磁性结、磁存储器及其方法技术

本发明专利技术涉及磁性结、磁存储器及其方法。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。该磁性结被配置为使得当写入电流流经该磁性结时自由层可在多个稳定磁性状态之间转换。被钉扎层和自由层中的至少一个包括磁性子结构。该磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层。每个插入层包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。磁性层交换耦合。

【技术实现步骤摘要】
磁性结、磁存储器及其方法
本专利技术涉及磁性结、磁存储器及其方法。
技术介绍
由于其高读/写速度、良好耐久性、非易失性和操作期间的低功耗的潜力，磁存储器，特别是磁随机存取存储器(MRAM)，已经受到越来越多的注意。MRAM能够使用磁材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM利用磁性结，该磁性结通过被驱动流经磁性结的电流而至少部分地被写入。被驱动经过磁性结的自旋极化电流施加自旋矩在磁性结中的磁矩上。结果，具有响应自旋矩的磁矩的层可以转换到期望的状态。例如，图1示出常规磁隧道结(MTJ)10，其可以使用在常规STT-RAM中。常规MTJ10通常位于底接触11上，使用常规籽晶层(或多个籽晶层)12并包括常规反铁磁(AFM)层14、常规被钉扎层16、常规隧穿势垒层18、常规自由层20和常规覆盖层22。顶接触24也被示出。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。常规籽晶层12通常用于帮助具有期望晶体结构的后续层(诸如AFM层14)的生长。常规隧穿势垒层18是非磁性的，并例如为薄绝缘体诸如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。尽管示出为单一(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可以是综合反铁磁(SAF)层，包括通过薄导电层(诸如Ru)反铁磁耦合的磁性层。在这样的SAF中，可以使用交插以Ru的薄层的多个磁性层。在另一实施例中，跨过Ru层的耦合可以是铁磁的。此外，常规MTJ10的其他形式可以包括通过额外的非磁性势垒层或导电层(未示出)与自由层20分隔开的额外被钉扎层(未示出)。常规自由层20具有可改变的磁化21。尽管示出为单一层，但是常规自由层20还可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄导电层诸如Ru反铁磁或铁磁地耦合的磁性层的综合层。尽管示出为平面内，但是常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。因此，被钉扎层16和自由层20可以具有它们的分别取向为垂直于层的平面的磁化17和21。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11驱动到顶接触24时，自由层的磁化21可以转换为反平行于被钉扎层16的磁化。磁组态的差异对应于不同的磁致电阻，从而对应于常规MTJ10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。当用于STT-RAM应用中时，期望常规MTJ10的自由层21以相对低的电流来转换。临界转换电流(Ic0)是在平衡取向附近的自由层磁化21的无穷小进动变得不稳定的最小电流。例如，期望Ic0可以为大约几mA或更小。此外，期望短的电流脉冲用于以较高的数据率来编程常规磁元件10。例如，期望大约20-30ns或更小的电流脉冲。尽管常规MTJ10可以利用自旋转移写入并使用在STT-RAM中，但是存在缺陷。例如，对于具有可接受的Ic0和脉冲宽度的存储器，写入错误率会高于所期望的。写入错误率(WER)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没有转换的几率。WER期望为10-9或更小。然而，常规自由层20通常具有远超过该值的WER。此外，已经确定，对于较短写入电流脉冲，WER的改善具有挑战性。例如，图2是示出WER对于不同宽度的脉冲的趋势的曲线图50。应注意，实际的数据没有在曲线图50中绘出。相反，曲线图50意在指示趋势。脉冲宽度对于曲线52、54、56和58从最长到最短。如从图50可见，对于较高的脉冲宽度，WER与写入电流的关系曲线具有较高的斜率。因此，对于相同的脉冲宽度，较高写入电流的施加可以引起WER的显著降低。然而，随着脉冲宽度在曲线54、56和58中缩短，曲线54、56和58的斜率减小。对于减小的脉冲宽度，电流的增加不太可能引起WER的降低。因此，使用常规MTJ10的存储器会具有不可接受的高WER，该高WER不能通过写入电流的增加而补救。已经提出各种常规方案来改善诸如WER的特性。例如，可以使用磁场辅助转换和/或具有复杂结构的磁性结。然而，这些常规方案的减小WER同时保持其他特性的能力有限。例如，可缩放性、能量损耗和/或热稳定性会受到这些常规方法的不利影响。除了WER之外，对于常规MTJ10还会存在其他的问题。对于具有垂直取向的磁化17和21的常规MTJ10，磁致电阻会低于具有平面内磁化的常规MTJ10。结果，来自常规MTJ10的信号会低于所期望的。这样的垂直常规MTJ10也表现出高的阻尼。因而，转换性能受到不利影响。因此，仍期望改善使用常规MTJ10的存储器的性能。因而，需要一种可以改善基于自旋转移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该需要。
技术实现思路
本专利技术描述了提供可用于磁性器件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。磁性结配置为使得当写入电流流经磁性结时自由层可在多个稳定的磁性状态之间转换。被钉扎层和自由层中的至少一个包括磁性子结构。磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层。每个插入层包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。磁性层被交换耦合。附图说明图1示出常规磁性结。图2是示出写入电流与写入错误率的关系曲线的趋势的曲线图。图3示出磁性子结构的示范性实施例。图4示出磁性子结构的另一示范性实施例。图5示出磁性子结构的另一示范性实施例。图6示出磁性子结构的另一示范性实施例。图7示出包括磁性子结构的磁性结的示范性实施例。图8示出包括磁性子结构的磁性结的另一示范性实施例。图9示出包括磁性子结构的磁性结的另一示范性实施例。图10示出包括磁性子结构的磁性结的另一示范性实施例。图11示出提供磁性子结构的方法的示范性实施例。图12示出用于制造包括磁性子结构的磁性结的方法的示范性实施例。图13示出在存储单元(多个存储单元)的存储元件(多个存储原件)中使用磁性结的存储器的示范性实施例。具体实施方式示范性实施例涉及可用于磁器件诸如磁存储器的磁性结以及使用该磁性结的器件。给出以下的描述使得本领域技术人员能够实施并使用本专利技术，并且该描述在专利申请及其要求的背景下提供。这里描述的一般原理和特征及示范性实施例的各种修改将是显而易见的。示范性实施例主要就在特定实施方式中提供的特定方法和系统而论进行了描述。然而，这些方法和系统将有效地在其他实施方式中起作用。措辞诸如“示范性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”可以指代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部件的系统和/或器件来描述。然而，系统和/或器件可以包括比所示出的部件更多或更少的部件，可以在部件的布置和类型上进行变化而不背离本专利技术的范围。示范性实施例也将结合具有特定步骤的具体方法的上下文来描述。然而，方法和系统对于具有不同和/或额外步骤以及与示范性实施例不一致的不同次序的步骤的其他方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
2010.12.31 US 61/429,041;2011.01.21 US 13/011,8491.一种用于磁器件的磁性结，包括：被钉扎层；非磁间隔层；和自由层，该非磁间隔层在该被钉扎层与该自由层之间；其中该磁性结配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层可在多个稳定的磁性状态之间转换；并且其中该被钉扎层和该自由层中的至少一个包括磁性子结构，该磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层，该至少两个磁性层交换耦合；其中该至少两个磁性层包括具有弱平面内各向异性能的第一磁性层和具有高垂直各向异性能的第二磁性层。2.如权利要求1所述的磁性结，其中该弱平面内各向异性能等于退磁能减去垂直各向异性能，该垂直各向异性能小于该退磁能。3.如权利要求2所述的磁性结，其中该垂直各向异性能至少为退磁能的0.4倍但不超过该退磁能的0.9倍。4.如权利要求1所述的磁性结，其中该第二磁性层包括退磁能和对应于该高垂直各向异性能的垂直各向异性能，该垂直各向异性能超过该退磁能。5.如权利要求1所述的磁性结，其中该磁性子结构具有期望的交换耦合，该插入层具有制作为提供该期望的交换耦合的厚度。6.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少两个磁性层包括第三磁性层，其中该至少一个插入层包括邻接该第三磁性层的第二插入层。7.如权利要求1所述的磁性结，其中该自由层包括该磁性子结构。8.如权利要求1所述的磁性结，其中该被钉扎层包括该磁性子结构。9.如权利要求1所述的磁性结，其中该被钉扎层和该自由层均包括该磁性子结构。10.如权利要求1所述的磁性结，还包括：额外非磁性层；和额外被钉扎层；该额外非磁性层位于该自由层与该额外被钉扎层之间。11.如权利要求10所述的磁性结，其中该额外被钉扎层包括额外磁性子结构，该额外磁性子结构具有交插以至少一个额外插入层的至少两个额外磁性层，该至少两个额外磁性层交换耦合。12.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少一个插入层的每个包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。13.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少一个插入层的每个由Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO之一构成。14.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少两个磁性层的每个具有退磁能和垂直各向异性能，该垂直各向异性能小于该退磁能。15.如权利要求1所述的磁性结，其中该至少两个磁性层的每个具有退磁能和垂直各向异性能，该垂直各向异性能大于该退磁能。16.如权利要求11所述的磁性结，其中该至少一个额外插入层的每个包括Cr、Ta、Ti、W、Ru、V、Cu、Mg、铝氧化物和MgO中的至少一种。17.一种磁存储器，包括：多个磁存储单元，该多个磁存储单元的每个包括至少一个磁性结，该至少一个磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层，该非磁间隔层位于该被钉扎层与该自由层之间，该磁性结配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层可在多个稳定磁性状态之间转换，该被钉扎层和该自由层中的至少一个包括磁性子结构，该磁性子结构包括交插以至少一个插入层的至少两个磁性层，该至少两个磁性层交换耦合；以及多条位线；其中该至少两个磁性层包括具有弱平面内各向异性能的第一磁性层和具有高垂直各向异性能的第二磁性层。18.如权利要求17所述的存储器，其中该弱平面内各向异性能等于退磁能减去垂直各向异性能，该垂直各向异性能小于该退磁能。19.如权利要求18所述的存储器，其中该垂直各向异性能至少为退磁能的0.4倍但不超过该退磁能的0.9倍。20.如权利要...

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