性结400。基于被钉扎层410的磁化411和自由层430的磁化431的相对取向而提供磁阻。磁性结400可以具有改善的特性。磁性结400使用进动的切换。因此，磁性结400可以具有改善(更快)的切换时间。在某些实施例中，切换时间在五十至一百皮秒的数量级。如上讨论的，由于偏置结构460引起的偏置场的存在可以使得自由层430的利用自旋转移转矩的进动切换更加可靠。更具体地，自由层430的磁化可以被更可靠地带回到平面内和/或去除写入电流的同步的裕度可以增大。此外，偏置场是来自磁偏置层480的静态场。因此，磁偏置随着器件截面的尺寸的减小而按比例缩放。因此可以改善磁性结400向更小尺寸的可缩放性。磁性结400的性能可以被进一步增强。例如，自由层430的阻尼的增加不改变临界切换电流，但是更易于使自由层430的磁化陷于其最终状态。因此，切换更可靠。自由层430的垂直各向异性也可以被增大(通过保持低于离面退磁能)。在这样的实施例中，切换的可靠性还可以例如通过增大去除写入电流的同步的裕度而增加。层410、430和/或450中半金属的使用也可以降低临界/切换电流。因此，可以改善磁性结400的性能。图10A-10B示出利用进动切换的磁性结500的示范性实施例的透视图和俯视图。为了清晰，图10A-10B没有按比例。磁性结500包括自由层510、非磁间隔层520和被钉扎层530。尽管层510、520和530示出为具有特定的取向，但是该取向可以在其他的实施例中改变。例如，自由层510可以更靠近磁性结500的顶部(离未示出的衬底最远)。尽管示出为简单的层，但是自由层510可以包括多个层。例如，自由层510可以是包括通过薄层诸如Ru反铁磁或铁磁地耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用交插有Ru或其他材料的薄层的多个磁性层。自由层510也可以是另外的多层。自由层510具有由易磁化轴511示出的磁化。自由层510类似于自由层430。例如，自由层510可以是SAF，具有高垂直各向异性和/或较高的阻尼。间隔层520是非磁的。在某些实施例中，间隔层520是绝缘体，例如隧穿势垒。在这样的实施例中，间隔层520可以包括晶体MgO，其可以增强磁性结的TMR。在其他的实施例中，间隔层可以是导体，诸如Cu。在备选的实施例中，间隔层520可以具有另外的结构，例如在绝缘基质中包括导电通道的颗粒层。被钉扎层530具有跨被钉扎层530改变的磁化531。在某些区域中，磁化511是平面内的，但是在其他区域，磁化垂直于平面。在示出的实施例中，被钉扎层530的中央具有平面内磁化，而被钉扎层530的边缘垂直于平面。这可以例如通过具有高垂直各向异性来实现。在某些实施例中，垂直各向异性是退磁能的至少85%但小于100%。层510和/或530包括半金属。在某些实施例中，层510和/或530由半金属组成。在其他的实施例中，层510和/或530中的多层包括半金属层。在该程度上，层510和/或530类似于层110和130。例如，层510和/或530可以具有在与间隔层520的界面处包括半金属的层。在其他的实施例中，层510和/或530可以是包括一种或多种半金属的合金。可使用的某些半金属材料包括上述半金属材料中的一种或多种。由于被钉扎层530的磁化跨被钉扎层530而变化，所以被钉扎层530可以用作图9的被钉扎层410和450的组合。具体地，具有离面磁化的边缘可以与磁性结400的被钉扎层450相似的方式来增强进动切换。被钉扎层530的中央部分可以被认为是被钉扎层530 的用于读取的部分。换句话说，自由层510的磁化的取向与被钉扎层530的中央部分的磁化的取向的关系产生了磁性结500的磁阻。由于磁性结500可以使用进动切换，所以可以实现较高速度的切换。此外，由于可以使用较少的层，所以可以简化工艺。半金属的使用还可以提供减小的切换电流。图11示出磁性结500'的示范性实施例。为了清晰，图11没有按比例。磁性结500'类似于磁性结500。因此，类似的部件被类似地标记。磁性子结构500'因此包括自由层510'、第一非磁间隔层520'和被钉扎层530'，它们分别类似于自由层510、非磁间隔层520和被钉扎层530。被钉扎层550也可以包括如上所述的半金属。此外，磁性结500'还包括额外的非磁间隔层540和额外的被钉扎层550。因此，磁性结50(V是双磁性结。磁性结500'享有磁性结500的益处。例如，可以实现进动切换。磁性结100、100'、200、200'、300、300'、400、500 和 / 或 500'可以使用在磁存
储器中。图12示出一个这样的存储器600的示范性实施例。磁存储器600包括读/写列选择驱动器602和606以及字线选择驱动器604。注意，可以提供其他和/或不同的部件。存储器600的存储区域包括磁存储单元610。每个磁存储单元包括至少一个磁性结612和至少一个选择器件614。在某些实施例中，选择器件614是晶体管。磁性结612可以是磁性结 100U00'、200、200'、300、300'、400、500 和 / 或 500'中的一个。尽管每个单元 610示出一个磁性结612和一个选择器件614，但是在其他的实施例中，可以每个单元提供另外数目的磁性结612和/或选择器件614。因而，磁存储器600可以享有上述的益处，诸如较快和更可靠的切换以及较低的临界切换电流。图13示出用于制造磁子结构的方法700的示范性实施例。为了简单，某些步骤可以被省略或组合。方法700在磁性结100的上下文来描述。然而，方法700可以被使用在其他磁性结诸如结100'、200、200'、300、300'、400、500和/或500'和/或自由层330'。此外，方法700可以被包括在磁存储器诸如磁存储器600的制造中。因此，方法700可以被用于制造STT-RAM或其他的磁存储器。方法700可以在提供籽层(未示出)和可选的钉扎层102之后开始。被钉扎层110通过步骤702提供。步骤702可以包括以被钉扎层110的期望厚度沉积期望的材料。此外，步骤702可以包括提供SAF。在某些实施例中，提供被钉扎层110的步骤包括沉积半金属。非磁间隔层120通过步骤704提供。步骤704可以包括沉积期望的非磁材料，包括但不限于晶体MgO。此外，材料的期望厚度可以在步骤704中沉积。自由层130通过步骤706提供。在某些实施例中，步骤706可以通过沉积多层、SAF和/或其他结构来完成。在某些实施例中，提供自由层130的步骤包括沉积半金属。然后制造通过步骤708完成。例如，可以提供额外的间隔层140、额外的被钉扎层150和/或可选的额外钉扎层460。在某些实施例中，其中磁性结的层被沉积为叠层然后被限定，步骤708可以包括限定磁性结100、进行退火，或其它方式完成磁性结100的制造。此外，如果磁性结100被包括在存储器诸如STT-RAM400中，则步骤708可以包括提供接触、偏置结构和存储器400的其他部分。由此，形成磁性结100、100'、200、20(V、300和/或30(V。因此，可实现磁性结
的益处。
已经描述了磁性结和利用该磁性结制造的存储器。方法和系统已经根据示出的示范性实施例来描述，本领域普通技术人员将容易地理解，可以对实施例进行改变，任意的改变都将在方法和系统的精神和范围内。因而，本领域普通技术人员可以做出许多变型，而不背离权利要求的精神和范围。本申请要求于2011年7月7日提交的美国临时专利申请No. 61/505469且被转让给本申请的受让人的权益，其通过引用结合于此。
权利要求
1.一种磁性结，用于磁器件中，包括 被钉扎层，具有被钉扎层磁化； 非磁间隔层；以及 自由层，具有易磁化轴，该非磁间隔层位于该被钉扎层与该自由层之间，该自由层和该被钉扎层中的至少一个包括至少一种半金属； 其中该磁性结被配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。
2.如权利要求I所述的磁性结，其中该自由层的易磁化轴为垂直于平面的。
3.如权利要求I所述的磁性结，其中该自由层的易磁化轴为平面内的。
4.如权利要求I所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括Cr02、Sr2FeMoO6^(LaO. 7SrO. 3) Mn03、Fe304、NiMnSb 中的至少一种。
5.如权利要求I所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括T=XYZ,其中X从Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt 和 Au 中选出，Y 从 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 中选出，Z 从 Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb 和 Bi 中选出。
6.如权利要求I所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括TM，其中T=XYZ,其中X从 Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt 和 Au 中选出，Y 从 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 中选出，Z 是从 Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb 和 Bi 中选出，M 从 Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt、Au、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb 或 Bi中选出。
7.如权利要求I所述的磁性结,其中所述至少一种半金属包括RE1JMxMnO3，其中x小于或等于1，M为Ca、Sr、Ba或Pb，RE从稀土金属和碱土金属中选出。
8.如权利要求7所述的磁性结,其中所述稀土金属是从La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 中选出。
9.如权利要求7所述的磁性结,其中所述碱土金属从Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中选出。
10.如权利要求I所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括至少一种双钙钛矿A2MT O6，其中A从稀土金属和碱土金属选出，M和M’是从Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au 和 Hg 中选出的两种不同的元素。
11.如权利要求10所述的磁性结,其中所述稀土金属从La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 中选出。
12.如权利要求10所述的磁性结,其中所述碱土金属从Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中选出。
13.如权利要求I所述的磁性结,其中所述至少一种半金属包括CrO2和Fe3O4中的至少一种。
14.如权利要求I所述的磁性结，其中所述自由层还具有易磁化锥磁各向异性。
15.如权利要求14所述的磁性结，其中所述自由层还包括高垂直各向异性层、负垂直各向异性层以及在高垂直各向异性层与负垂直各向异性层之间的相互作用控制层，该高垂直各向异性层和该负垂直各向异性层提供锥各向异性。
16.如权利要求I所述的磁性结，其中该被钉扎层具有被钉扎层磁化、中央、第一边缘和第二边缘，该非磁间隔层位于该自由层与该被钉扎层之间，该被钉扎层磁化跨该被钉扎层而变化，使得该被钉扎层在至少第一边缘和第二边缘处基本垂直于平面并在中央处为基本在平面内。
17.如权利要求16所述的磁性结，其中该被钉扎层具有离面退磁能和垂直各向异性，该垂直各向异性为该离面退磁能的至少百分之八十五。
18.如权利要求I所述的磁性结，还包括 额外的非磁间隔层，该自由层位于该额外的非磁间隔层与该非磁间隔层之间；和 额外的被钉扎层，该额外的非磁间隔层位于该自由层与该额外的被钉扎层之间。
19.如权利要求18所述的磁性结，还包括 偏置结构，在该自由层处提供磁偏置，该偏置结构具有基本与该额外的被钉扎层去交换率禹合的磁部分，该磁偏置基本垂直于该自由层的易磁化轴； 其中该磁性结配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。
20.如权利要求19所述的磁性结，其中该偏置结构包括邻接该额外的被钉扎层的非磁层以及具有偏置层磁化的偏置层，该偏置层磁化基本垂直于该自由层的易磁化轴且在平面内。
21.如权利要求18所述的磁性结，其中该被钉扎层具有被钉扎层磁化、中央、第一边缘和第二边缘，该非磁间隔层位于该自由层与该被钉扎层之间，该被钉扎层磁化跨该被钉扎层而变化，使得该被钉扎层磁化在至少第一边缘和第二边缘处基本垂直于平面并在中央处为基本在平面内。
22.—种磁存储器,包括 多个磁存储单元，该多个磁存储单元的每个包括至少一个磁性结，该至少一个磁性结包括具有被钉扎层磁化的被钉扎层、非磁间隔层以及具有易磁化轴的自由层，该非磁间隔层位于该被钉扎层与该自由层之间，该自由层和该被钉扎层中的至少一个包括至少一种半金属，该磁性结被配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层在多个稳定的磁状态之间可切换；以及 多条位线。
23.一种用于提供在磁器件中使用的磁性结的方法，包括 提供具有被钉扎层磁化的被钉扎层； 提供非磁间隔层；和 提供具有易磁化轴的自由层，该非磁间隔层位于该被钉扎层与该自由层之间，该自由层和该被钉扎层中的至少一个包括至少一种半金属； 其中该磁性结被配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。
全文摘要
本发明涉及磁性结及其使用方法和磁存储器及系统。方法和系统提供可在磁器件中使用的磁性结。该磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。该非磁间隔层在被钉扎层和自由层之间。磁性结被配置为使得当写入电流流经磁性结时自由层在多个稳定的磁性状态之间可切换。自由层和被钉扎层中的至少一个包括至少一种半金属。
文档编号H01L43/08GK102867538SQ20121023634
公开日2013年1月9日 申请日期2012年7月9日 优先权日2011年7月7日
发明者D.阿帕尔科夫, 唐学体, M.T.克罗恩比, V.尼基廷, A.V.克瓦尔科夫斯基 申请人:三星电子株式会社