专利名称：分薄层的具有垂直于层的平面的高自旋极化的磁性器件、使用该器件的磁性隧道结和自旋阀的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性材料的领域，更具体地说，涉及用于一方面用于允许 将数据存储在电子系统中并且读取电子系统中的数据的非易失性随机存 M性存储器中、另 一方面用于使用磁性薄层系统技术的射频振荡器的领 域中的磁性材料。
背景技术：
在磁性存储器领域中，自从开发了在环境温度下具有高磁阻的隧道
结，包括这种磁性隧道结的称作M-RAM (磁性随M取存储器)的磁性 存储器巳经引起了极大的关注。这些随*1##^性存储器具有很多显著的 优点
-速度快(读写时间仅几个纳秒)；
-非易失性；
-没有读/写疲劳；
-不受电离辐射影响。
因此，它们正日渐取代基于电容器的充电状态的、使用更加传统的技 术的存储器(D-RAM、 S-RAM、 FLASH )。
在这些磁性存储器中，信息的编码("o"或"r)取决于具有不同矫 顽磁性的两个磁性层的磁化的相对取向(平行还m平行)，所述两个磁 性层之一称为"自由的"(即具有可以通过施加外部低密度磁场来改变的
磁化方向)，而另一层称为"钉扎的"(pi6g6e)(即具有不受所述外部磁 场影响的磁化方向)。
磁化的相对取向的这种改变修改了这样形成的两个层的堆叠的电阻， 并且通过在垂直于这些层的平面的方向上注入电流之后测量电压来读取 磁状态。一般说来，通过在所讨论的存储器单元的位置附近以直角相交的导体中发送两个电脉冲来写入信息。由这些电脉沖在单元处所产生的两个磁场的叠加以及所注入的电流的方向使得有可能改变"自由"层的磁化方向，因此写入所讨论的信息。
然而，由于制造方法而导致的所有存储器位置的翻转场(champs deretournement)的相对宽的分布的存在，使得为了确M化的取向的改变必须使用大于所述分布的最高翻转场的外部磁场。这样，存在意外地反转对应行和/或列上的某些存储器位置(其翻转场可能位于所述分布的较低部分，比由单独的行或列产生的磁场更弱)的风险。
如果我们想要确保任何存储器单元不会以一行或一列的方式写入，则在这种情况下必须限制写入电流以便对于这些存储器单元而言总不会超过与分布的较低部分对应的磁场，其风险在于，如果存储器位置的翻转场
处于分布的较高部分，则不会写入在所述行和列的交叉处所选择的存储器单元。换句话说，使用导体的行和列的由磁场进行选择的这种结构可能容易导致写入寻址错误。
此外，通常已经观测到，随着存储器单元的尺寸减小翻转场的平均值增大。这样需要更大的电流以确M储器单元的^^化的实际翻转，而这必然引起所需电功率的增加。
因此，提出了另一种称为"通过自旋极化电流进行磁化翻转"的写入技术。这种技术涉及通过使用自旋极化电流而不是外部磁场来写入存储器单元。事实上，已经证明了自旋极化电流能够通it4极化栽流子与所讨论的层的磁矩之间的自旋角动量转移来引起磁化的进动甚至反转(例如，见US A 5 695 864 )。
这种技术的优点之一在于以下事实相同电流行既用于读M性信息又用于写入磁性信息，这大大地简化了器件的结构。因此，当穿过所讨论的磁堆叠的各个层时，电流被极化，并且电子的自旋倾向于将其自身与本,化方向对齐。如果在电流所穿过的层中没有去极化，则该极化被维持在第二磁性层中，并且反过来感应所述"自由"磁性层的^^化围绕极化方向的进动。
当电流密度增大时，进动锥的角度增加直到对于某个临界电流而言可能超过90°，因此产生"自由"层的磁化向着与其初始方向相反的方向翻转。然而，这种特定技术受到一个严重限制。事实上，在这种配置中，为了实现磁化反转，必须克服所述"自由"层的退磁场。对于薄磁性层，这种退磁场倾向于将磁化保持所述层的平面中。然而这种退磁场与材料的磁化成比例，显然磁化反转必须要注入高强度电流，该电流可能损坏器件，尤其是在磁性隧道结的情况下通过电击穿分隔两个磁性层的绝缘势垒而损坏器件。
磁性薄层系统也用于射频振荡器的领域。射频振荡器经历了与移动电
话的相应itA直接关联的重;UL^。事实上，移动电话导致了具有非常宽频带的振荡器的应用，其具有特别好的相位噪声性能，并且因此具有高品质因数。
满足这种需求的一种技术方案是使用基于电子自旋的射频振荡器。使用这种振荡器允许获得高品质因数Q情况下的宽频带以及容易的频率可调谐性，并且此外，允许使用相对简单的结构。
电流的自旋极化是已知的，其在磁性多层中引起磁阻现象(例如巨磁
阻和隧道磁阻)。此外，穿ity磁性薄层的这种自旋极化电流可以通过在不
存在任何外部磁场的情况下感应薄层的磁化的反转或者通过生成持续的磁激励(也称为振荡)来影响磁性纳米结构的磁化。这种激励的频率尤其取决于流过纳米结构的电流密度。
将产生持续的磁激励的效应用在磁阻器件中使得有可能将这种效应转换为可在以电子电路中直接使用的电阻调制，当然可能在所述频率上起作用。
然而，使用这些射频振荡器遇到的问题之一是要被注入到所讨论的磁性系统中的自旋极化电流的密度，由于电击穿或电迁移现象其能够导致器件的损坏。
无论预期的应用如何，为了减少写入信息所需的电流密度，力求获得磁化自发地平行于薄层的平面、但可以通过小幅度磁场(或极化电流)的作用而容易地被定向在垂直方向上的薄层磁性材料，或获得磁化自发地(没有任何外部磁场或极化电流)垂直于薄层的平面的薄层磁性材料。
为此，回顾支持这些现象的物理原理。对于单个磁性层(即，例如在衬底上所沉积的磁性材料的薄层，衬底不会引起与所述层的任何特定交互作用)，形状效应(该层的横向尺寸远大于其厚度的事实)倾向于将该层的磁化方向保持在该层的平面中(所谓的"平面"磁化)。如果在垂直于该层的平面的方向上施加幅度逐渐增大的磁场，则该层的磁化方向将逐渐离开该平面以便被定向为平行于所施加的场。因此，当
根据以下等式所施加的磁场达到垂直饱和场Hsp (Hsp等于与这种磁性材
料的每单位体积的磁化Ms成比例的称作"退磁场"Hdm的场)的值时，
该层的磁化方向将垂直于平面
Hsp = Hdm = 47cMs
为了给出某些值的概念，这种场Hsp对于例如钴的材料是18千奥斯特(kOe)量级，而对于镍是6kOe量级。因此，减少这种场Hsp的第一种方式是使用弱磁化的磁性材料。然而，这对于有用信号取决于该磁化的某些应用可能是不利的。
减小Hsp的第二种方式是，引入与Hdm相反符号的附加项。如现有技
术公开的随后部分中所指出的那样，这种称作"垂直各向异性"的项Hap可以是磁晶生成的或由弹性生长张力所感应的体积各向异性的结果，或者可以是由于分界面的电子相互作用而产生的分界面各向异性的结果。例如，典型的情况是与钴、镍或铁的磁性层接触的铂层的影响。
当这个附加项存在时，垂直饱和场可以表示如下
Hsp = Hdm - Hap
定性地，随Hap增加，垂直饱和场玩p因此将规则地减少，直到其接近极PHf:之前磁性层的磁化总是平行于平面，当Hap超过Hdm时，磁性层的磁化将自发地(即无需任何施加的磁场)垂直于该层的平面。
还必须注意，才艮据下式，在由分界面形成的垂直各向异性的情况下，
作为一次近似，Hap将与磁性层的厚度e成反比
其中，C是取决于磁性层的体积特性的常数，垂直各向异性常数Kap取决
于与磁性层接触的材料的固有结构以及分界面的结构性质。
垂直各向异性场对磁性层的厚度的这种依赖性表明，对于厚度较小的磁性层仅有可能在垂直于平面的方向上稳定磁化，并且相反地，垂直/平
面过渡的临界厚度随幅度Kap的增大而增大。
涉及到RF振荡器或MRAM存储器类型的应用的本发明的第一 目的是提出一种制造磁性层的方法，所述磁性层具有垂直于该层的平面的磁化，所U性层可以集成在自旋阀或隧道结类型的结构中，所迷结构的自由层和钉扎层的磁化是平面的。具有垂直磁化的这种附加的磁性层用作
"极化器"(见文献US 6 532 164 )。
在这种"极化器，，中，注入到磁性系统的电流的电子自旋沿着垂直于层的平面的方向与磁化进行耦合，并且磁化进动锥的轴线因此也垂直于该平面，对于弱电流，"自由"磁性层的磁化因此在实际上与层的平面相同的平面上进行旋转。
同步的电流脉冲的应用以及"自由"层的单轴平面磁各向异性的存在使得有可能在层的平面中通过使磁化方向执行半进动来容易地使磁化方向反转。
还要特别探索这种极化器在射频振荡器的制造中的应用。在这种配置中，不是脉冲式地而是连续地通过堆叠来注入自旋极化电流。这样维持了磁化的进动运动，而不是在磁性存储器的情况下仅对写入操作导致半进动。
如果进动的磁化是在极化层之上沉积的隧道结的自由(或软)层的磁化，则由于结的隧道磁阻效应，这种进动运动产生堆叠的电阻的振荡变化。这导致在堆叠的两个相反的表面之间出现振荡电压，该电压可以用于产生可调谐的射频振荡器，其频率与所注入的电流的强度直接相关。
很值得注意的是，为进行操作，具有垂直磁化的磁性层在结构的有源区附近不允许包含对于电子有强去极化效应的任何材料。
举例来说，在以上所提及的垂直极化的情况下，在所述极化器与自旋阀或磁隧道结类型结构的两个磁性层之间插入铂的薄层将完全破坏由这种极化器引起的电子的极化。在本发明的其余部分中，术语"有效"磁厚度将用于表示，所考虑的具有垂直磁化的磁性层相对于电子的行进方向的、超出任何最后的强去极化材料(例如铂、钯或金)层的厚度。
与MRAM类型应用有关的本发明的另一目的;1提出一种制造能够集成在具有垂直磁化的自旋阀或磁隧道结类型结构中的磁性薄层的方法，所述结构的两个有源磁性层("钉扎"层和"自由"层)的磁化垂直于所述平面。
本发明第三目的是提出一种制造磁性层的方法，所U性层具有平面磁化(即磁化位于构成磁性层的各层的平面中)，对于该磁性层，其退磁场被垂直各向异性的项部分地抵消，因此使得有可能减少该层的磁化翻转所需的电流的密度。该磁性层可以例如用作具有平面磁化的自旋阀或隧道结类型的结构中的自由层。
提出了各种方法来制造下逸磁性薄层具有垂直于磁性薄层的平面的磁化，并且能够用在上述某些类型的应用中。
提出了通过在覆盖衬底的金的緩冲层上进行真空蒸发(^aporationsous vide )来制造钴/镍多层(Daalderop, Kelly and den Broeder， PhysicalReview Letters 68, 682,1992 )。工作窗口相对较窄(例如，对于0.4nm的钴厚度，镍层厚度必须包括在0.6nm和0.8nm之间)。不仅如此，根据作者的观点，所获得的结果严格取决于制M件。
采用相似的方法，Ravelosona等人(Physical Review Letters 95,117203， 2005 )提出了 一种也是通过真空蒸发来制备的(钴/柏)/ (钴/镍)多层的组合。在此情况下，有效磁厚度(即在最后铂层之上)极小，并且等效于大约l.Onm的钴。
在这两种情况下，似乎必须通过蒸发来生M性层，这是一种与工业生产几乎不兼容的技术。其原因在于，这种垂直磁各向异性特性是由于具有稍微不同的结晶参数的镍层与钴层之间的弹性张力作用导致的。这同时解释了使用这种制备技术的必要性以及在制造这种结构中的难度。在任何情况下，至少在可接受的成本方面，排除使用这种技术进行工业,制造的可能性。此外，这些弹性张力作用仅对某些特定结晶磁性材料出现。因此，没有例如使用其它磁性材料或非晶的磁性合金的可能性。
涉及衬底/緩冲层/Ni/FeMn/Cu类型的结构的文献US 6 835 646提出了一种方法，其中镍的生长必须是"外延的"。这意p未着连续沉积的层必须采用下面的层的对称性和原子间距离。此外，緩冲层必须要么以具有结晶取向(002)的单晶铜制成，要么以具有结晶取向(001)的金刚石制成。这仅能通it4具有结晶取向(001)的单晶硅衬底上的生长来获得，然后通过化学清理以便获得铜或金刚石緩冲层的满意取向。
因为外延生长和衬底的单晶特性，所以这种制造方法使用起来尤其麻烦。此外，除了镍之外，任何磁性材料不会给出期望的结果。
Mshimura等人(Journal of Applied Physics 91, 5246,2002， US 6 844605)提出了4吏用基于GdFeCo/CoFe/Al203/CoFe/TbFeCo类型的稀土金属的结构的另一制造方法，其具有lnm量级的磁性金属(钴-铁合金)的"有效，，厚度。这种制造方法需要使用基于稀土族(釓、铽)金属的合金，这些稀土 族金属已知是高污染的并且在工业中禁用。
从前面的考虑明显可见，所提出的解决方案不能使用常M性材料以
及简单的制备方法来制造下述薄层具有垂直于薄层的平面的^^化并且具 有足以满足所讨论的应用的"有效"厚度。
事实上，或者可实现的磁厚度太小以致无法提供垂直地流经所述层的 平面的电流的可利用的极化，或者为了实现较大的磁厚度必须使用由非常 特殊的方法来沉积的特定磁性材料。
发明内容
本发明首先涉及一种分薄层的磁性器件，包括在衬底之上通过阴极溅 射沉积的复合组体，所述复合组体包括
-磁性层，由具有高垂直磁各向异性的材料制成，该磁性层的磁化在 不存在任何电或磁的交互作用的情况下位于所述层的平面外部，
-磁性层，与前一磁性层直楱接触，由具有高自旋极化率的铁磁性材 料制成，该磁性层的磁化在不存在任何电或磁的交互作用的情况下位于该 磁性层的平面中，并且该磁性层与前一磁性层的耦合引起包括这两个磁性 层的组体的有效退磁场的减少，
-非磁性层，与前一磁性层(即由具有高自旋极化率的铁磁性材料制 成的层)直楱接触，以不会对穿过所述器件的电子去极化的材料制成。
所述器件还包括4吏得电流沿着基本上垂直于这些层的平面的方向上 流动通过这些层的装置。
因此，由于两个前U性层彼此强耦合，因此它们表现如同单个层， 组合了所需要的特性，即由第一层提供的垂直各向异性以及由第二层提供 的自旋极化。
所述非磁性层从不分隔这两个层，并且其主要作用在于减少与内部能 够集成前述复合组体的结构的其它磁性层的任何交互作用。
因此，这种器件可以构成"半个"模型，其可以被添加到自旋阀或隧 道结类型的完整结构，或是"加倍"以便构成这种类型的结构。
根据本发明，以具有高垂直磁各向异性的磁性材料制成的磁性层可以由从包括钴、铂、铁、镍、钯、金以及铜的组中选择的材料构成的合金或 多层构成。
选择构成该层的各基本层的性质、数量以;^f度，以便使得包括所述 两个磁性层的组体的垂直磁各向异性能量最大化，从而对于以铁磁性材料 制成的层的最大可能厚度获得所需的特性，因此提供穿过所述结构的电流 中的电子的最佳极化。
根据本发明，以铁磁性材料制成的层由从包括以下物质的组中选择的
磁性材料构成钴、铁、镍或其二元合金(例如坡莫^^金Ni8。Fe2。)、或三 元合金，以及也包含所述的磁性元素中的一种或多种的磁性、结晶或非晶 合金，和非磁性材料(例如硼、硅、磷、碳、锆、铪或其合金)填料。
然而，该层也可以包括磁性金属/磁性金属(例如Co/NiFe类型)或 磁性金属/非磁性金属(例如Co/Cu类型)类型的多层。
因此，该层的厚度使得有可能对穿过该层的电流的自旋极化进行优化。
在扩散模式下，用于产生自旋极化的关键长度是自旋扩散长度1SF。 自旋极化按照函数(l-exp(-e/lsF))增加，该函lbl以铁磁性材料制成的所述 层的厚度e的函数。这种自旋扩散长度典型地在300K时在坡莫合金 Ni8。Fe2。中是4.5nm，并且在钴中是20nm。扩散模式是例如如果金属或非 金属分隔物将这样制造的极化器与隧道结的自由磁性层分离以制造 MRAM单元或射频振荡器时遇到的模式。
在隧道模式下，隧道电子的极化由隧道势垒附近的电子状态密度确 定。因此为获得强自旋极化的最佳厚度由与势垒接触的磁性层的厚度确 定，其允许在与隧道势垒的分界面附近、在接近于费米能级的自旋向上和 自旋向下的电子之间建立状态密度的强烈对比。该厚度典型地是若干原子 面并且取决于所使用的界面和材料的WI^。在确定以^t磁性材料制成的 这种层的厚度时必须考虑的另一点是其磁化的热稳定性。极薄(典型地小 于lnm的厚度)层可以引起本领域技术人员已知的对热激活的磁波动甚 至超顺磁性现象。
一般说来，自旋极化越强，为了写入使用这样的磁性器件的存储器单 元、或者为了获得具有宽频带的射频振荡器所需的电流密度可以越小。
根据一个有利的特征，在这样定义的磁性器件与衬底之间插入称作 "緩沖层"的层，该层由从包括钽、铬、钛、氮化钛、铜、金、钯、银、和/或其合金的組中选择的一种或多种材料制成。更具体地说，除了改进 前述磁性层彼此之间以及与衬底之间的粘附性之外，所述緩冲层用于优化 前U性层的生长。因为该层引起晶格Wt的改动，所以其还使得有可能 增强所述层的平坦性。该层也可以用于将电流提供给器件的底部。
根据本发明，磁性器件顶部是第三非磁性层，其要么以金属(例如铜) 制成，要么以绝缘体(例如二氧化硅、氧化镁或氧化铝)制成。所述第三 层的功能在于保护磁性器件的紧接在第三层之下的磁性层不受侵蚀，并且 还可以用于将电流提供给器件的顶部。最后，例如在制M性随道结或射 频振荡器的情况下，还必须使以铁磁性材料制成的磁性层相对于可能在所 述第三层的顶部沉积的另一磁性层磁去耦。
相反，所述第三层被选择使得不论对于磁垂直各向异性特性还是对于 穿过所述结构的电子的任何去极化，均不引起任何特定效应。
根据本发明，通过借助阴极溅射来沉积各个层以实现所i^兹性器件的 制造。
这种磁性器件可以优选地用作
■具有平面磁化的自旋阀或磁隧道结的内部的垂直极化层，
■具有垂直磁化的结构中的有源层(即自由层和钉扎层两种)，
■具有平面磁化的结构中的有源层(即作为具有弱退磁场的自由层)。
图l是根据本发明的磁性器件的第一实施例的示意图。
图2是示出对于图l所示类型的结构在垂直场中测量的剩余磁化才艮据 钴的等效厚度的变化的图。
图3是示出本发明第二实施例的示意图。
图4是示出对于图3所示的结构剩余磁化(垂直场中测量的)根据钴 的等效厚度的变化的图。
图5是本发明第三实施例的示意图。
图6是本发明第四实施例的示意图。
图7是示出饱和场(在垂直场中测量的)根据构成图6所示类型的结 构的自由层的钴的等^bf度的变化的图。图8是本发明第五实施例的示意图。
具体实施例方式
首先回顾在器件(尤其是暖道结或自旋阀器件)中流动的电子的自旋 极化现象。
在导体中流动的电流包括电子，电子的自旋不会先验地被定向在任何
特定方向上。然而，在穿过具有特定^ t化的磁性层时，磁矩交换现象4吏电
子的自旋被定向，使得离开该层的电子具有极化的自旋。
该层或该层的组合构成极化器。这种现象可根据电流流动的方向针对 (通过层)透射以及(针对某些层)反射起作用。该现象还可以在相反意 义上起作用，因为其允许具有沿特定方向自4t极化的电子优先通过。因此 该层的功能成为分析器的功能。
因此，在通过由自旋极化电流引起磁化翻转来进行写入的磁性存储器 的情况下，在电子自旋倾向于将其自身与本地>^化方向对齐的意义上，当 电流穿过前面的称为"钉扎"层时^t极化。如果没有强去极化层将该第一 磁性层与第二 (在没有特定磁化取向的意义上称作)"自由"磁性层分离， 则电子的这种自旋极化反过来感应所述第二自由磁性层的磁化围绕着极
4b方向的进动。
在具有平面磁化的磁性系统的情况下，如果穿过这些层的电流密度增 加，则进动锥的角度增加，直到其对于某个临界电流最终超过卯。，因此 引起"自由"层的磁化的翻转。然而，为了实现这种翻转，必须克服自由 层的退磁场，要注意对于薄磁性层而言这种逸磁场倾向于将磁化保持在平 面中。
因为这个物理量与材料的磁化成比例，所以对于常规的磁性材料而言 磁化翻转需要高密度电流的注入，但隧道结类型的磁性器件不能够承受这 种高密度电流。
因此本发明的意义在于使用通过减少退磁场允许限制电流密度以便 在实现磁性存储器的情况下优化它们的操作的磁性器件。
根据本发明，磁性器件使用一般的、尤其不一定是单晶的衬底。这种 衬底例如包括二氧化硅或经氧化的硅。这种氧化可以源于热氧化，或者可 以源于硅的自然氧化。如果这种衬底是非晶的，则其不引起后续层的任何优选的结晶的生长
取向。因此仅根据其已知的低^JL特性进行选取，尤其是为了获得上层 的满意的平坦性。
除了硅和经氧化的珪之外，该衬底还可以包括具有极低的表面^l度 的其它材料,例如氮化硅或熔化的玻璃。其还可以由氧化铝或氧化镁形成。
通过阴极溅射在该衬底上沉积緩沖层l。如上所述，该緩冲层同时确 保促进上层的生长、改变晶格^、所述上层的润湿性以及它们的粘附性 和改进的平坦性。该层的目的还在于允许提供流经器件的电流。
在本发明第一实施例中，具体地如图l所示，该緩冲层l包括厚的铜
层，铜层顶部是钽和/或铂层。钽层的厚度包括在2nm和20nm之间，并 且优选为3nm。铩层的厚度包括在2nm和30nm之间，并且优选为20nm。
然后沉积包括賴层和钴层以样式(Pt/Co)n堆叠的层2，其中，n是鉑/ 钴堆叠的重复数量。
多层2(Co/Pt)n的钴层的厚度包括在0.2nm和lnm之间，并且优选 为0.6nm。柏层的厚度包括在O.lnm和2nm之间，并且优选大致为0.3nm。 此外，堆叠(Co/Pt)的重复数量n包括在1和10之间。
然后在该层2上沉积由具有高自旋极化率的铁磁性材料制成的层3。 在所描述的示例中，该层3由钴制成。然而，我们可以优选地用已知的另 一磁性材料(例如坡莫合金Ni8()Fe2(()替代钴，该磁性材料倾向于显著地 使得通过自身的电流的电子自乾良生极化。刚被提及的坡莫合金的另一优 点是其较短的自旋扩散长度(~4.5mn )，使得在扩散模式下，4.5mn量级 的坡莫合金厚度足以产生可以从该材料中预期的最大极化(50%至60% 的量级)。
该层3可以包括从包括钴、铁以及镍的组中选择的元素的二元或三元 磁性合金。该合金也可以是结晶的或非晶的，并且包含从包括硼、硅、磷、 碳、锆、铪或其合金的组中选择的非磁性材料填料。该层3还可以包括磁 性金属/磁性金属或磁性金属/非磁性金属类型的多层。
该层3当不与前一层2耦合时具有自然定向在其平面中的>#化。
最终，还通过阴极'溅射将厚度包括在2mn和10nm之间的铜层4沉 积在层3上。该层4的最终目的在于保护层3不受侵蚀，而不会引起在层 3的可能的平面外各向异性方面和在可能的穿过结构的电子的去极化方 面的特定效应。该层4还用于将层3相对于可能被沉积在上面的其它磁性层(例如增 加随道结以便形成MRAM单元或射频振荡器)磁解耦合。也可以由氧化 硅、氧化铝或氧化镁或不产生电子的很强去极化的任何其它材料或合金层 来替代这种铜层。
由于多层2的高垂直磁各向异性，其目的在于4吏钴层3的磁化脱离平 面。为此已经证明，这两个层的各自厚度应该被选择，以使得(Co/Pt)n多 层的有效各向异性的绝对值超过钴层的有效各向异性的绝对值。
描述以下现象以阐释这种状况。
如果定义多层2的磁化是m2并且其厚U e2，而钴层3的磁化及其 厚度分别是m3和e3，则给出以下关系
首先，这两个层中的每层的单位表面积的各向异性被定义为磁晶各向 异性与分界面各向异性的和。因此，对于层2，单位表面积的有效各向异
性keff2由下述等式定义
kef。 = kw . e2 + ks2
其中，kw和k"分别是多层2的磁晶各向异性和分界面各向异性。
相似地，以下等式应用于钴层3: kefo = kv3. e3 + ks3.
其中，kv3和ks3分别是钴层的磁晶各向异性和分界面各向异性。
必须考虑的另 一 因素是形状各向异性，其倾向于将磁化保持在所讨论 的层的平面中以使得静磁能量最小化，并且对应于退磁场。因此，单位表 面积的形状各向异性分别表示如下
■对于层2 :-27i.M22.e2; ■而对于层3 :-27T.M23.e3
其中，M2(3)是对应层的自发磁化。
最后，A是在多层2与钴层3之间的分界面处的交换耦合常数。 则多层2的单位表面积的各向异性能量表示为 E = - [(kv2-27T M22) e2 + M cos2 02
其中，02是层2的磁化相对于垂直于层的平面的方向的角度。
15由该表达式可得，在不存在与任何其它层的交互作用的情况下，为了
确保层2具有合成的平面外磁化，必须检验关系式[(kv2-27cM22) e2 + ks2》 0，从而对于92 = 0(即对于平面外磁化)，能量(kv2-27T. M22) e2 + ks2cos2 02 被最小化。
为此，多层2的厚度必须足够小(即特别是重复数量n),从而形状 各向异性效应不会过度减少分界面的垂直各向异性。
然而，试验表明，这种材料，即所描述的示例中的钴/铂多层，产生 极弱的自旋极化；当电子穿过钴层时所获得的任何极化实际上在它们穿过 下一铂层时损失。此外，为了增加这种^l化，通过已知方式，将该多层与 已知的具有强自旋极化的更厚磁性金属层相耦合。
在这种情况下，如上所述，在示例中所提及的钴可以优选地被坡莫合 金NisoFe20或钴-铁CoFe合金所替换。然而，这些材料的磁化方向在不 与层2耦合并且平行于平面的情况下，是根据以下表达式的
[(kv3-2Ti M23) e3 + ks3< 0.
但是，层2与层3的磁化之间的交换耦合根据表达式- a cos (e2-e3)
(其中，02和93是两个层中的每一层相对于垂直于层的平面的方向的各自 磁化角)，倾向于保持所述层的磁化彼此平行。
因此，通过对这两个耦合的层2和层3进行堆叠所产生的磁能量由下 述关系式定义
E = — [(kv2-2兀M22) e2 + cos2 02 — [(kv3-27i M23) e3 + ks3cos2 03 - A cos
(e2-e3)
这样，为了使钴/铂多层2将钴层或坡莫合金层3的磁化拉出平面， 必须满足两个^Ht:
一方面，层2的有效平面外各向异性必须比层3的有效平面各向异性 更强其表示如下
(kv2國27t M22) e2 + ks2+ [(kv3-27i M23) e3 + &3> 0
另一方面，在这里所示出的两个层的简单模型的情况下，所述两个层 通过耦合常数A耦合并且分别具有对于层2的平面外各向异性和对于层3 的平面各向异性，只要单位表面积的耦合能量是层3每单位表面积的有效 各向异性的绝对值的两倍，则通过与层2的耦合的效应可以使层3的磁化脱离平面。
在层3的情况下(钴或坡莫合金)，尤其是在扩散模式下联系到自旋 扩散长度，其厚度e3越大，其极化能力就渐近越高。然而， 一旦已经组 装了层，这种厚度就不应该达到能够使层的磁化回到平面中的过大的值。
对于典型地包括Si/Si02/Ta/(Pt/Co)n/Cox/Cu堆叠的这种结构，图2 示出使用垂直于层的平面所施加的磁场测出的剩余磁化根据从最后的铂 层算起的钴厚度的变化。
由此可见，在零场中与由此钴层的磁化垂直于层的平面的特征相对应 的100%剩余磁化维持到接近于2.8nm的钴厚度。因此，指示钴层的磁化 平行于层的平面的0%剩余磁化出现在钴厚度大于3nm处。
根据该第一实施例的配置，并且对于小于3nm的钴厚度，因此可以 制造如介绍中所提及的垂直极化器。
在图3所示的第二实施例中，对在前面示例中所描述的结构进4亍反 转，从而获得衬底/铜/钴(铁磁性材料)/多层(Co/Pt)n的序列。该实施例 与前面实施例是对称的，就沉积各个层的顺序而言，"有效"钴层3现在 位于钴/柏多层2之下。
钴/柏多层2的钴层的厚度包括在0.2nm和lnm之间，并且优选为 0.6nm。钴/铂多层2的铂层的厚度包括在0.2nm和2nm之间，并且优选 为1.6nm。
钴/铂堆叠的重复数量包括在1和10之间，并且优选地定为5。
对于这种结构(更具体地说，Cu/Co/(COo,6/PtL6)5/Pt结构)，图4示出
使用垂直于层的平面施加的磁场所测量的剩余磁化根据钴厚度的变化。
可见，在零场中与"有效"钴层3的垂直于层的平面的磁化对应的 100%剩余磁化出现在钴厚度小于1.2nm处。
因此，与磁性层的磁化的一部分平行于层的平面相对应的小于100o/o 的剩余磁化出现在厚度大于1.2nm处。
在第三实施例中，通it^f上述两个实施例进行组合，可以实现带有垂 直磁化的尤其是"自旋阀"或"磁隧道结"类型的完整结构，如图5示意 性示出的那样，其中，根据前面两个实施例之一来制造结或自旋阀的"有 源"磁性层中的每一层。如果要制造MRAM磁性存储器，则将例如由非 磁性导体层或入1203或MgO类型的隧道势垒来分离第一实施例和第二实施例的结构。
在图6所示的第四实施例中，4吏用第一实施例所示的堆叠，但这次作 为具有平面磁化的随道结或自旋阀类型的结构中的"自由层"。称作"钉 扎"的层可以具有常规的结构，即例如与反铁磁性材料(AFM)交换耦 合的具有平面磁化的传统磁性材料。
对于图6所示的类型的堆叠，图7示出饱和场(磁场总是^L施加在垂 直于奉的平面的方向上)根据钴厚度(层3)的变化。这种饱和场示出迫 使钴的磁化(根据图6对于超过大约2nm的厚度，钴的磁化天然地平行 于层的平面)定向在垂直于平面的方向上所需的磁场的强度。
由此可见，饱和场的值远小于在相同厚度的钴层的情况下、当不存在 由层2与膝性层3之间的交互作用而引入的垂直各向异性项时所需的值 (18kOe的量级)。
换句话说，该图示出当减少钴厚度(尤其减少直到2nm量级的厚度) 时垂直饱和场的减少。如果要获得具有平面磁化却又具有弱退磁场的层， 即在使用与磁性存储器(其中通过使用自旋极化电流来实现磁化反转)有 关的根据本发明的磁性器件的情况下，因此对于在此所描述的示例将选取 稍 1过2nm的钴厚度。
在图8所示的第五实施例中，使用在第二实施例中所示的堆叠，这次 作为具有平面磁化的自旋阀或磁隧道结类型的结构中的"自由层"。称作 "钉扎"的层可以具有常规的结构，即例如与反铁磁性材料(AFM)交 换耦合的具有平面磁化的传统磁性材料。
如在第四实施例的情况下那样，因此获得具有平面磁化却又具有弱退 磁场的自由层，在该实施例中，就器件的各个层的沉积顺序而言，该自由 层位于钉扎层之上。
权利要求
1.一种具有薄层的磁性器件，包括在衬底之上通过阴极溅射沉积的复合组体，所述复合组体包括-磁性层(2)，由具有高垂直磁各向异性的材料制成，磁性层(2)的磁化在不存在任何电或磁的交互作用的情况下位于所述层的平面外部，-磁性层(3)，与前一磁性层(2)直接接触，由具有高自旋极化率的铁磁性材料制成，磁性层(3)的磁化在不存在任何电或磁的交互作用的情况下位于磁性层(3)的平面中，并且磁性层(3)与所述磁性层(2)的直接磁耦合引起包括所述两个磁性层(2)和(3)的组体的有效退磁场的减少，-非磁性层(4)，与前一磁性层(3)直接接触，以不会对穿过所述器件的电子去极化的材料制成，所述器件还包括使得电流在基本上垂直于器件的层的平面的方向上流动通过器件的层的装置。
2. 如权利要求1所述的具有薄层的磁性器件，其特征在于，所述器 件的合成的磁化被定向为垂直于构成所逸磁性器件的层的平面。
3. 如权利要求1至2之一所述的具有薄层的磁性器件，其特征在于， 所迖磁性层(2)由从包括钴、柏、铁、镍、钯、金以及铜的组中选择的 材料或选择的材料的^T或多层构成。
4. 如权利要求1至2之一所述的具有薄层的磁性器件，其特征在于， 所i^磁性层(3)由从包括钴、铁、镍或其二元或三元合金的组中选择的 磁性材料构成。
5. 如权利要求1至2之一所述的具有薄层的磁性器件，其特征在于， 构成所逸磁性层(3)的磁性材料是结晶的或非晶的，并且包含从包括硼、 硅、磷、碳、锆、铪或其合金的组中选择的非磁性材料填料。
6. 如权利要求1至2之一所述的具有薄层的磁性器件，其特征在于，层。
7. 如权利要求1至2之一所述的具有薄层的磁性器件，其特征在于， 所述非磁性层(4)以非磁性金属或非磁性氧化物制成。
8. 如权利要求1至7之一所述的具有薄层的磁性器件，其特征在于， 在所述衬底与所述复合组体之间插入緩沖层(1)。
9. 如权利要求8所述的具有薄层的磁性器件，其特征在于，所述緩 沖层(1)由从包括柏、钽、铬、钛、氮化钛、铜、金、钯、4艮或其合金 的组中选择的一种或多种材料制成。
10. 如权利要求8所述的具有薄层的磁性器件，其特征在于，所述緩 沖层(1)包括多个层。
11. 如权利要求1至10之一所述的具有薄层的磁性器件，其特征在 于，所述衬底由从包括硅、二氧化珪、氮化硅、氧化镁、氧化铝或玻璃的 组中选择的材料制成。
12. —种具有平面磁化的磁性隧道结，其特征在于，所U性随道结 除了包括两个有源磁性层之外，还包括根据权利要求1至11之一制成的 附加多层。
13. —种具有平面磁化的磁性隧道结，其特征在于，所U性隧道结 的两个有源磁性层中的至少一层根据权利要求1至11之一制成。
14. 一种具有垂直磁化的磁性隧道结，其特征在于，所U性隧道结 的两个有源磁性层中的至少一层根据权利要求1至11之一制成。
15. —种具有平面磁化的自旋阀，其特征在于，所述自旋阀除了包括 两个有源磁性层之外，还包括根据权利要求1至11之一制成的附加多层。
16. —种具有平面磁化的自旋阀，其特征在于，所述自旋阀的两个有 源磁性层中的至少一层根据权利要求1至11之一制成。
17. —种具有垂直磁化的自旋阀，其特征在于，所述自旋阀的两个有 源磁性层中的至少一层根据权利要求1至11之一制成。
全文摘要
本发明涉及一种具有薄层的磁性器件，包括在衬底之上通过阴极溅射沉积的复合组体，所述复合组体包括磁性层(2)，由具有高垂直磁各向异性的材料制成，磁性层(2)的磁化在不存在任何电或磁的交互作用的情况下位于所述层的平面外部；磁性层(3)，与前一磁性层(2)直接接触，由具有高自旋极化率的铁磁性材料制成，磁性层(3)的磁化在不存在任何电或磁的交互作用的情况下位于磁性层(3)的平面中，磁性层(3)与所述磁性层(2)的直接磁耦合引起包括两个磁性层(2)和(3)的组体的有效退磁场的减少；以及非磁性层(4)，与前一磁性层(3)直接接触，以不会对穿过所述器件的电子去极化的材料制成。所述器件包括使得电流在基本上垂直于这些层的平面的方向上流过所述器件的装置。
文档编号H01F10/32GK101496120SQ200780027747
公开日2009年7月29日 申请日期2007年7月13日 优先权日2006年8月3日
发明者贝纳德·罗德马克, 贝纳德·迪耶尼 申请人:原子能委员会;国家科学研究中心