專(zhuān)利名稱(chēng)：具有高垂直各向異性和平面內(nèi)平衡磁化的自由層的自旋轉(zhuǎn)移磁性元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性存儲(chǔ)系統(tǒng)，尤其涉及提供磁性元件的方法和系統(tǒng)，所述磁性元件在切換中應(yīng)用自旋轉(zhuǎn)移(spin transfer)效應(yīng)，并可用較低切換電流密度切換。
背景技術(shù)：
圖1A和1B描述了常規(guī)磁性元件10和10’。常規(guī)磁性元件10是自旋閥并包括常規(guī)的反鐵磁性(AFM)層12、常規(guī)被釘扎(pinned)層14、常規(guī)導(dǎo)電間隔層16和常規(guī)自由層18。還可以使用其它的層(未示出)，例如晶種或者覆蓋層。常規(guī)被釘扎層14和常規(guī)自由層18是鐵磁性的。因此，將常規(guī)自由層18描述成具有可變的磁化19。常規(guī)間隔層16是非磁性的。AFM層12用于在特定的方向上固定或者釘扎住被釘扎層14的磁化。自由層18的磁化通常響應(yīng)于外部的磁場(chǎng)自由旋轉(zhuǎn)。還描述了可用于驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)常規(guī)磁性元件10的頂部接觸20和底部接觸22。在圖1B中描述的常規(guī)磁性元件10’是自旋隧道結(jié)。常規(guī)自旋隧道結(jié)10’的部分類(lèi)似于常規(guī)自旋閥10。因此，常規(guī)磁性元件10’包括AFM層12’、常規(guī)被釘扎層14’、常規(guī)絕緣阻擋層16’和具有可變磁化19’的常規(guī)自由層18’。常規(guī)阻擋層16’足夠薄，以使電子能在常規(guī)自旋隧道結(jié)10’中隧穿。
分別根據(jù)常規(guī)自由層18/18’的磁化19/19’和常規(guī)被釘扎層14/14’的磁化的方向，常規(guī)磁性元件10/10’的電阻分別改變。當(dāng)常規(guī)自由層18/18’的磁化19/19’平行于常規(guī)被釘扎層14/14’的磁化時(shí)，常規(guī)磁性元件10/10’的電阻是低的。當(dāng)常規(guī)自由層18/18’的磁化19/19’反平行于常規(guī)被釘扎層14/14’的磁化時(shí)，常規(guī)磁性元件10/10’的電阻是高的。為了感測(cè)常規(guī)磁性元件10/10’的電阻，驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)常規(guī)磁性元件10/10’。通常在存儲(chǔ)器應(yīng)用中，以CPP(電流垂直于平面)配置驅(qū)動(dòng)電流，垂直于常規(guī)磁性元件10/10’的層(向上或者向下，在如圖1A或者1B中所示的z方向上)。
而且，已具有垂直各向異性的膜已用于常規(guī)MRAM中以獲得某些所需的性能。例如，具有垂直各向異性的GdFe和GdCoFe已用于磁性元件中，如在Naoki Nishimura等人的“Magnetic tunnel junction devicewith perpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”，Journal of Applied Physics，第91卷，第8期，第5246-5249頁(yè)，2002年4月15日中公開(kāi)的。然而，Nishimura公開(kāi)的結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)用于標(biāo)準(zhǔn)基于場(chǎng)寫(xiě)入的(field-based-writing)MRAM裝置。因此，通過(guò)給磁性元件施加外磁場(chǎng)來(lái)切換這種常規(guī)自由層的磁化。而且，與磁性元件10/10’相比，Nishimura公開(kāi)的磁性元件具有垂直于膜平面取向的平衡磁化。因此，在這種常規(guī)磁性元件中自由層的磁化將在z方向上，如圖1A和1B中所示。
為了克服與具有較高存儲(chǔ)單元密度的磁性存儲(chǔ)器相關(guān)的某些問(wèn)題，可以利用自旋轉(zhuǎn)移切換常規(guī)自由層10/10’的磁化19/19’。自旋轉(zhuǎn)移是在常規(guī)磁性元件10’的背景下描述的，但是同樣可應(yīng)用于常規(guī)磁性元件10。在下述的公開(kāi)物中詳細(xì)描述了自旋轉(zhuǎn)移的當(dāng)前知識(shí)J.C.Slonczewski，“Currenr-driven Excitation of Magnetic Multilayers”，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，第159卷，第L1頁(yè)(1996)；L.Berger，“Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversedby a Current”，Phys.Rev.B，第54卷，第9353頁(yè)(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(yè)(2000)。因此，對(duì)自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的下述描述是基于當(dāng)前知識(shí)，并不意在限制本發(fā)明的范圍。
當(dāng)自旋極化電流以CPP配置穿過(guò)磁性多層例如自旋隧道結(jié)10’時(shí)，入射到鐵磁性層上的電子的自旋角動(dòng)量的一部分可轉(zhuǎn)移到該鐵磁性層。尤其是，入射到常規(guī)自由層18’的電子可將它們的自旋角動(dòng)量的一部分轉(zhuǎn)移到常規(guī)自由層18’。因此，如果電流密度足夠高(大約107-108A/cm2)以及自旋隧道結(jié)的橫向尺寸較小(大約小于兩百納米)，則自旋極化電流可切換常規(guī)自由層18’的磁化19’方向。而且，為了使自旋轉(zhuǎn)移能切換常規(guī)自由層18’的磁化19’方向，常規(guī)自由層18’應(yīng)當(dāng)足夠薄，例如，對(duì)于Co優(yōu)選小于大約10納米。當(dāng)常規(guī)磁性元件10/10’的橫向尺寸較小、在幾百納米的范圍內(nèi)時(shí)，基于自旋轉(zhuǎn)移的磁化切換支配其它的切換機(jī)制，并變成可觀察到的。因此，自旋轉(zhuǎn)移適用于具有較小磁性元件10/10’的更高密度磁性存儲(chǔ)器。
自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象可以CPP配置使用，作為使用外切換場(chǎng)來(lái)切換常規(guī)自旋隧道結(jié)10’的常規(guī)自由層18’的磁化方向的替代或額外手段。例如，可將常規(guī)自由層18’的磁化19’從反平行于常規(guī)被釘扎層14’的磁化切換到平行于常規(guī)被釘扎層14’的磁化。驅(qū)動(dòng)電流從常規(guī)自由層18’到常規(guī)被釘扎層14’(傳導(dǎo)電子從常規(guī)被釘扎層14’移動(dòng)到常規(guī)自由層18’)。從常規(guī)被釘扎層14’移動(dòng)的多數(shù)電子的自旋極化在與常規(guī)被釘扎層14’的磁化相同的方向。這些電子可將它們角動(dòng)量的足夠部分轉(zhuǎn)移到常規(guī)自由層18’，以將常規(guī)自由層18’的磁化19’切換到平行于常規(guī)被釘扎層14’的磁化?？商鎿Q地，可將自由層18’的磁化從平行于常規(guī)被釘扎層14’的磁化的方向切換到反平行于常規(guī)被釘扎層14’的磁化。當(dāng)將電流從常規(guī)被釘扎層14’驅(qū)動(dòng)到常規(guī)自由層18’(傳導(dǎo)電子在相反方向移動(dòng))時(shí)，多數(shù)電子的自旋極化在常規(guī)自由層18’的磁化的方向。這些多數(shù)電子通過(guò)常規(guī)被釘扎層14’傳輸。少數(shù)電子從常規(guī)被釘扎層14’反射，返回到常規(guī)自由層18’，并可轉(zhuǎn)移它們的足夠量的角動(dòng)量，以切換自由層18’的磁化19’反平行于常規(guī)被釘扎層14’的磁化。
盡管自旋轉(zhuǎn)移作為切換常規(guī)磁性元件10和10’的機(jī)制起作用，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易理解的是，通常需要高電流密度促使常規(guī)磁性元件10和10’的切換。尤其是，切換電流密度在幾個(gè)107A/cm2或更大的量級(jí)。因此，使用高寫(xiě)入電流以獲得高切換電流密度。對(duì)于高密度MRAM，高工作電流帶來(lái)設(shè)計(jì)問(wèn)題，例如加熱、高功耗、大晶體管尺寸以及其它問(wèn)題。而且，如果使用例如常規(guī)元件10的自旋閥，那么輸出信號(hào)小。在常規(guī)磁性元件10中，總電阻和SV基(SV-based)自旋轉(zhuǎn)移元件中的電阻變化都較小，通常分別小于兩歐姆和5％。
增大輸出信號(hào)的一種提議方法是使用自旋隧道結(jié)，例如常規(guī)磁性元件10’，用于自旋轉(zhuǎn)移裝置。常規(guī)磁性元件10’可展示大電阻和大信號(hào)。例如，分別是，電阻超出1000歐姆以及電阻百分?jǐn)?shù)變化超過(guò)40％。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易理解的是，常規(guī)磁性元件10’的使用需要小工作電流，來(lái)保護(hù)常規(guī)磁性元件10’免受損壞或者擊穿。
因此，所需要的是一種用于提供磁性存儲(chǔ)元件的系統(tǒng)和方法，所述磁性存儲(chǔ)元件具有可在較低電流密度使用自旋轉(zhuǎn)移來(lái)切換并消耗較少能量的元件。本發(fā)明致力于這種需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種方法和系統(tǒng)，用于提供可用于磁性存儲(chǔ)器中的磁性元件。所述磁性元件至少包括被釘扎層、非磁性間隔層和自由層。間隔層存在于被釘扎層和自由層之間。構(gòu)造磁性元件，以當(dāng)寫(xiě)入電流穿過(guò)該磁性元件時(shí)允許使用自旋轉(zhuǎn)移切換自由層。在一些方面中，磁性元件還包括阻擋層、第二被釘扎層。在其它的方面中，磁性元件還包括第二間隔層、第二被釘扎層和靜磁耦合到第一自由層的第二自由層。在這些方面中，第二間隔層在第二被釘扎層和第二自由層之間，以及分隔層優(yōu)選設(shè)置在第一和第二自由層之間，以確保它們靜磁耦合。自由層具有高的垂直各向異性。對(duì)于一個(gè)或者多個(gè)自由層，垂直各向異性具有高的垂直各向異性能，其至少是平面外退磁能(out-of-planedemagnetization energy)的20％并小于100％。
根據(jù)這里公開(kāi)的系統(tǒng)和方法，本發(fā)明提供了一種磁性元件，所述磁性元件可使用較低電流密度由于自旋轉(zhuǎn)移而切換并具有較低切換電流密度的附帶優(yōu)點(diǎn)。


圖1A是常規(guī)磁性元件自旋閥的圖。
圖1B是另一常規(guī)磁性元件自旋隧道結(jié)的圖。
圖2A描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的第一實(shí)施例，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖2B描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的該第一實(shí)施例的另一形式，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖3A描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的該第一實(shí)施例的第二形式，至少由于高垂直各向異性其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖3B描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的該第一實(shí)施例的第三形式，至少由于高垂直各向異性其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的第二實(shí)施例，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的該第二實(shí)施例的優(yōu)選形式，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖5B描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的該第二實(shí)施例的第二形式，由于高垂直各向異性其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖5C描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的該第二實(shí)施例的第三形式，由于高垂直各向異性其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖6描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的第三實(shí)施例，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖7A是根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的該第三實(shí)施例的優(yōu)選形式，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖7B描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的該第三實(shí)施例的另一形式，至少由于高垂直各向異性其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖7C描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的該第三實(shí)施例的另一形式，至少由于高垂直各向異性其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
圖8描述了根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，用于提供根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一個(gè)實(shí)施例，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及對(duì)例如MRAM的磁性元件和磁性存儲(chǔ)器的改進(jìn)。提供以下描述以使本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并提供在專(zhuān)利申請(qǐng)及其需求的背景下。優(yōu)選實(shí)施例的各種改變對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，并且這里的一般原理可應(yīng)用到其它實(shí)施例中。因此，本發(fā)明不意在局限于所示出的實(shí)施例，而是符合與在此所描述的原理和特征相一致的最寬范圍。
本發(fā)明提供了一種方法和系統(tǒng)，用于提供可在磁性存儲(chǔ)器中使用的磁性元件。該磁性元件至少包括被釘扎層、非磁性間隔層和自由層。間隔層存在于被釘扎層和自由層之間。將磁性元件構(gòu)造為，當(dāng)寫(xiě)入電流穿過(guò)該磁性元件時(shí)允許使用自旋轉(zhuǎn)移切換自由層。在一些方面中，該磁性元件還包括阻擋層、第二被釘扎層。在其它方面中，該磁性元件還包括第二間隔層、第二被釘扎層和靜磁耦合到第一自由層的第二自由層。在這樣的方面中，第二間隔層在第二被釘扎層和第二自由層之間，并優(yōu)選在第一和第二自由層之間提供分隔層，以確保它們靜磁耦合。在一個(gè)方面中，一個(gè)或者多個(gè)自由層具有垂直的各向異性。該垂直各向異性所具有的垂直各向異性能至少為平面外退磁能的20％，并通常小于平面外退磁能的100％。
將根據(jù)具有某些部件的特定磁性存儲(chǔ)器和特定磁性元件描述本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易理解的是，對(duì)于具有不同和/或附加部件的其它磁性存儲(chǔ)元件和/或具有與本發(fā)明一致的不同和/或其它特征的其它磁性存儲(chǔ)器而言，該方法和系統(tǒng)將有效地起作用。本發(fā)明還是在對(duì)自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的當(dāng)前理解的背景下描述的。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易理解的是，對(duì)該方法和系統(tǒng)的特性的理論解釋是基于對(duì)自旋轉(zhuǎn)移的該當(dāng)前理解。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還將容易理解的是，該方法和系統(tǒng)是在與襯底具有特定關(guān)系的結(jié)構(gòu)的背景下描述的。例如，如圖所示，結(jié)構(gòu)的底部通常比結(jié)構(gòu)的頂部更靠近下襯底。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易理解的是，該方法和系統(tǒng)與具有與襯底不同關(guān)系的其它結(jié)構(gòu)是一致的。而且，該方法和系統(tǒng)是在某些層為合成和/或單一(simple)的背景下描述的。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易理解的是，所述層可具有另一結(jié)構(gòu)。例如，盡管該方法和系統(tǒng)是在單一自由層的背景下描述的，但是沒(méi)有什么可以阻止本發(fā)明使用合成的自由層。另外，本發(fā)明是在具有特定層的磁性元件的背景下描述的。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易理解的是，還可以使用具有與本發(fā)明一致的附加的和/或不同層的磁性元件。而且，將某些部件描述成是鐵磁性的。然而，如這里所使用，術(shù)語(yǔ)鐵磁性可包括亞鐵磁性或類(lèi)似結(jié)構(gòu)。因此，如這里所使用，術(shù)語(yǔ)“鐵磁性”包括但不局限于鐵磁體和亞鐵磁體。本發(fā)明還是在單元件的背景下描述的。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易理解的是，本發(fā)明和具有多元件、位線和字線的磁性存儲(chǔ)器的使用一致。本發(fā)明還是在用于提供較低切換電流密度的特定機(jī)制、高各向異性的背景下描述的。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易理解的是，這里描述的方法和系統(tǒng)可和用于減小切換電流密度的其它機(jī)制組合在一起，例如低飽和磁化強(qiáng)度自由層。
為了更具體地描述根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，現(xiàn)在參考圖2A，描述根據(jù)本發(fā)明的磁性元件100的一部分的第一實(shí)施例，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流密度。磁性元件100優(yōu)選用于磁性存儲(chǔ)器中，例如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(chǔ)單元中，以及磁性存儲(chǔ)器的其它構(gòu)造中。而且，磁性元件100優(yōu)選使用靠近磁性元件的頂部和底部的兩個(gè)端子(未示出)。然而，沒(méi)有什么阻止使用另一數(shù)量的端子，例如靠近磁性元件中心的第三端子。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，將自由層130構(gòu)造成具有高垂直各向異性。磁性元件100通常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)和覆蓋層(未示出)。而且，磁性元件100構(gòu)造成，使得可以使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入自由層130。在優(yōu)選實(shí)施例中，自由層130的橫向尺寸，例如寬度w，因此是小的，并優(yōu)選小于200納米。而且，在橫向尺寸之間優(yōu)選設(shè)置一些差異，以確保自由層130在自由層130的平面內(nèi)具有特定的易軸。
被釘扎層110是鐵磁性的。在一個(gè)實(shí)施例中，被釘扎層110是合成的。在這種實(shí)施例中，被釘扎層110包括由非磁性層隔開(kāi)的鐵磁性層，并構(gòu)造成使得鐵磁性層反平行排列?？梢詷?gòu)造被釘扎層110，以增大磁性元件100的體電阻率的自旋相關(guān)性。例如，被釘扎層110或者它的鐵磁性層可是由重復(fù)的雙層(在圖2A中沒(méi)有明確示出)所制成的多層。在一個(gè)這種實(shí)施例中，被釘扎層110可是(FexCo1-x/Cu)n的多層，其中n是重復(fù)FexCo1-x/Cu雙層的次數(shù)的數(shù)量。在這種實(shí)施例中，n大于1，且雙層的Cu層優(yōu)選是1到8埃厚。間隔層120是非磁性的。在一個(gè)實(shí)施例中，間隔層120可是導(dǎo)電的，例如包括Cu。在其它實(shí)施例中，間隔層120是包括例如氧化鋁的絕緣體的阻擋層。在這種實(shí)施例中，阻擋層120小于2納米厚，使得電荷載流子可在自由層130和被釘扎層110之間隧穿。
自由層130是鐵磁性的，并構(gòu)造成具有高垂直各向異性。如這里所使用，當(dāng)自由層130的垂直各向異性具有相應(yīng)的垂直各向異性能，該垂直各向異性能至少是退磁能的20％并小于退磁能的100％，則對(duì)于單一自由層130出現(xiàn)高垂直各向異性。圖2B描述了類(lèi)似于磁性元件100的磁性元件100’。因此，相似地標(biāo)注類(lèi)似的部件。因此，磁性元件100’包括可使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入并具有高垂直各向異性的自由層130’。然而，自由層130’是合成的，包括被優(yōu)選為Ru的非磁性層134隔開(kāi)的兩個(gè)鐵磁性層132和136。構(gòu)造非磁性層134，使得自由層130’的磁化133和137反平行排列。自由層130’具有高垂直各向異性，因?yàn)殍F磁性層132和136具有高垂直各向異性。因此，鐵磁性層132和136的垂直各向異性對(duì)應(yīng)于一垂直各向異性能，該能量分別是鐵磁性層132和136的退磁能的至少20％并小于100％。參考圖2A和2B，將高垂直各向異性定義為具有退磁能的至少20％但小于100％的垂直各向異性能。因此，盡管垂直各向異性是重要的(substantial)，但是自由層130或者組成的鐵磁性層132和136的平衡磁化位于平面內(nèi)(在圖2A和2B中沒(méi)有向上或者向下的分量)。為了清楚，下面的描述主要是指自由層130。然而，所討論的原理也適用包括鐵磁性層132和136的自由層130’，以及磁性元件100’。
當(dāng)自由層130的垂直各向異性能大于自由層130的平面外退磁能的20％并小于100％時(shí)，出現(xiàn)高垂直各向異性。因此，自由層130的磁化131在平衡時(shí)位于平面內(nèi)(在不存在寫(xiě)入電流或者足夠的外磁場(chǎng)時(shí))。優(yōu)選使用具有高垂直晶體各向異性的材料和/或通過(guò)以某種方式使層受到應(yīng)力而提供高垂直各向異性。高垂直各向異性應(yīng)當(dāng)減小由于自旋轉(zhuǎn)移而切換自由層130的磁化所需的臨界切換電流密度Jc。
利用J.C.Slonczewski在Journal of Magnetism and MagneticMaterials，第159卷，第L1-L5頁(yè)(1996)的“Current-driven Excitationof Magnetic Multilayers”中描述的普遍自旋轉(zhuǎn)移自旋扭矩模型可以理解高垂直各向異性自由層減小切換電流密度的能力。根據(jù)Slonczewski的模型，對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移堆疊的自由層，切換電流密度Jc與以下成比例αtMs[Heff-2πMs]/g(θ)其中α＝唯象吉爾伯特(Gilbert)阻尼常數(shù)；t＝自由層的厚度；Ms＝自由層的飽和磁化強(qiáng)度；Heff＝自由層的有效場(chǎng)；g(θ)反映自旋轉(zhuǎn)移效率有效場(chǎng)Heff包括外磁場(chǎng)、形狀各向異性場(chǎng)、平面內(nèi)和平面外(也就是垂直)各向異性、以及雙極場(chǎng)和交換場(chǎng)。垂直各向異性通常由晶體各向異性產(chǎn)生。項(xiàng)g(θ)依賴(lài)于被釘扎層110和自由層130的磁化的相對(duì)角取向。
高垂直各向異性減小切換電流密度的能力可如下解釋。對(duì)于大多數(shù)磁性材料來(lái)說(shuō)，平面外退磁項(xiàng)2πMs遠(yuǎn)大于Heff。例如，對(duì)于具有200nm主軸(majority axis)、100nm副軸(minority axis)以及20A厚度的Co薄膜橢圓而言，項(xiàng)2πMs大約是8kOe，其遠(yuǎn)大于小于幾百Oe的Heff?？梢詫⒏叽怪备飨虍愋?，通常是晶體各向異性，引入到自由層130，以抵消平面外退磁的大部分，但不是全部。因此，如上所定義，高垂直各向異性具有小于退磁能的100％的垂直各向異性能。高垂直各向異性具有優(yōu)選在退磁能的20％到95％(在優(yōu)選實(shí)施例中，是90％)之間的垂直各向異性能。因?yàn)槠矫嫱馔舜拍軐⑷匀淮笥诖怪备飨虍愋阅埽宰杂蓪?30的平衡磁化131應(yīng)保持在平面內(nèi)。然而，因?yàn)榇怪备飨虍愋砸褬O大增加，所以有效場(chǎng)Heff(其包括垂直各向異性)和退磁項(xiàng)2πMs之間的差異減小。因此，自由層130的平衡磁矩保留在平面內(nèi)，但是可以使用較低的切換電流密度切換。簡(jiǎn)而言之，為了減小自由層130磁化131的自旋轉(zhuǎn)移所引入的切換的切換電流密度，應(yīng)當(dāng)為自由層130提供高垂直各向異性。
可以以多種方式提供自由層130的高垂直各向異性。為了提供高垂直各向異性，用于自由層130或者組成的鐵磁性層132和136中的材料可以包括由于其晶體結(jié)構(gòu)而具有高垂直各向異性的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，自由層130或者鐵磁性層132和134包括Co和CoFe；或者與Cr、Pt和/或Pd形成合金的Co和CoFe，其中選擇Cr、Pt和Pd的成分以給出高的垂直各向異性，如上所定義。在優(yōu)選實(shí)施例中，調(diào)整Co和CoFe中Cr、Pt和/或Pd的成分以滿足如下條件垂直各向異性能在平面外退磁能的20％和95％之間，優(yōu)選90％。
在替換實(shí)施例中，自由層130或者鐵磁性層132和134可以包括多層[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr，其中n在1和10之間，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。選擇Co、CoFe、CoCr、Pd和Pt的準(zhǔn)確厚度，使得垂直各向異性能在多層的平面外退磁能的20％和95％之間。在這些多層中的垂直各向異性歸因于在鐵磁性/Pd或者Pt的界面處的表面各向異性和在薄Co層中的應(yīng)變。
圖3A描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的該第一實(shí)施例的另一形式100”，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。磁性元件100”類(lèi)似于磁性元件100。因此，相似地標(biāo)注類(lèi)似的部件。因此，磁性元件包括自由層130”，其具有高垂直各向異性且使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入。而且，磁性元件100”優(yōu)選使用磁性元件頂部和底部附近的兩個(gè)端子(未示出)。然而，沒(méi)有什么阻止使用其它數(shù)量的端子，例如磁性元件中心附近的第三端子。在優(yōu)選實(shí)施例中，自由層130”包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt、CoFeCrPt或者它們的多層組合，其具有固有的(intrinsic)垂直各向異性。磁性元件100”還包括可選的應(yīng)力增大層152和154?？梢允褂脩?yīng)力增大層152和154中的一個(gè)或者兩個(gè)。使用層154改變自由層130”的表面各向異性的應(yīng)力，導(dǎo)致進(jìn)一步增強(qiáng)了總垂直各向異性。應(yīng)力增大層152還是增強(qiáng)自由層130”的總垂直各向異性的晶種層。當(dāng)間隔層152導(dǎo)電時(shí)，應(yīng)力增大層152可作為間隔層152的一部分。然而，如果間隔層120”是絕緣阻擋層，則包含應(yīng)力增大層152可導(dǎo)致信號(hào)顯著下降。在這種實(shí)施例中，應(yīng)力增大層152因此是不希望的。應(yīng)力增大層152和154可包括進(jìn)一步促使自由層130”中垂直各向異性的幾埃的材料，例如Pt、Pd、Cr、Ta、Au、Cu。然而，注意，在自由層130”或者在鄰近(adjacent)層152和154中使用Pt和Pd可增大唯象Gilbert阻尼常數(shù)α。α的增大可取消由自由層130”中高垂直各向異性帶來(lái)的一些或者所有的切換電流密度減小。而且，例如Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和CoFeCrPt的上述材料的垂直各向異性可通過(guò)膜本身中固有的應(yīng)力進(jìn)一步增大?？稍谀こ练e中和/或通過(guò)用高的壓應(yīng)力的絕緣體(電介質(zhì))圍繞自旋轉(zhuǎn)移堆疊(包含自由層130”)來(lái)引入這種固有應(yīng)力。
圖3B描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的該第一實(shí)施例的另一形式100，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流密度。磁性元件100類(lèi)似于磁性元件100。因此，該磁性元件包括自由層130”，其具有高垂直各向異性、可選的低飽和磁化強(qiáng)度、并使用自旋轉(zhuǎn)移而寫(xiě)入。而且，磁性元件100優(yōu)選使用磁性元件頂部和底部附近的兩個(gè)端子(未示出)。然而，沒(méi)有什么阻止使用另一數(shù)量的端子，例如磁性元件中心附近的第三端子。
如上所定義，自由層130具有高垂直各向異性。自由層130還包括非常高垂直各向異性的鐵磁性層160和鐵磁性層162。在優(yōu)選實(shí)施例中，至少部分地是由于非常高垂直各向異性的鐵磁性層160而提供自由層130的高垂直各向異性。非常高垂直各向異性的鐵磁性層160具有非常高的垂直各向異性。如這里所使用，非常高的垂直各向異性具有超出平面外退磁能的垂直各向異性能。因此，當(dāng)單獨(dú)存在時(shí)，具有非常高垂直各向異性的膜將使它的平衡磁化垂直于平面。非常高垂直各向異性的鐵磁性層160優(yōu)選是稀土過(guò)渡金屬合金，例如GdFe和GdCoFe，其中稀土可在5到60原子％的范圍內(nèi)。這些稀土過(guò)渡金屬合金允許具有相對(duì)低的阻尼常數(shù)和高的或者非常高的垂直各向異性。非常高垂直各向異性的鐵磁性層160優(yōu)選具有大于它自身的平面外退磁能的垂直各向異性能。鐵磁性層162具有高的自旋極化。因此，鐵磁性層162優(yōu)選包括一種或者多種高自旋極化材料，例如Co、Fe或者CoFe。鐵磁性層162具有小于它的平面外退磁能的垂直各向異性能。非常高垂直各向異性的鐵磁性層160和鐵磁性層162交換耦合。
非常高垂直各向異性的子層(sublayer)160和高自旋極化鐵磁性層的交換耦合的組合為自由層130提供總的高垂直各向異性。在非常高垂直各向異性鐵磁性層160的較大厚度，非常高垂直各向異性鐵磁性層160和鐵磁性層162的組合的總垂直各向異性能超過(guò)了非常高垂直各向異性鐵磁性層160和鐵磁性層162的總平面外退磁能。在這種情況中，非常高垂直各向異性鐵磁性層160、鐵磁性層162的磁化，以及因此自由層130的磁化，將垂直于膜平面取向。然而，如果減小非常高垂直各向異性鐵磁性層160的厚度，則非常高垂直各向異性鐵磁性層160和鐵磁性層162的總垂直各向異性能比非常高垂直各向異性鐵磁性層160和鐵磁性層162的總平面外退磁能減小得更快。換句話說(shuō)，自由層130的總垂直各向異性能比自由層130的總平面外退磁能減小得更快?？蛇x擇地，如果高自旋極化鐵磁性層162的厚度增大，則非常高垂直各向異性鐵磁性層160和鐵磁性層162的總垂直各向異性能比非常高垂直各向異性鐵磁性層160和鐵磁性層162的總平面外退磁能增大得更慢。換句話說(shuō)，自由層130的總垂直各向異性能比自由層130的平面外退磁能增大得更慢。當(dāng)總垂直各向異性能變得小于總平面外退磁能時(shí)，非常高垂直各向異性鐵磁性層160和鐵磁性層162的平衡磁化旋轉(zhuǎn)到膜平面中。換句話說(shuō)，自由層130垂直各向異性能小于自由層130的平面外退磁能，且即使自由層130具有高垂直各向異性，但自由層130的磁化在平面內(nèi)。因此，為了減小自旋轉(zhuǎn)移切換電流，調(diào)整非常高垂直各向異性鐵磁性層160和鐵磁性層162的厚度，使得總的垂直晶體各向異性高。換句話說(shuō)，層160和162的組合的垂直各向異性具有是退磁能的至少20％并小于100％的垂直各向異性能。在優(yōu)選實(shí)施例中，該各向異性能是總平面外退磁能的90％。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，磁性元件100可是頂部MTJ，在最靠近襯底的底部具有自由層130，在頂部具有間隔或者阻擋層120”和被釘扎層110”。這種磁性元件將包括非常高垂直各向異性鐵磁性層160/鐵磁性層162/間隔(阻擋)層120/被釘扎層110/釘扎或者AFM層(未示出)。因此，磁性元件100的一個(gè)例子是AlCu[250A]/GdFeCo[t]/CoFe[10A]/Al2O3[8A]/CoFe[30A]/PtMn[150A]，其中優(yōu)選將GdFeCo的厚度t調(diào)整在10和400埃之間，使得總垂直晶體各向異性能在總平面外退磁能的至少20％和小于100％之間，優(yōu)選90％。因此，自由層130的平衡磁矩應(yīng)保持在平面內(nèi)。
在替換實(shí)施例中，非常高垂直各向異性鐵磁性層160可包括多層[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr，其中n在1和10之間，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。選擇重復(fù)次數(shù)n以及Co、CoFe、CoCr、Pd和Pt的準(zhǔn)確厚度，使得總垂直各向異性能在自由層130的總平面外退磁能的20％和95％之間。
因此，磁性元件100、100’、100”和100使用具有高垂直各向異性的自由層。因此，可在較低的切換電流密度使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入磁性元件100、100’、100”和100。而且，可以組合磁性元件100、100’、100”和100的方面以進(jìn)一步提高垂直各向異性。因此，可以實(shí)現(xiàn)磁性元件100、100’、100”和/或100的電流進(jìn)一步減小或者另一性能改進(jìn)。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件200的第二實(shí)施例，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流。磁性元件200包括共用自由層230的自旋閥部分204和自旋隧道結(jié)部分202。自旋閥部分204包括優(yōu)選是反鐵磁性(AFM)層260的釘扎層260、被釘扎層250、例如Cu的導(dǎo)電間隔層240、以及自由層230。在替換實(shí)施例中，可以用阻擋層代替導(dǎo)電間隔層240。自旋隧道結(jié)部分202包括優(yōu)選是反鐵磁性(AFM)層206的釘扎層206、被釘扎層210、阻擋層220和自由層230，其中阻擋層是構(gòu)造成允許電子隧穿過(guò)它的絕緣體。參考圖2A和4，當(dāng)間隔層120導(dǎo)電時(shí)，層250、240和230類(lèi)似于磁性元件100中的層110、120和130。類(lèi)似地，當(dāng)間隔層120是絕緣阻擋層時(shí)，層210、220和230分別類(lèi)似于層110、120和130。因此，被釘扎層210和250優(yōu)選對(duì)應(yīng)于被釘扎層110，并可用類(lèi)似的材料、層和/或工藝構(gòu)造。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1的重復(fù)次數(shù)。另外，F(xiàn)e原子百分比x優(yōu)選大約為0.5，以及Cu層優(yōu)選是1到8埃厚。將自由層230構(gòu)造成使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入，并具有高垂直各向異性。而且，磁性元件200優(yōu)選使用磁性元件的頂部和底部附近的兩個(gè)端子(未示出)。然而，沒(méi)有什么阻止使用其它數(shù)量的端子，例如磁性元件200中心附近的第三端子。磁性元件200還包括優(yōu)選為AFM層的釘扎層206和260，用于分別釘扎住被釘扎層210和250的磁化。
優(yōu)選以類(lèi)似于自由層130、130’、130”和/或130的方式構(gòu)造自由層230。因此，可使用類(lèi)似于上述的材料和原理來(lái)獲得自由層230的高垂直各向異性?？梢允褂镁哂懈呔w垂直各向異性的材料和/或例如應(yīng)力的其它條件來(lái)獲得自由層330的高垂直各向異性。而且，如上關(guān)于自由層130’所述，自由層230可是合成的。因此，可在較低切換電流密度使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入磁性元件200。換句話說(shuō)，磁性元件200可共享磁性元件100、100’、100”、100和/或它們的組合的優(yōu)點(diǎn)。而且，當(dāng)被釘扎層210和250反平行地排列時(shí)，自旋閥部分204和自旋隧道結(jié)部分202都可對(duì)寫(xiě)入自由層230作貢獻(xiàn)。由于使用了阻擋層220，磁性元件200具有較高的電阻和磁阻。因此，在讀取的過(guò)程中可獲得較高的信號(hào)。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的磁性元件300的第二實(shí)施例的優(yōu)選形式，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流密度。磁性元件300類(lèi)似于圖4中所描述的磁性元件200。因此，相似地標(biāo)記類(lèi)似的部件。因此，磁性元件包括自由層330，其對(duì)應(yīng)于自由層230，具有高垂直各向異性且使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入。而且，磁性元件300優(yōu)選使用磁性元件的頂部和底部附近的兩個(gè)端子(未示出)。然而，沒(méi)有什么阻止使用另一數(shù)量的端子，例如磁性元件中心附近的第三端子。
優(yōu)選以類(lèi)似于自由層130、130’、130”、130和/或自由層230的方式構(gòu)造自由層330。因此，可使用類(lèi)似于上述的材料和原理來(lái)獲得自由層330的高垂直各向異性。例如，可以使用具有高晶體垂直各向異性的材料和/或例如應(yīng)力的其它條件來(lái)獲得自由層330的高垂直各向異性。因此，上面相對(duì)于自由層130、130’、130”和130所述的材料是優(yōu)選的。而且，如相對(duì)于自由層130’所述，自由層230可以是合成的。因?yàn)楦叩拇怪备飨虍愋?，所以可以在較低的切換電流密度使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入磁性元件300。換句話說(shuō)，磁性元件300可以共享磁性元件100、100’、100”、100和/或它們的組合的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槭褂昧俗钃鯇?40，所以磁性元件300具有較高的電阻和磁阻。因此，在讀取的過(guò)程中可獲得較高的信號(hào)。在替換實(shí)施例中，可以用導(dǎo)電層代替阻擋層320。然而，在這種實(shí)施例中，對(duì)于給定的讀取電流，讀取信號(hào)減小。
在磁性元件300中，被釘扎層310是合成的。因此，被釘扎層310包括被優(yōu)選是Ru的非磁性層314隔開(kāi)的鐵磁性層312和316。構(gòu)造非磁性層314，使得鐵磁性層312和316反鐵磁排列。而且，構(gòu)造磁性元件300，使得鐵磁性層316和被釘扎層350反平行。因此，自旋閥部分304和自旋隧道結(jié)部分310可以都對(duì)用于寫(xiě)入到磁性元件300的自旋轉(zhuǎn)移作貢獻(xiàn)。因此，可以使用甚至更低的切換電流來(lái)寫(xiě)入到磁性元件300。而且，因?yàn)猷徑鼘?12和350的磁化平行地排列，所以AFM層306和360可以在相同的方向上排列。因此，可以在同一步驟中排列AFM層306和360。因此，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了工藝。
可以以類(lèi)似于上述的方式構(gòu)造自由層230和330以及磁性元件200和300。例如，圖5B描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一部分的第二實(shí)施例300’的另一形式，其至少由于高垂直各向異性而對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流密度。磁性元件300’類(lèi)似于磁性元件300，因此共享它的優(yōu)點(diǎn)。例如，自由層330’具有高垂直各向異性。而且，以類(lèi)似于磁性元件100”的方式，磁性元件300’包括類(lèi)似于應(yīng)力增大層154的應(yīng)力增大層380。盡管只描述了應(yīng)力增大層380，但可以在自由層330’和阻擋層320’之間使用另一應(yīng)力增大層。然而，該層將顯著減小隧穿磁阻，因?yàn)樵搶訉⑧徑钃鯇?20。使用應(yīng)力增大層380和/或在替換實(shí)施例中使用在自由層330’和阻擋層320’之間的應(yīng)力增大層，可獲得自由層330’的高垂直各向異性。因此，還可獲得磁性元件100”的優(yōu)點(diǎn)。
圖5C描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件300”的一部分的第二實(shí)施例的第三形式，其至少由于高垂直各向異性而對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流密度。磁性元件300”類(lèi)似于磁性元件300，因此共享它的優(yōu)點(diǎn)。例如，自由層330”具有高垂直各向異性。而且，以類(lèi)似于磁性元件100的方式，磁性元件300”包括優(yōu)選類(lèi)似于圖3B中所示的非常高垂直各向異性鐵磁性層160的非常高垂直各向異性鐵磁性層390，以及類(lèi)似于高自旋極化層162的高自旋極化鐵磁性層391和393。因此，非常高垂直各向異性鐵磁性層390優(yōu)選是稀土過(guò)渡金屬合金。而且，優(yōu)選調(diào)整非常高垂直各向異性鐵磁性層390和鐵磁性層391和393的厚度，使得非常高垂直各向異性鐵磁性層390和鐵磁性層391和393的平衡磁化在平面內(nèi)；如圖所示。因此，可獲得類(lèi)似于自由層130的高垂直各向異性自由層330”。因此，還可獲得磁性元件100的優(yōu)點(diǎn)。
在替換實(shí)施例中，非常高垂直各向異性鐵磁性層390可以包括多層[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr，其中n在1和10之間，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。選擇重復(fù)次數(shù)n以及Co、CoFe、CoCr、Pd和Pt的準(zhǔn)確厚度，使得總垂直各向異性能在自由層330”的總平面外退磁能的20％和95％之間。
圖6描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件400的一部分的第三實(shí)施例，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流密度。該磁性元件包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)402和404，每一個(gè)都類(lèi)似于磁性元件100、100’、100”和/或100。因此，結(jié)構(gòu)402包括例如分別類(lèi)似于磁性元件100的層110、120和130的被釘扎層410、間隔層420和自由層430。結(jié)構(gòu)402還包括優(yōu)選為AFM層的釘扎層406。類(lèi)似地，結(jié)構(gòu)404包括例如分別類(lèi)似于磁性元件100的層110、120和130的被釘扎層470、間隔層460和自由層450。結(jié)構(gòu)404還包括優(yōu)選為AFM層的釘扎層480。自由層430和450的一個(gè)或者兩個(gè)具有高垂直各向異性。自由層430和/或450還可是合成的。在這種情況中，在自由層430和/或450內(nèi)的鐵磁性層(沒(méi)有明確示出)將具有高垂直各向異性。而且，磁性元件400的自由層430和450靜磁耦合，優(yōu)選使得層430和450反鐵磁排列。在所示的實(shí)施例，磁性元件400包括分隔層440。構(gòu)造分隔層440，以確保自由層430和450僅靜磁耦合。例如，優(yōu)選構(gòu)造分隔層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排列，該分隔層優(yōu)選是非磁導(dǎo)體。尤其是，分隔層440用來(lái)使穿過(guò)其的自旋的極化隨機(jī)化。例如，分隔層440包括材料，例如Cu、Ag、Au、Pt、Mn、CuPt、CuMn、Cu/Pt[1-20A]/Cu夾層(sandwich)、Cu/Mn[1-20A]/Cu夾層或者Cu/PtMn[1-20A]/Cu夾層。盡管分隔層用于磁性元件400中，但是沒(méi)有什么阻止使用另一機(jī)制。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)?？梢詷?gòu)造第二被釘扎層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。
構(gòu)造自由層430和/或自由層450，以具有高垂直各向異性，如上所定義。因此，自由層430和/或450可對(duì)應(yīng)于自由層130、130’、130”和/或130。換句話說(shuō)，在自由層430和/或者自由層450中使用的材料和/或性能與上面相對(duì)于磁性元件100、100’、100”和100所述的相同或者相似。因此，磁性元件400共享磁性元件100、100’、100”和100的很多優(yōu)點(diǎn)。尤其是，可以在較低的切換電流密度使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入磁性元件。
在自由層430和450之間的靜磁耦合提供了另外的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樽杂蓪?30和450是靜磁耦合的，所以在自由層450中的磁化變化反映在自由層430中。間隔層420可以是提供高信號(hào)的導(dǎo)電層或者阻擋層。而且，因?yàn)樗鼈兙哂懈綦x的自由層450和430，所以可以分別單獨(dú)地調(diào)整自旋閥404和自旋隧道結(jié)402的性能，以分別改善自旋閥和自旋隧道結(jié)的功能。
圖7A是根據(jù)本發(fā)明的磁性元件500的第三實(shí)施例的優(yōu)選形式，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流密度。磁性元件500類(lèi)似于圖6所描述的磁性元件400。因此，相似地標(biāo)注類(lèi)似的部件。因此，該磁性元件包括自由層530和550，其分別對(duì)應(yīng)于自由層430和450，它們中的任一個(gè)或者兩個(gè)具有高垂直各向異性，且它們都使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入。自由層530和/或550還可是合成的。在這種情況中，在自由層530和/或550內(nèi)的鐵磁性層(沒(méi)有明確示出)將具有高的垂直各向異性。而且，磁性元件500優(yōu)選使用磁性元件的頂部和底部附近的兩個(gè)端子(未示出)。然而，沒(méi)有什么阻止使用另一數(shù)量的端子，例如磁性元件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包括被優(yōu)選是Ru的非磁性層514隔開(kāi)的鐵磁性層512和516。鐵磁性層512和516的磁化還反平行地排列。相似地，被釘扎層570包括被優(yōu)選是Ru的非磁性層574隔開(kāi)的鐵磁性層572和576。鐵磁性層572和576的磁化還反平行地排列。而且，間隔層520優(yōu)選是阻擋層，其是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(yōu)選是導(dǎo)電層。因此，結(jié)構(gòu)502是自旋隧道結(jié)，同時(shí)結(jié)構(gòu)504是自旋閥。
優(yōu)選分別以類(lèi)似于自由層130、130’、130”、130和/或自由層430和450的方式來(lái)構(gòu)造自由層530和/或550。因此，可以使用類(lèi)似于上述的材料和原理來(lái)獲得自由層530和/或550的高垂直各向異性。例如，可以使用具有高晶體垂直各向異性的材料和/或例如應(yīng)力的其它條件來(lái)獲得自由層530和/或550的高垂直各向異性。因此，上述關(guān)于自由層130、130’、130”和130討論的材料是優(yōu)選的。而且，如上面對(duì)于自由層130’的討論，自由層530和/或550可以是合成的。由于高垂直各向異性，可以在較低的切換電流密度使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入磁性元件500。換句話說(shuō)，磁性元件500可以共享磁性元件100、100’、100”和100和/或它們的組合的優(yōu)點(diǎn)。
另外，由于自由層530和550靜磁耦合，所以在自由層550的磁化方向中的變化，例如由于自旋轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的寫(xiě)入，反映在自由層530的磁化中。用阻擋層520，自旋隧道結(jié)502提供高信號(hào)。在替換實(shí)施例中，可用導(dǎo)電層代替阻擋層320。然而，在這種實(shí)施例中，對(duì)于給定的讀取電流，讀取信號(hào)減小。
如上所述，可以以類(lèi)似于上面討論的方式來(lái)構(gòu)造自由層530和550，以及磁性元件500。例如，圖7B是根據(jù)本發(fā)明的磁性元件500’的第三實(shí)施例的另一形式，其至少由于高垂直各向異性對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流密度。磁性元件500’類(lèi)似于磁性元件500，因此共享它的優(yōu)點(diǎn)。例如，自由層530’和/或550’具有高的垂直各向異性。而且，以類(lèi)似于磁性元件100”的方式，磁性元件500’包括類(lèi)似于可選的應(yīng)力增大層152和154的可選的應(yīng)力增大層582、584和586。可以使用可選的應(yīng)力增大層582、584和586的底部、頂部或者兩者都用。盡管沒(méi)有描述，但是可以在自由層530’和阻擋層520’之間放置可選的應(yīng)力增大層。然而，這種可選的應(yīng)力增大層可導(dǎo)致較低的磁阻。而且，可選的應(yīng)力增大層586的使用對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移可導(dǎo)致較低的自旋扭矩，以及對(duì)于自旋閥504可導(dǎo)致較低的磁阻。因此，可獲得自由層530”和/或550”的高垂直各向異性。由此，還可獲得磁性元件100的優(yōu)點(diǎn)。
圖7C描述了根據(jù)本發(fā)明的磁性元件500”的一部分的第二實(shí)施例的第三形式，其由于高垂直各向異性而對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移具有減小的寫(xiě)入電流密度。磁性元件500”類(lèi)似于磁性元件500，因此共享它的優(yōu)點(diǎn)。例如，自由層530”和/或550”具有高的垂直各向異性。而且，以類(lèi)似于磁性元件100的方式，自由層530”和550”分別包括非常高垂直各向異性的鐵磁性層590和591，它們優(yōu)選類(lèi)似于圖3C中描述的非常高垂直各向異性鐵磁性層160。自由層530”和550”還包括具有高自旋極化的鐵磁性層592和593。另外，可以選擇性地將晶種層，例如AlCu 25nm，插在層540”和591之間，以幫助增強(qiáng)層591的垂直各向異性。而且，優(yōu)選分別調(diào)整非常高垂直各向異性鐵磁性層590和591以及鐵磁性層592和593的厚度，使得非常高垂直各向異性鐵磁性層590和591以及鐵磁性層592和593的平衡磁化在平面內(nèi)，如圖所示。因此，非常高垂直各向異性鐵磁性層590和591優(yōu)選是稀土過(guò)渡金屬合金。
可替換地，非常高垂直各向異性鐵磁性層590和591可以是多層[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr，其中n在1和10之間，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。選擇重復(fù)次數(shù)n以及Co、CoFe、CoCr、Pd和Pt的準(zhǔn)確厚度，使得總垂直各向異性能在自由層130的總平面外退磁能的20％和95％之間。因此，可獲得自由層530”和/或550”的高垂直各向異性。因此，還可提供磁性元件100的優(yōu)點(diǎn)。
因此，由于在至少一個(gè)自由層中的高垂直各向異性和/或低飽和磁化強(qiáng)度，所以可在較低的切換電流密度使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入磁性元件100、100’、100”、100、200、300、300’、300”、400、500、500’和500”。而且，可以組合100、100’、100”、100、200、300、300’、300”、400、500、500’和500”的方面以提供進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)。
圖8描述了根據(jù)本發(fā)明的方法600的一個(gè)實(shí)施例的流程圖，用于提供根據(jù)本發(fā)明的磁性元件的一個(gè)實(shí)施例，其對(duì)于自旋轉(zhuǎn)移切換具有減小的寫(xiě)入電流密度。方法600是在磁性元件100的背景下描述的。然而，沒(méi)有什么阻止將該方法600用于提供磁性元件100’、100”、100、200、300、300’、300”、400、500、500’和/或500”。通過(guò)步驟602提供被釘扎層，例如被釘扎層110。在一個(gè)實(shí)施例中，步驟602包括提供合成的被釘扎層。通過(guò)步驟604提供間隔層120。步驟604可以包括提供阻擋層或者導(dǎo)電層。通過(guò)步驟606提供具有高垂直各向異性的自由層130。在一些實(shí)施例中，可在步驟606之前提供非常高垂直各向異性的鐵磁性層或者應(yīng)力引入層。步驟606可以包括提供合成的自由層。在這種實(shí)施例中，步驟606還可以包括在自由層的鐵磁性層之間提供高自旋極化層。如果提供磁性元件200、300、300’、300”、400、500、500’和/或500”，則通過(guò)步驟608提供附加被釘扎層、間隔層，以及在一些實(shí)施例中提供自由層。在這些實(shí)施例中，自由層可具有高垂直各向異性。因此，可提供磁性元件100’、100”、100、100””、200、300、300’、300”、300、400、500、500’、500”和/或500。
已經(jīng)公開(kāi)了一種提供磁性元件的方法和系統(tǒng)，所述磁性元件可在較低的切換電流密度使用自旋轉(zhuǎn)移寫(xiě)入。盡管已經(jīng)根據(jù)所示的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易理解的是，對(duì)這些實(shí)施例可以改變，并且那些變化將落在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以做出很多改變，而不背離隨附權(quán)利要求的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁性元件，包括被釘扎層；間隔層，所述間隔層是非磁性的；和具有自由層磁化的自由層，所述間隔層存在于所述被釘扎層和自由層之間，所述自由層具有高垂直各向異性和平面外退磁能，所述高垂直各向異性具有所述平面外退磁能的至少20％且小于100％的垂直各向異性能；其中所述磁性元件構(gòu)造成，當(dāng)寫(xiě)入電流穿過(guò)磁性元件時(shí)，允許由于自旋轉(zhuǎn)移而切換所述自由層磁化。
2.一種磁性元件，包括第一被釘扎層；間隔層，所述間隔層是導(dǎo)電的及非磁性的；具有自由層磁化的自由層，所述間隔層存在于所述第一被釘扎層和自由層之間，所述自由層具有高垂直各向異性和平面外退磁能，所述高垂直各向異性具有小于所述平面外退磁能的100％的垂直各向異性能；阻擋層，所述阻擋層是絕緣體，并具有允許隧穿所述阻擋層的厚度；第二被釘扎層，所述阻擋層在所述自由層和第二被釘扎層之間；其中所述磁性元件構(gòu)造成，當(dāng)寫(xiě)入電流穿過(guò)磁性元件時(shí)，允許由于自旋轉(zhuǎn)移而切換所述自由層磁化。
3.如權(quán)利要求2的磁性元件，其中所述自由層是單一自由層。
4.如權(quán)利要求2的磁性元件，其中所述第一被釘扎層是包括鄰近所述間隔層的鐵磁性層的第一合成被釘扎層，其中所述鐵磁性層具有第一磁化，以及所述第二被釘扎層具有第二磁化，以及其中所述第一磁化和第二磁化以相反的方向取向。
5.如權(quán)利要求4的磁性元件，其中所述第二被釘扎層是第二合成被釘扎層。
6.如權(quán)利要求5的磁性元件，其中所述第二合成被釘扎層包括鄰近所述阻擋層的第二鐵磁性層，其中所述第二鐵磁性層具有第二磁化，以及其中所述第一磁化和第二磁化以相反的方向取向。
7.如權(quán)利要求2的磁性元件，其中構(gòu)造所述第一被釘扎層和第二被釘扎層，使得來(lái)自所述第一被釘扎層和來(lái)自所述第二被釘扎層的電荷載流子都能對(duì)由于自旋轉(zhuǎn)移而切換所述自由層磁化作貢獻(xiàn)。
8.如權(quán)利要求2的磁性元件，其中所述垂直各向異性能是所述平面外退磁能的至少20％。
9.如權(quán)利要求8的磁性元件，其中所述垂直各向異性能小于所述平面外退磁能的95％。
10.如權(quán)利要求2的磁性元件，其中所述垂直各向異性能是所述自由層的平面外退磁能的90％。
11.如權(quán)利要求2的磁性元件，其中所述自由層包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt。
12.如權(quán)利要求11的磁性元件，其中調(diào)整Cr和/或Pt的量，使得所述垂直各向異性能是所述自由層的平面外退磁能的至少20％且小于或者等于95％。
13.如權(quán)利要求2的磁性元件，還包括鄰近所述自由層的晶種層，所述晶種層包括Pt、Pd、Cr、Au、Cu，所述自由層包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、Fe、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt或者包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、Fe、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt的多層。
14.如權(quán)利要求2的磁性元件，其中所述自由層包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt，以及其中構(gòu)造所述磁性元件，以包括所述自由層的固有應(yīng)力，所述應(yīng)力提供所述自由層的高各向異性的至少一部分。
15.如權(quán)利要求14的磁性元件，還包括在所述自由層上的應(yīng)力增大層，所述應(yīng)力增大層包括Cu、Au、Pt和/或Pd。
16.如權(quán)利要求2的磁性元件，其中所述自由層還包括非常高垂直各向異性鐵磁性層；和具有高自旋極化的鐵磁性層，所述非常高垂直各向異性鐵磁性層用于確保所述鐵磁性層和所述非常高垂直各向異性鐵磁性層的組合具有所述高垂直各向異性。
17.如權(quán)利要求16的磁性元件，其中所述非常高垂直各向異性鐵磁性層包括GdFe和/或GdCoFe。
18.如權(quán)利要求16的磁性元件，其中所述非常高垂直各向異性鐵磁性層包括[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr的多層，其中n在1和10之間，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。
19.如權(quán)利要求18的磁性元件，其中選擇n使得所述自由層的總垂直各向異性能在所述總平面外退磁能的20％和95％之間。
20.一種磁性元件，包括第一被釘扎層；第一間隔層，所述第一間隔層是非磁性的；第一自由層，所述第一間隔層存在于所述第一被釘扎層和第一自由層之間，所述第一自由層具有第一平面外退磁能；具有第二自由層磁化的第二自由層，所述第一自由層和第二自由層靜磁耦合，所述第二自由層具有第二平面外退磁能；非磁性的第二間隔層；第二被釘扎層，所述第二間隔層位于所述第二自由層和第二被釘扎層之間；其中所述磁性元件構(gòu)造成，當(dāng)寫(xiě)入電流穿過(guò)磁性元件時(shí)，允許由于自旋轉(zhuǎn)移而切換所述自由層磁化；以及其中所述第一自由層構(gòu)造成具有第一高垂直各向異性，所述第一高垂直各向異性具有小于所述第一平面外退磁能的100％的第一垂直各向異性能，和/或所述第二自由層構(gòu)造成具有第二高垂直各向異性，所述第二高垂直各向異性小于所述第二平面外退磁能的100％。
21.如權(quán)利要求20的磁性元件，還包括存在于所述第一自由層和第二自由層之間的分隔層，構(gòu)造所述分隔層，以允許所述第一自由層和第二自由層靜磁耦合。
22.如權(quán)利要求20的磁性元件，其中所述第一垂直各向異性能是所述第一平面外退磁能的至少20％，和/或所述第二垂直各向異性能是所述第二平面外退磁能的至少20％。
23.如權(quán)利要求22的磁性元件，其中所述第一垂直各向異性能小于或者等于所述第一平面外退磁能的95％，和/或所述第二垂直各向異性能小于或者等于所述第二平面外退磁能的95％。
24.如權(quán)利要求22的磁性元件，其中所述第一垂直各向異性能是所述第一平面外退磁能的90％，和/或所述第二垂直各向異性能是所述第二平面外退磁能的90％。
25.如權(quán)利要求20的磁性元件，其中所述第一自由層和/或第二自由層包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt。
26.如權(quán)利要求25的磁性元件，其中調(diào)整Cr和/或Pt的量，使得所述第一高垂直各向異性具有第一垂直各向異性能，所述第一垂直各向異性能是所述第一平面外退磁能的至少20％且小于或等于95％，和/或所述第二高垂直各向異性具有第二垂直各向異性能，所述第二垂直各向異性能是所述第二平面外退磁能的至少20％且小于或等于95％。
27.如權(quán)利要求20的磁性元件，還包括鄰近所述第一自由層和/或第二自由層的至少一個(gè)晶種層，所述至少一個(gè)晶種層包括Pt、Pd、Cr、Au、Cu，以及其中所述第一自由層和/或第二自由層包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt或者包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、Fe、CoFe、CoFeCr、CoFePt和/或CoFeCrPt的多層。
28.如權(quán)利要求20的磁性元件，其中所述第一自由層和/或第二自由層包括Co、CoCr、CoPt、CoCrPt、CoFe、CoFeCr、CoFePt、CoFeCrPt，以及其中所述第一自由層構(gòu)造成包括第一固有應(yīng)力，所述第一固有應(yīng)力提供所述第一高垂直各向異性的至少一部分，和/或所述第二自由層構(gòu)造成包括第二固有應(yīng)力，所述第二固有應(yīng)力提供所述第二高垂直各向異性的至少一部分。
29.如權(quán)利要求20的磁性元件，還包括在所述第一自由層和/或第二自由層上的至少一個(gè)應(yīng)力增大層，所述至少一個(gè)應(yīng)力增大層包括Cu、Au、Pt和/或Pd。
30.如權(quán)利要求20的磁性元件，其中所述第一自由層和/或第二自由層還包括非常高垂直各向異性鐵磁性層；和具有高自旋極化的鐵磁性層，所述非常高垂直各向異性鐵磁性層用于確保所述非常高垂直各向異性鐵磁性層和所述第一自由層的鐵磁性的組合具有所述第一高垂直各向異性，和/或所述非常高垂直各向異性鐵磁性層和所述第二自由層的鐵磁性層的組合具有所述第二高垂直各向異性。
31.如權(quán)利要求30的磁性元件，其中所述非常高垂直各向異性鐵磁性層包括GdFe和/或GdCoFe。
32.如權(quán)利要求30的磁性元件，其中所述非常高垂直各向異性鐵磁性層包括[Co/Pd]n/Co、[Co/Pt]n/Co、[CoFe/Pd]n/CoFe、[CoFe/Pt]n/CoFe、[CoCr/Pd]n/CoCr或者[CoCr/Pt]n/CoCr的多層，其中n在1和10之間，Co 3A到20A，CoFe 3A到20A，CoCr 3A到20A，Pd 10A到100A，Pt 10A到100A。
33.如權(quán)利要求32的磁性元件，其中選擇n使得所述第一垂直各向異性能在所述第一平面外退磁能的20％和95％之間，和/或所述第二垂直各向異性能在所述第二平面外退磁能的20％和95％之間。
34.一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，所述間隔層是非磁性的；以及提供具有自由層磁化的自由層，所述間隔層位于所述被釘扎層和自由層之間，所述自由層具有高垂直各向異性，所述高垂直各向異性具有所述自由層平面外退磁能的至少20％且小于100％的垂直各向異性能；其中所述磁性元件構(gòu)造成，當(dāng)寫(xiě)入電流穿過(guò)磁性元件時(shí)，允許由于自旋轉(zhuǎn)移而切換所述自由層磁化。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于提供可以在磁存儲(chǔ)器中使用的磁性元件的方法和系統(tǒng)。該磁性元件包括被釘扎層、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。當(dāng)寫(xiě)入電流穿過(guò)磁性元件時(shí)，可使用自旋轉(zhuǎn)移切換自由層。磁性元件還可包括阻擋層、第二被釘扎層?？商鎿Q地，包括第二被釘扎層和第二間隔層和靜磁耦合到該自由層的第二自由層。至少一個(gè)自由層具有高垂直各向異性。高垂直各向異性具有是平面外退磁能的至少20％且小于100％的垂直各向異性能。
文檔編號(hào)G11C11/16GK1947272SQ200580013036
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2005年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月26日
發(fā)明者P·P·游巖, 懷一鳴 申請(qǐng)人:弘世科技公司