磁性結(jié)及其提供方法以及包含該磁性結(jié)的磁存儲(chǔ)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種磁性結(jié)及其提供方法以及包含該磁性結(jié)的磁存儲(chǔ)器。該磁性結(jié)包括被釘扎層、非磁性間隔層和自由層。非磁性間隔層在被釘扎層和自由層之間。該自由層具有臨界切換電流密度（Jc0）的梯度使得自由層的第一部分的第一Jc0比自由層的第二部分的第二Jc0小。自由層的第二部分比第一部分遠(yuǎn)離非磁性間隔層。磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫電流經(jīng)過(guò)磁性結(jié)時(shí)自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換。
【專利說(shuō)明】磁性結(jié)及其提供方法以及包含該磁性結(jié)的磁存儲(chǔ)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種用于磁性器件中的磁性結(jié)、具有該磁性結(jié)的磁存儲(chǔ)器以及用于提供該磁性結(jié)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁存儲(chǔ)器，特別地磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)，由于它們的高讀/寫速度的潛力、優(yōu)良的耐久性、非揮發(fā)性和操作期間的低功耗而引起越來(lái)越多的興趣。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-MRAM)。STT-MRAM利用通過(guò)驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)的電流至少部分地寫入的磁性結(jié)。驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)磁性結(jié)的自旋極化電流對(duì)磁性結(jié)中的磁矩施加自旋扭矩。結(jié)果，具有響應(yīng)自旋扭矩的磁矩的層可以被切換到期望的狀態(tài)。
[0003]例如，圖1描繪了常規(guī)磁隧道結(jié)(MTJ)IO，它可以用于常規(guī)STT-MRAM中。常規(guī)MTJ10 一般位于底部接觸11上，使用常規(guī)籽層12并包括常規(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。還示出了頂部接觸24。
[0004]常規(guī)接觸11和24用于在電流垂直于平面(CPP)方向上或沿如圖1所示的z軸驅(qū)動(dòng)電流。常規(guī)籽層12 —般用于幫助隨后的層諸如AFM層14的生長(zhǎng)，具有期望的晶體結(jié)構(gòu)。常規(guī)隧穿勢(shì)壘層18是非磁性的，并且例如是薄的絕緣體諸如MgO。
[0005]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 —般通過(guò)與AFM層14的磁化的交換偏置相互作用而被固定或釘扎在特定方向上。盡管被描繪為簡(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)薄的導(dǎo)電層諸如Ru而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的薄層交插的多個(gè)磁性層。在另一實(shí)施例中，跨越Ru層的耦合能夠是鐵磁性的。此外，其它類型的常規(guī)MTJ 10可以包括通過(guò)額外的非磁性勢(shì)壘層或額外的非磁性導(dǎo)電層(未不出)而與自由層20分隔的額外的被釘扎層(未不出)。
[0006]常規(guī)自由層20具有可變化的磁化21。盡管被描繪為簡(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)薄的導(dǎo)電層諸如Ru反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的合成層。盡管示出為在面內(nèi)，但是常規(guī)自由層20的磁化21可以具有垂直各向異性。因此，被釘扎層16和自由層20可以分別具有垂直于層的平面取向的磁化17和21。
[0007]為切換常規(guī)自由層20的磁化21，電流被垂直于平面(在z方向上)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)足夠的電流被從頂部接觸24驅(qū)動(dòng)到底部接觸11時(shí)，常規(guī)自由層20的磁化21可以切換到平行于常規(guī)被釘扎層16的磁化17。當(dāng)足夠的電流被從底部接觸11驅(qū)動(dòng)到頂部接觸24時(shí)，自由層的磁化21可以切換到反平行于被釘扎層16的磁化。磁配置上的差異對(duì)應(yīng)于不同的磁阻并因此對(duì)應(yīng)于常規(guī)MTJ 10的不同邏輯狀態(tài)(例如邏輯"O"和邏輯"I")。因此，通過(guò)讀取常規(guī)MTJ 10的隧穿磁阻(TMR)，能夠確定常規(guī)MTJ的狀態(tài)。
[0008]盡管常規(guī)MTJ 10可以利用自旋轉(zhuǎn)移寫入、通過(guò)感測(cè)磁性結(jié)的TMR而讀取并用于STT-MRAM中，但是存在缺點(diǎn)。例如，常規(guī)自由層20的臨界切換電流密度Jcfl會(huì)顯著高于期望值。在某些情形下，臨界切換電流密度大約為期望的臨界切換電流密度的三倍至五倍。臨界切換電流密度是利用自旋轉(zhuǎn)移來(lái)切換常規(guī)自由層20的磁矩21所需要的電流密度(例如MA/cm2)。例如，期望低的切換電流以減少切換期間消耗的電力和/或改善切換速度或錯(cuò)誤率。盡管存在減小切換電流的常規(guī)機(jī)制，但是這些通常不利地影響熱穩(wěn)定性。常規(guī)MTJ 10的熱穩(wěn)定性的降低負(fù)面地影響常規(guī)MTJ 10的隨時(shí)間而可靠地儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的能力。因此，常規(guī)MTJ的性能受損害。
[0009]因此，需要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)。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】

[0010]方法和系統(tǒng)提供一種可用于磁性器件中的磁性結(jié)。磁性結(jié)包括被釘扎層、非磁性間隔層和自由層。非磁性間隔層在被釘扎層和自由層之間。自由層具有臨界切換電流密度(Jcfl)中的梯度使得自由層的第一部分的第一 Jm比自由層的第二部分的第二 J。。低。自由層的第二部分比第一部分離非磁性間隔層更遠(yuǎn)。磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫電流經(jīng)過(guò)磁性結(jié)時(shí)，自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1描繪了常規(guī)的磁性結(jié)。
[0012]圖2描繪了包括自由層的磁性結(jié)的示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0013]圖3描繪了包括自由層的磁性結(jié)的另一個(gè)示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0014]圖4描繪了包括自由層的磁性結(jié)的另一示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0015]圖5描繪了自由層的示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0016]圖6描繪了狀態(tài)圖，表明磁性材料的性質(zhì)隨著層的厚度的變化并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0017]圖7描繪了自由層的另一示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0018]圖8描繪了自由層的另一示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0019]圖9描繪了自由層的另一示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0020]圖10描繪了自由層的另一示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0021]圖11描繪了自由層的另一示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。[0022]圖12描繪了自由層的另一示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0023]圖13描繪了自由層的另一示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
[0024]圖14描繪了在儲(chǔ)存單元的存儲(chǔ)元件中利用磁性結(jié)的存儲(chǔ)器的示范性實(shí)施例。
[0025]圖15描繪了用于制造包括自由層的磁性結(jié)的方法的示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。
【具體實(shí)施方式】
[0026]示范性實(shí)施例涉及可在磁性器件諸如磁存儲(chǔ)器中使用的磁性結(jié)以及采用這樣的磁性結(jié)的器件。給出下面的描述以使得本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并在專利申請(qǐng)及其要求的背景下提供。對(duì)示范性實(shí)施例以及這里描述的一般原理和特征的各種修改將是顯而易見(jiàn)的。示范性實(shí)施例主要在特定實(shí)施例中提供的特定方法和系統(tǒng)方面進(jìn)行描述。然而，方法和系統(tǒng)在其它實(shí)施例中將有效操作。諸如“示范性實(shí)施例”、“一個(gè)實(shí)施例”和“另一實(shí)施例”的術(shù)語(yǔ)可以指的是相同或不同的實(shí)施例以及多個(gè)實(shí)施例。實(shí)施例將關(guān)于具有特定組件的系統(tǒng)和/或器件進(jìn)行描述。然而，系統(tǒng)和/或器件可以包括比示出的那些多或少的組件，并且可以進(jìn)行這些組件的布置和類型的變化而不脫離本發(fā)明的范圍。示范性實(shí)施例也將在具有某些步驟的特定方法的背景下進(jìn)行描述。然而，該方法和系統(tǒng)對(duì)于具有與示范性實(shí)施例不一致的不同和/或額外的步驟以及不同順序的步驟的其他方法有效操作。因此，本發(fā)明并不意在被限于所示的實(shí)施例，而是被給予與這里描述的原理和特征一致的最寬范圍。
[0027]方法和系統(tǒng)提供了磁性結(jié)以及利用該磁性結(jié)的磁存儲(chǔ)器。該磁性結(jié)包括被釘扎層、非磁性間隔層和自由層。非磁性間隔層在被釘扎層和自由層之間。該自由層具有臨界切換電流密度(J。。)的梯度使得自由層的第一部分的第一 J。。比該自由層的第二部分的第二Jcfl小。自由層的第二部分比第一部分更遠(yuǎn)離非磁性間隔層。磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫電流經(jīng)過(guò)磁性結(jié)時(shí)，自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換。
[0028]示范性實(shí)施例在具有某些組件的特定磁性結(jié)和磁存儲(chǔ)器的背景下描述。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明與具有與本發(fā)明不一致的其它和/或額外組件和/或其它特征的磁性結(jié)和磁存儲(chǔ)器的使用一致。該方法和系統(tǒng)還在對(duì)自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象、磁各向異性和其他物理現(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)人員將容易認(rèn)識(shí)到，該方法和系統(tǒng)的表現(xiàn)的理論解釋是基于自旋轉(zhuǎn)移、磁各向異性和其他物理現(xiàn)象的所述當(dāng)前理解進(jìn)行的。然而，這里描述的方法和系統(tǒng)不依賴于特定的物理解釋。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還將易于認(rèn)識(shí)到，該方法和系統(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)人員將易于認(rèn)識(shí)到，該方法和系統(tǒng)與其它結(jié)構(gòu)一致。此外，該方法和系統(tǒng)在某些層為合成和/或簡(jiǎn)單的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將易于認(rèn)識(shí)到，所述層可以具有另外的結(jié)構(gòu)。此外，該方法和系統(tǒng)在具有特定層的磁性結(jié)和/或自由層的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將易于認(rèn)識(shí)到，也可以采用具有與該方法和系統(tǒng)不一致的額外層和/或不同層的磁性結(jié)和/或自由層。而且，某些組件被描述為磁性的、鐵磁性的和亞鐵磁的。如這里使用的，術(shù)語(yǔ)“磁性的”可以包括鐵磁的、亞鐵磁的或類似的結(jié)構(gòu)。因此，如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“磁性的”或“鐵磁的”包括但不限于鐵磁體和亞鐵磁體。該方法和系統(tǒng)還在單個(gè)磁性結(jié)和自由層的背景下描述。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將易于認(rèn)識(shí)到，該方法和系統(tǒng)與具有多個(gè)磁性結(jié)并使用多個(gè)自由層的磁存儲(chǔ)器的使用一致。此外，如這里所用的，“面內(nèi)”基本上在磁性結(jié)的一個(gè)或多個(gè)層的平面內(nèi)或與之平行。相反地，“垂直”對(duì)應(yīng)于基本上與磁性結(jié)的一個(gè)或多個(gè)層垂直的方向。
[0029]圖2描繪了包括自由層的磁性結(jié)100的示范性實(shí)施例，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。磁性結(jié)可以為例如磁隧道結(jié)(MTJ)、自旋閥或彈道磁阻結(jié)構(gòu)或其一些組合。磁性結(jié)100可以用于各種應(yīng)用。例如，磁性結(jié)可以用于磁存儲(chǔ)器諸如STT-MRAM。為了清晰，圖2沒(méi)有按比例繪制。磁性結(jié)包括自由層110、非磁性間隔層120和被釘扎層或參考層130。磁性結(jié)100被不為位于基板102上。在一些實(shí)施例中，磁性結(jié)100可以包括籽層和/或蓋層(未示出)。盡管層110、120和130被示為具有特定取向，但是該取向可以在其他實(shí)施例中改變。例如，被釘扎層130可以更靠近磁性結(jié)100的底部(最靠近基板102)。還可以使用釘扎層(未示出)。通常，如果被釘扎層130的磁矩是在面內(nèi)，則可使用釘扎層，但是如果被釘扎層130的磁矩垂直于平面，則可以不使用釘扎層，如所示的。這樣的釘扎層可以用于固定被釘扎層130的磁化131。在一些實(shí)施例中，釘扎層可以是通過(guò)交換偏置相互作用來(lái)釘扎被釘扎層130的磁化(未示出)的AFM層或多層。磁性結(jié)100還被配置為當(dāng)寫電流經(jīng)過(guò)磁性結(jié)100時(shí)允許自由層110在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換。因此，自由層110的磁矩111可利用自旋轉(zhuǎn)移矩切換。由于磁矩111是可切換的，所以磁矩111由雙頭箭頭表示。
[0030]非磁性間隔層120可以是隧穿勢(shì)壘層、導(dǎo)體或因?yàn)槠涠谧杂蓪?10和被釘扎層130之間表現(xiàn)出磁阻的其它結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，非磁性間隔層120是結(jié)晶MgO隧穿勢(shì)壘層。這樣的非磁性間隔層可以具有優(yōu)選的晶向，諸如(100)晶向。
[0031]盡管被描繪為簡(jiǎn)單層，但是自由層110和/或被釘扎層130可以包括多層。例如，自由層110和/或被釘扎層130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或其他材料的薄層交插的多個(gè)磁性層。自由層110和/或被釘扎層130還可以是另外的多層。
[0032]自由層110和/或被釘扎層130可以均具有超過(guò)面外退磁能的垂直各向異性能。因此，自由層110和/或被釘扎層130可以每個(gè)具有分別垂直于處于均衡狀態(tài)的平面取向的磁矩111和/或131，如圖2所示。換句話說(shuō)，層110和130的易磁化軸垂直于平面。自由層磁矩111可利用自旋轉(zhuǎn)移切換并因此由雙箭頭111示出。被釘扎層130的磁矩131可以被固定在特定方向上。在所示出的實(shí)施例中，被釘扎層130的磁矩131在正z方向上。在另一實(shí)施例中，磁矩131可以在負(fù)z方向上。在其他實(shí)施例中，自由層110和/或被釘扎層130的磁矩可以在包括但不限于面內(nèi)的另一方向上是穩(wěn)定的。自由層110和/或被釘扎層130的磁矩的其他取向是可能的。
[0033]自由層110具有臨界切換電流密度L的梯度。更具體地說(shuō)，越靠近非磁性間隔層120，臨界切換電流密度越低。因此，如果自由層110的第二部分比自由層110的第一部分遠(yuǎn)離非磁性間隔層，則第一部分的第一 Jd低于第二部分的第二 Jm。隨著自由層110在遠(yuǎn)離非磁性間隔層120的方向上(也就是在圖2中的負(fù)Z方向上)橫過(guò)，Jetl增大。在一些實(shí)施例中，Jcfl單調(diào)地增大。該變化可以是線性的或可以遵循另外的曲線。在一些實(shí)施例中，Jc^可以對(duì)于自由層110的特定部分保持恒定。然而，Jetl在整個(gè)自由層110上不是恒定的。在一些實(shí)施例中，在自由層110的熱穩(wěn)定性上也存在梯度。類似于Jetl，熱穩(wěn)定性也可以隨著遠(yuǎn)離非磁性間隔層120而增加。在一些實(shí)施例中，熱穩(wěn)定性以與Jcitl相同的方式增加。然而，在其他實(shí)施例中，熱穩(wěn)定性可以以另外的方式改變。
[0034]自由層110內(nèi)的Jcitl梯度可以以多種方式實(shí)現(xiàn)。例如，Jcfl隨磁各向異性Hk和飽和磁化Ms而變化。在一些實(shí)施例中，磁各向異性諸如垂直磁各向異性可以隨著離非磁性間隔層120的距離增加而增大。在其他實(shí)施例中，飽和磁化可以隨著離非磁性間隔層120的距離增加而增加。在另一些實(shí)施例中，這些量可以貫穿自由層110增加或減小。然而，該組合使得建立Jetl的期望梯度。例如，磁各向異性可以在自由層110的某些部分上減小而飽和磁化可以在相同部分上增加。然而，這些和其他參數(shù)的組合使得切換電流密度隨著離非磁性間隔層的距離增加而增大。
[0035]Hk、Ms和/或影響臨界切換電流密度的其他性質(zhì)的變化可以以多種方式實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，自由層110可以是在諸如Co和/或Fe的磁性成分中具有濃度變化的合金。該濃度梯度可以以多種方式實(shí)現(xiàn)。例如，磁性材料及其他材料可以從多個(gè)靶共同地濺射。通過(guò)改變來(lái)自特定靶的濺射速率，合金的化學(xué)計(jì)量可以改變。該梯度也可以在已經(jīng)沉積自由層110之后由于高溫退火而經(jīng)由原子擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)。退火可以在原位或非原位(ex situ)發(fā)生。可以使用這些和其他技術(shù)的某些組合。在其他實(shí)施例中，包括但不限于諸如B的摻雜劑的其他材料的濃度可以被調(diào)整以實(shí)現(xiàn)磁各向異性和/或飽和磁化的期望梯度。
[0036]在一些實(shí)施例中，自由層110可以是多層，包括多個(gè)磁性層。在某些這樣的實(shí)施例中，磁性層可以與非磁性層交插。非磁性層可以是諸如MgO的絕緣體、諸如Pt或Pd的導(dǎo)體、或其一些組合。然而，磁性層通過(guò)非磁性層鐵磁耦合。磁性層配置為使得在磁性層之間存在Jetl梯度。因此，靠近非磁性間隔層120的磁性層比遠(yuǎn)離非磁性間隔層的其它層具有更低的Jf磁性層之間的Jcitl梯度可以通過(guò)磁性和/或非磁性材料的審慎選擇、磁性層的厚度變化、改變非磁性層的厚度和一些其它的類似機(jī)制中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0037]磁性結(jié)100可以具有改善的性能。由于Jcfl梯度，可以減小用于自由層110的總切換電流。在一些實(shí)施例中，總臨界切換電流密度可以是IX 106A/cm2。自由層110的接近非磁性間隔層120的部分(例如，磁性層)可以容易地通過(guò)自身來(lái)切換。在一些實(shí)施例中，自由層110的此部分不是熱穩(wěn)定的。自由層110的下一個(gè)磁性部分可以具有更高的切換電流并且更加熱穩(wěn)定。自由層110的最遠(yuǎn)離非磁性間隔層120的部分可以是最熱穩(wěn)定的并且可以具有最高的由于自由層110的遠(yuǎn)離非磁性間隔層120的磁性部分是熱穩(wěn)定的并且與自由層110的靠近非磁性間隔層120的部分鐵磁耦合，所以自由層110總體上是熱穩(wěn)定的。由于自由層110的靠近非磁性間隔層120的磁性部分具有低的Jetl并且與自由層110的其他部分鐵磁耦合，所以自由層總體上以低的J。。切換。因此，可以實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定性和低的J。。。因此,可以改善磁性結(jié)100的性能。
[0038]圖3描繪了包括自由層11(V的磁性結(jié)10(V的另一示范性實(shí)施例，自由層11(V具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。為了清晰，圖3沒(méi)有按比例繪制。磁性結(jié)100'類似于磁性結(jié)100。因此，類似的層被類似地標(biāo)記。磁性結(jié)100'包括分別類似于層110、120和130的自由層110'、非磁性間隔層120'和被釘扎層130'。盡管層110'、120'和130'被示為具有特定的取向，但是此取向可以在其他實(shí)施例中改變。在一些實(shí)施例中，可以包括可選的籽層(未示出)、可選的釘扎層(未示出)和/或可選的蓋層(未示出)。磁性結(jié)100'也配置為當(dāng)寫電流經(jīng)過(guò)磁性結(jié)100'時(shí)允許自由層110'的磁化在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換。因此，自由層110'的磁化可利用自旋轉(zhuǎn)移矩切換。
[0039]在磁性結(jié)100'中，被釘扎層130'比自由層110'靠近基板102'。自由層110'具有類似于自由層110的臨界切換電流密度的梯度。自由層110'的臨界切換電流密度越靠近非磁性間隔層120'越低。因此，如果自由層110'的第二部分比自由層110'的第一部分更遠(yuǎn)離非磁性間隔層，則第一部分的第一 低于第二部分的第二 然而，由于被釘扎層130'和自由層110'相對(duì)于基板的方位改變，所以隨著自由層110在圖3中的正z方向上(仍然在遠(yuǎn)離非磁性間隔層12(V的方向上)，Jetl增大。在一些實(shí)施例中，Jetl單調(diào)地增大。該變化可以是線性的或可以遵循另外的曲線。在一些實(shí)施例中，Jm可以對(duì)于自由層IlOi的特定部分保持恒定。然而，Jcitl在整個(gè)自由層11(V上不是恒定的。在一些實(shí)施例中，在自由層11(V的熱穩(wěn)定性上也存在梯度。類似于Jcfl，熱穩(wěn)定性也可以隨著遠(yuǎn)離非磁性間隔層12(V而增加。在一些實(shí)施例中，熱穩(wěn)定性以與Jm相同的方式增加。然而，在其他實(shí)施例中，熱穩(wěn)定性可以以另外的方式改變。
[0040]磁性結(jié)10(V可以享有磁性結(jié)100的益處。由于Jetl的梯度、自由層11(V的部分之間的鐵磁耦合，所以可以減小用于自由層110'的總切換電流。在一些實(shí)施例中，總臨界切換電流密度可以是1X106A/Cm2。由于自由層110'的遠(yuǎn)離非磁性間隔層120'的磁性部分是熱穩(wěn)定的并且與自由層110,的靠近非磁性間隔層120,的部分鐵磁耦合，所以自由層110'總體上是熱穩(wěn)定的。因此，可以實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定性和低的Jf因此可以改善磁性結(jié)100'的性能。
[0041]圖4描繪了包括自由層110"的磁性結(jié)100"的另一示范性實(shí)施例，自由層110"具有臨界切換電流密度的梯度并且利用自旋轉(zhuǎn)移可切換。為了清晰，圖4沒(méi)有按比例繪制。磁性結(jié)100"類似于磁性結(jié)100和/或100'。因此，類似的層被類似地標(biāo)記。磁性結(jié)100"包括分別類似于層110/110' >120/120;和130/130'的自由層110"、非磁性間隔層120"和被釘扎層130"。在一些實(shí)施例中，可以包括可選的籽層(未示出)、可選的釘扎層(未示出)和/或可選的蓋層(未示出)。磁性結(jié)100"還配置為當(dāng)寫電流經(jīng)過(guò)磁性結(jié)100"時(shí)允許自由層110"在穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換。因此，自由層110"可利用自旋轉(zhuǎn)移矩切換。
[0042]除了層110"、120"和130"之外，磁性結(jié)100"還包括額外的非磁性間隔層140和額外的被釘扎層150。磁性結(jié)100"因此是雙磁性結(jié)。非磁性間隔層140類似于間隔層120、120'和120"。磁性結(jié)可以例如是雙MTJ或雙自旋閥。被釘扎層150類似于被釘扎層130、130'和 130"。
[0043]自由層110"具有類似于自由層110和110'的臨界切換電流密度梯度。然而，磁性結(jié)100"具有兩個(gè)非磁性間隔層120"和140。自由層110"的臨界切換電流密度越靠近非磁性間隔層120'，和140越低。因此，最高的臨界切換電流密度位于自由層110"在z方向上的中間處或附近。臨界切換電流密度隨著接近非磁性間隔層120"和140而減小。在一些實(shí)施例中，Jcfl朝向自由層110"在至少z方向上的中心單調(diào)地增大。該變化可以是線性的或可以遵循另外的曲線。在一些實(shí)施例中，Jcfl可以對(duì)于自由層110"的特定部分保持恒定。然而，J。。在整個(gè)自由層110"上不是恒定的。在一些實(shí)施例中，在自由層110"的熱穩(wěn)定性上也存在梯度。類似于Jm，熱穩(wěn)定性也可以隨著遠(yuǎn)離非磁性間隔層120"和140而增大。在一些實(shí)施例中，熱穩(wěn)定性以與Jcfl相同的方式增加。然而，在其他實(shí)施例中，熱穩(wěn)定性可以以另外的方式改變。
[0044]磁性結(jié)100"可以享有磁性結(jié)100和/或100'的益處。由于Jetl的梯度、自由層110"的部分之間的鐵磁耦合，可以減小用于自由層110"的總切換電流。在一些實(shí)施例中，總臨界切換電流密度可以是1X106A/Cm2。由于自由層110"的遠(yuǎn)離非磁性間隔層120"和140的磁性部分是熱穩(wěn)定的并且與自由層110"的靠近非磁性間隔層120"和140的部分鐵磁耦合，所以自由層110"總體上是熱穩(wěn)定的。因此，可以實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定性和低的Jf因此可以改善磁性結(jié)100 "的性能。
[0045]如以上討論的，具有臨界切換電流密度的期望梯度的自由層110、11(V和/或110"可以以多種方式實(shí)現(xiàn)。圖5和圖7-13描繪了多種這樣的機(jī)制的實(shí)施例。圖5描繪了自由層200的示范性實(shí)施例，該自由層200具有臨界切換電流密度梯度、利用自旋轉(zhuǎn)移可切換并包括多層。自由層200可以用于自由層110、110'和110"中的一個(gè)或多個(gè)。自由層200包括與非磁性層201、203、205和207交插的磁性層202、204、206、208和210。因此磁性層202、204、206、208和210可以包括Co、Fe和/或Ni。盡管示出了五個(gè)磁性層202、204、206、208和210以及四個(gè)非磁性層201、203、205和207，但是可以使用其他數(shù)目的磁性層和/或非磁性層。如以上討論的，磁性層202、204、206、208和210可以配置為使得磁各向異性Hk從層202至210增大，使得飽和磁化Ms從層202至210增大，或Hk和Ms的一些組合從層202至210增大。結(jié)果，臨界切換電流密度從層202至210增大。因此臨界切換電流密度隨著離非磁性間隔層(未在圖5中示出)的距離增加而增大。類似地，磁性層202、204、206、208和210的熱穩(wěn)定性可以隨著離非磁性間隔層的距離增加而增加。此外，對(duì)于圖5沒(méi)有假定關(guān)于基板(未示出)的特定關(guān)系。
[0046]圖6描繪了相圖(phase diagram)215，其表明磁性材料的性質(zhì)隨層的厚度變化的示例。參照?qǐng)D5-6，曲線216指示磁各向異性Hk，而曲線217指示飽和磁化Ms的變化。Ms和Hk兩者隨磁性層厚度而變化。自由層200內(nèi)的磁性材料的層202、204、206、208和210的厚度可以被選擇為使得Hk和Ms的組合導(dǎo)致靠近非磁性間隔層的層具有比遠(yuǎn)離非磁性間隔層的層低的J。。。因此，在一些實(shí)施例中，臨界切換電流密度的梯度可以通過(guò)改變層202、204、206、208和210的厚度和/或?qū)?01、203、205和207的厚度來(lái)提供。
[0047]在其他實(shí)施例中，可以改變用于層201、202、203、204、205、206、207、208和210的材料。例如，層202可以包括具有不超過(guò)百分之三十的B摻雜濃度的CoFeB，而層204、206、208和210可以包括其他磁性材料諸如CoX和FeX。在一些實(shí)施例中，B的成分能夠在層的厚度內(nèi)變化。在一些實(shí)施例中，CoFeB中B摻雜劑的濃度不超過(guò)百分之十。為了提高垂直磁各向異性，Co或Fe層可以與Pt和/或Pd的非磁性層201、203、205和207交插。在一些這樣的實(shí)施例中，非磁性層201、203、205和207的厚度可以為至少兩埃。然而，非磁性絕緣層的厚度可以期望不超過(guò)1.5nm。在一些這樣的實(shí)施例，非磁性絕緣層的厚度被期望為不超過(guò)lnm。在一些實(shí)施例中，諸如MgO的絕緣層可以用于非磁性層201、203、205和207。在這樣的實(shí)施例中，層202、204、206、208和/或210的垂直磁各向異性也可以被提高。然而，絕緣的非磁性層201、203、205和207的厚度可以更薄以便保持層202、204、206、208和210之間的交換耦合。例如，絕緣的非磁性層201、203、205和207可以不超過(guò)八埃厚。然而，其他的厚度是可以的。如果MgO用于絕緣層201、203、205和207，則MgO層201、203、205和207均可以為至少四埃且不超過(guò)十四埃厚。在其他實(shí)施例中，可以使用層201、202、203、204、205、206,207,208和210的材料和厚度的變化的組合。例如，非磁性層201,203,205和207可以包括射頻(RF)沉積的MgO、具有NOX的MgO或包括Mg、Mg NOX和RF MgO的混合MgO層。在這樣的實(shí)施例中，X可以是 B、P、S1、Zr、Hf、Ta、T1、B1、Mg、Cr、Ru、Ge、Os、W、Rh、Ir、Zn、V,Nb,Mo 和 Rb 中的一種或多種。備選地，層 201、202、203、204、205、206、207、208 和 210 的其他參數(shù)的變化可以用來(lái)獲得期望的臨界切換電流密度的梯度。
[0048]例如，圖7描繪了自由層220的示范性實(shí)施例，自由層220具有臨界切換電流密度的梯度、利用自旋轉(zhuǎn)移可切換并包括多層。自由層220可以用于自由層110、110'、110"和200中的一個(gè)或多個(gè)。自由層220包括與非磁性層221、223、225和227交插的磁性層222、224、226、228和230。盡管示出了五個(gè)磁性層222、224、226、228和230以及四個(gè)非磁性層221、223、225和227，但是可以使用其他數(shù)目的磁性層和/或非磁性層。層221、222、223、224、225、226、227、228 和 230 分別類似于層 201、202、203、204、205、206、207、208 和 210。此外，對(duì)于圖7沒(méi)有假定關(guān)于基板(未示出)的特定關(guān)系。
[0049]在圖7所示的實(shí)施例中，磁性層222、224、226、228和230的厚度隨著離非磁性間隔層(圖7中未示出)的距離增加而增大。在一些實(shí)施例中，用于層221、222、223、224、225、226、227、228和/或230的材料也可以變化。非磁性層221、223、225和227的厚度基本上保持恒定。磁性層222、224、226、228和230的厚度值和磁性材料被選擇為使得較厚的層具有較高的臨界切換電流(例如，較高的垂直各向異性和/或較高的飽和磁化)。此外，較厚的層可以具有較大的熱穩(wěn)定性。結(jié)果，臨界切換電流密度從層222至230增大，使得臨界切換電流密度隨著離非磁性間隔層(圖7中未示出)的距離增加而增大。類似地，磁性層222、224、226、228和230的熱穩(wěn)定性可以隨著離非磁性間隔層的距離增加而增加。還注意到，自由層220的垂直磁各向異性能可以大于面外退磁能。因而，自由層220的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z軸)。
[0050]圖8描繪了自由層220'的示范性實(shí)施例，自由層220'具有臨界切換電流密度的梯度、利用自旋轉(zhuǎn)移可切換并包括多層。自由層220'類似于并且可以用于自由層110、110'、110"、200和220中的一個(gè)或多個(gè)。自由層220'包括與非磁性層221 ,223'、225'和227'交插的磁性層222' ,224' ,226' ,228'和230'。盡管示出了五個(gè)磁性層 222'、224'、226'、228'和 230'以及四個(gè)非磁性層 221、223' ,2251 和 227'，但是可以使用其他數(shù)目的磁性層和/或非磁性層。層221、222'、223'、224'、225'、226' ,227' ,228'和 230'分別類似于層 201/221、202/222、203/223、204/224、205/225、206/226、207/227、208/228和210/230。此外，對(duì)于圖8沒(méi)有假定關(guān)于基板(未示出)的特定關(guān)系。
[0051]在圖8所示的實(shí)施例中，磁性層222'、224'、226'、228'和230'的厚度隨著離非磁性間隔層(圖8中未示出)的距離增加而增加。在一些實(shí)施例中，用于層221 >222;、223'、224'、225'、226'、22V、228'和/或230'的材料也可以變化。非磁性層221'、223'、225'和227'的厚度基本上保持恒定。磁性層222'、224'、226'、228'和230'的厚度值和磁性材料被選擇為使得較薄的層具有較高的臨界切換電流(例如，較高的垂直各向異性和/或較高的飽和磁化)。此外，較薄的層可以具有較大的熱穩(wěn)定性。結(jié)果，臨界切換電流密度從層222'至230'減小，使得臨界切換電流密度隨著離非磁性間隔層(圖8中未示出)的距離增加而增大。類似地，磁性層222' ,224/ ,226/ ,228/和23(V的熱穩(wěn)定性可以隨著離非磁性間隔層的距離增加而增加。還注意到，自由層220'的垂直磁各向異性能可以大于面外退磁能。因而，自由層220'的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z軸)。
[0052]圖9描繪了自由層240的示范性實(shí)施例，自由層240具有臨界切換電流密度梯度、利用自旋轉(zhuǎn)移可切換并且包括多層。自由層240類似于并且可以用于自由層110、110'、110"、200、220和220'中的一個(gè)或多個(gè)。自由層240包括與非磁性層241、243、245和247交插的磁性層242、244、246、248和250。盡管示出了五個(gè)磁性層242、244、246、248和250以及四個(gè)非磁性層241、243、245和247，但是可以使用其他數(shù)目的磁性層和/或非磁性層。層241、242、243、244、245、246、247、248 和 250 分別類似于層 201/221/221' ,202/222/222'、203/223/223 ' ,204/224/224 ' ,205/225/225 ' ,206/226/226 ' ,207/227/227 '、208/228/228'和210/230/23(V。此外，對(duì)于圖9沒(méi)有假定關(guān)于基板(未示出)的特定關(guān)系。
[0053]在圖9所示的實(shí)施例中，非磁性層241、243、245和247的厚度隨著離非磁性間隔層(沒(méi)有在圖9中示出)的距離增加而增大。在其他實(shí)施例中，層241、243、245和247的厚度可以以另外的方式變化。在一些實(shí)施例中，用于層241、242、243、244、245、246、247、248和/或250的材料也可以變化。磁性層242、244、246、248和250的厚度基本上保持恒定。由于非磁性層241、243、245和247的厚度變化，層242、244、246、248和250之間的磁耦合可以貫穿自由層240而變化。結(jié)果，臨界切換電流密度從層242至250減小，使得臨界切換電流密度隨著離非磁性間隔層(圖9中未示出)的距離增加而增大。類似地，磁性層242、224、246,248和250的熱穩(wěn)定性可以隨著離非磁性間隔層的距離增加而增加。還注意到，自由層240的垂直磁各向異性能可以大于面外退磁能。因而，自由層240的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z軸)。
[0054]圖10描繪了自由層260的示范性實(shí)施例，自由層260具有臨界切換電流密度的梯度、利用自旋轉(zhuǎn)移可切換并包括多層。自由層260類似于并且可以用于自由層110、110'、110"、200、220、22(V和240中的一個(gè)或多個(gè)。自由層260包括與非磁性層261、263、265和267交插的磁性層262、264、266、268和270。盡管示出了五個(gè)磁性層262、264、266、268和270以及四個(gè)非磁性層261、263、265和267，但是可以使用其他數(shù)目的磁性層和/或非磁性層。層 261、262、263、264、265、266、267、268 和 270 分別類似于層 201/221/221' /241、202/222/222 ' /242,203/223/223 ' /243,204/224/224 ' /244,205/225/225 ' /245、206/226/226' /246,207/227/227; /247,208/228/228; /248和210/230/230' /250。此夕卜，對(duì)于圖10沒(méi)有假定關(guān)于基板(未示出)的特定關(guān)系。
[0055]在圖10所示的實(shí)施例中，非磁性層261、263、265和267的厚度隨著離非磁性間隔層(沒(méi)有在圖10中示出)的距離增加而增大。此外，磁性層262、264、266、268和270的厚度也隨著離非磁性間隔層的距離而改變(例如，隨著離非磁性間隔層的距離增加而增大)。在其他實(shí)施例中，層261、262、263、264、265、266、267、268和/或270的厚度可以以另外的方式改變。在一些實(shí)施例中，也可以改變用于層261、262、263、264、265、266、267、268和/或270的材料。由于層261、262、263、264、265、266、267、268和/或270的厚度變化，所以磁耦合、磁各向異性和/或飽和磁化可以貫穿自由層260而變化。結(jié)果，臨界切換電流密度從層262至270增大，使得臨界切換電流密度隨著離非磁性間隔層(圖10中未示出)的距離增加而增大。類似地，磁性層262、264、266、268和270的熱穩(wěn)定性可以隨著離非磁性間隔層的距離增加而增加。還應(yīng)注意到，自由層260的垂直磁各向異性能可以大于面外退磁能。因而，自由層260的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z軸)。
[0056]圖11示出自由層260'的示范性實(shí)施例，自由層260'具有臨界切換電流密度的梯度、利用自旋轉(zhuǎn)移可切換并包括多層。自由層260'類似于并且可以用于自由層110、110'、110"、200、220、22(V、240和260中的一個(gè)或多個(gè)。自由層260'包括與非磁性層 261'、263'、265'和 267'交插的磁性層 262'、264'、266'、268'和 270'。盡管示出了五個(gè)磁性層262' ,264/ ,266' ,268'和27(V以及四個(gè)非磁性層261' ,263'、265'和267'，但是可以使用其他數(shù)目的磁性層和/或非磁性層。層261'、262'、263'、264'、265'、266' ,267' ,268'和 270'分別類似于層 201/221/22廣 /241/261、202/222/222 ' /242/262,203/223/223 ' /243/263,204/224/224 ' /244/264、205/225/225 ' /245/265,206/226/226 ' /246/266,207/227/227 ' /247/267、208/228/228' /248/268 和 210/230/230' /250/270。此外，對(duì)于圖 11 沒(méi)有假定關(guān)于基板(未不出)的特定關(guān)系。
[0057]在圖11所示的實(shí)施例中，磁性層262'、264'、266'、268'和270'的厚度隨著離非磁性間隔層(圖11中未示出)的距離增加而減小。此外、非磁性層261'、263'、265'和267'的厚度也隨著離非磁性間隔層的距離而變化(例如，隨著離非磁性間隔層的距離增加而減小)。在其他實(shí)施例中，層 261'、262'、263'、264'、265'、266'、267'、268'和/或270'的厚度可以以另外的方式變化。在一些實(shí)施例中，用于層261' ,262/、263'、264'、265'、266'、267'、268'和/或270'的材料也可以變化。由于層261'、262'、263'、264'、265'、266'、267'、268'和/或270'的厚度變化，磁耦合、磁各向異性和/或飽和磁化可以貫穿 自由層260'而變化。結(jié)果，臨界切換電流密度從層262'至270'減小使得臨界切換電流密度隨著離非磁性間隔層(圖11中未示出)的距離增加而增大。類似地，磁性層262'、264' ,266' ,268'和270 '的熱穩(wěn)定性可以隨著離非磁性間隔層的距離增加而增加。還注意到，自由層260'的垂直磁各向異性能可以大于面外退磁能。因而，自由層260'的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z軸)。
[0058]圖12描繪了自由層300的示范性實(shí)施例，自由層300具有臨界切換電流密度的梯度、利用自旋轉(zhuǎn)移可切換并且包括多層。然而，對(duì)于圖12沒(méi)有假定關(guān)于基板(未示出)的特定關(guān)系。自由層300類似于并可以用于自由層110、110'、110"、200、220、22(V、240、260和260'中的一個(gè)或多個(gè)。該自由層300包括與非磁性層301、303、305和307交插的磁性層302、304、306、308和310。盡管示出了五個(gè)磁性層302、304、306、308和310以及四個(gè)非磁性層301、303、305和307，但是可以使用其他數(shù)目的磁性層和/或非磁性層。層301、302、303、304、305、306、307、308 和 310 分別類似于層 201/221/221' /241/261/261'、202/222/222 ' /242/262/262 ' ,203/223/223 ' /243/263/263 '、204/224/224 ' /244/264/264 ' ,205/225/225 ' /245/265/265 ',206/226/226 ' /246/266/266 ' ,207/227/227 ' /247/267/267 '、208/228/228' /248/268/268'和 210/230/230' /250/270/270'。在示出的實(shí)施例中，在圖12中，層301、302、303、304、305、306、307、308和310的厚度可以以上述方式改變。此外，用于層301、302、303、304、305、306、307、308和310的材料也可以被調(diào)整以實(shí)現(xiàn)臨界切換電流密度的期望梯度和其他的性質(zhì)。還注意到，自由層300的垂直磁各向異性能可以大于面外退磁能。因而，自由層300的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z軸)。
[0059]此外，自由層300包括磁性插入層320。該磁性插入層320鄰接非磁性間隔層(圖12中未示出)。在其他實(shí)施例中，磁性插入層320可以位于自由層300中的其他地方。還可以使用額外的磁性插入層(未示出)。自由層300還包括位于最近的磁性層302和磁性插入層320之間的非磁性層309。示出的磁性插入層320可以具有比其余的磁性層302、304、306,308和310大的增強(qiáng)的自旋極化。例如，磁性插入層320可以包括具有不超過(guò)百分之三十原子百分比的B的CoFeB。在一些實(shí)施例中，CoFeB中的B摻雜劑的濃度不超過(guò)百分之十。在其他實(shí)施例中，磁性插入層320可以由Co或Fe組成。
[0060]在圖12所示的實(shí)施例中，臨界切換電流密度隨著離非磁性間隔層(圖12中未示出)的距離增加而增大。類似地，自由層300的熱穩(wěn)定性可以隨著離非磁性間隔層的距離增加而增加。此外，由于具有高自旋極化的磁性插入層320的存在，自由層300可以表現(xiàn)出增強(qiáng)的切換特性和/或增強(qiáng)的隧穿磁阻。
[0061]圖13描繪了自由層300'的示范性實(shí)施例，自由層300'具有臨界切換電流密度的梯度、利用自旋轉(zhuǎn)移可切換并包括多層。然而，對(duì)于圖13沒(méi)有假定關(guān)于基板(未示出)的特定關(guān)系。自由層300'類似于并可以用于自由層110、110'、110"、200、220、220'、240、260、260'和300中的一個(gè)或多個(gè)。該自由層300'包括與非磁性層301'、303'、305'和307'交插的磁性層302'、304'、306'、308'和310'。盡管示出了五個(gè)磁性層302'、304'、306' ,308'和310'以及四個(gè)非磁性層301' ,303' ,305'和307'，但是可以使用其他數(shù)目的磁性層和/或非磁性層。層301'、302'、303'、304'、305'、306'、307' 、308'和 310'分別類似于層 201/221/221' /241/261/261' /301、202/222/222 ' /242/262/262 ' /302,203/223/223 ' /243/263/263 ' /303、204/224/224 ' /244/264/264 ' /304 ' ,205/225/225 ' /245/265/265 ' /305、206/226/226 ' /246/266/266 ' /306,207/227/227 ' /247/267/267 ' /307、208/228/228' /248/268/268' /308 和 210/230/230' /250/270/270' /310。在示出的實(shí)施例中，在圖 13 中，層 301'、302'、303'、304'、305'、306'、307'、308'和 310'的厚度可以以上述方式改變。此外，用于層30P ,302/ ,303' ,304/、305^、306^ ,307/、308'和310'的材料也可以被調(diào)整以實(shí)現(xiàn)臨界切換電流密度的期望梯度和其他性質(zhì)。還注意到，自由層300'的垂直磁各向異性能可以大于面外退磁能。因而，自由層300'的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z軸)。
[0062]此外，自由層300'包括類似于磁性插入層320的磁性插入層320'。磁性插入層320'鄰接非磁性間隔層(圖13中未示出)。在其他實(shí)施例中，磁性插入層320'可以位于自由層300'中的其他地方。還可以使用額外的磁性插入層(未示出)。示出的磁性插入層320'可以具有比其余的磁性層302'、304'、306'、308'和310'大的增強(qiáng)的自旋極化。例如，磁性插入層320'可以包括具有不超過(guò)百分之十原子百分比的B的CoFeB。在其他實(shí)施例中，磁性插入層320'可以由Co或Fe組成。
[0063]在圖13所示的實(shí)施例中，臨界切換電流密度隨著離非磁性間隔層(圖13中未示出)的距離增加而增大。類似地，自由層300'的熱穩(wěn)定性可以隨著離非磁性間隔層的距離增加而增加。此外，由于具有高自旋極化的磁性插入層320'的存在，自由層300'可以表現(xiàn)出增強(qiáng)的切換特性和/或增強(qiáng)的隧穿磁阻。
[0064]因此，自由層110、110' UlO77 ,200,220,220;、240、260、260 '、300 和 300'中的一個(gè)或多個(gè)可以用于磁性結(jié)諸如磁性結(jié)100、10(V和100"中。由于自由層的部分之間的臨界切換電流密度的梯度和鐵磁耦合，所以可以減小自由層110、110、110"、200、220、220'、240、260、260'、300和/或300'的總切換電流密度。此外，自由層110、110 '、110"、200、220、220'、240、260、260 '、300和/或300'保持熱穩(wěn)定。因此，盡管自由層110,110,11(^,200,220,220'、240、260、260'、300 和/ 或 300'的一部分可以具有較高的切換電流(其一般是不期望的)，但是自由層110、110、110"、200、220、220,、240、260、260/ ,300和/或300'的部分/層之間的鐵磁耦合和臨界切換電流密度的組合導(dǎo)致較低的總切換電流，其否則對(duì)于熱穩(wěn)定的自由層不能實(shí)現(xiàn)。因此，可以改善磁性結(jié)100、100'和/或100"的性能。
[0065]此外，磁性結(jié)100、100'和/或 100"以及自由層 110、110 '、110 "、200、220、220'、240、260、260'、300和/或300'可以用于磁存儲(chǔ)器中。圖14描繪了一個(gè)這樣的存儲(chǔ)器400的示范性實(shí)施例。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。應(yīng)注意，可以提供其他的和/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)選擇器件414。在一些實(shí)施例中，選擇器件414是晶體管。磁性結(jié)412可以包括磁性結(jié)100、100'和/或100"以及自由層 110、110' UlO77 ,200,220,220/、240、260、260,、300 和 / 或 300'中的一個(gè)或多個(gè)。盡管每一單元410示出一個(gè)磁性結(jié)412，但是在其他實(shí)施例中，每一單元可以提供其他數(shù)目的磁性結(jié)412。
[0066]由于磁存儲(chǔ)器400利用磁性結(jié)100、100'和/或100 "以及自由層110、110 '、110"、200、220 、220'、240、260、260'、300和/或300'，所以可以改善性能。具體地，可
以使用較低的切換電流同時(shí)保持存儲(chǔ)器400的熱穩(wěn)定性。
[0067]圖15描繪了用于制造磁性結(jié)諸如磁性結(jié)100、100'和/或100"的方法500的示范性實(shí)施例。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，一些步驟可以被省略、組合和/或插入。方法500在磁性結(jié)100的背景下描述。然而，方法500可以用于其他磁性結(jié)諸如結(jié)100'和/或100"。此外，方法500可以被并入到磁存儲(chǔ)器的制造中。因此方法500可以用于制造STT-MRAM 400或其他磁存儲(chǔ)器。方法500還可以包括提供可選的籽層、可選的蓋層以及可選的釘扎層(未示出)。
[0068]經(jīng)由步驟502提供自由層110。步驟502可以包括在自由層110的期望厚度處沉積期望的材料。更具體地說(shuō)，所提供的自由層具有期望的臨界切換電流密度的梯度。在步驟 502 中，層 110、110' UlO77 ,200,220,220;、240、260、260'、300 和/ 或 300'被制造。步驟 502 可以包括利用層 110、110' UlO77 ,200,220,220 ;、240、260、260 '、300 和 / 或300;中的一個(gè)或多個(gè)提供SAF。經(jīng)由步驟504提供非磁性間隔層120。步驟504可以包括沉積期望的非磁性材料，包括但不限于結(jié)晶MgO。此外，期望厚度的材料可以在步驟504中沉積。
[0069]經(jīng)由步驟506提供被釘扎層130。步驟506可以包括在被釘扎層130的期望厚度處沉積期望的材料。此外，步驟506可以包括提供SAF。
[0070]經(jīng)由步驟508完成制造。在一些實(shí)施例中，步驟508包括制造額外的間隔層諸如層140以及額外的被釘扎層諸如層150。可選的蓋層和/或其他層也可以在步驟508中沉積。因此，利用方法500，可以實(shí)現(xiàn)磁性結(jié)100、100'和/或100"以及自由層110、110'、110"、200、220、220'、240、260、260'、300 和 / 或 300'的益處。
[0071]已經(jīng)描述了用于提供具有臨界切換電流梯度的自由層、利用這樣的自由層的磁性結(jié)以及利用該磁性結(jié)制造的存儲(chǔ)器的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)示出的示范性實(shí)施例描述，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到可以對(duì)實(shí)施例進(jìn)行改變，任何改變將在該方法和系統(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)行許多修改而不背離權(quán)利要求書的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于磁性器件的磁性結(jié)，包括: 被釘扎層； 非磁性間隔層；和 自由層，具有臨界切換電流密度的梯度使得所述自由層的第一部分的第一臨界切換電流密度比所述自由層的第二部分的第二臨界切換電流密度小，該第二部分比所述第一部分更遠(yuǎn)離所述非磁性間隔層； 其中所述磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫電流經(jīng)過(guò)所述磁性結(jié)時(shí)所述自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中所述自由層包括多個(gè)磁性層，該多個(gè)磁性層的第一層對(duì)應(yīng)于所述自由層的所述第一部分，該多個(gè)磁性層的第二層對(duì)應(yīng)于所述自由層的所述第二部分，所述第二層比所述第一層離所述非磁性間隔層更遠(yuǎn)。
3.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中所述多個(gè)磁性層具有熱穩(wěn)定性梯度使得所述第一層的第一熱穩(wěn)定性低于所述第二層的第二熱穩(wěn)定性，該第二層比所述第一層離所述非磁性間隔層更遠(yuǎn)。
4.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中所述臨界切換電流密度的梯度對(duì)應(yīng)于磁各向異性的各向異性梯度，使得所述第一層的第一磁各向異性低于所述第二層的第二磁各向異性，所述第二層比所述第一層離所述非磁性間隔層更遠(yuǎn)。
5.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中所述臨界切換電流密度的梯度對(duì)應(yīng)于飽和磁化的磁梯度，使得所述第一層的第一飽和磁化小于所述第二層的第二飽和磁化，所述第二層比所述第一層離所述非磁性間隔層更遠(yuǎn)。
6.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中所述臨界切換電流密度的梯度對(duì)應(yīng)于磁各向異性的各向異性梯度和飽和磁化的磁梯度。
7.如權(quán)利要求6所述的磁性結(jié)，其中所述各向異性梯度使得所述第一層的第一磁各向異性低于比所述第一層離所述非磁性間隔層更遠(yuǎn)的第二層的第二磁各向異性，所述第一層的第一飽和磁化低于比所述第一層離非磁性間隔層更遠(yuǎn)的所述第二層的第二飽和磁化。
8.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中所述自由層具有垂直磁各向異性能和面外退磁能，該垂直磁各向異性能大于該面外退磁能。
9.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中所述多個(gè)磁性層具有多個(gè)厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
10.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中所述多個(gè)磁性層具有多個(gè)組分。
11.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，其中所述自由層還包括與所述多個(gè)磁性層交插的多個(gè)非磁性層。
12.如權(quán)利要求11所述的磁性結(jié),其中所述多個(gè)非磁性層包括Pd、Pt、B1、Tb中的至少一種。
13.如權(quán)利要求11所述的磁性結(jié)，其中所述多個(gè)非磁性層具有恒定的厚度，以及其中所述多個(gè)磁性層具有多個(gè)厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度。
14.如權(quán)利要求11所述的磁性結(jié)，其中所述多個(gè)非磁性層具恒定的厚度，以及其中所述多個(gè)磁性層具有多個(gè)厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
15.如權(quán)利要求11所述的磁性結(jié)，其中所述多個(gè)磁性層具有恒定的厚度，以及其中所述多個(gè)非磁性層具有多個(gè)厚度，所述多個(gè)非磁性層的第一非磁性層比所述多個(gè)非磁性層的第二非磁性層更靠近所述非磁性間隔層，所述第一非磁性層具有第一厚度，所述第二非磁性層具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度。
16.如權(quán)利要求11所述的磁性結(jié),其中所述多個(gè)磁性層包括Co、Fe和Ni中的至少一種。
17.如權(quán)利要求11所述的磁性結(jié)，其中所述自由層還包括: 磁性插入層，由Co、Fe、CoFe> FeB、CoB和CoFeB中的至少一種構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求17所述的磁性結(jié)，其中所述磁性插入層鄰接所述非磁性間隔層。
19.如權(quán)利要求2所述的磁性結(jié)，還包括: 額外的非磁性間隔層，所述自由層在所述非磁性間隔層和所述額外的非磁性間隔層之間；和 額外的被釘扎層，所述額外的非磁性間隔層在所述自由層和所述額外的被釘扎層之間； 其中所述自由層中的所述多個(gè)磁性層包括第三層，該第三層具有比所述多個(gè)磁性層的所述第二層的所述第二臨界切換電流密度小的第三臨界切換電流密度，該第三層比所述第二層更靠近所述額外的非磁性間隔 層。
20.如權(quán)利要求1所述的磁性結(jié)，其中所述自由層包括具有至少一種鐵磁材料和至少一種額外材料的合金，所述至少一種鐵磁材料至少具有第一濃度梯度，所述至少一種額外材料至少具有第二濃度梯度，使得所述自由層具有臨界切換電流密度的梯度。
21.—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)單元中的每個(gè)包括至少一個(gè)磁性結(jié)，所述至少一個(gè)磁性結(jié)包括被釘扎層、非磁性間隔層和自由層，所述自由層具有臨界切換電流密度的梯度使得所述自由層的第一部分的第一臨界切換電流密度比所述自由層的第二部分的第二臨界切換電流密度小，該第二部分比所述第一部分更遠(yuǎn)離所述非磁性間隔層，所述磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫電流經(jīng)過(guò)所述磁性結(jié)時(shí)所述自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換；和多條位線。
22.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層包括多個(gè)磁性層，該多個(gè)磁性層的第一層對(duì)應(yīng)于所述自由層的所述第一部分，該多個(gè)磁性層的第二層對(duì)應(yīng)于所述自由層的第二部分，所述第二層比所述第一層遠(yuǎn)離所述非磁性間隔層。
23.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)磁性層具有熱穩(wěn)定性梯度使得所述第一層的第一熱穩(wěn)定性低于所述第二層的第二熱穩(wěn)定性，該第二層比所述第一層遠(yuǎn)離所述非磁性間隔層。
24.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述臨界切換電流密度的梯度對(duì)應(yīng)于磁各向異性的各向異性梯度，使得所述第一層的第一磁各向異性低于所述第二層的第二磁各向異性，所述第二層比所述第一層遠(yuǎn)離所述非磁性間隔層。
25.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述臨界切換電流密度的梯度對(duì)應(yīng)于飽和磁化的磁梯度，使得所述第一層的第一飽和磁化小于所述第二層的第二飽和磁化，所述第二層比所述第一層遠(yuǎn)離所述非磁性間隔層。
26.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述臨界切換電流密度的梯度對(duì)應(yīng)于磁各向異性的各向異性梯度和飽和磁化的磁梯度。
27.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層具有垂直磁各向異性能和面外退磁能，該垂直磁各向異性能大于該面外退磁能。
28.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)磁性層具有多個(gè)厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
29.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)磁性層具有多種組分。
30.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層還包括與所述多個(gè)磁性層交插的多個(gè)非磁性層。
31.如權(quán)利要求30所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)非磁性層包括Pd、Pt、B1、Tb中的至少一種。
32.如權(quán)利要求30所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)非磁性層具有恒定的厚度，以及其中所述多個(gè)磁性層具有多個(gè)厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度。
33.如權(quán)利要求30所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)非磁性層具有恒定的厚度，以及其中所述多個(gè)磁性層具有多個(gè)厚度，所述第一層具有第一厚度，所述第二層具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
34.如權(quán)利要求30所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述多個(gè)磁性層具有恒定的厚度，以及其中所述多個(gè)非磁性層具有多個(gè)厚度，所述多個(gè)非磁性層的第一非磁性層比所述多個(gè)非磁性層的第二非磁性層更靠近所述非·磁性間隔層，所述第一非磁性層具有第一厚度，所述第二非磁性層具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度。
35.如權(quán)利要求30所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層還包括: 磁性插入層，由Co、Fe、CoFe> FeB、CoB和CoFeB中的至少一種構(gòu)成。
36.如權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述至少一個(gè)磁性結(jié)還包括: 額外的非磁性間隔層，所述自由層在所述非磁性間隔層和所述額外的非磁性間隔層之間；和 額外的被釘扎層，所述額外的非磁性間隔層在所述自由層和所述額外的被釘扎層之間； 其中所述自由層中的所述多個(gè)磁性層包括第三層，該第三層具有比所述多個(gè)磁性層的所述第二層的第二臨界切換電流密度小的第三臨界切換電流密度，該第三層比所述第二層更靠近所述額外的非磁性間隔層。
37.如權(quán)利要求21所述的磁存儲(chǔ)器，其中所述自由層包括具有至少一種鐵磁材料和至少一種額外材料的合金，所述至少一種鐵磁材料至少具有第一濃度梯度，所述至少一種額外材料至少具有第二濃度梯度，使得所述自由層具有臨界切換電流密度的梯度。
38.一種提供用于磁性器件中的磁性結(jié)的方法，包括: 提供被釘扎層； 提供非磁性間隔層；和 提供自由層，該自由層具有臨界切換電流密度的梯度使得所述自由層的第一部分的第一臨界切換電流密度比所述自由層的第二部分的第二臨界切換電流密度小，該第二部分比所述第一部分遠(yuǎn)離所述非磁性間隔層， 其中所述磁性結(jié)配置為使得當(dāng)寫電流經(jīng)過(guò)所述磁性結(jié)時(shí)所述自由層可在多個(gè)穩(wěn)定的磁性狀態(tài)之間切換。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述自由層包括多個(gè)磁性層，該多個(gè)磁性層的第一層對(duì)應(yīng)于所述自由層的所述第一部分，該多個(gè)磁性層的第二層對(duì)應(yīng)于所述自由層的第二部分，所述第二層比所述第一層遠(yuǎn)離所述非磁性間隔層。
40.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述自由層包括具有至少一種鐵磁材料和至少一種額外材料的合金，所述至少一種鐵磁材料至少具有第一濃度梯度，所述至少一種額外材料至少具有第二濃度梯度，使得所述自由層具有臨界切換電流密度的梯度。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其中提供所述自由層的步驟還包括: 從多個(gè)濺射靶共同地濺射所述至少一種磁性材料和所述至少一種額外材料。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，其中提供所述自由層的步驟還包括: 沉積所述自由層；和 在沉積所述自由層的步驟之后，對(duì)所述自由層退火。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，其中對(duì)所述自由層退火的步驟還包括: 在原位對(duì)所述自由層退火。
44.如權(quán) 利要求42所述的方法，其中對(duì)所述自由層退火的步驟還包括:在非原位對(duì)所述自由層退火。
【文檔編號(hào)】G11C11/16GK103855297SQ201310644182
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月3日
【發(fā)明者】D.阿帕爾科夫, V.尼基丁, M.T.克朗比 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社