磁纳米元件中利用超薄阻尼层的阻尼控制的利记博彩app

专利名称：磁纳米元件中利用超薄阻尼层的阻尼控制的利记博彩app
技术领域：
本发明总地涉及》兹材料。更具体地，本发明实施例涉及》兹膜和纳米结构、 制造磁膜和纳米结构的方法、以及使用磁膜和纳米结构的装置。
背景技术：
许多现代电子存储器例如随机存取存储器(RAM)和硬盘驱动器被用来 存储和取回数据。在一些情况下，这样的存储器可包括铁磁材料，铁磁材料 可经历外加磁场，外加磁场可将铁磁材料的磁化在例如表示两个逻辑值的两 个稳定取向之间翻转。通常，当施加到铁磁材料的磁场从第一值翻转到第二 值时，铁磁材料的磁化不会立即从第一值翻转到第二值。例如，铁磁材料的 磁化会经历磁进动(magnetic precession ),其中铁/磁材料的磁化振荡 (oscillate)(或"环进(ring)"),直到稳定在稳态(steady state )值。在 一些情况下，铁磁材料的磁化的磁进动会受到材料本征属性的影响。 在施加到材料的磁场已经翻转之后材料中的磁化达到稳态所需的时间量被 描述为所谓的材料的吉尔伯特(Gilbert)磁阻尼系数(a)。如果磁阻尼系数 高，则与具有低磁阻尼系数的材料相比，在所施加的磁场翻转之后材料的磁 化可更迅速地到达稳态，导致铁磁材料的磁化更急剧地转变到稳态值。在一些情况下，铁磁材料的高磁阻尼系数是期望的，例如在磁数据存储 应用中，其中在翻转条件下铁磁材料的磁化的锐利转变是期望的，例如，为 了实现高的数据转移速率和存储密度。因此，需要具有高的磁阻尼系数的改 善的材料、制造该材料的方法、以及包括该材料的装置。发明内容本发明的实施例总地提供一种层系统、制造该层系统的方法、以及利用 该层系统的纳米级器件。在一实施例中，该方法包括提供一种具有第一层的 双层结构，该第一层包括被掺杂以掺杂剂材料的第一铁磁材料，该掺杂剂材 料选自4d过渡金属、5d过渡金属、或4f稀土金属材料类。该掺杂剂材料可 预定提供比该第一铁磁材料中的本征磁阻尼(damping)更大的该双层结构中 的磁阻尼。对于特定应用，该第一层可小于或等于两纳米厚，但是更大的厚 度亦可使用。一个实施例提供包括第 一层和第二层的双层结构。该第 一层包括被掺杂 以掺杂剂材料的第一铁磁材料，该掺杂剂材料选自4d过渡金属和5d过渡金 属中的一种。该掺杂剂材料预定提供比该第 一铁磁材料中的磁阻尼更大的该 双层结构中的^f兹阻尼。该双层结构还包括设置在该第一层上的第二层，其中 该第二层包括第二铁^^材料。本发明一实施例提供一种形成双层结构的方法。该方法包括提供第一 层，该第一层包括被掺杂以掺杂剂材料的第一铁磁材料，该掺杂剂材料选自 4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属中的一种。该掺杂剂材料预定 提供比该第一铁磁材料中的磁阻尼更大的该双层结构中的磁阻尼，且该第一 层小于或等于两纳米厚。该方法还包括提供设置于该第一层上的第二层。该 第二层包括第二4失》兹材料且该第二层大于或等于两纳米厚。本发明 一实施例还提供一种包括第 一层的磁传感器，该第 一层包括被掺 杂以掺杂剂材料的第一铁磁材料，该掺杂剂材料选自4d过渡金属、5d过渡 金属、以及4f稀土金属中的一种。该掺杂剂材料预定提供比该第一铁磁材 料中的磁阻尼更大的该双层结构中的磁阻尼，且该第一层小于或等于两纳米 厚。该磁传感器还包括设置于该第一层上的第二层，其中该第二层包括第二 铁磁材料且该第二层大于或等于两纳米厚。本发明另一实施例提供一种包括第一双层结构的磁传感器。该第一双层 结构包括第 一层，该第 一层包括被掺杂以第 一掺杂剂材料的第 一铁磁材料， 该第一掺杂剂材料选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属中的一 种。该掺杂剂材料预定提供比该第一铁磁材料中的磁阻尼更大的该双层结构 中的磁阻尼。该第一双层结构还包括设置于该第一层上的第二层。该第二层 包括第二铁磁材料。该双层结构包括在磁传感器的被钉扎层、磁屏蔽层、以 及磁写极之一中。本发明的实施例还提供一种三层结构。在一实施例中，该三层结构包括 第一、第二和第三层。该第一层包括被掺杂以掺杂剂材料的第一铁磁材料， 该第一掺杂剂材料选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属中的一 种。该掺杂剂材料预定提供比该第一铁磁材料中的^ 兹阻尼更大的该双层结构
中的磁阻尼。该三层结构还包括设置于该第一层上的第二层，其中该第二层 包括非磁金属。该三层结构还包括设置于该第二层上的第三层，其中该第三 层包括第二铁磁材料。


可以参考实施例获得对本发明的上述特征更详细的理解，以及对上面概 述的本发明更特别的说明， 一些实施例示于附图中。然而，应注意，附图仅 示出本发明的一般实施例，因此不应理解为对本发明范围的限制，因为本发 明可包括其他等效实施例。图1是示出根据本发明一实施例的示例性磁双层的结构图； 图2是流程图，示出根据本发明一实施例制造磁双层的方法； 图3A-3D是示出根据本发明一实施例的磁双层的特性的图； 图4是示出根据本发明一实施例的硬盘驱动器的结构图； 图5是示出根据本发明一实施例的磁读/写头的结构图； 图6是示出根据本发明一实施例的包括磁读传感器的层的结构图； 图7是示出根据本发明一实施例的层叠磁双层的结构图； 图8是示出根据本发明一实施例的磁记录盘的结构图； 图9是示出根据本发明 一 实施例的磁随机存取存储器(MRAM )的结构 图；及图IO是结构图，示出根据本发明一实施例的MRAM存储单元。
具体实施方式
下面，参考本发明的实施例。然而，应理解，本发明不限于具体描述的 实施例。而是，下面的特征和元件的任何组合，不论是否涉及不同的实施例， 都可被构思来实施和实践本发明。此外，在各种实施例中，本发明提供相对 于现有技术的许多优点。然而，尽管本发明的实施例相对于其他可行方案和 /或相对于现有技术具有优点，但是特定优点是否由给定实施例实现并非本发 明的限制。因此，下面的方面、特征、实施例和优点是部分示例性的，除非 明确说明，否则不应理解为所附权利要求的要素或限制。本发明的实施例提供薄膜铁磁层系统，其可用于各种电子器件中。在一 实施例中，该层系统包括双层，该双层具有被掺杂以选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属之一的掺杂剂的铁^磁材料的第一层，其中该掺杂剂预定产生该双层中增大的磁阻尼。该双层还包括设置于第 一层上的铁磁 材料的第二层。通过设置第二层在第一层上，第一层和第二层可交换耦合， 由此增大第二层中的磁阻尼。双层中增大的磁阻尼可提供第一和第二层两者 中更迅速到达稳态值的磁场转变，即比未掺杂的铁磁材料具有更短的持续时 间，减小的振荡或环进。此外，第一层与第二层的表面之间的有害接触可在 双层中被防止。例如，可以保护在第二层和其他材料之间的界面处的任何行为(activity)免于干扰，除了由掺杂剂材料的存在而导致的阻尼之外。在一 些情况下，器件操作所需的界面行为会受到第二层表面处的材料选择的高度 影响。第二层可将第一层从第二层的表面可经受的任何行为隔离，由此防止 第一层的退化。可选地，第二层可防止第一层暴露于含氧气氛，或者防止第 一层暴露到暖的、潮湿的气氛，由此防止第一层的有害氧化或侵蚀。图l是示出根据本发明一实施例的示例性双层100的结构图。如图所示， 双层可包括第一层102和第二层104。在一实施例中，第一层102可由铁》兹 材料和额外的掺杂剂材料形成。例如，第一层102可由钴铁和掺杂剂材料(例 如CoFeX,其中X是掺杂剂材料)形成。第一层102中的铁磁材料也可包 括镍铁(NiFe)或任何其他铁磁材料。类似地，第二层可由铁磁材料例如 CoFe、 MFe、或任何其他合适的铁磁材料形成。在一个实施例中，第一层 102和第二层104可由相同铁磁材料形成。可选地，第一层102和第二层104 可由不同铁;兹材料形成。例如，第一层102可由NiFe和掺杂剂材料形成， 而第二层104可由CoFe形成。在一个实施例中，掺杂剂材料可包括4d或5d过渡金属中的一种。4d 过渡金属可包括铌(Nb )、钌(Ru)和铑(Rh )。 5d过渡金属可包括钽(Ta )、 锇(Os)和铂(Pt)。在一实施例中，掺杂剂材料还可以是4f稀土金属。4f 稀土金属可包括具有部分或完全填充的4f电子壳层的14个镧系元素铈 (Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、釓(Gd)、铽 (Tb)、镝(Dy)、 4火(Ho)、铒(Er)、 4妄(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。在本发明一实施例中，选定的掺杂剂材料可预定提供第一层102内增大 的；兹阻尼。因此，在一实施例中，上面列出的一些元素，例如4f稀土金属 铕和钆，其不产生第一层中增大的阻尼，可以不用作第一层102中的掺杂剂。 在一些情况下，增大的磁阻尼可按照磁信号的延迟时间来描述，这将在下面 更详细地描述。例如，增大的磁阻尼可表达为提供比第一层102中使用的铁 磁材料的本征延迟时间小的延迟时间的磁阻尼。例如，如果掺杂前第一层的本征延迟时间是0.65纳秒(ns)，则选定掺杂剂可提供掺杂的第一层102中 小于0.65ns的延迟时间。此外，虽然本发明的实施例包括的第一层102包括任意量的上述选定掺 杂剂材料，但是，在本发明一实施例中，第一层102中掺杂剂的量可不超过 提供第一层102中足够的磁阻尼的量。例如，在一实施例中，掺杂剂材料可 小于或等于第一层102的百分之十五(15%)。图2是流程图，示出形成根据本发明一实施例的磁双层100的工艺200。 在一实施例中，工艺200可包括在步骤202提供衬底材料。衬底材料可提供 其上可通过例如沉积、生长、或本领域技术人员已知的任何其他方法放置包 括双层100的其他层的基底(base )。在步骤204，可提供设置在衬底上的掺 杂的铁磁材料层(例如第一层102)。如上所述，掺杂剂材料可包括4d过渡 金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属中的一种。在本发明一实施例中，第 一层102内铁磁材料的掺杂可通过铁磁材料和掺杂剂材料的共沉积(例如通 过溅射)来进行。可选地，本领域技术人员已知的任何其他掺杂方法可用来 提供第一层102内的掺杂剂材料和铁磁材料。在步骤206，可提供设置在掺杂的铁磁材料层(第一层102)上的未掺 杂的铁磁材料层(例如第二层104)。在一实施例中，通过提供设置于第一层 102上的第二层104 (或反之亦然)，第一层102和第二层104可经历交换耦 合，其中第一层102和第二层104内的磁化彼此耦合(例如，第一层102中 的磁化改变可导致第二层104中磁场的类似改变)。因此，第一层102中掺 杂剂材料提供的磁阻尼也可延伸到第二层104。在本发明一实施例中，第二层104中的磁阻尼可通过两个磁层102、 104 的直接或间接交换耦合而被第一层102中增大的阻尼所控制(例如，具体地 为增大)。交换耦合的控制可例如允许独立控制第二层104的阻尼和其他磁 属性，例如磁化和自旋极化。这样的控制可允许这里描述的许多磁数据存储 相关的应用中改善的器件性能。在本发明一实施例中，通过表面交换能密度Js测量的以尔格每平方厘米 (erg/cm"为单位的第一层102和第二层104之间的界面处的交换耦合可在 0和3erg/cm"之间，其中Js = 0的情况描述了层之间纯粹的静磁耦合。类似 地，第一层102中的阻尼可以在0.01和0.15之间，如在未掺杂和掺杂的坡 莫合金(Permalloy)的宏观度量中观察到的，且类似地，第二层104中的阻 尼可在0.01和0.05之间，如在未掺杂的软磁材料中所观察到的。然而，在 一些情况下，-f叉可以测量宏观水平的有效阻尼，在一些情况下;兹材料中原子 阻尼的确定是困难的。因此，本发明的实施例还覆盖第一层和第二层的全部 材料组合，其中第一层102的阻尼系数al显著大于第二层104的阻尼系数 a2。在 一 些情况下，第 一层102和第二层104之间的耦合会随着离第 一层102 和第二层104彼此接触的点(称为第一层102和第二层104之间的界面)的 距离而降低。因此，在一些情况下，第一层102向第二层104提供的磁阻尼 会随着离第一层102和第二层104之间界面的距离而降低。如图1所示，第一层102可具有第一厚度T1，第二层104可具有第二 厚度T2。如上所述，在一些情况下，第一层102和第二层104之间的交换 耦合提供的;兹阻尼在第二层104中会随着离第一层102和第二层104之间界 面的距离而减小。虽然本发明的实施例涵盖第二层104的任何厚度T2，但 是在本发明一实施例中，第二层的厚度可低于选定厚度。这样的厚度上限在 一些情况下可提供整个第二层104中足够的磁阻尼，而没有第二层中磁阻尼 的显著降低。例如，在本发明一实施例中，第二层的厚度可小于或等于二十 纳米(T2^20nm)。如下所述，期望具有更大磁阻尼和更大厚度的层时，多 个双层100可被层叠(例如多个交替的第一和第二层可被沉积)以提供跨越 增大厚度的层叠双层的增大磁阻尼。在一些情况下，为了避免过阻尼，第一和第二层102、 104之间的交换 耦合的减小也是期望的。在本发明一实施例中，夹在第一层102和第二层104 之间的额外层可提供减小的交换耦合。例如，第一层102和第二层104可形 成为三层的一部分，该三层包括位于第一层102和第二层104之间的第三层。 第三层可包括非磁间隔层，其减小了第一和第二层102、 104之间的交换耦 合。在本发明一实施例中，第三层可由铜(Cu)或钌(Ru)形成。在本发明一实施例中，第二层104的厚度可选择得提供第一层102与第 二层104会暴露到的材料或位置的隔离(例如从/到下面描述的器件内的关键 界面，或含氧气氛的隔离，所述两者均会有害于第一层102)。例如，在本发 明一实施例中，第一层可以大于或等于2纳米(nm)厚(T2>=2nm)。
如上所述，在本发明一实施例中，第一层102可以不位于器件内的关键 界面处。关键界面可包括器件内的发生器件操作所需的行为的任何界面。本 发明的实施例可提供功能性第一层102的增大的磁阻尼而不将第一层102直 接置于关键界面处。例如，在隧穿传感器中，第一层102可以不相邻于传感 器内发生隧穿效应的隧穿层放置。类似地，在巨磁致电阻型传感器(GMR 传感器)或各向异性磁致电阻型传感器(AMR传感器)中，第一层102可 以不相邻于自由层和被钉扎层之间的分隔层放置。在一些情况下，掺杂剂如 稀土金属在关键界面的存在会对自旋传输有强的有害影响且因此损及器件 的对性能关键的磁致电阻。如上所述，通过将第二层104置于掺杂的第一层 102与关键界面层之间，双层可防止这样的干扰，同时仍提供增大的磁阻尼。虽然本发明的实施例可包括具有任意厚度Tl的第一层102,但是在本 发明一实施例中，第一层102的厚度T1可以不超过选定厚度。在本发明一 实施例中，掺杂的第一层102可以在八纳米厚之下(例如第一层102可以是 5nm厚)。可选地，在需要时，第一层102的厚度可小于或等于两纳米 (Tl<=2nm)。这样的厚度可提供第一和第二层102、 104中的充分的磁阻尼， 同时最小化用于形成第一层102的费用且，如上所述，减小摻杂的第一层102 暴露到有害条件。图3A-3D是简图，示出根据本发明一实施例的双层纳米元件的示例属性 的微磁模拟的结果。如图3A所示，波动;兹化(例如源自外加磁场的改变) 的延迟时间，其可以反比于磁阻尼，可以在整个第一层102中是强的，且可 以在第二层104中随着离第一和第二层102、 104之间界面的距离而降低。对于图3A所示的实施例，在第二层104中交换耦合较小，未掺杂的第 二层104中的交换常数为2.3e-ll J/m。通过增大层102、 104之间的交换耦 合，磁阻尼可以关于离层102、 104之间界面的距离不减小地那么快。例如， 如图3B所示，未掺杂第二层104中有3.0e-ll J/m的交换常数，第二层104 中的磁阻尼在离第一和第二层102、 104之间界面十四纳米的距离处不显著如图3C所示，根据本发明一实施例，掺杂的第一层102中的延迟时间 可随着第一层102的厚度T1而增大。然而，即使对于一纳米的厚度，第一 层102中的延迟时间可以减小超过百分之六十(例如乂人3.76纳秒(ns)到 1.5ns)。图3D示出根据本发明一实施例具有均匀的磁阻尼的掺杂铁磁层内
延迟时间和磁阻尼之间的反比关系。通过比较图3B、 3C和3D,显见的是 一纳米厚度的掺杂第 一层102和0.17的磁阻尼系数在阻滞十四纳米厚的未摻 杂第二层104 (如图3B所示)方面和具有0.03均匀阻尼系数的十五纳米厚 的整个铁磁层的均匀掺杂一样有效。因此，通过增大第一层102中的磁阻尼， 第二层104中的阻尼也可增大而没有第二层104的任何掺杂。 器件中层系统的使用在本发明一实施例中，层系统例如双层100可用于一种或更多电子器件 中。这样的器件可包括硬盘驱动器，磁随机存取存储器(MRAM)、以及自 旋转矩存储器。实施例还提供由第一层102的材料覆盖的第二层104的材料(或者相反情况)制成的纳米结构例如纳米线或纳米颗粒。在硬盘驱动器中，双层100可用在磁读/写传感器中或在硬盘中。读/写 传感器可包括本领域技术人员已知的任意类型的读传感器例如隧穿磁致电 阻(TMR)传感器、巨磁致电阻(GMR)传感器、或者各向异性磁致电阻(AMR)传感器。这样的读传感器还可以是顶自旋、底自旋、或双自旋型读 传感器。双层100还可用在读/写传感器的磁写极或在读/写传感器的磁屏蔽 件中。图4是示出根据本发明一实施例的硬盘驱动器400的结构图。硬盘驱动 器400包括安装于自动化主轴414上的磁介质硬盘412。致动器臂416枢转 地安装于硬盘驱动器400内，滑块420设置在致动器臂416的远端。硬盘驱 动器400的操作期间，硬盘412在主轴414上旋转且滑块420用作气垫面 (ABS),适于飞行于盘412的表面之上。滑块420包括衬底基底，形成磁 读/写传感器的各种层和结构制造于其上。这里公开的^f兹读/写传感器可以大量制造于衬底上且然后切割成分离的磁读/写传感器以用于诸如硬盘驱动器 400的器件中。图5是示出根据本发明一实施例的硬盘驱动器400内读/写传感器500 的结构图。读/写传感器500的部件可形成在衬底520上。读/写传感器可包 括薄膜读传感器514,其可用于通过上电极512和下电极516从盘412读取 数据。上磁屏蔽件510和下磁屏蔽件518，以及绝缘层508可提供来将读传 感器514从来自读/写传感器500的其他部分的磁或电干扰(例如读/写传感 器500中的写元件导致的干扰)或者从来自盘驱动器400内的其他部件的干 扰屏蔽开。读传感器514的各方面将在下面参照图6更详细地描述。
磁读/写传感器500还可包括配置来写数据到盘412的电路部件。这样的 电路可包括配置来感应磁写极502和磁返回极506之间的磁场的磁线圈504。 该感应》兹场可用来写数据到盘412,例如通过设置或清除写极502和返回极 506下面的位。图6是结构图，示出根据本发明一实施例的包括读传感器514的示例层。 在所示实施例中，隧穿^f兹致电阻(TMR)读传感器示出为其中隧穿经过隧穿 势垒层626的电流I被自由层640中的磁场654 (磁场654可由于例如存储 于盘412上的磁荷而改变)和具有;兹场652的被钉扎层620的取向而影响， 磁场652通过反铁磁(AFM)钉扎层618而被钉扎到给定取向。磁读头200 可具有底侧608、顶侧604、用作气垫面(ABS)的侧面602、以及与ABS 侧602相反的背表面606。虽然关于TMR读传感器描述，但是本发明的实 施例可以用于本领域技术人员已知的任何类型的读传感器。如图所示，磁读头600可包括衬底520和初始衬层612。磁屏蔽层614 可镀在衬层612上且钽(Ta)和/或钌(Ru)间隔层616可沉积在屏蔽层614 上。铱锰铬(IrMnCr)钉扎层618然后可沉积在Ta/Ru间隔层616上，接着 是钴铁(CoFe) ^皮钉扎层620。在一实施例中，被钉扎层620可为约25埃 (A)厚。钉扎层618可将被钉扎层620的磁化652的方向基本固定在从右 指向左或者从左指向右的方向上。在被钉扎层620上，另一Ru间隔层622 可被沉积，接着是钴铁硼(CoFeB )参考层624。在一实施例中，参考层624 可为约20A厚。镁氧化物隧穿势垒层626可沉积在参考层624上，接着是 自由层640。如上所述，自由层640可提供离开传感器或进入传感器514指向的磁场 654。自由层640内磁场654的取向可根据哪个数据存储于磁盘412中而改 变。磁场654的取向又可以影响流经读传感器514的电流I。通过测量电流 I，存储于磁盘412中的数据可被读取。在本发明一实施例中，自由层640 可由上述双层100形成。因此，自由层640可包括掺杂的第一层102和未掺 杂的第二层104。通过由上述双层100形成自由层640，自由层640的磁场 654的取向的改变可以由于双层100的增大的磁阻尼而被更加限定(例如具 有更小的环进，由此提供更加限定的电流I改变且允许改善的从;兹盘412的 数据读取。此外，如上所述，在本发明一实施例中，未掺杂的铁^磁第二层104可置
于掺杂的第一层102和与有源隧穿势垒层626的界面之间(或者，在GMR 或AMR传感器中，在掺杂的第一层102和与自由层640和被钉扎层620之 间的有源分隔层的界面之间)。通过将未掺杂的铁磁第二层104置于掺杂的 第一层102和与有源隧穿势垒层626的界面之间，第二层104可将与有源层 的界面与对自旋传输的潜在有害影响隔离开，例如掺杂剂导致的自旋极化或 磁矩密度减小。在自由层640之后，其他间隔层632、 634可沉积在自由层640上，接 着是引线层636和镀在引线层636上的第二屏蔽层638。 一般地，所示的层 是示例性层，在一些情况下，读传感器514可包含本领域技术人员已知的不 同厚度的更多层或更少层。类似地，除了所示的那些之外的材料可用于给定 层，如本领域技术人员已知的那样。例如，在本发明一实施例中，被钉扎层 620可由上述双层100形成。在本发明一实施例中，上和/或下磁屏蔽件510、 518可由双层100形成。 例如，在一实施例中，为了提供额外的磁屏蔽，上和/或下磁屏蔽件510、 518 可由如图7所示的层叠的双层700 (例如沉积于彼此上的多个双层100)形 成。层叠的双层700可包括掺杂的铁磁层702、 706、 710(每个对应于上述 第一层102)和交替的未掺杂铁磁层704、 708、 712 (每个对应于上述第二 层104)。在一实施例中，掺杂的铁磁层702、 706、 710的厚度T1、 T3、 T5 (对应于上面图1中的厚度Tl)可各个相同。可选地，厚度Tl、 T3、 T5 的一些或全部可以不同以提供期望的磁阻尼。类似地，掺杂的铁磁层702、 706、 710的其他属性例如层702、 706、 710每个中的掺杂可以如所需的那样 相同或不同。此外，关于未掺杂铁一磁层704、 708、 712的厚度T2、 T4、 T6 和属性，每个可以如所需的那样相同或不同。虽然上面关于可用于读/写传感器的上和/或下磁屏蔽件的层叠的双层 700进行了描述，但是层叠的双层700还可用于读/写传感器的其他部分。例 如，在本发明一实施例中，磁写极502和/或磁返回极506可由单个双层100 或层叠的双层700形成。在本发明一实施例中，双层100 (或层叠的双层700)还可用于例如上 面在图8中示出的^f兹盘412中。如图所示，盘412可包括图案化的衬底806, 其上为了磁数据位而沉积掺杂的第一层804 (对应于图1中的第一层102)。 未掺杂的第二层802(对应于图1中的第二层104)然后可沉积在第一层804
上。在一些情况下，磁盘的记录介质中的数据位可以一起紧密地存储以提供盘412的增大的信息存储密度。例如，每位可存储为记录介质区域中的磁化。通常，位中的磁化或磁化改变会与相邻位中的磁化负面干扰(例如改变或弱化)。在一些情况下，如上所述，未掺杂的第二层802可将掺杂的第一层804 从围绕盘412的(例如硬盘驱动器外壳内)潜在有害气氛隔离开。通常，本发明的实施例还可以以掺杂和未掺杂层的任何顺序使用。例如， 在一个实施例中，可由沉积在两个掺杂层之间的未掺杂层形成夹层，由此提 供在未掺杂层的每端处掺杂层和未掺杂层之间的交换耦合，且提供整个未掺 杂层中增大的磁阻尼。在一实施例中，三层还可由夹在两个未掺杂层之间的 掺杂层形成。每个未掺杂层可交换耦合到未掺杂层之间的掺杂层，由此提供 未掺杂层的每个中增大的磁阻尼。本发明的实施例还可以以上述夹层的交替 层叠(例如掺杂-未掺杂-掺杂材料的第一夹层，接着未掺杂-掺杂-未掺杂材 料的第二夹层)或其任意组合/排序使用。在本发明一实施例中，掺杂层和未掺杂层可以不直接沉积在彼此上。例 如，在一实施例中， 一个或更多非磁金属层可沉积在掺杂层和未掺杂层之间。 用于非磁金属的金属可以包括铜(Cu )、钌(Ru )、铱(Ir )、铬(Cr )、钇(Pd )、 鉑(Pt)、和/或铑(Rh)。非磁金属层置于掺杂层和未掺杂层之间时，掺杂和 未掺杂层之间的交换耦合通过调制层可被减小。通过减小摻杂和未掺杂层之 间的耦合，在需要时调制层由此可用于减小未掺杂层中的阻尼系数。这样的 调制层(多层)还可以以层的层叠、夹层、以及如上所述夹层的层叠来使用。 本发明的实施例还可以以双层、夹层、以及调制层的任意组合或排序来使用。 调制层还可以用来提供下面描述的分级的掺杂和未掺杂层(例如，为了提供 梯度，多个层叠的层可包括这样的调制层，其从提供大调制的大厚度变化到 小厚度或调制层完全省略)。本发明的实施例还可用来提供分级的掺杂和未掺杂层，例如使得交替层 (包括如上所述的夹层和调制层)的组合提供跨交替层改变的磁阻尼系数。 通常，根据所需磁阻尼属性，可提供任何梯度(例如从强磁阻尼到弱的线性 梯度或任何变化梯度)。在本发明一实施例中，双层IOO还可用于例如图9描绘的^兹随机存取存 储器(MRAM)器件卯0中。MRAM器件900可包括配置来从其他电子器 件例如处理器或存储控制器接收指令的控制电路902。 MRAM器件卯0还可
包括输入/输出电路904,其配置来响应于经控制电路902接收的存取指令输 入或输出数据。MRAM器件900中的数据可存储在以一个或更多存储阵列 906布置的MARM存储单元中。图IO是结构图，示出根据本发明一实施例的MRAM存储单元1000, 其可包括在MRAM器件卯O中。如图所示，存储单元1000可位于字线1002 和位线1014 (示出为进入/离开纸面延伸)之间的结处。存储单元1000可包 括自由层1004、隧穿势垒层1006、被钉扎层1008、以及钉扎层1010。在存储单元1000的读取期间，隧穿经过隧穿势垒层1006的电流I会受 到自由层1004中的；兹场1020的取向和具有磁场1022的4皮钉扎层1008的影 响，磁场1022通过反铁磁(AFM)钉扎层1010被钉扎到给定取向。在存储 单元1000的数据写入期间，自由层1004中磁场1020的取向可以例如通过 应用适当的信号到字线1002和位线1014而被改变。在本发明一实施例中， 自由层1004可由上述双层100形成。因此，自由层1004可包括掺杂的第一 层102和未掺杂的第二层104。通过由上述双层100形成自由层1004，自由 层1004的磁场1020的取向改变由于双层100的增大的》兹阻尼而可以以更小 的环进被定义，由此提供从存储单元1000的改善的数据读取和写入。此外，在本发明一实施例中，未掺杂的铁一磁第二层104可位于掺杂的第 一层102和与有源隧穿势垒层1006的界面之间。通过将未掺杂的铁磁第二 层104置于掺杂的第一层102和与有源隧穿势垒层1006的界面之间，第二 层104可将与有源层的界面从掺杂剂导致的对自旋相关隧穿概率的潜在有害 影响隔离开。虽然上面关于包括在MRAM存储器件900中的MRAM存储单元1000 进行了描述，但是本发明的实施例可以与任何类型器件中提供的任何MRAM 存储单元IOOO—起使用。在一些情况下，存储单元IOOO可包括本领域技术 人员已知的额外层。此外，虽然上面关于MRAM和硬盘驱动器进行了描述， 但是本发明的实施例可以用于任何类型器件中，例如自旋转矩存储器和纳米 结构诸如纳米线或纳米颗粒，其由第一层102的材料覆盖的第二层104的材 料(或相反情况)制成。在这样的器件中，掺杂可用来剪裁自旋动量传输属 性。虽然前面涉及本发明的实施例，但是可以作出本发明的其他和另外的实 施例，而不偏离所附权利要求定义的本发明的基本范围。
权利要求
1.一种双层结构，包括第一层，包括掺杂以选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属中的一种的掺杂剂材料的第一铁磁材料，其中该掺杂剂材料预定提供比该第一铁磁材料中的磁阻尼更大的该双层结构中的磁阻尼，且其中该第一层小于或等于两纳米厚；以及第二层，设置在该第一层上，其中该第二层包括第二铁磁材料，且其中该第二层大于或等于两纳米厚。
2. 根据权利要求1的双层结构，其中该第一铁^磁材料和该第二铁一磁材料 是同类材料。
3. 根据权利要求1的双层结构，其中该第一铁》兹材料和该第二铁》兹材料 包括镍铁两者、钴铁两者、以及镍铁和钴铁的组合之一。
4. 根据权利要求1的双层结构，其中该第一层掺杂有15%或更少的掺 杂剂材料。
5. 根据权利要求1的双层结构，其中该掺杂剂材料选自4d过渡金属和 5d过渡金属之一，其预定提供比该第一铁磁材料中的磁阻尼更大的该双层结 构中的;兹阻尼。
6. 根据权利要求1的双层结构，其中该掺杂剂材料选自除钆和铕之外的 4f稀土金属之一。
7. 根据权利要求1的双层结构，其中该第二层小于或等于二十纳米厚。
8. —种双层结构，包括第一层，包括掺杂以选自4d过渡金属和5d过渡金属中的一种的掺杂剂 材料的第一铁磁材料，其中该掺杂剂材料预定提供比该第一铁磁材料中的磁 阻尼更大的该双层结构中的,兹阻尼；以及第二层，设置在该第一层上，其中该第二层包括第二铁磁材料。
9. 一种形成双层结构的方法，该方法包括提供第一层，其包括掺杂以选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f 稀土金属中的 一种的掺杂剂材料的第 一铁^兹材料，其中该掺杂剂材料预定提 供比该第一铁磁材料中的磁阻尼更大的该双层结构中的磁阻尼，且其中该第 一层小于或等于两纳米厚；以及 提供第二层，其设置在该第一层上，其中该第二层包括第二铁磁材料， 且其中该第二层大于或等于两纳米厚。
10. 根据权利要求9的方法，其中该第一铁磁材料和该第二铁^磁材料是同类材料。
11. 根据权利要求9的方法，其中该第一铁磁材料和该第二磁材料是钴 铁两者。
12. 根据权利要求9的方法，其中该第一层被掺杂以15%或更少的掺杂剂材料。
13. 根据权利要求9的方法，其中该掺杂剂材料选自4d过渡金属和5d 过渡金属之一，其预定提供比该第一铁磁材料中的磁阻尼更大的该双层结构 中的》兹阻尼。
14. 根据权利要求9的方法，其中该掺杂剂材料选自除钆和铕之外的4f 稀土金属之一。
15. 根据权利要求9的方法，其中该第二层小于或等于二十纳米厚。
16. —种磁传感器，包括第一层，包括掺杂以选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属 中的一种的掺杂剂材料的第一铁磁材料，其中该掺杂剂材料预定提供比该第 一铁磁材料中的磁阻尼更大的该双层结构中的磁阻尼，且其中该第一层小于 或等于两纳米厚；以及第二层，设置在该第一层上，其中该第二层包括第二铁》兹材料，且其中 该第二层大于或等于两纳米厚。
17. 根据权利要求16的磁传感器，还包括 被钉扎层；自由层，包括所述第一层和所述第二层；以及有源层，包括隧穿层和分隔层之一，其中该有源层位于该被钉扎层和该 自由层之间。
18. 根据权利要求16的磁传感器，其中该第二层位于该第一层和该有源 层之间。
19. 一种磁传感器，包括 第一双层结构，包括第一层，包括掺杂以选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属中的 一种的第 一掺杂剂材料的第 一铁磁材料，其中该掺杂剂材料预定提供比该第一铁磁材料中的磁阻尼更大的该双层结构中的磁阻尼；以 及第二层，设置在该第一层上，其中该第二层包括第二铁磁材料，其 中该双层结构包括在该磁传感器的被钉扎层、磁屏蔽层、以及磁写极之 一中。
20. 根据权利要求19的磁传感器，还包括 包括该第 一双层结构的该纟皮钉扎层。
21. 根据权利要求19的磁传感器，还包括 该;兹屏蔽层包4舌该第一双层结构；以及 第二双层结构，包括第三层，包括掺杂以选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f 稀土金属中的一种的第二掺杂剂材料的第三铁磁材料，其中掺杂剂 材料预定提供比该第 一铁磁材料中的磁阻尼更大的该第二双层结 构中的；兹阻尼；第四层，设置在该第三层上，其中该第二层包括第四铁磁材料。
22. 根据权利要求19的磁传感器，还包括 该/磁写纟及包4舌该第一双层结构；以及 第二双层结构，包括第三层，包括掺杂以选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f 稀土金属中的 一种的第二掺杂剂材料的第三铁^磁材料，其中掺杂剂 材料预定提供比该第 一铁磁材料中的磁阻尼更大的该第二双层结 构中的磁阻尼；第四层，设置在该第三层上，其中该第二层包括第四铁磁材料。
23. 根据权利要求19的磁传感器，其中该第一层小于或等于两纳米厚， 且其中该第二层大于或等于两纳米厚。
24. —种三层结构，包括第一层，包括掺杂以选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属 中的 一种的掺杂剂材料的第 一铁磁材料，其中该掺杂剂材料预定提供比该第一铁〃磁材料中的磁阻尼更大的该三层结构中的^兹阻尼；以及第二层，设置在该第一层上，其中该第二层包括非^兹金属；以及 第三层，设置在该第二层上，其中该第三层包括第二铁-磁材料。
25. 根据权利要求24的三层结构，其中该第一层小于或等于两纳米厚。
26. 根据权利要求24的三层结构，其中该第二层大于或等于两纳米厚。
27. 根据权利要求24的三层结构，其中该非磁金属包括铜、钌、铱、铬、 钯、鉑和铑之一。
全文摘要
本发明提供一种层系统、形成该层系统的方法、以及利用该层系统的器件。在一实施例中，该方法包括提供一种包括第一层的双层系统，该第一层包括掺杂以选自4d过渡金属、5d过渡金属、以及4f稀土金属中的一种的掺杂剂材料的第一铁磁材料。该掺杂剂材料预定提供比该第一铁磁材料中的磁阻尼更大的该双层结构中的磁阻尼。该第一层可非常薄，例如小于或等于两纳米厚。该方法还包括提供设置在该第一层上的第二层。该第二层包括第二铁磁材料且该第二层可大于或等于两纳米厚。
文档编号H01L43/08GK101162757SQ200710180209
公开日2008年4月16日 申请日期2007年10月11日 优先权日2006年10月11日
发明者曼弗雷德·E·沙贝斯, 格雷恩·迈耶, 简-乌尔里克·蒂勒 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司