(57)【要約】【課題】磁気メモリ素子のような強磁性体システムにおいて、外部磁場を使用することなく、磁化反転を制御するデバイスを提供する。【解決手段】２つの平らな電極間に形成された磁気制御部を有し、該磁気制御部は、第１の電極から順に、第１の強磁性体層と、非磁性体層と、第２の強磁性体層と、第２電極とを有し、該第２の強磁性体層の厚さは、該第１の強磁性体層の厚さ未満であり、該第２の電極の厚さは、前記第２の強磁性体層と制御デバイスにより制御されるシステム間の磁気カップリングを可能にするために十分小さいことを特徴とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁場を使用することなく、磁化反転を制御するデバイスにおいて、
２つの平らな電極（３，７）間に形成された磁気制御部を有し、
該磁気制御部は、第１の電極から順に、第１の強磁性体層（４）と、非磁性体層（５）と、第２の強磁性体層（６）と、第２電極（７）とを有し、
該第２の強磁性体層の厚さは、該第１の強磁性体層の厚さ未満であり、
前記第２の電極（７）の厚さは、前記第２の強磁性体層と制御デバイスにより制御されるシステム（８，８Ｂ）間の磁気カップリングを可能にするほどに十分小さいことを特徴とする制御デバイス。
【請求項２】
前記第２の電極の厚さは、５Åと１０，０００Åの間であり、該厚さには、前記第２の電極と前記制御される強磁性体システム間に空隙がある場合は、前記空隙を含んだ値であることを特徴とする請求項１に記載の制御デバイス。
【請求項３】
前記第１の強磁性体層は、２０〜３０ナノメーターから２００〜３００ナノメーターの厚さであり、
前記非磁性体層は２〜３ナノメーターの厚さであり、
前記第２の強磁性体層の厚さは、前記第１の強磁性体層の厚さの２０〜３０パーセント未満であることを特徴とする請求項１に記載の制御デバイス。
【請求項４】
前記第１の強磁性体層と前記第１の電極との間に、反強磁性体層（９）を有することを特徴とする請求項１に記載の制御デバイス。
【請求項５】
前記反強磁性体層は、２〜３ナノメーターの厚さであることを特徴とする請求項４に記載の制御デバイス。
【請求項６】
制御対象である前記システムは、前記第２の電極上に形成された磁気メモリ素子（８Ｂ）であることを特徴とする請求項１に記載の制御デバイス。
【請求項７】
前記磁気メモリ素子は、第１の強磁性体層（１０）と、非磁性体層（１１）と、第２の強磁性体層（１２）と、電極（１４）とを有することを特徴とする請求項６に記載の制御デバイス。
【請求項８】
前記磁気メモリ素子は、前記磁気メモリ素子の第２の強磁性体層（１２）と前記磁気メモリ素子の電極（１４）との間に反強磁性体層（１３）を有することを特徴とする請求項７に記載の制御デバイス。
【請求項９】
制御デバイスが制御するシステム（８，８Ｂ）は、制御デバイスに対し可動であることを特徴とする請求項１に記載の制御デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部磁場を使用することなく、磁化方向の反転を制御するためのデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第５６９５８６４号明細書には、磁化の切替、つまり、磁気による記憶素子への書き込みを可能とする、５つの層からなる電子部品について記述がなされている。その層のうちのいくつかは磁性体であり、他の層は磁性体ではない。この電子部品は、電気的なスピン偏極電流を用いることで、外部磁場を磁気素子に用いることなく、強磁性体薄膜に磁化反転を誘導することを可能にする現象を利用したものである。
【０００３】
いわゆる、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）といわれるデバイスの使用には、デバイスの磁化の切替（メモリへの書き込み又は再書き込み）を行うために、局所的な磁場制御が必要となる。現在のところ、前記切替を実現するために、磁気素子に直接接触させた導電性ブレード（ワードラインという）に流される電流により生じる磁場が用いられている。しかしながら、小形化の競争の中で、前記方法は切替を確実にするための十分に強い磁場を供給できなくなっている。なぜなら、ワードラインの大きさ又はワードラインに適用される電流密度のどちらかが大きくなりすぎると、過度の電流によりこれらの素子を破壊してしまうからである。前記の問題を克服するため、上述した５つの層からなるデバイスの実施を試みたが、そのようなデバイスは製作が困難であった。特に、高い値が必要となる制御電流の排出が磁気制御の効率を減らしてしまうという事実により困難であった。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５６９５８６４号明細書
【非特許文献１】
T.Valet, A.Fert “Physical Review” B 48 7099 , 1993年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明は、外部磁場を使用することなく、磁化反転を制御するデバイスを提供することを目的とする。さらに、デバイスは小形にでき（サブミクロンの寸法まで）、非常に効率的で、制御する素子を破壊する危険がないものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的のため、本発明は、外部磁場を使用することなく、磁化反転を制御するデバイスにおいて、
２つの平らな電極間に形成された磁気制御部を有し、
該磁気制御部は、第１の電極から順に、第１の強磁性体層と、非磁性体層と、第２の強磁性体層と、第２電極とを有し、
該第２の強磁性体層の厚さは、該第１の強磁性体層の厚さ未満であり、
該第２の電極の厚さは、前記第２の強磁性体層と制御デバイスにより制御されるシステム間の磁気カップリングを可能にするために十分小さいことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の２つの実施形態について、図を参照し、以下で詳細に記述する。以下の説明は例示であり、本発明を実施形態に制限するものではない。
【０００８】
以下において、本発明の説明を、磁気メモリ素子への２値情報の書き込み（又は再書き込み）制御の例により行う。しかしながら、磁化方向を反転することで、他の強磁性体素子の磁化制御にも実施可能であるため、本発明は当然この応用例に限定されるものではない。その様な例として、一組のＭＲＡＭ素子（一組の制御デバイスにより制御される）、制御デバイスに対して移動する磁気媒体又はある特定の磁気の点を反転するデバイス等がある。
【０００９】
図１によると、制御デバイス１は、シリコン等の基板２上に連続して形成される７つの層を有する。これらの層は、順に、第１の電極３、第１の強磁性体層４、導電性非磁性体層５、第２の強磁性体層６及び電極７である。制御されるデバイス８は、電極７と接触している（または、その変形として、電極７から非常に小さい距離におかれている。）。電極７（この電極とデバイス８の間に空隙があるならその空隙を含む）とデバイス８の厚さの合計は予め決められた値Ｅ未満である。予め決められた値Ｅは、制御デバイスがもはやデバイス８の磁化反転を誘導できなくなる値であり、層６とデバイス８間の距離制限にも相当する。
【００１０】
制御電流Icは、Icrit（デバイス８の磁化反転を誘導する値より大きい臨界値）以上であり電流源１Ｂにより供給される。
【００１１】
典型的な実施形態では、電極３と７はAu、Cu又はAlのような高い導電率を持つ材料で作られる。電極３の厚さは重要ではなく、同様なデバイスの導電性電極がもつ典型的な値でよい。一つの実施例としては、電極の厚さは約1,000Åである。電極７の厚さは、5Åから約10,000Åの間であり、デバイス８との磁気カップリングに用いられる構造に依存する。強磁性体層４は、Fe、Co、Ni又はそれらの合金、さらに半磁性材料（酸化物磁性体やホイスラー合金等）の様な良質な強磁性体特性を有する材質からなる。この層４の厚さは組成物によるが、一例として、２０〜３０ナノメーターから２００〜３００ナノメーターの間である。層５は導電性がある非強磁性体の材質からなり、２〜３ナノメーターの厚さである。層６は層４と同じ強磁性体による組成物からなるが、厚さは、層４より薄い。例えば、層６の厚さは層４の厚さの２０〜３０パーセントである。
【００１２】
前記の制御デバイスは、以下のように動作する。上述した米国特許によると、ＭＲＡＭメモリの磁化反転を制御するデバイスが知られており、既に述べた欠点を有している。本発明による制御デバイスは、その構造により、特に第２の電極７の配置により、デバイス８（この例ではＭＲＡＭメモリである）の書き込み部を読み出し部から分離することを可能としている。以下に説明を行う。
【００１３】
現在のところスピン偏極電流の注入による磁化反転（即ち、磁化方向の180°の回転）の現象を説明する二つの理論がある。第一は、上述した米国特許の中でJ.Slonczewskiより提案されたもので、磁気モーメントに関連した運動モーメントの保存の法則に基づくものである。これは、２つの強磁性体層にはさまれた、非強磁性体層からなる３層磁気システムに基づく。第１の強磁性体層から非強磁性体層への電流の注入が、スピン偏極電流を作り出す。磁気モーメント磁束Ｓは、スピン偏極電流に関連付けられている。高密度の電流に対しては、磁束Ｓにより運ばれる磁気モーメントが横断する部分の緩和が、層６の磁気モーメントにトルクを誘導する。ある場合（電流が臨界値を超えた場合）、このトルクは、第２の強磁性体層の磁化反転を誘導することができる。
【００１４】
第２の理論によれば、スピン偏極電流の注入は非強磁性体層の境界面でスピンの蓄積効果を作り出す。これらの効果は、垂直方向のジャイアント磁気抵抗（ＧＭＲ）の基礎として知られている（例えば、非特許文献１参照。）。スピンの累積により誘導される磁気モーメントの大きさは、注入とスピン緩和（システムの最小エネルギー状態へもどる）との間のバランスに依存し、そして、２つの強磁性体層の相対的な磁化の方位にも依存する。十分高い電流密度において、もっとも有利なシステムのエネルギー状態は、第２の強磁性体層の磁化が２つの強磁性体層の相対的な磁気構成を得るために、反転させられている状態である。それは電流値が低い時の状態とは逆転している。
【００１５】
正確な理論的な説明が何であろうと、２つの重要な結論は、
ａ）  第２の強磁性体層の磁化を反転するのに必要な、３層システムを通過する電流密度は、現在の技術では約１０１１A/m2である。この値は一般のスピンエレクトロニクスデバイスで使用される値に比べ高く、問題としているシステムを完全に金属で、そしてサブマイクンのサイズにすることを要求する。
ｂ）  最良の反転の効果は、スピン偏極電流が層の面に対し垂直方向に注入された場合に得られる。
【００１６】
上述した発明によるデバイスは、これらの２つの条件を満足し、以下のように動作する。強磁性体層４は、電流源１Ｂから電極３を経由し流入する電流のスピン偏極を可能とする。また前記電流は、デバイス１の各層の面に対し、実質的に垂直に到達する。この偏極電流は強磁性体層６を横断し、電極７（依然、層の面に対し垂直である）に到達し、電流源１Ｂに戻る。層６の磁化反転は、電流密度が上述した臨界値（約１０１１A/m2）に達したときに、確実に生じる。この磁化反転はデバイス８を制御することを可能とする。明らかに本処理は、電流の方向を反転することで反転可能である。
【００１７】
図２の実施形態１’は図１のデバイス１の必須である要素を含む。それらは素子２から７であり、同じ順番で配列され、図１と同じ構成であり、同じ大きさでもある。違いは、反強磁性体層９が、層３と層４の間に差し挟まれていることである。前記層９は、例えばIrMn、 NiMn、 PtMn又はFeMnであり、２〜３ナノメーターの厚さである。層９は層４中の磁化の方位を既に知られている方法で固定することを可能とし、その上、層４のパラメーター（組成及び／又は厚さ）の最適化に寄与する可能性がある。
【００１８】
図１と図２の実施形態で、層５の厚さは、層６に到達するスピン偏極電流を最適化し、層４と層６間の全てのカップリングを最小にするように選択される。もちろん、磁化の反転に必要な、非常に高い電流密度が本発明の制御デバイスを破壊しないように、層４と層６の部分はサブマイクンの大きさでなければならない。この部分は0.5μm2未満が有利である。
【００１９】
図３は、図２において制御されるデバイス８が、ＭＲＡＭ形磁気メモリ素子８Ｂである場合の制御デバイスを表示している。この素子８Ｂは、電極７上に形成される幾つかの層を有する。順に、これらは強磁性体層１０、非磁性体層１１、第２の強磁性体層１２、反強磁性体層１３及び電極１４である。
【００２０】
素子８Ｂは、既に知られた方法により作られる。本発明の場合、強磁性体層は図１と図２の制御デバイスの強磁性体層と同じ組成物からなる。そして非磁性体層１１は、ジャイアント磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を利用したメモリに一般的に使用される金属材料であってもよいし、絶縁物であってもよいし、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用したメモリに一般的に使用される半導体材料であってもよい。層１３は必須のものではなく、強磁性体層１２を“硬く”することを可能とする。つまりカップリング効果の交換により、層１２の磁化を与えられた方向に“固定”する。メモリの電気抵抗状態（高い又は低い。これら２つの状態での抵抗値の違いは約１０％から５０％である）は、それゆえ“固定”された層１２に対し、“可動”である磁性体層１０の磁化の方位状態によってのみ決まる。磁気メモリ８Ｂの状態を決定するために、電極７と電極１４間の層間抵抗を、これらの電極に接続した適当な測定デバイス１５により測定すればよい。また、電極３と電極１４の抵抗であってもよい。
【００２１】
本発明によるデバイスの重要な特徴は、導電性で非磁性体材料の層で形成される電極７の存在である。第一に、この層７は被制御デバイス（８、８Ｂ）を制御デバイスから電気的に分離する。第二に、層７は、磁気制御デバイスに流す必要がある強烈な電流を、被制御デバイス（磁気メモリ素子）に流すことなく、排出することを可能にする。最後に、層７は、制御デバイスと被制御デバイスでの、層の面に垂直な電流の循環を可能とする。
【００２２】
強磁性体層６により誘導される２つの磁気カップリング動作が、電極７を経由し、デバイス８の制御される強磁性体層（図３の磁気素子の場合は層１０）で、外部磁場を与えることなく、被制御層の磁化方位を制御することを可能とする。第１のカップリングは、電極７を経由した、層６と層１０間の間接的な磁気交換カップリングに基づく。この現象は、多層磁気システムの分野において広く研究されている。この交換カップリングは、分離する層（この場合は電極７）の厚さが１００Åまで持続することが知られている。そしてその符号（平行又は反平行カップリング）は、分離する層の厚さに依存する。
【００２３】
第２の可能なプロセスは、ダイポール磁気カップリングである。この種のカップリングの効果は、２００〜３００ナノメーターの距離（この場合、層７の厚さ）でさえ持続し、層６と層１０の磁化を反平行の方位に合わせる。制御デバイスにスピン偏極電流を注入し、自由な層６の磁化方向を反転させることにより、“可動”である層（メモリ素子の層１０）の磁化の反転が可能となる。ゆえに、メモリ素子の磁気状態の制御が可能となり、外部磁場を適用することなくメモリ素子の書き込みが可能となる。
【００２４】
最後に、層１０での磁化反転の原因である、層６での磁化反転を生じさせる臨界電流値について述べる。臨界電流値は、第一の近似として、この層の面積の２乗に反比例する。その結果、被制御メモリ素子のサイズを小さくすれば、本発明の制御デバイスをより効果的なものとすることができる。これは、電流により発生させた磁場により磁気制御する既知のデバイスとは逆である。なぜなら、メモリ素子を小さくすることは、電流密度を高くしなければならないからである。ゆえに本発明は、メモリ素子の小形化に対す障害を取り除くこととなる。
【００２５】
本発明の、他の態様として、各図において、破線で表されている基板（２）が、電極３を支持する代わりに、デバイス８又は８Ｂを支持する。（もし、このデバイスがその上に形成される制御デバイスに対し固定されるとき）そのとき、この基板は２’で表される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による制御デバイスの第一実施形態の断面図である。
【図２】本発明による制御デバイスの第二実施形態の断面図である。
【図３】ＭＲＡＭ磁気メモリ素子と関連した本発明による制御デバイスの断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  制御デバイス
１Ｂ  電流源
２、２’  基板
３、７，１４  電極
４、６、１０、１２  強磁性体層
５  導電性非磁性体層
９、１３  反強磁性体層
８  デバイス
８Ｂ  ＭＲＡＭ形磁気メモリ
１１  非磁性体層
１５  測定デバイス
【国際公開パンフレット】
2005501402.tif 000002
2005501402.tif 000003
2005501402.tif 000004
2005501402.tif 000005
2005501402.tif 000006
2005501402.tif 000007
2005501402.tif 000008
2005501402.tif 000009
2005501402.tif 000010
2005501402.tif 000011
2005501402.tif 000012
2005501402.tif 000013
2005501402.tif 000014
2005501402.tif 000015
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005501402.tif 000016
【国際調査報告】
2005501402.tif 000017
2005501402.tif 000018
2005501402.tif 000019
2005501402.tif 000020