(57)【要約】  基板上に存在し、磁気装置内で使用可能な磁気接合を提供するための方法およびシステムが記載される。磁気接合は、第１ピンド層、第１の厚みを有する第１非磁性スペーサ層、第１の厚みと比較して大きい第２の厚みを有する第２非磁性スペーサ層、および第２ピンド層を含む。第１非磁性スペーサ層はピンド層とフリー層との間に存在する。第１ピンド層はフリー層と基板との間に存在する。第２非磁性スペーサ層はフリー層と第２ピンド層との間に存在する。さらに、書き込み電流が磁気接合を通過するとき、フリー層が複数の安定な磁性状態の間で切り替え可能であるように磁気接合が構成される。
2013531358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ピンド層、
第１の厚みを有する第１非磁性スペーサ層、
フリー層、ピンド層とフリー層との間に存在する第１非磁性スペーサ層、フリー層と基板との間に存在する第１ピンド層、
第１の厚みと比較して大きい第２の厚みを有する第２非磁性スペーサ層、
第２ピンド層、フリー層と第２ピンド層との間に存在する第２非磁性スペーサ層、を含み、
書き込み電流が磁気接合を通過するとき、フリー層が複数の安定な磁性状態の間で切り替え可能であるように磁気接合が構成される、
基板上に存在し、磁気装置内で使用するための、磁気接合。
【請求項２】
第１の厚みと比較して第２の厚みが５％以上大きい、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項３】
第１の厚みと比較して第２の厚みが４０％を超えて大きいことはない、請求項２に記載の磁気接合。
【請求項４】
第１の厚みと比較して第２の厚みが０．０５から０．５ナノメートル大きい、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項５】
磁気接合が、１００％を超える磁気抵抗比によって特徴付けられる、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項６】
第１非磁性スペーサ層および第２非磁性スペーサ層のうち少なくとも１つが、トンネルバリア層である、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項７】
第１非磁性スペーサ層および第２非磁性スペーサ層のうち少なくとも１つがＭｇＯを含む、請求項６に記載の磁気接合。
【請求項８】
フリー層が、フリー層の面とは実質的に垂直なフリー層磁化を有する、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項９】
第１ピンド層および第２ピンド層のうち少なくとも１つが、ピンド層面に実質的に垂直なピンド層磁化を含む、請求項８に記載の磁気接合。
【請求項１０】
第１ピンド層、第２ピンド層、およびフリー層の少なくとも１つが合成層である、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項１１】
第１ピンド層に隣接する第１反強磁性層、および
第２ピンド層に隣接する第２反強磁性層をさらに含む、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項１２】
基板上に存在し、
各々が少なくとも１つの磁気接合を含む複数の磁気記憶素子、第１ピンド層、第１非磁性スペーサ層、フリー層、第２非磁性スペーサ層、および第２ピンド層を含む少なくとも１つの磁気接合であって、第１非磁性スペーサ層が第１ピンド層とフリー層との間に存在し、第２非磁性スペーサ層が第２ピンド層とフリー層との間に存在し、第１ピンド層がフリー層と基板との間に存在し、第１非磁性スペーサ層が第１の厚みを有し、第２非磁性スペーサ層が第１の厚みと比較して大きい第２の厚みを有し、書き込み電流が磁気接合を通過するとき、フリー層が複数の安定な磁性状態の間で切り替え可能であるように構成される磁気接合、および
複数のビットライン、を含む磁気メモリ。
【請求項１３】
第１の厚みと比較して第２の厚みが５％以上大きく、かつ第１の厚みと比較して第２の厚みが４０％を超えて大きいことはない、請求項１２に記載の磁気メモリ。
【請求項１４】
磁気接合が、１００％を超える磁気抵抗比によって特徴付けられる、請求項１２に記載の磁気メモリ。
【請求項１５】
第１非磁性スペーサ層および第２非磁性スペーサ層のうち少なくとも１つが、トンネルバリア層である、請求項１２に記載の磁気メモリ。
【請求項１６】
フリー層が、フリー層の面とは実質的に垂直なフリー層磁化を有する、請求項１２に記載の磁気メモリ。
【請求項１７】
第１ピンド層および第２ピンド層のうち少なくとも１つが、ピンド層面に実質的に垂直なピンド層磁化を含む、請求項１６に記載の磁気メモリ。
【請求項１８】
第１ピンド層、第２ピンド層、およびフリー層の少なくとも１つが多層である、請求項１２に記載の磁気メモリ。
【請求項１９】
第１ピンド層を提供する段階、
第１の厚みを有する第１非磁性スペーサ層を提供する段階、
フリー層、ピンド層とフリー層との間に存在する第１非磁性スペーサ層、フリー層と基板との間に存在する第１ピンド層を提供する段階、
第１の厚みと比較して大きい第２の厚みを有する第２非磁性スペーサ層を提供する段階、
第２ピンド層、フリー層と第２ピンド層との間に存在する第２非磁性スペーサ層を提供する段階、を含み、
書き込み電流が磁気接合を通過するとき、フリー層が複数の安定な磁性状態の間で切り替え可能であるように磁気接合が構成される、
基板上に存在し、磁気装置内で使用するための、磁気接合を提供する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、本願の譲受人に譲渡され、かつ参照によってここに組み込まれる、どちらも発明の名称が「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ  ＩＮＶＥＲＴＥＤ  ＤＵＡＬ  ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＴＵＮＮＥＬＩＮＧ  ＪＵＮＣＴＩＯＮ  ＥＬＥＭＥＮＴＳ」である、２０１１年３月１１日に出願された米国特許出願第１３／０４５，５２８号および２０１０年３月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／３１５，００１号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、国防総省国防高等研究事業局より与えられたＧｒａｎｔ／ＣｏｎｔｒａｃｔＨＲ００１１−０９−Ｃ−００２３に基づく米国政府の支援を受けてなされたものである。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
高い読み取り／書き込み速度、優れた耐久性、不揮発性、および作動中の低電力消費を実現する可能性に起因して、磁気メモリ、特に磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に対する関心が増しつつある。ＭＲＡＭは情報保存媒体として磁気材料を使用して情報を保存することができる。ＭＲＡＭの１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、磁気接合を介して駆動される電流によって少なくとも部分的に書き込まれる磁気接合を使用する。磁気接合を介して駆動されるスピン分極された電流は、磁気接合内の磁気モーメントにスピントルクを与える。結果的に、スピントルクに応答する磁気モーメントを有する層が所定の状態に切り替わってよい。
【０００４】
例えば、図１は、従来のＳＴＴ−ＲＡＭにおいて使用されたときの、従来の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）１０を示す。従来のＭＴＪ１０は、典型的にはボトムコンタクト１１上に存在し、従来のシード層１２を使用し、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バリア層１８、従来のフリー層２０、および従来のキャップ層２２を含む。トップコンタクト２４も示される。
【０００５】
従来のコンタクト１１および２４が、膜面垂直通電（ＣＰＰ）方向の、または図１に示されるｚ軸に沿った方向の電流の駆動において使用される。従来のシード層１２は、典型的には、所定の結晶構造を有する、ＡＦＭ層１４などの後続の層の成長を補助するために使用される。従来のトンネリングバリア層１８は非磁性であり、例えばＭｇＯなどの薄い絶縁体である。
【０００６】
従来のピンド層１６および従来のフリー層２０は磁性を有する。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され、または動かない（ｐｉｎｎｅｄ）ようにされる。簡単な（単一の）層として描かれているが、従来のピンド層１６は複数の層を含んでよい。例えば、従来のピンド層１６は、Ｒｕなどの薄い伝導層を介して反強磁性的にカップリングされた磁性層を含む合成反強磁性（ＳＡＦ）層であってよい。そのようなＳＡＦにおいて、Ｒｕの薄層と交互配置された複数の磁性層が使用されてよい。他の実施形態では、Ｒｕ層を横切るカップリングは強磁性であり得る。さらに、従来のＭＴＪ１０の他の実施形態は、追加の非磁性バリアまたは伝導層（図示されない）によってフリー層２０から分離された追加のピンド層（図示されない）を含んでよい。
【０００７】
従来のフリー層２０は変更可能な磁化２１を有する。簡単な層として示されているが、従来のフリー層２０も複数の層を含んでよい。例えば、従来のフリー層２０はＲｕなどの薄い伝導層を介して反強磁性的にまたは強磁性的にカップリングされる磁性層を含む合成層であってよい。面内として示されているが、従来のフリー層２０の磁化２１は、垂直異方性を有してよい。結果的に、ピンド層１６およびフリー層２０は、各々層の面に垂直な方向を向いた磁化１７および２１を有してよい。
【０００８】
従来のフリー層２０の磁化２１を切り替えるために、電流が面に垂直に（ｚ方向に）駆動される。十分な電流がトップコンタクト２４からボトムコンタクト１１へと駆動されるとき、従来のフリー層２０の磁化２１は、従来のピンド層１６の磁化１７に平行であるように切り替えられてよい。十分な電流がボトムコンタクト１１からトップコンタクト２４へと駆動されるとき、フリー層の磁化２１は、ピンド層１６の磁化と逆平行であるように切り替えられてよい。磁場配位における相違は、従来のＭＴＪ１０の異なる磁気抵抗および結果的に異なる論理状態（例えば論理「０」および論理「１」）に対応する。
【０００９】
ＳＴＴ−ＲＡＭ用途で使用されるとき、従来のＭＴＪ１０のフリー層２１は比較的低電流において切り替えられることが望ましい。臨界スイッチング電流（Ｉｃ０）は、平衡方位の周りのフリー層磁化２１の無限小歳差が不安定になる最低電流である。例えば、Ｉｃ０は数ｍＡ以下のオーダーであることが好ましいだろう。さらに、高いデータ転送速度では、従来の磁性要素１０のプログラミングにおいて短い電流パルスが使用されることが好ましい。例えば、２０−３０ｎｓ以下のオーダーの電流パルスが好ましい。
【００１０】
図示されていないが、従来のＭＴＪ１０はデュアルＭＴＪであってよい。そのような場合、従来のＭＴＪ１０は追加の従来バリア層および追加の従来ピンド層を含むだろう。従来のフリー層２０はバリア層の間にある。追加のバリア層は、追加の従来のピンド層および従来のフリー層２０の間にあるだろう。そのような従来のデュアルＭＴＪにおいて、従来のバリア層１８は、典型的には追加の従来のバリア層（図示されない）と厚みが同じか、またはそれ以上であるだろう。従来のデュアルＭＴＪは、一般的には改良されたスイッチング電流および対称性、小さなプロセスマージン、低いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）、高い面積抵抗（ＲＡ）、およびトランジスタ供給電流と整合しない磁気トンネル接合スイッチング非対称性を有する。さらに、通常のレイアウトに関する読み出し障害（ｒｅａｄ  ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）も起こり得る。
【００１１】
従来のＭＴＪ１０および従来のデュアルＭＴＪはスピントランスファーを用いて書き込まれ、ＳＴＴ−ＲＡＭ内で用いられてよいが、欠点を有する。例えば、垂直方向を向いた磁化１７および２１を有する従来のＭＴＪ１０に関して、磁気抵抗は、その磁化が面内である従来のＭＴＪ１０と比較して低い場合がある。さらに、上述したように、従来のデュアルＭＴＪは、単一のＭＴＪと比較して、低い磁気抵抗を有する場合がある。結果として、従来のＭＴＪ１０からの信号は所望のものよりも低い場合がある。そのような垂直型の従来のＭＴＪ１０は、高い減衰も示す。このように、スイッチング性能は悪影響を受ける。結果的に、従来のＭＴＪ１０を用いるメモリの性能は未だ改良が望まれる。
【００１２】
したがって、スピントランスファートルクベースメモリの性能を改良し得る方法およびシステムが必要とされる。ここに記載される方法およびシステムはそのような必要性に対処する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許出願第１３／０４５，５２８号
【特許文献２】米国仮特許出願第６１／３１５，００１号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
基板上に存在する磁気接合を提供するための、磁気装置内で使用可能な、方法およびシステムが記載される。磁気接合は、第１ピンド層、第１の厚みを有する第１非磁性スペーサ層、フリー層、第１の厚みよりも大きい第２の厚みを有する第２非磁性スペーサ層、および第２ピンド層を含む。第１非磁性スペーサ層はピンド層とフリー層との間にある。第１ピンド層はフリー層と基板との間にある。第２非磁性スペーサ層はフリー層と第２ピンド層との間にある。さらに、磁気接合は、書き込み電流が磁気接合を通過するとき、フリー層が複数の安定な磁性状態の間で切り替え可能なように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の磁気接合を示す。
【図２】逆デュアル磁気接合の例示的な実施形態を示す。
【図３】逆デュアル磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図４】逆デュアル磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図５】逆デュアル磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図６】逆デュアル磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図７】逆デュアル磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図８】逆デュアル磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図９】逆デュアル磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図１０】逆デュアル磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図１１】逆デュアル磁気接合の例示的な実施形態を提供するための方法の例示的実施形態を示す。
【図１２】逆デュアル磁気接合を用いるメモリの例示的実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
例示的実施形態は、磁気メモリなどの磁気装置内で使用可能な磁性要素、およびそのような磁性要素を用いた装置に関する。以下の記載は、当業者が本発明を実施し、使用することを可能にするように与えられ、かつ特許出願およびその要件に照らして提供される。例示的な実施形態および包括的な原理およびここに記載される特徴に対する様々な変更は容易に明らかである。例示的な実施形態は、特定の実施における特定の方法およびシステムの観点から主に記載される。しかしながら、本方法およびシステムは他の実施において有効に機能する。「例示的実施形態」、「一実施形態」、および「他の実施形態」などの表現は、同じまたは異なる実施形態並びに複数の実施形態を示してよい。実施形態は特定の部品を有するシステムおよび／または装置に関して記載される。しかしながら、システムおよび／または装置はここで示される以上のまたはそれより少ない部品を含んでよく、配置および部品のタイプの変更が本発明の範囲から逸脱することなく行われてよい。例示的な実施形態は、特定の段階を有する特定の方法に関しても記載される。しかしながら、本発明の方法およびシステムは、異なるおよび／または追加の段階、および順序が異なる段階（例示的実施形態と整合しない）を有する他の方法に関しても有効に機能する。本発明は、ここに示された実施形態に限定されることが意図されていないが、ここに記載される原理および特徴と整合する最も広い範囲に従うものである。
【００１７】
例示的実施形態は、特定の部品を有する特定の磁性要素に関して記載される。当業者は本発明が、本発明と不整合ではない他のおよび／または追加の部品および／または他の特徴を有する磁性要素の使用と整合することを容易に認識するだろう。本発明の方法およびシステムはスピントランスファー現象の現在の理解に照らして記載される。結果的に当業者は、方法およびシステムの挙動の理論的説明がこのスピントランスファー現象の現在の理解に基づいてなされることを容易に認識するだろう。さらに、本発明の方法およびシステムは合成および／または簡易な特定の層に照らして記載される。しかしながら、当業者は層が他の構造を有してよいことを容易に認識するだろう。さらに、本発明の方法およびシステムは、特定の層を有する磁性要素に照らして記載される。しかしながら、当業者は本発明の方法およびシステムと矛盾しない追加のおよび／または異なる層を有する磁性要素が使用されてよいことを容易に認識するだろう。さらに、特定の部品が磁性体、強磁性体、およびフェリ磁性体として記載される。ここで用いられるように、磁性という用語は、強磁性体、フェリ磁性体、または他の構造を含んでよい。したがって、ここで用いられる用語「磁性」または「強磁性」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。本発明の方法およびシステムは、単一の要素に照らして記載される。しかしながら、当業者は本発明の方法およびシステムが複数の要素を有する磁気メモリの使用と整合することを容易に認識するだろう。さらに、ここで使用される「面内」とは、磁性要素の１つ以上の層の面の内部に実質的にあるか、または、それらの面に平行である。逆に、「垂直」は磁性要素の１つ以上の層に実質的に垂直な方向に対応する。
【００１８】
基板上に存在する磁気接合を提供するための、磁気装置において使用可能な方法およびシステムが記載される。磁気接合は、第１ピンド層、第１の厚みを有する第１非磁性スペーサ層、フリー層、第１の厚みよりも大きい第２の厚みを有する第２非磁性スペーサ層、および第２ピンド層を含む。第１非磁性スペーサ層はピンド層とフリー層との間にある。第１ピンド層はフリー層と基板との間にある。第２非磁性スペーサ層はフリー層と第２ピンド層との間にある。さらに、磁気接合は、書き込み電流が磁気接合を通過するとき、フリー層が複数の安定な磁性状態の間で切り替え可能なように構成される。
【００１９】
図２は、逆デュアル磁気接合１００の例示的実施形態を示す。逆デュアル磁気接合１００は、基板１０１に最も近い第１ピンド層１１１、第１非磁性スペーサ層１２０、フリー層１３０、第２非磁性スペーサ層１４０、および第２ピンド層１４０を含む。ピンド層１１０および１５０は各々磁化１１１および１５１を有する。フリー層１３０は磁化１３１を有して示される。しかしながら、他の実施形態において、層１１０、１３０、および／または１５０は他の磁化を有してよい。逆デュアル磁気接合１００は、非磁性スペーサ層１２０および１４０として、トンネルバリア層を含む。しかしながら、他の実施形態において、他の非磁性スペーサ層１２０および１４０が使用されてよい。例えば、導電層または絶縁性マトリックス内に導電チャネルまたは島を有するグラニュラ層が、バリア層１２０および１４０の代わりに使用され得る。これはここに記載される全ての実施形態において同様である。しかしながら、簡単のために、ここに記載される磁気接合のみが、逆デュアル磁気トンネル接合（逆デュアルＭＴＪ）が記載される関連で記載される。フリー層１３０およびピンド層１１０および１５０は一般的に強磁性である。しかしながら、１つ以上のフリー層１３０およびピンド層１１０および／または１５０は、合成反強磁性体（ただしこれに限定されない）を含む多層であってよい。図示された実施形態において、任意のシード層１０２および／または任意のキャップ層１７０が使用されてよい。特定の実施形態において、例えばＴａシードが提供される。図示された実施形態において、任意のＡＦＭ層１０４および１０６が使用される。そのようなＡＦＭ層１０４および１０６は各々ピンド層１１０および１５０の各々に関して使用される。特定の実施形態において、ＡＦＭ層１０４および／または１６０はＰｔＭｎを用いてよい。他の実施形態において、ピニング、または所定位置での固定、ピンド層１１０および１５０の磁化１１１および１５１の各々に関する他のメカニズムが使用されてよい。ピンド層１１０および／または１５０の各々は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅバイレイヤなどの材料を含んでよい。バリア層／非磁性スペーサ層１２０および１４０はＭｇＯなどの材料を含んでよい。フリー層１３０は、ＣｏＦｅＢまたはドープされたＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅＢバイレイヤ、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅＢトリレイヤまたはＣｏＦｅＢ／非磁性体／ＣｏＦｅＢトリレイヤ、または多層を含んでよい。例えば、ＣｏＦｅＢはＣｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、および／または他の元素でドーピングされてよく、フリー層１３０を形成するために使用されてよい。しかしながら、他の材料が逆デュアルＭＴＪ１００の層に関して使用されてよい。
【００２０】
逆デュアルＭＴＪ１００は、トップバリア層１４０が厚いバリア層であるために、そう呼ばれる。トップ／第２バリア層１４０は、ボトム／第１バリア層１２０と比較して厚い。特定の実施形態において、第２非磁性スペーサ／バリア層１５０は、第１非磁性スペーサ／バリア層１２０と比較して少なくとも５％厚い。そのような特定の実施形態において、第２非磁性スペーサ／バリア層１４０は、第１非磁性スペーサ／バリア層１２０と比較して４０％を超えて厚いことはない。例えば、第２非磁性スペーサ／バリア層１４０は、薄い非磁性スペーサ／バリア層１２０と比較して０．０５から０．５ナノメートル厚い場合がある。他の実施形態において、第２非磁性スペーサ／バリア層１４０は、第１非磁性スペーサ／バリア層１２０と比較して３０％を超えて厚いことはない。例えば、第２非磁性スペーサ／バリア層１４０は、薄い非磁性スペーサ／バリア層１２０と比較して０．０５から０．３ナノメートル厚い場合がある。さらに、図１から分かるように、厚い非磁性スペーサ／バリア層１４０は、薄い非磁性スペーサ／バリア層１２０と比較して基板から離れている。
【００２１】
基板から離れた、厚い非磁性スペーサ／バリア層１４０の使用によって、逆デュアルＭＴＪの性能が変わらないことが期待されてきた。しかしながら、逆デュアル磁気接合１００が、類似する従来のデュアルＭＴＪと比較して、より高い磁気抵抗を有する場合がある。例えば、特定の実施形態において、逆デュアルＭＴＪ１００は、室温（例えばセ氏２３°）において５０％〜２００％のオーダーのＴＭＲを有する場合がある。他の実施形態において、逆デュアルＭＴＪ１００は室温（例えばセ氏２３°）において１００％よりも大きい、または恐らく高いＴＭＲを有する場合がある。比較すると、類似する逆デュアルＭＴＪは５０％から１００％のオーダーのＴＭＲを有するだろう。このように、特定の実施形態において、ＴＭＲは少なくとも２倍であるだろう。その結果、逆デュアルＭＴＪ１００は、従来のデュアルＭＴＪの利益の多くを有してよく、一方で高い信号を生成する。
【００２２】
図３は、薄い非磁性スペーサ／バリア層１２０’、および薄い非磁性スペーサ／バリア層１２０と比較して基板１０１’から離れた厚い非磁性スペーサ／バリア層１５０’を有する逆デュアルＭＴＪ１００’の他の例示的実施形態を示す。逆デュアル磁気接合１００’の各部は、図２に示される逆デュアル磁気接合１００のものと類似する。類似する部分は同じ番号で参照される。このように、磁気接合１００’は、磁化１１１’を有する第１ピンド層１１０’、第１非磁性スペーサ層１２０’、フリー層１３０’、第２非磁性スペーサ層１４０’、および磁化１５１’を有する第２ピンド層１５０’を含み、これらは各々磁化１１１を有する第１ピンド層１１０、第１非磁性スペーサ層１２０、フリー層１３０、第２非磁性スペーサ層１４０、および第２ピンド層１５０’と類似する。さらに任意のＡＦＭ層１０４’および１６０’並びに任意のシード層１０２’および任意のキャップ層１７０’が示されるが、これらは各々層１０４、１６０、１０２、および１７０に類似する。層１０２’、１０４’、１１０’、１２０’、１３０’、１４０’、１５０’、１６０’、および１７０’の構造および機能は、各々層１０２、１０４、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、および１７０に類似する。示される実施形態において、フリー層１３０’は複数の副層を含む多層である。図示される実施形態において、ただ２つの副層１３２および１３４が示される。しかしながら、他の数の副層が使用されてよい。副層Ｂ１３２はＣｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｖ、および他の元素でドープされたＣｏＦｅＢを含んでよく、一方で副層Ａ１３４はＣｏＦｅＢを含んでよい。他の実施形態において、フリー層１３０’は、磁性であってよいか、または磁性でなくてよい、追加の層を含んでよい。例えば、フリー層１３０’は、１つ以上の非磁性層と交互配置された磁性層を含む合成層であってよい。
【００２３】
図４は、薄い非磁性スペーサ／バリア層１２０”、および薄い非磁性スペーサ／バリア層１２０”と比較して基板１０１”から離れた厚い非磁性スペーサ／バリア層１４０”を有する逆デュアル磁気接合１００”の他の実施形態を示す。逆デュアル磁気接合１００”の各部は、逆デュアル磁気接合１００および１００’のものと類似する。類似する部分は同じ番号で参照される。このように、磁気接合１００”は、第１ピンド層１１０”、第１非磁性スペーサ層１２０”、フリー層１３０”、第２非磁性スペーサ層１４０”、および磁化１５１”を有する第２ピンド層１５０”を含み、これらは各々第１ピンド層１１０／１１０’、第１非磁性スペーサ層１２０／１２０’、フリー層１３０／１３０’、第２非磁性スペーサ層１４０／１４０’、および磁化１５１／１５１’を有する第２ピンド層１５０／１５０’と類似する。さらに任意のＡＦＭ層１０４”および１６０”並びに任意のシード層１０２”および任意のキャップ層１７０”が示されるが、これらは各々層１０４／１０４’、１６０／１６０’、１０２／１０２’、および１７０／１７０’に類似する。層１０２”、１０４”、１１０”、１２０”、１３０”、１４０”、１５０”、１６０”、および１７０”の構造および機能は、各々層１０２／１０２’、１０４／１０４’、１１０／１１０’、１２０／１２０’、１３０／１３０’、１４０／１４０’、１５０／１５０’、１６０／１６０’、および１７０／１７０’に類似する。図４に示された実施形態において、第１ピンド層１１０”は、磁化１１５を有するピンド、またはレファレンス、層１１６、および磁化１１３を有するピニング層１１２、を含み、その各々が強磁性である。ピンド層１１２およびレファレンス層１１６は非磁性層１１４によって分離される。例えば、ピニング層１１２はＣｏＦｅを含んでよく、一方でレファレンス層１１６はＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢバイレイヤを含んでよい。第１ピンド層１１０”のみが多層を含むように示されているが、第２ピンド層１５０”または第１ピンド層１１０”および第２ピンド層１５０”の双方が、レファレンス層１１６およびピニング層１１２などの多層を含んでよい。
【００２４】
図５は、薄い非磁性スペーサ／バリア層１２０'''、および薄い非磁性スペーサ／バリア層１４０'''と比較して基板１０１'''から離れた厚い非磁性スペーサ／バリア層１４０'''を有する逆デュアル磁気接合１００'''の他の実施形態を示す。逆デュアル磁気接合１００'''の各部は、逆デュアル磁気接合１００、１００’、および１００”のものと類似する。類似する部分は同じ番号で参照される。結果的に、磁気接合１００'''は、第１ピンド層１１０'''、第１非磁性スペーサ層１２０'''、フリー層１３０'''、第２非磁性スペーサ層１４０'''、および第２ピンド層１５０'''を含み、これらは各々第１ピンド層１１０／１１０’／１１０”、第１非磁性スペーサ層１２０／１２０’／１２０”、フリー層１３０／１３０’／１３０”、第２非磁性スペーサ層１４０／１４０’／１４０”、および第２ピンド層１５０／１５０’／１５０”と類似する。さらに任意のＡＦＭ層１０４'''および１６０'''並びに任意のシード層１０２'''および任意のキャップ層１７０'''が示されるが、これらは各々層１０４／１０４’／１０４”、１６０／１６０’／１６０”、１０２／１０２’／１０２”、および１７０／１７０’／１７０”に類似する。層１０２'''、１０４'''、１１０'''、１２０'''、１３０'''、１４０'''、１５０'''、１６０'''、および１７０'''の構造および機能は、各々層１０２／１０２’／１０２”、１０４／１０４’／１０４”、１１０／１１０’／１１０”、１２０／１２０’／１２０”、１３０／１３０’／１３０”、１４０／１４０’／１４０”、１５０／１５０’／１５０”、１６０／１６０’／１６０”、および１７０／１７０’／１７０”に類似する。示された実施形態において、第１ピンド層１１０'''および第２ピンド層１５０'''の双方が多層を含む。第２ピンド層１５０”は、磁化１５５を有するピニング層１５６、非磁性層１５４、および磁化１５３を有するレファレンス層１５２を含む合成層である。さらに、第１ピンド層１１０'''は、各々磁化１１３’および１１７を有する２つのピニング層１１２’および１１８、並びに磁化１１５’を有するレファレンス層１１６’を含む。
【００２５】
図６は、薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０、および薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０と比較して基板から離れた厚い非磁性スペーサ／バリア層２４０を有する逆デュアル磁気接合２００の他の実施形態を示す。逆デュアル磁気接合２００の各部は、逆デュアル磁気接合１００、１００’、１００”、および１００'''のものと類似する。類似する部分は同じ番号で参照される。結果的に、磁気接合２００は、第１ピンド層２１０、第１非磁性スペーサ層２２０、フリー層２３０、第２非磁性スペーサ層２４０、および第２ピンド層２５０を含み、これらは各々第１ピンド層１１０／１１０’／１１０”／１１０'''、第１非磁性スペーサ層１２０／１２０’／１２０”／１２０'''、フリー層１３０／１３０’／１３０”／１３０'''、第２非磁性スペーサ層１４０／１４０’／１４０”／１４０'''、および第２ピンド層１５０／１５０’／１５０”／１５０'''と類似する。図示されていないが、ピンド層２１０および２５０のうち１つ以上に隣接する任意のＡＦＭ層が提供されてよい。さらに基板２０１上の任意のシード層２０２および任意のキャップ層２７０が示されるが、これらは各々層１０２／１０２’／１０２”／１０２'''、および層１７０／１７０’／１７０”に類似する。層２０２、２０４、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、および２７０の構造および機能は、各々層１０２／１０２’／１０２”／１０２'''、１０４／１０４’／１０４”／１０４'''、１１０／１１０’／１１０”／１１０'''、１２０／１２０’／１２０”／１２０'''、１３０／１３０’／１３０”／１３０'''、１４０／１４０’／１４０”／１４０'''、１５０／１５０’／１５０”／１５０'''、１６０／１６０’／１６０”／１６０'''、および１７０／１７０’／１７０”／１７０'''に類似する。示される実施形態において、磁化２１１、２３１、および２５１は膜面垂直である。磁化２１１、２３１、および２５１は、図６において膜面垂直のみの成分を有するように示されており、図１〜５は面内のみであるが、膜面垂直および面内が混合して使用されてよい。さらに、層２１０、２２０、および２３０は単一の層として示されるが、合成反強磁性体を含む多層が使用されてよい。
【００２６】
図７は、薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０’、および薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０’と比較して基板から離れた厚い非磁性スペーサ／バリア層２４０’を有する逆デュアル磁気接合２００’の他の実施形態を示す。逆デュアル磁気接合２００’の各部は、逆デュアル磁気接合２００のものと類似する。類似する部分は同じ番号で参照される。結果的に、磁気接合２００’は、第１ピンド層２１０’、第１非磁性スペーサ層２２０’、フリー層２３０’、第２非磁性スペーサ層２４０’、および第２ピンド層２５０’を含み、これらは各々第１ピンド層２１０、第１非磁性スペーサ層２２０、フリー層２３０、第２非磁性スペーサ層２４０、および第２ピンド層２５０と類似する。図示されていないが、ピンド層２１０’および２５０’のうち１つ以上に隣接する任意のＡＦＭ層が提供されてよい。さらに基板２０１’上の任意のシード層２０２’および任意のキャップ層２７０’が示されるが、これらは各々層２０２、および層２７０に類似する。層２０２’、２０４’、２１０’、２２０’、２３０’、２４０’、２５０’、２６０’、および２７０’の構造および機能は、各々層２０２、２０４、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０、２６０、および２７０に類似する。図示される実施形態において、幾つかの層の磁化は膜面垂直であり、一方で他は面内である。ピンド層２１０’および２５０’の磁化２１１’および２５１’は、互いに垂直である。特に、図７において、第２ピンド層２５０’は膜面垂直な磁化を有し、一方で第１ピンド層２１０’は面内の磁化を有する。他の実施形態において、フリー層２３０’は図示されるように面内ではなく膜面垂直な磁化２３１’を有してよい。図７において磁化は膜面垂直のみ、または面内のみの成分を有するように示されるが、特定の層に関して膜面垂直および面内が混合されて使用されてよい。さらに、層２１０’、２２０’、および２３０’は単一の層として示されるが、合成反強磁性体を含む多層が使用されてよい。
【００２７】
図８は、薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０”、および薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０”と比較して基板から離れた厚い非磁性スペーサ／バリア層２４０”を有する逆デュアル磁気接合２００”の他の実施形態を示す。逆デュアル磁気接合２００”の各部は、逆デュアル磁気接合２００および２００’のものと類似する。類似する部分は同じ番号で参照される。結果的に、磁気接合２００”は、第１ピンド層２１０”、第１非磁性スペーサ層２２０”、フリー層２３０”、第２非磁性スペーサ層２４０”、および第２ピンド層２５０”を含み、これらは各々第１ピンド層２１０／２１０’、第１非磁性スペーサ層２２０／２２０’、フリー層２３０／２３０’、第２非磁性スペーサ層２４０／２４０’、および第２ピンド層２５０／２５０’と類似する。図示されていないが、ピンド層２１０”および２５０”のうち１つ以上に隣接する任意のＡＦＭ層が提供されてよい。さらに基板２０１”上の任意のシード層２０２”および任意のキャップ層２７０”が示されるが、これらは各々層２０２／２０２’、および層２７０／２７０’に類似する。層２０２”、２０４”、２１０”、２２０”、２３０”、２４０”、２５０”、２６０”、および２７０”の構造および機能は、各々層２０２／２０２’、２０４／２０４’、２１０／２１０’、２２０／２２０’、２３０／２３０’、２４０／２４０’、２５０／２５０’、２６０／２６０’、および２７０／２７０’に類似する。図示される実施形態において、幾つかの層の磁化は膜面垂直であり、一方で他は面内である。ピンド層２１０”および２５０”の磁化２１１”および２５１”は、互いに垂直である。特に、図８において、第２ピンド層２５０”は面内磁化を有し、一方で第１ピンド層２１０”は膜面垂直の磁化を有する。他の実施形態において、フリー層２３０”は図示されるように面内ではなく膜面垂直な磁化２３１”を有してよい。図８において磁化は膜面垂直のみ、または面内のみの成分を有するように示されるが、特定の層に関して膜面垂直および面内が混合されて使用されてよい。さらに、層２１０”、２２０”、および２３０”は単一の層として示されるが、合成反強磁性体を含む多層が使用されてよい。
【００２８】
図９は、薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０'''、および薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０”と比較して基板２０１”から離れた厚い非磁性スペーサ／バリア層２４０'''を有する逆デュアル磁気接合２００'''の他の実施形態を示す。逆デュアル磁気接合２００'''の各部は、逆デュアル磁気接合２００、２００’および２００”のものと類似する。類似する部分は同じ番号で参照される。結果的に、磁気接合２００'''は、第１ピンド層２１０'''、第１非磁性スペーサ層２２０'''、フリー層２３０'''、第２非磁性スペーサ層２４０'''、および第２ピンド層２５０'''を含み、これらは各々第１ピンド層２１０／２１０’／２１０”、第１非磁性スペーサ層２２０／２２０’／２２０”、フリー層２３０／２３０’／２３０”、第２非磁性スペーサ層２４０／２４０’／２４０”、および第２ピンド層２５０／２５０’／２５０”と類似する。図示されていないが、ピンド層２１０'''および２５０'''のうち１つ以上に隣接する任意のＡＦＭ層が提供されてよい。さらに基板２０１'''上の任意のシード層２０２'''および任意のキャップ層２７０'''が示されるが、これらは各々層２０２／２０２’／２０２”、および層２７０／２７０’／２７０”に類似する。層２０２'''、２０４'''、２１０'''、２２０'''、２３０'''、２４０'''、２５０'''、２６０'''、および２７０'''の構造および機能は、各々層２０２／２０２’／２０２”、２０４／２０４’／２０４”、２１０／２１０’／２１０”、２２０／２２０’／２２０”、２３０／２３０’／２３０”、２４０／２４０’／２４０”、２５０／２５０’／２５０”、２６０／２６０’／２６０”、および２７０／２７０’／２７０”に類似する。図示される実施形態において、ピンド層２１０'''および２５０'''の磁化２１１'''および２５１'''は、互いに垂直である。しかしながら、磁化２１１'''および２５１'''はどちらも面内である。磁化２５１'''は、図９の紙面の面内または面外であってよく、フリー層２３０'''の容易軸に垂直である。層２１０'''、２２０'''、および２３０'''は単一の層として示されるが、合成反強磁性体を含む多層が使用されてよい。
【００２９】
図１０は、薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０''''、および薄い非磁性スペーサ／バリア層２２０'''と比較して基板２０１”から離れた厚い非磁性スペーサ／バリア層２４０''''を有する逆デュアル磁気接合２００''''の他の実施形態を示す。逆デュアル磁気接合２００''''の各部は、逆デュアル磁気接合２００、２００’、２００”および２００'''のものと類似する。類似する部分は同じ番号で参照される。結果的に、磁気接合２００''''は、第１ピンド層２１０''''、第１非磁性スペーサ層２２０''''、フリー層２３０''''、第２非磁性スペーサ層２４０''''、および第２ピンド層２５０''''を含み、これらは各々第１ピンド層２１０／２１０’／２１０”／２１０'''、第１非磁性スペーサ層２２０／２２０’／２２０”／２２０'''、フリー層２３０／２３０’／２３０”／２３０'''、第２非磁性スペーサ層２４０／２４０’／２４０”／２４０'''、および第２ピンド層２５０／２５０’／２５０”／２５０'''と類似する。図示されていないが、ピンド層２１０''''および２５０''''のうち１つ以上に隣接する任意のＡＦＭ層が提供されてよい。さらに基板２０１''''上の任意のシード層２０２''''および任意のキャップ層２７０''''が示されるが、これらは各々層２０２／２０２’／２０２”／２０２'''、および層２７０／２７０’／２７０”／２７０'''に類似する。層２０２''''、２０４''''、２１０''''、２２０''''、２３０''''、２４０''''、２５０''''、２６０''''、および２７０''''の構造および機能は、各々層２０２／２０２’／２０２”／２０２'''、２０４／２０４’／２０４”／２０４'''、２１０／２１０’／２１０”／２１０'''、２２０／２２０’／２２０”／２２０'''、２３０／２３０’／２３０”／２３０'''、２４０／２４０’／２４０”／２４０'''、２５０／２５０’／２５０”／２５０'''、２６０／２６０’／２６０”／２６０'''、および２７０／２７０’／２７０”／２７０'''に類似する。図示される実施形態において、ピンド層２１０''''および２５０''''の磁化２１１''''および２５１''''は、互いに垂直である。しかしながら、磁化２１１''''および２５１''''はどちらも面内である。磁化２１１''''は、図１０の紙面の面内または面外であってよく、フリー層２３０''''の容易軸に垂直である。層２１０''''、２２０''''、および２３０''''は単一の層として示されるが、合成反強磁性体を含む多層が使用されてよい。
【００３０】
図３−１０の逆デュアル磁気接合１００’、１００”、１００'''、２００、２００’、２００”、２００'''、および２００''''は、図２の逆デュアル磁気接合１００の利点の少なくとも幾つかを共有する。特に、磁気抵抗比またはバリア層のためのＴＭＲは有意に増加され得る。フリー層が上側（基板から離れた厚いバリア層）が底部側（基板に近い薄いバリア層）と比較して高いＴＭＲを有するように設計されることに留意されたい。さらに、第２ピンド層および厚いバリアは、第１ピンド層および基板に近い薄いバリア層と比較して高いＴＭＲを有するように設計されることが好ましい。例えば、第２ピンド層としてのＣｏＦｅＢ（ドープ）／ＣｏＦｅＢバイレイヤフリー層、上述の厚みを有するＭｇＯバリア層、およびＣｏＦｅＢまたはＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅバイレイヤの使用が好ましい。
【００３１】
図１１は、逆デュアル磁気接合を作製するための方法３００の例示的実施形態を示す。簡単のために、幾つかの段階は省略され、組み合わされ、または交互配置される。方法３００は、磁気接合１００との関連で記載される。しかしながら、方法３１０が接合１００、１００’、１００”、１００'''、２００、２００’、２００”、２００'''、および／または２００''''などの他の磁気接合において使用され得る。さらに、方法３００が磁気メモリの製造に組み込まれてよい。結果的に、方法３００はＳＴＴ−ＲＡＭ、または他の磁気メモリの製造において使用されてよい。方法３００は、シード層１０２および任意のＡＦＭ層１０４が提供された後、開始してよい。
【００３２】
段階３０２によってピンド層１１０が提供される。段階３０２は、ピンド層１１０の所定の厚みにおいて、所定の材料を堆積する段階を含んでよい。さらに、段階３０２はＳＡＦを提供する段階を含んでよい。
【００３３】
段階３０４によって非磁性スペーサ／バリア層１２０が提供される。段階３０４は、結晶ＭｇＯを含むがそれに限定されない、所定の非磁性材料を堆積する段階を含んでよい。さらに、材料の所定の厚みは段階３０４において堆積されてよい。
【００３４】
段階３０６によってフリー層１３０が提供される。段階３０８において、層１４０などの追加の非磁性スペーサ／バリア層が提供されてよい。段階３０８は、層１４０が層１２０と比較して厚いように非磁性スペーサ／バリア層１４０に十分な厚みを提供する段階を含む。特定の実施形態において、段階３０８は層１２０と比較して厚い結晶ＭｇＯの層を堆積する段階を含む。
【００３５】
段階３１０によって層１５０などの追加のピンド層が提供される。段階３１２によって製造が完了されてよい。例えば、反強磁性体層１６０および／またはキャップ層１７０が提供されてよい。磁気接合の層が積層されて堆積されその後画定される特定の実施形態において、段階３１２は磁気接合１００を画定する段階、アニールを実行する段階、または他の方法で磁気接合１００の作製を完了させる段階を含んでよい。さらに、もしも磁気接合１００がＳＴＴ−ＲＡＭなどのメモリ内部に組み込まれる場合、段階３１２はコンタクト、バイアス構造、およびメモリの他の部分を提供する段階を含んでよい。結果的に、磁気接合の利点が実現され得る。
【００３６】
さらに、磁気接合１００、１００’、１００”、１００'''、２００、２００’、２００”、２００'''、および／または２００''''は磁気メモリ内で使用されてよい。図１２は、そのようなメモリ４００の１つの例示的実施形態を示す。磁気メモリ４００は、リーディング／ライティングカラムセレクトドライバ４０２および４０６並びにワードラインセレクトドライバ４０４を含む。他のおよび／または異なる部品が提供されてよいことに留意されたい。メモリ４００の保存領域は磁気記憶素子４１０を含む。各磁気記憶素子は少なくとも１つの磁気接合４１２および少なくとも１つの選択装置４１４を含む。特定の実施形態において、選択装置４１４はトランジスタである。磁気接合４１２は、磁気接合１００、１００’、１００”、１００'''、２００、２００’、２００”、２００'''、および／または２００''''の１つであってよい。１つの磁気接合４１２が素子４１０毎に示されるが、他の実施形態において、素子毎に他の数の磁気接合４１２が提供されてよい。このように、磁気メモリ４００は、良好な信号などの上述の利点を有し得る。
【００３７】
様々な逆デュアル磁気接合１００、１００’、１００”、１００'''、２００、２００’、２００”、２００'''、および２００''''が開示された。逆デュアル接合１００、１００’、１００”、１００'''、２００、２００’、２００”、２００'''、および２００''''の様々な特徴が組み合わされてよいことに留意されたい。結果的に、向上された信号などの、磁気接合１００、１００’、１００”、１００'''、２００、２００’、２００”、２００'''、および２００''''の１つ以上の利点が実現され得る。
【００３８】
例えばスピントランスファートルクに基づくメモリなどの磁気メモリ素子において使用され得る逆デュアル磁気接合を提供するための方法およびシステム、および磁気メモリ素子を用いて作製されるメモリが記載されている。方法およびシステムはここに示される例示的実施形態に従って記述され、当業者は実施形態が変更されてよく、任意の変更は本発明の方法およびシステムの精神および範囲内にあることを容易に認識するだろう。例えば、図２−１０に示される１つ以上の逆デュアルＭＴＪの特徴を含む様々な組み合わせが使用されてよい。さらに、バリア層が記載されるけれども、他の非磁性スペーサ層が使用されてよい。したがって、添付する請求項の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更が当業者によってなされ得る。
【符号の説明】
【００３９】
１００  逆デュアル磁気接合
１０１  基板
１１０  第１ピンド層
１２０  第１非磁性スペーサ層
１３０  フリー層
１４０  第２非磁性スペーサ層
１５０  第２ピンド層
【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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【国際調査報告】
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