(57)【要約】熱的に安定した状態で、スピントランスファ効果を用いて書き込まれることができる磁性素子（１２０）、およびその磁性素子（１２０）を用いる磁気メモリを設けるための方法およびシステムを開示する。その磁性素子（１２０）は、第１（１２８）、第２（１３２）および第３（１３６）のピン止め層と、第１（１３０）および第２（１３４）の非磁性層と、自由層（１４０）と、非磁性スペーサ層（１３８）とを備える。第１（１２８）、第２（１３２）および第３（１３６）のピン止め層は強磁性であり、第１、第２および第３の方向にピン止めされた第１、第２および第３の磁化を有する。第１（１３０）および第２（１３４）の非磁性層はそれぞれ第１および第２の拡散障壁を含む。第１（１３０）および第２（１３４）の非磁性層はそれぞれ、第１のピン止め層（１２８）と第２のピン止め層（１３２）の間、および第２のピン止め層（１３２）と第３のピン止め層（１３６）との間に位置する。第１（１２８）および第２（１３２）のピン止め層、ならびに第２（１３２）および第３（１３６）のピン止め層は反強磁性結合される。非磁性スペーサ層（１３８）は導電性であり、自由層（１４０）と第３のピン止め層（１３６）との間に存在する。さらに、Ｃｏを含有する強磁性層にＣｒおよび／またはＰｔをドープすることによって、性能をさらに改善することができる。
2006501650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性素子であって、
第１のピン止め層であって、強磁性であり、第１の方向にピン止めされた第１の磁化を有する、第１のピン止め層と、
第１の非磁性層であって、導電性であり、第１の拡散障壁を含む、第１の非磁性層と、
第２のピン止め層であって、強磁性であり、第２の方向にピン止めされた第２の磁化を有し、前記第１の非磁性層は前記第１のピン止め層と該第２のピン止め層との間にあり、該第２のピン止め層は前記第１のピン止め層と反強磁性結合される、第２のピン止め層と、
第２の非磁性層であって、導電性であり、第２の拡散障壁を含む、第２の非磁性層と、
第３のピン止め層であって、強磁性であり、第３の方向にピン止めされる第３の磁化を有し、前記第２の非磁性層は該第３のピン止め層と前記第２のピン止め層との間にあり、該第３のピン止め層は前記第２のピン止め層と反強磁性結合される、第３のピン止め層と、
自由層であって、強磁性であり、自由層磁化を有する、自由層と、
非磁性スペーサ層であって、導電性であり、前記自由層と前記第３のピン止め層との間にある、非磁性スペーサ層とを備える、磁性素子。
【請求項２】
第４のピン止め層であって、強磁性であり、第４の磁化を有し、該第４の磁化は第４の方向にピン止めされる、第４のピン止め層と、
障壁層であって、絶縁体であり、該障壁層を通してトンネル現象が生じるようにする厚みを有し、前記自由層と前記第４のピン止め層との間にある、障壁層とをさらに備え、
磁性素子は、書込み電流が該磁性素子の中に流れるときに、スピントランスファによって、前記自由層磁化が方向を変更できるように構成される、請求項１に記載の磁性素子。
【請求項３】
前記第４のピン止め層は、
第５の磁化を有する第１の強磁性層であって、該第５の磁化は第５の方向にピン止めされ、該第１の強磁性層は前記障壁層に隣接する、第１の強磁性層と、
第３の非磁性層であって、導電性であり、第３の拡散障壁を含む、第３の非磁性層と、
第２の強磁性層であって、強磁性であり、第６の磁化を有し、該第６の磁化は第６の方向にピン止めされ、該第２の強磁性層は前記第１の強磁性層と反強磁性結合され、前記第４の磁化は前記第１の強磁性層および該第２の強磁性層の正味の磁化である、第２の強磁性層とを含む、請求項２に記載の磁性素子。
【請求項４】
前記第１の強磁性層の前記第５の磁化の前記第５の方向は、前記第３のピン止め層の前記第３の磁化の前記第３の方向と逆である、請求項３に記載の磁性素子。
【請求項５】
前記第２の強磁性層に隣接する反強磁性層をさらに備える、請求項３に記載の磁性素子。
【請求項６】
前記第１のピン止め層に隣接する反強磁性層をさらに備える、請求項１に記載の磁性素子。
【請求項７】
前記第１のピン止め層、前記第２のピン止め層、前記第３のピン止め層および前記第４のピン止め層ならびに前記自由層は或る量のＰｔあるいはＣｒを含む、請求項２に記載の磁性素子。
【請求項８】
前記ＰｔあるいはＣｒの量は１ないし５原子パーセントである、請求項７に記載の磁性素子。
【請求項９】
前記自由層は合成の自由層である、請求項１に記載の磁性素子。
【請求項１０】
磁性素子を設ける方法であって、
（ａ）第１のピン止め層を設けるステップであって、該第１のピン止め層は強磁性であり、第１の方向にピン止めされた第１の磁化を有する、第１のピン止め層を設けるステップと、
（ｂ）第１の非磁性層を設けるステップであって、該第１の非磁性層は導電性であり、第１の拡散障壁を含む、第１の非磁性層を設けるステップと、
（ｃ）第２のピン止め層を設けるステップであって、該第２のピン止め層は強磁性であり、第２第３の方向にピン止めされた第２の磁化を有し、前記第１の非磁性層は前記第１のピン止め層と該第２のピン止め層との間にあり、該第２のピン止め層は前記第１のピン止め層と反強磁性結合される、第２のピン止め層を設けるステップと、
（ｄ）第２の非磁性層を設けるステップであって、該第２の非磁性層は導電性であり、第２の拡散障壁を含む、第２の非磁性層を設けるステップと、
（ｅ）第３のピン止め層を設けるステップであって、該第３のピン止め層は強磁性であり、第３の方向にピン止めされる第３の磁化を有し、前記第２の非磁性層は該第３のピン止め層と前記第２のピン止め層との間にあり、該第３のピン止め層は前記第２のピン止め層と反強磁性結合される、第３のピン止め層を設けるステップと、
（ｆ）自由層を設けるステップであって、該自由層は強磁性であり、自由層磁化を有する、自由層を設けるステップと、
（ｇ）非磁性スペーサ層を設けるステップであって、該非磁性スペーサ層は導電性であり、該非磁性スペーサ層は前記自由層と前記第３のピン止め層との間にある、非磁性スペーサ層を設けるステップとを含む、磁性素子を設ける方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は磁気メモリシステムに関し、より詳細には、切り替わる際にスピントランスファ効果を利用し、磁気ランダムアクセスメモリ（「ＭＲＡＭ」）のような磁気メモリにおいて用いることができるより熱安定性の高い素子を設けるための方法およびシステムに関する。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００２年８月６日に出願され、本出願の譲受人に譲渡された「MAGNETIC ELEMENT UTILIZING SPIN TRANSFER AND AN MRAM DEVICE USING THE MAGNETIC ELEMENT」という名称の米国特許出願第１０／２１３，５３７号に関連する。
【背景技術】
【０００３】
［発明の背景］
データを記憶する際に磁気メモリが用いられる場合がしばしばある。現在関心を集めている１つのタイプのメモリ素子は、データを記憶するために磁性素子の磁気抵抗を利用する。図１Ａおよび図１Ｂは従来の磁性素子１および１’を示す。従来の磁性素子１はスピンバルブ１であり、従来の反強磁性層２と、従来のピン止め層４と、従来のスペーサ層６と、従来の自由層８とを備える。従来のピン止め層４および従来の自由層８は強磁性である。従来のスペーサ層６は非磁性である。従来のスペーサ層６は導電性である。反強磁性層２は、ピン止め層４の磁化を或る特定の方向に固定あるいはピン止めするために用いられる。自由層８の磁化は、典型的には外部からの磁界に応答して自由に回転する。
【０００４】
従来の磁性素子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に類似である。したがって、従来の磁性素子１’は、反強磁性層２’と、従来のピン止め層４’と、絶縁性障壁層６’と、自由層８’とを備える。従来の障壁層６’は、従来のスピントンネル接合１’において電子が突き抜けるほど十分に薄い。
【０００５】
自由層８あるいは８’およびピン止め層４あるいは４’の磁化のそれぞれの向きに応じて、従来の磁性素子１あるいは１’の抵抗がそれぞれ変化する。自由層８およびピン止め層４の磁化が平行であるとき、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の磁化が反平行であるとき、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’の磁化が平行であるとき、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’の磁化が反平行であるとき、従来のスピントンネル接合１’の抵抗は高い。
【０００６】
従来の磁性素子１／１’の抵抗を読み取るために、従来の磁性素子１／１’の中に電流が流される。電流は、２つの構成、すなわち面内の電流（「ＣＩＰ」）および面に対して垂直な電流（「ＣＰＰ」）のうちの１つにおいて、従来の磁性素子１の中に流されることができる。しかしながら、従来のスピントンネル接合１’の場合、電流はＣＰＰ構成において流される。ＣＩＰ構成では、電流は、従来のスピンバルブ１の層に対して平行に流される。したがって、ＣＩＰ構成では、図１Ａに示されるように、電流は左から右に、あるいは右から左に流される。ＣＰＰ構成では、電流は、従来の磁性素子１／１’の層に対して垂直に流される。したがって、ＣＰＰ構成では、電流は、図１Ａあるいは図１Ｂに示されるように上あるいは下に流される。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において用いられる。
【０００７】
図２は、従来のメモリセル２０を用いる従来のメモリアレイ１０を示す。従来のメモリセル２０はそれぞれ、図２において抵抗として示される、従来の磁性素子１／１’を備える。従来のメモリアレイ１０は典型的にはスピントンネル接合１’を用いる。従来のアレイ１０は、４つの従来のメモリセル２０を備えるように示される。各メモリセル２０は、従来のスピントンネル接合１’と、トランジスタ２２とを備える。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に接続されるとともに、ワード線５２および５４を介して、行選択５０に接続される。また、書込み中に、対応する従来のメモリセル２０のための外部磁界を生成する電流を運ぶ書込み線６０および６２も示される。読出し／書込み列選択３０は書込み電流源４２および読出し電流源４０に接続され、それらの電流源は線４６を介して電圧源Ｖｄｄ４８に接続される。
【０００８】
従来のメモリアレイ１０に書込みを行うために、書込み電流Ｉｗ４２が、読出し／書込み列選択３０によって選択されたビット線３２あるいは３４に加えられる。読出し電流Ｉｒ４０は加えられない。ワード線５２および５４はいずれも機能しないようにされる。全てのメモリセル内のトランジスタ２２も機能しないようにされる。さらに、選択された書込み線６０および６２のうちの一方が、選択された従来のメモリセル２０に書込みを行うために用いられる電流を運ぶ。書込み線６０あるいは６２内の電流およびビット線３２あるいは３４内の電流を組み合わせて、自由層８’の磁化の方向を切り替え、それゆえ所望の従来のメモリセル２０に書込みを行うだけの十分に大きな磁界が生成される。従来のメモリセル２０に書き込まれるデータに応じて、従来の磁気トンネル接合１’は、高抵抗あるいは低抵抗を有するであろう。
【０００９】
従来のメモリアレイ１０内の従来のセル２０から読出しを行うとき、書込み電流の代わりに、読出し電流Ｉｒ４０が加えられる。読み出されるために選択されたメモリセル２０は、行選択５０および列選択３０によって決定される。出力電圧が出力線４４において読み出される。
【００１０】
従来の磁性素子１および１’の場合、さらに別の要件もある。従来の磁性素子１および１’は、ＭＲＡＭ技術を集積する際のＣＭＯＳ工程に適合するだけの十分な熱安定性を有する。ＣＭＯＳの上に磁性素子を積層する場合、磁気メモリ１０を形成する際に用いられるバックエンド工程は、焼結と、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）を用いる酸化物堆積とを含む。焼結およびＰＥＣＶＤにとっての典型的な温度はそれぞれ約４５０℃および３５０℃である。埋め込みシステムの場合、いくつかの標準的なＣＭＯＳ工程ステップが４５０℃以上で行われる。結果として、従来の磁性素子１および１’は、これらの高温において安定していなければならない。さらに、従来の磁性素子１および１’は、室温よりも高い動作温度も有する。一般的に、従来の磁性素子１および１’からの信号は３００℃よりも高い温度で劣化する。ＧＭＲおよびＴＭＲ信号の劣化は、ピンニング（ピン止めされた方向からのピン止め層４／４’の磁化の変化）の喪失、界面分極の喪失、およびＭｎのような元素がピン止め層４／４’および自由層８／８’内に拡散することに起因する抵抗の変化による。
【００１１】
従来の磁気トンネル接合１’を用いる従来の磁気メモリ１０は正常に機能することができるが、従来の磁性素子１および１’は、約３００℃の温度において信号の劣化を受ける。バックエンド工程の実施後に、あるいは埋め込みシステムにおいて、磁性素子１および１’が正常に機能することができるようにするために、従来の磁性素子１および１’がより高い温度、たとえば４５０℃あるいは５００℃までの温度においても安定していることが望ましいであろう。さらに、従来の磁性素子１’および従来の磁気メモリ１０をより高いメモリセル密度において用いることの障害もある。詳細には、従来のメモリアレイ１０
は、ビット線３２あるいは３４および書込み線６０あるいは６２の中に流れる電流によって生成される外部磁界を用いて書き込まれる。言い換えると、自由層８’の磁化が、ビット線３２あるいは３４および書込み線６０あるいは６２の中に流れる電流によって生成される外部磁界によって切り替えられる。切替え磁界として知られている、自由層８’の磁化を切り替えるために必要とされる磁界は、従来の磁性素子１’の幅に反比例する。結果として、従来のメモリにおいて磁性素子１’が狭くなるほど、切替え磁界が増加する。切替え磁界が高くなるので、ビット線３２あるいは３４の中に、そして特に書込み線６０あるいは６２の中に流される必要がある電流は、磁気メモリセルの密度が高くなると劇的に増加する。この大きな電流は、従来の磁気メモリ１０において多数の問題を引き起こす可能性がある。たとえば、クロストークおよび消費電力が増加するであろう。さらに、所望のメモリセル２０において切替え磁界を生成する電流を流すために必要とされる駆動回路の面積が増加し、構成が複雑になるであろう。さらに、従来の書込み電流は、１つの磁気メモリセルを切り替えるほど十分に大きくなければならないが、隣接するセルが誤って切り替えられるほど大きくすべきではない。書込み電流の大きさにこのような上限がある結果として、他のセルよりも切り替えるのが難しいセル（製造および材料の不均一性による）が常に書込みに失敗することになるので、信頼性の問題に繋がる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、十分な読出し信号を与えながら、改善された熱安定性を有し、高い密度、低い消費電力、低いクロストークおよび高い信頼性を有するメモリアレイにおいて用いることができる磁気メモリ素子を設けるためのシステムおよび方法が必要とされる。本発明は、そのような磁気メモリ素子への要求に対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
［発明の概要］
本発明は、熱的に安定した状態で、スピントランスファ効果を用いて書き込まれることができる磁性素子、およびその磁性素子を用いる磁気メモリを設けるための方法およびシステムを提供する。その磁性素子は、第１、第２および第３のピン止め層と、第１および第２の非磁性層と、自由層と、非磁性スペーサ層とを備える。第１、第２および第３のピン止め層は強磁性であり、第１、第２および第３の方向にピン止めされた第１、第２および第３の磁化を有する。第１および第２の非磁性層はそれぞれ第１および第２の拡散障壁を含む。第１および第２の非磁性層はそれぞれ、第１のピン止め層と第２のピン止め層の間、および第２のピン止め層と第３のピン止め層との間に位置する。第１および第２のピン止め層、ならびに第２および第３のピン止め層は反強磁性結合される。非磁性スペーサ層は導電性であり、自由層と第３のピン止め層との間に存在する。さらに、Ｃｏを含有する強磁性層にＣｒおよび／またはＰｔをドープすることによって、性能をさらに改善することができる。
【００１４】
本明細書に開示されるシステムおよび方法によれば、本発明は、改善された熱安定性を有するとともに、より効率的で、局部的な現象を用いて書き込まれることができる磁性素子および磁気メモリを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［発明の詳細な説明］
本発明は、磁性素子、およびＭＲＡＭのような磁気メモリを改善することに関する。以下の説明は、当業者が本発明を実施し、利用できるようにするために提供され、特許出願およびその要件に関連して提供される。好ましい実施形態への種々の変更形態が当業者には容易に明らかになり、本明細書の一般的な原理は他の実施形態にも適用することができる。したがって、本発明は図示される実施形態に限定されることを意図するものではなく
、本明細書に記載される原理および特徴に一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【００１６】
先に説明したように、従来の磁気メモリの密度を高める際に直面する難問の１つは、図２に示され、図１Ｂの従来の磁性素子１’を用いる従来の磁気メモリ１０のような従来の磁気メモリに対して書込みを行うために、大きな電流が必要とされることである。言い換えると、自由層の磁化の方向を切り替える磁界を生成するために必要とされる電流が大きい。この大きな電流は、結果としてクロストークを引き起こし、消費電力を増加させる可能性があるので、問題となる可能性がある。
【００１７】
より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いくつかを克服するために、最近になって発見された現象、すなわちスピントランスファを利用することができる。スピントランスファに関する現在の知識は、Ｊ．Ｃ．スロンチェフスキ（J. C. Slonczewski ）著「Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers 」（Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 159, p. L1-L5 (1996)）、Ｌ．ベルジェ（L. Berger ）著「Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversed by a Current」（Phys. Rev. B, Vol. 54, p. 9353 (1996) ）、およびＦ．Ｊ．アルバート、Ｊ．Ａ．カティーンおよびＲ．Ａ．ブーマン（F. J. Albert, J. A. Katine and R. A. Buhman ）著「Spin-polarized Current Switching of a Co Thin Film Nanomagnet 」（Appl. Phys. Lett., Vol. 77, No. 23, p. 3809-3811 (2000) ）に詳述される。したがって、スピントランスファ現象の以下の説明は当該技術分野における現在の知識に基づいており、本発明の範囲を制限することを意図していない。
【００１８】
スピントランスファ効果は、強磁性層−通常の金属層の多層におけるスピン依存性の電子伝達特性から生じる。スピン分極した電流がＣＰＰ構成において磁気多層を横切るとき、強磁性層上に入射する電子のスピン角運動量が、強磁性層と通常の金属層との間の界面付近にある強磁性層の磁気モーメントと相互作用する。この相互作用を通して、電子はその角運動量の一部を強磁性層に渡す。結果として、電流密度が十分に高く（約１０７−１０８Ａ／ｃｍ２）、かつ自己磁界効果が重要でないほど多層の寸法が小さい（約２００ナノメートル未満）場合には、スピン分極した電流は強磁性層の磁化の方向を切り替えることができる。さらに、スピントランスファによって強磁性層の磁化の方向を切り替えることができるようにするために、強磁性層は十分に薄くなければならず、たとえばＣｏの場合に約１０ナノメートル未満であることが好ましい。
【００１９】
従来のスピンバルブ１あるいは従来のスピントンネル接合１’のそれぞれの自由層８あるいは８’の磁化の方向を切り替えるために外部磁界からの切替え磁界を用いる代わりに、あるいはそれに加えて、スピントランスファの現象をＣＰＰ構成において用いることができる。スピントランスファは他の仕組みよりも優位な現象であり、それゆえ、従来の磁性素子１／１’の寸法が小さく、数百ナノメートルの範囲にあるときに観測可能になる。結果として、スピントランスファは、より小さな磁性素子１／１’を有する、より高密度の磁気メモリに適している。
【００２０】
たとえば、スピントランスファを用いて、従来のスピンバルブ１内の従来の自由層８の磁化を切り替えることが説明される。従来の自由層８の磁化を従来のピン止め層４の磁化に対して平行に切り替えるために、従来の自由層８から従来のピン止め層４に電流を流すことができる。従来の自由層８の磁化は、最初に従来のピン止め層４に対して反平行であるものと仮定される。従来の自由層８から従来のピン止め層４に電流を流すと、伝導電子が従来のピン止め層４から従来の自由層８に移動する。従来のピン止め層４から移動する多数電子は、スピンが従来のピン止め層４の磁化と同じ方向に分極している。これらの電子は、従来の自由層８と従来のスペーサ層６との間の界面付近において、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として、電子はそのスピン角運動量を従来の自由層８に渡す。したがって、従来の自由層８の磁化に対して反平行（そして、従来のピン止め層４に対して平行）なスピンに対応する角運動量が従来の自由層に渡される。電子によって十分な角運動量が渡される場合には、従来の自由層８の磁化を、従来の自由層４の磁化に対して平行に切り替えることができる。
【００２１】
別法では、従来の自由層８の磁化を従来のピン止め層８の磁化に対して反平行に切り替えるために、従来のピン止め層４から従来の自由層８に電流を流すことができる。この場合には、自由層８の磁化は、最初にピン止め層４に対して平行であるものと仮定される。電流が従来のピン止め層４から従来の自由層８に流されるとき、伝導電子が逆の方向に移動する。多数電子は、スピンが従来の自由層８の磁化の方向に分極しており、自由層８はもともと、従来のピン止め層４と同じ方向に磁化されている。これらの多数電子は、従来のピン止め層４の中を通過する。しかしながら、少数電子は、スピンが従来の自由層８および従来のピン止め層４の磁化に対して反平行に分極しており、従来のピン止め層４から反射されて、従来の自由層８に戻されるであろう。従来のピン止め層４によって反射される少数電子は、従来の自由層８の磁気モーメントと相互作用して、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に渡す。電子によって十分な角運動量が従来の自由層８に渡される場合には、自由層８の磁化を、従来のピン止め層４の磁化に対して反平行になるように切り替えることができる。
【００２２】
ＣＰＰ構成において従来の磁性素子１あるいは１’の中に流される電流を用いるとき、スピントランスファが、それぞれ自由層８あるいは８’の磁化の方向を切り替えることができる。したがって、従来の磁性素子１あるいは１’の中に流れる電流を用いることにより、スピントランスファを用いて、磁気メモリ内の磁性素子１あるいは１’に書込みを行うことができる。それゆえ、スピントランスファによる書込みの仕組みは、より局部的であり、生成されるクロストークが少ない。また、スピントランスファは、結果として、ＭＲＡＭのようなデバイス内の従来の磁性素子１／１’内の実効的な磁界を高めるので、信頼性がより高い。さらに、磁性素子１あるいは１’が十分に小さなサイズを有する場合、磁化を切り替えるために必要とされる電流は、従来の磁気メモリ１０内に切替え磁界を生成するために必要とされる電流よりも著しく小さくすることができる。したがって、書込みを行う際の消費電力が小さい。
【００２３】
スピントランスファの現象を用いて、従来の自由層８／８’の磁化の方向を切り替えることができるが、メモリにおいて従来の磁性素子１／１’を用いることにさらに別の障害があることは当業者には容易に理解されよう。従来のスピンバルブ１の場合、ＣＰＰ構成の結果として、信号がかなり小さくなる。たとえば、従来のスピンバルブ１のＣＰＰ構成の場合の磁気抵抗比はわずか約２パーセントである。さらに、従来のスピンバルブ１の全抵抗は低い。したがって、従来のスピンバルブ１によって出力される読出し信号は非常に低い。スピントランスファを用いて、従来のスピンバルブ１に書込みを行うことができるが、従来のスピンバルブ１から読出しを行うときの出力信号が低すぎるので、スピントランスファを用いて書き込まれた磁気メモリにおいて従来のスピンバルブ１を用いることが難しくなる。
【００２４】
一方、従来のスピントンネル接合１’は典型的には、抵抗−面積の積が大きく、Ｒａ〜ｋΩμｍ２である。スピントランスファ効果を引き起こすために大きな電流密度が必要とされるが、抵抗損に起因して薄い絶縁性障壁を破壊する可能性がある。さらに、スピントランスファは、従来のスピントンネル接合１’において室温では観測されていない。それゆえ、高いＲａ値を有する従来のスピントンネル接合１’は、スピントランスファを用いて磁気メモリセルに書込みを行うＭＲＡＭにおいて用いることができない可能性がある。結果として、より高い密度を有し、かつより小さな磁性素子を有する磁気メモリに書込み
を行うための、信頼性があり、局部的な仕組みが依然として望まれていることが当業者には理解されよう。
【００２５】
本発明は、熱的に安定した状態でスピントランスファ効果を用いて書き込まれることができる磁性素子、およびその磁性素子を用いる磁気メモリを設けるための方法およびシステムを提供する。その磁性素子は、第１、第２および第３のピン止め層と、第１および第２の非磁性層と、自由層と、非磁性スペーサ層とを備える。第１、第２および第３のピン止め層は強磁性であり、第１、第２および第３の方向にピン止めされた第１、第２および第３の磁化を有する。第１および第２の非磁性層はそれぞれ第１および第２の拡散障壁を含む。第１および第２の非磁性層はそれぞれ、第１のピン止め層と第２のピン止め層の間、および第２のピン止め層と第３のピン止め層との間に位置する。第１および第２のピン止め層、ならびに第２および第３のピン止め層は反強磁性結合される。非磁性スペーサ層は導電性であり、自由層と第３のピン止め層との間に存在する。さらに、Ｃｏを含有する強磁性層にＣｒおよび／またはＰｔをドープすることによって、性能をさらに改善することができる。
【００２６】
本発明は、或る特定の磁気メモリ、および特定の構成要素を有する或る特定の磁性素子に関して説明されるであろう。しかしながら、本方法およびシステムが、異なる構成要素および／またはさらに別の構成要素を有する他の磁気メモリ素子、ならびに本発明と一致しない、異なる特徴および／または他の特徴を有する他の磁気メモリの場合にも有効に機能することは当業者には容易に理解されよう。また本発明はスピントランスファ現象の現在の理解に関連して説明される。したがって、本方法およびシステムの挙動の理論的な説明が、スピントランスファのこの現在の理解に基づいてなされることは当業者には容易に理解されよう。本方法およびシステムは、基板に対して或る特定の関係を有する構造に関連して説明されることも当業者には容易に理解されよう。しかしながら、本方法およびシステムが他の構造でも成り立つことは当業者には容易に理解されよう。たとえば、本発明はボトムスピンバルブ（スピンバルブの底部にピン止め層を有する）とトップスピントンネル接合（スピントンネル接合の上部にピン止め層を有する）との組み合わせに関して説明される。本発明は、トップスピンバルブおよびボトムスピントンネル接合でも成り立つ。さらに、本方法およびシステムは、特定の層が合成の層であることとの関連で説明される。しかしながら、他の層および／または付加的な層が合成されることができることは当業者には容易に理解されよう。
【００２７】
本発明は、２００２年８月６日に出願され、本発明の譲受人に譲渡される「MAGNETIC ELEMENT UTILIZING SPIN TRANSFER AND AN MRAM DEVICE USING THE MAGNETIC ELEMENT」という名称の米国特許出願第１０／２１３，５３７号に関連する。本出願人は、上記の同時係属中の出願を参照して本明細書に援用する。上記の同時係属中の出願は、磁性素子の磁化を切り替えるための仕組みとしてスピントランスファを利用する磁性素子を記載する。
【００２８】
図３は、先に記した同時係属中の特許出願に記載される磁性素子の一実施形態１００を示す。シード層あるいはキャッピング層のような他の層は明瞭にするために示されないことに留意されたい。磁性素子１００は基板１０１上に形成される。磁性素子１００は、第１の反強磁性層１０２と、第１のピン止め層１０４と、導電性スペーサ層１０６と、自由層１０８と、絶縁性障壁層１１０と、第２のピン止め層１１２と、第２の反強磁性層１１４とを備える。第１のピン止め層１０４、自由層１０８および第２のピン止め層１１２は単一の構成要素からなる強磁性層として示されることに留意されたい。磁性素子１００は、スピンバルブとスピントンネル接合の組み合わせと見なすことができる。スピンバルブは第１の反強磁性層１０２と、第１のピン止め層１０４と、導電性スペーサ層１０６と、自由層１０８とを含むと見なされるであろう。スピントンネル接合は、自由層１０８と、絶縁性障壁層１１０と、第２のピン止め層１１２と、第２の反強磁性層１１４とを含むも
のと見なされるであろう。好ましい実施形態では、磁性素子１００のスピンバルブ部分がスピントランスファを用いて自由層１０８に書込みを行い、一方、磁性素子１００のスピントンネル接合部分が磁性素子１００を読み出すために用いられる。
【００２９】
磁性素子１００は、自由層１０８の磁化をスピントランスファを用いて切り替えることができるように構成される。結果として、磁性素子１００の寸法は小さく、数百ナノメートルの範囲内にある。好ましい実施形態では、磁性素子１００の寸法は２００ナノメートル未満であり、約１００ナノメートルであることが好ましい。磁性素子１００は、図３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とが好ましい。その深さは、磁性素子１００の幅よりも小さく、磁性素子１００がいくらかの形状異方性を有するようにし、自由層１０８が或る好ましい方向を確実に有するようにすることが好ましい。さらに、スピントランスファが、自由層の磁化をピン止め層１０４および１１２の磁化に揃えるように回転させるほど十分に強くなるように、自由層１０８の厚みは十分に薄い。好ましい実施形態では、自由層１０８は１０ｎｍ以下の厚みを有する。
【００３０】
ピン止め層１０４および１１２ならびに自由層１０８は強磁性である。さらに、先に説明したように、磁性素子１００は、いくらかの異方性を有し、自由層１０８が好ましい方向を有するようにすることが好ましい。導電性スペーサ層１０６はＣｕあるいは他の非磁性の遷移金属であることが好ましい。障壁層１１０は、障壁層１１０を電子が突き抜けられるほど十分に薄く、アルミナから構成されることが好ましい。
【００３１】
第１のピン止め層１０４および第２のピン止め層１１２の磁化は、逆の方向にピン止めされるように示される。別の実施形態では、ピン止め層１０４および１１２の磁化は同じ方向にピン止めされることができる。たとえば、合成の自由層が用いられる場合には、ピン止め層１０４および１１２は同じ方向にピン止めされることが好ましい。したがって、好ましい実施形態では、スペーサ層１０６および障壁層１１０に隣接するピン止め層１０４および１１２はそれぞれ、逆の方向に揃えられることが望ましい。この向きは、後に説明するように、磁性素子１００のスピントンネル接合部分がスピントランスファに寄与するように構成されることができる場合に、磁性素子を、より小さな電流密度を用いることにより所望のように書き込まれることができるようにするために望ましい。
【００３２】
反強磁性層１０２および１１４を用いて、ピン止め層１０４および１１２の磁化がそれぞれピン止めされる。反強磁性層１０２および１１４はＰｔＭｎから構成されることが好ましい。しかしながら、反強磁性層１０２および１１４が、ＮｉＭｎ、ＰｄＭｎおよびＩｒＭｎのような他の反強磁性材料を含むことを妨げる理由はない。ピン止め層１０４および１１２が異なる方向にピン止めされることになるときには、異なるブロッキング温度を有する反強磁性層１０２および１１４が用いられることが好ましい。
【００３３】
動作時に、磁性素子１００はスピントランスファを用いて書き込まれる。現在、スピントランスファ現象は主に磁性素子１００のスピンバルブ部分を用いて与えられる。詳細には、第２のピン止め層１１２から自由層１０８および第１のピン止め層１０４を通して電流を流すことができる。そのような電流は、第１のピン止め層１０４の磁化の方向にスピン分極した電子に対応し、それゆえ、自由層１０８の磁化を第１のピン止め層１０４と同じ方向に設定することができる。同様に、逆の方向に電流を流すと、第１のピン止め層１０４から反射し、自由層１０８に戻る少数電子が、自由層１０８の磁化を、ピン止め層１０４の磁化と反対になるように切り替えることができる。
【００３４】
したがって、スピントランスファを用いて、磁性素子１００に書込みを行うことができる。結果として、外部電流によって生成される切替え磁界は不要である。代わりに、より局部的で、信頼性の高い現象を用いて、磁性素子１００に書き込みが行われる。さらに、
磁性素子１００が好ましい寸法を有する場合、相対的に小さな電流で、約１０７Ａｍｐｓ／ｃｍ２の十分な電流密度を与えることができる。結果として、非常に高い電流を供給するための特別な回路を用いることを避けることができる。
【００３５】
さらに進んで、数Ωμｍ２の低いＲａのスピントンネル接合によって、磁性素子１００のスピントンネル接合部分（１０８、１１０、１１２および１１４）がスピントランスファに寄与できるようになる場合もある。したがって、好ましい実施形態では、ピン止め層１０４および１１２の磁化は逆方向になり、磁性素子１００のスピントンネル接合部分がスピントランスファに適当に寄与できるようになる可能性がある。そのような実施形態では、自由層１０８の磁化の方向を切り替えるために必要とされる電流はさらに、たとえば２分の１だけ減らすことができる。
【００３６】
読出し中に、磁性素子１００のスピントンネル接合部分の特性が利用されることが好ましい。絶縁性障壁１１０および第２のピン止め層１１２が存在するので、磁性素子１００のスピントンネル部分が出力信号を支配する。磁性素子１００に書込みを行うことにより、第１のピン止め層１０４に対して自由層１０８の磁化が設定されるが、第２のピン止め層１１０に対する自由層１０８の磁化が、全抵抗および磁気抵抗変化の両方において磁性素子の出力信号を支配する。磁性素子１００のスピントンネル接合部分に起因する磁気抵抗は、ＣＰＰ構成のスピンバルブ部分からの磁気抵抗よりもはるかに（好ましくは少なくとも２０倍）大きいので、磁性素子１００は、ＣＰＰ構成において低い電流密度で十分な信号を与える。
【００３７】
こうして、スピントランスファ現象を利用することにより、磁性素子１００に書込みを行うことができる。スピントランスファが用いられるので、磁性素子１００の自由層１０８に書込みを行うために、外部からの切替え磁界を生成する外部電流はもはや不要である。代わりに、磁性素子１００の中に流される電流が用いられる。結果として、クロストークが小さくなり、消費電力が抑えられる。さらに、スピントランスファは、外部からの切替え磁界よりも信頼性が高い切替えの仕組みであることがわかっている。さらに、磁性素子が好ましいサイズを有する場合、磁性素子１００に書込みを行うために必要とされる電流も抑えることができる。磁性素子１００のスピントンネル接合部分（層１０８、１１０、１１２および１１４）が存在するため、磁性素子１００では、従来のスピンバルブよりも、ＣＰＰ構成において読み出されるときの出力信号が著しく高くなる。したがって、磁性素子１００は、ＭＲＡＭのような、より高密度の磁気メモリ内の記憶素子として用いるのに適している。
【００３８】
図４は、先に示された同時係属中の出願に記載される磁性素子の別の実施形態１００’を示す図である。磁性素子１００’は、図３に示される磁性素子１００と同じ構成要素の多くを有する。したがって、類似の構成要素は図４に示される磁性素子１００’の場合に同じように番号を付される。さらに、これらの構成要素は同じようにして製造され、磁性素子１００内の類似の構成要素と同じような材料から形成されることが好ましい。しかしながら、磁性素子１００’の第２のピン止め層１１２’は合成のピン止め層１１２’である。したがって、合成のピン止め層１１２’は、非磁性の導電性スペーサ層１１３によって分離される強磁性層１１１および１１５を含む。非磁性スペーサ層１１３は、Ｒｕ、ＩｒおよびＲｅのような材料を含むことが好ましい。非磁性スペーサ層の厚みは、強磁性層１１１および１１５が反強磁性結合されるような厚みである。
【００３９】
合成のピン止め層１１２’は、第２のピン止め層１１２’および第１のピン止め層１０４’の磁化のピンニング方向を設定するアニール工程を簡略化する。詳細には、合成のピン止め層１１２’を用いることにより、反強磁性層１０２’および１１４’が同じ方向に、同じステップにおいて揃えられる、同じ材料、好ましくはＰｔＭｎから形成できるよう
になる。結果として、スペーサ層１０６’および障壁層１１０’にそれぞれ隣接する強磁性層１０４’および１１１の磁化の所望の方向がさらに容易に設定される。
【００４０】
こうして、磁性素子１００’もスピントランスファ現象を利用することにより書き込まれることができる。したがって、磁性素子１００’は磁性素子１００と同じ多くの利点を享受する。さらに、反強磁性層１０２’および１１４’を揃えるのを簡略化できるので、磁性素子１００’はさらに簡単に製造することができる。
【００４１】
磁性素子１００および１００’はその意図された目的を果たすために良好に機能するが、磁性素子１００および１００’が所望のように熱的に安定していない場合があることは当業者には容易に理解されよう。
【００４２】
図５は、熱安定性を改善された、本発明による磁性素子の一実施形態１２０を示す図である。磁性素子１２０は基板１２２上に形成される。磁性素子１２０はシード層１２４と、反強磁性層１２６と、ピン止め層１２８、１３２および１３６と、非磁性層１３０および１３４と、スペーサ層１３８と、自由層１４０とを備える。シード層１２４はＴａ／ＮｉＦｅＣｒあるいはＴａＮ／ＮｉＦｅＣｒを含むことが好ましい。スペーサ層１３８には導体、絶縁体のいずれを用いることができる。しかしながら、スペーサ層１３８は導電性であることが好ましい。ピン止め層１２８、１３２および１３６ならびに自由層１４０はＣｏあるいはＣｏＦｅを含むことが好ましい。ピン止め層１２８、１３２および１３６は非磁性層１３０および１３４によって分離される。さらに、ピン止め層１２８および１３２は反強磁性結合される。同様に、ピン止め層１３２および１３６も反強磁性結合される。反強磁性層１２６は、交換バイアス磁界およびブロッキング温度が改善されるので、ＰｔＭｎであることが好ましい。また、アニール後にさらに安定したＰｔＭｎＦＣＴ（面心正方）規則構造が存在することに起因して、磁性素子１２０の熱安定性を改善することができる。非磁性層１３０および１３４は反強磁性結合の役割を果たすだけでなく、拡散障壁としての役割も果たす。好ましい実施形態では、非磁性層１３０および１３４はＲｕを含む。ＲｕはＭｎに対する拡散障壁としての役割を果たすことが知られているために用いられる。さらに、磁性素子１２０には、Ｒｕからなる２つの非磁性層１３０および１３４が設けられる。したがって、反強磁性層１２６からのＭｎの拡散を阻止するＲｕの能力が改善される。さらに、ピン止め層１２８、１３２および１３６は反強磁性結合される。こうして、ピン止め層１２８、１３２および１３６の磁化のピンニング強度が改善される。結果として、磁性素子１２０の熱安定性が改善される。さらに、磁性素子１２０がＣＰＰ構成において用いられるとき、もう１つのピン止め層１２８および非磁性層１３０を追加することにより、電流が分流されなくなり、それゆえＧＭＲ信号が低下しない。
【００４３】
さらに、ピン止め層１２８、１３２および１３６のうちの１つあるいは複数の層にＰｔおよび／またはＣｒを加えることができる。また自由層１４０にもＰｔおよび／Ｃｒを加えることもできる。好ましい実施形態では、磁性層１２８、１３２、１３６および１４０のうちの１つあるいは複数の層に１〜５原子パーセントのＰｔおよび／またはＣｒが加えられる。ＰｔあるいはＣｒを加えることは、高温において磁性素子１２０の層間の相互拡散を防ぐのを助ける。Ｃｒは高温において粒界に分離することが知られており、酸素とよく反応して、安定したＣｒＯｘを形成する。ＣｒＯｘは非常に有効な拡散障壁であり、粒界に沿ってＯが拡散するのを防ぐ。たとえば、Ａｌ２Ｏ３および強磁性層の界面において形成されるＣｒＯｘは、ＴＭＲ構造において、障壁層Ａｌ２Ｏ３からのＯが深いピン止め層１２８、１３２および１３６ならびに自由層１４０の中にさらに拡散するのを阻止するのを助ける。強磁性層１２８、１３２、１３６および１４０のうちの１つあるいは複数の層に加えられるＣｒもその層内に残留するＯと反応し、安定したＣｒＯｘを形成し、それにより、高温において層間でＯが相互拡散するのを防ぐことができる。こうして、ＣｏあるいはＣｏＦｅのピン止め層および自由層１２８、１３２、１３６および１４０に数原子
パーセントのＣｒを加えることにより、高温において、磁性素子１２０の熱安定性が改善される。
【００４４】
強磁性層１２８、１３２、１３６あるいは１４０にＰｔを加えることにより、Ｃｏ−ＰｔあるいはＦｅ−Ｐｔ結合の強度に起因して、強磁性層１２８、１３２、１３６あるいは１４０内の結合の強度が改善されるものと考えられる。結果として、ＣｏあるいはＦｅが隣接する層内に拡散するのがさらに難しくなり、ＯあるいはＣｕのような原子が強磁性層１２８、１３２、１３６あるいは１４０の格子内に占有するための場所を見つけるのがさらに難しくなる。したがって、ＯあるいはＣｕが強磁性層１２８、１３２、１３６あるいは１４０内に拡散するのがさらに難しくなる。強磁性層１２８、１３２、１３６および１４０のうちの１つあるいは複数の層にＰｔを加えることにより、それが薄膜成長において界面活性剤の役割を果たすことにより、密度、結晶構造および層の平坦性も改善される。Ｐｔは、他の材料との強い親和力に起因して、薄膜成長中の空隙および小穴を減らすか、あるいはなくすのを助けることができる。したがって、強磁性層１２８、１３２、１３６あるいは１４０のうちの１つあるいは複数の層に数パーセントのＣｒおよび／またはＰｔを加えることにより、磁性素子１２０の熱安定性が改善される。
【００４５】
さらに、ＣｏあるいはＣｏＦｅを含む自由層１４０にＰｔが加えられる場合には、自由層１４０の垂直異方性を高めることができる。自由層１４０の垂直異方性を高めることにより、磁気的な切り替えの際に一般的に生じる、大きな角度で定常状態が進行するのを抑えるか、あるいはなくすことができる。したがって、自由層１４０の磁化が方向を切り替えるのが容易になる。結果として、切り替えるために必要とされる電流密度および切替え時間を減らすことができる。
【００４６】
こうして、磁性素子１２０は改善された熱安定性を有し、一実施形態では、切替えが改善される。しかしながら、磁性素子１２０は、さらに別の変更を施さない場合には、高密度のメモリに適用するのに適していない可能性もある。詳細には、切替えの仕組みとしてスピントランスファを利用することが望ましいであろう。
【００４７】
図６Ａは本発明による磁性素子の一実施形態１５０を示す。磁性素子１５０は、磁性素子１００のスピンバルブ部分の代わりに磁性素子１２０を使用した結果であり、好ましい実施形態では、スピンバルブ部分と磁性素子の順序を変更した結果であると見なすことができる。磁性素子１５０は基板１５２上に形成され、たとえばＴａ／ＮｉＦｅＣｒあるいはＴａＮ／ＮｉＦｅＣｒから構成されるシード層１５４を含むことが好ましい。磁性素子１００は、第１の反強磁性層１５６と、第１のピン止め層１５８と、絶縁性障壁層１６０と、自由層１６２と、導電性スペーサ層１６４と、第２のピン止め層１６６と、第１の非磁性層１６８と、第３のピン止め層１７０と、第２の非磁性層１７２と、第４のピン止め層１７４と、第２の反強磁性層１７６とを備える。キャッピング層１７８も示されており、その層はＴａあるいはＴａＮを含むことができる。第１のピン止め層１５８および自由層１６２は単一の構成要素からなる強磁性層として示されることに留意されたい。しかしながら、層１５８および１６２の任意の部分が合成の層からなることができることは当業者には容易に理解されよう。さらに、磁性素子１５０は、スピンバルブとスピントンネル接合の組み合わせと見なすことができる。スピントンネル接合は、自由層１６２と、絶縁障壁層１６０と、第１のピン止め層１５８と、第１の反強磁性層１５６とを含むものと見なされるであろう。スピンバルブは、第２の反強磁性層１７６と、ピン止め層１６６、１７０および１７４と、非磁性層１６８および１７２と、導電性スペーサ層１６４と、自由層１６２とを含むものと見なされるであろう。好ましい実施形態では、磁性素子１５０のスピンバルブ部分が、スピントランスファを用いて自由層１６２に書込みを行い、一方、磁性素子１５０のスピントンネル部分が磁性素子１５０を読み出すために用いられる。
【００４８】
磁性素子１５０は、自由層１６２の磁化がスピントランスファを用いて切り替えられるように構成される。したがって、磁性素子１５０の寸法は小さく、数百ナノメートルの範囲内にある。好ましい実施形態では、磁性素子１５０の寸法は２００ナノメートル未満であり、約１００ナノメートルであることが好ましい。磁性素子１５０は、図６Ａ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とが好ましい。その深さは、磁性素子１５０の幅よりも小さく、磁性素子１５０が、いくらかの形状異方性を有するようにし、自由層１６２が好ましい方向を確実に有するようにすることが好ましい。さらに、スピントランスファが、自由層の磁化をピン止め層１５８あるいは１６６の磁化に揃えるように回転させるほど十分に強くなるように、自由層１６２の厚みは十分に薄い。好ましい実施形態では、自由層１６２は５ｎｍ未満の厚みを有する。
【００４９】
ピン止め層１５８、１６６、１７０および１７４ならびに自由層１６２は強磁性である。ピン止め層１５８、１６６、１７０および１７４ならびに自由層１６２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉおよびそれらの合金を含むことができる。好ましい実施形態では、強磁性層１５８、１６２、１６６、１７０および１７４はＣｏＦｅあるいはＣｏを含み、後に説明するように不純物を加えられている。また好ましい実施形態では、強磁性層１５８、１６２、１６６、１７０および１７４の厚みは、自由層１６２が強い正味のバイアスを受けないよう、強磁性層の相互作用および減磁界のバランスをとるように選択される。言い換えると、双極子、静磁界および層間結合磁界を合わせたものが０になり、自由層１６２へのバイアスを減らすことが好ましい。さらに、その磁性素子は、自由層１６２が好ましい方向を有するように、いくらかの形状異方性を有することが好ましい。導電性スペーサ層１６４はＣｕあるいは他の非磁性遷移金属であることが好ましい。障壁層１６０は、電子が障壁層１６０を突き抜けることができるようにするほど十分に薄く、アルミナから構成されることが好ましい。代替の実施形態では、障壁層１６０は、限定はしないが、ＡｌＮ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＦ２およびＣａＦ２を含む他の誘電性材料を含むことができる。
【００５０】
第１のピン止め層１５８および第２のピン止め層１６６の磁化は逆の方向にピン止めされるように示される。代替の実施形態では、ピン止め層１５８および１６６の磁化は同じ方向にピン止めされることができる。たとえば、合成の自由層が用いられる場合には、ピン止め層１５８および１６６は、同じ方向にピン止めされることが好ましい。しかしながら、好ましい実施形態ほど良好に機能しなくてもよい実施形態では、単純な自由層が用いられるときでも、ピン止め層１５８および１６６は依然として同じ方向にピン止めされることができる。こうして、好ましい実施形態では、スペーサ層１６４および障壁層１６０にそれぞれ隣接するピン止め層１６６および１５８は、逆の方向に揃えられることが望ましい。この向きは、後に説明するように、磁性素子１５０のスピントンネル接合部分がスピントランスファに寄与するように構成されることができる場合に、磁性素子が、より小さな電流密度を用いることにより所望のように書き込まれることができるようにするために望ましい。
【００５１】
反強磁性層１５６および１７６を用いて、それぞれピン止め層１５８および１７４の磁化がピン止めされる。反強磁性層１５６および１７６はＰｔＭｎから構成されることが好ましい。しかしながら、反強磁性層１５６および１７６が、ＮｉＭｎ、ＰｄＭｎおよびＩｒＭｎのような他の反強磁性材料を含むことを妨げる理由はない。ＰｔＭｎは高いブロッキング温度および高い交換バイアス磁界を有し、それが磁性素子１００の熱安定性を改善するので、反強磁性層１５６および１７６においてＰｔＭｎが用いられることが好ましい。さらに、ＰｔＭｎをアニールすると、そのＦＣＴ規則構造がさらに安定するので、熱安定性を改善することができる。ピン止め層１５８および１７４が異なる方向にピン止めされることになるときには、異なるブロッキング温度を有する反強磁性層１５６および１７６が用いられることが好ましい。反強磁性層１５６が反強磁性層１７６よりも高いブロッ
キング温度を有するとき、反強磁性層１７６のブロッキング温度に近い温度で磁性素子１５０をアニールすることにより、反強磁性層１７６の向きを反強磁性層１５６とは個別に設定することができる。結果として、ピン止め層１５６および１７６の磁化を、異なる方向にピン止めすることができる。
【００５２】
動作時に、磁性素子１５０はスピントランスファを用いることにより書き込まれることができる。現在、スピントランスファ現象は主に、磁性素子１５０のスピンバルブ部分を用いて与えられる。詳細には、第１のピン止め層１５８から自由層１６２および第２のピン止め層１６６を通って電流を流すことができる。そのような電流は第２のピン止め層１６６の磁化の方向にスピン分極した電子に対応し、それゆえ、自由層１６２の磁化を第２のピン止め層１６６と同じ方向に設定することができる。同様に、逆の方向に、すなわち第２のピン止め層１６６から自由層１６２および第１のピン止め層１５８を通して電流を流すとき、第２のピン止め層１６６から反射し、自由層１６２に戻る少数電子が、自由層１６２の磁化をピン止め層１６６の磁化と反対になるように切り替えることができる。
【００５３】
したがって、スピントランスファを用いて、磁性素子１５０に書込みを行うことができる。結果として、外部電流によって生成される切替え磁界は不要である。代わりに、より局部的で、信頼性の高い現象を用いて、磁性素子１５０に書込みが行われる。さらに、磁性素子１５０が好ましい寸法を有する場合、相対的に小さな電流で、約１０７Ａｍｐｓ／ｃｍ２の十分な電流密度を与えることができる。たとえば、０．０６×０．１２μｍ２の楕円形の形状を有する磁性素子の場合、約０．５ｍＡの電流で約１０７Ａｍｐｓ／ｃｍ２の電流密度を与えることができる。結果として、非常に高い電流を供給するための特別な回路を使用するのを避けることができる。
【００５４】
さらに進んで、数Ωμｍ２の低いＲａのスピントンネル接合によって、電子スピンがトンネル現象中に保存されるので、磁性素子１５０のスピントンネル接合部分（１５６、１５８、１６０および１６２）がスピントランスファに寄与できるようになる場合もある。したがって、好ましい実施形態では、ピン止め層１５８および１６６の磁化は逆方向になり、磁性素子１５０のスピントンネル接合部分がスピントランスファに適当に寄与できるようになる可能性がある。そのような実施形態では、ピン止め層１５８から自由層１６２に移動する伝導電子と、ピン止め層１６６から反射され、自由層１６２に戻る伝導電子とに起因するスピントランスファが一緒に作用して、自由層１６２の磁化をピン止め層１５８の磁化の方向に揃えるであろう。同様に、ピン止め層１６６から自由層１６２に移動する伝導電子と、ピン止め層１５８から反射され、自由層１６２に戻る伝導電子とに起因するスピントランスファが一緒に作用して、自由層１６２の磁化をピン止め層１６６の磁化の方向に揃えるであろう。そのような実施形態では、自由層１６２の磁化の方向を切り替えるために必要とされる電流をさらに、たとえば２分の１だけ減らすことができる。
【００５５】
読出し中に、磁性素子１５０のスピントンネル接合部分の特性が利用されることが好ましい。絶縁性障壁１６０および第１のピン止め層１５８が存在することにより、磁性素子１５０のスピントンネル部分が出力信号を支配する。すなわち、磁性素子１５０に書込みを行うことにより、自由層１６２の磁化が第２のピン止め層１６６に対して設定されるが、第１のピン止め層１５８に対する自由層１６２の磁化が、全抵抗および磁気抵抗の変化の両方において、磁性素子の出力信号を支配する。したがって、読出し中に、第１のピン止め層１５８に対する自由層１６２の状態が、第１のピン止め層１５８に対して反平行（高抵抗）であるか、平行（低抵抗）であるかによって、磁性素子１５０の出力が決定される。磁性素子１５０のためのＲａは約数Ωμｍ２であることが好ましい。結果として、磁性素子１５０を破壊することなく、約１０７Ａｍｐｓ／ｃｍ２の、より高い電流密度を与えることができる。さらに、磁性素子１５０のスピントンネル接合部分に起因する磁気抵抗がＣＰＰ構成のスピンバルブ部分からの磁気抵抗よりもはるかに（好ましくは少なくと
も２０倍）大きいので、磁性素子１００は、ＣＰＰ構成において低い電流密度で十分な信号を与える。
【００５６】
こうして、磁性素子１５０の中に流れる電流を用いて、磁性素子１５０に対して書込みおよび読出しを行うことができる。磁性素子１５０の中に流される読出し電流は、書込み中に磁性素子１５０の中に流される電流よりも小さい。磁性素子１５０の自由層１６２の磁化の方向が読出し中に誤って切り替えられないようにするために、読出し電流は書込み電流よりも小さくされる。好ましい実施形態では、読出し電流は書込み電流より１桁小さい。
【００５７】
こうして、スピントランスファ現象を利用することにより、磁性素子１５０に書込みを行うことができる。スピントランスファが用いられるので、磁性素子１５０の自由層１６２に書込みを行うために、外部からの切替え磁界を生成する外部電流はもはや不要である。代わりに、磁性素子１５０の中に流される電流が用いられる。結果として、より局部的な切替えの仕組みが用いられるので、クロストークが小さくなり、消費電力が抑えられる。さらに、スピントランスファは、外部からの切替え磁界よりも信頼性の高い切替えの仕組みであることがわかっている。スピントランスファは非常に高い有効な磁界を生成し、それゆえ、メモリデバイスにおいて、より大きな割合の磁性素子１５０を切り替えることができる。さらに、磁性素子が好ましいサイズを有する場合に、磁性素子１５０に書込みを行うために必要とされる電流を減らすことができる。磁性素子１５０は、磁性素子１５０のスピントンネル接合部分が存在することに起因して、従来のスピンバルブよりも、ＣＰＰ構成において読み出されるときに著しく高い出力信号も有する。したがって、磁性素子１５０は、ＭＲＡＭのような、より高密度の磁気メモリにおいて記憶素子として用いるのに適している。
【００５８】
さらに、磁性素子１５０はさらに熱的に安定させることができる。ピン止め層１６６、１７０および１７４は非磁性層１６８および１７２によって分離される。ピン止め層１６６および１７０は反強磁性結合される。同様に、ピン止め層１７０および１７４も反強磁性結合される。反強磁性層１７６は、その改善された熱安定性により、ＰｔＭｎであることが好ましい。さらに、ＰｔＭｎの熱安定性は、より安定したＰｔＭｎ  ＦＣＴ規則構造が存在することに起因して改善されることができる。非磁性層１６８および１７２は拡散障壁も含む。好ましい実施形態では、拡散障壁はＲｕを含む。また好ましい実施形態では、非磁性層１６８および１７２はＲｕだけから構成される。Ｒｕは、反強磁性層１７６内に存在するＭｎに対する拡散障壁としての役割を果たすことが知られているので用いられる。さらに、磁性素子１５０において、Ｒｕからなる２つの層１６８および１７２が設けられる。したがって、反強磁性層１７６からのＭｎの拡散を阻止するＲｕの能力が改善される。さらに、ピン止め層１６６、１７０および１７４は反強磁性結合される。こうして、ピン止め層１６６、１７０および１７４の磁化のピンニング強度が改善される。結果として、磁性素子１５０の熱安定性が改善される。さらに、磁性素子１５０がＣＰＰ構成において用いられるとき、もう１つの非磁性層１７２およびピン止め層１７４を追加することにより、デバイス１５０の残りの部分から電流が分流されなくなる。
【００５９】
さらに、ピン止め層１５８、１６６、１７０および１７４のうちの１つあるいは複数の層にＰｔあるいはＣｒを加えることができる。自由層１６２にもＰｔあるいはＣｒを加えることができる。好ましい実施形態では、磁性層１５８、１６２、１６６、１７０および１７４のうちの１つあるいは複数の層に１〜５原子パーセントのＰｔおよび／またはＣｒが加えられる。Ｐｔおよび／またはＣｒを加えることは、磁性素子１５０の層間の相互拡散を防ぐのを助ける。強磁性層１５８、１６２、１６６、１７０および１７４のうちの１つあるいは複数の層にＰｔおよび／またはＣｒを加えることは、先に説明したように機能するものと考えられる。先に述べたように、Ｃｒは高温において粒界に分離することが知
られており、酸素とよく反応して、安定したＣｒＯｘを形成する。ＣｒＯｘは非常に有効な拡散障壁であり、粒界に沿ってＯが拡散するのを防ぐ。強磁性層内に加えられるＣｒもその層内に残留するＯと反応し、安定したＣｒＯｘを形成し、それにより、高温において層間でＯが相互拡散するのを防ぐことができる。こうして、ＣｏあるいはＣｏＦｅのピン止め層および自由層に数原子パーセントのＣｒを加えることにより、高温において、磁性素子の熱安定性が改善された。同様に、先に説明したように、強磁性層１５８、１６２、１６６、１７０および１７４にＰｔを加えることにより、Ｃｏ−ＰｔあるいはＦｅ−Ｐｔ結合の強度に起因して、強磁性層１５８、１６２、１６６、１７０および１７４内の結合の強度が改善されるものと考えられる。強磁性層１５８、１６２、１６６、１７０および１７４にＰｔを加えることにより、それが薄膜成長において界面活性剤の役割を果たすことにより、密度、結晶構造および層の平坦性も改善される。Ｐｔは、他の材料との強い親和力に起因して、薄膜成長中の空隙および小穴を減らすか、あるいはなくすのを助けることができる。したがって、強磁性層に数パーセントのＣｒおよび／またはＰｔを加えることにより、磁性素子１５０の熱安定性が改善される。
【００６０】
さらに、ＣｏあるいはＣｏＦｅを含む自由層１６２にＰｔが加えられる場合には、自由層１６２の垂直異方性を高めることができる。自由層１６２の垂直異方性を高めることにより、磁気的な切り替えの際に一般的に生じる、大きな角度で定常状態が進行するのを抑えるか、あるいはなくすことができる。したがって、自由層１６２の磁化が方向を切り替えるのが容易になる。結果として、切り替えるために必要とされる電流密度および切替え時間を減らすことができる。
【００６１】
こうして、磁性素子１５０は改善された熱安定性を有し、一実施形態では、切替えが改善される。また、磁性素子１５０はスピントランスファの利益も得る。したがって、磁性素子１５０も、さらに変更を施すことなく、高密度のメモリに適用するのに適している。
【００６２】
図６Ｂは本発明による磁性素子の別の実施形態１５０’を示す。磁性素子１５０’は、図６Ａに示される磁性素子１５０と同じ構成要素の多くを有する。したがって、類似の構造は、図６Ｂに示される磁性素子１５０’の場合にも同じように番号を付される。さらに、これらの構成要素は同じようにして製造され、磁性素子１５０内の類似の構成要素と同じような材料から形成されることが好ましい。しかしながら、磁性素子１５０’の第１のピン止め層１５８’は合成のピン止め層１５８’である。したがって、合成のピン止め層１５８’は、非磁性層１５９によって分離される強磁性層１５７および１６１を備える。磁性層１５７および１６１はＣｏあるいはＣｏＦｅを含むことが好ましい。非磁性層１５９はＲｕのような拡散障壁を含むことが好ましい。非磁性層１５９の厚みは、強磁性層１５７および１６１が反強磁性結合されるような厚みである。したがって、（合成）ピン止め層１５８’のピンニング強度は、反強磁性結合された層１５７および１６１を用いることにより改善される。さらに、拡散障壁材料を有する非磁性層１５９を用いることにより、反強磁性層１５６’からピン止め層１６１、絶縁性障壁層１６０’へのＭｎの拡散を防ぐのが助けられる。
【００６３】
図７は、本発明による磁性素子１５０および１５０’を用いる、本発明による磁気メモリアレイの一実施形態２００を示す図である。磁気メモリアレイ２００は例示のみを目的とし、それゆえ、磁性素子１５０および１５０’が従来のメモリにより直接的に組み込まれることができるメモリアレイ２００を示す。したがって、各メモリセル２１０は磁性素子１５０あるいは１５０’とトランジスタ２１２とを備える。また磁気メモリアレイ２００は行選択機構２２０と、列選択機構２３０と、ワード線２２２および２２４と、ビット線２３２および２３４とを備える。磁気メモリアレイ２００はさらに、書込み電流源２４０と、読出し電流源２４２と、出力線２４４とを備える。しかしながら、磁気メモリアレイ２００は、書込み線を備えない。
【００６４】
磁性素子１５０および１５０’に書込みを行うためにスピントランスファが用いられるので、図２に示される従来のメモリ１０の書込み線６０および６２のような付加的な線は不要である。したがって、磁気メモリ２００の密度をさらに高めることができ、従来のメモリ素子１および１’に書込みを行うために従来の書込み動作を用いることに起因する高い消費電力および他の問題も生じない。さらに、磁性素子１５０／１５０’に書込みを行うために用いられる回路は、個別の書込み線が省略されることにより簡略化することができる。
【００６５】
図８は、本発明による磁性素子を設けるための、本発明による方法の一実施形態３００を示す上位の流れ図である。明瞭にするために、方法３００は磁性素子１５０’との関連で説明される。しかしながら、方法３００は他の磁性素子にも適合することができる。ステップ３０２を通して、反強磁性層１５６’が設けられる。好ましい実施形態では、反強磁性層１５６’は適当なシード層１５４’上に設けられる。ステップ３０４、３０６および３０８ではそれぞれ、第１の強磁性層１５７、第１の非磁性層１５９および第２の強磁性層１６１が設けられる。代替の実施形態では、図６Ａに示されるピン止め層１５８のような単純なピン止め層を設けることができる。図６Ｂおよび図８を参照すると、ステップ３１０を通して、絶縁性障壁層１６０’が設けられる。ステップ３１２および３１４ではそれぞれ、自由層１６２’および非磁性スペーサ層１６８’が設けられる。ステップ３１２は、合成の自由層を設けることを含むことができる。ステップ３１６、３１８、３２０、３２２および３２４ではそれぞれ、第２のピン止め層１６６’、第２の非磁性層１６８’、第３のピン止め層１７０’、第３の非磁性層１７２’および第４のピン止め層１７４’が設けられる。ステップ３２６を通して、第２の反強磁性層１７６’が設けられる。ステップ３２８を通して、反強磁性層１５６’および１７６’の向き（単数または複数）が設定される。ステップ３２８は、ピン止め層１５８’のための強磁性層１６１の磁化および第４のピン止め層１７４’（それゆえ第２のピン止め層１６６’）の磁化が異なる方向にピン止めされることになる場合には、反強磁性層１５６’および１７６’の向きを個別に設定することを含むことができる。同様に、ステップ３２８は、反強磁性層１５６’および１７６’の向きを一緒に設定することができる。その際、磁性素子１５０’を画定することができ、他の処理が終了する。したがって、ステップ３００を用いて、磁性素子１５０および／または１５０’を製造することができる。
【００６６】
スピントランスファ、それゆえ、より小さく、局部的な切替え電流を用いて書き込むことができ、十分な読出し信号を与え、さらに熱安定性が高い磁性素子を設けるための方法およびシステムが開示されてきた。本発明は図示される実施形態に従って説明されてきたが、それらの実施形態を変更することができ、それらの変更が本発明の精神および範囲内にあることは当業者には容易に理解されよう。したがって、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く、当業者によって数多くの変更がなされることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１Ａ】従来の磁性素子、すなわちスピンバルブの図である。
【図１Ｂ】磁気メモリにおいて用いられる素子のような、従来の磁性素子、すなわちスピントンネル接合の図である。
【図２】従来の磁気メモリアレイの図である。
【図３】相互参照される同時係属中の出願に記載される磁性素子の一実施形態を示す図である。
【図４】相互参照される同時係属中の出願に記載される磁性素子の別の実施形態を示す図である。
【図５】本発明による磁性素子の一実施形態を示す図である。
【図６Ａ】本発明による磁性素子の別の実施形態を示す図である。
【図６Ｂ】本発明による磁性素子の別の好ましい実施形態を示す図である。
【図７】本発明による磁性素子を用いる、本発明による磁気メモリの一実施形態を示す図である。
【図８】本発明による磁性素子を設けるための本発明による方法の一実施形態を示す上位の流れ図である。
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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