JP6770002B2 - Ｍｒａｍのための歳差スピン電流構造 - Google Patents

Ｍｒａｍのための歳差スピン電流構造 Download PDF

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Description

本特許文献は一般に、スピントランスファトルク磁気ランダムアクセスメモリに関し、より詳しくは、磁気トンネル接合構造中の自由層の性能が改善された磁気トンネル接合スタックに関する。
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（「ＭＲＡＭ」）は、磁気記憶素子を通じてデータを記憶する不揮発性メモリ技術である。これらの素子は、磁界を保持できる２枚の強磁性プレート又は電極であり、非磁性材料、例えば非磁性金属又は絶縁体により分離される。一般に、プレートの一方はその磁化がピン留めされ（すなわち、「参照層」）、これは、この層がもう一方の層より高い飽和保持力を有し、その磁化の方向を変えるために、より大きな磁界、すなわちスピン偏極電流を必要とすることを意味している。２枚目のプレートは典型的に、自由層と呼ばれ、その磁化方向は参照層より小さい磁界、すなわちスピン偏極電流で変えることができる。
ＭＲＡＭデバイスは、自由層の磁化方向を変えることによって情報を記憶する。特に、自由層の参照層に対する配列が平行か逆平行かに基づき、各ＭＲＡＭセルに「１」又は「０」を記憶させることができる。スピン偏極電子トンネル効果によって、２層の磁界の方向により、セルの電気抵抗が変化する。セルの抵抗は、平行状態と逆平行状態とで異なり、それゆえ、セルの抵抗を使って「１」と「０」を区別できる。ＭＲＡＭデバイスの１つの重要な特徴は、これらが不揮発性メモリであることであり、それは、これらが電源オフ時でも情報を保持するからである。２枚のプレートは横方向の大きさにおいてサブミクロンとすることができ、磁化方向は温度変動に関しても依然として安定でありうる。
スピントランスファトルク又はスピントランスファスイッチングは、スピン配列（「偏極」）電子を使って磁気トンネル接合の自由層の磁化方向を変化させる。一般に、電子はあるスピン、すなわち、その電子に固有の角運動量の定量化数を有する。電流は一般に偏向されておらず、すなわち、これは５０％の上向きスピン電子と５０％の下向きスピン電子からなる。ある磁気層に電流が流れると、その磁気層内の磁化方向に対応するスピン方向で電子が偏極し（すなわち、偏極子）、こうしてスピン偏極電流が生成される。スピン偏極電流が磁気トンネル接合デバイスの自由層の磁性領域に通されると、電子はそのスピン角運動の一部を磁化層に移行させて、自由層の磁化に対するトルクを生じさせる。それゆえ、このスピントランスファトルクは、自由層の磁化を切り替えることができ、これは実際に、自由層が参照層に関して平行状態か逆平行状態かに基づいて「１」又は「０」を書き込む。
図１は、従来のＭＲＡＭデバイスのための磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）スタック１００を示す。図のように、スタック１００はスタック１００の底部に提供された１つ又は複数のシード層１１０を含み、これはその上に堆積された層の中の所望の結晶成長を開始させる。さらに、ＭＴＪ１３０はＳＡＦ層１２０の上に堆積される。ＭＴＪ１３０は、磁気層である参照層１３２と、非磁気トンネルバリア層（すなわち、絶縁体）１３４と、これも磁気層である自由層１３６と、を含む。理解すべき点として、参照層１３２は実際にはＳＡＦ層１２０の一部であるが、非磁気トンネルバリア層１３４と自由層１３６が参照層１３２の上に形成された場合には、ＭＴＪ１３０の強磁性プレートの一方を形成する。図１に示されるように、磁気参照層１３２は、その面に垂直な磁化方向を有する。同じく図１からわかるように、自由層１３６もまた、その面に垂直な磁化方向を有するが、その方向は１８０°異なることもありうる。
ＳＡＦ層１２０内の第一の磁気層１１４は、シード層１１０の上に配置される。ＳＡＦ層１２０はまた、第一の磁気層１１４の上に配置された反強磁性結合層１１６も有する。さらに、非磁性スペーサ１４０がＭＴＪ１３０の上に配置され、偏極子１５０が非磁性スペーサ１４０の上に配置される。偏極子１５０は磁気層であり、その磁気方向はその面内にあるが、参照層１３２及び自由層１３６の磁気方向に垂直である。偏極子１５０は、ＭＴＪ構造１００に印加される電子の流れを偏向させるために（「スピン配列電子」）提供される。さらに、１つ又は複数のキャッピング層１６０を偏極子１５０の上に提供して、ＭＴＪスタック１００上のそれ以下の層を保護することができる。最後に、ハードマスク１７０はキャッピング層１６０の上に堆積され、ハードマスク１７０は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスを使ってＭＴＪ構造１００の下方の層をパターニングするために提供される。
磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイス内の自由層の磁化スイッチングを支援するために様々なメカニズムが提案されてきた。１つの問題は、面内ＭＴＪ構造について垂直スピン注入（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ）効果を実現するために、スイッチングに大きなスピン電流が必要となりうることである。大きなスイッチング電流の必要性により、このようなデバイスの商業的用途が限定されるかもしれない。スイッチング電流を低減させるために提案された１つの方法は、自由層の磁化を低下させることである。しかしながら、自由層の有効な磁化が大幅に低下されると、垂直効果を限定することによって、自由層が、自由層の磁化の最終状態を非決定的にするような歳差状態にならないようにしなければならない。これは、面内ＯＳＴ構造のための操作ウィンドウを画定する。面内デバイスにおいては、図１に示されるものと異なり、参照層と自由層の磁化方向は層の面内にある。面内デバイスの他の特徴は、熱安定性の要求事項によりＭＴＪデバイスの大きさが約６０ナノメートル又はそれ以上に限定されるかもしれない、という点である。
図１に示されるような垂直ＭＴＪ構造に関して、歳差運動は問題とならない。垂直偏極子は、初期状態で自由層の磁化に作用するが、歳差運動が起こると、固定された垂直偏極子１５０は自由層の磁化回転サイクルの半分のみを支援し、その一方で、サイクルの残り半分を妨害する。これは、図２〜３を参照して説明される。図２Ａ〜２Ｂは、ＭＴＪの自由層１３６のスイッチングを示している。図からわかるように、自由層１３６の磁化方向２００は偏極子１５０のそれに垂直である。自由層１３６の磁化方向２００は、１８０度回転させることができる。図２Ａ〜２Ｂは、自由層１３６の磁化ベクトルの軸の周囲での歳差運動を示す。歳差運動中に、磁気ベクトル２００はその軸の周囲で円錐状に回転し始め、その磁化ベクトル２００’は自由層１３６の垂直軸２０２からそれる。歳差運動の開始前に、磁気ベクトル２００の何れの成分も自由層１３６の面内にないが、歳差運動が始まると、磁気ベクトル２００’の成分は自由層１３６の面内とそれに直交するものと両方になる。磁気ベクトル２００’が歳差運動（すなわち、スイッチング）を続けると、ベクトル２００’の回転は、図２Ｂからわかるように、自由層１３６の中心からさらに広がる。
偏極子１５０等の偏極子を使用する先行技術によるすべてのＭＴＪデバイスで、偏極子１５０の磁化方向は固定されており、これは図１及び３に示される。また、電流が存在しても偏極子層の磁化の方向が変化しえないことが明記されている米国特許第６，５３２，１６４号も参照のこと。電流がＭＴＪに流れる前に、自由層１３６の磁化方向２００は偏極子１５０のそれに垂直である。自由層１３６の磁化方向２００は１８０度回転可能であるが、このような回転は通常、軸２０２を指すベクトル２０５によって表される自由層の固有の減衰能力２０５によって妨げられる（図２Ａ及び図３において破線で示される）。軸２０２は自由層１３６の面に垂直である。この減衰２０５は、減衰係数により定義される数値を有し、これは自由層１３６の磁化方向を保持する。
電流を偏極子１５０に通すと、スピン偏極電流が生成され、これが磁化ベクトル２００上で偏極子１５０の方向にスピントランスファトルク２１０を生じさせる。偏極子からのこのスピントランスファトルクは、自由層の磁化方向のスイッチングを起こさせる主要スピントランスファトルクに追加される。図１に示されるようなデバイスにおいて、スピントランスファトルク２１０が自由層１３６に固有の減衰２０５を克服するのを支援し始めると、磁化方向２００’は、図２Ａに示されるように、その軸の周囲で歳差運動を開始する。図３からわかるように、スピントランスファトルク２１０は自由層１３６の磁化方向が層の面に垂直な軸２０２の周囲で円錐状に歳差運動するのを助ける。スピン偏極電流がスタック１００を横切ると、自由層１３６の磁化は振動を保ちながら連続的に歳差運動し（すなわち、図３に示されるように連続的にそれ自体で回転し）、最終的に自由層１３６の磁気方向は、スピントルクが歳差運動を生じさせる前の磁気方向と反対となる、すなわち自由層１３６の磁気方向が１８０度切り替わる。
図３は、磁気層１５０を偏極させることによって提供されるスピン偏極電流により支援されるＭＴＪの自由層１３６の歳差運動を示す。偏極子１５０からのスピン偏極電子はトルク２１０を提供し、これは歳差運動の最初の半分２１５の減衰２０５を克服するのを助けるが、それは、スピン偏極電流により提供されるトルク２１０が自由層１３６の固有の減衰２０５のそれと反対であるからである。これは、図３の中央部分の右側に示されている。しかしながら、偏極子１５０からのスピン偏極電子は実際に、歳差運動の残りの半分２２０でのスイッチングプロセスを妨害する。この理由は、スピン偏極電流内の電子のスピンがそれらの偏極の方向にのみトルク２１０を加えるからである。それゆえ、磁気ベクトルが、偏極電子のスピンと反対の歳差運動サイクルの半分２２０の中にあると、スピントランスファトルク２１０は実際に、自由層１３６の固有の減衰２０５と共に作用して、回転をより困難にする。これは、図３の中央部分の左側に示されている。実際に、歳差運動サイクルのうち、電子のスピンが歳差運動を妨害する半分で自由層１３６の減衰とスピントランスファトルク２１０を克服するのは、参照層１３２（図３では示さず）の磁化ベクトルであり、それゆえ、完全な歳差運動を可能にするのは参照層１３２である。
それゆえ、先行技術によるデバイスにおいては、偏極子１５０の磁化方向が固定されるため、歳差運動が持続すると、１８０度の歳差運動全体にわたるスイッチングメカニズムにプラスの影響を与えない。これは、すべてのベクトルが密接に配列されているとき、偏極電子がスピントランスファトルクを最も支援するからである。
それゆえ、スイッチングに必要な電流量を減少させ、それと同時に、スイッチングが高速で行われ、必要なチップ面積を減らすようなスピントルクトランスファデバイスが求められている。
ＭＲＡＭデバイスが開示され、これは磁気トンネル接合スタックを有し、その磁気トンネル接合構造中の自由層の性能は大幅に改善されており、スイッチング電流の必要量が有意に少なく、またＭＲＡＭの用途にとってのスイッチング時間が有意に短縮されている。
１つの実施形態において、磁気デバイスは、第一の面内に人工反強磁性構造を含む。人工反強磁性構造は、第一の面に垂直な磁化ベクトルを有するとともに固定された磁化方向を有する磁気参照層を含む。デバイスはまた、第二の面にあり、磁気参照層の上に配置された非磁気トンネルバリア層も含む。自由磁気層は第三の面にあり、非磁気トンネルバリア層の上に配置される。自由磁気層は第三の面に垂直な磁化ベクトルを有し、また、第一の磁化方向から第二の磁化方向に歳差運動可能な磁化方向を有する。磁気参照層、非磁気トンネルバリア層、及び自由磁気層は磁気トンネル接合を形成する。デバイスはまた、第四の面にあり、自由磁気層の上に配置された非磁性スペーサも含む。デバイスは、第五の面にある歳差スピン電流磁気層を含み、これは、非磁性スペーサによって自由磁気層から物理的に分離され、かつ、非磁性スペーサを介して自由磁気層に結合される。歳差スピン電流磁気層の磁化ベクトルは、第五の面内の磁化成分を持ち、当該磁化成分は何れの磁気方向にも自由に回転できる。デバイスはまた、電流源も含み、これは歳差スピン電流磁気層、非磁性スペーサ、自由磁気層、非磁気トンネルバリア層、及び磁気参照層を通るように電流を案内する。電流の電子は歳差スピン電流磁気層の磁気方向に配列される。歳差スピン電流磁気層の磁化方向は、自由磁気層の磁化方向の歳差運動に追従し、それによってスピントランスファトルクに自由磁気層の磁化ベクトルのスイッチングを支援させる。
他の実施形態において、磁気デバイスの歳差スピン電流磁気層は円形の形状を有する。
他の実施形態において、歳差スピン電流磁気層の磁化ベクトルの磁化方向は第五の面内にある。
他の実施形態において、歳差スピン電流磁気層の磁化方向は、第五の面内にあり、第五の膜面内で自由に回転できる磁化成分を有する。
他の実施形態において、歳差スピン電流磁気層はＣｏＦｅＢを備えている。
他の実施形態において、歳差スピン電流磁気層は、自由磁気層に磁気的に結合される。
他の実施形態において、歳差スピン電流磁気層は、自由磁気層に電子的に結合される。
他の実施形態において、歳差スピン電流磁気層の歳差運動は自由磁気層の歳差運動と同期される。
他の実施形態において、歳差スピン電流磁気層の回転数はゼロより大きい。
他の実施形態において、磁気デバイスは第一の面に歳差スピン電流磁気層を含む。歳差スピン電流磁気層は、第一の面内の磁化成分を有する磁化ベクトルを含み、当該磁化成分は、何れの磁気方向にも自由に回転できる。デバイスは、第二の面にあり、歳差スピン電流磁気層の上に配置された非磁性スペーサ層を含む。自由磁気層は第三の面にあり、非磁性スペーサ層の上に配置される。自由磁気層は、第三の面に垂直な磁化ベクトルを有し、第一の磁化方向から第二の磁化方向に歳差運動可能な磁化方向を有する。デバイスは、第四の面にあり、自由磁気層の上に配置された非磁気トンネルバリア層を有する。人工反強磁性構造は第五の面にある。人工反強磁性構造は、第五の面に垂直な磁化ベクトルを有する磁気参照層を含む。磁気参照層は、固定された磁化方向を有する。磁気参照層、非磁気トンネルバリア、及び自由磁気層は、磁気トンネル接合を形成する。デバイスは電流源を有し、これは歳差スピン電流磁気層、非磁性スペーサ、自由磁気層、非磁気トンネルバリア、及び磁気参照層を通るように電流を案内する。電流の電子は歳差スピン電流磁気層の磁気方向に配列される。歳差スピン電流磁気層の磁化方向は、自由磁気層の磁化方向の歳差運動に追従し、それによって、スピントランスファトルクに自由磁気層の磁化ベクトルのスイッチングを支援させる。
他の実施形態において、磁気デバイスは第一の面に磁気トンネル接合を含む。磁気トンネル接合は、自由磁気層と参照磁気層を含む。自由磁気層と参照磁気層は、非磁気トンネルバリア層によって分離される。自由磁気層は、第一の面に垂直な磁化ベクトルを有し、第一の磁化方向から第二の磁化方向に歳差運動可能である。デバイスはまた、第二の面にあり、自由磁気層に結合された非磁性スペーサを有する。歳差スピン電流磁気層は第三の面にあり、非磁性スペーサを通じて自由磁気層に結合される。歳差スピン電流磁気層は、非磁性スペーサによって自由磁気層から分離される。歳差スピン電流磁気層は、第三の面内の磁化成分を有する磁気ベクトルを含み、当該磁化成分は、何れの磁気方向にも自由に回転できる。電流がデバイスに印加されると、歳差スピン電流磁気層の磁化方向は、自由磁気層の磁化方向の歳差運動に追従する。これによって、スピントランスファトルクに自由磁気層の磁化ベクトルのスイッチングを支援させる。
添付の図面は、本明細書の一部として含められ、現時点で好ましい実施形態を示しており、上述の一般的説明と下記の詳細な説明と共に、本明細書において説明されているＭＴＪデバイスの原理を説明し、教示する役割を果たす。
ＭＲＡＭデバイスのための従来のＭＴＪスタックを示す。 ＭＴＪの自由層の歳差運動を示す。 固定された磁化方向を有する偏極磁気層と共に使用される、ＭＴＪの中の自由層の歳差運動を示す。 自由に回転する磁化方向を有する歳差スピン電流磁気層と共に使用される、ＭＴＪの中の自由層の歳差運動を示す。 歳差スピン電流磁気層を有するＭＲＡＭデバイスのためのＭＴＪスタックを示す。 ある実施形態による歳差スピン電流磁気層の磁気方向を示す。 歳差スピン電流磁気層を有するＭＴＪデバイスの性能の改善を説明するシミュレーションのグラフである。 歳差スピン電流磁気層を有するＭＴＪデバイスの性能の改善を説明するシミュレーションのグラフである。 歳差スピン電流磁気層を有するＭＴＪデバイスの性能の改善を説明するシミュレーションのグラフである。 歳差スピン電流磁気層を有するＭＴＪデバイスの性能の改善を説明するシミュレーションのグラフである。 歳差スピン電流磁気層を有するＭＴＪデバイスの性能の改善を説明するシミュレーションのグラフである。 歳差スピン流磁気層を有するＭＲＡＭデバイスのＭＴＪスタックの代替的実施形態を示す。
図面は必ずしも正しい縮尺で描かれているとは限らず、全図面を通じ、説明を目的として、同様の構造又は機能の要素は概して同様の参照番号で示されている。図面は本明細書に記載されている各種の実施形態を説明しやすくするためのものにすぎず、図面は本明細書に記載されている教示のすべての点を説明しているとはかぎらず、また、特許請求の範囲を限定していない。
以下の説明は、すべての当業者がＭＲＡＭデバイス等の磁気半導体装置のための歳差スピン電流構造を製作し、使用できるようにするために提示される。本明細書で開示されている特徴と教示の各々は、開示されているシステム及び方法を実施するために、別々にも、又は他の特徴と組み合わせても利用できる。これらの他の特徴及び教示の多くを別々に、及び組み合わせて利用する代表例を、添付の図面を参照しながらさらに詳しく説明する。この詳細な説明は、当業者に対し、本教示の好ましい態様を実施するためのさらに詳細な内容を教示しようとしているにすぎず、特許請求の範囲を限定しようとするものではない。したがって、以下の詳細な説明の中で開示される特徴の組合せは、最も広い意味でこの教示を実施するために必要なものではないかもしれず、その代わりに、本教示の特に代表的な例を説明するためにのみ教示されている。
以下の説明の中で、あくまでも説明のために、具体的な専門用語が本教示を十分に理解できるように示されている。しかしながら、当業者にとっては明らかであるように、これらの具体的な詳細事項は本教示を実施するのに必要ではない。
本特許文献は、固定された磁化方向を有する偏極層を使用しないＭＲＡＭデバイスを開示しており、図４〜７を参照しながら説明する。固定された磁化方向を有する偏極層の代わりに、本特許文献で説明されるＭＲＡＭデバイスは、歳差スピン電流（ＰＳＣ）磁気層３５０を垂直ＭＴＪと共に利用しており、ＰＳＣ層の面内磁化成分の方向は自由に回転できる。１つの実施形態において、ＰＳＣ磁気層３５０は、自由層の磁化の歳差運動と共鳴する動作で回転する。これは、自由層３３６の固有の減衰を克服することにおけるスピン電流の影響を大幅に改善するが、それはＰＳＣ層が、歳差運動の半分だけでなく歳差サイクルの軌道運動全体を通じてスピントルクがこの減衰を克服するのを支援するからである。１８０度の回転全体にわたるこの歳差スピン電流の効果は、自由層の磁化スイッチングを大幅に改善する。
図４は、磁化方向が固定された磁化ベクトルを有する偏極層１５０の代わりに、回転する磁化ベクトル２７０を有するＰＳＣ磁気層３５０を使用するＭＲＡＭデバイスの背景にある概念を示す。この実施形態の自由層３３６は、それがスピントランスファトルクの支援により克服可能な固有の減衰特性２０５を有するという点で、前述の自由層１３６と同様である。しかしながら、図４に示される実施形態では、偏極層１５０の代わりにＰＳＣ磁気層３５０が使用される。図４の下部分からわかるように、自由層３３６を通過するスピン電流により作られるスピントランスファトルク３１０の方向が、ＰＳＣ磁気層３５０の回転と共に変化する。図４の中央からわかるように、スピントランスファトルク３１０によって、自由層３３６の磁化方向２００’が層の面に垂直な軸２０２の周囲で円錐状に歳差運動する。図４は、軸２０２の周囲の磁気方向２００’の回転の進行を示している。前述のように、スピン偏極電流がデバイスを通過すると、自由層３３６の磁化が振動を保ちながら連続的に歳差運動し（すなわち、図４に示されるように連続的にそれ自体で回転し）、最終的に自由層３３６の磁気方向は、スピントルクが歳差運動を引き起こす前の磁気方向の反対となり、すなわち、自由層１３６の磁気方向が１８０度切り替わる。歳差スピン電流層３５０と自由層３３６は磁気的及び／又は電子的に結合され、それによってＰＳＣ磁気層３５０の磁化ベクトル２７０の磁化方向は、自由層３３６の磁性ベクトルの歳差運動の回転に追従する。これは図４からわかる。
図４の右側からわかるように、スピン偏極電子はトルク３１０を提供し、これは歳差運動の最初の半分２１５における減衰２０５を克服するのを助けるが、それは、スピン偏極電流により提供されるトルク３１０が自由層３３６の固有の減衰２０５のそれと反対であるからである。前述のように、ＰＳＣ磁気層３５０の磁化ベクトル２７０の磁化方向が回転する。それゆえ、ＰＳＣ磁気層３５０により作られるスピン電流の電子の偏極も変化する。これは、自由層３３６の磁気ベクトルに加えられるトルク３１０の方向が十分に変化することを意味し、これは図４の下からわかる。それゆえ、固定された偏極磁気層１５０を有する先行技術のデバイスと異なり、スピン偏極電流の電子のスピンは歳差サイクルの両方の半分にトルク３１０をかける。これには、固定された偏極磁気層１５０を有するデバイスが実際に歳差運動を妨害した歳差運動サイクルの半分２２０も含まれる。これは、図４の左側からわかる。図のように、トルク３１０は歳差サイクル全体を通じて、自由層１３６の固有の減衰２０５を克服するのを支援し続ける。
ある実施形態において、ＰＳＣ磁気層３５０の歳差ベクトル２７０は、自由層３３６の磁気ベクトルの歳差回転に、それと整列することによって追従する。他の実施形態においては、後述のように、ＰＳＣ磁気層３５０の歳差ベクトル２７０は、自由層の磁気ベクトルを追跡することによって、自由層３３６の磁気ベクトルの歳差回転に追従する。自由層の磁化方向は、電流の方向が最終状態を決定する参照層１３２からのスピントルク３１０によって切り替わる。
歳差スピン電流ＭＴＪ構造３００を有するメモリセルが図５に示されている。ＭＴＪ構造３００は、スタック３００の底部に提供された１つ又は複数のシード層３１０を含み、これはその上に堆積される層の中で所望の結晶成長を開始させる。人工反強磁性体（ＳＡＦ）層３２０はシード層３１０の上に配置される。ＳＡＦ層３２０は、第一のＳＡＦ層３３２と、反強磁性結合層３１６と、第二のＳＡＦ層３１４と、からなる。第二のＳＡＦ層３１４はシード層３１０の上に堆積され、反強磁性結合層３１６は第二のＳＡＦ層３１４の上に設置される。ＭＴＪ３３０は、反強磁性結合層３１６の上に堆積される。ＭＴＪ３３０は第一のＳＡＦ層３３２を含み、これはＭＴＪの参照層として機能し、ＳＡＦ層３２０の一部でもある。トンネルバリア層（すなわちり絶縁体）３３４は第一のＳＡＦ層３３２の上にあり、自由層３３６がトンネルバリア層３３４の上に配置される。図５に示されているように、第一のＳＡＦ層３３２の磁化ベクトルの磁化方向は、好ましくは、その面に垂直であるが、数度のばらつきは垂直とみなされる範囲内である。同じく図５にからわかるように、自由層３３６の磁化ベクトルもまた、好ましくはその面に垂直であるが、その方向は１８０度変化しうる。非磁性スペーサ３４０がＭＴＪ３３０の上に配置される。ＰＳＣ磁気層３５０は非磁性スペーサ３４０の上に配置される。１つの実施形態において、ＰＳＣ磁気層３５０は、その面に平行な磁気方向を有する磁化ベクトルを有し、参照層３３２と自由層３３６の磁気ベクトルに垂直である。１つ又は複数のキャッピング層３７０をＰＳＣ層１５０の上に提供して、ＭＴＪスタック１００上のそれ以下の層を保護することができる。
非磁性スペーサ３４０は、多数の特性を有する。例えば、非磁性スペーサ３４０は自由層３３６とＰＳＣ層３５０を物理的に分離する。非磁性スペーサ３４０は、強力な磁気及び／又は電子結合を促進し、それによってＰＳＣ磁気層３５０の磁気方向は自由層３３６の歳差サイクルに追従する。換言すれば、非磁性スペーサ３４０はＰＳＣ磁気層３５０の磁気方向を自由層３３６の磁気方向に結合する。非磁性スペーサ３４０はＰＳＣ磁気層３５０から自由層３３６へとスピン電流を効率的に注入するが、これは、それが好ましいことに、長いスピン拡散長さを有するからである。非磁性スペーサ３４０はまた、良好な微細構造と高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を促進し、自由層３３６の減衰係数を低く保つのに役立つ。
ＰＳＣ磁気層３５０は少なくとも以下の特性を有する。第一に、１つの実施形態において、ＰＳＣ磁気層３５０の磁化方向は層の面内にあるが、自由層３３６の磁化方向に垂直である。図６に示されるような他の実施形態において、ＰＳＣ磁気層３５０の磁化方向は水平成分Ｘと垂直成分Ｚを、自由層３３６の面とＰＳＣ磁気層３５０の磁気方向２７０との間の角度θが０〜９０度未満の間の何れかとなりうるように有することができる。
ＰＳＣ磁気層３５０は好ましくは、非常に低い飽和保磁力を有し、したがって、例えば５０エルステッド未満の非常に軟質の磁性材料で製造される。ＰＳＣ磁気層３５０は自由層３３６と強力な磁気結合を有し、その軸の周囲で歳差運動する際に、その磁化方向が自由層３３６の磁気方向に追従するようにすべきである。１つの実施形態において、ＰＳＣ磁気層３５０は、自由層３３６の歳差運動とほぼ同じ周期で自由に回転する。ほぼ同じ周期の磁化回転（ＰＳＣ磁気層３５０の磁化方向と自由層３３６の磁化歳差運動）を有することによって磁気層、自由層のスイッチング時間は大幅に短縮され、またスイッチング時間における温度分布を狭める。ある実施形態において、ＰＳＣ磁気層３５０の回転数はゼロより大きい。同様に、ある実施形態において、ＰＳＣ磁気層３５０は円形（又はほぼ円形）の形状を有し、その磁化方向はｘ−ｙ面内で（すなわち、磁性膜の面内で）形状磁気異方性を持たない。
図５に示されるＭＴＪ構造内のシード層３１０は好ましくは、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｎｉ、Ｆｅ、又はそれらの合金を含む。第二のＳＡＦ層３１４は好ましくは、Ｃｏ／Ｎｉ又はＣｏ／Ｐｔの何れかの多層構造を含む。第一のＳＡＦ層３３２は好ましくは、Ｃｏ／Ｎｉ又はＣｏ／Ｐｔの何れかの多層構造に、厚さ２〜５オングストロームのタンタルからなる薄い非磁気層と薄いＣｏＦｅＢ層（０．５〜３ナノメートル）を足したものを含む。反強磁性結合層３１６は好ましくは、厚さが３〜１０オングストロームの範囲のＲｕから構成される。トンネルバリア層３３４は好ましくは、ＭｇＯ等の絶縁材料からなり、厚さは約１０オングストロームである。自由層３３６は好ましくは、トンネルバリア層３３４の上に堆積されたＣｏＦｅＢで構成される。自由層３３６はまた、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、又はそれらの合金の層を持つことができる。ＭＴＪ３３０の上のスペーサ層３４０は、２〜２０オングストロームのルテニウム、２〜２０オングストロームのＴａ、２〜２０オングストロームのＴａＮ、２〜２０オングストロームのＣｕ、２〜２０オングストロームのＣｕＮ、又は２〜２０オングストロームのＭｇＯ層等の何れの非磁性材料とすることもできる。
ＰＳＣ磁気層３５０は好ましくは、ＣｏＦｅＢからなる。これはまた、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ磁気層で構成することもでき、又はその合金からも製作できる。磁性合金はまた、ボロン、タンタル、銅、又はその他の材料を有することもできる。最後に、キャッピング層３７０は、Ｔａ、ＴａＮ、Ｒｕ、ＭｇＯ、Ｃｕ、等、ＰＳＣ層に対する良好な界面を提供する何れの材料とすることもできる。
ここで、歳差スピン電流ＭＴＪ構造３００を使ってビットを書き込む方法を説明する。特に、電流が、例えば電流源３７５によって供給され、これは電流を歳差スピン電流磁気層３５０、非磁性スペーサ３４０、自由磁気層３３６、非磁気トンネルバリア層３３４、及び参照層３３２の中に流す歳差スピン電流磁気層３５０を通過する電流の電子は、その磁気方向において偏極されたスピンとなり、それゆえ、スピン偏極電流を生成され、これが非磁性スペーサ層３４０、自由磁気層３３６、トンネルバリア層３３４、及び参照磁気層３３２の中を流れる。スピン偏極流は、スピントランスファトルクを自由磁気層３３６にかけ、これが自由層３３６を構成する磁性材料の固有の減衰を克服するのに役立つ。これによって自由磁気層３３６はその軸の周囲で歳差運動し、これは図４に示されている。
自由磁気層３３６の磁気方向が歳差運動を開始すると、ＰＳＣ磁気層３５０の磁気方向が回転を開始し、これも図４からわかる。この回転は、非磁性スペーサ３４０を通じた自由磁気層３３６とＰＳＣ磁気層３５０との間の磁気及び／又は電子結合によって引き起こされる。ＰＳＣ磁気層３５０の磁気方向の回転により、電流の電子のスピン偏極がＰＳＣ磁気層３５０の磁気方向に対応するように変化させる。スピン偏極電流のスピンはＰＳＣ磁気層３５０の磁気方向に対応し、ＰＳＣ磁気層３５０の磁気方向が自由磁気層３３６の歳差運動に追従するため、電子のスピンはスピントランスファトルクを自由層３３６に、スイッチングサイクル全体を通じて変化する方向に加える。それゆえ、ＰＳＣ磁気層３５０を使ったデバイスは、スイッチングサイクル全体にわたり、スピントランスファトルク２０５を提供できる。
特に、ＰＳＣ磁気層３５０とスペーサ層３４０を利用する、本明細書に記載された構造は歳差磁化を生成し、これは歳差サイクル全体にわたりスピン電流をＭＴＪの自由層３３６に提供し、したがって、自由層のスイッチングプロセスを大幅に向上させ、その結果、書き込み時間がより速くなる。
本明細書に記載された構造を持つデバイスのシミュレーション結果が図７Ａ〜７Ｅに示されている。図７Ａ〜７Ｅにおいて、Ｙ軸はデバイス３００のＺ軸における−１．０〜＋１．０までの磁化である。Ｘ軸は、自由層３３６の磁化方向を１８０度切り替えるのにかかる時間の量を示す。このシミュレーションにおいて、ＰＳＣ磁気層３５０の磁化方向の歳差運動周期は（ω）として指定され、自由層３３６の歳差運動周期は（ωｐ）として指定される。その結果が、ω／ωｐ比０の場合（図７Ａ）、０．５の場合（図７Ｂ）、０．７の場合（図７Ｃ）、０．９の場合（図７Ｄ）、及び１．０の場合（図７Ｅ）について示されている。何れの場合もチルト角は３０度であり、これはスピン電流効果の効率を示す。
図８ａに示されるデバイスのω／ωｐ比は０であるため、ＰＳＣ磁気層３５０は回転していない。それゆえ、図７Ａに示される結果は実際には、図１及び３のデバイス、すなわち、磁化方向が回転しない偏極層１５０を有するデバイスのスイッチング時間を示している。それに対して、図７Ｂ〜７Ｅは、図４〜６に示されるデバイス、すなわち、磁化方向が回転し、それゆえ自由層３３６の歳差運動に追従するＰＳＣ磁気層３５０を有するデバイスのω／ωｐ比の場合のスイッチング時間を示す。これらの実施形態において、ＰＳＣ磁気層３５０の回転数はゼロより大きい。ω／ωｐ比が、ＰＳＣ磁気層３５０の歳差運動ベクトル２７０が自由層３３６の歳差運動にどれだけ密接に追従しているかを示す点に留意されたい。換言すれば、ω／ωｐ比が１に近付くほど、歳差運動するＰＳＣ磁気層３５０の歳差運動ベクトル２７０’と歳差運動する自由層３３６の磁気方向はより密接に配列される。図７Ａ〜７Ｅに示されるシミュレーションからわかるように、歳差運動するＰＳＣ磁気層３５０の歳差運動ベクトル２７０’と歳差運動する自由層３３６の磁気方向がよりよく配列されるほど、層３３６の磁化方向のスイッチング時間は短くなる。それゆえ、ある実施形態において、歳差運動するＰＳＣ磁気層３５０の歳差運動ベクトル２７０の回転数が自由層３３６の回転数に近くなるように同期される。図７Ａは、偏極子１５０の磁化方向が固定され、したがって回転数がゼロである図１及び３に示されるようなデバイスのスイッチング時間を示す。この実施形態のスイッチング時間は最も長い。ＰＳＣ磁気層３５０の歳差運動周期ωと自由層３３６の歳差運動周期ωｐの比が０．５に増えると、スイッチング速度が増大する。図７Ｃ〜７Ｅからわかるように、ＰＳＣ磁気層３５０の歳差運動周期と自由層３３６の歳差運動周期ωｐの比が０．７、０．９、及びその後１．０へと増大する間にスイッチング時間は大幅に増大し、それゆえ、本明細書に記載されている各種の実施形態により提供される大きな改善を実証している。
他の実施形態が図８に示されている。この実施形態において、磁気デバイス４００はそのＭＴＪスタックが図５に示される実施形態に関して逆転している。特に、磁気デバイス４００はシード層４７０を含む。ＰＳＣ磁気層４５０はシード層４５０の上に設置される。非磁性スペーサ４４０はＰＳＣ層４５０の上に設置される。非磁性スペーサ４４０は、前述の非磁性スペーサ３４０と同じ特性、構成、及び特徴を有する。ＰＳＣ磁気層４５０は、前述のＰＳＣ磁気層３５０と同じ特性、構成、及び特徴を有する。ＭＴＪ４３０は非磁性スペーサ４４０の上に設置される。ＭＴＪ４３０は一般に、自由層４３６（これは、非磁性スペーサ４５０の上に設置される）と参照層４３２から構成される。自由層４３６と参照層４３２は、絶縁材料から製作されるトンネルバリア層４３４により相互に空間的に分離される。トンネルバリア層４３４はまた、人工反強磁性（ＳＡＦ）層４２０の一部も形成する。ＳＡＦ層４２０は、デバイス４００の参照層でもある第一のＳＡＦ層４３２、反強磁性結合層４１６、及び第二のＳＡＦ層４１４からなる。反強磁性結合層４１６は、第一のＳＡＦ層４３２の上に設置される。最後に、キャッピング層４１０がＳＡＦ層４２０の上に設置される。電流は電流源４７５により提供できる。層の順序を除き、磁気デバイスは、図５に示される実施形態に関して説明したものと同じ方法で動作する。それゆえ、図４に示されるように、ＰＳＣ磁気層４５０は、スピントランスファトルク３１０が自由層４３６の歳差運動サイクル全体を通じて有利に加えられるように回転する。
図５及び８に示されるデバイス３００及び４００の層はすべて、当業者であればわかる薄膜スパッタ蒸着システムによって形成できる。薄膜スパッタ蒸着システムは、各々が１つ又は複数のターゲットを有する、必要な物理蒸着（ＰＶＤ）チャンバ、酸化チャンバ、及びスパッタエッチングチャンバを含むことができる。典型的に、スパッタ蒸着プロセスは、超高真空下でのスパッタガス（例えば酸素、アルゴン又はその他）を含み、ターゲットは基板上に堆積させることになる金属又は金属合金で製作できる。それゆえ、本明細書に、層は他の層の上に設置されると記載されている場合、これらの層はこのようなシステムを使って堆積されているかもしれない。他の方法も使用できる。ＭＴＪスタック３００を製造するのに必要な残りのステップは、当業者の間でよく知られており、ここでは、本明細書の開示の態様を不必要に不明瞭にしないように詳しく説明しない点を理解すべきである。
当業者であれば、複数のＭＴＪ構造３００を、ＳＴＴ−ＭＲＡＭデバイスのそれぞれのビットセルとして製造し、提供できることがわかるはずである。換言すれば、各ＭＴＪスタック３００は、複数のビットセルを有するメモリアレイのためのビットセルとして実現できる。
上述の説明と図面は、本明細書に記載されている特徴と利点を実現する具体的な実施形態を例示しているのみと考えるものとする。特定のプロセス条件の変更や置換を行うことができる。したがって、本特許文献の中の実施形態は上述の説明と図面により限定されないと考える。
以下の項目は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
第一の面の人工反強磁性構造であって、磁気参照層を含み、前記磁気参照層の磁化ベクトルは前記第一の面に垂直で、固定された磁化方向を有する、人工反強磁性構造と、
第二の面にあり、前記磁気参照層の上に配置された非磁気トンネルバリア層と、
第三の面にあり、前記非磁気トンネルバリア層の上に配置された自由磁気層であって、前記第三の面に垂直な磁化ベクトルを有し、第一の磁化方向から第二の磁化方向に歳差運動可能な磁化方向を有し、前記磁気参照層、前記非磁気トンネルバリア層、及び前記自由磁気層が磁気トンネル接合を形成する、自由磁気層と、
第四の面にあり、前記自由磁気層の上に配置された非磁性スペーサと、
第五の面にあり、前記非磁性スペーサによって前記自由磁気層から物理的に分離され、かつ、前記非磁性スペーサを介して前記自由磁気層に結合された歳差スピン電流磁気層であって、前記第五の面内の磁化成分を有する磁化ベクトルを含み、前記磁化成分は、何れの磁気方向にも自由に回転できる歳差スピン電流磁気層と、
前記歳差スピン電流磁気層、前記非磁性スペーサ、前記自由磁気層、前記非磁気トンネルバリア層、及び前記磁気参照層を通るように電流を案内する電流源であって、前記電流の電子は前記歳差スピン電流磁気層の前記磁気方向に配列される、電流源と、
を備えており、
前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化方向は、前記自由磁気層の前記磁化方向の歳差運動に追従し、それによってスピントランスファトルクに前記自由磁気層の前記磁化ベクトルのスイッチングを支援させる、磁気デバイス。
（項目２）
前記歳差スピン電流磁気層は円形の形状を有する、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目３）
前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化ベクトルの前記磁化方向は前記第五の面内にある、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目４）
前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化方向は、前記第五の面内にあり、前記第五の面内で自由に回転できる磁化成分を有する、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目５）
前記歳差スピン電流磁気層はＣｏＦｅＢを備えている、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目６）
前記歳差スピン電流磁気層は、前記自由磁気層に磁気的に結合される、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目７）
前記歳差スピン電流磁気層は、前記自由磁気層に電子的に結合される、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目８）
前記歳差スピン電流磁気層の歳差運動は前記自由磁気層の歳差運動と同期される、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目９）
前記歳差スピン電流磁気層の回転数はゼロより大きい、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目１０）
第一の面の歳差スピン電流磁気層であって、前記第一の面内の磁化成分を有する磁化ベクトルを含み、前記磁化成分は、何れの磁気方向にも自由に回転できる、歳差スピン電流磁気層と、
第二の面にあり、前記歳差スピン電流磁気層の上に配置された非磁性スペーサ層と、
第三の面にあり、前記非磁性スペーサ層の上に配置される自由磁気層であって、前記第三の面に垂直な磁化ベクトルを有し、第一の磁化方向から第二の磁化方向に歳差運動可能である磁化方向を有する、自由磁気層と、
第四の面にあり、前記自由磁気層の上に配置された非磁気トンネルバリア層と、
第五の面の人工反強磁性構造であって、磁気参照層を含み、前記磁気参照層の磁化ベクトルは前記第五の面に垂直で、固定された磁化方向を有し、前記磁気参照層、前記非磁気トンネルバリア、及び前記自由磁気層は磁気トンネル接合を形成する、人工反強磁性構造と、
前記歳差スピン電流磁気層、前記非磁性スペーサ、前記自由磁気層、前記非磁気トンネルバリア、及び前記磁気参照層を通るように電流を案内する電流源であって、前記電流の電子は前記歳差スピン電流磁気層の前記磁気方向に配列される、電流源と、
を備えており、
前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化方向は、前記自由磁気層の前記磁化方向の歳差運動に追従し、それによってスピントランスファトルクに前記自由磁気層の前記磁化ベクトルのスイッチングを支援させる、磁気デバイス。
（項目１１）
前記歳差スピン電流磁気層は円形の形状を有する、項目１０に記載の磁気デバイス。
（項目１２）
前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化ベクトルの前記磁化方向は前記第一の面内にある、項目１０に記載の磁気デバイス。
（項目１３）
前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化方向は、前記第一の面内にあり、前記第五の面内で自由に回転できる磁化成分を有する、項目１０に記載の磁気デバイス。
（項目１４）
前記歳差スピン電流磁気層はＣｏＦｅＢを備えている、項目１０に記載の磁気デバイス。
（項目１５）
前記歳差スピン電流磁気層は、前記自由磁気層に磁気的に結合される、項目１０に記載の磁気デバイス。
（項目１６）
前記歳差スピン電流磁気層は、前記自由磁気層に電子的に結合される、項目１０に記載の磁気デバイス。
（項目１７）
前記歳差スピン電流磁気層の歳差運動は前記自由磁気層の歳差運動と同期される、項目１０に記載の磁気デバイス。
（項目１８）
前記歳差スピン電流磁気層の回転数はゼロより大きい、項目１０に記載の磁気デバイス。
（項目１９）
磁気デバイスであって、
第一の面にあり、自由磁気層と参照磁気層を含む磁気トンネル接合であって、前記自由磁気層と前記参照磁気層は非磁気トンネルバリア層によって分離され、前記自由磁気層は前記第一の面に垂直な磁化ベクトルを有するとともに第一の磁化方向から第二の磁化方向に歳差運動可能である磁化方向を有する、磁気トンネル接合と、
第二の面にあり、前記自由磁気層に結合された非磁性スペーサと、
第三の面にあり、前記非磁性スペーサを通じて前記自由磁気層に結合された歳差スピン電流磁気層であって、前記非磁性スペーサによって前記自由磁気層から分離され、前記第三の面内の磁化成分を有する磁化ベクトルを含み、前記磁化成分は、何れの磁気方向にも自由に回転できる、歳差スピン電流磁気層と、
を備えており、
電流が前記デバイスに印加されると、前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化方向は、前記自由磁気層の前記磁化方向の歳差運動に追従し、それによって、スピントランスファトルクに前記自由磁気層の前記磁化ベクトルのスイッチングを支援させる、磁気デバイス。
（項目２０）
前記歳差スピン電流磁気層は円形の形状を有する、項目１９に記載の磁気デバイス。
（項目２１）
前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化ベクトルの前記磁化方向は前記第一の面内にある、項目１９に記載の磁気デバイス。
（項目２２）
前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化方向は、前記第一の面内にあり、前記第五の面内で自由に回転できる磁化成分を有する、項目１９に記載の磁気デバイス。
（項目２３）
前記歳差スピン電流磁気層はＣｏＦｅＢを備えている、項目１９に記載の磁気デバイス。
（項目２４）
前記歳差スピン電流磁気層は、前記自由磁気層に磁気的に結合される、項目１９に記載の磁気デバイス。
（項目２５）
前記歳差スピン電流磁気層は、前記自由磁気層に電子的に結合される、項目１９に記載の磁気デバイス。
（項目２６）
前記歳差スピン電流磁気層の歳差運動は前記自由磁気層の歳差運動と同期される、項目１９に記載の磁気デバイス。
（項目２７）
前記歳差スピン電流磁気層の回転数はゼロより大きい、項目１９に記載の磁気デバイス。

Claims (21)

  1. 第一の面の人工反強磁性構造であって、磁気参照層を含み、前記磁気参照層の磁化ベクトルは前記第一の面に垂直で、固定された磁化方向を有する、人工反強磁性構造と、
    第二の面にあり、前記磁気参照層の上に配置された非磁気トンネルバリア層と、
    第三の面にあり、前記非磁気トンネルバリア層の上に配置された自由磁気層であって、前記第三の面に垂直な磁化ベクトルを有し、スピン偏極電流が前記自由磁気層を通過する際に、第一の磁化方向から第二の磁化方向に歳差運動する磁化方向を有し、前記磁気参照層、前記非磁気トンネルバリア層、及び前記自由磁気層が磁気トンネル接合を形成する、自由磁気層と、
    第四の面にあり、前記自由磁気層の上に配置された非磁性スペーサと、
    第五の面にあり、前記非磁性スペーサによって前記自由磁気層から物理的に分離され、かつ、前記非磁性スペーサを介して前記自由磁気層に磁気的かつ電子的に結合された歳差スピン電流磁気層であって、何れの磁気方向にも自由に回転する前記第五の面内の磁化成分と、前記第五の面に垂直な磁化成分と、を有する磁化ベクトルを含む、歳差スピン電流磁気層と、
    前記歳差スピン電流磁気層、前記非磁性スペーサ、前記自由磁気層、前記非磁気トンネルバリア層、及び前記磁気参照層を通るように電流を案内する電流源であって、前記電流の電子は前記歳差スピン電流磁気層の前記磁気方向に配列される、電流源と、
    を備えており、
    前記歳差スピン電流磁気層の前記第五の面内の前記磁化成分を有する前記磁化ベクトルは、前記自由磁気層の前記磁化方向の歳差運動に追従し、前記歳差スピン電流磁気層の前記第五の面内の前記磁化成分の回転は、前記歳差スピン電流磁気層を通過する電流の電子のスピン偏極を前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化ベクトルに対応するように変更させて、それによって前記スピン偏極電流を生成し、前記スピン偏極電流によってスピントランスファトルクに前記自由磁気層の前記磁化ベクトルのスイッチングを支援させ、前記自由磁気層は、メモリ値を記憶する、磁気デバイス。
  2. 前記歳差スピン電流磁気層は円形の形状を有する、請求項１に記載の磁気デバイス。
  3. 前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化ベクトルの前記磁気方向は前記第五の面内にある、請求項１又は２に記載の磁気デバイス。
  4. 前記歳差スピン電流磁気層の前記磁気方向は、前記第五の面内にあり、前記第五の面内で自由に回転する磁化成分を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  5. 前記歳差スピン電流磁気層はＣｏＦｅＢを備えている、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  6. 前記歳差スピン電流磁気層の前記第五の面内の前記磁化成分を有する前記磁化ベクトルの歳差運動は前記自由磁気層の歳差運動と同期される、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  7. 前記歳差スピン電流磁気層の前記第五の面内の前記磁化成分を有する前記磁化ベクトルの回転数はゼロより大きい、請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  8. 第一の面の歳差スピン電流磁気層であって、何れの磁気方向にも自由に回転できる前記第一の面内の磁化成分と、前記第一の面に垂直な磁化成分と、を有する磁化ベクトルを含む、歳差スピン電流磁気層と、
    第二の面にあり、前記歳差スピン電流磁気層の上に配置された非磁性スペーサ層と、
    第三の面にあり、前記非磁性スペーサ層の上に配置され、前記非磁性スペーサ層によって前記歳差スピン電流磁気層から物理的に分離され、かつ、前記非磁性スペーサ層を介して前記歳差スピン電流磁気層に磁気的かつ電子的に結合された自由磁気層であって、前記第三の面に垂直な磁化ベクトルを有し、スピン偏極電流が前記自由磁気層を通過する際に、第一の磁化方向から第二の磁化方向に歳差運動する磁化方向を有する、自由磁気層と、
    第四の面にあり、前記自由磁気層の上に配置された非磁気トンネルバリア層と、
    第五の面の人工反強磁性構造であって、磁気参照層を含み、前記磁気参照層の磁化ベクトルは前記第五の面に垂直で、固定された磁化方向を有し、前記磁気参照層、前記非磁気トンネルバリア層、及び前記自由磁気層は磁気トンネル接合を形成する、人工反強磁性構造と、
    前記歳差スピン電流磁気層、前記非磁性スペーサ層、前記自由磁気層、前記非磁気トンネルバリア層、及び前記磁気参照層を通るように電流を案内する電流源であって、前記電流の電子は前記歳差スピン電流磁気層の前記磁気方向に配列される、電流源と、
    を備えており、
    前記歳差スピン電流磁気層の前記第一の面内の前記磁化成分を有する前記磁化ベクトルは、前記自由磁気層の前記磁化方向の歳差運動に追従し、前記歳差スピン電流磁気層の前記第一の面内の前記磁化成分の回転は、前記歳差スピン電流磁気層を通過する電流の電子のスピン偏極を前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化ベクトルに対応するように変更させて、それによって前記スピン偏極電流を生成し、前記スピン偏極電流よってスピントランスファトルクに前記自由磁気層の前記磁化ベクトルのスイッチングを支援させ、前記自由磁気層は、メモリ値を記憶する、磁気デバイス。
  9. 前記歳差スピン電流磁気層は円形の形状を有する、請求項８に記載の磁気デバイス。
  10. 前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化ベクトルの前記磁気方向は前記第一の面内にある、請求項８又は９に記載の磁気デバイス。
  11. 前記歳差スピン電流磁気層の前記磁気方向は、前記第一の面内にあり、前記第一の面内で自由に回転できる磁化成分を有する、請求項８から１０のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  12. 前記歳差スピン電流磁気層はＣｏＦｅＢを備えている、請求項８から１１のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  13. 前記歳差スピン電流磁気層の歳差運動は前記自由磁気層の歳差運動と同期される、請求項８から１２のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  14. 前記歳差スピン電流磁気層の回転数はゼロより大きい、請求項８から１３のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  15. 磁気デバイスであって、
    第一の面にあり、自由磁気層と参照磁気層を含む磁気トンネル接合であって、前記自由磁気層と前記参照磁気層は非磁気トンネルバリア層によって分離され、前記自由磁気層は、前記第一の面に垂直な磁化ベクトルを有するとともに、スピン偏極電流が前記自由磁気層を通過する際に、第一の磁化方向から第二の磁化方向に歳差運動する磁化方向を有する、磁気トンネル接合と、
    第二の面にあり、前記自由磁気層に結合された非磁性スペーサと、
    第三の面にあり、前記非磁性スペーサを通じて前記自由磁気層に磁気的かつ電子的に結合された歳差スピン電流磁気層であって、前記非磁性スペーサによって前記自由磁気層から分離され、何れの磁気方向にも自由に回転する前記第三の面内の磁化成分と、前記第三の面に垂直な磁化成分と、を有する磁化ベクトルを含む、歳差スピン電流磁気層と、
    を備えており、
    電流が前記デバイスに印加されると、前記歳差スピン電流磁気層の前記第三の面内の前記磁化成分を有する前記磁化ベクトルは、前記自由磁気層の前記磁化方向の歳差運動に追従し、前記歳差スピン電流磁気層の前記第三の面内の前記磁化成分の回転は、前記歳差スピン電流磁気層を通過する前記電流の電子のスピン偏極を前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化ベクトルに対応するように変更させて、それによって前記スピン偏極電流を生成し、前記スピン偏極電流によって、スピントランスファトルクに前記自由磁気層の前記磁化ベクトルのスイッチングを支援さ、前記自由磁気層は、メモリ値を記憶する、磁気デバイス。
  16. 前記歳差スピン電流磁気層は円形の形状を有する、請求項１５に記載の磁気デバイス。
  17. 前記歳差スピン電流磁気層の前記磁化ベクトルの前記磁気方向は前記第三の面内にある、請求項１５又は１６に記載の磁気デバイス。
  18. 前記歳差スピン電流磁気層の前記磁気方向は、前記第三の面内にあり、前記第三の面内で自由に回転できる磁化成分を有する、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  19. 前記歳差スピン電流磁気層はＣｏＦｅＢを備えている、請求項１５から１８のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  20. 前記歳差スピン電流磁気層の前記第三の面内の前記磁化成分を有する前記磁化ベクトルの歳差運動は前記自由磁気層の歳差運動と同期される、請求項１５から１９のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
  21. 前記歳差スピン電流磁気層の前記第三の面内の前記磁化成分を有する前記磁化ベクトルの回転数はゼロより大きい、請求項１５から２０のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
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