CN101088142A - 提供高度织构的磁阻元件和磁性存储器的方法和系统 - Google Patents

Abstract

揭示了一种提供磁性元件的方法和系统。所述方法和系统包括提供被钉扎层，自由层以及被钉扎层和自由层之间的间隔层。所述间隔层是绝缘的，并具有规则的晶体结构。所述间隔层也设置成允许隧穿所述间隔层。一方面，对于所述间隔层，所述自由层由具有相对间隔层的特定晶体结构和织构的单一磁性层构成。另一方面，所述自由层由两个次层构成，所述第一次层具有相对所述间隔层的特定晶体结构和织构，并且所述第二次层具有低磁矩。在又一个方面，所述方法和系统也包括提供第二被钉扎层和第二非磁性的位于所述自由层和所述第二被钉扎层之间的间隔层。所述磁性元件设置成当写电流通过所述磁性元件时，允许由于自旋转移而转换自由层。

Description

提供高度织构的磁阻元件和磁性存储器的方法和系统

发明领域

本发明涉及磁性存储器系统，尤其是涉及提供一种提供磁性元件的方法和系统，该磁性元件具有改进的信号并可在较低转换电流下利用自旋转移效应而转换。

背景技术

图1A和1B示出了现有的磁性元件10、10’。这种现有磁性元件10/10’可用于非易失性存储器，诸如磁性随机存储器(MRAM)。现有磁性元件10是自旋阀，包括现有反铁磁性(AFM)层12、现有被钉扎层14、现有非磁性间隔层16以及现有自由层18。也可使用其它层(图中未示)，例如接种层或覆盖层。现有被钉扎层14和现有自由层18是铁磁性的。因此，现有自由层18被示为具有可变的磁化19。现有非磁性间隔层16是导电的。AFM层12用于沿特定的方向固定或钉扎被钉扎层14的磁化。通常，当响应一外部磁场时，自由层18的磁化是自由旋转的。图1B中示出的现有磁性元件10’是自旋隧道结。现有自旋隧道结10’的部分与现有自旋阀10类似。但是，现有势垒层16’是绝缘体，厚度薄到足以使电子在现有自旋隧道结10’内隧穿。

分别由现有自由层18/18’的磁化19/19’的方向和现有被钉扎层14/14’的方向，来决定现有磁性元件10/10’各自的电阻变化。当现有自由层18/18’的磁化19/19’与现有被钉扎层14/14’的磁化平行时，现有磁性元件10/10’的电阻低。当现有自由层18/18’的磁化19/19’与现有被钉扎层14/14’的磁化反向平行时，现有磁性元件10/10’的电阻高。

为检测现有磁性元件10/10’的电阻，驱动电流通过现有磁性元件10/10’。通常在存储器应用中的是，以CPP(current perpendicular to the plane，电流垂直于平面)方式驱动电流，并垂直于现有磁性元件10/10’层(向上或向下，如图1A、1B中所示的z方向)。通常，根据利用通过现有磁性元件10/10’的压降幅度来测得的电阻变化，可以确定电阻状态，以及由此确定储存在现有磁性元件10/10’中的数据。

已推荐使用特殊的材料来增加现有磁性元件10’的高和低电阻状态之间的电阻差异幅度。特别是，已推荐被钉扎层14’和自由层18’使用外延的或高度织构的铁(Fe)或Co(钴)，现有的势垒层16’使用外延的或高度织构的氧化镁(MgO)。对于这种结构，可以获得高低电阻状态之间差异达到百分之几百的大的磁阻。

自旋转移是一种用来转换现有自由层18/18’的磁化19/19’，从而在现有磁性元件10/10’内储存数据的效应。在现有磁性元件10’的上下文中描述了自旋转移，可同样适用于现有磁性元件10。下文说明的自旋转移现象是基于现有的知识，而没有限制本发明范围的意图。

当自旋极化电流以CPP方式穿越诸如自旋隧道结10’之类的磁性多层时，入射在铁磁层上的电子的部分自旋角动量可被转移到铁磁层。入射在现有自由层18’上的电子可将其部分自旋角动量转移到现有自由层18’。因此，如果电流密度足够高(约10⁷～10⁸A/cm2)，且自旋隧道结的侧向尺寸(lateral dimension)较小(约小于200纳米)，自旋极化电流可转换现有自由层18’的磁化19’的方向。另外，为了使自旋转移能够转换现有自由层18’的磁化19’的方向，现有自由层18’应足够薄，例如，对于Co，通常约小于10纳米(nanometers)。当现有磁性元件10/10’的侧向尺寸较小，即在几百纳米的范围内时，基于自旋转移的磁化转换比其它转换机制占优势，且变得可观察到。因此，自旋转移适用于具有更小磁性元件10/10’的更高密度的磁性存储器。

以CPP方式使用自旋转移可以作为利用外部转换场转换现有自旋隧道结10’的现有自由层18’的磁化方向的一种替换方式或附加方式。例如，可将现有自由层18’的磁化19’从反向平行于现有被钉扎层14’的磁化转换为平行于现有被钉扎层14’的磁化。电流从现有自由层18’被驱动到现有被钉扎层14’(传导电子从现有被钉扎层14’移动到现有自由层18’)。从现有被钉扎层14’穿越的多数电子具有被极化成和现有被钉扎层14’的磁化方向相同的自旋。这些电子可将它们角动量的一部分传递到现有自由层18’，这部分角动量足以将现有自由层18’的磁化19’转换成与现有被钉扎层14’的磁化平行的方向。或者，自由层18’的磁化可从平行于现有被钉扎层14’的磁化方向转换为反向平行于现有被钉扎层14’的磁化。当电流从现有被钉扎层14’驱动到现有自由层18’时(传导电子沿相反的方向移动)，多数电子具有被极化为现有自由层18’的磁化方向的自旋。这些多数电子通过现有被钉扎层14’迁移。少数电子从现有被钉扎层14’被反射，返回到现有自由层18’，可以传递足量的角动量以将自由层18’的磁化19’转换成反向平行于现有被钉扎层14’的磁化方向。

虽然自旋转移可用于转换现有自由层18/18’的磁化19/19’，本领域的普通技术人员会容易认识到通常需要高的电流密度。特别的，转换磁化19/19’所必需的电流被称为临界电流。如上所述，对应临界电流的临界电流密度大约至少是10⁷A/cm²。本领域的普通技术人员也会容易认识到这种高电流密度意味着需要高的写电流和小的磁性元件尺寸。

使用高临界电流来转换19/19’的磁化会对磁性元件中这种现有磁性元件10/10’的使用性和可靠性产生不良影响。高临界电流对应高的写电流。使用高的写电流会引起不期望的能耗增加。高的写电流会需要更大的结构，诸如隔离晶体管，与现有磁性元件10/10’一起使用以构成存储单元。因此，降低了这种存储器的面密度。另外，因为在较高的写电流下，现有势垒层16’会受到介电击穿，因此具有较高电阻和由此导致的较高信号的现有磁性元件10’会较不可靠。所以，即使可以达成较高的信号读出，现有磁性元件10/10’也不适合在较高密度的现有MRAMs中采用自旋转移来写入现有磁性元件10/10’。

因此，需要一种提供磁性存储元件的系统和方法，可在较低的写电流下使用自旋转移转换所述磁性存储元件。本发明正是针对这种需要提出的。

发明内容

本发明提供一种提供磁性元件的方法和系统。所述发明和系统包括提供一被钉扎层，一自由层，以及在所述被钉扎层和所述自由层之间的一间隔层。所述间隔层是绝缘的并具有一个规则的晶体结构。所述间隔层也设置成允许隧穿所述间隔层。一方面，所述方法和系统也包括提供一第二被钉扎层和一第二非磁性的间隔层，可导电也可绝缘，并位于所述自由层和所述被钉扎层之间。所述磁性元件设置成当写电流通过所述磁性元件时，由于自旋转移，允许所述自由层转换。

根据在此公开的系统和方法，本发明提供一种具有较高信号，并在较低写电流下，可利用自旋转移写入的磁性元件。

附图简要说明

图1A是现有磁性元件、现有自旋阀的图。

图1B是另一种现有磁性元件、现有自旋隧道结的图。

图2是最近开发的利用自旋转移可写入的双自旋滤波器。

图3是对应本发明磁性元件第一实施例的图，所述磁性元件可利用自旋转移写入。

图4是对应本发明磁性元件第一实施例的更详细的图，所述磁性元件可利用自旋转移写入。

图5是对应本发明磁性元件第一实施例的第二种形式的图，所述磁性元件可利用自旋转移写入。

图6是对应本发明磁性元件第一实施例的第三种形式的图，所述磁性元件可利用自旋转移写入。

图7是对应本发明磁性元件第二实施例的图，所述磁性元件可利用自旋转移写入。

图8是对应本发明磁性元件第二实施例的第二种形式的图，所述磁性元件可利用自旋转移写入。

图9是对应本发明提供磁性元件方法的一个实施例，所述磁性元件可利用自旋转移写入。

本发明的详细说明

本发明涉及磁性元件和诸如MRAM的磁性存储器。以下说明旨在能够使本领域的普通技术人员理解和使用本发明，并在专利申请和必要文件的上下文中提供下面的说明。对较佳实施例的各种修改，以及普遍原理和特征对本领域的技术人员是显而易见的。因此，本发明并不打算限于以下所示的实施例，而是与符合在此描述的原理和特征的最大范围相一致。

图2是可作为磁性元件使用的被称为双自旋滤波器70的磁性元件一个实施例的图。双自旋滤波器70最好建立在合适的接种层上。双自旋滤波器70包括反铁磁(AFM)层71，在其上建立被钉扎层72。所述被钉扎层72是铁磁性的并具有被所述AFM层71钉扎的磁化。所述双自旋滤波器70也包括第一间隔层73。所述第一间隔层73可以是势垒层73，所述势垒层是绝缘的并薄到足以允许载流子在所述被钉扎层72和所述自由层74之间隧穿。或者，所述第一间隔层73可以是电流限制层，该电流限制层包括位于绝缘基体内(未特别指出)的导电通道(未特别指出)。在这种结构中，所述被钉扎层72和所述自由层74之间的电流的传导限制在所述导电通道。所述自由层74是铁磁性的并具有由于自旋转移现象可变化的磁化。所述双自旋滤波器70也包括导电的非磁性间隔层75，并可以包括诸如铜之类的材料。所述双自旋滤波器70包括铁磁性的第二被钉扎层76，并有被AFM层77钉扎的磁化。可以考虑由自旋隧道结或电流限制结(包括层71，72，73和74)和自旋阀(包括层74，75，76和77)，两者共享自由层74组成所述双自旋滤波器70。因此，当允许使用自旋转移写入时，可获得较高的读出信号。虽然描述成单铁磁性膜，所述层72，74和76可以是合成的，和/或进行掺杂以提高所述双自旋滤波器70的热稳定性。另外，已经说明了其它具有静磁耦合自由层的磁性元件，包括具有静磁耦合自由层的双自旋滤波器。因此，也可以提供使用磁性元件诸如自旋隧道结或双自旋滤波器的其它结构。

双自旋滤波器70设置成允许使用自旋转移转换自由层74的磁化。因此，双自旋滤波器70的尺寸最好是很小，在几百纳米范围内以降低自场效应。在较佳实施例中，双自旋滤波器70的尺寸小于200纳米，最好接近100纳米。双自旋滤波器70垂直于图2页平面的深度，最好为接近50纳米。所述深度最好小于双自旋滤波器70的宽度，以使双自旋滤波器70有一些形状各向异性，确保自由层74有一个较佳的方向。另外，自由层74的厚度足够小，以使自旋转移强到足以旋转自由层的磁化来对准被钉扎层72和76的磁化。在一个较佳实施例中，自由层74的厚度小于或等于10nm。另外，对于具有较佳尺寸的双自旋滤波器70，在较小的电流下可以提供一个大约10⁷Amps/cm²的足够电流密度。例如，10⁷Amps/cm²的电流密度可以为0.06×0.12μm²的椭圆形双自旋滤波器提供接近0.5mA的电流。结果，可以避免利用特殊电路传递较高电流。

因此，双自旋滤波器70的使用允许利用自旋转移作为转换机制和改进的信号。并且，双自旋滤波器70可制成以使其具有相对低的面电阻。例如，可以获得小于30 Ohm-μm²的面电阻。进一步，自由层74的磁化可保持相对低，允许降低双自旋滤波器70的临界电流。

虽然上述阐述的磁性元件70可以很好地实现目的，但本领域的普通技术人员也认识到期望降低转换磁性元件70必需的临界电流。也希望增加来自磁性元件70的信号。

本发明提供了一种提供磁性元件的方法和系统。所述方法和系统包括提供被钉扎层，自由层，和位于所述被钉扎层和所述自由层之间的间隔层。所述间隔层是绝缘的并具有规则的晶体结构。所述间隔层也可以设置成允许隧穿所述间隔层。一方面，所述方法和系统也包括提供第二被钉扎层，和非磁性的导电的，位于所述自由层和所述第二钉扎层之间的第二间隔层。所述磁性元件设置成，当写电流通过磁性元件时，由于自旋转移，允许所述自由层被转换。

本发明将说明具有某些组成部分的特定磁性存储器和特定磁性元件。但是，本领域的普通技术人员容易认识到，这种方法和系统可有效地用于其它磁性存储元件，这些磁性存储元件具有不与本发明矛盾的不同和/或其它的组成部分；以及/或者这种方法和系统会有效地用于其它磁性存储器，这些磁性存储器具有不与本发明矛盾的不同和/或其它的特征。本发明也以对自旋转移现象的目前理解为背景进行描述。因此，本领域的普通技术人员会容易认识到，对所述方法和系统的机制作出的原理性解释是以对自旋转移的目前理解为基础的。本领域的普通技术人员也会容易认识到，所述方法和系统是以与衬底有特定的关系的结构为背景进行描述。然而，本领域的普通技术人员会容易认识到，所述方法和系统与其它结构是兼容的。此外，所述方法和系统是以某些合成和/或单一层的背景下进行描述。然而，本领域的普通技术人员会容易认识到，这些层可有其它结构。进一步，本发明在具有特定层的磁性元件的背景下进行了描述。然而，本领域的普通技术人员会容易认识到，也可使用与本发明不矛盾的具有附加层和/或不同层的磁性元件。此外，某些组成部分被描述为是铁磁性的。然而，如在此使用的，术语”铁磁性”可包括亚铁磁性或类似的结构。因此，如在此使用的，术语”铁磁性”包括但不限于铁磁体和亚铁磁体。本发明也在单一元件的情况下进行了说明。然而，本领域的普通技术人员会容易认识到，本发明与具有多个元件、位线和字线的磁性存储器的使用不矛盾。

图3是根据本发明利用自旋转移可以写入的磁性元件100的高级图。所述磁性元件100包括被钉扎层102，间隔层104，和自由层106。在较佳实施例中，所述磁性元件100也包括最好是AFM层的钉扎层(图中未示)。虽然作为单一层描述，所述被钉扎层102可为包括两个被非磁性间隔层分开的铁磁层的合成被钉扎层。所述非磁性间隔层的厚度设成以使所述铁磁层的磁化反铁磁性地耦合。在较佳实施例中，所述被钉扎层102，或与所述间隔层104相邻的所述铁磁层，具有一个体心立方(bcc)结构。在一个较佳实施例中，所述被钉扎层102，或与所述间隔层104相邻的铁磁层，具有织构。在较佳实施例中，这个织构是用于所述体心立方(bcc)结构的(100)。因此，对于在所述被钉扎层102内的晶粒，(100)方向最好垂直于各层的平面。不同的表述是，在所述被钉扎层102内的大多数晶粒具有垂直与层平面的(100)方向。同样在较佳实施例中，被钉扎层102，或与所述间隔层104相邻的所述铁磁层，是至少包括钴(Co)，铁(Fe)，镍(Ni)，铬(Cr)和锰(Mn)其中之一的金属合金，或至少包括钴(Co)，铁(Fe)，镍(Ni)，铬(Cr)和锰(Mn)其中之一的非晶态合金，并至少具有硼(B)，磷(P)，硅(Si)，铌(Nb)，锆(Zr)，铪(Hf)，钽(Ta)，钛(Ti)其中之一，其中在后热处理和再结晶后，非晶态材料转变成带有所期望织构的晶体结构。

所述间隔层104是绝缘的。所述间隔层104也具有规则的晶体结构。不同的表述是，间隔层104不是非晶态的。间隔层也最好具有织构。在较佳实施例中，在所述被钉扎层102，或与所述间隔层104相邻的铁磁层的织构和所述间隔层104的织构之间有很好的确定关系。在较佳实施例中，织构相同。因此，在较佳实施例中，所述间隔层104的织构是(100)。同样在较佳实施例中，所述间隔层104包括至少为10原子百分数的Mg并具有岩盐(NaCl)结构。因此，所述间隔层104最好是MgO。所述间隔层104也可以设置成允许隧穿所述间隔层。因此，在较佳实施例中，当所述间隔层最好是具有体心立体结构和(100)方向的MgO，所述被钉扎层102是具有(100)方向的体心立体结构。

自由层106是单一层。在该实施例中，所述自由层106最好具有体心立方晶体结构和最好有(100)方向的织构。在另一个实施例中，所述自由层106最好包括两个铁磁次层(未单独示出)。所述第一次层，最接近间隔层104，最好具有体心立方晶体结构和(100)织构。第二次层最好具有减少的磁矩。次层的磁化紧密耦合，以至次层磁化的相对方位是不变的。自由层106也包括次层之间的非磁性间隔层。在该实施例中，由于非磁性间隔层的交叉耦合，磁化保持反向平行或平行。同样在较佳实施例中，自由层106或其第一次层是包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中的至少一种的金属合金，或包括Co，Fe，Ni和Cr中的至少一种的非晶态合金，并带有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一种。所述第二次层最好是MX的形式，其中M包含Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一种，X可为能降低自由层磁矩的诸如B或Ta的元素，或有助于减少垂直各向异性的Pt或Pd。

磁性元件100设成当写电路通过磁性元件100时，允许自由层106由于自旋转移被转换。在较佳实施例中，自由层106的侧向尺寸(lateral dimensions)，诸如宽度W，因此很小，并最好小于200nm。另外，侧向尺寸之间最好有一些差异以确保自由层106具有一垂直易轴。

因此，磁性元件100可利用自旋转移写入。进一步，由于间隔层104的晶体结构及间隔层104的织构和被钉扎层102的织构之间的关系，明确定义了的电子状态控制了所述间隔层104的隧穿过程。这通过自由层106的织构进一步得到了改进。因此，磁性元件100的磁阻信号可以增强。来自磁性元件100的信号也因此被增强。并且，通过间隔层104的改进自旋极化被改进。转换自由层106磁化必需的临界电流与自旋转移系数成反比，该自旋转移系数与自旋极化相关。因此，转换自由层106的磁化必需的临界电流可以降低。所以，可以改进较高密度磁性存储器中使用的磁性元件100的能量消耗和性能。

图4是根据本发明可利用自旋转移写入的磁性元件110的第一实施例较佳形式的更详细的图。所述磁性元件110与磁性元件100类似。所述磁性元件110包括被钉扎层116，间隔层118和自由层120，分别与磁性元件100的被钉扎层102，间隔层104和自由层106类似。自由层120包括第一次层122，可选的非磁性间隔层124，和第二次层126。

所述磁性元件110最好也包括钉扎层114。同时示出了底部电极(bottomcontact)112和顶部电极(top contact)128。所述底部电极112和顶部电极128在CPP方向驱动通过磁性元件110的电流。所述钉扎层114最好是AFM层。所述AFM层114具有规则的晶体结构，并且最好是特定的织构。另外，接种层(图中未示出)可以用来提供AFM层114期望的织构。例如，如果IrMn用于AFM层114，由β-Ta和TaN混合形成的Ta(N)次层用于确保所述IrMnAFM层114是具有(002)织构的面心立方体(fcc)。所述AFM层114最好通过交换耦合钉扎所述被钉扎层116的磁化。

所述被钉扎层116具有被所述钉扎层114钉扎的磁化。邻近所述间隔层118的被钉扎层116的部分具有织构。在较佳实施例中，相邻所述间隔层的被钉扎层部分具有较佳垂直(001)织构的bcc(体心立方)晶体结构。此外，虽然按照单一层来说明，被钉扎层116也可具有其它结构。例如，所述被钉扎层116可为双层。在该实施例中，与所述AFM层114相邻的被钉扎层116的层设成提高所述AFM层114钉扎所述被钉扎层116磁化的性能。其它双层可设成具有上述的织构。所述被钉扎层116可为包括被非磁性间隔层分开的两个铁磁层的合成被钉扎层。所述非磁性间隔层的厚度设成使所述铁磁层的磁化是反铁磁性耦合的。

所述间隔层118是绝缘的。所述间隔层118也具有规则的晶体结构。不同的表述是，所述间隔层118不是非晶态的。所述间隔层最好也具有织构。在较佳实施例中，被钉扎层116的，或与所述间隔层118相邻的被钉扎层116的次层的织构和所述间隔层118的织构之间具有定义明确的关系。在较佳实施例中，所述间隔层118包括至少10原子百分数的Mg并具有岩盐(NaCl)结构。因此，所述间隔层118最好为MgO。所述间隔层118也设成允许隧穿所述间隔层118。在较佳实施例中，所述间隔层118的织构是(100)。

所述自由层120最好包括两个铁磁次层122和126。所述第一次层122最好具有体心立方晶体结构和(100)织构。同样在较佳实施例中，所述第一次层是包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中至少一种的金属合金，或包括Co，Fe，Ni，和Cr中至少一种的非晶态合金，并具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一种。所述第二次层126最好具有降低的磁矩。降低的磁矩最好是小于或等于1100emu/cm³的磁矩。在一个实施例中，所述第二次层126是非晶态的，包含超过10原子百分数的硼，并包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中的至少一种。在任意一个方案中，所述次层122和126包括Co，Fe或Ni。所述次层122和126的磁化紧密耦合以使所述次层122和126的磁化的相对方向是不变的。例如，由于耦合，所述磁化保持反向平行或平行。所述自由层120也可以包括可选的在所述次层122和126之间的非磁性间隔层124。所述可选的非磁性间隔层124最好设成交换耦合所述次层122和126的磁化。另外，所述可选的非磁性间隔层124可以作为扩散抑制层。

所述磁性元件110也设成，当写电流通过所述磁性元件110时，允许所述自由层120由于自旋转移发生转换。在较佳实施例中，所述自由层120的侧向尺寸，例如宽度W，因此很小，并最好小于200nm。另外，侧向尺寸之间最好具有一些差异，以确保所述自由层120有一特定的易轴。

因此，所述磁性元件110可以利用自旋转移写入。进一步，由于间隔层118的晶体结构以及间隔层118的织构与被钉扎层116的织构之间的关系，明确定义了的电子状态控制了所述间隔层118的隧穿过程。这通过自由层120的次层122的织构进一步得到了改进。因此，可以增强磁性元件110的磁阻信号。由此可以增强磁性元件110的信号。并且，由于通过间隔层118的自旋极化电流的导电性被改进，转换自由层120磁化必需的临界电流可降低。因此，所述磁性元件110可以更容易地在更高密度的磁性储存器中使用。

图5是根据本发明可利用自旋转移写入的磁性元件110’的第一较佳实施例的第二形式的图。所述磁性元件110’与磁性元件110类似。因此，磁性元件110’的类似部分用类似的附图标记标注。例如，磁性元件110’包括与磁性元件110的层116，118和120类似的被钉扎层116’，间隔层118’以及自由层120’。因此，所述磁性元件110’具有磁性元件110的优点。

另外，磁性元件110’包括自旋累积层130和自旋势垒层132。所述自旋势垒层132设成提供电子的镜面反射，可以提高利用自旋转移转换自由层120’的性能。例如，所述自旋势垒层132最好是具有低电阻面积积(RA product)的弱隧道势垒，小于整个磁性元件110’的RA值的10％。用于自旋势垒层132的材料的例子包括Cu-Al合金的氧化物，其中铝最好被氧化。

所述自旋累积层130最好是具有较长的自旋扩散长度的非磁性层，最好至少在20到100A内。因此，自旋累积层130最好包括诸如Cu和Ru的材料。所述自旋累积层130和自旋势垒层132用于通过降低自旋泵效应导致的多余阻尼，提高所述自旋转移效应转换所述自由层120’磁化的性能。因为自旋累积层130和自旋势垒层132可以起到将电流返回到自由层120’的作用，所以该阻尼降低。因此，所述磁性元件110’可以更容易在较低的写电流下转换。

图6是根据本发明可利用自旋转移写入的磁性元件110”的第一较佳实施例的第三种形式的图。磁性元件110”与磁性元件110类似。因此，磁性元件110”的类似部件采用相似的附图标记标注。例如，磁性元件110”包括与磁性元件100的层116，118和120类似的被钉扎层116”，间隔层118”和自由层120”。虽然按照单一层来说明的，但所述自由层120”可以具有其它结构，包括如上所述的两个次层和可选的非磁性间隔层。因此，磁性元件110”具有和磁性元件110的优点。

磁性元件110”相对磁性元件110和110’以不同的次序沉积在衬底上。尤其是，自由层120”更接近底部电极112”，因此比所述被钉扎层116”更接近衬底(图中未示，但位于所述各层的下面)。因此，接层134在自由层120”和底部电极112”之间使用。所述接种层的选用提升了期望的晶体结构和自由层120”的织构。尤其是，接种层134所选用的材料提升bcc晶体结构和自由层120”的织构(100)。尤其是，接种层134最好包括Cr，Ta，TaN，TiN，或TaN/Ta。注意如果自由层120”采用单一层来代替对应层122，124和126的各层，自由层120”最好包括设置成具有带有(100)织构的bcc晶体结构的Co，Fe，和Ni中的至少一种。

图7是根据本发明可利用自旋转移写入的磁性元件200的第二实施例的图。所述磁性元件200是双自旋滤波器。磁性元件200包括第一被钉扎层216，绝缘间隔层218，自由层220，间隔层228，和第二被钉扎层230。所述间隔层228是非磁性的、导电的或其它绝缘隧道势垒。所述磁性元件200也最好包括第一钉扎层214和第二钉扎层232。同时描述了底部电极212和顶部电极234。因此，如果是导电的间隔层228，可以认为磁性元件200包括共享自由层220的自旋隧道结202和自旋阀204。但是，如果间隔层228是绝缘隧道势垒，可认为磁性元件200包括共享自由层220的两个自旋隧道结202和204。进一步，虽然所述的磁性元件200所具有的层相对衬底(图中未示)有特定方向。尤其是，所述的第一被钉扎层216，在自由层220的下方，更接近所述衬底。但是，可以使用其它的方向。

所述底部电极212和顶部电极234用于在CPP方向驱动通过磁性元件200的电流。所述钉扎层214和232最好是AFM层。所述AFM层214具有规则的晶体结构，并且最好是特定的织构。另外，接种层(图中未示出)可以用来提供AFM层214所期望的织构。例如，如果IrMn用于AFM层214，由β-Ta和TaN混合而成的Ta(N)次层用于确保所述IrMn AFM层214是具有(002)织构的面心立方体(fcc)。所述AFM层214最好通过交换耦合钉扎所述第一被钉扎层216的磁化。

所述第一被钉扎层216具有被所述钉扎层214钉扎的磁化。邻近所述绝缘间隔层218的被钉扎层216的部分具有织构。在较佳实施例中，该织构是用于体心立方(bcc)晶体结构的(100)。并且，虽然按照单一层来说明，被钉扎层216也可具有其它结构。例如，所述被钉扎层216可为双层。在这种实施例中，与所述AFM层214相邻的被钉扎层216的层最好设成提高所述AFM层214钉扎所述被钉扎层216磁化的性能。其它双层可设成具有上述的织构。所述被钉扎层216可为包括被非磁性间隔层分开的两个铁磁层的合成被钉扎层。所述非磁性间隔层的厚度设成使所述铁磁层的磁化是反铁磁性耦合的。

所述绝缘间隔层218对应图3，4，5，6中描述的间隔层104，118，118’，和118”。因此，所述间隔层218也具有规则的晶体结构。不同的表述是，所述间隔层218不是非晶态的。所述间隔层也最好具有织构。在较佳实施例中，被钉扎层216的或与所述间隔层218相邻的被钉扎层216的次层的织构和所述间隔层218的织构之间具有定义明确的关系。同样在较佳实施例中，所述间隔层218包括至少10原子百分数的Mg并具有岩盐(NaCl)结构。因此，所述间隔层218最好为MgO。所述间隔层218也设成允许隧穿所述间隔层218。在较佳实施例中，所述间隔层218的织构是(100)。

虽然所述自由层220可以是单一层，但所述自由层220最好包括第一次层222，可选的非磁性间隔层224和第二次层226。所述次层222和226是铁磁性的。所述第一次层222或相邻间隔层218的自由层220的部分最好具有体心立方晶体结构并有织构(100)。同样在较佳实施例中，所述第一次层222是包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中至少一种的金属合金，或包括Co，Fe，Ni，和Cr中至少一种的非晶体合金，并具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一种。所述第二次层226最好具有降低的磁矩。降低的磁矩最好是小于或等于1100emu/cm³的磁矩。在一个实施例中，所述第二次层226是非晶态的，包含超过10原子百分数的硼，并包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一种。在任意一个方案中，所述次层222和226包括Co，Fe或Ni。所述次层222和226的磁化紧密耦合以使所述次层222和226磁化的相对方向是不变的。例如，由于耦合，所述磁化保持反向平行或平行。所述自由层220也可以包括可选的在所述次层222和226之间的非磁性间隔层224。所述可选的非磁性间隔层224最好设成交换耦合所述次层222和226的磁化。另外，所述可选的非磁性间隔层224可以作为扩散抑制层。

所述磁性元件200也设成，当写电流通过所述磁性元件200时，允许所述自由层220由于自旋转移发生转换。在较佳实施例中，所述自由层220的侧向尺寸，例如宽度W因此很小，并最好小于200nm。另外，侧向尺寸之间最好有一些差异，以确保所述自由层220有一特定的易轴。

所述磁性元件200可利用自旋转移写入。进一步，由于间隔层218的晶体结构及间隔层218的织构与被钉扎层216的织构之间的关系，明确定义的电子状态控制了间隔层218的隧穿过程。这通过自由层220的次层222的织构得到进一步改进。因此，来自磁性元件200的信号会被增强。因为通过间隔层218的自旋极化得到改进，转换自由层220的磁化所必需的临界电流可降低。并且，被钉扎层216和230可以设置成，以使当写入磁性元件时，来自被钉扎层216和230的自旋转移力矩是增加的。这进一步降低了转换自由层220的磁化所必需的临界电流。因此，所述磁性元件200可以更容易地在更高密度的磁性储存器中使用。

图8是根据本发明可利用自旋转移写入的磁性元件200’的第二实施例的第二种形式的图。所述磁性元件200’与磁性元件200类似。因此，磁性元件200’的类似部分用相似的附图标记标注。例如，磁性元件200’包括第一被钉扎层216’，绝缘间隔层218’，自由层220’，第二间隔层228’和第二被钉扎层230’，与磁性元件200的层216，218，220，228和230类似。因此，磁性元件200’具有磁性元件200的优点。

另外，所述磁性元件200’包括自旋累积层236和自旋势垒层238。所述自旋势垒层238设置成提供电子的镜面反射，其改进了利用自旋转移转换的自由层220’的性能。例如，所述自旋势垒层最好是具有低电阻面积积(RA product)的弱隧道势垒，该电阻面积积小于整个磁性元件200”RA值的10％。

所述自旋累积层236最好是具有较长的自旋扩散长度的非磁性层。因此所述自旋势垒层236最好包括诸如Cu和Ru的材料。所述自旋累积层236和自旋势垒层238用于通过降低自旋泵效应导致的多余阻尼，提高所述自旋转移效应转换所述自由层220’磁化的性能。因为自旋累积层236和自旋势垒层238可以起到将自旋极化电流返回到自由层220’的作用，该阻尼被降低。因此，所述磁性元件200’可以更容易在较低写电流下被转换。

图9是根据本发明提供可利用自旋转移写入的磁性元件的方法300的一个实施例的图。所述方法300以磁性元件200’为背景进行描述。但是，本方法300可用于其它磁性元件。方法300也在提供单个磁性元件的情况中进行了描述。但是，本领域的技术人员容易认识到可以提供多个元件。所述方法300最好从所述第一钉扎层214’的沉积开始，通过步骤302，在底部电极212’之后提供任意必需的接种层。步骤304提供所述第一被钉扎层216’。步骤304最好包括提供具有期望的晶体结构和织构的所述第一被钉扎层216’。步骤306提供绝缘的间隔层218’。步骤306包括提供具有期望晶体结构和织构的绝缘层218’。步骤306也包括以隧穿被钉扎层216’和自由层220’之间的所述绝缘间隔层218’来提供所述绝缘间隔层218’。

步骤308提供自由层220’。在一个较佳实施例中，步骤308包括提供具有期望晶体结构和方向的自由层220’。步骤308也最好包括提供所述次层222’和226’，也可选地提供所述磁性间隔层224’。因此，所述绝缘间隔层218’位于所述被钉扎层216’和所述自由层220’之间。如果方法300用来提供所述磁性元件100或110，可以省略剩余的步骤。步骤310和312各自可选地提供自旋累积层236和自旋势垒层238。如果方法300用来提供磁性元件110，剩余步骤可以被省略。步骤314提供另一间隔层228’。间隔层228’是非磁性的，既可以是导电的也可以是其它的绝缘隧道势垒。从而所述自由层220’位于所述绝缘间隔层218’和所述间隔层228’之间。步骤316提供第二被钉扎层230’。因此，所述间隔层228’位于所述自由层220’和所述被钉扎层之间。也可提供所述第二AFM层232’和顶部电极234’。

因此，可以制作磁性元件100，110，110’，200，和200’。从而，利用方法300，可以制作可利用自旋转移写入，具有更高信号而利用自旋转移写入的临界电流较低的磁性元件100，110，110’，200和200’。

已公开了提供能够利用自旋转移写入的磁性元件的方法和系统。虽然已根据所示实施例对本发明进行了说明，本领域的技术人员会容易认识到，可对所述实施例进行修改，而这些修改仍在本发明的本质和范围之内。因此，在不超出所后附的权利要求的本质和范围的情况下，本领域的技术人员可进行许多修改。

Claims (59)

1.一种磁性元件包括：

被钉扎层；

间隔层，所述间隔层是绝缘的并具有规则的晶体结构，所述间隔层设成允许隧穿所述间隔层；

自由层，所述间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间；并且，其中所述磁性元件设成，当写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转换。

2.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述被钉扎层具有第一晶体学织构，所述间隔层具有第二晶体学织构。

3.如权利要求2所述的磁性元件，其中所述第一晶体学织构和所述第二晶体学织构相互关联，并且都为(100)方向。

4.如权利要求2所述的磁性元件，其中至少所述自由层的一部分具有第三晶体学织构.

5.如权利要求4所述的磁性元件，其中所述第一晶体学织构，所述第二晶体学织构，和所述第三晶体学织构彼此关联，并且都为(100)方向。

6.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层包括具有第二规则晶体结构的单一层，或具有第一磁化的第一次层和具有第二磁化的第二次层，所述第一次层位于所述间隔层和所述第二次层之间，所述第一次层具有第二规则的晶体结构，所述第一磁化和所述第二磁化耦合。

7.如权利要求6所述的磁性元件，其中所述单一自由层或第一次层包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一种，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一种的非晶态合金，并具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一种。

8.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述被钉扎层包括具有第一规则晶体结构的单一层，或具有第一磁化的第一次层和具有第二磁化的第二次层的合成层，所述第二次层邻近所述间隔层，所述第二次层具有第一规则的晶体结构，所述第一磁化和所述第二磁化耦合。

9.如权利要求8所述的磁性元件，其中所述单一被钉扎层或所述第二次层包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一种，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一种的非晶态合金，并具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一种。

10.如权利要求6所述的磁性元件，其中所述第二次层是MX的形式，M包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一种，X包括B，Ta，Pd，Pt或Cr中的至少一种。

11.如权利要求6所述的磁性元件，其中所述第一次层具有第一晶体学织构，其中所述间隔层具有第二晶体学织构，并且其中所述第一晶体学织构和所述第二晶体学织构互相关联，并且都为(100)方向。

12.如权利要求6所述的磁性元件，其中所述第二次层具有低的磁化。

13.如权利要求12所述的磁性元件，其中所述低的磁化小于或等于1100emu/立方厘米。

14.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述被钉扎层是合成的被钉扎层，包括第一铁磁层，第二铁磁层和非磁性间隔层，所述非磁性间隔层设成磁性地耦合所述第一铁磁层和所述第二铁磁层。

15.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述被钉扎层包括第一铁磁层和第二铁磁层，所述第二铁磁层具有织构并位于所述第一层和所述间隔层之间。

16.如权利要求15所述的磁性元件，其中所述被钉扎层进一步包括位于所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间的非磁性间隔层，所述非磁性间隔层包括Ir，Ru，Rh和Cu中的至少一种。

17.一种磁性元件包括：

被钉扎层；

间隔层，所述间隔层是绝缘的并具有第一规则的晶体结构，所述间隔层设成允许隧穿所述间隔层；自由层，所述间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间，所述自由层包括具有第一磁化的第一次层和具有第二磁化的第二次层及降低的磁矩(magnetic moment)，所述第一次层位于所述间隔层和所述第二次层之间，所述第一次层具有第二规则的晶体结构，所述第一磁化和所述第二磁化耦合；并且

其中所述磁性元件设成，当写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转换。

18.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述被钉扎层具有第一织构，所述间隔层具有第二织构，并且所述自由层具有第三织构，所述第一织构，第二织构和第三织构彼此关联并且都为(100)方向。

19.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述第一次层包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中的至少一种，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一个的非晶态合金，并具有至少B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的一种。

20.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述被钉扎层包括Co，Fe，Ni，Cr，和Mn中的至少一种，或Co，Fe，Ni和Cr中至少一种的非晶态合金，并具有至少B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的一种。

21.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述第二次层是MX的形式，M包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一种，X包括B，Ta，Pd，Pt或Cr中的至少一种。

22.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述低的磁化小于或等于1100emu/立方厘米。

23.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述被钉扎层是合成的被钉扎层，包括第一铁磁层，第二铁磁层和非磁性间隔层，所述非磁性间隔层设成磁性地耦合所述第一铁磁层和所述第二铁磁层。

24.如权利要求23所述的磁性元件，其中所述被钉扎层进一步包括所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间的非磁性间隔层，所述非磁性间隔层包括Ir，Ru，Rh，和Cu中的至少一种。

25.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述间隔层包括至少10原子百分数的Mg。

26.如权利要求25所述的磁性元件，其中所述间隔层是MgO。

27.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述被钉扎层包括体心立方结构，所述第一规则的晶体结构是NaCl结构，所述第二规则的晶体结构是体心立方结构。

28.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述第二次层是非晶态的。

29.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述自由层进一步包括在所述第一次层和所述第二次层之间的非磁性间隔层。

30.如权利要求17所述的磁性元件，进一步包括：

自旋累积层，所述自由层位于所述间隔层和所述自旋累积层之间。

31.如权利要求30所述的磁性元件，其中所述自旋累积层包括Cu和Ru中的至少一种。

32.如权利要求30所述的磁性元件，进一步包括：

自旋势垒层，所述自旋累积层位于所述自由层和所述自旋势垒层之间。

33.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述自由层比所述被钉扎层更接近衬底。

34.如权利要求17所述的磁性元件，其中所述被钉扎层比所述自由层更接近衬底。

35.一种磁性元件包括：

第一被钉扎层；

绝缘的间隔层，所述绝缘的间隔层是绝缘的并具有规则的晶体结构，所述绝缘的间隔层设成允许隧穿所述绝缘间隔层；

自由层，所述绝缘间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间；

间隔层，所述间隔层是非磁性的，既可以是导电层也可以是绝缘隧穿层，所述自由层位于所述绝缘间隔层和所述间隔层之间；

第二被钉扎层，所述间隔层位于所述自由层和所述第二被钉扎层之间；并且

其中所述磁性元件设成当写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转换。

36.一种磁性元件包括：

第一被钉扎层；

绝缘间隔层，所述绝缘间隔层是绝缘的并具有第一规则的晶体结构和第二织构，所述绝缘间隔层设成允许隧穿所述绝缘间隔层；

自由层，所述绝缘间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间，所述自由层包括具有第一磁化的第一次层和具有第二磁化的第二次层，所述第一次层位于所述绝缘间隔层和所述第二次层之间，所述第一次层具有第二规则的晶体结构及第三织构，所述第一磁化和所述第二磁化耦合；

间隔层，所述间隔层是非磁性的，既可以是导电的也可以是绝缘隧穿层，所述自由层位于所述绝缘层和所述间隔层之间；

第二被钉扎层，所述间隔层位于所述自由层和所述第二被钉扎层之间；

其中所述磁性元件设成，当写电流通过所述磁性元件，允许所述自由层由于自旋转移而转换。

37.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层具有第一织构，所述绝缘间隔层具有第二织构，并且所述自由层具有第三织构，所述第一织构，第二织构和第三织构具有特定的晶体学方向关系。

38.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述第一次层包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中至少一种，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一种的非晶态合金，并具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一种。

39.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一种，或包括Co，Fe，Ni和Cr中至少一种的非晶体合金，并具有B，P，Si，Nb，Zr，Hf，Ta，Ti中的至少一种。

40.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述第二次层具有低的磁矩。

41.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述第二次层是MX的形式，M包括Co，Fe，Ni，Cr和Mn中的至少一种，X包括B，Ta，Pd，Pt或Cr中的至少一种。

42.如权利要求40所述的磁性元件，其中所述低的磁矩于或等于1100emu/立方厘米。

43.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层和所述第二被钉扎层中的至少一个是合成的被钉扎层，包括第一铁磁层，第二铁磁层和非磁性间隔层，所述非磁性间隔层设成磁性地耦合所述第一铁磁层和所述第二铁磁层。

44.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述绝缘间隔层包括至少10原子百分数的Mg。

45.如权利要求44所述的磁性元件，其中所述绝缘间隔层是MgO。

46.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层具有体心立方结构，所述第一规则的晶体结构是NaCl结构，所述第二规则的晶体结构是体心立方结构。

47.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述第二次层是非晶态的。

48.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述自由层进一步包括在所述第一次层和所述第二次层之间的非磁性间隔层。

49.如权利要求36所述的磁性元件，进一步包括：

自旋累积层，所述自旋累积层位于所述间隔层和所述第二被钉扎层之间。

50.如权利要求49所述的磁性元件，其中所述自旋累积层包括Cu和Ru中的至少一个。

51.如权利要求49所述的磁性元件，进一步包括：

自旋势垒层，所述自旋势垒层位于所述自旋累积层和所述第二被钉扎层之间。

52.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述自由层比所述第一被钉扎层更接近衬底。

53.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层比所述自由层更接近衬底。

54.如权利要求36所述的磁性元件，其中所述被钉扎层包括第一层和第二层，所述第二层位于所述第一层和所述间隔层之间。

55.一种提供磁性元件的方法，包括：

提供被钉扎层；

提供间隔层，所述间隔层是绝缘的并具有规则的晶体结构，所述间隔层设成允许隧穿所述间隔层；

提供自由层，所述间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间；并且

其中所述磁性元件设成，当写电流通过所述磁性元件时，所述自由层由于自旋转移而转换。

56.如权利要求55所述的方法，其中所述自由层提供步骤进一步包括：

提供具有第一磁化的第一次层；并且

提供具有第二磁化的第二次层，所述第一次层位于所述间隔层和所述第二次层之间，所述第一次层具有第二规则的晶体结构，所述第一磁化和所述第二磁化耦合。

57.如权利要求56所述的方法，其中所述第一次层具有第一晶体学织构，并且其中所述间隔层具有第二晶体学织构，所述第一晶体学织构和所述第二晶体学织构是互相关联的并且都为(100)方向。

58.如权利要求55所述的方法，其中所述被钉扎层是合成的被钉扎层，包括第一铁磁层，第二铁磁层，和设成磁性耦合所述第一铁磁层和第二铁磁层的非磁性间隔层。

59.一种提供磁性元件的方法包括：

提供第一被钉扎层；

提供绝缘间隔层，所述绝缘间隔层是绝缘的并具有规则的晶体结构，

所述绝缘间隔层设成允许隧穿所述绝缘间隔层；

提供自由层，所述绝缘间隔层位于所述被钉扎层和所述自由层之间；

提供间隔层，所述间隔层是非磁性的，既可以是导电也可以是绝缘的，所述自由层位于所述绝缘间隔层和所述间隔层之间；并且

提供第二被钉扎层，所述间隔层位于所述自由层和所述第二被钉扎层之间；

其中所述磁性元件设成，当写电流通过所述磁性元件时，所述自由层由于自旋转移而转换。

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