磁耦合层、包括磁耦合层的结构及其制造和/或使用它们的方法技术

提供一种磁性结构。该磁性结构可以具有带有第一磁化方向的第一磁性层、带有第二磁化10方向的第二磁性层和插置在第一和第二磁性层之间的耦合层。耦合层可包括至少一种非磁性元素和至少一种磁性元素。该至少一种非磁性元素与该至少一种磁性元素的原子比为(100‑x):x，其中x是原子浓度参数。原子浓度参数x可以使得第一磁性层非共线地耦合1到第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，第一磁化方向定向为相对于第二磁化方向成非共线角度。

Structure of magnetic coupling layer, including magnetic coupling layer and method of manufacturing and / or using them

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】磁耦合层、包括磁耦合层的结构及其制造和/或使用它们的方法相关申请本申请要求于2017年9月7日提交的美国申请62/555,625和于2017年3月10日提交的美国申请62/470,123的优先权。本段中提到的所有申请都通过引用并入本申请。
本专利技术涉及磁耦合层、包括磁耦合层的结构及其制造和/或使用方法。特定实施例提供包括一个或多个耦合层的结构，所述耦合层用于间隔多个磁性层并用于使多个磁性层中的一个或多个磁性层的磁化方向以相对于彼此成非共线角度或反平行角度对准。
技术介绍
包括经由中间耦合层耦合的两个或更多个磁性层的结构可以用于磁存储器装置、磁传感器(例如磁阻传感器)和/或其他应用。通常，这种磁性层的磁矩(或磁方向或磁化方向)相对于彼此以0°耦合(可以称为铁磁耦合)或者相对于彼此以180°耦合(可以称为抗铁磁地耦合和/或反平行耦合)。尽管已经证明铁磁耦合的磁性层和抗铁磁地耦合的层是有用的，但是存在与使磁性层相对于彼此以0°耦合的相关的许多缺点。例如，对于磁阻传感器应用，例如采用隧道磁阻(TMR)或巨磁阻(GMR)的那些实例，这些缺点包括但不限于：对施加场的方向性的阻抗响应的模糊性和对施加场的阻抗响应的非线性。作为另一示例，对于存储器装置应用，稳定状态之间的切换通常依赖于概率热变化，从而导致包括但不限于以下缺点：不期望的长切换时间、不期望的高错误率和不期望的高切换电流或切换功率。美国专利第7199984号公开了一种PtMn耦合层，其原子浓度为25-75％Pt和25-75％Mn，用于以正交定向的磁化方向耦合CoFe或NiFe磁性层。这种正交定向的磁化方向表示非共线耦合(NCC)磁性层的示例。由美国专利第7199984号公开的PtMn耦合层厚度小于10nm，优选在1.5和5.0nm之间。美国专利第7199984号公开的那种PtMn耦合层具有弱耦合强度和低饱和场。由于这种弱耦合强度，采用根据美国专利第7199984号的教导构造的耦合层的传感器仅可用于感测小于大约1000Oe的外部磁场。期望能够感测更强的外部磁场的磁传感器。另外，美国专利第7199984号公开的那种PtMn耦合层已经确定要求厚度大于约1.2nm。低于该厚度，来自相邻磁性层的材料的扩散破坏了正交非共线耦合。通常期望制造尽可能小的磁性结构(例如，非共线耦合的磁性结构)。更进一步地，美国专利第7199984号公开的耦合层趋于在退火后(例如，在高于200℃的温度或甚至在较低温度下)，恢复到0°的耦合。例如，专利技术人根据美国专利第7199984号的教导制造了一种结构，其中在Co磁性层之间插入厚度为1.4nm的Mn耦合层。图1示出了在没有退火(黑圆圈)和在200℃下退火(空心圆圈)的情况下该结构的作为外部磁场H的函数的归一化磁化强度。从图1中可以看出，具有在200℃下退火的Mn耦合层的磁性结构在磁性结构的Co磁性层之间没有呈现出非共线磁耦合(例如，退火的磁性结构是即使施加非常小的磁场(例如100Oe)也完全饱和)。耦合磁性层的许多应用，例如利用隧道磁阻(TMR)效应的应用，需要退火(例如，在高于200℃的温度下)以增加灵敏度并增加整个磁阻层上的阻抗变化量值。在特定应用中，还可能需要退火来对准抗铁磁层。通常期望包括两个或更多个磁性层的磁性结构，所述磁性层经由中间耦合层耦合，其中磁性结构或其一部分可以退火(例如，在高于200℃的温度下)而不会不期望地影响两个或更多个磁性结构的耦合(例如，非共线耦合)。根据美国专利第7199984号中描述的技术制造的结构仅在90°时呈现非共线耦合。通常期望提供在不同于90°的角度下呈现非共线耦合的结构。美国专利第6893741号公开了一种RuFe耦合层，其原子浓度小于或等于60％Fe和至少40％Ru，用于抗铁磁地耦合特定Co合金(例如CoPtCrB)磁性层(即，以相对于彼此成180°角度的磁化方向)。相比于纯Ru耦合层的1575Oe交换场，美国专利第6893741号公开了Ru65Fe35的2750Oe的交换场(通常也称为饱和场)。在美国专利第6893741号中的断言是准确的情况下，这种结构仅可用于在小于约1375Oe的范围内感测外部磁场。期望能够感测更强的外部磁场的磁传感器，无论这种传感器是否包括抗铁磁地耦合的磁性层和/或非共线耦合的磁性层。类似地，美国专利第6893741号公开的耦合层不能用于在可能经历大于2750Oe的外部场的应用中钉扎磁性层的目的。此外，美国专利第6893741号公开的耦合层不允许以180°以外的角度进行耦合，因此存在上述抗铁磁地耦合的缺点。仍然期望以非共线角度(即，大于0°且小于180°的角度)高耦合强度和/或高饱和场地耦合磁性层的耦合层。仍然期望以高耦合强度和/或高饱和场抗铁磁地耦合磁性层(即在180°下)的耦合层。仍然期望以90°以外的非共线角度(即，不是0°、90°和180°的角度)耦合磁性层的耦合层。仍然期望在退火之后以非共线角度(即，除了0°和180°之外的角度)耦合磁性层的耦合层。仍然期望在不需要针对原子成分和原子分布以及耦合层厚度过度严格的公差就能实际制造的耦合层。仍然期望包括这种耦合层的结构以及使用和制造这种耦合层的方法。仍然期望以抗铁磁角度(即180°下)耦合纯或几乎纯Ni磁性层的耦合层。相关技术的前述示例和与其相关的限制只是说明性的而非排他性的。在阅读本说明书并研究附图后，相关领域的其他限制对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
技术实现思路
结合系统、工具和方法来描述和说明以下实施例及其各方面，这些系统、工具和方法是示例性的和说明性的，而不是限制范围。在各种实施例中，已经减少或消除了一个或多个上述问题，而其他实施例涉及其他改进。本专利技术的一个方面提供了一种磁性结构，其具有：第一磁性层，其具有第一磁化方向；第二磁性层，其具有第二磁化方向；以及耦合层，其插置在第一和第二磁性层之间。耦合层可包括至少一种选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组的非磁性元素以及至少一种选自由Ni、Co和Fe组成的组的磁性元素。所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比可以是(100-x):x，其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得第一磁性层非共线地耦合到第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，第一磁化方向定向为相对于第二磁化方向成非共线角度。本专利技术的另一方面提供一种磁性结构，其具有：第一磁性层，其具有第一磁化方向；第二磁性层，其具有第二磁化方向；以及耦合层，其插置在第一磁性层和第二磁性层之间。耦合层可包括至少一种选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si的非磁性组分以及至少一种选自Ni、Co、Fe、NiPt、NiPd、CoPt、CoPd、FePt和FePd的磁性组分。所述至少一种非磁性组分与所述至少一种磁性组分的原子比为(100-x):x，其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性结构，包括：/n第一磁性层，其具有第一磁化方向；/n第二磁性层，其具有第二磁化方向；/n耦合层，其插置在所述第一和第二磁性层之间，该耦合层包括：/n至少一种非磁性元素，其选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组；以及/n至少一种磁性元素，其选自由Ni、Co和Fe组成的组；/n其中所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比为(100-x):x；并且/n其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成非共线角度。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170310 US 62/470,123;20170907 US 62/555,6251.一种磁性结构，包括：
第一磁性层，其具有第一磁化方向；
第二磁性层，其具有第二磁化方向；
耦合层，其插置在所述第一和第二磁性层之间，该耦合层包括：
至少一种非磁性元素，其选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组；以及
至少一种磁性元素，其选自由Ni、Co和Fe组成的组；
其中所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比为(100-x):x；并且
其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成非共线角度。


2.根据权利要求1或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述耦合层具有厚度tc，并且其中所述原子浓度参数x和所述耦合层厚度tc的组合使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层。


3.根据权利要求1和2中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，并且所述第二磁性层具有厚度tm2，而tm1和tm2各自被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层。


4.根据权利要求1至3中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中在没有外部磁场的情况下，所述非共线角度介于约5°和175°之间。


5.根据权利要求1至3中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述非共线角度在没有外部磁场的情况下是介于大约5°和85°之间或95°和175°之间的非正交非共线角度。


6.根据权利要求1至5中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Co。


7.根据权利要求1至5中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Ni。


8.根据权利要求1至5中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括选自由NiFe、CoFeB和CoNi组成的组的材料。


9.根据权利要求1至8中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素选自由Ru、Ir、Re、Rh和Cr组成的组。


10.根据权利要求1至8中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素选自由Ru、Ir和Rh组成的组。


11.根据权利要求1至8中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素包括Ru。


12.根据权利要求1至8中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素包括Ru和以下元素中的一种或多种：Ag、Cr、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si。


13.根据权利要求1至5中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素是Cr，而所述至少一种磁性元素选自由Co和Fe组成的组。


14.根据权利要求1至13中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，所述第二磁性层具有厚度tm2，并且tm1和tm2大于0.3nm。


15.根据权利要求1至13中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，所述第二磁性层具有厚度tm2，并且tm1和tm2介于2nm至8nm之间。


16.根据权利要求1至13中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，所述第二磁性层具有厚度tm2，并且tm1和tm2各自约为2nm。


17.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Co；
X介于32到64之间；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。


18.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Fe；
x介于70.5和94之间；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。


19.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Fe；
x介于66和82之间；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。


20.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Ni；
x在30到62之间；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。


21.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Co和Fe；
X介于32和94之间且依赖于比例Co:Fe；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。


22.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Ni和Fe；
X介于30和94之间并且依赖于比例Ni:Fe；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。


23.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Co；并且
其中：
对于37<x<44，(0.0014x+0.3)<tc[nm]<(0.017x-0.17)；
对于44<x<50，(0.0072x+0.064)<tc[nm]<(0.017x-0.18)；
对于50<x<55，(0.0072x+0.044)<tc[nm]<(0.044x-1.52)；
对于55<x<60，(0.03x-1.2)<tc[nm]<(0.044x-1.54)；并且
对于60<x<63，(0.14x-7.8)<tc[nm]<(0.07x-2.61)。


24.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Co；并且
其中x和tc选自图11中的区域“C”内。


25.根据权利要求24或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中x和tc选自图11中的区域“C”内，且x介于37和59之间。


26.根据权利要求1至25中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构在至少100℃的温度下退火，并且在退火之后，所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层。


27.根据权利要求1至25中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构在至少200℃的温度下退火，并且在退火之后，所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层。


28.根据权利要求1至27中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构能够由模型表征，该模型包括双线性耦合强度参数J1和双二次耦合强度参数J2，并且其中对于所述磁性结构，J2>1/2|J1|。


29.根据权利要求28或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中J2大于0.1mJ/m2。


30.根据权利要求28或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中J2大于0.5mJ/m2。


31.根据权利要求1至30中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中选自由Pt和Pd组成的组的至少一种可极化元素代替所述至少一种磁性元素的一部分，使得所述原子浓度参数x反映所述至少一种磁性元素和所述至少一种可极化元素的组合原子浓度。


32.根据权利要求31或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种磁性元素的所述部分包括小于所述至少一种磁性元素的90％。


33.根据权利要求1至32中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中Mn代替所述至少一种磁性元素的至少一部分，使得所述原子浓度参数x反映Mn和所述至少一种磁性元素的组合原子浓度。


34.根据权利要求33或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述原子浓度参数x使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地且非正交地耦合到所述第二磁性层。


35.根据权利要求33-34中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种磁性元素与Mn的原子浓度比为(100-y):y。


36.一种磁性结构，包括：
第一磁性层，其具有第一磁化方向；
第二磁性层，其具有第二磁化方向；
耦合层，其插置在所述第一和第二磁性层之间，该耦合层包括：
至少一种非磁性组分，其选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组；以及
至少一种磁性组分，其选自由Ni、Co、Fe、NiPt、NiPd、CoPt、CoPd、FePt和FePd组成的组；
其中所述至少一种非磁性组分与所述至少一种磁性组分的原子比为(100-x):x；并且
其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成非共线角度。


37.根据权利要求36所述的磁性结构，包括其他权利要求中的任意一项所述的任何特征。


38.一种磁性结构，包括：
第一磁性层，其具有第一磁化方向；
第二磁性层，其具有第二磁化方向；
耦合层，其插置在所述第一和第二磁性层之间，该耦合层包括：包括Ru的至少一种非磁性元素和包括Fe的至少一种磁性元素，其中所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比是(100-x):x；并且
其中x是大于60且小于80的原子浓度参数，并且使得或被选择成使得所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成抗铁磁角度。


39.根据权利要求38或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述耦合层具有厚度tc，并且其中所述原子浓度参数x和所述耦合层厚度tc的组合使得或被选择成使得所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层。


40.根据权利要求38至39中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，所述第二磁性层具有厚度tm2，并且tm1和tm2各自被选择成使得所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层。


41.根据权利要求38-40中任一项或任一权利要求所述的磁性结构，其中所述抗铁磁角度为180°±2°。


42.根据权利要求38至41中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层中的至少一个包括Co。


43.根据权利要求42或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层中的至少一个包括Co，并且x大于60且小于74。


44.根据权利要求43或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Co，并且x大于60且小于74。


45.根据权利要求38至41中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Ni。


46.根据权利要求45或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Ni并且x大于60且小于80。


47.根据权利要求38至46中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种磁性元素包括至少一种磁性合金，其中所述至少一种磁性合金包括Fe合金。


48.根据权利要求38至47中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构能够由模型表征，该模型包括双线性耦合强度参数J1和双二次耦合强度参数J2，并且其中对于所述磁性结构，J2≤1/2|J1|。


49.根据权利要求48或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中J1大于0.3mJ/m2，而J2大于0.1mJ/m2。


50.根据权利要求48或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中J1大于0.6mJ/m2，而J2大于0.2mJ/m2。


51.根据权利要求38-50或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构在至少100℃的温度下退火，并且在退火之后，所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层。


52.根据权利要求38-50或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构在至少200℃的温度下退火，并且在退火之后，所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层。


53.根据权利要求38-52中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中选自由Pt和Pd组成的组的至少一种可极化元素代替所述至少一种磁性元素的一部分，使得所述原子浓度参数x反映所述至少一种磁性元素和所述至少一种可极化元素的组合原子浓度。


54.根据权利要求53或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种磁性元素的所述部分包括小于90％的所述至少一种磁性元素。


55.根据权利要求38-52中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中Mn代替所述磁性元素的至少一部分，使得所述原子浓度参...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·R·纳恩，E·格特，
申请(专利权)人：西蒙·弗雷泽大学，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA