(57)【要約】磁気素子を提供するための方法及びシステムを開示する。本方法及びシステムには、固着層、自由層、及び固着層と自由層との間のスペーサ層を設ける段階を含む。スペーサ層は、絶縁性の層であり、また、規則的に配列された結晶構造を有する。また、スペーサ層は、スペーサ層をトンネル通過できるように構成される。一態様において、自由層には、スペーサ層に対して特定の結晶構造及び集合組織を有する単一の磁性層が含まれる。他の態様において、自由層には、２つの副層が含まれ、第１副層は、スペーサ層に対して特定の結晶構造及び集合組織を有し、第２副層は、より小さいモーメントを有する。更に他の態様において、本方法及びシステムは、更に、第２固着層、及び自由層と第２固着層との間に存在する非磁性の第２スペーサ層を設ける段階を含む。本磁気素子は、書き込み電流が磁気素子を通過する際、スピン転移により自由層を切り換えるように構成される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気素子であって、
固着層と、
絶縁性のスペーサ層であって、規則的に配列された結晶構造を有し、また、前記スペーサ層をトンネル通過できるように構成された前記スペーサ層と、
自由層であって、前記スペーサ層が前記固着層と前記自由層との間に存在する前記自由層と、
を備え、書き込み電流が前記磁気素子を通過する際、スピン転移により前記自由層を切り換えるように構成されている磁気素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気素子において、前記固着層は、第１の結晶学的組織を有し、前記スペーサ層は、第２の結晶学的組織を有する、磁気素子。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気素子において、前記第１の結晶学的組織及び前記第２の結晶学的組織は、互いに関連し、全て（１００）に配向されている、磁気素子。
【請求項４】
請求項２に記載の磁気素子において、前記自由層の少なくとも一部は、第３の結晶学的組織を有する、磁気素子。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気素子において、前記第１の結晶学的組織、前記第２の結晶学的組織、及び前記第３の結晶学的組織は、互いに関連し、全て（１００）に配向されている、磁気素子。
【請求項６】
請求項１に記載の磁気素子において、前記自由層には、第２の規則的に配列された結晶構造を有する単一の層、又は第１磁化を有する第１副層及び第２磁化を有する第２副層が含まれ、前記第１副層が前記スペーサ層と前記第２副層との間に存在し、前記第１副層は、第２の規則的に配列された結晶構造を有し、前記第１磁化及び前記第２磁化は、結合されている、磁気素子。
【請求項７】
請求項６に記載の磁気素子において、前記単一の自由層又は前記第１副層には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つ、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金が含まれる、磁気素子。
【請求項８】
請求項１に記載の磁気素子において、前記固着層には、第１の規則的に配列された結晶構造を有する単一の層、又は第１磁化を有する第１副層及び第２磁化を有する第２副層を備えた合成層が含まれ、前記第２副層が、前記スペーサ層に隣接して存在し、前記第２副層は、第１の規則的に配列された結晶構造を有し、前記第１磁化及び前記第２磁化は、結合されている、磁気素子。
【請求項９】
請求項８に記載の磁気素子において、前記単一の固着層又は前記第２副層には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つ、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金が含まれる、磁気素子。
【請求項１０】
請求項６に記載の磁気素子において、前記第２副層は、ＭＸの形態であり、ここで、Ｍには、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｎの内の少なくとも１つが含まれ、また、Ｘには、Ｂ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ又はＣｒの内の少なくとも１つが含まれる、磁気素子。
【請求項１１】
請求項６に記載の磁気素子において、前記第１副層は、第１の結晶学的組織を有し、前記スペーサ層は、第２の結晶学的組織を有し、前記第１の結晶学的組織及び前記第２の結晶学的組織は、互いに関連し、全て（１００）に配向されている、磁気素子。
【請求項１２】
請求項６に記載の磁気素子において、前記第２副層は、低磁化を有する、磁気素子。
【請求項１３】
請求項１２に記載の磁気素子において、前記低磁化は、１１００ｅｍｕ／立方センチメートル以下である、磁気素子。
【請求項１４】
請求項１に記載の磁気素子において、前記固着層は、第１強磁性層と、第２強磁性体と、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層を磁気的に結合するように構成された非磁性スペーサ層と、を含む合成固着層である、磁気素子。
【請求項１５】
請求項１に記載の磁気素子において、前記固着層には、第１強磁性層及び第２強磁性層が含まれ、前記第２強磁性層は、集合組織を有し、前記第１層と前記スペーサ層との間に存在する、磁気素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の磁気素子において、前記固着層には、更に、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に非磁性スペーサ層が含まれ、また、前記非磁性スペーサ層は、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、及びＣｕの内の少なくとも１つを含む、磁気素子。
【請求項１７】
磁気素子であって、
固着層と、
絶縁性のスペーサ層であって、第１の規則的に配列された結晶構造を有し、また、前記スペーサ層をトンネル通過できるように構成された前記スペーサ層と、
自由層であって、前記スペーサ層が前記固着層と前記自由層との間に存在し、前記自由層は、第１磁化を有する第１副層と、第２磁化及び低磁気モーメントを有する第２副層とを含み、前記第１副層が前記スペーサ層と前記第２副層との間に存在し、前記第１副層は、第２の規則的に配列された結晶構造を有し、前記第１磁化及び前記第２磁化は、結合されている前記自由層と、
を備え、書き込み電流が前記磁気素子を通過する際、スピン転移により前記自由層を切り換えるように構成されている磁気素子。
【請求項１８】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記固着層は、第１集合組織を有し、前記スペーサ層は、第２集合組織を有し、前記自由層は、第３集合組織を有し、前記第１集合組織、前記第２集合組織、及び前記第３集合組織は、互いに関連し、全て（１００）に配向されている、磁気素子。
【請求項１９】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記第１副層には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つ、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金が含まれる、磁気素子。
【請求項２０】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記固着層には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つ、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金が含まれる、磁気素子。
【請求項２１】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記第２副層は、ＭＸの形態であり、ここで、Ｍには、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｎの内の少なくとも１つが含まれ、また、Ｘには、Ｂ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ又はＣｒの内の少なくとも１つが含まれる、磁気素子。
【請求項２２】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記低磁化は、１１００ｅｍｕ／立方センチメートル以下である、磁気素子。
【請求項２３】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記固着層は、
第１強磁性層と、第２強磁性体と、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層を磁気的に結合するように構成された非磁性スペーサ層と、を含む合成固着層である、磁気素子。
【請求項２４】
請求項２３に記載の磁気素子において、前記固着層には、更に、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に非磁性スペーサ層が含まれ、また、前記非磁性スペーサ層は、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、及びＣｕの内の少なくとも１つを含む、磁気素子。
【請求項２５】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記スペーサ層には、少なくとも１０原子パーセントのＭｇが含まれる、磁気素子。
【請求項２６】
請求項２５に記載の磁気素子において、前記スペーサ層は、ＭｇＯである、磁気素子。
【請求項２７】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記固着層は、体心立方構造を有し、前記第１の規則的に配列された結晶構造は、ＮａＣｌ構造であり、前記第２の規則的に配列された結晶構造は、体心立方である、磁気素子。
【請求項２８】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記第２副層は、非晶質である、磁気素子。
【請求項２９】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記自由層は、更に、前記第１副層と前記第２副層との間に非磁性スペーサ層を含む、磁気素子。
【請求項３０】
請求項１７に記載の磁気素子であって、更に、スピン蓄積層を備え、前記自由層が、前記スペーサ層と前記スピン蓄積層との間に存在する、磁気素子。
【請求項３１】
請求項３０に記載の磁気素子において、前記スピン蓄積層には、Ｃｕ及びＲｕの内の少なくとも１つが含まれる、磁気素子。
【請求項３２】
請求項３０に記載の磁気素子であって、更に、スピン障壁層を備え、前記スピン蓄積層が、前記自由層と前記スピン障壁層との間に存在する、磁気素子。
【請求項３３】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記自由層は、前記固着層より基板に近い、磁気素子。
【請求項３４】
請求項１７に記載の磁気素子において、前記固着層は、前記自由層より基板に近い、磁気素子。
【請求項３５】
磁気素子であって、
第１固着層と、
絶縁性の絶縁スペーサ層であって、規則的に配列された結晶構造を有し、また、前記絶縁スペーサ層をトンネル通過できるように構成された前記絶縁スペーサ層と、
自由層であって、前記絶縁スペーサ層が前記固着層と前記自由層との間に存在する前記自由層と、
非磁性のスペーサ層であって、前記スペーサ層は、導電性層又は絶縁トンネル通過層のいずれかであり、前記自由層が、前記絶縁スペーサ層と前記スペーサ層との間に存在する前記スペーサ層と、
第２固着層であって、前記スペーサ層が前記自由層と前記第２固着層との間に存在する前記第２固着層と、
を備え、書き込み電流が前記磁気素子を通過する際、スピン転移により前記自由層を切り換えるように構成されている磁気素子。
【請求項３６】
磁気素子であって、
第１固着層と、
絶縁性の絶縁スペーサ層であって、第１の規則的に配列された結晶構造及び第２集合組織を有し、また、前記絶縁スペーサ層をトンネル通過できるように構成された前記絶縁スペーサ層と、
自由層であって、前記絶縁スペーサ層が前記固着層と前記自由層との間に存在し、前記自由層は、第１磁化を有する第１副層と第２磁化を有する第２副層とを含み、前記第１副層が前記絶縁スペーサ層と前記第２副層との間に存在し、前記第１副層は、第３集合組織を備えた第２の規則的に配列された結晶構造を有し、前記第１磁化及び前記第２磁化は、結合されている前記自由層と、
非磁性のスペーサ層であって、導電性又は絶縁性トンネル通過層のいずれかであり、また、前記自由層が前記絶縁スペーサ層と前記スペーサ層との間に存在する前記スペーサ層と、
第２固着層であって、前記スペーサ層が前記自由層と前記第２固着層との間に存在する前記第２固着層と、
を備え、書き込み電流が前記磁気素子を通過する際、スピン転移により前記自由層を切り換えるように構成されている磁気素子。
【請求項３７】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記第１固着層は、第１集合組織を有し、前記絶縁スペーサ層は、第２集合組織を有し、前記自由層は、第３集合組織を有し、前記第１集合組織、前記第２集合組織、及び前記第３集合組織は、特定の結晶学的方位関係を有する、磁気素子。
【請求項３８】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記第１副層には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つ、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金が含まれる、磁気素子。
【請求項３９】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記第１固着層には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つ、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金が含まれる、磁気素子。
【請求項４０】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記第２副層は、低磁気モーメントを有する、磁気素子。
【請求項４１】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記第２副層は、ＭＸの形態であり、ここで、Ｍには、Ｃｏ、Ｆｅ、ＮｉＣｒ及びＭｎの内の少なくとも１つが含まれ、Ｘには、Ｂ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ又はＣｒの内の少なくとも１つが含まれる、磁気素子。
【請求項４２】
請求項４０に記載の磁気素子において、前記低磁気モーメントは、１１００ｅｍｕ／立方センチメートル以下である、磁気素子。
【請求項４３】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記第１固着層及び前記第２固着層の内の少なくとも１つは、第１強磁性層と、第２強磁性体と、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層を磁気的に結合するように構成された非磁性スペーサ層と、を含む合成固着層である、磁気素子。
【請求項４４】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記絶縁スペーサ層には、少なくとも１０原子パーセントのＭｇが含まれる、磁気素子。
【請求項４５】
請求項４４に記載の磁気素子において、前記絶縁スペーサ層は、ＭｇＯである、磁気素子。
【請求項４６】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記第１固着層は、体心立方構造を有し、前記第１の規則的に配列された結晶構造は、ＮａＣｌ構造であり、前記第２の規則的に配列された結晶構造は、体心立方である、磁気素子。
【請求項４７】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記第２副層は、非晶質である、磁気素子。
【請求項４８】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記自由層は、更に、前記第１副層と前記第２副層との間に非磁性スペーサ層を含む、磁気素子。
【請求項４９】
請求項３６に記載の磁気素子であって、更に、スピン蓄積層を備え、前記スピン蓄積層は、前記スペーサ層と前記第２固着層との間に存在する、磁気素子。
【請求項５０】
請求項４９に記載の磁気素子において、前記スピン蓄積層には、Ｃｕ及びＲｕの内の少なくとも１つが含まれる、磁気素子。
【請求項５１】
請求項４９に記載の磁気素子であって、更に、スピン障壁層を備え、前記スピン障壁層が、前記スピン蓄積層と前記第２固着層との間に存在する、磁気素子。
【請求項５２】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記自由層は、前記第１固着層より基板に近い、磁気素子。
【請求項５３】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記第１固着層は、前記自由層より基板に近い、磁気素子。
【請求項５４】
請求項３６に記載の磁気素子において、前記固着層には、第１層及び第２層が含まれ、前記第２層は、前記第１層と前記スペーサ層との間に存在する、磁気素子。
【請求項５５】
磁気素子を提供するための方法であって、
固着層を提供する段階と、
絶縁性のスペーサ層を提供する段階であって、前記スペーサ層は、規則的に配列された結晶構造を有し、また、前記スペーサ層は、前記スペーサ層をトンネル通過できるように構成されている前記段階と、
自由層を提供する段階であって、前記スペーサ層が前記固着層と前記自由層との間に存在する前記段階と、
を備え、前記磁気素子は、書き込み電流が前記磁気素子を通過する際、スピン転移により前記自由層を切り換えるように構成されている、方法。
【請求項５６】
請求項５５に記載の方法において、前記自由層を提供する段階には、更に、
第１磁化を有する第１副層を提供する段階と、
第２磁化を有する第２副層を提供する段階と、が含まれ、
前記第１副層が、前記スペーサ層と前記第２副層との間に存在し、前記第１副層は、第２の規則的に配列された結晶構造を有し、前記第１磁化及び前記第２磁化は、結合されている、方法。
【請求項５７】
請求項５６に記載の方法において、前記第１副層は、第１の結晶学的組織を有し、前記スペーサ層は、第２の結晶学的組織を有し、前記第１の結晶学的組織及び前記第２の結晶学的組織は、互いに関連し、全て（１００）に配向されている、方法。
【請求項５８】
請求項５５に記載の方法において、前記固着層は、第１強磁性層と、第２強磁性体と、前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層を磁気的に結合するように構成された非磁性スペーサ層と、を含む合成固着層である、方法。
【請求項５９】
磁気素子を提供するための方法であって、
第１固着層を提供する段階と、
絶縁性の絶縁スペーサ層を提供する段階であって、前記絶縁スペーサ層は、規則的に配列された結晶構造を有し、また、前記絶縁スペーサ層は、前記絶縁スペーサ層をトンネル通過できるように構成されている前記段階と、
自由層を提供する段階であって、前記絶縁スペーサ層が前記固着層と前記自由層との間に存在する前記段階と、
非磁性のスペーサ層を提供する段階であって、前記スペーサ層は、導電性又は絶縁性のいずれかであり、前記自由層が前記絶縁スペーサ層と前記スペーサ層との間に存在する前記段階と、
第２固着層を提供する段階であって、前記スペーサ層が前記自由層と前記第２固着層との間に存在する前記段階と、
を備え、前記磁気素子は、書き込み電流が前記磁気素子を通過する際、スピン転移により前記自由層を切り換えるように構成されている、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、改善された信号を有し、また、スピン転移効果を用いて低スイッチング電流で切り換え得る磁気素子を提供するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１Ａ及び１Ｂは、従来の磁気素子１０及び１０’を示す。このような従来の磁気素子１０／１０’は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等の不揮発性メモリに用い得る。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、従来の固着層１４、従来の非磁性スペーサ層１６及び従来の自由層１８を含む。シード層やキャップ層などの他の層（図示せず）も用い得る。従来の固着層１４及び従来の自由層１８は、強磁性である。従って、従来の自由層１８は、変更可能な磁化１９を有するものとして示す。従来の非磁性スペーサ層１６は、導電性である。ＡＦＭ層１２は、固着層１４の磁化を特定の方向に固定、即ち、固着するために用いられる。自由層１８の磁化は、通常、外部磁場に応じて自由に回転する。図１Ｂに示す従来の磁気素子１０’は、スピントンネル接合である。従来のスピントンネル接合１０’の複数の部位は、従来のスピンバルブ１０に類似している。しかしながら、従来の障壁層１６’は、従来のスピントンネル接合１０’において、電子がトンネル通過するのに充分な程薄い。
【０００３】
従来の自由層１８／１８’及び従来の固着層１４／１４’のそれぞれの磁化１９／１９’の向きに応じて、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、従来の固着層１４／１４’の磁化と平行である場合、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、従来の固着層１４／１４’の磁化に反平行である場合、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’の抵抗を検出するには、従来の磁気素子１０／１０’に電流を流す。通常、メモリ用途では、電流は、ＣＰＰ（面に対し垂直な電流）構成で、従来の磁気素子１０／１０’の層に対して垂直（上下、図１Ａ又は１Ｂに示すｚ方向）に流される。通常、従来の磁気素子１０／１０’両端間の電圧降下の大きさを用いて測定される抵抗の変化に基づき、抵抗状態、従って、従来の磁気素子１０／１０’に記憶されるデータを決定し得る。
【０００５】
特定の材料を用いて、従来の磁気素子１０’の高抵抗状態と低抵抗状態との間における抵抗の差の大きさを増大させることが提案されている。特に、エピタキシャル又は高度集合組織のＦｅ又はＣｏを固着層１４’及び自由層１８’に用い、また、エピタキシャル又は高度集合組織のＭｇＯを従来の障壁層１６’に用いることが提案されている。このような構造の場合、大きな磁気抵抗効果、即ち、最大数百パーセントの高抵抗状態と低抵抗状態との間の差を達成し得る。
【０００６】
スピン転移は、従来の自由層１８／１８’の磁化１９／１９’を切り換え、これによって、従来の磁気素子１０／１０’にデータを記憶するために用い得る現象である。スピン転移について、従来の磁気素子１０’の文脈で述べるが、従来の磁気素子１０にも同様に適用可能である。スピン転移現象の以下の説明は、現在の知見に基づくものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではない。
【０００７】
スピン偏極電流が、ＣＰＰ構成のスピントンネル接合１０’等の磁性多層を横断する場合、強磁性層に入射する電子のスピン角運動量の一部は、強磁性層に転移し得る。従来の自由層１８’に入射する電子は、それらのスピン角運動量の一部を従来の自由層１８’に転移し得る。その結果、電流密度が充分に高く（約１０７乃至１０８Ａ／ｃｍ２）、また、スピントンネル接合の横方向の寸法が小さい（約２００ナノメートル未満）ならば、スピン偏極電流は、従来の自由層１８’の磁化１９’方向を切り換え得る。更に、スピン転移が従来の自由層１８’の磁化１９’方向を切り換え得るには、従来の自由層１８’は、充分に薄い方が良く、例えば、一般的には、Ｃｏの場合、約１０ナノメートル未満である方が良い。スピン転移に基づく磁化のスイッチングは、他のスイッチングメカニズムより優れており、従来の磁気素子１０／１０’の横方向の寸法が小さく、数百ナノメートルの範囲にある場合、識別可能になる。従って、スピン転移は、小さい磁気素子１０／１０’を有する高密度磁気メモリに適している。
【０００８】
スピン転移は、従来のスピントンネル接合１０’の従来の自由層１８’の磁化方向を切り換えるために外部スイッチング場を用いることに対する他の選択肢又は追加としてＣＰＰ構成に用い得る。例えば、従来の自由層１８’の磁化１９’は、従来の固着層１４’の磁化に反平行な方向から従来の固着層１４’の磁化に平行な方向に切り換え得る。電流は、従来の自由層１８’から従来の固着層１４’に流される（伝導電子は、従来の固着層１４’から従来の自由層１８’に移動する）。従来の固着層１４’から移動する多数電子のスピンは、従来の固着層１４’の磁化と同じ方向に偏極される。これらの電子は、それらの充分な量の角運動量を従来の自由層１８’に転移して、従来の自由層１８’の磁化１９’を従来の固着層１４’のそれに平行になるように切り換え得る。他の選択肢として、自由層１８’の磁化は、従来の固着層１４’の磁化に平行な方向から従来の固着層１４’の磁化に反平行に切り換え得る。電流が、従来の固着層１４’から従来の自由層１８’に流される（伝導電子が反対方向に移動する）場合、多数電子のスピンは、従来の自由層１８’の磁化の方向に偏極される。これらの多数電子は、従来の固着層１４’によって透過される。少数電子は、従来の固着層１４’から反射され、従来の自由層１８’に戻り、それらの充分な量の角運動量を転移して、自由層１８’の磁化１９’を従来の固着層１４’のそれに反平行に切り換え得る。
【０００９】
スピン転移は、従来の自由層１８／１８’の磁化１９／１９’のスイッチングに用い得るが、通常、高い電流密度が必要なことを当業者は容易に認識されるであろう。特に、磁化１９／１９’の切り換えに必要な電流は、臨界電流と称される。上述したように、臨界電流は、少なくとも約１０７Ａ／ｃｍ２である臨界電流密度に対応する。また、当業者は、そのように高い電流密度が意味することは、高い書き込み電流及び小さい磁気素子サイズが必要であることを容易に認識されるであろう。
【００１０】
磁化１９／１９’のスイッチングに高い臨界電流を用いると、このような磁気メモリにおける従来の磁気素子１０／１０’の有用性及び信頼性に悪影響が及ぶ。高い臨界電流は、高い書き込み電流に対応する。高い書き込み電流を用いると、消費電力が増大し、望ましくない。高い書き込み電流を用いると、絶縁トランジスタ等の更に大きな構造体を従来の磁気素子１０／１０’に用いてメモリセルを形成することが必要な場合がある。その結果、このようなメモリの面密度は減少する。更に、抵抗が高く、従って、信号が大きい従来の磁気素子１０’は、高い書き込み電流で従来の障壁層１６’が絶縁破壊を受け易くなり得ることから、信頼度が低下することがある。従って、高信号読み出しは達成し得るが、従来の磁気素子１０／１０’は、スピン転移を用いて従来の磁気素子１０／１０’に書き込みを行う従来の高密度ＭＲＡＭでの用途には不適切なことがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、必要とされるものは、低書き込み電流でスピン転移を用いて切り換え得る磁気メモリ要素を提供するためのシステム及び方法である。本発明は、そのようなニーズに対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、磁気素子を提供するための方法及びシステムを提供する。本方法及びシステムには、固着層、自由層、及び固着層と自由層との間のスペーサ層を提供する段階が含まれる。スペーサ層は、絶縁性の層であり、また、規則的に配列された結晶構造を有する。また、スペーサ層は、スペーサ層をトンネル通過できるように構成される。更に、一態様において、本方法及びシステムには、第２固着層と、非磁性であり、導電性又は絶縁性のいずれかであり、また、自由層と第２固着層との間に存在する第２スペーサ層と、を提供する段階が含まれる。本磁気素子は、書き込み電流が磁気素子を通過する際、スピン転移により自由層を切り換えるように構成される。
【００１３】
本明細書に開示する方法及びシステムによれば、本発明は、大きい信号を有し、また、低書き込み電流でスピン転移を用いて書き込み可能な磁気素子を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、磁気素子及びＭＲＡＭ等の磁気メモリに関する。以下の説明は、当業者が本発明を実現し用いるために提示し、また、特許出願及びその要求事項という文脈で提供する。好適な実施形態に対する様々な修正並びに本明細書に述べる全般的な原理及び特徴は、当業者には容易に明らかであろう。従って、本発明は、例示した実施形態に限定することを意図するものではなく、本明細書に述べる原理及び特徴と合致する最も広い範囲に適合するものである。
【００１５】
図２は、磁気素子として用い得る二重スピンフィルタ７０と称される磁気素子の一実施形態の図である。二重スピンフィルタ７０は、好適には、適切なシード層上に組み立てられる。二重スピンフィルタ７０には、反強磁性（ＡＦＭ）層７１が含まれ、その上には、固着層７２が組み立てられる。固着層７２は、強磁性であり、その磁化は、ＡＦＭ層７１によって固着される。更に、二重スピンフィルタ７０は、第１スペーサ層７３を含む。第１スペーサ層７３は、電荷キャリアが固着層７２と自由層７４との間をトンネル通過できるほどに充分薄い絶縁性の障壁層７３であってよい。他の選択肢として、第１スペーサ層７３は、絶縁基材（特に明示しない）内に存在する導電性チャネル（特に図示しない）を含む電流狭窄層であってよい。そのような構造において、固着層７２と自由層７４との間の電流の伝導は、導電性チャネルにおいて狭窄される。自由層７４は、強磁性であり、スピン転移現象により変更し得る磁化を有する。二重スピンフィルタ７０には、更に、Ｃｕ等の材料を含み得る導電性の非磁性スペーサ層７５を含む。二重スピンフィルタ７０には、ＡＦＭ層７７によって磁化が固着される強磁性の第２固着層７６が含まれる。二重スピンフィルタ７０は、スピントンネル接合又は電流狭窄接合（層７１、７２、７３及び７４を含む）及びスピンバルブ（層７４、７５、７６、及び７７を含む）から構成され、自由層７４を共有すると見なし得る。その結果、スピン転移を用いた書き込みを可能にしつつ、高い読み出し信号を実現し得る。層７２、７４及び７６は、単一の強磁性膜として説明するが、合成であってよく、及び／又は、不純物を添加して、二重スピンフィルタ７０の熱的安定性を改善してよい。また、自由層が静磁気的に結合された二重スピンフィルタを含む、静磁気的に結合される自由層を有する他の磁気素子について説明した。従って、スピントンネル接合又は二重スピンフィルタ等の磁気素子を用いる他の構造もまた提供し得る。
【００１６】
二重スピンフィルタ７０は、スピン転移を用いて自由層７４の磁化を切り換え得るように構成される。その結果、二重スピンフィルタ７０の大きさは、好適には、小さく、数百ナノメートルの範囲であり、それ自体の電界の影響が減少する。好適な実施形態において、二重スピンフィルタ７０の大きさは、二百ナノメートル未満であり、好適には、約百ナノメートルである。二重スピンフィルタ７０は、好適には、図２の紙面に対して垂直に約５０ナノメートルの深さを有する。この深さは、好適には、二重スピンフィルタ７０の幅より小さく、このため二重スピンフィルタ７０が何らかの形状異方性を有し、自由層７４は、確実に好適な方向を有する。更に、自由層７４の厚さは充分小さいため、スピン転移は、自由層磁化を回転して固着層７２及び７６の磁化と一致させるのに充分な程強い。好適な実施形態において、自由層７４は、１０ｎｍ以下の厚さを有する。更に、二重スピンフィルタ７０が好適な大きさを有する場合、１０７Ａ／ｃｍ２オーダーの充分な電流密度を相対的に小さい電流で提供し得る。例えば、０．０６ｘ０．１２μｍ２の楕円二重スピンフィルタ７０の場合、約１０７Ａ／ｃｍ２の電流密度を約０．５ｍＡの電流で提供し得る。その結果、極めて高い電流を出力するための特別な回路の使用を回避し得る。
【００１７】
従って、二重スピンフィルタ７０を用いると、スイッチングメカニズムとしてスピン転移を用いることや信号の改善が可能になる。更に、二重スピンフィルタ７０は、それが相対的に低い面抵抗を保有するように、組み立て得る。例えば、３０オーム／μｍ２未満の面抵抗を達成し得る。更に、自由層７４の磁化は、相対的に低く維持でき、これによって二重スピンフィルタ７０の臨界電流を低減し得る。
【００１８】
上述した磁気素子７０は、その意図した目的のために良好に機能し得るが、当業者は、磁気素子７０を切り換えるのに必要な臨界電流を低減することが望ましいことも認識されるであろう。また、磁気素子７０からの信号を大きくすることも望ましい。
【００１９】
本発明は、磁気素子を提供するための方法及びシステムを提供する。本方法及びシステムには、固着層、自由層、及び固着層と自由層との間のスペーサ層を提供する段階が含まれる。スペーサ層は、絶縁性であり、規則的に配列された結晶構造を有する。また、スペーサ層は、スペーサ層をトンネル通過できるように構成される。一態様において、本方法及びシステムには、更に、第２固着層と、自由層と第２固着層との間に存在する導電性で非磁性の第２スペーサ層と、を提供する段階を含む。磁気素子は、書き込み電流が磁気素子を通過する際、スピン転移により自由層を切り換えるように構成される。
【００２０】
本発明について、特定の磁気メモリ、及び或る構成要素を有する特定の磁気素子の観点で述べる。しかしながら、当業者は、この方法及びシステムが、異なる及び／又は追加の構成要素を有する他の磁気メモリ要素、及び／又は異なる及び／又は本発明と矛盾しない他の特徴を有する他の磁気メモリに対して効果的に作用することを容易に認識されるであろう。また、本発明について、スピン転移現象に関する現在の理解の文脈で説明する。従って、本方法及びシステムの振る舞いの理論的説明は、このスピン転移の現在の理解に基づき行われることを当業者は容易に認識されるであろう。また、本方法及びシステムは、基板との特定の関係を有する構造という文脈で説明されることを当業者は容易に認識されるであろう。しかしながら、本方法及びシステムは、他の構造と整合性があることを当業者は容易に認識されるであろう。更に、本方法及びシステムは、或る層が合成及び／又は単一であるという文脈で説明される。しかしながら、これらの層は、他の構造を有し得ることを当業者は容易に認識されるであろう。更に、本発明について、磁気素子が特定の層を有するという文脈で述べる。しかしながら、当業者は、本発明と矛盾しない追加の及び／又は異なる層を有する磁気素子も用い得ることを容易に認識されるであろう。更に、或る構成要素は、強磁性であると説明される。しかしながら、本明細書に用いる用語“強磁性”には、フェリ磁性又は同様な構造を含み得る。従って、本明細書に用いる用語“強磁性”には、これに限定するものではないが、強磁性体及びフェリ磁性体が含まれる。また、本発明について、単一の要素という文脈で説明する。しかしながら、本発明が、多数の要素、ビットライン、及びワードラインを有する磁気メモリの用途と整合性があることを当業者は容易に認識されるであろう。
【００２１】
図３は、スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子１００の第１実施形態の上層図である。磁気素子１００には、固着層１０２、スペーサ層１０４、及び自由層１０６が含まれる。好適な実施形態において、磁気素子１００には、更に、好適には、ＡＦＭ層である固定層（図示せず）が含まれる。固着層１０２は、単層として示すが、非磁性スペーサ層によって分離された２つの強磁性層を含む合成固着層であってよい。非磁性スペーサ層の厚さは、強磁性層の磁化が反強磁性的に結合されるように構成される。好適な実施形態において、固着層１０２即ちスペーサ層１０４に隣接する強磁性層は、体心立方（ｂｃｃ）構造を有する。好適な実施形態において、固着層１０２即ちスペーサ層１０４に隣接する強磁性層は、集合組織（ｔｅｘｔｕｒｅ）を有する。好適な実施形態において、この集合組織は、ｂｃｃ結晶構造の場合、（１００）である。従って、固着層１０２内の粒子の場合、（１００）方向は、好適には、層の面に対して垂直である。言い換えると、固着層１０２の大多数の粒子が、層の面に対して垂直な（１００）方向を有する。また、好適な実施形態において、固着層１０２即ちスペーサ層１０４に隣接する強磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つを含む金属合金、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金であり、この場合、非晶質材料は、後熱処理及び再結晶後、所望の集合組織を備えた結晶構造に変わる。
【００２２】
スペーサ層１０４は、絶縁性である。また、スペーサ層１０４は、規則的に配列された結晶構造を有する。言い換えると、スペーサ層１０４は、非晶質ではない。また、スペーサ層は、好適には、集合組織を有する。好適な実施形態において、固着層１０２即ちスペーサ層１０４に隣接する強磁性層の集合組織と、スペーサ層１０４の集合組織との間には、良好に定義された関係がある。好適な実施形態において、集合組織は、同じである。従って、好適な実施形態において、スペーサ層１０４の集合組織は、（１００）である。また、好適な実施形態において、スペーサ層１０４には、少なくとも１０原子パーセントのＭｇが含まれ、また、岩塩（ＮａＣｌ）構造を有する。従って、スペーサ層１０４は、好適には、ＭｇＯである。また、スペーサ層１０４は、スペーサ層をトンネル通過できるように構成される。その結果、好適な実施形態において、固着層１０２は、（１００）方位を有するｂｃｃ構造であり、他方、スペーサ層は、好適には、立方構造及び（１００）方位を有するＭｇＯである。
【００２３】
自由層１０６は、単層として示す。そのような実施形態において、自由層１０６は、好適には、ｂｃｃ結晶構造と、好適には、方位が（１００）である集合組織とを有する。他の実施形態において、自由層１０６には、好適には、２つの強磁性副層（分離して図示せず）が含まれる。スペーサ層１０４に最も近い第１副層は、好適には、ｂｃｃ結晶構造及び（１００）集合組織を有する。第２副層は、好適には、低磁気モーメントを有する。副層の磁化は、副層の磁化の相対的な方位が一定であるように緊密に結合される。自由層１０６は、更に、副層間に非磁性スペーサ層を含み得る。このような実施形態において、磁化は、非磁性スペーサ層を跨ぐ結合のために、反平行又は平行なままである。また、好適な実施形態において、自由層１０６又はその第１副層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つを含む金属合金、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金である。第２副層は、好適には、形態ＭＸを有し、ここで、Ｍは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ及びＭｎの内の少なくとも１つを含み、また、Ｘは、自由層のモーメントの低減を支援し得るＢ又はＴａ等の元素であってよく、又は、垂直異方性の低減を支援するＰｔ又はＰｄであってよい。
【００２４】
また、磁気素子１００は、書き込み電流が磁気素子１００を通過する際、スピン転移により自由層１０６を切り換え得るように構成される。従って、好適な実施形態では、幅ｗ等の自由層１０６の横方向寸法は、小さく、好適には、二百ナノメートル未満である。更に、自由層１０６が確実に特定の容易軸を有するように、好適には、何らかの差を横方向の寸法間に設ける。
【００２５】
従って、磁気素子１００は、スピン転移を用いて書き込み可能である。更に、スペーサ層１０４の結晶構造及びスペーサ層１０４と固着層１０２との集合組織間の関係のために、良好に定義された電子状態が、スペーサ層１０４を介したトンネル通過プロセスを支配する。このことは、更に、自由層１０６の集合組織によって改善される。その結果、磁気素子１００の磁気抵抗効果信号は、増大させ得る。従って、磁気素子１００からの信号が増大する。更に、スペーサ層１０４を介した良好なスピン分極が改善される。自由層１０６の磁化を切り換えるのに必要な臨界電流は、スピン分極に関係するスピン転移効率に反比例する。その結果、自由層１０６の磁化を切り換えるのに必要な臨界電流は、低減し得る。従って、高密度磁気メモリに用いる磁気素子１００の消費電力及び能力を改善し得る。
【００２６】
図４は、スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子１１０の第１実施形態の好適なバージョンの更に詳細な図である。磁気素子１１０は、磁気素子１００と類似している。磁気素子１１０には、磁気素子１００の固着層１０２、スペーサ層１０４、及び自由層１０６と類似した固着層１１６、スペーサ層１１８、及び自由層１２０が含まれる。自由層１２０には、第１副層１２２、オプションの非磁性スペーサ層１２４、及び第２副層１２６が含まれる。
【００２７】
磁気素子１１０は、好適には、更に、固定層１１４を含む。底部コンタクト１１２及び頂部コンタクト１２８も示す。底部コンタクト１１２及び頂部コンタクト１２８は、磁気素子１１０に電流をＣＰＰ方向に流すために用いられる。固定層１１４は、好適には、ＡＦＭ層である。ＡＦＭ層１１４は、規則的に配列された結晶構造を有し、また、好適には、特定の集合組織を有する。更に、シード層（図示せず）を用いて、ＡＦＭ層１１４の所望の集合組織を提供し得る。例えば、ＩｒＭｎをＡＦＭ層１１４に用いる場合、β−ＴａとＴａＮとの混合であるＴａ（Ｎ）下地層を用いて、ＩｒＭｎ＿ＡＦＭ層１１４が（００２）の集合組織を有する面心立方（ｆｃｃ）であることを保証する。ＡＦＭ層１１４は、好適には、交換結合を介して、固着層１１６の磁化を固着する。
【００２８】
固着層１１６は、その磁化が固定層１１４によって固着される。スペーサ層１１８に隣接する固着層１１６の部位は、集合組織を有する。好適な実施形態において、スペーサ層に隣接する固着層の部位は、（００１）の好適な垂直集合組織を備えたｂｃｃ結晶構造を有する。更に、固着層１１６は、単層として示すが、他の構造を有し得る。例えば、固着層１１６は、二重層であってよい。そのような実施形態において、ＡＦＭ層１１４に隣接する固着層１１６の層は、固着層１１６の磁化を固着するＡＦＭ層１１４の能力を改善するように構成される。他方の二重層は、上述した集合組織を有するように構成される。固着層１１６は、非磁性スペーサ層によって分離された２つの強磁性層を含む合成固着層であってよい。非磁性スペーサ層の厚さは、強磁性層の磁化が反強磁性的に結合されるように構成される。
【００２９】
スペーサ層１１８は、絶縁性である。また、スペーサ層１１８は、規則的に配列された結晶構造を有する。言い換えると、スペーサ層１１８は、非晶質ではない。また、スペーサ層は、好適には、集合組織を有する。好適な実施形態において、固着層１１６即ちスペーサ層１１８に隣接する固着層１１６の副層の集合組織とスペーサ層１１８の集合組織との間には、良好に定義された関係がある。また、好適な実施形態において、スペーサ層１１８には、少なくとも１０原子パーセントのＭｇが含まれ、また、岩塩（ＮａＣｌ）構造を有する。従って、スペーサ層１１８は、好適には、ＭｇＯである。また、スペーサ層１１８は、スペーサ層１１８をトンネル通過できるように構成される。好適な実施形態において、スペーサ層１１８の集合組織は、（１００）である。
【００３０】
自由層１２０には、好適には、２つの強磁性副層１２２及び１２６が含まれる。第１副層１２２は、好適には、ｂｃｃ結晶構造及び（１００）集合組織を有する。また、好適な実施形態において、第１副層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つを含む金属合金、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金である。第２副層１２６は、好適には、低磁気モーメントを有する。低磁気モーメントは、好適には、１１００ｅｍｕ／ｃｍ３以下の磁気モーメントである。一実施形態において、第２副層１２６は、非晶質であり、１０原子パーセントを超えるボロンを含み、また、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つを含む。いずれの場合でも、副層１２２及び１２６には、Ｃｏ、Ｆｅ又はＮｉが含まれる。副層１２２及び１２６の磁化は、副層１２２及び１２６の磁化の相対的方位が一定であるように緊密に結合される。例えば、これらの磁化は、この結合により反平行又は平行なままである。自由層１２０には、更に、副層１２２と１２６との間にオプションの非磁性スペーサ層１２４を含み得る。オプションの非磁性スペーサ層１２４は、好適には、副層１２２及び１２６の磁化を交換結合するように構成される。更に、オプションの非磁性スペーサ層１２４は、拡散停止層として作用し得る。
【００３１】
また、磁気素子１１０は、書き込み電流が磁気素子１１０を通過する際、スピン転移により自由層１２０を切り換え得るように構成される。従って、好適な実施形態において、幅ｗ等の自由層１２０の横方向寸法は、小さく、好適には、二百ナノメートル未満である。更に、自由層１２０が確実に特定の容易軸を有するように、好適には、何らかの差を横方向の寸法間に設ける。
【００３２】
従って、磁気素子１１０は、スピン転移を用いて書き込み可能である。更に、スペーサ層１１８の結晶構造及びスペーサ層１１８と固着層１１６との集合組織間の関係のために、良好に定義された電子状態が、スペーサ層１１８を介したトンネル通過プロセスを支配する。このことは、更に、自由層１２０の副層１２２の集合組織によって改善される。その結果、磁気素子１１０の磁気抵抗効果信号は、増大させ得る。従って、磁気素子１１０からの信号が増大する。更に、スペーサ層１１８を流れるスピン偏極電流の伝導が改善されたため、自由層１２０の磁化を切り換えるのに必要な臨界電流は、減少し得る。従って、磁気素子１１０は、更に容易に高密度磁気メモリに用い得る。
【００３３】
図５は、スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子１１０’の好適な第１実施形態の第２バージョンを示す図である。磁気素子１１０’は、磁気素子１１０と類似している。従って、磁気素子１１０’の類似部位は、同様に表記する。例えば、磁気素子１１０’には、磁気素子１１０の層１１６、１１８、及び１２０と類似した固着層１１６’、スペーサ層１１８’、及び自由層１２０’が含まれる。従って、磁気素子１１０’は、磁気素子１１０の優位点を有する。
【００３４】
更に、磁気素子１１０’には、スピン蓄積層１３０及びスピン障壁層１３２が含まれる。スピン障壁層１３２は、電子の鏡面反射を提供するように構成されており、これによって、スピン転移を用いて切り換えられる自由層１２０’の能力が改善される。例えば、スピン障壁層１３２は、好適には、全磁気素子１１０’におけるＲＡ値の１０パーセント未満の低ＲＡ生成物を有する劣等トンネル障壁である。スピン障壁層１３２に用いられる材料の例には、Ｃｕ−Ａｌ合金の酸化物が挙げられ、この場合、Ａｌは、優先的に酸化される。
【００３５】
好適には、スピン蓄積層１３０は、長いスピン拡散長を、好適には、少なくとも２０乃至１００Ａオーダーで有する非磁性層である。従って、スピン蓄積層１３０には、好適には、Ｃｕ及びＲｕ等の材料が含まれる。スピン蓄積層１３０及びスピン障壁層１３２は、スピンポンピング効果に起因する追加の減衰を低減することによって、自由層１２０’の磁化を切り換えるスピン転移効果の能力を改善するために用いられる。この減衰は、スピン蓄積層１３０及びスピン障壁層１３２が、電流を反射して自由層１２０’側に戻すように機能し得ることから、低減される。従って、磁気素子１１０’は、低書き込み電流で更に簡単に切り換え得る。
【００３６】
図６は、スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子１１０”の好適な第１実施形態の第３バージョンを示す図である。磁気素子１１０”は、磁気素子１１０と類似する。従って、磁気素子１１０”の類似部位は、同様に表記する。例えば、磁気素子１１０”には、磁気素子１１０の層１１６、１１８、及び１２０と類似した固着層１１６”、スペーサ層１１８”、及び自由層１２０”が含まれる。自由層１２０”は、単層として示すが、自由層１２０”は、上述したように、２つの副層及びオプションの非磁性スペーサ層を含む他の構造を有し得る。従って、磁気素子１１０”は、磁気素子１１０の優位点を有する。
【００３７】
磁気素子１１０”は、磁気素子１１０及び１１０’とは異なる順番で基板に成膜される。特に、自由層１２０”は、底部コンタクト１１２”に近く、従って、固着層１１６”より基板（図示しないが、示した層の下に位置する）に近い。その結果、シード層１３４が、自由層１２０”と底部コンタクト１１２”との間に用いられる。シード層は、自由層１２０”の所望の結晶構造及び集合組織を助長するように選択される。特に、シード層１３４の材料は、自由層１２０”のｂｃｃ結晶構造及び（１００）の集合組織を助長するように選択される。特に、シード層１３４には、好適には、Ｃｒ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、又はＴａＮ／Ｔａが含まれる。層１２２、１２４及び１２６に対応する層の代わりに、単一の層が自由層１２０”に用いられる場合、自由層１２０”には、好適には、（１００）の集合組織を備えたｂｃｃ結晶構造を有するように構成されたＣｏ、Ｆｅ、及びＮｉの内の少なくとも１つが含まれることに留意されたい。
【００３８】
図７は、スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子２００の第２実施形態を示す図である。磁気素子２００は、二重スピンフィルタである。磁気素子２００には、第１固着層２１６、絶縁スペーサ層２１８、自由層２２０、スペーサ層２２８、及び第２固着層２３０が含まれる。スペーサ層２２８は、非磁性であり、また、導電性又はもう１つの絶縁トンネル障壁のいずれかである。また、磁気素子２００には、好適には、第１固定層２１４及び第２固定層２３２が含まれる。底部コンタクト２１２及び頂部コンタクト２３４も示す。従って、導電性スペーサ層２２８の場合、磁気素子２００は、自由層２２０を共有するスピントンネル接合２０２及びスピンバルブ２０４を含むと見なし得る。しかしながら、絶縁トンネル障壁がスペーサ層２２８用である場合、磁気素子２００は、自由層２２０を共有する２つのスピントンネル接合２０２及び２０４を含むと見なし得る。更に、磁気素子２００は、層が基板（図示せず）に対して特定の方位を有する状態で示す。特に、第１固着層２１６は、自由層２２０の下に、基板に近接して示す。しかしながら、他の方位も用い得る。
【００３９】
底部コンタクト２１２及び頂部コンタクト２３４は、磁気素子２００に電流をＣＰＰ方向に流すために用いられる。固定層２１４及び２３２は、好適には、ＡＦＭ層である。ＡＦＭ層２１４は、規則的に配列された結晶構造を有し、また、好適には、特定の集合組織を有する。更に、シード層（図示せず）を用いて、ＡＦＭ層２１４の所望の集合組織を提供し得る。例えば、ＩｒＭｎがＡＦＭ層２１４に用いられる場合、β−ＴａとＴａＮとの混合であるＴａ（Ｎ）下地層を用いて、ＩｒＭｎ＿ＡＦＭ層２１４が（００２）の集合組織を有する面心立方（ｆｃｃ）であることを保証する。ＡＦＭ層２１４は、好適には、交換結合を介して、第１固着層２１６の磁化を固着する。
【００４０】
第１固着層２１６は、その磁化が固定層２１４によって固着される。絶縁スペーサ層２１８に隣接する固着層２１６の部位は、集合組織を有する。好適な実施形態において、この集合組織は、体心立方（ｂｃｃ）結晶構造の場合、（１００）である。更に、単層として示すが、固着層２１６は、他の構造を有し得る。例えば、固着層２１６は、二重層であってよい。そのような実施形態において、ＡＦＭ層２１４に隣接する固着層２１６の層は、好適には、固着層２１６の磁化を固着するＡＦＭ層２１４の能力を改善するように構成される。他方の二重層は、上述した集合組織を有するように構成される。固着層２１６は、非磁性スペーサ層によって分離された２つの強磁性層を含む合成固着層であってよい。非磁性スペーサ層の厚さは、強磁性層の磁化が反強磁性的に結合されるように構成される。
【００４１】
絶縁スペーサ層２１８は、図３、４、５、及び６に示したスペーサ層１０４、１１８、１１８’、及び１１８”に対応する。従って、スペーサ層２１８も規則的に配列された結晶構造を有する。言い換えると、スペーサ層２１８は、非晶質ではない。また、スペーサ層は、好適には、集合組織を有する。好適な実施形態において、固着層２１６即ちスペーサ層２１８に隣接する固着層２１６の副層の集合組織とスペーサ層２１８の集合組織との間には、良好に定義された関係がある。また、好適な実施形態において、スペーサ層２１８には、少なくとも１０原子パーセントのＭｇが含まれ、また、岩塩（ＮａＣｌ）構造を有する。従って、スペーサ層２１８は、好適には、ＭｇＯである。また、スペーサ層２１８は、スペーサ層２１８をトンネル通過できるように構成される。好適な実施形態において、スペーサ層２１８の集合組織は、（１００）である。
【００４２】
自由層２２０は単層でよいが、自由層２２０には、好適には、第１副層２２２、オプションの非磁性スペーサ層２２４、及び第２副層２２６が含まれる。副層２２２及び２２６は、強磁性である。第１副層２２２即ちスペーサ層２１８に隣接する自由層２２０の部位は、好適には、ｂｃｃ結晶構造及び（１００）の集合組織を有する。また、好適な実施形態において、第１副層２２２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つを含む金属合金、又はＢ、Ｐ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｔｉの内の少なくとも１つと共にＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びＣｒの内の少なくとも１つを含む非晶質合金である。第２副層２２６は、好適には、低磁気モーメントを有する。低磁気モーメントは、好適には、１１００ｅｍｕ／ｃｍ３以下の磁気モーメントである。一実施形態において、第２副層２２６は、非晶質であり、１０原子パーセントを超えるボロンを含み、また、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、及びＭｎの内の少なくとも１つを含む。いずれの場合でも、副層２２２及び２２６には、Ｃｏ、Ｆｅ又はＮｉが含まれる。副層２２２及び２２６の磁化は、副層２２２及び２２６の磁化の相対的な方位が一定であるように緊密に結合される。例えば、これらの磁化は、この結合のために、反平行又は平行なままである。自由層２２０には、更に、副層２２２と２２６との間にオプションの非磁性スペーサ層２２４を含み得る。オプションの非磁性スペーサ層２２４は、好適には、副層２２２及び２２６の磁化を交換結合するように構成される。更に、オプションの非磁性スペーサ層２２４は、拡散停止層として作用し得る。
【００４３】
また、磁気素子２００は、書き込み電流が磁気素子２００を通過する際、スピン転移により自由層２２０を切り換え得るように構成される。従って、好適な実施形態において、幅ｗ等の自由層２２０の横方向寸法は、小さく、好適には、二百ナノメートル未満である。更に、自由層２２０が確実に特定の容易軸を有するように、好適には、何らかの差を横方向の寸法間に設ける。
【００４４】
磁気素子２００は、スピン転移を用いて書き込み可能である。更に、スペーサ層２１８の結晶構造及びスペーサ層２１８と固着層２１６との集合組織間の関係のために、良好に定義された電子状態が、スペーサ層２１８を介したトンネル通過プロセスを支配する。このことは、更に、自由層２２０の副層２２２の集合組織によって改善される。その結果、磁気素子２００からの信号は、増大させ得る。スペーサ層２１８を介したスピン分極が改善されたため、自由層２２０の磁化を切り換えるのに必要な臨界電流は、減少し得る。更に、固着層２１６及び２３０は、磁気素子への書き込み時、固着層２１６及び２３０からのスピン転移トルクが加算されるように構成し得る。これによって、更に、自由層２２０の磁化を切り換えるのに必要な臨界電流が減少する。従って、磁気素子２００は、更に容易に高密度磁気メモリに用い得る。
【００４５】
図８は、スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子２００’の第２実施形態の第２バージョンを示す図である。磁気素子２００’は、磁気素子２００と類似する。従って、磁気素子２００’の類似部位は、同様に表記する。例えば、磁気素子２００’には、磁気素子２００の層２１６、２１８、２２０、２２８、及び２３０と類似した第１固着層２１６’、絶縁スペーサ層２１８’、自由層２２０’、第２スペーサ層２２８’、及び第２固着層２３０’が含まれる。従って、磁気素子２００’は、磁気素子２００の優位点を有する。
【００４６】
更に、磁気素子２００’には、スピン蓄積層２３６及びスピン障壁層２３８が含まれる。スピン障壁層２３８は、電子の鏡面反射を提供するように構成されており、これによって、スピン転移を用いて切り換えられる自由層２２０’の能力が改善される。例えば、スピン障壁層は、好適には、全磁気素子２００’におけるＲＡ値の１０パーセント未満の低ＲＡ生成物を有する劣等トンネル障壁である。
【００４７】
スピン蓄積層２３６は、好適には、長いスピン拡散長を有する非磁性層である。従って、スピン蓄積層２３６には、好適には、Ｃｕ及びＲｕ等の材料が含まれる。スピン蓄積層２３６及びスピン障壁層２３８は、スピンポンピング効果に起因する減衰を低減することによって、自由層２２０’の磁化を切り換えるスピン転移効果の能力を改善するために用いられる。この減衰は、スピン蓄積層２３６及びスピン障壁層２３８が、スピン偏極電流を反射して自由層２２０’に戻すように機能し得ることから、減少する。従って、磁気素子２００’は、低書き込み電流で更に簡単に切り換え得る。
【００４８】
図９は、スピン転移を用いて書き込み可能な磁気素子を提供するための本発明に基づく方法３００の一実施形態を示す図である。本方法３００について、磁気素子２００’の文脈で述べる。しかしながら、本方法３００を他の磁気素子で用いてもよい。また、方法３００は、単一の磁気素子を提供するという文脈で説明する。しかしながら、複数の要素を提供し得ることを当業者は容易に認識されるであろう。方法３００は、好適には、ステップ３０２を介して、底部コンタクト２１２’を設けた後、第１固定層２１４’及び任意の必要なシード層の成膜で開始する。第１固着層２１６’は、ステップ３０４を介して設ける。ステップ３０４には、好適には、所望の結晶構造及び集合組織を有する第１固着層２１６’を設ける段階が含まれる。絶縁スペーサ層２１８’は、ステップ３０６を介して設ける。ステップ３０６には、所望の結晶構造及び集合組織を有する絶縁層２１８’を設ける段階が含まれる。更に、ステップ３０６には、固着層２１６’と自由層２２０’との間の絶縁スペーサ層２１８’をトンネル通過するように、絶縁スペーサ層２１８’を設ける段階が含まれる。
【００４９】
自由層２２０’は、ステップ３０８を介して設ける。好適な実施形態において、ステップ３０８には、自由層２２０’に所望の結晶構造及び方位を設ける段階が含まれる。また、ステップ３０８には、好適には、副層２２２’及び２２６’を設ける段階と、オプションとして、非磁性スペーサ層２２４’を設ける段階と、が含まれる。従って、絶縁スペーサ層２１８’は、固着層２１６’と自由層２２０’との間に存在する。方法３００を用いて磁気素子１００又は１１０を提供する場合、残りのステップは、省いてよい。スピン蓄積層２３６及びスピン障壁層２３８は、ステップ３１０及び３１２を介して、オプションとして設ける。方法３００を用いて磁気素子１１０を提供する場合、残りのステップは、省いてよい。他のスペーサ層２２８’は、ステップ３１４を介して設ける。スペーサ層２２８’は、非磁性であり、また、導電性又は他の絶縁トンネル障壁のいずれかであってよい。従って、自由層２２０’は、絶縁スペーサ層２１８’とスペーサ層２２８’との間に存在する。第２固着層２３０’は、ステップ３１６を介して設ける。従って、スペーサ層２２８’は、自由層２２０’と第２固着層との間に存在する。また、第２ＡＦＭ層２３２’及び頂部コンタクト２３４’も設け得る。
【００５０】
このようにして、磁気素子１００、１１０、１１０’、２００、及び２００’は、組み立て得る。従って、方法３００を用いて、スピン転移を用いて書き込み可能な磁気素子であって、スピン転移を用いて書き込むための高い信号と低臨界電流とを有し得る磁気素子１００、１１０、１１０’、２００、及び２００’を組み立て得る。
【００５１】
スピン転移を用いて書き込み可能な磁気素子を提供するための方法及びシステムを開示した。本発明について、例示した実施形態に基づき説明したが、当業者は、これら実施形態に対する変形が存在し得ること、また、どのような変形も本発明の精神及び範囲内にあることを容易に認識されるであろう。従って、当業者は、添付された請求項の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの修正を行い得る。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１Ａ】従来の磁気素子であるスピンバルブを示す図。
【図１Ｂ】他の従来の磁気素子であるスピントンネル接合を示す図。
【図２】スピン転移を用いて書き込み可能な最近開発された二重スピンフィルタを示す図。
【図３】スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子の第１実施形態を示す図。
【図４】スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子の第１実施形態を示す更に詳細な図。
【図５】スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子の第１実施形態の第２バージョンを示す図。
【図６】スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子の第１実施形態の第３バージョンを示す図。
【図７】スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子の第２実施形態を示す図。
【図８】スピン転移を用いて書き込み可能な本発明に基づく磁気素子の第２実施形態の第２バージョンを示す図。
【図９】スピン転移を用いて書き込み可能な磁気素子を提供するための本発明に基づく方法の一実施形態を示す図。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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