(57)【要約】  本発明は、カソードスプレイングによって堆積された複合アセンブリを基板上に含み、かつ、垂直磁気異方性が大きい材料から作られる磁気層(2)であって、その磁化が、どのような電気的または磁気的な相互作用がない場合でも該層の平面の外部に配置される磁気層(2)と、先の磁気層(2)と直接接触し、スピン分極の比率が高い強磁性材料から作られる磁気層(3)であって、その磁化が、どのような電気的または磁気的な相互作用がない場合でもこの層の平面内に配置され、この層の該磁気層(2)との直接的な磁気結合が、2つの磁気層(2)および(3)を含むアセンブリの有効な消磁磁場の低減を誘起する磁気層(3)と、先の磁気層(3)と直接接触し、デバイスを通過する電子には分極性でない材料から作られる非磁気層(4)と、を含む薄層磁気デバイスに関する。本デバイスは、層の平面に対して実質的に垂直な方向でそれ自体中を電流が通過するようにさせる手段を含む。
2009545869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードスパッタリングによって堆積された複合アセンブリを基板上に含む薄膜磁気デバイスにおいて、
垂直磁気異方性が大きい材料からなる磁気層(2)であって、その磁化は、どのような電気的または磁気的な相互作用がない場合に、該層の平面の外部に位置する、磁気層(2)と、
前記磁気層(2)と直接接触し、スピン分極の比率が高い強磁性材料からなる磁気層(3)であって、その磁化は、どのような電気的または磁気的な相互作用がない場合に、その平面上に位置し、かつ前記磁気層(2)とのその直接の磁気結合が、前記2つの磁気層(2)および(3)を含む前記アセンブリの有効な消磁磁場の低減を誘起する、磁気層(3)と、
前記磁気層(3)と直接接触し、前記デバイスを通過する電子には分極性でない材料からなる非磁気層(4)と、を備え、
それら層中をそれらの平面に対して実質的に垂直な方向に電流を流す手段をさらに備える、薄膜磁気デバイス。
【請求項２】
その得られた磁化が、それを構成する前記層の平面に対して垂直に方向付けられることを特徴とする、請求項1に記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項３】
前記磁気層(2)が、コバルト、白金、鉄、ニッケル、パラジウム、金および銅を含む群から選択される材料の材料、合金またはマルチレイヤから構成されることを特徴とする、請求項1又は2のいずれかに記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項４】
前記磁気層(3)が、コバルト、鉄、ニッケル、あるいはそれらの二元または三元合金を含む群から選択される磁性材料から構成されることを特徴とする、請求項1又は2のいずれかに記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項５】
前記磁気層(3)を構成する前記磁性材料が、結晶化した、またはアモルファスであり、かつヨウ素、ケイ素、リン、炭素、ジルコニウム、ハフニウムまたはそれらの合金を含む群から選択される追加の非磁性材料を含むことを特徴とする、請求項1又は2のいずれかに記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項６】
前記磁気層(3)が、磁性金属/磁性金属または磁性金属/非磁性金属のタイプのマルチレイヤから構成されることを特徴とする、請求項1又は2のいずれかに記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項７】
前記非磁気層(4)が、非磁性金属または非磁性酸化物から作られることを特徴とする、請求項1又は2のいずれかに記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項８】
前記基板と前記複合アセンブリの間にバッファ層(1)を介在させることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項９】
前記バッファ層(1)が、白金、タンタル、クロム、チタン、窒化チタン、銅、金、パラジウム、銀またはそれらの合金を含む群から選択される、1つまたは複数の材料から作られることを特徴とする、請求項8に記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項１０】
前記バッファ層(1)が、複数の層から構成されることを特徴とする、請求項8に記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項１１】
前記基板が、ケイ素、シリカ、窒化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムおよびガラスを含む群から選択される材料から作られることを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項１２】
その2つの活性磁気層に加えて、請求項1から11のいずれかに記載されたように作られる追加のマルチレイヤを含むことを特徴とする、平面磁化を有する磁気トンネル接合。
【請求項１３】
その2つの活性磁気層の少なくとも1つが、請求項1から11のいずれかに記載されたように作られることを特徴とする、平面磁化を有する磁気トンネル接合。
【請求項１４】
その2つの活性磁気層の少なくとも1つが、請求項1から11のいずれかに記載されたように作られることを特徴とする、垂直磁化を有する磁気トンネル接合。
【請求項１５】
その2つの活性磁気層に加えて、請求項1から11のいずれかに記載されたように作られる追加のマルチレイヤを含むことを特徴とする、平面磁化を有するスピンバルブ。
【請求項１６】
その2つの活性磁気層の少なくとも1つが、請求項1から11のいずれか一項に記載されたように作られることを特徴とする、平面磁化を有するスピンバルブ。
【請求項１７】
その2つの活性磁気層の少なくとも1つが、請求項1から11のいずれか一項に記載されたように作られることを特徴とする、垂直磁化を有するスピンバルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性材料の分野に関し、より詳しくは、第1に、電子システム内にデータを格納し、それを読み出すために使用される不揮発性ランダムアクセス磁気メモリ中で使用されるように、第2に、磁気薄膜システム技術を使用する無線周波数の発振器の分野で使用されることが意図されている磁性材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリの分野では、磁気トンネル接合から構成された、いわゆるM-RAM(Magnetic Random Access Memory)が、周囲温度で磁気抵抗が大きいトンネル接合の開発以来、少なからぬ関心を集めている。これらのランダムアクセス磁気メモリは、多くの重要な利点を有する。
- 速度(ほんの数ナノ秒の書き込み読み出し時間)
- 不揮発性
- 読み出し/書き込み疲労がない
- 電離放射線の影響を受けない
【０００３】
したがって、ランダムアクセス磁気メモリは、コンデンサの荷電状態に基づく、より従来型の技術を使用するメモリ(D-RAM、S-RAM、FLASH)に次第に置き換わりつつある。
【０００４】
これらの磁気メモリでは、情報の符号化(「0」または「1」)が、異なる飽和保磁力を有する2つの磁気層の磁化の相対的な方位(平行または逆平行)によって決まり、2つの磁気層の1つは、「フリー」であり、すなわち外部から低強度磁場を加えることによって変更することができる磁化方向を有し、他の磁気層は、「固定されている」と言われ、すなわち前述の外部の磁場の影響を受けない磁化方向を有する。
【０００５】
この磁化方向の相対的な方位の変化によって、そのように形成された2つの層のスタックの電気抵抗が変更され、磁気状態が、その層の平面に対して垂直な方向に電流を流した後で電圧を測定することによって、読み出される。
【０００６】
一般的に言えば、当該のメモリセルが配置された点に近接して直角で交差する導体を介して2つの電気パルスを送ることによって、情報が書き込まれる。これらの電気パルスによってセルのレベルで生成された2つの磁場を加えることと、流された電流の方向とによって、「フリー」層の磁化方向を変化させることが可能になり、したがって、当該の情報が書き込まれる。
【０００７】
しかし、製造法に起因して、すべてのメモリセルのスイッチング磁場が比較的広く分布して存在するので、磁化の方位を確実に変化させるために、前述の分布の最も高いスイッチング磁場より高い外部磁場を使用することが必要になる。したがって、おそらくはその分布の下部に位置する、行または列単独で発生する磁場より弱いスイッチング磁場を有する、対応する行および/または列上に配置された、いくつかのメモリセルを誤って逆転するリスクがある。
【０００８】
確実にどのメモリセルにも1つの行または列だけで書き込むことができないようにしたい場合、これらのメモリセルに関して、書き込み電流が、分布の下部に対応する磁場を決して超えないように、書き込み電流を制限しなければならないが、そうすると、そのメモリ位置用のスイッチング磁場が分布の上部にある場合、前述の行と列の交点で、選択されたメモリセルに書き込まれないというリスクがある。言い換えると、導体の行および列を使用して磁場によって選択するこのアーキテクチャは、書き込みアドレス指定エラーを容易に引き起こすおそれがある。
【０００９】
さらに、メモリセルのサイズが小さくなるにつれて、スイッチング磁場の平均値が大きくなることが、一般に観察されている。したがって、メモリセルの磁化の実際のスイッチングを確保するために、もっと多い電流が必要になり、したがってこれは、必要な電力の増加を伴う。
【００１０】
このため、「スピン分極電流による磁化スイッチング」と言われる他の書き込み技術が提案されている。この技術は、外部磁場ではなくスピン分極電流を使用することによってメモリセルに書き込むことを含む。実際、スピン分極電流が、分極キャリアと当該層の磁気モーメントとの間のスピン角運動量の移動によって、磁化のプレセッションまたは逆転さえも引き起こすことができることが実証されている(たとえば米国特許第5 695 864号明細書参照)。
【００１１】
この技術の利点の1つは、磁気情報の読み出し書き込みの両方に、同じ電流の行が使用され、これによってデバイスのアーキテクチャがかなり簡単化されることである。したがって、電流は、当該の磁気スタックの様々な層を通過したとき、分極され、電子スピンが局所的な磁化方向と自己整合する傾向がある。電流が通過する層中に、脱分極がない場合、この分極が第2の磁気層中で維持され、次いで、分極方向のまわりで、いわゆる「フリー」磁気層の磁化の歳差運動を誘起する。
【００１２】
電流密度が増加した場合、歳差運動コーンの角度は、ある臨界電流に対して最終的に90°を超えるまで増加し、したがって「フリー」層の磁化が、その最初の方向とは反対の方向に反転させられる。
【００１３】
しかし、この特定の技術は、1つの重大な制限によって阻まれる。実際、この構成では、磁化の反転を達成するために、前述の「フリー」層の消磁磁場に打ち勝つ必要がある。薄い磁気膜については、この消磁磁場は、前述の層の平面上に磁化を保持する傾向がある。この消磁磁場が材料の磁化に比例するので、磁気トンネル接合の場合、磁化反転のために、特に2つの磁気層を隔てる絶縁隔壁の電気的破壊を起こすことによってデバイスを損傷することができるほどの高強度の電流を流すことが必要になることは明らかである。
【００１４】
磁気薄膜システムは、無線周波数発振器の分野でも使用される。RF発振器は、携帯電話の対応する発展に直接関連付けられる著しい発展を遂げている。実際、携帯電話により、特に良好なジッター性能、したがって高Qファクタと共に、極めて広い周波数帯域を有する発振器が使用されるようになった。
【００１５】
この要求に応えるための1つの技術的解決策は、電子スピンに基づく無線周波数発振器を使用することである。そのような発振器を使用することによって、高QファクタQおよび容易な周波数同調性を有する広い周波数帯域を実現し、さらに比較適簡単なアーキテクチャを使用することが可能になる。
【００１６】
磁気マルチレイヤ中に、巨大磁気抵抗およびトンネル磁気抵抗などの磁気抵抗現象を起こす電流のスピン分極が知られている。さらに、そのようなスピン分極電流は、磁気薄層を通過するとき、なんら外部磁場がない場合でもその磁化の反転を誘起することによって、または振動とも言われる持続した磁気励起を発生することによって、磁気ナノ構造の磁化に作用することができる。この励起の周波数は、特に、ナノ構造中を流れる電流の密度によって決まる。
【００１７】
磁気抵抗性デバイス中に持続した磁気励起を発生する作用を使用することによって、この作用を電気抵抗変調に変換することが可能になり、その変調は、電子回路中で直接使用することができ、その結果、そのレベルの周波数で動作させることが可能になる。
【００１８】
しかし、これらの無線周波数発振器が直面する問題の1つは、当該の磁気システム中に流す必要がある、絶縁破壊またはエレクトロマイグレーション現象によってデバイスを損傷することができるほどのスピン分極電流の密度である。
【００１９】
応用が見込まれているにもかかわらず、情報を書き込むために必要な電流密度を低減するために、その磁化がその層の平面に対して自発的に平行であり、その磁化は、低振幅の磁場(または分極電流)の作用によって垂直方向に容易に向けることができる薄層磁性材料、あるいは、その磁化が自発的に(なんら外部磁場または分極電流がなしに)その層の平面に対して垂直である薄層磁性材料を得ようと常に試みられている。
【００２０】
この目的のために、読者は、これらの現象の基礎にある自然原理を思い出していただきたい。単一磁気層、すなわち、たとえばその薄層との特別の相互作用がない基板上に堆積された磁性材料の薄層の場合、外形効果(この層の横方向寸法がその厚さより非常に大きいこと)は、平面上にその磁化方向を保つ傾向がある(いわゆる「平面」磁化)。
【００２１】
この層の平面に対して垂直方向に、振幅が増加する磁場を加えた場合、その磁化の方向は、この平面から徐々に離れ、印加された磁場に対して平行に配向されることになる。したがって、印加された磁場が垂直飽和磁場値Hspに達したとき、その磁化方向は、平面に対して垂直になり、垂直飽和磁場値Hspは、この磁性材料の単位体積当たりの磁化Msに比例する、いわゆる「消磁磁場」Hdmに等しく、次の式による。
【００２２】
Hsp=Hdm=4πMs
【００２３】
何らかの値を考えると、この磁場Hspは、コバルトなどの材料については18kOe(kilo-oersteds)程度であり、ニッケルについては6kOe程度である。したがって、この磁場Hspを低減する第1の方法は、弱い磁性材料を使用することである。しかし、これは、所望の信号がこの磁化に依存する、いくつかの応用に対して不利になることがある。
【００２４】
Hspを低減する第2の方法は、Hdmに反対の符号の追加項を導入することである。これは、いわゆる「垂直異方性」項Hapであり、先行技術のこの説明の残りの部分で示すように、磁気結晶起源の体積異方性の結果である、または弾性成長歪みによって引き起こされることがあり、あるいは、界面の電子的相互作用による界面異方性であることがある。典型的なケースは、たとえば、コバルト、ニッケルまたは鉄の磁気層と接触した白金層の影響である。
【００２５】
この追加項があるとき、垂直飽和磁場は、次のように表すことができる。
【００２６】
Hsp=Hdm-Hap
【００２７】
したがって、定性的には、垂直飽和磁場Hspは、Hapが増加するにつれて一様に低減し、磁気層の磁化は、垂直飽和磁場がゼロに近づくまで、平面に対して常に平行であり、ゼロが限度でそれを超えたとき、すなわちHapがHdmを超えたとき、磁気層の磁化は、自発的に(すなわち磁場がなんら印加されることなく)、層の平面に対して垂直になる。
【００２８】
界面が起源の垂直異方性の場合、Hapは、初期近似として、次の式に従って、磁気層の厚さeに反比例することになることにも留意しなければならない。
【００２９】
Hsp=C+Kap/e
ただし、Cは、磁気層の体積特性に依存する定数であり、Kapは、垂直異方性定数であり、磁気層と接触した材料の詳しい構造および界面の構造品質に依存する。
【００３０】
したがって、磁気層の厚さへのこの垂直異方性磁場の依存性は、磁気層の厚さが薄い場合、平面に対して垂直の方向に磁化を安定化することだけが可能になり、逆に、臨界垂直/平面遷移厚さがKapの振幅と共に増加することを表す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３１】
【特許文献１】米国特許第5 695 864号明細書
【特許文献２】米国特許第6 532 164号明細書
【特許文献３】米国特許第6 835 646号明細書
【特許文献４】米国特許第6 844 605号明細書
【非特許文献】
【００３２】
【非特許文献１】Daalderop、Kellyおよびden Broeder、Physical Review Letters 68、682、1992
【非特許文献２】Ravelosonaら、Physical Review Letters 95、117203、2005
【非特許文献３】Nishimuraら、Journal of Applied Physics 91、5246、2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３３】
RF発振器またはMRAMメモリのタイプの応用に関する本発明の第1の目的は、その磁化が磁気層の平面に対して垂直である磁気層であって、平面磁化を有するフリー層および固定層と共に、スピンバルブまたはトンネル接合のタイプの構造で一体化することができる磁気層を製造する手段を提案することである。垂直磁化を有するこの追加の磁気層は、「ポラライザ」として使用することが意図される(米国特許第6 532 164号明細書)。
【００３４】
そのような「ポラライザ」では、磁気システム中に流された電流電子のスピンが、層の平面に対して垂直の方向で磁化と結合され、したがって磁化の歳差運動コーンの軸も、この平面に対して垂直である。電流が弱い場合、「フリー」磁気層の磁化は、層の平面と事実上一致する平面上で回転する。
【００３５】
同期した電流パルスおよび「フリー」層の一軸平面磁気異方性を使用すると、層の平面上においてハーフ歳差運動サイクルで磁化方向を移行させることによって、磁化方向を容易に反転させることが可能になる。
【００３６】
無線周波数発振器の製造にそのポラライザを使用することも、特に求められている。そのような構成では、スピン分極電流が、パルスとしてではなく連続的にスタック中に流される。したがって、磁化の歳差運動は、磁気メモリの場合、書き込み動作のために、ハーフ歳差運動になるのではなく持続される。
【００３７】
歳差運動する磁化が、分極層の上部に堆積されたトンネル接合のフリー層(またはソフト層)の磁化である場合、この歳差運動は、該接合のトンネル磁気抵抗効果によるスタックの、振動する抵抗の変動を引き起こす。これにより、スタックの2つの対面する面間で振動する電圧が現れ、この電圧は、流された電流の強度にその周波数が直接関連付けられる同調可能な無線周波数発振器を製造するために、使用することができる。
【００３８】
発振器が動作するために、垂直磁化を有する磁気層が、構造の活性領域の近傍で電子に強い脱分極効果を有するどのような材料も含んではならないことに留意することが重要である。
【００３９】
例として、上記に述べた垂直ポラライザの場合、このポラライザとスピンバルブまたは磁気トンネル接合のタイプの構造の2つの磁気層との間に白金の薄層を挿入すると、このポラライザによって引き起こされた電子の分極が、完全に破壊されることになる。この文書の残りの部分では、用語「有効な」磁気厚さは、垂直磁化を有する磁気層の厚さを表示するために使用され、白金、パラジウムまたは金など強い脱分極材料の任意の最終層を越える電子の進行の方向に関連すると考えられる。
【００４０】
MRAMタイプの応用に関する本発明の他の目的は、垂直磁化を有するスピンバルブまたは磁気トンネル接合のタイプの構造で一体化することができ、2つの活性磁気層(固定層およびフリー層)の磁化が、その平面に対して垂直である薄い磁気層を製造する手段を提案することである。
【００４１】
本発明の第3の目的は、平面磁化、すなわち、それを構成する層の平面上に配置された磁化を有する磁気層を製造する手段であって、その消磁磁場が、垂直異方性項によって部分的に補正され、したがってその層の磁化をスイッチングするために必要な電流の密度を低減することが可能になる、手段を提案することである。この磁気層は、たとえば、平面磁化を有するスピンバルブまたはトンネル接合のタイプの構造内でフリー層として使用することができる。
【００４２】
その平面に対して垂直な磁化を有し、上記に述べた応用のいくつかのタイプで使用することができる薄い磁気層を製造するために、様々の方法が提案されている。
【００４３】
基板を覆う金のバッファ層上に蒸着によってコバルト/ニッケルのマルチレイヤを製造することが提案されている(Daalderop、Kellyおよびden Broeder、Physical Review Letters 68、682、1992)。動作ウィンドウが比較的狭い(たとえば、厚さが0.4nmのコバルトの場合、ニッケル層は、厚さが0.6〜0.8nmでなければならない)。それだけでなく、著者らによれば、得られた結果は、調製条件に決定的に依存する。
【００４４】
同様のアプローチを採用して、Ravelosonaら(Physical Review Letters 95、117203、2005)は、やはり蒸着によって準備された(コバルト/白金)/(コバルト/ニッケル)のマルチレイヤの組合せを提案している。この場合、有効な磁気厚さ(すなわち白金の最終層の上)は、極めて小さく、約1.0nmのコバルトに相当する。
【００４５】
これらのどちらの場合でも、蒸着、すなわち工業製造にはさほど適していない技法によって磁気層を成長させることが必要なように思われる。この理由は、この垂直磁気異方性の特性が、わずかに異なる結晶パラメータを有するニッケル層とコバルト層の間の弾性歪みの作用によるからである。これによって、そのような調製技法を使用する必要性、およびそのような構造の製造が困難であることが、共に説明される。どんな場合でも、少なくとも許容可能なコストでこの技法を使用した工業規模の製造は、どのような可能性も無視することができる。さらに、いくつかの結晶磁性材料の場合、これらの弾性歪み作用だけが起きる。したがって、たとえば、他の磁性材料またはアモルファス磁気合金を使用する可能性がない。
【００４６】
基板/バッファ層/Ni/FeMn/Cuタイプの構造を扱う米国特許第6 835 646号明細書に、ニッケルの成長がエピタキシャルでなければならない方法が提案されている。これは、連続的に堆積される層が下層の対称性および原子間距離を有さなければならないことを意味する。さらに、バッファ層は、結晶方位が(002)である単結晶銅または結晶方位が(001)であるダイアモンドのいずれかから作らなければならない。これは、銅またはダイアモンドのバッファ層の満足する方位を得るために、結晶方位が(001)である単結晶シリコン基板上での成長、および、さらに化学的洗浄によってだけで実現することができる。
【００４７】
この製造方法は、エピタキシャル成長および基板の単結晶特性のため、使用するには特に面倒である。さらに、ニッケル以外の磁性材料は、待ち望んだ結果をもたらさない。
【００４８】
Nishimuraら(Journal of Applied Physics 91、5246、2002、米国特許第6 844 605号明細書)は、GdFeCo/CoFe/Al2O3/CoFe/TbFeCoタイプの希土類元素金属に基づいた、磁性金属(コバルト-鉄合金)の「有効な」厚さが1nm程度である構造を使用する他の製造方法を提案している。
【００４９】
この製造方法は、汚染力が大きいことが知られており、産業で使用が禁止されている希土類(ガドリニウム、テルビウム)の金属に基づく合金の使用を含む。
【００５０】
提案された解決策のいずれも、従来の磁性材料および簡単な調製方法を使用して、磁化がそれらの平面に対して垂直である、また当該の応用に十分な「有効な」磁気厚さを有する薄層を製造するために使用することができないことは、前述の考察から明らかである。
【００５１】
実際、なんとか達成できる磁気厚さは、層の平面に対して直角で流れる電流の分極が利用できるようになるには小さすぎ、あるいはもっと大きい磁気厚さを達成するためには、極めて特別の方法を使用して堆積される特定の磁性材料を使用することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【００５２】
まず、本発明は、カソードスパッタリングによって堆積された複合アセンブリを基板上に含む薄膜磁気デバイスにおいて、
- 垂直磁気異方性が大きい材料から作られる磁気層であって、その磁化が、どのような電気的または磁気的な相互作用がない場合でも、該磁気層の平面の外部に配置される、磁気層と、
- 先の層と直接接触し、スピン分極の比率が高い強磁性材料から作られる磁気層であって、その磁化が、どのような電気的または磁気的な相互作用がない場合でも、その平面上に配置され、先の層とのその結合が、これら2つの層を含むアセンブリの有効な消磁磁場の低減を誘起する、磁気層と、
- 先の磁気層、すなわちスピン分極の比率が高い強磁性材料から作られる磁気層と直接接触し、デバイスを通過する電子には分極性でない材料から作られる非磁気層と、から構成される薄膜磁気デバイスに関する。
【００５３】
本デバイスは、電流が、それらの平面に実質的に垂直な方向でこれらの層中を流れるようにさせる手段も含む。
【００５４】
したがって、前に述べた2つの磁気層が互いに強く結合されているので、それらは、単一層として振る舞い、所望の特性、すなわち第1の層によってもたらされた垂直異方性および第2の層によってもたらされたスピン分極を兼ね備え得る。
【００５５】
非磁気層は、これら2つの層を決して隔てず、その主な役割は、先に述べた複合アセンブリをその中に一体化することができる構造の他の磁気層とのどのような相互作用も低減させることである。
【００５６】
したがって、このデバイスは、スピンバルブまたはトンネル接合のタイプの完全な構造に追加することができる「ハーフ」パターンを構成することができる、あるいはそれ自体で、かつそれ自体のこのタイプの構造を構成するために、「二重にする」ことができる。
【００５７】
本発明によれば、垂直磁気異方性が大きい磁性材料から作られる磁気層は、コバルト、白金、鉄、ニッケル、パラジウム、金および銅を含む群から選択される材料からなる合金またはマルチレイヤから構成することができる。
【００５８】
この層を含む様々な基本層の性質、数および厚さは、強磁性材料から作られる可能な最大厚さの層について所望の特性を実現し、したがってこの構造を通過する電流中の電子を最適に分極させるために、上記の2つの磁気層からなるアセンブリの垂直磁気異方性のエネルギーを最大に引き出すように選択される。
【００５９】
本発明によれば、強磁性材料から作られる層は、コバルト、鉄、ニッケル、またはたとえばパーマロイNi80Fe20などのそれらの二元合金、または三元合金、ならびに、前述の磁性元素、および、たとえばホウ素、ケイ素、リン、炭素、ジルコニウム、ハフニウムまたはそれらの合金など、追加される非磁性材料の1つまたは複数を含む磁性の結晶化した、またはアモルファスの合金も含む群から選択される磁性材料から構成される。
【００６０】
しかし、この層は、磁性金属/磁性金属(たとえばCo/NiFe)、または磁性金属/非磁性金属(たとえばCo/Cu)のタイプのマルチレイヤからも構成することができる。
【００６１】
その結果、この層の厚さによって、それを通過する電流のスピン分極を最適化することが可能になる。
【００６２】
拡散モードでは、スピン分極を生成するための決定的長さは、スピン拡散長さlSFである。スピン拡散は、強磁性材料から作られる前述の層の厚さeの関数である関数(1-exp(-e/ lSF))として増加する。このスピン拡散長さは、通常、300Kで、パーマロイNi80Fe20の場合4.5nmであり、コバルトの場合20nmである。拡散モードは、たとえば、そのように生成されたポラライザが、金属性または非磁性スペーサによってトンネル接合のフリー磁気層から隔てられた場合、遭遇するモードであり、MRAMセルまたは無線周波数発振器を製造することを目的とする。
【００６３】
トンネルモードでは、トンネル電子の分極が、トンネル障壁の近傍の電子状態密度によって決定される。したがって、強いスピン分極を実現するための最適厚さは、トンネル障壁と接触した磁気層の厚さによって決定され、そのトンネル障壁は、トンネル障壁との界面の近傍でフェルミエネルギーに近接したスピンアップとスピンダウンされた電子の間に、電子エネルギー状態の密度に強い対比を確立することを可能にする。この厚さは、通常、数原子面であり、界面の谷に対するピーク高さおよび使用する材料に依存する。強磁性材料から作られるこの層の厚さを決定する際、考慮しなければならない他の点は、その磁化の熱安定性である。層が過度に微細であると(通常、厚さが1nmより薄いと)、熱的に励起された磁気変動または当業者によく知られた超常磁性現象さえも生じる。
【００６４】
一般的に言えば、スピン分極が大きくなればなるほど、そのような磁気デバイスを使用してメモリセルに書き込むために、または周波数帯域が広い無線周波数発振器を実現するために必要な電流密度は、ますます低減させることができる。
【００６５】
1つの有利な態様によれば、タンタル、クロム、チタン、窒化チタン、銅、金、パラジウム、銀および/またはそれらの合金を含む群から選択される1つまたは複数の材料から作られる、いわゆる「バッファ層」を、そのように定義された磁気デバイスと基板の間に介在させる。このバッファ層は、前述した磁気層の成長を最適化し、その上、それらが互いに、基板にもっと付着するように、とりわけ特に意図されている。バッファ層によって、上記の層の平坦性を高めることも可能になる、というのは、それが生じる格子定数が適合化されるからである。バッファ層は、デバイスのベースに電流を供給するためにも使用することができる。
【００６６】
本発明によれば、磁気デバイスは、金属(たとえば銅)または絶縁体(たとえばケイ素、マグネシウムまたは酸化アルミニウム)のいずれかから作られる第3の非磁気層が、最上部を占める。この第3の層の機能は、そのすぐ下にある磁気デバイスの磁気層を腐食されないように保護することであり、第3の層は、デバイスの上部に電流を供給するためにも使用することができる。最後に、たとえば磁気トンネル接合または無線周波数発振器を製造することとの関連で、上記の第3の層の上部上に堆積される可能性がある他の磁気層から、強磁性材料から作られる磁気層を磁気的に切り離すことも必要である。
【００６７】
対照的に、この第3の層は、磁気垂直異方性に関し、または構造を通過する電子の分極に関し、どのような具体的な作用も生じないように、選択される。
【００６８】
本発明によれば、この磁気デバイスの製造は、カソードスパッタリングを使用して様々な層を堆積することによって達成される。
【００６９】
この磁気デバイスは、有利にも、
平面磁化を有するスピンバルブまたは磁気トンネル接合の内部の垂直分極層として、
垂直磁化を有する構造中の活性層、すなわちフリー層および固定層の両方として、
平面磁化を有する構造中の活性層として、すなわち弱い磁化磁場を有するフリー層として、
使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明による磁気デバイスの第1の実施形態の概略図である。
【図２】図1に示したタイプの構造について、等価のコバルト厚さの関数として垂直磁場中で測定された残留磁化の変動を示すグラフの図である。
【図３】本発明の第2の実施形態の概略図である。
【図４】図3に示した構造について、等価のコバルト厚さの関数として、(垂直磁場中で測定された)残留磁化の変動を示すグラフの図である。
【図５】本発明の第3の実施形態の概略図である。
【図６】本発明の第4の実施形態の概略図である。
【図７】図6に示したタイプの構造のフリー層を構成する等価のコバルト厚さの関数として、(垂直磁場中で測定された)飽和磁場の変動を示すグラフの図である。
【図８】本発明の第5の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００７１】
読者は、最初に、デバイス、殊にトンネル接合またはスピンバルブのデバイス中を流れる電子のスピン分極の現象を思い出されたい。
【００７２】
導体中を流れる電流は、電子から構成され、その電子のスピンは、いかなる特定の方向にも方向付けられるという先験的な理由がない。それにもかかわらず、特定の磁化を有する磁気層を通過するとき、上記の電子のスピンは、磁気モーメント移動現象によって方向付けられ、したがって電子は、この層から現れるとき、分極されたスピンを有する。
【００７３】
そのような層またはそのような層一式は、ポラライザを構成する。この現象は、透過(層中を)ならびに反射(ある層に対して)が電流の流れる方向に依存することに関し、自明であり得る。また、それは、その現象が一定の方向に分極されたスピンを有する電子に優先的な経路を割り当てるという反対の意味でも、自明であり得る。したがって、層の機能は、アナライザの機能である。
【００７４】
したがって、スピン分極電流を用いた磁化スイッチングによって書き込まれた磁気メモリに関し、電流が第1の、いわゆる固定層を通過するとき、電子スピンが局所的な磁化方向に自己整合する傾向があるという意味で、電流が分極される。強い脱分極層が、第2の、いわゆる「フリー」磁気層からこの第1の磁気層を、フリー磁気層が特定の磁化方位を有さないという意味で、隔てない場合、電子のこのスピン分極は、見返りとして、分極方向のまわりで、上記の第2のフリー磁気層の磁化の歳差運動を誘起する。
【００７５】
平面磁化を有する磁気システムの場合、これらの層を通過する電流密度が増加すると、歳差運動コーンの角度は、一定の臨界電流に対して90°を最終的に越えるまで増加し、したがって、「フリー」層の磁化がスイッチングされる。しかし、その反転を達成するために、フリー層の消磁磁場を乗り越える必要があり、読者は、この消磁磁場が、薄い磁気層の場合、所定の位置に磁化を保持する傾向があることを思い出されたい。
【００７６】
この物理的単位が材料の磁化に比例するので、その結果、磁化のスイッチングには、従来の磁性材料については高密度電流を流すことが必要になるが、トンネル接合タイプの磁気デバイスは、そのような高密度電流に耐えることができない。
【００７７】
したがって、本発明の1つの魅力は、磁気メモリを製造することに関し、それらの動作を最適化するために、消磁磁場を低減することによって、これらの電流密度を制限することが可能な磁気デバイスを使用することである。
【００７８】
本発明によれば、磁気デバイスでは、具体的には必ずしも単結晶でない電流基板が使用される。そのような基板は、たとえば、シリカまたは酸化ケイ素から構成される。この酸化は、熱酸化の結果でもよく、またはケイ素の自然酸化によって起こされてもよい。
【００７９】
アモルファスの場合、この基板は、その後の層のどのような優先的な結晶成長方位も誘起しない。したがって、それは、特に上部層の平坦性を満足するように実現するという目的で、谷に対して極めて低いピーク高さなど、その知られた特性だけで選択される。
【００８０】
ケイ素および酸化ケイ素に加えて、この基板は、たとえば、窒化ケイ素または溶融ガラスなど、谷に対するピーク高さが極めて低い他の材料から構成することもできる。それは、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムから作ることもできる。
【００８１】
カソードスパッタリングが、この基板上にバッファ層1を堆積するために使用される。上記に述べたように、このバッファ層によって、上部層の成長が助長され、格子定数が適合化され、上記の上部層の湿潤性ならびにそれらの付着力および向上した平坦性が確保される。この層の目的は、デバイス中を流れる電流を供給することを可能にすることでもある。
【００８２】
図1にとりわけ特に示した本発明の第1の実施形態では、このバッファ層1は、タンタル層および/または白金層が上部に占める銅の厚い層から構成される。タンタル層の厚さは、2〜20nm、有利には3nmである。白金層の厚さは、2〜30nm、有利には20nmである。
【００８３】
次いで、パターン(Pt/Co)nによる白金およびコバルトの層のスタックから構成される層2が、堆積される、ただし、nは、白金/コバルトのスタックの繰り返し数である。
【００８４】
マルチレイヤ2(Co/Pt)nのコバルト層の厚さは、0.2〜1nm、有利には0.6nmである。白金層の厚さは、0.1〜2nm、有利にはおおよそ0.3nmである。さらに、スタック(Co/Pt)の繰り返し数nは、1〜10である。
【００８５】
次いで、スピン分極の比率が高い強磁性材料から作られる層3は、この層2上に堆積される。説明する実施例では、この層3は、コバルトから作られる。しかし、コバルトは、たとえば、パーマロイNi80Fe20など、それを通過する電流の電子スピンを著しく分極させるその傾向が知られた他の磁性材料に、有利にも置き換えることができる。上記ですでに述べたパーマロイの他の利点は、その短いスピン拡散長さ(ほぼ4.5nm)であり、したがって、拡散モードでは、4.5nm程度のパーマロイ厚さは、この材料から予想することができる最大分極(50〜60%程度)を発生するのに十分である。
【００８６】
この層3は、コバルト、鉄およびニッケルを含む群から選択される元素の二元または三元の磁気合金から作ることができる。この合金は、結晶化した、またはアモルファスでもよく、かつホウ素、ケイ素、リン、炭素、ジルコニウム、ハフニウムまたはそれらの合金を含む群から選択される、追加される非磁性材料を含むこともできる。この層3は、磁性金属/磁性金属または磁性金属/非磁性金属のタイプのマルチレイヤからも構成することができる。
【００８７】
この層3は、先の層2と結合されていないとき、その平面上で自然に方向付けられた磁化を有する。
【００８８】
最後に、厚さが2〜10nmの銅の層4が、やはりカソードスパッタリングによって層3上に堆積される。この層4の究極の目的は、層3の面外異方性に関し、構造を通過する電子の脱分極に関し、共に、どのような具体的な作用も誘起せず、腐食されないように層3を保護することである。
【００８９】
この層4は、たとえばMRAMセルまたは無線周波数発振器を製造する目的でトンネル接合を追加するなど、上記の第3の層の上に堆積される可能性がある他の磁気層から、層3を磁気的に分離することも意図される。この銅層は、ケイ素、アルミニウムまたは酸化マグネシウムの層、または任意の他の材料の層、または電子の過度の脱分極を起こさない合金の層と交換することもできる。
【００９０】
マルチレイヤ2の目的は、その高い垂直磁気異方性により、平面からコバルト層3の磁化を引き出すことである。これを達成するために、これら2つの層のそれぞれの厚さは、(Co/Pt)nマルチレイヤの有効異方性の絶対値が、コバルト層の有効異方性の絶対値を超えるように、選択すべきであることが実証されている。
【００９１】
次の現象は、この記述を例示するために述べる。
【００９２】
マルチレイヤ2の磁化がm2、その厚さがe2、コバルト層3の磁化およびその厚さがそれぞれm3およびe3の場合、これによって次の式が与えられる。
【００９３】
まず、これらの2つの層のそれぞれの単位表面積当たりの異方性が、磁気結晶異方性と界面異方性の合計として定義される。したがって、層2について、単位表面積当たりの有効異方性keff2は、次の式によって定義される。
【００９４】
keff2=kv2・e2+ks2
ただし、kv2およびks2は、マルチレイヤ2のそれぞれ磁気結晶異方性および界面異方性である。
【００９５】
同様に、次の式がコバルト層3に適用される。
【００９６】
keff3=kv3・e3+ks3
ただし、kv3およびks3は、コバルト層のそれぞれ磁気結晶異方性および界面異方性である。
【００９７】
考慮しなければならない他の係数は、静磁エネルギーを最小にするように当該の層の面内磁化を維持する傾向があり、消磁磁場に相当する形状異方性である。単位表面積当たりの形状異方性は、それぞれ次のように表される。
【００９８】
層2について、-2π・M22・e2
層3について、-2π・M23・e3
ただし、M2(3)は、対応する層の自然発生的な磁化である。
【００９９】
最後に、Aは、マルチレイヤ2とコバルト層3の間の界面での交換結合定数である。
【０１００】
したがって、マルチレイヤ2の単位表面当たりの異方性エネルギーは、
【０１０１】
E=-{(kv2-2πM22)e2+ks2}cos2θ2
ただし、θ2は、層の平面に対して垂直の方向に対する層2の磁化角度である。
【０１０２】
この式の結果として、層2が、他のすべての層との相互作用がなしに得られた面外磁化を有することを確認するために、関係{(kv2-2π・M22)e2+ks2}>>0をチェックしなければならず、したがってエネルギー{(kv2-2π・M22)e2+ks2}cos2θ2は、θ2=0、すなわち面外磁化の場合、最小になる。
【０１０３】
これを達成するために、マルチレイヤ2の厚さは、過度に界面垂直異方性を低減しないように、形状異方性に対して十分小さくなければならない(すなわち、殊に繰り返し数n)。
【０１０４】
しかし、経験によると、この材料、すなわち説明された実施例のコバルト/白金マルチレイヤが、過度に弱いスピン分極を生成する、つまり、電子がコバルト層を通過するときに得られるすべての分極が、電子が次の白金層を通過したときに実際失われることが示されている。この分極を増加するために、このマルチレイヤは、知られているように強いスピン分極を有する磁性金属のもっと厚い層と結合される。
【０１０５】
実際、実施例で述べたコバルトは、上記に述べたように、パーマロイNi80Fe20またはコバルト-鉄CoFe合金に有利にも置き換えることができる。しかし、これらの材料の磁化方向は、層2と結合せず平面に対して平行である場合、次の式による。
【０１０６】
{(kv3-2πM23)e3+ks3}<0
【０１０７】
しかし、層2および3の磁化間の交換結合は、式-Acos(θ2-θ3)に従う、ただしθ2およびθ3は、層の平面に対して垂直な方向に対する、2つの層のそれぞれの磁化角度であり、該交換結合は、上記の層の磁化を互いに対して平行に保つようにする傾向がある。
【０１０８】
したがって、これら2つの結合された層2および3を積み重ねることによって生じる磁気エネルギーは、次の関係で定義される。
【０１０９】
E=-{(kv2-2πM22)e2+ks2}cos2θ2-{(kv3-2πM23)e3+ks3}cos2θ3-Acos(θ2-θ3)
【０１１０】
このようであるから、コバルト/白金のマルチレイヤ2が平面からコバルトまたはパーマロイ層3の磁化を引き出すために、2つの条件が満たされなければならない。
【０１１１】
まず、層2の有効面外異方性は、次の式によって表される層3の有効平面異方性より強くなければならい。
【０１１２】
{(kv2-2πM22)e2+ks2}+{(kv3-2πM23)e3+ks3}>0
【０１１３】
また、結合定数Aによって結合され、層2に対する面外異方性および層3に対する平面異方性をそれぞれ有する2つの層から構成された、ここで提示した簡単なモデルの枠組み内で、層2との結合作用によって、層3の磁化が面から引き出されることが可能になる、ただし、単位表面積当たりの結合エネルギーが、層3の単位表面積当たりの有効異方性の絶対値の2倍であることが条件である。
【０１１４】
層3(コバルトまたはパーマロイ)の場合、その厚さe3が厚ければ厚いほど、その分極は、拡散モードでは殊にスピン拡散長さとの関連で、漸近的にますます大きくなる。そうは言うものの、この厚さは、一度層が組み立てられると、その面内磁化を低減することができるが、過度に大きい値を仮定してはならない。
【０１１５】
図2に、通常Si/SiO2/Ta/(Pt/Co)n/Cox/Cuスタックから構成されるそのような構造について、磁場が層の平面に対して垂直に加えられた状態で測定された残留磁化の変動を、最下位の白金層から測定したコバルト厚さの関数として示す。
【０１１６】
コバルト層の磁化が層の平面に対して垂直である特性に対応する、ゼロ磁場での100%の残留磁場は、コバルト厚さが2.8nmに近づくまで存続することに留意されたい。したがって、3nmを超えるコバルト厚さに対して、コバルト層の磁化が層の平面に対して平行であることを示す0%の残留磁化が存在する。
【０１１７】
したがって、この第1の実施形態の構成では、3nmより小さいコバルト厚さの場合、導入部で言及したように垂直ポラライザを製造することができる。
【０１１８】
図3に示す第2の実施形態では、先の実施例で説明した構造が反転され、基板/銅/コバルト(強磁性材料)/マルチレイヤ(Co/Pt)nの一続きが与えられる。この実施形態は、先の実施形態と対称的であり、ここでは「有効」コバルト層3は、様々な層が堆積される順序に関し、コバルト/白金マルチレイヤ2の下に配置される。
【０１１９】
コバルト/白金マルチレイヤ2のコバルト層の厚さは、0.2〜1nm、有利には0.6nmである。コバルト/白金マルチレイヤ2の白金層の厚さは、0.2〜2nm、有利には1.6nmである。
【０１２０】
コバルト/白金スタックの繰り返し数は、1〜10、有利には5である。
【０１２１】
図4に、その構造、より詳しくはCu/Co/(Co0,6/Pt1,6)5/Ptの構造について、磁場が層の平面に対して垂直に加えられた状態で測定された残留磁化の変動をコバルト厚さの関数として示す。
【０１２２】
1.2nmより小さいコバルト厚さに対して、層の平面に対して垂直な「有効」コバルト層3の磁化に対応するゼロ磁場で、100%の残留磁化が存在することに留意されたい。
【０１２３】
したがって、1.2nmを超えるコバルト厚さに対して、磁気層の磁化の一部分が層の平面に対して平行であることを示す、100%より小さい残留磁場が存在する。
【０１２４】
第3の実施形態では、上記の2つの実施形態を組み合わすことによって、図5に概略的に示すように、接合またはスピンバルブの「活性」磁気層のそれぞれが、最初の2つの実施形態の1つによって製造される、殊に垂直磁化を有する「スピンバルブ」または「磁気トンネル接合」のタイプの完全な構造を製造することができる。MRAM磁気メモリを製造したい場合、第1および第2の実施形態の構造が、たとえば非磁性伝導性層またはAl2O3またはMgOのトンネル障壁のタイプによって、隔てられる。
【０１２５】
図6に示す第4に実施形態では、第1の実施形態で示したスタックを使用するが、このときは、平面磁化を有するスピンバルブまたはトンネル接合のタイプの構造中の「フリー層」として使用する。いわゆる「固定」層は、通常の構造、すなわち、たとえば反強磁性材料(AFM)と交換結合される平面磁化を有する従来の磁性材料を用いることができる。
【０１２６】
図6に示したタイプのスタックについて、図7に、飽和磁場(磁場は、層の平面に対して垂直の方向に常に加えられる)の変動をコバルト厚さ(層3)の関数として示す。この飽和磁場は、図6によれば約2nmを超える厚さの場合には層の平面に対して必然的に平行であるコバルトの磁化を強制して、平面に対して垂直の方向に自己配向させるために必要な磁場の強度を示す。
【０１２７】
飽和磁場の値が、層2と磁気層3の間の相互作用によって導入された垂直異方性項がなくて厚さが同じコバルト層の場合に必要になるはずの値(18kOe程度の)より極めて小さいことが分かるはずである。
【０１２８】
言い換えると、このグラフは、コバルト厚さが低減されたとき、殊に2nm程度の厚さまで小さく低減されたとき、垂直飽和磁場が低減されることを示す。平面磁化であるが弱い消磁磁場を有する層を実現したい場合、すなわち磁化スイッチングがスピン分極電流を使用することによって行われる磁気メモリに関した本発明による磁気デバイスを使用することに関する場合、したがって、ここで説明した実施例の2nmをわずかに超えるコバルト厚さを選択することになる。
【０１２９】
図8に示す第5の実施形態では、第2の実施形態で示したスタックが使用されるが、このときは、平面磁化を有するスピンバルブまたはトンネル接合のタイプの構造中で「フリー層」として使用される。いわゆる「固定」層は、通常の構造、すなわち、たとえば反強磁性材料(AFM)と交換結合された平面磁化を有する従来の磁性材料を使用することができる。
【０１３０】
したがって、第4の実施形態の場合のように、これがフリー層に平面磁化であるが弱い消磁磁場を付与し、このフリー層は、この実施形態では、デバイスの様々な層が堆積される順序に関し、固定層の上に配置される。
【符号の説明】
【０１３１】
1  バッファ層
2  層、マルチレイヤ、白金およびコバルトの層のスタックから構成される層、磁気層
3  層、コバルト層、スピン分極の比率が高い強磁性材料から作られる層、磁気層
4  層、銅の層、非磁気層
【図１】
2009545869.tif 000003
【図２】
2009545869.tif 000004
【図３】
2009545869.tif 000005
【図４】
2009545869.tif 000006
【図５】
2009545869.tif 000007
【図６】
2009545869.tif 000008
【図７】
2009545869.tif 000009
【図８】
2009545869.tif 000010
【国際調査報告】
2009545869.tif 000011
2009545869.tif 000012
2009545869.tif 000013
2009545869.tif 000014
2009545869.tif 000015
2009545869.tif 000016