(57)【要約】スピン・トランスファ効果および磁気素子を使用している磁気メモリを使用して書き込むことができる磁気素子を提供するための方法およびシステム。磁気素子は、スピン・トンネル接合、分離層およびスピン・バルブからなる。他の実施形態の場合には、スピン・トンネル接合および／またはスピン・バルブをダブルで使用することができる。分離層は、前記スピン・トンネル接合の第１の自由層とスピン・バルブの第２の自由層との間に位置する。分離層は、好適には、その磁化方向に対して反平行に２つの自由層が静磁結合するように構成されていることが好ましい。デュアルスピン・バルブおよびデュアルスピン・トンネル接合を有する他の実施形態の場合には、分離層を省略することができ、反強磁性層により適当な間隔を設けることができる。もう１つの実施形態は、スピン・バルブの横方向の寸法がスピン・トンネル接合より小さくなるように素子を整形するステップを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気素子であって、
第１の自由層と、バリア層と、第１のピン止め層とを有するスピン・トンネル接合であって、同第１のピン止め層が強磁性層であり、第１のピン止め層の磁化方向を有し、同第１のピン止め層の磁化が第１の方向に固定され、前記第１の自由層が強磁性層であり、第１の自由層の磁化を有し、前記バリア層が絶縁体であり、同バリア層を通してトンネリングを行うことができる厚さを有し、かつ、同バリア層が前記第１のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在しているスピン・トンネル接合と、
第２のピン止め層と、非磁性スペーサ層と、第２の自由層とを有するスピン・バルブであって、同第２のピン止め層が強磁性層であり、第２のピン止め層の磁化方向を有し、同第２のピン止め層の磁化方向が第２の方向に固定され、前記第２の自由層が強磁性層であり、第２の自由層の磁化方向を有し、前記非磁性スペーサ層が導電層であり、前記第２の自由層と前記第２のピン止め層との間に存在しているスピン・バルブと、
前記スピン・トンネル接合の前記第１の自由層と前記スピン・バルブの前記第２の自由層との間に存在している分離層であって、前記第１の自由層と前記第２の自由層が静磁結合できるように構成されている分離層と、を備え、
前記磁気素子が、書込み電流が前記磁気素子を流れた場合に、スピン・トランスファにより、前記第２の自由層の磁化方向を変えることができる、ように構成される磁気素子。
【請求項２】
前記第１の自由層および前記第２の自由層が静磁結合していて、そのため前記第１の自由層の磁化方向が、前記第２の自由層の磁化方向に反平行になる請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記スピン・バルブの第２のピン止め層が、第２の非磁性スペーサ層で分離されている第１の強磁性層および第２の強磁性層を含む合成ピン止め層であり、前記第１の強磁性層および前記第２の強磁性層が反強磁性により結合する請求項１に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記スピン・トンネル接合の前記第１のピン止め層が、第３の非磁性スペーサ層により分離されている第３の強磁性層および第４の強磁性層を含む第２の合成ピン止め層であり、前記第３の強磁性層および前記第４の強磁性層が反強磁性により結合する請求項３に記載の磁気素子。
【請求項５】
前記スピン・バルブが、前記第２のピン止め層に隣接する第１の反強磁性層をさらに含み、前記第１の反強磁性層が、前記第２のピン止め層の前記第２のピン止め層の磁化方向を固定するためのものである請求項１に記載の磁気素子。
【請求項６】
前記スピン・トンネル接合が、前記第１のピン止め層に隣接する第２の反強磁性層をさらに含み、前記第２の反強磁性層が、前記第１のピン止め層の前記第１のピン止め層の磁化方向を固定するためのものである請求項５に記載の磁気素子。
【請求項７】
前記スピン・バルブが、第１の幅、第１の深さおよび第１の寸法を有し、前記第１の寸法が、前記第１の幅に前記第１の深さを掛けたものであり、前記スピン・トンネル接合が、第２の幅、第２の深さおよび第２の寸法を有し、前記第２の寸法が、前記第２の幅に前記第２の深さを掛けたものであり、前記第１の寸法が前記第２の寸法より小さい請求項１に記載の磁気素子。
【請求項８】
前記磁気素子が、頂部、底部および台形の形状を有し、前記スピン・バルブが、前記磁気素子の頂部に存在し、前記スピン・トンネル接合が、前記磁気素子の前記底部に存在していて、そのため前記第１の寸法が前記第２の幅の寸法より小さい請求項７に記載の磁気素
子。
【請求項９】
前記磁気素子が底辺および垂直な部分を有する逆Ｔ字形をし、前記底辺が前記垂直部分よりも広く、前記スピン・バルブが前記垂直部分に存在し、前記スピン・トンネル接合が前記底辺に存在する請求項７に記載の磁気素子。
【請求項１０】
磁束案内および絶縁層をさらに備え、前記磁束案内が第１の端部および第２の端部を有し、前記第１の端部の一部が前記第１の自由層の近くに位置し、前記第２の端部の一部が前記第２の自由層の近くに位置し、前記絶縁層が前記磁束案内と前記第１の自由層との間、前記第２の自由層と前記分離層との間に存在する請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１１】
前記分離層が、前記第１の自由層と前記第２の自由層との交換結合を避けることができるだけの十分な厚さを有する請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１２】
前記分離層が、短いスピン拡散長さを有する材料を含む請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１３】
前記分離層が、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｃｕ／ＣｕＰｔサンドイッチまたはＣｕＭｎ／Ｃｕサンドイッチのうちの少なくとも１つを含む請求項１２に記載の磁気素子。
【請求項１４】
前記分離層がある厚さを有し、前記短いスピン拡散長さが前記分離層の厚さより薄いかまたは等しい請求項１３に記載の磁気素子。
【請求項１５】
前記スピン・バルブが、第２の非磁性スペーサ層と、第３のピン止め層と、前記第３のピン止め層に隣接する反強磁性層とをさらに含み、前記第２の非磁性スペーサ層が、前記第３のピン止め層と前記第２の自由層との間に存在していて、そのため前記第２の自由層が前記非磁性スペーサ層と前記第２の非磁性スペーサ層との間に位置する請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１６】
前記スピン・トンネル接合が、第２のバリア層と、第３のピン止め層と、前記第３のピン止め層に隣接する反強磁性層とをさらに含み、前記第２のバリア層が、前記第３のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在していて、そのため前記第１の自由層が前記バリア層と前記第２のバリア層との間に位置する請求項１に記載の磁気素子。
【請求項１７】
磁気素子であって、
第１のピン止め層と、第１のバリア層と、第１の自由層と、第２のバリア層と、第２のピン止め層とを有するデュアルスピン・トンネル接合であって、前記第１のバリア層が前記第１のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在し、前記第２のバリア層が、前記第１の自由層と前記第２のピン止め層との間に存在し、前記第１のピン止め層が強磁性層であり、第１の方向に固定されている第１のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２のピン止め層が強磁性層であり、第２の方向に固定されている第２のピン止め層の磁化方向を有し、前記第１の自由層が強磁性層であり、第１の自由層の磁化方向を有し、前記第１のバリア層が絶縁体であり、前記第１のバリア層を通してトンネリングを行うことができる第１の厚さを有し、前記第２のバリア層が絶縁体であり、前記第２のバリア層を通してトンネリングを行うことができる第２の厚さを有するデュアルスピン・トンネル接合と、
第３のピン止め層と、第１の非磁性スペーサ層と、第２の自由層と、第２の非磁性スペーサ層と、第４のピン止め層とを有するデュアルスピン・バルブであって、前記第１の非磁性スペーサ層が前記第３のピン止め層と前記第２の自由層との間に存在し、前記第２の非磁性スペーサ層が前記第２の自由層と前記第４のピン止め層との間に存在し、前記第３のピン止め層が強磁性層であり、前記第２の方向に固定されている第３のピン止め層の磁化方向を有し、前記第４のピン止め層が強磁性層であり、前記第１の方向に固定されてい
る第４のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２の自由層が強磁性層であり、第２の自由層の磁化方向を有し、前記第１の自由層および前記第２の自由層が静磁結合し、前記第１の非磁性スペーサ層および前記第２の非磁性スペーサ層が導電層であるデュアルスピン・バルブと、
前記スピン・トンネル接合の前記第２のピン止め層と前記スピン・バルブの前記第３のピン止め層との間に存在する反強磁性層であって、前記第２の磁化方向を前記第２の方向に固定し、前記第３の磁化方向を前記第２の方向に固定するように構成されている反強磁性層とを備え、
前記磁気素子が、書込み電流が前記磁気素子を流れた場合に、前記第２の自由層の磁化方向をスピン・トランスファにより方向を変えることができるように構成される磁気素子。
【請求項１８】
前記第１の自由層および前記第２の自由層が静磁結合していて、そのため前記第１の自由層の磁化方向が前記第２の自由層の磁化方向に対して反平行になる請求項１７に記載の磁気素子。
【請求項１９】
前記デュアルスピン・バルブが、第１の幅、第１の深さおよび第１の寸法を有し、前記第１の寸法が、前記第１の幅に前記第１の深さを掛けたものであり、前記デュアルスピン・トンネル接合が、第２の幅、第２の深さおよび第２の寸法を有し、前記第２の寸法が、前記第２の幅に前記第２の深さを掛けたものであり、前記第１の寸法が前記第２の寸法より小さい請求項１７に記載の磁気素子。
【請求項２０】
前記磁気素子が、頂部、底部および台形の形状を有し、前記デュアルスピン・バルブが前記磁気素子の頂部に存在し、前記デュアルスピン・トンネル接合が前記磁気素子の前記底部に存在していて、そのため前記第１の寸法が前記第２の幅の寸法より小さい請求項１９に記載の磁気素子。
【請求項２１】
前記磁気素子が底辺および垂直な部分を有する逆Ｔ字形をし、前記底辺が前記垂直部分よりも広く、前記デュアルスピン・バルブが前記垂直部分に存在し、前記デュアルスピン・トンネル接合が前記底辺に存在する請求項１９に記載の磁気素子。
【請求項２２】
磁気メモリ・デバイスであって、
複数の磁気素子を含む複数の磁気セルであって、前記複数の各磁気素子がスピン・トンネル接合、スピン・バルブおよび分離層を含み、前記スピン・トンネル接合が、第１の自由層、バリア層および第１のピン止め層を有し、前記第１のピン止め層が強磁性層であり、第１のピン止め層の磁化方向を有し、前記第１のピン止め層の磁化方向が第１の方向に固定され、前記第１の自由層が強磁性層であり、第１の自由層の磁化方向を有し、前記バリア層が絶縁体であり、前記バリア層を通してトンネリングを行うことができる厚さを有し、前記バリア層がまた前記第１のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在し、前記スピン・バルブが第２のピン止め層、非磁性スペーサ層および第２の自由層を有し、前記第２のピン止め層が強磁性層であり、第２のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２のピン止め層の磁化方向が第２の方向に固定され、前記第２の自由層が強磁性層であり、第２の自由層の磁化方向を有し、前記非磁性スペーサ層が導電層であり、前記第２の自由層と前記第２のピン止め層との間に存在し、前記分離層が前記スピン・トンネル接合の前記第１の自由層と前記スピン・バルブの前記第２の自由層との間に存在し、前記分離層が前記第１の自由層および前記第２の自由層が静磁結合することができ、それにより前記第１の自由層の磁化方向が前記第２の自由層の磁化方向に反平行になるように構成され、前記磁気素子が、書込み電流が前記磁気素子を流れた場合に、前記第２の自由層の磁化方向がスピン・トランスファにより方向を変えることができるように構成されている複数の磁気セルと、
前記複数の磁気セルに結合している複数の行線と、
読出しおよび書込みを行う目的で、前記複数の磁気セルの一部を選択するために、前記複数のセル、前記複数の行線および前記複数の列線と結合している複数の列線とを備える磁気メモリ・デバイス。
【請求項２３】
磁気メモリ・デバイスであって、
複数の磁気素子を含む複数の磁気セルであって、前記複数の各磁気素子がデュアルスピン・トンネル接合、デュアルスピン・バルブおよび反強磁性層を含み、前記デュアルスピン・トンネル接合が第１のピン止め層、第１のバリア層、第１の自由層、第２のバリア層および第２のピン止め層を有し、前記第１のバリア層が前記第１のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在し、前記第２のバリア層が前記第１の自由層と前記第２のピン止め層との間に存在し、前記第１のピン止め層が強磁性層であり、第１の方向に固定されている第１のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２のピン止め層が強磁性層であり、第２の方向に固定されている第２のピン止め層の磁化方向を有し、前記第１の自由層が強磁性層であり、第１の自由層の磁化方向を有し、前記第１のバリア層が絶縁体であり、前記第１のバリア層を通してトンネリングを行うことができる第１の厚さを有し、前記第２のバリア層が絶縁体であり、前記第２のバリア層を通してトンネリングを行うことができる第２の厚さを有し、前記デュアルスピン・バルブが、第３のピン止め層、第１の非磁性スペーサ層、第２の自由層、第２の非磁性スペーサ層、および第４のピン止め層を有し、前記第１の非磁性スペーサ層が前記第３のピン止め層と前記第２の自由層との間に存在し、前記第２の非磁性スペーサ層が前記第２の自由層と前記第４のピン止め層との間に存在し、前記第３のピン止め層が強磁性層であり、前記第２の方向に固定されている第３のピン止め層の磁化方向を有し、前記第４のピン止め層が強磁性層であり、前記第１の方向に固定されている第４のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２の自由層が強磁性層であり、第２の自由層の磁化方向を有し、前記第１の非磁性スペーサ層および前記第２の非磁性スペーサ層が導電層であり、前記反強磁性層が前記スピン・トンネル接合の前記第２のピン止め層と前記スピン・バルブの前記第３のピン止め層との間に存在し、前記反強磁性層が前記第２の磁化方向を第２の方向に、前記第３の磁化方向を前記第２の方向に固定するように構成され、前記第１の自由層と前記第２の自由層が静磁結合し、前記磁気素子が、書込み電流が前記磁気素子を流れた場合に、前記第２の自由層の磁化方向がスピン・トランスファにより方向を変えることができるように構成されている複数の磁気セルと、
前記複数の磁気セルに結合している複数の行線と、
読出しおよび書込みを行う目的で、前記複数の磁気セルの一部を選択するために、前記複数のセル、前記複数の行線および前記複数の列線と結合している複数の列線とを備える磁気メモリ・デバイス。
【請求項２４】
磁気メモリを使用するための方法であって、
（ａ）書込みモード中に、複数の磁気素子の第１の部分を通してＣＰＰ構成内に書込み電流を供給することにより、複数の磁気セルの第１の部分に書込みを行うステップであって、前記各磁気素子がスピン・トンネル接合、スピン・バルブおよび分離層を含む複数の磁気セルを有し、前記スピン・トンネル接合が第１の自由層、バリア層および第１のピン止め層を有し、前記第１のピン止め層が強磁性層であり、第１のピン止め層の磁化方向を有し、前記第１のピン止め層の磁化方向が第１の方向に固定され、前記第１の自由層が強磁性層であり、第１の自由層の磁化方向を有し、前記バリア層が絶縁体であり、前記バリア層を通してトンネリングを行うことができる厚さを有し、前記バリア層がまた前記第１のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在し、前記スピン・バルブが第２のピン止め層、非磁性スペーサ層および第２の自由層を有し、前記第２のピン止め層が強磁性層であり、第２のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２のピン止め層の磁化方向が第２の方向に固定され、前記第２の自由層が強磁性層であり、第２の自由層の磁化方向を有し、前記非磁性スペーサ層が導電層であり、前記第２の自由層と前記第２のピン止め層との間に存
在し、前記分離層が前記スピン・トンネル接合の前記第１の自由層と前記スピン・バルブの前記第２の自由層との間に存在し、前記分離層が、前記第１の自由層および前記第２の自由層が静磁結合することができるように構成され、前記磁気素子が、書込み電流が前記磁気素子を流れた場合に、前記第２の自由層の磁化方向が、スピン・トランスファにより方向を変えることができるように構成されるステップと、
（ｂ）読出しモード中に、前記複数のセルの第２の部分から信号を読み出すステップとを含む方法。
【請求項２５】
磁気メモリを使用するための方法であって、
（ａ）書込みモード中に、複数の磁気素子の第１の部分を通してＣＰＰ構成内に書込み電流を供給することにより、複数の磁気セルの第１の部分に書込みを行うステップであって、前記各磁気素子がデュアルスピン・トンネル接合、デュアルスピン・バルブおよび反強磁性層を含む複数の磁気セルを有し、前記デュアルスピン・トンネル接合が、第１のピン止め層、第１のバリア層、第１の自由層、第２のバリア層および第２のピン止め層を有し、前記第１のバリア層が前記第１のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在し、前記第２のバリア層が、前記第１の自由層と前記第２のピン止め層との間に存在し、前記第１のピン止め層が強磁性層であり、第１の方向に固定されている第１のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２のピン止め層が強磁性層であり、第２の方向に固定されている第２のピン止め層の磁化方向を有し、前記第１の自由層が強磁性層であり、第１の自由層の磁化方向を有し、前記第１のバリア層が絶縁体であり、前記第１のバリア層を通してトンネリングを行うことができる第１の厚さを有し、前記第２のバリア層が絶縁体であり、前記第２のバリア層を通してトンネリングを行うことができる第２の厚さを有し、前記デュアルスピン・バルブが、第３のピン止め層、第１の非磁性スペーサ層、第２の自由層、第２の非磁性スペーサ層および第４のピン止め層を有し、前記第１の非磁性スペーサ層が前記第３のピン止め層と前記第２の自由層との間に存在し、前記第２の非磁性スペーサ層が前記第２の自由層と前記第４のピン止め層との間に存在し、前記第３のピン止め層が強磁性層であり、前記第２の方向に固定されている第３のピン止め層の磁化方向を有し、前記第４のピン止め層が強磁性層であり、前記第１の方向に固定されている第４のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２の自由層が強磁性層であり、第２の自由層の磁化方向を有し、前記第１の非磁性スペーサ層および前記第２の非磁性スペーサ層が導電層であり、前記反強磁性層が前記スピン・トンネル接合の前記第２のピン止め層と前記スピン・バルブの前記第３のピン止め層との間に存在し、前記反強磁性層が前記第２の磁化方向を第２の方向に、前記第３の磁化方向を前記第２の方向に固定するように構成され、前記第１の自由層と前記第２の自由層が静磁結合し、前記磁気素子が、書込み電流が前記磁気素子を流れた場合に、前記第２の自由層の磁化方向がスピン・トランスファにより方向を変えることができるように構成されるステップと、
（ｂ）読出しモード中に、前記複数のセルの第２の部分から信号を読み出すステップとを含む方法。
【請求項２６】
磁気素子を提供するための方法であって、
（ａ）第１のピン止め層を形成するステップであって、前記第１のピン止め層が強磁性層であり、第１のピン止め層の磁化方向を有し、銭第１のピン止め層の磁化方向が第１の方向に固定されるステップと、
（ｂ）バリア層を形成するステップであって、前記バリア層が絶縁体であり、前記バリア層を通してトンネリングを行うことができる厚さを有するステップと、
（ｃ）第１の自由層を形成するステップであって、前記第１の自由層が強磁性層であり、第１の自由層の磁化方向を有し、前記バリア層が前記第１のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在し、前記第１のピン止め層、前記バリア層、および前記第１の自由層がスピン・トンネル接合に内蔵されているステップと、
（ｄ）分離層を形成するステップと、
（ｅ）第２の自由層を形成するステップであって、前記第２の自由層が強磁性層であり、第２の自由層の磁化方向を有し、前記分離層が前記第１の自由層と前記第２の自由層との間に存在し、前記第１の自由層と前記第２の自由層が静磁結合することができるように構成されているステップと、
（ｆ）導電性の非磁性スペーサ層を形成するステップと、
（ｇ）第２のピン止め層を形成するステップであって、前記第２のピン止め層が強磁性層であり、第２のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２のピン止め層の磁化方向が第２の方向に固定されていて、前記非磁性スペーサ層が前記第２のピン止め層と前記第２の自由層との間に存在していて、前記第２の自由層、前記第２のピン止め層および前記非磁性スペーサ層がスピン・バルブに内蔵されているステップとを含み、
前記磁気素子が、書込み電流が前記磁気素子を流れた場合に、前記第２の自由層の磁化方向がスピン・トランスファにより方向を変えることができるように構成される方法。
【請求項２７】
前記第１の自由層および前記第２の自由層が静磁結合していて、そのため前記第１の自由層の磁化方向が、前記第２の自由層の磁化方向に対して反平行になる請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２のピン止め層を形成するステップ（ｇ）が、
（ｇ１）前記第２のピン止め層のための合成ピン止め層を形成するステップであって、前記合成ピン止め層が第２の非磁性スペーサ層により分離されている第１の強磁性層と第２の強磁性層とを含み、前記第１の強磁性層および前記第２の強磁性層が反強磁性により結合するステップを含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１のピン止め層を形成するステップ（ａ）が、
（ａ１）前記スピン・トンネル接合の前記第１のピン止め層のための第２の合成ピン止め層を形成するステップであって、前記第２の合成ピン止め層が第３の非磁性スペーサ層により分離されている第３の強磁性層と第４の強磁性層とを含み、前記第３の強磁性層および前記第４の強磁性層が反強磁性により結合するステップを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
（ｈ）前記第１のピン止め層の前記第１のピン止め層の磁化方向を固定するための前記第１のピン止め層に隣接する第１の反強磁性層を形成するステップをさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
（ｉ）前記第２のピン止め層の前記第２のピン止め層の磁化方向を固定するための前記第２のピン止め層に隣接する第２の反強磁性層を形成するステップをさらに含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記スピン・バルブが、第１の幅、第１の深さおよび第１の寸法を有し、前記第１の寸法が、前記第１の幅に前記第１の深さを掛けたものであり、前記スピン・トンネル接合が、第２の幅、第２の深さおよび第２の寸法を有し、前記第２の寸法が、前記第２の幅に前記第２の深さを掛けたものであり、前記方法が、
（ｈ）前記第１の寸法を前記第２の寸法より確実に小さくするステップをさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記ステップ（ｈ）が、
（ｈ１）前記磁気素子が台形になるように整形するステップをさらに含み、そのため前記磁気素子が頂部、前記頂部より広い底部、前記磁気素子の頂部のところの前記スピン・バルブ、および前記磁気素子の底部のところの前記スピン・トンネル接合を有し、そのため前記第１の寸法が前記第２の寸法より小さい請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記整形ステップ（ｈ１）が、
（ｈ１ｉ）前記磁気素子上に二層フォトレジスト構造を形成するステップと、
（ｈ１ｉｉ）第１の角度で前記磁気素子をミリング加工し、前記二層フォトレジスト構造をマスクとして使用するステップであって、前記第１の角度が前記磁気素子に垂直な方向から測定されるステップと、
（ｈ１ｉｉｉ）第２の角度で前記磁気素子をミリング加工するステップであって、前記第２の角度を前記磁気素子に垂直な方向から測定し、前記第２の角度が前記第１の角度より大きいステップとをさらに含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記整形ステップ（ｈ１）が、
（ｈ１ｉ）前記磁気素子上に二層フォトレジスト構造を形成するステップと、
（ｈ１ｉｉ）前記二層フォトレジスト構造をマスクとして使用して前記磁気素子をミリング加工するステップと、
（ｈ１ｉｉｉ）前記二層フォトレジスト構造をトリミングするステップと、
（ｈ１ｉｖ）前記二層フォトレジスト構造をトリミングした後で、前記磁気素子をミリング加工するステップとをさらに含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記整形ステップ（ｈ１）が、
（ｈ１ｉ）前記磁気素子上に第１の二層フォトレジスト構造を形成するステップと、
（ｈ１ｉｉ）前記第１の二層フォトレジスト構造をマスクとして使用して前記磁気素子をミリング加工するステップと、
（ｈ１ｉｉｉ）前記第１の二層フォトレジスト構造よりも幅の狭い第２の二層フォトレジスト構造を形成するステップと、
（ｈ１ｉｖ）前記第２の二層フォトレジスト構造をマスクとして使用して前記磁気素子をミリング加工するステップとをさらに含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記ステップ（ｈ）が、
（ｈ１）磁気素子を底辺および垂直部分を有する逆Ｔ字形に整形するステップであって、前記底辺の幅が前記垂直部分より広く、前記スピン・バルブが前記垂直部分に存在し、前記スピン・トンネル接合が前記底辺内に存在しているステップをさらに含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３８】
（ｈ）絶縁層を形成するステップと、
（ｉ）磁束案内を形成するステップであって、前記磁束案内が第１の端部および第２の端部を有し、前記第１の端部の一部が前記第１の自由層の近くに位置し、前記第２の端部の一部が前記第２の自由層の近くに位置し、前記絶縁層が、前記磁束案内と前記第１の自由層との間、前記第２の自由層と前記分離層との間に存在しているステップとをさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項３９】
前記分離層が、前記第１の自由層と前記第２の自由層との交換結合を避けることができるだけの十分な厚さを有する請求項２６に記載の方法。
【請求項４０】
前記分離層が、短いスピン拡散長さを有する材料を含む請求項２６に記載の方法
【請求項４１】
前記分離層が、ある厚さを有し、前記短い拡散長さが前記分離層の厚さより薄いかまたは等しい請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記分離層が、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｃｕ／ＣｕＰｔサンドイッチまたはＣｕＭｎ／Ｃｕサンドイッチのうちの少なくとも１つを含む請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
（ｉ）前記スピン・バルブ用の第２の非磁性スペーサ層を形成するステップと、
（ｊ）前記スピン・バルブ用の第３のピン止め層を形成するステップであって、前記第２の非磁性スペーサ層が前記第３のピン止め層と前記第２の自由層との間に存在していて、そのため前記第２の自由層が前記非磁性スペーサ層と前記第２の非磁性スペーサ層との間に位置するステップと、
（ｋ）前記第３のピン止め層に隣接する反強磁性層を形成するステップとをさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項４４】
（ｉ）前記スピン・トンネル接合用の第２のバリア層を形成するステップと、
（ｊ）前記スピン・トンネル接合用の第３のピン止め層を形成するステップであって、前記第２のバリア層が前記第３のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在していて、そのため前記第１の自由層が前記バリア層と前記第２のバリア層との間に位置するステップと、
（ｋ）前記第３のピン止め層に隣接する反強磁性層を形成するステップとをさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項４５】
磁気素子を形成するための方法であって、
（ａ）第１のピン止め層を形成するステップであって、前記第１のピン止め層が強磁性層であり、第１のピン止め層の磁化方向を有していて、前記第１のピン止め層の磁化方向が第１の方向に固定されているステップと、
（ｂ）第１のバリア層を形成するステップであって、前記第１のバリア層が絶縁体であり、前記第１のバリア層を通してトンネリングを行うことができる第１の厚さを有するステップと、
（ｃ）第１の自由層を形成するステップであって、前記第１の自由層が強磁性層であり、第１の自由層の磁化方向を有し、前記バリア層が前記第１のピン止め層と前記第１の自由層との間に存在するステップと、
（ｄ）第２のバリア層を形成するステップであって、前記第２のバリア層が絶縁体であり、前記第２のバリア層を通してトンネリングを行うことができる第２の厚さを有するステップと、
（ｅ）第２のピン止め層を形成するステップであって、前記第２のピン止め層が強磁性層であり、第２のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２のピン止め層の磁化方向が第２の方向に固定されていて、前記第１のピン止め層、前記第１のバリア層、前記第１の自由層、前記第２のバリア層、および前記第２のピン止め層がスピン・トンネル接合に内蔵されるステップと、
（ｆ）反強磁性層を形成するステップと、
（ｇ）第３のピン止め層を形成するステップであって、前記第３のピン止め層が強磁性層であり、第３のピン止め層の磁化方向を有し、前記反強磁性層が前記第２のピン止め層の前記第２の磁化方向を固定し、前記第３のピン止め層の磁化方向を前記第２の方向に固定するステップと、
（ｈ）導電性である第１の非磁性スペーサ層を形成するステップと、
（ｉ）第２の自由層を形成するステップであって、前記第２の自由層が強磁性層であり、第２の自由層の磁化方向を有し、前記第１の自由層および前記第２の自由層が静磁結合するステップと、
（ｆ）導電性の非磁性スペーサ層を形成するステップと、
（ｇ）第２のピン止め層を形成するステップであって、前記第２のピン止め層が強磁性層であり、第２のピン止め層の磁化方向を有し、前記第２のピン止め層の磁化方向が第２の方向に固定されていて、前記非磁性スペーサ層が前記第２のピン止め層と前記第２の自由層との間に存在し、前記第２の自由層、前記第２のピン止め層、および前記非磁性スペーサ層がスピン・バルブに内蔵されるステップとを含み、
前記磁気素子が、書込み電流が前記磁気素子を通して流れた場合に、前記第２の自由層の磁化方向が、スピン・トランスファにより方向を変えることができるように構成される方法。
【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、特に切替えの際にスピン・トランスファ効果を使用し、磁気ランダム・アクセス・メモリ（「ＭＲＡＭ」）のような磁気メモリで使用することができる素子を提供するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリは、多くの場合データを記憶する際に使用される。現在注目されているメモリ素子の１つのタイプは、データを記憶するために磁気素子の磁気抵抗を使用している。図１Ａおよび図１Ｂは、従来の磁気素子１および１’を示す。従来の磁気素子１は、スピン・バルブ１であり、従来の反強磁性層２、従来のピン止め層４、従来のスペーサ層６および従来の自由層８を含む。従来のピン止め層４および従来の自由層８は強磁性層である。従来のスペーサ層６は非磁性層で、導電層である。反強磁性層２は、特定の方向にピン止め層４の磁化方向を固定（またはピン止め）するために使用される。自由層８の磁化方向は、通常、外部磁界に応じて自由に回転する。
【０００３】
従来の磁気素子１’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１’の一部は、従来のスピン・バルブ１に類似している。それ故、従来の磁気素子１’は、反強磁性層２’、従来のピン止め層４’、絶縁バリア層６’および自由層８’を含む。従来のバリア層６’は非常に薄いので、電子は従来のスピン・トンネル接合１’を通り抜けることができる。
【０００４】
自由層８または８’およびピン止め層４または４’のそれぞれの磁化方向により、従来の磁気素子１または１’の抵抗はそれぞれ変化する。自由層８およびピン止め層４の磁化方向が平行である場合には、従来のスピン・バルブ１の抵抗は低い。自由層８およびピン止め層４の磁化方向が反平行である場合には、従来のスピン・バルブ１の抵抗は高い。同様に、自由層８’およびピン止め層４’の磁化方向が平行である場合には、従来のスピン・トンネル接合１’の抵抗は低い。自由層８’およびピン止め層４’の磁化方向が反平行である場合には、従来のスピン・トンネル接合１’の抵抗は高い。
【０００５】
従来の磁気素子１／１’の抵抗を感知するために、従来の磁気素子１／１’を通して電流が供給される。２つの構成、すなわち電流が面内を通る場合（「ＣＩＰ」）および電流の流れが面に垂直な場合（「ＣＰＰ」）のうちの一方により、電流は従来の磁気素子１を通ることができる。しかし、従来のスピン・トンネル接合１’の場合には、電流はＣＰＰ構成内を流れる。ＣＩＰ構成の場合には、電流は従来のスピン・バルブ１の層に平行に流れる。それ故、ＣＩＰ構成の場合には、図１Ａに示すように、電流は左から右または右から左に流れる。ＣＰＰ構成の場合には、電流は従来の磁気素子１／１’の層に垂直な方向に流れる。それ故、ＣＰＰ構成の場合には、図１Ａまたは図１Ｂに示すように、電流は上方または下方に流れる。ＣＰＰ構成は、メモリ・セル内に従来のスピン・トンネル接合１’を有するＭＲＡＭで使用される。
【０００６】
図２は、従来のメモリ・セル２０を使用している従来のメモリ・アレイ１０である。従来の各メモリ・セル２０は、図２に抵抗器で示す従来の磁気素子１／１’を含む。従来のメモリ・アレイ１０は、通常、スピン・トンネル接合１’を使用する。この図に示すように、従来のアレイ１０は、従来の４つのメモリ・セル２０を含む。各メモリ・セル２０は、従来のスピン・トンネル接合１’およびトランジスタ２２を含む。メモリ・セル２０は、ビット線３２および３４を介して読出し／書込み列選択３０に結合していて、ワード線
５２および５４を介して行選択５０に結合している。この図は、また、書込み中、対応する従来のメモリ・セル２０用の外部磁界を発生する電流を運ぶ書込み線６０および６２も示す。読出し／書込み列選択３０は、線４６を介して電圧源Ｖｄｄ４８に結合している書込み電流源４２および読出し電流源４０に結合している。
【０００７】
従来のメモリ・アレイ１０に書き込むために、書込み電流Ｉｗ４２が、読出し／書込み列選択３０が選択したビット線３２または３４に供給される。読出し電流Ｉｒ４０は供給されない。両方のワード線５２および５４は使用禁止である。すべてのメモリ・セル内のトランジスタ２２も使用禁止である。さらに、選択した書込み線６０および６２のうちの一方は、選択した従来のメモリ・セル２０に書き込むための電流を運ぶ。書込み線６０または６２を流れる電流と、ビット線３２または３４を流れる電流の組合わせにより、自由層８’の磁化方向を切り替えるのに十分な大きさの磁界が発生し、それ故所望の従来のメモリ・セル２０に書込みが行われる。従来のメモリ・セル２０に書き込まれたデータにより、従来の磁気トンネル接合１’の抵抗は高くなるか低くなる。
【０００８】
従来のメモリ・アレイ１０内で従来のセル２０から読み出す場合には、代わりに読出し電流Ｉｒ４０が供給される。読出すために選択するメモリ・セル２０は、行選択５０および列選択３０により決定される。出力電圧は、出力線４４のところで読み出される。
【０００９】
従来のスピン・トンネル接合１’を使用する従来の磁気メモリ１０は機能することができるが、通常の当業者であれば、高いメモリ・セル密度で、従来の磁気素子１’および従来の磁気メモリ１０を使用すると障害が生じることを容易に理解することができるだろう。より詳細に説明すると、従来のメモリ・アレイ１０への書込みは、ビット線３２または３４および書込み線６０または６２を流れる電流が発生する外部磁界により行われる。すなわち、自由層８’の磁化方向は、ビット線３２または３４および書込み線６０または６２を流れる電流が発生する外部磁界により切り替えられる。切替え磁界と呼ばれる自由層８’の磁化方向を切り替えるのに必要な磁界は、従来の磁気素子１’の幅に反比例する。そのため、小さな磁気素子１’を有する従来のメモリの場合には切替え磁界が増大する。切替え磁界が高いので、ビット線３２または３４を通して、特に書込み線６０または６２を通して通過させるのに必要な電流は、磁気メモリ・セルの密度が高くなると劇的に増大する。この大きな電流により、従来の磁気メモリ１０内で多くの問題が発生する恐れがある。例えば、クロストークおよび電力消費が増大する。さらに、所望のメモリ・セル２０のところで切替え磁界を発生する電流を流すのに必要な駆動回路の面積も大きくなり、さらに複雑になる。さらに、従来の書込み電流は磁気メモリ・セルを切り替えるのに十分大きなものでなければならないが、隣接するセルが気が付かないうちに切り替わるほど大きなものであってはならない。書込み電流の振幅のこの上限は、信頼性の問題を引き起こす場合がある。何故なら、（製造および材質の不均一により）他のセルよりも切替えが難しいセルにいつでも書き込むことができないからである。
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、第１５９巻、１〜５行（１９９６年）掲載のＪ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ著、「磁気多重層の電流駆動励起」（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ）。
【非特許文献２】Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、第５４巻、９３５３ページ（１９９６年）掲載のＬ．Ｂｅｒｇｅｒ著、「電流の横切る磁気多重層によるスピン波の放射」（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｐｉｎ  Ｗａｖｅｓ  ｂｙ  ａ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｔｒａｖｅｒｓｅｄ  ｂｙ  ａ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）。
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、第７７巻、２３号、３８０９〜３８１１ページ（２０００年）掲載のＦ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ、Ｊ．Ａ．ＫａｔｉｎｅおよびＲ．Ａ．Ｂｕｈｍａｎ著、「Ｃｏ薄膜ナノマグネットのスピン偏向電流切替え」（Ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  ａ  Ｃｏ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｎａｎｏｍａｇｎｅｔ）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
それ故、十分大きな読出し信号を供給する一方で、密度が高く、消費電力が低く、クロストークが小さく、信頼性が高いメモリ・アレイで使用することができる磁気メモリ素子を提供するためのシステムおよび方法の開発が待望されている。本発明は、このような磁気メモリ素子に対するニーズを満足させる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、スピン・トランスファ効果および磁気素子を使用する磁気メモリを利用して書き込むことができる磁気素子を提供するための方法およびシステムを提供する。磁気素子は、スピン・トンネル接合、および好適には分離層により分離されていることが好ましいスピン・バルブを含む。スピン・トンネル接合は、第１の自由層、バリア層および第１のピン止め層を含む。第１のピン止め層は、強磁性層であり、第１の方向に固定された第１のピン止め層の磁化方向を有する。第１の自由層は強磁性層で、第１の自由層の磁化方向を有する。バリア層は、第１のピン止め層と第１の自由層との間に存在している絶縁体であり、バリア層を通してトンネリングを行うことができる厚さを有する。スピン・バルブは、第２のピン止め層、非磁性スペーサ層および第２の自由層を有する。第２のピン止め層は強磁性層で、第２の方向に固定される第２のピン止め層の磁化方向を有する。第２の自由層は強磁性層で、第２の自由層の磁化方向を有する。非磁性スペーサ層は導電層で、第２の自由層と第２のピン止め層との間に存在している。分離層は、スピン・トンネル接合の第１の自由層とスピン・バルブの第２の自由層との間に存在している。分離層は、第１の自由層および第２の自由層が静磁結合できるように構成されている。さらに、磁気素子は、書込み電流が磁気素子を通してＣＰＰ方向に流れた場合に、スピン・トランスファにより第２の自由層の磁化方向を変えることができるように構成されている。さらに、磁気素子の形状を、スピン・バルブ部分の側面の寸法が、スピン・トンネル接合部分の側面の寸法よりも小さくなるような形にすることもできる。
【００１２】
本発明のシステムおよび方法によれば、本発明は、磁気素子および書き込むための電流が少なくてすみ、また強い読出し信号を供給する一方で、もっと効率的で局所化したスピン・トランスファ機構により書き込むことができる磁気メモリを提供する。さらに、スピン・バルブおよびスピン・トンネル接合の機能を別々に改善するために、スピン・バルブの自由層およびスピン・トンネル接合の自由層を別々に調整することができる。さらに、スピン・バルブ部分が小さな側面の寸法を有する実施形態の場合には、スピン・トンネル接合部分よりもスピン・バルブ部分の電流密度を高くすることができる。この機能により、スピン・トンネル接合のバリア層が破壊する可能性を低減する一方で、スピン・トランスファ効果により書込みのための電流密度を十分高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、ＭＲＡＭのような磁気素子および磁気メモリの改善に関する。下記の説明は、通常の当業者が本発明を製造し使用することができるようにするためのものであり、特許出願およびその要件の形で提示してある。当業者であれば、好ましい実施形態を種々に変形することができることを容易に理解することができるだろうし、本明細書の一般的な原理を他の実施形態にも適用することができる。それ故、本発明は、図の実施形態に制限されるのではなく、本明細書に記載する原理および機能による最も広い範囲を含む。
【００１４】
すでに説明したように、従来の磁気メモリの密度を増大する際に遭遇した難問の１つは、図２に示す従来の磁気メモリ１０のような従来の磁気メモリに書き込むために大きな電流が必要になることであり、図１Ｂの従来の磁気素子１’を使用しなければならないこと
である。すなわち、自由層の磁化方向を切り替えるための磁界を発生するには大きな電流が必要になる。この大きな電流が問題を起こす恐れがある。何故なら、この大きな電流がクロストークを引き起こしたり、電力消費を増大する恐れがあるからである。
【００１５】
高い密度のメモリ・セルを有する磁気メモリに関連する問題のうちのいくつかを克服するために、最近発見された現象、スピン・トランスファを使用することができる。スピン・トランスファの現時点での詳細な知識については、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、第１５９巻、１〜５行（１９９６年）掲載のＪ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ著、「磁気多重層の電流駆動励起」（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ）；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、第５４巻、９３５３ページ（１９９６年）掲載のＬ．Ｂｅｒｇｅｒ著、「電流の横切る磁気多重層によるスピン波の放射」（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｐｉｎ  Ｗａｖｅｓ  ｂｙ  ａ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ｔｒａｖｅｒｓｅｄ  ｂｙ  ａ  Ｃｕｒｒｅｎｔ）；およびＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、第７７巻、２３号、３８０９〜３８１１ページ（２０００年）掲載のＦ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ、Ｊ．Ａ．ＫａｔｉｎｅおよびＲ．Ａ．Ｂｕｈｍａｎ著、「Ｃｏ薄膜ナノマグネットのスピン偏向電流切替え」（Ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  ａ  Ｃｏ  Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｎａｎｏｍａｇｎｅｔ）を参照されたい。スピン・トランスファ現象についての以下の説明は、この分野での現時点での知識に基づくものであり、本発明の範囲を制限するためのものではない。
【００１６】
スピン・トランスファ効果は、強磁性の普通の金属の多重層のスピンに依存する電子移動特性によるものである。スピン偏向電流がＣＰＰ構成の磁気多重層を横切ると、強磁性層上に入射する電子のスピン角運動量は、強磁性層と普通の金属層との間の界面近くの強磁性層の磁気モーメントと相互作用する。この相互作用により、電子はその角運動量の一部を強磁性層に移動する。そのため、電流密度が十分大きい場合（約１０７〜１０８Ａ／ｃｍ２）、および多重層の大きさが小さい（約２００ナノメートルより小さい）場合には、スピン偏向電流は、強磁性層の磁化方向を切り替えることができ、その結果、垂直電流が生成した螺旋磁界の影響は重要ではない。さらに、強磁性層の磁化方向を切り替えることができるスピン・トランスファの場合、強磁性層の厚さは、例えば、好適には、Ｃｏの場合、約１０ナノメートル未満というように十分薄いものでなければならない。
【００１７】
スピン・トランスファ現象は、ＣＰＰ構成において、それぞれ、従来のスピン・バルブ１または従来のスピン・トンネル接合１’の自由層８または８’の磁化方向を切り替えるための外部切替え磁界の代わりに、またはそれに加えて使用することができる。スピン・トランスファは、他の機構を支配する現象であり、従来の磁気素子１／１’の寸法が、数百ナノメートルの範囲内に小さくなった場合に観察することができる。それ故、スピン・トランスファは、小さな磁気素子１／１’を有する高い密度の磁気メモリに適している。
【００１８】
例えば、スピン・トランスファを使用している従来のスピン・バルブ１内の従来の自由層８の磁化方向の切替えについて説明する。従来の自由層８の磁化方向を従来のピン止め層４の磁化方向に平行になるように切り替えるために、電流は、従来の自由層８から従来のピン止め層４に流れることができる。従来の自由層８の磁化方向は、最初従来のピン止め層４に反平行であると仮定する。電流が従来の自由層８から従来のピン止め層４に流れると、伝導電子は、従来のピン止め層４から従来の自由層８に移動する。従来のピン止め層４から移動する多数の電子は、従来のピン止め層４の磁化方向と同じ方向にそのスピンが偏向される。これらの電子は、従来の自由層８と従来のスペーサ層６の間の界面近くの従来の自由層８の磁気モーメントと相互作用する。この相互作用の結果、電子はそのスピン角運動量を従来の自由層８に移動する。それ故、従来の自由層８の磁化方向に反平行なスピンに対応する角運動量（および従来のピン止め層４に平行な角運動量）が、従来の自
由層に移動される。十分な角運動量が電子により移動された場合には、従来の自由層８の磁化方向を従来のピン止め層４の磁化方向に平行になるように切り替えることができる。
【００１９】
別の方法としては、従来の自由層８の磁化方向を従来のピン止め層８の磁化方向に反平行になるように切り替えるために、電流を従来のピン止め層４から従来の自由層８に流すことができる。この場合、自由層８の磁化方向は最初ピン止め層４に平行であると仮定する。電流が従来のピン止め層４から従来の自由層８に流れた場合には、伝導電子は反対方向に移動する。多数の電子は、元来、従来のピン止め層４と同じ方向に磁化される従来の自由層８の磁化方向にそのスピンが偏向される。これらの多数の電子は、従来のピン止め層４を通過する。しかし、従来の自由層８および従来のピン止め層４の磁化方向に対してそのスピンが反平行に偏向されているこれらの小数の電子は、従来のピン止め層４から反射し、従来の自由層８の方向に戻る。従来のピン止め層４から反射した小数の電子は、従来の自由層８の磁気モーメントと相互に作用し、そのスピン角運動量の少なくとも一部を従来の自由層８に移動する。電子により十分な角運動量が従来の自由層８に移動されると、自由層８の磁化方向を従来のピン止め層４の磁化方向に反平行になるように切り替えることができる。
【００２０】
ＣＰＰ構成の従来の磁気素子１または１’を通る電流を使用して、スピン・トランスファは、それぞれ自由層８または８’の磁化方向を切り替えることができる。それ故、従来の磁気素子１または１’を通る電流により、磁気メモリ内の磁気素子１または１’に書き込むためにスピン・トランスファを使用することができる。それ故、スピン・トランスファ書込みの機構は、もっと局所化され、クロストークの量が少なくなる。またスピン・トランスファの信頼性はもっと高くなる。何故なら、スピン・トランスファにより、ＭＲＡＭのようなデバイスの従来の磁気素子１／１’での実効磁界が強くなるからである。さらに、大きさが十分小さい磁気素子１または１’の場合には、磁化方向を切り替えるのに必要な電流は、従来の磁気メモリ１０内の切替え磁界を発生するのに必要な電流よりもかなり少ない。それ故、書込み中の電力消費が少なくてすむ。
【００２１】
スピン・トランスファの現象は、従来の自由層８／８’の磁化方向を切り替えるのに使用することができるが、通常の当業者であればメモリ内で従来の磁気素子１／１’を使用するには他の障害があることを容易に理解することができるだろう。従来のスピン・バルブ１の場合には、ＣＰＰ構成にすると信号が有意に低減する。例えば、従来のスピン・バルブ１のＣＰＰ構成に対する磁気抵抗比は、約２％に過ぎない。さらに、従来のスピン・バルブ１の全抵抗は小さい。それ故、従来のスピン・バルブ１の読出し信号出力は非常に小さい。従来のスピン・バルブ１に書き込むためにスピン・トランスファを使用することができるが、従来のスピン・バルブ１から読み出す場合の出力信号は非常に小さいので、スピン・トランスファにより書き込まれる磁気メモリ内で従来のスピン・バルブ１を使用するのは難しい。
【００２２】
一方、従来のスピン・トンネル接合１’は、通常、Ｒａ〜ｋΩμｍ２の抵抗の大きなエリア積を有する。スピン・トランスファ効果を誘起するために使用する高い電流密度は、オーム性放散により薄い絶縁バリアを破壊する恐れがある。さらに、室温では従来のスピン・トンネル接合１’のところでスピン・トランスファが観察されたことはない。それ故、高いＲａ値を有する従来のスピン・トンネル接合１’は、磁気メモリ・セルに書き込むためにスピン・トランスファを使用しているＭＲＡＭで使用することができない。それ故、通常の当業者であれば、高い密度および小さな磁気素子を有する磁気メモリに書き込むための信頼性の高い局所化された機構の開発が依然として待望されていることを理解することができるだろう。
【００２３】
本発明は、スピン・トランスファ効果により書き込むことができる磁気素子、およびこ
の磁気素子を使用する磁気メモリを提供するための方法およびシステムを提供する。磁気素子は、スピン・トンネル接合、および好適には分離層により分離していることが好ましいスピン・バルブを含む。スピン・トンネル接合は、第１の自由層、バリア層、および第１のピン止め層を含む。第１のピン止め層は、強磁性層であり、第１の方向に固定されている第１のピン止め層の磁化方向を有する。第１の自由層は強磁性層で、第１の自由層の磁化方向を有する。バリア層は、第１のピン止め層と第１の自由層との間に存在している絶縁体であり、バリア層を通してトンネリングを行うことができる厚さを有する。スピン・バルブは、第２のピン止め層、非磁性スペーサ層、および第２の自由層を有する。第２のピン止め層は強磁性層で、第２の方向に固定されている第２のピン止め層の磁化方向を有する。第２の自由層は強磁性層で、第２の自由層の磁化方向を有する。非磁性スペーサ層は導電層で、第２の自由層と第２のピン止め層との間に存在している。分離層は、スピン・トンネル接合の第１の自由層とスピン・バルブの第２の自由層との間に存在している。分離層は、第１の自由層および第２の自由層が静磁結合できるように構成されている。さらに、磁気素子は、書込み電流が磁気素子を通してＣＰＰ方向に流れた場合に、スピン・トランスファにより第２の自由層の磁化方向を変えることができるように構成されている。さらに、磁気素子の形状を、スピン・バルブ部分の側面の寸法が、スピン・トンネル接合部分の側面の寸法よりも必ず小さくなるような形にすることもできる。これにより、スピン・トンネル接合のバリア層が破壊される確率を低減する一方で、スピン・バルブの第２の自由層の磁化方向を切り替えるための十分高い電流密度を確実に供給するのが容易になる。
【００２４】
本発明を、特定の磁気メモリおよびいくつかの構成要素を有する特定の磁気素子により説明する。しかし、通常の当業者であれば、この方法およびシステムが、異なるおよび／または追加の構成要素を有する他の磁気メモリ素子に対しても、また本発明と一致しない異なるおよび／または他の機能を有する他の磁気メモリに対しても効果的に動作することを容易に理解することができるだろう。また、本発明をスピン・トランスファ現象の現時点での知識により説明する。それ故、通常の当業者であれば、この方法およびシステムの行動の理論的説明は、スピン・トランスファの現時点での知識に基づいていることを容易に理解することができるだろう。また、通常の当業者であれば、この方法およびシステムが、基板に対して特定の関係を有する構造により説明されることを容易に理解することができるだろう。しかし、通常の当業者であれば、この方法およびシステムは他の構造に適合することを容易に理解することができるだろう。例えば、ボトムスピン・トンネル接合（スピン・トンネル接合の底部にピン止め層を有する）と結合しているトップスピン・バルブ（スピン・バルブの頂部のところにピン止め層を有する）により本発明を説明する。また、本発明は、頂部トンネル接合およびボトムスピン・バルブとも一致する。さらに、いくつかの層が合成物からできているものにより、この方法およびシステムについては説明する。しかし、通常の当業者であれば、例えば、自由層のような他の層および／または追加の層を合成物で作ることができることも容易に理解することができるだろう。さらに、本発明を整形、静磁結合および磁束案内のような他の機能を使用して説明する。しかし、通常の当業者であれば、本発明が、上記機能のうちの１つまたは複数の任意の組合わせと一致することも容易に理解することができるだろう。また、本発明を１つのスピン・バルブおよび１つのスピン・トンネル接合により主として説明する。しかし、通常の当業者であれば、本発明をデュアルスピン・バルブおよび／またはデュアルスピン・トンネル接合にも適用することができることを容易に理解することができるだろう。
【００２５】
本発明によるこの方法およびシステムをより詳細に説明するために、本発明による磁気素子１００の一実施形態を示す図３を参照する。図面を分かりやすくするために、他の層を表示しなくてもよいことに留意されたい。磁気素子１００は、スピン・トンネル接合１０２、および分離層１０６により分離されているスピン・バルブ１０４を含む。スピン・トンネル接合１０２は、基板１０１上に存在することができるシード層１０８上に形成さ
れる。シード層１０８は、好適には、Ｔａ／ＮｉＦｅＣｒ、ＴａＮ／ＮｉＦｅＣｒまたは大きな粒子サイズを有する平滑な結晶性フィルム・スタックに貢献する他の材料であることが好ましい。スピン・トンネル接合１０２は、第１の反強磁性（ＡＦＭ）層１１０、第１のピン止め層１１２、バリア層１２０、および第１の自由層１２２を含む。ＡＦＭ層１１０は、好適には、ＰｔＭｎを含むことが好ましいが、またＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎまたは他のＡＦＭ材料を含むこともできる。第１のピン止め層１１２および第１の自由層１１２は強磁性層である。第１の自由層１２２は、Ｃｏ、Ｆｅ、ＮｉまたはＣｏＦｅ、ＣｏＮｉ、ＣｏＦｅＮｉおよびＮｉＦｅのようなこれらの合金を含むこともできる。別の方法としては、第１の自由層１２２は、合成物層であってもよい。さらに、磁気素子１００の熱安定性を改善し、磁気歪、磁化および磁気減衰定数のような特性を最適化するために、強磁性層材料を低い濃度のＣｒ、Ｃｕ、Ｐｔおよび／または他の非磁性材料によりドーピングすることができる。第１のピン止め層１１２は、好適には、非磁性層１１６により分離されている強磁性層１１４および１１８を含む、合成ピン止め層であることが好ましい。非磁性層１１６は導電層であり、強磁性層１１４および１１８が反強磁性的に確実に結合するのに十分な厚さを有する。強磁性層１１４および１１８は、好適には、Ｃｏを含むことが好ましく、一方、非磁性層は好適にはＲｕを含むことが好ましい。図では第１のピン止め層１１２は合成物層であるが、第１のピン止め層１１２は、また自由層１２０で使用した材料類似の材料からできている簡単な１つの成分からなる強磁性層であってもよい。第１のピン止め層１１２および第１の自由層１２０は、また、ＣｒＯ２、Ｓｒ２ＦｅＭｏＯ６、（Ｌａ０．７Ｓｒ０．３）ＭｎＯ３およびＮｉＭｎＳｂ、または積層強磁性層および半金属層のような半金属材料を含むこともできる。第１のピン止め層１１２および第１の自由層１２０は、またＣｏＧｄの合金を含むがこれに限定されないフェリ磁性体を含むことができる。それ故、本明細書で使用するように、「強磁性」という用語は、強磁性体およびフェリ磁性体を含むがこれらに限定されない。バリア層１２０は、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２およびＨｆＯ２のような絶縁体であり、十分に薄く電荷キャリアはバリア層１２０を通過することができる。
【００２６】
スピン・バルブ１０４は、第２の自由層１２４、非磁性スペーサ層１２６、第２のピン止め層１２８、および第２のＡＦＭ層１３６を含む。第２のピン止め層１２８は、好適には、非磁性層１３０で分離されている強磁性層１３０および１３４を含む合成ピン止め層であることが好ましい。第２のＡＦＭ層１３６は好適には、ＰｔＭｎを含むことが好ましいが、また、ＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＩｒＭｎまたは他のＡＦＭ材料を含むこともできる。第２のピン止め層１２８および第２の自由層１２４は強磁性層である。第２の自由層１２４は、Ｃｏ、Ｆｅ、ＮｉまたはＣｏＦｅ、ＣｏＮｉ、ＣｏＦｅＮｉおよびＮｉＦｅのようなこれらの合金を含むこともできる。別の方法としては、第２の自由層１２４は、合成物であってもよい。さらに、磁気素子１００の熱安定性を改善し、磁気歪（λ）、飽和磁化（Ｍｓ）、バルクスピン非対称係数（β）、および磁気減衰定数（α）のような特性を最適化するために、強磁性層材料を低い濃度のＣｒ、Ｃｕ、Ｐｔおよび／または他の非磁性材料によりドーピングすることができる。第２のピン止め層１２８は、好適には、非磁性層１３２により分離されている強磁性層１３０および１３４を含む合成ピン止め層であることが好ましい。非磁性層１３２は導電層であり、強磁性層１３０および１３４が反強磁性的に確実に結合するための十分な厚さを有する。強磁性層１３０および１３４は好適にはＣｏを含むことが好ましく、一方、非磁性層１３２は好適にはＲｕを含むことが好ましい。図では第２のピン止め層１２８は合成物層であるが、第２のピン止め層１２８は、また第２の自由層１２４で使用した材料類似の材料からできている簡単で１つの成分からなる強磁性層であってもよい。第２のピン止め層１２８および第２の自由層１２４は、また、ＣｒＯ２、Ｓｒ２ＦｅＭｏＯ６、（Ｌａ０．７Ｓｒ０．３）ＭｎＯ３、およびＮｉＭｎＳｂ、または積層強磁性層および半金属層のような半金属材料を含むこともできる。第２のピン止め層１２８および第２の自由層１２４は、またＣｏＧｄの合金を含むがこれに限定されないフェリ磁性体を含むことができる。好ましい実施形態の場合、スピン・バ
ルブ１０４の第２の自由層１２４に対してはスピン・トランスファにより書込みが行われ、一方、磁気素子１００を読み出すためには磁気素子１００のスピン・トンネル接合１０２が使用される。
【００２７】
磁気素子１００は、第２の自由層１２４の磁化方向をスピン・トランスファにより切り替えることができるように構成されている。それ故、磁気素子１００の寸法は小さく、数百ナノメートルの範囲内である。ある好ましい実施形態の場合には、磁気素子１００の寸法は、２００ナノメートルより小さく、好適には約１００ナノメートルよりも小さいことが好ましい。磁気素子１００は、好適には、図３のページ面に垂直方向に約５０ナノメートルの深さを有することが好ましい。この深さは、好適には磁気素子１００の幅より浅いことが好ましい。そのため磁気素子１００は、幾分異方性を有していて、第２の自由層１２４は好適な方向を確実に向く。さらに、第２の自由層１２４の厚さは十分薄く、そのためスピン・トランスファが十分強力になり、自由層の磁化方向を第２のピン止め層１２８の磁化方向と整合させたり、整合からずらしたりするように回転させることができる。好ましい実施形態の場合には、第２の自由層１２４の厚さは５ｎｍ未満である。
【００２８】
分離層１０６は、好適には、非磁性導電層であることが好ましい。それ故、分離層１０６は、Ｃｕ、ＡｕまたはＡｇのような材料を含むことができる。分離層は、十分厚いので自由層１２２および１２４の層間交換結合を防止することができる。この厚さは、好適には、少なくとも１００〜２００オングストロームであることが好ましい。分離層１０６は、また好適には、分離層１０６と自由層１２２または１２４の界面から反射した電子によるスピン・トランスファをかなり低減し、または除去するものであることが好ましい。そうするために、好適には、短いスピン拡散長さを有する材料を使用するか、または分離層１０６内に挿入することが好ましい。例えば、分離層１０６は、ＣｕＰｔまたはＣｕＭｎのような材料から作ることができる。別の方法としては、分離層１０６は、ＣｕＰｔまたはＣｕＭｎのような材料の１つまたは複数の層を含む多重層であってもよい。例えば、分離層１０６は、２つのＣｕ層の間にサンドイッチ状に挟まれているＣｕＰｔの層からなる３つの層であってもよい。分離層１０６は、またＰｔ、Ｍｎ、Ｃｕ／ＣｕＰｔサンドイッチ、および／またはＣｕＭｎ／Ｃｕサンドイッチを含むこともできる。さらに、分離層１０６は、第１の自由層１２２および第２の自由層１２４の間で静磁結合を行うことができる厚さを有する。好ましい実施形態の場合には、第１の自由層１２２および第２の自由層１２４は、図３に示すように、反平行になるように静磁結合している。例えば、磁気素子１００が０．１×０．２μｍ２の楕円体である場合には、第１の自由層１２２および第２の自由層１２４は、縁部磁極により静磁結合していてそのため反平行である。しかし、他の実施形態の場合には、自由層１２２および１２４の磁化方向を相互に他の方向に結合することができる。
【００２９】
また、好ましい実施形態の場合には、磁気素子の層の幾何学的形状は、自由層１２２および１２４上の自由層１２２および１２４以外の強磁性層１１４、１１８、１３０、１３２からの磁気相互作用を低減するように調整される。例えば、磁気素子１００が幅ｗ、および深さ（ページ面から外へ向かう）ｄを有し、自由層１２２および１２４が、それぞれ厚さｔ１およびｔ２を有すると仮定しよう。また、第１の自由層１２２および第２の自由層１２４の磁化方向が、それぞれＭ１およびＭ２であると仮定しよう。強磁性層１１４、１１８、１３０および１３２、非磁性スペーサ層１２６、およびバリア層１２０の厚さは、強磁性層１１４、１１８、１３０および１３２の相互作用および消磁磁界のバランスをとるように選択される。そのため自由層１２２および１２４は、強磁性層１１４、１１８、１３０および１３２からの強力な正味のバイアスを受けない。すなわち、自由層１２２および１２４以外の層からの静磁界および層間および静電結合磁界の合計は、好適には、自由層１２２および１２４上のバイアスを低減するためにゼロであることが好ましい。さらに、自由層１２２および１２４の幾何学的形状は、第２の自由層１２４がスピン・トラ
ンスファにより切り替えられた場合に、第１の自由層１２２が確実に第２の自由層１２４に反平行のままになるように切り替えられるように調整される。そうするために、第２の自由層１２４から第１の自由層１２２への８Ｍ２ｔ２／ｗの二極性の磁界は、第２の自由層１２４の切替え中に、第１の自由層１２２の磁化方向を反対にするのに必要な飽和保磁力の磁界よりも大きくなければならない。この条件は、自由層１２２および１２４の材料および厚さを適当に選択することにより達成することができる。それ故、第２の自由層１２４用には、例えば、２０〜５０オングストロームのような厚いＣｏ層またはＣｏＦｅ層を含むがこれらに限定されない、高モーメント（磁化と厚さの積）フィルムが好ましい。第１の自由層１２２用には、例えば、５〜２０オングストロームのような薄いＮｉＦｅ層、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ層、およびＣｏＦｅＮｉ層を含むが、これらに限定されないモーメントがもっと小さいフィルムが好ましい。
【００３０】
動作中、ＣＰＰ構成内に電流を流し、スピン・トランスファを行うことにより磁気素子１００に書込みが行われる。現在、スピン・トランスファ現象の大半は、磁気素子１００のスピン・バルブ部分１０４により行われる。より詳細に説明すると、電流は、スピン・バルブ１０４を通してスピン・トンネル接合１０２から流すことができる。それ故、電子は、スピン・トンネル接合１０２を通してスピン・バルブ１０４から下方に移動する。この電流は、第２のピン止め層１２８の強磁性層１３０の磁化方向に偏向された電子のスピンに対応する。強磁性層１３０からの電子は、その角運動量の一部を第２の自由層１２４に移動することができる。それ故、電子は第２の自由層１２４の磁化方向を強磁性層１３０の磁化方向と同じ方向に設定することができる。一実施形態の場合には、第１の自由層１２２から反射した電子はスピン・トランスファ効果に貢献しないことに留意されたい。何故なら、分離層１０６が分離層１０６と自由層１２２および１２４の界面から反射した電子によるスピン・トランスファ効果を低減または除去するからである。それ故、電流がスピン・トンネル接合１０２からスピン・バルブ１０４の方向に流れると、第２の自由層１２４の磁化方向は、強磁性層１３０の磁化方向に平行な方向に切り替えられる。
【００３１】
電流を反対方向に流れるようにするために、第２の自由層１２４の磁化方向は、最初は強磁性層１３０の磁化方向に平行であると仮定する。電流はスピン・バルブ１０４からスピン・トンネル接合１０２へ流れ、その場合、電子は反対方向に移動する。好ましい実施形態の場合には、分離層１０６があるために、第１の自由層１２２からの電子はスピン・トランスファに貢献しない。第２の自由層１２４からの大部分の電子のスピンは、第２の自由層１２４の磁化に平行な方向に偏向している。これらの電子のスピンは、強磁性層１３０に平行な方向に偏向していて、そのため強磁性層１３０により放射される。少数の電子のスピンは、第２の自由層１２４および強磁性層１３０の磁化方向に反平行に偏向している。それ故、少数の電子は強磁性層１３０により反射する。第２のピン止め層１２８の強磁性層１３０から反射し、第２の自由層１２４に戻る少数の電子は、その角運動量の一部を第２の自由層１２４に移動することができる。それ故、強磁性層１３０から反射する少数の電子は、第２の自由層１２４の磁化方向を強磁性層１３０の磁化方向に反平行になるように切り替えることができる。
【００３２】
読出し中、スピン・トンネル接合１０２および自由層１２２および１２４間の静磁結合の特性が使用される。絶縁バリア１２０により、スピン・トンネル接合１０２の抵抗は大きい。それ故、スピン・トンネル接合１０２が出力信号を支配する。自由層１２２および１２４間の静磁結合により、スピン・トンネル接合１０２の自由層１２２の磁化方向は、スピン・バルブ１０４の第２の自由層１２４の磁化方向に関連する。より詳細に説明すると、第２の自由層１２４の磁化方向が変化すると、自由層１２２および１２４の間の静磁結合により第１の自由層１２２の磁化方向が変化する。例えば、磁気素子１００にスピン・トンネル接合１０２からスピン・バルブ１０４へ流れる電流により書込みが行われると仮定した場合、第２の自由層１２４の磁化方向は強磁性層１３０に平行に書き込まれる。
自由層１２２および１２４間の静磁結合により、第１の自由層１２２の磁化方向も切り替わる。図３の実施形態の場合には、第１の自由層１２２の磁化方向は、強磁性層１３０および第２の自由層１２４の磁化方向に反平行の方向に切り替わる。同様に、第２の自由層１２４の磁化方向が強磁性層１３０の磁化方向に反平行の方向に切り替わると、第１の自由層１２２の磁化方向が強磁性層１３０および第２の自由層１２４の磁化方向に平行になる。
【００３３】
第１の自由層１２２の磁化方向により、スピン・トンネル接合１０２の抵抗は小さくなったり（第１の自由層１２２の磁化方向が強磁性層１１８の磁化方向と平行な場合）、大きくなったり（第１の自由層１２２の磁化方向が強磁性層１１８の磁化方向に反平行の場合）する。すでに説明したように、その抵抗が大きいために、スピン・トンネル接合１０２が磁気素子１００の信号を支配する。ＣＰＰ構成内に読出し電流を流すことにより、スピン・トンネル接合１０２の抵抗の状態を決定することができる。しかし、磁気素子１００のうっかり書込みを防止するために、スピン・バルブ１０４への書込みに使用する電流と比較した場合、読出し電流はかなり小さいことに留意されたい。好ましい実施形態の場合には、読出し電流は書込み電流より小さい電流である。
【００３４】
それ故、磁気素子１００に書き込むためにスピン・トランスファを使用することができる。そのため、外部電流による切替え磁界は必要ない。代わりに、もっと局所化したもっと信頼性の高い現象が、磁気素子１００のスピン・バルブ１０４に書込みを行うために使用される。さらに、自由層１２２および１２４間の静磁結合のために、スピン・バルブ１０４の第２の自由層１２４に書込みを行うと、スピン・トンネル接合１０２の第１の自由層１２２の磁化方向が変化する。その結果、磁気素子のスピン・バルブ１０４に書き込まれているデータを読み出すために、スピン・トンネル接合１０２を使用することができる。それ故、出力信号がもっと高くなる。
【００３５】
さらに、それぞれ別々の自由層１２２および１２４を有するスピン・トンネル接合１０２およびスピン・バルブ１０４を使用すると他の利益が得られる。書込みを行う第２の自由層１２４は、読出しを行う第１の自由層１２２から分離しているので、自由層１２２および１２４の特性を別々に最適化することができる。より詳細に説明すると、第１の自由層１２２の磁化方向を確実に第２の自由層１２４の磁化方向を向くように、第１の自由層１２２の飽和保磁力を低くすることができる。対照的に、第２の自由層１２４に読出し中うっかり書込みが決して行われないように、第２の自由層１２４の飽和保磁力を高くすることができる。第２の自由層１２４の特性も、スピン・トランスファを改善したり、またはそうでない場合には、スピン・バルブ１０４の性能を改善するために調整することができる。第１の自由層１２２の特性も、磁気抵抗比を改善することにより信号を改善するために、またはそうでない場合には、スピン・トンネル接合１０２の性能を改善するために調整することができる。さらに、自由層１２２および１２４の材料および厚さを上記のように選択することができる。それ故、スピン・トンネル接合１０２およびスピン・バルブ１０４に対してそれぞれ別々の自由層１２２および１２４を使用しているので、スピン・トンネル接合１０２およびスピン・バルブ１０４の特性をその機能のために別々に調整することができる。その結果、磁気素子１００の性能が改善される。
【００３６】
図４は、本発明による磁気素子１００’の第２の実施形態の図面である。磁気素子１００’は、図３の磁気素子１００と同じ構成要素を多く有している。それ故、類似の構造には、図４の磁気素子１００’の類似の参照番号がつけてある。さらに、これらの構成要素は、好適には、磁気素子１００内の類似の構成要素と類似の方法で、類似の材料から製造することが好ましい。しかし、第２の自由層１２４’は合成物からできている。それ故、第２の自由層１２４’は、好適には、Ｒｕからできていることが好ましい非磁性層１２１により分離されている強磁性層１１９および１２３を含む。第２の自由層１２４’が合成
物でできている場合には、読出し中にスピン・トンネル接合１０２の磁気抵抗にスピン・バルブ１０４の巨大磁気抵抗が追加される。その結果、磁気素子１００による利益がある他に、読出し信号が増大する。
【００３７】
図５は、磁気素子の整形を内蔵する本発明による磁気素子１００”の第３の実施形態の図面である。磁気素子１００”は、図３の磁気素子１００と同じ構成要素を多く有している。それ故、類似の構造には、図５の磁気素子１００”の類似の参照番号がつけてある。さらに、ピン止め層１１２”および１２８”が図では合成物からできているが、ピン止め層１１２”および１２８”は簡単な強磁性層であってもよい。同様に、自由層１２２”および１２４”は図では簡単な強磁性層であるが、合成物による自由層１２２”および１２４”であってもよい。すでに説明したように、通常、図３の磁気素子１００のスピン・バルブ１０４に書き込むためにスピン・トランスファを使用するには、約１０７アンペア／ｃｍ２より大きいかまたは等しい十分高い電流密度を使用しなければならない。しかし、このような高い電流密度は、スピン・トンネル接合１０２に悪影響を与える恐れがある。より詳細に説明すると、バリア層１２０には、電流密度制限に対応する電圧制限がある。この電圧制限または電流密度制限を超えると、バリア層１２０が損傷する恐れがある。
【００３８】
図５に戻って説明すると、磁気素子１００”は、スピン・トンネル接合１０２”の電流密度が、スピン・トランスファにより自由層１２４”の磁化方向を切り替えるための十分高い電流密度を保持しながら、バリア層１２０”が損傷を起こすほどには決して高くならないようにするのを助けるような形状をしている。磁気素子１００”の整形により、スピン・トンネル接合１０２の断面の面積は、確実にスピン・バルブ１０４の断面の面積よりも大きくなる。例えば、スピン・バルブが、第１の幅、第１の深さ、および第１の幅に第１の深さを掛けた第１の寸法を有していると仮定しよう。また、スピン・トンネル接合が、第２の幅、第２の深さ、および第２の幅に第２の深さを掛けた第２の寸法を有していると仮定しよう。この場合、磁気素子の整形プロセスは、好適には、スピン・バルブの第１の寸法がスピン・トンネル接合の第２の寸法より必ず小さくなるステップを含むことが好ましい。図５の実施形態の場合には、スピン・バルブ１０４”が必ずもっと高い電流密度を有するように、磁気素子１００”は台形になっている。スピン・トンネル接合１０２”は、磁気素子１００”がもっと広く、そのためもっと大きな断面を有する台形の底部に存在している。スピン・バルブ１０４”は、磁気素子１００”がもっと狭くそのためもっと小さな断面を有する台形の頂部に存在している。その結果、ＣＰＰ構成の磁気素子１００”を流れる特定の電流の場合、スピン・トンネル接合１０２”の電流密度は、スピン・バルブ１０４”の電流密度より小さくなる。それ故、バリア層１２０”が損傷する確率を低減する一方で、第２の自由層１２４”へ書込みを行うためにスピン・トランスファを使用することができる。
【００３９】
図６は、磁気素子１００”’の整形を内蔵する本発明による磁気素子１００”’の第４の好ましい実施形態の図面である。磁気素子１００”’は、図６の磁気素子１００”と同じ構成要素を多く有している。それ故、類似の構造には、図６の磁気素子１００”の類似の参照番号がつけてある。さらに、ピン止め層１１２”’および１２８”’が図では合成物からできているが、ピン止め層１１２”’および１２８”’は簡単な強磁性層であってもよい。同様に、自由層１２２”’および１２４”’は図では簡単な強磁性層であるが、自由層１２２”’および１２４”’は合成層であってもよい。磁気素子１００”’は、スピン・トンネル接合１０２”’の電流密度が、スピン・トランスファにより自由層１２４”’の磁化を切り替えるための十分高い電流密度を保持しながら、バリア層１２０”’が損傷を起こすほどには決して高くならないようにするのを助けるような形状をしている。そのため、磁気素子１００”’は逆Ｔ字形をしている。スピン・トンネル接合１０２”’は、逆Ｔ字形の基部のところに存在しているが、この場所で磁気素子１００”’はもっと広くなっていて、そのためもっと大きな断面を有している。例えば、ある実施形態の場合
には、基部は、０．１×０．２μｍ２の楕円体であってもよい。スピン・バルブ１０４”’は逆Ｔ字形の垂直部分に存在していて、そこでは磁気素子１００”’はもっと狭くなっていて、そのため断面ももっと小さくなっている。例えば、ある実施形態の場合には、垂直部分は０．０５×０．１μｍ２の楕円体であってもよい。その結果、ＣＰＰ構成の磁気素子１００”’を通る特定の電流の場合、スピン・トンネル接合１０２”’の電流密度は、スピン・バルブ１０４”’の電流密度より小さくなる。それ故、バリア層１２０”’が損傷する確率を低減する一方で、第２の自由層１２４”’へ書込みを行うためにスピン・トランスファを使用することができる。それ故、上記利益の他に、磁気素子の整形により磁気素子１００”’の信頼性を改善することができる。
【００４０】
図７は、磁束案内を内蔵する本発明による磁気素子１００””の第５の実施形態の図面である。磁気素子１００”’は、図３の磁気素子１００と同じ構成要素を多く有している。それ故、類似の構造には、図７の磁気素子１００”’の類似の参照番号がつけてある。さらに、ピン止め層１１２””および１２８””が図では合成物からできているが、ピン止め層１１２””および１２８””は簡単な強磁性層であってもよい。同様に、自由層１２２””および１２４””は図では簡単な強磁性層であるが、自由層１２２””および１２４””は合成層であってもよい。さらに、磁気素子１００””は、図では逆Ｔ字形を有しているが、磁気素子１００””は別の形であってもよい。最後に、磁気素子１００”’は、図では磁束案内を内蔵しているが、磁束案内は本発明による磁気素子の他の実施形態に内蔵させることもできる。
【００４１】
磁気素子１００””は、また、磁束案内１４４および１４６を含む。磁束案内１４４、１４６は、それぞれ絶縁層１４０、１４２により磁気素子１００””から分離している。磁束案内１４４、１４６は、好適には、ＮｉＦｅのような柔らかな磁気材料から形成することが好ましい。磁束案内１４４、１４６は、磁気素子１００””の長軸の端部に追加される。磁束案内１４４、１４６は、第１の自由層１２２””および第２の自由層１２４””の縁部まで延びている。その結果、第２の自由層１２４””からの磁束は、第１の自由層１２２””により効率的に供給され、またその逆も行われる。これにより、自由層１２２””と１２４””間の静磁結合をより強力なものにすることができる。それ故、磁気素子１００の信頼性が改善される。
【００４２】
図８は、デュアルスピン・バルブを内蔵する本発明による磁気素子１５０の第６の好ましい実施形態の図面である。図では磁気素子１５０は逆Ｔ字形をしているが、磁気素子１５０をこのような形にする必要はないし、台形のような他の形にすることもできる。磁気素子１５０は、スピン・トンネル接合１５２、および分離層１５６により分離されているデュアルスピン・バルブ１５４を含む。スピン・トンネル接合１５２は基板１５１上に存在している。スピン・トンネル接合１５２は、ＡＦＭ層１６０、第１のピン止め層１６２、バリア層１７０、および自由層１７２を含む。第１のピン止め層１６２は、スペーサ層１６６により分離されている２つの強磁性層１６４および１６８を含む。しかし、他の実施形態の場合には、第１のピン止め層１６２は、簡単なピン止め層であってもよい。スペーサ層１６６は、強磁性層１６４および１６８が確実に反強磁性により結合するのに十分な厚さを有する非磁性導電層である。スピン・バルブ１５４は、第１のＡＦＭ層１７４、第２のピン止め層１７６、第１の非磁性スペーサ層１７８、自由層１８０、第２の非磁性スペーサ層１８２、第３のピン止め層１８４、および第２のＡＦＭ層１９２を含む。この図はまたキャップ層１９４も示す。ピン止め層１７６および１８４は、それぞれ簡単な合成ピン止め層である。しかし、ピン止め層１７６および１８４は、それぞれ合成ピン止め層であっても、簡単なピン止め層であってもよい。第３のピン止め層１８４は、反強磁性により結合していて、スペーサ層１８８により分離している強磁性層１８６、１９０を含む。自由層１７２および１８０は、静磁結合しているが、好適には、反強磁性により整合していることが好ましい。
【００４３】
磁気素子１５０は、磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’および１００””と本質的には同じ方法で機能する。しかし、磁気素子１５０は、また、もっと小さな書込み電流により書込みを行うことができる。第２および第３のピン止め層１７６および１８４は反対方向を向いている。それ故、スピン・トランスファにより書込みが行われた場合には、第２のピン止め層１７６からの多数の電荷キャリア、および第３のピン止め層１８４から反射される少数のキャリアの影響は付加的なものである。同様に、第３のピン止め層１８４からの多数の電荷キャリア、および第２のピン止め層１７６から反射した少数のキャリアの影響も付加的なものである。電荷キャリアの影響が付加的なものであるので、もっと小さな書込み電流により磁気素子１５０に書込みを行うことができる。それ故、誘電層１７０の損傷によりスピン・トンネル接合１５２が損傷を受ける確率はもっと低い。それ故、磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’および１００””に関連する改善された性能および信頼性を有するほかに、磁気素子１５０は、もっと少ない書込み電流ですむために信頼性が改善される。
【００４４】
図９は、デュアルスピン・バルブ１５４’の他にデュアル・トンネル磁気接合１５２’を内蔵する本発明による磁気素子１５０’の第７の実施形態の図面である。図では磁気素子１５０’は、例えば、台形または逆Ｔ字形に整形されていないが、磁気素子１５０’をこのような形に整形することもできる。磁気素子１５０’は、図８の磁気素子１５０と同じ構成要素を多く有している。それ故、類似の構造には、図９の磁気素子１５０’の類似の参照番号がつけてある。さらに、磁気素子１５０’は、デュアルスピン・トンネル接合１５２’を含む。それ故、スピン・トンネル接合１５２’は、第２のバリア層１９６および第２のピン止め層１９８を含む。図ではピン止め層１６２’、１７６’および１９８’は、簡単なピン止め層であるが、これらのピン止め層１６２’、１７６’および１９８’は合成ピン止め層であってもよい。
【００４５】
磁気素子１５０’は、磁気素子１５０と本質的には同じ方法で機能する。しかし、磁気素子１５０’は分離層を含んでいないことに留意されたい。代わりに、両方のピン止め層１７６’および１９８の磁化方向を固定するためにＡＦＭ反強磁性層１７４’を使用している。しかし、第１の自由層１７２’および第２の自由層１８０’は、依然として静磁結合している。さらに、第１の自由層１７２’および第２の自由層１８０’は、好適には、自由層１７２’および１８０’が反強磁性により整合するように、静磁結合することができるある距離だけ離れていることが好ましい。しかし、デュアルスピン・トンネル接合およびデュアルスピン・バルブを内蔵する磁気素子（図示せず）の他の実施形態は、別々のＡＦＭ層および分離層を含むことができる。スピン・トンネル接合１５２’はデュアルスピン・トンネル接合であるので、磁気素子１５０’は、読出し中もっと強度の強い信号を含み、非ゼロバイアス電圧によりトンネル磁気抵抗の低減が少ない。それ故、磁気素子１５０’の性能が改善される。
【００４６】
図１０は、本発明による磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および／または１５０’を使用する本発明による磁気メモリ２００の一実施形態の図面である。磁気メモリ・アレイ２００は例示としてのためだけのものであって、それ故、磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および／または１５０’が、従来のメモリ内にもっと直接的に内蔵することができるメモリ・アレイ２００を示す。それ故、各メモリ・セル２１０は、磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および／または１５０’およびトランジスタ２１２を含む。磁気メモリ・アレイ２００は、また、行選択機構２２０、列選択機構２３０、ワード線２２２および２１４、およびビット線２３２および２３４を含む。磁気メモリ・アレイ２００は、さらに書込み電流源２４０および読出し電流源２４２を含む。しかし、磁気メモリ・アレイ２００は、書込み線を全然含んでいない。
【００４７】
磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および／または１５０’に書き込むためにスピン・トランスファが使用されるので、図２の従来のメモリ１０の書込み線６０および６２のような追加の線は必要ない。それ故、消費電力を増大しないで、また従来のメモリ素子１および１’に書き込むための従来の書込み動作の使用による他の問題を起こさないで、磁気メモリ２００の密度をさらに増大することができる。さらに、別々の書込み線を使用しないですむので、磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および／または１５０’に書き込むために使用する回路を簡単にすることができる。
【００４８】
図１１は、本発明による磁気素子を提供するための本発明による方法３００のある実施形態の高度なフローチャートである。説明を分かりやすくするために、磁気素子１００の材料層の順序を参照しながら方法３００について説明する。しかし、方法３００は、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および１５０’に概略示す材料の層のような他の磁気素子に適合させることができる。例えば、磁気素子１５０および１５０’でのように、デュアルスピン・バルブおよび／またはデュアルスピン・トンネル接合を形成するために、追加のステップを追加することができる。第１の反強磁性層１１０は、ステップ３０２により形成される。好ましい実施形態の場合には、反強磁性層１１０は、適当なシード層１０８上に形成される。第１のピン止め層１１２およびバリア層１２０は、それぞれステップ３０４および３０６により形成される。ステップ３０４は、また、第１のピン止め層１１２が合成層になるように、スペーサ層１１６により分離されている強磁性層１１４および１１８を形成するステップを含む。第１の自由層１２２は、ステップ３０８により形成される。ステップ３０８は、合成自由層を形成するステップを含むことができる。分離層１０６はステップ３１０により形成される。第２の自由層１２４は、ステップ３１２により形成される。ステップ３１２は、合成自由層を形成するステップを含むことができる。非磁性スペーサ層１２６はステップ３１４により形成される。第２のピン止め層１２８および第２の反強磁性層１３６は、それぞれステップ３１６および３１８により形成される。反強磁性層１１０および１３６の向きは、ステップ３２０により設定される。ステップ３２０は、反強磁性層１１０および１３６の向きを別々に設定するステップを含むことができる。別の方法としては、ステップ３２０は、反強磁性層１１０および１３６の向きを一緒に設定することができる。そうしたい場合には、ステップ３２２により磁気素子１００を整形することができる。それ故、ステップ３２２は、磁気素子１００”、１００”’、１００””および１５０を整形するために使用される。それ故、一実施形態の場合には、ステップ３２２は磁気素子を逆Ｔ字形に形成する。他の実施形態の場合には、磁気素子はステップ３２２により台形に形成される。さらに、そうしたい場合には、磁束案内１４４／１４６がステップ３２４により形成される。好適には、ステップ３２４は、磁気素子１００”、１００”’、１００””および１５０のうちの１つのような整形済みの磁気素子を形成する場合だけ実行することが好ましい。次に、磁気素子１００に対する他の処理を終了することができる。それ故、方法３００により、磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および／または１５０’を製造することができる。
【００４９】
図１２Ａは、磁気素子を通る電流密度を調整する目的で磁気素子を整形するための本発明による方法３５０の一実施形態のフローチャートである。それ故、方法３５０は、ステップ３２２を実行し、磁気素子１００”を台形に形成するために使用することができる。整形中の様子は示していないが、構造１００’、１５０および１５０’を台形に整形する場合にも、方法３５０を使用することができる。しかし、方法２５０については、磁気素子１００”を参照しながら説明する。二層フォトレジスト構造（図示せず）が、ステップ３５２により（台形に形成される前に）磁気素子１００”上に形成される。磁気素子１００”は、ステップ３５４により、マスクとしての二層フォトレジスト構造により第１の角
度でミリング加工される。第１の角度は磁気素子に垂直の方向から測定される。これは、磁気素子の下のスピン・トンネル接合１０２”部分を形成する。磁気素子は、次に、ステップ３５６により、第２の角度でミリング加工される。第２の角度も、磁気素子への垂直方向から測定され、第１の角度より大きい。それ故、第２の角度の場合には、磁気素子１００”へのミリング加工がより深くなり、スピン・バルブ１０４”が存在する台形の上部を形成する。それ故、方法３５０を使用することにより磁気素子１００”を形成することができる。
【００５０】
図１２Ｂは、磁気素子を通る電流密度を調整する目的で、磁気素子を逆Ｔ字形に整形するための本発明による方法３６０の一実施形態のフローチャートである。それ故、ステップ３２２を実行し、磁気素子１００”’、１００””および１５０を整形するために方法３６０を使用することができ、その結果、スピン・バルブの幅がスピン・トンネル接合の幅より狭くなる。それ故、磁気素子１００”’、１００””および１５０の形成を参照しながら方法３６０について説明する。しかし、通常の当業者であれば、方法３６０は、通常、一度に１つのタイプの磁気素子に対してだけ使用されることを容易に理解することができるだろう。
【００５１】
二層フォトレジスト構造が、ステップ３６２により（整形される前に）磁気素子１００”’、１００””および１５０上に形成される。次に、磁気素子はステップ３６４により、マスクとしての二層フォトレジスト構造によりミリング加工される。それ故、磁気素子１００”’、１００””および１５０の下の部分が形成される。この場合、スピン・トンネル接合１０２”’、１０２””および１５０が形成される。次に、二層フォトレジスト構造がステップ３６６によりトリミングされる。好適には、ステップ３６６は、角度の大きなイオン・ミルによりミリング加工ステップ中に再堆積したすべての金属をクリーニングするステップを含むことが好ましい。二層フォトレジスト・マスクも、好適には、反応性イオン・エッチングまたはＵＶ／ベーク・ステップによりトリミングすることが好ましい。それ故、二層フォトレジスト構造の幅の方が狭い。次に、磁気素子１００”’、１００””および１５０は、ステップ３６８により、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）のような終点検出装置により、分離層の内部でのミリングを中止することにより、二層フォトレジスト構造をトリミングした後でミリング加工される。それ故、ステップ３６８は、スピン・バルブ１０４”’１０４””および１５４が存在する磁気素子１００”’、１００””および１５０の上部を形成する。それ故、方法３６０を使用して、磁気素子１００”’、１００””および１５０を形成することができる。
【００５２】
図１２Ｃは、磁気素子１００”’、１００””および１５０を通る電流密度を調整する目的で、磁気素子を逆Ｔ字形に整形するための本発明による方法３７０の一実施形態のフローチャートである。それ故、磁気素子１００”’、１００””および１５０を整形するステップを参照しながら方法３６０について説明する。しかし、通常の当業者であれば、方法３６０は、通常、一度に１つのタイプの磁気素子だけに使用されることを容易に理解することができるだろう。
【００５３】
第１の二層フォトレジスト構造が、ステップ３７２により、磁気素子１００”’、１００””および１５０上に形成される。磁気素子は、ステップ３７４により、マスクとしての第１の二層フォトレジスト構造によりミリング加工される。それ故、スピン・トンネル接合１０２”’、１０２””および１５２が存在する磁気素子１００”’、１００””および１５０の下部が形成される。第１の二層フォトレジスト構造がステップ３７６により除去される。第１の二層フォトレジスト構造より幅の狭い第２の二層フォトレジスト構造がステップ３７８により形成される。磁気素子が、ステップ３８０により、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）のような終点検出装置により、分離層の中央のところでミリングを中止することにより、第２の二層フォトレジスト構造をマスクとして使用してミリング加
工される。それ故、ステップ３８０は、スピン・バルブが存在する磁気素子１００”’、１００””および１５０の上部を整形する。それ故、方法３００、３６０および／または３７０を使用して、磁気素子１００”’、１００””および１５０を形成することができる。
【００５４】
それ故、方法３００、３５０、３６０および／または３７０を使用することにより、磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および１５０’を形成することができる。もっと局所化し、信頼性の高い現象であるスピン・トランスファにより、磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および１５０’に書込みを行うことができる。さらに、スピン・バルブおよびスピン・トンネル接合の自由層を別々に調整することができる。それ故、スピン・バルブの特性をスピン・トランスファを最適化するために調整することができ、一方、スピン・トンネル接合の特性を読出し信号を最適化するために調整することができる。その結果、磁気素子１００、１００’、１００”、１００”’、１００””、１５０および１５０’の性能および信頼性を改善することができる。
【００５５】
スピン・トランスファ、すなわち小さく局所化した切替え電流により書込みを行うことができ、適当な読出し信号を供給する磁気素子を提供するための方法およびシステムについて説明してきた。磁気素子は、バリア層を通して小さな電流密度が流れることができる幾何学的形状を有することができ、適当な整合を確実に行うために静磁結合している自由層を有する。それ故、スピン・バルブおよびスピン・トンネル接合の自由層を別々に調整することができ、性能および信頼性を改善することができる。図の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、通常の当業者であれば、これらの実施形態を種々に変更することができ、これらの変更は本発明の精神および範囲に含まれることを容易に理解することができるだろう。それ故、通常の当業者であれば添付の特許請求の範囲の精神および範囲から逸脱することなしに、多くの修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１Ａ】従来の磁気素子、すなわちスピン・バルブの図面。
【図１Ｂ】従来の磁気素子、すなわち磁気メモリで使用する素子のようなスピン・トンネル接合の図面。
【図２】従来の磁気メモリ・アレイの図面。
【図３】本発明による磁気素子の一実施形態の図面。
【図４】本発明による磁気素子の第２の実施形態の図面。
【図５】磁気素子の整形を含む本発明による磁気素子の第３の実施形態の図面。
【図６】磁気素子の整形を含む本発明による磁気素子の第４の実施形態の図面。
【図７】磁束案内を内蔵する本発明による磁気素子の第５の実施形態の図面。
【図８】デュアルスピン・バルブを内蔵する本発明による磁気素子の第６の実施形態の図面。
【図９】デュアル・トンネル磁気接合を内蔵する本発明による磁気素子の第７の実施形態の図面。
【図１０】本発明による磁気素子を使用する本発明による磁気メモリの一実施形態の図面。
【図１１】本発明による磁気素子を提供するための本発明による方法の一実施形態を示す高度のフローチャート。
【図１２Ａ】磁気素子により電流密度を調整するために磁気素子を整形するための本発明による方法の一実施形態のフローチャート。
【図１２Ｂ】磁気素子により電流密度を調整するために磁気素子を整形するための本発明による方法の一実施形態のフローチャート。
【図１２Ｃ】磁気素子により電流密度を調整するために磁気素子を整形するための本発明による方法の一実施形態のフローチャート。
【図１Ａ】
2006516360.tif 000002
【図１Ｂ】
2006516360.tif 000003
【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１２Ａ】
2006516360.tif 000014
【図１２Ｂ】
2006516360.tif 000015
【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
2006516360.tif 000017
2006516360.tif 000018