提供高度織構的磁阻元件和磁性存儲器的方法和系統的製作方法

2023-12-08 16:39:36 2

專利名稱：提供高度織構的磁阻元件和磁性存儲器的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁性存儲器系統，尤其是涉及提供一種提供磁性元件的方法和系統，該磁性元件具有改進的信號並可在較低轉換電流下利用自旋轉移效應而轉換。
背景技術：


圖1A和1B示出了現有的磁性元件10、10』。這種現有磁性元件10/10』可用於非易失性存儲器，諸如磁性隨機存儲器(MRAM)。現有磁性元件10是自旋閥，包括現有反鐵磁性(AFM)層12、現有被釘扎層14、現有非磁性間隔層16以及現有自由層18。也可使用其它層(圖中未示)，例如接種層或覆蓋層。現有被釘扎層14和現有自由層18是鐵磁性的。因此，現有自由層18被示為具有可變的磁化19。現有非磁性間隔層16是導電的。AFM層12用於沿特定的方向固定或釘扎被釘扎層14的磁化。通常，當響應一外部磁場時，自由層18的磁化是自由旋轉的。圖1B中示出的現有磁性元件10』是自旋隧道結。現有自旋隧道結10』的部分與現有自旋閥10類似。但是，現有勢壘層16』是絕緣體，厚度薄到足以使電子在現有自旋隧道結10』內隧穿。
分別由現有自由層18/18』的磁化19/19』的方向和現有被釘扎層14/14』的方向，來決定現有磁性元件10/10』各自的電阻變化。當現有自由層18/18』的磁化19/19』與現有被釘扎層14/14』的磁化平行時，現有磁性元件10/10』的電阻低。當現有自由層18/18』的磁化19/19』與現有被釘扎層14/14』的磁化反向平行時，現有磁性元件10/10』的電阻高。
為檢測現有磁性元件10/10』的電阻，驅動電流通過現有磁性元件10/10』。通常在存儲器應用中的是，以CPP(current perpendicular to the plane，電流垂直於平面)方式驅動電流，並垂直於現有磁性元件10/10』層(向上或向下，如圖1A、1B中所示的z方向)。通常，根據利用通過現有磁性元件10/10』的壓降幅度來測得的電阻變化，可以確定電阻狀態，以及由此確定儲存在現有磁性元件10/10』中的數據。
已推薦使用特殊的材料來增加現有磁性元件10』的高和低電阻狀態之間的電阻差異幅度。特別是，已推薦被釘扎層14』和自由層18』使用外延的或高度織構的鐵(Fe)或Co(鈷)，現有的勢壘層16』使用外延的或高度織構的氧化鎂(MgO)。對於這種結構，可以獲得高低電阻狀態之間差異達到百分之幾百的大的磁阻。
自旋轉移是一種用來轉換現有自由層18/18』的磁化19/19』，從而在現有磁性元件10/10』內儲存數據的效應。在現有磁性元件10』的上下文中描述了自旋轉移，可同樣適用於現有磁性元件10。下文說明的自旋轉移現象是基於現有的知識，而沒有限制本發明範圍的意圖。
當自旋極化電流以CPP方式穿越諸如自旋隧道結10』之類的磁性多層時，入射在鐵磁層上的電子的部分自旋角動量可被轉移到鐵磁層。入射在現有自由層18』上的電子可將其部分自旋角動量轉移到現有自由層18』。因此，如果電流密度足夠高(約107～108A/cm2)，且自旋隧道結的側向尺寸(lateral dimension)較小(約小於200納米)，自旋極化電流可轉換現有自由層18』的磁化19』的方向。另外，為了使自旋轉移能夠轉換現有自由層18』的磁化19』的方向，現有自由層18』應足夠薄，例如，對於Co，通常約小於10納米(nanometers)。當現有磁性元件10/10』的側向尺寸較小，即在幾百納米的範圍內時，基於自旋轉移的磁化轉換比其它轉換機制佔優勢，且變得可觀察到。因此，自旋轉移適用於具有更小磁性元件10/10』的更高密度的磁性存儲器。
以CPP方式使用自旋轉移可以作為利用外部轉換場轉換現有自旋隧道結10』的現有自由層18』的磁化方向的一種替換方式或附加方式。例如，可將現有自由層18』的磁化19』從反向平行於現有被釘扎層14』的磁化轉換為平行於現有被釘扎層14』的磁化。電流從現有自由層18』被驅動到現有被釘扎層14』(傳導電子從現有被釘扎層14』移動到現有自由層18』)。從現有被釘扎層14』穿越的多數電子具有被極化成和現有被釘扎層14』的磁化方向相同的自旋。這些電子可將它們角動量的一部分傳遞到現有自由層18』，這部分角動量足以將現有自由層18』的磁化19』轉換成與現有被釘扎層14』的磁化平行的方向。或者，自由層18』的磁化可從平行於現有被釘扎層14』的磁化方向轉換為反向平行於現有被釘扎層14』的磁化。當電流從現有被釘扎層14』驅動到現有自由層18』時(傳導電子沿相反的方向移動)，多數電子具有被極化為現有自由層18』的磁化方向的自旋。這些多數電子通過現有被釘扎層14』遷移。少數電子從現有被釘扎層14』被反射，返回到現有自由層18』，可以傳遞足量的角動量以將自由層18』的磁化19』轉換成反向平行於現有被釘扎層14』的磁化方向。
雖然自旋轉移可用於轉換現有自由層18/18』的磁化19/19』，本領域的普通技術人員會容易認識到通常需要高的電流密度。特別的，轉換磁化19/19』所必需的電流被稱為臨界電流。如上所述，對應臨界電流的臨界電流密度大約至少是107A/cm2。本領域的普通技術人員也會容易認識到這種高電流密度意味著需要高的寫電流和小的磁性元件尺寸。
使用高臨界電流來轉換19/19』的磁化會對磁性元件中這種現有磁性元件10/10』的使用性和可靠性產生不良影響。高臨界電流對應高的寫電流。使用高的寫電流會引起不期望的能耗增加。高的寫電流會需要更大的結構，諸如隔離電晶體，與現有磁性元件10/10』一起使用以構成存儲單元。因此，降低了這種存儲器的面密度。另外，因為在較高的寫電流下，現有勢壘層16』會受到介電擊穿，因此具有較高電阻和由此導致的較高信號的現有磁性元件10』會較不可靠。所以，即使可以達成較高的信號讀出，現有磁性元件10/10』也不適合在較高密度的現有MRAMs中採用自旋轉移來寫入現有磁性元件10/10』。
因此，需要一種提供磁性存儲元件的系統和方法，可在較低的寫電流下使用自旋轉移轉換所述磁性存儲元件。本發明正是針對這種需要提出的。

發明內容
本發明提供一種提供磁性元件的方法和系統。所述發明和系統包括提供一被釘扎層，一自由層，以及在所述被釘扎層和所述自由層之間的一間隔層。所述間隔層是絕緣的並具有一個規則的晶體結構。所述間隔層也設置成允許隧穿所述間隔層。一方面，所述方法和系統也包括提供一第二被釘扎層和一第二非磁性的間隔層，可導電也可絕緣，並位於所述自由層和所述被釘扎層之間。所述磁性元件設置成當寫電流通過所述磁性元件時，由於自旋轉移，允許所述自由層轉換。
根據在此公開的系統和方法，本發明提供一種具有較高信號，並在較低寫電流下，可利用自旋轉移寫入的磁性元件。
附圖簡要說明圖1A是現有磁性元件、現有自旋閥的圖。
圖1B是另一種現有磁性元件、現有自旋隧道結的圖。
圖2是最近開發的利用自旋轉移可寫入的雙自旋濾波器。
圖3是對應本發明磁性元件第一實施例的圖，所述磁性元件可利用自旋轉移寫入。
圖4是對應本發明磁性元件第一實施例的更詳細的圖，所述磁性元件可利用自旋轉移寫入。
圖5是對應本發明磁性元件第一實施例的第二種形式的圖，所述磁性元件可利用自旋轉移寫入。
圖6是對應本發明磁性元件第一實施例的第三種形式的圖，所述磁性元件可利用自旋轉移寫入。
圖7是對應本發明磁性元件第二實施例的圖，所述磁性元件可利用自旋轉移寫入。
圖8是對應本發明磁性元件第二實施例的第二種形式的圖，所述磁性元件可利用自旋轉移寫入。
圖9是對應本發明提供磁性元件方法的一個實施例，所述磁性元件可利用自旋轉移寫入。
本發明的詳細說明本發明涉及磁性元件和諸如MRAM的磁性存儲器。以下說明旨在能夠使本領域的普通技術人員理解和使用本發明，並在專利申請和必要文件的上下文中提供下面的說明。對較佳實施例的各種修改，以及普遍原理和特徵對本領域的技術人員是顯而易見的。因此，本發明並不打算限於以下所示的實施例，而是與符合在此描述的原理和特徵的最大範圍相一致。
圖2是可作為磁性元件使用的被稱為雙自旋濾波器70的磁性元件一個實施例的圖。雙自旋濾波器70最好建立在合適的接種層上。雙自旋濾波器70包括反鐵磁(AFM)層71，在其上建立被釘扎層72。所述被釘扎層72是鐵磁性的並具有被所述AFM層71釘扎的磁化。所述雙自旋濾波器70也包括第一間隔層73。所述第一間隔層73可以是勢壘層73，所述勢壘層是絕緣的並薄到足以允許載流子在所述被釘扎層72和所述自由層74之間隧穿。或者，所述第一間隔層73可以是電流限制層，該電流限制層包括位於絕緣基體內(未特別指出)的導電通道(未特別指出)。在這種結構中，所述被釘扎層72和所述自由層74之間的電流的傳導限制在所述導電通道。所述自由層74是鐵磁性的並具有由於自旋轉移現象可變化的磁化。所述雙自旋濾波器70也包括導電的非磁性間隔層75，並可以包括諸如銅之類的材料。所述雙自旋濾波器70包括鐵磁性的第二被釘扎層76，並有被AFM層77釘扎的磁化。可以考慮由自旋隧道結或電流限制結(包括層71，72，73和74)和自旋閥(包括層74，75，76和77)，兩者共享自由層74組成所述雙自旋濾波器70。因此，當允許使用自旋轉移寫入時，可獲得較高的讀出信號。雖然描述成單鐵磁性膜，所述層72，74和76可以是合成的，和/或進行摻雜以提高所述雙自旋濾波器70的熱穩定性。另外，已經說明了其它具有靜磁耦合自由層的磁性元件，包括具有靜磁耦合自由層的雙自旋濾波器。因此，也可以提供使用磁性元件諸如自旋隧道結或雙自旋濾波器的其它結構。
雙自旋濾波器70設置成允許使用自旋轉移轉換自由層74的磁化。因此，雙自旋濾波器70的尺寸最好是很小，在幾百納米範圍內以降低自場效應。在較佳實施例中，雙自旋濾波器70的尺寸小於200納米，最好接近100納米。雙自旋濾波器70垂直於圖2頁平面的深度，最好為接近50納米。所述深度最好小於雙自旋濾波器70的寬度，以使雙自旋濾波器70有一些形狀各向異性，確保自由層74有一個較佳的方向。另外，自由層74的厚度足夠小，以使自旋轉移強到足以旋轉自由層的磁化來對準被釘扎層72和76的磁化。在一個較佳實施例中，自由層74的厚度小於或等於10nm。另外，對於具有較佳尺寸的雙自旋濾波器70，在較小的電流下可以提供一個大約107Amps/cm2的足夠電流密度。例如，107Amps/cm2的電流密度可以為0.06×0.12μm2的橢圓形雙自旋濾波器提供接近0.5mA的電流。結果，可以避免利用特殊電路傳遞較高電流。
因此，雙自旋濾波器70的使用允許利用自旋轉移作為轉換機制和改進的信號。並且，雙自旋濾波器70可製成以使其具有相對低的面電阻。例如，可以獲得小於30 Ohm-μm2的面電阻。進一步，自由層74的磁化可保持相對低，允許降低雙自旋濾波器70的臨界電流。
雖然上述闡述的磁性元件70可以很好地實現目的，但本領域的普通技術人員也認識到期望降低轉換磁性元件70必需的臨界電流。也希望增加來自磁性元件70的信號。
本發明提供了一種提供磁性元件的方法和系統。所述方法和系統包括提供被釘扎層，自由層，和位於所述被釘扎層和所述自由層之間的間隔層。所述間隔層是絕緣的並具有規則的晶體結構。所述間隔層也可以設置成允許隧穿所述間隔層。一方面，所述方法和系統也包括提供第二被釘扎層，和非磁性的導電的，位於所述自由層和所述第二釘扎層之間的第二間隔層。所述磁性元件設置成，當寫電流通過磁性元件時，由於自旋轉移，允許所述自由層被轉換。
本發明將說明具有某些組成部分的特定磁性存儲器和特定磁性元件。但是，本領域的普通技術人員容易認識到，這種方法和系統可有效地用於其它磁性存儲元件，這些磁性存儲元件具有不與本發明矛盾的不同和/或其它的組成部分；以及/或者這種方法和系統會有效地用於其它磁性存儲器，這些磁性存儲器具有不與本發明矛盾的不同和/或其它的特徵。本發明也以對自旋轉移現象的目前理解為背景進行描述。因此，本領域的普通技術人員會容易認識到，對所述方法和系統的機製作出的原理性解釋是以對自旋轉移的目前理解為基礎的。本領域的普通技術人員也會容易認識到，所述方法和系統是以與襯底有特定的關係的結構為背景進行描述。然而，本領域的普通技術人員會容易認識到，所述方法和系統與其它結構是兼容的。此外，所述方法和系統是以某些合成和/或單一層的背景下進行描述。然而，本領域的普通技術人員會容易認識到，這些層可有其它結構。進一步，本發明在具有特定層的磁性元件的背景下進行了描述。然而，本領域的普通技術人員會容易認識到，也可使用與本發明不矛盾的具有附加層和/或不同層的磁性元件。此外，某些組成部分被描述為是鐵磁性的。然而，如在此使用的，術語」鐵磁性」可包括亞鐵磁性或類似的結構。因此，如在此使用的，術語」鐵磁性」包括但不限於鐵磁體和亞鐵磁體。本發明也在單一元件的情況下進行了說明。然而，本領域的普通技術人員會容易認識到，本發明與具有多個元件、位線和字線的磁性存儲器的使用不矛盾。
圖3是根據本發明利用自旋轉移可以寫入的磁性元件100的高級圖。所述磁性元件100包括被釘扎層102，間隔層104，和自由層106。在較佳實施例中，所述磁性元件100也包括最好是AFM層的釘扎層(圖中未示)。雖然作為單一層描述，所述被釘扎層102可為包括兩個被非磁性間隔層分開的鐵磁層的合成被釘扎層。所述非磁性間隔層的厚度設成以使所述鐵磁層的磁化反鐵磁性地耦合。在較佳實施例中，所述被釘扎層102，或與所述間隔層104相鄰的所述鐵磁層，具有一個體心立方(bcc)結構。在一個較佳實施例中，所述被釘扎層102，或與所述間隔層104相鄰的鐵磁層，具有織構。在較佳實施例中，這個織構是用於所述體心立方(bcc)結構的(100)。因此，對於在所述被釘扎層102內的晶粒，(100)方向最好垂直於各層的平面。不同的表述是，在所述被釘扎層102內的大多數晶粒具有垂直與層平面的(100)方向。同樣在較佳實施例中，被釘扎層102，或與所述間隔層104相鄰的所述鐵磁層，是至少包括鈷(Co)，鐵(Fe)，鎳(Ni)，鉻(Cr)和錳(Mn)其中之一的金屬合金，或至少包括鈷(Co)，鐵(Fe)，鎳(Ni)，鉻(Cr)和錳(Mn)其中之一的非晶態合金，並至少具有硼(B)，磷(P)，矽(Si)，鈮(Nb)，鋯(Zr)，鉿(Hf)，鉭(Ta)，鈦(Ti)其中之一，其中在後熱處理和再結晶後，非晶態材料轉變成帶有所期望織構的晶體結構。
所述間隔層104是絕緣的。所述間隔層104也具有規則的晶體結構。不同的表述是，間隔層104不是非晶態的。間隔層也最好具有織構。在較佳實施例中，在所述被釘扎層102，或與所述間隔層104相鄰的鐵磁層的織構和所述間隔層104的織構之間有很好的確定關係。在較佳實施例中，織構相同。因此，在較佳實施例中，所述間隔層104的織構是(100)。同樣在較佳實施例中，所述間隔層104包括至少為10原子百分數的Mg並具有巖鹽(NaCl)結構。因此，所述間隔層104最好是MgO。所述間隔層104也可以設置成允許隧穿所述間隔層。因此，在較佳實施例中，當所述間隔層最好是具有體心立體結構和(100)方向的MgO，所述被釘扎層102是具有(100)方向的體心立體結構。
自由層106是單一層。在該實施例中，所述自由層106最好具有體心立方晶體結構和最好有(100)方向的織構。在另一個實施例中，所述自由層106最好包括兩個鐵磁次層(未單獨示出)。所述第一次層，最接近間隔層104，最好具有體心立方晶體結構和(100)織構。第二次層最好具有減少的磁矩。次層的磁化緊密耦合，以至次層磁化的相對方位是不變的。自由層106也包括次層之間的非磁性間隔層。在該實施例中，由於非磁性間隔層的交叉耦合，磁化保持反向平行或平行。同樣在較佳實施例中，自由層106或其第一次層是包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中的至少一種的金屬合金，或包括Co，Fe，Ni和Cr中的至少一種的非晶態合金，並帶有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一種。所述第二次層最好是MX的形式，其中M包含Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一種，X可為能降低自由層磁矩的諸如B或Ta的元素，或有助於減少垂直各向異性的Pt或Pd。
磁性元件100設成當寫電路通過磁性元件100時，允許自由層106由於自旋轉移被轉換。在較佳實施例中，自由層106的側向尺寸(lateral dimensions)，諸如寬度W，因此很小，並最好小於200nm。另外，側向尺寸之間最好有一些差異以確保自由層106具有一垂直易軸。
因此，磁性元件100可利用自旋轉移寫入。進一步，由於間隔層104的晶體結構及間隔層104的織構和被釘扎層102的織構之間的關係，明確定義了的電子狀態控制了所述間隔層104的隧穿過程。這通過自由層106的織構進一步得到了改進。因此，磁性元件100的磁阻信號可以增強。來自磁性元件100的信號也因此被增強。並且，通過間隔層104的改進自旋極化被改進。轉換自由層106磁化必需的臨界電流與自旋轉移係數成反比，該自旋轉移係數與自旋極化相關。因此，轉換自由層106的磁化必需的臨界電流可以降低。所以，可以改進較高密度磁性存儲器中使用的磁性元件100的能量消耗和性能。
圖4是根據本發明可利用自旋轉移寫入的磁性元件110的第一實施例較佳形式的更詳細的圖。所述磁性元件110與磁性元件100類似。所述磁性元件110包括被釘扎層116，間隔層118和自由層120，分別與磁性元件100的被釘扎層102，間隔層104和自由層106類似。自由層120包括第一次層122，可選的非磁性間隔層124，和第二次層126。
所述磁性元件110最好也包括釘扎層114。同時示出了底部電極(bottomcontact)112和頂部電極(top contact)128。所述底部電極112和頂部電極128在CPP方向驅動通過磁性元件110的電流。所述釘扎層114最好是AFM層。所述AFM層114具有規則的晶體結構，並且最好是特定的織構。另外，接種層(圖中未示出)可以用來提供AFM層114期望的織構。例如，如果IrMn用於AFM層114，由β-Ta和TaN混合形成的Ta(N)次層用於確保所述IrMnAFM層114是具有(002)織構的面心立方體(fcc)。所述AFM層114最好通過交換耦合釘扎所述被釘扎層116的磁化。
所述被釘扎層116具有被所述釘扎層114釘扎的磁化。鄰近所述間隔層118的被釘扎層116的部分具有織構。在較佳實施例中，相鄰所述間隔層的被釘扎層部分具有較佳垂直(001)織構的bcc(體心立方)晶體結構。此外，雖然按照單一層來說明，被釘扎層116也可具有其它結構。例如，所述被釘扎層116可為雙層。在該實施例中，與所述AFM層114相鄰的被釘扎層116的層設成提高所述AFM層114釘扎所述被釘扎層116磁化的性能。其它雙層可設成具有上述的織構。所述被釘扎層116可為包括被非磁性間隔層分開的兩個鐵磁層的合成被釘扎層。所述非磁性間隔層的厚度設成使所述鐵磁層的磁化是反鐵磁性耦合的。
所述間隔層118是絕緣的。所述間隔層118也具有規則的晶體結構。不同的表述是，所述間隔層118不是非晶態的。所述間隔層最好也具有織構。在較佳實施例中，被釘扎層116的，或與所述間隔層118相鄰的被釘扎層116的次層的織構和所述間隔層118的織構之間具有定義明確的關係。在較佳實施例中，所述間隔層118包括至少10原子百分數的Mg並具有巖鹽(NaCl)結構。因此，所述間隔層118最好為MgO。所述間隔層118也設成允許隧穿所述間隔層118。在較佳實施例中，所述間隔層118的織構是(100)。
所述自由層120最好包括兩個鐵磁次層122和126。所述第一次層122最好具有體心立方晶體結構和(100)織構。同樣在較佳實施例中，所述第一次層是包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中至少一種的金屬合金，或包括Co，Fe，Ni，和Cr中至少一種的非晶態合金，並具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一種。所述第二次層126最好具有降低的磁矩。降低的磁矩最好是小於或等於1100emu/cm3的磁矩。在一個實施例中，所述第二次層126是非晶態的，包含超過10原子百分數的硼，並包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中的至少一種。在任意一個方案中，所述次層122和126包括Co，Fe或Ni。所述次層122和126的磁化緊密耦合以使所述次層122和126的磁化的相對方向是不變的。例如，由於耦合，所述磁化保持反向平行或平行。所述自由層120也可以包括可選的在所述次層122和126之間的非磁性間隔層124。所述可選的非磁性間隔層124最好設成交換耦合所述次層122和126的磁化。另外，所述可選的非磁性間隔層124可以作為擴散抑制層。
所述磁性元件110也設成，當寫電流通過所述磁性元件110時，允許所述自由層120由於自旋轉移發生轉換。在較佳實施例中，所述自由層120的側向尺寸，例如寬度W，因此很小，並最好小於200nm。另外，側向尺寸之間最好具有一些差異，以確保所述自由層120有一特定的易軸。
因此，所述磁性元件110可以利用自旋轉移寫入。進一步，由於間隔層118的晶體結構以及間隔層118的織構與被釘扎層116的織構之間的關係，明確定義了的電子狀態控制了所述間隔層118的隧穿過程。這通過自由層120的次層122的織構進一步得到了改進。因此，可以增強磁性元件110的磁阻信號。由此可以增強磁性元件110的信號。並且，由於通過間隔層118的自旋極化電流的導電性被改進，轉換自由層120磁化必需的臨界電流可降低。因此，所述磁性元件110可以更容易地在更高密度的磁性儲存器中使用。
圖5是根據本發明可利用自旋轉移寫入的磁性元件110』的第一較佳實施例的第二形式的圖。所述磁性元件110』與磁性元件110類似。因此，磁性元件110』的類似部分用類似的附圖標記標註。例如，磁性元件110』包括與磁性元件110的層116，118和120類似的被釘扎層116』，間隔層118』以及自由層120』。因此，所述磁性元件110』具有磁性元件110的優點。
另外，磁性元件110』包括自旋累積層130和自旋勢壘層132。所述自旋勢壘層132設成提供電子的鏡面反射，可以提高利用自旋轉移轉換自由層120』的性能。例如，所述自旋勢壘層132最好是具有低電阻面積積(RA product)的弱隧道勢壘，小於整個磁性元件110』的RA值的10％。用於自旋勢壘層132的材料的例子包括Cu-Al合金的氧化物，其中鋁最好被氧化。
所述自旋累積層130最好是具有較長的自旋擴散長度的非磁性層，最好至少在20到100A內。因此，自旋累積層130最好包括諸如Cu和Ru的材料。所述自旋累積層130和自旋勢壘層132用於通過降低自旋泵效應導致的多餘阻尼，提高所述自旋轉移效應轉換所述自由層120』磁化的性能。因為自旋累積層130和自旋勢壘層132可以起到將電流返回到自由層120』的作用，所以該阻尼降低。因此，所述磁性元件110』可以更容易在較低的寫電流下轉換。
圖6是根據本發明可利用自旋轉移寫入的磁性元件110」的第一較佳實施例的第三種形式的圖。磁性元件110」與磁性元件110類似。因此，磁性元件110」的類似部件採用相似的附圖標記標註。例如，磁性元件110」包括與磁性元件100的層116，118和120類似的被釘扎層116」，間隔層118」和自由層120」。雖然按照單一層來說明的，但所述自由層120」可以具有其它結構，包括如上所述的兩個次層和可選的非磁性間隔層。因此，磁性元件110」具有和磁性元件110的優點。
磁性元件110」相對磁性元件110和110』以不同的次序沉積在襯底上。尤其是，自由層120」更接近底部電極112」，因此比所述被釘扎層116」更接近襯底(圖中未示，但位於所述各層的下面)。因此，接層134在自由層120」和底部電極112」之間使用。所述接種層的選用提升了期望的晶體結構和自由層120」的織構。尤其是，接種層134所選用的材料提升bcc晶體結構和自由層120」的織構(100)。尤其是，接種層134最好包括Cr，Ta，TaN，TiN，或TaN/Ta。注意如果自由層120」採用單一層來代替對應層122，124和126的各層，自由層120」最好包括設置成具有帶有(100)織構的bcc晶體結構的Co，Fe，和Ni中的至少一種。
圖7是根據本發明可利用自旋轉移寫入的磁性元件200的第二實施例的圖。所述磁性元件200是雙自旋濾波器。磁性元件200包括第一被釘扎層216，絕緣間隔層218，自由層220，間隔層228，和第二被釘扎層230。所述間隔層228是非磁性的、導電的或其它絕緣隧道勢壘。所述磁性元件200也最好包括第一釘扎層214和第二釘扎層232。同時描述了底部電極212和頂部電極234。因此，如果是導電的間隔層228，可以認為磁性元件200包括共享自由層220的自旋隧道結202和自旋閥204。但是，如果間隔層228是絕緣隧道勢壘，可認為磁性元件200包括共享自由層220的兩個自旋隧道結202和204。進一步，雖然所述的磁性元件200所具有的層相對襯底(圖中未示)有特定方向。尤其是，所述的第一被釘扎層216，在自由層220的下方，更接近所述襯底。但是，可以使用其它的方向。
所述底部電極212和頂部電極234用於在CPP方向驅動通過磁性元件200的電流。所述釘扎層214和232最好是AFM層。所述AFM層214具有規則的晶體結構，並且最好是特定的織構。另外，接種層(圖中未示出)可以用來提供AFM層214所期望的織構。例如，如果IrMn用於AFM層214，由β-Ta和TaN混合而成的Ta(N)次層用於確保所述IrMn AFM層214是具有(002)織構的面心立方體(fcc)。所述AFM層214最好通過交換耦合釘扎所述第一被釘扎層216的磁化。
所述第一被釘扎層216具有被所述釘扎層214釘扎的磁化。鄰近所述絕緣間隔層218的被釘扎層216的部分具有織構。在較佳實施例中，該織構是用於體心立方(bcc)晶體結構的(100)。並且，雖然按照單一層來說明，被釘扎層216也可具有其它結構。例如，所述被釘扎層216可為雙層。在這種實施例中，與所述AFM層214相鄰的被釘扎層216的層最好設成提高所述AFM層214釘扎所述被釘扎層216磁化的性能。其它雙層可設成具有上述的織構。所述被釘扎層216可為包括被非磁性間隔層分開的兩個鐵磁層的合成被釘扎層。所述非磁性間隔層的厚度設成使所述鐵磁層的磁化是反鐵磁性耦合的。
所述絕緣間隔層218對應圖3，4，5，6中描述的間隔層104，118，118』，和118」。因此，所述間隔層218也具有規則的晶體結構。不同的表述是，所述間隔層218不是非晶態的。所述間隔層也最好具有織構。在較佳實施例中，被釘扎層216的或與所述間隔層218相鄰的被釘扎層216的次層的織構和所述間隔層218的織構之間具有定義明確的關係。同樣在較佳實施例中，所述間隔層218包括至少10原子百分數的Mg並具有巖鹽(NaCl)結構。因此，所述間隔層218最好為MgO。所述間隔層218也設成允許隧穿所述間隔層218。在較佳實施例中，所述間隔層218的織構是(100)。
雖然所述自由層220可以是單一層，但所述自由層220最好包括第一次層222，可選的非磁性間隔層224和第二次層226。所述次層222和226是鐵磁性的。所述第一次層222或相鄰間隔層218的自由層220的部分最好具有體心立方晶體結構並有織構(100)。同樣在較佳實施例中，所述第一次層222是包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中至少一種的金屬合金，或包括Co，Fe，Ni，和Cr中至少一種的非晶體合金，並具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一種。所述第二次層226最好具有降低的磁矩。降低的磁矩最好是小於或等於1100emu/cm3的磁矩。在一個實施例中，所述第二次層226是非晶態的，包含超過10原子百分數的硼，並包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一種。在任意一個方案中，所述次層222和226包括Co，Fe或Ni。所述次層222和226的磁化緊密耦合以使所述次層222和226磁化的相對方向是不變的。例如，由於耦合，所述磁化保持反向平行或平行。所述自由層220也可以包括可選的在所述次層222和226之間的非磁性間隔層224。所述可選的非磁性間隔層224最好設成交換耦合所述次層222和226的磁化。另外，所述可選的非磁性間隔層224可以作為擴散抑制層。
所述磁性元件200也設成，當寫電流通過所述磁性元件200時，允許所述自由層220由於自旋轉移發生轉換。在較佳實施例中，所述自由層220的側向尺寸，例如寬度W因此很小，並最好小於200nm。另外，側向尺寸之間最好有一些差異，以確保所述自由層220有一特定的易軸。
所述磁性元件200可利用自旋轉移寫入。進一步，由於間隔層218的晶體結構及間隔層218的織構與被釘扎層216的織構之間的關係，明確定義的電子狀態控制了間隔層218的隧穿過程。這通過自由層220的次層222的織構得到進一步改進。因此，來自磁性元件200的信號會被增強。因為通過間隔層218的自旋極化得到改進，轉換自由層220的磁化所必需的臨界電流可降低。並且，被釘扎層216和230可以設置成，以使當寫入磁性元件時，來自被釘扎層216和230的自旋轉移力矩是增加的。這進一步降低了轉換自由層220的磁化所必需的臨界電流。因此，所述磁性元件200可以更容易地在更高密度的磁性儲存器中使用。
圖8是根據本發明可利用自旋轉移寫入的磁性元件200』的第二實施例的第二種形式的圖。所述磁性元件200』與磁性元件200類似。因此，磁性元件200』的類似部分用相似的附圖標記標註。例如，磁性元件200』包括第一被釘扎層216』，絕緣間隔層218』，自由層220』，第二間隔層228』和第二被釘扎層230』，與磁性元件200的層216，218，220，228和230類似。因此，磁性元件200』具有磁性元件200的優點。
另外，所述磁性元件200』包括自旋累積層236和自旋勢壘層238。所述自旋勢壘層238設置成提供電子的鏡面反射，其改進了利用自旋轉移轉換的自由層220』的性能。例如，所述自旋勢壘層最好是具有低電阻面積積(RA product)的弱隧道勢壘，該電阻面積積小於整個磁性元件200」RA值的10％。
所述自旋累積層236最好是具有較長的自旋擴散長度的非磁性層。因此所述自旋勢壘層236最好包括諸如Cu和Ru的材料。所述自旋累積層236和自旋勢壘層238用於通過降低自旋泵效應導致的多餘阻尼，提高所述自旋轉移效應轉換所述自由層220』磁化的性能。因為自旋累積層236和自旋勢壘層238可以起到將自旋極化電流返回到自由層220』的作用，該阻尼被降低。因此，所述磁性元件200』可以更容易在較低寫電流下被轉換。
圖9是根據本發明提供可利用自旋轉移寫入的磁性元件的方法300的一個實施例的圖。所述方法300以磁性元件200』為背景進行描述。但是，本方法300可用於其它磁性元件。方法300也在提供單個磁性元件的情況中進行了描述。但是，本領域的技術人員容易認識到可以提供多個元件。所述方法300最好從所述第一釘扎層214』的沉積開始，通過步驟302，在底部電極212』之後提供任意必需的接種層。步驟304提供所述第一被釘扎層216』。步驟304最好包括提供具有期望的晶體結構和織構的所述第一被釘扎層216』。步驟306提供絕緣的間隔層218』。步驟306包括提供具有期望晶體結構和織構的絕緣層218』。步驟306也包括以隧穿被釘扎層216』和自由層220』之間的所述絕緣間隔層218』來提供所述絕緣間隔層218』。
步驟308提供自由層220』。在一個較佳實施例中，步驟308包括提供具有期望晶體結構和方向的自由層220』。步驟308也最好包括提供所述次層222』和226』，也可選地提供所述磁性間隔層224』。因此，所述絕緣間隔層218』位於所述被釘扎層216』和所述自由層220』之間。如果方法300用來提供所述磁性元件100或110，可以省略剩餘的步驟。步驟310和312各自可選地提供自旋累積層236和自旋勢壘層238。如果方法300用來提供磁性元件110，剩餘步驟可以被省略。步驟314提供另一間隔層228』。間隔層228』是非磁性的，既可以是導電的也可以是其它的絕緣隧道勢壘。從而所述自由層220』位於所述絕緣間隔層218』和所述間隔層228』之間。步驟316提供第二被釘扎層230』。因此，所述間隔層228』位於所述自由層220』和所述被釘扎層之間。也可提供所述第二AFM層232』和頂部電極234』。
因此，可以製作磁性元件100，110，110』，200，和200』。從而，利用方法300，可以製作可利用自旋轉移寫入，具有更高信號而利用自旋轉移寫入的臨界電流較低的磁性元件100，110，110』，200和200』。
已公開了提供能夠利用自旋轉移寫入的磁性元件的方法和系統。雖然已根據所示實施例對本發明進行了說明，本領域的技術人員會容易認識到，可對所述實施例進行修改，而這些修改仍在本發明的本質和範圍之內。因此，在不超出所後附的權利要求的本質和範圍的情況下，本領域的技術人員可進行許多修改。
權利要求
1.一種磁性元件包括被釘扎層；間隔層，所述間隔層是絕緣的並具有規則的晶體結構，所述間隔層設成允許隧穿所述間隔層；自由層，所述間隔層位於所述被釘扎層和所述自由層之間；並且，其中所述磁性元件設成，當寫電流通過所述磁性元件時，允許所述自由層由於自旋轉移而轉換。
2.如權利要求1所述的磁性元件，其中所述被釘扎層具有第一晶體學織構，所述間隔層具有第二晶體學織構。
3.如權利要求2所述的磁性元件，其中所述第一晶體學織構和所述第二晶體學織構相互關聯，並且都為(100)方向。
4.如權利要求2所述的磁性元件，其中至少所述自由層的一部分具有第三晶體學織構.
5.如權利要求4所述的磁性元件，其中所述第一晶體學織構，所述第二晶體學織構，和所述第三晶體學織構彼此關聯，並且都為(100)方向。
6.如權利要求1所述的磁性元件，其中所述自由層包括具有第二規則晶體結構的單一層，或具有第一磁化的第一次層和具有第二磁化的第二次層，所述第一次層位於所述間隔層和所述第二次層之間，所述第一次層具有第二規則的晶體結構，所述第一磁化和所述第二磁化耦合。
7.如權利要求6所述的磁性元件，其中所述單一自由層或第一次層包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一種，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一種的非晶態合金，並具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一種。
8.如權利要求1所述的磁性元件，其中所述被釘扎層包括具有第一規則晶體結構的單一層，或具有第一磁化的第一次層和具有第二磁化的第二次層的合成層，所述第二次層鄰近所述間隔層，所述第二次層具有第一規則的晶體結構，所述第一磁化和所述第二磁化耦合。
9.如權利要求8所述的磁性元件，其中所述單一被釘扎層或所述第二次層包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一種，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一種的非晶態合金，並具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一種。
10.如權利要求6所述的磁性元件，其中所述第二次層是MX的形式，M包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一種，X包括B，Ta，Pd，Pt或Cr中的至少一種。
11.如權利要求6所述的磁性元件，其中所述第一次層具有第一晶體學織構，其中所述間隔層具有第二晶體學織構，並且其中所述第一晶體學織構和所述第二晶體學織構互相關聯，並且都為(100)方向。
12.如權利要求6所述的磁性元件，其中所述第二次層具有低的磁化。
13.如權利要求12所述的磁性元件，其中所述低的磁化小於或等於1100emu/立方釐米。
14.如權利要求1所述的磁性元件，其中所述被釘扎層是合成的被釘扎層，包括第一鐵磁層，第二鐵磁層和非磁性間隔層，所述非磁性間隔層設成磁性地耦合所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層。
15.如權利要求1所述的磁性元件，其中所述被釘扎層包括第一鐵磁層和第二鐵磁層，所述第二鐵磁層具有織構並位於所述第一層和所述間隔層之間。
16.如權利要求15所述的磁性元件，其中所述被釘扎層進一步包括位於所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層之間的非磁性間隔層，所述非磁性間隔層包括Ir，Ru，Rh和Cu中的至少一種。
17.一種磁性元件包括被釘扎層；間隔層，所述間隔層是絕緣的並具有第一規則的晶體結構，所述間隔層設成允許隧穿所述間隔層；自由層，所述間隔層位於所述被釘扎層和所述自由層之間，所述自由層包括具有第一磁化的第一次層和具有第二磁化的第二次層及降低的磁矩(magnetic moment)，所述第一次層位於所述間隔層和所述第二次層之間，所述第一次層具有第二規則的晶體結構，所述第一磁化和所述第二磁化耦合；並且其中所述磁性元件設成，當寫電流通過所述磁性元件時，允許所述自由層由於自旋轉移而轉換。
18.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述被釘扎層具有第一織構，所述間隔層具有第二織構，並且所述自由層具有第三織構，所述第一織構，第二織構和第三織構彼此關聯並且都為(100)方向。
19.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述第一次層包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中的至少一種，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一個的非晶態合金，並具有至少B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的一種。
20.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述被釘扎層包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中的至少一種，或Co，Fe，Ni和Cr中至少一種的非晶態合金，並具有至少B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的一種。
21.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述第二次層是MX的形式，M包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一種，X包括B，Ta，Pd，Pt或Cr中的至少一種。
22.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述低的磁化小於或等於1100emu/立方釐米。
23.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述被釘扎層是合成的被釘扎層，包括第一鐵磁層，第二鐵磁層和非磁性間隔層，所述非磁性間隔層設成磁性地耦合所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層。
24.如權利要求23所述的磁性元件，其中所述被釘扎層進一步包括所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層之間的非磁性間隔層，所述非磁性間隔層包括Ir，Ru，Rh，和Cu中的至少一種。
25.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述間隔層包括至少10原子百分數的Mg。
26.如權利要求25所述的磁性元件，其中所述間隔層是MgO。
27.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述被釘扎層包括體心立方結構，所述第一規則的晶體結構是NaCl結構，所述第二規則的晶體結構是體心立方結構。
28.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述第二次層是非晶態的。
29.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述自由層進一步包括在所述第一次層和所述第二次層之間的非磁性間隔層。
30.如權利要求17所述的磁性元件，進一步包括自旋累積層，所述自由層位於所述間隔層和所述自旋累積層之間。
31.如權利要求30所述的磁性元件，其中所述自旋累積層包括Cu和Ru中的至少一種。
32.如權利要求30所述的磁性元件，進一步包括自旋勢壘層，所述自旋累積層位於所述自由層和所述自旋勢壘層之間。
33.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述自由層比所述被釘扎層更接近襯底。
34.如權利要求17所述的磁性元件，其中所述被釘扎層比所述自由層更接近襯底。
35.一種磁性元件包括第一被釘扎層；絕緣的間隔層，所述絕緣的間隔層是絕緣的並具有規則的晶體結構，所述絕緣的間隔層設成允許隧穿所述絕緣間隔層；自由層，所述絕緣間隔層位於所述被釘扎層和所述自由層之間；間隔層，所述間隔層是非磁性的，既可以是導電層也可以是絕緣隧穿層，所述自由層位於所述絕緣間隔層和所述間隔層之間；第二被釘扎層，所述間隔層位於所述自由層和所述第二被釘扎層之間；並且其中所述磁性元件設成當寫電流通過所述磁性元件時，允許所述自由層由於自旋轉移而轉換。
36.一種磁性元件包括第一被釘扎層；絕緣間隔層，所述絕緣間隔層是絕緣的並具有第一規則的晶體結構和第二織構，所述絕緣間隔層設成允許隧穿所述絕緣間隔層；自由層，所述絕緣間隔層位於所述被釘扎層和所述自由層之間，所述自由層包括具有第一磁化的第一次層和具有第二磁化的第二次層，所述第一次層位於所述絕緣間隔層和所述第二次層之間，所述第一次層具有第二規則的晶體結構及第三織構，所述第一磁化和所述第二磁化耦合；間隔層，所述間隔層是非磁性的，既可以是導電的也可以是絕緣隧穿層，所述自由層位於所述絕緣層和所述間隔層之間；第二被釘扎層，所述間隔層位於所述自由層和所述第二被釘扎層之間；其中所述磁性元件設成，當寫電流通過所述磁性元件，允許所述自由層由於自旋轉移而轉換。
37.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被釘扎層具有第一織構，所述絕緣間隔層具有第二織構，並且所述自由層具有第三織構，所述第一織構，第二織構和第三織構具有特定的晶體學方向關係。
38.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述第一次層包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中至少一種，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一種的非晶態合金，並具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一種。
39.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被釘扎層包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一種，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一種的非晶體合金，並具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一種。
40.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述第二次層具有低的磁矩。
41.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述第二次層是MX的形式，M包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一種，X包括B，Ta，Pd，Pt或Cr中的至少一種。
42.如權利要求40所述的磁性元件，其中所述低的磁矩於或等於1100emu/立方釐米。
43.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被釘扎層和所述第二被釘扎層中的至少一個是合成的被釘扎層，包括第一鐵磁層，第二鐵磁層和非磁性間隔層，所述非磁性間隔層設成磁性地耦合所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層。
44.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述絕緣間隔層包括至少10原子百分數的Mg。
45.如權利要求44所述的磁性元件，其中所述絕緣間隔層是MgO。
46.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被釘扎層具有體心立方結構，所述第一規則的晶體結構是NaCl結構，所述第二規則的晶體結構是體心立方結構。
47.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述第二次層是非晶態的。
48.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述自由層進一步包括在所述第一次層和所述第二次層之間的非磁性間隔層。
49.如權利要求36所述的磁性元件，進一步包括自旋累積層，所述自旋累積層位於所述間隔層和所述第二被釘扎層之間。
50.如權利要求49所述的磁性元件，其中所述自旋累積層包括Cu和Ru中的至少一個。
51.如權利要求49所述的磁性元件，進一步包括自旋勢壘層，所述自旋勢壘層位於所述自旋累積層和所述第二被釘扎層之間。
52.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述自由層比所述第一被釘扎層更接近襯底。
53.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被釘扎層比所述自由層更接近襯底。
54.如權利要求36所述的磁性元件，其中所述被釘扎層包括第一層和第二層，所述第二層位於所述第一層和所述間隔層之間。
55.一種提供磁性元件的方法，包括提供被釘扎層；提供間隔層，所述間隔層是絕緣的並具有規則的晶體結構，所述間隔層設成允許隧穿所述間隔層；提供自由層，所述間隔層位於所述被釘扎層和所述自由層之間；並且其中所述磁性元件設成，當寫電流通過所述磁性元件時，所述自由層由於自旋轉移而轉換。
56.如權利要求55所述的方法，其中所述自由層提供步驟進一步包括提供具有第一磁化的第一次層；並且提供具有第二磁化的第二次層，所述第一次層位於所述間隔層和所述第二次層之間，所述第一次層具有第二規則的晶體結構，所述第一磁化和所述第二磁化耦合。
57.如權利要求56所述的方法，其中所述第一次層具有第一晶體學織構，並且其中所述間隔層具有第二晶體學織構，所述第一晶體學織構和所述第二晶體學織構是互相關聯的並且都為(100)方向。
58.如權利要求55所述的方法，其中所述被釘扎層是合成的被釘扎層，包括第一鐵磁層，第二鐵磁層，和設成磁性耦合所述第一鐵磁層和第二鐵磁層的非磁性間隔層。
59.一種提供磁性元件的方法包括提供第一被釘扎層；提供絕緣間隔層，所述絕緣間隔層是絕緣的並具有規則的晶體結構，所述絕緣間隔層設成允許隧穿所述絕緣間隔層；提供自由層，所述絕緣間隔層位於所述被釘扎層和所述自由層之間；提供間隔層，所述間隔層是非磁性的，既可以是導電也可以是絕緣的，所述自由層位於所述絕緣間隔層和所述間隔層之間；並且提供第二被釘扎層，所述間隔層位於所述自由層和所述第二被釘扎層之間；其中所述磁性元件設成，當寫電流通過所述磁性元件時，所述自由層由於自旋轉移而轉換。
全文摘要
揭示了一種提供磁性元件的方法和系統。所述方法和系統包括提供被釘扎層，自由層以及被釘扎層和自由層之間的間隔層。所述間隔層是絕緣的，並具有規則的晶體結構。所述間隔層也設置成允許隧穿所述間隔層。一方面，對於所述間隔層，所述自由層由具有相對間隔層的特定晶體結構和織構的單一磁性層構成。另一方面，所述自由層由兩個次層構成，所述第一次層具有相對所述間隔層的特定晶體結構和織構，並且所述第二次層具有低磁矩。在又一個方面，所述方法和系統也包括提供第二被釘扎層和第二非磁性的位於所述自由層和所述第二被釘扎層之間的間隔層。所述磁性元件設置成當寫電流通過所述磁性元件時，允許由於自旋轉移而轉換自由層。
文檔編號H01L21/00GK101088142SQ200580041791
公開日2007年12月12日 申請日期2005年12月6日 優先權日2004年12月6日
發明者馬亨德拉·帕卡拉, 泰瑞·瓦勒特, 懷一鳴, 刁治濤 申請人:弘世科技公司