JP5101298B2 - 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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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 (56)
- 磁気素子であって、
第1のピン層と、
結晶格子が(100)又は(111)方向にテクスチャ化されたMgOからなる第1のバリア層であって、前記第1のバリア層が絶縁体で、前記第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、前記第1のバリア層が別の層とのインタフェースを有し、前記インタフェースが、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、
第1の層と第2の層を含んでなるフリー層であって、前記第1のバリア層が前記第1のピン層と前記フリー層との間にあるとともに、前記第1の層は前記第1のバリア層と前記フリー層の第2の層の間に前記第1のバリア層に隣接して設けられ、かつ少なくともCoFeを含有して第1の高スピン偏極を有し、前記第2の層は強磁性を有している、フリー層と、
第2のバリア層であって、前記フリー層が前記第1のバリア層と前記第2のバリア層との間にあり、前記第2のバリア層が絶縁体で、前記第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、前記第2のバリア層が前記フリー層と前記第2のピン層との間にある、第2のピン層とを含み、
前記磁気素子が、書き込み電流が前記磁気素子を通過する時にスピン伝送により前記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。 - 前記第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に記載の磁気素子。
- 前記第1の結晶集合テクスチャが(100)及び(111)である、請求項2に記載の磁気素子。
- 前記第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に記載の磁気素子。
- 前記第1のピン層が非晶質構造を有する、請求項1に記載の磁気素子。
- 前記第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に記載の磁気素子。
- 前記第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、前記第2のピン層が、前記第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に記載の磁気素子。
- 前記フリー層が、第1の磁性層、第2の磁性層、及び前記第1の磁性層と前記第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り、前記第1の磁性層は第1の層と第2の層を含んでなる、請求項1に記載の磁気素子。
- 前記非磁性スペーサ層がRu、Cu、Ir、Re及びRhを含み、2〜20オングストロームの厚さを有する、請求項8に記載の磁気素子。
- 前記第1の磁性層が第1の磁性を有し、前記第2の磁性層が第2の磁性を有し、前記第1の磁性と前記第2の磁性とが平行である、請求項8に記載の磁気素子。
- 前記第1の磁性層が第1の磁性を有し、前記第2の磁性層が第2の磁性を有し、前記第1の磁性と前記第2の磁性とが逆平行である、請求項8に記載の磁気素子。
- 前記第1のピン層が、第1の磁性層、第2の磁性層、及び前記第1の磁性層と前記第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に記載の磁気素子。
- 前記第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、前記第1の非磁性スペーサ層が前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間にあり、前記第2の非磁性スペーサ層が前記第2の磁性層と前記第3の磁性層との間にある、請求項12に記載の磁気素子。
- 前記第1のピン層、前記フリー層及び前記第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に記載の磁気素子。
- 前記第1のピン層、前記フリー層及び前記第2のピン層がCoFeBx、CoFeCx、CoFeHfx、CoPtx、CoPdxの少なくとも1つを含み、xが5原子パーセント〜50原子パーセントである、請求項1に記載の磁気素子。
- 前記フリー層が、低モーメントを有し、前記低モーメントは30900〜103000A/m(300emu/cc〜1000emu/cc)の飽和磁化を有する、請求項1に記載の磁気素子。
- 前記フリー層が、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に記載の磁気素子。
- 前記フリー層が、前記第1の層、前記第2の層及び第3の層を含む3層であり、前記第2の層が前記第1の層と前記第3の層との間にはさまれ、前記第3の層が前記第2のバリア層に隣接して第2の高スピン偏極を有し、前記第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に記載の磁気素子。
- 前記インタフェースが前記フリー層と前記第1のバリア層との間にある、請求項1に記載の磁気素子。
- 前記インタフェースが前記第1のピン層と前記第1のバリア層との間にある、請求項1に記載の磁気素子。
- 前記スピン偏極が少なくとも50パーセントである、請求項1に記載の磁気素子。
- 前記スピン偏極が85パーセントである、請求項21に記載の磁気素子。
- 前記第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、前記第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に記載の磁気素子。
- 前記第1のバリア層と前記第1のピン層との間にある挿入層をさらに備え、前記挿入層が伝導性の非磁性体である、請求項1に記載の磁気素子。
- 前記挿入層がCu、Ru、Rh、Ir及びReの少なくとも1つを含む、請求項20に記載の磁気素子。
- 前記第1のバリア層と前記フリー層との間にある挿入層をさらに備え、前記挿入層が伝導性の非磁性体である、請求項1に記載の磁気素子。
- 前記第2のバリア層と前記第2のピン層との間にある挿入層をさらに備え、前記挿入層が伝導性の非磁性体であり、前記第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、前記第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に記載の磁気素子。
- 前記第2のバリア層と前記フリー層との間にある挿入層をさらに備え、前記挿入層が伝導性の非磁性体であり、前記第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、前記第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に記載の磁気素子。
- 磁気素子であって、前記磁気素子が、
第1のピン層と、
第1のバリア層であって、前記第1のバリア層が絶縁体で、前記第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、前記第1のバリア層が別の層とのインタフェースを有し、前記インタフェースが、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、前記第1のバリア層は結晶格子が(100)又は(111)方向にテクスチャ化されたMgOからなる、第1のバリア層と、
第1の層と第2の層を含んでなるフリー層であって、前記第1のバリア層が前記第1のピン層と前記フリー層との間にあるとともに、前記第1の層は前記第1のバリア層と前記フリー層の第2の層の間に前記第1のバリア層に隣接して設けられ、かつ少なくともCoFeを含有して第1の高スピン偏極を有し、前記第2の層は強磁性を有している、フリー層と、
第2のバリア層であって、前記フリー層が前記第1のバリア層と前記第2のバリア層との間にあり、前記第2のバリア層が絶縁体で、前記第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、前記第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、前記第2のバリア層が前記フリー層と前記第2のピン層との間にある、第2のピン層とを含み、
前記磁気素子が、書き込み電流が前記磁気素子を通過する時にスピン伝送により前記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、前記磁気素子が、
ピン層と、
バリア層であって、前記バリア層が、(100)又は(111)のテクスチャを有する結晶性MgOで、前記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、前記バリア層が前記ピン層と前記フリー層との間にあり、第1の層と第2の層を含んでなるフリー層であって、前記第1の層は前記第1のバリア層と前記フリー層の第2の層の間に前記第1のバリア層に隣接して設けられ、かつ少なくともCoFeを含有して第1の高スピン偏極を有し、前記第2の層は強磁性を有している、フリー層とを含み、
前記磁気素子が、書き込み電流が前記磁気素子を通過する時にスピン伝送により前記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。 - 前記フリー層が、30900〜103000A/m(300emu/cc〜1000emu/cc)の飽和磁化を有する、請求項30に記載の磁気素子。
- 前記フリー層が、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30に記載の磁気素子。
- 前記フリー層の第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30に記載の磁気素子。
- 第2のバリア層であって、前記フリー層が前記第2のバリア層と前記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、前記第2のバリア層が前記フリー層と前記第2のピン層との間にあり、前記第2のバリア層が、前記第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33に記載の磁気素子。 - 磁気素子を提供する方法であって、
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、前記第1のバリア層は結晶格子が(100)又は(111)方向にテクスチャ化されたMgOからなる絶縁体で、前記第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、前記第1のバリア層が別の層とのインタフェースを有し、前記インタフェースが、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のバリア層を提供するステップと、
フリー層を提供するステップであって、前記第1のバリア層が前記第1のピン層と前記フリー層との間にあるとともに、第1の層と第2の層を含んでなるフリー層であって、前記第1の層は前記第1のバリア層と前記フリー層の第2の層の間に前記第1のバリア層に隣接して設けられ、かつ少なくともCoFeを含有して第1の高スピン偏極を有し、前記第2の層は強磁性を有している、フリー層を提供するステップと、
第2のバリア層を提供するステップであって、前記フリー層が第1のバリア層と前記第2のバリア層との間にあり、前記第2のバリア層が絶縁体で、前記第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のバリア層を提供するステップと、第2のピン層を提供するステップであって、前記第2のバリア層が前記フリー層と前記第2のピン層との間にある、第2のピン層を提供するステップとを含み、
前記磁気素子が、書き込み電流が前記磁気素子を通過する時にスピン伝送により前記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。 - 前記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前記ピン層を、提供するステップをさらに含む、請求項35に記載の方法。
- 前記第1の結晶集合テクスチャが(100)及び(111)である、請求項36に記載の方法。
- 前記第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35に記載の方法。 - 前記第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前記第2のバリア層を、提供するステップをさらに含む、請求項35に記載の方法。 - 前記第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、前記第2のピン層が、前記第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35に記載の方法。
- 前記フリー層を提供するステップが、
第1の層と第2の層を含んでなる第1の磁性層、第2の磁性層、及び前記第1の磁性層と前記第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35に記載の方法。 - 前記非磁性スペーサ層がRu、Ru、Cu、Ir又はRhのいずれかを含み、2〜20オングストロームの厚さを有する、請求項41に記載の方法。
- 前記第1の磁性層が第1の磁性を有し、前記第2の磁性層が第2の磁性を有し、前記第1の磁性と前記第2の磁性が平行である、請求項42に記載の方法。
- 前記第1の磁性層が第1の磁性を有し、前記第2の磁性層が第2の磁性を有し、前記第1の磁性と前記第2の磁性が逆平行である、請求項41に記載の方法。
- 前記第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、並びに前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間の第1の非磁性スペーサ層、及び前記第2の磁性層と前記第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35に記載の方法。 - 前記第1のピン層、前記フリー層及び前記第2のピン層がCoFeBx、CoFeCx、CoFeHfx、CoPtx、CoPdxの少なくとも1つを含み、xが5原子パーセント〜50原子パーセントである、請求項35に記載の方法。
- インタフェースが、前記フリー層と前記第1のバリア層との間にある、請求項35に記載の方法。
- 前記インタフェースが、前記第1のピン層と前記第1のバリア層との間にある、請求項35に記載の方法。
- 前記スピン偏極が少なくとも50パーセントである、請求項35に記載の方法。
- 前記スピン偏極が85パーセントである、請求項49に記載の方法。
- 前記第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、前記第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35に記載の方法。 - 前記第1のバリア層と前記第1のピン層との間にある挿入層を提供するステップであって、前記挿入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35に記載の方法。
- 前記挿入層がCu、Ru、Rh、Ir及びReの少なくとも1つを含む、請求項52に記載の方法。
- 前記第1のバリア層と前記フリー層との間にある挿入層を提供するステップであって、前記挿入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35に記載の方法。
- 前記第2のバリア層と前記第2のピン層との間にある挿入層を提供するステップであって、前記挿入層が伝導性の非磁性体であり、前記第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、前記第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35に記載の方法。
- 前記第2のバリア層と前記フリー層との間にある挿入層を提供するステップであって、前記挿入層が伝導性の非磁性体であり、前記第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、前記第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35に記載の方法。
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