[發明專利]用于提供具有設計垂直磁各向異性的磁性結的方法和系統

有效

• 申請號: 201310711863.5
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103887423B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發明（設計）人: D.阿帕爾科夫;C-M.樸;R.切普爾斯基;A.V.科瓦爾科夫斯基;唐學體
• 申請（專利權）人: 三星電子株式會社
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/12
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所11105
• 代理人: 翟然

技術領域

本發明涉及用于提供具有設計垂直磁各向異性的磁性結的方法和系統。

背景技術

磁性存儲器，特別是磁性隨機存取存儲器（MRAM），由于它們在操作期間的高讀/寫速度、優異的耐用性、非易失性和低功耗而已經引起越來越多的關注。MRAM可以利用磁性材料作為信息記錄媒介而存儲信息。一種類型的MRAM是自旋轉移矩磁隨機存取存儲器（STT-MRAM）。STT-MRAM利用磁性結，該磁性結至少部分地由被驅動通過磁性結的電流寫入。被驅動通過磁性結的自旋極化電流在磁性結中的磁矩上施加自旋力矩。結果，具有響應于自旋力矩的磁矩的層可以被轉換為期望狀態。

例如，圖1繪示可以用于常規STT-MRAM的常規磁性隧道結（MTJ）10。常規MTJ通常位于底部接觸11上，利用常規籽晶層12并包括常規反鐵磁（AFM）層14、常規被釘扎層16、常規隧穿勢壘層18、常規自由層20以及常規蓋層22。還示出了頂部接觸24。

常規接觸11和24用于在電流垂直平面（CPP）方向或者沿圖1所示的Z軸驅動電流。常規籽晶層12通常用于輔助隨后的層諸如AFM層14的生長，使其具有期望的晶體結構。常規隧穿勢壘層18是非磁性的，例如是薄的絕緣體，諸如MgO。

常規被釘扎層16和常規自由層20是磁性的。常規被釘扎層16的磁化17通常通過與AFM層14的磁化的交換偏置相互作用而被固定或者被釘扎在特定方向。雖然被描繪為簡單（單個）層，但常規被釘扎層16可以包括多個層。例如，常規被釘扎層16可以是合成反鐵磁（SAF）層，其包括通過薄的導電層諸如Ru而反鐵磁耦合的磁性層。在這樣的SAF中，可以使用多個磁性層，在該多個磁性層中插入Ru薄層。在另一實施方式中，跨過Ru層的耦合可以是鐵磁性的。多層也可以獨立地使用或者用作SAF中的磁性層。此外，常規MTJ10的其他型式可以包括通過附加的非磁性勢壘層或者導電層（未示出）與自由層20分離的附加的被釘扎層（未示出）。

常規自由層20具有可變的磁化21。雖然被描繪為簡單層，但常規自由層20也可以包括多個層。例如，常規自由層20可以是合成層，其包括通過薄的導電層諸如Ru而反鐵磁地或鐵磁地耦合的磁性層。雖然示出為在平面內，但常規自由層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。

為了轉換常規自由層20的磁化21，電流被垂直于平面（在Z方向）驅動。當足夠的電流被從頂部接觸24驅動到底部接觸11時，常規自由層20的磁化21可以轉變為平行于常規被釘扎層16的磁化17。當足夠的電流被從底部接觸11驅動到頂部接觸24時，自由層的磁化21可以轉變為反平行于被釘扎層16的磁化。磁配置的差異相應于不同的磁阻，因此相應于常規MTJ10的不同邏輯狀態（例如邏輯“0”和邏輯“1”）。因此，通過讀取常規MTJ10的隧穿磁阻（TMR），可以確定常規MTJ的狀態。

雖然常規MTJ10可以利用自旋轉移寫入，通過感測結的TMR而讀取、并使用在STT-MRAM中，但存在缺點。例如，期望常規自由層20和常規被釘扎層16的磁矩垂直于平面，提供高的垂直磁各向異性（PMA）。當垂直各向異性能超過平面外退磁能時，發生高的PMA。這導致磁矩具有垂直于平面的分量并可以完全地垂直于平面。雖然存在這樣的常規高PMA結，但PMA會由于各種因素而減小。例如，PMA會由于Co夾雜在CoFe自由層20中的Fe中、常規自由層20中存在硼以及其他因素而被減小。此外，常規自由層20的熱穩定性難以利用常規高PMA材料保持。結果，常規MTJ的性能會受損失。因此，會期望用于調整PMA的機制。

因此，需要的是可以改善基于自旋轉移力矩的存儲器的性能的方法和系統。在此描述的方法和系統致力于這樣的需要。

發明內容

一種提供可用在磁性裝置中的磁性結的方法和系統。磁性結包括參考層、非磁性間隔層和自由層。非磁性間隔層在參考層和自由層之間。自由層具有設計垂直磁各向異性（PMA）。設計PMA包括絕緣插入層誘導PMA、應力誘導PMA、由于界面對稱破壞導致的PMA以及晶格失配誘導PMA中的至少一個。磁性結被配置為使得當寫電流通過磁性結時自由層在多個穩定的磁性狀態之間可轉換。

附圖說明

圖1繪示常規磁性結。

圖2繪示磁性結的示范實施方式，該磁性結包括具有設計垂直磁各向異性并可利用自旋轉移而轉換的自由層。