用于提供利用自旋转移的磁性元件的热辅助切换的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种提供能用于磁性存储器中的磁性元件的方法和系统。所述磁性元件包括被钉扎层、非磁性间隔层、自由层以及热辅助切换层。所述间隔层位于所述被钉扎层和自由层之间。所述自由层位于所述间隔层和热辅助切换层之间。所述热辅助切换层在所述自由层未被切换时改善所述自由层的热稳定性，优选通过与所述自由层的耦合。当写入电流通过所述磁性元件时，所述自由层利用自旋转移而发生切换。写入电流优选还加热所述磁性元件以降低由热辅助切换层提供的自由层的稳定。另一方面，所述磁性元件还包括第二自由层、第二非磁性间隔层以及第二被钉扎层。所述热辅助切换层位于静磁耦合的所述两个自由层之间。所述第二间隔层位于所述第二自由层和第二被钉扎层之间。

【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，更具体地说，涉及一种提供更加热稳定的磁性元件的方法和系统，所述磁性元件在切换(switching)中利用自旋转移(spin transfer)效应，并可用于例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表示了常规的磁性元件10和10’。该常规磁性元件10是自旋阀，包括常规的反铁磁(AFM)层12、常规的被钉扎层(pinnedlayer)14、常规的非磁性间隔层16以及常规的自由层18。还可以采用其它的层(未示出)，例如晶种层或盖层(capping layer)。常规被钉扎层14和常规自由层18是铁磁性的。因此，常规自由层18表示成具有可变的磁化(magnetization)19。常规非磁性间隔层16是导电性的(conductive)。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的磁化可以自由旋转，通常是响应外部磁场。图1B所示的常规磁性元件10’为自旋隧道结。常规自旋隧道结10’部分类似于常规的自旋阀10。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’以及具有可变磁化19’的常规自由层18’。常规阻挡层16’足够薄以使电子能在常规的自旋隧道结10’中隧穿。分别取决于常规自由层18/18’和常规被钉扎层14/14’的磁化19/19’方向，常规磁性元件10/10’的电阻分别进行改变。当常规自由层18/18’的磁化19/19’平行于常规被钉扎层14/14’的磁化时，常规磁性元件10/10’的电阻较低。当常规自由层18/18’的磁化19/19’反平行于常规被钉扎层14/14’的磁化时，常规磁性元件10/10’的电阻较高。为了检测常规磁性元件10/10’的电阻，驱动电流通过常规磁性元件10/10’。通常在存储器应用中，电流以CPP(电流垂直于平而)的形式驱动，垂直于常规磁性元件10/10’的层(向上或向下，参见图1A或1B中的z方向)。为了克服与具有较高存储单元密度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10/10’的磁化19/19’。自旋转移在常规磁性元件10’的背景下描述，但同样可应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有详细的记载J.C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers，”Journalof Magnetism and Magnetic Materials，vol.159，p.L1(1996)；L.Berger，“Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversed by aCurrent，”Phys.Rev.B，vol.54，p.9353(1996)；以及F.J.Albert，J.A.Katine and R.A.Buhrman，“Spin-polarized Current Switching of a CoThin 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说明是基于当前知识并且没有限制本专利技术范围的意思。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，入射于铁磁性层上的电子的一部分自旋角动量可转移给该铁磁性层。特别是，入射于常规自由层18’上的电子可将其自旋角动量的一部分转移给常规的自由层18’。结果，如果电流密度足够高(大约107-108A/cm2)并且自旋隧道结的横向尺寸较小(大约小于两百纳米)的话，则自旋极化电流可切换常规自由层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，常规自由层18’应当足够薄，例如，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相对于其它切换机制来说占支配地位，并且当常规磁性元件10/10’的横向尺寸较小时，在几百纳米范围内时，可以观察到。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，作为利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’的磁化切换成平行于常规被钉扎层14’的磁化。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’移动到常规自由层18’)。来自于常规被钉扎层14’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。这些电子可将其角动量的足够部分转移给常规自由层18’，从而将常规自由层18’的磁化19’切换成与常规被钉扎层14’的磁化相平行。或者，自由层18’的磁化可以从平行于常规被钉扎层14’的方向切换成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(传导电子以相反方向移动)，多数电子的自旋被极化在常规自由层18’的磁化方向上。这些多数电子由常规被钉扎层14’传输(transmitted)。少数电子从常规被钉扎层14’反射，回到常规自由层18’，并且可转移其足够量的角动量，从而将自由层18’的磁化19’切换成反平行于常规被钉扎层14’的磁化。尽管自旋转移起作用，但本领域普通技术人员很容易意识到，自由层18和18’各自的磁化19和19’热稳定性在常规磁性元件10和10’尺寸分别较小时(较小的位尺寸)是个问题。自由层18或18’存储数据。自由层18和18’的磁化19和19’方向通常可设为沿易轴的两个方向的任一个(即，图1A和1B中所示的右或左)。磁化方向的热稳定性取决于沿磁化易轴的两个方向之间的能障(energy barrier)(E)。如果能障与系统的热能起伏相当，则磁化方向可以被不经意地切换。对于常规自由层18和18’来说，能障E由下式给出E∝HkV/2在上述E的表达式中，Hk是自由层18或18’(用于存储层的磁性薄膜)平面中的单轴各向异性，V是自由层18或18’的体积。在较小的位尺寸下(较高密度存储)，自由层18或18’的体积减小，因而能障减小。因此，由于热起伏，磁化19或19’的方向可更容易无意地翻转。换句话说，分别对于较小尺寸的常规磁性元件10和10’来说，磁化19和19’的热稳定性较差。因此，需要一种提供能够利用自旋转移进行切换并在操作中具有较高热稳定性的磁性存储元件的系统和方法。本专利技术即致力于这种需要。
技术实现思路
本专利技术提供了一种提供能用于磁性存储器中的磁性元件的方法和系统。在一个方面，所述方法和系统包括提供被钉扎层，提供间隔层，提供自由层以及提供热辅助切换层。所述间隔层为非磁性的，位于所述被钉扎层和所述自由层之间。所述自由层位于所述间隔层和所述热辅助切换层之间。所述热辅助切换层用于在所述自由层未被切换时提高所述自由层的热稳定性。这是通过提高所述自由层的有效单轴各向异性而实现的，例如由于所述热辅助切换层和所述自由层的交换耦合。另外，所述磁性元件构造成当写入电流通过所述磁性元件时，允许所述自由层由于自旋转移而发生切换。在另一方面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性元件，包括：被钉扎层；间隔层，所述间隔层为非磁性的；自由层，所述间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间；热辅助切换层，所述自由层位于所述间隔层和所述热辅助切换层之间，所述热辅助切换层用于当所述自由层未 被切换时改善所述自由层的热稳定性；其中所述磁性元件构造成，当写入电流通过所述磁性元件时允许所述自由层由于自旋转移而发生切换。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-2-13 10/778,7351.一种磁性元件，包括被钉扎层；间隔层，所述间隔层为非磁性的；自由层，所述间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间；热辅助切换层，所述自由层位于所述间隔层和所述热辅助切换层之间，所述热辅助切换层用于当所述自由层未被切换时改善所述自由层的热稳定性；其中所述磁性元件构造成，当写入电流通过所述磁性元件时允许所述自由层由于自旋转移而发生切换。2.如权利要求1的磁性元件，其中所述热辅助切换层为交换耦合到所述自由层的反铁磁性层，所述反铁磁性层构造成具有小于或等于当所述自由层被切换时的所述反铁磁性层温度的阻隔温度。3.如权利要求2的磁性元件，其中所述反铁磁性层包括IrMn。4.如权利要求3的磁性元件，其中所述阻隔温度不大于两百摄氏度。5.如权利要求2的磁性元件，进一步包括邻近所述被钉扎层并包括反铁磁性材料的钉扎层，所述被钉扎层位于所述钉扎层和所述间隔层之间，所述反铁磁性材料具有大于写入过程中所述磁性元件温度的第二阻隔温度。6.如权利要求1的磁性元件，其中所述间隔层进一步包括阻挡层。7.如权利要求1的磁性元件，其中所述间隔层进一步包括导电性非磁性层。8.如权利要求1的磁性元件，其中所述被钉扎层进一步包括第一铁磁性层、第二铁磁性层以及位于所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层之间的导电性非磁性间隔层，所述导电性非磁性间隔层、第一铁磁性层和第二铁磁性层构造成使所述第一铁磁性层和第二铁磁性层反铁磁耦合。9.如权利要求1的磁性元件，其中所述自由层进一步包括第一铁磁性层、第二铁磁性层以及位于所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层之间的导电性非磁性间隔层，所述导电性非磁性间隔层、第一铁磁性层和第二铁磁性层构造成使所述第一铁磁性层和第二铁磁性层反铁磁耦合。10.一种磁性元件，包括第一被钉扎层；第一间隔层，所述第一间隔层为非磁性的；第一自由层，所述第一间隔层位于所述第一被钉扎层和所述第一自由层之间；热辅助切换层，所述第一自由层位于所述第一间隔层和所述热辅助切换层之间，所述热辅助切换层用于当所述第一自由层未被切换时改善所述第一自由层的热稳定性，所述热辅助切换层至少为两纳米厚；第二自由层，所述热辅助切换层位于所述第一自由层和所述第二自由层之间，所述第一自由层和第二自由层静磁耦合；第二间隔层，所述第二间隔层为非磁性的；第二被钉扎层，所述第二间隔层位于所述第二自由层和所述第二被钉扎层之间；其中所述磁性元件构造成，当写入电流通过所述磁性元件时允许所述第一自由层由于自旋转移而发生切换。11.如权利要求10的磁性元件，其中所述第一间隔层为导电性非磁性层。12.如权利要求10的磁性元件，其中所述第一间隔层为阻挡层。13.如权利要求10的磁性元件，其中所述第二间隔层为阻挡层。14.如权利要求10的磁性元件，其中所述第二间隔层为导电性非磁性层。15.如权利要求10的磁性元件，其中所述第二间隔层为磁性电流约束层，其允许在所述第二自由层和所述第二被钉扎层之间发生弹道磁阻。16.如权利要求10的磁性元件，其中所述热辅助切换层为交换耦合到所述第一自由层和第二自由层的反铁磁性层，所述反铁磁性层构造成具有小于或等于当所述第一自由层被切换时的所述反铁磁性层温度的阻隔温度。17.如权利要求16的磁性元件，其中所述反铁磁性层包括IrMn。18.如权利要求17的磁性元件，其中所述阻隔温度不大于两百摄氏度。19.如权利要求16的磁性元件，进一步包括邻近所述第一被钉扎层并包括反铁磁性材料的第一钉扎层，所述第一被钉扎层位于所述第一钉扎层和所述第一间隔层之间，所述反铁磁性材料具有大于写入过程中磁性元件温度的第二阻隔温度。20.如权利要求16的磁性元件，进一...

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