專(zhuān)利名稱(chēng)：用于提供具有層疊的自由層的磁隧穿結(jié)元件的方法和系統(tǒng)以及使用這樣的磁性元件的存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
背景技術(shù)：
磁存儲(chǔ)器，尤其是磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，已經(jīng)由于其在操作期間在高讀/寫(xiě)速度、優(yōu)良的耐久性、非易失性和低功耗方面的潛力而引起越多越多的關(guān)注。MRAM能夠利用磁性材料作為信息記錄介質(zhì)來(lái)存儲(chǔ)信息。一種MRAM是自旋轉(zhuǎn)移矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-RAM)0 STT-RAM利用磁元件,該磁元件至少部分地通過(guò)驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)該磁元件的電流來(lái)寫(xiě)入。例如，圖1示出常規(guī)磁隧穿結(jié)(MTJ) 10，因?yàn)樗梢允褂迷诔Ｒ?guī)STT-RAM中。常規(guī)MTJlO通常位于底接觸11上，使用常規(guī)籽層12且包括常規(guī)反鐵磁(AFM)層14、常規(guī)被釘扎層16、常規(guī)隧穿勢(shì)壘層18、常規(guī)自由層20和常規(guī)蓋層22。還示出了頂接觸24。常規(guī)接觸11和24用于在電流垂直于面(CPP)方向或者沿著z軸驅(qū)動(dòng)電流，如圖1所示。常規(guī)隧穿勢(shì)壘層18是非磁性的，并例如是薄絕緣體諸如MgO。常規(guī)籽層12通常用于輔助具有期望的晶體結(jié)構(gòu)的隨后層(諸如AFM層14)的生長(zhǎng)。常規(guī)自由層20直接暴露于頂接觸24會(huì)導(dǎo)致無(wú)序的界面、死磁區(qū)和增強(qiáng)的阻尼。因此，在沉積頂接觸24之前，常規(guī)的蓋層22直接設(shè)置在自由層20上。該常規(guī)的蓋用作擴(kuò)散阻擋且改善常規(guī)自由層24的表面質(zhì)量。常規(guī)被釘扎層16和常規(guī)自由層20是磁性的。常規(guī)被釘扎層16的磁化17通常通過(guò)與AFM層14的交換偏置相互作用而被固定或釘扎在特定方向。雖然被示出為簡(jiǎn)單(單一)層，但是常規(guī)被釘扎層16可以包括多個(gè)層。例如，常規(guī)被釘扎層16可以是包括通過(guò)薄導(dǎo)電層諸如Ru反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的合成反鐵磁(SAF)層。在這樣的SAF中，可以使用與Ru薄層交替的多個(gè)磁性層。此外，其他類(lèi)型的常規(guī)MTJlO可以包括通過(guò)額外的非磁勢(shì)壘或?qū)щ妼?未示出)而與自由層20分離的額外被釘扎層(未示出)。常規(guī)自由層20具有可改變的磁化21。雖然被示出為簡(jiǎn)單層，但是常規(guī)自由層20也可以包括多個(gè)層。例如，常規(guī)自由層20可以是包括通過(guò)諸如Ru的薄導(dǎo)電層而反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的合成層。雖然被示出為在平面內(nèi)，但是常規(guī)自由層20的磁化21可以具有垂直各向異性。例如，在常規(guī)自由層20中可以產(chǎn)生垂直各向異性。如果平面外退磁能超過(guò)與垂直各向異性相關(guān)的能量(垂直各向異性能)，則垂直各向異性可以被稱(chēng)為部分垂直磁各向異性(PPMA)。因而，磁化21保持在平面內(nèi)，盡管具有垂直于平面的各向異性。如果面外退磁能小于垂直各向異性能，則自由層20的磁化將會(huì)在平面外(例如，在圖1中的z方向上)。由于諸多原因(諸如降低寫(xiě)入自由層20所需的電流密度)而可能期望垂直磁化21。還要求常規(guī)MTJlO熱穩(wěn)定以用于STT-RAM中。在等待時(shí)間(latency)期間，熱擾動(dòng)使常規(guī)自由層20內(nèi)的磁矩振蕩和/或進(jìn)動(dòng)。這些熱擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致常規(guī)自由層20的磁化21的反轉(zhuǎn)，使常規(guī)MTJlO不穩(wěn)定。為了提供抵抗這樣的熱擾動(dòng)的熱穩(wěn)定性，期望自由層20中分離相反取向的磁化狀態(tài)的能量勢(shì)壘具有足夠的大小。通常，這至少部分地通過(guò)確保常規(guī)自由層20具有足夠的體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，自由層20通常具有與其相關(guān)的多種各向異性。平面外退磁能涉及與薄膜各向異性相關(guān)的形狀各向異性并且一般將自由層20的磁化限定在平面內(nèi)。在圖1示出的常規(guī)MTJlO中，常規(guī)自由層20可以具有形狀各向異性，允許自由層磁化21沿著X軸是穩(wěn)定的，如圖1所示。此外，可以存在額外的各向異性，例如與常規(guī)自由層20的晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的各向異性。 盡管常規(guī)磁性元件10可以利用自旋轉(zhuǎn)移來(lái)寫(xiě)入并使用在STT-RAM中，但是存在缺陷。一般地，期望等比例縮小至更高的存儲(chǔ)器密度，因此常規(guī)磁性元件的更小尺寸。磁性元件10對(duì)于這樣的等比例縮小會(huì)具有障礙，與自由層磁化21是在平面內(nèi)還是垂直于平面無(wú)關(guān)。具體地，在常規(guī)自由層的磁化21在平面內(nèi)的情形下，寫(xiě)入常規(guī)磁性元件10所需的電流密度會(huì)仍然相對(duì)較高，而磁阻仍會(huì)低于期望的。對(duì)于其中常規(guī)自由層20的磁化21垂直于平面的常規(guī)磁性元件，也會(huì)存在對(duì)等比例縮小的障礙。通常地，這樣的磁性元件10使用高沉積溫度，這可能與疊層中其他層(諸如常規(guī)勢(shì)壘層18)的保護(hù)不相容。如果，如通常期望的，晶體MgO將被用作常規(guī)勢(shì)壘層18，則在這樣的多層中使用的材料也會(huì)受到限制。最終，這樣的磁性元件會(huì)具有不對(duì)稱(chēng)的RH環(huán)(RH loop)，這對(duì)于磁存儲(chǔ)器中的使用是不期望的。因此，需要一種可改善基于自旋轉(zhuǎn)移矩的存儲(chǔ)器的等比例縮小的方法和系統(tǒng)。這里描述的方法和系統(tǒng)解決了這樣的需要。

發(fā)明內(nèi)容
示例性實(shí)施方式提供了用于提供可用于磁性器件中的磁子結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)、以及使用該子結(jié)構(gòu)的磁性元件和存儲(chǔ)器。該磁子結(jié)構(gòu)包括多個(gè)鐵磁層和多個(gè)非磁性層。鐵磁層與多個(gè)非磁性層交替。鐵磁層是與多個(gè)非磁性層不能混合的，并相對(duì)于多個(gè)非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定。鐵磁層實(shí)質(zhì)上沒(méi)有與多個(gè)非磁性層產(chǎn)生相互作用的磁死層(magneticallydead layer)。此外，非磁性層在多個(gè)鐵磁層中引起垂直各向異性。磁子結(jié)構(gòu)配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁子結(jié)構(gòu)時(shí)可在多個(gè)穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。


圖1示出常規(guī)的磁性元件。圖2示出磁子結(jié)構(gòu)的示例性實(shí)施方式。圖3示出磁子結(jié)構(gòu)的另一示例性實(shí)施方式。圖4示出磁子結(jié)構(gòu)的另一示例性實(shí)施方式。
圖5示出磁子結(jié)構(gòu)的另一示例性實(shí)施方式。圖6示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的示例性實(shí)施方式。圖7示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖8示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖9示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖10示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖11示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖12示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖13示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖14示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖15示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖16示出利用磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件的另一示例性實(shí)施方式。圖17示出在存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器元件中利用磁子結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器的示例性實(shí)施方式。圖18示出用于制造磁子結(jié)構(gòu)的方法的示例性實(shí)施方式。
具體實(shí)施例方式示例性實(shí)施方式涉及可用于磁性器件諸如磁存儲(chǔ)器中的磁性元件以及使用這樣的磁性元件的裝置。給出以下說(shuō)明，以使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且以下說(shuō)明在專(zhuān)利申請(qǐng)及其要求的背景下提供。在此描述的示例性實(shí)施方式的各種變形以及一般性原理和特征將易于變得明顯。主要在特定實(shí)施例中提供的特定方法和系統(tǒng)方面描述了示例性實(shí)施方式。然而，方法和系統(tǒng)會(huì)在其它實(shí)施例中有效地運(yùn)行。短語(yǔ)諸如“示例性實(shí)施方式”、“一個(gè)實(shí)施方式”和“另一實(shí)施方式”可以指的是相同或不同的實(shí)施方式以及多個(gè)實(shí)施方式。將關(guān)于具有某些組件的系統(tǒng)和/或器件描述實(shí)施方式。然而，系統(tǒng)和/或器件可以包括比所示出的那些多或少的組件，并且可以進(jìn)行組件的布置和類(lèi)型的變化而不脫離本發(fā)明的范圍。示例性實(shí)施方式還將在具有某些步驟的特定方法的背景下描述。然而，對(duì)于具有不同和/或額外的步驟以及與示例性實(shí)施方式不是不相容的不同次序的步驟的其它方法，方法和系統(tǒng)也有效地運(yùn)行。因而，本發(fā)明不旨在被限制到所示出的實(shí)施方式，而是給予與在此描述的原理和特征一致的最寬范圍。描述了用于提供磁子結(jié)構(gòu)以及利用該磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件和磁存儲(chǔ)器的方法和系統(tǒng)。磁子結(jié)構(gòu)包括多個(gè)鐵磁層和多個(gè)非磁性層。鐵磁層與非磁性層交替。鐵磁層是與多個(gè)非磁性層不能混合的并相對(duì)于該多個(gè)非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定。鐵磁層實(shí)質(zhì)上沒(méi)有與多個(gè)非磁性層產(chǎn)生相互作用的磁死層。此外，非磁性層在鐵磁層中引起垂直各向異性。磁子結(jié)構(gòu)配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁子結(jié)構(gòu)時(shí)可在多個(gè)穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。示例性實(shí)施方式在具有某些組件的特定磁子結(jié)構(gòu)、磁性元件和磁存儲(chǔ)器的背景下描述。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，本發(fā)明與具有和本發(fā)明不相容的其它和/或額外組件和/或其它特征的磁性元件和磁存儲(chǔ)器的使用相容。方法和系統(tǒng)還在自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象、層狀結(jié)構(gòu)中的磁各向異性以及其它物理現(xiàn)象的當(dāng)前理解的背景下描述。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，方法和系統(tǒng)的行為的理論解釋是基于自旋轉(zhuǎn)移、磁各向異性和其它物理現(xiàn)象的當(dāng)前理解進(jìn)行的。然而，在此描述的方法和系統(tǒng)并不取決于特定物理解釋。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還將容易地理解，方法和系統(tǒng)在與基板具有特定關(guān)系的結(jié)構(gòu)的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，方法和系統(tǒng)與其它結(jié)構(gòu)相容。此外，方法和系統(tǒng)在某些層是合成和/或簡(jiǎn)單層的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，層可以具有其它結(jié)構(gòu)。此外，方法和系統(tǒng)在磁性元件和/或子結(jié)構(gòu)具有特定層的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，還可以使用具有與方法和系統(tǒng)不是不相容的額外層和/或不同層的磁性元件和/或子結(jié)構(gòu)。此外，某些組件被描述為磁性的、鐵磁性的和亞鐵磁性的。當(dāng)在這里使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)磁性的可以包括鐵磁的、亞鐵磁的或類(lèi)似結(jié)構(gòu)。因而，當(dāng)在這里使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“磁性的”或“鐵磁的”包括，但是不限于鐵磁體和亞鐵磁性材料。方法和系統(tǒng)還在單一元件和子結(jié)構(gòu)的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，方法和系統(tǒng)與具有多個(gè)元件且使用多個(gè)子結(jié)構(gòu)的磁存儲(chǔ)器的使用相容。此外，當(dāng)在這里使用時(shí)，“平面內(nèi)”實(shí)質(zhì)上是在磁性元件的層中的一層或多層的平面內(nèi)或與之平行。相反地，“垂直”對(duì)應(yīng)于實(shí)質(zhì)上垂直于磁性元件的層中的一層或多層的方向。除了上述現(xiàn)象之外，已經(jīng)確定，某些蓋層22可以在常規(guī)自由層20中引起PPMA。例如，MgO蓋層22可以在常規(guī)自由層20中引起PPMA。在一些這樣的磁性元件中，自由層20的磁化可以在平面內(nèi)。當(dāng)與其它各向異性結(jié)合時(shí)，PPMA可以導(dǎo)致常規(guī)磁化21垂直于平面。雖然被稱(chēng)為“部分”垂直磁各向異性，但是PPMA可以實(shí)際上導(dǎo)致完全垂直磁化。對(duì)于利用PPMA的平面內(nèi)和垂直于平面的兩種磁性元件，PPMA不能等比例縮小至高存儲(chǔ)密度。因?yàn)榇判栽?0被等比例縮小至更高的密度，所以自由層20被制作得更厚以提供熱穩(wěn)定性。在這樣的情況下，已經(jīng)確定，對(duì)于更厚的自由層21, PPMA會(huì)被其他效應(yīng)支配。此夕卜，MgO蓋的使用會(huì)具有寄生電阻，該寄生電阻是常規(guī)磁性元件10的電阻的增大部分。因而，等比例縮小會(huì)是有問(wèn)題的，特別在期望PPMA用于為自由層提供垂直各向異性的情形下。雖然可以有其它的方案，但是這樣的方案通常具有缺點(diǎn)。例如，解決這些問(wèn)題中的一些的磁性元件會(huì)包括大量的材料以及其他的處理，該大量的材料會(huì)需要多個(gè)濺射靶，該其它處理會(huì)是困難的。圖2示出在磁器件中使用的磁子結(jié)構(gòu)100的示例性實(shí)施方式，該磁器件諸如可用于磁存儲(chǔ)器諸如STT-RAM中的磁性元件。磁子結(jié)構(gòu)100包括與非磁性層104交替的鐵磁層102。鐵磁層102和非磁性層104可以被認(rèn)為結(jié)合成一個(gè)或多個(gè)雙層110-1。在不出的實(shí)施方式中，存在η個(gè)雙層110-1、110-2至110_η。在示出的實(shí)施方式中，示出可選的非磁性層101和可選的鐵磁層106。層101和106中的任一個(gè)或兩者可以被省略。取決于其中將要使用磁子結(jié)構(gòu)100的器件，底層和頂層可以被期望是鐵磁性的，底層和頂層二者可以被期望是非磁性的，僅底層可以被期望是磁性的或僅頂層可以被期望是磁性的。因而，層101和106可以用于將磁子結(jié)構(gòu)100修整至期望的應(yīng)用。此外，期望鐵磁層106和非磁性層101分別與鐵磁層102和非磁性層104 —致。因此，以下關(guān)于層102和104的討論也可以分別應(yīng)用于層106和101。鐵磁層102和非磁性層104相對(duì)于彼此是不能混合的并且在化學(xué)上穩(wěn)定。因此，在鐵磁層102中使用的磁性材料不趨于與非磁性層104中使用的非磁性材料混合。此外，鐵磁層102不與非磁性層104化學(xué)反應(yīng)而形成其它化合物。代替地，鐵磁層102和非磁性層104形成整齊的界面。換句話(huà)說(shuō)，鐵磁層102和非磁性層104形成分離的結(jié)構(gòu)而不是合金。此外，在一些實(shí)施方式中，磁“死”層沒(méi)有形成在與相鄰的非磁性層的界面處或界面附近的鐵磁層102中。在這樣的實(shí)施方式中，鐵磁層102不與非磁性層104相互作用，該相互作用會(huì)導(dǎo)致這樣的死層形成在界面處或界面附近。在其它實(shí)施方式中，會(huì)期望提供磁化被削弱的鐵磁層102，使得利用該磁子結(jié)構(gòu)的自由層具有減小的磁化。在一些這樣的實(shí)施方式中，可以允許磁“死”層的混合和形成。然而，其它機(jī)制諸如摻雜也可以用來(lái)提供具有減小的磁化的鐵磁層102。雖然在圖2中示出為明顯的層，但是在一些實(shí)施方式中，非磁性層104可以是不連續(xù)的。例如，非磁性層104可以具有小孔(pinholes)。在其它實(shí)施方式中，孔可以足夠大使得非磁性層104可以被認(rèn)為本質(zhì)上是顆粒狀的。因此，非磁性層104可以由島形成。在一些這樣的實(shí)施方式中，期望這樣的島在z方向上的厚度不大于10埃。此外，在一些實(shí)施方式中，這樣的島在z方向上的厚度可以不大于8埃。在這樣的實(shí)施方式中，部分鐵磁層102可以穿過(guò)非磁性層104延伸使得鐵磁層102彼此物理接觸。然而，這樣的實(shí)施方式中的非磁性島的密度在磁子結(jié)構(gòu)100的對(duì)應(yīng)于鐵磁層102的某些區(qū)域內(nèi)下降為零?？捎糜诜谴判詫?04使得磁子結(jié)構(gòu)100具有以上性能的材料可以包括一種或多種材料諸如A1、A1N、鋁氧化物、Au、Cr、晶體MgO、Cu、摻雜的MgO、銦錫氧化物、Mg、Mo、NiO、Pd、Pt、Ru、Ru02、硅氧化物、SiN、Ta、TaN、T1、TiN、V、W、Y。此外，非磁性層104可以是導(dǎo)電的(例如，金屬的)或絕緣的(例如，氧化物)。例如，晶體MgO可以用于非磁性層104中的一層或多層。在其中使用絕緣的非磁性層104的實(shí)施方式中，優(yōu)選的使非磁性層104不連續(xù)以降低非磁性層104的電阻?？捎糜阼F磁層102使得磁結(jié)構(gòu)100具有以上性能的材料包括Co、Fe和Ni中的一種或多種。此外，鐵磁層102可以是合金或氧化物。在一些實(shí)施方式中，期望化學(xué)計(jì)量的CoFe和/或CoFeB可以用于鐵磁層。在磁性層102中使用的Co、Fe和Ni的合金或氧化物可以包括其它材料。例如，在一些實(shí)施方式中，磁子結(jié)構(gòu)100可以具有至少100且不大于1300emU/CC的磁化。在這樣的實(shí)施方式中，CoFeB的化學(xué)計(jì)量以及用于非磁性層104的Cr和/或V的厚度可以被修整以實(shí)現(xiàn)除以上性能之外的期望的磁化。此外，所選擇的材料也可以為其它性能而被選擇。例如，在一些實(shí)施方式中，被選擇用于層102和104的材料可以為諸如晶體MgO勢(shì)壘層的層提供期望的生長(zhǎng)模板。此外，用于層102和104的材料以及層102和104的厚度可以被選擇使得磁子結(jié)構(gòu)100具有較高的磁阻和/或可利用自旋轉(zhuǎn)移矩轉(zhuǎn)換。雖然被示出為相同的，但是鐵磁層102可以在成分和厚度上相同或不同。類(lèi)似地，非磁性層104可以在成分和厚度上相同或不同。然而，通常期望鐵磁層102比非磁性層104厚。在一些實(shí)施方式中，例如，每個(gè)鐵磁層102是相鄰的非磁性層104的至少三倍厚。此外，鐵磁層102和非磁性層104的厚度和數(shù)量或重復(fù)數(shù)(η)可以被修整以提供磁子結(jié)構(gòu)100的期望總厚度。鐵磁層102和非磁性層104的厚度和數(shù)量或重復(fù)數(shù)(η)也可以被修整以提供磁子結(jié)構(gòu)100的其他性能，諸如期望的磁化。在一些實(shí)施方式中，期望磁子結(jié)構(gòu)100的總厚度為至少2納米且不大于4納米。這樣的厚度可以允許在平面內(nèi)(平行于χ-y平面)的更小尺寸的磁子結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。為了在平面內(nèi)更小的尺寸，可以進(jìn)一步增大磁子結(jié)構(gòu)的厚度。磁子結(jié)構(gòu)100，尤其是非磁性層104，也可以被配置為在鐵磁層102之間提供期望的相互作用。例如，如果非磁性層104變薄，特別地如果非磁性層104包括小孔和/或不連續(xù)，則鐵磁層可以被強(qiáng)烈地鐵磁耦合。在這樣的實(shí)施方式中，磁子結(jié)構(gòu)的鐵磁層102可以本質(zhì)上用作單一層。在其它實(shí)施方式中，非磁性層104可以被配置為使得鐵磁層102被反鐵磁耦合。在其它實(shí)施方式中，非磁性層104可以是連續(xù)的，但是鐵磁層102可以被鐵磁耦合。在其它實(shí)施方式中，非磁性層104可以仍然被制作得較厚，使得鐵磁層102僅被偶極子耦合(dipole couple)。此外，非磁性層104的厚度可以改變，使得一些鐵磁層102具有鐵磁耦合、反鐵磁耦合和/或偶極子耦合的混合。例如，對(duì)于厚度變化的非磁性層104，鐵磁層102之間的RKKY耦合在反鐵磁耦合和鐵磁耦合之間振蕩。通過(guò)改變非磁性層104的厚度，單個(gè)結(jié)構(gòu)100或不同結(jié)構(gòu)中的鐵磁層102之間的耦合可以是鐵磁的或反鐵磁的。此外，偶極子耦合在大厚度的非磁性層104時(shí)處于支配地位。因而，非磁性層104的厚度可用于修整鐵磁層102之間的磁耦合。因?yàn)殍F磁層102與非磁性層104交替，所以磁子結(jié)構(gòu)100可以具有減小的磁矩。例如，通過(guò)使CoFe、CoFeB、包括CoFe的合金和/或包括CoFeB的合金與諸如Cr和/或V的非磁性層交替，磁子結(jié)構(gòu)可以具有期望的磁矩。例如，對(duì)于子結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)低磁矩。低磁矩可以被期望以減小用于磁性元件的自由層的轉(zhuǎn)換電流，如下面所述。此外，鐵磁層102可以仍然在磁性上用作單層。除了以上確定的性能之外，還確定，磁子結(jié)構(gòu)100還可以表現(xiàn)出PPMA。更具體地，鐵磁層與非磁性層104交替的組合可以在相鄰的鐵磁層102中引起垂直各向異性。鐵磁層102可以對(duì)垂直各向異性具有額外的貢獻(xiàn)。因而，如果平面外退磁能超過(guò)垂直各向異性，則磁子結(jié)構(gòu)的磁矩可以在平面內(nèi)。在其它實(shí)施方式中，在鐵磁層中引起的垂直各向異性可以為使得磁子結(jié)構(gòu)100的磁矩垂直于平面(例如，在z方向上)。因此，磁子結(jié)構(gòu)100可以具有平行于z方向的易磁化軸。在這樣的實(shí)施方式中，磁子結(jié)構(gòu)100的垂直各向異性，其中PPMA有助于該垂直各向異性，相應(yīng)于大于磁子結(jié)構(gòu)100的平面外退磁能的垂直各向異性能。因而，可以提供熱穩(wěn)定的厚(例如，厚度為2納米或更大)的磁子結(jié)構(gòu)，同時(shí)仍保持PPMA從而為磁子結(jié)構(gòu)100提供顯著的各向異性。結(jié)果，對(duì)于可能具有垂直各向異性的自旋轉(zhuǎn)移扭矩，磁子結(jié)構(gòu)100可以表現(xiàn)出減小的轉(zhuǎn)換電流。此外，磁子結(jié)構(gòu)100可以表現(xiàn)出較小的阻尼。因此，磁子結(jié)構(gòu)100可以用于將STT-RAM技術(shù)等比例縮小至更高的密度。從工藝觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，這些益處可以被相當(dāng)容易地實(shí)現(xiàn)。例如，如果相同的鐵磁材料用于所有的鐵磁層102并且相同的非磁性材料用于所有的非磁性層104，則子結(jié)構(gòu)100可以?xún)H通過(guò)兩個(gè)沉積靶來(lái)制造。此外，不需要使用高的沉積溫度，例如超過(guò)400攝氏度的溫度。因此，磁子結(jié)構(gòu)100可以與磁性器件(諸如使用晶體MgO作為隧穿勢(shì)壘層的磁隧穿結(jié))相容。最后，應(yīng)注意，由于層厚度和材料可以在整個(gè)磁子結(jié)構(gòu)100調(diào)整，所以可以具有提高的用于修整磁子結(jié)構(gòu)100的性能的能力。圖3示出磁子結(jié)構(gòu)100’的另一示例性實(shí)施方式。磁子結(jié)構(gòu)100’類(lèi)似于磁子結(jié)構(gòu)100。因此，磁子結(jié)構(gòu)100’的類(lèi)似部分與磁子結(jié)構(gòu)100類(lèi)似地標(biāo)記。因此，磁子結(jié)構(gòu)100’包括分別與可選的非磁性層101、鐵磁層102、非磁性層104和可選的鐵磁性層106相應(yīng)的可選的非磁性層101’、鐵磁層102’、非磁性層104’和可選的鐵磁層106’。因而，雙層110-1’、110-2，至 110-n，分別對(duì)應(yīng)于雙層 110-1、110-2 至 110-n。磁子結(jié)構(gòu)100’的鐵磁層102’和非磁性層104’可以包括分別與用于鐵磁層102和非磁性層104的材料和厚度相似的材料和厚度。盡管鐵磁層102’被示出為具有相同的厚度，但是不同的厚度也是可以的。類(lèi)似地，盡管非磁性層104’被示出為具有相同的厚度，但是不同的厚度也是可以的。最后，盡管示出為連續(xù)層，但是小孔和不連續(xù)層也是可以的，尤其對(duì)于非磁性層104’。這樣的不連續(xù)性可以確保在給定的非磁性子層的任一側(cè)上的磁性子層之間的直接交換耦合。鐵磁層102’和非磁性層104’被配置為使得強(qiáng)垂直各向異性在磁子結(jié)構(gòu)100’中引起。更具體地，鐵磁層102’和非磁性層104’的交替在這些層中引起PPMA，該P(yáng)PMA與垂直于平面(即，在z方向上)的磁各向異性的任何其他分量的組合超過(guò)平面外退磁能。因而，磁子結(jié)構(gòu)100’的易磁化軸在z方向上，如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)這樣的各向異性，可以修整層102’和104’的材料和厚度。例如，鐵磁層102’可以包括CoFeB，非磁性層102’可以包括Cr和/或V。例如，可以使用Co2ciFe6ciB2ci。此外，非磁性層104’的厚度可以不超過(guò)相鄰的磁性層102’的三分之一。鐵磁層102’和非磁性層104’的這樣的修整可以提供期望的垂直各向異性，即使對(duì)于厚的磁子結(jié)構(gòu)100’。例如，在一些實(shí)施方式中，磁子結(jié)構(gòu)100’的厚度(在z方向上的尺寸)大于或等于2納米。此外，在一些實(shí)施方式中，可以在鐵磁層104’中引起其它垂直各向異性和/或磁各向異性的平面內(nèi)分量可以被減小。因而，磁子結(jié)構(gòu)100’的易磁化軸因而，磁子結(jié)構(gòu)100’可以具有垂直于平面的易磁化軸。結(jié)果，磁子結(jié)構(gòu)100’可以使用在其中期望磁化垂直于平面的磁性器件中。例如，磁子結(jié)構(gòu)可以用于可利用自旋轉(zhuǎn)移矩寫(xiě)入的磁隧穿結(jié)的自由層中。因此，可以實(shí)現(xiàn)磁子結(jié)構(gòu)100的某些益處，諸如低的寫(xiě)電流密度。此外，雖然垂直各向異性本質(zhì)上可以是界面的，但是交替的層102’和104’可以允許各向異性可以存在于具有更小平面內(nèi)尺寸的更厚的、熱穩(wěn)定的磁子結(jié)構(gòu)100’中。因而，使用磁子結(jié)構(gòu)100’的磁性元件可以被等比例縮小至更高的密度，因此平面內(nèi)更小的尺寸。此夕卜，磁子結(jié)構(gòu)100’可以共享磁子結(jié)構(gòu)100的一個(gè)或多個(gè)其余益處，諸如較高的磁阻。圖4示出磁子結(jié)構(gòu)100’’的另一示例性實(shí)施方式。磁子結(jié)構(gòu)100’’類(lèi)似于磁子結(jié)構(gòu)100。因此，磁子結(jié)構(gòu)100’’的類(lèi)似部分與磁子結(jié)構(gòu)100類(lèi)似地標(biāo)記。因此，磁子結(jié)構(gòu)100’’包括分別與可選的非磁性層101、鐵磁層102、非磁性層104和可選的鐵磁層106對(duì)應(yīng)的可選的非磁性層101’’、鐵磁層102-1、102-2至102-n、非磁性層104-1、104-2至104_n和可選的鐵磁層106，，。因而，雙層110-1，，、110-2”至110-n”分別對(duì)應(yīng)于雙層110-1、110-2 至 110-n。磁子結(jié)構(gòu)100’’的鐵磁層102’’和非磁性層104’’可以包括分別與用于鐵磁層102和非磁性層104的材料類(lèi)似的材料。在所示的實(shí)施方式中，鐵磁層102-1至102-n的厚度以及非磁性層104-1至104-n的厚度變化。然而，在其它實(shí)施方式中，僅鐵磁層102-1至102-n的厚度變化。在其它實(shí)施方式中，僅非磁性層104-1至104_n的厚度變化。此外，層102-1至102-n以及104-1至104_n的厚度被示出為以特定的方式變化。然而，層102-1至102-n以及104-1至104_n的厚度可以以另一方式變化。此外，在磁子結(jié)構(gòu)100’’中使用的材料可以類(lèi)似于在磁子結(jié)構(gòu)100和100’中使用的那些。通過(guò)改變層102-1至102-n的厚度和/或?qū)?04-1至104_n的厚度，可以修整磁子結(jié)構(gòu)100’的各種性能。更具體地,磁性層102-1至102-n之間的耦合、磁子結(jié)構(gòu)100’的磁各向異性、磁阻、磁矩、層間磁相互作用和/或其它特性可以適于期望的應(yīng)用。此外，如以上討論的，用于鐵磁層102-1至102-n以及非磁性層104-1至104_n中的一個(gè)或多個(gè)的材料也可以變化。結(jié)果，可以改善配置磁子結(jié)構(gòu)以具有期望性能的能力。圖5示出磁子結(jié)構(gòu)100’ ’ ’的另一示例性實(shí)施方式。磁子結(jié)構(gòu)100’ ’ ’類(lèi)似于磁子結(jié)構(gòu)100。因此，磁子結(jié)構(gòu)100’’’的類(lèi)似部分與磁子結(jié)構(gòu)100類(lèi)似地標(biāo)記。因此，磁子結(jié)構(gòu)100’’’包括分別與可選的非磁性層101、鐵磁層102、非磁性層104和可選的鐵磁層106對(duì)應(yīng)的可選的非磁性層101’’’、鐵磁層102’’、非磁性層104’’和可選的鐵磁層106’’。因而，雙層110-1’，’、110-2’’’至110-n，，，分別對(duì)應(yīng)于雙層110-1,110-2至110-n。盡管子結(jié)構(gòu)100’’’被示出為包括連續(xù)的非磁性層104-n’，但是在其它實(shí)施方式中，所有的非磁性層104-1’均是不連續(xù)的。在其它實(shí)施方式中，不同數(shù)量的非磁性層104-1’是不連續(xù)的。磁子結(jié)構(gòu)100’ ’ ’的鐵磁層102’ ’ ’和非磁性層104-1’至104_n’可以包括分別類(lèi)似于與用于鐵磁層102/102’ /102-1至102-n和非磁性層104/104’ /104-1至104-n的材料類(lèi)似的材料。類(lèi)似地，磁子結(jié)構(gòu)100’’’的鐵磁層102’’’和非磁性層104-1，至104-n’可以具有分別與鐵磁層102/102’ /102-1至102-n和非磁性層104/104’ /104-1至104-n的上述那些類(lèi)似的厚度。然而，如圖5所示，非磁性層104-1’至104-n’中的至少一些是不連續(xù)的。類(lèi)似地，雖然被示出為連續(xù)的，但是在其它實(shí)施方式中，鐵磁層102’’中的一層或多層可以是不連續(xù)的。在所示的實(shí)施方式中，非磁性層104-n’中的至少一層是連續(xù)的。然而，在其它實(shí)施方式中，不同數(shù)量的非磁性層104-1’至104-n’可以是不連續(xù)的。此外，不連續(xù)層104-1’和104-2’可以具有小的小孔、較大的孔或可以由非磁性島組成。在一些實(shí)施方式中，會(huì)期望島為平坦的“薄烤餅”形狀。在其它實(shí)施方式中，島的長(zhǎng)寬比可以是不同的。然而，在所示出的實(shí)施方式中，島的密度在與層104-1’和104-2’相應(yīng)的區(qū)域中增大，而在與鐵磁層102’’相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)減小或降為零。期望島的厚度不大于10埃。此外，在一些實(shí)施方式中，這樣的島在z方向上的厚度可以不大于8埃。由于鐵磁層102’’穿過(guò)不連續(xù)層104-1’和104-2’延伸，所以可以改善鐵磁層102’’之間的耦合。因而，鐵磁層102’’可以以更類(lèi)似于單一鐵磁層的方式起作用。該特性可以在期望使用磁性元件100’’’的一些應(yīng)用中是期望的。因而，也可以使用層102’’和104-1’至104-n’的厚度和連續(xù)性來(lái)優(yōu)化磁結(jié)構(gòu)100，”。圖6示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元
件200的示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖6沒(méi)有按比例。磁性元件200可以用于諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件200包括被釘扎層220、非磁間隔層230和自由層240。還示出了可選的釘扎層210，其可以用于固定被釘扎層220的磁化(未示出)。在一些實(shí)施方式中，可選的釘扎層210是通過(guò)交換偏置相互作用來(lái)釘扎被釘扎層220的磁化(未示出)的AFM層。然而，在其它實(shí)施方式中，可以省略可選的釘扎層210。此外，磁性元件200可以包括其它和/或額外的層諸如籽層和/或蓋層。磁性元件200還被配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁性元件240時(shí)允許自由層240在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因而，自由層240可利用自旋轉(zhuǎn)移矩來(lái)轉(zhuǎn)換。被釘扎層220和自由層240是磁性的，因此可以包括N1、Fe和Co中的一種或多種，尤其以合金的形式。雖然被示出為簡(jiǎn)單層，但是被釘扎層220可以包括多個(gè)層。例如，被釘扎層220可以是包括通過(guò)諸如Ru的薄層反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用與Ru或其它材料的薄層交替的多個(gè)磁性層。間隔層230是非磁性的。在一些實(shí)施方式中，間隔層230是絕緣體，例如隧穿勢(shì)壘。在這樣的實(shí)施方式中，間隔層230可以包括晶體MgO，其可以提高磁性元件的隧穿磁阻(TMR)0在其它實(shí)施方式中，間隔層可以是諸如Cu的導(dǎo)體。在備選實(shí)施方式中，間隔層230可以具有別的結(jié)構(gòu)，例如在絕緣基質(zhì)中包括導(dǎo)電通道的顆粒層。
自由層240具有可以經(jīng)由自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換的可改變磁化(未示出)。自由層240包括諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的磁子結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，沒(méi)有示出磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’。在一些實(shí)施方式中，自由層240由磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100’’和/或100’’’構(gòu)成。在其它實(shí)施方式中，自由層可以包括其它層。例如，自由層可以是包括磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’作為鐵磁層中的一層或多層的SAF。備選地，自由層240可以包括鄰接磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的鐵磁層或多層。因而，自由層240可以包括與非磁性層交替的鐵磁層，該鐵磁層是與非磁性層不能混合的，且相對(duì)于非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定，并且實(shí)質(zhì)上沒(méi)有會(huì)在鐵磁層中產(chǎn)生磁死層的相互作用。此夕卜，如下面所述，可以在鐵磁層以及由此自由層240中引起垂直各向異性。在自由層240中使用磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’或者將磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’用作自由層240可以提供許多益處。自由層240可以具有垂直各向異性。至少一部分垂直各向異性可以由磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’內(nèi)的PPMA引起。在一些實(shí)施方式中，總的垂直各向異性使得自由層240的易磁化軸垂直于平面(例如，在z方向上)。因此，自由層240可以具有小于其垂直各向異性能的平面外退磁能。在其它實(shí)施方式中，自由層240可以具有大于或等于其垂直各向異性能的平面外退磁能。這樣的自由層240的易磁化軸可以在平面內(nèi)。由于較高的垂直各向異性，用于自旋轉(zhuǎn)移矩的轉(zhuǎn)換電流密度可以減小。即使在自由層240由于厚的磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’而很厚的情形下，垂直各向異性也可以至少部分地經(jīng)由PPMA提供。在一些實(shí)施方式中，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’’以及由此自由層240可以為至少2納米厚。在一些這樣的實(shí)施方式中，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’以及由此自由層可以高達(dá)4納米厚。因此，自由層240可以在平面內(nèi)在較小的尺寸是熱穩(wěn)定的，并且對(duì)于減小的轉(zhuǎn)換電流密度仍保持垂直各向異性。也可以選擇磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的材料和層厚度以及因此自由層240的材料和層厚度以提高磁性元件200的性能。材料可以被選擇以改善TMR。例如，CoFe、CoFeB (諸如C02ciFe6ciB2ci)和/或類(lèi)似鐵磁材料可以使用在磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’中以提供與晶體MgO非磁間隔層230相容的微結(jié)構(gòu)。因而，期望的勢(shì)壘層可以用于非磁間隔層230。由于不需要使用超過(guò)400攝氏度的沉積溫度來(lái)制造磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’以及由此自由層240，所以期望的隧穿勢(shì)壘層可以經(jīng)受得住磁性元件200的制造。此外，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’可以具有低磁矩，其可以進(jìn)一步減小磁性元件200的轉(zhuǎn)換電流密度。例如，由于非磁性層被引入到磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’中，所以磁矩可以被減小。此外，可以修整磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的鐵磁層之間的磁耦合。磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100’ ’和/或100’ ’ ’的鐵磁層可以被鐵磁耦合、反鐵磁耦合或主要地偶極子耦合。當(dāng)被反鐵磁耦合時(shí)，可以減小自由層240的磁矩。這些配置可以使用相對(duì)少量的材料且不用高溫沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100，，和/或100，’’可以配置為具有弱阻尼。此外，由于可以省略諸如MgO的絕緣蓋層以利于使用磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’，所以可以減小磁性元件200的部分的寄生電阻。因此，磁性元件200的性能可以通過(guò)使用磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100，，，而提高。因此，在自由層240中使用磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100’ ’和/或100’ ’ ’的磁性元件200可以對(duì)于平面內(nèi)的較小尺寸以及由此較高的STT-RAM密度如所期望地起作用。圖7示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件200’的另一示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖7沒(méi)有按比例。磁性元件200’可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件200’類(lèi)似于磁性元件200，因此包括類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。磁性元件200’包括與可選的釘扎層210、被釘扎層220、非磁間隔層230和自由層240類(lèi)似的可選的釘扎層210’、被釘扎層220’、非磁間隔層230’和自由層240’。層210，、220，、230，和240，分別具有與層210、220、230和240類(lèi)似的結(jié)構(gòu)和功能。然而，在所示的實(shí)施方式中，被釘扎層220，而不是自由層240’包括磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’。此外，磁性元件200’可以包括其它和/或額外的層諸如籽層和/或蓋層。磁性元件200還被配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁性元件240時(shí)允許自由層240’在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因此，自由層240’可利用自旋轉(zhuǎn)移矩轉(zhuǎn)換。自由層240’是磁性的，因而可以包括N1、Fe和Co中的的一種或多種，尤其以合金的形式。此外，自由層240’具有可利用自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換的可改變磁化。雖然被示出為簡(jiǎn)單層，但是自由層240’可以包括多個(gè)層。例如，自由層240’可以是包括通過(guò)諸如Ru的薄層反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用與Ru或其它材料的薄層交替的多個(gè)磁性層。間隔層230’類(lèi)似于間隔層230。被釘扎層220’具有被固定在特定方向上的磁化(未示出)。被釘扎層220’還包括磁子結(jié)構(gòu)，諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，沒(méi)有示出磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’。在一些實(shí)施方式中，被釘扎層220’由磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100’’和/或100’’’構(gòu)成。在其它實(shí)施方式中，被釘扎層220’可以包括其它層。例如，被釘扎層220’可以是包括磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’作為鐵磁層中的一層或多層的SAF。備選地，被釘扎層220’可以包括鄰近磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的鐵磁層或多層。因此，被釘扎層220’可以包括與非磁性層交替的鐵磁層，該鐵磁層是與非磁性層不能混合的，相對(duì)于非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定，并且實(shí)質(zhì)上沒(méi)有會(huì)在鐵磁層中產(chǎn)生磁死層的相互作用。此外，如下面所述，可以在鐵磁層以及由此被釘扎層220’中引起垂直各向異性。磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的特性以及磁性元件200’的益處可以類(lèi)似于以上對(duì)磁性元件200描述的那些。特別地，在被釘扎層220’中使用磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100’’’或者使用磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100，，，作為被釘扎層220’可以允許被釘扎層220’具有例如由磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’內(nèi)的PPMA引起的垂直各向異性。在一些實(shí)施方式中，垂直各向異性使得被釘扎層220’的易磁化軸垂直于平面(例如，在z方向上)。在一些實(shí)施方式中，垂直各向異性改善被釘扎層220’的垂直于平面(例如，在z方向上)的磁化的釘扎。因此，可以對(duì)磁性元件200’實(shí)現(xiàn)垂直取向的益處。例如，可以實(shí)現(xiàn)減小的轉(zhuǎn)換電流密度。圖8示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件200’’的另一示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖8沒(méi)有按比例。磁性元件200’’可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件200’ ’類(lèi)似于磁性元件200和200’，因此包括類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。磁性元件200’’包括與可選的釘扎層210/210’、被釘扎層220/220’、非磁間隔層230/230’和自由層240/240’類(lèi)似的可選的釘扎層210’ ’、被釘扎層220’ ’、非磁間隔層230’’和自由層240’’。層210，，、220，，、230”和240”分別具有與層210/210’、220/220’、230/230’和240/240’類(lèi)似的結(jié)構(gòu)和功能。然而，在所示的實(shí)施方式中，被釘扎層220’’包括參考層226、間隔層224和被釘扎層222。被釘扎層220’’可以因此是SAF。在所示的實(shí)施方式中，參考層226和/或被釘扎層222包括磁結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’’’。因此，可以實(shí)現(xiàn)以上對(duì)于磁性元件200’描述的益處。圖9示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件200’’’的另一示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖9沒(méi)有按比例。磁性元件200’’’可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件200’ ’’類(lèi)似于磁性元件200、200’和200’ ’，因此包括類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。磁性元件200’’’包括與可選的釘扎層210/210’ /210’’、被釘扎層220/220’ /220，’、非磁間隔層230/230’ /230，’和自由層240/240’ /240，，類(lèi)似的可選的釘扎層210，，，、被釘扎層220，，’、非磁間隔層230’ ’ ’和自由層240’ ’ ’。層210，，，、220，，，、230，，，和 240，，，分別具有與層 210/210’ /210，，、220/220，/220’’、230/230’ /230” 和240/240’ /240’’類(lèi)似的結(jié)構(gòu)和功能。雖然沒(méi)有分別地示出，但是被釘扎層220’’’可以包括多個(gè)磁結(jié)構(gòu)100/100’ /100’’ /100’’’，例如類(lèi)似于被釘扎層220’’。備選地，被釘扎層220，’ ’可以包括單個(gè)磁子結(jié)構(gòu)100/100，/100，’ /100，’ ’，例如類(lèi)似于被釘扎層220，。自由層240’ ’ ’還包括一個(gè)或多個(gè)磁子結(jié)構(gòu)100/100’/100’ ’ /100’ ’ ’。因此，可以實(shí)現(xiàn)以上關(guān)于磁性元件200、200，和/或200，’描述的益處。圖10示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100，，，的磁子結(jié)構(gòu)的磁性
元件250的示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖10沒(méi)有按比例。磁性元件250可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件250包括被釘扎層270、非磁間隔層280和自由層290。還不出可選的釘扎層260,其可以用于固定被釘扎層270的磁化(未不出)。在一些實(shí)施方式中，可選的釘扎層260是通過(guò)交換偏置相互作用來(lái)釘扎被釘扎層270的磁化(未示出)的AFM層。然而，在其它實(shí)施方式中，可以省略可選的釘扎層260。此外，磁性元件250可以包括其它和/或額外的層，諸如籽層和/或蓋層。磁性元件250還被配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁性元件250時(shí)允許自由層290在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因此，自由層290是可利用自旋轉(zhuǎn)移矩轉(zhuǎn)換的。間隔層280是非磁性的。在一些實(shí)施方式中，間隔層280是絕緣體，例如隧穿勢(shì)壘。在這樣的實(shí)施方式中，間隔層280可以包括晶體MgO，其可以提高磁性元件的隧穿磁阻(TMR)0在其它實(shí)施方式中，間隔層可以是諸如Cu的導(dǎo)體。在備選實(shí)施方式中，間隔層280可以具有別的結(jié)構(gòu)，例如在絕緣基質(zhì)中包括導(dǎo)電通道的顆粒層。被釘扎層270和自由層290是磁性的，因此可以包括N1、Fe和Co中的一種或多種，尤其以合金的形式。雖然被示出為簡(jiǎn)單層，但是被釘扎層270和/或自由層290可以包括多層。例如，被釘扎層270和/或自由層290可以是包括通過(guò)諸如Ru的薄層反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用與Ru或其它材料的薄層交替的多個(gè)磁性層。此外，被釘扎層270和/或自由層290可以包括磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’(未示出)。然而，與被釘扎層270相反，自由層240具有可經(jīng)由自旋轉(zhuǎn)移來(lái)轉(zhuǎn)換的可改變磁化(未不出)。在所不的實(shí)施方式中，自由層290具有垂直于平面(在z方向上)的易磁化軸。然而，在其它實(shí)施方式中，自由層290可以具有完全或部分地在平面內(nèi)的易磁化軸。類(lèi)似地，被釘扎層270的磁化被示出為被釘扎在垂直方向上。然而，在其它實(shí)施方式中，被釘扎層270的磁化可以是在包括平面內(nèi)的其它方向上。磁性元件250還包括諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的磁子結(jié)構(gòu)。
因此，磁性元件250可以包括與非磁性層交替的鐵磁層，該鐵磁層是與該非磁性層不能混合的，相對(duì)于該非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定，并且在至少一些實(shí)施方式中實(shí)質(zhì)上沒(méi)有會(huì)在鐵磁層中產(chǎn)生磁死層的相互作用。此外，如下面所述，可以在鐵磁層以及因此自由層240中引起垂直各向異性。磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’可以用作自由層290和非磁間隔層之間的界面層。因而，自由層240可以提供許多益處。更具體地，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’可以具有例如由磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’內(nèi)的PPMA引起的垂直各向異性。此垂直各向異性可以增強(qiáng)自由層290的垂直各向異性。由于垂直各向異性，對(duì)于磁性元件250，可以減小用于自旋轉(zhuǎn)移矩的轉(zhuǎn)換電流密度。在一些實(shí)施方式中，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’以及自由層240可以為至少2納米厚。在一些這樣的實(shí)施方式中，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’以及自由層可以達(dá)到4納米厚。磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100，，和/或100’ ’’可以強(qiáng)烈地鐵磁耦合到自由層240。磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100’ ’和/或100’ ’’以及由此自由層240可以在平面內(nèi)熱穩(wěn)定在較小的尺寸。還可以選擇用于磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的材料和層厚度以提高磁性元件250的性能。材料可以被選擇以改善TMR。例如，CoFe、CoFeB (諸如C02ciFe6ciB2ci)和/或類(lèi)似的鐵磁材料可以使用在磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’中以提供與晶體MgO非磁間隔層280相容的微結(jié)構(gòu)。因而，期望的勢(shì)壘層可以用于非磁間隔層280。由于不需要使用超過(guò)400攝氏度的沉積溫度來(lái)制造磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’，所以期望的隧穿勢(shì)壘層可以經(jīng)受得住磁性元件250的制造。此外，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’ ’’可以具有低磁矩，這可以進(jìn)一步減小磁性元件250的轉(zhuǎn)換電流密度，因?yàn)樽杂蓪?90可以與磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’磁耦合。磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100，，和/或100’ ’ ’的期望配置可以使用相對(duì)少量的材料且不用高溫沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’可以配置為具有弱阻尼。此外，由于可以省略諸如MgO的絕緣蓋層以利于使用磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’，所以可以減小磁性元件250的部分的寄生電阻。因而，磁性元件250的性能可以通過(guò)使用磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’ ’ ’而提高。因此，使用鄰近于自由層290的磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的磁性元件250可以對(duì)于平面內(nèi)較小的尺寸以及由此較高的STT-RAM密度如所期望地起作用。圖11示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件250’的示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖11沒(méi)有按比例。磁性元件250可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件250’包括分別與可選的釘扎層260、被釘扎層270、非磁間隔層280和自由層290類(lèi)似的可選的釘扎層260’、被釘扎層270’、非磁間隔層280’和自由層290’。此外，磁性元件250’可以包括其它和/或額外的層，諸如籽層和/或蓋層。磁性元件250’還被配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁性元件250’時(shí)允許自由層290’在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因而，自由層290’是可利用自旋轉(zhuǎn)移矩轉(zhuǎn)換的。磁性元件250’還包括諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的磁子結(jié)構(gòu)。因此，磁性元件250’可以包括與非磁性層交替的鐵磁層，鐵磁層是與該非磁性層不能混合的，相對(duì)于該非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定，并且在至少一些實(shí)施方式中實(shí)質(zhì)上沒(méi)有會(huì)在鐵磁層中產(chǎn)生磁死層的相互作用。然而，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’鄰近被釘扎層270’而不是自由層290’。磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100’’’可以用作被釘扎層270，和非磁間隔層280’之間的界面層。因而，被釘扎層270’可以提供許多益處。例如，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100”和/或100，，，可以具有例如由磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100，，，內(nèi)的PPMA引起的垂直各向異性。此垂直各向異性可以增強(qiáng)被釘扎層270’的垂直各向異性。在一些實(shí)施方式中，至少一部分被釘扎層270’磁化可以保留在平面內(nèi)。在這樣的實(shí)施方式中，被釘扎層270’的平面外退磁能不大于垂直各向異性能。在其它實(shí)施方式(包括圖11所示的實(shí)施方式)中，被釘扎層270’的磁化可以垂直于平面。在這樣的實(shí)施方式中，平面外退磁能小于垂直各向異性能。因此，被釘扎層270’可以在垂直磁性元件250’中更好地起作用。由于垂直各向異性，對(duì)于磁性元件250’，可以減小用于自旋轉(zhuǎn)移矩的轉(zhuǎn)換電流密度。還可以選擇磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的材料和層厚度以提高磁性元件250的性能。材料可以被選擇以改善TMR。例如，CoFe、CoFeB和/或類(lèi)似的鐵磁材料可以使用在磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’中以提供與晶體MgO非磁間隔層280’相容的微結(jié)構(gòu)。因此，期望的勢(shì)壘層可以用于非磁間隔層280’。磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的期望配置可以使用相對(duì)少量的材料且不用高溫沉積來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’’可以配置為具有弱阻尼。此外，由于可以省略諸如MgO的絕緣蓋層以利于使用磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’，所以可以減小磁性元件250’的一部分的寄生電阻。因此，磁性元件250’的性能可以通過(guò)使用磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’而提高。因此，使用鄰近于被釘扎層270’的磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的磁性元件250’可以對(duì)于平面內(nèi)較小的尺寸以及由此較高的STT-RAM密度如所期望的起作用。圖12示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件250’’的示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖12沒(méi)有按比例。磁性元件250’’可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件250’ ’包括分別與可選的釘扎層260/260’、被釘扎層270/270’、非磁間隔層280/280’和自由層290/290’類(lèi)似的可選的釘扎層260’ ’、被釘扎層270，’、非磁間隔層280’ ’和自由層290’ ’。此外，磁性元件250，’可以包括其它和/或額外的層，諸如籽層和/或蓋層。磁性元件250’’還被配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁性元件250’ ’時(shí)允許自由層290’ ’在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因而，自由層290’ ’是可利用自旋轉(zhuǎn)移矩來(lái)轉(zhuǎn)換的。磁性元件250’ ’還包括諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的磁子結(jié)構(gòu)。因此，磁性元件250’ ’可以包括與非磁性層交替的鐵磁層，鐵磁層是與該非磁性層不能混合的，相對(duì)于該非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定，并且在至少一些實(shí)施方式中實(shí)質(zhì)上沒(méi)有會(huì)在鐵磁層中產(chǎn)生磁死層的相互作用。第一磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’鄰近被釘扎層270’，而第二磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100’’’鄰近自由層290’’。磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’可以用作被釘扎層270’’和非磁間隔層280’’之間以及自由層290’’和非磁間隔層280’’之間的界面層。因而，可以實(shí)現(xiàn)磁性元件250和/或250’的益處。
圖13示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100，，，的磁子結(jié)構(gòu)的磁性
元件300的示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖13沒(méi)有按比例。磁性元件300可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件300包括第一被釘扎層320、第一非磁間隔層330、自由層340、第二非磁間隔層350和第二被釘扎層360。還示出可選的釘扎層310和370，其可以分別用于固定被釘扎層320和360的磁化(未不出)。在一些實(shí)施方式中，可選的釘扎層310和370是通過(guò)交換偏置相互作用來(lái)釘扎被釘扎層320和360的磁化(未示出)的AFM層。然而，在其它實(shí)施方式中，可以省略可選的釘扎層320和/或370。此外，磁性元件300可以包括其它和/或額外的層，諸如籽層和/或蓋層。磁性元件300還被配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁性元件300時(shí)允許自由層340在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因而，自由層340是可利用自旋轉(zhuǎn)移矩轉(zhuǎn)換的。間隔層330和350是非磁性的。在一些實(shí)施方式中，間隔層330是絕緣體，例如隧穿勢(shì)壘。在這樣的實(shí)施方式中，間隔層330和/或350可以包括晶體MgO，這可以增強(qiáng)磁性元件的隧穿磁阻(TMR)。在其它實(shí)施方式中，間隔層330和/或350可以是導(dǎo)體，諸如Cu。在備選實(shí)施方式中，間隔層330和/或350可以具有別的結(jié)構(gòu)，例如在絕緣基質(zhì)中包括導(dǎo)電通道的顆粒層。在一些實(shí)施方式中，間隔層330和350都是絕緣隧穿勢(shì)壘。然而，在其它實(shí)施方式中，僅一個(gè)間隔層330或350是絕緣隧穿勢(shì)壘。相應(yīng)地，另一個(gè)間隔層350或330可以是導(dǎo)電的。被釘扎層320和360以及自由層340是磁性的，因此可以包括N1、Fe和Co中的一種或多種，尤其以合金的形式。雖然被示出為簡(jiǎn)單層，但是被釘扎層320和360可以包括多個(gè)層。例如，被釘扎層320和360中的一層或多層可以是包括通過(guò)諸如Ru的薄層反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用與Ru或其它材料的薄層交替的多個(gè)磁性層。被釘扎層320和370的磁化可以是在垂直方向上。然而,在其它實(shí)施方式中,被釘扎層320和370的磁化可以在另一方向(包括部分或完全在平面內(nèi))上。此外，自由層340可以包括磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’(沒(méi)有單獨(dú)示出)。自由層340還具有可經(jīng)由自旋轉(zhuǎn)移來(lái)轉(zhuǎn)換的可改變磁化(未示出)。自由層340可以具有垂直于平面(在z方向上)的易磁化軸。然而，在其它實(shí)施方式中，自由層340可以具有完全或部分地在平面內(nèi)的易磁化軸。自由層340可以由磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’構(gòu)成，或者還可以包括其他層。因此，自由層340可以類(lèi)似于自由層240。因此，對(duì)于磁性元件300可以實(shí)現(xiàn)與對(duì)磁性元件200實(shí)現(xiàn)的那些類(lèi)似的益處。此外，可以實(shí)現(xiàn)雙磁結(jié)構(gòu)諸如雙磁隧穿結(jié)或單勢(shì)壘磁隧穿結(jié)(其中一個(gè)非磁間隔層是勢(shì)壘層而另一個(gè)是導(dǎo)電的)的益處。圖14示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100，，，的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件300’的示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖14沒(méi)有按比例。磁性元件300’可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件300’類(lèi)似于磁性元件300。因此，磁性元件300’包括分別與第一被釘扎層320、第一非磁間隔層330、自由層340、第二非磁間隔層350和第二被釘扎層360類(lèi)似的第一被釘扎層320’、第一非磁間隔層330’、自由層340’、第二非磁間隔層350’和第二被釘扎層360’。還示出分別與可選的釘扎層310和370類(lèi)似的可選的釘扎層310’和370’。然而，在其它實(shí)施方式中，可以省略可選的釘扎層320’和/或370’。此外，磁性元件300’可以包括其它和/或額外的層，諸如籽層和/或蓋層。磁性元件300’還被配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁性元件300’時(shí)允許自由層340’在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因而，自由層340’是可利用自旋轉(zhuǎn)移矩轉(zhuǎn)換的。與磁性元件300相反，自由層340’可以不包括磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’。然而，自由層390’可以包括多層。例如，自由層340’可以是包括通過(guò)諸如Ru的薄層反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用與Ru或其它材料的薄層交替的多個(gè)磁性層。自由層340’的磁化可以在垂直方向上。然而,在其它實(shí)施方式中，自由層340’的磁化可以在另一方向(包括部分或完全在平面內(nèi))上。被釘扎層320’和/或被釘扎層360’可以包括磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100，，和/或100’’’(未單獨(dú)示出)。被釘扎層320’和/或被釘扎層360’可以具有垂直于平面(在Z方向上)的易磁化軸。然而，在其它實(shí)施方式中，被釘扎層320’和/或被釘扎層360’可以具有完全或部分地在平面內(nèi)的易磁化軸。被釘扎層320’和/或被釘扎層360’可以由磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’構(gòu)成，或者還可以包括其它層。因此，被釘扎層320’和/或被釘扎層360’可以類(lèi)似于被釘扎層220’或220’’。因此，可以對(duì)磁性元件300’實(shí)現(xiàn)與對(duì)磁性元件200’和/或200’ ’實(shí)現(xiàn)的益處類(lèi)似的益處。此外，可以實(shí)現(xiàn)雙磁結(jié)構(gòu)諸如雙磁隧穿結(jié)或單勢(shì)壘磁隧穿結(jié)(其中一個(gè)非磁間隔層是勢(shì)壘層而另一個(gè)是導(dǎo)電的)的益處。圖15示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件300’’的示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖15沒(méi)有按比例。磁性元件300’’可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件300’類(lèi)似于磁性元件300和300’。磁性元件300’ ’因此包括分別與第一被釘扎層320/320’、第一非磁間隔層330/330’、自由層340/340’、第二非磁間隔層350/350’和第二被釘扎層360/360’類(lèi)似的第一被釘扎層320’’、第一非磁間隔層330’ ’、自由層340，，、第二非磁間隔層350’ ’和第二被釘扎層360，，。還示出分別與可選的釘扎層310/310’和370/370’類(lèi)似的可選的釘扎層310’’和370’’。然而，在其它實(shí)施方式中，可以省略可選的釘扎層310’’和/或370’’。此外，磁性元件300’’可以包括其它和/或額外的層，諸如籽層和/或蓋層。磁性元件300’ ’還被配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁性元件300’’時(shí)允許自由層340’’在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間切換。因此，自由層340’’是可利用自旋轉(zhuǎn)移矩轉(zhuǎn)換的。自由層340’’以及被釘扎層320’ ’和/或360’ ’的一個(gè)或多個(gè)可以包括磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’ (未單獨(dú)示出)。自由層340’’、被釘扎層320’’和/或被釘扎層360’ ’可以具有垂直于平面(在z方向上)的易磁化軸。然而，在其它實(shí)施方式中，自由層340’ ’、被釘扎層320’ ’和/或被釘扎層360’ ’可以具有完全或部分地在平面內(nèi)的易磁化軸。自由層340’ ’、被釘扎層320’ ’和/或被釘扎層360’ ’可以由磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’’’構(gòu)成，或者還可以包括其它層。因此，自由層340’’、被釘扎層320’’和/或被釘扎層360’’可以類(lèi)似于自由層240/240’’’和/或被釘扎層220’ /220，’ /220，，，。因此，可以對(duì)磁性元件300’ ’實(shí)現(xiàn)與對(duì)磁性元件200、200’、200’ ’和/或200’ ’實(shí)現(xiàn)的那些類(lèi)似的益處。此外，可以實(shí)現(xiàn)雙磁結(jié)構(gòu)諸如雙磁隧穿結(jié)或單勢(shì)壘磁隧穿結(jié)(其中一個(gè)非磁間隔層是勢(shì)壘層而另一個(gè)是導(dǎo)電的)的益處。圖16示出利用諸如磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元
件400的另一示例性實(shí)施方式。為了清晰起見(jiàn)，圖16沒(méi)有按比例。磁性元件400可以使用在諸如STT-RAM的磁存儲(chǔ)器中。磁性元件400包括第一被釘扎層420、第一非磁間隔層430、自由層440、第二非磁間隔層450和第二被釘扎層460。還示出可選的釘扎層410和470，其可以用于分別固定被釘扎層420和460的磁化(未不出)。在一些實(shí)施方式中，可選的釘扎層410和470是通過(guò)交換偏置相互作用來(lái)釘扎被釘扎層420和460的磁化(未示出)的AFM層。然而，在其它實(shí)施方式中，可以省略可選的釘扎層420和/或470。此外，磁性元件300可以包括其它和/或額外的層，諸如籽層和/或蓋層。磁性元件400還被配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁性元件400時(shí)允許自由層440在穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。因此，自由層440是可利用自旋轉(zhuǎn)移矩轉(zhuǎn)換的。間隔層430和450是非磁性的。在一些實(shí)施方式中，間隔層430是絕緣體，例如隧穿勢(shì)魚(yú)。在這樣的實(shí)施方式中，間隔層430和/或450可以包括晶體MgO，這可以提高磁性元件的隧穿磁阻(TMR)。在其它實(shí)施方式中，間隔層430和/或450可以是導(dǎo)體，諸如Cu。在備選實(shí)施方式中，間隔層430和/或450可以具有別的結(jié)構(gòu)，例如在絕緣基質(zhì)中包括導(dǎo)電通道的顆粒層。在一些實(shí)施方式中，間隔層430和450都是絕緣隧穿勢(shì)壘。然而，在其它實(shí)施方式中，僅一個(gè)間隔層430或450是絕緣隧穿勢(shì)魚(yú)。相應(yīng)地,另一個(gè)間隔層450或430可以是導(dǎo)電的。被釘扎層420和360以及自由層440是磁性的，因此可以包括N1、Fe和Co中的一種或多種，尤其以合金的形式。雖然被示出為簡(jiǎn)單層，但是層420、460和/或440可以包括多層。例如，層420、460和/或440的一個(gè)或多個(gè)可以是包括通過(guò)諸如Ru的薄層反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用與Ru或其它材料的薄層交替的多個(gè)磁性層。層420、460和/或440的磁化可以在垂直方向上。然而,在其它實(shí)施方式中，層420、460和/或440的磁化可以在其它方向(包括部分或完全地在平面內(nèi))上。此外，雖然被示出為簡(jiǎn)單層，但是自由層440、被釘扎層420和/或被釘扎層460的一個(gè)或多個(gè)可以包括磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’(沒(méi)有單獨(dú)示出)。自由層440、被釘扎層420和/或被釘扎層460可以由磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’ ’和/或100’ ’ ’構(gòu)成，或者還可以包括其它層。自由層440還具有可經(jīng)由自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換的可改變磁化(未示出)。自由層440可以具有垂直于平面(在z方向上)的易磁化軸。然而，在其它實(shí)施方式中，自由層440可以具有完全或部分地在平面內(nèi)的易磁化軸。類(lèi)似地，被釘扎層420和/或460可以具有垂直于平面(在z方向上)的易磁化軸。然而，在其它實(shí)施方式中，420和/或460可以具有完全或部分地在平面內(nèi)的易磁化軸。磁性元件400還包括一個(gè)或多個(gè)可選的磁子結(jié)構(gòu)100/100’ /100’ ’ /100’ ”。這樣的可選的磁子結(jié)構(gòu)100/100’ /100’’ /100’’’可以位于以下位置中的一個(gè)或多個(gè)處:在非磁間隔層430和被釘扎層420之間、在自由層440和非磁間隔層430之間、在自由層440和非磁性間隔物450之間和/或在被釘扎層460和非磁間隔層450之間。因此，磁性元件400可以類(lèi)似于磁性元件250、250’和/或250’ ’中的一個(gè)或多個(gè)。因而，可以對(duì)磁性元件250、250’和/或250’ ’實(shí)現(xiàn)與對(duì)磁性元件400實(shí)現(xiàn)的那些類(lèi)似的益處。此外，可以實(shí)現(xiàn)雙磁結(jié)構(gòu)諸如雙磁隧穿結(jié)或單勢(shì)壘磁隧穿結(jié)(其中一個(gè)非磁間隔層是勢(shì)壘層而另一個(gè)是導(dǎo)電的)的益處。已經(jīng)公開(kāi)了利用磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100”和/或100，，，的各種磁性元件200、200’、200’’、200’’’、205、250’、250’’、300、300’、300’’ 和 400。注意到，磁性元件 200、200’、200’’、200’’’、205、250’、250’’、300、300’、300’’ 和 400 的各個(gè)特征可以被組合。類(lèi)似地，磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的一些或全部特征可以被組合。因此，可以實(shí)現(xiàn)磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的一個(gè)或多個(gè)益處，諸如即使在較大厚度時(shí)
的垂直各向異性、熱穩(wěn)定性、較高磁阻、能夠被修整的磁矩、可以被修整的磁相互作用、減小的寄生電阻、對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移的低寫(xiě)入電流密度和/或弱阻尼。此外，使用諸如子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和/或100’’’的磁子結(jié)構(gòu)的磁性元件可以使用在磁存儲(chǔ)器中。圖17示出一個(gè)這樣的存儲(chǔ)器500的示例性實(shí)施方式。磁存儲(chǔ)器500包括讀/寫(xiě)列選擇驅(qū)動(dòng)器502和506以及字線(xiàn)選擇驅(qū)動(dòng)器504。注意到，可以提供其它和/或不同的組件。存儲(chǔ)器500的存儲(chǔ)區(qū)包括磁存儲(chǔ)單元510。每個(gè)磁存儲(chǔ)單元包括至少一個(gè)磁性元件512和至少一個(gè)選擇器件514。在一些實(shí)施方式中，選擇器件514是晶體管。磁性元件512包括磁子結(jié)構(gòu)100、100，、100，，和/或100，’ ’。因此，磁性元件512可以是磁性元件 200、200，、200，，、200，，’、205、250’、250’ ’、300、300’、300’，、400 或其一些組合。因而，磁存儲(chǔ)器500可以享有上述益處，諸如熱穩(wěn)定性和低寫(xiě)入電流密度。圖18示出用于制造磁子結(jié)構(gòu)的方法600的示例性實(shí)施方式。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，一些步驟可以被省略或組合。在磁子結(jié)構(gòu)100的背景下描述了方法600。然而，方法600可以使用在諸如子結(jié)構(gòu)100’、100’’和100’’’的其它磁子結(jié)構(gòu)上。此外，方法600可以被包括到諸如磁性元件 200、200，、200，，、200，，’、205、250’、250’ ’、300、300’、300’，、400 和 / 或 512 的磁性元件的制造中。因而，方法600可以用于制造STT-RAM或其它磁存儲(chǔ)器。必要時(shí)，方法600可以在提供下面的非磁性層101之后開(kāi)始。鐵磁層102經(jīng)由步驟602提供。步驟602可以包括將期望的材料諸如包括CoFeB的合金沉積至鐵磁層102的期望厚度。在其它實(shí)施方式中，鐵磁層102的一部分可以被去除以實(shí)現(xiàn)期望厚度。在一些實(shí)施方式中，鐵磁層可以被毪式沉積(blanket deposit)。在其它實(shí)施方式中，光刻可以將鐵磁層的沉積限制于某些區(qū)域。非磁性層104經(jīng)由步驟604提供。步驟604可以包括沉積期望的非磁性材料，包括但不限于Cr和V。此外，可以在步驟602中沉積期望厚度的材料。在一些實(shí)施方式中，非磁性層104可以被毯式沉積。在其它實(shí)施方式中，光刻可以將非磁性層的沉積限制于某些區(qū)域。鐵磁-非磁性雙層的這樣的形成被重復(fù)η-1次，使得所形成的結(jié)構(gòu)包括重復(fù)η次的雙層。因而，形成了磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100，，和100，”。然后，可以經(jīng)由步驟608完成磁結(jié)構(gòu)100、100，、100”和100，，，的制造。例如，可以定義其中使用磁子結(jié)構(gòu)100、100’、100’’和100’’’的磁性元件。因此，使用該方法600，可以制造磁性元件100、100，、100”和100，”。因此，可以實(shí)現(xiàn)磁性元件的益處。已經(jīng)描述了提供磁子結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)、使用該磁子結(jié)構(gòu)的磁存儲(chǔ)器元件、以及使用該磁存儲(chǔ)器元件/磁子結(jié)構(gòu)制造的存儲(chǔ)器。根據(jù)示出的示例性實(shí)施方式描述了所述方法和系統(tǒng)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易地理解，可以對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行變化，并且任何變化會(huì)在所述方法和系統(tǒng)的精神和范圍內(nèi)。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以進(jìn)行許多變形而不脫離附加權(quán)利要求的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種在磁性器件中使用的磁子結(jié)構(gòu)，所述磁子結(jié)構(gòu)包括: 多個(gè)鐵磁層； 多個(gè)非磁性層，所述多個(gè)鐵磁層與所述多個(gè)非磁性層交替，所述多個(gè)鐵磁層是與所述多個(gè)非磁性層不能混合的并相對(duì)于所述多個(gè)非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定，并且所述多個(gè)鐵磁層實(shí)質(zhì)上沒(méi)有與所述多個(gè)非磁性層產(chǎn)生相互作用的磁死層，所述多個(gè)非磁性層在所述多個(gè)鐵磁層中引起垂直各向異性； 其中所述磁子結(jié)構(gòu)配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)所述磁子結(jié)構(gòu)時(shí)在多個(gè)穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層包括Al、A1N、鋁氧化物、Au、Cr、晶體 MgO、Cu、摻雜的 MgO、銦錫氧化物、Mg、Mo、Ni O、Pd、Pt、Ru、RuO2、硅氧化物、S iN、Ta、TaN, T1、TiN, V、W、Y 中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層包括至少一種氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，中所述多個(gè)鐵磁層包括N1、Co和Fe的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)鐵磁層包括至少一種氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)鐵磁層包括CoFe和CoFeB中的至少一種，其中所述多個(gè)非磁性層包括Cr和V中的至少一種，其中所述子結(jié)構(gòu)具有至少100且不大于1300emu/cc的磁化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)磁性層的每個(gè)具有實(shí)質(zhì)上相等的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)磁性層的至少一部分具有不同的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層的每個(gè)具有實(shí)質(zhì)上相等的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層的至少一部分具有不同的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層的每個(gè)具有單一成分。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層的至少一部分具有不同的成分。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層的至少一部分是不連續(xù)的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)鐵磁層的每個(gè)比所述多個(gè)非磁性層中的相鄰非磁性層厚。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)鐵磁層的每個(gè)是所述多個(gè)非磁性層中的所述相鄰非磁性層的至少三倍厚。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述子結(jié)構(gòu)具有至少2納米且不大于4納米的總厚度。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述厚度是至少3納米。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層配置為使得所述多個(gè)鐵磁層通過(guò)所述多個(gè)非磁性層鐵磁耦合。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層配置為使得所述多個(gè)反鐵磁層通過(guò)所述多個(gè)非磁性層反鐵磁耦合。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層配置為使得所述多個(gè)鐵磁層具有實(shí)質(zhì)上為零的層間交換耦合，從而所述多個(gè)鐵磁層被偶極子耦合。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)非磁性層配置為使得所述多個(gè)鐵磁層的第一部分通過(guò)所述多個(gè)非磁性層鐵磁耦合并且所述多個(gè)鐵磁層的第二部分通過(guò)所述多個(gè)非磁性層反鐵磁耦合。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁子結(jié)構(gòu)，其中所述垂直各向異性對(duì)應(yīng)于垂直各向異性能，其中所述磁子結(jié)構(gòu)具有平面外退磁能，所述垂直各向異性能大于所述平面外退磁能。
23.一種在磁性器件中使用的磁性元件,所述磁性元件包括: 被釘扎層； 非磁間隔層；以及 自由層，所述非磁間隔層位于所述自由層和所述被釘扎層之間； 其中所述磁性元件包括至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)的每個(gè)包括多個(gè)鐵磁層和多個(gè)非磁性層，所述多個(gè)鐵磁層與所述多個(gè)非磁性層交替，所述多個(gè)鐵磁層是與所述多個(gè)非磁性層不能混合的并相對(duì)于所述多個(gè)非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定，所述多個(gè)鐵磁層實(shí)質(zhì)上沒(méi)有與所述多個(gè)非磁性層產(chǎn)生相互作用的磁死層，所述多個(gè)非磁性層在所述多個(gè)鐵磁層中引起垂直各向異性；以及 其中所述磁性元件配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)所述磁性元件時(shí)允許所述自由層在多個(gè)穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的磁性元件，其中所述自由層和所述被釘扎層中的至少一個(gè)包括所述至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)的磁子結(jié)構(gòu)。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的磁性元件，其中所述至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)的磁子結(jié)構(gòu)位于所述非磁間隔層和所述自由層之間。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的磁性元件，其中所述自由層具有平面外退磁能以及大于所述平面外退磁能的垂直各向異性能。
27.根據(jù)權(quán)利要求25所述的磁性元件，其中所述自由層具有平面外退磁能以及小于所述平面外退磁能的垂直各向異性能。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的磁性元件，其中所述磁性元件的磁子結(jié)構(gòu)位于所述非磁間隔層和所述被釘扎層之間。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的磁性元件，其中所述被釘扎層具有平面外退磁能以及大于所述平面外退磁能的垂直各向異性能。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的磁性元件，其中所述被釘扎層具有平面外退磁能以及小于所述平面外退磁能的垂直各向異性能。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的磁性元件，還包括: 額外間隔層；以及 額外被釘扎層，所述額外間隔層位于所述自由層和所述額外被釘扎層之間。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的磁性元件，其中所述自由層、所述被釘扎層和所述額外被釘扎層中的至少一個(gè)包括所述至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)中的磁子結(jié)構(gòu)。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的磁性元件，其中所述額外間隔層和所述間隔層中的至少一個(gè)是絕緣隧穿勢(shì)壘層。
34.—種磁存儲(chǔ)器,包括: 多個(gè)磁存儲(chǔ)單元，所述多個(gè)磁存儲(chǔ)單元的每個(gè)包括至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)磁性元件包括被釘扎層、非磁間隔層和自由層，所述非磁間隔層位于所述自由層和所述被釘扎層之間，所述磁性元件包括至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)，所述至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)的每個(gè)包括多個(gè)鐵磁層和多個(gè)非磁性層，所述多個(gè)鐵磁層與所述多個(gè)非磁性層交替，所述多個(gè)鐵磁層是與所述多個(gè)非磁性層不能混合的并相對(duì)于所述多個(gè)非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定，此外所述多個(gè)鐵磁層實(shí)質(zhì)上沒(méi)有與所述多個(gè)非磁性層產(chǎn)生相互作用的磁死層，所述多個(gè)非磁性層在所述多個(gè)鐵磁層中引起垂直各向異性； 所述至少一個(gè)磁性元件配置為在寫(xiě)電流流過(guò)所述磁性元件時(shí)允許所述自由層在多個(gè)穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層和所述被釘扎層中的至少一個(gè)包括所述至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)中的磁子結(jié)構(gòu)。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)磁子結(jié)構(gòu)中的磁子結(jié)構(gòu)位于所述非磁間隔層和所述自由層之間。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層具有平面外退磁能以及大于所述平面外退磁能的垂直各向異性能。
38.根據(jù)權(quán)利要求34所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述磁子結(jié)構(gòu)的磁子結(jié)構(gòu)位于所述非磁間隔層和所述被釘扎層之間。
39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的磁存儲(chǔ)器， 其中所述至少一個(gè)磁性元件的每個(gè)還包括: 額外間隔層；以及 額外被釘扎層，所述額外間隔層位于所述自由層和所述額外被釘扎層之間。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種用于提供可用于磁性器件中的磁子結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)以及使用該子結(jié)構(gòu)的磁性元件和存儲(chǔ)器。該磁子結(jié)構(gòu)包括多個(gè)鐵磁層和多個(gè)非磁性層。多個(gè)鐵磁層與多個(gè)非磁性層交替。多個(gè)鐵磁層是與多個(gè)非磁性層不能混合的，并且相對(duì)于多個(gè)非磁性層在化學(xué)上穩(wěn)定。多個(gè)鐵磁層實(shí)質(zhì)上沒(méi)有與多個(gè)非磁性層產(chǎn)生相互作用的磁死層。此外，多個(gè)非磁性層在多個(gè)鐵磁層中引起垂直各向異性。磁子結(jié)構(gòu)配置為當(dāng)寫(xiě)電流流過(guò)磁子結(jié)構(gòu)時(shí)可在多個(gè)穩(wěn)定的磁狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
文檔編號(hào)G11B5/39GK103109322SQ201180044650
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者D.洛蒂斯, E.Y.陳, 唐學(xué)體, S.M.沃茨 申請(qǐng)人:格蘭迪斯股份有限公司