JP6708832B2 - 磁気トンネル接合 - Google Patents
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Description
本明細書中に開示する実施形態は、磁気トンネル接合、磁気トンネル接合の磁性電極を形成する方法、および、磁気トンネル接合を形成する方法に関する。
磁気トンネル接合は、薄い非磁性トンネル絶縁体材料（例、誘電材料）で分離された２つの導電性の磁性電極を有する、集積回路コンポーネントである。その絶縁体材料は、適切な条件下で、電子が一方の磁性電極からその絶縁体材料を通過して他方の磁性電極にトンネリング移動することが可能なほどに、十分に薄い。これら磁性電極のうちの少なくとも１つは、通常動作のライト（ｗｒｉｔｅ）または消去の電流／電圧にて、その全体的な磁化方向を２つの状態の間で切り替えることが可能であり、一般には「フリー（ｆｒｅｅ）」電極または「記録（ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）」電極と呼ばれる。他方の磁性電極は、一般に、「参照（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）」電極、「固定（ｆｉｘｅｄ）」電極、または「ピンド（ｐｉｎｎｅｄ）」電極と呼ばれ、その全体的な磁化方向は、通常動作のライトまたは消去の電流／電圧が印加されても切り替わらないだろう。参照電極および記録電極は、それぞれ、導電性ノードに電気的に結合される。参照電極、絶縁体材料、および記録電極を通じたそれら２つのノード間の電気抵抗は、参照電極の磁化方向に対する、記録電極の磁化方向に依存する。よって、磁気トンネル接合は、少なくとも２つの状態のうちの１つにプログラムすることが可能であり、それらの状態は、磁気トンネル接合を通る電流フローを測定することにより検知することが可能である。磁気トンネル接合は、２つの電流導通状態間で「プログラム」することが可能なので、メモリ集積回路で使用するために提案されてきた。さらに、磁気トンネル接合は、メモリとは別に論理回路もしくは他の回路で使用されること、または、メモリに加えて論理回路もしくは他の回路で使用されることもある。
スピン・トランスファ・トルク（ＳＴＴ）効果をもたらすために、記録電極の全体的な磁化方向を、電流で誘起される外部磁界により、または、スピン偏極電流を使用することにより、切り替えることができる。電荷キャリア（電子など）は、そのキャリア固有の少量の角運動量である、「スピン」として知られる特性を有する。電流は、一般には偏極されていない（「スピン・アップ」電子を約５０％、「スピン・ダウン」電子を約５０％有する）。スピン偏極電流は、どちらかのスピンの電子が他方よりも著しく多くなっている電流である。ある種の磁性材料（偏極子材料と呼ばれる場合もある）に電流を通すことにより、スピン偏極電流を生成することが可能である。スピン偏極電流が磁性材料内に向かっている場合、スピン角運動量がその材料に伝わって、それにより、その磁化の向きに影響を及ぼす可能性がある。これを利用して、振動を励起することが可能であり、または、スピン偏極電流が十分に大きければ、磁性材料の配向／磁区方向（ｏｒｉｅｎｔａｉｏｎ／ｄｏｍａｉｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）を反転すること（すなわち、切り替えること）さえ可能である。
ＣｏとＦｅの合金または他の混合物は、偏極子材料として、および／または、磁気トンネル接合内の記録電極の磁気記録材料の少なくとも一部分として、使用することが提案されている一般的な材料の１つである。より具体的な例は、ＣｏｘＦｅｙＢｚであり、ここで、ｘおよびｙがそれぞれ１０〜８０であり、ｚが０〜５０であるが、これは、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢと略されることもある。ＭｇＯは、非磁性トンネル絶縁体に理想的な材料である。こうした材料はそれぞれ、体心立方（ｂｃｃ）００１格子を有する結晶質であることが理想的である。こうした材料は、任意の適当な技術、たとえば物理気相成長で堆積されることもある。ｂｃｃ００１格子をこうした材料中に最終的に作るのに利用可能な技術の１つは、まず、ＣｏＦｅをアモルファスになるように形成し、その上にＭｇＯ含有トンネル絶縁体材料を堆積することを含む。堆積中および／または堆積後、ＭｇＯトンネル絶縁体、ＣｏＦｅ、およびトンネル絶縁体は、それぞれ一様なｂｃｃ００１格子構造を実現することが理想的である。
初めのＣｏＦｅのアモルファス堆積を確実にするためには、またはそれをもたらすためには、ＣｏＦｅの一部分として、一般にホウ素が堆積される。ＭｇＯの堆積中または堆積後に、最低でも約２５０℃の温度で基板にアニーリングを行うことにより、ＣｏＦｅの結晶化を起こすことも可能である。これにより、形成中のＣｏＦｅ母材からのＢ原子の拡散が誘起されて、ｂｃｃ００１ＣｏＦｅへの結晶化が可能になるだろう。ｂｃｃ００１ＭｇＯは、ＣｏＦｅの結晶化中にテンプレートとして機能する。しかし、完成した磁気トンネル接合構造物内のＢ、特に、ＣｏＦｅ／ＭｇＯ界面にあるＢまたはＭｇＯ格子の内側にあるＢは、望ましくないことに、磁気トンネル接合のトンネリング磁気抵抗効果（ＴＭＲ）を低減する。
本発明の実施形態は、磁気トンネル接合を包含する。例示的実施形態を、まず、図１を参照して、基板断片１０に関連して説明するが、この基板断片は、半導体基板を含むこともある。本文書の文脈では、「半導体基板（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」または「半導電性基板（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」といった用語は、半導電性材料を含んだ任意の構造体を意味するように定義され、この半導電性材料には、（単体の、または上に載った他の材料を含んだアセンブリ内のいずれかの）半導電性ウエハなどのバルク半導電性材料、および、（単体の、または他の材料を含んだアセンブリ内のいずれかの）半導電性材料層が含まれるが、これらに限定されない。「基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」という用語は、任意の支持構造を指し、これには、上記の半導電性基板が含まれるが、これに限定されない。基板断片１０は、様々な材料が縦方向スタックとしてその上に形成された様を示す基部または基板１１を備える。図１に示す材料から横に離れた材料、図１に示す材料よりも高さ方向で内側にある材料、または、図１に示す材料よりも高さ方向で外側にある材料があってもよい。たとえば、部分的にまたは完全に作製された他の集積回路コンポーネントが、断片１０の近く、またはその中の、どこかに設けられてもよい。基板１１は、伝導性（すなわち、本明細書中では導電性）材料、半導電性材料、または、絶縁性／絶縁体（すなわち、本明細書中では電気的に絶縁性／絶縁体の）材料のうちの、任意の１つまたは複数の材料を含むこともある。これに関わらず、本明細書に記載する材料、領域、および構造体のうちのいずれのものも、均質または不均質とすることができ、これに関わらず、そうしたものが上に載っている任意の材料の上において、連続的であってもよく、または不連続であってもよい。さらに、特に別段の指示のない限り、各材料は任意の適当な技術または任意の未開発の技術を使用して形成することができ、原子層堆積、化学蒸着、物理蒸着、エピタキシャル成長、拡散ドーピング、イオン注入がそうした技術の例である。
磁気トンネル接合１５が、基板１１の上にあり、磁気記録材料を含む導電性の第１の磁性（すなわち、本明細書中ではフェリ磁性または強磁性）電極２５と、第１の電極２５から離隔されており、磁気参照材料を含む導電性の第２の磁性電極２７とを備える。第１の電極と第２の電極との間に、非磁性トンネル絶縁体材料２２（例、ＭｇＯを含む、実質的にＭｇＯからなる、または、ＭｇＯのみからなる）がある。電極２５および２７はそれぞれ、非磁性絶縁体の材料もしくは領域、半導電性の材料もしくは領域、および／または、導電性の材料もしくは領域を含有することもある。しかし、電極２５および２７を個別に考えると、たとえ本質的に局所的に非磁性であり、かつ／または非導電性である１つまたは複数の領域を当該電極がその内部に有することがあるとしても、電極２５および２７は、全体的かつ集合的には、磁性および導電性を呈するものとして特徴付けられる。さらに、本明細書中で「磁性」と言った場合、記載されている磁性材料または磁性領域が初めに形成されたときには磁性を有する必要はないが、その記載されている磁性材料または磁性領域のいくらかの部分が、磁気トンネル接合の完成した回路構造体内で機能的に「磁性を有する」ことが必要とされる。
コンポーネント２５および２７それぞれの例示的な厚さは、約２０オングストローム〜約１５０オングストロームであり、コンポーネント２２については、約５オングストローム〜約２５オングストロームである。本文書では、「厚さ」と単独で（先行する方向形容詞なしで）言った場合、それは、所与の材料または領域を、直接隣接する組成が異なる材料に最も近い、または直接隣接する領域に最も近い面から垂直に切った場合の平均直線距離として定義される。さらに、本明細書に記載する様々な材料および領域の厚さは、実質的に一定であっても、一定でなくてもよい。厚さが一定でない場合、特に指示のない限り、厚さとは平均の厚さを指す。本明細書で使われるように、「異なる組成（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）」と言った場合には、たとえば記載される２つの材料または領域が均質でないならば、これらの材料または領域のうち互いに直接触れうる部分同士が、化学的および／または物理的に異なることのみが必要である。上記の材料または領域の２つが互いに直接触れていない場合、「異なる組成（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）」と言えば、上記材料または領域の２つが均質でないならば、記載されたこれら２つの材料または領域のうち最も互いに接近している部分同士が、化学的および／または物理的に異なることのみが必要である。本文書では、記載する材料、領域または構造体同士の、互いに対する少なくとも何らかの物理的接触が存在する場合に、材料、領域または構造体が、他の物に「直接触れている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｇａｉｎｓｔ）」と言う。これに対して、その前に「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」とは言っていない場合の「覆って／上に（ｏｖｅｒ）」、「上に（ｏｎ）」、および「触れて（ａｇａｉｎｓｔ）」は、「直接触れている（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｇａｉｎｓｔ）」を包含し、かつ、介在する（１つもしくは複数の）材料、領域、または構造体により、上記の材料、領域、または構造体同士が互いに物理的に接触しない構成をも包含する。
電極２５および２７の縦方向位置を反対にすることもでき、かつ／または、縦方向スタック以外の向きを使用することもできる（例、横方向、斜め方向、および、縦方向と水平方向と斜め方向のうちの１つまたは複数の組合せなど）。本文書では、「縦方向」、「上」、「下」、「上端」、および「下端」は、垂直方向に対するものである。「水平方向」は、作製中に基板を加工する対象となる主要面に沿った概ねの方向を指し、その方向に概ね直交する方向が垂直方向である。さらに、本明細書中で使用する「垂直方向」および「水平方向」は、互いに対して概ね垂直の方向のことであり、３次元空間内での基板の向きとは無関係である。
第１の電極２５の磁気記録材料は、第１の磁性領域２８と、第１の磁性領域２８から離隔されている第２の磁性領域３０と、第１の磁性領域２８および第２の磁性領域３０から離隔されている第３の磁性領域３２とを含む。磁性領域２８、３０および３２は、任意の適当な既存または未開発の（１つまたは複数の）磁性材料を含んでもよい。例には、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｂ、Ｉｒ、およびＲｕのうちのいずれか、ならびに、それらの組合せが含まれる。より具体的な例は、Ｆｅ、ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＢのうちの１つまたはそれらの組合せである。一実施形態では、磁性領域２８、３０および３２の組成が互いに同一である。一実施形態では、磁性領域２８、３０および３２が、集合的には、互いに異なる少なくとも２つの組成物を含む。一実施形態では、磁性領域２８、３０および３２の最大厚さおよび／または最小厚さが互いに同一である。一実施形態では、磁性領域２８、３０および３２が、互いに異なる少なくとも２つの最大厚さおよび／または最小厚さを有する。磁性領域２８、３０および３２それぞれについての最小厚さの例は、約８オングストローム〜約２５オングストロームであり、約１２オングストローム〜約１８オングストロームが理想的である。
第１の磁性領域２８と第２の磁性領域３０との間に、第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域２９が存在する。第２の磁性領域３０と第３の磁性領域３２との間に、第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域３１が存在する。領域２９および／または３１は、非磁性絶縁体金属酸化物を含むこと、非磁性絶縁体金属酸化物のみからなること、または、実質的に非磁性絶縁体金属酸化物からなることもある。図面を明瞭にするために、非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を、「ＭＯ」――ただし、「Ｍ」は、１つまたは複数の元素金属であり、「Ｏ」は、もちろん酸素である――と示しており、これは、化学量論とは関係なく、あるいは、１つまたは複数の非化学量論的組成物を含んでいるかどうかにも関係なく示したものである。非磁性絶縁体金属酸化物の例は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化バナジウム、および酸化アルミニウムである。一実施形態では、金属酸化物含有領域２９および３１の組成が互いに同一である。一実施形態では、金属酸化物含有領域２９および３１の組成が互いに異なる。一実施形態では、第１の金属酸化物含有領域２９および第２の金属酸化物含有領域３１の最大厚さおよび／または最小厚さが互いに同一である。一実施形態では、第１の金属酸化物含有領域２９および第２の金属酸化物含有領域３１が、互いに異なる最大厚さおよび／または最小厚さを有する。厚さの一例は、約３オングストローム〜約１２オングストロームであり、約４オングストローム〜約６オングストロームが理想的な例の１つである。一実施形態では、たとえば図示するように、第１の金属酸化物含有領域２９が、第１の磁性領域２８および／または第２の磁性領域３０に直接触れている。一実施形態では、たとえば図示するように、第２の金属酸化物含有領域３１が、第２の磁性領域３０および／または第３の磁性領域３２に直接触れている。
第１の電極２５を、トンネル絶縁体材料２２の一方の電極側（例、図の上側）にあるとみなし、第２の電極２７を、トンネル絶縁体材料２２の他方の電極側（例、図の底側）にあるとみなすこともできる。一実施形態では、磁気トンネル接合１５が、トンネル絶縁体材料２２の一方の電極側にある全ての絶縁体材料（例、材料２９、３１および４０）のうちでトンネル絶縁体材料２２から最も遠くにある非磁性絶縁体材料４０を含む。こうした例示的一実施形態では、最も遠くにある絶縁体材料４０は、組成がトンネル絶縁体材料２２と同一であり、トンネル絶縁体材料２２のものよりも小さな最大厚さを有する。非磁性絶縁体材料４０の例示的厚さは、非磁性絶縁体金属酸化物含有領域２９および３１について先に説明したものと同一である。
第２の導電性磁性電極２７の磁気参照材料は、任意の適当な既存または未開発の磁気参照材料を含んでもよい。例として、こうした材料は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、ＰｄおよびＩｒのうちのいずれか１つまたは複数を含んでもよく、また、たとえば、均質な単一の強磁性層の形態でもよいし、または、１つもしくは複数の非磁性材料を用いた人工反強磁性複合物としてもよい。より具体的な例として、第２の電極２７の磁気参照材料は、トンネル絶縁体２２に直接触れている適当な磁気偏極子材料（例、先に特定したＣｏｘＦｅｙＢｚで約８オングストローム〜約２０オングストロームのもの）と、磁気偏極子材料よりもトンネル絶縁体２２から離れた位置にある、人工反強磁性体構造物（例、約２０オングストローム〜約１００オングストロームのＣｏ／Ｐｔ／Ｃｏ複合物）とを含むこともある。
第１の電極２５および第２の電極２７の材料および領域は、アモルファスであってもよく、または、アモルファスの材料および領域を含んでもよいが、結晶質であることが理想的である。本文書で使用する「結晶（質）」として材料または領域を特徴付けるには、記載する材料または領域の体積の少なくとも９０％が結晶質であることが必要である。本文書で使用する「アモルファス」として材料または領域を特徴付けるには、記載する材料の体積の少なくとも９０％がアモルファスであることが必要である。
一実施形態では、第３の磁性領域から離隔されている少なくとも１つの更なる磁性領域と、第３の磁性領域とその少なくとも１つの更なる磁性材料との間の少なくとも１つの更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域とを、第１の電極の磁気記録材料が含む。図２は、こうした実施形態の例を、基板１０ａについての磁気トンネル接合１５ａに関して示し、図３は、こうした実施形態の例を、基板１０ｂについての磁気トンネル接合１５ｂに関して示す。上記の実施形態のものと同様の番号を適宜使用しており、いくつかの構造上の差は、それぞれ添え字「ａ」および「ｂ」または異なる数字で示している。
図２を参照すると、第１の電極２５ａの磁気記録材料が、第３の磁性領域３２から離隔されている他の磁性領域４２と、第３の磁性領域３２と他の磁性領域４２との間の他の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域４１とを含む。磁性領域４２は、磁性領域２８、３０および３２について先に説明した属性のうちのいずれを有していてもよい。非磁性絶縁体金属酸化物含有領域４１は、金属酸化物含有領域２９および３１について先に説明した属性のうちのいずれを有していてもよい。先に述べた、かつ／または、図１に示した、他の任意の（１つもしくは複数の）属性または（１つもしくは複数の）態様を、図２の実施形態で使用することもできる。
図３を参照すると、第１の電極２５ｂの磁気記録材料は、他の磁性領域４４および他の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域４３を有し、これらは、それぞれ領域４２および４１について先に説明したものとそれぞれ同一の属性を有していてもよい。このような磁性領域および非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を更に設けてもよい（図示せず）。先に述べた、かつ／または、図１および図２に示した、他の任意の（１つもしくは複数の）属性または（１つもしくは複数の）態様を、図３の実施形態で使用することもできる。
本発明の一実施形態は、第３の磁性領域（例、領域３２）から離隔されているとともに互いからも離隔されている（例、磁性領域４２および４４が互いから離隔されている）複数の更なる磁性領域（例、領域４２および４４）を有する、第１の電極の磁気記録材料を含む。こうした実施形態は、複数の更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域（例、領域４１および４３）も含む。これら複数の更なる磁性領域のうちの１つは、これら複数の更なる磁性領域のうちの他の全て（例、領域４４）と比較して、第３の磁性領域に最も近い（例、領域４２）。複数の金属酸化物含有領域のうちの１つは、第３の磁性領域と、上記最も近い磁性領域との間に存在する（例、領域４１）。金属酸化物含有領域のうちのその他のものそれぞれはどれも（例、領域４３）、上記複数の更なる磁性領域のうちですぐ隣にあるもの同士の間に存在する（例、領域４３は、複数の更なる磁性領域のうちですぐ隣にある領域４２と４４との間に存在する）。２つの更なる磁性領域４２および４４ならびに非磁性絶縁体金属酸化物含有領域４１および４３よりも更に多くのものを、第１の電極の一部分として追加してもよい。
図１〜３の実施形態の例は、単一磁気トンネル接合（ＳＭＴＪ）を示している。しかし、二重磁気トンネル接合（ＤＭＴＪ）または二重（２つ）より更に多重の磁気トンネル接合が考えられる。一実施形態では、磁気トンネル接合が、磁気記録材料の第３の磁性領域の上にあって第２の金属酸化物含有絶縁体材料からは離隔されている、他の非磁性トンネル絶縁体材料を含む。こうした一例示的実施形態では、こうした他の非磁性トンネル絶縁体材料の上に、第２の磁気参照材料がある。第２の磁気参照材料は、上記他の非磁性トンネル絶縁体材料に近接する磁気偏極子材料を含む。こうした一例示的実施形態を図５に示し、下記で更なる詳細を説明する。
たとえば、基板１０ｃの一部分としての磁気トンネル接合１５ｃについて図４に示すように、本発明の一実施形態は、多重障壁磁気トンネル接合（例、ＤＭＴＪ）を含む。上記の実施形態のものと同様の番号を適宜使用しており、いくつかの構造上の差は、添え字「ｃ」または異なる数字で示している。材料２２は、第１の電極２５ｃと第２の電極２７との間にある第１の非磁性トンネル絶縁体材料を含む。第１の電極２５ｃの磁気記録材料は、第１の磁性領域２８と、第１の磁性領域２８から離隔されている第２の磁性領域３０とを含む。非磁性絶縁体金属酸化物含有領域２９が、第１の磁性領域２８と第２の磁性領域３０との間にあり、第１の磁性領域２８の方が、第２の磁性領域３０よりも、第１の非磁性トンネル絶縁体材料２２に近い。第２の電極２７は、第１の磁気参照材料を含むものとみなしうる。
第２の非磁性トンネル絶縁体材料１００が、第１の電極２５ｃの磁気記録材料の第２の磁性領域３０の上にあって、第１の非磁性トンネル絶縁体材料２２からは離隔されている。第２の磁気参照材料５５が、第２の非磁性トンネル絶縁体材料１００の上にあり、また、第２の非磁性トンネル絶縁体材料１００に近接する磁気偏極子材料を含む。第２の非磁性トンネル絶縁体材料１００は、トンネル絶縁体２２について先に説明した属性のうちいずれを有していてもよい。第２の磁気参照材料５５は、第２の電極２７の（第１の）磁気参照材料について先に説明した属性のうちいずれを有していてもよい。一実施形態では、第１の非磁性トンネル絶縁体材料２２および第２の非磁性トンネル絶縁体材料１００の組成が互いに同一である。一実施形態では、第１の非磁性トンネル絶縁体材料２２および第２の非磁性トンネル絶縁体材料１００の組成が互いに異なる。一実施形態では、第１および第２の非磁性トンネル絶縁体材料の最大厚さおよび／または最小厚さが互いに同一であり、一実施形態では、第１および第２の非磁性トンネル絶縁体材料の最小厚さおよび／または最大厚さが互いに異なる。理想的な一実施形態では、第２の非磁性トンネル絶縁体材料１００の最小厚さが、第１の非磁性トンネル絶縁体材料２２の最小厚さよりも小さい。第２の非磁性トンネル絶縁体材料１００の理想的な厚さの１つは、約７オングストローム〜約１５オングストロームである。一実施形態では、第２の非磁性トンネル絶縁体材料１００が、磁性領域３０に直接触れている。先に述べた、かつ／または、図１〜３に示した、他の任意の（１つもしくは複数の）属性または（１つもしくは複数の）態様を、図４の実施形態で使用することもできる。
一実施形態では、第１の電極の磁気記録材料が、第２の磁性領域から離隔されている少なくとも更に１つの磁性領域と、第２の磁性領域とその少なくとも更に１つの磁性材料との間の少なくとも更に１つの非磁性絶縁体金属酸化物含有領域とを含む。図５は、こうした実施形態の例を、基板１０ｄについての磁気トンネル接合１５ｄに関して示し、図６は、こうした実施形態の例を、基板１０ｅについての磁気トンネル接合１５ｅに関して示す。上記の実施形態のものと同様の番号を適宜使用しており、いくつかの構造上の差は、それぞれ添え字「ｄ」および「ｅ」または異なる数字で示している。
図５を参照すると、第１の電極２５ｄの磁気記録材料が、第２の磁性領域３０から離隔されている他の磁性領域３２と、第２の磁性領域３０と他の磁性領域３２との間の他の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域３１とを含む。先に述べた、かつ／または、図１〜４に示した、他の任意の（１つもしくは複数の）属性または（１つもしくは複数の）態様を、図５の実施形態で使用することもできる。
図６を参照すると、第１の電極２５ｅの磁気記録材料は、他の磁性領域４２および他の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域４１を有する。このような磁性領域および非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を更に設けてもよい（図示せず）。先に述べた、かつ／または、図１〜５に示した、他の任意の（１つもしくは複数の）属性または（１つもしくは複数の）態様を、図６の実施形態で使用することもできる。
図４〜６は、例示的ＤＭＴＪの実施形態を示すが、二重（２つ）より多くのトンネル障壁材料機能層を使用することもできる。
本発明の一実施形態は、磁気記録材料を含む導電性の第１の磁性電極（例、２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ）を備える磁気トンネル接合（例、１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ）を含む。導電性の第２の磁性電極（例、電極２７）が、第１の電極から離隔されており、磁気参照材料を含む。第１の電極と第２の電極との間に、非磁性トンネル絶縁体材料（例、材料２２）が存在する。非磁性トンネル絶縁体材料は、金属酸化物を含む（すなわち、先に説明したように）。理想的な一実施形態では、非磁性トンネル絶縁体材料が、ＭｇＯを含むか、実質的にＭｇＯからなるか、または、ＭｇＯのみからなる。第１の電極の磁気記録材料は、第１の磁性領域と、第１の磁性領域から離隔されている第２の磁性領域とを含む（例、それぞれ、領域２８、領域３０）。第１の磁性領域の方が、第２の磁性領域よりも、非磁性トンネル絶縁体材料に近い。第１の電極は、第１の磁性領域と第２の磁性領域との間に第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域（例、領域２９）を含む。第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域が、磁気記録材料の第２の磁性領域の上にあり、第１の非磁性トンネル絶縁体材料からは離隔されている。たとえば、図１〜３の実施形態では、領域３１、４１および４３のいずれもが、こうした第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域の例である。図４〜６の実施形態では、領域１００、３１および４１のいずれもが、こうした第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域の例である。
一実施形態では、磁気トンネル接合がＳＭＴＪ（例、図１、２および３のいずれも）であり、一実施形態では、ＤＭＴＪ（例、図４、５、６のいずれも）である。
一実施形態では、非磁性トンネル絶縁体材料、第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域、および第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域の組成が互いに同一である。一実施形態では、非磁性トンネル絶縁体材料、第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域、および第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域が、集合的には、互いに異なる少なくとも２つの組成物を含む。
先に説明した他の任意の（１つもしくは複数の）属性または（１つもしくは複数の）態様を使用してもよい。
磁気トンネル接合１５についての具体的な一例として、第２の電極２７が、基板１１に直接触れている５０オングストロームのＲｕと、そのＲｕに直接触れている２４オングストロームのＣｏＰｔ超格子様マルチレイヤと、そのＣｏＰｔ超格子様マルチレイヤに直接触れている４オングストロームのＲｕと、そのＲｕに直接触れている１２オングストロームのＣｏＰｔ超格子様マルチレイヤと、そのＲｕに直接触れている４オングストロームのＣｏと、そのＣｏに直接触れている２オングストロームのＴａと、そのＴａに直接触れている８オングストロームのＣｏｘＦｅｙＢｚとを含み、そのＣｏｘＦｅｙＢｚが、主として磁気偏極子材料として機能する。トンネル絶縁体２２は、１５オングストロームのＭｇＯである。磁性領域２８は、トンネル絶縁体２２に直接触れている８オングストロームのＣｏ２０Ｆｅ５０Ｂ３０（堆積当初のモル量であり、必ずしも最終構造物内のものではない）を含む。こうした領域は、ＣＯ２０Ｆｅ５０Ｂ３０に直接触れている１０オングストロームのＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０（堆積当初のモル量であり、必ずしも最終構造物内のものではない）を更に含み、その厚さは一定ではない。領域２９は、第１の磁性領域２８のＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０に直接触れている６オングストロームのＭｇＯである。第２の磁性領域３０は、領域２９に直接触れている９オングストロームのＦｅ、および、そのＦｅに直接触れている３オングストロームのＣｏ２０Ｆｅ6０Ｂ2０（堆積当初のモル量であり、必ずしも最終構造物内のものではない）である。領域３１は、第２の磁性領域３０に直接触れている６オングストロームのＭｇＯである。第３の磁性領域３２は、第２の磁性領域３０と同じものである。材料４０は、第３の磁性領域３２に直接触れている５オングストロームのＭｇＯである。
図２の構造物の具体的な一例は、図１について基板１１から上向きに領域２９まで直前で説明したものと同一である。領域３０は、領域２９に直接触れている１０オングストロームのＦｅ、および、そのＦｅに直接触れている３オングストロームのＣｏ２０Ｆｅ６０Ｂ２０である。領域３１は、６オングストロームのＭｇＯである。領域３２は、領域３０と同じものである。領域４１は、領域３１と同じものである。領域４２は、領域３０と同じものであり、材料４０は、図１のものと同一である。
直前で説明したこれらの例を、図３〜６の例示的実施形態に当てはめることも可能である。
磁気トンネル接合の１つの重要な性能測定基準は、比率Ｅｂ／Ｉｃであり、ただし、Ｅｂは、磁気記録材料のエネルギー障壁（単位はエルグ）であり、Ｉｃは、臨界スイッチング電流（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）（単位はアンペア）である。複数のＭＯ層を磁気記録材料内に設けることで、垂直磁気異方性発生界面の数を増加させることもでき、これにより、ほぼ同じＩｃまたはわずかに高まったＩｃを保ちつつＥｂを増大させることができ、したがって、Ｅｂ／Ｉｃの比率が改善される。
[結論]
いくつかの実施形態では、磁気トンネル接合が、磁気記録材料を含む導電性の第１の磁性電極を含む。導電性の第２の磁性電極が、第１の電極から離隔されており、磁気参照材料を含む。第１の電極と第２の電極との間に、非磁性トンネル絶縁体材料が存在する。第１の電極の磁気記録材料が、第１の磁性領域と、第１の磁性領域から離隔されている第２の磁性領域と、第１および第２の磁性領域から離隔されている第３の磁性領域とを含む。第１の磁性領域と第２の磁性領域との間に、第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域がある。第２の磁性領域と第３の磁性領域との間に、第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域がある。
いくつかの実施形態では、磁気トンネル接合が、磁気記録材料を含む導電性の第１の磁性電極を含む。導電性の第２の磁性電極が、第１の電極から離隔されており、磁気参照材料を含む。第１の電極と第２の電極との間に、非磁性トンネル絶縁体材料が存在する。第１の電極の磁気記録材料が、第１の磁性領域と、第１の磁性領域から離隔されている第２の磁性領域と、第１および第２の磁性領域から離隔されている第３の磁性領域とを含む。第１の磁性領域と第２の磁性領域との間に、第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域がある。第２の磁性領域と第３の磁性領域との間に、第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域がある。
いくつかの実施形態では、磁気トンネル接合が、磁気記録材料を含む導電性の第１の磁性電極を含む。導電性の第２の磁性電極が、第１の電極から離隔されており、第１の磁気参照材料を含む。第１の電極と第２の電極との間に、第１の非磁性トンネル絶縁体材料が存在する。第１の電極の磁気記録材料が、第１の磁性領域と、第１の磁性領域から離隔されている第２の磁性領域とを含む。第１の磁性領域と第２の磁性領域との間に、非磁性絶縁体金属酸化物含有領域がある。第１の磁性領域の方が、第２の磁性領域よりも、第１の非磁性トンネル絶縁体材料に近い。第２の非磁性トンネル絶縁体材料が、磁気記録材料の第２の磁性領域の上にあり、第１の非磁性トンネル絶縁体材料からは離隔されている。第２の磁気参照材料が、第２の非磁性トンネル絶縁体材料の上にある。第２の磁気参照材料が、第２の非磁性トンネル絶縁体材料に近接する磁気偏極子材料を含む。
いくつかの実施形態では、磁気トンネル接合が、磁気記録材料を含む導電性の第１の磁性電極を含む。導電性の第２の磁性電極が、第１の電極から離隔されており、磁気参照材料を含む。第１の電極と第２の電極との間に、金属酸化物を含む非磁性トンネル絶縁体材料が存在する。第１の電極の磁気記録材料が、第１の磁性領域と、第１の磁性領域から離隔されている第２の磁性領域とを含む。第１の磁性領域の方が、第２の磁性領域よりも、非磁性トンネル絶縁体材料に近い。第１の電極は、第１の磁性領域と第２の磁性領域との間に、第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を含む。第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域が、磁気記録材料の第２の磁性領域の上にあり、第１の非磁性トンネル絶縁体材料からは離隔されている。
法令に従って、本明細書中に開示する主題を、構造的特徴および方法的特徴についてある程度具体的な言葉で説明してきた。しかし、本明細書中で開示する手段は、例示的実施形態を含むので、特許請求の範囲が、図示および説明を行った具体的な特徴には限定されないことが理解されるはずである。したがって、請求項には、文字通り言い表した全ての範囲が与えられるべきであり、また、請求項は、均等論にしたがって適宜解釈されるべきである。
Claims (24)
- 磁気記録材料を含む導電性の第１の磁性電極であって、前記磁気記録材料の電気抵抗は、外部電界の印加により、高抵抗と低抵抗との間で変化し得る、第１の磁性電極と、
前記第１の磁性電極から離隔され且つ磁気参照材料を含む導電性の第２の磁性電極と、
前記第１の磁性電極と前記第２の磁性電極との間にある非磁性トンネル絶縁体材料と、を含む磁気トンネル接合であって、
前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの少なくとも一方が、（ａ）アモルファスであること、及び、（ｂ）その中にアモルファス材料を有し且つそれ以外は結晶質であること、のうちの一方を含み、
前記第１の磁性電極の前記磁気記録材料が、第１の磁性領域と、前記第１の磁性領域から離隔されている第２の磁性領域と、前記第１および第２の磁性領域から離隔されている第３の磁性領域と、前記第１の磁性領域と前記第２の磁性領域との間に存在する第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域と、前記第２の磁性領域と前記第３の磁性領域との間に存在する第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域とを含む、磁気トンネル接合。 - 前記第１および第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域の組成が互いに同一である、請求項１に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１および第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域の組成が互いに異なる、請求項１に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域が、前記第１および第２の磁性領域に直接触れている、請求項１に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域が、前記第２および第３の磁性領域に直接触れている、請求項１に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極の前記磁気記録材料が、前記第３の磁性領域から離隔されている少なくとも１つの更なる磁性領域を含み、また、前記第３の磁性領域と前記少なくとも１つ
の更なる磁性領域との間に存在する少なくとも１つの更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合。 - 前記第１の磁性電極の前記磁気記録材料が、前記第３の磁性領域から離隔されているとともに互いからも離隔されている複数の更なる磁性領域を含み、また、複数の更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を含み、
前記複数の更なる磁性領域のうちの１つが、前記複数の更なる磁性領域のうちの他の全てと比較して、前記第３の磁性領域の最も近くにあり、
前記複数の更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域のうちの１つが、前記第３の磁性領域と、前記最も近くにある磁性領域との間に存在し、
前記複数の更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域のうちの他の全てのそれぞれが、前記複数の更なる磁性領域のうちですぐ隣にあるもの同士の間に存在する、請求項１に記載の磁気トンネル接合。 - 前記磁気記録材料の前記第３の磁性領域の上にあって、前記第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域からは離隔されている他の非磁性トンネル絶縁体材料と、
前記他の非磁性トンネル絶縁体材料の上にある第２の磁気参照材料であって、前記他の非磁性トンネル絶縁体材料に近接する磁気偏極子材料を含む第２の磁気参照材料と、
を含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合。 - 前記第１の磁性電極が、
前記非磁性トンネル絶縁体材料の一方の電極側にあり、かつ、
前記一方の電極側にある、前記磁気トンネル接合の全ての絶縁体材料のうち、前記非磁性トンネル絶縁体材料から最も遠くにある非磁性絶縁体材料を含み、
前記最も遠くにある非磁性絶縁体材料は、前記非磁性トンネル絶縁体材料と組成が同一であり、前記非磁性トンネル絶縁体材料の最大厚さよりも小さい最大厚さを有する、請求項１に記載の磁気トンネル接合。 - 磁気記録材料を含む導電性の第１の磁性電極であって、前記磁気記録材料の電気抵抗は、外部電界の印加により、高抵抗と低抵抗との間で変化し得る、第１の磁性電極と、
前記第１の磁性電極から離隔され且つ第１の磁気参照材料を含む導電性の第２の磁性電極と、
前記第１の磁性電極と前記第２の磁性電極との間にある第１の非磁性トンネル絶縁体材料と、
を含む多重障壁磁気トンネル接合であって、
前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの少なくとも一方が、（ａ）アモルファスであること、及び、（ｂ）その中にアモルファス材料を有し且つそれ以外は結晶質であること、のうちの一方を含み、
前記第１の磁性電極の前記磁気記録材料が、第１の磁性領域と、前記第１の磁性領域から離隔されている第２の磁性領域と、前記第１の磁性領域と前記第２の磁性領域との間にある非磁性絶縁体金属酸化物含有領域とを含み、前記第１の磁性領域の方が、前記第２の磁性領域よりも、前記第１の非磁性トンネル絶縁体材料に近く、
前記多重障壁磁気トンネル接合が、
前記磁気記録材料の前記第２の磁性領域の上にあって、前記第１の非磁性トンネル絶縁体材料からは離隔されている第２の非磁性トンネル絶縁体材料と、
前記第２の非磁性トンネル絶縁体材料の上にある第２の磁気参照材料であって、前記第２の非磁性トンネル絶縁体材料に近接する磁気偏極子材料を含む第２の磁気参照材料と、
を更に含む、多重障壁磁気トンネル接合。 - 前記第１の磁性電極の前記磁気記録材料が、前記第２の磁性領域から離隔されている少
なくとも１つの更なる磁性領域を含み、かつ、前記第２の磁性領域と前記少なくとも１つの更なる磁性領域との間に存在する少なくとも１つの更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を含む、請求項１０に記載の磁気トンネル接合。 - 前記第１の磁性電極の前記磁気記録材料が、前記第２の磁性領域から離隔されているとともに互いからも離隔されている複数の更なる磁性領域を含み、かつ、複数の更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を含み、
前記複数の更なる磁性領域のうちの１つが、前記複数の更なる磁性領域のうちの他の全てと比較して、前記第２の磁性領域の最も近くにあり、
前記複数の更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域のうちの１つが、前記第２の磁性領域と、前記最も近くにある磁性領域との間に存在し、
前記複数の更なる非磁性絶縁体金属酸化物含有領域のうちの他の全てのそれぞれが、前記複数の更なる磁性領域のうちですぐ隣にあるもの同士の間に存在する、請求項１０に記載の磁気トンネル接合。 - 磁気記録材料を含む導電性の第１の磁性電極であって、前記磁気記録材料の電気抵抗は、外部電界の印加により、高抵抗と低抵抗との間で変化し得る、第１の磁性電極と、
前記第１の磁性電極から離隔され且つ磁気参照材料を含む導電性の第２の磁性電極と、
前記第１の磁性電極と前記第２の磁性電極との間にある、金属酸化物を含む非磁性トンネル絶縁体材料と、
を含む磁気トンネル接合であって、
前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの少なくとも一方が、（ａ）アモルファスであること、及び、（ｂ）その中にアモルファス材料を有し且つそれ以外は結晶質であること、のうちの一方を含み、
前記第１の磁性電極の前記磁気記録材料が、第１の磁性領域と、前記第１の磁性領域から離隔されている第２の磁性領域とを含み、
前記第１の磁性領域の方が、前記第２の磁性領域よりも、前記非磁性トンネル絶縁体材料に近く、
前記第１の磁性電極が、前記第１の磁性領域と前記第２の磁性領域との間にある第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を含み、
前記磁気トンネル接合が、
前記磁気記録材料の前記第２の磁性領域の上にあって、前記第１の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域からは離隔されている第２の非磁性絶縁体金属酸化物含有領域を更に含む、磁気トンネル接合。 - ＳＭＴＪである請求項１３に記載の磁気トンネル接合。
- ＤＭＴＪである請求項１３に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの少なくとも一方が、（ａ）アモルファスであること、を含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの少なくとも一方が、（ｂ）その中にアモルファス材料を有し且つそれ以外は結晶質であること、を含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの一方のみが、（ａ）アモルファスであること、及び、（ｂ）その中にアモルファス材料を有し且つそれ以外は結晶質であること、のうちの一方を含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの少なくとも一方が、（ａ）アモルファスであること、を含む、請求項１０に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの少なくとも一方が、（ｂ）その中にアモルファス材料を有し且つそれ以外は結晶質であること、を含む、請求項１０に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの一方のみが、（ａ）アモルファスであること、及び、（ｂ）その中にアモルファス材料を有し且つそれ以外は結晶質であること、のうちの一方を含む、請求項１０に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの少なくとも一方が、（ａ）アモルファスであること、を含む、請求項１３に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの少なくとも一方が、（ｂ）その中にアモルファス材料を有し且つそれ以外は結晶質であること、を含む、請求項１３に記載の磁気トンネル接合。
- 前記第１の磁性電極及び前記第２の磁性電極のうちの一方のみが、（ａ）アモルファスであること、及び、（ｂ）その中にアモルファス材料を有し且つそれ以外は結晶質であること、のうちの一方を含む、請求項１３に記載の磁気トンネル接合。
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