JP2012510731A - 二重スピントルク基準層を有する磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Abstract

スピントルクランダムアクセスメモリ（ＳＴＲＡＭ）に適用可能な、磁気データ記憶セルが開示される。磁気セルは、第１および第２の固定磁気層と、固定磁気層間に配置されや自由磁気層とを含む。磁気セルは、スピン偏極電流を磁気層に供給するように構成された端子をさらに含む。第１の固定磁気層は、自由磁気層の容易軸と実質的に平行である磁化方向を有し、第２の固定磁気層は、自由磁気層の容易軸と実質的に直交する磁化方向を有する。二重固定磁気層は、自由磁気層への書込みにおけるスピントルクを強化し、それによって、必要とされる電流を低減するとともに磁気データ記憶セルのフィーチャーサイズを低減し、磁気スピントルクデータ記憶装置のデータ記憶密度を増加する。

Description

背景
磁気ランダムアクセスメモリ（magnetic random access memory：ＭＲＡＭ）またはスピントルクＲＡＭ（ＳＴＲＡＭ）は、長い間有望視された不揮発性ソリッドステートデータ記憶技術であるが、記憶密度の競争レベルの達成においては課題がある。

上記の議論は、一般的な背景情報が提供されるにすぎず、クレームされた主題の範囲の決定における助けとして用いられることが意図されていない。

要約
スピントルクランダムアクセスメモリ（ＳＴ−ＲＡＭ）に適用可能な、磁気データ記憶セルが開示される。磁気セルは、第１および第２の固定磁気層と、固定磁気層間に配置されや自由磁気層とを含む。磁気セルは、磁気層にスピン偏極電流を供給するように構成された端子をさらに含む。第１の固定磁気層は、自由磁気層の容易軸と実質的に平行である磁化方向を有し、第２の固定磁気層は、自由磁気層の容易軸と実質的に直交する磁化方向を有する。二重固定磁気層は、自由磁気層への書込みにおいて強化されたスピントルクを提供し、それによって、必要とされる電流を低減するとともに磁気データ記憶セルのフィーチャーサイズを低減し、磁気スピントルクデータ記憶装置のデータ記憶密度を増加する。

本明細書の要約および摘要は、選択された実施形態の特定の局面に対する例示的な紹介であり、クレームされた主題の範囲がどのように解釈されるかについての、いかなる限定または意味を定義するものでないことが理解される。

実施例に従う、図示された磁化方向を有するセルの磁気層の分解図を伴う、磁気データ記憶セルの斜視図である。 実施例に従う、磁化方向およびセルに印加されるスピントルクの概略的な描写を伴う、磁気データ記憶セルの側面図である。 実施例に従う、磁化方向間の角度の関数として、セル内に作用する複数のスピントルクについての重ね合わせのグラフ表示である。 実施例に従う、異なる磁気セルについて電流の関数としての磁気抵抗の比較グラフ表示である。 他の実施例に従う、磁化方向を有するセルの磁気層の分解図を伴う、磁気データ記憶セルの斜視図である。 他の実施例に従う、磁化方向を有するセルの磁気層の分解図を伴う、磁気データ記憶セルの斜視図である。 他の実施例に従う、磁気データ記憶セルを備えるデータ記憶システムを示す図である。 実施例に従う、磁気データ記憶セルに関連する方法を示す図である。

詳細な説明
図１は、実施例に従う、図示された磁化方向を有するセルの磁気層１２１，１２２，１２３の分解図を伴う、磁気データ記憶セル１００の斜視図を示す。例示的な実施形態においては、磁気セル１００のような多くの磁気データ記憶セルは、データ記憶装置または他のデータ記憶システムにともに含まれ、データを記憶するように構成され得る。この例示的な実施形態においては、基準層とも称される、相補的な磁化方向を有する二重固定磁気層１２１，１２３は、以下でさらに詳細に説明されるように、自由磁気層１２２の磁化方向を切換えることによって、自由磁気層１２２への書込みにおいて強化されたスピントルクを提供する。

二重磁気層１２１，１２３によって与えられた強化されたスピントルクは、自由磁気層１２２が、単一の固定磁気層のみを有する磁気セルに比べて、より低い電流を用いて切換えられるようにする。このより低い電流は、単一の固定磁気層のみを有する磁気セルに比べて、磁気データ記憶セル１００のフィーチャーサイズを低減させることができ、それによって、そのような磁気データ記憶セルを含む磁気スピントルクデータ記憶装置における、増加されたデータ記憶密度を可能にする。特に、単一の固定磁気層を有する磁気セルは、集積回路に典型的な集積化された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で与えられ得るよりも大きな電流が必要とされるが、反対に、相補的磁化方向を有する二重固定磁気層を伴う磁気セルは、集積回路の通常の電流容量範囲内におけるより低い電流で動作し得る。これらの局面は、以下でさらに説明される。

セル１００の磁気層は、第１の固定磁気層１２１と、第２の固定磁気層１２３と、第１および第２の固定磁気層１２１，１２３の間に配置された自由磁気層１２２とを含む。以下にさらに説明されるように、磁気層１２１および１２３は、それらの磁化が各々、個別の固定された方向に保持されているという点で固定されており、一方、磁気層１２２は、その磁化が、その容易軸に沿った２つの対向する方向のいずれかに、自由に揃うようにされたままである点で自由である。「磁化」は、印加可能であるような磁化方向を示すように理解され得る。磁気セル１００は、磁気層１２１，１２２，１２３の積層にスピン偏極電流を提供するように構成された端子１１１，１１３をさらに含む。端子１１１，１１３は、（図１には図示しない）さらなる信号線に接続し得るノード１１５に接続され得る。磁気層の分解図は、磁気層１２１の固定された磁化方向を示す固定磁気層１２１の磁化方向１４１、磁気層１２３の固定された磁化方向を示す固定磁気層１２３の磁化方向１４３、および、磁気層１２２の容易軸を示す自由磁気層１２２の磁化方向１４２を表わす。

磁気層１２１の磁化は、層の平坦に伸延する円形表面に概して垂直に方向付けられた磁化を有する、時おり面外方向または鉛直方向とも称される垂直方向を有する。磁気層１２３の磁化は、層の平坦な表面に概して平行に方向付けられた、時おり面内方向とも称される直径方向を有する。当業者が理解するように、「概して直交」および「概して平行」を含むこれらの記載は、単純化されており、層の各々における磁化の完全な記述を説明するものではなく、あるいは、正確に直交または正確に平行であることを示すものではないが、磁化方向の相対的な方向を考えるときに当業者によって理解され得るように、磁化のおおまかな方向を認識するのに役立つ。

固定磁気層の磁化方向１４１，１４３は、各々、その一方の終端のみに矢印を有する実線で示され、これらの磁気層の磁化方向が固定されていることを示し、一方で、自由磁気層の磁化方向１４２は、その両端に矢印を有する破線で示され、この磁化方向が容易軸であることを示しており、層の磁化は、実質的に等しい安定性を有する、容易軸のいずれかの極性に揃えられ得る。理想的には、これは等しい安定性であり、あるいは、自由磁気層の磁化方向が、周囲の影響がないときに乱されかつ進行できる場合に、その磁化方向が容易軸に一致するいずれかの方向に等しく戻りやすいような、等しい安定性の公称製造許容範囲内であり得る。

図１の例示的な実施形態においては、自由磁気層１２２の容易軸は、固定磁気層１２１の磁化方向１４１に合致した、垂直方向に設定される。したがって、図１の例示的な実施形態においては、第１の固定磁気層１２１は、自由磁気層１２２の容易軸に実質的に平行な磁化方向１４１を有し、第２の固定磁気層１２３は、自由磁気層１２２の容易軸に実質的に直交する磁化方向１４３を有する。自由磁気層１２２の磁化方向１４２は、いつでも、磁気層１２１の固定された磁化方向１４１に平行または逆平行に、容易軸に安定的に整列する傾向にある。磁化方向は、図２を参照して以下でさらに議論される意味において、「実質的に」平行であり、または「実質的に」直交している。

容易軸は、自由磁気層内の形状異方性または磁気結晶異方性を例示的に含み得る、様々な技術によって設定され得る。固定磁気層１２１および１２３においては、層の各々の磁化方向は、たとえば、各々が自由磁気層よりも実質的に大きな磁気体積を有する固定磁気層を有するような様々な技術のどれかによって、または、磁気的に固定された固定磁気層を有することによって、固定された方向に維持され得る。

磁化の方向は、層の寸法の関数でもあり得る。たとえば、磁気的固定がない場合、直径磁気方向内に容易軸（および磁化）を有する層は、一般的に、相対的により大きい半径および相対的により小さい垂直厚さに関連し、一方、垂直磁気方向内に容易軸（および磁化）を有する層は、一般的に、相対的により小さい半径および相対的により大きい垂直厚さに関連する。

特に、この特定の実施形態においては、自由磁気層１２２について垂直の容易軸を有することは、他の容易軸方向に比べて、自由層の異方性エネルギ密度の量を増加し得る。これは、磁気セル１００が、他の方向と比べて、相対的に大きな磁気安定性を有する相対的に小さいサイズを有することができるようにする。信頼性よく機能しつつ、磁気セル１００をどれくらい小さくできるかについての大きな制約は、ランダムな温度変動による自由磁気層１２２の磁化方向のランダムな反転に対する抵抗である。温度外乱に対する自由磁気層の磁化方向の安定性は、ＫμＶ／ｋＴとしてモデル化することができ、ここで、Ｋμは磁気異方性エネルギ密度であり、Ｖは磁気層の体積であり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは温度である。例示的な一実施形態においては、少なくとも約６０（ｘは無次元比率であるので、無単位）のＫμＶ／ｋＴについての値が、自由磁気層１２２の磁気安定性を維持するための設計標準として用いられる。

磁気層１２１，１２２，１２３は、少なくとも一部が、強磁性材料で構成され得る。磁気層の組成のために用いられ得る強磁性材料の例は、鉄、コバルト、ニッケル、パーマロイ、ホイスラ合金、または他の強磁性材料を含む。使用され得るホイスラ合金は、たとえば、銅、ニッケル、コバルト、またはそれらの組み合わせのうちの２つの部分の組み合わせで構成され、１つの部分は、マンガン、クロム、鉄、またはそれらの組み合わせであり、もう１つの部分は、スズ、アルミニウム、シリコン、ヒ素、アンチモン、ビスマス、またはボロン、あるいはそれらの組み合わせである。当業者は、所与の用途によく適した材料の追加の選択がわかるだろう。

図１の例示的な実施形態においては、中間の非磁気中間層１３１が、固定磁気層１２１と自由磁気層１２２との間に配置されるとともに、中間の非磁気中間層１３２が、自由磁気層１２２と固定磁気層１２３との間に配置される。中間層１３１，１３２は、たとえば、量子トンネリング磁気抵抗（tunneling magnetoresistance：ＴＭＲ）または巨大磁気抵抗（giant magnetoresistance：ＧＭＲ）のような、磁気セル１００についての異なった技術に寄与するように構成され得る。使用され得る中間層の１つのタイプは、量子トンネリング磁気抵抗用に構成される、トンネリングバリヤである。たとえば、トンネリングバリヤは、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＭｇＯ、またはアルミニウム、タンタラム、チタン、マグネシウムの他の酸化物、あるいは、他の適当な要素またはそれらの組み合わせを含み得る金属酸化物のような電気的絶縁材料、あるいは、他の電気的絶縁材料で構成され得る。使用され得る他のタイプの中間層は、巨大磁気抵抗用に構成される導電材料である。このような中間層は、たとえば、金、銀、銅、またはアルミニウムのような、高導電性金属で構成され得る。半導体で構成された中間層のような、他の目的のために構成されるその他のタイプの中間層が、様々な他の実施形態において用いられ得る。

様々な実施形態は、同じセルにおいて、量子トンネリング磁気抵抗技術と巨大磁気抵抗技術との組み合わせも行ない得る。これは、例示的な実施形態において、磁気セルの各端部に同じ単一の端子１１１，１１３を有する同じ磁気セルについての、書込み動作および読出し動作の両方の最適化に関連し得る。たとえば、図１に対応する例示的な実施形態においては、第１の中間層１３１は、量子トンネリング磁気抵抗用の絶縁材料で構成され得るが、第２の中間層１３２は、巨大磁気抵抗用の導電材料で構成され得る。この例示的な実施形態においては、量子トンネリング磁気抵抗用の絶縁材料で構成されることによって、平行な容易軸を有する固定磁気層１２１から自由磁気層１２２を分離するとともに自由磁気層１２２の磁化方向を設定するために用いられる第１の中間層１３１は、読出し動作のためのより大きい出力信号を提供し得る。一方、巨大磁気抵抗用の導電材料で構成されることによって、直交容易軸を有する固定磁気層１２３から自由磁気層１２２を分離するとともに自由磁気層１２２の磁化方向についての初期トルクブーストを提供するために用いられる第２の中間層１３２は、他の利点のうち、磁気セルのより低いトータルインピーダンスを提供し得る。

磁気セル１００は、それによって、自由磁気層１２２に、二重の相補的なスピントルクを提供して、相対的に低い電流を用いて、自由磁気層１２２の磁化方向が容易軸に沿った方向の形に向けられる磁気セル１００内にデータを記憶することを可能とする。どのように磁気セル１００がこれらの相補的なトルクを提供し、それによって、相対的に低い電流でデータをエンコードするかが、図２を参照して、さらに説明される。

図２は、磁化方向１４１，１４２Ａ，１４２Ｂ，１４３、およびセルに印加されるスピントルク２４１，２４３の概略表示を伴う、図１に示された実施形態に対応する磁気データ記憶セル１００の側面図を示す。図２においては、端子１１３から端子１１１へ流れる電流、すなわち端子１１１から端子１１３への電子の伝播によって、スピン偏極電流が、磁気セル１００を通って流れる。このスピン偏極電流が磁化方向１４１で固定磁気層１２１から流れるときは、自由磁気層１２１上にスピントルク２４１を励起し、このスピン偏極電流が磁化方向１４３で固定磁気層１２３から流れるときは、自由磁気層１２１上にスピントルク２４３を励起する。図２に示されるように、自由磁気層１２２は、最初に、固定磁気層１２１の以下方向に逆平行に向けられた、すなわち図示されるように下向きの磁化方向１４２Ａを有する。磁気セル１００を流れるスピン偏極電流の動作、および、固定磁気層１２１，１２３に関連するスピン偏極電流からもたらされるスピントルク２４１，２４３は、自由磁気層１２２の磁化方向を、固定磁気層１２１の磁化方向１４１に平行な、磁化方向１４２Ｂに反転させる。

具体的には、スピントルク２４３は、磁化方向１４２Ａへの初期トルクブーストを与え、固定磁気層１２１のみからのスピントルク２４１で可能であるよりも、より迅速にかつより多くの初期トルクで、自由磁気層１２２の容易軸を中断（knock off）し、一方、固定磁気層１２１からのスピントルク２４１は、自由磁気層１２２の磁化方向の反転プロセスの中間において、より多くのトルクを提供するとともに、書込プロセスの終期において自由磁気層１２２の最終磁化方向１４２Ｂを決定する。これらの局面は、図３および図４を参照して、以下にさらに説明される。

磁気層の磁化方向を操作する能力は、以下のようにさらに詳細に議論される、スピン偏極電流が磁気材料を流れると、スピンからの角運動量の伝達が材料の磁化方向にトルクを励起する。図１および図２における固定層１２１，１２３および自由層１２２のような固定磁気層および自由磁気層を有する磁気スタックにおいては、スピン偏極電流は、固定層の各々の磁化から自由層へ角運動量を伝達し、自由層の磁化にトルクを励起する。磁気素子１１０においては、電流は、正のバイアス（下部端子１１１から上部端子１１３への電子の流れ）について、スピントルクが自由層１２２を、図２に示されるように、平行容易軸を伴う固定層１２１の磁化に平行な最終磁化方向１４２Ｂへ駆動するように、端子１１および１１３間に、スタックを垂直に通って駆動される。負の電流バイアス（上部端子１１３から下部端子１１１への電子の流れ）について、スピントルクは、自由層１２２を、平行容易軸を伴う固定層１２１の磁化方向に逆平行な最終磁化方向１４２Ａ（すなわち、図２に示されるプロセスの反対）へ駆動する。

ランダウ−リフシッツ−ギルバート（Landau-Lifshitz-Gilbert）の式が、固定磁気層の各々に関連して、自由磁気層についての自由層ダイナミクスのこの効果を説明するために、スピン偏極電流からの磁化の効果を利用することによって適用可能であり、それにより、自由磁気層１２２の変化率は、以下の式のように定義され得る。

ここで、Ｉは磁気層の平面に垂直に流れる電流（ＣＰＰ）であり、Ｍ_sfreeは自由層飽和磁化であり、Ｍ_sfixedは固定層の自由層飽和磁化であり、εは電流のスピン偏極に関連する効率因子であり、Vは自由層の体積であり、μ₀は自由空間の透磁率である。この式の解は、それを超えると、自由層の磁化が、電流の流れる方向に応じて、平行容易軸を有する固定層に平行または逆平行のいずれかに駆動され得る臨界電流密度Ｊcをもたらす。

図１および図２の磁気セル１００を用いて、２つの固定磁気層１２１，１２３の各々は、自由磁気層１２２の磁化にトルクを励起し、自由磁気層１２２の磁化１４２の変化率および臨界電流密度の両方は、固定磁気層１２１，１２３の各々からの寄与により、上述の式によって定義されるように計算されるはずであり、単一の固定磁気層を用いる場合に比べて、自由磁気層１２２の磁化の変化率はずっと高く、かつ臨界密度はずっと低くされる。（自由磁気層１２２の磁化方向は、図２において１４２Ａおよび１４２Ｂの表示が付けられた特定の方向で示されているが、本明細書においては総称して、磁化方向１４２または磁化１４２と称される。）特に、自由磁気層１２２の磁化についてのトルクは、隣接する磁気層の磁化と自由磁気層の磁化との外積におよそ比例する。すなわち、磁化の大きさは、それらの間の角度の正弦倍である。これは、図３のグラフ３００に示される。

図３は、実施例に従った、磁化方向間の角度の関数としてセル内に作用する複数のスピントルクの重ね合わせのグラフ表現３００を示す。特に、図１および２の例示的実施形態を参照して、トルク成分３１１は、固定磁気層１２１によって自由磁気層１２２の磁化方向に励起されたスピントルクの大きさを表わし、トルク成分３１３は、固定磁気層１２３によって自由磁気層１２２の磁化方向に励起されたスピントルクの大きさを表わす。

自由磁気層１２２の磁化方向が有し得る変化率は、単一の固定磁気層によってのみ個別に影響される場合は、示されるようなスピントルクに比例し得る。固定磁気層１２１の磁化方向１４１は、最初は自由磁気層１２２の磁化方向に逆平行または平行であるので、そのスピン偏極電流は、最初は自由磁気層１２２の磁化方向１４２上に非常に小さい、すなわちそれは大体ゼロ（サインゼロ）に比例するトルクを有し、実際には、それは、それをゼロとはいえない値にするトルクのモデリングに対する、小規模な修正に比例する。平行モーメント固定磁気層１２１による自由磁気層１２２の磁化方向１４２のトルクおよび対応する変化率は、したがって、書込プロセスの初期においては極めて低い。単一の固定磁気層のみを有する磁気セルにおいては、この非常に低い初期変化率は、磁気セル全体、およびそのような磁気セルを含むいかなる装置の速度および性能についての実質的な制約になり得る。グラフ３００の成分３１１において示したように、固定磁気層１２１の磁化方向１４１に関連するトルクは、その後、自由磁気層１２２の磁化方向が反転の中間であり、かつ固定磁気層１２１の磁化方向１４１に垂直であるときに、書込プロセスの中間において、固定磁気層１２１および自由磁気層１２２のそれぞれの磁化１４１，１４２の積の最大強度に到達するまで上昇する。

それと同時に、グラフ３００の成分３１３において示されるように、垂直モーメント固定磁気層１２３の磁化方向１４３は、最初は自由磁気層１２２の磁化方向１４２に垂直である。磁化方向１４３に関連するスピン角運動量は、したがって、書込プロセスの初期において、自由磁気層１２２の磁化方向１４２上に最大トルクを提供し、すなわち、そのトルクは、書込プロセスの初期において、自由磁気層１２２および固定磁気層１２３のそれぞれの磁化１４２，１４３の大きさの積のおよそ１（すなわち、サイン９０度）倍である。垂直モーメント固定磁気層１２３からのトルクは、また、平行モーメント固定磁気層１２１が再び低下すると、書込プロセスの終期において再び上昇する。

平行モーメント固定磁気層１２１および垂直モーメント固定磁気層１２３は、したがって、互いに相補的なトルクを励起し、一緒になって、書込プロセスを通じて、自由磁気層１２２の磁化１４２上に継続的な高トルクを与える。グラフ３００において示されたように、トルク成分３１１および３１３は、重ねあわされてトータルトルク３２１を形成し、それは、書込プロセスを通じて、いずれかの固定磁気層のみによって与えられる最大トルク、またはそれ以上のままである。これは、磁気セル１００の二重相補的固定磁気層を用いることなく可能であるよりも、より高速な、自由磁気層１２２の磁化方向１４２の切換えを提供する。切換えに必要とされるずっと低い時間長さに加えて、それは、また、切換えに必要とされるずっと低いレベルの臨界電流を可能とする。書込プロセスのための自由層磁化切換をさせるために必要なエネルギは、時間と電流の二乗との積に比例し、かつ二重基準層磁気セル１００について、単一の基準層を有するよりも、時間と電流の双方が低いので、磁気セル１００について書込プロセスに必要とされるエネルギは、ただ１つの固定磁気層を有するセルについてよりもずっと低い。

図４は、上述の実施形態に一致する実施例に従う、異なる磁気セルについての電流４０１の関数としての磁気抵抗４０３の比較グラフ表現４００を示す。グラフ４００は、さらに、上述のようなより低い必要電流の利益を示す。グラフ４００は、比較のために、二重基準層磁気セル１００、および、単一の固定磁気層と単一の自由層のみを有する仮想的な磁気セルの双方についての、電流と磁気抵抗との間の特定の関係を表わす。グラフ４００においては、単一の自由磁気層を有する磁気セルは、時間のどの点においても、より低い磁気抵抗４１１またはより高い時期抵抗４１３のいずれかを有し、より低い値は、（磁気セル１００の固定磁気層１２１、または単一の固定層を有するセルにおける唯一の固定層のような）平行容易軸固定磁気層の磁化方向に平行である自由磁気層の磁化方向に対応し、より高い値４１３は、平行容易軸固定磁気層の磁化方向に逆平行である自由磁気層の磁化方向に対応する。電流は、自由磁気層を逆平行から平行に切換えるとともに、より高い磁気抵抗４１３からより低い磁気抵抗４１１へ低下するために、臨界電流の値で正のｘ方向に印加されなくてはならない。一方、電流は、自由磁気層を平行から逆平行へ切換えるとともに、より低い磁気抵抗４１１からより高い磁気抵抗４１３へ進めるために、臨界電流の値で負のｘ方向に印加されなくてはならない。しかしながら、臨界電流の値は、２つのセルについては異なる。

１つの固定磁気層のみを有する磁気セルにおいては、（図３の孤立トルク成分３１１に比例する）初期トルクの弱さは、自由磁気層の磁化方向を切換えるために、より大きな電流により補償されなくてはならない。単一の固定磁気セルについてのこの相対的に大きな臨界電流は、図４においてＩ_csとして示されており、グラフ４００の正のｘ方向および負のｘ方向の双方において、より大きい電流値である。電流４２０は、臨界電流Ｉ_csが供給され、かつより高い磁気抵抗からより低い磁気抵抗へ切換わっている単一の固定層セルについて示される（または、負のｘ側ではその逆も同様）。一方、自由磁気層１２２の容易軸に並行な磁化方向１４１を有する一方の固定磁気層１２１、および自由磁気層１２２の容易軸に垂直な磁化方向１４３を有する他方の固定磁気層１２３の二重基準層を有する磁気セル１００においては、自由磁気層１２２の磁化方向を切換えるための臨界電流はより低い。二重固定層についてのこの相対的に小さい臨界電流は、図４においてＩ_cとして示され、グラフ４００の正のｘ方向および負のｘ方向の双方において、より小さい電流値である。電流４２１は、臨界電流Ｉ_cが供給され、かつより高い磁気抵抗からより低い磁気抵抗へ切換えられている二重固定層セルについて示される（または、負のｘ方向においてはその逆も同様）。

上記の議論は、磁気セル１００への書込動作を実行する内容において提供されるが、読出動作もまた、同じ端子１１１，１１３を通して、しかし臨界電流よりも低い電流で、同様の態様で実行され得る。読出動作は、臨界電流よりも小さい読出問合せ電流（read query current）を磁気セル１００に供給することによって、磁気セル１００で実行され得る。この読出問合せ電流は、磁気セル１００において、より高いレベルの磁気抵抗４１３、またはより低いレベルの磁気抵抗４１１のいずれかを経験し、その特定の磁気セルにおいて自由層１２２がどの磁化状態であるかの情報を保持する、電流と抵抗との積に等しい読出応答電圧として返す。より物理的詳細においては、磁気セルが、決定基準層、すなわち、自由磁気層１２２の容易軸に並行な磁化方向を有する固定磁気層１２１の磁化方向に平行に揃った自由磁気層１２２の磁化方向を有し、かつ、いずれかの極性の読出電流がセルに供給される場合、それは低い磁化抵抗を経験し、出力電圧は低い。一方、磁気セルが、固定磁気層１２１の磁化方向に逆平行に揃った自由磁気層１２２の磁化方向を有し、かつ読出電流がセルに供給される場合、それは高い磁気抵抗を経験し、ノード１１５を通して検出されるように、出力電流は高い、
図５は、図１および図２における磁気セル１００の例示的な実施形態といくらかの同一性といくらかの相違とを有する他の実施例に従う、磁化方向１４１，５４２，１４２を有するセルの磁気層１２１，５２２，１２３の分解図を伴う、磁気データ記憶セル５００の斜視図である。磁気セル５００は、図１および図２の磁気セル１００と多くの同一の構成要素を有し、固定磁気層１２１および１２３と、中間層１３１および１３２と、端子１１１および１１３と、ノード１１５とを含む。第１の固定磁気層１２１の磁化方向は、磁化方向１４１によって示されるような垂直方向に向けられ、第２の固定磁気層１２３の磁化方向は、磁化方向１４３によって示されるような直径方向に向けられる。磁気セル５００は、磁化方向５４２で示されるように、容易軸が直径方向に向けられた自由磁気層５２２も含む。自由磁気層５２２の容易軸は、したがって、固定磁気層１２３の磁化方向と平行である。

磁気セル１００と同様に、磁気セル５００も、自由磁気層５２２に、同時垂直スピントルク、すなわち、互いに垂直でありかつその一方が自由磁気層５２２の容易軸に垂直であるとともに一方のスピントルクが自由磁気層５２２の容易軸に並行であるスピントルクを励起する。この場合、それは、自由磁気層５２２の容易軸に並行であるとともに、自由磁気層５２２の磁化方向に平行または逆平行のスピントルクを提供する磁化方向を有する固定磁気層１２３であり、一方、固定磁気層１２１は、自由磁気層５２２の容易軸に直交するとともに、自由磁気層５２２の磁化方向に直交するスピントルクを提供する磁化方向を有する。直径方向容易軸を伴う自由層５２２を有することは、様々な例示的な実施形態において有利であり、たとえば、その半径とその厚さの間に相対的に高い比率を有する場合に、直径方向は、様々な実施形態において、より自然であり、さらにより多くの安定性を有する磁化方向を保持する。

図６は、他の実施例に従う、磁化方向６４１，５４２，１４３を有するセルの磁気層６２１，５２２，１２３の分解図を伴う磁気データ記憶セル６００の斜視図を示し、それにおいては、３つのすべての磁気層は、直径方向または平面内方向の磁化方向および容易軸を有する。また、構成要素の多くは、図１，図２および図５の磁気セル１００および５００におけるものと同じであり、磁気セル１００における固定磁気層１２３、および、磁気セル５００における自由磁気層５２２を含む。磁気セル６００は、固定磁気層６２１をさらに有し、それにおいては、固定磁気層１２３および自由磁気層５２２の容易軸の磁化の直径方向に実質的に直交するように向けられる第２の直径方向に、磁化方向が向けられる。すべての磁化方向が現状では直径方向であるが、またしても、一方の固定磁気層（１２３）が自由磁気層（５２２）の容易軸に平行な磁化方向を有するとともに、他方の固定磁気層（６２１）が自由磁気層の容易軸の直交する磁化方向を有するような同じパターンが適用される。したがって、またしても同じように、磁気セル６００を通して提供されるスピン偏極電流は、自由磁気層５２２の磁化方向を切換えるために用いられ、垂直軸固定磁気層６２１は、トルク増幅層として作用し、決定基準層を補完して、より低い電流で高速プロセス切換えを可能とする大きな初期ブーストトルクを提供し、一方、平行軸固定磁気層１２３は、決定基準層として作用し、自由層５２２の磁化が静止する方向にトルクを提供する。磁気セル６００の実施形態は、様々な実施形態において、たとえば、すべての層が厚みに対する半径の相対的に高い比率を有する場合に、実施例のような固定磁気層６２１，１２３の場合において、より自然であり、かつ、より高い安定性およびより低いエネルギ、またはより小さい磁気固定リソースで直径方向が維持され得るような固有の利点を提供し得る。

図７は、他の実施例に従う、磁気データ記憶セルを備えるデータ記憶システム７００を示す。データ記憶システム７００は、データ記憶システム７００の中からの拡大内部図に示されるデータ記憶セル７０２の例示的サンプル７０１のような、複数の磁気データ記憶セルを含む。データ記憶セル７０２の例示的サンプル７０１は、縮尺通りに表されてはおらず、データ記憶システムの様々な実施形態は、上述の磁気セル１００，５００，６００のいずれかのような、潜在的には、百万、一億、一兆またはさらに多くのいかなる数の、動作可能に接続された二重基準層磁気データ記憶セルを含み得る。そして、データ記憶システム７００は、図７の実施例においては、単一の装置として示されるが、データ記憶システムの他の実施形態は、任意の数の、ネットワーク化されたあるいは接続されたデータ記憶装置を含み得、任意の空間体積にわたって分配された、合成磁気データ記憶セルを含むいくつかとそうでないその他とを含んでいる多くの異なったタイプの装置を含み得る。データ記憶セルアレイ７０２は、セル７０２の（上述の実施形態におけるノード１１５および端子１１１，１１３のような）ノードおよび端子のすべてに接続された操作可能な信号線を有するサンプル７０１に示されるが、この記載は単純化され、異なる実施形態においては、個別の磁気セルへの信号を送るため、および個別の磁気セルから信号を受信するための操作可能ないかなる設計も採用し得る。

データ記憶システム７００に包含される磁気データ記憶セル７０２は、代表的な磁気セル７０２ｎを含み、それは、分離したさらなる拡大図に示される。代表的な磁気データ記憶セル７０２ｎは、第１の端子７１１ｎと、第２の端子７１３ｎと、隣接する磁気層の対間に配置された中間層７３１ｎ，７３２ｎに沿って、実質的に円筒状の３つの磁気層７２１ｎ、７２２ｎおよび７２３ｎを含む磁気セル７０２ｎとを含む。磁気層７２１ｎおよび７２３ｎは固定磁気層であり、一方、それらの間には、自由磁気層７２２ｎが配置される。磁気セル７１０ｎおよび磁気層７２１ｎ、７２２ｎおよび７２３ｎは、上述の実施形態の磁気セル１００、５００または６００のいずれかの形式をとり得、それぞれの磁気層、または、任意の他の類似の磁気セルおよび磁気層の配列を有する。

磁気セル７０２ｎにおいては、端子７１１ｎおよび端子７１３ｎは、磁気データ記憶セル７０２ｎにスピン偏極電流を供給するように構成される。固定磁気層７２１ｎは、第１の端子７１１ｎに隣接して配置され、固定磁気層７２３ｎは、第２の端子７１３ｎに隣接して配置される。端子に「隣接」するというのは、接続される、または、他のどの層よりも少なくとも実質的に近接していることを意味し得るが、それは、たとえば、追加的な層、コーティング、サブ端子、あるいは、端子と磁気層との間または周辺の領域内の要素を有し得る。自由磁気層７２２ｎは、第１および第２の固定磁気層７２１ｎ、７２３ｎの間に配置される。上述の実施形態のように、固定磁気層７２１ｎ、７２３ｎの一方は、固定磁気層７２１ｎ、７２３ｎのうちの他方の磁化方向に実質的に直交する固定された磁化方向を有し、自由磁気層７２２ｎは、平行軸決定一次基準層の磁化方向に実質的に平行な容易軸を有し、その一次基準層は、固定磁気層７２１ｎ，７２３ｎのいずれかを含む。これは、上述の書込動作に従って、自由磁気層７２２ｎが、一次基準層の磁化方向に平行または逆平行のいずれかの磁化方向を有することを容易にする。

代表的な磁気データ記憶セル７０２ｎは、例示的な実施形態においては、概して端子７１１ｎ，７１３ｎの間を通り、磁気層７２１ｎ，７２２ｎ，７２３ｎに概して垂直な垂直軸を定義する。様々な例示的な実施形態においては、図１、図５および図６を参照して上記で議論された様々な実施形態と同様に、第１の固定磁気層７２１ｎの磁化方向はその垂直軸に概して平行に向けられ、第２の固定磁気層７２３ｎの磁化方向はその垂直軸に概して平行な、あるいは概して直交するいずれかの方向に向けられ、自由磁気層７２２ｎの容易軸は第１の固定磁気層または第２の固定磁気層のいずれかの磁化方向に概して平行に向けられ得る。

データ記憶システム７００は、信号接続を介して書込信号および読出信号を提供するように構成され、それによって、書込信号は、臨界値を上回る電流密度を有するスピン偏極電流を磁気データ記憶セル７０２を通して供給して、磁気データ記憶セル７０２の自由磁気層の磁化方向を制御可能に設定し、読出信号は、臨界値を下回る電流密度を有するスピン偏極電流を磁気データ記憶セルを通して供給して、磁気データ記憶セル７０２の自由磁気層７２２の磁化方向を示す読出出力信号を生成する。

このように、データ記憶システム７００は、データ記憶システム７００の多くの磁気セル７０２の自由磁気層の磁化方向にエンコードされた大量のデータを記憶し、上述のように、高速かつ低電流で磁気セル７０２についての読出動作および書込動作を実行し得る。例示的な実施形態においては、必要とされる電流は、このような記憶装置の典型的な要素である電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような、記憶セルの動作が可能な集積半導体素子に、より互換性があるのに十分なくらい低くできる。さらに、必要とされる電流は、磁気セルに電力を供給するために要求される大きな、または大きな専用の（bulky devoted）電流源よりは、標準的な集積回路電流源によって供給することができるくらいに十分低くできる。低電流は、また、ポータブル装置の状況におけるデータ記憶装置の場合に、エネルギ消費率を低減すること、排熱を低減することおよびシステム冷却要件への低貢献、ならびに、バッテリの長寿化に寄与する。高速スイッチング回数および高い読出・書込動作は、データ記憶システム７００の高速性能に寄与する。

図８は、実施例に従う、上述の磁気セルの１つに関連する、データの書込みおよび読出しを行なうための磁気セルに用いる方法８００を示す。８０１の開始後、方法８００は、第１および第２の側面を有する自由磁気層を提供するステップ８０３を含み、自由磁気層は、容易軸に揃った初期磁化方向を有し、第１の側面において自由磁気層に第１のスピントルクを印加するとともに、自由磁気層の第２の側面に第２のスピントルクを印加するステップ８０５を有し、第１のスピントルクは、自由磁気層の初期磁化方向に実質的に直交であり、第２のスピントルクは、自由磁気層の初期磁化方向に実質的に逆平行である。これは、磁気セルへのデータの書込みのための方法として機能し得る。方法８００は、また、読出プロセスを含み、読出電流を自由磁気層に印加するステップ８０７と、読出電流に応答して受信された読出出力信号に、少なくとも一部基づいた出力を提供するステップ８０９とを含む。任意の種類のデータまたは情報が、それによって二重基準層磁気セルに記憶され、そして、データおよび情報が読出プロセスによって読み出されるとともに、モニタ上に描画された表示、プリンタで出力された情報、スピーカへ提供された音声データ、触覚出力、またはハードワイヤまたは無線信号接続で他の演算システム、装置、ルータ、ノードなどへ提供されるデータを含み、ある時間点において、ユーザが認知できる出力形式への組み込みに利用可能であり得る、有形な出力の有効なまたは有益な形式を提供するために用いられる。

本開示の様々な構成の構造および機能の詳細とともに、本開示の様々な局面および多くの特性および利点が上述の説明において記載されているが、本開示は、例示的であるにすぎず、添付の特許請求の範囲が表現される語句の広範な一般的な意味によって示される全範囲まで、本開示の原理の範囲で、部品の構造および配列に関して含まれる変化が詳細においてなされ得ることが理解されるべきである。

たとえば、磁気層および磁気素子は、図において、同一の外半径の円筒形の形式で示されるが、互いに相対的に異なる半径、および異なる形態、特により効率的な、または使用される材料の下層結晶格子に特有である形態、特に、記憶セルサイズが、発展の後続的な反復においてさらにより小さくなるような様々な層が用いられ得る。他の例のように、上述の例は、垂直方向および直径方向に向いた磁化を有する、円筒形で一次元的に積層された磁気層に特に言及したが、任意の配列、多様な寸法で互いに隣接して様々な層が積層または配置された他の磁気セル、および、垂直方向または直径方向に向けられた磁化に固定される層、あるいは、その磁化に角度を持って、または磁化方向が層の中央垂直軸の周囲に環状に曲がる「渦巻き」方向に固定される層が用いられる他の磁気セルが用いられ得る。

様々な実施形態は、その磁化方向または容易軸が任意の２つの方向に双安定である層、平面外方向と２つの直交する平面内方向を含む上述した３つのすべての方向が三安定である層、あるいは、層の２つまたはより多くの直径方向に向く軸に沿った直径方向に双安定またはそうでなければ準安定である層を用いてもよい。様々な実施形態は、たとえば、層の内側環状半径を定義する内部空洞のような、任意の磁気層の、磁化方向または任意軸の安定または準安定方向を定義するための、他の技術および構造を用いてもよい。

さらに他の例として、上述した実施形態は、単一の磁気層を有する磁気セルに関して議論したが、他の実施形態は、例示的な実施例によれば、複数の個別の磁気自由層を有する磁気セルを含んでもよく、それにおいては、書込動作は、電流の方向に加えて電流およびセルに電流を印加する期間を変化し得、それらの組み合わせで磁気自由層を制御可能に切換え、それによって、複数の情報ビットを各単一のセルに書き込む。自由磁気層は、例示的な実施形態においては、対向する磁化方向を有する隣接自由磁気層間の個々の磁壁を定義し得る、隣接する各自由磁気層対を分離する中間層を有し得る。一次平行軸固定層に平行な磁化方向を有する自由磁気層は、例示的な実施形態においては、積層磁気セルのさらに下部の自由層の切換えにおいて、その平行軸固定層のスピントルクに寄与し得る。複数の磁気層を有する磁気セルは、例示的な実施形態においては、相対的により大きいが、セルあたりより多くのビットが記憶される層を提供し、それによって、より高い全体のデータ記憶密度を提供し得る。

さらに他の例として、本開示のデータ記憶セルまたはデータ記憶システムは、磁気抵抗、巨大磁気抵抗、超巨大磁気抵抗、フラッシュメモリ、光学、磁気光学、光通信学、スピントロニクス、ホログラフィ、および任意のほかの技術を含む、データの記憶および／または操作のための技術に関連して用いられ得る。様々な実施形態は、さらに、磁気セルと同様に、データの異なる部分を記憶または操作するためのディスクドライブやフラッシュドライブのような、他の技術を用いる、異なる構成要素を有するデータを記憶または他の操作を行なうマルチ技術装置に組み込まれ得る。さらに、本開示は、データの記憶または操作のためのシステムには限定されず、スピントルク磁気操作とともに含まれる任意の技術をも含み得る。

Claims (20)

1. 磁気セルであって、
   第１の固定磁気層と、
   第２の固定磁気層と、
   前記第１および第２の固定磁気層の間に配置された自由磁気層と、
   前記磁気層にスピン偏極電流を供給するように構成された端子とを備える、磁気セル。
2. 前記第１の固定磁気層は、前記自由磁気層の容易軸に実質的に平行な磁化方向を有し、
   前記第２の固定磁気層は、前記自由磁気層の前記容易軸に実質的に直交する磁化方向を有する、請求項１に記載の磁気セル。
3. 前記磁気セルは、前記層に垂直な垂直方向、および前記層に平面的な直径方向を定義し、
   前記第１の固定磁気層および前記自由磁気層の容易軸の磁化方向は、前記垂直方向に向けられ、
   前記第２の固定磁気層の磁化方向は、前記直径方向に向けられる、請求項１に記載の磁気セル。
4. 前記磁気セルは、前記層に垂直な垂直方向、および前記層に平面的な直径方向を定義し、
   前記第１の固定磁気層の磁化方向は、前記垂直方向に向けられ、
   前記第２の固定磁気層および前記自由磁気層の容易軸の磁化方向は、前記直径方向に向けられる、請求項１に記載の磁気セル。
5. 前記磁気セルは、前記層に平面的な第１の直径方向、および、前記層に平面的でかつ前記第１の直径方向に実質的に直交する第２の直径方向を定義し、
   前記第１の固定磁気層の磁化方向は、前記第１の直径方向に向けられ、
   前記第２の固定磁気層および前記自由磁気層の容易軸の磁化方向は、前記第２の直径方向に向けられる、請求項１に記載の磁気セル。
6. 前記磁気層のうちの少なくとも１つは、少なくとも一部が強磁性材料で構成される、請求項１に記載の磁気セル。
7. 前記強磁性材料は、鉄、コバルト、ボロン、ランタノイド、ネオジム、サマリウム、パーマロイ、およびホイスラー合金のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載の磁気セル。
8. 前記第１の固定磁気層と前記自由磁気層との間、および、前記自由磁気層と前記第２の固定磁気層との間に中間層をさらに備える、請求項１に記載の磁気セル。
9. 前記中間層は、電気的絶縁材料を有するトンネルバリアを含む、請求項８に記載の磁気セル。
10. 前記電気的絶縁材料は、アルミニウム、タンタラム、チタン、またはマグネシウムのうちの１つまたはより多くの酸化物を含む、請求項９に記載の磁気セル。
11. 前記中間層は、導電材料を含む、請求項８に記載の磁気セル。
12. 前記導電材料は、銅、金、銀、またはアルミニウムのうちの１つまたはより多くのものを含む、請求項１１に記載の磁気セル。
13. 前記第１の固定磁気層は、前記自由磁気層の容易軸に実質的に平行な磁化方向を有し、
    前記第２の固定磁気層は、前記自由磁気層の前記容易軸に実質的に直交する磁化方向を有し、
    前記第１の固定磁気層と前記自由磁気層との間の前記中間層は、電気的絶縁材料を含み、
    前記第２の固定磁気層と前記自由磁気層との間の前記中間層は、導電材料を含む、請求項８に記載の磁気セル。
14. 前記固定磁気層の各々は、前記自由磁気層よりも実質的に大きな磁気体積を有する、請求項１に記載の磁気セル。
15. 前記固定磁気層は、磁気的に固定される、請求項１に記載の磁気セル。
16. 方法であって、
    第１および第２の面、ならびに容易軸にそろった初期磁化方向を有する自由磁気層を含む磁気セルを提供するステップと、
    第１のスピントルクを、前記自由磁気層の前記第１の面に印加するとともに、第２のスピントルクを、前記自由磁気層の前記第２の面に印加するステップとを備え、
    前記第１のスピントルクは、前記自由磁気層の前記初期磁化方向に実質的に直交し、
    前記第２のスピントルクは、前記自由磁気層の前記初期磁化方向に実質的に逆平行である、方法。
17. 前記磁気セルへ読出電流を印加するステップと、
    前記読出電流に応答して受信される読出出力信号に少なくとも一部基づいて、出力を提供するステップとをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
18. データ記憶システムであって、
    複数の磁気データ記憶セルと、
    前記磁気データ記憶セルの１つまたはより多くとの、操作可能な信号接続とを備え、
    前記磁気データ記憶セルの代表的な１つは、
    前記磁気データ記憶セルにスピン偏極電流を供給するように構成された第１の端子および第２の端子に操作可能に結合された、３つまたはより多くの磁気層を含み、
    前記３つまたはより多くの磁気層は、
    前記第１の端子に近接した第１の固定磁気層と、
    前記第２の端子に近接した第２の固定磁気層と、
    前記第１および第２の固定磁気層の間に配置された自由磁気層とを有し、
    前記第１の固定磁気層は、固定された磁化方向を有し、
    前記第２の固定磁気層は、前記第１の固定磁気層の磁化方向と実質的に直交する固定された磁化方向を有し、
    前記自由磁気層は、一次基準層の磁化方向に実質的に平行な容易軸を有し、
    前記一次基準層は、前記第１の固定磁気層または前記第２の固定磁気層のいずれかを含み、それによって、前記自由磁気層が、前記一次基準層の磁化方向に平行または逆平行のいずれかの磁化方向を有しやすくし、
    前記データ記憶システムは、前記信号接続を介して書込信号および読出信号を提供するように構成され、それによって、
    前記書込信号は、臨界値を上回る電流密度を有するスピン偏極電流を、前記磁気データ記憶セルに供給して、前記磁気データ記憶セルの前記自由磁気層の磁化方向を制御可能に設定し、
    前記読出信号は、前記臨界値を下回る電流密度を有するスピン偏極電流を、前記磁気データ記憶セルに供給して、前記磁気データ記憶セルの前記自由磁気層の磁化方向を示す読出出力信号を生成する、データ記憶システム。
19. 前記代表的な磁気データ記憶セルは、概して前記端子の間に延びるとともに前記磁気層に概して垂直な垂直軸を定義し、
    前記第１の固定磁気層の磁化方向は、前記垂直軸に概して平行に向けられ、
    前記第２の固定磁気層の磁化方向は、前記垂直軸に概して平行、または概して直交するいずれかの方向に向けられ、
    前記自由磁気層の前記容易軸は、前記第１の固定磁気層または前記第２の固定磁気層のいずれかの磁化方向に、概して平行に向けられる、請求項１８に記載のデータ記憶システム。
20. 前記代表的な磁気データ記憶セルは、概して前記端子の間に延びるとともに前記磁気層に概して垂直な垂直軸を定義し、
    前記第１の固定磁気層の磁化方向は、前記垂直軸に概して直交する方向に向けられ、
    前記第２の固定磁気層の磁化方向は、前記垂直軸に概して直交し、かつ前記第１の固定磁気層の磁化方向に概して直交する方向に向けられ、
    前記自由磁気層の前記容易軸は、前記第１の固定磁気層または前記第２の固定磁気層のいずれかの磁化方向に、概して平行に向けられる、請求項１８に記載のデータ記憶システム。

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