磁性结及其使用方法和磁存储器及系统技术方案

本发明专利技术涉及磁性结及其使用方法和磁存储器及系统。方法和系统提供可在磁器件中使用的磁性结。该磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。该非磁间隔层在被钉扎层和自由层之间。磁性结被配置为使得当写入电流流经磁性结时自由层在多个稳定的磁性状态之间可切换。自由层和被钉扎层中的至少一个包括至少一种半金属。

【技术实现步骤摘要】
磁性结及其使用方法和磁存储器及系统
本专利技术涉及磁存储领域。
技术介绍
磁存储器，特别地磁随机存取存储器（MRAM）由于其高的读/写速度、良好的耐久性、非易失性和操作期间低的功耗等潜力而引起日益增大的兴趣。MRAM能够利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移转矩随机存取存储器（STT-RAM）。STT-RAM使用通过驱动经过磁性结的电流被至少部分写入的磁性结。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转矩。结果，具有响应于自旋转矩的磁矩的层可以被切换到期望的状态。例如，图1示出常规磁隧穿结（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。还示出顶接触24。常规接触11和24用于在电流垂直于平面（CPP）方向或沿着如图1所示的z轴驱动电流。常规籽层12通常用于帮助具有期望的晶体结构的后续层诸如AFM层14的生长。常规隧穿势垒层18是非磁的并且是例如薄绝缘体诸如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被钉扎在特定方向。尽管示出为简单（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可以是包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁或铁磁地耦合的磁性层的综合反铁磁（SAF）层。在这样的SAF中，可以使用交插有Ru薄层的多个磁性层。此外，常规MTJ10的其它形式可包括通过额外非磁势垒或导电层（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。尽管被示出为简单的层，但是常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是综合层，包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁或铁磁地耦合的磁性层。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可以切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可以切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MTJ10的不同逻辑状态（例如，逻辑“0”或逻辑“1”）。尽管常规MTJ10可以使用自旋转移写入并使用在STT-RAM中，但是存在缺点。例如，切换常规自由层20的磁矩所需的电流会是高的。由于很多原因，高电流是不期望的。较高的电流消耗较多的功率，具有较高的可能性导致对常规隧穿势垒18的损伤，并会具有导致较低编程速率的较高上升时间。因此，仍期望改善使用常规MTJ的存储器的性能。
技术实现思路
示范性实施例提供使用可用于磁器件中的磁性结。该磁性结包括被钉扎层、非磁间隔层和自由层。该非磁间隔层在被钉扎层和自由层之间。磁性结被构造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切换。自由层和被钉扎层中的至少一个包括至少一种半金属（halfmetal）。附图说明图1示出使用自旋转移转矩切换的常规磁隧穿结。图2示出磁性结的示范性实施例。图3示出磁性结的另一示范性实施例。图4示出磁性结的另一示范性实施例。图5示出磁性结的另一示范性实施例。图6示出磁性结的另一示范性实施例。图7示出磁性结的另一示范性实施例的一部分。图8示出磁性结的另一示范性实施例。图9示出磁性结的另一示范性实施例。图10A和10B示出磁性结的另一示范性实施例。图11示出磁性结的另一示范性实施例。图12示出在存储单元的存储元件中使用磁性结的存储器的示范性实施例。图13是示出提供磁性结的方法的示范性实施例的流程图。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这样的磁性结的器件。以下的描述被给出以使得本领域普通技术人员能够制作并使用本专利技术，并在本申请的上下文及其要求中来提供描述。对这里描述的示范性实施例以及一般原理和特征的各种修改将是容易明白的。示范性实施例主要就在具体实现中提供的具体方法和系统而言来描述。然而，方法和系统将在其它实施方式中有效工作。用语诸如“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/或器件可以包括比示出的部件更多或更少的部件，可以进行部件的布置和类型的变化而不背离本专利技术的范围。示范性实施例还可在具有特定步骤的特定方法的上下文中来描述。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它方法也有效工作。因此，本专利技术并不旨在被限制到示出的实施例，而是应被给予与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。示范性实施例在具有特定部件的特定磁性结和磁存储器的上下文中来描述。本领域普通技术人员将容易地理解，本专利技术与具有其它和/或额外部件和/或与本专利技术不一致的其它特征的磁性结和磁存储器的使用是一致的。方法和系统也在对自旋转移现象、磁各向异性和其它物理现象的当前理解的上下文中来描述。因此，本领域普通技术人员将容易地理解，方法和系统的行为的理论解释是基于对自旋转移、磁各向异性和其它物理现象的当前的理解而进行。然而，这里描述的方法和系统并不取决于特定的物理解释。本领域普通技术人员也将容易地理解，方法和系统在与衬底具有特定关系的结构的上下文中来描述。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，方法和系统与其它的结构是一致的。此外，方法和系统在特定层是综合和/或简单的上下文中来解释。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，所述层可以具有另外的结构。此外，方法和系统在具有特定层的磁性结和/或子结构的上下文来描述。然而，本领域普通技术人员将容易地理解，也可以使用与所述方法和系统不一致的具有额外和/或不同层的磁性结和/或子结构。此外，特定的部件被描述为磁性的、铁磁的和亚铁磁的。这里所用时，术语磁性可以包括铁磁的、亚铁磁的或类似结构。因此，这里所用时，术语“磁性的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。方法和系统还在单个磁性结和子结构的上下文来描述。然而，本专利技术普通技术人员将容易地理解，方法和系统与具有多个磁性结和使用多个子结构的磁存储器的使用是一致的。此外，这里所用时，“平面内”是基本在磁性结的一个或多个层的平面内或平行于该平面。相反，“垂直于平面”或“离面”对应于基本垂直于磁性结的一个或多个层的方向。图2示出可用于磁存储器或其它器件中的磁性结100的示范性实施例。例如，磁性结100可以是磁隧穿结（MTJ）、自旋阀或弹道(ballistic)磁阻结构或一些其组合。磁性结100可以使用在各种应用中。例如，磁性结可以使用在磁存储器诸如STT-RAM中。为了清晰，图2没有按比例。磁性结100包括被钉扎层110、非磁间隔层120和自由层130。还示出可选的钉扎层102，其可以是反铁磁（AFM）层，诸如PtMn。尽管层102、110、120和130被示出为具有特定的取向，但是该取向可以在其它的实施例中改变。例如，被钉扎层110本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性结，用于磁器件中，包括：被钉扎层，具有被钉扎层磁化；非磁间隔层；以及自由层，具有易磁化轴，该非磁间隔层位于该被钉扎层与该自由层之间，该自由层和该被钉扎层中的至少一个包括至少一种半金属；其中该磁性结被配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。

【技术特征摘要】
2011.07.07 US 61/505,469;2012.06.14 US 13/517,7311.一种磁性结，用于磁器件中，包括：被钉扎层，具有被钉扎层磁化；非磁间隔层；以及自由层，具有易磁化轴，该非磁间隔层位于该被钉扎层与该自由层之间，该自由层和该被钉扎层中的至少一个包括至少一种半金属；其中该磁性结被配置为使得当写入电流流经该磁性结时该自由层在多个稳定的磁状态之间可切换，其中该自由层具有从易磁化锥各向异性和磁偏置诱导各向异性选出的磁各向异性，该易磁化锥各向异性为使得关于自由层的磁化的所述多个稳定的磁状态中的至少一个发生在围绕易磁化轴的非零角度处，该磁偏置诱导各向异性由来自该磁性结中的偏置结构的磁偏置产生，该磁偏置垂直于该自由层的易磁化轴并且垂直于该被钉扎层的被钉扎层易磁化轴，以及其中如果该自由层具有磁偏置诱导各向异性，该被钉扎层易磁化轴垂直于该自由层的易磁化轴。2.如权利要求1所述的磁性结，其中该自由层的易磁化轴为垂直于平面的。3.如权利要求1所述的磁性结，其中该自由层的易磁化轴为平面内的。4.如权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括CrO2、Sr2FeMoO6、(La0.7Sr0.3)MnO3、Fe3O4、NiMnSb中的至少一种。5.如权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括T＝XYZ，其中X从Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt和Au中选出，Y从Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中选出，Z从Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb和Bi中选出。6.如权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括TM，其中T＝XYZ,其中X从Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt和Au中选出,Y从Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中选出，Z是从Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb和Bi中选出，M从Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt、Au、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Al、Si、Ga、Ge、As、In、Sn、Sb、Pb或Bi中选出。7.如权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括RE1-xMxMnO3，其中x小于或等于1，M为Ca、Sr、Ba或Pb，RE从稀土金属和碱土金属中选出。8.如权利要求7所述的磁性结，其中所述稀土金属是从La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中选出。9.如权利要求7所述的磁性结，其中所述碱土金属从Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中选出。10.如权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括至少一种双钙钛矿A2MM’O6，其中A从稀土金属和碱土金属选出，M和M’是从Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Pt、Au和Hg中选出的两种不同的元素。11.如权利要求10所述的磁性结，其中所述稀土金属从La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中选出。12.如权利要求10所述的磁性结，其中所述碱土金属从Be、Mg、Ca、Sr、Ba和Ra中选出。13.如权利要求1所述的磁性结，其中所述至少一种半金属包括CrO2和Fe3...

【专利技术属性】
技术研发人员：D阿帕尔科夫，唐学体，MT克罗恩比，V尼基廷，AV克瓦尔科夫斯基，
申请(专利权)人：三星电子株式会社，
类型：发明
国别省市：