专利名称：具有低饱和磁化强度自由层的自旋转移磁性元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性存储系统，尤其涉及用于提供切换(switching)时采用自旋转移(spin transfer)效应且可以利用低切换电流密度切换的磁性元件的方法和系统。
背景技术：
图1A和1B描绘了常规的磁性元件10和10′。常规的磁性元件10是自旋阀并包括常规的反铁磁性(AFM)层12、常规的被钉扎层(pinnedlayer)14、常规的导电间隔层16和常规的自由层18。还可使用其它层(未示出)，如晶种层或盖层。常规的被钉扎层14和常规的自由层18是铁磁性的。因此，将常规的自由层18描绘为具有可变的磁化19。常规的导电间隔层16是非磁性的。AFM层12用于在特定的方向上固定或钉扎住被钉扎层14的磁化。自由层18的磁化通常响应于外磁场而自由旋转。还描绘了可以用于驱动电流穿过常规磁性元件10的顶接触20和底接触22。图1B中描绘的常规磁性元件10′是自旋隧穿结。常规的自旋隧穿结10′的部分与常规的自旋阀10类似。因此，常规的磁性元件10′包括AFM层12′、常规的被钉扎层14′、常规的绝缘阻挡层16′和具有可变磁化19′的常规自由层18′。常规的阻挡层16′足够薄以使电子可在常规的自旋隧穿结10′中隧穿。
分别取决于常规自由层18/18′的磁化19/19′取向和常规被钉扎层14/14′的磁化取向，常规的磁性元件10/10′的电阻分别改变。当常规的自由层18/18′的磁化19/19′平行于常规的被钉扎层14/14′的磁化时，常规的磁性元件10/10′的电阻低。当常规的自由层18/18′的磁化19/19′反平行于常规的被钉扎层14/14′的磁化时，常规的磁性元件10/10′的电阻高。为了感测常规磁性元件10/10′的电阻，驱动电流穿过常规的磁性元件10/10′。通常在存储器应用中，以CPP(垂直于平面的电流)配置驱动电流，垂直于常规磁性元件10/10′的层(如图1A或1B所示在z方向上，向上或向下)。
为了克服与具有较高密度存储单元的磁性存储器相关的某些问题，可利用自旋转移来切换常规自由层18/18′的磁化19/19′。自旋转移是在常规磁性元件10′的背景下描述的，但同样可应用于常规的磁性元件10。在以下的出版物中详细地描述了自旋转移的当前知识J.C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers，”Journal of Magnetism and Magnetic Materials，第159卷，第L1页(1996)；L.Berger，“Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversedby a Current，”Phys.Rev.B，第54卷，第9353页(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页(2000)。因此，自旋转移现象的以下描述是基于当前的知识且并不意在限制本发明的范围。
当自旋极化电流以CPP配置横穿磁性多层如自旋隧穿结10′时，入射到铁磁性层上的电子的一部分自旋角动量可转移至该铁磁性层。尤其是，入射到常规自由层18′上的电子可将它们的一部分自旋角动量转移至常规的自由层18′。结果，如果电流密度足够高(大约107-108A/cm2)并且自旋隧穿结的横向尺寸小(大约小于两百纳米)，则自旋极化电流可以切换常规的自由层18′的磁化19′方向。另外，为了使自旋转移能够切换常规自由层18′的磁化19′方向，常规的自由层18′应当足够薄，例如，对于Co优选小于大约十纳米。基于自旋转移的磁化切换支配其它的切换机制，并且当常规磁性元件10/10′的横向尺寸较小、在几百纳米的范围内时变得可见。因此，自旋转移适合于具有较小磁性元件10/10′的较高密度磁性存储器。
自旋转移现象可用于CPP配置，作为利用外部切换场来切换常规自旋隧穿结10′的常规自由层18′的磁化方向的取代或附加手段。例如，常规自由层18′的磁化19′可以从反平行于常规被钉扎层14′的磁化切换到平行于常规被钉扎层14′的磁化。电流从常规的自由层18′驱动到常规的被钉扎层14′(传导电子从常规的被钉扎层14′行进至常规的自由层18′)。从常规被钉扎层14′行进的多数电子的自旋被极化在与常规被钉扎层14′的磁化相同的方向上。这些电子可将它们角动量的足够部分转移至常规的自由层18′，以将常规的自由层18′的磁化19′切换成与常规的被钉扎层14′的磁化平行。可选地，自由层18′的磁化可以从平行于常规被钉扎层14′的磁化的方向切换至反平行于常规被钉扎层14′的磁化。当电流从常规的被钉扎层14′驱动到常规的自由层18′(传导电子在相反方向上行进)时，多数电子的自旋被极化在常规自由层18′的磁化方向上。这些多数电子由常规的被钉扎层14′传送(transmitted)。少数电子从常规的被钉扎层14′反射，返回到常规的自由层18′并且可转移它们足够量的角动量，以将自由层18′的磁化19′切换成反平行于常规的被钉扎层14′的磁化。
尽管自旋转移用作切换常规的磁性元件10和10′的机制，但本领域的普通技术人员将容易认识到，通常需要高电流密度来引起常规磁性元件10和10′的切换。尤其是，该切换电流密度在几个107A/cm2或以上的数量级。因此，高的写入电流用来获得高的切换电流密度。高的工作电流导致高密度MRAM的设计问题，如加热、高功耗、大晶体管尺寸以及其它的问题。而且，如果使用如常规的元件10的自旋阀，则输出信号小。在常规的磁性元件10中，SV基的自旋转移元件的总电阻和电阻变化都较小，通常分别小于两欧姆和百分之五。
对于自旋转移器件，提出一种增大输出信号的方法是使用自旋隧穿结，如常规的磁性元件10′。常规的磁性元件10′可显示出大的电阻和大的信号。例如，电阻可以超过一千欧姆且电阻变化可以大于百分之四十。然而，本领域的普通技术人员将容易认识到，使用常规的磁性元件10′需要小的工作电流来防止常规的磁性元件10′恶化或破坏。
因此，需要的是一种用于提供磁性存储元件的系统和方法，所述磁性存储元件具有可以利用自旋转移以较低电流密度切换且消耗较小功率的元件。本发明着手解决这种需要。
发明内容
本发明提供一种用于提供可以用在磁性存储器中的磁性元件的方法和系统。该磁性元件至少包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。该间隔层位于被钉扎层和自由层之间。该磁性元件配置成，当写入电流穿过磁性元件时允许利用自旋转移切换自由层。在一些方面，磁性元件进一步包括阻挡层、第二被钉扎层。在其它方面，磁性元件进一步包括第二间隔层、第二被钉扎层和静磁耦合至该自由层的第二自由层。在这种方面中，第二间隔层位于第二被钉扎层和第二自由层之间，并且隔离层优选提供在第一和第二自由层之间以确保它们静磁耦合。自由层中的一个或两个具有低的饱和磁化强度。优选地，通过用非磁性材料稀释自由层中的铁磁性材料和/或亚铁磁性(ferrimagnetically)地掺杂该铁磁性材料来获得低饱和磁化强度。
根据在此公开的系统和方法，本发明提供一种可利用较低电流密度由于自旋转移而切换的磁性元件。
图1A是常规的磁性元件自旋阀的图。
图1B是另一常规的磁性元件自旋隧穿结的图。
图2A描绘了根据本发明具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件一部分的第一实施例。
图2B描绘了根据本发明具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件一部分的第一实施例的另一形式。
图3描绘了根据本发明由于低饱和磁化强度而具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件一部分的第一实施例的一种形式。
图4描绘了根据本发明具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件的第二实施例。
图5A是根据本发明具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件的第二实施例的优选形式。
图5B描绘了根据本发明由于低饱和磁化强度自由层而具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件一部分的第二实施例的另一形式。
图6描绘了根据本发明具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件一部分的第三实施例。
图7A是根据本发明具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件的第三实施例的优选形式。
图7B描绘了根据本发明由于至少低饱和磁化强度而具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件一部分的第三实施例的另一形式。
图8描绘了根据本发明的方法的一个实施例的流程图，用于提供根据本发明具有用于自旋转移切换的减小写入电流密度的磁性元件的一个实施例。
具体实施例方式
本发明涉及如MRAM的磁性元件和磁性存储器的改进。提出以下的描述以使本领域普通技术人员能制造和使用本发明，并且是提供在专利申请及其需求的背景下。对优选实施例的各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，且在此的通用原理可应用到其它实施例。因此，本发明不意在限制于所示出的实施例，而是符合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可以用在磁性存储器中的磁性元件的方法和系统。磁性元件至少包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。间隔层位于被钉扎层和自由层之间。磁性元件配置成，当写入电流穿过磁性元件时允许利用自旋转移切换自由层。在一些方面，磁性元件进一步包括阻挡层、第二被钉扎层。在其它方面，磁性元件进一步包括第二间隔层、第二被钉扎层和静磁耦合至该自由层的第二自由层。在这种方面，第二间隔层位于第二被钉扎层和第二自由层之间，并且隔离层优选提供在第一和第二自由层之间以确保它们静磁耦合。配置一个或多个自由层以具有低饱和磁化强度。在某些方面，一个或两个自由层可包括用非磁性材料稀释的和/或亚铁磁性掺杂的铁磁性材料，来提供低饱和磁化强度。
本发明将以具有某些组件的特定磁性存储器和特定磁性元件描述。然而，本领域的普通技术人员将容易认识到，该方法和系统将有效地作用于与本发明一致的具有不同和/或另外组件的其它磁性存储元件和/或具有不同和/或其它特征的其它磁性存储器。本发明还是在对自旋转移现象的当前理解的背景下描述的。因此，本领域的普通技术人员将容易认识到，对该方法和系统行为的理论解释是基于对自旋转移的当前理解。本领域的普通技术人员还将容易认识到，该方法和系统是在与衬底具有特定关系的结构的背景下描述的。例如，如附图所示，结构的底部通常比结构的顶部更接近于下面的衬底。然而，本领域的普通技术人员将容易认识到，该方法和系统与具有与衬底不同关系的其它结构一致。另外，该方法和系统是在某些层是合成的和/或简单的(simple)背景下描述的。然而，本领域的普通技术人员将容易认识到，层可以具有另一结构。例如，尽管该方法和系统是在简单自由层的背景下描述的，但没有防止本发明使用合成的自由层。此外，本发明是在具有特定层的磁性元件的背景下描述的。然而，本领域的普通技术人员将容易认识到，还可以使用与本发明一致的具有另外和/或不同层的磁性元件。而且，某些组件描述为铁磁性的。然而，如在此所使用，术语铁磁性可包括亚铁磁性或类似结构。因此，如在此所使用，术语“铁磁性”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。本发明还是在单个元件的背景下描述的。然而，本领域的普通技术人员将容易认识到，本发明与具有多个元件、位线和字线的磁性存储器的使用一致。此外，本发明是在利用提供较低切换电流的低饱和磁化强度自由层的背景下描述的。本领域的普通技术人员将容易认识到，根据本发明的方法和系统可以与用于减小切换电流的其它机制结合，如高垂直各向异性的自由层。
为了更具体地阐明根据本发明的方法和系统，现在参考图2A，描述根据本发明具有用于自旋转移的减小写入电流密度的磁性元件100一部分的第一实施例。磁性元件100优选用在磁性存储器如MRAM中。因此，磁性元件100可用于包括隔离晶体管(未示出)的存储单元以及磁性存储器的其它构造中。而且，磁性元件100优选利用在磁性元件顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有防止使用另一数量的端子，例如在磁性元件中心附近的第三端子。磁性元件100包括被钉扎层110、间隔层120和自由层130。如下所述，自由层130配置成具有低饱和磁化强度。磁性元件100一般还包括用于钉扎住被钉扎层110的磁化111的AFM层(未示出)、以及晶种层(未示出)和盖层(未示出)。此外，配置磁性元件100以使得可以利用自旋转移写入自由层130。在优选实施例中，自由层130的横向尺寸如宽度w由此是小的且优选小于两百纳米。另外，一些差别优选提供在横向尺寸之间，以确保自由层130在自由层130的平面中具有特定的易轴。
被钉扎层110是铁磁性的。在一个实施例中，被钉扎层110是合成的。在这种实施例中，被钉扎层110包括由非磁性层隔开的铁磁性层且被配置以使得铁磁性层反平行排列。可配置被钉扎层110以增大磁性元件100的体电阻率的自旋相依性。例如，被钉扎层110或其铁磁性层可以是由重复的双层组成的多层(未明确地示于图2A中)。在一个这种实施例中，被钉扎层110可以是(FexCo1-x/Cu)n多层，其中n是重复FexCo1-x/Cu双层的次数。在这种实施例中，n大于一且双层的Cu层优选为一至八埃厚。间隔层120是非磁性的。在一个实施例中，间隔层120可以是导电的，例如包含Cu。在另一实施例中，间隔层120是包含如氧化铝的绝缘体的阻挡层。在这种实施例中，阻挡层120小于两纳米厚，以使得电荷载流子可以在自由层130和被钉扎层110之间隧穿。自由层130是铁磁性的且配置成具有低的饱和磁化强度。如在此所使用，低饱和磁化强度是指饱和磁化强度近似等于或小于Co的饱和磁化强度，其在室温下约为1430emu/cm3。
图2B描绘了与磁性元件100类似的磁性元件100′。因此，相似地标记类似的组件。因此，磁性元件100′包括可以利用自旋转移写入且具有低饱和磁化强度的自由层130′。然而，自由层130′是合成的，包括由优选为Ru的非磁性层134隔开的两个铁磁性层132和136。配置非磁性层134以使得自由层130′的磁化133和137反平行排列。另外，铁磁性层132和136的任一个或两个具有低饱和磁化强度。参考图2A和2B，为了清楚起见，以下的讨论主要涉及自由层130。然而，所讨论的原理也用于包括铁磁性层132和136的自由层130′，以及磁性元件100′。
回来参考图2A，优选通过用非磁性材料稀释铁磁性材料和/或用促使反平行自旋排列的杂质掺杂铁磁性材料来提供低的饱和磁化强度。在优选的实施例中，通过用非磁性材料稀释铁磁性材料或者用促使反平行自旋排列的杂质掺杂铁磁性材料来提供低饱和磁化强度，但不是同时用二者提供。
低饱和磁化强度减小切换电流密度的能力可以用J.C.Slonczewski在″Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers″，Journal ofMagnetism and Magnetic Materials，第159卷，第L1-L5页(1996)中描述的普遍自旋转移自旋-扭矩模型来理解。根据Slonczewski的模型，对于自旋转移堆叠的自由层，切换电流密度Jc与下式成比例αtMs[Heff-2πMs]/g(θ)其中α＝唯象吉尔伯特阻尼常数(phenomenological Gilbert dampingconstant)；t＝自由层的厚度；Ms＝自由层的饱和磁化强度；Heff＝自由层的有效场；g(θ)反映自旋转移效率有效场，Heff，包括外磁场、形状各向异性场、平面内和平面外(即垂直)各向异性、以及双极场和交换场。垂直各向异性通常由晶体各向异性引起。项g(θ)取决于被钉扎层110和自由层130的磁化的相对角取向。
当平面外退磁项2πMs支配项Heff时，自由层130的磁化131位于膜的平面内(即，磁化在图2A中没有指向上或向下的分量)。因此，对于这种膜，对于2πMs比Heff大很多的磁性薄膜，切换电流密度与Ms2近似成比例。因此，降低自由层130的饱和磁化强度Ms而不显著地改变其它相关参数如阻尼常数和极化因子将减小切换电流密度。
为了获得自由层130的低饱和磁化强度，优选使用非磁性稀释和/或亚铁磁性掺杂。当铁磁性材料和非磁性材料在用在或用于自由层130中的单铁磁性层中结合时，发生非磁性稀释。当包括交替超薄(优选一至八埃厚)和互相扩散的铁磁性和非磁性材料层的多层用于特定的铁磁性层时，也会出现非磁性稀释。因此，低饱和磁化强度自由层130，或如果自由层130′是合成的则其组成的铁磁性层132和136，可以通过结合铁磁性和非磁性材料来制成。例如，可以利用材料CoX、FeX、CoFeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY提供低饱和的自由层130。在此，X或Y＝Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN。在优选的实施例中，稀释元素X和Y在五至六十原子百分数的范围内，除了Pt和Pd可以在五至八十原子百分数范围内之外。例如，CoCr0.157和CoCr0.205分别具有Ms＝750和450emu/cm2。这些是纯Co的饱和磁化强度的显著减小。在另一实例中，可以使用CoBj和/或CoFeBj，其中j＝0.03至0.20。这种结合具有较低的饱和磁化强度，但粗略地保持相同的自旋极化。最后，对于以下描述的磁性元件100或100′，由稀释提供的低饱和的自由层130包括材料CoX、FeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y＝Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN；和/或CoFeX，其中X是Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN。还注意到，在用于以上的X或Y中的TaN、CuN或TaCuN中引入氮掺杂的一种常用方法是通过反应性溅射，其中N2气与Ar气混合，例如在1-5mT分压的Ar气中0.01-5mT分压的N2气。
如上所述，还可以通过使用多层来提供低饱和磁化强度的自由层130。因此，自由层130，或如果自由层130是合成的则其组成的铁磁性层132和136，可以通过提供超薄的(优选一至八埃厚)和互相扩散的铁磁性层和非磁性层的多层来制成。在一个实施例中，可使用(FexCo1-x/Cu)n的多层。因此，FexCo1-x层和Cu层的双层存在于多层的每个重复中。在这种实施例中，双层的重复数是n，其中n大于一。此外，x表示Fe的原子百分数。因此，x小于一且优选为0.5。而且在优选的实施例中，这种双层的Cu和FeCo层在一和八埃厚之间。最终的多层可以用作提供自由层或其组成的铁磁性层的低饱和磁化强度材料。由于非常薄、不连续的Cu层，所以在FeCo和Cu之间的显著互相扩散会出现在多层(FexCo1-x/Cu)n堆叠的双层中，尤其是在一些退火之后。该互相扩散导致低的饱和磁化强度。而且，对于多层(FexCo1-x/Cu)n，存在体电阻率的自旋相依性的增强。体电阻率的自旋相依性的增强提供了使用多层方式来稀释自由层130的另外优点。
亚铁磁性掺杂也可以用于提供自由层130的低饱和磁化强度。在这种实施例中，自由层130或铁磁性层132和136将利用已进行亚铁磁性掺杂的铁磁性材料提供。当用促使自旋反平行排列的杂质掺杂铁磁体时，一般发生亚铁磁性掺杂。自旋的该排列会导致具有强烈减小的饱和磁化强度的亚铁磁体。例如，已显示Gd和Tb掺杂到Ni81Fe19中导致饱和磁化强度的快速减小。饱和磁化强度的该减小与Gd和Tb自旋反平行排列于Ni81Fe19磁化的理论一致。对于这种掺杂的进一步讨论，参见WilliamBailey等人的″Control of magnetization dynamics in Ni81Fe19thin filmsthrough the use of rare-earth dopants″，IEEE Transactions on Magnetics，第37卷，第4期，2001年7月，第1749-1754页。然而，注意到，Tb掺杂可以显著地增大阻尼，与Gd掺杂不同。唯象吉尔伯特阻尼常数α的增大可使由低饱和磁化强度引起的切换电流密度减小的一些或所有无效。因此，使用Gd掺杂优于使用Tb。在任一情况下，稀土应当在五至六十原子百分数的范围内。
因此，在磁性元件100的实施例中，可以通过用于自由层130中的铁磁性材料的亚铁磁性掺杂来降低自由层130的饱和磁化强度。在一些实施例中，进行亚铁磁性掺杂以使得所使用的结合材料是CoX、FeX、CoFeX和/或NiFeX，其中X是稀土元素Gd和/或Tb。还可提供另外的掺杂剂，如Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh或Ru，以进一步减小饱和磁化强度。
此外，磁性元件100可包括高自旋极化材料的至少一个薄涂层。在图3中描绘了这种磁性元件100″的一个实施例。磁性元件100″与磁性元件100类似。因此，相似地标记类似的组件。而且，磁性元件100″优选利用磁性元件的顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有防止使用另一数量的端子，例如在磁性元件中心附近的第三端子。因此，磁性元件包括自由层130″，具有低饱和磁化强度且利用自旋转移写入。磁性元件100″还包括高自旋极化层140，如在自由层130″和间隔层120″之间界面处三至八埃厚的CoFe，以增大磁阻和自旋扭矩。高自旋极化材料具有比相邻铁磁性层高的自旋极化。如果自由层130″是合成的，例如如在图2B中所描绘的磁性元件100′中，则每个铁磁性层132和136夹在高自旋极化层如高自旋极化层140之间。因此，可以以多种方式提供自由层130、130′和/或130″的低饱和磁化强度以及所导致的切换电流密度的减小。
因此，磁性元件100、100′和100″分别包括自由层130、130′和130″，具有如上所定义的低饱和磁化强度。因此，可以利用自旋转移以较低的切换电流写入磁性元件100、100′和100″。因此，可以获得低切换电流的优点。
图4描绘了根据本发明具有用于自旋转移的减小写入电流密度的磁性元件200的第二实施例。磁性元件200包括共用自由层230的自旋阀部分204和自旋隧穿结部分202。自旋阀部分204包括优选为反铁磁性(AFM)层260的钉扎层260、被钉扎层250、如Cu的导电间隔层240、和自由层230。在可替换实施例中，导电间隔层240可由阻挡层代替。自旋隧穿结部分202包括优选为反铁磁性(AFM)层206的钉扎层206、被钉扎层210、配置为允许电子隧穿的绝缘体的阻挡层220、和自由层230。参考图2A和4，当间隔层120导电时，层250、240和230与磁性元件100中的层110、120和130类似。相似地，当间隔层120是绝缘阻挡层时，层210、220和230分别与层110、120和130类似。被钉扎层210和250由此优选对应于被钉扎层110，且可以利用类似的材料、层和/或工艺配置。例如，被钉扎层210和/或被钉扎层250可包括多层(FexCo1-x/Cu)n，其中n是大于一的重复次数。另外，Fe原子百分数x优选为大约0.5且Cu层优选为一至八埃厚。配置自由层230以利用自旋转移写入并且具有低的饱和磁化强度。而且，磁性元件200优选利用磁性元件的顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有防止使用另一数量的端子，例如在磁性元件200中心附近的第三端子。磁性元件200还包括优选为AFM层的钉扎层206和260，其用于分别钉扎住被钉扎层210和250的磁化。
自由层230优选以与自由层130、130′和/或130″类似的方式配置。因此，可使用与以上讨论的那些类似的材料和原理来获得自由层230的低饱和磁化强度。例如，可使用用非磁性材料稀释和/或亚铁磁性掺杂来获得自由层230的低饱和磁化强度。另外，如上关于自由层130′所述，自由层230可以是合成的。因此，可以利用自旋转移以较低的切换电流密度写入磁性元件200。换句话说，磁性元件200可以共享磁性元件100、100′、100″以及它们的结合的益处。此外，当被钉扎层210和250反平行排列时，自旋阀部分204和自旋隧穿结部分202都对写入自由层230作贡献。由于使用阻挡层220，磁性元件200具有较高的电阻和磁阻。因此，在读取期间可获得较高的信号。
图5A是根据本发明具有用于自旋转移的减小写入电流密度的磁性元件300的第二实施例的优选形式。磁性元件300与图4中描绘的磁性元件200类似。因此，相似地标记类似组件。因此，磁性元件包括自由层330，其对应于具有低饱和磁化强度的自由层230，且其利用自旋转移写入。而且，磁性元件300优选利用磁性元件顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有防止使用另一数量的端子，例如在磁性元件中心附近的第三端子。
自由层330优选以与自由层130、130′、130″和/或自由层230类似的方式配置。因此，可使用与以上讨论的那些类似的材料和原理来获得自由层330的低饱和磁化强度。例如，可使用用非磁性材料稀释和/或亚铁磁性掺杂来获得自由层330的低饱和磁化强度。另外，如上关于自由层130′所讨论，自由层330可以是合成的。由于自由层330的低饱和磁化强度，所以可以利用自旋转移以较低的切换电流密度写入磁性元件300。换句话说，磁性元件300可以共享磁性元件100、100′、100″、200和它们的结合的益处。由于使用阻挡层340，所以磁性元件300具有较高的电阻和磁阻。因此，在读取期间可获得较高的信号。在可替换实施例中，阻挡层320可由导电层代替。然而，在这种实施例中，对于给定的读取电流，读取信号减小。
在磁性元件300中，被钉扎层310是合成的。由此被钉扎层310包括由优选为Ru的非磁性层314隔开的铁磁性层312和316。配置非磁性层以使得铁磁性层312和316反铁磁性排列。此外，配置磁性元件300以使得铁磁性层316和被钉扎层350反平行。结果，自旋阀部分304和自旋隧穿结部分302两者都对用于写入磁性元件300的自旋转移作贡献。因此，可以使用甚至更低的切换电流来写入到磁性元件300。另外，因为邻近层312和350的磁化平行排列，所以AFM层306和360可以在同一方向上排列。因此，AFM层306和360可以在同一步骤中排列。因此，进一步简化了工艺。
自由层230和330以及磁性元件200和300可以以与上述讨论类似的方式配置。例如，图5B描绘了根据本发明由于至少低饱和磁化强度而具有用于自旋转移的减小写入电流密度的磁性元件一部分的第二实施例300′的另一形式。磁性元件300′与磁性元件300类似，因此共享其优点。例如，自由层330′具有低饱和磁化强度。此外，以与图3中描绘的磁性元件100″类似的方式，磁性元件300′包括高自旋极化层370和372，其优选包括CoFe三至八埃厚。注意，可使用层370、层372或两者。如果自由层330′是合成的，则每个组成的铁磁性层(未示出)都优选具有低饱和磁化强度。在这种实施例中，每个铁磁性层都优选夹在高自旋极化材料之间。因此，获得了与以上关于图3A讨论的那些相似的益处。
图6描绘了根据本发明具有用于自旋转移的减小写入电流密度的磁性元件400一部分的第三实施例。磁性元件包括两个结构402和404，每个都与磁性元件100、100′或100″类似。因此，结构402包括分别与例如磁性元件100的层110、120和130类似的被钉扎层410、间隔层420和自由层430。结构402还包括优选为AFM层的钉扎层406。相似地，结构404包括分别与例如磁性元件100的层110、120和130类似的被钉扎层470、间隔层460和自由层450。结构404还包括优选为AFM层的钉扎层480。自由层430和450中的一个或两个具有低饱和磁化强度。自由层430和/或450还可以是合成的。在这种情况下，自由层430和/或450内的铁磁性层(未明确示出)将具有低饱和磁化强度。此外，磁性元件400的自由层430和450静磁耦合，优选使得层430和450反铁磁性排列。在所示出的实施例中，磁性元件400包括隔离层440。配置隔离层440以确保自由层430和450仅静磁耦合。例如，优选配置优选为非磁性导体的隔离层440的厚度，以确保自由层430和450由于静磁相互作用而反铁磁性排列。尤其是，隔离层440用于使穿过它的自旋的极化随机化。例如，隔离层440包括如Cu、Ag、Au、Pt、Mn、CuPt、CuMn、Cu/Pt/Cu夹层(sandwich)、Cu/Mn/Cu夹层或Cu/PtMn[1-20A]/Cu夹层的材料。尽管隔离层用在磁性元件400中，但没有防止使用另一机制。例如，在一个实施例中，结构402可是包括第二被钉扎层(未示出)、第二间隔层(未示出)和钉扎层(未示出)的双结构。可配置第二被钉扎和间隔层以及钉扎层的厚度，以确保自由层430和450静磁耦合。
配置自由层430和/或自由层450以具有低饱和磁化强度，如上所定义。因此，自由层430和/或450可对应于自由层130、130′或130″。换句话说，用于自由层430和/或自由层450中的材料和/或性能与以上关于磁性元件100、100′或100″描述的那些相同或类似。因此，磁性元件400共享磁性元件100、100′和100″的许多益处。尤其是，可以利用自旋转移以较低的切换电流密度写入磁性元件。
自由层430和450之间的静磁耦合进一步提供了益处。由于自由层450和430是静磁耦合的，所以自由层450的磁化变化反映在自由层430中。可以用阻挡层代替间隔层420以提供高信号。此外，由于它们具有不同的自由层450和430，所以可以分别调整自旋阀404和自旋隧穿结402的性能以分别改善自旋阀和自旋隧穿结它们的作用。
图7A是根据本发明具有用于自旋转移的减小写入电流密度的磁性元件500的第三实施例的优选形式。磁性元件500与图6中描绘的磁性元件400类似。因此，相似地标记类似组件。因此，磁性元件包括自由层530和550，其分别对应于自由层430和450，它们中的任一个或两个具有低的饱和磁化强度，且两个都利用自旋转移写入。自由层530和/或550还可以是合成的。在这种情况下，自由层530和/或550内的铁磁性层(未明确示出)将具有低饱和磁化强度。而且，磁性元件500优选利用磁性元件顶部和底部附近的两个端子(未示出)。然而，没有防止使用另一数量的端子，例如在磁性元件500中心附近的第三端子。
被钉扎层510和570是合成的。因此，被钉扎层510包括由优选为Ru的非磁性层514隔开的铁磁性层512和516。铁磁性层512和516的磁化也是反平行排列的。相似地，被钉扎层570包括由优选为Ru的非磁性层574隔开的铁磁性层572和576。铁磁性层572和576的磁化也是反平行排列的。此外，间隔层520优选是阻挡层，其为绝缘的但允许电子在铁磁性层516和自由层530之间隧穿。间隔层560优选为导电层。因此，结构502是自旋隧穿结，而结构504是自旋阀。
自由层530和/或550优选以分别与自由层130、130′、130″或自由层430和450类似的方式配置。因此，可使用与以上讨论的那些类似的材料和原理来获得自由层430和/或450的低饱和磁化强度。例如，可使用用非磁性材料稀释和/或亚铁磁性掺杂来获得自由层530和/或550的低饱和磁化强度。因此，优选以上关于自由层130、130′和130″讨论的材料。另外，如以上关于自由层130′讨论的，自由层530和/或550可以是合成的。由于低的饱和磁化强度，所以磁性元件500可以利用自旋转移以较低的切换电流密度写入。换句话说，磁性元件500可以共享磁性元件100、100′、100″和它们的结合的益处。
此外，由于自由层530和550是静磁耦合的，所以例如由于自旋转移诱导写入而引起的自由层550的磁化方向改变反映在自由层530的磁化中。利用阻挡层520，自旋隧穿结502提供高信号。在可替换实施例中，阻挡层520可由导电层代替。然而，在这种实施例中，对于给定的读取电流，读取信号减小。
另外，如图7A中可以看到，被钉扎层510和570是合成的。被钉扎层510由此包括由优选为Ru的非磁性层514隔开的铁磁性层512和516。配置非磁性层514以使得铁磁性层512和516是反铁磁性排列的。相似地，被钉扎层570包括由优选为Ru的非磁性层574隔开的铁磁性层572和576。配置非磁性层574以使得铁磁性层572和576是反铁磁性排列的。此外，配置磁性元件500以使得铁磁性层512和铁磁性层576的磁化平行。由于铁磁性层512和576的磁化平行排列，所以AFM层506和580可以在同一方向上排列。因此，AFM层506和580可以在同一步骤中排列。因此，进一步简化了工艺。
如前所述，自由层530和550以及磁性元件500可以以与以上讨论类似的方式配置。例如，图7B是根据本发明由于至少低饱和磁化强度自由层而具有用于自旋转移的减小写入电流密度的磁性元件500′的第三实施例的另一形式。磁性元件500′与磁性元件500类似，因此，共享其优点。例如，自由层530′和/或550′具有低饱和磁化强度。此外，以与图3中描绘的磁性元件100″类似的方式，磁性元件500′包括高自旋极化层581、582、583和584，其优选包括CoFe三至八埃厚。注意到，可使用层581和583或层581、582、583和584或二者。如果自由层530′和/或550′是合成的，则每个组成的铁磁性层(未示出)将优选具有低饱和磁化强度。在这种实施例中，每个铁磁性层都优选夹在高自旋极化材料之间。因此，获得了与以上关于图3讨论的那些相似的益处。而且，铁磁性层576′和512′平行。因此，AFM层506′和580′可以在单个步骤中排列。由此简化了工艺。
因此，由于至少一个自由层中的低饱和磁化强度，所以可以利用自旋转移以较低的切换电流密度写入磁性元件100、100′、100″、200、300、300′、400、500和500′。此外，可以结合磁性元件100、100′、100″、200、300、300′、400、500和500′的方面来提供进一步的优点。
图8描绘了根据本发明的方法600的一个实施例的流程图，用于提供根据本发明具有用于自旋转移的减小写入电流密度的磁性元件的一个实施例。方法600是在磁性元件100的背景下描述的。然而，没有防止方法600适合于提供磁性元件100′、100″、200、300、300′、400、500或500′。经由步骤602，提供被钉扎层，如被钉扎层110。在一个实施例中，步骤602包括提供合成的被钉扎层。经由步骤604，提供间隔层120。步骤604可以包括提供阻挡层或导电层。经由步骤606，提供具有低饱和磁化强度的自由层130。在一些实施例中，可在步骤606之前和/或之后提供高自旋极化层。步骤606可以包括提供合成的自由层。在这种实施例中，步骤606还可包括提供与自由层的铁磁性层邻接的高自旋极化层。如果提供磁性元件200、300、300′、400、500和/或500′，则经由步骤608，提供另外的被钉扎层、间隔层和在一些实施例中提供自由层。在这种实施例中，自由层可具有低饱和磁化强度。因此，可提供磁性元件100′、100″、200、300、300′、400、500和/或500′。
已公开了一种方法和系统用于提供可以利用自旋转移以较低的切换电流密度写入的磁性元件。尽管已根据示出的实施例描述了本发明，但本领域的普通技术人员将容易认识到，实施例可以有变化且那些变化将在本发明的精神和范围内。因此，本领域的普通技术人员可进行许多修改，而不脱离所附的权利要求的精神和范围。
权利要求
1.一种磁性元件，包括被钉扎层；间隔层，该间隔层是非磁性的；以及具有自由层磁化的自由层，该间隔层位于该被钉扎层和该自由层之间，该自由层包括用至少一种非磁性材料稀释的和/或亚铁磁性掺杂的至少一种铁磁性材料，以使得该自由层具有低饱和磁化强度；其中如果该自由层包括用该至少一种非磁性材料稀释的该至少一种铁磁性材料，则该自由层至少包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y是Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN，和/或CoFeX，其中X是Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN；其中配置该磁性元件，以允许当写入电流穿过该磁性元件时由于自旋转移而切换该自由层磁化。
2.如权利要求1的磁性元件，其中X和Y至少是五个原子百分数且小于或等于六十个原子百分数，除了Pt和Pd可以在五至八十原子百分数的范围内之外。
3.如权利要求1的磁性元件，其中该自由层包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX和/或CoNiFeX，其中X包括在五至六十原子百分数范围内的至少一种稀土元素。
4.如权利要求3的磁性元件，其中该至少一种稀土元素是从五至六十原子百分数的Gd或Tb。
5.如权利要求3的磁性元件，其中该自由层进一步包括至少一种另外的掺杂剂，该至少一种另外的掺杂剂包括Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh和/或Ru。
6.如权利要求1的磁性元件，进一步包括位于该自由层和该间隔层之间的高自旋极化层。
7.如权利要求1的磁性元件，其中该被钉扎层包括多个双层，该多个双层的每一个都包括FexCo1-x和Cu层，x小于一。
8.一种磁性元件，包括第一被钉扎层；间隔层，该间隔层是导电的和非磁性的；具有自由层磁化的自由层，该间隔层位于该第一被钉扎层和该自由层之间，该自由层是低饱和磁化强度自由层；阻挡层，该阻挡层是绝缘体且具有允许隧穿过该阻挡层的厚度；第二被钉扎层，该阻挡层在该自由层和该第二被钉扎层之间；其中配置该磁性元件，以允许当写入电流穿过磁性元件时由于自旋转移而切换该自由层磁化。
9.如权利要求8的磁性元件，其中该自由层包括用至少一种非磁性材料稀释的至少一种铁磁性材料。
10.如权利要求8的磁性元件，其中该自由层包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y是Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN和/或TaCuN。
11.如权利要求4的磁性元件，其中X和Y对于Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN和/或TaCuN是至少五个原子百分数且小于或等于六十个原子百分数，以及对于Pt和Pd是至少五个原子百分数且小于或等于八十个原子百分数。
12.如权利要求8的磁性元件，其中该自由层包括多层，该多层包括至少一个铁磁性层和至少一个非磁性层。
13.如权利要求12的磁性元件，其中该自由层包括多个双层，该多个双层中的每一个都包括FexCo1-x和Cu层，x小于一。
14.如权利要求13的磁性元件，其中x是0.5。
15.如权利要求13的磁性元件，其中Cu或FeCo层的厚度大于或等于一埃且小于或等于八埃。
16.如权利要求8的磁性元件，其中该自由层包括用至少一种掺杂剂亚铁磁性掺杂的至少一种铁磁性材料。
17.如权利要求16的磁性元件，其中该自由层包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX和/或CoNiFeX，其中X包括至少一种稀土元素。
18.如权利要求17的磁性元件，其中该至少一种稀土元素是Gd或Tb。
19.如权利要求18的磁性元件，其中该自由层进一步包括至少一种另外的掺杂剂，该至少一种另外的掺杂剂包括Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh和/或Ru。
20.如权利要求8的磁性元件，进一步包括位于该自由层和该间隔层之间的高自旋极化层。
21.如权利要求8的磁性元件，其中该被钉扎层包括多个双层，该多个双层中的每一个都包括FexCo1-x和Cu层，x小于一。
22.如权利要求8的磁性元件，其中该自由层是简单的自由层。
23.如权利要求8的磁性元件，其中该第一被钉扎层是包括与该间隔层邻接的铁磁性层的第一合成被钉扎层，其中该铁磁性层具有第一磁化，且该第二被钉扎层具有第二磁化，且其中该第一磁化和该第二磁化定向在相反的方向上。
24.如权利要求23的磁性元件，其中该第二被钉扎层是第二合成被钉扎层。
25.如权利要求24的磁性元件，其中该第二合成被钉扎层包括与该阻挡层邻接的第二铁磁性层，其中该第二铁磁性层具有第二磁化，且其中该第一磁化和第二磁化定向在相反的方向上。
26.如权利要求8的磁性元件，其中配置该第一被钉扎层和该第二被钉扎层，以使得来自该第一被钉扎层和该第二被钉扎层两者的电荷载流子可以对由于自旋转移而切换该自由层磁化作贡献。
27.一种磁性元件，包括第一被钉扎层；第一间隔层，该第一间隔层是非磁性的；第一自由层，该第一间隔层位于该第一被钉扎层和该第一自由层之间；具有第二自由层磁化的第二自由层，该第一自由层和该第二自由层是静磁耦合的；第二间隔层，其是非磁性的；第二被钉扎层，该第二间隔层位于该第二自由层和该第二被钉扎层之间；其中配置该磁性元件，以允许当写入电流穿过该磁性元件时由于自旋转移而切换该自由层磁化；以及其中配置该第一自由层以具有第一低饱和磁化强度，和/或配置该第二自由层以具有第二低饱和磁化强度。
28.如权利要求27的磁性元件，进一步包括位于该第一自由层和该第二自由层之间的隔离层，配置该隔离层以允许该第一自由层和该第二自由层静磁耦合。
29.如权利要求28的磁性元件，其中该隔离层进一步包括Cu、Ag、Au、Pt、Mn、CuPt、CuMn、Cu/Pt/Cu夹层、Cu/Mn/Cu夹层或Cu/PtMn[1-20A]/Cu夹层。
30.如权利要求27的磁性元件，其中该第一自由层和/或该第二自由层包括用至少一种非磁性材料稀释的至少一种铁磁性材料。
31.如权利要求30的磁性元件，其中该第一自由层和/或该第二自由层包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y是Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN和/或TaCuN。
32.如权利要求31的磁性元件，其中X和Y对于Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN和/或TaCuN是至少五个原子百分数且小于或等于六十个原子百分数，以及对于Pt和Pd是至少五个原子百分数且小于或等于八十个百分数。
33.如权利要求27的磁性元件，其中该第一自由层和/或该第二自由层包括多层，该多层包括至少一个铁磁性层和至少一个非磁性层。
34.如权利要求33的磁性元件，其中该第一自由层和/或该第二自由层包括多个双层，该多个双层中的每一个都包括FexCo1-x和Cu层，x小于一。
35.如权利要求34的磁性元件，其中x是0.5。
36.如权利要求35的磁性元件，其中Cu或FeCo层的厚度大于或等于一埃且小于或等于八埃。
37.如权利要求27的磁性元件，其中该第一自由层和/或该第二自由层包括用至少一种掺杂剂亚铁磁性掺杂的至少一种铁磁性材料。
38.如权利要求37的磁性元件，其中该第一自由层和/或该第二自由层包括CoX、FeX、CoFeX、NiFeX和/或NiCoFeX，其中X包括在五至六十个原子百分数范围内的至少一种稀土元素。
39.如权利要求38的磁性元件，其中该至少一种稀土元素是五至六十个原子百分数的Gd或Tb。
40.如权利要求38的磁性元件，其中该第一自由层和/或该第二自由层进一步包括至少一种另外的掺杂剂，该至少一种另外的掺杂剂包括Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh或Ru。
41.如权利要求38的磁性元件，其中该第二间隔层是阻挡层，配置该阻挡层以允许电荷载流子在该第二被钉扎层和该第二自由层之间隧穿。
42.如权利要求38的磁性元件，进一步包括位于该第一自由层与该第一间隔层之间和/或该第二间隔层与该第二自由层之间的高自旋极化层。
43.如权利要求27的磁性元件，其中该第一被钉扎层和/或该第二被钉扎层包括多个双层，该多个双层中的每一个都包括FexCo1-x和Cu层，x小于一。
44.一种用于提供磁性元件的方法，包括提供被钉扎层；提供间隔层，该间隔层是非磁性的；以及提供具有自由层磁化的自由层，该间隔层位于该被钉扎层和该自由层之间，该自由层包括用至少一种非磁性材料稀释的和/或亚铁磁性掺杂的至少一种铁磁性材料，以使得该自由层具有低饱和磁化强度；其中如果该自由层包括用该至少一种非磁性材料稀释的该至少一种铁磁性材料，则该自由层至少包括CoX、FeX、NiFeX、CoXY、FeXY、CoFeXY、NiFeXY和/或CoNiFeXY，其中X或Y是Cr、Cu、Au、B、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN，和/或CoFeX，其中X是Cr、Cu、Au、Nb、Mo、Pt、Pd、Ta、Rh、Ru、Ag、TaN、CuN、TaCuN；其中配置该磁性元件，以允许当写入电流穿过该磁性元件时由于自旋转移而切换该自由层磁化。
全文摘要
本发明公开了一种用于提供可以用在磁性存储器中的磁性元件的方法和系统。该磁性元件包括被钉扎层、非磁性间隔层和自由层。该间隔层位于该被钉扎层和自由层之间。当写入电流通过该磁性元件时，该自由层可以利用自旋转移切换。该磁性元件还可包括阻挡层、第二被钉扎层。可选地，包括第二被钉扎层和第二间隔层以及静磁耦合至该自由层的第二自由层。在一个方面，自由层包括用非磁性材料稀释的和/或亚铁磁性掺杂的铁磁性材料以提供低饱和磁化强度。
文档编号H01F41/30GK1938874SQ200580009921
公开日2007年3月28日 申请日期2005年2月18日 优先权日2004年2月19日
发明者P·P·源, 怀一鸣, 刁治涛, F·艾伯特 申请人:弘世科技公司