磁性結及其提供方法以及磁存儲器的製造方法

2023-10-31 00:54:17

磁性結及其提供方法以及磁存儲器的製造方法
【專利摘要】本公開提供了磁性結及其提供方法以及磁存儲器。該磁性結包括參考疊層、非磁性間隔層和自由層。參考疊層包括高垂直磁各向異性（PMA）層和在高PMA層與非磁性間隔層之間的漸變的極化增強層（PEL）。PEL與參考層磁耦合。PEL包括磁性層和非磁性插入層。PEL的至少部分具有比PMA層的自旋極化大的自旋極化。非磁性插入層配置為使得磁性層被鐵磁耦合併使得高PMA和非磁性間隔層的結晶取向消除相互影響。在沒有其餘非磁性插入層的情形下，每個非磁性插入層的厚度不足以使所述結晶取向消除相互影響。當寫電流流過磁性結時，自由層可在穩定的磁狀態之間切換。
【專利說明】磁性結及其提供方法以及磁存儲器
【技術領域】
[0001]本發明的實施方式涉及磁性結及其提供方法以及包括該磁性結的磁存儲器。
【背景技術】
[0002]磁存儲器，特別地磁隨機存取存儲器(MRAM)，由於它們的高讀/寫速度的潛力、優良的耐久性、非揮發性和操作期間的低功耗而引起越來越多的興趣。MRAM能夠利用磁性材料作為信息記錄介質來存儲信息。一種MRAM是自旋轉移矩隨機存取存儲器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用磁性結，該磁性結至少部分通過驅動經過磁性結的電流而被寫入。驅動經過磁性結的自旋極化電流對磁性結中的磁矩施加自旋扭矩。結果，具有響應自旋扭矩的磁矩的層可以被切換到期望的狀態。
[0003]例如，圖1示出了常規磁隧穿結(MTJ) 10，它可以用於常規STT-MRAM中。常規MTJlO 一般位於底接觸11上並使用常規籽層12。常規MTJlO包括常規自由層14、常規隧穿勢壘層16、常規極化增加層(PEL) 18、常規參考層22和常規蓋層26。還示出了頂接觸28。常規PEL18、常規Ta間隔層20和常規參考層22可以被認為形成常規參考疊層(referencestack)。
[0004]常規接觸11和28用於在電流垂直於平面(CPP)的方向上或沿如圖1所示的z軸驅動電流。常規籽層12 —般用於幫助具有期望晶體結構的隨後層的生長。常規隧穿勢壘層18是非磁性的並例如為薄的絕緣體諸如MgO。
[0005]常規自由層14和常規參考層22的磁矩基本上垂直於平面(即，在z方向上)。參考層22是包括通過非磁性層24分離的兩個磁性層23和25的合成反鐵磁體(SAF)，該非磁性層24居間傳遞(mediate) RKKY相互作用。非磁性層24 —般是Ru。層23和25通過Ru層24反鐵磁耦合，這降低了在自由層14處的外磁場。層23和25以及自由層14的垂直磁各向異性Hk分別超過層23、25和14的平面外退磁能。因而，它們的磁矩是垂直的，如圖1所示。一般地，磁性層23和25實際上是包括兩個Co層和Pt或Pd層的多層。例如，磁性層23和25可以包括CoPd多層(父插有Pd層的Co層)、CoPt多層(父插有Pt層的Co層)或二者。此外，可以包括其它組分諸如額外的Co和/或Fe層。這些磁性多層具有垂直各向異性，該垂直各向異性足以使參考層22在磁性結10的使用期間保持穩定。相反，常規自由層14的磁矩是可變的。這由圖1中的雙頭箭頭15表示。
[0006]常規PEL層18增強在垂直(例如z)方向上流過的電流的自旋極化。常規PEL —般由磁性材料組成。例如，一般使用CoFeB層、Fe層或鄰接Fe層的CoFeB層。常規PEL層18與參考層22磁稱合從而確保常規PEL18的磁穩定性。
[0007]對於常規磁性結10，期望高的信號。因而，期望隧穿磁阻(TMR)是大的。大的TMR通常與高質量的常規隧穿勢壘16有關。常規隧穿勢壘16 —般是具有(100)取向的晶體MgO。此外，期望MgO層和鄰接的鐵磁層14和18之間相對小的晶格失配以保持層14和18的垂直各向異性。例如，CoFeB或Fe —般用於層14和18。
[0008]常規Ta間隔層20用於確保常規參考層23和常規PEL18具有獨立的結晶取向。常規Ta間隔層20還減小了層18和23之間的釘扎場。此外，常規Ta間隔層可以防止諸如Ru和Pd的材料從參考層22擴散到磁性結10的其它層。更具體地，Ta間隔層20防止Ru和Pd從層24擴散到隧穿勢壘層16。Ru和/或Pd擴散到隧穿勢壘層不利地影響常規磁性結10的TMR。認為Ru的擴散使MgO層16退化並導致MgO層16具有與期望的(100)結構不同的結晶取向。因而，常規Ta間隔層20具有至少足以防止諸如Ru和Pd的材料從參考層22擴散到PEL層18和MgO隧穿勢壘層16的厚度。認為常規Ta間隔層20為至少四埃厚從而用作擴散阻擋物。在所示的常規磁性結10中，常規Ta間隔層20還允許PEL18和磁性層23之間的磁耦合諸如RKKY耦合。
[0009]為了切換常規自由層14的磁化15，電流被垂直於平面(在z方向上)驅動。當足夠的電流從頂接觸28驅動到底接觸11時，常規自由層14的磁化15可以切換為平行於常規PEL18的磁化18。當足夠的電流從底接觸11驅動到頂接觸28時，自由層14的磁化15可以切換為反平行於PEL層18的磁化。磁配置的差異對應於不同的磁阻，因此對應於常規MTJlO的不同邏輯狀態(例如，邏輯「O」和邏輯「I」)。因而，通過讀取常規MTJlO的隧穿磁阻(TMR)，能夠確定常規MTJ的狀態。
[0010]雖然常規MTJlO可以利用自旋轉移寫入、通過感測磁性結的TMR讀取並被用於STT-RAM中，但是存在缺點。特別地，常規MTJlO的穩定性或TMR可能比期望的差。常規PEL18可以通過常規Ta間隔層20磁耦合到常規磁性層23。然而，眾所周知，通過Ta的這種耦合會相對較弱。例如，預期Ta的RKKY耦合比Ru的RKKY耦合低幾個數量級。此外，認為通過Ta間隔層20的稱合歸因於諸如小孔(pinhole)或橘皮(orange peel)的機制。這樣的耦合機制是不可預知的並且會在整個晶片上變化。這會導致磁存儲器中單個存儲器單元之間的變化。雖然是熱穩定的，但是常規PEL18可能在磁性結運行期間使其磁矩切換方向。換句話說，在特定的磁存儲器中，常規PEL18的磁矩會沒有對於一些常規磁性結10所期望的那樣穩定。結果，常規MTJ的性能會被不利地影響。
[0011]因此，需要一種可以改善基於自旋轉移矩的存儲器的性能的方法和系統。這裡描述的方法和系統解決了這樣的需要。

【發明內容】

[0012]方法和系統提供一種可用於磁器件中的磁性結。該磁性結包括參考疊層、非磁性間隔層和自由層。自由層的磁矩垂直於平面。非磁性間隔層在PEL與自由層之間並具有第一結晶取向。參考疊層包括高垂直磁各向異性(PMA)層和漸變的極化增強層(PEL)。高PMA層具有垂直於平面的磁矩、第二結晶取向和第一自旋極化。漸變的PEL還鄰近參考層並與該參考層磁耦合。漸變的(graded)PEL包括磁性層和非磁性插入層。至少部分PEL具有大於第一自旋極化的自旋極化並且鄰近非磁性間隔層。每個非磁性插入層配置為使得磁性層鐵磁耦合併使得第一結晶取向與第二結晶取向消除相互影響(decouple)。在沒有其餘的非磁性插入層的情形下，每個非磁性插入層具有不足以使所述結晶取向消除相互影響的厚度。當寫電流流過磁性結時，自由層可在穩定的磁狀態之間切換。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1示出常規磁性結。[0014]圖2示出包括漸變的PEL並可利用自旋轉移切換的磁性結的示例性實施方式，該漸變的PEL具有非磁性插入層。
[0015]圖3示出包括非磁性插入層的漸變的PEL的示例性實施方式。
[0016]圖4示出包括非磁性插入層的漸變的PEL的另一示例性實施方式。
[0017]圖5示出包括非磁性插入層的漸變的PEL的另一示例性實施方式。
[0018]圖6示出包括漸變的PEL並可經由自旋轉移來切換的磁性結的另一示例性實施方式，該漸變的PEL包括非磁性插入層。
[0019]圖7示出包括漸變的PEL並可經由自旋轉移來切換的磁性結的另一示例性實施方式，該漸變的PEL包括非磁性插入層。
[0020]圖8示出包括漸變的PEL並可經由自旋轉移來切換的磁性結的另一示例性實施方式，該漸變的PEL包括非磁性插入層。
[0021]圖9示出包括漸變的PEL並可經由自旋轉移來切換的磁性結的另一示例性實施方式，該漸變的PEL包括非磁性插入層。
[0022]圖10示出包括漸變的PEL並可經由自旋轉移來切換的磁性結的另一示例性實施方式，該漸變的PEL包括非磁性插入層。
[0023]圖11示出在存儲單元的存儲元件中的利用磁性結的存儲器的示例性實施方式。
[0024]圖12示出用於提供包括漸變的PEL並可經由自旋轉移來切換的磁性結的方法的示例性實施方式，該漸變的PEL包括非磁性插入層。
【具體實施方式】
[0025]示範性實施方式涉及可在磁器件諸如磁存儲器中使用的磁性結以及採用這樣的磁性結的器件。給出下面的描述以使得本領域普通技術人員能夠製造和使用本發明，並在專利申請及其要求的背景下提供。對示範性實施方式以及這裡描述的一般原理和特徵的各種修改將是顯而易見的。示例性實施方式主要在特定實施例中提供的特定方法和系統上進行描述。然而，方法和系統在其它實施例中將有效操作。諸如「示例性實施方式」、「一個實施方式」和「另一實施方式」的術語可以指的是相同或不同的實施方式以及多個實施方式。實施方式將關於具有特定部件的系統和/或器件來描述。然而，系統和/或器件可以包括比示出的那些多或少的部件，並且可以進行這些部件的布置和類型的變化而不脫離本發明的範圍。示例性實施方式也將在具有某些步驟的特定方法的背景下來描述。然而，該方法和系統對於與示例性實施方式不一致的具有不同和/或額外的步驟以及不同順序的步驟的其他方法有效操作。因此，本發明並不意在被限於所示的實施方式，而是被給予與這裡描述的原理和特徵一致的最寬範圍。
[0026]描述了用於提供磁性結的方法和系統以及利用該磁性結的磁存儲器。示例性實施方式提供了可用於磁器件中的磁性結。該磁性結包括參考疊層、非磁性間隔層和自由層。自由層的磁矩垂直於平面。非磁性間隔層在PEL和自由層之間並且具有第一結晶取向。參考疊層包括高垂直磁各向異性(PMA)層和漸變的極化增強層(PEL)。高PMA層具有垂直於平面的磁矩、第二結晶取向和第一自旋極化。漸變的PEL在高PMA層和非磁性間隔層之間。漸變的PEL還與參考層相鄰並與該參考層磁耦合。PEL包括磁性層和非磁性插入層。至少部分PEL具有大於第一自旋極化的自旋極化並鄰近非磁性間隔層。每個非磁性插入層配置為使得磁性層被鐵磁耦合併使得第一結晶取向與第二結晶取向消除相互影響。當寫電流流過磁性結時，自由層可在穩定的磁狀態之間切換。在一些實施方式中，每個非磁性插入層足夠薄使得單個非磁性插入層獨自不能用作擴散阻擋物和/或不會允許非磁性間隔層和高PMA層之間的結晶轉換。
[0027]示範性實施方式在具有某些部件的特定磁性結和磁存儲器的背景下描述。本領域普通技術人員將容易認識到，本發明與具有與本發明不一致的其它和/或額外部件和/或其它特徵的磁性結和磁存儲器的使用一致。該方法和系統還在對自旋轉移現象、磁各向異性和其他物理現象的當前理解的背景下描述。因此，本領域普通技術人員將容易認識到，該方法和系統的表現的理論解釋是基於自旋轉移、磁各向異性和其他物理現象的此當前理解進行的。然而，這裡描述的方法和系統不依賴於特定的物理解釋。本領域普通技術人員還將易於認識到，該方法和系統在與基板具有特定關係的結構的背景下描述。然而，本領域普通技術人員將易於認識到，該方法和系統與其它結構一致。此外，該方法和系統在某些層為合成和/或簡單的背景下描述。然而，本領域普通技術人員將易於認識到，所述層可以具有另外的結構。此外，該方法和系統在具有特定層的磁性結和/或子結構的背景下描述。然而，本領域普通技術人員將易於認識到，也可以採用具有與該方法和系統不一致的額外層和/或不同層的磁性結和/或子結構。而且，某些部件被描述為磁性的、鐵磁性的和亞鐵磁的。如這裡使用的，術語「磁性的」可以包括鐵磁的、亞鐵磁的或類似的結構。因此，如這裡所使用的，術語「磁性的」或「鐵磁的」包括但不限於鐵磁體和亞鐵磁體。該方法和系統還在單個磁性結和子結構的背景下描述。然而，本領域普通技術人員將易於認識到，該方法和系統與具有多個磁性結並使用多個自由層並使用多個子結構的磁存儲器的使用一致。此外，如這裡所用的，「平面內」基本上在磁性結的一個或多個層的平面內或與之平行。相反地，「垂直」對應於與磁性結的一個或多個層基本上垂直的方向。
[0028]圖2示出包括PEL並可利用自旋轉移來切換的磁性結100的示例性實施方式，該PEL具有非磁性插入層。磁性結可以用於磁存儲器諸如STT-RAM中。為了清晰，圖2沒有按比例。磁性結100包括自由層110、非磁性間隔層120和參考疊層160。參考疊層160包括漸變的PEL130、可選的耦合層140和高垂直磁各向異性(PMA)層150。期望高PMA層150的磁矩垂直於平面。因而，如這裡使用的，高PMA層是垂直磁各向異性超過平面外退磁能的層。雖然表述為高PMA層，但是在替代的實施方式中，層150的磁矩可以在平面內。雖然層110、120、130、140和150示出為具有特定取向，但是此取向可以在其它實施方式中變化。例如，高PMA層150可以更靠近磁性結100的底部(最靠近未示出的基板)。還示出可選的籽層102和可選的蓋層104。軒層102可以包括多層，該多層包括但不限於Ta/RuCoFe雙層。蓋層104可以是Ru和/或Ta蓋層。在其它實施方式中，蓋層104可以是另外的材料。還可以使用釘扎層(未示出)。一般地，如果高PMA層150的磁矩在平面內，則會使用釘扎層，但是如果高PMA層150的磁矩垂直於平面，則一般不會使用釘扎層。在優選的實施方式中，磁矩111、131和151垂直於平面並且不使用釘扎層。自由層110、漸變的PEL130和高PMA層150的垂直磁各向異性Hk分別超過層110、130和150的平面外退磁能。因而，它們的磁矩是垂直的，如圖2所示。自由層110的磁矩111是可改變的，因此由雙箭頭表示。漸變的PEL130具有通過與高PMA層150磁耦合而被基本上固定的磁矩131。然而，磁矩131所固定的方向取決於層130和150是鐵磁I禹合還是反鐵磁I禹合。因而，在相反的方向上的兩個箭頭131在圖2中示出。雖然高PMA層150示出為具有在特定方向上的磁矩151，但是在其它實施方式中，磁矩151可以在包括但是不限於正z方向的另一方向上。磁性結100還被配置為利用在CPP方向上流過磁性結100的寫電流使得自由層110在穩定的磁狀態之間切換。因而，自由層110可利用自旋轉移矩來切換。在一些實施方式中，自由層110僅利用自旋轉移矩來切換。在其它實施方式中，自由層110可以利用包括但不限於施加磁場的額外機制來切換。
[0029]非磁性間隔層120可以是隧穿勢壘層、導體或在自由層110和高PMA層150之間表現出磁阻的其它結構。在一些實施方式中，非磁性間隔層120是晶體MgO隧穿勢壘層。在這樣的實施方式中，通常期望晶體MgO隧穿勢壘層120具有(100)取向/結構。在其它實施方式中，非磁性間隔層120可以是導體，可以包括絕緣基質中的導電通道，或者可以具有另外的結構。因而，磁性結100可以是MTJ、自旋閥、彈道磁阻結構、另外的磁阻結構或其一些組合。
[0030]雖然被示出為簡單層，但是自由層110和/或高PMA層150可以包括多層。例如，自由層110和/或高PMA層150可以是包括通過諸如Ru的薄層反鐵磁或鐵磁耦合的磁性層的SAF。在這樣的SAF中，可以使用交插有Ru或其它材料的薄層的多個磁性層。在一些實施方式中，尤其期望高PMA層150是SAF以減小自由層110上的外磁場。自由層110和/或高PMA層150還可以包括其它的多層和/或超晶格。例如，自由層110和/或高PMA層150可以包括具有增強的垂直各向異性的CoPd和/或CoPt多層。備選地，自由層110和/或高PMA層150可以包括CoPd或CoPt超晶格，其是合成的CoPd和/或CoPt而不是多層。此外，如果高PMA層150和/或自由層110是SAF，則SAF中的一個或多個磁性層可以是CoPd和/或CoPt多層或超晶格。因而，層110和150可以包括交插有Pd層的Co層、交插有Pt層的Co層或二者。此外，可以包括其它組分諸如額外的Co和/或Fe層。這些磁性多層具有足以使高PMA層150在磁性結100使用期間保持穩定的垂直各向異性。尤其對於高PMA層150中使用的材料，高PMA層150還具有自旋極化。
[0031]可選的耦合層140是可被包括在磁性結100中或可以不被包括在磁性結100中的非磁性層。例如,可選的耦合層140可以是居間傳遞高PMA層150和漸變的PEL130之間的RKKY相互作用的Ru層。在一些實施方式中，可選的耦合層140的厚度可以被調整以產生高PMA層150和漸變的PEL130之間的鐵磁相互作用和反鐵磁相互作用中的任一個。因而，漸變的PEL130的磁矩131被示出為平行於或反平行於高PMA層150的磁矩151。在其它實施方式中，可選的耦合層140可以被省略。在這樣的實施方式中，漸變的PEL130可以與高PMA層150鐵磁耦合。在這樣的實施方式中，漸變的PEL130中的磁性層(圖2中未示出)可以鄰接高PMA層150 (即，與高PMA層150共用界面)。在其它實施方式中，漸變的PEL130與高PMA層150反鐵磁耦合。在這樣的實施方式中，漸變的PEL130內的非磁性層(圖2中未示出)可以鄰接高PMA層150。
[0032]漸變的PEL130與高PMA層150直接磁耦合或通過可選的耦合層140與高PMA層150磁耦合。漸變的PEL130包括交插有多個非磁性插入層的多個鐵磁層。為簡單起見，圖2中沒有示出單獨的子層。漸變的PEL130的至少部分具有大於高PMA層的自旋極化的自旋極化。在一些實施方式中，漸變的PEL130的至少鄰接非磁性間隔層120的部分具有此較高的自旋極化。如上所述，漸變的PEL130包括磁性層和非磁性層。磁性層的至少鄰接非磁性間隔層120的部分具有比高PMA層150高的自旋極化。在一些實施方式中，鄰接非磁性間隔層120的(或與非磁性間隔層120共用界面的)整個磁性層具有較高的自旋極化。例如，可以使用具有不超過40原子百分比的B的CoFeB。在一些實施方式中，CoFeB可以具有至少10原子百分比且不大於20原子百分比的B。其餘的磁性層可以具有或可以不具有此較高的自旋極化。因而，漸變的PEL130中的其餘磁性層可以由相同的材料或另外的材料製成。
[0033]除了磁性層之外，漸變的PEL130包括非磁性插入層。在一些實施方式中，每個非磁性插入層包括Ta。在一些這樣的實施方式中，每個非磁性插入層由Ta組成。非磁性插入層可以用於使高PMA層150的結晶取向與非磁性間隔層120的結晶取向消除相互影響。例如，對於某些厚度，Ta是非晶的。這樣的非晶層會妨礙高PMA層150的結晶有序性(crystalline order)施加在非磁性間隔層120上,反之亦然。每個非磁性插入層具有比用於阻擋結晶有序性從高PMA層150施加到非磁性間隔層的單個非磁性插入層所需要的厚度小的厚度。因而，每個插入層的厚度不足以使高PMA層150和非磁性間隔層120之間的結晶消除相互影響。然而，所有的非磁性插入層的厚度之和足以阻礙高PMA層150的結晶有序性施加在非磁性間隔層120上。因而，高PMA層150可以具有第一結晶取向，而非磁性間隔層120具有不同的第二結晶取向。
[0034]非磁性插入層也可以用於阻擋諸如Pd和/或Ru的材料從高PMA層150擴散到非磁性間隔層120。如果包括可選的磁耦合層140，則非磁性插入層還用於阻擋諸如Ru的材料從可選的磁耦合層140擴散到非磁性間隔層120。然而，每個非磁性插入層具有比用於阻擋高PMA層150和非磁性間隔層之間的擴散的單個非磁性插入層所需要的厚度小的厚度。因而，每個插入層的厚度對於高PMA層150和非磁性間隔層120之間的擴散阻擋是不足的。在一些實施方式中，每個非磁性插入層的厚度是至少2埃但是小於3埃。對於由Ta組成的非磁性插入層，每個層的厚度因而小於3埃。然而，所有非磁性插入層的厚度之和足以提供高PMA層150和非磁性間隔層120之間的擴散阻擋。對於由Ta組成的非磁性插入層，這意味著非磁性插入層的厚度之和為至少4埃。例如，如果在漸變的PEL中使用兩個非磁性插入層，則每個層可以大於或等於2埃厚但是小於3埃厚。
[0035]漸變的PEL130中的非磁性插入層還可以改善漸變的PEL層130的垂直磁各向異性。漸變的PEL中的非磁性插入層的使用可能在漸變的PEL的磁性層中鄰接非磁性插入層的部分中導致磁「死」層。因而，飽和磁化Ms會減小。較低的平面內磁各向異性(4jiMs)需要被漸變的PEL130的垂直磁各向異性克服以具有高的PMA，因此具有平面外磁矩。漸變的PEL130的淨垂直磁各向異性因而可以增加，使得漸變的PEL130具有較高的PMA。
[0036]磁性結100可以具有改善的性能。由於存在漸變的PEL130，磁性結100可以具有較高的自旋極化，並因此具有較低的切換電流。高PMA層150和非磁性間隔層120 (諸如晶體MgO)的晶體結構也可以由於漸變的PEL層130中存在非磁性插入層而消除相互影響。因而，高PMA層150和非磁性間隔層120可以各自具有期望的結晶取向。結果，對於磁性結，可以實現高TMR。然而，注意到，每個非磁性插入層的厚度小於允許高PMA層150和非磁性間隔層120之間的結晶轉變的單層的厚度。非磁性插入層的使用，特別是如果非磁性插入層是Ta插入層，還可以改善漸變的PEL130的垂直各向異性。漸變的PEL130內的這樣的非磁性插入層減小了 MsU如以上討論的，減小的Mst可以允許漸變的PEL130中較高的垂直各向異性。此外,漸變的PEL130包括非磁性插入層，這些非磁性插入層可以一起防止高PMA層150中的材料擴散到達非磁性間隔層120。因此，在高PMA層150中可以使用諸如Ru的材料。此外，可選的耦合層140還可以包括諸如Ru的材料。Ru的使用可以改善高PMA層150內以及高PMA層150和漸變的PEL130之間的耦合。例如，對於使用Ta作為可選的耦合層的磁性結，可以改善高PMA層150和漸變的PEL130之間的磁耦合。結果，可以改善漸變的PEL130和高PMA層150的穩定性。此外，在高PMA層150中可以使用諸如Pd的材料。因而，可以改善高PMA層150的磁性能。每個非磁性插入層的厚度小於阻擋擴散的單層的厚度。結果，漸變的PEL130內的磁性層可以更好地彼此磁耦合。此外，由於磁性層通過非磁性插入層分離，所以不同的材料可以用於漸變的PEL130內的不同磁性層。例如，鄰近高PMA層150可以使用具有較高RKKY耦合但具有較小自旋極化的材料以增強層130和150之間的磁耦合。因而，可以改善磁性結100以及利用磁性結100的存儲器的性能。
[0037]圖3示出可用於磁器件中的參考疊層(諸如磁性結100中的參考疊層160)中的漸變的PEL130』的示例性實施方式，該漸變的PEL130』包括非磁性插入層。為了清晰，圖3沒有按比例。漸變的PEL130』類似於圖2的漸變的PEL130並可以代替圖2的漸變的PEL130』使用。參照圖2-3，漸變的PEL130』可以磁耦合到高PMA層150。在一些實施方式中，此耦合可以通過可選的磁耦合層140進行。漸變的PEL130』包括交插有非磁性插入層133和135的磁性層132、134和136。雖然示出了三個磁性層132、134和136以及兩個非磁性插入層133和135，但是可以使用另外數目的磁性層和/或非磁性插入層。此外，雖然磁性層132和136被示出為在PEL的兩個界面處(S卩，鄰接非磁性間隔層120和高PMA層150或可選的磁耦合層140)，但是在其它實施方式中，非磁性層可以沿著最靠近高PMA層150的界面定位。
[0038]磁性層132、134和136配置為使得至少部分漸變的PEL130』具有比高PMA層150高的自旋極化。磁性層132具有比高PMA層150高的自旋極化並是漸變的PEL130』的最靠近非磁性間隔層120的層。例如，具有不大於40原子百分比的B的CoFeB可以用於磁性層132。在一些實施方式中，CoFeB層132可以具有至少10原子百分比且不大於20原子百分比的B。其餘的磁性層134和136可以具有或可以不具有此較高的自旋極化。因而，漸變的PEL130』中的其他磁性層134和136可以由相同的材料或另外的材料製成。這些層134和136可以被分別調整以用於其他目的。在一些實施方式中，層134是類似於層132的CoFeB層。磁性層136可以是與層132和134相比具有與高PMA層150的更強磁耦合的另一材料。例如，在一些實施方式中，磁性層136包括Co。此外,磁性層132、134和136配置為使其磁矩垂直於平面(即在正或負z方向上)。因而，垂直各向異性能可以超過平面外退磁能。最後，雖然磁性層132、134和136被不出為具有相同的厚度,但是在一些實施方式中，層132、134和/或136的厚度可以不同。
[0039]兩個非磁性插入層133和135被示出。在一些實施方式中，非磁性插入層133和135的每個包括Ta。在一些這樣的實施方式中，非磁性插入層133和135的每個由Ta組成。非磁性插入層133和135因而可以使非磁性間隔層和高PMA層的結晶取向消除相互影響。可以增強利用漸變的PEL130』的磁性結的TMR。此外，非磁性插入層133和135可以增強Mst，並因此可以增強漸變的PEL130』的PMA。非磁性插入層133和135還可以阻擋諸如Pd和/或Ru的材料的擴散穿過漸變的PEL130』。每個非磁性插入層133和135具有比用於阻擋擴散穿過漸變的PEL130』的單個非磁性插入層所需要的厚度小的厚度。因而，每個非磁性插入層133和135的厚度不足以阻擋高PMA層150和非磁性間隔層120之間的擴散。類似地，每個非磁性插入層133和135的厚度不足以導致高PMA層150和非磁性間隔層120之間的結晶轉變。在一些實施方式中，每個非磁性插入層133和135的厚度為至少I埃但是小於3埃。非磁性插入層133和135的厚度之和(例如，tl+t2)足以提供高PMA層150和非磁性間隔層120之間的擴散阻擋並足以允許高PMA層150的結晶取向不同於非磁性間隔層的結晶取向。在一些實施方式中，非磁性插入層的厚度之和為至少4埃。此外，在一些實施方式中，漸變的PEL130』的總厚度不大於I納米。
[0040]PEL130』的使用可以使得磁性結諸如磁性結100具有改善的性能。由於存在漸變的PEL130』，更具體地，較高自旋極化的磁性層132，磁性結可以需要較低的切換電流。非磁性插入層133和135可以使非磁性層和高PMA層的結晶取向消除相互影響。這允許改善採用漸變的PEL130』的磁性結的TMR。非磁性插入層133和135的使用，特別如果它們由Ta組成,還可以改善磁性層132、134和136的垂直各向異性。此外,非磁性插入層133和135一起可以防止高PMA層和可選的耦合層中的材料的擴散到達非磁性間隔層。因此，諸如Pd和/或Ru的材料可以被用於高PMA層和/或可選的磁耦合層而不會不利地影響可用於非磁性間隔層的晶體MgO隧穿勢壘層。可以增強高PMA層內以及高PMA層和漸變的PEL130』之間的磁耦合。由於非磁性插入層133和135比單個非磁性阻擋層(未示出)薄，所以可以改善磁性層132、134和136之間的磁耦合。此外，由於磁性層132、134和136通過非磁性插入層133和135分離，所以不同的材料可以用於不同的磁性層132、134和136。因而，可以改善包括PEL130』的磁性結以及利用包括PEL130』的磁性結的存儲器的性能。
[0041]圖4示出可用於諸如磁性結100的磁器件中的包括非磁性插入層的漸變的PEL130』的示例性實施方式。為了清晰，圖4沒有按比例。漸變的PEL130』』類似於圖2和圖3的漸變的PEL130』和/或130並可以用於代替圖2和圖3的漸變的PEL130』和/或130。因此，相似的部件被類似地標記。參照圖2-4，漸變的PEL130』』可以被磁耦合到高PMA層150。在一些實施方式中，此耦合可以通過可選的磁耦合層140。漸變的PEL130』』包括交插有非磁性插入層133』和135』的磁性層132』、134』和136』。層132』、133』、134』、135』和136』分別類似於層132、133、134、135、136。此外，漸變的PEL130』』包括非磁性層137和磁性層138。磁性層138可以被認為在以下方面類似於層136:會期望使用較高RKKY耦合的材料用於磁性層138。此外，會期望使用諸如CoFeB的材料用於層136』，因為層136』不再位於漸變的PEL130』』的邊緣。雖然示出了四個磁性層132』、134』、136』和138以及三個非磁性插入層133』、135』和137，但是可以使用另外數目的磁性層和/或非磁性插入層。此夕卜，雖然磁性層132』和138被示出為在PEL的兩個界面處(即，鄰接非磁性間隔層和高PMA層/可選的磁耦合層)，但是在其它實施方式中，非磁性層可以沿著最靠近高PMA層的界面定位。
[0042]磁性層132』、134』、136』和138以與層132、134和136類似的方式配置。因而，磁性層132』可以具有比高PMA層高的自旋極化並且是漸變的PEL130』』中的最靠近非磁性間隔層的層。例如，具有不大於40原子百分比的B的CoFeB可以用於磁性層132』。在一些實施方式中，CoFeB層132』可以具有至少10原子百分比且不大於20原子百分比的B。其他的磁性層134』、136』和136可以具有或可以不具有此較高的自旋極化。因而，其他的磁性層134』、136』和138可以由相同的材料或另外的材料製成。這些層134』、136』和138可以被分別調整以用於其它目的。在一些實施方式中，層134』和136』是類似於層132』的CoFeB層。磁性層138可以是與層132』、134』和136相比具有與高PMA層150的更強的磁耦合的另外的材料。例如，在一些實施方式中，磁性層136包括Co。此外，磁性層132』、134』、136』和138配置為使它們的磁矩垂直於平面(即在正或負z方向上)。因而，垂直各向異性能可以超過平面外退磁能。最後，雖然磁性層132』、134』、136』和138被示出為具有相同的厚度，但是在一些實施方式中，層132』、134』、136』和/或138的厚度可以不同。
[0043]三個非磁性插入層133』、135』和137被示出。在一些實施方式中，非磁性插入層133』、135』和137的每個包括Ta。在一些這樣的實施方式中，非磁性插入層133』、135』和137的每個由Ta組成。非磁性插入層133』、135』和137可以用於使高PMA和非磁性間隔層的結晶取向消除相互影響，從而改善TMR。此外，非磁性間隔層133』、135』和137可以增強漸變的PEL130』』的PMA。非磁性插入層133』、135』和137因此用於阻擋諸如Pd和/或Ru的材料擴散穿過漸變的PEL130』 』。非磁性插入層133』、135』和137的每個具有比用於阻擋擴散穿過漸變的PEL130』』的單個非磁性插入層所需要的厚度小的厚度。因而，非磁性插入層133』、135』和137的每個的厚度不足以阻擋高PMA層和非磁性間隔層之間的擴散。類似地，在一些實施方式中，非磁性插入層133』、135』和137的每個的厚度不足以使得高PMA層的結晶取向與非磁性間隔層的結晶取向消除相互影響。在一些實施方式中，非磁性插入層133』、135』和137的每個的厚度為至少I埃但是小於3埃。在一些這樣的實施方式中，非磁性插入層133』、135』和137的每個的厚度為至少2埃。非磁性插入層133』、135』和137的厚度之和(例如，tl』 +t2』 +t3)足以提供高PMA層和非磁性間隔層之間的擴散阻擋。類似地，非磁性插入層133』、135』和137的厚度之和足以阻礙來自高PMA層的結晶有序性施加到非磁性間隔層。在一些實施方式中，非磁性插入層的厚度之和為至少4埃。
[0044]PEL130"共享PEL130和/或130』的益處。PEL130〃的使用可以使得磁性結諸如磁性結100具有改善的性能，諸如較低的切換電流、增強的垂直磁各向異性、改善的TMR4|強的磁耦合以及因此具有改善的穩定性。可以實現這些益處而不會不利地影響非磁性間隔層/隧穿勢壘層。因而，可以改善包括PEL130"的磁性結以及利用包括PEL130"的磁性結的存儲器的性能。
[0045]圖5示出包括非磁性插入層的漸變的PEL130"』的示例性實施方式，漸變的PEL130"』可用於諸如磁性結100的磁器件中。為了清晰，圖5沒有按比例。漸變的PEL130』』』類似於圖2-4的漸變的PEL130』』、130』和/或130並可以用於代替圖2-4的漸變的PEL130』』、130』和/或130。因此，相似的部件被類似地標記。參照圖2_5，漸變的PEL130』』可以磁I禹合到高PMA層150。在一些實施方式中，此I禹合可以通過可選的磁I禹合層。漸變的PEL130』 』 』包括交插有非磁性插入層133』 』和135』 』的磁性層132』 』和134』 』。層 132』 』、133』 』、134』 』 和 135』 』 分別類似於層 132/132』、133/133』、134/134』 和 135/135』。雖然示出了兩個磁性層132"和134』』以及兩個非磁性插入層133』』和135』』，但是可以使用另外數目的磁性層和/或非磁性插入層。在示出的實施方式中，非磁性層135』』在PEL130』』』的最靠近高PMA層的界面處。然而，在其它實施方式中，磁性層可以沿著最靠近高PMA層的界面定位。
[0046]磁性層132』 』和134』 』以與層132/132』、134/134』和136/136』類似的方式配置。因而，層132〃可以具有比高PMA層高的自旋極化並且是漸變的PEL130』』』的最靠近非磁性間隔層的層。例如，具有不大於40原子百分比的B的CoFeB可以用於磁性層132"。在一些實施方式中，CoFeB層132〃可以具有至少10原子百分比且不大於20原子百分比的B。其他的磁性層134』可以具有或可以不具有此較高的自旋極化。因而，其他的磁性層134』』可以由相同的材料或另外的材料製成。此層134』』可以被單獨地調整以用於其它目的。在一些實施方式中，層134』』是類似於層132』』的CoFeB層。此外，磁性層132〃和134』』配置為使它們的磁矩垂直於平面(即在正或負z方向上)。因而，垂直各向異性能可以超過平面外退磁能。最後，雖然磁性層132"和134』』被示出為具有相同的厚度，但是在一些實施方式中，層132"和134"的厚度可以不同。
[0047]兩個非磁性插入層133〃和135〃被示出。在一些實施方式中，非磁性插入層133〃和135"的每個包括Ta。在一些這樣的實施方式中，非磁性插入層133"和135"的每個由Ta組成。非磁性插入層133〃和135〃可以使高PMA和非磁性間隔層的結晶取向消除相互影響，從而改善TMR。此外，非磁性間隔層133〃和135〃可以增強漸變的PEL130』 』 』的PMA。非磁性插入層133〃和135〃還可以阻擋諸如Pd和/或Ru的材料的擴散穿過漸變的PEL130』 』 』。非磁性插入層133〃和135〃的每個具有比用於阻擋擴散穿過漸變的PEL130"』的單個非磁性插入層所需要的厚度小的厚度。因而，非磁性插入層133"和135"的每個的厚度不足以阻擋高PMA層和非磁性間隔層之間的擴散並且不足以阻礙高PMA層和非磁性間隔層之間的結晶耦合。在一些實施方式中，非磁性插入層133"和135"的每個的厚度為至少2埃但是小於3埃。非磁性插入層133〃和135〃的厚度之和(例如，tl〃+t2〃)足以提供高PMA層和非磁性間隔層之間的擴散阻擋。在一些實施方式中，非磁性插入層的厚度之和為至少4埃。
[0048]雖然非磁性層135〃可以在PEL130』』』和高PMA層150』』之間的界面處，但是仍期望PEL130』』』具有與高PMA層的改善的磁耦合。非磁性插入層135』』的厚度t2』』小於擴散阻擋層的厚度。因而，儘管沒有使用Ru (或其它較高RKKY相互作用的材料)，但是可以增強與高PMA層的磁耦合。
[0049]PEL130，』 』共享130、130』和/或130，』的益處。PEL130，』 』的使用可以使得磁性
結諸如磁性結100具有改善的性能，諸如較低的切換電流、改善的TMR、增強的垂直磁各向異性、增強的磁耦合併因此具有改善的穩定性。可以實現這些益處而不會不利地影響非磁性間隔層/隧穿勢壘層。因而，可以改善包括PEL130』』』的磁性結以及利用包括PEL130』』』的磁性結的存儲器的性能。
[0050]圖6示出包括參考疊層並可經由自旋轉移來切換的磁性結200的另一示例性實施方式，該參考疊層具有包括非磁性插入層的漸變的PEL。為了清晰，圖6沒有按比例。磁性結200類似於磁性結100。因此，相似的部件被類似地標記。磁性結200包括分別與籽層102、自由層110、非磁性間隔層120和參考疊層160類似的籽層202、自由層210、非磁性間隔層(在本實施方式中可以是隧穿勢壘層220)、參考疊層260和可選的蓋層204。參考疊層260包括分別類似於PEL130/130』 /130，』 /130，』 』、可選的磁耦合層140和高PMA層150的漸變的PEL230、磁耦合層240和高PMA層250。因此，相似的部件具有與相應部件類似的結構和功能。
[0051]在磁性結200中，高PMA層250是SAF。特別地，高PMA層250包括通過非磁性層254分離的磁性層252和256。非磁性層254允許磁性層252和254之間的RKKY相互作用。在示出的實施方式中，層252和254反鐵磁耦合。此外，層252和254是具有超過平面外退磁能的垂直各向異性的多層或超晶格。例如，可以使用Co/Pd和/或CoPt多層和/或超晶格。此外，磁性層252和256可以包括其它材料諸如Pt層和/或Co層。在一些實施方式中，Co層為至少I埃且不大於2埃厚。類似地，Pd層和Pt層可以為至少I埃且不大於2埃厚。
[0052]因而，漸變的PEL230包括交插有非磁性插入層的磁性層。為簡單起見，在圖6中沒有示出磁性層和非磁性插入層。然而，如以上討論的，漸變的PEL230類似於漸變的PEL130、130』和/或130』 』。漸變的PEL230通過耦合層240明確地耦合到高PMA層250。耦合層240類似於層140。在一些實施方式中，耦合層允許高PMA層250 (高PMA層250的層252)和漸變的PEL230之間的RKKY相互作用。在示出的實施方式中，耦合層240使PEL230與層252鐵磁耦合。因而，漸變的PEL230被示出為具有在負z方向上的磁矩231。在另一實施方式中，磁矩231可以在與所示的方向相反的方向上。還期望漸變的PEL230在兩個界面處具有磁性層。結果，可以改善PEL230和層252之間的RKKY耦合。此外，具有比多層252和/或256高的自旋極化的PEL230的磁性層與隧穿勢壘層220共用界面。此外，漸變的PEL230的磁性層可以被分別調整。例如，最靠近耦合層240的磁性層可以配置為增強與磁性層252的RKKY耦合。
[0053]磁性結200共享磁性結100和PEL130、130』、130，，和/或130，』 』的益處。磁性結200可以具有改善的性能，諸如較低的切換電流、較高的TMR、增強的垂直磁各向異性、增強的磁耦合併因此具有改善的穩定性。可以實現這些益處而沒有不利地影響隧穿勢壘層220。因而，可以改善磁性結200和利用磁性結200的存儲器的性能。
[0054]圖7示出包括參考疊層並可經由自旋轉移來切換的磁性結200』的另一示例性實施方式，該參考疊層具有包括非磁性插入層的漸變的PEL。為了清晰，圖7沒有按比例。磁性結200』類似於磁性結100和/或200。因此，相似的部件被類似地標記。磁性結200』包括分別與籽層102/202、自由層110/210、非磁性間隔層120/220、參考疊層160/260和蓋層104/204類似的籽層202』、自由層210』、非磁性間隔層(在本實施方式中可以為隧穿勢壘層220』)、參考疊層260』和可選的蓋層204』。參考疊層260』包括分別與PEL130/130』 /130，』 /130，』 』 /220 和高 PMA 層 150/250 類似的漸變的 PEL230，』 和高 PMA 層250』。因此，相似的部件具有與相應部件類似的結構和功能。
[0055]在磁性結200』中，高PMA層250』是類似於SAF250的SAF。因而，高PMA層250』包括通過非磁性層254』分離的磁性層252』和256』，它們分別類似於層252、256和254。然而，在其它實施方式中，高PMA層250』可以不是SAF。代替地，高PMA層250』可以是單層。然而，多層、超晶格、簡單的鐵磁層和/或非磁性層可以被包括在高PMA層250』中。
[0056]漸變的PEL230』包括交插有非磁性插入層的磁性層。為簡單起見，圖7中沒有示出磁性層和非磁性插入層。然而，如以上討論的，漸變的PEL230』類似於漸變的PEL130U30』、130』』和/或130』』』。漸變的PEL230』耦合到高PMA層250』。漸變的PEL230』可以在與多層252』的界面處具有磁性層，或者可以在與多層252』的界面處具有非磁性插入層。如果漸變的PEL230』具有在與多層252』的界面處的磁性層，則漸變的PEL230』與多層252』直接交換耦合(即鐵磁耦合)。如果在界面處的非磁性插入層足夠薄，則漸變的PEL230』與多層252』鐵磁耦合。然而，如果在界面處的非磁性插入層足夠厚，則漸變的PEL230』可以與層252』反鐵磁耦合。因而，漸變的PEL230』的磁矩231』可以平行或者反平行於磁性層252』的磁矩。因而，對於漸變的PEL230』的磁矩231』示出在相反的方向上的兩個箭頭。具有比多層252』和256』高的自旋極化的PEL230』的磁性層與隧穿勢壘層220』共用界面。此外，漸變的PEL230』的磁性層可以被分別調整。
[0057]磁性結200，共享磁性結100和/或200以及PEL130、130』、130，』和/或130』 』 』的益處。磁性結200』可以具有改善的性能，諸如較低的切換電流、增強的TMR、增強的垂直磁各向異性、增強的磁耦合併因此具有改善的穩定性。可以實現這些益處而不會不利地影響隧穿勢壘層220』。因而，可以改善磁性結200』和利用磁性結200』的存儲器的性能。
[0058]圖8示出包括參考疊層並可經由自旋轉移來切換的磁性結200』 』的另一示例性實施方式，該參考疊層具有包括非磁性插入層的漸變的PEL。為了清晰，圖8沒有按比例。磁性結200』 』類似於磁性結100、200和/或200』。因此，相似的部件被類似地標記。磁性結200』 』包括籽層202』 』、自由層210』 』、非磁性間隔層(在本實施方式中可以是隧穿勢壘層220』 』)、參考疊層260，』和可選的蓋層204，』，它們分別類似於籽層102/202/202』、自由層110/210/210』、非磁性間隔層 120/220/220』、參考疊層 160/260/260 和蓋層 104/204/204』。參考疊層260』 』包括漸變的PEL230』 』、磁耦合層240』和高PMA層250』 』，它們分別類似於PEL130/130』 /130，』 /130，』 』 /230/230』、可選的磁耦合層 140/240和高PMA層 150/250/250』。因此，相似的部件具有與相應部件類似的結構和功能。
[0059]在磁性結200』 』中，高PMA層250』 』不是SAF。然而，高PMA層250』 』仍可以是具有超過平面外退磁能的垂直各向異性的多層或超晶格。例如，可以使用Co/Pd和/或CoPt多層和/或超晶格。此外，高PMA層250〃可以包括其它材料諸如Pt層和/或Co層。
[0060]在示出的實施方式中，漸變的PEL230』』包括交插有非磁性插入層的磁性層。為簡單起見，在圖8中沒有示出磁性層和非磁性插入層。然而，如以上上討論的，漸變的PEL230，』類似於漸變的PEL230、230』、130、130』和/或130，』。漸變的PEL230，』通過耦合層240』明確地耦合到高PMA層250』 』。耦合層240』類似於層140和/或240。在一些實施方式中，耦合層允許高PMA層250』』和漸變的PEL230』』之間的RKKY相互作用。在示出的實施方式中，耦合層240』使PEL230』』與高PMA層250』』反鐵磁耦合。因而，漸變的PEL230』』被示出為具有在正z方向上的磁矩231』』。結果，PEL230』』和高PMA層250』』可以被認為一起形成SAF。還期望漸變的PEL230』』在兩個界面處具有磁性層。結果，可以改善PEL230』』和高PMA層250〃之間的RKKY耦合。此外，PEL230』 』的具有比高PMA層250〃高的自旋極化的磁性層與隧穿勢壘層220』』共用界面。此外，漸變的PEL230』』的磁性層可以被分別調整。例如，最靠近耦合層240』的磁性層可以配置為增強與高PMA層250〃的RKKY耦合。
[0061]磁性結200，』共享磁性結100,200和/或200，以及PEL130、130』、130，』和/或130』』』的益處。磁性結200』』可以具有改善的性能，諸如較低的切換電流、增強的TMRJI強的垂直磁各向異性、增強的磁耦合併因此具有改善的穩定性。此外，PEL230』 』和高PMA層250』』可以被反鐵磁耦合以減小在自由層210』』上的外磁場。可以實現這些益處而不會不利地影響隧穿勢壘層220』』。因而，可以改善磁性結200』』和利用磁性結200』』的存儲器的性能。
[0062]圖9示出包括參考疊層並可經由自旋轉移來切換的磁性結300的另一示例性實施方式，該參考疊層具有包括非磁性插入層的漸變的PEL。為了清晰，圖9沒有按比例。磁性結300類似於磁性結100、200、200』和/或200』 』。因此，相似的部件被類似地標記。磁性結300包括籽層302、自由層310、非磁性間隔層(在本實施方式中可以是隧穿勢壘層320)、參考疊層360和可選的蓋層304，它們類似於籽層102/202/202』 /202，』、自由層110/210/210』 /210，』、非磁性間隔層 120/220/220』 /220，』、參考疊層 160/260/260，/260』 』和可選的磁性蓋層104/204/204』 /204』 』。參考疊層360包括漸變的PEL330、可選的磁耦合層 340 和高 PMA 層 350，它們分別類似於 PEL130/130』 /130，』 /130，』 』 /230/230』 /230，』、可選的磁耦合層140/240/240』和高PMA層150/250/250』 /250』 』。因此，相似的部件具有與相應部件類似的結構和功能。
[0063]因而，漸變的PEL330包括交插有非磁性插入層的磁性層。為簡單起見，在圖9中沒有示出磁性層和非磁性插入層。然而，如以上討論的，漸變的PEL330類似於漸變的PEL130、130』、130，，、230、230』和/或230，』。漸變的PEL330通過耦合層340明確地耦合到高PMA層350。耦合層340類似於層340。在一些實施方式中，耦合層允許高PMA層350和漸變的PEL230之間的RKKY相互作用。在示出的實施方式中，耦合層340可以使PEL330與高PMA層350鐵磁或反鐵磁I禹合。I禹合的類型(nature)可以取決於I禹合層340的厚度以及位於漸變的PEL330與可選的耦合層或高PMA層350的界面處的非磁性插入層(如果有的話)的厚度。因而，漸變的PEL330被示出為具有可在正或負z方向上的磁矩331。
[0064]在磁性結300中，自由層310是SAF。特別地，自由層310包括通過非磁性層315分離的磁性層311和316。非磁性層315允許磁性層311和316之間的RKKY相互作用。非磁性層315可以是例如具有允許磁性層311和316之間的期望耦合的厚度的Ru層。
[0065]此夕卜，磁性層311 和 316可以類似於PEL130、130』、130，』、130，』 』、230、230』 和/或230』 』。例如，磁性層311可以包括通過非磁性擴散阻擋層313分離的磁性層312和314。磁性層316可以包括通過非磁性擴散阻擋層318分離的磁性層317和319。此外，層312、314,317和/或319可以是具有超過平面外退磁能的垂直各向異性的多層或超晶格。例如，可以使用Co/Pd和/或CoPt多層和/或超晶格。此外，磁性層312、314、317和/或319可以包括其它材料諸如Pt層和/或Co層。至少最靠近非磁性間隔層/隧穿勢壘層320的磁性層319可以被期望具有高自旋極化。例如，具有不大於40原子百分比的B的CoFeB可以用於層319。在一些這樣的實施方式中，磁性層319可以在CoFeB中包括至少10原子百分比且不大於40原子百分比的B。此外，層314和317可以被調整以改善層311和316之間的RKKY耦合。
[0066]磁性結300 共享磁性結 100、200、200』、200』』 以及 PEL130、130』、130』』 和 / 或130』』』的益處。磁性結300可以具有改善的性能，諸如較低的切換電流、增強的TMR、增強的垂直磁各向異性、增強的磁耦合併因此具有改善的穩定性。可以實現這些益處而不會不利地影響隧穿勢壘層320。此外，自由層310可以是採用Ru和/或Pd的SAF，而不會不利地影響非磁性間隔層320中使用的任何晶體MgO。這是由於非磁性擴散阻擋層313的存在。在這些層 313 和 318 如關於 PEL130、130』、130，，、130，』，、230、230』 和 / 或 230』』 所描述的那樣薄的實施方式中，可以增強層312和314以及層317和319之間的磁耦合。因而，可以改善磁性結300和利用磁性結300的存儲器的性能。
[0067]圖10示出包括參考疊層並可經由自旋轉移來切換的磁性結300』的另一示例性實施方式，該參考疊層具有包括非磁性插入層的漸變的PEL。為了清晰，圖10沒有按比例。磁性結300』類似於磁性結100、200、200』、200』』和/或300。因此，相似的部件被類似地標記。磁性結300』包括籽層302』、自由層310』、非磁性間隔層(在本實施方式中可以為隧穿勢壘層320』)、參考疊層360』和可選的蓋層304』，它們分別類似於籽層 102/202/202』/202』/202』』/302、自由層 110/210/210』/210』』/310、非磁性間隔層 120/220/220' /220』 』 /320 和蓋層 104/204/204』 /204，』 /304。參考疊層 360，包括漸變的PEL330』、可選的磁耦合層340』和高PMA層350』，它們分別類似於PEL130/130』 /130〃/130』 』 』 /230/230』 /230〃/330、可選的磁耦合層 140/240/240』 /340 和高 PMA 層150/250/250』 /250』 』 /350。因此，相似的部件具有與相應部件類似的結構和功能。
[0068]磁性結還包括額外的參考疊層365，該額外的參考疊層365包括額外非磁性間隔層362、可選的額外漸變的PEL370、可選的磁耦合層380和額外高PMA層390。非磁性間隔層362類似於非磁性間隔層320』。可選的額外漸變的PEL370類似於PEL130、130』、130〃、130"，、230、230』、230〃、330和/或330，。可選的耦合層380類似於可選的耦合層140,240,240』 ,340 和 / 或 340』。高 PMA 層 390 類似於高 PMA 層 150、250、250』、250』 』 ,350 和 / 或350』。因而，磁性結300』是雙磁性結。在其中層320』和362都是隧穿勢壘的實施方式中，磁性結300』是雙MTJ。在其中層320』和362都是導電勢壘的實施方式中，磁性結300』是雙自旋閥。然而，在其它實施方式中，層320』和362不需要共享類似的性能。例如，層320』和362中的一個可以是導電的，而另一個是隧穿勢壘層。
[0069]磁性結300』 共享磁性結 100、200、200』、200』』、300 以及 PEL130、130』、130〃 和 /或130"』的益處。磁性結300』可以具有改善的性能，諸如較低的切換電流、增強的垂直磁各向異性、增強的磁耦合併因此具有改善的穩定性。可以實現這些益處而不會不利地影響隧穿勢壘層320』和/或362。因而，可以改善磁性結300』和利用磁性結300』的存儲器的性能。
[0070]此外，磁性結100、200、200』、200』 』、300 和 / 或 300』 和 PEL130、130』、130』 』、130』 』 』、230、230』、230，』、330、330』和/或370可以用於磁存儲器中。圖11示出一個這樣的存儲器400的示例性實施方式。磁存儲器400包括讀/寫列選擇驅動器402和406以及字線選擇驅動器404。注意到，可以提供具有另外的布置的其它和/或不同部件。存儲器400的存儲區包括磁存儲單元410。每個磁存儲單元包括至少一個磁性結412和至少一個選擇器件414。在一些實施方式中，選擇器件414是電晶體。磁性結412可以包括磁性結100、200、200』、200』』、300和/或300』中的一個或多個。雖然每個單元410示出一個磁性結412，但是在其它實施方式中，每個單元可以提供另外數目的磁性結412。因而，可以在存儲器 400 中實現磁性結 100、200、200，、200，』、300 和 / 或 300，和 PEL130、130』、130』 』、130』 』 』、230、230』、230』 』、330、330』 』和 / 或 370 的益處。
[0071]圖12示出用於製造磁子結構的方法500的示例性實施方式。為簡單起見，一些步驟可以被省略、組合和/或插入。方法500在磁性結100的背景下被描述。然而，方法500可以用於其它的磁性結諸如磁性結200、200』、200』』、300、300』和/或412。此外，方法500可以被併入到磁存儲器的製造中。因而，方法500可以用於製造STT-RAM或其它的磁存儲器。方法500還可以包括提供籽層202和可選的釘扎層(未示出)。
[0072]經由步驟502提供自由層110。步驟502可以包括沉積期望的材料至自由層210的期望厚度。此外，步驟502可以包括提供SAF。經由步驟504提供非磁性層120。步驟504可以包括沉積期望的非磁性材料，包括但是不限於晶體MgO。此外，在步驟504中可以沉積期望厚度的材料。[0073]經由步驟506提供漸變的PEL130。步驟506包括沉積交插有期望厚度的非磁性插入層的鐵磁層。因而，在PEL130』、130』』和/或130』』』中示出的層在步驟506中被沉積。然而，注意到在大概2埃的厚度處，在步驟506中沉積的層可以不是連續的或者可以具有厚度變化。例如，在步驟506中形成的非磁性插入層可以包括交疊的島和/或類似於小孔的開口區域。通過後續處理，這些非磁性插入層的部分可以遷移。例如，磁性結100可以在製造中隨後被退火。非磁性插入層中的材料諸如Ta可以因而遷移。由於退火引起的遷移，交疊的島可以擴散以形成具有較小厚度變化的層。經由步驟508可以選擇性地提供耦合層140。步驟508可以包括沉積Ru層。在一些實施方式中，步驟508可以被省略。
[0074]經由步驟510提供高PMA層250。步驟510可以包括沉積期望的材料至高PMA層250的期望厚度。此外，步驟510可以包括提供SAF和/或高垂直各向異性多層。例如，可以在步驟510中製造一個或多個Co/Pd和/或Co/Pt多層。此外，其它磁性材料和/或非磁性材料也可以用於在步驟510中製造高PMA層。因而，步驟506、508和510可以被認為是製造參考疊層260。
[0075]經由步驟512完成磁性結100的製造。可以在步驟512中選擇性地提供任何額外層諸如層365、370、380和390。類似地，可以在步驟512中提供蓋層或其它層。還可以進行在外磁場中設定磁矩方向和/或其它的工藝。因而，利用方法500，可以實現PEL130/130』/130』 』 /130，』 』 /230/230』 /230，』 /330/330』 和磁性結 100、200、200，、200，，、300 和 / 或 300』的益處。
[0076]已經描述了用於提供包括參考疊層的磁性結的方法和系統以及利用該磁性結製造的存儲器，其中該參考疊層具有PEL。該方法和系統已經根據示出的示例性實施方式描述，本領域普通技術人員將容易認識到可以對實施方式進行改變，任何改變將在該方法和系統的精神和範圍內。因此，本領域普通技術人員可以進行許多修改而不背離權利要求書的精神和範圍。
【權利要求】
1.一種用於磁器件中的磁性結，包括: 自由層，具有垂直於平面的自由層磁矩； 非磁性間隔層，具有第一結晶取向； 參考疊層，包括高垂直磁各向異性層和漸變的極化增強層，所述非磁性間隔層位於所述漸變的極化增強層和所述自由層之間，所述漸變的極化增強層在所述高垂直磁各向異性層和所述非磁性間隔層之間，所述高垂直磁各向異性層具有垂直於平面的磁矩、第二結晶取向和第一自旋極化，所述漸變的極化增強層鄰近所述高垂直磁各向異性層並與所述高垂直磁各向異性層磁耦合，所述漸變的極化增強層包括多個磁性層和多個非磁性插入層，所述極化增強層的至少一部分具有大於所述第一自旋極化的第二自旋極化並且鄰近所述非磁性間隔層，所述多個非磁性插入層配置為使得所述多個磁性層鐵磁耦合併使得所述第一結晶取向與所述第二結晶取向消除相互影響，所述多個非磁性插入層的每個具有一厚度，在沒有所述多個非磁性插入層的其餘部分的情形下所述多個非磁性插入層的每個的所述厚度不足以使所述第一結晶取向與所述第二結晶取向消除相互影響； 其中所述磁性結配置為使得當寫電流流過所述磁性結時所述自由層可在多個穩定的磁狀態之間切換。
2.根據權利要求1所述的磁性結，其中所述多個非磁性插入層的每個的厚度之和足以阻擋參考層和所述非磁性間隔層之間的擴散，所述多個非磁性插入層的每個的所述厚度不足以阻擋所述參考層和所述非磁性間隔層之間的擴散。
3.根據權利要求2所述的磁性結，其中所述厚度之和為至少4埃。
4.根據權利要求2所述的磁性結，其中所述厚度小於3埃。
5.根據權利要求4所述的磁性結，其中所述厚度為至少2埃。
6.根據權利要求1所述的磁性結，其中所述漸變的極化增強層包括Ta。
7.根據權利要求6所述的磁性結，其中所述極化增強層中的所述多個非磁性層的每個由Ta組成。
8.根據權利要求1所述的磁性結，其中所述高垂直磁各向異性層包括高垂直各向異性多層和高垂直各向異性超晶格中的至少一個。
9.根據權利要求8所述的磁性結，其中所述高垂直各向異性多層和所述高垂直各向異性超晶格中的至少一個包括Co/Pt多層、Co/Pd多層、CoPt超晶格和CoPd超晶格中的至少一個。
10.根據權利要求8所述的磁性結，其中所述高垂直磁各向異性層是包括第一磁結構、第二磁結構以及在所述第一磁結構和所述第二磁結構之間的非磁性層的合成反鐵磁體，所述第一磁結構和所述第二磁結構中的至少一個包括所述高垂直各向異性多層和所述高垂直各向異性超晶格中的至少一個。
11.根據權利要求1所述的磁性結，還包括: 在所述高垂直磁各向異性層和所述漸變的極化增強層之間的非磁性磁耦合層。
12.根據權利要求1所述的磁性結，其中所述多個非磁性插入層中的一個鄰接所述高垂直磁各向異性層。
13.根據權利要求1所述的磁性結，其中所述自由層還包括高垂直各向異性多層和高垂直各向異性超晶格中的至少一個。
14.根據權利要求1所述的磁性結，其中所述非磁性間隔層包括MgO。
15.根據權利要求1所述的磁性結，其中所述多個磁性層中的最靠近所述非磁性間隔層的層具有所述第二自旋極化。
16.根據權利要求1所述的磁性結，其中所述漸變的極化增強層包括CoFeB。
17.根據權利要求16所述的磁性結，其中所述多個磁性層包括具有不大於40原子百分比的B的CoFeB層，所述CoFeB層鄰接所述非磁性間隔層。
18.根據權利要求1所述的磁性結，其中所述漸變的極化增強層中的所述多個非磁性插入層的每個是非晶的。
19.一種用於磁器件中的磁性結，包括: 自由層，具有垂直於平面的自由層磁矩； 晶體MgO層； 參考疊層，包括高垂直磁各向異性層和漸變的極化增強層，所述晶體MgO層位於所述漸變的極化增強層和所述自由層之間，所述漸變的極化增強層鄰近所述高垂直磁各向異性層並且與所述高垂直磁各向異性層磁耦合，所述漸變的極化增強層在所述晶體MgO層和所述高垂直磁各向異性層之間，所述高垂直磁各向異性層具有垂直於平面的參考層磁矩和第一自旋極化，所述漸變的極化增強層鄰近所述高垂直磁各向異性層並且與所述高垂直磁各向異性層磁耦合，所述漸變的極化增強層包括多個磁性層和多個Ta插入層，所述多個磁性層中的至少一層具有大於所述第一自旋極化的第二自旋極化並包括具有不大於20原子百分比的B的CoFeB，所述多個Ta插入層的每個具有小於3埃的厚度，所述至少一層鄰近所述晶體MgO層，所述多個Ta插入層的每個的所述厚度之和足以阻擋所述高垂直磁各向異性層和所述晶體MgO層之間的擴散並且為至少4埃，所述多個Ta插入層的每個的厚度不足以阻擋參考層和所述晶體MgO層之間的擴`散； 其中所述磁性結配置為使得當寫電流流過所述磁性結時所述自由層可在多個穩定的磁狀態之間切換。
20.—種磁存儲器,包括: 多個磁存儲單元，所述多個磁存儲單元的每個包括至少一個磁性結，所述至少一個磁性結包括自由層、非磁性間隔層和參考疊層，所述自由層具有垂直於平面的自由層磁矩，所述非磁性間隔層具有第一結晶取向，所述非磁性間隔層在所述參考疊層和所述自由層之間，所述參考疊層包括高垂直磁各向異性層和漸變的極化增強層，所述漸變的極化增強層位於所述高垂直磁各向異性層和所述非磁性間隔層之間，所述高垂直磁各向異性層具有垂直於平面的磁矩、第二結晶取向和第一自旋極化，所述漸變的極化增強層鄰近所述高垂直磁各向異性層並且與所述高垂直磁各向異性層磁耦合，所述漸變的極化增強層包括多個磁性層和多個非磁性插入層，所述極化增強層的至少一部分具有大於所述第一自旋極化的第二自旋極化並且鄰近所述非磁性間隔層，所述多個非磁性插入層配置為使得所述多個磁性層被鐵磁耦合併使得所述第一結晶取向與所述第二結晶取向消除相互影響，所述磁性結配置為使得當寫電流流過所述磁性結時所述自由層可在多個穩定的磁狀態之間切換，所述多個非磁性插入層的每個具有一厚度，在沒有所述多個非磁性插入層的其餘部分的情形下所述多個非磁性插入層的每個的所述厚度不足以使所述第一結晶取向與所述第二結晶取向消除相互影響；和與所述多個磁存儲單元耦合的多條位線。
21.根據權利要求20所述的磁存儲器，其中所述多個非磁性插入層的每個具有一厚度，所述多個非磁性插入層的每個的所述厚度之和足以阻擋參考層和所述非磁性間隔層之間的擴散，所述多個非磁性插入層的每個的所述厚度不足以阻擋所述參考層和所述非磁性間隔層之間的擴散。
22.根據權利要求21所述的磁存儲器，其中所述厚度之和是至少4埃。
23.根據權利要求21所述的磁存儲器，其中所述厚度小於3埃。
24.根據權利要求23所述的磁存儲器，其中所述厚度為至少2埃。
25.根據權利要求20所述的磁存儲器，其中所述漸變的極化增強層包括Ta。
26.根據權利要求25所述的磁存儲器，其中所述漸變的極化增強層中的所述多個非磁性插入層的每個由Ta組成。
27.根據權利要求20所述的磁存儲器，其中所述高垂直磁各向異性層包括高垂直各向異性多層和高垂直各向異性超晶格中的至少一個。
28.根據權利要求27所述的磁存儲器，其中所述高垂直各向異性多層和所述高垂直各向異性超晶格中的至少一個包括Co/Pt多層、Co/Pd多層、CoPt超晶格和CoPd超晶格中的至少一個。
29.根據權利要求28所述的磁存儲器，其中所述高垂直磁各向異性層是包括第一磁結構、第二磁結構以及在所述第一磁結構和所述第二磁結構之間的非磁性層的合成反鐵磁體，所述第一磁結構和所述 第二磁結構中的至少一個包括所述高垂直各向異性多層和所述高垂直各向異性超晶格中的至少一個。
30.根據權利要求20所述的磁存儲器，還包括: 在所述高垂直磁各向異性層和所述極化增強層之間的非磁性磁耦合層。
31.根據權利要求20所述的磁存儲器，其中所述多個非磁性插入層中的一個鄰接所述高垂直磁各向異性層。
32.根據權利要求20所述的磁存儲器，其中所述自由層還包括高垂直各向異性多層和高垂直各向異性超晶格中的至少一個。
33.根據權利要求20所述的磁存儲器，其中所述非磁性間隔層包括MgO。
34.根據權利要求20所述的磁存儲器，其中所述漸變的極化增強層包括CoFeB。
35.根據權利要求34所述的磁存儲器，其中所述多個磁性層包括具有不大於40原子百分比的B的CoFeB層，所述CoFeB層鄰接所述非磁性間隔層。
36.一種用於提供在磁器件中使用的磁性結的方法，該方法包括: 提供具有垂直於平面的自由層磁矩的自由層； 提供具有第一結晶取向的非磁性間隔層； 提供參考疊層，提供所述參考疊層的步驟包括以下步驟: 提供高垂直磁各向異性層，所述高垂直磁各向異性層具有垂直於平面的磁矩、第二結晶取向和第一自旋極化；和 提供漸變的極化增強層，所述非磁性間隔層位於所述漸變的極化增強層和所述自由層之間，所述漸變的極化增強層位於所述高垂直磁各向異性層和所述非磁性間隔層之間，所述漸變的極化增強層鄰近所述 高垂直磁各向異性層並且與所述高垂直磁各向異性層磁耦合，所述漸變的極化增強層包括多個磁性層和多個非磁性插入層，所述極化增強層的至少一部分具有大於所述第一自旋極化的第二自旋極化並且鄰近所述非磁性間隔層，所述多個非磁性插入層配置為使得所述多個磁性層被鐵磁耦合併使得所述第一結晶取向與所述第二結晶取向消除相互影響，所述多個非磁性插入層的每個具有一厚度，在沒有所述多個非磁性插入層的其餘部分的情形下所述多個非磁性插入層的每個的所述厚度不足以使所述第一結晶取向與所述第二結晶取向消除相互影響； 其中所述磁性結配置為使得當寫電流流過所述磁性結時所述自由層可在多個穩定的磁狀態 之間切換。
【文檔編號】H01L43/12GK103887424SQ201310713553
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2012年12月20日
【發明者】S.M.沃茨, 文基錫 申請人:三星電子株式會社