JP2014518015A - スピントルクトランスファーメモリセル構造および方法 - Google Patents
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Abstract
スピントルクトランスファー（ＳＴＴ）メモリセル構造および方法を本明細書に記載する。一以上のＳＴＴメモリセル構造は、第一の強磁性体と第二の強磁性体との間に非磁性体を含む環状ＳＴＴスタック、および環状ＳＴＴスタックの少なくとも一部を囲む軟磁性体を備える。
【選択図】図１Ａ
【選択図】図１Ａ
Description
本開示は、一般的に半導体メモリ装置および方法に関し、より詳細には、スピントルクトランスファー（ＳＴＴ）メモリセル構造および方法に関する。
メモリ装置は、通常、コンピュータまたは他の電子デバイス内の内部回路、半導体回路、集積回路として備えられる。多くの異なる種類のメモリがある。とりわけ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、同期ランダムアクセスメモリ（ＳＤＲＡＭ）、フラッシュメモリ、抵抗可変メモリ、例えば、相変化ランダムアクセスメモリ（ＰＣＲＡＭ）および抵抗ランダムアクセスメモリ（ＲＲＡＭ（登録商標））、ならびに磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、例えば、スピントルクトランスファーランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ ＲＡＭ）を含むメモリがある。
ＭＲＡＭデバイスは、磁気モーメントの相対配向の相違（例えば、平行および反平行）の故に多重状態のレジスタとみなすことができる磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を利用することができる。これは、デバイスを流れる電流量を変化させることができる。書き込み処理では、導電線を流れる電流によって生じた磁場を利用して、ＭＴＪの「遊離」体の磁気モーメント方向をスイッチングすることができる。このスイッチングにより、デバイスを高または低抵抗状態に置くことができる。その後、リード処理を用いてセルの状態を決定することができる。
ＭＲＡＭデバイスは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、例えば、スピンバルブを示す構造を利用することもできる。ＧＭＲは、強磁性体と非磁性体とが交互に重なる薄膜構造に見ることができる。ＧＭＲは、隣接する強磁性体同士の磁化が平行配列であるか、または反平行配列であるかに応じて、電気抵抗を変化させることができる。スピンバルブは、２以上の導電性磁性体の配列に応じて、その電気抵抗を（高から低へ、または低から高へなど）交互に変化させることができる。この電気抵抗の変更によって、巨大磁気抵抗効果を有効に使うことができる。
ＭＲＡＭセルのサイズが小さくなるにつれて、隣接するセル間の距離も狭くなる。セル間の距離が狭くなると、結果として磁気モーメント方向のスイッチングに用いられる電流が流れる導線に対するセルの妨害が増大することがある。一例として、ＭＲＡＭデバイスに関連する書き込み電流が約１０ｍＡとなることがあり、この値では、ＭＲＡＭセルおよび電流が流れる導線のサイズが小さくなると問題が生じ得る。例として、より狭い幅の導線には、必要なスイッチング磁場を生成するためにより大きな電流が必要となり、電力消費が増大する。
ＳＴＴデバイスは、前述のＭＴＪおよびＧＭＲセルの動作特徴の一部を共有する。しかしながら、遊離体の磁気モーメントのスイッチング（書き込み処理など）は、スピン偏極電流それ自体を流すことによって実現することができる。例として、一定方向に配向するその磁気モーメントを有する第一の磁性体（「固定」体など）を通る非偏極の伝導電子は、材料内の偏極した束縛電子との量子力学的交換相互作用によって、その材料が通るそれらの通路付近において優先的に偏極する。そのような極性化は、そこを通り抜ける伝導電子だけでなく、磁化材料の表面から反射する伝導電子にも起こることがある。そのような極性化処理の効率は、材料の結晶構造に応じて決まり得る。その極性方向がスペース内において定まっていない第二の磁性体（「遊離」体など）を、偏極した伝導電子のそのような流れが後に通り抜けるときに、偏極した伝導電子は磁性体内の束縛電子にトルクを働かせる。このトルクが十分である場合には、束縛電子の極性を反転し、それによって、磁性体の磁気モーメントを反転することができる。
磁気モーメントを反転するためにセル内部の電流を使用することによって、外部磁場を生成するのに必要な（例えば、隣接する電流が流れる導線からの）電流よりも小さい電流（例えば、約２００マイクロアンペア）の供給により、磁気モーメントのスイッチングを実現する。しかしながら、ＳＴＴ ＲＡＭセル内の磁気モーメントのスイッチングの実現に使用する電流をさらに低減することによって利点が提供されることがある。例えば、とりわけ、そのようなセルに関連する材料内のエネルギー消費および温度プロフィールをさらに低減し、セルの完全性および信頼性を改善することができる。
スピントルクトランスファー（ＳＴＴ）メモリセル構造および方法を本明細書に記載する。一以上のＳＴＴメモリセル構造は、第一の強磁性体と第二の強磁性体との間に非磁性体を含む環状ＳＴＴスタック、および環状ＳＴＴスタックの少なくとも一部を囲む軟磁性体を備える。
本開示の実施態様は、例えば、電流誘起磁場（過渡エルステッド磁場など）において発生する、近接するセル間のクロストークを低減するなどの利点を提供することができる。実施態様は、また、メモリセルの熱安定性にほとんどもしくは全く影響を与えずに、前述のＳＴＴメモリセルと比較してプログラミング電流も低減することができる。例として、一以上の実施態様では、セルを流れるプログラミング電流に関連する過渡エルステッド磁場を利用して、セル内において過渡の強磁性結合を発生させることができる。この強磁性結合により、セルに伴う不可欠なスイッチング電流を低減することができる。
本開示の以下の詳細な説明では、本開示に関する一部分を成し、本開示の一以上の実施態様を実施する方法を実例として示す添付図面を参照する。これらの実施態様は、当業者が本開示の実施態様を実施可能なように十分に詳細に記載される。この記載により、本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施態様を使用でき、その工程変更、電位変化および／または構造的変化を為し得ることが理解できる。
本明細書における図面は、一桁目の一つ以上の数字が図面の図番に対応し、それ以外の数字が図面内の要素または構成部品を特定するという番号付けの慣例に従う。異なる図にわたる同様の要素または構成部品を、同様の数字を使用することによって特定できる。例えば、１０２は、図１における要素「０２」を参照し、同様の要素を図２では２０２として参照することができる。理解されるように、本明細書における各種実施態様に示す要素は、本開示の多くの実施態様を追加できるように、追加、交換および／または削除することができる。加えて、図面に提供される要素の縮尺および相対的な大きさは、本開示の各種実施態様を例示すことを意図し、限定的な意味において使用されることを意図しない。
図１Ａおよび図１Ｂは、本開示の一以上の実施態様に係るＳＴＴメモリセル構造を示す断面図である。図１Ａおよび図１Ｂの断面図１００−１および１００−２は、第一の電極と第二の電極（図示せず）との間に配置されてもよい環状ＳＴＴメモリセルを示す。適した電圧で電極にバイアスをかけることによって、メモリセルをプログラミング、リード、および／またはイレースすることができる。例として、断面図１００−１は、特定の方向に流れるプログラミング電流（例えば、１１６−１）の影響を受ける環状ＳＴＴメモリセル構造を例証し、一方、断面図１００−２は、反対方向に流れるプログラミング電流（例えば、１１６−２）の影響を受ける環状ＳＴＴメモリセル構造を示す。
メモリセル構造１００−１および１００−２は、第一の磁性体１１２および第二の磁性体１０８を含むことができる。一以上の実施態様では、第一の磁性体は「遊離」強磁性体１１２でもよく、第二の磁性体は「固定」強磁性体１０８でもよい。しかしながら、実施態様はこれに限定されない。第一の磁性体１１２と第二の磁性体１０８との間には非磁性体１１０が位置し、これは絶縁体でもよいし、導電体でもよい。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示す環状メモリセル構造は、完全閉鎖型の、端部が減磁しない磁束経路を形成することができる。これにより、従来の（例えば、非環状）セルスタックと比較して熱安定性を増大させることができる。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、環状メモリセル構造は、固定体１０８の第一の縁部１４２が非磁性体１１０の第一の縁部１４４に接触し、かつ遊離体１１２の第一の縁部１４６が非磁性体１１０の第二の縁部１４８に接触するように構成される。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、固定体１０８、非磁性体１１０、および遊離体１１２の各々は、結合体１０４の内縁１５４に接触することができる。結合体１０４は、第三の磁性体、または「軟」磁性体１０２の内縁１５２に接触する外縁１５０を有することができる。
非磁性体１１０は、非磁性金属（例えば、銅）でもよいし、絶縁体（例えば、酸化アルミニウム）でもよい。例として、一以上の実施態様では、図１Ａおよび図１Ｂに示すＳＴＴ構造は、スピンバルブ構造および／またはＧＭＲを示す他の構造を含むことができる。そのような実施態様では、非磁性金属１１０によって遊離体１１２と固定体１０８とを分離することができる。ＧＭＲは、隣接する強磁性体（例えば、１１２および１０８）の磁化が平行配列（例えば、図１Ａに示すような１２０と１２２−１）であるか、または反平行配列（例えば、図１Ｂに示すような１２０と１２２−２）であるかに応じて、電気抵抗を変化させることができる。全体抵抗は、平行配列では小さく、反平行配列ではより大きくなり得る。そのようなものとして、メモリセル構造１００−１は低抵抗状態に相当し、メモリセル構造１００−２は高抵抗状態に相当し得る。
一以上の実施態様では、図１Ａおよび図１Ｂに示すＳＴＴ構造は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を含むことができる。そのような実施態様では、遊離強磁性体１１２と固定強磁性体１０８とを、電子が通り抜けることができる絶縁体１１０によって分離することができる。遊離強磁性体１０８の磁化方向１２２−１／１２２−２のスイッチングは、スピン偏極したプログラミング電流１１６−１／１１６−２によって生成されるスピントルクトランスファー効果によって行うことができる。
第三の磁性体１０２は、「軟」磁性体でもよく、セル構造１００−１および１００−２を包含することができる。軟磁性体１０２は高透磁率を有し、これにより、磁場をほとんどもしくは全く漏らすこと無く、軟磁性体１０２内に制限されたプログラミング電流によって磁場を生成することができる。
軟磁性体１０２は、高透磁率（例えば、約５００Ｈｍ−１を超える）を有することができる。また、軟磁性体１０２は、シリコンドープの鉄材料、ニッケル−鉄−銅−モリブデン合金材料、マンガン亜鉛フェライト、ニッケル亜鉛フェライト、コバルトベースのアモルファス金属、および／または鉄ベースのアモルファス金属を含むことができる。軟磁性体は、合金材料、例えば、コバルト−鉄合金材料、ニッケル−鉄合金材料、ニッケル−鉄−銅−クロム合金材料、および／またはコバルト−ジルコニウム−パラジウム−マンガン合金材料をさらに含むことができる。軟磁性体１０２は、金属フェライトも含むことができ、この場合この金属は、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、マグネシウムおよび／またはカドミウムを含むことができる。軟磁性体１０２は、さらに鉄金属窒化物を含むことができ、この場合この金属は、アルミニウム、タンタル、ロジウム、モリブデン、シリコンおよび／またはジルコニウムを含むことができる。軟磁性体１０２は、前述の材料に限定されず、Ｍｕ−金属材料、パーマロイ材料、フェライト材料および／または電磁鋼板材料も含むことができる。
矢印１１６−１および１１６−２は、それぞれ、メモリセル構造１００−１および１００−２に供給される電流（例えば、プログラミング電流）の方向を示す。プログラミング電流は、例として、メモリセル構造のサイズに応じて変動し、約２０〜約１，０００，０００マイクロアンペアの範囲で変動することができる。特定の方向に流れるものとして示すプログラミング電流は、反対方向に流れる電子電流に相当し得る。例えば、メモリセル構造１００−１では、プログラミング電流は上方（例えば、遊離体１１２から固定体１０８に向かって）流れるものとして示す。これは、電子電流が下方に（例えば、固定体１０８から遊離体１１２に向かって）流れることを意味する。矢印１１４−１は、プログラミング電流１１６−１から生じた環状磁場を表す。矢印１１４−２は、プログラミング電流１１６−２から生じた環状磁場を表す。そのようなものとして、磁場１１４−１および１１４−２は、エルステッド磁場と称することができる。記号１２０は、構造１００−１および１００−２の固定磁性体１０８に関連する環状磁化を表す。記号１２４−１は、構造１００−１の軟磁性体１０２内の磁場方向を表す。記号１２４−２は、構造１００−２の軟磁性体１０２内の磁場方向を表す。
記号１２２−１は、（例えば、プログラミング電流１１６−１に起因して）遊離磁性体１１２に関連する環状磁化を表す。記号１２２−２は、反対方向に流れるプログラミング電流（例えば、電流１１６−２）に起因する、強磁性体１１２に関連する環状磁化を表す。動作中、プログラミング電流１１６−１および１１６−２を利用して、遊離強磁性体１１２の磁化を、右回りと左回りの向きとの間でスイッチングすることができる。本明細書にさらに記載するように、本開示の一以上の実施態様では、遊離強磁性体１１２内の磁化方向（例えば、方向１２２−１から方向１２２−２、逆もまた同様）のスイッチングに必要なプログラミング電流（例えば、１１６−１および１１６−２）の大きさを低減することができる。
ＳＴＴメモリセル構造の抵抗は、遊離磁性体１１２と固定磁性体１０８との相対磁化方向（例えば、平行または反平行）に応じて決まる。プログラミング電流を供給することによって、（例えば、図１Ａに示すような平行配向に対応する）第一の抵抗状態と、（図１Ｂに示すような反平行配向に対応する）状態との間で遊離磁性体１１２の環状磁化をスイッチングすることができる。具体的には、スピン偏極した注入プログラミング電流と遊離強磁性体１１２の磁化との間のスピントルクトランスファー効果を利用して、ＳＴＴメモリセルデバイスの磁化方向を、ある渦状態からそれと反対の状態にスイッチングすることができる。プログラミング電流よりも小さいリード電流をセルに印加することによって、遊離強磁性体１１２と固定強磁性体１０８との相対磁化に応じて決まるセルの抵抗状態を決定することができる。例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示す環状ＳＴＴメモリセル構造では、プログラミング電流１１６−１／１１６−２に関連するエルステッド磁場１１４−１／１１４−２が、遊離強磁性体１１２の磁化方向のスイッチングを補助することができる。この補助により、非環状ＳＴＴメモリセル構造と比較して、スイッチングに必要な電流量を低減することができる。しかしながら、環状エルステッドファイル１１４−１／１１４−２は、特定のＳＴＴセルにおいて局所に制限することができない。そのようなものとして、エルステッド磁場１１４−１／１１４−２は、例として、隣接するセルとのクロストークに伴う課題を生じさせることがある。
図１Ａおよび図１Ｂに示すメモリセル構造は、遊離体１１２の少なくとも一部を囲む結合体１０４および軟磁性体１０２を含む。結合体１０４は、軟磁性体１０２と遊離強磁性体１１２との間の平行強磁性結合を促進するために用いられる材料である。結合体１０４は、例として、酸化クロム（ＩＩＩ）（Ｃｒ２Ｏ３）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の少なくとも一つを含むことができる。また、結合体の厚さは、遊離体１１２と磁化された軟磁性体１０２との間の平行結合を促進するのに適した厚さでもよい。
動作中、プログラミング電流１１６−１／１１６−２によって生成されたエルステッド磁場１１４−１／１１４−２によって、（例えば、磁化１２４−１および１２４−２として例証されるように）軟磁性体１０２を磁化できる。結合体１０４は、磁化された軟磁性体１０２と遊離体１１２との間の平行強磁性結合を促し、遊離体１１２のスイッチングを促進する。そのようなものとして、軟磁性体１０２と遊離強磁性体１１２との間の平行結合は、スピン偏極電子のスピントルクトランスファー効果およびプログラミング電流１１６−１／１１６−２に関連する磁場１１４−１／1１４−２に起因する磁化１２２−１／１２２−２のスイッチングに寄与する。例えば、（結合体１０４によって促される軟磁性体１０２との強磁性結合に起因する）遊離強磁性体１１２に働くトルクによって、スイッチングに必要なスピン電流トルクを低減することができる。プログラミング電流が取り除かれると、軟磁性体１０２は、（結合体１０４によって促される強磁性結合に起因する）遊離体１１２の磁化１２２−１／１２２−２と平行のその磁化を損失するか、より小さい磁化を維持する。軟磁性体１０２は、遊離体１１２の熱安定性の向上を支援することもできる。
そのようなものとして、例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示す一以上のメモリセル構造によって、データ保持に必要な熱安定性を維持または強化しつつ、低下した電流を用いたＳＴＴメモリセルのプログラミングを促進することができる。軟磁性包含体１０２は、また、エルステッド磁場１１４−１／１１４−２の少なくとも一部を、ＳＴＴセルにおいて局所に制限することができる。この制限により、隣接するメモリセルへの妨害を減らすことができる。軟磁性体１０２は高透磁率を有し、これにより、磁場をほとんどもしくは全く漏らすこと無く、軟磁性体１０２内に制限されたプログラミング電流によって磁場を生成することができる。一以上の実施態様では、結合体１０４が無くてもメモリセル構造１００−１および１００−２を形成できる。換言すれば、軟磁性包含体１０２は、結合体１０４が存在しなくても、電流誘起磁場（例えば、１１４−１／１１４−２）の少なくとも一部を制限することができる。
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、軟磁性体１０２は、固定体１０８、非磁性体１１０および遊離体１１２を含む環状セルスタック全体を囲む（例えば、包含する）。しかしながら、実施態様は、図１Ａおよび図１Ｂに示す例に限定されない。例として、一以上の実施態様では、軟磁性体１０２は、遊離強磁性体１１２またはその一部のみを包含する。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、結合体１０４は、メモリセル構造１００−１および１００−２において、（例えば、固定体１０８から遊離体１１２に向かって）セル全体に沿って存在してもよい。または、結合体１０４は、遊離体１１２と軟質体１０２との間の領域に制限されてもよい（例えば、結合体１０４は、固定体１０８または非磁性体１１０に接触しない）。
図１Ａに示す例は、ＳＴＴメモリセルの遊離体１１２から固定体１０８に流れるプログラミング電流１１６−１を示す。電流１１６−１はエルステッド磁場１１４−１を生成し、この磁場が軟磁性体１０２に環状磁化（例えば、左回り）を発生させる。先に記載したように、軟磁性体１０２は、磁場１１４−１をセルにおいて局所に制限することができる。
下向き（例えば、１１６−１の反対方向）の電子流に関連するスピントルクは、遊離磁性体１１２内の左回りの磁化１２２−１に寄与し得る。結合体１０４によって軟磁性体１０２と遊離体１１２との間に生じた強磁性結合によって、遊離体１１２内の左回りの磁化１２２−１に寄与するトルクを生み出すことができる。磁化１２０と磁化１２２−１との平行配列によって、結果としてメモリセル構造が低抵抗状態になり得る。軟磁性体１０２と遊離強磁性体１１２との間の強磁性結合に起因して生み出されたトルクによって、強磁性体１１２の磁化の（例えば、反平行から平行への）スイッチングを引き起こすのに必要な下向き電子流に伴うスピントルク量を低減できる。
図１Ｂに示す例は、下（例えば、１１６−１と反対の方向）へ流れるプログラミング電流１１６−２を示す。そのようなものとして、電流１１６−２に関連するスピン偏極電子が上（例えば、遊離体１１２から固定体１０８に向かって）に流れ、遊離強磁性体１１２にトルクを及ぼす。これにより、結果として遊離磁性体１１２内に右回りの磁化を発生させることができる。結合体１０４によって軟磁性体１０２と遊離体１１２との間に生じた強磁性結合は、遊離体１１２内の右回りの磁化１２２−２に寄与するトルクも生み出すことができる。磁化１２０と磁化１２２−２との反平行配列によって、結果としてメモリセル構造が高抵抗状態になり得る。先に記載したように、軟磁性体１０２と遊離強磁性体１１２との間の強磁性結合に起因して生み出されたトルクによって、強磁性体１１２の磁化の（例えば、平行から反平行への）スイッチングを補助することができる。
図１Ｃは、図１Ａおよび図１Ｂに示すＳＴＴメモリセル構造を示すトップダウン図である。実施態様は、図１Ｃに示す例に限定されない。例として、一以上の実施態様では、材料１０２、１０４および１０８は、セルの全周囲には及ばない。また、材料１０２、１０４および１０８は円形状に示すが、実施態様はそれに限定されない。
図１Ｃに示すように、メモリセル構造１００−３は、軟磁性体１０２の内縁部１５２が結合体１０４の外縁部１５０に接触するように構成される。一部の実施態様では、結合体１０４が存在しなくてもよく、その結果として、軟磁性体１０２の内縁１５２が固定体１０８の外縁１５６または遊離強磁性体１１２（図１Ｃには示さず）に接触してもよい。図１Ｃにさらに示すように、メモリセル構造は、結合体１０４の内縁部１５４が材料１０８の外縁部１５６に接触するように構成される。
図２は、本開示の一以上の実施態様に係るＳＴＴメモリセル構造２８０を示す断面図である。メモリセル構造２８０は環状ＳＴＴメモリセル構造であり、軟磁性体２０２、結合体２０４、第一の電極２０６Ａ、および第二の電極２０６Ｂを含むことができる。メモリセル構造２８０は、固定磁性体２０８、非磁性体２１０、および遊離磁性体２１２も含むことができ、遊離磁性体２１２は少なくとも部分的に、結合体２０４および軟磁性体２０２に囲まれる。結合体２０４の内面２５４が遊離体２１２の外面２５６の少なくとも一部に接触するように、結合体２０４を遊離体２１２と軟質体２０２との間に形成することができる。
メモリセル構造２８０は、また、強磁性結合体２０４によって遊離強磁性体２１８が軟磁性包含体２０２から分離する結果として、必要とされるプログラミング電流も低減させることができる。軟質体２０２と遊離体２１８との間の強磁性結合によって、遊離体のスイッチングを促進することができる。これにより、必要とされるプログラミング電流（例えば、不可欠なスイッチング電流）を低減し、遊離体２１８の熱安定性を向上することができる。
実施態様は、図２に示す例に限定されない。一部の例では、メモリセル構造２８０は、結合体２０４が無くとも必要なプログラミング電流を十分に低減することができる。一部の実施態様では、さまざまな処理（例えば、ドライまたはウェットエッチング）を用いて軟質体２０２をエッチングすることができる。
図３は、本開示の一以上の実施態様に係る一以上のＳＴＴメモリセル構造を有するメモリアレイ３９０の一部を示す図である。ＳＴＴ ＲＡＭセルは、アクセスデバイス３４０に結合しるＳＴＴメモリセル構造３００（例えば、図１Ａ〜図１Ｃおよび図２に関連して前述したＳＴＴ構造等）を含むことができる。例えば、アクセスデバイス３４０は、ダイオード、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、またはバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）でもよい。
この例では、アレイ３９０は、ビット線３２８、ワード線３３６、ソース線３３８、リード／ライト回路３３０、ビット線基準３３４、およびセンスアンプ３３２を含む。ＳＴＴメモリセル構造３００は、一以上のＭＴＪまたはＧＭＲ要素を含むことができる。先に記載したように、ＳＴＴメモリセル構造３００は、固定強磁性体と遊離強磁性体との間に非磁性体を含む環状ＳＴＴスタックを含むことができる。環状ＳＴＴスタックの少なくとも一部は、軟磁性体（例えば、図１Ａ〜図１Ｃに示す軟磁性体１０２）によって包含することができる。一以上の実施態様では、軟磁性体と遊離強磁性体の少なくとも一部との間に結合体（例えば、図１Ａおよび図１Ｂに示す結合体１０４）を含む。
動作中、ＳＴＴメモリセル構造３００は、プログラミングするために選択することができる。構造３００に対応する電極の全域に印加する電圧の差によってプログラミング電流を供給することができる。プログラミング電流に関連するエルステッド磁場によって、構造３００の軟磁性体に（例えば、エルステッド磁場と同じ方向に）環状磁化を発生させることができる。結合体によって軟磁性体と遊離強磁性体との間に平行強磁性結合を発生させることができる。生じた強磁性結合は、遊離強磁性体の磁化にトルクを及ぼすことができる。このトルクにより、スイッチングを引き起こすのに必要なプログラミング電流を低減することができる。
プログラミング電流が取り除かれると、軟磁性体は、強磁性結合の結果として遊離強磁性体と平行のその磁化を損失するか、より小さい磁化を維持することができる。軟磁性体は、プログラミング電流に関連するエルステッド磁場をセルにおいて局所に制限する役目を果たし、遊離体における熱安定性の向上を支援することもできる。
ＳＴＴ ＲＡＭセルを読み出すために、リード／ライト回路３３０は、構造３００およびアクセスデバイス３４０を通る、ビット線３２８およびソース線３３８へのリード電流を生成する。ＳＴＴ ＲＡＭセルのプログラムされた状態は、ビット線３２８とソース線３３８との電圧差に従い決定することができる構造３００全域の抵抗に応じて決まる。一以上の実施態様では、電圧差を基準３３４において比較し、センスアンプ３３２によって電圧を増幅することができる。実施態様は、図３に示す例に限定されない。
具体的な実施態様を本明細書に例証および記載したが、当業者は、同じ結果を達成するように計算された配置を、示す具体的な実施態様と置き換えることができることを理解する。本開示は、本開示の各種実施態様の変更または変形を包含することが意図される。上記の説明が説明に役立つ形式として記載され、限定的なものではないことが理解され得る。上記の説明を詳細に検討することによって、前の実施態様と本明細書に具体的には記載しない他の実施態様との組み合わせが当業者に明らかとなる。本開示の各種実施態様の範囲は、前の構造および方法を用いた他の用途を含む。それ故、本開示の各種実施態様の範囲は、請求の範囲によって権利が与えられる均等物の全範囲に加えて、そのような請求項に準拠して決定されるべきである。
上記の詳細な説明においては、本開示を簡略化する目的で、さまざまな特徴を単一の実施態様に集約している。この開示方法は、本開示において開示する実施態様が各請求項に明確に説明されるよりも多くの特徴を利用する必要があるという意図を反映するようには解釈されない。むしろ、以下の請求項に反映されるように、発明の主題は単一の開示する実施態様の全てではない特徴にある。したがって、以下の請求項は、本明細書によって、各請求項が個々の実施態様としてそれ自体に基づいている詳細な説明に組み込まれる。
Claims (30)
- 第一の強磁性体と第二の強磁性体との間に非磁性体を含む環状スピントルクトランスファー（ＳＴＴ）スタックと、
前記環状ＳＴＴスタックの少なくとも一部を囲む軟磁性体と、を備える、スピントルクトランスファー（ＳＴＴ）メモリセル構造。 - 前記軟磁性体と前記第一の強磁性体との間に形成された強磁性結合体をさらに備える、請求項１記載のメモリセル構造。
- 前記第一の強磁性体が遊離体であり、前記第二の強磁性体が固定体である、請求項２記載のメモリセル構造。
- 前記強磁性結合体が、前記遊離強磁性体と前記軟磁性体との間の平行結合を発生させるように構成されている、請求項３記載のメモリセル構造。
- 前記非磁性体が絶縁体である、請求項１〜４のいずれか１項記載のメモリセル構造。
- 前記非磁性体が導電体である、請求項１〜４のいずれか１項記載のメモリセル構造。
- 前記軟磁性体の透磁率が約５００Ｈｍ−１を超える、請求項１〜４のいずれか１項記載のメモリセル構造。
- 前記環状ＳＴＴスタックが、第一の電極と第二の電極との間に形成されている、請求項１〜４のいずれか１項記載のメモリセル構造。
- 遊離強磁性体と固定強磁性体との間に非磁性体を含む環状ＳＴＴスタックと、
前記遊離強磁性体の少なくとも一部を囲む軟磁性体と、
前記軟磁性体と前記遊離強磁性体との間に形成された強磁性結合体と、を備える、ＳＴＴメモリセル構造。 - 前記環状ＳＴＴスタックおよび前記軟磁性体が、第一の電極と第二の電極との間に存在する、請求項９記載のメモリセル構造。
- 前記環状ＳＴＴスタックが閉じた磁束経路を提供する、請求項９記載のメモリセル構造。
- 前記軟磁性体が、前記強磁性結合体を介して前記遊離強磁性体の磁化に影響する磁化によって磁化される、請求項９記載のメモリセル構造。
- 前記強磁性結合体が、酸化クロム（ＩＩＩ）（Ｃｒ２Ｏ３）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の少なくとも一つを含む、請求項９〜１２のいずれか１項記載のメモリセル構造。
- 前記軟磁性体が、前記環状ＳＴＴメモリセル構造に関連するプログラミング電流によって生成された磁場の少なくとも一部を制限する、請求項９〜１２のいずれか１項記載のメモリセル構造。
- 前記強磁性結合体が、前記遊離強磁性体と前記軟磁性体との間に過渡の平行強磁性結合を提供する、請求項９〜１２のいずれか１項記載のメモリセル構造。
- 環状ＳＴＴメモリセルを動作させる方法であって、
第一の電極と第二の電極との間の環状ＳＴＴスタックを流れる電流を供給することを含み、前記環状ＳＴＴスタックが、
遊離強磁性体と固定強磁性体との間に形成された非磁性体を含み、
この場合、前記電流が前記遊離強磁性体の少なくとも一部を囲む軟磁性体に環状磁化を発生させ、
前記生じた環状磁化が、前記軟磁性体と前記遊離強磁性体との間の強磁性結合体を介して前記遊離強磁性体の磁化を変化させる、方法。 - 前記電流がプログラミング電流である、請求項１６記載の方法。
- 前記ＳＴＴメモリセルに伴う不可欠なスイッチング電流を低減することを含む、請求項１６記載の方法。
- 前記軟磁性体の前記磁化が前記遊離強磁性体に力を及ぼす、請求項１６〜１８のいずれか１項記載の方法。
- ＳＴＴメモリセル構造を形成する方法であって、
第一の電極と第二の電極との間に、第一の強磁性体と第二の強磁性体との間に形成された非磁性体を含む環状ＳＴＴスタックを形成することと、
前記第一および第二の強磁性体、ならびに前記非磁性体の周りに結合体を形成することと、
前記結合体の周りに、前記第一の強磁性体の少なくとも一部を囲む軟磁性体を形成することと、を含む、方法。 - 前記結合体が前記第一の強磁性体と前記軟磁性体との間に平行結合を発生させる、請求項２０記載の方法。
- 前記軟磁性体を形成することが、前記結合体の外面全体を包含するように前記軟磁性体を形成することを含む、請求項２０記載の方法。
- 前記結合体を形成することが、前記第一の強磁性体の外面全体を包含するように前記結合体を形成することを含む、請求項２０記載の方法。
- 前記軟磁性体が、前記ＳＴＴメモリセル構造に関連するプログラミング電流によって生成された磁場の少なくとも一部を制限する、請求項２０記載の方法。
- 前記第一の強磁性体が遊離強磁性体であり、前記第二の強磁性体が固定強磁性体である、請求項２０記載の方法。
- 前記軟磁性体の透磁率が約５００Ｈｍ−１を超える、請求項２０〜２５のいずれか１項記載の方法。
- 前記軟磁性体が、Ｍｕ−金属材料、パーマロイ材料、フェライト材料、および電磁鋼板材料の少なくとも一つである、請求項２６記載の方法。
- ＳＴＴメモリセル構造を形成する方法であって、
第一の電極と第二の電極との間に、遊離強磁性体と固定強磁性体との間に形成され、かつそれらに接触する非磁性体を含む環状ＳＴＴスタックを形成することと、
前記環状スタックの周りに、前記第一の遊離強磁性体の外面全体を包含し、前記ＳＴＴメモリセル構造の動作に関連する電流によって生成された磁場の少なくとも一部を制限する軟磁性体を形成することと、を含む、方法。 - 結合体の内面が前記遊離強磁性体の外面の少なくとも一部に接触するように、前記環状スタックと前記軟磁性体との間に前記結合体を形成することを含む、請求項２８記載の方法。
- 前記電流が前記軟磁性体に環状磁化を発生させる、請求項２８または２９記載の方法。
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