[发明专利]用于提供具有设计垂直磁各向异性的磁性结的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于提供具有设计垂直磁各向异性的磁性结的方法和系统。

背景技术

磁性存储器，特别是磁性随机存取存储器（MRAM），由于它们在操作期间的高读/写速度、优异的耐用性、非易失性和低功耗而已经引起越来越多的关注。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录媒介而存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）。STT-MRAM利用磁性结，该磁性结至少部分地由被驱动通过磁性结的电流写入。被驱动通过磁性结的自旋极化电流在磁性结中的磁矩上施加自旋力矩。结果，具有响应于自旋力矩的磁矩的层可以被转换为期望状态。

例如，图1绘示可以用于常规STT-MRAM的常规磁性隧道结（MTJ）10。常规MTJ通常位于底部接触11上，利用常规籽晶层12并包括常规反铁磁（AFM）层14、常规被钉扎层16、常规隧穿势垒层18、常规自由层20以及常规盖层22。还示出了顶部接触24。

常规接触11和24用于在电流垂直平面（CPP）方向或者沿图1所示的Z轴驱动电流。常规籽晶层12通常用于辅助随后的层诸如AFM层14的生长，使其具有期望的晶体结构。常规隧穿势垒层18是非磁性的，例如是薄的绝缘体，诸如MgO。

常规被钉扎层16和常规自由层20是磁性的。常规被钉扎层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者被钉扎在特定方向。虽然被描绘为简单（单个）层，但常规被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是合成反铁磁（SAF）层，其包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁耦合的磁性层。在这样的SAF中，可以使用多个磁性层，在该多个磁性层中插入Ru薄层。在另一实施方式中，跨过Ru层的耦合可以是铁磁性的。多层也可以独立地使用或者用作SAF中的磁性层。此外，常规MTJ10的其他型式可以包括通过附加的非磁性势垒层或者导电层（未示出）与自由层20分离的附加的被钉扎层（未示出）。

常规自由层20具有可变的磁化21。虽然被描绘为简单层，但常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是合成层，其包括通过薄的导电层诸如Ru而反铁磁地或铁磁地耦合的磁性层。虽然示出为在平面内，但常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。因此，被钉扎层16和自由层20可以分别具有垂直于层的平面取向的磁化17和21。

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）驱动。当足够的电流被从顶部接触24驱动到底部接触11时，常规自由层20的磁化21可以转变为平行于常规被钉扎层16的磁化17。当足够的电流被从底部接触11驱动到顶部接触24时，自由层的磁化21可以转变为反平行于被钉扎层16的磁化。磁配置的差异相应于不同的磁阻，因此相应于常规MTJ10的不同逻辑状态（例如逻辑“0”和逻辑“1”）。因此，通过读取常规MTJ10的隧穿磁阻（TMR），可以确定常规MTJ的状态。

虽然常规MTJ10可以利用自旋转移写入，通过感测结的TMR而读取、并使用在STT-MRAM中，但存在缺点。例如，期望常规自由层20和常规被钉扎层16的磁矩垂直于平面，提供高的垂直磁各向异性（PMA）。当垂直各向异性能超过平面外退磁能时，发生高的PMA。这导致磁矩具有垂直于平面的分量并可以完全地垂直于平面。虽然存在这样的常规高PMA结，但PMA会由于各种因素而减小。例如，PMA会由于Co夹杂在CoFe自由层20中的Fe中、常规自由层20中存在硼以及其他因素而被减小。此外，常规自由层20的热稳定性难以利用常规高PMA材料保持。结果，常规MTJ的性能会受损失。因此，会期望用于调整PMA的机制。

因此，需要的是可以改善基于自旋转移力矩的存储器的性能的方法和系统。在此描述的方法和系统致力于这样的需要。

发明内容

一种提供可用在磁性装置中的磁性结的方法和系统。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。自由层具有设计垂直磁各向异性（PMA）。设计PMA包括绝缘插入层诱导PMA、应力诱导PMA、由于界面对称破坏导致的PMA以及晶格失配诱导PMA中的至少一个。磁性结被配置为使得当写电流通过磁性结时自由层在多个稳定的磁性状态之间可转换。

附图说明

图1绘示常规磁性结。

图2绘示磁性结的示范实施方式，该磁性结包括具有设计垂直磁各向异性并可利用自旋转移而转换的自由层。