專利名稱：用于提供反向雙磁隧道結(jié)元件的方法和系統(tǒng)的制作方法
用于提供反向雙磁隧道結(jié)元件的方法和系統(tǒng)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求享有2011年3月11日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 13/045,528以及2010年3月17日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/315，001的權(quán)益，其中上述兩個(gè)專利申請(qǐng)的發(fā)明名稱均為 “Method and system for proving inverted dual magnetic tunnelingjunction elements”,且被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人,并且二者通過引用結(jié)合于此。政府權(quán)力本發(fā)明在由DARPA 授予的贈(zèng)與合同(grant/contract)No. HR0011-09-C-0023 的情形下而在美國(guó)政府支持下進(jìn)行。美國(guó)政府保留本發(fā)明中的某些權(quán)力。
背景技術(shù)：
磁存儲(chǔ)器，尤其是磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，已經(jīng)由于其在運(yùn)行期間的高讀/寫速度、優(yōu)良的持久性、非易失性和低功耗的潛力而受到越來(lái)越多的關(guān)注。MRAM能利用磁性材料作為信息記錄介質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存信息。一類MRAM是自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-RAM)0 STT-RAM利用磁性結(jié)通過由該磁性結(jié)驅(qū)動(dòng)的電流至少部分地寫入。通過磁性結(jié)驅(qū)動(dòng)的自旋極化電流對(duì)磁性結(jié)中的磁矩施加自旋力矩。因此，具有對(duì)所述自旋力矩作出響應(yīng)的磁矩的各層可以轉(zhuǎn)換成期望的狀態(tài)。例如，圖I示出了傳統(tǒng)的磁隧道結(jié)(MTJ) 10，其可用于傳統(tǒng)的STT-RAM。傳統(tǒng)MTJ10典型地位于底部接觸11上，使用傳統(tǒng)的籽層(seed layer)12并包括傳統(tǒng)的反鐵磁(AFM)層14、傳統(tǒng)的被釘扎層16、傳統(tǒng)的隧道勢(shì)壘層18、傳統(tǒng)的自由層20和傳統(tǒng)的蓋層22。還示出了頂部接觸24。傳統(tǒng)的接觸11和24用于在電流垂直于平面(CPP)方向驅(qū)動(dòng)電流，或者沿著圖I所示的z軸方向驅(qū)動(dòng)電流。傳統(tǒng)的籽層12典型地用于輔助具有期望的晶體結(jié)構(gòu)的隨后的層(諸如AFM層14)的生長(zhǎng)。傳統(tǒng)的隧道勢(shì)壘層18是非磁性的，其例如是薄絕緣體諸如MgO。傳統(tǒng)的被釘扎層16和傳統(tǒng)的自由層20是磁性的。傳統(tǒng)的被釘扎層16的磁化17典型地通過與AFM層14的交換偏置相互作用被固定或被釘扎在特定方向。雖然被描繪為簡(jiǎn)單(單一)層，但是傳統(tǒng)的被釘扎層16可以包括多層。例如，傳統(tǒng)的被釘扎層16可以是包括通過薄導(dǎo)電層(諸如Ru)反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。在另一實(shí)施方式中，跨過Ru層的耦合可以是鐵磁性的。此外，其它類的傳統(tǒng)MTJ 10可以包括通過額外的非磁性勢(shì)壘或?qū)щ妼?未示出)與自由層20分離的額外的被釘扎層(未示出)。傳統(tǒng)的自由層20具有可變的磁化21。雖然被描繪為簡(jiǎn)單層，但是傳統(tǒng)的自由層20也可以包括多層。例如，傳統(tǒng)的自由層20可以是包括通過薄導(dǎo)電層(諸如Ru)反鐵磁耦合或鐵磁耦合的磁性層的合成層。雖然被描繪為在平面內(nèi)，但是傳統(tǒng)的自由層20的磁化21可以具有垂直的各向異性。因而，被釘扎層16和自由層20可具有分別垂直于各層的平面取向的磁化17和21。為了轉(zhuǎn)換傳統(tǒng)的自由層20的磁化21，電流被垂直于平面(沿z方向)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)從頂部接觸24到底部接觸11驅(qū)動(dòng)足夠的電流時(shí)，傳統(tǒng)的自由層20的磁化21可以被轉(zhuǎn)換成平行于傳統(tǒng)的被釘扎層16的磁化17。當(dāng)足夠的電流從底部接觸11到頂部接觸24驅(qū)動(dòng)時(shí)，自由層的磁化21可以轉(zhuǎn)換成反平行于被釘扎層16的磁化。磁化布置的差異對(duì)應(yīng)于不同的磁阻，因而對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)MTJ 10的不同邏輯狀態(tài)(例如，邏輯“0”和邏輯“I”)。當(dāng)在STT-RAM應(yīng)用中使用時(shí)，期望傳統(tǒng)MTJ 10的自由層21在相對(duì)低的電流被轉(zhuǎn)換。臨界轉(zhuǎn)換電流(1。0)是最小電流，在該最小電流處鄰近平衡取向的自由層磁化21的無(wú)限小進(jìn)動(dòng)成為不穩(wěn)定的。例如，可以期望U是幾mA的數(shù)量級(jí)或更小。此外，期望短路電流脈沖(short current pulse)用于以更高的數(shù)據(jù)速率編程傳統(tǒng)的磁性元件10。例如，20_30ns數(shù)量級(jí)或更小的電流脈沖是被期望的。雖然沒有示出，但是傳統(tǒng)的MTJ 10可以是雙MTJ。在這樣的情形下，傳統(tǒng)的MTJ 10將包括額外的傳統(tǒng)勢(shì)壘層和額外的傳統(tǒng)被釘扎層。傳統(tǒng)的自由層20將位于勢(shì)壘層之間。額外的勢(shì)壘層將位于額外的傳統(tǒng)被釘扎層與傳統(tǒng)自由層20之間。在這樣的傳統(tǒng)的雙MTJ中， 傳統(tǒng)的勢(shì)壘層18典型地將與額外的傳統(tǒng)勢(shì)壘層(未示出)厚度相同或者比額外的傳統(tǒng)勢(shì)壘層(未示出)厚度厚。傳統(tǒng)的雙MTJ—般具有改善的轉(zhuǎn)換電流和對(duì)稱性、更小的工藝容限、更低的隧道磁阻(TMR)、高電阻面積乘積(RA)和不匹配晶體管供應(yīng)電流的磁隧道結(jié)轉(zhuǎn)換非對(duì)稱性。另外，還可能發(fā)生正常布局的讀干擾。雖然傳統(tǒng)的MTJ 10和傳統(tǒng)的雙MTJ可以使用自旋轉(zhuǎn)移寫入并可以被用于STT-RAM中，但是它們存在缺點(diǎn)。例如，對(duì)于具有垂直取向的磁化17和21的傳統(tǒng)MTJ 10，磁阻可以比其磁化在平面內(nèi)的傳統(tǒng)MTJ 10低。另外，如以上所述，傳統(tǒng)的雙MTJ可以具有比單MTJ低的磁阻。因此，來(lái)自傳統(tǒng)的MTJ 10的信號(hào)會(huì)低于期望值。這樣的垂直的傳統(tǒng)MTJ 10還展現(xiàn)出高阻尼。因而，轉(zhuǎn)換性能被不利地影響。因而，仍期望改善使用傳統(tǒng)的MTJ 10的存儲(chǔ)器的性能。因此，需要一種可以改善基于自旋轉(zhuǎn)移力矩的存儲(chǔ)器的性能的方法和系統(tǒng)。在此描述的方法和系統(tǒng)解決了這樣的需求。

發(fā)明內(nèi)容
描述了一種用于提供磁性結(jié)的方法和系統(tǒng),該磁性結(jié)位于襯底上且可用于磁性器件中。該磁性結(jié)包括第一被釘扎層；具有第一厚度的第一非磁間隔層；自由層；具有比第一厚度大的第二厚度的第二非磁間隔層；以及第二被釘扎層。第一非磁間隔層位于被釘扎層與自由層之間。第一被釘扎層位于自由層與襯底之間。第二非磁間隔層位于自由層與第二被釘扎層之間。此外，磁性結(jié)被布置使得在寫電流經(jīng)過磁性結(jié)時(shí)自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁態(tài)之間轉(zhuǎn)換。


圖I描繪了一種傳統(tǒng)的磁性結(jié)；圖2描繪了反向雙磁性結(jié)的一示例性實(shí)施方式；圖3描繪了反向雙磁性結(jié)的另一示例性實(shí)施方式；圖4描繪了反向雙磁性結(jié)的另一示例性實(shí)施方式；圖5描繪了反向雙磁性結(jié)的另一不例性實(shí)施方式；
圖6描繪了反向雙磁性結(jié)的另一示例性實(shí)施方式；圖7描繪了反向雙磁性結(jié)的另一示例性實(shí)施方式；圖8描繪了反向雙磁性結(jié)的另一示例性實(shí)施方式；圖9描繪了反向雙磁性結(jié)的另一示例性實(shí)施方式；圖10描繪了反向雙磁性結(jié)的另一示例性實(shí)施方式；圖11描繪了用于提供反向雙磁性結(jié)的一示例性實(shí)施方式的方法的一示例性實(shí)施方式；圖12描述了利用反向雙磁性結(jié)的存儲(chǔ)器的一示例性實(shí)施方式。
具體實(shí)施方式
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器件。給出以下描述以使得本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能執(zhí)行和使用本發(fā)明，并且以下描述以專利申請(qǐng)的文本形式及其要求的形式提供。對(duì)于示例性實(shí)施方式的各種變型以及在此描述的一般原理和特征將是易于明白的。主要在具體實(shí)施例中提供的具體方法和系統(tǒng)方面描述了示例性實(shí)施方式。然而，在其它實(shí)施例中，方法和系統(tǒng)將有效地運(yùn)行。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”的短語(yǔ)可以指相同或不同的實(shí)施方式并且可以指多個(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組件多或少的組件，可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情形下，進(jìn)行組件的布置和類型的變化。還將在具有某些步驟的具體方法的情況下描述示例性實(shí)施方式。然而，對(duì)于具有不同和/或額外步驟以及具有與示例性實(shí)施方式不一致的不同順序的方法的其它方法，方法和系統(tǒng)有效地運(yùn)行。因而，本發(fā)明不旨在限制于所示的實(shí)施方式，而是被給予與在此描述的原理和特征一致的最寬范圍。示例性實(shí)施方式在具有某些組件的具體磁性元件的情況下被描述。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于理解本發(fā)明與磁性元件的使用一致，其中該磁性元件具有與本發(fā)明不是不一致的其它和/或額外的組件和/或其它特征。還在自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的當(dāng)前理解的情形下描述了該方法和系統(tǒng)。因此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將易于理解，對(duì)方法和系統(tǒng)的行為的理論解釋基于對(duì)自旋轉(zhuǎn)移的當(dāng)前理解進(jìn)行。另外，在某些層是合成和/或簡(jiǎn)單的情形下描述了方法和系統(tǒng)。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將易于理解各層可以具有其它結(jié)構(gòu)。另外，在磁性元件具有特定層的情形下描述了該方法和系統(tǒng)。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將易于理解，還可以使用具有不與該方法和系統(tǒng)不一致的額外和/或不同層的磁性元件。此外，某些組件被描述為磁性的、鐵磁性的、和亞鐵磁性的。在此使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)磁性可以包括鐵磁性、亞鐵磁或類似結(jié)構(gòu)。因而，在此使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)“磁性”或“鐵磁性”包括但是不限于鐵磁性的和亞鐵磁性的。該方法和系統(tǒng)還在單一元件的情形下被描述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將易于理解該方法和系統(tǒng)與具有多個(gè)元件的磁存儲(chǔ)器的使用一致。另外，在此使用時(shí)，“平面內(nèi)(in-plane)”實(shí)質(zhì)上在磁性元件的各層的一層或多層的平面內(nèi)或平行于上述平面。相反，“垂直(perpendicular)”相應(yīng)于實(shí)質(zhì)上垂直于磁性元件的各層的一層或多層的方向。描述了用于提供位于襯底上且可用于磁性器件中的磁性結(jié)的方法和系統(tǒng)。磁性結(jié)包括第一被釘扎層、具有第一厚度的第一非磁間隔層、自由層、具有比第一厚度大的第二厚度的第二非磁間隔層、以及第二被釘扎層。第一非磁間隔層位于被釘扎層和自由層之間。第一被釘扎層位于自由層和襯底之間。第二非磁間隔層位于自由層和第二被釘扎層之間。此夕卜，磁性結(jié)被布置使得在寫電流經(jīng)過磁性結(jié)時(shí)自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁態(tài)之間轉(zhuǎn)換。圖2 描繪了反向雙磁性結(jié)(inverted dual magnetic junction) 100 的一不例性實(shí)施方式。反向雙磁性結(jié)100包括最靠近襯底101的第一被釘扎層111、第一非磁間隔層120、自由層130、第二非磁間隔層140、和第二被釘扎層140。被釘扎層110和150分別具有磁化111和151。自由層130被示為具有磁化131。然而，在其它實(shí)施方式中，層110、130和/或150可以具有其它磁化。反向雙磁性結(jié)100包括作為隧道勢(shì)壘層的非磁間隔層120和140。然而，在其它實(shí)施方式中，可以使用其它非磁間隔層120和140。例如，可以使用導(dǎo)電層或具有絕緣矩陣形式的導(dǎo)電通道或島(island)的粒狀層代替勢(shì)壘層120和140。對(duì)于在此描述的所有實(shí)施方式都是如此。然而，為了簡(jiǎn)化，在此描述的磁性結(jié)僅在反向雙磁隧道結(jié)(反向雙MTJ)的情形下被描述。自由層130以及被釘扎層110和150—般是鐵磁性的。然而，自由層130以及被釘扎層110和/或150中的一個(gè)或多個(gè)可以是包括但不限于合成反鐵磁體的多層。在所示的實(shí)施方式中，還可以使用可選的籽層102和/或可選的蓋層170。在一些實(shí)施方式中，例如，提供Ta籽。在所不的實(shí)施方式中，使用可選的AFM層104和160。 這樣的AFM層104和160分別用于每個(gè)被釘扎層110和150。在一些實(shí)施方式中，AFM層104和/或160可使用PtMn。在其它實(shí)施方式中，可以使用分別在適當(dāng)位置釘扎或固定被釘扎層110和150的磁化111和151的其它機(jī)制。每個(gè)被釘扎層110和/或150可以包括諸如CoFeXoFeB或CoFeB/CoFe雙層的材料。勢(shì)壘層/非磁間隔層120和140可包括諸如MgO的材料。自由層130可包括CoFeB或摻雜的CoFeB/CoFeB雙層、CoFeB/CoFeB/CoFeB三層或CoFeB/非磁性層/CoFeB三層、或多層。例如，CoFeB可以摻雜Cu、Ta、Cr、V和/或其它元素并且可用于形成自由層130。然而，其它材料可用于反向雙MTJ 100的各層。反向雙MTJ 100如此稱呼是因?yàn)轫敳縿?shì)壘層140是更厚的勢(shì)壘層。頂部/第二勢(shì)壘層140比底部/第一勢(shì)壘層120厚。在一些實(shí)施方式中，第二非磁間隔/勢(shì)壘層150至少比第一非磁間隔/勢(shì)壘層120厚5%。在一些這樣的實(shí)施方式中，第二非磁間隔/勢(shì)壘層140比第一非磁間隔/勢(shì)壘層120厚不多于40%。例如，第二非磁間隔/勢(shì)壘層140可以比第一非磁間隔/勢(shì)壘層120厚0. 05至0. 5納米。在其它實(shí)施方式中，第二非磁間隔/勢(shì)壘層140比第一非磁間隔/勢(shì)壘層120厚不多于30%。例如，第二非磁間隔/勢(shì)壘層140可以比薄的非磁間隔/勢(shì)壘層120厚0. 05至0. 3納米。此外，如圖I所見，更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層140比薄的非磁間隔/勢(shì)壘層120更遠(yuǎn)離襯底。已經(jīng)預(yù)期更遠(yuǎn)離襯底且更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層140的使用不會(huì)改變反向雙MTJ的性能。然而，反向雙磁性結(jié)100可以具有比類似的傳統(tǒng)MTJ更高的磁阻。例如，在一些實(shí)施方式中，反向雙MTJ 100可在室溫(例如23攝氏度)具有50%-200%數(shù)量級(jí)的TMR。在其它實(shí)施方式中，反向雙MTJ 100可在室溫(例如23攝氏度)具有大于100%或可能更高的TMR。相比而言，類似的傳統(tǒng)雙MTJ會(huì)具有50%-100%數(shù)量級(jí)的TMR。因而，在一些實(shí)施方式中，TMR可以至少加倍。因此，反向雙MTJ 100可具有傳統(tǒng)的雙MTJ的許多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生更高的信號(hào)。圖3描繪了反向雙MTJ 100’的另一實(shí)施方式，該反向雙MTJ 100’具有薄的非磁間隔/勢(shì)壘層120’以及與薄的非磁間隔/勢(shì)壘層120相比更遠(yuǎn)離襯底101’的更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層150’。反向雙磁性結(jié)100’的部分與圖2中描繪的反向雙磁性結(jié)100中的類似。類似的部分被類似地標(biāo)記。因而，磁性結(jié)100’包括分別與具有磁化111的第一被釘扎層110、第一非磁間隔層120、自由層130、第二非磁間隔層140、和第二被釘扎層150’類似的具有磁化111’的第一被釘扎層110’、第一非磁間隔層120’、自由層130’、第二非磁間隔層140’、和具有磁化151’的第二被釘扎層150’。還示出了分別與層104、160、102和170類似的可選的AMF層104’和160’以及可選的籽層102’和可選的蓋層170’。層102’、104’、110’、120’、130’、140’、150’、160’ 和 170，的結(jié)構(gòu)和功能分別與層 102、104、110、120、130、140、150、160和170的類似。在所示的實(shí)施方式中，自由層130’是包括多個(gè)子層的多層。在所描繪的實(shí)施方式中，僅示出了兩個(gè)子層132和134。然而，可使用其它數(shù)量的子層。子層B 132可包括摻雜Cu、Ta、Cr、V和其它元素的CoFeB，而子層A 134可包括CoFeB。在另一實(shí)施方式中，自由層130’可包括額外的層，該額外的層可以是或不是磁性的。例如，自由層130’可以是包括磁性層與一個(gè)或多個(gè)非磁性層交替的合成層。圖4描繪了反向雙磁性結(jié)100”的另一實(shí)施方式，該反向雙磁性結(jié)100”具有薄的非 磁間隔/勢(shì)壘層120”以及與薄的非磁間隔/勢(shì)壘層120”相比更遠(yuǎn)離襯底101”的更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層140”。反向雙磁性結(jié)100”的部分與反向雙磁性結(jié)100和100’中的類似。類似的部分被類似地標(biāo)記。因而，磁性結(jié)100”包括分別與第一被釘扎層110/110’、第一非磁間隔層120/120’、自由層130/130’、第二非磁間隔層140/140’、和具有磁化151/151’的第二被釘扎層150/150’類似的第一被釘扎層110”、第一非磁間隔層120”、自由層130”、第二非磁間隔層140”、和具有磁化151”的第二被釘扎層150”。還示出了分別與層104/104’、160/160’、102/102’和170/170’類似的可選的AMF層104”和160”以及可選的籽層102”和可選的蓋層 170”。層 102”、104”、110”、120”、130”、140”、150”、160” 和 170” 的結(jié)構(gòu)和功能分另Ij 與層 102/102’、104/104’、110/110’、120/120’、130/130’、140/140’、150/150’、160/160’和170/170’的類似。在圖4所示的實(shí)施方式中，第一被釘扎層110”包括具有磁化115的被釘扎層或參考層116以及具有磁化113的釘扎層112，參考層116和釘扎層112的每個(gè)均是鐵磁性的。釘扎層112和參考層116通過非磁性層114分離。例如，釘扎層112可包括CoFe，而參考層116可以包括CoFeB或CoFe/CoFeB雙層。注意到，雖然僅第一被釘扎層110”被描繪為包括多層，但是第二被釘扎層150”或第一被釘扎層110”和第二被釘扎層150”二者均可以包括多層，諸如參考層116和釘扎層112。圖5描繪了反向雙磁性結(jié)100”’的另一實(shí)施方式，該反向雙磁性結(jié)100”’具有薄的非磁間隔/勢(shì)壘層120”’以及與薄的非磁間隔/勢(shì)壘層140”’相比更遠(yuǎn)離襯底101”’的更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層140”’。反向雙磁性結(jié)100”的部分與反向雙磁性結(jié)100、100’和100”中的類似。類似的部分被類似地標(biāo)記。因而，磁性結(jié)100”’包括第一被釘扎層110”、第一非磁間隔層120”’、自由層130”’、第二非磁間隔層140”’、和第二被釘扎層150”，其分別與第一被釘扎層110/110’/110”、第一非磁間隔層120/120’/120”、自由層130/130’/130”、第二非磁間隔層140/140’ /140”、和第二被釘扎層150/150’ /150”類似。還示出了分別與層 104/104’ /104”、160/160’ /160”、102/102’ /102” 和 170/170’ /170” 類似的可選的AFM層104，，，和160，，，以及可選的籽層102，，，和可選的蓋層170，，，。層102”’、104”’、110”’、120”’、130”’、140”’、150”’、160”’和 170”，的結(jié)構(gòu)和功能分別與層 102/102’/102”、104/104，/104，，、110/110，/110，，、120/120，/120”、130/130，/130”、140/140，/140”、150/150’ /150”、160/160’ /160”和170/170’ /170”的類似。在所示的實(shí)施方式中，第一被釘扎層110”’和第二被釘扎層150”’ 二者均包括多層。第二被釘扎層150”是包括具有磁化155的釘扎層156、非磁性層154和具有磁化153的參考層152的合成層。此外，第一被釘扎層110”’包括分別具有磁化113’和117的兩個(gè)釘扎層112’和118、以及具有磁化115’的參考層116’。圖6描繪了反向雙磁性結(jié)200的另一實(shí)施方式，該反向雙磁性結(jié)200具有薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220以及與薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220相比更遠(yuǎn)離襯底的更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層240。反向雙磁性結(jié)200的部分與反向雙磁性結(jié)100、100’、100”和100”’中的類似。類似的部分被類似地標(biāo)記。因而，磁性結(jié)200包括分別與第一被釘扎層 110/110’ /110”/110”’、第一非磁間隔層 120/120’ /120，，/120，，，、自由層 130/130’ /130”/130”’、第二非磁間隔層 140/140’ /140”/140”，、和第二被釘扎層150/150’ /150”/150”’類似的第一被釘扎層210、第一非磁間隔層220、自由層230、第二非磁間隔層240、和第二被釘扎層250。雖然未示出，但是可以提供連接被釘扎層210和250的一層或多層的可選的AFM層。還不出了在襯底201上的可選的籽層202以及可 選的蓋層270，該可選的籽層220和可選的蓋層270分別與層102/102’ /102”/102”，和170/170’ /170” /170”，類似。層 202、204、210、220、230、240、250、260 和 270 的結(jié)構(gòu)和功能分另Ij 與層 102/102’ /102”/102”’、104/104’ /104”/104”’、110/110’ /110”/110”，、120/120’ /120”/120”’、130/130’ /I 30” / I 30”’、140/140’ /140”/140”’、150/150’ /150”/150”’、160/160’ /160”/160”，和 170/170’ /170”/170”，的結(jié)構(gòu)和功能類似。在所示的實(shí)施方式中，磁化211、231和251垂直于平面。雖然在圖6中磁化211、231和251被不為僅具有垂直于平面的分量,并且在圖1-5中僅具有平面內(nèi)的分量,但是可使用垂直于平面和平面內(nèi)的分量的混合。此外，雖然各層210、220和230被示為簡(jiǎn)單層，但是可使用包括合成反鐵磁體的多層。圖7描繪了反向雙磁性結(jié)200’的另一實(shí)施方式，該反向雙磁性結(jié)200’具有薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220’以及與薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220’相比更遠(yuǎn)離襯底的更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層240’。反向雙磁性結(jié)200’的部分與反向雙磁性結(jié)200中的類似。類似的部分被類似地標(biāo)記。因而，磁性結(jié)200’包括分別與第一被釘扎層210、第一非磁間隔層220、自由層230、第二非磁間隔層240、和第二被釘扎層250類似的第一被釘扎層210’、第一非磁間隔層220’、自由層230’、第二非磁間隔層240’、和第二被釘扎層250’。雖然未示出，但是可以提供連接被釘扎層210’和250’的一層或多層的可選的AFM層。還示出了在襯底201’上的可選的籽層202’以及可選的蓋層270’，該可選的籽層220’和可選的蓋層270’分別與層 202 和 270 類似。層 202’、204’、210’、220’、230’、240’、250’、260’ 和 270，的結(jié)構(gòu)和功能分別與層202、204、210、220、230、240、250、260和270的結(jié)構(gòu)和功能類似。在所示的實(shí)施方式中，一些層的磁化垂直于平面，而其它層的磁化在平面內(nèi)。被釘扎層210’和250’的磁化211’和251’還彼此垂直。具體地，在圖7中，第二被釘扎層250’具有垂直于平面的磁化，而第一被釘扎層210’具有在平面內(nèi)的磁化。在另一實(shí)施方式中，自由層230’可以具有垂直于平面而不是如圖所示的在平面內(nèi)的磁化231’。雖然在圖7中磁化被示為僅具有垂直于平面或僅在平面內(nèi)的分量，但是垂直于平面和平面內(nèi)的分量的混合可用于特定層。此外，雖然各層210’、220’和230’被示為簡(jiǎn)單層，但是可使用包括合成反鐵磁體的多層。圖8描繪了反向雙磁性結(jié)200”的另一實(shí)施方式，該反向雙磁性結(jié)200”具有薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220”以及與薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220”相比更遠(yuǎn)離襯底的更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層240”。反向雙磁性結(jié)200”的部分與反向雙磁性結(jié)200和200’中的類似。類似的部分被類似地標(biāo)記。因而，磁性結(jié)200”包括分別與第一被釘扎層210/210’、第一非磁間隔層220/220’、自由層230/230’、第二非磁間隔層240/240’、和第二被釘扎層250/250’類似的第一被釘扎層210”、第一非磁間隔層220”、自由層230”、第二非磁間隔層240”、和第二被釘扎層250”。雖然未示出，但是可以提供連接被釘扎層210”和250”中的一層或多層的可選的AFM層。還示出了在襯底201”上的可選的籽層202”以及可選的蓋層270”，該可選的籽層220”和可選的蓋層270”分別與層202/202’和270/270’類似。層202”、204”、210”、220”、230”、240”、250”、260” 和 270” 的結(jié)構(gòu)和功能分別與層 202/202’、204/204’、210/210’、220/220’、230/230’、240/240’、250/250’、260/260’和 270/270’ 的結(jié)構(gòu)和功能類似。在所示的實(shí)施方式中，一些層的磁化垂直于平面，而其它層的磁化在平面內(nèi)。被釘扎層210”和250”的磁化211”和251”還彼此垂直。具體地，在圖8中，第二被釘扎層250”具有在平面內(nèi)的磁化，而第一被釘扎層210”具有垂直于平面的磁化。在另一實(shí)施方式中，自由層230”可具有垂直于平面而不是如圖所示的在平面內(nèi)的磁化231”。雖然在圖8中磁化被 示為僅具有垂直于平面或僅在平面內(nèi)的分量，但是垂直于平面和平面內(nèi)的分量的混合可用于特定層。此外，雖然各層210”、220”和230”被示為簡(jiǎn)單層，但是可使用包括合成反鐵磁體的多層。圖9描繪了反向雙磁性結(jié)200”’的另一實(shí)施方式，該反向雙磁性結(jié)200”’具有薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220”’以及與薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220”’相比更遠(yuǎn)離襯底201”’的更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層240”’。反向雙磁性結(jié)200”’的部分與反向雙磁性結(jié)200、200’和200”中的類似。類似的部分被類似地標(biāo)記。因而，磁性結(jié)200”’包括分別與第一被釘扎層 210/210’ /210”、第一非磁間隔層 220/220’ /220”、自由層 230/230’ /230”、第二非磁間隔層240/240’ /240”、和第二被釘扎層250/250’ /250”類似的第一被釘扎層210”’、第一非磁間隔層220”’、自由層230”’、第二非磁間隔層240”’、和第二被釘扎層250”’。雖然未示出，但是可以提供連接被釘扎層210”’和250”’中的一層或多層的可選的AFM層。還示出了在襯底201”’上的可選的籽層202”’以及可選的蓋層270”’，該可選的籽層220”’和可選的蓋層 270”，分別與層 202/202’ /202” 和 270/270’ /270” 類似。層 202”’、204”’、210”’、220”’、230”’、240”’、250”’、260”’ 和 270”，的結(jié)構(gòu)和功能分別與層 202/202’ /202”、204/204’ /204”、210/210’ /210”、220/220’ /220”、230/230’ /230”、240/240’ /240”、250/250’ /250”、260/260’ /260”和270/270’ /270”的結(jié)構(gòu)和功能類似。在所示的實(shí)施方式中，被釘扎層210”’和250”’的磁化211”’和251”’還彼此垂直。然而，磁化211”’和251”’二者均在平面內(nèi)。在圖9中，磁化251”’，其可以進(jìn)入頁(yè)面或穿出頁(yè)面，也垂直于自由層230”，的易磁化軸(easy axis)。雖然各層210”，、220”，和230”，被示為簡(jiǎn)單層，但是可使用包括合成反鐵磁體的多層。圖10描繪了反向雙磁性結(jié)200””的另一實(shí)施方式，該反向雙磁性結(jié)200””具有薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220””以及與薄的非磁間隔/勢(shì)壘層220””相比更遠(yuǎn)離襯底201”的更厚的非磁間隔/勢(shì)壘層240””。反向雙磁性結(jié)200””的部分與反向雙磁性結(jié)200、200’、200”和200”，中的類似。類似的部分被類似地標(biāo)記。因而，磁性結(jié)200””包括分別與第一被釘扎層210/210’ /210”/210”’、第一非磁間隔層220/220’ /220”/220”’、自由層230/230’ /230”/230”’、第二非磁間隔層240/240’ /240”/240”，、和第二被釘扎層250/250’ /250”/250”，類似的第一被釘扎層210””、第一非磁間隔層220””、自由層230””、第二非磁間隔層240””、和第二被釘扎層250””。雖然未示出，但是可以提供連接被釘扎層210””和250””中的一層或多層的可選的AFM層。還示出了在襯底201””上的可選的籽層202””以及可選的蓋層270””，該可選的籽層220””和可選的蓋層270””分別與層202/202，/202”/202”，和 270/270，/270”/270”，類似。層 202，，，，、204，，，，、210，，，，、220，，，，、230””、240””、250””、260”” 和 270，，，，的結(jié)構(gòu)和功能分別與層 202/202’ /202 ”/202”，、204/204’ /204”/204”’、210/210’ /210”/210”’、220/220’ /220”/220”’、230/230， /230”/230”，、240/240’ /240”/240”，、250/250’ /250”/250”，、260/260，/260”/260”，和270/270’ /270”/270”，的結(jié)構(gòu)和功能類似。在所示的實(shí)施方式中，被釘扎層210””和250””的磁化211””和251””還彼此垂直。然而，磁化211””和251”” 二者均在平面內(nèi)。在圖10中，磁化211””，其可以進(jìn)入頁(yè)面或穿出頁(yè)面，也垂直于自由層230””的易磁化軸。雖然各層210””、220””和230””被示為簡(jiǎn)單層，但是可使用包括合成反鐵磁體的多層。圖3-圖 10 的反向雙磁性結(jié) 100，、100，，、100”，、200、200，、200”、200”，和 200”，，至
少共享圖2的反向雙磁性結(jié)100的一些優(yōu)點(diǎn)。具體地，勢(shì)壘層的磁阻率或TMR可以顯著增大。還可以注意到，自由層可以被設(shè)計(jì)使得頂側(cè)(更遠(yuǎn)離襯底的更厚的勢(shì)壘層)具有比底側(cè)(更靠近襯底的更薄的勢(shì)壘層)高的TMR。此外，期望第二被釘扎層和更厚的勢(shì)壘被設(shè)計(jì)成具有比第一被釘扎層和更靠近襯底的更薄的勢(shì)壘層高的TMR。例如，使用CoFeB (摻雜)/CoFeB雙層自由層、具有上述厚度的MgO勢(shì)壘層以及CoFeB或CoFeB/CoFe雙層作為第二被釘扎層可能是期望的。圖11描繪了用于制造反向雙磁性結(jié)的方法300的一示例性實(shí)施方式。為了簡(jiǎn)化，可以省略、組合或交替一些步驟。在磁性結(jié)100的情形下描述方法300。然而，方法310可以用于其它磁性結(jié)諸如結(jié) 100、100’、100”、100”’、200、200，、200”、200”’ 和 / 或 200””。此夕卜，方法300可以結(jié)合入磁性存儲(chǔ)器的制造方法。因而，方法300可以用于制造STT-RAM或其它的磁存儲(chǔ)器。方法300可以在提供籽層102和可選的AFM層104之后開始。經(jīng)由步驟302提供被釘扎層110。步驟302可以包括以被釘扎層110的期望厚度沉積期望的材料。此外，步驟302可以包括提供SAF。經(jīng)由步驟304提供非磁間隔/勢(shì)壘層120。步驟304可以包括沉積期望的非磁材料，該非磁材料包括但是不限于晶體MgO。此外，可以在步驟304中沉積期望厚度的材料。經(jīng)由步驟306提供自由層130?？梢越?jīng)由步驟308提供額外的非磁間隔/勢(shì)壘層，諸如層140。步驟308包括提供足夠厚度的非磁間隔/勢(shì)壘層140使得層140比層120厚。在一些實(shí)施方式中，步驟308包括沉積比層120厚的一層晶體MgO。經(jīng)由步驟310提供額外的被釘扎層，諸如層150。然后可以經(jīng)由步驟312完成制造。例如，可以提供反鐵磁層160和/或蓋層170。在一些實(shí)施方式中，其中磁性結(jié)的各層沉積為疊層然后被定義，步驟312可以包括定義磁性結(jié)100、執(zhí)行退火或完成磁性結(jié)100的制造的其它工藝。此外，如果磁性結(jié)100結(jié)合入存儲(chǔ)器，諸如STT-RAM，則步驟312可以包括提供接觸、偏置結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)器的其它部分。因此，可以實(shí)現(xiàn)磁性結(jié)的優(yōu)點(diǎn)。此外，磁性結(jié)100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”，和 / 或 200”” 可用于磁存儲(chǔ)器中。圖12描繪了一個(gè)這樣的存儲(chǔ)器400的一不例性實(shí)施方式。磁存儲(chǔ)器400包括讀/寫列選擇驅(qū)動(dòng)器402和406以及字線選擇驅(qū)動(dòng)器404。注意到，可以提供其它和/或不同的組件。存儲(chǔ)器400的存儲(chǔ)區(qū)包括磁存儲(chǔ)單元410。每個(gè)磁存儲(chǔ)單元包括至少一個(gè)磁性結(jié)412和至少一個(gè)選擇驅(qū)動(dòng)器414。在一些實(shí)施方式中，選擇驅(qū)動(dòng)器414是晶體管。磁性結(jié) 412 可以是磁性結(jié) 100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”，和 / 或 200””中的其中之一。雖然示為每個(gè)單元410 —個(gè)磁性結(jié)412，但是在其它實(shí)施方式中，每個(gè)單元可以被提供其它數(shù)量的磁性結(jié)412。因而，磁存儲(chǔ)器400可以享有上述優(yōu)點(diǎn)，諸如更高的信號(hào)。已經(jīng)公開了各種雙反向磁性結(jié)100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”，和200，，，，。注意到，雙反向結(jié) 100、100’、100”、100”’、200、200’、200”、200”，和 200”” 的各種特征可以組合。因而，可以實(shí)現(xiàn)磁性結(jié) 100、100，、100，，、100，，，、200、200，、200，，、200，，，和 200，，，，的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，諸如改善的信號(hào)。
已經(jīng)公開了用于提供可用于磁存儲(chǔ)元件(例如，基于自旋轉(zhuǎn)移力矩的存儲(chǔ)器)的反向雙磁性結(jié)的方法和系統(tǒng)、使用該磁存儲(chǔ)元件制造的存儲(chǔ)器。已經(jīng)根據(jù)所示出的示例性實(shí)施方式描述了該方法和系統(tǒng)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將易于了解可以對(duì)實(shí)施方式進(jìn)行各種改變，并且任何改變將落入該方法和系統(tǒng)的精神和范圍內(nèi)。例如，可使用包括圖2-圖10所示的一個(gè)或多個(gè)雙反向MTJ的特征的各種組合。另外，雖然描述了勢(shì)壘層，但是可使用其它非磁間隔層。因此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以進(jìn)行多種變形而不脫離所附權(quán)利要求的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁性結(jié)，位于襯底上且用于磁性器件中，該磁性結(jié)包括 第一被釘扎層； 具有第一厚度的第一非磁間隔層； 自由層，所述第一非磁間隔層位于所述被釘扎層和所述自由層之間，所述第一被釘扎層位于所述自由層和所述襯底之間； 具有比所述第一厚度大的第二厚度的第二非磁間隔層；以及第二被釘扎層，所述第二非磁間隔層位于所述自由層和所述第二被釘扎層之間，其中所述磁性結(jié)被配置使得在寫電流經(jīng)過所述磁性結(jié)時(shí)所述自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性結(jié)，其中所述第二厚度至少比所述第一厚度大5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中所述第二厚度比所述第一厚度大不多于40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性結(jié)，其中所述第二厚度比所述第一厚度大0.05至0. 5納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性結(jié)，其中所述磁性結(jié)的特征在于磁阻率大于100%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性結(jié)，其中所述第一非磁間隔層和所述第二非磁間隔層的至少之一是隧道勢(shì)壘層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁性結(jié)，其中所述第一非磁間隔層和所述第二非磁間隔層的至少之一包括MgO。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性結(jié)，其中所述自由層具有實(shí)質(zhì)上垂直于所述自由層的平面的自由層磁化。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁性結(jié)，其中所述第一被釘扎層和所述第二被釘扎層的至少之一包括實(shí)質(zhì)上垂直于被釘扎層平面的被釘扎層磁化。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性結(jié)，其中所述第一被釘扎層、所述第二被釘扎層和所述自由層的至少之一是合成層。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁性結(jié)，還包括 連接所述第一被釘扎層的第一反鐵磁層；以及 連接所述第二被釘扎層的第二反鐵磁層。
12.—種位于襯底上的磁存儲(chǔ)器,包括 多個(gè)磁存儲(chǔ)單元，該多個(gè)磁存儲(chǔ)單元的每個(gè)包括至少一個(gè)磁性結(jié)，所述至少一個(gè)磁性結(jié)包括第一被釘扎層、第一非磁間隔層、自由層、第二非磁間隔層和第二被釘扎層，所述第一非磁間隔層位于所述第一被釘扎層與所述自由層之間，所述第二非磁間隔層位于所述第二被釘扎層與所述自由層之間，所述第一被釘扎層位于所述自由層和所述襯底之間，所述第一非磁間隔層具有第一厚度，所述第二非磁間隔層具有比所述第一厚度大的第二厚度，所述磁性結(jié)被配置使得在寫電流經(jīng)過所述磁性結(jié)時(shí)所述自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁態(tài)之間轉(zhuǎn)換；以及多條位線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述第二厚度至少比所述第一厚度大5%且比所述第一厚度大不多于40%。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述磁性結(jié)的特征在于磁阻率大于100%。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述第一非磁間隔層和所述第二非磁間隔層的至少之一是隧道勢(shì)壘層。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層具有實(shí)質(zhì)上垂直于所述自由層的平面的自由層磁化。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述第一被釘扎層和所述第二被釘扎層的至少之一包括實(shí)質(zhì)上垂直于被釘扎層平面的被釘扎層磁化。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述第一被釘扎層、所述第二被釘扎層和所述自由層的至少之一是多層。
19.一種用于提供磁性結(jié)的方法，該磁性結(jié)位于襯底上且用于磁性器件中，該方法包括 提供第一被釘扎層； 提供具有第一厚度的第一非磁間隔層； 提供自由層，所述第一非磁間隔層位于所述被釘扎層和所述自由層之間，所述第一被釘扎層位于所述自由層和所述襯底之間； 提供具有比所述第一厚度大的第二厚度的第二非磁間隔層；以及提供第二被釘扎層，所述第二非磁間隔層位于所述自由層和第二被釘扎層之間，其中所述磁性結(jié)被配置使得在寫電流經(jīng)過所述磁性結(jié)時(shí)所述自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
全文摘要
描述了一種用于提供磁性結(jié)的方法和系統(tǒng)，該磁性結(jié)位于襯底上且可用于磁性器件中。該磁性結(jié)包括第一被釘扎層；具有第一厚度的第一非磁間隔層；自由層；具有比第一厚度大的第二厚度的第二非磁間隔層；以及第二被釘扎層。第一非磁間隔層位于被釘扎層與自由層之間。第一被釘扎層位于自由層與襯底之間。第二非磁間隔層位于自由層和第二被釘扎層之間。此外，磁性結(jié)被配置使得在寫電流經(jīng)過磁性結(jié)時(shí)自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁態(tài)之間轉(zhuǎn)換。
文檔編號(hào)G11C19/08GK102804279SQ201180014306
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者唐學(xué)體, J.吳 申請(qǐng)人:格蘭迪斯股份有限公司