JP2018067701A - 磁気トンネル接合素子及び磁気メモリ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁気トンネル接合素子は、順に積層された固定磁性体140、絶縁体130及び自由磁性体120を備える磁気トンネル接合100及び磁気トンネル接合の自由磁性体に隣接して、磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線を含む。磁気トンネル接合素子において、固定磁性体は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。自由磁性体は、[補助自由磁性層122a/自由非磁性層124a]N/メイン自由磁性層構造120aであり、Nは、2以上の自然数であり、[補助自由磁性層/自由非磁性層]構造がN回繰り返し積層された構造である。メイン自由磁性層及び補助自由磁性層は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜であり、メイン自由磁性層は、面内電流によってスピン流を発生させる導線と隣接して配置される。
【選択図】図2A
Description
本発明の解決しようとする一技術的課題は、スピン軌道スピントルクを用いた磁気メモリ素子を提供することにある。
格子間隔=0.25nm、自由磁性体を構成する磁性層の厚さ=0.25nm、自由磁性体を構成する非磁性層の厚さ=0.25nm、自由磁性体の外に存在する非磁性層の厚さ=2.5nm、Hopping constant t=1.0 eV、電子質量=9.1×10-31kg、スピン分極層の交換エネルギ=0.8 eV、自由磁性体を構成する磁性層の交換エネルギ=0.8 eV、フェルミエネルギ=4.1 eV
自由磁性体の断面積=30×30 nm2、
既存の磁気トンネル接合と本発明による磁気トンネル接合の自由磁性体を構成する磁性層の共通物性:“飽和磁化値(MS)=1000 emu/cm3、Gilbert減衰定数(α)=0.02、垂直磁気異方性エネルギ(K)=7.2×106 erg/cm3、有効スピンホール角度絶対値(|ΘSH|)=0.1”
本発明による磁気トンネル接合の自由磁性体を構成する磁性層にのみ適用された物性:“各磁性層の厚さ=0.3nm、互いに最近接する磁性層の間のRKKY交換エネルギ=2.5×10−7erg/cm”
前記面内電流を印加する導線510は、順に積層された反強磁性層510a及び強磁性層510bを含む。前記反強磁性層510aは、前記メイン自由層126に隣接して配置される。前記強磁性層510bは、面内磁化方向又は前記強磁性層が延長される方向の磁化方向を有する。前記導線510は、前記メイン自由磁性層126に面内交換バイアス磁場を提供する。前記自由磁性体120は、外部磁場を使用せずにスイッチングされる。
補助絶縁層727が前記導線110と前記自由磁性体120との間に配置される。前記補助絶縁層727は、AlOx、MgO、TaOx、ZrOx、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む。前記補助絶縁層727は、前記導線に沿って流れる面内電荷電流が前記磁気トンネル接合を直接通じて流れないように抑制し、純粋スピン流だけが流れる。
120 自由磁性体
130 絶縁体
140 固定磁性体
Claims (42)
- 固定磁性体、自由磁性体、及び前記固定磁性体と前記自由磁性体との間に介在された絶縁体を備える磁気トンネル接合及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線を含む磁気トンネル接合素子において、
前記固定磁性体は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜であり、
前記自由磁性体は、[補助自由磁性層/自由非磁性層]N/メイン自由磁性層構造であり、
Nは、2以上の自然数であり、[補助自由磁性層/自由非磁性層]構造がN回繰り返し積層された構造であることを示し、
前記自由磁性体内で隣り合う2つの磁性層は、前記自由非磁性層を通じたRKKY(Ruderman−Kittel−Kasuya−Yosida)交換相互作用によって、互いに反対方向の磁化を有し、
前記メイン自由磁性層及び前記補助自由磁性層は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜であり、
前記メイン自由磁性層は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線と隣接して配置されることを特徴とする磁気トンネル接合素子。 - 前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層の厚さが1nm以上であることを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記自由磁性体に含まれた磁性層のうち、前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層を除いた全ての磁性層のそれぞれの厚さが1nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記自由磁性体の全体の厚さは2nm以上であることを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記補助自由磁性層及び前記メイン自由磁性層それぞれは、Fe、Co、Ni、B、Si、Zr、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記補助自由磁性層及び前記メイン自由磁性層それぞれは、互いに異なる物質からなるか、又は互いに異なる厚さからなることを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記自由磁性体の前記自由非磁性層は、Ru、Ta、Cu、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記固定磁性体は、Fe、Co、Ni、B、Si、Zr、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記固定磁性体は、順に積層された第1固定磁性層、固定非磁性層、及び第2固定磁性層からなる反磁性体(Synthetic Antiferromagnet)構造として、
前記第1固定磁性層及び第2固定磁性層は、それぞれ独立的にFe、Co、Ni、B、Si、Zr、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含み、
前記固定非磁性層は、Ru、Ta、Cu、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記固定磁性体は、順に積層された反強磁性層、第1固定磁性層、固定非磁性層、及び第2固定磁性層からなる交換バイアスされた反磁性体構造として、
前記反強磁性層は、Ir、Pt、Mn、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなり、
前記第1固定磁性層及び第2固定磁性層は、それぞれ独立的にFe、Co、Ni、B、Si、Zr、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなり、
前記固定非磁性層は、Ru、Ta、Cu、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなることを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記絶縁体は、AlOx、MgO、TaOx、ZrOx、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなることを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記面内電流を印加する導線は、Cu、Ta、Pt、W、Bi,Ir、Mn,Ti、Cr、O、及びこれらの混合物のうち、選択される物質からなることを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記面内電流を印加する導線は、反強磁性層を含み、
前記導線は、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供することを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記自由磁性体の外部から発生する磁場が前記自由磁性体に印加されることを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記自由磁性体は、少なくとも一つの磁区構造を含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記面内電流を印加する導線は、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、
前記反強磁性層は、前記メイン自由層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向性を有し、
前記導線は、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記固定磁性体に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向性を有した双極子フィールド強磁性層さらに含み、
前記の双極子フィールド非磁性層は、前記固定磁性体に隣接して配置されることを特徴とする磁気トンネル接合素子。
前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項1に記載の磁気メモリ素子。 - 前記導線と前記自由磁性体との間に配置された補助絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。
- 前記導線は、順に積層された導線非磁性層及び導線強磁性層を含み、
前記導線強磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 前記導線は、順に積層された導線強磁性層及び導線非磁性層を含み、
前記導線強磁性層と前記自由磁性体との間に配置された非磁性層を含むことを特徴とする請求項1に記載の磁気トンネル接合素子。 - 複数の磁気トンネル接合を備えた磁気メモリ素子において、
マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合、及び
前記磁気トンネル接合の自由磁性体に隣接して配置された第1導電パターンを含み、
前記固定磁性体は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜であり、
前記自由磁性体は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜であり、
前記自由磁性体は、[補助自由磁性層/自由非磁性層]N/メイン自由磁性層構造であり、
前記自由磁性体内で隣り合う2つの磁性層は、前記自由非磁性層を通じたRKKY(Ruderman−Kittel−Kasuya−Yosida)交換相互作用によって、互いに反対方向の磁化を有し、
Nは、2以上の自然数であり、[補助自由磁性層/自由非磁性層]構造がN回繰り返し積層された構造であることを特徴とする磁気メモリ素子。 - 前記メイン自由磁性層は、前記導電パターンと隣接して配置され、
前記第1導電パターンは、面内電流から前記第1導電パターンの配置平面に 垂直なスピン流を発生させて、前記自由磁性体の磁化方向をスイッチングすることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層の厚さが1nm以上であることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記自由磁性体に含まれた磁性層のうち、前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層を除いた全ての磁性層のそれぞれの厚さが1nm以下であることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記自由磁性体の全体の厚さは、2nm以上であることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記補助自由磁性層及び前記メイン自由磁性層それぞれは、互いに異なる物質からなるか、又は互いに異なる厚さからなることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1導電パターンは、Cu、Ta、Pt、W、Bi、Ir、Mn、Ti、Cr、O、及びこれらの混合物の中から選択される物質からなることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1導電パターンは、面内電流を印加し、反強磁性層を含み、
前記第1導電パターンは、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供することを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記自由磁性体は、少なくとも一つの磁区構造を含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1導電パターンは、面内電流を印加し、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、
前記反強磁性層は、前記メイン自由層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向性を有し、
前記第1導電パターンは、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記固定磁性体に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向性を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、
前記非磁性層は、前記固定磁性体に隣接して配置されることを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1導電パターンと前記自由磁性体との間に配置された補助絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第1導電パターンは、順に積層された第1導電パターン非磁性層及び第1導電パターン磁性層を含み、
前記第1導電パターン磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1導電パターンは、順に積層された第1導電パターン磁性層及び第1導電パターン非磁性層を含み、
前記第1導電パターン磁性層と前記自由磁性体との間に配置された非磁性層をさらに含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1導電パターンは、基板平面で第1方向に並んで進行し、
第1方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第1導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第1方向に垂直な第2方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性体に電気的に連結され、前記基板平面で前記第2方向に延長される第2導電パターンを含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1導電パターンは、基板平面で第1方向に周期的に配置され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第1導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性体に電気的に連結され、前記基板平面で前記1方向に延長される第2導電パターンと、
前記第1方向に配列された前記第1導電パターンのそれぞれの一端に連結され、前記第1方向に延長される第3導電パターンと、及び
前記第2方向に配列された第1導電パターンのそれぞれの他端に連結され、前記第2方向に延長される第4導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1導電パターンは、基板平面で第1方向に延長され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第1導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体のそれぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第1方向に配列された選択トランジスタそれぞれのソース/ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記1方向に延長される第2導電パターンと、及び
前記第1方向に垂直な第2方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結された第3導電パターンと、を含むことを特徴と請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1導電パターンは、基板平面で第1方向に延長され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第1導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体のそれぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第1方向に垂直な第2方向に配列された選択トランジスタのそれぞれのソース/ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記2方向に延長される第2導電パターンと、及び
前記第1方向に配列された前記選択トランジスタのそれぞれのゲートに連結された第3導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項21に記載のメモリ素子。 - 前記第1導電パターンは、基板平面で第1方向に周期的に配置され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第1導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性体それぞれに電気的に連結され、第1方向に延長される第2導電パターンと、
前記第1方向に配列された第1導電パターンのそれぞれの一端に連結され、第1方向に延長される第3導電パターンと、
前記第1導電パターンそれぞれの他端に連結される選択トランジスタと、
前記第1方向に配列された選択トランジスタのソース/ドレインに連結され、前記第1方向に延長される第4導電パターンと、及び
前記第1方向に垂直な第2方向に配列された選択トランジスタのゲートに連結され、前記第2方向に延長される第5導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1導電パターンは、基板平面で第1方向に周期的に配置され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第1導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体にそれぞれ連結される選択トランジスタと、
前記第1方向に配列された選択トランジスタのソース/ドレインにそれぞれ連結され、前記第1方向に延長される第2導電パターンと、
前記第1方向に垂直な第2方向に配列された選択トランジスタのゲートに 連結され、前記第2方向に延長される第3導電パターンと、
前記第1方向に配列された第1導電パターンそれぞれの一端に連結され、前記第1方向に延長される第4導電パターンと、及び
前記第1方向に配列された第1導電パターンの他端に連結され、前記第1方向に延長される第5導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1導電パターンは、基板平面で第1方向に周期的に配置され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第1導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性体それぞれに電気的に連結され、前記第1方向に垂直な第2方向に延長される第2導電パターンと、
前記第1導電パターンの一端にそれぞれ連結された第1選択トランジスタと、
前記第1導電パターンの他端にそれぞれ連結された第2選択トランジスタと、
前記第1方向に配列された前記第1選択トランジスタのソース/ドレインに連結され、前記第1方向に延長される第3導電パターンと、
前記第1方向に配列された前記第2選択トランジスタのソース/ドレインに連結され、前記第1方向に延長される第4導電パターンと、及び
前記第1方向に垂直な第2方向に配列された第1選択トランジスタのゲート と第2選択トランジスタのゲートを互いに連結して、前記第2方向に延長される第5導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第1導電パターンは、基板平面で第1方向に周期的に配置され、
前記第1方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第1導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体にそれぞれ連結される第1選択トランジスタと、
前記第1導電パターンの一端にそれぞれ連結される第2選択トランジスタと、
前記第1方向に配列された第1選択トランジスタのソース/ドレインに連結され、前記第1方向に延長される第2導電パターンと、
前記第1方向に配列された第1導電パターンの他端をそれぞれ連結し、前記第1方向に延長される第3導電パターンと、
前記第1方向に配列された第2選択トランジスタのソース/ドレインをそれぞれ連結し、前記第1方向に延長される第4導電パターンと、
前記第1方向に垂直な第2方向に配列された第1選択トランジスタのゲート をそれぞれ連結し、前記第2方向に延長される第5導電パターンと、及び
前記第2方向に配列された第2選択トランジスタのゲートをそれぞれ連結し、前記第2方向に延長される第6導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項21に記載の磁気メモリ素子。
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