利用自旋转移的垂直磁化磁性元件制造技术

本发明专利技术公开了一种用于提供能够在磁性存储器中使用的磁性元件的方法和系统。该方法和系统包括提供第一被钉扎层、阻挡层、自由层、导电非磁性间隔层和第二被钉扎层。每个被钉扎层具有被钉扎层易轴。所述被钉扎层易轴的至少一部分处于垂直方向。所述阻挡层位于第一被钉扎层和自由层之间。所述间隔层位于自由层和第二被钉扎层之间。所述自由层具有自由层易轴，该自由层易轴的至少一部分处于垂直方向。所述磁性元件还配置成，当写入电流通过磁性元件时允许由于自旋转移效应而切换自由层。由于垂直磁化，用于自旋转移的写入电流可极大减小。

【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，尤其涉及一种用于提供具有垂直磁化(perpendicular magnetization)层的磁性元件的方法和系统，所述磁性元件采用自旋转移(spin transfer)引起的切换(switching)，并且可以用于如磁性随机存取存储器(“MRAM”)的磁性存储器中。
技术介绍
图1A和1B描述了常规的磁性元件10和10’。常规的磁性元件10是自旋阀，并且包括常规的反铁磁性(AFM)层12、常规的被钉扎层(pinned layer)14、常规的非磁性间隔层16和常规的自由层18。也可以使用其它层(未示出)，如晶种层或覆盖层(seed or capping layer)。常规的被钉扎层14和常规的自由层18为铁磁性的。因此，常规的自由层18被描述为具有可变磁化19。常规的非磁性间隔层16是导电性的。AFM层12用于在特定方向上固定或钉扎住被钉扎层14的磁化。自由层18的磁化通常响应外磁场自由旋转。在图1B中所示的常规的磁性元件10’为自旋隧道结(spin tunneling junction)。常规自旋隧道结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’、常规被钉扎层14’、常规绝缘阻挡层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，使得电子可以在常规自旋隧道结10’中隧穿。分别根据常规自由层18/18’的磁化19/19’方向和常规被钉扎层14/14’的磁化方向，常规磁性元件10/10’的电阻分别进行变化。当常规自由层18/18’的磁化19/19’与常规被钉扎层14/14’的磁化平行时，常规的磁性元件10/10’的电阻低。当常规自由层18/18’的磁化19/19’与常规被钉扎层14/14’的磁化反平行时，常规的磁性元件10/10’的电阻高。为了感测常规的磁性元件10/10’的电阻，驱动电流穿过常规磁性元件10/10’。电流可以以两种配置之一驱动，平面内电流(“CIP”)和垂直于平面电流(“CPP”)。在CPP配置中，垂直于常规磁性元件10/10’的层驱动电流(向上或向下如图1A或1B中所示)。通常地，在存储器应用中，如在磁性随机存取存储器(MRAM)的应用中，常规的磁性元件10和10’以CPP配置使用。图2描述了另外一种常规磁性元件50，其使用具有垂直磁化的层。常规磁性元件50为自旋隧道结。磁性元件50可以用于存储单元中。磁性元件50包括具有磁化62的常规被钉扎层60、阻挡层70和具有磁化82的常规自由层80。常规被钉扎层60和常规自由层80是铁磁性的，并且各自具有分别垂直于层60和80的平面的磁化62和82。在此所述的垂直可描述为垂直于磁性元件的层面的方向。常规的自由层80可包括如Co的高自旋极化层(未在图2中单独描述)，以及如GdFeCo的稀土过渡金属合金层(未在图2中单独描述)。常规被钉扎层60包括如Co的高自旋极化层(未在图2中单独描述)，以及如TbFeCo的稀土过渡金属合金层(未在图2中单独描述)。为了克服与具有较高密度存储单元的磁性存储器有关的一些问题，已经提出了将自旋转移用于磁性元件10和10’。尤其是，自旋转移可用于切换常规自由层18/18’的磁化19/19’。自旋转移是在常规的磁性元件10’的背景下描述的，但是同样适用于常规的磁性元件10。自旋转移的当前知识在以下出版物中详细描述J.C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers，”Journal of Magnetismand Magnetic Materials，vol.159，p.L1(1996)；L.Berger，“Emission ofSpin Waves by a Magnetic Multilayer Traversed by a Current，”Phys.Rev.B，vol.54，p.9353(1996)，以及F.J.Albert，J.A.Katine和R.A.Buhrman，“Spin-polarized Current Switching of a Co Thin Film Nanomagnet，”Appl.Phys.Lett.，vol.77，No.23，p.3809(2000)。因此，以下有关自旋转移现象的描述是基于当前知识，并不意在限制本专利技术的范围。当自旋极化电流以CPP配置穿过磁性多层如自旋隧道结10’时，入射在铁磁性层上的电子的自旋角动量的一部分可以转移到该铁磁性层。尤其是，入射在常规自由层18’上的电子可将它们的自旋角动量的一部分转移到常规自由层18’。因此，如果电流密度足够高(大约107-108A/cm2)并且自旋隧道结的横向尺寸较小(大约小于200纳米)，则自旋极化电流能够切换常规自由层18’的磁化19’方向。此外，为了使自旋转移能够切换常规自由层18’的磁化19’方向，常规自由层18’应当足够薄，比如对于Co来说优选小于大约10纳米。基于自旋转移的磁化切换控制其它切换机制，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成可见的。因此，自旋转移适用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，作为使用外部切换场来切换常规自旋隧道结10’的常规自由层18’的磁化方向的替代或额外手段。比如，常规自由层18’的磁化19’可以从反平行于常规被钉扎层14’的磁化的方向切换到平行于常规被钉扎层14’的磁化的方向。电流从常规自由层18’驱动到常规被钉扎层14’(传导电子从常规被钉扎层14’流向常规自由层18’)。因此，从常规被钉扎层14’流动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充足部分转移到常规自由层18’，以便切换常规自由层18’的磁化19’成平行于常规被钉扎层14’的磁化。可选地，自由层18’的磁化能够从平行于常规被钉扎层14’的磁化的方向切换到反平行于常规被钉扎层14’的磁化。当电流从常规被钉扎层14’驱动到常规自由层18’时(传导电子在相反方向流动)，多数电子的自旋被极化在常规自由层18’的磁化方向上。这些多数电子被常规被钉扎层14’传送(transmitted)。少数电子从常规被钉扎层14’反射返回到常规自由层18’，并且可转移它们的足量角动量以切换自由层18’的磁化19’反平行于常规被钉扎层14’的磁化。虽然自旋转移起作用，但是本领域普通技术人员将很容易知道，使用自旋转移写入常规磁性元件10和10’可能相对困难。尤其是，为了自旋转移在分别切换自由层18和18’的磁化19或19’时变得可见且有用，通常需要大于大约107A/cm2的相对高的电流密度。这种高电流密度通常通过使用具有小的、亚微米的横向尺寸和高偏流的常规磁性元件10或10’而获得。比如，对于具有在0.1μm乘0.2μm量级的横向尺寸的磁性元件，通常使用大约2毫安的偏流。由于各种原因，希望减小分别切换自由层18和18’的磁化19或19’所需要的电流密度。对于磁性存储器应用来说，如MRAM，希望具有低功耗和小隔离晶体管尺寸。高电流密度消耗更多的功率。此外，隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性元件，包括：具有第一被钉扎层易轴的第一被钉扎层，所述第一被钉扎层易轴的至少一部分处于垂直方向；间隔层，所述间隔层是非磁性的和导电的；自由层，所述间隔层位于第一被钉扎层和自由层之间，所述自由层具有自由层易轴，所 述自由层易轴的至少一部分处于垂直方向；阻挡层，所述阻挡层为绝缘体且具有允许隧穿阻挡层的厚度；具有第二被钉扎层易轴的第二被钉扎层，所述第二被钉扎层易轴的至少一部分处于垂直方向，所述阻挡层位于自由层和第二被钉扎层之间；其 中所述磁性元件被配置成，当写入电流通过磁性元件时允许由于自旋转移而切换自由层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-2-25 10/787,7011.一种磁性元件，包括具有第一被钉扎层易轴的第一被钉扎层，所述第一被钉扎层易轴的至少一部分处于垂直方向；间隔层，所述间隔层是非磁性的和导电的；自由层，所述间隔层位于第一被钉扎层和自由层之间，所述自由层具有自由层易轴，所述自由层易轴的至少一部分处于垂直方向；阻挡层，所述阻挡层为绝缘体且具有允许隧穿阻挡层的厚度；具有第二被钉扎层易轴的第二被钉扎层，所述第二被钉扎层易轴的至少一部分处于垂直方向，所述阻挡层位于自由层和第二被钉扎层之间；其中所述磁性元件被配置成，当写入电流通过磁性元件时允许由于自旋转移而切换自由层。2.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层包括铁磁性层和稀土过渡金属合金层的双层。3.根据权利要求2所述的磁性元件，其中所述稀土过渡金属合金层包括GdFe和/或GdFeCo。4.根据权利要求2所述的磁性元件，其中所述铁磁性层包括5至10埃的Co、Ni、Fe、它们的合金，或者CoX、CoFeX或CoNiFeX，其中X为5至60个原子百分数之间的Cu、B、Ru、Re、Rh、Pt、Pd。5.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层包括(Co/Pt)n或者(CoCr/Pt)n，其中n是整数。6.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层包括(Fe/Pt)n或者(CoFe/Pt)n，其中n是整数。7.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层包括[(CoPt)n/Co]/Ru/[(CoPt)n/Co]或者[(CoCrPt)n/CoCr]/Ru/[(CoCrPt)n/CoCr]n，其中n是整数。8.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层包括铁磁性层和稀土过渡金属合金层的双层。9.根据权利要求8所述的磁性元件，其中所述稀土过渡金属合金层包括TbFe和/或TbFeCo。10.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层包括(Co/Pt)n或者(CoCr/Pt)n，其中n是整数。11.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层包括(Fe/Pt)n或者(CoFe/Pt)n，其中n是整数。12.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层包括[(CoPt)n/Co]/Ru/[(CoPt)n/Co]或者[(CoCrPt)n/CoCr]/Ru/[(CoCrPt)n/CoCr]n，其中n是整数。13.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层包括[CoFe/Ru/CoFe]。14.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第二被钉扎层包括铁磁性层和稀土过渡金属合金层的双层。15.根据权利要求14所述的磁性元件，其中所述稀土过渡金属合金层包括TbFe和/或TbFeCo。16.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第二被钉扎层包括(Co/Pt)n或者(CoCr/Pt)n，其中n是整数。17.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第二被钉扎层包括(Fe/Pt)n或者(CoFe/Pt)n，其中n是整数。18.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第二被钉扎层包括[(CoPt)n/Co]/Ru/[(CoPt)n/Co]或者[(CoCrPt)n/CoCr]/Ru/[(CoCrPt)n/CoCr]n，其中n是整数。19.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述第二被钉扎层包括[(CoFePt)n/Ru/CoFePt]。20.根据权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层易轴处于垂直方向。21.一种用于提供磁性元件的方法，包括(a)提供具有第一被钉扎层易轴的第一被钉扎层，所述第一被...

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