[发明专利]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

说明书

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CoFeB_x(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AlO_x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。