專利名稱：磁性器件和磁性存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁性器件和磁性存儲器，具體地說，涉及一種具有記錄和再現(xiàn)能力的磁性器件和使用它的磁性存儲器。
背景技術(shù)：
控制磁性材料的磁化方向的常規(guī)方法是施加外部磁場。例如，在硬盤驅(qū)動器中，從記錄頭中產(chǎn)生的磁場使磁性記錄媒體的磁化方向反向以執(zhí)行寫操作。在固態(tài)磁性存儲器中，在置于磁致電阻效應(yīng)器件附近的導(dǎo)線中產(chǎn)生的電流形成了電流感應(yīng)磁場，這種磁場施加到單元以控制該單元的磁化方向。這種以外部磁場控制磁化方向的方法具有較長的歷史并作為既定的技術(shù)看待。
在另一方面，近來的nm技術(shù)的發(fā)展迅速導(dǎo)致了更加細(xì)微的磁性材料。這產(chǎn)生了nm級的局部磁化控制的需要。然而，磁場難以局部化，因為它一般具有擴(kuò)散到空間的特性。試圖選擇控制其磁化方向的微觀尺寸的單元或位遇到了錯誤地選擇附近的單元或位的“串繞”問題，或者否則產(chǎn)生的更大的問題是用于產(chǎn)生更小的磁場源不能產(chǎn)生足夠的磁場。
最近，發(fā)現(xiàn)了一種稱為“電流驅(qū)動的磁化反向”的現(xiàn)象，其中直接通過磁性材料的電流使磁化反向(參見F.J.Albert等人，Apply.Phy.Lett.77，p3809(2000))。在這種現(xiàn)象中，電流通過磁性層而使其自旋極化。這種電流將極化自旋的電子的角動量傳遞給磁化反向的磁性材料的角動量。這種現(xiàn)象用于直接作用于nm磁性材料。因此期望使用更加細(xì)微的磁性材料來記錄而沒有串繞。
然而，“電流驅(qū)動的磁化反向”存在的問題是，使磁化反向的反向電流非常高，多達(dá)10mA到幾mA。希望以最小的電流進(jìn)行磁化反向的器件結(jié)構(gòu)以防止由于電流引起器件擊穿、防止產(chǎn)生熱量、減小功率消耗以及與用于檢測磁隧道的再現(xiàn)信號的磁致電阻效應(yīng)或其它效應(yīng)的高電阻層合理地組合。
考慮到這些問題做出了本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的是提供一種減小在電流驅(qū)動的磁性反向中的反向電流的磁性器件和使用它的磁性存儲器。
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種磁性器件，包括第一鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊，磁性層中的至少一個層具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性層中的兩個或更多個層通過非磁性層鐵磁地耦合同時具有與膜平面平行的易磁化軸；具有基本固定到第二方向的磁化的第二鐵磁層；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，該鐵磁耦合具有在寫電流通過時能夠維持磁性層的平行磁性對準(zhǔn)的強度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種磁性器件，包括
具有基本固定到第一方向的磁化的第一鐵磁層；具有基本固定到第二方向的磁化的第二鐵磁層；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊并且磁性層通過非磁性層鐵磁地耦合，同時具有平行于膜平面的易磁化軸，并且該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，該鐵磁耦合具有在寫電流通過時使所有的磁性層的磁化反向并保持其間的平行磁性方向的強度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種磁性器件，包括第一鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊，磁性層中的至少一個層具有基本固定到第一方向的磁化，磁性層中的兩個或更多個層通過非磁性層鐵磁地耦合，同時具有平行于膜平面的易磁化軸；第二鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊，磁性層中的至少一個層具有基本固定到第二方向的磁化，磁性層中的兩個或更多個層通過非磁性層鐵磁地耦合，同時具有平行于膜平面的易磁化軸；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，
該鐵磁耦合具有在寫電流通過時使至少一個磁性層的磁化不反向的強度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種磁性存儲器，包括其中以矩陣結(jié)構(gòu)提供多個磁性器件并且在磁性器件之間插入有絕緣體的存儲器單元，每個磁性器件具有第一鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊，磁性層中的至少一個層具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性層中的兩個或更多個層通過非磁性層鐵磁地耦合同時具有與膜平面平行的易磁化軸；具有基本固定到第二方向的磁化的第二鐵磁層；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，該鐵磁耦合具有在寫電流通過時能夠維持磁性層的平行磁性對準(zhǔn)的強度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種磁性存儲器，包括其中以矩陣結(jié)構(gòu)提供多個磁性器件并且在磁性器件之間插入有絕緣體的存儲器單元，每個磁性器件具有具有基本固定到第一方向的磁化的第一鐵磁層；具有基本固定到第二方向的磁化的第二鐵磁層；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊并且磁性層通過非磁性層鐵磁地耦合，同時具有平行于膜平面的易磁化軸，并且該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，該鐵磁耦合具有在寫電流通過時使所有的磁性層的磁化反向并保持其間的平行磁性方向的強度。
通過下文對本發(fā)明的詳細(xì)描述和實施例的附圖將會更加全面地理解本發(fā)明。然而，附圖并不用于限制本發(fā)明到特定的實施例，而是僅用于解釋的目的。
在附圖中附圖1所示為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的磁性器件的基本橫截面結(jié)構(gòu)的示意圖；附圖2A和2B所示為描述在附圖1中所示的磁性器件中的記錄媒體的示意性截面圖；附圖3A和3B所示為描述在第二釘扎層600中的磁化作用的示意性視圖；附圖4是描述本發(fā)明實施例中“寫機構(gòu)”的示意性截面視圖；附圖5所示為描述本發(fā)明的該實施例的磁性器件的讀方法的原理圖；附圖6A和6B所示為描述由相對磁化方向變化引起的磁致電阻的變化的原理圖；附圖7所示為其中第一和第二釘扎層在結(jié)構(gòu)上不同的具體實例的示意性橫截面圖；附圖8所示為具有非對稱結(jié)構(gòu)的第二具體實例的示意性橫截面視圖；
附圖9所示為具有非對稱結(jié)構(gòu)的第三具體實例的示意性橫截面視圖；附圖10所示為具有非對稱結(jié)構(gòu)的第四具體實例的示意性橫截面視圖；附圖11A和11B所示為其中第一釘扎層200具有三個磁性層210的具體實例的示意性視圖；附圖12所示為在磁性層210相對于非磁性層220的膜厚度之間的交互作用關(guān)系的曲線圖；附圖13所示為通過反鐵磁耦合固定磁化的具體實例的示意性視圖；附圖14所示為其中也給第二釘扎層600提供反鐵磁地耦合的結(jié)構(gòu)的具體實例的示意性視圖；附圖15所示為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例磁性器件的基本橫截面結(jié)構(gòu)的示意性圖；附圖16A和16B所示為通過電流I已經(jīng)實施了自由層400的磁化反向之后的磁化方向；附圖17所示為根據(jù)本發(fā)明的第三實施例磁性器件的基本橫截面結(jié)構(gòu)的示意性視圖；附圖18所示為根據(jù)本發(fā)明的第四實施例磁性器件的基本橫截面結(jié)構(gòu)的示意性視圖；附圖19所示為根據(jù)本發(fā)明的第四實施例磁性器件的基本橫截面結(jié)構(gòu)的示意性視圖；附圖20至23所示為其中通過反鐵磁耦合固定磁化的實例的示意性附圖；附圖24所示為CoFe層相對Cu層的厚度之間的交互作用的關(guān)系的曲線圖；附圖25所示為試樣1的橫截面結(jié)構(gòu)的示意性附圖；附圖26A和26B所示分別為試樣1的磁致電阻效應(yīng)的測量和電阻的電流相關(guān)性的曲線圖；
附圖27所示為CoFe層相對Cu層的厚度之間的交互作用的關(guān)系的曲線圖；附圖28所示為作為本發(fā)明的第四實例的試樣A的示意圖；附圖29A、29B、30A和30B所示為使用本發(fā)明的磁性器件的磁性存儲器的示意性附圖；附圖31所示為本發(fā)明的實例的磁性存儲器的等效電路圖；附圖32所示為本發(fā)明的實例的磁性器件的結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；附圖33所示為使用本發(fā)明的磁性器件的磁性存儲器的示意性附圖；附圖34所示為本發(fā)明的實例的磁性存儲器的結(jié)構(gòu)的示意性附圖；附圖35所示分別為試樣A1和試樣C1的電阻的電流相關(guān)性測量。
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
(第一實施例)附圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁性器件的基本橫截面結(jié)構(gòu)的示意性附圖。磁性器件10被構(gòu)造成第一釘扎(pinned)層200、第一中間層300、自由層400、第二中間層500和第二釘扎層600層疊在一對電極100和900之間，該對電極100和900被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層，從而使第三鐵磁層的磁化方向根據(jù)電流的方向確定。
第一釘扎層200包括多層膜，其中至少兩個磁性層彼此鐵磁地耦合。每個這些磁性層具有基本平行于膜平面的易磁化軸。多層膜由(磁性層210/非磁性層220)×N/磁性層210(N＝1或更大)構(gòu)成。即，第一釘扎層200被構(gòu)造成使磁性層210和非磁性層220彼此交替地層疊，并且至少兩個磁性層210通過具有在寫電流通過時使至少一個磁性層的磁化不反向的鐵磁耦合強度的非磁性層220彼此鐵磁地耦合。此外，至少兩個磁性層210的磁化M1固定在預(yù)定的方向上。
首先，描述本實施例的磁性器件10的記錄原理。
在本實施例中，電流I1或I2通過電極100和900之間使第一釘扎層200的磁化M1作用于自由層400的磁化M2，由此控制自由層400的磁化M2的方向。更具體地說，比使自由層400的磁化M2反向所要求的反向電流Ic更高的寫電流Iw通過并且它的流動方向(極化)變化以改變自由層400的磁化M2的方向。在記錄中，根據(jù)自由層400的磁化M2的方向可以指定例如“0”和“1”。
附圖2A和2B所示為描述在附圖1中所示的磁性器件中的記錄原理的示意性橫截面附圖。
如附圖2A所示，在電流從第一釘扎層200朝自由層400流動時，自由層400的磁化M2平行于在與第一中間層300相鄰的第一釘扎層的表面上的磁化方向被導(dǎo)向。即通過具有磁化M1的磁性層210的電子獲取在磁化M1的方向上的自旋。在這些電子流進(jìn)自由層400中時，通過它們的自旋傳遞的角動量傳遞給自由層400并作用于它的磁化M2。結(jié)果，自由層400的磁化M2平行于第一釘扎層200的磁化M1導(dǎo)向。
在另一方面，如附圖2B所示，在電流從自由層400朝第一釘扎層200導(dǎo)向時，自由層的磁化M2與第一中間層300相鄰的第一釘扎層200的磁化M1反向平行地導(dǎo)向。這是因為，在通過自由層400的自旋電子中，那些具有平行于第一釘扎層的磁化M1的自旋的電子通過第一釘扎層200，而那些具有與磁化M1反向平行的自旋的電子在第一釘扎層200和第一中間層300之間的界面上反射并再次作用在自由層400的磁化M2上。
根據(jù)本發(fā)明，通過構(gòu)造作為鐵磁地耦合的多層膜的第一釘扎層200以減小的電流可以使自由層400的磁化M2反向。
更具體地說，如附圖2A所示，在電流從第一釘扎層200朝自由層400傳輸時，在它每次通過形成第一釘扎層200的多個磁性層210中的一個層時，電子電流的自旋極化增加。這增加了在自由層400上的自旋極化的電子的作用。結(jié)果，與作為單個磁性層形成的釘扎層的情況相比可以減小反向電流。在電流從自由層400朝第一釘扎層200傳輸時，通過第一釘扎層200反射的電子電流的自旋極化的程度增加，這是因為在多層結(jié)構(gòu)中的多次反射的緣故。這也增加了在自由層400上的自旋極化的電子的作用。
在本實施例的磁性器件的情況下，優(yōu)選在釘扎層的磁性層之間鐵磁耦合的強度被設(shè)定為即使在寫電流通過時仍然保持該鐵磁耦合。即，如果鐵磁耦合的強度較弱，則在構(gòu)成釘扎層中的至少一個層中實施磁性反向。因此，需要保持鐵磁耦合的強度足夠強以防止這種磁性反向。
此外，本發(fā)明通過導(dǎo)向與第一釘扎層的磁化M1相反的第二釘扎層600的磁化M3可以更加有效地寫。
附圖3A和3B所示為描述在第二釘扎層600中的磁化作用的示意性附圖。在這些附圖中，與先前參考附圖1、2A和2B所描述的相同的元件以相同的參考標(biāo)號表示并且不詳細(xì)描述。
如附圖3A所示，假設(shè)第二釘扎層的磁化M3固定在與第一釘扎層的磁化M1相反的方向上。在電子電流從第一釘扎層200朝自由層400傳輸時，在磁化M1的方向上自旋極化的電子在第二中間層500和第二釘扎層600之間的界面上反射并再此作用在自由層400上。結(jié)果，在自由層400上的自旋極化的電子的作用加倍，這進(jìn)一步提高了寫效率。
在另一方面，如附圖3B所示，在電子電流從第二釘扎層600朝自由層400傳輸時，第二釘扎層的磁化M3促進(jìn)作用于自由層400的電子的極化。結(jié)果，寫效率可以被提高。
附圖4所示為本發(fā)明的本實施例的另一實例的磁性器件的示意性橫截面圖。在本實例中，自由層400包括磁性層410、410和非磁性層420。磁性層410、410通過非磁性層420反鐵磁地耦合。第二釘扎層600的磁化M3的方向與第一釘扎層200的磁化M1的方向相同。
根據(jù)本實例，與第一釘扎層由單個磁性層組成的情況相比可以通過更小的電流實施磁化反向。
接著，描述在本實施例中的磁性器件10中的再現(xiàn)機構(gòu)。在本實施例的磁性器件中，自由層400的磁化M2的方向可以通過利用其中電阻隨著在不同的層中的相對磁化方向改變的“磁致電阻效應(yīng)”而被檢測。
附圖5所示為描述本實施例的磁性器件的讀方法的原理圖。更具體地說，在利用磁致電阻效應(yīng)中，檢測電流I可以在第一釘扎層200或第二釘扎層600和自由層400之間通過以測量磁致電阻。
附圖5所示為測量在第二釘扎層600和自由層400之間的磁致電阻。然而，相反，也可以測量在第一釘扎層200和自由層400之間的磁致電阻。
附圖6A和6B所示為描述由相對磁化方向引起的磁致電阻的變化的原理圖。更具體地說，如附圖6A所示，在自由層400的磁化M2平行于第二釘扎層600(或第一釘扎層200)的磁化M3導(dǎo)向時，響應(yīng)通過它們的檢測電流I來檢測更小值的磁致電阻。
在另一方面，如附圖6B所示，在自由層400的磁化M2與第二釘扎層600的磁化M3反向平行導(dǎo)向時，響應(yīng)通過它們的檢測電流I檢測相對更大值的磁致電阻。這些電阻的不同的狀態(tài)分別與“0”和“1”相關(guān)以讀出二進(jìn)制記錄的數(shù)據(jù)。
可替換的是，檢測電流可以通過在磁性器件10的兩端上的電極100和900傳輸以檢測磁致電阻。更具體地說，檢測電流通過在第一釘扎層200和第二釘扎層600之間以檢測磁致電阻。然而，在本發(fā)明中，如前文參考附圖3A和3B所述，這些釘扎層200和600的磁化M1和M3優(yōu)選是反向平行的。為此，在“對稱結(jié)構(gòu)”中，即如果第一釘扎層200具有與第二釘扎層600相同的與自旋相關(guān)的散射的幅值，或者如果在第一釘扎層200中的電子如在第二釘扎層600中的電子具有作用于自由層400上的相同的自旋極化，則所檢測的磁致電阻具有相同的值，而與自由層400的磁化M2的方向無關(guān)。因此，需要采用“非對稱結(jié)構(gòu)”。
在這方面，本實施例通過構(gòu)造作為磁性層210和非磁性層220的層疊結(jié)構(gòu)的第一釘扎層200和作為不同的結(jié)構(gòu)的第二釘扎層能夠容易地實現(xiàn)“非對稱結(jié)構(gòu)”。例如，第二釘扎層600可以是單個的磁性層，或者在結(jié)構(gòu)上不同于第一釘扎層200的多層膜。
附圖7所示為其中第一和第二釘扎層在結(jié)構(gòu)不同的具體實例的示意性橫截面圖。
第一釘扎層200和第二釘扎層600在厚度或材料上彼此不同以改變磁化M1和M3的幅值。如附圖7示意性示出，第二釘扎層600的厚度比第一釘扎層200的有效厚度更大以使在第二釘扎層600中的與自旋相關(guān)的體積散射的貢獻(xiàn)比在第一釘扎層200中的更大。這樣，在通過電極100和900傳輸檢測電流I來實施“讀”時，根據(jù)自由層400的磁化M2的方向檢測不同值的磁致電阻。
相反，不改變?nèi)绺綀D7中所示的第一釘扎層200和第二釘扎層600的厚度，而是通過改變這些層的材料也可以改變在這些釘扎層200和600中的與自旋相關(guān)的散射的幅值。
附圖8所示為具有非對稱結(jié)構(gòu)的第二具體實例的示意性橫截面圖。
更具體地說，在本具體實例中，第一和第二中間層300和500在厚度上不同。例如，中間層500具有磁致電阻效應(yīng)容易檢測的厚度，而其它的中間層300具有磁致電阻難以檢測的厚度。在這方面，中間層500優(yōu)選具有0.2至10nm的范圍的厚度，而中間層300具有3至50nm的范圍的厚度。
可替換地，中間層500可以形成為比中間層300更厚。
這樣，可以主要檢測在第二釘扎層600和穿過中間層500的自由層400之間形成的磁致電阻效應(yīng)，這有利于檢測自由層400的磁化M2。
此外，中間層300和500在電阻方面可以不同。為此，有效的是提供具有不同的材料或組份的中間層300和500，或者給一種中間層加入摻雜的元素。在這種情況下，在更大電阻的中間層上更加清楚地觀測磁致電阻效應(yīng)。
特別是，中間層500可以是由絕緣材料構(gòu)成的隧道勢壘層，而中間層300由導(dǎo)體組成。這導(dǎo)致由TMR(隧道磁致電阻效應(yīng))引起的更大的磁致電阻效應(yīng)。在這種情況下，在自由層400和第二釘扎層600之間形成的TMR效應(yīng)有利于自由層400的磁化M2的檢測。
可替換地，中間層300可以由絕緣材料構(gòu)成的隧道勢壘層，而中間層500由導(dǎo)體組成。
附圖9所示為具有非對稱結(jié)構(gòu)的第三具體實例的示意性橫截面圖。
更具體地說，這個具體實例中，中間層IE插入到中間層500中。希望中間層IE增加磁致電阻效應(yīng)。中間層IE例如可以包括不連續(xù)的絕緣薄膜。更具體地說，具有針孔等的絕緣薄膜可以插入到中間層中以增加磁致電阻效應(yīng)。
這種不連續(xù)的絕緣薄膜可以包括例如鎳(Ni)和銅(Cu)的合金的氧化物或氮化物、鎳(Ni)和金(Au)的合金的氧化物或氮化物、鋁(Al)和銅(Cu)的合金的氧化物或氮化物。
在合金的這些氧化物、氮化物和其它的化合物通過加熱或其它的處理接近平衡狀態(tài)時，它們相分離成Au相、Cu相等。這對化合作用(比如氧化作用或氮化作用)不敏感，因此具有較低的電阻，而Ni相、Al相等對氧化作用或其它的反應(yīng)敏感，因此具有較高的電阻。為此，可以控制分解和溫度或所施加的能量以形成包含針孔的不連續(xù)的絕緣的薄膜。以非磁性材料填充的象這樣形成的針孔可能使電流的通路變窄。這就可以控制與自旋相關(guān)的界面散射和體積散射的作用以獲得了更大的磁致電阻效應(yīng)。
在這種中間層IE插入到中間層300和500中時，在釘扎層和在它的兩側(cè)上自由層400之間的磁致電阻效應(yīng)最佳并且變得容易檢測。
附圖10所示為具有非對稱結(jié)構(gòu)的第四具體實例的示意性橫截面圖。
更具體地說，在本具體實例中，第二中間層500形成為具有針孔PH的絕緣層。針孔PH以釘扎層600和在它的兩側(cè)上的自由層400中的至少一種的材料填充。
在第二釘扎層600通過針孔PH與自由層400連接時，形成由于所謂的“磁點接觸”引起的“BMR效應(yīng)(沖擊(阻尼)磁致電阻效應(yīng))”，這導(dǎo)致了非常大的磁致電阻效應(yīng)。因此，檢測在針孔PH的兩側(cè)上的磁性層之間形成的磁致電阻效應(yīng)以容易地確定自由層400的磁化M2的方向。
針孔PH的孔徑的優(yōu)選直徑一般小于20nm。針孔PH可能呈各種形狀比如圓錐形、圓柱形、球形、多邊錐形和多邊圓柱形。針孔PH的數(shù)量可以是一個或多個。然而，更小的數(shù)量比較優(yōu)選。
參考附圖7至10已經(jīng)描述了為使用磁致電阻效應(yīng)容易地讀出自由層400的磁化M2的方向非對稱結(jié)構(gòu)的具體實例。
雖然附圖1至10所示為兩個磁性層210形成第一釘扎層200的情況，但是本發(fā)明并限于這些。更具體地說，如附圖11A和11B所示，第一釘扎層200可以具有三個磁性層210?？商鎿Q地，它可以具有四個或更多個磁性層210。
然而，在任何情況下，優(yōu)選至少兩個磁性層210鐵磁地耦合。更具體地說，在本實施例中，優(yōu)選在形成第一釘扎層200的磁性層210之間的鐵磁耦合足夠強到維持對寫電流I的鐵磁耦合。應(yīng)用弱的鐵磁耦合，在第一釘扎層200的多層膜里面的與自旋相關(guān)的反射可以使磁性層210的磁化M1的一部分反向或者可以干擾磁化的分布。因此，可取的是，這些磁性層210鐵磁地耦合以避免即使在寫電流I流動時使每個磁性層210的磁化M1反向。
為實現(xiàn)這種磁耦合，可取的是，在第一釘扎層200中的多層膜中的非磁性層220由Cu(銅)、Ag(銀)、Au(金)、釕(Ru)、銥(Ir)、銠(Rh)和包含它們的任何合金構(gòu)成，非磁性層220具有小于2nm的厚度。這允許形成多層膜的磁性層210影響在層之間的交互耦合，或者影響在非磁性層220中通過針孔等直接耦合的交互作用，實現(xiàn)了較強的鐵磁耦合。
附圖12所示為在非磁性層220由銅(Cu)制成的情況下在磁性層210相對非磁性層220的膜厚度之間的交互作用的關(guān)系的曲線圖。如果形成第一釘扎層200的多層膜具有明顯的(陡峭的)界面，在相鄰的磁性層210之間的層間交互作用在相對于非磁性層220的正和負(fù)之間震蕩同時衰減。結(jié)果，適合于鐵磁耦合的膜厚區(qū)以擺動的方式出現(xiàn)。在上述的非磁性層的情況下，適合的膜厚一般在小于2nm的范圍。
在另一方面，界面可以進(jìn)行重要的混合(合金化)，部分是由于在膜形成時在濺射離子中的高能量的緣故。在這種情況下，如附圖12所示的任何重要的擺動都不能被觀測到，并且強的鐵磁耦合一般在2nm下實施。耦合的強度更大且適于更薄的非磁性層。在通過針孔等的直接交互耦合中的磁性層具有在局部上可比得上在磁性材料的里面的交互作用的足夠強的交互作用。
本發(fā)明人實施了如下的模型計算。用Iw表示通過具有面積A的磁性器件的寫電流。已經(jīng)證明在磁性層210之間的鐵磁耦合的強度J優(yōu)選滿足下面的公式J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tΠMs2這里Iw/A表示電流密度，t和Ms分別表示在多層膜中的單個組成的磁性層的厚度和磁化強度，h表示普朗克常數(shù)，P表示電流的自旋非對稱性，e表示電荷，以及α表示吉伯阻尼常數(shù)。
在這種情況下，相對寫電流Iw可以維持良好的鐵磁耦合。
在附圖1至11B中所示的磁性器件的結(jié)構(gòu)中，第一釘扎層200具有反鐵磁層(未示)以固定磁性層210的磁化M1。此外，雖然附圖1至11B表示在電極100和900之間的層具有相同的橫向尺寸，但是橫向尺寸一致不是必須的。具體的說，在第二釘扎層600由單個磁性層構(gòu)成時，該層的橫向尺寸比磁性器件大得多以避免在第二釘扎層600中的磁孔對自由層400的影響。這可以減小泄漏磁場的影響，該泄漏磁場否則可能干擾在自由層400中的磁性反向的操作。
附圖13所示為其中通過反鐵磁耦合固定磁化的具體實例的示意性附圖。更具體地說，由第一釘扎層200的鐵磁材料構(gòu)成的磁性層240中的一個的磁化通過相鄰的反鐵磁層230固定。這個磁性層240通過Ru(釕)等的非磁性層250與層疊的膜反鐵地磁耦合。在這種情況下，非磁性層250的厚度設(shè)定為使在磁性層240之間實施反鐵磁耦合。
由于這種結(jié)構(gòu)抵消了磁化方向，因此可以減小來自第一釘扎層200的泄漏的磁場。這又可以減小磁場對自由層400的影響，因此可以增強自由層400的寫的可控性。此外，給第二釘扎層600提供反鐵磁層620，由此固定由鐵磁材料構(gòu)成的相鄰的磁性層610的磁化。
附圖14所示為這樣的具體實例的示意性視圖，其中第一釘扎層的磁性層鐵磁耦合，并且附加地提供反鐵磁層與這個多層膜相鄰，同時第二釘扎層600也具有反鐵磁耦合的結(jié)構(gòu)。
更具體地說，第二釘扎層600具有反鐵磁層630，由此固定了由鐵磁材料構(gòu)成的相鄰的磁性層640的磁化。這個磁性層640通過Ru(釕)等的非磁性層650與磁性層610反鐵磁地耦合。如附圖14的具體實例所示，由于取消了第二釘扎層600的磁化，因此可以減小來自第二釘扎層600的泄漏的磁場。此外，這又可以減小磁場對自由層400的影響，因此可以提高自由層400的寫的可控性。
(第二實施例)接著，描述其中自由層400是多層的作為本發(fā)明的第二實施例的磁性器件。
附圖15所示為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁性器件的基本橫截面結(jié)構(gòu)的示意性附圖。在這個附圖中，與先前參考附圖1至14描述的元件相同的元件以相同的參考標(biāo)號表示，因此在此不再詳細(xì)描述。
自由層400被構(gòu)造為由鐵磁耦合的(磁性層410/非磁性層420)×N/磁性層410(N＝1或更大)構(gòu)成的多層膜。即，自由層400被構(gòu)造成使磁性層410和非磁性層420彼此交替地層疊，并且磁性層410通過具有在寫電流通過時自由層400的磁化旋轉(zhuǎn)并維持在磁性層410之間的鐵磁耦合的足夠的耦合強度的非磁性層220彼此鐵磁地耦合。
與第一實施例一樣，在電極100和900之間傳輸?shù)碾娏魇沟谝会斣鷮?00的磁化M1的影響作用于自由層400的磁化M2，由此可以控制自由層400的磁化M2的方向。
根據(jù)本實施例，通過將自由層400構(gòu)造成鐵磁耦合的多層膜有效地實施以自旋極化的電流的寫。更具體地說，在電流從第一釘扎層200朝自由層400傳輸時，來自第一釘扎層200的自旋極化的電子可以作用于一個以上的表面。這可以增強自旋極化的電子的作用，增加自由層400的磁化M2的反向效率。結(jié)果，可以將寫電流減小到更低的電流。
在另一方面，在電流從自由層400朝第一釘扎層200傳輸時(在極性反向時)，來自自由層400的自旋極化的電子通過過濾效應(yīng)增加。因此，可以更加有效地實施反向，并可以減小磁化反向電流。
附圖6A和16B所示為通過電流I已經(jīng)實施的自由層400的磁化反向之后的磁化方向。
在第二實施例中，優(yōu)選在形成自由層400的磁性層410之間的磁性耦合足夠強到維持對在記錄時通過的寫電流的鐵磁耦合。通過弱的磁性耦合，可以使至少一個磁性層410的磁化反向。此外，至少一個層的磁化被干擾了，由此與自旋相關(guān)的電子的動作可能不規(guī)則。這可以防止自由層400的磁性反向。
為維持磁性耦合，可取的是，非磁性層420由Cu(銅)、Ag(銀)、Au(金)、釕(Ru)、銥(Ir)、銠(Rh)和包含它們中的至少一種的合金構(gòu)成。此外，用Iw表示通過具有面積A的磁性器件的寫電流。在磁性層410之間的鐵磁耦合的強度J優(yōu)選滿足下面的公式J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tΠMs2這里Iw/A表示電流密度，t和Ms分別表示在多層膜中的單個組成的磁性層的厚度和磁化強度，h表示普朗克常數(shù)，P表示電流的自旋非對稱性，e表示電荷，以及α表示吉伯阻尼常數(shù)。
在這種情況下，即使寫電流Iw通過仍然能夠維持良好的鐵磁耦合。
此外，優(yōu)選在形成自由層400的磁性層410的磁性耦合足夠強到維持對在再現(xiàn)時通過的檢測電流的鐵磁耦合。通過較弱的磁性耦合，在自由層400的里面的與自旋相關(guān)的反射可以使在再現(xiàn)時磁性層410的磁化M2的一部分反向，或者可能干擾磁化M2。
為維持磁性耦合，可取的是，非磁性層420由Cu(銅)、Ag(銀)、Au(金)、釕(Ru)、銥(Ir)、銠(Rh)和包含它們的任何合金構(gòu)成。此外，用Is表示通過具有面積A的磁性器件的檢測電流。在磁性層410之間的鐵磁耦合的強度J優(yōu)選滿足下面的公式J＞(hP/2eα)×(Is/A)-tΠMs2這里Is/A表示電流密度，t和Ms分別表示在多層膜中的單個組成的磁性層的厚度和磁化強度，h表示普朗克常數(shù)，P表示電流的自旋非對稱性，e表示電荷，以及α表示吉伯阻尼常數(shù)。
在這種情況下，即使感測電流Is通過仍然能夠維持良好的鐵磁耦合。
此外，也是在本實施例中，如參考第一實施例的附圖3所述，如果第二釘扎層600的磁化被設(shè)定到與第一釘扎層200的磁化反向平行，則可以使磁化反向電流更小。
此外，也是在本實施例中，如附圖13和14所示，可以給第一釘扎層200或第二釘扎層600提供通過Ru(釕)等的非磁性層反鐵磁耦合的并置于反鐵磁層和多層膜之間的磁性層。在這種情況下，Ru的非磁性層的厚度優(yōu)選被設(shè)定為在磁性層之間實施反鐵磁耦合。這種結(jié)構(gòu)的效果與前文參考附圖13和14所描述的效果相同。此外，第一釘扎層200或第二釘扎層600可以具有固定磁性層210的磁化或固定磁性層610的磁化的反鐵磁層。
在本實施例中，再現(xiàn)機理與第一實施例相同。
(第三實施例)接著，描述其中第一釘扎層200和自由層400每個都是多層的作為本發(fā)明的第三實施例的磁性器件。
附圖17所示為根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁性器件的基本橫截面結(jié)構(gòu)的示意性附圖。在這個附圖中，與先前參考附圖1至16描述的元件相同的元件以相同的參考標(biāo)號表示，因此在此不再詳細(xì)描述。
在本實施例中，第一釘扎層200和自由層400每個都被構(gòu)造為由鐵磁耦合的(磁性層/非磁性層)×N/磁性層(N＝1或更大)構(gòu)成的多層膜。即，第一釘扎層200被構(gòu)造成使磁性層210和非磁性層220彼此交替地層疊，并且磁性層210中的至少兩個通過非磁性層220彼此鐵磁地耦合。同樣地，自由層400被構(gòu)造成磁性層410和非磁性層420彼此交替地層疊，并且磁性層410通過非磁性層420彼此鐵磁耦合。
本實施例的磁性器件具有第一和第二實施例的組合特征。同時實現(xiàn)了前文參考這些實施例描述的功能和效果。
此外，也是在本實施例中，如附圖13和14所示，可以給第一釘扎層200或第二釘扎層600提供通過Ru(釕)等的非磁性層反鐵磁耦合的并置于反鐵磁層和多層膜之間的磁性層。這種結(jié)構(gòu)的效果與前文參考附圖13和14所描述的效果相同。
(第四實施例)接著，描述其中第一釘扎層200和第二釘扎層600每個都是多層的作為本發(fā)明的第三實施例的磁性器件。
附圖18和19所示為根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁性器件的基本橫截面結(jié)構(gòu)的示意性附圖。在這些附圖中，與先前參考附圖1至17描述的元件相同的元件以相同的參考標(biāo)號表示，因此在此不再詳細(xì)解釋。
在本實施例中，第一釘扎層200和第二釘扎層600每個都被構(gòu)造為由鐵磁耦合的(磁性層/非磁性層)×N/磁性層(N＝1或更大)構(gòu)成的多層膜。即，第一釘扎層200被構(gòu)造成使磁性層210和非磁性層220彼此交替地層疊，并且磁性層210中的至少了兩個通過非磁性層220彼此鐵磁地耦合。同樣地，第二釘扎層600被構(gòu)造成磁性層610和非磁性層620彼此交替地層疊，并且磁性層610通過非磁性層620彼此鐵磁耦合。
本實施例的磁性器件具有第一實施例的增強的特征。實現(xiàn)了前文參考這些實施例描述的基本功能和效果。兩個釘扎層200和600的存在增加了導(dǎo)致更加小的反向電流的自旋極化電流的多次反射。
此外，也是在本實施例中，如附圖13和14所示，可以給第一釘扎層200或第二釘扎層600提供通過Ru(釕)等的非磁性層反鐵磁耦合的并置于反鐵磁層和多層膜之間的磁性層。
附圖20至23所示為通過反鐵磁耦合固定磁化的實例的示意性附圖。這種結(jié)構(gòu)的效果與前文參考附圖13和14描述的效果相同。例如，通過相鄰的反鐵磁層230固定由第一釘扎層200的鐵磁材料構(gòu)成的磁性層240的磁化，通過相鄰的反鐵磁層630固定由第二釘扎層600的鐵磁材料構(gòu)成的磁性層610的磁化。
如在上文的第一至第四實施例中所描述，根據(jù)本發(fā)明，可以以減小的電流使自由層400的磁化M2反向，這導(dǎo)致了減小功率消耗并防止器件擊穿的效果。因此，如下文的實例中所描述，本發(fā)明的記錄/再現(xiàn)適合于固態(tài)磁性存儲器、探針存儲單元等。
接著，詳細(xì)地描述形成上文在第一至第四實施例中描述的本發(fā)明的磁性器件的每個元件。
首先，在第一和第二釘扎層200和600和在自由層400中的單個層或用于形成多層的磁性層(比如210和410)的材料可以包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或包含從鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)和鉻(Cr)構(gòu)成的組中選擇至少一種元素的合金、稱為“坡莫合金”的基于NiFe的合金或軟磁材料比如基于CoNbZr的合金、基于FeTaC的合金、基于CoTaZr的合金、基于FeAlSi的合金、基于FeB的合金和基于CoFeB的合金、惠斯勒合金、磁性半導(dǎo)體、半金屬磁性氧化物(或半金屬磁性氮化物)比如CrO2、Fe3O4和La1-xSrxMnO3。
在此，“磁性半導(dǎo)體”可以包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、鉻(Cr)和錳(Mn)中的至少一種磁性元素與化合物半導(dǎo)體或氧化物半導(dǎo)體的組合。更具體地說，它們可以包括例如(Ga，Cr)N、(Ga，Mn)N、MnAs、CrAs、(Ga，Cr)As、ZnO:Fe和(Mg，F(xiàn)e)O。
在本發(fā)明中，可以適當(dāng)?shù)剡x擇具有適合于應(yīng)用的任何磁性特性的這些材料的中的任何材料并用于釘扎層200和600和自由層400。
在這些磁性層中使用的材料可以包括連續(xù)的磁性材料，或者其中在非磁性基體中形成或沉淀的磁性材料的細(xì)微顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
此外，自由層400的材料可以包括由(Co或CoFe合金)/(NiFe或NiFeCo或Ni的坡莫合金)構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)或者由(Co或CoFe合金)/(NiFe或NiFeCo或Ni的坡莫合金)/(Co或CoFe合金)構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)。然后可以減小有效的磁化而不降低在界面的自旋極化。結(jié)果，可以減小系統(tǒng)的磁性能量，以較低的電流使磁化反向。在由這些磁性多層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的磁性層中，優(yōu)選外部的Co或CoFe合金的厚度范圍在0.2至1nm的范圍內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)能夠以較低的電流使磁化反向。
形成釘扎層200或600的磁性層的優(yōu)選的總的厚度是在0.4至60nm的范圍內(nèi)。形成自由層400的磁性層的優(yōu)選的總的厚度是在0.4至60nm的范圍內(nèi)。形成這些多層的磁性層的優(yōu)選的厚度是在0.2至10nm的范圍內(nèi)。
在形成釘扎層200、600或自由層400鐵磁耦合的多層膜的過程中，非磁性和磁性層的材料的典型組合包括具有fcc(面心立方)結(jié)構(gòu)的CoFe與Cu的組合比如CoFe/Cu/CoFe和CoFe/Cu/CoFe/Cu/CoFe或者具有bcc(體心立方)結(jié)構(gòu)的CoFe(Co0.5Fe0.5)與Cu、bcc-Fe/fcc-Au和bcc-Fe/fcc-Ag的組合。
用于第一中間層300和第二中間層500的材料可以包括銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)或包含它們中的一種或多個的合金、由包括從鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈷(Co)、鎳(Ni)、硅(Si)和鐵(Fe)構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素的氧化物、氮化物或氟化物構(gòu)成的絕緣體或其中在這些任何絕緣體中形成針孔并且磁性層進(jìn)入到該針孔的沖擊(阻尼)MR材料。
具體地說，為了增加反向效率，第一中間層300的優(yōu)選材料是導(dǎo)電金屬，比如銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)或包含它們中的一種或多個的合金。第一中間層300的1至60nm的厚度可以實現(xiàn)磁化反向的效果。
此外，具體地說，第二中間層500的材料可以是由包括從鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈷(Co)、鎳(Ni)、硅(Si)和鐵(Fe)構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素的氧化物、氮化物或氟化物構(gòu)成的絕緣體或其中在這些任何絕緣體中形成針孔并且磁性層進(jìn)入到該針孔的沖擊(阻尼)MR材料以獲得較大的再現(xiàn)輸出。這一點在前文參考附圖10和11已經(jīng)描述了。從信號再現(xiàn)的角度看，在前者中的隧道磁致電阻效應(yīng)(TMR)絕緣體的優(yōu)選厚度是0.4至2nm。在沖擊(阻尼)MR材料的后者情況中，中間層500的優(yōu)選厚度是在0.4至40nm的范圍中。
通過變換第一和第二中間層的材料和厚度可以實現(xiàn)相同的效果。
固定釘扎層200和600的磁化M1和M3的反鐵磁材料可以包括錳化鐵(FeMn)、錳化鉑(PtMn)、錳化鈀(PdMn)和錳化鈀鉑(PdPtMn)。
在本發(fā)明的磁性器件的優(yōu)選平面形狀中，自由層400具有矩形、在垂直(或水平)上加長的六邊形、橢圓形、具有1∶1至1∶5的范圍的縱橫比的菱形或平行四邊形的平面形狀?？扇〉氖?，該形狀不利于形成所謂的“邊緣區(qū)域(edge domain)”，并易于呈現(xiàn)單軸形磁各向異性。也是可取的是，自由層400具有在大約5至1000nm的范圍內(nèi)的縱邊的尺寸。
雖然附圖1至23表示在電極100和900之間的釘扎層200和600、自由層400和中間層300和500具有相同的橫向尺寸，但是橫向尺寸一致不是必須的。更具體地說，磁性器件的每個層可以具有彼此相對不同的寬度或斜率以連接導(dǎo)線或以控制磁化方向或者有利于器件的制造。具體地，在釘扎層600由單個磁性層構(gòu)成時，該層的橫向尺寸比磁性器件大得多以有利地減小來自釘扎層600中的泄漏磁場對自由層400的影響，否則它可能干擾在自由層400中的磁性特性。
在本發(fā)明的磁性器件中，優(yōu)選自由層400的易磁化軸基本平行于或基本反向平行于在釘扎層200和600中的磁各向異性的方向?qū)颉?br>
應(yīng)該注意，在附圖1至23中所示的磁性器件中的層疊順序并不限于在這些附圖中所示的順序。還可以以顛倒的順序構(gòu)造。
此外，還應(yīng)該注意，在釘扎層或在自由層中的每個磁性層的磁化量不必相同。
現(xiàn)在參考實例進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明的實施例。
實例1在要描述的本發(fā)明的第一實例中，使用明顯界面而沒有任何嚴(yán)重的界面混合的膜形成設(shè)備用于制造其中第一中間層300由Cu制成和第二中間層500由鋁制成的層疊結(jié)構(gòu)。然后將這種結(jié)構(gòu)形成器件。通過第一中間層300通過電流注入對該器件進(jìn)行寫并通過第二中間層500通過隧道磁致電阻(TMR)進(jìn)行再現(xiàn)。
首先，為了確定非磁性層220的厚度以實現(xiàn)在磁性層210之間的鐵磁耦合，形成具有CoFe/Cu/CoFe的三層夾層的結(jié)構(gòu)的膜，并研究在CoFe層之間的交互作用如何取決于Cu層的厚度。
附圖24所示為在CoFe層相對Cu層的厚度之間的交互作用的關(guān)系的曲線圖。這個結(jié)果通過從在磁滯曲線中的飽和磁場中確定反鐵磁耦合的強度獲得。通過擬合到Cu層的厚度的震蕩曲線確定反鐵磁耦合。如附圖24所示，發(fā)現(xiàn)到所測量的程度可用于Cu層的膜厚的范圍為在≤0.5nm或者1.3-1.7nm。因此，在本實例中，Cu層的厚度被選擇為0.4nm。
在本實例中的器件制造過程如下。使用超高真空濺射在晶片上形成由Ta和Cu構(gòu)成的下部電極膜。然后制造具有如下層疊的結(jié)構(gòu)的膜。
(試樣1)(PtMn20nm/CoFe20nm)/Al2O31nm/(CoFe1nm/Cu0.4nm/CoFe1nm)/Cu6nm/(CoFe3nm/Cu0.4nm/CoFe3nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm)(試樣2)(PtMn20nm/CoFe20nm)/Al2O31nm/(CoFe2.4nm)/Cu6nm/(CoFe7.8nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm)(試樣3)(PtMn20nm/CoFe20nm)/Al2O31nm/(CoFe1nm/Cu1.8nm/CoFe1nm)/Cu6nm/(CoFe3nm/Cu1.8nm/CoFe3nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm)
在此，試樣1是本實例的一種器件。試樣2是用于比較的目的沒有包含鐵磁層的試樣，試樣3也是用于比較目的具有較低的鐵磁耦合的試樣。由Cu和Ta構(gòu)成的另一膜形成在這些膜上。在270℃下在磁場中在真空爐中對晶片退火10小時以提供單向各向異性。EB(電子束)抗蝕劑施加到該膜上并進(jìn)行EB曝光。然后形成具有理想的形狀的掩模(在此它的尺寸是60nm×120nm并且它的縱向方向與單向各向異性平行)。
接著，使用離子銑削設(shè)備來蝕刻沒有被掩模覆蓋的區(qū)域直到向下至氧化鋁(Al2O3)層。在此，通過啟動泵將濺射的顆粒引入質(zhì)譜分析法的四極分析器中來精確地監(jiān)測蝕刻量。在蝕刻之后，消除掩模并進(jìn)一步形成SiO2的膜。通過離子銑削以對Ta表面曝光來平滑它的表面平滑。在Ta表面上形成上部電極。
附圖25所示為試樣1的橫截面結(jié)構(gòu)的示意性附圖。
附圖26A和26B所示分別為試樣1的磁致電阻效應(yīng)和電阻的電流相關(guān)性的測量的曲線圖。
在此所觀測的電阻變化是通過氧化鋁的高電阻層的隧道磁致電阻(TMR)。在電流掃描(附圖26B)中的電阻變化與在磁致電阻效應(yīng)(附圖26A)中的電阻變化相同?？梢钥闯觯谂R界電流Ic之上，自由層400的磁化反向并且實現(xiàn)了記錄。試樣1的臨界電流Ic是±0.16mA，因此在2.2×106A/cm2的電流密度下使磁化反向。
在另一方面，在試樣2中，在高達(dá)中間層500的隧道結(jié)部分的擊穿的電流范圍中沒有觀測到磁化反向。在試樣3中，在大約一半該擊穿電流下觀測到電阻的一定的變化，這表明在與氧化鋁層500相鄰的多層膜的部分被反向。然而，在高達(dá)擊穿的電流范圍中沒有獲得任何良好的磁滯。
上文的結(jié)果表明通過給第一釘扎層200和自由層400提供較強的鐵磁耦合減小了反向電流。
實例2在要描述的第二實例中使用涉及較強的混合的膜形成設(shè)備來制造薄膜。
更具體地說，制造類似于實例1的夾層膜并確定非磁性層220的厚度相關(guān)性。然而，提供PtMn層以將單向各向異性應(yīng)用到一個磁性層210中以有利于確定任何正的層間耦合。
附圖27所示為在CoFe層相對Cu層的厚度之間的交互作用的關(guān)系的曲線圖?；谶@個結(jié)果，選擇非磁性層220的膜厚度為1.9nm。形成第一釘扎層600為磁性層210和非磁性層220的多層膜。然后通過類似于實例1的過程制造具有類似于在附圖1中所示的結(jié)構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)的器件。研究在電流掃描過程中獲得的磁性器件的電阻變化。該結(jié)果表明在電流掃描過程中在臨界反向電流上出現(xiàn)了尖銳的電阻變化，這證實了磁性層210的多層膜協(xié)同作用。
實例3在要描述的本發(fā)明的第三實例中，制造在結(jié)構(gòu)上類似于上文描述的實例1的試樣，但除了在自由層400中之外，將具有0.1nm的膜厚的Cu層插入到具有2nm膜厚的bcc組成的Co0.5Fe0.5層中。這種器件的臨界反向電流是±0.14mA，它在比試樣1更低的電流密度上實現(xiàn)了反向。這估計可能是由混合Cu層的存在引起的在bcc-CoFe里面的體積散射效應(yīng)的貢獻(xiàn)。
實例4在要描述的本發(fā)明的第四實例中，使用類似于上文描述的實例1的過程制造具有下面層疊的結(jié)構(gòu)的磁性器件。
(PtMn20nm/CoFe5nm)Al2O31nm/(CoFe1nm/Cu0.2nm/CoFe1nm)/Cu6nm/(CoFe3nm/Cu0.4nm/CoFe3nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm)制造試樣A和B。試樣A具有如在附圖28中示意性示出的橫截面結(jié)構(gòu)，其中切割出微型器件的研磨在至氧化鋁層的一半深度上停止，而在試樣B中將該器件完整地切割至PtMn層。
首先確定磁致電阻效應(yīng)。試樣A具有類似于在附圖26A中所示的磁場掃描的磁滯。然而，在試樣B中，較強的鐵磁耦合出現(xiàn)，其中在氧化鋁層500上的上部和下部磁性層彼此反向平行地強烈地耦合。試樣B的電流掃描的結(jié)果表明在高達(dá)擊穿電流中沒有觀測到任何完整的反向，因為這種靜磁耦合太強，它阻止了良好的反向性能。在另一方面，在試樣A中，沒有出現(xiàn)鐵磁耦合，因為在第二釘扎層600中的磁極是可忽略的，自由層400的磁化在±0.2mA上反向。
在附圖28中，該器件具有至氧化鋁層一半的垂直側(cè)面。然而，橫截面試樣的發(fā)射電子顯微鏡觀測已經(jīng)顯示該側(cè)面實際傾斜大約30°至60°。
實例5在要描述的本發(fā)明的第五實例中，將上文描述的本發(fā)明的磁性器件特別用于磁性存儲器。
附圖29A、29B、30A和30B所示為使用本發(fā)明的磁性器件的磁性存儲器的示意性視圖。
附圖31所示為這個實例的磁性存儲器的等效電路圖。
在此，使用類似于實例1的試樣1的磁性器件(磁性單元)10。在這種結(jié)構(gòu)中，一個晶體管只指定給一個器件。該器件形成在正交的字線WL和位線BL之間以使它能夠被用作磁性存儲器。在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中在多個磁性存儲器中的每個都可以通過指定一個位線BL和一個字線WL選擇。
如附圖29A和29B所示通過傳輸比臨界反向電流Ic更高的寫電流Iw實施磁性器件10的記錄。在電子首先通過第一釘扎層200時(對應(yīng)于在附圖29B中的“寫信號1”)，在自由層400中記錄的磁化M2平行于第一釘扎層200的磁化M1導(dǎo)向。
在另一方面，在電子流反向時(對應(yīng)于在附圖29A中的“寫信號0”)，將與第一釘扎層200的磁化M1反向平行的磁化M2記錄在自由層400中。因此，電流的極性的反向允許適當(dāng)?shù)貙憽?”或“1”。
如附圖30A和24B所示，通過傳輸比臨界反向電流Ic更低的再現(xiàn)電流(檢測電流)Is并通過中間層500檢測磁致電阻效應(yīng)實施再現(xiàn)。例如，如附圖30A所示，在信號“0”已經(jīng)寫了時，電阻表現(xiàn)為低電阻，在已經(jīng)寫了信號“1”時，電阻表現(xiàn)為更高的電阻。通過檢測這個(即直接讀電阻或讀電壓或讀電流)，就可以為信號的再現(xiàn)檢測自由層400的磁化M2的狀態(tài)?？紤]到晶體管Tr的兼容性，優(yōu)選第二中間層500由高度絕緣的材料比如氧化鋁形成。在這種情況下，要檢測隧道磁致電阻效應(yīng)(TMR)。
雖然附圖30A和30B所示為將“0”指定給低電阻并將“1”指定給高電阻的再現(xiàn)信號的分配，將會理解到這種分配可以顛倒。
實例6在要描述的本發(fā)明的第六實例中，將本發(fā)明的磁性器件特別用于磁性存儲器。
附圖32所示為使用本發(fā)明的磁性存儲器的結(jié)構(gòu)的示意性透視圖。
更具體地說，每個磁性器件10提供在以矩陣結(jié)構(gòu)的布線的字線WL和位線BL之間。與實例5一樣，通過磁性器件10傳輸寫電流Iw并根據(jù)它的極性指定信號“0”或“1”來實施對磁性器件10的寫。通過傳輸再現(xiàn)電流Is并檢測磁致電阻效應(yīng)來實施再現(xiàn)。交叉點磁性存儲器是能夠?qū)崿F(xiàn)更高階的積分的一種結(jié)構(gòu)。
實例7在要描述的本發(fā)明的第七實例中，磁性存儲器是一種探針存儲類型。
附圖33所示為使用本發(fā)明的磁性器件的磁性存儲器的示意性附圖。更具體地說，本具體實例是一種探針存儲器件，其中本發(fā)明的磁性器件被應(yīng)用于通過探針存取的所謂的“構(gòu)圖媒體”。
該記錄媒體被構(gòu)造成使本發(fā)明的磁性器件10在導(dǎo)電襯底1100上以矩陣結(jié)構(gòu)形式設(shè)置在高電阻絕緣體1000的平面中。為選擇磁性器件，探針2000提供在該媒體的表面上。此外還提供一個控制在探針2000和該媒體的表面之間的相對位置關(guān)系的驅(qū)動機構(gòu)2100、施加從探針2000到磁性器件10的電流或電壓的電源2200、和隨著電阻的變化檢測磁性器件10的內(nèi)部磁化狀態(tài)的檢測電路2300。
在附圖33所示的具體實例中，驅(qū)動機構(gòu)2100連接到探針探針2000。然而，驅(qū)動機構(gòu)2100提供在媒體側(cè)上，只要該媒體的位置相對探針改變。如附圖33所示，本發(fā)明的多個磁性器件10設(shè)置在導(dǎo)電襯底1100上以形成構(gòu)圖媒體。通過磁性器件10在導(dǎo)電探針2000和導(dǎo)電襯底1100之間傳輸電流實施記錄和再現(xiàn)。
通過改變在導(dǎo)電探針2000和構(gòu)圖媒體之間的相對位置關(guān)系實施磁性器件10的選擇。導(dǎo)電探針2000僅需要與磁性器件10以接觸或非接觸的方式電連接。在非接觸的情況下，借助于在磁性器件10和探針2000之間的隧道電流或場發(fā)射電流實施記錄和再現(xiàn)。
借助于從存取它的探針2000流到磁性器件10的電流或借助于從磁性器件10流到探針2000的電流實施對磁性器件10的記錄。假設(shè)Ic表示由磁性器件10的尺寸、結(jié)構(gòu)、成分等確定的自由層400的磁化M2的反向電流。通過傳輸比Ic更高的寫電流Iw通過磁性器件可以實施記錄。所記錄的磁化方向與上文參考附圖2A至5B描述的磁化方向相同。這樣，傳輸自旋極化的電子電流通過自由層400允許適當(dāng)?shù)貙憽?”或“1”。
與記錄一樣，借助于從存取磁性器件10的探針2000流動的電流或借助于流到該探針的電流實施再現(xiàn)。然而，在再現(xiàn)時，傳輸比磁化反向電流Ic更低的再現(xiàn)電流Is。磁化記錄層A的記錄狀態(tài)通過檢測電壓或電阻確定。因此，在本具體實例的磁性存儲器中，通過傳輸具有關(guān)系Iw＞Is的電流實現(xiàn)記錄和再現(xiàn)。
實例8在要描述的第八實例中，該磁性存儲器由其中多路復(fù)用實例7的探針的探針陣列結(jié)構(gòu)。
附圖34所示為本實例的磁性存儲器的結(jié)構(gòu)的示意性附圖。
更具體地說，本發(fā)明的磁性器件設(shè)置在與實例7一樣的襯底上以形成32×32矩陣。這種矩陣又重復(fù)32×32次以形成具有總共1Mb(兆位)的記錄/再現(xiàn)媒體。然后制造磁性存儲器以實施具有32×32探針2000的這個記錄/再現(xiàn)媒體的記錄和再現(xiàn)。換句話說，在本實例的磁性存儲器中，一個探針分配給一個矩陣組。
如附圖34所示地探測。以在媒體上提供X-Y驅(qū)動機構(gòu)實施每個探針2000的單元選擇。然而，以在探針2000上提供的驅(qū)動機構(gòu)2100實施單元選擇，只要相對地改變位置關(guān)系即可。考慮到探針2000的多路復(fù)用，通過將探針連接到字線WL和位線BL并執(zhí)行字線WL和位線BL實現(xiàn)每個探針2000的選擇。
借助于從存取磁性器件的探針2000注入的電流實施磁性器件10的記錄/再現(xiàn)。在再現(xiàn)時，傳輸?shù)陀诖呕聪螂娏鱅c的再現(xiàn)電流Is。自由層400的記錄狀態(tài)通過檢測將其指定給“0”或“1”的電壓或電阻確定。
實例9在要描述的本發(fā)明的第九實例中，制造具有如下的結(jié)構(gòu)的磁性器件。在該結(jié)構(gòu)中，其中通過Ru非磁性層鐵磁耦合的相鄰鐵磁層的層疊膜提供在第一釘扎層和第二釘扎層之間作為自由層，并提供在第一釘扎層和自由層之間的第一中間層和在第一釘扎層和自由層之間的第二中間層。
首先，制造其中Ru層厚度在0.1nm和1.6nm之間的CoFe/Ru/CoFe的夾層結(jié)構(gòu)。為了獲得其中鐵磁耦合磁性層的Ru層的范圍，研究夾層結(jié)構(gòu)的磁化曲線。
結(jié)果，證明在Ru層是0.3nm或更小時以足夠保持它們在膜平面中的磁化的強度鐵磁耦合磁性層。還證明了在Ru層的厚度是0.4nm或更大時，磁性層是90°耦合或反鐵磁耦合。此外，還證明了在Ru層的厚度是1nm時，反鐵磁耦合達(dá)到了峰值。
關(guān)于這些結(jié)果，制造具有如下的結(jié)構(gòu)的根據(jù)本發(fā)明的實例的磁性器件(試樣A1至A6)。在該結(jié)構(gòu)中，插入在0.1nm至0.3nm之間的厚度的Ru層的自由層提供在第一釘扎層和第二釘扎層之間，并將第一中間層提供在第一釘扎層和自由層之間，以及第二中間層提供在第二釘扎層和自由層之間。該器件的尺寸是70nm×110nm。
為進(jìn)行比較，制造與上述器件具有相同的尺寸但具有沒有插入Ru層的自由層的其它的器件(比較試樣C1至C6)。試樣的每種結(jié)構(gòu)如下。
(試樣A1)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe15nm)/Cu3.5nm/(Co9Fe11nm/Ru0.1nm/Co9Fe11nm/Ru0.1nm/Co9Fe11nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe120nm(試樣A2)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14nm)/Cu6nm/(CoFeNi1.5nm/Ru0.2nm/CoFeNi1.5nm)/MgO0.7nm/Fe10nm(試樣A3)(Co8Fe23.5nm/Ru1nm/Co8Fe24nm)/Cu7nm/(Co8Fe21.2nm/Ru0.2nm/Co8Fe21.3nm)/Al2O30.6nm/Fe3O430nm(試樣A4)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14.5nm)/Cu6nm/(Co5Fe51.25nm/Ru0.3nm/Co5Fe51.25nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe115nm(試樣A5)(CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi1nm/Cu0.2nm/CoFeNi1nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe11.4nm/Ru0.2nm/NiFe1.9nm)/Cu6nm/CoFeNi20nm(試樣A6)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe11nm/Cu0.2nm/Co9Fe11nm/Cu0.2nm/Co9Fe11nm)/Cu4nm/(Co9Fe11.25nm/Ru0.1nm/Co9Fe11.25nm)/MgO0.8nm/(Fe15 nm/Au0.4nm/Fe15nm)
(比較試樣C1)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe15nm)/Cu3.5nm/Co9Fe13nm/Al2O30.6nm/Co9Fe120nm(比較試樣C2)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14nm)/Cu6nm/CoFeNi3nm/MgO0.7nm/Fe10nm(比較試樣C3)(Co8Fe23.5nm/Ru1nm/Co8Fe24nm)/Cu7nm/Co8Fe22.5nm/Al2O30.6nm/Fe3O430nm(比較試樣C4)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14.5nm)/Cu6nm/Co5Fe52.5nm/Al2O30.6nm/Co9Fe115nm(比較試樣C5)(CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi1nm/Cu0.2nm/CoFeNi1nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe11.4nm/NiFe1.9nm)/Cu6nm/CoFeNi20nm(比較試樣C6)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe11nm/Cu0.2nm/Co9Fe11nm/Cu0.2nm/Co9Fe11nm)/Cu4nm/Co9Fe12.5nm/MgO0.8nm/(Fe15nm/Au0.4nm/Fe15nm)在所有的試樣中，通過與每個層的最外層相鄰地提供的PtMn或PtIrMn的反鐵磁層以交互偏壓固定第一釘扎層和第二釘扎層的磁化。通過給每個試樣施加電流并測量電阻變化獲得在電流驅(qū)動的磁化反向中的反向電流。
附圖29所示為分別試樣A1和試樣C1的電阻的電流相關(guān)性的測量的曲線圖。
附圖35所示為在施加的正電流時，在一定的反向電流Ic+下自由層的磁化變?yōu)榉聪蚱叫杏谙旅娴尼斣鷮拥拇呕?。還顯示，在施加負(fù)電流時，在一定的反向電流Ic-下自由層的磁化變?yōu)槠叫杏谙旅娴尼斣鷮拥拇呕?br>
在表1中示出了每個試樣的反向電流的平均值。反向電流的平均值意味著Ic+和Ic-的平均值。
表1
表1顯示具有其中提供了具有鐵磁耦合的磁性多層膜的自由層的根據(jù)本發(fā)明的實例的結(jié)構(gòu)的試樣(A系列)比比較試樣(C系列)具有更低的平均反向電流。根據(jù)本發(fā)明的實例的器件可以減小反向電流。此外，具有不同的尺寸的器件也具有相同的效果。
實例10在要描述的本發(fā)明的第十實例中，制造其中第一釘扎層和/或第二釘扎層被制成具有較強的鐵磁耦合的鐵磁層的磁性器件。首先，制造其中Cu層的厚度在0.1nm和1.4nm之間的CoFe/Cu/CoFe的夾層結(jié)構(gòu)。為了獲得其中鐵磁耦合磁性層的Cu層厚度的范圍，研究夾層結(jié)構(gòu)的磁化曲線。
結(jié)果，證明在Cu層的厚度是0.7nm或更小時，磁性層鐵磁地耦合。
根據(jù)本發(fā)明的實例的磁性器件(試樣A11-A17)，它具有作為第一釘扎層(和/或)第二釘扎層鐵磁耦合的多層膜、第一釘扎層、第二釘扎層、在第一釘扎層和第二釘扎層之間的自由層、在第一釘扎層和自由層之間的第一中間層和在第二釘扎層和自由層之間的第二中間層。該器件的尺寸為70nm×110nm。
制造與上述的器件具有相同的尺寸但具有沒有插入Cu層的釘扎層的比較器件(比較試樣C11至C17)。該器件的每種結(jié)構(gòu)如下。
(試樣A11)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe15nm)/Cu5nm/(NiFe2nm/Co9Fe11nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm)(試樣A12)(CoFeNi2nm/Cu0.3nm/CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi4nm)/Cu6nm/CoFeNi2.5nm/MgO0.7nm/Fe40nm
(試樣A13)(Co8Fe23.5nm/Ru1nm/Co8Fe24nm)/Cu7nm/(Co8Fe21.2nm/Ru0.2nm/Co8Fe21.3nm)/Al2O30.6nm/(Co8Fe22nm/Cu0.2nm/Co8Fe22nm/Cu0.2nm/Co8Fe22nm)(試樣A14)(Co9Fe12nm/Cu0.3nm/Co9Fe12nm/Ru1nm/Co9Fe14.5nm)/Cu6nm/(Co5Fe51.25nm/Ru0.3nm/Co5Fe51.25 nm)/Al2O30.6nm/Fe3O430nm(試樣A15)(CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi1nm/Cu0.2nm/CoFeNi1nm)/Al2O30.6nm/(CoFeNi1.5nm/Co9Fe11.5nm)/Cu6nm/(CoFeNi4nm/Cu0.4nm/CoFeNi4nm)(試樣A16)(Co9Fe13nm/Ru1nm/Co9Fe11nm/Cu0.5nm/Co9Fe11nm/Cu0.5nm/Co9Fe11nm)/Cu6nm/(Co9Fe11.25nm/Ru0.1nm/Co9Fe11.25nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe12nm/Cu0.5nm)/Co9Fe12nm/Cu0.5nm/Co9Fe12nm)(試樣A17)(Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm)/Cu6nm/(Co9Fe11.25nm/Cu1nm/Co9Fe11.25nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe12nm/Cu0.2nm)/Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm)(試樣C11)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe15nm)/Cu5nm/(NiFe2nm/Co9Fe11nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe16nm
(試樣C12)(CoFeNi4nm/Ru1nm/CoFeNi4nm)/Cu6nm/CoFeNi2.5nm/MgO0.7nm/Fe40nm(試樣C13)(Co8Fe23.5nm/Ru1nm/Co8Fe24nm)/Cu7nm/(Co8Fe21.2nm/Ru0.2nm/Co8Fe21.3nm)/Al2O30.6nm/Co8Fe26nm(試樣C14)(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14.5nm)/Cu(6nm)/(Co5Fe51.25nm/Ru0.3nm/Co5Fe51.25nm)/Al2O30.6nm/Fe3O430nm(試樣C15)(CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi2nm)/Al2O30.6nm/(CoFeNi1.5nm/Co9Fe11.5nm)/Cu6nm/CoFeNi8nm(試樣C16)(Co9Fe13nm/Ru1nm/Co9Fe13nm)/Cu6nm/(Co9Fe11.25nm/Ru0.1nm/Co9Fe11.25nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe16nm(試樣C17)Co9Fe16nm/Cu6nm/(Co9Fe11.25nm/Cu1nm/Co9Fe11.25nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe16nm在所有的試樣中，通過與每個層的最外層相鄰地提供的PtMn、PtIrMn或NiO的反鐵磁層以交互偏壓固定第一釘扎層和第二釘扎層的磁化。
在表2中示出了每個試樣的反向電流的平均值。
表2
表2顯示具有其中提供了具有鐵磁耦合的磁性多層膜的自由層的根據(jù)本發(fā)明的實例的結(jié)構(gòu)的試樣(A系列)比每個比較試樣(C系列)具有更低的平均反向電流。根據(jù)本發(fā)明的實例的器件可以減小反向電流。此外，具有不同的尺寸的器件也具有相同的效果。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種其中以較低的電流密度或較低的電流進(jìn)行直接寫的微觀尺寸的磁性材料的磁性器件。這可以解決器件擊穿、產(chǎn)生熱量、功率消耗、與再現(xiàn)組合的問題以及其它的問題。
換句話說，可以提供一種其中以較低的功率消耗進(jìn)行局部寫磁化的微觀尺寸的磁性材料的磁性器件。此外，可以提供一種其中使用磁致電阻效應(yīng)讀出的寫的磁化的磁性器件。這些磁性器件非常小。結(jié)果，本發(fā)明對更高的密度和功能的磁性器件和對于包括磁性器件的器件的整個小型化非常有效，因此對工業(yè)領(lǐng)域貢獻(xiàn)非常大。
參考具體的實例已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明并不限于上文所描述的具體實例。例如，構(gòu)成磁性器件的每個元件可以具有不同的空間尺寸、材料、數(shù)量；和電極、鈍化、絕緣和其它結(jié)構(gòu)的其它的形狀或材料。它們也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)，只要在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通過從已有的技術(shù)中適當(dāng)?shù)剡x擇它們能夠類似地實施本發(fā)明并實現(xiàn)類似的效果。
此外，在磁性器件中的反鐵磁層、鐵磁層、中間層、絕緣層和其它的部件每個都可以形成單個層、或者兩個或多個層的層疊結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的范圍也包含本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員基于作為本發(fā)明的實施例的上文所描述的磁性器件和磁性存儲器通過適當(dāng)?shù)匦薷脑O(shè)計能夠?qū)嵤┑乃械拇判云骷痛判源鎯ζ鳌?br>
雖然根據(jù)實施例已經(jīng)公開了本發(fā)明以有利于理解本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是在不脫離本發(fā)明的原理的前提下本發(fā)明可以以各種方式實施。因此，本發(fā)明應(yīng)該被理解為包括在不脫離如附加的權(quán)利要求所闡述的本發(fā)明的原理的前提下所有可能的實施例和對所示出的實施例的改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種磁性器件，包括第一鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊，磁性層中的至少一個層具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性層中的兩個或更多個層通過非磁性層鐵磁地耦合，同時具有與膜平面平行的易磁化軸；具有基本固定到第二方向的磁化的第二鐵磁層；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，該鐵磁耦合具有在寫電流通過時能夠維持磁性層的平行磁性對準(zhǔn)的強度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性器件，其中鐵磁耦合的強度J滿足下式J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tπMs2這里Iw/A是寫電流的電流密度，t是磁性層的厚度，Ms是磁性層的磁化強度，h是普朗克常數(shù)，P是電流的自旋非對稱性，e是電荷，以及α是吉伯阻尼常數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性器件，其中非磁性層由從包括銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、Ru(釕)、Ir(銥)、Rh(銠)和包含它們中的至少一種的合金構(gòu)成的組中選擇的任何一種形成，并且具有小于2nm的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性器件，其中第一和第二中間層中的一個由絕緣體或半導(dǎo)體制成，而第一和第二中間層中的另一個由導(dǎo)體制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性器件，其中第三鐵磁層包括交替地層疊的磁性和非磁性層，該磁性層通過非磁性層鐵磁地耦合。
6.一種磁性器件，包括具有基本固定到第一方向的磁化的第一鐵磁層；具有基本固定到第二方向的磁化的第二鐵磁層；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊并且磁性層通過非磁性層鐵磁地耦合，同時具有平行于膜平面的易磁化軸，并且該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，該鐵磁耦合具有在寫電流通過時使所有的磁性層的磁化反向并保持其間的平行磁性方向的強度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁性器件，其中在第三鐵磁層中，鐵磁耦合的強度J滿足下式J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tπMs2這里Iw/A是寫電流的電流密度，t是磁性層的厚度，Ms是磁性層的磁化強度，h是普朗克常數(shù)，P是電流的自旋非對稱性，e是電荷，以及α是吉伯阻尼常數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁性器件，其中非磁性層由從包括銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、Ru(釕)、Ir(銥)、Rh(銠)和包含它們中的至少一種的合金構(gòu)成的組中選擇的任何一種形成，并且具有小于2nm的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁性器件，其中第一和第二中間層中的一個由絕緣體或半導(dǎo)體制成，而第一和第二中間層中的另一個由導(dǎo)體制成。
10.一種磁性器件，包括第一鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊，磁性層中的至少一個層具有基本固定到第一方向的磁化，磁性層中的兩個或更多個層通過非磁性層鐵磁地耦合，同時具有平行于膜平面的易磁化軸；第二鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊，磁性層中的至少一個層具有基本固定到第二方向的磁化，磁性層中的兩個或更多個層通過非磁性層鐵磁地耦合，同時具有平行于膜平面的易磁化軸；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，該鐵磁耦合具有在寫電流通過時使至少一個磁性層的磁化不反向的強度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁性器件，其中鐵磁耦合的強度J滿足下式J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tπMs2這里Iw/A是寫電流的電流密度，t是磁性層的厚度，Ms是磁性層的磁化強度，h是普朗克常數(shù)，P是電流的自旋非對稱性，e是電荷，以及α是吉伯阻尼常數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁性器件，其中非磁性層由從包括銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、Ru(釕)、Ir(銥)、Rh(銠)和包含它們中的至少一種的合金構(gòu)成的組中選擇的任何一種形成，并且具有小于2nm的厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁性器件，其中第一和第二中間層中的一個由絕緣體或半導(dǎo)體制成，而第一和第二中間層中的另一個由導(dǎo)體制成。
14.一種磁性存儲器，包括其中以矩陣結(jié)構(gòu)提供多個磁性器件的存儲器單元，絕緣體插入在磁性器件之間，每個磁性器件具有第一鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊，磁性層中的至少一個層具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性層中的兩個或更多個層通過非磁性層鐵磁地耦合同時具有與膜平面平行的易磁化軸；具有基本固定到第二方向的磁化的第二鐵磁層；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，該鐵磁耦合具有在寫電流通過時能夠維持磁性層的平行磁性對準(zhǔn)的強度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁性存儲器，其中在存儲器單元上的每個磁性器件能夠通過探針存取。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁性存儲器，其中字線和位線連接到存儲器單元上的每個磁性器件，和通過選擇字線和位線能夠?qū)⑿畔⒂涗浀教囟ǖ囊粋€磁性器件中或從其中讀出信息。
17.一種磁性存儲器，包括其中以矩陣結(jié)構(gòu)提供多個磁性器件并且在磁性器件之間插入有絕緣體的存儲器單元，每個磁性器件具有具有基本固定到第一方向的磁化的第一鐵磁層；具有基本固定到第二方向的磁化的第二鐵磁層；提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第三鐵磁層，其中磁性層和一個或多個非磁性層交替地層疊并且磁性層通過非磁性層鐵磁地耦合，同時具有平行于膜平面的易磁化軸，并且該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向；提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的第一中間層；提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間的第二中間層；和被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層、從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向的一對電極，該鐵磁耦合具有在寫電流通過時使所有的磁性層的磁化反向并保持其間的平行磁性方向的強度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的磁性存儲器，其中在存儲器單元上每個磁性器件能夠通過探針存取。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的磁性存儲器，其中字線和位線連接到存儲器單元上的每個磁性器件，和通過選擇字線和位線能夠?qū)⑿畔⒂涗浀教囟ǖ囊粋€磁性器件中或從其中讀出信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及提供一種能夠減小在電流驅(qū)動的磁性反向中的反向電流的磁性器件和使用它的磁性存儲器。該磁性器件包括第一鐵磁層、第二鐵磁層、第三鐵磁層、第一中間層、第二中間層和一對電極。第一鐵磁層包括交替地層疊的磁性層和一個或多個非磁性層，磁性層中的至少一個層具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性層中的兩個或更多個層通過非磁性層鐵磁地耦合同時具有與膜平面平行的易磁化軸。第二鐵磁層具有基本固定到第二方向的磁化。第三鐵磁層提供在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間。該第三鐵磁層具有可變化的磁化方向。第一中間層提供在第一鐵磁層和第三鐵磁層之間。第二中間層提供在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間。該電極被構(gòu)造成在第一和第二鐵磁層之間提供寫電流以使自旋極化的電子作用于第三鐵磁層，從而根據(jù)該電流的方向確定第三鐵磁層的磁化方向。在寫電流通過時該鐵磁耦合具有能夠維持磁性層的平行磁性對準(zhǔn)的強度。
文檔編號G11B5/39GK1658286SQ200410083228
公開日2005年8月24日 申請日期2004年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者中村志保, 羽根田茂 申請人:株式會社東芝