(57)【要約】【課題】方法及びシステムは磁気デバイスにおいて使用可能な磁気接合を提供する。【解決手段】磁気接合は、ピンド層と、非磁性スペーサ層と、自由層とを含む。非磁性スペーサ層はピンド層と自由層との間に存在する。磁気接合は、書き込み電流がその磁気接合に流された際に自由層が複数の安定磁気状態の間でスイッチング可能であるように構成される。自由層及びピンド層のうち少なくとも一方は少なくとも一つの半金属を含む。【選択図】図２
2013021328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気デバイスに使用される磁気接合であって、
ピンド層磁化を有するピンド層と、
非磁性スペーサ層と、
磁化容易軸を有する自由層とを備え、
前記非磁性スペーサ層が前記ピンド層と前記自由層との間の存在し、前記自由層及び前記ピンド層のうち少なくとも一方が少なくとも一つの半金属を含み、
前記磁気接合が、書き込み電流が前記磁気接合に流された際に前記自由層が複数の安定磁気状態の間でスイッチング可能であるように構成されている、磁気接合。
【請求項２】
前記自由層の磁化容易軸が面に垂直である、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項３】
前記自由層の磁化容易軸が面内にある、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項４】
前記少なくとも一つの半金属が、ＣｒＯ２、Ｓｒ２ＦｅＭｏＯ６、（Ｌａ０．７Ｓｒ０．３）ＭｎＯ３、Ｆｅ３Ｏ４、ＮｉＭｎＳｂのうち少なくとも一つを含む、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項５】
前記少なくとも一つの半金属がＴ＝ＸＹＺを含み、Ｘが、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕから選択され、Ｙが、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから選択され、ＺがＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ及びＢｉから選択されている、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項６】
前記少なくとも一つの半金属がＴＭを含み、Ｔ＝ＸＹＺであり、ＸがＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ及びＡｕから選択され、ＹがＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから選択され、ＺがＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ及びＢｉから選択され、ＭがＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｒ及びＢｉから選択されている、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項７】
前記少なくとも一つの半金属がＲＥ１−ｘＭｘＭｎＯ３を含み、ｘが１以下であり、ＭがＣａ、Ｓｒ、Ｂａ又はＰｂであり、ＲＥが希土類金属及びアルカリ土類金属から選択されている、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項８】
前記希土類金属がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから選択されている、請求項７に記載の磁気接合。
【請求項９】
前記アルカリ土類金属がＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａから選択されている、請求項７に記載の磁気接合。
【請求項１０】
前記少なくとも一つの半金属が少なくとも一つの二重ペロブスカイトＡ２ＭＭ’Ｏ６を含み、Ａが希土類金属及びアルカリ土類金属から選択され、Ｍ及びＭ’がＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ及びＨｇから選択された二つの異なる元素である、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項１１】
前記希土類金属がＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから選択されている、請求項１０に記載の磁気接合。
【請求項１２】
前記アルカリ土類金属がＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａから選択されている、請求項１０に記載の磁気接合。
【請求項１３】
前記少なくとも一つの半金属がＣｒＯ２及びＦｅ３Ｏ４のうち少なくとも一方を含む、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項１４】
前記自由層が磁化容易円錐磁気異方性を更に有する、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項１５】
前記自由層が、高垂直異方性層と、負垂直異方性層と、前記高垂直異方性層と前記負垂直異方性層との間の相互作用制御層とを更に含み、前記高垂直異方性層及び前記負垂直異方性層が前記磁化容易円錐磁気異方性を提供する、請求項１４に記載の磁気接合。
【請求項１６】
前記ピンド層が、ピンド層磁化を有し、且つ中心部と、第一の縁部と、第二の縁部とを有し、前記非磁性スペーサ層が前記自由層と前記ピンド層との間に存在し、前記ピンド層磁化が少なくとも前記第一の縁部及び前記第二の縁部において実質的に面に垂直であり、前記中心部において実質的に面内にあるように、前記ピンド層磁化が前記ピンド層にわたって変化している、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項１７】
前記ピンド層が、面外消磁エネルギーと、前記面外消磁エネルギーの少なくとも８５パーセントの垂直異方性とを有する、請求項１６に記載の磁気接合。
【請求項１８】
追加の非磁性スペーサ層と、
追加のピンド層とを更に備え、
前記自由層が前記追加の非磁性スペーサ層と前記非磁性スペーサ層との間に存在し、
前記追加の非磁性スペーサ層が前記自由層と前記追加のピンド層との間に存在している、請求項１に記載の磁気接合。
【請求項１９】
前記自由層において磁気バイアスを提供するバイアス構造を更に備え、
前記バイアス構造が、前記追加のピンド層から実質的に交換分離された磁気部分を有し、前記磁気バイアスが前記自由層の磁化容易軸に実質的に垂直であり、
前記磁気接合が、書き込み電流が前記磁気接合に流された際に前記自由層が複数の安定磁気状態の間でスイッチング可能であるように構成されている、請求項１８に記載の磁気接合。
【請求項２０】
前記バイアス構造が、前記追加のピンド層に接する非磁性層と、バイアス層磁化を有するバイアス層とを含み、前記バイアス層磁化が、前記自由層の磁化容易軸に実質的に垂直であり且つ面内にある、請求項１９に記載の磁気接合。
【請求項２１】
前記ピンド層が、ピンド層磁化を有し、且つ中心部と、第一の縁部と、第二の縁部とを有し、前記非磁性スペーサ層が前記自由層と前記ピンド層との間に存在し、前記ピンド層磁化が少なくとも前記第一の縁部及び前記第二の縁部において実質的に面に垂直であり、前記中心部において実質的に面内にあるように、前記ピンド層磁化が前記ピンド層にわたって変化している、請求項１８に記載の磁気接合。
【請求項２２】
複数の磁気ストレージセルと、
複数のビットラインとを備えた磁気メモリであって、
前記複数の磁気ストレージセルの各々が少なくとも一つの磁気接合を有し、前記少なくとも一つの磁気接合が、ピンド層磁化を有するピンド層と、非磁性スペーサ層と、磁化容易軸を有する自由層とを含み、前記磁性スペーサ層が前記ピンド層と前記自由層との間に存在し、前記自由層及び前記ピンド層のうち少なくとも一方が少なくとも一つの半金属を含み、前記磁気接合が、書き込み電流が前記磁気接合に流された際に前記自由層が複数の安定磁気状態の間でスイッチング可能であるように構成されている、磁気メモリ。
【請求項２３】
磁気デバイスに使用される磁気接合を提供するための方法であって、
ピンド層磁化を有するピンド層を提供するステップと、
非磁性スペーサ層を提供するステップと、
磁化容易軸を有する自由層を提供するステップとを備え、
前記非磁性スペーサ層が前記ピンド層と前記自由層との間に存在し、前記自由層及び前記ピンド層のうち少なくとも一方が少なくとも一つの半金属を含み、
前記磁気接合が、書き込み電流が前記磁気接合に流された際に前記自由層が複数の安定磁気状態の間でスイッチング可能であ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、ＤＡＲＰＡによるＧｒａｎｔ／Ｃｏｎｔｒａｃｔ第ＨＲ００１１‐０９‐Ｃ‐００２３号の米国政府の支援で為されたものである。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリ、特に磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ，ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）は、速い読み出し／書き込み速度、優れた耐久性、不揮発性、及び動作中の低い電力消費の可能性によって注目を集めている。ＭＲＡＭは、情報記録媒体として磁性体を用いて情報を記憶することができる。ＭＲＡＭの一つのタイプは、スピントランスファトルクランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ‐ＲＡＭ，ｓｐｉｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｔｏｒｑｕｅ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｙ）である。ＳＴＴ‐ＲＡＭは、磁気接合を介して流される電流によって少なくとも一部が書き込まれる磁気接合を利用する。磁気接合を介して流されるスピン偏極電流は、磁気接合中の磁気モーメントにスピントルクを与える。結果として、スピントルクに応答する磁気モーメントを有する層が所望の状態にスイッチングされ得る。
【０００３】
例えば、図１は、従来のＳＴＴ‐ＲＡＭで使用されるような従来の磁気トンネル接合（ＭＴＪ，ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を示す。従来のＭＴＪ１０は、典型的には底部コンタクト１１上に存在し、従来のシード層１２を用い、従来の反強磁性（ＡＦＭ，ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層１４と、従来のピンド層１６と、従来のトンネル障壁層１８と、従来の自由層２０と、従来のキャッピング層２２とを含む。頂部コンタクト２４も示されている。
【０００４】
従来のコンタクト１１及び２４は、図１に示されるようにＣＰＰ（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ）方向に又はｚ軸に沿って電流を流すのに用いられる。従来のシード層１２は、典型的には、所望の結晶構造を有する後続の層（ＡＦＭ層１４等）の成長を補助するために用いられる。従来のトンネル障壁層１８は非磁性であり、例えばＭｇＯ等の薄い絶縁体である。
【０００５】
従来のピンド層１６及び従来の自由層２０は磁性である。従来のピンド層１６の磁化１７は、典型的にはＡＦＭ層１４との交換バイアス相互作用によって、特定の方向に固定又はピン留めされている。単純（単一）層として示されているが、従来のピンド層１６は複数の層を含み得る。例えば、従来のピンド層１６は、Ｒｕ等の薄い導電層を介して反強磁性的又は強磁性的に結合された複数の磁性層を含む合成反強磁性層（ＳＡＦ，ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層であり得る。このようなＳＡＦにおいては、Ｒｕの薄層と交互配置された複数の磁性層が使用され得る。更に、他のバージョンの従来のＭＴＪ１０は、追加の非磁性障壁又は導電層（図示せず）によって自由層２０から分離された追加のピンド層（図示せず）を含み得る。
【０００６】
従来の自由層２０は変更可能な磁化２１を有する。単一層として示されているが、従来の自由層２０も複数の層を含み得る。例えば、従来の自由層２０は、Ｒｕ等の薄い導電層を介して反強磁性的又は強磁性的に結合された複数の磁性層を含む合成層であり得る。面内に示されているが、従来の自由層２０の磁化２１は、垂直異方性を有し得る。
【０００７】
従来の自由層２０の磁化２１をスイッチングするため、電流を面に垂直に（ｚ方向に）流す。十分な電流が頂部コンタクト２４から底部コンタクト１１に流されると、従来の自由層２０の磁化２１が、従来のピンド層１６の磁化１７と平行にスイッチングし得る。十分な電流が底部コンタクト１１から頂部コンタクト２４に流されると、自由層の磁化２１がピンド層１６の磁化と反平行にスイッチングし得る。磁性配位の差は、従来のＭＴＪ１０の異なる磁気抵抗に対応し、従って、異なる論理状態（例えば、論理“０”及び論理“１”）に対応する。
【０００８】
従来のＭＴＪ１０は、スピントランスファを用いて書き込み可能であり、ＳＴＴ‐ＲＡＭにおいて使用可能であるが、欠点がある。例えば、従来の自由層２０の磁気モーメントをスイッチングするのに必要な電流は高くなり得る。高電流は、いくつかの理由により望ましくない。高電流はより多くの電力を消費し、従来のトンネル障壁１８に損傷をあたえる可能性が高くなり、低いプログラミング速度をもたらす大きな立ち上がり時間を有し得る。従って、従来のＭＴＪを用いたメモリの性能には、依然として改善が望まれている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
例示的な実施形態は、磁気デバイスにおいて使用可能な磁気接合を提供する。その磁気接合は、ピンド層と、非磁性スペーサ層と、自由層とを含む。非磁性スペーサはピンド層と自由層との間に存在する。その磁気接合は、書き込み電流が磁気接合に通された際に自由層が複数の安定磁気状態の間でスイッチング可能であるように構成される。自由層及びピンド層のうち少なくとも一方は少なくとも一つの半金属を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】スピントランスファトルクを用いてスイッチングされる従来の磁気トンネル接合を示す。
【図２】磁気接合の例示的な実施形態を示す。
【図３】磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図４】磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図５】磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図６】磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図７】磁気接合の他の例示的な実施形態の一部を示す。
【図８】磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図９】磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図１０】磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図１１】磁気接合の他の例示的な実施形態を示す。
【図１２】ストレージセルのメモリ素子に磁気接合を用いたメモリの例示的な実施形態を示す。
【図１３】磁気接合を提供するための方法の例示的な実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
例示的な実施形態は、磁気メモリ等の磁気デバイスにおいて使用可能な磁気接合と、このような磁気接合を用いたデバイスに関する。以下の説明は、当業者が本発明を作製及び使用できるようにするために提供され、また、特許出願の文脈及びその要求において提供される。本願で説明される例示的な実施形態及び一般原理及び特徴に対する多様な修正は容易に明らかになるものである。例示的な実施形態は、特定の実施において提供される特定の方法及びシステムに関して主に説明される。しかしながら、その方法及びシステムは、他の実施においても有効に動作する。“例示的な実施形態”、“一実施形態”、“他の実施形態”等の用語は、同一の又は異なる実施形態を指称するものであり得て、また複数の実施形態を指称するものであり得る。実施形態は、特定の構成要素を有するシステム及び／又はデバイスに関して説明される。しかしながら、そのシステム及び／又はデバイスは、図示されるものよりも多い又は少ない構成要素を含み得て、配置及び構成要素の種類の変更が、本発明の範囲から逸脱することなく、為され得る。また、例示的な実施形態は、特定のステップを有する特定の方法の文脈において説明される。しかしながら、その方法及びシステムは、例示的な実施形態に矛盾しない他のステップ及び／又は追加のステップ及び順番の異なるステップを有する他の方法に対して有効に動作する。従って、本発明は示される実施形態に限定されるものではなく、本願で説明される原理及び特徴に矛盾しない最も広範な範囲によるものである。
【００１２】
例示的な実施形態は、特定の構成要素を有する特定の磁気接合及び磁気メモリの文脈において説明される。本発明が、本発明と矛盾しない他の構成要素及び／又は追加の構成要素及び／又は他の特徴を有する磁気接合及び磁気メモリの使用と矛盾しないものであることは当業者には明らかである。また、本方法及びシステムは、スピントランスファ現象、磁気異方性、及び他の物理現象における現状の理解の文脈において説明される。従って、方法及びシステムの挙動の理論的説明が、スピントランスファ、磁気異方性、及び他の物理現象の現状の理解に基づいて為されるものであることは当業者には容易に認識されるものである。しかしながら、本願で説明される方法及びシステムは特定の物理的説明に依拠するものではない。本方法及びシステムは、基板に対して特定の関係を有する構造の文脈において説明されることも当業者には容易に認識されるものである。しかしながら、本方法及びシステムは他の構造と矛盾しないものであることは当業者には容易に認識されるものである。更に、本方法及びシステムは、合成及び／又は単一なものである特定の層の文脈において説明される。しかしながら、層が他の構造を有することができることは当業者には容易に認識されるものである。更に、本方法及びシステムは、特定の層を有する磁気接合及び／又はサブストラクチャの文脈において説明される。しかしながら、本方法及びシステムと矛盾しない追加の層及び／又は異なる層を有する磁気接合及び／又はサブストラクチャも使用可能であることは当業者には容易に認識されるものである。更に、特定の構成要素は、磁性、強磁性、フェリ磁性であると説明される。本願において、磁性との用語は、強磁性、フェリ磁性、又はそのような構造を含み得る。従って、本願において、“磁性（磁気）”や“強磁性”との用語は、強磁性体、フェリ磁性体を含みが、それらに限定されるものではない。また、本方法及びシステムは、単一の磁気接合及びサブストラクチャの文脈において説明される。しかしながら、本方法及びシステムは、複数の磁気接合を有し複数のサブストラクチャを用いる磁気メモリの使用と矛盾しないことは当業者には容易に認識されるものである。更に、本願において、“面内”とは、磁気接合の一以上の層の実質的に面内にあるか、平行なことである。逆に、“面に垂直”又は“面外”は、磁気接合の一以上の層に実質的に垂直な方向に対応する。
【００１３】
図２は、磁気メモリ又は他のデバイスにおいて使用可能な磁気接合１００の例示的な実施形態を示す。例えば、磁気接合１００は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）、スピンバルブ、バリスティック磁気抵抗構造、又はこれらの組み合わせであり得る。磁気接合１００は多様な応用において使用可能である。例えば、磁気接合は、ＳＴＴ‐ＲＡＭ等の磁気メモリにおいて使用可能である。明確性のため、図２は縮尺通りではない。磁気接合１００は、ピンド層１１０と、非磁性スペーサ層１２０と、自由層１３０とを含む。任意のピニング層１０２も示されていて、これは、ＰｔＭｎ等の反強磁性（ＡＦＭ）層であり得る。層１０２、１１０、１２０、１３０は特定の配向で示されているが、この配向は他の実施形態において変化し得る。例えば、ピンド層１１０が磁気接合１００の頂部（図示されていない基板から最も遠い）に存在し得る。簡単のため、存在し得るシード層及び／又はキャッピング層等の他の層は示されていない。
【００１４】
非磁性スペーサ層１２０はトンネル障壁層であり得る。一部実施形態では、スペーサ層１２０はＭｇＯである。このような一部実施形態では、非磁性スペーサ層１２０は結晶性ＭｇＯであり、磁気接合１００のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ，ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を増強し得る。他の実施形態では、スペーサ層はＣｕ等の導体であり得る。代替実施形態では、非磁性スペーサ層１２０が、例えば、絶縁性マトリクス中に導電性チャネルを含む粒状層等の他の構造を有し得る。
【００１５】
図示される実施形態では、層１１０及び１３０の磁化１１１及び１３１は面内にある。しかしながら、他の配向も可能である。更に、自由層１３０の磁化は変更可能であり、その磁化が磁化容易軸１３１によって示される。磁気接合１００は、自由層の磁化１３１が磁気接合に流される電流を用いてスイッチング可能であるように構成される。従って、磁気接合１００は、スイッチングのためにスピントランスファトルクを利用する。一部実施形態では、磁気接合をスイッチングするために、スピントランスファトルクに加えて、又はこれに代えて、他の現象を用い得る。
【００１６】
一部実施形態では、ピンド層１１０及び自由層１３０は強磁性体を含み得る。従って、層１１０及び１３０は、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうち一つ以上を、特に合金として含み得る。一部実施形態では、層１１０及び１３０はＣｏＦｅを含む。層１１０及び１３０は、室温において安定であるように構成される。例えば、層１１０及び１３０の磁気異方性エネルギーは、ｋｂＴの少なくとも６０倍であり得る。層１１０及び１３０は単一層として示されているが、他の実施形態では、層１１０及び１３０の一以上が多重層であり得る。例えば、ピンド層１１０及び／又は自由層１３０は、Ｒｕ等の薄層を介して反強磁性的又は強磁性的に結合された磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦでは、Ｒｕ又は他の物質の層と交互配置された複数の磁性層が使用され得る。層１１０及び／又は１３０は他の多重層ともなり得る。
【００１７】
ピンド層１１０及び／又は自由層１３０は半金属を含む。一部実施形態では、ピンド層１１０及び／又は自由層１３０は半金属から成る。他の実施形態では、ピンド層１１０及び／又は自由層１３０の多重層が半金属層を含む。例えば、ピンド層１１０及び／又は自由層１３０は、半金属を含むスペーサ層１２０との界面の層を有し得る。他の実施形態では、ピンド層１１０及び／又は自由層１３０は、一つ以上の半金属を含む合金であり得る。半金属は非常に高いスピン偏極を有し得る。スピン偏極（Ｐ）は、フェルミ準位における強磁性体のアップ（ダウン）スピンのパーセンテージからダウン（アップ）スピンのパーセンテージを引いたものとして定義可能である。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びこれらの合金等の多くの一般的な磁性体は、５０％以下の低いＰを有する。半金属は非常に高いＰ（１００％近く）を有する強磁性体であり、一方のスピン配向において金属であり、他方のスピン配向において絶縁性である。発見されている半金属として、ＣｒＯ２、Ｓｒ２ＦｅＭｏＯ６、（Ｌａ０．７Ｓｒ０．３）ＭｎＯ３、Ｆｅ３Ｏ４、ＮｉＭｎＳｂが挙げられる。使用可能な他の半金属として、Ｔ＝ＸＹＺ型の全ての化合物が挙げられ、Ｘは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、又はＡｕであり、Ｙは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ，Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、又はＬｕであり、Ｚは、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂｉである。また、半金属物質として、物質Ｍを加えてＴＭ化合物を形成する上記Ｔの何らかの又は全ての化合物が挙げられて、Ｍは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、又はＢｉである。更に、酸化マンガン等の酸化半金属として、ＲＥ１−ｘＭｘＭｎＯ３が挙げられて、ｘは１以下であり、Ｍは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、又はＰｂであり、ＲＥは、希土類金属（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、又はＬｕ等）、又はアルカリ土類金属（Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、又はＲａ等）である。使用可能な他の酸化半金属として、二重ペロブスカイトＡ２ＭＭ’Ｏ６が挙げられ、Ａは、上述の希土類又はアルカリ土類金属（例えば、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、又はＲａ）であり、ＭとＭ’は二つの異なる元素であり、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇから選択される。また、半金属としてＣｒＯ２及びＦｅ３Ｏ４を挙げることができる。
【００１８】
動作時には、書き込み電流が磁気接合１００に流される。書き込み電流の方向に応じて、自由層１３０は、その磁化１３１が磁化１１１に平行又は反平行になるようにスイッチングされ得る。一部実施形態では、外部磁場等の磁場が、自由層をスイッチングさせたい方向に印加されて、自由層１３０のスイッチング特性を改善する。従って、自由層１３０はスピントランスファを用いてスイッチング可能である。磁気接合１００によって記憶されたデータを読み出すため、読み出し電流を磁気接合１００に流し得る。ピンド層１１０の磁化１１１及び自由層１３０の磁化１３１の相対的な配向に基づいて、磁気抵抗が提供される。
【００１９】
磁気接合１００は改善された性能を有し得る。高スピン偏極半金属物質が磁気接合の磁性層として使用されると、少数（完璧な半金属に対しては理論的にゼロ）のマイノリティスピンからの反対の角運動量の否定も小さくなり得る。反対の角運動量の減少は小さなスイッチング電流をもたらす。スイッチング電流は、スピントランスファを用いて自由層１３０の磁化をスイッチングするのに必要な電流である。スイッチング電流の減少は顕著なものとなり得る。一部実施形態では、３５％のスピン偏極の物質から８０％のスピン偏極の物質にした場合に、自由磁性層におけるコヒーレントな電子散乱を仮定すると、スイッチング電流は理論的には５分の１以下に減少し得る。
【００２０】
図３は、磁気接合１００’の例示的な実施形態を示す。明確性のため、図３は縮尺通りではない。磁気接合１００’は、磁気接合１００に類似している。そこで、類似する構成要素は同じようにラベル付されている。磁気接合１００’は、第一のピンド層１１０’と、第一の非磁性スペーサ層１２０’と、自由層１３０’とを含み、これらは、第一のピンド層１１０、第一の非磁性スペーサ層１２０、自由層１３０に類似している。また、磁気接合１００’は、第二の非磁性スペーサ層１４０及び第二のピンド層１５０も含む。第二の任意のピニング層１６０も提供され得る。
【００２１】
層１１０’、１２０’、１３０’の構造及び機能はそれぞれ層１１０、１２０、１３０の構造及び機能に類似している。更に、追加の非磁性スペーサ層１４０及び追加のピンド層１５０が、任意のピニング層１６０と共に示されている。追加の非磁性スペーサ層１４０は、スペーサ層１２０’に類似している。非磁性スペーサ層１４０は、ＭｇＯ等のトンネル障壁層であり得る。このような一部実施形態では、非磁性スペーサ層１４０は結晶性ＭｇＯである。他の実施形態では、非磁性スペーサ層１４０はＣｕ等の導体であり得る。代替実施形態では、非磁性スペーサ層１４０は他の構造を有し得て、例えば、絶縁性マトリクス中の導電性チャネルを含む粒状層を有し得る。
【００２２】
追加のピンド層１５０はピンド層１１０’に類似している。ピンド層１５０の構造及び機能は、ピンド層１１０’のものに類似している。従って、ピンド層１５０の磁化１５１は固定されている。更に、ピンド層１５０は半金属を含み得る。従って、ピンド層１１０’、自由層１３０’、ピンド層１５０のうち一つ以上が半金属を含む。層１１０’、１３０’及び／又は１５０は、半金属から成り得て、半金属を含む一層以上の層を含み得て、又は半金属が含まれている他の構造を有し得る。
【００２３】
磁気接合１００’は、磁気接合１００に類似する方法で動作する。磁気接合１００’は、磁気接合１００に類似する利点を享受する。例えば、層１１０、１３０’及び１５０のうち一つ以上における半金属の使用は、低いスイッチング電流をもたらし得る。従って、磁気接合１００’の性能が改善し得る。更に、磁気接合１００’は二重接合である。結果として、磁気接合１００’のスピントランスファトルクが磁気接合１００のものよりも大きくなり得る。従って、磁気接合１００’の性能が増強され得る。
【００２４】
図４は、磁気接合２００の例示的な実施形態を示す。明確性のため、図４は縮尺通りではない。磁気接合２００は磁気接合１００に類似している。そこで、同様の構成要素は同じ様にラベル付けされている。磁気接合２００は、第一のピンド層２１０と、第一の非磁性スペーサ層２２０と、自由層２３０とを含み、これらはそれぞれ第一のピンド層１１０、第一の非磁性スペーサ層１２０、自由層１３０に類似している。
【００２５】
層２１０、２２０及び２３０の構造及び機能はそれぞれ層１１０、１２０、１３０の構造及び機能に類似している。従って、非磁性スペーサ層２２０はトンネル障壁層であるか、導電層であるか、又は絶縁性マトリクス中に導電性チャネルを含む粒状層等の他の構造を有し得る。
【００２６】
ピンド層２１０及び自由層２３０はそれぞれ層１１０、１３０に類似している。従って、層２１０及び２３０のうち一つ以上が半金属を含む。層２１０及び／又は２３０は半金属から成るか、半金属を含む一層以上の層を含むか、又は半金属が含まれる他の構造を有し得る。しかしながら、層２１０及び２３０の磁化は面に垂直である。
【００２７】
磁気接合２００は、磁気接合１００に類似する方法で動作する。磁気接合２００は磁気接合１００に類似する利点を享受する。例えば、層２１０及び２３０のうち一つ以上における半金属の使用は、低いスイッチング電流をもたらし得る。従って、磁気接合２００の性能が改善し得る。更に、磁化２１１及び２３１は面外に配向されている。従って、磁気接合２００のスイッチングが低い電流で達成可能である。従って、磁気接合２００の性能が更に改善され得る。
【００２８】
図５は、磁気接合２００’の例示的な実施形態を示す。明確性のため、図５は縮尺通りではない。磁気接合２００’は磁気接合２００に類似している。そこで、同様の構成要素は同じ様にラベル付けされている。磁気接合２００’は、第一のピンド層２１０’と、第一の非磁性スペーサ層２２０’と、自由層２３０’とを含み、これらは第一のピンド層２１０、第一の非磁性スペーサ層２２０、自由層２３０に類似している。また、磁気接合２００’は、第二の非磁性スペーサ層２４０及び第二のピンド層２５０も含む。
【００２９】
層２１０’、２２０’及び２３０’の構造及び機能は、それぞれ層２１０、２２０、２３０の構造及び機能に類似している。更に、追加の非磁性スペーサ層２４０及び追加のピンド層２５０が示されている。追加の非磁性スペーサ層２４０はスペーサ層２２０’に類似している。非磁性スペーサ層２４０は、ＭｇＯ（結晶性又はそれ以外）等のトンネル障壁層であるか、Ｃｕ等の導体であるか、又は例えば絶縁性マトリクス中に導電性チャネルを含む粒状層等の他の構造を有し得る。
【００３０】
追加のピンド層２５０はピンド層２１０’に類似している。ピンド層２５０の構造及び機能は、ピンド層２１０’のものに類似し得る。従って、ピンド層２５０の磁化２５１は固定されている。更に、ピンド層２５０は半金属を含み得る。従って、ピンド層２１０’、自由層２３０’、及びピンド層２５０のうち一つ以上が半金属を含む。層２１０’、２３０’及び／又は２５０は、半金属から成るか、半金属を含む一層以上の層を含むか、半金属が含まれる他の構造を有し得る。
【００３１】
磁気接合２００’は磁気接合２００に類似する方法で動作する。磁気接合２００’は磁気接合２００に類似する利点を享受する。例えば、層２１０’、２３０’及び２５０のうち一つ以上における半金属の使用は、面に垂直な配向のみの低いスイッチング電流をもたらし得る。従って、磁気接合２００’の性能が改善し得る。更に、磁気接合２００’は二重接合である。結果として、磁気接合２００’のスピントランスファトルクが磁気接合１００のものよりも大きくなり得る。従って、磁気接合２００’の性能が増強され得る。
【００３２】
図６は、磁気デバイス（例えばＳＴＴ‐ＲＡＭ等の磁気メモリ）において使用される磁気接合３００の例示的な実施形態を示す。明確性のため、図６は縮尺通りではない。磁気接合３００は、ピンド層３１０と、非磁性スペーサ層３２０と、自由層３３０とを含む。任意のピニング層３０４も示されていて、ピンド層３１０の磁化（図示せず）を固定するために使用され得る。一部実施形態では、任意のピニング層３０４は、交換バイアス相互作用によってピンド層３１０の磁化（図示せず）をピン留めするＡＦＭ層又は多重層であり得る。しかしながら、他の実施形態では、任意のピニング層３０４は省略可能であり、又は他の構造が使用され得る。更に、磁気接合３００は、任意のシード層３０２及び／又は任意のキャッピング層３４０等の他の及び／又は追加の層を含み得る。また、磁気接合３００は、書き込み電流が磁気接合に通された際に自由層３３０を安定磁気状態の間でスイッチングされることを可能にするように構成される。従って、自由層３３０はスピントランスファトルクを用いてスイッチング可能である。
【００３３】
ピンド層３１０は磁性であり、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうち一つ以上を特に合金として含み得る。単一層として示されているが、ピンド層３１０は複数の層を含み得る。例えば、ピンド層３１０は、Ｒｕ等の薄層を介して反強磁性的又は強磁性的に結合された複数の磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦでは、Ｒｕ又は他の物質の薄層と交互配置された複数の磁性層が使用され得る。また、ピンド層３１０は他の多重層ともなり得る。図６に磁化は示されていないが、自由層は、面外消磁エネルギーを超える垂直異方性エネルギーを有し得る。図示される実施形態では、磁化容易円錐の対称軸は実質的に自由層の面に直交している。他の実施形態では、自由層の垂直異方性は、面外消磁エネルギーよりも小さくなり得る。このような場合、磁化容易円錐の対称軸は実質的に自由層の面内にある。
【００３４】
スペーサ層３２０は非磁性である。一部実施形態では、スペーサ層３２０は絶縁体であり、例えばトンネル障壁である。このような実施形態では、スペーサ層３２０は結晶性ＭｇＯを含み得て、磁気接合のトンネル磁気抵抗を増強し得る。他の実施形態では、スペーサ層はＣｕ等の導体であり得る。代替実施形態では、スペーサ層３２０は、例えば絶縁性マトリクス内に導電性チャネルを含む粒状層等の他の構造を有し得る。
【００３５】
自由層３３０は磁性であり、Ｆｅ、Ｎｉ及び／又はＣｏのうち少なくとも一つを含み得る。自由層３３０は、スピントランスファによってスイッチング可能な変更可能磁化（図示せず）を有する。自由層３３０は単一層として示されている。他の実施形態では、後述のように、自由層３３０は他の層を含み得る。
【００３６】
自由層３３０は磁化容易円錐磁気異方性を有する。磁化容易円錐異方性は図６の磁化Ｍによって示されている。磁化容易円錐異方性によって、自由層３３０の総磁化は、磁気接合１００の層の面に垂直な方向（つまり、図６のｚ軸）から或る角度において同じエネルギーの安定状態を有する。その角度は、ｚ軸から９０度未満である。従って、面に垂直な磁化成分が存在する。図示される実施形態では、磁化容易円錐の対称軸はｚ方向に沿っている。しかしながら、他の実施形態では、磁化容易円錐の対称軸は、他の方向であり、例えば、面内のｘ又はｙ方向に沿っている。
【００３７】
磁化容易円錐異方性は以下のように理解され得る。磁化容易円錐異方性について、磁気異方性エネルギーは、磁気接合３００の面の垂線において又はその近くにおいて極大値（局所的な最大値）を有する。図示される実施形態では、極大値はｚ軸からゼロ度又はその近くにある。一部実施形態では、極大値は、ｋｂＴの少なくとも１０倍であり、ｋｂはボルツマン定数であり、Ｔは磁気接合の動作温度である。他の実施形態では、極大値はｋｂＴの少なくとも２０倍である。更に、磁気異方性エネルギー３４５は、極大値から或る角度に極小値を有する。自由層３３０の磁化は、極小値に沿って安定である。従って、図６の磁化及びエネルギーに見て取れるように、自由層の磁化は、ｚ軸周りの或る角度において安定である。これらの安定状態は、磁気接合３００の層の面の垂線周りの円錐を形成する。従って、自由層３３０の磁気異方性が、“磁化容易円錐異方性”と称される。
【００３８】
ピンド層３１０及び／又は自由層３３０は半金属を含む。一部実施形態では、ピンド層３１０及び／又は自由層３３０は半金属から成る。他の実施形態では、ピンド層３１０及び／又は自由層３３０の多重層が半金属層を含む。この限りにおいて、層３１０及び３３０はそれぞれ層１１０、１３０に類似している。例えば、ピンド層３１０及び／又は自由層３３０は、半金属を含む自由層３２０との界面の層を有し得る。他の実施形態では、ピンド層３１０及び／又は自由層３３０は、一つ以上の半金属を含む合金であり得る。使用可能な半金属物質として、上述の半金属物質の一つ以上を挙げることができる。
【００３９】
自由層３３０の磁化容易円錐異方性の導入は、自由層３３０のスイッチング特性を改善し得る。磁化容易円錐異方性によって、自由層３３０の磁化は、磁気接合３００の層の垂線との整列から傾いた（例えばｚ軸から傾いた）安定状態を有し得る。この初期のゼロではない角度は、自由層３３０の磁化をスピントランスファトルクによってより簡単にスイッチングすることを可能にする。この特性は、低い書き込みエラー率（ＷＥＲ，ｗｒｉｔｅ  ｅｒｒｏｒ  ｒａｔｅ）に相当する。低いＷＥＲは、小さなパルス幅（高いデータ転送速度）においても達成可能である。特に、書き込みエラー率対書き込み電流の傾きは、１０ｎｓ以下のパルス幅に対しても十分大きなままであり得る。一部実施形態では、１０−９以下の許容可能な書き込みエラー率が、１０〜３０ｎｓ又はそれ以下のパルス幅に対して達成可能である。従って、外場等の機構を用いてスイッチングを促進する代わりに、磁化容易円錐異方性が、高エラー率の物理的原因に対処する。従って、自由層３３０は、低パルス幅に対しても改善された書き込みエラー率を有し得る。
【００４０】
磁気接合３００の他の特性も増強され得る。磁気接合３００の熱安定性及び対称性が悪影響を受けなくなり得る。ｚ軸からゼロ度における磁気異方性エネルギーが、ｋｂＴの２０倍以上となり得る。ｚ軸から９０度の全体における最大値が、ｋｂＴの少なくとも６０倍となる。一部実施形態では、この全体における最大値がｋｂＴの少なくとも８０倍以上となる。この大きさの全体における最大値は、磁気接合３００の熱安定性を保証するのに十分である。更に、外部磁場が磁気接合３００をスイッチングするのに必要ではないので、磁気接合３００がより高いメモリ密度に対してより良くスケーリング可能となる。従って、磁気接合３００及びその磁気接合３００を用いたメモリの性能及び柔軟性が改善され得る。
【００４１】
性能は、半金属の使用によって更に増強可能である。特に、スイッチング電流が、ピンド層３１０及び／又は自由層３３０における半金属の存在によって、更に低減可能である。従って、接合３００の性能が更に増強可能となる。
【００４２】
磁化容易円錐異方性を、多種多様な方法で自由層３３０内に得ることができる。図７は、磁気接合３００において使用可能となり得る他の自由層３３０’の例示的な実施形態を示す。明確性のため、図７は縮尺通りではない。自由層３３０’は、自由層３３０に類似していて、同様の構造を含む。自由層３３０’は、負垂直異方性層３３１と、任意の垂直異方性層３３５と、高垂直異方性層３３３と、相互作用制御層３３２と、任意の相互作用制御層３３４とを含む。他の実施形態では、自由層３３０’は他の数の層を有し得る。強磁性層が非磁性の相互作用制御層と交互にされる。更に、負異方性層が、高異方性層と交互にされる。例えば、層３３０’が、三つの層のみを含む場合、層３３１、３３２及び３３３が含まれる。層３３０’が二つの追加層を含む場合、相互作用制御層が、負垂直異方性層３３５と高垂直異方性層（図示せず）とを分離する。
【００４３】
図示される実施形態では、二つの磁性層３３１及び３３５が負垂直異方性Ｈｋを有する。従って、それ自体によって、これらの層の磁化は、フィルムの面内に留まる。一部実施形態では、層３３１及び３３５は、部分的垂直異方性の影響を含み得る。言い換えると、層３３１及び３３５の垂直異方性は高いが、面外消磁エネルギーを超えるには十分でない。部分的垂直異方性は、ｚ方向に沿ってこの層の磁化を飽和させるのに必要な磁場を低減する。一部実施形態では、部分垂直異方性磁場は、少なくとも４πＭｓの２０パーセントであり、４πＭｓの９０パーセント以下である。他の磁性層３３３は高垂直異方性Ｈｋを有する。一部実施形態では、高垂直異方性の大きさは、磁気接合のサイズに依存する。例えば、直径１００ナノメートルのオーダの直径を有する大きな磁気接合に対して、その大きなＨｋは、１０００エルステッド（１ｋＯｅ）以上となり得る。対照的に、１０ナノメートルのオーダの直径を有する小さな磁気接合３００に対しては、自由層の厚さ及び飽和磁化に依存して、Ｈｋは、略５０００エルステッド（５ｋＯｅ）又はそれ以上となる。層３３１、３３３及び３３５は強磁性であり、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉのうち一つ以上を含む。他の物質として、Ｂ、Ｔａ、Ｃｓ、Ｚｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔｂ及び／又はＲｕ（これらに限られない）が挙げられ、これらの他の物質も層３３１、３３３及び３３５に含まれ得る。更に、層３３１、３３３、３３５のうち一つ以上が上述の半金属を含み得る。同じ又は異なる物質が、層３３１、３３３及び３３５に対して使用可能である点は留意されたい。層３３１、３３３及び３３５並びに交換相互作用制御層３３２及び３３４に使用される物質及び／又は厚さの組み合わせは、所望の異方性が層３３１、３３３及び３３５に生じるように調整可能である。自由層３３０’において、高垂直異方性層３３３は、二つの負異方性層３３１及び３３５の間に挟まれる。結果として、自由層３３０’が磁化容易円錐異方性を有し得る。従って、磁気接合において使用される場合、自由層３３０’が、熱安定性、スケーラビリティ、低い臨界スイッチング電流を犠牲にせずに、改善された書き込みエラー率を有し得る。更に、臨界スイッチング電流は、層３３１、３３３及び３３５のうち一つ以上における半金属の使用によって更に低減可能である。
【００４４】
図８は、磁化容易円錐異方性を有する自由層を含む他の磁気接合３００’の例示的な実施形態を示す。明確性のため、図８は縮尺通りではない。磁気接合３００’はＳＴＴ‐ＲＡＭ等の磁気メモリにおいて使用され得る。磁気接合３００’は磁気接合３００に類似していて、同様の構造を含む。磁気接合３００’は、任意のシード層３０２’と、任意のピニング層３０４’と、ピンド層３１０’と、非磁性スペーサ層３２０’と、自由層３３０”と、任意のキャッピング層３４０’とを含み、これらはそれぞれ任意のシード層３０２、任意のピニング層３０４、ピンド層３１０、非磁性スペーサ層３２０、自由層３３０、任意のキャッピング層３４０に類似している。更に、磁気接合３００’は、追加の非磁性スペーサ層３５０と、追加のピンド層３６０と、追加で任意のピニング層３７０とを含む。従って、磁気接合３００’は二重接合である。追加の非磁性スペーサ層３５０、追加のピンド層３６０、追加で任意のピニング層３７０は、非磁性スペーサ層３２０／３２０’、ピンド層３１０／３１０’、任意のピニング層３０４／３０４’に類似している。ピンド層３６０も、一つ以上の半金属を含み得る。従って、磁気接合３００’は接合３００の利点を共有し得る。更に、磁気接合３００’が、二重トンネル接合等の二重接合となり得るので、磁気接合３００’のスイッチング電流が低減され得て、スイッチング特性が改善される。
【００４５】
図９は、磁気メモリ又は他のデバイスに使用可能な磁気接合４００の例示的な実施形態を示す。例えば、磁気接合４００は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）、スピンバルブ、バリスティック磁気抵抗構造、又はこれらの組み合わせであり得る。磁気接合４００は多様な応用において使用され得る。例えば、磁気接合は、ＳＴＴ‐ＲＡＭ等の磁気メモリにおいて使用され得る。明確性のため、図９は縮尺通りではない。磁気接合４００は、第一のピンド層４１０と、第一の非磁性スペーサ層４２０と、自由層４３０と、第二の非磁性スペーサ層４４０と、第二のピンド層４５０と、バイアス構造４６０とを含む。バイアス構造４６０は、磁気バイアス層４８０と、非磁性スペーサ層４７０と、バイアス層４８０の磁化を所望の方向に固定するのに使用可能な任意のＡＦＭ層４９０とを含む。非磁性スペーサ層４７０は、ピンド層４５０と磁気バイアス層４８０との間の磁気交換結合を低減又は破るように構成される。一部実施形態では、非磁性層は、Ｔａ、Ｒｕ及び／又はＭｇＯを含み得る。他の実施形態では、他の物質が使用可能である。代替実施形態では、層４５０と４８０との間の交換結合が異なる方法で破られ得る。層４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４７０及び４８０は特定の配向で示されているが、この配向は他の実施形態においては変更可能である。例えば、ピンド層４１０が磁気接合４００の頂部（図示されていない基板から最も遠い）に存在し得る。
【００４６】
ピンド層４１０及び４５０並びに自由層４３０は強磁性である。従って、層４１０、４３０及び４５０は、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏのうち一つ以上を特に合金として含み得る。一部実施形態では、層４１０、４３０及び／又は４５０はＣｏＦｅを含む。このような一部実施形態では、層４１０、４３０及び４５０はＣｏＦｅＢから成る。層４１０、４３０及び４５０のうち一つ以上は上述のような半金属を含む。一部実施形態では、層４１０、４３０及び／又は４５０は半金属から成る。他の実施形態では、層４１０、４３０及び／又は４５０の多重層が半金属層を含む。この限りにおいて、層４１０、４３０及び／又は４５０は層１１０及び１３０に類似している。例えば、層４１０、４３０及び／又は４５０は、半金属を含むスペーサ層４２０及び／又は４４０との界面の層を有し得る。他の実施形態では、層４１０、４３０及び／又は４５０は、一つ以上の半金属を含む合金であり得る。使用可能な半金属物質として、上述の半金属物質の一つ以上を挙げることができる。
【００４７】
層４１０、４３０及び４５０は、室温において安定であるように構成される。例えば、層４１０、４３０及び／又は４５０の磁気異方性エネルギーは、ｋｂＴの少なくとも６０倍であり得る。一部実施形態では、層４１０、４３０及び／又は４５０の磁気異方性エネルギーは、室温（略３０℃）においてｋｂＴの少なくとも８０倍である。層４１０、４３０及び／又は４５０は単一層として示されているが、他の実施形態では、層４１０、４３０及び／又は４５０のうち一つ以上が多重層となり得る。例えば、ピンド層４１０及び／又は自由層４３０が、Ｒｕ等の薄層を介して反強磁性的又は強磁性的に結合された磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦでは、Ｒｕ又は他の物質の薄層と交互配置された複数の磁性層が使用され得る。層４１０、４３０及び／又は４５０は他の多重層にもなり得る。
【００４８】
ピンド層４１０及び自由層４３０は磁性であり面内のものである。ピンド層４１０は磁化４１１を有する。自由層４３０の変更可能磁化が磁化容易軸４３１で示されている。従って、参照番号４３１は、自由層４３０の磁化容易軸及び磁化の両方を示すものとして用いられている。層４１０の磁化４１１及び層４３０の磁化４１１は実質的に面内にある。従って、層４１０及び４３０の面外消磁エネルギーが面外異方性を超える。面外消磁場は大きなセルに対して４πＭｓに近づくが、縁部において減少した消磁場によって小さなセルに対しては一般的に４πＭｓ未満である。
【００４９】
自由層４３０の磁化４３１は面内にあるが、一部実施形態では、自由層４３０が高垂直異方性を有する。言い換えると、自由層４３０は弱面内のものとなり得る。例えば、このような一部実施形態では、自由層４３０の垂直異方性エネルギーが、面外消磁エネルギーに近づくがそれ未満となり得る。例えば、垂直異方性エネルギーは面外消磁エネルギーの少なくとも４０パーセントとなり得る。このような一部実施形態では、垂直異方性エネルギーが、面外消磁エネルギーの少なくとも８０パーセントとなり得る。また、一部実施形態では、垂直異方性エネルギーが消磁エネルギーの９０パーセント以下となり得る。高垂直異方性は多様な方法で得ることができて、非磁性層スペーサ層４２０及び／又は４４０として又はこれに加えてＭｇＯ等の所望のキャッピング層を使用することが挙げられるがこれに限られるものではない。自由層４３０は、例えばドーピングや多重層の使用によって高減衰も有し得る。自由層４３０も、半金属強磁性体を用い得て、又はスピントランスファ、磁気抵抗及び／又は他の所望の特性を改善する他の物質を用い得る。最後に、磁気接合４００は、自由層の磁化４３１が磁気接合に流される電流を用いてスイッチング可能であるように構成される。従って、磁気接合４００は、スピントランスファトルクを利用する。一部実施形態では、磁気接合をスイッチングするため、スピントランスファトルクに加えて又はこれに代えて、他の現象が使用され得る。
【００５０】
非磁性スペーサ層４２０及び４４０は、導電性であるか、トンネル障壁層であるか、導電性チャネルを有する絶縁層であるか、又は磁気接合４００が磁気抵抗を有する他の非磁性層であり得る。一部実施形態では、スペーサ層４２０及び／又は４４０はＭｇＯである。このような一部実施形態では、非磁性スペーサ層４２０及び／又は４４０が結晶性ＭｇＯであり、磁気接合４００のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を増強し得る。他の実施形態では、スペーサ層４２０及び／又は４４０はＣｕ等の導体であり得る。代替実施形態では、非磁性スペーサ層４２０及び／又は４４０は他の構造を有し得て、例えば絶縁性マトリクス内に導電性チャネルを含む粒状層を有し得る。
【００５１】
バイアス構造４６０は、磁化容易軸４３１に実質的に垂直であり自由層４３０において面内にある自由層４３０における磁気バイアスを提供する。図示される実施形態では、磁気バイアスはバイアス層４８０によって提供される。従って、バイアス層４８０は、自由層４３０の磁化容易軸４３１に垂直であって面内にある磁化４８１を有する。言い換えると、バイアス層の磁化４８１は、自由層４３０の磁化困難軸に沿っている。一部実施形態では、磁気バイアスは、自由層４３０の異方性エネルギーの少なくとも２０パーセント且つ６０パーセント以下の磁気エネルギーを有する。
【００５２】
動作時には、書き込み電流が磁気接合４００に流される。発生するスピントランスファトルクは、自由層４３０の磁化を、磁化容易軸４３１から更に離れて傾斜させ得る。従って、自由層の消磁場はゼロではない。そして、自由層４３０の磁化が消磁場周りで歳差運動する。そして、書き込み電流が取り除かれ得る。バイアス構造４６０（より具体的にはバイアス層４８０）が発生させる静バイアス磁場が自由層４３０に依然として作用する。磁化困難軸に沿って向いたこのバイアス磁場は、自由層４３０の磁化を面内に戻すのを補助する。バイアス層４８０からの磁場（図示せず）の存在によって、自由層４３０の歳差磁化が面内に戻る。より具体的には、書き込み電流が磁気接合４００から取り除かれると、自由層４３０の磁化は面内位置に戻る傾向にある。これは、バイアス層４８０が発生させるバイアス磁場に因るものである。バイアス構造４６０によるバイアス磁場が十分に強いと、自由層４３０は所望の状態に再現可能にスイッチングする。このような実施形態では、バイアス磁場は自由層４３０の少なくとも２０パーセントである。他の実施形態では、書き込み電流が特定の時間で取り除かれない限り、磁気接合４００が再現可能にスイッチングしなくなり得る。しかしながら、静バイアス磁場の印加が、電流を取り除くことに対する時間のマージンを依然として増加させる。従って、確実なスイッチングが、書き込み電流のタイミングに対する緩和された許容誤差で達成可能である。
【００５３】
磁気接合４００によって記憶されたデータを読み出すため、読み出し電流が磁気接合４００に流され得る。ピンド層４１０の磁化４１１及び自由層４３０の磁化４３１の相対的な配向に基づいて、磁気抵抗が提供される。
【００５４】
磁気接合４００は改善された特性を有し得る。磁気接合４００は歳差運動スイッチングを利用している。従って、磁気接合４００は改善された（高速）スイッチング時間を有し得る。一部実施形態では、スイッチング時間は、５０から１００ピコ秒のオーダである。上述のように、バイアス構造４６０によるバイアス磁場の存在は、スピントランスファトルクを用いた自由層４６３０の歳差運動スイッチングをより確実なものにし得る。より具体的には、自由層４３０の磁化がより確実に面内に戻され得て、及び／又は、書き込み電流の取り除きのタイミングに対するマージンが増大し得る。更に、バイアス磁場は、磁気バイアス層４８０からの静磁場である。従って、磁気バイアスが、デバイスの断面のサイズにスケーリングする。従って、小さなサイズに対する磁気接合４００のスケーラビリティが改善され得る。例えば、自由層４３０の減衰の増加は、臨界スイッチング電流を変化させず、自由層４３０の磁化をその最終状態にトラップすることを簡単にする。従って、スイッチングがより確実なものになり得る。自由層４３０の垂直異方性も増大し得る（面外消磁エネルギー以下に留まることによって）。このような実施形態では、例えば書き込み電流の取り除きのタイミングに対するマージンが増大することによって、スイッチングの信頼性も増強され得る。層４１０、４３０及び／又は４５０における半金属の使用も、臨界スイッチング電流を低減させ得る。従って、磁気接合４００の性能が改善され得る。
【００５５】
図１０Ａ〜１０Ｂは、歳差運動スイッチングを用いた磁気接合５００の例示的な実施形態の斜視図及び平面図を示す。明確性のため、図１０Ａ〜１０Ｂは縮尺通りではない。磁気接合５００は、自由層５１０と、非磁性スペーサ層５２０と、ピンド層５３０とを含む。層５１０、５２０及び５３０は特定の配向で示されているが、この配向は他の実施形態において変更可能である。例えば、自由層５１０が磁気接合５００の頂部（図示されていない基板から最も遠い）に近づき得る。単一層として示されているが、自由層５１０は複数の層を含み得る。例えば、ピンド層は、Ｒｕ等の薄層を介して反強磁性的又は強磁性的に結合された磁性層を含むＳＡＦであり得る。このようなＳＡＦでは、Ｒｕ又は他の物質の薄層と交互配置された複数の磁性層が使用され得る。自由層５１０は他の多重層ともなり得る。
【００５６】
自由層５１０は、磁化容易軸５１１によって示される磁化を有する。自由層５１０は自由層４３０に類似している。例えば、自由層５１０は、ＳＡＦであり、高垂直異方性を有し、及び／又は、高減衰を有し得る。スペーサ層５２０は非磁性である。一部実施形態では、スペーサ層５２０は絶縁体であり、例えばトンネル障壁である。このような実施形態では、スペーサ層５２０が結晶性ＭｇＯを含み得て、磁気接合のＴＭＲを増強し得る。他の実施形態では、スペーサ層はＣｕ等の導体であり得る。代替実施形態では、スペーサ層５２０は他の構造を有し得て、例えば絶縁性マトリクス内に導電性チャネルを含む粒状層を有し得る。
【００５７】
ピンド層５３０は、そのピンド層５３０にわたって変化する磁化５３１を有する。一部領域では磁化が面内にある一方、他の領域では磁化が面に垂直である。図示される実施形態では、ピンド層５３０の中心部が面内磁化を有する一方、ピンド層５３０の縁部が面に垂直なものである。これは、例えば高垂直異方性を有することによって、達成可能である。一部実施形態では、垂直異方性は、消磁エネルギーの少なくとも８５％であって且つ１００％未満である。
【００５８】
層５１０及び／又は５３０は半金属を含む。一部実施形態では、層５１０及び／又は５３０が半金属から成る。他の実施形態では、層５１０及び／又は５３０の多重層が半金属層を含む。この限りにおいて、層５１０及び／又は５３０は層１１０及び１３０に類似している。例えば、層５１０及び／又は５３０は、半金属を含むスペーサ層５２０との界面の層を有し得る。他の実施形態では、層５１０及び／又は５３０は一つ以上の半金属を含む合金であり得る。使用可能な合金として、上述の半金属物質のうち一つ以上が挙げられる。
【００５９】
ピンド層５３０の磁化がそのピンド層５３０にわたって変化するので、ピンド層５３０は、図９のピンド層４１０及び４５０の組み合わせとして機能し得る。特に、面外磁化を有する縁部が、磁気接合４００のピンド層４５０に類似した方法で歳差運動スイッチングを増強し得る。ピンド層５３０の中心部は、読み出しに用いられるピンド層５３０の部分であるとみなされる。言い換えると、ピンド層５３０の中心部の磁化に対する自由層５１０の磁化の配向が、磁気接合５００の磁気抵抗を生じさせる。
【００６０】
磁気接合５００が歳差運動スイッチングを用いることができるので、高速スイッチングが達成可能である。更に、少ない数の層が使用されるので、処理が単純化され得る。また、半金属の使用がスイッチング電流を低減し得る。
【００６１】
図１１は、磁気接合５００’の例示的な実施形態を示す。明確性のため、図１１は縮尺通りではない。磁気接合５００’は磁気接合５００に類似している。そのため、類似の構成要素は同じ様にラベル付けされている。磁気サブストラクチャ５００’は、自由層５１０’と、第一の非磁性スペーサ層５２０’と、ピンド層５３０’とを含み、これらはそれぞれ自由層５１０、非磁性スペーサ層５２０、ピンド層５３０に類似している。ピンド層５５０も上述のような半金属を含み得る。更に、磁気接合５００’は、追加の非磁性スペーサ層５４０及び追加のピンド層５５０も含む。従って、磁気接合５００’は二重接合である。磁気接合５００’は磁気接合５００の利点を共有する。例えば、歳差運動スイッチングが達成可能である。
【００６２】
磁気接合１００、１００’、２００、２００’、３００、３００’、４００、５００及び／又は５００’は磁気メモリにおいて使用可能である。図１２は、このようなメモリ６００の例示的な実施形態を示す。磁気メモリ６００は、読み出し／書き込みコラム選択ドライバ６０２及び６０６と、ワードライン選択ドライバ６０４とを含む。他の及び／又は異なる構成要素も提供され得る点に留意されたい。メモリ６００のストレージ領域は、磁気ストレージセル６１０を含む。各磁気ストレージセルは、少なくとも一つの磁気接合６１２と、少なくとも一つの選択デバイス６１４とを含む。一部実施形態では、選択デバイス６１４はトランジスタである。磁気接合６１２は、磁気接合１００、１００’、２００、２００’、３００、３００’、４００、５００及び／又は５００’のうち一つであり得る。一つの磁気接合６１２及び一つの選択デバイス６１４がセル６１０毎に示されているが、他の実施形態では、違う数の磁気接合６１２及び／又は６１４がセル毎に提供され得る。このようにして、磁気メモリ６００は、高速で確実なスイッチングや、低い臨界スイッチング電流等の上述の利点を享受し得る。
【００６３】
図１３は、磁気サブストラクチャを製造するための方法７００の例示的な実施形態を示す。簡単のため、一部のステップが省略又は組み合わせられ得る。方法７００は、磁気接合１００に関して説明される。しかしながら、方法５００は、接合１００、１００’、２００、３００、３００’、４００、５００及び／又は５００’等の他の磁気接合、及び／又は自由層３３０’に対しても使用可能である。更に、方法７００は、磁気メモリ６００等の磁気メモリの製造に組み込まれ得る。従って、方法７００は、ＳＴＴ‐ＲＡＭ又は他の磁気メモリの製造に使用可能である。方法７００は、シード層（図示せず）及び任意のピニング層１０２が提供された後に、開始し得る。
【００６４】
ステップ７０２で、ピンド層１１０が提供される。ステップ７０２は、ピンド層１００の所望の厚さの所望の物質を堆積させることを含み得る。更に、ステップ７０２は、ＳＡＦを提供することを含み得る。一部実施形態では、ピンド層１１０を提供するステップは、半金属を堆積させることを含む。ステップ７０４で、非磁性層１２０が提供される。ステップ７０４は、所望の非磁性物質を堆積させることを含み得て、その非磁性物質として結晶性ＭｇＯが挙げられるが、これに限られるものではない。更に、ステップ７０２において、所望の厚さの物質が堆積され得る。
【００６５】
ステップ７０６で、自由層１３０が提供される。一部実施形態では、ステップ７０６は、多重層、ＳＡＦ、及び／又は他の構造を堆積させることによって、完了し得る。一部実施形態では、自由層１３０を提供するステップは、半金属を堆積させることを含む。そして、ステップ７０８で製造が完了する。例えば、追加のスペーサ層１４０、追加のピンド層１５０、及び／又は任意で追加のピニング層４６０が提供され得る。磁気接合の層が積層体として堆積されて形成される一部実施形態では、ステップ７０８は、磁気接合１００を形成して、アニーリングを実施して、磁気接合１００の製造を完了することを含み得る。更に、磁気接合１００がＳＴＴ‐ＲＡＭ４００等のメモリ内に組み込まれる場合、ステップ７０８は、コンタクト、バイアス構造、メモリ４００の他の部品を提供することを含み得る。
【００６６】
従って、磁気接合１００、１００’、２００、２００’、３００及び／又は３００’が形成される。結果として、磁気接合の利点を得ることができる。
【００６７】
磁気接合とその磁気接合を用いて製造されたメモリについて説明してきた。方法及びシステムは、図示された例示的な実施形態に従って説明されてきたが、当業者は、それら実施形態のバリエーションが存在し、あらゆるバリエーションが本方法及びシステムの精神及び範囲内に存在することを容易に理解するものである。従って、多くの変更が、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱せずに、当業者によって為され得る。
【符号の説明】
【００６８】
１００  磁気接合
１０２  ピニング層
１１０  ピンド層
１２０  非磁性スペーサ層
１３０  自由層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
2013021328000001.pdf