JP2012104848A - 低飽和磁化自由層を有するスピン転移磁気素子 - Google Patents

Abstract

【課題】より低いスイッチング電流密度で磁気素子に書き込みを行うこと。
【解決手段】磁気素子１００は、固定層１１０と、非磁性であるスペーサ層１２０と、自由層磁化を有する自由層１３０とを備える。スペーサ層１２０は、固定層１１０と自由層１３０との間に存在する。自由層１３０は、被ドープ強磁性材料を含む。被ドープ強磁性材料は、自由層１３０が室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の低飽和磁化を有するように、少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料か、フェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料か、又は、少なくとも１つの非磁性材料で希釈され且つフェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料を含む。書き込み電流が磁気素子１００を通過する時、自由層磁化がスピン転移を用いて切換えられる。
【選択図】図２Ａ

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、スピン転移効果を採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を含む。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の変更が可能なものとして示す。従来の導電性スペーサ層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。自由層１８の磁化は、通常、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’は、ＡＦＭ層１２’、従来の固定層１４’、従来の絶縁障壁層１６’及び磁化１９’が変更可能な従来の自由層１８’を含む。従来の障壁層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。

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’に関して説明するが、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、スロンチェウスキ（Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ）による“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｖｏｌ．１５９，ｐ．Ｌ１（１９９６）、バーガー（Ｌ．Ｂｅｒｇｅｒ）による“Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｉｎ Ｗａｖｅｓ ｂｙ ａ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｔｒａｖｅｒｓｅｄ ｂｙ ａ Ｃｕｒｒｅｎｔ”，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，ｖｏｌ．５４，ｐ．９３５３（１９９６）、並びにアルバート（Ｆ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ）、カティン（Ｊ．Ａ．Ｋａｔｉｎｅ）、及びバーマン（Ｒ．Ａ．Ｂｕｈｒｍａｎ）による“Ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ａ Ｃｏ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｎａｎｏｍａｇｎｅｔ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．７７，Ｎｏ．２３，ｐ．３８０９（２０００）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。

スピン偏極電流が、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１０^７〜１０^８Ａ／ｃｍ^２）、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、スピン偏極電流は、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偏極される。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’の磁化の方向に偏極される。これら多数電子は、従来の固定層１４’を透過する。少数電子は、従来の固定層１４’で反射され、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し得る。特に、スイッチング電流密度は、数１０^７Ａ／ｃｍ^２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、従来の素子１０等のスピンバルブを用いる場合、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、抵抗は、１千オームを超え、抵抗変化の割合は、４０パーセントを超え得る。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し得る。

本発明の目的は、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、且つ消費電力を低減し得る磁気素子を提供することにある。

本発明の第１の態様は、磁気素子である。磁気素子は、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存在し、被ドープ強磁性材料を含む前記自由層と、を備え、前記被ドープ強磁性材料は、前記自由層が室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の低飽和磁化を有するように、少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料か、フェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料か、又は、少なくとも１つの非磁性材料で希釈され且つフェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料を含み、前記少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料は、少なくともＣｏＸ、ＦｅＸ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ、ＣｏＸＹ、ＦｅＸＹ、ＣｏＦｅＸＹ、ＮｉＦｅＸＹ、及び／又はＣｏＮｉＦｅＸＹ（ここで、Ｘ又はＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ、ＴａＣｕＮである）、及び／又はＣｏＦｅＸ（ここで、Ｘは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ及びＴａＣｕＮである）を含み、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ていることを特徴とする。

本発明の第２の態様は、磁気素子である。磁気素子は、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存在し、低飽和磁化自由層である前記自由層であって、室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の低飽和磁化を有するように被ドープ強磁性材料を含む前記自由層と、絶縁体である障壁層であって、トンネル通過可能な厚さを有する前記障壁層と、第２固定層であって、前記障壁層が前記自由層と前記第２固定層との間に存在する前記第２固定層と、を備え、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ていることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、磁気素子である。磁気素子は、第１固定層と、非磁性である第１スペーサ層と、第１自由層であって、前記第１スペーサ層が前記第１固定層と前記第１自由層との間に存在する、前記第１自由層と、第２自由層磁化を有する第２自由層であって、前記第１自由層及び前記第２自由層が静磁気的に結合されている、前記第２自由層と、非磁性である第２スペーサ層と、第２固定層であって、前記第２スペーサ層が前記第２自由層と前記第２固定層との間に存在する、前記第２固定層と、を備え、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ており、前記第１自由層は第１低飽和磁化を有するように構成されており、及び／又は前記第２自由層は第２低飽和磁化を有するように構成されており、前記第１自由層が室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の前記第１低飽和磁化を有するように被ドープ強磁性材料を含み、及び／又は前記第２自由層が室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の前記第２低飽和磁化を有するように被ドープ強磁性材料を含むことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、磁気素子を提供するための方法である。当該方法は、固定層を設けること、非磁性であるスペーサ層を設けること、自由層磁化を有する自由層を設けることであって、前記スペーサ層が前記固定層と前記自由層との間に存在し、前記自由層が被ドープ強磁性材料を含み、前記被ドープ強磁性材料は、前記自由層が室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の低飽和磁化を有するように、少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料か、フェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料か、又は、少なくとも１つの非磁性材料で希釈され且つフェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料を含む、前記自由層を設けること、を備え、前記少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料は、少なくともＣｏＸ、ＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ、ＣｏＸＹ、ＦｅＸＹ、ＣｏＦｅＸＹ、ＮｉＦｅＸＹ、及び／又はＣｏＮｉＦｅＸＹ（ここで、Ｘ又はＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ、ＴａＣｕＮである）、及び／又はＣｏＦｅＸ（ここで、Ｘは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ及びＴａＣｕＮである）を含み、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ていることを特徴とする。

本発明によれば、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を提供することができる。

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態様を示す図。 低飽和磁化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実施形態における態様を示す図。 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実施形態における好適な態様を示す図。 低飽和磁化自由層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実施形態における他の態様を示す図。 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実施形態の好適な態様を示す図。 少なくとも低飽和磁化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態様を示す図。 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。

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、特許出願及びその要求事項の観点で提供する。好適な実施形態に対する種々の変更は、当業者には容易に明らかであり、また、本明細書における全般的な原理は、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と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。磁気素子は、少なくとも固定層、非磁性スペーサ層、及び自由層を含む。スペーサ層は、固定層と自由層との間に存在する。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、磁気素子は、更に、障壁層、第２固定層を含む。他の態様において、磁気素子は、更に、第２スペーサ層と、第２固定層と、自由層に静磁気的に結合された第２自由層と、を含む。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自由層との間に存在し、分離層が、好適には、第１自由層と第２自由層との間に設けられ、それらが静磁気的に結合されることを保証する。１つ又は複数の自由層が、低飽和磁化を有するように構成される。ある態様において、複数の自由層の一つ又は双方は、非磁性材料（１つ又は複数）で希釈された強磁性材料（１つ又は複数）を含むか、フェリ磁性的にドープされた強磁性材料（１つ又は複数）を含むか、又は非磁性材料（１つ又は複数）で希釈され、かつフェリ磁性的にドープされた強磁性材料（１つ又は複数）を含み、低飽和磁化（１つ又は複数）を提供し得る。

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し得る。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に関して説明する。従って、本方法及びシステムに関する理論的な説明は、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し得る。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に関して説明されることを当業者は容易に認識し得る。例えば、図面に示すように、構造の底部は、通常、構造の頂部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し得る。更に、本方法及びシステムは、或る層が合成及び／又は単一であることに関して説明される。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し得る。例えば、本方法及びシステムは、単一自由層に関して説明されるが、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観点で説明されている。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し得る。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”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”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を含む。また、本発明を、単一の要素という観点で説明する。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し得る。また、本発明を、より低いスイッチング電流を提供する低飽和磁化自由層を利用するという観点で説明する。本発明に基づく方法及びシステムは、高垂直異方性自由層等のスイッチング電流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し得る。

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は、固定層１１０、スペーサ層１２０、自由層１３０を含む。後述するように、自由層１３０は、低飽和磁化を有するように構成される。また、磁気素子１００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、を含む。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、その自由層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与えられる。

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は、非磁性層によって分離された強磁性層を含み、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、（Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ／Ｃｕ）ｎの多層であってよく、ここで、ｎは、Ｆｅ_ｘＣｏ_１−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、１〜８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障壁層である。そのような実施形態において、障壁層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、低飽和磁化を有するように構成される。本明細書に用いられる低飽和磁化は、ほぼＣｏの飽和磁化以下であって、室温で約１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３である飽和磁化を意味する。

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、同様な符号で表示する。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、低飽和磁化を有する自由層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。更に、強磁性層１３２及び１３６のいずれか又は双方は、低飽和磁化を有する。図２Ａ及び２Ｂにおいて、理解を容易にするために、以下では、基本的に自由層１３０を参照して説明する。しかしながら、ここで説明する原理は、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。

図２Ａに戻ると、低飽和磁化は、好適には、非磁性材料（１つ又は複数）で強磁性材料（１つ又は複数）を希釈することによって、及び／又は、反平行スピン配向を促進する不純物を強磁性材料（１つ又は複数）にドーピングすることによって、提供される。好適な実施形態において、低飽和磁化は、非磁性材料（１つ又は複数）で強磁性材料（１つ又は複数）を希釈すること、又は、反平行スピン配向を促進する不純物を強磁性材料（１つ又は複数）にドーピングすることのいずれかによって提供され、双方にはよらない。

スイッチング電流密度を低減する低飽和磁化の機能は、スロンチェウスキ（Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｌｋｉ）による“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｖｏｌ．１５９，ｐ．Ｌ１〜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、スピン転移積層の自由層用のスイッチング電流密度Ｊｃは、以下の式に比例する。即ち、
αｔＭ_ｓ［Ｈ_ｅｆｆ−２πＭ_ｓ］／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
Ｍ_ｓ＝自由層の飽和磁化
Ｈ_ｅｆｆ＝自由層の有効磁場
であり、ｇ（θ）は、スピン転移効率を反映する。

有効磁場Ｈ_ｅｆｆ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を含む。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。

自由層１３０の磁化１３１は、面外減磁項２πＭ_ｓが、項Ｈ_ｅｆｆに勝る場合、膜面内に位置する（即ち、図２Ａにおいて、磁化は、上又は下向きの成分を有さない）。その結果、そのような膜、即ち、Ｈ_ｅｆｆよりかなり大きい２πＭ_ｓを有する磁性薄膜の場合、スイッチング電流密度は、Ｍ_ｓ ^２にほぼ比例する。従って、減衰定数及び分極因子等の他の該当するパラメータを大幅に変更することなく、自由層１３０の飽和磁化Ｍ_ｓを小さくすると、スイッチング電流密度が小さくなる。

自由層１３０の低飽和磁化を得るために、非磁性希釈か、フェリ磁性ドーピングか、又は、非磁性希釈及びフェリ磁性ドーピングの双方が好適に用いられる。非磁性希釈は、強磁性材料と非磁性材料とが、自由層１３０内において又は自由層１３０用に用いられる単一の強磁性層において組み合わせられる時に起こる。また、非磁性希釈は、強磁性及び非磁性材料が交互に並ぶ極めて薄い（好適には、１〜８オングストローム厚）相互拡散層を含む多層が特定の強磁性層に用いられる時に起こり得る。従って、低飽和磁化自由層１３０又は自由層１３０’が合成である場合、その構成要素の強磁性層１３２及び１３６は、強磁性及び非磁性材料を組合せることによって形成し得る。例えば、低飽和自由層１３０は、材料ＣｏＸ、ＦｅＸ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ、ＣｏＸＹ、ＦｅＸＹ、ＣｏＦｅＸＹ、ＮｉＦｅＸＹ及び／又はＣｏＮｉＦｅＸＹを用いて設けられる。ここで、Ｘ又はＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ、ＴａＣｕＮである。好適な実施形態において、希釈元素Ｘ及びＹは、５〜８０原子パーセントの範囲を取り得るＰｔ及びＰｄを除き、５〜６０原子パーセントの範囲である。例えば、ＣｏＣｒ_{０．１５７}及びＣｏＣｒ_{０．２０５}は、それぞれＭ_ｓ＝７５０及び４５０ｅｍｕ／ｃｍ^２を有する。これらは、純粋なＣｏの飽和磁化の大幅な低減である。ｊ＝０．０３〜０．２０とすると、他の例において、ＣｏＢ_ｊ及び／又はＣｏＦｅＢ_ｊを用い得る。そのような組合せは、より低い飽和磁化を有するが、ほぼ同じスピン分極を維持する。最後に、磁気素子１００又は後述する１００’の場合、希釈によって提供される低飽和自由層１３０は、材料（１つ又は複数）ＣｏＸ、ＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ、ＣｏＸＹ、ＦｅＸＹ、ＣｏＦｅＸＹ、ＮｉＦｅＸＹ及び／又はＣｏＮｉＦｅＸＹ（ここで、Ｘ又はＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ、ＴａＣｕＮである）、及び／又はＣｏＦｅＸ（ここで、Ｘは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ、ＴａＣｕＮである）を含む。また、上記Ｘ又はＹに用いられるＴａＮ、ＣｕＮ、又はＴａＣｕＮに窒素ドーピングを導入するための１つの共通の方法は、反応性スパッタリングによるものであり、この場合、Ｎ_２ガスがＡｒガスに混合される。例えば、０．０１−５ｍＴ局部圧力のＮ_２ガスが、１−５ｍＴ局部圧力のＡｒガスに混合される。

上述したように、低飽和磁化自由層１３０は、多層を用いることによっても提供し得る。従って、自由層１３０、又は、自由層１３０が合成である場合、その構成要素の強磁性層１３２及び１３６は、極めて薄い（好適には、１〜８オングストローム厚）相互拡散強磁性及び非磁性層の多層を提供することによって形成し得る。一実施形態において、（Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ／Ｃｕ）ｎの多層を用い得る。従って、Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘの層及びＣｕの層からなる二分子層が、多層の各繰り返しに存在する。そのような実施形態において、二分子層の繰り返しの数は、ｎであり、ｎは、１より大きい。更に、ｘは、Ｆｅの原子割合を表す。従って、ｘは、１より小さく、好適には、０．５である。また、好適な実施形態において、そのような二分子層のＣｕ及びＦｅＣｏ層は、１〜８オングストローム厚である。結果的に生じる多層は、自由層又はその構成要素の強磁性層を設けるための低飽和磁化材料として用い得る。極めて薄く不連続なＣｕ層のために、ＦｅＣｏとＣｕとの間における大幅な相互拡散が、多層（Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ／Ｃｕ）ｎ積層の二分子層において、特に、何らかのアニール後、起こり得る。この相互拡散により、低飽和磁化が生じる。更に、多層（Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ／Ｃｕ）ｎの場合、巨大比抵抗のスピン依存性が増加する。この巨大比抵抗のスピン依存性の増加によって、自由層１３０を希釈するための多層手法を用いる際、追加の利点が提供される。

また、フェリ磁性ドーピングを用いて、自由層１３０の低飽和磁化を提供し得る。そのような実施形態において、自由層１３０又は強磁性層１３２及び１３６は、フェリ磁性ドーピングを受けた強磁性材料を用いて設けられる。フェリ磁性ドーピングは、一般的に、強磁性体がスピンの反平行配向を促進する不純物でドープされる場合に起こる。このスピンの配向によって、フェリ磁性体は、飽和磁化が大幅に減少し得る。例えば、Ｇｄ及びＴｂをＮｉ_８１Ｆｅ_１９にドーピングすると、飽和磁化が急激に減少することが分かっている。この飽和磁化の減少は、Ｇｄ及びＴｂスピンがＮｉ_８１Ｆｅ_１９磁化に反平行に並ぶという理論と整合性がある。そのようなドーピングの更なる説明については、ウィリアム・ベイリー（Ｗｉｌｌｉａｍ＿Ｂａｉｌｅｙ）らによる“Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ ｄｏｐａｎｔｓ”，ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ３７，Ｎｕｍｂｅｒ ４，Ｊｕｌｙ ２００１，ｐｐ．１７４９−１７５４を参照されたい。しかしながら、Ｔｂドーピングは、Ｇｄドーピングと異なり、減衰を大幅に増大し得る。現象学的ギルバート減衰定数αの増加は、低飽和磁化によってもたらされるスイッチング電流密度減少の一部又は全てを相殺し得る。その結果、Ｇｄを用いたドーピングは、Ｔｂを用いたドーピングより好ましい。いずれの場合でも、希土類は、５〜６０原子パーセントの範囲内とするのがよい。

従って、磁気素子１００の一実施形態において、自由層１３０の飽和磁化は、自由層１３０に用いられる強磁性材料のフェリ磁性ドーピングによって低減し得る。幾つかの実施形態において、フェリ磁性ドーピングは、Ｘが希土類元素Ｇｄ及び／又はＴｂであるとすると、用いられる材料の組合せがＣｏＸ、ＦｅＸ、ＣｏＦｅＸ及び／又はＮｉＦｅＸであるように行われる。Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、又はＲｕ等の追加のドーパントも、飽和磁化を更に低減するために提供し得る。

更に、磁気素子１００は、高スピン分極材料の少なくとも１つの薄膜コーティングを含み得る。そのような磁気素子１００’’の一実施形態を図３に示す。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、同様な符号で表示する。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。従って、磁気素子は、低飽和磁化の自由層１３０’’を含み、スピン転移を用いて書き込まれる。磁気素子１００’’は、また、自由層１３０’’とスペーサ層１２０’’との間の界面に３〜８オングストローム厚のＣｏＦｅ等の高スピン分極層１４０を含み、磁気抵抗効果及びスピントルクを増大する。高スピン分極材料は、隣接する強磁性層よりも高スピン分極を有する。自由層１３０’’が合成である場合、例えば、図２Ｂに示す磁気素子１００’の場合、各強磁性層１３２及び１３６は、高スピン分極層１４０等の高スピン分極層間に挟まれる。従って、自由層１３０、１３０’及び／又は１３０’’の低飽和磁化及び結果的に生じるスイッチング電流密度の減少は、種々の方法で提供し得る。

従って、磁気素子１００、１００’、及び１００’’は、上記の如く定義されたように、低飽和磁化を有する自由層１３０、１３０’、及び１３０’’をそれぞれ含む。その結果、磁気素子１００、１００’、及び１００’’は、より低いスイッチング電流でスピン転移を用いて書き込み得る。従って、低スイッチング電流の効果を達成し得る。

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を含む。スピンバルブ部２０４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と、Ｃｕ等の導電性スペーサ層２４０と、自由層２３０とを含む。他の一実施形態において、導電性スペーサ層２４０は、障壁層によって置き換え得る。スピントンネル接合部２０２は、好適には、反強磁性（ＡＦＭ）層２０６であるピン止め層２０６と、固定層２１０と、電子がトンネル通過し得るように構成された絶縁体である障壁層２２０と、自由層２３０とを含む。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が絶縁障壁層である場合、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は、ｎを１より大きい繰り返し数とすると、多層（Ｆｅ_ｘＣｏ_１−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、１〜８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、低飽和磁化を有する。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を含む。

自由層２３０は、好適には、自由層１３０、１３０’及び／又は１３０’’と同様な方法で構成される。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の低飽和磁化を達成し得る。例えば、非磁性材料による希釈を用いるか、フェリ磁性ドーピングを用いるか、又は、被磁性材料による希釈とフェリ磁性ドーピングとの双方とを用いて、自由層３３０の低飽和磁化を達成し得る。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’’及びそれらの組合せの利点を共有し得る。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の双方が、自由層２３０の書き込みに寄与し得る。障壁層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態様である。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、同様な符号で表示する。従って、磁気素子は、自由層２３０に対応する自由層３３０を含み、これは、低飽和磁化を有し、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’’及び／又は自由層２３０と同様な方法で構成される。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の低飽和磁化を達成し得る。例えば、非磁性材料による希釈か、フェリ磁性ドーピングか、又は、それらの双方を用いて、自由層３３０の低飽和磁化を達成し得る。更に、自由層１３０’を基にして上述したように、自由層３３０は、合成であってよい。自由層３３０の低飽和磁化のために、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’’、２００及びそれらの組合せの利点を共有し得る。障壁層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、障壁層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を含む。非磁性層は、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、同一ステップで配置し得る。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方法で構成し得る。例えば、図５Ｂは、少なくとも低飽和磁化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’における他の態様を示す。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、低飽和磁化を有する。更に、図３に示す磁気素子１００’’と同様な方法によって、磁気素子３００’は、高スピン分極層３７０及び３７２を含み、これらは、好適には、３〜８オングストローム厚のＣｏＦｅを含む。この場合、層３７０、層３７２又はその両方に適用することが可能である。自由層３３０’が合成である場合、構成要素の強磁性層（図示せず）は、好適には、低飽和磁化を有する。そのような実施形態において、各強磁性層は、好適には、高スピン分極材料間に挟み込まれる。従って、図３Ａを基にして上述したものと同様な効果が達成される。

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。磁気素子は、各々磁気素子１００、１００’又は１００’’と同様な２つの構造４０２及び４０４を含む。従って、構造４０２は、例えば、磁気素子１００の層１１０、１２０、及び１３０とそれぞれ同様な固定層４１０、スペーサ層４２０、及び自由層４３０を含む。また、構造４０２は、好適には、ＡＦＭ層であるピン止め層４０６を含む。同様に、構造４０４は、例えば、磁気素子１００の層１１０、１２０、及び１３０とそれぞれ同様な固定層４７０、スペーサ層４６０、及び自由層４５０を含む。また、構造４０４は、好適には、ＡＦＭ層であるピン止め層４８０を含む。自由層４３０及び４５０の一方又は双方が、低飽和磁化を有する。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、低飽和磁化を有する。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は、分離層４４０を含む。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は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｎ、ＣｕＰｔ、ＣｕＭｎ、Ｃｕ／Ｐｔ／Ｃｕサンドイッチ構造、Ｃｕ／Ｍｎ／Ｃｕサンドイッチ構造、又はＣｕ／ＰｔＭｎ／Ｃｕサンドイッチ構造等の材料を含む。分離層は磁気素子４００に用いられるが、他のメカニズムに用いられることを妨げない。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、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、低飽和磁化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’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’又は１００’’を基にして上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’及び１００’’の多くの利点を共有する。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、更なる利点を提供する。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を障壁層で置き換えて、大きい信号を供給することができる。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態様である。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、同様な符号で表示する。従って、磁気素子は、それぞれ自由層４３０及び４５０に対応する自由層５３０及び５５０を含み、これらのいずれか又は両方が、低飽和磁化を有し、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、自由層５３０及び／又は５５０内における強磁性層（明示せず）は、低飽和磁化を有する。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を含む。強磁性層５１２及び５１６の磁化も反平行に向く。同様に、固定層５７０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を含む。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障壁層である。スペーサ層５６０は、好適には、導電層である。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’’、又は自由層４３０及び４５０と同様な方法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の低飽和磁化を達成し得る。例えば、非磁性材料による希釈か、フェリ磁性ドーピングか、又はそれらの双方を用いて、自由層５３０及び／又は５５０用の低飽和磁化を達成し得る。従って、自由層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。低飽和磁化のために、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’’及びそれらの組合せの利点を共有し得る。

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。障壁層５２０により、スピントンネル接合５０２は、大きい信号を供給する。他の一実施形態において、障壁層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。

更に、図７Ａから理解し得るように、固定層５１０及び５７０は、合成である。従って、固定層５１０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を含む。非磁性層５１４は、強磁性層５１２及び５１６が反強磁性的に向くように構成される。同様に、固定層５１０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を含む。非磁性層５７４は、強磁性層５７２及び５７６が反強磁性的に向くように構成される。更に、磁気素子５００は、強磁性層５１２及び強磁性層５７６の磁化が平行であるように構成される。強磁性層５１２及び５７６の磁化が平行に向いていることから、ＡＦＭ層５０６及び５８０は、同じ方向に向けることができる。従って、ＡＦＭ層５０６及び５８０は、同一ステップで配置し得る。従って、処理が更に簡略化される。

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方法で構成し得る。例えば、図７Ｂは、少なくとも低飽和磁化自由層（１つ又は複数）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態様である。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、低飽和磁化を有する。更に、図３に示す磁気素子１００’’と同様な方法によって、磁気素子５００’は、好適には３〜８オングストローム厚のＣｏＦｅを含む高スピン分極層５８１、５８２、５８３、及び５８４を含む。層（１つ又は複数）５８１及び５８３、又は層５８１、５８２、５８３及び５８４、又はそれら双方共、用いることが可能である。自由層５３０’及び／又は５５０’が合成である場合、各構成要素の強磁性層（図示せず）は、好適には、低飽和磁化を有する。そのような実施形態において、各強磁性層は、好適には、高スピン分極材料間に挟み込まれる。従って、図３を基にして上述したものと同様な利点が達成される。更に、強磁性層５７６’及び５１２’は、平行である。従って、ＡＦＭ層５０６’及び５８０’は、同一ステップで配置し得る。これによって、処理が簡略化される。

従って、磁気素子１００、１００’、１００’’、２００、３００、３００’、４００、５００及び５００’は、少なくとも１つの自由層における低飽和磁化によるより低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’’、２００、３００、３００’、４００、５００、及び５００’の態様を組み合わせて更なる利点を提供し得る。

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。なお、方法６００は、磁気素子１００に関して示している。しかしながら、方法６００が、磁気素子１００’、１００’’、２００、３００、３００’、４００、５００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により、固定層１１０等の固定層が設けられる。一実施形態において、ステップ６０２は、合成固定層を設けることを含む。スペーサ層１２０は、ステップ６０４により設けられる。ステップ６０４は、障壁層又は導電層を設けることを含み得る。低飽和磁化を有する自由層１３０は、ステップ６０６により設けられる。他の実施形態においては、高スピン分極層は、ステップ６０６の前及び／又は後に設けられる。ステップ６０６は、合成自由層を設けることを含み得る。そのような実施形態において、ステップ６０６は、更に、自由層の強磁性層に隣接して、高スピン分極層を設けることを含み得る。磁気素子２００、３００、３００’、４００、５００及び／又は５００’が提供される場合は、追加の固定層、スペーサ層及び（実施形態によっては）自由層が、ステップ６０８で設けられる。そのような実施形態では、自由層は、低飽和磁化を有し得る。従って、磁気素子１００’、１００’’、２００、３００、３００’、４００、５００及び／又は５００’を提供し得る。

より低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について開示した。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、本発明の思想及び範囲内にあることを容易に認識し得る。従って、多くの変更が、添付された特許請求の範囲の思想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。

Claims (44)

1. 磁気素子であって、
   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存在し、被ドープ強磁性材料を含む前記自由層と、
   を備え、前記被ドープ強磁性材料は、前記自由層が室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の低飽和磁化を有するように、少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料か、フェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料か、又は、少なくとも１つの非磁性材料で希釈され且つフェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料を含み、
   前記少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料は、少なくともＣｏＸ、ＦｅＸ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ、ＣｏＸＹ、ＦｅＸＹ、ＣｏＦｅＸＹ、ＮｉＦｅＸＹ、及び／又はＣｏＮｉＦｅＸＹ（ここで、Ｘ又はＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ、ＴａＣｕＮである）、及び／又はＣｏＦｅＸ（ここで、Ｘは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ及びＴａＣｕＮである）を含み、
   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ている、磁気素子。
2. 請求項１に記載の磁気素子において、
   Ｘ及びＹは、５〜８０原子パーセントの範囲にあるＰｔ及びＰｄを除き、少なくとも５原子パーセントであり且つ６０原子パーセント以下である、磁気素子。
3. 請求項１に記載の磁気素子において、
   前記自由層は、ＣｏＸ、ＦｅＸ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ及び／又はＣｏＮｉＦｅＸを含み、Ｘは、５〜６０原子パーセントの範囲で少なくとも１つの希土類元素を含む、磁気素子。
4. 請求項３に記載の磁気素子において、
   前記少なくとも１つの希土類元素は、５〜６０原子パーセントのＧｄ又はＴｂである、磁気素子。
5. 請求項３に記載の磁気素子において、
   前記自由層は更に、少なくとも１つの追加のドーパントを含み、前記少なくとも１つの追加のドーパントは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ及び／又はＲｕを含む、磁気素子。
6. 請求項１に記載の磁気素子は更に、
   前記自由層と前記スペーサ層との間に存在する高スピン分極層を備える、磁気素子。
7. 請求項１に記載の磁気素子において、
   前記固定層は、複数の二分子層を含み、前記複数の二分子層の各々は、ｘを１未満とすると、Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ層及びＣｕ層を含む、磁気素子。
8. 磁気素子であって、
   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存在し、低飽和磁化自由層である前記自由層であって、室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の低飽和磁化を有するように被ドープ強磁性材料を含む前記自由層と、
   絶縁体である障壁層であって、トンネル通過可能な厚さを有する前記障壁層と、
   第２固定層であって、前記障壁層が前記自由層と前記第２固定層との間に存在する前記第２固定層と、を備え、
   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ている、磁気素子。
9. 請求項８に記載の磁気素子において、
   前記自由層は、少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料を含む、磁気素子。
10. 請求項８に記載の磁気素子において、
    前記自由層は、ＣｏＸ、ＦｅＸ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ、ＣｏＸＹ、ＦｅＸＹ、ＣｏＦｅＸＹ、ＮｉＦｅＸＹ及び／又はＣｏＮｉＦｅＸＹを含み、ここで、Ｘ又はＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ及び／又はＴａＣｕＮである、磁気素子。
11. 請求項１０に記載の磁気素子において、
    Ｘ及びＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ及び／又はＴａＣｕＮの場合には少なくとも５原子パーセントであり且つ６０原子パーセント以下であり、Ｐｔ及びＰｄの場合には少なくとも５原子パーセントであり且つ８０原子パーセント以下である、磁気素子。
12. 請求項８に記載の磁気素子において、
    前記自由層は、少なくとも１つの強磁性層及び少なくとも１つの非磁性層を含む多層を含む、磁気素子。
13. 請求項１２に記載の磁気素子において、
    前記自由層は、複数の二分子層を含み、前記複数の二分子層の各々は、ｘを１未満とすると、Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ層及びＣｕ層を含む、磁気素子。
14. 請求項１３に記載の磁気素子において、
    ｘが０．５である、磁気素子。
15. 請求項１３に記載の磁気素子において、
    前記Ｃｕ層又はＦｅＣｏ層は、その厚さが、１オングストローム以上であり且つ８オングストローム以下である、磁気素子。
16. 請求項８に記載の磁気素子において、
    前記自由層は、少なくとも１つのドーパントでフェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料を含む、磁気素子。
17. 請求項１６に記載の磁気素子において、
    前記自由層は、ＣｏＸ、ＦｅＸ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ及び／又はＣｏＮｉＦｅＸを含み、ここで、Ｘは、少なくとも１つの希土類元素を含む、磁気素子。
18. 請求項１７に記載の磁気素子において、
    前記少なくとも１つの希土類元素は、Ｇｄ又はＴｂである、磁気素子。
19. 請求項１８に記載の磁気素子において、
    前記自由層は更に、少なくとも１つの追加のドーパントを含み、前記少なくとも１つの追加のドーパントは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ及び／又はＲｕを含む、磁気素子。
20. 請求項８に記載の磁気素子は更に、
    前記自由層と前記スペーサ層との間に存在する高スピン分極層を備える、磁気素子。
21. 請求項８に記載の磁気素子において、
    前記固定層は、複数の二分子層を含み、前記複数の二分子層の各々は、ｘを１未満とすると、Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ層及びＣｕ層を含む、磁気素子。
22. 請求項８に記載の磁気素子において、
    前記自由層は単一の自由層である、磁気素子。
23. 請求項８に記載の磁気素子において、
    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、前記第１磁化及び前記第２磁化は、逆方向に向いている、磁気素子。
24. 請求項２３に記載の磁気素子において、
    前記第２固定層は、第２合成固定層である、磁気素子。
25. 請求項２４に記載の磁気素子において、
    前記第２合成固定層は、前記障壁層に隣接する第２強磁性層を含み、前記第２強磁性層は、第２磁化を有し、前記第１磁化及び前記第２磁化は、逆方向に向いている、磁気素子。
26. 請求項８に記載の磁気素子において、
    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ている、磁気素子。
27. 磁気素子であって、
    第１固定層と、
    非磁性である第１スペーサ層と、
    第１自由層であって、前記第１スペーサ層が前記第１固定層と前記第１自由層との間に存在する、前記第１自由層と、
    第２自由層磁化を有する第２自由層であって、前記第１自由層及び前記第２自由層が静磁気的に結合されている、前記第２自由層と、
    非磁性である第２スペーサ層と、
    第２固定層であって、前記第２スペーサ層が前記第２自由層と前記第２固定層との間に存在する、前記第２固定層と、を備え、
    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ており、
    前記第１自由層は第１低飽和磁化を有するように構成されており、及び／又は前記第２自由層は第２低飽和磁化を有するように構成されており、
    前記第１自由層が室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の前記第１低飽和磁化を有するように被ドープ強磁性材料を含み、及び／又は前記第２自由層が室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の前記第２低飽和磁化を有するように被ドープ強磁性材料を含む、磁気素子。
28. 請求項２７に記載の磁気素子は更に、
    前記第１自由層と前記第２自由層との間に存在し、前記第１自由層及び前記第２自由層を静磁気的に結合させるように構成されている分離層を備える、磁気素子。
29. 請求項２８に記載の磁気素子において、
    前記分離層は更に、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｍｎ、ＣｕＰｔ、ＣｕＭｎ、Ｃｕ／Ｐｔ／Ｃｕサンドイッチ構造、Ｃｕ／Ｍｎ／Ｃｕサンドイッチ構造、又はＣｕ／ＰｔＭｎ［１−２０Ａ］／Ｃｕサンドイッチ構造を含む、磁気素子。
30. 請求項２７に記載の磁気素子において、
    前記第１自由層及び／又は前記第２自由層は、少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料を含む、磁気素子。
31. 請求項３０に記載の磁気素子において、
    前記第１自由層及び／又は前記第２自由層は、ＣｏＸ、ＦｅＸ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ、ＣｏＸＹ、ＦｅＸＹ、ＣｏＦｅＸＹ、ＮｉＦｅＸＹ及び／又はＣｏＮｉＦｅＸＹを含み、ここで、Ｘ又はＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ及び／又はＴａＣｕＮである、磁気素子。
32. 請求項３１に記載の磁気素子において、
    Ｘ及びＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ及び／又はＴａＣｕＮの場合には少なくとも５原子パーセントであり且つ６０原子パーセント以下であり、Ｐｔ及びＰｄの場合には少なくとも５原子パーセントであり且つ８０パーセント以下である、磁気素子。
33. 請求項２７に記載の磁気素子において、
    前記第１自由層及び／又は前記第２自由層は、少なくとも１つの強磁性層及び少なくとも１つの非磁性層を含む多層を含む、磁気素子。
34. 請求項３３に記載の磁気素子において、
    前記第１自由層及び／又は前記第２自由層は、複数の二分子層を含み、前記複数の二分子層の各々は、ｘを１未満とすると、Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ層及びＣｕ層を含む、磁気素子。
35. 請求項３４に記載の磁気素子において、
    ｘが０．５である、磁気素子。
36. 請求項３５に記載の磁気素子において、
    前記Ｃｕ層又はＦｅＣｏ層は、その厚さが、１オングストローム以上であり且つ８オングストローム以下である、磁気素子。
37. 請求項２７に記載の磁気素子において、
    前記第１自由層及び／又は前記第２自由層は、少なくとも１つのドーパントでフェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料を含む、磁気素子。
38. 請求項３７に記載の磁気素子において、
    前記第１自由層及び／又は前記第２自由層は、ＣｏＸ、ＦｅＸ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ及び／又はＮｉＣｏＦｅＸを含み、ここで、Ｘは、５〜６０原子パーセントの範囲で、少なくとも１つの希土類元素を含む、磁気素子。
39. 請求項３８に記載の磁気素子において、
    前記少なくとも１つの希土類元素は、５〜６０原子パーセントのＧｄ又はＴｂである、磁気素子。
40. 請求項３８に記載の磁気素子において、
    前記第１自由層及び／又は前記第２自由層は更に、少なくとも１つの追加のドーパントを含み、前記少なくとも１つの追加のドーパントは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ又はＲｕを含む、磁気素子。
41. 請求項３８に記載の磁気素子において、
    前記第２スペーサ層は、障壁層であり、前記障壁層は、電荷キャリアが前記第２固定層と前記第２自由層との間をトンネル通過可能に構成されている、磁気素子。
42. 請求項３８に記載の磁気素子は更に、
    前記第１自由層と前記第１スペーサ層との間及び／又は前記第２スペーサ層と前記第２自由層との間に存在する高スピン分極層を備える、磁気素子。
43. 請求項２７に記載の磁気素子において、
    前記第１固定層及び／又は前記第２固定層は、複数の二分子層を含み、前記複数の二分子層の各々は、ｘを１未満とすると、Ｆｅ_ｘＣｏ_１−ｘ層及びＣｕ層を含む、磁気素子。
44. 磁気素子を提供するための方法であって、
    固定層を設けること、
    非磁性であるスペーサ層を設けること、
    自由層磁化を有する自由層を設けることであって、前記スペーサ層が前記固定層と前記自由層との間に存在し、前記自由層が被ドープ強磁性材料を含み、前記被ドープ強磁性材料は、前記自由層が室温で１４３０ｅｍｕ／ｃｍ^３以下の低飽和磁化を有するように、少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料か、フェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料か、又は、少なくとも１つの非磁性材料で希釈され且つフェリ磁性的にドープされた少なくとも１つの強磁性材料を含む、前記自由層を設けること、を備え、
    前記少なくとも１つの非磁性材料で希釈された少なくとも１つの強磁性材料は、少なくともＣｏＸ、ＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ、ＣｏＸＹ、ＦｅＸＹ、ＣｏＦｅＸＹ、ＮｉＦｅＸＹ、及び／又はＣｏＮｉＦｅＸＹ（ここで、Ｘ又はＹは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ、ＴａＣｕＮである）、及び／又はＣｏＦｅＸ（ここで、Ｘは、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ａｇ、ＴａＮ、ＣｕＮ及びＴａＣｕＮである）を含み、
    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ている、方法。