具有低飽和磁化強度自由層的自旋轉移磁性元件的制作方法

專利名稱：具有低飽和磁化強度自由層的自旋轉移磁性元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及磁性存儲系統，尤其涉及用于提供切換(switching)時采用自旋轉移(spin transfer)效應且可以利用低切換電流密度切換的磁性元件的方法和系統。
背景技術：
圖1A和1B描繪了常規的磁性元件10和10′。常規的磁性元件10是自旋閥并包括常規的反鐵磁性(AFM)層12、常規的被釘扎層(pinnedlayer)14、常規的導電間隔層16和常規的自由層18。還可使用其它層(未示出)，如晶種層或蓋層。常規的被釘扎層14和常規的自由層18是鐵磁性的。因此，將常規的自由層18描繪為具有可變的磁化19。常規的導電間隔層16是非磁性的。AFM層12用于在特定的方向上固定或釘扎住被釘扎層14的磁化。自由層18的磁化通常響應于外磁場而自由旋轉。還描繪了可以用于驅動電流穿過常規磁性元件10的頂接觸20和底接觸22。圖1B中描繪的常規磁性元件10′是自旋隧穿結。常規的自旋隧穿結10′的部分與常規的自旋閥10類似。因此，常規的磁性元件10′包括AFM層12′、常規的被釘扎層14′、常規的絕緣阻擋層16′和具有可變磁化19′的常規自由層18′。常規的阻擋層16′足夠薄以使電子可在常規的自旋隧穿結10′中隧穿。
分別取決于常規自由層18/18′的磁化19/19′取向和常規被釘扎層14/14′的磁化取向，常規的磁性元件10/10′的電阻分別改變。當常規的自由層18/18′的磁化19/19′平行于常規的被釘扎層14/14′的磁化時，常規的磁性元件10/10′的電阻低。當常規的自由層18/18′的磁化19/19′反平行于常規的被釘扎層14/14′的磁化時，常規的磁性元件10/10′的電阻高。為了感測常規磁性元件10/10′的電阻，驅動電流穿過常規的磁性元件10/10′。通常在存儲器應用中，以CPP(垂直于平面的電流)配置驅動電流，垂直于常規磁性元件10/10′的層(如圖1A或1B所示在z方向上，向上或向下)。
為了克服與具有較高密度存儲單元的磁性存儲器相關的某些問題，可利用自旋轉移來切換常規自由層18/18′的磁化19/19′。自旋轉移是在常規磁性元件10′的背景下描述的，但同樣可應用于常規的磁性元件10。在以下的出版物中詳細地描述了自旋轉移的當前知識J.C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers，”Journal of Magnetism and Magnetic Materials，第159卷，第L1頁(1996)；L.Berger，“Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversedby a Current，”Phys.Rev.B，第54卷，第9353頁(1996)，以及F.J.Albert，J.A.Katine和R.A.Buhrman，“Spin-polarized Current Switching of a CoThin Film Nanomagnet，”Appl.Phys.Lett.，第77卷，第23期，第3809頁(2000)。因此，自旋轉移現象的以下描述是基于當前的知識且并不意在限制本發明的范圍。
當自旋極化電流以CPP配置橫穿磁性多層如自旋隧穿結10′時，入射到鐵磁性層上的電子的一部分自旋角動量可轉移至該鐵磁性層。尤其是，入射到常規自由層18′上的電子可將它們的一部分自旋角動量轉移至常規的自由層18′。結果，如果電流密度足夠高(大約107-108A/cm2)并且自旋隧穿結的橫向尺寸小(大約小于兩百納米)，則自旋極化電流可以切換常規的自由層18′的磁化19′方向。另外，為了使自旋轉移能夠切換常規自由層18′的磁化19′方向，常規的自由層18′應當足夠薄，例如，對于Co優選小于大約十納米。基于自旋轉移的磁化切換支配其它的切換機制，并且當常規磁性元件10/10′的橫向尺寸較小、在幾百納米的范圍內時變得可見。因此，自旋轉移適合于具有較小磁性元件10/10′的較高密度磁性存儲器。
自旋轉移現象可用于CPP配置，作為利用外部切換場來切換常規自旋隧穿結10′的常規自由層18′的磁化方向的取代或附加手段。例如，常規自由層18′的磁化19′可以從反平行于常規被釘扎層14′的磁化切換到平行于常規被釘扎層14′的磁化。電流從常規的自由層18′驅動到常規的被釘扎層14′(傳導電子從常規的被釘扎層14′行進至常規的自由層18′)。從常規被釘扎層14′行進的多數電子的自旋被極化在與常規被釘扎層14′的磁化相同的方向上。這些電子可將它們角動量的足夠部分轉移至常規的自由層18′，以將常規的自由層18′的磁化19′切換成與常規的被釘扎層14′的磁化平行。可選地，自由層18′的磁化可以從平行于常規被釘扎層14′的磁化的方向切換至反平行于常規被釘扎層14′的磁化。當電流從常規的被釘扎層14′驅動到常規的自由層18′(傳導電子在相反方向上行進)時，多數電子的自旋被極化在常規自由層18′的磁化方向上。這些多數電子由常規的被釘扎層14′傳送(transmitted)。少數電子從常規的被釘扎層14′反射，返回到常規的自由層18′并且可轉移它們足夠量的角動量，以將自由層18′的磁化19′切換成反平行于常規的被釘扎層14′的磁化。
盡管自旋轉移用作切換常規的磁性元件10和10′的機制，但本領域的普通技術人員將容易認識到，通常需要高電流密度來引起常規磁性元件10和10′的切換。尤其是，該切換電流密度在幾個107A/cm2或以上的數量級。因此，高的寫入電流用來獲得高的切換電流密度。高的工作電流導致高密度MRAM的設計問題，如加熱、高功耗、大晶體管尺寸以及其它的問題。而且，如果使用如常規的元件10的自旋閥，則輸出信號小。在常規的磁性元件10中，SV基的自旋轉移元件的總電阻和電阻變化都較小，通常分別小于兩歐姆和百分之五。
對于自旋轉移器件，提出一種增大輸出信號的方法是使用自旋隧穿結，如常規的磁性元件10′。常規的磁性元件10′可顯示出大的電阻和大的信號。例如，電阻可以超過一千歐姆且電阻變化可以大于百分之四十。然而，本領域的普通技術人員將容易認識到，使用常規的磁性元件10′需要小的工作電流來防止常規的磁性元件10′惡化或破壞。
因此，需要的是一種用于提供磁性存儲元件的系統和方法，所述磁性存儲元件具有可以利用自旋轉移以較低電流密度切換且消耗較小功率的元件。本發明著手解決這種需要。

發明內容
本發明提供一種用于提供可以用在磁性存儲器中的磁性元件的方法和系統。該磁性元件至少包括被釘扎層、非磁性間隔層和自由層。該間隔層位于被釘扎層和自由層之間。該磁性元件配置成，當寫入電流穿過磁性元件時允許利用自旋轉移切換自由層。在一些方面，磁性元件進一步包括阻擋層、第二被釘扎層。在其它方面，磁性元件進一步包括第二間隔層、第二被釘扎層和靜磁耦合至該自由層的第二自由層。在這種方面中，第二間隔層位于第二被釘扎層和第二自由層之間，并且隔離層優選提供在第一和第二自由層之間以確保它們靜磁耦合。自由層中的一個或兩個具有低的飽和磁化強度。優選地，通過用非磁性材料稀釋自由層中的鐵磁性材料和/或亞鐵磁性(ferrimagnetically)地摻雜該鐵磁性材料來獲得低飽和磁化強度。
根據在此公開的系統和方法，本發明提供一種可利用較低電流密度由于自旋轉移而切換的磁性元件。


圖1A是常規的磁性元件自旋閥的圖。
圖1B是另一常規的磁性元件自旋隧穿結的圖。
圖2A描繪了根據本發明具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件一部分的第一實施例。
圖2B描繪了根據本發明具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件一部分的第一實施例的另一形式。
圖3描繪了根據本發明由于低飽和磁化強度而具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件一部分的第一實施例的一種形式。
圖4描繪了根據本發明具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件的第二實施例。
圖5A是根據本發明具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件的第二實施例的優選形式。
圖5B描繪了根據本發明由于低飽和磁化強度自由層而具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件一部分的第二實施例的另一形式。
圖6描繪了根據本發明具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件一部分的第三實施例。
圖7A是根據本發明具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件的第三實施例的優選形式。
圖7B描繪了根據本發明由于至少低飽和磁化強度而具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件一部分的第三實施例的另一形式。
圖8描繪了根據本發明的方法的一個實施例的流程圖，用于提供根據本發明具有用于自旋轉移切換的減小寫入電流密度的磁性元件的一個實施例。
具體實施例方式
本發明涉及如MRAM的磁性元件和磁性存儲器的改進。提出以下的描述以使本領域普通技術人員能制造和使用本發明，并且是提供在專利申請及其需求的背景下。對優選實施例的各種修改對于本領域技術人員來說是顯而易見的，且在此的通用原理可應用到其它實施例。因此，本發明不意在限制于所示出的實施例，而是符合與在此描述的原理和特征一致的最寬范圍。
本發明提供了一種用于提供可以用在磁性存儲器中的磁性元件的方法和系統。磁性元件至少包括被釘扎層、非磁性間隔層和自由層。間隔層位于被釘扎層和自由層之間。磁性元件配置成，當寫入電流穿過磁性元件時允許利用自旋轉移切換自由層。在一些方面，磁性元件進一步包括阻擋層、第二被釘扎層。在其它方面，磁性元件進一步包括第二間隔層、第二被釘扎層和靜磁耦合至該自由層的第二自由層。在這種方面，第二間隔層位于第二被釘扎層和第二自由層之間，并且隔離層優選提供在第一和第二自由層之間以確保它們靜磁耦合。配置一個或多個自由層以具有低飽和磁化強度。在某些方面，一個或兩個自由層可包括用非磁性材料稀釋的和/或亞鐵磁性摻雜的鐵磁性材料，來提供低飽和磁化強度。
本發明將以具有某些組件的特定磁性存儲器和特定磁性元件描述。然而，本領域的普通技術人員將容易認識到，該方法和系統將有效地作用于與本發明一致的具有不同和/或另外組件的其它磁性存儲元件和/或具有不同和/或其它特征的其它磁性存儲器。本發明還是在對自旋轉移現象的當前理解的背景下描述的。因此，本領域的普通技術人員將容易認識到，對該方法和系統行為的理論解釋是基于對自旋轉移的當前理解。本領域的普通技術人員還將容易認識到，該方法和系統是在與襯底具有特定關系的結構的背景下描述的。例如，如附圖所示，結構的底部通常比結構的頂部更接近于下面的襯底。然而，本領域的普通技術人員將容易認識到，該方法和系統與具有與襯底不同關系的其它結構一致。另外，該方法和系統是在某些層是合成的和/或簡單的(simple)背景下描述的。然而，本領域的普通技術人員將容易認識到，層可以具有另一結構。例如，盡管該方法和系統是在簡單自由層的背景下描述的，但沒有防止本發明使用合成的自由層。此外，本發明是在具有特定層的磁性元件的背景下描述的。然而，本領域的普通技術人員將容易認識到，還可以使用與本發明一致的具有另外和/或不同層的磁性元件。而且，某些組件描述為鐵磁性的。然而，如在此所使用，術語鐵磁性可包括亞鐵磁性或類似結構。因此，如在此所使用，術語“鐵磁性”包括但不限于鐵磁體和亞鐵磁體。本發明還是在單個元件的背景下描述的。然而，本領域的普通技術人員將容易認識到，本發明與具有多個元件、位線和字線的磁性存儲器的使用一致。此外，本發明是在利用提供較低切換電流的低飽和磁化強度自由層的背景下描述的。本領域的普通技術人員將容易認識到，根據本發明的方法和系統可以與用于減小切換電流的其它機制結合，如高垂直各向異性的自由層。
為了更具體地闡明根據本發明的方法和系統，現在參考圖2A，描述根據本發明具有用于自旋轉移的減小寫入電流密度的磁性元件100一部分的第一實施例。磁性元件100優選用在磁性存儲器如MRAM中。因此，磁性元件100可用于包括隔離晶體管(未示出)的存儲單元以及磁性存儲器的其它構造中。而且，磁性元件100優選利用在磁性元件頂部和底部附近的兩個端子(未示出)。然而，沒有防止使用另一數量的端子，例如在磁性元件中心附近的第三端子。磁性元件100包括被釘扎層110、間隔層120和自由層130。如下所述，自由層130配置成具有低飽和磁化強度。磁性元件100一般還包括用于釘扎住被釘扎層110的磁化111的AFM層(未示出)、以及晶種層(未示出)和蓋層(未示出)。此外，配置磁性元件100以使得可以利用自旋轉移寫入自由層130。在優選實施例中，自由層130的橫向尺寸如寬度w由此是小的且優選小于兩百納米。另外，一些差別優選提供在橫向尺寸之間，以確保自由層130在自由層130的平面中具有特定的易軸。
被釘扎層110是鐵磁性的。在一個實施例中，被釘扎層110是合成的。在這種實施例中，被釘扎層110包括由非磁性層隔開的鐵磁性層且被配置以使得鐵磁性層反平行排列。可配置被釘扎層110以增大磁性元件100的體電阻率的自旋相依性。例如，被釘扎層110或其鐵磁性層可以是由重復的雙層組成的多層(未明確地示于圖2A中)。在一個這種實施例中，被釘扎層110可以是(FexCo1-x/Cu)n多層，其中n是重復FexCo1-x/Cu雙層的次數。在這種實施例中，n大于一且雙層的Cu層優選為一至八埃厚。間隔層120是非磁性的。在一個實施例中，間隔層120可以是導電的，例如包含Cu。在另一實施例中，間隔層120是包含如氧化鋁的絕緣體的阻擋層。在這種實施例中，阻擋層120小于兩納米厚，以使得電荷載流子可以在自由層130和被釘扎層110之間隧穿。自由層130是鐵磁性的且配置成具有低的飽和磁化強度。如在此所使用，低飽和磁化強度是指飽和磁化強度近似等于或小于Co的飽和磁化強度，其在室溫下約為1430emu/cm3。
圖2B描繪了與磁性元件100類似的磁性元件100′。因此，相似地標記類似的組件。因此，磁性元件100′包括可以利用自旋轉移寫入且具有低飽和磁化強度的自由層130′。然而，自由層130′是合成的，包括由優選為Ru的非磁性層134隔開的兩個鐵磁性層132和136。配置非磁性層134以使得自由層130′的磁化133和137反平行排列。另外，鐵磁性層132和136的任一個或兩個具有低飽和磁化強度。參考圖2A和2B，為了清楚起見，以下的討論主要涉及自由層130。然而，所討論的原理也用于包括鐵磁性層132和136的自由層130′，以及磁性元件100′。
回來參考圖2A，優選通過用非磁性材料稀釋鐵磁性材料和/或用促使反平行自旋排列的雜質摻雜鐵磁性材料來提供低的飽和磁化強度。在優選的實施例中，通過用非磁性材料稀釋鐵磁性材料或者用促使反平行自旋排列的雜質摻雜鐵磁性材料來提供低飽和磁化強度，但不是同時用二者提供。
低飽和磁化強度減小切換電流密度的能力可以用J.C.Slonczewski在″Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers″，Journal ofMagnetism and Magnetic Materials，第159卷，第L1-L5頁(1996)中描述的普遍自旋轉移自旋-扭矩模型來理解。根據Slonczewski的模型，對于自旋轉移堆疊的自由層，切換電流密度Jc與下式成比例αtMs[Heff-2πMs]/g(θ)其中α＝唯象吉爾伯特阻尼常數(phenomenological Gilbert dampingconstant)；t＝自由層的厚度；Ms＝自由層的飽和磁化強度；Heff＝自由層的有效場；g(θ)反映自旋轉移效率有效場，Heff，包括外磁場、形狀各向異性場、平面內和平面外(即垂直)各向異性、以及雙極場和交換場。垂直各向異性通常由晶體各向異性引起。項g(θ)取決于被釘扎層110和自由層130的磁化的相對角取向。
當平面外退磁項2πMs支配項Heff時，自由層130的磁化131位于膜的平面內(即，磁化在圖2A中沒有指向上或向下的分量)。因此，對于這種膜，對于2πMs比Heff大很多的磁性薄膜，切換電流密度與Ms2近似成比例。因此，降低自由層130的飽和磁化強度Ms而不顯著地改變其它相關參數如阻尼常數和極化因子將減小切換電流密度。
為了獲得自由層130的低飽和磁化強度，優選使用非磁性稀釋和/或亞鐵磁性摻雜。當鐵磁性材料和非磁性材料在用在或用于自由層130中的單鐵磁性層中結合時，發生非磁性稀釋。當包括交替超薄(優選一至八埃厚)和互相擴散的鐵磁性和非磁性材料層的多層用于特定的鐵磁性層時，也會出現非磁性稀釋。因此，低飽和磁化強度自由層130，或如果自由層130′是合成的則其組成的鐵磁性層132和136，可以通過結合鐵磁性和非磁性材料來制成。例如，可以利用材料CoX、FeX、CoFeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY提供低飽和的自由層130。在此，X或Y＝Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN。在優選的實施例中，稀釋元素X和Y在五至六十原子百分數的范圍內，除了Pt和Pd可以在五至八十原子百分數范圍內之外。例如，CoCr0.157和CoCr0.205分別具有Ms＝750和450emu/cm2。這些是純Co的飽和磁化強度的顯著減小。在另一實例中，可以使用CoBj和/或CoFeBj，其中j＝0.03至0.20。這種結合具有較低的飽和磁化強度，但粗略地保持相同的自旋極化。最后，對于以下描述的磁性元件100或100′，由稀釋提供的低飽和的自由層130包括材料CoX、FeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y＝Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN；和/或CoFeX，其中X是Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN。還注意到，在用于以上的X或Y中的TaN、CuN或TaCuN中引入氮摻雜的一種常用方法是通過反應性濺射，其中N2氣與Ar氣混合，例如在1-5mT分壓的Ar氣中0.01-5mT分壓的N2氣。
如上所述，還可以通過使用多層來提供低飽和磁化強度的自由層130。因此，自由層130，或如果自由層130是合成的則其組成的鐵磁性層132和136，可以通過提供超薄的(優選一至八埃厚)和互相擴散的鐵磁性層和非磁性層的多層來制成。在一個實施例中，可使用(FexCo1-x/Cu)n的多層。因此，FexCo1-x層和Cu層的雙層存在于多層的每個重復中。在這種實施例中，雙層的重復數是n，其中n大于一。此外，x表示Fe的原子百分數。因此，x小于一且優選為0.5。而且在優選的實施例中，這種雙層的Cu和FeCo層在一和八埃厚之間。最終的多層可以用作提供自由層或其組成的鐵磁性層的低飽和磁化強度材料。由于非常薄、不連續的Cu層，所以在FeCo和Cu之間的顯著互相擴散會出現在多層(FexCo1-x/Cu)n堆疊的雙層中，尤其是在一些退火之后。該互相擴散導致低的飽和磁化強度。而且，對于多層(FexCo1-x/Cu)n，存在體電阻率的自旋相依性的增強。體電阻率的自旋相依性的增強提供了使用多層方式來稀釋自由層130的另外優點。
亞鐵磁性摻雜也可以用于提供自由層130的低飽和磁化強度。在這種實施例中，自由層130或鐵磁性層132和136將利用已進行亞鐵磁性摻雜的鐵磁性材料提供。當用促使自旋反平行排列的雜質摻雜鐵磁體時，一般發生亞鐵磁性摻雜。自旋的該排列會導致具有強烈減小的飽和磁化強度的亞鐵磁體。例如，已顯示Gd和Tb摻雜到Ni81Fe19中導致飽和磁化強度的快速減小。飽和磁化強度的該減小與Gd和Tb自旋反平行排列于Ni81Fe19磁化的理論一致。對于這種摻雜的進一步討論，參見WilliamBailey等人的″Control of magnetization dynamics in Ni81Fe19thin filmsthrough the use of rare-earth dopants″，IEEE Transactions on Magnetics，第37卷，第4期，2001年7月，第1749-1754頁。然而，注意到，Tb摻雜可以顯著地增大阻尼，與Gd摻雜不同。唯象吉爾伯特阻尼常數α的增大可使由低飽和磁化強度引起的切換電流密度減小的一些或所有無效。因此，使用Gd摻雜優于使用Tb。在任一情況下，稀土應當在五至六十原子百分數的范圍內。
因此，在磁性元件100的實施例中，可以通過用于自由層130中的鐵磁性材料的亞鐵磁性摻雜來降低自由層130的飽和磁化強度。在一些實施例中，進行亞鐵磁性摻雜以使得所使用的結合材料是CoX、FeX、CoFeX和/或NiFeX，其中X是稀土元素Gd和/或Tb。還可提供另外的摻雜劑，如Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh或Ru，以進一步減小飽和磁化強度。
此外，磁性元件100可包括高自旋極化材料的至少一個薄涂層。在圖3中描繪了這種磁性元件100″的一個實施例。磁性元件100″與磁性元件100類似。因此，相似地標記類似的組件。而且，磁性元件100″優選利用磁性元件的頂部和底部附近的兩個端子(未示出)。然而，沒有防止使用另一數量的端子，例如在磁性元件中心附近的第三端子。因此，磁性元件包括自由層130″，具有低飽和磁化強度且利用自旋轉移寫入。磁性元件100″還包括高自旋極化層140，如在自由層130″和間隔層120″之間界面處三至八埃厚的CoFe，以增大磁阻和自旋扭矩。高自旋極化材料具有比相鄰鐵磁性層高的自旋極化。如果自由層130″是合成的，例如如在圖2B中所描繪的磁性元件100′中，則每個鐵磁性層132和136夾在高自旋極化層如高自旋極化層140之間。因此，可以以多種方式提供自由層130、130′和/或130″的低飽和磁化強度以及所導致的切換電流密度的減小。
因此，磁性元件100、100′和100″分別包括自由層130、130′和130″，具有如上所定義的低飽和磁化強度。因此，可以利用自旋轉移以較低的切換電流寫入磁性元件100、100′和100″。因此，可以獲得低切換電流的優點。
圖4描繪了根據本發明具有用于自旋轉移的減小寫入電流密度的磁性元件200的第二實施例。磁性元件200包括共用自由層230的自旋閥部分204和自旋隧穿結部分202。自旋閥部分204包括優選為反鐵磁性(AFM)層260的釘扎層260、被釘扎層250、如Cu的導電間隔層240、和自由層230。在可替換實施例中，導電間隔層240可由阻擋層代替。自旋隧穿結部分202包括優選為反鐵磁性(AFM)層206的釘扎層206、被釘扎層210、配置為允許電子隧穿的絕緣體的阻擋層220、和自由層230。參考圖2A和4，當間隔層120導電時，層250、240和230與磁性元件100中的層110、120和130類似。相似地，當間隔層120是絕緣阻擋層時，層210、220和230分別與層110、120和130類似。被釘扎層210和250由此優選對應于被釘扎層110，且可以利用類似的材料、層和/或工藝配置。例如，被釘扎層210和/或被釘扎層250可包括多層(FexCo1-x/Cu)n，其中n是大于一的重復次數。另外，Fe原子百分數x優選為大約0.5且Cu層優選為一至八埃厚。配置自由層230以利用自旋轉移寫入并且具有低的飽和磁化強度。而且，磁性元件200優選利用磁性元件的頂部和底部附近的兩個端子(未示出)。然而，沒有防止使用另一數量的端子，例如在磁性元件200中心附近的第三端子。磁性元件200還包括優選為AFM層的釘扎層206和260，其用于分別釘扎住被釘扎層210和250的磁化。
自由層230優選以與自由層130、130′和/或130″類似的方式配置。因此，可使用與以上討論的那些類似的材料和原理來獲得自由層230的低飽和磁化強度。例如，可使用用非磁性材料稀釋和/或亞鐵磁性摻雜來獲得自由層230的低飽和磁化強度。另外，如上關于自由層130′所述，自由層230可以是合成的。因此，可以利用自旋轉移以較低的切換電流密度寫入磁性元件200。換句話說，磁性元件200可以共享磁性元件100、100′、100″以及它們的結合的益處。此外，當被釘扎層210和250反平行排列時，自旋閥部分204和自旋隧穿結部分202都對寫入自由層230作貢獻。由于使用阻擋層220，磁性元件200具有較高的電阻和磁阻。因此，在讀取期間可獲得較高的信號。
圖5A是根據本發明具有用于自旋轉移的減小寫入電流密度的磁性元件300的第二實施例的優選形式。磁性元件300與圖4中描繪的磁性元件200類似。因此，相似地標記類似組件。因此，磁性元件包括自由層330，其對應于具有低飽和磁化強度的自由層230，且其利用自旋轉移寫入。而且，磁性元件300優選利用磁性元件頂部和底部附近的兩個端子(未示出)。然而，沒有防止使用另一數量的端子，例如在磁性元件中心附近的第三端子。
自由層330優選以與自由層130、130′、130″和/或自由層230類似的方式配置。因此，可使用與以上討論的那些類似的材料和原理來獲得自由層330的低飽和磁化強度。例如，可使用用非磁性材料稀釋和/或亞鐵磁性摻雜來獲得自由層330的低飽和磁化強度。另外，如上關于自由層130′所討論，自由層330可以是合成的。由于自由層330的低飽和磁化強度，所以可以利用自旋轉移以較低的切換電流密度寫入磁性元件300。換句話說，磁性元件300可以共享磁性元件100、100′、100″、200和它們的結合的益處。由于使用阻擋層340，所以磁性元件300具有較高的電阻和磁阻。因此，在讀取期間可獲得較高的信號。在可替換實施例中，阻擋層320可由導電層代替。然而，在這種實施例中，對于給定的讀取電流，讀取信號減小。
在磁性元件300中，被釘扎層310是合成的。由此被釘扎層310包括由優選為Ru的非磁性層314隔開的鐵磁性層312和316。配置非磁性層以使得鐵磁性層312和316反鐵磁性排列。此外，配置磁性元件300以使得鐵磁性層316和被釘扎層350反平行。結果，自旋閥部分304和自旋隧穿結部分302兩者都對用于寫入磁性元件300的自旋轉移作貢獻。因此，可以使用甚至更低的切換電流來寫入到磁性元件300。另外，因為鄰近層312和350的磁化平行排列，所以AFM層306和360可以在同一方向上排列。因此，AFM層306和360可以在同一步驟中排列。因此，進一步簡化了工藝。
自由層230和330以及磁性元件200和300可以以與上述討論類似的方式配置。例如，圖5B描繪了根據本發明由于至少低飽和磁化強度而具有用于自旋轉移的減小寫入電流密度的磁性元件一部分的第二實施例300′的另一形式。磁性元件300′與磁性元件300類似，因此共享其優點。例如，自由層330′具有低飽和磁化強度。此外，以與圖3中描繪的磁性元件100″類似的方式，磁性元件300′包括高自旋極化層370和372，其優選包括CoFe三至八埃厚。注意，可使用層370、層372或兩者。如果自由層330′是合成的，則每個組成的鐵磁性層(未示出)都優選具有低飽和磁化強度。在這種實施例中，每個鐵磁性層都優選夾在高自旋極化材料之間。因此，獲得了與以上關于圖3A討論的那些相似的益處。
圖6描繪了根據本發明具有用于自旋轉移的減小寫入電流密度的磁性元件400一部分的第三實施例。磁性元件包括兩個結構402和404，每個都與磁性元件100、100′或100″類似。因此，結構402包括分別與例如磁性元件100的層110、120和130類似的被釘扎層410、間隔層420和自由層430。結構402還包括優選為AFM層的釘扎層406。相似地，結構404包括分別與例如磁性元件100的層110、120和130類似的被釘扎層470、間隔層460和自由層450。結構404還包括優選為AFM層的釘扎層480。自由層430和450中的一個或兩個具有低飽和磁化強度。自由層430和/或450還可以是合成的。在這種情況下，自由層430和/或450內的鐵磁性層(未明確示出)將具有低飽和磁化強度。此外，磁性元件400的自由層430和450靜磁耦合，優選使得層430和450反鐵磁性排列。在所示出的實施例中，磁性元件400包括隔離層440。配置隔離層440以確保自由層430和450僅靜磁耦合。例如，優選配置優選為非磁性導體的隔離層440的厚度，以確保自由層430和450由于靜磁相互作用而反鐵磁性排列。尤其是，隔離層440用于使穿過它的自旋的極化隨機化。例如，隔離層440包括如Cu、Ag、Au、Pt、Mn、CuPt、CuMn、Cu/Pt/Cu夾層(sandwich)、Cu/Mn/Cu夾層或Cu/PtMn[1-20A]/Cu夾層的材料。盡管隔離層用在磁性元件400中，但沒有防止使用另一機制。例如，在一個實施例中，結構402可是包括第二被釘扎層(未示出)、第二間隔層(未示出)和釘扎層(未示出)的雙結構。可配置第二被釘扎和間隔層以及釘扎層的厚度，以確保自由層430和450靜磁耦合。
配置自由層430和/或自由層450以具有低飽和磁化強度，如上所定義。因此，自由層430和/或450可對應于自由層130、130′或130″。換句話說，用于自由層430和/或自由層450中的材料和/或性能與以上關于磁性元件100、100′或100″描述的那些相同或類似。因此，磁性元件400共享磁性元件100、100′和100″的許多益處。尤其是，可以利用自旋轉移以較低的切換電流密度寫入磁性元件。
自由層430和450之間的靜磁耦合進一步提供了益處。由于自由層450和430是靜磁耦合的，所以自由層450的磁化變化反映在自由層430中。可以用阻擋層代替間隔層420以提供高信號。此外，由于它們具有不同的自由層450和430，所以可以分別調整自旋閥404和自旋隧穿結402的性能以分別改善自旋閥和自旋隧穿結它們的作用。
圖7A是根據本發明具有用于自旋轉移的減小寫入電流密度的磁性元件500的第三實施例的優選形式。磁性元件500與圖6中描繪的磁性元件400類似。因此，相似地標記類似組件。因此，磁性元件包括自由層530和550，其分別對應于自由層430和450，它們中的任一個或兩個具有低的飽和磁化強度，且兩個都利用自旋轉移寫入。自由層530和/或550還可以是合成的。在這種情況下，自由層530和/或550內的鐵磁性層(未明確示出)將具有低飽和磁化強度。而且，磁性元件500優選利用磁性元件頂部和底部附近的兩個端子(未示出)。然而，沒有防止使用另一數量的端子，例如在磁性元件500中心附近的第三端子。
被釘扎層510和570是合成的。因此，被釘扎層510包括由優選為Ru的非磁性層514隔開的鐵磁性層512和516。鐵磁性層512和516的磁化也是反平行排列的。相似地，被釘扎層570包括由優選為Ru的非磁性層574隔開的鐵磁性層572和576。鐵磁性層572和576的磁化也是反平行排列的。此外，間隔層520優選是阻擋層，其為絕緣的但允許電子在鐵磁性層516和自由層530之間隧穿。間隔層560優選為導電層。因此，結構502是自旋隧穿結，而結構504是自旋閥。
自由層530和/或550優選以分別與自由層130、130′、130″或自由層430和450類似的方式配置。因此，可使用與以上討論的那些類似的材料和原理來獲得自由層430和/或450的低飽和磁化強度。例如，可使用用非磁性材料稀釋和/或亞鐵磁性摻雜來獲得自由層530和/或550的低飽和磁化強度。因此，優選以上關于自由層130、130′和130″討論的材料。另外，如以上關于自由層130′討論的，自由層530和/或550可以是合成的。由于低的飽和磁化強度，所以磁性元件500可以利用自旋轉移以較低的切換電流密度寫入。換句話說，磁性元件500可以共享磁性元件100、100′、100″和它們的結合的益處。
此外，由于自由層530和550是靜磁耦合的，所以例如由于自旋轉移誘導寫入而引起的自由層550的磁化方向改變反映在自由層530的磁化中。利用阻擋層520，自旋隧穿結502提供高信號。在可替換實施例中，阻擋層520可由導電層代替。然而，在這種實施例中，對于給定的讀取電流，讀取信號減小。
另外，如圖7A中可以看到，被釘扎層510和570是合成的。被釘扎層510由此包括由優選為Ru的非磁性層514隔開的鐵磁性層512和516。配置非磁性層514以使得鐵磁性層512和516是反鐵磁性排列的。相似地，被釘扎層570包括由優選為Ru的非磁性層574隔開的鐵磁性層572和576。配置非磁性層574以使得鐵磁性層572和576是反鐵磁性排列的。此外，配置磁性元件500以使得鐵磁性層512和鐵磁性層576的磁化平行。由于鐵磁性層512和576的磁化平行排列，所以AFM層506和580可以在同一方向上排列。因此，AFM層506和580可以在同一步驟中排列。因此，進一步簡化了工藝。
如前所述，自由層530和550以及磁性元件500可以以與以上討論類似的方式配置。例如，圖7B是根據本發明由于至少低飽和磁化強度自由層而具有用于自旋轉移的減小寫入電流密度的磁性元件500′的第三實施例的另一形式。磁性元件500′與磁性元件500類似，因此，共享其優點。例如，自由層530′和/或550′具有低飽和磁化強度。此外，以與圖3中描繪的磁性元件100″類似的方式，磁性元件500′包括高自旋極化層581、582、583和584，其優選包括CoFe三至八埃厚。注意到，可使用層581和583或層581、582、583和584或二者。如果自由層530′和/或550′是合成的，則每個組成的鐵磁性層(未示出)將優選具有低飽和磁化強度。在這種實施例中，每個鐵磁性層都優選夾在高自旋極化材料之間。因此，獲得了與以上關于圖3討論的那些相似的益處。而且，鐵磁性層576′和512′平行。因此，AFM層506′和580′可以在單個步驟中排列。由此簡化了工藝。
因此，由于至少一個自由層中的低飽和磁化強度，所以可以利用自旋轉移以較低的切換電流密度寫入磁性元件100、100′、100″、200、300、300′、400、500和500′。此外，可以結合磁性元件100、100′、100″、200、300、300′、400、500和500′的方面來提供進一步的優點。
圖8描繪了根據本發明的方法600的一個實施例的流程圖，用于提供根據本發明具有用于自旋轉移的減小寫入電流密度的磁性元件的一個實施例。方法600是在磁性元件100的背景下描述的。然而，沒有防止方法600適合于提供磁性元件100′、100″、200、300、300′、400、500或500′。經由步驟602，提供被釘扎層，如被釘扎層110。在一個實施例中，步驟602包括提供合成的被釘扎層。經由步驟604，提供間隔層120。步驟604可以包括提供阻擋層或導電層。經由步驟606，提供具有低飽和磁化強度的自由層130。在一些實施例中，可在步驟606之前和/或之后提供高自旋極化層。步驟606可以包括提供合成的自由層。在這種實施例中，步驟606還可包括提供與自由層的鐵磁性層鄰接的高自旋極化層。如果提供磁性元件200、300、300′、400、500和/或500′，則經由步驟608，提供另外的被釘扎層、間隔層和在一些實施例中提供自由層。在這種實施例中，自由層可具有低飽和磁化強度。因此，可提供磁性元件100′、100″、200、300、300′、400、500和/或500′。
已公開了一種方法和系統用于提供可以利用自旋轉移以較低的切換電流密度寫入的磁性元件。盡管已根據示出的實施例描述了本發明，但本領域的普通技術人員將容易認識到，實施例可以有變化且那些變化將在本發明的精神和范圍內。因此，本領域的普通技術人員可進行許多修改，而不脫離所附的權利要求的精神和范圍。
權利要求
1.一種磁性元件，包括被釘扎層；間隔層，該間隔層是非磁性的；以及具有自由層磁化的自由層，該間隔層位于該被釘扎層和該自由層之間，該自由層包括用至少一種非磁性材料稀釋的和/或亞鐵磁性摻雜的至少一種鐵磁性材料，以使得該自由層具有低飽和磁化強度；其中如果該自由層包括用該至少一種非磁性材料稀釋的該至少一種鐵磁性材料，則該自由層至少包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y是Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN，和/或CoFeX，其中X是Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN；其中配置該磁性元件，以允許當寫入電流穿過該磁性元件時由于自旋轉移而切換該自由層磁化。
2.如權利要求1的磁性元件，其中X和Y至少是五個原子百分數且小于或等于六十個原子百分數，除了Pt和Pd可以在五至八十原子百分數的范圍內之外。
3.如權利要求1的磁性元件，其中該自由層包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX和/或CoNiFeX，其中X包括在五至六十原子百分數范圍內的至少一種稀土元素。
4.如權利要求3的磁性元件，其中該至少一種稀土元素是從五至六十原子百分數的Gd或Tb。
5.如權利要求3的磁性元件，其中該自由層進一步包括至少一種另外的摻雜劑，該至少一種另外的摻雜劑包括Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh和/或Ru。
6.如權利要求1的磁性元件，進一步包括位于該自由層和該間隔層之間的高自旋極化層。
7.如權利要求1的磁性元件，其中該被釘扎層包括多個雙層，該多個雙層的每一個都包括FexCo1-x和Cu層，x小于一。
8.一種磁性元件，包括第一被釘扎層；間隔層，該間隔層是導電的和非磁性的；具有自由層磁化的自由層，該間隔層位于該第一被釘扎層和該自由層之間，該自由層是低飽和磁化強度自由層；阻擋層，該阻擋層是絕緣體且具有允許隧穿過該阻擋層的厚度；第二被釘扎層，該阻擋層在該自由層和該第二被釘扎層之間；其中配置該磁性元件，以允許當寫入電流穿過磁性元件時由于自旋轉移而切換該自由層磁化。
9.如權利要求8的磁性元件，其中該自由層包括用至少一種非磁性材料稀釋的至少一種鐵磁性材料。
10.如權利要求8的磁性元件，其中該自由層包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y是Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN和/或TaCuN。
11.如權利要求4的磁性元件，其中X和Y對于Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN和/或TaCuN是至少五個原子百分數且小于或等于六十個原子百分數，以及對于Pt和Pd是至少五個原子百分數且小于或等于八十個原子百分數。
12.如權利要求8的磁性元件，其中該自由層包括多層，該多層包括至少一個鐵磁性層和至少一個非磁性層。
13.如權利要求12的磁性元件，其中該自由層包括多個雙層，該多個雙層中的每一個都包括FexCo1-x和Cu層，x小于一。
14.如權利要求13的磁性元件，其中x是0.5。
15.如權利要求13的磁性元件，其中Cu或FeCo層的厚度大于或等于一埃且小于或等于八埃。
16.如權利要求8的磁性元件，其中該自由層包括用至少一種摻雜劑亞鐵磁性摻雜的至少一種鐵磁性材料。
17.如權利要求16的磁性元件，其中該自由層包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX和/或CoNiFeX，其中X包括至少一種稀土元素。
18.如權利要求17的磁性元件，其中該至少一種稀土元素是Gd或Tb。
19.如權利要求18的磁性元件，其中該自由層進一步包括至少一種另外的摻雜劑，該至少一種另外的摻雜劑包括Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh和/或Ru。
20.如權利要求8的磁性元件，進一步包括位于該自由層和該間隔層之間的高自旋極化層。
21.如權利要求8的磁性元件，其中該被釘扎層包括多個雙層，該多個雙層中的每一個都包括FexCo1-x和Cu層，x小于一。
22.如權利要求8的磁性元件，其中該自由層是簡單的自由層。
23.如權利要求8的磁性元件，其中該第一被釘扎層是包括與該間隔層鄰接的鐵磁性層的第一合成被釘扎層，其中該鐵磁性層具有第一磁化，且該第二被釘扎層具有第二磁化，且其中該第一磁化和該第二磁化定向在相反的方向上。
24.如權利要求23的磁性元件，其中該第二被釘扎層是第二合成被釘扎層。
25.如權利要求24的磁性元件，其中該第二合成被釘扎層包括與該阻擋層鄰接的第二鐵磁性層，其中該第二鐵磁性層具有第二磁化，且其中該第一磁化和第二磁化定向在相反的方向上。
26.如權利要求8的磁性元件，其中配置該第一被釘扎層和該第二被釘扎層，以使得來自該第一被釘扎層和該第二被釘扎層兩者的電荷載流子可以對由于自旋轉移而切換該自由層磁化作貢獻。
27.一種磁性元件，包括第一被釘扎層；第一間隔層，該第一間隔層是非磁性的；第一自由層，該第一間隔層位于該第一被釘扎層和該第一自由層之間；具有第二自由層磁化的第二自由層，該第一自由層和該第二自由層是靜磁耦合的；第二間隔層，其是非磁性的；第二被釘扎層，該第二間隔層位于該第二自由層和該第二被釘扎層之間；其中配置該磁性元件，以允許當寫入電流穿過該磁性元件時由于自旋轉移而切換該自由層磁化；以及其中配置該第一自由層以具有第一低飽和磁化強度，和/或配置該第二自由層以具有第二低飽和磁化強度。
28.如權利要求27的磁性元件，進一步包括位于該第一自由層和該第二自由層之間的隔離層，配置該隔離層以允許該第一自由層和該第二自由層靜磁耦合。
29.如權利要求28的磁性元件，其中該隔離層進一步包括Cu、Ag、Au、Pt、Mn、CuPt、CuMn、Cu/Pt/Cu夾層、Cu/Mn/Cu夾層或Cu/PtMn[1-20A]/Cu夾層。
30.如權利要求27的磁性元件，其中該第一自由層和/或該第二自由層包括用至少一種非磁性材料稀釋的至少一種鐵磁性材料。
31.如權利要求30的磁性元件，其中該第一自由層和/或該第二自由層包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y是Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN和/或TaCuN。
32.如權利要求31的磁性元件，其中X和Y對于Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN和/或TaCuN是至少五個原子百分數且小于或等于六十個原子百分數，以及對于Pt和Pd是至少五個原子百分數且小于或等于八十個百分數。
33.如權利要求27的磁性元件，其中該第一自由層和/或該第二自由層包括多層，該多層包括至少一個鐵磁性層和至少一個非磁性層。
34.如權利要求33的磁性元件，其中該第一自由層和/或該第二自由層包括多個雙層，該多個雙層中的每一個都包括FexCo1-x和Cu層，x小于一。
35.如權利要求34的磁性元件，其中x是0.5。
36.如權利要求35的磁性元件，其中Cu或FeCo層的厚度大于或等于一埃且小于或等于八埃。
37.如權利要求27的磁性元件，其中該第一自由層和/或該第二自由層包括用至少一種摻雜劑亞鐵磁性摻雜的至少一種鐵磁性材料。
38.如權利要求37的磁性元件，其中該第一自由層和/或該第二自由層包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX和/或NiCoFeX，其中X包括在五至六十個原子百分數范圍內的至少一種稀土元素。
39.如權利要求38的磁性元件，其中該至少一種稀土元素是五至六十個原子百分數的Gd或Tb。
40.如權利要求38的磁性元件，其中該第一自由層和/或該第二自由層進一步包括至少一種另外的摻雜劑，該至少一種另外的摻雜劑包括Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh或Ru。
41.如權利要求38的磁性元件，其中該第二間隔層是阻擋層，配置該阻擋層以允許電荷載流子在該第二被釘扎層和該第二自由層之間隧穿。
42.如權利要求38的磁性元件，進一步包括位于該第一自由層與該第一間隔層之間和/或該第二間隔層與該第二自由層之間的高自旋極化層。
43.如權利要求27的磁性元件，其中該第一被釘扎層和/或該第二被釘扎層包括多個雙層，該多個雙層中的每一個都包括FexCo1-x和Cu層，x小于一。
44.一種用于提供磁性元件的方法，包括提供被釘扎層；提供間隔層，該間隔層是非磁性的；以及提供具有自由層磁化的自由層，該間隔層位于該被釘扎層和該自由層之間，該自由層包括用至少一種非磁性材料稀釋的和/或亞鐵磁性摻雜的至少一種鐵磁性材料，以使得該自由層具有低飽和磁化強度；其中如果該自由層包括用該至少一種非磁性材料稀釋的該至少一種鐵磁性材料，則該自由層至少包括CoX、FeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y是Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN，和/或CoFeX，其中X是Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN；其中配置該磁性元件，以允許當寫入電流穿過該磁性元件時由于自旋轉移而切換該自由層磁化。
全文摘要
本發明公開了一種用于提供可以用在磁性存儲器中的磁性元件的方法和系統。該磁性元件包括被釘扎層、非磁性間隔層和自由層。該間隔層位于該被釘扎層和自由層之間。當寫入電流通過該磁性元件時，該自由層可以利用自旋轉移切換。該磁性元件還可包括阻擋層、第二被釘扎層。可選地，包括第二被釘扎層和第二間隔層以及靜磁耦合至該自由層的第二自由層。在一個方面，自由層包括用非磁性材料稀釋的和/或亞鐵磁性摻雜的鐵磁性材料以提供低飽和磁化強度。
文檔編號H01F41/30GK1938874SQ200580009921
公開日2007年3月28日 申請日期2005年2月18日 優先權日2004年2月19日
發明者P·P·源, 懷一鳴, 刁治濤, F·艾伯特 申請人:弘世科技公司