JP6063381B2 - 書込み可能な磁気素子 - Google Patents

Description

本発明は、書込み可能な電流誘導反転型の磁気素子を提供する。

層又は微細磁気素子の磁化は、通常、磁場を印加することによって反転される。磁場の方向は、磁化を或る方向に向けることが望ましいのか又は別の方向に向けることが望ましいのかに応じて変わる。磁気トラックへの又はコンピューターハードディスクへの書込みは、以下の原理に基づく。すなわち、磁場を３次元的に局所に限定するように、反転させるための素子を磁場発生器の物理的に近くに置く。磁場をデバイスに集中することに関して数々の問題を発生させるのは、磁場の、本質的に３次元的に局所に限定されていないという構造によるものであるからに他ならない。したがって、機械的な作用が可能でないか、又は望まれない場合に、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）として知られている固体磁気メモリ、又は論理デバイスの場合、磁場がターゲットのセルのみに作用し、そのセルの近傍には影響を与えないほど十分に磁場を収束することが必要である。この問題は、様々なメモリセル又は論理セルが、それらの密度を増加させるために互いに非常に近くに配置されている場合に、深刻さが増してくる。

スピン偏極電流により磁化を操作することの可能性が、１９９６年に初めて理論的に論証され、この問題に対する最初の解決法を提供した。メモリ点の磁化を操作する目的のために、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）と呼ばれるこの物理原理は、非磁性体の金属（スピンバルブ型構造の場合）又は絶縁体（磁気トンネル接合型構造の場合）によって分離された少なくとも２つの磁性層の存在を必要とし、その２つの層は共線的でない磁化を有している。詳細な物理的説明は、スピンバルブ構造が含まれるのか、磁気トンネル接合構造が含まれるのかに基づいて異なるが、概要としては、電流は、第１の磁性層を通過するとスピン偏極し、そのとき、電流偏極の非共線成分によって、第２の層の磁化にトルクを及ぼす。電流密度が十分に高い場合、第２の磁性層の磁化は、スピンバルブの場合と磁気トンネル接合の場合との双方で反転され得る。

例えば、２００６年３月７日に公開された特許文献１及び２００９年５月２１日に公開された特許文献２で説明されているように、書込み電流は必然的に層平面に垂直に接合を通過する必要がある。

サブマイクロメーターサイズの磁気素子の磁化を電流によって局所的に操作するこの機能により、応用の可能性が直ちに広がる。現在、業界関係者らは、ＭＲＡＭメモリセル及び論理部品に関する新規のアーキテクチャにこの原理を組み込むことを探求している。

現在、そのような団体は、相互に関係していると思われる様々な困難に直面している。

ＳＴＴによる反転では、メモリ点（memory point）に、非磁性のスペーサーによって分離されている少なくとも２つの磁性層が存在することが必要である。上述のように、書込みは高密度電流を積層全体を通過して磁性層の平面に垂直に注入することによって、実行される。読出しは、積層の磁気抵抗、すなわちスピンバルブの場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、磁気トンネル接合の場合はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）によって実行される。現在、全て、又はほとんど全ての応用形態は、磁気トンネル接合を用いることに基づいている。したがって、ＧＭＲ信号は数パーセントにすぎないが、ＭｇＯに基づく接合部からのＴＭＲ信号は通常１００％より大きい。それにもかかわらず、トンネル接合は、抵抗に面積を乗じた積（ＲＡ）に関して大きな値を示すという不都合がある。したがって、ＳＴＴ反転に必要とされる、１０^７アンペア毎平方センチメートル（Ａ／ｃｍ^２）の通常の電流密度に対して、接合部のエッジの電圧は、ＲＡが１００オーム平方マイクロメートル（Ω・μｍ^２）の場合で１０ボルト（Ｖ）、ＲＡが１０Ω・μｍ^２の場合で１Ｖ、ＲＡが１Ω・μｍ^２の場合で０．１Ｖである。最小値である場合は別として、接合部で散逸される電力は、このとき、大きくなり、エネルギー消費という点と、その接合部にダメージを与えるという点との双方に関して有害である。さらに、読出しにおいて有用なＴＭＲの高い値は、多くの場合、ＲＡに関して高い値を示す積層によって得られる。これが、現在の研究が高ＴＭＲ値と小ＲＡ値とを示すトンネル接合を得ることを追求している理由である。加えて、接合部のエッジでの比較的小さな電圧値に対してさえ、動作時に電圧のサイクルに起因して接合部のエージングが加速される現象が観察されている。現在、数々の研究が、現存の構成において材料を最適化することと、書込みの問題と読出しの問題とを可能な限り分離することを可能にする、新たな構成を、例えば３端子を有する構成を用いること等によって規定することとの双方の点に向けられている。

要約すると、既知のＳＴＴデバイスにおいては書込みと読出しの２つの現象が本質的にリンクしているので、書込みと読出しの２つの現象を独立に最適化することが不可能であることに難点が存在している。

上述のように、上記難点から生じる１つの難点は、書込みは電流が積層を非常に高い密度で通過することを必要とすることにある。

このリンクに固有の更に別の難点は、積層のより一層大きな複雑性から生じる。このため、磁化を保存するために、ＳＴＴ効果が、反転されることになる層内でのみ感受されることが望まれる場合は、例えば、反強磁性の材料との交換結合によって他の層を安定させることが必要である。すなわち、ＳＴＴ注入の大きさを増加させることが望まれる場合は、偏極層を最適化することが必要であり、感受層上に放射される磁場を減少させることが望まれる場合は、例えば人工の反強磁性体の二重層を用いることが必要である、等である。

結果として、ＭＲＡＭのセル、又は論理部品の通常の磁気積層は、様々な材料の１０層又は１５層を超える異なる層を有する場合がある。その場合、このことが構造化する工程中、特にエッチング工程中の困難を生じさせ、そのような磁気積層を集積する場合の主要な障壁事項の１つになっている。

別の研究分野は、局所電界によって磁化を操作することである。これは、外部の電界によって、印加された磁場によって磁化が反転されることで、材料の異方性を変更することにより部分的に達成することができる。そのような技法の１つが、非特許文献１の論文に説明されている。

現在、この技法は、材料の磁気異方性を減少させることのみを可能とする。このとき、書込み及び読出しのプロセスは上述のプロセスと同じであり、同じ問題点を有している。

米国特許第７，００９，８７７号 米国特許出願公開第２００９／１２９１４３号

T.Maruyama他「Large voltage-induced magnetic anisotropy charge in a few atomic layers of iron」（Nature Nanotechnology, Vol. 4, March 2009 - Macmillan Publishers Ltd.）

本発明の目的は、磁化を反転させるために（その平面に垂直な磁化を有する）磁性層が存在することだけを必要とし、積層が層の垂直に書込み電流を流すことを必要とすることなく動作する磁気的に書込み可能な素子を提供することである。

このため、本発明は、書込み磁性層を提供する層の積層を備える書込み可能な磁気素子であって、
前記積層が、少なくとも１つの磁性材料の中央層であって、該少なくとも１つの磁性材料は該中央層の平面に垂直な磁化の方向を提供する、中央層を有し、該中央層は前記書込み磁性層を構成し、非磁性材料の第１の外側層と第２の外側層との間に挟まれ、前記第１の外側層は第１の非磁性材料を含み、前記第２の外側層は、前記第１の非磁性材料とは異なる第２の非磁性材料を含み、少なくとも前記第２の非磁性材料は導電性であることと、
該磁気素子が、一方で、前記第２の外側層及び前記中央層のみを通って、並びに前記第１の外側層が導電性の場合のみ、場合によっては該第１の外側層を通って書込み電流を流すデバイスであって、該書込み電流は少なくとも前記中央層の前記平面に平行な電流の方向に流れる、デバイスと、他方で、前記書込み電流が存在するとき、前記中央層の前記平面に垂直な磁場の方向に沿って書込み磁場を印加するデバイスとを備えることを特徴とする、書込み磁性層を提供する層の積層を備える書込み可能な磁気素子を提供する。

前記メモリは前記印加された書込み磁場の前記方向に作用することによって、いずれか一方の方向に書き込まれる。

中央層のパネルに垂直な磁化は、中央層の材料の本質的な異方性、又は例えば上記材料の界面によって生じる異方性の結果として得られる。

電流は磁性層に平行に流れ、層に垂直に積層内を通過せず、メモリには、上記電流が存在するとき、特に電流パルスが存在するとき、印加される磁場の方向に作用することによって０又は１を書き込むことができる。

以下で説明するように、本発明は、ラシュバ場に起因する有効磁場と、局所磁化に作用するｓ−ｄ交換相互作用とを利用する。上記磁場は以下でスピン軌道場と呼ばれる。スピン軌道場は、積層の非対称性に起因して、電流、及び界面の平面に垂直な電界の双方に直交し、このため、本発明の形状において積層の異方性の方向に直交し、これによって２つの安定した磁化構成を分離するエネルギー障壁を低下させることが可能になる。印加される磁場は、磁化が配向される方向に配向される。この磁場の大きさは、電流が存在しないときに磁化を反転させるのに十分でないが、電流が存在するときに磁化を反転させるのに十分である。

中央層は、有利には、０．１ナノメートル（ｎｍ）〜５ｎｍの範囲内の厚さを有し、好ましくは２ｎｍ以下である。

中央層は、有利には、磁化の方向が層の平面に対して垂直である場合、中央層はそれ自体の垂直磁気異方性を提供する磁性化合物、すなわち、詳細にはＦｅＰ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、又は更には、希土類元素、及び同様にそれ自体垂直磁気異方性を提供する、ＧｄＣｏ若しくはＴｄＦｅＣｏ等の遷移金属合金を含む。

中央層は、有利には、界面によって誘導される垂直磁気異方性を提供する金属又は合金、特にＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＣｏＮｉを含む。

少なくとも１つの導電性外側層は、有利には、非磁気金属、特にＰｄ、Ｃｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｗ又はこれらの金属の合金で作られる。このような導電性層の厚さは、例えば、０．５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内、より詳細には０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内にあり、好ましくは５ｎｍ以下である。この層の厚さは、中央層の厚さとは無関係に選択することができる。

第１の外側層が非導電性である場合、第１の外側層は有利にはＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ等の誘電性の酸化物であるか、又はＳｉＮ_ｘ、ＢＮ_ｘ等の誘電性の窒化物である。この外側層の厚さは、例えば０．５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内、より詳細には０．５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とすることができ、特に記憶素子がトンネル磁気抵抗信号によって読み出される場合は、好ましくは３ｎｍ以下である。

双方の外側層は、導電性とすることができるが、このとき外側層は上記非磁性金属又は金属合金のうちの２つの異なるものから選択される。

電流密度は、例えば１０^４Ａ／ｃｍ^２〜１０^９Ａ／ｃｍ^２の範囲内、有利には１０^５Ａ／ｃｍ^２〜１０^８Ａ／ｃｍ^２の範囲内にある。

磁場は、２０エールステッド（Ｏｅ）（０．００２テスラー（Ｔ））〜１００００Ｏｅ（１Ｔ）の範囲内、有利には５０Ｏｅ（０．００５Ｔ）〜８００Ｏｅ（０．８Ｔ）の範囲内にある値を提供することができる。

第１の外側層は、磁性材料の読出し層及び読出し電極で覆うことができる。

第１の外側層が非磁性金属で作られる場合、第１の外側層は、読出し層、読出し電極及び中央磁性層と共同してスピンバルブを形成する。第１の外側層の厚さは、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ未満である。

第１の外側層が誘電体である場合、第１の外側層は、上記読出し層、読出し電極及び中央層と共同して磁気トンネル接合を形成する。第１の外側層の厚さは５ｎｍ未満、例えば０．５ｎｍ〜５ｍｍの範囲で、好ましくは３ｎｍ未満である。

第１の外側層と中央層とがブロックを形成し、一方、第２の外側層はトラックを形成する場合がある。

一変形の実施の形態において、第２の外側層は、ブロックの一部を形成する追加の厚さの領域を含む。

本発明は、複数の上記ブロックを含む、書き込み可能な磁気デバイスを提供し、この磁気デバイス内では、第２の外側層はブロックに共通である上記トラックによって構成される。

代替的には、磁気的に書込み可能なデバイスは、第１の外側層、中央層、及び第２の外側層がブロックを形成することと、書込み可能な磁気デバイスが、複数の上記ブロックを、上記ブロックの第２の外側層と隣接する導電性トラックとともに有し、上記ブロックの各々の第２の外側層及び中央層を通して上記電流を注入し、各第２の外側層は、導電性トラックの材料と異なる導電性材料で作られることとを特徴とする。

図面を参照しながら以下の説明を読むことにより、本発明をより良好に理解することができる。

本発明の一実施態様を示す図である。 本発明の一実施態様を示す図である。 本発明の一実施態様を示す図である。 本発明の一実施態様を示す図である。 本発明の一実施態様を示す図である。 本発明の一実施態様を示す図である。 ＭＲＡＭ型磁気メモリセルに集積された一実施形態を示す図である。 ＭＲＡＭ型磁気メモリセルに集積された一実施形態を示す図である。 メモリアーキテクチャーを説明するために複数の記憶素子を示す一実施形態を示す図である。 メモリアーキテクチャーを説明するために複数の記憶素子を示す一実施形態を示す図である。 メモリアーキテクチャーを説明するために複数の記憶素子を示す一実施形態を示す図である。 メモリアーキテクチャーを説明するために複数の記憶素子を示す一実施形態を示す図である。 一次元アレイ又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、本発明による磁気素子の集積の一例を示す図である。

本発明に関連して実施される積層、すなわち中央磁性層が磁性体でない２つの外側層間に挟まれていて、その２つの層のうちの少なくとも１つは導電性であり、２つの外側層が異なる材料からなるこの積層は、中央磁性層において非補償の電界を発生させる反転非対称性（inversion asymmetry）を生じさせる効果を有する。この電界中を伝搬する電子は自身の座標系において、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、導電性層内を流れる電流と電界との双方に対して垂直である。こうして、この磁場は伝導電子に印加される。

本発明者らは、ラシュバ場と遍歴電子及び局在化電子のスピンを結合するｓ−ｄ交換相互作用とからの結果としての有効磁場（スピン軌道磁場と呼ばれる）が局所磁化に印加されることを示した。

上に述べたように、Nature Materials（vol.9, p.230-234（2010））に掲載された、Ioan Mihai Miron他による「Current-driven spin torque induced by the Rashba effect in a ferromagnetic metal layer」と題する論文は、３ｎｍ厚のＰｔの層と、その平面に対して垂直な磁化、したがって、ｚ軸に平行な磁化を有する０．６ｎｍ厚のＣｏの層と、ｘ軸に平行に流れる電流を運ぶ２ｎｍ厚のＡｌＯ_ｘの層とを有する積層を示している。この積層化は座標系の第３の軸、すなわちｙ軸に沿った有効磁場Ｈ_ｅｆｆ（又はスピン−軌道場）を提供する。したがって、この構成は磁場が層の磁化と共線的ではないので、メモリを作製するには不適切である。

それにもかかわらず、本発明者らは、このスピン軌道磁場によって、磁性層の磁化を反転させるために必要な印加される磁場を、予期しない形で減少させることができることを示した。本発明者らが理解しているように、２つの安定した垂直磁化構成間のエネルギー障壁は、電流が反転対称性を呈する構造に注入されるとき、スピン軌道磁場を利用することによって低下される。このとき、これらの２つの安定した構成間の磁化の反転に必要な印加される磁場は、注入電力が存在しないときの値と比べて減少される。このため、印加される磁場の方向は、磁化を配向させることが望ましい方向である。

図１ａ〜図１ｆは、本発明の実施態様を示している。この実施態様では、印加される磁場の方向は電流の方向及びスピン軌道場の方向に垂直であり、磁性中央層の平面に垂直な磁化の方向に平行である。

参照符号１５は構造体の短絡を避けるための絶縁体である基板を示している。この基板は、特に誘電性酸化物（例えばＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ）又は窒化物、例えばＳｉＮ_ｘによって構成することができる。この基板は、基板単独でもよいし、他の何らかの基板、例えばシリコンの上に堆積することもできる。

参照符号１３は平面に対して垂直な磁化の平面磁性層を示す。参照符号１６は、或る方向又は反対の方向で存在することができる磁化の配向を示す。

参照符号１２は第１の非磁性外側層を示し、参照符号１４は第２の非磁性外側層を示す。第２の外側層１４は書込み電流が流れる層である。

参照符号１１は、層１３の平面に平行な電流の方向を示し、参照符号１７は印加される磁場の配向を示す。磁場の配向は、磁化の方向と平行であり、したがって中央層１３の平面と垂直であり、同じ方向又は反対の方向に存在することができる。

図１ａ及び図１ｂは、非構造化積層を示す。非構造化積層内の積層の層１２、１３、及び１４はトラックを形成する。

図１ｃ〜図１ｆは、構造化積層を示す。構造化積層内では層１４は導電性であり、磁性層１３及び非磁性層１２だけが構造化される層であり、これによりブロック１８ａ（図１ｃ及び図１ｄ）を形成するか、又は構造化積層内の３つの層１２、１３、及び１４は構造化され、導電性層１４の追加の厚さ１４’を集積することにより、ブロック１８ｂを形成する。これにより、ブロックは非磁性材料の層１４の厚さの小部分含む（図１ｅ及び図１ｆ）。第２の外側層に考慮すべき厚さは、層１４の厚さに追加の厚さ１４’を適切にプラスしたものである。

追加の厚さ１４’の領域は必ずしも層１４と同じ導電性材料で作られている必要はなく、この場合、第２の非磁性外側層としてふるまうのは追加の厚さ１４’だけであり、反転非対称性を得るためにスタック内で機能を果たすのは追加の厚さ１４’の材料であることに留意すべきである。この場合、層１４の金属性材料は、任意の材料とすることができる。

ブロック１８ａ又は１８ｂを形成することにより、ブロックの中の磁化のみを反転することが可能になる。そうでない場合は、トラックの長さ全体にわたって磁化が反転されてしまうからである。

磁性層１３は垂直の磁化を表し、その厚さはかなり薄い。このため界面に起因する電界は無視できない。上記厚さは、通常は２ｎｍを超えることはなく、最大でも５ｎｍである。例えば、磁性材料自体の垂直磁気異方性に起因して垂直の磁化を示す磁性材料（ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、...等の合金； ＧｄＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、．．．等の希土類及び遷移金属の合金）、又は界面によって誘導される垂直磁気異方性を示す磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＣｏＮｉ、．．．）の全てを用いることができる。例えば、磁性半導体材料、例えばＧａＭｎＡｓ（すなわちＭｎドープのＧａＡｓ）等の非金属性の磁性材料等を採用することも可能である。既知の磁性半導体材料は周囲より低い温度でのみ磁性体であるということに留意すべきである。

磁性材料の垂直異方性が界面によって誘導されるとき、例えば上記外側酸化物層の堆積パラメーターを変更するか、又は積層を作製した後にアニールを実施することにより、中央層の厚さに対して、及び／又は外側酸化物層の酸化状態に対して作用することによって、平面に対して垂直な磁化を得ることが可能である。

例：２ｎｍ厚のＰｔ導電性層１４と、１ｎｍ厚のＣｏ中央層１３と、ＡｌＯ_ｘ層１２とを備える積層は、このＡｌＯ_ｘの所与の酸化状態に対して、垂直な層磁化を提供し、一方、Ｃｏ層の厚さが１．５ｎｍに等しい場合、磁化は平面内にある。積層が真空中で３００℃において６０分間アニールされる場合は、Ｃｏ中央層１３の磁化は平面に対して垂直である。Ｃｏ層の厚さが３ｎｍより厚いと、層１２がＡｌＯ_ｘで作られている場合、アニール又は酸化パラメーターにかかわらず、平面の外部で磁化を得るのは不可能である。しかしながら、層１２に用いられる誘電体がＭｇＯ_ｘである場合、中央層の３ｎｍ以上の厚さについても、垂直の磁化を得ることが可能である。

様々な酸化物（ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＳｉＯ_ｘ）の磁気特性に与えるコバルト層の厚さの影響は、IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 46, No. 6, June 2010において掲載されたJae Chul Lee他による論文「Domain patterns and magnetization reversal behaviors in oxide/Co/Pt films」内で説明されている。

Ｐｔ／Ｃｏ／ＡｌＯ_ｘ三層における磁気特性に与える酸化及びアニールの影響は、Physical Review B 79 024423 (2009)において掲載されたB.Rodmacq他による論文「Influence of thermal annealing on the perpendicular magnetic anisotropy of Pt/Co/AlO_x trilayers」内で説明されている。

プラチナ/コバルト/金属酸化物三層積層におけるコバルト層の磁気特性に与える酸化物層の酸化状態の影響は、Journal of Applied Physics 104, 043914 (2008)において公開されたA.Manchon他による論文「Analysis of oxygen induced anisotropy crossover in Pt/Co/MO_x trilayers」内で説明されている。

構造内全体に反転非対称性を作り出すために、２つの非磁性層１２及び１４は異なるものである必要がある。有利には、２つの異なる材料は、これらの層の層ごとに、例えば２つのうちの一方に対しては誘電体が選択され、他方に対しては金属が選択されるが、それらの各々に対して金属を選択することも可能である。構造がブロックではなくトラックを形成する場合のみ、層１２及び１４の双方を誘電体とすることが可能である。このとき、トラックからなる中央層１３内を直接電流が流れるようにすることが可能である。

したがって、２つの非磁性層１２及び１４の各々は、それらの層が異なるとともに積層全体（層１２、１３及び１４）が垂直の磁化を有するという条件下で、以下の材料、すなわち、誘電性酸化物（ＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ，ＭｇＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＨｆＯ_ｘ、．．．）と、誘電性窒化物（ＳｉＮ_ｘ、Ｂｎ_ｘ、．．．）と、非磁性金属（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｗ．．．）と、これらの金属の非磁性合金と、任意選択で有機半導体化合物（必要な場合、成長バッファ（buffer）、例えばイリジウム等の金属に関連付けられた、例えばＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ又はグラファイト）とで構成することができる。

非磁性層の一方又は他方が導電性である場合、２つの外側層は同じ組成であってはならない。

層１２及び１４の厚さは、広範囲の値にわたって選択することができ、通常は０．５ｎｍ〜２００ｎｍの厚さであり、より詳細には０．５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内とすることができる。図２ａ及び図２ｂに示すように、層１２が絶縁層である場合、メモリ点がトンネル磁気抵抗信号によって読み出される場合を除いて、例えば磁性層及び電極を上記絶縁層の上に付加することによって、層１２が重大な値、通常は１００ｎｍに達する値であっても害はない。そのような状況下では、絶縁層の厚さは、３ｎｍ未満となるように選択されることが好ましい。金属で作られた層１２及び／又は１４を有する場合、これらの導電性チャネルが並列である結果として磁性層を通過する有効電流が過度に少なくなることを避ける一方で、他方でメモリ点が巨大磁気抵抗信号によって読み出されることを可能にするために、それらの金属層は薄く、通常５ｎｍ厚未満、一般的には１０ｎｍ厚未満であることが好ましい。

これらの様々の層は、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することができる。

或る特定の形状では、層１４を省くことができる。このとき、磁性層１３は（非磁性層として働く）絶縁基板１５の上に直接堆積すべきであり、非磁性層１２は反転非対称性を有するように、すなわち基板１５を構成する材料とは異なる材料から選択されるべきである。それにもかかわらず、ブロックが構造化される場合、構造化されたブロック（ここでは１８ａ及び１８ｂ）に電流を注入することができるように、層１４が存在し、導電性の材料で構成されなければならないことに留意すべきである。そのような状況下では、追加の厚さ部分１４’も導電性でなければならない。これにより、ラシュバ場を生成し、磁性中央層１３に電流を注入することを可能にするために、層１２と組合せて、求める反転非対称性が生成される。

反転される素子は、示されているトラック（図１ａ及び図１ｂ）であるか、又はトラック内に取付けられるか若しくは構造化されるブロック（図１ｃ〜図１ｆ）であるかにかかわらず、導電性電極に既知の方法で接続される。これにより、電流が方向１１に沿って注入される。

磁化の方向と共線的に、かつ磁化を配向させることが望ましい方向に印加された磁場は、電流パルスが存在しないときに磁化を反転するのに十分でないが、電流パルスが存在するときに磁化を反転するのに十分な大きさを有する。このため、磁場は、電流パルスと正確に同期しているか、又は電流パルスよりも短い持続時間のパルスの形態で提供し、電流パルス内に含めることもできるし、パルスの持続時間は電流パルスの持続時間よりも長くすることもでき、この解決法は、印加時に統合されるのがより簡単である場合がある。

このため、そのような状況下で、電流注入の方向は任意に選択することができ、双方の方向が異方性障壁を下げることに同様の効果を有する。

定電流を用いて、所望の方向に磁場を生成することも可能であるが、この解決法は、電気消費の観点からあまり有利でない。なぜならば、磁化は電流が存在しないときに安定し、書込みステップ中を除いて、導電性層内に電流を印加する必要がないためである。このため、定電流が用いられるとき、２つの磁化状態（上方及び下方）間のエネルギー障壁は常に低下され、これによって望ましくない磁化のフリップが生じるリスクがある。

印加される磁場値は、材料の異方性、材料の保磁場、及び注入電流密度と関連付けられている。通常、この磁場は、２０Ｏｅ（０．００２Ｔ）〜１０ｋＯｅ（１Ｔ）の範囲内、より詳細には、０．００５Ｔ〜０．８Ｔの範囲内に存在することができる一方、電流密度は、１０^２Ａ／ｃｍ^２〜１０^９Ａ／ｃｍ^２の範囲内、より詳細には、１０^５Ａ／ｃｍ^２〜１０^８Ａ／ｃｍ^２の範囲内に存在することができる。

書込みステップ中に適用される電流密度が高くなると、磁化を反転させるために印加する必要がある磁場の値が低くなる。

磁場はまた、様々な方法で印加することができ、例えば単にコイル内を流れる電流を用いてデバイス全体にわたる全体磁場を生成するようにして印加する（この場合、電流注入によってエネルギー障壁が低下されたブロック（メモリ点）のみが反転される）こともできるし、従来技術のＭＲＡＭメモリにおいて用いられる種類の電流を搬送するトラックによって印加する（反転は磁場によって生じる）こともできる。

図２ａ及び図２ｂはＭＲＡＭメモリセルにおいて使用可能な積層の例を示している。

参照符号５３は、電気的に絶縁である基板５５について上述したように、積層を作るために２つの異なる非磁性材料５２及び５４間（任意選択の追加の厚さ５４を有する））に挟まれた磁性中央層を示している。

参照符号５７は印加される外部磁場の軸を示している。この磁場は、所望の書込みについて探索された方向に応じていずれかの方向に印加することができる。

読出しの目的で、積層の上方に、磁性材料の層５８と１つ又は複数の導電性層（磁性的又は非磁性的とすることができる）を含むことができる上部電極５９とが配置されている。

層５８の機能は、構造５３、５２、及び５８が、層５３の磁化の方向５６に基づいて異なる電気抵抗値を呈すること（磁気抵抗信号）を可能にすることである。これは読出しのみに関することであり、層５３の磁化を操作することには影響しない。

言い換えると、書込み及び読出しは独立して規定され、別々に最適化することができる。

電極５９は１つの層を備えることができるか、又は従来の方法では異なる機能の層の積層を備えることができる。例えば、電極５９は以下の物、すなわち、
操作されることになる層５３に向けて放射される磁場を制限するように合成の反強磁性（synthetic antiferromagnetism）を画定している積層、例えば、非磁性の金属材料の非常に薄い層（通常、０．３ｎｍのルテニウム（Ｒｕ））によって強磁性体層５８と分離されている強磁性体層を備える積層であって、２つの強磁性体層の磁化の値は可能な限り互いに近い値であり、それによって、ルテニウム層の存在に起因したそれらの層間の反強磁性結合は、上記３層によって層５３上へ放射される磁場が結果としてゼロになるか又は実質的にゼロになる、積層か、
又はそうでない場合、このいわゆる「基準」層５８を安定化するように、層５８と交換することによって結合された反強磁性の磁性材料か、
又はそうでない場合、電気的なコンタクトを形成するための非磁性の導電性材料か、
又は更には、上記の様々な可能性の組合せ、例えば、強磁性体材料と反強磁性材料との間を結合することによってそれらの磁化を安定させるように、強磁性体材料に近接した反強磁性材料であって、強磁性体材料は層５０から、通常は０．３ｎｍのＲｕの薄い金属層によって分離され、これによって、上記２つの強磁性体層間の磁気結合が反強磁性となる、組合せ、
を備えることができる。最終的には、第１の磁性材料は、例えば７ｎｍのＲｕで覆われた５ｎｍのＴａのように、１つ又は複数の非磁性の導電性層で覆われる。そのような組合せの例は、例えば、Int. J. Nanotechnology, Vol. 7, 591 (2010)においてB. Dieny他によって説明されているように、ＳＴＴ反転のために用いられる磁気積層内に見ることができる。

２つの主な構成は層５２の特性に基づいて区別することができる。すなわち、層５２が非磁性金属で作られている場合、構造５３、５２、及び５８はスピンバルブ型であり、一方、層５２が誘電性の場合、構造５３、５２、及び５８は磁気トンネル接合型である。層５２が非磁性材料で作られているとき、層の厚さは１０ｎｍ未満であり、好ましくは５ｎｍ未満であるのに対し、層５２が誘電性であるとき、層の厚さは５ｎｍ未満であり、好ましくは３ｎｍ未満である。磁気抵抗信号は、磁気トンネル接合型構造に関してより一層強力であるので、これらの構造は好ましい構造である。同様に、磁気抵抗信号を更に最適化するために、いずれの状況下においても、好ましい構造は、層５８の磁化が共線であり、層５３の磁化と平行であるか、又は逆平行であることである。

図２ａ及び図２ｂにおいて、Ａ、Ｂ、Ｃは３つの電気的な接続端子を示している。書込み段階中、電流は端子Ａと端子Ｂとの間に注入される（又は等価な方法では、電圧が上記２つの端子間に印加され、電流の流れを発生させる）。電流は磁性層５３を通過して、この層内に、ラシュバ場と、局所磁化に作用するｓ−ｄ交換相互作用とに起因する有効磁場を生成する（Miron他による上述の論文を参照されたい）。本発明によれば、有効磁場（又はスピン軌道場）は、印加された外部磁場と組み合わせて、２つの安定した磁化構成を分離するエネルギー障壁の低下を利用することによって磁化を操作することを可能にする。磁化は、磁場が磁化の方向と反対の方向に印加される場合に反転される。層５２が誘電性の材料で構成される場合、横方向に注入された電流はその層を通過しないので、その層を損傷しない。

格納される情報は、通常、層５３内の磁化の配向であり、トンネル接合型構造及びスピンバルブ型構造の双方の場合に、端子Ｃと端子Ｂとの間（又は等価の方法では、端子Ｃと端子Ａとの間）に低い値の電流（例えば、トンネル接合の場合で数マイクロアンペア（μＡ）〜数十μＡ程度）を注入し、これらの端子間の電圧を測定することによって；又はそうでない場合、端子Ｂと端子Ｃとの間（又は等価の方法では、端子Ｃと端子Ａとの間）に定電圧を印加し、これらの端子間を流れる電流を測定し、それにより、全ての場合に当該端子間の抵抗を測定することによって、読み出される。

抵抗は、磁化の方向５６が基準層５８の磁化の方向に平行であるか又は逆平行であるかに基づいて２つの異なる値を有する。読出し電流は小さい値を有しているので、これによりトンネル障壁（層５２が誘電性である場合）は損傷を受けない。

メモリアーキテクチャーの例を、図３ａ〜図３ｄを参照して以下で説明する。図３ａ〜図３ｄの中で、図３ｂ及び図３ｄは、図２ａ及び図２ｂの構造を実装して、電流を搬送する磁力線によって印加される磁場を生成することに関する。

図３ａ〜図３ｄは、説明した事例を用いてメモリの可能なアーキテクチャを示している。２つの非磁性層９１及び９２の間に挟まれた垂直な磁化９７を有する磁性層９０（図１ａ〜図１ｆの層１２及び１４並びに図２ａ及び図２ｂの２及び５４に対応する）を見ることができる。

ここで、単純にするために、層９１は、層１２又は５２と、トンネル接合型積層又はスピンバルブ型積層を規定する役割を果たす磁性層及び非磁性層との双方を含み、これによって（図２ａ及び図２ｂの層５２、５８、及び５９のように）層９０の磁化状態を読み出すことを可能にする。

層９０の磁化は、下部電極９２内を流れる電流と、磁化軸に沿った矢印９６に沿って、かつ層９０内の磁化を切り替えるための方向に配向された変動する磁場とによって反転される。

これを行うために、挟持構造（sandwich）を構成する第２の非磁性層９２が、この例において電流供給トラックの形態で構造化される。このトラックは、例えば層９２の下に位置する別の材料の別の層によって構築することもできる。電流注入はトランジスタによって制御される。

２つの事例が例として用いられる。第１の事例において、２つのトランジスタ９３ａ及び９３ｂがスイッチとして用いられ、それらのスイッチの自由端子は、一方はグラウンドに接続され、他方は電圧Ｖ_ｄｄに接続され、電圧Ｖ_ｄｄは、選択された値の電流を流すように選択される。

第２の事例において、１つのみのトランジスタ９３ａが用いられ、トラック９２の他端は定電圧に接続される。

この時点において、電流の方向は機構の動作に影響を及ぼさないこと、及び電流の方向にかかわらず、障壁は同様に低下することを観察することができる。

このため、２つの動作方法が可能である。

対称動作
例えばトランジスタ９３ａに接続されたトラックは電圧Ｖ_ｄｄ又はグラウンドに接続される一方、トラック９２の端部に接続された他方のトラックは、９５においてグラウンド（又はＶ_ｄｄ）に接続される。この構成は、以下の構成よりも多くの電流が生成されることを可能にする。

非対称動作（好ましい）
トラック９２の端部に接続されたトラックは、９８によって中間電位、例えばＶ_ｄｄ／２に接続される一方、トランジスタ９３ａに接続されたトラックは、所望の電流の方向に基づいて、電位Ｖ_ｄｄ又はグラウンドに引き上げられる。この構成は、上記の構成よりも、生成されることになる電流を少なくすることを可能にする。本発明は、既知の技法で用いられる領域よりはるかに小さい領域に書込みモードで書込み電流を注入することを可能にし、この書込み電流はデバイスを動作可能とするのに十分である。この実施形態では、動作によって消費される電気がより少ない。

ここで説明する事例において、磁化を切り替えるのは印加される磁場である。したがって、磁場９６は可変でなくてはならず、磁化の方向に平行に配向されなくてはならない。１つの可能な実施形態が図３ｂ及び図３ｄに示されている。磁場は、積層のいずれかの側に配置された２つの磁力線９８ａ及び９８ｂによって生成される。これらの線が電流を通すとき、磁場は磁性層９０内の層に垂直に生成される。或る特定の構成では、これらの磁力線のうちの一方、例えば線９８ｂを省き、一方のみを利用することが可能である。これらの線は、例えば、構造をナノ加工するステップ中に導電膜の形態で実装することができる。

図４は、例えばトンネル接合を有する二次元メモリセルアレイを形成するメモリ素子の例示的な集積電気回路図である。層の平面に垂直な磁場を印加するためのデバイスが、線１１６、１１６’１１６’’等によって表される。この線は例えば、注入電流の方向が磁場の方向を与える電流線であり、磁場の方向は、「０」を書き込みたいか又は「１」を書き込みたいかに依拠して上方向又は下方向（すなわち、層の平面に垂直に、いずれかの一方向）に配向させることができる。

磁力線、例えば１１６によって、書込み電流のパルス中に磁場パルスを生成することが可能になる。この磁場は、線の全てのメモリ点に印加される。書込み電流が同時に注入されているこの線のメモリ点にのみ書き込むことができる。

１つの方向に、トランジスタ１１３_１、１１３_２、１１３_３、１１３’_１、１１３’_２、１１３’_３、１１３’’_１、１１３’’_２等．．．のドレインに接続されたビット線すなわちディジット線１１１_１、１１１_２、１１１_３．．．等が存在し、共役ビット線１１２_１、１１２_２、１１２_３、．．．が二次元アレイを形成する。

垂直方向において、ワード線を形成する、トランジスタ１１３_１、１１３_２、１１３_３、１１３’_１、１１３’_２、１１３’_３、１１３’’_１、１１３’’_２．．．等のゲートの制御トラック１１０、１１０’、１１０’’、．．．が存在する。

ベンチマーク１１４_１、１１４_２、１１４_３、１１４’_１、１１４’_２、１１４’_３等．．．は、トンネル接合（又はスピンバルブ）を含む本発明による積層を概略的に示している。トンネル接合又はスピンバルブは、書込み段階中にその層の平面に垂直な電流によって横切られることはなく、読出し段階中にのみその層の平面に垂直な電流によって横切られる。

特性点Ａ、Ｂ、及びＣが報告されている。これらの点は、図２ａ及び図２ｂ、図３ｃ、図３ｄ（単一のトランジスタを用いて搭載される）に示される特性点に対応する。

点Ａは、トランジスタ１１３_１、１１３_２、１１３_３、１１３’_１、１１３’_２等．．．のソースに接続される。

点Ｂは、共役ビット線１１２_１、１１２_２、１１２_３、．．．等に接続され、点Ｃはバイアス線１１５、１１５’等．．．に接続される。トランジスタ１１３_１、１１３_２、１１３_３、１１３’_１、１１３’_２、．．．等のドレインＤは、ビット線１１１_１、１１１_２、１１１_３、．．．等に接続される。

このとき、積層１１４_１、１１４_２、．．．等の底部は、磁化が書込み電流によって変更された層である。

トランジスタのソース及びドレインは交換することができる。このため、トランジスタのソースは、ビット線１１１_１、１１１_２、１１１_３等に接続することができ、ドレインＤは点Ａに接続することができる。

メモリ点、例えば１１４_１の書込み段階において、このメモリ点と関連付けられたビット線１１１_１及び共役ビット線１１２_１は、上述した平衡がとられた動作によって書込み電流の生成が可能になる場合、電圧Ｖｄｄ（又はグラウンド）及びグラウンド（又は電位Ｖｄｄ）にされる。他のメモリ点と関連付けられた他のビット線１１１_２等．．．及び共役ビット線１１２_２．．．等は機能していない。関連付けられたワード線１１０がトランジスタ１１３_１（上述した図面のトランジスタ７３ａ又は８３ａに等しい）の閉鎖を制御するのに必要な電位にされ、トランジスタ１１３_１を通った書込み電流の流れが可能になる。同時に、パルスがメモリ点１１４_１に関する磁力線（field line）１１６を横切る。磁力線１１６、１１６’、１１６’’は、例えば９８ａ及び９８ｂ（図３ｂ及び図３ｄ）等の一対の線によって構成することができる。

このため、書込み電流は点Ａ及び点Ｂを通過する。このセルのみに書き込むために、他方のワード線１１０’、１１０’’等．．．は、トランジスタを開放する電位にされる。トンネル接合型又はスピンバルブ型の積層を、その層の平面に垂直に横切る書込み電流（その積層に損傷を与えるリスクがある）は存在しない。このために、積層の点Ｃに接続されたバイアス線１１５、１１５’等．．．は、この書込み段階中に機能しない（又は開放している）。

例えばメモリロケーション１１４_１の読出し段階において、このメモリと関連付けられた「共役ビット線」１１２_１が開放され、全ての他の共役ビット線」１１２_２等．．．も、それらを通って電流が一切循環しないようにするために開放される。メモリセルと関連付けられたバイアス線１１５は、トンネル接合又はスピンバルブ内の（弱）読出し電流の通過を可能にする電位にされる一方、偏極の全ての他の線１１５’等．．．は切断される。関連付けられた「ワード線」１１０は、トランジスタ１１３_１を閉鎖するための電位にされ、このとき電流は点Ｃと点Ａとの間のトンネル接合又はスピンバルブを通過することができる。このトンネル接合又はこのスピンバルブのみを読み出すために、他のワード線１１０’等．．．は開放される。トンネル接合の場合、次に、例えば従来技術に従って、増幅器により、接合部を通って流れる電流を基準電流と比較することによって読出しを実行することができる。積層の平面に垂直に流れる低電流密度のこの読出し電流は、この読出し段階中に接合部への書込みを許可しない。手順はスピンバルブの場合にも同じである。

Claims (22)

1. 書込み磁性層を提供する層の積層を備える書込み可能な磁気素子であって、
   前記積層が、少なくとも１つの磁性材料の中央層（１３、５３、９０）であって、該少なくとも１つの磁性材料は該中央層の平面に垂直な磁化の方向を提供する、中央層を有し、該中央層は前記書込み磁性層を構成し、非磁性材料の第１の外側層（１２、５２、９１）と第２の外側層（１４、５４、９２）との間に挟まれ、前記第１の外側層（１２、５２、９１）は第１の非磁性材料を含み、前記第２の外側層（１４、５４、９２）は、前記第１の非磁性材料とは異なる第２の非磁性材料を含み、少なくとも前記第２の非磁性材料は導電性であることと、
   該磁気素子が、一方で、前記第１の外側層が非導電性の場合に、前記中央層の前記平面に平行な電流の方向において前記第２の外側層及び前記中央層のみを通って書込み電流を流し、前記第１の外側層が導電性の場合に、該第１の外側層、前記第２の外側層及び前記中央層を通って書込み電流を流すデバイスと、他方で、前記書込み電流が存在するとき、前記中央層（１３、５３、９０）の前記平面に垂直な磁場の方向に沿って書込み磁場を印加するデバイスとを備えること、
   を特徴とし、前記メモリは前記印加された書込み磁場の前記方向に作用することによって、いずれか一方の方向に書き込まれ、前記書込み磁場の大きさは、前記書込み電流が存在しないときに磁化を反転させるのに十分でないが、前記書込み電流が存在するときに磁化を反転させるのに十分である、書込み磁性層を提供する層の積層を備える書込み可能な磁気素子。
2. 前記中央層（１３，５３、９０）は、０．１ｎｍ〜５ｎｍの範囲内の厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の磁気素子。
3. 前記中央層（１３，５３、９０）は、２ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項２に記載の磁気素子。
4. 前記中央層（１３、５３、９０）は、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＧｄＣｏ、ＴｄＦｅＣｏからなる群から選択される、それ自体の垂直磁気異方性を提供する磁性化合物を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気素子。
5. 前記中央層（１３，５３、９０）は、前記積層内に、前記第１及び第２の外側層と前記中央層との界面によって誘導される垂直磁気異方性を提供する金属又は合金を含み、該金属又は合金はＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＣｏＮｉからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気素子。
6. 前記第１及び第２の外側層の少なくとも１つの外側層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｗからなる群から選択される非磁性金属、又はこれらの金属の合金で作られることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気素子。
7. 前記少なくとも１つの外側層の厚さは０．５ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であることを特徴とする、請求項６に記載の磁気素子。
8. 前記少なくとも１つの外側層の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内であることを特徴とする、請求項７に記載の磁気素子。
9. 前記少なくとも１つの外側層の厚さは５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の磁気素子。
10. 前記第１の外側層は、ＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＨｆＯ_ｘからなる群から選択される誘電性の酸化物で作られるか、又はＳｉＮ_ｘ、ＢＮ_ｘからなる群から選択される誘電性の窒化物で作られることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気素子。
11. 誘電性の酸化物からなる前記第１の外側層の厚さは０．５ｎｍ〜２００ｎｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１０に記載の磁気素子。
12. 前記第１及び第２の外側層は導電性であり、双方とも前記非磁性材料又は合金のうちの異なるものから作られることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか１項に記載の磁気素子。
13. 前記電流は、１０^４Ａ／ｃｍ^２〜１０^９Ａ／ｃｍ^２の範囲内にある電流密度を提供することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の磁気素子。
14. 前記印加される磁場は、０．００２Ｔ〜１Ｔの範囲内にある値を提供することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の磁気素子。
15. 前記第１の外側層（５２）は、磁性材料の読出し層（５８）と読出し電極（５９）とに覆われていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の磁気素子。
16. 前記第１の外側層（５２）は、磁性材料の読出し層（５８）と読出し電極（５９）とに覆われており、
    前記第１の外側層（５２）は非磁性金属で作られることと、前記第１の外側層（５２）は前記中央層（５３）、前記読出し層（５８）、及び前記読出し電極（５９）と共同してスピンバルブを形成することと、
    を特徴とする、請求項１〜９および１２のいずれか１項に記載の磁気素子。
17. 前記第１の外側層（５２）は、磁性材料の読出し層（５８）と読出し電極（５９）とに覆われており、
    前記第１の外側層（５２）は誘電性であることと、前記第１の外側層（５２）は前記中央層（５３）、前記読出し層（５８）、及び前記読出し電極（５９）と共同して磁気トンネル接合を形成することと、
    を特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の磁気素子。
18. 前記第１の外側層（５２）の厚さは５ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の磁気素子。
19. 前記第１の外側層及び前記中央層はブロックを形成することと、前記第２の外側層はトラックを形成することを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の磁気素子。
20. 前記第２の外側層は前記ブロックの一部を形成する追加の厚さの領域を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の磁気素子。
21. 書き込み可能な磁気デバイスであって、請求項１９又は２０に記載の複数のブロックを備え、該ブロックの前記第２の外側層は該ブロックに共通である前記トラックを備えることを特徴とする、書き込み可能な磁気デバイス。
22. 書き込み可能な磁気デバイスであって、
    前記第１の外側層と、前記中央層と、前記第２の外側層の追加の厚さの前記領域とが、請求項２０に記載のブロックを形成することと、
    該デバイスは、前記ブロックの前記第２の外側層と隣接する導電性トラックとともに複数の前記ブロックを備え、前記ブロックの各々の前記第２の外側層及び前記中央層を通して前記電流を注入し、前記第２の外側層は前記導電性トラックの前記材料とは異なる導電材料から作られることと、
    を特徴とする、書き込み可能な磁気デバイス。

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