CN101133476A - 具有用于自旋转移翻转的高自旋极化层的mtj元件以及使用该磁性元件的自旋电子器件 - Google Patents

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Abstract

揭露了一种提供磁性元件的方法及系统。所述方法及系统包括设置第一及第二被钉扎层、自由层及分别位于所述第一及第二被钉扎层与所述自由层之间的第一及第二势垒层。所述第一势垒层为绝缘的结晶MgO且形成为容许隧穿通过所述第一势垒层。此外，所述第一势垒层具有与另一层交界的界面，所述另一层诸如所述自由层或所述第一被钉扎层。所述界面具有提供至少50％的高自旋极化的结构。所述第二势垒层为绝缘的且形成为容许隧穿通过所述第二势垒层。所述磁性元件形成为当写电流经过所述磁性元件时，容许该自由层可因自旋转移而被翻转。

Description

具有用于自旋转移翻转的高自旋极化层的MTJ元件以及使用该磁性元件的自旋电子器件
技术领域
本发明涉及磁存储器系统，尤其涉及一种提供具有改进信号及可使用自旋转移效应以较低翻转电流翻转的磁性元件的方法及系统。
技术背景
图1A及1B描述了常规磁性元件10及10’。此类常规磁性元件10/10’可用于非易失性存储器，如磁性随机存取存储器(MRAM)。常规磁性元件10为自旋阀，且包括常规反铁磁(AFM)层12、常规被钉扎层14、常规非磁性间隔层16及常规自由层18。亦可使用诸如种子层或覆盖层的其它层(未示)。常规被钉扎层14及常规自由层18为铁磁性的。因此，常规自由层18被描述为具有可变的磁化19。常规非磁性间隔层16是导电的。AFM层12用于将被钉扎层14的磁化固定或钉扎为特定方向。自由层18的该磁化可自由旋转，一般是作为外部磁场的响应。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’部分与常规自旋阀10类似。然而，常规势垒层16’为绝缘体，其非常薄足以使电子在常规自旋隧道结10’内隧穿。应注意，仅描述了单自旋阀10，但本技术领域的普通技术人员可容易地认识到可以使用双自旋阀，其包括两层被钉扎层及将该两层被钉扎层与该自由层隔开的两层非磁性层。类似地，尽管仅描述了单自旋隧道结10’，但本技术领域的普通技术人员可容易地认识到可使用双自旋隧道结，其包括两层被钉扎层及将该两层被钉扎层与该自由层隔开的两层势垒层。
分别根据常规自由层18/18’的磁化19/19’及常规被钉扎层14/14’的定向，常规磁性元件10/10’的电阻分别改变。当常规自由层18/18’的磁化19/19’与常规被钉扎层14/14’的磁化平行时，常规磁性元件10/10’的电阻为低。当常规自由层18/18’的磁化19/19’与常规被钉扎层14/14’的磁化反平行时，常规磁性元件10/10’的电阻为高。
为了读出常规磁性元件10/10’的电阻，驱动电流经过常规磁性元件10/10’。一般在储存器应用中，电流是以CPP(电流方向垂直于平面，currentperpendicular to plane)形式驱动，垂直于常规磁性元件10/10’的各层(向上或向下，如图1A或1B中所示的z方向)。根据电阻的变化，一般使用常规磁性元件10/10’的电压降量来测量，可判定该电阻态且随之判定存储于常规磁性元件10/10’中的数据。
某些特定材料业已提出可用于常规磁性元件10’。该常规磁性元件10’中，提出了可用作被钉扎层14’及自由层18’的材料包括选自Ni、Co及Fe之组群的铁磁材料，及其合金如CoFe、CoFeNi，以及诸如CoFeBx(其中x为5-30原子百分比)、CoFeC、CoFeHf的低磁矩铁磁材料，或者类似材料。对于常规势垒层16’，提出可使用非晶形AlOx或者具有(100)或(111)织构(texture)的结晶MgO。对于该些结构，可达成较大磁致电阻，其高电阻态及低电阻态之间可有多至有几百个百分差。
自旋转移为这样一种效应，其可用于翻转常规自由层18/18’的磁化19/19’，藉此将数据存储入常规磁性元件10/10’中。自旋转移是以常规磁性元件10’为背景描述，但同样可用于常规磁性元件10。下文中该自旋转移现象根据现有技术描述，并且并不意欲限制本发明的范围。
当自旋极化电流以CPP形式穿过诸如常规自旋隧道结10’的磁性多层时，入射在铁磁层上的电子的一部分自旋角动量传递至该铁磁层。入射在常规自由层18’上的电子可将其一部分的自旋角动量传递至该常规自由层18’。  因此，若该电流密度足够高(约107-108A/cm2)，且自旋隧道结的横向尺寸较小(约小于200纳米)，自旋极化电流可翻转常规自由层18’的磁化19’的方向。此外，为使自旋转移能够翻转常规自由层18’的磁化19’的方向，常规自由层18’应足够薄，例如，对于Co最好小于约10纳米。当常规磁性元件10’的横向尺寸较小(在几百纳米的范围内)时，基于自旋转移的磁化翻转较之其它翻转机制占有优势，且变得可观察到。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。
作为使用外部翻转场以翻转常规自旋隧道结10’的常规自由层18’的磁化方向的代替或者附加，可以以该CPP形式使用自旋转移。例如，可将常规自由层18’的磁化19’从与该常规被钉扎层14’的磁化反平行翻转至与该常规被钉扎层14’的磁化平行。电流从常规自由层18’被驱动至常规被钉扎层14’(传导电子从常规被钉扎层14’行进至常规自由层18’)。从自常规被钉扎层14’行进的多数电子的自旋以与该常规被钉扎层14’的磁化方向相同的方向极化。这些电子将其角动量中足以使常规自由层18’的磁化19’翻转为与被钉扎层14’的磁化平行的部分转移至常规自由层18’。或者，自由层18’的磁化19’可从与常规被钉扎层14’的磁化平行的方向翻转至与常规被钉扎层14’的磁化反平行的方向。当电流从常规被钉扎层14’被驱动至常规自由层18’(传导电子以相反方向行进)时，多数电子的自旋以该常规自由层18’的磁化方向极化。这些多数电子通过常规被钉扎层14’转移。少数电子从常规被钉扎层14’反射，返回至常规自由层18’且可转移足够量的其角动量以将自由层18’的磁化19’翻转至与与常规被钉扎层14’的磁化反平行。
尽管自旋转移可用来翻转常规自由层18/18’的磁化19/19’，本技术领域的技术人员可容易地认识到一般需要高密度电流。具体地，该翻转磁化19/19’所需的电流被称为临界电流。如前所述，该临界电流系指至少接近107A/cm2的临界电流密度。本技术领域的技术人员亦可容易地认识到该高电流密度意味着需要写电流为高及磁性元件尺寸为小。
使用高临界电流翻转磁化19/19’会对磁性存储器中的这种常规磁性元件10/10’的效用及可靠性造成不利影响。该高临界电流意味着高写电流。使用高写电流导致不必要的功耗增加。该高写电流需要诸如隔离晶体管的较大结构与现有磁性元件10/10’一起使用以形成存储单元。从而，减少了该存储器的面密度。此外，由于常规势垒层16’在较高写电流时会遭受介电击穿，具有较高电阻且由此具有较高信号的常规磁性元件10’可能较不可靠。由此，即使可达成较高信号读取，常规磁性元件10/10’不适合用于使用高自旋转移翻转电流来写入该常规磁性元件10/10’的高密度常规MRAM。
因此，需要一种提供磁性存储元件的方法及系统，所述磁性存储元件可使用自旋势垒以较低写电流翻转。本发明满足了该需求。
发明内容
本发明提供了一种提供磁性元件的方法及系统。所述方法及系统包括设置第一及第二被钉扎层、自由层及分别位于所述第一及第二被钉扎层与所述自由层之间的第一及第二势垒层。所述第一势垒层为绝缘的且形成为容许隧穿通过所述第一势垒层。此外，所述第一势垒层具有与另一层交界的界面，所述另一层诸如所述自由层或所述第一被钉扎层。所述界面具有提供至少50％的高自旋极化的结构。所述第二势垒层为绝缘的且形成为容许隧穿通过所述第二势垒层。所述磁性元件形成为当写电流经过所述磁性元件时，容许所述自由层可因自旋转移而被翻转。
根据本文所揭露的方法及系统，本发明提供具有较高信号且可以较低写电流使用自旋转移来写入的磁性元件。
附图说明
图1A为常规磁性元件，自旋阀的附图；
图1B为另一常规磁性元件，自旋隧道结的附图；
图2为新近开发的磁性元件，双磁性自旋隧道结/自旋阀的附图；
图3为根据本发明的可使用自旋转移写入的磁性元件第一实施例的附图；
图4为根据本发明的可使用自旋转移写入的磁性元件第一实施例的第二种形式的附图；
图5为根据本发明的可使用自旋转移写入的磁性元件第二实施例的附图；
图6为表示本发明第二实施例的一种形式中的磁致电阻与插入层厚度之比的曲线图；
图7为根据本发明的可使用自旋转移写入的第二实施磁性元件的第二种形式例的附图；
图8为根据本发明的可使用自旋转移写入的磁性元件第三实施例的附图；
图9为示出根据本发明的方法实施例的附图，所述方法用于提供相应的可使用自旋转移写入的磁性元件的。
具体实施方式
本发明涉及磁性元件及诸如MRAM的磁性存储器。以下作为专利申请及其要件而提供的描述使得本领域的技术人员能够制造及利用本发明。较佳实施例的各种修改以及本文中所描述的普遍原理及特征对于本领域的技术人员来说是清楚明了的。由此，本发明并不意欲限制为所示的实施例，而应具有与本文所描述的原理及特征相一致的最大范围。本发明亦以现有物理现象为背景描述。然而，本发明并不意欲限制为物理现象的特定解释。
图2为可用作磁性元件、称为双自旋过滤器70的一磁性元件实施例。双自旋过滤器70包括第一AFM层71、第一被钉扎层72、势垒层73、自由层74、间隔层75、第二被钉扎层76及第二AFM层。双自旋过滤器70最好在适当的种子层上制造，并且具有适当的覆盖层(未示出)。被钉扎层72描述为包括由一般为Ru的非磁性间隔层81隔开的磁性层80及82的合成被钉扎层。势垒层73为绝缘的且非常薄足以使电荷载流子在第一被钉扎层72与自由层74之间隧穿。势垒层73可为非晶形氧化铝，或者包括最好具有(100)或(111)织构的MgO的晶体。自由层74为铁磁性且具有因该自旋转移现象而可改变的磁化。间隔层75为导电的且可包括诸如Cu的材料。铁磁性的第二被钉扎层76具有由AFM层77钉扎的磁化。较佳实施例中，最靠近自由层74的这些铁磁层的磁化反铁磁性地对齐。由此，被钉扎层76的磁化方向与该层82的磁化方向相反。双自旋过滤器70可认为是由共用自由层74的自旋隧道结或电流限制结(包括层71、72、73及74)与自旋阀(包括层74、75、76及77)构成。因此，达成较高读取信号的同时允许使用自旋转移来写入。尽管描述为单铁磁膜，层72、74和76可为合成的，及/或可进行掺杂以改进双自旋过滤器70的热稳定性。此外，亦描述了具有静磁耦合自由层的其他磁性元件，包括具有静磁耦合自由层的双自旋过滤器。因此，亦可提供使用诸如自旋隧道结或双自旋过滤器的磁性元件的其他结构。
双自旋过滤器70形成为容许使用自旋转移来翻转该自由层74的磁化。因此，双自旋过滤器70的尺寸最好较小，在几百纳米的范围内以减少自场效应。较佳实施例中，双自旋过滤器70的尺寸小于200纳米且最好为约100纳米。双自旋过滤器70最好具有与图2页面的平面垂直的约50纳米至150纳米的深度。该深度最好小于双自旋过滤器70的宽度以使双自旋过滤器70具有一些形状各向异性，保证自由层74具有较佳方向。此外，自由层74的厚度非常薄足以使该自旋转移足够强以将该自由层的磁化旋转至与该被钉扎层72及76的磁化对齐。较佳实施例中，自由层74的厚度小于等于10nm。此外，对于具有较佳尺寸的双自旋过滤器70，可以相对小的电流提供107Amps/cm2数量级的足够电流密度。例如，对于具有0.06×0.12μm2的椭圆形状的双自旋过滤器70，可以约0.5mA的电流提供约107Amps/cm2的电流密度。结果，可避免为传输太高电流而采用特殊电路。
由此，使用双自旋过滤器70容许将自旋转移用作翻转机制以及改进的信号。此外，可以将双自旋过滤器70制造为具有较低的面电阻。例如，可达成低于30 Ohm-μm2的面电阻。再者，自由层74的磁化可保持为较低，以减少双自旋过滤器70的临界电流。
尽管上述磁性元件70工作良好而可达成预期目的，本技术领域的普通技术人员亦会认识到减少使该磁性元件70翻转所需的临界电流是最好不过的。最好也能增大磁性元件70的信号。
本发明提供了一种提供磁性元件的方法及系统。所述方法及系统包括设置第一及第二被钉扎层、自由层及分别位于所述第一及第二被钉扎层与所述自由层之间的第一及第二势垒层。所述第一势垒层为绝缘的且形成为容许隧穿通过所述第一势垒层。此外，所述第一势垒层具有与另一层交界的界面，所述另一层诸如所述自由层或所述第一被钉扎层。所述界面具有提供至少50％的高自旋极化的结构。所述第二势垒层为绝缘的且形成为容许隧穿通过所述第二势垒层。所述磁性元件形成为当写电流经过所述磁性元件时，容许该自由层可因自旋转移而被翻转。
将根据特定磁性存储器及具某些组件的特定磁性单元来描述本发明。然而，本技术领域的技术人员可容易地认识到本方法及系统对于具有不同及/或附加组件的其他磁性存储元件及/或具有与本发明不相一致的不同及/或其他特征的其他磁性存储器来说亦可有效工作。本发明亦以该自旋转移现象的现有理解以及由于与势垒层交界的界面而导致的自旋极化为背景描述。因此，本技术领域的普通技术人员可容易地认识到该方法及系统的行为的理论解释是根据该自旋转移及自旋极化的现有理解作出的。本技术领域的普通技术人员可容易地认识到该方法及系统是以与基底有某些特定关系的结构为背景描述。然而，本技术领域的普通技术人员可容易地认识到本方法及系统与其他结构相容。此外，本方法及系统以合成或单一的某些层为背景描述。然而，本技术领域的普通技术人员可容易地认识到这些层可为另外结构。再者，本发明以具有特定层的磁性元件为背景描述。然而，本技术领域的普通技术人员可容易地认识到亦可使用与本发明不相一致的具有附加及/或不同层的磁性元件。此外，某些组件描述为铁磁性的。然而，如本文中所使用的，术语“铁磁性”可包括亚铁磁或类似结构。由此，如本文中所使用的，术语“铁磁性”包括但不限于铁磁体及亚铁磁体。本发明也以单一元件为背景进行描述。然而，本技术领域的技术人员可容易地认识到本发明与具有多个元件、位线及字线的磁性存储器相容。
图3为根据本发明的可使用自旋转移写入的磁性元件第一实施例100的附图。磁性元件100包括最好为AFM层的第一钉扎层102、第一被钉扎层104、第一势垒层112、自由层114、第二势垒层116、第二被钉扎层118及第二钉扎层120。亦示出了覆盖层122。另一实施例中，采用其他钉扎该被钉扎层104及118的机制时可省略第一钉扎层102及/或第二钉扎层120。较佳实施例中，AFM层102及120包括诸如PtMn及IrMn的材料。此外，种子层103可在基底101上使用以提供AFM层102的所需织构。任何铁磁层，如自由层114、第一被钉扎层104(或铁磁层106及110)及第二被钉扎层118包括Ni、Co及Fe中至少之一。例如，这些材料包括但不限于CoFe、CoFe、Ni、CoFeB(B为至少5原子百分比且不大于30原子百分比)、CoFeC及CoFeHf。
第一被钉扎层104描述为包括由导电的非磁性间隔层108隔开的铁磁层106及110的合成被钉扎层。此外，铁磁层106及110最好为反铁磁性地对齐。然而，另一实施例中，第一被钉扎层104可为单一层。类似地，第二被钉扎层118描述为单一层。然而，另一实施例中，第二被钉扎层118可为合成的。此外，最靠近自由层114的被钉扎层104及118的磁化最好为反平行。因此，铁磁层110的磁化111最好与被钉扎层118的磁化119反平行。
自由层114描述为单一自由层114。然而，自由层114亦可为合成的，包括由非磁性间隔层(未单独示出)隔开的铁磁层(未单独示出)。例如，该实施例中，自由层114可为CoFe/Ru/CoFe，其中Ru的厚度为至少2埃(Angstrom)且不超过20埃。根据该Ru的厚度，这些铁磁层的磁化平行或反平行地对齐。
自由层114最好具有低磁矩及/或低垂直各向异性。低磁矩自由层114具有不大于1200emu/cc且最好为300-1000emu/cc之间的饱和磁化。低垂直各向异性自由层114具有不大于约6000 Oe且最好为100-5000 Oe的垂直各向异性。该垂直磁性各向异性定义为沿该垂直于膜平面的轴使该自由层磁矩饱和所需的场。
第一势垒层112包括与另一层交界的界面，诸如界面113及115，所述另一层最好为被钉扎层104(且由此为铁磁层110)或自由层114。该界面113及/或115形成为提供大于50％的高自旋极化。较佳实施例中，该高自旋极化为至少80％且最好为85％。由于该界面113及/或115费米能级处的自旋密度，该高自旋极化是可能的。较佳实施例中，界面113及/或115以及该附随的自旋极化是通过对用于第一势垒层112与被钉扎层104或者与自由层114的材料的适当组合进行选择而达成。由于该材料的选择，形成于层112与104(110)之间及/或层112与114之间的界面113及/或115可具有用于达成该高自旋极化的适当结构。较佳实施例中，该用于第一势垒层112的材料为织构成(100)或(111)的MgO。亦在较佳实施例中，第一被钉扎层104(特别是铁磁层110)及/或自由层164为非晶形或以该(100)或(111)方向高度织构。
此外，尽管最靠近该基底(底部)的第一势垒层112描述为具有这一与自旋极化相关的性质，另一实施例中，第二势垒层116可具有与第二被钉扎层118及/或与自由层114交界的界面，该界面形成为具有至少50％的高自旋极化，且最好为至少80％或85％。再一实施例中，势垒层112及116两者都具有与层104及/或114的以及与层114及/或1 18的提供高自旋极化的界面。
磁性元件100亦形成为当写电流经过该磁性元件100时，容许该自由层114可因自旋转移而被翻转。较佳实施例中，诸如宽度w的该自由层114的横向尺寸由此较小且最好小于200纳米。此外，这些横向尺寸最好有所不同亦保证自由层114具有特定的易磁化轴。
由此，磁性元件100可使用自旋转移写入。此外，由于诸如界面113及115的上述这些界面，达成高自旋极化。结果，增加了磁性元件100的磁阻信号。此外，大多数的该信号是来自磁性元件100的具有该层104与114之间的第一势垒层112的这部分。因此，增加了来自磁性元件100的信号。例如，预期可达成超过120％的磁致电阻。此外，该磁性元件100的RA相对较低，最好为10-100Ohm-μm2的数量级。此外，由于磁化119及111为反平行对齐，自旋转移期间的翻转电流是相加的。因此，可以以较低电流翻转该自由层114的磁化。此外，翻转该自由层114的磁化所需临界电流与该自旋极化成反比。因此，可进一步减少翻转该自由层114的磁化所需的临界电流。由此，改善了磁性元件100的功耗及性能使之可用于较高密度的磁性存储器。
图4为根据本发明的可使用自旋转移写入的磁性元件第一实施例100’的第二种形式的附图。磁性元件100’与磁性元件100类似。因此，对类似组件给予类似标识。例如，磁性元件100’包括第一被钉扎层102’、第一势垒层112’、自由层114’、第二势垒层116’及第二被钉扎层118’。
自由层114’为低磁矩自由层。然而，自由层114’并非如上所述的单一自由层或者合成自由层。而是该自由层114’包括由层132隔开的高自旋极化层130及134。层130、132、134俱为铁磁性。然而，中间层132具有低磁矩及/或低垂直各向异性。例如，层130及134可包括2-10埃的CoFeB，而层132可包括坡莫合金(Permalloy)CoPt。由此，高自旋极化层130及134形成与势垒层112’及116’交界的界面，而自由层114’的中间部分具有低磁矩或低垂直各向异性。由此，磁性元件100’亦享有磁性元件100的优点。
图5为根据本发明的可使用自旋转移写入的磁性元件第二实施例150的附图。磁性元件150包括最好为AFM层的第一钉扎层152、第一被钉扎层154、第一势垒层162、自由层164、第二势垒层166、第二被钉扎层168及第二钉扎层170。亦示出了覆盖层172。另一实施例中，采用其他钉扎该被钉扎层154及168的机制时可省略第一钉扎层152及/或第二钉扎层170。较佳实施例中，AFM层152及170包括诸如PtMn及IrMn的材料。此外，种子层153可在基底151上使用以提供AFM层152的所需织构。任何铁磁层，如自由层164、第一被钉扎层154(或铁磁层156及160)及第二被钉扎层168包括Ni、Co及Fe中至少之一。例如，这些材料包括但不限于CoFe、Ni、CoFeB、CoFeCx、CoFeHfx、CoPtx及CoPdx(x为至少5原子百分比且不大于50原子百分比)。自由层164最好具有低磁矩。该低磁矩自由层164具有不大于1200emu/cc且最好在300-1000emu/cc之间的饱和磁化。或者，自由层164具有低垂直各向异性值。该低垂直各向异性自由层164具有不大于约6000 0e且最好为100-5000 Oe的垂直各向异性。此外，自由层164可为三层，如图4所示的自由层114’。再参见图5，由此，较佳实施例中，自由层164形成为具有低垂直各向异性及/或低磁矩。
第一被钉扎层154描述为包括由导电的非磁性间隔层158隔开的铁磁层156及160的合成被钉扎层。此外，铁磁层156及160最好为反铁磁性地对齐。然而，另一实施例中，第一被钉扎层154可为单一层。类似地，第二被钉扎层168描述为单一层。然而，另一实施例中，第二被钉扎层168可为合成的。此外，最靠近自由层164的被钉扎层154及168的磁化最好为反平行。因此，铁磁层160的磁化161最好与被钉扎层168的磁化169反平行。
自由层164描述为单一自由层164。然而，自由层164亦可为合成的，包括由非磁性间隔层(未单独示出)隔开的铁磁层(未单独示出)。例如，该实施例中，自由层164可为CoFe/Ru/CoFe，其中Ru的厚度为至少2埃且不超过20埃。根据该Ru的厚度，这些铁磁层的磁化平行或反平行地对齐。此外，自由层164可为具有与势垒层162及166邻接的高自旋极化层，以及中心低磁矩及/或低饱和磁化层。
第一势垒层162包括和另一层交界的界面，诸如界面163及165，所述另一层最好为被钉扎层154(且由此为铁磁层160)或自由层164。该界面163及/或165形成为提供大于50％的高自旋极化。较佳实施例中，该高自旋极化为至少80％且最好为85％。由于该界面163及/或165的费米能级处的自旋密度，该高自旋极化是可能的。较佳实施例中，界面163及/或165以及该附随的自旋极化是通过对用于第一势垒层162与被钉扎层154或者与自由层164的材料的适当组合进行选择而达成。由于该材料的选择，形成于层162与154(160)之间及/或层162与164之间的界面163及/或165可具有用于达成该高自旋极化的适当结构。较佳实施例中，用于第一势垒层162的材料为织构成(100)或(111)的MgO。亦在较佳实施例中，第一被钉扎层154(特别是铁磁层160)为非晶形或以该(100)或(111)方向高度织构。
此外，第二势垒层166可具有分别与第二被钉扎层168的及/或与自由层164交界的界面171及167，形成为具有至少50％的高自旋极化，且最好为至少80％或85％。较佳实施例中，该界面层167及/或171以及该附随的自旋极化是通过对用于第二势垒层166与第二被钉扎层168或者与自由层164的材料的适当组合进行选择而达成。由于该材料的选择，形成于层168与166之间及/或层164与166之间的界面171及/或167可具有用于达成该高自旋极化的适当结构。较佳实施例中，该用于第二势垒层166的材料为非晶形AlOx或者为织构为(100)或(111)的结晶MgO。亦在较佳实施例中，第二被钉扎层168或自由层164为非晶形或以该(100)或(111)方向高度织构。
磁性元件150亦包括插入层180。除该插入层180之外或者作为该插入层180的代替，磁性元件150可包括可选插入层182。插入层180或182为非磁性的且为导电的。一实施例中，插入层180或182包括Cu、R及Re中的至少之一，并且厚度为至少2埃且不大于50埃。插入层180或182用于调制磁性元件150的磁致电阻。例如，图6为表示磁致电阻与插入层厚度之比的曲线图190，其用于本发明第二实施例的一种形式。由曲线图190可知，该信号随该插入层的厚度变化。由此，通过选择该插入层180或182的适当厚度，可保证该插入层不会破坏该磁性元件150的信号。
磁性元件150亦形成为当写电流经过该磁性元件150时，容许该自由层可因自旋转移而被翻转。较佳实施例中，诸如宽度w的该自由层164的横向尺寸由此较小且最好小于200纳米。此外，这些横向尺寸最好有所不同以保证自由层164具有某个易磁化轴。
由此，磁性元件150可使用自旋转移写入。此外，由于诸如界面163、165、167及/或171的上述这些界面，达成高自旋极化。其结果，增加了磁性元件150的磁阻信号。因此，增大了该来自磁性元件150的信号。例如，预期可达成超过120％的磁致电阻。此外，该磁性元件150的RA相对较低，最好为10-100Ohm-μm2的数量级。此外，由于磁化169及161为反平行对齐，自旋转移期间的翻转电流为相加的。因此，可以较低电流翻转该自由层164的磁化。此外，翻转该自由层164的磁化所需的临界电流与该自旋极化成反比。因此，可进一步减少翻转该自由层164的磁化所需的临界电流。由此，改善了磁性元件150的功耗及性能使之可用于较高密度的磁性存储器。
图7为根据本发明的可使用自旋转移写入的磁性元件第二实施例150’的第二种形式的附图。磁性元件150’与磁性元件150类似。因此，对于类似组件给予类似标识。例如，磁性元件150’包括第一被钉扎层154’、第一势垒层162’、自由层164’、第二势垒层166’及第二被钉扎层168’。
磁性元件150’包括非必要的插入层180’及182’。然而，与图4所示的磁性元件150形成对照，插入层180’位于第一被钉扎层160’与势垒层162’之间。类似地，非必要的插入层182’位于第一势垒层162’与自由层164’之间。插入层180’及182’的作用与如上所述的类似。因此，磁性元件150’亦享有磁性元件150的优点。
图8为根据本发明的可使用自旋转移写入的磁性元件第三实施例200的附图。磁性元件200包括最好为AFM层的钉扎层202、被钉扎层204、势垒层212及自由层214。亦示出了覆盖层216。代替实施例中，采用其他钉扎该被钉扎层204磁化的机制时可省略钉扎层202。较佳实施例中，AFM层202包括诸如PtMn及IrMn的材料。此外，种子层203可在基底201上使用以提供AFM层202的所需织构。任何铁磁层，如自由层214及被钉扎层204(或铁磁层206及210)，包括Ni、Co及Fe中至少之一。例如，这些材料包括但不限于CoFe、CoFe、Ni、CoFeB(B为至少5原子百分比且不大于30原子百分比)、CoFeC及CoFeHf。由此，可认为磁性元件200为一种特殊情况，其为磁性元件100、100’、150及150’之一的一部分。
被钉扎层204描述为包括由导电的非磁性间隔层208隔开的铁磁层206及210的合成被钉扎层。此外，铁磁层206及210最好为反铁磁性地对齐。然而，另一实施例中，第一被钉扎层104可为单一层。
自由层214描述为单一自由层214。然而，自由层214亦可为合成的，包括由非磁性间隔层(未单独示出)隔开的铁磁层(未单独示出)。例如，该实施例中，自由层214可为CoFe/Ru/CoFe，其中Ru的厚度为至少2埃且不超过20埃。根据该Ru的厚度，该些铁磁层的磁化平行或反平行地对齐。自由层214具有低磁矩及/或低垂直各向异性。一实施例中，自由层214由此具有不大于1200emu/cc且最好为300-1000emu/cc之间的饱和磁化。另一实施例中，自由层214具有不大于约6000 Oe且最好为100-5000 Oe的低垂直各向异性。
势垒层212由具有(100)或(111)织构的结晶MgO构成。由此，势垒层212包括界面113及115。该界面113及/或115形成为提供大于50％的高自旋极化。较佳实施例中，该高自旋极化为至少80％且最好为85％。较佳实施例中，被钉扎层104(特别是铁磁层210)及/或自由层264为非晶形或以该(100)或(111)方向高度织构。此外，尽管并未示出，可设置诸如插入层180及182的插入层。
磁性元件200亦形成为当写电流经过该磁性元件200时，容许该自由层214可因自旋转移而被翻转。较佳实施例中，诸如宽度w的该自由层214的横向尺寸由此较小且最好小于200纳米。此外，这些横向尺寸最好有所不同以保证自由层214具有某个易磁化轴。由此，磁性元件200可以相对低的自旋转移翻转电流来翻转，同时提供较高的磁阻信号。
图9为示出根据本发明的实施例方法300的附图，所述方法用于提供相应的可使用自旋转移写入的磁性元件。清楚起见，方法300以磁性元件150为背景描述。然而，该方法300当然可用于某些其他磁性元件。方法300亦以提供单磁性元件为背景进行描述。然而，本技术领域的普通技术人员可容易地认识到亦可提供多磁性元件。
方法300最好在设置种子层153之后开始。通过步骤302设置第一钉扎层152。通过步骤304设置第一被钉扎层154。步骤304最好包括设置合成被钉扎层，其具有由非磁性间隔层158隔开的铁磁层156及160。通过步骤306设置第一势垒层162。步骤306包括使第一势垒层162由该所需材料及织构组成以使该所需界面处的自旋极化为高。步骤306亦包括将第一势垒层162设置成允许隧穿通过钉扎层160与自由层164之间的第一势垒层162。通过步骤308设置自由层164。步骤308可包括设置具有磁性层的合成自由层，所述磁性层由非磁性间隔层隔开，并且其磁化是平行或反平行的。应注意，若设置磁性元件200，步骤308基本完成了磁性元件200的设置。
通过步骤310设置非必要的插入层180、182、180’及/或182’。应注意，可在该方法300中更先或更后执行步骤310以使非必要插入层180、182、180’及/或182’位于所需的位置。此外，步骤310包括在该方法的不同处形成多层。通过步骤312设置第二势垒层168。步骤312最好包括使第二势垒层166由该所需材料及织构组成以使该所需界面处的自旋极化为高。步骤312亦包括将第二势垒层164设置成允许隧穿通过第二钉扎层168与自由层164之间的第二势垒层164。
通过步骤314设置第二被钉扎层154，步骤314最好包括设置合成被钉扎层，其具有由非磁性间隔层158隔开的铁磁层156及160。通过步骤316设置第二AFM层170。然后通过步骤318设置覆盖层。
由此，可制造磁性元件100、100’、150、150’或200。因此，使用方法200可制造磁性元件100、100’、150、150’或200，这些元件可使用自旋转移写入，并且具有较高信号以及较低的用于自旋转移写入的临界电流。
揭露了提供能够使用自旋转移来写入的磁性元件的方法及系统。本发明根据所示的实施例描述，并且本技术领域的普通技术人员可容易地认识到对这些实施例可作改变，且认识到任何变化尽在本发明的精神及范围之内。因此，本技术领域的普通技术人员可在不脱离权利要求书的精神及范围的情况下作出许多修改。

Claims (57)

1.一种磁性元件，包括：
第一被钉扎层；
第一势垒层，所述第一势垒层为绝缘的并且形成为容许隧穿通过所述第一势垒层，所述第一势垒层具有与另一层交界的界面，所述界面具有提供至少50％的高自旋极化的结构；
自由层，所述第一势垒层位于所述第一被钉扎层与所述自由层之间；
第二势垒层，所述自由层位于所述第一势垒层与所述第二势垒层之间，所述第二势垒层为绝缘的且形成为容许隧穿通过所述第二势垒层；
第二被钉扎层，所述第二势垒层位于所述自由层与所述第二被钉扎层之间；
其中，所述磁性元件形成为当写电流经过所述磁性元件时，容许所述自由层可因自旋转移而被翻转。
2.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层具有第一晶体织构。
3.如权利要求2所述的磁性元件，其中所述第一晶体织构为(100)及(111)。
4.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一势垒层包括具有(100)及(111)织构的结晶MgO。
5.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层具有非晶结构。
6.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述第二势垒层进一步包括铝氧化物。
7.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层具有以第一方向钉扎的第一磁化，所述第二被钉扎层具有以与所述第一方向相反的第二方向钉扎的第二磁化。
8.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层为合成自由层，包括第一磁性层、第二磁性层及所述第一磁性层与所述第二磁性层之间的非磁性间隔层。
9.如权利要求8所述的磁性元件，其中所述非磁性间隔层包括Ru、Cu、Ir、Re及Rh，并且厚度为约2-20埃之间。
10.如权利要求9所述的磁性元件，其中所述第一磁性层具有第一磁化，所述第二磁性层具有第二磁化，并且其中所述第一磁化与所述第二磁化为平行。
11.如权利要求9所述的磁性元件，其中所述第一磁性层具有第一磁化，所述第二磁性层具有第二磁化，并且其中所述第一磁化与所述第二磁化为反平行。
12.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层为合成被钉扎层，包括第一磁性层、第二磁性层及所述第一磁性层与所述第二磁性层之间的非磁性间隔层。
13.如权利要求12所述的磁性元件，其中所述第二被钉扎层为合成被钉扎层，包括第一磁性层、第二磁性层、第三磁性层、第一非磁性间隔层及第二非磁性间隔层，所述第一非磁性间隔层位于所述第一磁性层与所述第二磁性层之间，所述第二非磁性间隔层位于所述第二磁性层与所述第三磁性层之间。
14.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层、所述自由层及所述第二被钉扎层包括Ni、Co及Fe中至少之一。
15.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述第一被钉扎层、所述自由层及第二被钉扎层包括CoFeBx、CoFeCx、CoFeHfx、CoPtx、CoPdx中至少之一，其中x为约5-50原子百分比。
16.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层为低磁矩自由层。
17.如权利要求16所述的磁性元件，其中所述低磁矩自由层具有300-1000emu/cc的饱和磁化。
18.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层具有100-5000Oe的低垂直各向异性值。
19.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述自由层为包括第一层、第二层及第三层的三层，所述第二层夹在所述第一层与所述第三层之间，所述第一层邻接所述第一势垒层并且具有第一高自旋极化，所述第三层邻接所述第二势垒层并且具有第二高自旋极化，所述第二层具有低磁矩或者低垂直各向异性。
20.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述界面位于所述自由层与所述第一势垒层之间。
21.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述界面位于所述第一被钉扎层与所述第一势垒层之间。
22.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述自旋极化为至少50％。
23.如权利要求22所述的磁性元件，其中所述自旋极化为约85％。
24.如权利要求1所述的磁性元件，其中所述第二势垒层包括与第三层交界的第二界面，所述第二界面具有提供至少50％的第二高自旋极化的第二结构。
25.如权利要求1所述的磁性元件，进一步包括：
位于所述第一势垒层与所述第一被钉扎层之间的界面层，所述界面层为导电的及非磁性。
26.如权利要求21所述的磁性元件，其中所述界面层包括Cu、Ru、Rh、Ir及Re中至少之一。
27.如权利要求1所述的磁性元件，进一步包括：
位于所述第一势垒层与所述自由层之间的界面层，所述界面层为导电的及非磁性。
28.如权利要求1所述的磁性元件，进一步包括：
位于所述第二势垒层与所述第二被钉扎层之间的界面层，所述界面层为导电的及非磁性，所述第二势垒层包括与第三层交界的第二界面，所述第二界面具有提供至少50％的第二高自旋极化的第二结构。
29.如权利要求1所述的磁性元件，进一步包括：
位于所述第二势垒层与所述自由层之间的界面层，所述界面层为导电的及非磁性，所述第二势垒层包括与第三层交界的第二界面，所述第二界面具有提供至少50％的第二高自旋极化的第二结构。
30.一种磁性元件，包括：
第一被钉扎层；
第一势垒层，所述第一势垒层为绝缘的并且形成为容许隧穿通过该第一势垒层，所述第一势垒层具有与另一层交界的界面，所述界面具有提供至少50％的高自旋极化的结构，所述第一势垒层包括MgO；
自由层，所述第一势垒层位于所述第一被钉扎层与所述自由层之间；
第二势垒层，所述自由层位于所述第一势垒层与所述第二势垒层之间，所述第二势垒层为绝缘的且形成为容许隧穿通过所述第二势垒层，所述第二势垒层包括MgO与氧化铝中至少之一；
第二被钉扎层，所述第二势垒层位于所述自由层与所述第二被钉扎层之间；
其中，所述磁性元件形成为当写电流经过所述磁性元件时，容许所述自由层可因自旋转移而被翻转。
31.一种磁性元件，包括：
被钉扎层；
势垒层，所述势垒层为具有100或111织构的结晶MgO，并且形成为容许隧穿通过所述势垒层；
自由层，所述势垒层位于所述被钉扎层与所述自由层之间，所述自由层具有低磁矩及低垂直各向异性中至少之一；
其中，所述磁性元件形成为当写电流经过所述磁性元件时，容许所述自由层可因自旋转移而被翻转。
32.如权利要求31所述的磁性元件，其中所述自由层具有300-1000emu/cc的饱和磁化。
33.如权利要求31所述的磁性元件，其中所述自由层具有100-5000Oe的低垂直各向异性值。
34.如权利要求31所述的磁性元件，其中所述自由层为包括第一部分与第二部分的双层，所述第一部分邻接所述势垒层且具有高自旋极化，所述自由层的第二部分具有所述低磁矩或所述低垂直各向异性。
35.如权利要求34所述的磁性元件，进一步包括
第二势垒层，所述自由层位于所述第二势垒层与所述势垒层之间；及
第二被钉扎层，所述第二势垒层位于所述自由层与所述第二被钉扎层之间，所述第二势垒层形成为容许隧穿通过所述第二势垒层。
36.一种设置磁性元件的方法，包括
设置第一被钉扎层；
设置第一势垒层，所述第一势垒层为绝缘的并且形成为容许隧穿通过所述第一势垒层，所述第一势垒层具有与另一层交界的界面，所述界面具有提供至少50％的高自旋极化的结构；
设置自由层，所述第一势垒层位于所述第一被钉扎层与所述自由层之间；
设置第二势垒层，所述自由层位于所述第一势垒层与所述第二势垒层之间，所述第二势垒层为绝缘的且形成为容许隧穿通过所述第二势垒层；
设置第二被钉扎层，所述第二势垒层位于所述自由层与所述第二被钉扎层之间；
其中，所述磁性元件形成为当写电流经过所述磁性元件时，容许所述自由层可因自旋转移而被翻转。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述被钉扎层设置步骤进一步包括：
设置所述具有第一晶体织构或非晶结构的被钉扎层。
38.如权利要求37所述的方法，其中所述第一晶体织构为(100)及(111)。
39.如权利要求36所述的方法，其中第一势垒层设置步骤进一步包括：设置具有(100)及(111)织构的结晶MgO。
40.如权利要求36所述的方法，其中设置所述第二势垒层进一步包括：
设置进一步包括铝氧化物的第二势垒层。
41.如权利要求36所述的方法，其中所述第一被钉扎层具有以第一方向钉扎的第一磁化，所述第二被钉扎层具有以与所述第一方向相反的第二方向钉扎的第二磁化。
42.如权利要求36所述的方法，其中所述自由层设置进一步包括：
设置合成自由层，其包括第一磁性层、第二磁性层及所述第
一磁性层与所述第二磁性层之间的非磁性间隔层。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述非磁性间隔层包括Ru、Ru、Cu、Ir、Re或Rh中任意之一，并且厚度为约2-20埃之间。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述第一磁性层具有第一磁化，所述第二磁性层具有第二磁化，并且其中所述第一磁化与所述第二磁化平行。
45.如权利要求42所述的方法，其中所述第一磁性层具有第一磁化，所述第二磁性层具有第二磁化，并且其中所述第一磁化与所述第二磁化反平行。
46.如权利要求36所述的方法，其中所述第一被钉扎层设置步骤进一步包括：
设置合成被钉扎层，所述合成被钉扎层包括第一磁性层、第二磁性层、第三磁性层及所述第一磁性层与所述第二磁性层之间的第一非磁性间隔层与所述第二磁性层与所述第三磁性层之间的第二非磁性间隔层。
47.如权利要求36所述的方法，其中所述第一被钉扎层、所述自由层及所述第二被钉扎层包括CoFeBx、CoFeCx、CoFeHfx、CoPtx、CoPdx中至少之一，x为约5-50原子百分比。
48.如权利要求36所述的方法，其中所述界面位于所述自由层与所述第一势垒层之间。
49.如权利要求36所述的方法，其中所述界面位于所述第一被钉扎层与所述第一势垒层之间。
50.如权利要求36所述的方法，其中所述自旋极化为至少50％。
51.如权利要求50所述的方法，其中所述自旋极化为约85％。
52.如权利要求36所述的方法，其中所述第二势垒层包括与第三层交界的第二界面，所述第二界面具有提供至少50％的第二高自旋极化的第二结构。
53.如权利要求36所述的方法，进一步包括：
设置位于所述第一势垒层与所述第一被钉扎层之间的界面层，所述界面层为导电的及非磁性。
54.如权利要求53所述的方法，其中所述界面层包括Cu、Ru、Rh、Ir及Re中至少之一。
55.如权利要求36所述的方法，进一步包括：
设置位于所述第一势垒层与所述自由层之间的界面层，所述界面层为导电的及非磁性。
56.如权利要求36所述的方法，进一步包括：
设置位于所述第二势垒层与所述第二被钉扎层之间的界面层，所述界面层为导电的及非磁性，所述第二势垒层包括与第三层交界的第二界面，所述第二界面具有提供至少50％的第二高自旋极化的第二结构。
57.如权利要求36所述的方法，进一步包括：
设置位于所述第二势垒层与所述自由层之间的界面层，所述界面层为导电的及非磁性，所述第二势垒层包括与第三层交界的第二界面，所述第二界面具有提供至少50％的第二高自旋极化的第二结构。
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