(57)【要約】  磁気デバイス並びにサブストラクチャを用いる磁気素子及びメモリ内で使用可能な磁気サブストラクチャを提供する方法及びシステムが説明される。磁気サブストラクチャは、複数の強磁性層及び複数の非磁性層を含む。複数の強磁性層は、複数の非磁性層と交互にされる。複数の強磁性層は、複数の非磁性層と混合しない且つ複数の非磁性層に対して化学的に安定である。複数の強磁性層は実質的に、磁気的に死んだ層を生成する複数の非磁性層との相互作用をしない。さらに、複数の非磁性層は、複数の強磁性層内で垂直異方性を誘導する。磁気サブストラクチャは、磁気サブストラクチャを介して書き込み電流が流れる際に、複数の安定磁気状態間で切り替え可能なように構成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の強磁性層と、
複数の非磁性層と、を含む磁気サブストラクチャであって、
前記複数の強磁性層が前記複数の非磁性層と交互にされていて、前記複数の強磁性層が前記複数の非磁性層と混合せず且つ前記複数の非磁性層に対して化学的に安定であり、前記複数の強磁性層が、磁気的に死んだ層を生成する前記複数の非磁性層との相互作用を実質的に有さず、前記複数の非磁性層が前記複数の強磁性層内で垂直異方性を誘導し、
前記磁気サブストラクチャを介して書き込み電流が流れる際に、前記磁気サブストラクチャが複数の安定磁気状態間で切り替え可能であるように構成されていることを特徴とする、磁気デバイスで使用するための磁気サブストラクチャ。
【請求項２】
前記複数の非磁性層が、Ａｌ、ＡｌＮ、酸化アルミニウム、Ａｕ、Ｃｒ、結晶性Ｍｇｏ、Ｃｕ、ドープされたＭｇＯ、インジウムスズ酸化物、Ｍｇ、Ｍｏ、ＮｉＯ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、ＲｕＯ２、酸化ケイ素、ＳｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｖ、Ｗ、Ｙのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項３】
前記複数の非磁性層が少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項４】
前記複数の強磁性層がＮｉ、Ｃｏ及びＦｅのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項５】
前記複数の強磁性層が、少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴とする請求項４に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項６】
前記複数の強磁性層が、ＣｏＦｅ及びＣｏＦｅＢのうち少なくとも一つを含み、複数の前記非磁性層はＣｒ及びＣｒのうち少なくとも一つを含み、前記サブストラクチャが少なくとも１００ｅｍｕ／ｃｃ以上且つ１３００ｅｍｕ／ｃｃ以下の磁化を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項７】
前記複数の磁性層がそれぞれ、実質的に等しい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項８】
前記複数の磁性層の少なくとも一部が、異なる厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項９】
前記複数の非磁性層がそれぞれ、実質的に等しい厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１０】
前記複数の非磁性層の少なくとも一部が、異なる厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１１】
前記複数の非磁性層がそれぞれ、単一成分を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１２】
前記複数の前記非磁性層の少なくとも一部が、異なる成分を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１３】
前記複数の非磁性層の少なくとも一部が、不連続であることを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１４】
前記複数の強磁性層がそれぞれ、前記複数の非磁性層のうち隣接する非磁性層よりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１５】
前記複数の強磁性層がそれぞれ、前記複数の非磁性層のうち隣接する非磁性層よりも少なくとも３倍厚いことを特徴とする請求項１２に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１６】
前記サブストラクチャが、２ｎｍ以上且つ４ｎｍ以下の総厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１７】
厚さが少なくとも３ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１８】
前記複数の強磁性層が前記複数の非磁性層を介して強磁性的に結合されるように、前記複数の非磁性層が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項１９】
前記複数の強磁性層が前記複数の非磁性層を介して反磁性的に結合されるように、前記複数の非磁性層が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項２０】
前記複数の強磁性層が双極子結合する層間相互作用を前記複数の強磁性層が実質的に有しないように、前記複数の非磁性層が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項２１】
前記複数の強磁性層の第一部分が前記複数の非磁性層を介して強磁性的に結合され、且つ前記複数の強磁性層の第二部分が前記複数の非磁性層を介して反磁性的に結合されるように、前記複数の非磁性層が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項２２】
垂直異方性が垂直異方性エネルギーに対応し、前記磁気サブストラクチャが面外消磁エネルギーを有し、前記垂直異方性エネルギーが前記面外消磁エネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の磁気サブストラクチャ。
【請求項２３】
ピンド層と、
非磁性スペーサ層と、
自由層と、を含む磁気素子であって、
前記非磁性層スペーサ層が前記自由層と前記ピンド層との間に存在し、
前記磁気素子が少なくとも一つの磁気サブストラクチャを含み、前記少なくとも一つの磁気サブストラクチャのそれぞれが複数の強磁性層及び複数の非磁性層を含み、前記複数の強磁性層が前記複数の非磁性層と交互配置されていて、前記複数の強磁性層が前記複数の非磁性層と混合しない且つ前記複数の非磁性層に対して化学的に安定であり、前記複数の強磁性体層が、磁気的に死んだ層を生成する前記複数の非磁性層との相互作用を実質的に有さず、前記複数の非磁性層が前記複数の強磁性層内で垂直異方性を誘導し、
且つ、前記磁気素子を介して書き込み電流が流れる際に、前記自由層が複数の安定磁気状態間を切り替え可能であるように、前記磁気素子が構成されていることを特徴とする、磁気デバイスで使用するための磁気素子。
【請求項２４】
前記自由層及び前記ピンド層のうち少なくとも一つが、前記少なくとも一つの磁気サブストラクチャのうち一つの磁気サブストラクチャを含むことを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子。
【請求項２５】
前記少なくとも一つの磁気サブストラクチャのうち一つの磁気サブストラクチャが、前記非磁性スペーサ層と前記自由層との間に存在することを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子。
【請求項２６】
前記自由層が、面外消磁エネルギー及び前記面外消磁エネルギーより大きい垂直異方性エネルギーを有することを特徴とする請求項２５に記載の磁気素子。
【請求項２７】
前記自由層が、面外消磁エネルギー及び前記面外消磁エネルギー未満の垂直異方性エネルギーを有することを特徴とする請求項２５に記載の磁気素子。
【請求項２８】
前記磁気素子の磁気サブストラクチャが、前記非磁性スペーサ層と前記ピンド層との間に存在することを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子。
【請求項２９】
前記ピンド層が、面外消磁エネルギー及び前記面外消磁エネルギーより大きい垂直異方性エネルギーを有することを特徴とする請求項２８に記載の磁気素子。
【請求項３０】
前記ピンド層が、面外消磁エネルギー及び前記面外消磁エネルギー未満の垂直異方性エネルギーを有することを特徴とする請求項２８に記載の磁気素子。
【請求項３１】
追加のスペーサ層及び追加のピンド層をさらに含み、前記追加のスペーサ層が前記自由層と前記ピンド層との間に存在することを特徴とする請求項２３に記載の磁気素子。
【請求項３２】
前記自由層、前記ピンド層及び前記追加のピンド層のうち少なくとも一つが、前記少なくとも一つの磁気サブストラクチャのうち一つの磁気サブストラクチャを含むことを特徴とする請求項３１に記載の磁気素子。
【請求項３３】
前記追加のスペーサ層及び前記スペーサ層のうち少なくとも一つが、絶縁トンネリング障壁層であることを特徴とする請求項３１に記載の磁気素子。
【請求項３４】
複数の磁気ストレージセルを含み、前記複数の磁気ストレージセルのそれぞれが少なくとも一つの磁気素子を含み、前記少なくとも一つの磁気素子がピンド層、非磁性スペーサ層及び自由層を含み、前記非磁性スペーサ層が前記自由層と前記ピンド層との間に存在し、前記磁気素子が少なくとも一つの磁気サブストラクチャを含み、前記少なくとも一つの前記磁気サブストラクチャのそれぞれが複数の強磁性層及び複数の非磁性層を含み、前記複数の強磁性層が前記複数の非磁性層と交互にされていて、前記複数の強磁性層が前記複数の非磁性層と混合しない且つ前記複数の非磁性層に対して化学的に安定であり、前記複数の強磁性層が、磁気的に死んだ層を生成する前記複数の非磁性層との相互作用を実質的に有さず、前記複数の非磁性層が前記複数の強磁性層内で垂直異方性を誘導し、
前記磁気素子を介して書き込み電流が流れる際に、前記自由層が複数の安定磁気状態間を切り替え可能であるように、前記少なくとも一つの磁気素子が構成されていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項３５】
前記自由層及び前記ピンド層のうち少なくとも一つが、前記少なくとも一つの磁気サブストラクチャのうち一つの磁気サブストラクチャを含むことを特徴とする請求項３４に記載の磁気メモリ。
【請求項３６】
前記少なくとも一つの磁気サブストラクチャのうち一つの磁気サブストラクチャが、前記非磁性スペーサ層と前記自由層との間に存在することを特徴とする請求項３４に記載の磁気メモリ。
【請求項３７】
前記自由層が、面外消磁エネルギー及び前記面外消磁エネルギーより大きい垂直異方性エネルギーを有することを特徴とする請求項３４に記載の磁気メモリ。
【請求項３８】
前記磁気サブストラクチャのうち一つの磁気サブストラクチャが、前記非磁性スペーサ層と前記ピンド層との間に存在することを特徴とする請求項３４に記載の磁気メモリ。
【請求項３９】
前記少なくとも一つの磁気素子のそれぞれが、追加のスペーサ層及び追加のピンド層をさらに含み、前記追加のスペーサ層が前記自由層と前記追加のピンド層との間に存在することを特徴とする請求項３４に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年１１月６日に出願された米国特許出願第１２／９４１０３１号及び２０１０年７月１６日に出願された米国仮出願第６１／３６５２８１号の優先権を主張し、両出願は本出願の指定代理人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、ＤＡＲＰＡによって与えられた補助金／契約番号ＨＲ００１１−０９−Ｃ−００２３の下で、米国政府の支援を受けて行われた。すべてのコピーの一般公開、無制限の配布が承認されている。米国政府は本発明における特定の権利を保有する。
【背景技術】
【０００３】
磁気メモリ、特に磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、高い読み出し／書き込み速度、優れた耐久性、不揮発性、及び動作中の低電力消費の可能性に起因して、興味を引いている。ＭＲＡＭは、情報記憶媒体として磁性体を用いて情報を記憶することができる。ＭＲＡＭの一つのタイプは、スピントランスファートルクランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ‐ＲＡＭ）である。ＳＴＴ‐ＲＡＭは、磁気素子を介して流れる電流によって少なくとも部分的に書き込まれた磁気素子を用いる。
【０００４】
例えば、図１は、従来のＳＴＴ‐ＲＡＭで使用され得るような従来の磁気トンネルリング接合（ＭＴＪ）を示す。従来のＭＴＪ１０は、典型的に、底部コンタクト１１の上に存在し、従来のシード層１２を用い、且つ従来の反強磁性（ＡＦＭ）層１４、従来のピンド層１６、従来のトンネリング障壁層１８、従来の自由層２０、及び従来のキャッピング層２２を含む。頂部コンタクト２４も示されている。
【０００５】
従来のコンタクト１１及び２４は、図１に示されるように、面に垂直な（ＣＰＰ）方向に、又はｚ軸に沿って電流を流すのに用いられる。従来のトンネリング障壁層１８は、非磁性であり、例えばＭｇＯなどの薄い絶縁体である。従来のシード層１２は、典型的に、ＡＦＭ層１４などの所望の結晶構造を有する後続の層の成長を補助するのに用いられる。従来の自由層２０を頂部コンタクト２４へ直接接触することは、乱雑な界面、磁気的に死んだ領域及びダンピングの増加をもたらし得る。従って、頂部コンタクト２４の堆積の前に、従来のキャッピング層２２が、自由層２０上に直接提供される。この従来のキャップは、拡散ブロックの役目を果たし、且つ従来の自由層２４の表面品質を改善する。
【０００６】
従来のピンド層１６及び従来の自由層２０は磁性である。従来のピンド層１６の磁化１７は、典型的にはＡＦＭ層１４との交換バイアス相互作用によって、特定の方向に固定又はピン止めされている。単純な（単一の）層として図示されているが、従来のピンド層１６は、複数の層を含み得る。例えば、従来のピンド層１６は、Ｒｕなどの薄い導電層を介して反強磁性的に、又は強磁性的に結合された磁性層を含む合成反強磁性（ＳＡＦ）層であり得る。このようなＳＡＦでは、Ｒｕの薄層と交互にされた複数の磁性層が用いられ得る。さらに、従来のＭＴＪ１０の他のバージョンは、追加の非磁性障壁又は導電層（図示せず）によって自由層２０から分離された追加のピンド層（図示せず）を含み得る。
【０００７】
従来の自由層２０は、変更可能な磁化２１を有する。単一層として図示されているが、従来の自由層２０も、複数の層を含み得る。例えば、従来の自由層２０は、Ｒｕなどの薄い導電層を介して反強磁性的に又は強磁性的に結合された磁性層を含む合成層であり得る。面内であるとして図示されているが、従来の自由層２０の磁化２１は、垂直異方性を有し得る。例えば、垂直異方性は、従来の自由層２０内で誘導され得る。面外消磁エネルギーが垂直異方性に関連したエネルギー（垂直異方性エネルギー）を超えたら、垂直異方性は部分的な垂直磁気異方性（ＰＰＭＡ）と呼ばれ得る。従って、磁化２１は、面に垂直な異方性を有するにもかからわず、面内に残る。面外消磁エネルギーが、垂直異方性エネルギー未満ならば、そのとき、自由層２０の磁化は面外（例えば、図１におけるｚ方向）となるであろう。垂直磁化２１は、自由層２０への書き込みに必要とされる電流密度を減少するなど、様々な理由のために所望され得る。
【０００８】
従来のＭＴＪ１０は、ＳＴＴ−ＲＡＭでの使用のため、熱的に安定であることも必要とされる。待ち時間の間、熱的摂動は、従来の自由層２０中の磁気モーメントが、振動及び／又は歳差運動することを可能にする。これらの熱的摂動は、従来の自由層２０の磁化２１の反転をもたらし、従来のＭＴＪ１０を不安定化させ得る。このような摂動に対する熱的安定性を提供するために、自由層２０内で逆方向の磁化状態を分離するエネルギー障壁が、十分な大きさであることが望まれる。典型的に、従来の自由層２０が十分な体積を有することを保証することによって、このことは少なくともある程度達成される。加えて、自由層２０は一般的に、それに関連した複数の異方性を有する。面外消磁エネルギーは、薄膜異方性に関連した形状異方性に関し、且つ一般的には自由層２０面内の磁化を閉じ込める。図１に示される従来のＭＴＪ１０において、従来の自由層２０は、形状異方性を有し得、図１に示されるように自由層磁化２１がｘ方向に沿って安定化することを可能にする。さらに、例えば従来の自由層２０の結晶構造に関連した追加の異方性もあり得る。
【０００９】
従来の磁気素子１０は、スピントランスファーを用いて書き込まれ、且つＳＴＴ−ＲＡＭで用いられ得るが、欠点がある。一般的に、より高いメモリ密度、そのためより小さなサイズの従来の磁気素子１０をスケーリングすることが望まれる。磁気素子１０は、自由層の磁化２１が面内又は面に垂直であるかにかかわらず、このようなスケーリングに対する障壁を有し得る。特に、従来の自由層の磁化２１が面内の場合、従来の磁気素子１０に書き込むために必要とされる電流密度はまだ比較的高く、一方磁気抵抗はまだ所望される値未満かもしれない。従来の自由層２０の磁化２１が面に垂直である従来の磁気素子にとって、スケーリングに対する障壁もあり得る。典型的に、このような磁気素子１０は高い堆積温度を用い、従来の障壁層１８などの積層体における他の層の保護と調和しないことがある。一般的に所望されるように、結晶性ＭｇＯが従来の障壁層１８として用いられることになるならば、このような多層体で用いられる材料は制限もされ得る。最終的に、このような磁気素子は、非対称なＲＨループを有し得、磁気メモリでの使用に望ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、要求されているのは、スピントランスファートルクベースのメモリのスケーリングを改善し得る方法及びシステムである。本願で説明される方法及びシステムはこうした要求に向けられている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
例示的な実施形態は、磁気デバイス内で使用可能な磁気サブストラクチャ、並びにサブストラクチャを用いる磁気素子及びメモリを提供する方法及びシステムを提供する。磁気サブストラクチャは、複数の強磁性層及び複数の非磁性層を含む。強磁性層は、複数の非磁性層と交互にされる。強磁性層は、複数の非磁性層と混合せず、且つ化学的に安定である。強磁性層が、複数の非磁性層と相互作用して磁気的に死んだ層を生成することは実質的にない。さらに、非磁性層は、複数の強磁性層内で垂直異方性を誘導する。磁気サブストラクチャは、磁気サブストラクチャに書き込み電流が流れる際に、複数の安定磁気状態間で切り替え可能であるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の磁気素子を示す。
【図２】磁気サブストラクチャの例示的な実施形態を示す。
【図３】磁気サブストラクチャの他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図４】磁気サブストラクチャの他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図５】磁気サブストラクチャの他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図６】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の例示的な実施形態を示す。
【図７】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図８】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図９】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１０】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１１】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１２】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１３】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１４】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１５】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１６】磁気サブストラクチャを用いる磁気素子の他の一つの例示的な実施形態を示す。
【図１７】ストレージセルのメモリ素子で磁気サブストラクチャを用いるメモリの例示的な実施形態を示す。
【図１８】磁気サブストラクチャの製造方法の例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
例示的な実施形態は、磁気メモリなどの磁気デバイスで使用可能な磁気素子、及びこのような磁気素子を用いたデバイスに関する。以下の説明は、当業者が本発明を作製して利用できるようにするためのものであり、特許出願の文脈及びその要求において提供されるものである。本願で説明される例示的な実施形態及び一般原理及び特徴に対する多様な修正は容易に明らかになるものである。例示的な実施形態は、特定の実施において提供される特定の方法及びシステムに関して主に説明される。しかしながら、その方法及びシステムは、他の実施においても有効に動作する。“例示的な実施形態”、“一実施形態”、“他の一つの実施形態”などの用語は、同一の又は異なる実施形態を指称するものであり得て、また複数の実施形態を指称するものであり得る。実施形態は、特定の構成要素を有するシステム及び／又はデバイスに関して説明される。しかしながら、そのシステム及び／又はデバイスは、図示されるものよりも多い又は少ない構成要素を含み得て、配置及び構成要素の種類の変更が、本発明の範囲から逸脱することなく、為され得る。また、例示的な実施形態は、特定のステップを有する特定の方法の文脈において説明される。しかしながら、その方法及びシステムは、例示的な実施形態に調和する他のステップ及び／又は追加のステップ及び順番の異なるステップを有する他の方法に対して有効に動作する。従って、本発明は示される実施形態に限定されるものではなく、本願で説明される原理及び特徴に調和する最も広範な範囲によるものである。
【００１４】
磁気サブストラクチャ並びに磁気サブストラクチャを用いる磁気素子及び磁気メモリの提供方法及びシステムが説明される。磁気サブストラクチャは、複数の強磁性層及び複数の非磁性層を含む。強磁性層は、非磁性層と交互にされる。強磁性層は、複数の非磁性層と混合しない、且つ化学的に安定である。強磁性層は実質的に、複数の非磁性層と相互作用して磁気的に死んだ層を生成することはない。さらに、非磁性層は、強磁性層内で垂直異方性を誘導する。磁気サブストラクチャは、磁気サブストラクチャを介して書き込み電流が流れる際に、複数の安定磁気状態間で切り替え可能であるように構成される。
【００１５】
例示的な実施形態は、特定の構成要素を有する特定の磁気サブストラクチャ、磁気素子及び磁気メモリの文脈において説明される。本発明が、本発明と調和する他の構成要素及び／又は追加の構成要素及び／又は他の特徴を有する磁気素子及び磁気メモリの使用と調和するものであることは当業者には明らかである。本方法及びシステムは、スピントランスファー現象、層構造内での磁気異方性、及び他の物理現象における現状の理解の文脈においても説明される。従って、方法及びシステムの挙動の理論的説明が、スピントランスファー、磁気異方性、及び他の物理現象の現状の理解に基づいて為されるものであることは当業者には容易に認識されるものである。しかしながら、本願で説明される方法及びシステムは特定の物理的説明に依拠するものではない。本方法及びシステムは、基板に対して特定の関係を有する構造の文脈において説明されることも当業者には容易に認識されるものである。しかしながら、本方法及びシステムが他の構造と調和するものであることは当業者には容易に認識されるものである。さらに、本方法及びシステムは、合成の及び／又は単一の特定の層の文脈において説明される。しかしながら、層が他の一つの構造体を有することができることは当業者には容易に認識されるものである。さらに、本方法及びシステムは、特定の層を有する磁気素子及び／又はサブストラクチャの文脈において説明される。しかしながら、本方法及びシステムと調和する追加の層及び／又は異なる層を有する磁気素子及び／又はサブストラクチャも使用可能であることは当業者には容易に認識されるものである。さらに、特定の構成要素は、磁性、強磁性、フェリ磁性であると説明される。本願において、磁性という用語は、強磁性、フェリ磁性、又はそのような構造を含み得る。従って、本願において、“磁性”や“強磁性”という用語は、強磁性体、フェリ磁性体を含むが、それらに限定されるものではない。本方法及びシステムは、単一の素子及びサブストラクチャの文脈においても説明される。しかしながら、本方法及びシステムは、複数の素子を有し且つ複数のサブストラクチャを用いる磁気メモリの使用と調和することは当業者には容易に認識されるものである。さらに、本願において、“面内”とは、磁気素子の一以上の層の実質的に面内にあるか、平行なことである。逆に、“垂直”は、磁気素子の一以上の層に実質的に垂直な方向に対応する。
【００１６】
上述された現象に加えて、特定のキャッピング層２２が、従来の自由層２０内でＰＰＭＡを誘導し得ることがわかっている。例えば、ＭｇＯキャッピング層２２は、従来の自由層２０でＰＰＭＡを誘導し得る。このような一部磁気素子では、自由層２０の磁化は、面内であり得る。他の異方性と組み合わされたとき、ＰＰＭＡは面に垂直な従来の磁化２１になり得る。“部分的な”垂直磁気異方性と呼ばれるが、ＰＰＭＡは実質的に完全に垂直磁化になり得る。ＰＰＭＡを用いる面内及び面に垂直な両方の磁気素子にとって、ＰＰＭＡは、高いメモリ密度に拡張しなくなり得る。磁気素子１０が高密度に拡張される場合、熱的安定性を提供するために自由層２０はより厚く作製される。このような場合、より厚い自由層２１に対する他の効果によってＰＰＭＡは支配され得ることが分かっている。さらに、ＭｇＯキャップの使用は、従来の磁気素子１０の抵抗の増加部分である寄生抵抗を有し得る。従って、特に自由層に垂直異方性を提供するためにＰＰＭＡの使用が望まれる場合、スケーリングは問題となり得る。他の解決法が可能であるが、このような解決法は一般的に欠点を有する。例えば、これらの問題の一部を扱う磁気素子は、複数のスパッタリングターゲット及び困難であり得る他のプロセスを必要とし得る多くの材料を含み得る。
【００１７】
図２は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る磁気素子などの磁気デバイス内での磁気サブストラクチャ１００の利用の例示的な実施形態を示す。磁気サブストラクチャ１００は、非磁性層１０４と交互にされた強磁性層１０２を含む。強磁性層１０２及び非磁性層１０４は、一以上の二重層１１０−ｉに組み合わされると考えられ得る。示される実施形態では、ｎ個の二重層１１０−１、１１０−２、・・・１１０−ｎがある。示される実施形態では、任意の非磁性層１０１及び任意の強磁性層１０６が示される。層１０１及び１０６のどちらか１つ又は両方が省略され得る。磁気サブストラクチャ１００が用いられることになるデバイスに応じて、最下層及び最上層は、最下層及び最上層が強磁性で、最下層及び最上層どちらも非磁性で、最下層のみ磁性で、又は最上層のみ磁性であることが望まれ得る。従って、層１０１及び１０６は、磁気サブストラクチャ１００を所望の用途に調整するために使用され得る。さらに、強磁性層１０６及び非磁性層１０１は、強磁性層１０２及び非磁性層１０４それぞれと調和することが望まれる。従って、層１０２及び１０４に関する以下の議論は、層１０６及び１０１それぞれにも適用され得る。
【００１８】
強磁性層１０２及び非磁性層１０４は、互いに混合しない、且つ化学的に安定である。従って、強磁性層１０２で用いられる磁性材料は、非磁性層１０４で用いられる非磁性材料と混合しない傾向にある。さらに、強磁性層１０２は、非磁性層１０４と化学的に相互作用することで他の化合物を形成することはない。代わりに、強磁性層１０２及び非磁性層１０４は綺麗な界面を形成する。言い換えると、強磁性層１０２及び非磁性層１０４は、一つの合金よりも別々の構造体を形成する。さらに、一部実施形態では、隣接する非磁性層との界面又はその付近で、強磁性層１０２内に磁気的に“死んだ”層が形成されない。このような実施形態では、強磁性層１０２は、界面又はその付近で、このような死んだ層の形成を引き起こす非磁性層１０４との相互作用をしない。
他の実施形態では、磁気サブストラクチャを利用する自由層が減少した磁化を有するような強磁性層１０２の磁化の低下を提供することが望まれ得る。このような実施形態の一部では、磁気的に“死んだ”層の混合及び形成が許容される。しかしながら、ドーピングなどの他のメカニズムが、減少した磁化を有する強磁性層１０２を提供するためにも用いられ得る。図２では明確な層として示されているが、一部実施形態では、非磁性層１０４は不連続であり得る。例えば、非磁性層１０４はピンホールを有し得る。他の実施形態では、ホールは十分に大きく、非磁性層１０４は事実上粒状だと考えられ得る。従って、非磁性層１０４はアイランドを形成し得る。このような実施形態の一部では、このようなアイランドの厚さは、例えばｚ方向に１０オングストローム以下であることが望まれる。さらに、一部実施形態では、このようなアイランドの厚さは、例えばｚ方向に８オングストローム以下であり得る。このような実施形態では、強磁性層１０２の一部は、非磁性層１０４を通って、強磁性層１０２が互いに物理的にコンタクトし得る。しかしながらこのような実施形態では、非磁性層アイランドの密度は、強磁性層１０２に対応する磁気サブストラクチャ１００の一部の領域内でゼロまで下がるであろう。
【００１９】
磁気ストラクチャ１００が上述の特性を有するように非磁性層１０４に使用され得る材料は、Ａｌ、ＡｌＮ、酸化アルミニウム、Ａｕ、Ｃｒ、結晶性ＭｇＯ、Ｃｕ、ドープされたＭｇＯ、インジウムスズ酸化物、Ｍｇ、Ｍｏ、ＮｉＯ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、ＲｕＯ２、酸化ケイ素、ＳｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｖ、Ｗ、Ｙなどの一以上の材料を含み得る。加えて、非磁性層１０４は、導電性（例えば金属性）又は絶縁性（例えば酸化物）であり得る。例えば、結晶性ＭｇＯは、一以上の非磁性層１０４に用いられ得る。絶縁性非磁性層１０４が用いられる実施形態において、非磁性層１０４の抵抗を減少するために、非磁性層１０４を不連続にすることが好まれ得る。磁気ストラクチャ１００が上述の特性を有するような強磁性層１０２に使用され得る材料は、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉのうち一つ以上を含む。さらに、強磁性層１０２は、合金又は酸化物であり得る。一部実施形態では、所望の化学量論のＣｏＦｅ及び／又はＣｏＦｅＢが、強磁性層に使用され得る。磁性層１０２で用いられるＣｏ、Ｆｅ及びＮｉの合金又は酸化物は、他の材料を含み得る。例えば、一部実施形態では、磁気サブストラクチャ１００は、１００ｅｍｕ／ｃｃ以上１３００ｅｍｕ／ｃｃ以下の磁化を有し得る。このような実施形態では、ＣｏＦｅＢの化学量論及び非磁性層１０４に用いられるＣｒ及び／又はＶの厚さは、上述の特性に加えて所望の磁化を達成するために調節され得る。加えて、選択された材料は、他の特性のために選択され得ることもある。例えば、一部実施形態では、層１０２及び１０４のために選択された材料は、結晶性ＭｇＯ障壁層などの層のための所望の成長テンプレートを提供し得る。加えて、層１０２及び１０４のための材料、並びに層１０２及び１０４の厚さは、磁気サブストラクチャ１００が高い磁気抵抗を有し、及び／又はスピントランスファートルクを用いて切り替え可能なように選択され得る。
【００２０】
同一に示されるが、強磁性層１０２は成分及び厚さにおいて同一、又は異なり得る。同様に、非磁性層１０４は、成分及び厚さにおいて同一、又は異なり得る。しかしながら、一般的に、強磁性層１０２は非磁性層１０４よりも厚いことが望まれる。一部実施形態では、例えば、それぞれの強磁性層１０２は、隣接する非磁性層１０４よりも少なくとも３倍の厚さである。さらに、強磁性層１０２及び非磁性層１０４の厚さ、及び数又は繰り返し（ｎ）は、所望の総厚さの磁気サブストラクチャ１００を提供するために調節され得る。強磁性層１０２及び非磁性層１０４の厚さ、及び数又は繰り返し（ｎ）もまた、磁気サブストラクチャ１００の所望の磁化などの他の特性を提供するために調節され得る。一部実施形態では、磁気サブストラクチャ１００の総厚さは、２ｎｍ以上４ｎｍ以下であることが望まれる。このような厚さは、（ｘ−ｙ面に平行な）面内のより小さなサイズで磁気サブストラクチャの熱的安定を可能にする。面内の更に小さなサイズのために、磁気サブストラクチャの厚さは、さらに増加され得る。
【００２１】
磁気サブストラクチャ１００、特に非磁性層１０４はまた、強磁性層１０２間に所望の相互作用を提供するために構成され得る。例えば、非磁性層１０４がより薄ければ、特に非磁性層１０４がピンホールを含み、及び／又は不連続であるならば、強磁性層は、強力に強磁性的に結合され得る。このような実施形態では、磁気サブストラクチャの強磁性層１０２は、本質的に単一層として機能し得る。他の実施形態では、非磁性層１０４は、強磁性層１０２が反磁性的に結合されるように構成され得る。他の実施形態では、非磁性層１０４は、連続的であり得るが、強磁性層１０２は強磁性的に結合され得る。さらに他の実施形態では、非磁性層１０４は、さらにより厚く作製され得、強磁性層１０２は単に双極子結合しただけになる。さらに、非磁性層１０４の厚さは、強磁性層１０２の一部が強磁性結合、反強磁性結合、及び／又は双極子結合の混合を有するように変化され得る。例えば、強磁性層１０４間のＲＫＫＹ結合は、非磁性層１０４の厚さの変化に対して反磁性結合及び強磁性結合間で振動する。非磁性層１０４の厚さを変化することによって、単一構造体１００又は異なる構造体における強磁性層１０２間の結合は、強磁性又は反強磁性になり得る。加えて、双極子結合は、非磁性層１０４の厚さの大部分で支配的である。従って、非磁性層１０４の厚さは、強磁性層１０２間の磁気結合を調節するために使用され得る。
【００２２】
強磁性層１０２は、非磁性層１０４と交互に並ぶので、磁気サブストラクチャ１００は減少したモーメントを有し得る。例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅを含む合金、及び／又はＣｏＦｅＢを含む合金を、Ｃｒ及び／又はＶなどの非磁性層と交互に並べることによって、磁気サブストラクチャは所望の磁気モーメントを有し得る。例えば、サブストラクチャのためのより低いモーメントが達成され得る。下記のように、磁気素子の自由層のための切り替え電流を減少するために、低いモーメントが望まれる。加えて、強磁性層１０２は、まだ磁気的に単一層として機能するかもしれない。
【００２３】
上記で同定された特性に加えて、磁気サブストラクチャ１００もＰＰＭＡを示し得ることもわかる。さらに具体的には、非磁性層１０４と交互にされた強磁性層の組み合わせは、隣接する強磁性層１０２で垂直異方性を誘導し得る。強磁性層１０２は、垂直異方性に対する追加の寄与を有し得る。従って、面外消磁エネルギーが垂直異方性を超えるならば、磁気サブストラクチャの磁気モーメントは、面内であり得る。他の実施形態では、強磁性層で誘導された垂直異方性は、磁気サブストラクチャ１００の磁気モーメントが面に垂直な（例えばｚ方向）ようになり得る。従って、磁気サブストラクチャ１００は、ｚ方向に平行な容易軸を有し得る。このような実施形態では、ＰＰＭＡが寄与する、磁気サブストラクチャ１００のための垂直異方性は、磁気サブストラクチャ１００のための面外消磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーに対応する。従って、熱的に安定で厚い（例えば、２ｎｍ以上の厚さ）磁気サブストラクチャが提供され、一方磁気サブストラクチャ１００に大きな異方性を提供するためにＰＰＭＡを維持する。結果として、磁気サブストラクチャ１００は、垂直異方性により可能なスピントランスファートルクのための切り替え電流密度の減少を示し得る。
【００２４】
さらに、磁気サブストラクチャ１００は、より低いダンピングを示し得る。従って、磁気サブストラクチャ１００は、より高密度に向けたＳＴＴ−ＲＡＭ技術のスケーリングにおいて使用される。これらの利点は、処理の観点からかなり単純に達成され得る。例えば、全ての強磁性層１０２のために同一の強磁性材料が用いられ、且つ全ての非磁性層１０４のために同一の非磁性材料が用いられるならば、サブストラクチャ１００は、たった２つの堆積物ターゲットによって製造され得る。加えて、高い堆積温度、例えば４００℃を超える温度を用いない必要がある。従って、磁気サブストラクチャ１００は、トンネリング障壁層として結晶性ＭｇＯを用いる磁気トンネリング接合などの磁気デバイスと調和し得る。最終的に、層の厚さ及び材料が磁気サブストラクチャ１００全体で調節され得るので、磁気サブストラクチャ１００の特性を調節するための改善能力があり得る。
【００２５】
図３は、磁気サブストラクチャ１００’の他の一つの例示的な実施形態を示す。磁気サブストラクチャ１００’は磁気サブストラクチャ１００に類似する。従って、磁気サブストラクチャ１００’の同様の部位は、磁気サブストラクチャ１００と同様にラベル付けされている。従って、磁気サブストラクチャ１００’は、任意の非磁性層１０１、強磁性層１０２、非磁性層１０４及び任意の強磁性層１０６それぞれに対応する、任意の非磁性層１０１’、強磁性層１０２’、非磁性層１０４’及び任意の強磁性層１０６’を含む。従って、二重層１１０−１’、１１０−２’、・・・１１０−ｎ’はそれぞれ、二重層１１０−１、１１０−２、・・・１１０−ｎに対応する。
【００２６】
磁気サブストラクチャ１００’の強磁性層１０２’及び非磁性層１０４’はそれぞれ、強磁性層１０２及び非磁性層１０４に用いられる材料及び厚さに類似の材料及び類似の厚さを含み得る。強磁性層１０２’は同一の厚さを有するように示されるが、異なる厚さでもあり得る。同様に、非磁性層１０４’は、同一の厚さを有するように示されるが、異なる厚さであり得る。最後に、連続層として示されるが、特に非磁性層１０４’は、ピンホール及び不連続な層であり得る。このような不連続性は、所与の非磁性サブ層の両側の磁性サブ層間で直接交換結合を確保し得る。
【００２７】
強磁性層１０２’及び非磁性層１０４’は、磁気サブストラクチャ１００’内で強力な垂直異方性が誘導されるように構成される。より具体的には、強磁性層１０２’及び非磁性層１０４’の交互配置は、面外消磁エネルギーを超える面に垂直な（例えばｚ方向）磁気異方性の任意の他の構成要素と組み合わされる層内で、ＰＰＭＡを誘導する。従って、図３に示されるように、磁気サブストラクチャ１００’の容易軸は、例えばｚ方向である。このような異方性を達成するために、層１０２’及び１０４’の材料及び厚さが調節され得る。例えば、強磁性層１０２’は、ＣｏＦｅＢを含み得、非磁性層１０２’はＣｒ及び／又はＶを含み得る。例えば、Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０が使用され得る。さらに、非磁性層１０４’の厚さは、隣接する磁性層１０２’の３分の１以下であり得る。強磁性層１０２’及び非磁性層１０４’のこのような調節は、厚い磁気サブストラクチャ１００’にさえ所望の垂直異方性を提供し得る。例えば、一部実施形態では、磁気サブストラクチャ１００’の厚さ（例えばｚ方向の寸法）は、２ｎｍ以上である。加えて、一部実施形態では、他の垂直異方性が、強磁性層１０４’内で誘導され得、及び／又は磁気異方性の面内構成要素が減少し得る。従って、磁気サブストラクチャ１００’の容易軸・・・
従って、磁気サブストラクチャ１００’は、面に垂直な容易軸を有し得る。結果として、磁気サブストラクチャ１００’は磁化が面に垂直であるように所望される磁気デバイス内で使用され得る。例えば、磁気サブストラクチャは、スピントランスファートルクを用いる書き込み可能な磁気トンネリング接合の自由層内で使用され得る。従って、より低い書き込み電流密度などの、磁気サブストラクチャ１００の特定の利点は達成され得る。加えて、垂直異方性は事実上界面であり得るが、層１０２’及び１０４’の交互配置は、より厚く、熱的に安定な、より小さな面内寸法を有する磁気サブストラクチャ１００’内に異方性が存在し得ることを可能にし得る。従って、磁気サブストラクチャ１００’を用いる磁気素子は、より高密度、且つそれ故、より小さな面内サイズに拡張可能であり得る。さらに、磁気サブストラクチャ１００’は、より高い磁気抵抗などの、磁気サブストラクチャ１００の一以上の残りの利点を共有し得る。
【００２８】
図４は、磁気サブストラクチャ１００’’の他の一つの例示的な実施形態を示す。磁気サブストラクチャ１００’’は、磁気サブストラクチャ１００に類似する。従って、磁気サブストラクチャ１００’’の同様の部分は、磁気サブストラクチャ１００と同様にラベル付けされている。従って、磁気サブストラクチャ１００’’は、任意の非磁性層１０１、強磁性層１０２、非磁性層１０４及び任意の強磁性層１０６にそれぞれ対応する、任意の非磁性層１０１’’、強磁性層１０２−１、１０２−２、・・・１０２−ｎ、非磁性層１０４−１、１０４−２、・・・１０４−ｎ及び任意の強磁性層１０６’’を含む。従って、二重層１１０−１’’、１１０−２’’、・・・１１０−ｎ’’はそれぞれ、二重層１１０−１、１１０−２、・・・１１０−ｎに対応する。
【００２９】
磁気サブストラクチャ１００’’の強磁性層１０２’’及び非磁性層１０４’’は、強磁性層１０２、非磁性層１０４それぞれに用いられる材料と類似の材料を含み得る。示される実施形態では、強磁性層１０２−１、・・・１０２−ｎの厚さ、及び非磁性層１０４−１、・・・１０４−ｎの厚さは変化する。しかしながら、他の実施形態では、強磁性層１０２−１、・・・１０２−ｎの厚さのみが変化する。さらに、他の実施形態では、非磁性層１０４−１、・・・１０４−ｎの厚さのみが変化する。さらに、層１０２−１、・・・１０２−ｎ及び１０４−１、・・・１０４−ｎの厚さは、特定の方法で変化するものとして示される。しかしながら、層１０２−１、・・・１０２−ｎ及び１０４−１、・・・１０４−ｎの厚さは、他の一つの方法で変化し得る。さらに、磁気サブストラクチャ１００’’内で用いられる材料は、磁気サブストラクチャ１００及び１００’内で用いられる材料と類似であり得る。
【００３０】
層１０２−１、・・・１０２−ｎの厚さ、及び／又は層１０４−１、・・・１０４−ｎの厚さを変化することによって、磁気サブストラクチャ１００’の様々な特性は調節され得る。より具体的には、磁性層１０２−１、・・・１０２−ｎ間の結合、磁気異方性、磁気抵抗、磁気モーメント、中間層磁気相互作用、及び／又は磁気サブストラクチャ１００’の他の特徴は、所望の用途に適合され得る。さらに、上記で議論されたように、一以上の強磁性層１０２−１、・・・１０２−ｎ及び非磁性層１０４−１、・・・１０４−ｎに用いられる材料は変更もされ得る。結果として、磁気サブストラクチャが所望の特性を有するように構成する能力は向上され得る。
【００３１】
図５は、磁気サブストラクチャ１００’’’の他の一つの例示的な実施形態を示す。磁気サブストラクチャ１００’’’は、磁気サブストラクチャ１００に類似である。従って、磁気サブストラクチャ１００’’’の同様の部分は、磁気サブストラクチャ１００と同様にラベル付けされている。従って、磁気サブストラクチャ１００’’’は、任意の非磁性層１０１、強磁性層１０２、非磁性層１０４及び任意の強磁性層１０６にそれぞれ対応する、任意の非磁性層１０１’’’、強磁性層１０２’’、非磁性層１０４’’及び任意の強磁性層１０６’’を含む。従って、二重層１１０−１’’’、１１０−２’’’、・・・１１０−ｎ’’’はそれぞれ、二重層１１０−１、１１０−２、・・・１１０−ｎに対応する。サブストラクチャ１００’’’は、連続な非磁性層１０４−ｎ’を含むように示されるが、他の実施形態では、全ての非磁性層１０４−ｉ’は不連続である。他の実施形態では、異なる数の非磁性層１０４−ｉ’が不連続である。
【００３２】
磁気サブストラクチャ１００’’’の強磁性層１０２’’’及び非磁性層１０４−１’、・・・１０４−ｎ’は、強磁性層１０２／１０２’／１０２−１、・・・１０２−ｎ及び非磁性層１０４／１０４’／１０４−１、・・・１０４−ｎそれぞれに用いられる材料に類似する材料を含み得る。同様に、磁気サブストラクチャ１００’’’の強磁性層１０２’’’及び非磁性層１０４−１’、・・・１０４−ｎ’は、強磁性層１０２／１０２’／１０２−１、・・・１０２−ｎ及び非磁性層１０４／１０４’／１０４−１、・・・１０４−ｎそれぞれの上述の厚さと類似の厚さを有し得る。しかしながら、図５に示されるように、少なくとも一部の非磁性層１０４−１’、・・・１０４−ｎ’は不連続である。同様に、連続であるように示されるが、他の実施形態では、一以上の強磁性層１０２’’は、不連続であり得る。示される実施形態では、少なくとも一つの非磁性層１０４−ｎ’は連続である。しかしながら、他の実施形態では、異なる数の非磁性層１０４−１’、・・・１０４−ｎ’は不連続であり得る。さらに、不連続層１０４−１’及び１０４−２’は、小さなピンホール、大きな穴を有すことがあり、又は非磁性のアイランドで構成され得る。一部実施形態では、アイランドは、平坦で、“パンケーキ”形状が望まれるであろう。他の実施形態では、アイランドのアスペクト比は、異なり得る。しかしながら、示される実施形態では、アイランドの密度は、層１０４−１’及び１０４−２’に対応する領域内で増加するが、強磁性層１０２’’に対応する領域内では減少する、又はゼロになる。アイランドは、厚さ１０オングストローム以下であることが望まれる。さらに、一部実施形態では、このようなアイランドの厚さが、例えばｚ方向に、８オングストローム以下であり得る。強磁性層１０２’’は不連続層１０４−１’及び１０４−２’を通り抜けるため、強磁性層１０２’’間の結合は、向上され得る。従って、強磁性層１０２’’は、単一の強磁性層により類似したやり方で機能し得る。この特徴は、磁気素子１００’’’が用いられることを望まれる一部の用途で望ましいことがある。従って、層１０２’’及び１０４−１’、・・・１０４−ｎ’の厚さ及び連続性は、磁気ストラクチャ１００’’’を最適化するためにも用いられ得る。
【００３３】
図６は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子２００の例示的な実施形態を示す。明確にするために、図６は縮尺通りではない。磁気素子２００は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る。磁気素子２００は、ピンド層２２０、非磁性スペーサ層２３０及び自由層２４０を含む。任意のピニング層２１０もまた示され、ピンド層２２０の磁化（図示せず）を固定するために使用され得る。一部実施形態では、任意のピニング層２１０は、交換バイアス相互作用によってピンド層２２０の磁化（図示せず）をピン止めするＡＦＭ層である。しかしながら、他の実施形態では、任意のピニング層２１０は、省略され得る。さらに、磁気素子２００は、シード及び／又はキャッピング層などの、他の及び／又は追加の層を含み得る。磁気素子２００は、磁気素子２４０を介して書き込み電流が流れる際に、自由層が安定磁気状態間で切り替えられるようにも構成される。従って、自由層２４０は、スピントランスファートルクを用いて切り替え可能である。
【００３４】
ピンド層２２０及び自由層２４０は磁性であり、従ってＮｉ、Ｆｅ及びＣｏのうち一つ以上を、特に合金状で含み得る。単一層として図示されているが、ピンド層２２０は、複数の層を含み得る。例えば、ピンド層２２０は、Ｒｕなどの薄層を介して反磁性的に又は強磁性的に結合された磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦでは、Ｒｕ又は他の材料の薄層と交互にされた複数の磁性層が使用され得る。
【００３５】
スペーサ層２３０は非磁性である。一部実施形態では、スペーサ層２３０は絶縁体、例えばトンネリング障壁である。このような実施形態では、スペーサ層２３０は、結晶性ＭｇＯを含み得、磁気素子のトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）を強化し得る。他の実施形態では、スペーサ層は銅などの導体であり得る。代替実施形態では、スペーサ層２３０は他の一つの構造体、例えば絶縁マトリクス内で導電性チャネルを含む粒状の層を有し得る。
【００３６】
自由層２４０は、スピントランスファーで切り替えられ得る変更可能な磁化（図示せず）を有する。自由層２４０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを含む。明確性のため、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は示されない。一部実施形態では、自由層２４０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’から成る。他の実施形態では、自由層は他の層を含み得る。例えば自由層は、一以上の強磁性層としての磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を含むＳＡＦであり得る。或いは、自由層２４０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’に隣接する強磁性層又は多層を含み得る。こうして、自由層２４０は、強磁性層と互いに混合せず、化学的に安定である非磁性層と交互にされた強磁性層を含み得、且つ強磁性層内で磁気的に死んだ層を作り出すであろう相互作用が実質的にない。さらに、下記のように、垂直異方性は、強磁性層、つまりは、自由層２４０内で誘導され得る。
【００３７】
自由層２４０内での／としての磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の使用は、複数の利点を提供し得る。自由層２４０は、垂直異方性を有し得る。少なくとも垂直異方性の一部は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’内のＰＰＭＡによって誘導され得る。一部実施形態では、全体の垂直異方性は、自由層２４０の容易軸が面に垂直な（例えば、ｚ方向）ものである。従って、自由層２４０は、垂直異方性エネルギー未満の面外消磁エネルギーを有し得る。他の実施形態では、自由層２４０は、その垂直異方性エネルギー以上の面外消磁エネルギーを有し得る。自由層２４０の容易軸は、面内であり得る。より高い垂直異方性の結果として、スピントランスファートルクのための切り替え電流密度が減少され得る。この垂直異方性は、厚い磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’に起因して、自由層２４０がかなり厚い場合でさえ、少なくともある程度はＰＰＭＡで提供され得る。一部実施形態では、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’、つまりは自由層２４０は、少なくとも厚さ２ｎｍであり得る。このような実施形態の一部では、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’、つまりは自由層は、厚さ４ｎｍまであり得る。従って、自由層２４０は、より小さい面内寸法で熱的に安定であり得、且つ減少した切り替え電流密度で垂直異方性をいまだに維持する。
【００３８】
磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’、つまりは自由層２４０の材料及び層の厚さは、磁気素子２００の性能を強化するためにも選択され得る。材料は、ＴＭＲを改善するために選択され得る。例えば、ＣｏＦｅ、（Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０などの）ＣｏＦｅＢ及び／又はそのような強磁性材料は、結晶性ＭｇＯ非磁性スペーサ層２３０と調和する微細構造を提供するために、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’内で使用され得る。従って、所望の障壁層は、非磁性スペーサ層２３０のために使用され得る。４００℃を超える堆積温度を、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’、つまりは自由層２４０を製造するために用いる必要がないので、所望のトンネリング障壁層は、磁気素子２００の製造を乗り切り得る。さらに、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、より低いモーメントを有し得、磁気素子２００用の切り替え電流密度をさらに減少し得る。例えば、非磁性層は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’内に導入されるので、モーメントは減少し得る。加えて、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の強磁性層間の磁気結合は、調節され得る。磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の強磁性層は、強磁性的に結合、反磁性的に結合、又は主として双極子結合し得る。反磁性的に結合した場合、自由層２４０のモーメントは減少し得る。これらの構成は、比較的少ない材料を用いて、且つ高温で堆積することなく達成され得る。さらに、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、より低いダンピングを有するように構成され得る。加えて、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の使用を選択することでＭｇＯなどの絶縁キャッピング層が省略され得る際に、磁気素子２５０の一部の寄生抵抗は減少し得る。従って、磁気素子２５０の性能は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の使用を介して強化され得る。従って、自由層２９０に隣接する磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を用いる磁気素子２５０は、より小さな面内サイズ、つまりはより高いＳＴＴ−ＲＡＭ密度のために望まれるように機能し得る。
【００３９】
図７は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子２００’の他の一つの例示的な実施形態を示す。明確にするために、図７は縮尺通りではない。磁気素子２００’は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る。磁気素子２００’は、磁気素子２００に類似であり、つまりは同様の構造体を含む。磁気素子２００’は、任意のピニング層２１０、ピンド層２２０、非磁性スペーサ層２３０及び自由層２４０に類似の、任意のピニング層２１０’、ピンド層２２０’、非磁性スペーサ層２３０’及び自由層２４０’を含む。層２１０’、２２０’、２３０’及び２４０’は、層２１０、２２０、２３０及び２４０それぞれと類似の構造体及び機能を有する。しかしながら、示される実施形態では、自由層２４０’よりもピンド層２２０’が、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を含む。さらに、磁気素子２００’は、シード及び／又はキャッピング層などの、他の及び／又は追加の層を含み得る。磁気素子２００は、磁気素子２４０を介して書き込み電流が流れる際に、自由層２４０’が安定磁気状態間を切り替え可能なようにも構成される。従って、自由層２４０’は、スピントランスファートルクを用いて切り替え可能である。
【００４０】
自由層２４０’は磁性であり、従って、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうち一つ以上を、特に合金状で含み得る。さらに、自由層２４０’は、スピントランスファーを用いて切り替え可能である変更可能な磁化を有する。単一層として図示されているが、自由層２４０’は、複数の層を含み得る。例えば、自由層２４０’は、Ｒｕなどの薄層を介して反磁性的に又は強磁性的に結合された磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦにおいて、Ｒｕ又は他の材料の薄層と交互にされた複数の磁性層が使用され得る。スペーサ層２３０’は、スペーサ層２３０に類似である。
【００４１】
ピンド層２２０’は、特定の方向に固定される磁化（図示せず）を有する。ピンド層２２０’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャも含む。明確性のため、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は示されない。一部実施形態では、ピンド層２２０’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’から成る。他の実施形態では、ピンド層２２０’は、他の層を含み得る。例えば、ピンド層２２０’は、一以上の強磁性層として磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を含むＳＡＦであり得る。代わりに、ピンド層２２０’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’に隣接する強磁性層又は多層を含み得る。こうして、ピンド層２２０’は、強磁性層と互いに混合せず、化学的に安定な非磁性層と交互にされた強磁性層を含み得、且つ強磁性層内で磁気的に死んだ層を作り出すであろう相互作用が実質的にない。さらに、下記のように、垂直異方性は、強磁性層、つまりはピンド層２２０’内で誘導され得る。
【００４２】
磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の特徴、並びに磁気素子２００’の利点は、磁気素子２００で上述されたものに類似し得る。特に、ピンド層２２０’内での／としての磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の使用は、例えば磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’内でＰＰＭＡによって誘導される垂直異方性をピンド層２２０’が有することを可能にし得る。一部実施形態では、垂直異方性は、ピンド層２２０’の容易軸が面に垂直（例えばｚ方向）である。一部実施形態では、垂直異方性は、面に垂直な（例えばｚ方向）ピンド層２２０’の磁化のピニングを改善する。従って、垂直配向の利点は、磁気素子２００’で達成され得る。例えば、切り替え電流密度の減少が達成され得る。
【００４３】
図８は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子２００’’の他の一つの例示的な実施形態を示す。明確にするため、図８は縮尺通りではない。磁気素子２００’’は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリで使用され得る。磁気素子２００’’は、磁気素子２００及び２００’と類似し、つまりは同様の構造体を含む。磁気素子２００’’は、任意のピニング層２１０／２１０’、ピンド層２２０／２２０’、非磁性層スペーサ層２３０／２３０’及び自由層２４０／２４０’に類似する、任意のピニング層２１０’’、ピンド層２２０’’、非磁性スペーサ層２３０’’及び自由層２４０’’を含む。層２１０’’、２２０’’、２３０’’及び２４０’’は、層２１０／２１０’、２２０／２２０’、２３０／２３０’及び２４０／２４０’それぞれに類似の構造体及び機能を有する。しかしながら、示される実施形態では、ピンド層２２０’’は、参照層２２６、スペーサ層２２４及びピンド層２２２を含む。こうして、ピンド層２２０’’は、ＳＡＦであり得る。示される実施形態では、参照層２２６及び／又はピンド層２２２は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を含む。従って、磁気素子２００’で上述された利点は、達成され得る。
【００４４】
図９は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子２００’’’の他の一つの例示的な実施形態を示す。明確にするために、図９は、縮尺通りではない。磁気素子２００’’’は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリで使用され得る。磁気素子２００’’’は、磁気素子２００、２００’及び２００’’に類似し、つまりは同様の構造体を含む。磁気素子２００’’’は、任意のピニング層２１０／２１０’／２１０’’、ピンド層２２０／２２０’／２２０’’、非磁性スペーサ２３０／２３０’／２３０’’及び自由層２４０／２４０’／２４０’’に類似の、任意のピニング層２１０’’’、ピンド層２２０’’’、非磁性スペーサ層２３０’’’及び自由層２４０’’’を含む。層２１０’’’、２２０’’’、２３０’’’及び２４０’’’は、層２１０／２１０’／２１０’’、２２０／２２０’／２２０’’、２３０／２３０’／２３０’’及び２４０／２４０’／２４０’’それぞれに類似の構造体及び機能を有する。別々に示されていないが、ピンド層２２０’’’は、例えばピンド層２２０’’’に類似の、複数の磁気ストラクチャ１００／１００’／１００’’／１００’’を含み得る。代わりに、ピンド層２２０’’’は、例えばピンド層２２０’に類似の単一の磁気ストラクチャ１００／１００’／１００’’／１００’’を含み得る。自由層２４０’’’も、一以上の磁気ストラクチャ１００／１００’／１００’’／１００’’を含む。従って、磁気素子２００、２００’及び／又は２００’’で上述された利点は、達成され得る。
【００４５】
図１０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子２５０の例示的な実施形態を示す。明確にするために、図１０は縮尺通りではない。磁気素子２５０は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る。磁気素子２５０は、ピンド層２７０ａ、非磁性スペーサ層２８０及び自由層２９０を含む。任意のピニング層２６０もまた示され、ピンド層２７０の磁化（図示せず）を固定するために使用され得る。一部実施形態では、任意のピニング層２６０は、交換バイアス相互作用によってピンド層２７０の磁化（図示せず）をピン止めするＡＦＭ層である。しかしながら、他の実施形態では、任意のピニング層２６０は省略され得る。さらに、磁気素子２５０は、シード及び／又はキャッピング層などの、他の及び／又は追加の層を含み得る。磁気素子２５０は、磁気素子２５０を介して書き込み電流が流れる際に、自由層２９０が安定磁気状態間を切り替え可能であるようにも構成される。従って、自由層２９０は、スピントランスファートルクを用いて切り替え可能である。
【００４６】
スペーサ層２８０は、非磁性である。一部実施形態では、スペーサ層２８０は、絶縁体、例えばトンネリング障壁である。このような実施形態では、スペーサ層２８０は、結晶性ＭｇＯを含み得、磁気素子のトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）を強化し得る。他の実施形態では、スペーサ層は、銅などの導体であり得る。代替実施形態では、スペーサ層２８０は、他の一つの構造体を例えば絶縁マトリクス内に導電性チャネルを含む粒状の層を有し得る。
【００４７】
ピンド層２７０及び自由層２９０は、磁性であり、従って、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうち一つ以上を特に合金状で含み得る。単一層として図示されているが、ピンド層２７０及び／又は自由層２９０は、複数の層を含み得る。例えば、ピンド層２７０及び／又は自由層２９０は、Ｒｕなどの薄層を介して反磁性的に又は強磁性的に結合された磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦでは、Ｒｕ又は他の材料の薄層と交互にされた複数の磁性層が使用され得る。さらに、ピンド層２７０及び／又は自由層２９０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’（図示せず）を含み得る。しかしながら、ピンド層２７０と異なり、自由層２４０は、スピントランスファーで切り替えられ得る変更可能な磁化（図示せず）を有する。示される実施形態では、自由層２９０は、面に垂直な（例えばｚ方向）容易軸を有する。しかしながら、他の実施形態では、自由層２９０は、完全に又は部分的に面内の容易軸を有し得る。同様に、ピンド層２７０の磁化は、垂直方向にピン止めされているとして示される。しかしながら、他の実施形態では、ピンド層２７０の磁化は、面内を含む他の一つの方向内であり得る。
【００４８】
また、磁気素子２５０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを含む。こうして、磁気素子２５０は、強磁性層と混合せず、互いに化学的に安定な非磁性層と交互にされた強磁性層を含み得、且つ少なくとも一部の実施形態においては、強磁性層内で磁気的に死んだ層を作り出すであろう相互作用が実質的にない。さらに、下記のように、垂直異方性は、強磁性層、つまりは自由層２４０内で誘導され得る。
【００４９】
磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、自由層２９０と非磁性層スペーサ層との間で界面層として使用され得る。そのようなものとして、自由層２４０は、複数の利点を提供し得る。さらに具体的には、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、例えば磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’内でＰＰＭＡによって誘導され得る垂直異方性を有し得る。この垂直異方性は、自由層２９０の垂直異方性を強化し得る。垂直異方性の結果として、スピントランスファートルクのための切り替え電流密度は、磁気素子２５０で減少し得る。一部実施形態では、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’並びに自由層２４０は、少なくとも厚さ２ｎｍであり得る。このような実施形態の一部では、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’並びに自由層は、厚さ４ｎｍになり得る。磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、自由層２４０と強力に強磁性的に結合され得る。磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’、つまりは自由層２４０は、より小さな面内寸法で熱的に安定であり得る。
【００５０】
また、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’のための材料及び層の厚さは、磁気素子２５０の性能を強化するために選択され得る。材料は、ＴＭＲを改善するために選択され得る。例えば、ＣｏＦｅ、（Ｃｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０などの）ＣｏＦｅＢ及び／又はそのような強磁性材料が、結晶性ＭｇＯ非磁性スペーサ層２８０と調和する微細構造を提供するために、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’内で使用され得る。従って、所望の障壁層は、非磁性スペーサ層２８０のために使用され得る。４００℃を超える堆積温度は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を製造するために必要とされないので、所望のトンネリング障壁層は、磁気素子２５０の製造を乗り切りえる。さらに、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、より低いモーメントを有し得、自由層２９０が磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’と磁気的に結合され得るにつれて、磁気素子２５０のための切り替え電流密度をさらに減少し得る。磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の所望の構成は、比較的少数の材料を用いて、且つ高温堆積なしで達成され得る。さらに、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、より低いダンピングを有するように構成され得る。加えて、ＭｇＯなどの絶縁キャッピング層は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の使用を選択することで省略され得る際に、磁気素子２５０の一部の寄生抵抗が減少し得る。従って、磁気素子２５０の性能は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の使用を通じて強化され得る。従って、自由層２９０に隣接する磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を用いる磁気素子２５０は、より小さな面内サイズ、つまりはより高いＳＴＴ−ＲＡＭ密度のために望まれるように機能し得る。
【００５１】
図１１は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子２５０’の例示的な実施形態を示す。明確にするために、図１１は縮尺通りではない。磁気素子２５０’は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る。磁気素子２５０’は、任意のピニング層２６０、ピンド層２７０、非磁性スペーサ層２８０及び自由層２９０それぞれに類似の、任意のピニング層２６０’、ピンド層２７０’、非磁性スペーサ層２８０’及び自由層２９０’を含む。さらに、磁気素子２５０’は、シード及び／又はキャッピング層などの、他の及び／又は追加の層を含み得る。磁気素子２５０’は、磁気素子２５０’を介して書き込み電流が流れる際に、自由層２９０’が安定磁気状態間を切り替え可能なようにも構成され得る。従って、自由層２９０’は、スピントランスファートルクを用いて切り替え可能である。
【００５２】
磁気素子２５０’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャも含む。こうして、磁気素子２５０’は、強磁性層と混合せず、互いに化学的に安定な非磁性層と交互にされた強磁性層を含み得、且つ少なくとも一部の実施形態において、強磁性層内で磁気的に死んだ層を作り出すであろう相互作用が実質的にない。しかしながら、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、自由層２９０’の代わりにピンド層２７０’に隣接する。
【００５３】
磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、ピンド層２７０’と非磁性スペーサ層２８０’との間で界面層として使用され得る。そのようなものとして、ピンド層２７０’は、複数の利点を提供し得る。例えば、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、例えば磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’内でＰＰＭＡによって誘導される垂直異方性を有し得る。この垂直異方性は、ピンド層２７０’の垂直異方性を強化し得る。一部実施形態では、ピンド層２７０’磁化の少なくとも一部は、面内のままであり得る。このような実施形態では、ピンド層２７０’の面外消磁エネルギーは、垂直異方性エネルギー以下である。図１１で示される実施形態を含む他の実施形態では、ピンド層２７０’の磁化は、面に垂直であり得る。このような実施形態において、面外消磁エネルギーは、垂直異方性エネルギー未満である。こうしてピンド層２７０’は、垂直磁気素子２５０’内でより機能することが可能になり得る。垂直異方性の結果として、スピントランスファートルクのための切り替え電流密度は、磁気素子２５０’のために減少し得る。磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’のための材料及び層の厚さは、磁気素子２５０の性能を強化するためにも選択され得る。材料は、ＴＭＲを改善するために選択され得る。例えば、結晶性ＭｇＯ非磁性スペーサ層２８０’と調和する微細構造を提供するために、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’内で、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ及び／又はそのような強磁性材料が使用され得る。従って、所望の障壁層は、非磁性スペーサ層２８０’のために使用され得る。磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の所望の構成は、比較的少数の材料を用いて、且つ高温堆積なしで達成され得る。さらに、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、より低いダンピングを有するように構成され得る。加えて、ＭｇＯなどの絶縁キャッピング層が磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の使用を選択することで省略され得る際に、磁気素子２５０’の一部の寄生抵抗が減少し得る。従って、磁気素子２５０’の性能は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の使用を通じて強化され得る。従って、ピンド２７０’に隣接する磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を用いる磁気素子２５０’は、より小さな面内サイズ、つまりはより高いＳＴＴ−ＲＡＭ密度に望まれるように機能し得る。
【００５４】
図１２は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子２５０’’の例示的な実施形態を示す。明確にするために、図１２は縮尺通りではない。磁気素子２５０’’は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る。磁気素子２５０’’は、任意のピニング層２６０／２６０’、ピンド層２７０／２７０’、非磁性スペーサ２８０／２８０’及び自由層２９０／２９０’それぞれに類似の、任意のピニング層２６０’’、ピンド層２７０’’、非磁性スペーサ層２８０’’及び自由層２９０’’を含む。さらに、磁気素子２５０’’は、シード及び／又はキャッピング層などの、他の及び／又は追加の層を含み得る。磁気素子２５０’’は、磁気素子２５０’’を介して書き込み電流が流れる際に、自由層２９０’’が安定磁気状態間を切り替え可能なようにも構成される。従って、自由層２９０’’は、スピントランスファートルクを用いて切り替え可能である。
【００５５】
磁気素子２５０’’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャも含む。こうして、磁気素子２５０’’は、強磁性層と混合せず、互いに化学的に安定な非磁性層と交互にされた強磁性層を含み得、且つ少なくとも一部の実施形態において、強磁性層内で磁気的に死んだ層を作り出すであろう相互作用が実質的にない。第一磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、ピンド層２７０’’に隣接し、一方第二磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、自由層２９０’’に隣接する。磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、ピンド層２７０’’と非磁性スペーサ層２８０’’との間、及び自由層２９０’’と非磁性スペーサ層２８０’’との間で界面層として使用され得る。そのようなものとして、磁気素子２５０及び／又は２５０’の利点は達成され得る。
【００５６】
図１３は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子３００の例示的な実施形態を示す。明確にするために、図１３は縮尺通りではない。磁気素子３００は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る。磁気素子３００は、第一ピンド層３２０、第一非磁性スペーサ層３３０、自由層３４０、第二非磁性スペーサ層３５０及び第二ピンド層３６０を含む。任意のピニング層３１０及び３７０も示され、ピンド層３２０及び３６０の磁化をそれぞれ固定するために使用され得る。一部実施形態では、任意のピニング層３１０及び３７０は、交換バイアス相互作用によってピンド層３２０及び３６０の磁化（図示せず）をピン止めするＡＦＭ層である。しかしながら、他の実施形態では、任意のピニング層３２０及び３７０は省略され得る。さらに、磁気素子３００は、シード及び／又はキャッピング層などの他の及び／又は追加の層を含み得る。磁気素子３００は、磁気素子３００を介して書き込み電流が流れる際に、自由層３４０が安定磁気状態間を切り替え可能なようにも構成される。従って、自由層３４０は、スピントランスファートルクを用いて切り替え可能である。
【００５７】
スペーサ層３３０及び３５０は非磁性である。一部実施形態では、スペーサ層３３０は絶縁体、例えばトンネリング障壁である。このような実施形態では、スペーサ層３３０及び／又は３５０は、結晶性ＭｇＯを含み得、磁気素子のトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）を強化し得る。他の実施形態では、スペーサ層３３０及び／又は３５０は、銅などの導体であり得る。代替実施形態では、スペーサ層３３０及び／又は３５０は、他の一つの構造体、例えば絶縁マトリクス内に導電性チャネルを含む粒状の層を有し得る。一部実施形態では、スペーサ層３３０及び３５０が両方とも絶縁トンネリング障壁である。しかしながら、他の実施形態では、スペーサ層３３０又は３５０の一つだけが絶縁トンネリング障壁である。他のスペーサ層３５０又は３３０はそれぞれ、導電性であり得る。
【００５８】
ピンド層３２０及び３６０並びに自由層３４０は、磁性であり、従って、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうち一つ以上を特に合金状で含み得る。単一層として図示されているが、ピンド層３２０及び３６０は、複数の層を含み得る。例えば、一以上のピンド層３２０及び３６０は、Ｒｕなどの薄層を介して反磁性的に又は強磁性的に結合された磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦにおいて、Ｒｕ又は他の材料の薄層と交互にされた磁性層が使用され得る。ピンド層３２０及び３７０の磁化は、垂直方向であり得る。しかしながら、他の実施形態では、ピンド層３２０及び３７０の磁化は、部分的に又は完全に面内であることを含む他の一つの方向であり得る。
【００５９】
さらに、自由層３４０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’（別々に示されていない）を含み得る。自由層３４０は、スピントランスファーで切り替えられ得る変更可能な磁化（図示せず）も有する。自由層３４０は、面に垂直な（例えばｚ方向）容易軸を有し得る。しかしながら、他の実施形態では、自由層３４０は、完全に又は部分的に面内の容易軸を有し得る。自由層３４０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’から構成され得、又は他の層も含み得る。従って、自由層３４０は、自由層２４０に類似であり得る。従って、磁気素子２００で達成されたものに類似の利点は、磁気素子３００で達成され得る。加えて、二重磁気トンネリング接合又は単一障壁磁気トンネリング接合などの、一つの非磁性スペーサ層が障壁層であり、且つ他が導電性である二重磁気構造体の利点が達成され得る。
【００６０】
図１４は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子３００’の例示的な実施形態を示す。明確にするために、図１４は縮尺通りではない。磁気素子３００’は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る。磁気素子３００’は、磁気素子３００に類似である。こうして、磁気素子３００’は、第一ピンド層３２０、第一非磁性スペーサ層３３０、自由層３４０、第二非磁性スペーサ層３５０、及び第二ピンド層３６０それぞれに類似の、第一ピンド層３２０’、第一非磁性スペーサ層３３０’、自由層３４０’、第二非磁性スペーサ層３５０’及び第二ピンド層３６０’を含む。任意のピニング層３１０及び３７０それぞれに類似の任意のピニング層３１０’及び３７０’も示される。しかしながら、他の実施形態では、任意のピニング層３２０’及び／又は３７０’は省略され得る。さらに、磁気素子３００’は、シード及び／又はキャッピング層などの他の及び／又は追加の層を含み得る。磁気素子３００’は、磁気素子３００’を介して書き込み電流が流れる際に、自由層３４０’が安定磁気状態間を切り替え可能なようにも構成される。従って、自由層３４０’は、スピントランスファーを用いて切り替え可能である。
【００６１】
磁気素子３００と異なり、自由層３４０’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を含まないことがある。しかしながら、自由層３９０’は、複数の層を含み得る。例えば、自由層３４０’は、Ｒｕなどの薄層を介して反磁性的に又は強磁性的に結合された磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦにおいて、Ｒｕ又は他の材料の薄層と交互にされた複数の磁性層が使用され得る。自由層３４０’の磁化は、垂直方向であり得る。しかしながら、他の実施形態では、自由層３４０’の磁化は、部分的に又は完全に面内であることを含む他の一つの方向であり得る。
【００６２】
ピンド層３２０’及び／又はピンド層３６０’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’（別々に示されていない）を含み得る。ピンド層３２０’及び／又はピンド層３６０’は、面に垂直な（例えばｚ方向）容易軸を有し得る。しかしながら、他の実施形態では、ピンド層３２０’及び／又はピンド層３６０’は、完全に又は部分的に面内である容易軸を有し得る。ピンド層３２０’及び／又はピンド層３６０’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’から構成され得、他の層も含み得る。従って、ピンド層３２０’及び／又はピンド層３６０’は、ピンド層２２０’又は２２０’’に類似し得る。従って、磁気素子２００’及び／又は２００’’で達成されるものに類似する利点が、磁気素子３００’で達成され得る。加えて、二重磁気トンネリング接合又は単一障壁磁気トンネリング接合などの、一つの非磁性スペーサ層が障壁層であり、且つ他が導電性である二重磁気構造体の利点が達成され得る。
【００６３】
図１５は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子３００’’の例示的な実施形態を示す。明確にするために、図１５は縮尺通りではない。磁気素子３００’’は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る。磁気素子３００’は、磁気素子３００及び３００’と類似である。こうして、磁気素子３００’’は、第一ピンド層３２０／３２０’、第一非磁性スペーサ層３３０／３３０’、自由層３４０／３４０’、第二非磁性スペーサ層３５０／３５０’及び第二ピンド層３６０／３６０’それぞれに類似の、第一ピンド層３２０’’、第一非磁性スペーサ層３３０’’、自由層３４０’’、第二非磁性スペーサ層３５０’’及び第二ピンド層３６０’’を含む。任意のピニング層３１０／３１０’及び３７０／３７０’それぞれに類似の、任意ピニング層３１０’’及び３７０’’も示される。しかしながら、他の実施形態では、任意のピニング層３１０’’及び／又は３７０’’は省略され得る。さらに、磁気素子３００’’は、シード及び／又はキャッピング層などの、他の及び／又は追加の層を含み得る。磁気素子３００’’は、磁気素子３００’’を介して書き込み電流が流れる際に、自由層３４０’’が安定磁気状態間で切り替え可能なようにも構成される。従って、自由層３４０’’は、スピントランスファートルクを用いて切り替え可能である。
【００６４】
自由層３４０’’並びに一以上のピンド層３２０’’及び／又は３６０’’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’（別々に示されない）を含み得る。自由層３４０’’、ピンド層３２０’’及び／又はピンド層３６０’’は、面に垂直な（ｚ方向の）容易軸を有し得る。しかしながら、他の実施形態では、自由層３４０’’、ピンド層３２０’’及び／又はピンド層３６０’’は、完全に又は部分的に面内の容易軸を有し得る。自由層３４０’’、ピンド層３２０’’及び／又はピンド層３６０’’は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’から構成され得、又は他の層を含み得る。従って、自由層３４０’’、ピンド層３２０’’及び／又はピンド層３６０’’は、自由層２４０／２４０’’’及び／又はピンド層２２０’／２２０’’／２２０’’’に類似し得る。従って、磁気素子２００、２００’、２００’’及び／又は２００’’で達成されたものに類似の利点は、磁気素子３００’’で達成され得る。加えて、二重磁気トンネリング接合又は単一障壁磁気トンネリング接合などの、一つの非磁性スペーサ層が障壁層であり、且つ他が導電性である二重磁気構造体の利点が達成され得る。
【００６５】
図１６は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子４００の他の一つの例示的な実施形態を示す。明確にするために、図１６は縮尺通りではない。磁気素子４００は、ＳＴＴ−ＲＡＭなどの磁気メモリ内で使用され得る。磁気素子４００は、第一ピンド層４２０、第一非磁性スペーサ層４３０、自由層４４０、第二非磁性スペーサ層４５０及び第二ピンド層４６０を含む。ピンド層４２０及び４６０の磁化（図示せず）をそれぞれ固定するために使用され得る任意のピニング層４１０及び４７０も示される。一部実施形態では、任意のピニング層４１０及び４７０は、交換バイアス相互作用によってピンド層４２０及び４６０の磁化（図示せず）をピン止めするＡＦＭ層である。しかしながら、他の実施形態では、任意のピニング層４２０及び／又は４７０は省略され得る。さらに、磁気素子３００は、シード及び／又はキャッピング層などの、他の及び／又は追加の層を含み得る。磁気素子４００は、磁気素子４００を介して書き込み電流が流れる際に、自由層４４０が安定磁気状態間で切り替え可能なようにも構成される。従って、自由層４４０は、スピントランスファートルクを用いて切り替え可能である。
【００６６】
スペーサ層４３０及び４５０は非磁性である。一部実施形態では、スペーサ層４３０は、絶縁体、例えばトンネリング障壁である。このような実施形態では、スペーサ層４３０及び／又は４５０は、結晶性ＭｇＯを含み得、磁気素子のトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）を強化し得る。他の実施形態では、スペーサ層４３０及び／又は４５０は、銅などの導体であり得る。代替実施形態では、スペーサ層４３０及び／又は４５０は、他の一つの構造体、例えば絶縁層内に導電性チャネルを含む粒状の層を有し得る。一部実施形態では、スペーサ層４３０及び４５０は両方とも絶縁トンネリング障壁である。しかしながら、他の実施形態では、スペーサ層４３０又は４５０は一つだけ絶縁トンネリング障壁である。他のスペーサ層４５０又は４３０はそれぞれ導電性であり得る。
【００６７】
ピンド層４２０及び４６０並びに自由層４４０は磁性であり、従って、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうち一つ以上を、特に合金状で含み得る。単一層としてい図示されているが、層４２０、４６０及び／又は４４０は、複数の層を含み得る。例えば、一以上の層４２０、４６０及び／又は４４０は、Ｒｕなどの薄層を介して反磁性的に又は強磁性的に結合された磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦにおいて、Ｒｕ又は他の材料の薄層と交互にされた複数の磁性層が使用され得る。層４２０、４６０及び／又は４４０の磁化は、垂直方向であり得る。しかしながら、他の実施形態では、層４２０、４６０及び／又は４４０の磁化は、部分的に又は完全に面内であることを含む他の一つの方向であり得る。さらに、単純な層として示されているが、一以上の自由層４４０、ピンド層４２０及び／又はピンド層４６０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’（別々に示されない）を含み得る。自由層４４０、ピンド層４２０及び／又はピンド層４６０は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’から構成され得、並びに他の層も含み得る。自由層４４０は、スピントランスファーで切り替えられ得る変更可能な磁化（図示せず）も有する。自由層４４０は、面に垂直な（例えばｚ方向）容易軸を有し得る。しかしながら、他の実施形態では、自由層４４０は、完全に又は部分的に面内の容易軸を有し得る。同様に、ピンド層４２０及び／又は４６０は、面に垂直な（例えば、ｚ方向）容易軸を有し得る。しかしながら、他の実施形態では、４２０及び／又は４６０は、完全に又は部分的に面内の容易軸を有し得る。
【００６８】
磁気素子４００は、一以上の任意の磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’も含む。このような任意の磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は、非磁性スペーサ層４３０とピンド層４２０との間、自由層４４０と非磁性スペーサ層４３０との間、自由層４４０と非磁性スペーサ４５０との間、及び／又はピンド層４６０と非磁性スペーサ層４５０との間、の一以上の上記の場所に存在し得る。従って、磁気素子４００は、一以上の磁気素子２５０、２５０’及び／又は２５０’’に類似し得る。従って、磁気素子４００で達成されたものと類似の利点は、磁気素子２５０、２５０’及び／又は２５０’’で達成され得る。加えて、二重磁気トンネリング接合又は単一障壁磁気トンネリング接合などの、一つの非磁性スペーサ層が障壁層であり、且つ他が導電性である二重磁気構造体の利点が達成され得る。
【００６９】
磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を用いる様々な磁気素子２００、２００’、２００’’、２００’’’、２０５、２５０’、２５０’’、３００、３００’、３００’’及び４００が開示された。留意すべきことは磁気素子２００、２００’、２００’’、２００’’’、２０５、２５０’、２５０’’、３００、３００’、３００’’及び４００の様々な特徴は組み合わされ得ることである。同様に、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の一部又は全ての特徴は、組み合され得る。従って、大きな厚さにさえある垂直異方性、熱的安定性、高い磁気抵抗、調節可能な磁気モーメント、調節され得る磁気相互作用、減少した寄生抵抗、スピントランスファーのためのより低い書き込み電流密度、及び／又はより低いダンピングなどの、サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の一以上の利点が達成され得る。
【００７０】
さらに、サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’などの磁気サブストラクチャを用いる磁気素子は、磁気メモリ内で使用され得る。図１７は、ひとつのこのようなメモリ５００の例示的な実施形態を示す。磁気メモリ５００は、読み込み／書き込みコラム選択ドライバ５０２及び５０６、並びにワードライン選択ドライバ５０４を含む。留意すべきことは、他の及び／又は異なる構成要素が提供され得ることである。メモリ５００のストレージ領域は、磁気ストレージセル５１０を含む。磁気ストレージセルはそれぞれ、少なくとも一つの磁気素子５１２及び少なくとも一つの選択デバイス５１４を含む。一部実施形態では、選択デバイス５１４はトランジスタである。磁気素子５１２は、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’を含む。従って、磁気素子５１２は、磁気素子２００、２００’、２００’’、２００’’’、２０５、２５０’、２５０’’、３００、３００’、３００’’、４００又はこれらの組み合わせであり得る。そのようなものとして、磁気メモリ５００は、熱的安定性及び低い書き込み電流密度などの、上述の利点を享受し得る。
【００７１】
図１８は、磁気サブストラクチャを製造するための方法６００の例示的な実施形態を示す。明確性のため、一部段階は省略、又は組み合され得る。方法６００は、磁気サブストラクチャ１００の文脈で説明される。しかしながら、方法６００は、サブストラクチャ１００’、１００’’及び１００’’’などの他の磁気サブストラクチャにおいても使用され得る。さらに、方法６００は、磁気素子２００、２００’、２００’’、２００’’’、２０５、２５０’、２５０’’、３００、３００’、３００’’、４００及び／又は５１２などの磁気素子の製造内に組み込まれ得る。従って、方法６００は、ＳＴＴ−ＲＡＭ又は他の磁気メモリの製造で使用され得る。方法６００は、下層の非磁性層１０１が必要に応じて提供された後に開始され得る。
【００７２】
強磁性層１０２は、段階６０２で提供される。段階６０２は、ＣｏＦｅＢを含む合金などの所望の材料を、強磁性層１０２の所望の厚さまで堆積することを含み得る。他の実施形態では、強磁性層１０２の一部は、所望の厚さを達成するために除去され得る。一部実施形態では、強磁性層は、全面に堆積され得る。他では、フォトリソグラフィーが、強磁性層の堆積を特定の領域に限定し得る。非磁性層１０４は、段階６０４で提供される。段階６０４は、Ｃｒ及びＶを含むがこれらに限定されない、所望の非磁性材料の堆積を含み得る。加えて、所望の厚さの材料が、段階６０２で堆積され得る。一部実施形態では、非磁性層１０４は、全面に堆積され得る。他では、フォトリソグラフィーが、非磁性層の堆積を特定の領域に限定し得る。この強磁性−非磁性二重層の形成は、ｎ−１回繰り返され、形成される構造体は、ｎ個繰り返された二重層を含む。従って、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’は形成される。その後、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’の製造が、段階６０８で完成され得る。例えば、磁気サブストラクチャ１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’が用いられる磁気素子が明確化され得る。方法６００を用いて、その結果、磁気素子１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’が製造され得る。従って、磁気素子の利点が達成され得る。
【００７３】
磁気サブストラクチャ、その磁気サブストラクチャを用いる磁気メモリ素子、及びその磁気メモリ素子／磁気サブストラクチャを用いて製造されたメモリを説明してきた。本方法及びシステムは、図示された例示的な実施形態に従って説明されているが、当業者は、それら実施形態にはバリエーションが存在し得て、あらゆるバリエーションが本方法及びシステムの精神及び範囲内にあることを容易に認識するものである。従って、多様な修正が、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者によって為され得る。
【符号の説明】
【００７４】
１０  磁気トンネリング接合
１１  従来の底部コンタクト
１２  従来のシード層
１４  従来の反強磁性層
１６  従来のピンド層
１７、２１  磁化
１８  従来のトンネリング障壁層
２０  従来の自由層
２２  従来のキャッピング層
２４  従来の頂部コンタクト
１００、１００’、１００’’、１００’’’  磁気サブストラクチャ
１０１、１０１’、１０１’’、１０１’’’  非磁性層
１０２、１０２’、１０２’’、１０２−１、１０２−２、１０２−３  強磁性層
１０４、１０４’、１０４−１’、１０４−２’、・・・１０４−ｎ’  非磁性層
１０６、１０６’、１０６’’、１０６’’’  強磁性層
１１０−１、１１０−２、・・・１１０−ｎ  二重層
１１０−１’、１１０−２’、・・・１１０−ｎ’  二重層
１１０−１’’、１１０−２’’、・・・１１０−ｎ’’  二重層
１１０−１’’’、１１０−２’’’、１１０−３’’’  二重層
２００、２００’、２００’’、２００’’’  磁気素子
２１０、２１０’、２１０’’、２１０’’’  ピニング層
２２０、２２０’、２２０’’、２２０’’’  ピンド層
２２２  ピンド層
２２４  スペーサ層
２２６  参照層
２３０、２３０’、２３０’’、２３０’’’  非磁性スペーサ層
２４０、２４０’、２４０’’、２４０’’’  自由層
２５０、２５０’、２５０’’  磁気素子
２６０、２６０’、２６０’’  ピニング層
２７０、２７０’、２７０’’  ピンド層
２８０、２８０’、２８０’’  非磁性スペーサ層
２９０、２９０’、２９０’’  自由層
３００、３００’、３００’’  磁気素子
３１０、３１０’、３１０’’、３７０、３７０’、３７０’’  ピニング層
３２０、３２０’、３２０’’、３６０、３６０’、３６０’’  ピンド層
３３０、３３０’、３３０’’、３５０、３５０’、３５０’’  非磁性スペーサ層
３４０、３４０’、３４０’’  自由層
４００  磁気素子
４１０、４７０  ピニング層
４２０、４６０  ピンド層
４３０、４５０  非磁性スペーサ層
４４０  自由層
５００  磁気メモリ
５０２、５０６  読み込み／書き込みコラム選択ドライバ
５０４  ワードライン選択ドライバ
５１０  磁気ストレージセル
５１２  磁気素子
５１４  選択デバイス
６００  方法
６０２、６０４、６０６、６０８  段階
【図１】
2013535818.tif 000002
【図２】
2013535818.tif 000003
【図３】
2013535818.tif 000004
【図４】
2013535818.tif 000005
【図５】
2013535818.tif 000006
【図６】
2013535818.tif 000007
【図７】
2013535818.tif 000008
【図８】
2013535818.tif 000009
【図９】
2013535818.tif 000010
【図１０】
2013535818.tif 000011
【図１１】
2013535818.tif 000012
【図１２】
2013535818.tif 000013
【図１３】
2013535818.tif 000014
【図１４】
2013535818.tif 000015
【図１５】
2013535818.tif 000016
【図１６】
2013535818.tif 000017
【図１７】
2013535818.tif 000018
【図１８】
2013535818.tif 000019
【国際調査報告】
2013535818.tif 000020