具有双轴各向异性的磁隧穿结元件制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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专利技术要求于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。政府权利本专利技术在由DARPA 授予的合同(grant/contract) No. HROO11-09-C-0023 下、在美国政府支持下进行。美国政府保留本专利技术中的某些权利。
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。
技术实现思路
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。 附图说明图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专利技术，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专利技术的范围。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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.11 US 12/854,6281.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：D阿帕尔科夫，
申请(专利权)人：格兰迪斯股份有限公司，
类型：
国别省市：