磁性结及其提供方法以及包含该磁性结的磁存储器技术

本发明专利技术公开了一种磁性结及其提供方法以及包含该磁性结的磁存储器。该磁性结包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在被钉扎层和自由层之间。该自由层具有临界切换电流密度（Jc0）的梯度使得自由层的第一部分的第一Jc0比自由层的第二部分的第二Jc0小。自由层的第二部分比第一部分远离非磁性间隔层。磁性结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性状态之间切换。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种磁性结及其提供方法以及包含该磁性结的磁存储器。该磁性结包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在被钉扎层和自由层之间。该自由层具有临界切换电流密度（Jc0）的梯度使得自由层的第一部分的第一Jc0比自由层的第二部分的第二Jc0小。自由层的第二部分比第一部分远离非磁性间隔层。磁性结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性状态之间切换。【专利说明】磁性结及其提供方法以及包含该磁性结的磁存储器
本专利技术提供一种用于磁性器件中的磁性结、具有该磁性结的磁存储器以及用于提供该磁性结的方法。
技术介绍
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、非挥发性和操作期间的低功耗而引起越来越多的兴趣。MRAM能够利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用通过驱动经过磁性结的电流至少部分地写入的磁性结。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扭矩。结果，具有响应自旋扭矩的磁矩的层可以被切换到期望的状态。例如，图1描绘了常规磁隧道结(MTJ)IO，它可以用于常规STT-MRAM中。常规MTJ10 一般位于底部接触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。还示出了顶部接触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轴驱动电流。常规籽层12 —般用于帮助随后的层诸如AFM层14的生长，具有期望的晶体结构。常规隧穿势垒层18是非磁性的，并且例如是薄的绝缘体诸如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 —般通过与AFM层14的磁化的交换偏置相互作用而被固定或钉扎在特定方向上。尽管被描绘为简单(单一)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而反铁磁耦合的磁性层的合成反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中，可以使用与Ru的薄层交插的多个磁性层。在另一实施例中，跨越Ru层的耦合能够是铁磁性的。此外，其它类型的常规MTJ 10可以包括通过额外的非磁性势垒层或额外的非磁性导电层(未不出)而与自由层20分隔的额外的被钉扎层(未不出)。常规自由层20具有可变化的磁化21。尽管被描绘为简单层，但是常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄的导电层诸如Ru反铁磁或铁磁耦合的磁性层的合成层。尽管示出为在面内，但是常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。因此，被钉扎层16和自由层20可以分别具有垂直于层的平面取向的磁化17和21。为切换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面(在z方向上)驱动。当足够的电流被从顶部接触24驱动到底部接触11时，常规自由层20的磁化21可以切换到平行于常规被钉扎层16的磁化17。当足够的电流被从底部接触11驱动到顶部接触24时，自由层的磁化21可以切换到反平行于被钉扎层16的磁化。磁配置上的差异对应于不同的磁阻并因此对应于常规MTJ 10的不同逻辑状态(例如逻辑"O"和逻辑"I")。因此，通过读取常规MTJ 10的隧穿磁阻(TMR)，能够确定常规MTJ的状态。尽管常规MTJ 10可以利用自旋转移写入、通过感测磁性结的TMR而读取并用于STT-MRAM中，但是存在缺点。例如，常规自由层20的临界切换电流密度Jcfl会显著高于期望值。在某些情形下，临界切换电流密度大约为期望的临界切换电流密度的三倍至五倍。临界切换电流密度是利用自旋转移来切换常规自由层20的磁矩21所需要的电流密度(例如MA/cm2)。例如，期望低的切换电流以减少切换期间消耗的电力和/或改善切换速度或错误率。尽管存在减小切换电流的常规机制，但是这些通常不利地影响热稳定性。常规MTJ 10的热稳定性的降低负面地影响常规MTJ 10的随时间而可靠地储存数据的能力。因此，常规MTJ的性能受损害。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。
技术实现思路
方法和系统提供一种可用于磁性器件中的磁性结。磁性结包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在被钉扎层和自由层之间。自由层具有临界切换电流密度(Jcfl)中的梯度使得自由层的第一部分的第一 Jm比自由层的第二部分的第二 J。。低。自由层的第二部分比第一部分离非磁性间隔层更远。磁性结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性状态之间切换。【专利附图】【附图说明】图1描绘了常规的磁性结。图2描绘了包括自由层的磁性结的示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图3描绘了包括自由层的磁性结的另一个示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图4描绘了包括自由层的磁性结的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图5描绘了自由层的示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图6描绘了状态图，表明磁性材料的性质随着层的厚度的变化并且利用自旋转移可切换。图7描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图8描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图9描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图10描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图11描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图12描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图13描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。图14描绘了在储存单元的存储元件中利用磁性结的存储器的示范性实施例。图15描绘了用于制造包括自由层的磁性结的方法的示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。【具体实施方式】示范性实施例涉及可在磁性器件诸如磁存储器中使用的磁性结以及采用这样的磁性结的器件。给出下面的描述以使得本领域普通技术人员能够制造和使用本专利技术，并在专利申请及其要求的背景下提供。对示范性实施例以及这里描述的一般原理和特征的各种修改将是显而易见的。示范性实施例主要在特定实施例中提供的特定方法和系统方面进行描述。然而，方法和系统在其它实施例中将有效操作。诸如“示范性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的术语可以指的是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组件的系统和/或器件进行描述。然而，系统和/或器件可以包括比示出的那些多或少的组件，并且可以进行这些组件的布置和类型的变化而不脱离本专利技术的范围。示范性实施例也将在具有某些步骤的特定方法的背景下进行描述。然而，该方法和系统对于具有与示范性实施例不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于磁性器件的磁性结，包括：被钉扎层；非磁性间隔层；和自由层，具有临界切换电流密度的梯度使得所述自由层的第一部分的第一临界切换电流密度比所述自由层的第二部分的第二临界切换电流密度小，该第二部分比所述第一部分更远离所述非磁性间隔层；其中所述磁性结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性状态之间切换。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D阿帕尔科夫，V尼基丁，MT克朗比，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR