JP6751397B2 - 磁気メモリスロット - Google Patents
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Description
本発明は、磁気メモリセルに関し、より具体的には電流誘起反転タイプの磁気メモリセルに関する。
仏国特許出願第2963152 号明細書には、図1A、1B及び２に概略的に示されているような磁気メモリセルが記載されている。図1A及び1Bは夫々、仏国特許出願第2963152 号明細書の図1c〜1f、2a〜2b及び3a〜3dに関連して記載されているような磁気メモリセルの断面図及び斜視図である。図２は、この磁気メモリセルの斜視略図である。
図1A及び1Bに示されているように、磁気メモリセルは導電性トラック1 の上にパッド3 を備えている。パッド3 は領域の積層体を有しており、各領域は、薄層の一部、又は複数の薄層の積層体の一部から形成されている。導電性トラック1 は、例えば酸化シリコン層で被覆されたシリコンウエハから構成された基板5 上に形成され、端子A と端子B との間に接続されている。パッド3 を形成する積層体は、導電性トラック1 から連続的に、非磁性の導電性材料から形成された領域10、磁性材料から形成された領域11、非磁性材料から形成された領域12、磁性材料から形成された領域13、及び電極14を有している。層12の材料は導電性であってもよく、トンネル効果によって電子が横切るために十分薄い絶縁材料であることが好ましい。層の面と直交する方向に非対称システムを有するために、非磁性領域10と非磁性領域12との間に構造的な差異がある。このような差異は、特にこれらの層の材料、厚さ又は成長モードの差によって生じ得る。
様々な層を形成することができる材料のリストが、上記の特許出願に記載されている。領域11及び領域13の磁性材料は、領域11及び領域13が層の面と直交する方向に向いた磁化を示すような状態で形成されている。層13の磁性材料は、層13がインタンジブル磁化（閉じ込められた層）を維持するような状態で形成されている。上方の電極層14は端子C に接続されている。
（層の面と端子A 及び端子B 間の電流の方向とに平行な）水平方向に向いた場H を加えながら、端子A と端子B との間で電流を循環させることにより、メモリセルのプログラミングを行う。端子A 及び端子B 間の電流と場のベクトルH との相対的な方向に応じて、層11は、磁化が上方又は下方に向くようにプログラミングされる。
メモリセルから読み出すために、端子C と端子A 及び端子B の一方又は他方との間に電圧を印加する。端子C と端子A 及び端子B の一方又は他方との間に生じる電流は、層11及び層13の磁化の相対的な方向に応じて異なる値を示し、２つの磁化が同一の方向である場合には高い値を示し、２つの磁化が反対の方向である場合には低い値を示す。
上記のメモリセルの重要な特徴は、端子A 及び端子B 間に流れる電流と、電流と平行な層の面に加えられる磁場とによってのみ、メモリセルのプログラミングが行われるということである。プログラミング中、端子A 又は端子B から端子C に電流が流れない。このため、メモリセルの読み出し動作及び書き込み動作を完全に分離するという利点を有する。
様々な代替的な実施形態が可能である。特に、前述した層は夫々、所望の特性を得るために、本技術分野で知られているような層の積層体から形成されてもよい。
導電性トラック1 が磁性層11の成長に適した非磁性材料から形成されている場合、非磁性の導電性材料から形成された層10の一部を省いてもよい。そのため、導電性トラック1 はパッド3 の下に肉厚部分を有してもよい。磁性層11の磁化の反転を可能にするために、磁性層にスピン軌道結合が更に存在すべきである。このために、磁性層11と接する（又は薄い分離層によって磁性層11から離れた）層が、例えば強力なスピン軌道結合を有する一又は複数の材料から形成されるべきである。別の解決策は、例えば、磁性層11と層10及び層12の一方又は他方との接触によってスピン軌道結合を形成することであり、この方法は、例えば、層12が絶縁体から形成されている場合には層12との磁性層11のハイブリダイゼーションによってスピン軌道結合を形成する方法である（「Spin-orbit coupling effect by minority interface resonance states in single-crystal magnetic tunnel junctions」，Y. Lu 等著，Physical Review B，Vol. 86，p. 184420 ，2012年参照）。
図1A及び1Bのメモリセルが、２つの素子、つまり端子A, Bを有する導電性トラック1 及び層10, 11, 12の一部を備えた記憶素子と、上記に記載されている例では層13, 14及び電極C を備えた読出素子とに分割されてもよいことに留意すべきである。同一の記憶素子を用いて、様々な読み出しモード、例えば光学的な読み出しが構想されてもよい。
図２は、図1Bのメモリセルの斜視略図である。導電性トラック1 及び層の積層体、つまりパッド3 、並びに接点20及び接点21に接続された電極A 及び電極B のみが示されている。
上記に示されているように、メモリセルは、電流の方向に沿った非ゼロ成分を有する磁場を加えると同時的に、端子A 及び端子B 間に電流を流すことによってプログラミング可能である。磁場発生手段の例が、上記の特許出願に挙げられている。外部場を加えるか、又は場H を形成することができる特定の磁性層を形成することにより、実際的な実施上の問題が生じる。
本出願の目的は、前述した磁気メモリセルと同一のタイプの磁気メモリセルであって、磁気メモリセルのプログラミングが簡略化されている磁気メモリセルを提供することである。
より具体的には、本明細書では、メモリセルが、磁場が無い状態で電流を単に流すことによりプログラミング可能であることが提供される。
この目的を達成するために、上記の特許出願で記載された対称のパッドを非対称のパッドと取り替える。そのため、磁場が無い状態で、メモリパッドが載置されているトラックに電流を単に流すことにより、メモリセルがプログラミングされ得ることを観察することができる。
より具体的には、本明細書では、薄層の領域の積層体から形成されたパッドを備えた、電流誘起反転タイプの磁気メモリセルであって、非磁性の導電性材料から形成された第１の領域と、前記パッドの主面に垂直な方向に磁化を示す磁性材料から形成された第２の領域と、前記第１の領域の特性とは異なる特性の非磁性の導電性材料から形成された第３の領域とを備えており、前記パッドは、導電性トラック上に載置されており、前記導電性トラックは、選択された方向のプログラミング電流を前記導電性トラックに沿って循環させることができ、前記パッドは、一方で前記薄層の面に垂直であって前記導電性トラックの中心軸に平行なあらゆる面に対して、他方で前記パッドの重心に対して非対称の形状を有し、前記第２の領域の磁化の方向が、外部磁場が無い状態で、前記プログラミング電流の循環方向によってプログラミング可能であり、前記パッドは、前記プログラミング電流の方向に平行な第１の辺と、前記第１の辺に対して例えば±20°〜±70°の角度を形成する他の２つの辺とを有する三角形状であることを特徴とするメモリセルを提供する。
実施形態によれば、前記第１の領域は、前記パッドの下にある前記導電性トラックの一部に相当するか、又は前記パッドの下にある前記導電性トラックの一部の肉厚部分に相当する。
実施形態によれば、前記パッドは、丸みを帯びた角部を有する三角形状である。
実施形態によれば、前記パッドは、前記導電性トラックの幅の一部のみに亘って延びている。
実施形態によれば、前記第２の領域は、特定の垂直磁気異方性を有する合金、つまり、特にFePt, FePd, CoPt、又は希土類／遷移金属合金、特にGdCo, TbFeCoを含有している。
実施形態によれば、前記第２の領域は、界面によって生じる垂直磁気異方性を前記積層体に有する金属又は合金、特にCo, Fe, CoFe, Ni, CoNiを含有している。
実施形態によれば、少なくとも前記第１の領域及び前記第３の領域は導電性であり、Pt, W, Ir, Ru, Pd, Cu, Au, Bi, Hf のような非磁性材料若しくはこれらの金属の合金から形成されているか、又はこれらの金属の各々の複数の層の積層体から形成されている。
実施形態によれば、前記第３の領域は、SiOx, AlOx, MgOx, TiOx, TaOx, HfOxのような誘電体酸化物、又はSiNx, BNx のような誘電体窒化物から形成されている。
実施形態によれば、前記第１の領域及び第３の領域の厚さは、0.5 〜200 nmの範囲内であり、より具体的には0.5 〜100 nmの範囲内であり、好ましくは３nm未満である。
実施形態によれば、前記第３の領域は、磁性材料から形成された読出し層と読出し電極とで覆われている。
実施形態によれば、前記第２の領域の厚さは３nm未満である。
前述及び他の特徴及び利点を、添付図面を参照して本発明を限定するものではない具体的な実施形態について以下に詳細に説明する。
明瞭化のために、同一の要素は様々な図面において同一の参照番号で示されており、更に集積部品の表示ではよくあるように、様々な図面は正しい縮尺で示されていない。
図３に示されているように、メモリセルの実施形態では、導電性トラック1 上に一体化して配置されたパッド30が備えられており、導電性トラック1 は、端子A 及び端子B に接続された接続層20及び接続層21を端部に有している。パッド30は、前述したパッド3 と同一の層の積層体を有している。従って、パッド30は、非磁性の導電性材料から形成された領域40、磁性材料から形成された領域41、非磁性材料から形成されて領域40に対する差を示す領域42、磁性材料から形成された領域43、及び電極44を有している。上記の仏国特許出願で上述された変形例と同一の変形例が適用される。
図２のパッド3 とは異なり、パッド30は二重に非対称の構成を有する。一方で、パッド30は層の面に垂直で導電性トラック1 の中心軸と平行なあらゆる面に対して非対称である。他方で、パッド30は図３の点C に相当するパッド30の重心に対して非対称である。図４の平面図で更によく分かるように、このパッドは例えば三角形状を有する。第１の辺は、プログラミング電流の方向（ＡからＢ）と平行である。他の２つの辺は、第１の辺に対して例えば±20°〜±70°の範囲内の角度、好ましくは±30°〜±60°の範囲内の角度を形成する。フォトリソグラフィの欠点により、三角形の角部は一般に丸みを帯びている。このような丸みを帯びた形状を得ることが意図的に望ましい場合がある。
（面とパッドの重心とに対して）このような二重に非対称の形状を有してトラック上に一体化して配置されたパッドを用いると、パッドの下及びパッドの周りでトラックに端子A 及び端子B 間のプログラミング電流を流すことは、プログラミング電流の方向に応じて層41の磁化が上方又は下方に向くように層41をプログラミングするのに十分であることが観察された。層41のプログラミングは、外部磁場を加えることなく行われる。言うまでもなく、導電性領域40が設けられている場合、端子A 及び端子B 間の電流のかなりの部分が導電性領域40を通って流れるように、導電性領域40の抵抗率及び導電性トラック1 の抵抗率が選択される。導電性トラック1 が非磁性材料から形成されている場合、導電性領域40はパッドの下にあるトラック部分に相当するか、又はこのトラック部分の肉厚部分に相当することが可能であることに注目すべきである。
図5A〜5Jは、例として導電性トラック1 上で使用され得る非対称のパッドの様々な形状を示す。これらの図面は、参照によって本明細書に組み込まれているようにみなされる。
図5Aのパッド50及び図5Bのパッド51は、図４のパッドのような三角形状を有するが、異なる割合及び中心を有する。
図5Cのパッド52は、トラック方向に細長い三日月の形状を有する。言い換えれば、パッド52は、台形の基部の端部に２つのテーパ状の突部52A, 52Bを有する台形状である。テーパ状の突部が設けられていることにより、プログラミング電流が流れるときに磁化の反転のトリガが容易になるとみなされる。
図5D〜5Fのパッド53〜55はＶ字形の形状を有し、Ｖ字形の先端が導電性トラック1 の側部の方に向いており、Ｖ字形は、導電性トラックの幅に対して様々な寸法及び位置を有する。
図5G〜5Jのパッド56〜59は、丸みを帯びた角部を有する三角形又はＶ字形の形状のパッドである。
上記に記載されている様々な形状は、本明細書に記載されている二重に非対称の規則が尊重されている限り、組み合わせられて変更されてもよい。特に、構想される全ての形状は「丸みを帯びてもよく」、又は導電性トラック1 の幅の一部のみに亘って延びてもよい。
パッドの様々な領域の材料及び厚さに関して、上記の仏国特許出願を参照してもよい。
例として、
− 磁性領域(41)は、特定の垂直磁気異方性を有する合金を含有してもよく、つまり、特にFePt, FePd, CoPt、又は希土類／遷移金属合金、特にGdCo, TbFeCoを含有してもよい。
− 磁性領域(41)は、界面によって生じる垂直磁気異方性を積層体に有する金属又は合金、特にCo, Fe, CoFe, Ni, CoNiを含有してもよい。
− 少なくとも領域(40)又は領域(42)は導電性であってもよく、Pt, W, Ir, Ru, Pd, Cu, Au, Bi, Hf のような非磁性材料若しくはこれらの金属の合金から形成されてもよく、又はこれらの金属の各々の複数の層の積層体の形態で形成されてもよい。
− 領域(42)は、トンネル効果を可能にし得る厚さを有する、SiOx, AlOx, MgOx, TiOx, TaOx, HfOxのような誘電体酸化物、又はSiNx, BNx のような誘電体窒化物から形成されてもよい。
− 領域(40)及び領域(42)の一方の厚さは、0.5 nm〜200 nmの範囲内であってもよく、より具体的には0.5 nm〜100 nmの範囲内であってもよく、好ましくは３nm未満であってもよい。
− 上側の領域(42)は、磁性材料から、磁性材料の化合物から、又は磁性材料及び非磁性材料の複数の層から形成された読出し層(43)と読出し電極(44)とで覆われてもよい。
− 磁性領域の厚さは３nm未満であってもよい。
− 磁性領域(41)は、特定の垂直磁気異方性を有する合金を含有してもよく、つまり、特にFePt, FePd, CoPt、又は希土類／遷移金属合金、特にGdCo, TbFeCoを含有してもよい。
− 磁性領域(41)は、界面によって生じる垂直磁気異方性を積層体に有する金属又は合金、特にCo, Fe, CoFe, Ni, CoNiを含有してもよい。
− 少なくとも領域(40)又は領域(42)は導電性であってもよく、Pt, W, Ir, Ru, Pd, Cu, Au, Bi, Hf のような非磁性材料若しくはこれらの金属の合金から形成されてもよく、又はこれらの金属の各々の複数の層の積層体の形態で形成されてもよい。
− 領域(42)は、トンネル効果を可能にし得る厚さを有する、SiOx, AlOx, MgOx, TiOx, TaOx, HfOxのような誘電体酸化物、又はSiNx, BNx のような誘電体窒化物から形成されてもよい。
− 領域(40)及び領域(42)の一方の厚さは、0.5 nm〜200 nmの範囲内であってもよく、より具体的には0.5 nm〜100 nmの範囲内であってもよく、好ましくは３nm未満であってもよい。
− 上側の領域(42)は、磁性材料から、磁性材料の化合物から、又は磁性材料及び非磁性材料の複数の層から形成された読出し層(43)と読出し電極(44)とで覆われてもよい。
− 磁性領域の厚さは３nm未満であってもよい。
平面視で、パッドの横方向の寸法は10〜100 nmの範囲内であってもよい。
上記の仏国特許出願に記載されているように、上記のメモリセルはメモリアレイに組み立てられてもよい。
熱安定性が高い実施形態
前述したメモリセルの動作は満足のいくものである。しかしながら、プログラミングに必要な電流が過度の強さを有することを避けるために、可能な限り薄い記憶層が設けられるべきである。従って、厚さが３ナノメートル未満、例えば１ナノメートル未満の記憶層が形成され得る。このような厚さの減少は、プログラミング電流の強さの減少に有利であるが、メモリセルの安定性が欠ける。実際、このような薄い記憶層を備えたメモリセルは、特に熱擾乱又は寄生磁場のような妨害により、状態を偶発的に切り替える危険性がある。従って、このようなメモリセルの熱安定性は平均的には制限されるため、メモリセルの周期的な再プログラミングを行うことになる。
前述したメモリセルの動作は満足のいくものである。しかしながら、プログラミングに必要な電流が過度の強さを有することを避けるために、可能な限り薄い記憶層が設けられるべきである。従って、厚さが３ナノメートル未満、例えば１ナノメートル未満の記憶層が形成され得る。このような厚さの減少は、プログラミング電流の強さの減少に有利であるが、メモリセルの安定性が欠ける。実際、このような薄い記憶層を備えたメモリセルは、特に熱擾乱又は寄生磁場のような妨害により、状態を偶発的に切り替える危険性がある。従って、このようなメモリセルの熱安定性は平均的には制限されるため、メモリセルの周期的な再プログラミングを行うことになる。
この不利点を解消するために、磁性の記憶領域、一般に強磁性の記憶領域を、反強磁性材料の領域と結合する。
図６は、図３の実施形態に対応する、熱安定性が増したメモリセルの実施形態を示す。図６では、図３の非磁性の導電層40が、反強磁性材料から形成された導電層60と取り替えられている。反強磁性材料は、記憶層41の磁性材料、例えば強磁性材料との交換相互作用によって結合する。このため、この磁性層の磁化を閉じ込めることが可能になり、熱安定性がもたらされ得る。
この構造は多くの変更がなされ得る。特に、反強磁性材料層60を十分に成膜し得るように特に構成された導電性のバッファサブ層（不図示）が、反強磁性材料層60の下に設けられてもよい。更に、非磁性の導電性材料、例えば銅の薄層が、強磁性領域と反強磁性領域との間に配置されて、必要とあればこれらの領域の結合力を減少させてもよい。
図７のグラフに示されているように、メモリセルのプログラミングは以下のように行われる。時点t0から、電流パルスI を端子A と端子B との間に送る。この電流は、磁性層41の磁化の反転を引き起こすことができる方向を有する。最初、磁性層41と反強磁性層60との結合力により何も生じない。しかしながら、反強磁性材料の温度Tafが、材料のジュール効果及び磁化の組織化により上昇し、反強磁性材料の温度Tafの上昇によって、磁性層41と反強磁性層60との結合力が減少する。時点t1から、結合力が磁性層41の磁化「pol 」に対して十分低くなり、パッドの強磁性層及び反強磁性層を通って流れる電流I の部分の影響下で反転させる。端子A 及び端子B 間の電流パルスが時点t2で停止すると、反強磁性材料の温度Tafが低下し、反強磁性材料は、時点t3で、記憶層41の磁化の変更された分極に対して再度結合して安定性を保証する組織化された状態を取り戻す。メモリセルの冷却中の熱擾乱により起こり得る書き込みエラーを回避するために、電流I は徐々に減少してもよく、磁化の反転に関与するパッドの温度及び結合力の大きさを更に独立して制御すべく制御されてもよい。電流I は、例えば１μｓより短い時間間隔、より具体的には100 nsより短い時間間隔、好ましくは10ns以下の時間間隔に亘って徐々に減少する。
磁性層との交換結合力の減少により、磁性層の磁化の反転がより自由にできる温度TRが、メモリセル又はメモリセルが組み込まれているメモリの動作のために使用される温度より十分高いような性質の反強磁性材料の層が選択される。温度TRは、例えば、遅い書き込み動作では140 ℃程度であり、速い書き込み動作では220 〜300 ℃の範囲内である。
本明細書で使用されてもよい反強磁性材料の例として、例えばIrMn, FeMn, PtMnなどのMnに基づく合金、PtFeMnなどのこれらの化合物の合金、これらの化合物の積層によって得られる材料、又はCoOx若しくはNiOxなどの酸化物のような合金を挙げることができ、記憶層に使用される磁性材料、好ましくは強磁性材料は、層41に関して前述したような材料である。一般に、反強磁性材料の導電率は、電流が書込み段階中に反強磁性材料を通って流れるのに十分であるべきであり、この条件に適合して、強磁性材料との交換によって結合し、120 〜450 ℃の範囲内のブロッキング温度を有するあらゆる強磁性材料を使用してもよい。
このようにして、前述したメモリセルは、厚さが３nm未満であり、好ましくは１nm未満の非常に薄い磁性層を設けることによっても安定し得る。反強磁性材料層60の厚さは、１〜200 nmの範囲内であり、より具体的には１〜50nmの範囲内であり、好ましくは10nm未満である。このような厚さは、使用される材料に応じて決められ、FeMnでは10nm程度であり、IrMnでは４〜５nmの範囲内である。このような磁気セルの反転の時間は非常に短くてもよい。図７に示されている電流パルスI の持続時間は、例えば15ナノ秒より短くてもよい。
本特許出願は、参照によって本明細書に組み込まれる仏国特許出願第15／50273 号明細書の優先権を主張している。
Claims (11)
- 薄層の領域の積層体から形成されたパッドを備えた、電流誘起反転タイプの磁気メモリセルであって、
導電性材料から形成された第１の領域と、
前記パッドの主面に垂直な方向に磁化を示す磁性材料から形成された第２の領域と、
前記第１の領域の特性とは異なる特性の非磁性材料から形成された第３の領域と
を備えており、
前記パッドは、導電性トラック上に一体化して載置されており、前記導電性トラックは、選択された方向のプログラミング電流を前記導電性トラックに沿って循環させることができ、
前記パッドは、一方で前記薄層の面に垂直であって前記導電性トラックの中心軸に平行なあらゆる面に対して、他方で前記パッドの重心に対して非対称の形状を有し、
前記第２の領域の磁化の方向が、外部磁場が無い状態で、前記プログラミング電流の循環方向によってプログラミング可能であり、
前記パッドは、前記プログラミング電流の方向に平行な第１の辺と、前記第１の辺に対して例えば±20°〜±70°の角度を形成する他の２つの辺とを有する三角形状であることを特徴とする磁気メモリセル。 - 前記第１の領域は、前記パッドの下にある前記導電性トラックの一部に相当するか、又は前記パッドの下にある前記導電性トラックの一部の肉厚部分に相当することを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリセル。
- 前記パッドは、丸みを帯びた角部を有する三角形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気メモリセル。
- 前記パッドは、前記導電性トラックの幅の一部のみに亘って延びていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気メモリセル。
- 前記第２の領域は、特定の垂直磁気異方性を有する合金、つまり、特にFePt, FePd, CoPt、又は希土類／遷移金属合金、特にGdCo, TbFeCoを含有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気メモリセル。
- 前記第２の領域は、界面によって生じる垂直磁気異方性を前記積層体に有する金属又は合金、特にCo, Fe, CoFe, Ni, CoNiを含有していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気メモリセル。
- 少なくとも前記第１の領域及び前記第３の領域は導電性であり、Pt, W, Ir, Ru, Pd, Cu, Au, Bi, Hf のような非磁性材料若しくはこれらの金属の合金から形成されているか、又はこれらの金属の各々の複数の層の積層体から形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気メモリセル。
- 前記第３の領域は、SiOx, AlOx, MgOx, TiOx, TaOx, HfOxのような誘電体酸化物、又はSiNx, BNx のような誘電体窒化物から形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気メモリセル。
- 前記第１の領域及び第３の領域の厚さは、0.5 〜200 nmの範囲内であり、より具体的には0.5 〜100 nmの範囲内であり、好ましくは３nm未満であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気メモリセル。
- 前記第３の領域は、磁性材料から形成された読出し層と読出し電極とで覆われていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の磁気メモリセル。
- 前記第２の領域の厚さは３nm未満であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の磁気メモリセル。
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