特許 6872010 偏心電流フローを用いたスピン移行トルク磁気トンネル接合

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6872010

(24)【登録日】2021年4月20日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】偏心電流フローを用いたスピン移行トルク磁気トンネル接合

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/08 20060101AFI20210510BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20210510BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20210510BHJP

   H01F 10/16 20060101ALI20210510BHJP

   H01F 10/30 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/08 P

   H01L27/105 447

   H01L43/08 Z

   H01F10/16

   H01F10/30

【請求項の数】17

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-517013(P2019-517013)

(86)(22)【出願日】2017年8月16日

(65)【公表番号】特表2019-535140(P2019-535140A)

(43)【公表日】2019年12月5日

(86)【国際出願番号】IB2017054979

(87)【国際公開番号】WO2018060785

(87)【国際公開日】20180405

【審査請求日】2019年12月23日

(31)【優先権主張番号】15/283,329

(32)【優先日】2016年10月1日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100108501

【弁理士】

【氏名又は名称】上野 剛史

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(72)【発明者】

【氏名】アレンスパッチ、ロルフ

(72)【発明者】

【氏名】ワーリッジ、ダニエル

(72)【発明者】

【氏名】アヌンジアタ、アンソニー

(72)【発明者】

【氏名】ヤン、シーフン

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２９９９５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−１３０９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０８２４０３（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１０３４７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／０１２９９９５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１２−５２４４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５３３１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２９４４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１７９８２４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｆ １０／１６

Ｈ０１Ｆ １０／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピン止め層および自由層を含む２つの磁気層と、
前記２つの磁気層の間の絶縁障壁層と、
を備える層スタック、
を含む、スピン移行トルク磁気トンネル接合であって、
前記２つの磁気層の各々は面外磁化方位を有し、
前記ピン止め層および前記絶縁障壁層のうちの１つまたはその各々は、前記自由層の平均直径よりも小さな平均直径を有し、前記層スタックへの制御電圧の印加に応じて前記２つの磁気層の一方から他方にスピン偏極電流の偏心された電流フローを導くために、前記絶縁障壁層が横方向に変化する厚さもしくは電子透過確率を有するか、または前記自由層について横方向の磁気特性が変化するよう構成され、前記構成により前記電流フローが前記自由層の中心から前記層スタックの縁方向に偏心され、それぞれの平均直径は、前記層スタックの積重ね方向に垂直な平面内で測定され、これらにより、前記接合が、前記制御電圧の印加に応じて前記自由層の前記磁化方位の非対称スイッチングを生起するように構成される、
磁気トンネル接合。

【請求項2】

前記電流フローが前記自由層の中心から偏心される距離ｌが、条件２ｎｍ≦ｌ＜Ｄ／２を満たし、このＤは、前記自由層の平均平面内で、前記層スタックの積重ね方向に交差して測定された前記自由層の平均直径である、
請求項１に記載の磁気トンネル接合。

【請求項3】

前記接合の作動において、前記電流フローは平均直径ｄを有する電流フィラメントに沿って生じ、このｄは、Ｌｅ≦ｄ＜Ｄ／２の条件を満たし、このＬｅは、前記２つの磁気層の平均交換距離を表す、
請求項２に記載の磁気トンネル接合。

【請求項4】

前記２つの磁気層の前記平均交換距離Ｌｅが３ｎｍ〜６ｎｍの間にある、
請求項３に記載の磁気トンネル接合。

【請求項5】

前記電流フィラメントの前記平均直径ｄが、条件４ｎｍ≦ｄ≦Ｄ／２を満たす、
請求項４に記載の磁気トンネル接合。

【請求項6】

前記層スタックの前記平均直径Ｄが６ｎｍより大きい、
請求項２に記載の磁気トンネル接合。

【請求項7】

前記層スタックの前記平均直径Ｄが１００ｎｍ以下である、
請求項２に記載の磁気トンネル接合。

【請求項8】

前記層スタックの前記平均直径Ｄが３２ｎｍ以下である、
請求項７に記載の磁気トンネル接合。

【請求項9】

前記２つの磁気層の各々がＣｏＦｅＢ化合物を含む、
請求項１に記載の磁気トンネル接合。

【請求項10】

前記自由層が１ｎｍ〜４ｎｍの間の平均厚さを有する、
請求項４に記載の磁気トンネル接合。

【請求項11】

前記ピン止め層が６ｎｍ〜１０ｎｍの間の平均厚さを有する、
請求項１０に記載の磁気トンネル接合。

【請求項12】

前記絶縁障壁層がＭｇＯを含む、
請求項１に記載の磁気トンネル接合。

【請求項13】

前記絶縁障壁層が０．５ｎｍ〜２ｎｍの間の平均厚さを有する、
請求項１に記載の磁気トンネル接合。

【請求項14】

前記絶縁障壁層が０．８ｎｍ〜１．４ｎｍの間の平均厚さを有する、
請求項１に記載の磁気トンネル接合。

【請求項15】

それぞれが請求項１〜１４のいずれか１項に記載の磁気トンネル接合を含む、複数のスピン移行トルク磁気トンネル接合を含む、メモリ・デバイス。

【請求項16】

スピン移行トルク磁気トンネル接合のオペレーションの方法であって、前記方法は、
前記スピン移行トルク磁気トンネル接合を用意するステップを含み、前記スピン移行トルク磁気トンネル接合が、
ピン止め層および自由層を含む２つの磁気層と、
前記２つの磁気層の間の絶縁障壁層と、
を備える層スタック、
を含み、
前記２つの磁気層の各々は面外磁化方位を有し、
前記ピン止め層および前記絶縁障壁層のうちの１つまたはその各々は、前記自由層の平均直径よりも小さな平均直径を有し、前記層スタックへの制御電圧の印加に応じて前記２つの磁気層の一方から他方にスピン偏極電流の偏心された電流フローを導くために、前記絶縁障壁層が横方向に変化する厚さもしくは電子透過確率を有するか、または前記自由層について横方向の磁気特性が変化するよう構成され、前記構成により前記電流フローが前記自由層の中心から前記層スタックの縁方向に偏心され、それぞれの平均直径は、前記層スタックの積重ね方向に垂直な平面内で測定され、これらにより、前記接合が、前記制御電圧の印加に応じて前記自由層の前記磁化方位の非対称スイッチングを生起するように構成される、
前記用意するステップと、
前記自由層の前記磁化方位の非対称スイッチングを生起するため、前記層スタックに制御電圧を印加することによって、前記ピン止め層から前記自由層への偏心されたスピン偏極電流フローを生成するステップと、
を含む、方法。

【請求項17】

前記偏心されたスピン偏極前記電流フローが第一電流フローであり、
前記第一電流フローを生成した後、前記方法が、
前記自由層から前記ピン止め層への第二電流フローを生成するステップであって、前記第二電流フローは、前記自由層の磁化方位を初期の磁化状態にスイッチ・バックするために、前記接合の構成にそって前記層スタックの前記縁方向に偏心される、前記生成するステップ、
をさらに含む、
請求項１６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般にスピン移行トルク磁気トンネル接合（ＳＴＴ−ＭＴＪ：ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）、スピン移行トルク磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ：ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）に関し、および、具体的には垂直磁化ＳＴＴ−ＭＴＪに関する。

【背景技術】

【0002】

垂直磁化デバイス、具体的には、垂直ＳＴＴ−ＭＲＡＭが知られている。かかるデバイスは、例えば、特許文献１、２、３、４および５中で論じられている。

【0003】

予期される仕様を備えた将来のテクノロジー・ノードにおいて、ますます大きくなる諸難題が、ダイナミック・ランダムアクセス・メモリ（ＤＲＡＭ：ｄｙｎａｍｉｃ ｒａｎｄｏｍ−ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）デバイスおよびスタティック・ランダムアクセス・メモリ（ＳＲＡＭ：ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ−ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）デバイスが適切に機能するための障害になるであろうと一般に考えられている。これに対し、ＭＲＡＭ技術には、流れを一変させるような２つの革新による利がある。

【0004】

第一の革新は、ナノスケールの強磁性体の磁化はスピン偏極電流によって切替えることができるとの発見に基づく［非特許文献１、２］。非偏極電流は、強磁性体中での電子錯乱によってスピン偏極を獲得する。生じたスピン不均衡は、磁気層に移行させることが可能で、最終的にはその磁化を反転させる。しかして、メモリ・セルへの書込みまたはその磁化のスイッチングは、もはや磁場を必要とせず、短い電流パルスによって達成することができる。

【0005】

第二の革新は、材料工学上の成果である。元来は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）中の磁気層は、面内磁化され、形状異方性によって駆動されていた。数年前、ＣｏＦｅＢのような磁性材料は、素子の厚さが十分に小さければ（典型的には１ｎｍ）、「垂直」磁化、すなわち、磁化の方位が面外である磁化を示すように調整加工できることが示された［非特許文献３、４、５］。垂直に磁化されたＭＴＪは、自由層のスイッチングにおけるそのより高い効率、すなわち、スイッチングのために必要な最小電流が低減されるので、面内磁化のＭＴＪよりも利点がある。しばしば、Ｉｃ_０として表示されるスイッチングのために必要な最小電流は、減衰定数α、異方性障壁Ｅ_ｂ、およびスピン移行効率ζ、の３つの材料パラメータに依存する。低電力デバイスは、Ｉｃ_０が小さいことを必要とする、しかして、有利な材料パラメータを必要とある。そのため、通常、より有利な材料パラメータを識別するために労力が費やされる。コードについては、非特許文献６を参照。また、応用については、非特許文献７を参照されたい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許第７６０２０００号

【特許文献2】米国特許第７３１３０１３号

【特許文献3】米国特許第７９４３３９９号

【特許文献4】米国特許第８５５８３３２号

【特許文献5】米国特許第８８６０１０５号

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ著、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．１５９、Ｌ１（１９９６年）

【非特許文献2】Ｌ．Ｂｅｒｇｅｒ著、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ５４、９３５３ （１９９６年）

【非特許文献3】Ｍ．Ｎａｋａｙａｍａ、Ｔ．Ｋａｉ、Ｎ．Ｓｈｉｍｏｍｕｒａ、Ｍ．Ａｍａｎｏ、Ｅ．Ｋｉｔａｇａｗａ、Ｔ．Ｎａｇａｓｅ、Ｍ．Ｙｏｓｈｉｋａｗａ、Ｔ．Ｋｉｓｈｉ、Ｓ．Ｉｋｅｇａｗａ、およびＨ．Ｙｏｄａ著、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０３、０７Ａ７１０（２００８年）

【非特許文献4】Ｓ．Ｉｋｅｄａ、Ｋ Ｍｉｕｒａ、Ｈ．Ｙａｍａｍｏｔｏ、Ｋ Ｍｉｚｕｎｕｍａ、Ｈ．Ｄ．Ｇａｎ、Ｍ．Ｅｎｄｏ、Ｓ．Ｋａｎａｉ、Ｊ．Ｈａｙａｋａｗａ、Ｆ．Ｍａｔｓｕｋｕｒａ、およびＨ．Ｏｈｎｏ著、Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒ．９、７２１（２０１０年）

【非特許文献5】Ｄ．Ｃ．Ｗｏｒｌｅｄｇｅ、Ｇ．Ｈｕ、Ｄ．Ｗ．Ａｂｒａｈａｍ、Ｊ．Ｚ．Ｓｕｎ、Ｐ．Ｌ．Ｔｒｏｕｉｌｌｏｕｄ、Ｊ．Ｎｏｗａｋ、Ｓ．Ｂｒｏｗｎ、Ｍ．Ｃ．Ｇａｉｄｉｓ、Ｅ．Ｊ．Ｏ‘Ｓｕｌｌｉｖａｎ、およびＲ．Ｐ．Ｒｏｂｅｒｔａｚｚｉ著、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９８、０２２５０１（２０１１年）

【非特許文献6】Ａ．Ｖａｎｈａｖｅｒｂｅｋｅ著、ＯＯＭＭＦ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｔｅｒｍｓ ｆｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ ｍｏｔｉｏｎ、２００８年、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｚｕｒｉｃｈ．ｉｂｍ．ｃｏｍ／ｓｔ／ｍａｇｎｅｔｉｓｍ／ｓｐｉｎｔｅｖｏｌｖｅ．ｈｔｍｌ

【非特許文献7】Ｍ．Ｎａｊａｆｉ、Ｂ．Ｋｒｕｅｇｅｒ、Ｓ．Ｂｏｈｌｅｎｓ、Ｍ．Ｆｒａｎｃｈｉｎ、Ｈ．Ｆａｎｇｏｈｒ、Ａ．Ｖａｎｈａｖｅｒｂｅｋｅ、Ｒ．Ａｌｌｅｎｓｐａｃｈ、Ｍ．Ｂｏｌｔｅ、Ｕ．Ｍｅｒｋｔ、Ｄ．Ｐｆａｎｎｋｕｃｈｅ、Ｄ．Ｐ．Ｆ．Ｍｏｅｌｌｅｒ、およびＧ．Ｍｅｉｅｒ著、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０５、１１３９１４（２００９）

【非特許文献8】Ｃ．Ｙ．Ｙｏｕ著、Ｊ．Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ．１７、７３（２０１２年）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、スピン移行トルク磁気トンネル接合、それを含むメモリデバイス、およびトンネル接合のオペレーションの方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

第一態様によれば、本発明は、スピン移行トルク磁気トンネル接合として具現化される。本接合は、２つの磁気層、すなわちピン止め層および自由層と、その２つの層の間の絶縁障壁とを備えた層スタックを含む。この２つの磁気層の各々は面外磁化方位を有する。この接合は、２つの磁気層の一方から他方に向かう生成されたスピン偏極電流フローが、自由層の磁化方位の非対称スイッチングを生起することを可能にし、このため、前記スイッチングがスタックの縁方向に偏心されるように別段に構成される。

【0010】

例えば、本接合は、２つの磁気層の一方から他方への、スタックの縁方向に偏心されたスピン偏極電流フローが、自由層の非対称スイッチングを生起することを可能にする。

【0011】

本ソリューションは、面外磁化方位に依拠しており、これは、自由層のスイッチングにおけるそのより高い効率の点で、面内磁化接合よりも有利である。すなわち、スイッチング電流の低減が可能であり、このことが既に、面内磁化デバイスに比べより低電力のデバイスを可能にしている。さらに加えて、本接合は、例えば、スタックの縁方向に偏心された電流フローを用いて、自由層の非対称スイッチングを可能にするように設計される。本発明人らの発見によれば、このことは、最小スイッチング電流を、中心電流フロー式に対して例えば１／２へのさらなる低減をもたらす。例えば、本接合は、０．１ｎｓ^−１のスイッチング速度で、５０μＡよりも小さいスイッチング電流を有するように構成することが可能である。

【0012】

偏心電流への狭窄を達成するための様々な実際的具現化が考えられる。例えば、諸実施形態において、磁気トンネル接合の絶縁障壁層は、その縁部で低減された厚さを示すように横方向に変化する厚さを有する。こうすれば、接合を横切って生成される電流フローは、低減された厚さの縁方向に偏心される。この横方向に変化する厚さは、例えば、第一値ｈ_１から第二値ｈ_２に変化させることが可能で、０．５ｈ_２≦ｈ_１＜ｈ_２である。

【0013】

他の実施形態では、スイッチングの偏心は、横方向に変化する磁気特性によって達成される。すなわち、自由層もしくは自由層と絶縁障壁層との間の接合部分、またはその両方は、自由層のスイッチングを偏心させるように、横方向に変わる１つ以上の磁気特性を有することが可能である。これには、偏心された電流フローが伴っても伴わなくてもよい。すなわち、非対称スイッチングは、特定の条件が満たされることを前提として、生成される電流が対称性の場合にあっても生成が可能である。横方向に変化する磁気特性は、好ましくは、自由層もしくは前記接合部分またはその両方の、磁化もしくは磁気異方性またはその両方を含むべきである。

【0014】

他の実施形態において、ピン止め層および絶縁障壁層のうちの１つまたはその各々は、自由層の平均直径よりも小さな平均直径を有し、さらにスタックの縁方向に偏心している。これも同様に、作動において、生成される電流フローの偏心をもたらす。上記の直径は、それぞれ、積重ね方向に垂直な平面内で測定される。例えば、絶縁障壁中のドーパント濃度を横方向に変えることにより横方向に変化する電子透過確率を有するように絶縁障壁層を設計することによって、同様な効果をさらに得ることができる。

【0015】

本接合は、好ましくは、前記電流フローが自由層の中心から偏心する距離ｌが、２ｎｍ≦ｌ＜Ｄ／２の条件を満たすように設計されるべきであり、このＤは自由層の平均直径である。ｌおよびＤの値は、スタックの積重ね方向に垂直な、自由層の平均平面内で測定される。

【0016】

好適な実施形態において、本接合は、作動において、電流フローがそれに沿って生じる電流フィラメントの平均直径ｄが、Ｌ_ｅ≦ｄ＜Ｄ／２の条件を満たすように設計することができ、このＬ_ｅは、２つの磁気層の平均交換距離を表す。２つの磁気層の平均交換距離Ｌ_ｅは、通常、３ｎｍ〜６ｎｍの間にあってよい。平均直径ｄは、例えば、４ｎｍ≦ｄ≦Ｄ／２の条件を満たしてよい。

【0017】

他方、スタックの平均直径Ｄは、好ましくは、６ｎｍより大きくすべきである。ほとんどの応用において、これは、通常、１００ｎｍ以下、好ましくは３２ｎｍ以下とすべきである。

【0018】

諸実施形態において、２つの磁気層の各々は、ＣｏＦｅＢ化合物を含み、一方、絶縁障壁層は例えばＭｇＯを含んでよい。自由層は、例えば、１ｎｍ〜４ｎｍの間の平均厚さを有してよく、一方、ピン止め層の平均厚さは、好ましくは６ｎｍ〜１０ｎｍの間である。絶縁障壁層は、好ましくは０．５ｎｍ〜２ｎｍの間、特にその層がＭｇＯを含む場合、より好ましくは０．８ｎｍ〜１．４ｎｍの間の平均厚さを有すべきである。

【0019】

別の態様によれば、本発明は、メモリ・デバイスとして具現化される。本デバイスは、上記でも言及した複数のスピン移行トルク磁気トンネル接合を含む。本メモリ・デバイスは、接合の各々を横切るスピン偏極電流フローを生成するように別段に構成される。

【0020】

最後の態様によれば、本発明は、前述したスピン移行トルク磁気トンネル接合のオペレーションの方法として具現化される。基本的に、本方法は、（例えば、接合の中に「１」を書込んで格納すべく）自由層の磁化方位の非対称スイッチングを生起するため、ピン止め層から自由層へのスピン偏極電流フローを生成するステップを含む。すなわち、スイッチングは、最初に、接合の構成にそってスタックの縁方向に偏心される。このために、上記で言及した原理によって、生成される電流を接合の構成にそってスタックの縁方向に偏心させることが可能である。

【0021】

自由層の磁化方位が反転される（しかして自由層を「０」状態に戻す）必要がある実施形態において、自由層の磁化方位を初期の磁化状態にスイッチ・バックするために、例えば、再びスタックの縁方向に偏心された電流フローを使って、このときは、接合の構成にそって自由層からピン止め層への第二の電流フローを生成することができる。

【0022】

以下に、本発明を具現化するデバイスおよび方法を、限定はされない諸例によって、添付の図面を参照しながら説明することとする。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】スピン移行トルクによる垂直磁化磁気トンネル接合のスイッチングの一般原理を示し、本発明の諸実施形態はこの原理に依拠している。

【図2】個別の実施形態による、磁気トンネル接合の２Ｄ断面図である。

【図3】個別の実施形態による、磁気トンネル接合の２Ｄ断面図である。

【図4】個別の実施形態による、磁気トンネル接合の２Ｄ断面図である。

【図5】諸実施形態による、複数の、図２に描かれたような磁気トンネル接合を含むメモリ・デバイスの（部分的な）３Ｄ図である。

【図6】諸実施形態による、磁気トンネル接合を作動する方法のハイレベルのステップを示すフローチャートである。

【図7】本発明人らが行ったシミュレーションによって得られた、図４中のような偏心型接合を含む、様々にモデルされた接合の自由層をスイッチングさせるために必要な最小スイッチング電流を表すプロットである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

添付の図面は、諸実施形態に関与するデバイスまたはその部分の簡易化された表現を示す。これら図面に描かれた技術的特徴は一定の縮尺ではない。具体的に、図２中の絶縁障壁の傾斜は、図解のために誇張されている。諸図中の類似のまたは機能的に類似の要素には、別途に示されている場合を除き、同じ参照符号が割り当てられている。

【0025】

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は、薄い絶縁スペーサ層によって分離された２つの強磁性層から成り、このスペーサ層はトンネル障壁の機能を果たす。この障壁が十分に薄ければ、電子は一方の側から他方へトンネルすることが可能である。強誘電体の一方（「ピン止め」層、「固定」層または「基準」層とも呼ばれる）の磁化方向は一定に保たれ、他方の磁化方向は自由に回転する（「自由」層）。ピン止め層からトンネルする電子は、ピン止め層の磁化方向に従って選択的にスピン偏極される。スピン方向が自由層の磁化方向に合致する電子だけが、効率的にトンネルして自由層に入ることになる。したがって、これら２つの磁化方向が平行配列かまたは逆平行配列かは、この２つの状態の間の電気抵抗の差につながる。このトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）は、例えばＭｇＯで作製されたトンネル障壁に対し、室温で３００％にも大きくなり得る。

【0026】

図１は、本発明人らが理解している、典型的な、スピン移行トルクメカニズムによって垂直磁化されたＭＴＪのスイッチングを示す。（断面で）示されたこのＭＴＪは、わずかに非対称で、基準層（底部）は、実際は、通常はより薄い自由層（最上部）よりも、通常はわずかに厚い。描かれたＭＴＪは、垂直磁化方向を有する。このスペーサはトンネル障壁である。相反対の電流方向（「ｅ⁻」標識された矢印は電子のフロー方向を示す）と、基準および自由層中の、相近くに配列された磁化方向とによって２つの場合が表されている。この電流は、障壁中に示されているように、大多数のスピンの方向とともに、部分的に伝送され部分的に反射される。横スピン成分が、スピン移行トルク・スイッチングを担っており、縦成分はトルクの働きはない。左側図では、基準層から自由層への電子フローが、この２つの層の平行配列を安定させている。右側図では、自由層から基準層への電子フローが、この２つの層の平行配列を不安定にし、ついには反射電流による自由層の磁化の反転をきたしている。この２つの磁化方向が逆平行の場合、自由層から基準層への電子フローが自由層の磁化を安定させる。本発明は、電流フローが偏心されるように、該フローを促進し、制限し、または狭窄するためＳＴＴ−ＭＴＪが追加して設計されていることを除いて、同様な原理に依拠している。

【0027】

図２〜５を参照すると、本発明の態様が最初に表されており、この態様は、スピン移行トルク磁気トンネル接合１、１ａ、１ｂ、すなわち動作原理がスピン移行トルク効果に依拠している接合、に関する。基本的に、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）は、２つの磁気層と１つの絶縁障壁層１２〜１２ｂとを備えた層スタック１１〜１３ｂを含む。強誘電体とも呼ばれるこの２つの磁気層は、ピン止め層１１〜１１ｂおよび自由層１３〜１３ｂを含む。絶縁障壁層１２〜１２ｂはこの２つの磁気層の間にある。

【0028】

固定磁気層または基準層とも言われるピン止め層１１〜１１ｂは、固定された磁化を有し、この磁化は、電流フローによっては有意なほどに変化されることはない。このことは、例えば、よく知られているように、この層の磁化を高い磁気異方性を有する別の磁気層に結合することによって達成が可能である。絶縁層１２〜１２ｂは、ときとして、スペーサまたはトンネル障壁とも言われる。これの厚さは、十分な電流が磁気層の一方から他方に流れるのを可能にするため、十分に小さく、一般的には１ｎｍである必要がある。自由層１３〜１３ｂ（添付の図面中の最上部）は、通常、ピン止め層より薄く、この層は、その中で磁化が容易にその方向を反転できる層である。

【0029】

本デバイスは、通常、例えば、ピン止め層の下側にシード層、自由層の上側にキャッピング層、および回路機構（電源ライン、ワードおよびビット・ライン、ならびに当接合中に電流を注入するためのコンタクト）など、追加の構成部もしくは材料層またはその両方（簡潔化のため必ずしも図面には示さず）を含んでよい。通常、キャッピング層は層１３と１５との間に配置され、シード層は層１１と１４との間にあることになろう。一方、回路機構は、層１４もしくは層１５またはその両方の外側に置かれる。但し、層順序１１〜１３は、図２〜４に示されたように留まることになろう。すなわち、自由層１３〜１３ｂは、通常、絶縁層１２〜１２ｂを直接に覆うことになり、絶縁層は、通常、固定層１１〜１１ｂの上面に直接所在することになる。

【0030】

２つの磁気層１１〜１１ｂ、１３〜１３ｂの各々は、面外磁化方位、すなわち、磁化方位が磁気層の面の中に存在する面内構成とは対照的に、かかる層の平均平面を横断する磁化方位を有する。面外磁化方位は、ときとして「垂直」方位とも言われるが、但し、この磁化方位は厳密に垂直でなくてもよい。一般に、ＭＴＪ中の面外磁化方位は、前述したように、自由層１３〜１３ｂのスイッチングにおけるこれらの潜在的により高い効率のゆえに、面内磁化ＭＴＪに比べ有利である。しかして、スイッチング電流を低減することができ、低電力のデバイスを可能にする。

【0031】

注目すべきは、本ＳＴＴ−ＭＴＪ１、１ａ、１ｂは、自由層の磁化方位の非対称スイッチングを生起するために、横断的スピン偏極電流フロー５０（すなわち、２つの磁気層の一方から他方に向けて生成される）を可能にするようにさらなる構成がされることである。すなわち、自由層のスイッチングがスタックの縁方向に偏心される。

【0032】

図２〜４を参照して説明したような実施形態において、２つの磁気層のうちの一方から他方への偏心横断的スピン偏極電流フロー５０によって非対称スイッチングが達成される。偏心された電流が、続いて非対称スイッチングを生起する。但し、他の特定の実施形態では、接合は、対称性の電流フローであっても、非対称スイッチングをもたらすことが可能なように、設計されることも可能である。これについては、後記で詳しく説明する。

【0033】

全ての場合において、電流フローは、一般に、磁気層と電気連通している電極１４と１５との間に小さな電位を印加することにより生成される。生成された電流フロー５０は、添付の図面に描かれているように、通常、スタックの平均平面に垂直で積重ね方向に平行である。

【0034】

意外なことには、以下に例示するように、自由層の非対称スイッチングを確実にすることでスイッチングのための最小電流のさらなる低減が得られる。本発明人らが行ったシミュレーションが示すところによれば、必要な最小電流は、潜在的に１／２に低減することが可能である。

【0035】

本ソリューションによれば、スピン移行トルクは、自由層１３〜１３ｂ中の磁化の切替えやすさが異なる場所では異なるように、ＭＴＪの断面に亘って局所的に変化するようにされる。このようにして、磁化の反転は、明確に画定された位置で開始され、その後、交換によって自由層全体に拡がるようにすることができる。スピントルク効率のパラメータは、ＭＴＪを通しての電流密度を不均一にすることによって、局所的に変化させることが可能である。このことを認識すれば、この効果を達成することを可能にする、ＳＴＴ−ＭＴＪのいろいろな設計を考えることができる。例えば、図２〜４を参照しながら、実施形態の３つのクラスについて、以下に詳しく説明する。但し、本説明の中でも言及するように、他の変形も考えることができる。

【0036】

図２の実施形態では、横方向に変化する障壁の厚さによって、横方向に変化する電流密度が達成される。このアプローチは、重要な材料パラメータは不変に保つことができ、デバイスの幾何形体だけを部分変更するので、ＭＴＪを調整加工するための追加の手段を加える。同様に、図４では、絶縁層１２ｂおよび固定層１１ｂの直径は低減され、これらの層は偏心されている。さらに一般的には、絶縁障壁中の横方向に変化しているトンネリング透過確率は、相当な効果をもたらす。あるいは、図３中に示されたような実施形態では、同じ目的を果たすため、自由層、または自由層と絶縁層との接合部分の磁気特性が局所的に部分変更される。これら全てのアプローチは、スイッチング電流の低減につながり、これにより低電力のデバイスを可能にする。なお、本明細書で用いる、層のなんらかの特性の横方向の変化とは、層に亘っての、すなわち積重ね方向に垂直な方向への当該層の断面に沿ってのこの特性の変化を意味する。

【0037】

最初に図２の実施形態を参照すると、この図では、ＳＴＴ−ＭＴＪは絶縁障壁層１２が横方向に変化する厚さを有するように設計されている。これにより、層１２はその縁部では低減された厚さを示すことになる。その結果、接合１は、低減された厚さｈ_１の縁部方向に偏心された電流フロー５０を増加させる。なお、図２においては、自由層の磁化方向（太い垂直の矢印で表されている）は、この図での表現に関わらず、絶縁層１２の方位にそって、通常、わずかに傾斜することになろう。

【0038】

具体的に、絶縁層の厚さは、第一値ｈ_１から第二値ｈ_２に変化させてよく、これらは、０．５ｈ_２≦ｈ_１＜ｈ_２である。例えば、ｈ_１≦ｈ_２−０．２ｎｍを用いることが可能である。この横方向の障壁厚さの勾配は、図２中に記号で表されているように、最も薄い縁部への電流の局限を生じさせる。この絶縁障壁層が、適したトンネル特性を別途に有しているとすれば、積重ねられた層１１〜１３を通して生成される電流は、やや小さな厚さ（しかして、より大きな透過確率）を有する領域に局限されることになる。この電流の局限性は、効果的に電流密度Ｊ_ｃを局所的に増加し、より低い全体的Ｊ_ｃで自由層１３をスイッチさせる。これは、交換距離が柱体の直径Ｄよりも小さい場合はより効率的になろう。

【0039】

図２の実施形態は、接合の作製を比較的容易にする。以下に図３および４を参照して説明するように、別形では、（ｉ）自由層についての磁気特性を変更することが可能である、（ｉｉ）絶縁障壁層が、横方向に変化する電子透過確率を有することが可能である、または（ｉｉｉ）固定および絶縁層は、明示的に偏心させることが可能である。

【0040】

図３中に示されるような実施形態において、自由層１３ａもしくは自由層１３ａと絶縁障壁層１２ａとの間の接合部分、またはその両方は、横方向に変化する（１つ以上の）磁気特性を有してよい。この別形は、図３中の層１３ａの傾斜的な塗りつぶしによってシンボリックに表されている。当然ながら、層１３ａもしくはその層１２ａとの接続部分またはその両方に沿って適切に変化する磁気特性も、同様に、自由層において非対称スイッチングが生起されることを可能にする。この横方向に変化する磁気特性は、好ましくは、自由層１３ａもしくは前記接続部またはその両方の、磁化もしくは磁気異方性またはその両方を含むべきである。

【0041】

ここで、特定の条件が満たされていることを前提として、図３中に明示されているように、層１３ａもしくは該層の層１２ａとの接続部分、またはその両方に亘る磁気特性の横方向の変化も、同様に、スタックの縁方向への電流フロー５０の偏心をもたらすことができる。しかして、２つの場合に区別できよう。
− 図３に示されるように、磁気特性が横方向に変化され、且つ偏心された電流フローが生成される、および
− 磁気特性は横方向に変化されるが、均一な電流フローに依拠している。

【0042】

後者の場合、均一な電流密度が生成されるが、但し、この電流は、非対称な（偏心された）磁気特性によって決まる場所、すなわち、スイッチングに対する閾値を上回る場所においてだけ、磁化スイッチングを生起することができる。

【0043】

前者の場合、加えて偏心された電流フローに依拠することで、磁気特性の非対称および電流フローの偏心が相互に支え合い、それぞれが、望まれる効果、すなわち自由層における非対称スイッチングを確保するために寄与するので、材料の特性に対しより大きなフレキシビリティを提供する。

【0044】

次いで図４を参照すると、諸実施形態において、ピン止め層１１ｂおよび絶縁障壁層１２ｂは、自由層よりも幅狭くしこの層に対して偏心させることが可能である。すなわち、図４中に概略的に表されているように（図７も参照）、ピン止め層１１ｂおよび絶縁障壁層１２ｂのうちの１つまたはその各々は、自由層１３ｂの平均直径よりも小さな平均直径を有し、スタックの縁方向に偏心することが可能である。これも同様に、以下に述べるような理由で、作動において電流フロー５０の偏心をもたらすことができる。層１１ｂ〜１３ｂの平均直径は、それぞれの層の平均平面において、積重ね方向に垂直に測定される。図４および図７に描かれた例は、層１１ｂおよび１２ｂの各々が縮小された直径で且つ偏心されることを仮定している。当然ながら、他の層または層部分１１ｃおよび１２ｃも、通常、スタック中に存在し、層部分１１ｂおよび１２ｂを補完することになる。

【0045】

絶縁障壁層１２ｂがわずかに「漏洩性」であれば、層部分１１ｂおよび１２ｂを別途に補完する他の層または層部分１１ｃ、１２ｃのおかげで、２つの層１１ｂ、１２ｂのうちの１つを縮小し、偏心すれば十分である。実際には、障壁１２ｂが縮小された直径を有する場合、障壁１２ｂを（そのレベルで）補完する層部分１２ｃは、層１１ｂから層１３への短絡を防止するために、同様に絶縁性でなければならない。それどころか、補完する層部分１２ｃは、通常は縮小された層部分１２ｂよりも高絶縁性であるべきである。これは、傾斜的な特性を備えた効果的障壁層１２ｂ、１２ｃを有することに帰する。

【0046】

さらに一般的には、同様な効果は、例えば絶縁障壁中のドーパント濃度を横方向に変えて横方向に変化する電子透過確率を有するように絶縁障壁層を設計することによって得ることが可能である。絶縁障壁中のドーパントの横方向の変化は、例えば、イオンを注入することによって、または障壁の片側を酸化させることによって達成することができる。このように、絶縁障壁に亘って傾斜的な垂直「導電性」を生成することが可能で、これは電流の偏心をもたらす。その意味で、図４の幾何形体は、まったく別な透過確率の２つの領域１２ｂ、１２ｃを示す、横方向に変化する電子透過確率の具体的事例と見なすことができ、層部分１２ｃのレベルでは、部分１２ｂのレベルでの透過確率に比べ、導電性は消失するかまたは大幅に低減する。

【0047】

ここで、障壁層１２ｂが縮小されないで（または、等価的に、全体障壁１２ｂ、１２ｃがこの層を通して、１つの一定な絶縁特性を有する均質な材料で作製されていて）、だが層１１ｂだけが縮小された直径を有する場合、スピン偏極電流は、領域１２ｂで局所的に生成されるだけとなり、これにより、偏心されたスイッチングを発生させることが可能となる。ましてや、障壁層１２ｂおよびピン止め層１１ｂの両方が縮小された直径を有し、偏心されている場合、偏心されたスイッチングが生じることになる。

【0048】

図２〜５の実施形態の各々において、接合１、１ａ、１ｂは、電流フロー５０が特定の条件に従うように設計することが可能である。初めに、電流フロー５０が（例えば、自由層のレベルで見られるように）自由層１３〜１３ｂの中心から偏心される距離ｌは、好ましくは、条件２ｎｍ≦ｌ＜Ｄ／２を満たすべきであり、このＤは、自由層の平均平面内で、つまり、積重ね方向に垂直に測定された平均直径である。すなわち、シミュレーションが示すところによれば、シフトｌは、好ましくは、最小スイッチング電流に有意な影響を与えるためには、２ｎｍより大きく（または等しく）すべきである。これについては以下で詳しく説明する。他方で、シフトｌは、自由層の半径Ｄ／２よりも大きくはできない。なお、シフトｌに対する上記の条件は、通常、そのシフトが柱体の軸から測定された場合に適用可能で、この軸は、一般に自由層の垂直軸Ａと恒等（または準恒等）である。

【0049】

さらに、諸実施形態において、接合１、１ａ、１ｂは、条件Ｌ_ｅ≦ｄ＜Ｄ／２を満たす平均直径ｄを有する電流フィラメントに沿って電流フロー５０が生じるように、さらに設計されてよく、このＬ_ｅは、２つの磁気層の平均交換距離を表す。この直径ｄは、層スタック１１〜１３ｂに亘って生じるフィラメントの平均直径を表す。平均直径ｄが、少なくとも磁性材料の交換距離に等しくなるように材料および条件を選択することによって、スピンは、ソフト・スピン波モードに励起することができ、これが、励起スピンの明確に画定された位置を生成し、最終的に磁化反転につながる歳差運動を生起する。この交換距離は、材料によって変わる。但し、本明細書で考察する垂直磁化材料については、交換距離はほとんど分散を示さず、交換距離の変動に大きなばらつきはなく、通常は３〜６ｎｍの間にある。例えば、磁気層の材料は、電流フィラメントの平均直径ｄが条件４ｎｍ≦ｄ≦Ｄ／２を満たすように選べばよい。

【0050】

この柱体の大きさは用途により決まる。例えば、高密度のデバイスは、スタックの平均直径Ｄが、６または８ｎｍのオーダーまたはこれよりわずかに大きいことを必要とし得る。当然ながら、この直径Ｄは、好ましくは、当該磁性材料の交換距離（３〜６ｎｍ）を下回らないようにすべきである。

【0051】

また一方、密度が重要でない場合はより大きな柱体にする余裕があってよい。但し、スタックの平均直径Ｄは、好ましくは、１００ｎｍ以下にすべきである。それ以外では、とりわけスピン移行トルク効果の優勢度が低下することもあり、電流フィラメントの偏心が、もはや最小スイッチング電流に実質的な影響を持たない可能性がある。例えば、スタックの平均直径Ｄは、３２ｎｍまたは２８ｎｍ以下とすればよい。

【0052】

２つの磁気層の各々は、好ましくはＣｏＦｅＢ化合物を含むべきである。ＳＴＴ−ＭＲＡＭの分野で知られるように、元素Ｃｏ、Ｆｅ、およびＢに対しいくつかの化学量論を考えることができる。かかる材料に対し、電流フィラメントの偏心のスイッチング電流への影響が、有望な結果をもたらしている。さらに、ＳＴＴ−ＭＲＡＭに対して既に知られているように、ピン止め層もしくは自由層またはその両方は各々がサブ層を含んでよく、例えば、それらは、いろいろな組成による、ＣｏとＰｔとの交互の層、ＣｏとＰｄとの層、または複数のＣｏＦｅＢ層のスタックとして堆積されてよい。さらに一般的には、スタックのどの層１１〜１３も、事実上サブ層を含んで、別法で構築されてもよい。絶縁障壁層１２〜１２ｂは、好ましくはＭｇＯを含む。

【0053】

自由層１３〜１３ｂは、好ましくは、１ｎｍ〜４ｎｍの間の平均厚さを有する。この層は、通常、固定層よりもわずかに薄く、固定層は、好ましくは６ｎｍ〜１０ｎｍの間の平均厚さを有する。固定層に対する６〜１０ｎｍの範囲は、前に言及したような、必要な場合の追加の結合層の挿入に対応可能である。絶縁障壁層１２〜１２ｂは、電子の十分な透過、すなわち十分なトンネリングを可能にするため、好ましくは、０．５ｎｍ〜２ｎｍの間の平均厚さを有する。さらに好ましくは、絶縁障壁の厚さは、０．８ｎｍ〜１．４ｎｍの間、例えば約１ｎｍであってよい。ＭｇＯが使われる場合、絶縁障壁の平均厚さは、いっそう好ましくは、１〜１．２ｎｍの間とすべきである。

【0054】

前述の材料および厚さを用いることにより、磁気トンネル接合を得ることが可能となり、これらの接合は、例えば、０．１ｎｓ^−１のスイッチング速度で、５０μＡより小さい最小スイッチング電流を有する。すなわち、必要な最小スイッチング電流は、従来型のデバイスに比べ、ほぼ１／２に低減することが可能である。

【0055】

本アプローチと従来式ソリューションとのパフォーマンスの比較をし易くするために、本発明人らは、中心からの電流フィラメントの様々な可能な偏位ｌ、すなわち０≦ｌ≦Ｄ／２の範囲内の偏位ｌを用い、様々なＤの可能な値を用いて（例えば、図７で報告した結果に対してはＤ＝３２ｎｍの値が使用された）様々なシミュレーションを行った。図７を参照。この電流フィラメントは、直径ｄの円筒形と見なされた。但し、実践上は完全な円筒形状であることは重要でなく、実際の電流フィラメントは、通常、完全には円筒形ではない。なお、ｌ＝Ｄ／２の大きさの偏位も考えられ、これは半円筒状の縁部フィラメントに相当する。行われたシミュレーションによれば、さらにスイッチング電流低減を期待することが可能である。

【0056】

判明したことは、スイッチング電流の低減に重要な条件は、フィラメントが縁部に接触していることでなく、それが中心から偏位していることである。少なくとも、このデバイスは、自由層の初期のスイッチングが偏心されるように設計されるべきである。そうすれば、例えばｌ＝２ｎｍなど、たとえｌがＤ／２に比べて小さくても、スイッチング電流のかなりの低減が生じ得る。考えられる解釈は、磁化反転が非対称性を必要とすることである。しかして、本ソリューションにおけるように、反転の過程におけるスピン波モード中の対称性の破れを利用することが可能である。

【0057】

この偏位ｌに対する２ｎｍの精度（これは前述の条件２ｎｍ≦ｌ≦Ｄ／２に現れる）は、実験的に達成するのはまだ困難かもしれない。だが、マイクロ磁気シミュレーションは、かかる値が、原理的に、スイッチング電流に対する有意な効果を得るため十分であることを示している。

【0058】

関連するランダウ−リフシッツ−ギルバート方程式が、いわゆる「ＯＯＭＭＦ」枠組み内で解かれ、非特許文献１に記載されているように、スピン移行トルク項を含むように拡張された。使用されたスピン移行シミュレーションのコードは、非特許文献６〜７中に記載されている。非特許文献８に記載されているように、このコードは柱体の幾何形体に適応された。このシミュレーションの結果について、以下に詳しく説明する。

【0059】

このシミュレーションのため、ＭＴＪ柱体には、概して３２ｎｍ直径の円形の断面を持たせた。自由層および基準層に対する材料パラメータおよび層厚さは、典型的な最新技術の垂直磁化柱体［非特許文献５］に合致するように選択された。すなわち、自由層の磁化は、Ｍ_ｓ＝８００ｋＡ／ｍに、異方性磁界は、Ｈ_ｋ＝２４０ｋＡ／ｍ＝３ｋＯｅに設定された。保有減衰定数はα＝０．０１であった。基準層に対しては、Ｍ_ｓ＝１２００ｋＡ／ｍ、Ｈ_ｋ＝８００ｋＡ／ｍ＝１０ｋＯｅ、およびα＝０．１のパラメータが用いられた。自由層および基準層の厚さは、それぞれ２ｎｍおよび８ｎｍであり、その間に１ｎｍの絶縁障壁が設けられた。この基準層は、その下側のバイアス付与層との交換結合を用いて、磁気的に一定にされた。シミュレーションのため考えられたセル・サイズは、１および２ｎｍであった。図４の幾何形体が想定されたが、但し、図４の補完層部分１１ｃ、１２ｃは無視された。すなわち、縁部への電流の局限は、絶縁酸化物がマイクロ磁気的にモデルできないこともあり、基準層の幾何形体の部分変更を想定することによって模擬された。

【0060】

図７は、（ｉ）偏心、局限された幾何形体（図４のものと類似の幾何形体を使って、電流フィラメントが円形柱体の縁部に制限された、上部の幾何形体）と、（ｉｉ）（３２ｎｍ直径を備えた）標準的柱体の幾何形体と、（ｉｉｉ）電流は偏心された場合に対するのと同じ面積に局限されているが、それが中心にある柱体と、を比較することによって得られたシミュレーションの結果を示す。図７のプロットから分かるように、従来式の構成（標準的柱体、および中心に局限された電流）は、本質的に同じ臨界スイッチング電流をもたらし、一方、偏心された幾何形体は、例えば、０．１ｎｓ^−１の一定スイッチング速度で、最小スイッチング電流Ｉ_ＣＯの少なくとも１／２への低減をもたらす。この低減は、両方の電流極性、すなわち平行（Ｐ：ｐａｒａｌｌｅｌ）から逆平行（ＡＰ：ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ）状態への、およびその反対向きのスイッチングについて実際に見ることができる。

【0061】

本発明人らが行った様々なシミュレーションおよび実験から多分に結論付け可能なように、このスイッチング電流の低減はロバストな効果であり、縁部フィラメントのスイッチングに対するスピン波の影響を検査するために交換硬度が変化された。しかしながら、前にも示されたように、例えば、２ｎｍ≦ｌ＜Ｄ／２およびＬｅ≦ｄ＜Ｄ／２など、特定の条件が満たされることを前提として、スイッチング電流閾値の低減は、交換距離およびスピン波の細目（ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｓ）には有意なほどに依存しているようには見えなかった。最後に、（絶縁酸化物がマイクロ磁気的にモデルできないという事実に所以して）シミュレートされた幾何形体の部分変更の基準層への影響についての質問あるかもしれない。当然ながら、かかる部分変更は、スイッチング（自由）層中のエルステッド磁場を変化させ得る。しかしながら、さらなるシミュレーションが示しているように、より現実的なエルステッド磁場を包含させてもスイッチング電流が変化するようには見えなかった。スイッチング電流閾値の低減が、選択されたエルステッド磁場の細目（ｄｅｔａｉｌｓ）から本質的に独立していることが判明したので、このスイッチング電流低減は、ロバストな効果であると結論付けられる。

【0062】

本ＭＴＪは、最初に、従来技術で既知の方法によって（すなわち、物理蒸着、フォトリソグラフィ、反応イオン・エッチング、イオン・ビーム・エッチング、および類似の技法を使って）、次いで、局所化された導電性の変化（事実上は電流の狭窄）または磁化もしくは磁気異方性の強度の変化を促進するために、スタック（の絶縁障壁、自由層、または基準層）の縁部での物理的または化学的構造を変更すべく任意の適切な技法を使って、ＭＴＪデバイスを形成することによって得ることができる。かかる技法の一例は、おそらく指向性イオン・ビームであり、この技法は、
− 障壁、自由層、もしくは基準層またはこれらの組合せの結晶構造を選択的に変更する、
− デバイスの一方の縁部をより導電性にするために、障壁、自由層、もしくは基準層またはこれらの組合せの片側にイオンを注入する、
− デバイスの一方の縁部の導電性をより低下させるために、障壁、自由層、もしくは基準層またはこれらの組合せの片側を酸化させる、または
− デバイスの片側をより導電性にするためにそこに材料を付加する、
ために用いることが可能である。

【0063】

加えて、縁部の部分変更プロセスを改良するために、例えば共形の薄いＳｉＮもしくは他の誘電体の薄膜をベースとした側壁マスクまたは犠牲層の使用、あるいは、ＭＴＪデバイスのアレイ中の最近傍の隣接ＭＴＪデバイスからのシャドーイングの効果的な使用をさらに利用することもできよう。

【0064】

次に、別の態様によれば、本発明は、メモリ・デバイス１００として具現化することができる。かかるデバイスが図５に部分的に示されている。本デバイスは、複数の、上記で説明したようなスピン移行トルク磁気トンネル接合１（または１ａ、１ｂ）を含む。メモリ・デバイス１００は、一般に、これら接合の各々を通るスピン偏極電流フローを生成するように構成される。このために、デバイス１００は、適切な制御電圧を印加してＭＴＪ１の各々の自由層１３の磁化方位を選択的に切替えるように、例えば、ワード・ライン１４０およびビット・ライン１５０を含め、電流制御手段をとりわけ含んでよい。

【0065】

具体的に、本デバイスは、スピン移行トルク・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＴＴ−ＲＡＭ：ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）デバイスとして具現化するか、またはＳＴＴ−ＭＴＪに基づく論理回路中でも用いることができる。かかるデバイスは、外部磁場の印加を必要としない。その代わりに、相異なる磁気状態の間のスイッチングは、ＳＴＴ−ＭＴＪのスタックを通る電流の流れにより生成されたスピン移行トルクによって行われる。これらのスピンの方位が自由層中で変化するので、電子は、この層の磁化にトルクを働かせ、このトルクが減衰に打ち勝つため十分な大きさであることを前提として、これが続いて磁化のスイッチングを引き起こすことが可能である。この電流の極性を変更することによって、自由層の磁化を、基準層に対し逆平行から平行状態に（反対向きに）スイッチすることができる。一般に、ＳＴＴ−ＭＲＡＭに対し、セルのサイズを縮小することはスイッチングのために必要の電流の低減につながるので、スケーラビリティは問題点にはならない。

【0066】

次に、最後の態様によれば、また、本発明は、図２〜４を参照しながら既に上記で説明したＳＴＴ−ＭＴＪ１、１ａ、１ｂのオペレーションの方法としても具現化することができる。本方法は、基本的には、図６中に示された２つのステップを巡って回転する。第一に、ステップＳ１０で、スピン偏極電流フロー５０がＭＴＪの柱体に亘って、すなわち、ピン止め層１１〜１１ｂから自由層１３〜１３ｂに向けて生成される。この生成された電流フローは、既に述べたように、接合１、１ａ、１ｂの構成にそって、自由層の磁化方位の非対称スイッチングを生起する。特に、生成された電流フロー５０は、スタックの縁方向に偏心することが可能である。このフローが、自由層１３〜１３ｂの磁化方位のスイッチングをもたらす。ＭＴＪがメモリ・デバイスとして使われている場合、このオペレーションは、情報を格納するため、例えば「１」を書込む、書込みオペレーションと見なされてよい。

【0067】

この情報を消去する場合、本方法は、第二ステップＳ２０をさらに含むことができ、下記で説明するように、第一電流フローを生成した後、スタックに亘って第二電流フロー（図示せず）が、このときは、自由層１３〜１３ｂからピン止め層１１〜１１ｂに向けて、例えば、この２つの磁気層およびその間の絶縁障壁層１２〜１２ｂに対し垂直方向に生成される。この第二電流フローも、同様にスタックの縁方向に偏心することが可能である。この第二のオペレーションは、自由層１３〜１３ｂの磁化方位を、該自由層の初期の磁化状態に戻すスイッチングをもたらす。

【0068】

本明細書で説明した方法およびデバイスの一部は、集積回路チップの作製に使用することも可能である。作製された集積回路チップは、ベア・ダイとして生ウエハの形（すなわち、複数の未パッケージ・チップを有する単一のウエハ）またはパッケージされた形で、製作者によって流通させることができる。後者の場合、チップは、（マザーボードまたは他のより高レベルの担体に取付けられるためのリードを備えたプラスチック担体などの）単一のチップ・パッケージ中に、または（表面配線もしくは埋め込み配線のいずれかまたは両方を有するセラミック担体などの）多チップ・パッケージ中に搭載される。いずれの場合も、そのチップは、次いで、（ａ）マザーボードなどの中間製品、または（ｂ）最終製品の一部として、他のチップ、ディスクリート回路素子、もしくは他の信号処理デバイス、またはこれらの組合せとともに集積されてよい。この最終製品は、ローエンドの用途から先進的なコンピュータ製品に亘る、集積回路チップを含む任意の製品であってよい。

【0069】

限られた数の実施形態、別形、および添付図面を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者には当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることが可能で、等価物で代替することも可能である。具体的に、所与の実施形態、別形中で述べられた、または図面中に示された（デバイス様態または方法様態の）特色は、本発明の範囲から逸脱することなく、別の実施形態、別形、または図面中の別の特色と組み合わせられても、または置き換えられてもよい。したがって、前述の実施形態または別形のいずれかに関して説明した諸特色の様々な組合せは添付の特許請求の範囲内に留まると考えることができる。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くのマイナーな変更を加えることも可能である。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されないこと、また、本発明は添付の特許請求の範囲内に含まれる全ての実施形態を含むことになること、が意図されている。加えて、上記に明示で言及されたもの以外の多くの別形を考えることができる。例えば、柱体の諸層１１〜１３ｂに対し、明示で開示されたもの以外の絶縁材料または磁性材料を用いることが可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】