JP2008526046A - スピン伝送を切り換えるように構成された高スピン偏極層を有するmtj素子、及び該磁気素子を用いたスピントロニクス・デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
AlOx、又は(100)もしくは(111)のテクスチャを有する結晶性MgOを用いることが提案されてきた。かかる構造については、高抵抗状態と低抵抗状態との差が最大で数百パーセントまでの、大きい磁気抵抗が達成できる。
/10’の、磁気記憶内での有用性及び信頼性に悪影響を与える。高臨界電流は、高い書き込み電流に相当する。高い書き込み電流の使用は、望ましくない電力消費の増加に結び付く。高い書き込み電流は、記憶セルを形成するために絶縁トランジスタのような大型構造が従来型磁気素子10/10’と共に用いられることを必要とする可能性がある。その結果として、かかる記憶の面密度が低下する。加えて、高抵抗を、よって高信号を有する従来型磁気素子10’は、従来型バリア層16’が高い書き込み電流で絶縁破壊を受ける可能性があるために、信頼性が低い。よって、高い信号読み取りが達成できるとしても、従来型磁気素子10/10’は、従来型磁気素子10/10’に書き込むために高いスピン伝送切り換え電流を用いる高密度の従来型MRAMで用いるためには適していない可能性がある。
は強磁性体で、スピン伝送現象により変更されることのできる磁性を有する。スペーサ層75は伝導体で、Cuのような材料を含むことができる。第2のピン層76強磁性体で、AFM層77によりピン止めされる磁性を有する。好ましい実施例では、フリー層74に最も近い両強磁性層の磁性は、反強磁性的に位置合わせされる。よって、ピン層76の磁性は、層82の磁性と逆の方向である。デュアル・スピン・フィルタ70は、スピン・トンネル接合又は電流制限接合(層71,72,73,74を含む)及びスピン・バルブ(層74,75,76,77を含む)で構成され、両者がフリー層74を共有していると見なされることができる。その結果として、高い読み取り信号が達成できると同時に、スピン伝送を用いた書き込みが可能となる。単一の強磁性薄膜として説明されたが、層72,74,76は、デュアル・スピン・フィルタ70の熱安定性を改善するために合成層であることができ、及び/又はドープ処理されることができる。加えて、静磁気的に結合されたフリー層を有するデュアル・スピン・フィルタを含め、静磁気的に結合されたフリー層を有するその他の磁気素子についても説明されてきた。故に、スピン・トンネル接合又はデュアル・スピン・フィルタのような磁気素子を用いたその他の構造も提供されることができる。
ア層は、フリー層又は第1のピン層のような別の層とのインタフェースを有する。このインタフェースは、少なくとも50パーセントの高スピン偏極を提供する構造を有する。第2のバリア層は絶縁体で、第2のバリア層を通過するトンネル現象を可能にするように構成される。磁気素子は、書き込み電流が磁気素子を通過する時にスピン伝送によりフリー層が切り換えられることを可能にするように構成される。
は、逆平行であることが好ましい。故に、強磁性層110の磁性111は、ピン層118の磁性119に逆平行であることが好ましい。
さらに、インタフェース113,115のような上記インタフェースのおかげで、高スピン偏極が達成される。その結果、磁気素子100の磁気抵抗信号は増大することができる。加えて、信号の大部分は、層104と114との間に第1のバリア層を有する磁気素子100の部分に由来するものである。従って、磁気素子100からの信号は増大することができる。例えば、120パーセントを上回る磁気抵抗が達成できることが期待される。さらに、かかる磁気素子100のRAは相対的に低く、好ましくは、ほぼ10〜100オーム平方マイクロメートル程度である。その上、磁性119と111が逆平行に位置合わせされるために、スピン伝送時の切り換え電流は加法的である。その結果として、フリー層114の磁性は、低電流で切り換えられることができる。さらに、フリー層114の磁性を切り換えるために必要な臨界電流は、スピン偏極に反比例する。その結果として、フリー層112の磁性を切り換えるために必要な臨界電流は、さらに低減できるはずである。このようにして、高密度磁気記憶内で用いられるための磁気素子100の電力消費及び能力は改善されることができる。
ド〜5000エルステッド)の、垂直異方性を有するはずである。さらに、フリー層164は、図4に示されたフリー層114’のような3層であることもできるはずである。図5に戻り、よって、好ましい実施例では、フリー層164は、低垂直異方性及び/又は低モーメントを有するように構成される。
方向もしくは(111)方向に高度にテクスチャ化される。
AFM層202は、PtMn,IrMnのような材料を含む。加えて、シード層203が、望ましいテクスチャのAFM層202を提供するために基板201上に使用できる。フリー層214及びピン層204(又は強磁性層206,210)のような強磁性層は、Ni,Co,Feの少なくとも1つを含む。例えば、かかる材料は、CoFe,CoFe,Ni,CoFeB(Bは5原子パーセント以上〜30原子パーセント以下)、CoFeC,CoFeHfを含むがそれらに限定されない。よって、磁気素子200は、磁気素子100,100’ ,150,150’のいずれかの一部の特別な事例であると見なされることができる。
Claims (57)
- 磁気素子であって、該磁気素子が、
第1のピン層と、
第1のバリア層であって、該第1のバリア層が絶縁体で、該第1のバリア層を通過するトンネル現象を可能にするように構成され、該第1のバリア層が別の層とのインタフェースを有し、該インタフェースが、少なくとも50パーセントの高スピン偏極を提供する構造を有する、第1のバリア層と、
フリー層であって、該第1のバリア層が該第1のピン層と該フリー層との間にある、フリー層と、
第2のバリア層であって、該フリー層が該第1のバリア層と該第2のバリア層との間にあり、該第2のバリア層が絶縁体で、該第2のバリア層を通過するトンネル現象を可能にするように構成される、第2のバリア層と、
第2のピン層であって、該第2のバリア層が該フリー層と該第2のピン層との間にある、第2のピン層とを含み、
該磁気素子が、書き込み電流が該磁気素子を通過する時にスピン伝送により該フリー層が切り換えられることを可能にするように構成される、磁気素子。 - 該第1のピン層が結晶が集合したテクスチャである第1の結晶集合テクスチャを有する、請求項1の磁気素子。
- 該第1の結晶集合テクスチャが(100)及び(111)である、請求項2の磁気素子。
- 該第1のバリア層が、(100)及び(111)のテクスチャを有する結晶性MgOを含む、請求項1の磁気素子。
- 該第1のピン層が非晶質構造を有する、請求項1の磁気素子。
- 該第2のバリア層がアルミニウムの酸化物をさらに含む、請求項1の磁気素子。
- 該第1のピン層が、第1の方向にピン止めされた第1の磁性を有し、該第2のピン層が、該第1の方向とは逆の第2の方向にピン止めされた第2の磁性を有する、請求項1の磁気素子。
- 該フリー層が、第1の磁性層、第2の磁性層、及び該第1の磁性層と該第2の磁性層との間の非磁性スペーサ層を含む合成フリー層である、請求項1の磁気素子。
- 該非磁性スペーサ層がRu、Cu、Ir、Re及びRhを含み、約2〜20オングストロームの厚さを有する、請求項8の磁気素子。
- 該第1の磁性層が第1の磁性を有し、該第2の磁性層が第2の磁性を有し、該第1の磁性と該第2の磁性とが平行である、請求項9の磁気素子。
- 該第1の磁性層が第1の磁性を有し、該第2の磁性層が第2の磁性を有し、該第1の磁性と該第2の磁性とが逆平行である、請求項9の磁気素子。
- 該第1のピン層が、第1の磁性層、第2の磁性層、及び該第1の磁性層と該第2の磁性層との間の非磁性スペーサ層を含む合成ピン層である、請求項1の磁気素子。
- 該第2のピン層が、第1の磁性層、第2の磁性層、第3の磁性層、第1の非磁性スペーサ
層及び第2の非磁性スペーサ層を含む合成ピン層であり、該第1の非磁性スペーサ層が該第1の磁性層と該第2の磁性層との間にあり、該第2の非磁性スペーサ層が該第2の磁性層と該第3の磁性層との間にある、請求項12の磁気素子。 - 該第1のピン層、該フリー層及び該第2のピン層がNi、Co及びFeの少なくとも1つを含む、請求項1の磁気素子。
- 該第1のピン層、該フリー層及び該第2のピン層がCoFeBx、CoFeCx、CoFeHfx、CoPtx、CoPdxの少なくとも1つを含み、xが約5原子パーセント〜約50原子パーセントである、請求項1の磁気素子。
- 該フリー層が低モーメントのフリー層である、請求項1の磁気素子。
- 該低モーメントのフリー層が、30900〜103000A/m(300emu/cc〜1000emu/cc)の飽和磁化を有する、請求項16の磁気素子。
- 該フリー層が、7960〜398000m/A(100エルステッド〜5000エルステッド)の低い垂直異方性値を有する、請求項1の磁気素子。
- 該フリー層が、第1の層、第2の層及び第3の層を含む3層であり、該第2の層が該第1の層と該第3の層との間にはさまれ、該第1の層が該第1のバリア層に隣接して第1の高スピン偏極を有し、該第3の層が該第2のバリア層に隣接して第2の高スピン偏極を有し、該第2の層が低モーメント又は低垂直異方性を有する、請求項1の磁気素子。
- 該インタフェースが該フリー層と該第1のバリア層との間にある、請求項1の磁気素子。
- 該インタフェースが該第1のピン層と該第1のバリア層との間にある、請求項1の磁気素子。
- 該スピン偏極が少なくとも50パーセントである、請求項1の磁気素子。
- 該スピン偏極が約85パーセントである、請求項22の磁気素子。
- 該第2のバリア層が、第3の層との第2のインタフェースを含み、該第2のインタフェースが、少なくとも50パーセントの第2の高スピン偏極を提供する第2の構造を有する、請求項1の磁気素子。
- 該第1のバリア層と該第1のピン層との間にあるインタフェース層であって、該インタフェース層が伝導性の非磁性体である、インタフェース層を、さらに含む請求項1の磁気素子。
- 該インタフェース層がCu、Ru、Rh、Ir及びReの少なくとも1つを含む、請求項21の磁気素子。
- 該第1のバリア層と該フリー層との間にあるインタフェース層であって、該インタフェース層が伝導性の非磁性体である、インタフェース層を、さらに含む請求項1の磁気素子。
- 該第2のバリア層と該第2のピン層との間にあるインタフェース層であって、該インタフェース層が伝導性の非磁性体であり、該第2のバリア層が、第3の層との第2のインタフェースを含み、該第2のインタフェースが、少なくとも50パーセントの第2の高スピン
偏極を提供する第2の構造を有する、インタフェース層を、さらに含む請求項1の磁気素子。 - 該第2のバリア層と該フリー層との間にあるインタフェース層であって、該インタフェース層が伝導性の非磁性体であり、該第2のバリア層が、第3の層との第2のインタフェースを含み、該第2のインタフェースが、少なくとも50パーセントの第2の高スピン偏極を提供する第2の構造を有する、インタフェース層を、さらに含む請求項1の磁気素子。
- 磁気素子であって、該磁気素子が、
第1のピン層と、
第1のバリア層であって、該第1のバリア層が絶縁体で、該第1のバリア層を通過するトンネル現象を可能にするように構成され、該第1のバリア層が別の層とのインタフェースを有し、該インタフェースが、少なくとも50パーセントの高スピン偏極を提供する構造を有し、該第1のバリア層がMgOを含む、第1のバリア層と、
フリー層であって、該第1のバリア層が該第1のピン層と該フリー層との間にある、フリー層と、
第2のバリア層であって、該フリー層が該第1のバリア層と該第2のバリア層との間にあり、該第2のバリア層が絶縁体で、該第2のバリア層を通過するトンネル現象を可能にする構成され、該第2のバリア層がMgO及び酸化アルミニウムの少なくとも1つを含む、第2のバリア層と、
第2のピン層であって、該第2のバリア層が該フリー層と該第2のピン層との間にある、第2のピン層とを含み、
該磁気素子が、書き込み電流が該磁気素子を通過する時にスピン伝送により該フリー層が切り換えられることを可能にするように構成される、磁気素子。 - 磁気素子であって、該磁気素子が、
ピン層と、
バリア層であって、該バリア層が、(100)又は(111)のテクスチャを有する結晶性MgOで、該バリア層を通過するトンネル現象を可能にするように構成される、バリア層と、
フリー層であって、該バリア層が該ピン層と該フリー層との間にあり、該フリー層が、低モーメント及び低垂直異方性の少なくとも1つを有する、フリー層とを含み、
該磁気素子が、書き込み電流が該磁気素子を通過する時にスピン伝送により該フリー層が切り換えられることを可能にするように構成される、磁気素子。 - 該フリー層が、30900〜103000A/m(300emu/cc〜1000emu/cc)の飽和磁化を有する、請求項31の磁気素子。
- 該フリー層が、7960〜398000m/A(100エルステッド〜5000エルステッド)の低い垂直異方性値を有する、請求項31の磁気素子。
- 該フリー層が、第1の部分及び第2の部分を含む2層であり、該第1の部分が該バリア層に隣接して高スピン偏極を有し、該フリー層の第2の部分が低モーメント又は低垂直異方性を有する、請求項31の磁気素子。
- 第2のバリア層であって、該フリー層が該第2のバリア層と該バリア層との間にある、第2のバリア層と、
第2のピン層であって、該第2のバリア層が該フリー層と該第2のピン層との間にあり、該第2のバリア層が、該第2のバリア層を通過するトンネル現象を可能にするように構成される、第2のピン層とを、さらに含む請求項34の磁気素子。 - 磁気素子を提供する方法であって、該方法が、
第1のピン層を提供するステップと、
第1のバリア層を提供するステップであって、該第1のバリア層が絶縁体で、該第1のバリア層を通過するトンネル現象を可能にするように構成され、該第1のバリア層が別の層とのインタフェースを有し、該インタフェースが、少なくとも50パーセントの高スピン偏極を提供する構造を有する、ステップと、
フリー層を提供するステップであって、該第1のバリア層が該第1のピン層と該フリー層との間にある、ステップと、
第2のバリア層を提供するステップであって、該フリー層が第1のバリア層と該第2のバリア層との間にあり、該第2のバリア層が絶縁体で、該第2のバリア層を通過するトンネル現象を可能にするように構成される、ステップと、
第2のピン層を提供するステップであって、該第2のバリア層が該フリー層と該第2のピン層との間にある、ステップとを含み、
該磁気素子が、書き込み電流が該磁気素子を通過する時にスピン伝送により該フリー層が切り換えられることを可能にするように構成される、方法。 - 該ピン層を提供するステップが、第1の結晶集合テクスチャ又は非晶質構造を有する該ピン層を、提供するステップをさらに含む、請求項36の方法。
- 該第1の結晶集合テクスチャが(100)及び(111)である、請求項37の方法。
- 該第1のバリア層を提供するステップが、
(100)及び(111)のテクスチャを有する結晶性MgOを提供するステップをさらに含む、請求項36の方法。 - 該第2のバリア層を提供するステップが、
アルミニウムの酸化物をさらに含む該第2のバリア層を、提供するステップをさらに含む、請求項36の方法。 - 該第1のピン層が、第1の方向にピン止めされた第1の磁性を有し、該第2のピン層が、該第1の方向とは逆の第2の方向にピン止めされた第2の磁性を有する、請求項36の方法。
- 該フリー層を提供するステップが、
第1の磁性層、第2の磁性層、及び該第1の磁性層と該第2の磁性層との間の非磁性スペーサ層を含む合成フリー層を提供するステップをさらに含む、請求項36の方法。 - 該非磁性スペーサ層がRu、Ru、Cu、Ir又はRhのいずれかを含み、約2〜20オングストロームの厚さを有する、請求項42の方法。
- 該第1の磁性層が第1の磁性を有し、該第2の磁性層が第2の磁性を有し、該第1の磁性と該第2の磁性が平行である、請求項43の方法。
- 該第1の磁性層が第1の磁性を有し、該第2の磁性層が第2の磁性を有し、該第1の磁性と該第2の磁性が逆平行である、請求項42の方法。
- 該第1のピン層を提供するステップが、
第1の磁性層、第2の磁性層、第3の磁性層、並びに該第1の磁性層と該第2の磁性層との間の第1の非磁性スペーサ層、及び該第2の磁性層と該第3の磁性層との間の第2の非
磁性スペーサ層を含む合成ピン層を、提供するステップをさらに含む、請求項36の方法。 - 該第1のピン層、該フリー層及び該第2のピン層がCoFeBx、CoFeCx、CoFeHfx、CoPtx、CoPdxの少なくとも1つを含み、xが約5原子パーセント〜約50原子パーセントである、請求項36の方法。
- インタフェースが、該フリー層と該第1のバリア層との間にある、請求項36の方法。
- 該インタフェースが、該第1のピン層と該第1のバリア層との間にある、請求項36の方法。
- 該スピン偏極が少なくとも50パーセントである、請求項36の方法。
- 該スピン偏極が約85パーセントである、請求項50の方法。
- 該第2のバリア層が、第3の層との第2のインタフェースを含み、該第2のインタフェースが、少なくとも50パーセントの第2の高スピン偏極を提供する第2の構造を有する、請求項36の方法。
- 該第1のバリア層と該第1のピン層との間にあるインタフェース層を提供するステップであって、該インタフェース層が伝導性の非磁性体である、ステップを、さらに含む請求項36の方法。
- 該インタフェース層がCu、Ru、Rh、Ir及びReの少なくとも1つを含む、請求項53の方法。
- 該第1のバリア層と該フリー層との間にあるインタフェース層を提供するステップであって、該インタフェース層が伝導性の非磁性体である、ステップを、さらに含む請求項36の方法。
- 該第2のバリア層と該第2のピン層との間にあるインタフェース層を提供するステップであって、該インタフェース層が伝導性の非磁性体であり、該第2のバリア層が、第3の層との第2のインタフェースを含み、該第2のインタフェースが、少なくとも50パーセントの第2の高スピン偏極を提供する第2の構造を有する、ステップを、さらに含む請求項36の方法。
- 該第2のバリア層と該フリー層との間にあるインタフェース層を提供するステップであって、該インタフェース層が伝導性の非磁性体であり、該第2のバリア層が、第3の層との第2のインタフェースを含み、該第2のインタフェースが、少なくとも50パーセントの第2の高スピン偏極を提供する第2の構造を有する、ステップを、さらに含む請求項36の方法。
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