(57)【要約】  磁気メモリで使用することができる磁気素子を供給するための方法およびシステム。この方法およびシステムは、第１のピン留め層と、バリア層と、自由層と、導電非磁性スペーサ層と、第２のピン留め層とを作製するステップを含む。各ピン留め層はピン留め層容易軸を有する。ピン留め層容易軸の少なくとも一部は垂直方向を向いている。バリア層は第１のピン留め層と自由層の間に介在する。スペーサ層は自由層と第２のピン留め層の間に位置する。自由層は、自由層容易軸を有し、その少なくとも一部は垂直方向を向いている。磁気素子は、また、書き込み電流が磁気素子を流れた場合に、スピン・トランスファ効果により自由層を切り替えることができるように構成される。磁化が垂直方向を向いているので、スピン・トランスファのための書き込み電流を有意に低減することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気素子であって、
第１のピン留め層容易軸を有する第１のピン留め層であって、該第１のピン留め層容易軸の少なくとも一部が垂直方向を向いている第１のピン留め層と、
非磁性的であり、導電性であるスペーサ層と、
自由層であって、前記スペーサ層が前記第１のピン留め層と前記自由層の間に介在し、前記自由層が自由層容易軸を有し、前記自由層容易軸の少なくとも一部が垂直方向を向いている自由層と、
バリア層であって、絶縁体であり、前記バリア層をトンネリングすることができる厚さを有するバリア層と、
第２のピン留め層容易軸を有する第２のピン留め層であって、前記第２のピン留め層容易軸の少なくとも一部が垂直方向を向いていて、前記バリア層が前記自由層と前記第２のピン留め層の間に位置する第２のピン留め層と、
を備え、
書き込み電流が前記磁気素子を流れた場合に、スピン・トランスファにより前記自由層を切り替えることができるように構成される磁気素子。
【請求項２】
前記自由層が、強磁性層および希土類遷移金属合金層の２層を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記希土類遷移金属合金層が、ＧｄＦｅおよび／またはＧｄＦｅＣｏを含む請求項２に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記強磁性層が、５〜１０オングストロームの厚さのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、これらの合金、またはＣｏＸ、ＣｏＦｅＸまたはＣｏＮｉＦｅＸを含み、Ｘが、５〜６０原子百分率のＣｕ、Ｂ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、ＰｔおよびＰｄである請求項２に記載の磁気素子。
【請求項５】
前記自由層が（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎを含み、ｎが整数である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項６】
前記自由層が（Ｆｅ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）ｎを含み、ｎが整数である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項７】
前記自由層が、［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］／Ｒｕ／［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］または［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］／Ｒｕ／［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］ｎを含み、ｎが整数である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項８】
前記第１のピン留め層が、強磁性層および希土類遷移金属合金層の２層を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項９】
前記希土類遷移金属合金層が、ＴｂＦｅおよび／またはＴｂＦｅＣｏを含む請求項８に記載の磁気素子。
【請求項１０】
前記第１のピン留め層が（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎを含み、ｎが整数である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１１】
前記第１のピン留め層が（Ｆｅ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）ｎを含み、ｎが整数である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１２】
前記第１のピン留め層が、［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］／Ｒｕ／［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］または［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］／Ｒｕ／［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］ｎを含み、ｎが整数である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１３】
前記第１のピン留め層が、［ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ］を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１４】
前記第２のピン留め層が、強磁性層および希土類遷移金属合金層の２層を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１５】
前記希土類遷移金属合金層が、ＴｂＦｅおよび／またはＴｂＦｅＣｏを含む請求項１４に記載の磁気素子。
【請求項１６】
前記第２のピン留め層が（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎを含み、ｎが整数である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１７】
前記第２のピン留め層が（Ｆｅ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）ｎを含み、ｎが整数である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１８】
前記第２のピン留め層が、［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］／Ｒｕ／［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］または［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］／Ｒｕ／［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］ｎを含み、ｎが整数である請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１９】
前記第２のピン留め層が、［（ＣｏＦｅＰｔ）ｎ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＰｔ］を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項２０】
前記自由層容易軸が垂直方向を向いている請求項１に記載の磁気素子。
【請求項２１】
磁気素子を供給するための方法であって、
（ａ）第１のピン留め層容易軸を有する第１のピン留め層を供給するステップであって、前記第１のピン留め層容易軸の少なくとも一部が垂直方向を向いているステップと、
（ｂ）非磁性的であり、導電性であるスペーサ層を供給するステップと、
（ｃ）自由層を供給するステップであって、前記スペーサ層が前記第１のピン留め層と前記自由層の間に介在し、前記自由層が自由層容易軸を有し、前記自由層容易軸の少なくとも一部が垂直方向を向いているステップと、
（ｄ）バリア層を供給するステップであって、前記バリア層が、絶縁体であり、前記バリア層をトンネルすることができる厚さを有するステップと、
（ｅ）第２のピン留め層容易軸を有する第２のピン留め層を供給するステップであって、前記第２のピン留め層容易軸の少なくとも一部が垂直方向を向いていて、前記バリア層が前記自由層と前記第２のピン留め層の間に位置するステップとを含み、
前記磁気素子が、書き込み電流が前記磁気素子を流れた場合に、スピン・トランスファにより前記自由層を切り替えることができるように構成される方法。
【請求項２２】
前記自由層を供給するステップ（ｃ）が、強磁性層および希土類遷移金属合金層の２層を供給するステップを含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記希土類遷移金属合金層が、ＧｄＦｅおよび／またはＧｄＦｅＣｏを含む請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記強磁性層が、５〜１０オングストロームの厚さのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、これらの合金、またはＣｏＸ、ＣｏＦｅＸまたはＣｏＮｉＦｅＸを含み、Ｘが、５〜６０原子百分率のＣｕ、Ｂ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、ＰｔおよびＰｄである請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記自由層を供給するステップ（ｃ）が（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎを供給するステップを含み、ｎが整数である請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記自由層を供給するステップ（ｃ）が（Ｆｅ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）ｎを供給するステップを含み、ｎが整数である請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記自由層を供給するステップ（ｃ）が、［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］／Ｒｕ／［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］または［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］／Ｒｕ／［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］ｎを供給するステップを含み、ｎが整数である請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１のピン留め層を供給するステップ（ａ）が、強磁性層および希土類遷移金属合金層の２層を供給するステップ含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記希土類遷移金属合金層が、ＴｂＦｅおよび／またはＴｂＦｅＣｏを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１のピン留め層を供給するステップ（ａ）が（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎを含み、ｎが整数である請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１のピン留め層を供給するステップ（ａ）が（Ｆｅ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）ｎを含み、ｎが整数である請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１のピン留め層を供給するステップ（ａ）が、［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］／Ｒｕ／［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］または［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］／Ｒｕ／［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］ｎを供給するステップをさらに含み、ｎが整数である請求項２１に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１のピン留め層を供給するステップ（ａ）が、［ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ］を供給するステップをさらに含む請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
前記第２のピン留め層を供給するステップ（ｃ）が、強磁性層および希土類遷移金属合金層の２層を供給するステップを含む請求項２１に記載の方法。
【請求項３５】
前記希土類遷移金属合金層が、ＴｂＦｅおよび／またはＴｂＦｅＣｏを含む請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記第２のピン留め層を供給するステップ（ｃ）が（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎを供給するステップを含み、ｎが整数である請求項２１に記載の方法。
【請求項３７】
前記第２のピン留め層を供給するステップ（ｃ）が（Ｆｅ／Ｐｔ）ｎまたは（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）ｎを供給するステップを含み、ｎが整数である請求項２１に記載の方法。
【請求項３８】
前記第２のピン留め層が、［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］／Ｒｕ／［（ＣｏＰｔ）ｎ／Ｃｏ］または［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］／Ｒｕ／［（ＣｏＣｒＰｔ）ｎ／ＣｏＣｒ］ｎを供給するステップを含み、ｎが整数である請求項２１に記載の方法。
【請求項３９】
前記第２のピン留め層を供給するステップ（ｃ）が、［ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ］を供給するステップを含む請求項２１に記載の方法。
【請求項４０】
前記自由層容易軸が垂直方向を向いている請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリ・システムに関し、特に、スピン・トランスファによってスイッチングを誘起させる、磁気ランダム・アクセス・メモリ（「ＭＲＡＭ」）のような磁気メモリで使用することができる垂直磁化層を有する磁気素子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１Ａおよび図１Ｂは、従来の磁気素子１０および１０’である。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、従来のピン留め層１４、従来の非磁性スペーサ層１６、および従来の自由層１８を含む。シード層またはキャッピング層のような他の層（図示せず）も使用することができる。従来のピン留め層１４および従来の自由層１８は強磁性である。それ故、従来の自由層１８は図に示すように変更可能な磁化１９を有する。従来の非磁性スペーサ層１６は導電性である。ＡＦＭ層１２はピン留め層１４の磁化を特定の方向に固定またはピン止めするために使用される。自由層１８の磁化は、通常、外部磁界に応じて自由に回転することができる。図１Ｂの従来の磁気素子１０’は、スピン・トンネリング接合である。従来のスピン・トンネリング接合１０’の一部は従来のスピンバルブ１０に類似している。それ故、従来の磁気素子１０’は、ＡＦＭ層１２’、従来のピン留め層１４’、従来の絶縁バリア層１６’および変更することができる磁化１９’を有する従来の自由層１８’を含む。従来のバリア層１６’は非常に薄いので、電子は従来のスピン・トンネリング接合１０’をトンネルすることができる。
【０００３】
従来の自由層１８／１８’および従来のピン留め層１４／１４’の磁化１９／１９’のそれぞれの向きにより、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’が従来のピン留め層１４／１４’の磁化に平行である場合には、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’が従来のピン留め層１４／１４’の磁化に逆平行である場合には、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’を通して電流が駆動される。電流は、２つの構成、面内電流（「ＣＩＰ」）および平面に垂直な電流（「ＣＰＰ」）のうちの一方で駆動することができる。ＣＰＰ構成の場合には、電流は従来の磁気素子１０／１０’の層に垂直に駆動される（図１Ａまたは図１Ｂに示すように上方または下方に向かって）。通常、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）のようなメモリとして使用する場合には、従来の磁気素子１０および１０’はＣＰＰ構成で使用される。
【０００５】
図２は、垂直磁化を有する層を使用している他の従来の磁気素子５０である。従来の磁気素子５０はスピン・トンネリング接合である。磁気素子５０はメモリセルで使用することができる。磁気素子５０は、磁化６２を有する従来のピン留め層６０、バリア層７０、および磁化８２を有する従来の自由層８０を含む。従来のピン留め層６０および従来の自由層８０は強磁性であり、それぞれ層６０および８０の面に垂直なその磁化６２および８２をそれぞれ有する。本明細書で使用する場合、垂直という用語は、磁気素子の層の面に垂直な方向を意味する。
【０００６】
従来の自由層８０は、Ｃｏ（図２には別々に図示せず）のような高スピン分極層、およびＧｄＦｅＣｏ（図２には別々に図示せず）のような希土類遷移金属合金層を含むことができる。従来のピン留め層６０は、Ｃｏ（図２には別々に図示せず）のような高スピン分
極層、およびＴｂＦｅＣｏ（図２には別々に図示せず）のような希土類遷移金属合金層を含むことができる。
【０００７】
高密度のメモリセルを有する磁気メモリに関する問題のうちのいくつかを克服するために、磁気素子１０および１０’に対するスピン・トランスファの使用が提案されてきた。より詳細に説明すると、スピン・トランスファは、従来の自由層１８／１８’の磁化１９／１９’を切り替えるのに使用することができる。スピン・トランスファは、従来の磁気素子１０’のところで説明するが、従来の磁気素子１０にも同様に適用することができる。スピン・トランスファの現時点での知見は、下記の文献に詳細に記載されている。Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、１５９巻、Ｌ１ページ（１９９６年）掲載のＪ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉの「磁性多層の電流駆動励起」（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ
Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ）；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、５４巻、９３５３ページ（１９９６年）掲載のＬ．Ｂｅｒｇｅｒの「電流が横切った磁性多層によるスピン波の放射」（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｐｉｎ  Ｗａｖｅｓ  ｂｙ  ａ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｔｒａｖｅｒｓｅｄ  ｂｙ  ａ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）、およびＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、７７巻、２３号、３８０９ページ（２０００年）掲載のＦ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ、Ｊ．Ａ．ＫａｔｉｎｅおよびＲ．Ａ．Ｂｕｈｒｍａｎの「Ｃｏ薄膜ナノマグネットのスピン偏向電流スイッチング」（Ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  ａ  Ｃｏ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｎａｎｏｍａｇｎｅｔ）。それ故、スピン・トランスファ現象の下記の記述は、現在の知見に基づくもので、本発明の範囲を制限するものではない。
【０００８】
スピン偏向電流が、ＣＰＰ構成のスピン・トンネリング接合１０’のような磁性多層を横切ると、強磁性層に入射する電子のスピン角運動量の一部を強磁性層へ伝達することができる。より詳細に説明すると、従来の自由層１８’に入射する電子は、そのスピン角運動量の一部を従来の自由層１８’に伝達することができる。その結果、スピン偏向電流は、電流密度が十分高く（約１０７〜１０８Ａ／ｃｍ２）、スピン・トンネリング接合の横寸法が小さい（約２００ナノメートル以下）場合には、従来の自由層１８’の磁化１９’の方向を切り替えることができる。さらに、スピン・トランスファが、従来の自由層１８’の磁化１９’の方向を切り替えることができるように、従来の自由層１８’は十分薄いものでなければならない。例えば、好適には、Ｃｏの場合には約１０ナノメートル以下であることが好ましい。スピン・トランスファをベースとする磁化のスイッチングは、他のスイッチング機構より広く使用されていて、従来の磁気素子１０／１０’の横寸法が数百ナノメートルの範囲内の小さいものである場合には観察することができる。それ故、スピン・トランスファは、小さな磁気素子１０／１０’を有する高密度の磁気メモリに適している。
【０００９】
スピン・トランスファの現象は、ＣＰＰ構成の場合に、従来のスピン・トンネリング接合１０’の従来の自由層１８’の磁化の方向を切り替えるために、外部スイッチング磁界の代わりにまたはそれと一緒に使用することができる。例えば、従来の自由層１８’の磁化１９’を、従来のピン留め層１４’の磁化に逆平行な方向から従来のピン留め層１４’の磁化に平行な方向に切り替えることができる。電流は従来の自由層１８’から従来のピン留め層１４’に駆動される（伝導電子は従来のピン留め層１４’から従来の自由層１８’へ移動する）。それ故、従来のピン留め層１４’から移動する電子の大部分は、従来のピン留め層１４’の磁化と同じ方向に分極されたそのスピンを有する。これらの電子は、従来のピン留め層１４’の磁化に平行になるように従来の自由層１８’の磁化１９’を切り替えるのにその角運動量の十分な部分を従来の自由層１８’に伝達することができる。別の方法としては、自由層１８’の磁化を、従来のピン留め層１４’の磁化に平行な方向から従来のピン留め層１４’の磁化に逆平行な方向に切り替えることができる。電流が従
来のピン留め層１４’から従来の自由層１８’に駆動される場合には（伝導電子が反対方向に移動する場合には）、大部分の電子は、従来の自由層１８’の磁化の方向に分極されたそのスピンを有する。これら大部分の電子は、従来のピン留め層１４’により放射される。少数電子は、従来のピン留め層１４’から反射し、従来の自由層１８’に戻り、従来のピン留め層１４’の磁化に逆平行な自由層１８’の磁化１９’を切り替えるために、十分な量のその角運動量を伝達することができる。
【００１０】
スピン・トランスファは機能はするが、通常の当業者であれば、スピン・トランスファにより従来の磁気素子１０および１０’に書き込むのが比較的難しいことを容易に理解することができるだろう。より詳細に説明すると、スピン・トランスファが観察できるようになり、自由層１８および１８’の磁化１９または１９’をそれぞれ切り替えるために役に立つようにするには、約１０７Ａ／ｃｍ２より大きな比較的高い電流密度が通常必要になる。この高い電流密度は、大きなバイアス電流と一緒に小さなサブミクロンの横寸法を有する、従来の磁気素子１０または１０’を使用することにより通常達成される。例えば、０．１μｍ×０．２μｍ程度の横寸法を有する磁気素子の場合には、約２ミリアンペアのバイアス電流が通常使用される。種々の理由から、それぞれ自由層１８および１８’の磁化１９または１９’を切り替えるのに必要な電流密度を低減することが望ましい。ＭＲＡＭのような磁気メモリの場合には、電力消費が小さく、絶縁トランジスタ寸法が小さいことが望ましい。電流密度が高いとより大きな電力を消費する。さらに、絶縁トランジスタは、通常、各磁気素子と結合している。磁気素子を通る電流密度が高いと、絶縁トランジスタに対してより大きな飽和電流が必要になる。飽和電流はトランジスタのサイズに比例する。それ故、トランジスタおよびメモリセルのサイズは、電流密度が大きいと大きくなる。メモリセルが小さく、密度が高いことが望ましい。より小さなトランジスタを使用することによりこの目標を容易に達成することができる。それ故、低電力消費および高メモリ密度という目標は、電流密度が高い場合には達成するのが難しい。さらに、磁気素子１０’の場合には、絶縁バリア層１６’は電流密度が高いために絶縁破壊を起こす場合がある。それ故、磁気素子１０’の信頼性に悪影響を与える。
【００１１】
広く使用されているスピン・トランスファモデルは、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、１５９巻、１５９ページ、１〜５行（１９９６年）掲載のＪ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉの「磁性多層の電流駆動励起」（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ）に記載されている。磁気素子１０および１０’の場合には、膜面はｘ−ｙ面に沿っている。図１Ｂの場合には、ｚ方向は（膜面に垂直に）上を向いている。臨界スイッチング電流密度Ｊｃは、所与の横寸法の場合に、自由層の磁化方向を切り替えるのに必要な電流である。自由層１８および１８’の磁化１９および１９’のためのスイッチング電流密度はそれぞれ下式により表される。
【００１２】
Ｊｃ  ∝  αＭｓｔ（Ｈｅｆｆ／／＋２πＭｓ）／ｇ          （１）
ここで、
αは、現象論的ギルバート・ダンピングであり、
ｔは、自由層１８または１８’の厚さであり、
Ｍｓは、自由層１８または１８’の飽和磁化であり、
Ｈｅｆｆ／／は、面内実効磁界であり、
ｇは、スピン・トランスファ・スイッチングの効率に対応し、
２πＭｓは、膜面に垂直な消磁磁界によるものである。
【００１３】
面内実効磁界は、面内一軸磁界、外部磁界、ダイポーラ磁界、および交換磁界を含む。消磁項２πＭｓは、数千Ｏｅ程度であり、数百Ｏｅ程度である面内実効磁界項を支配する。それ故、従来の磁気素子は、スピン・トランスファをスイッチング機構として使用する
ことができるが、２πＭｓ項の値が高いためにスイッチング電流が大きくなる。上記の理由により、磁気メモリの場合には大きなスイッチング電流は望ましくない。
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、１５９巻、Ｌ１ページ（１９９６年）掲載のＪ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉの「磁性多層の電流駆動励起」（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ）；
【非特許文献２】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、５４巻、９３５３ページ（１９９６年）掲載のＬ．Ｂｅｒｇｅｒの「電流が横切った磁性多層によるスピン波の放射」（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｐｉｎ  Ｗａｖｅｓ  ｂｙ  ａ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｔｒａｖｅｒｓｅｄ  ｂｙ  ａ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）、
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、７７巻、２３号、３８０９ページ（２０００年）掲載のＦ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ、Ｊ．Ａ．ＫａｔｉｎｅおよびＲ．Ａ．Ｂｕｈｒｍａｎの「Ｃｏ薄膜ナノマグネットのスピン偏向電流スイッチング」（Ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  ａ  Ｃｏ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｎａｎｏｍａｇｎｅｔ）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
それ故、大きな出力信号を供給する一方で、低いスイッチング電流でスピン・トランスファによりもっと容易に切り替えることができる磁気メモリ素子を供給するためのシステムおよび方法の開発が待望されている。本発明はこのような磁気メモリ素子にニーズを満たすことができる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、磁気メモリで使用することができる磁気素子を供給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、第１のピン留め層、絶縁バリア層、自由層、導電非磁性スペーサ層、および第２のピン留め層を供給するステップを含む。各ピン留め層はピン留め層容易軸を有する。ピン留め層容易軸の少なくとも一部は垂直方向を向いている。バリアは第１のピン留め層と自由層の間に介在する。スペーサ層は自由層と第２のピン留め層の間に介在する。自由層は自由層容易軸を有し、その少なくとも一部は垂直方向を向いている。磁気素子は、また、書き込み電流が磁気素子を流れた場合に、スピン・トランスファにより自由層を切り替えることができるように構成されている。
【００１６】
本明細書に開示している本発明のシステムおよび方法は、本発明はスピン・トランスファにより少ない電流で書き込むことができる磁気素子を供給する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、ＭＲＡＭのような磁気素子および磁気メモリでの改善に関する。下記の説明は、通常の当業者が本発明を作成し使用することができるようにするためのものであり、特許出願およびその要求を示すためのものである。当業者であれば好ましい実施形態の種々の修正に容易に思い付くだろうし、本明細書に記載する一般的な原理は他の実施形態にも適用することができる。それ故、本発明は図の実施形態に限定されるのではなく、本明細書に記載する原理および機能と一致する最も広い範囲に適用される。
【００１８】
本発明は、磁気メモリで使用することができる磁気素子を供給する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、第１のピン留め層と、絶縁バリア層と、自由層と、導電非磁性スペーサ層と、第２のピン留め層とを作製するステップを含む。各ピン留め層はピン留め層容易軸を有する。ピン留め層容易軸の少なくとも一部は垂直方向を向いている。バリア層は第１のピン留め層と自由層の間に介在する。スペーサ層は自由層と第２のピン留め層の間に位置する。自由層は自由層容易軸を有し、その少なくとも一部は垂
直方向を向いている。磁気素子は、また書き込み電流が磁気素子を流れた場合に、スピン・トランスファにより自由層を切り替えることができるように構成される。磁化が垂直方向であるために、スピン・トランスファのためのスイッチング電流を低減することができる。
【００１９】
本発明を、特定の磁気メモリおよびいくつかの構成要素を有する特定の磁気素子により説明する。しかし、通常の当業者であれば、この方法およびシステムが、異なるおよび／または追加の構成要素を有する他の磁気メモリ素子、および／または本発明と矛盾しない、異なるおよび／または他の機能を有する他の磁気メモリに対しても効果的に動作することを容易に理解することができるだろう。本発明は、また、スピン・トランスファ現象の現在の理解のレベルで説明する。それ故、通常の当業者であれば、この方法およびシステムの行動の理論的説明は、スピン・トランスファのこの現在の理解に基づいてなされていることを容易に理解することができる。また、通常の当業者であれば、この方法およびシステムが基板に対して特定の関係を有する構造により記述されていることも容易に理解することができるだろう。しかし、通常の当業者であれば、この方法およびシステムは、他の構造と一致することを容易に理解することができるだろう。さらに、この方法およびシステムは、合成および／または簡単ないくつかの層により説明する。しかし、通常の当業者であれば、これらの層が他の構造を有することができることを容易に理解することができるだろう。さらに、いくつかの構成要素を強磁性として説明するが、本明細書で使用する場合、強磁性という用語は、強磁性または類似の構造を含む。それ故、本明細書で使用する場合、「強磁性」という用語は、強磁性体およびフェリ磁性体を含むが、これらに限定されない。また、１つの素子線を使用して本発明を説明する。しかし、通常の当業者であれば、本発明を、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と一緒に使用することができることを容易に理解することができるだろう。
【００２０】
本発明による方法およびシステムをより詳細に説明するために、ここで、垂直磁化を有する層を使用する本発明による磁気素子１００の一実施形態を示す図３Ａを参照する。好適には、磁気素子１００は、ＭＲＡＭのような磁気メモリで使用することが好ましい。それ故、磁気素子１００は、絶縁トランジスタ（図示せず）を含むメモリセルおよび他の構成の磁気メモリで使用することができる。図に示す層の他に、磁気素子１００は、ＡＦＭ層（図示せず）、シード層（図示せず）および／またはキャッピング層（図示せず）のような他の層を含むことができることに留意されたい。
【００２１】
磁気素子１００は、ピン留め層１１０と、好適にはＡｌ２Ｏ３であることが好ましい絶縁バリア層１２０と、自由層１３０と、非磁性スペーサ層１４０と、ピン留め層１５０とを含む。非磁性スペーサ層１４０は導電性であり、好適にはＣｕであることが好ましい。絶縁バリア層１２０は、電荷キャリアが自由層１３０とピン留め層１１０の間をトンネルすることができるように構成される。磁気素子１００は、スピン・トンネリング接合部分１０２およびスピンバルブ部分１０４を含んでいると見なすことができる。スピン・トンネリング接合部分１０２は、ピン留め層１１０と、絶縁バリア層１２０と、自由層１３０とを含む。スピンバルブ部分は、自由層１３０と、非磁性スペーサ層１４０と、ピン留め層１５０とを含む。それ故、スピンバルブ部分１０４およびスピン・トンネリング接合部分１０２は、自由層１３０を共有する。さらに、磁気素子１００は、スピン・トランスファにより自由層１３０に書き込みを行うことができるように構成される。
【００２２】
ピン留め層１１０および１５０および／または自由層１３０は、その磁化１１２、１５２および／または１３２が、それぞれ層１１０および１５０および／または１３０の面に垂直磁化の少なくとも一部に対して安定するように構成される。好適には、ピン留め層１１０および１５０および自由層１３０は、図に３Ａ示すように、それぞれ層１１０、１５０および１３０の面にほぼ垂直に安定している磁化１１２、１５２、および１３２をそれ
ぞれ有することが好ましい。別の言い方をすれば、自由層１３０および好適にはピン留め層１１０および１５０の容易軸の少なくとも一部は、それぞれ層１３０、１１０および１５０の面に垂直である。本明細書で使用する場合、垂直という用語は磁気素子の層の面に垂直な方向を意味する。さらに、本明細書においては、磁化１１２、１５２および１３２、およびピン留め層１１０および１５０および自由層１３０の容易軸は垂直であると記載してある。しかし、通常の当業者であれば、層１１０、１３０および１５０は、面内にその磁化１１２、１３２および１５３のある部分および容易軸を有することができることを容易に理解することができるだろう。ピン留め層１１０および１５０および／または自由層１３０の磁化１１２、１５２および１３２は、好適には垂直であることが好ましい。何故なら、ピン留め層１１０および１５０および／または自由層１３０は、垂直異方性を有しているからである。例えば、ピン留め層１１０および１５０および／または自由層１３０の垂直一軸異方性は、面間（または表面）異方性および／または磁気弾性エネルギーの効果によるものである。
【００２３】
好適には、自由層１３０の容易軸および磁化１３２は垂直であることが好ましい。一実施形態の場合には、自由層１３０は少なくとも１つの強磁性層（図３Ａには別々に図示せず）、および希土類遷移金属合金層（図３Ａには別々に図示せず）を含む。好ましい実施形態の場合には、希土類遷移金属合金層は、スペーサ層１４０およびバリア層１２０により近い２つの強磁性層間にサンドイッチ状に挟まれている。好適には、自由層１３０の強磁性層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、これらの合金、またはＣｏＸ、ＣｏＦｅＸまたはＣｏＮｉＦｅＸを含むことが好ましい。この場合、Ｘは、好適には５〜６０原子百分率のＣｕ、Ｂ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、ＰｔおよびＰｄである。さらに、好適には、強磁性層の厚さは、５〜５０オングストロームであることが好ましい。好適には、希土類遷移金属合金層は、保磁力の低いＧｄＦｅ、ＧｄＣｏＦｅであることが好ましい。好ましい実施形態の場合には、希土類遷移金属合金層の保磁力は５０〜３００Ｏｅであり、希土類遷移金属合金層の厚さは３００〜５００オングストロームである。希土類遷移金属合金は、また低い磁化および垂直容易軸を有する非晶質膜である。その結果、このような希土類遷移金属膜を室温で堆積すると、自由層１３０は、垂直容易軸を有する。より詳細に説明すると、希土類原子のスピンは反強磁性的に遷移金属原子のスピンと結合する。希土類遷移金属合金層および強磁性層が適当な厚さを有する場合、ＧｄＣｏＦｅのような希土類遷移金属合金層も、交換結合により隣接する強磁性層を垂直に磁化することができる。さらに、これらの希土類遷移金属合金層の飽和磁化は、希土類金属と遷移金属の組成比を変えることにより、０〜１５０ｅｍｕ／ｃｍ３に小さく調整することができる。
【００２４】
他の実施形態の場合には、自由層１３０は、多層構造であってもよい。例えば、このような一実施形態の場合には、自由層１３０は、５〜１０オングストロームの厚さのＣｏおよび１５〜２５オングストロームの厚さのＰｔが交互に重なっている２層であってもよい。例えば、好適には、このような２層は、３〜６回交互に積み重ねることが好ましい。同様に、自由層１３０は、５〜１０オングストロームの厚さのＣｏＣｒおよび１５〜２５オングストロームの厚さのＰｔが交互に重なっている２層であってもよい。同様に、好適には、このような２層は、３〜６回交互に積み重ねることが好ましい。さらに他の実施形態の場合には、自由層１３０は合成構造であってもよい。例えば、自由層１３０は、（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ／Ｃｏ層と（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ／Ｃｏ層の間にサンドイッチ状に挟まれているＲｕの層を含むことができる。この場合、ｎは特定の２層をｎ回積み重ねることを示す。好ましい実施形態の場合には、ｎは３、４、５または６である。もう１つの類似の実施形態の場合には、自由層１３０は、（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎ／ＣｏＣｒ層と（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎ／ＣｏＣｒ層の間にサンドイッチ状に挟まれているＲｕ層を含むことができる。この場合、ｎは特定の２層をｎ回積み重ねることを示す。好ましい実施形態の場合には、ｎは３、４、５または６である。ｎが３〜６である（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ、（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）ｎ、および（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎ多層は、（強磁性層／Ｐｔ）界面からの垂直異方性のために
垂直一軸磁気異方性を示す。上記構造は好ましいものであるが、垂直磁化１３２を有する自由層１３０になる他の構造も使用することができる。
【００２５】
好適には、ピン留め層１１０および１５０も、それぞれ垂直磁化１１２および１５２および垂直異方性による垂直容易軸を有することが好ましい。一実施形態の場合には、ピン留め層１１０および１５０は、それぞれ強磁性層（図３Ａには別々に図示せず）および希土類遷移金属合金層（図３Ａには別々に図示せず）を含む。好ましい実施形態の場合には、強磁性層はスペーサ層１２０および１４０により近い。好適には、ピン留め層１１０および１５０の強磁性層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、これらの合金、またはＣｏＸ、ＣｏＦｅＸまたはＣｏＮｉＦｅＸを含むことが好ましい。この場合、Ｘは、好適には５〜６０原子百分率のＣｕ、Ｂ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、ＰｔおよびＰｄである。さらに、好適には、強磁性層の厚さは、５〜５０オングストロームであることが好ましい。希土類遷移金属合金は、低い磁化および垂直容易軸を有する非晶質膜である。その結果、このような希土類遷移金属膜を室温で堆積すると、また強磁性層および希土類遷移金属合金膜が適当な厚さを有していると、ピン留め層１１０および１５０は垂直容易軸を有する。より詳細に説明すると、希土類原子のスピンは反強磁性的に遷移金属原子のスピンと結合する。ＴｄＣｏＦｅのような希土類遷移金属合金層は、交換結合により隣接する強磁性層を垂直に磁化することができる。好適には、ピン留め層１１０および１５０の希土類遷移金属合金層は、ＴｂＦｅおよび／または高い保磁力を有するＴｂＣｏＦｅであることが好ましい。高い保磁力は、少なくとも１０００Ｏｅの保磁力である。例えば、ＴｂＣｏＦｅ層は、通常、２０００Ｏｅを超える保磁力を有する。好ましい実施形態の場合には、希土類遷移金属合金層の保磁力は、ｋＯｅより大きく、希土類遷移金属合金層の厚さは、２００〜５００オングストロームである。
【００２６】
他の実施形態の場合には、ピン留め層１１０および１５０は、それぞれ多層構造であってもよい。例えば、このような一実施形態の場合には、ピン留め層１１０または１５０は、ＡＦＭ材料、ＡＦＭ材料上の反復する５〜１０オングストロームのＣｏおよび１５〜２５オングストロームのＰｔの２層、および２層上のＣｏ層の多層であってもよい。例えば、好適には、このような２層は、３〜６回積み重ねることができる。同様に、ピン留め層１１０および／または１５０は、ＡＦＭ材料、ＡＦＭ材料上の反復する５〜１０オングストロームのＣｏＣｒおよび１５〜２５オングストロームのＰｔの２層、および２層上のＣｏＣｒ層であってもよい。また、好適には、このような２層は、３〜６回反復することが好ましい。このような実施形態の場合には、好適には、ＡＦＭ材料はＩｒＭｎまたはＰｔＭｎであることが好ましい。さらに他の実施形態の場合には、ピン留め層１１０および／または１５０は合成層であってもよい。例えば、ピン留め層１１０および／または１５０はＡＦＭ層を含むことができ、その上に（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ／Ｃｏ層と（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ／Ｃｏ層の間にサンドイッチ状に挟まれているＲｕの層を含む構造を含むことができる。この場合、ｎは特定の２層をｎ回反復することを示す。好ましい実施形態の場合には、ｎは３、４、５または６である。もう１つの類似の実施形態の場合には、ピン留め層１１０および／または１５０は、ＡＦＭ層を含むことができ、その上に（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎ／ＣｏＣｒ層と（ＣｏＣｒ／Ｐｔ）ｎ／ＣｏＣｒ層の間にサンドイッチ状に挟まれているＲｕ層を含む構造を含むことができる。この場合、ｎは特定の２層をｎ回反復することを示す。好ましい実施形態の場合には、ｎは３、４、５または６である。ｎが３〜６である（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎ、（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）ｎ、およびＣｏＣｒ／Ｐｔ多層は、（強磁性層／Ｐｔ）界面からの垂直異方性のために垂直一軸磁気異方性を示す。上記構造は好ましいものであるが、垂直磁化１１２および１５２を有するピン留め層１１０および／または１５０になる他の構造も使用することができる。
【００２７】
動作中、ピン留め層１１０および１５０および自由層１３０、その容易軸および結果として得られる磁化１１２、１５２および１３２の安定な状態の垂直異方性は、それぞれ、
少なくとも一部が好適には実質的に垂直であることが好ましい。異方性が垂直であると、スピン・トランスファによる自由層１３０の磁化１３２の方向を切り替えるためのスイッチング電流密度が小さくなる。一般的に、垂直な（層の面外）優勢な異方性を有する膜の場合には、垂直異方性磁界Ｈｅｆｆ⊥（面に垂直に働く４πＭを含む）は、（面内に一軸方向に働く）Ｈｅｆｆ／／よりかなり大きい。その結果、膜の面外は磁化の好適な方向になる。スイッチング電流密度は下式で表すことができる。
【００２８】
Ｊｃ  ∝  αＭｓｔ（Ｈａｎ⊥−２πＭｓ）              （２）
ここで、Ｈａｎ⊥は垂直一軸方向の異方性磁界である。
垂直一軸異方性磁界は、面間（または表面）異方性および／または磁気弾性エネルギーの影響による。Ｈａｎ⊥の符号は２πＭｓの項の反対である。Ｈａｎ⊥の絶対値は面外優勢な（垂直）異方性を有する膜の場合の２πＭｓより大きい。その結果、このような層（自由層１３０またはピン留め層１１０および１５０など）の磁化（磁化１３２、１１２および１５２など）の安定な状態は、好適には垂直方向を向いていることが好ましい。さらに、Ｈａｎ⊥−２πＭｓの項の値、それ故スイッチング電流密度Ｊｃの値を、自由層１３０の垂直異方性のＨａｎ⊥の最適化により低減することができる。さらに、式（２）を見れば分かるように、自由層１３０の磁化Ｍｓの低減も、Ｊｃを低減するのに効率的な方法である。何故ならＪｃはＭｓ２に比例するからである。
【００２９】
それ故、自由層１３０、および好ましい実施形態の場合には、垂直異方性、垂直容易軸およびそれ故、垂直磁化を有するピン留め層１１０および１５０を使用することにより、磁気素子１００のスイッチング電流密度を低減することができる。さらに、スイッチング電流密度は、例えば、自由層１３０に対して適当な材料を選択することにより、自由層１３０の飽和磁化Ｍｓを低減することによりさらに低減することができる。それ故、スピン・トランスファにより磁気素子１００にもっと容易に書き込むことができる。さらに、上記材料を使用することにより、自由層１３０およびピン留め層１１０および１５０の垂直磁化１３２、１１２および１５２をそれぞれ安定させることができる。その結果、例えば、０．１μｍ×０．１μｍのような深いサブミクロン磁気素子で垂直磁化を安定させることができる。このことは、磁化カーリング（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｃｕｒｌｉｎｇ）を最小限度に低減するために、また磁化を安定させるために通常高いアスペクト比を必要とする面内磁化膜とは対照的である。このような高いアスペクト比は、サイズを小さくし、このような磁気素子を使用するメモリの密度を増大するのを妨げる場合がある。それ故、磁気素子１００は、高密度メモリで使用することができる。さらに、自由層１３０の保磁力は、主として垂直異方性の違いＨａｎ⊥−２πＭｓにより決まるために、磁気素子１００の横寸法の影響を受けない。そのため、メモリ内の磁気素子１００のパターニングの変化による保磁力の分布を低減または除去することができる。さらに、ピン留め層１１０および１５０として強磁性層と希土類遷移金属合金層の組合せを使用する場合には、ピン留め層１１０および１５０は小さな正味の磁化を有することができる。そのため、ピン留め層１１０および１５０による静磁界をかなり低減するか除去することができる。その結果、ピン留め層１１０および１５０と自由層１３０との間の静磁結合による磁気抵抗曲線のオフセットを低減することができる。それ故、スピン・トランスファ書き込み動作の信頼性が改善される。さらに、磁気素子１００をより簡単に製造することができる。多くの実施形態の場合、垂直磁化自由層１３０およびピン留め層１１０および１５０は、マグネトロン・スパッタリングのような物理蒸着により堆積することができる。
【００３０】
図３Ｂは、垂直磁化を有する層を使用する本発明による磁気素子２００の第１の好ましい実施形態である。好適には、この磁気素子２００は、ＭＲＡＭのような磁気メモリで使用することが好ましい。それ故、磁気素子２００は、絶縁トランジスタ（図示せず）および磁気メモリの他の構成を含むメモリセルで使用することができる。図に示す層の他に、磁気素子２００は、ＡＦＭ層（図示せず）、シード層（図示せず）および／またはキャッ
ピング層（図示せず）のような他の層を含むことができることに留意されたい。磁気素子２００は、スピン・トンネリング接合部分２０２およびスピンバルブ部分２０４を含んでいると見なすことができる。磁気素子２００は、ピン留め層２１０と、好適にはＡｌ２Ｏ３であることが好ましい絶縁バリア層２２０と、自由層２３０と、非磁性スペーサ層２４０と、ピン留め層２５０とを含む。非磁性スペーサ層２４０は導電性であり、好適にはＣｕであることが好ましい。絶縁バリア層２２０は、電荷キャリアが自由層２３０とピン留め層２１０の間をトンネルすることができるように構成されている。それ故、スピン・トンネリング接合部分２０２は、ピン留め層２１０と、絶縁バリア層２２０と、自由層２３０とを含む。スピンバルブ部分２０４は、自由層２３０と、非磁性スペーサ層２４０と、ピン留め層２５０とを含む。それ故、スピンバルブ部分２０４およびスピン・トンネリング接合部分２０２は、自由層２３０を共有する。層２１０、２２０、２３０、２４０および２５０は、図３Ａの磁気素子１００の層１１０、１２０、１３０、１４０および１５０に類似している。それ故、スピン・トンネリング接合２０２は、スピン・トンネリング接合１０２に類似している。同様に、スピンバルブ２０４は、スピンバルブ１０４に類似している。さらに、磁気素子２００は、スピン・トランスファにより自由層２３０に書き込むことができるように構成される。
【００３１】
好適には、ピン留め層２１０は、垂直容易軸、それ故垂直異方性による垂直磁化を有することが好ましい。好ましい実施形態の場合には、ピン留め層２１０は、その上に２つの強磁性層２１４および２１８間にサンドイッチ状に挟まれている非磁性導電層２１６を含む多層構造が位置する希土類遷移金属層２１２を含む。好ましい実施形態の場合には、希土類遷移金属層２１２は、３００オングストロームの厚さのＴｂＦｅＣｏを含む。また、好ましい実施形態の場合には、強磁性層２１４および２１８は、２０オングストロームの厚さのＣｏＦｅを含む。希土類遷移金属層２１２と強磁性層２１４の間の相互作用により、ピン留め層２１０は、垂直容易軸を有し、そのため垂直磁化を有する。
【００３２】
好適には、自由層２３０は、垂直容易軸および垂直異方性による垂直磁化を有することが好ましい。ある実施形態の場合には、自由層２３０は、希土類遷移金属合金層２３４により分離している２つの強磁性層２３２および２３６を含む。このような実施形態の場合には、好適には、強磁性層２３２および２３６は、それぞれ５〜１０オングストロームの厚さのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、これらの合金、またはＣｏＸ、ＣｏＦｅＸまたはＣｏＮｉＦｅＸを含むことが好ましい。この場合、Ｘは、好適には５〜６０原子百分率のＣｕ、Ｂ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｒｈ、ＰｔおよびＰｄである。このような実施形態の場合には、好適には、希土類遷移金属層２３４は、低い保磁力および低い磁化を有するように調整されている５００オングストロームの厚さのＧｄＦｅＣｏであることが好ましい。他の実施形態の場合には、希土類遷移金属層２３４は省略することができる。その場合、好適には、層２３２はＣｏＦｅであることが好ましく、一方、好適には、層２３６はｎ回交互に積み重ねたＰｔ／ＣｏＦｅの２層であることが好ましい。この場合、ｎは整数である。このような実施形態の場合には、自由層２３０は、垂直異方性を有し、そのため希土類遷移金属合金層２３４および強磁性層２３２および２３４間の相互作用により、または強磁性層とＰｔ層間の界面により、垂直容易軸および垂直磁化を有する。
【００３３】
好適には、ピン留め層２５０は、垂直容易軸、それ故、その垂直異方性による垂直磁化を有することが好ましい。好ましい実施形態の場合には、ピン留め層２５０は、強磁性層２５２の上に希土類遷移金属層２５４を含む。好ましい実施形態の場合には、希土類遷移金属層２５４は３００オングストロームの厚さのＴｂＦｅＣｏを含む。また好ましい実施形態の場合には、強磁性層２５２は、２０オングストロームの厚さのＣｏＦｅを含む。希土類遷移金属層２５４と強磁性層２５２の間の相互作用により、ピン留め層２５０は、垂直容易軸、それ故、垂直磁化を有する。図の実施形態の場合には、自由層２３０に最も近いピン留め層２１０の一部の磁化の向きは、自由層２３０に最も近いピン留め層２５０の
一部の磁化の向きの反対である。別の言い方をすれば、好適には、強磁性層２１８は、強磁性層２５２の磁化が固定されている方向とは反対の方向に固定されているその磁化を有することが好ましい。それ故、ピン留め層２１０および２５０の磁化は、自由層２３０に対して非対称であると見なすことができる。
【００３４】
自由層２３０の垂直異方性のために、好適には、磁気素子２００は、小さなスイッチング電流密度、高いアスペクト比を必要としない深いサブミクロン領域内でも安定している垂直磁化自由層２３０の保磁力の分布の低減、磁気抵抗曲線のオフセットの低減、および付随するスピン・トランスファによる書き込みの信頼性の改善を含むがこれらに限定されない磁気素子１００の利点を共有することが好ましい。さらに、磁気素子２００は、垂直磁化自由層２３０およびピン留め層２１０および２５０を、マグネトロン・スパッタリングのような物理蒸着により堆積することができるという点で容易に製造することができる。さらに、より強力な信号を入手することができる。何故なら、スピン・トンネリング接合部分２０２のバリア層２２０の比抵抗、および２１０のトンネル磁気抵抗が高いからである。さらに、すでに説明したように、ピン留め層２１０および２５０の向きが非対称である場合には、磁気素子２００のスピン・トンネリング接合部分２０２およびスピンバルブ部分２０４の両方が、スピン・トランスファによる自由層２３０のスイッチングに貢献する。それ故、そのため磁気素子２００のスイッチング電流密度をさらに低減することができる。
【００３５】
図４は、垂直磁化を有する層を使用する本発明による磁気素子３００の第２の好ましい実施形態である。図の層の他に、磁気素子３００は、シード層（図示せず）および／またはキャッピング層（図示せず）のような他の層を含むことができることに留意されたい。磁気素子３００の構成要素は、磁気素子２００に類似している。それ故、磁気素子３００のこれらの構成要素には類似の参照番号が付けてある。例えば、磁気素子３００は、図３Ｂに示す磁気素子２００のスピン・トンネリング接合部分２０２およびスピンバルブ部分２０４に類似している、スピン・トンネリング接合部分３０２およびスピンバルブ部分３０４を含んでいると見なすことができる。
【００３６】
磁気素子３００は、ＡＦＭ層３０６と、ピン留め層３１０と、好適にはＡｌ２Ｏ３であることが好ましい絶縁バリア層３２０と、自由層３３０と、好適にはＣｕであることが好ましい非磁性スペーサ層３４０と、ピン留め層３５０と、ＡＦＭ層３６０とを含む。好適には、ＡＦＭ層３０６および３６０はＩｒＭｎであることが好ましいが、他のＡＦＭ材料を含むこともできる。それ故、スピン・トンネリング接合部分３０２は、ＡＦＭ層３０６と、ピン留め層３１０と、好適にはＡｌ２Ｏ３であることが好ましい絶縁バリア層３２０と、自由層３３０とを含む。スピンバルブ部分３０４は、自由層３３０と、好適にはＣｕであることが好ましい非磁性スペーサ層３４０と、ピン留め層３５０と、ＡＦＭ層３６０とを含む。それ故、好適には、スピン・トンネリング接合部分３０２は、磁気素子１００のスピン・トンネリング接合部分１０２に類似していることが好ましい。好適には、スピンバルブ部分３０４は、磁気素子１００のスピンバルブ部分１０４に類似していることが好ましい。それ故、磁気素子３００は、磁気素子１００および２００の利点の多くを共有する。
【００３７】
好適には、ピン留め層３１０は、垂直容易軸、それ故、その垂直異方性による垂直磁化を有することが好ましい。好ましい実施形態の場合には、ピン留め層３１０は、ＣｏＦｅ層と一緒にｎ回積み重ねたＣｏＦｅ／Ｐｔの２層の多層構造を含む。好ましい実施形態の場合には、ｎは３〜６の整数である。強磁性ＣｏＦｅ層とＰｔ層の間の界面により、ピン留め層３１０は垂直異方性、垂直容易軸、およびそれ故、垂直磁化を有する。
【００３８】
好適には、自由層３３０は、垂直容易軸、その垂直異方性による垂直磁化を有すること
が好ましい。ある実施形態の場合には、自由層３３０は、希土類遷移金属合金層３３４により分離されている２つの強磁性層３３２および３３６を含む。このような実施形態の場合には、好適には、強磁性層３３２および３３６は、それぞれ、５〜１０オングストロームの厚さのＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、これらの合金、またはＣｏＸ、ＣｏＦｅＸまたはＣｏＮｉＦｅＸを含むことが好ましい。この場合、Ｘは、好適には５〜６０原子百分率のＣｕ、Ｂ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｅ、ＲｈおよびＰｄである。このような実施形態の場合には、好適には、希土類遷移金属合金層３３４は、低い保磁力および低い磁化を有するように調整されている３００〜５００オングストロームの厚さのＧｄＦｅＣｏであることが好ましい。他の実施形態の場合には、希土類遷移金属合金層３３４は省略することができる。その場合、好適には、層３３２はＣｏＦｅであることが好ましく、一方、好適には、層３３６はｎ回交互に積み重ねたＰｔ／ＣｏＦｅの２層であることが好ましい。この場合、ｎは整数である。このような実施形態の場合には、自由層３３０は、垂直異方性を有し、そのため希土類遷移金属合金層３３４と強磁性層３３２および３３６の間の相互作用により、または強磁性層とＰｔ層の間の界面により、垂直容易軸および垂直磁化を有する。
【００３９】
好適には、ピン留め層３５０は、垂直容易軸、それ故、その垂直異方性による垂直磁化を有することが好ましい。好ましい実施形態の場合には、ピン留め層３５０は、Ｒｕ層３５４で分離されているＣｏＦｅ層と一緒にｎ回積み重ねられたＣｏＦｅ／Ｐｔの２つの２層３５２および３５６の多層構造を含む。好ましい実施形態の場合には、ｎは３〜６の整数である。強磁性ＣｏＦｅ層と層３５２および３５６のＰｔ層の間の界面により、ピン留め層３５０は、垂直異方性、垂直容易軸、それ故、垂直磁化を有する。
【００４０】
図の実施形態の場合には、自由層３３０に最も近いピン留め層３１０の一部の磁化の向きは、自由層３３０に最も近いピン留め層３５０の一部の磁化の向きの反対である。別の言い方をすれば、好適には、ピン留め層３１０は、２層３５２の磁化が固定されている方向とは反対の方向に固定されているその磁化を有することが好ましい。それ故、ピン留め層３１０および３５０の磁化は、自由層３３０に対して非対称であると見なすことができる。
【００４１】
自由層３３０の垂直異方性のために、好適には、磁気素子３００は、小さなスイッチング電流密度、高いアスペクト比を必要としない深いサブミクロン領域内でも安定している垂直磁化、自由層３３０の保磁力の分布の低減、磁気抵抗曲線のオフセットの低減、および付随するスピン・トランスファによる書き込みの信頼性の改善を含むがこれらに限定されない磁気素子１００の利点を共有することが好ましい。さらに、磁気素子３００は、垂直磁化自由層３３０およびピン留め層３１０および３５０を、マグネトロン・スパッタリングのような物理蒸着により堆積することができるという点で容易に製造することができる。さらに、より強力な信号を入手することができる。何故なら、スピン・トンネリング接合部分３０２のバリア層３２０の比抵抗および３０２のトンネル磁気抵抗が高いからである。さらに、すでに説明したように、ピン留め層３１０および３５０の向きが非対称である場合には、磁気素子３００のスピン・トンネリング接合部分３０２およびスピンバルブ部分３０４の両方が、スピン・トランスファにより自由層３３０のスイッチングに貢献する。そのため、磁気素子３００のスイッチング電流密度をさらに低減することができる。
【００４２】
図５は、本発明による垂直磁化磁気メモリを供給するための方法４００の一実施形態を示すハイ・レベルの流れ図である。通常の当業者であれば、図面を見やすくするために多数のステップを省略してあることを容易に理解することができるだろう。垂直異方性、垂直容易軸、およびそれ故、垂直磁化を有するピン留め層がステップ４０２において供給される。好ましい実施形態の場合には、ステップ４０２は、物理蒸着技術によるピン留め層の堆積を含む。ステップ４０４において、スペーサ層が供給される。スペーサ層は、非磁
性的なものであり、絶縁バリア層または導電層であってもよい。ステップ４０６において、垂直異方性、垂直容易軸、およびそれ故垂直磁化を有する自由層が供給される。好ましい実施形態の場合には、ステップ４０６は、物理蒸着技術により自由層を堆積するステップを含む。ステップ４０８において、もう１つのスペーサ層が供給される。ステップ４０４において供給されたスペーサ層が絶縁バリア層であった場合には、ステップ４０８において、非磁性導電スペーサ層が供給される。同様に、ステップ４０４において供給されたスペーサ層が非磁性導電スペーサ層であった場合には、ステップ４０８において絶縁バリア層が供給される。ステップ４１０において、垂直異方性、垂直容易軸、およびそれ故垂直磁化を有するピン留め層が供給される。好ましい実施形態の場合には、ステップ４１０は、物理蒸着技術によりピン留め層を堆積するステップを含む。
【００４３】
それ故、方法４００を使用すれば、磁気素子１００、２００および／または３００を比較的容易に供給することができる。それ故、このような磁気素子１００、２００および３００の利点を達成することができる。
【００４４】
垂直磁化を有する磁気層を含む磁気素子を供給し、スピン・トランスファ・スイッチング電流密度が低い方法およびシステムを説明してきた。図の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、通常の当業者であれば、これら実施形態を種々に変更することができ、これらの変更は本発明の精神および範囲に含まれることを容易に理解することができるだろう。それ故、通常の当業者であれば、添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなしに多くの修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１Ａ】従来の磁気素子、スピンバルブの図。
【図１Ｂ】他の従来の磁気素子、スピン・トンネリング接合の図。
【図２】垂直磁化を有する他の従来の磁気素子の図。
【図３Ａ】垂直磁化を有する層を使用する本発明による磁気素子の第１の実施形態。
【図３Ｂ】垂直磁化を有する層を使用する本発明による磁気素子の第１の好ましい実施形態。
【図４】垂直磁化を有する層を使用する本発明による磁気素子の第２の好ましい実施形態。
【図５】本発明による垂直磁化を有する層を使用する磁気メモリを供給するための方法の一実施形態を示すハイ・レベルの流れ図。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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