JP2013541219A - 書込み可能な磁気エレメント - Google Patents

Abstract

本発明は、書込み磁気層を呈する層の積層体を備える書込み可能な磁気エレメントに関し、本磁気エレメントは、積層体が、中心層（１３、５３、１００）の平面に対して平行である磁化方向を有する磁化を呈する少なくとも１つの磁性体で製造される中心層（１３、５３、１００）を有し、この層は、何れも非磁性体製である第１の外層（１２、５２、１０１）と第２の外層（１４、５４、１０２）との間に挟まれ、第１の外層（１２、５２、１０１）は第１の非磁性体を備え、かつ第２の外層（１４、５４、１０２）は、第１の非磁性体とは異なる第２の非磁性体を備え、少なくとも第２の非磁性体は導電性であることと、前記エレメントは、中心層（１３、５３、１００）内に有効磁場を発生する目的で、書込み電流に、第２の外層（１４、５４、１０２）および中心層（１３、５３、１００）を中心層（１３、５３、１００）の平面に対して平行な電流の流れ方向へ前記磁化方向に対して９０゜±６０゜の、具体的には９０゜±３０゜、かつより具体的には９０゜±１５゜の角度αで流すためのデバイスを備え、この電流は、磁化方向を第１の磁化方向または第１の磁化方向とは反対である第２の磁化方向へ方向づけるために、第１の方向または第１の方向とは反対である第２の方向の何れかへ印加されることを特徴とする。
【選択図】図１ｄ

Description

本発明は、電流誘起反転型の書込み可能な磁気エレメントを提供する。

ある層または小型磁気エレメントの磁化は、通常、印加される磁場によって反転される。磁場の方向は、磁化を一方の方向へ曲げることが望まれるか、もう一方の方向へ曲げることが望まれるかに依存して変更される。磁気トラックまたはコンピュータ・ハードディスクへの書込みは、磁場を三次元的に位置決めするように、反転するためのエレメントは磁場発生器の近傍へ機械的に配置される、という原理を基礎とする。定義上は三次元的に位置決めされない、磁場のまさしくこの構造こそが、磁場をデバイスに集積する際に多くの困難を生じさせる。したがって、例えば、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）として知られる固体磁気メモリ、または論理デバイスの場合のように、機械的作用が不可能である、または望ましくない場合には、磁場を、それが近傍に当たることなく標的セルにのみ作用するように十分に集束させることが必要である。この問題は、様々なメモリまたは論理セルがその密度を高めるために互いに極めて近接して位置決めされる場合に、ますます過酷となる。

この問題に対しては、１９９６年に初めて理論的に実証された、スピン偏極電流による磁化操作の可能性が最初のソリューションを提供している。磁化をメモリポイントにおいて操作する目的で、スピン注入トルク（ＳＴＴ）と称されるこの物理的原理は、非磁性金属によって（スピンバルブ型構造の場合）、または絶縁体によって（磁気トンネル接合型構造の場合）分離される少なくとも２つの磁気層の存在を必要とし、これらの２層は共線的でない磁化を有する。詳細な物理的説明は、スピンバルブ型構造が関わっているか、磁気トンネル接合構造が関わっているかに依存して異なるが、概略的には、電流は、第１の磁気層を通過する時点でスピン偏極状態となり、次に、電流偏極の非共線的成分によって第２の層の磁化へトルクをかける。電流密度が十分に高い場合、第２の磁気層の磁化は、スピンバルブおよび磁気トンネル接合部の双方で反転される場合がある。

例えば、２００６年３月７日に公開された米国特許第７００９８７７号明細書において、および２００９年５月２１日に公開された米国特許出願公開第２００９／１２９１４３号明細書において記述されているように、電流は、必然的に接合部を、これらの層の平面に対して垂直に通過する。

マイクロメートル以下のサイズの磁気エレメントの磁化を電流によって局所的に操作するこの能力は、諸アプリケーションに対する可能性を即座に開く。現時点で、業界関係者らは、ＭＲＡＭセルおよび論理コンポーネントの新規アーキテクチャにこの原理を組み込もうと模索している。

現時点で、このような組込みは、相互に関連するように思われる様々な困難に遭遇している。

ＳＴＴによる反転は、メモリポイントにおける、非磁性スペーサにより分離される少なくとも２つの磁気層の存在を必要とする。先に述べたように、書込みは、積層体全体を介して高密度電流を磁気層の平面に対して垂直に注入することにより実行されるのに対して、読取りは、積層体の磁気抵抗、即ちスピンバルブの場合の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）および磁気トンネル接合の場合のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）によって実行される。現時点で、全ての、または略全てのアプリケーションが、磁気トンネル接合の使用を基礎としている。したがって、ＧＭＲ信号は数パーセントでしかないが、ＭｇＯベースの接合からのＴＭＲ信号は、通常、１００％を超える。しかしながら、トンネル接合には、抵抗と面積との積（ＲＡ）の値が大きくなるという欠点がある。したがって、ＳＴＴ反転に必要とされるような１平方センチメートル当たり１０^７アンペア（Ａ／ｃｍ^２）という典型的な電流密度の場合、接合の縁における電圧は、１００オーム・平方マイクロメートル（Ω・μｍ^２）のＲＡで１０ボルト（Ｖ）であり、１０Ω・μｍ^２のＲＡで１Ｖ、１Ω・μｍ^２のＲＡで０．１Ｖとなる。よって、最小値を除けば、接合部において消散される電力は大きく、エネルギー消費の面、および前記接合部の損傷の面の双方で有害である。さらに、読取りには有益である高値のＴＭＲは、高値のＲＡを呈する積層体によって達成される場合が多い。現時点の研究が、高値のＴＭＲおよび小値のＲＡを呈するトンネル接合の達成を模索している理由はこの点にある。さらに、接合の縁における電圧が比較的小値であっても、実際の作動では、電圧サイクルに起因して加速される接合部の経時変化現象が観察されている。現時点では、例えば、この点に関する多くの研究が、既存の構造における材料を最適化すること、および３つの端子を有する構造を用いて、書込みおよび読取り問題を可能な限り分断できるようにする新たな構造を画定すること、の双方に向けられている。

要するに、困難さは、既知のＳＴＴデバイスでは読取りおよび書込みの２つの現象が元来結びついていることに起因して、これらを独立して最適化することが不可能であることに存する。

この結びつきに固有のさらに別の困難さは、積層体の複雑さがますます増大していることに起因する。したがって、磁化を格納するために反転されるべき層においてのみＳＴＴ効果が感じられることが望まれるとしても、例えば、他の層を、例えば反強磁性体との交換結合によって安定させる必要があり、即ち、ＳＴＴ注入の振幅を増大することが望まれる場合でも、偏極する層を最適化する必要があり、感応層へ放射される磁場を減らすことが望まれる場合でも、例えば、人工的な反強磁性二重層を用いる必要がある、等となる。

その結果、ＭＲＡＭセルまたは論理コンポーネントの典型的な磁気積層体は、様々な材料による１０または１５を超える異なる層を有する場合がある。よって、これは、構造化ステップの間、および具体的には、このような磁気積層体を統合するための主たるブロッキングポイントの１つであるエッチングステップの間に困難を発生させる。

別の研究ラインは、磁化を局所電界によって操作するというものである。これは、物質の異方性を外部電界によって修正することにより部分的に達成される場合があり、磁化は、印加される磁場によって反転される。このような技法の１つは、「Ｌａｒｇｅ ｖｏｌｔａｇｅ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｃｈａｒｇｅ ｉｎ ａ ｆｅｗ ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ｉｒｏｎ」と題するＴ．マルヤマ、他の論文（Ｎａｔｕｒｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第４巻、２００９年３月、マクミラン・パブリッシャーズ社）に記述されている。

現時点では、この技法は、物質の磁気異方性を減じることを可能にするだけである。したがって、書込みおよび読取りプロセスは、先に述べたものと同じであり、よって同じ欠点を有する。

本発明は、磁化を反転するために、磁気層（その平面に対して平行な磁化を有する）の存在を必要としない、かつ書込み電流を層の平面に対して垂直に通す積層体なしに動作する、書込み可能な磁気エレメントを提供する。

したがって、本発明は、書込み磁気層を呈する層の積層体を備える書込み可能な磁気エレメントを提供し、前記エレメントは、積層体が、中心層の平面に対して平行である磁化方向を有する磁化を呈する少なくとも１つの磁性体による中心層を有し、この層は非磁性体による第１および第２の外層の間に挟まれ、第１の外層は第１の非磁性体を備え、かつ第２の外層は、第１の非磁性体とは異なる第２の非磁性体を備え、少なくとも第２の非磁性体は導電性であることを特徴とし、かつ前記エレメントは、中心層内に有効磁場（または、スピン−軌道場）を発生する目的で、書込み電流に、第２の外層および中心層を中心層の平面に対して平行な電流の流れ方向へ前記磁化方向に対して９０゜±６０゜の範囲内の、具体的には９０゜±３０゜、かつより具体的には９０゜±１５゜の範囲内の角度αで通過させるためのデバイスを含み、前記電流は、磁化方向を第１の磁化方向または第１の磁化方向とは反対である第２の磁化方向へ方向づけるために、第１の方向または第１の方向とは反対である第２の方向の何れかへ印加されることを特徴とする。

本発明は、外部磁場が印加されることなく書込み動作を実行できるようにする、という重要な追加的優位点を提供する。

有効磁場（または、スピン−軌道磁場）は、本明細書本文において後述するように、ラシュバ（Rashba）場に起因し、かつ局所磁化に作用するｓ−ｄ交換相互作用に起因する。

本発明が基礎とする考案は、スピン−軌道磁場を用いて磁気層の磁化を操作することである。本発明によれば、これは、印加される磁場を必要とすることなく、磁気層の磁化を好ましくはスピン−軌道磁場の方向と共線的に配向することによって達成され、前記方向は、積層体、界面および電流が流れる方向の構造によって決定される。書込み電流が流れる方向は、好ましくは、前記磁化方向に対して垂直である。

書込み電流は、磁気層に対して平行に流れ、かつ積層体を層の平面に対して垂直方向へは通過せず、よって、メモリの書込みまたは消去を、前記電流が流れる方向に作用することによって、かつより具体的には、電流パルスを印加することによって、外部磁場の印加を必要とすることなく行うことが可能である。

効果的には、中心層は、０．１ナノメートル（ｎｍ）から５ｎｍまでの範囲内の、好ましくは３ｎｍ以下の厚さを有する。

効果的には、中心層は、積層内に平面磁気異方性を呈する、具体的にはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ、Ｎｉ_ｘＦｅ_ｙ、Ｃｏ_ｘＮｉ_ｙ、他、．．．である金属または金属合金を含み、この中心層の磁化は、中心層の平面において抑制される。

効果的には、少なくとも一方の外層は導電性であって、Ｐｔ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｂｉ等の非磁性金属製、またはこれらの金属の合金製であり、または事実上、Ｓｉ、ＧｅまたはＧａＡｓ等の高ドープ半導体材料（^＋＋ドーピング）製である。例として、前記導電外層の厚さは、０．５ｎｍから１００ｎｍまでの範囲内、より具体的には１ｎｍから１０ｎｍまでの範囲内であり、好ましくは５ｎｍ以下である。双方の外層は導電性であってもよく、かつ前記非磁性合金または非磁性体のうちの異なる２つの材料で製造される。導電外層の厚さは、中心層の厚さとは無関係である。

第１の外層が非導電性である場合、これは、効果的には、好ましくはＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＺｎＯ、ＨｆＯ_ｘである誘電酸化物、またはＳｉＮ_ｘ、Ｂｎ_ｘ等の誘電窒化物、または事実上、その抵抗率が０．１Ω・ｃｍ（即ち、典型的にはＳｉまたはＧｅの１立方センチメートル当たり１０^１６ドーピング原子（／ｃｍ^３）未満であるドーピングレベル）より大きく、かつ好ましくは１Ω・ｃｍより大きいように真性または極く軽くドープされている半導体（例えば、Ｓｉ、ＧｅまたはＧａＡｓ）で製造される。例として、この外層の厚さは０．５ｎｍから２００ｎｍまでの範囲内であり、具体的には０．５ｎｍから１００ｎｍまでの範囲内である。より具体的には、これは、０．５ｎｍから５ｎｍまでの範囲内であり、かつ好ましくは、具体的にはメモリエレメントがトンネル磁気抵抗信号によって読み取られる場合には３ｎｍ未満である。何れにしても、この層の厚さは、中心層の厚さとは無関係である。

例として、書込み電流は、１０^４Ａ／ｃｍ^２から１０^９Ａ／ｃｍ^２までの範囲内、好ましくは１０^５Ａ／ｃｍ^２から１０^８Ａ／ｃｍ^２までの範囲内の電流密度を呈する。

第１の外層は、磁性体製の読取り層によって、かつ読取り電極によって覆われてもよい。

デバイスは、このようにして形成されるような積層体に読取り電流を通過させるために、かつ積層体の端子を介する抵抗を測定するために、読取り電極へ結合されてもよい。

第１の外層が非磁性金属製である場合、これは、中心層、読取り層および読取り電極と共働してスピンバルブを形成する。よって、第１の外層の厚さは、０．５ｎｍから１０ｎｍまでの範囲内であり、好ましくは５ｎｍ未満である。

第１の外層が誘電体である場合、これは、中心層、読取り層および読取り電極と共働して磁気トンネル接合部を形成する。このような状況下では、第１の外層の厚さは０．５ｎｍから５ｎｍまでの範囲内であり、好ましくは３ｎｍ未満である。

第１の外層および中心層は、効果的にはスタッドを形成する。第２の外層は、スタッドの一部を形成する余分な厚さの領域を含んでもよい。トラックは、効果的には、第２の外層、または第２の外層の境を成す導電トラックの何れかによって形成される。

本発明は、先に画定したような複数のスタッドを備える、かつ第２の外層がこれらのスタッドに共通する前記トラックを含む、書込み可能な磁気デバイスも提供する。

最後に、本発明は、第１の外層と、中心層と、第２の外層を構成する余分な厚さの領域とがスタッドを形成することと、書込み可能な磁気デバイスが、前記電流を前記スタッドの各々の前記第２の外層および中心層を介して注入するために、複数の前記スタッドを、前記スタッドの第２の外層の境を成す導電トラックと共に含むことを特徴とする書込み可能な磁気デバイスも提供し、第２の外層は、導電トラックの材料とは異なる導電材料で製造される。

図１ａは、本発明の一実装を示す。 図１ｂは、本発明の一実装を示す。 図１ｃは、本発明の一実装を示す。 図１ｄは、本発明の一実装を示す。 図１ｅは、本発明の一実装を示す。 図１ｆは、本発明の一実装を示す。 図１ｇは、本発明の一実装を示す。 図２ａは、ＭＲＡＭ型磁気メモリセルに集積された実施形態を示す。 図２ｂは、ＭＲＡＭ型磁気メモリセルに集積された実施形態を示す。 図３ａは、メモリのアーキテクチャを例示するために複数のメモリエレメントが示されている実施形態を示す。 図３ｂは、メモリのアーキテクチャを例示するために複数のメモリエレメントが示されている実施形態を示す。 図４は、一次元または二次元アレイを形成するためのメモリセルを構成する、本発明による磁気エレメントの集積化の一例を示す。

本発明のコンテキストにおいて実装される積層体、即ち、磁性体ではない、かつ少なくとも一方は導電性である２つの外層の間に磁気中心層が挟まれ、２つの外層は異なる材料である積層体、は、磁気中心層内に非補償電界を発生する反転非対称性を生み出す効果を有する。この電界内を伝搬する電子は、その固有の基準系において、ラシュバ場

として知られる磁場に曝される。ラシュバ場

は、導電層内を流れる電流および電界の双方に対して垂直である。したがって、この磁場は、伝導電子へ印加される。

発明者達は、ラシュバ場および遍歴的かつ局所化された電子のスピンを結合するｓ−ｄ交換相互作用から結果的に生じる有効磁場（スピン−軌道磁場とも称される）が局所磁化へ印加されることを示している。

「Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｄｒｉｖｅｎ ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｒａｓｈｂａ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ａ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔａｌ ｌａｙｅｒ」と題する、ネイチャーマテリアルズ／オンライン先行版、第９巻、２３０−２３４ページ、２０１０年３月（マクミランパブリッシャーズ社）、において刊行されているＩｏａｎ Ｍｉｈａｉ Ｍｉｒｏｎ、他の論文は、厚さ３ｎｍのＰｔ層と、その平面に対して垂直な、延てはｚ軸に対して平行な磁化を有する厚さ０．６ｎｍのＣｏ層と、ｘ軸に対して平行に流れる電流を運ぶ厚さ２ｎｍのＡｌＯ_ｘ層とを有する積層体を示している。この積層は、基準系の第３の軸、即ちｙ軸に沿って有効磁場Ｈ_ｅｆｆ（または、スピン−軌道磁場）を提供する。したがって、この構造は、磁場が磁気層の磁化に対して垂直であることに起因して、メモリの作成には不適切である。

意外にも、発明者達は、この理論上の障害が、上述の論文に記述されているものとは異なる構造において、磁気層の磁化が、好ましくは電流により発生される有効磁場の方向と共線的である方向性を有することを可能にすることにより克服され得ることを示している。書込み電流が中心層へと、但し本構造では磁気中心層の平面内に存在する磁化方向に対して垂直に注入されると、磁化方向と共線的なスピン−軌道場が発生され、かつ磁化方向の反転が、本発明に従って、外部磁場を印加することなく、注入される書込み電流が流れる方向の関数として取得されてもよい。本発明において、この磁化反転は、中心層の平面における電流が流れる方向が磁化方向に対して垂直でない場合は達成され続けるが、磁化方向に対して９０゜±６０゜の範囲内、具体的には９０゜±３０゜の範囲内、より具体的には９０゜±１５゜の範囲内の角度αを形成する。有効磁場は、中心層の磁化方向と共線的な成分を保持する。

図１ａから図１ｇまでにおいて、参照符号１５は、構造体の短絡を回避するように電気絶縁体である基板を指す。これは、具体的には、誘電酸化物（ＳｉＯ_２、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＺｎＯ、ＨｆＯ）によって、または、例えばＳｉＮ_ｘである窒化物によって構成されてもよい。これは、その基板自体の上であっても、例えばシリコンである別の基板上へ堆積されてもよい。

参照符号１３は、その平面に対して平行である磁化の平面磁気層を指す。参照符号１６は、磁気層１３の平面内に抑制される磁化の方向性を示す。

参照符号１４および１２は、非磁性の外層を指す。

参照符号１１は、層１３の平面に対して平行である、但し本例では、磁化に対して垂直である書込み電流の方向を指す。先に述べたように、電流の方向は、磁化の方向１６に対して、９０゜±６０゜の範囲内の角度α（図１ｄ）（３０゜＜α＜１５０゜）、９０゜±３０゜の範囲内の角度α（６０゜＜α＜１２０゜）、より具体的には９０゜±１５゜の範囲内の角度α（７５゜＜α＜１０５゜）を形成してもよい。

図１ａおよび図１ｂは、積層体の層１２、層１３および層１４がトラックを形成している、構造化されていない積層体を示している。

磁化方向１６は、本例では、電流が注入される導電層１４を構成するトラックの長手方向に対して垂直である。

図１ｃから図１ｇまでは、層１４（第２の外層と称される）が導電性であって、磁気層１３および非磁気層１２（第１の外層と称される）のみが構造化されてスタッド１８ａ（図１ｃおよび図１ｄ）を形成する構造化された積層体、またはその他、導電層１４の任意選択である余分な厚さ１４’を組み入れるスタッド１８ｂまたは１８ｃ（図１ｅから図１ｇまで）を構成するように層１２、層１３および層１４の３層全てが構造化され、よってスタッド（１８ｂまたは１８ｃ）が層１４の非磁性体の厚さの一部を含む積層体を示している。

よって、第２の外層の厚さとして考慮されるべきものは、層１４固有の厚さに余分な厚さ１４’を加えたものである。

余分な厚さの領域１４’は、必ずしも層１４と同じ導電材料で製造されず、この場合、非磁性である第２の外層として作用するのは余分な厚さ１４’自体であり、かつ反転非対称性を達成すべく積層体内で機能するのはその材質であることは観察されるべきである。したがって、層１４の金属材料は任意であってもよい。

スタッド１８ａ、１８ｂまたは１８ｃの形成は、磁化をスタッド内でのみ反転させる働きをし、そうでなければ、磁化はトラックの長さ全体に渡って（図１ａおよび図１ｂ）反転される。

スタッド１８ａから１８ｃにおける磁化の方向１６は、好ましくは、電流が流れる方向１１に対して平行である導電トラック１４の長手軸に対して垂直である。スピン−軌道場の方向と共線的であるこのような磁化方向を達成するためには、例えば、１８ｃのように楕円形であって、その長手軸が導電トラック１４（余分の厚さ１４’は任意選択）の長手軸に対して垂直であるスタッドを製造して、所望される方向に異方性の形状を達成することが可能である。

磁気層１３は、その平面内に位置づけられる磁化方向を呈し、その厚さは、界面に起因して電界が無視できないものとなる程度に薄い。この厚さは、典型的には３ｎｍを超えず、かつ最長でも５ｎｍである。磁性体としては、平面磁化を呈する任意のもの（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ、Ｎｉ_ｘＦｅ_ｙ、Ｃｏ_ｘＮｉ_ｙ、他）が使用されてもよい。また、例えば、ＧａＭｎＡｓ（ＭｎドープＧａＡｓ）、ＩｎＭｎＡｓ、Ｍｎ_ｘＧｅ_１−ｘ、ドープＺｎＯまたは実際にはＴｉＯ_ｘのような磁気半導体等の非金属磁性体を利用することも可能である。

２つの非磁気層１２および１４は、構造体全体に反転非対称性を生成するために、異なるものである必要がある。これらの個々の層のための２つの異なる材料は、例えば、一方については誘電材料が、もう一方については金属が選択されるが、各々に金属を選択することも可能である。層１２および層１４の双方が非導電性であるという状況は、スタッドが構造化されていない場合、即ちトラックが存在する場合に限って可能である。よって電流は、トラックを構成する中心層１３内を流れる。

したがって、２つの非磁気層１２および１４は各々、層１２、１３、１４による積層体が反転非対称性を呈するために両層が異なるものであることを条件として、次の材料、即ち、誘電酸化物（ＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＺｎＯ、ＨｆＯ_ｘ、．．．）、誘電窒化物（ＳｉＮ_ｘ、Ｂｎ_ｘ、．．．）、非磁性金属（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｗ、．．．）、これらの金属の非磁性合金、有機または非有機半導体化合物（例えば、任意選択でドープされたＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ）、または必要であれば成長バッファへ結合される、例えば金属（Ｉｒ、Ｒｕ、Ｎｉ等）であるグラフェン、またはＳｉＣ等の半導体化合物から構成されてもよい。

例として、導電性でない層は、その抵抗率が０．１Ω・ｃｍ（ＳｉまたはＧｅの場合、典型的には、１０^１６／ｃｍ^３未満であるドーピングレベルに相当する）より大きくなるように、かつ好ましくは１Ω・ｃｍより大きくなるように真性または軽くドープされている半導体材料（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ）で製造される。

半導体材料製の導電層の場合、例えば、１０^１８／ｃｍ^３以上の担体密度を有するＳｉまたはＧｅである高ドープ半導体（^＋＋ドーピング）を提供することが適切である。

非磁気層の一方またはもう一方が導電性である場合は、２つの外層が同じ組成を有していてはならない。

層１２および層１４の厚さは、広範な値に渡って、典型的には厚さ０．５ｎｍから２００ｎｍまでの範囲、より具体的には０．５ｎｍから１００ｎｍまでの範囲に渡って選択されてもよい。しかしながら、金属の層１２および／または層１４を用いる場合、平行な導電チャネルに起因して磁気層を通過する有効電流が過剰に減ることを回避するために、微細な、典型的には５ｎｍ未満、一般的には１０ｎｍ未満、の厚さを有する層を用いることが好ましい。絶縁層の場合、積層体が磁気トンネル接合部（ＴＭＲ）によって読み取られるメモリに集積され、その厚さが典型的には３ｎｍ未満でなければならない事例でない限り、これらの層は厚くてもよく、例えば約２００ｎｍまでの厚さであってもよい。

これらの様々な層は、蒸着、スパッタリング、電気化学堆積、化学成長、．．．等の任意の既知の技法によって堆積されてもよい。

所定の構造では、層１４が省略されてもよい。よって、磁気層１３は、絶縁基板１５（非磁気層として作用する）上へ直に堆積され、かつ非磁気層１２は、基板１５を構成するものとは異なる、積層体が反転非対称性を呈するように選択される物質で製造される。しかしながら、スタッドが構造化される場合、層１４は存在していなければならず、かつ構造化されたスタッド（本例では１８ａおよび１８ｂ）へ電流を注入できるように、導電材料によって構成されなければならないことは観察されるべきである。

反転するためのエレメントは、それが図示されているトラック（図１ａまたは図１ｂ）であれ、トラック内に構造化される、またはトラック上へ取り付けられるスタッド（図１ｃから図１ｇまで）であれ、書込み電流を方向１１へ注入するように、従来の導電電極によって接続される。電流密度は、１０^４Ａ／ｃｍ^２から１０^９Ａ／ｃｍ^２までの範囲内、より具体的には、１０^５Ａ／ｃｍ^２から１０^８Ａ／ｃｍ^２までの範囲内であってもよい。書込み電流は、積層体の層（１２、１３、１４）を垂直には通過せず、かつ、これらの層を垂直に通るのは大きさが遙かに小さい読取り電流のみである。

したがって、中心層の平面に対して平行な電流方向に流れる書込み電流は、第２の外層および中心層のみを介して流れ、かつおそらくは第１の外層を、これが導電性である場合に限り通って流れる。

電流を矢印１１の方向（または、反対方向）へトラック１４内に注入することにより、層１３の磁化を、スピン−軌道相互作用および交換結合により磁化に際して生成される有効磁場によって切換えることができる。磁化は、磁気中心層１３の平面において配向され、本例において、これは、電流注入方向に対して垂直に配向される。有効磁場は、磁化に対して平行であり、よってメモリポイントを、電流が注入される方向の関数として磁化を反転することにより書き込むことができる。

中心層の磁化方向が電流注入方向に対して垂直でなければ、これらの方向が共線的でない限り、有効磁場が層の磁化方向と共線的な成分を保持することから、引き続き書き込みは可能である。角度αは、電流注入方向と磁化方向との間で、９０゜±６０゜の範囲内、具体的には９０゜±３０゜、より具体的には９０゜±１５゜の範囲内で選択される。

αが９０゜でないとき、スピン−軌道磁場は、書込み電流の印加の間に磁化を自らにアラインする。磁化は、その以前の軸へ戻るが、方向は、書込み電流パルスが停止するときの反対である。書込み電流の方向を変えることにより、磁化の軸は保たれるが、その方向は反転される。

図２ａおよび図２ｂは、ＭＲＡＭメモリセルにおける使用に適する積層体の一例を示している。

参照符号５３は、電気絶縁基板５５上へ先に述べたような積層体を形成するために、２つの異なる非磁性体５２と（任意選択の）余分な厚さ５４’を有する５４との間に挟まれる磁気中心層を指す。

参照符号５１は、トラック５４において電流が流れる方向を指し、参照符号５６は、層５３における磁化の方向を指し、本例において、これは、電流注入方向に対して垂直である。

読取りを目的として、積層体の上には、磁性体である層５８、および１つまたは複数の導電層（磁性であってもなくてもよい）を含み得る上部電極５９が置かれている。

層５８の機能は、構造体５３、５２および５８が、層５３の磁化方向５６に依存して異なる電気抵抗値を呈することを有効化することにある（磁気抵抗信号）。これは、読取りのみに関わる機能であり、層５３の磁化の操作に対して影響するものではない。

言い替えれば、書込みと読取りは独立して画定され、かつ別個に最適化されてもよい。

電極５９は、一層を備える場合もあれば、従来式に、異なる機能層の積層体を備える場合もある。例えば、これは、以下を含んでもよい。
・ 操作されるべき層５３上へ放射される場を限定するように合成反強磁性を画定する積層体、例えば、非磁性金属材料の極く薄い層、典型的には０．３ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）、により強磁性層５８から分離される強磁性層を備える積層体であって、２つの強磁性層の磁化の値は、ルテニウム層の存在に起因する両者間の反強磁性結合によって結果的にこれらの３層が層５３上へ放射する合計場がゼロまたは実質上ゼロになるように、可能な限り互いに近い。
・ あるいは、この所謂「基準」層５８を安定させるために、交換により層５８と結合される反強磁性磁性体。
・ あるいは、電気接触するための非磁性導電材料。
・ または、事実上、これらの様々な可能性の組み合わせであって、例えば、その磁化を２材料間の結合により安定させるような、強磁性体に隣接する反強磁性体。強磁性体は、これらの２つの強磁性層間の磁気結合が反強磁性であるように、金属薄層、典型的には０．３ｎｍのＲｕ、によって層５８から分離されている。最後に、第１の磁性体は、１つまたは複数の非磁性導電層で覆われ、例えば、５ｎｍのＴａが７ｎｍのＲｕで覆われる。このような組み合わせの例は、例えば、Ｂ．Ｄｉｅｎｙ、他によりＩｎｔ．Ｊ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第７巻、５９１号（２０１０年）において記述されているような、ＳＴＴ反転に使用される磁気積層体に見出すことができる。

主たる２つの構造は、非磁気層５２の性質に依存して区別されてもよい。即ち、層５２が非磁性金属であれば、構造体５３、５２および５８はスピンバルブ型であるのに対して、層５２が誘電体であれば、構造体５３、５２および５８は磁気トンネル接合型である。これらの構造体では、磁気抵抗信号が遙かに強力であることから、これらは好ましい構造体である。同様に、磁気抵抗信号を最適化するために、双方の構造において、層５８の磁化は共線的であること、即ち、層５３の磁化に対して平行または反平行であることが好ましい。層５２が導電性である、例えば、非磁性金属製である場合、その厚さは、効果的には１０ｎｍ未満、かつ好ましくは５ｎｍ未満であるのに対して、層５２が誘電体である場合、その厚さは、効果的には５ｎｍ未満、かつ好ましくは３ｎｍ未満である。

図２ａおよび図２ｂにおいて、Ａ、ＢおよびＣは、３つの電気接続端子を指す。書込み段の間、電流は、端子Ａと端子Ｂとの間へ注入される（または、同様にして、電流が流れるようにするためにこれらの端子間へ電圧が印加される）。電流は、磁気層５３を通過し、この層内で、ラシュバ場および局所磁化に作用するｓ−ｄ交換相互作用に起因して有効磁場を生成する（Ｉｏａｎ Ｍｉｈａｉ Ｍｉｒｏｎ、外による前述の論文を参照されたい）。この有効場Ｈ_ｅｆｆは、同様にして、スピン−軌道磁場または有効場Ｈ_ｅｆｆと称される。印加される書込み電流によって生成されるこのスピン−軌道場は、本発明によれば、磁化を操作することを可能にする。層５２が誘電体で構成される場合、横方向へ注入される書込み電流は前記層を通過せず、よってこれを損傷しない。書込み電流が中断されると、磁化方向は保たれる。

格納された情報、典型的には、中心層５３における磁化の方向性は、トンネル接合型構造およびスピンバルブ型構造の双方で、何れの場合も端子間の抵抗を測定すべく、端子Ｃおよび端子Ｂ間（または、同様にして端子Ｃおよび端子Ａ間）へ低値（例えば、トンネル接合の場合、約数マイクロアンペア（μＡ）から数十μＡまで）の読取り電流を注入し、かつこれらの端子間の電圧を測定することによって、あるいは、端子Ｂおよび端子Ｃ間（または、同様にして端子Ａおよび端子Ｃ間）へ定電圧を印加し、かつこれらの端子間を流れる電流を測定することによって読み取られる。抵抗は、層５３の磁化が基準層５８の磁化に対して平行であるか、反平行であるかに依存して、２つの異なる値を呈する。読取り電流は、トンネルバリア（層５２が誘電性である場合）が損傷されないように、低値を有する。

以下、図３ａおよび図３ｂを参照して、メモリアーキテクチャの例について説明する。

磁気層１００は、層１００の平面内に含まれる磁化方向１０７（図１ｃから図１ｇ、図２ａおよび図２ｂにおける層１３および層５３に相当する）を有して、２つの非磁気層１０１および１０２（図１ａおよび図１ｆの層１２および層１４、および図２ａおよび図２ｂの層５２および層５４に相当する）間に挟まれていることが分かる。スタッドは、余分な厚さの領域１０２’（図１ｃから図１ｇ、図２ａおよび図２ｂにおける領域１４’および領域５４’に相当する）を呈してもよい。この領域１０２’は導電性であり、よって、これがトラックと同じ材料から製造される場合は、導電トラック１０２の一部を形成するが、他に、異なる材料で製造される場合は、第２の非磁気層を構成する。

ここでは、単純化のために、層１０１は、前記層１２または前記層５２の双方を含み、また、磁気層および非磁気層もトンネル接合型積層体が画定されることを有効化し（スピンバルブとしても知られる）、よって、層１００（図２ａおよび図２ｂにおける層５２、層５８および層５９も同様）の磁化状態を読み取ることが可能にされる。

層１００の磁化は、下部電極１０２および磁気中心層１００を通過する電流によって反転される。

これを行うために、サンドイッチを構成する第２の非磁気層１０２は、電流供給トラック形式に構造化される。このトラックは、さらに、例えば、層１０２の下に位置づけられる別の物質の別の層によって構成されてもよい。

電流注入は、１つまたは複数のトランジスタ（スタッド毎）によって制御される。

例として考えられる状況は、２つである。即ち、スイッチとして動作する２つのトランジスタ１０３ａおよび１０３ｂの何れもが使用され、トラック（不図示）により、接地電位または所望される電流を流させるように選択される電圧の何れかへ接続される（図３ａ）、あるいは、トランジスタ１０３ａのみが存在し、トラック１０２の他端１０５（ポイントＢ）は定電位へ取り込まれるトラックへ接続される（図３ｂ）。

所定のメモリポイントに対して、書込み電流は、２つの異なる態様で注入されてもよい。

第１の態様では、スイッチとして動作する２つのトランジスタ１０３ａおよび１０３ｂが使用され、両者の自由端子は、一方の端子については接地へ接続され、かつもう一方に関しては電圧Ｖ_ｄｄへ接続され、電圧Ｖ_ｄｄは、選択される値の電流を、トランジスタ１０３ａおよび１０３ｂのどちらが電圧Ｖ_ｄｄへ接続されるかに依存して一方向へ、またはもう一方の方向へ流すように選択される。

第２の態様では、一方のトランジスタ１０３ａのみが使用され、トラック１０２の他端は、１０５において、定電圧へ接続される。したがって、この場合、次の２つの動作モードが可能である。
対称動作：
トランジスタ１０３ａへ接続されるトラックは、電位Ｖ_ｄｄへ（または、接地へ）接続され、一方で、１０５においてトラック１０２の端へ接続される他のトラックは、接地へ（またはＶ_ｄｄへ）接続される。この構造は、次の構造よりも大きい電流が発生されることを有効化する。
非対称動作：
１０５においてトラック１０２の端へ接続される導電トラックは、中間電位へ、例えばＶ_ｄｄ／２へ接続され、一方で、トランジスタ１０３ａへ接続されるトラックは、所望される電流方向に依存して各々電位Ｖ_ｄｄへ、または接地へ取り込まれる。この構造は、より少ない電流が発生されることを有効化する。本発明によるこの構造では、書込み電流は、従来技術で使用される面積より遙かに小さい面積へ送出されてもよく、かつ前記電流は、デバイスを動作させるに足るものである。この実施形態では、動作が消費する電力は低減する。

何れの態様においても、動作が対称性であるか、非対称性であるかに関わらず、書込み電流方向の反転は、メモリポイントが書き込まれることを有効化する。

図４は、二次元メモリセルアレイを、例えばトンネル接合によって形成するためのメモリエレメントの例示的な集積配電図である。

一方向には、トランジスタ１１３_１、１１３_２、１１３_３、１１３’_１、１１３’_２、１１３’_３、１１３”_１、１１３”_２、他．．．のドレインへ接続されるビットラインまたはディジットライン１１１_１、１１１_２、１１１_３、．．．、他、および共役ビットライン１１２_１、１１２_２、１１２_３、．．．が存在し、二次元アレイを形成している。

垂直方向には、トランジスタ１１３_１、１１３_２、１１３_３、１１３’_１、１１３’_２、１１３’_３、１１３”_１、１１３”_２、他．．．のゲートの制御トラック１１０、１１０’、１１０”、．．．が存在し、ワードラインを形成している。

ベンチマーク１１４_１、１１４_２、１１４_３、１１４’_１、１１４’_２、１１４’_３、他，．．．は、トンネル接合（または、スピンバルブ）を備える、本発明による積層体を略示している。トンネル接合またはスピンバルブは、書込み段階の間、その層の平面に対して垂直な電流によって交差されず、これがその層の平面に対して垂直な電流によって交差されるのは、読取り段階に限られる。

特性ポイントＡ、ＢおよびＣが報告されている。これらは、図２ａ、図２ｂ、図３ｃ、図３ｄ、図５ａ、図５ｂ、図６ｃおよび図６ｄに示されているものに相当する（単一のトランジスタによるマウンティング）。

ポイントＡは、トランジスタ１１３_１、１１３_２、１１３_３、１１３’_１、１１３’_２、他、．．．のソースへ接続される。

ポイントＢは、共役ビットライン１１２_１、１１２_２、１１２_３、．．．他へ接続され、ポイントＣは、バイアスライン１１５、１１５’、他、．．．へ接続される。トランジスタ１１３_１、１１３_２、１１３_３、１１３’_１、１１３’_２、他、．．．のドレインＤは、ビットライン１１１_１、１１１_２、１１１_３、．．．、他へ接続される。

したがって、積層体１１４_１、１１４_２、．．．、他のボトムは、その磁化が書込み電流によって変更される層である。

何れの場合も、トランジスタのソースおよびドレインはスワップされることが可能であり、よって、ソースはビットライン１１１_１、１１１_２、他．．．へ、かつドレインはポイントＡへ接続されることが可能である。

例えば１１４_１であるメモリポイントの書込み段階では、先に述べたバランスされた動作の場合、このメモリポイントに関連づけられるビットライン１１１_１および共役ビットライン１１２_１は、所望される磁化方向に従って電圧Ｖｄｄへ（または、接地へ）、かつ接地へ（または、電位Ｖｄｄへ）至らされる。他のメモリポイントに関連づけられる他のビットライン１１１_２、他．．．、および共役ビットライン１１２_２、．．．、他は、不活性である。関連のワードライン１１０は、トランジスタ１１３_１を介する書込み電流の流れを許容するために、トランジスタ１１３_１（前述の諸図面のトランジスタ７３ａまたは８３ａに等しい）の閉止の制御に必要な電位にされる。

したがって、書込み電流は、ポイントＡおよびＢを、所望される磁化方向に依存して一方向へ、または他の方向へ通過する。このセルのみへ書き込むために、他のワードライン１１０’、１１０”、他．．．は、トランジスタを開放する電位にされる。トンネル接合またはスピンバルブ型の積層体を、層の平面に対して垂直に横断する電流はなく、横断すれば、積層体を損傷させる危険性がある。この目的に沿って、この書込み段階では、積層体のポイントＣへ接続されるバイアスライン１１５、１１５’、他．．．は不活性である（または、開放されている）。

例えばメモリロケーション１１４_１の読取り段階では、このメモリに関連づけられる「共役ビットライン」１１２_１は開放され、よって、他の共役ビットライン１１２_２、他．．．も全て、これらを介して電流が巡らないように開放される。このメモリセルに関連づけられるバイアスライン１１５は、（弱い）読取り電流がトンネル接合またはスピンバルブを通ることを許容する電位にされ、一方で、他の偏極ライン１１５’、他．．．は、全て切断される。関連する「ワードライン」１１０は、トランジスタ１１３_１を閉止するための電位にされ、よって、電流は、ポイントＣおよびＡ間のトンネル接合またはスピンバルブを通過することができる。このトンネル接合またはこのスピンバルブのみを読み取るために、他のワードライン１１０’、他．．．は、トランジスタを開放する電位にされる。よって、トンネル接合の場合、読取りは、例えば先行技術に従って、増幅器により、接合部を介して流れる電流を基準電流と比較することによって実行されることが可能である。積層体の平面に対して垂直に流れる、この低電流密度の読取り電流は、この読取り段階の間の接合部の書込みを許容しない。スピンバルブの場合も、手順は同じである。

Claims (18)

1. 書込み磁気層を呈する層の積層体を備える書込み可能な磁気エレメントであって、
   前記エレメントは、前記積層体が、中心層（１３、５３、１００）の平面に対して平行である磁化方向を有する磁化を呈する少なくとも１つの磁性体による中心層（１３、５３、１００）を有し、前記層は非磁性体による第１および第２の外層（１２、５２、１０１；１４、５４、１０２）の間に挟まれ、前記第１の外層（１２、５２、１０１）は第１の非磁性体を備え、かつ前記第２の外層（１４、５４、１０２）は、前記第１の非磁性体とは異なる第２の非磁性体を備え、少なくとも前記第２の非磁性体は導電性であることと、前記エレメントは、前記中心層（１３、５３、１００）内に有効磁場を発生する目的で、書込み電流に、前記第２の外層（１４、５４、１０２）および前記中心層（１３、５３、１００）を前記中心層（１３、５３、１００）の前記平面に対して平行な電流の流れ方向へ前記磁化方向に対して９０゜±６０゜の範囲内の、具体的には９０゜±３０゜、かつより具体的には９０゜±１５゜の範囲内の角度αで通過させるためのデバイスを含み、前記電流は、前記磁化方向を第１の磁化方向または前記第１の磁化方向とは反対である第２の磁化方向へ方向づけるために、第１の方向または前記第１の方向とは反対である第２の方向の何れかへ印加されることを特徴とする書込み可能な磁気エレメント。
2. 前記書込み電流方向は、前記磁化方向に対して垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気エレメント。
3. 前記中心層（１３、５３、１００）は、０．１ｎｍから５ｎｍまでの範囲内、好ましくは３ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項１から請求項２までの何れかに記載の磁気エレメント。
4. 前記中心層（１３、５３、１００）は、前記積層体内に平面磁気異方性を呈する、具体的にはＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ_ｘＦｅ_ｙ、Ｎｉ_ｘＦｅ_ｙ、Ｃｏ_ｘＮｉ_ｙである金属または金属合金を含むことを特徴とする、請求項１から請求項３までの任意の請求項に記載の磁気エレメント。
5. 少なくとも一方の外層は導電性であって、Ｐｔ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｂｉ等の非磁性金属製、または前記金属の合金製であり、または事実上、高ドープ半導体材料製であることを特徴とする、請求項１から請求項４までの任意の請求項に記載の磁気エレメント。
6. 前記導電外層の厚さは、０．５ｎｍから１００ｎｍまでの範囲内、より具体的には１ｎｍから１０ｎｍまでの範囲内であり、好ましくは５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項５に記載の磁気エレメント。
7. 双方の外層は導電性であり、かつ前記非磁性合金または非磁性体のうちの異なる２つの材料で製造されることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の磁気エレメント。
8. 前記第１の外層は非導電性であり、かつ具体的には、ＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＺｎＯ、ＨｆＯ_ｘ等の誘電酸化物、またはＳｉＮ_ｘ、Ｂｎ_ｘ等の誘電窒化物で製造されることを特徴とする、請求項１から請求項６までの任意の請求項に記載の磁気エレメント。
9. 前記第１の外層は、真性または軽くドープされている、０．１Ω・ｃｍより大きい、かつ好ましくは１Ω・ｃｍより大きい抵抗率を呈する、Ｓｉ、ＧｅまたはＧａＡｓ等の半導体であることを特徴とする、請求項１から請求項６までの任意の請求項に記載の磁気エレメント。
10. 前記誘電的に非導電性である第１の外層の厚さは、０．５ｎｍから２００ｎｍまでの範囲内、より具体的には０．５ｎｍから１００ｎｍまでの範囲内であり、好ましくは３ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項８または請求項９に記載の磁気エレメント。
11. 前記書込み電流は、１０^４Ａ／ｃｍ^２から１０^９Ａ／ｃｍ^２までの範囲内、好ましくは１０^５Ａ／ｃｍ^２から１０^８Ａ／ｃｍ^２までの範囲内の電流密度を呈することを特徴とする、請求項１から請求項１０までの任意の請求項に記載の磁気エレメント。
12. 前記第１の外層（５２）は、磁性体製の読取り層（５８）によって、かつ読取り電極（５９）によって覆われることを特徴とする、請求項１から請求項１１までの任意の請求項に記載の磁気エレメント。
13. 前記第１の外層（５２）は非磁性金属で製造されることと、前記第１の外層（５２）は、前記中心層（５３）、前記読取り層（５８）および前記電極（５９）と共働してスピンバルブを形成することと、前記第１の外層（５２）の厚さは、０．５ｎｍから１０ｎｍまでの範囲内、かつ好ましくは０．５ｎｍから５ｎｍまでの範囲内であることを特徴とする、請求項１２に記載の磁気エレメント。
14. 前記第１の外層（５２）は非導電性であることと、前記第１の外層（５２）は、前記中心層（５３）、前記読取り層（５８）および前記読取り電極（５９）と共働して磁気トンネル接合部を形成することと、前記第１の外層（１２、５２、１０１）の厚さは、０．５ｎｍから５ｎｍまでの範囲内、かつ好ましくは３ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１２に記載の磁気エレメント。
15. 少なくとも前記第１の外層（５４、１０２）および前記中心層（５３、１００）はスタッドを形成することを特徴とする、請求項１から請求項１４までの任意の請求項に記載の磁気エレメント。
16. 前記第２の外層（５４、１０２）は、前記スタッドの一部を形成する余分な厚さの領域（５４’、１０２’）を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の磁気エレメント。
17. 請求項１５または請求項１６に記載の複数のスタッドを備えることと、前記第２の外層は、前記複数のスタッドに共通するトラック（５４、１０２）を含むことを特徴とする書込み可能な磁気デバイス。
18. 前記第１の外層（５２、１０１）と、前記中心層（５３、１００）と、前記第２の外層を構成する余分な厚さの領域（５４’、１０２’）とが請求項１６に記載のスタッドを形成することと、前記書込み可能な磁気デバイスは、前記電流を前記スタッドの各々の前記第２の外層（５４’、１０２’）および前記中心層（５３、１００）を介して注入するために、複数の前記スタッドを、前記スタッドの第２の外層（５４’、１０２’）の境を成す導電トラック（５４、１０２）と共に含み、前記第２の外層は、前記導電トラック（５４、１０２）の材料とは異なる導電材料で製造されることを特徴とする書込み可能な磁気デバイス。

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