利用自旋轉換切換並存儲多個位的磁性存儲元件的製作方法

2023-05-27 21:55:46 1

專利名稱：利用自旋轉換切換並存儲多個位的磁性存儲元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁性系統，更具體地，涉及一種用於提供減小尺寸的磁性元件的方法和系統，包括但不限於在切換中利用自旋轉換效應的並能夠用於例如磁性隨機存取存儲器(「MRAM」)的磁性存儲器的磁性元件。
背景技術：
各種類型的磁性技術利用磁性元件來存儲或讀取數據。例如，在傳統的MRAM技術中，所使用的傳統的磁性元件是自旋隧道結。圖1A顯示了一個這樣的傳統磁性元件10，它是自旋隧道結10。傳統的自旋隧道結10包括反鐵磁(AFM)層12、釘扎層14、屏蔽層16和自由層18。傳統的釘扎層14是鐵磁的，並具有通常由AFM層12固定的磁化方向。如此處所使用的，術語「鐵磁的」包括鐵磁的、亞鐵磁的和超鐵磁的材料。傳統的鐵磁自由層18通過絕緣屏蔽層16與釘扎層分開。屏蔽層16足夠薄，以使電荷載流子在釘扎層14與自由層18之間隧穿。類似地，在傳統的硬碟磁性記錄技術中，用於磁阻讀取頭的磁性元件包括傳統的磁性元件，例如自旋閥。自旋閥具有與傳統的自旋隧道結類似的結構。但是，屏蔽層16由導電的非磁性間隔層替代。自旋閥包括具有通常由AFM層固定的磁化方向的鐵磁的釘扎層。自旋閥還包括通過導電的非鐵磁間隔層(例如Cu)與釘扎層分開的鐵磁的自由層。自旋隧道結和自旋閥的鐵磁的釘扎和自由層也可以是合成的。
為了編程傳統的自旋隧道結10，通常通過使電流通過一個或多個寫入線(沒有顯示)來施加外部磁場。響應該磁場，傳統的自由層18的磁化方向平行或反向平行於傳統的釘扎層14的磁化方向。當去除磁場時，傳統的自由層18的磁化方向保持不變。如果傳統的自由層18的磁化方向平行於傳統的釘扎層14的磁化方向，則傳統的自旋隧道結10處於低電阻狀態。如果傳統的自由層18的磁化方向反向平行於傳統的釘扎層14的磁化方向，則傳統的自旋隧道結10處於高電阻狀態。例如，假設當傳統的自由層18的磁化方向與傳統的釘扎層14的磁化方向平行時，則傳統的自旋隧道結10的總電阻是R-ΔR。另外，當傳統的自由層18的磁化方向與傳統的釘扎層14的磁化方向反向平行時，電阻是R+ΔR。因此傳統的磁性元件10能被視為具有中值電阻R。中值電阻是在器件的工作範圍中間的電阻。基於這兩種狀態，R-ΔR和R+ΔR，能夠在傳統的自旋隧道結10中存儲一位的信息(對應於0和1)。
此外，其它的傳統磁性元件構建在傳統的自旋隧道結10上。例如，能夠使用成雙的傳統自旋隧道結。在這樣的傳統磁性元件中，能夠提供第二釘扎層以及在第二釘扎層與自由層18之間提供第二屏蔽層。其它傳統的磁性元件可以使用導電層代替第二屏蔽層，如圖1B和圖2所示。在這樣的情況下，能夠將傳統的磁性元件視為共享公用自由層的自旋閥和自旋隧道結的組合。
圖2顯示了另一個能夠存儲多位數據的傳統的磁性元件20。磁性元件20包括由導電層22分開的兩個自旋隧道結30和40。自旋隧道結30包括由屏蔽層34分開的釘扎層32和自由層36。類似地，自旋隧道結40包括由屏蔽層44分開的釘扎層42和自由層46。為了清楚，沒有顯示AFM層。但是，AFM層通常用於固定釘扎層32和42的磁化方向。導電層22電性地連接自旋隧道結30和40。構成傳統的自由層36和46，使得傳統的自由層36的磁化方向在與傳統的自由層46的磁化方向不同的磁場下改變方向。這通常通過確保傳統的自由層36和46具有不同的厚度來實現。此外，屏蔽層34和44具有不同的厚度，使得傳統的自旋隧道結具有不同的電阻。
為了編程傳統的磁性元件20，通常使用驅動通過一條或多條寫入線(未示出)的電流來施加外部磁場。出於說明的目的，假設傳統的自由層36的矯頑磁性是H1，而傳統的自由層46的矯頑磁性是H2。還假設H1小於H2。如果存儲「00」，則首先一直施加在第一方向上大於H1和H2的磁場H，第一方向例如平行於傳統的釘扎層32的磁化方向。因此，傳統的自由層36和46的磁化方向是平行的。此外，傳統的自由層36和46的磁化方向都平行於釘扎層32和42的磁化方向。如果要存儲「10」，則在相同的方向上施加H並去除。然後施加第二場。第二場的幅度在H1與H2之間。第二場的方向與H的方向相反，因此，反向平行於傳統的釘扎層32和42的磁化方向。結果，傳統的自由層36的磁化方向反向平行於傳統的釘扎層32的磁化方向，而傳統的自由層46的磁化方向平行於傳統的釘扎層42的磁化方向。如果要存儲「01」，則首先在相反方向上施加H，其反向平行於傳統的釘扎層32和42的磁化方向。然後去除場。然後提供在H1與H2之間的平行於傳統的釘扎層32和42的磁化方向的場。結果，傳統的自由層36的磁化方向將被定向為平行於傳統的釘扎層32的磁化方向，而傳統的自由層46的磁化方向被定向為反向平行於傳統的釘扎層42的磁化方向。如果要存儲「11」，則在反向平行於傳統的釘扎層32和42的磁化方向的方向上施加H。因此在磁性元件50中存儲了對應於「00」、「01」、「10」和「11」的兩位。
狀態「00」、「01」、「10」和「11」對應於不同的電阻。當自由層36與釘扎層32的磁化方向對準時，自旋隧道結30的電阻是R1-ΔR1，或者當自由層36與釘扎層32的磁化方向反向平行時，自旋隧道結30的電阻是R1+ΔR1。R1可以視為自旋隧道結30的中值電阻，ΔR1從中值電阻改變到一個穩定狀態(磁化方向平行或反向平行)。當自由層46與釘扎層42的磁化方向平行時，自旋隧道結40的電阻是R2-ΔR2。當自由層46與釘扎層42的磁化方向反向平行時，自旋隧道結40的電阻是R2+ΔR2。R2可以視為自旋隧道結40的中值電阻，ΔR2從中值電阻改變到一個穩定狀態(磁化方向平行或反向平行)。對於按照期望工作的傳統的磁性元件20，R1應當不同於R2，ΔR1應當不同於ΔR2。因此，對於傳統的磁性元件20，「00」對應於電阻R1-ΔR1+R2-ΔR2。對於傳統的磁性元件20，「01」對應於電阻R1-ΔR1+R2+ΔR2。對於傳統的磁性元件20，「10」對應於電阻R1+ΔR1+R2-ΔR2。對於傳統的磁性元件20，「11」對應於電阻R1+ΔR1+R2+ΔR2。
儘管使用具有傳統自旋隧道結的傳統磁性元件10和20的傳統磁性存儲器能夠工作，但是本領域技術人員將很容易意識到，傳統的磁性元件10和20用在較高的存儲單元密度時存在一些障礙。特別是使用由驅動通過位線(未示出)和寫入線(未示出)的電流產生的外部磁場來寫入傳統的磁性元件10、20。換言之，通過由驅動通過位線和寫入線的電流產生的外部磁場來切換自由層18、36和46的磁化方向。用於切換自由層18、36和46的磁化方向所需的磁場(稱作切換場)與傳統的磁性元件10和20的寬度成反比。結果，對於具有較小的傳統磁性元件10和20的傳統存儲器，切換場增加。由於切換場較高，所以將被驅動通過位線以及特別是寫入線所需的電流對於高的存儲單元密度將顯著地增加。這種大電流能夠在使用傳統磁性元件10或20的傳統磁性存儲器中產生很多問題。例如，串擾和功耗將增加。此外，驅動用於在預期的傳統存儲元件10或20產生切換場的電流所需的驅動電路也將增加面積和複雜度。此外，傳統的寫入電流必須足夠大以便切換磁性存儲單元，但是不能太大，否則相鄰的單元被無意地切換。這種寫入電流幅度的上限能夠導致可靠性的問題，因為比其它單元難於切換的單元(由於製造和材料的不均勻導致的)將不能始終如一地寫入。
因此，需要的是用於提供在提供足夠的讀取信號的同時能夠用在高密度存儲器陣列中的、低功耗、低串擾和高穩定性的磁性元件的方法和系統。本發明滿足了對這種磁性存儲元件的需求。

發明內容
本發明提供了一種用於提供能夠存儲多位的磁性元件的方法和系統。該方法和系統包括提供第一釘扎層、第一非磁性層、第一自由層、連接層、第二釘扎層、第二非磁性層和第二自由層。第一釘扎層是鐵磁的，並具有固定在第一方向上的第一釘扎層磁化方向。第一非磁性層位於第一釘扎層與第一自由層之間。第一自由層是鐵磁的，並且具有第一自由層磁化方向。第二釘扎層是鐵磁的，並具有固定在第二方向上的第二釘扎層磁化方向。連接層位於第二釘扎層與第一自由層之間。第二非磁性層位於第二釘扎層與第二自由層之間。第二自由層是鐵磁的，並且具有第二自由層磁化方向。第一和第二非磁性層可以是絕緣的屏蔽層，或者它們可以是導電的金屬層。在優選實施例中，第一和第二非磁性層是導電的層。在優選實施例中，磁性元件還包括第一屏蔽層、第二屏蔽層、第三釘扎層和第四釘扎層。在這樣的實施例中，第一屏蔽層位於第一自由層與第三釘扎層之間。第二屏蔽層位於第二自由層與第四釘扎層之間。此外，在優選實施例中，釘扎層的磁化方向通過鄰近的反鐵磁層固定，連接層是共用的反鐵磁層。或者，為了降低堆疊高度，釘扎層及其鄰近(或共用的)固定的AFM層能夠由反鐵磁耦合的硬磁性層/Ru/硬磁性層或者硬磁性層/Ru/軟磁性層的三層結構替代，其中「硬」和「軟」分別是指具有高和低的磁性各向異性的鐵磁層。軟層可以是Co、Fe、Ni及其合金；硬層可以是例如CoCrPt的硬磁體材料。磁性元件被配置成在寫入電流通過磁性元件時，允許由於自旋轉換導致第一自由層磁化方向和第二自由層磁化方向改變方向。
按照此處公開的系統和方法，本發明提供了一種能夠存儲多位並利用自旋轉換切換進行寫入的磁性元件，自旋轉換切換比場切換機制更局部。


圖1A顯示了用於傳統的磁性存儲器中的傳統的磁性元件；圖1B是用作磁性元件的雙自旋隧道/閥結構的一個實施例的視圖；圖2顯示了用於傳統的磁性存儲器中的能夠存儲多位的另一個傳統的磁性元件；圖3A是按照本發明的能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件的一個實施例的視圖；圖3B是說明按照本發明的對能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件進行寫入的方法的一個實施例的高級流程圖；圖3C是說明按照本發明的對能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件進行寫入的方法的一個實施例的更詳細的流程圖；圖4A是按照本發明的能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件的第二實施例的視圖；圖4B是按照本發明的能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件的第二實施例的替代版本的視圖；圖5A是按照本發明的能夠存儲多位的、利用自旋轉換現象進行寫入並利用雙自旋隧道/閥結構的磁性元件的第三實施例的視圖；
圖5B是按照本發明的能夠存儲多位的、利用自旋轉換現象進行寫入並利用雙自旋隧道/閥結構的磁性元件的第四實施例的視圖；圖6A是按照本發明的能夠存儲多位的、利用自旋轉換現象進行寫入並利用雙自旋隧道/閥結構的磁性元件的第五優選實施例的視圖；圖6B是按照本發明的能夠存儲多位的、利用自旋轉換現象進行寫入並利用雙自旋隧道/閥結構的磁性元件的第五優選實施例的替代版本的視圖；圖7是按照本發明的用於提供能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件的方法的一個實施例的高級流程圖；圖8是按照本發明的用於提供能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件的方法的一個實施例的更詳細的流程圖。
具體實施例方式
本發明涉及磁性元件的改進。呈現下面的說明使得本領域普通技術人員能夠製造和利用本發明，並且按照專利申請的格式及其要求提供下面的說明。對優選實施例的各種修改對於本領域技術人員來說將是很明顯的，並且此處的一般原理可用於其它的實施例。因此，本發明不限於所示的實施例，而是符合與此處公開的原理和特徵一致的最寬範圍。
傳統的磁性存儲技術逐步地利用具有較小尺寸的磁性元件，例如自旋閥和自旋隧道結。但是，使用傳統方法製造和操作這樣的元件是困難的。一種最近發現的稱作自旋轉換的現象對磁性存儲技術是有益的。在J.C.Slonczewski的「Current-driven Excitation of MagneticMultilayers」Journal of Magnetism and Magnetic Materials，vol.159，p.L1-L5(1996)；L.Berger的「Emission of Spin Waves by a MagneticMultilayer Traversed by a Current」phys.Rev.B，vol.54，p.9353(1996)；以及F.J.Albert、J.A.Katine和R.A.Buhman的「Spin-polarized CurrentSwitching ofa Co Thin Film Nanomagnet」Appl.Phys.Lett.，vol.77，No.23，p.3809-3811(2000)中詳細公開了對自旋轉換的目前理解。因此，下面說明的自旋轉換現象是基於本領域中的目前理解，而不限於本發明的範圍。
自旋轉換效應起源於鐵磁常態金屬多層的自旋相依的電子傳遞特性。當自旋極化的電流以垂直於平面的電流(CPP)配置穿過磁性的多層時，入射在鐵磁層上的電子的自旋角動量與鐵磁層的磁性力矩互相作用。通過此相互作用，電子將其一部分的角動量傳遞到鐵磁層。因此，如果電流密度足夠高(大約107-108A/cm2)並且如果多層的尺寸較小(大約小於200納米)使得自建場效應不明顯，則自旋極化的電流能夠切換鐵磁層的極化方向。此外，為了自旋轉換能夠切換鐵磁層的磁化方向，鐵磁層必須足夠薄，例如，對於Co優選地小於大約10納米。
自旋轉換的現象能夠用於CPP配置中作為選項或者除了使用外部切換場以外的選項，以切換傳統的自旋閥或傳統的自旋隧道結的自由層的磁化方向。自旋轉換是當傳統的磁性元件的尺寸較小時(在幾百納米範圍內)支配其它機制並由此變得引人注目的一種現象。與應用外部場相比，自旋轉換現象是局部的現象。因此，自旋轉換可以用於在具有較小的磁性元件的較高密度的磁性存儲器中向磁性元件進行寫入。
本領域普通技術人員很容易意識到，使用自旋轉換的現象對傳統的磁性元件(例如自旋閥或自旋隧道結)進行寫入存在礙礙。對於傳統的自旋閥，CPP構造導致明顯降低的信號。儘管傳統的自旋隧道結由於較大的電阻而可以具有較大的信號，但是由於歐姆損耗導致用於引起自旋轉換效應所需的高電流密度能夠破壞薄的絕緣屏蔽。
如上所述，其它的傳統磁性元件已經在特性的改變程度中被提出，並在某些情況下被應用。這樣的傳統磁性元件包括雙自旋閥、雙自旋隧道結以及自旋閥與自旋隧道結的組合。
圖1B是能夠用作磁性元件的被稱作雙自旋隧道/閥結構70的磁性元件的一個實施例的視圖。優選地在適合的仔晶層上製造雙自旋隧道/閥結構70。雙自旋隧道/閥結構70包括反鐵磁(AFM)層71，其上製造了釘扎層72。釘扎層72是鐵磁的並通過AFM層71使其磁化方向固定。雙自旋隧道/閥結構70還包括絕緣的屏蔽層73，屏蔽層73足夠薄以使電荷載流子在釘扎層72與自由層74之間隧穿。自由層74是鐵磁的，並具有能夠由於自旋轉換現象而被改變的磁化方向。雙自旋隧道/閥結構70還包括導電的非磁性間隔層75，非磁性間隔層75能夠包括例如Cu的材料。雙自旋隧道/閥結構70包括鐵磁的第二釘扎層76，第二釘扎層76具有通過AFM層77固定的磁化方向。雙自旋隧道/閥結構70能被視為由自旋隧道結(包括層71、72、73和74)和自旋閥(包括層74、75、76和77)構成，二者共用自由層。因此，當允許使用自旋轉換進行寫入時能夠獲得較高的讀取信號。儘管所述的是單個鐵磁的膜，但是層72、74和76可以是合成的，和/或可以被摻雜以提高雙自旋隧道/閥結構70的熱穩定性。此外，已經公開了具有靜磁耦合的自由層的其它磁性元件，包括具有靜磁耦合的自由層的雙自旋隧道/閥結構。因此，也能夠提供使用磁性元件(例如自旋隧道結)的其它結構或雙自旋隧道/閥結構。
配置雙自旋隧道/閥結構70，以允許使用自旋轉換來切換自由層74的磁化方向。因此，雙自旋隧道/閥結構70的尺寸最好較小，在幾百納米範圍內，以便減小自建場效應。在優選實施例中，雙自旋隧道/閥結構70的尺寸小於200納米，並優選地大約為100納米。雙自旋隧道/閥結構70優選地具有垂直於圖2中頁面的大約50納米的深度。該深度優選地小於雙自旋隧道/閥結構70的寬度，使得雙自旋隧道/閥結構70具有一些形狀各向異性，確保自由層74具有優選的方向。此外，自由層74的厚度足夠低，使得自旋轉換足夠強，以便將自由層磁化方向轉成與釘扎層72和76的磁化方向對準。在優選實施例中，自由層74具有小於或等於10nm的厚度。此外，對於具有優選尺寸的雙自旋隧道/閥結構70，能夠以相當小的電流提供大約107Amps/cm2的電流密度。例如，對於具有0.06×0.12μm2的橢圓形狀的雙自旋隧道/閥結構70，能夠通過大約0.5mA的電流提供大約107Amps/cm2的電流密度。結果，可以避免使用用於傳遞非常高的電流的專用電路。
儘管上述的磁性元件可以很好的實現其預期目的，但是本領域技術人員還將意識到，期望將這些磁性元件用在較高密度的存儲器中。
本發明提供了一種用於提供能夠存儲多位的磁性元件的方法和系統。該方法和系統包括提供第一釘扎層、第一非磁性層(其是電性導電的)、第一自由層、連接層、第二釘扎層、第二非磁性層和第二自由層。第一釘扎層是鐵磁的，並具有固定在第一方向上的第一釘扎層磁化方向。第一非磁性層位於第一釘扎層與第一自由層之間。第一自由層是鐵磁的並具有第一自由層磁化方向。第二釘扎層是鐵磁的，並具有固定在第二方向上的第二釘扎層磁化方向。第二連接層位於第二釘扎層與第一自由層之間。第二非磁性層位於第二釘扎層與第二自由層之間。第二自由層是鐵磁的並具有第二自由層磁化方向。構成該磁性元件，以便在寫入電流通過該磁性元件時允許自旋轉換使得第一自由層磁化方向和第二自由層磁化方向改變方向。
將根據具有某種部件和某種數量的結構的特別磁性元件說明本發明。但是，本領域技術人員將很容易意識到，此方法和系統對於具有不同的和/或額外的部件或結構(例如其它數量的自旋閥、自旋隧道結和/或雙自旋隧道/閥結構)的其它磁性存儲元件也將有效地工作。本發明還與具有與本發明不一致的不同和/或其它特徵的磁性元件相容。還以自旋轉換現象的目前理解為背景說明本發明。因此，本領域技術人員將很容易意識到，該方法和系統的行為的理論上的說明是以自旋現象的目前理解為基礎。本領域技術人員還將容易地意識到，是以與襯底具有特定關係的結構為背景說明該方法和系統的。但是，本領域技術人員將很容易意識到，該方法和系統也與其它結構相容。例如，本發明與頂部和底部自旋閥以及頂部和底部自旋隧道結相容。此外，以某種合成的層為背景說明本方法和系統。但是，本領域技術人員將很容易意識到，其它的和/或額外的層也能夠是合成的。此外，本發明與具有單一和/或合成的鐵磁層的磁性元件相容。而且，儘管以提供單個磁性元件為背景說明了按照本發明的方法的實施例，但是本領域技術人員將很容易意識到該方法與提供多個磁性元件(例如以陣列方式)也相容。還以施加在特定方向的寫入電流、具有特定幅度的寫入電流以及施加的特定數量的寫入電流為背景說明本發明。但是，本領域技術人員將很容易意識到，本發明與其它的和/或不同的寫入電流相容。還以在層之間具有特定方向的磁化為背景說明了本發明。但是，本領域技術人員將很容易意識到本發明也與其它的方向相容。
為了更具體的給出本發明的方法和系統，現在參照圖3A，圖3A顯示了按照本發明的能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件100的一個實施例。磁性元件100包括兩個自旋隧道結110和120，兩個自旋隧道結110和120被配置成可使用自旋轉換現象進行寫入，並由連接層102分開。
自旋隧道結110包括自由層118、優選地為屏蔽層116的非磁性層和釘扎層114。自由層118和釘扎層114是鐵磁的。釘扎層114的磁化方向固定在特定方向上。優選地，自旋隧道結110包括用於固定釘扎層114的磁化方向的AFM層112。但是，在可選實施例中，釘扎層114的磁化方向能夠以其它的方式被固定。屏蔽層116被配置成允許電荷載流子在釘扎層114與自由層118之間隧穿。自旋隧道結120包括自由層128、優選地為屏蔽層126的非磁性層和釘扎層124。自由層128和釘扎層124是鐵磁的。釘扎層124的磁化方向固定在特定方向上。優選地，自旋隧道結120包括用於固定釘扎層124的磁化方向的AFM層122。但是，在可選實施例中，釘扎層124的磁化方向能夠以其它的方式被固定。屏蔽層126被配置成允許電荷載流子在釘扎層124與自由層128之間隧穿。釘扎層118和128優選地固定在圖3A所示的方向上。
由於它們被配置成使用自旋轉換現象進行寫入，所以自旋隧道結110和120的尺寸優選地與雙自旋隧道/閥結構70類似。因此，自旋隧道結110和120的尺寸優選地是較小，在幾百納米範圍內。在優選的實施例中，自旋隧道結110和120的尺寸小於200納米，並優選地大約為100納米。自旋隧道結110和120的尺寸優優選地具有垂直於圖3中頁面的大約50納米的深度。該深度優選地小於自旋隧道結110和120的寬度，使得自旋隧道結110和120具有一些形狀各向異性，確保自由層118和128具有優選的方向。此外，自由層118和128的厚度足夠低，使得自旋轉換足夠強，以便將自由層磁化方向轉成與釘扎層114和124的磁化方向對準。在優選實施例中，自由層118和128具有小於或等於10nm的厚度。此外，對於具有優選尺寸的自旋隧道結110和120，能夠以相當小的電流提供大約107Amps/cm2的電流密度。例如，對於具有0.06×0.12μm2的橢圓形狀的自旋隧道結110和120，能夠通過大約0.5mA的電流提供大約107Amps/cm2的電流密度。結果，可以避免使用用於傳遞非常高的電流的專用電路。
在操作中，能夠使用從磁性元件100的頂部到磁性元件100的底部的正向的電流I1F以及從磁性元件100的底部到磁性元件100的頂部的反向的電流I1R對自旋隧道結110寫入數據。當在正向上施加電流I1F時，多數電子從釘扎層114移動到自由層118(由於電子帶負電，所以與電流I1F的方向相反)。多數電子使其自旋平行於釘扎層114的磁化方向。多數電子能夠經過自旋轉換將其角動量傳遞到自由層118。當提供電流I1F時，足夠數量的多數電子傳遞它們的角動量，以使自由層118的磁化方向與釘扎層114的磁化方向對準。當在反向上施加電流I1R時，從自由層118移動到釘扎層114(與電流I1R的方向相反)的少數電子從釘扎層114被反射。少數電子使其角動量處在與釘扎層114的磁化方向相反的方向上。當提供電流I1R時，足夠數量的少數電子傳遞它們的角動量，以使自由層118的磁化方向與釘扎層114的磁化方向反向平行。
類似地，能夠使用從磁性元件100的頂部到磁性元件100的底部的正向的電流I2F以及從磁性元件100的底部到磁性元件100的頂部的反向的電流I2R對自旋隧道結120進行寫入。自旋轉換能夠按照與上述類似的方式定向自由層128的磁化方向。在優選實施例中，I1F大於I2F，I1R大於I2R。能夠通過改變磁性元件110和120中的層來獲得磁性元件110和120的電阻和寫入電流的差別。例如，自由層118和128能夠具有不同的厚度。類似地，屏蔽層116和126能夠具有不同的厚度。
除了配置成使用自旋轉換進行寫入之外，優選地將自旋隧道結110和120配置成具有不同的中值電阻，並使用不同的電流進行寫入。例如，自旋隧道結110和120的中值電阻分別是R1和R2。當自由層118與釘扎層114的磁化方向平行和反向平行時，自旋隧道結110的電阻分別是R1-ΔR1和R1+ΔR1。當自由層128與釘扎層124的磁化方向平行和反向平行時，自旋隧道結120的電阻分別是R2-ΔR2和R2+ΔR2。在優選實施例中，R1、ΔR1、R2、ΔR2是不同的，因此能夠區分磁性元件100的四種不同的狀態。
連接層102位於自旋隧道結110和自旋隧道結120之間。連接層102優選地是導電的。因此，在CPP方向上通過磁性元件100的電流很容易在自旋隧道結110和120之間通過。結果，用於一個自旋隧道結110的相同的寫入電流和讀取電流能夠用於另一個自旋隧道結120。
圖3B是說明按照本發明的對能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件進行寫入的方法140的一個實施例的高級流程圖。以圖3A中所示的磁性元件100為背景來說明方法140。參照圖3A和3B，在對磁性元件進行寫入時，使用的寫入電流應當確保自由層118和128的預期的調整。如果將要寫入「00」，則經過步驟142對磁性元件施加至少一個寫入電流，用於使自由層118和128的磁化方向與釘扎層114和124的磁化方向對準。因此，步驟142能夠包括提供在正向上通過磁性元件100的大於I1F和I2F的單個寫入電流。如果將要寫入「01」，則經過步驟144施加一個或多個寫入電流，用於使自由層128的磁化方向反向平行於釘扎層124的磁化方向，使自由層118的磁化方向平行於釘扎層114的磁化方向。如果將要寫入「10」，則經過步驟146施加一個或多個寫入電流，用於使自由層128的磁化方向平行於釘扎層124的磁化方向，使自由層118的磁化方向反向平行於釘扎層114的磁化方向。如果將要寫入「11」，則經過步驟148施加一個或多個寫入電流，用於使自由層118和128的磁化方向反向平行於釘扎層114和124的磁化方向。
圖3C顯示了按照本發明的對能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件進行寫入的方法150的一個實施例。以圖3A中所示的磁性元件100為背景來說明方法150。參照圖3A和3C，在對磁性元件寫入時，使用的寫入電流應當確保自由層118和128的預期的調整。
經過步驟152確定是否將要對磁性元件100寫入「00」。如果是，則經過步驟154在正向上(朝向圖3A頁面的底部)施加第一寫入電流。第一寫入電流大於I1F和I2F。結果，自旋轉換分別將自由層118和128定向成平行於釘扎層114和124。在此狀態下磁性元件100的電阻是R1-ΔR1+R2-ΔR2。
如果不是要寫入「00」，則經過步驟156確定是否將要寫入「01」。如果是，則經過步驟158在正向上施加大於I1F和I2F的寫入電流。優選地，該寫入電流等於第一寫入電流。因此，自由層118和128被分別定向成平行於釘扎層114和124。然後經過步驟160在反向上(圖3A中向上)施加第二寫入電流。第二寫入電流大於I2R，但是小於I1R。結果，第二寫入電流引起的自旋轉換將自由層128的磁化方向翻轉成反向平行於釘扎層124的磁化方向，而自由層118的磁化方向保持平行於釘扎層114的磁化方向。在此狀態下磁性元件100的電阻是R1-ΔR1+R2+ΔR2。
如果不是要寫入「01」，則經過步驟162確定是否將要寫入「10」。如果是，則經過步驟164在反向上施加第三寫入電流。因此，自由層118和128被分別定向成反向平行於釘扎層114和124。然後經過步驟166在正向上施加第四寫入電流。第四寫入電流大於I2F，但是小於I1F。結果，第二寫入電流引起的自旋轉換將自由層128的磁化方向翻轉成平行於釘扎層124的磁化方向，而自由層118的磁化方向保持反向平行於釘扎層124的磁化方向。在此狀態下磁性元件100的電阻是R1+ΔR1+R2-ΔR2。
如果不是要寫入「10」，則是要寫入「11」。因此，經過步驟170在反向上施加大於I1R和I2R的寫入電流，優選地等於第三寫入電流。因此自由層118和128的磁化方向被分別定向成反向平行於釘扎層114和124的磁化方向。在此狀態下磁性元件100的電阻是R1+ΔR1+R2+ΔR2。
為了讀取磁性元件100，提供小於I1F、I2F、I1R和I2R的讀取電流。因此讀取電流小於任何施加的寫入電流。因此，讀取電流將不改變寫入到磁性元件中的數據。能夠根據讀取電流和輸出信號來確定磁性元件100的電阻。根據磁性元件的電阻，能夠確定存儲的數據-「00」、「01」、「10」或「11」。如果電阻是R1-ΔR1+R2-ΔR2，則存儲的是「00」。如果電阻是R1-ΔR1+R2+ΔR2，則存儲的是「01」。如果電阻是R1+ΔR1+R2-ΔR2，則存儲的是「10」。如果電阻是R1+ΔR1+R2+ΔR2，則存儲的是「11」。
使用方法140和/或150，能夠使用自旋轉換在磁性元件100中存儲多位。由外部電流驅動的切換場不是必要的。相反，使用更局部和可靠的現象來對磁性元件100進行寫入，導致較少的串擾。此外，對於具有優選尺寸的磁性元件100，能夠以相當小的電流提供大約107Amps/cm2的足夠的電流密度。例如，對於具有0.06×0.12μm2的橢圓形狀的磁性元件，能夠通過大約0.5mA的電流提供大約107Amps/cm2的電流密度。結果，能夠避免使用用於傳遞非常高電流的專用電路。此外，由於在單個磁性元件100中存儲多位，所以能夠製造結合磁性元件100的高密度的存儲器(每單位面積存儲更多的位)。
圖4A是按照本發明的能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件100′的第二實施例的視圖。磁性元件100′的許多部件類似於圖3A中所示的磁性元件100的部件。因此，這些部件被類似地標記。例如，磁性元件100′包括自旋隧道結110′和120′。但是，連接層102已經被共用的AFM層102′替代。此外，已經省略了AFM層112和122。相反，單個共用的AFM層102′起到連接層(類似於連接層102)以及用於固定釘扎層114′和124′(類似於AFM層102和112)磁化方向的層的作用。或者，為了進一步降低堆疊的高度，能夠通過反鐵磁耦合的硬磁性層/Ru/硬磁性層或硬磁性層/Ru/軟磁性層的三層結構來替代釘扎層114′和124′以及釘扎的的AFM層102′，其中「硬」和「軟」分別是指具有高和低的磁性各向異性的鐵磁層。軟層可以是Co、Fe、Ni及其合金；硬層可以是例如CoCrPt的硬磁體材料。圖4B中顯示了這樣的可選結構100″。參照圖4A和4B，與磁性元件100′類似的磁性元件100″的部件被類似地標記。例如，磁性元件100″包括自由層128″和118″。但是，硬磁性層111、Ru層113和硬或軟磁性層115用於替代磁性元件100′的釘扎層114′和124′以及AFM層102′。
磁性元件100′和100″還被配置成使用自旋轉換進行寫入並存儲多位。因此，磁性元件100′和100″共用許多相同的特性，並且可以按照基本上與磁性元件100相同的方式進行寫入。因此分別顯示在圖3B和3C中的方法140和150能夠用於向圖4A和4B所示的磁性元件100′和100″寫入數據。由於被驅動通過磁性元件100′和100″的電流能夠用於使用自旋轉換進行寫入數據，所以由外部電流驅動的切換場不是必要的。相反，使用更局部和可靠的現象來對磁性元件100′和100″進行寫入。此外，對於具有優選尺寸的磁性元件100′和100″，能夠以相當小的電流提供大約107Amps/cm2的足夠的電流密度。例如，對於具有0.06×0.12μm2的橢圓形狀的磁性元件，能夠通過大約0.5mA的電流提供大約107Amps/cm2的電流密度。結果，能夠避免使用用於傳遞非常高電流的專用電路。此外，由於在單個磁性元件100′和100″中存儲多位，所以能夠製造結合磁性元件100′和100″的高密度的存儲器(每單位面積存儲更多的位)。此外，由於磁性元件100′使用單個共用的AFM層102′來連接自旋隧道結110′和120′，所以能夠省略分開的AFM層。類似地，由於使用了層111、113和115，所以在磁性元件100″中省略了額外的AFM層。結果，磁性元件100′和100″能夠具有降低的堆疊高度。降低的堆疊高度能夠使磁性元件100′和100″更容易圖形化並且更易於製造。
圖5A是按照本發明的能夠存儲多位的、利用自旋轉換現象進行寫入並利用雙自旋隧道/閥結構的磁性元件200的第三實施例的視圖。因此磁性元件200包括由連接層202分開的雙自旋隧道/閥結構210和230。雙自旋隧道/閥結構210包括釘扎層214、非磁性層216、自由層218、屏蔽層220和釘扎層222。雙自旋隧道/閥結構210優選地還包括AFM層212和224，分別用於固定釘扎層214和222的磁化方向。雙自旋隧道/閥結構230包括釘扎層234、非磁性層236、自由層238、屏蔽層240和釘扎層242。雙自旋隧道/閥結構230優選地還包括AFM層232和244，分別用於固定釘扎層234和242的磁化方向。釘扎層214和242使其磁化方向固定在第一方向上。釘扎層222和234使其磁化方向固定在第二方向上，優選地反向平行於第一方向。能夠通過幾種技術來實現第二方向定向。一種技術是對釘扎層222和234使用合成結構(沒有顯示)。另一種技術是對AFM層224和232使用AFM材料，其不同於(在設定溫度和場方面)AFM層232和242的AFM材料。然後能夠使用不同的AFM設定溫度和場，與釘扎層214和242的磁化方向定向分開的設定釘扎層222和234的磁化方向定向。自由層218和238優選地具有優選方向，但是在其它方面由於自旋轉換所以可自由響應轉換的角動量。屏蔽層220和240是電荷載流子能夠隧穿通過的絕緣體。非磁性間隔層216和236是導體。每個雙自旋隧道/閥結構210和230可以視為具有自旋閥部分和自旋隧道結部分。雙自旋隧道/閥結構210的自旋隧道結部分包括釘扎層222、屏蔽層220和自由層218。雙自旋隧道/閥結構210的自旋閥部分包括釘扎層214、非磁性間隔層216和自由層218。類似地，雙自旋隧道/閥結構230的自旋隧道結部分包括釘扎層242、屏蔽層240和自由層238。雙自旋隧道/閥結構230的自旋閥部分包括釘扎層234、非磁性間隔層236和自由層238。
在操作中，雙自旋隧道/閥結構210和230的每個被配置成使用自旋轉換進行寫入。目前，主要使用雙自旋隧道/閥結構210和230的自旋閥部分提供自旋轉換現象。例如，對於在正向上驅動的電流，從釘扎層214隧穿到自由層218的電子能夠將它們的角動量傳遞到自由層218。結果，自由層218的磁化方向可以與釘扎層214的磁化方向對準。此外，從釘扎層222反射的少數電子能夠有助於定向自由層218的磁化方向，使其平行於釘扎層214的磁化方向。類似地，對於在反向上驅動的電流，從釘扎層214反射來自自由層218的少數電子。這些少數電子返回到自由層218，並使自由層218的磁化方向反向平行於釘扎層214的磁化方向。此外，來自釘扎層222的多數電子能夠有助於定向自由層218的磁化方向，使其反向平行於釘扎層214的磁化方向。因此，能夠在反向上從釘扎層214通過自由層218和釘扎層222來驅動電流。雙自旋隧道/閥結構230以類似的方式工作。
由於它們被配置成使用自旋轉換現象進行寫入，所以雙自旋隧道/閥結構210和230的方向優選地與雙自旋隧道/閥結構70的方向類似。雙自旋隧道/閥結構210和230的尺寸優選地小於200納米，並優選地為大約100納米。雙自旋隧道/閥結構210和230具有垂直於圖5A中頁面的大約50納米的深度。該深度優選地小於雙自旋隧道/閥結構210和230的寬度，使得雙自旋隧道/閥結構210和230具有一些形狀各向異性，確保自由層218和238具有優選的方向。此外，自由層218和238的厚度足夠低，使得自旋轉換足夠強，以便將自由層磁化方向轉成與釘扎層212和222以及釘扎層234和242的磁化方向對準。在優選實施例中，自由層218和238具有小於或等於10nm的厚度。此外，對於具有優選尺寸的雙自旋隧道/閥結構210和230，能夠以相當小的電流提供大約107Amps/cm2的電流密度。例如，對於具有0.06×0.12μm2的橢圓形狀的雙自旋隧道/閥結構210和230，能夠通過大約0.5mA的電流提供大約107Amps/cm2的電流密度。結果，可以避免使用用於傳遞非常高的電流的專用電路。
除了配置成使用自旋轉換進行寫入之外，優選地將雙自旋隧道/閥結構210和230配置成具有不同的中值電阻，並使用不同的電流進行寫入。例如，雙自旋隧道/閥結構210和230的中值電阻分別是R1和R2。當自由層218的磁化方向與釘扎層222的磁化方向平行和反向平行時，雙自旋隧道/閥結構210的電阻分別是R1-ΔR1和R1+ΔR1。當自由層238的磁化方向與釘扎層242的磁化方向平行和反向平行時，雙自旋隧道/閥結構230的電阻分別是R2-ΔR2和R2+ΔR2。此外，使用從磁性元件200的頂部到磁性元件200的底部的正向的電流I1F以及從磁性元件200的底部到磁性元件200的頂部的反向的電流I1R對自旋隧道結210進行寫入。類似地，使用從磁性元件200的頂部到磁性元件200的底部的正向的電流I2F以及從磁性元件200的底部到磁性元件200的頂部的反向的電流I2R對雙自旋隧道/閥結構230進行寫入。在優選實施例中，I1F大於I2F，I1R大於I2R。能夠通過改變雙自旋隧道/閥結構210和230中的層來獲得雙自旋隧道/閥結構210和230的電阻和寫入電流的差別。例如，自由層218和228能夠具有不同的厚度。類似地，屏蔽層220和240能夠具有不同的厚度。
連接層202位於雙自旋隧道/閥結構210和230之間。連接層202優選地是導電的。因此，在CPP方向上通過磁性元件2100的電流很容易通過自旋隧道結110和120之間。結果，用於一個自旋隧道結210的相同的寫入電流和讀取電流能夠用於另一個自旋隧道結250。但是注意，讀取電流優選地小於任何寫入電流。因此，自由層218和238的磁化方向在讀取期間不改變。
能夠按照基本上與磁性元件100和100′相同的方式來寫入磁性元件200，例如使用方法140或150。因此，磁性元件200共用了與磁性元件100和100′相同的許多優點。由於存在能夠對自旋轉換有用的額外的釘扎層214和234，所以可以進一步降低切換自由層218和238的磁化方向所需的電流。由於使用了雙自旋隧道/閥結構210和230，並且使用自旋轉換來寫入磁性元件，所以不再需要用於產生外部切換磁場的外部電流對磁性元件200的自由層218和238進行寫入。相反，使用被驅動通過磁性元件200的電流。結果，由於利用了更局部的切換機制，所以具有較小的串擾和較低的功耗。由於存在磁性元件200的屏蔽層(層220和240)，所以磁性元件200在以CPP配置讀取時還具有明顯高於傳統的自旋閥的輸出信號。而且，由於磁性元件200能夠存儲多位，所以磁性元件200能夠用在較高密度的存儲器中。
圖5B是按照本發明的能夠存儲多位的、利用自旋轉換現象進行寫入並利用雙自旋隧道/閥結構的磁性元件200′的第四實施例的視圖。磁性元件200′類似於磁性元件200。因此，許多部件被類似地標記。但是，非磁性間隔層236′和216′以及屏蔽層220′和240′的位置已經分別被顛倒。然而，磁性元件200′基本上按照與磁性元件200類似的方式工作。因此，能夠通過驅動電流通過磁性元件200′並如上所述的利用自旋轉換來寫入雙自旋隧道/閥結構210′和230′。因此，磁性元件200′具有許多與磁性元件200相同的優點。
圖6A是按照本發明的能夠存儲多位的、利用自旋轉換現象進行寫入並利用雙自旋隧道/閥結構210″和230″的磁性元件200″的第五優選實施例的視圖。但是，磁性元件200″包括共用的AFM層202″。因此，以有利的單個共用的AFM層202″省略了磁性元件200和200′的分開的AFM層224和232以及分開的連接層202。因此，磁性元件200″可以具有較低的堆疊高度。或者，為了進一步降低堆疊高度，能夠通過反鐵磁耦合的硬磁性層/Ru/硬磁性層或硬磁性層/Ru/軟磁性層的三層結構來替代釘扎層222″和242″以及共用的AFM層202″，其中「硬」和「軟」分別是指具有高和低的磁性各向異性的鐵磁層。軟層可以是Co、Fe、Ni及其合金；硬層可以是例如CoCrPt的硬磁體材料。圖6B中顯示了這樣的可選結構200。磁性元件200的部件與圖6A中所示的磁性元件200″的部件類似。因此，這樣的部件被類似地標記。磁性元件200包括共用的磁性層221、Ru層223和硬或軟磁性層225，用於替代磁性元件200″的釘扎層222″和242″以及AFM層202″。
此外，磁性元件200″包括合成的自由層218″和238″以及合成的釘扎層234″和242″。合成的自由層218″包括由非磁性層227分開的磁性層226和228。非磁性層227優選地是導電的，並具有使得磁性層226和228磁性耦合以便反鐵磁對準的厚度配置。合成的自由層238″包括由非磁性層258分開的磁性層256和260。非磁性層258優選地是導電的，並具有使得磁性層256和260磁性耦合以便反鐵磁對準的厚度配置。合成的釘扎層234″包括由非磁性層252分開的磁性層250和254。非磁性層252優選地是導電的，並具有使得磁性層250和254磁性耦合以便反鐵磁對準的厚度配置。合成的釘扎層242″包括由非磁性層264分開的磁性層262和266。非磁性層264優選地是導電的，並具有使得磁性層262和266磁性耦合以便反鐵磁對準的厚度配置。合成的釘扎層234″和/或242″具有與釘扎層214″和222″的力矩相反的淨力矩。
在優選實施例中，磁性元件200″被配置成按照基本上與磁性元件200和200′相同的方式進行寫入和讀取。因此，雙自旋隧道/閥結構210″和230″分別具有寫入電流I1F和I1R以及寫入電流I2F和I2R。此外，雙自旋隧道/閥結構210″和230″的電阻不同。優選地，當自由層218″的上鐵磁層228分別與釘扎層222″平行和反向平行時，雙自旋隧道/閥結構210″的電阻大約是R1-ΔR1和R1+ΔR1。類似地，當自由層238″的下鐵磁層260分別與釘扎層242″的上層262平行和反向平行時，雙自旋隧道/閥結構230″的電阻優選地大約是R2-ΔR2和R2+ΔR2。因此，磁性元件200″的四種狀態對應於電阻R1-ΔR1+R2-ΔR2(「00」)、R1-ΔR1+R2+ΔR2(「01」)、R1+ΔR1+R2-ΔR2(「10」)、R1+ΔR1+R2+ΔR2(「11」)。
能夠按照基本上與磁性元件100和100′相同的方式來寫入磁性元件200″，例如使用方法140或150。因此，磁性元件200共用了與磁性元件100和100′相同的許多優點。由於使用了雙自旋隧道/閥結構210″和230″，並且使用自旋轉換來寫入磁性元件，所以不再需要用於產生外部切換磁場的外部電流對磁性元件200″的自由層218″和238″進行寫入。相反，使用被驅動通過磁性元件200″的電流。結果，由於利用了更局部的切換機制，所以具有較小的串擾和較低的功耗。由於存在磁性元件200″的屏蔽層(層220″和240″)，所以磁性元件200″在以CPP配置讀取時還具有明顯高於傳統的自旋閥的輸出信號。而且，由於磁性元件200″能夠存儲多位，所以磁性元件200″能夠用在較高密度的存儲器中。
此外，由於自由層218″和238″是合成的，所以它們的磁化方向比較容易切換。因此，可以使用較低的寫入電流。換言之，電流I1F、I2F、I1R、I2R可以低於單個自由層時的電流。此外，釘扎層222″和242″與屏蔽層交叉也有助於自旋轉換。在優選實施例中，定向釘扎層214″和/或222″以及磁性層254和262，以便分別額外地有助於自由層218″和238″的自旋轉換效應。因此，可以進一步降低切換自由層218″和238″的磁化方向所需的電流。因此，磁性元件200″適於用作較高密度的磁性存儲器中的存儲元件。
類似地，磁性元件200共用了磁性元件200″的許多優點。此外，由於使用層221、223和225替代釘扎層222″和242″以及AFM層202″，所以進一步降低了磁性元件200的堆疊高度。結果，簡化了加工。
圖7是按照本發明的用於提供能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件的方法300的一個實施例的高級流程圖。因為磁性元件200″是優選的磁性元件，所以結合磁性元件200″來說明方法300。但是，方法300能夠用於其它的磁性元件，例如磁性元件100、100′、100″、200和200′。
經過步驟302提供第一結構。在優選實施例中，步驟302用於提供雙自旋隧道/閥結構，例如雙自旋隧道/閥結構210″。在另一個實施例中，在步驟302中能夠提供雙自旋隧道/閥結構210或自旋隧道結110和110′。因此，步驟302優選地包括提供第一釘扎層、第一非磁性間隔層、第一自由層、第一屏蔽層、第一釘扎層、連接層、第二釘扎層、第二屏蔽層、第二自由層、第二非磁性間隔層和第二釘扎層。在一些實施例中，步驟302優選地還包括提供一些仔晶層、鄰近釘扎層的AFM層。經過步驟304提供連接層。在優選實施例中，步驟304包括提供共用的AFM層202″。但是，在其它的實施例中，能夠提供連接層202、202′、102和102′。經過步驟306提供第二結構。第二結構優選地是雙自旋隧道/閥結構230″。但是，在另一個實施例中，能夠在步驟306中提供雙自旋隧道/閥結構230或230′或自旋隧道結120或120′。然後經過步驟308能夠可選地重複步驟304和306。因此，通過步驟308，能夠提供多於兩個的自旋隧道結和多於兩個的雙自旋隧道/閥結構。此外應注意，儘管不是優選，但是能夠混合磁性元件中提供的結構的類型。例如，磁性元件(沒有顯示)能夠包括由連接層分開的自旋隧道結和雙自旋隧道/閥結構。此外，儘管方法300分開的提供了第一和第二結構，但是方法300也能夠分開的定義第一和第二結構的幾何形狀。
圖8是按照本發明的用於提供能夠存儲多位並利用自旋轉換現象進行寫入的磁性元件的方法350的一個實施例的更詳細的流程圖。因為磁性元件200″是優選的磁性元件，所以結合磁性元件200″來說明方法350。但是，方法350能夠用於其它的磁性元件，例如磁性元件100、100′、100″、200和200′。經過步驟352優選地在仔晶層上提供AFM層212″。在優選實施例中，使用標準的濺射執行步驟352，AFM材料優選地是120埃的PtMn。經過步驟354提供釘扎層214″。釘扎層214″優選地是濺射的Co、CoFe、其它的鐵磁合金，或半金屬。在優選實施例中，步驟354還包括提供釘扎層，其厚度大約是20埃。經過步驟356提供非磁性間隔層216″。步驟356可以包括提供一層銅，其厚度在15至40埃之間。但是，也可以選擇其它的非磁性導體。經過步驟358提供合成的自由層218″。步驟358包括提供層226、227和228。磁性層226和228可以包括Co、Ni、Fe、它們的合金、或半金屬。磁性層226和228的厚度可以類似，例如它們可以是25和30埃或者都是25埃。步驟358還包括提供非磁性層227，其使得磁性層226和228反鐵磁的對準。例如，非磁性層227可以是8.5埃的Ru。經過步驟360提供屏蔽層220″。步驟360可以包括提供10和30埃之間的氧化鋁或其它的非磁性絕緣體。經過步驟362提供釘扎層222″。步驟362可以類似於步驟354。例如，經過步驟364使用離子研磨(ion milling)能夠任意地定義雙自旋隧道/閥結構210″。因此，步驟364能夠與雙自旋隧道/閥結構230″分開的定義雙自旋隧道/閥結構210″的幾何形狀。但是，在可選實施例中，可以省略步驟364。
經過步驟366提供共用的AFM層202″、或連接層。在步驟366中沉積的共用的AFM層202″優選地是200至300埃的PtMn。
經過步驟368提供合成的釘扎層242″。步驟368包括提供層262、264和266。磁性層262和266可以包括Co、Ni、Fe、它們的合金、或半金屬。頂部磁性層262的厚度(例如35埃)應當比底部磁性層266的厚度(例如15埃)大。厚度差使得磁性層262和266的磁化方向通過用於設定AFM層232″定向的高溫退火被設定在預期的方向上。步驟368還包括提供非磁性層264，其使得磁性層262和268反鐵磁的對準。例如，非磁性層264可以是8.5埃的Ru。經過步驟370提供屏蔽層240″。步驟370可以包括提供小於10埃的氧化鋁或其它的非磁性絕緣體。因此，在步驟360中形成的屏蔽層240″的厚度不同於步驟370中形成的屏蔽層220″的厚度。結果，按照預期，雙自旋隧道/閥結構210″與雙自旋隧道/閥結構230″具有不同的電阻。經過步驟372提供合成的自由層238″。步驟372包括提供層256、258和260。磁性層256和260可以包括Co、Ni、Fe、它們的合金、或半金屬。選擇層256、258和260的厚度和材料，使得寫入電流I2F和I2R是不同的，並且優選地小於自由層218″的電流。磁性層256和260的厚度可以是類似的，例如它們可以是15和17埃或者可以都是15埃。步驟372還可以包括提供非磁性層258，其使得磁性層256和260反鐵磁的對準。例如，非磁性層258可以是8.5埃的Ru。
經過步驟374提供非磁性間隔層236″。步驟374優選地包括沉積20至40埃的銅。但是，也可以使用其它的非磁性導電材料。例如，可以選擇Ta，其與釘扎層234″和自由層238″具有低的相互擴散。經過步驟376提供合成的釘扎層234″。步驟376包括提供層250、252和254。磁性層250和254可以包括Co、Ni、Fe、它們的合金、或半金屬。底部磁性層254的厚度(例如35埃)應當比頂部磁性層250的厚度(例如15埃)大。厚度差使得磁性層250和254的磁化方向通過用於設定AFM層232″定向的高溫退火被設定在預期的方向上。因此，當製造完成時，磁性層254的磁化方向與磁性層262的磁化方向對準。步驟376還包括提供非磁性層252，其使得磁性層250和254反鐵磁的對準。例如，非磁性層252可以是8.5埃的Ru。經過步驟378提供AFM層232″。步驟378優選地包括提供160埃的PtMn。然後經過步驟380可以定義雙自旋隧道/閥結構230″的尺寸。優選地使用離子研磨步驟執行步驟380。此外，在一個實施例中，也可以在步驟380中定義雙自旋隧道/閥結構210″的尺寸。在這樣的實施例中，優選地省略步驟364。
使用方法300和/或350，製造能夠使用自旋轉換進行寫入並能夠存儲多位的磁性元件。因此，能夠提供磁性元件100、100′、200、200′和200″。因此，能夠利用這樣的磁性元件100、100′、200、200′和200″來製造磁性存儲器，例如MRAM。由於使用例如磁性元件100、100′、200、200′和200″的磁性元件，所以存儲器可以是高密度的，具有比較簡單的電路，並使用更局部的現象進行寫入。
也可以僅使用上述的多位磁性元件的結構來增強讀取信號，而不是增加每個堆疊存儲的位數。當期望信號增強時，僅使用最低和最高的電阻狀態來寫入和讀取堆疊。更具體地，對於二位堆疊，最低和最高的電阻狀態是(00)和(11)。如果二位堆疊僅用於信號增強，則其變為一位堆疊，一位堆疊的讀取信號是其兩個自旋轉換單元的讀取信號的總和。
已經說明了一種用於提供能夠存儲多位並使用自旋轉換進行寫入的磁性元件的方法和系統。儘管已經按照所示的實施例說明了本發明，但是本領域技術人員將很容易意識到，可能有對實施例的各種改變，並且這些改變將落於本發明的實質和範圍內。因此，在不脫離後附權利要求的實質和範圍的情況下，本領域技術人員可以進行許多修改。
權利要求
1.一種能夠存儲多位的磁性元件，包括第一釘扎層，第一釘扎層是鐵磁的，並具有第一釘扎層磁化方向，第一釘扎層磁化方向被固定在第一方向上；第一非磁性層，第一非磁性層是導電的；第一自由層，第一非磁性層位於第一釘扎層與第一自由層之間，第一自由層是鐵磁的，並且具有第一自由層磁化方向；連接層；第二釘扎層，第二釘扎層是鐵磁的，並具有固定在第二方向上的第二釘扎層磁化方向，連接層位於第二釘扎層與第一自由層之間；第二非磁性層，第二非磁性層是導電的；第二自由層，第二非磁性層位於第二釘扎層與第二自由層之間，第二自由層是鐵磁的，並且具有第二自由層磁化方向；其中磁性元件被配置成允許在寫入電流通過磁性元件時，由於自旋轉換導致第一自由層磁化方向和第二自由層磁化方向改變方向。
2.如權利要求1所述的磁性元件，其中第一自由層被配置成使用第一寫入電流和第二寫入電流進行寫入，第一寫入電流在第一電流方向，第二寫入電流在第二電流方向，以及其中第二自由層被配置成使用第三寫入電流和第四寫入電流進行寫入，第三寫入電流在第一電流方向，第四寫入電流在第二方向，第一寫入電流、第二寫入電流、第三寫入電流和第四寫入電流是不同的。
3.如權利要求1所述的磁性元件，其中連接層是鄰近第二釘扎層和第一釘扎層的反鐵磁層。
4.如權利要求1所述的磁性元件，其中連接層、第一釘扎層和第二釘扎層形成合成的反鐵磁體，其包括硬磁性層/Ru/硬磁性層或者硬磁性層/Ru/軟磁性層。
5.如權利要求1所述的磁性元件，其中第一非磁性層和第二非磁性層的至少一個是絕緣的屏蔽層，如果第一非磁性層是絕緣的屏蔽層，則第一非磁性層允許電荷載流子在第一釘扎層與第一自由層之間隧穿，如果第二非磁性層是絕緣的屏蔽層，則第二非磁性層允許電荷載流子在第二釘扎層與第二自由層之間隧穿。
6.一種能夠存儲多位的磁性元件，包括第一雙自旋隧道/閥結構，包括第一釘扎層、第一非磁性間隔層、第一自由層、第一屏蔽層和第二釘扎層，第一非磁性間隔層位於第一釘扎層和第一自由層之間，第一屏蔽層位於第一自由層與第二釘扎層之間；連接層；以及第二雙自旋隧道/閥結構，包括第三釘扎層、第二非磁性間隔層、第二自由層、第二屏蔽層和第四釘扎層，第二非磁性間隔層位於第三釘扎層和第二自由層之間，第二屏蔽層位於第二自由層與第四釘扎層之間。
7.如權利要求6所述的磁性元件，其中第一雙自旋隧道/閥結構被配置成使用第一寫入電流和第二寫入電流進行寫入，第一寫入電流在第一電流方向，第二寫入電流在第二電流方向，以及其中第二雙自旋隧道/閥結構被配置成使用第三寫入電流和第四寫入電流進行寫入，第三寫入電流在第一電流方向，第四寫入電流在第二方向，第一寫入電流、第二寫入電流、第三寫入電流和第四寫入電流是不同的。
8.如權利要求6所述的磁性元件，其中連接層是反鐵磁的，用於固定第二釘扎層磁化方向和第四釘扎層磁化方向。
9.如權利要求6所述的磁性元件，其中連接層是夾在第二和第四釘扎層之間的合成的反鐵磁的硬/Ru/硬或者軟/Ru/軟層。
10.一種用於編程能夠存儲多位的磁性元件的方法，包括以下步驟如果要寫入第一狀態，則使第一電流通過磁性元件，該磁性元件包括第一釘扎層、第一非磁性層、第一自由層、連接層、第二釘扎層、第二非磁性層和第二自由層，第一釘扎層是鐵磁的，並具有第一釘扎層磁化方向，第一釘扎層磁化方向被固定在第一方向上，第一非磁性層位於第一釘扎層與第一自由層之間，第一自由層是鐵磁的，並且具有第一自由層磁化方向，第二釘扎層是鐵磁的，並具有固定在第二方向上的第二釘扎層磁化方向，連接層位於第二釘扎層與第一自由層之間，第二非磁性層位於第二釘扎層與第二自由層之間，第二自由層是鐵磁的，並且具有第二自由層磁化方向，該磁性元件被配置成允許由於自旋轉換導致第一自由層磁化方向和第二自由層磁化方向改變方向，第一電流足以使第一自由層磁化方向平行於第一釘扎層磁化方向，以及使第二自由層磁化方向平行於第二釘扎層磁化方向；施加至少第二電流通過磁性元件，該至少第二電流使第一自由層磁化方向平行於第一釘扎層磁化方向，並使第二自由層磁化方向反向平行於第二釘扎層磁化方向；如果要寫入第三狀態，則施加至少第三電流通過磁性元件，該至少第三電流使第一自由層磁化方向反向平行於第一釘扎層磁化方向，並使第二自由層磁化方向反向平行於第二釘扎層磁化方向；如果要寫入第四狀態，則在施加第一電流之後施加至少第四電流通過磁性元件，該至少第四電流使第一自由層磁化方向反向平行於第一釘扎層磁化方向，並使第二自由層磁化方向平行於第二釘扎層磁化方向。
11.如權利要求10所述的方法，其中第一自由層被配置成使用通過磁性元件的在第一電流方向上的第一寫入電流以及在第二電流方向上的第二寫入電流進行寫入，其中第二自由層被配置成使用通過磁性元件的在第一電流方向上的第三寫入電流以及在第二電流方向上的第四寫入電流進行寫入，第三寫入電流小於第一寫入電流，第四寫入電流小於第二寫入電流，第一電流在第一電流方向上並且大於第一寫入電流和第三寫入電流；其中該至少第二電流包括施加在第一電流方向上的第五電流，其後是施加在第二電流方向上的第六電流，第五電流大於第一寫入電流和第三寫入電流，第六電流小於第二寫入電流並大於第四寫入電流；其中該至少第三電流包括在第二電流方向上的第七電流，其後是在第一電流方向上的第八電流，第七電流大於第二寫入電流和第四寫入電流，第八電流小於第一寫入電流並大於第三寫入電流；以及其中該至少第四電流包括在第二電流方向上的第九電流，第九電流大於第二寫入電流和第四寫入電流。
全文摘要
公開了一種用於提供能夠存儲多位的磁性元件的方法和系統。該方法和系統包括提供第一釘扎層、第一非磁性層、第一自由層、連接層、第二釘扎層、第二非磁性層和第二自由層。第一釘扎層是鐵磁的，並具有固定在第一方向上的第一釘扎層磁化方向。第一非磁性層位於第一釘扎層與第一自由層之間。第一自由層是鐵磁的，並且具有第一自由層磁化方向。第二釘扎層是鐵磁的，並具有固定在第二方向上的第二釘扎層磁化方向。連接層位於第二釘扎層與第一自由層之間。第二非磁性層位於第二釘扎層與第二自由層之間。第二自由層是鐵磁的，並且具有第二自由層磁化方向。該磁性元件被配置成在寫入電流通過磁性元件時，允許由於自旋轉換導致第一自由層磁化方向和第二自由層磁化方向改變方向。
文檔編號G11C11/16GK1842874SQ200480024649
公開日2006年10月4日 申請日期2004年8月24日 優先權日2003年8月26日
發明者P·P·源, Y·懷 申請人:格藍迪斯公司