JP5281283B2 - 高垂直異方性及び面内平衡磁化を有する自由層を備えたスピン転移磁気素子 - Google Patents

高垂直異方性及び面内平衡磁化を有する自由層を備えたスピン転移磁気素子 Download PDF

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Description

本発明は、磁気メモリシステムに関し、特に、スイッチングの際にスピン転移効果を使用する磁気素子であって、より小さいスイッチング電流密度を用いて切換え得る磁気素子を提供するための方法及びシステムに関する。
図１Ａ及び１Ｂは、従来の磁気素子１０及び１０’を示す。従来の磁気素子１０はスピンバルブであり、従来の反強磁性（ＡＦＭ）層１２、従来の固定層１４、従来の導電性スペーサ層１６及び従来の自由層１８からなる。シード層又はキャップ層等の他の層（図示せず）も用い得る。従来の固定層１４及び従来の自由層１８は強磁性である。従って、従来の自由層１８は、磁化１９の変更が可能である。従来のスペーサ層１６は非磁性である。ＡＦＭ層１２は、固定層１４の磁化を特定の方向に固定、即ち、ピン止めするために用いられる。通常、自由層１８の磁化は外部磁場に応じて自由に回転する。従来の磁気素子１０に電流を駆動して流すために用い得る頂部コンタクト２０及び底部コンタクト２２も示す。図１Ｂに示す従来の磁気素子１０’はスピントンネル接合である。従来のスピントンネル接合１０’の複数の部位が従来のスピンバルブ１０と同様である。従って、従来の磁気素子１０’には、ＡＦＭ層１２’、従来の固定層１４’、従来の絶縁バリア層１６’及び磁化１９’が変更可能な従来の自由層１８’が含まれる。従来のバリア層１６’は、従来のスピントンネル接合１０’において、電子がトンネル通過するのに充分な程薄い。
従来の自由層１８／１８’及び従来の固定層１４／１４’の磁化１９／１９’の向きにそれぞれ依存して、従来の磁気素子１０／１０’の抵抗は、それぞれ変化する。従来の自由層１８／１８’の磁化１９／１９’が、従来の固定層１４／１４’の磁化と平行である場合、従来の磁気素子１０／１０’の抵抗は低い。従来の自由層１８／１８’の磁化１９／１９’が、従来の固定層１４／１４’の磁化に反平行である場合、従来の磁気素子１０／１０’の抵抗は高い。従来の磁気素子１０／１０’の抵抗を検出するためには、電流を駆動して従来の磁気素子１０／１０’に流す。通常、メモリ用途では、電流は、ＣＰＰ（面垂直電流）構成において、従来の磁気素子１０／１０’の層に対して垂直（図１Ａ又は１Ｂにおいて分かるように上下のｚ方向）に駆動される。
更に、垂直異方性を有する膜が、或る所望の特性を得るために従来のＭＲＡＭに用いられてきた。例えば、垂直異方性を有するＧｄＦｅ及びＧｄＣｏＦｅは、非特許文献１によって開示された磁気素子に用いられてきた。しかしながら、非特許文献１によって開示された構造は、標準磁場ベース書き込みＭＲＡＭデバイス用に設計されていた。従って、そのような従来の自由層の磁化は、磁気素子に外部磁場を印加することによって切り替えられる。更に、磁気素子１０／１０’とは対照的に、非特許文献１によって開示された磁気素子は、それらの平衡磁化が膜面に対し垂直に向いている。従って、自由層の磁化は、そのような従来の磁気素子において、図１Ａ及び１Ｂに示すように、ｚ方向である。
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幾つかの問題を克服するために、スピン転移を利用して、従来の自由層１０／１０’の磁化１９／１９’を切り換え得る。スピン転移について、従来の磁気素子１０’の文脈で説明するが、従来の磁気素子１０にも同様に適用可能である。スピン転移に関する現在の知見は、以下の出版物に詳細に記載されている。即ち、非特許文献２、非特許文献３、並びに非特許文献４に記載されている。従って、スピン転移現象の以下の説明は、現在の知見に基づくものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではない。
スピン分極電流が、ＣＰＰ構成のスピントンネル接合１０’等の磁性多層を横断する場合、強磁性層に入射する電子のスピン角運動量の一部は、強磁性層に転移し得る。特に、従来の自由層１８’に入射する電子は、それらのスピン角運動量の一部を従来の自由層１８’に転移し得る。その結果、電流密度が充分に高く（約１０７乃至１０８A/cm2）、ス
ピントンネル接合の横方向の寸法が小さい（約２００ナノメートルより小さい）場合、スピン分極電流は、従来の自由層１８’の磁化１９’方向を切り換え得る。更に、スピン転移が従来の自由層１８’の磁化１９’方向を切り換え可能であるためには、従来の自由層１８’は、充分に薄い方が良く、例えば、好適には、Ｃｏの場合、約１０ナノメートル未満が好ましい。スピン転移に基づく磁化のスイッチングは、他のスイッチングメカニズムより優れており、従来の磁気素子１０／１０’の横方向の寸法が小さく、数百ナノメートルの範囲にある場合、観察可能になる。従って、スピン転移は、より小さい磁気素子１０／１０’を有する密度が高い磁気メモリに適している。
スピン転移の現象は、従来のスピントンネル接合１０’の従来の自由層１８’の磁化方向を切り換えるために外部スイッチング場を用いることに対する他の選択肢又は追加としてＣＰＰ構成に用い得る。例えば、従来の自由層１８’の磁化１９’は、従来の固定層１４’の磁化に反平行な方向から従来の固定層１４’の磁化に平行な方向に切り換え得る。電流は、従来の自由層１８’から従来の固定層１４’に駆動される（伝導電子は、従来の固定層１４’から従来の自由層１８’に移動する）。従来の固定層１４’から移動する多数電子のスピンは、従来の固定層１４’の磁化と同じ方向に分極される。これらの電子は、それらの充分な量の角運動量を従来の自由層１８’に転移して、従来の自由層１８’の磁化１９’を従来の固定層１４’のそれに平行になるように切り換え得る。他の選択肢として、自由層１８’の磁化は、従来の固定層１４’の磁化に平行な方向から従来の固定層１４’の磁化に反平行に切り換え得る。電流が、従来の固定層１４’から従来の自由層１８’に駆動される（伝導電子が反対方向に移動する）場合、多数電子のスピンは、従来の自由層１８’の磁化の方向に分極される。これら多数電子は、従来の固定層１４’によって透過される。少数電子は、従来の固定層１４’から反射され、従来の自由層１８’に戻り、それらの充分な量の角運動量を転移して、自由層１８’の磁化１９’を従来の固定層１４’のそれに反平行に切り換え得る。
スピン転移は、従来の磁気素子１０及び１０’を切り替えるためのメカニズムとして機能するが、従来の磁気素子１０及び１０’のスイッチングを誘起するには、通常、高い電流密度が要求されることを当業者は容易に認識されるであろう。特に、スイッチング電流密度は、２乃至３×１０７A/cm2以上のオーダーである。従って、高い書き込み電流が、
高いスイッチング電流密度を得るために用いられる。高い動作電流によって、高密度ＭＲＡＭの場合、発熱、高い消費電力、大きなトランジスタサイズ、また更に他の問題等の設計上の問題が生じる。更に、従来の要素１０等のスピンバルブを用いる場合は出力信号が小さい。従来の磁気素子１０では、総抵抗及びＳＶベースのスピン転移要素の抵抗の変化は双方共に小さく、通常、それぞれ、２オーム及び５パーセント未満である。
出力信号を増大する１つの提案された方法は、スピン転移デバイスに、従来の磁気素子１０’等のスピントンネル接合を用いることである。従来の磁気素子１０’は、大きな抵抗及び大きな信号を呈し得る。例えば、それぞれ、１千オームを超える抵抗及び４０パーセントを超える抵抗変化の割合である。しかしながら、従来の磁気素子１０’を用いると、従来の磁気素子１０’の劣化又は破壊を防止するために、小さい動作電流が必要なことを当業者は容易に認識されるであろう。
Naoki Nishimura, et al. in "Magnetic tunnel junction device with perpendicular magnetization films for high-density magnetic random access memory", Journal of Applied Physics, Volume 91, Number 8, pp.5246-5249, 15 April 2002 J.C. Slonczewski, "Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers," Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol.159, p.L1 (1996) L. Berger, "Emission of Spin Waves by a Magnetic Multilayer Traversed by a Current," Phys. Rev. B, vol.54, p.9353 (1996) F.J. Albert, J.A. Katine and R.A. Buhrman, "Spin-polarized Current Switching of a Co Thin Film Nanomagnet," Appl. Phys. Lett., vol.77, No.23, p.3809 (2000)
従って、必要とされるものは、より小さい電流密度でスピン転移を用いて切換えることができ、また、消費電力が小さい要素を有する磁気メモリ素子を提供するためのシステム及び方法である。本発明は、そのようなニーズに対処する。
本発明は、磁気メモリに用い得る磁気素子を提供するための方法及びシステムを提供する。本磁気素子には、少なくとも固定層、非磁性スペーサ層、及び自由層が含まれる。スペーサ層は、固定層と自由層との間にある。磁気素子は、書き込み電流が磁気素子を通過する時、スピン転移を用いて自由層が切り替えられるように構成される。幾つかの態様において、磁気素子には、更に、バリア層、第２固定層が含まれる。他の態様において、磁気素子には、更に、第２スペーサ層と、第２固定層と、第１自由層に静磁気的に結合された第２自由層と、が含まれる。そのような態様において、第２スペーサ層は、第２固定層と第２自由層との間にあり、好適には、分離層が第１自由層と第２自由層との間に提供され、それらが静磁気的に結合されることを保証する。自由層（１つ又は複数）は、高垂直異方性を有する。１つ又は複数の自由層の場合、垂直異方性は、面外減磁エネルギの少なくとも２０パーセントであり且つ１００パーセント未満である高垂直異方性エネルギを有する。
本明細書に開示するシステム及び方法によれば、本発明は、より小さい電流密度を用いたスピン転移により切換え得る磁気素子、及びその小さいスイッチング電流密度に伴う利点を提供する。
本発明は、磁気素子及びＭＲＡＭ等の磁気メモリの改善に関する。以下の説明は、当業者が本発明を実現し用いるために提示し、また、特許出願及びその要求事項という文脈で提供する。好適な実施形態に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかであり、また、本明細書における一般的な原理は、他の実施形態にも適用し得る。従って、本発明は、例示した実施形態に限定することを意図するものではなく、本明細書に述べる原理及び特徴に合致する最も広い範囲に適合するものである。
本発明は、磁気メモリに用い得る磁気素子を提供するための方法及びシステムを提供す
る。本磁気素子には、少なくとも固定層、非磁性スペーサ層、及び自由層が含まれる。スペーサ層は、固定層と自由層との間にある。磁気素子は、書き込み電流が磁気素子を通過する時、スピン転移を用いて自由層が切り替えられるように構成される。幾つかの態様において、磁気素子には、更に、バリア層、第２固定層が含まれる。他の態様において、磁気素子には、更に、第２スペーサ層と、第２固定層と、第１自由層に静磁気的に結合された第２自由層と、が含まれる。そのような態様において、第２スペーサ層は、第２固定層と第２自由層との間にあり、好適には、分離層が第１自由層と第２自由層との間に提供され、それらが静磁気的に結合されることを保証する。一態様において、１つ又は複数の自由層が、高垂直異方性を有する。垂直異方性は、面外減磁エネルギの少なくとも２０パーセントであり、一般的に、１００パーセント未満の垂直異方性エネルギを有する。
本発明について、特定の磁気メモリ及び或る構成要素を有する特定の磁気素子の観点で説明する。しかしながら、当業者は、本方法及びシステムは、異なる及び／もしくは追加の構成要素を有する他の磁気メモリ要素並びに／又は本発明と矛盾しない異なる及び／もしくは他の特徴を有する他の磁気メモリに対して有効に作用することを容易に認識されるであろう。また、本発明について、スピン転移現象に関する現在の理解の文脈で説明する。従って、本方法及びシステムの振る舞いの理論的な説明は、このスピン転移の現在の理解に基づき行われることを当業者は容易に認識されるであろう。また、本方法及びシステムは、基板との特定の関係を有する構造という文脈で説明されることを当業者は容易に認識されるであろう。例えば、図面に示すように、構造の底部は、通常、構造の頂部に対してよりも下層の基板に近い。しかしながら、本方法及びシステムは、基板に対して異なる関係を有する他の構造と整合性があることを当業者は容易に認識されるであろう。更に、本方法及びシステムは、或る層が合成及び／又は単一であるという文脈で説明される。しかしながら、これらの層は、他の構造を有し得ることを当業者は容易に認識されるであろう。例えば、本方法及びシステムは、単一自由層の文脈で説明されるが、本発明を合成自由層に用いることを妨げない。更に、本発明は、磁気素子が特定の層を有するという文脈で述べる。しかしながら、当業者は、本発明と整合性のある追加の及び／又は異なる層を有する磁気素子も用い得ることを容易に認識されるであろう。更に、或る構成要素は、強磁性であると説明される。しかしながら、本明細書に用いる用語“強磁性”には、フェリ磁性又は同様な構造を含み得る。従って、本明細書に用いる用語“強磁性”には、これに限定するものではないが、強磁性体及びフェリ磁性体が含まれる。また、本発明について、単一の要素という文脈で説明する。しかしながら、本発明は、多数の要素、ビットライン、及びワードラインを有する磁気メモリの用途と整合性があることを当業者は容易に認識されるであろう。また、本発明について、より小さいスイッチング電流密度を提供するための特定のメカニズム、高異方性という文脈で説明する。しかしながら、本明細書で述べる方法及びシステムは、低飽和磁化自由層等のスイッチング電流密度を低減するための他のメカニズムと組み合わせ得ることを当業者は容易に認識されるであろう。
次に、本発明に基づく方法及びシステムを更に詳細に示すために、図２Ａを参照して、スピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子１００の一部の第１実施形態を示す。磁気素子１００は、好適には、ＭＲＡＭ等の磁気メモリに用いられる。従って、磁気素子１００は、絶縁トランジスタ（図示せず）を含むメモリセル、また更に、他の構成の磁気メモリに用い得る。更に、磁気素子１００は、好適には、磁気素子の頂部及び底部付近にある２つの端子（図示せず）を利用する。しかしながら、他の数の端子、例えば、磁気素子の中心付近にある第３端子を用いることを妨げない。磁気素子１００には、固定層１１０、スペーサ層１２０、自由層１３０が含まれる。後述するように、自由層１３０は、高垂直異方性を有するように構成される。また、磁気素子１００には、一般的に、固定層１１０の磁化１１１をピン止めするために用いられるＡＦＭ層（図示せず）と、また更に、シード層（図示せず）と、キャップ層（図示せず）と、が含まれる。更に、磁気素子１００は、スピン転移を用いて自由層１３０に書き込み得るよ
うに構成される。従って、好適な実施形態において、自由層１３０の幅ｗ等の横方向の寸法は、小さく、好適には、２００ナノメートルより小さい。更に、好適には、自由層１３０が、自由層１３０の面内で確実に特定の容易軸を有するように、何らかの差異が横方向の寸法間に提供される。
固定層１１０は、強磁性である。一実施形態において、固定層１１０は、合成である。そのような実施形態において、固定層１１０には、非磁性層によって分離された強磁性層が含まれ、また、それら強磁性層が反平行に向くように構成される。固定層１１０は、磁気素子１００の巨大比抵抗のスピン依存性を増加させるように構成し得る。例えば、固定層１１０又はその強磁性層は、繰返される二分子層から成る多層であってよい（図２Ａには明示せず）。そのような一実施形態において、固定層１１０は、（ＦｅｘＣｏ１−ｘ／Ｃｕ）ｎの多層であってよく、ここで、ｎは、ＦｅｘＣｏ１−ｘ／Ｃｕ二分子層の繰返し回数である。そのような実施形態において、ｎは、１より大きく、好適には、二分子層のＣｕ層は、１乃至８オングストローム厚である。スペーサ層１２０は、非磁性である。一実施形態において、スペーサ層１２０は、導電性であってよく、例えば、Ｃｕを含み得る。他の実施形態において、スペーサ層１２０は、アルミナ等の絶縁体を含むバリア層である。そのような実施形態において、バリア層１２０は、電荷キャリアが自由層１３０と固定層１１０との間をトンネル通過し得るように、２ナノメートル厚より小さい。
自由層１３０は、強磁性であり、高垂直異方性を有するように構成される。本明細書に用いられる高垂直異方性は、自由層１３０の垂直異方性が減磁エネルギの少なくとも２０パーセントであり且つ１００パーセント未満である対応する垂直異方性エネルギを有する場合、単一の自由層１３０に対して発生する。図２Ｂは、磁気素子１００と同様な磁気素子１００’を示す。従って、同様な構成要素は、同様にラベル表示する。従って、磁気素子１００’には、スピン転移を用いて書き込むことができ、また、高垂直異方性を有する自由層１３０’が含まれる。しかしながら、自由層１３０’は、合成であり、好適には、Ｒｕである非磁性層１３４によって分離された２つの強磁性層１３２及び１３６を含む。非磁性層１３４は、自由層１３０’の磁化１３３及び１３７が反平行に向くように構成される。自由層１３０’は、強磁性層１３２及び１３６が高垂直異方性を有することから、高垂直異方性を有する。従って、強磁性層１３２及び１３６の垂直異方性は、それぞれ強磁性層１３２及び１３６の減磁エネルギの少なくとも２０パーセントであり且つ１００パーセント未満である垂直異方性エネルギに対応する。図２Ａ及び２Ｂにおいて、高垂直異方性は、減磁エネルギの少なくとも２０パーセントであるが１００パーセントより小さい垂直異方性エネルギを有すると定義される。その結果、垂直異方性は、相当なものであるが、自由層１３０又は構成要素の強磁性層１３２及び１３６の平衡磁化は、面内にある（図２Ａ及び２Ｂにおいて、上又は下の構成要素はない）。理解しやすいように、以下の議論は、基本的に、自由層１３０を参照する。しかしながら、議論する原理は、強磁性層１３２及び１３６を含む自由層１３０’並びに磁気素子１００’にも当てはまる。
高垂直異方性は、自由層１３０の垂直異方性エネルギが自由層１３０の面外減磁エネルギの２０パーセントより大きいが１００パーセントより小さい場合発生する。その結果、自由層１３０の磁化１３１は、平衡状態で（書き込み電流又は充分な外部磁場が無い状態で）面内にある。好適には、高垂直異方性は、高垂直結晶異方性を有する材料を用いて、及び／又は、何らかのやり方で層に応力をかけることによって、提供される。高垂直異方性は、スピン転移により自由層１３０の磁化を切り替えるのに必要な臨界スイッチング電流密度Ｊｃを低減する。
スイッチング電流密度を低減する高垂直異方性自由層の能力は、J.C. Slonczewski, “Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol.159, p.L1 to L5 (1996)に記載された一般的なスピン転移スピントルクモデルを用いて、理解し得る。スロンチェウスキのモデルによれば、スピン転移積層用の自由層のスイッチング電流密度Ｊｃは、以下の式に比例する。即ち、
αｔＭｓ［Ｈｅｆｆ−２πＭｓ］／ｇ（θ）
上式において、
α＝現象学的ギルバート（Ｇｉｌｂｅｒｔ）減衰定数
ｔ＝自由層の厚さ
Ｍｓ＝自由層の飽和磁化
Ｈｅｆｆ＝自由層の有効磁場
ｇ（θ）＝スピン転移効率を反映する。
有効磁場Ｈｅｆｆには、外部磁場、形状異方性磁場、面内及び面外（即ち、垂直な）異方性、及び双極及び交換磁場が含まれる。垂直異方性は、通常、結晶の異方性から生じる。項ｇ（θ）は、固定層１１０及び自由層１３０の磁化の相対的な角度方位に依存する。
スイッチング電流密度を低減する高垂直異方性の能力については、次のように説明し得る。大抵の磁性材料の場合、面外減磁項２πＭｓは、Ｈｅｆｆよりかなり大きい。例えば、長軸２００nm、短軸１００nm、及び厚さ２０Ａを有するＣｏの薄膜楕円の場合、項２πＭｓは、約８ｋＯｅであり、これは、数百Ｏｅより小さいＨｅｆｆよりかなり大きい。一般的に結晶異方性である高垂直異方性は、面外減磁の全てではないがほとんどを相殺するために自由層１３０に導入し得る。従って、上記の如く定義されたように、高垂直異方性は、減磁エネルギの１００パーセントより小さい垂直異方性エネルギを有する。高垂直異方性は、好適には、減磁エネルギの２０と９５パーセントとの間にある（好適な実施形態では、９０パーセントである）垂直異方性エネルギを有する。そして、面外減磁エネルギは、依然として垂直異方性エネルギより大きいことから、自由層１３０の平衡磁化１３１は、面内に留まる。しかしながら、垂直異方性が大きく増加したことから、（垂直異方性が含まれる）有効磁場Ｈｅｆｆと減磁項２πＭｓとの間の差異が減少する。従って、自由層１３０の平衡磁気モーメントは、面内に留まるが、より小さいスイッチング電流密度を用いて切換え得る。つまり、自由層１３０の磁化１３１のスピン転移誘起スイッチングのためのスイッチング電流密度を低減するためには、高垂直異方性を自由層１３０に提供すべきである。
自由層１３０の高垂直異方性は、多くのやり方で提供し得る。高垂直異方性を提供するために、自由層１３０に用いられる材料、又は構成要素である強磁性層１３２及び１３６には、それらの結晶構造による高垂直異方性を有する材料を含み得る。一実施形態において、自由層１３０又は強磁性層１３２及び１３６には、Ｃｒ、Ｐｔ及び／又はＰｄと合金化されるＣｏ及びＣｏＦｅ又はＣｏ及びＣｏＦｅが含まれ、この場合、Ｃｒ、Ｐｔ、及びＰｄの組成は、上記の如く定義されたように、高垂直異方性を与えるために選択される。好適な実施形態において、Ｃｏ及びＣｏＦｅにおけるＣｒ、Ｐｔ、及び／又はＰｄの組成は、垂直異方性エネルギが、面外減磁エネルギの２０と９５パーセントとの間にあり、好適には、９０パーセントであるという条件を満たすように調整される。
他の一実施形態において、自由層１３０又は強磁性層１３２及び１３６には、ｎが、１と１０との間にあり、Ｃｏが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＦｅが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＣｒが３Ａ乃至２０Ａ、Ｐｄが１０Ａ乃至１００Ａ、Ｐｔが１０Ａ乃至１００Ａである時、多層［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ／Ｃｏ、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ／Ｃｏ、［ＣｏＦｅ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＦｅ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＣｒ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＣｒ、又は［ＣｏＣｒ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＣｒを含み得る。Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＣｒ、Ｐｄ、及びＰｔの厳密な厚さは、垂直異方性エネルギが、多層の面外減磁エネルギの２０と９５パーセントとの間にあるように選択される。これら多層における垂直異方性は、強磁性／Ｐｄ又はＰｔ界面における表面異方性及び薄膜Ｃｏ層における歪みに帰する。
図３Ａは、スピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第１実施形態における他のバージョン１００’’を示す。磁気素子１００’’は、磁気素子１００と同様である。従って、同様な構成要素は、同様にラベル表示する。従って、磁気素子には、高垂直異方性を有し、また、スピン転移を用いて書き込まれる自由層１３０’’が含まれる。更に、磁気素子１００’’は、好適には、磁気素子の頂部及び底部付近にある２つの端子（図示せず）を利用する。しかしながら、他の数の端子、例えば、磁気素子の中心付近にある第３端子を用いることを妨げない。好適な実施形態において、自由層１３０’’には、Ｃｏ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＰｔ、ＣｏＦｅＣｒＰｔ、又はそれらの多層組合せが含まれ、これらは、固有の高垂直異方性を有する。また、磁気素子１００’’には、オプションの応力引上げ層１５２及び１５４が含まれる。応力引上げ層１５２及び１５４の内の一方又は双方を用いてよい。層１５４は、自由層１３０’’の応力表面異方性を変えるために用いられ、総垂直異方性が更に強化される。応力引上げ層１５２も、自由層１３０’’の総垂直異方性を強化するシード層である。応力引上げ層１５２は、スペーサ層１２０が導電性である場合、スペーサ層１２０の一部としての役割を果たし得る。しかしながら、スペーサ層１２０’’が絶縁バリア層である場合、応力引上げ層１５２を含むと信号が大幅に劣化し得る。従って、そのような実施形態では、応力引上げ層１５２は望ましくない。応力引上げ層１５２及び１５４には、自由層１３０’’における垂直異方性を更に促進するＰｔ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｔａ、Ａｕ、及びＣｕ等の数オングストロームの材料を含み得る。しかしながら、自由層１３０’’又は隣接する層１５２及び１５４のいずれかにおいてＰｔ及びＰｄを用いると、現象学的ギルバート減衰定数αを増大し得ることに留意されたい。αが大きくなると、自由層１３０における高垂直異方性によってもたらされる一部の又は全てのスイッチング電流密度低減を打ち消し得る。更に、Ｃｏ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＰｔ、及びＣｏＦｅＣｒＰｔ等の上記材料の垂直異方性は、膜それ自体における固有応力によって更に増加し得る。この固有応力は、膜成膜時、及び／又は、高い圧縮応力の絶縁体（誘電体）で（自由層１３０’’を含む）スピン転移積層を取り囲むことによって誘起し得る。
図３Ｂは、スピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部における第１実施形態他のバージョン１００’’’を示す。磁気素子１００’’’は、磁気素子１００と同様である。従って、磁気素子には、高垂直異方性、オプションの低飽和磁化を有し、また、スピン転移を用いて書き込まれる自由層１３０’’が含まれる。更に、磁気素子１００’’’は、好適には、磁気素子の頂部及び底部付近にある２つの端子（図示せず）を利用する。しかしながら、他の数の端子、例えば、磁気素子の中心付近にある第３端子を用いることを妨げない。
自由層１３０’’’は、上記の如く定義されたように、高垂直異方性を有する。自由層１３０’’’には、また、超高垂直異方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２が含まれる。好適な実施形態において、自由層１３０’’’の高垂直異方性は、超高垂直異方性強磁性層１６０により少なくとも部分的に提供される。超高垂直異方性強磁性層１６０は、超高垂直異方性を有する。本明細書において用いる超高垂直異方性は、面外減磁エネルギを超える垂直異方性エネルギを有する。その結果、超高垂直異方性を有する膜は、単独状態時、その平衡磁化が面に対し垂直になる。超高垂直異方性強磁性層１６０は、好適には、ＧｄＦｅ及びＧｄＣｏＦｅ等の希土類遷移金属合金であり、この場合、希土類遷移金属合金は、５乃至６０原子パーセントの範囲にあってよい。そのような希土類遷移金属合金は、相対的に大きい減衰定数及び高又は超高垂直異方性を有する。超高垂直異方性強磁性層１６０は、好適には、それ自体の面外減磁エネルギより大きい垂直異方性エネルギを有する。強磁性層１６２は、高いスピン分極を有する。従って、強磁性層１６２には、好適には、Ｃｏ、Ｆｅ、又はＣｏＦｅ等の１つ又は複数の高スピン分極材料が含まれる。強磁性層１６２は、その面外減磁エネルギより小さい垂直異方性エネルギを有する。超高垂直異
方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２は、交換結合される。
超高垂直異方性副層１６０と高スピン分極強磁性層との交換結合の組合せは、自由層１３０’’’に総高垂直異方性を提供する。超高垂直異方性強磁性層１６０のより大きな厚さにおいて、超高垂直異方性強磁性層１６０と強磁性層１６２との組合せの総垂直異方性エネルギは、超高垂直異方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２の総面外減磁エネルギを超える。そのような場合、超高垂直異方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２の双方の磁化、従って、自由層１３０’’’の磁化は、膜面に対し垂直に向く。しかしながら、超高垂直異方性強磁性層１６０の厚さが薄くなると、超高垂直異方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２の総垂直異方性エネルギは、超高垂直異方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２の総面外減磁エネルギより速く減少する。言い換えると、自由層１３０’’’の総垂直異方性エネルギは、自由層１３０’’’の総面外減磁エネルギより速く減少する。他の選択肢として、高スピン分極強磁性層１６２の厚さが大きくなると、超高垂直異方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２の総垂直異方性エネルギは、超高垂直異方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２の総面外減磁エネルギよりゆっくりと増加する。言い換えると、自由層１３０’’’の総垂直異方性エネルギは、自由層１３０’’’の面外減磁エネルギよりゆっくりと増加する。総垂直異方性エネルギが、総面外減磁エネルギより小さくなった場合、超高垂直異方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２の平衡磁化は、回転して膜面に入り込む。言い換えると、自由層１３０’’’の垂直異方性エネルギは、自由層１３０’’’の面外減磁エネルギより小さく、自由層１３０’’’の磁化は、自由層１３０’’’が高垂直異方性を有するにもかかわらず、面内にある。従って、スピン転移スイッチング電流を低減するために、超高垂直異方性強磁性層１６０及び強磁性層１６２の厚さは、総垂直結晶異方性が大きくなるように調整される。言い換えると、層１６０及び１６２の組合せの垂直異方性は、減磁エネルギの少なくとも２０であり且つ１００パーセント未満である垂直異方性エネルギを有する。好適な実施形態において、この異方性エネルギは、総面外減磁エネルギの９０パーセントである。例えば、一実施形態において、磁気素子１００’’’は、基板に最も近い底部に自由層１３０’’’、スペーサ又はバリア層１２０’’及び頂部に固定層１１０’’を有する頂部ＭＴＪであってよい。そのような磁気素子には、超高垂直異方性強磁性層１６０／強磁性層１６２／スペーサ（障壁）層１２０’’’／固定層１１０’’’／ピン止め又はＡＦＭ層（図示せず）が含まれる。従って、磁気素子１００’’’の例は、ＡｌＣｕ［２５０Ａ］／ＧｄＦｅＣｏ［ｔ］／ＣｏＦｅ［１０Ａ］／Ａｌ２Ｏ３［８Ａ］／ＣｏＦｅ［３０Ａ］／ＰｔＭｎ［１５０Ａ］によって与えられ、ここで、ＧｄＦｅＣｏの厚さｔは、好適には、総垂直な結晶異方性エネルギが、総面外減磁エネルギの少なくとも２０と１００パーセント未満との間にあって、好適には、９０パーセントであるように、１０と４００オングストロームとの間に調整される。従って、自由層１３０’’’の平衡磁気モーメントは、面内に留まる。
他の一実施形態において、超高垂直異方性強磁性層１６０には、ｎが、１と１０との間にあり、Ｃｏが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＦｅが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＣｒが３Ａ乃至２０Ａ、Ｐｄが１０Ａ乃至１００Ａ、Ｐｔが１０Ａ乃至１００Ａである時、多層［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ／Ｃｏ、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ／Ｃｏ、［ＣｏＦｅ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＦｅ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＣｒ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＣｒ、又は［ＣｏＣｒ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＣｒを含み得る。繰り返し数ｎ及びＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＣｒ、Ｐｄ、及びＰｔの厳密な厚さは、総垂直異方性エネルギが、自由層１３０’’’の総面外減磁エネルギの２０と９５パーセントとの間にあるように選択される。
従って、磁気素子１００、１００’、１００’’、及び１００’’’は、高垂直異方性を有する自由層を利用する。その結果、磁気素子１００、１００’、１００’’、及び１００’’’は、より小さいスイッチング電流密度でスピン転移を用いて書き込み得る。更に、磁気素子１００、１００’、１００’’、及び１００’’’の態様は、組み合わせて
、更に、垂直異方性を引き上げ得る。従って、電流の更なる低減又は磁気素子１００、１００’、１００’’、及び／又は１００’’’の特性における他の改善を達成し得る。
図４は、スピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子２００の第２実施形態を示す。磁気素子２００には、自由層２３０を共有するスピンバルブ部２０４及びスピントンネル接合部２０２が含まれる。スピンバルブ部２０４には、好適には、反強磁性の（ＡＦＭ）層２６０であるピン止め層２６０と、固定層２５０、Ｃｕ等の導電性スペーサ層２４０、及び自由層２３０が含まれる。他の一実施形態において、導電性スペーサ層２４０は、バリア層によって置き換え得る。スピントンネル接合部２０２には、好適には、反強磁性（ＡＦＭ）層２０６であるピン止め層２０６、固定層２１０、電子がそれをトンネル通過し得るように構成された絶縁体であるバリア層２２０、及び自由層２３０が含まれる。図２Ａ及び４において、層２５０、２４０、及び２３０は、スペーサ層１２０が導通している場合、磁気素子１００における層１１０、１２０、及び１３０と同様である。同様に、層２１０、２２０、及び２３０は、スペーサ層１２０が絶縁バリア層である場合、層１１０、１２０、及び１３０とそれぞれ同様である。従って、固定層２１０及び２５０は、好適には、固定層１１０に対応し、同様な材料、層、及び／又はプロセスを用いて構成し得る。例えば、固定層２１０及び／又は固定層２５０には、ｎを１より大きい繰り返し数とすると、多層（ＦｅｘＣｏ１−ｘ／Ｃｕ）ｎを含み得る。更に、Ｆｅ原子パーセントｘは、好適には、約０．５であり、Ｃｕ層は、好適には、１乃至８オングストローム厚である。自由層２３０は、スピン転移を用いて書き込まれるように構成され、また、高垂直異方性を有する。更に、磁気素子２００は、好適には、磁気素子の頂部及び底部付近にある２つの端子（図示せず）を利用する。しかしながら、他の数の端子、例えば、磁気素子２００の中心付近にある第３端子を用いることを妨げない。また、磁気素子２００には、好適には、それぞれ固定層２１０及び２５０の磁化のピン止めに用いられるＡＦＭ層であるピン止め層２０６及び２６０が含まれる。
自由層２３０は、好適には、自由層１３０、１３０’、１３０’’及び／又は１３０’’’と同様なやり方で構成される。従って、上述したものと同様な材料及び原理を用いて、自由層２３０の高垂直異方性を達成し得る。高結晶垂直異方性及び／又は応力等の他の条件を有する材料を用いて、自由層３３０の高垂直異方性を達成し得る。更に、自由層１３０’を基にして上述したように、自由層２３０は、合成であってよい。その結果、磁気素子２００は、より小さいスイッチング電流密度でスピン転移を用いて書き込み得る。言い換えると、磁気素子２００は、磁気素子１００、１００’、１００’’、１００’’’及び／又はそれらの組合せの恩恵を共有し得る。更に、固定層２１０及び２５０が反平行に向く場合、スピンバルブ部２０４及びスピントンネル接合部２０２双方が、自由層２３０の書き込みに寄与し得る。バリア層２２０を用いることから、磁気素子２００は、より高い抵抗及び磁気抵抗効果を有する。その結果、読み出し中、より高い信号を得ることができる。
図５Ａは、スピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子３００の第２実施形態における好適なバージョンである。磁気素子３００は、図４に示す磁気素子２００と同様である。従って、同様な構成要素は、同様にラベル表示する。従って、磁気素子には、自由層２３０に対応する自由層３３０が含まれ、これは、高垂直異方性を有し、スピン転移を用いて書き込まれる。更に、磁気素子３００は、好適には、磁気素子の頂部及び底部付近にある２つの端子（図示せず）を利用する。しかしながら、他の数の端子、例えば、磁気素子の中心付近にある第３端子を用いることを妨げない。
自由層３３０は、好適には、自由層１３０、１３０’、１３０’’、１３０’’’及び／又は自由層２３０と同様なやり方で構成される。従って、上述したものと同様な材料及び原理を用いて、自由層３３０の高垂直異方性を達成し得る。例えば、高い結晶垂直異方
性及び／又は応力等の他の条件を有する材料を用いて、自由層３３０の高垂直異方性を達成し得る。従って、自由層１３０、１３０’、１３０’’、及び１３０’’’を基にして上述した材料が、好ましい。更に、自由層１３０’を基にして上述したように、自由層２３０は、合成であってよい。高垂直異方性のために、磁気素子３００は、より小さいスイッチング電流密度でスピン転移を用いて書き込み得る。言い換えると、磁気素子３００は、磁気素子１００、１００’、１００’’、１００’’’及び／又はそれらの組合せの恩恵を共有し得る。バリア層３４０を用いることから、磁気素子３００は、より高い抵抗及び磁気抵抗効果を有する。その結果、読み出し中、より大きい信号を得ることができる。他の一実施形態において、バリア層３２０は、導電層によって置き換え得る。しかしながら、そのような実施形態では、読み出し信号は、所定の読み出し電流に対して、小さくなる。
磁気素子３００において、固定層３１０は、合成である。従って、固定層３１０には、好適にはＲｕである非磁性層３１４によって分離された強磁性層３１２及び３１６が含まれる。非磁性層３１４は、強磁性層３１２及び３１６が反強磁性的に並ぶように構成される。更に、磁気素子３００は、強磁性層３１６及び固定層３５０が反平行であるように構成される。その結果、スピンバルブ部３０４及びスピントンネル接合部３１０は、双方共、磁気素子３００に書き込むために用いられるスピン転移に寄与し得る。従って、更に小さいスイッチング電流を用いて、磁気素子３００に書き込み得る。更に、ＡＦＭ層３０６及び３６０は、隣接する層３１２及び３５０の磁化が平行に向いていることから、同じ方向に向き得る。従って、ＡＦＭ層３０６及び３６０は、同一ステップで並べ得る。従って、処理が更に簡略化される。
自由層２３０及び３３０並びに磁気素子２００及び３００は、上述したものと同様なやり方で構成し得る。例えば、図５Ｂは、少なくとも高垂直異方性によるスピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第２実施形態３００’における他のバージョンを示す。磁気素子３００’は、磁気素子３００と同様であり、従って、その利点を共有する。例えば、自由層３３０’は、高垂直異方性を有する。更に、磁気素子１００’’と同様なやり方で、磁気素子３００’には、応力引上げ層１５４と同様な応力引上げ層３８０が含まれる。応力引上げ層３８０だけを示すが、自由層３３０’とバリア層３２０’との間において他の応力引上げ層を用い得る。しかしながら、そのような層は、トンネル磁気抵抗効果を大幅に低減するが、このことは、この層がバリア層３２０に隣接して存在するためである。応力引上げ層３８０及び／又は、他の一実施形態において、自由層３３０’とバリア層３２０’との間に応力引上げ層を用いると、自由層３３０’の高垂直異方性を得ることができる。従って、磁気素子１００’’の恩恵も達成し得る。
図５Ｃは、少なくとも高垂直異方性によるスピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子３００’’の一部の第２実施形態における第３バージョンを示す。磁気素子３００’’は、磁気素子３００と同様であり、従って、その利点を共有する。例えば、自由層３３０’’は、高垂直異方性を有する。更に、磁気素子１００’’’と同様なやり方で、磁気素子３００’’には、好適には、図３Ｂに示す超高垂直異方性強磁性層１６０と同様な超高垂直異方性強磁性層３９０と、高スピン分極層１６２と同様な高スピン分極強磁性層３９１及び３９３と、が含まれる。従って、超高垂直異方性強磁性層３９０は、好適には、希土類遷移金属合金である。更に、超高垂直異方性強磁性層３９０及び強磁性層３９１及び３９３の厚さは、好適には、図示するように、超高垂直異方性強磁性層３９０及び強磁性層３９１及び３９３の平衡磁化が、面内になるように調整される。従って、自由層１３０’’’と同様な自由層３３０’’の高垂直異方性を達成し得る。その結果、磁気素子１００’’’の恩恵も実現し得る。
他の一実施形態において、超高垂直異方性強磁性層３９０には、ｎが、１と１０との間にあり、Ｃｏが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＦｅが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＣｒが３Ａ乃至２０Ａ、Ｐｄが１０Ａ乃至１００Ａ、Ｐｔが１０Ａ乃至１００Ａである時、多層［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ／Ｃｏ、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ／Ｃｏ、［ＣｏＦｅ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＦｅ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＣｒ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＣｒ、又は［ＣｏＣｒ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＣｒを含み得る。繰り返し数ｎ及びＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＣｒ、Ｐｄ、及びＰｔの厳密な厚さは、総垂直異方性エネルギが、自由層３３０’’の総面外減磁エネルギの２０と９５パーセントとの間にあるように選択される。
図６は、スピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子４００の一部の第３実施形態を示す。磁気素子には、各々、磁気素子１００、１００’、１００’’及び／又は１００’’’と同様な２つの構造４０２及び４０４が含まれる。従って、構造４０２には、例えば、それぞれ磁気素子１００の層１１０、１２０、及び１３０と同様な固定層４１０、スペーサ層４２０、及び自由層４３０が含まれる。構造４０２には、また、好適には、ＡＦＭ層であるピン止め層４０６が含まれる。同様に、構造４０４には、例えば、それぞれ磁気素子１００の層１１０、１２０、及び１３０と同様な固定層４７０、スペーサ層４６０、及び自由層４５０が含まれる。また、構造４０４には、好適には、ＡＦＭ層であるピン止め層４８０が含まれる。自由層４３０及び４５０の一方又は双方が、高垂直異方性を有する。自由層４３０及び／又は４５０も合成であってよい。そのような場合には、自由層４３０及び／又は４５０内の強磁性層（明示せず）は、高垂直異方性を有する。更に、磁気素子４００の自由層４３０及び４５０は、好適には、層４３０及び４５０が反強磁性的に並ぶように静磁気的に結合される。本実施形態において、磁気素子４００には、分離層４４０が含まれる。分離層４４０は、自由層４３０及び４５０が静磁気的に結合されることのみを保証するように構成される。例えば、好適には非磁性導体である分離層４４０の厚さは、好適には、静磁気的な相互作用により自由層４３０及び４５０が反強磁性的に並ぶことを保証するように構成される。特に、分離層４４０は、それを通過するスピンの分極をランダム化する役割を果たす。例えば、分離層４４０には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｎ、ＣｕＰｔ、ＣｕＭｎ、Ｃｕ／Ｐｔ［１乃至２０Ａ］／Ｃｕサンドイッチ構造体、Ｃｕ／Ｍｎ［１乃至２０Ａ］／Ｃｕサンドイッチ構造体、又はＣｕ／ＰｔＭｎ［１乃至２０Ａ］／Ｃｕサンドイッチ構造体等の材料が含まれる。分離層は磁気素子４００に用いられるが、他のメカニズムを用いることを妨げない。例えば、一実施形態において、構造４０２は、第２固定層（図示せず）、第２スペーサ層（図示せず）、及びピン止め層（図示せず）を含む二重構造であってよい。第２固定層及びスペーサ層、また更に、ピン止め層の厚さは、自由層４３０及び４５０が静磁気的に結合されることを保証するように構成し得る。
自由層４３０及び／又は自由層４５０は、上記の如く定義されたように、高垂直異方性を有するように構成される。従って、自由層４３０及び／又は４５０は、自由層１３０、１３０’、１３０’’及び／又は１３０’’’に対応し得る。言い換えると、自由層４３０及び／又は自由層４５０に用いられる材料及び／又は特性は、磁気素子１００、１００’、１００’’、及び１００’’’を基にして前述したものと同じ又は同様である。従って、磁気素子４００は、磁気素子１００、１００’、１００’’、及び１００’’’の多くの恩恵を共有する。特に、磁気素子は、より小さいスイッチング電流密度でスピン転移を用いて書き込み得る。
自由層４３０と４５０との間の静磁気的な結合は、更なる恩恵を提供する。自由層４５０及び４３０が静磁気的に結合されることから、自由層４５０の磁化の変化が、自由層４３０に反映される。スペーサ層４２０は、大きい信号を提供する導電性層又はバリア層のいずれかであってよい。更に、別個の自由層４５０及び４３０を有することから、スピンバルブ４０４及びスピントンネル接合４０２の特性をそれぞれ別個に調整して、スピンバ
ルブ及びスピントンネル接合のそれらの機能をそれぞれ改善し得る。
図７Ａは、スピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子５００の第３実施形態における好適なバージョンである。磁気素子５００は、図６に示す磁気素子４００と同様である。従って、同様な構成要素は、同様にラベル表示する。従って、磁気素子には、それぞれ自由層４３０及び４５０に対応する自由層５３０及び５５０が含まれ、これらのいずれか又は両方が、高垂直異方性を有し、双方共、スピン転移を用いて書き込まれる。自由層５３０及び／又は５５０も合成であってよい。そのような場合には、自由層５３０及び／又は５５０内における強磁性層（明示せず）は、高垂直異方性を有する。更に、磁気素子５００は、好適には、磁気素子の頂部及び底部付近にある２つの端子（図示せず）を利用する。しかしながら、他の数の端子、例えば、磁気素子５００の中心付近にある第３端子を用いることを妨げない。
固定層５１０及び５７０は、合成である。従って、固定層５１０には、好適にはＲｕである非磁性層５１４によって分離された強磁性層５１２及び５１６が含まれる。強磁性層５１２及び５１６磁化も反平行に向く。同様に、固定層５７０には、好適にはＲｕである非磁性層５７４によって分離された強磁性層５７２及び５７６が含まれる。強磁性層５７２及び５７６の磁化も反平行に向く。更に、スペーサ層５２０は、好適には、絶縁でありながら、強磁性層５１６と自由層５３０との間を電子が通過し得るバリア層である。スペーサ層５６０は、好適には、導電性層である。従って、構造５０２は、スピントンネル接合であり、構造５０４は、スピンバルブである。
自由層５３０及び／又は５５０は、好適には、自由層１３０、１３０’、１３０’’、１３０’’’及び／又は自由層４３０及び４５０と同様なやり方でそれぞれ構成される。従って、上述したものと同様な材料及び原理を用いて、自由層５３０及び／又は５５０の高垂直異方性を達成し得る。例えば、高結晶垂直異方性及び／又は応力等の他の条件を有する材料を用いて、自由層５３０及び／又は５５０用の高垂直異方性を達成し得る。従って、自由層１３０、１３０’、１３０’’、及び１３０’’’を基にして上述した材料が好ましい。更に、自由層１３０’を基にして上述したように、自由層５３０及び／又は５５０は、合成であってよい。高垂直異方性のために、磁気素子５００は、より小さいスイッチング電流密度でスピン転移を用いて書き込み得る。言い換えると、磁気素子５００は、磁気素子１００、１００’、１００’’、１００’’’及び／又はそれらの組合せの恩恵を共有し得る。
更に、自由層５３０及び５５０が静磁気的に結合されることから、例えば、スピン転移で誘起された書き込みによる自由層５５０の磁化方向の変化が、自由層５３０の磁化に反映される。バリア層５２０により、スピントンネル接合５０２は、大きい信号を提供する。他の一実施形態において、バリア層３２０は、導電層によって置き換え得る。しかしながら、そのような実施形態では、読み出し信号は、所定の読み出し電流に対して小さくなる。
上述したように、自由層５３０及び５５０並びに磁気素子５００は、上述したものと同様なやり方で構成し得る。例えば、図７Ｂは、少なくとも高垂直異方性によるスピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子５００’の第３実施形態における他のバージョンである。磁気素子５００’は、磁気素子５００と同様であり、従って、その利点を共有する。例えば、自由層５３０’及び／又は５５０’は、高垂直異方性を有する。更に、磁気素子１００’’と同様なやり方で、磁気素子５００’には、オプションの応力引上げ層１５２及び１５４と同様であるオプションの応力引上げ層５８２、５８４及び５８６が含まれる。オプションの応力引上げ層５８２、５８４、及び５８６の底部、頂部、又は双方を用い得る。図示していないが、オプションの応力引上げ層
は、自由層５３０’とバリア層５２０’との間に配置し得る。しかしながら、そのようなオプションの応力引上げ層によって、磁気抵抗効果が小さくなり得る。更に、オプションの応力引上げ層５８６を用いると、スピン転移に対してはスピントルクが小さくなり、また更に、スピンバルブ５０４に対しては磁気抵抗効果が小さくなり得る。従って、自由層５３０’’及び／又は５５０’’の高垂直異方性を得ることができる。従って、磁気素子１００’’’の恩恵も達成し得る。
図７Ｃは、高垂直異方性によるスピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子５００’’の一部の第２実施形態における第３バージョンを示す。磁気素子５００’’は、磁気素子５００と同様であり、従って、その利点を共有する。例えば、自由層５３０’’及び／又は５５０’’は、高垂直異方性を有する。更に、磁気素子１００’’’と同様なやり方で、自由層（１つ又は複数）５３０’’及び５５０’’には、好適には、図３Ｃに示す超高垂直異方性強磁性層１６０と同様な超高垂直異方性強磁性層（１つ又は複数）５９０及び５９１がそれぞれ含まれる。また、自由層（１つ又は複数）５３０’’及び５５０’’には、高スピン分極を有する強磁性層５９２及び５９３が含まれる。更に、ＡｌＣｕ２５nm等のシード層は、層５９１の垂直異方性の強化を支援するために、層５４０’’と５９１との間にオプションとして挿入し得る。更に、それぞれ、超高垂直異方性強磁性層（１つ又は複数）５９０及び５９１及び強磁性層（１つ又は複数）５９２及び５９３の厚さは、好適には、図示したように、超高垂直異方性強磁性層（１つ又は複数）５９０及び５９１及び強磁性層（１つ又は複数）５９２及び５９３の平衡磁化が、面内にあるように調整される。従って、超高垂直異方性強磁性層５９０及び５９１は、好適には、希土類遷移金属合金である。
他の選択肢として、超高垂直異方性強磁性層（１つ又は複数）５９０及び５９１は、ｎが、１と１０との間にあり、Ｃｏが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＦｅが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＣｒが３Ａ乃至２０Ａ、Ｐｄが１０Ａ乃至１００Ａ、Ｐｔが１０Ａ乃至１００Ａである時、多層［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ／Ｃｏ、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ／Ｃｏ、［ＣｏＦｅ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＦｅ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＣｒ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＣｒ、又は［ＣｏＣｒ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＣｒであってよい。繰り返し数ｎ及びＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＣｒ、Ｐｄ、及びＰｔの厳密な厚さは、総垂直異方性エネルギが自由層１３０’’’の総面外減磁エネルギの２０と９５パーセントとの間にあるように選択される。従って、自由層５３０’’及び／又は５５０’’の高垂直異方性を達成し得る。その結果、磁気素子１００’’’の恩恵も提供し得る。
従って、磁気素子１００、１００’、１００’’、１００’’’、２００、３００、３００’、３００’’、４００、５００、５００’、及び５００’’は、高垂直異方性及び／又は少なくとも１つの自由層における低い飽和磁化によるより小さいスイッチング電流密度でスピン転移を用いて書き込み得る。更に、磁気素子１００、１００’、１００’’、１００’’’、２００、３００、３００’、３００’’、４００、５００、５００’、及び５００’’の態様を組み合わせて、更なる恩典を提供し得る。
図８は、スピン転移のための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一実施形態を提供するための本発明に基づく方法６００の一実施形態のフローチャートを示す。方法６００について、磁気素子１００の文脈で述べる。しかしながら、方法６００が、磁気素子１００’、１００’’、１００’’’、２００、３００、３００’、３００’’、４００、５００、５００’及び／又は５００’’を提供するように構成することを妨げるものではない。ステップ６０２を介して、固定層１１０等の固定層を提供する。一実施形態において、ステップ６０２には、合成固定層を提供する段階が含まれる。スペーサ層１２０は、ステップ６０４を介して提供される。ステップ６０４には、バリア層又は導電層を提供する段階を含み得る。高垂直異方性を有する自由層１３０が、ステッ
プ６０６を介して提供される。幾つかの実施形態において、ステップ６０６に先立って、超高垂直異方性強磁性層又は応力誘起層を提供し得る。ステップ６０６には、合成自由層を提供する段階を含み得る。そのような実施形態において、ステップ６０６には、更に、自由層の強磁性層間に高スピン分極層を提供する段階を含み得る。磁気素子２００、３００、３００’、３００’’、４００、５００、５００’、及び／又は５００’’が提供される場合、追加の固定層、スペーサ層及び幾つかの実施形態では、自由層が、ステップ６０８を介して提供される。そのような実施形態では、自由層は、高垂直異方性を有し得る。従って、磁気素子１００’、１００’’、１００’’’、１００’’’’、２００、３００、３００’、３００’’、３００’’’、４００、５００、５００’、５００’’及び／又は５００’’’を提供し得る。
より小さいスイッチング電流密度でスピン転移を用いて書き込み得る磁気素子を提供するための方法及びシステムを開示した。本発明について、例示した実施形態に基づき説明したが、当業者は、実施形態に対する変形が存在し得ること、また、これらの変形は、本発明の精神及び範囲内にあることを容易に認識されるであろう。従って、多くの修正が、添付された請求項の精神及び範囲から逸脱することなく当業者によって行い得る。
従来の磁気素子であるスピンバルブを示す図。 他の従来の磁気素子であるスピントンネル接合を示す図。 スピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第１実施形態を示す図。 スピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第１実施形態における他のバージョンを示す図。 少なくとも高垂直異方性によるスピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第１実施形態における第２バージョンを示す図。 少なくとも高垂直異方性によるスピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第１実施形態における第３バージョンを示す図。 スピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の第２実施形態を示す図。 スピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の第２実施形態の好適なバージョンを示す図。 高垂直異方性によるスピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第２実施形態における第２バージョンを示す図。 高垂直異方性によるスピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第２実施形態における第３バージョンを示す図。 スピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第３実施形態を示す図。 スピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の第３実施形態の好適なバージョンを示す図。 少なくとも高垂直異方性によるスピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第３実施形態における他のバージョンを示す図。 少なくとも高垂直異方性によるスピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一部の第３実施形態における他のバージョンを示す図。 スピン転移スイッチングのための低減された書き込み電流密度を有する本発明に基づく磁気素子の一実施形態を提供するための本発明に基づく方法の一実施形態のフローチャートを示す図。

Claims (19)

  1. 固定層と、
    非磁性であるスペーサ層と、
    自由層磁化を有する自由層と、が含まれ、
    前記スペーサ層が、前記固定層と前記自由層との間にあり、前記自由層が、高垂直異方性及び面外減磁エネルギを有し、前記高垂直異方性が、前記面外減磁エネルギの少なくとも２０パーセントであり且つ１００パーセント未満である垂直異方性エネルギを有し、それによって前記自由層の磁化が面内に留まり、
    前記磁気素子は、書き込み電流が前記磁気素子を通過する時、前記自由層磁化がスピン転移により切り替えられるように構成される磁気素子。
  2. 第１固定層と、
    導電性及び非磁性であるスペーサ層と、
    自由層磁化を有する自由層であって、前記スペーサ層が、前記第１固定層と前記自由層との間にあり、前記自由層が、高垂直異方性及び面外減磁エネルギを有し、前記高垂直異方性が、前記面外減磁エネルギの少なくとも２０パーセントであり且つ１００パーセント未満の垂直異方性エネルギを有し、それによって前記自由層の磁化が面内に留まる、前記自由層と、
    絶縁体であり、また、トンネル通過可能な厚さを有するバリア層と、
    前記バリア層が前記自由層と第２固定層との間にある前記第２固定層と、が含まれ、
    前記磁気素子は、書き込み電流が前記磁気素子を通過する時、前記自由層磁化がスピン転移により切り替えられるように構成される磁気素子。
  3. 前記自由層は、単一の自由層である請求項２に記載の磁気素子。
  4. 前記第１固定層は、前記スペーサ層に隣接する強磁性層を含む第１合成固定層であり、前記強磁性層は第１磁化を有し、前記第２固定層は第２磁化を有し、また、前記第１磁化及び前記第２磁化は逆方向に向いている請求項２に記載の磁気素子。
  5. 前記第２固定層は第２合成固定層である請求項４に記載の磁気素子。
  6. 前記第２合成固定層には、前記バリア層に隣接する第２強磁性層が含まれ、前記第２強磁性層は第２磁化を有し、また、前記第１磁化及び前記第２磁化は逆方向に向いている請求項５に記載の磁気素子。
  7. 前記第１固定層及び前記第２固定層は、前記第１固定層及び前記第２固定層の双方からの電荷キャリアが、スピン転移による前記自由層磁化のスイッチングに寄与し得るように構成される請求項２に記載の磁気素子。
  8. 前記垂直異方性エネルギが、前記面外減磁エネルギの９５パーセント未満である請求項２に記載の磁気素子。
  9. 前記垂直異方性エネルギが、前記自由層の面外減磁エネルギの９０パーセントである請求項２に記載の磁気素子。
  10. 前記自由層には、Ｃｏ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＰｔ及び／又はＣｏＦｅＣｒＰｔが含まれる請求項２に記載の磁気素子。
  11. Ｃｒ及び／又はＰｔの量は、前記垂直異方性エネルギが、前記自由層の前記面外減磁エネルギの少なくとも２０パーセントであり且つ９５パーセント以下であるように調整される請求項１０に記載の磁気素子。
  12. 前記自由層に隣接するシード層が更に含まれており、前記シード層には、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕが含まれており、前記自由層には、Ｃｏ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＰｔ及び／もしくはＣｏＦｅＣｒＰｔが含まれ、又は、Ｃｏ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＰｔ及び／もしくはＣｏＦｅＣｒＰｔからなる多層組合せが含まれる請求項２に記載の磁気素子。
  13. 前記自由層には、Ｃｏ、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＰｔ及び／又はＣｏＦｅＣｒＰｔが含まれ、また、前記磁気素子は、前記自由層の高異方性の少なくとも一部を提供する前記自由層の固有応力を含むように構成される請求項２に記載の磁気素子。
  14. 前記自由層上に応力引上げ層が更に含まれ、前記応力引上げ層がＰｔ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｔａ、Ａｕ、及び／又はＣｕを含む請求項１３に記載の磁気素子。
  15. 前記自由層には更に、
    超高垂直異方性強磁性層と、
    高いスピン分極を有する強磁性層と、
    が含まれ、
    前記超高垂直異方性強磁性層は、前記強磁性層と前記超高垂直異方性強磁性層との組合せが前記高垂直異方性を有することを保証するためのものである請求項２に記載の磁気素子。
  16. 前記超高垂直異方性強磁性層には、ＧｄＦｅ及び／又はＧｄＣｏＦｅが含まれる請求項１５に記載の磁気素子。
  17. 前記超高垂直異方性強磁性層には、ｎが、１と１０との間にあり、Ｃｏが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＦｅが３Ａ乃至２０Ａ、ＣｏＣｒが３Ａ乃至２０Ａ、Ｐｄが１０Ａ乃至１００Ａ、Ｐｔが１０Ａ乃至１００Ａである時、［Ｃｏ／Ｐｄ］ｎ／Ｃｏ、［Ｃｏ／Ｐｔ］ｎ／Ｃｏ、［ＣｏＦｅ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＦｅ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＦｅ、［ＣｏＣｒ／Ｐｄ］ｎ／ＣｏＣｒ又は［ＣｏＣｒ／Ｐｔ］ｎ／ＣｏＣｒからなる多層が含まれる請求項１５に記載の磁気素子。
  18. ｎは、前記自由層の総垂直異方性エネルギが前記総面外減磁エネルギの２０と９５パーセントとの間にあるように選択される請求項１７に記載の磁気素子。
  19. 磁気素子を作製するための方法であって、
    固定層を作製する段階と、
    スペーサ層であって、非磁性である前記スペーサ層を作製する段階と、
    自由層磁化を有する自由層を作製する段階であって、前記スペーサ層が、前記固定層と前記自由層との間にあり、前記自由層が、高垂直異方性及び面外減磁エネルギを有し、前記垂直異方性が、前記面外減磁エネルギの少なくとも２０パーセントであり且つ１００パーセント未満である垂直異方性エネルギを有し、それによって前記自由層の磁化が面内に留まる、前記段階と、が含まれ、
    前記磁気素子は、書き込み電流が前記磁気素子を通過する時、前記自由層磁化がスピン転移により切り替えられるように構成される方法。
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