JP5009622B2 - 磁気エレクトロニクス情報デバイス及び磁気エレクトロニクスランダムアクセスメモリ素子 - Google Patents

Description

本発明は磁気エレクトロニクスに関し、より詳しくは、複合磁気フリー層を有する磁気エレクトロニクス情報デバイスに関する。

磁気エレクトロニクス、スピンエレクトロニクス、及びスピントロニクスは、主に電子スピンに起因する効果の使用の同義語である。磁気エレクトロニクスは多数の情報デバイスに用いられており、不揮発性、信頼性、放射線抵抗性、並びに高密度のデータ保存および検索を提供する。多数の磁気エレクトロニクス情報デバイスは磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、磁気センサ、及びディスクドライブ用の記録再生ヘッドを含むがそれらに限定されない。

一般に、磁気エレクトロニクス情報デバイス、例えばＭＲＡＭ記憶素子は、各種の非磁気層によって分離されている複合磁気層を含む構造を有する。情報は、磁気層内における磁化ベクトルの方向として保存される。一つの磁気層内の磁化ベクトルは磁気によって固定されており、他の磁気層の磁化方向は、「平行」状態および「逆平行」状態とそれぞれ称される同一方向および反対方向の間で切り替わるために固定されていない。平行状態および逆平行状態に応じて、磁気記憶素子は２つの異なる電気抵抗を示す。２つの磁気層の磁化ベクトルが実質的に同一方向や反対方向をそれぞれ示す場合、磁気記憶素子の測定された電気抵抗は最小値や最大値である。従って、測定された電気抵抗の変化を検出することにより、磁気エレクトロニクス情報デバイス、例えばＭＲＡＭデバイスは、情報を磁気記憶素子内に保存することができる。

各種の記憶装置関連出願のための未来技術として広く受け入れられているものの、一層小さな記憶デバイスに対する需要増は、磁気エレクトロニクス情報デバイスの拡張性に関するいくつかの実用設計の検討を強調している。高アスペクト比を有するパターン化などの技術によって何らかの改善が達成されるものの、高アスペクト比の使用はまた、形状要素を記憶素子に関連する異方性に加える。異方性の増加に伴って、磁化方向を変更するのに必要な電流量もまた増加する。電流量の増加は通常好ましくなく、又は特定の用途にとっておそらく非実用的であることから、より小さなデバイスは、磁化方向を変更するのに必要な電流量の対応する増加を最小限に抑えることが求められる。

従って、より小さな磁気エレクトロニクス情報デバイスを提供することが好ましく、このデバイスは、磁化方向を変更するのに必要な電流量の対応する増加を最小限に抑える。更に、本発明の他の好ましい特性および特徴は、添付された図面とともに、下記の説明および添付された特許請求の範囲から明らかになる。

フリー磁気領域および固定磁気領域を備えた磁気エレクトロニクス情報デバイスが提供される。フリー磁気領域は、第１多層構造、第２多層構造、及び第１多層構造と第２多層構造との間に配置された第３スペーサ層を備える。第１多層構造は、第１磁気副層、第２磁気副層、及び第１磁気副層と第２磁気副層との間に配置された第１スペーサ層を含む。第１スペーサ層は、第１磁気副層と第２磁気副層との間に、第１反強磁性交換結合を提供する。第２多層構造は、第３磁気副層、第４磁気副層、及び第３磁気副層と第４磁気副層との間に配置された第２スペーサ層を含む。第２スペーサ層は、第２反強磁性交換結合を提供する。第３スペーサ層は第１多層構造および第２多層構造の間に第３反強磁性交換結合を提供する。前記第３反強磁性交換結合の強さは、前記第１反強磁性交換結合の強さ及び前記第２反強磁性交換結合の強さより小さい。磁気エレクトロニクス情報デバイスは、前記固定磁気領域および前記第１磁気副層の間に、前記固定磁気領域及び前記フリー磁気領域を分離するための第４スペーサ層と、前記フリー磁気領域の近傍に配置されたビット線と、前記固定磁気領域の近傍に配置されたディジット線とをさらに備える。

本発明は図面とともに以下に記載されており、同一の符号は同一の要素を示す。
下記の本発明の詳細な説明は、事実上単に典型的なものであり、本発明、又は本発明の用途および使用を限定することを目的としていない。更に、前記本発明の背景技術、又は下記の本発明の詳細な説明において示される任意の示された理論または暗示された理論に束縛されない。

図１を参照すると、磁気エレクトロニクス情報デバイス２０が、本発明の典型的な実施形態に従って示される。磁気エレクトロニクス情報デバイス２０は磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）素子、例えば２００１年１０月１６に出願され、第１発明者としてレオニード サブチェンコ（Ｌｅｏｎｉｄ Ｓａｖｔｃｈｅｎｋｏ）が指名された「拡張可能な磁気抵抗ランダムアクセスメモリ素子への記載方法」という表題の米国特許第６，５４５，９０６号明細書に最初に記載されたＭＲＡＭ素子であるが、磁気センサおよびディスクドライブ用の記録再生ヘッドを含むがそれらに限定されない他の磁気エレクトロニクス情報デバイスおよび他のＭＲＡＭ素子が本発明に従って使用可能である。（米国特許第６，５４５，９０６号明細書は、参照によってその全体が本願に含まれ、以下サブチェンコ参照として参照される。）更に、単一の磁気エレクトロニクス記憶デバイス２０がこの詳細な説明に記載されており、磁気エレクトロニクス情報デバイスが概して組み合わされて使用される。

通常、磁気エレクトロニクス情報デバイス２０は、第１多層構造２４、第２多層構造２６、及び第１多層構造２４と第２多層構造２６と（即ち、複合磁気フリー層）の間に配置されたスペーサ層２８を含むフリー磁気領域２２を有する。加えて、磁気エレクトロニクス情報デバイス２０は、固定磁気領域３０、及びフリー磁気領域２２と固定磁気領域３０との間に配置されたスペーサ層３２とを有する。本願において、フリー磁気領域は、印加磁場の存在下で回転するために固定されていない合成磁気モーメントを有する磁気領域を意味し、固定磁気領域は、フリー磁気領域の合成磁気モーメントを回転させる印加磁場の存在下で回転しない合成磁気モーメントを有する磁気領域を意味する。平易および明瞭のために、他の層および磁気エレクトロニクス情報デバイス２０の構造は、図１中に描かれていない。しかしながら、当業者は、付加的な層および構造が磁気エレクトロニクス情報デバイス２０に含まれ得ることを認識するだろう。例えば、固定磁気領域３０が、一つ以上の基材層（図示せず）、一つ以上のシード層（図示せず）、一つ以上のテンプレート層（図示せず）、及び／又はビット線２１で形成され、ディジット線２３が当業者に周知の磁気エレクトロニクス情報デバイス２０に近接して形成されることができる。

固定磁気領域３０は、本発明に係るあらゆる構造を有することができる。例えば、固定磁気領域３０は、多層構造、例えば、サブチェンコ参照に記載されている３層構造であることができる。また、３層を超える、若しくは３層未満の他の多層構造が固定磁気領域３０、例えば図２に示す二重層構造に使用されることができる。

図２を参照すると、固定磁気領域３０の二重層構造は、好ましくは反強磁性層３３及び強磁性層３４を含む。しかしながら、他の磁性材料が本発明に従って使用されることができる。反強磁性層３３は、あらゆる又は適切な反強磁性材料、例えばイリジウムマンガンイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、ロジウムマンガン（ＲｈＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）及び白金パラジウムマンガン（ＰｔＰｄＭｎ）を用いて形成されることができる。好ましくは反強磁性層３３上に形成される強磁性層３４は、様々な反強磁性材料、例えばニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）又はそれらの金属の組み合わせ（例えば、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）又はコバルト鉄（ＣｏＦｅ））を用いて形成されることができる。当業者に理解されるように、反強磁性層３３上に強磁性層３４を形成することは、これらの２つの層（３３，３４）の間に、強磁性層３４の磁気モーメント３６を本発明に従ってあらゆる方向であることができる一方向に固定する交換結合を提供する。当業者に周知であるように、強磁性層３４の固定磁気モーメント３６は参照磁気モーメントを提供し、参照磁気モーメントと、スペーサ層３２に隣接したフリー磁気領域の磁気モーメントとの相対配向は、図１に示す磁気エレクトロニクス情報デバイス２０を通って流れる電流に影響を与えるトンネル磁気抵抗を律則する。

図１を参照すると、一般にトンネル障壁と呼ばれるスペーサ層３２は、好ましくは固定磁気領域３０上に形成される。当業者に周知であるように、スペーサ層３２を形成する一つ以上の材料は、磁気エレクトロニクス情報デバイス２０の種類に応じて選択される。例えば、スペーサ層３２は、好ましくは磁気トンネル接合（ＭＴＪ）用の誘電材料、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成されるとともに、好ましくは巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）スピンバルブ構造用の誘電材料、例えば銅（Ｃｕ）で形成される。しかしながら、固定磁気領域３０及びフリー磁気領域２２を分離するために、他の材料及び／又は複数の材料の組み合わせが本発明に従って使用されることができる。

図３を参照すると、図１の磁気エレクトロニクス情報デバイス２０におけるフリー磁気領域２２は、本発明の典型的な実施形態に従って示される。本発明の詳細な説明で既に記載したように、フリー磁気領域２２は、第１多層構造２４、第２多層構造２６、及び第１多層構造２４と第２多層構造２６との間に配置されたスペーサ層２８を含む。第１多層構造２４は、好ましくは磁気副層（３８，４０）及びスペーサ層４２を含み、第２多層構造２６は、好ましくは磁気副層（４４，４６）及びスペーサ層４８を含む。しかしながら、フリー磁気領域２２は、二重層構造（２４，２６）以上および一つのスペーサ層２８以上で形成されることができ、第１多層構造２４は、２つの磁気副層（３８，４０）及びスペーサ層４２に層を追加して形成されることができ、第２多層構造２６は、２つの磁気副層（４４，４６）及びスペーサ層４８に層を追加して形成されることができる。

本発明の典型的な実施形態に従って、第１多層構造２４及び／又は第２多層構造２６は、合成フェリ磁性構造である。従って、磁気層（３８，４０，４４，４６）は、好ましくは強磁性層である。加えて、各磁気層（３８，４０，４４，４６）間の各スペーサ層（４２，４８）と、第１多層構造２４及び第２多層構造２６間のスペーサ層２８とは、好ましくは逆平行交換結合を提供する反強磁性結合層である。フリー磁気領域２２の逆平行交換結合を提供する反強磁性結合層は、特定のスペーサの厚さで一次および二次の反強磁性ピークを有する振動交換結合を示す様々な材料、例えばルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、レニウム（Ｒｅ）、クロム（Ｃｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）又はそれらの組み合わせで形成されることができる。磁気層（３８，４０，４４，４６）を形成する強磁性層は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びニッケル（Ｎｉ）の組み合わせからなる合金、例えばニッケル鉄（ＮｉＦｅ）を用いて形成されることができる。

第１多層構造２４の各磁気層（３８，４０）間のスペーサ層４２と、第２多層構造２６の各磁気層（４４，４６）間のスペーサ層４８とが、第１多層構造２４の磁気層（３８，４０）及び第２多層構造２６の磁気層（４４，４６）の間に、互いに平行な各多層構造の磁気層のモーメントを飽和させる磁界である第１飽和磁界（Ｈ^１ _ｓａｔ）及び第２飽和磁界（Ｈ^２ _ｓａｔ）によってそれぞれ定量化される強力な反強磁性交換結合を提供するようにフリー磁気領域２２が構成される。加えて、第１多層構造２４及び第２多層構造２６の間に、第１多層構造２４の磁気層（３８，４０）及び第２多層構造２６の磁気層（４４，４６）間の交換結合に比べて弱く、且つ多層構造２６の純モーメントと平行な多層構造２４の純モーメントを飽和させる磁界である第３飽和磁界（Ｈ^３ _ｓａｔ）によって定量化される反強磁性交換結合が存在するように、第１多層構造２４及び第２多層構造２６間にスペーサ層２８が構成される。従って、第３飽和磁界（Ｈ^３ _ｓａｔ）は、第１飽和磁界（Ｈ^１ _ｓａｔ）及び第２飽和磁界（Ｈ^２ _ｓａｔ）に比べて小さい。本発明の一つの典型的な実施形態に従って、第１多層構造２４及び第２多層構造２６の間のスペーサ層２８によって提供される交換結合は二次交換結合であり、第１多層構造２４及び第２多層構造２６の各磁気層（３８，４０，４４，４６）間の交換結合は一次交換結合である。

本発明の詳細な説明における上述のようなフリー磁気領域２２の交換結合構造は、磁気副層（３８，４０，４４，４６）の磁気モーメント（５０，５２，５４，５６）由来の純磁気モーメントを示すために形成される。通常、第１多層構造２４の一つの磁気副層３８には、第１の方向および第１の大きさを有する第１磁気モーメント５０が組み込まれており、第１多層構造２４の他の磁気副層４０には、第１の方向以外の方向である第２の方向および第１の大きさよりも小さい第２の大きさを有する第２磁気モーメント５２が組み込まれている。好ましくは、第２の方向は第１の方向のほぼ反対（即ち、約１８０度（１８０°）回転した方向）である。しかしながら、第１多層構造２４の磁気副層（３８，４０）は、本発明に従って他の方向を有することができる。

同様に、第２多層構造２６の一つの磁気副層４６には、第１の方向および第１の大きさを有する第１磁気モーメント５６が組み込まれており、第２多層構造２６の他の磁気副層４４には、第１の方向以外の第２の方向および第１の大きさよりも小さい第２の大きさを有する第２磁気モーメント５４が組み込まれている。好ましくは、第２の方向は第１の方向のほぼ反対である。しかしながら、第２多層構造２６の磁気副層（４４，４６）は、本発明に従って他の方向を有することができる。

各磁気副層（３８，４０，４４，４６）の磁気モーメント（５０，５２，５４，５６）の相対的な大きさ、第１多層構造２４及び第２多層構造２６間の交換結合の強さ、及び第１多層構造２４及び第２多層構造２６の各磁気副層（３８，４０，４４，４６）間の交換結合の強さは、好ましくは、各磁気副層（３８，４０，４４，４６）の厚さ（５８，６０，６２，６４）のばらつき、及び各スペーサ層（２８，４２，４８）の厚さ（６６，６８，７０）のばらつきによってもたらされる。即ち、一例として、第１多層構造２４の第１の厚さ５８を有する一つの磁気副層３８が形成され、第１の厚さ５８は、一つの磁気副層３８の磁気モーメントの大きさが他の磁気副層４０の磁気モーメントの大きさよりも大きいように、第１多層構造２４の他の磁気副層４０の第２の厚さ６０よりも大きい。加えて、第２多層構造２６の第１の厚さ６２を有する一つの磁気副層４６が形成され、第１の厚さ６２は、一つの磁気副層４６の磁気モーメントの大きさが他の磁気副層４４の磁気モーメントの大きさよりも大きいように、第２多層構造２６の他の磁気副層４４の第２の厚さ６４よりも大きい。更に、第１多層構造２４及び第２多層構造２６の間のスペーサ層２８の厚さ７０は、第１多層構造２４の各磁気副層（３８，４０）間のスペーサ層４２の厚さ６６と、第２多層構造２６の各磁気副層（４４，４６）間の厚さ６８とに比べて大きい。

例えば、各磁気副層（３８，４０，４４，４６）間の各スペーサ層（４２，４８）は、ルテニウム（Ｒｕ）によって約０．６〜１．０ｎｍ（約６〜１０Å）の厚さ（６６，６８）に形成され、第１多層構造２４及び第２多層構造２６間のスペーサ層２８は、ルテニウム（Ｒｕ）によって約１．６〜２．１ｎｍ（約１６〜２１Å）の厚さ６８に形成され得る。この実施例において、第１多層構造２４の一つの磁気副層３８の第１の厚さ５８、及び第２多層構造２６の一つの磁気副層４６の第１の厚さ６２は約４．０〜５．０ｎｍ（約４０〜５０Å）であり、第１多層構造２４の他の磁気副層４０の厚さ６０、及び第２多層構造２６の他の磁気副層４４の他の厚さ６４は約３．０ｎｍ（約３０Å）である。

図４に示すように、フリー磁気領域の構造は、第１多層構造の各磁気モーメント（５４，５６）間に強力な交換結合（即ち、反強磁性交換結合）を提供し、第２多層構造の各磁気モーメント（５０，５２）間に強力な交換結合を提供し、且つ第１多層構造と第２多層構造との間に比較的弱い交換結合を提供する。このように、各多層構造は、図５に示されるような各多層構造における不平衡磁気モーメントの正味の差であるより小さい純磁気モーメントを有する単層材料の特性を示す。引き続き図４を参照すると、各磁気モーメント（５０，５２，５４，５６）の組み合わせ、及び磁気副層と関連する交換結合は、不平衡複合フリー層（例えば、合成反強磁性（ＳＡＦ）フリー層）をもたらし、該複合フリー層は、２つの多層構造間の比較的弱い交換を有する低い実効磁気モーメントを示すとともに、サブチェンコ参照におけるフリー層などの単一のフリー層として作用することができる。より低い実効磁気モーメントは形状の異方性に起因する効果を減少させ、磁気切り替え領域における増加を可能な範囲内で最小化する間、磁気記憶素子の全容積が増加され得る。

当業者に理解され得るように、本発明のフリー磁気領域の構造は、多数の利益を提供する。例えば、様々な多層構造、磁気副層、及びスペーサ層は、従来技術の３層ＳＡＦフリー層よりも小さい磁気モーメントを有するフリー磁気領域を形成する。これにより、磁気エレクトロニクス情報デバイスの磁気状態を切り替えるために使用される電流量を大きく増加させることなく、より小さな寸法に縮小された磁気エレクトロニクス情報デバイスを製造することができる。

上述の本発明の詳細な説明において少なくとも一つの典型的な実施形態が示されているが、膨大な数の変更が存在することを理解する必要がある。また、前記典型的な実施形態は一つの実施例であり、形はどうあれ、本発明の範囲、用途、又は構造を制限するものではない。むしろ、上述の詳細な説明は、発明の典型的な実施形態を使用するのに便利なロードマップを当業者に提供する。添付された特許請求の範囲で説明されているように、本発明の範囲から逸脱することなく、典型的な実施形態に記載された各要素の機能および配置において様々な変更が行われることが理解される。

本発明の典型的な実施形態に係る磁気エレクトロニクス情報デバイスの説明図。 本発明の典型的な実施形態に係る図１の磁気エレクトロニクス情報デバイスの固定磁気領域の説明図。 本発明の典型的な実施形態に係る図１の磁気エレクトロニクス情報デバイスのフリー磁気領域の説明図。 図３のフリー磁気領域の磁気モーメントの説明図。 図４の不平衡磁気モーメントの正味の差の説明図。

Claims (4)

1. フリー磁気領域及び固定磁気領域を備えた磁気エレクトロニクス情報デバイスであって、前記フリー磁気領域は、
   第１磁気副層、第２磁気副層、並びに該第１磁気副層および該第２磁気副層の間に配置された第１スペーサ層を備える第１多層構造であって、前記第１スペーサ層が、該第１磁気副層および該第２磁気副層の間に第１反強磁性交換結合を提供する前記第１多層構造と、
   第３磁気副層、第４磁気副層、並びに該第３磁気副層および該第４磁気副層の間に配置された第２スペーサ層を備える第２多層構造であって、前記第２スペーサ層が、該第３磁気副層および該第４磁気副層の間に第２反強磁性交換結合を提供する前記第２多層構造と、
   該第１多層構造および該第２多層構造の間に配置された第３スペーサ層であって、該第１多層構造および該第２多層構造の間に第３反強磁性交換結合を提供する前記第３スペーサ層とを備え、
   前記第３反強磁性交換結合の強さは、前記第１反強磁性交換結合の強さ及び前記第２反強磁性交換結合の強さより小さく、
   前記固定磁気領域および前記第１磁気副層の間に、前記固定磁気領域及び前記フリー磁気領域を分離するための第４スペーサ層と、
   前記フリー磁気領域の近傍に配置されたビット線と、
   前記固定磁気領域の近傍に配置されたディジット線とをさらに備える磁気エレクトロニクス情報デバイス。
2. 前記第４スペーサ層が誘電体である請求項１に記載の磁気エレクトロニクス情報デバイス。
3. 前記第４スペーサ層が導体である請求項１に記載の磁気エレクトロニクス情報デバイス。
4. フリー磁気領域および固定磁気領域を備えた磁気エレクトロニクスランダムアクセスメモリ素子であって、前記フリー磁気領域は、
   第１強磁性副層、第２強磁性副層、並びに該第１強磁性副層および該第２強磁性副層の間に配置された第１逆平行交換結合スペーサ層を備える第１合成フェリ磁性フリー副層であって、前記第１逆平行交換結合スペーサ層が、該第１強磁性副層および該第２強磁性副層の間に第１逆平行交換結合を提供する前記第１合成フェリ磁性フリー副層と、
   第３強磁性副層、第４強磁性副層、並びに該第３強磁性副層および該第４強磁性副層の間に配置された第２逆平行交換結合スペーサ層を備える第２合成フェリ磁性フリー副層であって、前記第２逆平行交換結合スペーサ層が、該第３強磁性副層および該第４強磁性副層の間に第２逆平行交換結合を提供する前記第２合成フェリ磁性フリー副層と、
   該第１合成フェリ磁性フリー副層および該第２合成フェリ磁性フリー副層の間に配置された第３逆平行交換結合スペーサ層であって、該第３逆平行交換結合スペーサ層が、該第１合成フェリ磁性フリー副層および該第２合成フェリ磁性フリー副層の間に第３逆平行交換結合を提供する前記第３逆平行交換結合スペーサ層とを備え、
   前記第３逆平行交換結合の強さは、前記第１逆平行交換結合の強さ及び前記第２逆平行交換結合の強さより小さく、
   前記フリー磁気領域の近傍に配置されたビット線と、
   前記固定磁気領域の近傍に配置されたディジット線とをさらに備える磁気エレクトロニクスランダムアクセスメモリ素子。

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