(57)【要約】  磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が開示される。ＭＲＡＭデバイスは、性能が大幅に改善された自由層を含む磁気トンネル接合スタックを有する。ＭＲＡＭデバイスは、垂直ＭＴＪと共に歳差スピン電流（ＰＳＣ）磁性層磁性層を利用する。垂直ＭＴＪにおいて、ＰＳＣ磁性層の面内磁化方向は自由に回転する。歳差スピン電流磁性層は、パーマロイのような面心立方結晶構造を有する材料で構成される。
2020509590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気デバイスであって、
第１の平面における第１の合成反強磁性構造であって、前記合成反強磁性構造は、磁気基準層を含み、前記磁気基準層は、前記第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向とを有している、前記第１の合成反強磁性構造と、
前記磁気基準層上に配置された、第２の平面における非磁性トンネル障壁層と、
前記非磁性トンネル障壁層上に配置された、第３の平面における自由磁性層であって、前記自由磁性層は、前記第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向とを有し、前記磁気基準層と、前記非磁性トンネル障壁層と、前記自由磁性層とが、磁気トンネル接合を形成する、前記自由磁性層と、
前記自由磁性層上に配置された、第４の平面における非磁性スペーサであって、前記磁気結合層は、ＭｇＯを含む、前記非磁性スペーサと、
第５平面における歳差スピン電流磁性層であって、前記歳差スピン電流磁性層は、前記自由磁性層から物理的に分離されており、前記非磁性スペーサによって前記自由磁性層に結合されており、任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化成分を有する磁化ベクトルを前記第５面に有し、面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を有する材料を含む、前記歳差スピン電流磁性層と、
前記歳差スピン電流磁性層の上に配置された、第６面におけるキャップ層と、
を備え、
前記キャップ層、前記歳差スピン電流磁性層、前記非磁性スペーサ、前記自由磁性層、前記非磁性トンネル障壁層、及び前記磁気基準層を通って電流が導かれ、前記電流の電子が、前記歳差スピン電流磁性層の前記磁気方向に整列され、
前記歳差スピン電流磁性層の前記磁化方向は、前記自由磁性層の前記磁化方向の歳差に自由に追従し、これにより、前記自由磁性層の前記磁化ベクトルのスイッチングを促進するためのスピン移行トルクが生じる、磁気デバイス。
【請求項２】
前記歳差スピン電流磁性層の前記磁化ベクトルの前記磁化方向は、前記第５の平面内にある、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記歳差スピン電流磁性層の前記磁化方向は、前記第５の平面において自由に回転可能な磁化成分を前記第５の平面に有する、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、前記面心立方結晶構造を有する前記材料を含む面心立方結晶構造層とを備え、前記Ｆｅ層は前記非磁性スペーサ上に配置され、前記Ｒｕ層は前記Ｆｅ層上に配置され、前記面心立方結晶構造層は前記Ｒｕ層上に配置される、請求項１に記載の磁気構造。
【請求項６】
前記面心立方結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、請求項５に記載の磁気構造。
【請求項７】
前記キャップ層が、ＴａＮの層を含む、請求項５に記載の磁気構造。
【請求項８】
前記歳差スピン電流磁性層が、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、ＣｏＦｅＢ層と、前記面心立方結晶構造を有する前記材料を含む面心立方結晶構造層とを備え、前記Ｆｅ層が前記非磁性スペーサ上に配置され、前記Ｒｕ層が前記Ｆｅ層上に配置され、前記ＣｏＦｅＢ層が前記Ｆｅ層上に配置され、前記面心立方結晶構造層が前記ＣｏＦｅＢ層上に配置される、請求項１に記載の磁気構造。
【請求項９】
前記面心立方結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、請求項８に記載の磁気構造。
【請求項１０】
前記キャップ層が、ＴａＮの層を含む、請求項９に記載の磁気構造。
【請求項１１】
前記歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、第１のＣｏＦｅＢ層と、前記面心立方結晶構造を有する前記材料を含む面心立方結晶構造層と、第２のＣｏＦｅＢ層と、を備え、前記Ｆｅ層は前記非磁性スペーサの上に配置され、前記Ｒｕ層は前記Ｆｅ層の上に配置され、前記第１のＣｏＦｅＢ層は前記Ｆｅ層の上に配置され、前記面心立方結晶構造層は前記第１のＣｏＦｅＢ層の上に配置され、前記第２のＣｏＦｅＢ層は前記面心立方結晶構造層の上に配置される、請求項１に記載の磁気構造。
【請求項１２】
前記面心立方結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、請求項１１に記載の磁気構造。
【請求項１３】
前記キャップ層が、ＴａＮの層を含む、請求項１２に記載の磁気構造。
【請求項１４】
前記キャップ層が、ＭｇＯの層を含む、請求項１２に記載の磁気構造。
【請求項１５】
前記キャップ層が、Ｒｕの層を含む、請求項１２に記載の磁気構造。
【請求項１６】
前記歳差スピン電流磁性層が、Ｆｅ層と、ＮｉＦｅ層とを備え、前記ＮｉＦｅ層が前記面心立方結晶構造を有する前記材料であり、前記Ｆｅ層が前記非磁性スペーサ上に配置され、前記ＮｉＦｅ層が前記Ｆｅ層上に配置され、
前記歳差スピン電流磁性層が、さらに、前記ＮｉＦｅ層上に配置された第３の層を備える、請求項１に記載の磁気構造。
【請求項１７】
前記第３の層がＣｏＦｅＢを含む、請求項１６に記載の磁気構造。
【請求項１８】
前記歳差スピン電流磁性層は、前記自由磁性層に磁気的に結合されている、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項１９】
前記歳差スピン電流磁性層は、前記自由磁性層に電子的に結合されている、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項２０】
前記歳差スピン電流磁性層の歳差運動は、前記自由磁性層の歳差運動に同期する、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項２１】
前記歳差スピン電流磁性層の回転周波数は、０より大きい、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項２２】
前記自由磁性層は、その磁化容易軸が前記垂直方向から離れる方向を指し、その垂直平面に対して角度をなすような有効磁気異方性を有する、請求項１に記載の磁気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許文献は、概して、スピン移行トルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリに関し、より詳細には、面心立方材料を有する材料を使用することで、高い面内異方性を有する歳差スピン電流構造を使用することによって、磁気トンネル接合構造における自由層の性能を改善した磁気トンネル接合スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（「ＭＲＡＭ」）は、磁気記憶素子を通してデータを記憶する不揮発性メモリ技術である。これらの素子は、磁化を保持することが可能な、非磁性金属または絶縁体などの非磁性材料によって分離された２つの強磁性プレートまたは電極である。一般に、プレートの一方は自身の磁化を固定しており（すなわち、「基準層」）、これは、この層が他方の層よりも高い保磁力を有しており、自身の磁化の向きを変化させるためにより大きな磁場またはスピン偏極電流を必要とすることを意味する。他方のプレートは、典型的には自由層と呼ばれ、その磁化方向は、基準層と比べてより小さい磁界またはスピン偏極電流によって変化させることができる。
【０００３】
ＭＲＡＭデバイスは、自由層の磁化の向きを変えることによって情報を記憶する。具体的には、自由層が基準層に対して平行に整列しているか、反平行に整列しているかに基づいて、「１」または「０」のいずれかが各ＭＲＡＭセルに記憶される。スピン偏極電子トンネル効果により、各セルの電気抵抗は、２層の磁化の向きによって変化する。セルの抵抗が平行状態と反平行状態では異なるため、セルの抵抗を使用して「１」と「０」を区別することができる。ＭＲＡＭデバイスの重要な特徴の１つは、電源がオフのときでも情報を保持するため、不揮発性メモリデバイスであることである。２つのプレートは、横方向のサイズがサブミクロンであることが可能であり、それでも、磁化方向は熱的変動に対して安定であり得る。
【０００４】
スピン移行トルク、すなわちスピン移行スイッチングは、スピン整列された（「偏極された」）電子を使用して、磁気トンネル接合における自由層の磁化方向を変化させる。一般に、電子はスピン（電子に固有の角運動量の量子化された数）を有する。一般に、電流は偏極されていない、すなわち電流は５０％のスピンアップ電子と５０％のスピンダウン電子からなる。磁性層に電流を流すことにより、磁性層（すなわち偏極子）の磁化方向に対応するスピン配向を有する電子が偏極され、スピン偏極電流が生じる。磁気トンネル接合デバイスの自由層の磁気領域にスピン偏極電流を流すと、電子は自身のスピン角運動量の一部を磁化層に移行し、自由層の磁化に対してトルクを発生させる。したがって、このスピン移行トルクは、自由層の磁化を切り替えることができ、これによって、自由層が基準層に対して平行状態であるか反平行状態であるかに基づいて、事実上、「１」または「０」が書き込まれる。
【０００５】
図１は、従来のＭＲＡＭデバイス用の磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）スタック１００を示す。図示されるように、スタック１００は、スタック１００の底部に設けられた一つ以上のシード層１１０を含み、その上に堆積される層において所望の結晶成長を開始させる。さらに、ＭＴＪ１３０が、ＳＡＦ層１２０の上に堆積される。ＭＴＪ１３０は、磁性層である基準層１３２と、非磁性トンネル障壁層（すなわち、絶縁体）１３４と、磁性層である自由層１３６とを含む。基準層１３２は、実際にはＳＡＦ層１２０の一部であるが、非磁性トンネル障壁層１３４および自由層１３６が基準層１３２上に形成されると、ＭＴＪ１３０の強磁性プレートのうちの一つを形成することを理解されたい。図１に示すように、磁気基準層１３２は、その平面に垂直な磁化方向を有する。図１にさらに示されるように、自由層１３６も、その平面に垂直な磁化方向を有するが、その方向は１８０度変動できる。
【０００６】
ＳＡＦ層１２０における第１の磁性層１１４は、シード層１１０の上に配置される。また、ＳＡＦ層１２０は、第１の磁性層１１４上に配置された反強磁性結合層１１６を有する。さらに、ＭＴＪ１３０の上部に非磁性スペーサ１４０が配置され、非磁性スペーサ１４０の上部に偏極子１５０が配置される。偏極子１５０は、その平面内に磁気方向を有するが、基準層１３２および自由層１３６の磁気方向に垂直である。偏極子１５０は、ＭＴＪ構造１００に印加される電子（「スピン整列電子」）の電流を偏極するために設けられる。さらに、ＭＴＪスタック１００の下の層を保護するために、偏極子１５０の上に一つ以上のキャップ層１６０を設けてよい。最後に、ハードマスク１７０がキャップ層１６０上に堆積される。ハードマスク１７０は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスを使用して、ＭＴＪ構造１００の下層をパターニングするために設けられる。
【０００７】
面内磁気トンネル接合デバイスのための直交スピン移行などの、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスにおける自由層の磁化スイッチングに役立つ種々の機構が提案されてきた。問題の１つは、面内ＭＴＪ構造に対して直交スピン移行効果を実現するためには、スイッチングに大きなスピン電流が必要になることである。大きなスイッチング電流が必要であることにより、そのようなデバイスの商業的な適用性が制限されてしまう可能性がある。スイッチング電流を低減する方法の１つは、自由層の磁化を低下させることである。しかしながら、自由層の有効磁化を著しく低くすると、直交効果が制限されてしまい、その結果、自由層が、自由層の磁化の最終状態を非決定性にする歳差モードにならない。これは、平面内ＯＳＴ構造の操作ウィンドウを定義する。面内デバイスでは、図１に示されるものとは異なり、基準層および自由層の磁化方向は層の平面内にある。面内デバイスの別の態様では、熱安定性要件が、ＭＴＪデバイスのサイズを約６０ナノメートル以上に制限する可能性がある。
【０００８】
図１に示されるような垂直ＭＴＪ構造にとって、歳差は問題ではない。直交偏極子は、初期状態において自由層の磁化に作用するが、歳差運動が起こると、固定された直交偏極子１５０は、自由層の磁化回転のサイクルのうち半分のみを補助し、サイクルの残りの半分を害する。これは、図２Ａ−２Ｂおよび図３を参照して説明されている。図２Ａ-２Ｂは、ＭＴＪの自由層１３６のスイッチングを示す。図示されるように、自由層１３６は、偏極子１５０の磁化方向に垂直な磁化方向２００を有する。自由層１３６の磁化方向２００は、１８０度回転することができる。図２Ａ-２Ｂは、自由層１３６の磁化ベクトルの軸を中心とする歳差運動を示す。歳差運動中、磁気ベクトル２００は、円錐状に軸の周りを回転し始め、その磁化ベクトル２００’が自由層１３６の垂直軸２０２から偏向する。理想的な場合には、歳差運動の開始前には、磁気ベクトル２００の成分は自由層１３６の平面内に存在せず、歳差運動が開始すると、磁気ベクトル２００’の成分は、面内および自由層１３６に直交して見出すことができる。図２Ｂに見られるように、磁気ベクトル２００’が歳差運動を続ける（つまり、スイッチし続ける）につれて、ベクトル２００’の回転は自由層１３６の中心からさらに延びる。
【０００９】
偏極子１５０のような偏極子を使用する従来のＭＴＪデバイスでは、図１と図３に示されるように、偏極子１５０の磁化方向は固定されている。電流の存在下で、偏極層の磁化の方向は変化しないと述べている米国特許第６，５３２，１６４号も参照されたい。電流がＭＴＪを通過する前は、自由層１３６は、偏極子１５０の磁化方向に対して実質的に垂直な磁化方向２００を有する。自由層１３６の磁化方向２００は１８０度回転することができるが、このような回転は、通常、軸２０２の方向を指すベクトル２０５（図２Ａおよび図３において破線として示される）によって表される自由層固有の減衰能力２０５によって妨げられる。軸２０２は、自由層１３６の平面に垂直である。この減衰２０５は、自由層１３６の磁化方向を維持する減衰定数によって定義される値を有する。
【００１０】
偏極子１５０に電流を流すと、スピン偏極電流が生じ、これにより、磁化ベクトル２００に対して偏極子１５０の方向にスピン移行トルク２１０が生じる。偏極子からのこのスピン移行トルクは、自由層の磁化方向スイッチングを引き起こす主スピン移行トルクに加わる。図１に示すようなデバイスにおいて、スピン移行トルク２１０が自由層１３６に固有の減衰２０５を克服するのを補助し始めると、図２Ａに示すように、磁気方向２００’はその軸を中心に歳差運動し始める。図３に見られるように、スピン移行トルク２１０は、自由層１３６の磁化方向が層の平面に垂直な軸２０２を中心として円錐状に歳差運動することを補助する。スピン偏極電流がスタック１００を横切ると、自由層１３６の磁化は、自由層１３６の磁気方向がスピントルクが歳差運動を引き起こす前の磁気方向と反対になるまで、すなわち自由層１３６の磁気方向が１８０度切り替わるまで、振動を維持しながら連続的に歳差運動する（すなわち、図３に示すように、自身の周りを連続的に回転する）。
【００１１】
図３は、偏極磁性層１５０によって提供されるスピン偏極電流によって補助されるＭＴＪの自由層１３６の歳差運動を示す。偏極子１５０からのスピン偏極電子は、歳差運動２１５の前半において、減衰２０５の克服を補助するトルク２１０を提供する。これは、スピン偏極電流によって提供されるトルク２１０が、自由層１３６の固有減衰２０５のトルクと反対であるためであり、図３の中央部右側に示されている。しかしながら、偏極子１５０からのスピン偏極電子は、歳差運動２２０の後半では、実際にはスイッチングプロセスに悪影響を及ぼす。この理由は、スピン偏極電流における電子のスピンが、電子の偏極の方向にトルク２１０を加えるだけだからである。したがって、磁気ベクトルが、偏極電子のスピンと反対の歳差運動サイクル２２０の半分にあるときには、スピン移行トルク２１０は、実際には自由層１３６の固有減衰２０５とともに作用して、回転をより困難にする。これは、図３の中央部左側に示されている。実際、電子のスピンが歳差運動に悪影響を与えてしまう歳差運動サイクルの半分において、自由層１３６の減衰ならびにスピン移行トルク２１０を克服するのは基準層１３２（図３には示されていない）の磁化ベクトルであり、したがって、歳差運動の完了を可能にするのは基準層１３２である。
【００１２】
これらの従来の装置では、偏極子１５０の磁化方向が固定されているので、歳差運動がいったん始まると、１８０度の歳差運動が完了するまで、スイッチング機構に対してプラスの効果はない。これは、すべてのベクトルが厳密に整列しているときに、偏極電子がスピン移行トルクに最も寄与するからである。
【００１３】
本特許文献と同じ出願人によって出願された米国特許出願第１４／８１４，０３６号には、磁気トンネル接合の自由磁性層から物理的に分離され、非磁性スペーサによって自由磁性層に結合される歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスが開示されている。この同時係属出願に記載されたデバイスでは、歳差スピン電流磁性層の磁化方向が自由磁性層の磁化方向の歳差運動に追従するため、自由磁性層の磁化ベクトルのスイッチングを補助するスピン移行トルクが生じる。米国特許出願第１４／８１４，０３６号の開示は、その全体が参照により援用される。
【００１４】
垂直磁気トンネル接合を有する面内歳差スピン電流磁性層を用いる場合、歳差スピン電流磁性層の磁気モーメントを面内に維持しつつ、その磁気モーメントを低減することが望ましい。残念なことに、ＣｏＦｅＢのような多くの強磁性材料は、界面垂直磁気結晶異方性（「ＩＰＭＡ」）を有するため、面外の磁気方向を生じる。ＩＰＭＡを回避するためには、ＣｏＦｅＢの厚さを、概して１．５ｎｍを超える厚さまで増加させなければならない。しかし、１．５ｎｍ厚のＣｏＦｅＢ層は、自由層の磁気モーメント以上まで磁気モーメントを増大させてしまうため、歳差スピン電流磁性層の低い磁気モーメントに対して面内磁化を独立的に設定する能力を失う。これは、歳差スピン電流磁性層が平面内に留まるべきであり、上述したように、歳差スピン電流磁性層の磁気モーメントが減少すると性能が向上するという理由から、望ましくない。この結果、磁気トンネル接合の自由層近傍に強い双極子場が生じ、自由層の安定性が低下する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
必要なスイッチング電流が大幅に低く、ＭＲＡＭ用途のためのスイッチング時間を大幅に低減する磁気トンネル接合構造における自由層の性能を大幅に改善した磁気トンネル接合スタックを有するＭＲＡＭデバイスを開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
一実施形態では、磁気デバイスは、第１の平面に、第１の合成反強磁性構造を含む。合成反強磁性構造は、磁気基準層を含み、磁気基準層は、第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向を有している。一実施形態はまた、第２の平面に、非磁性トンネル障壁層を含み、非磁性トンネル障壁層は、磁気基準層の上に配置される。一実施形態はさらに、第３の平面に、自由磁性層を含み、自由磁性層は、非磁性トンネル障壁層の上に配置される。自由磁性層は、第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向とを有する。磁気基準層と、非磁性トンネル障壁層、と自由磁性層とは、磁気トンネル接合を形成する。本実施形態はさらに、第４の平面に、非磁性スペーサを含み、非磁性スペーサは、自由磁性層の上に配置される。磁気結合層はＭｇＯを含む。一実施形態では、歳差スピン電流磁性層は第５の平面に存在し、自由磁性層から物理的に分離され、非磁性スペーサによって自由磁性層に結合される。歳差スピン電流磁性層は、第５面において、任意の磁気方向に自由に回転することができる磁化成分を有する磁化ベクトルを有する。歳差スピン電流磁性層は、面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を有する材料を含む。一実施形態は、第６の平面に、キャップ層をさらに含み、キャップ層は、歳差スピン電流磁性層上に配置される。キャップ層、歳差スピン電流磁性層、非磁性スペーサ、自由磁性層、非磁性トンネル障壁層、及び磁気基準層を通して電流が流れ、電流の電子が、歳差スピン電流磁性層の磁気方向に整列される。歳差スピン電流磁性層の磁化方向が、自由磁性層の磁化方向の歳差に自由に追従することにより、自由磁性層の磁化ベクトルのスイッチングを促進するスピン移行トルクが生じる。
【００１７】
磁気デバイスの一実施形態では、歳差スピン電流磁性層の磁化ベクトルの磁化方向は、第５の平面内にある。
【００１８】
磁気デバイスの一実施形態では、歳差スピン電流磁性層の磁化方向は、第５平面に磁化成分を有し、磁化成分は、第５平面において自由に回転可能である。
【００１９】
磁気デバイスの一実施形態では、面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を有する材料は、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである。
【００２０】
磁気デバイスの一実施形態では、歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、面心立方結晶構造を有する材料からなる面心立方結晶構造層と、を含む。Ｆｅ層は非磁性スペーサ上に配置されてよく、Ｒｕ層はＦｅ層上に配置されてよく、面心立方結晶構造層はＲｕ層上に配置されてよい。
【００２１】
磁気デバイスの一実施形態では、面心立方結晶構造を有する材料は、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである。
【００２２】
磁気デバイスの一実施形態では、キャップ層は、ＴａＮの層を含む。
【００２３】
磁気デバイスの一実施形態において、歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、ＣｏＦｅＢ層と、面心立方結晶構造を有する材料からなる面心立方結晶構造層と、を含む。Ｆｅ層は非磁性スペーサ上に配置されてよく、Ｒｕ層はＦｅ層上に配置されてよく、ＣｏＦｅＢ層はＦｅ層上に配置されてよく、面心立方結晶構造層はＣｏＦｅＢ層上に配置されてよい。
【００２４】
磁気デバイスの一実施形態では、面心立方結晶構造を有する材料は、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである。
【００２５】
磁気デバイスの一実施形態では、キャップ層は、ＴａＮの層を含む。
【００２６】
磁気デバイスの一実施形態では、歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、第１のＣｏＦｅＢ層と、面心立方結晶構造を有する材料からなる面心立方結晶構造層と、第２のＣｏＦｅＢ層と、を含む。Ｆｅ層は非磁性スペーサ上に配置されてよく、Ｒｕ層はＦｅ層上に配置されてよく、第１のＣｏＦｅＢ層はＦｅ層上に配置されてよく、面心立方結晶構造層は第１のＣｏＦｅＢ層上に配置されてよく、第２のＣｏＦｅＢ層は面心立方結晶構造層上に配置されてよい。
【００２７】
磁気デバイスの一実施形態では、面心立方結晶構造を有する材料は、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである。
【００２８】
磁気デバイスの一実施形態では、キャップ層は、ＴａＮの層を含む。
【００２９】
磁気デバイスの一実施形態では、キャップ層は、ＭｇＯの層を含む。
【００３０】
磁気デバイスの一実施形態では、キャップ層は、Ｒｕの層を含む。
【００３１】
磁気デバイスの一実施形態では、歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層とＮｉＦｅ層とを含み、ＮｉＦｅ層は面心立方結晶構造を有する材料であり、Ｆｅ層は非磁性スペーサ上に配置され、ＮｉＦｅ層はＦｅ層上に配置される。歳差スピン電流磁性層は、ＮｉＦｅ層上に配置された第３の層をさらに含む。
【００３２】
磁気デバイスの一実施形態では、第３の層は、ＣｏＦｅＢを含む。
【００３３】
磁気デバイスの一実施形態では、歳差スピン電流磁性層は、自由磁性層に磁気的に結合される。
【００３４】
磁気デバイスの一実施形態では、歳差スピン電流磁性層は、自由磁性層に電子的に結合される。
【００３５】
磁気デバイスの一実施形態では、歳差スピン電流磁性層の歳差運動は、自由磁性層の歳差運動に同期する。
【００３６】
磁気デバイスの一実施形態では、歳差スピン電流磁性層は、０より大きい回転周波数を有する。
【００３７】
磁気デバイスの一実施形態では、自由磁性層は、その磁化容易軸が垂直方向から離れる方向を向き、垂直平面に対して角度を形成するような有効磁気異方性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
本明細書の一部として含まれる添付の図面は、現在好ましい実施形態を例示し、上述の一般的な説明および以下の詳細な説明と共に、本明細書に記載されるＭＴＪデバイスの原理を説明および教示する。
【００３９】
【図１】ＭＲＡＭデバイス用の従来のＭＴＪスタックを示す。
【図２Ａ】ＭＴＪにおける自由層の歳差運動を示す。
【図２Ｂ】ＭＴＪにおける自由層の歳差運動を示す。
【図３】固定された磁化方向を有する偏極磁性層と共に使用されるＭＴＪにおける自由層の歳差運動を示す。
【図４】自由に回転する磁化方向を有する歳差スピン電流磁性層と共に使用されるＭＴＪにおける自由層の歳差運動を示す。
【図５】歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイス用のＭＴＪスタックを示す。
【図６Ａ】歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【図６Ｂ】歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスの製造工程を示すフローチャートである。
【図７】歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスのためのＭＴＪスタックの実施形態を示す。
【図８】歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスのためのＭＴＪスタックの実施形態を示す。
【図９】歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスのためのＭＴＪスタックの実施形態を示す。
【図１０】一実施形態の歳差スピン電流磁性層の磁気方向を示す。
【図１１】種々の垂直磁気トンネル接合デバイスに関する薄膜振動試料磁力計（ＶＳＭ）の主要ヒステリシス・ループ・データのグラフである。
【図１２】歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスの強磁性共鳴（ＦＭＲ）を示すグラフである。
【図１３】歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスのためのＭＴＪスタックの代替実施形態を示す。
【００４０】
図面は必ずしも縮尺通りに描かれているわけではなく、同様の構造または機能を有する要素は、図面全体を通して、説明の目的で、概して同様の参照番号によって表される。図面は、本明細書に記載される様々な実施形態を説明し易くすることのみを意図している。図面は、本明細書に開示された教示の全ての態様を説明するものではなく、特許請求の範囲を限定するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下の説明は、当業者が、ＭＲＡＭデバイスのような磁気半導体デバイスのための歳差スピン電流構造を作成し、使用することを可能にするために提示される。本明細書に開示された特徴及び教示の各々は、開示されたシステム及び方法を実施するために、別々に又は他の特徴と併せて利用することができる。これらの追加の特徴および教示の多くを別々に及び組み合わせて利用する代表的な例を、添付図面を参照してさらに詳細に説明する。この詳細な説明は、単に本教示の好ましい態様を実施するためのさらなる詳細を当業者に教示することを意図しており、特許請求の範囲を限定することを意図していない。したがって、以下の詳細な説明に開示される特徴の組み合わせは、最も広い意味において教示を実施するためには必要でない場合があり、単に本教示の特に代表的な例を説明するために教示される。
【００４２】
以下の説明では、単なる説明目的として、本教示の完全な理解を提供するための特定の用語を記載する。しかしながら、これらの特定の詳細が本教示を実施するために必要でないことは当業者には明らかであろう。
【００４３】
本特許文献には、固定された磁化方向を有する偏極層を用いないＭＲＡＭデバイスが開示されている。本特許文献に記載のＭＲＡＭデバイスは、固定された磁化方向を有する偏極層の代わりに、垂直ＭＴＪ３３０と共に歳差スピン電流（ＰＳＣ）磁性層３５０を利用し、ＰＳＣ層の面内磁化成分方向は、自由に回転する（例えば、図５と図７に示される）。一実施形態では、ＰＳＣ磁性層３５０は、自由層の磁化の歳差動ダイナミクスとともに回転してよい。これにより、歳差運動の半分だけではなく、歳差運動サイクルの軌道運動全体にわたって、ＰＳＣ層が、スピントルクが自由層３３６の減衰を克服するのを援助するため、自由層３３６のこの固有の減衰を克服する際のスピン電流の影響が著しく改善される。１８０度回転全体にわたるこの歳差スピン電流効果により、自由層の磁化スイッチングが著しく向上する。
【００４４】
図４は、固定された磁化方向を持つ磁気ベクトルを有する偏極層１５０の代わりに、回転する磁化ベクトル２７０を有するＰＳＣ磁性層３５０を使用するＭＲＡＭデバイスの背景にある概念を示す。この実施形態における自由層３３６は、スピン移行トルクの援助によって克服可能な固有の減衰特性２０５を有するという点で、前述の自由層１３６と同様である。しかしながら、図４に示される実施形態は、偏極層１５０をＰＳＣ磁性層３５０に置き換えている。図４の下部に見られるように、自由層３３６を通過するスピン電流によって生じるスピン移行トルク３１０の方向は、ＰＳＣ磁性層３５０の磁化方向の回転に伴って変化する。図４の中央に見られるように、スピン移行トルク３１０は、自由層３３６の磁化方向２００’が層平面に垂直な軸２０２を中心に円錐状に歳差運動するのを援助する。図４は、軸２０２を中心とした磁気方向２００’の回転の進行を示す。上述のように、スピン偏極電流がデバイスを横切ると、自由層３３６の磁化方向は、自由層３３６の磁気方向が、スピントルクが歳差運動を引き起こす前の自由層３３６の磁気方向と反対になるまで、すなわち自由層１３６の磁気方向が１８０度切り替わるまで、振動を維持しながら連続的に歳差運動する（すなわち、図４に示すように、自身の周りを連続的に回転する）。歳差スピン電流層３５０と自由層３３６は、磁気的及び／又は電子的に結合されているので、ＰＳＣ磁性層３５０の磁化ベクトル２７０の磁化方向は、自由層３３６の磁気ベクトルの歳差回転に自由に追従する。これは、図４に示されている。
【００４５】
図４の右側に見られるように、スピン偏極電子はトルク３１０を提供し、このトルクは歳差運動２１５の前半において減衰２０５を克服するのを援助する。これは、スピン偏極電流によって提供されるトルク３１０が、自由層３３６の固有減衰２０５のトルクと反対であるからである。上述したように、ＰＳＣ磁性層３５０の磁化ベクトル２７０の磁化方向は、回転する。したがって、ＰＳＣ磁性層３５０によって生成されるスピン電流の電子の偏極も変化する。これは、自由層３３６の磁気ベクトルに印加されるトルク３１０の方向も変化することを意味し、図４の下部に示されている。したがって、固定偏極磁性層１５０を有する従来のデバイスとは異なり、スピン偏極電流の電子のスピンは、固定偏極磁性層１５０を有するデバイスが実際には歳差運動を妨害してしまう歳差運動サイクル２２０の半分を含む歳差運動サイクルの両半分において、トルク３１０を印加する。これは、図４の左側に示されている。図示されるように、トルク３１０は、歳差運動サイクル全体にわたって、自由層１３６の固有減衰２０５の克服を援助し続ける。したがって、ＰＳＣ磁気構造３５０を使用するデバイスは、スイッチングサイクル全体にわたって、スピン移行トルク３１０を提供することができる。
【００４６】
一実施形態では、ＰＳＣ磁性層３５０の歳差ベクトル２７０は、自由層３３６の磁気ベクトルの歳差回転に自由に追従する。自由層の磁化方向は、電流の方向によって最終状態が規定される基準層１３２からのスピントルク３１０によって、切り替えられる。
【００４７】
歳差スピン電流ＭＴＪ構造３００を有するメモリセルを図５に示す。メモリセル３００は、シリコンまたは他の適切な材料からなる基板上に形成され、基板上に製造される相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）回路を含んでよい。ＭＴＪ構造３００は、上に堆積される層において所望の結晶成長を始めるための、スタック３００の底部に設けられる一つ以上のシード層３２０を含んでよい。第１の合成反強磁性（ＳＡＦ）層３２２は、シード層３２０の上に配置される。第１のＳＡＦ層３２２は、自身の平面に垂直な磁化方向を有する磁性層である。第１のＳＡＦ層３２２の構成の詳細については、後述する。反強磁性（ＡＦＭ）結合層３２４は、第１のＳＡＦ層３２２の上に配置される。ＡＦＭ結合層３２４は、非磁性層である。第２のＳＡＦ層３２６は、ＡＦＭ結合層３２４上に配置される。第２のＳＡＦ層３２６は、自身の平面に垂直な磁気方向を有する。図５に示すように、第１のＳＡＦ層３２２と第２のＳＡＦ層３２６の磁気方向は、反平行である。第２のＳＡＦ層３２６の構成の詳細も、後述する。強磁性結合層３２８は、第２のＳＡＦ層３２６上に配置される。強磁性結合層３２８は、非磁性層である。ＭＴＪ３３０は、強磁性結合層３２８上に堆積される。ＭＴＪ３３０は、基準層３３２と、トンネル障壁層（すなわち、絶縁体）３３４と、自由層３３６とを含む。ＭＴＪ３３０の基準層３３２は、強磁性結合層３２８の上に生成される。ＭＴＪ３３０のトンネル障壁層３３４は、基準層３３２の上に生成される。ＭＴＪ３３０の自由層３３６は、トンネル障壁層３３４上に生成される。なお、合成反強磁性層３２６も、技術的には強磁性結合層３２８および基準層３３２を含むが、ここでは説明のために、別々に図示している。
【００４８】
図５に示すように、基準層３３２の磁化ベクトルは、自身の平面に垂直な磁化方向を有する。図５にさらに示されるように、自由層３３６もまた、自身の平面に垂直な磁化ベクトルを有するが、その方向は１８０度変化可能である。さらに、自由層３３６の設計は、その垂直軸から数度離れた方向を指す自由層３３６の磁化を含んでよい。自由層の磁化の傾斜角は、ＰＳＣ磁性層３５０との相互作用または磁気結晶異方性に起因し、スイッチングの開始を改善することによって自由層の磁化のスイッチングをさらに促進する。基準層３３２と自由層３３６が、それぞれの平面に垂直な磁気方向を有するので、ＭＴＪ３３０は垂直ＭＴＪとして知られている。
【００４９】
非磁性スペーサ３４０がＭＴＪ３３０上に配置される。ＰＳＣ磁性層３５０は、非磁性スペーサ３４０上に配置される。一実施形態では、ＰＳＣ磁性層３５０は、自身の平面に平行な磁気方向を有する磁化ベクトルを有し、基準層３３２および自由層３３６の磁気ベクトルに垂直である。一つ以上のキャップ層３７０をＰＳＣ層３５０の上に設けて、ＭＴＪスタック３００の下の層を保護してよい。
【００５０】
非磁性スペーサ３４０は、多くの特性を有する。例えば、非磁性スペーサ３４０は、自由層３３６とＰＳＣ層３５０とを物理的に分離する。非磁性スペーサ３４０は強い磁気的および／または電子的結合を促進するため、ＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向は自由層３３６の歳差運動サイクルに自由に追従する。すなわち、非磁性スペーサ３４０は、ＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向と自由層３３６の磁気方向とを結合する。非磁性スペーサ３４０のスピン拡散長は長いことが好ましいため、非磁性スペーサ３４０は、ＰＳＣ磁性層３５０から自由層３３６へスピン電流を効率的に伝達する。また、非磁性スペーサ３４０は、良好な微細構造および高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を促進し、自由層３３６の減衰定数を低く維持するのに役立つ。
【００５１】
ＰＳＣ磁性層３５０は、少なくとも以下の特性を有する。まず、一実施形態では、ＰＳＣ磁性層３５０の磁化方向は層の平面内にあるが、自由層３３６の磁化方向に対して垂直である。図１０に示されるような他の実施形態では、ＰＳＣ磁性層３５０の磁化方向は、水平成分Ｘおよび垂直成分Ｚを有してよく、これにより、自由層３３６の平面とＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向２７０との間の角度θが０度から９０度未満の任意の角度となり得る。ただし、前述のように、この角度は、磁気方向が平面内にとどまるよう実現可能な限りゼロに近い。同様に、図示されるように、磁化ベクトルは、垂直軸を中心に歳差運動しながら、図１０で円錐状の回転２８０として示されるように、回転ベクトルとしてスピンしてよい。なお、この状況では、自由層３３６の平面とＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向２７０との間の角度θは、変化する。
【００５２】
図５に示され、かつ上述したように、ＰＳＣ磁性層３５０は、層の平面内にある磁気方向を有する。面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を有する材料は、高い面内異方性を有する傾向があるため、本明細書に記載する実施形態では、面内ＰＳＣ磁性層３５０に使用される。一実施形態によると、ＰＳＣ磁性層３５０は、ｆｃｃ結晶構造を有するＮｉＦｅ合金で構成される。パーマロイ（約８０％のニッケルと２０％のＦｅ鉄からなる）のようなＮｉ‐Ｆｅ組成は、高い透磁率、軟磁性（例えば、容易軸保磁力が低く、かつ困難軸保磁力が実質的にない）を有し、通過する電子に良好なスピン偏極を提供する。なお、パーマロイは、垂直磁気結晶異方性（「ＰＭＡ」）を有さない。ＰＭＡは、面内磁性層にとって望ましくなく、これがパーマロイを使用する別の理由である。
【００５３】
Ｎｉ−Ｆｅパーマロイを使用すると、自由層３３６の磁気モーメントよりも低い磁気モーメントを有する面内ＰＳＣ層３５０が得られ、ＰＳＣ層３５０の所望の磁化が促進される。
【００５４】
図５に示すＭＴＪ構造のシード層３２０は、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｎｉ、Ｆｅ、またはこれらの合金を含むことが好ましい。第１のＳＡＦ層３２２は、Ｃｏ／Ｎｉの多層構造またはＣｏ／Ｐｔの多層構造のいずれかを含むことが好ましい。第２のＳＡＦ層３２６は、好ましくは、Ｃｏ／Ｎｉの多層構造またはＣｏ／Ｐｔの多層構造のいずれかと、２〜５オングストロームの厚さを有するタンタルからなる薄い非磁性層と、薄いＣｏＦｅＢ層（０．５〜３ナノメートル）とを含む。反強磁性結合層３２４は、好ましくは、３〜１０オングストロームの範囲の厚さを有するＲｕから形成される。強磁性結合層３２８は、１〜８オングストロームの範囲の厚さを有する、Ｔａ、Ｗ、ＭｏまたはＨｆから形成される。トンネル障壁層３３４は、約１０オングストロームの厚さを有する、ＭｇＯのような絶縁材料で形成されることが好ましい。自由層３３６は、好ましくは、トンネル障壁層３３４の上に堆積されたＣｏＦｅＢで形成される。自由層３３６は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの層又はこれらの合金の層を有してよい。ＭＴＪ３３０上のスペーサ層３４０は、２〜２０オングストロームのルテニウム、２〜２０オングストロームのＴａ、２〜２０オングストロームのＴａＮ、２〜２０オングストロームのＣｕ、２〜２０オングストロームのＣｕＮ、または２〜２０オングストロームのＭｇＯなどの任意の非磁性材料であってよい。
【００５５】
次に、歳差スピン電流ＭＴＪ構造３００を用いてビットを書き込む方法について説明する。具体的には、歳差スピン電流磁性層３５０、非磁性スペーサ３４０、自由磁性層３３６、非磁性トンネル障壁層３３４、および基準層３３２を通して電流を流す電流源３７５によって、電流が供給される。歳差スピン電流磁性層３５０を通過する電流の電子は、歳差スピン電流磁性層３５０の磁気方向にスピン偏極し、これにより、非磁性スペーサ層３４０、自由磁性層３３６、トンネル障壁層３３４、基準磁性層３３２を通過するスピン偏極電流が生じる。スピン偏極電流は、自由層３３６にスピン移行トルクを印加し、これにより、自由層３３６を構成する磁性材料に固有の減衰の克服が援助される。その結果、図４に示される自由磁性層３３６の自身の軸を中心とした歳差運動が促進される。
【００５６】
自由磁性層３３６の磁気方向が歳差運動し始めると、図４に見られるように、ＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向が回転し始める。この回転は、非磁性スペーサ３４０を介した自由磁性層３３６とＰＳＣ磁性層３５０との間の磁気的および／または電子的結合によって引き起こされる。ＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向の回転は、ＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向に対応するように、電流の電子のスピン偏極を変化させる。スピン偏極電流の電子のスピンはＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向に対応し、ＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向は自由磁性層３３６の歳差運動に追従するので、電子のスピンは、スイッチングサイクル全体にわたって変化する方向で、自由層３３６に対してスピン移行トルクを印加する。したがって、ＰＳＣ磁性層３５０を使用するデバイスは、スイッチングサイクル全体にわたってスピン移行トルク２０５を提供することができる。
【００５７】
特に、ＰＳＣ磁性層３５０およびスペーサ層３４０を利用する本明細書に記載の構造は、歳差運動サイクル全体にわたってＭＴＪの自由層３３６にスピン電流を提供する歳差磁化を生じさせるため、自由層スイッチングプロセスを著しく向上させ、それにより、書き込み時間がより速くなる。
【００５８】
ＭＲＡＭスタック５００の一実施形態を製造する方法４００を示すフローチャートを図６Ａ〜図ＢＢに示す。ＭＲＡＭスタック５００は、図７に示されている。ＭＲＡＭスタックは基板上に形成されるが、この基板は、一実施形態ではシリコン基板であり、他の実施形態では任意の他の適切な基板材料であってよい。ステップ４０２において、シード層５２０が堆積される。一実施形態によると、シード層５２０は、ステップ４０４でＴａＮ層５０４を堆積し、次いでステップ４０６でＣｕ層５０６を堆積することによって構成されてよい。一実施形態によると、ＴａＮ層５０４は、厚さが５ナノメートルの薄膜であり、Ｃｕ層５０６は、厚さが５ナノメートルの薄膜である。別の実施形態では、ＴａＮ層５０４は、２〜２０ナノメートルの範囲の厚さを有してよく、Ｃｕ層５０６は、０〜２０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。
【００５９】
ステップ４０８では、第１の垂直合成反強磁性層５２２が堆積される。一実施形態によると、第１の垂直合成反強磁性層５２２は、Ｐｔ層５０８（ステップ４１０で堆積される）と、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０（ステップ４１２で堆積される）と、Ｃｏ層５１２（ステップ４１４で堆積される）とを含んでよい。一実施形態によると、Ｐｔ層５０８は、０．７ナノメートルの厚さを有するＰｔ薄膜である。他の実施形態では、Ｐｔ層５０８は、０．５から２０ナノメートルの範囲の厚さを有するＰｔ薄膜を含んでよい。Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０は、０．６ナノメートルの厚さを有するＣｏの薄膜と、０．４ナノメートルの厚さを有するＰｔの薄膜とを含んでよい。他の実施形態では、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０のＣｏ層は、０．１から１ナノメートルの厚さを有してよく、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０のＰｔ層は、０．１から１ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。一実施形態によると、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０が６つのＣｏ／Ｐｔ多層を含むように、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０が繰り返される。一実施形態によると、Ｃｏ層５１２は、０．６ナノメートルの厚さを有する薄膜である。他の実施形態では、Ｃｏ層５１２は、０．１から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。
【００６０】
図７に見られるように、第１の垂直合成反強磁性層５２２は、自身の平面に垂直な方向を有する磁気ベクトルを有する。第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向は固定されており、通常の動作条件下において、その方向は変化しない（すなわち、回転または歳差運動しない）。層の厚さは、自由層５３６に対して漂遊磁界を制御しながら、高い異方性を有するように選択される。
【００６１】
ステップ４１６において、交換結合層５２４が堆積される。一実施形態では、交換結合層５２４は、０．８ナノメートルの厚さを有するＲｕ薄膜を含み、他の実施形態では、０．３から１．５ナノメートルの範囲であってよい。
【００６２】
ステップ４１８では、第２の垂直合成反強磁性層５２６が生成される。第２の垂直合成反強磁性層５２６の生成（ステップ４１８）は多くのステップを含み、後述するように、磁気トンネル接合５３０の基準層５３２の生成を含む。ステップ４２０では、Ｃｏ層５１４が堆積される。一実施形態では、Ｃｏ層５１４は、０．３ナノメートルの厚さを有する薄膜であり、他の実施形態では、０．１から１．０ナノメートルの厚さを有してよい。その後、ステップ４２０において、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１６が堆積される。一実施形態によると、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１６は、０．６ナノメートルの厚さを有するＣｏの薄膜と、０．４ナノメートルの厚さを有するＰｔの薄膜とを含む。他の実施形態では、Ｃｏの薄膜は、０．１から１．０ナノメートルの厚さを有してよく、Ｐｔの薄膜は、０．１から１．０ナノメートルの厚さを有してよい。さらに、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１６は、本明細書に記載するように、複数のＣｏ／Ｐｔ層を含んでよい。一実施形態によると、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１６は、上述の厚さ特性を有する２つのＣｏ／Ｐｔ多層を有する。ステップ４２２でＣｏ／Ｐｔ多層５１６を堆積した後、本明細書に記載の方法は、ステップ４２４でコバルト層５１８を堆積する。一実施形態では、Ｃｏ層５１８は、０．６ナノメートルの厚さを有する薄膜であり、他の実施形態では、Ｃｏ層５１８は、０．１から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。Ｃｏ層５１４、Ｃｏ／Ｐｔ層５１６およびＣｏ層５１８は共に、磁気構造を形成する。Ｃｏ層５１４、Ｃｏ／Ｐｔ層５１６およびＣｏ層５１８の組み合わせの磁気方向は、各層の平面に対して垂直かつ第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行であるように固定されている。Ｃｏ層５１４、Ｃｏ／Ｐｔ層５１６およびＣｏ層５１８の組合せの磁気特性は、第２の垂直合成反強磁性層５２６の基準層５３２の磁気特性と相互作用し、第２の垂直合成反強磁性層５２６の各層の平面に対して垂直（なお、数度のばらつきは垂直と考えられる範囲内である）かつ第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行な固定の磁気方向を有する磁気ベクトルを生成する。これらの磁気ベクトルは図示されており、図７では、垂直合成反強磁性層５２６が、第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行な固定された垂直磁気方向を有することが分かる。
【００６３】
Ｃｏ層５１８を堆積した後（ステップ４２４）、強磁性結合層５２８を堆積する（ステップ５２６）。一実施形態によると、強磁性結合層５２８は、０．２ナノメートルの厚さを有するＴａの薄膜である。他の実施形態では、強磁性結合層５２８は、厚さが０．１から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＴａ、Ｗ、Ｈｆ、またはＭｏ（又は他の適当な材料）の薄膜であってもよい。
【００６４】
ステップ４２６で強磁性結合層５２８を堆積した後、基準層５３２を堆積する（ステップ４２８）。ステップ４２８の基準層５３２の生成は、磁性層５２７の堆積（ステップ４３０）、タングステン（Ｗ）層５２９の堆積（ステップ４３２）、および磁性層５３１の堆積（ステップ４３４）を含むいくつかのステップを含む。一実施形態によると、磁性層５２７は、０．６ナノメートルの厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜を含み、この合金は、６０パーセントがＦｅ、２０パーセントがＣｏ、２０パーセントがＢである。Ｗ層５２９は、０．２ナノメートルの厚さを有するＷの薄膜を含む。磁性層５３１は、０．８ナノメートルの厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜を含み、この合金は、６０パーセントがＦｅ、２０パーセントがＣｏ、２０パーセントがＢである。他の実施形態では、磁性層５２７は、０．５から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜を含んでよく、Ｗ層５２９は、０．１から１．０ナノメートルの厚さを有する薄膜を含んでよく、磁性層５３１は、０．５から２．０ナノメートルの厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜を含んでよい。
【００６５】
基準層５３２は、磁性材料を用いて構成されているので、自身の平面に垂直な磁気方向を有する磁気ベクトルを有し、方向が固定されており、第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行である。上述され、図７にも見られるように、第２の垂直合成反強磁性層５２６の集合材料は、集合層の各々の平面に対して垂直であり、固定されており、かつ第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行な磁気方向を有する磁気ベクトルを有する。なお、第１の垂直合成反強磁性層５２２および第２の垂直合成反強磁性層５２６の特定の磁気方向は、各平面に対して垂直かつ互いに反平行である限り、重要ではない。
【００６６】
上述したように、基準層５３２は、磁気トンネル接合５３０を形成する構造の一つである。磁気トンネル接合５３０を含むＭＲＡＭスタック５００の製造方法を示すフローチャートは、図６Ｂに続く。ステップ４３６では、非磁性トンネル障壁層５３４が、基準層５３２上に堆積される。一実施形態によると、非磁性トンネル障壁５３４は、例えばＭｇＯのような絶縁材料の薄膜として形成される。非磁性トンネル障壁５３４の目的は、上述された通りである。磁気トンネル接合５３０の生成は、ステップ４３８へと続き、ステップ４３８では、自由層５３６が非磁性トンネル障壁５３４の上に堆積される。自由層５３６の生成は、いくつかのステップを含む。ステップ４４０では、磁性層５３５が非磁性トンネル障壁５３４上に堆積される。一実施形態によると、磁性層５３５は、１．２ナノメートルの厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜からなり、この合金は、６０パーセントがＦｅ、２０パーセントがＣｏ、および２０パーセントがＢである。他の実施形態では、磁性層５３５は、０．５から２．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜または他の適切な磁性材料の薄膜を含んでよい。自由層５３５の生成は、ステップ４４２へと続き、ステップ４４２では、Ｗ層５３７が堆積される。一実施形態では、Ｗ層５３７は、０．２ナノメートルの厚さを有するＷの薄膜を含み、他の実施形態では、０．１から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。ステップ４４４では、自由層５３６の生成が続けられ、磁性層５３９が形成される。一実施形態によると、磁性層５３５は、０．９ナノメートルの厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜を含んでよく、この合金は、６０パーセントがＦｅ、２０パーセントがＣｏ、および２０パーセントがＢである。他の実施形態では、磁性層５３９は、０．５から１．５ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜または他の適切な磁性材料の薄膜を含んでよい。
【００６７】
集合的に、磁性層５３５および５３９は、非磁性Ｗ層５３７とともに、自由磁性層５３６を形成する。自由磁性層５３６は、自身の平面に垂直な磁気方向を有する磁気ベクトルを有する。加えて、自由磁性層５３６の設計は、自由層５３６の垂直軸から数度離れた方向を指す自由層５３６の磁化を含んでよい。自由層の磁化の傾斜角は、ＰＳＣ磁性層５５０との相互作用または磁気結晶異方性に起因している可能性があり、スイッチングの開始を改善することによって、自由層の磁化のスイッチングをさらに促進する。図７に見られるように、自由磁性層５３６の磁気方向は、一方の方向から他方の方向へ、反平行方向に１８０度切り替わることができる。
【００６８】
ステップ４３８で磁気トンネル接合５３０を生成した後、ステップ４４６が実施され、スペーサ５４０が堆積される。一実施形態によると、スペーサ５４０は、０．８ナノメートルの厚さを有するＭｇＯの薄膜を含んでよい。他の実施形態では、スペーサ層５４０は、０．５から１．５ナノメートルの範囲の厚さを有するＭｇＯの薄膜を含んでよい。他の実施形態では、スペーサ層５４０は、２０１５年９月２５日に出願され、「Spin Transfer Torque Structure For MRAM Devices Having A Spin Current Injection Capping Layer.」という名称の米国特許出願第１４／８６６，３５９号に記載されているように構成されてよい。米国特許出願第１４／８６６，３５９号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【００６９】
スペーサ層５４０の堆積後、歳差スピン電流磁性層５５０が堆積される（ステップ４５０）。図６Ｂに見られるように、歳差スピン電流磁性層５５０の生成は、いくつかのステップを含む。ステップ４５２では、磁性Ｆｅ層５４３が、スペーサ層５４０上に製造される。一実施形態によると、磁性Ｆｅ層５４３は、０．６ナノメートルの厚さを有するＦｅの薄膜を含む。他の実施形態では、磁性Ｆｅ層５４３は、０．５から２．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＦｅの薄膜を含んでよい。
【００７０】
ステップ４５４において、Ｒｕ層５４５が、磁性Ｆｅ層５４３上に堆積される。一実施形態では、Ｒｕ層５４５は、１．５ナノメートルの厚さを有するＲｕの薄膜を含んでよく、他の実施形態では、０．４から５．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＲｕの薄膜を含んでよい。
【００７１】
ステップ４５６では、磁性ＮｉＦｅ層５４７が堆積される。一実施形態によると、磁性ＮｉＦｅ層５４７は、８０パーセントがＮｉ、２０パーセントがＦｅであり、３．０ナノメートルの厚さを有する。他の実施形態では、ＮｉＦｅ層５４７は、０．５から５．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。ＮｉＦｅ層５４７は、複数の層を含んでもよい。そのような一実施形態では、層５４７は、ＣｏＦｅＢおよびＮｉＦｅの薄膜を含む。別の実施形態では、層５４７は、ＣｏＦｅＢ層の間にＮｉＦｅ層を含む。
【００７２】
ステップ４５０で歳差スピン電流磁性層５５０を生成した後、キャップ層５５１が堆積される（ステップ４６０）。キャップ層５５１の生成は、ＴａＮ層５５３の堆積（ステップ４６２）と、Ｒｕ層の堆積（ステップ４６４）とを含んでよい。一実施形態では、ＴａＮ層５５３は、２．０ナノメートルの厚さを有するＴａＮの薄膜を含み、他の実施形態では、ＴａＮ層５５３は、１．０から５．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。一実施形態では、Ｒｕ層５５５は、１０ナノメートルの厚さを有するＲｕの薄膜を含み、他の実施形態では、Ｒｕ層５５５は、１．０から２０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。他の実施形態では、キャップ層５５１は、Ｒｕの層（ＴａＮは含まれていない）、またはＭｇＯの層を含む。特定のキャップ構造の選択は、いくつかの理由のうち、使用される特定のアニーリング温度の影響を受ける。これは、これらの特定の材料が、アニール温度によって異なる特性を有するという事実に起因している。
【００７３】
最後に、ステップ４６６において、ハードマスク５５７が堆積される。ハードマスク５５７は、７．０ナノメートルの厚さを有するＴａＮの層を含んでよい。
【００７４】
図７に示すように、歳差スピン電流磁性層５５０は、任意の磁気方向に自由に回転することができる面内の磁気方向を有する。歳差スピン電流磁性層５５０の磁気ベクトルは、回転中でも面内に留まることが望ましい。これは、図４に見られるように、回転中に歳差スピン電流磁性層５５０の磁気ベクトルが平面内に留まれば留まるほど、磁気自由層５３６により大きなトルクを印加することができ、自由層５３６の減衰２０５を克服する助けとなるという事実からである。回転中に歳差スピン電流磁性層５５０の磁気ベクトルを面内に保つことが望ましいため、本明細書に記載する実施形態は、高い面内異方性を有する材料を利用する。
【００７５】
パーマロイは、面心結晶構造を有するＮｉＦｅ合金である。約８０％がＮｉであり、２０％がＦｅであるパーマロイは、軟磁性を有し（例えば、容易軸保磁力が低く、困難軸保磁力がほぼない）、良好なスピン偏極を有する。したがって、歳差スピン電流磁性層５５０（ＰＳＣ層５５０−ＴａＮ層５５１界面に存在する）の層５４７にパーマロイを使用すると、自由層の磁化よりも低い磁気モーメントを有する面内磁気方向が得られる。
【００７６】
したがって、ＮｉＦｅ層５４７に加えて、歳差スピン電流磁性層５５０は、ＴａＮ層５５１との界面およびＮｉＦｅ層５４７とＲｕ層５４５との界面において、Ｃｏ、ＣｏＦｅＢまたは他のＣｏ合金の追加層を含んでよい。ＮｉＦｅ層５４７とＴａＮ層５５１の間、およびＮｉＦｅ層５４７とＲｕ層５４５の間のＣｏＦｅＢの薄膜（図７には示されていない）が、その一例である。このような実施形態では、ＮｉＦｅ層５４７とＲｕ層５４５との間のＣｏＦｅＢ層は、１〜１０オングストロームの範囲の厚さを有すしてよい。ＣｏＦｅＢ層を使用すると、ＮｉＦｅ層５４７とＴａＮ層５５１との強い混合を避けることができる。なお、他の実施形態では、歳差スピン電流磁性層５５０は、ＮｉＦｅ層５４７、ＴａＮ層５５１およびＲｕ層５４５の間の界面特性／性能を改善するために、他の層を有してもよい。このような追加の材料の例としては、ＣｏまたはＣｏを含む合金が挙げられる。
【００７７】
歳差スピン電流磁性層５５０とＴａＮ層５５１との界面には、他の材料を使用してもよく、その例として、Ｃｏ、Ｆｅ、およびこれらの元素を含むＣｏＦｅＢなどの合金が挙げられる。同様に、様々な界面層で異なるＣｏ-Ｆｅ比を選択することにより、歳差スピン電流磁性層５５０に関して所望の磁化を得ることができる。ＭＲＡＭスタックデバイスの他の実施形態を図８、図９に示す。これらの実施形態における構造は、図６Ａ-図６Ｂおよび図７に関連して記載された実施形態と同様であるが、歳差スピン電流磁性層５５０の構造において相違する。図８に示すＭＲＡＭデバイス６００において、歳差スピン電流磁性層５５０は、スペーサ５４０上に配置されたＦｅ層６４３を含む。Ｆｅ層６４３は、０．５から１．０ナノメートルの厚さを有するＦｅの薄膜を含んでよい。この実施形態では、歳差スピン電流磁性層５５０は、ＣｏＦｅＢ層６４７をさらに含む。ＣｏＦｅＢ層６４７は、０．５から４．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。
【００７８】
別の実施形態のＭＲＡＭスタック７００を図９に示す。図９に示す実施形態では、歳差スピン電流磁性層５５０は、スペーサ５４０上にＦｅ層７４３を含む。Ｆｅ層７４３は、０．５から１．０ナノメートルの厚さを有するＦｅの薄膜を含む。ＮｉＦｅ層７４５が、Ｆｅ層７４３上に配置される。例えばパーマロイなどのＮｉＦｅ層７４５は、上述したように、面心立方結晶構造を有する材料であり、１．０〜５．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。本明細書に記載する実施形態のように、ＮｉＦｅ層７４５は、８０％がＮｉ、２０％がＦｅであってよい。この実施形態では、歳差スピン電流磁性層５５０は、ＣｏＦｅＢ層７４７も含む。ＣｏＦｅＢ層７４７は、０．５から１．５ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。
【００７９】
材料は、自由層のスイッチング特性に影響を与えるＰＳＣ層の面外磁化成分を制御しながら、歳差スピン電流磁性層５５０の磁化が独立して設定されるように、選択される。
【００８０】
図１１は、歳差スピン電流磁性層５５０を有する垂直磁気トンネル接合デバイスに関する薄膜振動試料磁力計（ＶＳＭ）の主ヒステリシス・ループ・データのグラフである。このＶＳＭ主ヒステリシスループ（図１１では１１０５と表示されている）を得るために、ＤＣ磁場を印加した。印加磁場は、−１４０００エルステッドで始め、その後０．００エルステッドに減少させた後、＋１４０００エルステッドまで上昇させた。その後、印加磁場を＋１４０００エルステッドから０．００エルステッドへ徐々に減少させ、その後−１４０００エルステッドへ増加させた。ＤＣ印加磁場の正および負の符号は、磁場掃引の面内印加磁場方向を示す。図１１のグラフのＹ軸に正規化磁気モーメントとして示されているＶＳＭ測定結果は、サンプルの平面内、すなわち磁気トンネル接合５３０の困難軸に沿ってＤＣ磁場を印加した状態で、得られた。矢印１１１０Ａおよび１１１０Ｂで示される印加磁場ゼロ（０エルステッド）付近の急激な遷移は、歳差スピン電流磁性層５５０が面内磁化されている、すなわち容易軸に沿って磁化されていることを示す。
【００８１】
図１２は、歳差スピン電流磁性層５５０を有する磁気トンネル接合デバイス５００の２４ＧＨｚで測定された強磁性共鳴を示す。磁場は、垂直方向に印加された。８０００エルステッドにおける破線１０１０は、面内歳差スピン電流磁性層５５０と垂直磁化自由磁性層５３６との間の２４ＧＨｚにおける領域境界ω／γ〜８．０キロガウスを示す。共鳴方程式ω／γ＝Ｈｒｅｓ-４πＭｅｆｆによると、歳差スピン電流磁性層５５０の共鳴は、強い面内磁化を示す。有効磁化値は、自由層の有効垂直異方性（４πＭｅｆｆ〜−４．０キロガウス）およびＰＳＣ層の強い有効面内異方性（４πＭｅｆｆ〜７．５キロガウス）を示す。
【００８２】
代替的な実施形態を図１３に示す。この実施形態では、磁気デバイス１３００のＭＴＪスタックが、図５に示される実施形態に対して反転している。具体的には、磁気デバイス１３００は、シード層１３７０を含む。シード層１３７０上には、歳差スピン電流磁性層１３５０が配置されている。歳差スピン電流磁性層１３５０は、図５および図７〜図９に関連して説明した実施形態を、層を反転させた状態で、任意に含んでよい。一例として、歳差スピン電流磁性層１３５０は、シード層１３７０上に磁性ＮｉＦｅパーマロイ層５４７を含んでよく、ＮｉＦｅパーマロイ層５４７上にＲｕ層１３４５を含んでよく、およびＲｕ層１３４５上に磁性Ｆｅ層を含んでよい。上述したように、ＮｉＦｅパーマロイ層５４７は、本特許文献の教示の範囲から逸脱することなく、他の面心材料に置き換えられてよい。
【００８３】
非磁性スペーサ１３４０が、ＰＳＣ層１３５０上に配置される。非磁性スペーサ１３４０は、上述した非磁性スペーサ３４０および５４０と同じ特性、構造および特性を有する。ＭＴＪ１３３０は、非磁性スペーサ１３４０上に配置される。ＭＴＪ１３３０は、一般に、自由層１３３６（非磁性スペーサ１３４０上に配置される）および基準層１３３２から構成される。自由層１３３６と基準層１３３２とは、ＭｇＯ等の絶縁材料からなるトンネル障壁層１３３４によって、空間的に分離されている。このように、垂直ＭＴＪとしてのＭＴＪ１３３０では、基準層および自由層の磁気方向が、それぞれの平面に対して垂直である。他の実施形態に関して説明したように、自由磁性層１３３６の設計は、自由磁性層の垂直軸から数度離れた方向を指す自由層１３３６の磁化を含んでもよい。自由層の磁化の傾斜角は、ＰＳＣ磁性層１３５０との相互作用、または磁気結晶異方性に起因し得り、スイッチングの開始を改善することによってさらに自由層の磁化のスイッチングを助ける。強磁性結合層１３２８は、基準層１３３２の上に配置される。合成反強磁性（ＳＡＦ）層１３２６は、強磁性結合層１３２８上に配置される。ＳＡＦ層１３２６上には、反強磁性結合層１３２４が設けられている。別の合成反強磁性層１３２２は、反強磁性結合層１３２４上に配置される。なお、ＳＡＦ層１３２６は、技術的には強磁性結合層１３２８および基準層１３３２も含むが、ここでは説明のために別々に図示している。ＳＡＦ層１３２６、１３２２も、垂直磁気方向である。最後に、キャップ層１３２０をＳＡＦ層１３２０上に配置する。電流は、電流源１３７４によって供給されてよい。層の順序を除いて、磁気デバイスは、図５および図７に示される実施形態に関して説明したのと同じ方法で動作する。したがって、図５および図７に示されているとおり、ＰＳＣ磁性層１３５０は、自由層１３３６の歳差運動サイクル全体を通して、スピン移行トルク３１０が有利に加えられるように回転する。
【００８４】
図５、図７〜図９および図１３に示されたデバイス３００、５００、６００、７００および１３００の全ての層は、当業者には理解されるように、薄膜スパッタ堆積システムによって形成されてよい。薄膜スパッタ堆積システムは、必要な物理蒸着（ＰＶＤ）チャンバを含んでよく、チャンバの各々が、一つ以上のターゲット、酸化チャンバ、およびスパッタエッチングチャンバを有する。典型的には、スパッタ堆積プロセスは、超高真空のスパッタガス（例えばアルゴン、クリプトン、キセノン等）を伴い、ターゲットは、基板上に堆積される金属または金属合金で作製される。したがって、本明細書において、ある層が別の層の上に配置されると記載されている場合、そのような層は、そのようなシステムを使用して堆積され得る。他の方法が用いられてもよい。ＭＴＪスタック３００を製造するために必要な残りのステップは、当業者には周知であり、本明細書の開示の様態を不必要に不明瞭にしないように、本明細書では詳細に説明しないことを理解されたい。
【００８５】
当業者であれば、複数のＭＴＪ構造３００を製造し、その各々がＳＴＴ-ＭＲＡＭデバイスのビットセルとして提供されてよいことを理解されたい。言い換えると、ＭＴＪスタック３００、５００、６００、７００および１３００の各々は、複数のビットセルを有するメモリアレイのビットセルとして実装されてよい。
【００８６】
上記の説明および図面は、本明細書に記載された特徴および利点を達成する特定の実施形態の例示にすぎないと考えられるべきである。特定のプロセス条件に対して変更および置換を行ってもよい。したがって、この特許文献における実施形態は、前述の説明および図面によって限定されると考えられるべきではない。
【図１】
2020509590.tif 000003
【図２Ａ】
2020509590.tif 000004
【図２Ｂ】
2020509590.tif 000005
【図３】
2020509590.tif 000006
【図４】
2020509590.tif 000007
【図５】
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【図６Ａ】
2020509590.tif 000009
【図６Ｂ】
2020509590.tif 000010
【図７】
2020509590.tif 000011
【図８】
2020509590.tif 000012
【図９】
2020509590.tif 000013
【図１０】
2020509590.tif 000014
【図１１】
2020509590.tif 000015
【図１２】
2020509590.tif 000016
【図１３】
2020509590.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】令和2年1月7日(2020.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気デバイスであって、
第１の平面における第１の合成反強磁性構造であって、前記合成反強磁性構造は、磁気基準層を含み、前記磁気基準層は、前記第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向とを有している、前記第１の合成反強磁性構造と、
前記磁気基準層上に配置された、第２の平面における非磁性トンネル障壁層と、
前記非磁性トンネル障壁層上に配置された、第３の平面における自由磁性層であって、前記自由磁性層は、前記第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向とを有し、前記磁気基準層と、前記非磁性トンネル障壁層と、前記自由磁性層とが、磁気トンネル接合を形成する、前記自由磁性層と、
前記自由磁性層上に配置された、第４の平面における非磁性スペーサであって、前記非磁性スペーサは、ＭｇＯを含む、前記非磁性スペーサと、
第５平面における歳差スピン電流磁性層であって、前記歳差スピン電流磁性層は、前記自由磁性層から物理的に分離されており、前記非磁性スペーサによって前記自由磁性層に結合されており、任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化成分を有する磁化ベクトルを前記第５面に有し、面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を有する材料を含む、前記歳差スピン電流磁性層と、
前記歳差スピン電流磁性層の上に配置された、第６面におけるキャップ層と、
を備え、
前記キャップ層、前記歳差スピン電流磁性層、前記非磁性スペーサ、前記自由磁性層、前記非磁性トンネル障壁層、及び前記磁気基準層を通って電流が導かれ、前記電流の電子が、前記歳差スピン電流磁性層の前記磁気方向に整列され、
前記歳差スピン電流磁性層の前記磁気方向は、前記自由磁性層の前記磁化方向の歳差に自由に追従し、これにより、前記自由磁性層の前記磁化ベクトルのスイッチングを促進するためのスピン移行トルクが生じる、磁気デバイス。
【請求項２】
前記歳差スピン電流磁性層の前記磁化ベクトルの前記磁化方向は、前記第５の平面内にある、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記歳差スピン電流磁性層の前記磁化方向は、前記第５の平面において自由に回転可能な磁化成分を前記第５の平面に有する、請求項１又は２に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、前記面心立方結晶構造を有する前記材料を含む面心立方結晶構造層とを備え、前記Ｆｅ層は前記非磁性スペーサ上に配置され、前記Ｒｕ層は前記Ｆｅ層上に配置され、前記面心立方結晶構造層は前記Ｒｕ層上に配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記面心立方結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、請求項５に記載の磁気デバイス。
【請求項７】
前記キャップ層が、ＴａＮの層を含む、請求項５に記載の磁気デバイス。
【請求項８】
前記歳差スピン電流磁性層が、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、ＣｏＦｅＢ層と、前記面心立方結晶構造を有する前記材料を含む面心立方結晶構造層とを備え、前記Ｆｅ層が前記非磁性スペーサ上に配置され、前記Ｒｕ層が前記Ｆｅ層上に配置され、前記ＣｏＦｅＢ層が前記Ｆｅ層上に配置され、前記面心立方結晶構造層が前記ＣｏＦｅＢ層上に配置される、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項９】
前記面心立方結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、請求項８に記載の磁気デバイス。
【請求項１０】
前記キャップ層が、ＴａＮの層を含む、請求項９に記載の磁気デバイス。
【請求項１１】
前記歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、第１のＣｏＦｅＢ層と、前記面心立方結晶構造を有する前記材料を含む面心立方結晶構造層と、第２のＣｏＦｅＢ層と、を備え、前記Ｆｅ層は前記非磁性スペーサの上に配置され、前記Ｒｕ層は前記Ｆｅ層の上に配置され、前記第１のＣｏＦｅＢ層は前記Ｆｅ層の上に配置され、前記面心立方結晶構造層は前記第１のＣｏＦｅＢ層の上に配置され、前記第２のＣｏＦｅＢ層は前記面心立方結晶構造層の上に配置される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項１２】
前記面心立方結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、請求項１１に記載の磁気デバイス。
【請求項１３】
前記キャップ層が、ＴａＮの層を含む、請求項１２に記載の磁気デバイス。
【請求項１４】
前記キャップ層が、ＭｇＯの層を含む、請求項１２に記載の磁気デバイス。
【請求項１５】
前記キャップ層が、Ｒｕの層を含む、請求項１２に記載の磁気デバイス。
【請求項１６】
前記歳差スピン電流磁性層が、Ｆｅ層と、ＮｉＦｅ層とを備え、前記ＮｉＦｅ層が前記面心立方結晶構造を有する前記材料であり、前記Ｆｅ層が前記非磁性スペーサ上に配置され、前記ＮｉＦｅ層が前記Ｆｅ層上に配置され、
前記歳差スピン電流磁性層が、さらに、前記ＮｉＦｅ層上に配置された第３の層を備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項１７】
前記第３の層がＣｏＦｅＢを含む、請求項１６に記載の磁気デバイス。
【請求項１８】
前記歳差スピン電流磁性層は、前記自由磁性層に磁気的に結合されている、請求項１から１７のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項１９】
前記歳差スピン電流磁性層は、前記自由磁性層に電子的に結合されている、請求項１から１８のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項２０】
前記歳差スピン電流磁性層の歳差運動は、前記自由磁性層の歳差運動に同期する、請求項１から１９のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項２１】
前記歳差スピン電流磁性層の回転周波数は、０より大きい、請求項１から２０のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項２２】
前記自由磁性層は、その磁化容易軸が垂直方向から離れる方向を指し、その垂直平面に対して角度をなすような有効磁気異方性を有する、請求項１から２１のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
上記の説明および図面は、本明細書に記載された特徴および利点を達成する特定の実施形態の例示にすぎないと考えられるべきである。特定のプロセス条件に対して変更および置換を行ってもよい。したがって、この特許文献における実施形態は、前述の説明および図面によって限定されると考えられるべきではない。
以下の項目は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
磁気デバイスであって、
第１の平面における第１の合成反強磁性構造であって、前記合成反強磁性構造は、磁気基準層を含み、前記磁気基準層は、前記第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向とを有している、前記第１の合成反強磁性構造と、
前記磁気基準層上に配置された、第２の平面における非磁性トンネル障壁層と、
前記非磁性トンネル障壁層上に配置された、第３の平面における自由磁性層であって、前記自由磁性層は、前記第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向とを有し、前記磁気基準層と、前記非磁性トンネル障壁層と、前記自由磁性層とが、磁気トンネル接合を形成する、前記自由磁性層と、
前記自由磁性層上に配置された、第４の平面における非磁性スペーサであって、前記磁気結合層は、ＭｇＯを含む、前記非磁性スペーサと、
第５平面における歳差スピン電流磁性層であって、前記歳差スピン電流磁性層は、前記自由磁性層から物理的に分離されており、前記非磁性スペーサによって前記自由磁性層に結合されており、任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化成分を有する磁化ベクトルを前記第５面に有し、面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を有する材料を含む、前記歳差スピン電流磁性層と、
前記歳差スピン電流磁性層の上に配置された、第６面におけるキャップ層と、
を備え、
前記キャップ層、前記歳差スピン電流磁性層、前記非磁性スペーサ、前記自由磁性層、前記非磁性トンネル障壁層、及び前記磁気基準層を通って電流が導かれ、前記電流の電子が、前記歳差スピン電流磁性層の前記磁気方向に整列され、
前記歳差スピン電流磁性層の前記磁化方向は、前記自由磁性層の前記磁化方向の歳差に自由に追従し、これにより、前記自由磁性層の前記磁化ベクトルのスイッチングを促進するためのスピン移行トルクが生じる、磁気デバイス。
（項目２）
前記歳差スピン電流磁性層の前記磁化ベクトルの前記磁化方向は、前記第５の平面内にある、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目３）
前記歳差スピン電流磁性層の前記磁化方向は、前記第５の平面において自由に回転可能な磁化成分を前記第５の平面に有する、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目４）
前記面心立方（ｆｃｃ）結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目５）
前記歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、前記面心立方結晶構造を有する前記材料を含む面心立方結晶構造層とを備え、前記Ｆｅ層は前記非磁性スペーサ上に配置され、前記Ｒｕ層は前記Ｆｅ層上に配置され、前記面心立方結晶構造層は前記Ｒｕ層上に配置される、項目１に記載の磁気構造。
（項目６）
前記面心立方結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、項目５に記載の磁気構造。
（項目７）
前記キャップ層が、ＴａＮの層を含む、項目５に記載の磁気構造。
（項目８）
前記歳差スピン電流磁性層が、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、ＣｏＦｅＢ層と、前記面心立方結晶構造を有する前記材料を含む面心立方結晶構造層とを備え、前記Ｆｅ層が前記非磁性スペーサ上に配置され、前記Ｒｕ層が前記Ｆｅ層上に配置され、前記ＣｏＦｅＢ層が前記Ｆｅ層上に配置され、前記面心立方結晶構造層が前記ＣｏＦｅＢ層上に配置される、項目１に記載の磁気構造。
（項目９）
前記面心立方結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、項目８に記載の磁気構造。
（項目１０）
前記キャップ層が、ＴａＮの層を含む、項目９に記載の磁気構造。
（項目１１）
前記歳差スピン電流磁性層は、Ｆｅ層と、Ｒｕ層と、第１のＣｏＦｅＢ層と、前記面心立方結晶構造を有する前記材料を含む面心立方結晶構造層と、第２のＣｏＦｅＢ層と、を備え、前記Ｆｅ層は前記非磁性スペーサの上に配置され、前記Ｒｕ層は前記Ｆｅ層の上に配置され、前記第１のＣｏＦｅＢ層は前記Ｆｅ層の上に配置され、前記面心立方結晶構造層は前記第１のＣｏＦｅＢ層の上に配置され、前記第２のＣｏＦｅＢ層は前記面心立方結晶構造層の上に配置される、項目１に記載の磁気構造。
（項目１２）
前記面心立方結晶構造を有する前記材料が、ニッケル（Ｎｉ）および鉄（Ｆｅ）を含むパーマロイである、項目１１に記載の磁気構造。
（項目１３）
前記キャップ層が、ＴａＮの層を含む、項目１２に記載の磁気構造。
（項目１４）
前記キャップ層が、ＭｇＯの層を含む、項目１２に記載の磁気構造。
（項目１５）
前記キャップ層が、Ｒｕの層を含む、項目１２に記載の磁気構造。
（項目１６）
前記歳差スピン電流磁性層が、Ｆｅ層と、ＮｉＦｅ層とを備え、前記ＮｉＦｅ層が前記面心立方結晶構造を有する前記材料であり、前記Ｆｅ層が前記非磁性スペーサ上に配置され、前記ＮｉＦｅ層が前記Ｆｅ層上に配置され、
前記歳差スピン電流磁性層が、さらに、前記ＮｉＦｅ層上に配置された第３の層を備える、項目１に記載の磁気構造。
（項目１７）
前記第３の層がＣｏＦｅＢを含む、項目１６に記載の磁気構造。
（項目１８）
前記歳差スピン電流磁性層は、前記自由磁性層に磁気的に結合されている、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目１９）
前記歳差スピン電流磁性層は、前記自由磁性層に電子的に結合されている、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目２０）
前記歳差スピン電流磁性層の歳差運動は、前記自由磁性層の歳差運動に同期する、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目２１）
前記歳差スピン電流磁性層の回転周波数は、０より大きい、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目２２）
前記自由磁性層は、その磁化容易軸が前記垂直方向から離れる方向を指し、その垂直平面に対して角度をなすような有効磁気異方性を有する、項目１に記載の磁気デバイス。
【国際調査報告】
2020509590.tif 000018
2020509590.tif 000019