JP7278250B2 - タングステン窒化物を有するスピン軌道トルクスイッチング素子 - Google Patents

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Description

本発明は、スピン軌道トルク（ｓｐｉｎ－ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ；ＳＯＴ）基盤のスイッチング素子に関するものとして、より詳細には、低い電流でスピン軌道トルク（ｓｐｉｎ－ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ、ＳＯＴ）スイッチングができるタングステン層／タングステン窒化物層多層薄膜を含むスピン軌道トルク（ｓｐｉｎ－ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ；ＳＯＴ）基盤のスイッチング素子に関する。
スピン軌道トルク（ｓｐｉｎ－ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ；ＳＯＴ）スイッチング基盤の磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は、磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を核心素子として有する。
図１は、通常の磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を示す。
図１に示すように、磁気トンネル接合１０（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）は、スピントルク発生層／自由層／トンネルバリア層／固定層で構成される。
自由層１４と固定層１８の相対的な磁化方向によってトンネルバリア層１６を通過するトンネリング電流の電気抵抗値が変わる。磁気トンネル接合１０は、このようなトンネル磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＴＭＲ）現象を用いて情報を保存する。
磁気トンネル接合１０は、高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）比（ｒａｔｉｏ）、高い書き込み安定性、低い書き込み電流、及び高集積化を実現するために、垂直磁気異方性（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ；ＰＭＡ）特性を有する。垂直磁気異方性は、磁性層の磁化方向が磁性層面に垂直であることを意味する。
自由層１４に隣接するスピントルク発生層１２に面内電流Ｉｃが流れるとき、スピントルク発生層１２はスピン軌道トルク（ｓｐｉｎ－ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ；ＳＯＴ）によってスピンホール効果（ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）又はラシュバ効果（Ｒａｓｈｂａ ｅｆｆｅｃｔ）を用いて自由層のスイッチングを誘導する。スピン軌道トルクはスピン伝達トルク（ｓｐｉｎ－ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ；ＳＴＴ）の書き込み（ｗｒｉｔｉｎｇ）方式より高速、低電流、及び低消耗電力で情報を書き込む。
しかし、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）ＭＲＡＭが商用化されるために、より低い電流注入によって自由層の磁化反転を誘導できるスピントルク発生層の物質及び構造が求められる。
本発明の解決しようとする課題は、低いスイッチング臨界電流において書き込み動作を行うＳＯＴ－ＭＲＡＭを提供することである。自由層に接触して面内電流を提供するスピントルク発生層がタングステン層／タングステン窒化物層の多層薄膜を含む場合、ＳＯＴ－ＭＲＡＭのスピン軌道トルク効果が増強され、書き込み動作のためのスイッチング臨界電流が減少する。タングステン窒化物層は、窒素がドーピングされたタングステン又はタングステン窒化物を含む。
本発明の解決しようとする課題は、スピンホール発生層としてタングステン層／タングステン窒化物層構造を使用したとき、タングステン窒化物層の所定の厚さと所定の窒素濃度で垂直磁気異方性が発現するＳＯＴ－ＭＲＡＭを提供することである。
本発明の解決しようとする課題は、低温と高温の過酷な環境下でも動作し、その後常温に戻った後も正常作動するＳＯＴ－ＭＲＡＭを提供することである。
本発明の解決しようとする課題は、低い臨界電流を有するとともに無磁場スイッチング動作を行うＳＯＴ－ＭＲＡＭを提供することである。
本発明の一実施例による磁気素子は、固定された磁化方向を有する固定層と、スイッチングされる磁化方向を有する自由層と、前記固定層と前記自由層との間に介在するトンネル絶縁層と、面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層と、を含む。前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層の磁化方向をスイッチングする。前記固定層及び前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、前記スピントルク発生層は、順次積層されたタングステン層及びタングステン－窒化物層を含む。前記タングステン－窒化物層は、前記自由層に隣接して配置される。
本発明の一実施例において、前記タングステン－窒化物層の厚さは０.２ｎｍであり、前記タングステン窒化物層において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃｐｅｒｃｅｎｔ）が５％ないし４２％である。
本発明の一実施例において、前記タングステン窒化物層において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、２％ないし２９％であり、前記タングステン－窒化物層の厚さは０.２ｎｍないし０.８ｎｍである。
本発明の一実施例において、前記タングステン窒化物層において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、２％ないし５％であり、前記タングステン－窒化物層の厚さは０.２ｎｍないし３ｎｍである。
本発明の一実施例において、前記タングステン－窒化物層は結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相を含むか、又は、前記タングステン－窒化物層は、結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相及び結晶質ＷＮ（１００）相を含む。
本発明の一実施例において、前記タングステン層は、前記自由層と垂直に整列される。
本発明の一実施例において、前記スピントルク発生層は、面内磁気異方性を有する強磁性層をさらに含み、前記タングステン層は、前記強磁性層と前記タングステン窒化物層との間に配置される。
本発明の一実施例において、前記タングステン－窒化物層の比抵抗は３５０μΩ・ｃｍ以上である。
本発明の一実施例による磁気素子は、固定された磁化方向を有する固定層と、スイッチングされる磁化方向を有する自由層と、前記固定層と前記自由層との間に介在するトンネル絶縁層と、面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層と、前記自由層と前記スピントルク発生層との間に配置されたタングステン窒化物層を含む。前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層の磁化方向をスイッチングする。前記固定層及び前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、前記スピントルク発生層はタングステン層を含み、前記タングステン－窒化物層は、前記自由層と垂直に整列される。
本発明の一実施例による磁気素子は、固定された磁化方向を有する固定層と、イッチングされる磁化方向を有する自由層と、前記固定層と前記自由層との間に介在するトンネル絶縁層と、面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層と、を含む。前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層の磁化方向をスイッチングする。前記固定層及び前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、前記スピントルク発生層はタングステン－窒化物層を含み、前記タングステン－窒化物層において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、２％ないし５％であり、前記タングステン－窒化物層は、前記自由層に隣接して配置される。
本発明の実施例によれば、タングステン層／タングステン窒化物層の多層構造を用いたＳＯＴスイッチング素子は、従来の単一タングステン層を使用した素子より低い書き込み電流で作動する。
本発明の実施例によれば、自由層に接触して面内電流を提供するスピントルク発生層がタングステン層／タングステン窒化物層を含む場合、ＳＯＴ－ＭＲＡＭのスピン軌道トルク効果が増強され、書き込み動作のためのスイッチング臨界電流が減少する。
本発明の実施例によれば、ＳＯＴ－ＭＲＡＭは低温と高温の過酷な環境下でも作動し、その後常温に戻った後にも正常作動する。
本発明の実施例によれば、面内磁化強磁性層タングステン層／タングステン窒化物層の多層構造は、低い臨界電流を有するとともに無磁場スイッチング動作を行うＳＯＴ－ＭＲＡＭを提供する。
通常の磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）を示す。 本発明の一実施例による磁気素子を示す断面図である。 本発明の一実施例による磁気素子を示す図面である。 図３Ａの断面図である。 本発明の一実施例によるＳＯＴスイッチング挙動を測定するための磁気素子である。 本発明の一実施例によるＮ２ガスの流量比Ｑに伴うタングステン窒化物層の窒素の原子パーセント（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）を示す。 本発明の一実施例によるタングステン窒化物層の窒素の原子パーセントｎ（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）に伴う有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆを示す。 本発明の一実施例によるタングステン窒化物層の厚さｔＷ－Ｎによる有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆを示す。 本発明の一実施例による窒素の原子パーセントｎに伴うスピンホール角度の絶対値|ξＤＬ|を示す。 本発明の一実施例によるタングステン窒化物層の厚さｔＷ－Ｎに伴うスピンホール角度の絶対値|ξＤＬ|を示す。 ｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍでｎの条件別電流に伴う抵抗を示す。 ｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍでｎの条件別外部磁場に伴うスイッチング電流を示す。 ｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍでｎに伴う規格化されたスイッチング電流及び垂直磁気異方性を示す。 ｎ＝２９％から ｎに伴う規格化されたスイッチング電流及び垂直磁気異方性を示す。 Ｗ（５ｎｍ）／ＷＮｘ（ｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）構造でｎの関数として比抵抗ρｘｘ（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）を示す。 厚さ４０ｎｍのタングステン窒化物層のＧＩＸＲＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）結果を示す。 ｎの関数として４０ｎｍの厚さを有するタングステン窒化物層の比抵抗を図示する。 ｎ＝５％の場合、平面内のＴＥＭイメージ（ｉｎ－ｐｌａｎｅ ＴＥＭ ｉｍａｇｅｓ）と選択された領域回折（ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｒｅａ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ＳＡＤ）パターンを示す。 ｎ＝３４％の場合、平面内のＴＥＭイメージ（ｉｎ－ｐｌａｎｅ ＴＥＭ ｉｍａｇｅｓ）と選択された領域回折（ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｒｅａ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ＳＡＤ）パターンを示す。 ｎ＝４２％の場合、平面内のＴＥＭイメージ（ｉｎ－ｐｌａｎｅ ＴＥＭ ｉｍａｇｅｓ）と選択された領域回折（ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｒｅａ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ＳＡＤ）パターンを示す。 ＋２００ Ｏｅの外部磁場Ｈｅｘ下で様々な温度で面内電流に伴う抵抗を示す。 様々な温度で外部磁場に伴うスイッチング電流を示す。 本発明の一実施例によるＷ（５ｎｍ）／ＷＮｘ（ｔＷ－Ｎ；ｎ）／ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）構造における窒素の含量ｎとＷＮｘ層の厚さに伴う実験結果を示す。 本発明のもう一つの実施例による磁気素子を示す断面図である。 本発明のもう一つの実施例による磁気素子を示す断面図である。
非磁性層ＮＭ／強磁性層ＦＭ構造において、強磁性層ＮＭの磁化は、面内電流が非磁性層ＮＭに注入される際に生成されたスピン軌道トルク（ＳＯＴ）によって反転される。ＳＯＴ－スイッチング基盤メモリ又はロジック素子は、従来のスピン－伝達－トルク－スイッチングされたデバイス（ｓｐｉｎ－ｔｒａｎｓｆｅｒ－ｔｏｒｑｕｅ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｄｅｖｉｃｅｓ）に比べ、エネルギ消費減少及び高速スイッチングのメリットを提供する。しかし、商用化のためには２つの主要な障害物を解決しなければならない。すなわち、外部磁場がない状態で決定的スイッチング（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）と非常に低いスイッチング電流が求められる。
スピン軌道トルク（Ｓｐｉｎ－ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ；ＳＯＴ）は、面内電流を注入することによって、非磁性層ＮＭ／強磁性層ＦＭ構造における強磁性層の磁化を反転させることに使用される。スピン軌道トルクは、磁気ランダムアクセスメモリのための新しいメカニズムとして相当な関心を集めた。様々な重金属の中で、β－相（β－ｐｈａｓｅ）タングステン膜は比較的高いＳＯＴ効率を示す。したがって、β－相（β－ｐｈａｓｅ）タングステン膜は、スピン電流発生層の潜在的な材料（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｍｅｔｅｒｉａｌ）として考慮される。
本発明の一実施例によれば、我々は、Ｗ／ＷＮｘ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯホールバ（Ｈａｌｌ ｂａｒ）構造で向上したＳＯＴ及びより低いＳＯＴ誘導スイッチング電流を報告する。ＣｏＦｅＢ層は垂直磁化された。前記ＷＮ層は窒素反応性環境（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）でスパッタリング蒸着される。前記ＷＮｘ層の組成は微細構造及び電気的特性に影響を与える。測定されたＳＯＴ効率は０.５４であり、スイッチング電流は４０％ないし４２％の窒素原子パーセントを含むサンプルで、前記ＷＮ層を含まないサンプルより約１／５に減少する。
本発明の一実施例によれば、Ｗ／ＷＮ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ構造は、低いスイッチング電流を提供する。面内磁化強磁性層がタングステン層下部に配置された場合、無磁場スイッチングが実現される。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。しかし、本発明は、ここで説明される実施例に限られるものではなく、異なる形態で具体化されることもある。むしろ、ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底かつ完全になるよう、そして当業者に本発明の思想が十分伝えるように提供されるものである。図面において、構成要素は、正確を期するために誇張されたものである。明細書全体に亘って、同一の要素は、同一の参照番号で表される。
図２は、本発明の一実施例による磁気素子を示す断面図である。
図２に示すように、磁気素子１００は、固定された磁化方向を有する固定層１５０と、スイッチングされる磁化方向を有する自由層１３０と、前記固定層と前記固定層との間に介在されるトンネル絶縁層１４０と、面内電流Ｉｃが流れるいつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層１２０と、を含む。前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層１３０の磁化方向をスイッチングする。前記固定層１５０及び前記自由層１３０は、垂直磁気異方性を有する。前記スピントルク発生層１２０は、順次積層されたタングステン層１２２及びタングステン－窒化物層１２４を含む。前記タングステン－窒化物層１２４は、前記自由層１３０に隣接して配置される。前記磁気素子１００は、ＳＯＴ－ＭＲＡＭである。前記固定層１５０、前記トンネル絶縁層１４０、及び前記自由層１３０は、磁気トンネル接合を構成する。
固定層１５０は、固定された磁化方向を有し、垂直磁気異方性を有する強磁性層を含む。前記固定層１５０は、単層構造又は多層構造である。
自由層１３０は、垂直磁気異方性を有し、ＳＯＴによって磁化方向をスイッチングする。前記自由層１３０は０.９ｎｍ厚さのＣｏＦｅＢである。前記自由層１３０は、単層構造又は多層構造に変形される。
トンネル絶縁層１４０は、トンネル電流が流れる絶縁体として、１ｎｍ厚さのＭｇＯである。前記トンネル絶縁層１４０は、前記固定層１５０と自由層１３０との間に配置される。
スピントルク発生層１２０は、非磁性導電性金属を含む。前記スピントルク発生層１２０は、順次積層されたタングステン層１２２及びタングステン－窒化物層１２４を含む。前記スピントルク発生層１２０に面内電流Ｉｃが流れると、前記スピントルク発生層１２０は、配置平面に垂直な方向（自由層方向）にスピン電流Ｉｓを提供する。前記スピン電流Ｉｓは、スピンホール効果（Ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ；ＳＨＥ）又はスピンホール効果（Ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ；ＳＨＥ）によってＳＯＴ生成する。前記ＳＯＴは、前記自由層１３０の磁化をスイッチングする。スピントルク発生層１２０の両端は、接続電極１２０ａ、１２０ｂを介して面内電流を印加する外部回路に連結される。
前記タングステン－窒化物層１２４の厚さと組成に応じてスイッチング電流が変化する。また、前記タングステン－窒化物層１２４の厚さと組成に応じて、前記自由層の磁化特性が変更される。すなわち、タングステン－窒化物層１２４の厚さと組成は、所定の範囲内で前記自由層１３０に垂直磁化異方性特性を提供する。前記自由層１４０が垂直磁気異方性を発現する場合、タングステン－窒化物層１２４の厚さが減少し、窒素の濃度が増加するにつれてスイッチング電流が減少する。
具体的に、前記タングステン－窒化物層１２４の厚さは０.２ｎｍであり、前記タングステン－窒化物層１２４において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃｐｅｒｃｅｎｔ）が５％ないし４２％である。この場合、前記自由層１３０は垂直磁気異方性を維持しつつ、窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃｐｅｒｃｅｎｔ）が増加するにつれてスイッチング電流が減少する。一方、窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃｐｅｒｃｅｎｔ）が４２％を超える場合、前記自由層１３０は垂直磁気異方性が消失し、面内磁気異方性を有する。
前記タングステン－窒化物層１２４において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃｐｅｒｃｅｎｔ）は２％ないし２９％であり、前記タングステン－窒化物層１２４の厚さは０.２ｎｍないし０.８ｎｍである。この場合、前記自由層１３０は、垂直磁気異方性を維持する。
前記タングステン－窒化物層１２４において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃｐｅｒｃｅｎｔ）は２％ないし５％であり、前記タングステン－窒化物層の厚さは０.２ｎｍないし３ｎｍである。この場合、前記自由層１３０は、垂直磁気異方性を維持する。
前記タングステン－窒化物層１２４は、結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相（ｐｈａｓｅ）を含むか、又は、前記タングステン－窒化物層１２４は結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相及び結晶質ＷＮ（１００）相を含む。この場合、前記自由層１３０は、垂直磁気異方性を維持する。
電極１６０は、前記固定層１５０上に配置されて外部回路に連結される。
図３Ａは、本発明の一実施例による磁気素子を示す図面である。
図３Ｂは、図３Ａの断面図である。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、磁気素子２００は、スイッチングされる磁化方向を有する自由層１３０と、前記自由層下部に配置されたトンネル絶縁層１４０と、面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層１２０と、を含む。前記固定層及び前記自由層１３０は垂直磁気異方性を有し、前記スピントルク発生層１２０は順次積層されたタングステン層１２２及びタングステン－窒化物層１２４を含む。前記タングステン－窒化物層１２４は、前記自由層１３０に隣接して配置される。キャッピング層１６２は、前記トンネル絶縁層１４０上に配置され、前記トンネル絶縁層１４０を保護する。前記キャッピング層１６２はタンタルである。
ＳＯＴは、非磁性層ＮＭ又はスピントルク発生層のスピンホール効果（Ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ；ＳＨＥ）又は非磁性層ＮＭ／強磁性層ＦＭインタフェースのＲａｓｈｂａ－Ｅｄｅｌｓｔｅｉｎ効果によって発生する。非磁性層ＮＭ／強磁性層ＦＭ構造において、非磁性層ＮＭ／強磁性層ＦＭインタフェースに垂直な方向がｚ方向であり、ｘ方向に沿って非磁性層ＮＭに面内電流Ｉｃが注入されると、この２つの効果のためｙ方向のスピンが蓄積される。この場合、ＳＯＴによって発生したトルクは、下記のように
Figure 0007278250000001
 と
Figure 0007278250000002
 の２つの成分として表現される。
Figure 0007278250000003
ここでτＤＬは、ダンピング－ライク（ｄａｍｐｉｎｇ－ｌｉｋｅ；ＤＬ）－ＳＯＴである。τＦＬはフィールド－ライク（ｆｉｅｌｄ－ｌｉｋｅ；ＤＬ）－ＳＯＴである。いかなるＳＯＴが磁化反転（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｖｅｒｓａｌ）に及ぼす影響が支配的なのかは論争の余地がある。しかし、本発明の課題は、ＳＯＴのサイズを増加させてスイッチング電流を減らすことである。
ＳＯＴの効率で定義される注入面内電流密度ＪＣに対するスピン電流密度ＪＳの比率をスピンホール角度（Ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ Ａｎｇｌｅ；ＳＨＡ、ξＳＨ＝ＪＳ／ＪＣ）という。スピンホール角度ξＳＨが増加するにつれて、磁化を逆転させるためにはより低いスイッチング電流が必要となる。重金属（ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ）の場合、スピンホール角度ξＳＨは大きいことが知られており、スピンホール角度ξＳＨはタングステンＷで～０.３３、タンタリウムＴａで～０.１５及び白金Ｐｔで～０.１０の水準である。
本発明の一実施例によれば、スイッチング電流を減らすためにタングステン窒化物層１２４が非磁性層ＮＭと強磁性層ＦＭとの間に挿入され、タングステン窒化物層１２４の厚さと組成を制御した。それに応じて、スピンホール角度ξＳＨが０.５４に増加する。また、電流－誘導ＳＯＴスイッチング挙動がタングステン窒化物層１２４がない値の約１／５に減少する。とても薄いタングステン窒化物層１２４（厚さ０.２ｎｍ）でもＳＯＴスイッチング挙動は窒素原子Ｎ含量に応じて変わる。
本発明の一実施例によれば、Ｓｉ１００ウェハ上に３００ｎｍ 厚さのＳｉＯ２層が蒸着される。前記ＳｉＯ２層上にＷ／ＷＮｘ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／Ｔａ層が順次積層される。タングステン層１２２及びタングステン－窒化物層１２４はＤＣマグネトロンスパッタリングシステムによって蒸着される。
ＤＣマグネトロンスパッタリングシステムは、５ｘ１０－９Ｔｏｒｒの初期真空で金属蒸着のために使用された。作業圧力（ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）はＡｒガス雰囲気で１.３ｍＴｏｒｒである。前記タングステン窒化物層１２４は、反応性スパッタリングによって蒸着された。注入されたＡｒ及びＮ２ガスの比率は、一定の作動圧力で制御された。ＤＣ電力密度は、２.５Ｗ／ｃｍ２に固定される。
ＲＦマグネトロンスパッタリングシステムは、５ｘ１０－９Ｔｏｒｒの初期真空及び６ｍＴｏｒｒの作動圧力でトンネル絶縁層１４０の蒸着に使用された。前記トンネル絶縁層１３０はＭｇＯである。ＲＦ電力密度は１.６Ｗ／ｃｍ２に固定される。
磁気素子の積層構造は、Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｗ（５ｎｍ）／ＷＮｘ（ｔＷ－Ｎ）／ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）である。タングステン窒化物層１２４の厚さｔＷ－Ｎは、０ないし３ｎｍに変わり、タングステン窒化物層１２４の組成は、Ｑを０ないし５０％に変化させて調整した。ここで、Ｑはスパッタリングの間、総ガス流量［Ａｒ＋Ｎ２］に対するＮ２ガス流量［Ｎ２］の比Ｑ＝［Ｎ２］／［Ａｒ＋Ｎ２］である。
自由層１３０は、ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）である。前記キャッピング層１６２の蒸着の後、すべてのサンプルは１０－６Ｔｏｒｒで１時間摂氏３００度のファーニス（ｆｕｒｎａｃｅ）でアニーリングされた。前記キャッピング層１６２は、保護層として動作する。
アニーリングの後、磁気特性は振動試料型磁力計（ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ；ＶＳＭ）を使用して室温で測定された。電気的特性を測定するために、幅５μｍ及び長さ３５μｍのホールバ（Ｈａｌｌ ｂａｒ）構造を有する素子は、フォトリソグラフィを用いて製造される。高調波測定（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）を使用してＳＯＴ効率が測定される。測定中に、注入された交流電流ＡＣ及び周波数ｆはそれぞれ１ｍＡ及び１３.７Ｈｚにそれぞれ固定された。
図４は、本発明の一実施例によるＳＯＴスイッチング挙動を測定するための磁気素子である。
図４に示すように、ＳＯＴスイッチング挙動を決定するために、直径４μｍのドット型パターンは、ホールバ構造でキャッピング層１６２、トンネル絶縁層１４０、及び自由層１３０を順次に異方性エッチングして形成される。スイッチング特性は、プローブステーション（ｐｒｏｂｅ ｓｔａｔｉｏｎ）を使用して測定される。１０μｓのパルス幅を有するパルス電流Ｉｐｕｌｓｅが素子にｘ方向に印加され、結晶性スイッチング（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）のために外部磁場Ｈｅｘがｘ軸方向に印加された。磁気素子２００ａは、ホールバ構造でドット型の自由層１３０、トンネル絶縁層１４０、及びキャッピング層１６２を有する。
タングステン窒化物層１２４の抵抗は、４点プローブ（ｆｏｕｒ－ｐｏｉｎｔ ｐｒｏｂｅ）を使用して測定された。タングステン窒化物層１２４の組成を確認するためにラザフォード後方散乱（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ＲＢＳ）分析を行った。前記タングステン窒化物層１２４の微細構造は、０.５度の固定角ですれすれ入射Ｘ線回折装置（ｇｒａｚｉｎｇ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ Ｘ－ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）を使用して分析された。前記タングステン窒化物層１２４の微細構造は、透過電子顕微鏡を使用して観測された。
図５は、本発明の一実施例によるＮ２ガスの流量比Ｑに伴うタングステン窒化物層の窒素の原子パーセント（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）を示す。
図５に示すように、Ｑはスパッタリングの間、総ガス流量［Ａｒ+Ｎ２］に対するＮ２ガス流量［Ｎ２］の比Ｑ＝［Ｎ２］／［Ａｒ＋Ｎ２］である。タングステン窒化物層１２４の窒素原子の原子パーセント（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、ラザフォード後方散乱装置によって測定された。
タングステン窒化物層１２４の窒素原子含量を分析した。Ｎ２ガス流量の比Ｑは０、４、８、１５、２０、３０、４０、そして５０％である。ラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）を使用して検査した４０ｎｍの厚さのタングステン窒化物薄膜のＱの関数として窒素の原子パーセントｎを示す。Ｑ＝４％で、窒素の原子パーセントｎは５％でとても小さい。Ｑ＝８％で、Ｎの原子パーセントｎは２９％で急激に増加する。Ｑ＝２０％で、窒素の原子パーセントｎは３３％である。しかし、Ｑ＝２０％とＱ＝３０％との間で、窒素の原子パーセントｎは再び４０％で急激に増加する。Ｑ＝４０％で、窒素の原子パーセントｎは４２％である。
図６は、本発明の一実施例によるタングステン窒化物層の窒素の原子パーセントｎ（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）に伴う有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆを示す。
図６に示すように、磁気素子２００は、Ｗ／（５ｎｍ）／ＷＮｘ（０.２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）構造を有する。前記タングステン窒化物層１２４の窒素の原子パーセントｎ（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）に伴う有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆが分析された。タングステン窒化物層１２４の窒素の原子パーセントｎ（ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、０～４２％の範囲で変更された。有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆは、ｎが増加するにつれて減少する。タングステン窒化物層１２４の厚さｔＷ－Ｎが０.２ｎｍで固定されたとき、垂直磁気異方性ＰＭＡは窒素の原子パーセントｎが０％ないし最大４２％の範囲内で発生した。しかし、窒素の原子パーセントｎが４２％を超えると、ＰＭＡは発生しなかった。有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆは、ｎ＝０％で２.８７Ｍｅｒｇ／ｃｍ３であり、ｎ＝４２％で１.８１Ｍｅｒｇ／ｃｍ３に減少した。したがって、ｎが増加するにつれてＰＭＡの強度は減少した。有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆは、平面内（ｉｎ－ｐｌａｎｅ）及び平面外（ｏｕｔ－ｏｆ－ｐｌａｎｅ）Ｍ－Ｈループの面積を用いて計算された。
図７は、本発明の一実施例によるタングステン窒化物層の厚さｔＷ－Ｎによる有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆを示す。
図７に示すように、磁気素子２００は、Ｗ（５ｎｍ）／ＷＮｘ（ｔＷ－Ｎ）／ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）構造を有する。我々はタングステン窒化物層１２４の厚さｔＷ－Ｎを０.２ｎｍ～３ｎｍの範囲で変更した。
タングステン窒化物層１２４の厚さｔＷ－ＮがｔＷ－Ｎ≧０.４ｎｍの場合、垂直磁気異方性ＰＭＡはｎ≦２９％に対してのみ発現した。ｎ＝２９％で、タングステン窒化物層１２４の厚さｔＷ－Ｎが１ｎｍより大きいとき、垂直磁気異方性ＰＭＡは消えた。
タングステン窒化物層１２４の厚さｔＷ－Ｎが１.０ ｎｍを超えると、ｎに関係なく垂直磁気異方性ＰＭＡが消えた。
垂直磁気異方性ＰＭＡは高密度磁気ランダムアクセスメモリＭＲＡＭに必須であるため、我々は垂直磁気異方性ＰＭＡが現れる範囲で、タングステン窒化物層１２４の厚さ及び組成を有する構造でＳＯＴを照射した。磁気輸送特性（ｍａｇｎｅｔｏ－ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ）を照射するために、垂直磁気異方性ＰＭＡを有する磁気素子は、フォトリソグラフィを使用して幅５μｍ及び長さ３５μｍのホールバ構造で製造された。
我々は、ＰＭＡ磁気素子でＳＯＴの評価に広く使用される高調波方法によって磁気輸送特性を測定した。ＡＣ電流が磁気素子に注入され、外部磁場Ｈｅｘの下で磁化が平衡状態にあるとき、第１高調波成分は次のように極角θ及び
Figure 0007278250000004
 を用いて表現される。
［数１］
Figure 0007278250000005
ここで、ＲＡＨＥは異常ホール抵抗（ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｈａｌｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を表し、ＲＰＨＥは平面ホール抵抗（ｐｌａｎａｒ Ｈａｌｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を表す。熱電電圧（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ）に関連する２次高調波成分（ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ；Ｒｘｙ ２ω）は次の通りである。
［数２］
Figure 0007278250000006
ここで、I０はＡＣ電流の振幅を表し、αは異常なＮｅｒｎｓｔ効果係数を表し、∇Ｔはジュール熱（Ｊｏｕｌｅ ｈｅａｔｉｎｇ）による熱寄与度（ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を表す。
ＢＩ＝ＢＤＬ＋ＢＦＬ＋ＢＯｅは、電流誘導フィールドの合計（ｓｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｆｉｅｌｄ）を表す。ここで、ＢＤＬはダンピング－ライクフィールド（ｄａｍｐｉｎｇ－ｌｉｋｅ ｆｉｅｌｄ）、ＢＦＬはフィールド－ライクフィールド（ｆｉｅｌｄ－ｌｉｋｅ ｆｉｅｌｄ）、ＢＯｅはＯｅｒｓｔｅｄフィールドである。ＢＤＬ及びＢＦＬは、それぞれＤＬ－ＳＯＴ及びＦＬ－ＳＯＴによって生成された有効磁場である。磁化は、有効磁場の方向に振動する。
面内磁化状態θ＝π／２において、ＤＬ－ＳＯＴ及びＦＬ－ＳＯＴは、磁化が平面でそれぞれ垂直及び水平に振動するように誘発する。数式２は、次のように再作成する。
［数３］
Figure 0007278250000007
異方性磁場ＨＫより十分大きい外部磁場Ｂｅｘｔが印可されると、磁化がフィルムの平面内にある場合、熱勾配（ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒａｄｉｅｎｔ）による抵抗の寄与は一定であると仮定できる。平面ホール効果（ｐｌａｎａｒ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）の２次項（ｓｅｃｏｎｄ ｔｅｒｍ）は、
Figure 0007278250000008
 の時に消滅する。このような仮定の下で、数式３はＤＬ－ＳＯＴによる有効フィールドである、ＢＤＬを計算するために近似化する。その次にＢＦＬ＋ＢＯｅが得られる。
［数４］
Figure 0007278250000009
その後、我々はＳＯＴ効率を計算することができる。スピンホール角度（Ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ Ａｎｇｌｅ、ξ）は、次の通りである。
［数５］
Figure 0007278250000010
ここで、ｅは電磁電荷を表し、ｈはプランク定数を表し、ＭＳは自由層の飽和磁化を表し、ｔＦＭは自由層の厚さを表し、Ｊｅは電流密度を表す。
スピンホール角度ξＤＬを得るために、我々は外部磁場Ｂｅｘｔの方向を変化させて高調波測定を行った。我々は、磁気素子の異方性磁場ＨＫ値の２倍より大きい約１３－１８ｋＯｅの外部磁場Ｂｅｘｔを印加する。
タングステンのＦＬ－ＳＯＴ効率がＤＬ－ＳＯＴ効率より約１０倍小さいことが知られているため、本発明ではＤＬ－ＳＯＴによるスピンホール角度ξＤＬのみを考慮する。
図８は、本発明の一実施例による窒素の原子パーセントｎに伴うスピンホール角度の絶対値|ξＤＬ|を示す。
図９は、本発明の一実施例によるタングステン窒化物層の厚さｔＷ－Ｎに伴うスピンホール角度の絶対値|ξＤＬ|を示す。
図８及び図９に示すように、|ξＤＬ|は、ｎが増加するにつれて漸進的に増加して、ｎ＝４０％で最大０.５４に到達する。このスピンホールの角度は、タングステン単独のものより遥かに大きい。ｎ>４０％の場合、|ξＤＬ|は若干減る。
Ｗ（５ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ構造（ｎ＝０％、ｔＷ－Ｎ＝０ｎｍ）において、５ｎｍ厚さのＷ薄膜はβ－相Ｗであると予想され、スピンホール角度の絶対値|ξＤＬ|は０.３２±０.０２である。
Ｗ（５ｎｍ）／ＷＮｘ（ｔＷ－Ｎ）／ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）構造で、|ξＤＬ|は、ｎ＝２９％の条件でｔＷ－Ｎによって変化する。|ξＤＬ|は、ｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍでタングステン窒化物層１２４がないより若干高い。しかし、０.２ｎｍより大きいタングステン窒化物層１２４の厚さで、ｔＷ－Ｎが増加するにつれて、|ξＤＬ|は次第に減少する。この結果は、とても薄いタングステン窒化物層１２４がＳＯＴ特性を向上させることができることを示す。
しかし、ｔＷ－Ｎが０.２ｎｍを超えるとき、バルクタングステン窒化物の特性が次第に現れて、ＳＯＴ効率がタングステン窒化物層１２４がないよりも低い。それにもかかわらず、ｔＷ－Ｎが０.２ｎｍを超えるとき、スイッチングのための臨界電流は減少する。
図１０は、ｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍでｎの条件別電流に伴う抵抗を示す。
図１０に示すように、外部磁場Ｈｅｘ＝＋２００Ｏｅが磁気素子２００ａにｘ軸方向に印加された場合、自由層１３０の決定的なスイッチングはｎにかかわらず発生する。
スイッチング電流ＩＳＷは、ｎが増加するにつれて減少し、スイッチング方向は、ｎが変化するにつれて反時計回りに一定に維持される。
タングステン窒化物層１２４がないＷ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ構造（ｎ＝０％）において、スイッチング電流ＩＳＷは、８.５８±０.０８ｍＡであり、スイッチング電流密度ＪＳＷは３３.０ＭＡｃｍ２）である。スイッチング電流ＩＳＷは、ｎが増加するにつれて次第に減少し、ｎ＝４０％から１.４９±０.１６ｍＡであり、タングステン窒化物層１２４のない構造より５倍小さい。
図１１は、ｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍでｎの条件別外部磁場に伴うスイッチング電流を示す。
図１１に示すように、スイッチング動作の外部磁場の依存性が表示される。全ての窒素含量ｎにおいて、外部磁場Ｈｅｘが増加するにつれて、スイッチング電流ＩＳＷは減少する傾向がある。外部磁場Ｈｅｘ方向が＋ｘから－ｘに変更されると、スイッチング方向が時計回りに変更されるが、スイッチング電流ＩＳＷはほぼ同一に維持される。この結果は、良好な電流－誘導ＳＯＴスイッチング動作が発生することを確認させる。また、タングステン窒化物層１２４がＳＯＴ－ＭＲＡＭに適用される場合、電力消費を減少させる。
次に、スイッチング電流ＩＳＷの減少が|ξＤＬ|上昇に起因する。ＳＯＴによるスイッチング電流Ｉｓｗ ＳＯは、次のように表現される。
［数６］
Figure 0007278250000011
ここで、ＡＮＭは、電流が注入される非磁性層（又はスピンホール発生層）の厚さを表し、ＨＫ、ｅｆｆは、異方性磁場を表す。ｔＦＭは、自由層の厚さである。ＭＳは、自由層の飽和磁化である。Ｈｅｘは、外部磁場である。
数式６で、ＨｅｘはＨＫ、ｅｆｆに比べて小さく、ＭＳＨＫ、ｅｆｆ／２が有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆと同じであるため無視してよい。したがって、ｔＦＭ及びＡＮＭが固定されると、ＳＯＴによるスイッチング電流Ｉｓｗ ＳＯは有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆに正比例する。
タングステン窒化物層１２４の挿入がＫｕ、ｅｆｆの劣化（ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）に影響を与えるため、我々はスイッチング電流ＩＳＷが有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆの減少によって影響を受ける可能性を調べる。
図１２は、ｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍでｎに伴う規格化されたスイッチング電流及び垂直磁気異方性を示す。
図１３は、ｎ＝２９％でｎに伴う規格化されたスイッチング電流及び垂直磁気異方性を示す。
図１２及び１３に示すように、それぞれｎ及びｔＷ－Ｎの関数としてＩＳＷ及びＫｕ、ｅｆｆの正規化された値を示す。
図１２に示すように、スイッチング電流ＩＳＷと有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆがｎの増加するにつれて減少するが、その減少率はか相当異なることを示す。ｎ＝３４％で始まり、スイッチング電流ＩＳＷは有効異方性エネルギＫｕ、ｅｆｆよりも急速に減少し始め、この差はｎが増加するにつれて大きくなる。
再び、図９に示すように、|ξＤＬ|はタングステン窒化物層１２４の厚さｔＷ－Ｎが増加するにつれて減少する。それにもかかわらず、図１３に示すように、スイッチング電流ＩＳＷのタングステン窒化物層１２４の厚さｔＷ－Ｎが増加するにつれて減少する。
しかし、ｔＷ－Ｎが変わるにつれてＩＳＷの減少はｎを増加させる場合と異なって、Ｋｕ、ｅｆｆの割合とほぼ同一の傾向がある。したがって、ＳＯＴ効率向上ではなく、Ｋｕ、ｅｆｆの変化によって、ｔＷ－Ｎが増加するにつれてＩＳＷは減少する。この結果は、ｎの増加によるＩＳＷの減少が向上したＳＯＴ効率及びＫｕ、ｅｆｆの減少によって大きく影響を受けることを表す。とても薄いタングステン窒化物層１２４の挿入は、ＳＯＴスイッチング効率を向上させる。したがって、窒素の原子パーセントｎが約４０％である薄いタングステン窒化物層１２４は、ＳＯＴ－ＭＲＡＭの電力消費の側面で相当な利点を提供する。
ＦＭ／ＮＭインタフェースで挿入されたタングステン窒化物層１２４の構成がＳＯＴ効率にいかなる影響を及ぼすかを議論する。向上した効率の可能な原因の一つは、不純物が存在するため電気抵抗の変化である。スピンホール効果ＳＨＥの可能な原因である真性及びサイドジャンプ散乱（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ａｎｄ ｓｉｄｅ－ｊｕｍｐ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、材料の比抵抗ρｘｘと関連がある。
材料の不純物は、散乱とρｘｘ値を増加させ、ξＳＨを向上させることができる。我々はＨａｌｌ ｂａｒ素子でρｘｘを測定し、|ξＤＬ|の向上がＷ－Ｎ層でｎが増加するにつれてρｘｘが増加したためであることを証明する。
図１４は、Ｗ（５ｎｍ）／ＷＮｘ（ｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）構造でｎの関数として比抵抗ρｘｘ（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）を示す。
図１４に示すように、ρｘｘをｔＷ－Ｎ＝０.２ｎｍでｎの関数で表す。ρｘｘ値は、たいていのｎ値でほぼ一定であるが、ｎ＝４０％で急速に増加する。ｎ＝４０％で、|ξＤＬ|は最大である。この結果は、ξＤＬに対する抵抗の影響を無視することはできないが、ξＤＬがＷ／ＷＮｘ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ構造の抵抗に正確に比例しなかったことを示す。したがって、抵抗以外の他の要素がＳＯＴ効率に影響を及ぼすものと解釈される。
もう一つの可能な原因は、結晶性（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ）又は相（ｐｈａｓｅ）のようなタングステン窒化物層１２４の微細構造の影響である。この仮定を確認するために、ｎが増加するにつれてＷフィルムの微細構造変化を観察した。
しかし、０.２ｎｍの厚さの超薄膜タングステン窒化物層の微細構造変化を分析することが非常に難しい。したがって、約４０ｎｍ厚さのタングステン窒化物フィルムを分析して、このような変化が超薄層（ｕｌｔｒａｔｈｉｎ ｌａｙｅｒ）でも発生すると仮定した。
図１５は、厚さ４０ｎｍのタングステン窒化物層のＧＩＸＲＤ（Ｇｒａｚｉｎｇ Ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）結果を示す。
図１５に示すように、スパッタリング中にＮ２ガスが注入されなければ（ｎ＝０％）、Ｗピークが２θ＝４０度近くで明確に表す。ここで、我々がＳＯＴ測定に用いた５ｎｍ厚さのＷフィルムは、β－Ｗ相（ｐｈａｓｅ）であり、４０ｎｍ厚さのＷＮｘフィルムはα－Ｗ相（ｐｈａｓｅ）である。４０ｎｍ厚さのＷＮｘフィルムで、ｎが５％に増加した後、Ｗ（１１０）ピークは急激に減少し、線幅は広がり、ピークは左側に移動してＷ２Ｎピークに接近する。この結果は、ｎが増加するにつれてＷ２Ｎが形成し始め、Ｗの結晶性が減少することを表す。
次に、ｎがさらに増加するにつれて、ピークの線幅はさらに広がり、ピークは次第に左側に移動してｎ＝３４％でＷ２Ｎ（１１１）ピークとほぼ一致する。これは、ｎが３０％を超えるとＷ相が殆どなくなり、ナノ結晶質Ｗ２Ｎ薄膜だけが存在することを表す。
ｎが４０％を超えると、ピークは左側にさらに移動してＷＮ（１００）ピークに接近し、ｎ＝４２％でピークがより鮮やかになって結晶性が向上することを表す。この結果は、Ｗ－Ｎバイナリ位相ダイアグラム（ｂｉｎａｒｙ ｐｈａｓｅ ｄｉａｇｒａｍ）と一致する。
窒素原子の含量が増加するにつれて、段階は Ｗ → Ｗ+Ｗ２Ｎ → Ｗ２Ｎ →Ｗ２Ｎ+ＷＮ の順で表れる。ここで、Ｗ２Ｎはおよそｎ＝３４％で表れる。位相イアグラムは、実験結果とほぼ一致する。
次に、タングステン窒化物フィルムの比抵抗を測定し、以前の研究で報告されたものと比較した。
図１６は、ｎの関数として４０ｎｍの厚さを有するタングステン窒化物層の比抵抗を図示する。
図１６に示すように、点線はＸＲＤ分析によって予測されたタングステン窒化物相変化（ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ）の境界を示す。タングステン窒化物層の比抵抗がｎ＝２９％になるまで、２００－２６０μΩ・ｃｍで維持されるが、ｎ>３０％で３５０μΩ・ｃｍ以上に急速に増加する。
ｎが４０％を超えると、比抵抗が再び５００μΩ・ｃｍ以上に急激に増加する。スパッタリングされたタングステン窒化物層の抵抗は、圧力、スパッタリング電力及び温度のような蒸着条件に大きく依存する。しかし、一般的に総ガス流量［Ａｒ＋Ｎ２］に対するＮ２ガス流量［Ｎ２］の比Ｑが増加するにつれて、比抵抗が増加する。また、結晶性が増加するにつれて非抵抗が減少する。これは我々の実験の結果と一致する。
実験結果は、ｎ＝４０％まで比抵抗（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）が増加した後、ｎ＝４２％で決定性が増加するにつれて比抵抗が若干減少することを示す。
ピーク強度が小さすぎてＸＲＤを使用して位相を安定的に索引化できなかったため、ＸＲＤ分析以外にも、我々はナノ結晶のように見えるため、ＴＥＭを使用して４０ｎｍ厚さのタングステン窒化物層を分析する。
図１７は、ｎ＝５％の場合、平面内のＴＥＭイメージ（ｉｎ－ｐｌａｎｅ ＴＥＭ ｉｍａｇｅｓ）と選択された領域回折（ｓｅｌｅｃｔｅ ａｒｅａ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ＳＡＤ）パターンを示す。
図１７に示すように、ｎ＝５％のとき、多結晶グレーン（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｇｒａｉｎｓ）がナノ結晶質マトリックスに表れる。
ｎ＝５％のとき、ＳＡＤパターンは、ＷとＷ２Ｎが共存することを示す。内側の点線円は、Ｗ２Ｎ（１１１）グレーンを表す。Ｗ２Ｎ（１１１）グレーンは、高速フーリエ変換イメージでＷ２Ｎ（１１１）に索引された（ｉｎｄｅｘｅｄ）リングパターンにマスクを適用することによって識別される。
多結晶グレン（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｇｒａｉｎｓ）は、Ｗ２Ｎであり、窒素が注入されるときＷ薄膜が殆どナノ結晶（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）になることを表す。
図１８は、ｎ＝３４％の場合、平面内のＴＥＭイメージ（ｉｎ－ｐｌａｎｅ ＴＥＭ ｉｍａｇｅｓ）と選択された領域回折（ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｒｅａ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ＳＡＤ）パターンを示す。
図１８に示すように、明確なリングパターンを有するＴＥＭ及びＳＡＤイメージは、ナノ結晶性Ｗ２Ｎ（１１１）のみがｎ＝３４％で存在することを表す。
図１９は、ｎ＝４２％の場合、平面内のＴＥＭイメージ（ｉｎ－ｐｌａｎｅ ＴＥＭ ｉｍａｇｅｓ）と選択された領域回折（ｓｅｌｅｃｔｅｄ ａｒｅａ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ；ＳＡＤ）パターンを示す。
図１９に示すように、ｎ＝４２％の場合、ナノ結晶質マトリックスに他のグレーンが形成される。ＳＡＤパターンにＷＮ（１００）が表れる。したがって、ＸＲＤとＴＥＭの結果は一致し、ＷＮｘ薄膜の位相がｎに依存することを確認する。
改善されたＳＯＴ効果の原因を探すために、我々はタングステン窒化物層の挿入に対するｎの影響を調べた。
図１４及び図１６に示すように、磁気素子の比抵抗ρｘｘ値と４０ｎｍ厚さのタングステン窒化物フィルムの比抵抗は若干異なる。しかし、磁気素子の比抵抗ρｘｘ値と４０ｎｍ厚さのタングステン窒化物フィルムの比抵抗は、いずれもｎ＝４０％で最大値を示す。
図１４の磁気素子において、０.２ｎｍ厚さのタングステン窒化物層は、他のフィルムの総厚さに比べてとても薄い。したがって、比抵抗に対する０.２ｎｍ厚さのタングステン窒化物層の影響は支配的でない。
また、微細構造分析を超薄膜に完全な正確度で適用することは難しいが、ｎの値はタングステン窒化物層の微細構造に影響を及ぼすと予想される。
相（ｐｈａｓｅ）及び結晶度（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｉｔｙ）の変化のような微細構造変化は非抵抗の変化を伴う。したがって、比抵抗と微細構造は別途考慮されにくい。
タングステン窒化物層の窒素含量を調整すると、|ξＤＬ|を増加させ、ＩＳＷを減少させる。しかし、タングステン窒化物層に依存する向上したＳＯＴスイッチング動作の物理的起源に対する追加研究が必要である。
ＭＲＡＭアプリケーションに対するＷ／ＷＮｘ（ｔＷ－Ｎ＝０.４ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ構造の適合性を確認するために、低温及び高温での磁気素子温度の安定性に対して議論する。
スイッチング電流の温度依存性を決定するために、次の順序で温度を変化させるｔＷ－Ｎ＝０.４ｎｍ及びｎ＝２９％を有する素子で試験を行った。
（１）室温（ＲＴ） → （２）－１００℃ → （３）ＲＴ → （４）＋１００℃ → （５）ＲＴ．
図２０は、＋２００Ｏｅの外部磁場Ｈｅｘ下で様々な温度で面内電流に伴う抵抗を示す。
図２０に示すように、ＳＯＴによるスイッチングは、全ての温度で反時計回りにうまく行われる。
図２１は、様々な温度で外部磁場に伴うスイッチング電流を示す。
図２１ に示すように、温度が（１）室温（ＲＴ）で（２）－１００℃に減少すると、スイッチング電流が増加する。温度が（３）室温（ＲＴ）で＋（４）１００℃に増加するとスイッチング電流が減少する。ＳＯＴ－誘導スイッチング電流は、熱変動によって低温より高温で減少することが広く知られている。しかし、スイッチング電流は、（１）初期室温状態、（３）冷却後室温状態及び（５）加熱後室温状態で一定に維持される。このような結果は、素子が多様な温度の劣悪な環境で作動することができ、低温及び高温環境を経験した後にも作動電流を変更せずに正常に作動することを確認した。したがって、これは、ＷＮｘ層を使用する構造がＳＯＴ－ＭＲＡＭ応用に適することを意味する。
我々は、タングステン窒化物層を有するＷ／ＷＮｘ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ構造のインターフェースエンジニアリングによって、ＳＯＴの向上及びＳＯＴ－誘導スイッチング電流の減少を調査した。テンステン窒化物層の窒素含量が４０％に増加したとき、我々は０.５４の高いＳＯＴ効率とＷ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ構造の値の約１／５でスイッチング電流の減少を観察した。
ＸＲＤ及びＴＥＭを通じて多様な窒素含量を有するフィルムの微細構造を分析した。結果は、ＳＯＴ向上がテンステン窒化物層の組成に依存する比抵抗だけでなく、微細構造変化（タングステンがＷ２Ｎ及びＷＮ上に変化するとき）によって引き起こされることを突き止めた。
図２２は、本発明の一実施例によるＷ（５ｎｍ）／ＷＮｘ（ｔＷ－Ｎ；ｎ）／ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）構造における窒素の含量ｎとＷＮｘ層の厚さに伴う実験結果を示す。
図２２に示すように、ＰＭＡは垂直磁気異方性を表し、ＩＭＡは面内異方性を表す。ＷＮｘ層において原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、２％ないし２９％であり、前記ＷＮ層の厚さは０.２ｎｍないし０.８ｎｍである。この場合、前記自由層（ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）は、垂直磁気異方性を維持する。
前記ＷＮｘ層において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、２％ないし５％であり、前記ＷＮｘ層の厚さは０.２ｎｍないし３ｎｍである。この場合、前記（ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）は、垂直磁気異方性を維持する。
前記ＷＮｘ層は結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相を含むか、又は、前記ＷＮｘ層は結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相及び結晶質ＷＮ（１００）相を含む。この場合、前記自由層（ＣｏＦｅＢ（０.９ｎｍ）は、垂直磁気異方性を維持する。
一方、タングステン層がなく、５ｎｍのＷＮｘ層のみある磁気素子の場合、窒素の含量ｎが２％ないし５％でのみ、自由層は垂直磁気異方性を表す。
図２３は、本発明のもう一つの実施例による磁気素子を示す断面図である。
図２３に示すように、磁気素子３００は、固定された磁化方向を有する固定層１５０と、スイッチングされる磁化方向を有する自由層１３０と、前記固定層と前記自由層との間に介在されるトンネル絶縁層１４０と、面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層３２０と、前記自由層と前記スピントルク発生層との間に配置されたタングステン－窒化物層３２４と、を含む。前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層１３０の磁化方向をスイッチングする。前記固定層１５０及び前記自由層１３０は、垂直磁気異方性を有し、前記スピントルク発生層３２０は、タングステン層を含み、前記タングステン－窒化物層３２４は、前記自由層と垂直に整列される。
前記タングステン－窒化物層３２４の厚さと組成に応じてスイッチング電流が変化される。また、前記タングステン－窒化物層３２４の厚さと組成に応じて、前記自由層の磁化特性が変更される。すなわち、タングステン－窒化物層３２４の厚さと組成は、所定の範囲内で前記自由層１３０に垂直磁化異方性特性を提供する。前記自由層１４０が垂直磁気異方性を発現する場合、タングステン－窒化物層３２４の厚さが減少し、窒素の濃度が増加するにつれてスイッチング電流が減少する。
具体的に、前記タングステン－窒化物層３２４の厚さは、０.２ｎｍであり、前記タングステン－窒化物層３２４において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）が５％ないし４２％である。この場合、前記自由層１３０は垂直磁気異方性を維持しつつ、窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）が増加するにつれてスイッチング電流が減少する。一方、窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）が４２％を超える場合、前記自由層１３０は垂直磁気異方性を消失し、面内磁気異方性を有する。
前記タングステン－窒化物層３２４において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は２％ないし２９％であり、前記タングステン－窒化物層３２４の厚さは０.２ｎｍないし０.８ｎｍである。この場合、前記自由層１３０は、垂直磁気異方性を維持する。
前記タングステン－窒化物層３２４において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は２％ないし５％であり、前記タングステン－窒化物層の厚さは０.２ｎｍないし３ｎｍである。この場合、前記自由層１３０は、垂直磁気異方性を維持する。
前記タングステン－窒化物層３２４は、結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相（ｐｈａｓｅ）を含み、又は前記タングステン－窒化物層３２４は結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相及び結晶質ＷＮ（１００）相を含む。この場合、前記自由層１３０は、垂直磁気異方性を維持する。
スピントルク発生層３２０の両端は、面内電流を印加する外部回路に連結される。
図２４は、本発明のもう一つの実施例による磁気素子を示す断面図である。
図２４に示すように、磁気素子（４００）は、固定された磁化方向を有する固定層１５０と、スイッチングされる磁化方向を有する自由層１３０と、前記固定層と前記自由層との間に介在されるトンネル絶縁層１４０と、面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層４２０と、を含む。前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層１３０の磁化方向をスイッチングする。前記固定層１５０及び前記自由層１３０は、垂直磁気異方性を有し、前記スピントルク発生層４２０は順次積層されたタングステン層１２２及びタングステン－窒化物層１２４を含む。前記タングステン－窒化物層１２４は、前記自由層１３０に隣接して配置される。
前記スピントルク発生層４２０は、面内磁気異方性を有する強磁性層４２１をさらに含む。前記タングステン層１２２は、前記強磁性層４２１と前記タングステン－窒化物層１２４との間に配置される。前記強磁性層４２１の磁化方向は、前記面内電流が流れる方向と平行又は反平行である。前記強磁性層と前記タングステン層との間で界面発生スピン電流が生成される。前記界面発生スピン電流は、ｚ軸成分のスピン分極を有する。これに応じて、面内外磁場なしでスピン－軌道トルクスイッチングが実現できる。
スピントルク発生層４２０の両端は、接続電極１２０ａ、１２０ｂを介して面内電流を印加する外部回路に連結される。
以上、本発明を特定の好ましい実施例に対して図示して説明したが、本発明はこのような実施例に限らず、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が特許請求範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で実施できる様々な形態の実施例を全て含む。
１００：磁気素子 １２０：スピントルク発生層
１２２：タングステン層 １２４：タングステン－窒化物層
１３０：自由層 １４０：トンネル絶縁層
１５０：固定層

Claims (6)

  1. 固定された磁化方向を有する固定層と、
    スイッチングされる磁化方向を有する自由層と、
    前記固定層と前記自由層との間に介在するトンネル絶縁層と、
    面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層と、
    を含む磁気素子であって、
    前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層の磁化方向をスイッチングし、
    前記固定層及び前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、
    前記スピントルク発生層は、順次積層されたタングステン層及びタングステン－窒化物層を含み、
    前記タングステン－窒化物層は、前記自由層に隣接して配置され、
    前記タングステン－窒化物層において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）が５％ないし４２％であることを特徴とする磁気素子。
  2. 固定された磁化方向を有する固定層と、
    スイッチングされる磁化方向を有する自由層と、
    前記固定層と前記自由層との間に介在するトンネル絶縁層と、
    面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層と、
    を含む磁気素子であって、
    前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層の磁化方向をスイッチングし、
    前記固定層及び前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、
    前記スピントルク発生層は、順次積層されたタングステン層及びタングステン－窒化物層を含み、
    前記タングステン－窒化物層は、前記自由層に隣接して配置され、
    前記タングステン－窒化物層において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、２％ないし２９％であり、
    前記タングステン－窒化物層の厚さは０．２ｎｍないし０．８ｎｍであることを特徴とする磁気素子。
  3. 固定された磁化方向を有する固定層と、
    スイッチングされる磁化方向を有する自由層と、
    前記固定層と前記自由層との間に介在するトンネル絶縁層と、
    面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層と、
    を含む磁気素子であって、
    前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層の磁化方向をスイッチングし、
    前記固定層及び前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、
    前記スピントルク発生層は、順次積層されたタングステン層及びタングステン－窒化物層を含み、
    前記タングステン－窒化物層は、前記自由層に隣接して配置され、
    前記タングステン－窒化物層において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、２％ないし５％であり、
    前記タングステン－窒化物層の厚さは０．２ｎｍないし３ｎｍであることを特徴とする磁気素子。
  4. 固定された磁化方向を有する固定層と、
    スイッチングされる磁化方向を有する自由層と、
    前記固定層と前記自由層との間に介在するトンネル絶縁層と、
    面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層と、
    を含む磁気素子であって、
    前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層の磁化方向をスイッチングし、
    前記固定層及び前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、
    前記スピントルク発生層は、順次積層されたタングステン層及びタングステン－窒化物層を含み、
    前記タングステン－窒化物層は、前記自由層に隣接して配置され、
    前記タングステン－窒化物層は結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相を含むか、又は、
    前記タングステン－窒化物層は、結晶質Ｗ２Ｎ（１１１）相及び結晶質ＷＮ（１００）相を含むことを特徴とする磁気素子。
  5. 固定された磁化方向を有する固定層と、
    スイッチングされる磁化方向を有する自由層と、
    前記固定層と前記自由層との間に介在するトンネル絶縁層と、
    面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層と、
    を含む磁気素子であって、
    前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層の磁化方向をスイッチングし、
    前記固定層及び前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、
    前記スピントルク発生層は、順次積層されたタングステン層及びタングステン－窒化物層を含み、
    前記タングステン－窒化物層は、前記自由層に隣接して配置され、
    前記スピントルク発生層は、面内磁気異方性を有する強磁性層をさらに含み、
    前記タングステン層は、前記強磁性層と前記タングステン－窒化物層との間に配置されることを特徴とする磁気素子。
  6. 固定された磁化方向を有する固定層と、
    スイッチングされる磁化方向を有する自由層と、
    前記固定層と前記自由層との間に介在するトンネル絶縁層と、
    面内電流が流れるにつれて前記自由層にスピン電流を注入するスピントルク発生層と、
    を含む磁気素子であって、
    前記スピン電流は、スピン軌道トルクによって前記自由層の磁化方向をスイッチングし、
    前記固定層及び前記自由層は、垂直磁気異方性を有し、
    前記スピントルク発生層はタングステン－窒化物層を含み、
    前記タングステン－窒化物層において窒素の原子パーセント（ａｔｏｍｉｃ ｐｅｒｃｅｎｔ）は、２％ないし５％であり、
    前記タングステン－窒化物層は、前記自由層に隣接して配置されることを特徴とする磁気素子。
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