[发明专利]具有插入层的磁性结和使用该磁性结的磁存储器

说明书

本发明提供了用于提供在磁性器件中可使用的磁性结的方法和系统。磁性结包括基准层、非磁间隔层、和自由层，所述非磁间隔层在所述基准层和所述自由层之间。所述磁性结被配置为使得当写入电流流经所述磁性结时所述自由层在多个稳定的磁状态之间可切换。所述磁性结的部分包括至少一个磁性子结构。所述磁性子结构包括至少一个Fe层和至少一个非磁插入层。所述至少一个Fe层与所述至少一个非磁插入层共享至少一个界面。所述至少一个非磁插入层的每个非磁插入层由W、I、Hf、Bi、Zn、Mo、Ag、Cd、Os和In中的至少一种组成。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的题为“MAGNETIC JUNCTIONS HAVINGINSERTION LAYERS AND MAGNETIC MEMORIES USING THE MAGNETIC JUNCTIONS的美国临时专利申请第61／793，743号的优先权，该申请被转让给本申请的受让者，并通过引用并入本文。

背景技术

磁存储器，特别是磁性随机存取存储器(MRAM)，由于其在操作过程中潜在的高读／写速度、出色的耐用性、非易失性和低功耗，已经引起越来越多的关注。MRAM能够利用磁材料作为信息记录介质存储信息。一类MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-RAM)。STT-RAM采用磁性结，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对磁性结中的磁矩施加自旋转矩。结果，具有响应于自旋转矩的磁矩的(多个)层可以被切换到期望的状态。

例如，图1示出了常规磁隧道结(MTJ)10，它可以用在常规的STT-RAM中。常规MTJ10通常位于底接触11上，使用(多个)常规籽晶层12，并包括常规反铁磁(AFM)层14、常规被钉扎层16、常规隧道势垒层18、常规自由层20、和常规盖层22。还示出了顶接触24。

常规接触11和24用于沿电流垂直于平面(CPP)的方向，或沿图1所示的z轴驱动电流。(多个)常规籽晶层12通常用于帮助生长具有期望的晶体结构的后续层，如AFM层14。常规隧道势垒层18是非磁性的，并且例如是薄的绝缘体，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的磁矩17通常通过与AFM层14的交换偏置作用而沿特定的方向被固定或被钉扎。虽然描绘成简单(单)层，但是常规被钉扎层16可以包括多个层。例如，常规被钉扎层16可以是包括通过薄的导电层(诸如Ru)反铁磁地耦合的各磁层的合成反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中，可以使用与Ru薄层交替的多个磁层。在另一实施例中，跨Ru层的耦合可以是铁磁性的。另外，常规MTJ10的其它形式可包括额外的被钉扎层(未示出)，该被钉扎层通过额外的非磁势垒或导电层(未示出)与自由层20分开。

常规自由层20具有可改变的磁矩21。虽然描绘成简单层，但常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄的导电层(诸如Ru)反铁磁或铁磁地耦合的各磁层的合成层。虽然示出为在平面内，但是常规自由层20的磁矩21可以具有垂直各向异性。因此，被钉扎层16和自由层20的磁矩17和21可以分别取向为垂直于层的平面。

为了切换常规自由层20的磁矩21，垂直于平面(沿z方向)驱动电流。当足够的电流被从顶接触24驱动到底接触11时，常规自由层20的磁矩21可以切换为平行于常规被钉扎层16的磁矩17。当足够的电流被从底接触11驱动至顶接触24时，自由层的磁矩21可以切换为反平行于被钉扎层16的磁矩。磁性配置的差异对应于不同的磁电阻，从而对应于常规MTJ10的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“I”)。

常规MTJ10的自由层磁矩21在用于STT-RAM应用时被期望以较低的电流进行切换。临界切换电流(I_c0)是最低电流，在该最低电流下自由层磁矩21在平衡取向周围的无限小进动(infinitesimal precession)变得不稳定。例如，I_c0可以被期望在几mA或更小的数量级上。另外，短路电流脉冲被期望用于以更高的数据率对常规磁性元件10编程。