技术领域
本发明提供了测量交换劲度的方法。
背景技术：
磁性存储器，特别是磁性随机存取存储器(MRAM)，由于它们在操作期间的高读/写速度、优异的耐久性、非易失性和低功耗的潜力已经引起越来越多的兴趣。MRAM可以利用磁性材料作为信息记录介质来存储信息。一种类型的MRAM是自旋转移力矩随机存取存储器(STT-MRAM)。STT-MRAM利用至少部分由驱动通过磁性结(magnetic junction)的电流写入的磁性结。例如，STT-MRAM可以使用具有钉扎层、自由层以及钉扎层与自由层之间的非磁性间隔层的传统磁性结。钉扎层的磁化被固定或钉扎在特定的方向上。自由层具有可变化的磁化。非磁性间隔层可以是导体或隧道势垒层。驱动通过磁性结的自旋极化电流对自由层的磁矩施加自旋转矩。因此，自由层的磁矩可以被切换成期望的状态。因此，信息可以被写入到磁性结。基于磁性结的磁阻来读取数据，所述磁阻取决于自由层磁矩和钉扎层磁矩的相对定向。
由于它们用在各种应用中的潜力，所以正在进行磁性存储器的研究。期望用于改善STT-MRAM和其它薄膜磁性存储器的性能的机制。因此，期望获悉影响磁性结的性能的参数。因此，需要的是可以改善磁性存储器的特性的方法和系统。这里描述的方法和系统解决了这种需要。
技术实现要素：
确定存在于磁性结中的自由层的交换劲度的方法和设备。所述方法包括对磁性结执行自旋转矩铁磁共振测量。自旋转矩铁磁共振测量表示与自由层中的自旋波模式对应的特征频率。方法也包括基于多个特征频率计算自由层的交换劲度。在一些实施例中，磁性结具有大于1.5且小于10的纵横比。在一些实施例中，磁性结存在于包括用于装置的其它磁性结的晶圆上。其它磁性结可以布置在磁性存储器中。经受自旋转矩铁磁共振的磁性结具有与可用在装置中的其它磁性结的纵横比不同的纵横比。
一种用于确定存在于磁性结中的自由层的交换劲度的方法，所述方法包括：对磁性结执行多个自旋转矩铁磁共振测量，自由层具有至少3.5且不大于4.5的面内纵横比，所述多个自旋转矩铁磁共振测量表示与自由层中的多个自旋波模式对应的多个特征频率，执行所述多个自旋转矩铁磁共振测量的步骤包括：驱动交流电通过磁性结，交流电具有至少一个GHz的电流频率；在驱动交流电的步骤期间将磁性结暴露于与自由层磁矩呈角度的磁场，磁场包括具有第一幅值的恒定分量和调制分量，调制分量具有第二幅值并且以不大于电流频率的百分之一的磁场频率变化，第二幅值小于第一幅值；以及感测穿过磁性结的整流电压，整流电压提供所述多个特征频率；基于所述多个特征频率之间的至少一个频率间隔计算自由层的交换劲度，计算交换劲度的步骤包括：将所述至少一个频率间隔与模型拟合；以及从模型的最佳拟合中选择交换劲度。
一种存储器装置包括：多个磁性存储单元，所述多个磁性存储单元中的每个磁性存储单元包括至少一个磁性结，所述至少一个磁性结包括用于存储数据的自由层，当写入电流穿过磁性结时自由层在多个稳定的磁状态之间可切换，自由层具有比自由层面外去磁能大的自由层垂直磁各向异性能，所述至少一个磁性结中的每个磁性结具有纵横比；多条位线，与所述多个磁性存储单元结合；以及多个测试磁性结，所述多个测试磁性结具有至少1.5且不大于8的测试自由层面内纵横比，测试自由层面内纵横比纵横比大。
附图说明
图1是描绘用于使用自旋转矩铁磁共振确定磁性结的交换劲度的方法的示例性实施例的流程图。
图2A至图2B描绘了可用在诸如使用自旋转移力矩可编程的磁性存储器的磁性装置中的磁性结的示例性实施例。
图3是描绘用于使用自旋转矩铁磁共振确定磁性结的交换劲度的方法的另一示例性实施例的流程图。
图4描绘了用于使用自旋转矩铁磁共振确定磁性结的交换劲度的系统的示例性实施例。
图5A至图5E描绘了表示可以在自旋转矩铁磁共振中激发的自旋波的各种模式中的节点的磁性结的另一示例性实施例。
图6描绘了使用自旋转矩铁磁共振提供的频谱的示例性实施例。
图7描绘了包括可用于装置中的磁性结以及用于使用自旋转矩铁磁共振确定交换劲度的磁性结的基底的示例性实施例。
具体实施方式
示例性实施例涉及可用在诸如磁性存储器的磁性装置中的磁性结的特性以及使用此磁性结的装置。磁性结可以是使用自旋转移力矩可编程的。磁性存储器可以包括自旋转移力矩磁性随机存取存储器(STT-MRAM)，并可以用于采用非易失性存储器的电子装置中。这样的电子装置包括但不限于移动电话、智能电话、平板电脑、笔记本电脑以及其它便携式和非便携式计算装置。给出下面的描述以使本领域普通技术人员能够制造并使用本发明，并且在专利申请及其要求的背景下提供下面的描述。对这里描述的示例性实施例以及一般原理和特征的各种修改将是显而易见的。主要根据具体方法、系统和实施方式来描述示例性实施例。然而，方法和系统将在其它实施方式中有效地运行。诸如“示例性实施例”、“一个实施例”和“另一实施例”的短语可以表示相同或不同的实施例以及多个实施例。将参照具有某些组件的系统和/或装置来描述实施例。然而，系统和/或装置可以包括比那些示出的组件多或少的组件，并且可以在不脱离发明的范围的情况下对组件的布置和类型做出改变。还将在具有某些步骤的特定方法的背景下描述示例性实施例。然而，方法和系统对于其它方法有效地运行，所述其它方法具有不同和/或附加步骤以及与示例性实施例不一致的不同顺序的步骤。因此，本发明不意图限制于示出的实施例，而是将符合与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。
方法和设备确定存在于磁性结中的自由层的交换劲度。所述方法包括针对磁性结执行自旋转矩铁磁共振(ST-FMR)测量。自旋转矩铁磁共振测量表示与自由层中的基本(准均匀)模式和自旋波模式对应的特征频率。所述方法还包括基于多个特征频率来计算自由层的交换劲度。在一些实施例中，磁性结中的自由层具有1.5以上且10以下的纵横比。在一些实施例中，自由层具有8以下的纵横比。在一些实施例中，自由层具有3以上的纵横比。在一些实施例中，磁性结存在于包括用于装置的其它磁性结的晶圆上。其它磁性结可以被布置在磁性存储器中。经受ST-FMR的磁性结具有与可用在装置中的磁性结的纵横比不同的纵横比。
在特定方法、磁性结和具有某些组件的磁性装置的背景下描述示例性实施例。本领域普通技术人员将容易认识到，本发明与具有其它和/或附加组件和/或与本发明不一致的其它特征的磁性结和磁性存储器的使用一致。也在对自旋转移现象、磁各向异性、交换劲度和其它物理现象的当前理解的背景下描述方法和系统。因此，本领域普通技术人员将容易地认识到，基于该当前理解来做出方法和系统的理论解释。然而，这里描述的方法和系统不依赖于特定的物理解释。在具有特定层的磁性结和/或子结构的背景下描述方法和系统。然而，本领域普通技术人员将容易认识到，也可以使用具有与方法和系统不一致的附加和/或不同的层的磁性结和/或子结构。此外，某些组件被描述为磁性、铁磁性和亚铁磁性。如这里所使用的，术语磁性可以包括铁磁性或亚铁磁性等的结构。因此，如这里所使用的，术语“磁性”或“铁磁性”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。如这里所使用的，“平面内”基本上在磁性结的一个或更多个层的平面内或与所述平面平行。相反，“垂直”和“垂直于平面”对应于基本上垂直于磁性结的一个或更多个层的方向。
如上所述，为了继续开发诸如STT-MRAM的磁性装置的磁性结，需要研究磁性结的特性。一个这样的特性是交换劲度(Aex)。交换劲度是特定层内磁性耦合的度量，并影响磁性结的性能。小于无限的交换劲度导致使用自旋转移力矩切换自由层的状态所需的能量增大。这是因为有限的交换劲度允许除了基本模式之外的其它模式的激发，在基本模式中所有的磁矩前后一致地移动。其它模式的激发导致散热，并随之增大写入磁性结所需的电流和电压。因此，经由STT编程的磁性结的交换劲度可以是期望已知的。
在一些情况下可以测量材料的交换劲度。针对块状样品和例如至少十纳米厚的较厚的膜的交换劲度测量可以使用诸如布里渊光散射(Brillouin light scattering)和传统自旋波FMR的技术来做出。然而，STT-MRAM中的磁性结的自由层通常小于五十纳米厚。在一些情况下，磁性结的自由层小于2纳米厚。上面用于测量交换劲度的技术会不适合与薄自由层结合使用。由于薄自由层的界面、晶粒和其它与生长相关的形态的存在，所以期望薄自由层的交换劲度小于相同材料的块状样品或较厚的膜的交换劲度。交换劲度的块状和/或厚层测量不可以用来代替薄自由层的交换劲度测量。如此，需要用于表征磁性结中的自由层的交换劲度的另一机制。
图1是描绘使用自旋转矩铁磁共振(FMR)来确定交换劲度的方法100的示例性实施例的流程图。自旋转矩FMR也可以被称为自旋转移FMR。因此，ST-FMR这里用来表示其中之一/两者。为了简单起见，可以省略一些步骤，可以以另一顺序执行一些步骤，一些步骤可以包括子步骤和/或组合。方法100与可以用于诸如STT-MRAM的磁性装置中的磁性结结合使用，因此，方法100用于各种电子装置中。
图2A至图2B描绘了可以使用方法100的磁性结200的示例性实施例。图2A至图2B不是按比例的，仅分别标记和包括感兴趣的结构。参照图1至图2B，在磁性结200的背景下描述方法100。然而，方法100可以与其它磁性结结合使用。此外，方法100被描述为执行单个磁性结的测量。在一些实施例中，可以基本同时地针对多个磁性结执行方法100。磁性结200存在于基底202上并且至少包括钉扎层204、非磁性间隔层(NM层)206和自由层208。在示出的实施例中，磁性结200是底部钉扎磁性结(钉扎层204比自由层208靠近基底)。然而，没有任何东西阻止顶部钉扎磁性结(自由层208比钉扎层204靠近基底202)、双磁性结(包括附加的非磁性间隔层和附加的钉扎层)或其它类似的磁性结的使用。自由层208和钉扎层204可以是单层或多层，自由层208具有至少一种材料。非磁性间隔层206可以是导电层或诸如晶体MgO的绝缘隧道势垒层。在示出的实施例中，磁性层204和208可以具有高垂直磁各向异性(PMA)。换句话说，对于钉扎层204和自由层208，垂直磁各向异性能可以超过面外去磁能。因此，钉扎层磁矩205和自由层磁矩209是垂直于平面稳定的。自由层磁矩209在+z方向或-z方向上稳定。在其它实施例中，磁矩205和209可以在其它方向上稳定。磁性结200具有图2B中示出的L/w(长度除以宽度)的面内纵横比。自由层208可以具有至少3.5且不大于4.5的面内纵横比。从图2A中可以看出，自由层208具有自由层厚度t。通常，自由层208相对较薄。例如，t可以不超过五纳米。通常，自由层厚度t是4纳米或更小。在一些实施例中，自由层208小于两纳米厚。
参照图1至图2B，经由步骤102对磁性结200执行ST-FMR测量。为了执行ST-FMR测量，激发自由层磁矩209，使得它以特征频率围绕其稳定状态进动。在ST-FMR中，使用通常在电流垂直于平面(CPP)方向上的驱动通过磁性结200的自旋极化电流激发自由层磁矩209。自旋极化电流可以由于钉扎层磁矩205而自旋极化。该自旋极化电流对自由层磁矩209施加转矩，并引起进动。在一些实施例中，使用的自旋极化电流是具有GHz范围内的频率的交流电。
为了使来自自旋极化电流的转矩更容易地作用在自由层208上，作为ST-FMR测量的一部分，可以沿z轴或者以与z轴呈非零的角度施加额外的磁场。然而，可以使用其它方向。在一些实施例中，磁场可以具有大的DC(恒定)分量和小的调制分量。通常沿着垂直于样品表面的方向(即，沿着z轴)施加DC场分量。调制分量可以是具有不超过自旋极化电流的频率的十分之一的频率的交变磁场。在一些这样的实施例中，交变磁场具有不超过自旋极化电流的频率的百分之一的频率。例如，调制场可以在kHz范围内。可以以任何方向施加调制分量，但是调制分量通常与DC分量平行。在其它实施例中，所施加的磁场可以是恒定的/未调制的。
ST-FMR测量产生表示与自由层208中的驻自旋波模式(standing spin wave mode)对应的特征频率的数据。通常，磁性结的驻自旋波模式取决于自由层208的交换劲度和垂直磁各向异性。施加的磁场(如果有的话)、由钉扎层204引起的磁场以及自由层208的长度和宽度也影响自旋波正常模式的频率。磁矩209的进动可以在自由层208的驻自旋波的稳定模式的特征频率处具有共振。这些特征频率可以通过测量当自旋极化电流驱动通过磁性结200时的穿过磁性结200的电压、磁性结200的电阻或通过磁性结200的电力来检测。这些量的峰出现在自旋波的这些特征频率处。例如，电压对场(voltage versus field)或频率谱包括与特征频率对应的共振峰。
大纵横比磁性结200的使用可以允许用于在步骤102中执行的ST-FMR测量的更简单的驻自旋波模式结构。这与用在STT-MRAM中的磁性结而言通常存在的复杂模式结构形成对比。这些磁性结(未示出)具有近似1的纵横比和基本上圆形的覆盖区(footprint)。这些磁性结容易因几何形状的微小变化和模式分裂而破坏圆形对称性。相反，大纵横比磁性结200的模式结构可以较模糊的，不太可能导致简并模式(degenerate mode)，并且更经得起通过ST-FMR进行研究。因此，可以更容易和更好地分析由步骤104提供的数据。然而，在替换实施例中，可以采用具有其它形状和其它纵横比(包括较小纵横比)的磁性结。
经由步骤104，基于自旋波的特征频率来计算自由层208的交换劲度以及由此计算磁性结200的交换劲度。因此，由步骤102中获得的ST-FMR数据来确定自由层208中的自旋波的特征频率。然后使用这些特征频率来确定交换劲度。可以使用数值模型、微磁模型、分析模型、准数值模型、另一个模型或它们的一些组合来执行步骤104中的通过特征频率确定交换劲度。这些模型对自由层的边缘采用边界条件以及其它限制或假设。例如，一个分析模型以类似于弦上的驻物理波的方式处理磁性结200中的驻自旋波。对于这样的模型，特征频率之间的间隔与交换劲度和模式数的平方之间的差成比例，即，可以使用特征频率之间的间隔确定交换劲度。来自ST-FMR测量的诸如特征频率之间的间隔的数据可以与该模型和/或其它模型拟合。交换劲度可以取自数据的最佳拟合。
尽管自由层208的厚度小，但是可以使用方法100来测量薄自由层208的交换劲度。该交换劲度可以用于确定开关特性以及采用类似自由层的磁性结的其它属性。例如，自由层208可以与同一基底202上的其它磁性结(未示出)的自由层同时制造。这些其它磁性结可以具有不同的纵横比，并且可以用在诸如STT-MRAM的磁性装置中。在一些实施例中，这些其它磁性结的纵横比可以小于自由层208的纵横比。这种磁性结的自由层具有与自由层208基本上相同的厚度和化学计量(stoichiometry)。针对自由层208测量的交换劲度可以用于这种磁性结的自由层。因此，磁性结的磁特性可以更好地凭经验确定。
图3是描绘使用ST-FMR确定薄自由层的交换劲度的方法150的示例性实施例的流程图。为了简单起见，可以省略一些步骤，可以以另一顺序执行一些步骤，一些步骤可以包括子步骤和/或组合。方法150与可用于诸如STT-MRAM的磁性装置中的磁性结结合使用，因此方法150可用于各种电子装置中。还结合磁性结200来描述方法150。图4描绘了使用ST-FMR确定磁性结200的交换劲度的系统250的示例性实施例。结合系统250描述方法150。系统250包括电流源252、偏置电路254、锁定放大器260和磁场生成块270。图4中还示出了正在研究的磁性结200。尽管针对方法150和系统250示出并描述了一个磁性结200，但是方法150和系统250可以延伸为平行地研究多个磁性结。
参照图3至图4，经由步骤152，交流电驱动通过磁性结200。因此，电流源252驱动交流电通过磁性结200。在示出的实施例中，交流电的频率处于GHz范围内。
经由步骤154，当电流驱动通过磁性结200时，磁性结200被暴露于DC调制磁场。如图4中所示，通常沿着z轴施加磁场B。然而，可以使用另一个方向。磁场由磁场生成块270生成。例如，电流所驱动通过的线274可以接近磁性结200。来自该线274的磁场作用在磁性结200上。在示出的实施例中，磁场具有均为恒定的DC分量和时变调制分量两者。如上所述，调制分量可以平行于DC分量，或者可以与DC分量成任意角度。DC分量具有明显比调制分量的幅值大的幅值。由电流生成器272提供的调制分量可以具有明显比在步骤152中驱动通过磁性结200的自旋极化电流的频率小的频率。在一些实施例中，调制分量可以具有是在步骤152中驱动通过磁性结200的自旋极化电流的频率十分之一或百分之一的频率。例如，磁场的调制分量可以处于kHz范围内。电流生成器252和272所选择的频率可以分别取决于由自由层磁矩209的进动和锁定检测所需的频率引起的预期共振。
图5A至图5E描绘了指示用于驻自旋波模式的各种节点的磁性结200。当经由步骤152和154激发自由层磁矩209时，可以存在图5A至图5E中示出的模式。对于图5A至图5E假设，磁性结200中的驻自旋波与弦上的物理波类似。特定模式的波长λ通过λ＝2L/n给出，其中，n是模式编号。因此，最低阶模式(n＝1)具有是自由层208的长度的两倍的波长。这是图5A中示出的模式。在这种模式下，自旋进动是连贯的。图5B描绘了具有等于磁性结200的长度L(未在图5A至图5E中标记)的波长的第二模式。因此，此模式具有单个节点212且n＝2。图5C描绘了具有两个节点212和214的下一个模式(n＝3)的磁性结200。图5D描绘了存在三个节点212、214和216的第四模式(n＝4)的磁性结200。图5E描绘了存在四个节点212、214、216和218的第五模式的磁性结200。由于磁性结200的大纵横比，因此至少在图5A、图5B、图5C和图5D中示出的自旋波模式的模式结构是相对简单的。在一些情况下，该模式结构在图5E中示出的第五模式下发生故障。然而，磁性结200的相对简单的模式结构可以简化经由方法150的步骤152、154和156获得的数据的分析。
经由步骤156，在提供磁场和自旋极化电流时感测穿过磁性结200的ST-FMR整流电压(ST-FMR是自整流技术并且有时称为自旋转矩二极管效应)，整流电压提供特征频率。在示出的实施例中，这使用锁定放大器260来完成。来自磁场生成块270的信号经由端口262被提供给锁定放大器260作为参考信号。穿过磁性结200的电压经由偏置电路254设置为经由端口264的信号。因此，可以经由步骤152、154和156获取ST-FMR数据。
图6描绘了通过方法150和系统250使用ST-FMR提供的频谱290的示例性实施例。更具体地，图6是可以在步骤156中获得的数据的代表。频谱290可以仅是在步骤156中获得的数据的一部分。此外，频谱290仅用于说明的目的，并不意图表示特定的磁性结200、系统250或方法150。频谱290描绘了来自锁定放大器260的作为所施加的场或频率的函数的信号。在一些实施例中，对场获得的信号与针对特定频率获得的信号直接成比例。该频谱包括对应于磁性结200的两个不同的驻自旋波模式的两个峰292和294。因此，每个峰292和294具有与自由层的特征频率对应的特征频率。可以从频谱290确定每个峰292和294的特征频率以及峰292和294之间的频率间隔。
经由步骤158将诸如频谱290的数据拟合到期望的模型。例如，一个分析模型以类似于弦上的物理波的方式在磁性结200中处理驻自旋波。在这样的实施例中，特定模式的波长λ由λ＝2L/n给出，其中，n是模式编号。因此，最低阶模式(n＝1)具有是自由层208的长度的两倍的波长。对于这种模型的模式，角频率ω由ω＝ω0+Aexn2/L2给出，其中，Aex是自由层208的交换劲度，n是模式编号。使用该模型，频谱290中的峰292与294之间的分离以及未在图6中示出的其它峰可以适合上面的等式。
经由步骤160，基于数据的最佳拟合来确定自由层208的交换劲度。在一些实施例中，这包括在一个或多个数值模拟、微磁模型、诸如上面讨论的弦的分析模型、准数值模型、其它模型或它们的一些组合中调节交换劲度。交换劲度可以取自数据的最佳拟合。
步骤152、154、156、158和160可以可选择地经由步骤162针对相同样品或其它样品重复。因此，可以获得足够的数据以对所得到的交换劲度具有置信度。
尽管自由层208的厚度小，但可以使用方法150测量薄自由层208的交换劲度。因此，可以更好地预测采用薄自由层的磁性结的性能。
图7描绘了包括可用于磁性装置中的磁性结和使用ST-FMR来确定交换劲度的磁性结的晶圆300的示例性实施例。因此，晶圆300可以特别使用方法100和/或方法150以及系统250。晶圆包括形成有可用于装置中的磁性结的区域302。例如，区域302可以包括可用在STT-MRAM或另一个装置中的磁性结。晶圆300也包括区域304和306，区域304和306包括诸如磁性结200的磁性结，所述磁性结并被构造为使用方法100和/或方法150测量它们的交换劲度。在示出的实施例中，区域304和306与区域302分离。因此，可以更容易地测量交换劲度的磁性结在晶圆300的边缘附近组合在一起。在其它实施例中，与区域304和306对应的磁性结可以位于其它区域中。例如，这样的磁性结可以分布为遍及整个晶圆300，或者在不同的位置处被分组在一起。
可以一起沉积用于区域302、304和306中的磁性结的层。区域304和306中的结的用于包括自由层的层的材料可以与区域302中的材料相同。类似地，用于区域302、304和306中的磁性结的自由层的厚度可以相同。因为它们全部在同一个晶圆300上，所以用于区域302、304和306的磁性结都可以经受相同的热处理。然而，区域304和306中的磁性结的覆盖区可以不同于区域302中的磁性结的覆盖区。具体地，区域304和306中的磁性结的纵横比可以大于区域302中的磁性结的纵横比。在一些实施例中，区域302中的磁性结的纵横比可以接近1，而区域304和306中的磁性结的纵横比可以大于3。
方法100和/或方法150可以用于确定区域304和306中的磁性结的交换劲度，因此，确定区域302中的磁性结的交换劲度。因此，交换劲度可以在逐个晶圆的基础上确定。
尽管已经在具体特征、步骤和组件的背景下描述了方法和设备，但是本领域的普通技术人员将认识到，可以以与这里的描述不一致的其它方式组合这些特征、步骤和/或组件中的一个或更多个。
已经描述了用于确定具有薄自由层的磁性结的交换劲度的方法和系统。已经根据示出的示例性实施例描述了该方法和该系统，并且本领域的普通技术人员将容易认识到，可以对实施例进行改变，并且任何改变将在该方法和该系统的精神和范围内。因此，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可以做出许多修改。