(57)【要約】磁気素子を提供するための方法およびシステムを開示する。この方法およびシステムは、被ピン止め層を提供すること、スペーサ層を提供すること、および自由層を提供することを含む。自由層はフェリ磁性であり、導体フェライト、ガーネット、希土類元素以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、および二重層のうちの１つ以上を含む。この二重層は、希土類遷移金属合金層およびスピン電流増加層を含む。この磁気素子は、書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気素子であって、
被ピン止め層と、
スペーサ層と、
フェリ磁性であり、かつ、導電性フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、ならびに、希土類遷移金属合金層および希土類遷移金属合金層とスペーサ層との間に存在するスピン電流増加層を含む二重層のうちの１つ以上を含む自由層と、を備え、
書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている磁気素子。
【請求項２】
第１の被ピン止め層は、第１の強磁性層、第２の強磁性層、および第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に存在する非磁性導体層を含む合成被ピン止め層である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
第１の強磁性層および第２の強磁性層は、Ｃｏ、Ｎｉ、およびＦｅのうちの１つ以上を含む請求項２に記載の磁気素子。
【請求項４】
第１の強磁性層および第２の強磁性層は、Ｂ、ＴａおよびＺｒのうちの１つ以上を含む請求項３に記載の磁気素子。
【請求項５】
スペーサ層は絶縁バリヤ層である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項６】
絶縁バリヤ層は結晶ＭｇＯを含む請求項５に記載の磁気素子。
【請求項７】
絶縁バリヤ層の厚さは３ナノメートル未満である請求項６に記載の磁気素子。
【請求項８】
絶縁バリヤ層はアルミナを含む請求項５に記載の磁気素子。
【請求項９】
スペーサ層は導体またはナノ酸化物層を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１０】
自由層の飽和磁化は約０．７５４Ｗｂ／ｍ２（６００ｅｍｕ／ｃｍ３）以下である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１１】
自由層はＣｏＲＥｘを含む希土類遷移金属合金層を含み、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１２】
自由層は（ＣｏＲＥｘ）Ｚｙを含む希土類遷移金属合金層を含み、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ＺはＡｕ、Ｃｕ、Ｂ、ＣｒまたはＭｏを含み、ｙは５％以上かつ４０％以下であり、ｘは１０％以上かつ３０％以下である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１３】
自由層は導電性フェライトを含み、導電性フェライトはＦｅ３Ｏ４を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１４】
自由層はガーネットを含み、ガーネットはイットリウム鉄ガーネットを含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１５】
自由層はフェリ磁性合金を含み、フェリ磁性合金は、Ｍｎ２Ｓｂ、Ｍｎ２Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｇｅ２、Ｍｎ３Ｉｎ、ＦｅＧｅ２、ＦｅＳｅ、Ｃｒ３Ａｓ２またはＣｒＰｔ３を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１６】
自由層は重希土類遷移金属合金を含み、重希土類遷移金属合金はＲＣｏ５を含み、ＲはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｂまたはＴｍを含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１７】
自由層は半金属性フェリ磁性体を含み、半金属性フェリ磁性体は、Ｃｏ２（Ｃｒ１−ｘＦｅｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＡｌまたはＣｏ２ＭｎＳｉを含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１８】
スピン電流増加層はＣｏ、Ｎｉ、およびＦｅのうちの１つ以上を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１９】
スピン電流増加層は、Ｂ、Ｔａ、およびＺｒのうちの１つ以上を含む請求項１８に記載の磁気素子。
【請求項２０】
追加のスペーサ層と、
追加の被ピン止め層と、追加のスペーサ層は自由層と被ピン止め層との間に存在することと、を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項２１】
自由層は希土類遷移金属合金層を含み、さらに、自由層は希土類遷移金属合金層と追加のスペーサ層との間に存在する追加のスピン電流増加層を含む、請求項２０に記載の磁気素子。
【請求項２２】
追加の被ピン止め層は、第１の強磁性層、第２の強磁性層、および第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に存在する非磁性導体スペーサ層を含む合成被ピン止め層である請求項２０に記載の磁気素子。
【請求項２３】
被ピン止め層は合成被ピン止め層であり、さらに、追加の被ピン止め層は、第３の強磁性層、および第２の強磁性層と第３の強磁性層との間に存在する追加の導体スペーサ層を含む請求項２２に記載の磁気素子。
【請求項２４】
スペーサ層および追加のスペーサ層のうちの一方または両方は、結晶ＭｇＯまたはアルミナを含む絶縁バリヤ層である請求項２０に記載の磁気素子。
【請求項２５】
自由層は希土類遷移金属合金層およびスピン電流増加層を含み、さらに、自由層は希土類遷移金属合金層とスピン電流増加層との間の挿入層を含み、挿入層はＲｕ、Ｒｈ、Ｔａ、およびＣｒのうちの１つ以上を含み、１ナノメートル以下の厚さを有する請求項２０に記載の磁気素子。
【請求項２６】
磁気素子であって、
被ピン止め層と、
アルミナおよび結晶ＭｇＯのうちの一方または両方を含むバリヤ層と、
フェリ磁性であり、かつ、導電性フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、ならびに、希土類遷移金属合金層および希土類遷移金属合金層とスペーサ層との間に存在するスピン電流増加層を含む二重層のうちの１つ以上を含む自由層と、を備え、
希土類遷移金属合金層はＣｏＲＥｘおよび（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋのうちの一方または両方を含み、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下または（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋであり、ＺはＡｕ、Ｃｕ、Ｂ、ＣｒまたはＭｏを含み、
ｋは５％以上かつ４０％以下であり、ｊは１０％以上かつ３０％以下であり、スピン電流増加層はＣｏ、Ｎｉ、およびＦｅのうちの１つ以上を含む合金を含み、フェリ磁性合金は、Ｍｎ２Ｓｂ、Ｍｎ２Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｇｅ２、Ｍｎ３Ｉｎ、ＦｅＧｅ２、ＦｅＳｅ、Ｃｒ３Ａｓ２およびＣｒＰｔ３のうちの１つ以上を含み、重希土類遷移金属合金はＲＣｏ５を含み、ＲはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｂ、およびＴｍのうちの１つ以上を含み、ガーネットはイットリウム鉄ガーネットを含み、導電性フェライトはＦｅ３Ｏ４を含み、半金属性フェリ磁性体は、Ｃｏ２（Ｃｒ１−ｘＦｅｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＡｌまたはＣｏ２ＭｎＳｉを含み、自由層の飽和磁化は約０．７５４Ｗｂ／ｍ２（６００ｅｍｕ／ｃｍ３）以下であり、書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている磁気素子。
【請求項２７】
追加のスペーサ層と、
追加の被ピン止め層と、追加のスペーサ層は自由層と被ピン止め層との間に存在することと、を含む請求項２６に記載の磁気素子。
【請求項２８】
スペーサ層および追加のスペーサ層のうちの一方または両方は、結晶ＭｇＯまたはアルミナを含む絶縁バリヤ層である請求項２７に記載の磁気素子。
【請求項２９】
自由層は希土類遷移金属合金層を含み、さらに、自由層は希土類遷移金属合金層と追加のスペーサ層との間に存在する追加のスピン電流増加層を含む請求項２７に記載の磁気素子。
【請求項３０】
磁気メモリであって、
被ピン止め層、スペーサ層、および自由層を各々含む複数の磁気素子を備え、自由層はフェリ磁性であり、かつ、導電性フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、ならびに、希土類遷移金属合金層および希土類遷移金属合金層とスペーサ層との間に存在するスピン電流増加層を含む二重層のうちの１つ以上を含み、複数の磁気素子の各々は、書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている磁気メモリ。
【請求項３１】
磁気メモリであって、
被ピン止め層、アルミナおよび結晶ＭｇＯのうちの一方または両方を含むバリヤ層、ならびに自由層を各々含む複数の磁気素子を備え、自由層はフェリ磁性であり、かつ、導電性フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、ならびに、希土類遷移金属合金層および希土類遷移金属合金層とスペーサ層との間に存在するスピン電流増加層を含む二重層のうちの１つ以上を含み、希土類遷移金属合金層はＣｏＲＥｘおよび（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋのうちの一方または両方を含み、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下であり、ｋは５％以上かつ４０％以下であり、ｊは１０％以上かつ３０％以下であり、フェリ磁性合金は、Ｍｎ２Ｓｂ、Ｍｎ２Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｇｅ２、Ｍｎ３Ｉｎ、ＦｅＧｅ２、ＦｅＳｅ、Ｃｒ３Ａｓ２またはＣｒＰｔ３を含み、重希土類遷移金属合金はＲＣｏ５を含み、ＲはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｂまたはＴｍを含み、ガーネットはイットリウム鉄ガーネットを含み、導電性フェライトはＦｅ３Ｏ４を含み、半金属性フェリ磁性体は、Ｃｏ２（Ｃｒ１−ｘＦｅｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＡｌまたはＣｏ２ＭｎＳｉを含み、複数の磁気素子の各々は、書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気メモリシステムに関する。より詳細には、本発明は、低いスイッチング電流にてスピン遷移効果を用いてスイッチング可能な磁気素子と、その磁気素子を用いる磁気メモリとを提供するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１，２には、従来の磁気素子１０および１０’を示す。そのような従来の磁気素子１０／１０’は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）など、不揮発性メモリにおいて用いられる。従来の磁気素子１０はスピンバルブであり、従来の反強磁性（ＡＦＭ）層１２、従来の被ピン止め層１４、従来の非磁性スペーサ層１６、および従来の自由層１８を備える。シード層またはキャップ層など、他の層（図示せず）が用いられる場合もある。従来の被ピン止め層１４および従来の自由層１８は強磁性である。したがって、従来の自由層１８は、変化し得る磁化１９を有するように示される。従来の非磁性スペーサ層１６は導体である。ＡＦＭ層１２は、被ピン止め層１４の磁化を特定の向きに固定するため、すなわち、ピン止めするために用いられる。自由層１８の磁化は、典型的には外部磁界に応じて、自由に回転する。図２に示す従来の磁気素子１０’は、スピントンネル接合である。従来のスピントンネル接合１０’の諸部分は、従来のスピンバルブ１０に類似している。しかしながら、従来のバリヤ層１６’は、従来のスピントンネル接合１０’において電子がトンネル効果を示すのに十分に薄い絶縁体である。なお、１つのスピンバルブ１０しか示していないが、２つの被ピン止め層と、それらの被ピン止め層を自由層から分離する２つの非磁性層とを含む２重のスピンバルブが用いられ得ることが、当業者には容易に認められる。同様に、１つのスピントンネル接合１０’しか示していないが、２つの被ピン止め層と、それらの被ピン止め層を自由層から分離する２つのバリヤ層とを含む２重のスピントンネルが用いられ得ることが、当業者には容易に認められる。
【０００３】
それぞれ従来の自由層１８／１８’および従来の被ピン止め層１４／１４’の磁化１９／１９’の向きに応じて、従来の磁気素子１０／１０’の抵抗は、それぞれ変化する。従来の自由層１８／１８’の磁化１９／１９’が従来の被ピン止め層１４／１４’の磁化と平行であるとき、従来の磁気素子１０／１０’の抵抗は低い。従来の自由層１８／１８’の磁化１９／１９’が従来の被ピン止め層１４／１４’の磁化と逆平行であるとき、従来の磁気素子１０／１０’の抵抗は高い。
【０００４】
従来の磁気素子１０／１０’の抵抗を感知するために、従来の磁気素子１０／１０’を通じて電流が駆動される。メモリ用途においては、通常、従来の磁気素子１０／１０’の層に対し垂直である、ＣＰＰ（面に垂直な電流）配置により、電流が駆動される（図１または２に見られるようにｚ方向の上下に）。典型的には従来の磁気素子１０／１０’を通じた電圧降下の大きさを用いて測定される、抵抗の変化に基づき、従来の磁気素子１０／１０’における抵抗状態、したがって、従来の磁気素子１０／１０’に格納されているデータを決定することが可能である。
【０００５】
従来の磁気素子１０’に特定の材料を用いることが提案されている。そのような従来の磁気素子１０’では、被ピン止め層１４’および自由層１８’には、Ｎｉ、Ｃｏ、およびＦｅの群の強磁性体、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉなどそれらの合金、ＣｏＦｅＢｘ（ｘは５〜３０原子パーセント）、ＣｏＦｅＣ、ＣｏＦｅＨｆなど低モーメント強磁性体または類似の材料を用いることが提案されている。加えて、ノジエール（Ｎｏｚｉｅｒｅ）の特許文献１では、自由層１８’にＧｄＣｏなど一定の希土類遷移金属合金を用いることが提案
されている。一定の希土類遷移金属合金が、特定の温度において総飽和磁化が０となる、補償点と呼ばれる一定の組成を有することは知られている。従来のバリヤ層１６’には、（１００）または（１１１）構造を有する非晶性ＡｌＯｘまたは結晶ＭｇＯを用いることが提案されている。そのような構造では、高抵抗状態と低抵抗状態との間に数百パーセントもの差が存在する、大きな磁気抵抗が得られる。
【０００６】
スピン遷移は、従来の自由層１８／１８’の磁化１９／１９’のスイッチングを行うことによって、従来の磁気素子１０／１０’にデータを格納するために利用され得る効果である。スピン遷移について従来の磁気素子１０’に関して記載するが、従来の磁気素子１０へも同じく適用可能である。スピン遷移現象に関する以下の説明は現在の知識に基づいており、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【０００７】
スピン分極した電流がＣＰＰ配置によりスピントンネル接合１０’などの磁気多重層を横切るとき、強磁性層に入る電子のスピン角運動量の一部が強磁性層へ移動する場合がある。従来の自由層１８’に入る電子は、そのスピン角運動量の一部を従来の自由層１８’へ移動させる場合がある。その結果、電流密度が充分に高く（約１０７〜１０８Ａ／ｃｍ２）かつスピントンネル接合の横方向の寸法が小さい（約２００ナノメートル未満）場合、スピン分極した電流は、従来の自由層１８’の磁化１９’の向きを切り替えることがある。加えて、スピン遷移によって従来の自由層１８’の磁化１９’の向きが切り替わるには、従来の自由層１８’は充分に薄い必要があり、例えば、一般的にはＣｏについて約１０ナノメートル未満である必要がある。磁化のスイッチングに基づくスピン遷移は、従来の磁気素子１０／１０’の横方向の寸法が小さく、数百ナノメートルの範囲にあるときに、他のスイッチング機構より優勢となり、顕著となる。結果的に、スピン遷移は、より小さな磁気素子１０／１０’を有する、より高密度の磁気メモリに適切である。
【０００８】
スピン遷移は、外部のスイッチング磁界を用いて従来のスピントンネル接合１０’の従来の自由層１８’の磁化の向きを切り替えることに代えて、または加えて、ＣＰＰ配置において用いられる。例えば、従来の自由層１８’の磁化１９’は、従来の被ピン止め層１４’の磁化と逆平行から、従来の被ピン止め層の磁化１４’と平行に切り替えられる。電流は、従来の自由層１８’から従来の被ピン止め層１４’へ駆動される（伝導電子は従来の被ピン止め層１４’から従来の自由層１８’へ移動する）。従来の被ピン止め層１４’から移動する大多数の電子は、従来の被ピン止め層１４’の磁化と同じ向きに分極されたスピンを有する。これらの電子は、その角運動量の充分な部分を従来の自由層１８’へ移動させ、従来の自由層１８’の磁化１９’を従来の被ピン止め層１４’の磁化と平行に切り替えることができる。これに代えて、自由層１８’の磁化は、従来の被ピン止め層１４’の磁化と平行な向きから従来の被ピン止め層１４’の磁化と逆平行に切り替えられることもある。電流が従来の被ピン止め層１４’から従来の自由層１８’へ駆動される（伝導電子は反対の方向へ移動する）とき、大多数の電子は、従来の自由層１８’の磁化の向きに分極されたスピンを有する。これらの大多数の電子は、従来の被ピン止め層１４’によって伝導される。少数の電子は従来の被ピン止め層１４’から従来の自由層１８’へ戻り、その充分な量の角運動量を移動させ、自由層１８’の磁化１９’を従来の被ピン止め層１４’の磁化と逆平行に切り替えることができる。
【０００９】
従来の自由層１８／１８’の磁化１９／１９’のスイッチングを行う際にスピン遷移が用いられ得るが、通常、高い電流密度が必要であることが、当業者には容易に認められる。詳細には、磁化１９／１９’のスイッチングを行うのに必要な電流は、臨界電流と呼ばれる。上述のように、臨界電流は、約１０７Ａ／ｃｍ２以上の臨界電流密度に相当する。また、そのような高電流密度は、高い書込電流および小さな磁気素子サイズが必要であることを示唆していることも、当業者には容易に認められる。
【００１０】
磁化１９／１９’のスイッチングを行うために高い臨界電流を用いることは、磁気メモリにおけるそのような従来の磁気素子１０／１０’の有用性および信頼性に不利な影響を与える。高い臨界電流は、高い書込電流に相当する。高い書込電流の使用は電力消費の増大に関連するが、これは望ましくない。書込電流が大きいと、従来の磁気素子１０／１０’に加え、絶縁トランジスタなどのより大きな構造を用いてメモリセルを形成する必要がある。結果的に、そのようなメモリの領域の密度は減少する。加えて、従来のバリヤ層１６’がより高い書込電流にて絶縁破壊にさらされる場合があるため、より高い抵抗、したがって、より高い信号を有する従来の磁気素子１０’の信頼性が低下する場合がある。したがって、より高い信号読取が得られる場合であっても、従来の磁気素子１０／１０’は、高スピン遷移スイッチング電流を用いて従来の磁気素子１０／１０’に書込を行う、より高密度な従来のＭＲＡＭにおける使用には、適切でない場合がある。さらに、ノジエールによるものなど、高い電流密度を減少させるための機構が提案されているが、これらの機構は信号における潜在的な損失などの問題を有する。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００４０４３３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、必要なのは、より低い書込電流にてスピン遷移を用いてスイッチング可能な磁気メモリ素子を提供するためのシステムおよび方法である。本発明は、そのような必要に対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、磁気素子を提供するための方法およびシステムを提供する。この方法およびシステムは、被ピン止め層を提供すること、スペーサ層を提供すること、および自由層を提供することを含む。自由層はフェリ磁性であり、導体フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、および二重層のうちの１つ以上を含む。この二重層は、希土類遷移金属合金層およびスピン電流増加層を含む。この磁気素子は、書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている。
【００１３】
本明細書に開示の方法およびシステムによって、本発明は、より低い書込電流にてスピン遷移を用いて書込可能な磁気素子を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、磁気素子を提供するための方法およびシステムを提供する。この方法およびシステムは、被ピン止め層を提供すること、スペーサ層を提供すること、および自由層を提供することを含む。自由層はフェリ磁性であり、導体フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、および二重層のうちの１つ以上を含む。この二重層は、希土類遷移金属合金層およびスピン電流増加層を含む。この磁気素子は、書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている。
【００１５】
本発明について、一定の構成要素を有する特定の磁気メモリおよび特定の磁気素子に関して記載する。しかしながら、この方法およびシステムが、異なる構成要素、追加の構成要素もしくはその両方を有する他の磁気メモリ素子、本発明と矛盾しない異なる特徴、他の特徴もしくはその両方を有する他の磁気メモリ、またはその両方において有効に動作することが、当業者には容易に認められる。また、スピン遷移現象やバリヤ層との干渉によるスピン分極についての現在の理解により、本発明について記載する。結果的に、方法およびシステムの挙動の理論的説明は、スピン遷移およびスピン分極についての現在の理解に基づいて行われることが、当業者には容易に認められる。また、基板に対し特定の関係
を有する構造により、方法およびシステムについて記載することも、当業者には容易に認められる。しかしながら、この方法およびシステムが他の構造と矛盾しないことが、当業者には容易に認められる。加えて、合成の層または単純な層である一定の層により、方法およびシステムについて記載する。しかしながら、層は別の構造を有し得ることが、当業者には容易に認められる。さらに、特定の層を有する磁気素子により、本発明について記載する。しかしながら、本発明と矛盾しない追加の層、異なる層またはその両方を有する磁気素子も用いられ得ることが、当業者には容易に認められる。さらに、一定の構成要素は強磁性であるように記載する。しかしながら、本明細書において用いられる用語、強磁性体には、フェリ磁性対または類似の構造が含まれ得る。したがって、本明細書において用いられる用語「強磁性体」には、次に限定されないが、強磁性体およびフェリ磁性体が含まれる。また、単一の素子により、本発明について記載する。しかしながら、本発明は、複数の素子、ビット線およびワード線を有する磁気メモリの使用と矛盾しないことが、当業者には容易に認められる。
【００１６】
図３は、本発明によるスピン遷移を用いて書込可能な磁気素子１００の第１の実施形態の図である。磁気素子１００は、好適にはＡＦＭ層であるピン止め層１０２、被ピン止め層１０４、スペーサ層１０６、およびフェリ磁性である自由層１０８を備える。代替の実施形態では、ピン止め層１０２は、被ピン止め層１０４の磁化をピン止めするための別の機構のために省略され得る。好適な実施形態では、ＡＦＭ層１０２は、ＰｔＭｎおよびＩｒＭｎなど、２００℃を超える高いブロッキング温度を有する材料を含む。加えて、ＡＦＭ層１０２の所望の構造を提供するために、１つ以上のシード層（図示せず）が用いられてもよい。被ピン止め層１０４は、例えば、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉを含む強磁性合金から構成される、単純な層であってよい。被ピン止め層１０４の構造を変更するために、Ｂ、Ｔａまたはその両方などの添加物が随意で添加されてよい。また、被ピン止め層１０４は、例えば、Ｒｕなど非磁性の導体スペーサ層によって分離された２つの強磁性層を含む、合成の被ピン止め層であってもよい。一実施形態では、非磁性の導体スペーサ層は、強磁性層の磁化が反強磁性に整合されるように構成されてよい。
【００１７】
スペーサ層１０６は、好適には絶縁バリヤ層であり、電流担体が透過することができる。一実施形態では、スペーサ層１０６は結晶ＭｇＯ層である。そのような実施形態では、スペーサ層１０６の厚さは、好適には３ナノメートル未満である。また、そのような実施形態では、スペーサ層１０６は、磁気素子１００の抵抗と面積との積が小さく、１０００オーム平方マイクロメートル未満であるように構成される。別の実施形態では、スペーサ層１０６はアルミナなど別の絶縁体であってよい。代替の実施形態では、スペーサ層１０６は導体層またはナノ酸化物層であってよい。
【００１８】
自由層１０８はフェリ磁性であるため、好適には、減少したモーメントを有する。自由層１０８は単純な層であってもよく、以下に記載の二重層であってもよい。自由層が単純な層である場合、一部の実施形態では、自由層は、導体フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金または半金属性フェリ磁性体を含んでよい。自由層１０８が導体フェライトを含む場合、導体フェライトは好適にはＦｅ３Ｏ４である。自由層１０８がガーネットである場合、好適にはイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）が用いられる。フェリ磁性合金が用いられる場合、自由層は、好適には、Ｍｎ２Ｓｂ、Ｍｎ２Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｇｅ２、Ｍｎ３Ｉｎ、ＦｅＧｅ２、ＦｅＳｅ、Ｃｒ３Ａｓ２およびＣｒＰｔ３のうちの１つ以上を含む。自由層１０８が重希土類遷移金属合金を含む場合、自由層１０８は、好適にはＲＣｏ５を含む。ここで、Ｒは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｂまたはＴｍを含む。自由層１０８が半金属性フェリ磁性体である場合、自由層は、好適にはＣｏ２（Ｃｒ１−ｘＦｅｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＡｌまたはＣｏ２ＭｎＳｉを含む。
【００１９】
別の実施形態では、自由層１０８は二重層である。自由層１０８に二重層が用いられる場合、１つの層は好適には希土類遷移金属合金であり、別の層は好適にはスピン電流増加層である。スピン電流増加層は、希土類遷移金属合金層とスペーサ層１０６との間に存在する。希土類遷移金属合金は、ＣｏＲＥｘなどの材料を含んでよい。ここで、ＲＥは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下である。また、希土類遷移金属合金は、（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋなどの材料を含んでもよい。ここで、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ＺはＡｕ、Ｃｕ、Ｂ、ＣｒまたはＭｏを含み、ｋは５％以上かつ４０％以下であり、ｊは１０％以上かつ３０％以下である。希土類遷移金属合金は、希土類のモーメントと遷移金属のモーメントとが逆平行であるように構成される。加えて、希土類遷移金属合金は、好適には補償点に近いように構成される。その結果、自由層１０８’は減少したモーメントを有する。一実施形態では、希土類遷移金属層とスピン電流増加層との組み合わせである自由層１０８は、約０．７５４Ｗｂ／ｍ２（６００ｅｍｕ／ｃｍ３）未満のモーメントを有する。好適な実施形態では、自由層１０８は、約０．５０３Ｗｂ／ｍ２（４００ｅｍｕ／ｃｍ３）未満のモーメントを有する。
【００２０】
スピン電流増加層は、希土類遷移金属合金層とスペーサ層１０６との間に中間層を提供する。スピン電流増加層は、より高い磁気抵抗（例えば、一実施形態では、５０パーセントを超えるトンネル磁気抵抗）を磁気素子１００に提供するように構成される。好適な実施形態では、スピン電流増加層はＣｏ、ＮｉまたはＦｅを含む合金であり、Ｂ、ＴａまたはＺｒなどの非磁性元素の添加物を含んでよい。加えて、希土類遷移金属合金の磁化およびスピン電流増加層の磁化は、好適には、平行配向または逆平行配向など固定の関係を有する。結果的に、自由層１０８の１つの層における磁化の向きの変化によって、自由層１０８の別の層における磁化の向きの変化がそれぞれ生じる。
【００２１】
また、磁気素子１００は、書込電流が磁気素子１００を通過するときのスピン遷移のために自由層１０８のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている。したがって、好適な実施形態では、幅ｗなど自由層１０８の横方向の寸法は小さく、好適には２００ナノメートル未満である。加えて、好適には、自由層１０８が特定の容易軸を有することを保証するために、複数の横方向の寸法の間に何らかの差が提供される。
【００２２】
動作時には、特にＣＰＰ配置においては、磁気素子１００を通じて読取電流が駆動され、磁気抵抗が決定される。磁気素子１００へ書込を行うために、磁気素子１００を通じてＣＰＰ方向に書込電流（好適には読取電流より大きい）が駆動される。自由層１０８の磁化の向きを整合させるために、磁気素子１００の頂部から底部へ電流が駆動される。結果的に、電子は反対の方向に流れる。大多数の電子は、そのスピンを被ピン止め層１０４の磁化の向きに整合させる。充分な電子密度が自由層１０８にスピントルクを働かせ、自由層１０８の磁化を被ピン止め層１０４の磁化と平行であるように切り替えることが可能である。なお、自由層１０８の磁化が既に平行である場合、スイッチングは起こらない。自由層１０８の磁化を被ピン止め層１０４の磁化と逆平行に整合させるには、磁気素子１００の底部から頂部へ、反対の方向に電流が駆動される。電子が磁気素子の頂部から底部へ移動する。被ピン止め層１０４と逆平行にスピンを整合させた電子が、自由層１０８へ戻る。電流密度が充分になると、これらの戻った電子は、自由層１０８の磁化を被ピン止め層１０４の磁化と逆平行であるように切り替えることが可能である。
【００２３】
このように、磁気素子１００は、局所的な現象であるスピン遷移効果を用いて書込が行われるように構成される。したがって、磁気素子１００は、より高密度な用途において適切であり得る。加えて、磁気素子１００は、より低い電流密度にて書込が行われてもよい。自由層１０８は、フェリ磁性であるので、減少した飽和磁化Ｍｓを有する。例えば、自由層１０８が希土類遷移金属合金層およびスピン電流増加層を含む実施形態では、層の希
土類遷移金属合金を補償点に近いように選択することによって、自由層１０８が約０．５０３Ｗｂ／ｍ２（４００ｅｍｕ／ｃｍ３）以下の飽和磁化を有するように構成することができる。スイッチング電流密度は、飽和磁化の２乗に比例する。詳細には、異方性磁界Ｈｋを有する自由層のスイッチングを行うための臨界電流密度は次式となる。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
自由層１０８は減少した飽和磁化を有するので、自由層１０８のスイッチングは、より低い電流密度にて行われる。さらに、このより低い電流密度は、熱的な安定性を犠牲にすることなく用いられ得る。希土類遷移金属合金の厳密な補償点では、保磁力は無限大に近づく。上述のように、希土類遷移金属合金層は、好適には補償点に近いように構成される。低い飽和磁化を有することに加えて、保磁力が高くてもよい（例えば、約３９８０Ａ／ｍ（５０  Ｏｅ）〜約３１８００Ａ／ｍ（４００  Ｏｅ））。その結果、固有異方性が高くなり得る。この特徴によって、熱変動による減少したスイッチングと、磁気素子１００の改良された熱的な安定性とが生じる。結果的に、磁気素子１００のスイッチングは、熱的な安定性を過度に犠牲にすることなく、より低い電流密度にてスピン遷移効果によって行われる。
【００２６】
図４は、本発明によるスピン遷移を用いて書込可能な磁気素子１００’の第１の実施形態の第２の好適な変形の図である。磁気素子１００’の諸部分は磁気素子１００に類似しているので、同様に符号が付けられている。結果的に、磁気素子１００’は、ピン止め層１０２’、被ピン止め層１０４’、スペーサ層１０６’、および自由層１０８’を備える。自由層１０８’は、好適には、スピン電流増加層１１０および希土類遷移金属合金層１１２を含む。しかしながら、代替の実施形態では、自由層１０８’は、上述において自由層１０８について記載したように、単一組成の層であってよい。随意では、自由層１０８’は随意の挿入層１２０を含む。随意の挿入層１２０は、好適には、Ｒｕ、Ｒｈ、ＴａおよびＣｒなどの材料から構成され、好適には１ナノメートル以下の厚さを有する。随意の挿入層１２０は、スピン電流増加層１１０と希土類遷移金属合金層１１２との間の相互拡散を低減または除去するように構成される。被ピン止め層１０４’は、非磁性スペーサ層１１６によって分離された強磁性層１１４，１１８を含んでよい。また、磁気素子１００’はキャップ層１２２も含んでよい。
【００２７】
ピン止め層１０２’は、好適には、ＰｔＭｎまたはＩｒＭｎなどのＡＦＭである。代替の実施形態では、ピン止め層１０２’は、被ピン止め層１０４’の磁化をピン止めするための別の機構のために省略され得る。加えて、ピン止め層１０２’の所望の構造を提供するために、１つ以上のシード層（図示せず）が用いられてもよい。
【００２８】
被ピン止め１０４’は、好適には強磁性層１１４，１１８を含む。強磁性層１１４，１１８は、各々、例えば、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉを含む強磁性合金から構成される、単純な層であってよい。強磁性層１１４，１１８の構造を変更するために、Ｂ、Ｔａまたはその両方などの添加物が随意で添加されてよい。非磁性スペーサ層１１６は、好適には導体であり、Ｒｕなどの材料を含む。好適な実施形態では、強磁性層１１４，１１８の磁化は反強磁性に整合されている。代替の実施形態では、被ピン止め層１０４’は、単純な層など別の構造を有してよい。
【００２９】
スペーサ層１０６’は、好適には絶縁バリヤ層であり、電流担体が透過することができる。一実施形態では、スペーサ層１０６’は厚さ３ナノメートル未満の結晶ＭｇＯ層である。別の実施形態では、スペーサ層１０６’はアルミナなど別の絶縁体であってよい。いずれの実施形態においても、スペーサ層１０６’は、好適には、磁気素子１００’の抵抗と面積との積が小さく、例えば、約１０００オーム平方マイクロメートル未満であるように構成される。代替の実施形態では、スペーサ層１０６’は導体またはナノ酸化物層であってよい。
【００３０】
自由層１０８’はフェリ磁性であるため、減少したモーメントを有し得る。自由層１０８’は単層であってもよく、示すように、層１１０，１１２を含む二重層であってもよい。自由層１０８’が単層である場合、一部の実施形態では、自由層１０８’は、上述において自由層１０８について記載した材料であってよい。
【００３１】
好適な実施形態では、自由層１０８’は、層１１０，１１２を含む二重層である。そのような実施形態では、層１１２は好適には希土類遷移金属合金であり、層１１０は好適にはスピン電流増加層である。また、自由層１０８’の層１１０と１１２との間に随意の挿入層１２０が含まれてもよい。希土類遷移金属合金層１１２は、ＣｏＲＥｘなどの材料を含んでよい。ここで、ＲＥは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下である。別の実施形態では、希土類遷移金属合金層１１２は、（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋなどの材料を含んでもよい。ここで、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ＺはＡｕ、Ｃｕ、Ｂ、ＣｒまたはＭｏを含み、ｋは５％以上かつ４０％以下であり、ｊは１０％以上かつ３０％以下である。希土類遷移金属合金は、希土類のモーメントと遷移金属のモーメントとが逆平行であるように構成される。その結果、自由層１０８’は減少したモーメントを有する。自由層１０８’が半金属性フェリ磁性体である別の実施形態では、自由層は、好適にはＣｏ２（Ｃｒ１−ｘＦｅｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＡｌまたはＣｏ２ＭｎＳｉを含む。一実施形態では、自由層１０８’は、約０．７５４Ｗｂ／ｍ２（６００ｅｍｕ／ｃｍ３）未満のモーメントを有する。
【００３２】
スピン電流増加層１１０は、より高い磁気抵抗（例えば、一実施形態では、５０パーセントを超えるトンネル磁気抵抗）を磁気素子１００’に提供するように構成される。好適な実施形態では、スピン電流増加層１１０はＣｏ、ＮｉまたはＦｅを含む合金であり、Ｂ、ＴａまたはＺｒなどの非磁性元素の添加物を含んでよい。加えて、希土類遷移金属合金層１１２の磁化およびスピン電流増加層１１０の磁化は、好適には、平行配向または逆平行配向など固定の関係を有する。結果的に、１つの層１１０または１１２における磁化の向きの変化によって、別の層１１０または１１２における磁化の向きの変化がそれぞれ生じる。
【００３３】
キャップ層１２２は、好適には、Ｔａ、Ｒｕまたは他の高融点金属もしくは合金などの材料を含む。キャップ層１２２は、好適には他の材料（図示せず）による相互拡散を防止し、処理中に自由層１０８’を保護するように構成される。加えて、キャップ層１２２は、自由層１０８’の異方性を変更するために用いられてもよい。例えば、キャップ層１２２は、自由層１０８’の面外異方性を減少させるように構成されてよい。
【００３４】
また、磁気素子１００’は、書込電流が磁気素子１００’を通過するときのスピン遷移のために自由層１０８’のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている。したがって、好適な実施形態では、幅ｗなど自由層１０８’の横方向の寸法は小さく、好適には２００ナノメートル未満である。加えて、好適には、自由層１０８’が特定の容易軸を有することを保証するために、複数の横方向の寸法の間に何らかの差が提供される。
【００３５】
動作時には、磁気素子１００’は磁気素子１００と同様に機能する。したがって、磁気素子１００’の読取を行うために、磁気素子１００’を通じて読取電流が駆動される。磁気素子１００’へ書込を行うには、磁気素子１００’を通じてＣＰＰ方向に書込電流（読取電流より大きい）が駆動される。自由層１０８’の磁化（自由層１０８’が二重層である場合には希土類遷移金属合金層１１２の磁化）の向きを整合させるために、磁気素子１００’の頂部から底部へ電流が駆動される。自由層１０８’の磁化を被ピン止め層１０４’の強磁性層１１８の磁化と逆平行に整合させるには、反対の方向に電流が駆動される。
【００３６】
磁気素子１００’は、磁気素子１００の利点のうちの多くを共有する。詳細には、磁気素子１００’は、局所現象であるスピン遷移効果を用いて書込可能である。さらに、この書込は、自由層１０８’の減少した飽和磁化のため、より低い電流密度にて生じ得る。上述のように、これは熱的安定性を過度に犠牲にすることなく達成され得る。
【００３７】
図５は、本発明によるスピン遷移を用いて書込可能な磁気素子１５０の第２の実施形態の図である。磁気素子１５０の諸部分は磁気素子１００に類似している。しかしながら、磁気素子１５０は、２つの被ピン止め層および２つのスペーサ層を含む二重構造である。磁気素子１５０は、好適にはＡＦＭ層である第１のピン止め層１５２、第１の被ピン止め層１５４、第１のスペーサ層１５６、フェリ磁性である自由層１５８、第２のスペーサ層１６０、第２の被ピン止め層１６２、および第２のピン止め層１６４を備える。代替の実施形態では、ピン止め層１５２，１６４のうちの一方または両方は、被ピン止め層１５４，１６２の磁化をピン止めするための別の機構のために省略され得る。好適な実施形態では、ＡＦＭ層１５２，１６４は、ＰｔＭｎおよびＩｒＭｎなど高いブロッキング温度を有する材料を含む。加えて、ＡＦＭ層１５２の所望の構造を提供するために、１つ以上のシード層（図示せず）が用いられてもよい。被ピン止め層１５４，１６２は、例えば、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉを含む強磁性合金から構成される、単純な層であってよい。被ピン止め層１５４，１６２それぞれの構造を変更するために、Ｂ、Ｔａまたはその両方などの添加物が随意で添加されてよい。しかしながら、被ピン止め層１５４、被ピン止め層１６２またはその両方は、合成の被ピン止め層であってよい。好適な実施形態では、被ピン止め層１５４は、Ｒｕなど非磁性の導体スペーサ層によって分離された２つの強磁性層を含んでよい。一実施形態では、非磁性の導体スペーサ層は、複数の強磁性層の磁化が反強磁性に結合されるように構成されてよい。そのような実施形態では、被ピン止め層１６２は、Ｒｕなど複数の非磁性の導体スペーサ層によって各々分離された３つの強磁性層を含んでよい。一実施形態では、複数の非磁性の導体スペーサ層は、複数の強磁性層の磁化が反強磁性に結合されるように構成されてよい。
【００３８】
スペーサ層１５６，１６０は、好適には絶縁バリヤ層であり、電流担体が透過することができる。一実施形態では、スペーサ層１５６は結晶ＭｇＯ層である。そのような実施形態では、スペーサ層１５６の厚さは、好適には３ナノメートル未満である。代替実施形態では、スペーサ層１５６はアルミナなど別の絶縁体であってよい。また、好適な実施形態では、第２のスペーサ層１６０は結晶ＭｇＯまたはアルミナである。スペーサ層１５６，１６０は、電子がトンネル効果を示すことを可能とするのに十分に薄い。したがって、好適な実施形態では、磁気素子１５０の抵抗と面積との積は１０００オーム平方マイクロメートル未満である。代替の実施形態では、スペーサ層１５６，１６０の一方または両方は、導体またはナノ酸化物層であってよい。
【００３９】
自由層１５８はフェリ磁性であるため、減少したモーメントを有し得る。自由層１５８は単層であってもよく、多重層であってもよい。自由層１５８が単層である場合、一部の実施形態では、自由層は、導体フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金または半金属性強磁性体を含んでよい。自由層１５８が導体フェライトを含む場合、導体フェライトはＦｅ３Ｏ４であってよい。自由層１５８がガーネット
である場合、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）が用いられてよい。フェリ磁性合金が用いられる場合、自由層は、Ｍｎ２Ｓｂ、Ｍｎ２Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｇｅ２、Ｍｎ３Ｉｎ、ＦｅＧｅ２、ＦｅＳｅ、Ｃｒ３Ａｓ２およびＣｒＰｔ３のうちの１つ以上を含んでよい。自由層１５８の重希土類遷移金属合金は、ＲＣｏ５を含んでよい。ここで、ＲはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｂまたはＴｍを含む。自由層１５８が半金属性フェリ磁性体である場合、自由層は、好適にはＣｏ２（Ｃｒ１−ｘＦｅｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＡｌまたはＣｏ２ＭｎＳｉを含む。
【００４０】
別の実施形態では、自由層１５８は多重層である。自由層１５８に多重層が用いられる場合、この層は、好適には、希土類遷移金属合金層、および希土類遷移金属層とスペーサ層１５６，１６０との間のスピン電流増加層である。希土類遷移金属合金は、ＣｏＲＥｘなどの材料を含んでよい。ここで、ＲＥは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下である。希土類遷移金属合金層は（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋを含み、ここで、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ＺはＡｕ、Ｃｕ、Ｂ、ＣｒまたはＭｏを含み、ｋは５％以上かつ４０％以下であり、ｊは１０％以上かつ３０％以下である。希土類遷移金属合金は、希土類のモーメントと遷移金属のモーメントとが逆平行であるように構成される。その結果、自由層１５８は減少したモーメントを有する。一実施形態では、自由層１５８は、例えば、約０．７５４Ｗｂ／ｍ２（６００ｅｍｕ／ｃｍ３）未満のモーメントを有する。
【００４１】
スピン電流増加層は、希土類遷移金属合金層とスペーサ層１５６，１６０との間に中間層を提供し、また、より高い磁気抵抗を磁気素子１５０に提供するように構成される。好適な実施形態では、スピン電流増加層はＣｏ、ＮｉまたはＦｅを含む合金であり、Ｂ、ＴａまたはＺｒなどの非磁性元素の添加物を含んでよい。スピン電流増加層はＴｂを含んでおらず、好適には、希土類を含んでいない。加えて、希土類遷移金属合金の磁化およびスピン電流増加層の磁化は、好適には、平行配向または逆平行配向など固定の関係を有する。結果的に、１つの層における磁化の向きの変化によって、別の層における磁化の向きの変化がそれぞれ生じる。
【００４２】
また、磁気素子１５０は、書込電流が磁気素子１５０を通過するときのスピン遷移のために自由層１５８のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている。したがって、好適な実施形態では、幅ｗなど自由層１５８の横方向の寸法は小さく、好適には２００ナノメートル未満である。加えて、好適には、自由層１５８が特定の容易軸を有することを保証するために、複数の横方向の寸法の間に何らかの差が提供される。
【００４３】
磁気素子１５０は磁気素子１００，１００’と同様に動作する。しかしながら、磁気素子１５０は二重構造であるため、より高い磁気抵抗を有し得る。加えて、示すように配向された被ピン止め層１５４，１６２においては、層１６２または層１５４から戻る電子のために、スピン遷移効果が強化され得る。結果的に、磁気素子１５０は、より大きな磁気抵抗を有しながらも、さらに低い電流密度にてスピン遷移効果を用いて書込可能である。さらに、これは熱的な安定性を維持しつつ達成され得る。
【００４４】
図６は、本発明によるスピン遷移を用いて書込可能な磁気素子の１５０’第２の実施形態の別の変形の図である。磁気素子１５０’の諸部分は磁気素子１５０に類似しているので、同様に符号が付けられている。結果的に、磁気素子１５０’は、好適にはＡＦＭ層である第１のピン止め層１５２’、第１の被ピン止め層１５４’、第１のスペーサ層１５６’、自由層１５８’、追加のスペーサ層１６０’、第２の被ピン止め層１６２’、および第２のピン止め層１６４’を備える。上述のように、被ピン止め層１５４’，１６２’は単純な層であってよい。しかしながら、好適な実施形態では、被ピン止め層１５４’は、Ｒｕなど導体である非磁性層１６８によって分離された強磁性層１６６，１７０を含む、
合成の被ピン止め層である。強磁性層１６６，１７０は、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉを含む合金であってよく、Ｂ、ＴａまたはＺｒなどの非磁性元素の添加物を含んでよい。一実施形態では、非磁性の導体スペーサ層は、複数の強磁性層の磁化が反強磁性に結合されるように構成されてよい。単純な層として示したが、被ピン止め層１６２’は、例えば、Ｒｕなど非磁性の複数の導体スペーサ層によって各々分離された３つの強磁性層を含む、合成の被ピン止め層であってもよい。一実施形態では、複数の非磁性の導体スペーサ層は、複数の強磁性層の磁化が反強磁性に結合されるように構成されてよい。
【００４５】
スペーサ層１５６’，１６０’は、上述のように、好適には絶縁バリヤ層であり、電流担体が透過することができる。しかしながら、スペーサ層１５６’、スペーサ層１６０’またはその両方について、導体層、ナノ酸化物層またはその両方など他の構造が可能な場合がある。好適な実施形態では、ＡＦＭ層１５２’，１６４’は、ＰｔＭｎおよびＩｒＭｎなど高いブロッキング温度を有する材料を含む。加えて、ＡＦＭ層１５２’の所望の構造を提供するために、１つ以上のシード層（図示せず）が用いられてもよい。代替の実施形態では、ピン止め層１５２’，１６４’のうちの一方または両方は、被ピン止め層１５４’，１６２’の磁化をピン止めするための別の機構のために省略され得る。
【００４６】
自由層１５８’はフェリ磁性であるため、減少したモーメントを有し得る。自由層１５８’は単層であってもよく、図６に示すように多重層であってもよい。自由層１５８’が単層である場合、一部の実施形態では、上述のように、自由層は、導体フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金または重希土類遷移金属合金を含んでよい。
【００４７】
別の実施形態では、自由層１５８’は、図６に示すような多重層である。自由層１５８’は、希土類遷移金属合金層１７４、および希土類遷移金属層とスペーサ層１５６’，１６０’との間のスピン電流増加層１７２，１７６である。加えて、相互拡散を減少させるために、随意の挿入層１７８，１８０が含まれる。随意の挿入層１７８，１８０は、１ナノメートル以下のＲｕ、Ｒｈ、ＴａおよびＣｒなどの材料を含み得る。希土類遷移金属合金層１７４は、ＣｏＲＥｘ（ここで、ＲＥは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下である）または（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋ（ここで、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ＺはＡｕ、Ｃｕ、Ｂ、ＣｒまたはＭｏを含み、ｋは５％以上かつ４０％以下であり、ｊは１０％以上かつ３０％以下である）などの材料を含んでよい。また、希土類遷移金属合金１７４は、希土類のモーメントと遷移金属のモーメントとが逆平行であるように構成される。その結果、自由層１５８’は減少したモーメントを有する。一実施形態では、自由層１５８’は約０．７５４Ｗｂ／ｍ２（６００ｅｍｕ／ｃｍ３）未満のモーメントを有し、好適な実施形態では、約０．５０３Ｗｂ／ｍ２（４００ｅｍｕ／ｃｍ３）未満のモーメントを有する。
【００４８】
スピン電流増加層１７２，１７６は、希土類遷移金属合金層１７４とスペーサ層１５６’，１６０’との間に中間層を提供する。したがって、スピン電流増加層１７２，１７６は、より高い磁気抵抗を磁気素子１５０’に提供するように構成される。スピン電流増加層１７２，１７６はＴｂを含んでおらず、好適には、希土類を含んでいない。好適な実施形態では、スピン電流増加層１７２，１７６はＣｏ、ＮｉまたはＦｅを含む合金であり、Ｂ、ＴａまたはＺｒなどの非磁性元素の添加物を含んでよい。加えて、希土類遷移金属合金層１７４の磁化およびスピン電流増加層１７２，１７６の磁化は、好適には、平行配向または逆平行配向など固定の関係を有する。結果的に、１つの層における磁化の向きの変化によって、別の層における磁化の向きの変化がそれぞれ生じる。
【００４９】
また、磁気素子１５０’は、書込電流が磁気素子１５０’を通過するときのスピン遷移のために自由層１５８’のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている。したがって、好適な実施形態では、幅ｗなど自由層１５８’の横方向の寸法は小さく
、好適には２００ナノメートル未満である。加えて、好適には、自由層１５８’が特定の容易軸を有することを保証するために、複数の横方向の寸法の間に何らかの差が提供される。
【００５０】
磁気素子１５０’は磁気素子１００，１００’，１５０と同様に動作する。しかしながら、磁気素子１５０’は二重構造であるため、より高い磁気抵抗を有し得る。加えて、示すような被ピン止め層１５４’，１６２’においては、層１６２’または層１７０から戻る電子のために、スピン遷移効果が強化され得る。結果的に、磁気素子１５０’は、より大きな磁気抵抗を有しながらも、さらに低い電流密度にてスピン遷移効果を用いて書込可能である。さらに、これは熱的な安定性を維持しつつ達成され得る。したがって、磁気素子１００，１００’，１５０，１５０’を用いると、スピン遷移効果を用いて、より低い電流密度にて書込を行うことが可能である。
【００５１】
図７は、スピン遷移を用いて書込可能なことによる磁気素子を提供するための本発明による方法３００の一実施形態を示す図である。磁気素子１００，１５０に関連して、方法３００について記載する。しかしながら、本発明による他の磁気素子と共に方法３００を用いることも可能である。
【００５２】
ピン止め層１０２／１５２は、工程３０２によって提供され得る。したがって、工程３０２は、好適には、所望のＡＦＭ層を提供する工程を含む。被ピン止め層１０４／１５４は、工程３０４によって提供される。スペーサ層は、工程３０６によって提供される。工程３０６は、好適には、絶縁バリヤ層を提供する工程を含む。自由層１０８／１５８は、工程３０８によって提供される。したがって、工程３０８は、フェリ磁性の自由層１０８／１５８を提供する工程を含む。一実施形態では、工程３０８は、上述のように、単層を提供する工程、または１つ以上のスピン電流増加層と、希土類遷移金属層とを含む多重層を提供する工程を含む。次いで、磁気素子１００または１００’について、方法３００はキャップ層で終結、すなわち、キャップ層を提供し得る。しかしながら、磁気素子１５０または１５０’については、工程３１０によって第２のスペーサ層１６０／１６０’が提供される。工程３１０は、好適には、絶縁バリヤ層を形成する工程を含む。第２の被ピン止め層１６２／１６２’は、工程３１２によって製造され得る。工程３１２は、単純な被ピン止め層１６２／１６２’または合成の被ピン止め層を提供する工程を含み得る。第２のピン止め層１６４／１６４’は、工程３１４によって提供され得る。
【００５３】
このように、方法３００を用いて、磁気素子１００，１００’，１５０，１５０’を形成することが可能である。結果的に、磁気素子１００，１００’，１５０，１５０’の利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の磁気素子のスピンバルブの図。
【図２】別の従来の磁気素子のスピントンネル接合の図。
【図３】本発明によるスピン遷移を用いて書込可能な磁気素子の第１の実施形態の図。
【図４】本発明によるスピン遷移を用いて書込可能な磁気素子の第１の実施形態の第２の変形の図。
【図５】本発明によるスピン遷移を用いて書込可能な磁気素子の第２の実施形態の図。
【図６】本発明によるスピン遷移を用いて書込可能な磁気素子の第２の実施形態の別の変形の図。
【図７】スピン遷移を用いて書込可能なことによる磁気素子を提供するための本発明による方法の一実施形態を示す図。
【図１】
2009514193.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年2月27日(2008.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気素子であって、
被ピン止め層と、
スペーサ層と、
フェリ磁性であり、かつ、導電性フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、ならびに、希土類遷移金属合金層および希土類遷移金属合金層とスペーサ層との間に存在するスピン電流増加層を含む二重層のうちの１つ以上を含む自由層と、を備え、
書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている磁気素子。
【請求項２】
第１の被ピン止め層は、第１の強磁性層、第２の強磁性層、および第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に存在する非磁性導体層を含む合成被ピン止め層である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
第１の強磁性層および第２の強磁性層は、Ｂ、ＴａおよびＺｒのうちの１つ以上を含む請求項２に記載の磁気素子。
【請求項４】
スペーサ層は絶縁バリヤ層である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項５】
絶縁バリヤ層は結晶ＭｇＯを含む請求項４に記載の磁気素子。
【請求項６】
絶縁バリヤ層はアルミナを含む請求項４に記載の磁気素子。
【請求項７】
スペーサ層は導体またはナノ酸化物層を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項８】
自由層の飽和磁化は約０．７５４Ｗｂ／ｍ２（６００ｅｍｕ／ｃｍ３）以下である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項９】
自由層はＣｏＲＥｘを含む希土類遷移金属合金層を含み、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈ
ｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１０】
自由層は（ＣｏＲＥｘ）Ｚｙを含む希土類遷移金属合金層を含み、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ＺはＡｕ、Ｃｕ、Ｂ、ＣｒまたはＭｏを含み、ｙは５％以上かつ４０％以下であり、ｘは１０％以上かつ３０％以下である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１１】
自由層は導電性フェライトを含み、導電性フェライトはＦｅ３Ｏ４を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１２】
自由層はガーネットを含み、ガーネットはイットリウム鉄ガーネットを含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１３】
自由層はフェリ磁性合金を含み、フェリ磁性合金は、Ｍｎ２Ｓｂ、Ｍｎ２Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｇｅ２、Ｍｎ３Ｉｎ、ＦｅＧｅ２、ＦｅＳｅ、Ｃｒ３Ａｓ２またはＣｒＰｔ３を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１４】
自由層は重希土類遷移金属合金を含み、重希土類遷移金属合金はＲＣｏ５を含み、ＲはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｂまたはＴｍを含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１５】
自由層は半金属性フェリ磁性体を含み、半金属性フェリ磁性体は、Ｃｏ２（Ｃｒ１−ｘＦｅｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＡｌまたはＣｏ２ＭｎＳｉを含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１６】
スピン電流増加層はＣｏ、Ｎｉ、およびＦｅのうちの１つ以上を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１７】
スピン電流増加層は、Ｂ、Ｔａ、およびＺｒのうちの１つ以上を含む請求項１６に記載の磁気素子。
【請求項１８】
追加のスペーサ層と、
追加の被ピン止め層と、追加のスペーサ層は自由層と被ピン止め層との間に存在することと、を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１９】
自由層は希土類遷移金属合金層を含み、さらに、自由層は希土類遷移金属合金層と追加のスペーサ層との間に存在する追加のスピン電流増加層を含む、請求項１８に記載の磁気素子。
【請求項２０】
追加の被ピン止め層は、第１の強磁性層、第２の強磁性層、および第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に存在する非磁性導体スペーサ層を含む合成被ピン止め層である請求項１８に記載の磁気素子。
【請求項２１】
被ピン止め層は合成被ピン止め層であり、さらに、追加の被ピン止め層は、第３の強磁性層、および第２の強磁性層と第３の強磁性層との間に存在する追加の導体スペーサ層を含む請求項２０に記載の磁気素子。
【請求項２２】
スペーサ層および追加のスペーサ層のうちの一方または両方は、結晶ＭｇＯまたはアルミナを含む絶縁バリヤ層である請求項１８に記載の磁気素子。
【請求項２３】
自由層は希土類遷移金属合金層およびスピン電流増加層を含み、さらに、自由層は希土
類遷移金属合金層とスピン電流増加層との間の挿入層を含み、挿入層はＲｕ、Ｒｈ、Ｔａ、およびＣｒのうちの１つ以上を含み、１ナノメートル以下の厚さを有する請求項１８に記載の磁気素子。
【請求項２４】
磁気素子であって、
被ピン止め層と、
アルミナおよび結晶ＭｇＯのうちの一方または両方を含むバリヤ層と、
フェリ磁性であり、かつ、導電性フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、ならびに、希土類遷移金属合金層および希土類遷移金属合金層とスペーサ層との間に存在するスピン電流増加層を含む二重層のうちの１つ以上を含む自由層と、を備え、
希土類遷移金属合金層はＣｏＲＥｘおよび（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋのうちの一方または両方を含み、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下または（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋであり、ＺはＡｕ、Ｃｕ、Ｂ、ＣｒまたはＭｏを含み、ｋは５％以上かつ４０％以下であり、ｊは１０％以上かつ３０％以下であり、スピン電流増加層はＣｏ、Ｎｉ、およびＦｅのうちの１つ以上を含む合金を含み、フェリ磁性合金は、Ｍｎ２Ｓｂ、Ｍｎ２Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｇｅ２、Ｍｎ３Ｉｎ、ＦｅＧｅ２、ＦｅＳｅ、Ｃｒ３Ａｓ２およびＣｒＰｔ３のうちの１つ以上を含み、重希土類遷移金属合金はＲＣｏ５を含み、ＲはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｂ、およびＴｍのうちの１つ以上を含み、ガーネットはイットリウム鉄ガーネットを含み、導電性フェライトはＦｅ３Ｏ４を含み、半金属性フェリ磁性体は、Ｃｏ２（Ｃｒ１−ｘＦｅｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＡｌまたはＣｏ２ＭｎＳｉを含み、自由層の飽和磁化は約０．７５４Ｗｂ／ｍ２（６００ｅｍｕ／ｃｍ３）以下であり、書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている磁気素子。
【請求項２５】
追加のスペーサ層と、
追加の被ピン止め層と、追加のスペーサ層は自由層と被ピン止め層との間に存在することと、を含む請求項２４に記載の磁気素子。
【請求項２６】
自由層は希土類遷移金属合金層を含み、さらに、自由層は希土類遷移金属合金層と追加のスペーサ層との間に存在する追加のスピン電流増加層を含む請求項２５に記載の磁気素子。
【請求項２７】
磁気メモリであって、
被ピン止め層、スペーサ層、および自由層を各々含む複数の磁気素子を備え、自由層はフェリ磁性であり、かつ、導電性フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、ならびに、希土類遷移金属合金層および希土類遷移金属合金層とスペーサ層との間に存在するスピン電流増加層を含む二重層のうちの１つ以上を含み、複数の磁気素子の各々は、書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている磁気メモリ。
【請求項２８】
磁気メモリであって、
被ピン止め層、アルミナおよび結晶ＭｇＯのうちの一方または両方を含むバリヤ層、ならびに自由層を各々含む複数の磁気素子を備え、自由層はフェリ磁性であり、かつ、導電性フェライト、ガーネット、希土類以外のフェリ磁性合金、重希土類遷移金属合金、半金属性フェリ磁性体、ならびに、希土類遷移金属合金層および希土類遷移金属合金層とスペーサ層との間に存在するスピン電流増加層を含む二重層のうちの１つ以上を含み、希土類遷移金属合金層はＣｏＲＥｘおよび（ＣｏＲＥｊ）Ｚｋのうちの一方または両方を含み、ＲＥはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｍまたはＴｍを含み、ｘは６％以上かつ３０％以下で
あり、ｋは５％以上かつ４０％以下であり、ｊは１０％以上かつ３０％以下であり、フェリ磁性合金は、Ｍｎ２Ｓｂ、Ｍｎ２Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇａ、Ｍｎ３Ｇｅ２、Ｍｎ３Ｉｎ、ＦｅＧｅ２、ＦｅＳｅ、Ｃｒ３Ａｓ２またはＣｒＰｔ３を含み、重希土類遷移金属合金はＲＣｏ５を含み、ＲはＧｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｂまたはＴｍを含み、ガーネットはイットリウム鉄ガーネットを含み、導電性フェライトはＦｅ３Ｏ４を含み、半金属性フェリ磁性体は、Ｃｏ２（Ｃｒ１−ｘＦｅｘ）Ａｌ、Ｃｏ２ＭｎＡｌまたはＣｏ２ＭｎＳｉを含み、複数の磁気素子の各々は、書込電流が磁気素子を通過するときスピン遷移のために自由層のスイッチングが行われることを可能とするように構成されている磁気メモリ。