专利名称：具有双轴各向异性的磁隧穿结元件的制作方法
具有双轴各向异性的磁隧穿结元件相关申请的交叉引用本发明要求于2010年8月11日提交且转让给本申请的受让人的美国申请No. 12/854, 628的权益，并通过引用结合于此。政府权利本发明在由DARPA 授予的合同(grant/contract) No. HROO11-09-C-0023 下、在美国政府支持下进行。美国政府保留本发明中的某些权利。
背景技术：
磁存储器(特别地，磁随机存取存储器(MRAM))由于它们的高读/写速度的潜力、优良的耐久性、非易失性和操作期间的低功耗而引起越来越多的关注。MRAM能够利用磁材料作为信息记录介质来存储信息。一种MRAM是自旋转移力矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM使用磁性结，该磁性结至少部分通过驱动经过该磁性结的电流来写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流施加自旋力矩到磁性结中的磁矩。结果，具有响应于自旋力矩的磁矩的层可以被转换到期望的状态。例如，图1示出常规磁隧穿结(MTJ)IO，它可以使用在常规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和常规覆盖层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)方向上或沿如图1所示的z轴来驱动电流。常规籽层12通常用于辅助后续层如AFM层14的生长以具有期望的晶体结构。常规隧穿势垒层18是非磁性的，并例如为薄绝缘体如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钉扎在特定方向上。尽管被示出为简单(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可以是包括通过薄导电层诸如Ru而反铁磁耦合或铁磁耦合的磁性层的合成反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中，可以使用插入有Ru的薄层的多个磁性层。此外，常规MTJlO的其他形式可以包括通过附加的非磁势垒层或导电层(未示出)而与自由层20分离的附加的被钉扎层(未示出)。常规自由层20具有可改变的磁化21。尽管示出为简单层，但是常规自由层20也可以包括多层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄导电层诸如Ru而反铁磁或铁磁耦合的磁层的合成层。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。为了转换常规自由层20的磁化21，电流垂直于平面(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可以被转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驱动到顶接触24时，自由层的磁化21可以被转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”和逻辑“ I ”)。当用于STT-RAM应用时，常规MTJlO的自由层21被期望以相对低的电流转换。临界转换电流(U是初始取向附近的自由层磁化21的无穷小进动(precession)变得不稳定的最低电流。对于室温测量，该电流值接近对于短脉冲(l_20ns)的转换电流。例如，Jc0可以被期望在几mA或更小的数量级。此外，还期望快速的转换时间。例如，对于自由层20会期望在小于二十纳秒内转换。在一些情形下，期望小于十纳秒的转换时间。因此，期望数据以较高的速度并利用足够低的临界电流而被存储在常规MTJlO中。尽管常规MTJlO可以利用自旋转移写入并用于STT-RAM中，但是存在缺点。例如，软错误率会高于具有可接受的和转换时间的存储器所期望的。软错误率是单元(也就是，常规磁性结的自由层20的磁化21)在受到至少等于典型转换电流的电流时不被转换的几率。期望软错误率为10_9或更小。然而，通常常规自由层20具有大大超过该值的软错误率。例如，软错误率可以比10_9大几个数量级。因此，不能实现足够低的Jc和足够快的转换时间以及可接受的软错误率。已经引入了各种常规机制从而改善包括软错误率的特性。例如，可以使用复杂结构和/或外部磁场辅助。然而，这种常规方案减小软错误率并同时保持其他特性的能力受到限制。例如，可扩展性、能耗和/或热稳定性会受到这样的常规方法的不利影响。因此，利用常规MTJ的存储器的性能仍然期望被改善。因此，需要可以改善基于自旋转移力矩的存储器的性能的方法和系统。这里描述的方法和系统解决了这样的需要。
发明内容
示范性实施例提供了用于提供可用于磁器件中的磁性结的方法和系统。磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。非磁间隔层在被钉扎层与自由层之间。自由层具有磁各向异性，该磁各向异性的至少一部分是双轴各向异性。磁性结被配置为使得当写电流经过磁性结时自由层可在多个稳定的磁状态之间转换。
图1示出常规磁性结。图2示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的示范性实施例。图3示出对于各种磁性结的各向异性能的示范性实施例。图4示出对于磁性结的各向异性能的示范性实施例。图5示出具有双轴各向异性的自由层的示范性实施例。图6示出具有双轴各向异性的自由层的示范性实施例。图7示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的示范性实施例。图8示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一示范性实施例。图9示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一示范性实施例。图10示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一示范性实施例。图11示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一示范性实施例。图12示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结的另一示范性实施例。图13示出存储器的示范性实施例，该存储器在存储单元的存储器元件中使用磁性子结构。
图14示出用于制造磁性子结构的方法的示范性实施例。
具体实施例方式示范实施例涉及可用于诸如磁存储器的磁器件中的磁性结，以及使用这种磁性结的器件。给出下文的描述使得本领域普通技术人员能够实现和使用本发明，并提供在专利申请的上下文及其要求中。对于示范实施例的各种变形以及在此描述的总的原理和特征将易于变明显。示范实施例在具体的实现中给出的具体方法和系统方面被主要地描述。然而，方法和系统将在其他的实现中有效地操作。诸如“示范实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的短语可以涉及相同或不同的实施例以及多个实施例。将关于具有特定部件的系统和/或器件来描述实施例。然而，系统和/或器件可以包括比图示的部件更多或更少的部件，可以对部件的布置和类型进行改变而没有脱离本发明的范围。示范实施例也将在具有特定步骤的具体方法的情况下被描述。然而，对于具有与示范实施例不一致的不同步骤和/或附加步骤以及不同顺序的步骤的其他方法，该方法和系统也有效地操作。因此，本发明不旨在限于所示的实施例，而是与根据在此描述的原理和特征的最宽范围一致。用于提供磁性结以及利用磁性结的磁存储器的方法和系统被描述。示范实施例提供了用于提供磁性结的方法和系统，该磁性结可用于磁器件中。磁性结包括钉扎层、非磁间隔层和自由层。非磁间隔层在钉扎层与自由层之间。自由层具有磁各向异性，磁各向异性的至少一部分是双轴各向异性。磁性结被配置为使得当写电流经过磁性结时自由层可在多个稳定的磁状态之间转换。示范实施例在特定磁性结和具有特定部件的磁存储器的情况下描述。本领域普通技术人员将易于理解，本发明与使用具有其他和/或附加部件和/或不与本发明相矛盾的其他特征的磁性结和磁存储器相一致。方法和系统也在当前理解的自旋转移现象、磁各向异性和其他物理现象的情况下进行描述。因此，本领域普通技术人员将易于理解，对方法和系统的行为的理论解释是基于当前理解的自旋转移现象、磁各向异性和其他物理现象而做出的。然而，这里描述的方法和系统不依赖具体物理解释。本领域普通技术人员还将易于理解，在具有与基板的特定关系的结构的情况下描述方法和系统。然而，本领域普通技术人员将易于理解，该方法和系统与其他结构一致。另外，该方法和系统在特定层是合成层和/或简单层的情况下被描述。然而，本领域普通技术人员将易于理解，这些层能具有另一结构。此外，该方法和系统在具有特定层的磁性结和/或子结构的情况下被描述。然而，本领域普通技术人员将易于理解，也可以使用具有不与该方法和系统相矛盾的附加层和/或不同层的磁性结和/或子结构。此外，某些部件被描述为磁性、铁磁和亚铁磁。如在此使用的，术语“磁性”能包括铁磁性、亚铁磁性或类似结构。因此，如在此使用的，术语“磁性”或“铁磁性”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。该方法和系统也在单个磁性结和子结构的情况下被描述。然而，本领域普通技术人员将易于理解，方法和系统与使用具有多个磁性结并采用多个子结构的磁存储器一致。此外，如在此使用的，“平面内”是基本上在磁性结的一个或更多层的平面内或者是平行于磁性结的一个或更多层的平面。相反，“垂直于”相应于基本垂直于磁性结的一个或更多层的方向。图2示出用于磁器件例如磁存储器诸如STT-RAM中的磁性结100的示范性实施例。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。还不出钉扎层104,其可以用于固定被钉扎层110的磁化(未不出)。在一些实施例中，钉扎层104可以是通过交换偏置相互作用来钉扎被钉扎层110的磁化(未示出)的AFM层或者多层。然而，在其他实施例中，钉扎层104可以被省略或者可以使用其他结构。此外，磁性结100可以包括其他层和/或附加层，诸如可选的籽层102和/或可选的覆盖层140。磁性结100还配置为当写电流经过磁性结130时允许自由层130在稳定的磁状态之间转换。因此，自由层130可利用自旋转移力矩来转换。被钉扎层110是磁性的，因此可以包括N1、Fe和Co中的一种或多种，特别地，以合金的形式。虽然示出为简单层，但是被钉扎层110可以包括多个层。例如，被钉扎层110可以是包括通过诸如Ru的薄层而反铁磁或铁磁耦合的磁性层的SAF。在这种SAF中，可以使用插入有Ru或其他材料的薄层的多个磁性层。被钉扎层110也可以是另外的多层。虽然图2中没有示出磁化，但是自由层可以具有超过平面外退磁能(out-of-plane demagnetizationenergy)的垂直各向异性能。间隔层120是非磁性的。在一些实施例中，间隔层120是绝缘体，例如隧穿势垒。在这样的实施例中，间隔层120可以包括晶体MgO，其可以增强磁性结的隧穿磁阻(TMR)。在其他实施例中，间隔层可以是导体，诸如Cu。在备选的实施例中，间隔层120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130是磁性的，因此可以包括Fe、Ni和/或Co中的至少一种。自由层130具有可以通过自旋转移而转换的可变磁化(未示出)。自由层130被示出为单层。在其他实施例中，自由层130可以包括其他层。例如，自由层可以是包括插入有非磁层的一个或多个铁磁层的SAF。备选地，自由层130可以包括铁磁的或其他的多层。此夕卜，自由层130具有磁各向异性。磁各向异性包括至少双轴分量。磁各向异性还可以包括单轴分量。磁各向异性的双轴分量可以导致改善的软错误率而基本上没有不利地影响特性诸如临界转换电流Jco。应注意，整个自由层130、自由层130的一部分(例如，一个或多个层)、或者自由层13 0的某些其他组成部分可以具有双轴各向异性。双轴各向异性的作用可以分别在图3和图4中示出的曲线图150和150’的上下文中来理解。曲线图150和150’仅是为了说明的目的，而不意味着反映特定的磁性结。此夕卜，为了清晰，曲线160、170和180已经被偏移。参照图2-图4，例如，自由层130的磁各向异性能可以作为与特定方向的角度的函数通过以下给出E ( Θ ) =KuniSin2 ( Θ ) +KbiSin2 (2 Θ )KuniSin2 (Θ )项(“单轴项”)对应于单轴磁各向异性。KbiSin2 (2 Θ )项(“双轴项”)对应于双轴各向异性。如果双轴项为零，则自由层130将具有单轴各向异性。这对应于图
3的单轴能量曲线160。能量曲线160具有沿易磁化轴方向的最小值162。因此，单轴能量曲线160在θ=-π，0，π处具有最小值162。通常，这些方向平行于和反平行于被钉扎层110的磁化(未示出)。自由层130的在零度附近的初始状态由点164示出。这些方向(例如，Θ =0)恰好对应于用于自旋转移力矩以及用于场力矩的驻点(stagnation point)。在自旋转移力矩驻点处，自旋极化电流对自由层130的磁化施加很少的力矩或不施加力矩。对于单轴各向异性，自旋转移力矩驻点对应于其中自由层130的磁化处于平衡位置且与易磁化轴(Θ =0和Ji )对准的配置。如这里所用的，易磁化轴对应于其中自由层130磁化仅对于单轴各向异性稳定的方向。由于单轴项对应于在驻点处的自由层130的磁化，所以存在自由层130不响应于所施加的临界电流而转换的较高几率。因此，对于这样的结，软错误率会较闻。如果单轴项为零，则在以上 示例中自由层130的各向异性能为双轴项。自由层130将具有双轴各向异性。结果，能量最小值(自由层130的稳定状态)将沿着单轴易磁化轴方向(θ=0，π/2, π )以及垂直于单轴易磁化轴方向。通常，这些方向平行于、垂直于和反平行于被钉扎层110的磁化(未示出)。这些方向中的一个(例如，Θ =Ji/2)恰好远离自旋转移力矩的驻点。然而，其余的两个方向(θ=0，π )靠近自旋转移力矩的驻点。如果除了单轴各向异性之外还存在一些双轴各向异性，则单轴能量曲线160受到双轴项(KbiSin2 (2 Θ ))干扰。能量曲线170示出对于小的双轴各向异性的能量与角度的关系。换句话说，双轴各向异性的绝对值(或大小)小于单轴各向异性的绝对值。然而，双轴和单轴各向异性的符号可以相同或不同。由于引入了小的双轴项，所以曲线170在-π、0和π处的最小值172附近变平坦。自由层130在O附近的稳定状态由点174示出。由于能量曲线170变平坦，所以在自由层130的初始状态中可以有较大的扩展而没有能量势垒的变化，磁化需要克服该能量势垒以转换到相反状态。因此，热稳定性可以不受影响。自由层130的稳定状态中的较大扩展可以对应于更易于在离开易磁化轴的某些角度处的自由层130的磁化。换句话说，自由层130的磁化更易于在除图3中的零度之外的角度处。因此，自由层的磁化更易于远离自旋转移力矩的驻点。结果，自由层130的磁化可以通过临界转换电流的施加而更容易转换。随着磁各向异性能中的双轴项(KbiSin2 (2 Θ ))的大小进一步增大，单轴能量曲线160被进一步干扰。能量曲线180示出对于较大的双轴各向异性的能量与角度的关系。曲线180的双轴各向异性仍然小于单轴各向异性。换句话说，双轴各向异性的绝对值仍然小于单轴各向异性的绝对值。然而，在各个实施例中，单轴和双轴各向异性的符号可以相同或不同。由于引入较大的双轴项，所以曲线不再在-η、0和π处具有最小值。而是，最小值182在离开-J1、0和的一角度处。局部最大值184在-J1、0和π处和附近。易磁化轴与最小值182之间的该角度可以大于零且小于π/2。在一些实施例中，该角度至少为31/18且不大于η/4 (10° -45° )。在一些这样的实施例中，该角度至少为/9且不大于π/6(20° -30° )。因此，自由层130的磁化的稳定状态可以在该角度处或该角度附近(也就是，在曲线180的能量最小值处)。自由层130在O附近的稳定状态由点186示出。由于能量曲线180在O处具有局部最大值184，所以点186在最小值182处或附近。图4三维地示出能量曲线180’。在所示的实施例中，曲线180/180’在易磁化轴(角度为O)周围对称。在一些实施例中，自由层130的磁化可以离开单轴易磁化轴至少十度且不超过四十五度。在一些这样的实施例中，自由层130的磁化可以在离开单轴易磁化轴至少十度且不超过四十五度的方向上是稳定的。自由层130的磁各向异性可以被称为锥形各向异性，并且是单轴各向异性和双轴各向异性的结合。自由层130的初始状态中的较大扩展可以表明，自由层130的磁化更可能在离开易磁化轴的较小角度或从易磁化轴倾斜。换句话说，自由层130的磁化更可能在除图3中的零度之外的角度。因此，自由层130的磁化更可能离开自旋转移力矩的驻点。自由层130中双轴各向异性的引入可以改善自由层130的转换特性。在O附近，能量曲线的最小值可以变平坦(能量曲线170)或移动离开O (能量曲线180)。因此自由层130的磁化可以具有稳定状态，该稳定状态从与易磁化轴的对准倾斜。因此自由层130的磁化可以被认为更易于被自旋转移力矩或场感生力矩转换。该特性对应于较低的软错误率。即使在高的(小于十微秒的转移时间)数据速率下也是这样。已经确定，在一些实施例中，该改善可以基本上被实现而对临界转换电流的大小没有不利的影响。此外，磁性结100的热稳定性和对称性可以不被不利的影响。由于不需要外部磁场来转换磁性结100，所以磁性结100可以较好地扩展至更高的存储器密度。因此可以改善磁性结100以及利用该磁性结100的存储器的性能和灵活性。双轴各向异性的引入可以改善自由层130的特性。有三种方法来获得这样的各向异性。图5示出具有双轴各向异性的自由层130’的示范性实施例。还示出非磁间隔层120’。在所示的实施例中，自由层130’可以具有结构感生的、织构感生的和/或磁致伸缩感生的双轴各向异性。除了双轴各向异性之外，自由层130可以具有单轴各向异性。例如，如果自由层130’具有结构上感生的双轴各向异性，则晶体能量系数(Kl=Kbi)在一个方向上增大，而饱和磁化Ms在与第一方向相反的第二方向上增大。用于实现此的一种机制在图6中示出。图6示出具有双轴各向异性的自由层130’’的示范性实施例。自由层130’’也可以具有单轴各向异性。自由层130’’包括多个层。在所示的实施例中，示出四个层132、134、136和138。在其他的实施例中可以使用其他数目的层。层132、134、136和138分别具有饱和磁化Ms1、Ms2、Ms3和Ms4。类似地，层132、134、136和138分别具有双轴晶体能量系数Kbil、Kbil2、Kbil3和Kbil4。如图6中可见，Ms随着越靠近非磁间隔层(在图6中未示出)而增大。类似地，Kbi随着靠近非磁间隔层而减小。这样的多层可以具有双轴各向异性。备选地或除以上机制之外，双轴各向异性可以以另外的方式结构地感生。在其他的实施例中，特定材料的浓度的梯度可以用于实现类似的效果。例如，负Kbi可以用于提供双轴各向异性。此外，一些材料可以更易于产生双轴各向异性。例如，自由层可以包括LaSrMn03、GaAs、MnAs、MnAl、Nd2FeHB, Ho2FeHB, NdFeB、Fe、FeCo、YCo5, N1、含少量 Co 或没有 Co 的铁氧体、CoOFe2O3'FeO-Fe2O3' MnO-Fe2O3^ NiO-Fe2O3' MgO-Fe2O3 中的一种或多种。因此，自由层 130’ /130’ ’ 的结构可以被修改以实现期望的双轴各向异性。在其他的实施例中，双轴各向异性可以被织构地感生。例如，假设提供具有立方各向异性的磁性层。此外，自由层130’可以是具有平面内各向异性的薄膜。结合可以具有由Asin2(0)+Bsin22 0 +Csin2 Θ给出的能量，其中A、B和C是系数。在这样的实施例中，自由层130’’具有与单轴各向异性结合的双轴各向异性。此外，双轴各向异性可以经由自由层130’中的磁致伸缩感生。因此，自由层130’/130’’具有双轴各向异性。结果，当包括在磁性结中时，自由层130/130’可以提供这里描述的一个或多个益处。图7示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结200的示范性实施例。为了清晰，图7没有按比例。磁性结200可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。磁性结200类似于磁性结100，因此包括类似的结构。磁性结200包括可选的籽层202、可选的钉扎层204、被钉扎层210、非磁间隔层220、自由层230和可选的覆盖层240，它们分别类似于可选的籽层102、可选的钉扎层104、被钉扎层110、非磁间隔层120、自由层130和可选的復盖层140。层210、220、230和240分别具有与层110、120、130和140类似的结构和功能。如以上讨论的，自由层230具有双轴各向异性。因此，可以实现上述的益处。此外，自由层230具 有其易磁化轴232，基本上位于平面内。因此，对于自由层230，垂直各向异性能不超过平面外退磁能。由于双轴各向异性，自由层磁化234的稳定状态在离开易磁化轴232的一角度Θ处。该角度Θ对应于能量曲线180的能量最小值。被钉扎层210还示出为具有其被固定在平面内的磁化212。因此，对于被钉扎层210，垂直各向异性能不超过平面外退磁能。然而，在另一实施例中，磁化212可以在另一方向上。图8示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结200’的示范性实施例。为了清晰，图8没有按比例。磁性结200’可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。磁性结200’类似于磁性结100和200，因此包括类似的结构。磁性结200’包括可选的籽层202’、可选的钉扎层204’、被钉扎层210’、非磁间隔层220’、自由层230’和可选的覆盖层240’，它们分别类似于可选的籽层102/202、可选的钉扎层104/204、被钉扎层110/210、非磁间隔层120/220、自由层130/230和可选的覆盖层140/240。层210，、220，、230，和240，分别具有与层110、120、130和140类似的结构和功能。此外，在至少一些实施例中，钉扎层204’可以被省略。如以上讨论的，自由层230’具有双轴各向异性。因此，可以实现上述的益处。此外，自由层230’具有其易磁化轴232’，基本上垂直于平面。因此，自由层230’的平面外退磁能小于垂直各向异性能。由于双轴各向异性，自由层磁化234’的稳定状态在离开易磁化轴232的一角度Θ’处。该角度Θ’对应于能量曲线180的能量最小值。被钉扎层210’还示出为具有其被固定得垂直于平面的磁化。因此，被钉扎层210’的平面外退磁能小于垂直各向异性能，然而，在另一实施例中，磁化212’可以在另一方向上。图9示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结200’’的示范性实施例。为了清晰，图9没有按比例。磁性结200’’可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。磁性结200’’类似于磁性结100/200/200’，因此包括类似的结构。磁性结200’’包括可选的籽层202’ ’、可选的钉扎层204’ ’、被钉扎层210’ ’、非磁间隔层220’ ’、自由层230’ ’和可选的覆盖层240’ ’，它们分别类似于可选的籽层102/202/202’、可选的钉扎层104/204/204’、被钉扎层110/210/210’、非磁间隔层120/220/220’、自由层130/230/230’和可选的覆盖层 140/240/240’。层 210，’、220’ ’、230’ ’ 和 240，’ 分别具有与层 110/210/210’、120/220/220’、130/230/ 230’和140/240/240’类似的结构和功能。如以上讨论的，自由层230’’具有双轴各向异性。 因此，可以实现上述的益处。自由层230’’的易磁化轴没有被示出，因此可以在包括垂直于平面或平面内的期望方向上。此外，被钉扎层210’ ’是包括铁磁层212和216以及非磁间隔层214的SAF。在其他的实施例中，被钉扎层210’’可以包括附加的和/或不同的层。铁磁层212具有经由至钉扎层204’ /的交换耦合或经由另一机制而固定的磁化。参考层216磁耦合到固定磁化层212。图10示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结200’ ’ ’的示范性实施例。为了清晰，图10没有按比例。磁性结200’’’可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。磁性结200’ ’ ’类似于磁性结100/200/200’ /200’ ’，因此包括类似的结构。磁性结200’ ’ ’包括可选的籽层202’ ’ ’、可选的钉扎层204’ ’ ’、被钉扎层210’ ’ ’、非磁间隔层220’ ’ ’、自由层230’ ’ ’和可选的覆盖层240’ ’ ’，它们分别类似于可选的籽层102/202/202’ /202’ ’、可选的钉扎层104/204/204’ /204，，、被钉扎层 110/210/210’/210’’、非磁间隔层 120/220/220’/220’’、自由层 130/230/230’/230’ ’和可选的覆盖层 140/240/240’/240’ ’。层 210’ ’ ’、220’ ’ ’、230’ ’ ’ 和 240’ ’ ’ 分别具有与层 110/210/210’ /210’ ’、120/220/220’ /220’ ’、130/230/230’/230’’和140/240/240’/240’’类似的结构和功能。如以上讨论的，自由层230’’’具有双轴各向异性。因此，可以实现上述的益处。自由层230’’’的易磁化轴没有被示出，因此可以在包括垂直于平面或平面内的期望方向上。此外，自由层230，’ ’是包括铁磁层232和236以及非磁间隔层234的SAF。铁磁层232和236被磁耦合。在一些实施例中，层232和236被反铁磁排列。在其他实施例中，层232和236被铁磁排列。自由层230’’’还可以包括附加的和/或不同的层。在各个实施例中，铁磁层232和236中的一个或两个包括双轴各向异性。因此，可以实现这里论述的益处。图11示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结200’ ’ ’ ’的示范性实施例。为了清晰，图11没有按比例。磁性结200’’’’可以使用在磁存储器诸如 STT-RAM 中。磁性结 200，’ ’ ’ 类似于磁性结 100/200/200，/200，’ /200，’ ’，因此包括类似的结构。磁性结200’’’’包括可选的籽层202’’’’、可选的钉扎层204’ ’ ’ ’、被钉扎层210’ ’ ’ ’、非磁间隔层220’ ’ ’ ’、自由层230’ ’ ’ ’和可选的覆盖层240，’ ’ ’，它们分别类似于可选的籽层102/202/202’ /202，’ /202，’ ’、可选的钉扎层 104/204/204’ /204，’ /204，’ ’、被钉扎层 110/210/210’ /210，’ /210，’ ’、非磁间隔层120/220/220’ /220，’ /220，’ ’、自由层 130/230/230’ /230，’ /230，’ ’ 和可选的覆盖层140/240/240’ /240，’ /240，’ ’。层 210，’ ’ ’、220’ ’ ’ ’、230’ ’ ’ ’ 和 240，’ ’ ’ 分别具有与层110/210/210’/210’ ’/210’ ’ ’、120/220/220’/220’ ’/220’ ’ ’、130/230/230’/230’ ’/230’ ’ ’和140/240/240’ /240’ ’ /240’ ’ ’类似的结构和功能。如以上讨论的，自由层230’ ’ ’ ’具有双轴各向异性。因此，可以实现上述的益处。自由层230’’’’的易磁化轴没有被示出，因此可以在包括垂直于平面或平面内的期望方向上。在所示的实施例中，自由层230’ ’ ’ ’和被钉扎层210’ ’ ’ ’每个是SAF。被钉扎层210’’’’包括铁磁层212’和216’以及非磁间隔层214’。铁磁层212’具有经由到钉扎层204’’’’的交换耦合或经由另一机制而固定的磁化。参考层216’磁耦合到固定磁化层214’。因此自由层230’’’’包括铁磁层232’和236’以及非磁间隔层234’。铁磁层232’和236’被磁稱合。在一些实施例中，层232’和236’被反铁磁排列。在其他实施例中，层232’和236’被铁磁排列。在各个实施例中，铁磁层232’和236’中的一个或两者包括双轴各向异性。因此，可以实现这里论述的益处。图12示出包括具有双轴各向异性的自由层的磁性结300的示范性实施例。为了清晰，图12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100/200/200’ /200’ ’ /200’ ’ ’ ’，因此包括类似的结构。磁性结300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370，它们分别类似于可选的籽层102/202/202’ /202’ ’ /202’ ’ ’ /202’ ’ ’ ’、可选的钉扎层104/204/204’ /204’ ’ /204’ ’ ’ /204’ ’ ’ ’、被钉扎层 110/210/210’ /210’ ’ /210’ ’ ’ /210’ ’ ’ ’、非磁间隔层 120/220/220’ /220’ ’ /220’ ’ ’ /220’ ’ ’ ’、自由层 130/230/230’ /230’ ’ /230’ ’ ’ /230’ ’ ’
’和可选的覆盖层 140/240/240’ /240，’ /240，’ ’ /240，’ ’ ’。层 310、320、330 和 370 分别具有与层 110/210/210，/210，’ /210，’ ’ /210，’ ’ ’、120/220/220，/220，’ /220，’ ’ /220，，，，、130/230/230’ /230，’ /230，’ ’ /230，’ ’ ’ 和 140/240/240’ /240，’ /240，’ ’ /240，’ ’ ’ 类似的结构和功能。自由层330的易磁化轴没 有被示出，因此可以在包括垂直于平面或平面内的期望方向上。磁性结300还包括附加的非磁间隔层340、附加的被钉扎层350、可选的附加钉扎层360。非磁间隔层340类似于非磁间隔层320。附加的被钉扎层350和可选的附加钉扎层360分别类似于层310和304。因此，磁性结300是双结。例如，如果非磁间隔层320和340是绝缘隧穿势垒层诸如MgO，则磁性结300是双MTJ。如果非磁间隔层320和340是导电的，则磁性结300是双自旋阀。对于非磁间隔层320和340还可以有其他结构。此外，非磁间隔层320和340不需要相同。自由层330具有双轴各向异性。此外，自由层330可以类似于自由层130、230、230’、230’’、230’’’和/或230’’ ’ ’中的任一个。因此，在双磁隧穿结中可以实现上述益处。例如，磁性结300可以具有较低的软错误率而不牺牲热稳定性、可扩展性或低的临界转换电流。已经公开了各种磁性结100、200、200，、200，’、200，’ ’、200，’ ’ ’ 和 300。注意，磁性结100、200、200，、200，’、200，’ ’、200，’ ’ ’和300的各个特征可以结合。因此，磁性结100、200,200'、200，’、200，’ ’、200，’ ’ ’和300的一个或多个益处诸如减小的软错误率、垂直各
向异性、热稳定性和/或可扩展性可以被实现。此外，磁性结100、200、200，、200，’、200，’ ’、200，’ ’ ’和300可以使用在磁存储器
中。图13示出一个这样的存储器400的示范性实施例。磁存储器400包括读/写列选择驱动器402和406以及字线选择驱动器404。注意，可以提供其他和/或不同的部件。存储器400的存储区域包括磁存储单元410。每个磁存储单元包括至少一个磁性结412和至少一个选择器件414。在一些实施例中，选择器件414是晶体管。磁性结412可以是磁性结100、200、200’、200’’、200’’ ’、200’’ ’ ’和300中的一个。尽管每个单元410示出一个磁性结412，但是在其他实施例中，每个单元可以提供其他数目的磁性结412。因而，磁存储器400可以享有上述益处，诸如 较低的软错误率和低临界转换电流。图14示出用于制造磁性子结构的方法500的示范性实施例。为了简化，某些步骤可以被省略或结合。结合磁性结100的上下文来描述方法500。然而，方法500可以使用在其他的磁性结诸如结200、200’、200’’、200’’’、200’’’’和/或300。此外，方法500可以被结合到磁存储器诸如磁存储器400的制造中。因此，方法500可以使用在STT-RAM或其他的磁存储器的制造中。方法500可以在提供籽层102和可选的钉扎层104之后开始。被钉扎层110经由步骤502提供。步骤502可以包括沉积期望的材料至被钉扎层110的期望厚度。此外，步骤502可以包括提供SAF。非磁层120经由步骤504提供。步骤504可以包括沉积期望的非磁材料，包括但不限于晶体MgO。此外，期望厚度的材料可以在步骤502中沉积。具有双轴各向异性的自由层130经由步骤506提供。在一些实施例中，步骤506可以通过沉积多层、SAF和/或其他结构来完成。然后经由步骤508完成制造。例如，可以提供覆盖层140。在其他的实施例中，可以提供附加的间隔层340、附加的被钉扎层350和可选的附加的钉扎层360。在一些实施例中，其中磁性结的层被沉积为叠层然后被定义，步骤508可以包括定义磁性结100，进行退火或者完成磁性结100的制造。此外，如果磁性结100被包括在存储器诸如STT-RAM400中，步骤508可以包括提供存储器400的接触、偏置结构和其他部分。
因此，形成磁性结100、200、200’、200’’、200’’ ’、200’’ ’ ’ 和 / 或 300。因此，可以实现磁性结的益处。已经描述了提供磁性结的方法和系统以及利用磁存储器元件/磁性子结构制造的存储器。该方法和系统已经根据所示的示范性实施例来描述，本领域普通技术人员将易于理解，可以对实施例进行改变，任何变化将在所述方法和系统的精神和范围内。因此，本领域普通技术人员可以 进行许多修改而不背离所附权利要求书的精神和范围。
权利要求
1.一种用于磁器件中的磁性结，包括 被钉扎层； 非磁间隔层；和 自由层，具有磁各向异性，所述非磁间隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间，所述磁各向异性的至少一部分是双轴各向异性； 其中所述磁性结被配置为使得当写电流经过所述磁性结时所述自由层可在多个稳定的磁状态之间转换。
2.如权利要求1所述的磁性结，其中所述磁各向异性包括单轴各向异性和双轴各向异性。
3.如权利要求2所述的磁性结，其中所述单轴各向异性对应于易磁化轴，其中所述磁各向异性对应于在离开所述易磁化轴的一角度处具有至少一个最小值的磁各向异性能。
4.如权利要求3所述的磁性结，其中所述角度是非零的。
5.如权利要求4所述的磁性结，其中所述角度至少为十度且不超过四十五度。
6.如权利要求5所述的磁性结，其中所述角度至少为二十度且不超过四十度。
7.如权利要求2所述的磁性结，其中所述单轴各向异性的绝对值大于所述双轴各向异性的绝对值。
8.如权利要求1所述的磁性结，其中所述双轴各向异性是晶体感生的。
9.如权利要求8所述的磁性结,其中所述自由层包括LaSrMn03、GaAs、MnAs、MnAl、Nd2Fel4B、Ho2Fel4B、NdFeB、Fe、FeCo、YCo5、Co0Fe203、Fe0_Fe203、Mn0_Fe203、NiO-Fe2O3'MgO-Fe2O3中的至少一种。
10.如权利要求1所述的磁性结，其中所述双轴各向异性是结构感生的。
11.如权利要求10所述的磁性结，其中所述自由层具有饱和磁化和晶体各向异性能系数，所述饱和磁化在第一方向上增大，所述晶体各向异性能系数在与所述第一方向相反的第二方向上增大。
12.如权利要求11所述的磁性结，其中所述自由层基本在平面内，所述第一方向基本垂直于所述平面。
13.如权利要求12所述的磁性结，其中所述自由层包括多个子层，多个层的每个具有子层饱和磁化和子层晶体各向异性能系数，所述子层饱和磁化对所述饱和磁化有贡献，使得所述饱和磁化在所述第一方向上增大，所述子层晶体各向异性能系数对所述晶体各向异性能系数有贡献，使得所述晶体各向异性能系数在所述第二方向上增大。
14.如权利要求1所述的磁性结，其中所述双轴各向异性是磁致伸缩感生的。
15.如权利要求1所述的磁性结，其中所述非磁间隔层是隧穿势垒层。
16.如权利要求1所述的磁性结，其中所述非磁间隔层是导电间隔层。
17.如权利要求1所述的磁性结，其中所述被钉扎层包括参考层、间隔层和固定磁化层，所述间隔层位于所述参考层与所述固定磁化层之间。
18.如权利要求1所述的磁性结，其中所述自由层包括垂直各向异性能和平面外退磁能，所述平面外退磁能小于所述垂直各向异性能。
19.如权利要求18所述的磁性结，其中所述被钉扎层包括被钉扎层垂直各向异性能和被钉扎层平面外退磁能，所述被钉扎层平面外退磁能小于所述被钉扎层垂直各向异性能。
20.如权利要求1所述的磁性结，其中所述自由层包括垂直各向异性能和平面外退磁能，所述平面外退磁能大于或等于所述垂直各向异性能。
21.如权利要求1所述的磁性结，还包括 附加的被钉扎层；和 附加的非磁间隔层，所述附加的非磁间隔层位于所述自由层与所述附加的被钉扎层之间。
22.如权利要求21所述的磁性结，其中所述非磁间隔层和所述附加的非磁间隔层中的至少一个包括晶体MgO。
23.一种用在磁器件中的磁性结，包括 被钉扎层； 非磁间隔层，包括晶体MgO ;和 自由层，具有包括单轴各向异性和双轴各向异性的磁各向异性，所述非磁间隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间，所述单轴各向异性对应于易磁化轴，所述磁各向异性对应于在离开所述易磁化轴的一角度处具有至少一个最小值的磁各向异性能，所述角度至少为十度且不超过二十度，所述自由层包括垂直各向异性能和平面外退磁能，所述平面外退磁能小于所述垂直各向异性能； 其中所述磁性结配置为当写电流经过所述磁性结时所述自由层可在多个稳定磁状态之间转换。
24.如权利要求23所述的磁性结，还包括 附加的被钉扎层；和 附加的非磁间隔层，所述附加的非磁间隔层位于所述自由层与所述附加的被钉扎层之间，所述附加的非磁间隔层包括MgO。
25.—种磁存储器,包括 多个磁存储单元，所述磁存储单元的每个包括至少一个磁性结，所述至少一个磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和具有磁各向异性的自由层，所述非磁间隔层位于所述被钉扎层与所述自由层之间，所述磁各向异性的至少一部分是双轴各向异性，所述至少一个磁性结配置为当写电流经过所述磁性结时允许所述自由层在多个稳定的磁状态之间转换。
26.如权利要求25的所述的磁存储器，其中所述磁各向异性包括单轴各向异性和双轴各向异性。
27.如权利要求26的所述的磁存储器，其中所述单轴各向异性对应于易磁化轴，其中所述磁各向异性对应于在离开所述易磁化轴的一角度处具有至少一个最小值的磁各向异性能。
28.如权利要求27的所述的磁存储器，其中所述角度至少为十度且不超过四十五度。
29.如权利要求28所述的磁存储器，其中所述角度至少为二十度且不超过四十度。
30.如权利要求2所述的磁存储器，其中所述单轴各向异性的绝对值大于所述双轴各向异性的绝对值。
31.如权利要求26所述的磁存储器，其中所述双轴各向异性是晶体感生、结构感生和磁致伸缩感生中的至少一种。
32.如权利要求31所述的磁存储器，其中所述自由层包括LaSrMn03、GaAs、MnAs、MnAl、Nd2Fel4B、Ho2Fel4B、NdFeB、Fe、FeCo、YCo5、Co0Fe203、FeO-Fe2O3^ MnO-Fe2O3^ NiO-Fe2O3^MgO-Fe2O3中的至少一种。
33.如权利要求31所述的磁存储器，其中所述自由层具有饱和磁化和晶体各向异性能系数，所述饱和磁化在第一方向上增大，所述晶体各向异性能系数在与所述第一方向相反的第二方向上增大。
34.如权利要求33所述的磁存储器，其中所述自由层基本在平面内，所述第一方向基本垂直于所述平面。
35.如权利要求34所述的磁存储器，其中所述自由层包括多个子层，多个层的每个具有子层饱和磁化和子层晶体各向异性能系数，所述子层饱和磁化对所述饱和磁化有贡献，使得所述饱和磁化在所述第一方向上增大，所述子层晶体各向异性能系数对所述晶体各向异性能系数有贡献，使得所述晶体各向异性能系数在所述第二方向上增大。
36.如权利要求25所述的磁存储器，其中所述非磁间隔层是隧穿势垒层。
37.如权利要求25所述的磁存储器，其中所述被钉扎层包括参考层、间隔层和固定磁化层，所述间隔层位于所述参考层与所述固定磁化层之间。
38.如权利要求25所述的磁存储器，其中所述自由层包括垂直各向异性能和平面外退磁能，所述平面外退磁能小于所述垂直各向异性能。
39.如权利要求25所述的磁存储器，其中所述自由层包括垂直各向异性能和平面外退磁能，所述平面外退磁能大于或等于所述垂直各向异性能。
40.如权利要求25所述的磁存储器，其中所述磁性结还包括 附加的被钉扎层；和 附加的非磁间隔层，所述附加的非磁间隔层位于所述自由层与所述附加的被钉扎层之间。
41.如权利要求21所述的磁性结，其中所述非磁间隔层和所述附加的非磁间隔层中的至少一个包括晶体MgO。
全文摘要
描述了用于提供可在磁器件中使用的磁性结的方法和系统。该磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。非磁间隔层在被钉扎层与自由层之间。自由层具有磁各向异性，该磁各向异性的至少一部分是双轴各向异性。磁性结被配置为使得当写电流经过磁性结时自由层可在多个稳定的磁状态之间转换。
文档编号H01F10/32GK103069602SQ201180039196
公开日2013年4月24日 申请日期2011年7月28日 优先权日2010年8月11日
发明者D.阿帕尔科夫 申请人:格兰迪斯股份有限公司