具有负自旋极化和负各向异性两者的材料的制作方法

具有负自旋极化和负各向异性两者的材料

背景技术：

技术领域
1.本公开的实施方案整体涉及用于自旋电子设备的具有负自旋极化和负各向异性的多层材料。
2.相关领域的描述
3.在自旋电子器件或自旋电子设备中，诸如在磁记录头中使用的传感器中，自旋极化和各向异性场两者起重要作用。例如，此类自旋电子设备可用于自旋轨道转矩(sot)磁隧道结(mtj)应用中，诸如用于能量辅助磁记录写入头和磁阻随机存取存储器(mram)设备的自旋霍尔层。在这些自旋电子设备中利用的材料通常具有：(1)不具有各向异性场的正自旋极化，诸如cofe、co、ni和comnge，(2)正自旋极化和负各向异性场，诸如cofe多层结构，(3)不具有各向异性场的负自旋极化，诸如fecr、fev和fen，或者(4)正自旋极化和正各向异性场两者，诸如coni、copt、copd和mn3ga。由于没有报道存在具有负自旋极化和负各向异性场的材料，因此自旋电子设备通常具有较小的自由度并且受到较大的限制。
4.因此，在本领域中需要具有负自旋极化和负各向异性场两者的材料以用于自旋电子设备。

技术实现要素：

5.本公开的各方面整体涉及在磁介质驱动器、磁阻随机存取存储器设备、磁性传感器或磁记录写入头中使用的自旋电子设备。自旋电子设备包括具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构。该多层结构包括多个层，所述多个层中的每一层包括包含fe的第一子层和包含co的第二子层。第一子层和第二子层中的至少一者包含cr、v和ti中的一种或多种。第一子层和第二子层相交替。多层结构的负各向异性场介于约-0.5t至约-0.8t之间，并且多层结构的有效磁化强度介于约2.4t至约2.8t之间。
6.在一个实施方案中，自旋电子设备包括具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构，该多层结构包括多个层，所述多个层中的每一层包括包含fe的第一子层和包含co的第二子层，其中第一子层和第二子层中的至少一者还包含cr、v和ti中的一种或多种。第一子层和第二子层相交替。
7.在另一个实施方案中，自旋电子设备包括基板和设置在基板上方的具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构，该多层结构包括多个交替的第一层和第二层。第一层中的每一个第一层包含fe以及cr、v和ti中的一种或多种，并且第二层中的每一个第二层包含co。第一层中的每一个第一层具有大于或等于第二层中的每一个第二层的第二厚度的第一厚度。自旋电子设备还包括设置在多层结构上方的覆盖层。
8.在又一个实施方案中，自旋电子设备包括具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构，该多层结构包括多个交替的第一层和第二层。第一层中的每一个第一层包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy以及fecr
xvy
tiz中的至少一者，其中x、y和z中的每一
者为正数，并且第二层中的每一个第二层包含co。第一层中的每一个第一层具有介于约0.4nm至约0.8nm之间的第一厚度，并且第二层中的每一个第二层具有介于约0.3nm至约0.6nm之间的第二厚度。自旋电子设备还包括设置在多层结构上方的一个或多个层。
附图说明
9.因此，通过参考实施方案，可以获得详细理解本公开的上述特征的方式、本公开的更具体描述、上述简要概述，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施方案并且因此不应视为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。
10.图1示出了体现本公开的磁记录设备。
11.图2为根据一个实施方案的通过面向磁介质的读取/写入头的中心的分段剖面侧视图。
12.图3a示出了根据各种实施方案的具有负自旋极化和负各向异性场(-hk)的多层结构的示意图。
13.图3b至图3c示出了根据各种实施方案的利用图3a的多层结构的自旋电子设备的示意图。
14.图3d示出了根据一个实施方案的利用图3a的多层结构的磁阻(mr)传感器的示意图。
15.图3e示出了处于交叉点构型的存储器单元阵列的某些实施方案的示意图。
16.图4示出了根据一个实施方案的曲线图，该曲线图示出了图3a的多层结构的第一子层和第二子层的厚度变化时的hk、饱和磁通密度(bs)和有效磁化强度(m
eff
)。
17.图5a示出了根据一个实施方案的曲线图，该曲线图示出了当多层结构的第一子层和第二子层的厚度以纳米为单位变化时，在利用包括cofe的钉扎层(pinned layer)和图3a的多层结构的图3b的设备中的平面内电流(current-in-plane)(cip)巨磁阻(gmr)(％)。
18.图5b示出了根据一个实施方案的曲线图，该曲线图示出了当图3a的多层结构的第一子层和第二子层的厚度以纳米为单位变化时以t为单位的hk。
19.图5c示出了根据一个实施方案的曲线图，该曲线图示出了当图3a的多层结构的第一子层和第二子层的厚度以纳米为单位变化时以t为单位的m
eff
。
20.图6a示出了根据一个实施方案的曲线图，该曲线图示出了当多层结构的包含fecrx的第一子层的cr的原子百分比(at％)变化时，在利用包括cofe的钉扎层和图3a的多层结构的图3b的设备中以％表示的cip-gmr比率。
21.图6b示出了根据一个实施方案的曲线图，该曲线图示出了当图3a的多层结构的包含fecrx的第一子层的cr原子百分比变化时以t为单位的hk、以t为单位的bs和以t为单位的m
eff
。
22.为了有助于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。可以设想是，在一个实施方案中公开的元件可以有利地用于其他实施方案而无需具体叙述。
具体实施方式
23.在下文中，参考本公开的实施方案。然而，应当理解的是，本公开不限于具体描述的实施方案。相反，思考以下特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施方案相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方案可以实现优于其他可能解决方案和/或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施方案来实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方案和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。同样地，对“本公开”的引用不应当被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且不应当被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。
24.本公开的各方面整体涉及在磁介质驱动器、磁阻随机存取存储器设备、磁性传感器或磁记录写入头中使用的自旋电子设备。自旋电子设备包括具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构。该多层结构包括多个层，所述多个层中的每一层包括包含fe的第一子层和包含co的第二子层。第一子层和第二子层中的至少一者包含cr、v和ti中的一种或多种。第一子层和第二子层相交替。多层结构的负各向异性场介于约-0.5t至约-0.8t之间，并且多层结构的有效磁化强度介于约2.4t至约2.8t之间。
25.应当理解，本文所讨论的实施方案适用于数据存储设备诸如硬盘驱动器(hdd)以及磁带驱动器诸如磁带嵌入式驱动器(ted)或可插入式磁带介质驱动器，诸如根据线性磁带开放(lto)标准制造的产品。在2019年3月26日提交的名称为“tape embedded drive”的共同未决的专利申请的美国公布号2020/0258544中描述了示例性ted，该专利申请受让给本技术的相同受让人并且以引用方式并入本文。因此，除非明确主张，否则具体实施方式中对hdd或磁带驱动器的任何引用仅用于举例说明的目的，并非旨在限制本公开。例如，对hdd实施方案中的磁盘介质的引用仅作为示例提供，并且在磁带驱动器实施方案中可以用磁带介质代替。此外，对磁记录设备或数据存储设备的引用或涉及磁记录设备或数据存储设备的权利要求意在包括至少hdd和磁带驱动器两者，除非hdd或磁带驱动器设备被明确主张。
26.还应当理解，本文所公开的方面诸如磁阻设备可用于在hdd和磁带介质驱动器诸如ted之外的磁性传感器应用中，诸如除hdd和磁带介质驱动器之外的自旋电子设备。例如，本文所公开的方面可用于磁阻随机存取存储器(mram)设备(例如，作为存储器元件的一部分的磁隧道结)、磁性传感器或其他自旋电子设备中的磁性元件。
27.图1示出了体现本公开的磁记录设备100。如图所示，至少一个可旋转磁介质112承载在主轴114上，并且通过磁盘驱动马达118旋转。每个磁盘上的磁记录呈数据磁道的任何合适图案的形式，诸如磁介质112上同心数据磁道(未示出)的环形图案。
28.至少一个滑块113定位在磁介质112附近，每个滑块113支撑一个或多个磁头组件121。当磁介质旋转时，滑块113在介质表面122上方径向地移入和移出，使得磁头组件121可访问磁介质112的写入期望数据的不同磁道。每个滑块113通过悬架115附接到致动器臂119。悬架115提供轻微的弹簧力，该弹簧力朝向介质表面122偏置滑块113。每个致动器臂119附接到致动器装置127。如图1所示的致动器构件127可以是音圈马达(vcm)。vcm包括能够在固定磁场内移动的线圈，线圈移动的方向和速度通过由控制单元129供应的马达电流信号来控制。
29.在磁记录设备100的操作期间，磁介质112的旋转在滑块113与介质表面122之间产
生空气轴承，该空气轴承在滑块113上施加向上的力或升力。因此，在正常操作期间，空气轴承抗衡悬架115的轻微弹簧力，并以小的、基本上恒定的间距支撑滑块113离开并稍微高于介质112表面。在eamr的情况下，从磁头组件121的辅助元件产生的dc磁场增强了写入能力，使得磁头组件121的写入元件可以有效地磁化介质112中的数据位。
30.磁记录设备100的各种部件在操作中通过由控制单元129产生的控制信号诸如访问控制信号和内部时钟信号来控制。通常，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制各种系统操作的控制信号，诸如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的磁头位置和寻道控制信号。线128上的控制信号提供期望的电流分布，以最佳地将滑块113移动和定位到介质112上的期望数据磁道。写入信号和读取信号通过记录通道125传送到组件121上的写入和读取头和从该写入和读取头传送。
31.典型的磁盘存储系统的以上描述和图1的随附说明仅出于表示目的。应当显而易见的是，磁盘存储系统可包含大量磁盘和致动器，并且每个致动器可支撑多个滑块。
32.图2是根据一种实施方式的面向图1所示的可旋转磁盘112或其他磁存储介质的头组件200的剖面侧视图的示意图。头组件200可对应于图1中所述的头组件121。头组件200包括面向介质的表面(mfs)212，诸如面向可旋转磁盘112的空气轴承表面(abs)。如图2所示，可旋转磁盘112沿箭头232所指示的方向相对地移动，并且头组件200沿箭头233所指示的方向相对地移动。
33.在可与其他实施方案组合的一个实施方案中，头组件200包括磁读取头211。磁读取头211可包括设置在屏蔽件s1与s2之间的感测元件204。感测元件204为磁阻(mr)感测元件，诸如运用穿隧磁阻(tmr)效应、磁阻(gmr)效应、异常磁阻(emr)效应或自旋转矩振荡器(sto)效应的元件。可旋转磁盘112中的磁化区域的磁场(诸如垂直记录的位或纵向记录的位)可由感测元件204检测为记录的位。
34.磁头组件200包括写入头210。在可与其他实施方案组合的一个实施方案中，写入头210包括主极220、前屏蔽件206、后屏蔽件(ts)240，以及设置在主极220和ts 240之间的自旋电子设备230。主极220用作第一电极。主极220、自旋电子设备230、前屏蔽件206和后屏蔽件(ts)240中的每一者在mfs处具有前部部分。
35.主极220包括磁性材料，诸如cofe、cofeni或feni、其他合适的磁性材料。在可与其他实施方案组合的一个实施方案中，主极220包括呈随机纹理的磁性材料的小晶粒，诸如以随机纹理形成的体心立方(bcc)材料。例如，通过电沉积来形成主极220的随机纹理。写入头210包括围绕主极220的线圈218，该线圈激励主极220以产生写入磁场以便影响可旋转磁盘112的磁记录介质。线圈218可为螺旋结构或者一组或多组扁平结构。
36.在可与其他实施方案组合的一个实施方案中，主极220包括尾端锥体242和前端锥体244。尾端锥体242从mfs 212中凹进的位置延伸到mfs212。前端锥体244从mfs 212中凹进的位置延伸到mfs 212。尾端锥体242和前端锥体244可具有相对于主极220的纵向轴线260的相同或不同锥度。在可与其他实施方案组合的一个实施方案中，主极220不包括尾端锥体242和前端锥体244。在此类实施方案中，主极220包括尾端侧面和前端侧面，其中尾端侧面和前端侧面基本上平行。
37.ts 240包括磁性材料，诸如feni或其他合适的磁性材料，用作第二电极和主极220的返回极。前屏蔽件206可提供电磁屏蔽，并且与主极220分开前间隙254。
38.在一些实施方案中，自旋电子设备230被定位成靠近主极220并且减小磁记录介质的矫顽力，使得可使用更小的写入场来记录数据。在此类实施方案中，从电流源270向自旋电子设备230施加电子电流以产生微波场。电子电流可包括直流(dc)波形、脉冲dc波形和/或转向正电压和负电压的脉冲电流波形或其他合适的波形。在其他实施方案中，将电子电流从电流源270施加到自旋电子设备230以向介质产生高频交流电(ac)场。
39.在可与其他实施方案组合的一个实施方案中，自旋电子设备230电耦接到主极220和ts 240。主极220和ts 240在区域中由绝缘层272分开。电流源270可通过主极220和ts 240向自旋电子设备230提供电子电流。对于直流或脉冲电流而言，电流源270可使电子电流从主极220穿过自旋电子设备230流动到ts 240，或者可使电子电流从ts 240穿过自旋电子设备230流动到主极220，具体取决于自旋电子设备230的取向。在可与其他实施方案组合的一个实施方案中，自旋电子设备230耦接到提供除来自主极220和/或ts 240之外的电流的电引线。
40.图3a示出了根据一个实施方案的具有负自旋极化和负各向异性场(-hk)的多层结构300的示意图。例如，多层结构300可用作磁隧道结(mtj)设备(例如，自旋轨道转矩(sot)mtj设备)中的自由层，用作能量辅助磁记录(eamr)写入头中的自旋轨道转矩设备中的自由层，用作磁阻随机存取存储器(mram)设备中的自由层，用作微波辅助磁记录(mamr)写入头中的场生成层(fgl)，用作磁阻(mr)设备中的钉扎层，或者在其他自旋电子设备内使用。
41.如本文所用，多层结构300可在磁记录头中实现，包括磁记录写入头(例如，作为mamr应用中的fgl)和磁记录读取头(例如，作为读取头内的传感器中的自由层)。此外，多层结构300可在磁性传感器，诸如读出传感器或任何其他非hdd感测应用中实现。
42.多层结构300包括多个层302a至302n。每一层302a至302n包括第一子层304和设置在第一子层304上方的第二子层306，使得第一子层304和第二子层306在整个多层结构300中交替。第一子层304包括铁(fe)，第二子层306包括钴(co)，并且第一子层304和/或第二子层306附加地包括铬(cr)、钒(v)或钛(ti)中的至少一者。
43.例如，在一个实施方案中，第二子层306包括co，并且第一子层304包含fecr
x
、fev
x
或feti
x
，其中每一者中的x值为正数，并且可以为非整数值或整数值。例如，第一子层304可包含fecr
28
、fecr
20
、fecr
40
、fecr
16
、fecr
46
、feti5、feti
11
、feti
23
、fev
10
、fev
20
或fev
30
。在第二子层306包括co的一些实施方案中，第一子层304包含fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy或fecr
xvy
tiz，其中每一者中的x、y和/或z的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。在一些实施方案中，x、y和/或z中的每一者的值介于1和46之间。
44.在另一个实施方案中，第一子层304包含fe，并且第二子层306包括cocr
x
、cov
x
或coti
x
，其中每一者中的x的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。在第一子层304包含fe的一些实施方案中，第二子层306包括cocr
xvy
、cocr
x
tiy、cov
x
tiy或cocr
xvy
tiz，其中每一者中的x、y和/或z的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。在一些实施方案中，x、y和/或z中的每一者的值介于1和46之间。
45.在又一个实施方案中，第一子层304和第二子层306两者包含cr、v和ti中的一种或多种。例如，第一子层304包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy和fecr
xvy
tiz中的一者，其中每一者中的x值为正数，并且可以为非整数值或整数值。在一些实施方案中，x、y和/或z中的每一者的值介于1和46之间。第二子层306包括cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、
cocr
x
tiy、cov
x
tiy和cocr
xvy
tiz中的一者，其中每一者中的x、y和/或z中的每一者的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。在一些实施方案中，x、y和/或z中的每一者的值介于1和46之间。
46.每一层302a至302n可共同包括coa/feb(cr
xvy
tiz)，其中a、b、x、y和z为原子百分比。x、y和z中的一个或多个可以为0at％，只要x、y和z中的至少一者为大于0at％的正数即可。co、fe、cr、v和ti中的每一者的原子百分比基于电子总数来选择。例如，包含fe的第一子层304和包括co的第二子层306具有约26.5的总电子/原子。如通过slator pauling曲线所示，当每一层302a至320n的电子总数因添加cr、v和ti中的一种或多种而减小时，层302a至302n的饱和磁通密度(bs)减小。
47.以下公式1可用于基于电子的总数来确定coa/feb(cr
xvy
tiz)中的a、b、x、y和z的量：
48.公式1
[0049][0050]
因此，cr、v和ti中的每一者的掺杂量取决于每一层302a至320n的电子总数。在一些实施方案中，电子/原子的总数大于24，如公式1所示。
[0051]
每个第一子层304在y方向上具有第一厚度314，并且每个第二子层306在y方向上具有第二厚度316。如下面在图4至图5c中进一步讨论的，第一厚度314和第二厚度316可以相同，或者第一厚度314和第二厚度316可以不同。在一些实施方案中，第一厚度314大于或等于第二厚度316。第一厚度314可介于约0.3nm至约0.8nm之间。第二厚度316可介于约0.3nm至约0.6nm之间。
[0052]
多层结构300可包括任何数量的层302a至302n，直到达到期望的总厚度310。材料的总厚度310可以为约1nm至约20nm，诸如约5nm至约8nm。在一些实施方案中，任选地包括附加第一子层304a作为多层结构300的封盖层。在此类实施方案中，附加第一子层304a与自旋电子设备的下一层诸如封盖层或间隔层接触。附加第一子层304a具有第一厚度314。附加第一子层304a可用于某些自旋电子设备中以控制界面和体效应(bulk effect)两者。例如，fecr具有比co更强的负界面自旋极化，因此可包括与间隔层或其他后续层相邻的附加fecr层作为第一附加子层304a。因此，第一附加子层304a可包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy或fecr
xvy
tiz中的一者，其中x的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。虽然第二子层306被示出为设置在第一子层304上，但在一些实施方案中，第一子层304被设置在第二子层306上。在此类实施方案中，可不包括附加第一子层304a。
[0053]
图3b示出了根据一个实施方案的利用图3a的多层结构300的自旋电子设备350的示意性mfs视图。自旋电子设备350可用作图2所示的自旋电子设备230或感测元件204。例如，自旋电子设备350可以是sot mtj设备或自旋轨道转矩设备。自旋电子设备350可用于磁介质驱动器、磁阻随机存取存储器设备、磁性传感器或磁记录写入头中。自旋电子设备350仅为可利用多层结构300的自旋电子设备的一个示例或实施方案，并非旨在进行限制。
[0054]
如图3b所示，多层结构300设置在晶种层320上方，间隔层322设置在多层结构300上方，钉扎层324设置在间隔层322上方，并且覆盖层326设置在钉扎层324上方。晶种层320可包括nifeta/ru/cr多层结构。在一些实施方案中，晶种层320设置在主极(未示出)上方或与主极接触，诸如图2的主极220。间隔层322可包括cu、nial或ag基材料。可任选地在多层结
构300和间隔层322之间插入cr或v薄层以增强负界面散射效应。钉扎层324可包括cofe。覆盖层326可包含cr/cu/ru多层结构。如在自旋电子设备350中所用，多层结构300可包括例如五至十层302a至302n。多层结构300可以为自由层。
[0055]
图3c示出了根据另一个实施方案的利用图3a的多层结构300的自旋电子设备360的示意性mfs视图。自旋电子设备360可以用作图2所示的读取头211的自旋电子设备230或感测元件204。自旋电子设备360可用于在诸如图2中的读取头的上下文之外的磁性传感器或用于磁记录写入头，以提供ac场(例如，作为mamr的自旋转矩振荡器(sto)的一部分)。如图3c所示，晶种层320设置在主极362上方，多层结构300设置在晶种层320上方，间隔层322设置在多层结构300上方，磁性层366诸如自旋极化层(spl)或自旋转矩层(stl)设置在间隔层322上方，并且尾端屏蔽件364设置在磁性层366上方。
[0056]
多层结构300可以为fgl。主极362包括磁性材料，诸如cofe、cofeni或feni、其他合适的磁性材料。晶种层320可包括nifeta/ru/cr多层结构。间隔层322可包括cu、nial或ag基材料。可任选地在多层结构300和间隔层322之间插入cr或v薄层以增强负界面散射效应。磁性层366可包括nife、comnge或cofe。尾端屏蔽件364包括磁性材料，诸如cofe、feni或其他合适的磁性材料，用作第二电极和主极362的返回极。主极362可以为图2的主极220，并且尾端屏蔽件可以是图2的ts 240。如在自旋电子设备360中所用，多层结构300可包括例如五至十层302a至302n，从而导致多层结构300的总厚度介于约4nm至约15nm之间。
[0057]
图3d示出了根据一个实施方案的利用图3a的多层结构300的自旋电子设备或mr传感器370的示意性mfs视图。自旋电子设备或mr传感器370可用作图2所示的读取头211的感测元件204或自旋电子设备230。mr传感器370可用于mr设备、磁记录读取头或在诸如图2中的读取头的上下文之外的磁性传感器。例如，自旋电子设备或mr传感器370可用于穿隧磁阻(tmr)设备、巨磁阻(gmr)设备、平面内电流(cip)gmr设备或电流垂直于平面(cpp)gmr设备中。图3d的mr传感器370自始至终可互换地称为自旋电子设备370。
[0058]
如图3d所示，间隔层372设置在多层结构300上，第一钉扎层374设置在间隔层372上，阻隔层376设置在第一钉扎层374上，并且自由层378设置在阻隔层376上。在自旋电子设备或mr传感器370中，多层结构300可以是第二钉扎层，其中第一钉扎层374和多层结构300的磁化彼此反向平行。在mr设备中，多层结构300可设置在第一屏蔽件(未示出)上方，并且第二屏蔽件(未示出)可设置在自由层378上方。此外，一个或多个层可设置在多层结构300和第一屏蔽件之间，诸如晶种层和/或间隔层，并且一个或多个层可设置在自由层378和第二屏蔽件之间，诸如覆盖层。
[0059]
第一钉扎层374是磁性的并且由包括co、fe、b、ni和/或它们的合金诸如cofe或nife中的一种或多种的材料形成。第一钉扎层374可具有正自旋极化，而多层结构300具有负自旋极化。间隔层372是非磁性的并且由金属材料诸如ru形成。间隔层372促进第一钉扎层374和多层结构300的磁化彼此反向平行。阻隔层376是非磁性的，并且包括mgo、氧化铝(al
xox
)诸如al2o3或任何其他合适的绝缘材料。自由层378由包括ni、fe、co、b和/或hf中的一种或多种的材料形成。
[0060]
图3e是处于交叉点构型的存储器单元阵列390的某些实施方案的示意图。存储单元阵列390包括由自旋电子设备诸如基于sot的mram设备形成的多个存储器单元392。在一些实施方案中，存储器单元阵列390的每个存储器单元392包括图3b的包括多层结构300的
自旋电子设备350。在其他实施方案中，存储器单元阵列390的存储器单元392可包括具有图3a的多层结构300的其他类型的自旋电子设备，诸如图3c的自旋电子设备360。
[0061]
存储器单元392中的每一个存储器单元可处于表示1或0位值的状态。存储器单元阵列390包括多个底部电极394和多个自旋霍尔电极或自旋轨道材料电极396。自旋轨道材料电极396包括图3a的多层结构300。每个存储器单元392可以是两端子设备或三端子设备的一部分。例如，在双端子设备中，底部电极394可用作位线，并且自旋轨道材料电极396可用作字线。例如，在三端子设备中，底部电极394可用作位线和读取字线，并且自旋轨道材料电极396可用作写入字线。
[0062]
如图3e所示的交叉点阵列实施方式仅仅是示例性mram实施方式，并且本文所公开的各种自旋电子设备实施方案可以在其他类型的mram设备中实施。因此，存储器单元阵列390并非旨在进行限制。存储器单元阵列390的其他架构可能包括端子、栅极、晶体管和线路的各种类型和组合。
[0063]
图4示出了根据一个实施方案的曲线图400，该曲线图示出了第一子层304的厚度314和第二子层306的厚度316以纳米为单位变化时的图3a的多层结构300的以特斯拉(t)为单位的hk、以t为单位的饱和磁通密度(bs)和以t为单位的有效磁化强度(m
eff
)。多层结构300可以在自旋电子设备内，诸如图3b的自旋电子设备350、图3c的自旋电子设备360，或者图3d的mr传感器370。
[0064]
在曲线图400中，第一子层304包含fecr
28
，并且第二子层306包括co。虽然在以曲线图400示出的实施方案中，第一子层304包含fecr
28
，但第一子层304可替代地包含fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy、fecr
xvy
tiz或上述其他fecr
x
材料，并且第一子层304并非旨在仅限于fecr
28
。此外，第二子层306也可包含cr、v或ti中的一种或多种，如上所述。当第一子层304包含fe并且第二子层306包括cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
tiy、cov
x
tiy和cocr
xvy
tiz中的一者时预期得到类似的结果，其中每一者中的x、y和/或z中的每一者的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。因此，曲线图400并非旨在仅限于fecr
28
作为第一子层304的材料以及co作为第二子层306的材料。
[0065]
第一子层304的厚度314沿x轴示于曲线图的底部上，而第二子层306的厚度316沿x轴示于曲线图400的顶部上。曲线图400被分解成若干部分402至410。在部分402至410的每一个部分中，第一子层304的厚度在约0.2nm至约0.8nm之间变化。在第一部分402中，第二子层306具有约0.2nm的厚度。在第二部分404中，第二子层306具有约0.3nm的厚度。在第三部分406中，第二子层306具有约0.4nm的厚度。在第四部分408中，第二子层306具有约0.45nm的厚度。在第五部分410中，第二子层306具有约0.5nm的厚度。
[0066]
曲线图400示出当第一子层304具有介于约0.3nm至约0.8nm之间的厚度314并且第二子层306具有约0.3nm至约0.6nm的厚度316时，实现约-0.6t的负hk。曲线图400还示出，当第一子层304具有介于约0.3nm至约0.5nm之间的厚度314并且第二子层306具有约0.35nm至约0.5nm的厚度316时，实现更大的m
eff
和bs。
[0067]
图5a示出了根据一个实施方案的曲线图500，该曲线图示出了当多层结构300的第一子层304的厚度314和第二子层306的厚度316以纳米为单位变化时，利用包括cofe的钉扎层324和图3a的多层结构300的图3b的设备350中的平面内电流(cip)巨磁阻(gmr)(％)。多层结构300可以在自旋电子设备内，诸如图3b的自旋电子设备350、图3c的自旋电子设备
360，或者图3d的mr传感器370。
[0068]
在曲线图500中，第一子层304包含fecr
28
，并且第二子层306包括co。虽然在以曲线图500示出的实施方案中，第一子层304包含fecr
28
，但第一子层304可替代地包含fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy、fecr
xvy
tiz或上述其他fecr
x
材料，并且第一子层304并非旨在仅限于fecr
28
。此外，第二子层306也可包含cr、v或ti中的一种或多种，如上所述。当第一子层304包含fe并且第二子层306包括cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
tiy、cov
x
tiy和cocr
xvy
tiz中的一者时预期得到类似的结果，其中每一者中的x、y和/或z中的每一者的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。因此，曲线图500并非旨在仅限于fecr
28
作为第一子层304的材料以及co作为第二子层306的材料。
[0069]
第一子层304的厚度314在y轴上示出，第二子层306的厚度316在x轴上示出，并且所实现的负cip-gmr由键502指示。负cip-gmr指示多层300具有负自旋极化，因为包括cofe的钉扎层具有正自旋极化。如箭头504所示，具有约0.3nm至约0.8nm的较大厚度314的第一子层304和具有介于约0.35nm至约0.5nm之间的厚度的第二子层306导致较高的负自旋极化。
[0070]
图5b示出了根据一个实施方案的曲线图550，该曲线图示出了当图3a的多层结构300的第一子层304的厚度314和第二子层306的厚度316以纳米为单位变化时以t为单位的hk。多层结构300可以在自旋电子设备内，诸如图3b的自旋电子设备350、图3c的自旋电子设备360，或者图3d的mr传感器370。
[0071]
在曲线图550中，第一子层304包含fecr
28
，并且第二子层306包括co。虽然在以曲线图550示出的实施方案中，第一子层304包含fecr
28
，但第一子层304可替代地包含fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy、fecr
xvy
tiz或上述其他fecr
x
材料，并且将获得类似的结果。此外，第二子层306也可包含cr、v或ti中的一种或多种，如上所述。当第一子层304包含fe并且第二子层306包括cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
tiy、cov
x
tiy和cocr
xvy
tiz中的一者时预期得到类似的结果，其中每一者中的x、y和/或z中的每一者的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。因此，曲线图550并非旨在仅限于fecr
28
作为第一子层304的材料以及co作为第二子层306的材料。
[0072]
第一子层304的厚度314在y轴上示出，第二子层306的厚度316在x轴上示出，并且所实现的hk由键552指示。线条554示出了实现最高负hk的第一子层304的厚度314和第二子层306的厚度316的近似边界。如线条554所示，具有介于约0.3nm至约0.8nm之间的厚度314的第一子层304和具有介于约0.3nm至约0.6nm之间的厚度316的第二子层306导致约-0.6t至约-0.7t的hk。
[0073]
线条556示出或涵盖了使用来自图5a的曲线图500的数据实现最高负hk和最高负自旋极化的第一子层304和第二子层306的厚度314、316的近似边界。如线条556所示，具有介于约0.5nm至约0.7nm之间的厚度314的第一子层304和具有介于约0.35nm至约0.5nm之间的厚度316的第二子层306共同导致最高负hk和最高负自旋极化。
[0074]
图5c示出了根据一个实施方案的曲线图590，该曲线图示出了当图3a的多层结构300的第一子层304的厚度314和第二子层306的厚度316以纳米为单位变化时以t为单位的m
eff
。多层结构300可以在自旋电子设备内，诸如图3b的自旋电子设备350、图3c的自旋电子设备360，或者图3d的mr传感器370。
[0075]
在曲线图550中，第一子层304包含fecr
28
，并且第二子层306包括co。虽然在以曲线图550示出的实施方案中，第一子层304包含fecr
28
，但第一子层304可替代地包含fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy、fecr
xvy
tiz或上述其他fecr
x
材料，并且将获得类似的结果。此外，第二子层306也可包含cr、v或ti中的一种或多种，如上所述。当第一子层304包含fe并且第二子层306包括cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
tiy、cov
x
tiy和cocr
xvy
tiz中的一者时预期得到类似的结果，其中每一者中的x、y和/或z中的每一者的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。因此，曲线图590并非旨在仅限于fecr
28
作为第一子层304的材料以及co作为第二子层306的材料。
[0076]
第一子层304的厚度314在y轴上示出，第二子层306的厚度316在x轴上示出，并且所实现的m
eff
由键592指示。线条594示出或涵盖了实现最高m
eff
的第一子层304的厚度314和第二子层306的厚度316的近似边界。如线条594所示，具有介于约0.3nm至约0.8nm之间的厚度314的第一子层304和具有介于约0.3nm至约0.6nm之间的厚度316的第二子层306导致约2.2t至约2.6t的m
eff
。
[0077]
线条596示出或涵盖了使用来自图5a的曲线图500的数据实现最高m
eff
和最高负自旋极化的第一子层304和第二子层306的厚度314、316的近似边界。如线条596所示，具有介于约0.4nm至约0.6nm之间的厚度314的第一子层304和具有介于约0.35nm至约0.5nm之间的厚度316的第二子层306共同导致最高m
eff
和最高负自旋极化。
[0078]
因此，考虑到图5a至图5c的曲线图500、550、590中的每一者，可基于设备内多层结构300的期望的总体特性来选择第一子层304的厚度314和第二子层306的厚度316。例如，如果期望较高的m
eff
，则第一子层304可具有约0.4nm至约0.6nm的厚度，而如果期望较高的负hk，则第一子层304可具有约0.5nm至约0.7nm的厚度。因此，可根据需要定制或修改多层结构300的多层结构以产生期望的特性。
[0079]
图6a示出了根据一个实施方案的曲线图600，该曲线图示出了当多层结构300的包含fecr
x
的第一子层304的cr的原子百分比(at％)变化时，在利用包括cofe的钉扎层324和图3a的多层结构300的图3b的设备350中以％表示的cip-gmr比率。多层结构300可以在自旋电子设备内，诸如图3b的自旋电子设备350、图3c的自旋电子设备360，或者图3d的mr传感器370。
[0080]
虽然在以曲线图600示出的实施方案中，第一子层304包含fecr
x
，但第一子层304可替代地包含fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy或fecr
xvy
tiz，在这种情况下，cr、v和/或ti的原子百分比将以类似的方式变化以实现类似的结果。此外，第二子层306也可包含cr、v或ti中的一种或多种，如上所述。当第一子层304包含fe并且第二子层306包括cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
tiy、cov
x
tiy和cocr
xvy
tiz中的一者时预期得到类似的结果，其中每一者中的x、y和/或z中的每一者的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。因此，曲线图600并非旨在仅限于fecr
x
作为第一子层304的材料以及co作为第二子层306的材料。
[0081]
如曲线图600所示，当第一子层304具有约0.4nm的厚度时，原子百分比介于约20％至约40％之间的cr导致约-0.025％至约-0.05％的最大负cip-gmr。此外，原子百分比介于约28％(即，fecr
28
)之间的cr导致约-0.04％至约-0.05％的负cip-gmr。
[0082]
图6b示出了根据一个实施方案的曲线图650，该曲线图示出了当包含fecr
x
的第一子层304的cr的原子百分比(at％)变化时，图3a的多层结构300的以t为单位的hk、以t为单
位的bs和以t为单位的m
eff
。多层结构300可以在自旋电子设备内，诸如图3b的自旋电子设备350、图3c的自旋电子设备360，或者图3d的mr传感器370。
[0083]
虽然在以曲线图650示出的实施方案中，第一子层304包含fecr
x
，但第一子层304可替代地包含fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy或fecr
xvy
tiz，在这种情况下，cr、v和/或ti的原子百分比将以类似的方式变化以实现类似的结果。此外，第二子层306也可包含cr、v或ti中的一种或多种，如上所述。当第一子层304包含fe并且第二子层306包括cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
tiy、cov
x
tiy和cocr
xvy
tiz中的一者时预期得到类似的结果，其中每一者中的x、y和/或z中的每一者的值为正数，并且可以为非整数值或整数值。因此，曲线图650并非旨在仅限于fecr
x
作为第一子层304的材料以及co作为第二子层306的材料。
[0084]
如曲线图650所示，原子百分比介于约20％(即，fecr
20
)之间的cr导致约2.5t至约2.7t的m
eff
和约-0.7t的hk。因此，考虑到图6a至图6b的曲线图600、650中的每一者，可基于设备内多层结构300的期望的总体特性来选择第一子层304的fecr
x
组合物。例如，如果期望较高的m
eff
或较高的负hk，则第一子层304可包含fecr
20
，而如果期望较高的负自旋极化，则第一子层304可包含fecr
28
。因此，可根据需要定制或修改多层结构300的多层结构以产生期望的特性。
[0085]
因此，利用包括co和fe的交替层的多层结构，其中co层或fe层中的至少一者包含cr、v和ti中的一者或多者，可实现负自旋极化和负各向异性场两者。此外，可根据需要修改多层结构的各种参数以产生多层结构的期望的特性，诸如改变co和fe子层的厚度或改变所使用的cr、v和/或ti的组合物。因此，自旋电子设备，诸如包括在mamr、cpp-gmr和mram设备内的自旋电子设备具有更大的自由度，从而导致更有效且改进的设备。
[0086]
在一个实施方案中，自旋电子设备包括具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构，该多层结构包括多个层，所述多个层中的每一层包括包含fe的第一子层和包含co的第二子层，其中第一子层和第二子层中的至少一者还包含cr、v和ti中的一种或多种。第一子层和第二子层相交替。
[0087]
第一子层包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy或fecr
xvy
tiz中的一者。x、y和z中的每一者的值为正数。第二子层包含cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
tiy、cov
x
tiy或cocr
xvy
tiz中的一者。x、y和z中的每一者的值为正数。第一子层中的每一个第一子层具有介于约0.4nm至约0.8nm之间的第一厚度。第二子层中的每一个第二子层具有介于约0.3nm至约0.6nm之间的第二厚度。多层结构为自由层、钉扎层或场生成层。磁介质驱动器包括自旋电子设备。磁阻随机存取存储器设备包括自旋电子设备。磁性传感器包括自旋电子设备。磁记录头包括自旋电子设备。
[0088]
在另一个实施方案中，自旋电子设备包括基板和设置在基板上方的具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构，该多层结构包括多个交替的第一层和第二层。第一层中的每一个第一层包含fe以及cr、v和ti中的一种或多种，并且第二层中的每一个第二层包含co。第一层中的每一个第一层具有大于或等于第二层中的每一个第二层的第二厚度的第一厚度。自旋电子设备还包括设置在多层结构上方的覆盖层。
[0089]
多层结构为自由层、钉扎层或场生成层。第一层中的每一个第一层具有介于约0.4nm至约0.8nm之间的第一厚度，并且第二层中的每一个第二层具有介于约0.3nm至约0.6nm之间的第二厚度。第一层各自包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy或
fecr
xvy
tiz中的一者。x、y和z中的每一者为介于1和46之间的数字。第二层各自包含cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
tiy、cov
x
tiy或cocr
xvy
tiz中的一者。x、y和z中的每一者为介于1和46之间的数字。覆盖层是具有第一厚度的包含fecr
x
、fev
x
、fetix、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy或fecr
xvy
tiz的附加第一层。磁介质驱动器包括自旋电子设备。磁阻随机存取存储器设备包括自旋电子设备。磁性传感器包括自旋电子设备。磁记录头包括自旋电子设备。
[0090]
在又一个实施方案中，自旋电子设备包括具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构，该多层结构包括多个交替的第一层和第二层。第一层中的每一个第一层包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy以及fecr
xvy
tiz中的至少一者，其中x、y和z中的每一者为正数，并且第二层中的每一个第二层包含co。第一层中的每一个第一层具有介于约0.4nm至约0.8nm之间的第一厚度，并且第二层中的每一个第二层具有介于约0.3nm至约0.6nm之间的第二厚度。自旋电子设备还包括设置在多层结构上方的一个或多个层。
[0091]
该一个或多个层包括被设置成与多层结构接触的覆盖层，该覆盖层是具有第一厚度的包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
tiy、fev
x
tiy或fecr
xvy
tiz的附加第一层。多层结构为自由层、钉扎层或场生成层。多层结构的负各向异性场介于约-0.5t至约-0.8t之间，并且多层结构的有效磁化强度介于约2.4t至约2.8t之间。第二层中的每一个第二层还包含cr、v和ti中的一种或多种。磁介质驱动器包括自旋电子设备。磁阻随机存取存储器设备包括自旋电子设备。磁性传感器包括自旋电子设备。磁记录头包括自旋电子设备。
[0092]
虽然前述内容针对本公开的实施方案，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设想本公开的其他和另外的实施方案，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。

技术特征：

1.一种自旋电子设备，包括：具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构，所述多层结构包括多个层，所述多个层中的每一层包括包含fe的第一子层和包含co的第二子层，其中所述第一子层和所述第二子层中的至少一者还包含cr、v和ti中的一种或多种，并且其中所述第一子层和所述第二子层相交替。2.根据权利要求1所述的自旋电子设备，其中所述第一子层包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
ti
y
、fev
x
ti
y
或fecr
xvy
ti
z
中的一者，并且其中x、y和z中的每一者的值为正数。3.根据权利要求1所述的自旋电子设备，其中所述第二子层包含cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
ti
y
、cov
x
ti
y
或cocr
xvy
ti
z
中的一者，并且其中x、y和z中的每一者的值为正数。4.根据权利要求1所述的自旋电子设备，其中所述第一子层中的每一个第一子层具有介于约0.4nm至约0.8nm之间的第一厚度，并且其中所述第二子层中的每一个第二子层具有介于约0.3nm至约0.6nm之间的第二厚度。5.根据权利要求1所述的自旋电子设备，其中所述多层结构为自由层、钉扎层或场生成层。6.一种磁介质驱动器，所述磁介质驱动器包括根据权利要求1所述的自旋电子设备。7.一种磁阻随机存取存储器设备，所述磁阻随机存取存储器设备包括根据权利要求1所述的自旋电子设备。8.一种磁性传感器，所述磁性传感器包括根据权利要求1所述的自旋电子设备。9.一种磁记录头，所述磁记录头包括根据权利要求1所述的自旋电子设备。10.一种自旋电子设备，包括：基板；设置在所述基板上方的具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构，所述多层结构包括多个交替的第一层和第二层，其中所述第一层中的每一个第一层包含fe以及cr、v和ti中的一种或多种，并且所述第二层中的每一个第二层包含co，其中所述第一层中的每一个第一层具有大于或等于所述第二层中的每一个第二层的第二厚度的第一厚度；以及设置在所述多层结构上方的覆盖层。11.根据权利要求10所述的自旋电子设备，其中所述多层结构为自由层、钉扎层或场生成层，并且其中所述第一层中的每一个第一层具有介于约0.4nm至约0.8nm之间的第一厚度，并且所述第二层中的每一个第二层具有介于约0.3nm至约0.6nm之间的第二厚度。12.根据权利要求10所述的自旋电子设备，其中所述第一层各自包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
ti
y
、fev
x
ti
y
或fecr
xvy
ti
z
中的一者，其中x、y和z中的每一者为介于1和46之间的数字。13.根据权利要求10所述的自旋电子设备，其中所述第二层各自包含cocr
x
、cov
x
、coti
x
、cocr
xvy
、cocr
x
ti
y
、cov
x
ti
y
或cocr
xvy
ti
z
中的一者，其中x、y和z中的每一者为介于1和46之间的数字。14.根据权利要求10所述的自旋电子设备，其中所述覆盖层是具有所述第一厚度的包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
ti
y
、fev
x
ti
y
或fecr
xvy
ti
z
的附加第一层。15.一种磁介质驱动器，所述磁介质驱动器包括根据权利要求10所述的自旋电子设备。16.一种磁阻随机存取存储器设备，所述磁阻随机存取存储器设备包括根据权利要求
10所述的自旋电子设备。17.一种磁性传感器，所述磁性传感器包括根据权利要求10所述的自旋电子设备。18.一种磁记录头，所述磁记录头包括根据权利要求10所述的自旋电子设备。19.一种自旋电子设备，包括：具有负自旋极化和负各向异性场的多层结构，所述多层结构包括多个交替的第一层和第二层，其中所述第一层中的每一个第一层包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
ti
y
、fev
x
ti
y
以及fecr
xvy
ti
z
中的至少一者，其中x、y和z中的每一者为正数，并且所述第二层中的每一个第二层包含co，其中所述第一层中的每一个第一层具有介于约0.4nm至约0.8nm之间的第一厚度，并且所述第二层中的每一个第二层具有介于约0.3nm至约0.6nm之间的第二厚度；以及设置在所述多层结构上方的一个或多个层。20.根据权利要求19所述的自旋电子设备，其中所述一个或多个层包括设置成与所述多层结构接触的覆盖层，所述覆盖层是具有所述第一厚度的包含fecr
x
、fev
x
、feti
x
、fecr
xvy
、fecr
x
ti
y
、fev
x
ti
y
或fecr
xvy
ti
z
的附加第一层。21.根据权利要求19所述的自旋电子设备，其中所述多层结构为自由层、钉扎层或场生成层，并且其中所述多层结构的所述负各向异性场介于约-0.5t至约-0.8t之间，并且所述多层结构的有效磁化强度介于约2.4t至约2.8t之间。22.根据权利要求19所述的自旋电子设备，其中所述第二层中的每一个第二层还包含cr、v和ti中的一种或多种。23.一种磁介质驱动器，所述磁介质驱动器包括根据权利要求19所述的自旋电子设备。24.一种磁阻随机存取存储器设备，所述磁阻随机存取存储器设备包括根据权利要求19所述的自旋电子设备。25.一种磁性传感器，所述磁性传感器包括根据权利要求19所述的自旋电子设备。26.一种磁记录头，所述磁记录头包括根据权利要求19所述的自旋电子设备。

技术总结

本发明题为“具有负自旋极化和负各向异性两者的材料”。本公开的各方面整体涉及在磁介质驱动器、磁阻随机存取存储器设备、磁性传感器或磁记录写入头中使用的自旋电子设备。所述自旋电子设备包括具有负各向异性场和负自旋极化的多层结构。所述多层结构包括多个层，所述多个层中的每一层包括包含Fe的第一子层和包含Co的第二子层。所述第一子层和所述第二子层中的至少一者包含Cr、V和Ti中的一种或多种。所述第一子层和所述第二子层相交替。所述多层结构的所述负各向异性场介于约-0.5T至约-0.8T之间，并且所述多层结构的有效磁化强度介于约2.4T至约2.8T之间。于约2.4T至约2.8T之间。于约2.4T至约2.8T之间。