CN101076865B - 自旋电流可切换磁存储器元件以及制造存储器元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种自旋电流可切换磁存储器元件(以及制造存储器元件的方法)，包括：具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金；以及与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成的至少一个势垒层。

Description

自旋电流可切换磁存储器元件以及制造存储器元件的方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及名称为“SPIN-CURRENT SWITCHABLE MAGNETICMEMORY ELEMENT SUITABLE FOR CIRCUIT INTEGRATIONAND METHOD OF FABRICATING THE MEMORY ELEMENT”的美国专利申请No.10/715,376，该申请与本申请被共同地受让，在此引入该申请作为参考。
技术领域
本发明涉及自旋电流可切换(switchable)磁存储器元件以及制造存储器元件的方法，更具体而言，涉及包括多个磁性层的自旋电流可切换磁存储器元件，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金。
背景技术
电流可切换的双端、双稳电阻器可被用作存储器元件。这种器件中的一类为自旋电流可切换磁性结(例如隧道结或自旋阀(spin-valve)结)。在过去几年中验证了这些器件的基本物理。由于按比例缩小至小于等于50nm的结尺寸，该器件有希望成为下一代磁存储器元件。
已被实验证明的常规结器件需要太大的切换电流——约为中段106A/cm2(mid 106A/cm2)，并且结阻抗太低，仅约为1至2Ω-μm2。为有效地与后段制程(BEOL)CMOS技术结合，整个工业界正在进行努力，以减小需要的切换电流的量，并增大器件阻抗。
一种减小切换电流的方法为引入具有垂直磁各向异性的磁性材料。关于相关的技术方法，已经定量地讨论了该构思。
关于相关的技术方法，先前已经讨论了材料选择的一些组合。然而，先前讨论的材料选择倾向于需要复杂的薄膜合成技术例如分子束外延。
发明内容
鉴于上述系统和方法的上述和其它的示例性问题、不利因素以及缺点，本发明的示例性方面的一个目的为提供一种自旋电流可切换磁存储器元件(例如自旋电流注入器件)以及制造存储器元件的方法，所述存储器元件包括这样的材料，该材料允许制造所述存储器元件而不必需要复杂的薄膜合成技术例如分子束外延。
本发明的一个示例性的方面包括这样的自旋电流可切换磁存储器元件，其包括：具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金；以及与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成的至少一个势垒层。所述合金包括例如GdCo合金、TbFeCo合金等等。
所述多个磁性层包括第一磁性层和第二磁性层，所述至少一个势垒层形成在所述第一与第二磁性层之间。所述第一和第二磁性层中的至少一个包括电流可切换磁矩。
重要地，通过溅射淀积方法形成所述多个磁性层中的至少一个。此外，所述多个磁性层中的至少一个包括形成在铂上的钴层或形成在金上的钴层。另外，所述钴层的厚度小于约
Figure G2005800395560D00021
此外，所述多个磁性层中的至少一个包括可以通过自旋电流注入而旋转的磁自由层(magnetically free layer)。另外，包括所述合金的所述磁性层包括固定磁性层，其具有足够的厚度和足够的磁各向异性以在电流诱导的切换过程期间保持固定。另外，包括所述合金的所述磁性层包括提供足够量的自旋极化电流的固定磁性层。
此外，包括所述合金的所述多个磁性层中的所述至少一个包括至少
Figure G2005800395560D00022
的厚度。
所述多个磁性层包括例如第一磁固定层(magnetically fixed layer)、形成在所述第一磁固定层上的磁自由层、以及形成在所述磁自由层上的第二磁固定层。所述至少一个势垒层包括形成在所述第一磁固定层与所述磁自由层之间的第一势垒层、以及形成在所述磁自由层与所述第二磁固定层之间的第二势垒层。
所述磁存储器元件还包括与所述多个磁性层中的一个邻接地形成的第一引线(lead)、与所述多个磁性层中的另一个邻接地形成的第二引线、以及形成在所述第一与第二引线之间的柱，所述柱包括所述至少一个势垒层和所述多个磁性层中的至少一个。包括在所述柱中的所述至少一个磁性层包括所述电流可切换磁矩。具体而言，包括在所述柱中的所述至少一个磁性层的磁矩通过电流可切换。特别地，包括在所述柱中的所述至少一个磁性层的磁矩通过密度不大于约106A/cm2的电流可切换。
此外，所述势垒层保持注入到所述柱中的电流的自旋信息并提供对所述电流的阻抗。另外，所述第一和第二引线中的至少一个包括所述多个磁性层中的磁性层。
所述柱包括例如直径小于约100nm的光刻柱。所述柱还具有依赖于相对于上层的磁化方向的下磁性层的磁化方向的电阻。
所述磁存储器元件的所述垂直磁各向异性分量具有足以至少基本上抵消易面(easy-plane)退磁效应的量值，以便所述多个磁性层中的一个的磁矩位于膜(例如层)平面外或者在自旋电流激励下可以被旋转出所述膜平面。
此外，所述至少一个势垒层包括与所述多个磁性层交替地形成的多个势垒层。另外，所述至少一个势垒层包括氧化铝层、氧化镁层、掺杂的半导体层、非磁性金属层以及SrTiO3中的至少一种。
本发明的另一示例性方面包括这样的磁存储器元件，所述磁存储器元件包括第一和第二引线、形成在所述第一和第二引线之间的柱、具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金、以及与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成的至少一个势垒层。
本发明的另一示例性方面包括这样的磁随机存取存储器(MRAM)阵列，所述磁随机存取存储器阵列包括根据以上所讨论的方面中的至少一方面的多个磁存储器元件。
本发明的另一方面包括一种制造磁存储器元件的方法。所述方法包括以下步骤：提供具有底电极的晶片，形成多个层，以便原位形成在所述多个层之间的界面，由所述多个层光刻限定柱结构，以及在所述柱结构上形成顶电极。所述多个层包括具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金、以及与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成的至少一个势垒层。所述至少一个势垒层包括与所述多个磁性层交替地形成的多个势垒层。
由于其独特和新颖的特征，本发明提供这样的磁存储器元件(例如自旋电流注入隧穿器件)，所述磁存储器元件包括这样的材料，该材料允许制造所述存储器元件而不必需要复杂的薄膜合成技术例如分子束外延。
附图说明
通过参考附图对本发明的示例性实施例的下列详细说明，将可以更好地理解前述和其它示例性的目的、特征、方面和优点，其中：
图1A-1D示例了根据本发明的一个示例性方面的自旋电流可切换磁存储器元件100；
图2A-2B示例了根据本发明的一个示例性方面的自旋电流可切换磁存储器元件200；
图3A-3C示例了根据本发明的一个示例性方面的自旋电流可切换磁存储器元件300；以及
图4示例了根据本发明的一个示例性方面制造自旋电流可切换磁存储器元件的方法400。
具体实施方式
现在参考附图，图1A-1D、2A-2B、3A-3C以及4示例了本发明的一个示例性方面。具体而言，这些附图示例了例如可被包括作为磁随机存取存储器(MRAM)阵列的部分的磁存储器元件(例如电流可切换双端磁存储器元件)。
具体而言，如图1A中所示例的，本发明的一个示例性方面包括自旋电流可切换磁存储器元件100，其包括具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层121、122，多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金。存储器元件100还包括与多个磁性层121、122中的一个(例如在两个磁性层之间)邻接地形成的至少一个势垒层125。
通常，本发明的示例性方面包括在易于制造方面优越的不止一组(set)材料组合(combination)(例如磁性层材料组合)。本发明的构思为对于磁“固定”层和磁“自由”层使用两种不同类型的垂直各向异性材料。本发明所利用的材料的具体选择可以用工业标准溅射淀积方法合成，并且将不必需要复杂的薄膜加工例如分子外延，这使该方法可适用于现存的制造环境。
本发明的重要构思在于在磁结(例如单磁隧道结)中组合具有垂直磁各向异性的两种不同类型的磁性薄膜。如此产生的组合满足有效自旋电流可切换器件的需要，并同时使器件易于制造。
具有垂直各向异性的一种磁性膜为存在于贵金属表面上的钴膜(例如超薄钴膜)(例如PtCo或AuCo)。界面电子结构为这样的结构，以使其给予钴膜以垂直于界面的强界面磁各向异性。
可以用室温UHV溅射淀积来制造这类膜。所产生的具有优选(111)密堆积表面的多晶膜足以诱导这样的界面各向异性。然而，由于其具有垂直于界面(例如表面)的磁化对准(magnetization alignment)，该界面各向异性仅可以支撑钴的非常薄的层(例如，通常厚度小于约
Figure G2005800395560D00051
至
Figure G2005800395560D00052
)。这种磁性薄膜结构对于用作磁“自由”层是有益的，所述磁“自由”层应为薄的并且可以通过自旋电流注入而被旋转。
然而，相同类型的层(例如相同组分的层)不能被用于磁“自由”层和磁“固定”或参考层。固定层(例如参考层)应具有足够的磁各向异性以在整个电流诱导的切换过程期间保持固定，并具有足以提供足量的自旋极化电流的厚度。这就是应将另一种具有垂直各向异性的磁性膜用于磁固定层的原因。
第二种磁性膜(例如磁“固定”层)包括例如稀土/过渡金属合金，例如GdCo合金或TbFeCo合金。这些实际上为具有相对小的总磁矩的微观铁磁体(ferrimagnet)，并可以被制造为在其非晶或者多晶薄膜形态中具有垂直磁各向异性。这些薄膜中的一些很久以来已被用于垂直磁光记录。
使用这些材料(例如稀土/过渡金属合金)作为“固定”层的优点在于，这些材料可以被制作得相对厚(例如约
Figure G2005800395560D00061
或更大或者甚至几百埃或更大)，并且仍保持垂直磁各向异性。这些材料可以很厚的事实与它们是由包含动态损耗非常大的(并由此较不容易受到自旋电流诱导的磁激励或切换的影响的)磁性材料的稀土制成的事实相结合，使得这些材料(例如稀土/过渡金属合金)成为“固定”磁性层的理想候选者。
此外，该材料组(例如稀土/过渡金属合金)的选择使得可以用具有垂直磁各向异性的固定和自由磁性层制造结叠层。它还允许容易地制造三层磁结几何结构，例如||固定的顶部(Fixed top)|隔离物|自由层(free)|隔离物|固定的底部(Fixed bottom)||。这可以进一步减小切换结器件所需要的切换电流的量，并增大了结阻抗。
本发明的一个示例性方面使用下列薄膜材料的组合：
Pt(或Au)|Co|氧化物势垒(例如MgO)|CoxFe1-x|TbFeCo|Pt||
也就是，在该示例性方面中，在Pt(或Au)的层上形成Co的层，在Co的层上形成氧化物势垒，等等。在该情况下，例如，Pt(或Au)层的厚度可以为至少约Co层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D00063
的范围，氧化物势垒可以处于约
Figure G2005800395560D00064
的范围，CoxFe1-x层(例如Co80Fe20)的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D00065
的范围，TbFeCo层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D00066
的范围，以及Pt层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D00067
的范围。
在隧道势垒的左侧，可将PtCo的界面用于界面垂直磁各向异性。Dieny的团队已示出可以使用PtCo系统实现这一点(例如参见Monso et al，Appl.Phys.Lett.80，4157(2002))。因此，可产生具有垂直磁轴并通过自旋电流可切换的自由层，其中切换电流密度为106A/cm2或更小。
在隧道势垒的右侧，可将TbFeCo用于产生具有垂直各向异性的磁“固定”层。可以将界面处的的CoFe用于增大隧道磁阻(MR)。Nishimuraet al.JAP 91，5246(2002)已经示出了CoFe|TbFeCo系统在起着磁隧道电极作用的同时还保持其垂直磁性取向。
使用相似的构思，可以层叠层序列，并产生三磁性层结构，例如：
||TbFeCo|CoxFe1-x|隧道势垒(例如MgO)|Co|Au|CoxFe1-x|TbFeCo|Pt||，其中第一隔离层为隧道势垒，而第二隔离层为自旋阀结构。隧道势垒提供大的磁阻并由此提供用于读出的大电压信号，同时自旋阀结构可以进一步提供增强的用于电流的自旋极化。
也就是，在该示例性方面中，在TbFeCo的层上形成CoxFe1-x的层，在CoxFe1-x的层上形成隧道势垒，等等。在该情况下，例如，第一TbFeCo层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D00072
的范围，第一CoxFe1-x(例如Co80Fe20)层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D00073
的范围，隧道势垒的厚度可以处于约的范围，Co层的厚度可以处于约的范围，Au层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D00076
的范围，第二CoxFe1-x层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D00077
的范围，第二TbFeCo层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D00078
的范围，以及Pt层的厚度不必受到限制(例如可以为引线的一部分)，可以为约
Figure G2005800395560D00079
可选的叠层可以包括，例如：
||TbFeCo|CoxFe1-x|隧道势垒(例如MgO)|Co|Au|隧道势垒(例如MgO)|TbFeCo|Pt||
也就是，在该示例性方面中，在TbFeCo的层上形成CoxFe1-x的层，在CoxFe1-x的层上形成隧道势垒，等等。在该情况下，例如，第一TbFeCo层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D000710
的范围，第一CoxFe1-x(例如Co80Fe20)层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D000711
的范围，隧道势垒的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D000712
的范围，Co层的厚度可以处于约的范围，Au层的厚度可以处于约的范围，第二隧道势垒层的厚度可以处于约
Figure G2005800395560D000715
的范围，第二TbFeCo层的厚度可以处于约的范围，以及Pt层的厚度不必受到限制(例如可以为引线的一部分)，可以为约
Figure G2005800395560D00082
在该情况下，第一(左侧)隧道势垒可以提供用于读出的磁阻对比度，而右侧隧道势垒可以主要起着自旋极化电流的供给者的作用，并且不必提供大的磁阻(这可以有利于在一些磁排列(magnetic arrangement)中避免磁阻读出的消除效应(cancellation effect))。
再次参考图1A-1D、2A-2B、3A-3C和4，为了产生更有利于低电流切换的磁性状态，本发明的示例性方面利用磁各向异性的垂直分量(例如垂直磁各向异性分量)。垂直各向异性分量可以抵消形成薄膜(切换元件)的磁性层中的磁性层(例如切换、或“自由”层、或固定层，或“钉扎(pinned)”参考磁性层，或两者)的退磁场，使得用于存储器功能的磁各向异性成为自旋电流切换必须克服的唯一的显著的能量势垒。
如图1A中所示例的，势垒层125可以包括形成在两个磁性层121、122之间的隧穿势垒层。也就是，本发明的自旋电流可切换磁存储器元件可以包括磁隧穿结。
如图1B中所示例的，自旋电流可切换磁存储器元件100可以在衬底110(例如半导体衬底)上形成。此外，自旋电流可切换磁存储器元件100可以包括第一引线130(例如底电极)和第二引线(例如顶电极)。
此外，多个磁性层121、122中的至少一个可以被包括作为在第一和第二引线130、140之间形成的柱(例如，具有大约100nm的横向尺寸的薄膜叠层)150的部分。该柱可以具有例如长方形的截面，但是该柱可以具有其它形状的截面并且不必局限于任何特定的截面。
例如，如图1C中所示例的，在柱150中可以包括所有的磁性层121、122。然而，可以在柱的外部形成多个磁性层中的一些(例如除一个以外的所有)。例如，如图1D中所示例的，在柱150中形成磁性层122，而磁性层121却没有形成在该柱中。此外，没有包括在柱150中的磁性层可以被形成作为第一或者第二引线130、140的部分。还应注意，可以在该柱中或不在该柱中形成势垒层25。
在一个示例性方面中(例如图1B中所示例的)，可以在衬底110与柱150之间形成第一引线(例如底接触电极)130，并且可以在多个层的顶面上并与底接触电极相反地形成第二引线140(例如顶接触电极)。可以用绝缘材料(例如二氧化硅)填充在底引线(元件130)与顶引线(元件140)之间的空间。经由柱150在第一与第二引线130、140之间流动的电流(例如密度不大于106A/cm2的电流)可以引起多个磁性层中的一个(例如图1B-1D中的磁性层122)的磁矩(例如磁化方向)的改变。
本发明的一个重要的构思为利用在一些磁薄膜中观测到的垂直磁各向异性分量来抵消-平衡(counter-balance)强的退磁效应4πMs，从而去除电流诱导的磁性反转(magnetic revesal)的主要势垒，并降低切换电流阈值。
在理论上并利用一些最近实验上的验证，可建立这样的定量关系，自旋电流诱导的切换的阈值电流可以表达为如下(当4πMs≥Hp时)：
Ic＝(1/η)(2e/h)α(a2lmMs)[Hk+Ha+(4πMs-Hp)/2]
其中η为电流的自旋极化因子，e为电子电荷，h＝h/2π为归一化的Planck常数，α为磁阻尼系数，lm为切换元件层的膜厚度，a2为膜面积(例如横向尺寸平方)，Ms为切换元件层的饱和磁化，Hk为膜平面中的切换元件层的单轴各向异性场，以及Hp为在界面处(例如对于Co-Pt界面的情况)或者穿过具有其应变场或材料的固有的晶态各向异性的外延所诱导的切换元件层的垂直各向异性场。
另外，项(a2lmMs)(Hk)代表切换元件的单轴各向异性能量(例如，对于反映信息存储的热稳定性极限的阻挡温度(blocking temperature)Tb)，4πMs为易面形状各向异性，以及Ha为施加的场。下面给出对材料垂直各向异性场Hp的进一步解释。
当Hp比4πMs大时，磁矩优选使其本身取向为垂直于膜的表面，并且差数Hp-4πMs也成为单轴各向异性项。如果也将另外的单轴各向异性Hk设计为垂直的，则可得到下式的理想情况：
Ic(1/η)(2e/h)α(a2lmMs)[(Hk+(Hp-4πMs)/2)+Ha]
其中各向异性能的所有项为有助于纳米磁体的热稳定性的单轴项。在该情况下，在克服任何无助于热稳定性的易面各向异性时不会浪费电流。
为实现这样的垂直磁矩排列，不但必须要使“自由”层纳米磁体的磁矩变为垂直的，而且需要“固定的”或者“参考”磁性层具有垂直于膜表面的磁矩。这要求制造相对厚的磁性膜以具有垂直磁各向异性。通过使用稀土-过渡金属合金系统例如使用溅射淀积制备的GdFeCo，可以满足该要求。
对于用于磁存储器应用的大多数所关心的磁薄膜，与Hk相比，退磁项4πMs可以很大。例如，对于钴，该项大约为16,000Oe，而Hk一般小于1,000Oe。通常，4πMs项为控制切换电流的主要因素。退磁能量为易面各向异性的，这是薄膜纳米磁体的扁平(flat)几何结构的结果。
作为抵消该力的方法，本发明的示例性方面使用附加的材料和/或界面垂直磁各向异性能量(其作用由在上式中的Hp表示)。具体而言，本发明可以将组合的垂直各向异性减小至这样的值(例如最小值)，所述值便于自旋电流诱导的切换。
具体而言，本发明的示例性方面可以利用垂直磁各向异性的两类可能机制。一类源自界面电子相互作用，另一类源自多个磁性层中的体结构(例如应变)调制(例如，薄膜纳米磁体中的应变)。
属于第一类机制的一个具体实例为薄膜(例如钴-金膜)中界面诱导的垂直磁各向异性。已在实验上证明了超薄Pt/Co/Pt和Au/Co/Au膜呈现足够大的垂直各向异性以完全克服钴的薄膜退磁场。在实验上已进一步证明可以以不同的垂直切换场强度将这样的材料的两个层设置为彼此邻接。
因此，再次参考图1A-1D，自旋电流可切换磁存储器元件可以包括由势垒层125所分隔的两个磁性层121、122。本发明的一个重要方面在于，磁性层中的至少一个(例如磁性层121)包括稀土金属与过渡金属的合金，(例如磁性层122)。
因此，例如，磁性层121可以为自由磁性层并包括例如形成在金或铂上的钴层。另一方面，磁性层122可以为固定磁性层并包括例如稀土金属与过渡金属的合金(例如GdCo合金、TbFeCo合金等等)。此外，势垒层(例如隧穿势垒)125可以包括例如氧化铝或者氧化镁。
如图1B-1F中所示例的，势垒层125和磁性层121、122中的至少一个可以被包括在光刻的柱150(例如具有小于约100nm的横向尺寸的细长圆柱形柱)中。一个磁性层(例如层122)的磁化(例如磁矩)可以具有固定的取向，而另一磁性层(例如层121)可以具有其方向代表信息状态的可切换磁化。
具体而言，在磁性层122中可以包括这样的垂直磁各向异性，其可以具有足以抵消磁性层122中的易面退磁效应4πMs的量值。这有助于减小改变磁性层122的磁化方向所需的电流的量。此外，适于自旋转移(spin-transfer)切换的与磁性层122邻接的势垒层(例如隧穿势垒层)125的并入有助于提供与相邻磁性层所具有的两种不同磁对准状态(例如平行的和反平行的)对应的实际信号电压摆动。
自旋电流可切换磁存储器元件的磁性层可以包括形成在非磁性金属层上的磁性层(例如金上的钴、铂上的钴等等)。在该情况下，可以在磁性层中的层之间(例如在磁性层与非磁性层之间)的界面处提供垂直磁各向异性分量。
例如，图2A示例了磁存储器元件200，其具有第一和第二引线130、140、包括形成在铂的层上的钴的层的第一磁性层121、形成在第一磁性层121上的势垒层(例如隧穿势垒层)125，以及形成在势垒层125上的包括稀土金属与过渡金属的合金(例如GdCo合金、TbFeCo合金等等)的第二磁性层122。
例如，图2B示例了另一方面，其中磁存储器元件200具有第一和第二引线130、140、包括形成在金的层上的钴的层的第一磁性层121、形成在第一磁性层121上的势垒层(例如隧穿势垒层)125，以及形成在势垒层125上的包括稀土金属与过渡金属的合金(例如GdCo合金、TbFeCo合金等等)的第二磁性层122。
此外，如图1A-1D中所示例的，磁性层121、122可以被包括作为柱150或者引线130、140的部分。
尽管图1A-1D和2A-2B中所示例的示例性方面示例了具有两个磁性层121、122的存储器元件，本发明的存储器元件可以包括任何数量的磁性层121(例如自由磁性层)和磁性层122(例如固定磁性层)。
例如，如图3A中所示例的，存储器元件可以包括第一和第二引线330、340，包括与引线330、340邻接地形成的磁性层321的柱350，与磁性层321邻接地形成的势垒层325，以及在势垒层325之间形成的第二磁性层322。
图3B示例了与图3A中的磁存储器元件相似的磁存储器元件。然而，图3B的磁存储器元件不包括作为柱350的部分的磁性层321。替代地，磁性层321形成为第一和第二引线330、340的部分。
图3C示例了本发明的另一示例性方面。具体而言，存储器元件300包括固定底磁性层322、形成在层322上的隔离物层(例如隧穿势垒层)325，自由磁性层321、另一隔离物层(例如隧穿势垒层)325，以及固定顶磁性层322。
应该注意，在本发明的示例性方面中的任何一方面(例如图3A-3C)中，势垒层和磁性层可以包括不同的材料。因此，例如，图3A中的势垒层325中的一个可以包括氧化铝，而势垒层325中的另一个可以包括氧化镁。此外，磁性层321中的一个可以包括形成在金上的Co层，而磁性层321中的另一个可以包括形成在铂上的Co层。此外，磁性层322中的一个可以包括GdCo合金，而磁性层322中的另一个可以包括TbFeCo合金，等等。
在以上讨论的所有示例性结构中，通过界面或者体应变引入的垂直各向异性分量可以但不需要完全克服形状各向异性诱导的易面磁各向异性。也就是，Hp需要接近但不是必须超过4πMs。当Hp＞4πMs时，负责切换的纳米磁体层(例如“自由”层)将使其稳定的磁化方向垂直于薄膜表面，指向上或者向下，代表信息的0和1状态。
在该情况下，对于写入和读出磁比特，可以将磁性薄膜的固定或参考层制造为使其磁化也沿垂直方向，从而提供正确的参考方向。该几何结构可以具有比其中薄膜磁化保持在薄膜平面内的排列更高的磁稳定性。
本发明人先前已指出了制造叠层中一个以上的磁性薄膜以获得足以克服退磁的强的垂直各向异性分量通常是重要的。如果垂直各向异性分量源自应变的薄膜状态，则这一点尤为重要。
如果是这种情况，可以将“自由”层中的垂直各向异性分量较简单并容易地制造为稍低于退磁场4πMs的垂直各向异性分量。也就是，使Hp.4πMs，以便4πMs-Hp～Hk。这样，“自由”层的磁化仍将位于薄膜平面内，但将允许它在自旋电流激励下旋转出薄膜平面。
因为“自由”层的静止位置(resting position)仍在薄膜平面内，所以参考磁性层也仅需使其磁化位于薄膜平面内。这样，能够避免试图制造其中固定磁性层也必须使其磁化位于垂直于膜表面的结构的困难任务。这将显著地降低器件材料制造的复杂性。
利用最近公开的并入稀土-过渡金属铁磁性合金例如GdFeCo或TbFeCo的材料组合，可以用具有真(true)垂直磁状态的所有磁性膜制造磁性叠层。因为可以通过使用溅射淀积的铁磁性合金制备较厚的磁性“参考”层，所以现在可以实现这一点。在优化的淀积条件下，可以将这些铁磁性合金薄膜制造为具有静垂直磁各向异性，其中膜厚度远大于
Figure G2005800395560D00131
。而且，如此制备的这些铁磁性合金薄膜具有足够的垂直磁各向异性和足够强的与其它铁磁性膜例如CoxFe1-x(其中x在0与1之间变化)的界面交换耦合，以迫使在这样的铁磁性薄膜(典型地小于约
Figure G2005800395560D00132
)中的垂直磁矩状态与具有原位制备的界面的铁磁体直接接触。这样的结构的一个实例为如前面所讨论的、并已由Nishimura的团队在实验上所证明(参见Nishimuraet al.J.Appl.Phys.91，5246(2002))的|CoxFe1-x|TbFeCo|双层。
注意下面这一点很重要，即在本发明的以上所讨论的方面的任一方面(例如图1A-3C)中，向适于自旋转移切换的多个层(例如柱)中并入隧穿势垒层有助于提供实际信号电压。
此外，从电路角度，具有相对高的阻抗和信号电平的双端双稳磁切换与当前正处于研发中的其它类型的存储器元件(例如双向联合存储器(OUM)类型、钙钛矿电阻存储器等)非常相似。本发明具有MRAM所必须提供的速度和非易失性的所有优点，并同时与其它类型的双端电阻切换存储器的电路结构相兼容，使得它成为用于MRAM的未来代和系统集成的非常广泛基础的存储器元件技术。
如上所述，可以将固定磁性层(例如稀土金属与过渡金属的合金)形成为具有相对于自由磁性层(例如金上的钴、铂上的钴，等等)的厚度(例如小于约30埃)而言的相对大的厚度(例如约100埃或更大)。通过调整磁性层的厚度和材料，本发明对于邻接隧穿势垒层的磁性层(例如顶磁性层和底磁性层)能够获得不同的垂直各向异性场。这可以为将通过横跨隧穿势垒层的电流注入可切换的自由磁性层以及对开关器件的磁稳定性的细调提供唯一的切换阈值电流。
本发明的另一示例性方面包括一种制造自旋电流可切换磁存储器元件的方法。该方法可包括，例如，形成具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金，以及与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成至少一个势垒层。本发明的方法可以包括关于本发明的自旋电流可切换磁存储器元件的上述所有特征和功能。
图4示例了根据本发明的示例性方面的制造自旋电流可切换磁存储器元件的方法的示例性方面。如图4中所示例的，制造自旋电流可切换磁存储器元件的方法400包括提供其上形成有底电极的晶片(410)，形成多个层(420)，所述多个层包括多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金，以及与所述多个磁性层邻接地形成的至少一个势垒层，由所述多个层光刻限定柱结构(430)，以及在所述柱结构上形成顶电极(440)。
应该注意，可以在多个磁层的形成期间形成势垒层。例如，该方法可以包括形成第一磁性层，在第一磁性层上形成势垒层，以及在势垒层上形成第二磁性层。然后可以在第二磁性层上形成另一势垒层，等等。
此外，注意下面这一点很重要，即可以通过溅射淀积工艺形成要求权利的发明中的磁性层(例如包括稀土金属与过渡金属的合金的至少一个磁性层)。也就是，可以选择本发明中的材料(例如磁性层中的材料)，以便方法400不需要使用复杂的薄膜合成技术例如分子束外延。
由于其独特和新颖的特征，本发明提供这样的磁存储器元件(例如自旋电流注入隧穿器件)，所述磁存储器元件包括这样的材料，该材料允许制造所述存储器元件而不必需要复杂的薄膜合成技术例如分子束外延。
虽然已经根据一个或者多个示例性实施例描述了本发明，本领域的技术人员将认识到，在所附权利要求的精神和范围内可以用修改例来实施本发明。具体而言，本领域的普通技术人员将理解，这里的附图旨在是示例性的，并且本发明的组件的设计不限于这里所公开的内容，而是可以在本发明的精神和范围内对其进行修改。
应注意，应该将术语“具有垂直磁各向异性分量的多个层”宽泛地解释为表示多个层中的至少一个层具有垂直磁各向异性的分量。此外，应该将术语“垂直磁各向异性分量”宽泛地解释为表示垂直磁各向异性的“至少某个分量”。也就是，层(例如具有垂直磁各向异性分量的层)不需要呈现垂直的总体的磁各向异性，而是仅需要使其形状诱导的易面各向异性被所述垂直各向异性的分量减轻(reduced)(例如显著减轻)。
此外，应该将这里使用的术语“固定”层宽泛地解释为包括具有净垂直各向异性的层(例如具有位于膜表面的平面外的位置(例如垂直于膜表面)的磁矩的层)。“固定”层的磁矩对于本发明不需要总体地垂直以起作用，但是该特征能够通过本发明(例如通过本发明的材料的特定的组合)实现，并且该特征是本发明的重要特征。
另外，应该注意，可以将这里包括的术语例如“X层”和“X的层”(例如其中X为钴、金，等等)解释为表示包括X的层。也就是，例如，术语“钴层”和“钴的层”可解释为表示包括钴的层。
此外，申请人的意图为包含所有权利要求要素的等价物，并且不应将对本申请的任何权利要求的修改解释为放弃所附权利要求的任何要素或者特征的等价物的任何利益或者权利。

Claims (30)

1.一种自旋电流可切换磁存储器元件，包括：
具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金；以及
与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成的至少一个势垒层，
其中所述垂直磁各向异性分量具有足以至少基本上抵消易面退磁效应的量值，以便所述多个磁性层中的一个的磁矩位于层平面外或者在自旋电流的激励下可以被旋转出所述层平面。
2.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述多个磁性层包括第一磁性层和第二磁性层，所述至少一个势垒层形成于所述第一与第二磁性层之间。
3.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述多个磁性层中的至少一个包括电流可切换磁矩。
4.根据权利要求1的磁存储器元件，其中通过溅射淀积形成所述多个磁性层中的至少一个。
5.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述多个磁性层中的至少一个包括形成在铂上的钴层。
6.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述多个磁性层中的至少一个包括形成在金上的钴层。
7.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述多个磁性层中的至少一个包括可以通过自旋电流注入而旋转的磁自由层。
8.根据权利要求1的磁存储器元件，其中包括所述合金的所述多个磁性层中的所述至少一个包括固定磁性层，所述固定磁性层包括足以使其在电流诱导的切换过程期间保持固定的厚度和磁各向异性。
9.根据权利要求1的磁存储器元件，其中包括所述合金的所述多个磁性层中的所述至少一个包括固定磁性层，所述固定磁性层提供足以使其在电流诱导的切换过程期间保持固定的自旋极化电流。
10.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述合金包括GdCo合金。
11.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述合金包括TbFeCo合金。
12.根据权利要求1的磁存储器元件，其中包括所述合金的所述多个磁性层中的所述至少一个可以包括大于100的厚度。
13.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述多个磁性层包括：
第一磁固定层；
在所述第一磁固定层上形成的磁自由层；以及
在所述磁自由层上形成的第二磁固定层，以及
其中所述至少一个势垒层包括：
在所述第一磁固定层与所述磁自由层之间形成的第一势垒层；以及
在所述磁自由层与所述第二磁固定层之间形成的第二势垒层。
14.根据权利要求1的磁存储器元件，还包括：
与所述多个磁性层中的一个邻接地形成的第一引线；
与所述多个磁性层中的另一个邻接地形成的第二引线；以及
在所述第一与第二引线之间形成的柱，所述柱包括所述至少一个势垒层和所述多个磁性层中的至少一个。
15.根据权利要求14的磁存储器元件，其中包括在所述柱中的所述至少一个磁性层的磁矩通过电流可切换。
16.根据权利要求14的磁存储器元件，其中包括在所述柱中的所述至少一个磁性层的磁矩通过密度不大于约106A/cm2的电流可切换。
17.根据权利要求14的磁存储器元件，其中所述势垒层保持注入到所述柱中的电流的自旋信息并且提供对所述电流的阻抗。
18.根据权利要求14的磁存储器元件，其中所述第一和第二引线中的至少一个包括所述多个磁性层中的磁性层。
19.根据权利要求14的磁存储器元件，其中所述柱包括直径小于约100nm的光刻柱。
20.根据权利要求14的磁存储器元件，其中所述柱的电阻依赖于下磁性层的相对于上层的磁化方向的磁化方向。
21.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述至少一个势垒层包括与所述多个磁性层交替地形成的多个势垒层。
22.根据权利要求1的磁存储器元件，其中所述至少一个势垒层包括氧化铝层、氧化镁层、掺杂的半导体层、非磁性金属层以及SrTiO3层中的至少一种。
23.一种磁存储器元件，包括：
第一和第二引线；
在所述第一与第二引线之间形成的柱，
具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金；以及
与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成的至少一个势垒层，
其中所述垂直磁各向异性分量具有足以至少基本上抵消易面退磁效应的量值，以便所述多个磁性层中的一个的磁矩位于层平面外或者在自旋电流的激励下可以被旋转出所述层平面。
24.一种磁随机存取存储器(MRAM)阵列，包括根据权利要求23的多个磁存储器元件。
25.一种磁存储器元件，包括：
多个层，其包括：
具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金；以及
与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成的至少一个势垒层，
其中所述垂直磁各向异性分量具有足以至少基本上抵消易面退磁效应的量值，以便所述多个磁性层中的一个的磁矩位于层平面外或者在自旋电流的激励下可以被旋转出所述层平面。
26.根据权利要求25的磁存储器元件，其中所述多个层包括：
第一层，包括Pt和Au中的一种；
第二层，包括在所述第一层上形成的Co；
第三层，包括在所述第二层上形成的氧化物势垒；
第四层，包括在所述第三层上形成的CoxFe1-x；
第五层，包括在所述第四层上形成的TbFeCo；以及
第六层，包括在所述第五层上形成的Pt。
27.根据权利要求25的磁存储器元件，其中所述多个层包括：
第一层，包括TbFeCo；
第二层，包括在所述第一层上形成的CoxFe1-x；
第三层，包括在所述第二层上形成的隧道势垒；
第四层，包括在所述第三层上形成的Co；
第五层，包括在所述第四层上形成的Au；
第六层，包括在所述第五层上形成的CoxFe1-x；
第七层，包括在所述第六层上形成的TbFeCo；以及
第八层，包括在所述第七层上形成的Pt。
28.根据权利要求25的磁存储器元件，其中所述多个层依次包括：
第一层，包括TbFeCo；
第二层，包括在所述第一层上形成的CoxFe1-x；
第三层，包括在所述第二层上形成的隧道势垒；
第四层，包括在所述第三层上形成的Co；
第五层，包括在所述第四层上形成的Au；
第六层，包括在所述第五层上形成的隧道势垒；
第七层，包括在所述第六层上形成的TbFeCo；以及
第八层，包括在所述第七层上形成的Pt。
29.一种制造磁存储器元件的方法，包括以下步骤：
提供具有底电极的晶片；
形成多个层，以便原位形成在所述多个层之间的界面，所述多个层包括：
具有垂直磁各向异性分量的多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金；以及
与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成的至少一个势垒层；
由所述多个层光刻限定柱结构；以及
在所述柱结构上形成顶电极，
其中所述垂直磁各向异性分量具有足以至少基本上抵消易面退磁效应的量值，以便所述多个磁性层中的一个的磁矩位于层平面外或者在自旋电流的激励下可以被旋转出所述层平面。
30.一种自旋电流可切换磁存储器元件，包括：
多个磁性层，所述多个磁性层中的至少一个具有通过垂直磁各向异性的分量被减轻的形状诱导的易面各向异性，并且所述多个磁性层中的至少一个包括稀土金属与过渡金属的合金；以及
与所述多个磁性层中的至少一个邻接地形成的至少一个势垒层，其中所述垂直磁各向异性分量具有足以至少基本上抵消易面退磁效应的量值，以便所述多个磁性层中的一个的磁矩位于层平面外或者在自旋电流的激励下可以被旋转出所述层平面。
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