技術領域

本發(fā)明涉及一種磁結(jié)及其提供方法和一種包括其的磁存儲器，更具體地講，涉及一種具有細長自由層的磁結(jié)及其提供方法和一種包括其的磁存儲器。

背景技術：

磁存儲器，特別是磁隨機存取存儲器(MRAM)因其在操作期間讀/寫速度高、耐力優(yōu)秀、非易失性和低功耗的潛能而受到越來越多的關注。MRAM可以利用磁性材料作為信息記錄介質(zhì)來存儲信息。MRAM的一種類型是自旋轉(zhuǎn)移力矩隨機存儲存儲器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用由被驅(qū)動經(jīng)過磁結(jié)的電流來至少部分地對其進行寫入的磁結(jié)。被驅(qū)動經(jīng)過磁結(jié)的自旋極化電流在磁結(jié)中對磁矩施加自旋力矩。結(jié)果，具有響應于自旋力矩的磁矩的層可被切換到期望的狀態(tài)。

例如，傳統(tǒng)磁隧道結(jié)(MTJ)可以用于傳統(tǒng)STT-MRAM中。傳統(tǒng)MTJ包括傳統(tǒng)被釘扎層(或傳統(tǒng)參考層)、傳統(tǒng)自由層以及在傳統(tǒng)參考層與傳統(tǒng)自由層之間的傳統(tǒng)隧道勢壘層。傳統(tǒng)MTJ可以包括傳統(tǒng)反鐵磁(AFM)層。

傳統(tǒng)參考層和傳統(tǒng)自由層是磁性的。傳統(tǒng)參考層的磁化在特定的方向上被固定或被釘扎。傳統(tǒng)自由層具有可變的磁化。傳統(tǒng)自由層可以是單層或可以包括多層。參考層和自由層可以具有垂直于層的平面(垂直于平面)或在層的平面內(nèi)(平面內(nèi))來取向的它們的磁化。

為了切換傳統(tǒng)自由層的磁矩，在電流垂直于平面(CPP)方向上驅(qū)動電流經(jīng)過傳統(tǒng)MTJ。此電流被參考層所自旋極化。當在CPP構(gòu)造中驅(qū)動足夠的電流經(jīng)過傳統(tǒng)磁結(jié)時，自由層的磁矩可以被切換為平行于或反平行于參考層磁矩。磁構(gòu)造上的差異對應于不同的磁阻，并因此對應于傳統(tǒng)MTJ的不同邏輯狀態(tài)(例如，邏輯“1”和邏輯“0”)。

因為其用在各種應用中的潛力，所以對磁存儲器的研究正在進行中。用于改善STT-RAM的性能的方法受到期待。例如，期望在平衡狀態(tài)(當沒有被寫入時)下熱穩(wěn)定的磁結(jié)和可以以相對適當?shù)膶懭腚娏鱽砭幊痰拇沤Y(jié)。此外，足夠高的磁阻對于讀取磁結(jié)的狀態(tài)來說是有益的。對更小的磁結(jié)和更高的面密度存儲器而言，期望保留這些特征。因此，需要可以改善自旋轉(zhuǎn)移力矩類存儲器的性能的方法和系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

描述了一種可用于磁性裝置的磁結(jié)。所述磁結(jié)具有自由層、參考層以及在參考層與自由層之間的非磁性間隔層。當寫入電流經(jīng)過磁結(jié)時，自由層在穩(wěn)定磁狀態(tài)之間是可切換的。自由層具有在第一方向上的長度、在與第一方向垂直的第二方向上的寬度、交換剛度和與長度除以寬度相等的長寬比。長寬比大于1。交換剛度不小于2×10^-6erg/cm。

附圖說明

圖1和圖2描繪了包括具有細長的自由層并利用自旋轉(zhuǎn)移可編程的磁結(jié)的磁性裝置的示例性實施例的側(cè)視圖和俯視圖。

圖3A和圖3B描繪了尺寸、熱穩(wěn)定、長寬比和交換剛度之間關系的示例性實施例。

圖4和圖5描繪了具有細長的自由層并利用自旋轉(zhuǎn)移可編程的磁結(jié)的示例性實施例的側(cè)視圖和透視圖。

圖6描繪了包括具有細長的自由層并利用自旋轉(zhuǎn)移可編程的磁結(jié)的磁性裝置的示例性實施例的俯視圖。

圖7描繪了具有細長的自由層并利用自旋轉(zhuǎn)移可編程的磁結(jié)的示例性實施例的側(cè)視圖。

圖8是描繪了用于提供具有細長的自由層并利用自旋轉(zhuǎn)移力矩可編程的磁存儲器的方法的示例性實施例的流程圖。

圖9描繪了包括具有細長的自由層并利用自旋轉(zhuǎn)移可編程的磁結(jié)的磁性裝置的另一示例性實施例。

具體實施方式

示例性實施例涉及一種可用于諸如磁存儲器的磁性裝置中的磁結(jié)，以及一種使用這樣的磁結(jié)的裝置。磁存儲器可以包括自旋轉(zhuǎn)移力矩磁隨機存取存儲器(STT-MRAM)并且可以用于使用非易失性存儲器的電子裝置中。這樣的電子裝置包括但不限于蜂窩電話、智能手機、臺式計算機、膝上型計算機以及其它便攜式和非便攜式計算裝置。呈現(xiàn)下面的描述以使本領域普通技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)并使用本發(fā)明，在專利申請及其權利要求的上下文中提供下面的描述。對示例性實施例的各種修改以及在此描述的一般原理和特征將是清楚明白的。關于具體實施方式中提供的具體方法和系統(tǒng)來主要描述示例性實施例。然而，方法和系統(tǒng)將以其它實施方式有效地操作。諸如“示例性實施例”、“一個實施例”和“另一實施例”的短語可以指相同或者不同的實施例以及指多個實施例。將針對具有特定組件的系統(tǒng)和/或裝置對實施例進行描述。然而，系統(tǒng)和/或裝置可以包括比所示組件多或少的組件，并且在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可以變化組件的布置和類型。也將在具有特定步驟的具體方法的背景中對示例性實施例進行描述。然而，所述方法和系統(tǒng)對具有不同的和/或附加的步驟、分步驟和/或與示例性實施例不符的不同順序的步驟的其它方法有效地操作。因此，本發(fā)明不意圖受限于所示實施例，而是適合于符合在此描述的原理和特征的最大范圍。

描述了可用于磁性裝置中的磁結(jié)以及用于提供磁結(jié)的方法。所述磁結(jié)具有自由層、參考層以及在參考層與自由層之間的非磁性間隔層。當寫入電流經(jīng)過磁結(jié)時，自由層在穩(wěn)定磁狀態(tài)之間是可切換的。自由層具有在第一方向上的長度、在與第一方向垂直的第二方向上的寬度、交換剛度和與長度除以寬度相等的長寬比。長寬比大于1。交換剛度不小于2×10^-6erg/cm。

在具體方法、磁結(jié)和具有特定組件的磁存儲器的背景下對示例性實施例進行描述。本領域普通技術人員將容易認識到，本發(fā)明符合具有與本發(fā)明不符的其它和/或附加組件和/或其它特征的磁存儲器和磁結(jié)的使用。也在目前理解的自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象、磁各向異性和其它物理現(xiàn)象的背景下對方法和系統(tǒng)進行描述。因此，本領域普通技術人員將容易認識到，方法和系統(tǒng)的行為的理論解釋是基于對自旋轉(zhuǎn)移、磁各向異性和其它物理現(xiàn)象的這種當前的理解而做出的。然而，在此描述的方法和系統(tǒng)不依賴于具體的物理解釋。本領域的普通技術人員也將容易認識到，在與基底具有特定關系的結(jié)構(gòu)的背景下對方法和系統(tǒng)進行描述。然而，本領域普通技術人員將容易認識到，方法和系統(tǒng)符合其它結(jié)構(gòu)。另外，在作為綜合的和/或簡單的特定層的背景下對方法和系統(tǒng)進行描述。然而，本領域普通技術人員將容易認識到，層可以具有另一個結(jié)構(gòu)。此外，在具有特定層的磁結(jié)的背景中對方法和系統(tǒng)進行描述。然而，本領域普通技術人員將容易認識到，也可以使用具有與方法和系統(tǒng)不符的附加的層和/或不同的層的磁結(jié)。再者，某些組件被描述為是磁的、鐵磁的和亞鐵磁的。如這里使用的，術語磁的可以包括鐵磁的、亞鐵磁的等的結(jié)構(gòu)。如這里使用的，“平面內(nèi)”是基本上在磁結(jié)的層中的一層或更多層的平面內(nèi)，或者基本上平行于所述平面。相反地，“垂直”和“垂直于平面”對應于基本上與磁結(jié)的層中的一層或更多層垂直的方向。

圖1和圖2描繪了可用于磁存儲器中的、利用自旋轉(zhuǎn)移力矩可編程的并具有細長的(elongated)自由層的磁結(jié)100的示例性實施例的側(cè)視圖和俯視圖。為了清晰起見，圖1和圖2不是按比例繪制的。磁結(jié)100可以用于諸如STT-RAM的磁性裝置中，因此，磁結(jié)100可以用于各種電子裝置中。

磁結(jié)100包括具有磁矩121的自由層120、非磁性間隔層130和具有磁矩141的參考層140。也示出了可以在其中形成有包括但不限于晶體管的器件的底層基底101。磁結(jié)100也可以包括具有高自旋極化的可選的極化增強層(PEL)132。例如，PEL 132可以包括Fe和/或CoFe。也示出了底接觸件102、頂接觸件104、可選的種子層110和可選的覆蓋層112。例如，種子層110可以包括具有(200)取向的薄的晶體MgO種子層。這樣的MgO層可以增強鄰近的參考層140的垂直磁各向異性(PMA)。類似地，覆蓋層112可以包括薄的晶體(200)MgO層以增強鄰近的自由層120的PMA。在示出的實施例中，參考層140比層120靠近基底。因此，磁結(jié)100是底部被釘扎的結(jié)。雖然示出了層120、130、132和140與基底101的具體關系，但在其它實施例中，順序可以不同。例如，在另一實施例中，從離基底101最近到最遠，層可以是120、130、132(如果存在)和140。因此，磁結(jié)100可以是頂部被釘扎的磁結(jié)。在替代實施例中，磁結(jié)100可以是包括附加參考層以及在自由層120與附加參考層(未示出)之間的非磁性間隔層的雙磁結(jié)。

可選的釘扎層(未示出)可以用來固定參考層140的磁化(未示出)?？蛇x的釘扎層可以是通過交換偏置相互作用(exchange-bias interaction)來釘扎參考層140的磁化(未示出)的AFM層或多層。然而，在其它實施例中，可以省略可選的釘扎層或者可以使用另一種結(jié)構(gòu)。

其它層(包括但不限于具有高自旋極化的其它PEL、磁性或非磁性插入層和/或其它層)可以包括在磁結(jié)100的層中或者可被認為是可以用在磁結(jié)100中的單獨的層。然而，為了簡便起見，僅示出了一個這樣的層132。構(gòu)造磁結(jié)100，使得自由層利用經(jīng)過磁結(jié)100的寫入電流而在多個穩(wěn)定磁性狀態(tài)間是可切換的。因此，自由層120利用自旋轉(zhuǎn)移力矩是可編程的。

非磁性間隔層130位于參考層140與自由層120之間。非磁性間隔層130可以是MgO隧道勢壘層。MgO層可以是晶體并可以具有用于增強的隧道磁阻(TMR)的(200)取向。在其它實施例中，非磁性間隔層130可以是不同的隧道勢壘層，可以是導電層或可以具有另一種結(jié)構(gòu)。

參考層140是磁性的。參考層140可以是多層。參考層140可以是包括與諸如Ru的非磁性層交錯并將其夾在參考層140之間的多個鐵磁層的合成反鐵磁(SAF)。因此，參考層140也可以包括具有但不限于多個鐵磁層的子層。具有高自旋極化的PEL 132設置在參考層140的最靠近非磁性間隔層130的部分處。在其它實施例中，可以省略PEL 132。

在示出的實施例中，參考層140的PMA能超過其平面外退磁能(out-of-plane demagnetization energy)。因此，參考層140具有高的PMA。如在這里使用的，高的PMA是使PMA能大于平面外退磁能的PMA。因為參考層140具有高PMA，所以參考層140的磁矩141可以是垂直于平面的(在圖1中所示的方向上示出的沿Z方向或反平行于圖1中所示的方向)。在這樣的實施例中，通常不使用釘扎層。例如，參考層140可以包括多層，所述多層包括Co/Pt雙層、CoPt合金、CoTb合金的多個重復和/或Co/Tb雙層的多個重復。這樣的組合可以具有高的PMA。相似地，參考層140可以包括可具有高PMA的CoFeB、FeB、CoB、Fe、Co₂FeAl、Co₂FeAlSi、Co₂MnSi和MnAl中的一種或多種。注意的是，如這里所使用的，CoFeB、FeB、CoB和MnAl表示未標明化學計量的合金。例如，CoFeB可以包括(CoFe)_1-xB_x，其中，x大于或等于0且小于或等于0.5。例如，x可以至少是0.2且不大于0.4。相似地，F(xiàn)eB可以是Fe_1-xB_x，其中，x大于或等于0且小于或等于0.5。其它材料和/或結(jié)構(gòu)具有可能用于參考層140的高的PMA。在其它實施例中，參考層140的磁矩141可以是平面內(nèi)的。

在示出的實施例中，參考層140不必須是細長的(elongated)。參考層140的長度l_r基本上與寬度w_r相同(w_r≈l_r)。因此，參考層的長寬比可以接近或等于1。如這里所使用的，長寬比為平面內(nèi)的并且等于平面內(nèi)的一個維度除以另一維度(例如，長度除以寬度)。在其它實施例中，參考層可以是細長的。例如，參考層140可以沿與自由層120相同方向延伸(l_r>w_r)?？蛇x地，參考層140可以沿不同方向延伸(l_r<w_r)。此外，參考層140被示出為比自由層120長且寬(l_r>l,w_r>w)。在其它實施例中，參考層140可以與自由層120尺寸相同，比自由層120窄和/或不像自由層120那么長。

自由層120是磁性的，并且在磁結(jié)100處于靜態(tài)時具有超過平面外退磁能的PMA能。換言之，當沒有寫入電流施加到磁結(jié)100時，PMA能大于平面外退磁能。因此，自由層120具有高的PMA。自由層120的磁矩121可以如圖1中所示垂直于平面(沿+z或-z方向)取向。磁結(jié)也被構(gòu)造為使得可以利用被驅(qū)動經(jīng)過磁結(jié)的寫入電流(例如，利用自旋轉(zhuǎn)移)來切換自由層120的磁矩121。

自由層120和磁結(jié)100適合于在較高密度的磁性存儲應用中使用。為了在這樣的應用中使用，自由層120具有較小尺寸并且在平衡態(tài)(equilibrium)是熱穩(wěn)定的。當磁結(jié)100處于靜止(不寫入)時出現(xiàn)平衡態(tài)。此外，自由層120的寬度w不超過20納米。在一些實施例中，w不超過16納米。

為了在磁結(jié)100處于靜止時使自由層120熱穩(wěn)定，自由層120的熱穩(wěn)定常數(shù)Δ可以至少為100(Δ≥100)。在其它實施例中，熱穩(wěn)定期望的Δ可以不同。Δ由K_uV/k_bT給出，其中，K_u為磁各向異性密度，k_b為玻爾茲曼常數(shù)，T為開爾文溫度，V為自由層120的體積。因此，Δ～K_utA，其中A為自由層120的占用區(qū)域(footprint，或底部投影)的面積，t為厚度。注意的是，面積可以近似為w×l，其中w和l分別為自由層120的寬度和長度。在一些實施例中，期望自由層120的厚度t保持相對薄。例如，t可以不超過3納米。在一些實施例中，t不超過2納米。在一些這樣的實施例中，t至少為1.5納米。因此，Δ～(K_ut)wl，其中對于給定厚度的自由層120而言，K_ut基本上為常數(shù)。如上所述，期望自由層120的寬度w可以小于或等于20納米。然而，長度l對選擇期望值而言可以有一些自由度。因此，可以通過延伸自由層來增大自由層120的Δ值。換言之，為提高熱穩(wěn)定性，自由層120可以具有大于1的長寬比(AR)。在一些實施例中，自由層120的AR至少為2。在一些這樣的實施例中，長寬比大于2。注意的是，對于相同的Δ，臨界電流(編程磁結(jié)所需的寫入電流)可以獨立于自由層長度l。因此，可以增大自由層120的AR以改善自由層120的熱穩(wěn)定性而不增大所需的寫入電流。

如果僅增大自由層120的長寬比，磁結(jié)100的切換會變得不均勻。更具體地，在一些尺寸下(此處稱為“臨界尺寸”)，自由層120的切換不再是均勻的。在這一制度中，Δ可能不再遵循上述的關系(Δ～K_ut)。為了解決這一問題，可以配置交換剛度A_ex(exchange stiffness)。因此，除了具有大于1的長寬比之外，還可以增大自由層120的A_ex以在較小尺寸和較高存儲密度下允許期望的熱穩(wěn)定性和操作。

交換剛度A_ex取決于各種因素，包括自由層120的材料的選擇。一些磁性材料具有高的交換剛度。如這里所使用的，高的交換剛度至少為2×10^-6erg/cm。例如，元素Fe、元素Co、SmCo₅、MnGe、Co₂FeSi、Co₂MnSi、Fe_xCo_1-x可以具有足夠高的交換剛度，其中x至少為0.5且小于0.65(可以是0.53或0.63)。諸如MnGe的減小的飽和磁化材料會是可取的以減小面外退磁能。因此，可以在自由層120中使用一種或更多種這樣的材料。例如，自由層120可以是包括至少一層諸如上述這些高交換剛度材料的多層。在其它實施例中，自由層120可以由高交換剛度材料的一層或更多層構(gòu)成。如這里所使用的，“高交換剛度自由層”是具有至少2×10^-6erg/cm的交換剛度且包括至少2×10^-6erg/cm的交換剛度的一層或更多層(由至少2×10^-6erg/cm的交換剛度的一層或更多層構(gòu)成)的自由層。此外，期望高交換剛度層的界面為平滑的。較平滑的界面趨于增大交換剛度。

高交換剛度層也被期望為沒有諸如玻璃促進成分的磁性雜質(zhì)。通常在自由層中使用的一種這樣的成分為B。因此，如果高交換剛度層隨著沉積而包括諸如B的玻璃促進成分，那么期望隨后的工藝來去除大部分或全部的玻璃促進成分。為了增強TMR和/或其它目的，可以期望在沉積的自由層120中使用這樣的玻璃促進成分。

交換剛度也隨著厚度(t)增大而增大。因此，高交換剛度層可以為2納米數(shù)量級。在一些實施例中，高交換剛度層可以約為1.8nm。在這樣的實施例中，自由層120可以由高交換剛度層構(gòu)成。還注意到，可以期望磁結(jié)100的電阻面積乘積(RA)是適當?shù)?，例如，小于大約30Ohm×μm²。然而，在其它實施例中，RA的其它范圍是可能的。

參照圖3A和圖3B可以理解交換剛度和長寬比的選擇。圖3A和圖3B描繪了自由層120的尺寸、熱穩(wěn)定性、長寬比和交換剛度之間關系的示例性實施例。圖3A描繪與各種交換剛度的長寬比相對的臨界尺寸。如圖3A中可見，對于具體的臨界尺寸，允許的長寬比伴隨著交換剛度的增大而增大。如上面所討論，通常期望自由層120的寬度超過臨界尺寸。因此，對于任意長寬比，更高的交換剛度在增大長寬比的同時，允許更大的減小自由層120的寬度的自由度。圖3B描繪與各種長寬比的自由層120的寬度相對的具體的(期望的)Δ的K_ut(也即Δ)。如圖3B中可見，對于具體的寬度，增大的長寬比給出更高的K_ut。因此，對于更高的長寬比，Δ更易保持在期望的熱穩(wěn)定性值處。如此，可以期望增大的長寬比和交換剛度。

因此，對于小尺寸下的熱穩(wěn)定性，期望自由層120具有大于1的長寬比和不小于2×10^-6erg/cm的交換剛度。在一些實施例中，長寬比至少為2。在一些這樣的實施例中，長寬比至少為3。因為長寬比大于1，所以自由層120被稱為細長的長寬比。自由層120的交換剛度至少為2×10^-6erg/cm。在一些實施例中，交換剛度至少為3×10^-6erg/cm。因此，自由層120可以在小尺寸下具有至少100的Δ。因此，寬度w可以不超過20納米，厚度t可以不超過3納米。在一些這樣的實施例中，t不超過2納米。在這樣小的寬度和厚度下，對于上述的長寬比和交換剛度，自由層120可以是熱穩(wěn)定的。

在操作中，自由層120具有高PMA。由于上述長寬比和交換剛度，自由層120的Δ對于熱穩(wěn)定性可以足夠高。例如，Δ可以至少為100。因此，當磁結(jié)100處于靜止(不被讀取或編程)時，自由層120是磁穩(wěn)定的且其磁矩垂直于平面?？梢酝ㄟ^沿CPP方向(即沿z軸)驅(qū)動的寫入電流來對自由層120編程。取決于電流的方向，自由層的磁矩121可以平行于或反平行于參考層140的磁矩141。如上所述，自由層120的大于1的長寬比不會對切換電流有不利影響。因此，磁結(jié)100可以經(jīng)由自旋轉(zhuǎn)移力矩而被編程。

磁結(jié)100對于較小尺寸和/或較高存儲密度可以具有改善的性能。自由層120和參考層140可以具有它們的垂直于平面取向的磁矩，這對于改善性能而言可以是可期望的。因為高的PMA、長寬比和交換剛度，所以自由層120在磁結(jié)100處于靜止時為熱穩(wěn)定的。即使自由層120的寬度可以是20納米以下，自由層120也為熱穩(wěn)定的。結(jié)果，磁結(jié)100可以在較高存儲密度應用中使用。因此，可以改善磁結(jié)100和利用磁結(jié)100的磁存儲器的性能。

圖4和圖5描繪了具有細長的自由層并利用自旋轉(zhuǎn)移可編程的磁結(jié)100'的示例性實施例的側(cè)視圖和透視圖。為了清晰起見，圖4和圖5不是按比例繪制的。磁結(jié)100'可以用于諸如STT-RAM的磁性裝置，因此，磁結(jié)100'可以用于各種電子裝置中。磁結(jié)100'類似于磁結(jié)100。結(jié)果，相似的組件具有相似的標號。磁結(jié)100'包括與在圖1中描繪的具有磁矩121的自由層120類似的具有磁矩121的細長的自由層120、與圖1中描繪的非磁性間隔層130類似的非磁性間隔層130'和與圖1中描繪的具有磁距141的參考層140類似的具有磁矩141的參考層140'。也示出了可選的種子層110、可選的覆蓋層112和可選的PEL 132。雖然未示出，但可以包括與圖1中示出的基底101類似的底層基底、與圖1中示出的底接觸件102類似的底接觸件和與圖1中示出的頂接觸件104類似的頂接觸件。另外，可以存在一層或更多層附加PEL(未示出)。另外，雖然看起來好像自由層120最接近基底(未在圖1中示出)且參考層140離基底最遠，但是其它的關系是可能的。例如，參考層140可以最接近基底且自由層120可以離基底最遠。

在圖4和圖5示出的實施例中，自由層120具有與上述自由層120類似的長寬比、厚度、寬度、長度和交換剛度。參考層140'、非磁性間隔層130'和可選層132'還可以具有如上所述的相同結(jié)構(gòu)和功能。在示出的實施例中，這些層共享自由層120的占用區(qū)域。例如，參考層140'可以具有與自由層120相同的寬度和長度。因此，參考層140'是細長的參考層。在一些實施例中，參考層140'和非磁性間隔層130'均共享自由層120的占用區(qū)域。在磁結(jié)100'中，層130'、132'和/或140'的任意組合具有與自由層120相同的長寬比和尺寸。換言之，磁結(jié)100'共享層120的長寬比。因此，層120、130'、132'和140'的邊緣可以利用同一掩模和離子減薄工藝一起限定。

磁結(jié)100'享有磁結(jié)100的益處。因為自由層120是細長的(長寬比大于1)并且具有高交換剛度(至少2×10^-6erg/cm)，所以自由層120在磁結(jié)100'未被寫入時可以是熱穩(wěn)定的并且對于磁結(jié)100'的較小尺寸而言可以是熱穩(wěn)定的。因此，磁結(jié)100'可以在高面密度的磁性存儲器中使用并且被用于較小尺寸的應用。此外，可以使用單個掩膜工藝來限定全部層120、130'、132'、140'的邊緣。因此，可以簡化磁結(jié)100'的制造。

圖6描繪了具有細長的自由層并利用自旋轉(zhuǎn)移可編程的磁結(jié)100”的示例性實施例的俯視圖。為了清晰起見，圖6不是按比例繪制的。磁結(jié)100”可以用于諸如STT-RAM的磁性裝置，因此，磁結(jié)100”可以被用于各種電子裝置中。磁結(jié)100”類似于磁結(jié)100和/或磁結(jié)100'。結(jié)果，相似的組件具有相似的標號。然而，因為描繪俯視圖，所以僅示出自由層120'。

如上所述，自由層120'是細長的且具有高交換剛度。自由層120'具有與上述自由層120類似的長寬比、厚度、寬度、長度和交換剛度。其余層(未示出)可以與磁結(jié)100和/或磁結(jié)100'所描繪的其余層類似。然而，在示出的實施例中，自由層120'在x-y平面中的占用區(qū)域不是橢圓的。在示出的實施例中，自由層120'具有大體上的矩形形狀的占用區(qū)域。磁結(jié)100”的其余層可以具有相同或不同的長寬比和形狀。在其它實施例中，自由層120'的占用區(qū)域可以具有不同的形狀。然而，期望保持上述長寬比和交換剛度。

磁結(jié)100”享有磁結(jié)100的益處。因為自由層120'是細長的(長寬比大于1)且具有高交換剛度(至少2×10^-6erg/cm)，所以自由層120'在磁結(jié)100”未被寫入時可以是熱穩(wěn)定的并且對于磁結(jié)100”的較小尺寸而言可以是熱穩(wěn)定的。因此，磁結(jié)100”可以在高面密度的磁性存儲器中使用并被用于較小尺寸的應用。

圖7描繪了包括可用于利用自旋轉(zhuǎn)移力矩可編程的磁存儲器中的細長的自由層的磁結(jié)150的另一個示例性實施例。為了清晰起見，圖7不是按比例繪制的。磁結(jié)150可以用于諸如STT-RAM的磁性裝置中，因此，磁結(jié)150可以用于各種電子裝置中。磁結(jié)150類似于磁結(jié)100、磁結(jié)100'和/或磁結(jié)100”。結(jié)果，相似的組件具有相似的標號。磁結(jié)150包括與分別在圖1、圖2、圖4、圖5和圖6中描述的具有磁矩121的自由層120/120'、非磁性間隔層130和具有磁距141的參考層140類似的具有磁矩171的細長的自由層170、非磁性間隔層172和具有磁矩181的參考層180。磁結(jié)150也包括附加的參考層160和附加的非磁性間隔層164。層164和172中的一層或兩層可以是絕緣隧道勢壘層。也示出了可選的種子層154、可選的覆蓋層156和可選的PEL 162與182。雖然未示出，但可以包括與圖1中示出的基底101類似的底層基底、與圖1中示出的底接觸件102類似的底接觸件和與圖1中示出的頂接觸件104類似的頂接觸件。另外，可以存在一層或更多層附加PEL(未示出)。因此磁結(jié)150是雙磁結(jié)。

自由層170可具有自由層120和/或120'的交換剛度和長寬比。另外，磁結(jié)150是雙磁結(jié)。雖然示出為雙狀態(tài)(磁矩181反平行于磁矩161)，但在其它實施例中，磁結(jié)150可以是反雙態(tài)(磁矩161和磁矩181平行)。

磁結(jié)150享有磁結(jié)100、磁結(jié)100'和/或磁結(jié)100”的益處。因為自由層170具有如上所述的長寬比和交換剛度，所以自由層170可以在較小的尺寸下是熱穩(wěn)定的。因此，磁結(jié)100”可以在高面密度的磁性存儲器中使用并被用于較小尺寸的應用。

圖8描繪了用于制造包括細長的自由層并且可用于諸如STT-RAM的磁性裝置中(因此，可用于各種電子裝置中)的磁結(jié)的方法200的示例性實施例。為了簡單起見，一些步驟可以被省略，可以被以另一種順序執(zhí)行，可以包括分步驟并且/或者可以被組合。此外，所述方法200可以在已經(jīng)執(zhí)行了形成磁存儲器的其它步驟之后開始。為了簡單起見，在磁結(jié)100和150的背景下描述方法200。然而，可以形成包括但不限于磁結(jié)100'和/或100”的其它磁結(jié)。

通過步驟202，設置其PMA超過其平面外退磁能的參考層140/160。在一些實施例中，步驟202可以包括設置諸如SAF的多層、高PMA多層和/或其它多層。

通過步驟204，設置非磁性間隔層130/164。步驟204可以包括沉積MgO以形成隧道勢壘層。在一些實施例中，步驟204可以包括利用例如射頻(RF)濺射來沉積MgO。在其它實施例中，可以沉積金屬Mg，然后在步驟204中使金屬Mg被氧化。

通過步驟206，設置自由層120/170。非磁性間隔層130/164在參考層140/160與自由層120/170之間。在平衡態(tài)下(當磁結(jié)100處于靜止時)自由層120/170的PMA能可以大于其退磁能。因此，磁矩121/171可以垂直于平面。此外，自由層120/170具有不小于2×10^-6erg/cm的高交換剛度和大于1的長寬比。在一些實施例中，長寬比至少可以為2。交換剛度在一些實施例中可以至少為3×10^-6erg/cm。為了獲得高的交換剛度，自由層120/170在步驟206中的制造可以包括配置加工條件來優(yōu)化交換剛度。例如，可以選擇在濺射自由層120/170的膜中使用的氣體的壓力以使交換剛度增加。自由層120/170的制造可以包括增加晶格(lattice)的密度的步驟、降低界面的粗糙度的步驟和/或確保從自由層120/170中去除諸如B的非磁性玻璃促進組件的步驟。此外，可以將自由層120/170的長寬比設定為步驟206的一部分。因此，在步驟206中形成的自由層120/170可以是細長的。

為了確定交換剛度足夠高，步驟206可以包括對自由層120/170和/或磁結(jié)100/150進行測試。步驟206的這一部分可以在制造之后(例如在已經(jīng)完整制造磁結(jié)100/150之后)發(fā)生。例如，可以在非圓形圖案化的位(bit)上使用鐵磁共振(FMR)以直接確定自由層120/170的交換剛度。也可以使用諸如測量居里溫度(T_c)來間接測量交換剛度。因此，步驟206可以包括確定自由層120/170不僅具有期望的長寬比，而且具有期望的交換剛度。

通過步驟208，可以選擇性地設置附加的非磁性間隔層172。步驟208可以包括沉積MgO以形成隧道勢壘層。在一些實施例中，步驟208可以包括利用例如射頻(RF)濺射來沉積MgO。在其它實施例中，可以沉積金屬Mg，然后在步驟208中使金屬Mg被氧化。對于磁結(jié)100可以省略步驟208。

通過步驟210，可以選擇性地設置其PMA可以超過其平面外退磁能的附加的參考層180。非磁性間隔層172在參考層180與自由層170之間。在一些實施例中，步驟210可以包括設置諸如SAF的多層、高PMA多層和/或其它多層。

在一些實施例中，步驟206可以在步驟204之前執(zhí)行，步驟204可以在步驟202之前執(zhí)行。然而，其它順序是可能的。例如，步驟的順序可以是如所示出的步驟202、步驟204、步驟206、步驟208(如果執(zhí)行)和步驟210(如果執(zhí)行)。

可以完成磁結(jié)100/150的制造。所述制造方法可以包括與剩余步驟交織的分步驟。例如，完成磁結(jié)100/150的步驟可以包括設置一層或更多層PEL。也可以在制造過程中實施一次或更多次退火。另外，可以限定磁結(jié)100/150的邊緣。至少自由層120/170的長寬比大于1。在一些實施例中，磁結(jié)100/150的更多(或全部)層的長寬比大于1。例如，可以在磁結(jié)100/150的層的堆疊件上設置掩模。掩模覆蓋將要形成磁結(jié)100的區(qū)域，并在磁結(jié)之間的區(qū)域上方具有開口。掩模具有諸如圖2、圖5和圖6中示出的橢圓或矩形的細長的形狀。然后可執(zhí)行離子減薄。磁結(jié)之間的區(qū)域可以被再填充和/或形成其它結(jié)構(gòu)。因此，完成具有細長的自由層120/170的磁結(jié)的制造。

使用方法200，可以形成磁結(jié)100、100'、100”和/或150。因此，可以獲得磁結(jié)100、磁結(jié)100'、磁結(jié)100”和/或磁結(jié)150的益處。

圖9描繪了可以使用磁結(jié)100、磁結(jié)100'、磁結(jié)100”和/或磁結(jié)150中的一個或更多個的存儲器300的示例性實施例。磁存儲器300包括讀/寫列選擇驅(qū)動器302和306以及字線選擇驅(qū)動器304。注意的是，可以設置其它和/或不同的組件。存儲器300的存儲區(qū)包括磁存儲單元310。多條位線與多個磁存儲單元310結(jié)合。每個磁存儲單元包括至少一個磁結(jié)312和至少一個選擇器件314。在一些實施例中，選擇器件314是晶體管。磁結(jié)312可以是在此公開的磁結(jié)100、磁結(jié)100'、磁結(jié)100”和/或磁結(jié)150中的一個。盡管每個單元310示出一個磁結(jié)312，但是在其它實施例中，每個單元可以設置另一數(shù)量的磁結(jié)312。這樣，磁存儲器300可以享有上述益處。

已經(jīng)描述了用于設置磁結(jié)和使用磁結(jié)制造的存儲器的方法和系統(tǒng)。已經(jīng)根據(jù)示出的示例性實施例描述了方法和系統(tǒng)，本領域普通技術人員將容易明白，實施例可以有變化，并且任何變化將在方法和系統(tǒng)的精神和范圍內(nèi)。因此，在不脫離權利要求的精神和范圍的情況下，本領域普通技術人員可以做出許多修改。