在具有带工程设计界面的磁性多层的垂直磁化线中的畴壁运动的制作方法

在具有带工程设计界面的磁性多层的垂直磁化线中的畴壁运动的制作方法
【专利摘要】当畴壁被电流脉冲驱动时，包括钴、镍和铂层的磁线显示出改进的畴壁运动属性。这些磁线呈现垂直磁各向异性，由此支持窄畴壁的传播。畴壁运动的方向可以被铂和钴层布置的次序影响。
【专利说明】在具有带工程设计界面的磁性多层的垂直磁化线中的畴壁 运动

【技术领域】
[0001] 本发明涉及存储器存储系统，并且更特别地，涉及在磁线中使用电流移动磁畴壁 (domain walls)的存储器存储系统，其中数据存储在畴壁或它们相关联的畴中。

【背景技术】
[0002] 赛道存储器是一种存储器存储设备，其中数据存储在形式为磁畴壁的磁纳米线 中，该磁畴壁分离在相反方向磁化的磁性区域（见例如授予Parkin的美国专利6834005、 6920062和7551469)。作为该种存储器的基础的关键原理是一系列该种畴壁利用沿纳米线 施加的纳砂长电流脉冲沿纳米线（也称为赛道）的前后受控运动。注入畴壁并检测畴壁的 设备集成到每根纳米线中。畴壁通过必要长度和数量的电流脉冲移动到注入和检测设备。 赛道可W由两种不同类的磁性材料构成，其中材料的磁化（a)主要在纳米线的平面内并且 沿着纳米线的长度定向W及化）主要与纳米线的长度垂直并且与纳米线的平面垂直地定 向。构成类（a)的材料通常由软磁材料组成，其中，与纳米线的长度相比，与从与横截面形 状与尺寸关联的静磁能量得出的形状磁异向性相比，材料的内在磁晶各向异性是小的。在 该些材料中，畴壁通常宽：例如，由透磁合金形成的纳米线中的畴壁通常是l〇〇-2〇〇nm宽， 并且该些畴壁可W容易地变形，其中透磁合金是近似原子成分比为80:20的Ni和化的合 金。构成类化）的材料通常由超薄磁性层组成，其中它们与非磁性层的界面引起界面磁各 向异性，该会导致它们的磁化倾向于与该些界面垂直地定向。典型的例子包括与Pt层相邻 放置的超薄Co层W及由原子薄的交替的Co和Pt层构成的多层结构。另一个例子是由超 薄的Co和Ni层构成的多层。对于该些材料，畴壁的宽度越小，垂直磁各向异性（PMA)就越 大并且可W窄到1-lOnm。因此，类化）的材料对于密集赛道存储器的制造是优选的。
[0003] 在现有技术设备中，畴壁被电流脉冲沿着赛道来回移动，其中电流作为从其形成 赛道的磁性材料块内依赖自旋的扩散的结果而自旋极化。自旋角动量从自旋极化电流到畴 壁的转移对畴壁内的磁矩造成扭矩，该导致畴壁沿纳米线的运动。该种自旋转移扭矩（STT) 现象导致畴壁在自旋角动量流的方向上被驱动，使得自旋角动量从电流转移到磁矩。现已 公认，在透磁合金中，携带电流的传导电子大部分被自旋极化，即，传导电子把它们的磁矩 定向为与Ni和化原子上的局部磁矩的方向平行。该导致透磁合金纳米线中的磁畴壁在传 导电子流的方向上，即，与电流的方向相反，移动。畴壁的速度依赖于电流的量级并且，对于 透磁合金中?l〇SA/cm2的电流密度，畴壁W速度?lOOm/sec移动。
[0004] 畴壁会由于纳米线的边缘或表面的粗趟造成的缺陷而被钉扎住。在透磁合金和类 (a)中的其它材料中，自旋极化电流和畴壁磁化的相互作用使得需要非常大的电流密度移 动被甚至相对小的钉扎势钉住的畴壁。例如，?l〇SA/cm2的电流密度能克服仅仅几奧斯特 (Oersted)的有效钉扎场。作为对比，类化）的材料中窄得多的畴壁改变自旋极化电流和畴 壁磁化的相互作用的细节，使得，与类（a)的材料中的畴壁相比，对于在其它方面相同的电 流密度，大得多的钉扎场可W被克服。由于纳米线将不可避免地具有粗趟的边缘和表面，因 此类化）中的材料具有显著的优点。
[0005] 最后，类化）的材料的第H个优点是具有PMA的赛道关于磁性可W制成非常薄，仅 仅几个原子层厚，但是，由于非常大的PMA，因此畴壁可W稳定对抗热波动。由于磁纳米线非 常薄并且因此成比例地包含更小的磁矩，因此畴壁可W利用注入设备注入到纳米线中，该 注入设备使用从跨隧道势垒注入的电流转移到赛道中的自旋扭矩。对于类（a)中的材料， 为了稳定具有可W利用电流移动的润旋畴壁结构的畴壁，现有技术设备的赛道必须由厚得 多的磁性层形成。在由类（a)的材料形成的较薄赛道中，畴壁具有需要高得多的电流密度 来移动它们的横壁结构。


【发明内容】

[0006] 本发明的优选实施例和实现针对在具有允许窄畴壁（DW)的垂直磁各向异性的线 中W高效率利用电流移动畴壁。本文所采用的约定是沉积在衬底上的第一层是最"底部的" 层，而最后沉积的层是最"顶部的"层。同样，"上面"、"下面"、"之下"和"之上"是关于层形 成的次序而不是重力来定义的。堆叠的层按它们被沉积的次序列出。
[0007] 我们显示，通过在磁性堆叠的底部和顶部或者在磁性堆叠本身当中工程设计界 面，在由 Co 层或 Co/Ni/CoH层（trilayers)或 Co/[Ni/Co]w(其中 N指示双层化ilayers) 的数目）多层形成的磁性堆叠中的畴壁可W沿电流方向或者与之相反地被电流驱动。此 夕F，我们显示，用于驱动畴壁的机制强烈依赖于磁性堆叠下面、上面或内部的金属性材料的 本质。当磁性堆叠在Pt、Pd和Ir上生长时，该些金属与底部Co层之间的界面在电流流的 方向驱动畴壁。当该些材料沉积在磁性堆叠的顶部时，界面造成在相反方向上，即，电子流 方向，驱动畴壁的机制。当Pt在Co层下面引入时，堆叠中在Co和Ni层之间薄Pt层的引 入在电流方向上驱动畴壁，并且当Pt层在Co层上面引入时，在相反方向上驱动畴壁。畴壁 被电流驱动的速度依赖于Pt/Co和Co/Pt界面的总数。除了该些界面电流驱动的畴壁机 巧[J，在Co/Ni多层中沿电子流驱动畴壁的内在大块机制（intrinsic bu化mechanism)也可 操作。Co和Ni层越厚且数目越大，该种机制越占优势。界面电流DW驱动机制可WW高速 驱动畴壁。我们显示，在电流密度?4xl0 8A/cm2,高达?350m/sec的DW速度可W在Pt/Co/ Ni/Co磁线中实现。
[0008] 本发明的一方面是一种方法，包括提供充当畴壁（或者多个畴壁）运动的轨道的 磁线，其中磁线包括底层、盖层W及底层和盖层之间的中间层。中间层包括（i)选自Co/Ni 和Ni/Co的至少一个双层，其中所述至少一个双层中的每个Ni层是铁磁体并且包括至少 20原子百分比的Ni,并且所述至少一个双层中的每个Co层是铁磁体并且包括至少20原子 百分比的Co, W及（ii)与两个中间层接触的Pt层，两个中间层中的一层是Co且另一层是 Ni,其中Pt层包括至少70原子百分比的Pt。磁线具有与分开中间层中相邻的Co和Ni层 的界面垂直的易磁化方向。底层、盖层和中间层沿磁线长度的至少一部分延伸。该方法还 包括对磁线施加电流，由此沿磁线移动畴壁，其中畴壁（i)跨所有中间层延伸并且（ii)延 伸到底层的至少一部分中和/或延伸到盖层的至少一部分中。
[0009] 本发明的另一方面是一种方法，包括提供充当畴壁（或者多个畴壁）运动的轨道 的磁线，其中磁线包括选自Co/Pt/Ni和Ni/Pt/Co的至少一个H层，其中该H层沿磁线的至 少一部分延伸。所述至少一个H层中的每个Ni层是铁磁体并且包括至少20原子百分比的 Ni,所述至少一个H层中的每个Co层是铁磁体并且包括至少20原子百分比的Co,并且Pt 层包括至少70原子百分比的Pt。磁线具有与分开H层中相邻的Co和Ni层的界面垂直的 易磁化方向。该方法还包括对磁线施加电流，由此沿磁线移动畴壁，其中畴壁在整个H层中 延伸。
[0010] Co层优选地具有在1和10埃之间（并且更优选地是在1和4. 5埃之间）的厚度， Ni层优选地具有在1和10埃之间（并且更优选地是在4和8埃之间）的厚度，并且Pt层 优选地具有在2和20埃之间（并且更优选地是在5和15埃之间）的厚度。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 图1是本发明优选实施例的示意图。
[0012] 图2针对用于畴壁速度测量的实验方法W及对应的结果，其中：
[0013] 图2A示出了包括50微米长、2微米宽的线的典型设备的光学显微图像，其中线在 每一端连接到用作电气连接的键合垫的更宽区域。
[0014] 图2B给出了 Kerr微观图像，该图像示出响应于电流脉冲序列的畴壁 (DW)位置。图像W选定的规则间隔保存，使得DW移动可测量的量。在该个图中示 出的两个图像序列是在2微米宽的线中对两个相反的电流极性获得的，其中线由 20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l. 5Co/50TaN制成（本文的所有厚度都是W乂为单位，除非另外规 定）。应当指出，反差（白或黑）是由作为DW运动的结果而扩张的畴的磁化方向确定的。 [00巧]图2C给出了沿线的行扫描，对DW的不同位置示出了 Kerr反差的变化。DW位置是 从该些行扫描测量的。
[0016] 图2D对于各种振幅的电流脉冲示出了 DW位置对集成的电流脉冲长度t。。。实线 示出了其斜率用来确定DW的速度的线性拟合。
[0017] 图3针对Pt/Co/Ni/Co/TaN线中电流驱动的DW运动，其中：
[0018] 图 3A 示出 了由 20TaN/15Pt/3Co/7Ni/1.5Co/50TaN 制成的设备响应于 5、50 和 100ns长的电流脉冲的DW速度，其中速度是作为电流密度的函数。
[0019] 图3B对于图3A所使用的相同设备示出了临界电流密度山（在该电流密度之上将 观察到电流驱动的DW运动的电流密度）对电流脉冲长度。
[0020] 图3C对于由20TaN/15Pt/x Co/7Ni/l. 5Co/50TaN制成的膜示出了从S卵ID磁力 测定得出的垂直磁各向异性（PMA)常量。数据是作为底部Co层的厚度X的函数给出的。 实也符号示出PMA常量K，而空也符号示出被去磁化能量减小的有效各向异性常量Kcff = K-2 □ Ms2,其中Ms是饱和磁化。
[0021] 图3D对于由20TaN/15Pt/l. 5Co/7Ni/y Co/50TaN制成的膜示出了从S卵ID磁力 测定得出的PMA常量。数据是作为顶部Co层的厚度y的函数给出的。
[0022] 图3E对于由20TaN/15Pt/x Co/7Ni/y Co/50TaN制成的16个不同设备不出了作 为电流密度的函数的DW速度。为了清晰，只示出了用于正电流和5ns长的脉冲的数据。
[0023] 图3F对于50ns长的脉冲对于由20TaN/15Pt/x Co/7Ni/l. 5Co/50TaN制成的设备 给出了作为底部Co层厚度X的函数的临界和成核电流密度Jc和山。
[0024] 图3G对于在顶部不具有Pt层的设备，对于由20TaN/z Pt/3Co/7Ni/l. 5Co/50TaN 制成的设备给出了作为Pt厚度的函数的PM常量。
[00巧]图3H对于具有15 A厚的底部Pt层的设备，对于由20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l. 5Co/ Z Pt/50TaN制成的设备给出了作为顶部Pt厚度Z的函数的PMA常量。
[0026] 图4针对作为[Co/Ni]周期个数和堆叠顶部Pt层厚度的函数的DW运动，其中DW 速度是对20TaN/15Pt/3Co/[7Ni/l. 5Co]w/z Pt/50TaN测量的，其中N是Co/Ni周期的个数 并且Z是顶部Pt层的厚度。
[0027] 图4A示出了对于N = 1、2、3和4但是没有任何顶部Pt层（Z = 0)的DW速度对 电流密度。所示出的数据是利用IOns长的脉冲获得的。
[002引 图4B示出了对于N = 3和两个不同的顶部Pt层厚度Z = 5及Z = 30的DW速度 对电流密度。应当指出，符号约定是，当运动沿着电子流时DW速度对于正电流为正，并且当 运动沿着电子流时DW速度为负。
[0029] 图4C示出了对于N= 1、2、3和4对l(K)ns长的脉冲测出的临界电流密度山对顶 部Pt层厚度Z。Je对Z=IsA经过最大值，该是运动方向反转的值。
[0030] 图4D示出了对于N= 1、2、3和4的最大DW速度对顶部Pt层厚度Z。
[0031] 图 4E-G 对于由 20TaN/15Pt/l. 5Co/7化/x Co/lOPt/y Co/7Ni/l. 5Co/50TaN 制成 的设备示出了 DW速度对电流密度。电流脉冲长度在5和100ns之间。IOA厚的Pt层插 在磁性堆叠的中间。该个Pt层在其底部界面（X = O, y = 1.5,图4E)、在其顶部界面（X = 1. 5, y = 0,图4巧或者在两个界面（X = 1. 5, y = 1. 5,图4G)与一个Co层接触。
[003引图5针对用于不同底层的DW运动，其中：
[0033] 图5A-C对于在5和IOns之间的脉冲长度并且对于不同的金属性底层M =Pd (图 5A)、Ir (图地）和 Au (图 5C)示出了由 50Ta/50M/3Co/7Ni/l. 5Co/50TaN 制成的设备的 DW 速度，该速度是作为电流密度的函数。
[0034] 图抓-I对于在5和10化S之间的脉冲长度示出了由50化/(15-z)Au/z Pt/3Co/7Ni/l. 5Co/50TaN制成的设备的DW速度，该速度是作为电流密度的函数。
[00巧]图6针对在Pt/Co界面的Pt中的感生磁矩的影响，其中：
[0036] 图 6A对于 IOns长的电流脉冲对于由 S(XTaz^as-X)PtA Au/3Co/7Ni/l. 5Co/50TaN 制成的设备示出了 DW速度对电流密度。厚度X在0. 25和2之间的一薄层Au插在Pt/Co 界面。
[0037] 图她对于J = ±1.9108A/cm2的常量电流密度示出了作为X的函数的DW速度， 该个电流密度对所有样本都是小于Jw的最大值。DW速度随着X线性减小并且推断其对于 X?3 A为0。
[0038] 图7针对通过堆叠工程设计的DW运动方向的精细控制。对于5和100ns之间的 脉冲长度，对于由SOI'a/lOAu/SPt/x Co/7Ni/yCo/20Pt/50TaN制成的设备调查作为电流密 度的函数的DW速度。顶部和底部Pt层的厚度选择成使得它们的影响几乎彼此补偿，从而 导致电流方向对磁性层厚度的强灵敏度。因此，依赖于两个Co层的厚度，DW运动可W从电 流方向（X = 1. 5, y = 3,图7A)反转至电子流方向（X = 3, y = 1. 5,图7B)。

【具体实施方式】
[0039] 本发明的优选实施例在图1中示出。底层100首先沉积在衬底上。然后，中间层 110沉积在底层上。盖层120沉积在中间层顶上。底层、中间层和盖层构成磁线，磁畴在该 磁线中引入。中间层是由一系列层构成的，包括铁磁体和/或亚铁磁体层。在优选实施例 中，中间层包括Co的铁磁体层和Ni的铁磁体层W及Pt的非铁磁体层的序列。Pt层优选地 与Co层和Ni层接触。如图1中所说明的，优选实施例中的中间层是由一个接一个连续沉 积的Co、Ni、Pt、Co、Ni、Pt和Co层构成的。在图1中说明了两个磁畴，其磁化与Co和Ni 层之间的界面垂直地定向。在其中一个畴中，磁化利用从底层到盖层的方向定向，而在另一 个畴中，磁化与第一个畴逆平行地定向，使得磁化在从盖层到底层的方向上指向。该些畴的 磁化方向在图1中通过黑箭头说明。在图1中还示出了底层140中的区域140a，该区域呈 现出由于与相邻的Co层的接近性而感应出的磁矩。类似地，14化是在盖层中由于与相邻 的Co层的接近性而变得有磁性的区域。畴壁和/或它们对应的畴代表可W利用集成到线 中的一个或多个设备写入线和/或从中读出的数据（信息）。
[0040] 呈现垂直磁各向异性（PMA)的膜通过在被25皿厚的Si〇2层涂覆的Si晶片上磁控 姗射来沉积。S卵ID磁力测定和磁-光Kerr显微镜用来测量膜的磁属性。H个主要的品质 因数可W用来评估样本：磁滞回线的方正度、矫顽磁场的值，W及在外部磁场中磁化反转期 间的畴结构。方形的磁滞回线保证磁化在垂直方向上W剩磁完全饱和。小的矫顽磁场值指 示导致小DW传播场的低钉扎。最后，通过在磁化反转期间监视畴结构，我们可W确定反转 过程是许多反转畴的成核还是一些DW的传播占优势。我们发现，其中畴成核占优势的样本 不适合电流驱动的DW运动，该或者是因为畴结构在所施加的电流下不稳定或者是因为DW 在运动期间强烈变形。在本文的优选膜中，Co和Ni层具有fee结构并且在（111)方向上 定向。
[0041] 电流驱动的DW运动是利用通过光刻和Ar离子研磨构图的设备来研究的。UV光 刻用来制造宽度小至2 □ m的设备，而电子束光刻用于100和500nm之间的宽度。在大部 分情况下，设备宽度对DW动态特性具有很小的影响。但是，在各种金属性层的组合厚度大 于?5-6nm的有些情况下，对于微米尺寸的设备，畴成核比DW运动占优势。除非另外规定， 否则实验结果对应于2□m宽的设备。
[0042] 典型设备的光学显微图像在图2A中示出。DW运动在其中成像的图2A中央部分中 的线是20至50 Qm长。该根线在两端都连接到用作电气连接的键合垫的更宽区域。在大 部分情况下，我们发现PMA在线键合处显著减小，使得DW在键合附近成核并且可W在外部 场作用下在线中传播。一旦单个DW在磁线中注入，该场就减小至零并且通过向设备施加一 系列长度为tp的电流脉冲来研究DW运动。
[0043] 差分模式的Kerr显微镜用来监视响应于电流脉冲序列的DW位置。图像 W选定的规律间隔保存，使得DW在该些存储的图像之间移动可测量的量。对于由 20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l. 5Co/50TaN制成的2 □ m宽的线（同样，所有的厚度都是WA为单 位），用于两个不同电流极性的两个图像序列的例子在图2B中示出。该里所使用的电流脉 冲是25ns长，并且关联的电流具有密度±1.810 8A/cm2。应当指出，反差（白或黑）是由作 为DW运动的结果而扩张的畴的磁化方向确定的。DW位置是通过沿线的Kerr反差的自动分 析从图像确定的（图2C);该个图中所示出的剖面是示例性的并且对于电流密度+1. SlO8A/ cm2和各种tep值被采用，其中tep是tp与施加到设备的脉冲数目之积。然后，通过假设DW只 在电流脉冲期间移动来确定DW速度。我们使用DW位置对集成的电流脉冲长度tep的线性 拟合（图20)。图20关于电流密度0.9、1.01、1.14、1.43和1.801084/畑12示出了对于5118 长电流脉冲的结果（其中增加电流密度对应于图中增加的斜率）。在有些情况下，DW会在 其再次移动之前被局部缺陷钉扎住某个时间量。在该些情况下，我们仅拟合曲线中位置线 性依赖于t。的部分。为DW位置的所有点计算的差分速度值对tep的曲线的标准偏差用来 为速度测量确定误差棒。
[0044] 我们首先示出在与电子流相反的方向上高速的反常DW运动对于一定范围的材料 参数被观察到。图3示出了对由沉积在Pt上的单个Co/Ni/Co堆叠制成的设备测出的结果。 堆叠的成分是20TaN/15Pt/x Co/7Ni/y Co/50TaN，其中两个Co层X和y的厚度在1. 5和 3A之间WO.SA的步幅变化。对于X = 3和y = 1. 5,响应于5、50和IOOns长的电流脉冲 测出的DW速度的例子在图3A中示出，其中速度是作为电流密度的函数。电流密度J是通 过假设金属性层中的均匀传导从设备电阻计算出的，在该种情况下，金属性层具有26.5A 的总厚度。当电流密度超过随着tp减小的阔值Jc时，DW沿电流流移动（图3B)。最重要 的是，DW动态特性不依赖于磁畴的朝向；同时上/下和下/上DW都在相同方向上W相同的 速度运动。对于可靠的DW运动可W实现的最大电流密度也依赖于tp。当电流超过成核阔 值Jw时，DW运动被DW的随机成核代替，该可能是由于由来自电流的奧斯特场感应出的焦 耳发热和磁化反转。在Jc和Jw之间，DW壁速度几乎独立于tp。实际上，用于图3A中所示 tp的所有H个值的数据都落在相同的主曲线上。类似的行为对于具有显著不同磁属性的设 备也观察到。如图3C中所示，样本的PMA常量K可W通过改变与Pt相邻的底部Co层的厚 度X来系统地变化。在图3C中还示出了通过去磁化能量减小的有效各向异性常量K,ff = K-2 □ Ms2,其中Ms是饱和磁化。应当指出，如预期的，K对于顶部Co层的厚度很不敏感（图 3D)，因为PM的起因主要是由于Pt/Co界面。不管K在图3E中所示具有不同Co厚度的16 个设备之间变化超过因子2的事实，DW都沿电流流移动，并且速度对J的曲线遵循相同的 函数形式。应当指出，为了清晰，数据仅仅对正电流和5ns长的脉冲示出。设备的磁属性对 于运动和成核的阔值电流密度扮演着重要得多的角色。如图3F中对50ns长电流脉冲所示 出的，Jc和Jw都随着X，即，当K增加时，线性增加。在Jc只轻微变化的同时，Jw呈现出更强 的依赖性。该暗示电流感应出的磁畴成核过程基本上是与设备的矫顽性相关的磁化反转过 程，其中设备的矫顽性本身就依赖于PM常量。
[0045] PMA常量K强烈依赖于沉积在Co/Ni/Co H层下面的Pt底层的厚度。如图3G中所 示，对于高达?20 乂的Pt厚度，K线性增加，高于该个厚度，K将朝着超过7.2106erg/cm3 的值逐渐饱和。另一方面，PMA弱依赖于沉积在Co/Ni/Co H层上面的Pt盖层的厚度（图 3H)。该些结果清楚地示出Pt/Co和Co/Pt界面具有显著差异，该种差异导致对多层的磁属 性的非常不同的影响。
[0046] 为了进一步调查沿电流流的反常DW运动的起因，我们把[Co/Ni]周期N的数目从 1变成4。对于N〉4，DW传播变成树枝状并且在Jw之下没有观察到可靠的电流驱动的运动。 有趣的是，如图4A中所示，对于N在1和4之间的所有设备，虽然对于后一种情况磁性层的 总厚度接近4nm，但DW运动都保持沿着电流流。但是，Je增加一个数量级，而最大DW速度减 小一个数量级（175到17m/s)。该些结果暗示对反常DW运动负责的扭矩具有界面起因并且 有可能是由于Pt/Co界面。实际上，Pt/Co界面所扮演的关键角色是通过对利用Pt层盖在 顶上的对称结构获得的结果来确认的。图4B示出了都具有N = 3但是被具有不同厚度的 Pt层盖在顶上的两个设备的DW速度（对于实也和空也符号，Z分别等于5和30 A)。对 于Z=5A，结果非常类似于没有Pt覆盖层（盖层）所获得的结果。但是，对于z=3〇A，结果 就非常不同：DW运动方向反转，使得DW在电子流的方向上移动。（应当指出，该里的符号约 定是使得对于正电流密度的正速度对应于沿电流流方向的DW运动，相应地，对于正电流密 度的负速度对应于沿电子流方向的DW运动。）对于N= 1至4 W及0和之间的Z所 获得的全部数据都在图4C和4D中概述，该些图分别示出在tp = IOOns的Je W及最大实测 DW速度。对于Z=IsA, Je经过最大值，在该个值，DW速度对所有N值都改变符号。有趣的 是，该是与底部Pt层的厚度相同的厚度。在电子流方向上的最大速度是大约-30m/s并且 对于N = 4和Z = 30被观察到。该些数据暗示顶部和底部Pt层对DW运动具有相反的效 果。结果产生的DW运动方向是由最厚的层确定的。
[0047] 该些结果暗示Pt/Co和Co/Pt界面导致在相反方向上的DW运动。为了确认该 个发现，对于5和IOOns之间的脉冲长度，测量由20TaN/15Pt/l. 5Co/7Ni/x Co/lOPt/y Co/7Ni/1. 5Co/50TaN制成的设备的DW速度（图4E、4F和4G)，该速度是作为电流密度的函 数。10 乂厚的Pt层插在磁性堆叠的中间，Co层插在下面（X = O, Y= 1.5,图4E)、上面 (X = 1. 5, y = 0,图4巧或者任意一侧（X = 1. 5, y = 1. 5,图4G)。我们发现，DW速度是由 Pt/Co和Co/Pt界面的数目之差确定的。在其中只有两个Pt/Co界面的图4E中，DW速度非 常高（?130m/s)。作为对比，在图4F中，有一个Pt/Co界面和一个Co/Pt界面，并且DW速 度急剧减小至?30m/s。最后，在图4G中，其中有2个Pt/Co界面但是也有一个Co/Pt界 面，DW速度达到2个之前的例子之间的中间值（?90m/s)。该些数据确认在Pt/Co界面的 堆叠次序在DW运动的方向方面扮演关键角色。Pt/Co界面导致沿电流流的运动，而Co/Pt 界面有利于沿电子流的运动。有趣的是，Pt/Ni界面看起来扮演着弱得多的角色。
[0048] 为了理解关于Pt层观察到的反常DW运动的起因，探究其它材料的影响是很重要 的。我们发现几种金属性底层导致适于研究DW运动的好的PMA和磁属性。堆叠的结构是 50了3/501/3(：〇/7化/1.5(：〇/5(^3^所有的厚度都^乂为单位），其中]? = ?(1、11'和411。应 当指出，化代替TaN用作种子层。通过该个层分流的电流占在设备中流动的总电流密度的 10至20%。如图5A、5B和5C中所示，对于Pd和Ir,DW运动沿着电流流，而对于Au是沿着 电子流。虽然Pd和Ir底层导致与Pt中相同方向上的运动，但是最大DW速度小超过10倍 (分别是15和9m/s)并且Je显著增加。在Au的情况下，沿电子流的运动达到80m/s。有 趣的是，Pt、Ir和Au全都具有显著的SOI,但是它们对DW运动不具有相同的影响。作为对 比，虽然Pd中的SOI小，但是它仍然导致电流方向上的反常运动。该些结果暗示SOI不是 我们的观察的唯一原因。
[0049] 我们提出，在金属性底层和Co层之间界面感应出的磁矩扮演着重要的角色。该种 感应出的磁矩对于Pt、Pd和Ir是显著的，但是对于Au非常小。为了测试该种假设，我们制 造了其中Au和Pt在同一底层中组合的结构。我们首先考虑其中Pt沉积在Au层顶部的情 况。膜的结构是 S(XTaz^as-X)AuA Pt/3Co/[7Ni/l. 5Co]2/50TaN，其中 Pt 层的厚度 X 从 0 至15乂变化。对于5和100ns之间的脉冲长度，DW速度在图5D-I中示为电流密度的函数。 如W上所讨论的，对于X = 0, DW运动沿着电子流。对于X = 3, DW速度减小至几乎为零，而 Jc增加一个数量级，该指示Au和Pt层的影响几乎彼此抵消。对于X = 6, DW运动沿着电流 流发生。对于x〉6高至15A，速度增加并且Jc减小，但是依赖性弱得多。该些数据示出对沿 电流流的反常DW运动负责的机制只在Pt层的厚度超过3和之间的临界值时发生。越厚 的层对DW动态特性具有越小的影响。有趣的是，该个临界厚度小于Pt的自旋扩散长度，但 是对应于如果高于其将在Pt中感应出显著磁矩的典型长度（2至4个原子层）。感应出的 磁矩很大程度上与磁性层的磁矩平行。但是，由于在Pt/Co界面的化yaloshinskii-Moriya 相互作用，显著的成分可W与界面平行。
[0050] 现在我们转向其中一薄层Au插在Pt和Co层之间的情况。膜的结构是50化/ (15-x)Pt/x Au/3Co/7Ni/1.5Co/50TaN。我们发现，当X增加时，PMA快速减小。实际上，对 于x〉2,膜不再与平面垂直地被磁化。对0. 25和2之间的X并且对于IOns长的电流脉冲， DW速度对电流密度在图6A中示出。对于所有的X值，运动都沿着电流流，但是对于增加的 X，DW速度显著减小。应当指出，Je几乎独立于X，而Jw作为更小PMA的结果而随着X减小。 图6B对于常量电流密度J = ±1. 9108A/cm2示出了作为X的函数的速度，该个电流密度对 于所有样本都是小于Jw的最大值。DW速度随着X线性减小并且推断它对于X?3 乂为0。 同样，在Au中，临界厚度比自旋扩散长度小得多。因而，在Pt层的表面累积的自旋可W跨 Au层扩散，而不会受太大影响。作为对比，Pt中感应出的磁矩将被填隙（interstitial)Au 层强烈减小并且当Au层覆盖Pt表面时几乎完全消失。
[0051] 通过调谐顶部和底部金属性层的厚度和组成，我们可W工程设计堆叠，使得顶部 和底部界面的效果几乎彼此抵消。在该种情况下，界面驱动的DW运动机制的其它细微特征 显露出来。在图7A和7B所示的实验中，我们改变在Pt/Co和Co/Pt界面的Co层的厚度。 膜堆叠如下；50Ta/10Au/5Pt/x Co/7Ni/y Co/20Pt/50TaN。通过简单地改变Co层的厚度， DW运动从电流方向（X = 1. 5, y = 3,图7A)反转至电子流方向（X = 3, y = 1. 5,图7B)。 该种行为的起因可能与PMA常量的不同值相关，对于（a)和化）该个值分别是K,ff?0.6106 和 1. 61〇6erg/cm3。
[0052] 在不背离其主旨或本质特点的情况下，本发明可W在其它具体形式中体现。所述 实施例在所有方面都应当被认为仅仅是说明性而不是约束性的。因此，本发明的范围是由 所附权利要求而不是由前面的描述指示的。在权利要求等同的意义和范围内的所有改变都 包含在该范围内。
【权利要求】
1. 一种方法，包括： 提供充当畴壁运动的轨道的磁线，该磁线包括： 底层（100); 盖层（120);及 底层（100)和盖层（120)之间的中间层（110)，中间层（110)包括⑴选自由Co/Ni和 Ni/Co构成的组的至少一个双层，其中所述至少一个双层中的每个Ni层是铁磁体并且包括 至少20原子百分比的Ni,并且所述至少一个双层中的每个Co层是铁磁体并且包括至少20 原子百分比的Co,以及（ii)与两个中间层（110)接触的Pt层，两个中间层中的一层是Co 且另一层是Ni,其中Pt层包括至少70原子百分比的Pt,磁线具有与分开中间层（110)中 相邻的Co和Ni层的界面垂直的易磁化方向，及 其中底层（100)、盖层（120)和中间层（110)沿磁线的长度的至少一部分延伸；及 对磁线施加电流，由此沿磁线移动畴壁，其中畴壁（i)跨所有中间层（110)延伸并且 (ii)延伸到底层（100)的至少一部分中和/或延伸到盖层（120)的至少一部分中。
2. 如权利要求1所述的方法，包括向磁线施加电流，由此沿磁线移动多个畴壁。
3. 如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述至少一个双层中的每个Ni层是 fee且（111)定向。
4. 如权利要求1至3中任何一项所述的方法，其中所述至少一个双层中的每个Co层是 fee且（111)定向。
5. 如权利要求1至4中任何一项所述的方法，其中所述至少一个双层中的每个Co层具 有在1和10埃之间的厚度。
6. 如权利要求1至5中任何一项所述的方法，其中所述至少一个双层中的每个Co层具 有在1和4. 5埃之间的厚度。
7. 如权利要求1至6中任何一项所述的方法，其中所述至少一个双层中的每个Ni层具 有在1和10埃之间的厚度。
8. 如权利要求1至7中任何一项所述的方法，其中所述至少一个双层中的每个Ni层具 有在4和8埃之间的厚度。
9. 如权利要求1至8中任何一项所述的方法，其中Pt层具有在2和20埃之间的厚度。
10. 如权利要求1至9中任何一项所述的方法，其中Pt层具有在5和15埃之间的厚 度。
11. 如权利要求1至10中任何一项所述的方法，其中盖层（120)和/或底层（100)具 有由其与Co层的接近性而感应出的磁矩。
12. 如权利要求11所述的方法，其中感应出的磁矩的一部分与所述界面平行。
13. 如权利要求11所述的方法，其中感应出的磁矩的一部分与所述界面垂直。
14. 如权利要求1至13中任何一项所述的方法，其中盖层（120)和底层（100)中的至 少一个包括选自由Pt、Pd和Ir构成的组的材料，并且其中选定的材料与Co层接触。
15. 如权利要求14所述的方法，其中畴壁在所施加的电流的方向上移动，底层（100)包 括Pt。
16. 如权利要求14所述的方法，其中畴壁在与所施加的电流的方向相反的方向上移 动，盖层（120)包括选自由Pt、Pd和Ir构成的组的材料。
17. 如权利要求14所述的方法，其中畴壁在所施加的电流的方向上移动，磁线中Pt/Co 界面的数目大于磁线中Co/Pt界面的数目。
18. 如权利要求14所述的方法，其中畴壁在与所施加的电流的方向相反的方向上移 动，磁线中Co/Pt界面的数目大于磁线中Pt/Co界面的数目。
19. 一种方法，包括： 提供充当畴壁运动的轨道的磁线，磁线包括选自由Co/Pt/Ni和Ni/Pt/Co构成的组的 至少一个三层，该三层沿磁线的长度的至少一部分延伸，其中： 所述至少一个三层中的每个Ni层是铁磁体并且包括至少20原子百分比的Ni，所述至 少一个三层中的每个Co层是铁磁体并且包括至少20原子百分比的Co, Pt层包括至少70 原子百分比的Pt,并且磁线具有与分开三层中相邻的Co和Ni层（110)的界面垂直的易磁 化方向；及 对磁线施加电流，由此沿磁线移动畴壁,其中畴壁在整个三层中延伸。
20. 如权利要求19所述的方法，其中所述至少一个三层中的每个Ni层和每个Co层都 是fee并且（111)定向。
21. 如权利要求19或权利要求20所述的方法，其中所述至少一个三层中的每个Co层 具有在1和10埃之间的厚度，所述至少一个三层中的每个Ni层具有在1和10埃之间的厚 度，并且所述至少一个三层中的每个Pt层具有在2和20埃之间的厚度。
22. 如权利要求19至21中任何一项所述的方法，其中三层在相对侧与底层（100)和盖 层（120)接触。
23. 如权利要求22所述的方法，其中盖层（120)和/或底层（100)具有由其与三层中 的Co层的接近性而感应出的磁矩。
24. 如权利要求22或权利要求23所述的方法，其中盖层（120)和底层（100)中的至少 一个包括选自由Pt、Pd和Ir构成的组的材料，并且其中选定的材料与Co层接触。
25. 如权利要求24所述的方法，其中畴壁在所施加的电流的方向上移动，底层（100)包 括选自由Pt、Pd和Ir构成的组的材料。
26. 如权利要求24所述的方法，其中畴壁在与所施加的电流的方向相反的方向上移 动，盖层（120)包括Pt。
27. 如权利要求24所述的方法，其中畴壁在所施加的电流的方向上移动，其中磁线中 Pt/Co界面的数目大于磁线中Co/Pt界面的数目。
28. 如权利要求24所述的方法，其中畴壁在与所施加的电流的方向相反的方向上移 动，磁线中Co/Pt界面的数目大于磁线中Pt/Co界面的数目。
【文档编号】G11C19/08GK104321823SQ201380027755
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年6月3日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】S·S·帕金, L·托马斯, 梁时熏 申请人:国际商业机器公司