具有包含設計界面的人工反鐵磁耦合多層的垂直磁化線的疇壁運動方法
【專利摘要】具有包含設計界面的人工反鐵磁耦合多層的垂直磁化線的疇壁運動方法。當用電流脈沖驅動疇壁時，包括兩個反鐵磁耦合磁性區的磁線顯示出改善的疇壁運動特性。磁性區優選包括Co、Ni和Pt并且呈現垂直磁各向異性，由此支持窄疇壁的傳播。疇壁運動的方向會受到設置線層的順序的影響。
【專利說明】具有包含設計界面的人工反鐵磁耦合多層的垂直磁化線的疇壁運動方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及存儲器存儲系統，尤其涉及使用電流來移動由人工反鐵磁耦合磁性多層形成的磁線中的磁疇壁，其中數據存儲在疇壁中或其相關疇中。
【背景技術】
[0002]賽道存儲器(racetrack memory)是這樣一種存儲器存儲器件,其中數據存儲在形式為磁疇壁的磁性納米線中，所述磁疇壁將以相反方向磁化的磁性區域分開(例如，見Parkin的美國專利6834005、6920062和7551469)。該存儲器的關鍵原理是使用沿著納米線(也稱為賽道)施加的納秒長的電流脈沖進行一系列這種疇壁沿著納米線向后和向前的受控運動。在每一條納米線中集成了用于注入疇壁和檢測疇壁的器件。通過具有必要長度和數量的電流脈沖將疇壁移動到所述注入和檢測器件。賽道可以由兩個不同類別的磁性材料形成，其中材料的磁化強度是(a)主要在納米線的面內并且沿著納米線的長度取向(b)主要垂直于納米線的長度并且垂直于納米線的平面取向。形成種類(a)的材料通常由軟磁性材料構成，在軟磁性材料中，相比于與由與橫截面形狀相關聯的靜磁能得到的形狀磁性各向異性，材料的本征磁晶體各向異性小，并且尺寸比納米線的長度小。在這些材料中，疇壁通常寬:例如，由坡莫合金——近似原子成分比為80:20的Ni和Fe的合金形成的納米線中的疇壁，通常為100-200nm寬，并且這些疇壁可能容易變形。形成種類(b)的材料通常由超薄磁性層構成，在超薄磁性層中它們與非磁性層的界面引起界面磁性各向異性，該界面間磁性各向異性可能導致它們的磁化強度優選垂直于這些界面取向。典型的例子包括與Pt層相鄰放置的超薄Co層以及由原子薄的Co和Pt層的交替層形成的多層結構。另一例子是由超薄Co和Ni層形成的多層。對于這些材料，疇壁的寬度越小，垂直磁各向異性(PMA)越大，并且所述寬度可以窄至l-10nm。因此，種類(b)的材料優選用于制造密集的賽道存儲器
[0003]在現有技術器件中，通過電流脈沖沿著賽道來回移動疇壁，在所述電流脈沖中，由于在形成賽道的磁性材料體內的依賴自旋的散射，電流被自旋極化。從自旋極化的電流到疇壁的自旋角動量的轉移在疇壁內的磁矩上引起轉矩，該轉矩導致疇壁沿著納米線運動。這種自旋轉移矩(STT)現象導致疇壁在自旋角動量流的方向上被驅動,從而自旋角動量從電流轉移到磁矩。非常確切的是，在坡莫合金中，攜帶電流的導電電子被主要自旋極化的，即，導電電子的磁矩平行于Ni和Fe原子上的局部磁矩的方向取向。這導致坡莫合金中的磁疇壁在導電電子流的方向上(即與電流方向相反)移動。疇壁的速度取決于電流的量值，對于坡莫合金中?108A/cm2的電流密度,疇壁以?100m/sec的速度移動。
[0004]疇壁可能被由納米線的表面或邊緣的粗糙引起的缺陷釘扎。在坡莫合金和種類Ca)中的其它材料中，自旋極化電流與疇壁磁化強度的相互作用使得需要非常大的電流來移動被甚至相當小的釘扎勢釘扎的疇壁。例如，?108A/cm2的電流密度僅可以克服幾奧斯特的有效釘扎場。相對照而言，種類(b)的材料中的窄得多的疇壁改變自旋極化電流與疇壁磁化強度的相互作用的細節，使得對于相同的電流密度，與種類(a)的材料中的疇壁相比，可以克服大得多的釘扎場。由于納米線不可避免地具有粗糙的邊緣和表面，這是種類(b)的材料的顯著優勢。
[0005]最后，種類(b)的材料的第三個優點在于，具有PMA的賽道可以制作為磁性上非常薄，僅幾個原子層厚，而疇壁仍然能夠在由非常大的PMA引起的熱波動下是穩定的。由于磁性納米線非常薄并且因此成比例地包含更小的磁矩，疇壁可以使用注入器件注入到納米線中，所述注入器件使用來自跨過隧道勢壘注入到軌道中的電流的自旋矩轉移。對于種類Ca)中的材料，現有技術器件的賽道必須由厚得多的磁性層形成，以便以能夠利用能夠用電流移動的漩渦疇結構穩定疇壁。在由種類(a)的材料形成的更薄的賽道中，疇壁具有需要更高電流密度來移動它們的橫向壁結構。
【發明內容】
[0006]本發明的優選實施例和實現方式涉及在具有允許窄疇壁(DW)的垂直磁各向異性的線中以高效率用電流移動疇壁。本申請中采用的習慣是沉積在襯底上的第一層是最“底”層，而最后沉積的層時最“頂”層。類似地，關于層形成的順序而不是重力定義“在……上”、“在……下方”、“在……下”以及“在……上方”。疊層的層以它們被沉積的順序列出。
[0007]我們示出了可以通過工程設計人工反鐵磁性耦合的磁疊層的底部和頂部處的或該磁疊層本身內的界面，用沿著電流方向的電流或者與電流方向相反的電流驅動該磁疊層中的疇壁，該磁疊層由通過反鐵磁性耦合層耦合到第二組Co層或Co/Ni/Co三層結構或Co/[Ni/Co]M (其中M表示雙層的數量)多層的第一組Co層或Co/Ni/Co三層結構或Co/[Ni/Co],(其中N表示雙層的數量)多層形成。交換耦合根據耦合層厚度改變其符號，并且在該耦合為負或反鐵磁性時整個磁矩減小。在本申請公開的優選實施例中，我們發現具有垂直磁各向異性(PMA)的兩個磁性區域之間的反鐵磁交換耦合強度大于I特斯拉，因此在Ru交換耦合層例如為4-10埃厚時顯著減小磁矩。
[0008]此外，我們示出了用于驅動疇壁的機制強烈依賴于磁疊層下、上和內的金屬材料的性質。當磁性疊層生長在Pt、Pd和Ir上時，這些金屬與底部Co層之間的界面在電流方向上驅動疇壁。當這些金屬沉積在磁疊層的頂上時，界面產生在相反方向(即電子流方向)上驅動疇壁的機制。在Pt在Co層下方引入時，在Co和Ni層之間在疊層內薄Pt層的引入在電流方向上驅動疇壁，并且在Pt層在Co層之上引入時，該薄Pt層的引入在相反的方向上驅動疇壁。疇壁被電流驅動的速度取決于Pt/Co和Co/Pt界面的總數。除了這些界面電流驅動的疇壁機制之外，沿著電子流驅動Co/Ni多層中的疇壁的固有體機制也是可行的。Co和Ni層越厚且數量越多，該機制越主要。界面電流DW驅動機制能夠以高速度驅動疇壁。我們示出了在Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co磁線中可以實現在~1.5xl08A/cm2的電流密度下高達~430m/sec的DW速度。
[0009]本發明的一個方面是一種方法，該方法包括提供用作疇壁運動的軌道的磁線。該線包括下層、第一磁性區、耦合層、第二磁性區和上層。第一磁性區位于下層之上方并與其接觸，該第一磁性區具有與下層和第一磁性區之間的界面垂直的易磁化方向，其中該第一磁性區是鐵磁性的和/或亞鐵磁性的。耦合層在第一磁性區之上并與其接觸。第二磁性區在耦合層之上并與其接觸，該第二磁性區是鐵磁性的和/或亞鐵磁性的。第一磁性區和第二磁性區通過耦合層反鐵磁耦合。上層在第二磁性區之上且與其接觸。下層、第一磁性區、耦合層、第二磁性區和上層沿著所述線的長度的至少一部分延伸。下層和上層中的至少一個包括非磁性材料，該非磁性材料選自一組元素，該一組元素由Pt、Pd和Ir構成。所述方法包括向所述線施加電流，由此沿著所述線移動疇壁，其中疇壁(i)穿過第一磁性區、耦合層和第二磁性區延伸并且至少延伸(ii)到下層和/或上層的一部分中。
[0010]本發明的另一個方面是一種方法，該方法包括提供用作疇壁運動的軌道的磁線。所述線包括鐵磁性的和/或亞鐵磁性的第一磁性區、耦合層和鐵磁性的和/或亞鐵磁性的第二磁性區。耦合層在第一磁性區之上且與其接觸。第一磁性區具有垂直于第一磁性區和耦合層之間的界面的易磁化方向。第二磁性區在耦合層之上并與其接觸。第一磁性區和第二磁性區通過耦合層反鐵磁耦合，使得所述線的剩余磁化強度的絕對值小于以下(i)和
(11)的和的0.50倍，其中(i)為第一磁性區的磁化強度的量值的絕對值，(ii)為第二磁性區的磁化強度的量值的絕對值。第一磁性區、耦合層和第二磁性區沿著所述線的長度的至少一部分延伸。所述方法包括向所述線施加電流，由此沿著所述線移動疇壁，其中疇壁延伸穿過第一磁性區、耦合層和第二磁性區。
[0011]Co層優選具有I與10埃之間(更優選地，I與4.5埃之間)的厚度，Ni層優選具有I與10埃之間(更優選地，4與8埃之間)的厚度，非磁性材料的層優選具有2與50埃之間(更優選地，5-15埃之間)的厚度，并且耦合層(理想地，99% (原子百分比)的Ru和/或Os)優選具有4與10埃之間的厚度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1A和IB是本發明優選實施例的示意圖。
[0013]圖2涉及具有垂直磁各向異性(PMA)和合成反鐵磁結構(SAF)膜的磁特性，其中:圖2A-J示出了通過克爾(Kerr)測磁法測量的由20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/xRu/1.5Co/7Ni/l.5Co/50TaN構成的均厚 (blanket)膜磁滯回線。Ru耦合層厚度x在O-16人之間變化。注意圖2A示出了 x=0且單個1.5Λ厚的Co層位于兩個Ni層之間的情況下的結果，而圖2B示出了 x=0且3.0/?厚的Co層位于兩個Ni層之間的情況下的數據。
[0014]圖3涉及疇壁速度測量的實驗方法和對應結果，其中:圖3Α示出了一種典型器件的光學顯微圖像，該器件包括長50微米、寬2微米的線，該線的每一端連接到用于電連接的接合襯墊的更寬的區域。圖3Β呈現的克爾顯微圖像示出了響應于一系列電流脈沖的疇壁(DW)的位置。圖像以規則間隔保存，選擇所述間隔使得DW移動可測量的量。該圖中示出的這兩列圖像是對應于以下情況獲得的:由20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/8Ru/l.5Co/7Ni/
1.5Co/50TaN制成的2微米寬的線中兩個相反的電流極性。注意，對比度(白或黑)由由于Dff的運動而擴展的疇的磁化方向確定。圖3C呈現了沿著所述線的線掃描，示出了對應于DW的不同位置克爾對比度的變化。DW位置根據這些線掃描測量。圖3D示出了 DW位置與各種量值的電流脈沖的積分電流脈沖長度kp的關系。實線示出了線性擬合，其斜率用于確定DW的速度。
[0015]圖4涉及Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co/TaN線中電流驅動的DW運動，其中:圖4A-J示出了針對2微米寬的線上5ns長的電流脈沖測量的DW速度與電流密度之間的關系，從磁滯回線如圖2所示的膜構圖所述線。
[0016]圖5涉及具有厚度X的Ru耦合層對Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co/TaN線的特性的影響，其中:圖 5A 示出了由 20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/x Ru/1.5Co/7Ni/l.5Co/50TaN 構成的均厚膜的剩余磁化強度對飽和磁化強度比率MK/MS與Ru耦合層厚度X的關系(x=0的數據點對應于沒有Ru和單個1.5Λ厚Co層的器件，如上面結合圖2所描述的)。圖5B示出了該均厚膜的矯頑磁場H。與Ru耦合層厚度X的關系。圖5C示出了在5ns長的電流脈沖的情況下器件的臨界電流密度J。與Ru耦合層厚度X的關系。圖示出了在5ns長電流脈沖以及三個不同電流密度的情況下的DW速度與Ru耦合層厚度X的關系。實心方形、空心方形和實心菱形分別示出了對應于3、2和1108A/cm2的數據。圖5E-G示出了根據剩余磁化強度對飽和磁化強度比率MK/MS繪制的與圖5B-D中相同的數據。圖5E和圖5G中的實線示出了數據的線性擬合。
[0017]圖6涉及與反鐵磁性耦合的Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co/TaN線的磁矩的補償有關的電流驅動的DW運動，其中:圖6A呈現包含被8Λ厚的Ru耦合層分開的兩個Co/Ni/Co多層的均厚膜的磁滯回線。所述膜由 20TaN/15Pt/w Co/7Ni/x Co/8Ru/y Co/7Ni/z Co/50TaN制成。實心符號和交叉分別示出了對應于w=l.5、x=l.5、y=l.5、z=l.5以及w=l.5、x=l.5、y=l.5、z=3的數據。圖6B示出了對于由上面結合圖6A描述的膜制造的2個器件，在5ns長的電流脈沖的情況下DW速度與電流密度之間的關系。圖6C示出了包括上面結合圖6A描述的層的均厚膜的磁滯回線，其中w=3、x=l.5、y=l.5、z=l.5 (實心符號)以及w=3、x=l.5、y=3> z=l.5 (交叉)。圖6D示出了對于由上面結合圖6C描述的膜制造的2個器件，在5ns長的電流脈沖的情況下DW速度與電流密度之間的關系。
【具體實施方式】
[0018]圖1A示出了本發明的優選實施例。首先在襯底上沉積下層100。然后在下層上沉積第一磁性區110的層。在第一磁性區110的頂上沉積反鐵磁耦合層120，之后沉積第二磁性區130的層。最后，在第二磁性區130頂上沉積上層。下層100、第一磁性區110、反鐵磁耦合層120、第二磁性區130以及上層140形成其中引入磁疇的磁線。兩個磁性區110、130由包括鐵磁性的和/或亞鐵磁性的層的一系列層形成。磁性區110、130包括Co鐵磁性層、Ni鐵磁性層和Pt非鐵磁性層的序列。Pt層優選與Co層和Ni層接觸。如圖1A所示，第一和第二磁性區110、130分別由依次順序沉積的Co、N1、Pt和Co的層形成。
[0019]在圖1A中示出了兩個磁疇(“左”和“右”疇)，每一個疇都包含兩個磁性區110、130的貢獻。對磁化強度(以及凈磁)的這些貢獻垂直于Co和Ni層之間的界面取向。這些貢獻的磁化強度的方向用黑色箭頭(指向“上”或“下”)指示。這兩個磁疇由疇壁分開，它們的來自第一和第二磁性區110、130的貢獻分別用150a、150b表示。
[0020]在圖1A的左疇中，磁化強度在第一磁性區110中向上取向，在第二磁性區中向下取向。由于反鐵磁性耦合層120 (由Ru形成并且厚度被選擇成提供反鐵磁性耦合)提供的反鐵磁性耦合，第一磁性區110中磁化強度的方向與第二磁性區中磁化強度的方向反平行。在圖1A的右疇中，第一磁性區110中的磁化強度反平行于第一磁性區中左疇的磁化強度取向。類似地，在圖1A的右疇中，第二磁性區130中的磁化強度反平行于第二磁性區中左疇的磁化強度取向。圖1A還示出了下層100中的區域160a，該區域160a呈現出由于其靠近鄰近的Co層引起的磁矩。類似地，上層中的區域106b由于其靠近鄰近的Co層變成有磁性。圖1B示出了另一優選實施例，其中磁性區110、130中每一個現在包括Co/Ni/Co三層結構。圖1A和IB中的疇壁和/或其對應的疇代表數據(信息)，該數據可以使用集成到所述線中的一個或多器件寫入所述線和/或從所述線讀出。
[0021]通過磁控管濺射，在覆蓋有用于電隔離目的的25nm的SiO2和IOnm的Al2O3的Si晶片上，沉積具有垂直磁各向異性(PMA)的均厚膜。該合成反鐵磁性結構(SAF)疊層的典型結構如下:20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/x Ru/1.5Co/7Ni/l.5Co/50TaN (此處所有厚度均以
人為單位)。在此處的優選膜中，Co和Ni層具有fee結構并且在(111)方向上取向。Ru耦合層厚度X在0-16人之間變化。使用垂直于膜(圖2)的面施加的磁場測量的克爾磁滯回線揭示了所有樣品都具有強PM。
[0022]對于4-10Λ之間的X，觀察到了清楚的反鐵磁性(AF)耦合的證據，這由剩余磁化強度的減少證明。我們發現，與x=4 (圖2D)和8 (圖2F)相比，x=6時AF耦合更弱。注意當X=O時，疊層中間的兩個1.5Λ厚的Co層形成單個3人厚的層(圖2B)。為了完整起見，
我們也示出了 x=0且中間的Co層僅1.5Λ厚的情況(圖2A)。
[0023]使用通過UV光刻和Ar離子研磨形成的2微米寬的器件研究電流驅動的DW運動。圖3A示出了典型器件的光學顯微圖像。在圖3A的中央部分中的線是50 m長，在該線處拍攝到了 DW運動。該線的兩端連接到用作用于電連接的接合襯墊的更寬的區域。在大多數情況下，我們發現PMA在線接合處顯著減小，使得DW在接合附近成核并且可以在外部場的作用下在線中蔓延。一旦在線中注入了單個DW，就將場減小到零，通過向器件施加一系列長度為tP的電流脈沖來研究DW運動。
[0024]使用不同模式的克爾顯微來監視響應于所述一系列電流脈沖的DW的位置。圖像以規則間隔保存，選擇所述間隔使得DW在這些存儲的圖像之間移動可測量的量。圖3B示出了對于由 20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/8Ru/l.5Co/7Ni/l.5Co/50TaN (再次地，所有厚度
以I為單位)制造的2μπι寬的線，在兩個不同電流極性的情況下的兩個圖像序列的例子。此處所使用的電流脈沖是5ns長的，且相關聯的電流具有±1.8108A/cm2的密度。注意，對比度(白或黑)由DW的運動而擴展的疇的凈磁化方向決定。通過沿著所述線的克爾對比度的自動分析(圖3C)根據所述圖像確定DW位置；該圖中示出的輪廓是示例性的并且是針對+1.8108A/cm2的電流密度和各種teP值取得的，tCP是tP與施加到器件的脈沖數的乘積。然后通過假設DW僅在電流脈沖期間移動來確定DW速度。我們使用DW位置與積分電流脈沖長度tCP的關系的線性擬合(圖3D)。圖3D示出了與具有1.0、1.8和2.8108A/cm2的電流密度的5ns長的電流脈沖對應的結果(其中增加的電流密度對應于圖中增加的斜率)。在一些情況下，DW可能在其再次移動之前被局部缺陷釘扎一段時間。在這些情況下，我們僅擬合其中位置線性依賴于的曲線的部分。使用為DW位置與關系曲線的所有點計算的差分速度值的標準偏差，來確定速度測量的誤差棒。
[0025]圖4A-J示出了對于具有圖2所示的磁滯回線的所有10個樣品，DW速度隨電流密度J的變化。在所有情況下，在電流密度超過閾值Jc時，DW響應于電流脈沖移動。DW移動方向取決于電流極性，其在DW運動由源自自旋極化電流的自旋轉移矩(STT)驅動時被觀察至|J。然而，這些結果顯示DW在電流方向上移動，表明STT不是電流驅動的DW動力學的唯一貢獻，并且實際上被另一效應壓倒。已經確定Pt/Co界面對與由鄰近Co層在Pt層中誘導的磁矩相關的該反常行為負責。所誘導的磁矩很大程度上平行于Co層的磁矩，然而，由于Pt/Co界面處的Dzyaloshinski1-Moriya相互作用，所誘導磁矩的相當大的分量可以平行于界面。
[0026]圖4A-J突出顯示了 SAF結構在電流驅動的DW動力學中的作用。通過比較圖2和圖4，DW速度與磁滯回線相關這一點變得清楚。當兩個磁性層是AF耦合的時，即，當x=4 A
(圖4D)，x=8 A (圖4F)以及.χ=10人(圖4G)時，電流驅動的DW速度增強。在沒有間
隙Ru耦合層層(X=O)的情況下，DW動力學強烈依賴于中間Co層的厚度。當該層為3人厚
(圖4Β)而不是.1.5Α厚(圖4Α)時，JC從0.8IOVcm2增加至Ij 3.3108A/cm2。值得注意的是，
僅需要在兩個Co層之間 插入2人的Ru，來將J。減小到~0.5IOVcm2 (圖4C)，即使兩個Co層由于該Ru厚度而強烈鐵磁性耦合也是如此。
[0027]為了更詳細分析DW動力學與AF耦合之間的關系，在圖5A-D中示出了器件的幾個屬性隨Ru耦合層厚度X的變化。這些圖示出了剩余磁化強度和飽和磁化強度之比率MK/MS(圖5 ;注意飽和磁化強度對應于來自線中的兩個磁性區的貢獻的總和)、均厚膜的矯頑場H。(圖5B)、對于5ns長的電流脈沖用于DW運動的臨界電流密度J。(圖5C)以及對應于電流密
度1、2和3108A/cm2的電流驅動DW速度(圖OT)。注意，X=O處的點對應于具有1.5Λ.厚度
的中間Co層的樣品。圖5E-G示出了隨仏/Ms變化的與圖5B-D中相同的量。正如上面已經討論的在x=4、6和8時的AF耦合的開始由MK/MS的劇烈減小證實。H。正如預期的那樣相應地增加(圖5E)，這是因為SAF器件對外部場不是那么敏感。有趣的是，在實驗不確定性內Jc與X不相關(圖5F)，這與強烈依賴于X的電流驅動DW速度(圖5G)相反。如圖5G所示，速度以隨電流密度增加而增加的速率隨MK/MS線性變化。對于SAF器件，在3.0lOVcm2下的速度接近400m/s，這比鐵磁性耦合的層的值的兩倍還大。這表明當MK/MS小于例如0.75時，實現了顯著的提高。值得注意的是，盡管有相當強的DW釘扎，還是觀察到了 SAF結構的增強的電流驅動的DW速度。對于這些器件，Dff傳播場大于400e。
[0028]為了確認增加的電流驅動DW速度是由于SAF結構而不是由于Ru耦合層的插入，我們已經調整了 Co層的厚度以修改SAF結構的補償(圖6)。所述器件由20TaN/15Pt/wCo/7Ni/x Co/8Ru/y Co/7Ni/z Co/50TaN 制成。圖 6A 和 6B 示出了對應于 w=L 5、x=L 5、y=l.5> z=l.5 (實心符號)以及w=l.5、χ=1.5、y=l.5、z=3 (交叉)的數據。圖6C和6D示出了對應于 w=3、x=l.5、y=l.5、z=l.5 (實心符號)以及 w=3、x=l.5、y=3、z=l.5 (交叉)的數據。由于與Pt下層相鄰的最下面的Co層不同厚度W，可用于DW運動的電流密度的范圍在第一種情況下(圖6B)遠小于第二種情況(圖6D)。這是因為在大于成核閾值的電流密度下發生電流誘導的成核，所述成核閾值依賴于樣品的PMA，而PMA強烈依賴于與Pt下層相鄰的Co層的厚度。對于圖6中示出的兩組數據，當SAF結構的補償改善時，DW速度顯著增加。對于圖6B所示的器件，甚至對于低電流密度都觀察到這種增加。當MrZMs從0.45減小到0.2時，在108A/cm2下，DW速度增加到2倍(從~170到340m/s)。在1.5108A/cm2下，DW速度達到430m/s。這些數據顯示，隨MK/MS減小,例如減小到0.25或者甚至0.10,電流驅動的疇壁運動的特性改善。
[0029]在不脫離本發明精神和本質特征的情況下，可以以其它特定形式實現本發明。無論從哪一點來看，所描述的實施例都應當被認為是說明性的而非限制性的。因此本發明的范圍由所附權利要求書而不是前面的描述表明。在權利要求的等價物的意思和范圍內的所有變化都應當包含在所述范圍中。
【權利要求】
1.一種方法，包括: 提供用作疇壁運動的軌道的磁線，所述線包括: 下層； 第一磁性區，位于所述下層之上并與其接觸，所述第一磁性區具有與所述下層和所述第一磁性區之間的界面垂直的易磁化方向，其中所述第一磁性區是鐵磁性的和/或亞鐵磁性的； 耦合層，在所述第一磁性區之上并與其接觸； 第二磁性區，在所述耦合層之上并與其接觸，所述第二磁性區是鐵磁性的和/或亞鐵磁性的，并且其中所述第一磁性區和所述第二磁性區通過所述耦合層反鐵磁地耦合；以及上層，在所述第二磁性區之上并與其接觸； 其中(i)所述下層、所述第一磁性區、所述耦合層、所述第二磁性區和所述上層沿著所述線的長度的至少一部分延伸；并且(ii)所述下層和所述上層中的至少一個包括非磁性材料(NMM)，該非磁性材料選自一組元素，該一組元素由Pt、Pd和Ir構成；以及 向所述線施加電流，由此沿著所述線移動疇壁，其中所述疇壁(i)穿過所述第一磁性區、所述耦合層和所述第二磁性區延伸并且(ii)至少延伸到所述下層的一部分和/或所述上層的一部分中。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一磁性區包括至少20原子百分比的Co的層。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述第二磁性區包括至少20原子百分比的Co的`層。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一磁性區包括至少20原子百分比的Ni的層。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述第二磁性區包括至少20原子百分比的Ni的層。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一磁性區和/或所述第二磁性區包括如下的層(i)和層(ii) 二者，其中所述層(i)是至少20原子百分比Co的層，所述層(ii)是至少20原子百分比Ni的層。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一磁性區、所述第二磁性區以及包含所述非磁性材料的層均為fee且(111)取向。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一磁性區和/或所述第二磁性區包括至少一個三層結構，該三層結構選自由Co/Pt/Ni和Ni/Pt/Co構成的組，其中(i)所述至少一個三層結構中的每個Ni層是鐵磁性的并且包含至少20原子百分比的Ni，(ii)所述至少一個三層結構中的每個Co層是鐵磁性的并且包含至少20原子百分比的Co，并且(iii)所述至少一個三層結構中的每個Pt層包含至少70原子百分比的Pt。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述至少一個三層結構中的每個Ni層是fee且(111)取向。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述至少一個三層結構中的每個Ni層具有I與10埃之間的厚度。
11.根據權利要求8所述的方法，其中所述至少一個三層結構中的每個Ni層具有4與8埃之間的厚度。
12.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一和/或第二磁性區包括至少一個Co/Ni/Co三層結構，其中所述至少一個三層結構中的每個Co層是至少20原子百分比的Co，并且所述至少一個三層結構中的每個Ni層是至少20原子百分比的Ni。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一和/或所述第二磁性區包括至少一個Co/Ni/Pt/Co多層，其中所述至少一個多層中的每個Co層是至少20原子百分比的Co，所述至少一個多層中的每個Ni層是至少20原子百分比的Ni，以及所述至少一個多層中的每個Pt層是至少70原子百分比的Pt。
14.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一磁性區和所述第二磁性區中的每一個包括選自由Co/Pt/Ni和Ni/Pt/Co構成的組的至少一個三層結構，其中(i)所述至少一個三層結構中的每個Ni層是鐵磁性的并且包含至少20原子百分比的Ni，(ii)所述至少一個三層結構中的每個Co層是鐵磁性的并且包含至少20原子百分比的Co，并且(iii)所述至少一個三層結構中的每個Pt層包含至少70原子百分比的Pt。
15.根據權利要求1所述的方法，其中所述耦合層包括Ru并且與(i)所述第一磁性區中的Pt層和/或(i i )所述第二磁性區中的Pt層接觸。
16.根據權利要求1所述的方法，其中所述耦合層包括Ru和Os中的至少一種。
17.根據權利要求16所述的方法，其中Ru和Os—起構成所述耦合層的至少99的原子百分比。`
18.根據權利要求1所述的方法，其中所述耦合層包括Ru并且厚度為在4與10埃之間。
19.根據權利要求1所述的方法，其中所述耦合層包括Os并且厚度在4與10埃之間。
20.根據權利要求1所述的方法，其中所述耦合層包括Ru并且與(i)所述第一磁性區中的Co層和(i i )所述第二磁性區中的Co層接觸。
21.根據權利要求1所述的方法，其中所述線中的每一個Co層都為fee且(111)取向。
22.根據權利要求1所述的方法，其中所述線中的每一個Co層都具有I與10埃之間的厚度。
23.根據權利要求1所述的方法，其中所述線中的每一個Co層都具有I與4.5埃之間的厚度。
24.根據權利要求1所述的方法，其中包含NMM的所述上層或下層具有2與50埃之間的厚度。
25.根據權利要求1所述的方法，其中包含NMM的所述上層或下層具有5-15埃之間的厚度。
26.根據權利要求1所述的方法，其中所述下層或上層具有由于其靠近Co層而誘導的磁矩。
27.根據權利要求26所述的方法，其中所誘導的磁矩的一部分平行于所述界面。
28.根據權利要求26所述的方法，其中所誘導的磁矩的一部分垂直于鄰近的Co層中的Co磁矩的取向。
29.根據權利要求1所述的方法，包括向所述線施加電流，由此沿著所述線移動多個疇壁。
30.根據權利要求1所述的方法，其中所述疇壁在所施加的電流的方向上移動，所述第一和第二區中至少一個中的NMM/Co界面的數目大于所述區中的所述至少一個中的Co/NMM界面的數目。
31.根據權利要求1所述的方法，其中所述疇壁在與所施加的電流的方向相反的方向上移動，所述第一和第二區中至少一個中的Co/NMM界面的數目大于所述區中的所述至少一個中的NMM/Co界面的數目。
32.—種方法,包括: 提供用作疇壁運動的軌道的磁線，所述線包括: 鐵磁性和/或亞鐵磁性的第一磁性區； 在所述第一磁性區之上且與所述第一磁性區接觸的耦合層，所述第一磁性區具有垂直于所述第一磁性區和所述耦合層之間的界面的易磁化方向；以及 在所述耦合層之上且與所述耦合層接觸的第二磁性區，其中所述第二磁性區是鐵磁性的和/或亞鐵磁性的，并且其中所述第一磁性區和第二磁性區通過所述耦合層反鐵磁耦合，使得所述線的剩余磁化強度的絕對值小于以下(i )和(ii )的和的0.50倍，其中(i )為所述第一磁性區的磁化強度的量值的絕對值，(ii)為所述第二磁性區的磁化強度的量值的絕對值；以及 其中所述第一磁性區、所述耦合層和所述第二磁性區沿著所述線的長度的至少一部分延伸；以及 向所述線施加電流，由此沿著所述線移動疇壁，其中所述疇壁延伸穿過所述第一磁性區、所述耦合層和所述第二磁性區。
33.根據權利要求32所述的方法，其中所述線的剩余磁化強度的絕對值小于所述和的0.25 倍。
34.根據權利要求32所述的方法，其中所述線的剩余磁化強度的絕對值小于所述和的0.10 倍。
35.根據權利要求32所述的方法，其中 所述線包括下層，所述下層包含選自由Pt、Pd以及Ir構成的組的元素，所述第一磁性區在所述下層之上并與所述下層接觸；以及 所述疇壁延伸進入所述下層的至少一部分中。
36.根據權利要求32所述的方法，其中 所述線包括上層，所述上層包含選自由Pt、Pd以及Ir構成的組的元素，所述上層在所述第二磁性區之上并與所述第二磁性區接觸；以及 所述疇壁延伸進入所述上層的至少一部分中。
37.根據權利要求32所述的方法，其中所述第一磁性區和/或第二磁性區包括如下的層(i)和層(ii) 二者，其中所述層(i)是至少20原子百分比的Co的層，所述層(ii)是至少20原子百分比的Ni的層。
38.根據權利要求32所述的方法，其中所述第一磁性區和第二磁性區均為fee且(111)取向。
39.根據權利要求32所述的方法，其中所述第一磁性區和/或第二磁性區包括選自由Co/Pt/Ni和Ni/Pt/Co構成的組的至少一個三層結構，其中(i)所述至少一個三層結構中的每個Ni層是鐵磁性的并且包含至少20原子百分比的Ni，(ii)所述至少一個三層結構中的每個Co層是鐵磁性的并且包含至少20原子百分比的Co，并且(iii)所述至少一個三層結構中的每個Pt層包含至少70原子百分比的Pt。
40.根據權利要求32所述的方法，其中所述耦合層包括Ru并且與(i)所述第一磁性區中的Pt層和/或(i i )所述第二磁性區中的Pt層接觸。
41.根據權利要求32所述的方法，其中所述耦合層包括Ru和Os中的至少一種。
42.根據權利要求32所述的方法，包括向所述線施加電流，由此沿著所述線移動多個疇壁。
43.根據權利要求32所述的方法，其中所述疇壁在所施加的電流的方向上移動，所述第一和第二區中至少一個中的非磁性材料(NMM)/Co界面的數目大于所述區中的所述至少一個中的Co/NMM界面的數目。
44.根據權利要求32所述的方法，其中所述疇壁在與所施加的電流的方向相反的方向上移動，所述第一和第二區中至少一個中的Co/NMM (非磁性材料)界面的數目大于所述區中的所述至少一個中的NM`M/Co界面的數目。
【文檔編號】G11C11/16GK103531708SQ201310283722
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年7月8日 優先權日:2012年7月6日
【發明者】S·S·P·帕金, L·托馬斯, S-H·楊 申請人:國際商業機器公司