磁性結及其使用方法和磁存儲器及系統的制作方法

專利名稱：磁性結及其使用方法和磁存儲器及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及磁存儲領域。
背景技術：
磁存儲器，特別地磁隨機存取存儲器(MRAM)由于其高的讀/寫速度、良好的耐久性、非易失性和操作期間低的功耗等潛力而引起日益增大的興趣。MRAM能夠利用磁性材料作為信息記錄介質來存儲信息。一種類型的MRAM是自旋轉移轉矩隨機存取存儲器(STT-RAM)。STT-RAM使用通過驅動經過磁性結的電流被至少部分寫入的磁性結。驅動經過磁性結的自旋極化電流對磁性結中的磁矩施加自旋轉矩。結果，具有響應于自旋轉矩的磁矩的層可以被切換到期望的狀態。例如，圖I示出常規磁隧穿結(MTJ)IO，其可以使用在常規STT-RAM中。常規MTJlO通常位于底接觸11上，使用常規籽層12并包括常規反鐵磁(AFM)層14、常規被釘扎層16、常規隧穿勢壘層18、常規自由層20和常規蓋層22。還示出頂接觸24。常規接觸11和24用于在電流垂直于平面(CPP)方向或沿著如圖I所示的z軸驅動電流。常規籽層12通常用于幫助具有期望的晶體結構的后續層諸如AFM層14的生長。常規隧穿勢壘層18是非磁的并且是例如薄絕緣體諸如MgO。常規被釘扎層16和常規自由層20是磁性的。常規被釘扎層16的磁化17通常通過與AFM層14的交換偏置相互作用而被固定或被釘扎在特定方向。盡管示出為簡單(單個)層，但是常規被釘扎層16可以包括多個層。例如，常規被釘扎層16可以是包括通過薄的導電層諸如Ru而反鐵磁或鐵磁地耦合的磁性層的綜合反鐵磁(SAF)層。在這樣的SAF中，可以使用交插有Ru薄層的多個磁性層。此外，常規MTJlO的其它形式可包括通過額外非磁勢壘或導電層(未示出)與自由層20分隔開的額外被釘扎層(未示出)。常規自由層20具有可改變的磁化21。盡管被示出為簡單的層，但是常規自由層20也可以包括多個層。例如，常規自由層20可以是綜合層，包括通過薄的導電層諸如Ru而反鐵磁或鐵磁地耦合的磁性層。盡管示出為在平面內，但是常規自由層20的磁化21可以具有垂直各向異性。為了切換常規自由層20的磁化21，電流被垂直于平面(在z方向上)驅動。當足夠的電流從頂接觸24驅動到底接觸11時，常規自由層20的磁化21可以切換為平行于常規被釘扎層16的磁化17。當足夠的電流從底接觸11驅動到頂接觸24時，自由層的磁化21可以切換為反平行于被釘扎層16的磁化。磁配置的差異對應于不同的磁阻并由此對應于常規MTJlO的不同邏輯狀態(例如，邏輯“O”或邏輯“ I ”)。盡管常規MTJlO可以使用自旋轉移寫入并使用在STT-RAM中，但是存在缺點。例如，切換常規自由層20的磁矩所需的電流會是高的。由于很多原因，高電流是不期望的。較高的電流消耗較多的功率，具有較高的可能性導致對常規隧穿勢壘18的損傷，并會具有導致較低編程速率的較高上升時間。因此，仍期望改善使用常規MTJ的存儲器的性能。

發明內容
示范性實施例提供使用可用于磁器件中的磁性結。該磁性結包括被釘扎層、非磁間隔層和自由層。該非磁間隔層在被釘扎層和自由層之間。磁性結被構造為使得當寫入電流流經磁性結時自由層可在多個穩定的磁性狀態之間切換。自由層和被釘扎層中的至少一個包括至少一種半金屬(half metal)ο


圖I示出使用自旋轉移轉矩切換的常規磁隧穿結。圖2示出磁性結的示范性實施例。圖3示出磁性結的另一示范性實施例。圖4示出磁性結的另一示范性實施例。 圖5示出磁性結的另一示范性實施例。圖6示出磁性結的另一示范性實施例。圖7示出磁性結的另一示范性實施例的一部分。圖8示出磁性結的另一示范性實施例。圖9示出磁性結的另一示范性實施例。圖IOA和IOB示出磁性結的另一示范性實施例。圖11示出磁性結的另一示范性實施例。圖12示出在存儲單元的存儲元件中使用磁性結的存儲器的示范性實施例。圖13是示出提供磁性結的方法的示范性實施例的流程圖。
具體實施例方式示范性實施例涉及可用于磁器件諸如磁存儲器的磁性結以及使用這樣的磁性結的器件。以下的描述被給出以使得本領域普通技術人員能夠制作并使用本發明，并在本申請的上下文及其要求中來提供描述。對這里描述的示范性實施例以及一般原理和特征的各種修改將是容易明白的。示范性實施例主要就在具體實現中提供的具體方法和系統而言來描述。然而，方法和系統將在其它實施方式中有效工作。用語諸如“示范性實施例”、“一個實施例”和“另一實施例”可以指代相同或不同的實施例以及多個實施例。實施例將關于具有特定部件的系統和/或器件來描述。然而，系統和/或器件可以包括比示出的部件更多或更少的部件，可以進行部件的布置和類型的變化而不背離本發明的范圍。示范性實施例還可在具有特定步驟的特定方法的上下文中來描述。然而，方法和系統對于具有不同和/或額外步驟以及與示范性實施例不一致的不同次序的步驟的其它方法也有效工作。因此，本發明并不旨在被限制到示出的實施例，而是應被給予與這里描述的原理和特征一致的最寬范圍。示范性實施例在具有特定部件的特定磁性結和磁存儲器的上下文中來描述。本領域普通技術人員將容易地理解，本發明與具有其它和/或額外部件和/或與本發明不一致的其它特征的磁性結和磁存儲器的使用是一致的。方法和系統也在對自旋轉移現象、磁各向異性和其它物理現象的當前理解的上下文中來描述。因此，本領域普通技術人員將容易地理解，方法和系統的行為的理論解釋是基于對自旋轉移、磁各向異性和其它物理現象的當前的理解而進行。然而，這里描述的方法和系統并不取決于特定的物理解釋。本領域普通技術人員也將容易地理解，方法和系統在與襯底具有特定關系的結構的上下文中來描述。然而，本領域普通技術人員將容易地理解，方法和系統與其它的結構是一致的。此外，方法和系統在特定層是綜合和/或簡單的上下文中來解釋。然而，本領域普通技術人員將容易地理解，所述層可以具有另外的結構。此外，方法和系統在具有特定層的磁性結和/或子結構的上下文來描述。然而，本領域普通技術人員將容易地理解，也可以使用與所述方法和系統不一致的具有額外和/或不同層的磁性結和/或子結構。此外，特定的部件被描述為磁性的、鐵磁的和亞鐵磁的。這里所用時，術語磁性可以包括鐵磁的、亞鐵磁的或類似結構。因此，這里所用時，術語“磁性的”或“鐵磁的”包括但不限于鐵磁體和亞鐵磁體。方法和系統還在單個磁性結和子結構的上下文來描述。然而，本發明普通技術人員將容易地理解，方法和系統與具有多個磁性結和使用多個子結構的磁存儲器的使用是一致的。此外，這里所用時，“平面內”是基本在磁性結的一個或多個層的平面內或平行于該平面。相反，“垂直于平面”或“離面”對應于基本垂直于磁性結的一個或多個層的方向。圖2示出可用于磁存儲器或其它器件中的磁性結100的示范性實施例。例如，磁性結100可以是磁隧穿結(MTJ)、自旋閥或彈道(ballistic)磁阻結構或一些其組合。磁性 結100可以使用在各種應用中。例如，磁性結可以使用在磁存儲器諸如STT-RAM中。為了清晰，圖2沒有按比例。磁性結100包括被釘扎層110、非磁間隔層120和自由層130。還示出可選的釘扎層102，其可以是反鐵磁(AFM)層，諸如PtMn。盡管層102、110、120和130被示出為具有特定的取向，但是該取向可以在其它的實施例中改變。例如，被釘扎層110可以在磁性結100的頂部(離沒有示出的基板最遠)。為了簡化，沒有示出可能存在的其它層，諸如籽層和/或蓋層。非磁間隔層120可以是隧穿勢壘層。在一些實施例中，間隔層120是MgO。在一些這樣的實施例中，非磁間隔層120是晶體MgO，其可以增強磁性結100的隧穿磁阻(TMR)。在其它的實施例中，間隔層可以是導體，諸如Cu。在備選的實施例中，非磁間隔層120可以具有另外的結構，例如在絕緣基質中包含導電通道的顆粒層。在示出的實施例中，層110的磁化111和層130的磁化131是平面內的。然而，其他的取向是可能的。另外，由于自由層130的磁化是可改變的，所以磁化由易磁化軸131來表示。磁性結100構造為使得自由層磁化131可利用驅動經過磁性結的電流來切換。因此，磁性結100利用自旋轉移轉矩來切換。在一些實施例中，除了自旋轉移轉矩之外或者代替自旋轉移轉矩，還可以利用其他的現象來切換磁性結。在一些實施例中，被釘扎層110和自由層130可以包括鐵磁材料。因此，層110和130可以包括Ni、Fe和Co中的一種或多種，特別是以合金的形式。在一些實施例中，層110和130包括CoFe。層110和130配置為在室溫穩定。例如，層110和130的磁各向異性能可以為kbT的至少六十倍。盡管層110和130示出為簡單的層，但是在其他的實施例中，層110和130中的一個或多個可以為多層。例如，被釘扎層110和/或自由層130可以是包括通過薄層諸如Ru反鐵磁或鐵磁地耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中。可以使用交插有Ru或其他材料的薄層的多個磁性層。層110和/或130也可以是另外的多層。被釘扎層110和/或自由層130包括半金屬。在一些實施例中，被釘扎層110和/或自由層130由半金屬構成。在其他的實施例中，被釘扎層110和/或自由層130中的多層包括半金屬層。例如，被釘扎層110和/或自由層130在與間隔層120的界面處可以具有包括半金屬的層。在其他的實施例中，被釘扎層110和/或自由層130可以是包括一種或多種半金屬的合金。半金屬可以具有非常高的自旋極化。自旋極化(P)可以被定義為在費米能級處鐵磁材料中向上(向下)自旋的百分比減去向下(向上)自旋的百分比。大部分常見的磁材料，諸如Fe、Co、Ni及其合金具有小于50%的低P。半金屬是具有非常高的P(接近100%)的鐵磁體，其在一個自旋取向上是金屬性的而在其他自旋取向上是絕緣的。已經發現的一些半金屬材料包括Cr02、Sr2FeMoO6, (LaO. 7SrO. 3)MnO3> Fe3O4和NiMnSb。可以被使用的其他半金屬材料包括T=XYZ類型的所有化合物，其中X為Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt 或 Au ；Y 為 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu ;Ζ為Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb、Bi。半金屬材料還可以包括以上列出的任意或所有化合物T通過添加材料M而制得的TM化合物，其中M為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,諸如猛氧化物的半金屬氧化物包括RE1JMxMnO3，其中χ小于或等于1，M為Ca、Sr、Ba或Pb，RE為稀土金屬諸如La、Ce、Pr、Nd、 Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 或 Lu 或者堿土金屬諸如 Be、Mg、Ca、Sr、Ba 或 Ra。可以被使用的其他半金屬氧化物包括雙鈣鈦礦A2MT O6，其中A為上述稀土金屬或堿土金屬(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，為從以下的 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中選出的兩種不同的元素。半金屬還可以包括CrO2和Fe304。在操作中，寫入電流被驅動經過磁性結100。取決于寫入電流的方向，自由層130可以被切換使得其磁化131平行于或反平行于磁化111。在一些實施例中，磁場諸如外部磁場被施加在自由層期望被切換到的方向上，從而改善自由層130的切換特性。因此，自由層130利用自旋轉移可切換。為了讀取由磁性結100存儲的數據，讀取電流可以被驅動經過磁性結100。基于被釘扎層110的磁化111和自由層130的磁化131的相對取向而提供磁阻。磁性結100可以具有改善的性能。當高自旋極化半金屬材料用作磁性結中的磁層時，求反自少量的(理論上對于理想的半金屬為零)少數自旋的反向角動量也可以是少的。反向角動量的減少導致更小的切換電流。切換電流是利用自旋轉移來切換自由層130的磁化所需要的電流。切換電流的減小可以是明顯的。在一些實施例中，假設在自由磁層中為相干電子散射，當從35%自旋極化的材料變到80%自旋極化的材料時，切換電流可以理論上減小超過5個數量級。圖3示出磁性結100'的示范性實施例。例如，圖3沒有按比例。磁性結100'類似于磁性結100。因此，相似的部件被相似地標記。因此磁性子結構100'包括第一被釘扎層110'、第一非磁間隔層120'和自由層130',它們類似于第一被釘扎層110、第一非磁間隔層120和自由層130。磁性結100'還包括第二非磁間隔層140和第二被釘扎層150。還可以提供第二可選釘扎層160。層110'、120'和130'的結構和功能分別類似于層110、120和130的結構和功能。此外，額外的非磁間隔層140和額外的被釘扎層150以及可選的釘扎層160被示出。額外的非磁間隔層140類似于間隔層120'。非磁間隔層140可以是隧穿勢壘層，諸如MgO。在一些這樣的實施例中，非磁間隔層140是晶體MgO。在其他的實施例中，非磁間隔層140可以是導體，諸如Cu。在備選的實施例中，非磁間隔層140可以具有另外的結構，例如在絕緣基質中包括導電通道的顆粒層。額外的被釘扎層150類似于被釘扎層110'。被釘扎層150的結構和功能可以類似于被釘扎層110'的結構和功能。因此，被釘扎層150的磁化151被固定。此外，被釘扎層150可以包括半金屬。因此，被釘扎層110'、自由層130'和被釘扎層150的一個或多個包括半金屬。層11(V Λ30'和/或150可以由半金屬組成，可以包括包含半金屬的一個或多個層，或者可以具有其中包括半金屬的其它結構。磁性結10(V以類似于磁性結100的方式來操作。磁性結10(V享有類似于磁性結100的益處。例如，在層11(V Λ30'和150的一個或多個中的半金屬的使用可以導致低的切換電流。因此,可以改善磁性結10(V的性能。此外，磁性結10(V是雙結。因而，磁性結IOOi的自旋轉移轉矩可以大于磁性結100的自旋轉移轉矩。因此可以增強磁性結10(V的性能。
圖4示出磁性結200的示范性實施例。為了清晰，圖4沒有按比例。磁性結200類似于磁性結100。因此，相似的部件被相似地標記。磁性結200因此包括第一被釘扎層210、第一非磁間隔層220和自由層230,它們分別類似于第一被釘扎層110、第一非磁間隔層120和自由層130。層210、220和230的結構和功能分別類似于層110、120和130的結構和功能。因
此非磁間隔層220可以是隧穿勢壘層、導電層，或具有另外的結構，諸如在絕緣基質中包括導電通道的顆粒層。被釘扎層210和自由層230分別類似于層110和130。因此，層210和230中的一個或多個包括半金屬。層210和/或230可以由半金屬組成，可以包括包含半金屬的一個或多個層，或者可以具有其中包含半金屬的另外的結構。然而，層210和230的磁化垂直于平面。磁性結200以類似于磁性結100的方式操作。磁性結200享有類似于磁性結100的益處。例如，在層210和230的一個或多個中的半金屬的使用可以導致低的切換電流。因此，可以改善磁性結200的性能。此外，磁化211和231是離面取向的。因而，磁性結200的切換可以在低的電流完成。因此，可以進一步增強磁性結200的性能。圖5示出磁性結200'的示范性實施例。為了清晰，圖5沒有按比例。磁性結200'類似于磁性結200。因此，相似的部件被相似地標記。磁性結200'因此包括第一被釘扎層210'、第一非磁間隔層220'和自由層230',它們類似于第一被釘扎層210、第一非磁間隔層220和自由層230。磁性結200'還包括第二非磁間隔層240和第二被釘扎層250。層210'、220'和230'的結構和功能分別類似于層210、220和230的結構和功能。此外，示出額外的非磁間隔層240和額外的被釘扎層250。額外的非磁間隔層240類似于間隔層220'。非磁間隔層240可以是隧穿勢壘層諸如MgO (晶體的或其他的)、導體諸如Cu，或者可以具有另外的結構，例如在絕緣基質中包括導電通道的顆粒層。額外的被釘扎層250類似于被釘扎層210'。被釘扎層250的結構和功能可以類似于被釘扎層210'。被釘扎層250的磁化251由此被固定。此外,被釘扎層250可以包括半金屬。因此，被釘扎層210'、自由層230'和被釘扎層250的一個或多個包括半金屬。層210'、230'和/或250可以由半金屬組成,可以包括包含半金屬的一個或多個層,或者可以具有其中包括半金屬的另外的結構。磁性結20(V以類似于磁性結200的方式來操作。磁性結20(V享有類似于磁性結200的益處。例如，在層21(V ,230'和250的一個或多個中的半金屬的使用可以導致低的切換電流，該切換電流僅垂直于平面取向。因此，可以改善磁性結200'的性能。此外，磁性結200'是雙結。因而，磁性結200'的自旋轉移轉矩可以大于磁性結200的自旋轉移轉矩。因此可以增強磁性結200'的性能。圖6示出在磁器件例如磁存儲器諸如STT-RAM中使用的磁性結300的示范性實施例。為了清晰，圖6沒有按比例。磁性結300包括被釘扎層310、非磁間隔層320和自由層330。還不出可選的釘扎層304,其可以用于固定被釘扎層310的磁化(未不出)。在一些實施例中，可選的釘扎層304可以是通過交換偏置相互作用來釘扎被釘扎層310的磁化(未示出)的AFM層或多層。然而，在其他的實施例中，可以省略可選的釘扎層304或者可以使用另外的結構。此外，磁性結300可以包括其他和/或額外的層諸如可選的籽層302和/或可選的蓋層340。磁性結300也被構造為當寫入電流流經磁性結300時允許自由層330在 穩定的磁狀態之間切換。因此，利用自旋轉移轉矩自由層330可切換。被釘扎層310是磁性的并由此可以包括Ni、Fe和Co中的一種或多種，特別是以合金的形式。盡管示出為簡單的層，但是被釘扎層310可以包括多個層。例如，被釘扎層310可以是包括通過薄層諸如Ru反鐵磁或鐵磁地耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用交插有Ru或其他材料的薄層的多個磁性層。被釘扎層310還可以是另外的多層。盡管在圖6中沒有示出磁化，但是自由層可以具有超過離面退磁能的垂直各向異性能。在示出的實施例中，易磁化錐(easy cone)的對稱軸基本正交于自由層的平面。在另一實施例中，自由層中的垂直各向異性可以小于離面退磁能。在這樣的情形下，易磁化錐的對稱軸基本在自由層的平面內。間隔層320是非磁性的。在一些實施例中，間隔層320是絕緣體，例如隧穿勢壘。在這樣的實施例中，間隔層320可以包括晶體MgO，其可以增強磁性結的隧穿磁阻。在其他的實施例中，間隔層可以是導體，諸如Cu。在備選的實施例中，間隔層320可以具有另外的結構，例如在絕緣基質中包括導電通道的顆粒層。自由層330是磁性的并因此可以包括Fe、Ni和/或Co中的至少一種。自由層330具有可通過自旋轉移來切換的可改變磁化(未示出)。自由層330被示出為單個層。在以下描述的其他的實施例中，自由層330可以包括其他的層。自由層330具有易磁化錐(easy cone)磁各向異性。易磁化錐各向異性在圖6中通過磁化M示出。由于易磁化錐各向異性，自由層330的總磁化在離開垂直于磁性結100的層的平面的方向(也就是，圖6中的z軸)的角度處具有相同能量的穩定狀態。該角度也小于離z軸的90度。因此，存在磁化的垂直于平面的分量。在示出的實施例中，易磁化錐的對稱軸沿z軸方向。然而，在其他的實施例中，易磁化錐的對稱軸可以在另外的方向，例如沿平面內的χ或y方向。易磁化錐各向異性可以如下理解。對于易磁化錐各向異性，磁各向異性能在磁性結300的平面的法線處或附近具有局部的最大值。在示出的實施例中，局部極大值在離z軸的零度處或附近。在一些實施例中，局部極大值為kbT的至少十倍，其中kb為波爾茲曼常數，T為磁性結的操作溫度。在其他的實施例中，局部極大值為KbT的至少二十倍。此外，磁各向異性能在離局部極大值的某些角度具有局部最小值。因此，如從圖6中的磁化M和能量可見，自由層的磁化在z軸周圍的某些角度是穩定的。這些穩定狀態形成繞磁性結300的層的平面的法線的錐。因此，自由層330的磁各向異性被稱為“易磁化錐各向異性”。被釘扎層310和/或自由層330包括半金屬。在一些實施例中，被釘扎層310和/或自由層330由半金屬組成。在其他的實施例中，被釘扎層310和/或自由層330中的多層包括半金屬層。在該程度上，層310和330分別類似于層110和130。例如，被釘扎層310和/或自由層330可以具有在與間隔層320的界面處包括半金屬的層。在其他的實施例中，被釘扎層310和/或自由層330可以 是包括一種或多種半金屬的合金。可使用的某些半金屬材料包括以上描述的半金屬材料中的一種或多種。在自由層330中引入易磁化錐各向異性可以改善自由層330的切換特性。由于易磁化錐各向異性，自由層330的磁化可以具有從與磁性結300的層的法線成的直線傾斜(例如，從z軸傾斜)的穩定狀態。該初始非零角度允許自由層330的磁化可更容易被自旋轉移轉矩切換。該特性對應于較低的寫入錯誤率(WER)。即使在小的脈沖寬度(高數據率)下也可以實現低的WER。特別地，寫入錯誤率與寫入電流的斜率可以保持足夠大，即使對于小于IOns的脈沖寬度。在一些實施例中，對于10-30ns或更小的脈沖寬度可以實現10_9或更小的可接受寫入錯誤率。因此，代替利用諸如外部場的機理的輔助切換，易磁化錐各向異性處理了高錯誤率的物理原因。因此，自由層330可以具有改善的寫入錯誤率，即使對于小的脈沖寬度。還可以增強磁性結300的其他性質。磁性結300的熱穩定性和對稱性不會受到不利的影響。在離z軸零度處的磁各向異性能的局部極大值的幅度可以為kbT的二十倍或更大。在離開z軸90度的總體極大值為kbT的至少六十倍。在一些實施例中，該總體極大值將為kbT的至少八十倍或更大。該幅度的總體極大值可以足夠保證磁性結300的熱穩定性。此外，由于可以不要求外部磁場來切換磁性結300，所以磁性結300可以較好地可調整到更高的存儲器密度。磁性結300以及使用磁性結300的存儲器的性能和靈活性可以由此改善。性能可以通過半金屬的使用而進一步增強。具體地，切換電流可以通過被釘扎層310和/或自由層330中半金屬的存在而被進一步減小。因此，可以進一步增強結300的性倉泛。易磁化錐各向異性可以以多種方式在自由層330中獲得。圖7示出可以在磁性結300中使用的另一自由層330'的示范性實施例。為了清晰，圖7沒有按比例。自由層330'類似于自由層330，并由此可以包括類似的結構。自由層330'包括負的垂直各向異性層331和可選的垂直各向異性層335、高垂直各向異性層333、以及相互作用控制層332和可選的相互作用控制層334。在其他的實施例中，自由層330'可以具有其他數目的層。鐵磁層與非磁性的相互作用控制層交替。另外的負各向異性層與高各向異性層交替。例如，如果層330'僅包括三個層，則將包括層331、332和333。如果層330'包括兩個額外的層，則相互作用控制層將分開負垂直各向異性層335和高垂直各向異性層(未示出)。在示出的實施例中，兩個磁性層331和335具有負垂直各向異性Hk。因此，通過其自身，這些層的磁化會保持在膜的平面內。在一些實施例中，層331和335可以包括部分垂直各向異性的效果。換言之，層331和335的垂直各向異性是高的，但是不足以克服離面(out-of-plane)退磁能。部分垂直各向異性減少了使該層的沿z方向的磁化飽和所需要的場。在一些實施例中，部分垂直各向異性場至少為4 Ms的百分之二十且小于4 Ms的百分之九十。其他的磁性層333具有高的垂直各向異性Hk。在一些實施例中，高垂直各向異性的幅度取決于磁性結的尺寸。例如，對于較大的磁性結300，在直徑方面具有在一百納米的數量級的直徑，大的Hk可以大于一千奧斯特(IkOe)。相反，對于具有在十納米數量級的直徑的較小磁性結300，取決于自由層的厚度和飽和磁化，Hk為約五千奧斯特(5k0e)或更大。層331、333和335是鐵磁的并因此包括Fe、Co和Ni中的一種或多種。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層331、333和335中。此外，層331、333和335中的一個或多個可以包括上述半金屬。注意，相同或不同的材料可以用于層331、333和335。層331、333和335的厚度和/或所用的材料的組合以及交換相互作用控制層332和334，可以被剪裁，使得期望的各向異性產生在層331、333和335中。在自由層330'中，高垂直各向異性層333夾設在兩個負各向異性層331和335之間。所得的自由層330'可以具有易磁化錐各向異性。因此，當使用在磁性結中時，自由層330'可以具有改善的寫入錯誤率而不犧牲熱穩定性、可縮放性或低的臨界切換電流。此外，臨界切換電 流可以通過在層331、333和335的一個或多個中使用半金屬而進一步減小。圖8示出包括具有易磁化錐各向異性的自由層的另一磁性結300'的示范性實施例。為了清晰，圖8沒有按比例。磁性結300/可以使用在磁存儲器諸如STT-RAM中。磁性結300;類似于磁性結300并由此包括類似的結構。磁性結30(V包括可選的籽層302'、可選的釘扎層304,、被釘扎層310'、非磁間隔層320,、自由層330 "和可選的覆蓋層340,，它們分別類似于可選的籽層302、可選的釘扎層304、被釘扎層310、非磁間隔層320、自由層330、可選的覆蓋層340。此外，磁性結300'包括額外的非磁間隔層350、額外的被釘扎層360和額外的可選釘扎層370。因此，磁性結30(V是雙結。額外的非磁間隔層350、額外的被釘扎層360和額外的可選釘扎層370類似于非磁間隔層320/320'、被釘扎層310/310'和可選的釘扎層304/304'。被釘扎層360也可以包括一種或多種半金屬。此外，由于磁性結30(V可以是雙結，諸如雙隧穿結，所以用于磁性結30(V的切換電流可以減小，切換特性可以被改善。圖9示出可在磁存儲器或其他器件中使用的磁性結400的示范性實施例。例如，磁性結400可以是磁隧穿結(MTJ)、自旋閥或彈道磁阻結構或它們的某些組合。磁性結400可以使用在各種應用中。例如，磁性結可以使用在磁存儲器諸如STT-RAM中。為了清晰，圖9沒有按比例。磁性結400包括第一被釘扎層410、第一非磁間隔層420、自由層430、第二非磁間隔層440、第二被釘扎層450和偏置結構460。偏置結構460包括磁偏置層480、非磁層470和可選的AFM層490，其可用于將偏置層480的磁化固定在期望的方向。非磁層470配置為減少或斷開被釘扎層450與磁偏置層480之間的磁交換耦合。在一些實施例中，非磁層可以包括Ta、Ru和/或MgO。在其他的實施例中，可以使用其他的材料。在備選的實施例中，層450與480之間的交換耦合可以以另外的方式斷開。盡管層410、420、430、440、450,470和480示出具有特定的取向，但是該取向可以在其他的實施例中改變。例如，被釘扎層410可以在磁性結400的頂部處(離未示出的襯底最遠)。被釘扎層410和450以及自由層430是鐵磁的。因此，層410、430和450可以包括Ni、Fe和Co中的一種或多種，特別是以合金的形式。在一些實施例中，層410、430和/或450包括CoFe。在一些這樣的實施例中，層410、430和450由CoFeB組成。層410、430和450中的一個或多個包括如上所述的半金屬。在一些實施例中，層410、430和/或450由半金屬組成。在其他的實施例中，層410、430和/或450中的多層包括半金屬層。在該程度，層410、430和/或450類似于層110和130。例如，層410、430和/或450可以具有在與間隔層420和/或440的界面處包括半金屬的層。在其他的實施例中，層410、430和/或450可以是包括一種或多種半金屬的合金。可以使用的某些半金屬材料包括上述半金屬材料中的一種或多種。層410、430和450配置為在室溫是穩定的。例如，層410、430和/或450的磁各向異性能可以為kbT的至少六十倍。在一些實施例中，410、430和/或450的磁各向異性能在室溫(約三十攝氏度)為kbT的至少八十倍。盡管層410、430和/或450被示出為簡單的層，但是在其他的實施例中，層410、430和/或450中的一個或多個可以是多層。例如，被釘扎層410和/或自由層430可以是包括通過薄層諸如Ru反鐵磁或鐵磁地耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用交插有Ru或其他材料的薄層的多個磁性層。層410、430 和/或450也可以是另外的多層。被釘扎層410和自由層430是磁性的且在平面內。被釘扎層410具有磁化411。自由層430的可改變磁化由易磁化軸431示出。因此附圖標記431用于指示自由層430的易磁化軸和磁化兩者。層410的磁化411和層430的磁化431基本上是平面內的。因此，層410和430的離面退磁能超過離面各向異性。對于大的單元，離面退磁場接近4 Ms，但是對于較小的單元由于在邊緣處減小的退磁場而通常小于4 π Ms。盡管自由層430的磁化431是平面內的，但是在一些實施例中，自由層430具有高垂直各向異性。換言之，自由層430可以是弱平面內的。例如，在某些這樣的實施例中，自由層430的垂直各向異性能可以接近但小于離面退磁能。例如，垂直各向異性能可以為離面退磁能的至少百分之四十。在某些這樣的實施例中，垂直各向異性能可以為離面退磁能的至少百分之八十。此外在一些實施例中，垂直各向異性能不超過退磁能的百分之九十。高垂直各向異性可以以多種方式實現，包括但不限于使用期望的蓋層，諸如MgO，加之或作為非磁間隔層420和/或440。自由層430也可以具有高阻尼，例如由于摻雜或通過多層的使用。自由層430也可以使用改善自旋轉移、磁阻和/或其他期望的屬性的半金屬性鐵磁材料或其他材料。最后，磁性結400被構造為使得自由層磁化431可利用被驅動經過磁性結的電流來切換。因此，磁性結400利用自旋轉移轉矩。在某些實施例中，除自旋轉移轉矩之外或代替自旋轉移轉矩，可以使用其他現象來切換磁性結。非磁間隔層420和440可以是導電的、隧穿勢壘層、具有導電通道的絕緣層、或其他非磁層，磁性結400為此而具有磁阻。在某些實施例中，間隔層420和/或440為MgO。在某些這樣的實施例中，非磁間隔層420和/或440為晶體MgO，其可以增強磁性結400的隧穿磁阻(TMR)。在其他的實施例中，間隔層420和/或440可以是導體，諸如Cu。在備選的實施例中，非磁間隔層420和/或440可以具有另外的結構，例如在絕緣基質中包括導電通道的顆粒層。偏置結構460提供在自由層430處的磁偏置,其基本垂直于易磁化軸431并在自由層430處為平面內的。在示出的實施例中，磁偏置通過偏置層480提供。因此，偏置層480具有垂直于自由層430的易磁化軸431且在平面內的磁化。換言之，偏置層磁化481沿自由層430的難磁化軸。在某些實施例中，磁偏置具有自由層430的各向異性能的至少百分之二十且不超過百分之六十的磁能。在操作中，寫入電流被驅動經過磁性結400。所產生的自旋轉移轉矩可以使得自由層430的磁化遠離易磁化軸431傾斜。自由層的退磁場因此是非零的。自由層430的磁化然后繞退磁場進動。然后寫入電流可以被去除。由偏置結構460(更具體地，偏置層480)產生的靜態偏置場仍作用于自由層430。沿難磁化軸取向的該偏置場幫助將自由層430的磁化帶回到平面內。由于來自偏置層480的場(未示出)的存在，自由層430的進動磁化將返回到處于平面內。更具體地，當寫入電流從磁性結400去除時，自由層430的磁化然后趨向于返回到平面內的位置。這由于偏置層480產生的偏置場而發生。如果來自偏置結構460的偏置場足夠強，則自由層430可重復地切換到期望的狀態。在這樣的實施例中，偏置場為自由層430的至少百分之二十。在其他的實施例中，磁性結400可以不會可重復地切換，除非寫入電流在特定的時間去除。然而，靜態偏置場的施加仍然增加了電流去除的時間的裕度。因此，可以實現可靠的切換，而對寫入電流的同步具有放寬的容差。
為了讀取由磁性結400存儲的數據，讀取電流可以被驅動經過磁性結400。基于被釘扎層410的磁化411和自由層430的磁化431的相對取向而提供磁阻。磁性結400可以具有改善的特性。磁性結400使用進動的切換。因此，磁性結400可以具有改善(更快)的切換時間。在某些實施例中，切換時間在五十至一百皮秒的數量級。如上討論的，由于偏置結構460引起的偏置場的存在可以使得自由層430的利用自旋轉移轉矩的進動切換更加可靠。更具體地，自由層430的磁化可以被更可靠地帶回到平面內和/或去除寫入電流的同步的裕度可以增大。此外，偏置場是來自磁偏置層480的靜態場。因此，磁偏置隨著器件截面的尺寸的減小而按比例縮放。因此可以改善磁性結400向更小尺寸的可縮放性。磁性結400的性能可以被進一步增強。例如，自由層430的阻尼的增加不改變臨界切換電流，但是更易于使自由層430的磁化陷于其最終狀態。因此，切換更可靠。自由層430的垂直各向異性也可以被增大(通過保持低于離面退磁能)。在這樣的實施例中，切換的可靠性還可以例如通過增大去除寫入電流的同步的裕度而增加。層410、430和/或450中半金屬的使用也可以降低臨界/切換電流。因此，可以改善磁性結400的性能。圖10A-10B示出利用進動切換的磁性結500的示范性實施例的透視圖和俯視圖。為了清晰，圖10A-10B沒有按比例。磁性結500包括自由層510、非磁間隔層520和被釘扎層530。盡管層510、520和530示出為具有特定的取向，但是該取向可以在其他的實施例中改變。例如，自由層510可以更靠近磁性結500的頂部(離未示出的襯底最遠)。盡管示出為簡單的層，但是自由層510可以包括多個層。例如，自由層510可以是包括通過薄層諸如Ru反鐵磁或鐵磁地耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用交插有Ru或其他材料的薄層的多個磁性層。自由層510也可以是另外的多層。自由層510具有由易磁化軸511示出的磁化。自由層510類似于自由層430。例如，自由層510可以是SAF，具有高垂直各向異性和/或較高的阻尼。間隔層520是非磁的。在某些實施例中，間隔層520是絕緣體，例如隧穿勢壘。在這樣的實施例中，間隔層520可以包括晶體MgO，其可以增強磁性結的TMR。在其他的實施例中，間隔層可以是導體，諸如Cu。在備選的實施例中，間隔層520可以具有另外的結構，例如在絕緣基質中包括導電通道的顆粒層。被釘扎層530具有跨被釘扎層530改變的磁化531。在某些區域中，磁化511是平面內的，但是在其他區域，磁化垂直于平面。在示出的實施例中，被釘扎層530的中央具有平面內磁化，而被釘扎層530的邊緣垂直于平面。這可以例如通過具有高垂直各向異性來實現。在某些實施例中，垂直各向異性是退磁能的至少85%但小于100%。層510和/或530包括半金屬。在某些實施例中，層510和/或530由半金屬組成。在其他的實施例中，層510和/或530中的多層包括半金屬層。在該程度上，層510和/或530類似于層110和130。例如，層510和/或530可以具有在與間隔層520的界面處包括半金屬的層。在其他的實施例中，層510和/或530可以是包括一種或多種半金屬的合金。可使用的某些半金屬材料包括上述半金屬材料中的一種或多種。由于被釘扎層530的磁化跨被釘扎層530而變化，所以被釘扎層530可以用作圖9的被釘扎層410和450的組合。具體地，具有離面磁化的邊緣可以與磁性結400的被釘扎層450相似的方式來增強進動切換。被釘扎層530的中央部分可以被認為是被釘扎層530 的用于讀取的部分。換句話說，自由層510的磁化的取向與被釘扎層530的中央部分的磁化的取向的關系產生了磁性結500的磁阻。由于磁性結500可以使用進動切換，所以可以實現較高速度的切換。此外，由于可以使用較少的層，所以可以簡化工藝。半金屬的使用還可以提供減小的切換電流。圖11示出磁性結500'的示范性實施例。為了清晰，圖11沒有按比例。磁性結500'類似于磁性結500。因此，類似的部件被類似地標記。磁性子結構500'因此包括自由層510'、第一非磁間隔層520'和被釘扎層530'，它們分別類似于自由層510、非磁間隔層520和被釘扎層530。被釘扎層550也可以包括如上所述的半金屬。此外，磁性結500'還包括額外的非磁間隔層540和額外的被釘扎層550。因此，磁性結50(V是雙磁性結。磁性結500'享有磁性結500的益處。例如，可以實現進動切換。磁性結100、100'、200、200'、300、300'、400、500 和 / 或 500'可以使用在磁存
儲器中。圖12示出一個這樣的存儲器600的示范性實施例。磁存儲器600包括讀/寫列選擇驅動器602和606以及字線選擇驅動器604。注意，可以提供其他和/或不同的部件。存儲器600的存儲區域包括磁存儲單元610。每個磁存儲單元包括至少一個磁性結612和至少一個選擇器件614。在某些實施例中，選擇器件614是晶體管。磁性結612可以是磁性結 100U00'、200、200'、300、300'、400、500 和 / 或 500'中的一個。盡管每個單元 610示出一個磁性結612和一個選擇器件614，但是在其他的實施例中，可以每個單元提供另外數目的磁性結612和/或選擇器件614。因而，磁存儲器600可以享有上述的益處，諸如較快和更可靠的切換以及較低的臨界切換電流。圖13示出用于制造磁子結構的方法700的示范性實施例。為了簡單，某些步驟可以被省略或組合。方法700在磁性結100的上下文來描述。然而，方法700可以被使用在其他磁性結諸如結100'、200、200'、300、300'、400、500和/或500'和/或自由層330'。此外，方法700可以被包括在磁存儲器諸如磁存儲器600的制造中。因此，方法700可以被用于制造STT-RAM或其他的磁存儲器。方法700可以在提供籽層(未示出)和可選的釘扎層102之后開始。被釘扎層110通過步驟702提供。步驟702可以包括以被釘扎層110的期望厚度沉積期望的材料。此外，步驟702可以包括提供SAF。在某些實施例中，提供被釘扎層110的步驟包括沉積半金屬。非磁間隔層120通過步驟704提供。步驟704可以包括沉積期望的非磁材料，包括但不限于晶體MgO。此外，材料的期望厚度可以在步驟704中沉積。自由層130通過步驟706提供。在某些實施例中，步驟706可以通過沉積多層、SAF和/或其他結構來完成。在某些實施例中，提供自由層130的步驟包括沉積半金屬。然后制造通過步驟708完成。例如，可以提供額外的間隔層140、額外的被釘扎層150和/或可選的額外釘扎層460。在某些實施例中，其中磁性結的層被沉積為疊層然后被限定，步驟708可以包括限定磁性結100、進行退火，或其它方式完成磁性結100的制造。此外，如果磁性結100被包括在存儲器諸如STT-RAM400中，則步驟708可以包括提供接觸、偏置結構和存儲器400的其他部分。由此，形成磁性結100、100'、200、20(V、300和/或30(V。因此，可實現磁性結
的益處。
已經描述了磁性結和利用該磁性結制造的存儲器。方法和系統已經根據示出的示范性實施例來描述，本領域普通技術人員將容易地理解，可以對實施例進行改變，任意的改變都將在方法和系統的精神和范圍內。因而，本領域普通技術人員可以做出許多變型，而不背離權利要求的精神和范圍。本申請要求于2011年7月7日提交的美國臨時專利申請No. 61/505469且被轉讓給本申請的受讓人的權益，其通過引用結合于此。
權利要求
1.一種磁性結，用于磁器件中，包括 被釘扎層，具有被釘扎層磁化； 非磁間隔層；以及 自由層，具有易磁化軸，該非磁間隔層位于該被釘扎層與該自由層之間，該自由層和該被釘扎層中的至少一個包括至少一種半金屬； 其中該磁性結被配置為使得當寫入電流流經該磁性結時該自由層在多個穩定的磁狀態之間可切換。
2.如權利要求I所述的磁性結，其中該自由層的易磁化軸為垂直于平面的。
3.如權利要求I所述的磁性結，其中該自由層的易磁化軸為平面內的。
4.如權利要求I所述的磁性結，其中所述至少一種半金屬包括Cr02、Sr2FeMoO6^(LaO. 7SrO. 3) Mn03、Fe304、NiMnSb 中的至少一種。
5.如權利要求I所述的磁性結，其中所述至少一種半金屬包括T=XYZ,其中X從Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt 和 Au 中選出，Y 從 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 中選出，Z 從 Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb 和 Bi 中選出。
6.如權利要求I所述的磁性結，其中所述至少一種半金屬包括TM，其中T=XYZ,其中X從 Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt 和 Au 中選出，Y 從 Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 中選出，Z 是從 Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb 和 Bi 中選出，M 從 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中選出。
7.如權利要求I所述的磁性結,其中所述至少一種半金屬包括RE1JMxMnO3，其中x小于或等于1，M為Ca、Sr、Ba或Pb，RE從稀土金屬和堿土金屬中選出。
8.如權利要求7所述的磁性結,其中所述稀土金屬是從La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 中選出。
9.如權利要求7所述的磁性結,其中所述堿土金屬從Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中選出。
10.如權利要求I所述的磁性結，其中所述至少一種半金屬包括至少一種雙鈣鈦礦A2MT O6，其中A從稀土金屬和堿土金屬選出，M和M’是從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 中選出的兩種不同的元素。
11.如權利要求10所述的磁性結,其中所述稀土金屬從La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb 和 Lu 中選出。
12.如權利要求10所述的磁性結,其中所述堿土金屬從Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中選出。
13.如權利要求I所述的磁性結,其中所述至少一種半金屬包括CrO2和Fe3O4中的至少一種。
14.如權利要求I所述的磁性結，其中所述自由層還具有易磁化錐磁各向異性。
15.如權利要求14所述的磁性結，其中所述自由層還包括高垂直各向異性層、負垂直各向異性層以及在高垂直各向異性層與負垂直各向異性層之間的相互作用控制層，該高垂直各向異性層和該負垂直各向異性層提供錐各向異性。
16.如權利要求I所述的磁性結，其中該被釘扎層具有被釘扎層磁化、中央、第一邊緣和第二邊緣，該非磁間隔層位于該自由層與該被釘扎層之間，該被釘扎層磁化跨該被釘扎層而變化，使得該被釘扎層在至少第一邊緣和第二邊緣處基本垂直于平面并在中央處為基本在平面內。
17.如權利要求16所述的磁性結，其中該被釘扎層具有離面退磁能和垂直各向異性，該垂直各向異性為該離面退磁能的至少百分之八十五。
18.如權利要求I所述的磁性結，還包括 額外的非磁間隔層，該自由層位于該額外的非磁間隔層與該非磁間隔層之間；和 額外的被釘扎層，該額外的非磁間隔層位于該自由層與該額外的被釘扎層之間。
19.如權利要求18所述的磁性結，還包括 偏置結構，在該自由層處提供磁偏置，該偏置結構具有基本與該額外的被釘扎層去交換率禹合的磁部分，該磁偏置基本垂直于該自由層的易磁化軸； 其中該磁性結配置為使得當寫入電流流經該磁性結時該自由層在多個穩定的磁狀態之間可切換。
20.如權利要求19所述的磁性結，其中該偏置結構包括鄰接該額外的被釘扎層的非磁層以及具有偏置層磁化的偏置層，該偏置層磁化基本垂直于該自由層的易磁化軸且在平面內。
21.如權利要求18所述的磁性結，其中該被釘扎層具有被釘扎層磁化、中央、第一邊緣和第二邊緣，該非磁間隔層位于該自由層與該被釘扎層之間，該被釘扎層磁化跨該被釘扎層而變化，使得該被釘扎層磁化在至少第一邊緣和第二邊緣處基本垂直于平面并在中央處為基本在平面內。
22.—種磁存儲器,包括 多個磁存儲單元，該多個磁存儲單元的每個包括至少一個磁性結，該至少一個磁性結包括具有被釘扎層磁化的被釘扎層、非磁間隔層以及具有易磁化軸的自由層，該非磁間隔層位于該被釘扎層與該自由層之間，該自由層和該被釘扎層中的至少一個包括至少一種半金屬，該磁性結被配置為使得當寫入電流流經該磁性結時該自由層在多個穩定的磁狀態之間可切換；以及 多條位線。
23.一種用于提供在磁器件中使用的磁性結的方法，包括 提供具有被釘扎層磁化的被釘扎層； 提供非磁間隔層；和 提供具有易磁化軸的自由層，該非磁間隔層位于該被釘扎層與該自由層之間，該自由層和該被釘扎層中的至少一個包括至少一種半金屬； 其中該磁性結被配置為使得當寫入電流流經該磁性結時該自由層在多個穩定的磁狀態之間可切換。
全文摘要
本發明涉及磁性結及其使用方法和磁存儲器及系統。方法和系統提供可在磁器件中使用的磁性結。該磁性結包括被釘扎層、非磁間隔層和自由層。該非磁間隔層在被釘扎層和自由層之間。磁性結被配置為使得當寫入電流流經磁性結時自由層在多個穩定的磁性狀態之間可切換。自由層和被釘扎層中的至少一個包括至少一種半金屬。
文檔編號H01L43/08GK102867538SQ20121023634
公開日2013年1月9日 申請日期2012年7月9日 優先權日2011年7月7日
發明者D.阿帕爾科夫, 唐學體, M.T.克羅恩比, V.尼基廷, A.V.克瓦爾科夫斯基 申請人:三星電子株式會社