具有低饱和磁化强度自由层的自旋转移磁性元件制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及磁性存储系统，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。
技术介绍
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专利技术的范围。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。本专利技术着手解决这种需要。
技术实现思路
本专利技术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)地掺杂该本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Ｃ ｒ、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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-2-19 10/783,4161.一种磁性元件，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：PP源，怀一鸣，刁治涛，F艾伯特，
申请(专利权)人：弘世科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]