具有插入层的磁性结和使用该磁性结的磁存储器制造技术

本发明专利技术提供了用于提供在磁性器件中可使用的磁性结的方法和系统。磁性结包括基准层、非磁间隔层、和自由层，所述非磁间隔层在所述基准层和所述自由层之间。所述磁性结被配置为使得当写入电流流经所述磁性结时所述自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。所述磁性结的部分包括至少一个磁性子结构。所述磁性子结构包括至少一个Fe层和至少一个非磁插入层。所述至少一个Fe层与所述至少一个非磁插入层共享至少一个界面。所述至少一个非磁插入层的每个非磁插入层由W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Os和In中的至少一种组成。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求于2013年3月15日提交的题为“MAGNETIC JUNCTIONS HAVING INSERTION LAYERS AND MAGNETIC MEMORIES USING THE MAGNETIC JUNCTIONS的美国临时专利申请第61／793，743号的优先权，该申请被转让给本申请的受让者，并通过引用并入本文。
技术介绍
磁存储器，特别是磁性随机存取存储器(MRAM)，由于其在操作过程中潜在的高读／写速度、出色的耐用性、非易失性和低功耗，已经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存储信息。一类MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM采用磁性结，该磁性结至少部分地由被驱动通过磁性结的电流写入。被驱动通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(多个)层可以被切换到期望的状态。例如，图1示出了常规磁隧道结(MTJ)10，它可以用在常规的STT-RAM中。常规MTJ10通常位于底接触11上，使用(多个)常规籽晶层12，并包括常规反铁磁(AFM)层14、常规被钉扎层16、常规隧道势垒层18、常规自由层20、和常规盖层22。还示出了顶接触24。常规接触11和24用于沿电流垂直于平面(CPP)的方向，或沿图1所示的z轴驱动电流。(多个)常规籽晶层12通常用于帮助生长具有期望的晶体结构的后续层，如AFM层14。常规隧道势垒层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的磁矩17通常通过与AFM层14的交换偏置作用而沿特定的方向被固定或被钉扎。虽然描绘成简单(单)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)反铁磁地耦合的各磁层的合成反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中，可以使用与Ru薄层交替的多个磁层。在另一实施例中，跨Ru层的耦合可以是铁磁性的。另外，常规MTJ10的其它形式可包括额外的被钉扎层(未示出)，该被钉扎层通过额外的非磁势垒或导电层(未示出)与自由层20分开。常规自由层20具有可改变的磁矩21。虽然描绘成简单层，但常规自由层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)反铁磁或铁磁地耦合的各磁层的合成层。虽然示出为在平面内，但是常规自由层20的磁矩21可以具有垂直各向异性。因此，被钉扎层16和自由层20的磁矩17和21可以分别取向为垂直于层的平面。为了切换常规自由层20的磁矩21，垂直于平面(沿z方向)驱动电流。当足够的电流被从顶接触24驱动到底接触11时，常规自由层20的磁矩21可以切换为平行于常规被钉扎层16的磁矩17。当足够的电流被从底接触11驱动至顶接触24时，自由层的磁矩21可以切换为反平行于被钉扎层16的磁矩。磁性配置的差异对应于不同的磁电阻，从而对应于常规MTJ10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“I”)。常规MTJ10的自由层磁矩21在用于STT-RAM应用时被期望以较低的电流进行切换。临界切换电流(Ic0)是最低电流，在该最低电流下自由层磁矩21在平衡取向周围的无限小进动(infinitesimal precession)变得不稳定。例如，Ic0可以被期望在几mA或更小的数量级上。另外，短路电流脉冲被期望用于以更高的数据率对常规磁性元件10编程。虽然常规MTJ10可以用自旋转移写入，并用在STT-RAM中，但存在缺点。例如，常规磁性结10具有平面内的磁矩17和21，为了改善切换(switching)特性，可能期望磁矩17和21垂直于平面(即，沿Z方向)。然而，对于这种取向，来自常规MTJ10的信号可能比期望的更低。这样垂直的常规MTJ10通常还呈现高衰减(damping)。这样，对切换性能产生了不利影响。因此，使用常规MTJ10的存储器的性能仍然期望加以改进。因此，所需要的是可以改善基于自旋转移矩的存储器的性能的方法和系统。本文描述的方法和系统致力于这些需要。
技术实现思路
对用于提供了在磁性器件中可使用的磁性结的方法和系统进行了描述。该磁性结包括基准层、非磁间隔层和自由层。所述非磁间隔层在所述基准层和所述自由层之间。所述磁性结被配置为使得当写入电流流经所述磁性结时所述自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。所述磁性结的部分包括至少一个磁性子结构(magnetic substructure)。所述磁性子结构包括至少一个Fe层和至少一个非磁插入层。所述至少一个Fe层与所述至少一个非磁插入层共享至少一个界面。所述至少一个非磁插入层的每个层包括W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Os和In中的至少一种。附图说明图1示出常规磁性结。图2示出磁性子结构的示例实施例。图3示出磁性子结构的示例实施例。图4示出磁性子结构的另一个示例实施例。图5示出磁性子结构的另一个示例实施例。图6示出磁性子结构的另一个示例实施例。图7示出磁性子结构的另一个示例实施例。图8示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图9示出包括磁性子结构的磁性结的另一个示例实施例。图10示出包括磁性子结构的磁性结的另一个示例实施例。图11示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图12示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图13示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图14示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图15示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图16示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图17示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图18示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图19示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。图20示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。图21示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。图22示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。图23示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图24示出包括磁性子结构的磁性结的示例实施例。图25示出包括磁性子结构的磁性结的层的示例实施例。图26示出包括磁性子结构的磁存储器的示例实施例。图27示出包括磁性子结构的磁存储器的示例实施例。图28示出在(多个)存储单元的(多个)存储元件中采用磁性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在磁性器件中使用的磁性结，包括：基准层；非磁间隔层；和自由层，所述非磁间隔层位于所述基准层和所述自由层之间，所述磁性结被配置为使得当写入电流流经所述磁性结时所述自由层在多个稳定的磁状态之间可切换，其中所述磁性结的一部分包括至少一个磁性子结构，所述磁性子结构包括至少一个Fe层和至少一个非磁插入层，所述至少一个Fe层与所述至少一个非磁插入层共享至少一个界面，所述至少一个非磁插入层中的每个非磁插入层由W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Os和In中的至少一种组成。

【技术特征摘要】
2013.03.15 US 61/793,743;2013.10.08 US 14/048,3291.一种在磁性器件中使用的磁性结，包括：
基准层；
非磁间隔层；和
自由层，所述非磁间隔层位于所述基准层和所述自由层之间，
所述磁性结被配置为使得当写入电流流经所述磁性结时所述自由层
在多个稳定的磁状态之间可切换，
其中所述磁性结的一部分包括至少一个磁性子结构，所述磁性
子结构包括至少一个Fe层和至少一个非磁插入层，所述至少一个Fe
层与所述至少一个非磁插入层共享至少一个界面，所述至少一个非磁
插入层中的每个非磁插入层由W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Os
和In中的至少一种组成。
2.根据权利要求1所述的磁性结，其中包括所述至少一个磁性
子结构的所述磁性结的所述部分是所述自由层和所述基准层中的至
少之一。
3.根据权利要求2所述的磁性结，其中所述至少一个磁性子结
构包括多个磁性子结构。
4.根据权利要求2所述的磁性结，其中所述至少一个Fe层包
括第一Fe层和第二Fe层，所述至少一个非磁插入层中的非磁插入层
位于所述第一Fe层和所述第二Fe层之间，所述至少一个界面包括所
述第一Fe层和所述非磁插入层之间的第一界面和所述第二Fe层和所
述非磁插入层之间的第二界面，所述第一Fe层与所述第二Fe层铁磁
地耦合。
5.根据权利要求2所述的磁性结，其中所述至少一个非磁插入
层包括第一非磁插入层和第二非磁插入层，所述至少一个Fe层中的

\tFe层位于所述第一非磁插入层和所述第二非磁插入层之间，所述至
少一个界面包括所述第一非磁插入层和所述Fe层之间的第一界面和
所述第二非磁插入层和所述Fe层之间的第二界面。
6.根据权利要求2所述的磁性结，其中所述自由层和所述基准
层中的至少之一包括极化增强层，所述至少一个Fe层与所述极化增
强层铁磁地耦合。
7.根据权利要求6所述的磁性结，其中所述自由层包括所述至
少一个磁性子结构，并且其中所述自由层包括额外的极化增强层，所
述至少一个磁性子结构在所述极化增强层和所述额外的极化增强层
之间，并且所述至少一个Fe层与所述额外的极化增强层铁磁地耦合。
8.根据权利要求7所述的磁性结，其中所述额外的极化增强层
比所述极化增强层厚。
9.根据权利要求2所述的磁性结，还包括：
额外的基准层；和
额外的非磁间隔层，所述额外的非磁间隔层在所述额外的基准
层和所述自由层之间。
10.根据权利要求9所述的磁性结，其中所述额外的基准层包
括至少一个额外的磁性子结构，所述至少一个额外的磁性子结构包括
至少一个额外的Fe层和至少一个额外的非磁插入层，所述至少一个
额外的Fe层与所述至少一个额外的非磁插入层共享至少一个额外的
界面，所述至少一个额外的非磁插入层中的每个层由W、I、Hf、Bi、
Zn、Mo、Ag、Cd、Os和In中的至少一种组成。
11.根据权利要求2所述的磁性结，还包括：导电盖层。
12.根据权利要求2所述的磁性结，其中所述自由层包括所述
至少一个磁性子结构，并且其中所述自由层包括多个软磁层和至少一
个硬磁层，所述至少一个硬磁层对应于所述至少一个Fe层，所述至
少一个Fe层与所述多个软磁层铁磁地耦合，并且所述至少一个Fe
层具有面外退磁能和超过面外退磁能的垂直磁各向异性能。
13.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一个磁性子
结构邻近所述自由层，并且配置为由于在与所述磁性结的至少一个磁
性子结构和自由层之间的方向实质上垂直的方向上穿过所述至少一
个磁性子结构的电流而对所述自由层施加自旋轨道矩，所述自由层配
置为使用至少所述自旋轨道矩可切换。
14.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一个磁性子
结构邻近所述基准层，并且配置为由于在与所述磁性结的至少一个磁
性子结构和基准层之间的方向实质上垂直的方向上穿过所述至少一
个磁性子结构的电流而对所述基准层施加自旋轨道矩。
15.一种磁存储器，包括：
多个磁性结，所述多个磁性结中的每个磁性结包括自由层；和
邻近所述多个磁性结的至少一个磁性子结构，所述磁性子结构
包括与至少一个非磁插入层交替的至少一个磁层，所述至少一个非磁
插入层中的每个非磁插入层包括W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、
Os和In中的至少一种，并且所述至少一个磁性子结构配置为由于在
与所述至少一个磁性子结构和所述多个磁性结中的磁性结的自由层
之间的方向实质上垂直的方向上穿过所述至少一个磁性子结构的电
流而对所述自由层施加自旋轨道矩，所述自由层配置为使用至少所述
自旋轨道矩可切换。
16.一种磁存储器，包括：
多个磁性结，所述多个磁性结中的每个磁性结包括自由层、基

\t准层、和所述自由层与所述基准层之间的非磁间隔层；和
邻近所述多个磁性结的至少一个磁性子结构，所述磁性子结构
包括与至少一个非磁插入层交替的至少一个磁层，所述至少一个非磁
插入层中的每个非磁插入层包括W、I...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗曼·切普奥斯凯，唐学体，德米托·阿帕利科夫，阿列克谢·瓦西里耶维奇·赫瓦尔科夫斯克维，弗拉迪米尔·尼基廷，穆罕默德·汤菲克·克劳恩彼，
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