[发明专利]磁性结和磁存储器以及用于提供磁性结的方法

说明书

本发明提供了磁性结和磁存储器以及用于提供磁性结的方法。该磁性结包括参考层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在参考层和自由层之间。自由层、非磁性间隔层和参考层相对于基板形成非零度角。该磁性结被配置使得当写入电流穿过磁性结时自由层在多个稳定磁状态之间可转换。

技术领域

本发明涉及一种磁性结、磁存储器、以及在基板上提供磁性结的方法。背景技术

磁存储器，特别地，磁随机存取存储器（MRAM），因其在操作期间的高读取/写入速度、优良的耐受性、非易失性和低能耗方面的潜能，而引起了越来越多的关注。MRAM能利用磁性材料作为信息记录媒介而存储信息。MRAM的一个类型是自旋转移力矩随机存取存储器（STT-MRAM）。STT-MRAM利用磁性结，该磁性结至少部分地通过被驱动通过磁性结（driventhrough）的电流而被写入。被驱动通过磁性结的自旋极化电流施加自旋力矩到磁性结中的磁矩上。结果，具有响应于自旋力矩的磁矩的一层（或多层）可以转换成期望的状态。

例如，图1描绘了常规磁性隧道结（MTJ）10，其可以用于常规STT-MRAM。常规MTJ10通常位于底部接触11上，使用常规籽晶层12，并且包括常规反铁磁（AFM）层14、常规参考层16、常规隧穿势垒层18、常规自由层20和常规盖层22。还示出了顶部接触24。

常规接触11和24用于在电流垂直于平面（CPP）的方向上或沿着如图1所示的z轴驱动电流。常规籽晶层12通常用于帮助后续的层（诸如AFM层14）生长为具有期望的晶体结构。常规隧穿势垒层18是非磁性的并且例如是薄的绝缘体，诸如MgO。

常规参考层16和常规自由层20是磁性的。常规参考层16的磁化17通常通过与AFM层14的磁化的交换偏置相互作用而被固定或被钉扎在特定方向。虽然被描绘为简单（单个）层，但是常规参考层16可以包括多个层。例如，常规参考层16可以是合成反铁磁（SAF）层，其包括通过诸如Ru的薄导电层而反铁磁耦合的磁性层。在这样的SAF中，可以使用插入有Ru薄层的多个磁性层。在另一实施方式中，穿过Ru层的耦合可以是铁磁性的。此外，其他形式的常规MTJ10可以包括附加的参考层（未示出），该附加的参考层通过附加的非磁性阻挡层或导电层（未示出）与自由层20分开。

常规自由层20具有可变的磁化21。虽然被描绘为简单层，但是常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是合成层，其包括通过诸如Ru的薄导电层而反铁磁地或铁磁地耦合的多个磁性层。虽然显示为在平面内，但是常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。因此，参考层16和自由层20可以使得他们的磁化17和21分别垂直于该些层的平面取向。

为了转换常规自由层20的磁化21，电流被垂直于平面（在Z方向上）驱动。当足够的电流从顶部接触24驱动到底部接触11时，常规自由层20的磁化21可以转换成平行于常规参考层16的磁化17。当足够的电流从底部接触11驱动到顶部接触24时，自由层的磁化21可以转换成反平行于参考层16的磁化。在磁位形（magnetic configuration）方面的差异对应于不同的磁阻，由此对应于常规MTJ10的不同的逻辑状态（例如，逻辑上的“0”和逻辑上的“1”）。因此，通过读取常规MTJ10的隧穿磁阻（TMR）能确定常规MTJ的状态。

虽然常规MTJ10可以利用自旋转移而写入，通过感测该结的TMR而读取，以及可以在STT-MRAM中使用，但是仍然存在缺点。例如，希望常规MTJ10的覆盖区减小以将常规MTJ缩小到更小的尺寸。减小常规MTJ10的尺寸允许采用常规磁性结10的存储器的面密度增大。然而，减小常规自由层16的尺寸降低了自由层16中存在的磁性材料的量，由此会不利地影响热稳定性。常规MTJ10的热稳定性的降低负面地影响常规MTJ10的随着时间过去可靠地储存数据的能力。因此，常规MTJ的性能受损失。

因此，需要一种方法和系统，其可以改善基于自旋转移力矩的存储器的性能。在此描述的方法和系统解决了这样的需要。

发明内容