JP6154745B2 - 磁気記憶素子 - Google Patents

Description

本発明は書込み可能な、電流誘導反転型の磁気記憶素子を提供する。

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。磁場の向きは、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、より深刻になる。

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、書込み電流は層平面に垂直に接合を通過する必要がある。

これは特許文献３の場合にも当てはまる。特許文献３では（図５Ｂ）、中央強磁場（central ferromagnetic filed）における磁場も生成する書込み電流が、層平面に垂直に、磁気トンネル接合型の積層を横切る。特許文献３は、２つの磁性層を用いることにも留意されたい。

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ー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）の位置に、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。一方、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、通常、１０^７アンペア毎平方センチメートル（Ａ／ｃｍ^２）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０．１（Ｖ）である。最小値である場合は別として、接合部で消費される電力は、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、書込み現象と読出し現象を可能な限り分離するために、現存の構成において材料を最適化することと、新たな構成を画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。

別の難点は、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、積層のより一層の複雑性から生じる。例えば、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。したがって、このことが構造化する工程中の困難を生じさせ、具体的には、エッチング工程において、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、外部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。そのような技術の１つが、非特許文献１の記事の中で説明されている。

現在、この技術は、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 米国特許第６，２６９，０１８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（その平面に平行な又は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、積層が層の平面に垂直に電流を流すことを必要とせずに動作する磁気メモリを提供することである。

したがって、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、
前記積層は、前記書込み磁性層、すなわち少なくとも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対して平行又は垂直な磁化の向きを提供する、中央層を有し、該中央層は非磁性材料の第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、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、前記中央層の前記平面に対して並行な電流の向きにおいて前記第２の外側層及び前記中央層のみを通って、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、前記書込み電流は前記中央層の前記平面に対して並行な電流の向きに流れる、デバイスと、前記中央層の前記平面と前記電流の向きとに対して平行又は垂直のいずれかである成分を有する磁場を磁場の向きに沿って印加するデバイスとを備えることと、
前記磁化の向きと前記磁場の向きとは相互に垂直であることと、
を特徴とする、磁気素子を提供する。

したがって、本発明は、書込み電流を生じさせるデバイスと、磁場を印加する異なるデバイスとを動作させる。第１の外側層が導電性でない場合、書込み段階中、第１の外側層を横切って電流は一切流れない。第１の外側層が導電性の場合のみ、第１の外側層を書込み電流が横切る。

有利には、磁場は中央層の平面に対して及び電流の流れの向きに対して平行であるか又は垂直である。

以下の２つの構成が可能である。すなわち、
第１の構成では、磁場の向きは電流の流れる向きに対して平行であり、磁化は磁性中央層の平面に対して垂直である。
第２の構成では、磁化の向きは電流の流れる向きに対して平行であり、磁場の向きは磁性中央層の平面に対して垂直である。

双方の構成において、電流の流れは磁性層に平行であり、積層内を通って層の平面に垂直な向きには流れない。むしろ、電流は層の平面に対して平行な少なくとも１つの電流の流れの向きに、中央磁性層と少なくとも第２の外側層を通って流れ、メモリには、電流の流れる向き又は磁場の向きに作用することによって書き込むことができる。

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する。
第１の構成では、この値は、好ましくは２ｎｍ以下である。第２の構成では、この値は、好ましくは３ｎｍ以下である。

磁化の向きが層の平面に対して垂直である場合、中央層は本質的な垂直磁気異方性を提供する合金、すなわち、詳細にはＦｅＰ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、又は実際に、希土類元素、及び同様に本質的な垂直磁気異方性を提供する、ＧｄＣｏ、ＴｄＦｅＣｏ等の遷移金属合金を含むことができる。中央層は、積層内に、界面、詳細にはＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉ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むこともできる。

磁化の向きが層の平面に含まれる場合、中央層は、積層内、詳細にはＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＣｏＮｉ内に、面内磁気異方性を提供する金属又は合金を含むことができる。

少なくとも１つの導電性外側層は、非磁性金属、好ましくはＰｔ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂｉ、又はこれらの金属の任意の合金で作ることができる。そのような導電性層の厚さは、１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲内、好ましくは５ｎｍ以下の範囲とすることができる。この厚さの値は、中央層の厚さとして選択される値とは無関係である。

非導電性の外側層のうちの１つは、絶縁性の材料、好ましくはＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、ＨｆＯ_ｘ等の誘電性の酸化物で作られるか、又はＳｉＮ_ｘ、ＢＮ_ｘ等の誘電性の窒化物で作られる。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材料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。

印加される磁場は、０．００２テスラー（Ｔ）〜１Ｔの範囲内、有利には０．００５Ｔ〜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（上記電流はこの層を通っては流れない）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層と共同してスピンバルブを形成する。第１の外側層が誘電性である場合、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。このとき、第１の外側層の厚さは、好ましくは３ｎｍ未満である。

磁気素子は、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ような方法で構造化することができる。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ことができる。

本発明は、複数のブロックを含む、書き込み可能な磁気デバイスを提供することができる。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で構成される。

代替的には、第１の外側層、中央層、及び第２の外側層はブロックを形成し、書込み可能な磁気デバイスは、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。

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。

本発明を実施する第１の構成を示す図である。 本発明を実施する第１の構成を示す図である。 本発明を実施する第１の構成を示す図である。 本発明を実施する第１の構成を示す図である。 本発明を実施する第１の構成を示す図である。 本発明を実施する第１の構成を示す図である。 第１の構成で用いられる、ＭＲＡＭ型磁気メモリセルに集積された実施形態を示す図である。 第１の構成で用いられる、ＭＲＡＭ型磁気メモリセルに集積された実施形態を示す図である。 第１の構成で用いられる、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実施形態の図である。 第１の構成で用いられる、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実施形態の図である。 第１の構成で用いられる、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実施形態の図である。 第１の構成で用いられる、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実施形態の図である。 本発明を実施する第２の構成を示す図である。 本発明を実施する第２の構成を示す図である。 本発明を実施する第２の構成を示す図である。 本発明を実施する第２の構成を示す図である。 本発明を実施する第２の構成を示す図である。 本発明を実施する第２の構成を示す図である。 第２の構成で用いられる、ＭＲＡＭ型磁気メモリセルに集積された実施形態を示す図である。 第２の構成で用いられる、ＭＲＡＭ型磁気メモリセルに集積された実施形態を示す図である。 第２の構成で用いられる、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実施形態の図である。 第２の構成で用いられる、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実施形態の図である。 第２の構成で用いられる、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実施形態の図である。 第２の構成で用いられる、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実施形態の図である。 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、電流及び電界の双方に対して垂直な向きの、ラシュバ場として知られる磁場

に曝される。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回転を結合する交換相互作用とからの結果としての有効磁場が局所磁化に印加されることを示した。このため、Nature Materials（vol.9, p.230-234 (2010)）に掲載されている、Ioan Mihai Miron他による「Current-driven spin torque induced by the Rashba effect in a ferromagnetic metal layer」と題する記事は、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。この状況は座標系の第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。

驚くべきことに、電流が反転非対称性を提供する構造に注入されたときに、磁場Ｈ_ｅｆｆと、Ｈ_ｅｆｆに垂直な成分を有する外側磁場との相互作用に起因する磁化の動力学の結果であると解釈されるものを用いることによって、その理論的な障壁が克服できることを本発明者らは示しており、この磁場のＨ_ｅｆｆに垂直な成分の向きは、電流の注入の向きと共線的である（第１の構成）か又はその向きと垂直である（第２の構成）。

図１ａ〜図１ｆは、本発明を実施する第１の構成を示している。この構成では、印加される磁場の向きは電流の向きに対して平行であり、磁化の向きは磁性中央層の平面に対して垂直である。したがって、印加される磁場は磁化と有効磁場Ｈ_ｅｆｆとの双方に対して垂直である。

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、基板単独でも良いし、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。

符号１３は平面に対して垂直な磁化の平面磁性層を示す。符号１６は、或る向き又は反対の向きで存在することができる磁化の方向性を示す。

符号１２は第１の非磁性外側層を示し、符号１４は第２の非磁性外側層を示す。第２の外側層１４は書込中に電流が通過する層である。

符号１１は、この向き又は反対の向きに向けることができる、書込み電流の向きを示し、符号１７は印加される磁場の方向を示す。磁場の方向は、電流の向きと共線的であり、同じ向き又は反対の向きに向けることができる。

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（第２の外側層と呼ばれる）は導電性であり、磁性層１３及び非磁性層１２（第１の外側層と呼ばれる）だけが構造化される層であり、これによりブロック（図１ｃ及び図１ｄ）を形成する。構造化積層内の３つの層１２、１３、及び１４は構造化され、ブロック内に導電性層１４の追加の厚さ１４’を集積することにより、ブロックを形成する。これにより、ブロックは非磁性材料の層１４の小部分を含む（図１ｅ及び図１ｆ）。第２の外側層として考慮すべき厚さは、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と同一の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、固有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、...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効果を示す磁性材料（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：３ｎｍ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℃で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関わらず、平面の外部の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以上の厚さに対し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において公開されたJae Chul Lee他による記事「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)において公開されたB.Rodmacq他による記事「Influence of thermal annealing on the perpendicular magnetic anisotropy of Pt/Co/AlO_xtrilayers」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他による記事「Analysis of oxygen induced anisotropy crossover in Pt/Co/MO_xtrilayers」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。好ましくは、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、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つの層１２及び１４の各々は、積層全体（層１２、１３及び１４）が垂直の磁化を有するように、層は異なるという条件下で、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、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂｉ、．．．）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、すなわち金属又は合金で作られている場合、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、より好ましくは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、上述の上限値、すなわち２００ｎｍに達する値であっても不都合はない。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。しかしながら、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。図２ａ及び図２ｂに示すように、層１２が金属性であり、例えばこの金属性層の上に磁性層及び電極を付加することによって、メモリ点が巨大磁気抵抗信号によって読み出される場合、上記導電性層１２の厚さは通常、１０ｎｍ未満、好ましくは５ｎｍ未満となるように選択されるべきである。

これらの種々の層は、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術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、ブロックが構築される場合、構築されたブロック（ここでは１８ａ及び１８ｂ）の中央層１３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、図１ａ及び図１ｂに示されているトラックであるか、又はトラック内に取付けられるか若しくは構築されるブロック（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、図１に示すように電流が軸１１に沿って導電性層１４に注入されるようになり、これによりさらに、電流を磁性中央層１３に注入することが可能になる。磁場は電流の注入軸１１と共線的に、構造に印加される（１７）。電流は軸１１に沿って、矢印の向き（Ｉ_＋）又は矢印の向きとは逆の向き（Ｉ₋）に印加することができる。同様に、磁場は軸１７に沿って、矢印の向き（Ｈ_＋）又は矢印の向きとは逆の向き（Ｈ₋）に印加することができる。

電流及び磁場の向きの組が磁化の向きを安定させる。

例えば、Ｉ_＋、Ｈ_＋の組が、図１ａ〜図１ｆに示すように磁化の形態を上向きで安定させる。

素子の磁化が上向きで均一に磁化される形態から開始して、電流の向きをＩ_＋に維持し、印加する磁場の向きを変えながら（Ｈ₋）、磁化を反転させることが可能である。

別の解決法は、磁気の向き（Ｈ_＋）を維持し、電流の向きを変えること（Ｉ₋）である。この解決法は、何らかのエネルギーを消費するのを避けるために、静磁場、例えば永久磁石によって生成された磁場を用いることを可能にするので好ましい。

印加する磁場の向きに作用を及ぼすことによって、それにより組（Ｉ_＋、Ｈ₋）をもたらし、又は印加する電流の向きに作用を及ぼすことによって組（Ｉ₋、Ｈ_＋）をもたらすことにより、磁化を下向きに反転させることが可能であり、上述のように、組（Ｉ₋、Ｈ_＋）が好ましい。磁化が反転されると、注入電流がなくても、静磁場の有無にかかわらず、磁化は安定している。

電流の向き及び磁化の向きの双方を変えることは組（Ｉ₋、Ｈ₋）をもたらし、これはまた磁化を上向きに安定させる。

一般に、外部磁場が電流軸に対して厳密に平行である必要はないことに留意すべきである。磁化に対して垂直である平面内に外部磁場を有することで十分であり、この外部磁場が電流に対して平行な非ゼロの成分を有する。印加される磁場と電流との間の角度が６０度に達するまで反転は観測される。

層１４に注入される電流密度の通常の値は、１０^４Ａ／ｃｍ^２〜１０^９Ａ／ｃｍ^２の範囲内にあり、好ましくは、１０^５Ａ／ｃｍ^２〜１０^８Ａ／ｃｍ^２の範囲内にある。

電流軸に沿って印加される磁場成分の通常の値は、２０エルステッド（Ｏｅ）〜１０キロエルステッド（ｋＯｅ）の範囲、すなわち０．００００２Ｔ〜１Ｔの範囲内にある。有利には、値は５０Ｏｅ（０．００５Ｔ）〜８０００Ｏｅ（０．８Ｔ）の範囲内の値から選択される。これは、２つの磁化方向を分離するエネルギー障壁の過度の低下を誘発することを避けるのに十分な低い値を維持しなければならない。なぜならば、エネルギー障壁の過度の低下は望まれていない反転を引き起こすことになるからである。

この目的のために、印加される磁場の値は、磁性層の有効異方性磁場よりはるかに小さい値となるように選択される。

例えば、Ｐｔの層１４とＭｇＯの層１２との間のＣｏの中央層は、０．８Ｔ（８０００Ｏｅ）の有効異方性磁場を有し、０．００８Ｔ（８００Ｏｅ）の磁場を問題なく印加することが可能である。

印加される磁場の値は、実際には、有効異方性磁場の値の３分の１〜１０分の１の範囲内、特にその異方性磁場の値の４分の１〜１０分の１の範囲内にあるように選択される。

磁場は種々の方法で、例えば、１つ若しくは複数のコイルに流れる電流を用いてデバイス全体にわたって全体的な磁場を生成する簡潔な方法で；又は磁場によって誘導される反転を伴うＭＲＡＭメモリにおいて用いられる種類の、電流を伝えるトラックによって；又は、好ましい方法では、反転されることになる少なくとも１つのブロックの近くに配置された永久磁石によって、印加することができる。この解法は、磁場を生成するために、いかなるエネルギー消費の増加をも引き起こさないという重要な利点を有する。この永久磁石は、磁気を帯びた堆積を構築することによって得ることができ、それによってこの反転技術を、例えばメモリ又は論理型の機能デバイスに集積することを容易にすることができる。

構造全体にわたって磁場を生成するために、ブロックの組の外側に配置された１つ又は複数の永久磁石を実装することも可能である。

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

符号５３は、絶縁基板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に挟まれた磁性中央層を示している。

符号５７は印加される外部磁場の向きを示している。

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の磁化の向き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、
又は実際に、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５８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が非磁性金属の場合、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。磁気抵抗信号は、上記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、双方の構造において層５８の磁化が共線である、すなわち層５３の磁化と平行であるか、又は逆平行であることが好ましい。

図２ａ及び図２ｂにおいて、Ａ、Ｂ、及び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他による上述の記事を参照されたい）。この有効磁場Ｈ_ｅｆｆは、以下の等価な方法では、スピン軌道場又は有効磁場Ｈ_ｅｆｆと呼ばれる。本発明によれば、このスピン軌道場は、印加される外部磁場と組み合わせて、磁化を操作することを可能にする。層５２が誘電性の材料で構成される場合、横方向に注入される電流は、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内の磁化の方向であり、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、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、上記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、上記端子間を流れる電流を測定し、それにより、双方の場合とも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、磁化の向き５６が基準層５８の磁化の向きに対して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。

上述のように、印加される磁場は一定の向きを保持することができ、磁化の反転は層５４及び５３を通って流れる電流の向きによって得られる。この解法は、容易に集積することができ、（永久磁石を用いるとき）追加の電力消費を意味しないので好ましい。

そうでない場合、当然のことながら、電流が注入される向きを保持しながら、印加される磁場の向きを単に反転することにより磁化を反転することができる。

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は集積された永久磁石を実装している。

図３ａ〜図３ｄは、第１の構成におけるメモリアーキテクチャーの４つの実施態様を示しており、図２ａ及び図２ｂに示す構造を実装している。

磁性材料の層７０は、トンネル接合（又はスピンバルブ）によって層７０の磁化を読み出すために、導電性層７２と、図２ａ及び図２ｂの層５２、５８、５９を含む積層７１との間に挟まれている。

読出し線７４は、所与の線のメモリ点の点Ｃに電力供給する働きをする。領域５４’と等価な追加の厚さ７２’も存在する。

向き７６の静磁場が、電流が導電性層７２を通って流れる向きと平行に印加される。

１つ又は複数の永久磁石によってメモリ全体に静磁場を印加することができるか、又はそうでない場合、例えば、個々の積層によって形成された各ブロック（そのうちの３つが示されている）に位置合わせされている永久磁石７５ａ及び７５ｂによって、各ブロックに印加することができる。

電流を、導電性層７２を通って一方の向きに、及び反対の向きに印加するために、例えば金属−酸化物−半導体（ＭＯＳ）型の２つのトランジスタ７３ａ及び７３ｂ（図３ａ及び図３ｂ）を実装することができるか、又はそうでない場合、他端７８が或る定電位に設定された単一のトランジスタ７３ａ（図３ｃ及び図３ｄ）が用いられる。

層７２は電流配送トラックの形態で構成されている。この層７２は、層７２の上に配置された他の或る導電性材料の層を備えることもできる。

所与のメモリ点に対して、書込み電流を２つの異なる方法で注入することができる。

第１の方法では、スイッチとして動作する２つのトランジスタ７３ａ及び７３ｂが用いられ、それらのトランジスタの自由端子（free terminal）が、その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、トランジスタ７３ａ及び７３ｂのいずれが電圧Ｖ_ｄｄに接続されているかに基づいて、一方の向きに又は他方の向きに流すように選択される。

第２の方法では、一方のトランジスタ７３ａのみが用いられ、積層の他端７２は７８において定電圧に接続される。

対称操作
トランジスタに接続されたトラックは電位Ｖ_ｄｄ（又はグラウンド）に接続され、一方、トラック７２の端部に接続された他方のトラックは、７８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。

非対称操作
トラック７２の端部に接続されたトラックは、７８において中間電位、例えばＶ_ｄｄ／２に接続され、一方、トランジスタ７３ａに接続されたトラックは、所望の電流の向きに基づいて、それぞれ電位Ｖ_ｄｄ又はグラウンドに接続される。この構成は、生成されることになる電流をより少なくすることを可能にする。本発明の構成では、電流は従来技術で用いられる領域よりはるかに狭い領域に配送することができ、この電流はデバイスを動作させるのに十分である。この実施形態では、動作により消費される電力がより少ない。

第２の構成（図４ａ〜図４ｆ）では、磁性層の磁化の向き２６がそれらの平面内に設定されていて、注入される電流の向きと平行であり、例えば、印加される定磁場が磁化の向き２６に対して垂直であり、かつスピン−軌道磁場（有効磁場）の向きとも垂直である。

印加される磁場は、磁場Ｈ_ｅｆｆの向きに対して厳密に垂直である必要はないが、以下で、印加された磁場の「有効」成分とよばれる非ゼロの成分を有していなくてはならない。有効成分はＨ_ｅｆｆ（又はスピン−軌道場）と磁化の向き２６とに対して垂直である向きに延在する。印加される磁場とこの磁場の有効成分との間の角度は最大で６０度とすることができる。

図１ａ〜図１ｆに関して、３つの形状、すなわちトラックの形態（図４ａ及び図４ｂ）、及び、導電性のトラック２４がブロックの長さに沿っているブロックの形態（図４ｃ及び図４ｄ）、又はそうでない場合、高くなっている領域２４’を提供するブロックの形態（図４ｅ及び図４ｆ）が示されている。高くなっている領域２４’は導電性（通常は金属で作られる）であり、トラック２４と同じ材料で作られている必要はなく、その場合、非磁性の外側層として振舞うのは追加領域２４’であり、追加領域２４’の材料が、積層内で反転非対称性を得るために機能する。層２４の金属材料は、このとき任意の材料とすることができる。

各形状に対して、２１は注入される電流の向きを表し、２７は（向きに関する上述の見解にしたがって）印加される外部磁場の有効成分の向きを表す。この向きは、層２３及び層２４の平面に対して垂直であり、したがって、層２３の磁化の向き２６及び注入される電流の向き２１に対して垂直である。

磁性材料の薄い層２３は、異なる非磁性材料の２つの層間に挟まれている。すなわち、層２２は上側に設置され、層２４は下側に設置され、電流がこの薄い層に注入される。

通常の積層は、絶縁基板２５、例えば、誘電性酸化物（例えばＳｉＯ_ｘ、ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ）、又は窒化シリコン、例えばＳｉＮ_ｘを備え、その上に積層形成構造が堆積される。磁性材料の薄い層（又は磁性材料若しくは磁性層２３の組合せ）、例えば、コバルトの３ｎｍの厚さの層は、異なる非磁性材料の２つの層２２及び２４、例えば誘電体層２２と、一般的には金属、例えばプラチナである導電性材料の層２４との間に挟まれている。
層２２及び２４は２つの異なる金属とすることもできる。磁性層２３の磁化は、トラックの軸２６に沿って方向付けされている平面に含まれる。電流は磁化の向きと平行な向き２１で注入され、外側磁場は、界面の平面に（又はスピン−軌道場に）垂直な向き２７の有効成分を有する磁化に垂直な平面内に印加される。

非磁性材料２２及び磁性材料２３を含むブロック２８ａ又は２８ｂ（図４ｃ〜図４ｆ）は、ブロックに含まれる磁化のみを反転するために導電性トラック２４上に形成することができる。ブロック２８ｂ（図４ｅ及び図４ｆ）は、非磁性材料２４の厚さの一部分２４’を含むことができる。ブロック２８ａ又は２８ｂは、任意の形状、すなわち、正方形、長方形、円盤形、楕円形、又は実際に、変形されたときのそれらの形状のうちの任意のものとすることができ、原則は、磁化はトラックに沿って向けられるということである。この目的のために、主軸がトラックの軸に平行な楕円形状を有することが好ましい。

上述のように、高くした部分２４’も、層２２の材料及び導電性トラック２４の材料とは異なる導電性材料で作ることができる。

基板２５の材料は、第１の構成で用いられる材料と同じ材料か選択することができる。

層１３とは異なり、磁性層２３は、注入された電流及び局所磁化への作用に起因する有効磁場Ｈ_ｅｆｆとすることが無視できないことを確実にする程度に十分に薄い厚さの面内磁化を提供する必要がある。

層２２及び２４が非磁性かつ導電性である場合、その磁気異方性が平面内に存在するような厚さの層２３を有することが望ましい。この厚さは、通常、層２２及び２４と同一の２つの層１２及び１４層に囲まれた層１３の厚さ（図１ａ〜図１ｆ）よりも厚い。２つの層のうちの一方（通常は層２２）が絶縁性の材料、通常ＡｌＯ_ｘ、ＭｇＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘ、ＴａＯ_ｘ、．．．等で作られる場合、同時に、例えばその層を堆積している間に、又は実際に堆積後に真空中でアニールすることにより、磁性層の厚さを増加させるか、又は酸化物層の酸化の状態を変えることが可能である。そのような処置の例は、上述の、B.Rodmacq他による出版物及びA.Manchon他による出版物に見ることができる。

したがって、この磁性層の厚さは、或る状況下では、酸化及び／又はアニールパラメーターとの関連で、上述の第１の構成で用いられる厚さと同一とすることができるが、一方磁化は、その第１の構成では垂直であり、この説明中の構成では面内（planar）である。
この厚さは、第２の構成では通常、５ｎｍを超えず、好ましくは３ｎｍ以下である。面内磁化を提供する全ての磁性材料（Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉ、．．．）を用いることができる。製造条件に基づいて、例えば、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ等の磁性半導体等の非金属性の磁性材料を用いることも可能である。

例えばＧａＡｓ（１００）の上に成長させて得られる（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓに関する例示的な実施例として、ＧａＡｓにＭｎをドープした後に圧縮応力が存在し、それにより、面内異方性がもたらされ、一方、ＧａＩｎＡｓ上で成長させる場合は、応力が異なり、その結果として、磁気異方性は平面に対して垂直になる。この例は、「Anisotropic magnetization relaxation in ferromagnetic Ga_1-xMn_xAs thin films」（Kh. Khazen、H.J. Von Bardeleben、M. Cubukcu、J.L. Cantin、V. Novak、K. Olejnik、M. Cukr、L. Thevenard、A. Lemaitre、Phys. Rev. B 78 195210 (2008)）、又は実際に、「Ferromagnetic semiconductors: moving beyond (Ga,Mn)As」（A.H. MacDonald, P. Schiffer, N. Samarth, Nature Materials 4, 195-202 (2005), doi/10.1038/nmat1325）に見られる。

第１の構成における層１２及び１４について述べられたあらゆることは、非磁性層２２及び２４に対しても有効であるが、ただし、垂直磁化を有する全ての積層（層１２、１３、及び１４）に対して課された制約が、ここでは積層が面内磁化を有するという制約に置き換えられていることは例外である。

層２４の省略
層１４に関して述べられたあらゆることは、ここで適用可能である。

層の反転
同様に、第１の構成における磁化の反転について述べられたあらゆることは、上述の磁化の向きと印加される外部磁場の向きとを考慮して、ここで同じく再現することができる。同じことが、磁場の値、電流密度、及び、いかに磁場が印加されるかに関して適用される。

面内磁化の場合、異方性磁場は約４πＭｓであり、ここで、Ｍｓは飽和磁化、すなわちＣｏの場合約１．５Ｔである。印加される磁場の値は、実際には有効な異方性磁場の値の３分の１〜１０分の１の範囲内とすることができ、好ましくは、有効な異方性磁場の値の４分の１〜１０分の１の範囲内とすることができる。したがって、印加される磁場の値は第１の構成より大きくなる場合がある。なぜならば、異方性磁場が一般にはより大きいからである。

図５ａ及び図５ｂは、ＭＲＡＭ磁気メモリセル又は論理部品での使用に適し、書込み及び読出しの双方に適した積層の例を示している。

薄い磁性材料６３は、その平面に対して平行な向き６６に磁化を提供し、異なる非磁性材料の２つの層６２及び層６４の間に挟まれている。材料６４は絶縁基板上に導電性トラックを形成し、場合によっては追加の厚さの領域６４’を有している。外側磁場は、積層された層間の界面の平面に垂直な向き６７に沿って印加される。この積層上には、磁性材料の層６８と、導電性材料の１つ又は複数の層を提供する上部電極６９とが連続して積み重ねられている。この導電性材料は、図４ｃ〜図４ｆを参照して説明したように、第１の構成のような積層を形成するために、任意選択で磁性材料とすることもできる。Ａ、Ｂ、及びＣは、それぞれトラック６４の端部と（コンタクトＡ及びＢ）、及び上部電極６９と（コンタクトＣ）電気的コンタクトを形成するための点を表している。

図５ｂは、ブロック内に集積され、向き６７で磁場を生成する永久磁化磁石６０ａ及び６０ｂの例も示している。Ｃで接触することを可能にするために、永久磁石６０ｂは導電性の材料で作られている。

図６ａ〜図６ｄは、図５ａ及び図５ｂを参照して説明した構造を実施するメモリアーキテクチャーを、４つの異なる実施形態で示している。

これらの各実施形態において、磁性層８０は、電流供給層８２、８２’と、積層８１との間に挟まれている。積層８１は、図５ａ及び図５ｂの層６２、６８及び６９を有し、第１の構成のように、層８０の磁化の状態を読出すために、層６２が誘電体である場合はトンネルメモリ積層（又は、層６２が非磁性の金属である場合はスピンバルブ型積層）を規定している。

図６ａでは、２つのトランジスタ８３ａ及び８３ｂの制御下で、電流はトラック８２に注入される。

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、格納される情報は、通常、層８０内の磁化の方向であり、低い値の読出し電流（例えば、トンネル接合の場合で数マイクロアンペア又は数十マイクロアンペア程度）を、端子Ｃ（線８４）と端子Ｂとの間（等価の方法では、端子Ｃと端子Ａとの間）に注入し、上記２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Ｃと端子Ｂとの間に（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、上記端子間を流れる電流を測定し、それにより、いずれの場合も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、層８０の磁化の向き６６が基準層６８の磁化の向きに対して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６２が誘電体の場合）は損傷を受けない。

永久磁石８５ａ及び８５ｂは、静磁場を層８０の平面に対して垂直な向き８６に印加するように、構造内、例えばそれぞれ、トラック８２の下に、及び積層８１の上に集積することができる。永久磁石８５ａを構成する材料は、読出しを妨げないようにするために、導電性である必要がある。

図６ｃ及び図６ｄは、１つのみの読出しトランジスタが用いられていて、電流供給線８２の他端８８（点Ｂ）は定電位に接続されていることにより、それぞれ図６ａ及び図６ｂと異なる。

全ての場合に、駆動回路を用いて書込み及び／又は読出し動作を管理することができる。

ここで、層８０の磁化は、向き８６の静磁場の存在下で、底部電極８２に沿って一方の向き又は他方の向きで移動する電流によって反転され、積層８２、８０、及び８１の外側層は、潜在的には追加の厚さ８２’の導電性領域とともに、電流供給トラック８２の形態で構造化される。上述の例では、追加の厚さの部分８２’は、トラック８２と同じ材料で作ることもできるし、異なる材料で作ることもできる。

所与のメモリ点に対して、書込みのために２つの方法で電流を注入することができる。

第１の方法では、スイッチとして動作する２つのトランジスタ８３ａ及び８３ｂが用いられ、それらの自由端子が、それらのうちの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、トランジスタ８３ａ及び８３ｂのいずれが電圧Ｖ_ｄｄに接続されているかに基づいて、一方の向きに又は他方の向きに流すように選択される。

第２の方法では、１つのトランジスタ８３ａのみが用いられ、トラック８２の他端は８８において定電圧に接続される。

対称操作
トランジスタに接続されたトラックは電位Ｖ_ｄｄ（又はグラウンド電位）に引き上げられ、一方、トラック８２の端部に接続された他方のトラックは、８８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。

非対称操作
トラック８２の端部に接続されたトラックは、８８において中間電位、例えばＶ_ｄｄ／２に接続され、一方、トランジスタ８３ａに接続されたトラックは、電流に関する所望の向きに基づいて、それぞれ電位Ｖ_ｄｄ又はグラウンドに接続される。この構成は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。本発明の構成では、電流は従来技術で用いられる領域よりはるかに狭い領域に配送することができ、この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、動作時のエネルギー消費を節約することができる。

図７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。単純にするために、磁場を印加するためのデバイスは示されていない。

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．．．及び共役ビット線１１２_１、１１２_２、１１２_３、．．．が存在し、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、図２ｂ、図３ｃ、図３ｄ、図５ａ、図５ｂ、図６ｃ及び図６ｄ（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。

全ての場合に、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、ソースはビット線１１１_１、１１１_２等．．．に接続することができ、ドレインは点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、所望の磁化の向きに従って電圧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。

このため、書込み電流は、磁化の所望の向きに応じて一方の向き又は他方の向きに点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（弱い）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．．．はトランジスタを開放する電位にされる。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 (27)

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、
   前記積層は、前記書込み磁性層、すなわち少なくとも１つの磁性材料の中央層（１３、５３、７０、２３、６３、８０）であって、該少なくとも１つの磁性材料が該中央層の平面に対して平行又は垂直な磁化の向きを提供する、中央層を有し、該中央層は非磁性材料の第１の外側層（１２、５２、７１、２２、６２）と第２の外側層（１４、５４、７２、２４、６４、８２）との間に挟まれ、前記第１の外側層（１２、５２、７１、２２、６２）は第１の非磁性材料を含み、前記第２の外側層（１４、５４、７２、２４、６４、８２）は、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であって、前記書込み電流は前記中央層の前記平面に対して並行な電流の向きに巡回する、デバイスと、他方で、前記中央層（１３、５３、７０、２３、６３、８０）の前記平面と前記電流の向きとに対して平行又は垂直のいずれかである成分を有する磁場を磁場の向きに沿って印加するデバイスとを備えることと、
   前記磁化の向きと前記磁場の向きとは相互に垂直であることと、
   を特徴とする磁気素子。
2. 前記磁場は、前記中央層の前記平面と前記電流の向きとに対して平行又は垂直のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の磁気素子。
3. 前記磁場の向きは前記電流の向きに対して平行であることと、
   前記磁化は、前記中央層（１３，５３、７０）の前記平面に対して垂直であることと、を特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の磁気素子。
4. 前記中央層（１３，５３、７０）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３に記載の磁気素子。
5. 前記中央層（１３，５３、７０）は、２ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項４に記載の磁気素子。
6. 前記磁化の向きは前記電流の向きに対して平行であることと、
   前記磁場の向きは前記中央層（２３，６３、８０）の前記平面に対して垂直であることと、
   を特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の磁気素子。
7. 前記中央層（２３，６３、８０）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６に記載の磁気素子。
8. 前記中央層（２３，６３、８０）は、３ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする、請求項７に記載の磁気素子。
9. 前記中央層（１３，５３、７０、２３，６３、８０）は、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｔ、ＧｄＣｏ、ＴｄＦｅＣｏからなる群から選択される合金を含むことを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載の磁気素子。
10. 前記中央層は、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、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＣｏＮｉからなる群から選択される金属又は合金を含むことを特徴とする、請求項３〜５のいずれか１項に記載の磁気素子。
11. 前記中央層は、前記積層内に、面内磁気異方性を提供する、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉからなる群から選択される金属又は合金を含むことを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の磁気素子。
12. 前記第１及び第２の外側層の少なくとも１つの外側層は導電性であり、Ｐｔ、Ｗ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｂｉ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１〜１１のいずれか１項に記載の磁気素子。
13. 前記少なくとも１つの外側層の厚さは１０ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項１２に記載の磁気素子。
14. 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ＳｉＮｘ、ＢＮｘ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１〜１１のいずれか１項に記載の磁気素子。
15. 前記第１及び第２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１４に記載の磁気素子。
16. 前記第１及び第２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１５に記載の磁気素子。
17. 前記第１及び第２の外側層の厚さは３ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の磁気素子。
18. 前記第１及び第２の外側層の双方が導電性であり、前記非磁性材料又は合金のうちの２つの異なるものから選択されることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の磁気素子。
19. 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１〜１８のいずれか１項に記載の磁気素子。
20. 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１〜１９のいずれか１項に記載の磁気素子。
21. 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１〜２０のいずれか１項に記載の磁気素子。
22. 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）は前記読出し層（５８）、前記読出し電極（５９）、及び前記中央層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２１に記載の磁気素子。
23. 前記第１の外側層の厚さは３ｎｍ未満であることを特徴とする、請求項２２に記載の磁気素子。
24. 前記第１の外側層及び前記中央層はブロックを形成し、一方、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１〜２３のいずれか１項に記載の磁気素子。
25. 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２４に記載の磁気素子。
26. 書き込み可能な磁気デバイスであって、請求項２４又は請求項２５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有することを特徴とする、書き込み可能な磁気デバイス。
27. 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２５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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