CN100514487C - 具有复合磁性自由层的磁电子信息器件 - Google Patents

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Abstract

提供一种磁电子信息器件(20)，包括两个多层结构(24、26)和插在两个多层结构之间的间隔层(28)。每个多层结构都具有两个磁性子层(38、40和44、46)和插在两个磁性子层之间的间隔层(42、48)。插在两个磁性子层之间的间隔层提供了由饱和磁场量化的反铁磁性交换耦合。插在两个多层结构之间的间隔层提供了由另一个饱和磁场量化的第二反铁磁性交换耦合，另一个饱和磁场小于第一饱和磁场。

Description

具有复合磁性自由层的磁电子信息器件
技术领域
本发明通常涉及磁电子学，更具体地，涉及一种具有复合磁性自由层的磁电子信息器件。
背景技术
磁电子学、自旋电子学(spin electronics)和自旋电子学(spintronics)是利用电子自旋所引起的效应的同义术语。磁电子学应用于各种信息器件，并提供非易失性的、可靠的、抗辐射的、高密度的数据存储和检索。许多磁电子信息器件包括但不限于，磁致电阻存取存储器(MRAM)、磁性传感器和盘驱动器的读取/写入头。
通常，磁电子信息器件(例如MRAM存储元件)具有包括由各种非磁性层分开的多个磁性层的结构。信息被存储为磁性层中的磁化向量的方向。一个磁性层中的磁性向量被磁性地固定或钉扎，而其它磁性层的磁化方向可以在相同和相反方向之间自由切换，相同和相反方向分别被称作“平行”和“反向平行”状态。对应平行和反向平行状态，磁性存储元件表现出两种不同的电阻。当两个磁性层的磁化向量基本上指向相同和相反的方向时，测量的磁性存储元件的电阻分别具有最小值和最大值。因此，检测测量的电阻中的变化使得磁电子信息器件(例如，MRAM器件)提供存储在磁性存储元件内的信息。
尽管被广泛接受为对于各种存储器相关应用的新兴技术，但是对不断变小的存储器件的需求，已经突出了相对于磁电子信息器件的可缩放性的一些实际设计考虑。尽管通过例如具有较高纵横比的图形化技术已经获得一些改进，但是使用较高的纵横比也会给与存储元件相关的各向异性增加形状分量。随着各向异性的增加，改变磁化方向所需的电流量也随之增加。由于电流量的增加对于某些应用通常是不期望的或可能是不切合实际的，因此寻求较小的器件，其能够使得在改变磁化方向所需电流中对应的增加最小化。
因此，期望提供一种较小的磁电子信息器件，其使得在改变磁化方向所需的电流中对应的增加最小化。而且，结合附图阅读随后的说明和后附的权利要求，本发明的其它预期的特点和特征将显而易见。
发明内容
提供一种磁电子信息器件，包括第一多层结构、第二多层结构和插在第一多层结构与第二多层结构之间的第三间隔层。第一多层结构包括第一磁性子层、第二磁性子层和插在第一磁性子层与第二磁性子层之间的第一间隔层。第一间隔层在第一磁性子层与第二磁性子层之间提供由第一饱和磁场(H1 sat)量化的第一反铁磁性交换耦合。第二多层结构包括第三磁性子层、第四磁性子层和插在第三磁性子层与第四磁性子层之间的第二间隔层。第二间隔层在第三磁性子层与第四磁性子层之间提供由第二饱和磁场(H2 sat)量化的第二反铁磁性交换耦合。第三间隔层插在第一多层结构与第二多层结构之间，第三间隔层在第一多层结构与第二多层结构之间提供由第三饱和磁场(H3 sat)量化的第三反铁磁性交换耦合，第三饱和磁场(H3 sat)小于第一饱和磁场(H1 sat)和第二饱和磁场(H2 sat)。
附图说明
下面将结合附图来说明本发明，其中相同的附图标记表示相同的元件。
图1显示了按照本发明示意性实施例的磁电子信息器件；
图2显示了按照本发明示意性实施例的图1的磁电子信息器件的被钉扎的磁性区域；
图3显示了按照本发明示意性实施例的图1的磁电子信息器件的自由磁性区域；
图4显示了图3的自由磁性区域的磁矩；
图5显示了图4的不平衡磁矩的净差值。
具体实施方式
本发明下面的详细说明在本质上仅是示意性的，并不倾向于限制本发明或申请以及本发明的应用。此外，不倾向于受到在本发明前面的背景技术或本发明下面的详细说明中所阐述或暗示的理论的束缚。
参照图1，给出了按照本发明示意性实施例的磁电子信息器件20。尽管磁电子信息器件20是磁致电阻随机存取存储器(MARM)，但是按照本发明其它的磁电子信息器件和其它的MRAM元件也是可用的，包括但不限于磁性传感器和盘驱动器的读取/写入头，所述的磁致电阻随机存取存储器(MARM)可以是例如专利号为6,545,906B1的，名称为“一种写入可升级的磁致电阻随机存取存储器元件的方法”的美国专利中原始公开的MRAM元件，该专利于2001年10月16日提交，Leonid Savtchenko作为第一指定的发明人(专利号为6,545,906B1的美国专利以引用方式被整体并入本文，并且在下文中被称作Savtchenko Reference)。此外，尽管详细说明中显示并说明了单个磁电子信息器件20，但是通常可以组合使用多个磁电子信息器件。
通常，磁电子信息器件20具有自磁性区域22，包括第一多层结构24、第二多层结构26和插在第一多层结构24与第二多层结构26之间的间隔层28(即，复合磁性自由层)。此外，磁电子信息器件20具有被钉扎磁性区域30和插在自由磁性区域22与被钉扎磁性区域30之间的间隔层32。如此处所使用的，自由磁性区域意思是在施加的磁场中合成磁矩可自由转动的磁性区域，被钉扎磁性区域意思是在施加的能够转动自由磁性区域的合成磁矩的磁场中合成磁矩不能转动的磁性区域。出于简化和清晰的目的，图1中没有显示磁电子信息器件20的其它的层和结构。但是，本领域普通技术人员将会意识到，其它的层和结构可以包含在磁电子信息器件20。例如，如本领域普通技术人员所公知的，被钉扎磁性区域30可以形成在一个或更多个衬底层(未示出)上，一个或更多个种子层(未示出)、一个或更多个模板层(未示出)、和/或位线层21和数字线23可以邻近磁电子信息器件20而形成。
按照本发明，被钉扎磁性区域30可以具有许多种配置。例如，被钉扎磁性区域30可以是多层结构，例如Savtchenko Reference中说明和显示的三层结构。或者，其它具有多于三(3)层或少于三(3)层的多层结构能够用于被钉扎磁性区域30，例如图2所示的双层结构。
参照图2，被钉扎磁性区域30的双层结构优选地包括反铁磁性层33和铁磁性层34。但是，按照本发明也可以使用其它的磁性材料。可以使用多种或适合的反铁磁性材料来制造反铁磁性层33，例如使用铱锰(IrMn)、铁锰(FeMn)、铑锰(RhMn)、铂锰(PtMn)、和铂钯锰(PtPbMn)。可以使用多种铁磁性材料来制造优选地形成在反铁磁性层33上的铁磁性层34，例如使用镍(Ni)、铁(Fe)、锰(Mn)、钴(Co)或这些材料的组合(例如，镍铁(NiFe)、镍铁钴(NiFeCo)或钴铁(CoFe))。如本领域普通技术人员所能够意识到的，在反铁磁性层33上形成铁磁性层34在两个层(33、34)之间提供了交换耦合，用于在某一方向上“钉扎”或“固定”铁磁性层34的磁矩36，所说的某一方向按照本发明可以是多种方向。如本领域普通技术人员所公知的，铁磁性层34的钉扎或固定的磁矩36提供了基准磁矩和基准磁矩的相对方向，邻近间隔层32的自由磁性区域的磁矩控制隧道磁致电阻，其影响流过图1所示的磁电子信息器件20的电流。
参照图1，间隔层32通常也称作隧道屏障，其优选地形成在被钉扎磁性区域30上。如本领域普通技术人员所公知的，可按照磁电子信息器件20的类型来选择形成间隔层32的一种或更多种材料。例如对于磁性隧道结(MTJ)，优选地通过介电材料来形成间隔层32，例如通过氧化铝(Al2O3)或氮化铝(AlN)来形成，对于巨磁阻(GMR)自旋阀结构，优选地通过导电材料来形成间隔层32，例如通过铜(Cu)来形成。但是，按照本发明可以使用其它的材料和/或材料的组合来分隔被钉扎磁性区域30与自由磁性区域22。
参照图3，其显示了按照本发明示意性实施例的图1的磁电子信息器件20的自由磁性区域22。如本发明先前的详细说明所述，自由磁性区域22包括第一多层结构24、第二多层结构26以及插在第一多层结构24与第二多层结构26之间的间隔层28。第一多层结构24优选地包括磁性子层(38、40)和间隔层42，第二多层结构26优选地包括磁性子层(44、46)和间隔层48。但是，可以通过多于两个的多层结构(24、26)和多于一个的间隔层28来形成自由磁性区域22，可以通过除两个磁性子层(38、40)和间隔层42之外的多个层来形成第一多层结构24，可以通过除两个磁性子层(44、46)和间隔层48之外的多个层来形成第二多层结构26。
按照本发明的示意性实施例，第一多层结构24和/或第二多层结构26是合成的亚铁磁性结构。因此，磁性子层(38、40、44、46)优选地是铁磁性层。此外，磁性子层(38、40、44、46)之间的间隔层(42、48)以及第一多层结构24与第二多层结构26之间的间隔层28优选地是反铁磁性耦合层，用于提供反平行的交换耦合。可以通过多种材料来形成自由磁性区域22的用于提供反平行交换耦合的反铁磁性耦合层，例如通过钌(Ru)、锇(Os)、铼(Re)、铬(Cr)、铑(Rh)、铜(Cu)、或其组合物来形成，该组合物在特定的间隔厚度显示出具有第一级和第二级反铁磁性峰值的振荡交换耦合。形成磁性子层(38、40、44、46)的铁磁性层能够使用由钴(Co)、铁(Fe)和镍(Ni)组成的合金(例如镍铁(NiFe))来形成。
配置自由磁性区域22，使得第一多层结构24的磁性子层(38、40)之间的间隔层42以及第二多层结构26的磁性子层(44、46)之间的间隔层48在第一多层结构24的磁性子层(38、40)以及第二多层结构26的磁性子层(44、46)之间提供强的反铁磁性耦合，其可以分别由第一饱和磁场(H1 sat)和第二饱和磁场(H2 sat)来量化，第一饱和磁场(H1 sat)和第二饱和磁场(H2 sat)是使彼此平行的每个多层结构的磁性层的磁矩饱和的磁场。此外，配置第一多层结构24与第二多层结构26之间的间隔层28使得在第一多层结构24与第二多层结构26之间存在的反铁磁性交换耦合要比第一多层结构24的磁性子层(38、40)与第二多层结构26的磁性子层(44、46)之间存在的交换耦合弱一些，第一多层结构24与第二多层结构26之间存在的反铁磁性交换耦合可以由第三饱和磁场(H3 sat)来量化，第三饱和磁场(H3 sat)是使平行于多层结构26的净磁矩的多层结构24的净磁矩饱和的磁场。因此，第三饱和磁场(H3 sat)小于第一饱和磁场(H1 sat)和第二饱和磁场(H2 sat)。按照本发明的一个示意性实施例，由第一多层结构24与第二多层结构26之间的间隔层28提供的交换耦合是第二级交换耦合，第一多层结构24与第二多层结构26的磁性子层(38、40、44、46)之间的交换耦合是第一级交换耦合。
如本发明先前的详细说明所述，设置自由磁性区域22的这种交换耦合结构以便从磁性子层(38、40、44、46)的磁矩(50、52、54、56)获得净磁矩。通常，第一多层结构24的一个磁性子层38配置有在第一方向上的第一磁矩50，第一磁矩50具有第一幅度，第一多层结构24的另一个磁性子层40配置有在第二方向上的第二磁矩52，第二磁矩52具有小于第一幅度的第二幅度，并且第二方向是不同于第一方向的方向。优选地，第二方向近似地与第一方向相反(即，是大约转动180度(180°))。但是，按照本发明第一多层结构24的磁性子层(38、40)可以具有其它的方向。
类似地，第二多层结构26的一个磁性子层46配置有在第一方向上的第一磁矩56，第一磁矩56具有第一幅度，第二多层结构26的另一个磁性子层44配置有在第二方向上的第二磁矩54，第二磁矩54具有小于第一幅度的第二幅度，并且第二方向是不同于第一方向的方向。优选地，第二方向近似地与第一方向相反。但是，按照本发明第二多层结构26的磁性子层(44、46)可以具有其它的方向。
磁性子层(38、40、44、46)的磁矩(50、52、54、56)的相对幅度、第一多层结构24与第二多层结构26之间交换耦合的强度以及第一多层结构24和第二多层结构26的磁性子层(38、40、44、46)之间交换耦合的强度，优选地根据磁性子层(38、40、44、46)的厚度(58、60、62、64)变化以及间隔层(28、42、48)的厚度(66、68、70)变化来提供。更具体地，作为示例，第一多层结构24的一个磁性子层38形成有第一厚度58，第一厚度58大于第一多层结构24的另一个磁性子层40的第二厚度60，因此一个磁性子层38的磁矩幅度大于另一个磁性子层40的磁矩幅度。此外，第二多层结构26的一个磁性子层46形成有第一厚度62，第一厚度62大于第二多层结构26的另一个磁性子层44的第二厚度64，因此一个磁性子层46的磁矩幅度大于另一个磁性子层44的磁矩幅度。而且，第一多层结构24与第二多层结构26之间的间隔层28的厚度70大于第一多层结构24的磁性子层(38、40)之间的间隔层42的厚度66以及第二多层结构26的磁性子层(44、46)之间的间隔层48的厚度68。
例如，能够由钌(Ru)形成磁性子层(38、40、44、46)之间的间隔层(42、48)，厚度(66、68)大约为6至10埃(即，6-10
Figure C200480010863D0012183323QIETU
)，能够由钌(Ru)形成第一多层结构24与第二多层结构26之间的间隔层28，厚度68大约为16至21埃(即，16-21
Figure C200480010863D0012183323QIETU
)。在此示例中，第一多层结构24的一个磁性子层38的第一厚度58和第二多层结构26的一个磁性子层46的第一厚度62近似为40至50埃(即，40-50
Figure C200480010863D0012183323QIETU
)，第一多层结构24的另一个磁性子层40的厚度60和第二多层结构26的另一个磁性子层44的另一厚度64近似为30埃(即，30
Figure C200480010863D0012183323QIETU
)。
如图4所示，自由磁性区域的结构在第一多层结构的磁矩(54、56)之间提供了强的交换耦合(例如，反铁磁性交换耦合)，在第二多层结构的磁矩(50、52)之间提供了强的交换耦合，并在第一多层结构与第二多层结构之间提供了相对较弱的交换耦合。以此方式，每一个多层结构表现出具有较低净磁矩的单层材料的特性，该净磁矩是在如图5所示的每个多层结构中不平衡的磁矩的净差值。继续参照图4，磁矩(50、52、54、56)的组合以及与磁性子层相关的交换耦合产生平衡的复合自由层(例如，合成的反铁磁性(SAF)自由层)，其表现出在两个多层结构之间具有相对较弱的交换耦合的低的有效磁矩，并能够作为单个自由层，例如Savtchenko Reference中的自由层。较低的有效磁矩降低了由形状各向异性引起的影响，并且能够增加磁性存储元件总的存储容量，同时使磁性切换场的增加尽可能的最小化。
如本领域普通技术人员所能够意识到的，本发明的自由磁性区域的配置具有许多优点。例如，可以组合各种多层结构、磁性子层和间隔层以形成比先前技术的三层SAF自由层具有更小磁矩的自由磁性区域。这使得可以生产具有更小尺寸的磁电子信息器件，而没有明显增加用于触发磁电子信息器件的磁性状态的电流量。
尽管在本发明的前述详细说明中已经给出了至少一个示意性实施例，但是应当理解，还存在大量的变化。还应当理解，该示意性实施例仅是示例性的，并不倾向于以任何方式限制本发明的范围、应用或配置。而且，前述详细的说明将给本领域普通技术人员提供用于实施本发明示意性实施例的方便的指导。应当理解在不脱离如后附权利要求所述的本发明范围的情况下，可以对示意性实施例中所述元件的功能和设置进行各种修改。

Claims (18)

1.一种磁电子信息器件，包括：
第一多层结构，所述第一多层结构包括：
第一磁性子层；
第二磁性子层；和
插在所述第一磁性子层与所述第二磁性子层之间的第一间隔层，所述第一间隔层在所述第一磁性子层与所述第二磁性子层之间提供由第一饱和磁场量化的第一反铁磁性交换耦合；
第二多层结构，所述第二多层结构包括：
第三磁性子层；
第四磁性子层；和
插在所述第三磁性子层与所述第四磁性子层之间的第二间隔层，所述第二间隔层在所述第三磁性子层与所述第四磁性子层之间提供由第二饱和磁场量化的第二反铁磁性交换耦合；和
插在所述第一多层结构与所述第二多层结构之间的第三间隔层，所述第三间隔层在所述第一多层结构与所述第二多层结构之间提供由第三饱和磁场量化的第三反铁磁性交换耦合，所述第三饱和磁场小于所述第一饱和磁场和所述第二饱和磁场；
被钉扎磁性区域；以及
插在所述被钉扎磁性区域与所述第四磁性子层之间的第四间隔层。
2.如权利要求1所述的磁电子信息器件，其中所述第一反铁磁性交换耦合是第一级交换耦合。
3.如权利要求1所述的磁电子信息器件，其中所述第二反铁磁性交换耦合是第一级交换耦合。
4.如权利要求1所述的磁电子信息器件，其中所述第三反铁磁性交换耦合是第二级交换耦合。
5.如权利要求1所述的磁电子信息器件，其中所述的第四间隔层是电介质。
6.如权利要求1所述的磁电子信息器件，其中所述的第四间隔层是导体。
7.如权利要求1所述的磁电子信息器件，其中所述的被钉扎磁性区域包括反铁磁性层和铁磁性层。
8.如权利要求7所述的磁电子信息器件，其中所述的反铁磁性层由选自于铱锰、铁锰、铑锰、铂锰、和铂钯锰的一种材料组成。
9.如权利要求7所述的磁电子信息器件，其中所述的铁磁性层由选自于镍、铁、锰和钴的一种材料组成。
10.如权利要求1所述的磁电子信息器件，其中所述的第一磁性子层、所述的第二磁性子层、所述的第三磁性子层和所述的第四磁性子层是铁磁性层。
11.如权利要求7所述的磁电子信息器件，其中使用由钴、铁和镍的组合物形成的合金来形成所述的铁磁性层。
12.如权利要求5所述的磁电子信息器件，其中所述的第一间隔层和所述第二间隔层由选自于钌、锇、铼、铬、铑和铜的一种材料形成。
13.如权利要求1所述的磁电子信息器件，其中所述的磁电子信息器件是磁致电阻随机存取存储元件。
14.一种磁电子随机存取存储元件的自由磁性区域，包括：
第一合成亚铁磁性自由子层，所述第一合成亚铁磁性自由子层包括：
第一铁磁性子层；
第二铁磁性子层；和
插在所述第一铁磁性子层与所述第二铁磁性子层之间的第一反向平行交换耦合间隔层，所述第一反向平行交换耦合间隔层在所述第一铁磁性子层与所述第二铁磁性子层之间提供由第一饱和磁场量化的第一反向平行交换耦合；
第二合成亚铁磁性自由子层，所述第二合成亚铁磁性自由子层包括：
第三铁磁性子层；
第四铁磁性子层；和
插在所述第三铁磁性子层与所述第四铁磁性子层之间的第二反向平行交换耦合间隔层，所述第二反向平行交换耦合间隔层在所述第三铁磁性子层与所述第四铁磁性子层之间提供由第二饱和磁场量化的第二反向平行交换耦合；和
插在所述第一合成亚铁磁性自由子层与所述第二合成亚铁磁性自由子层之间的第三反向平行交换耦合间隔层，所述第三反向平行交换耦合间隔层在所述第一合成亚铁磁性自由子层与所述第二合成亚铁磁性自由子层之间提供由第三饱和磁场量化的第三反向平行交换耦合，所述第三饱和磁场小于所述第一饱和磁场和所述第二饱和磁场。
15.如权利要求14所述的自由磁性区域，其中所述第一反向平行交换耦合是第一级反铁磁性交换耦合。
16.如权利要求14所述的自由磁性区域，其中所述第二反向平行交换耦合是第一级反铁磁性交换耦合。
17.如权利要求14所述的自由磁性区域，其中所述第三反向平行交换耦合是第二级交换耦合。
18.一种磁电子随机存取存储元件的自由磁性区域，包括：
第一合成亚铁磁性自由子层，所述第一合成亚铁磁性自由子层包括：
第一铁磁性子层；
第二铁磁性子层；和
插在所述第一铁磁性子层与所述第二铁磁性子层之间的第一反向平行交换耦合间隔层，所述第一反向平行交换耦合间隔层在所述第一铁磁性子层与所述第二铁磁性子层之间提供由第一饱和磁场量化的第一反向平行交换耦合；
第二合成亚铁磁性自由子层，所述第二合成亚铁磁性自由子层包括：
第三铁磁性子层；
第四铁磁性子层；和
插在所述第三铁磁性子层与所述第四铁磁性子层之间的第二反向平行交换耦合间隔层，所述第二反向平行交换耦合间隔层在所述第三铁磁性子层与所述第四铁磁性子层之间提供由第二饱和磁场量化的第二反向平行交换耦合；和
插在所述第一合成亚铁磁性自由子层与所述第二合成亚铁磁性自由子层之间的第三反向平行交换耦合间隔层，所述第三反向平行交换耦合间隔层在所述第一合成亚铁磁性自由子层与所述第二合成亚铁磁性自由子层之间提供由第三饱和磁场量化的第三反向平行交换耦合，所述第三饱和磁场小于所述第一饱和磁场和所述第二饱和磁场；以及
被钉扎磁性区域。
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