本发明专利技术公开了一种提供磁性元件的方法和系统。一方面，磁性元件包括至少一个被钉扎层（１１０）、自由层（１３０）、和位于被钉扎层（１１０）和自由层（１３０）之间的电流约束层（１２０）。被钉扎层（１１０）是铁磁性的并且具有第一磁化。电流约束层（１２０）在绝缘基材中具有至少一个通道。通道是导电性的，并且延伸通过电流约束层（１２０）。自由层（１３０）是铁磁性的并且具有第二磁化。被钉扎层（１１０）、自由层（１３０）、和电流约束层（１２０）被配置成允许自由层的磁化使用自旋转移进行切换。磁性元件（１００）也包括其它层，包括用于自旋阀、自旋隧道结、双自旋阀、双自旋隧道结、双自旋阀／隧道结构的层。
【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器系统，尤其涉及一种方法和系统用于提供在切换(switching)中使用自旋转移(spin transfer)效应并且能够用于例如磁性随机存取存储器(MRAM)的磁性存储器中的元件。
技术介绍
图1A和1B描述了传统磁性元件10和10’。传统磁性元件1是自旋阀10，包括传统反铁磁(AFM)层12，传统被钉扎层(pinned layer)14，传统非磁间隔层16和传统自由层18。传统被钉扎层14和传统自由层18都是铁磁体。传统非磁间隔层16是导电的。AFM层12用于在特定的方向上固定或者钉扎被钉扎层14的磁化。自由层18的磁化通常响应外部磁场可以自由地旋转。图1B中描述的传统磁性元件10’是自旋隧道结。传统自旋隧道结10’的部分类似于传统自旋阀10。因此，传统磁性元件10’包括AFM层12’，传统被钉扎层14’，传统绝缘阻挡层16’和传统自由层18’。传统阻挡层16’非常薄足以使电子在传统自旋隧道结10’中隧穿通过。分别依赖于传统自由层18/18’和传统被钉扎层14/14’的磁化的方向，传统磁性元件10/10’的电阻会各自发生变化。当传统自由层18/18’和传统被钉扎层14/14’的磁化平行时，传统磁性元件10/10’的电阻是低的。当传统自由层18/18’和传统被钉扎层14/14’的磁化反平行时，传统磁性元件10/10’的电阻是高的。为了检测传统磁性元件10/10’的电阻，驱使电流通过传统磁性元件10/10’。电流可以在两种配置中的一种中被驱使，电流在平面内(CIP)和电流垂直平面(CPP)。在CPP配置中，驱动电流垂直于传统磁性元件10/10’的层(在图1A或1B中向上或向下)。本领域技术人员很容易意识到，传统磁性元件10和10’在更高的存储器单元密度时可能不会行使功能。传统磁性元件10和10’通常使用由磁性元件10和10’外部组件驱使的电流所产生的外部磁场写入。切换自由层18或18’的磁化的所需磁场(切换场)分别与传统磁性元件10或10’的宽度成反比。由于切换场对于较小的磁性元件是较高的，因此对于更高的磁性存储器单元密度而言产生外部磁场的所需电流显著地增大。因此，串扰和能耗也增加。用于驱动产生切换场的电流的驱动电路也可能在面积和复杂性上增加。此外，传统写入电流必须大到足以切换磁性存储器单元，而并不大到使相邻单元被不小心切换。写入电流幅值的上限可导致可靠性问题，因为一些单元比其它单元更难以切换(由于制造和材料的不一致)并且可能不能一致地写入。而且，较高的写入电流更可能会危害到磁性元件10和10’的一个或多个层。应此，需要的是一种系统和方法，用于提供可用于高密度、低能耗、低串扰以及高可靠性的存储器阵列中的磁性存储器元件，同时提供充足的读出信号。本专利技术即针对对于这种磁性存储器元件的需求。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于提供磁性元件的方法和系统。一方面，磁性元件包括至少被钉扎层、自由层、以及位于被钉扎层和自由层之间的电流约束层(current confined layer)。被钉扎层是铁磁性的并且具有第一磁化。电流约束层在绝缘基材(matrix)中具有至少一个通道(channel)。通道是导电的而且延伸通过电流约束层。自由层是铁磁性的并且具有第二磁化。被钉扎层、自由层和电流约束层被配置成允许使用自旋转移而切换自由层的磁化。磁性元件也可以包括其它层，包括用于自旋阀、自旋隧道结、双自旋阀、双自旋隧道结和双自旋阀/隧道结构的层。根据在此公开的系统和方法，本专利技术提供一种磁性元件，该磁性元件能使用更有效的和局部的自旋转移切换进行写入，而所需的写入电流减小。另外，假如使用了不止一个自由层，则可以分别设计结构的自由层以分别改善自旋阀和自旋隧道结的功能。附图说明图1A是传统磁性元件自旋阀的图。图1B是另一传统磁性元件自旋隧道结的图。图2描述了根据本专利技术的具有电流约束层的磁性元件的一个实施例。图3描述了根据本专利技术的具有电流约束层的磁性元件的第二实施例。图4描述了根据本专利技术的具有电流约束层的磁性元件的一实施例，其结合使用了自旋阀和自旋隧道结。图5A描述了根据本专利技术的具有电流约束层的磁性元件的另一实施例，其结合使用了自旋阀和自旋隧道结。图5B描述了根据本专利技术的具有电流约束层的磁性元件的另一实施例，其结合使用了自旋阀和自旋隧道结。图6A描述了根据本专利技术的具有电流约束层的磁性元件的一实施例，其结合使用了自旋阀和自旋隧道结并且用反向T形状成形。图6B描述了根据本专利技术的具有电流约束层的磁性元件的一实施例，其结合使用了自旋阀和自旋隧道结且被成形。图7描述了根据本专利技术的具有电流约束层的磁性元件的一实施例，其结合使用了双自旋阀和双自旋阀或双自旋隧道结。图8的高级流程图描述了根据本专利技术的方法的一实施例，用于提供具有电流约束层的磁性元件。图9A的高级流程图描述了用于提供电流约束层的方法的一实施例。图9B的高级流程图描述了用于提供电流约束层的方法的第二实施例。图10的流程图描述了根据本专利技术的方法的一实施例，用于提供具有电流约束层的磁性元件。具体实施例方式本专利技术涉及磁性元件和磁性存储器(例如MRAM)的改进。下面的描述使得本领域普通技术人员能够制造和使用本专利技术，并且是提供在专利申请及其需求的背景中。优选实施例的各种变形对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且这里的普通原理将适用于其他实施例。因此，本专利技术并不限定在所示实施例中，其符合与这里描述的原理和特征一致的最宽范围。为了克服与具有较高密度存储器单元的磁性存储器有关的一些问题，可以利用自旋转移现象。自旋转移的目前知识在J.C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers，”Journal ofMagnetism and Magnetic Materials，vol.159，p.L1-L5(1996)；L.Berger，“Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversed by aCurrent，”Phys.Rev.B，Vol.54，p.9353(1996)，and in F.J.Albert，J.A.Katine and R.A.Buhman，“Spin-polarized Current Switching of a Co ThinFilm Nanomagnet，”Appl.Phys.Lett.，vol.77，No.23，p.3809-3811(2000)中有详细描述。因此，对自旋转移的以下描述是基于目前知识，而并不意在限制本专利技术的范围。当自旋极化电流以CPP配置横越磁性多层时，入射在铁磁层上的电子的自旋角动量与在铁磁层和常规金属层之间的界面附近的铁磁层的磁矩相互作用。通过这个作用，电子转移它们的一部分角动量到铁磁层。结果，如果电流密度充分高(大约107-108A/cm2)并且多层的尺寸较小(大约小于200纳米)，则自旋极化电流可以切换铁磁层的磁化方向。另外，为了使自旋转移能够切换铁磁层的磁化方向，铁磁层应当充分薄，例如，对于Co优选小于大约5纳米。自旋转移现象可在CPP配置中用作下述的替代或与下述一起使用使用外部切换场来本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种磁性元件，包括：被钉扎层，该被钉扎层是铁磁性的并且具有第一磁化；电流约束层，具有在绝缘基材中的至少一个通道，该至少一个通道为导电性的并且延伸通过电流约束层；以及自由层，该自由层是铁磁性的并且具有第二磁化，该电流约 束层位于被钉扎层和自由层之间；其中被钉扎层、自由层和电流约束层被配置成允许自由层的第二磁化使用自旋转移进行切换。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-9-19 10/665,9451.一种磁性元件，包括被钉扎层，该被钉扎层是铁磁性的并且具有第一磁化；电流约束层，具有在绝缘基材中的至少一个通道，该至少一个通道为导电性的并且延伸通过电流约束层；以及自由层，该自由层是铁磁性的并且具有第二磁化，该电流约束层位于被钉扎层和自由层之间；其中被钉扎层、自由层和电流约束层被配置成允许自由层的第二磁化使用自旋转移进行切换。2.如权利要求1的磁性元件，其中该磁性元件进一步包括第二被钉扎层，其是铁磁性的并且具有第三磁化；位于自由层和第二被钉扎层之间的非磁间隔层，该非磁间隔层能够包括第二电流约束层、绝缘的并且具有允许电流载流子在自由层和第二被钉扎层之间隧穿的厚度的阻挡层、或者导电层。3.如权利要求1的磁性元件，其中自由层是合成的自由层，包括被非磁层分开的第一铁磁层和第二铁磁层。4.如权利要求1的磁性元件，其中电流约束层进一步包括配置在自由层和电流约束层之间的第一导电层；和/或配置在被钉扎层和电流约束层之间的第二导电层。5.一种磁性元件，包括第一被钉扎层，该第一被钉扎层是铁磁性的并且具有第一磁化；电流约束层，具有在绝缘基材中的至少一个通道，该至少一个通道为导电性的并且延伸通过电流约束层；以及第一自由层，该第一自由层是铁磁性的并且具有第二磁化，该电流约束层位于第一被钉扎层和第一自由层之间；以及第二自由层；第二被钉扎层；以及位于第二自由层和第二被钉扎层之间的非磁层，第二自由层和第一自由层静磁耦合；非磁层是具有允许电流载...
【专利技术属性】
技术研发人员：怀一鸣，PP源，F艾伯特，
申请(专利权)人：弘世科技公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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