(57)【要約】磁気トンネル接合または磁気抵抗トンネル接合（ＭＪＴｓ）、及びスピンバルブのような磁性多層構造は、強磁性自由層と隣接して形成され、かつ磁気結合して、例えば熱擾乱及び漏洩磁界によって生じる擾乱に対する所望の安定性を実現する磁性バイアス層を有する。低アスペクト比の安定なＭＴＪセルは、例えば磁性バイアス層を使用する高密度ＭＲＡＭメモリデバイス及び他のデバイスに対するＣＭＯＳ処理を使用して形成することができる。このような多層構造に対する書き込みは、スピントランスファートルクによる書き込み電流を使用し、書き込み電流を層に直交する方向に流すことにより行なうことができる。各強磁性自由層は２つ以上の層を含むことができ、かつ強磁性自由層積層構造とすることができ、この積層構造は、第１及び第２強磁性層と、そして第１強磁性層と第２強磁性層との間の非磁性スペーサと、を含む。【選択図】図１Ａ
2009509357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と；
前記基板上に形成される磁気セルであって、強磁性自由層積層構造と、磁性バイアス層と、強磁性固定層と、絶縁バリア層と、を含む磁気セルと；を備え、：
前記強磁性自由層積層構造は、第１方向と、前記第１方向とほぼ反対の第２方向との間で変更することができる正味の磁化の向きを有し、前記強磁性自由層積層構造は第１及び第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の非磁性スペーサと、を含み；
前記磁性バイアス層は、前記強磁性自由層積層構造と接触し、かつ磁気結合して前記強磁性自由層積層構造の保磁力を大きくし、そして前記第１方向と、前記第１方向とほぼ反対の前記第２方向との間での前記強磁性自由層積層構造の磁化方向の変更を可能にし；
前記強磁性固定層は、固定磁化方向を有し；
前記絶縁バリア層は、前記強磁性自由層積層構造と前記強磁性固定層との間に形成され、前記絶縁バリア層によって、電子が、前記強磁性自由層積層構造と前記強磁性固定層との間に、かつ前記絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で前記強磁性自由層積層構造と前記強磁性固定層との間でトンネリングを起こすようになり、
前記強磁性自由層積層構造は前記磁性バイアス層と前記絶縁バリア層との間に配置される、デバイス。
【請求項２】
前記強磁性自由層積層構造の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の前記非磁性スペーサは、Ｒｕ，Ｒｅ，Ｃｕ，Ｔａ，またはＣｕを含む、或いはＲｕ，Ｒｅ，Ｃｕ，Ｔａ，またはＣｕを含む合金を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記非磁性スペーサは、４〜１０オングストロームの膜厚を有する、請求項２記載のデバイス。
【請求項４】
前記強磁性自由層積層構造の前記第１及び第２強磁性層の内の少なくとも一つの強磁性層の強磁性材料は、Ｃｏ，Ｃｏを含む合金，Ｆｅ，Ｆｅを含む合金，Ｎｉ，またはＮｉを含む合金を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項５】
前記強磁性自由層積層構造の前記第１及び第２強磁性層の内の少なくとも一つの強磁性層の強磁性材料は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＮｉＢ，ＣｏＦｅＴａ，ＮｉＦｅ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，Ｃｏ２Ｍｎ（Ａｌ，Ｓｉ），またはＣｏ２（Ｃｒ，Ｆｅ）（Ａｌ，Ｓｉ）を含む、請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１強磁性層は前記絶縁バリア層と接触し、かつＸがＢ，Ｐ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，及びＴｉの内の少なくとも一つを含む場合のＣｏＦｅＸを含み、前記第２強磁性層は前記磁性バイアス層と接触し、かつ軟磁性材料を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項７】
前記第２強磁性層はＮｉＦｅまたはＮｉＦｅＣｏを含む、請求項６記載のデバイス。
【請求項８】
前記第１及び第２強磁性層は逆の磁歪特性を持つ、請求項６記載のデバイス。
【請求項９】
前記強磁性自由層積層構造は、全体としてほぼゼロの磁歪を有する、請求項８記載のデバイス。
【請求項１０】
前記強磁性自由層積層構造は、前記磁性バイアス層によって磁化が弱く固定されて、前記強磁性固定層の磁化方向とは異なる前記第１方向の磁化方向を持つ、請求項１記載のデバイス。
【請求項１１】
前記強磁性自由層積層構造の前記第１方向の磁化方向は、前記強磁性固定層の前記固定磁化方向からゼロ〜１３５度の角度だけずれる、請求項１０記載のデバイス。
【請求項１２】
前記磁気セルは、前記基板に平行な２つの直交方向に沿った寸法の比で表わされる１．７７未満のアスペクト比を有する、請求項１記載のデバイス。
【請求項１３】
前記磁気セルは、前記基板に平行な２つの直交方向に沿った寸法の比で表わされる約１のアスペクト比を有する、請求項１２記載のデバイス。
【請求項１４】
更に、前記強磁性固定層と接触するように形成されて前記強磁性固定層の磁化を前記固定磁化方向に沿って固定する反強磁性（ＡＦＭ）層を備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項１５】
前記磁性バイアス層は反強磁性（ＡＦＭ）層を含み、前記反強磁性層は前記強磁性自由層積層構造と磁気結合して前記強磁性自由層積層構造の磁化方向の反転を可能にしながら、前記強磁性自由層積層構造の保磁力を大きくする、請求項１記載のデバイス。
【請求項１６】
前記磁性バイアス層はＩｒＭｎまたはＰｔＭｎを含む、請求項１５記載のデバイス。
【請求項１７】
前記磁性バイアス層は、ＰｔＰｄＭｎ，ＮｉＭｎ，ＦｅＭｎ，ＦｅＭｎＲｈ，ＣｒＭｎ，ＦｅＮｉＭｎ，ＣｏＭｎ，ＲｈＭｎ，ＣｒＭｎＰｔ，ＣｒＭｎＣｕ，ＣｒＭｎＲｈ，ＣｒＭｎＰｄ，ＣｒＭｎＩｒ，ＣｒＭｎＮｉ，ＣｒＭｎＣｏ，ＣｒＭｎＴｉ，及びＣｒＡｌの内の少なくとも一つを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項１８】
前記磁性バイアス層は金属反強磁性材料を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項１９】
前記磁性バイアス層は酸化物反強磁性材料を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項２０】
前記磁性バイアス層は、Ｎｉ（Ｆｅ）Ｏ，Ｆｅ（Ｃｏ）Ｏ，Ｃｏ（Ｆｅ）Ｏ，ＮｉＦｅ（Ｃｏ）Ｏ，及びＣｒＯの内の少なくとも一つを含む、請求項１９記載のデバイス。
【請求項２１】
前記磁性バイアス層はＦｅＳを含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項２２】
前記磁性バイアス層は強磁性材料を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項２３】
前記磁性バイアス層は、ＴｂＣｏ，ＤｙＣｏ，ＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，ＣｏＦｅＯ，ＦｅＯ，ＭｎＦｅＯ，及びＺｎＦｅＯの内の少なくとも一つを含む、請求項２２記載のデバイス。
【請求項２４】
前記磁性バイアス層は２つの反強磁性層を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項２５】
前記磁性バイアス層は：
第１及び第２反強磁性層と；
前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層との間のスペーサ層と、
を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項２６】
前記磁性バイアス層は：
反強磁性層と；
前記反強磁性層と接触するスペーサ層と、
を含む、請求項１記載のデバイス。
【請求項２７】
前記磁性バイアス層は更に：
前記反強磁性層と接触する第２スペーサ層と；
前記第２スペーサ層と接触する第２反強磁性層と、
を含む、請求項２６記載のデバイス。
【請求項２８】
前記第１及び第２強磁性層は、非磁性スペーサを介して反強磁性結合して反対の磁化方向を有する、請求項１記載のデバイス。
【請求項２９】
前記第１及び第２強磁性層は、非磁性スペーサを介して強磁性結合して平行な磁化方向を有する、請求項１記載のデバイス。
【請求項３０】
更に、前記基板上に形成されてアレイを形成する複数の磁気セルを備える、請求項１記載のデバイス。
【請求項３１】
基板と；
前記基板上に形成され、強磁性自由層積層構造と、強磁性固定層と、絶縁バリア層と、を含む磁気セルと、を備え：
前記強磁性自由層積層構造は第１方向と、前記第１方向とはほぼ反対の第２方向との間で変更することができる正味の磁化の向きを有し、前記強磁性自由層積層構造は第１及び第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の非磁性スペーサと、を含み、前記第１及び第２強磁性層は非磁性スペーサを介して強磁性結合して平行な磁化方向を有し；
前記強磁性固定層は、固定磁化方向を有し；
前記絶縁バリア層は、前記強磁性自由層積層構造と前記強磁性固定層との間に形成され、前記絶縁バリア層によって、電子が、前記強磁性自由層積層構造と前記強磁性固定層との間に、かつ前記絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で前記強磁性自由層積層構造と前記強磁性固定層との間でトンネリングを起こすようになる、デバイス。
【請求項３２】
前記強磁性自由層の前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間の前記非磁性スペーサは、Ｒｕ，Ｒｅ，Ｃｕ，Ｔａ，またはＣｕを含む、或いはＲｕ，Ｒｅ，Ｃｕ，Ｔａ，またはＣｕを含む合金を含む、請求項３１記載のデバイス。
【請求項３３】
前記強磁性自由層積層構造の前記第１及び第２強磁性層の内の少なくとも一つの強磁性層の強磁性材料は、Ｃｏ，Ｃｏを含む合金，Ｆｅ，Ｆｅを含む合金，Ｎｉ，またはＮｉを含む合金を含む、請求項３１記載のデバイス。
【請求項３４】
前記強磁性自由層積層構造の前記第１及び第２強磁性層の内の少なくとも一つの強磁性層の強磁性材料は、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＮｉＢ，ＣｏＦｅＴａ，ＮｉＦｅ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，Ｃｏ２Ｍｎ（Ａｌ，Ｓｉ），またはＣｏ２（Ｃｒ，Ｆｅ）（Ａｌ，Ｓｉ）を含む、請求項３３記載のデバイス。
【請求項３５】
前記第１強磁性層は前記絶縁バリア層と接触し、かつＸがＢ，Ｐ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，及びＴｉの内の少なくとも一つを含む場合のＣｏＦｅＸを含み、前記第２強磁性層は前記磁性バイアス層と接触し、かつ軟磁性材料を含む、請求項３１記載のデバイス。
【請求項３６】
前記第２強磁性層はＮｉＦｅまたはＮｉＦｅＣｏを含む、請求項３５記載のデバイス。
【請求項３７】
前記第１及び第２強磁性層は逆の磁歪特性を持つ、請求項３５記載のデバイス。
【請求項３８】
前記強磁性自由層積層構造は、全体としてほぼゼロの磁歪を有する、請求項３７記載のデバイス。
【請求項３９】
前記強磁性自由層積層構造は、前記磁性バイアス層によって磁化が弱く固定されて、前記強磁性固定層の磁化方向とは異なる前記第１方向の磁化方向を持つ、請求項３１記載のデバイス。
【請求項４０】
前記強磁性自由層積層構造の前記第１方向の磁化方向は、前記強磁性固定層の前記固定磁化方向からゼロ〜１３５度の角度だけずれる、請求項３９記載のデバイス。
【請求項４１】
第１方向と、前記第１方向とはほぼ反対の第２方向との間で変更することができる磁化方向を有する強磁性自由層と；
前記強磁性自由層と接触し、かつ磁気結合するように形成されて前記強磁性自由層の保磁力を大きくし、前記第１方向と、前記第１方向とほぼ反対の前記第２方向との間での前記強磁性自由層の磁化方向の変更を可能にする磁性バイアス層と；
ほぼ前記第１方向に沿って固定される磁化方向を有する強磁性固定層と；
前記強磁性自由層と前記強磁性固定層との間に形成される絶縁バリア層であって、電子が、前記強磁性自由層と前記強磁性固定層との間に、かつ前記絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で前記強磁性自由層と前記強磁性固定層との間でトンネリングを起こす、絶縁バリア層と、を備え；
前記強磁性自由層は前記磁性バイアス層と前記絶縁バリア層との間に配置される、デバイス。
【請求項４２】
更に、前記強磁性固定層と接触するように形成されて前記強磁性固定層の磁化を前記第１方向に沿って固定する反強磁性（ＡＦＭ）層を備える、請求項４１記載のデバイス。
【請求項４３】
前記磁性バイアス層は反強磁性（ＡＦＭ）層を含み、前記反強磁性層は前記強磁性自由層と磁気結合して、前記強磁性自由層の磁化方向を固定することなく前記強磁性自由層の保磁力を大きくする、請求項４１記載のデバイス。
【請求項４４】
前記磁性バイアス層は金属反強磁性材料を含む、請求項４３記載のデバイス。
【請求項４５】
前記磁性バイアス層は酸化物反強磁性材料を含む、請求項４３記載のデバイス。
【請求項４６】
前記磁性バイアス層はフェリ磁性材料を含む、請求項４１記載のデバイス。
【請求項４７】
前記磁性バイアス層は２つの反強磁性層を含む、請求項４１記載のデバイス。
【請求項４８】
前記磁性バイアス層は：
第１及び第２反強磁性層と；
前記第１反強磁性層と前記第２反強磁性層との間のスペーサ層と、
を含む、請求項４１記載のデバイス。
【請求項４９】
前記磁性バイアス層は：
反強磁性層と；
前記反強磁性層と接触するスペーサ層と、
を含む、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５０】
前記磁性バイアス層は互いに積層する複数の２層構造を含み、各２層構造は反強磁性層と、前記反強磁性層と接触するスペーサ層と、を含む、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５１】
更に：
前記磁性バイアス層と接触し、かつ磁気結合することにより変更可能な磁化方向、及び大きな保磁力を有する第２強磁性自由層と；
前記固定磁化方向を有する第２強磁性固定層と；そして
前記第２強磁性自由層と前記第２強磁性固定層との間に形成される第２絶縁バリア層と、を備え、
前記第２絶縁バリア層によって、電子が、前記第２強磁性自由層と前記第２強磁性固定層との間に、かつ前記第２絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で前記第２強磁性自由層と前記第２強磁性固定層との間でトンネリングを起こすようになる、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５２】
更に：
前記磁性バイアス層と接触し、かつ磁気結合することにより変更可能な磁化方向、及び大きな保磁力を有する第２強磁性自由層と；
前記固定磁化方向を有する第２強磁性固定層と；
前記第２強磁性自由層と前記第２強磁性固定層との間に形成されて、前記第２強磁性自由層及び前記第２強磁性固定層を有するスピンバルブを構成する非磁性スペーサ層と、
を備える請求項４１記載のデバイス。
【請求項５３】
前記磁性バイアス層、前記強磁性自由層、前記絶縁バリア層、及び前記強磁性固定層は、側面形状を有する積層構造を構成し、側面形状を傾斜させて強磁性自由層の横方向寸法が前記強磁性固定層よりも小さくなるようにする、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５４】
前記磁性バイアス層、前記強磁性自由層、前記絶縁バリア層、及び前記強磁性固定層は積層構造を構成し、前記積層構造はメサトップ及びボトムを含み、前記メサトップに前記強磁性自由層が形成され、前記ボトムに前記強磁性固定層が形成され、前記メサトップの横方向寸法が前記ボトムの横方向寸法よりも小さくなるようにして、前記強磁性自由層の横方向寸法を前記強磁性固定層よりも小さくする、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５５】
前記磁性バイアス層の磁化方向を、前記強磁性自由層の磁化容易軸と直交するように配向させる、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５６】
前記磁性バイアス層の磁化方向を、前記強磁性自由層の磁化容易軸と平行になるように配向させる、請求項４１記載のデバイス。
【請求項５７】
変更可能な磁化方向を有する強磁性自由層と、固定磁化方向を有する強磁性固定層と、前記強磁性自由層と前記強磁性固定層との間に形成される絶縁バリア層と、を備える磁気トンネル接合を設ける工程であって、前記絶縁バリア層によって電子が、前記強磁性自由層と前記強磁性固定層との間に、かつ前記絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で前記強磁性自由層と前記強磁性固定層との間でトンネリングを起こす、工程と；
前記強磁性自由層と接触し、かつ磁気結合して前記強磁性自由層の磁化方向の変更を可能にしながら、前記強磁性自由層の保磁力を大きくする磁性バイアス層を設ける工程と、を含み、
前記強磁性自由層は前記磁性バイアス層と前記絶縁バリア層との間に配置される、方法。
【請求項５８】
更に、制御磁界を印加して、前記強磁性自由層の磁化方向を変更して第１強磁性自由層と第２強磁性自由層との間の抵抗を変化させる工程を含む、請求項５７記載の方法。
【請求項５９】
更に、可変の偏極電流を、磁気トンネル接合の前記強磁性自由層と前記強磁性固定層との間に直交方向に流して、前記強磁性自由層の磁化方向を変更することにより、第１強磁性自由層と第２強磁性自由層との間の抵抗を変化させる工程を含む、請求項５７記載の方法。
【請求項６０】
変更可能な磁化方向を有する強磁性自由層と；
前記強磁性自由層と接触し、かつ磁気結合するように形成されて前記強磁性自由層の保磁力を、前記強磁性自由層の磁化方向を固定することなく大きくする磁性バイアス層であって、Ｋ・ｔ＜Ｊを満たす層厚ｔ、異方性定数Ｋ、及び界面交換結合定数Ｊを有する、磁性バイアス層と；
所定方向に沿って固定される磁化方向を有する強磁性ピンド層と；
前記強磁性ピンド層と接触し、かつ磁気結合して前記強磁性ピンド層の磁化方向を所定方向に沿って固定するように作用する反強磁性ピンニング層であって、Ｋ’・ｔ’＞Ｊ’を満たす層厚ｔ’、異方性定数Ｋ’、及び界面交換結合定数Ｊ’を有する、反強磁性ピンニング層と；
前記強磁性自由層と前記強磁性ピンド層との間に形成される中間層と；を備え、
前記強磁性自由層は前記磁性バイアス層と前記中間層との間に配置される、デバイス。
【請求項６１】
前記磁性バイアス層は、デバイスの動作温度よりも高いネール温度（Ｎｅｅｌ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を有する反強磁性材料を含む、請求項６０記載のデバイス。
【請求項６２】
前記磁性バイアス層は、デバイスの動作温度よりも高いキューリー温度（Ｃｕｒｉｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を有するフェリ磁性材料を含む、請求項６０記載のデバイス。
【請求項６３】
前記中間層は、前記強磁性自由層と前記強磁性ピンド層との間に形成される絶縁バリア層であり、前記絶縁バリア層によって電子が、前記絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で前記強磁性自由層と前記強磁性ピンド層との間でトンネリングを起こすようになる、請求項６０記載のデバイス。
【請求項６４】
前記中間層は非磁性金属スペーサ層である、請求項６０記載のデバイス。
【請求項６５】
前記強磁性自由層は、前記強磁性ピンド層及び前記反強磁性ピンニング層よりも小さい横方向寸法を有する、請求項６０記載のデバイス。
【請求項６６】
前記磁性バイアス層の磁化方向を、前記強磁性自由層の磁化容易軸と直交するように配向させる、請求項６０記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、磁性材料、及び少なくとも一つの強磁性自由層を有する構造に関するものである。
【０００２】
本出願は次の米国特許出願の利益を主張する：
１．２００５年９月２０日出願の「安定化させた強磁性自由層を有する磁性素子」と題する同時係属中の米国特許出願第１１／２３２，３５６号、及び
２．２００６年８月１日出願の「強磁性自由層積層構造を有する磁性素子」と題する同時係属中の米国特許出願第１１／４９８，２９４号。
【０００３】
上記２つの米国出願の開示内容全体を参照することにより、開示内容全体が本出願の明細書の一部に組み込まれる。
【背景技術】
【０００４】
種々の磁性材料が多層構造に使用され、多層構造は「自由」層として構成される少なくとも一つの強磁性層を有し、「自由」層の磁化方向は外部磁界または制御電流によって変更することができる。磁気メモリデバイスは、このような多層構造を使用して構成することができ、多層構造では、情報は自由層の磁化方向に基づいて記憶される。
【０００５】
このような多層構造の一例が磁気トンネル接合または磁気抵抗トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＪＴ）であり、このトンネル接合は少なくとも３つの層：すなわち２つの強磁性層、及び２つの強磁性層の間のバリア層としての一つの非磁性絶縁体の薄膜層を含む。中間バリア層の絶縁体は導電性を示さないので、２つの強磁性層の間のバリアとして機能する。しかしながら、絶縁体の厚さが十分に薄い、例えば数ナノメートル以下である場合、２つの強磁性層の電子が絶縁体の薄膜層を、２つの強磁性層にバリア層を横切ってバイアス電圧が印加された状態で発生するトンネル効果に起因して「突き抜ける」ことができる。特に、ＭＴＪ構造を流れる電流に対する抵抗は、２つの強磁性層の磁化の相対的な向きによって変わる。２つの強磁性層の磁化が互いに平行である場合、ＭＴＪ構造における抵抗は最小値ＲＰになる。２つの強磁性層の磁化が互いに反平行である場合、ＭＴＪ構造における抵抗は最大値ＲＡＰになる。この現象の大きさは普通、（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰとして定義されるトンネル磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）によって特徴付けられる。
【０００６】
ＭＪＴを流れる電流に対する抵抗と、２つの強磁性層の間の相対磁化方向とのＴＭＲ効果における関係を不揮発性磁気メモリデバイスに使用して、情報をＭＴＪ（磁気抵抗トンネル接合）の磁化状態により記憶することができる。ＴＭＲ効果を利用する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスは、例えば電子ＲＡＭデバイスに替わるデバイスとなる、または電子ＲＡＭデバイスに匹敵するデバイスとなることができる。このようなデバイスでは、一方の強磁性層が固定された磁化方向を有するように構成され、そして他方の強磁性層が「自由」層であり、この自由層の磁化方向は、固定された方向に対して平行になるように、または反対になるように変更することができる。情報は、ＭＴＪのバリアの２つの側での２つの強磁性層の相対的な磁化方向を利用して記憶される。例えば、バイナリービット「１」及び「０」は、ＭＴＪの２つの強磁性層の磁化が平行に配向する状態、及び反平行に配向する状態として記録することができる。ＭＴＪへのビット記録またはビット書き込みは、自由層の磁化方向を切り替えることにより、例えば電流を交差ストライプ状に配置される書き込みラインに供給することにより生成される書き込み磁界によって、スピントランスファー効果に基づいてＭＴＪに電流を流すことによって、または他の手段によって行なうことができる。スピントランスファースイッチング（磁化反転）では、自由層の磁化の向きを変更するために必要な電流は非常に小さくすることができ（例えば、０．１ｍＡ以下）、かつ磁界の切り替えに使用される電流よりもずっと小さくすることができる。従って、ＭＴＪにおけるスピントランスファースイッチングを利用してセルの消費電力を大幅に減らすことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＭＴＪセルを利用する磁気メモリデバイスの記憶容量を大きくしたいという要求により、各ＭＴＪセルを小さくして、所定のウェハ面積におけるＭＴＪセルの個数を増やすことが必要になる。ＭＴＪセルのサイズが小さくなると、各セルにおけるＭＴＪの磁化方向は、熱擾乱、磁気外乱、または超常磁性のような種々の要素の影響を受け易くなる。これは、一つの理由として、デジタルビットを記憶し、そして保持するＭＴＪの保磁力に起因する磁気エネルギーがＭＴＪセルのサイズとともに小さくなるからである。デジタルビットを記憶し、そして保持するための磁気エネルギーがセルサイズとともに小さくなって、普通、外乱発生源のエネルギーの複数倍である臨界値を下回ると、外乱エネルギーが、ＭＴＪセルの磁化状態を変化させ、従って記録ビットを変化させるために十分な大きさとなる恐れがある。従って、十分に小さいセルにおけるＭＴＪの磁化方向は、これらの要素、及び他の要素のいずれかが発生する、または重なり合うことによって突発的に変更される恐れがあるので、ＭＴＪに記憶された情報が変化する、または消去される。外乱は、セルの周りの熱擾乱の熱エネルギー、またはＭＴＪセルとセルからの漏洩磁界との間の相互作用に起因するエネルギーのような種々の要素によって発生する恐れがある。
【０００８】
従って、ＭＴＪ及び他の多層構造における強磁性自由層の保磁力を大きくし、これによって強磁性自由層の磁化方向を種々の外乱に対して安定化させることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本出願は、種々の特徴の中でもとりわけ、磁性バイアス層を使用して自由層の保磁力を大きくし、熱擾乱及び漏洩磁界に対する磁気安定性を高める磁気トンネル接合または磁気抵抗トンネル接合（ＭＪＴｓ）、及び他の磁性多層構造について記述する。このようなＭＴＪ及び他の磁性多層構造を使用して、磁気メモリセルを、各セルが低アスペクト比で小さく形成されるＣＭＯＳ処理を利用する高密度ＭＲＡＭチップのような高密度集積回路において形成することができる。
【００１０】
一の態様では、デバイスが、第１方向と、前記第１方向とほぼ反対の第２方向との間で変更することができる磁化方向を有する強磁性自由層を含むものとして記述される。磁性バイアス層もこのデバイスに、強磁性自由層と接触し、かつ磁気結合するように形成して、強磁性自由層の保磁力を大きくし、かつ強磁性自由層の磁化方向を、第１方向と、前記第１方向とほぼ反対の第２方向との間で変更することができるようにする。このデバイスは更に、ほぼ第１方向に沿って固定される磁化方向を有する強磁性固定層と、そして強磁性自由層積層構造と強磁性固定層との間に形成される絶縁バリア層と、を含み、絶縁バリア層によって、電子が、強磁性自由層と強磁性固定層との間に、かつ絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で強磁性自由層と強磁性固定層との間でトンネリングを起こすようになる。強磁性自由層は磁性バイアス層と絶縁バリア層との間に配置される。
【００１１】
別の態様では、方法が以下の工程を含むものとして記述される。変更可能な磁化方向を有する強磁性自由層と、固定磁化方向を有する強磁性固定層と、そして強磁性自由層と強磁性固定層との間に形成される絶縁バリア層と、を含む磁気トンネル接合を設け、絶縁バリア層によって電子が、強磁性自由層と強磁性固定層との間に、かつ絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で強磁性自由層と強磁性固定層との間をトンネリングするようになる。更に、強磁性自由層と接触し、かつ磁気結合して強磁性自由層の磁化方向の変更を可能にしながら、強磁性自由層の保磁力を大きくする磁性バイアス層を設ける。強磁性自由層は磁性バイアス層と絶縁バリア層との間に配置される。
【００１２】
別の態様では、本出願はデバイスについて記述し、このデバイスは、変更可能な磁化方向を有する強磁性自由層と、そして強磁性自由層と接触し、かつ磁気結合するように形成されて強磁性自由層の保磁力を、強磁性自由層の磁化方向を固定することなく大きくする磁性バイアス層と、を含む。磁性バイアス層は、Ｋ・ｔ＜Ｊを満たす層厚ｔ、異方性定数Ｋ、及び界面交換結合定数Ｊを有する。ＭＴＪは更に、所定方向に沿って固定される磁化方向を有する強磁性ピンド層と、そして強磁性ピンド層と接触し、かつ磁気結合して強磁性ピンド層の磁化方向を所定方向に沿って固定するように作用する反強磁性ピンニング層と、を含む。反強磁性ピンニング層はＫ’・ｔ’＞Ｊ’を満たす層厚ｔ’、異方性定数Ｋ’、及び界面交換結合定数Ｊ’を有する。デバイスは更に、強磁性自由層と強磁性ピンド層との間に形成される中間層を含む。強磁性自由層は磁性バイアス層と中間層との間に配置される。一の実施形態では、中間層は、強磁性自由層と強磁性ピンド層との間に形成される絶縁バリア層とすることができ、絶縁バリア層によって電子が、絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で強磁性自由層と強磁性ピンド層との間でトンネリングを起こすようになる。別の実施形態では、中間層は非磁性金属層とすることができる。
【００１３】
更に別の態様では、本出願は、少なくとも強磁性自由層積層構造を有するＭＴＪ構造について記述する。このような強磁性自由層積層構造の実施形態を使用して、単一の材料しか持たない自由層において実現することが難しい多数の利点をもたらすことができる。例えば、強磁性自由層積層構造内の非磁性バイアス層は拡散バリア層として機能して、堆積後アニール処理を行なっている間の不所望の拡散及び結晶配向形成を阻止することができる。
【００１４】
強磁性自由層積層構造を利用するデバイスに関する一つの例では、デバイスは基板と、そして基板上に形成される磁気セルと、を含む。磁気セルは強磁性自由層積層構造を含み、積層構造は第１方向と、前記第１方向とほぼ反対の第２方向との間で変更することができる正味の磁化の向きを有する。強磁性自由層積層構造は第１及び第２強磁性層と、そして第１強磁性層と第２強磁性層との間の非磁性スペーサと、を含む。強磁性固定層が固定磁化方向を有するように磁気セルに設けられる。磁気セルは更に、強磁性自由層積層構造と強磁性固定層との間に形成される絶縁バリア層を含み、絶縁バリア層によって、電子が、強磁性自由層積層構造と強磁性固定層との間に、かつ絶縁バリア層にバイアス電圧が印加された状態で強磁性自由層積層構造と強磁性固定層との間でトンネリングを起こすようになる。
【００１５】
強磁性自由層積層構造を利用するデバイスに関する別の例では、上記デバイスは、強磁性自由層積層構造と接触し、かつ磁気結合して強磁性自由層積層構造の保磁力を大きくし、そして第１方向と、前記第１方向とほぼ反対の第２方向との間での強磁性自由層積層構造の磁化方向の変更を可能にする磁性バイアス層を含むことができる。
【００１６】
これらの態様及び実施形態、及び他の態様及び実施形態、これらの態様及び実施形態の変更例及び変形例について更に詳細に、添付の図、詳細な記述、及び請求項において説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
磁性バイアス層を使用して本出願に記載される強磁性自由層を安定化させる方法は、種々の磁性多層構造に適用することができる。種々の実施形態では、強磁性自由層の磁化方向は、スピントランスファー効果を使用することにより切り替えることができる。ＭＴＪはこのような構造の単成る一例に過ぎない。強磁性自由層を有するこのような多層構造はスピンバルブ構造であり、スピンバルブ構造は、磁気メモリデバイス及び他の磁性素子に使用することもできる。スピンバルブは２つの強磁性層と、そして２つの強磁性層の間のスペーサ層としての一つの非磁性金属薄膜層と、を含むことができる。ＭＴＪと同様に、一方の強磁性層が固定層であり、そして他方の強磁性層が自由層である。スピンバルブの自由層は、ＭＴＪにおける自由層と同様の安定性の問題を示す。従って、バイアス層はスピンバルブにおいても用いることができる。以下の例ではＭＴＪを、種々のバイアス層の構造、実施例、及び動作を示すための例として使用する。
【００１８】
図１Ａは、Ｓｉ基板のような基板１０１の上に形成されるＭＴＪ１００の一つの例を示している。ＭＴＪ１００は、基板１０１上に直接形成される一つ以上のシード層１０２の上に構成される。シード層１０２の上には、反強磁性（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ：ＡＦＭ）層１１３がまず形成され、次に第１強磁性層１１１がＡＦＭ層１１３の上に形成される。ポストアニールを施した後、強磁性層１１１の磁化を後の時点でピン止めして、強磁性層１１１に固定磁化を付与する。或る実施形態では、この固定磁化の方向は基板１０１（すなわち、基板表面）に平行とすることができる。第１強磁性層１１１の上には、酸化金属層のような薄い絶縁バリア層１３０が設けられる。ＭＴＪ１００では、第２強磁性層１１２がバリア層１３０の上に直接形成される。更に、少なくとも一つのキャップ層１１４が第２強磁性層１１２の上に形成されてＭＴＪを保護する。
【００１９】
強磁性層１１２の磁化はピン止めされず、かつピンド層１１１の固定磁化方向と平行に、または反平行になるように、外部制御磁界、またはＭＴＪに対して垂直方向に流れる駆動電流のいずれかを制御することによって自由に変化させることができる。このような理由により、層１１２は自由層（ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ：ＦＬ）である。磁界動作範囲の磁界によって、または接合に電流動作範囲の電流を流すことによって、自由層１１２の磁化の向きを強制的にピンド層１１１の固定磁化方向とほぼ平行に、またはほぼ反平行にすることができる。多くの磁場系では、静磁エネルギーが競合して、磁区またはナノ磁石が各強磁性層において完全な平行配向、または完全な反平行配向を示す現象を防止するように作用する。ＭＴＪでは、自由層１１２内のナノ磁石のエネルギー状態に大きな影響を与えることによって、ナノ磁石が強制的に平行配向または反平行配向を示すようになるので、ほぼ平行な配向またはほぼ反平行な配向が実現する。
【００２０】
図１Ｂは、磁気メモリチップデバイスの一例を示しており、このチップデバイスでは、図１ＡのＭＴＪ構造または他のＭＴＪ構造を利用するＭＴＪセルの２次元アレイがモノリシックに基板１０１の上に形成される。デカルト座標（ｘ，ｙ，ｚ）を使用してチップの種々の寸法を示す。図１Ｂの矩形ブロックを使用してＭＴＪセルの相対位置、及びメモリチップの各ＭＴＪセルの寸法を表わす。実際のデバイスでは、各セルは楕円形とすることができ、かつｘ方向に沿って長い。図１Ｃは、図１ＢのメモリチップのＭＴＪを含む種々の構造の例示としての一つのレイアウトを示し、この場合、各ＭＴＪは基板上の金属ビアプラグの上に形成される。各ＭＴＪセルは、長さＬ１をｘ方向に沿って、そして長さＬ２をｙ方向に沿って有するものとして示され、この場合、ｘ方向及びｙ方向はともに、基板の平面に平行である。各ＭＴＪのｘ方向及びｙ方向のアスペクト比はＡ＝Ｌ１／Ｌ２と表わされる。メモリチップの単位面積当たりの記憶密度を大きくするために、Ｌ１及びＬ２の両方を小さくして、メモリデバイスにおける所定面積内のＭＴＪセルの個数を増やす。
【００２１】
ＭＴＪセルの熱安定性を高める一つの公知の方法では、磁気セルの磁気記録層の形状異方性を使用して、空間的に特定の磁化方向に揃える。或る事例では、大きな形状異方性を使用して、例えば異方性磁界に関して数エルステッドから数十エルステッドとなり得る不十分な大きさの固有の結晶異方性を補償することができる。静磁界モデルによれば、楕円形ＭＴＪセルのスイッチング磁界は、強い面内磁気異方性を示す膜に関して次式のように表わすことができる：
ＨＫｅｆｆ＝ＨＫｉｎｓ＋ＨＫｓｈａｐｅ
上の式では、ＨＫｉｎｓは結晶異方性に起因する異方性磁界を表わし、そしてＨＫｓｈａｐｅは形状異方性に起因する異方性磁界を表わす。特に、ＨＫｓｈａｐｅはＡ・ｔＦ／Ｌ１に比例し、ＡはＭＴＪ層に平行な平面におけるＭＴＪのアスペクト比であり、Ｌ１は磁気セルの長軸に沿った長さであり、そしてｔＦは自由層の膜厚である。明らかなことであるが、Ａを１よりも大きくして、十分に高いＨＫｓｈａｐｅ、従って十分に高い実効異方性ＨＫｅｆｆを維持することにより、セルに課される熱安定性要件を満たす必要がある。大きな異方性は、大きな熱励起効率（ＫｕＶ／ｋＢＴ）に対応し、Ｋｕは一軸異方性エネルギーであり、そしてＶは自由層の容積である。
【００２２】
しかしながら、ＣＭＯＳ製造プロセスに組み込まれた磁気セルの縮小化によって、セルのサイズ、形状、及びアスペクト比（Ａ）に制限が課される。例えば、１３０ｎｍノードＣＭＯＳ技術では、ＭＴＪセルのアスペクト比Ａの上限は、重なりのルールを無視する場合には約１．７７に制限され、そして重なりのルールを考慮に入れて、０．２３μｍのビアサイズを１辺につき０．０５５μｍの重なりで設計する場合には約１に制限される。上述の技術よりも進んだ９０ｎｍテクノロジーノードのＣＭＯＳ技術を使用する場合、ＭＴＪセルのアスペクト比Ａは実際に、１辺につき０．００３μｍの重なりで設計される０．１５μｍのビアサイズに関して１．６７から１へと小さくなる。従って、ＣＭＯＳ製造に関する制限が各セルのアスペクト比Ａに対して課されることによって、大きなアスペクト比Ａ、及び高いセル密度の両方を同時に達成することは困難になる。従って、ＭＴＪセルを、形状異方性を利用して安定化させるアプローチは、大きな単位面積当たりのセル密度を持つメモリデバイスにおいて実行することが困難になる。更に、セルの形状を非対称にすると、製造工程中のプロセスの複雑さが増大し、かつセルの均一性を制御するのが難しくなる。
【００２３】
本出願では、ＭＴＪの自由層に大きな異方性磁界、または大きな保磁力を発生させて、熱擾乱及び漏洩磁界のような外乱に対するＭＴＪセルの安定性を、セル形状を非対称にする必要を生じることなく高める技術及びＭＴＪセル構造について記述する。熱安定性が高い磁気セルは、ＭＴＪセルの自由層の異方性磁界または保磁力がバイアス層によって大きくなるので、小さいアスペクト比によって実現することができる。その結果、標準のＣＭＯＳ製造プロセスを、小さな寸法のこのようなセルの製造プロセスに適用して、ＭＲＡＭまたは他のデバイスに使用される高集積ＭＴＪセルアレイを構成することができる。種々の実施形態では、大きな保磁力を持つ自由層を備えるＭＴＪセルは、スピントランスファーによる磁化反転を利用して動作することによりデータを記憶するように構成することができる。このようなＭＴＪセルを使用して低消費電力及び高速書き込み、及び読み出しを実現する。
【００２４】
図２は、ＭＴＪセル構造２００の一例を示し、このセル構造は、所望の熱安定性を低アスペクト比で実現するために適する保磁力の大きい強磁性自由層２０２を有する。図２のＭＴＪの基本的な層は図１の構造と同様の構造になっている。自由層２０２は図１の自由層１１２とは、磁性バイアス層２０１が自由層２０２と接触し、かつ磁気結合するように形成されて、自由層２０２の保磁力を大きくする点で異なる。磁性バイアス層２０１と自由層２０２との間の磁気結合は或る大きさに設定され、この大きさの磁気結合によって、自由層２０２の磁化方向を２つの反対方向の間で、例えば電流をＭＴＪに流し、スピントランスファースイッチング（磁化反転）を利用することにより変更する、または切り替えることができる。或る実施形態では、磁性バイアス層２０１の磁化方向を、自由層２０２の磁化容易軸に直交するように配向させて、交換磁界またはループシフト量を小さくする、または最小にすることができる。他の実施形態では、磁性バイアス層２０１の磁化方向を、自由層２０２の磁化容易軸に平行になるように配向させることができる。
【００２５】
図２に示す構造では、ピンド層１１１は第１方向または第２方向のいずれかに沿った固定磁化方向を有する。絶縁バリア層１３０を自由層２０２とピンド層１１１との間に形成して、電子が、自由層２０２とピンド層１１１との間で、自由層２０２とピンド層１１１との間に、かつ絶縁バリア層１３０にバイアス電圧が印加されている状態でトンネリングを起こすようにする。絶縁バリア層１３０を形成する金属は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、及びマグネシウム（Ｍｇ）とすることができる。更に、異なる金属を利用する種々の窒化物層を使用して絶縁バリア層１３０を形成することができる。幾つかの例が、アルミニウム窒化物（例えば、ＡｌＮ）、Ｔｉ窒化物（例えば、ＴｉＮ）、ＡｌＴｉ窒化物（例えば、ＴｉＡｌＮ）、及びマグネシウム窒化物である。層１１１，２０２，及び１１４の各々は、２つ以上のサブ層を含む多層構造を有することができる。磁性バイアス層２０１は反強磁性層または強磁性層とすることができる。
【００２６】
この構造では、強磁性層１１１はＡＦＭ層１１３と接触し、かつＡＦＭ層１１３と磁気結合する。強磁性層１１１は「自由」ではなく、かつこの層の磁化方向がＡＦＭ層１１３によって固定されるので磁化反転することができない。ＡＦＭ層１１３は詳細には、強磁性層１１１の磁化方向をピン止めするように構成される。これに関連して、ＡＦＭ層１１３は、３つのパラメータ：すなわちＡＦＭ層の層厚ｔＡＦ、ＡＦＭ層の異方性定数ＫＡＦ、及び強磁性層１１１との結合の程度を示すＡＦＭ層の界面交換結合定数Ｊｉｎｔによって特徴付けることができる。ＡＦＭ層１１３に関するこれらのパラメータは次の条件式を満たす場合、
ＫＡＦ・ｔＡＦ＞Ｊｉｎｔ、
ＡＦＭ層１１３の磁気異方性が支配的になり、そしてＡＦＭ層１１３は、層１１１の異方性を、層１１３と１１１との間の磁気結合によって磁気的に制御する。この状態では、強磁性層１１１の磁化方向は、ＡＦＭ層１１３の一方向異方性によって固定される。このピン止め状態は、例えばＡＦＭ層の膜厚ｔＡＦを厚くすることにより、ＡＦＭ材料の異方性定数ＫＡＦを大きくすることにより、または膜厚ｔＡＦを厚く、かつ異方性定数ＫＡＦを大きくすることにより実現する。ピン止め状態は、ＡＦＭ層の膜厚ｔＡＦが厚く、かつ異方性定数ＫＡＦが非常に小さいＡＦＭ材料を使用することにより実現することができる。
【００２７】
磁性バイアス層２０１は、ＡＦＭ層１１３とは異なる磁気特性を持つことにより層１１１をピン止めし、そしてＡＦＭ層１１３とは異なる機能を実現するように構成される。層２０１及び自由層２０２は互いに磁気結合するが、自由層２０２は依然として「自由であり」、そして自由層の磁化方向は、スピントランスファースイッチングに基づいて電流を流すことにより変更することができる。従って、バイアス層２０１は次の条件式を満たすように構成される：
ＫＡＦ・ｔＡＦ＜Ｊｉｎｔ
磁性バイアス層２０１の膜厚が小さい値に設定される場合、交換バイアス磁界は無視できるほど小さいが、保磁力は、合計異方性エネルギーが自由層２０２において増大するので、ＡＦＭ層の膜厚とともに増大する。従って、磁性バイアス層２０１は、自由層２０２の異方性磁界を大きくするように構成される。種々の実施形態では、磁性バイアス層２０１のＡＦＭ材料は、ブロッキング温度をＭＴＪセルの動作温度よりも高くし、界面交換結合定数Ｊｉｎｔを大きくし、そして異方性定数ＫＡＦを適度に大きくするように選択される。反強磁性材料の場合、ネール温度（Ｎｅｅｌ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）がブロッキング温度（冷却過程で磁化が固定される温度）となる。強磁性材料の場合、当該材料のキューリー温度（Ｃｕｒｉｅ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）がブロッキング温度となる。多くのアプリケーションにおいて、磁性バイアス層２０１の膜厚ｔＡＦは一定の値に設定することができる、または変更することができる。従って、他の２つのパラメータＫＡＦ及びＪｉｎｔを調整し、そして選択して、条件式ＫＡＦ・ｔＡＦ＜Ｊｉｎｔを満たし、自由層２０２の異方性磁界または保磁力Ｈｃが磁気セル構造の熱安定性の条件を満たすために十分な大きさとなるようにする。
【００２８】
Ｊｉｎｔ及びＫＡＦの値が固定される場合、臨界ＡＦＭ膜厚はｔＡＦｃｒｉｔｉｃａｌ＝Ｊｉｎｔ／ＫＡＦと表わされ、そして交換バイアス磁界Ｈｅｘが２つの動作領域の間で発現する現象を示す指標として使用される。広く使用される２つのＡＦＭ材料がＩｒＭｎ及びＰｔＭｎである場合、ｔＡＦｃｒｉｔｉｃａｌに関する推定値はそれぞれ４０オングストローム及び８０オングストロームであり、この場合、Ｊｉｎｔ＝０．０４（ＩｒＭｎ）ｅｒｇ／ｃｍ２及び０．０８（ＰｔＭｎ）ｅｒｇ／ｃｍ２、及びＫＡＦ＝１×１０＋５ｅｒｇ／ｃｍ３である。実際のデバイス形態では、これらの値は、製造プロセスにおける種々の複雑さに起因して上記推定値から変わり得る。
【００２９】
磁性バイアス層２０１は、ＫＡＦ・ｔＡＦ＜Ｊｉｎｔで表わされる領域の内部で動作して、十分に大きい保磁力が隣接する自由層２０２に発生するように構成される。一例として、磁気セル構造が、データを１０年間に渡って保持するために必要とされる条件であるＫｕＶ／ｋＢＴ＝５５を満たす場合、自由層の該当する保磁力は、ＩｒＭｎから成るＡＦＭ層を、Ａｒｅａ＝０．０２μｍ２，ｔＦ＝２５オングストローム，Ｍｓ＝１０５０  ｅｍｕ／ｃｃ，Ａ＝１：１を満たす磁性バイアス層として使用する場合に約１００エルステッドとなる。しかしながら、既存の実験データは、ほとんどの注目に値する保磁力Ｈｃが数十エルステッド内に収まり、かつ普通、Ｈｃが更に、交換バイアス磁界Ｈｅｘとともに増大することを示唆している。このような状況では、磁性バイアス層を自由層と一緒に使用して自由層の異方性を大きくするには、ＡＦＭ積層構造及びプロセス加工技術を用いて、交換バイアス磁界Ｈｅｘを小さくし、かつ保磁力をＫＡＦ・ｔＡＦ＜Ｊｉｎｔの条件を満たす範囲内で大きくする必要がある。
【００３０】
図３Ａは、保磁力ＨｃをＫＡＦ・ｔＡＦ＜Ｊｉｎｔの条件を満たす範囲で大きくするモードを示し、この場合、ＫＡＦ＝１×１０＋５ｅｒｇ／ｃｍ３、ｔＦ＝２５オングストローム，そしてＭｓ＝１０５０  ｅｍｕ／ｃｃである。図３Ｂは、ＫＡＦ・ｔＡＦを０．０１ｅｒｇ／ｃｍ２以上にして自由層における保磁力Ｈｃを大きくする必要があるＡＦＭ磁性バイアス層（ＩｒＭｎ）の異方性エネルギーを示している。
【００３１】
図２の磁性バイアス層２０１は種々の構成で用いることができる。例えば、磁性バイアス層２０１は単一のＡＦＭ層により形成することができ、この場合、組成をプロセス条件を制御することによりずらして、Ｍｎ含有量がＩｒＭｎの場合に５０〜９５原子％であり、かつＰｔＭｎの場合に３０〜８０原子％となるようにする。層厚は１０〜２００オングストロームとすることができる。
【００３２】
別の例として、磁性バイアス層２０１は、２つのＡＦＭ材料、すなわちＡＦＭ１及びＡＦＭ１によりそれぞれ形成される２つのＡＦＭサブ層から成る２重層とすることができる、またはＡＦＭ１及びＡＦＭ２から成る２重層の積層構造とすることができる。各ＡＦＭサブ層は１０〜２００オングストロームの膜厚を有し、かつＩｒＭｎまたはＰｔＭｎにより形成することができる。例えば、サブ層ＡＦＭ１では、Ｍｎ含有量がＩｒＭｎの場合に７５〜８５原子％であり、そしてＰｔＭｎの場合に４５〜５５原子％である。層厚はＩｒＭｎの場合に１０〜４０オングストロームとし、そしてＰｔＭｎの場合に４０〜８０オングストロームとすることができる。サブ層ＡＦＭ２では、Ｍｎ含有量がＩｒＭｎの場合に５０〜８５原子％または８５〜９５原子％であり、そしてＰｔＭｎの場合に５〜４５原子％または５５〜８０原子％であり、サブ層ＡＦＭ２の膜厚は調整することができる。
【００３３】
磁性バイアス層２０１は、非磁性スペーサが２つのＡＦＭ層であるＡＦＭ１とＡＦＭ２との間に配置される（すなわち、ＡＦＭ１／スペーサ／ＡＦＭ２）構成の３つの層から成る３重層とすることもできる、または２つ以上の２重層ＡＦＭ１／スペーサから成る積層構造とすることもできる（スペーサ＝Ｒｕ，Ｔａ，Ｃｕ，ＮｉＦｅＣｒ，２〜２０オングストローム）。
【００３４】
これらの例、及び他の例では、ＡＦＭ１層及びＡＦＭ２層は同様の組成及び構造、または異なる組成及び構造を有することができる。２つ以上のサブ層を有する磁性バイアス層では、自由層と界面を接するＡＦＭサブ層は、ＡＦＭの臨界層厚よりも薄い膜厚を有するように構成される。この構成によって、磁性バイアス層全体が成長するときの保磁力Ｈｃを高めながら交換バイアス磁界Ｈｅｘに対する制御性を高めることができる。
【００３５】
マグネトロンスパッタリングを使用して磁性バイアス層を形成することができる。別の構成として、ＩＢＤ（イオンビーム蒸着）を使用するイオンビーム支援堆積プロセスを使用して、層の構造及び組成を変更して、保磁力Ｈｃを高め、かつ交換バイアス磁界Ｈｅｘを弱めることができる。更に、磁性バイアス層に磁界中でイオンを照射することにより、交換バイアス磁界Ｈｅｘを弱めながら保磁力Ｈｃを高めることができる。
【００３６】
種々のＡＦＭ材料を使用して、磁性バイアス層２０１全体の一つ以上のサブ層を構成することができる。例えば、次のＡＦＭ材料の内のいずれかを使用する、または次のＡＦＭ材料の内の２つ以上のいずれかの材料の組み合わせを使用することができる：（１）金属ＡＦＭ材料：ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｔＰｄＭｎ，ＮｉＭｎ，ＦｅＭｎ（Ｒｈ），ＣｒＭｎ，ＦｅＮｉＭｎ，ＣｏＭｎ，ＲｈＭｎ，ＣｒＭｎ（Ｐｔ，Ｃｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｔｉ），及びＣｒＡｌ；（２）酸化物ＡＦＭ材料：Ｎｉ（Ｆｅ）Ｏ，Ｆｅ（Ｃｏ）Ｏ，Ｃｏ（Ｆｅ）Ｏ，ＮｉＦｅ（Ｃｏ）Ｏ，ＣｒＯ；及び（３）ＦｅＳ。更に、磁性バイアス層２０１の各ＡＦＭ材料は、ＴｂＣｏ，ＤｙＣｏ，ＴｂＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，ＣｏＦｅＯ，ＦｅＯ，及び（Ｍｎ，Ｚｎ）ＦｅＯのような２つ以上の強磁性材料の内の一つの材料、またはこれらの強磁性材料の組み合わせに置き換えることもできる。上の組成化学式では、（）内の元素は含有量が少ない元素を表わす。例えば、Ｆｅ（Ｃｏ）Ｏでは、Ｃｏの含有量がＦｅの含有量よりも少ない。
【００３７】
ＣＭＯＳ構造及び製造におけるビア処理では、重なりのルールが課されるので、磁気セルのアスペクト比及びサイズが制限を受ける。ＭＴＪセルに磁性バイアス層を使用することにより、自由層の熱安定性を高めることができ、かつ安定なＭＴＪセルをＣＭＯＳの微細化限界内で形成することができる。自由層は薄い膜厚、及び小さい磁気モーメントを有するように設計して、スピントランスファー効果に基づいて自由層の磁化方向を切り替えるために必要なスピントランスファースイッチングによる電流密度を小さくすることができる。磁性バイアス層を設けることにより、このような薄い自由層に高い保磁力及び所望の熱安定性を持たせることができる。
【００３８】
一旦、ＭＴＪセルのサイズ及びアスペクト比を小さくして、寸法２００ｎｍよりも小さくする、または１００ｎｍ未満とすると、このような小さなＭＴＪセルは熱的に不安定になり易く、かつ磁区構造の磁壁の影響、及び漏洩磁界による影響を受け易くなる。磁壁の影響は、スピンカーリングが生じる、またはスピン渦を引き起こすことによりスピン配向が変化し易くなるように作用する。スピン配向が変化することにより、磁気セルの磁気特性が劣化し、そして情報記憶のデータエラーレートが大きくなる。磁性バイアス層を使用して種々の実施形態におけるこれらの問題を解決することができ、磁性バイアス層と自由層との間で起きる異方性エネルギーに及ぼす強磁性交換相互作用により、スピンが磁性バイアス層の磁化容易軸に沿って配向して、磁気セルの磁気特性を向上させる。
【００３９】
特に、自由層の保磁力が磁性バイアス層との磁気相互作用によって高まることにより、ＭＴＪセルは所望の安定性を熱擾乱及び漏洩磁界に対して、セルの形状異方性を利用することなく実現することができる。従って、セルの形状異方性の度合いが小さい場合、例えばセルをＣＭＯＳ処理を用いて形成して、セルが約１００ｎｍの寸法を有するようになる場合、磁性バイアス層を使用することによって、ＭＴＪセルを、ＣＭＯＳプロセス技術で達成される低アスペクト比を満たすように設計し、そして形成することができる。このような背景から、磁気セルの形状またはアスペクト比はＭＴＪセルの制約要素ではなくなる。従って、磁性バイアス層を使用することによって、セル設計及びレイアウトを容易にすることができる。更に、自由層の保磁力を所望の大きさに、磁性バイアス層の異方性を、構造及びプロセスを制御して調整することにより設定することができる。この調整は、ＣＭＯＳ処理において行なわれる各セルのアスペクト比に対する制御よりも、相対的に容易に、かつ均一性及びプロセスマージンが改善されるように行なうことができる。
【００４０】
図２の構造における磁性バイアス層以外の層の種々の例について以下に説明する。
【００４１】
１．自由層
自由層（ＦＬ）はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，またはこれらの金属の合金であり、これらの金属及び合金は結晶構造を有する、またはボロンによって改質されるアモルファス状態になっている、或いは他のアモルファス形成元素が異なる組成（０〜３０原子％）で添加された状態になっている。自由層の飽和磁化は、アモルファス形成元素の組成を変えることにより、４００〜１５００ｅｍｕ／ｃｍ３の範囲に調整することができる。層厚を制御して、出力信号が許容レベルに維持されるようにすることができる（電流誘起磁化反転を最適化しながら）。
【００４２】
自由層は単一層構造または多層構造とすることができる。単一層構造の場合、強磁性材料またはフェリ磁性材料を使用することができる。多層構造の個々の層は、強磁性材料またはフェリ磁性材料のいずれかである複数の磁性材料の組み合わせとする、或いは磁性層及び非磁性層の組み合わせ（２つの強磁性層が非磁性スペーサによって分離される構成の複合反強磁性体のような）とすることができる。スペーサ層をこの複合構造に使用することによって更に、拡散停止層が、反強磁性層に使用されるＭｎ元素がバリア層に拡散する可能性を無くすように作用するという利点が得られる。強磁性層は、Ｃｏ，ＣｏＦｅ（５〜４０％），ＣｏＦｅ（５〜４０％）Ｂ（５〜３０％），ＣｏＦｅ（５〜４０％）Ｔａ（５〜３０％），ＮｉＦｅ（〜２０％），ＣｏＰｔ（５〜４０％），ＣｏＰｄ（５〜４０％），ＦｅＰｔ（５〜４０％），Ｃｏ２Ｍｎ（Ａｌ，Ｓｉ），またはＣｏ２（Ｃｒ，Ｆｅ）（Ａｌ，Ｓｉ）とすることができる。フェリ磁性層は、ＣｏＧｄ（１５〜３５％）またはＦｅＧｄ（１０〜４０％）とすることができる。非磁性スペーサは、Ｒｕ，Ｒｅ，またはＣｕとすることができる。全ての組成は原子パーセントで表記されている。
【００４３】
２．ピン層
ピン層（ＰＬ）は、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，またはこれらの金属の合金であり、これらの金属及び合金は結晶構造を有する、またはボロンによって改質されるアモルファス状態になっている、或いは他のアモルファス形成元素が異なる組成（０〜３０原子％）で添加された状態になっている。ピン層は、単一層構造または多層構造とすることができる。単一層構造の場合、強磁性材料またはフェリ磁性材料を使用することができる。多層構造の個々の層は、強磁性材料またはフェリ磁性材料のいずれかである複数の磁性材料の組み合わせとする、或いは磁性層及び非磁性層の組み合わせ（２つの強磁性層が非磁性スペーサによって分離される構成の複合反強磁性体のような）とすることができる。強磁性層は、Ｃｏ，ＣｏＦｅ（５〜４０％），ＣｏＦｅ（５〜４０％）Ｂ（５〜３０％），ＣｏＦｅ（５〜４０％）Ｔａ（５〜３０％），ＮｉＦｅ（〜２０％），ＣｏＰｔ（５〜４０％），ＣｏＰｄ（５〜４０％），ＦｅＰｔ（５〜４０％），Ｃｏ２Ｍｎ（Ａｌ，Ｓｉ），またはＣｏ２（Ｃｒ，Ｆｅ）（Ａｌ，Ｓｉ）とすることができる。フェリ磁性層は、ＣｏＧｄ（１５〜３５％）またはＦｅＧｄ（１０〜４０％）とすることができる。非磁性スペーサは、Ｒｕ，Ｒｅ，またはＣｕとすることができる。全ての組成は原子パーセントで表記されている。
【００４４】
３．バリア層
トンネルバリア層は、ＡｌＯ（４０〜７０％），ＭｇＯ（３０〜６０％），ＡｌＯ（４０〜７０％）Ｎ（２〜３０％），ＡｌＮ（３０〜６０％），及びＡｌ（Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｏから成る単一層、または上に挙げた膜から成る多層構造とすることができ、これらの層または膜は結晶構造を有する、またはアモルファス状態になっている。５オングストローム〜４０オングストロームの範囲の膜厚を有するバリア層は、元の金属開始材料を堆積させ、次に堆積膜を自然酸化及び／又はプラズマ酸化を使用して酸化することにより、または元の酸化物開始材料を、トンネル電流がバリアを流れるようにｒｆスパッタリングすることにより処理される。バリアの抵抗−面積の積の範囲は１０〜１００Ω−μｍ２である。バリアと自由層との間だけでなく、バリアとピンド層との間の界面の構造を最適化して電子の最大のスピン偏極率（偏極率＞４０％）だけでなく、最大のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）値（例えば、ＴＭＲ＞２０％）を実現する。
【００４５】
４．スペーサ層
スピンバルブセルでは、ＭＴＪセルに関して上に説明したバリア層１３０は、非磁性金属スペーサ層によって置き換えられる。スペーサ材料の例として、Ｃｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｒｕ，Ｒｅ，Ｒｈ，Ｔａ，Ｔｉ，２つ以上のこれらの金属の組み合わせ、またはこれらの金属の合金を挙げることができる。非磁性スペーサ層は、上に挙げた金属の内の一つ以上の金属を、ナノ酸化物（ＮＯＬ）層または電流閉じ込め層を挿入する形でこれらの層と組み合わせることにより形成することができる。或る実施形態では、非磁性スペーサは、まず、元の金属開始材料を堆積させ、次に堆積膜を自然酸化及び／又はプラズマ酸化を使用して酸化することにより、または元の金属開始材料をｒｆスパッタリングすることにより形成することができる。金属開始材料には、ピン層材料または自由層材料と同様の材料を使用することができ、このような材料として、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，及びＣｏＦｅＮｉＢのような磁性材料、及びＡｌ，Ｔａ，Ｒｕ，及びＴｉのような非磁性材料を挙げることができる。電流閉じ込め層は、例えばＣｕ／ＣｏＦｅ，ＦｅＳｉ，Ａｌ，Ｔａ，Ｒｕ，またはＴｉ／ＮＯＬ／Ｃｕとすることができる。
【００４６】
図２の磁性バイアス層を有するＭＴＪセルには、「ｂｏｔｔｏｍ  ＭＴＪ（ボトムＭＴＪ）」構造を使用し、この構造では、強磁性ピンド層１１１がバリア層１３０と基板１０１との間に配置される。別の構成として、自由層２０２及び当該自由層の磁性バイアス層２０１は「ｔｏｐ  ＭＴＪ（トップＭＴＪ）」構造においては、バリア層１３０の下に、かつ基板１０１の上方に配置することができる。図４は、磁性バイアス層２０１をシード層（群）１０２の上に直接成長させる構成のＭＴＪの一例４００を示している。
【００４７】
更に複雑な構造は、磁性バイアス層を有する上に説明したＭＴＪを基本にして構成することができる。図５は、デュアルＭＴＪ構造５００を示し、この構造では、２つのＭＴＪ５１０及び５２０を互いに対して積層し、そして共通磁性バイアス層５０１を共有する。この例では、第１ＭＴＪ５１０は、シード層１０２の上に直接形成されるＡＦＭ（反強磁性）ピンニング層１１３Ａを有し、そしてＭＴＪ５１０の他の層、すなわちピンド層１１１Ａ、バリア層１３０Ａ、自由層５１１、及び磁性バイアス層５０１は、ＡＦＭ層１１３Ａの上に順番に配置される。ＭＴＪ５１０の磁性バイアス層５０１は、ＭＴＪ５２０の磁性バイアス層でもあり、ＭＴＪ５２０は、自由層５２１、バリア層１３０Ｂ、ピンド層１１１Ｂ、及びＡＦＭピンニング層１１３Ｂを含み、これらの層は、磁性バイアス層５０１の上に順番に配置される。次に、一つ以上のキャップ層１１４をＭＴＪ５２０の上に形成する。
【００４８】
上に説明した磁気セル構造では、自由層の磁化方向をスピントランスファー効果を利用して反転させるために使用される電流は、自由層の横方向寸法を小さくすることにより小さくすることができる。反転電流を小さくすることにより、メモリセルの消費電力を小さくし、かつ高集積メモリセル構造における熱放散問題を軽減することができる。バイアス層を設けて薄い自由層の熱安定性を高める他に、セル形状を、スピントランスファートルクによる書き込み電流密度を小さくするように設計することができる。
【００４９】
図６Ａ及び６Ｂは、図２のセル構造を、自由層の寸法を小さくした形で用いて２つのセル形状を設計した様子を示している。図６Ａでは、各セルの積層構造６０１の側面形状を傾斜させて、または傾けて自由層２０２の横方向寸法を小さくしている。図６Ｂでは、各セルの積層構造６０２を逆Ｔ字型の形状にして、メサトップに自由層２０２及び磁性バイアス層２０１を形成し、そしてボトムにバリア層１３０、ピンド層１１１、及びＡＦＭ層１１３、シード層１０２を形成する。メサトップの寸法をボトムの寸法よりも小さくして、メサトップに形成される自由層の横方向寸法を小さくする。同様に、図７Ａ及び７Ｂは、図５のセル構造を、自由層の寸法を小さくした形で用いて２つのセル形状を設計した様子を示している。
【００５０】
図６Ａ及び７Ａに示す上述の傾斜側壁形状は、処理中にマスク層の傾斜を利用することにより得られ、そして図６Ｂ及び７Ｂに示す逆Ｔ字型の形状は、側壁スペーサプロセスを使用することにより得られる。
【００５１】
ＭＴＪ構造に関して上に示した例は、スピンバルブ構造によって置き換えることもでき、この置き換えは、ＭＴＪバリア絶縁層を、非磁性金属スペーサ層に置き換えることにより行なわれる。図５では、例えば図示のデュアル構造はデュアルスピンフィルタ（ｄｕａｌ  ｓｐｉｎ  ｆｉｌｔｅｒ）とすることができ、デュアルスピンフィルタでは、スピンバルブ及びＭＴＪを、２つのバリアの一方を非磁性スペーサ層に置き換えることにより、互いの上に積層させる。
【００５２】
磁性バイアス層を有する上述のＭＴＪセルを利用するＭＲＡＭメモリデバイスは、ビットをセルに記憶するためにスピントランスファースイッチング（スピントランスファーによる磁化反転）を利用するように構成することができる。行選択及び列選択を行ない、かつワードライン及びビットラインを含む回路要素がＭＲＡＭメモリデバイスに組み込まれる。データを記憶する偏極電流を流す書き込み電流源、及び読み出しセンス電流を供給する読み出し電流源もメモリデバイスに組み込まれる。このようなメモリデバイスにおけるスピントランスファースイッチングは種々の構成で行なうことができる。スピントランスファーに関する現時点での情報は、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｔｅｒｉａｌｓ，  ｖｏｌ．  １５９，  ｐ．  Ｌ１−Ｌ５  （１９９６）に掲載されたＪ．  Ｃ．  Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉによる「磁気多層の電流駆動励磁」と題する論文、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ，  Ｖｏｌ．  ５４，  ｐ．  ９３５３  （１９９６）に掲載されたＬ．  Ｂｅｒｇｅｒによる「電流を磁気多層膜に流すことによるスピン波の励起」と題する論文、及びＡｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ｖｏｌ．  ７７，  Ｎｏ．  ２３，  ｐ．  ３８０９−３８１１  （２０００）に掲載されたＦ．  Ｊ  Ａｌｂｅｒｔ，  Ｊ．  Ａ．  Ｋａｔｉｎｅ  ａｎｄ  Ｒ．  Ａ．  Ｂｕｒｈｍａｎによる「Ｃｏ薄膜ナノ磁石のスピン偏極電流による磁化反転」と題する論文に記載されている。しかしながら、スピントランスファーは、上記参考文献に記載される技術に示される構成以外の他の構成で利用することができる。
【００５３】
上記参考文献に基づいて、スピントランスファー効果は、強磁性金属−常伝導金属多層膜のスピン依存電子輸送機構により生じる。スピン偏極電流が磁性多層構造を、これらの層に直交する方向に流れる場合、強磁性層に流れ込む電子のスピン角運動量が強磁性層と常伝導金属層との界面近傍の強磁性層の磁気モーメントと相互作用する。この相互作用を通して、電子のスピン角運動量の一部が強磁性層の磁気モーメントへと受け渡される。その結果、スピン偏極電流によって、電流密度が十分に大きい場合（約１０７〜１０８Ａ／ｃｍ２）に、かつ直交電流によって生じる螺旋状磁場の影響が大きくならないくらいに多層膜の寸法が小さい（約２００ナノメートル未満）場合に、強磁性層の磁化方向を切り替え（反転させ）ることができる。更に、自由層の磁化方向を変更するための磁化反転電流を小さくするために、強磁性層を十分薄くする、例えば好ましくは或る実施形態では、Ｃｏの場合に約１０ナノメートル未満とする必要がある。薄い自由層は磁性バイアス層を設けない状態では、保磁力が小さく、かつ大きな反転電流を必要とする厚い自由層よりも安定性が低い。磁性バイアス層を使用することにより、自由層を薄くして反転電流を小さくすることができるとともに、熱擾乱及び漏洩磁界に対して十分大きな保磁力を維持することができる。
【００５４】
上述したように、種々の磁気構造の例における強磁性自由層は２つ以上の層を含むことができる。このような多層構造の強磁性自由層は、種々の構成で用いることができる。例えば、多層構造の強磁性自由層は、複数の磁性材料の組み合わせを含むことができ、そしてこれらの磁性材料の各々は、強磁性材料またはフェリ磁性材料のいずれかとすることができる。強磁性自由層に関するこのような組み合わせにおける強磁性材料として、Ｃｏ；Ｃｏを含む合金；Ｆｅ；Ｆｅを含む合金；Ｎｉ；またはＮｉを含む合金を挙げることができる。従って、特定の例では、強磁性自由層に関するこのような組み合わせにおける強磁性材料として、Ｃｏ；Ｃｏを含む合金；Ｆｅ；Ｆｅを含む合金；Ｎｉ；及びＮｉを含む合金の内の２つ以上を挙げることができる。強磁性自由層に関する組み合わせに適する強磁性合金の幾つかの例として、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＮｉＢ，ＣｏＦｅＴａ，ＮｉＦｅ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，Ｃｏ２Ｍｎ（Ａｌ，Ｓｉ），及びＣｏ２（Ｃｒ，Ｆｅ）（Ａｌ，Ｓｉ）を挙げることができる。強磁性自由層に関するフェリ磁性材料は、例えばＣｏＧｄまたはＦｅＧｄとすることができる。
【００５５】
特に、多層構造の強磁性自由層は、磁性層及び非磁性層の組み合わせを含むことができる。一つの特定の例が多層サンドイッチ構造であり、この構造は、２つの強磁性層、及びこれらの２つの強磁性層の間の非磁性スペーサ層を有する。
【００５６】
図８はＭＴＪ構造８００の一例を示し、この場合、強磁性自由層積層構造（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｅｄ  ｆｒｅｅ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｔａｃｋ）８１０は、第１強磁性層８１１及び第２強磁性層８１２と、そして２つの強磁性層８１１と強磁性層８１２との間の非磁性スペーサ層８１３と、を有する多層サンドイッチ構造である。非磁性スペーサ層８１３は、２つの強磁性層８１１と強磁性層８１２との間の磁気結合を可能にして、強磁性自由層積層構造８１０が全体として、一つの強磁性自由層のように動作するように構成され、この強磁性自由層は、電流をＭＴＪに流すことによって磁化反転させることができ、かつＭＴＪの磁性バイアス層２０１によって安定化させることができる。この強磁性自由層積層構造８１０を使用して一つの自由層を、図１Ａ，４，５，６Ａ，６Ｂ，７Ａ，及び７Ｂに示す例のような他の構造に用いることもできる。磁気メモリデバイスとして使用される場合、バリア層１３０と接触する第１強磁性層８１１は主として記憶層として機能して、記録ビットを２つの方向のいずれかの方向として記憶する。
【００５７】
強磁性自由層積層構造８１０は、単一材料しか含まない一つの自由層では実現することが難しい多数の利点をもたらすように構成することができる。例えば、非磁性スペーサ層８１３は、拡散バリア層として機能して、堆積後アニール処理を行なっている間の不所望の拡散及び結晶配向の進行を阻止することができる。
【００５８】
別の例として、強磁性材料は磁歪現象を起こす、すなわち材料の寸法及び形状が磁界とともに変化する。磁歪現象は、一つの理由として、ＭＴＪアレイにおいてセルの位置を一つのＭＴＪセルから別のＭＴＪセルに変えたときにセルの形状または寸法に変化が生じると必ず、ＭＴＪセルの動作が変化してデバイス性能が低下するので望ましくない。２つの強磁性層８１１及び８１２を、強磁性自由層積層構造８１０の多層サンドイッチ構造に使用することにより、多層サンドイッチ構造を、強磁性自由層積層構造８１０の多層サンドイッチ構造の全体としての磁歪を小さくするように設計することができる。例えば、２つの強磁性層８１１及び８１２の材料は、磁歪がほぼゼロになるように選択することができる。この状態を実現することができない、または難しい場合、２つの強磁性層８１１及び８１２の材料は、磁歪を反対方向に生じて、これらの材料の磁歪が、強磁性自由層積層構造８１０の多層サンドイッチ構造において互いに打ち消し合って、全体としての磁歪がゼロになる、またはほぼゼロになるように選択することができる。
【００５９】
従って、強磁性自由層積層構造８１０の多層サンドイッチ構造によって、層８１１，８１２、及び８１３の材料を選択し、そして単一材料の自由層構造では解決することが困難な構造の全体特性を設計するための技術的な柔軟性がもたらされる。
【００６０】
強磁性自由層積層構造８１０における２つの強磁性層８１１及び８１２の相対磁化方向は２つの構成で実現することができる。第１の構成は反平行構成であり、この場合、２つの強磁性層８１１及び８１２の磁化方向が、２つの強磁性層８１１及び８１２が反強磁性結合することによって互いに反対になるように設定される。２つの強磁性層８１１及び８１２が反強磁性結合することによって、この反平行構成が維持されるので、２つの層８１１及び８１２の磁化方向が一斉に反転する。第２の構成は平行構成であり、この場合、２つの強磁性層８１１及び８１２の磁化方向が、２つの強磁性層８１１及び８１２が強磁性結合することによって互いに平行になるように設定される。２つの層８１１及び８１２が強磁性結合することによって、この平行構成が維持されるので、２つの層８１１及び８１２の磁化方向が一斉に切り替えられる（反転する）。これらの２つの構成は異なる。スピントランスファートルク磁化反転が起きる場合、反平行構成では書き込み閾値電流が、平行構成における書き込み閾値電流よりも大きくなり易い。従って、平行構成を、書き込み電流が小さく、従って消費電力が小さい幾つかのデバイスに用いると有利となる。
【００６１】
２つの強磁性層８１１及び８１２が設けられる場合、層８１１と８１２との間の非磁性スペーサ層８１３は、強磁性自由層積層構造８１０を、２つの構成の内のいずれかの構成に設定するように構成することができる。所定の導電性非磁性材料がスペーサ層８１３として使用される場合、スペーサ層８１３の膜厚を制御して、強磁性結合または反強磁性結合のいずれかを生じさせることができる。スペーサ層８１３が、例えばルテニウムにより形成される場合、反強磁性結合は、Ｒｕ層８１３の膜厚が約３または７、または１８、或いは３１オングストロームの場合に生じる。Ｒｕ層８１３の膜厚が３〜７オングストローム、または７〜１８オングストローム、或いは１８〜３１オングストロームの場合、強磁性結合が層８１１と８１２との間で生じる。
【００６２】
種々の実施形態において、２つの強磁性層８１１及び８１２に適する強磁性材料として、例えばＣｏ；Ｃｏを含む合金；Ｆｅ；Ｆｅを含む合金；Ｎｉ；またはＮｉを含む合金を挙げることができる。特定の例では、強磁性材料として、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＮｉＢ，ＣｏＦｅＴａ，ＮｉＦｅ，ＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，Ｃｏ２Ｍｎ（Ａｌ，Ｓｉ），またはＣｏ２（Ｃｒ，Ｆｅ）（Ａｌ，Ｓｉ）を挙げることができる。非磁性スペーサ層８１３は、例えばＲｕ，Ｒｅ，またはＣｕとすることができる。強磁性自由層積層構造８１０を磁気的に安定化させる磁性バイアス層２０１を設けることによって、磁性バイアス層２０１、強磁性自由層積層構造８１０、絶縁バリア層１３０、及び強磁性ピンド層１１１を含む各ＭＴＪセルをパターニングして、互いに平行な２つの直交方向に沿った寸法のアスペクト比を小さくすることができる。小さいこのアスペクト比を約１に設定してセル密度を高くし、そしてＣＭＯＳ製造処理のアスペクト比に合わせることができる。
【００６３】
強磁性自由層積層構造８１０の多層サンドイッチ構造の特定の例として、ピンド層１３０と接触する第１強磁性層８１１はＣｏＦｅＸとすることができ、この場合、ＸはＢ，Ｐ，Ｓｉ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａ，及びＴｉの内の少なくとも一つを含む。磁性バイアス層２０１と接触する第２強磁性層８１２は、磁歪がほぼゼロのＮｉＦｅまたはＮｉＦｅＣｏ合金のような軟磁性材料から成る層とすることができる。第１強磁性層８１１のＣｏＦｅＸ材料の組成、及び第２強磁性層８１２の材料の組成を選択して逆の磁歪特性を生じさせ、自由層積層構造８１０の全体としての磁歪がほぼゼロとなるようにする。所望の材料組成を実現するための一つの方法では、第１強磁性層８１１のＣｏＦｅＸにおける元素（すなわち、Ｃｏ，Ｆｅ，及びＸ）の相対割合、及び第２強磁性層８１２のＮｉＦｅまたはＮｉＦｅＣｏにおける元素の相対割合を制御する。
【００６４】
非磁性層８１３を十分薄く形成して、２つの強磁性層８１１及び８１２が磁気結合することができるようにする。２つの強磁性層の間のこの磁気結合は、多数の磁気結合機構のいずれかの磁気結合機構、または多数の磁気結合機構の組み合わせとすることができる。このような磁気結合機構の一つの例が、核磁気モーメントを利用する、または伝導電子の相互作用により金属中に局在化したｄ殻電子のスピンを利用するＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｈｉｄａ）的層間結合による強磁性結合である。別の例が、非磁性スペーサ層の界面粗さによって生じる「オレンジピール効果（ｏｒａｎｇｅ  ｐｅｅｌ）」といわれる静磁気的結合である。第３の例が、非磁性スペーサ層８１３内に形成されるピンホールのような空間的な不連続による磁気結合である。非磁性スペーサ層８１３の材料は、Ｒｕ，Ｒｅ，Ｃｕ，Ｔａの内のいずれかとする、またはこれらの材料の内のいずれかを含む非磁性合金とすることができる。非磁性層の膜厚はゼロ〜数十オングストロームの範囲である。特定の例として、４オングストローム〜数１０オングストロームの薄い非磁性層を使用することができる。
【００６５】
磁性バイアス層２０１は、ＰｔＭｎのような単一のＡＦＭ層により形成することができ、かつ強いピンニング磁界に関連する臨界膜厚よりも薄い膜厚を有することができる。別の構成として、磁性バイアス層２０１は、非磁性層を間に挿入した構成の多層構造を有することができる。上に説明したように、磁性バイアス層２０１によって、隣接する強磁性自由層積層構造８１０の面内異方性、または保磁力を大きくすることができ、更に弱いピンニング磁界を、隣接する強磁性自由層積層構造８１０に供給することができる。磁性バイアス層２０１の磁化配向は、隣接する強磁性自由層積層構造８１０内の弱いピンニング磁界が、トンネルバリア層１３０の下方のピンド層１１１の固定磁化方向とは異なる方向に向くように設定することができる。
【００６６】
図９は、磁化が弱く固定された強磁性自由層積層構造８１０とピンド層１１１との間の磁化方向のずれを示している。強磁性自由層積層構造８１０の磁化方向が、ピンド層１１１の磁化方向から角度θだけ異なるように設定される場合、スピントランスファートルクによる書き込み電流により生成される開始トルク値は大きく、かつ角度がランダムな熱擾乱によって生じる変動及び分布を示す場合よりも変動がずっと小さくなる。このようなずれが発生する構造では、ＳＴＴによる平均書き込み電流が小さくなり、かつ高い書き込み速度（例えば、約ｎｓの書き込み時間を要する）での当該書き込み電流の分布を最小化することができる。種々の実施形態においては、ずれ角度θはゼロ〜１８０度の間、例えばゼロ〜１３５度の間の値に設定することができる。このずれ角度は、例えばＭＴＪ膜（または、パターニング済みのデバイス）に２回目のアニールを、ピンド層（ＰＬ）の設定（ＰＬ／ＰｔＭｎ）に用いる１回目のアニールよりも低い磁界の中で、かつ低い温度で施すことにより実現することができる。
【００６７】
本出願の明細書は多くの特定要素を含むが、これらの要素は、いずれの発明の技術範囲を制限するものとしても捉えられるべきではない、または請求内容の技術範囲を制限するものとして捉えられるべきではなく、特定の実施形態に固有の特徴についての記述と捉えられるべきである。本明細書において個別の実施形態に関して記載される所定の特徴は、組み合わせることにより単一の実施形態として実現することもできる。逆に、単一の実施形態に関して記載される種々の特徴は、複数の実施形態において個別に、またはいずれかの適切な部分的な組み合わせとして実現することもできる。更に、種々の特徴を、所定の複数の組み合わせで作用するものとして上に記述することができ、かつそのようなものとして初めて請求することもできるが、請求する一つの組み合わせに含まれる一つ以上の特徴は或る場合においては、当該組み合わせから削除することができ、そして請求する当該組み合わせを部分的な一つの組み合わせとする、または部分的な一つの組み合わせの変形とすることができる。
【００６８】
幾つかの例についてのみ記述している。この技術分野の当業者であれば、変更、変形、及び機能向上を記載の例に加え得ることが容易に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１Ａ】図Ａは、磁性バイアス層を持たない従来のＭＴＪセル構造の一つの例を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、チップ上のＭＴＪアレイ、及びＣＭＯＳベースのチップ構成による構造の一例を示し、各ＭＴＪセルは磁性バイアス層を持つＭＴＪを使用する。
【図１Ｃ】図１Ｃは、チップ上のＭＴＪアレイ、及びＣＭＯＳベースのチップ構成による構造の一例を示し、各ＭＴＪセルは磁性バイアス層を持つＭＴＪを使用する。
【図２】結合している自由層の保磁力を大きくする磁性バイアス層を有するＭＴＪの一例を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、図２のＭＴＪ構造を利用する例示としての磁性バイアス層、及び結合している自由層の磁気特性を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２のＭＴＪ構造を利用する例示としての磁性バイアス層、及び結合している自由層の磁気特性を示す。
【図４】磁性バイアス層を使用するＭＴＪの２つの例を示す。
【図５】磁性バイアス層を使用するＭＴＪの２つの例を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、自由層の寸法を小さくし、かつスピントランスファートルクによる書き込み電流を小さくする、図２のセル構造の２つの別の実施形態を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、自由層の寸法を小さくし、かつスピントランスファートルクによる書き込み電流を小さくする、図２のセル構造の２つの別の実施形態を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、自由層の寸法を小さくし、かつスピントランスファートルクによる書き込み電流を小さくする、図５のセル構造の２つの別の実施形態を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、自由層の寸法を小さくし、かつスピントランスファートルクによる書き込み電流を小さくする、図５のセル構造の２つの別の実施形態を示す。
【図８】ＭＴＪ構造の一例を示し、この場合、自由層は、第１及び第２強磁性層と、そして２つの強磁性層の間の非磁性スペーサ層と、を有する多層サンドイッチ構造である。
【図９】図８のＭＴＪ構造の一の実施形態における、磁化固定が弱い強磁性自由層とピンド層との間の磁化方向のずれを示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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