提供具有热稳定和易切换磁自由层的磁性结的方法和系统的制作方法

提供具有热稳定和易切换磁自由层的磁性结的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开的方法和系统提供了一种可用在磁性器件中的磁性结。所述磁性结包括被钉扎层、无磁性隔离物层和自由层。无磁性隔离物层在被钉扎层和自由层之间。自由层包括多个子区域。每个子区域具有磁热稳定常数。这些子区域铁磁地耦合，使得自由层具有总的磁热稳定常数。磁热稳定常数是这样的，其使得每个子区域在操作温度下是磁热不稳定的。总的磁热稳定常数是这样的，其使得自由层在操作温度下是磁热稳定的。对磁性结进行配置，使得当写入电流通过该磁性结时自由层能够在多个稳定的磁性状态之间切换。
【专利说明】提供具有热稳定和易切换磁自由层的磁性结的方法和系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2012年12月3日提交的美国专利申请N0.13/691，873和在2013年9月13日提交的美国专利申请N0.14/026，386的优先权，这些专利申请被全文引用在此
以作参考。
【技术领域】【背景技术】
[0003]磁性存储器，特别是磁性随机存取存储器(MRAM)，由于其具有高读/写速度的潜力、卓越的耐久性、非易失性和操作期间的低功耗而吸引了不断增加的关注。MRAM能够利用磁性材料作为信息记录介质存储信息。一种MRAM的类型是自旋转移矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)0 STT-MRAM利用磁性结至少部分地通过被驱动经过该磁性结的电流进行写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流对该磁性结中的磁矩施加自旋矩。从而，可以将具有响应于自旋矩的磁矩的一层(或多层)切换到期望的状态。
[0004]举例而言，图1描述了传统磁性隧道结(MTJ)IO，其可以用于传统的STT-MRAM。传统的MTJlO通常驻留在底部接触件11上，使用(多层)传统的种子层12，并且包括传统的反铁磁(AFM)层14、传统的被钉扎层16、传统的隧穿势垒层18、传统的自由层20和传统的加盖层22。图1还示出了顶部接触件24。
[0005]传统的接触件11和24用于在垂直平面电流(CPP)方向中驱动电流，或者沿着图1所示的z轴方向驱动电流。通常利用(多层)传统的种子层12以辅助后续各层(例如，AFM层14)的生长，以具有期望的晶体结构。传统的隧穿势垒层18是无磁性的，并且例如是薄绝缘体(例如，MgO) ο
[0006]传统的被钉扎层16和传统的自由层12是磁性的。传统的被钉扎层16的磁化17通常通过与AFM层14的磁化产生的交换偏置互感而被固定(或被钉扎)在特定方向上。虽然描述为简单的(单一)层，但传统的被钉扎层16可以包括多层。举例而言，传统的被钉扎层16可以是合成反铁磁(SAF)层，其包括通过诸如Ru之类的薄传导层反铁磁地耦合的多个磁性层。在这种SAF中，可以使用插入有薄Ru层的多个磁性层。在另一个实施例中，穿过Ru层的耦合可以是铁磁的。此外，传统的MTJlO的其他形式可以包括通过额外的无磁性势垒或传导层(未示出)与自由层20分离的额外的被钉扎层(未示出)。
[0007]传统的自由层20具有能够改变的磁化21。虽然描述为简单的层，但传统的自由层20还可以包括多层。举例而言，传统的自由层20可以是合成层，其包括通过诸如Ru之类的薄传导层反铁磁地或铁磁地耦合的多个磁性层。虽然示出为在平面内，但是传统的自由层20的磁化21可以具有垂直各项异性。因而，被钉扎层16和自由层20可以使其磁化17和21分别指向为与各层的平面垂直。
[0008]为了切换传统的自由层20的磁化21，垂直于平面(在z轴方向上)来驱动电流。当把足够的电流从顶部接触件24驱动至底部接触件11时，传统的自由层20的磁化21可以切换至平行于传统的被钉扎层16的磁化17。当把足够的电流从底部接触件11驱动至顶部接触件24时，自由层20的磁化21可以切换至反向平行于被钉扎层16的磁化17。磁性配置中的差异对应于不同的磁阻，因而对应于传统MTJlO的不同的逻辑状态(例如，逻辑“O”和逻辑“I”)。从而，通过读取传统的MTJlO的穿隧磁阻(TMR)可以确定传统的MTJ的状态。
[0009]虽然传统的MTJlO可以利用自旋转移进行写入、通过感测结的TMR进行读取并且用于STT-MRAM中，但还是有缺点。举例而言，传统的自由层20的临界切换电流密度Jcfl会大大高于期望。在一些情况下，临界切换电流密度大约是期望的临界切换电流密度三到五倍。临界切换电流密度是利用自旋转移对传统的自由层20的磁化21进行切换所需的电流密度(例如，MA/cm2)。期望较低的切换电流，例如由此来减低在切换期间的功耗并且/或者来改进切换速度或误差率。虽然存在有传统的机制降低切换电流，但这些机制通常都不利地影响到热稳定性。传统的MTJlO的热稳定性的降低对于传统的MTJlO长时间存储数据的可靠性产生负面影响。因此使传统的MTJ的性能受损。
[0010]因而，需要一种方法和系统可以改进基于自旋转移矩的存储器的性能。本文所描述的方法和系统解决了这样的需求。

【发明内容】

[0011 ] 一种方法和系统提供了一种可用在磁性器件中的磁性结。所述磁性结包括被钉扎层、无磁性隔离物层和自由层。所述无磁性隔离物层在所述被钉扎层和所述自由层之间。所述自由层包括多个子区域。每个子区域具有磁热稳定常数。这些子区域铁磁地耦合，使得所述自由层具有总的磁热稳定常数。所述磁热稳定常数是这样的，其使得每个子区域在操作温度下是磁热不稳定的。所述总的磁热稳定常数是这样的，其使得所述自由层在操作温度下是磁热稳定的。对所述磁性结进行配置，使得当写入电流通过该磁性结时所述自由层能够在多个稳定的磁性状态之间切换。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1描述了传统的磁性结。
[0013]图2描述了包括自由层的磁性结的一个示例性实施例，该自由层的临界切换电流密度中具有梯度并且能够使用自旋转移进行切换。
[0014]图3描述了包括自由层的磁性结的一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0015]图4描述了包括自由层的磁性结的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0016]图5描述了包括自由层的磁性结的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0017]图6描述了自由层的一个不例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁I禹合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0018]图7描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0019]图8描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0020]图9描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0021]图10描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0022]图11描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0023]图12描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低性热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0024]图13和图14描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0025]图15描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0026]图16描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0027]图17描述了自由层的另一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
[0028]图18描述了存储器的一个示例性实施例，其利用(多个)存储单元的(多个)存储器元件中的磁性结。
[0029]图19描述了用于制造包括自由层的磁性结的方法的一个示例性实施例，该自由层具有低磁热稳定性、铁磁耦合并且能够使用自旋转移进行切换。
【具体实施方式】
[0030]示例性实施例涉及一种可用在磁性器件(例如，磁性存储器)中的磁性结，以及使用这种磁性结的器件。提出以下说明以使得本领域普通技术人员能够产生并使用本发明，并且在专利申请的语境及其需求下提供这些说明。对于在此描述的示例性实施例、一般性原理和特征的各种修改将容易地显而易见。主要根据在具体实现方式中提供的具体方法和系统来描述示例性实施例。然而，在其他实现方式中这些方法和系统也将有效地操作。诸如“示例性实施例”、“ 一个实施例”和“另一个实施例”之类的词语可以涉及到相同或不同的实施例以及涉及到多个实施例。将关于具有特定部件的系统和/或器件来描述各实施例。然而，系统和/或器件可以包括比所示出的那些部件更多或更少的部件，并且可以在不背离本发明范围的前提下对各部件的排列和类型进行变化。还将在具体特定步骤的具体方法的语境中描述示例性实施例。然而，对于具有不同和/或额外步骤的其他方法以及对于其步骤顺序与示例性实施例不一致的其他方法，所述方法和系统也有效地操作。因而，并没有旨在将本发明限定于所示出的各实施例，而是本发明将与在此所描述的原理和特征一致的最大范围相一致。
[0031 ] 方法和系统提供了 一种磁性结以及利用该磁性结的磁性存储器。磁性结包括被钉扎层、无磁性隔离物层和自由层。无磁性隔离物层在被钉扎层和自由层之间。自由层包括多个子区域。每个子区域具有磁热稳定常数。这些子区域铁磁地耦合，使得自由层具有总的磁热稳定常数。磁热稳定常数是这样的，其使得每个子区域在操作温度下是磁热不稳定的。总的磁热稳定常数是这样的，其使得自由层在操作温度下是磁热稳定的。对磁性结进行配置，使得当写入电流通过该磁性结时自由层能够在多个稳定的磁性状态之间切换。
[0032]在具有特定部件的具体磁性结和磁性存储器的语境中描述示例性实施例。本领域普通技术人员将容易地认识到，与本发明相一致地使用的磁性结和磁性存储器可具有不与本发明相矛盾的其他和/或额外的部件和/或其他特征。还在对自旋转移现象的当前理解的语境中描述方法和系统。因此，本领域普通技术人员将容易地认识到，方法和系统的行为的理论解释是依据自旋转移、磁各向异性和其他物理现象的当前理解进行的。然而，在此描述的方法和系统并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，在与衬底具有特定关系的结构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，方法和系统与其他结构相一致。另外，在作为合成和/或简单的特定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，这些层可以具有其他结构。此外，在具有特定层的磁性结和/或自由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，也可以使用不与方法和系统相矛盾的额外和/或不同层的磁性结和/或自由层。此外，特定部件描述为是磁性的、铁磁的和亚铁磁的。如在此所使用的那样，术语“磁性的”可以包括“铁磁的”、“亚铁磁的”或类似结构。因而，如在此所使用的那样，术语“磁性的”或“铁磁的”包括(但不限于)铁磁物质和亚铁磁材料。还在单一磁性结和自由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，方法和系统与具有多个磁性结并使用多个自由层的磁性存储器的使用相一致。此外，如在此所使用的那样，“平面内的”是基本上在磁性结的一层或多层的平面内或与之基本上平行。相反地，“垂直的”对应于与磁性结的一层或多层基本上垂直的方向。
[0033]图2描述了包括自由层的磁性结100的一个示例性实施例，该自由层的临界切换电流密度中具有梯度并且能够使用自旋转移进行切换。磁性结100例如可以是磁性隧道结(MTJ)、自旋阀、弹道磁阻结构或它们的一些组合。磁性结100可以用于多种应用中。举例而言，磁性结100可以用于诸如STT-MRAM之类的磁性存储器中。为了清楚起见，图2没有按比例绘制。磁性结100包括自由层110、无磁性隔离物层120和被钉扎或基准层130。磁性结100示出为驻留在衬底102上。在一些实施例中，磁性结100可以包括(多层)种子层和/或(多层)加盖层(未示出)。虽然各层110、120和130示出为具有特定的方位，但是这些方位在其他实施例中可以变化。举例而言，被钉扎层130可以更靠近于磁性结100的底部(最靠近衬底102)。还可以使用钉扎层(未示出)。通常，如果被钉扎层130的磁矩是在平面内的，则需要使用钉扎层；但如果被钉扎层130的磁矩与平面垂直(如图中所示)，则不需要使用钉扎层。可以使用这种钉扎层来固定被钉扎层130的磁化131。在一些实施例中，钉扎层可以是通过交换偏置互感来对被钉扎层130的磁化(未示出)进行钉扎的单AFM层或多层。还对磁性结100进行配置，以允许当写入电流通过磁性结100时使自由层110在多个稳定的磁性状态之间进行切换。因而，能够利用自旋转移矩切换自由层110的磁矩111。由于磁矩111是可切换的，所以磁矩111由双头箭头来表示。
[0034]无磁性隔离物层120可以是隧穿势垒层、导体或者通过其在自由层110与被钉扎层130之间显示出磁阻的其他结构。在一些实施例中，无磁性隔离物层120是晶状MgO隧穿势垒层。这种无磁性隔离物层可以具有优选晶体取向，例如(100)取向。[0035]虽然描述为简单层，但是自由层110和/或被钉扎层130可以包括多层。举例而言，自由层110和/或被钉扎层130可以是包括通过诸如Ru之类的薄层反铁磁地或铁磁地耦合的多个磁性层的SAF。在这种SAF中，可以使用插入有Ru或其他材料的(多层)薄层的多个磁性层。自由层110和/或被钉扎层130也可以是其他多层。
[0036]自由层110和/或被钉扎层130可以分别具有超过面外退磁能量(out-of-planedemagnetization energy)的垂直各向异性能量。因而，自由层110和/或被钉扎层130可以分别具有处于平衡状态的磁矩111和/或131，其分别取向垂直于平面，如图2所示。换言之，层110和130的易磁化轴垂直于平面。可使用自旋转移切换自由层磁矩111，因而示出为双箭头111。被钉扎层130的磁矩131可以固定在特定方向上。在所示实施例中，被钉扎层130的磁矩是正z轴方向。在另一个实施例中，磁矩131可以是负z轴方向。在其他实施例中，自由层110和/或被钉扎层130的磁矩可以在包括但不限于平面内的另一个方向中是稳定的。自由层110和/或被钉扎层130的磁矩的其他取向也是可能的。
[0037]自由层110的临界切换电流密度Jcitl中具有梯度。更具体而言，临界切换电流密度越靠近无磁性隔离物层120就越低。因此，如果自由层110的第二部分比自由层110的第一部分距离无磁性隔离物层120更远，那么该第一部分的第一 Jetl低于第二部分的第二 Jf随着自由层110在远离无磁性隔离物层120的方向上(B卩，在图2中的负z轴方向上)穿过，Jcfl增加。在一些实施例中，单调递增。变化可以是线性的或者可以遵循其他曲线。在一些实施例中，Jc0在自由层110的特定部分可以保持为常数。然而，Jc0不会在整个自由层110中保持为常数。在一些实施例中，在自由层110的热稳定性中也存在梯度。类似于Jf热稳定性也随着远离无磁性隔离物层120而增加。在一些实施例中，热稳定性按照与Jrfl相同的方式增加。然而，在其他实施例中，热稳定性可以按照其他方式变化。
[0038]可以按照多种方式来获得自由层110中Jcfl的梯度。举例而言，Jc0随着磁各向异性Hk和饱和磁化Ms变化。在一些实施例中，诸如垂直磁各向异性之类的磁各向异性会随着到无磁性隔离物层120的距离的增加而增加。在其他一些实施例中，饱和磁化会随着到无磁性隔离物层120的距离的增加而增加。在又一些实施例中，这些量可以从自由层110的一边到另一边增加或减少。然而，进行组合从而建立中期望的梯度也是可以的。举例而言，磁各向异性可以在自由层110的一些部分上减少，而饱和磁化可以在该相同的部分上增加。然而，这些和其他参数的组合是使得临界切换电流密度随着到无磁性隔离物层的距离的增加而增加。
[0039]可以按照多种方式来获得Hk、Ms和/或其他对临界切换电流密度有影响的属性中的变化。在一些实施例中，自由层110可以是在诸如Co和/或Fe之类的磁性成分的浓度方面具有变化的合金。可以按照多种方式来获得浓度中的梯度。举例而言，可以从多个靶材共同溅射(co-sputter)磁性材料和其他材料。通过改变来自特定靶材的溅射速率,可以改变合金的化学计量。还可以在已经布置了自由层110之后通过由于高温退火所导致的原子扩散来获得梯度。可以在原处或在外部进行退火。可以使用这些技术和其他技术的一些组合。在其他一些实施例中，可以定制包括但不限于诸如B之类的掺杂剂的其他材料的浓度来获得磁各向异性和/或饱和磁化中的期望的(多个)梯度。
[0040]在一些实施例中，自由层110可以是包括多个磁性层的多层。在一些这样的实施例中，各磁性层可以插入有无磁性层。无磁性层可以是诸如MgO之类的绝缘体、诸如Pt或Pd之类的导体、或者它们的一些组合。然而，各磁性层通过无磁性层铁磁地耦合。对各磁性层进行配置，使得各磁性层的之间存在梯度。因而，更靠近无磁性隔离物层120的磁性层的Jcitl比远离无磁性隔离物层120的另一磁性层的Jcfl更低。各磁性层的Jcfl之间的梯度可以通过如下一种或多种方式获得:适当地选择磁性材料和/或无磁性材料、改变磁性层的厚度、改变无磁性层的厚度以及其他一些类似机制。
[0041]磁性结100可以具有改进的性能。由于Jetl中的梯度，对于自由层110的整体临界切换电流会降低。在一些实施例中，整体临界切换电流密度可以是IX 106A/cm2。接近无磁性隔离物层120的自由层110的部分(例如，磁性层)可以容易地通过自身切换。在一些实施例中，自由层110的这些部分不是热稳定的。自由层110的下一个磁性部分可以具有更高的切换电流并且是更加热稳定的。距离无磁性隔离物层120最远的自由层110的部分可以是最热稳定的并且可以具有最大的由于距离无磁性隔离物层120更远的自由层110的磁性部分是热稳定的，并且与靠近无磁性隔离物层120的自由层110的部分铁磁地耦合，所以自由层110作为整体是热稳定的。由于靠近无磁性隔离物层120的自由层110的磁性部分具有较低的Jcfl，并且与自由层110的其他部分铁磁地耦合，所以自由层110作为整体在较低的Jcfl进行切换。因而，可以获得热稳定性和较低的Jf因此，可以改进磁性结100的性能。
[0042]虽然磁性结100对于其预期的目的工作良好，但是还可以期望在写入误差率(WER)、切换时间和切换电流方面的进一步改进。WER是这样一种属性，一个单元(B卩，磁性结100的自由层110的磁化111)在经历至少等于通常的切换电流的电流时不被切换。希望WER是10-9或更低。可以通过对磁性结进行过驱动(overdrive)来改进WER,即使用超过切换电流的写入电流。然而也已经确定的是，对于更短的写入电流脉冲的改进会对WER产生挑战。换言之，使用基于自旋转移切换来进行切换的磁性结的数量对于电流幅度和电流脉冲长度会具有一条长尾(a long tail)。期望的WER因而会需要过驱动和更长的脉冲长度。因此，采用传统MTJlO的存储器会具有不能接受的高WER，不能通过用较短的脉冲长度对MTJ进行过驱动来克服。
[0043]此外，希望自由层是磁热稳定的。通过自由层110的磁热稳定常数Λ可以确定热稳定性。通常希望磁热稳定常数除以玻耳兹曼常数和操作温度的乘积(kbT)对于稳定的自由层的磁矩要超过八十(即，A/kbT>80)。因此，对于热稳定性希望更大的Λ。然而，切换电流与Λ成比例。因此，较高的Λ对应于较高的切换电流。实质上，较高的Λ对应于将磁性结过驱动到更大的程度以便获得期望的WER。这是所不希望的。可以进行阻尼和其他机制以降低切换电流。然而，磁热稳定常数还会限制切换电流可以被降低的程度。
[0044]图3描述了包括自由层的磁性结200的一个示例性实施例，该自由层包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合。也能够使用自旋转移切换自由层。磁性结200可以例如是MTJ、自旋阀、弹道磁阻结构或它们的一些组合。磁性结200可以用于多种应用中。举例而言，磁性结200可以用于诸如STT-MRAM之类的磁性存储器中。存储器可以用于包括但不限于蜂窝电话的多种设备中或者可以用于使用非易失性存储器的其他系统中。为了清楚起见，图3没有按比例绘制。
[0045]磁性结200包括被钉扎或基准层210、无磁性隔离物层220和自由层230。磁性结200示出为驻留在衬底202上。在一些实施例中，磁性结200可以包括(多层)种子层和/或(多层)加盖层(未示出)。虽然各层210、220和230示出为具有特定的方位，但是这些方位在其他实施例中可以变化。举例而言，被钉扎层210示出为更靠近于磁性结200的底部(最靠近衬底202)。还可以使用钉扎层(未示出)。通常，如果被钉扎层210的磁矩是在平面内，则需要使用钉扎层；但如果被钉扎层210的磁矩与平面垂直(如图中所示)，则不需要使用钉扎层。可以使用这种钉扎层来固定被钉扎层210的磁化(未示出)。在一些实施例中，钉扎层可以是通过交换偏置互感来对被钉扎层210的磁化(未示出)进行钉扎的单AFM层或多层。还对磁性结200进行配置，以允许当写入电流通过磁性结200时使自由层230在多个稳定的磁性状态之间进行切换。因而，能够利用自旋转移矩切换自由层230的磁矩(未在图3中特别示出)。
[0046]无磁性隔离物层220可以是隧穿势垒层、导体或者通过其在自由层230与被钉扎层210之间显示出磁阻的其他结构。在一些实施例中，无磁性隔离物层220是晶状MgO隧穿势垒层。这种无磁性隔离物层可以具有优选结晶取向，例如(100)取向。然而，在附加的和/或其他实施例中，可以使用其他(多种)材料。
[0047]虽然描述为简单层，但是被钉扎层210和/或自由层230可以包括多层。举例而言，被钉扎层210可以是包括通过诸如Ru之类的薄层反铁磁地或铁磁地耦合的多个磁性层的SAF。在这种SAF中，可以使用插入有Ru或其他材料的(多层)薄层的多个磁性层。自由层230和/或被钉扎层210也可以是其他多层。
[0048]自由层230和/或被钉扎层210可以分别具有超过面外退磁能量的垂直各向异性能量。因而，自由层230和/或被钉扎层210可以分别具有处于平衡状态的磁矩，其分别取向垂直于平面。换言之，层210和/或230的易磁化轴垂直于平面。在其他实施例中，自由层230和/或被钉扎层210的磁矩可以在包括但不限于平面内的另一个方向中是稳定的。自由层230和/或被钉扎层210的磁矩的其他取向也是可能的。
[0049]在自由层230中具有多个子区域。在一些实施例中，子区域可以对应于自由层230之中的铁磁层。在其他一些·实施例中，子区域可以是晶粒或单层之中的其他铁磁区域。在又一些实施例中，可以组合这两种类型的子区域。每个子区域具有热稳定因数AAbT,其中kb是玻耳兹曼常数、T是以开尔文为单位的温度、△是该子区域的磁热稳定常数。每个子区域的热稳定因数(A/kbT)在操作温度的范围内是较低的。换言之，磁热稳定常数Λ可以是较低的。热稳定因数/磁热稳定常数可以足够低，使得单独的子区域在操作温度下不是热稳定的。举例而言，单独的子区域在室温下可以不是热稳定的。在一些实施例中，这对应于Λ/kbT在操作温度下小于60。在一些实施例中，Λ/kbT在操作温度下可以小于40。因而，在没有其他子区域的情况下，自由层230中单独的子区域在室温下可以不是热稳定的。
[0050]虽然各子区域作个体可以不是热稳定的，但是自由层230作为整体可以是热稳定的。各子区域被弱磁性耦合。在一些实施例中，各子区域被铁磁耦合。由于这种弱的铁磁耦合，所以自由层230的子区域的磁矩倾向于通常以相同的方向排列，并且在该相同的一般方向上保持排列。从而，自由层230作为一个整体在室温下是热稳定的。这可以看作对应于At(rtal/kbT至少为60。在一些实施例中，自由层230可以具有至少80的热稳定因数At0talAbTo这是因为当施加写入电流时，各子区域之间的磁性耦合可以作为Atotal的一部分，而不是单独的子区域的△的一部分。
[0051]可以按照如下方式确定两个子区域之间的铁磁耦合。对于每个子区域定义无量纲耦合参数Ac。该无量纲耦合参数提供为:
[0052]Ac=稱合能量 / ( Δ *kb*T*Z),
[0053]其中“耦合能量”是两个子区域之间的耦合总能量、Λ是子区域自身的热稳定性、Z是每个子区域的相邻子区域的数量。如上面所讨论的那样，项△充分小于60是因为每个子区域对于其自身不是热稳定的。Z通常至少为4并不大于6，并且还可以被称作子区域的配位数。希望Ac至少为0.2并且不大于0.3。在一些实施例中，Ac至少为0.5并且不大于
1.2。
[0054]因此，当不被写入时自由层230是热稳定的。另外，当读取时自由层230是稳定的。举例而言，自由层230的磁矩对于达到写入电流的三分之一的读取电流可以稳定的。在一些实施例中，自由层230的磁矩对于达到不大于写入电流的二分之一的读取电流可以稳定的。因此，这种读取电流足够克服各子区域之间的磁互感。然而，可以使用写入电流切换自由层230的磁矩。在替换实施例中，可以使用写入电流和磁场的组合来切换自由层230的磁矩。
[0055]对于读取操作，通过磁性结200驱动读取电流。基于磁性结200的阻抗，可以确定自由层230的状态。对于写入操作，可以替代磁场或附加于磁场而在期望的方向上施加写入电流。由于写入电流所导致的自旋转移感应矩因而可以足够克服各子区域之间的磁性耦合。一旦克服了弱的磁性耦合，也可以使用自旋转移矩容易地切换单独的子区域。这是因为各子区域具有较低的热稳定因数/较低的磁热稳定常数。举例而言，一个或多个单独的子区域的磁矩没有与自由层230的净磁矩对准并且/或者具有较低的写入电流。从而，自旋转移矩可以更容易地切换自由层230的磁矩。因此，自由层230的各子区域可以按照类似于自由层110的各层相同的方式以不同的电流和/或时间来切换。然而并不将自由层230的各个子区域的切换顺序局限为与自由层110的各层相同的方式。举例而言，如果自由层230的各子区域是各层，其 不需要具有在远离无磁性隔离物层220的方向上增加的临界切换电流密度/热稳定性。自由层230的各子区域可以按照随机的顺序进行切换，或者按照除了从最靠近无磁性隔离物层220的子区域到最远离无磁性隔离物层220的子区域的切换顺序之外的顺序进行切换。
[0056]磁性结200可以具有改进的性能。由于磁性耦合，自由层230在工作温度和工作温度以下是热稳定的。由于子区域的较低的磁热稳定常数和较低的热稳定因数，因此所需的写入电流可以减少。此外，单独的子区域可以更容易地进行切换。由于其依赖于△，所以还可以针对单独的子区域，包括针对减少的脉冲长度来减低WER。出于类似的原因，可以不利用或利用减少的过驱动来切换各子区域。因此，可以实现更快的、更不易于产生误差的切换。
[0057]图4描述了包括自由层230’的磁性结200’的另一个示例性实施例，自由层230’包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图4没有按比例绘制。磁性结200’类似于磁性结200。因而，相似地标示出各类似的层。磁性结200’包括分别类似于各层210、220和230的被钉扎层210’、无磁性隔离物层220和自由层230’。在一些实施例中，可以包括可选的种子层(未示出)、可选的钉扎层(未示出)和/或可选的加盖层(未示出)。还对磁性结200’进行配置，以允许当写入电流通过磁性结200’时使自由层230’在多个稳定的磁性状态之间进行切换。因此，能够利用自旋转移矩切换自由层230’的磁化。
[0058]在磁性结200’中，自由层230’比被钉扎层210’更接近衬底202’。自由层230’
具有与自由层230中的子区域相类似的子区域。在一些实施例中，各子区域可以对应于自由层230’之中的铁磁层。在其他一些实施例中，各子区域可以是晶粒或单层之中的其他铁磁区域。在又一些实施例中，可以组合这两种类型的子区域。因而，热稳定因数和磁热稳定常数可以较低。在一些实施例中，热稳定因数/磁热稳定常数可以足够低，使得单独的子区域在操作温度下不是热稳定的。在一些实施例中，这对应于Λ/kbT在操作温度下小于60。在一些实施例中，A/kbT在操作温度下可以小于40。
[0059]虽然各子区域作个体可以不是热稳定的，但是以类似于自由层230的方式，自由层230’作为整体可以是热稳定的。各子区域被弱地磁性耦合。在一些实施例中，各子区域被铁磁耦合。由于这种弱的铁磁耦合，自由层230’的子区域的磁矩倾向于通常以相同的方向排列，并且在该相同的一般方向上保持排列。从而，自由层230’作为一个整体在室温下是热稳定的。
[0060]磁性结200’可以享有磁性结200的优点。由于单独的子区域的低热稳定因数以及各子区域之间的磁性耦合，磁性结200’可以具有改进的性能。由于磁性耦合，自由层230’在工作温度和工作温度以下是热稳定的。由于子区域的较低的磁热稳定常数和较低的热稳定因数，因此所需的写入电流、WER和过驱动可以减少，并且获得更快的写入。因此，可以实现更快的、更不易于产生误差的切换。
[0061]图5描述了包括自由层230’’的磁性结200’’的另一个示例性实施例，自由层230’包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图5没有按比例绘制。磁性结200’’类似于磁性结200/200’。因而，相似地标示出各类似的层。磁性结200’’包括分别类似于各层210/210’、220和230/230’的被钉扎层210’’、无磁性隔离物层220和自由层230’’。在一些实施例中，可以包括可选的种子层(未示出)、可选的钉扎层(未示出)和/或可选的加盖层(未示出)。还对磁性结200’’进行配置，以允许当写入电流通过磁性结200’’时使自由层230’’在多个稳定的磁性状态之间进行切换。因此，能够利用自旋转移矩切换自由层230’’的磁化。
[0062]磁性结200’ ’是双磁性结。因而，自由层230’ ’驻留在两个无磁性隔离物层220和240之间。磁性结200’’还包括类似于被钉扎层210/210’/210’’的附加的被钉扎层250。自由层230’’具有与自由层230和/或230’中的子区域相类似的子区域。在一些实施例中，各子区域可以对应于自由层230’’之中的铁磁层。在其他一些实施例中，各子区域可以是晶粒或单层之中的其他铁磁区域。在又一些实施例中，可以组合这两种类型的子区域。因而，热稳定因数和磁热稳定常数可以较低。在一些实施例中，热稳定因数/磁热稳定常数可以足够低，使得单独的子区域在操作温度下不是热稳定的。在一些实施例中，这对应于Λ/kbT在操作温度下小于60。在一些实施例中，Λ/kbT在操作温度下可以小于40。
[0063]虽然各子区域作个体可以不是热稳定的，但是以类似于自由层230和/或230’的方式，自由层230’’作为整体可以是热稳定的。各子区域被弱磁性耦合。在一些实施例中，各子区域被铁磁耦合。由于这种弱的铁磁耦合，自由层230’’的子区域的磁矩倾向于通常以相同的方向排列，并且在该相同的一般方向上保持排列。从而，自由层230’’作为一个整体在室温下是热稳定的。[0064]磁性结200’’可以享有磁性结200和/或200’的优点。由于单独的子区域的低热稳定因数以及各子区域之间的磁性耦合，磁性结200’’可以具有改进的性能。由于磁性耦合，自由层230’’在工作温度和工作温度以下是热稳定的。由于子区域的较低的磁热稳定常数和较低的热稳定因数，因此所需的写入电流、WER和过驱动可以减少，并且获得更快的写入。因此，可以实现更快的、更不易于产生误差的切换。
[0065]图6描述了自由层300的一个示例性实施例，该自由层300包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图6没有按比例绘制。自由层300可以用在磁性结200、200’和/或200’’中的一种或多种之中。因而，自由层300可以用作自由层230、230’和230’’的一种或多种。
[0066]自由层300包括插入有无磁性层304和308的磁性层302、306和310。磁性层302、306和310对应于各层230、230’和/或230’’的子区域。虽然示出了三个磁性层302、306和310以及两个无磁性层304和308，但也可以使用其他的数量。举例而言，在不同的实施例中可以出现两个或更多的磁性层。磁性层302、306和310分别具有磁矩303、307和311。在所示实施例中，自由层300的总磁矩301可以基本上垂直于平面(即，在图6中的z轴方向上)。虽然描述为基本上垂直于平面，但在其他实施例中，磁矩301、303、307和311可以在其他方向上。
[0067]在一些实施例中，磁性层302、306和310分别具有低磁热稳定常数和低热稳定因数。具体而言，低热稳定因数在一些实施例中对应于在(多个)操作温度下小于60的热稳定因数，以及/或者在其他一些实施例中对应于在(多个)操作温度下小于40的热稳定因数。在各层302、306和310之间还存在弱的磁性耦合。可以通过无磁性层304和308来提供弱的磁性耦合。无磁性层304和308的存在允许磁性层302、306和310的磁矩303、307和311分别有些不一致。因而，虽然单独的磁性层302、306和310可以不是热稳定的，但自由层300可以在特定方向上具有稳定的净磁矩301。由于它们是磁性的，所以磁性层302、306和310可以包括Co、Fe和Ni中的至少一种。另外，磁性层302、306和310可以包括例如在与磁性材料的合金中的B、Ta、W、Ge、V和Si中的至少一种。无磁性层304和308可以包括 Ta、W、Nb、Mo、Ru、V、Zr、Hf、Al、S1、Cr、Ga、Ge、Mg、Ti 中的一种或多种；这些金属的中的一种或多种的氮化物；这些金属中的一种或多种的氧化物；这些金属中的一种或多种的硼化物；这些金属中的一种或多种的碳化物；以及/或者类似材料。
[0068]对磁性层302、306以至310进行配置，使得磁矩303、307和311没有对准。具体而言，磁矩303、307和311关于各层平面的法线处于不同的角度。举例而言，可以单独定制各层302、306和310的垂直各向异性、厚度、材料、磁矩和/或其他磁特性，使得它们与净垂直磁矩301形成不同的角度。类似地，可以配置无磁性层304和308的厚度和/或其他磁特性，使得磁性层302、306和310具有期望的磁矩(大小和方向)以及期望的互感。举例而言，可以使用垂直各向异性定制磁矩的方向。一个层的垂直各向异性(Ku)可以被调整至大约是其2 π Ms2 (面外退磁能量)值。当Ku大于其2 π Ms2值时，层的磁化是沿其膜法线(垂直)方向的；当Ku稍小于其2 Ms2值时，层的磁化在垂直方向与平面内方向之间倾斜。通过定制使各层302、306和310的垂直各向异性接近针对该层的2 π Ms2值，可以获得期望的磁矩方向。因而，各层302、306和310的易磁化轴不一致。在一些实施例中，最靠近无磁性隔离物层220的层是在自由层300的期望净磁矩301的方向上的。在这种实施例中，可以增强磁阻。因此，在所示实施例中，自由层300可以按照类似于层230的方式驻留在无磁性隔离物层之上。然而，相同的配置可以用于其他磁性结。
[0069]由于磁矩303、307和311可以关于垂直于平面的方向(例如，z轴方向)形成不同的角度，因此使用自由层300的磁性结的切换特性可以改进。当施加写入电流时，磁矩307和311中的至少一些没有与z轴方向对准。因而，相应的层306和310可以没有沿着滞点(stagnation point)。因而，自旋转移矩可以比切换层302更容易地切换这些层306和310。因而，自由层300的层302、306以至310可以按照类似于自由层110的各层的方式在不同电流和/或时间处切换。然而，切换自由层300的层302、306以至310的顺序不拘泥于与自由层110的各层相同的方式。举例而言，自由层300的层302、306以至310不需要具有在远离无磁性隔离物层220的方向上增加的临界切换电流密度/热稳定性。自由层300的层302、306以至310可以按照随机的顺序进行切换，或者按照除了从最靠近无磁性隔离物层220的层到最远离无磁性隔离物层220的层的切换顺序之外的顺序进行切换。
[0070]WER和切换自由层300中的长尾因而可以进一步减少。此外，对于单独的子区域/层302、306和310的低热稳定因数以及各子区域/层302、306和310之间的弱磁性耦合，允许自由层300在工作温度和工作温度以下是热稳定的，同时减少写入电流、WER和过驱动。获得更快的写入。因此，可以为自由层300实现更快的、更不易于产生误差的切换。
[0071]图7描述了自由层300’的一个示例性实施例，该自由层300’包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图7没有按比例绘制。自由层300’可以用在磁性结200、200’和/或200’ ’中的一种或多种之中。因而，自由层300’可以用作自由层230、230’和230’’的一种或多种。
[0072]自由层300’还类似于自由层300。因此，类似的部件具有相似的附图标记。因而，自由层300’包括插入有无磁性层304和308的磁性层302’、306’和310’，它们分别类似于各层304、308、302、306和310。磁性层302’、306’和310，也对应于各层230、230’和/或230’’的子区域。虽然示出了三个磁性层302’、306’和310’以及两个无磁性层304和308，但也可以使用其他的数量。在不同的实施例中可以出现两个或更多的磁性层。磁性层302’、306’和310，分别具有磁矩303，、307’和311’，它们分别类似于各层302,306和310以及各磁矩303、307和311。在所示实施例中，自由层300’的总磁矩301’可以基本上垂直于平面(即，在z轴方向上)。然而，磁矩301’、303’、307’和311’可以在其他方向上。
[0073]由于类似于各层302、306和310，各层302’、306’和310’分别具有类似的低磁热稳定常数和低热稳定因数，并且被弱磁性耦合。因而，虽然单独的磁性层302’、306’和310’可以不是热稳定的，但自由层300’可以在特定方向上具有稳定的净磁矩301’。还对磁性层302’、306’以至310’进行配置，使得磁矩303’、307’和311’没有对准。举例而言，可以单独定制各层的垂直各向异性、厚度、材料、磁矩和/或其他磁特性，使得它们与净垂直磁矩301’形成不同的角度。在一些实施例中，最靠近无磁性隔离物层220的层是在自由层300’的期望净磁矩301’的方向上的。在这种实施例中，可以增强磁阻。因此，在所示实施例中，自由层300’可以按照类似于层230’的方式驻留在无磁性隔离物层之下。然而，相同的配置可以用于其他磁性结。
[0074]自由层300’可以具有与自由层300相似的优点。具体而言，通过磁矩303’、307’和311’关于垂直于各层的方向(例如，z轴方向)形成不同的角度可以改善WER和写入速度。此外，对于单独的子区域/层302’、306’和310’的低热稳定因数以及各子区域/层302’、306’和310’之间的弱磁性耦合，允许自由层300’在工作温度和工作温度以下是热稳定的，同时减少写入电流、WER和过驱动。获得更快的写入。因此，可以为自由层300’实现更快的、更不易于产生误差的切换。
[0075]图8描述了自由层300’ ’的另一个示例性实施例，该自由层300’ ’包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图8没有按比例绘制。自由层300’ ’可以用在磁性结200、200’和/或200’ ’中的一种或多种之中。因而，自由层300’’可以用作自由层230、230’和230’’的一种或多种。
[0076]自由层300’’还类似于自由层300和/或300’。因此，类似的部件具有相似的附图标记。因而，自由层300，’包括插入有无磁性层304和308的磁性层302，’、306，’和310，’，它们分别类似于各层 304、308、302/302’ ,306/306'和 310/310’。磁性层 302，’、306’ ’ 和310’’也对应于各层230、230’和/或230’’的子区域。虽然示出了三个磁性层302’’、306’’和310’’以及两个无磁性层304和308，但也可以使用其他的数量。在不同的实施例中可以出现两个或更多的磁性层。磁矩303’’、307’’和311’’分别类似于磁矩303/303’、307/307’和311/311，。在所示实施例中，自由层300’’的总磁矩301’’可以基本上垂直于平面(即，在z轴方向上)。然而，磁矩301’’、303’’、307’’和311，，可以在其他方向上。
[0077]由于类似于各层302/302’ ,306/306'和 310/310’，因此各层 302，’、306，’ 和310’’分别具有类似的低磁热稳定常数和低热稳定因数，并且被弱磁性耦合。因而，虽然单独的磁性层302’’、306’’和310’’可以不是热稳定的，但自由层300’’可以在特定方向上具有稳定的净磁矩301’’。还对磁性层302’’、306’’以至310’’进行配置，使得磁矩303’’、307’’和311’’没有对准。举例而言，可以单独定制各层的垂直各向异性、厚度、材料、磁矩和/或其他磁特性，使得它们与净垂直磁矩301’’形成不同的角度。在一些实施例中，最靠近无磁性隔离物层220的层是在自由层300’’的期望净磁矩301’’的方向上的。在这种实施例中，可以增强磁阻。在所示实施例中，自由层300’’可以按照类似于层230’’作为用于双磁性结的自由层。然而，相同的配置可以用于其他磁性结。
[0078]自由层300’’可以具有与自由层300和/或300’相似的优点。具体而言，通过磁矩303’’、307’’和311’’关于垂直于各层的方向(例如，z轴方向)形成不同的角度可以改善WER和写入速度。此外，对于单独的子区域/层302’’、306’’和310’’的低热稳定因数以及各子区域/层302’’、306’’和310’’之间的弱磁性耦合，允许自由层300’’在工作温度和工作温度以下是热稳定的，同时减少写入电流、WER和过驱动。获得更快的写入。因此，可以为自由层300’’实现更快的、更不易于产生误差的切换。此外，双磁性结的使用可以提供增强的磁阻和/或增强的自旋转移矩。
[0079]图9描述了自由层300’’’的另一个示例性实施例，该自由层300’’’包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图9没有按比例绘制。自由层300’’’可以用在磁性结200、200’和/或200’’中的一种或多种之中。因而，自由层300’’’可以用作自由层230、230’和230’’的一种或多种。自由层300’’’还类似于自由层300、300’和/或300’’。因此，类似的部件具有相似的附图标记。[0080]因而，自由层300’ ’ ’包括插入有无磁性层304和308的磁性层302’ ’ ’、306’ ’ ’和310’ ’ ’，这些磁性层具有磁矩303’ ’ ’、307’ ’ ’和311’ ’ ’，它们分别类似于各层 304、308、302/302’ /302，’ ,306/306' /306，’ 和 310/310’ /310，’，并且分别类似于磁矩303/303’ /303’ ’ ,307/307' /307’ ’ 和 311/311，/311，’。磁性层 302’ ’ ’、306’ ’ ’ 和 310’ ’ ’也对应于各层230、230’和/或230’’的子区域。虽然示出了三个磁性层302’’ ’、306’’ ’和310’’’以及两个无磁性层304和308，但也可以使用其他的数量。在不同的实施例中可以出现两个或更多的磁性层。在所示实施例中，自由层300’’’的总磁矩301’’’可以基本上垂直于平面(即，在z轴方向上)。然而，磁矩301’ ’ ’、303’ ’ ’、307’ ’ ’和311，’ ’可以在其他方向上。
[0081]在一些实施例中，最靠近无磁性隔离物层220的层是在自由层300’ ’ ’的期望净磁矩301’’’的方向上的。在这种实施例中，可以增强磁阻。因而，在所示实施例中，自由层300’’’可以按照类似于层230’’的方式作为用于双磁性结的自由层。然而，相同的配置可以用于其他磁性结。此外，最靠近自由层300’’’的中心的磁性层(例如，层306’’’)的磁矩可以具有进一步背离z轴方向的磁矩。如图9所示，层306’’’具有平面内的磁矩307’’’。然而，在其他一些实施例中，磁矩307’ ’ ’的方向可以不同。
[0082]自由层300’’’可以具有与自由层300、300’和/或300’’相似的优点。具体而言，通过磁矩303’’’、307’’’和311’’’关于垂直于各层的方向(例如，z轴方向)形成不同的角度可以改善WER和写入速度。此外，对于单独的子区域的低热稳定因数允许自由层300’ ’ ’在工作温度和工作温度以下是热稳定的，同时减少写入电流、WER和过驱动。获得更快的写入。因此，可以为自由层300’’’实现更快的、更不易于产生误差的切换。此外，双磁性结的使用可以提供增强的磁阻和/或增强的自旋转移矩。
[0083]图10描述了自由层300’’’’的另一个示例性实施例，该自由层300’’’’包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图10没有按比例绘制。自由层300’’’’可以用在磁性结200、200’和/或200’’中的一种或多种之中。因而，自由层300’’’’可以用作自由层230、230’和230’’的一种或多种。自由层300’’’’还类似于自由层300、300’、300’’和/或300’’’。因此，类似的部件具有相似的附图标记。
[0084]因而，自由层300’ ’ ’ ’包括插入有无磁性层304和308的磁性层302’ ’ ’ ’、306’ ’ ’ ’和310’’’’，这些磁性层具有磁矩303’’’’、307’’’’和311’’’’，它们分别类似于各层304、308、302/302’/302’ ’/302’ ’ ’ ,306/306' /306’ ’/306’ ’ ’ 和 310/310’/310’ ’/310’ ’ ’，并且分别类似于磁矩 303/303’/303’’/303’’’ 、307/307’/307’’/307’’’ 和311/311，/311，’ /311，’ ’。磁性层 302，’ ’ ’、306，’ ’ ’ 和 310，’ ’ ’ 也对应于各层 230,230'和/或230’’的子区域。虽然示出了三个磁性层302’’’’、306’’’’和310’’ ’ ’以及两个无磁性层304和308，但也可以使用其他的数量。在不同的实施例中可以出现两个或更多的磁性层。在所示实施例中，自由层300’’’’的总磁矩301’’’’可以基本上垂直于平面(B卩，在z轴方向上)。然而，磁矩301’’’’、303’’’’、307’’’’和311，，，，可以在其他方向上。
[0085]在一些实施例中，最靠近无磁性隔离物层220的层是在自由层300’ ’ ’ ’的期望净磁矩301’’’’的方向上的。在这种实施例中，可以增强磁阻。因而，在所示实施例中，自由层300’’’’可以按照类似于层230’’的方式作为用于双磁性结的自由层。然而，相同的配置可以用于其他磁性结。此外，在自由层300’’’’中具有磁畴。换言之，自由层300’’’’具有垂直磁畴。从而，底部磁性层302’ ’ ’ ’的磁矩303’ ’ ’ ’在与顶部磁性层310’ ’’ ’的磁矩311’’’’相反的方向上。在所示实施例中，各层的磁矩303’’’’和311’’’’垂直于平面。从而，在一些实施例中理想的是，磁矩303’’’’和311’’’’不同。从而，自由层300’’’’具有这样的净磁矩，该净磁矩至少具有垂直于平面的组成部分。
[0086]自由层300，’ ’ ’可以具有与自由层300,300'、300，’和/或300，’ ’相似的优点。具体而言，通过磁矩303’’’’、307’’’’和311’’’’关于垂直于各层的方向(例如，z轴方向)形成不同的角度可以改善WER和写入速度。此外，对于单独的子区域的低热稳定因数允许自由层300’ ’ ’ ’在工作温度和工作温度以下是热稳定的，同时减少写入电流、WER和过驱动。获得更快的写入。因此，可以为自由层300’ ’ ’ ’实现更快的、更不易于产生误差的切换。此外，双磁性结的使用可以提供增强的磁阻和/或增强的自旋转移矩。
[0087]图11描述了自由层300’’’’’的另一个示例性实施例，该自由层300’’’’’包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图11没有按比例绘制。自由层300’’’’’可以用在磁性结200、200’和/或200’’中的一种或多种之中。因而，自由层300’’’’’可以用作自由层230、230’和230’ ’的一种或多种。自由层300，，…还类似于自由层300,300'、300，’、300，’ ’和/或300’ ’ ’ ’。因此，类似的部件具有相似的附图标记。
[0088]因而，自由层300’ ’ ’ ’ ’包括插入有无磁性层304和308的磁性层302’ ’ ’ ’ ’、306’ ’ ’ ’ ’ 和 310’ ’ ’ ’ ’，这些磁性层具有磁矩 303’ ’ ’ ’ ’、307’ ’ ’ ’ ’ 和311’’’’’，它们分别类似于各层 304、308、302/302’/302’’/302’’’/302’’’’、306/306’/306’ ’/306’ ’ ’/306’ ’ ’ ’ 和 310/310’/310’ ’/310’ ’ ’/310’ ’ ’ ’，并且分别类似于磁矩 303/303’/303’’/303’’’/303’’’’ 、307/307’/307’’/307’’’/307’’’’ 和311/311，/311，’ /311，’ ’ /311，’ ’ ’。磁性层 302，，…、306，，…和 310，，…也对应于各层230,230'和/或230，’的子区域。虽然示出了三个磁性层302，，…、306，，…和310，，…以及两个无磁性层304和308，但也可以使用其他的数量。在不同的实施例中可以出现两个或更多的磁性层 。在所示实施例中，自由层300’’’’’的总磁矩301’’’’’可以基本上在平面内(例如，如图所示在X轴方向上)。然而，磁矩301’ ’ ’ ’ ’、303’ ’ ’ ’ ’、307’ ’ ’ ’ ’和311’ ’ ’ ’ ’可以在其他方向上。
[0089]自由层300’’’’’示出为具有基本上在平面内的磁矩301’’’’’。因而，各层302’ ’ ’ ’ ’、306’ ’ ’ ’ ’ 和 310’ ’ ’ ’ ’ 分别具有磁矩 303’ ’ ’ ’ ’、307’ ’ ’ ’ ’ 和 311’ ’ ’ ’ ’，它们的组
成部分中的一些或全部在平面内。在一些实施例中，最靠近无磁性隔离物层220的层是在自由层300’’’’’的期望净磁矩301’’’’’的方向上的。在这种实施例中，可以增强磁阻。因而，在所示实施例中，自由层300’ ’ ’ ’ ’可以按照类似于层230的方式在无磁性隔离物层之上。然而，相同的配置可以用于其他磁性结。
[0090]自由层300’’’’’可以具有与自由层300、300’、300，’、300，，，和/或300’’’’相似的优点。具体而言，通过磁矩303’’’’’、307’’’’’和311’’’’’关于垂直于各层的方向(例如，z轴方向)形成不同的角度可以改善WER和写入速度。此外，对于单独的子区域的低热稳定因数允许自由层300’ ’ ’ ’ ’在工作温度和工作温度以下是热稳定的，同时减少写入电流、WER和过驱动。获得更快的写入。因此，可以为自由层300’’’’’实现更快的、更不易于产生误差的切换。此外，双磁性结的使用可以提供增强的磁阻和/或增强的自旋转移矩。
[0091]图12描述了自由层320的另一个示例性实施例，该自由层320包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图12没有按比例绘制。自由层320可以用在磁性结200、200’和/或200’ ’中的一种或多种之中。因而，自由层320可以用作自由层230、230’和230’’的一种或多种。
[0092]自由层320包括插入有无磁性层324和328的磁性层322、326和330。磁性层322、326和330对应于各层230、230’和/或230’’的子区域。虽然示出了三个磁性层322、326和330以及两个无磁性层324和328，但也可以使用其他的数量。举例而言，在不同的实施例中可以出现两个或更多的磁性层。磁性层322、326和330分别具有磁矩323、327和331。在所示实施例中，自由层320的总磁矩321可以基本上垂直于平面(B卩，在图12中的z轴方向上)。虽然描述为基本上垂直于平面，但在其他实施例中，磁矩321、323、327和331可以在其他方向上。
[0093]在一些实施例中，磁性层322、326和330分别具有低磁热稳定常数和低热稳定因数。具体而言，低热稳定因数在一些实施例中对应于在(多个)操作温度下小于60的热稳定因数，以及/或者在其他一些实施例中对应于在(多个)操作温度下小于40的热稳定因数。在各层322、326和330之间还存在弱的磁性耦合。可以通过无磁性层324和328来提供弱的磁性耦合。无磁性层324和328的存在允许磁性层322、326和330的磁矩323、327和331分别有些不一致。虽然单独的磁性层322、326和330可以不是热稳定的，但自由层320可以在特定方向上具有稳定的净磁矩321。
[0094]将磁性层322、326以至330配置为基本上相等。从而，易磁化的磁矩大小和方向可以基本上是相同的。在所示实施例中，各层322、326和330中的每一个的易磁化轴垂直于平面(在z轴方向上)。然而，无论什么时刻，磁矩323、327和331可以关于各层平面的法线以不同的角度取向。因而，图12可以看作在一个时刻捕捉的自由层320。在其他时候，磁矩323、327和331可以具有其他取向。
[0095]由于磁矩323、327和331可以关于垂直于平面的方向(例如，z轴方向)形成不同的角度，因此使用自由层320的磁性结的切换特性可以改进。当施加写入电流时，磁矩323、327和/或331中的至少一些由于其热不稳定性而没有与z轴方向对准。相应的层322、326和/或330中的一层或多层可以没有沿着滞点。因而，自旋转移矩可以更容易地切换这些层。各层322、326以至330可以按照类似于自由层110的各层的方式在不同电流和/或时间处切换。然而，切换自由层320的层322、326以至330的顺序不拘泥于与自由层110的各层相同的方式。举例而言，自由层320的层322、326以至330不需要具有在远离无磁性隔离物层220的方向上增加的临界切换电流密度/热稳定性。自由层320的层322、326以至330可以按照随机的顺序进行切换，或者按照除了从最靠近无磁性隔离物层220的子区域到最远离无磁性隔离物层220的子区域的切换顺序之外的顺序进行切换。
[0096]WER和切换自由层320中的长尾因而可以进一步减少。对于单独的子区域/层322,326和330的低热稳定因数与各子区域/层322、326和330之间的弱磁性耦合相结合，允许自由层320在工作温度和工作温度以下是热稳定的，同时减少写入电流、WER和过驱动。获得更快的写入。因此，可以为自由层320实现更快的、更不易于产生误差的切换。
[0097]图13描述了自由层340的另一个示例性实施例，该自由层340包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图13没有按比例绘制。自由层340可以用在磁性结200、200’和/或200’ ’中的一种或多种之中。因而，自由层340可以用作自由层230、230’和230’’的一种或多种。
[0098]自由层340是单磁性层，其包括由插入区域344、346和350隔开的磁性子区域342,348和352。虽然示出了三个磁性子区域342、348和352以及三个插入区域344、346和350，但是在其他实施例中也可以使用其他数量的磁性子区域和其他数量的插入区域。在所示实施例中，自由层340的总磁矩341可以基本上垂直于平面。在其他一些实施例中，磁矩341、343、349和353可以在其他方向上。在其他一些实施例中，可以在自由层中使用多层，多层中的每一层都具有类似于各区域342、348和352的磁性子区域。
[0099]磁性子区域342、348和352分别具有低磁热稳定常数和低热稳定因数。具体而言，低热稳定因数在一些实施例中对应于在(多个)操作温度下小于60的热稳定因数，以及/或者在其他一些实施例中对应于在(多个)操作温度下小于40的热稳定因数。在各子区域342、348和352之间还存在弱的磁性耦合。可以通过插入区域344、346和350来提供弱的磁性耦合。插入区域344、346和350的存在允许磁性子区域342、348和352的磁矩343、349和353分别有些不一致。虽然单独的磁性子区域342、348和352可以不是热稳定的，但自由层340可以在特定方向上具有稳定的净磁矩341。换言之，各子区域342、348和352的易磁化轴可以基本上在相同的方向上。磁矩343、349和353的大小可以相同或不同。在所示实施例中，子区域342、348和352中的每一个的易磁化轴是垂直于平面的(在z轴方向上)。然而，磁矩343、349和353可以关于各层平面的法线以不同的角度取向。在一些实施例中，将各子区域342、348和352配置为基本上相同。在这种实施例中，热起伏会是造成磁矩343、349和353的方向中的差异的原因。在其他一些实施例中，各子区域342、348和352是不同的。在这种实施例中，磁矩343、349和353的方向中的差异会是配置各子区域342、348和352的一部分，以及/或者是由于磁矩343、349和353中的热起伏造成的。
[0100]由于磁矩343、349和353可以关于垂直于平面的方向(例如，磁矩341的易磁化轴/方向)形成不同的角度，因此使用自由层340的磁性结的切换特性可以改进。当施加写入电流时，磁矩343、349和/或353中的至少一些没有与z轴方向对准。相应的子区域342、348和/或352中的一个或多个可以没有沿着滞点。因而，自旋转移矩可以更容易地切换这些子区域。各子区域342、348和352之间的磁性耦合和/或自旋转移矩可以切换剩余的子区域。因此自由层340的子区域342、348以至352可以按照类似于自由层110的各层的方式在不同电流和/或时间处切换。然而，切换自由层340的子区域342、348以至352的顺序不拘泥于与自由层110的各层相同的方式。自由层340的子区域342、348以至352可以按照随机的顺序进行切换，或者按照除了从最靠近无磁性隔离物层220的子区域到最远离无磁性隔离物层220的子区域的切换顺序之外的顺序进行切换。
[0101]可以按照多种方式配置在自由层340的单层中的磁性子区域342、348以至352。在一些实施例中，磁性子区域是晶粒。在图14中描述了一种这样的实施例。图14描述了包括晶粒342’、348’和352’的自由层340’的平面图，它们分别类似于自由层340以及子区域342,348和352。自由层340，包括由晶界344’、346’和350，隔开的磁性晶粒342’、348’和352’。可替换地，子区域342’、348’和352’可以是被晶界或磁性矩阵的一部分隔开的磁性子区域/粒子。在其他一些实施例中，可以按照其他方式形成磁性子区域342’、348’和352’。图15描述了包括子区域342’ ’、348’ ’和352’ ’的自由层340’ ’的平面图，它们分别类似于自由层340/340’以及子区域342/342’ ,348/348'和352/352’。可以光刻地或以类似方式形成子区域342’’、348’’和352’’。可以通过光刻地形成的无磁性区域344’ ’、346’ ’和350，’和/或晶界隔开这些子区域342’ ’、348’ ’和352’，。图16描述了包括子区域342’’’、348’’’和352’’’的自由层340’’ ’的平面图，它们分别类似于自由层340/340’/340’’ 以及子区域 342/342’/342’’、348/348’/348’’ 和 352/352’/352’’。可以光刻地或以类似方式形成子区域342’ ’ ’、348’ ’ ’和352’ ’ ’。可以通过光刻地形成的无磁性区域344’ ’ ’、346’ ’ ’和350，，，和/或晶界隔开这些子区域342’ ’ ’、348’ ’ ’和352’ ’ ’。然而与自由层340’’相反，子区域342’’和348’’围绕其他磁性子区域，磁性子区域352’’在其余的子区域之内。
[0102]WER和切换自由层340、340’、340’’和/或340’’’中的长尾因而可以进一步减少。对于单独的子区域342、348和352的低热稳定因数与各子区域342、348和352之间的弱磁性耦合相结合，允许自由层340在工作温度和工作温度以下是热稳定的，同时减少写入电流、WER和过驱动。获得更快的写入。因此，可以为自由层340、340’、340’’和/或340’’’实现更快的、更不易于产生误差的切换。
[0103]图17描述了自由层340’’’’的另一个示例性实施例，该自由层340’’’’包括具有低磁热稳定常数的子区域且各子区域之间磁性耦合，并且能够使用自旋转移切换各子区域。为了清楚起见，图17没有按比例绘制。自由层340’’’’可以用在磁性结200、200’和/或200’’中的一种或多种之中。因而，自由层340’’’’可以用作自由层230、230’和230’’的一种或多种。自由层340’’’’还类似于自由层340、340’、340’’和/或340’’’。因此，类似的部件具有相似的附图标记。
[0104]因而，自由层340’’’’包括具有插入区域344’’’’、346’’’’和350’’ ’ ’的磁性子区域342’ ’ ’ ’、348’ ’ ’ ’和352’ ’ ’ ’，这些磁性子区域具有磁矩343’ ’ ’ ’、349’ ’ ’ ’和353’ ’ ’ ’，它们分别类似于各子区域 342/342’ /342’ ’ /342’ ’ ’、348/348’ /348’ ’ /348’ ’ ’、352/352’/352’ ’/352’ ’ ’ ,344/344' /344’ ’/344’ ’ ’ ,346/346' /346’ ’/346’ ’ ’和 350/350’/350’ ’/350’ ’ ’，并且分别类似于磁矩 343/343’/343’ ’/343’ ’ ’、349/349’ /349’ ’ /349’ ’ ’ 和 353/353’ /353’ ’ /353’ ’ ’。磁性子区域 342’ ’ ’ ’、348’ ’ ’ ’ 和352’’’’也对应于各层230、230’和/或230’’的子区域。虽然示出了三个磁性子区域342’ ’ ’ ’、348’ ’ ’ ’和352’ ’ ’ ’，但是也可以存在其他数量。在所示实施例中，自由层340’ ’ ’ ’的总磁矩341’’’’可以基本上在平面内(例如，在磁矩341’’’’的方向上)。然而，磁矩341，’ ’ ’、343’ ’ ’ ’、349’ ’ ’ ’ 和 353’ ’ ’ ’ 可以在其他方向上。
[0105]自由层340，’’ ’可以具有与自由层340,340'、340，’和/或340，’ ’相似的优点。具体而言，通过磁矩343’ ’ ’ ’、349’ ’ ’ ’和353’ ’ ’ ’关于易磁化轴的方向(例如，磁矩341’ ’ ’ ’的方向)形成不同的角度可以降低WER并增大写入速度。此外，对于单独的子区域的低热稳定因数允许自由层340’ ’ ’ ’在工作温度和工作温度以下是热稳定的，同时减少写入电流、WER和过驱动。获得更快的写入。因此，可以为自由层340’’’’实现更快的、更不易于产生误差的切换。
[0106]此外，磁性结200、200’ 和 / 或 200’’ 和自由层 230、230’、230’’、300、300’、300’’、300’ ’ ’、300，’ ’ ’、300，’ ’ ’ ’、320、340、340’、340’ ’、340’ ’ ’ 和 / 或 340，’ ’ ’ 可以用在磁性存储器中。图18描述了一个这种存储器400的示例性实施例。磁性存储器400包括读取/写入列选择驱动器402和406以及字线选择驱动器404。注意到，还可以提供其他和/或不同的部件。存储器400的存储区域包括磁性存储单元410。每个磁性存储单元包括至少一个磁性结412和至少一个选择装置414。在一些实施例中，选择装置414是晶体管。磁性结412 可以包括磁性结 200,200'和 / 或 200，’ 和自由层 230,230'、230，’、300、300’、300，’、300’ ’ ’、300’ ’ ’ ’、300’ ’ ’ ’ ’、320、340、340’、340’ ’、340’ ’ ’ 和/或340’ ’ ’ ’ 中的一个或多个。虽然每个单元410示出为一个磁性结412，但在其他一些实施例中，每个单元可以提供其他数量的磁性结412。
[0107]由于磁性存储器400利用了磁性结200,200'和/或200，’和自由层230,230'、230’ ’、300、300’、300，’、300，’ ’、300，’ ’ ’、300，’ ’ ’ ’、320、340、340’、340，’、340，’ ’ 和 / 或340’ ’ ’ ’，从而可以改进性能。具体而言，可以使用低切换电流同时保持存储器400的热稳定性。
[0108]图19 描述 了使用(多个)自由层 230、230’、230’ ’、300、300’、300’ ’、300’ ’ ’、300’ ’ ’ ’、300，’ ’ ’ ’、320、340、340’、340，’、340，’ ’ 和 / 或 340，’ ’ ’ 来制造诸如磁性结 200、200’和/或200’’之类的磁性结的方法500的一个示例性实施例。为了简化，一些步骤可以省略、组合、以其他顺序和/或相反的顺序执行。在磁性结200的语境下描述方法500。然而，方法500可以用于其他磁性结上，例如，使用(多个)自由层230,230'、230，’、300、300，、300’ ’、300，’ ’、300，’ ’ ’、300，’ ’ ’ ’、320、340、340’、340，’、340，’ ’ 和 / 或 340，’ ’ ’ 的磁性结200,200'和/或200’’。此外，方法500可以并入到磁性存储器的制造方法之中。因而，方法500还可以用于制造STT-MRAM400或其他磁性存储器。方法500还可以包括提供可选的(多层)种子层、可选的(多层)加盖层和/或可选的钉扎层(未示出)。
[0109]经由步骤502制备被钉扎层210。步骤502可以包括以被钉扎层210的期望厚度沉积期望的材料。此外，步骤502还可以包括制备SAF。
[0110]经由步骤504制备无磁性材料层220。步骤504可以包括沉积期望的无磁性材料，其包括但不限于晶体MgO。此外，在步骤504中可以沉积期望厚度的材料。
[0111]经由步骤506制备自由层230。步骤506可以包括以自由层230的期望厚度沉积期望的材料。更具体的，提供的自由层具有期望的较低的磁热稳定性和弱的铁磁耦合。在步骤 506 中，制造各层 230,230'、230，’、300、300’、300，’、300，’ ’、300，’ ’ ’、300，’ ’ ’ ’、320、340,340'、340，’、340，’ ’ 和 / 或 340，’ ’ ’。
[0112]经由步骤508制造完成。在一些实施例中，步骤508包括制造额外的隔离物层(例如，层240)和额外的被钉扎层(例如，层250)。可选的加盖层和/或其他层也可以在步骤508中沉积。因而，使用方法500可以实现磁性结200、200’和/或200’ ’和自由层230、230’、230，’、300、300’、300，’、300，’ ’、300，’ ’ ’、300，’ ’ ’ ’、320、340、340’、340，’、340，’ ’ 和/或340’’’’的优点。
[0113]已经描述了用于提供易于切换自由层的方法和系统、使用这种自由层的磁性结以及使用该磁性结制造的磁性存储器。已经结合所示出的各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地认识到，对各实施例可以有变化，并且任何变化将在该方法和系统的精神和范围之内。因此，本领域普通技术人员可以进行多种修改而没有背离所附权利要求的精神和范围。
【权利要求】
1.一种用于磁性器件的磁性结，包括: 被钉扎层； 无磁性隔离物层；以及 自由层，其具有多个子区域，所述多个子区域中的每一个子区域具有磁热稳定常数，所述多个子区域铁磁地耦合，使得所述自由层具有总的磁热稳定常数；所述磁热稳定常数是这样的，其使得所述多个子区域中的每一个子区域在操作温度下是磁热不稳定的，所述总的磁热稳定常数是这样的，其使得所述自由层在所述操作温度下是磁热稳定的； 其中，对所述磁性结进行配置，使得当写入电流通过该磁性结时所述自由层能够在多个稳定的磁性状态之间切换。
2.如权利要求1所述的磁性结，其中，所述多个子区域包括插入有至少一个无磁性层的多个磁性层。
3.如权利要求2所述的磁性结，其中，所述多个磁性层具有第一层和第二层，所述第一层具有第一层磁化并且与所述无磁性隔离物层最近，所述第二层具有第二层磁化并且与所述无磁性隔离物层最远，所述第一磁化实质上垂直于平面。
4.如权利要求3所述的磁性结，其中，所述第二层具有反平行于所述第一层磁化的第二层磁化，所述第一层磁化的第一量值与所述第二层磁化的第二量值不同。
5.如权利要求3所述的磁性结，其中，在所述自由层中具有畴壁。
6.如权利要求3所述的磁性结，其中，所述第一层磁化实质上平行于所述第二层磁化。
7.如权利要求2所述的磁性结，其中，所述多个磁性层实质上相同。
8.如权利要求1所述的磁性结，其中，所述多个子区域对应于由至少一个晶界隔开的多个晶粒。
9.如权利要求1所述的磁性结，其中，所述多个子区域中的每一个子区域的磁热稳定常数不大于这样的数量，该数量是80乘以kb乘以操作温度。
10.如权利要求9所述的磁性结，其中，所述数量不大于40乘以kb乘以操作温度。
11.如权利要求1所述的磁性结，其中，所述多个子区域配置为以这样的顺序进行切换，该顺序不依赖到无磁性隔离物层的距离。
12.—种磁性存储器,包括: 多个磁性存储单元，所述多个磁性存储单元中的每一个磁性存储单元包括至少一个磁性结，所述至少一个磁性结包括被钉扎层、无磁性隔离物层和具有多个子区域的自由层，所述多个子区域中的每一个子区域具有磁热稳定常数，所述多个子区域铁磁地耦合，使得所述自由层具有总的磁热稳定常数；所述磁热稳定常数是这样的，其使得所述多个子区域中的每一个子区域在操作温度下是磁热不稳定的，所述总的磁热稳定常数是这样的，其使得所述自由层在所述操作温度下是磁热稳定的，对所述磁性结进行配置，使得当写入电流通过该磁性结时所述自由层能够在多个稳定的磁性状态之间切换；以及 多条位线，其与所述多个磁性存储单元耦合。
13.如权利要求12所述的磁性存储器，其中，所述多个子区域包括插入有至少一个无磁性层的多个磁性层。
14.如权利要求13所述的磁性存储器，其中，所述多个磁性层具有第一层和第二层，所述第一层具有第一层磁化并且与所述无磁性隔离物层最近，所述第二层具有第二层磁化并且与所述无磁性隔离物层最远，所述第一磁化实质上垂直于平面。
15.如权利要求14所述的磁性存储器，其中，所述第二层具有反平行于所述第一层磁化的第二层磁化，所述第一层磁化的第一量值与所述第二层磁化的第二量值不同。
16.如权利要求14所述的磁性存储器，其中，在所述自由层中具有畴壁。
17.如权利要求12所述的磁性存储器，其中，所述多个子区域对应于由至少一个晶界隔开的多个晶粒。
18.如权利要求12所述的磁性存储器，其中，所述多个子区域中的每一个子区域具有不大于80的热稳定因数。
19.如权利要求12所述的磁性存储器，其中，所述多个子区域配置为以这样的顺序进行切换，该顺序不依赖到无磁性隔离物层的距离。
20.一种提供用于磁性器件的磁性结的方法，包括步骤: 提供被钉扎层； 提供无磁性隔离物层；以及 提供具有多个子区域的自由层，所述多个子区域中的每一个子区域具有磁热稳定常数，所述多个子区域铁磁地耦合，使得所述自由层具有总的磁热稳定常数；所述磁热稳定常数是这样的，其使得所述多个子区域中的每一个子区域在操作温度下是磁热不稳定的，所述总的磁热稳定常数是这样的，其使得所述自由层在所述操作温度下是磁热稳定的； 其中，对所述磁性结进行配置，使得当写入电流通过该磁性结时所述自由层能够在多个稳定的磁性状态之间切 换。
【文档编号】H01L43/08GK103855299SQ201310642181
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2012年12月3日
【发明者】尤金·陈, 德米托·阿帕利科夫 申请人:三星电子株式会社