(57)【要約】  本発明は、磁化方向が固定されている基準層（２）、および磁化方向が可変である記憶層（３）を備える磁気デバイスに関する。書き込みモードにおいては、記憶層（３）の磁化方向は、前記記憶層に「１」または「０」を格納するように記憶層の磁化方向が変えられる。読み出しモードにおいては、記憶層（３）に何が格納されているかが分かるように磁気デバイスの抵抗が測定される。磁気デバイスは、また、特に、磁化方向が可変である制御層（４）を備える。制御層（４）の磁化方向は、書き込みイベントの際には、記憶層（３）へのスピントランスファートルクの有効性が増大することが望ましく、記憶層（３）に含まれる情報の読み出しイベントの際には、記憶層（３）へのスピントランスファートルクの有効性が減少し、前記情報を変更しないことが望ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定された磁化方向を有して「基準層」（２）と称される第１の磁性層と、
前記基準層（２）の磁化に対して平行または反平行に配向されることができる可変の磁化方向を有して「記憶層」（３）と称される第２の磁性層と、
前記基準層（２）と前記記憶層（３）とを分離する第１のスペーサ（５）と、を備える磁気デバイスであって、
前記磁気デバイスを読み出しモードから書き込みモードへ、およびその逆に変えることができるような可変の磁化方向を有して「制御層」（４）と称される第３の磁性層と、
前記記憶層（３）と前記制御層（４）とを分離する第２のスペーサ（６）と、
前記記憶層（３）の磁化の方向を変えることなく前記制御層（４）の磁化の方向を変えることができる前記制御層（４）の磁化の方向の制御手段（１１）と、を有し、
前記制御層（４）の磁化は、
読み出しモードにおいては、前記基準層および前記制御層によって前記記憶層の磁化に及ぼされるスピントランファートルクを差し引くように、前記制御層は前記基準層の磁化方向に対して平行または反平行の磁化方向を有するように制御され、
書き込みモードにおいては、
前記制御層が読み出しモードにおいて前記基準層の磁化方向に対して反平行の磁化方向を有するときには、前記制御層は前記基準層の磁化方向に対して平行の磁化方向を有し、
前記制御層が読み出しモードにおいて前記基準層の磁化方向に対して平行の磁化方向を有するときには、前記制御層は前記基準層の磁化方向に対して反平行の磁化方向を有するように制御される、ことを特徴とする磁気デバイス。
【請求項２】
前記記憶層（３）は、前記制御層（４）の保持力より大きい保持力を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記記憶層（３）は、非磁性導電体層（１０）によって分離された２つの磁性層（８、９）から構成される第１のいわゆる「合成反強磁性」３層積層構造から形成されており、
前記２つの磁性層は、前記非磁性導電体層を介して反平行に結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記記憶層（３）は、磁性材料の単一の層から形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記制御層（４）の磁化の方向の制御手段（１１）は、前記基準層（２）の磁化の方向に対して平行または反平行の方向を有する磁界を生成する手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記制御層の磁化の方向の制御手段（１１）は、前記制御層へ、前記基準層（２）の磁化の方向に対して平行または反平行に偏極された電子を注入する手段（２５）を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の磁気デバイス。
【請求項７】
前記偏極された電子を前記制御層（４）へ注入する手段（２５）は、
第２の導体（２７）と、合成反強磁性材料（２８）と、固定された磁化を有する磁性層（２９）と、第３の導体（３０）と、を有して、前記制御層（４）の第１の端部（２６）に接触する積層構造と、
前記積層構造における一方向または反対方向に前記積層構造を通過するような電流を送信することができる電流発生器と、
前記制御層（４）の第２の端部（３２）に接触して配置されている第４の導体（３１）と、を備えることを特徴とする請求項６に記載の磁気デバイス。
【請求項８】
前記制御層（４）に接して配置された反強磁性材料の層（１９）と、
前記反強磁性材料の層（１９）の温度を制御する手段（１８）と、を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の磁気デバイス。
【請求項９】
前記基準層（２）、前記記憶層（３）および前記制御層（４）が長手方向に伸び、前記基準層（２）、前記記憶層（３）および前記制御層（４）の磁化が長手方向に整列されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の磁気デバイス。
【請求項１０】
前記基準層（２）、前記記憶層（３）および前記制御層（４）が長手方向に伸び、前記基準層（２）、前記記憶層（３）および前記制御層（４）の磁化が長手方向に垂直であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の磁気デバイス。
【請求項１１】
前記記憶層へ情報を書き込む手段を備え、前記書き込む手段は、前記記憶層を介して一方向または反対方向に循環する第１の電流（７）を生成することができることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の磁気デバイス。
【請求項１２】
前記記憶層に含まれる情報の読み出し手段であって、前記記憶層を介して循環することができる第２の電流（７’）を生成することができる読み出し手段と、
前記記憶層の末端で電圧を測定することができる手段と、を備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の磁気デバイス。
【請求項１３】
請求項３または５から１０のいずれかに記載の磁気デバイスの前記記憶層の磁化の方向の変更方法であって、
前記磁気デバイスが請求項３に従属するとき、
前記記憶層（３）の磁化方向を変えるステップに先だって、前記制御層（４）の磁化の方向を前記基準層（２）の磁化方向に対して平行になるように制御することを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項３または５から１０のいずれかに記載の磁気デバイスの前記記憶層の磁化の方向の変更方法であって、
前記磁気デバイスが請求項３に従属するとき、
前記記憶層（３）の磁化方向の読み出しステップに先だって、
前記制御層（４）の磁化の方向を前記基準層（２）の磁化方向に対して反平行になるように制御することを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項４または６から１０のいずれかに記載の磁気デバイスの前記記憶層の磁化の方向の変更方法であって、
前記磁気デバイスが請求項４に従属するとき、
前記記憶層（３）の磁化方向を変えるステップに先だって、前記制御層（４）の磁化の方向を前記基準層（２）の磁化方向に対して反平行になるように制御することを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項４または６から１０のいずれかに記載の磁気デバイスの前記記憶層の磁化の方向の変更方法であって、
前記磁気デバイスが請求項４に従属するとき、
前記記憶層（３）の磁化方向を変えるステップに先だって、前記制御層（４）の磁化の方向を前記基準層（２）の磁化方向に対して平行になるように制御することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気デバイス及び磁気デバイスからの読み出しおよび磁気デバイスへの書き込み方法に関する。
【０００２】
本発明は、電子機器、特に、メモリセルの作成およびＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）タイプのメモリに用途を見出す。
【背景技術】
【０００３】
室温において強い磁気抵抗を発揮する磁気トンネル接合が使用できるようになるＭＲＡＭ磁気メモリに新たな関心が示されている。ＭＲＡＭメモリは、複数のメモリセルを備えている。これらのメモリセルは、一般に以下を備える磁気デバイスである。
−  磁化方向が固定された「基準層」と称される磁性層；
−  基準層の磁化方向に対して平行または反平行のいずれかに配向することができる磁化方向が可変の「記憶層」と称される磁性層；
−  基準層と記憶層とを分離する絶縁層または半導体層。
【０００４】
フランス特許第２８１７９９９号公報は、このような磁気デバイスを記載している。磁気デバイスは、「読み出し」モードと「書き込み」モードからなる２つの動作モードを有している。書き込みモードの間、電流は臨界電圧よりも大きい書き込み電圧を有し、それらの層を一方向からまたは反対方向から通過するような方法でそれらの層を介して送られる。この電流は、基準層の磁化方向に対して平行または反平行となる記憶層の磁化方向の反転を引き起こす。記憶層の磁化方向が基準層の磁化方向に対して平行か、反平行か、によって１または０が記憶層に蓄えられる。
【０００５】
読み出しモードの間、別の電流が磁気デバイスに注入される。この電流は、書き込み電圧よりも厳密に小さい読み出し電圧を有さねばならない。この電流によって磁気デバイスの抵抗測定を行うことができる。基準層および記憶層の磁化方向が平行なとき、接合の抵抗は低いが、基準層および記憶層の磁化方向が反平行なとき、接合の抵抗は上がる。基準抵抗と比較することにより、記憶層に格納された値（「０」又は「１」）を決定することができる。
【０００６】
フランス特許第２８１７９９９号公報は、また、非磁性導電体層によって分離された反平行磁化を有する２つの磁性層によって構成された３層積層構造（tri-layer stack）の記憶層としての使用を提案する。
【０００７】
しかしながら、この磁気デバイスは多数の欠点を有する。まず第１にこのデバイスは破壊電圧を有し、破壊電圧を上回る電圧で損傷を受ける。書き込みモードの間、書き込み電圧は破壊電圧よりも低いままでなければならない。
【０００８】
加えて、読み出し電圧は、読み出しの際に、記憶層の磁化方向を変えるリスクをさけるために書き込み電圧よりもかなり低く保たなければならない。しかしながら、過剰に低い読み出し電圧を使用することは、読み出し速度の減少になるので不可能である。
【０００９】
従って、読み出しおよび書き込み電圧を破壊電圧より十分小さくなるように、および読み出しの代わりに書き込みが行われるリスクを避けるために互いに十分異なる電圧となるように選択することは、読み出し速度の大幅な減少なしには困難である。
【００１０】
フランス特許第２８３２５４２号公報は、また、磁気トンネル接合を有する磁気デバイス、及びこのデバイスの読み出しおよび書き込み方法を記載している。このデバイスは、固定の磁化方向を有する基準層、磁化方向が可変である磁化を有する記憶層、および基準層の磁化方向に対して反平行に固定された磁化方向を有する追加の偏極層を備える。この追加の偏極層は、基準層から来るスピン偏極電子流および追加の偏極層から来るスピン偏極電子流を結び付けることができるために、書き込みの間の記憶層におけるスピントランスファーを強化することができる。
【００１１】
しかしながら、フランス特許第２８１７９９９号公報によれば、この磁気デバイスは、読み出しの際に誤って書き込むリスクを有している。なぜならば、記憶層における情報の読み出しを可能にする電子流は、記憶層の磁化方向を誤って変える可能性があり、これにより、記憶層に含まれた情報が変わるからである。
【発明の概要】
【００１２】
本発明は、読み出し時における意図しない書き込みのリスクなしに、従来に比較し得る読み出しおよび書き込み電圧を使用することができる磁気デバイスを提案することによって、少なくとも部分的に先行技術の欠点を克服することを目的とする。
【００１３】
本発明は、従って、書き込み電圧および読み出し電圧の電圧範囲を区分しなければならないという問題を克服することができる磁気デバイスを提案することを目的としている。
【００１４】
これを行なうために、磁気デバイスの第１の実施形態は、以下の構成を備えて提案される。
−  固定された磁化方向を有して「基準層」と称される第１の磁性層と、；
−  前記基準層の磁化方向に対して平行または反平行であることができる可変の磁化方向を有して「記憶層」と称される第２の磁性層と、；
−  前記基準層と前記記憶層とを分離する第１のスペーサと、を備え；
前記デバイスは以下を備えるという特徴を有している。
−  前記基準層の磁化に対して本質的に平行または反平行であることができる可変の磁化方向を有して「制御層」と称される第３の磁性層と；
−  前記記憶層と前記制御層とを分離する第２のスペーサと；
−  前記記憶層の磁化方向を変えることなく、前記制御層の磁化方向を変えることができる前記制御層の磁化方向の制御手段と、を備える。
【００１５】
本発明は、従って、読み出ししてから書き込みするまでの間に、制御層の配向性によってスピントランスファーの効果を変えることにより、読み出しの際における書き込みのリスクなしに、従来に比較し得る書き込みおよび読み出し電圧を使用することができる。これにより、読み出しを大きく低下させる非常に低い電圧、例えば０．１Ｖ未満で、読み出す必要がなくなる。
【００１６】
本発明による磁気デバイスは、従って、記憶層および基準層から離れ、その磁化方向が可変である制御層を備えるという点でとりわけ優れている。制御層の磁化方向は、次のように選択することができる。
−  記憶層に書き込みを行なおうとするときに、それらの層を通して注入される電子流と記憶層との間のスピントランスファーの効果を増加させるために選択。  
−  または、記憶層に含まれる情報の読み出しのみを意図したときに、記憶層に含まれる情報を変えるリスクなく、スピントランスファーの効果を減少させるために選択。
【００１７】
このため、あらゆる読み出しまたは書き込みに先だって、制御層の磁化方向は、スピントランスファーの効果を増加させるか、または効果を減少させるか、が選択されることになる。
【００１８】
より正確には、本発明による磁気デバイスは、以下のような方法によって機能することができる。書き込みモードに対しては、制御層の磁化方向はスピントランスファーを促進するように選択される。スピントランスファーの効果を増加させる制御層の磁化の方向は、本質的に基準層の磁化に対して反平行である。記憶層へ書き込みしようとするとき、電子流は、この層（記憶層）に垂直に送られる。この電子流は、デバイスを一端から他端へと通過する。電子は基準層から記憶層へ循環する、すなわち、電流は記憶層から基準層へ循環する、という議論を仮定しよう。この電子流が固定した方向に磁化されている基準層を通って通過するとき、電子のスピンは基準層を構成する磁性材料の電子的構造のために基準層の磁化に従って偏極される。このため、電子は基準層から偏極されたスピンを有して現れる。これらの電子が記憶層を通過するとき、記憶層の磁化にスピントランスファートルクを働かせ、これにより、記憶層の磁化を基準層の磁気モーメントと平行に整列させる傾向がある。従って、基準層はこの電流の方向に対して記憶層の磁化の平行整列を促進する。加えて、書き込みモードに対して制御層の磁化の方向は、基準層と記憶層との間のスピントランスファーの効果を増加させるように選択されている。マイノリティスピン電子（すなわち、制御層の磁化に対して逆のスピンを有する）は、記憶層に向かって反射されることになる。これらの反射された電子は、制御層の磁化に反平行な、すなわち基準層の磁化に平行なスピンを有し、また、記憶層および基準層の磁化の平行整列を促進させるスピントランスファートルクを働かせる。従って基準層および記憶層の磁化の反平行整列が、スピントランスファーの効果の強化をもたらすことを可能にするとともに、記憶層への電流による書き込みを促進することになる。
【００１９】
仮に、電流の方向が反転されれば、制御層から直接的に達する電子および基準層によって反射された電子により及ぼされるスピントランスファーは、記憶層および基準層の磁化の反平行整列を促進するために結合する。従って、電流の方向によって、平行構成（基準層の磁化の平均相対整列および記憶層のそれ（磁化の平均相対整列）による構成と理解される）または、反平行構成のいずれかで書き込みすることが可能になる。書き込みの場合、基準層および制御層は、従って、記憶層の磁化方向を変えることを促進するように協調する。基準層によるスピントランスファーおよび制御層によるスピントランスファーは、書き込みモードに対してはこのように累積的である。
【００２０】
制御層は、従って、書き込みモードにおいては、基準層から来るスピン偏極電子流（spin-polarised electron current）によるスピントランスファートルクと制御層から来るスピン偏極電子流によるスピントランスファートルクとが結合することが可能になる。従って、従来技術のデバイスで用いられていたものよりも書き込み電圧が小さくできる。この理由は、電流と記憶層との間のスピントランスファー効果が制御層の存在により最大化されるからである。
【００２１】
読み出しモードにおいては、他方、制御層の磁化方向は、基準層の磁化方向に対して本質的に平行に選択される。このとき、基準層および制御層によって生成されたスピントランスファー効果は、差し引かれる。読み出し電流がこの構造を通って循環するとき、基準層から来る直接的な電子および制御層から来る反射された電子は、事実、スピントランスファーの効果を減少させる逆のスピン偏極を有している。これは、読み出し電流の方向に関係なく同じである。制御層は、従って、読み出しモードにおいては、基準層から来るスピン偏極した電子流によるスピントランスファートルクに対して制御層から来るスピン偏極電子流のそれ（スピントランスファートルク）によって、少なくとも部分的に補償することができる。従って、読み出しモードにおいては、制御層の磁化方向は、制御層が記憶層の磁化方向を一方向に配向するように選択されるのに対して、基準層は、記憶層の磁化方向の反対方向に配向する傾向を有する。従って、その層（記憶層）を通過する電子流は、記憶層の磁化方向を変化させない。
【００２２】
本発明による磁化デバイスは、従って読み出し中における書き込みのリスクを含まずに、従来に比較し得る読み出しおよび書き込み電圧を有する電流を用いることが可能になる。
【００２３】
本発明によれば、制御層は、書き込みモードまたは読み出しモードのいずれかを選択されることができる。従って本発明によれば、制御層の磁化方向は、読み出しモードから書き込みモードへあるいはその逆に、意図的に変更するときにのみ変えられる。その結果として、もし、書き込みモードが２つの書き込みモードの間の読み出しモードなしに成功裏に行われれば、制御層の磁化は、書き込まれるように意図された論理状態の如何に関らず変えられない。同様に、もし、書き込みモードの後で、複数の読み出しモードがそれらの連続する読み出しモードの間に書き込みモードなく行われれば、制御層の磁化はそれらの読み出しイベントの間で変化しない。ひとたび、読み出しモードまたは書き込みモードが選択されれば、制御層の磁化は、全ての連続する書き込みイベントまたは全ての連続する読み出しイベントの間、固定されたままである。
【００２４】
本発明による制御層の磁化の方向は、従って、記憶層における格納を意図された論理状態ではなく、読み出しまたは書き込みモードの機能としてもっぱら意図されるように変えられる。加えて、制御層の磁化がひとたび、あるモードから別のモードに変えるようにスイッチされていれば、その磁化は、全ての連続する書き込みモードの間、それらの書き込みモードが読み出しモードによって中断されるまでは、閉じ込められる。制御層は、従ってその磁化方向が容易に変化することができない材料、つまり、容易に変化する軟強磁性材料（soft ferromagnetic material）のようではない材料によって製造される。
【００２５】
加えて、本発明による制御層は、基準層／トンネル障壁（tunnel barrier）／記憶層および記憶層／第２のスペーサ／制御層の組立品によって形成されたトンネル接合によってもたらされる磁気抵抗効果が読み出しの際に加わることにより、読み出しを促進する。
【００２６】
本発明による磁気デバイスは、個別に、または技術的に可能な任意の組み合わせを考慮することにより、以下の特徴を１またはそれ以上、備えることができる。
【００２７】
各スペーサは、好ましくは絶縁材料または半導体材料から構成される。
【００２８】
加えて、一方においては記憶層の磁化の方向、および他方においては制御層の磁化の方向は、それらの磁化方向の一つを変えることなく、それらの磁化方向の他方を変えるように、互いに分離されて制御されることができなければならない。
【００２９】
特に、記憶層の磁化方向は、制御層の磁化方向を変えることなく切り替えることができなければならず、その逆もまた同様である。
【００３０】
これを達成するために、記憶層の磁化方向および制御層の磁化方向は、種々の方法によって変えられる。例えば、記憶層の磁化方向は、その層（記憶層）の平面に対して垂直に循環している電流の助けによるスピントランスファーによって変えられる。その一方で、制御層の磁化方向は、その層の面に平行な磁界または磁壁伝播（wall propagation）によって変えられる。
【００３１】
好ましい実施形態によれば、記憶層は、非磁性導電体層によって分離された２つの磁性層から構成される第１のいわゆる「合成反強磁性（synthetic antiferromagnetic）」３層積層構造（tri-layer stack）によって形成されており、２つの磁性層は非磁性導電体層を介した反平行結合である。合成反強磁性３層積層構造は、好ましくは２つの磁性層、典型的には、コバルト−鉄（CoFe）または、コバルト−鉄−ボロン（CoFeB）からなる磁性層、およびこれらを分離する非磁性導電体層によって構成されている。非磁性導電体層は、典型的にはルテニウム（Ru）からなり、好ましくは０．５ｎｍから０．９ｎｍの間の厚さを有する。この実施形態において、合成反強磁性３層積層構造の２つの磁性層は、非磁性導電体層を介した反平行磁気結合を有している。本発明によれば、合成反強磁性３層積層構造の２つの磁性層の磁気モーメントは、好ましくは合成反強磁性３層積層構造の全磁気モーメントがゼロに近く、典型的には全モーメントが２つの構成強磁性体層の成分モーメントのうちの１つの３０％未満であり、好ましくは１５％未満であるという割合になるように、本質的に等しく選択される。
【００３２】
本明細書において、磁性層の「磁気モーメント」とは、単位面積あたりの磁性層の磁気モーメントを言う、すなわち、その磁性層の磁化にその磁性層の厚さを乗じた積を言う。
【００３３】
この実施形態は好ましい。なぜなら、より均一な磁化を有することができ、記憶層の体積が大きくなれば、より大きな熱的安定性を有することができるからである。このような３層積層構造の磁化方向はスピントランスファーによって変えることができることが知られている。すなわち、３層積層構造を構成する磁性層の磁化は、お互いに反平行を保ちながら、その構造（３層積層構造）を通過するスピン偏極電流（spin-polarised current）の効果下で一方向から反対方向へ切り替えられることができる。他方、この３層積層構造は、全体の磁気モーメントが実質的にはゼロであり、磁界とほとんど反応しない。以下に示すように、単一の磁性層によって構成された制御層を選択することによって、モーメントが実質的にゼロである３層積層構造の磁化を反転することなく、ゼロではない磁界によってその制御層の磁化を反転することができる。
【００３４】
記憶層が３層積層構造によって形成されるとき、制御層の磁化方向は、好ましくは以下のような方法で制御される。書き込みモードにおいては、制御層は基準層の磁化方向に平行な磁化方向を有している。従って、基準層によるスピントランスファーおよび制御層によるスピントランスファーは、記憶層を形成する３層積層構造の全体に渡って累積される。その一方、読み出しモードにおいては、制御層の磁化方向は、好ましくは、制御層が、基準層の磁化方向に対して反平行の磁化方向を有するように制御される。従って、基準層および制御層によるスピントランスファーは相殺する。
【００３５】
別の実施形態によれば、記憶層は磁性材料の単一の層によって形成される。
【００３６】
この場合、制御層の磁化方向は以下のように制御される。書き込みモードにおいては、基準層の磁化方向に対して反平行であるように制御される。従って、書き込みモードにおいては、制御層および基準層によるスピントランスファーは累積する。その一方、読み出しモードにおいては、制御層の磁化方向は、制御層および基準層によるスピントランスファーが互いに補償するように、基準層の磁化方向に対して平行であるように選択される。
【００３７】
制御層は、好ましくは磁性材料の単一の層によって形成される。
【００３８】
本発明によれば、記憶層の磁化方向を変えずに制御層の磁化方向を変えることができなければならない。このため、制御層の磁化の方向に対する制御手段は、記憶層の磁化の方向を変えることなく制御層の磁化の方向を変えることができなければならない。
【００３９】
ある実施形態によれば、制御層の磁化の方向の制御手段は、基準層の磁化の方向に対して平行または反平行な方向を有する磁界を生成する手段を有する。この実施形態は、記憶層が非磁性導電体層を介して反平行に結合された２つの磁性層を備える合成反強磁性３層積層構造によって形成されているときに、特に好ましい。この場合、３層積層構造の磁性層は、望ましくは、互いに補償する磁化を有し、その結果、磁界は記憶層に実質的に影響しない。結果的に、記憶層を形成する磁性層の磁化方向は変わらない。この一方、制御層は、その磁化が磁界の影響下で方向を変えるように、単独で磁界に対して敏感に反応する。
【００４０】
磁界を生成する手段は、一方向または他方向に電流が流れる少なくとも１つの導体を備え、これにより基準層の磁化方向に対して平行または反平行な磁界を生成する。
【００４１】
制御層、記憶層、および基準層が、それらが設置されている平面内で偏極されるとき、例えば、それらの層が長手方向に延び、それらの磁化方向がこの（基準層の）磁化方向に対して平行または反平行であるとき、制御手段は、好ましくは、制御層、記憶層、および基準層が設置されている平面に平行に延び、長手方向に制御層、記憶層、および基準層とともに整列されている導体を備える。このような方法によって、第１の導体を通過する電流は制御層の磁化方向に対して平行または反平行である磁界を生成することができる。
【００４２】
その一方、制御層、記憶層、および基準層が、それらが設置されている平面外において偏極されるとき、例えば、それらの層が長手方向に延び、それらの磁化方向がこの長手方向に対して垂直な横断方向に平行または反平行であるとき、制御手段は、好ましくは、基準層、記憶層および制御層が設置されている平面にそれぞれ平行に延びる２つの導体を備え、これら２つの導体は、制御層に対して長手方向にオフセットされ、制御層のそれぞれの側部に設置されている。互いに反対方向である電流が、好ましくはこれら２つの導体を流れる。従って、これら２つの導体は、基準層の磁化方向に対して平行または反平行の磁界を生成することができる。
【００４３】
別の実施形態によれば、制御層の磁化の方向の制御手段は、基準層の磁化の方向に対して平行または反平行に偏極された電子を制御層へ注入する手段を備える。これらの注入手段は好ましくは制御層への電子の注入に際して、制御層を長手方向に通過するような方法で注入する。
【００４４】
磁界によって制御層の磁化方向を変える代わりに、スピントランスファー効果を用いる電流によって誘導された磁壁伝播により、この磁化方向を変えることも事実可能である。この場合、制御層は電流導体層であり、磁区が所望の磁化方向に生成されている。この磁区はその後、制御層を介して電流を送ることによって制御層全体に延びる。磁区の磁壁（walls）は、そのとき、スピントランスファーによる電子流によって及ぼされた圧力の効果下で制御層を介して伝播される。
【００４５】
より正確には、この実施形態によれば、スピン偏極電子流は、制御層の第１の端部へ注入される。この電子流は、例えば、固定された磁化方向を有する磁性材料の層を通過することにより、スピン偏極を引き起こしている。電子は、従って、偏極されたスピンを有して制御層へ注入される。制御層が電子のスピン方向に対して反平行の磁化を有するとき、制御層への電子流の注入は、例えば、制御層において、電子のスピン方向に平行な磁化方向を有した磁区核を形成することを可能にする。電子が、制御層を通って長手方向に循環するとき、この磁区が制御層を通って延びるように、それら（電子）は、この磁区の範囲を区切る磁壁に押し返される。電子が制御層の第２の端部へ到達したとき、その磁区は、制御層全体に渡って延びている。制御層の全体はそのとき、所望の磁化方向を有する。制御層を通過する電流の方向を選択することによって、制御層の磁化方向を制御することができる。この実施形態は、制御層の磁化方向を記憶層の磁化方向を変えることなく、変えることができる。
【００４６】
偏極された電子の制御層への注入手段は、好ましくは以下の構成を備える。
−  前記制御層の第１の端部に接触して配置された積層構造であって、以下の構成を備える。
・第２の導体；
・反強磁性材料；
・固定された磁化を有する磁性材料の層；
・第３の導体。
−  前記積層構造の一方向または反対方向に通過することができる電流を送ることができる電流生成器；
−  前記制御層の第２の端部に接触して配置された第４の導体。
【００４７】
前記積層構造は、それら（電子）が、制御層の第１の端部へ注入される前に、電子のスピン偏極を形成することができる。電子は、その後、電子が第４の導体に到達するまで、制御層を長手方向に通過する。
【００４８】
好ましい実施形態によれば、本発明による磁気デバイスは、また、以下の構成を備える。
−  前記制御層に対して配置された反強磁性材料の第２の層；
−  前記反強磁性材料の第２の層の温度を制御する手段。
【００４９】
この実施形態は、ひとたびその磁化方向が選択されれば、制御層の安定性を増大させることができる。制御層の方向を変えようとするときには、反強磁性材料の第２の層が加熱される。反強磁性第２層は、その際、常磁性体になり、それにより、制御層の磁化方向を変えることが容易になる。他方、制御層の方向を変えようとしないときには、反強磁性第２層の加熱は停止され、その際、制御層の磁化はそれ自身の方向に閉じ込められる。その後、制御層の磁化方向を変えるリスクなしに、記憶層の方向を変えることができる。
【００５０】
この実施形態は制御層の磁化の方向に対する全ての制御手段は同等であるが、基準層の磁化の方向に対して平行または反平行の方向を有する磁界を生成するように構成された制御層の磁化方向の制御手段として用いるときに特に好ましく、さらに、これらの磁界を生成する手段が電流を通過させる第１の導体を備えるときに、とりわけ好ましい。この場合、反強磁性材料の第２の層の温度を制御する手段は高い抵抗を有する第５の導体を備えることができる。これ（第５の導体）は、第１の導体と反強磁性材料の第２の層との間に配置されており、第１の導体を通して電流を通過させることで磁界を発生させることができる。電流が第１の導体を通過して磁界を生成するとき、制御層の磁化方向を変えることができる。この電流はまた、第５の導体へ伝播し、これ（第５の導体）をジュール効果によって熱する。反強磁性体材料の第２の層は、その際、加熱されるや否や磁界が生成される。
【００５１】
他の実施形態によれば、反強磁性材料の第２の層の加熱を磁界の生成から独立して制御することができる。これは、第１の導体および第５の導体を電気的に絶縁すること、およびこれら２つの導体を通過する２つの異なる電流を生じさせることにより可能になる。
【００５２】
種々の実施形態によれば：
−  基準層、記憶層、および制御層は、長手方向に延びており、基準層、記憶層、および制御層の磁化は、長手方向に整列されている。この場合、基準層、記憶層、および制御層の磁化は、「面内（in-plane）」であると称される。
−  基準層、記憶層、および制御層は、長手方向に延びており、基準層、記憶層、および制御層の磁化は、長手方向に対して垂直である。この場合、基準層、記憶層、および制御層の磁化は、「面外（out-of-plane）」であると称される。この後者の実施形態は、特に好ましい。なぜならば、このように作成された磁気デバイスは温度安定性が増大するからである。
【００５３】
本発明による磁気デバイスによれば、好ましくは、また、記憶層へ情報を書き込む手段を有する。前記書き込む手段は、この層（記憶層）を介して一方向または反対方向に循環する第１の電流を生成することができる。
【００５４】
本発明による磁気デバイスによれば、好ましくは、また以下の構成を備える。
−  記憶層に含まれている情報の読み出し手段であって、その層（記憶層）を介して循環する第２の電流を生じさせることができる読み出し手段；
−  その層（記憶層）の末端で電圧を測定する手段。
【００５５】
第２の電流は、好ましくは、第１の電流の電圧と同等以下の電圧を有する。
【００５６】
本発明は、また、本発明によるデバイスに含まれる情報を読み出す方法および、本発明によるデバイスへ情報を書き込む方法に関する。
【００５７】
記憶層が、非磁性導電体層により分離された２つの磁性層によって形成された３層合成反強磁性材料を備えているとき、本発明による書き込み方法は、好ましくは、記憶層の磁化方向を変えるステップに先立ち、制御層の磁化方向が基準層の磁化方向に対して平行であるように制御層の磁化の方向を制御するステップを有する。
【００５８】
記憶層が、非磁性導電体層により分離された２つの磁性層によって形成された３層合成反強磁性材料を備えているとき、本発明による読み出し方法は、好ましくは記憶層の磁化方向を読み出すステップに先立ち、制御層の磁化方向が基準層の磁化方向に対して反平行であるように制御層の磁化の方向を制御するステップを有する。
【００５９】
記憶層が、単一の磁性層であるとき、本発明による書き込み方法は、好ましくは、記憶層の磁化方向を変えるステップに先立ち、制御層の磁化方向が基準層の磁化方向に対して反平行であるように制御層の磁化の方向を制御するステップを有する。
【００６０】
記憶層が、単一の磁性層であるとき、本発明による読み出し方法は、好ましくは、記憶層の磁化方向を読み出すステップに先立ち、制御層の磁化方向が基準層の磁化方向に対して平行であるように制御層の磁化の方向を制御するステップを有する。
【００６１】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照しながら以下の記載を読むことにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の１実施形態による磁気デバイスの書き込みモードにおける断面図である。
【図２】図１による磁気デバイスの読み出しモードにおける断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態による磁気デバイスの書き込みモードにおける断面図である。
【図４】図３による磁気デバイスの読み出しモードにおける断面図である。
【図５】本発明の別の実施形態による磁気デバイスの読み出しモードにおける断面図である。
【図６】図５による磁気デバイスの書き込みモードにおける断面図である。
【図７】図５による磁気デバイスにおいて、「０」を書き込んでいる際の断面図である。
【図８】図５による磁気デバイスにおいて、「１」を書き込んでいる際の断面図である。
【図９】制御層への熱アシスト書き込みを含む本発明の別の実施形態による磁気デバイスの断面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による磁気デバイスの書き込みモードにおける断面図である。
【図１１】本発明の別の実施形態による磁気デバイスの読み出しモードにおける断面図である。
【図１２】図１１による磁気デバイスの書き込みモードにおける断面図である。
【図１３】本発明の別の実施形態による磁気デバイスの読み出しモードにおける断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
より明瞭にするために、全ての図面において、同一または類似の要素は同一の符号によって示す。
【００６４】
全ての図面において、Ａで参照されて示される矢印は、種々の磁性層の磁化方向を示し、Ｉで参照されて示される矢印は、電流を示す。
【００６５】
図１は、本発明の１実施形態による磁気デバイス１を示す。この磁気デバイス１は、以下の構成を備える。
−  「基準層」２と称される第１の磁性層；
−  「記憶層」３と称される第２の磁性層；
−  「制御層」４と称される第３の磁性層。
【００６６】
基準層２および記憶層３は、第１のスペーサ５によって分離されている。制御層４および記憶層３は、第２のスペーサ６によって分離されている。
【００６７】
この実施形態によれば、層２から６は、ｘ軸に平行な長手方向１に延びる。
【００６８】
本明細書の全体にわたって、「長手方向」とはｘ軸に平行な方向をいい、「横断方向」とはｙ軸に平行な方向をいう。
【００６９】
この実施形態において、基準層２、記憶層３、および制御層４は、「面内」磁化を有している。すなわち、これらの層の磁化方向は長手方向である。
【００７０】
基準層２は、図１および２の矢印によって表わされる固定された方向の磁化を有している。基準層２の磁化方向は、例えば、第１の反強磁性層に結合しながら交換されて固定されることができる。基準層２はまた、反強磁性層によって閉じ込められた合成反強磁性層であることもできる。
【００７１】
記憶層および制御層は、種々の方向の磁化を有する。これらの記憶層３および制御層４の磁化は、基準層の磁化方向に対して平行または反平行のいずれかに配向されることができる。
【００７２】
記憶層３は、例えば、コバルト−鉄−ボロン（CoFeB）の合金からなる磁性材料で製造された単一の層である。この磁性材料は勿論、単に例として与えられており、記憶層３を、例えば、コバルト−鉄（CoFe）、鉄（Ｆｅ）、または、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、およびコバルト（Ｃｏ）に基づく合金からなる他の磁性材料により製造することもできる。
【００７３】
基準層２は、また、例えば、CoFeB、またはCoFeから製造された単一の層である。
【００７４】
第１および第２のスペーサ５、６は、例えば、酸化マグネシウム（MgO）または酸化アルミニウム（Al2O3）の絶縁層または半導体層によって構成されている。
【００７５】
磁気デバイス１は、書き込みモードおよび読み出しモードによって機能する。
【００７６】
書き込みモードにおいては、図１で示されるように、制御層４の磁化は、基準層の磁化方向に対して反平行であるように選択される。基準層の磁化は、軸（−ｘ）に向かっており、制御層の磁化は、軸（＋ｘ）に向かっている。
【００７７】
第１の電子流７が、層２から６を介して軸（−ｙ）に沿って送られるとき、伝導電子は基準層を通過し、これらの電子のスピンはこの基準層を通過することで偏極する。偏極電子は、その際、記憶層の磁化にスピントランスファートルクを与える。加えて、電子は、制御層４によって、制御層の磁化に対して反平行にスピン偏極されて反射され、また、記憶層３の磁化にスピントランスファートルクを与える。このスピントランスファートルクは、従って、基準層２および制御層４による共同の働きによって強められる。なぜなら、これらの２つの層は、反平行の磁化方向を有するからである。このスピントランスファーは、層２から６を流れる電子流が軸（−ｙ）または（＋ｙ）のいずれかを向いているかによって、記憶層の磁化方向を基準層の磁化方向に対して平行または反平行のいずれかに向けることができる。
【００７８】
制御層の存在によって、このように記憶層への情報の書き込みを促進することができる。
【００７９】
読み出しモードにおいては、図２に示されるように、制御層４の磁化は、基準層２の磁化に対して平行であるように選択される。
【００８０】
記憶層に蓄えられた情報を読み出すために、第２の電子流７’が積層構造の層２から６を介して、層２から６を横断して送られる。この第２の電子流７’は、磁気デバイス１の抵抗を測定することができる。記憶層および基準層が反平行磁化であるとき、デバイスの抵抗は上がる。他方、記憶層および基準層が平行磁化であるとき、デバイスの抵抗は低い。第２の電子流７’は、従って記憶層に含まれる情報を変えることなく記憶層から情報を読み出すことを可能にするに違いない。
【００８１】
この目的のために、基準層および制御層は、平行磁化を有しており、それら双方は、記憶層の磁化を反対の方向に配向させる傾向を有しているので、記憶層に対して反対の働きを与える。従って、第２の電子流がこれらの層を流れるにもかかわらず、記憶層の磁化方向は変わらない。
【００８２】
本発明による磁気デバイスは、このように読み出しモードにおいて記憶層に含まれる情報を変えることなく、読み出しモードおよび書き込みモードに相当する電圧の電流を送ることができる。
【００８３】
図３および４は、別の実施形態を示す。ここで、記憶層３は合成反強磁性３層積層構造から構成されており、磁性材料からなる２つの層８および９は、非磁性導電体材料の層１０によって分離されている。磁性材料からなる２つの層は、例えば、コバルト−鉄−ボロン（CoFeB）またはCoFeの合金によって構成されている。非磁性導電体材料の層１０は、例えば、０．５ｎｍから０．９ｎｍの間の厚さを有するルテニウム（Ru）によって構成されている。
【００８４】
磁性材料からなる２つの層８および９は、それらの磁化が反平行磁化方向を有するように、非磁性導電体材料の層１０を介して磁気的に結合している。磁性材料からなる２つの層８および９は、好ましくは同じ磁気モーメントを有している。すなわち、それらの磁気モーメントが釣り合い、３層積層構造が全体として実質的にゼロの磁気モーメントを有するように、磁化と厚さの積が同じである。
【００８５】
記憶層が、合成反強磁性３層積層構造によって形成されているとき、「記憶層の磁化方向」すなわち「記憶層を磁化する方向」とは、基準層に最も近接して設置されている記憶層に属する磁性層の磁化の方向をいう。
【００８６】
基準層２、第１のスペーサ５、制御層４および第２のスペーサ６は、図１および２を参照して述べられたものと同一であることができる。
【００８７】
この実施形態における、図３に示される書き込みモードにおいては、制御層は、基準層の磁化に対して平行の磁化を有していなければならない。書き込みモードにおいては、電流が積層構造を通過するとき、基準層２は、事実、磁性材料８の層の磁化を一方向へ配向する傾向がある。書き込みを促進するため、制御層４は従って磁性材料９の層の磁化を反対方向に配向する傾向が必要である。なぜなら、磁性材料８および９の層は反平行結合しているからである。
【００８８】
その一方、図４に示される読み出しモードにおいては、磁性材料８および９の層の磁化の配向が変わるのを防止することが望ましい。この目的のために、制御層４は、基準層２の磁化方向に対して反平行の磁化を有していなければならない。従って、第２の電流７’がこれらの層を通過するとき、基準層は磁性材料８の層の磁化を一方向へ配向する傾向があり、制御層は磁性材料９の層の磁化を同じ方向へ配向する傾向がある。このことにより、これら２つの層は反平行に結合しているので、磁性材料８および９の層の磁化方向における変化を無力化する傾向がある。
【００８９】
読み出し中における記憶層の磁化方向の誤反転は、このようにして防止される。
【００９０】
記憶層が３層積層構造から構成されているこの実施形態は、記憶層の磁化がより均一であるので好ましい。記憶層が３層積層構造により構成されている場合においては、事実、２つの磁性層８および９の間の磁束近接効果がある。加えて、記憶層の体積がより大きいので、記憶層の熱的安定性は増大する。
【００９１】
図５および６は、別の実施形態における磁気デバイスを示す。ここで、記憶層３は、非磁性導電体材料１０の層を介して反平行に結合した２つの磁性層８および９を備える第１の３層積層構造から構成されている。記憶層を構成する２つの磁性層の磁化方向は、変えることができる。
【００９２】
この実施形態においては、基準層２もまた、非磁性導電体層１６を介して反平行に結合した２つの磁性層１４および１５を備える３層積層構造から構成されている。基準層が３層積層構造から構成されているとき、「基準層の磁化方向または磁化の方向」とは、３層積層構造の磁性層のうち、記憶層に最も近接して配置されている磁性層の磁化方向をいう。
【００９３】
この実施形態による磁気デバイスは、また、例えば、１２ｎｍから２０ｎｍの間の厚さを有するプラチナおよびマンガンの合金（PtMn）からなる反強磁性材料１２の第１の層を備える。この層は基準層２に接触して配置されており、基準層２を構成する磁性層１４および１５の磁化方向を固定するように意図されている。基準層２は、０．５ｎｍから０．９ｎｍの間の厚さを有するルテニウム（Ru）からなる薄い層を介して反平行結合されたCoFeBまたはCoFeからなる２つ層によって構成された合成反強磁性３層積層構造であることができる。この合成反強磁性層の典型的な構成は、厚さ２ｎｍのCoFeの層、０．６ｎｍの厚さのルテニウム（Ru）の層、および２．５ｎｍの厚さのCoFeBの層であってもよい。
【００９４】
磁性層８，９、１４および１５は、例えばコバルト−鉄−ボロンの合金で製造することができ、非磁性導電体層１０および１６は、例えばルテニウム（Ru）で製造することができる。磁性層８および９は、好ましくは磁化と厚さの積が同じであるのでそれらの磁気モーメントが釣り合う。同様に、磁性層１４および１５は、好ましくは磁化と厚さの積が同じであるのでそれらの磁気モーメントが釣り合う。これらそれぞれの磁性層の厚さは、典型的には１．５ｎｍから４ｎｍの間である。
【００９５】
基準層はまた、前述の実施形態で述べたように、単一の磁性層から形成されることもできる。
【００９６】
制御層４は、CoFeBまたはCoFeの合金またはFeを用いて、典型的には４ｎｍから８ｎｍの厚さを有して製造される。磁性層４，８、９、１４および１５の磁化は、磁性層４，８、９、１４、および１５がｘ軸に沿って延びる方向に対して平行または反平行である。
【００９７】
磁気デバイスは、また、トランジスタ１３を備える。
【００９８】
磁気デバイスは、また、記憶層３の磁化の方向を変えることなく制御層の磁化の方向を変えることができる制御層４の磁化方向の制御手段１１を備える。この実施形態において、制御手段１１は、ｚ軸に沿って延び、横断方向ｙに沿って制御層に整列されている導体１７を備える。制御手段１１は、また、導体１７に電流を送る手段（図示せず）を備える。電流が導体１７を通過するとき、基準層２の磁化方向に対して平行または反平行の磁界１８を生成する。この磁界は、従って、制御層の磁化を基準層の磁化方向に対して平行または反平行に配向することができる。
【００９９】
この実施形態においては、磁界は、記憶層を構成する磁性層８および９の磁化の配向に大きな影響を与えない。なぜならば、磁性層８および９の磁気モーメントは、相殺（offset）している（またはほとんど相殺している）からである。２つの磁性層８および９は反平行に結合しており、事実、逆の磁気モーメントを有しているので記憶層の全磁気モーメントは実質的にゼロである。制御手段１１によって生成された磁界は、従って記憶層にいかなる影響も与えない。その一方で、これ（磁界）は、制御層の磁化方向を変えることができ、他のいかなる層とも磁気的に結合していない。
【０１００】
従って、記憶層に含まれている情報を読み出すことに先だって（図５参照）、電流が導体１７を介して軸＋ｚに沿って送られる。この電流は、基準層の層１４の磁化に対して反平行の磁界を生成する。この磁界は、記憶層に含まれる情報を読み出すために、基準層、記憶層、および制御層を介したその層（層１４）の磁化方向に対して反平行の制御層の磁化の整列を生じさせる。このため、制御層によって生成されたスピントランスファーおよび基準層によって生成されたスピントランスファーは補償しているので、記憶層を構成する磁性層８および９の磁化方向を変えるリスクを制限することができる。
【０１０１】
その一方、記憶層に含まれている情報を変えることに先だって（図６参照）、すなわち、記憶層へ情報を書き込むことに先だって、基準層２の磁性層１４の磁化に対して平行な制御層の磁化の整列を生じさせる磁界を生成するために、電流が導体１７を介して軸−ｚに沿って送られる。
【０１０２】
図７は、次に、記憶層に「０」を書き込む方法を示す。この目的のために、電流が基準層、記憶層、および制御層を介して、これらの層に対して垂直に通過するように送られる。この電流は、軸（−ｙ）に沿って送られなければならない。基準層２、より正確には基準層２の磁性層１４は、その際、磁性層１４の磁化方向に対して平行に磁性層８の磁化を配向する傾向がある。制御層４は、制御層の磁化方向に対して反平行に磁性層９の磁化を配向する傾向がある。基準層および制御層は、従って、記憶層の磁化を同じ方向に配向するように協働する。この書き込みプロセスの間、制御層は、制御層の磁化を他の磁性層によって及ぼされたスピントランスファートルクの影響下で切り替えられることがないのは重要である。この目的のためには、制御層の磁化が記憶層の磁化方向を変えることができるスピントランスファートルクに耐えることができるのに十分な厚さの制御層を選択すれば十分であり、典型的には４ｎｍを超える厚さである。スピントランスファートルクが本質的に界面に存在することは事実知られている。制御層の磁化を切り替えるために必要な臨界電流密度は、この層（制御層）の厚さに比例して変わる。制御層の厚さを増加させることによってスピントランスファートルクの制御層へのインパクトは、その切り換えをより困難にすることなく最小化できる。なぜならば、印加される磁界がその層の全体積に働くからである。
【０１０３】
図８は、記憶層に「１」を書き込む方法を示す。この目的のために、電流が、基準層、記憶層、および制御層を、これらの層に対して垂直に通過するように送られる。この電流は、軸（＋ｙ）に沿って送られなければならない。基準層２、より正確には、基準層２の磁性層１４は、その後、磁性層１４の磁化方向に対して反平行に磁性層８の磁化を配向する傾向がある。制御層４は、その部分で、制御層の磁化方向に対して平行に磁性層９の磁化を配向する傾向がある。基準層および制御層は、従って、記憶層の磁化を同じ方向に配向するように協働する。
【０１０４】
この実施形態において、導体１７は、同時に以下のことを許容する。
−  制御層の磁化方向を変えることを許容する磁界を生成することができる電流を伝導すること。
−  記憶層における情報の読み出しまたは書き込みのために、基準層２、制御層４、および記憶層３を通過する電流を供給すること。
【０１０５】
しかしながら、これらの２つの機能を行なわせるために２つの分離された導体を使用することもできる。
【０１０６】
図９は、別の実施形態による磁気デバイスを示す。この実施形態においては、磁気デバイスは、第１の導体１７と制御層４との間に以下を備えることを除いては、図５から８に示されたものと同様である。
−  電流が流れたときに熱を生成する第５の導体１８。第５の導体１８は、例えば、タンタルまたはタングステンから構成されている。または第５の導体１８は、導体１７と同様な材料から形成することもできるが、この際、単位当たりの長さに対してより高い抵抗を局部的に示すように、より小さい厚さを有することができる。
−  制御層４および第５の導体１８に接触している第２の反強磁性層１９。
【０１０７】
この実施形態によれば、第５の導体１８は、電流が第１の導体１７を通過するときには第５の導体１８をも通過するように、第１の導体１７と接触している。
【０１０８】
第５の導体１８を通過する電流がないときには、制御層の磁化方向は、強磁性材料１９の第２の層の存在により、固定されている。制御層の磁化方向は、基準層の磁性層１４の磁化方向に平行に、または、この磁化方向に反平行に固定することができる。従って、制御層の磁化方向を変えることなく、記憶層の磁化方向を変えることができる。
【０１０９】
その一方で、制御層の磁化方向を変えることを目的として磁界を生成するために、電流が第１の導体１７を通過するとき、この電流は、また、第５の導体１８にも流れる。第５の導体１８は、そのときジュール効果により熱を生成し、反強磁性材料の第２の層を加熱する。この理由は、この反強磁性材料の第２の層が常磁性体になるように、および制御層の磁化方向が導体１７への電流の通過によって生成される磁界の影響により変えることができるようするためである。
【０１１０】
この電流が遮断されたとき、反強磁性材料の第２の層は再び反強磁性になり、制御層の磁化方向を固定する。
【０１１１】
反強磁性材料の第２の層の加熱、および第１の導体１７による磁界の生成を独立的に制御することができるように、第１の導体１７および第５の導体１８が接触していない状態で使用することも可能である。
【０１１２】
他の外部加熱手段による第２の反強磁性材料層の加熱もまた、行うことができる。
【０１１３】
反強磁性層１９は、鉄−マンガン（FeMn）または、イリジウム−マンガン（IrMn）または、イリジウム−マンガン−クロム（IrMnCr）を用いて、典型的には１８０℃から２５０℃の間のブロッキング温度で製造することができる。
【０１１４】
さらに、基準層は、３層積層構造によって形成することに代えて、単一の層によって構成することができる。
【０１１５】
同様に、記憶層は、合成反強磁性３層積層構造によって形成することに変えて、単一の層によって形成することができる。この場合、記憶層は、制御層の磁化方向が変わるときに記憶層の磁化方向が変わらないために、制御層の保持力（coercivity）より大きな保持力を有しなければならない。例えば、記憶層を製造するためにコバルト−クロム（cobalt-chromium）合金を用い、制御層としてコバルト−鉄−ボロンの層を用いることによりこれが可能になる。
【０１１６】
図１０は、別の実施形態を示す。ここで、磁気デバイスの磁性層は、面外磁化を有する。従って、この磁気デバイスは３層積層構造を有する基準層２を備える。この３層積層構造は、第１の磁性層１４、第２の磁性層１５を有し、第１および第２の磁性層１４および１５が、層１４と層１５との間に反平行結合を提供する非磁性導電体層１６によって分離されている。第１および第２の磁性層１４および１５は、コバルト−パラジウム（Co／Pd）の多層または合金、コバルト−プラチナの多層または合金、コバルト−ニッケルの多層または合金、または、希土類（rare earths）／遷移金属の合金（例えば、テルビウム−鉄（TbFe））によって構成されることができる。第１および第２の磁性層を分離する非磁性導電体層１６は、例えば、厚さ０．５ｎｍから０．９ｎｍの間のルテニウムから構成されることができる。
【０１１７】
磁気デバイスは、本実施形態の場合は、合成反強磁性３層積層構造を有する記憶層３を備える。この合成反強磁性３層積層構造は、非磁性導電体層１０によって分離された第１および第２の磁性層８および９を有し、非磁性導電体層は層８と層９との間に反平行結合を提供している。第１および第２の磁性層８および９は、コバルト−パラジウム（Co／Pd）の多層または合金、コバルト−プラチナの多層または合金、または、コバルト−ニッケルの多層または合金によって構成されることができる。第１および第２の磁性層を分離する非磁性導電体層１０は、例えば、厚さ０．５ｎｍから０．９ｎｍの間のルテニウムから構成されることができる。
【０１１８】
磁気デバイスはまた、例えばCoFeBから構成された制御層４を備える。
【０１１９】
磁気デバイスは、面外配向を有している。すなわち、基準層２、記憶層３および制御層は長手方向ｘに沿って伸びているが、磁性層８、９、１４、１５の磁化はｙまたは−ｙの横断方向に沿って伸びている。面外磁化を有するこの磁気デバイスは、面内磁化を有する磁気デバイスに比べて熱的安定性が改善されているので特に好ましい。事実、面外磁化を有する材料は、面内磁化を有する材料に比べて界面に由来する異方性がより大きい。
【０１２０】
磁気デバイスは、また、それぞれ、基準層と記憶層との間、記憶層と制御層との間に配置された第１のスペーサ５および第２のスペーサ６を備える。２つのスペーサは、例えば、酸化マグネシウム（MgO）または、酸化アルミニウムから構成されることができる。
【０１２１】
磁気デバイスはまた、バッファ層１２を備える。これは、構造全体の良好な成長を促進することができる。このバッファ層は、例えば、タンタル（Ｔａ）、プラチナ（Ｐｔ）、窒化銅（CuN）から作ることができる。
【０１２２】
磁気デバイスはまた、トランジスタ１３を備える。
【０１２３】
この実施形態によれば、基準層２はまた、好ましくは第１の遷移層（transition layer）２１を備え、これ（遷移層２１）は、３層積層構造１４−１５−１６と第１のスペーサ５との間に配置されている。この遷移層２１は、スペーサ５がMgOのトンネル障壁であるときには、好ましくは、体心立方結晶構造を有している。この遷移層２１は、例えば、CoFeBから構成されており、２５０℃から３５０℃でアニールされてMgOと接触して体心立方で結晶化される。基準層を構成する層１４−１５−１６は、事実、六方晶系または面心立方の結晶構造を有している。その一方で、MgOからなる第１のスペーサ５は、体心立方結晶構造を有している。遷移層２１は、従って、基準層２と第１のスペーサ５との間の構造的な遷移を形成し、これにより、第１のスペーサ５で磁気抵抗が増大することができる。
【０１２４】
同様に、記憶層３は、好ましくは、第１のスペーサ５に接触して配置された第２の遷移層２２を備える。この第２の遷移層２２は体心立方結晶構造を有し、六方晶系または面心立方の結晶構造を有している記憶層の３層積層構造と、体心立方結晶構造を有している第１のスペーサ５との間の構造的な遷移が出来るようにしている。遷移層２２は、たとえば、CoFeBから構成されている。
【０１２５】
各遷移層２１、２２は、それぞれ、それが接触して配置されている磁性層１４、８の磁化に対して平行な磁化を有しなければならない。この配向は、特に、これらの遷移層の磁化とこれらがそれぞれ接触している磁性層の磁化との間の交換相互作用によって獲得される。
【０１２６】
同様に、基準層および記憶層を、３層積層構造に代えて単一の層で製造することもできる。
【０１２７】
磁気デバイスはまた、制御層の磁化の方向のための制御手段１１を備える。この制御手段は、記憶層の磁化の方向を変えることなく制御層の磁化の方向を変えることができる。制御層４は、ｙ軸に対して平行または反平行の磁化方向を有する。従って、制御手段１１は、ｙ軸に対して平行または反平行な磁界を生成することができる。この目的のため、制御手段１１は、例えば、少なくとも２つの電流導体２３および２４を備える。これらの電流導体はｚ軸に沿って伸び、制御層４に対して横方向にオフセットしている。電流導体２３および２４は一方がｘ軸に沿って動くとき、制御層４のそれぞれの側にこのように（横方向にオフセットされて）配置される。電流Ｉは、２つの導体２３および２４を通過して流れる。前記電流は、それぞれの導体をお互いに反対方向に流れている。制御手段１１は、制御層に対してｘ軸に沿ってオフセットされた単一の導体を備えることもできる。
【０１２８】
図１１および１２は、別の実施形態を示す。ここで、制御手段１１は、長手方向の磁壁伝播によって制御層の磁化方向を変えることができる。図１１および１２は、本発明による２つの磁気デバイスを示す。それらは、制御層４を２つの磁気デバイスが共有しているが、本発明の要旨から逸脱しないで、それぞれそれら自身の制御層を備えることができる。これら２つの磁気デバイスは、基準層２、記憶層３、および２つのスペーサ５および６を図５から９で参照するものと同様に備える。しかし、３層積層構造を単一の層で代えることも本発明の要旨から逸脱しないで行える。制御層４は、長手方向ｘに伸びる。制御手段１１は、制御層４に、基準層の磁化の方向に対して平行または反平行に編極された電子を注入する注入手段２５を備える。この注入手段２５は、制御層４の第１の端部２６に接触して配置されている積層構造を備える。この積層構造は以下を備える。
−  例えば、銅からなる第２の導体２７；
−  反強磁性材料２８；
−  例えば、CoFeの層からなる固定された磁化２９を有する磁性材料の層；
−  例えば、銅からなる第３の導体３０。
【０１２９】
注入手段１１はまた、一方向からまたは反対方向からその積層構造を横断して通過するように電流を送ることができる電流生成器（図示せず）を備える。
【０１３０】
注入手段２５は、また、制御層の第２の端部３２に接触している第４の導体３１を備える。
【０１３１】
注入手段２５は、このように、制御層を通って長手方向に循環するための、長手方向に対して平行または反平行にスピン偏極された電子の流れを生成することができる。
【０１３２】
制御層は磁気導体線であり、スピン偏極されている電流Ｉは、この制御層を通って長手方向に送られる。この目的のために、電子は、固定された磁化２９を有する磁性材料の層を通過するが、ここの磁化方向は反強磁性材料２８によって固定されている。固定された磁化２９を有する磁性材料の層は、基準層の磁化方向に対して平行または反平行の磁化方向を有しなければならない。電子が制御層の第１の端部２６に注入されたとき、それらは（電子）は、従ってスピン偏極される。これらの電子は、制御層の第１の端部の内側の磁区で核となる。この磁区は、所望の偏極の磁化を有している。電流Ｉが制御層を通って長手方向に送られてくるとき、この磁区の磁壁は、これらの磁壁が制御層の第２の端部３２に到達するまで制御層の全体に渡って押し戻され、制御層の全体はその際、所望の磁化を有する。制御層の磁化方向を変えるためには、制御層を通して電流Ｉの伝播方向を変えることで十分である。
【０１３３】
導体２７、３０および３１は、制御層４を介した電流の循環を促進する。
【０１３４】
図１１は、読み出しモードにおける磁気デバイスを示し、図１２は、書き込みモードにおける同じ磁気デバイスを示す。
【０１３５】
図１３は、それが、面外磁化を有するという事実を除いて、図１１および図１２と同じ磁気デバイスを示す。それぞれの磁気デバイスは、図１０により説明されたような、２つの遷移層２１、２２を有する。
【０１３６】
面外磁化の場合、磁性層は固定された磁化２９を有しており、この固定された磁化は、基準層の磁化方向に対して平行または反平行の磁化方向を有しなければならない。磁性材料の層は、面外磁化を有する固定された磁化２９を有していなければならない。
【０１３７】
本発明は、勿論図面を参照して述べた実施形態に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変えることができる。特に、基準層、記憶層、および制御層を製造するために選択された材料は、単に例として示しており、他の材料も使用できる。
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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