磁性结及其提供方法以及包含该磁性结的磁存储器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁性结及其提供方法以及包含该磁性结的磁存储器。该磁性结包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在被钉扎层和自由层之间。该自由层具有临界切换电流密度（Jc0）的梯度使得自由层的第一部分的第一Jc0比自由层的第二部分的第二Jc0小。自由层的第二部分比第一部分远离非磁性间隔层。磁性结配置为使得当写电流经过磁性结时自由层可在多个稳定的磁性状态之间切换。
【专利说明】磁性结及其提供方法以及包含该磁性结的磁存储器
【技术领域】
[0001]本发明提供一种用于磁性器件中的磁性结、具有该磁性结的磁存储器以及用于提供该磁性结的方法。
【背景技术】
[0002]磁存储器，特别地磁随机存取存储器(MRAM)，由于它们的高读/写速度的潜力、优良的耐久性、非挥发性和操作期间的低功耗而引起越来越多的兴趣。MRAM能够利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种MRAM是自旋转移矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用通过驱动经过磁性结的电流至少部分地写入的磁性结。驱动经过磁性结的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋扭矩。结果，具有响应自旋扭矩的磁矩的层可以被切换到期望的状态。
[0003]例如，图1描绘了常规磁隧道结(MTJ)IO，它可以用于常规STT-MRAM中。常规MTJ10 一般位于底部接触11上，使用常规籽层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和常规盖层22。还示出了顶部接触24。
[0004]常规接触11和24用于在电流垂直于平面(CPP)方向上或沿如图1所示的z轴驱动电流。常规籽层12 —般用于帮助随后的层诸如AFM层14的生长，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。
[0005]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 —般通过与AFM层14的磁化的交换偏置相互作用而被固定或钉扎在特定方向上。尽管被描绘为简单(单一)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而反铁磁耦合的磁性层的合成反铁磁(SAF)层。在这样的SAF中，可以使用与Ru的薄层交插的多个磁性层。在另一实施例中，跨越Ru层的耦合能够是铁磁性的。此外，其它类型的常规MTJ 10可以包括通过额外的非磁性势垒层或额外的非磁性导电层(未不出)而与自由层20分隔的额外的被钉扎层(未不出)。
[0006]常规自由层20具有可变化的磁化21。尽管被描绘为简单层，但是常规自由层20也可以包括多个层。例如，常规自由层20可以是包括通过薄的导电层诸如Ru反铁磁或铁磁耦合的磁性层的合成层。尽管示出为在面内，但是常规自由层20的磁化21可以具有垂直各向异性。因此，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。
[0007]为切换常规自由层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可以切换到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可以切换到反平行于被钉扎层16的磁化。磁配置上的差异对应于不同的磁阻并因此对应于常规MTJ 10的不同逻辑状态(例如逻辑"O"和逻辑"I")。因此，通过读取常规MTJ 10的隧穿磁阻(TMR)，能够确定常规MTJ的状态。
[0008]尽管常规MTJ 10可以利用自旋转移写入、通过感测磁性结的TMR而读取并用于STT-MRAM中，但是存在缺点。例如，常规自由层20的临界切换电流密度Jcfl会显著高于期望值。在某些情形下，临界切换电流密度大约为期望的临界切换电流密度的三倍至五倍。临界切换电流密度是利用自旋转移来切换常规自由层20的磁矩21所需要的电流密度(例如MA/cm2)。例如，期望低的切换电流以减少切换期间消耗的电力和/或改善切换速度或错误率。尽管存在减小切换电流的常规机制，但是这些通常不利地影响热稳定性。常规MTJ 10的热稳定性的降低负面地影响常规MTJ 10的随时间而可靠地储存数据的能力。因此，常规MTJ的性能受损害。
[0009]因此，需要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。这里描述的方法和系统解决了这样的需要。
【发明内容】
[0010]方法和系统提供一种可用于磁性器件中的磁性结。磁性结包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在被钉扎层和自由层之间。自由层具有临界切换电流密度(Jcfl)中的梯度使得自由层的第一部分的第一 Jm比自由层的第二部分的第二 J。。低。自由层的第二部分比第一部分离非磁性间隔层更远。磁性结配置为使得当写电流经过磁性结时，自由层可在多个稳定的磁性状态之间切换。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1描绘了常规的磁性结。
[0012]图2描绘了包括自由层的磁性结的示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0013]图3描绘了包括自由层的磁性结的另一个示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0014]图4描绘了包括自由层的磁性结的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0015]图5描绘了自由层的示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0016]图6描绘了状态图，表明磁性材料的性质随着层的厚度的变化并且利用自旋转移可切换。
[0017]图7描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0018]图8描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0019]图9描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0020]图10描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0021]图11描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。[0022]图12描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0023]图13描绘了自由层的另一示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
[0024]图14描绘了在储存单元的存储元件中利用磁性结的存储器的示范性实施例。
[0025]图15描绘了用于制造包括自由层的磁性结的方法的示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。
【具体实施方式】
[0026]示范性实施例涉及可在磁性器件诸如磁存储器中使用的磁性结以及采用这样的磁性结的器件。给出下面的描述以使得本领域普通技术人员能够制造和使用本发明，并在专利申请及其要求的背景下提供。对示范性实施例以及这里描述的一般原理和特征的各种修改将是显而易见的。示范性实施例主要在特定实施例中提供的特定方法和系统方面进行描述。然而，方法和系统在其它实施例中将有效操作。诸如“示范性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的术语可以指的是相同或不同的实施例以及多个实施例。实施例将关于具有特定组件的系统和/或器件进行描述。然而，系统和/或器件可以包括比示出的那些多或少的组件，并且可以进行这些组件的布置和类型的变化而不脱离本发明的范围。示范性实施例也将在具有某些步骤的特定方法的背景下进行描述。然而，该方法和系统对于具有与示范性实施例不一致的不同和/或额外的步骤以及不同顺序的步骤的其他方法有效操作。因此，本发明并不意在被限于所示的实施例，而是被给予与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。
[0027]方法和系统提供了磁性结以及利用该磁性结的磁存储器。该磁性结包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。非磁性间隔层在被钉扎层和自由层之间。该自由层具有临界切换电流密度(J。。)的梯度使得自由层的第一部分的第一 J。。比该自由层的第二部分的第二Jcfl小。自由层的第二部分比第一部分更远离非磁性间隔层。磁性结配置为使得当写电流经过磁性结时，自由层可在多个稳定的磁性状态之间切换。
[0028]示范性实施例在具有某些组件的特定磁性结和磁存储器的背景下描述。本领域普通技术人员将容易认识到，本发明与具有与本发明不一致的其它和/或额外组件和/或其它特征的磁性结和磁存储器的使用一致。该方法和系统还在对自旋转移现象、磁各向异性和其他物理现象的当前理解的背景下描述。因此，本领域普通技术人员将容易认识到，该方法和系统的表现的理论解释是基于自旋转移、磁各向异性和其他物理现象的所述当前理解进行的。然而，这里描述的方法和系统不依赖于特定的物理解释。本领域普通技术人员还将易于认识到，该方法和系统在与基板具有特定关系的结构的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，该方法和系统与其它结构一致。此外，该方法和系统在某些层为合成和/或简单的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，所述层可以具有另外的结构。此外，该方法和系统在具有特定层的磁性结和/或自由层的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，也可以采用具有与该方法和系统不一致的额外层和/或不同层的磁性结和/或自由层。而且，某些组件被描述为磁性的、铁磁性的和亚铁磁的。如这里使用的，术语“磁性的”可以包括铁磁的、亚铁磁的或类似的结构。因此，如这里所使用的，术语“磁性的”或“铁磁的”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。该方法和系统还在单个磁性结和自由层的背景下描述。然而，本领域普通技术人员将易于认识到，该方法和系统与具有多个磁性结并使用多个自由层的磁存储器的使用一致。此外，如这里所用的，“面内”基本上在磁性结的一个或多个层的平面内或与之平行。相反地，“垂直”对应于基本上与磁性结的一个或多个层垂直的方向。
[0029]图2描绘了包括自由层的磁性结100的示范性实施例，该自由层具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。磁性结可以为例如磁隧道结(MTJ)、自旋阀或弹道磁阻结构或其一些组合。磁性结100可以用于各种应用。例如，磁性结可以用于磁存储器诸如STT-MRAM。为了清晰，图2没有按比例绘制。磁性结包括自由层110、非磁性间隔层120和被钉扎层或参考层130。磁性结100被不为位于基板102上。在一些实施例中，磁性结100可以包括籽层和/或盖层(未示出)。尽管层110、120和130被示为具有特定取向，但是该取向可以在其他实施例中改变。例如，被钉扎层130可以更靠近磁性结100的底部(最靠近基板102)。还可以使用钉扎层(未示出)。通常，如果被钉扎层130的磁矩是在面内，则可使用钉扎层，但是如果被钉扎层130的磁矩垂直于平面，则可以不使用钉扎层，如所示的。这样的钉扎层可以用于固定被钉扎层130的磁化131。在一些实施例中，钉扎层可以是通过交换偏置相互作用来钉扎被钉扎层130的磁化(未示出)的AFM层或多层。磁性结100还被配置为当写电流经过磁性结100时允许自由层110在稳定的磁性状态之间切换。因此，自由层110的磁矩111可利用自旋转移矩切换。由于磁矩111是可切换的，所以磁矩111由双头箭头表示。
[0030]非磁性间隔层120可以是隧穿势垒层、导体或因为其而在自由层110和被钉扎层130之间表现出磁阻的其它结构。在一些实施例中，非磁性间隔层120是结晶MgO隧穿势垒层。这样的非磁性间隔层可以具有优选的晶向，诸如(100)晶向。
[0031]尽管被描绘为简单层，但是自由层110和/或被钉扎层130可以包括多层。例如，自由层110和/或被钉扎层130可以是包括通过诸如Ru的薄层反铁磁或铁磁耦合的磁性层的SAF。在这样的SAF中，可以使用与Ru或其他材料的薄层交插的多个磁性层。自由层110和/或被钉扎层130还可以是另外的多层。
[0032]自由层110和/或被钉扎层130可以均具有超过面外退磁能的垂直各向异性能。因此，自由层110和/或被钉扎层130可以每个具有分别垂直于处于均衡状态的平面取向的磁矩111和/或131，如图2所示。换句话说，层110和130的易磁化轴垂直于平面。自由层磁矩111可利用自旋转移切换并因此由双箭头111示出。被钉扎层130的磁矩131可以被固定在特定方向上。在所示出的实施例中，被钉扎层130的磁矩131在正z方向上。在另一实施例中，磁矩131可以在负z方向上。在其他实施例中，自由层110和/或被钉扎层130的磁矩可以在包括但不限于面内的另一方向上是稳定的。自由层110和/或被钉扎层130的磁矩的其他取向是可能的。
[0033]自由层110具有临界切换电流密度L的梯度。更具体地说，越靠近非磁性间隔层120，临界切换电流密度越低。因此，如果自由层110的第二部分比自由层110的第一部分远离非磁性间隔层，则第一部分的第一 Jd低于第二部分的第二 Jm。随着自由层110在远离非磁性间隔层120的方向上(也就是在图2中的负Z方向上)横过，Jetl增大。在一些实施例中，Jcfl单调地增大。该变化可以是线性的或可以遵循另外的曲线。在一些实施例中，Jc^可以对于自由层110的特定部分保持恒定。然而，Jetl在整个自由层110上不是恒定的。在一些实施例中，在自由层110的热稳定性上也存在梯度。类似于Jetl，热稳定性也可以随着远离非磁性间隔层120而增加。在一些实施例中，热稳定性以与Jcitl相同的方式增加。然而，在其他实施例中，热稳定性可以以另外的方式改变。
[0034]自由层110内的Jcitl梯度可以以多种方式实现。例如，Jcfl随磁各向异性Hk和饱和磁化Ms而变化。在一些实施例中，磁各向异性诸如垂直磁各向异性可以随着离非磁性间隔层120的距离增加而增大。在其他实施例中，饱和磁化可以随着离非磁性间隔层120的距离增加而增加。在另一些实施例中，这些量可以贯穿自由层110增加或减小。然而，该组合使得建立Jetl的期望梯度。例如，磁各向异性可以在自由层110的某些部分上减小而饱和磁化可以在相同部分上增加。然而，这些和其他参数的组合使得切换电流密度随着离非磁性间隔层的距离增加而增大。
[0035]Hk、Ms和/或影响临界切换电流密度的其他性质的变化可以以多种方式实现。在一些实施例中，自由层110可以是在诸如Co和/或Fe的磁性成分中具有浓度变化的合金。该浓度梯度可以以多种方式实现。例如，磁性材料及其他材料可以从多个靶共同地溅射。通过改变来自特定靶的溅射速率，合金的化学计量可以改变。该梯度也可以在已经沉积自由层110之后由于高温退火而经由原子扩散实现。退火可以在原位或非原位(ex situ)发生。可以使用这些和其他技术的某些组合。在其他实施例中，包括但不限于诸如B的掺杂剂的其他材料的浓度可以被调整以实现磁各向异性和/或饱和磁化的期望梯度。
[0036]在一些实施例中，自由层110可以是多层，包括多个磁性层。在某些这样的实施例中，磁性层可以与非磁性层交插。非磁性层可以是诸如MgO的绝缘体、诸如Pt或Pd的导体、或其一些组合。然而，磁性层通过非磁性层铁磁耦合。磁性层配置为使得在磁性层之间存在Jetl梯度。因此，靠近非磁性间隔层120的磁性层比远离非磁性间隔层的其它层具有更低的Jf磁性层之间的Jcitl梯度可以通过磁性和/或非磁性材料的审慎选择、磁性层的厚度变化、改变非磁性层的厚度和一些其它的类似机制中的一个或多个来实现。
[0037]磁性结100可以具有改善的性能。由于Jcfl梯度，可以减小用于自由层110的总切换电流。在一些实施例中，总临界切换电流密度可以是IX 106A/cm2。自由层110的接近非磁性间隔层120的部分(例如，磁性层)可以容易地通过自身来切换。在一些实施例中，自由层110的此部分不是热稳定的。自由层110的下一个磁性部分可以具有更高的切换电流并且更加热稳定。自由层110的最远离非磁性间隔层120的部分可以是最热稳定的并且可以具有最高的由于自由层110的远离非磁性间隔层120的磁性部分是热稳定的并且与自由层110的靠近非磁性间隔层120的部分铁磁耦合，所以自由层110总体上是热稳定的。由于自由层110的靠近非磁性间隔层120的磁性部分具有低的Jetl并且与自由层110的其他部分铁磁耦合，所以自由层总体上以低的J。。切换。因此，可以实现热稳定性和低的J。。。因此,可以改善磁性结100的性能。
[0038]图3描绘了包括自由层11(V的磁性结10(V的另一示范性实施例，自由层11(V具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。为了清晰，图3没有按比例绘制。磁性结100'类似于磁性结100。因此，类似的层被类似地标记。磁性结100'包括分别类似于层110、120和130的自由层110'、非磁性间隔层120'和被钉扎层130'。尽管层110'、120'和130'被示为具有特定的取向，但是此取向可以在其他实施例中改变。在一些实施例中，可以包括可选的籽层(未示出)、可选的钉扎层(未示出)和/或可选的盖层(未示出)。磁性结100'也配置为当写电流经过磁性结100'时允许自由层110'的磁化在稳定的磁性状态之间切换。因此，自由层110'的磁化可利用自旋转移矩切换。
[0039]在磁性结100'中，被钉扎层130'比自由层110'靠近基板102'。自由层110'具有类似于自由层110的临界切换电流密度的梯度。自由层110'的临界切换电流密度越靠近非磁性间隔层120'越低。因此，如果自由层110'的第二部分比自由层110'的第一部分更远离非磁性间隔层，则第一部分的第一 低于第二部分的第二 然而，由于被钉扎层130'和自由层110'相对于基板的方位改变，所以随着自由层110在图3中的正z方向上(仍然在远离非磁性间隔层12(V的方向上)，Jetl增大。在一些实施例中，Jetl单调地增大。该变化可以是线性的或可以遵循另外的曲线。在一些实施例中，Jm可以对于自由层IlOi的特定部分保持恒定。然而，Jcitl在整个自由层11(V上不是恒定的。在一些实施例中，在自由层11(V的热稳定性上也存在梯度。类似于Jcfl，热稳定性也可以随着远离非磁性间隔层12(V而增加。在一些实施例中，热稳定性以与Jm相同的方式增加。然而，在其他实施例中，热稳定性可以以另外的方式改变。
[0040]磁性结10(V可以享有磁性结100的益处。由于Jetl的梯度、自由层11(V的部分之间的铁磁耦合，所以可以减小用于自由层110'的总切换电流。在一些实施例中，总临界切换电流密度可以是1X106A/Cm2。由于自由层110'的远离非磁性间隔层120'的磁性部分是热稳定的并且与自由层110,的靠近非磁性间隔层120,的部分铁磁耦合，所以自由层110'总体上是热稳定的。因此，可以实现热稳定性和低的Jf因此可以改善磁性结100'的性能。
[0041]图4描绘了包括自由层110"的磁性结100"的另一示范性实施例，自由层110"具有临界切换电流密度的梯度并且利用自旋转移可切换。为了清晰，图4没有按比例绘制。磁性结100"类似于磁性结100和/或100'。因此，类似的层被类似地标记。磁性结100"包括分别类似于层110/110' >120/120;和130/130'的自由层110"、非磁性间隔层120"和被钉扎层130"。在一些实施例中，可以包括可选的籽层(未示出)、可选的钉扎层(未示出)和/或可选的盖层(未示出)。磁性结100"还配置为当写电流经过磁性结100"时允许自由层110"在稳定的磁性状态之间切换。因此，自由层110"可利用自旋转移矩切换。
[0042]除了层110"、120"和130"之外，磁性结100"还包括额外的非磁性间隔层140和额外的被钉扎层150。磁性结100"因此是双磁性结。非磁性间隔层140类似于间隔层120、120'和120"。磁性结可以例如是双MTJ或双自旋阀。被钉扎层150类似于被钉扎层130、130'和 130"。
[0043]自由层110"具有类似于自由层110和110'的临界切换电流密度梯度。然而，磁性结100"具有两个非磁性间隔层120"和140。自由层110"的临界切换电流密度越靠近非磁性间隔层120'，和140越低。因此，最高的临界切换电流密度位于自由层110"在z方向上的中间处或附近。临界切换电流密度随着接近非磁性间隔层120"和140而减小。在一些实施例中，Jcfl朝向自由层110"在至少z方向上的中心单调地增大。该变化可以是线性的或可以遵循另外的曲线。在一些实施例中，Jcfl可以对于自由层110"的特定部分保持恒定。然而，J。。在整个自由层110"上不是恒定的。在一些实施例中，在自由层110"的热稳定性上也存在梯度。类似于Jm，热稳定性也可以随着远离非磁性间隔层120"和140而增大。在一些实施例中，热稳定性以与Jcfl相同的方式增加。然而，在其他实施例中，热稳定性可以以另外的方式改变。
[0044]磁性结100"可以享有磁性结100和/或100'的益处。由于Jetl的梯度、自由层110"的部分之间的铁磁耦合，可以减小用于自由层110"的总切换电流。在一些实施例中，总临界切换电流密度可以是1X106A/Cm2。由于自由层110"的远离非磁性间隔层120"和140的磁性部分是热稳定的并且与自由层110"的靠近非磁性间隔层120"和140的部分铁磁耦合，所以自由层110"总体上是热稳定的。因此，可以实现热稳定性和低的Jf因此可以改善磁性结100 "的性能。
[0045]如以上讨论的，具有临界切换电流密度的期望梯度的自由层110、11(V和/或110"可以以多种方式实现。图5和图7-13描绘了多种这样的机制的实施例。图5描绘了自由层200的示范性实施例，该自由层200具有临界切换电流密度梯度、利用自旋转移可切换并包括多层。自由层200可以用于自由层110、110'和110"中的一个或多个。自由层200包括与非磁性层201、203、205和207交插的磁性层202、204、206、208和210。因此磁性层202、204、206、208和210可以包括Co、Fe和/或Ni。尽管示出了五个磁性层202、204、206、208和210以及四个非磁性层201、203、205和207，但是可以使用其他数目的磁性层和/或非磁性层。如以上讨论的，磁性层202、204、206、208和210可以配置为使得磁各向异性Hk从层202至210增大，使得饱和磁化Ms从层202至210增大，或Hk和Ms的一些组合从层202至210增大。结果，临界切换电流密度从层202至210增大。因此临界切换电流密度随着离非磁性间隔层(未在图5中示出)的距离增加而增大。类似地，磁性层202、204、206、208和210的热稳定性可以随着离非磁性间隔层的距离增加而增加。此外，对于图5没有假定关于基板(未示出)的特定关系。
[0046]图6描绘了相图(phase diagram)215，其表明磁性材料的性质随层的厚度变化的示例。参照图5-6，曲线216指示磁各向异性Hk，而曲线217指示饱和磁化Ms的变化。Ms和Hk两者随磁性层厚度而变化。自由层200内的磁性材料的层202、204、206、208和210的厚度可以被选择为使得Hk和Ms的组合导致靠近非磁性间隔层的层具有比远离非磁性间隔层的层低的J。。。因此，在一些实施例中，临界切换电流密度的梯度可以通过改变层202、204、206、208和210的厚度和/或层201、203、205和207的厚度来提供。
[0047]在其他实施例中，可以改变用于层201、202、203、204、205、206、207、208和210的材料。例如，层202可以包括具有不超过百分之三十的B掺杂浓度的CoFeB，而层204、206、208和210可以包括其他磁性材料诸如CoX和FeX。在一些实施例中，B的成分能够在层的厚度内变化。在一些实施例中，CoFeB中B掺杂剂的浓度不超过百分之十。为了提高垂直磁各向异性，Co或Fe层可以与Pt和/或Pd的非磁性层201、203、205和207交插。在一些这样的实施例中，非磁性层201、203、205和207的厚度可以为至少两埃。然而，非磁性绝缘层的厚度可以期望不超过1.5nm。在一些这样的实施例，非磁性绝缘层的厚度被期望为不超过lnm。在一些实施例中，诸如MgO的绝缘层可以用于非磁性层201、203、205和207。在这样的实施例中，层202、204、206、208和/或210的垂直磁各向异性也可以被提高。然而，绝缘的非磁性层201、203、205和207的厚度可以更薄以便保持层202、204、206、208和210之间的交换耦合。例如，绝缘的非磁性层201、203、205和207可以不超过八埃厚。然而，其他的厚度是可以的。如果MgO用于绝缘层201、203、205和207，则MgO层201、203、205和207均可以为至少四埃且不超过十四埃厚。在其他实施例中，可以使用层201、202、203、204、205、206,207,208和210的材料和厚度的变化的组合。例如，非磁性层201,203,205和207可以包括射频(RF)沉积的MgO、具有NOX的MgO或包括Mg、Mg NOX和RF MgO的混合MgO层。在这样的实施例中，X可以是 B、P、S1、Zr、Hf、Ta、T1、B1、Mg、Cr、Ru、Ge、Os、W、Rh、Ir、Zn、V,Nb,Mo 和 Rb 中的一种或多种。备选地，层 201、202、203、204、205、206、207、208 和 210 的其他参数的变化可以用来获得期望的临界切换电流密度的梯度。
[0048]例如，图7描绘了自由层220的示范性实施例，自由层220具有临界切换电流密度的梯度、利用自旋转移可切换并包括多层。自由层220可以用于自由层110、110'、110"和200中的一个或多个。自由层220包括与非磁性层221、223、225和227交插的磁性层222、224、226、228和230。尽管示出了五个磁性层222、224、226、228和230以及四个非磁性层221、223、225和227，但是可以使用其他数目的磁性层和/或非磁性层。层221、222、223、224、225、226、227、228 和 230 分别类似于层 201、202、203、204、205、206、207、208 和 210。此外，对于图7没有假定关于基板(未示出)的特定关系。
[0049]在图7所示的实施例中，磁性层222、224、226、228和230的厚度随着离非磁性间隔层(图7中未示出)的距离增加而增大。在一些实施例中，用于层221、222、223、224、225、226、227、228和/或230的材料也可以变化。非磁性层221、223、225和227的厚度基本上保持恒定。磁性层222、224、226、228和230的厚度值和磁性材料被选择为使得较厚的层具有较高的临界切换电流(例如，较高的垂直各向异性和/或较高的饱和磁化)。此外，较厚的层可以具有较大的热稳定性。结果，临界切换电流密度从层222至230增大，使得临界切换电流密度随着离非磁性间隔层(图7中未示出)的距离增加而增大。类似地，磁性层222、224、226、228和230的热稳定性可以随着离非磁性间隔层的距离增加而增加。还注意到，自由层220的垂直磁各向异性能可以大于面外退磁能。因而，自由层220的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z轴)。
[0050]图8描绘了自由层220'的示范性实施例，自由层220'具有临界切换电流密度的梯度、利用自旋转移可切换并包括多层。自由层220'类似于并且可以用于自由层110、110'、110"、200和220中的一个或多个。自由层220'包括与非磁性层221 ,223'、225'和227'交插的磁性层222' ,224' ,226' ,228'和230'。尽管示出了五个磁性层 222'、224'、226'、228'和 230'以及四个非磁性层 221、223' ,2251 和 227'，但是可以使用其他数目的磁性层和/或非磁性层。层221、222'、223'、224'、225'、226' ,227' ,228'和 230'分别类似于层 201/221、202/222、203/223、204/224、205/225、206/226、207/227、208/228和210/230。此外，对于图8没有假定关于基板(未示出)的特定关系。
[0051]在图8所示的实施例中，磁性层222'、224'、226'、228'和230'的厚度随着离非磁性间隔层(图8中未示出)的距离增加而增加。在一些实施例中，用于层221 >222;、223'、224'、225'、226'、22V、228'和/或230'的材料也可以变化。非磁性层221'、223'、225'和227'的厚度基本上保持恒定。磁性层222'、224'、226'、228'和230'的厚度值和磁性材料被选择为使得较薄的层具有较高的临界切换电流(例如，较高的垂直各向异性和/或较高的饱和磁化)。此外，较薄的层可以具有较大的热稳定性。结果，临界切换电流密度从层222'至230'减小，使得临界切换电流密度随着离非磁性间隔层(图8中未示出)的距离增加而增大。类似地，磁性层222' ,224/ ,226/ ,228/和23(V的热稳定性可以随着离非磁性间隔层的距离增加而增加。还注意到，自由层220'的垂直磁各向异性能可以大于面外退磁能。因而，自由层220'的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z轴)。
[0052]图9描绘了自由层240的示范性实施例，自由层240具有临界切换电流密度梯度、利用自旋转移可切换并且包括多层。自由层240类似于并且可以用于自由层110、110'、110"、200、220和220'中的一个或多个。自由层240包括与非磁性层241、243、245和247交插的磁性层242、244、246、248和250。尽管示出了五个磁性层242、244、246、248和250以及四个非磁性层241、243、245和247，但是可以使用其他数目的磁性层和/或非磁性层。层241、242、243、244、245、246、247、248 和 250 分别类似于层 201/221/221' ,202/222/222'、203/223/223 ' ,204/224/224 ' ,205/225/225 ' ,206/226/226 ' ,207/227/227 '、208/228/228'和210/230/23(V。此外，对于图9没有假定关于基板(未示出)的特定关系。
[0053]在图9所示的实施例中，非磁性层241、243、245和247的厚度随着离非磁性间隔层(没有在图9中示出)的距离增加而增大。在其他实施例中，层241、243、245和247的厚度可以以另外的方式变化。在一些实施例中，用于层241、242、243、244、245、246、247、248和/或250的材料也可以变化。磁性层242、244、246、248和250的厚度基本上保持恒定。由于非磁性层241、243、245和247的厚度变化，层242、244、246、248和250之间的磁耦合可以贯穿自由层240而变化。结果，临界切换电流密度从层242至250减小，使得临界切换电流密度随着离非磁性间隔层(图9中未示出)的距离增加而增大。类似地，磁性层242、224、246,248和250的热稳定性可以随着离非磁性间隔层的距离增加而增加。还注意到，自由层240的垂直磁各向异性能可以大于面外退磁能。因而，自由层240的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z轴)。
[0054]图10描绘了自由层260的示范性实施例，自由层260具有临界切换电流密度的梯度、利用自旋转移可切换并包括多层。自由层260类似于并且可以用于自由层110、110'、110"、200、220、22(V和240中的一个或多个。自由层260包括与非磁性层261、263、265和267交插的磁性层262、264、266、268和270。尽管示出了五个磁性层262、264、266、268和270以及四个非磁性层261、263、265和267，但是可以使用其他数目的磁性层和/或非磁性层。层 261、262、263、264、265、266、267、268 和 270 分别类似于层 201/221/221' /241、202/222/222 ' /242,203/223/223 ' /243,204/224/224 ' /244,205/225/225 ' /245、206/226/226' /246,207/227/227; /247,208/228/228; /248和210/230/230' /250。此夕卜，对于图10没有假定关于基板(未示出)的特定关系。
[0055]在图10所示的实施例中，非磁性层261、263、265和267的厚度随着离非磁性间隔层(没有在图10中示出)的距离增加而增大。此外，磁性层262、264、266、268和270的厚度也随着离非磁性间隔层的距离而改变(例如，随着离非磁性间隔层的距离增加而增大)。在其他实施例中，层261、262、263、264、265、266、267、268和/或270的厚度可以以另外的方式改变。在一些实施例中，也可以改变用于层261、262、263、264、265、266、267、268和/或270的材料。由于层261、262、263、264、265、266、267、268和/或270的厚度变化，所以磁耦合、磁各向异性和/或饱和磁化可以贯穿自由层260而变化。结果，临界切换电流密度从层262至270增大，使得临界切换电流密度随着离非磁性间隔层(图10中未示出)的距离增加而增大。类似地，磁性层262、264、266、268和270的热稳定性可以随着离非磁性间隔层的距离增加而增加。还应注意到，自由层260的垂直磁各向异性能可以大于面外退磁能。因而，自由层260的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z轴)。
[0056]图11示出自由层260'的示范性实施例，自由层260'具有临界切换电流密度的梯度、利用自旋转移可切换并包括多层。自由层260'类似于并且可以用于自由层110、110'、110"、200、220、22(V、240和260中的一个或多个。自由层260'包括与非磁性层 261'、263'、265'和 267'交插的磁性层 262'、264'、266'、268'和 270'。尽管示出了五个磁性层262' ,264/ ,266' ,268'和27(V以及四个非磁性层261' ,263'、265'和267'，但是可以使用其他数目的磁性层和/或非磁性层。层261'、262'、263'、264'、265'、266' ,267' ,268'和 270'分别类似于层 201/221/22广 /241/261、202/222/222 ' /242/262,203/223/223 ' /243/263,204/224/224 ' /244/264、205/225/225 ' /245/265,206/226/226 ' /246/266,207/227/227 ' /247/267、208/228/228' /248/268 和 210/230/230' /250/270。此外，对于图 11 没有假定关于基板(未不出)的特定关系。
[0057]在图11所示的实施例中，磁性层262'、264'、266'、268'和270'的厚度随着离非磁性间隔层(图11中未示出)的距离增加而减小。此外、非磁性层261'、263'、265'和267'的厚度也随着离非磁性间隔层的距离而变化(例如，随着离非磁性间隔层的距离增加而减小)。在其他实施例中，层 261'、262'、263'、264'、265'、266'、267'、268'和/或270'的厚度可以以另外的方式变化。在一些实施例中，用于层261' ,262/、263'、264'、265'、266'、267'、268'和/或270'的材料也可以变化。由于层261'、262'、263'、264'、265'、266'、267'、268'和/或270'的厚度变化，磁耦合、磁各向异性和/或饱和磁化可以贯穿 自由层260'而变化。结果，临界切换电流密度从层262'至270'减小使得临界切换电流密度随着离非磁性间隔层(图11中未示出)的距离增加而增大。类似地，磁性层262'、264' ,266' ,268'和270 '的热稳定性可以随着离非磁性间隔层的距离增加而增加。还注意到，自由层260'的垂直磁各向异性能可以大于面外退磁能。因而，自由层260'的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z轴)。
[0058]图12描绘了自由层300的示范性实施例，自由层300具有临界切换电流密度的梯度、利用自旋转移可切换并且包括多层。然而，对于图12没有假定关于基板(未示出)的特定关系。自由层300类似于并可以用于自由层110、110'、110"、200、220、22(V、240、260和260'中的一个或多个。该自由层300包括与非磁性层301、303、305和307交插的磁性层302、304、306、308和310。尽管示出了五个磁性层302、304、306、308和310以及四个非磁性层301、303、305和307，但是可以使用其他数目的磁性层和/或非磁性层。层301、302、303、304、305、306、307、308 和 310 分别类似于层 201/221/221' /241/261/261'、202/222/222 ' /242/262/262 ' ,203/223/223 ' /243/263/263 '、204/224/224 ' /244/264/264 ' ,205/225/225 ' /245/265/265 ',206/226/226 ' /246/266/266 ' ,207/227/227 ' /247/267/267 '、208/228/228' /248/268/268'和 210/230/230' /250/270/270'。在示出的实施例中，在图12中，层301、302、303、304、305、306、307、308和310的厚度可以以上述方式改变。此外，用于层301、302、303、304、305、306、307、308和310的材料也可以被调整以实现临界切换电流密度的期望梯度和其他的性质。还注意到，自由层300的垂直磁各向异性能可以大于面外退磁能。因而，自由层300的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z轴)。
[0059]此外，自由层300包括磁性插入层320。该磁性插入层320邻接非磁性间隔层(图12中未示出)。在其他实施例中，磁性插入层320可以位于自由层300中的其他地方。还可以使用额外的磁性插入层(未示出)。自由层300还包括位于最近的磁性层302和磁性插入层320之间的非磁性层309。示出的磁性插入层320可以具有比其余的磁性层302、304、306,308和310大的增强的自旋极化。例如，磁性插入层320可以包括具有不超过百分之三十原子百分比的B的CoFeB。在一些实施例中，CoFeB中的B掺杂剂的浓度不超过百分之十。在其他实施例中，磁性插入层320可以由Co或Fe组成。
[0060]在图12所示的实施例中，临界切换电流密度随着离非磁性间隔层(图12中未示出)的距离增加而增大。类似地，自由层300的热稳定性可以随着离非磁性间隔层的距离增加而增加。此外，由于具有高自旋极化的磁性插入层320的存在，自由层300可以表现出增强的切换特性和/或增强的隧穿磁阻。
[0061]图13描绘了自由层300'的示范性实施例，自由层300'具有临界切换电流密度的梯度、利用自旋转移可切换并包括多层。然而，对于图13没有假定关于基板(未示出)的特定关系。自由层300'类似于并可以用于自由层110、110'、110"、200、220、220'、240、260、260'和300中的一个或多个。该自由层300'包括与非磁性层301'、303'、305'和307'交插的磁性层302'、304'、306'、308'和310'。尽管示出了五个磁性层302'、304'、306' ,308'和310'以及四个非磁性层301' ,303' ,305'和307'，但是可以使用其他数目的磁性层和/或非磁性层。层301'、302'、303'、304'、305'、306'、307' 、308'和 310'分别类似于层 201/221/221' /241/261/261' /301、202/222/222 ' /242/262/262 ' /302,203/223/223 ' /243/263/263 ' /303、204/224/224 ' /244/264/264 ' /304 ' ,205/225/225 ' /245/265/265 ' /305、206/226/226 ' /246/266/266 ' /306,207/227/227 ' /247/267/267 ' /307、208/228/228' /248/268/268' /308 和 210/230/230' /250/270/270' /310。在示出的实施例中，在图 13 中，层 301'、302'、303'、304'、305'、306'、307'、308'和 310'的厚度可以以上述方式改变。此外，用于层30P ,302/ ,303' ,304/、305^、306^ ,307/、308'和310'的材料也可以被调整以实现临界切换电流密度的期望梯度和其他性质。还注意到，自由层300'的垂直磁各向异性能可以大于面外退磁能。因而，自由层300'的磁矩可以垂直于平面(即基本上沿z轴)。
[0062]此外，自由层300'包括类似于磁性插入层320的磁性插入层320'。磁性插入层320'邻接非磁性间隔层(图13中未示出)。在其他实施例中，磁性插入层320'可以位于自由层300'中的其他地方。还可以使用额外的磁性插入层(未示出)。示出的磁性插入层320'可以具有比其余的磁性层302'、304'、306'、308'和310'大的增强的自旋极化。例如，磁性插入层320'可以包括具有不超过百分之十原子百分比的B的CoFeB。在其他实施例中，磁性插入层320'可以由Co或Fe组成。
[0063]在图13所示的实施例中，临界切换电流密度随着离非磁性间隔层(图13中未示出)的距离增加而增大。类似地，自由层300'的热稳定性可以随着离非磁性间隔层的距离增加而增加。此外，由于具有高自旋极化的磁性插入层320'的存在，自由层300'可以表现出增强的切换特性和/或增强的隧穿磁阻。
[0064]因此，自由层110、110' UlO77 ,200,220,220;、240、260、260 '、300 和 300'中的一个或多个可以用于磁性结诸如磁性结100、10(V和100"中。由于自由层的部分之间的临界切换电流密度的梯度和铁磁耦合，所以可以减小自由层110、110、110"、200、220、220'、240、260、260'、300和/或300'的总切换电流密度。此外，自由层110、110 '、110"、200、220、220'、240、260、260 '、300和/或300'保持热稳定。因此，尽管自由层110,110,11(^,200,220,220'、240、260、260'、300 和/ 或 300'的一部分可以具有较高的切换电流(其一般是不期望的)，但是自由层110、110、110"、200、220、220,、240、260、260/ ,300和/或300'的部分/层之间的铁磁耦合和临界切换电流密度的组合导致较低的总切换电流，其否则对于热稳定的自由层不能实现。因此，可以改善磁性结100、100'和/或100"的性能。
[0065]此外，磁性结100、100'和/或 100"以及自由层 110、110 '、110 "、200、220、220'、240、260、260'、300和/或300'可以用于磁存储器中。图14描绘了一个这样的存储器400的示范性实施例。磁存储器400包括读/写列选择驱动器402和406以及字线选择驱动器404。应注意，可以提供其他的和/或不同的组件。存储器400的存储区包括磁存储单元410。每个磁存储单元包括至少一个磁性结412和至少一个选择器件414。在一些实施例中，选择器件414是晶体管。磁性结412可以包括磁性结100、100'和/或100"以及自由层 110、110' UlO77 ,200,220,220/、240、260、260,、300 和 / 或 300'中的一个或多个。尽管每一单元410示出一个磁性结412，但是在其他实施例中，每一单元可以提供其他数目的磁性结412。
[0066]由于磁存储器400利用磁性结100、100'和/或100 "以及自由层110、110 '、110"、200、220 、220'、240、260、260'、300和/或300'，所以可以改善性能。具体地，可
以使用较低的切换电流同时保持存储器400的热稳定性。
[0067]图15描绘了用于制造磁性结诸如磁性结100、100'和/或100"的方法500的示范性实施例。为简单起见，一些步骤可以被省略、组合和/或插入。方法500在磁性结100的背景下描述。然而，方法500可以用于其他磁性结诸如结100'和/或100"。此外，方法500可以被并入到磁存储器的制造中。因此方法500可以用于制造STT-MRAM 400或其他磁存储器。方法500还可以包括提供可选的籽层、可选的盖层以及可选的钉扎层(未示出)。
[0068]经由步骤502提供自由层110。步骤502可以包括在自由层110的期望厚度处沉积期望的材料。更具体地说，所提供的自由层具有期望的临界切换电流密度的梯度。在步骤 502 中，层 110、110' UlO77 ,200,220,220;、240、260、260'、300 和/ 或 300'被制造。步骤 502 可以包括利用层 110、110' UlO77 ,200,220,220 ;、240、260、260 '、300 和 / 或300;中的一个或多个提供SAF。经由步骤504提供非磁性间隔层120。步骤504可以包括沉积期望的非磁性材料，包括但不限于结晶MgO。此外，期望厚度的材料可以在步骤504中沉积。
[0069]经由步骤506提供被钉扎层130。步骤506可以包括在被钉扎层130的期望厚度处沉积期望的材料。此外，步骤506可以包括提供SAF。
[0070]经由步骤508完成制造。在一些实施例中，步骤508包括制造额外的间隔层诸如层140以及额外的被钉扎层诸如层150。可选的盖层和/或其他层也可以在步骤508中沉积。因此，利用方法500，可以实现磁性结100、100'和/或100"以及自由层110、110'、110"、200、220、220'、240、260、260'、300 和 / 或 300'的益处。
[0071]已经描述了用于提供具有临界切换电流梯度的自由层、利用这样的自由层的磁性结以及利用该磁性结制造的存储器的方法和系统。该方法和系统已经根据示出的示范性实施例描述，本领域普通技术人员将容易认识到可以对实施例进行改变，任何改变将在该方法和系统的精神和范围内。因此，本领域普通技术人员可以进行许多修改而不背离权利要求书的精神和范围。
【权利要求】
1.一种用于磁性器件的磁性结，包括: 被钉扎层； 非磁性间隔层；和 自由层，具有临界切换电流密度的梯度使得所述自由层的第一部分的第一临界切换电流密度比所述自由层的第二部分的第二临界切换电流密度小，该第二部分比所述第一部分更远离所述非磁性间隔层； 其中所述磁性结配置为使得当写电流经过所述磁性结时所述自由层可在多个稳定的磁性状态之间切换。
2.如权利要求1所述的磁性结，其中所述自由层包括多个磁性层，该多个磁性层的第一层对应于所述自由层的所述第一部分，该多个磁性层的第二层对应于所述自由层的所述第二部分，所述第二层比所述第一层离所述非磁性间隔层更远。
3.如权利要求2所述的磁性结，其中所述多个磁性层具有热稳定性梯度使得所述第一层的第一热稳定性低于所述第二层的第二热稳定性，该第二层比所述第一层离所述非磁性间隔层更远。
4.如权利要求2所述的磁性结，其中所述临界切换电流密度的梯度对应于磁各向异性的各向异性梯度，使得所述第一层的第一磁各向异性低于所述第二层的第二磁各向异性，所述第二层比所述第一层离所述非磁性间隔层更远。
5.如权利要求2所述的磁性结，其中所述临界切换电流密度的梯度对应于饱和磁化的磁梯度，使得所述第一层的第一饱和磁化小于所述第二层的第二饱和磁化，所述第二层比所述第一层离所述非磁性间隔层更远。
6.如权利要求2所述的磁性结，其中所述临界切换电流密度的梯度对应于磁各向异性的各向异性梯度和饱和磁化的磁梯度。
7.如权利要求6所述的磁性结，其中所述各向异性梯度使得所述第一层的第一磁各向异性低于比所述第一层离所述非磁性间隔层更远的第二层的第二磁各向异性，所述第一层的第一饱和磁化低于比所述第一层离非磁性间隔层更远的所述第二层的第二饱和磁化。
8.如权利要求2所述的磁性结，其中所述自由层具有垂直磁各向异性能和面外退磁能，该垂直磁各向异性能大于该面外退磁能。
9.如权利要求2所述的磁性结，其中所述多个磁性层具有多个厚度，所述第一层具有第一厚度，所述第二层具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
10.如权利要求2所述的磁性结，其中所述多个磁性层具有多个组分。
11.如权利要求2所述的磁性结，其中所述自由层还包括与所述多个磁性层交插的多个非磁性层。
12.如权利要求11所述的磁性结,其中所述多个非磁性层包括Pd、Pt、B1、Tb中的至少一种。
13.如权利要求11所述的磁性结，其中所述多个非磁性层具有恒定的厚度，以及其中所述多个磁性层具有多个厚度，所述第一层具有第一厚度，所述第二层具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度。
14.如权利要求11所述的磁性结，其中所述多个非磁性层具恒定的厚度，以及其中所述多个磁性层具有多个厚度，所述第一层具有第一厚度，所述第二层具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
15.如权利要求11所述的磁性结，其中所述多个磁性层具有恒定的厚度，以及其中所述多个非磁性层具有多个厚度，所述多个非磁性层的第一非磁性层比所述多个非磁性层的第二非磁性层更靠近所述非磁性间隔层，所述第一非磁性层具有第一厚度，所述第二非磁性层具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度。
16.如权利要求11所述的磁性结,其中所述多个磁性层包括Co、Fe和Ni中的至少一种。
17.如权利要求11所述的磁性结，其中所述自由层还包括: 磁性插入层，由Co、Fe、CoFe> FeB、CoB和CoFeB中的至少一种构成。
18.如权利要求17所述的磁性结，其中所述磁性插入层邻接所述非磁性间隔层。
19.如权利要求2所述的磁性结，还包括: 额外的非磁性间隔层，所述自由层在所述非磁性间隔层和所述额外的非磁性间隔层之间；和 额外的被钉扎层，所述额外的非磁性间隔层在所述自由层和所述额外的被钉扎层之间； 其中所述自由层中的所述多个磁性层包括第三层，该第三层具有比所述多个磁性层的所述第二层的所述第二临界切换电流密度小的第三临界切换电流密度，该第三层比所述第二层更靠近所述额外的非磁性间隔 层。
20.如权利要求1所述的磁性结，其中所述自由层包括具有至少一种铁磁材料和至少一种额外材料的合金，所述至少一种铁磁材料至少具有第一浓度梯度，所述至少一种额外材料至少具有第二浓度梯度，使得所述自由层具有临界切换电流密度的梯度。
21.—种磁存储器,包括: 多个磁存储单元，所述多个磁存储单元中的每个包括至少一个磁性结，所述至少一个磁性结包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层，所述自由层具有临界切换电流密度的梯度使得所述自由层的第一部分的第一临界切换电流密度比所述自由层的第二部分的第二临界切换电流密度小，该第二部分比所述第一部分更远离所述非磁性间隔层，所述磁性结配置为使得当写电流经过所述磁性结时所述自由层可在多个稳定的磁性状态之间切换；和多条位线。
22.如权利要求21所述的磁存储器，其中所述自由层包括多个磁性层，该多个磁性层的第一层对应于所述自由层的所述第一部分，该多个磁性层的第二层对应于所述自由层的第二部分，所述第二层比所述第一层远离所述非磁性间隔层。
23.如权利要求22所述的磁存储器，其中所述多个磁性层具有热稳定性梯度使得所述第一层的第一热稳定性低于所述第二层的第二热稳定性，该第二层比所述第一层远离所述非磁性间隔层。
24.如权利要求22所述的磁存储器，其中所述临界切换电流密度的梯度对应于磁各向异性的各向异性梯度，使得所述第一层的第一磁各向异性低于所述第二层的第二磁各向异性，所述第二层比所述第一层远离所述非磁性间隔层。
25.如权利要求22所述的磁存储器，其中所述临界切换电流密度的梯度对应于饱和磁化的磁梯度，使得所述第一层的第一饱和磁化小于所述第二层的第二饱和磁化，所述第二层比所述第一层远离所述非磁性间隔层。
26.如权利要求22所述的磁存储器，其中所述临界切换电流密度的梯度对应于磁各向异性的各向异性梯度和饱和磁化的磁梯度。
27.如权利要求22所述的磁存储器，其中所述自由层具有垂直磁各向异性能和面外退磁能，该垂直磁各向异性能大于该面外退磁能。
28.如权利要求22所述的磁存储器，其中所述多个磁性层具有多个厚度，所述第一层具有第一厚度，所述第二层具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
29.如权利要求22所述的磁存储器，其中所述多个磁性层具有多种组分。
30.如权利要求22所述的磁存储器，其中所述自由层还包括与所述多个磁性层交插的多个非磁性层。
31.如权利要求30所述的磁存储器，其中所述多个非磁性层包括Pd、Pt、B1、Tb中的至少一种。
32.如权利要求30所述的磁存储器，其中所述多个非磁性层具有恒定的厚度，以及其中所述多个磁性层具有多个厚度，所述第一层具有第一厚度，所述第二层具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度。
33.如权利要求30所述的磁存储器，其中所述多个非磁性层具有恒定的厚度，以及其中所述多个磁性层具有多个厚度，所述第一层具有第一厚度，所述第二层具有第二厚度，所述第一厚度大于所述第二厚度。
34.如权利要求30所述的磁存储器，其中所述多个磁性层具有恒定的厚度，以及其中所述多个非磁性层具有多个厚度，所述多个非磁性层的第一非磁性层比所述多个非磁性层的第二非磁性层更靠近所述非·磁性间隔层，所述第一非磁性层具有第一厚度，所述第二非磁性层具有第二厚度，所述第一厚度小于所述第二厚度。
35.如权利要求30所述的磁存储器，其中所述自由层还包括: 磁性插入层，由Co、Fe、CoFe> FeB、CoB和CoFeB中的至少一种构成。
36.如权利要求22所述的磁存储器，其中所述至少一个磁性结还包括: 额外的非磁性间隔层，所述自由层在所述非磁性间隔层和所述额外的非磁性间隔层之间；和 额外的被钉扎层，所述额外的非磁性间隔层在所述自由层和所述额外的被钉扎层之间； 其中所述自由层中的所述多个磁性层包括第三层，该第三层具有比所述多个磁性层的所述第二层的第二临界切换电流密度小的第三临界切换电流密度，该第三层比所述第二层更靠近所述额外的非磁性间隔层。
37.如权利要求21所述的磁存储器，其中所述自由层包括具有至少一种铁磁材料和至少一种额外材料的合金，所述至少一种铁磁材料至少具有第一浓度梯度，所述至少一种额外材料至少具有第二浓度梯度，使得所述自由层具有临界切换电流密度的梯度。
38.一种提供用于磁性器件中的磁性结的方法，包括: 提供被钉扎层； 提供非磁性间隔层；和 提供自由层，该自由层具有临界切换电流密度的梯度使得所述自由层的第一部分的第一临界切换电流密度比所述自由层的第二部分的第二临界切换电流密度小，该第二部分比所述第一部分远离所述非磁性间隔层， 其中所述磁性结配置为使得当写电流经过所述磁性结时所述自由层可在多个稳定的磁性状态之间切换。
39.如权利要求38所述的方法，其中所述自由层包括多个磁性层，该多个磁性层的第一层对应于所述自由层的所述第一部分，该多个磁性层的第二层对应于所述自由层的第二部分，所述第二层比所述第一层远离所述非磁性间隔层。
40.如权利要求38所述的方法，其中所述自由层包括具有至少一种铁磁材料和至少一种额外材料的合金，所述至少一种铁磁材料至少具有第一浓度梯度，所述至少一种额外材料至少具有第二浓度梯度，使得所述自由层具有临界切换电流密度的梯度。
41.如权利要求40所述的方法，其中提供所述自由层的步骤还包括: 从多个溅射靶共同地溅射所述至少一种磁性材料和所述至少一种额外材料。
42.如权利要求40所述的方法，其中提供所述自由层的步骤还包括: 沉积所述自由层；和 在沉积所述自由层的步骤之后，对所述自由层退火。
43.如权利要求42所述的方法，其中对所述自由层退火的步骤还包括: 在原位对所述自由层退火。
44.如权 利要求42所述的方法，其中对所述自由层退火的步骤还包括:在非原位对所述自由层退火。
【文档编号】G11C11/16GK103855297SQ201310644182
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年12月3日 优先权日:2012年12月3日
【发明者】D.阿帕尔科夫, V.尼基丁, M.T.克朗比 申请人:三星电子株式会社