專利名稱：用于磁性存儲(chǔ)器應(yīng)用的應(yīng)力輔助電流驅(qū)動(dòng)切換的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性存儲(chǔ)器系統(tǒng)，尤其涉及提供這樣一種元件的方法和系統(tǒng)，該元件利用應(yīng)力輔助自旋轉(zhuǎn)移(stress-assisted spin transfer)效應(yīng)用于切換(switching)，并且該元件可以在磁性存儲(chǔ)器例如磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(“MRAM”)中使用。
背景技術(shù)：
圖1A和1B描述了傳統(tǒng)磁性元件10和10’。傳統(tǒng)磁性元件10是自旋閥并且包括傳統(tǒng)反鐵磁(AFM)層12、傳統(tǒng)被釘扎層(pinned layer)14、傳統(tǒng)非磁間隔層16和傳統(tǒng)自由層18。也可以使用其它層(未示出)，例如晶種層或覆層(seed or capping layer)。傳統(tǒng)被釘扎層14和傳統(tǒng)自由層18都是鐵磁性的。因此，傳統(tǒng)自由層18被描述成具有可變的磁化19。傳統(tǒng)非磁間隔層16是導(dǎo)電的。AFM層12用于在特定方向上固定或者釘扎住被釘扎層14的磁化。自由層18的磁化可以自由旋轉(zhuǎn)，通常是響應(yīng)外部磁場。圖1B中描述的傳統(tǒng)磁性元件10’是自旋隧道結(jié)。傳統(tǒng)自旋隧道結(jié)10’的一些部分類似于傳統(tǒng)自旋閥10。因此，傳統(tǒng)磁性元件10’包括AFM層12’、傳統(tǒng)被釘扎層14’、傳統(tǒng)絕緣阻擋層16’和具有可變磁化19’的傳統(tǒng)自由層18’。傳統(tǒng)阻擋層16’薄得足以使電子在傳統(tǒng)自旋隧道結(jié)10’中隧穿。
分別依賴于傳統(tǒng)自由層18/18’和傳統(tǒng)被釘扎層14/14’的磁化19/19’方向，傳統(tǒng)磁性元件10/10’的電阻分別發(fā)生變化。當(dāng)傳統(tǒng)自由層18/18’的磁化19/19’與傳統(tǒng)被釘扎層14/14’的磁化平行時(shí)，傳統(tǒng)磁性元件10/10’的電阻較低。當(dāng)傳統(tǒng)自由層18/18’的磁化19/19’與傳統(tǒng)被釘扎層14/14’的磁化反平行時(shí)，傳統(tǒng)磁性元件10/10’的電阻較高。
為了檢測傳統(tǒng)磁性元件10/10’的電阻，電流被驅(qū)使通過傳統(tǒng)磁性元件10/10’?？梢杂脙煞N配置中的一種來驅(qū)動(dòng)電流，平面內(nèi)的電流(“CIP”)和與平面垂直的電流(“CPP”)。在CPP配置中，驅(qū)動(dòng)的電流垂直于傳統(tǒng)磁性元件10/10’的層(圖1A或1B中向上或向下)。通常，在存儲(chǔ)器應(yīng)用中，例如磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)應(yīng)用中，以CPP配置使用傳統(tǒng)磁性元件10和10’。
為了克服在具有較高密度存儲(chǔ)器單元的磁性存儲(chǔ)器中遇到的一些問題，可以使用自旋轉(zhuǎn)移來切換傳統(tǒng)自由層10/10’的磁化19/19’。在傳統(tǒng)磁性元件10’的背景下描述了自旋轉(zhuǎn)移，但是同樣可用于傳統(tǒng)磁性元件10。在下面的公開中詳細(xì)描述了目前對自旋轉(zhuǎn)移的認(rèn)識J.C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers”，Journalof Magnetism and Magnetic Materials，vol.159，p.L1(1996)；L.Berger，“Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversed by aCurrent，”Phys.Rev.B，vol.54，p.9353(1996)以及F.J.Albert，J.A.Katineand R.A.Buhrman，“Spin-polarized Current Switching of a Co Thin FilmNanomagnet”，Appl.Phys.Lett.，vol.77，No.23，p.3809(2000)。因此，對自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的以下描述是基于目前的知識并且并不意在限制本發(fā)明的范圍。
當(dāng)自旋極化的電流以CPP配置穿過磁性多層例如自旋隧道結(jié)10’時(shí)，入射在鐵磁層上的電子的一部分自旋角動(dòng)量可被轉(zhuǎn)移到鐵磁層。尤其是，入射在傳統(tǒng)自由層18’上的電子可以轉(zhuǎn)移一部分其自旋角動(dòng)量到傳統(tǒng)自由層18’。結(jié)果，假如電流密度充分高(大約107-108A/cm2)并且自旋隧道結(jié)的橫向尺寸較小(大約小于200納米)，則自旋極化的電流可以切換傳統(tǒng)自由層18’的磁化19’方向。另外，為了使自旋轉(zhuǎn)移能夠切換傳統(tǒng)自由層18’的磁化19’方向，傳統(tǒng)自由層18’應(yīng)當(dāng)充分薄，例如，對于Co來講優(yōu)選小于大約10納米?；谧孕D(zhuǎn)移的磁化切換控制了其它切換機(jī)制，并且當(dāng)傳統(tǒng)磁性元件10/10’的橫向尺寸較小時(shí)，在幾百納米的范圍內(nèi)時(shí)，變成可觀測到的。因此，自旋轉(zhuǎn)移對于具有較小磁性元件10/10’的較高密度磁性存儲(chǔ)器來講是合適的。
以CPP配置使用的自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象可作為使用外部切換場來切換傳統(tǒng)自旋隧道結(jié)10’的傳統(tǒng)自由層18’的磁化方向的一種替代或與其一起使用。例如，傳統(tǒng)自由層18’的磁化19’可以從反平行于傳統(tǒng)被釘扎層14’的磁化的方向切換到平行于傳統(tǒng)被釘扎層14’的磁化的方向。電流從傳統(tǒng)自由層18’驅(qū)動(dòng)到傳統(tǒng)被釘扎層14’(導(dǎo)電電子從傳統(tǒng)被釘扎層14’移動(dòng)到傳統(tǒng)自由層18’)。因此，從傳統(tǒng)被釘扎層14’移動(dòng)的多數(shù)電子的自旋被極化在與傳統(tǒng)被釘扎層14’的磁化相同的方向上。這些電子可轉(zhuǎn)移一部分充足的角動(dòng)量到傳統(tǒng)自由層18’，從而使傳統(tǒng)自由層18’的磁化19’切換成平行于傳統(tǒng)被釘扎層14’的磁化。或者，自由層18’的磁化可以從平行于傳統(tǒng)被釘扎層14’的磁化的方向切換成反平行于傳統(tǒng)被釘扎層14’的磁化。當(dāng)電流從傳統(tǒng)被釘扎層14’驅(qū)動(dòng)到傳統(tǒng)自由層18’(導(dǎo)電電子以相反方向移動(dòng))時(shí)，多數(shù)電子的自旋被極化在傳統(tǒng)自由層18’的磁化方向上。這些多數(shù)電子被傳統(tǒng)被釘扎層14’傳輸。少數(shù)電子從傳統(tǒng)被釘扎層14’反射，回到傳統(tǒng)自由層18’，并可轉(zhuǎn)移足量的角動(dòng)量以切換自由層18’的磁化19’反平行于傳統(tǒng)被釘扎層14’的磁化。
雖然自旋轉(zhuǎn)移起作用，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易認(rèn)識到，要向傳統(tǒng)磁性元件10/10’進(jìn)行寫入可能是相對困難的。尤其是，在低電流時(shí)磁化可能難以切換，如下將要描述。當(dāng)切換傳統(tǒng)自由層18’的磁化19’以平行于傳統(tǒng)被釘扎層14’的磁化時(shí)，傳統(tǒng)被釘扎層14’作為自旋極化電子源，而傳統(tǒng)自由層18’作為目標(biāo)。此配置中的自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象可以通過修改自旋動(dòng)力學(xué)的Landau Lifshitz Gilbert(LLG)等式以包括由自旋極化電流產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)矩(torque)項(xiàng)來進(jìn)行描述，如在以下公開中所述J.A.Katine，F(xiàn).J.Albert，R.A.Buhrman，E.B.Myers and D.C.Ralph，“Current-Driven Magnetization Reversal and Spin-Wave Excitations inCo/Cu/Co Pillars，”Physics Review Letters，vol.84，p3149(2000)。對于磁性元件10和10’，膜平面沿著x-y平面。圖1B中z方向是向上(垂直于膜平面)。傳統(tǒng)自由層18’的總磁矩(S)的動(dòng)力學(xué)由下式描述dS/dt＝S×{γ[Heff∥x-4πM(S·z)z]-αdS/dt-[Ig/e|S|]z×S} (1)式(1)中的第一項(xiàng)描述了自旋力矩的穩(wěn)態(tài)進(jìn)動(dòng)(steady stateprecession)，并包括作用在傳統(tǒng)自由層18’的磁化19’上的所有場的轉(zhuǎn)矩。場Heff∥包括各向異性場(Han)、在膜平面中沿著自由層的易軸排列的交換場(Hex)和施加場(Hap)。4πM項(xiàng)指的是自由層18’的平面外退磁場，垂直于自由層平面而作用，沿著z方向。退磁場導(dǎo)致了膜的2πM2形狀各向異性。第二項(xiàng)是現(xiàn)象學(xué)阻尼效應(yīng)。這里α是鐵磁物質(zhì)的阻尼系數(shù)。第三項(xiàng)是作為自旋極化電流I結(jié)果而作用于鐵磁物質(zhì)力矩的自旋轉(zhuǎn)矩，其中g(shù)是自旋轉(zhuǎn)移效率。
當(dāng)由自旋極化電子的電流施加的轉(zhuǎn)矩超過阻尼時(shí)，其中阻尼由等式(1)中的αdS/dt項(xiàng)描述，發(fā)生傳統(tǒng)自由層18’的磁化19’方向的切換。當(dāng)來自電流的轉(zhuǎn)矩超過阻尼時(shí)，轉(zhuǎn)矩引起自由層18’的磁矩向外進(jìn)動(dòng)。結(jié)果，在電流的臨界最小值(Ic)，在此稱為切換電流，傳統(tǒng)自由層18’的磁化方向被切換。因此，傳統(tǒng)自由層18’的磁化19’可由于自旋轉(zhuǎn)移而切換方向。
切換電流Ic是使用自旋轉(zhuǎn)移切換傳統(tǒng)自由層18’的磁化19’方向所需的最小電流。從能量角度考慮，切換電流對Heff與退磁場的依賴性由下式給出Ic∝αMt(Heff∥+2πM) (2)因此，切換電流與傳統(tǒng)自由層18’的飽和磁化、傳統(tǒng)自由層18’的厚度(t)、阻尼系數(shù)(α)、垂直于平面的有效退磁場(通過2πM項(xiàng))以及在傳統(tǒng)自由層18’平面中的有效場Heff∥成比例。
雖然傳統(tǒng)磁性元件可以使用自旋轉(zhuǎn)移作為切換機(jī)制，但是切換電流由于2πM項(xiàng)的大值而較高。由于許多原因，高切換電流對于磁性存儲(chǔ)器應(yīng)用而言是不期望的。因此，所需要的是一種提供磁性存儲(chǔ)器元件的系統(tǒng)和方法，該磁性存儲(chǔ)器元件可以更容易地在較低的切換電流使用自旋轉(zhuǎn)移而被切換。本發(fā)明即針對對于這樣一種磁性存儲(chǔ)器元件的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于提供磁性存儲(chǔ)器的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)包括能夠提供多個(gè)磁性元件并提供至少一個(gè)應(yīng)力輔助層。所述多個(gè)磁性元件中的每一個(gè)都配置成使用自旋轉(zhuǎn)移而寫入。該至少一個(gè)應(yīng)力輔助層配置成在寫入期間在所述多個(gè)磁性元件中的至少一個(gè)磁性元件上施加至少一個(gè)應(yīng)力。
根據(jù)在此公開的系統(tǒng)和方法，本發(fā)明提供了一種磁性元件，其可以使用減小的電流進(jìn)行寫入并且在寫入之后保持穩(wěn)定。


圖1A是傳統(tǒng)磁性元件，自旋閥。
圖1B是另一個(gè)傳統(tǒng)磁性元件，自旋隧道結(jié)。
圖2描述了根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器的一部分的一個(gè)實(shí)施例。
圖3描述了根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器的一部分的第二實(shí)施例。
圖4A描述了用于磁性元件的一部分中的替代結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例，該磁性元件用于根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器。
圖4B描述了用于磁性元件的一部分中的替代結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例，該磁性元件用于根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器。
圖5的高級流程圖描述了提供根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器的方法的一個(gè)實(shí)施例。
圖6的高級流程圖描述了編程根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器的方法的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及磁性元件和磁性存儲(chǔ)器(例如MRAM)的改進(jìn)。提供下面的描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能實(shí)施和使用本發(fā)明，并且是以專利申請及其需求的背景提供的。對優(yōu)選實(shí)施例的各種改變對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的，并且在此的一般原理可以應(yīng)用到其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明并不意在局限于所示出的實(shí)施例，而是應(yīng)被給予與在此描述的原理和特征一致的最寬范圍。
本發(fā)明提供了一種用于提供磁性存儲(chǔ)器的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)包括提供多個(gè)磁性元件并提供至少一個(gè)應(yīng)力輔助層。該多個(gè)磁性元件中的每一個(gè)都配置成使用自旋轉(zhuǎn)移進(jìn)行寫入。該至少一個(gè)應(yīng)力輔助層配置成在寫入期間對所述多個(gè)磁性元件中的至少一個(gè)磁性元件施加至少一個(gè)應(yīng)力。
本發(fā)明將根據(jù)特定的磁性存儲(chǔ)器和具有某些組件的特定磁性元件進(jìn)行描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識到，該方法和系統(tǒng)對于具有不同和/或額外組件的其它磁性存儲(chǔ)器元件和/或具有不同和/或其它與本發(fā)明一致的特征的其它磁性存儲(chǔ)器將有效地工作。本發(fā)明也是在對自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的當(dāng)前認(rèn)識的背景下進(jìn)行描述的。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識到，對該方法和系統(tǒng)的行為的理論解釋是基于對自旋轉(zhuǎn)移的當(dāng)前認(rèn)識而形成的。本領(lǐng)域技術(shù)人員還容易認(rèn)識到，該方法和系統(tǒng)是在與襯底有特殊關(guān)系的結(jié)構(gòu)的背景下進(jìn)行描述的。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識到，該方法和系統(tǒng)與其它結(jié)構(gòu)是一致的。另外，該方法和系統(tǒng)是在某些層是合成的和/或簡單的背景下描述的。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識到，這些層可具有其它結(jié)構(gòu)。而且，某些組件被描述成是鐵磁體。然而，如在此所使用，術(shù)語鐵磁體可包括亞鐵磁體或類似結(jié)構(gòu)。因此，如在此所使用，術(shù)語“鐵磁體”包括但不限于鐵磁體和亞鐵磁體。本發(fā)明也是在單一元件、位線和字線的背景下描述的。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識到，本發(fā)明與具有多個(gè)元件、位線和字線的磁性存儲(chǔ)器的使用是一致的。
為了更詳細(xì)闡述根據(jù)本發(fā)明的該方法和系統(tǒng)，現(xiàn)在參考圖2，描述了根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器100的一部分的一個(gè)實(shí)施例。磁性存儲(chǔ)器100優(yōu)選的是MRAM。磁性存儲(chǔ)器100包括字寫入線110、底部引線(bottom lead)120、由應(yīng)力輔助層140圍繞的磁性元件130、位線150。雖然描述了特定的字寫入線110、底部引線120、磁性元件130和位線150，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識到，本發(fā)明與使用其它和/或額外元件的其它架構(gòu)是一致的。底部引線120由絕緣體112而與字寫入線110分隔開，并連接到晶體管160。因此，在優(yōu)選實(shí)施例中，磁性存儲(chǔ)器單元既包括磁性元件130又包括晶體管160。然而，也可以使用另一組件來替代晶體管160或與晶體管160一起使用，或者在另一架構(gòu)中省去使用作為磁性存儲(chǔ)器單元一部分的晶體管160。
所示出的磁性元件130是自旋隧道結(jié)。然而，在可替代實(shí)施例中，磁性元件130可以包括能夠在施加電流的情況下形成有限電壓的其它結(jié)構(gòu)，如下面將進(jìn)行描述。磁性元件130包括底部晶種層131、AFM層132、被釘扎層133、阻擋層137、自由層138和頂部覆層139。AFM層132優(yōu)選PtMn，但是可包括其它反鐵磁體，例如PdMn，PdPtMn，NiMn，IrMn，或者其它反鐵磁材料。優(yōu)選的AFM材料是IrMn和PtMn。
所描述的被釘扎層133是合成反鐵磁體，包括被非磁間隔層135分隔開的兩個(gè)鐵磁層134和136。鐵磁層134和136優(yōu)選Co或CoFe，而非磁間隔層135是反鐵磁耦合材料，例如Ru，Os，Re，Cr，Rh，Cu，Ir。優(yōu)選材料是Ru。阻擋層137是優(yōu)選Al2O3的絕緣體，并且薄得足以允許隧穿阻擋層。自由層138是包含下面這些元素的至少其中一個(gè)的鐵磁材料Co，F(xiàn)e或者Ni，并且優(yōu)選被Ta膜覆蓋。優(yōu)選調(diào)整自由層的組成以獲得高的正磁致伸縮。
磁性存儲(chǔ)器100還包括應(yīng)力輔助層140。應(yīng)力輔助層140提供垂直于平面的拉伸應(yīng)力，在電流流過磁性元件130的方向。因此，所提供的應(yīng)力垂直于自由層138的磁化處于平衡的平面。在可替代實(shí)施例中，應(yīng)力不需要是垂直的，只需要有垂直于自由層138磁化處于平衡的平面的分量即可。在優(yōu)選實(shí)施例中，壓電或者電致伸縮材料用于應(yīng)力輔助層140。另外，用于應(yīng)力輔助層140的材料具有良好的絕緣性能，以確保磁性元件130充分絕緣。在優(yōu)選實(shí)施例中，應(yīng)力輔助層140包括IrO2/PZT，MnO/PZT，TiOy/PZT，Al2O3/PZT，Al2O3/PMN，Al2O3/SrBaTiO3，SiO2/PZT或SiO2/SrBaTiO3的雙層。材料PZT是PbZr1-xTixO3，這里x是小于1的分?jǐn)?shù)，作為將攙雜物加入以提高PZT介電性能的基本材料。材料PMN是含PbTiO3的PbMn1-xNbxO3，這里x是小于1的分?jǐn)?shù)。雙層的底層作為擴(kuò)散阻擋層、絕緣體和/或晶種層。
在工作期間，磁性元件130使用在位線150和底部引線120之間驅(qū)動(dòng)的電流寫入。例如，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)或者是“1”或者是“0”，其依賴于自由層138相對于被釘扎層133的磁化方向。當(dāng)施加電流的方向是從位線150到底部引線120時(shí)(電子從底部移動(dòng)到頂部)，在臨界電流，自由層138的磁化方向與被釘扎層133的頂部鐵磁層136的磁化方向相對準(zhǔn)。因此，假如自由層138的磁化最初反平行(例如，代表數(shù)據(jù)“1”)，則磁化切換方向以變成平行于被釘扎層133(代表數(shù)據(jù)“0”)。為了再次改變自由層138的磁化方向，將電流的方向反轉(zhuǎn)。假如電流方向是從底部引線120到位線150，則具有與被釘扎層133的頂部鐵磁層136的磁化相反的自旋的電子被反射回來。這些反射的電子對自由層138的力矩施加轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致其在另外一個(gè)臨界電流值切換。自由層138的磁化因此變?yōu)榉雌叫杏诒会斣鷮?33的頂部鐵磁層136的磁化而排列(代表數(shù)據(jù)“1”)。
應(yīng)力輔助層140幫助切換自由層138的磁化，而不論電流流動(dòng)的方向。當(dāng)電流從位線150流向底部引線120或者反過來時(shí)，阻擋層137的存在導(dǎo)致在位線150和底部引線120之間產(chǎn)生有限電壓差。該電壓差有效地穿過應(yīng)力輔助層140而存在。因?yàn)閼?yīng)力輔助層140是壓電/電致伸縮材料，所以由在位線150和底部電極120之間施加電流所引起的電壓差導(dǎo)致應(yīng)力輔助層140平行于電場方向而擴(kuò)張。應(yīng)力輔助層140的擴(kuò)張?jiān)诖判栽?30中沿著垂直于膜131-139方向引起拉伸應(yīng)力。任一種電流流動(dòng)方向?qū)е聭?yīng)力輔助層140中沿著z方向的擴(kuò)張，從而導(dǎo)致磁性元件130中沿著z方向的拉伸應(yīng)力。另外，因?yàn)槔鞈?yīng)力是由位線150和底部引線120之間的電壓差產(chǎn)生的，所以拉伸應(yīng)力在沒有電流的情況下并不存在。
該拉伸應(yīng)力在寫入期間幫助切換自由層138的磁化，但是當(dāng)磁性元件130處于靜態(tài)時(shí)并不影響磁性元件130。該拉伸應(yīng)力引入瞬態(tài)(transient)各向異性，其減小垂直各向異性，因此在垂直于平面的方向上減小有效場項(xiàng)(其包括2πM項(xiàng))。結(jié)果，切換自由層138的磁化方向變得較容易。尤其是，用于向自由層138進(jìn)行寫入的自旋轉(zhuǎn)移切換電流減小。另外，由拉伸應(yīng)力引起的各向異性只有當(dāng)電流被驅(qū)使通過磁性元件130時(shí)才引入，所以在沒有電流時(shí)磁性元件130的狀態(tài)并不受影響。因此，磁性元件130的穩(wěn)定性并不會(huì)由于降低切換電流的該方案而受到不好的影響。
為了更進(jìn)一步減小切換電流，自由層138可以是雙層，其包括含F(xiàn)e，Co或Ni基合金的至少其中之一的鐵磁層以及在頂部的非磁層，例如Co/Au，CoFe/Pt，CoFe/Pd，CoFe/Cu，CoFe/Au，Co/Pt，CoPd/Pd，CoPd，CoFe或者Co。雙層的頂層優(yōu)選在幾埃的范圍內(nèi)以改變自由層138的表面各向異性。然而，也可以使用沒有頂層的自由層來改變自由層138的表面各向異性。上面提到的雙層可以重復(fù)‘n’次，從而自由層138的代表結(jié)構(gòu)將是(Co/Pt)n，這里n是整數(shù)。另外，雙層的鐵磁材料實(shí)際本身可以是兩層結(jié)構(gòu)，從而自由層138的整體代表結(jié)構(gòu)將是NiFe/Co/Au。優(yōu)選調(diào)整自由層138的組成以獲得高的正磁致伸縮。
應(yīng)力對自由層138的磁化的自旋轉(zhuǎn)移切換電流的影響可以如下基于有效各向異性而具體解釋。在具有納米尺寸的膜中，例如自由層138，各向異性能通常是形狀各向異性、晶體各向異性、表面各向異性與誘導(dǎo)各向異性的和。誘導(dǎo)各向異性可以例如由在自由層138沉積期間施加的場而產(chǎn)生。雖然總各向異性是上述各向異性的和，但是當(dāng)最大各向異性超過其余各向異性的組合時(shí)，總各向異性是由最大各向異性控制的。在這樣一種情況下，當(dāng)調(diào)整自由層138的磁矩使得最大各向異性的影響達(dá)到最小化時(shí)，則產(chǎn)生更低的能量并由此產(chǎn)生更加穩(wěn)定的狀態(tài)。通常有效或者總垂直各向異性(包括由垂直于膜平面的4πM退磁場引起的各向異性)比沿著膜平面的有效各向異性顯著更大。因此，膜平面是優(yōu)選的磁化平面。因此，總垂直各向異性在正常條件下控制切換電流。
拉伸應(yīng)力通過引入垂直各向異性而起作用。然而，由拉伸應(yīng)力引入的垂直各向異性是瞬態(tài)的。當(dāng)電流在位線150和底部引線120之間驅(qū)動(dòng)并且應(yīng)力輔助層140經(jīng)受到電壓差時(shí)，存在瞬態(tài)的垂直各向異性。對于具有大的磁致伸縮的應(yīng)力磁膜，應(yīng)力引起的各向異性的影響(通過反轉(zhuǎn)磁致伸縮或者磁彈效應(yīng)而引入)改變了各向異性的平衡。尤其是，如下面所描述，應(yīng)力引起的各向異性可以被設(shè)計(jì)成在與垂直各向異性相反方向起作用，該垂直各向異性由4πM退磁場產(chǎn)生。因此當(dāng)有應(yīng)力的情況下有效或者總垂直各向異性將會(huì)減小，這使得可更加容易切換自由層138的磁化。
另外一個(gè)減小有效垂直各向異性的補(bǔ)充機(jī)制是改變自由層138的表面各向異性。例如，在自由層138的頂部提供非磁層。某些非磁層通過引入表面各向異性而減小自由層的總垂直各向異性。表面各向異性沿著垂直膜平面的軸起作用，然而是沿著與由4πM退磁場所產(chǎn)生的各向異性相反的方向。在上面討論的雙層自由層中，例如Co/Pt，Co/Au，(Co/Pt)n CoFe/Pd，CoFe/Cu，CoFe/Au，Co/Pt，CoPd/Pd，CoPd或者CoFe，頂層(例如Pt或者Pd)減小了自由層138的有效垂直各向異性。
就有效場而言，由于不同的垂直各向異性貢獻(xiàn)引起的垂直有效場可以從式(2)展開并且可以表示為Heff⊥～2πM+Hsan⊥+Hs(3)場Hsan⊥是由表面各向異性項(xiàng)產(chǎn)生的沿著垂直方向作用的垂直有效場。如上所討論，自由層138的表面各向異性項(xiàng)是由使用非磁覆層而產(chǎn)生。場Hs是由垂直磁致彈性能的影響產(chǎn)生的沿著垂直方向的等效場。換句話說，場Hs是由受到電勢差的影響的應(yīng)力輔助層140產(chǎn)生，如上面所描述。注意，通過為自由層選擇合適的材料，Hsan⊥和Hs優(yōu)選設(shè)計(jì)成在與退磁場相反的方向起作用，不論在進(jìn)動(dòng)期間退磁場(4πM)的分量是在+z方向還是在-z方向起作用。場Hs由下式給出Hs～-3λσ/2M(4)Hs的符號以及因此Hs的方向取決于λσ乘積的符號。由拉伸應(yīng)力引起的各向異性因此可用于沿著垂直層面的方向增大或減小有效場，取決于λ的符號。優(yōu)選地，Hs用于減小自由層138的垂直各向異性。尤其是，拉伸應(yīng)力與具有正磁致伸縮的自由層結(jié)合用于抵消對應(yīng)于垂直平面的4πM退磁場的形狀各向異性。因此，可以選擇材料和應(yīng)力結(jié)合以沿著垂直方向提供正λσ。因此，可以減小對應(yīng)于垂直各向異性的有效場Heff⊥。
場Hs相反于退磁場而起作用，因此沿著垂直膜的方向減小有效場Heff⊥。因此，通過仔細(xì)選擇自由層138的應(yīng)力和材料，可減小切換磁化方向所需的電流。因此，對于切換電流式(2)的更加完整版本如下Ic∝αMt(Heff∥+Heff⊥)(5)因?yàn)轫?xiàng)Heff⊥可以通過拉伸應(yīng)力和自由層138的覆層而減小，所以切換電流也被減小。因此，通過使用應(yīng)力輔助層140和在自由層138上的覆層，可以減小切換電流。另外，因?yàn)橛行鯤s只有在寫入期間才存在，所以當(dāng)不被寫入時(shí)，使用應(yīng)力輔助層140并不會(huì)對磁性存儲(chǔ)器100有不利的影響。
例如，假設(shè)自由層138具有在大約10和30埃之間的厚度，并且由Co組成。對應(yīng)于退磁場(4πM)，Hsan⊥和Hs的標(biāo)稱(nominal)能量值在表1中列出。
表1

*應(yīng)力僅在切換期間存在因此就等效場而言，對于Co自由層138，場由以下給出4πM大約為15k Oe，Hsan⊥大約為-2k Oe，Hs大約為-2k Oe。注意表1中各向異性能的不同符號。因此，由寫入期間應(yīng)力輔助層140產(chǎn)生的有效場和由自由層138的覆層產(chǎn)生的表面各向異性都減小了退磁場的影響。結(jié)果，由于退磁場的4πM項(xiàng)通常比平面內(nèi)各向異性Heff∥大得多，所以預(yù)期切換電流值大約減小30％。對層的進(jìn)一步優(yōu)化將導(dǎo)致平面外各向異性場的進(jìn)一步減小。例如，可改變在自由層138的雙層中使用的材料，并且可優(yōu)化用于應(yīng)力輔助層140的壓電/電致伸縮材料，從而潛在地導(dǎo)致切換電流的減小大于50％。
注意，在表1中“沒有外應(yīng)力”情況下Es的有限值由磁性元件130周圍的絕緣層中的內(nèi)應(yīng)力(通常沿著膜平面是壓縮的，因此在垂直方向是拉伸的)產(chǎn)生。Es值可以得到優(yōu)化(例如通過變化沉積參數(shù)而沿膜平面增大壓縮應(yīng)力)。因此，與較早描述的具有正磁致伸縮的自由層138一起，內(nèi)應(yīng)力可以幫助降低切換電流。相對于通過使用壓電或者電致伸縮材料主動(dòng)減小切換電流的優(yōu)選實(shí)施例，使用內(nèi)應(yīng)力是減小切換電流的被動(dòng)方法。
注意，應(yīng)力引起的垂直各向異性場在整個(gè)晶片上的均勻性依賴于自由層138的組成控制(磁致伸縮控制)和應(yīng)力輔助層140的組成控制(應(yīng)力控制)?？梢钥刂七@些參數(shù)，以在整個(gè)六英寸晶片上得到標(biāo)稱應(yīng)力值和應(yīng)力各向異性值的10％以內(nèi)。因此，磁性存儲(chǔ)器100可以使用傳統(tǒng)過程制造。
圖3描述了根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器100’的一部分的第二實(shí)施例。磁性存儲(chǔ)器100’類似于圖2中描述的磁性存儲(chǔ)器100。因此，磁性存儲(chǔ)器100’的組件以類似的方式標(biāo)記。另外，用于存儲(chǔ)器100’的組件的材料優(yōu)選與存儲(chǔ)器100中的類似組件相同。然而，注意，層137’可以是阻擋層或者導(dǎo)電間隔層，例如由Cu制成。因此，磁性元件130’優(yōu)選是自旋隧道結(jié)或者自旋閥。然而，注意，在替換實(shí)施例中，其它結(jié)構(gòu)可用于磁性元件130’。此外，應(yīng)力輔助層140’放置在底部引線120’之下。然而，應(yīng)力輔助層140’仍然具有相同的功能。因此，應(yīng)力輔助層140’仍然在位線150’和底部引線120’之間施加寫入電流時(shí)導(dǎo)致磁性元件130’變形。因此，應(yīng)力輔助層140’仍然減小存儲(chǔ)器100’的切換電流。
在工作期間，磁性存儲(chǔ)器100’以類似于磁性存儲(chǔ)器100的方式工作并且使用類似的原理。然而，應(yīng)力輔助層140’使用在字寫入線110’和底部引線120’之間的電壓差。尤其是，在寫入期間，字寫入線110’保持在比磁性元件130’更低的電勢，因此保持在比底部引線120’更低的電勢。不論驅(qū)動(dòng)通過磁性元件130’的電流方向，該電勢差被維持。因此，驅(qū)動(dòng)通過磁性元件130’的電流導(dǎo)致在應(yīng)力輔助層140’中的壓電或電致伸縮材料在平行于膜平面的方向收縮。因?yàn)閼?yīng)力輔助層140’沿著膜平面收縮(圖3中水平方向)，所以該收縮導(dǎo)致在應(yīng)力輔助層140’上面的區(qū)域沿著垂直方向擴(kuò)張。由于應(yīng)力輔助層140’沿著平面的收縮，磁性元件130’沿著平面被壓縮，導(dǎo)致磁性元件沿z方向擴(kuò)張。因此，自由層138’仍經(jīng)受到垂直于層的平面的拉伸應(yīng)力。因此，自由層138’的磁化更容易切換。另外，自由層138’可包括減小自由層138’表面各向異性的覆層，進(jìn)一步減小磁性元件130’的切換電流。
因此，磁性存儲(chǔ)器100’由于應(yīng)力輔助層140’而具有減小的切換電流。應(yīng)力輔助層140’只有當(dāng)電流被驅(qū)使通過磁性元件130’時(shí)才允許垂直各向異性的減小。因此，磁性元件130’的穩(wěn)定性并不因使用應(yīng)力輔助層140’而受到不利的影響。另外，應(yīng)力輔助層140’通過底部引線120’和字寫入線110’之間的電勢差而控制。因此，應(yīng)力的控制可以從施加自旋轉(zhuǎn)移切換電流通過磁性元件130’電分離。結(jié)果，用于切換磁性元件130’的電路相對地與在應(yīng)力輔助層高頻工作期間可能引起的共振隔離開。其它改善高頻切換特性的手段包括圖案化應(yīng)力輔助層和選擇具有最佳介電性能的材料。因此，磁性元件130’的性能可以得到進(jìn)一步提高。
圖4A描述了根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器的磁性元件中替換切換元件200的第一實(shí)施例。替換元件200可以代替分別包括自由層138或138’的磁性元件130或130’中的某些層。因此，磁性元件200的自由層202分別在磁性元件130或130’的層137或137’的頂部。替換切換元件200包括鐵磁層202、分隔層204、第二鐵磁層206、間隔層208、被釘扎層210和AFM層218。被釘扎層210優(yōu)選是合成的，因此，包括被非磁層214分隔開的鐵磁層212和216。自由層206優(yōu)選包括例如用于自由層138或138’的材料。分隔層204優(yōu)選包括Cu或者CuPt。分隔層用于允許第一自由層202和第二自由層206靜磁耦合，以便它們的磁化反平行排列。第二自由層202優(yōu)選包括CoFe或者Co。間隔層208優(yōu)選Cu。
參考圖2、3和4A，當(dāng)在磁性元件130或130’中使用替換切換元件200時(shí)，磁性元件130或130’有效地包括自旋隧道結(jié)部分和自旋閥部分。自旋隧道結(jié)部分包括層131、132、133、134和202，同時(shí)自旋閥部分包括層206、208、210和218。磁性元件200的使用允許自旋閥部分與自旋隧道結(jié)部分分別最優(yōu)化。尤其是，可以最優(yōu)化自旋閥部分以獲得低切換電流，同時(shí)最優(yōu)化自旋隧道結(jié)部分以獲得較高的信號。因此，磁性元件130或130’的性能可以得到更進(jìn)一步的提高。
圖4B描述了根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器的磁性元件中替換切換元件250的第二實(shí)施例。替換切換元件250因此可以代替分別包括自由層138或138’的磁性元件130或130’中的層。因此，磁性元件250的自由層252分別在磁性元件130或130’的層137或137’的頂部。替換磁性元件250包括自由層252、非磁間隔層254、被釘扎層256和AFM層258。自由層252優(yōu)選包括例如用于自由層138或138’的材料。間隔層254優(yōu)選包括Cu。被釘扎層256優(yōu)選包括CoFe?；蛘?，被釘扎層可以是合成的反鐵磁物質(zhì)的形式，包括被兩個(gè)反鐵磁耦合層(例如Ru)分隔開的三個(gè)鐵磁層(例如CoFe)。
參考圖2、3和4B，當(dāng)使用上述的磁性元件250時(shí)，磁性元件130或130’有效地包括具有共用自由層的自旋隧道結(jié)部分和自旋閥部分。自旋隧道結(jié)部分包括層131、132、133、134和252，同時(shí)自旋閥部分包括層252、254、256和258。被釘扎層133或133’的分別的部分134或134’和被釘扎層256定位在相同的方向。因此，被釘扎層133或133’的部分136或136’和被釘扎層256定位在相反的方向。自旋閥部分和自旋隧道結(jié)部分因此都可對自由層138或138’的自旋轉(zhuǎn)移引起的切換作貢獻(xiàn)，同時(shí)AFM層218和258可在與AFM層132或132’相同的步驟被對準(zhǔn)。在編程期間，對于任一電流方向，來自兩個(gè)被釘扎層136和256入射到自由層252的電子具有相同的自旋方向。結(jié)果，切換自由層252的磁化方向所需的電流進(jìn)一步減小。而且，磁性元件250的使用允許自旋閥部分與自旋隧道結(jié)部分分別最優(yōu)化。尤其是，可以最優(yōu)化自旋閥部分以獲得低的切換電流，同時(shí)可以最優(yōu)化自旋隧道結(jié)部分以獲得較高的信號。因此，磁性元件130或130’的性能可以得到更進(jìn)一步的提高。
圖5的高級流程圖描述了提供根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器的方法300的一個(gè)實(shí)施例。為清楚起見，方法300在磁性存儲(chǔ)器100的背景下描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識到，方法300可以用于與本發(fā)明一致的其它磁性存儲(chǔ)器。
通過步驟302提供字寫入線110。通過步驟304還提供底部引線120。通過步驟306提供磁性元件130。通過步驟308提供應(yīng)力輔助層140。注意，對于磁性存儲(chǔ)器100’，步驟308可在步驟304之前執(zhí)行。對于磁性存儲(chǔ)器100，執(zhí)行步驟306和308使得應(yīng)力輔助層140圍繞磁性元件130的側(cè)面(sides)。通過步驟310提供頂部引線。因此，可提供具有磁性存儲(chǔ)器100和100’的優(yōu)點(diǎn)的磁性元件130和130’。
圖6的高級流程圖描述了編程根據(jù)本發(fā)明使用應(yīng)力輔助切換的磁性存儲(chǔ)器的方法350的一個(gè)實(shí)施例。為清楚起見，方法350在磁性存儲(chǔ)器100’的背景下描述。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識到，方法350可用于與本發(fā)明一致的其它磁性元件。
通過步驟352，將應(yīng)力輔助層140電偏置(biased)使得應(yīng)力輔助層140變形以在磁性元件130上提供拉伸應(yīng)力。對于磁性元件130，通過驅(qū)動(dòng)電流流過磁性元件130而執(zhí)行步驟352。然而，對于磁性元件130’，通過提供底部引線120’和/或磁性元件130’與字寫入線110’之間的電壓差而執(zhí)行步驟352。通過步驟354，所需的任何額外寫入電流被驅(qū)動(dòng)通過磁性元件130，以使用自旋轉(zhuǎn)移而寫入磁性元件130。對于磁性存儲(chǔ)器100，步驟352并非必需。因此，對于磁性存儲(chǔ)器100，偏置應(yīng)力輔助層140的相同電流也寫入到磁性元件130。然而，對于磁性存儲(chǔ)器100’，不同的電流被驅(qū)動(dòng)通過磁性元件130’。因此，磁性存儲(chǔ)器100和100’可使用自旋轉(zhuǎn)移現(xiàn)象而被寫入。另外，因?yàn)槭褂脩?yīng)力輔助自旋轉(zhuǎn)移切換執(zhí)行編程，所以可使用較低的寫入電流。
本發(fā)明公開了一種用于提供磁性元件的方法和系統(tǒng)，該磁性元件中數(shù)據(jù)可以使用應(yīng)力輔助切換進(jìn)行寫入。雖然本發(fā)明是根據(jù)示出的實(shí)施例描述的，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識到，可以對實(shí)施例進(jìn)行改變，并且那些改變是在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做許多修改，而不偏離隨附的權(quán)利要求的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁性存儲(chǔ)器，包括多個(gè)磁性元件，該多個(gè)磁性元件的每一個(gè)都配置成使用自旋轉(zhuǎn)移進(jìn)行寫入；至少一個(gè)應(yīng)力輔助層，配置成在寫入期間對該多個(gè)磁性元件的至少一個(gè)磁性元件施加至少一個(gè)應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁性存儲(chǔ)器，其中該至少一個(gè)應(yīng)力在寫入期間在該至少一個(gè)磁性元件上引起至少一個(gè)各向異性，該至少一個(gè)各向異性減小垂直于該至少一個(gè)磁性元件的穩(wěn)定態(tài)的總各向異性能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁性存儲(chǔ)器，其中該磁性元件包括多個(gè)層，以及其中該至少一個(gè)應(yīng)力在垂直于該多個(gè)層的至少一層的平面的方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的磁性存儲(chǔ)器，其中至少一層是自由層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的磁性存儲(chǔ)器，其中該自由層包括鐵磁層和覆層，該自由層具有高的正磁致伸縮。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的磁性存儲(chǔ)器，其中該自由層具有表面各向異性和垂直于該自由層穩(wěn)定態(tài)的總各向異性，該覆層配置成改變該表面各向異性以減小總垂直各向異性并且能包括Cu，Au，Pd或者Pt。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的磁性存儲(chǔ)器，其中該至少一個(gè)磁性元件具有多個(gè)側(cè)面，以及其中該至少一個(gè)應(yīng)力輔助層圍繞該至少一個(gè)磁性元件的該多個(gè)側(cè)面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的磁性存儲(chǔ)器，進(jìn)一步包括多條字寫入線；以及其中該至少一個(gè)應(yīng)力輔助層位于該多條字線和該至少一個(gè)磁性元件之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的磁性存儲(chǔ)器，其中該應(yīng)力輔助層進(jìn)一步包括IrO2/PZT，MnO/PZT，TiOy/PZT，Al2O3/PZT，Al2O3/PMN，Al2O3/SrBaTiO3，SiO2/PZT或SiO2/SrBaTiO3至少其中之一的雙層，其中PZT是PbZr1-xTixO3，其中PMN是具有PbTiO3的PbMn1-xNbxO3以及其中x是小于1的分?jǐn)?shù)。
10.一種編程包括多個(gè)磁性元件的磁性存儲(chǔ)器的方法，該多個(gè)磁性元件的每一個(gè)都配置成使用自旋轉(zhuǎn)移進(jìn)行寫入，該方法包括(a)偏置至少一個(gè)應(yīng)力輔助層，該至少一個(gè)應(yīng)力輔助層配置成在寫入期間對該多個(gè)磁性元件的至少一個(gè)磁性元件施加至少一個(gè)應(yīng)力；(b)當(dāng)該至少一個(gè)應(yīng)力施加在該至少一個(gè)磁性元件上時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流通過該至少一個(gè)磁性元件，該電流足以使用自旋轉(zhuǎn)移寫入到該至少一個(gè)磁性元件。
11.一種磁性存儲(chǔ)器，包括多個(gè)磁性元件，該多個(gè)磁性元件的每一個(gè)都配置成使用自旋轉(zhuǎn)移進(jìn)行寫入，該多個(gè)磁性元件的每一個(gè)都包括具有垂直各向異性的鐵磁自由層和在該鐵磁自由層上的非磁覆層，該非磁覆層減小該鐵磁自由層的垂直各向異性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的磁性存儲(chǔ)器，其中該鐵磁自由層包括Co、Fe和Ni的至少其中之一，以及其中該非磁覆層包括Pt、Pd、Au、Ta和Cr的至少其中之一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提供磁性存儲(chǔ)器的方法和系統(tǒng)。該方法和系統(tǒng)包括提供多個(gè)磁性元件，并且提供至少一個(gè)應(yīng)力輔助層。該多個(gè)磁性元件的每一個(gè)都配置成使用自旋轉(zhuǎn)移進(jìn)行寫入。該至少一個(gè)應(yīng)力輔助層配置成在寫入期間對該多個(gè)磁性元件的至少一個(gè)磁性元件施加至少一個(gè)應(yīng)力。自旋轉(zhuǎn)移切換電流的減小是由于在寫入期間應(yīng)力輔助層對磁性元件施加的應(yīng)力。磁性存儲(chǔ)器相對于熱起伏的穩(wěn)定性沒有受到損害，因?yàn)橐坏╆P(guān)掉切換電流兩個(gè)磁化態(tài)之間的能量勢壘就沒有發(fā)生改變。
文檔編號H01L27/22GK1906701SQ200480040445
公開日2007年1月31日 申請日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者M·帕卡拉, 懷一鳴 申請人:弘世科技公司