JP2014078738A - 電流誘起スピン−運動量移動に基づく高速低電力磁気デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】スピン偏極電流を使用してメモリセルの磁気デバイスにおける磁気領域の磁化方向及び／又はヘリシティを制御してスイッチングする高速かつ低電力の方法を提供する。
【解決手段】磁気デバイスは、固定の磁気ヘリシティ及び／又は磁化方向を有する基準磁化層と、可変の磁気ヘリシティ及び／又は磁化方向を有する自由磁化層とを含む。固定磁化層及び自由磁化層は、非磁化層により分離されることが好ましい。固定及び自由磁化層は、層法線に対して実質的に非ゼロ角度の磁化方向を有することができる。デバイスに電流を印加してトルクを誘起することができ、これは、デバイスの磁気状態を変更し、そのためにそれは情報を書き込むための磁気メモリとして作用することができる。デバイスの磁気状態に依存する抵抗が測定されてデバイスに格納された情報を読み出す。
【選択図】図１

Description

本特許出願は、２００９年６月２４日付けの米国特許出願出願番号第１２／４９０，５８８号明細書に対する優先権を請求するものであり、その出願は、２００７年１０月３１日出願の米国特許出願出願番号第１１／９３２，７４５号明細書の一部継続出願であり、その出願は、２００６年８月１日出願の米国特許出願出願番号第１１／４９８，３０３号明細書の一部継続出願であり、その出願は、２００６年１１月１４日に許可され、かつ２００７年１月３０日に米国特許第７、１７０，７７８号明細書として付与された２００５年１０月１３日出願の米国特許出願出願番号第１１／２５０，７９１号明細書の一部継続出願であり、その出願は、２００５年９月１２日に許可され、かつ２００５年１２月２７日に米国特許第６，９８０，４６９号明細書として付与された２００３年８月１９日出願の米国特許出願出願番号第１０／６４３，７６２号明細書の継続出願である。

本発明は、「磁気ナノ構造内のスピン移動」という名称の契約番号ＮＳＦ−ＤＭＲ−０７０６３２２、及び国立科学財団に授与された「多安定システム内のノイズ誘起漏出」という名称の契約番号ＮＳＦ−ＰＨＹ−０６０１１７９、及び陸軍研究所に授与された「電子工学：超高速磁気エレクトロニクスデバイス」という名称の契約番号ＡＲＯ−Ｗ９１１ＮＦ−０７−１−０６４３の下で政府支援を受けて行われたものである。政府は、本発明においてある一定の権利を有する。

本発明は、一般的に、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）デバイスのようなメモリ用途及び情報処理用途に使用される磁気デバイスに関する。より具体的には、本発明は、スピン偏極電流を使用してそのようなデバイスにおける磁化の方向及び／又は磁気領域のヘリシティを制御してスイッチングすることができる高速かつ低電力な方法を説明する。

スピン偏極電子の流れを使用する磁気デバイスは、磁気メモリ用途及び情報処理用途に向けて興味深いものである。このようなデバイスは、一般的に、金属又は絶縁体のような非磁化体によって分離された少なくとも２つの強磁化電極を含む。電極の厚みは、一般的に１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲である。非磁化体が金属である場合、このタイプのデバイスは、巨大磁気抵抗又はスピンバルブデバイスとして公知である。デバイスの抵抗は、電極が平行又は反平行（すなわち、磁化は平行線上にあるが指す方向が反対）の方向に配置されたか否かのような磁気電極の相対的な磁化方向に依存する。一方の電極は、一般的に、その磁化が固定され、すなわち、それは、他方の電極よりも高い飽和保磁力を有し、かつその磁化方向を変えるためにより大きい磁場又はスピン偏極電流を必要とする。第２の層は、自由電極として知られ、その磁化方向は、前者に対して変えることができる。情報は、この第２の層の方向に格納することができる。例えば、「１」又は「０」は、層の反平行アラインメントにより、「０」又は「１」は、平行アラインメントによって表すことができる。デバイス抵抗は、これらの２つの状態に対して異なることになり、従って、デバイス抵抗は、「１」を「０」から区別するのに使用することができる。このようなデバイスの重要な特徴は、それが、磁気ハードドライブのように電源がオフである時にさえデバイスが情報を維持するので不揮発性メモリであるという点である。磁石電極は、横方向サイズでサブミクロンとすることができ、磁化方向は、依然として熱変動に対して安定したものとすることができる。

従来の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）設計において、磁場は、自由電極の磁化方向をスイッチングするために使用される。これらの磁場は、電流搬送ワイヤを磁気電極の近くに使用して生成される。ワイヤは、メモリデバイスがＭＲＡＭセルの密なアレイから構成されるので、断面が小さくなければならない。ワイヤからの磁場は、長距離磁場（磁場が、ワイヤの中心からの距離の逆数としてのみ減衰する）を発生するので、アレイのデバイス間にクロストークが存在することになり、一方のデバイスは、他方のデバイスからの磁場を受けることになる。クロストークは、メモリの密度を制限し、及び／又はメモリ作動中にエラーを引き起こすことになる。更に、このようなワイヤによって発生した磁場は、電極の位置で約０．１テスラに制限され、これは、遅いデバイス作動をもたらす。重要なことに、従来のメモリ設計も、確率的な（ランダムな）過程又は変動磁場を使用して切換イベントを開始し、これは、本質的に遅くかつ信頼性が低い（例えば、Ｒ．Ｈ．Ｋｏｃｈ他、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８４、５４１９（２０００年）を参照されたい）。

米国特許第５、６９５、８６４号明細書及びいくつかの他の文献（例えば、Ｊ．Ｓｌｏｎｃｋｅｗｓｋｉ、磁気及び磁化材料の学術誌１５９、Ｌ１（１９９６年））において、Ｊｏｈｎ Ｓｌｏｎｃｋｅｗｓｋｉは、磁気電極の帯磁方向を直接に変えるためにスピン偏極電流を使用することができる機構を説明した。その提案された機構において、流動中の電子のスピン−角運動量は、磁気領域の背景磁化と直接に相互作用する。移動中の電子は、それらのスピン−角運動量の一部を背景磁化に移動し、かつこの領域において磁化に対するトルクを生成する。このトルクは、この領域の磁化の方向を変更し、かつその磁化方向をスイッチングすることができる。更に、この相互作用は、局所的であり、その理由は、それが、電流が流れ通る領域に対してのみ作用するからである。しかし、提案された機構は、純粋に理論的であった。

Ｓｌｏｎｃｋｅｗｓｋｉの特許は、磁気スイッチングに対してスピン−運動量移動を用いるＭＲＡＭデバイスを説明している。しかし、提案されたデバイスは、遅く、かつ磁化スイッチングを開始するために変動磁場及び確率過程に頼るものである。更に、デバイスをスイッチングするために大きい電流密度が必要である。彼の「ラッチ又は論理ゲート」の好ましい実施形態を説明する際に、Ｓｌｏｎｃｋｅｗｓｋｉは、「．．．３つの磁石Ｆ１、Ｆ２、及びＦ３の好ましい軸線は、上述のように全て「垂直」（すなわち、同じ方向又は向き）である。他の向きは、それらが同じ軸線と平行である限り機能することができる。」と述べている。以下に説明するように、本発明のデバイスは、同じ軸線と平行でない層磁化を利用しており、速度、信頼性、及び電力消費量において非常に有利である。

Ｊｏｎａｔｈａｎ Ｓｕｎに付与された米国特許第６，２５６，２２３号明細書も、電流誘起磁気スイッチングを使用するデバイスを説明しており、実験においてこのようなデバイスの作動を明らかにしている。しかし、提案されたデバイスは、デバイス特性に関して殆ど一貫性がなかったので信頼性が低かった。更に、磁気スイッチングに対する推定タイムスケールは、大きい電流密度での作動に対して５０ｎｓｅｃであった。

スピン偏極電流の作用の下で高速かつ確実な作動を示すデバイスが必要とされる。これは、より低い電力で作動し、かつ磁化方向をスイッチングするためのより低い閾値電流を有するデバイスを含む。

米国特許第５、６９５、８６４号明細書 米国特許第６，２５６，２２３号明細書

Ｒ．Ｈ．Ｋｏｃｈ他、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８４、５４１９（２０００年） Ｊ．Ｓｌｏｎｃｋｅｗｓｋｉ、磁気及び磁化材料の学術誌１５９、Ｌ１（１９９６年） Ｂ．Ｏｅｚｙｉｌｍａｚ他、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９１、０６７２０３（２００３年） Ｒ．Ｈ．Ｋｏｃｈ他、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２、０８８３０２（２００４年） Ｋ．Ｍｍａｒｔｅｎｓ、Ｄ．Ｌ．Ｓｌｅｉｎ、及びＡ．Ｄ．Ｋｅｎｔ共著「ナノスケール強磁化リングにおける磁化反転」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、第７３巻、第５号、０５４４１３ページ（２００６年） Ｓ．Ｙｕａｓａ他、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ８９、０４２５０５（２００６年） Ｊ−Ｍ．Ｌ．Ｂｅａｕｊｏｕｒ、Ｗ．Ｃｈｅｎ、Ｋ．Ｋｒｙｃｋａ、Ｃ−Ｃ．Ｋａｏ、Ｊ．Ｚ．Ｓｕｎ、及びＡ．Ｄ．Ｋｅｎｔ共著「スパッタ処理Ｃｏ／Ｎｉ多層の強磁化共振の研究」、欧州物理学会誌Ｂ、５９、４７５（２００７年） Ｊ−Ｍ．Ｌ．Ｂｅａｕｊｏｕｒ、Ａ．Ｄ．Ｋｅｎｔ、及びＪ．Ｚ．Ｓｕｎ共著「多結晶質Ｆｅ＿｛１−ｘ｝Ｖ＿ｘ合金薄膜の強磁化共振の研究」、応用物理学会誌１０３、０７Ｂ５１９（２００８年） Ｋ．Ｍｍａｒｔｅｎｓ、Ｄ．Ｌ．Ｓｌｅｉｎ、及びＡ．Ｄ．Ｋｅｎｔ共著「ナノスケール強磁化リング内の磁化の反転」、Ｐｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、第７３巻、第５号、０５４４１３ページ（２００６年） Ｇ．Ｄ．Ｃｈａｖｅｓ−Ｏ’Ｆｌｙｎｎ、Ａ．Ｄ．Ｋｅｎｔ、及びＤ．Ｌ．Ｓｔｅｉｎ、Ｐｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ７９、１８４４２１（２００９年）

スピン−運動量移動を用いるデバイスの従来の設計に関連の制限事項に鑑みて、本発明の目的は、磁気メモリ又は磁気情報処理デバイスに最適である構造を提供することである。

本発明の別の目的は、作動速度に関して利点を有する磁気デバイスを生成することである。

本発明の更に別の目的は、信頼性に関して利点を有する磁気デバイスを生成することである。

本発明の更に別の目的は、作動する電力がより低い磁気デバイスを生成することである。

本発明の更に別の目的は、格納された情報の安定性に関して利点を有する磁気デバイスを生成することである。

本発明の更に別の目的は、大きい読出信号を有する磁気デバイスを生成することである。

本発明の上記及び付加的な目的は、層磁化方向が同じ軸線に沿わない磁化層を使用するデバイスによって達成される。例えば、一実施形態では、２つの磁気領域は、直交する磁化を有する。

本発明は、電流が流れることができる強磁化層及び非磁化層で構成された磁気デバイスである。磁気デバイスは、固定磁化方向を有する強磁化層、及び印加電流に応答して自由に回転することができる磁化を有する非磁化領域により第１のものから分離された別の強磁化層から構成される。同じく非磁化層により他のものから分離された第３の強磁化層は、固定磁化方向を有し、かつ自由強磁化層の磁化方向を読み出すために使用することができる。強磁化層の磁化方向は、全てが同じ軸線に沿っているわけではない。好ましい一実施形態では、第１の固定強磁化層の磁化方向は、層の平面に垂直であり、一方、自由強磁化層の磁化は、層の平面内である。上述のように、層の間の電流の流れは、固定磁化層から自由磁化層までスピン−角運動量を移動して自由層の磁化に対してトルクを生成する。
トルクは、電流及び電流のスピン分極に依存する比例係数により、固定及び自由層の磁化方向のベクトル三重積に比例する。固定層及び自由層の磁化方向が直交する時に大きいトルクが生成される。

自由磁化層の磁化方向に作用するこの大きいトルクにより、自由磁化層の磁化は、層の平面から外れて回転する。自由磁化層の厚みは、幅及び長さ寸法よりも小さいので、層の平面から外れた自由磁化層の磁化の回転は、層の平面に垂直である大きい磁場、すなわち、「反」磁場を発生する。

この消磁場は、自由磁化層の磁化ベクトルを強制的にすりこぎ運動させ、すなわち、磁化方向を消磁場の方向の周りに回転させる。消磁場はまた、すりこぎ運動の速度も決める。消磁場が大きいと、速いすりこぎ運動速度が発生し、これは、速い磁気スイッチングの最適条件である。この磁気デバイスの利点は、層の磁気応答を開始するか又は制御するのにランダムに変動する力又は磁場は不要であるという点である。

本発明の更に別の態様は、固定磁気ヘリシティ及び／又は固定磁化方向を有する基準磁化層と、可変磁化ヘリシティを有する少なくとも１つの磁化ベクトルを有する自由磁化層と、自由磁化層及び基準磁化層を空間的に分離する非磁化層とを含む磁気デバイスを提供する。自由磁化層の磁化ヘリシティは、電流誘起スピン−運動量移動を用いて変えることができる。１つの好ましい実施形態では、デバイスは、実質的にリング状の構造を有し、基準磁化層は、基準層に実質的に垂直な容易軸と基準層の平面に垂直な固定磁化とを含む。代替的に、基準層は、基準層に実質的に垂直な容易軸と、リング状構造に関して実質的に時計回り又は反時計回りの磁気ヘリシティとを含む。

本発明の上述及び他の特徴は、本発明の例示的な実施形態の以下の詳細説明、及び同様の参照番号が図を通して類似の要素を指す図面からより容易に明らかであろう。

本発明による磁気デバイスの図である。 図３Ａに示すような電流のパルスの印加中の図１の電子デバイスの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 図３Ａに示すような電流のパルスの印加中の図１の電子デバイスの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 図３Ａに示すような電流のパルスの印加中の図１の電子デバイスの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 図３Ａに示すような電流のパルスの印加中の図１の電子デバイスの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 図３Ａに示すような電流のパルスの印加中の図１の電子デバイスの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 磁気デバイスに印加することができる電流波形の図である。 磁気デバイスに印加することができる代替電流波形の図である。 本発明の一実施形態によるメモリセルの図である。 図４のメモリセルの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 図４のメモリセルの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 図４のメモリセルの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 図４のメモリセルの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 図４のメモリセルの磁化ベクトル及び消磁場を示す自由磁化層の図である。 書込作動中に図４のメモリセルに印加することができる電流波形の図である。 図６Ａに示す電流パルスが印加される前及び後の読出作動中にメモリセルから測定された抵抗の図である。 ４状態メモリセルの自由磁化層の図である。 磁気デバイスに印加された電流波形の例を示す図である。 図８に示す電流パルスの印加中及び後の自由磁化層の磁化成分の図である。 書込作動中に正味電流が自由磁化層を通過しない本発明の一実施形態によるメモリセルの図である。 本発明による環状磁気デバイスの図である。 本発明の一実施形態による環状メモリセルの図である。 別々の読込接点及び書込接点が設けられる本発明の更に別の実施形態による環状メモリセルの図である。 本発明の実施形態による可変長の電流パルスに対する磁気デバイスの抵抗の応答を示す図である。 本発明の実施形態による可変長の電流パルスへの磁気デバイスの抵抗の応答を示す図である。 本発明の実施形態による可変長の電流パルスへの磁気デバイスの抵抗の応答を示す図である。 本発明の実施形態による可変長の電流パルスへの磁気デバイスの抵抗の応答を示す図である。 層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された固定又は自由層磁化を有する磁気デバイスの図である。 層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された固定又は自由層磁化を有する磁気デバイスの図である。 層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された固定又は自由層磁化を有する磁気デバイスの図である。 層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された固定又は自由層磁化を有する磁気デバイスの図である。 層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された磁化を有する磁化層を製造する方法の図である。 一定サドル構成を有する環状磁気デバイスの磁化方向を示す図である。 インスタントンサドル構成を有する環状磁気デバイスの磁化方向を示す図である。 インスタントンサドル構成を有する環状磁気デバイスの磁化方向を示す図である。 様々なリング厚みに関するリング半径の関数としての環状磁気デバイスの磁化反転に対するエネルギ障壁の図である。 一定及びインスタントンサドル様式におけるリングサイズの関数としての環状磁気デバイスの性能指数の図である。 本発明の実施形態による環状磁気デバイスから構成したメモリアーキテクチャの図である。

基本磁気デバイスの構造
基本概念を示すために、図１は、固定磁化方向を有する固定磁化層ＦＭ１及び自由磁化方向を有する自由磁化層ＦＭ２を含む多層柱状磁気デバイスを示している。
は、固定磁化層ＦＭ１の磁化ベクトルであり、
は、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトルである。固定磁化層ＦＭ１は、スピン−角運動量源として作用する。

固定磁化層ＦＭ１及び自由磁化層ＦＭ２は、相互の磁気相互作用が最小にされるように２つの層ＦＭ１及びＦＭ２を空間的に分離する第１の非磁化層Ｎ１により分離される。柱状磁気デバイスは、一般的にナノメートル単位で寸法決めされ、例えば、横方向に約２００ｎｍ未満とすることができる。

自由磁化層ＦＭ２は、本質的に２つの付加的な層、すなわち、固定磁化層ＦＭ１及び非磁化層Ｎ１を有する柱状磁気デバイス内に組み込まれた磁気薄膜要素である。層厚は、一般的に、約１ｎｍ〜５０ｎｍである。

これらの柱状磁気デバイスは、サブミクロンステンシルマスクを通じてスパッタリング蒸積、熱蒸積、及び電子線蒸積を含む多くの異なる手段により層の積層シーケンスで製造することができる。これらの磁気デバイスはまた、多層フィルムを形成するためにスパッタリング蒸積、熱蒸積、及び電子線蒸積における積層シーケンスを用いて、次に、他の半電導性又は絶縁ウェーハのシリコンのような基板表面上に柱状磁気デバイスを残すために材料を除去する除去微細加工法によって製造することができる。

強磁化層の材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＮｉ_1-xＦｅ_xのようなこれらの元素の合金、材料が室温で強磁化的に順序づけされた組成でＣｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＮｉＭｎＳｂのような非磁化金属とのこれらの強磁化金属の合金、導電材料、及びＣｒＯ₂及びＦｅ₃Ｏ₄のような導電磁化酸化物を含む（これらに限定されない）。非磁化層に対して、材料は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、及びＡｌを含む（これらに限定されない）。非磁化層の主要件は、ほぼ層厚よりも小さい短い長さスケールでの電子スピン方向の散乱がないことである。

電流源は、電流Ｉが柱状デバイスを横断することができるように、固定磁化層ＦＭ１及び自由磁化層ＦＭ２に接続される。

磁気スイッチングの方法
電流Ｉは、電流Ｉが固定磁化層ＦＭ１から第１の非磁化層ＮＩへ、更に自由磁化層ＦＭ２へデバイスの様々な層を貫流するように柱状磁気デバイスに印加される。印加電流Ｉは、固定磁化層ＦＭ１から自由磁化層ＦＭ２への角運動量の移動をもたらす。上述のように、１つの磁気領域から別の領域への角運動量の移動により、トルクを生成することができる。

図２Ａ〜図２Ｅは、図１に示す磁気デバイスを使用する磁気スイッチングの方法の段階を示すものであり、便宜上、図２Ａ〜図２Ｅは、自由磁化層ＦＭ２及び自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
のみを示している。図２Ａは、電流Ｉが印加される前の自由磁化層ＦＭ２の初期状態を示している。

図２Ｂ〜図２Ｄに示すように、図３Ａ及び図３Ｂに示すような形とすることができる電流Ｉの印加は、固定磁化層ＦＭ１から自由磁化層ＦＭ２への角運動量の移動をもたらす。
固定磁化層ＦＭ１から自由磁化層ＦＭ２への角運動量のこの移動により、自由磁化層ＦＭ２の磁気モーメントに対するトルク：
が生成される。

自由層の単位磁化当たりのトルク：
は、ベクトル三重積：
に比例し、
は、自由磁化層ＦＭ２の磁気モーメントの方向の単位ベクトルであり、
は、固定磁化層ＦＭ１の磁気モーメントの方向の単位ベクトルである。前因子α₁は、電流Ｉ、電流Ｉのスピン分極Ｐ、及び
であるように自由及び固定磁化層の間の角度の余弦ｃｏｓ（θ）に依存する。
は、誘導プランク定数であり、ｇは、スピン分極Ｐ及びｃｏｓ（θ）の関数であり、Ｍは、自由層の磁化密度であり、ｅは、電子の電荷であり、Ｖは、自由層の容積である（Ｊ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ、磁気及び磁化材料の学術誌１５９、Ｌ１（１９９６年）を参照されたい）。すなわち、大きいトルク：
は、固定磁化層ＦＭ１及び自由磁化層ＦＭ２の磁気モーメントが垂直な時に生成される。

自由磁化層ＦＭ２の磁気モーメントに作用するこのトルク：
により、自由磁化層ＦＭ２の磁化は、層の平面を出て回転する。自由磁化層ＦＭ２の厚みが、自由磁化層ＦＭ２の幅及び長さ寸法よりも小さいので、層の平面を出る自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
の回転は、大きい磁場、すなわち、層の平面に垂直である「反」磁場を生成する。

この消磁場により、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
は、すりこぎ運動を強制され、すなわち、磁化方向が磁場軸に関して回転するように移動する。消磁場により、すりこぎ運動の速度も決まる。消磁場が大きいと、すりこぎ運動速度は極めて速く、これは、高速磁気スイッチングの最適条件である。

従って、高速磁気スイッチングのための磁気メモリデバイスの最適構成において、固定磁化層ＦＭ１の磁気モーメントは、自由磁化層ＦＭ２の平面に垂直であり、自由磁化層ＦＭ２の磁気モーメントは、薄層の柱の軸に垂直であり、かつ自由磁化層ＦＭ２の平面内にある。

図２Ｅは、磁気スイッチング過程が完了した後の自由磁化層ＦＭ２を示している。図２Ａ及び図２Ｅに示すように、磁気スイッチング過程により、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
は、１８０°回転することによって方向を逆転させることによって切り換わる。

図３Ａ及び図３Ｂは、磁気デバイスに印加することができる２つの異なる形態の電流入力を示している。図３Ａに示す電流入力は、短い持続時間の２つの電流パルス、すなわち、第１の正の電流パルス、次に、第２の負の電流パルスで構成される。この形態の電流入力は、「１」又は「０」の書込をもたらす。代替的に、２つの電流パルスが反対極性である限り、第１の電流パルスは、負とすることができ、第２の電流パルスは、正とすることができる。両方の場合に、磁気ビットの状態は、「０」から「１」、又は「１」から「０」に変えられることになる（すなわち、最終状態がビットの初期状態の補完であることになる）。図３Ａに示す電流入力は、先に説明して図２Ａ〜図２Ｅに示す磁気スイッチングの方法に使用される。２つの電流パルスで形成された電流入力の使用は、磁気スイッチング過程が速くなる結果をもたらす。

第１の電流パルスは、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
のすりこぎ運動を開始する。第１の電流パルスの完了後に、第２の電流パルスは、望ましい状態ですりこぎ運動を停止するために印加される。

第２の電流パルスは、デバイスの作動に不可欠なものではないが、速度スイッチングの高速化を可能にする。例えば、図３Ｂに示す電流入力は、単一の正の電流パルスで構成される。代替的に、単一の負の電流パルスを磁気デバイスに印加することができる。シミュレーションにより、多くの異なるタイプの電流パルスがＦＭ２をスイッチングすることが公知である。従って、デバイス作動は、図３に示す電流パルスに限定されないことは確かである。

メモリセルの構造
上述の磁気デバイスは、磁気メモリを形成するためにメモリセルのアレイ内への具備のためにメモリセルに組み込むことができる。図４に示すような一実施形態により、本発明の磁気デバイスは、メモリセルとして実施された時に、固定磁化方向を有する固定磁化層ＦＭ１、自由磁化方向を有する自由磁化層ＦＭ２、及び固定磁化方向を有する読出磁化層ＦＭ３を有する多層柱状デバイスである。
は、固定磁化層ＦＭ１の磁化ベクトルであり、
は、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトルであり、
は、読出磁化層ＦＭ３の磁化ベクトルである。

固定磁化層ＦＭ１及び自由磁化層ＦＭ２は、相互の磁気相互作用が最小にされるように２つの層ＦＭ１及びＦＭ２を空間的に分離する第１の非磁化層Ｎ１により分離される。自由磁化層ＦＭ２及び読出磁化層ＦＭ３は、相互の磁気相互作用が最小にされるように、２つの層ＦＭ２及びＦＭ３を空間的に分離する第２の非磁化層Ｎ２により分離される。柱状磁気デバイスは、一般的に、ナノメートル単位で寸法決めされ、例えば、約２００ｎｍ未満とすることができる。

電流源は、電流Ｉが柱状デバイスを横断することができるように、固定磁化層ＦＭ１及び読出磁化層ＦＭ３に接続される。電圧計は、磁気デバイスの抵抗を測定することによってメモリセルの論理的内容を読むことができるように、固定磁化層ＦＭ１及び読出磁化層ＦＭ３に接続される。

情報を書き込む方法
磁気スイッチング過程は、情報がメモリセルに書き込まれる時に使用される。メモリセル内に情報の論理的ビットを格納するために、メモリセルの内側の磁化ベクトルの磁化方向は、「０」及び「１」の論理値を符号化するために２つの可能な向きの一方に設定される。この磁気デバイスは、メモリセルとして実施された時に、上述の磁気スイッチングの方法を何ビットもの情報を格納するのに使用する。電流パルスは、磁気デバイス内の論理値を変えるために印加される。上述して図４に示す磁気メモリデバイスは、自由磁化層ＦＭ２が２つの磁気的安定状態で単一の磁化ベクトル：
を有するので１ビットの情報を格納する。

電流Ｉは、電流Ｉが固定磁化層ＦＭ１から読出磁化層ＦＭ３まで磁気メモリデバイスの様々な層を貫流するように柱状磁気メモリデバイスに印加される。電流Ｉの印加は、固定磁化層ＦＭ１から自由磁化層ＦＭ２への角運動量の移動をもたらす。

図５Ａ〜図５Ｅは、図４に便宜的に示す磁気メモリデバイスを使用して情報に書き込む方法の段階を示している。図５Ａ〜図５Ｅは、自由磁化層ＦＭ２及び自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
のみを示している。図５Ａは、電流１が印加される前の自由磁化層ＦＭ２の初期状態を示している。

図５Ｂ〜図５Ｄに示すように、図３Ａ及び図３Ｂに示すような形態とすることができる電流Ｉの印加は、固定磁化層ＦＭ１から自由磁化層ＦＭ２への角運動量の移動をもたらす。図２Ａ〜図２Ｅ及び図５Ａ〜図５Ｅは、磁気デバイスへの電流の印加の結果としての自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
の方向の変化を示している。

図６Ａは、図４に示す磁気メモリデバイスに印加される電流入力の形態を示している。
図６Ａの電流入力は、短い持続時間の２つの電流パルス、すなわち、第１の正の電流パルス、次に、第２の負の電流パルスを含み、それによって「１」又は「０」が書き込まれる。代替的に、２つの電流パルスが反対極性である限り、第１の電流パルスは、負とすることができ、第２の電流パルスは、正とすることができる。両方の場合に、磁気ビットの状態は、「１」から「０」又は「０」から「１」に変えられる（すなわち、最終状態がビットの初期状態の補完になる）。

第１の電流パルスは、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
のすりこぎ運動を開始する。第１の電流パルスの完了後に、第２の電流パルスが、望ましい状態ですりこぎ運動を停止するために印加される。本発明の磁気メモリデバイスのこの実施形態に対して、すりこぎ運動は、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
の１８０°回転がもたらされた時に停止される。

図６Ｂは、小さい電流が印加された状態で、すなわち、電流強度が電流パルスに使用されるものを遥かに下回る状態で図４に示す磁気メモリデバイスに接続した電圧計によって測定された時のデバイスの対応する抵抗の例を示している。抵抗は、図６Ａの電流パルスがデバイスに印加された後に増加する。図５Ａ（第１の正の電流パルス前に）に示す初期状態では、抵抗は、一定の低い値にある。図５Ｅに示す最終状態では、抵抗は、一定の高い値にある。

従って、図５Ａ及び図５Ｅに示す状態は、それぞれ、初期状態の「０」の論理値及び最終状態の「１」の論理値に対応する。図５Ｅに示す最終状態の自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
は、図５Ａに示す初期状態の自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
と反対方向である。

自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
をスイッチングするために使用される電流パルスは、安定状態間で磁化ベクトル：
をスイッチングするのに必要とされる最小限のパルス持続時間を有することができる。しかし、一般的に、最大パルス持続時間は存在せず、すなわち、電流パルスは、印加されたパルス持続時間が最小値を超える範囲と無関係に最小パルス持続時間にわたって印加される限り、安定状態間で磁化ベクトル：
の状態をスイッチングする。図１４Ａ及び１４Ｂは、正の極性のパルスに関してこの現象を示している。図１４Ａは、スイッチングのための最小パルス持続時間の長さΔt_minにわたって印加され、次に、破線により表される時間の可変の付加的な長さにわたって印加される電流パルスを示している。図１４Ｂは、図１４Ａのパルスに応答する経時的なデバイスの抵抗をプロットしている。これらの図は、パルスが少なくともΔt_minにわたって印加される限り、デバイスが、付加的な可変長パルス時間の長さと無関係にその初期低抵抗安定状態からその最終高抵抗安定状態まで切り換わることを示している。図１４Ｃ及び図１４Ｄは、高抵抗状態から低抵抗状態にデバイス抵抗をスイッチングする負の極性のパルスに関するこの現象を示している。当業者は、高から低及び低から高にデバイス抵抗を変えるために使用されるパルスが反対極性である限り、高から低又は低から高にデバイス抵抗をスイッチングするために使用されるパルスの絶対極性は重要でないことを認識するであろう。従って、「正の」絶対極性のパルスは、高から低に抵抗をスイッチングするために使用することができ、一方、「負の」絶対極性のパルスは、低から高に抵抗をスイッチングするために使用することができる。

電流パルスの必要な振幅は、マイクロ磁気学の方程式、すなわち、上述のスピン移動トルクを含むランダウ−リフシッツ・ギルバート方程式を使用する数値モデル化により推定することができる（例えば、Ｂ．Ｏｅｚｙｉｌｍａｚ他、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９１、０６７２０３（２００３年）を参照されたい）。Ｍ＝１４００ｅｍｕ／ｃｍ³の磁化密度を有するＣｏで構成された自由層に対しては、０．０１のギルバート減衰パラメータα、０．４の電流Ｐのスピン分極、及び１０００ｋＯｅの面内一軸異方性磁場である。
（この場合、面内一軸異方性定数Ｋは、Ｋ＝７ｘ１０⁵ｅｒｇ／ｃｍ³である。）この推定のために、Ｃｏ自由層は、３ｎｍ厚であり、かつ６０ｎｍ×６０ｎｍの横方向寸法を有する。５ｍＡの振幅の電流パルスは、層をスイッチングするために十分以上であることが公知である。デバイスをスイッチングするのに必要な電流は、Ｃｏ自由層のサイズを低減し、例えばより高度のスピン分極を有する固定層を使用することによって電流のスピン分極を増大させ、かつ面内異方性を低減するか又はギルバート減衰を低減することによって低減される。この電流振幅に対して、デバイスをスイッチングするには３５ｐｓｅｃパルスで十分である。

５オームのデバイス抵抗を用いて、エネルギ散逸は、５ｘ１０^-15Ｊである。このエネルギ散逸値は、固定層磁化及び自由層磁化が同じ軸に沿って最初に整列した時にスピン偏極電流で磁気デバイスをスイッチングするのに必要なエネルギと比較することができる。
最近の実験の結果、これには、５オームの抵抗を有するデバイスにおいて約１０ｎｓにわたって印加される約１０のｍＡの電流が必要である）ことが公知である（Ｒ．Ｈ．Ｋｏｃｈ他、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９２、０８８３０２（２００４年）を参照されたい）。消散されるエネルギは、従って、５ｘ１０¹²Ｊである。従って、比較すると、本デバイス電力所要量は、全く小さい。更に、パルスのオン期間は大きい電流密度１Ａ／μｍ²にも関わらず非常に短いものに過ぎないので、電気移動は予想されない。更に、このようなデバイスをこの値の５倍を超える大きい電流密度で期間を延びて（約１分間）操作したが、デバイスの損傷はなかった。（Ｂ．Ｏｅｚｙｉｌｍａｚ他著、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．９１、０６７２０３（２００３年）を参照されたい）。

情報を読み出す方法
読出磁化層ＦＭ３は、磁気メモリデバイスの最も簡単な実施において必要とされる。読出磁化層ＦＭ３は、固定磁化方向を有する磁化ベクトル：
を有する。読出磁化層ＦＭ３の磁化ベクトル：
は、いくつかの方法で固定することができる。例えば、読出磁化層ＦＭ３は、より肉厚に又は異方性磁化がより高い材料で形成することができ、又は交換バイアスの現象を使用するために反強磁化層に隣接して設けることができる。交換バイアスの現象において、反強磁化層と強磁化層間の結合及び反強磁化層の大きい磁気異方性により、強磁化層の硬化が発生し、従って、磁化方向を変えるためにより大きい磁場及び電流が必要とされる。

磁気メモリデバイスの抵抗は、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
及び読出磁化層ＦＭ３の磁化ベクトル：
の相対方向の影響を非常に受けやすい。磁気メモリデバイスの抵抗は、自由磁化層ＦＭ２及び読出層ＦＭ３の磁化ベクトル：
及び
がそれぞれ反平行アラインメントにある時に最も高い。磁気デバイスの抵抗は、層ＦＭ２及びＦＭ３の磁化ベクトル：
及び
がそれぞれ平行アラインメントにある時に最も低い。従って、簡単な抵抗測定により、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
の方向を判断することができる。

読出磁化層ＦＭ３の磁化ベクトル：
の固定方向は、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
の方向によって自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
と平行又は反平行のアラインメントであるように設定される。自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
の方向は、１８０ｄ０回転することができるように切り換わるので、自由磁化層ＦＭ２及び読出層ＦＭ３の磁化ベクトル：
及び
は、それぞれ、反平行か又は平行のアラインメントでなければならない。

複数ビットの情報の格納
上述して図４に示す磁気メモリデバイスは、２つの磁気的安定状態を有し、かつ１ビットの情報を格納することができる。本発明の別の実施形態により、磁気メモリデバイスは、情報の複数のビットを格納するように製造することができる。図７［［６］］は、４つの磁気的安定状態を有する自由磁化層ＦＭ２の例を示している。４つの磁気的安定状態を有する自由磁化層ＦＭ２を含む磁気メモリデバイスは、２ビットの情報を格納することができる。この実施形態では、電流パルスは、１８０°ではなく９０°異なる方向間で磁化をスイッチングするために印加される。これは、異なる形態の電流パルスによって達成することができる。例えば、電流パルスは、より小さい振幅及び／又はより短い持続時間とすることができる。読出層（ＦＭ３）は、次に、４つの磁化状態の各々が異なる抵抗を有するように整列する。これには、読出層磁化が、４つの状態のいずれに対しても平行を指す面内成分を持たず、これらの状態に対して４５°でもないことが必要である。

例
磁気デバイスの作動は、スピン移動トルクを含むランダウ−リフシッツ・ギルバート方程式を使用して模擬された。

図８は、初期時間ｔ＝０で始まってｔ＝３０ピコ秒で終了する磁気メモリデバイスに印加された電流入力の振幅を示している。この電流入力は、図３Ａ及び図６Ａに示す電流入力と類似の２つの電流パルスを含む。

１６ピコ秒の正の電流パルスが、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
のすりこぎ運動を開始するために磁気メモリデバイスに印加される。この１６ピコ秒の電流パルスの後に、Ｉ４ピコ秒の負の電流パルスが、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
のすりこぎ運動を停止して磁化ベクトル：
の望ましい状態をもたらすために磁気メモリデバイスに印加される。磁気メモリデバイスに対して、すりこぎ運動は、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
の１８０°回転をもたらした後に停止される。

図９は、図２Ｂ及び図５Ｂに示すｘ及びｙ方向の自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
の磁化成分ｍ_X及びｍ_Yを示している。磁化成分ｍ_X及びｍ_Yは、図８に示す電流入力印加中及びその後に測定される。図９は、自由磁化層ＦＭ２の磁化ベクトル：
が図５Ａに対応する初期状態から図５Ｅに対応する最終状態に１８０°逆転することを示している。磁化成分（ｍ_X、ｍ_Y）は、本発明に示すように（−１、０）と（１、０）の間で切り換わることができる。

利点
本発明の高速低電力磁気デバイスは、読出作動及び書込作動又は論理演算のためにのみエネルギを使用する。通電されていない時に、情報は、有意な損失なしに格納される。従って、本発明の磁気デバイスは、メモリセルとして実施される時に不揮発性メモリとして使用することができる。

本発明の磁気デバイスによって達成される不揮発性メモリは、コンピュータ及び携帯型電子デバイスの場合などの多くの用途に適している。特に、本発明の高速低電力磁気デバイスには、いくつかの利点がある。本発明の高速低電力磁気デバイスの性能は、フラッシュメモリ及び従来の磁気ラム（ＭＲＡＭ）及び強誘電性ＲＡＭ（ＦＲＡＭ）のような他のタイプの不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と比較しても遜色がない。

電流誘起トルクは、通電される、すなわち、電流が印加される磁気デバイスにのみ作用する。従って、複数の磁気デバイスが磁気メモリにおけるなどのアレイ内に配置された時に、磁気スイッチングが磁気要素の近くで小さい電流搬送ワイヤによって生成される磁場を使用することによって達成される従来の磁気メモリ内と異なり、電流誘起スピン移動は、アレイ内の隣接要素間に寄生的な相互作用（クロストーク）を生じない。

本発明によって提供される電流誘起トルクによる磁気スイッチングの方法は、層の磁化方向をスイッチングするために磁場を使用する電流従来の方法よりも速い。本発明の読出作動及び書込作動は、ほぼｎｓｅｃタイムスケールで完了することができる。従来のハードドライブは、ミリ秒台のデータアクセス時間を有するので、従来の磁気ハードドライブは、本発明の磁気メモリと比較すると非常に遅い。

本発明によって提供される電流誘起トルクによる磁気スイッチングの方法で必要とされる電力は低い。これは、特に携帯型電子デバイスの使用に適している。

本発明によって提供される電流誘起トルクによる磁気スイッチングの方法は、本発明の磁気デバイスの横方向寸法が約２００ｎｍ未満とすることができるので、サブミクロン台のデバイスに理想的である。従って、本発明は、莫大な量の情報を本発明によって提供される磁気メモリに格納することができるように、超高密度メモリセルの製造を可能にするように拡張される。

本発明の高速低電力磁気デバイスの基本アーキテクチャは、簡単であり、読出作動及び書込作動は、確実であり、温度の変化によって受ける影響が小さい。従来の磁気メモリデバイスとは異なり、本発明は、切換イベントを開始するために確率的な（ランダムな）過程又は変動磁場に頼らない。

本発明の一実施形態により、更に多くの情報を磁気メモリに格納することができるように、複数ビットの情報を各デバイス上に格納することができる。

本発明によって提供される電流誘起トルクによる磁気スイッチングの方法は、論理演算、並びに磁気メモリデバイスに使用することができる。電流パルスの形状、振幅、及び周期に依存する閾値があるので、電流パルスが磁化の変化を生成するために、電流入力は、ＡＮＤゲートのような論理関係を生成するために結合することができる。例えば、２つの電流パルスを結合して２つの電流パルスの合計であるデバイスを横断する電流パルスを生成することができる。パルス特性（形状、振幅、及び周期）は、各パルスが個々にデバイスをスイッチングせず、結合されたパルスがデバイスをスイッチングするように選択することができる。従って、これは、ＡＮＤ演算である。ＮＯＴ演算には、単にデバイスの状態をスイッチングすることが必要である。ＮＯＴ演算及びＡＮＤ演算は、ユニバーサルデジタル論理ゲートであるＮＡＮＤ関数を生成するために組み合わせることができる（すなわち、全てのデジタル論理関係は、ＮＡＮＤゲートから構成することができる）。

本発明によって提供されるいくつかの可能な幾何学形状及び層構成がある。例えば、本発明の磁気デバイスの実施形態は、正味電流が書込作動中に自由磁化層ＦＭ２を通過しないように構成することができる。これは、例えば、電流源Ａ、電流源Ｂ、及びＡＩ₂Ｏ₃で製造された薄い絶縁層である層１２を含む本発明の実施形態を示す図１０に示している。
このデバイスにおいて、層１２は、０．５〜３ｎｍ厚であり、電子が量子力学的トンネル効果により層を横断することができるほど十分に薄い。

図１０に示すデバイスにおいて、電流パルスは、自由磁化層ＦＭ２の磁化方向を変えるために電流源Ａで印加される。電流源Ａを使用して、電流は、ＦＭ１から非磁化層Ｎ１まで流れ、電子スピン−角運動量は、非磁化層Ｎ１と自由磁化層ＦＭ２の間のインタフェースで電子の反射により自由磁化層ＦＭ２に移動される。デバイス読出は、電流源Ｂを使用して行われる。電圧が、Ｂからの小さい電流が自由磁化層ＦＭ２と読出層ＦＭ３の間を通る時に測定される。この電圧は、自由磁化層ＦＭ２の磁化方向をデバイスを読み出すために判断することができるように、層ＦＭ２及びＦＭ３の相対的な磁化方向に依存することになる。このデバイスには、トンネル接合抵抗が大きい（１オーム〜１００ｋオーム）可能性があるので、読出信号が大きいという利点がある。読出信号は、１０ｍＶ〜１Ｖの範囲とすることができる。

フィルム法線に対して実質的に非ゼロ角度で磁化される高磁気異方性材料の薄膜を製造する方法
フィルム法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向される磁化で高磁気異方性材料の薄膜を製造する方法を図１６に示している。図１６において、堆積物供給源及び基板を真空チャンバ内に設ける。堆積物供給源は、基板の平面の法線に対して実質的に非ゼロ角度θで基板まで移動する高磁気異方性材料を放出する。堆積物供給源は、蒸発源、スパッタリング源、又は基板上に高磁気異方性材料を堆積させるのに適するいずれかの他の供給源とすることができる。本出願人の実験は、得られる薄膜の磁化方向は、堆積方向と基板の平面に対する法線との間に角度θを変更することによって制御することができることを明らかにしている。

基板の表面は、シード層が施される。シード層は、単独で又は組み合わせでＴａ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｕ、又はＲｕのような遷移金属を含むことができる。シード層の１つの目的は、基板上に堆積されるフィルムに対して好ましい結晶配列を与えることである。従って、得られるフィルムは、多結晶質とすることができ、好ましい結晶配列を有することができる。基板は、堆積されたフィルムに結晶学的に適合させる必要はない。従って、Ｓｉ、ガラス、ＧａＡｓ、ＳｉＮ、ＭｇＯ、サファイア、又はダイヤモンドのような広範な材料を基板に使用することができる。

一部の実施形態では、堆積物供給源は、基板のシード層に高磁気異方性材料の多層を供給する。実施形態では、多層を形成する個々の材料層は、０．１〜１．５ｎｍの範囲の厚みを各々有することができし、多層の全厚は、２〜１５ｎｍの範囲とすることができるが、他の厚みを用いることもできる。Ｎｉ／Ｃｏ、Ｐｔ／Ｃｏ／Ｎｉ、又はＰｄ／Ｃｏ／Ｎｉの多層のような多くの部類の高磁気異方性材料を使用することができる。使用することができる別の材料は、ＦｅＰｔのＬＩ₀相であり、これは、全ての現在公知の材料の中で最も高い磁気異方性の１つを有する。ＦｅＰｔの磁化層は、室温で熱的に安定なまま僅か３ｎｍの直径で製造することができ、それによってこのような層は、超高密度データ格納用途での使用に理想的に適するものとなっている。使用することができる他の材料には、Ｆｅ及びＰｄ、Ｃｏ及びＰｔ、又はＣｏ及びＰｄの多層があるがこれらに限定されない。

一例示的実施形態では、薄膜の構造は、基板／Ｔａ（３ｎｍ）／Ｐｔ（３ｎｍ）／［Ｃｏ（０．１ｎｍ）／Ｎｉ（０．６ｎｍ）］ｘ５／Ｐｔ（３ｎｍ）である。この実施形態では、シード層は、Ｔａの３ｎｍ層である。高磁気異方性を有する磁化層は、Ｃｏ／Ｎｉ層であり、これは、５回繰り返される。Ｃｏ／Ｎｉ層は、Ｐｔの２つの３ｎｍ層によって取り囲まれる。上述のように、このような実施形態の磁化方向は、堆積方向と基板の平面に対する法線との間の角度を変更することによって選択することができる。

磁化が層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された層を含む磁気デバイス
本発明の一部の実施形態では、磁化が層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された磁化層が、スピン移動スイッチングのために構成された磁気デバイスに組み込まれる。磁化が層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された磁化層は、上述のように、基板に対してある一定の角度での高磁気異方性材料の薄膜の堆積により構成することができる。しかし、この磁化層はまた、他の手段により構成することができる。

一部の実施形態では、磁気デバイスは、自由磁化層及び固定磁化層の両方を含み、その一方は、層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された磁化を有する。自由層は、２〜５ｎｍの範囲の厚みを有することができ、固定層は、８〜１５ｎｍの範囲の厚みを有することができるが、他の厚みを用いることもできる。自由層及び固定層は、量子力学的トンネル効果により又は非磁化導体により電子が層を横断することを可能にするのに十分に薄い絶縁層により分離することができる。前者の場合には、デバイスは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスであり、デバイス抵抗は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）により決まる。後者の場合には、デバイスは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）デバイスである。十分な振幅及び持続時間の電流パルスの印加により、自由層の磁化は、安定状態間で切り換わり、従って、磁気デバイスの抵抗が変化する。抵抗の最大の変化は、自由層の磁化が平行の構成と反平行の構成の間でスイッチングされた時に発生する。しかし、たとえ自由層の磁化が平行の構成及び反平行の構成間で切り換わらないとしても、抵抗の変化は、固定層の磁化上への自由層の磁化の射出の大きな変化があることを条件として、依然として非常に大きい可能性がある。従って、自由層の磁化が平行及び反平行でない状態間で切り換わる磁気デバイスは、依然として大きい読出信号を有することができる。その結果、このようなデバイスは、磁気メモリデバイスとしての使用に十分に適するものである。

図１５Ａ〜図１５Ｄは、固定層又は自由層が層法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向された磁化を有する磁気デバイスの実施形態を示している。図１５Ａ〜図１５Ｄの全部では、固定層ＦＭ１と自由層ＦＭ２の間の非磁化層ＩＩは、絶縁体又は非磁化導体とすることができる。図１５Ａは、固定磁化層ＦＭ１の磁化：
が、固定層の法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向され、一方、自由磁化層ＦＭ２の磁化：
が、安定状態において自由層の法線と平行である磁気デバイスの実施形態を示している。
図１５Ｂは、自由磁化層ＦＭ２の磁化：
が、安定状態において、自由層の法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向され、一方、固定層の磁化：
が、固定層の法線と平行である磁気デバイスの実施形態を示している。図１５Ｃは、固定磁化層ＦＭ１の磁化：
が固定層の法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向され、一方、自由磁化層の磁化：
が、安定状態において自由層の平面にある磁気デバイスの実施形態を示している。図１５Ｄは、自由磁化層ＦＭ２の磁化：
が、安定状態において、自由層の法線に対して実質的に非ゼロ角度で配向され、一方、固定層の磁化；
が、固定層の平面にある磁気デバイスの実施形態を示している。

環状磁気デバイスの構造
閉じた周期的構造を有する柱状磁気デバイス１１００を図１１に示している。磁気デバイス１１００は、自由磁化層１１１０、非磁化層１１２０、及び基準磁化層１１３０を含む。基準層１１３０は、好ましくは、固定磁気ヘリシティ１１３５、例えば、層の平面に垂直な所定の角度の固定方向を有する磁気ベクトル、又は固定磁気ヘリシティ１１３５及び所定の角度の固定方向を有する磁気ベクトルの両方を有する。自由磁化層１１１０は、自由磁化ヘリシティ１１１５を有することが好ましい。基準層１１３０は、スピン−角運動量源として作用することが好ましい。自由層１１１０及び基準層１１３０は、非磁化層１１２０により分離されることが好ましい。

基準層１１３０は、自由層１１１０よりも磁気的に固いことが好ましく、明確な磁気状態を有することが好ましい。この特性は、例えば、自由層より肉厚である層、又はコバルト、ＦｅＰｔ、又はＦｅＰｄのＬＩ₀相、又はコバルト及びニッケルの積層構造のような自由層１１１０の材料よりも大きい磁気異方性を有する材料を使用することによって達成することができる。代替的に、望ましい硬度は、ＩｒＭｎ又はＦｅＭｎのような薄い反強磁化層との交換結合を通じて達成することができる。

非磁化層１１２０は、非磁化層１１２０を横切るスピン移送中に基準磁化層１１３０のスピン−運動量を保存することが好ましい。従って、非磁化層１１２０内に使用される材料のスピン拡散長は、非磁化層１１２０の厚みよりも長いことが好ましい。望ましい特性を満たす材料の例は、貴金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ）のいずれかを含む。非磁化層は、ＡＩ₂Ｏ₃又はＭｇＯのような絶縁体とすることができる。十分に薄い絶縁層に対して、スピン移送は、磁気トンネル接合を形成するように電子トンネル効果により発生することになる。

自由磁化層１１１０は、好ましくは、パーマロイ、コバルト、ニッケル、鉄、ホウ素、及びそれらの材料の合金のような大きい交換長さを有する軟質磁化材料を含む。更に、銅のような非磁化元素を含む合金は、層の磁気モーメントを有利に低減することができる。
代替的に、自由磁化層は、ＣｒＯ₂又はＦｅ₃Ｏ₄のような磁気酸化物を含むことができる。

図１１に示すように、磁気デバイス１１００の各層は、リング形状（すなわち、環状）であることが好ましい。環状の形状は、磁気ヘリシティの反転速度を増大させることによって安定性を低減する磁気凝集域として作用する場合がある縁部又は尖ったコーナの数を最小にすることができる。対称形のリング構造は、ヘリシティの不要な反転を回避するのに使用することができる好ましい形状の１つであるが、本発明は、類似の利点を有することができる多くの様々な形態の閉じた周期的構造を使用することができる。デバイスの形状の回転対称性が低いほど、ある一定の領域が磁気凝集及び磁気ヘリシティの逆転に好ましいものになる可能性が高い。尖ったコーナを含む幾何学形状は、ヘリシティ反転を促進し、かつ回避することが好ましい強力な凝集域をもたらす。

一般的に、当業技術で公知のデバイスは、自由磁化層ヘリシティ１１１５により表される格納された情報の安定性を取るか、情報を変える速度及び電力要件を取るかの妥協をもたらす。一般的に、プログラムされたヘリシティの安定性が増す時に、ヘリシティを変えるのに必要とされる電力も増す。

リング幾何学形状は、非常に安定した磁化配向を提供することができ、１０年を超える期間にわたる磁化安定性が達成可能である。更に、リング幾何学形状の磁化反転機構は、臨界的な小さいサイズ（例えば、一般的に数十ナノメートル）を超えるとリング直径に依存する程度が小さいとすることができる。従って、デバイスのサイズは、殆どの現在使用される幾何学形状と比較すると重要なファクタにならないと考えられる。従って、リング幾何学形状は、使用範囲の拡大及び製造費低減を可能にすることができる。

いくつかのファクタが、リングの磁化の安定性において役割を果たす。１つのファクタは、リングのサイズとすることができる。所定の磁場に対して、リングが臨界サイズに等しいか又はそれを超える半径を有し、リングの磁化の安定性が比較的リングサイズとは独立している臨界リング半径が存在する。磁化の安定性は、リングのサイズが臨界サイズよりも減少すると急激に減少する場合がある。更に、磁化は、熱変動及び不安定化磁場の印加の影響を受けやすい場合がある。

低ノイズの極限において、環状磁気デバイス内の２つの安定した螺旋状磁気状態の間の熱誘起遷移の速度Γは、アレニウス式により与えられる（１）。
ここで、Ｕは、遷移に対するエネルギ障壁であり、ｋ_Bは、ボルツマン定数であり、Ｔは温度であり、Γ₀は、Ｋ．Ｍｍａｒｔｅｎｓ、Ｄ．Ｌ．Ｓｌｅｉｎ、及びＡ．Ｄ．Ｋｅｎｔ共著「ナノスケール強磁化リングにおける磁化反転」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、第７３巻、第５号、０５４４１３ページ（２００６年）（以下「Ｍａｒｔｅｎｓ」）において計算されるような逆強磁化共振周波数（〜１０^-9ｓ）の程度の速度前因子である。１／Γ≫１０年であるように不要な熱誘起反転を最小にするために、Ｕ＞６０ｋ_BＴのエネルギ障壁が望ましい。

Ｍａｒｔｅｎｓにおいて、エネルギ障壁Ｕは、材料パラメータ、リング寸法、及び印加された周囲磁場の関数として計算された。重要なパラメータは、以下の正規化された磁場ｈ及びリングサイズＩである。
ここで、Ｍ₀は飽和磁化であり、ｔはリング厚みであり、ΔＲはリング幅であり、Ｒは平均半径であり、λは交換長さであり、Ｈ_eは外部磁界であり、Ｈ_cは準安定状態が不安定になる磁場である。交換長さλは、
により与えられ、ここで、Ａは交換定数である。Ｉは、リングサイズ対Ｂｌｏｃｈ壁の幅の比率を表している。臨界半径、すなわち、それ以下で磁化の安定性が急速に減少すると考えられる半径は、Ｉ≒２πである半径である。式３でＩ≒２πを設定すると、臨界半径は、以下に対する解により与えられる。
臨界半径は、小さいリングサイズと高い磁化安定性の間のほぼ最適な均衡を達成するので、近似的にスピン−トルク移動作動に対する最適リング半径である。

に対して、図１７Ａに示すように、理論的に一定サドルが予想され、図１７Ａは、ｈ＝０．２の一定サドル構成を示している。これとは対照的に、
に対して、図１７Ｂに示すように、理論的にインスタントンサドルが予想され、図１７Ｂは、Ｉ＝１２のインスタントンサドル構成を示し、図１７Ｃは、Ｉ＝６０のインスタントンサドル構成を示している。これらのサドル構成の両方とも、Ｍａｒｔｅｎｓで詳細に示されているように関数Φ_h、j（θ）により説明される。

エネルギ障壁Ｕのスケールは、以下により与えられる（５）。

一定サドル構成に対して、理論的には、エネルギ障壁Ｕが以下により与えられる（６）。
この式は、遷移状態が、図１７Ａに示すように、リング円周に対して一定の角度の磁化を有するので、交換長さλとは独立している。

インスタントンサドル構成に対して、結果は、一般的により複雑である（Ｍａｒｔｅｎｓの式１３を参照されたい）。しかし、極限Ｉ≫２πにおいて、インスタントン構成のエネルギ障壁は、以下である（７）。
これは、他の材料の中でもパーマロイ又はＣｏＦｅＢから作られたリングに対しては、室温で６０ｋ_RＴを超える値に簡単に到達することができる。一例として、Ｒ＝５０ｎｍ、ΔＲ＝２０ｎｍ、及びｔ＝２ｎｍを有するパーマロイリング（Ａ＝１．３×１０^-11Ｊ／ｍ、Ｍ₀＝８×１０⁵Ａ／ｍ）は、大きいｌのインスタントン限界（ｌ＝１２．６）にあり、ｈ＝０を有する室温でＵ＝８０／ｋ_BＴのエネルギ障壁を有する。従って、上述のように、このようなリングは、少なくとも１０年間は熱変動に対して安定する。更に大きいリングサイズを有するリングは、反転に対して更に大きいエネルギ障壁を有し、従って、安定した長期のデータ保持が簡単に可能である。

図１８は、ゼロ印加磁場（すなわち、ｈ＝０）がある状況で、様々なリング厚みに関するリング半径に対するエネルギ障壁Ｕの依存性を示している。プロットでは、破線の曲線は、厚みｔ＝２ｎｍを有するリングを表し、実線の曲線は、厚みｔ＝３ｎｍを有するリングを表し、点線の曲線は、厚みｔ＝４ｎｍを有するリングを表している。プロットでは、ΔＲ＝０．４Ｒのリング幅、３００Ｋの温度を仮定しており、エネルギ障壁Ｕは、ｋ_BＴの単位でプロットされている。図１８は、反転に対するエネルギ障壁を示しており、従って、磁化安定性は、リング厚み及びリング半径の両方と共に増加する。

これらの特性を利用して、デバイスの磁化が、静的作動条件下で通常は安定しているが、デバイスに電流パルスを印加することによって簡単に変えるか又は反転させることができるリング状磁気デバイスを設計することができる。具体的には、印加電流なしで臨界サイズに実質的に近いリングデバイスに対して、磁気ヘリシティは、電流を印加することによって簡単に反転させることができる。電流は、不安定化磁場をもたらして実際上リングの臨界半径の値を変える効果を有する。従って、臨界サイズの近くで設計される磁気リングは、安定しており、かつ通常の作動条件下で不要な反転を受けないが、比較的小さい電流の印加により反転させることができる。

エルステッド磁場（すなわち、設定ｈ＝０）を無視して、磁化方向をスイッチングするのに必要とされる電流Ｉ_Tは、以下で推定することができる（８）。
ここで、ｅは基本電荷であり、αはギルバート減衰定数であり、
は誘導プランク定数であり、Ｐは印加電流のスピン分極である。更に、ｄは、リングの面外異方性対面内異方性の比率であり、以下（９）で与えられるものであり、一般的に１より遥かに大きい。
例えば、Ｒ＝５０ｎｍ、ΔＲ＝２０ｎｍ、及びｔ＝２ｎｍを有するパーマロイリングは、ｄ＝１０を有する。

一例として、上述の特性（Ｒ＝５０ｎｍ、ΔＲ＝２０ｎｍ、及びｔ＝２ｎｍ）を有し、かつα＝０．０１及びＰ＝０．４を有するパーマロイリングは、Ｉ_T＝４４０μｍの切換電流閾値、及びＪ_T＝６×１０⁶Ａ／ｃｍ²の電流密度閾値を有する。この電流は、ｈ＝０．０２に対応するＨ_e＝１３５０Ａ／ｍの円形エルステッド磁場を生成する。従って、エルステッド磁場は、実際には、この例においては無視することができるものであり、スピン−トルク相互作用は、磁化方向のスイッチング時にエルステッド磁場より非常に有効である。

スピン移動デバイスの性能は、磁化方向の反転のためのエネルギ障壁に対する閾値電流の比率として定められた性能指数εを考慮することによって評価することができる（１０）。
性能指数εの値が小さいほど、優れたデバイス性能を示すが、その理由は、εの値が小さいと、Ｕの値が比較的高く、従って、安定性が比較的高く、及び／又はＩ_Tの値が比較的低く、従って、電力消費量が比較的少ないことを示唆するからである。減衰を低減し、及び／又はスピン分極を増大させると、電流閾値が低くなり、デバイスはエネルギ効率が高くなる。

図１９は、リングサイズｌの関数として性能指数εプロットしている。性能指数εは、
（ｈ＝０を仮定）により与えられる一定サドル様式ｌ＜２πを通して一定の値ε_uを有する。リングサイズｌが増加する時に、インスタントンは好ましいサドル構成になり、性能指数εは増加する。図１９内の点は、一定サドル様式とインスタントンサドル様式間の遷移を示している。極限ｌ≫２πにおいて（すなわち、リングサイズが任意に増大する時）、ε／ε₀→ｌ／８である。

本発明の一部の実施形態では、環状磁気デバイスは、メモリセルアーキテクチャを構成するのに使用することができる。図２０は、環状磁気デバイスを含むビットセルを含むメモリセルアーキテクチャを示している。図２０では、各ビットセルは、電流制御及び読出に向けて少なくとも１つの磁気リング及び少なくとも１つのトランジスタを含む。電圧は、メモリアレイにおける特定の要素をアドレス指定して起動するためにワード線（ＷＬ）上に印加することができる。一部の実施形態では、トランジスタは、ＣＭＯＳトランジスタとすることができる。ＣＭＯＳトランジスタの単位ゲート幅当たりの電流密度は、一般的にＩｍＡ／μｍである。従って、環状磁気デバイスのスイッチング電流が小さいほど、最小特報部サイズｆの小型化、トランジスタの小型化をもたらし、従って、より大きいデバイス集積密度が可能である。環状デバイスを含むメモリアーキテクチャのメモリ密度は、従って、リングサイズ及びスイッチング電流の関数である。一例として、Ｒ＝５０ｎｍ、ΔＲ＝２０ｎｍ、ｔ＝２ｎｍ、α＝０．０１、及びＰ＝０．４を有するパーマロイ環状デバイスは、０．５μｍのゲート長のトランジスタが必要であると考えられる。最小特徴部サイズの４倍の横方向ビットサイズ４ｆを仮定すると、この例示的なデバイスは、１０⁷デバイス／ｃｍ²を超えるビット面積密度を与える。

本発明の別の態様では、臨界半径を超えるか又はそれに等しい半径を有する磁気リングデバイスは、非常に安定した磁化を達成することができる。従って、デバイスの磁化を変えるか又は反転させることがデバイスの目標ではない場合、臨界半径を超える半径を有する磁気リングは、臨界サイズを超える広範囲のサイズで読取専用メモリに簡単に使用することができる。

図１２は、磁気メモリ要素として使用された磁気リングデバイス１２００を示している。自由磁化層１２１０は、少なくとも２つの安定した向き、時計回り方向及び反時計回り方向を有する磁気ヘリシティ１２１５を有することが好ましい。基準層１２３０は、所定の角度１２３６で固定方向を有する磁気ベクトル、固定磁気ヘリシティ１２３５、又は所定の角度１２３６で、ある一定の方向を有する固定磁気ベクトルと固定磁気ヘリシティ１２３５の両方を有することが好ましい。固定磁気ベクトル１２３６の所定の角度は、基準層１２３０の平面に実質的に垂直であることが好ましい。基準磁化層１２３０及び自由磁化層１２１０は、非磁化層１２２０により分離されることが好ましい。

自由磁化層ヘリシティの方向は、電流源１２７０から磁気デバイス１２００の層にわたって電気パルスを印加することによって変えるか又は反転させることができる。制御電流源１２７０からのパルスは、自由磁化層ヘリシティ１２１５の反転を開始することができる。基準磁化層１２３０のスピン−運動量は、磁化を変えて自由磁化層ヘリシティ１２１５の反転を誘起するように、自由磁化層１２１０に移動することができる。デバイス１２００にわたる一方向の電気パルスは、自由磁化層ヘリシティ１２１５を時計回り方向に設定することができ、反対方向の電気パルスは、自由磁化層ヘリシティ１２１５を反時計回り方向に設定することができる。

制御電流源１２７０からの電気パルスは、自由磁化層ヘリシティ１２１５の反転を開始することができる。自由磁化層ヘリシティ１２１５の反転は、第２の安定状態に到達した時に停止することができる。しかし、制御電流源１２７０からの第２の電流パルスは、より迅速に自由磁化層ヘリシティ１２１５の反転を停止するのに使用することができる。自由磁化層１２１０に実質的に垂直である容易軸１２３６（すなわち、強磁化体内の自発磁化のエネルギ的に好ましい方向）を有する基準層１２３０は、自由磁化層ヘリシティ１２１５のより高速のスピン−移動誘起反転をもたらすことができる。

固定磁化層ヘリシティ１２６８を有する第２の基準層１２６３は、自由磁化層のヘリシティ状態を読み出すために使用することができる。固定磁気ヘリシティは、例えば、自由層よりも肉厚である層、又はコバルトのような自由層１２１０の材料、ＦｅＰｔ又はＦｅＰｄのＬ１０相、又はコバルト及びニッケルの積層構造よりも大きい磁気異方性を有する材料を使用することによって達成することができる。第２の基準１２６３層は、薄い非磁化金属又は絶縁層とすることができる非磁化層１２６６によって自由磁化層１２１０から分離されることが好ましい。絶縁層の場合には、第２の基準層１２６３及び自由磁化層１２１０は、磁気トンネル接合を形成する。自由磁化層ヘリシティ１２１５及び第２の基準磁化層ヘリシティ１２６８が同じ方向である場合（すなわち、磁気ヘリシティが共に時計回り又は共に反時計回りである）、デバイス１２００にわたる抵抗は、一般的に、自由磁化層ヘリシティ１２１５及び基準磁化層ヘリシティ１２３５が反対方向である場合よりも小さいとすることができ、従って、自由磁化層１２１０の２つの安定した向きが区別される。

図１３は、本発明により磁気メモリ要素として使用された磁気リングデバイス１３００の更に別の実施形態を示している。自由磁化層１３１０は、自由磁化層ヘリシティ１３１５の少なくとも２つの安定した向き、時計回り方向及び反時計回り方向を有することが好ましい。基準層１３３０は、所定の角度である一定の方向を有する固定磁気ベクトル１３３６、固定磁気ヘリシティ１３３５、又は所定の角度１３３６である一定の方向を有する固定磁気ベクトルと固定磁気ヘリシティ１２３５の両方を有することが好ましい。固定磁気ベクトル１３３６の所定の角度は、基準層１３３０の平面に実質的に垂直であることが好ましい。基準磁化層１３３０及び自由磁化層１３１０は、非磁化層１３２０によって分離されることが好ましい。

自由磁化層ヘリシティの方向は、書込接点１３５０及び接点１３４０を通じて電流源１３７０から磁気デバイス１２００の層にわたって電気パルスを印加することによって変えるか又は反転させることができる。制御電流源１３７０からのパルスは、自由磁化層ヘリシティ１３１５の反転を開始することができる。基準磁化層１３３０のスピン−運動量は、磁化を変えて自由磁化層ヘリシティの反転を誘起するように自由磁化層１３１０に移動することができる。デバイス１３００にわたる一方向の電気パルスは、自由磁化層ヘリシティ１３１５を時計回り方向に設定することができ、反対方向の電気パルスは、自由磁化層ヘリシティ１３１５を反時計回り方向に設定することができる。

制御電流源１３７０からの電気パルスは、自由磁化層ヘリシティ１３１５の反転を開始することができる。自由磁化層ヘリシティ１３１５の反転は、第２の安定状態に到達した時に停止することができる。しかし、制御電流源１３７０からの第２の電流パルスは、より迅速に自由磁化層ヘリシティ１３１５の反転を停止するのに使用することができる。

自由磁化層１３１０に実質的に垂直である容易軸（すなわち、強磁化体内の自発磁化のエネルギ的に好ましい方向）を有する基準層１３３０は、自由磁化層ヘリシティ１３１５のより高速のスピン−移動誘起反転をもたらすことができる。

電流注入は、対称である必要はない。電流の局所的な注入は、自由磁化層ヘリシティ１３１５の変化を開始するのに使用することができる。スピン角運動量の移動は、基準層１３３０によってスピン偏極された電流を用いて磁化反転を凝集させる機能をすることができる。層１３２０は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕのようなスピン保持非磁化層、又はＡｌ₂Ｏ₃又はＭｇＯのような薄い絶縁層である。リング内の小さい非対称は、スピン−運動量移動を通じた凝集及び反転を促進することができる。顕著な非対称は、磁化安定性を低減する場合があり、これは望ましくない。

自由磁化層ヘリシティの状態は、デバイス１３００にわたって電圧又は抵抗を測定することによって判断することができる。自由磁化層ヘリシティ１３１５及び第２の基準磁化層ヘリシティ１３３５が同じ方向である場合（すなわち、磁気ヘリシティが共に時計回り又は共に反時計回りである）、デバイス１３００にわたる抵抗は、自由磁化層ヘリシティ１３１５及び基準磁化層ヘリシティ１３３５が反対方向である場合よりも一般的に小さいとすることができる。

現在利用可能な磁気メモリデバイスは、一般的に、情報を書き込む（すなわち、デバイスの磁気ヘリシティを修正する）ために比較的高い電流及び低インピーダンスを必要とし、一方、読出は、より小さい電流で行われるが、大きい読出信号が必要である。磁気デバイス１３００のリング幾何学形状は、デバイス上の異なる位置で読出及び書込作動の実行を可能にすることにより、これらの矛盾する要件に対処する。書込作動は、大きい電流を供給する制御電流源１３７０、及び自由磁化層１３１０又は基準磁化層１３３０のいずれかと直接に接触することができ、従って、低インピーダンスを有する書込接点１３５０により行うことができる。書込作動回路は、デバイス１３００にわたって回路を完成するために自由磁化層１３１０又は基準磁化層１３３０と直接に接触して設けることができる接点１３４０を通じて完了される。

読出作動は、個別の読出回路を使用して行うことができる。読込接点１３６０は、固定磁化方向又はヘリシティ１３６５を有する磁気接触部分１３６３、及びデバイス１３００から電磁接触器１３６３を分離し、それによってデバイス１３００との磁気トンネル接合を形成する絶縁体部分１３６６を含むことができる。個別の読出電流源１３８０は、電圧又は抵抗読出１３９０により測定されるデバイス１３００にわたるより小さい電流を供給することができる。

デバイスは、約１〜５ナノメートルの厚み、約２０〜２５０ｎｍの平均外側半径、及び約８〜１００ｎｍのリング幅を有することが好ましい。

典型的な多要素磁気デバイスは、異なるデバイス間に強い静磁気の相互作用を有する。この相互作用は、定量化又は制御し難い可能性があり、従って、結果として密度の増大及びデバイスの性能の問題が発生する。本発明は、これらの相互作用を最小にすることができる。更に、デバイスは、磁場広がりの問題を回避し、これは、漂遊磁界又は制御不良の磁場による誤差の低減と共に、優れた高速書込及び読出をもたらす。

現在、本発明の実施形態であると考えられるものを説明したが、様々な修正を行うことができることが理解されると考えられ、特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲に該当する全てのこのような修正を包含することが意図されている。

磁気トンネル接合は、磁気メモリセルの状態を読むために使用することができる非常に大きい磁気抵抗の可能性を提供する。磁気トンネル接合は、薄い絶縁層により分離された２つの磁化層から構成される。絶縁体は、電子が量子力学的トンネル効果によりこの層を横断することができるほど薄いものである。絶縁体の厚みは、一般的に０．３と３ｎｍの間に存在する。

大きい磁気抵抗により、大きい読出信号が供給されることになる。実験的に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）絶縁障壁を使用して非常に大きい磁気抵抗をもたらすことができることが示されている。磁気抵抗は、層が反平行及び平行に磁化される状態間の抵抗の百分率変化を指す。４００％を超える磁気抵抗が、最近、ＭｇＯ絶縁層で達成されている。酸化アルミニウム絶縁層を用いて、約３０％の磁気抵抗がもたらされている。これらの材料のいずれか並びに他の絶縁体も、非磁化層Ｎ１又はＮ２として役立つことを証明することができる。

電流は、スイッチング過程中に絶縁層を通過すべきであることに注意されたい。この例外は、図１０に示すデバイスであり、このデバイスには、Ｎ１に対して個別の電気接点がある。これは、この電流又は同等には電流の存在下で接合にわたって出現する電圧の存在下で、絶縁体が損傷してはならないことを意味する。薄い絶縁障壁は、一般的に、電圧破壊として公知の損傷の前に１Ｖ／ｎｍ電界を支持する。接合をスイッチングするのに必要とされる電流は、絶縁体破壊電界を超える電界を接合内に生成してはならない。

デバイスの固定磁化層は、垂直磁気異方性を有する材料を含むことができる。垂直磁気異方性は、層の平面に垂直に磁化が配向することが優先される。薄い磁化層は、一般的にフィルム面において磁化される。この向きは、通常、より低いエネルギ構成であり、それは、層の静磁エネルギを低減する。平面に垂直に磁化を配向するために、垂直磁気異方性は、層の静磁エネルギと比較して十分に大きくなければならない。

これは、いくつかの異なる材料で達成することができる。例えば、Ｆｅ及びＰｔ、Ｆｅ及びＰｄ、Ｃｏ及びＰｔ、Ｃｏ及びＰｄ、Ｃｏ及びＡｕ、Ｃｏ及びＮｉの合金である。これはまた、異なる磁化材料間、又は磁化材料と非磁化材料間にインタフェースを作成することによって達成することができる。前者の例は、Ｃｏ及びＮｉの積層構造であり、後者の例は、Ｃｏ及びＡｕ、又はＣｏ及びＰｔの積層構造である。これらの積層材料の利点は、それらが結晶質である必要がなく、多結晶質層で十分であることである。

この層は、電流をスピン偏極する役目をする。材料は、良好なスピン偏極効率を有するべきである。Ｐｄ又はＰｔを使用する短所は、これらの元素が、一般的に層スピン偏極を低減する強いスピン散乱を誘起する点である。効率的なデバイス作動には、大きい層スピン偏極が必要である。

自由層の磁化方向は、電流パルスに応答して切り換わる。デバイス作動に必要とされる電力を低減するために、この電流パルスの振幅を低減することが望ましい。電流要件は、層の磁化密度、減衰、及び磁気異方性と結び付いている。磁化密度及び磁気異方性が低いほど、スイッチングのための所要電流振幅は小さい。磁化材料を非磁化体と合金にした場合、磁気の磁化密度は下がる。（言うまでもなく、これは、ある一定の合金濃度の範囲で成り立つだけである。最終的には、材料は、非磁化になることになる。）

スイッチング電流振幅及びスイッチング時間が相互依存していることに注意すべきである。例えば、磁化密度が低くなるほど、磁化を逆転させる時間が増大する。

デバイス信頼性を増大させるために、自由磁化層の磁化減衰を増大させることが望ましいと考えられる。減衰を増大させれば、スイッチングのパラメータ範囲が増大することが予想される。すなわち、デバイスは、電流パルス振幅、時間、及び電流パルス形状のより大きい範囲が得られるように、状態間で再現可能に切り換わると考えられる。

以下の参考文献は、引用により本明細書に全体が組み込まれる：［１］Ｓ．Ｙｕａｓａ他、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ８９、０４２５０５（２００６年）、［２］Ｊ−Ｍ．Ｌ．Ｂｅａｕｊｏｕｒ、Ｗ．Ｃｈｅｎ、Ｋ．Ｋｒｙｃｋａ、Ｃ−Ｃ．Ｋａｏ、Ｊ．Ｚ．Ｓｕｎ、及びＡ．Ｄ．Ｋｅｎｔ共著「スパッタ処理Ｃｏ／Ｎｉ多層の強磁化共振の研究」、欧州物理学会誌Ｂ、５９、４７５（２００７年）、［３］Ｊ−Ｍ．Ｌ．Ｂｅａｕｊｏｕｒ、Ａ．Ｄ．Ｋｅｎｔ、及びＪ．Ｚ．Ｓｕｎ共著「多結晶質Ｆｅ＿｛１−ｘ｝Ｖ＿ｘ合金薄膜の強磁化共振の研究」、応用物理学会誌１０３、０７Ｂ５１９（２００８年）、［４］Ｋ．Ｍｍａｒｔｅｎｓ、Ｄ．Ｌ．Ｓｌｅｉｎ、及びＡ．Ｄ．Ｋｅｎｔ共著「ナノスケール強磁化リング内の磁化の反転」、Ｐｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ、第７３巻、第５号、０５４４１３ページ（２００６年）、及び［５］Ｇ．Ｄ．Ｃｈａｖｅｓ−Ｏ’Ｆｌｙｎｎ、Ａ．Ｄ．Ｋｅｎｔ、及びＤ．Ｌ．Ｓｔｅｉｎ、Ｐｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ７９、１８４４２１（２００９年）。

ＦＭ１ 固定磁化層
ＦＭ２ 自由磁化層
Ｉ 電流
Ｎ１ 非磁化層

Claims (16)

1. 磁気デバイスであって、
   磁化ベクトルを有するピン止めされた磁化層であって、磁化ベクトルが、
   前記ピン止めされた磁化層の平面に垂直であるか、又は
   前記ピン止めされた磁化層の平面にあるか、
   の一方である固定磁化方向を有する前記ピン止めされた磁化層と、
   可変磁化方向を有する少なくとも１つの磁化ベクトルを有する自由磁化層であって、該自由磁化層の該磁化ベクトルが、少なくとも第１の安定状態及び第２の安定状態を有し、該第１及び第２の安定状態の各々が、該自由磁化層の平面の法線に対して実質的に非ゼロの角度である磁化方向を有する前記自由磁化層と、
   前記ピン止めされた磁化層及び前記自由磁化層を空間的に分離する非磁化層と、
   を含み、
   磁気デバイスによる十分な振幅及び持続時間の電流パルスの印加が、前記自由磁化層の前記磁化ベクトルを前記第１及び第２の安定状態間でスイッチングする、
   ことを特徴とするデバイス。
2. 前記非磁化層は、十分に薄い絶縁体を含み、そのために電子は、量子力学的トンネル効果によって該絶縁体を横断することができることを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
3. 前記非磁化層は、非磁化金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
4. 前記ピン止めされた磁化層は、基板上への該基板の平面の法線に対して実質的に非ゼロの角度での高磁気異方性材料の堆積によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
5. 磁気メモリデバイスに使用するための磁化層を製造する方法であって、
   基板表面を有する基板を準備する段階と、
   堆積物供給源を準備する段階と、
   前記基板表面上にシード層を設ける段階と、
   前記基板表面の法線に対して実質的に非ゼロの角度で前記シード層上に前記堆積物供給源から高磁気異方性材料の少なくとも１つの層を堆積させる段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
6. 前記高磁気異方性材料の層は、０．１から１．５ｎｍの厚みを有することを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリデバイスに使用するための磁化層を製造する方法。
7. 前記シード層は、Ｔａ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｕ、又はＲｕ、又はその合金を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリデバイスに使用するための磁化層を製造する方法。
8. 前記高磁気異方性材料の層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｆｅ、又はＰｄ、又はその合金を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリデバイスに使用するための磁化層を製造する方法。
9. 前記高磁気異方性材料の層は、ＦｅＰｔのＬＩ₀相を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリデバイスに使用するための磁化層を製造する方法。
10. 前記堆積物供給源は、蒸発源又はスパッタリング源を含むことを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリデバイスに使用するための磁化層を製造する方法。
11. 磁気デバイスであって、
    固定磁気ヘリシティを有する実質的に環状のピン止めされた磁化層と、
    可変磁気ヘリシティを有する実質的に環状の自由磁化層であって、該自由磁化層の該磁気ヘリシティが、少なくとも第１の安定状態及び第２の安定状態を有する前記自由磁化層と、
    前記ピン止めされた磁化層及び前記自由磁化層を空間的に分離する非磁化層と、
    を含み、
    前記自由磁化層は、臨界半径にほぼ等しい半径を有し、磁気デバイスによる十分な振幅及び持続時間の電流パルスの印加が、該自由磁化層の前記磁気ヘリシティを前記第１及び第２の安定状態間でスイッチングする、
    ことを特徴とするデバイス。
12. 前記非磁化層は、十分に薄い絶縁体を含み、そのために電子が、量子力学的トンネル効果によって該絶縁体を横断することができることを特徴とする請求項１１に記載の磁気デバイス。
13. 前記非磁化層は、非磁化導体を含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気デバイス。
14. 前記固定及び自由磁化層は、パーマロイ、ＦｅＰｔのＬＩ₀相、又はＣｏ、Ｂ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｆｅ、又はＰｄ、又はその合金のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気デバイス。
15. 固定磁気ヘリシティを有する実質的に環状のピン止めされた磁化層、
    可変磁気ヘリシティを有する実質的に環状の自由磁化層であって、該自由磁化層の該磁気ヘリシティが、少なくとも第１の安定状態及び第２の安定状態を有する前記実質的に環状の自由磁化層、及び
    前記ピン止めされた磁化層及び前記自由磁化層を空間的に分離する非磁化層、
    を有する磁気デバイスであって、前記自由磁化層が、臨界半径にほぼ等しい半径を有し、該磁気デバイスによる十分な振幅及び持続時間の電流パルスの印加が、該自由磁化層の前記磁気ヘリシティを前記第１及び第２の安定状態間でスイッチングする前記磁気デバイス、及び
    電流制御及び読出のための少なくとも１つのトランジスタ、
    を含む少なくとも１つのビットセルと、
    ワード線であって、該ワード線上の電圧の印加が、少なくとも１つのビットセルをアドレス指定して起動する前記ワード線と、
    を含むことを特徴とするメモリアレイ。
16. 少なくとも１つのトランジスタは、ＣＭＯＳトランジスタを含むことを特徴とする請求項１５に記載のメモリアレイ。