CN109427963B - 磁性结、磁性存储器和提供磁性结的方法 - Google Patents

磁性结、磁性存储器和提供磁性结的方法 Download PDF

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Abstract

描述了磁性结、使用磁性结的存储器和用于提供磁性结的方法。磁性结驻留在基板上，并且在磁性器件中能够使用。磁性结包括参考层、非磁性间隔物层和与自由层相邻的含M氧化物层。M包括Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。当写电流通过磁性结时，自由层可在多个稳定磁性状态之间切换。非磁性间隔物层在参考层于自由层之间。自由层在非磁性间隔物层与含M氧化物层之间。

Description

磁性结、磁性存储器和提供磁性结的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月28日提交的题为“TITANIUM OXIDE CAPPING LAYER FORA FREE LAYER IN PERPENDICULAR AGNETIC JUNCTIONS(垂直磁性结中自由层的氧化钛盖层)”的美国临时专利申请No.62/551,175和2017年10月18日提交的题为“TITANIUM OXIDECAPPING LAYER FOR A FREE LAYER IN PERPENDICULAR MAGNETIC JUNCTION(垂直磁性结中自由层的氧化钛盖层)”的美国专利申请No.15/787,524的权益，其通过引用并入本文中。
技术领域
本申请涉及一种磁性结、磁性存储器和提供磁性结的方法。
背景技术
磁性存储器，特别是磁随机存取存储器(MRAM)，由于它们具有高读/写速度、优异的耐久性、非易失性和在操作期间的低功耗的潜力而引来越来越多的兴趣。MRAM可以存储利用磁性材料作为信息记录介质的信息。一种类型的MRAM是自旋转移力矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用至少部分由通过磁性结驱动的电流写入的磁性结。通过磁性结驱动的自旋极化电流对磁性结中的磁矩施加自旋力矩。结果，具有响应于自旋力矩的磁矩的层可以切换到期望的状态。
例如，常规的磁隧道结(MTJ)可以用于常规STT-MRAM中。常规的MTJ通常驻留在基板上。MTJ使用籽晶层，可以包括盖层，并且可以包括反铁磁(AFM)层以固定参考层的磁化。常规的MTJ包括参考层、自由层以及在钉扎层和自由层之间的隧穿势垒层。MTJ下方的底部触点和MTJ上的顶部触点可以用于沿电流垂直于平面(CPP)方向驱动通过MTJ的电流。参考层和自由层是磁性的。参考层的磁化在特定方向上是固定的或钉扎的。自由层具有可变的磁化。自由层和参考层可以是单层或包括多层。
为了切换自由层的磁化，沿CPP方向驱动电流。当足够的电流从顶部触点驱动到底部触点时，自由层的磁化可以切换为平行于底部参考层的磁化。当足够的电流从底部触点驱动到顶部触点时，自由层的磁化可以切换成与底部参考层的磁化反平行。磁配置的差异对应于不同的磁阻并因此对应于常规MTJ的不同逻辑状态(例如，逻辑“0”和逻辑“1”)。
由于其用在各种应用中的潜力，磁性存储器的研究正在进行中。例如，为了提高写入效率和数据保持率，可能需要低切换电流、足够的热稳定性和高垂直磁各向异性。期望这些性质存在于最终器件的磁性结中。因此，所需要的是一种可以提高基于自旋转移力矩的存储器和使用这种存储器的电子设备的性能的方法和***。本文描述的方法和***解决了这种需求。
发明内容
描述了磁性结、使用磁性结的存储器和提供磁性结的方法。磁性结驻留在基板上，在磁性器件中能够使用。磁性结包括参考层、非磁性间隔物层和与自由层相邻的含M氧化物层。M包括Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。当写电流通过磁性结时，自由层能够在多个稳定磁性状态之间切换。非磁性间隔物层在参考层于自由层之间。自由层在非磁性间隔物层与含M氧化物层之间。
磁性结可以具有在高温退火之后的改善的耐退化性。因此，可以提高性能。
附图说明
图1A-1B描绘了在磁性存储器中能够使用的磁性结的示例性实施例，该磁性结可使用自旋转移力矩进行编程并且包括至少一个含M氧化物层。
图2A-2B描绘了在磁性存储器中能够使用的另一磁性结的示例性实施例，该磁性结可使用自旋转移力矩进行编程并且包括至少一个含M氧化物层。
图3A-3B描绘了在磁性存储器中能够使用的另一磁性结的示例性实施例，该磁性结可使用自旋转移力矩进行编程并且包括至少一个含M氧化物层。
图4A-4B描绘了在磁性存储器中能够使用的另一磁性结的示例性实施例，该磁性结可使用自旋转移力矩进行编程并且包括至少一个含M氧化物层。
图5描绘了在磁性存储器中能够使用的磁性结的另一示例性实施例，该磁性结可使用自旋转移力矩进行编程并且包括至少一个含M氧化物层。
图6描绘了利用存储单元的存储器元件中的磁性结的存储器的示例性实施例。
图7是描绘提供在磁性存储器中能够使用的磁性结的方法的示例性实施例的流程图，该磁性结可使用自旋转移力矩进行编程并且包括至少一个含M氧化物层。
图8是描绘在磁性结中提供含M氧化物层的方法的另一示例性实施例的流程图，该磁性结在磁性存储器中能够使用且可使用自旋转移力矩进行编程。
图9是描绘在磁性结中提供含M氧化物层的方法的另一示例性实施例的流程图，该磁性结在磁性存储器中能够使用且可使用自旋转移力矩进行编程。
图10是描绘在磁性结中提供含M氧化物层的方法的另一示例性实施例的流程图，该磁性结在磁性存储器中能够使用且可使用自旋转移力矩进行编程。
具体实施方式
示例性实施例涉及在诸如磁性存储器等磁性器件中能够使用的磁性结以及使用这种磁性结的器件。磁性存储器可以包括自旋转移力矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)，并且可以使用在采用非易失性存储器的电子设备中。这样的电子设备包括但不限于蜂窝电话、智能电话、台式机、膝上型计算机和其他便携式和非便携式计算设备。给出以下描述以使得本领域普通技术人员之一能够制作和使用本发明，并且所述描述在专利申请和其要求的上下文中提供。对本文描述的示例性实施例和一般原理和特征的各种修改将是容易显而易见的。主要根据在特定实现中提供的特定方法和***来描述示例性实施例。但是，这些方法和***将在其他实现中有效地操作。诸如“示例性实施例”、“一个实施例”和“另一个实施例”等短语可以指代相同或不同的实施例以及多个实施例。将针对具有特定组件的***和/或设备来描述实施例。然而，***和/或设备可以包括比所示的更多或更少的组件，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下改变组件的布置和类型。还将在具有特定步骤的特定方法的上下文中描述示例性实施例。然而，该方法和***对于具有与示例性实施例不矛盾的不同顺序的步骤和不同和/或附加步骤的其他方法有效地操作因此，本公开并非意在限于所示实施例，而应赋予与本文描述的原理和特征一致的最宽范围。
描述了磁性结、使用磁性结的存储器和用于提供磁性结的方法。磁性结驻留在基板上，并在磁性器件中能够使用。磁性结包括参考层、非磁性间隔物层和与自由层相邻的至少一个含M氧化物层。M包括Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。当写电流通过磁性结时，自由层能够在多个稳定磁性状态之间切换。非磁性间隔物层在参考层与自由层之间。自由层在非磁性间隔物层与含M氧化物层之间。
示例性实施例在特定方法、磁性结和具有特定组件的磁性存储器的上下文中进行描述。本领域的普通技术人员之一将容易认识到，本发明与使用具有与本发明不矛盾的其他和/或附加组件和/或其他特征的磁性结和磁性存储器是一致的。该方法和***还在当前对自旋转移现象、磁各向异性和其他物理现象的理解的上下文中进行描述。因此，本领域的普通技术人员之一将容易认识到，基于对自旋转移、磁各向异性和其他物理现象的这种当前理解，进行对方法和***的行为的理论解释。然而，本文描述的方法和***不依赖于特定的物理解释。本领域普通技术人员之一还将容易认识到，该方法和***在与基板具有特定关系的结构的上下文中进行描述。本领域的普通技术人员之一将容易认识到，该方法和***与其他结构一致。另外，该方法和***在合成和/或简单的某些层的上下文中进行描述。然而，本领域的普通技术人员之一将容易认识到，这些层可以具有另一种结构。此外，该方法和***在具有特定层的磁性结和/或子结构的上下文中进行描述。本领域的普通技术人员之一将容易认识到，也可以使用具有与该方法和***不矛盾的附加和/或不同层的磁性结和/或子结构。而且，某些组件被描述为磁性、铁磁性和亚铁磁性。如本文所使用的，术语磁性可以包括铁磁性，亚铁磁性或类似结构。因此，如本文所使用的，术语“磁性”或“铁磁性”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。如本文所用，“平面内”基本上在磁性结的一个或多个层的平面内或与磁性结的一个或多个层的平面平行。相反，“垂直”和“垂直于平面”对应于基本上垂直于磁性结的一个或多个层的方向。该方法和***也在某些合金的上下文中进行描述。除非另有说明，否则如果没有提及合金的特定浓度，则可以使用与方法和***不矛盾的任何化学计量。
图1A和1B描绘了在磁性存储器中能够使用的磁性结100A和磁性结100A′的示例性实施例，可使用自旋转移力矩进行编程并且包括含至少一种金属“M”的氧化物，其中M为Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。为了清楚起见，图1A和1B没有按比例绘制，并且并非所有组件示出。磁性结100A和100A′可以用在诸如自旋转移力矩磁随机存取存储器(STT-MRAM)等磁性器件中，并因此用在各种电子设备中。
参考图1A，磁性结100A可以包括具有磁矩111的参考层110、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130和含M氧化物层140A。还示出了可选的籽晶层102和盖层104。其上形成有磁性结100A的基板101驻留在籽晶层下方并且为了清楚起见而示出。未示出但可以形成底部触点和顶部触点。可以存在诸如极化增强层(PEL)、耦合层和反铁磁(AFM)或其他层之类的其他层。然而，为了简单起见，这些层在图1中未示出。
从图1A中可以看出，磁性结100A具有最靠近基板101的参考层110。磁性结100A是底部钉扎的磁性结。在另一个实施例中，层110、120、130和140A可以颠倒。在这样的实施例中，磁性结将是顶部钉扎的磁性结。可选的钉扎层(pinning layer)(图1中未示出)可用于固定参考层110的磁化，特别是在参考层110的磁矩111处于平面内的情况下。在一些实施例中，可选的钉扎层可以是通过交换-偏置相互作用来钉扎磁化的AFM层或多层。然而，在其他实施例中，可选的钉扎层可以被省略或者可以使用其他结构。在所示的实施例中，参考层110的磁矩111由参考层110的磁各向异性钉扎。此外，层110、120、130和140A中的一个或多个可以是多层。
自由层130和参考层110均具有高的垂直磁各向异性(PMA)。因此，垂直磁各向异性能量超过层110和130中的每一个的平面外退磁能量。这样的配置允许自由层130和参考层110的磁矩111和131在平面外稳定。在其他实施例中，层110和/或130可以不具有高PMA。在这样的实施例中，磁矩111和/或131可以是平面内稳定的。
磁性结100A还被配置为当写电流通过磁性结100A时允许自由层磁矩131在稳定磁状态之间切换。因此，当沿电流垂直于平面(CPP)方向驱动写电流通过磁性结100A时，自由层130利用自旋转移力矩可切换。通过驱动读电流通过磁性结100A可以读取自由层130的磁矩131的方向。
参考层110具有大于参考层平面外退磁能量的PMA能量。因此，力矩111是垂直于平面稳定的。在替代实施例中，磁矩111可以是平面内稳定的。参考层110被示出为仅单层。然而，在其他实施例中，参考层110可以是多层。例如，参考层110可能是包括多个磁性耦合铁磁层的合成反铁磁体(SAF)，所述磁性耦合铁磁层夹在非磁性层(例如，Ru)当中并与其交错。一个这样的参考层在图1B中示出。参考层110可以包括一个或多个高垂直各向异性(Hk)多层。例如，参考层110可以是Co/Pt多层。可以使用具有其他结构和/或使用其他材料的其他参考层。
非磁性间隔物层120可以是隧穿势垒层。例如，非磁间隔物120可以是具有取向的结晶MgO隧穿势垒。这种非磁性间隔物层120不仅可以增强磁性结100A的TMR，还可以增加自由层130的PMA。结晶MgO隧穿势垒层120可以具有至少八埃且不超过十五埃的厚度。例如，结晶MgO隧穿势垒层120可以名义上为至少十埃且不超过十二埃厚。非磁性间隔物层120也可以被认为是用作自由层130的籽晶层。在一个替代实施例中，非磁性间隔物层120可以具有包括但不限于导电层的另一种结构。
自由层130可具有高PMA。因此，自由层130具有大于参考层平面外退磁能量的PMA能量。因此，力矩131是垂直于平面稳定的。在备选实施例中，磁矩131可以是平面内稳定的。自由层被示出为仅单层。然而，在其他实施例中，自由层130可以是多层。例如，自由层130可以是SAF或其他多层。在一些实施例中，自由层可以包括Fe层、CoFeB层和/或CoFeNiB层，或者由Fe层、CoFeB层和/或CoFeNiB层构成。在其他实施例中可以使用其他或附加的合金和/或多层。上面列出的合金指的是那些含有所述元素的合金，但是未指定化学计量。例如，CoFeB是指包括Co、Fe和B的混合物，但其中组分之间的比率没有指定。CoFeB可以是(CoFe)1-yBy，其中0≤y＜1。在一些实施例中，CoFeB包括至少10原子百分比且不超过60原子百分比的B(即，y为至少0.1且不超过0.6)。在一些这样的实施例中，CoFeB包括不超过40原子百分比的B和至少20原子百分比的B(即，0.2≤y≤0.4)。类似地，CoFeNiB层是指具有(CoFeNi)1-yBy的层，其中0≤y＜1。这种CoFeNiB可以具有与CoFeB层相似的B浓度。例如，CoFeNiB层可以具有至少20原子百分比并且不超过40原子百分比的B。此外，可以在自由层130中使用其他和/或不同的层和/或材料。
含M氧化物层140A与自由层130相邻。M包括Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。因此，含M氧化物层140A是也包括一种或多种上述材料的氧化物。在一些实施例中，含M氧化物层140A与自由层130共享界面或与其邻接。在其他实施例中，另一层(未示出)可以在自由层130和含M氧化物层140A之间。对于其中非磁性间隔物层120是隧穿势垒层的实施例，含M氧化物层140A通常比非磁性间隔物层120更薄。含M氧化物层140A可以标称为隧穿势垒层厚度的一半。含M氧化物层140A可以是至少3埃厚并且不超过10埃厚。在一些实施例中，含M氧化物层140A可以是至少4埃且不超过8埃厚。在一些这样的实施例中，含M氧化物层140A可以是至少5埃厚并且不超过6埃厚。在其他实施例中，其他厚度也是可能的。
含M氧化物层140A可以包括镁和M。含M氧化物层140A可以包括[MgMx]Oy，其中x不大于3，y不大于5并且M为如上所述的Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。例如，如果使用Ti，则MgTi可以是至少2原子百分比的Ti和不多于10原子百分比的Ti。其他化学计量是可能的。含M氧化物层140A可以通过沉积金属层并进行氧化物处理来形成。在一些这样的实施例中，可以在沉积金属层之后并且在氧化物处理之前执行等离子体处理。在其他实施例中，含M氧化物层140A可以被射频(RF)溅射。
含M氧化物层140A可以改善自由层130的性能，特别是对于MgMxOy，其中x≤3且y≤5。例如，含Mg和含M氧化物层140A可以增加自由层130的PMA和/或减小自由层140的切换电流的量值。含M氧化物层140A有助于自由层130对较高温度的退火较不敏感。这特别适用于MgMxOy(其中，x≤3且y≤5)氧化物层140A。例如，自由层130可以表征为矫顽力、热稳定性系数和写入效率。作为这些磁性质中的一种或多种的附加或替代，其它磁性质可以是令人感兴趣的。铁磁层的磁热稳定性系数由以下公式给出：Δ＝KuV/kBT，其中，Ku是该层的磁各向异性密度，kb是玻尔兹曼常数，T是以开尔文为单位的温度，V是磁性层的体积。为了使自由层130热稳定，自由层130的磁热稳定性系数Δfree layer通常期望在非编程操作温度或诸如室温处和室温左右的待机温度下为至少60。在不存在含M氧化物层的情况下，如果自由层在至少四百摄氏度的退火温度下经历高温退火，则自由层的磁热稳定性常数可能降低。例如，如果使用MgO层代替含M氧化物层，则由于MgO层的存在而获得的高自由层PMA可能在这种退火之后减少或损失。类似地，如果自由层在至少四百摄氏度的退火温度下经历高温退火并且自由层不与含M氧化物层相邻，则矫顽力和/或写入效率也可能降低。相反，如果存在含M氧化物层140A，则对于在高达四百摄氏度的温度下的退火，自由层130的磁热稳定性常数、矫顽力和/或写入效率可以降低不超过5％。在一些实施例中，如果存在含M氧化物层140A，则对于在高达四百五十摄氏度的温度下的退火，自由层130的磁热稳定性常数、矫顽力和/或写入效率可以降低不超过5％。在一些实施例中，对于在不超过四百摄氏度的温度下的退火，自由层130的磁热稳定性常数可能增加。
具有含M氧化物层140A的磁性结100A可以具有改善的性能。含Mg和含M氧化物层140A可以改善自由层130的PMA和切换特性。切换电流的这种降低还可以改善性能的其他方面，例如切换速度。如上所讨论的M的包含有助于在较高温度退火期间保持自由层130的期望的磁特性。作为诸如磁性存储器之类的磁性器件的后端处理的一部分，期望更高温度的退火。例如，半导体器件经常在高达四百摄氏度的温度下经历退火。如果在与含M氧化物层140A占据相同位置的氧化物层中不存在M，则经历这种退火的自由层130/磁性结100A可能遭受诸如磁热稳定性常数、矫顽力和/或写入效率等特性的退化。相反，在存在含M氧化物层140A时，特别是如果Mg也存在的话，这些特性在相同的温度范围内可以不过度地遭受退火。因此，用于制造半导体器件的工艺可用于制造包括磁性结100A的MRAM，而基本上不会不利地影响磁性结100A的性能。磁性结100A可以更容易并且更好地结合到电子设备中。
图1B描绘了磁性结100A′。为了清楚起见，图1B没有按比例绘制，并且并非所有组件都示出。磁性结100A′类似于图1A的磁性结100A。因此，类似的组件具有类似的标签。磁性结100A’包括参考层110′、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130和含M氧化物层140A，其分别类似于图1A的参考层110、非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140A。M包括如上所述的Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。还示出了可选的籽晶层102和盖层104以及基板101。
用于磁性结100A′中的非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140A的结构、功能和材料类似于图1A的磁性结100A中使用的那些的结构、功能和材料。例如，含M氧化物层140A可以包括在上述厚度中的MgMxOy，x≤3且y≤5。类似地，自由层130可以是单层或多层并且可以使用自旋转移来写入。
参考层110′明确地示出为SAF。因此，参考层110′包括由非磁性间隔物层114分开的两个铁磁层112和116。铁磁层112和116分别具有磁矩113和115。间隔物层114调节铁磁层112和116之间的磁耦合，并且可以包括诸如Ru之类的材料。在所示的实施例中，间隔物层114的厚度使得铁磁层112和116例如经由Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)耦合被反铁磁耦合。因此，磁矩113和115是反平行的。尽管在图1B中显示为单层，但铁磁层112和116中的一个或两者可以是多层。尽管仅示出了两个铁磁层112和116以及一个间隔物层114，但可以存在更多的层。例如，可以使用与两个间隔物层交错的三个铁磁层。铁磁层112和116均具有大于参考层平面外退磁能量的PMA能量。因此，力矩113和115是垂直于平面稳定的。
磁性结100A’共享图1A的磁性结100A的益处。尽管使用较高温度的退火，具有含M氧化物层140A的磁性结100A′可以具有改善的性能。含Mg和含M氧化物层140A可以改善PMA、矫顽力、热稳定性常数和写入效率。此外，由于包含M，这些特性在高达四百摄氏度或更高的退火后可以不过度退化。例如，尽管磁性结100A′在高达四百摄氏度或高达四百五十摄氏度的温度下退火，但磁热稳定性常数、矫顽力和写入效率可以退化不超过百分之五。因此，例如在半导体器件中使用的那些的工艺可以是包括磁性结100A′的磁性器件(例如STT-MRAM)的制造的一部分。因此，磁性结100A′可以更容易并且更好地结合到电子设备中，而其性能不过度地受到不利影响。
图2A描绘了磁性器件中的磁性结100B的另一示例性实施例，所述磁性器件例如是使用自旋转移力矩可编程的磁性存储器。为了清楚起见，图2A没有按比例绘制，并且并非所有组件都可以显示。磁性结100B类似于图1A的磁性结100A和/或图1B的磁性结100A′。因此，类似的组件具有类似的标签。磁性结100B是顶部钉扎磁性结，其包括参考层110、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130和含M氧化物层140A，其分别类似于图1A和1B的参考层110、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130和含M氧化物层140A。M包括如上所述的Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。还示出了可选的籽晶层102和盖层104以及基板101。
用于磁性结100B中的参考层110、非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140B的结构、功能和材料类似于用于图1A或图1B的磁性结100A和100A′中的参考层110/110′、非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140A的结构、功能和材料。例如，含M氧化物层140B可以包括上文关于图1A和1B的含M氧化物层140A描述的厚度的MgMxOy。类似地，自由层130可以是单层或多层并且可以使用自旋转移来写入。然而，在图2A中已经改变了层相对于基板101的顺序。磁性结100B是顶部钉扎的磁性结，而图1A和1B的磁性结100A和100A′是底部钉扎的磁性结。
磁性结100B可以共享磁性结100A和/或100A′的益处。尽管使用较高温度的退火，具有含M氧化物层140B的磁性结100B可以具有改善的性能。含Mg和含M氧化物层140B可以改善PMA、矫顽力、热稳定性常数和写入效率。此外，由于包含M，在退火温度高达四百摄氏度，高达四百五十摄氏度或者在一些实施例中更高温度的退火之后，这些特性可以不退化超过百分之五。因此，例如在半导体器件中使用的那些的工艺可以是包括磁性结100B的磁性器件的制造的一部分。因此，磁性结100B可以更容易并且更好地结合到电子设备中，而其性能不过度地受到不利影响。
图2B描绘了磁性结100B′。为了清楚起见，图2B没有按比例绘制，并且并非所有组件都可以显示。磁性结100B′类似于图1A、1B和2A的磁性结100A、100A′和/或100B。因此，类似的组件具有类似的标签。磁性结100B’包括参考层110’、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130和含M氧化物层140B，其分别类似于图1A、1B和2A的参考层110/110’、非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140A/140B。还示出了可选的籽晶层102和盖层104以及基板101。
用于磁性结100B′中的非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140B的结构、功能和材料类似于在图1A、1B和2A的磁性结100A、100A′和/或100B中使用的那些的结构、功能和材料。例如，含M氧化物层140B可以包括上述厚度的MgMxOy。类似地，自由层130可以是单层或多层并且可以使用自旋转移来写入。
参考层110′包括由非磁性间隔物层114分开的两个铁磁层112和116。因此，图2B中描绘的参考层110′明确示出为SAF并且最类似图于1B的参考层110′。铁磁层112和116分别具有磁矩113和115。间隔物层114调节铁磁层112和116之间的磁耦合，并且可以包括诸如Ru之类的材料。图2B中的间隔物层114的厚度使得铁磁层112和116例如经由RKKY耦合被反铁磁耦合。尽管示出为单层，但铁磁层112和116中的一个或两者可以是多层。尽管仅示出了两个铁磁层112和116以及一个间隔物层114，但可以存在更多的层。例如，可以使用与两个间隔物层交错的三个铁磁层。
磁性结100B′共享图1A、1B和/或2A的磁性结100A、100A′和/或100B的益处。尽管使用较高温度的退火，具有含M氧化物层140B的磁性结100B′可以具有改善的性能。含Mg和含M氧化物层140B可以改善PMA、矫顽力、热稳定性常数和写入效率。由于M的存在，尽管在高达四百摄氏度，高达四百五十摄氏度，或者在一些实施例中更高的退火温度的温度下的磁性结100B′的退火，这些特性可以退化不超过百分之五。。因此，例如在半导体器件中使用的那些的工艺可以是包括磁性结100B′的磁性器件的制造的一部分。因此，磁性结100B’可以更容易并且更好地结合到电子设备中，而其性能不过度地受到不利影响。
图3A描绘了磁性器件中的磁性结100C的另一示例性实施例，所述磁性器件例如是使用自旋转移力矩可编程的磁性存储器。为了清楚起见，图3A没有按比例绘制，并且并非所有组件都示出。磁性结100C类似于图1A、1B、2A和2B的磁性结100A、100A′、100B和/或100B′。因此，类似的组件具有类似的标签。磁性结100C是双磁性结，其包括参考层110、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130和含M氧化物层140C，其分别类似于参考层110、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130和含M氧化物层140A/140B。M包括如上所述的Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。还示出了可选的籽晶层102和盖层104以及基板101。
用于磁性结100C中的参考层110、非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140C的结构、功能和材料类似于用于图1A、1B、2A和2B的磁性结100A、100A’、100B和100B’中的参考层110/110′、非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140A/140B的结构、功能和材料。例如，含M氧化物层140C可以包括上文关于图1A、1B、2A和2B的含M氧化物层140A/140B/140C描述的厚度的MgMxOy。类似地，自由层130可以是单层或多层并且可以使用自旋转移来写入。
磁性结100C还包括具有磁矩151的附加参考层150。在所示的实施例中，含M氧化物层140C还作为自由层130和参考层150之间的非磁隧穿势垒层操作。因此，磁性结100C是双磁性结。参考层150具有大于参考层平面外退磁能量的PMA能量。因此，参考层150的力矩151是垂直于平面稳定的。在所示的实施例中，磁矩111和151反平行对齐(双态)。然而，在其他实施例中，力矩111和151可以平行对齐(反双态)。其他取向是可能的。参考层150类似于图1A、1B、2A和2B的参考层110/110′，并且可以包括类似的材料。参考层150可以是如图所示的单层或多层。参考层150的厚度和磁性质可以类似于图1A、1B、2A和2B的参考层110/110′。
在双态中使用双磁性结100C(反平行的力矩111和151)可以允许用于自旋转移的较小写电流。如果双磁性结100C处于反双态(力矩111和151平行)，则可以实现更大的信号。磁性结100C也可以共享磁性结100A、100A′、100B和/或100B′的益处。尽管使用较高温度的退火，具有含M氧化物层140C的磁性结100C可以具有改善的性能。含Mg和含M氧化物层140C可以改善PMA、矫顽力、热稳定性常数和写入效率。此外，由于包含M，在高达四百摄氏度、四百五十摄氏度或在一些实施例中更高温度的退火之后，这些特性可以不退化超过百分之五。因此，例如在半导体器件中使用的那些的工艺可以是包括磁性结100C的磁性器件的制造的一部分。因此，磁性结100C可以更容易并且更好地结合到电子设备中，而其性能不过度地受到不利影响。
图3B描绘了磁性结100C′。为了清楚起见，图3B没有按比例绘制，并且并非所有组件都示出。磁性结100C′类似于图1A、1B、2A、2B和/或3A的磁性结100A、100A′、100B、100B′和/或100C。因此，类似的组件具有类似的标签。磁性结100C′包括参考层110′、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130、含M氧化物层140C和参考层150′，其分别类似于参考层110/110′、非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140A/140B/140C和参考层150。M包括如上所述的Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。还示出了可选的籽晶层102和盖层104以及基板101。
用于磁性结100C′中的非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140C的结构、功能和材料类似于在图1A、1B、2A、2B和/或3A的磁性结100A、100A′、100B、100B′和/或100C中使用的那些的结构、功能和材料。例如，含M氧化物层140C可以包括上述厚度的MgMxOy。类似地，自由层130可以是单层或多层并且可以使用自旋转移来写入。
参考层110′包括由非磁性间隔物层114分开的两个铁磁层112和116。铁磁层112和116分别具有磁矩113和115。因此，图3B中描绘的参考层110′明确示出为SAF并且最类似图于1B和2B的参考层110′。
类似地，参考层150′包括由非磁性间隔物层154分开的两个铁磁层152和156。铁磁层152和156分别具有磁矩153和155。间隔物层154调节铁磁层152和156之间的磁耦合，并且可以包括诸如Ru之类的材料。图3B中的间隔物层154的厚度使得铁磁层152和156例如经由RKKY耦合被反铁磁耦合。尽管在图3B中显示为单层，但铁磁层152和156中的一个或两者可以是多层。尽管仅示出了两个铁磁层152和156以及一个间隔物层154，但可以存在更多的层。例如，可以使用与两个间隔物层交错的三个铁磁层。因此，图3B中描绘的参考层150′明确示出为SAF并且最类似图于1B和2B的参考层110′。
在图3B中，两个参考层110′和150′都示出为SAF。在其他实施例中，只有一个参考层110′或150′是SAF，而另一个参考层不是。因此，在一个实施例中，参考层110′可以是SAF，而参考层150′可以是单层或非SAF多层。在另一个实施例中，参考层150′可以是SAF，而参考层110′可以是单层或非SAF多层。
磁性结100C′共享图1A、1B、2A、2B和/或3A的磁性结100A、100A′、100B、100B′和/或100C的益处。在双状态下使用双磁性结100C′(如图所示反平行的力矩115和153)可允许用于自旋转移的较小写电流。如果双磁性结100C′处于反双态(力矩115和153平行，未示出)，则可以实现更大的信号。尽管使用较高温度的退火，具有含M氧化物层140C的磁性结100C′也可以具有改善的性能。含Mg和含M氧化物层140C可以改善PMA、矫顽力、热稳定性常数和写入效率。由于M的存在，尽管在高达四百摄氏度、高达四百五十摄氏度或在一些实施例中更高的退火温度的温度下的磁性结100C′的退火，这些特性可以不退化超过百分之五。因此，诸如在半导体器件中使用的那些的工艺可以是包括磁性结100C′的电子设备的制造的一部分。因此，磁性结100C可以更容易并且更好地结合到电子设备中，而其性能不过度地受到不利影响。
图4A描绘了磁性器件中的磁性结100D的另一示例性实施例，所述磁性器件例如是使用自旋转移力矩可编程的磁性存储器。为了清楚起见，图4A没有按比例绘制，并且并非所有组件都可以显示。磁性结100D类似于图1A、1B、2A、2B、3A和/或3B的磁性结100A、100A′、100B、100B′、100C和/或100C′。因此，类似的组件具有类似的标签。磁性结100D是双磁性结，其包括参考层110、非磁性间隔物层120，具有磁矩131的自由层130、含M氧化物层140D和参考层150，其分别类似于图1A、1B、2A、2B、3A和/或3B的参考层110、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130、含M氧化物层140A/140B/140C和参考层150。M包括如上所述的Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。还示出了可选的籽晶层102和盖层104以及基板101。
用于磁性结100D中的参考层110、非磁性间隔物层120、自由层130、含M氧化物层140D和参考层150的结构、功能和材料类似于用于图1A、1B、2A、2B、3A和/或3B的磁性结100A、100B′、100C和/或100C′中的参考层110/110′、非磁性间隔物层120、自由层130、含M氧化物层140A/140B/140C和参考层150/150′的结构、功能和材料。例如，含M氧化物层140D可以包括上文关于图1A和1B的含M氧化物层140A描述的厚度的MgMxOy。类似地，自由层130可以是单层或多层并且可以使用自旋转移来写入。然而，在图4所示的实施例中，非磁性间隔物层120和含M氧化物层140D的位置已经被切换。
磁性结100D共享图1A、1B、2A、2B、3A和/或3B的磁性结100A、100A′、100B、100B′、100C和/或100C′的益处。磁性结100D最类似于图3A的磁性结100C。如上所述，尽管使用较高温度的退火，但磁性结100D可具有改善的性能。因此，例如在半导体器件中使用的工艺可以是包括磁性结100D的磁性器件的制造的一部分。因此，磁性结100D可以更容易并且更好地结合到电子设备中，而其性能不过度地受到不利影响。
图4B描绘了磁性结100D′。为了清楚起见，图4B没有按比例绘制，并且并非所有组件都示出。磁性结100D′类似于图1A、1B、2A、2B、3A、3B和/或4A的磁性结100A、100A′、100B、100B′、100C、100C′和/或100D。因此，类似的组件具有类似的标签。磁性结100D′包括参考层110′、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130、含M氧化物层140D和参考层150′，其分别类似于图1A、1B、2A、2B、3A、3B和/或4A的参考层110/110′、非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140A/140B/140C和参考层150。还示出了可选的籽晶层102和盖层104以及基板101。
用于磁性结100D′中的非磁性间隔物层120、自由层130和含M氧化物层140C的结构、功能和材料类似于在图1A、1B、2A、2B、3A、3B和/或4A的磁性结100A、100A′、100B、100B′、100C、100C′和/或100D中使用的那些的结构、功能和材料。例如，含M氧化物层140D可以包括上述厚度的MgMxOy。类似地，自由层130可以是单层或多层并且可以使用自旋转移来写入。参考层110′和150′明确示出为SAF。图4B中的参考层110′和150′因此类似于先前在图3B中示出的参考层110′和150′。在另一个实施例中，参考层150′可以是SAF，而参考层110′可以是单层或非SAF多层。类似地，参考层110′可以是SAF，而参考层150′可以是单层或非SAF多层。然而，如在磁性结100D中那样，层120和140D的位置已经从图3A-3B所示的位置切换。。
磁性结100D′共享图1A、1B、2A、2B、3A、3B和/或4A的磁性结100A、100A′、100B、100B′、100C、100C′和/或100D的益处。在双状态下使用双磁性结100D′可以允许用于自旋转移的较小写电流。如果双磁性结100D′处于反双态，则可以实现更大的信号。尽管使用较高温度的退火，具有含M氧化物层140D的磁性结100D′也可以具有改善的性能。含Mg和含M氧化物层140D可以改善PMA、矫顽力、热稳定性常数和写入效率。由于M的存在，尽管在高达四百摄氏度、高达四百五十摄氏度或在一些实施例中更高的退火温度的温度下的磁性结100C′的退火，这些特性可以退化不超过百分之五。因此，诸如在半导体器件中使用的那些的工艺可以是包括磁性结100C′的电子设备的制造的一部分。因此，磁性结100C’可以更容易并且更好地结合到电子设备中，而其性能不过度地受到不利影响。
图5描绘了磁性器件中的磁性结100E的另一个示例性实施例，所述磁性器件例如是使用自旋转移力矩可编程的磁性存储器。为了清楚起见，图5没有按比例绘制，并且并非所有组件都可以显示。磁性结100E类似于图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A和/或4B的磁性结100A、100A’、100B、100B’、100C、100C’、100D和/或100D′。因此，类似的组件具有类似的标签。磁性结100E是双磁性结，其包括参考层110′、非磁性间隔物层120、具有磁矩131′的自由层130′、含M氧化物层140E和参考层150′，其分别类似于图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A和/或4B的参考层110/110′、非磁性间隔物层120、具有磁矩131的自由层130、含M氧化物层140A/140B/140C/140D和参考层150/150′。M包括如上所述的Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。还示出了可选的籽晶层102和盖层104以及基板101。
用于磁性结100E中的参考层110′、非磁性间隔物层120、自由层130、含M氧化物层140E和参考层150′的结构、功能和材料类似于用于图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A和/或4B的磁性结100A、100A’、100B、100B’、100C、100D和/或100D′中的参考层110/110′、非磁性间隔物层120、自由层130、含M氧化物层140A/140B/140C/140D和参考层150/150′。例如，含M氧化物层140E可以包含上文关于图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A和/或4B的含M氧化物层140A、140B、140C和140D描述的厚度的MgMxOy。虽然被描绘为SAF，但参考层110′和150′中的一个或两者可以是单层或非SAF多层。此外，可以去除参考层110′或150′中的一个。在这种情况下，磁性结100E是顶部钉扎的磁性结或底部钉扎的磁性结。
在图5所示的实施例中，自由层130′被明确地描绘为包括子层132、134、136和138的多层。部分或全部子层132、134、136和138可以是磁性的。另外，可以存在更少或更多的子层。在一些实施例中，自由层130′是SAF。在其他实施例中，自由层130′可以是非SAF多层。在其他实施例中，可以交换含M氧化物层140E和非磁性间隔物层120的位置。
磁性结100E共享图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A和/或4B的磁性结100A、100A’、100B、100B’、100C、100C’、100D和/或100D′的益处。尽管使用较高温度的退火，磁性结100E可以具有改善的性能。因此，例如在半导体器件中使用的那些的工艺可以是包括磁性结100E的磁性器件的制造的一部分。因此，磁性结100E可以更容易并且更好地结合到电子设备中，而其性能不过度地受到不利影响。
图6描绘了可以使用图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4B、4A和/或图5的磁性结100A、100A’、100B、100B’、100C、100C’、100D、100D′和/或100E中的一个或多个和/或其他磁性结的存储器200的示例性实施例。磁性存储器200包括读/写列选择驱动器202和206以及字线选择驱动器204。请注意，可以提供其他和/或不同的组件。存储器200的存储区域包括磁性存储单元210。每个磁性存储单元包括至少一个磁性结212和至少一个选择器件214。在一些实施例中，选择器件214是晶体管。磁性结212可以是图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4B 4A和/图5的100A、100A’、100B、100B’、100C、100C’、100D、100D′、100E中的一个和/或其他类似的磁性结。虽然每个单元210示出了一个磁性结212，但在其他实施例中，每个单元可以提供另一数量的磁性结212。由于磁性存储器200包括图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4B 4A和/或图5的磁性结100A、100A’、100B、100B’、100C、100C′、100D、100D′中的一个或多个和/或类似的磁性结，磁性存储器200可以享受上述益处。
已经针对图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4B 4A和/或图5的磁性结100A、100A’、100B、100B’、100C、100C’、100D、100D′、100E和磁性存储器200描述了各种特征。本领域的普通技术人员之一将认识到，这些特征可以以未示出的方式组合，并且与本文描述的设备和方法不矛盾。
图7描绘了用于制造在诸如自旋转移力矩随机存取存储器(STT-RAM)之类的磁性器件中能够使用并因此用于各种电子设备中的磁性结的方法300的示例性实施例。为了简单起见，可以省略一些步骤，以另一顺序执行和/或组合执行。此外，方法300可以在已经执行形成磁性存储器的其他步骤之后开始。还在形成单个磁性结的上下文中描述了方法300。然而，可以基本上同时形成多个磁性结。还在图5的磁性结100E的上下文中描述了方法300。然而，诸如图1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A和/或4B的磁性结100A、100A’、100B、100B’、100C、100C’、100D、100D′和/或100E的另一磁性结可以形成。
经由步骤302提供参考层110′。参考层是磁性的并且可以在磁性结的操作的至少一部分期间使其磁化钉扎或固定在特定方向上。因此参考层在操作温度下可以是热稳定的。在步骤302中形成的参考层可以是单层或多层。例如，在步骤302中形成的参考层可以是SAF、单层或另一多层。在步骤302中形成的参考层可以具有超出平面外退磁能量的垂直各向异性能量。因此，参考层可以使其磁矩垂直于平面取向。参考层的磁化的其他取向是可能的。
步骤302可以包括在籽晶层102上沉积参考层。为了各种目的可以选择籽晶层102，所述各种目的包括但不限于参考层的期望晶体结构、磁各向异性和/或参考层的其它磁特性。例如，参考层可以设置在提升参考层中垂直磁各向异性的籽晶层例如结晶MgO层上。如果形成顶部钉扎的磁性结，则可以省略步骤302或改变步骤的顺序，使得自由层更靠近基板。
另外，作为步骤302中的提供参考层的一部分或附加，可以提供一个或多个极化增强层(PEL)。PEL包括高自旋极化材料。例如，可以在步骤302中的形成参考层之前和紧接之后提供CoFeB PEL。在其他实施例中，这些PEL中的一个或两者可以被省略。
经由步骤304提供非磁性间隔物层120。在步骤304中形成的非磁性间隔物层120可以邻接参考层110/110′或者可以通过诸如PEL的其他层与参考层分开。在一些实施例中，可以形成结晶MgO隧穿势垒层。步骤304可以包括沉积形成隧穿势垒层的MgO。在一些实施例中，步骤304可以包括使用例如射频(RF)溅射来沉积MgO。可以沉积金属Mg，然后在步骤306中将其氧化以提供Mg的自然氧化物。MgO势垒层/非磁性间隔物层也可以以另一种方式形成。步骤306可以包括对已经形成的磁性结的部分进行退火以提供结晶MgO隧穿势垒，其具有磁性结的用于增强隧穿磁阻(TMR)的取向。
通过步骤306提供自由层130。步骤306包括沉积用于自由层的材料。可以期望在步骤308中提供的自由层130具有超过其退磁能量的垂直磁各向异性。自由层的磁矩因此可以在平面外(包括垂直于平面)稳定。另外，可以提供PEL作为自由层130的一部分或附加。在步骤306中提供的自由层130还被配置为当写电流通过磁性结时在稳定磁状态之间切换。因此，自由层130可利用自旋转移力矩进行切换。在步骤306中提供的自由层130在操作温度下是磁性且热稳定的。
经由步骤308，可以可选地提供含M层140E。步骤308可以包括沉积用于含M氧化物层140的金属并将金属层暴露于氧化物处理。因此，步骤308包括沉积Ti、Al、Hf、Zr、Mo、V和Nb中的至少一种。在一些实施例中，等离子体处理也可以在氧化处理之前进行。在其他实施例中，含M氧化物层可以被射频(RF)沉积，使得如沉积形成氧化物。在其他实施例中，氧化物层140可以以不同的方式形成。
经由步骤310可以可选地提供附加参考层150/150′。如果提供了双磁性结，则执行步骤310。然后可以完成磁性结的制造。例如，可以沉积盖层104，并且例如通过在已经沉积的层上提供掩模并且离子铣削层的暴露部分来限定磁性结的边缘。对于其中使用磁性结的设备也可以形成附加的结构，诸如触点和导电线。
使用方法300，可以提供尽管使用高温退火而具有改善的切换特性的自由层。因此，方法300可以允许制造具有期望切换特性的高垂直磁各向异性。
图8是描绘用于提供在磁性器件中能够使用并且包括至少一个含M氧化物层的磁性结的一部分的方法320的示例性实施例的流程图。更具体地说，方法320用于形成含M氧化物层中。为了简单起见，一些步骤可以省略，以另一顺序执行，包括子步骤和/或组合。尽管按照单个磁性结来描述，但是可以制造多个磁性结。为了简单起见，该方法在图1A的磁性结100A的上下文中进行描述。然而，方法320可用于图1B、2A、2B、3A、3B、4B 4A和/或图5的任何一个磁性结100A’、100B、100B’、100C、100C’、100D、100D′和/或100E。
通过步骤322沉积用于含M氧化物层140A的金属层。例如，步骤322可以通过沉积Mg-M合金层来执行。在一些实施例中，Mg-M合金层可以为至少2原子百分比的M和不超过10原子百分比的M.合金可以通过从分离的靶材或复合靶材溅射Mg和M而形成。经由步骤324，在Mg-M合金沉积之后进行自然氧化步骤。因此，在步骤322中沉积的层暴露于氧气氛中并且可选地加热磁性结。因此可以形成MgMxOy，其中，x≤3且y≤5。
使用方法320，形成可以改善磁性结的耐受更高温度退火的能力的含M氧化物层140A。因此，方法320可以允许制造具有改善的切换特性和热稳定性并且可以更容易地结合到磁性器件中的磁性结。
图9是描绘用于提供可用于磁性器件中并且包括至少一个含M氧化物层的磁性结的一部分的方法320′的示例性实施例的流程图。更具体地说，方法320’用于形成含M氧化物层中。为了简单起见，一些步骤可以省略，以另一顺序执行，包括子步骤和/或组合。尽管按照单个磁性结来描述，但是可以制造多个磁性结。为了简单起见，该方法在图1A的磁性结100A的上下文中进行描述。然而，方法320可用于图1B、2A、2B、3A、3B、4B 4A和/或图5的任何一个磁性结100A’、100B、100B’、100C、100C’、100D、100D′和/或100E。
通过步骤322沉积用于含M氧化物层140A的金属层。例如，步骤322可以通过沉积Mg-M合金层来执行。该合金可以包括至少2原子百分比并且不超过10原子百分比的M。合金可以通过从分离的靶材或复合靶材溅射Mg和M而形成。经由步骤324′，在沉积Mg-M合金之后进行自由基氧化步骤。因此，形成了MgMxOy层，其中x≤3且y≤5。
使用方法320’，形成可以改善磁性结的耐受更高温度退火的能力的含M氧化物层140A。因此，方法320′可以允许制造具有改善的切换特性和热稳定性并且可以更容易地结合到磁性器件中的磁性结。
图10是描绘用于提供在磁性器件中能够并且包括至少一个含M氧化物层的磁性结的一部分的方法320″的示例性实施例的流程图。更具体地说，方法320′’用于形成含M氧化物层中。为了简单起见，一些步骤可以省略，以另一顺序执行，包括子步骤和/或组合。尽管按照单个磁性结来描述，但是可以制造多个磁性结。为了简单起见，该方法在磁性结100A的上下文中进行描述。然而，方法320′’可用于图1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B和/或图5的任何一个磁性结100A’、100B、100B’、100C、100C’、100D、100D′和/或100E。
通过步骤322′，用于含M氧化物层140A的金属被RF沉积，使得如沉积形成氧化物。例如，步骤322′可以通过在包括氧的等离子体中RF溅射Mg和M来执行。Mg和M可以从单独的靶或复合靶溅射。在一些实施例中，溅射靶化学计量是95原子百分比的Mg和5原子百分比的M.然而，形成的含M氧化物层140A的化学计量可能不同。
使用方法320′’，形成可以改善磁性结的耐受更高温度退火的能力的含M氧化物层140A。因此，方法320′’可以允许制造具有改善的切换特性和热稳定性并且可以更容易地结合到磁性器件中的磁性结。
已经描述了用于提供磁性结的方法和***以及使用该磁性结制造的存储器。已经根据所示出的示例性实施例描述了该方法和***，并且本领域的普通技术人员之一将容易认识到，可以对这些实施例进行改变，并且任何改变都在该方法和***的精神和范围内。因此，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员之一可以做出许多修改。

Claims (14)

1.一种驻留在基板上并在磁性器件中能够使用的磁性结，所述磁性结包括：
参考层；
非磁性间隔物层；
自由层，响应于写电流流过所述磁性结，所述自由层能够在多个稳定磁状态之间切换，所述非磁性间隔物层驻留在所述参考层与所述自由层之间；以及
与自由层相邻的含M氧化物层，M包括Ti，所述含M氧化物层包括[MgTix]Oy，其中x是至少0.02且不大于0.1，y不大于5，所述自由层在所述非磁性间隔物层与所述含M氧化物层之间，并且
其中，所述自由层使用高达四百五十摄氏度的退火而形成，以及其中所述自由层在退火之前具有第一矫顽力、第一热稳定性系数和第一写入效率，所述自由层在退火之后具有第二矫顽力、第二热稳定性系数和第二写入效率，所述第一矫顽力与所述第二矫顽力的差值在所述第一矫顽力的百分之五内、所述第一写入效率与所述第二写入效率的差值在所述第一写入效率的百分之五内以及所述第一热稳定性系数与所述第二热稳定性系数的差值在所述第一热稳定性系数的百分之五内。
2.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述含M氧化物层具有至少4埃且不超过8埃的厚度。
3.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述自由层包括Co、Fe、Ni和B中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的磁性结，还包括：
附加参考层，所述含M氧化物层在所述自由层与所述附加参考层之间，使得所述磁性结是双磁性结。
5.根据权利要求1所述的磁性结，其中所述非磁性间隔物层是选自结晶MgO隧穿势垒层、导电非磁性间隔物层以及其他隧穿势垒层。
6.一种驻留在基板上的磁性存储器，包括：
多个磁性存储单元，所述多个磁性存储单元中的每一个包括参考层、非磁性间隔物层、自由层和含M氧化物层，响应于写电流流过磁性结，所述自由层能够在多个稳定磁状态之间切换，所述非磁性间隔物层驻留在所述参考层与所述自由层之间，所述含M氧化物层与所述自由层相邻，所述自由层在所述非磁性间隔物层与所述含M氧化物层之间，M包括Ti，所述含M氧化物层包括[MgTix]Oy，其中x是至少0.02且不大于0.1，y不大于5，其中，所述自由层使用高达四百五十摄氏度的退火而形成，以及其中所述自由层在退火之前具有第一矫顽力、第一热稳定性系数和第一写入效率，所述自由层在退火之后具有第二矫顽力、第二热稳定性系数和第二写入效率，所述第一矫顽力与所述第二矫顽力的差值在所述第一矫顽力的百分之五内、所述第一写入效率与所述第二写入效率的差值在所述第一写入效率的百分之五内以及所述第一热稳定性系数与所述第二热稳定性系数的差值在所述第一热稳定性系数的百分之五内；以及
与所述多个磁性存储单元耦接的多条位线。
7.一种提供在磁性器件中能够使用的磁性结的方法，所述方法包括：
提供参考层；
提供非磁性间隔物层；
提供自由层，响应于写电流流过所述磁性结，所述自由层能够在多个稳定磁状态之间切换，所述非磁性间隔物层驻留在所述参考层与所述自由层之间；
提供与所述自由层相邻的含M氧化物层，所述自由层在所述非磁性间隔物层与所述含M氧化物层之间，M包括Ti，所述含M氧化物层包括[MgTix]Oy，其中x是至少0.02且不大于0.1，y不大于5；
执行高达四百五十摄氏度的退火，其中所述自由层在退火之前具有第一矫顽力、第一热稳定性系数和第一写入效率，所述自由层在退火之后具有第二矫顽力、第二热稳定性系数和第二写入效率，所述第一矫顽力与所述第二矫顽力的差值在所述第一矫顽力的百分之五内、所述第一写入效率与所述第二写入效率的差值在所述第一写入效率的百分之五内以及所述第一热稳定性系数与所述第二热稳定性系数的差值在所述第一热稳定性系数的百分之五内。
8.根据权利要求7所述的方法，其中提供所述含M氧化物层包括：
沉积至少一个MgTix层；以及
使所述至少一个MgTix层自然地氧化。
9.根据权利要求7所述的方法，其中提供所述含M氧化物层还包括：
沉积至少一个MgTix层；以及
使用自由基氧化工艺氧化所述至少一个MgTix层。
10.根据权利要求7所述的方法，其中提供所述含M氧化物层还包括：
沉积至少一个Oy层，其中y＜5。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述含M氧化物层具有至少4埃且不超过8埃的厚度。
12.根据权利要求7所述的方法，其中执行退火还包括：
在提供所述含M氧化物层之后执行退火。
13.根据权利要求7所述的方法，还包括：
提供附加参考层，所述含M氧化物层在所述自由层与所述附加参考层之间，使得所述磁性结是双磁性结。
14.根据权利要求7所述的方法，其中所述非磁性间隔物层是选自结晶MgO隧穿势垒层、导电非磁性间隔物层以及其他隧穿势垒层。
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