用于提供具有层叠的自由层的磁隧穿结元件的方法和系统以及使用这样的磁性元件的存储器技术方案

本发明专利技术描述了一种用于提供可用于磁性器件中的磁子结构的方法和系统以及使用该子结构的磁性元件和存储器。该磁子结构包括多个铁磁层和多个非磁性层。多个铁磁层与多个非磁性层交替。多个铁磁层是与多个非磁性层不能混合的，并且相对于多个非磁性层在化学上稳定。多个铁磁层实质上没有与多个非磁性层产生相互作用的磁死层。此外，多个非磁性层在多个铁磁层中引起垂直各向异性。磁子结构配置为当写电流流过磁子结构时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】用于提供具有层叠的自由层的磁隧穿结元件的方法和系统以及使用这样的磁性元件的存储器相关申请的交叉引用本申请要求享有2010年11月6日提交的第12/941031号美国专利申请以及2010年7月16日提交的第61/365281号美国临时专利申请的权益，这两个专利申请都被转让给本申请的受让人，并通过引用结合于此。政府权力本专利技术是在由DARPA授予的第HR0011-09-C-0023号赠予/合同的条件下通过美国政府支持完成。所有的副本都获准公开发行，没有任何权限限制。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，尤其是磁随机存取存储器（MRAM），已经由于其在操作期间在高读/写速度、优良的耐久性、非易失性和低功耗方面的潜力而引起越多越多的关注。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-RAM）。STT-RAM利用磁元件，该磁元件至少部分地通过驱动经过该磁元件的电流来写入。例如，图1示出常规磁隧穿结（MTJ）10，因为它可以使用在常规STT-RAM中。常规MTJ10通常位于底接触11上，使用常规籽层12且包括常规反铁磁（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。还示出了顶接触24。常规接触11和24用于在电流垂直于面（CPP）方向或者沿着z轴驱动电流，如图1所示。常规隧穿势垒层18是非磁性的，并例如是薄绝缘体诸如MgO。常规籽层12通常用于辅助具有期望的晶体结构的随后层（诸如AFM层14）的生长。常规自由层20直接暴露于顶接触24会导致无序的界面、死磁区和增强的阻尼。因此，在沉积顶接触24之前，常规的盖层22直接设置在自由层20上。该常规的盖用作扩散阻挡且改善常规自由层24的表面质量。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。虽然被示出为简单（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可以是包括通过薄导电层诸如Ru反铁磁或铁磁耦合的磁性层的合成反铁磁（SAF）层。在这样的SAF中，可以使用与Ru薄层交替的多个磁性层。此外，其他类型的常规MTJ10可以包括通过额外的非磁势垒或导电层（未示出）而与自由层20分离的额外被钉扎层（未示出）。常规自由层20具有可改变的磁化21。虽然被示出为简单层，但是常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过诸如Ru的薄导电层而反铁磁或铁磁耦合的磁性层的合成层。虽然被示出为在平面内，但是常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。例如，在常规自由层20中可以产生垂直各向异性。如果平面外退磁能超过与垂直各向异性相关的能量（垂直各向异性能），则垂直各向异性可以被称为部分垂直磁各向异性（PPMA）。因而，磁化21保持在平面内，尽管具有垂直于平面的各向异性。如果面外退磁能小于垂直各向异性能，则自由层20的磁化将会在平面外（例如，在图1中的z方向上）。由于诸多原因（诸如降低写入自由层20所需的电流密度）而可能期望垂直磁化21。还要求常规MTJ10热稳定以用于STT-RAM中。在等待时间（latency）期间，热扰动使常规自由层20内的磁矩振荡和/或进动。这些热扰动会导致常规自由层20的磁化21的反转，使常规MTJ10不稳定。为了提供抵抗这样的热扰动的热稳定性，期望自由层20中分离相反取向的磁化状态的能量势垒具有足够的大小。通常，这至少部分地通过确保常规自由层20具有足够的体积来实现。此外，自由层20通常具有与其相关的多种各向异性。平面外退磁能涉及与薄膜各向异性相关的形状各向异性并且一般将自由层20的磁化限定在平面内。在图1示出的常规MTJ10中，常规自由层20可以具有形状各向异性，允许自由层磁化21沿着x轴是稳定的，如图1所示。此外，可以存在额外的各向异性，例如与常规自由层20的晶体结构相关的各向异性。尽管常规磁性元件10可以利用自旋转移来写入并使用在STT-RAM中，但是存在缺陷。一般地，期望等比例缩小至更高的存储器密度，因此常规磁性元件的更小尺寸。磁性元件10对于这样的等比例缩小会具有障碍，与自由层磁化21是在平面内还是垂直于平面无关。具体地，在常规自由层的磁化21在平面内的情形下，写入常规磁性元件10所需的电流密度会仍然相对较高，而磁阻仍会低于期望的。对于其中常规自由层20的磁化21垂直于平面的常规磁性元件，也会存在对等比例缩小的障碍。通常地，这样的磁性元件10使用高沉积温度，这可能与叠层中其他层（诸如常规势垒层18）的保护不相容。如果，如通常期望的，晶体MgO将被用作常规势垒层18，则在这样的多层中使用的材料也会受到限制。最终，这样的磁性元件会具有不对称的RH环（RHloop），这对于磁存储器中的使用是不期望的。因此，需要一种可改善基于自旋转移矩的存储器的等比例缩小的方法和系统。这里描述的方法和系统解决了这样的需要。
技术实现思路
示例性实施方式提供了用于提供可用于磁性器件中的磁子结构的方法和系统、以及使用该子结构的磁性元件和存储器。该磁子结构包括多个铁磁层和多个非磁性层。铁磁层与多个非磁性层交替。铁磁层是与多个非磁性层不能混合的，并相对于多个非磁性层在化学上稳定。铁磁层实质上没有与多个非磁性层产生相互作用的磁死层（magneticallydeadlayer）。此外，非磁性层在多个铁磁层中引起垂直各向异性。磁子结构配置为当写电流流过磁子结构时可在多个稳定的磁状态之间转换。附图说明图1示出常规的磁性元件。图2示出磁子结构的示例性实施方式。图3示出磁子结构的另一示例性实施方式。图4示出磁子结构的另一示例性实施方式。图5示出磁子结构的另一示例性实施方式。图6示出利用磁子结构的磁性元件的示例性实施方式。图7示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图8示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图9示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图10示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图11示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图12示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图13示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图14示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图15示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图16示出利用磁子结构的磁性元件的另一示例性实施方式。图17示出在存储单元的存储器元件中利用磁子结构的存储器的示例性实施方式。图18示出用于制造磁子结构的方法的示例性实施方式。具体实施方式示例性实施方式涉及可用于磁性器件诸如磁存储器中的磁性元件以及使用这样的磁性元件的装置。给出以下说明，以使得本领域普通技术人员能够制造和使用本专利技术，并且以下说明在专利申请及其要求的背景下提供。在此描述的示例性实施方式的各种变形以及一般性原理和特征将易于变得明显。主要在特定实施例中提供的特定方法和系统方面描述了示例性实施方式。然而，方法和系统会在其它实施例中有效地运行。短语诸如“示例性实施方式”、“一个实施方式”和“另一实施方式”可以指的是相同或不同的实施方式以及多个实施方式。将关本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在磁性器件中使用的磁子结构，所述磁子结构包括：多个铁磁层；多个非磁性层，所述多个铁磁层与所述多个非磁性层交替，所述多个铁磁层是与所述多个非磁性层不能混合的并相对于所述多个非磁性层在化学上稳定，并且所述多个铁磁层实质上没有与所述多个非磁性层产生相互作用的磁死层，所述多个非磁性层在所述多个铁磁层中引起垂直各向异性；其中所述磁子结构配置为当写电流流过所述磁子结构时在多个稳定的磁状态之间转换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.16 US 61/365,281;2010.11.06 US 12/941,0311.一种在磁性器件中使用的磁子结构，所述磁子结构包括：多个铁磁层；多个非磁性层，所述多个铁磁层与所述多个非磁性层交替，所述多个铁磁层是与所述多个非磁性层不能混合的并相对于所述多个非磁性层在化学上稳定，并且所述多个铁磁层实质上没有与所述多个非磁性层产生相互作用的磁死层，所述多个非磁性层在所述多个铁磁层中引起垂直各向异性，所述垂直各向异性对应于垂直各向异性能，其中所述磁子结构具有平面外退磁能，所述垂直各向异性能大于所述平面外退磁能；其中所述磁子结构配置为当写电流流过所述磁子结构时在多个稳定的磁状态之间转换。2.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层包括Al、AlN、铝氧化物、Au、Cr、晶体MgO、Cu、掺杂的MgO、铟锡氧化物、Mg、Mo、NiO、Pd、Pt、Ru、RuO2、硅氧化物、SiN、Ta、TaN、Ti、TiN、V、W、Y中的至少一种。3.根据权利要求2所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层包括至少一种氧化物。4.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层包括Ni、Co和Fe的至少一种。5.根据权利要求4所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层包括至少一种氧化物。6.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层包括CoFe和CoFeB中的至少一种，其中所述多个非磁性层包括Cr和V中的至少一种，其中所述磁子结构具有至少100且不大于1300emu/cc的磁化。7.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层的每个具有实质上相等的厚度。8.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层的至少一部分具有不同的厚度。9.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的每个具有实质上相等的厚度。10.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的至少一部分具有不同的厚度。11.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的每个具有单一成分。12.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的至少一部分具有不同的成分。13.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层的至少一部分是不连续的。14.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层的每个比所述多个非磁性层中的相邻非磁性层厚。15.根据权利要求12所述的磁子结构，其中所述多个铁磁层的每个是所述多个非磁性层中的所述相邻非磁性层的至少三倍厚。16.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述磁子结构具有至少2纳米且不大于4纳米的总厚度。17.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述磁子结构的厚度是至少3纳米。18.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层配置为使得所述多个铁磁层通过所述多个非磁性层铁磁耦合。19.根据权利要求1所述的磁子结构，其中所述多个非磁性层配置为使得所述多个铁磁层通过所述多个非磁性层反铁磁耦合。20....

【专利技术属性】
技术研发人员：D洛蒂斯，EY陈，唐学体，SM沃茨，
申请(专利权)人：格兰迪斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US