专利名称：用于磁性存储器应用的应力辅助电流驱动切换的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性存储器系统，尤其涉及提供这样一种元件的方法和系统，该元件利用应力辅助自旋转移(stress-assisted spin transfer)效应用于切换(switching)，并且该元件可以在磁性存储器例如磁性随机存取存储器(“MRAM”)中使用。
背景技术：
图1A和1B描述了传统磁性元件10和10’。传统磁性元件10是自旋阀并且包括传统反铁磁(AFM)层12、传统被钉扎层(pinned layer)14、传统非磁间隔层16和传统自由层18。也可以使用其它层(未示出)，例如晶种层或覆层(seed or capping layer)。传统被钉扎层14和传统自由层18都是铁磁性的。因此，传统自由层18被描述成具有可变的磁化19。传统非磁间隔层16是导电的。AFM层12用于在特定方向上固定或者钉扎住被钉扎层14的磁化。自由层18的磁化可以自由旋转，通常是响应外部磁场。图1B中描述的传统磁性元件10’是自旋隧道结。传统自旋隧道结10’的一些部分类似于传统自旋阀10。因此，传统磁性元件10’包括AFM层12’、传统被钉扎层14’、传统绝缘阻挡层16’和具有可变磁化19’的传统自由层18’。传统阻挡层16’薄得足以使电子在传统自旋隧道结10’中隧穿。
分别依赖于传统自由层18/18’和传统被钉扎层14/14’的磁化19/19’方向，传统磁性元件10/10’的电阻分别发生变化。当传统自由层18/18’的磁化19/19’与传统被钉扎层14/14’的磁化平行时，传统磁性元件10/10’的电阻较低。当传统自由层18/18’的磁化19/19’与传统被钉扎层14/14’的磁化反平行时，传统磁性元件10/10’的电阻较高。
为了检测传统磁性元件10/10’的电阻，电流被驱使通过传统磁性元件10/10’。可以用两种配置中的一种来驱动电流，平面内的电流(“CIP”)和与平面垂直的电流(“CPP”)。在CPP配置中，驱动的电流垂直于传统磁性元件10/10’的层(图1A或1B中向上或向下)。通常，在存储器应用中，例如磁性随机存取存储器(MRAM)应用中，以CPP配置使用传统磁性元件10和10’。
为了克服在具有较高密度存储器单元的磁性存储器中遇到的一些问题，可以使用自旋转移来切换传统自由层10/10’的磁化19/19’。在传统磁性元件10’的背景下描述了自旋转移，但是同样可用于传统磁性元件10。在下面的公开中详细描述了目前对自旋转移的认识J.C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers”，Journalof Magnetism and Magnetic Materials，vol.159，p.L1(1996)；L.Berger，“Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversed by aCurrent，”Phys.Rev.B，vol.54，p.9353(1996)以及F.J.Albert，J.A.Katineand R.A.Buhrman，“Spin-polarized Current Switching of a Co Thin FilmNanomagnet”，Appl.Phys.Lett.，vol.77，No.23，p.3809(2000)。因此，对自旋转移现象的以下描述是基于目前的知识并且并不意在限制本发明的范围。
当自旋极化的电流以CPP配置穿过磁性多层例如自旋隧道结10’时，入射在铁磁层上的电子的一部分自旋角动量可被转移到铁磁层。尤其是，入射在传统自由层18’上的电子可以转移一部分其自旋角动量到传统自由层18’。结果，假如电流密度充分高(大约107-108A/cm2)并且自旋隧道结的横向尺寸较小(大约小于200纳米)，则自旋极化的电流可以切换传统自由层18’的磁化19’方向。另外，为了使自旋转移能够切换传统自由层18’的磁化19’方向，传统自由层18’应当充分薄，例如，对于Co来讲优选小于大约10纳米。基于自旋转移的磁化切换控制了其它切换机制，并且当传统磁性元件10/10’的横向尺寸较小时，在几百纳米的范围内时，变成可观测到的。因此，自旋转移对于具有较小磁性元件10/10’的较高密度磁性存储器来讲是合适的。
以CPP配置使用的自旋转移现象可作为使用外部切换场来切换传统自旋隧道结10’的传统自由层18’的磁化方向的一种替代或与其一起使用。例如，传统自由层18’的磁化19’可以从反平行于传统被钉扎层14’的磁化的方向切换到平行于传统被钉扎层14’的磁化的方向。电流从传统自由层18’驱动到传统被钉扎层14’(导电电子从传统被钉扎层14’移动到传统自由层18’)。因此，从传统被钉扎层14’移动的多数电子的自旋被极化在与传统被钉扎层14’的磁化相同的方向上。这些电子可转移一部分充足的角动量到传统自由层18’，从而使传统自由层18’的磁化19’切换成平行于传统被钉扎层14’的磁化。或者，自由层18’的磁化可以从平行于传统被钉扎层14’的磁化的方向切换成反平行于传统被钉扎层14’的磁化。当电流从传统被钉扎层14’驱动到传统自由层18’(导电电子以相反方向移动)时，多数电子的自旋被极化在传统自由层18’的磁化方向上。这些多数电子被传统被钉扎层14’传输。少数电子从传统被钉扎层14’反射，回到传统自由层18’，并可转移足量的角动量以切换自由层18’的磁化19’反平行于传统被钉扎层14’的磁化。
虽然自旋转移起作用，但是本领域技术人员很容易认识到，要向传统磁性元件10/10’进行写入可能是相对困难的。尤其是，在低电流时磁化可能难以切换，如下将要描述。当切换传统自由层18’的磁化19’以平行于传统被钉扎层14’的磁化时，传统被钉扎层14’作为自旋极化电子源，而传统自由层18’作为目标。此配置中的自旋转移现象可以通过修改自旋动力学的Landau Lifshitz Gilbert(LLG)等式以包括由自旋极化电流产生的自旋转矩(torque)项来进行描述，如在以下公开中所述J.A.Katine，F.J.Albert，R.A.Buhrman，E.B.Myers and D.C.Ralph，“Current-Driven Magnetization Reversal and Spin-Wave Excitations inCo/Cu/Co Pillars，”Physics Review Letters，vol.84，p3149(2000)。对于磁性元件10和10’，膜平面沿着x-y平面。图1B中z方向是向上(垂直于膜平面)。传统自由层18’的总磁矩(S)的动力学由下式描述dS/dt＝S×{γ[Heff∥x-4πM(S·z)z]-αdS/dt-[Ig/e|S|]z×S} (1)式(1)中的第一项描述了自旋力矩的稳态进动(steady stateprecession)，并包括作用在传统自由层18’的磁化19’上的所有场的转矩。场Heff∥包括各向异性场(Han)、在膜平面中沿着自由层的易轴排列的交换场(Hex)和施加场(Hap)。4πM项指的是自由层18’的平面外退磁场，垂直于自由层平面而作用，沿着z方向。退磁场导致了膜的2πM2形状各向异性。第二项是现象学阻尼效应。这里α是铁磁物质的阻尼系数。第三项是作为自旋极化电流I结果而作用于铁磁物质力矩的自旋转矩，其中g是自旋转移效率。
当由自旋极化电子的电流施加的转矩超过阻尼时，其中阻尼由等式(1)中的αdS/dt项描述，发生传统自由层18’的磁化19’方向的切换。当来自电流的转矩超过阻尼时，转矩引起自由层18’的磁矩向外进动。结果，在电流的临界最小值(Ic)，在此称为切换电流，传统自由层18’的磁化方向被切换。因此，传统自由层18’的磁化19’可由于自旋转移而切换方向。
切换电流Ic是使用自旋转移切换传统自由层18’的磁化19’方向所需的最小电流。从能量角度考虑，切换电流对Heff与退磁场的依赖性由下式给出Ic∝αMt(Heff∥+2πM) (2)因此，切换电流与传统自由层18’的饱和磁化、传统自由层18’的厚度(t)、阻尼系数(α)、垂直于平面的有效退磁场(通过2πM项)以及在传统自由层18’平面中的有效场Heff∥成比例。
虽然传统磁性元件可以使用自旋转移作为切换机制，但是切换电流由于2πM项的大值而较高。由于许多原因，高切换电流对于磁性存储器应用而言是不期望的。因此，所需要的是一种提供磁性存储器元件的系统和方法，该磁性存储器元件可以更容易地在较低的切换电流使用自旋转移而被切换。本发明即针对对于这样一种磁性存储器元件的需求。
发明内容
本发明提供了一种用于提供磁性存储器的方法和系统。该方法和系统包括能够提供多个磁性元件并提供至少一个应力辅助层。所述多个磁性元件中的每一个都配置成使用自旋转移而写入。该至少一个应力辅助层配置成在写入期间在所述多个磁性元件中的至少一个磁性元件上施加至少一个应力。
根据在此公开的系统和方法，本发明提供了一种磁性元件，其可以使用减小的电流进行写入并且在写入之后保持稳定。
图1A是传统磁性元件，自旋阀。
图1B是另一个传统磁性元件，自旋隧道结。
图2描述了根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器的一部分的一个实施例。
图3描述了根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器的一部分的第二实施例。
图4A描述了用于磁性元件的一部分中的替代结构的第一实施例，该磁性元件用于根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器。
图4B描述了用于磁性元件的一部分中的替代结构的第二实施例，该磁性元件用于根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器。
图5的高级流程图描述了提供根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器的方法的一个实施例。
图6的高级流程图描述了编程根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器的方法的一个实施例。
具体实施例方式
本发明涉及磁性元件和磁性存储器(例如MRAM)的改进。提供下面的描述以使本领域技术人员能实施和使用本发明，并且是以专利申请及其需求的背景提供的。对优选实施例的各种改变对本领域技术人员而言是显而易见的，并且在此的一般原理可以应用到其它实施例。因此，本发明并不意在局限于所示出的实施例，而是应被给予与在此描述的原理和特征一致的最宽范围。
本发明提供了一种用于提供磁性存储器的方法和系统。该方法和系统包括提供多个磁性元件并提供至少一个应力辅助层。该多个磁性元件中的每一个都配置成使用自旋转移进行写入。该至少一个应力辅助层配置成在写入期间对所述多个磁性元件中的至少一个磁性元件施加至少一个应力。
本发明将根据特定的磁性存储器和具有某些组件的特定磁性元件进行描述。然而，本领域技术人员容易认识到，该方法和系统对于具有不同和/或额外组件的其它磁性存储器元件和/或具有不同和/或其它与本发明一致的特征的其它磁性存储器将有效地工作。本发明也是在对自旋转移现象的当前认识的背景下进行描述的。因此，本领域技术人员容易认识到，对该方法和系统的行为的理论解释是基于对自旋转移的当前认识而形成的。本领域技术人员还容易认识到，该方法和系统是在与衬底有特殊关系的结构的背景下进行描述的。然而，本领域技术人员容易认识到，该方法和系统与其它结构是一致的。另外，该方法和系统是在某些层是合成的和/或简单的背景下描述的。然而，本领域技术人员容易认识到，这些层可具有其它结构。而且，某些组件被描述成是铁磁体。然而，如在此所使用，术语铁磁体可包括亚铁磁体或类似结构。因此，如在此所使用，术语“铁磁体”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。本发明也是在单一元件、位线和字线的背景下描述的。然而，本领域技术人员容易认识到，本发明与具有多个元件、位线和字线的磁性存储器的使用是一致的。
为了更详细阐述根据本发明的该方法和系统，现在参考图2，描述了根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器100的一部分的一个实施例。磁性存储器100优选的是MRAM。磁性存储器100包括字写入线110、底部引线(bottom lead)120、由应力辅助层140围绕的磁性元件130、位线150。虽然描述了特定的字写入线110、底部引线120、磁性元件130和位线150，但是本领域技术人员容易认识到，本发明与使用其它和/或额外元件的其它架构是一致的。底部引线120由绝缘体112而与字写入线110分隔开，并连接到晶体管160。因此，在优选实施例中，磁性存储器单元既包括磁性元件130又包括晶体管160。然而，也可以使用另一组件来替代晶体管160或与晶体管160一起使用，或者在另一架构中省去使用作为磁性存储器单元一部分的晶体管160。
所示出的磁性元件130是自旋隧道结。然而，在可替代实施例中，磁性元件130可以包括能够在施加电流的情况下形成有限电压的其它结构，如下面将进行描述。磁性元件130包括底部晶种层131、AFM层132、被钉扎层133、阻挡层137、自由层138和顶部覆层139。AFM层132优选PtMn，但是可包括其它反铁磁体，例如PdMn，PdPtMn，NiMn，IrMn，或者其它反铁磁材料。优选的AFM材料是IrMn和PtMn。
所描述的被钉扎层133是合成反铁磁体，包括被非磁间隔层135分隔开的两个铁磁层134和136。铁磁层134和136优选Co或CoFe，而非磁间隔层135是反铁磁耦合材料，例如Ru，Os，Re，Cr，Rh，Cu，Ir。优选材料是Ru。阻挡层137是优选Al2O3的绝缘体，并且薄得足以允许隧穿阻挡层。自由层138是包含下面这些元素的至少其中一个的铁磁材料Co，Fe或者Ni，并且优选被Ta膜覆盖。优选调整自由层的组成以获得高的正磁致伸缩。
磁性存储器100还包括应力辅助层140。应力辅助层140提供垂直于平面的拉伸应力，在电流流过磁性元件130的方向。因此，所提供的应力垂直于自由层138的磁化处于平衡的平面。在可替代实施例中，应力不需要是垂直的，只需要有垂直于自由层138磁化处于平衡的平面的分量即可。在优选实施例中，压电或者电致伸缩材料用于应力辅助层140。另外，用于应力辅助层140的材料具有良好的绝缘性能，以确保磁性元件130充分绝缘。在优选实施例中，应力辅助层140包括IrO2/PZT，MnO/PZT，TiOy/PZT，Al2O3/PZT，Al2O3/PMN，Al2O3/SrBaTiO3，SiO2/PZT或SiO2/SrBaTiO3的双层。材料PZT是PbZr1-xTixO3，这里x是小于1的分数，作为将搀杂物加入以提高PZT介电性能的基本材料。材料PMN是含PbTiO3的PbMn1-xNbxO3，这里x是小于1的分数。双层的底层作为扩散阻挡层、绝缘体和/或晶种层。
在工作期间，磁性元件130使用在位线150和底部引线120之间驱动的电流写入。例如，存储的数据或者是“1”或者是“0”，其依赖于自由层138相对于被钉扎层133的磁化方向。当施加电流的方向是从位线150到底部引线120时(电子从底部移动到顶部)，在临界电流，自由层138的磁化方向与被钉扎层133的顶部铁磁层136的磁化方向相对准。因此，假如自由层138的磁化最初反平行(例如，代表数据“1”)，则磁化切换方向以变成平行于被钉扎层133(代表数据“0”)。为了再次改变自由层138的磁化方向，将电流的方向反转。假如电流方向是从底部引线120到位线150，则具有与被钉扎层133的顶部铁磁层136的磁化相反的自旋的电子被反射回来。这些反射的电子对自由层138的力矩施加转矩，导致其在另外一个临界电流值切换。自由层138的磁化因此变为反平行于被钉扎层133的顶部铁磁层136的磁化而排列(代表数据“1”)。
应力辅助层140帮助切换自由层138的磁化，而不论电流流动的方向。当电流从位线150流向底部引线120或者反过来时，阻挡层137的存在导致在位线150和底部引线120之间产生有限电压差。该电压差有效地穿过应力辅助层140而存在。因为应力辅助层140是压电/电致伸缩材料，所以由在位线150和底部电极120之间施加电流所引起的电压差导致应力辅助层140平行于电场方向而扩张。应力辅助层140的扩张在磁性元件130中沿着垂直于膜131-139方向引起拉伸应力。任一种电流流动方向导致应力辅助层140中沿着z方向的扩张，从而导致磁性元件130中沿着z方向的拉伸应力。另外，因为拉伸应力是由位线150和底部引线120之间的电压差产生的，所以拉伸应力在没有电流的情况下并不存在。
该拉伸应力在写入期间帮助切换自由层138的磁化，但是当磁性元件130处于静态时并不影响磁性元件130。该拉伸应力引入瞬态(transient)各向异性，其减小垂直各向异性，因此在垂直于平面的方向上减小有效场项(其包括2πM项)。结果，切换自由层138的磁化方向变得较容易。尤其是，用于向自由层138进行写入的自旋转移切换电流减小。另外，由拉伸应力引起的各向异性只有当电流被驱使通过磁性元件130时才引入，所以在没有电流时磁性元件130的状态并不受影响。因此，磁性元件130的稳定性并不会由于降低切换电流的该方案而受到不好的影响。
为了更进一步减小切换电流，自由层138可以是双层，其包括含Fe，Co或Ni基合金的至少其中之一的铁磁层以及在顶部的非磁层，例如Co/Au，CoFe/Pt，CoFe/Pd，CoFe/Cu，CoFe/Au，Co/Pt，CoPd/Pd，CoPd，CoFe或者Co。双层的顶层优选在几埃的范围内以改变自由层138的表面各向异性。然而，也可以使用没有顶层的自由层来改变自由层138的表面各向异性。上面提到的双层可以重复‘n’次，从而自由层138的代表结构将是(Co/Pt)n，这里n是整数。另外，双层的铁磁材料实际本身可以是两层结构，从而自由层138的整体代表结构将是NiFe/Co/Au。优选调整自由层138的组成以获得高的正磁致伸缩。
应力对自由层138的磁化的自旋转移切换电流的影响可以如下基于有效各向异性而具体解释。在具有纳米尺寸的膜中，例如自由层138，各向异性能通常是形状各向异性、晶体各向异性、表面各向异性与诱导各向异性的和。诱导各向异性可以例如由在自由层138沉积期间施加的场而产生。虽然总各向异性是上述各向异性的和，但是当最大各向异性超过其余各向异性的组合时，总各向异性是由最大各向异性控制的。在这样一种情况下，当调整自由层138的磁矩使得最大各向异性的影响达到最小化时，则产生更低的能量并由此产生更加稳定的状态。通常有效或者总垂直各向异性(包括由垂直于膜平面的4πM退磁场引起的各向异性)比沿着膜平面的有效各向异性显著更大。因此，膜平面是优选的磁化平面。因此，总垂直各向异性在正常条件下控制切换电流。
拉伸应力通过引入垂直各向异性而起作用。然而，由拉伸应力引入的垂直各向异性是瞬态的。当电流在位线150和底部引线120之间驱动并且应力辅助层140经受到电压差时，存在瞬态的垂直各向异性。对于具有大的磁致伸缩的应力磁膜，应力引起的各向异性的影响(通过反转磁致伸缩或者磁弹效应而引入)改变了各向异性的平衡。尤其是，如下面所描述，应力引起的各向异性可以被设计成在与垂直各向异性相反方向起作用，该垂直各向异性由4πM退磁场产生。因此当有应力的情况下有效或者总垂直各向异性将会减小，这使得可更加容易切换自由层138的磁化。
另外一个减小有效垂直各向异性的补充机制是改变自由层138的表面各向异性。例如，在自由层138的顶部提供非磁层。某些非磁层通过引入表面各向异性而减小自由层的总垂直各向异性。表面各向异性沿着垂直膜平面的轴起作用，然而是沿着与由4πM退磁场所产生的各向异性相反的方向。在上面讨论的双层自由层中，例如Co/Pt，Co/Au，(Co/Pt)n CoFe/Pd，CoFe/Cu，CoFe/Au，Co/Pt，CoPd/Pd，CoPd或者CoFe，顶层(例如Pt或者Pd)减小了自由层138的有效垂直各向异性。
就有效场而言，由于不同的垂直各向异性贡献引起的垂直有效场可以从式(2)展开并且可以表示为Heff⊥～2πM+Hsan⊥+Hs(3)场Hsan⊥是由表面各向异性项产生的沿着垂直方向作用的垂直有效场。如上所讨论，自由层138的表面各向异性项是由使用非磁覆层而产生。场Hs是由垂直磁致弹性能的影响产生的沿着垂直方向的等效场。换句话说，场Hs是由受到电势差的影响的应力辅助层140产生，如上面所描述。注意，通过为自由层选择合适的材料，Hsan⊥和Hs优选设计成在与退磁场相反的方向起作用，不论在进动期间退磁场(4πM)的分量是在+z方向还是在-z方向起作用。场Hs由下式给出Hs～-3λσ/2M(4)Hs的符号以及因此Hs的方向取决于λσ乘积的符号。由拉伸应力引起的各向异性因此可用于沿着垂直层面的方向增大或减小有效场，取决于λ的符号。优选地，Hs用于减小自由层138的垂直各向异性。尤其是，拉伸应力与具有正磁致伸缩的自由层结合用于抵消对应于垂直平面的4πM退磁场的形状各向异性。因此，可以选择材料和应力结合以沿着垂直方向提供正λσ。因此，可以减小对应于垂直各向异性的有效场Heff⊥。
场Hs相反于退磁场而起作用，因此沿着垂直膜的方向减小有效场Heff⊥。因此，通过仔细选择自由层138的应力和材料，可减小切换磁化方向所需的电流。因此，对于切换电流式(2)的更加完整版本如下Ic∝αMt(Heff∥+Heff⊥)(5)因为项Heff⊥可以通过拉伸应力和自由层138的覆层而减小，所以切换电流也被减小。因此，通过使用应力辅助层140和在自由层138上的覆层，可以减小切换电流。另外，因为有效场Hs只有在写入期间才存在，所以当不被写入时，使用应力辅助层140并不会对磁性存储器100有不利的影响。
例如，假设自由层138具有在大约10和30埃之间的厚度，并且由Co组成。对应于退磁场(4πM)，Hsan⊥和Hs的标称(nominal)能量值在表1中列出。
表1
*应力仅在切换期间存在因此就等效场而言，对于Co自由层138，场由以下给出4πM大约为15k Oe，Hsan⊥大约为-2k Oe，Hs大约为-2k Oe。注意表1中各向异性能的不同符号。因此，由写入期间应力辅助层140产生的有效场和由自由层138的覆层产生的表面各向异性都减小了退磁场的影响。结果，由于退磁场的4πM项通常比平面内各向异性Heff∥大得多，所以预期切换电流值大约减小30％。对层的进一步优化将导致平面外各向异性场的进一步减小。例如，可改变在自由层138的双层中使用的材料，并且可优化用于应力辅助层140的压电/电致伸缩材料，从而潜在地导致切换电流的减小大于50％。
注意，在表1中“没有外应力”情况下Es的有限值由磁性元件130周围的绝缘层中的内应力(通常沿着膜平面是压缩的，因此在垂直方向是拉伸的)产生。Es值可以得到优化(例如通过变化沉积参数而沿膜平面增大压缩应力)。因此，与较早描述的具有正磁致伸缩的自由层138一起，内应力可以帮助降低切换电流。相对于通过使用压电或者电致伸缩材料主动减小切换电流的优选实施例，使用内应力是减小切换电流的被动方法。
注意，应力引起的垂直各向异性场在整个晶片上的均匀性依赖于自由层138的组成控制(磁致伸缩控制)和应力辅助层140的组成控制(应力控制)。可以控制这些参数，以在整个六英寸晶片上得到标称应力值和应力各向异性值的10％以内。因此，磁性存储器100可以使用传统过程制造。
图3描述了根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器100’的一部分的第二实施例。磁性存储器100’类似于图2中描述的磁性存储器100。因此，磁性存储器100’的组件以类似的方式标记。另外，用于存储器100’的组件的材料优选与存储器100中的类似组件相同。然而，注意，层137’可以是阻挡层或者导电间隔层，例如由Cu制成。因此，磁性元件130’优选是自旋隧道结或者自旋阀。然而，注意，在替换实施例中，其它结构可用于磁性元件130’。此外，应力辅助层140’放置在底部引线120’之下。然而，应力辅助层140’仍然具有相同的功能。因此，应力辅助层140’仍然在位线150’和底部引线120’之间施加写入电流时导致磁性元件130’变形。因此，应力辅助层140’仍然减小存储器100’的切换电流。
在工作期间，磁性存储器100’以类似于磁性存储器100的方式工作并且使用类似的原理。然而，应力辅助层140’使用在字写入线110’和底部引线120’之间的电压差。尤其是，在写入期间，字写入线110’保持在比磁性元件130’更低的电势，因此保持在比底部引线120’更低的电势。不论驱动通过磁性元件130’的电流方向，该电势差被维持。因此，驱动通过磁性元件130’的电流导致在应力辅助层140’中的压电或电致伸缩材料在平行于膜平面的方向收缩。因为应力辅助层140’沿着膜平面收缩(图3中水平方向)，所以该收缩导致在应力辅助层140’上面的区域沿着垂直方向扩张。由于应力辅助层140’沿着平面的收缩，磁性元件130’沿着平面被压缩，导致磁性元件沿z方向扩张。因此，自由层138’仍经受到垂直于层的平面的拉伸应力。因此，自由层138’的磁化更容易切换。另外，自由层138’可包括减小自由层138’表面各向异性的覆层，进一步减小磁性元件130’的切换电流。
因此，磁性存储器100’由于应力辅助层140’而具有减小的切换电流。应力辅助层140’只有当电流被驱使通过磁性元件130’时才允许垂直各向异性的减小。因此，磁性元件130’的稳定性并不因使用应力辅助层140’而受到不利的影响。另外，应力辅助层140’通过底部引线120’和字写入线110’之间的电势差而控制。因此，应力的控制可以从施加自旋转移切换电流通过磁性元件130’电分离。结果，用于切换磁性元件130’的电路相对地与在应力辅助层高频工作期间可能引起的共振隔离开。其它改善高频切换特性的手段包括图案化应力辅助层和选择具有最佳介电性能的材料。因此，磁性元件130’的性能可以得到进一步提高。
图4A描述了根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器的磁性元件中替换切换元件200的第一实施例。替换元件200可以代替分别包括自由层138或138’的磁性元件130或130’中的某些层。因此，磁性元件200的自由层202分别在磁性元件130或130’的层137或137’的顶部。替换切换元件200包括铁磁层202、分隔层204、第二铁磁层206、间隔层208、被钉扎层210和AFM层218。被钉扎层210优选是合成的，因此，包括被非磁层214分隔开的铁磁层212和216。自由层206优选包括例如用于自由层138或138’的材料。分隔层204优选包括Cu或者CuPt。分隔层用于允许第一自由层202和第二自由层206静磁耦合，以便它们的磁化反平行排列。第二自由层202优选包括CoFe或者Co。间隔层208优选Cu。
参考图2、3和4A，当在磁性元件130或130’中使用替换切换元件200时，磁性元件130或130’有效地包括自旋隧道结部分和自旋阀部分。自旋隧道结部分包括层131、132、133、134和202，同时自旋阀部分包括层206、208、210和218。磁性元件200的使用允许自旋阀部分与自旋隧道结部分分别最优化。尤其是，可以最优化自旋阀部分以获得低切换电流，同时最优化自旋隧道结部分以获得较高的信号。因此，磁性元件130或130’的性能可以得到更进一步的提高。
图4B描述了根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器的磁性元件中替换切换元件250的第二实施例。替换切换元件250因此可以代替分别包括自由层138或138’的磁性元件130或130’中的层。因此，磁性元件250的自由层252分别在磁性元件130或130’的层137或137’的顶部。替换磁性元件250包括自由层252、非磁间隔层254、被钉扎层256和AFM层258。自由层252优选包括例如用于自由层138或138’的材料。间隔层254优选包括Cu。被钉扎层256优选包括CoFe。或者，被钉扎层可以是合成的反铁磁物质的形式，包括被两个反铁磁耦合层(例如Ru)分隔开的三个铁磁层(例如CoFe)。
参考图2、3和4B，当使用上述的磁性元件250时，磁性元件130或130’有效地包括具有共用自由层的自旋隧道结部分和自旋阀部分。自旋隧道结部分包括层131、132、133、134和252，同时自旋阀部分包括层252、254、256和258。被钉扎层133或133’的分别的部分134或134’和被钉扎层256定位在相同的方向。因此，被钉扎层133或133’的部分136或136’和被钉扎层256定位在相反的方向。自旋阀部分和自旋隧道结部分因此都可对自由层138或138’的自旋转移引起的切换作贡献，同时AFM层218和258可在与AFM层132或132’相同的步骤被对准。在编程期间，对于任一电流方向，来自两个被钉扎层136和256入射到自由层252的电子具有相同的自旋方向。结果，切换自由层252的磁化方向所需的电流进一步减小。而且，磁性元件250的使用允许自旋阀部分与自旋隧道结部分分别最优化。尤其是，可以最优化自旋阀部分以获得低的切换电流，同时可以最优化自旋隧道结部分以获得较高的信号。因此，磁性元件130或130’的性能可以得到更进一步的提高。
图5的高级流程图描述了提供根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器的方法300的一个实施例。为清楚起见，方法300在磁性存储器100的背景下描述。然而，本领域技术人员容易认识到，方法300可以用于与本发明一致的其它磁性存储器。
通过步骤302提供字写入线110。通过步骤304还提供底部引线120。通过步骤306提供磁性元件130。通过步骤308提供应力辅助层140。注意，对于磁性存储器100’，步骤308可在步骤304之前执行。对于磁性存储器100，执行步骤306和308使得应力辅助层140围绕磁性元件130的侧面(sides)。通过步骤310提供顶部引线。因此，可提供具有磁性存储器100和100’的优点的磁性元件130和130’。
图6的高级流程图描述了编程根据本发明使用应力辅助切换的磁性存储器的方法350的一个实施例。为清楚起见，方法350在磁性存储器100’的背景下描述。然而，本领域技术人员容易认识到，方法350可用于与本发明一致的其它磁性元件。
通过步骤352，将应力辅助层140电偏置(biased)使得应力辅助层140变形以在磁性元件130上提供拉伸应力。对于磁性元件130，通过驱动电流流过磁性元件130而执行步骤352。然而，对于磁性元件130’，通过提供底部引线120’和/或磁性元件130’与字写入线110’之间的电压差而执行步骤352。通过步骤354，所需的任何额外写入电流被驱动通过磁性元件130，以使用自旋转移而写入磁性元件130。对于磁性存储器100，步骤352并非必需。因此，对于磁性存储器100，偏置应力辅助层140的相同电流也写入到磁性元件130。然而，对于磁性存储器100’，不同的电流被驱动通过磁性元件130’。因此，磁性存储器100和100’可使用自旋转移现象而被写入。另外，因为使用应力辅助自旋转移切换执行编程，所以可使用较低的写入电流。
本发明公开了一种用于提供磁性元件的方法和系统，该磁性元件中数据可以使用应力辅助切换进行写入。虽然本发明是根据示出的实施例描述的，但是本领域技术人员容易认识到，可以对实施例进行改变，并且那些改变是在本发明的精神和范围内。因此，本领域技术人员可以做许多修改，而不偏离随附的权利要求的精神和范围。
权利要求
1.一种磁性存储器，包括多个磁性元件，该多个磁性元件的每一个都配置成使用自旋转移进行写入；至少一个应力辅助层，配置成在写入期间对该多个磁性元件的至少一个磁性元件施加至少一个应力。
2.根据权利要求1的磁性存储器，其中该至少一个应力在写入期间在该至少一个磁性元件上引起至少一个各向异性，该至少一个各向异性减小垂直于该至少一个磁性元件的稳定态的总各向异性能。
3.根据权利要求1的磁性存储器，其中该磁性元件包括多个层，以及其中该至少一个应力在垂直于该多个层的至少一层的平面的方向。
4.根据权利要求3的磁性存储器，其中至少一层是自由层。
5.根据权利要求4的磁性存储器，其中该自由层包括铁磁层和覆层，该自由层具有高的正磁致伸缩。
6.根据权利要求5的磁性存储器，其中该自由层具有表面各向异性和垂直于该自由层稳定态的总各向异性，该覆层配置成改变该表面各向异性以减小总垂直各向异性并且能包括Cu，Au，Pd或者Pt。
7.根据权利要求1的磁性存储器，其中该至少一个磁性元件具有多个侧面，以及其中该至少一个应力辅助层围绕该至少一个磁性元件的该多个侧面。
8.根据权利要求1的磁性存储器，进一步包括多条字写入线；以及其中该至少一个应力辅助层位于该多条字线和该至少一个磁性元件之间。
9.根据权利要求1的磁性存储器，其中该应力辅助层进一步包括IrO2/PZT，MnO/PZT，TiOy/PZT，Al2O3/PZT，Al2O3/PMN，Al2O3/SrBaTiO3，SiO2/PZT或SiO2/SrBaTiO3至少其中之一的双层，其中PZT是PbZr1-xTixO3，其中PMN是具有PbTiO3的PbMn1-xNbxO3以及其中x是小于1的分数。
10.一种编程包括多个磁性元件的磁性存储器的方法，该多个磁性元件的每一个都配置成使用自旋转移进行写入，该方法包括(a)偏置至少一个应力辅助层，该至少一个应力辅助层配置成在写入期间对该多个磁性元件的至少一个磁性元件施加至少一个应力；(b)当该至少一个应力施加在该至少一个磁性元件上时，驱动电流通过该至少一个磁性元件，该电流足以使用自旋转移写入到该至少一个磁性元件。
11.一种磁性存储器，包括多个磁性元件，该多个磁性元件的每一个都配置成使用自旋转移进行写入，该多个磁性元件的每一个都包括具有垂直各向异性的铁磁自由层和在该铁磁自由层上的非磁覆层，该非磁覆层减小该铁磁自由层的垂直各向异性。
12.根据权利要求11的磁性存储器，其中该铁磁自由层包括Co、Fe和Ni的至少其中之一，以及其中该非磁覆层包括Pt、Pd、Au、Ta和Cr的至少其中之一。
全文摘要
本发明公开了一种提供磁性存储器的方法和系统。该方法和系统包括提供多个磁性元件，并且提供至少一个应力辅助层。该多个磁性元件的每一个都配置成使用自旋转移进行写入。该至少一个应力辅助层配置成在写入期间对该多个磁性元件的至少一个磁性元件施加至少一个应力。自旋转移切换电流的减小是由于在写入期间应力辅助层对磁性元件施加的应力。磁性存储器相对于热起伏的稳定性没有受到损害，因为一旦关掉切换电流两个磁化态之间的能量势垒就没有发生改变。
文档编号H01L27/22GK1906701SQ200480040445
公开日2007年1月31日 申请日期2004年11月12日 优先权日2003年11月14日
发明者M·帕卡拉, 怀一鸣 申请人:弘世科技公司