(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由磁性層と固定磁性層の間に配置されたトンネル接合層を含む磁気トンネル接合部と、
温度閾値未満で前記自由磁性層をピニングし、加熱されると前記温度閾値以上で常磁性体として働く熱バリアであって、セラミックスおよび金属成分からなるサーメット材料を含む熱バリアと
を備える熱アシスト磁気ランダムアクセスメモリデバイス。
【請求項２】
前記サーメット材料が、ＸａＹｂＺｃ（式中、Ｘは遷移金属であり、Ｙは周期表のＩＩＩＡまたはＩＶＡ列から選択され、Ｚは周期表のＶＡまたはＶＩＡ列から選択される）からなる請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
ＹがＳｉ、Ｂ、ＡｌまたはＧｅであり、Ｚが窒素または酸素である請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
ＸがＩｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、ＣｏまたはＴｉである請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記サーメット材料がマトリクス母材を含み、散在材料が遷移金属からなり、前記マトリクス母材の中または表面に散在される請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記マトリクス母材が、二元化合物Ｙ−Ｚ（式中、Ｙは周期表の３Ａ〜６Ａ族から選択され、ＺはＮである）からなる請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記マトリクス母材が、三元材料Ｘ−Ｙ−Ｚ（式中、Ｘは遷移金属であり、ＹはＳｉ、ＡｌまたはＢであり、Ｚは窒化物、またはＯ−ＮまたはＣ−ＮまたはＰ−Ｎである）からなる請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記熱バリアが、３Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記熱バリアが、２０℃の温度で１×１０４Ｓ／ｍ〜６０×１０４Ｓ／ｍの電気伝導率を有する請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
複数の熱アシスト磁気ランダムアクセスメモリ構造を備える磁気メモリシステムであって、各構造が、自由磁性層と固定磁性層の間に配置されたトンネル接合層を含む磁気トンネル接合部と、サーメット材料からなり、温度閾値未満で前記自由磁性層をピニングし、加熱されると前記温度閾値以上で常磁性体として働く熱バリアとを備える磁気メモリシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
参照データ
本願は、２００９年１１月１２日出願の米国仮特許出願第６１／２６０，５２７号（特許文献１）に対する優先権を主張するものである。この仮出願に対する優先権を明確に主張し、その開示全体をすべての目的について参照によって本明細書に援用する。
【０００２】
本開示の技術分野は、磁気トンネル接合構造、特に熱アシスト磁気トンネル接合構造、より詳細には、デジタル信号および／またはアナログ信号を記憶することが可能なメモリとして使用される熱アシスト磁気トンネル接合構造の技術分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
磁気トンネル接合構造は、絶縁体の超薄層によって隔てられた２つの磁性薄膜を備えている。バイアス電圧が２つの磁性薄膜を横断して印加された場合に、電子が絶縁層（トンネルバリアとも呼ばれる）を通ってトンネルすることができるように、絶縁層は十分に薄く、通常は約１ナノメートルの厚さを有している。トンネル電流は、２つの磁性薄膜の相対的な磁化配向に依存するが、配向は磁場をかけることによって変えることが可能である。
【０００４】
産業用途と科学研究の両方に有用であるため、磁気トンネル接合構造には多大な関心が寄せられている。特に、記憶装置（例えば、デジタル信号メモリ）およびセンサ（例えば、アナログ信号センサ）に対する磁気トンネル接合構造の応用について、重要な研究が始められている。
【０００５】
熱アシスト磁気トンネル接合構造は、磁気トンネル接合構造の一種である。熱アシスト磁気トンネル接合層は、動作中、最小限に抑えられた電気加熱電流と共に用いる磁性層の１つにおいてキュリー温度を得るために、構造内に導電性であるが熱抵抗性である薄膜（「サーマル膜（ｔｈｅｒｍａｌ  ｆｉｌｍ）」として知られる）を使用しており、その一例が、２００８年８月１２日発行のＮｏｚｉｅｒｅｓ等に対する米国特許第７，４１１，８１７号（特許文献２）に示されており、その内容全体を参照によって本明細書に援用する。
【０００６】
デバイス内部の磁性層に対するキュリー温度を得るには、熱アシスト磁気トンネル接合構造内のサーマル層が、例えば遷移金属に関して、高い電気伝導率および低い熱伝導率を有することが望ましい。既存の熱アシスト磁気トンネル接合構造は、Ｇｅ−Ｓｂ−Ｔｅ合金など、カルコゲニドベースの材料を用いることがある。しかしながら、そうした材料の組み込みは、有害な熱特性および機械特性、ならびに材料が製造時に異常にエッチングしやすいことにより困難である。
【０００７】
Ｄｉｅｎｙ等に対する米国特許出願公開第２００７／０２６３４３４号（特許文献３）では、磁性基準層から形成される磁気トンネル接合部、トンネルバリア、および磁気記憶層を備える熱アシスト磁気トンネル接合デバイスを開示している。磁気トンネル接合部は、記憶層を効果的に加熱すると同時に、この加熱に必要な電力を最小限に抑えることができるように、５Ｗ／ｍ℃より低い熱伝導率を有する材料によって形成される第１の熱バリアで構成される中間層をさらに備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／２６０，５２７号
【特許文献２】米国特許第７，４１１，８１７号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／０２６３４３４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述のことを考慮して、本明細書では、熱アシスト磁気トンネル接合構造、特にメモリとして使用する熱アシスト磁気トンネル接合構造に用いるためのサーマル層が開示される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一実施形態として、本明細書では、熱アシスト磁気トンネル接合構造が開示される。磁気ランダムアクセスメモリデバイスは、第１の磁性層と第２の磁性層の間に配置されたトンネル接合層を含む磁気トンネル接合部と、ＸａＹｂＺｃ（式中、Ｘは遷移金属であり、Ｙは周期表のＩＩＩＡまたはＩＶＡ列から選択され、Ｚは周期表のＶＡまたはＶＩＡ列から選択される）を有する材料を含む熱バリア層とを備えることができる。
【００１１】
他の実施形態では、熱アシスト磁気ランダムアクセスメモリデバイスは、自由磁性層と固定磁性層の間に配置されたトンネル接合層を含む磁気トンネル接合部と、温度閾値未満で自由磁性層をピニングし、加熱されると温度閾値以上で常磁性体として働く熱バリアであって、セラミックスおよび金属成分からなるサーメット材料を含む熱バリアとを備えることができる。
【００１２】
さらに他の実施形態では、サーメット材料は、ＸａＹｂＺｃ（式中、Ｘは遷移金属であり、Ｙは周期表のＩＩＩＡまたはＩＶＡ列から選択され、Ｚは周期表のＶＡまたはＶＩＡ列から選択される）からなることができる。
【００１３】
さらに他の実施形態では、サーメット材料はマトリクス母材を含むことが可能であり、マトリクス母材の内部またはその表面に散在材料（ｉｎｔｅｒｓｐｅｒｓｉｎｇ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を散在させる。
【００１４】
さらに他の実施形態では、散在材料は遷移金属からなることができる。
【００１５】
さらに他の実施形態では、マトリクス母材は二元化合物Ｙ−Ｚ（式中、Ｙは周期表の３Ａ〜６Ａ族から選択され、ＺはＮである）からなること、あるいは三元材料Ｘ−Ｙ−Ｚ（式中、Ｘは遷移金属であり、ＹはＳｉ、ＡｌまたはＢであり、Ｚは窒化物、またはＯ−ＮまたはＣ−ＮまたはＰ−Ｎである）からなることができる。
【００１６】
さらに他の実施形態では、二元化合物Ｙ−Ｚは、ＳｉＯｘ、ＢＯｘ、ＰＯｘ、またはＡｌＯｘである。
【００１７】
さらに他の実施形態では、熱バリアは、２０℃の温度で３Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率、および２００μｍ−ｃｍ以上の電気抵抗率を有することができる。
【００１８】
さらに他の実施形態では、熱バリアは、３Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有することができる。
【００１９】
他の実施形態では、熱バリアは、非線形の電流−電圧特性を有するバリスタからなることができる。
【００２０】
さらに他の実施形態では、熱バリアにおいて、サーメット材料の金属成分は、２００オングストロームまたは１００オングストローム以下の長距離秩序を有することができる。
【００２１】
さらに他の実施形態では、熱バリアは、２０℃の温度で１×１０４Ｓ／ｍ〜６０×１０４Ｓ／ｍの電気伝導率を有することができる。
【００２２】
本開示はまた、複数の熱アシスト磁気ランダムアクセスメモリデバイスを備える磁気メモリシステムに関する。
【００２３】
本明細書に開示される熱アシスト磁気トンネル接合構造は、より短い加熱温度および冷却温度を有し、したがって、従来型の磁気トンネル接合構造より高速に切り換えることが可能である。開示される熱バリアは、従来型の熱バリアに用いられる既存のカルコゲニド材料よりも標準的な半導体製造工程との適合性に優れる。
【００２４】
本発明は、例として示され、図面によって説明される実施形態に関する記述の助けによって、さらによく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】例示的な熱アシスト磁気トンネル接合構造を示す図である。
【図２】図１の熱アシスト磁気トンネル接合構造に使用される例示的なサーマル層を示す図である。
【図３】図１の熱アシスト磁気トンネル接合構造に使用される例示的な自由磁性層を示す図である。
【図４】図１の熱アシスト磁気トンネル接合構造に使用される例示的な固定磁性層を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書では、磁気トンネル接合部および少なくとも１つの熱バリアを有する、熱アシスト磁気トンネル接合構造が開示される。熱バリアは、非線形のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性を示すバリスタを備え、バリスタは、一例において、セラミックスおよび金属材料からなるサーメットとすることができる。熱バリアは、測定可能な負の熱抵抗係数（ＴＣＲ）を示すように構成されることが好ましい。熱バリアは、１つまたは複数の導電性の構成要素（以下、１つまたは複数の導電性構成要素）、および１つまたは複数の電気絶縁性もしくは誘電性の構成要素（以下、１つまたは複数の誘電性構成要素）からなる不規則構造であることが好ましい。１つまたは複数の導電性構成要素は、１つまたは複数の誘電性構成要素のマトリクスの中に、ランダムにもしくは不規則に分布されるまたは埋め込まれることが好ましい。結果として、熱バリアは、（例えば多くのカルコゲニド材料（例えばＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ）の熱伝導率より低い、または２．０Ｗｍ−１Ｋ−１以下など、３．０Ｗ／ｍ．Ｋ以下の）低い熱伝導率、および（例えばカルコゲニド材料（例えばＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ）の導電率以上の）高い導電率を示す。同時に、例えば熱バリアがサーメットからなるとき、熱バリアの標準的な半導体製造工程との適合性を、既存のカルコゲニド材料よりもずっと高めることができる。
【００２７】
以下では、選択された例を用いて、熱アシスト磁気トンネル接合構造について論じる。以下の議論は例証のためのものであり、限定するものと解釈すべきではないことが当業者には理解されるであろう。本開示の範囲内の他の変形形態も適用することが可能である。
【００２８】
図面を参照すると、図１は例示的な熱アシスト磁気トンネル接合構造を図示している。この例では、熱アシスト磁気トンネル接合構造１００は、自由磁性層１０６、固定磁性層１１０、および自由磁性層と固定磁性層の間に配置された誘電性薄膜１０８からなる磁気トンネル接合部を備えている。自由磁性層（１０６）が、動作中に電流が低下した状態で、動作中の自由磁性層における実質的にキュリー温度と実質的に同じかまたはこれより高い温度など、自由磁性層の磁化配向の再配向に必要な温度になることができるように、熱バリア１０４が設けられる。図１に図示する例では、熱バリア層１０４が配置され、自由磁性層１０６に接触している。他の例では、熱バリア層を他の位置に配置することができる。例えば熱バリア層１０４は、熱バリア層１０４と自由磁性層１０６の間に、電極１０２ａなどの他の機能性部材を配置することができるように配置することが可能である。
【００２９】
（自由磁性層１０６、誘電体層１０８、固定磁性層１１０および熱バリア層１０４を含む）磁気トンネル接合構造は、所望される機能に応じて他の特徴を備えることができる。例えば、固定磁性層からの熱の漏出を防止するために、固定磁性層１１０の底部に配置される他のバリア層１１４を設けることができる。底部サーマル層１１４にかかわらず、バッファ層１１２を設けることもできる。底部電極１０２ｂは、電気接続するように配置される。熱バリア層１０４のように、底部サーマル層１１４を、任意の所望の位置、ただし磁気トンネル接合部の反対側に配置することもできる。例えば底部サーマル層は、バッファ層および／または底部電極１０２ｂなどの他の機能性構成要素を、固定磁性層１１０と底部サーマル層１１４の間に配置することができるように配置することが可能である。
【００３０】
熱バリア層（１０４および１１４）のどちらか一方または両方が、非線形のＩ−Ｖ特性を示すバリスタからなることが好ましい。一例では、熱バリア層１０４は、セラミックスおよび金属材料からなるサーメットを含む。熱バリアは、測定可能な負の熱抵抗係数（ＴＣＲ）を示すように構成されることが好ましい。線形の例では、ＴＣＲを、ΔＲ／Ｒ０＝αΔＴ（式中、Ｒは抵抗率であり、Ｒ０は基準抵抗率であり、ΔＲは温度の変化ΔＴによる抵抗率の変化である）として表現することができる。αはＴＣＲであり、負値である。
【００３１】
熱バリアは、１つまたは複数の導電性構成要素、および１つまたは複数の誘電性構成要素からなる不規則構造であることが好ましい。導電性構成要素は、誘電性構成要素のマトリクスの中に、ランダムにもしくは不規則に分布されるまたは埋め込まれることが好ましい。熱バリア層１０４が、特定のタイプの遷移金属など、あるタイプの導電性要素からなる例として、導電性要素は、４００オングストローム以下、２００オングストローム以下、１００オングストローム以下、８０オングストローム以下、７０オングストローム以下、５０オングストローム以下、３０オングストローム以下または２０オングストローム以下など、５００オングストローム以下である（例えば、長さなど熱バリアの最大寸法に沿った）長距離秩序を有する誘電性マトリクスの中に、ランダムにもしくは不規則に分布させることができる。複数のタイプの導電性要素が熱バリア１０４のマトリクスの中に分布した状態で存在する他の例では、導電性要素は、同じタイプの導電性要素が４００オングストローム以下、２００オングストローム以下、１００オングストローム以下、８０オングストローム以下、７０オングストローム以下、５０オングストローム以下、３０オングストローム以下または２０オングストローム以下など、５００オングストローム以下である長距離秩序を有するように、ランダムにもしくは不規則に分布させることが好ましい。
【００３２】
不規則構造は、不規則なマトリクスなど、非晶質、ガラス、ナノ構造またはそれらの組み合わせとすることができる。例示的な不規則なマトリクスは、マトリクス材料およびナノマトリクスとすることができる。マトリクス材料は、母材の中または母材の表面に散在させた材料のアイランドからなる。例えば、マトリクス材料は、（好ましくは不規則な材料の基部の）本体の中または表面に、不規則または周期的に配された誘電性材料もしくは導電性材料のアイランドからなることができる。アイランドは、結晶質、非晶質、ガラスまたは遷移領域を有するクラスタなど、任意の相のものとすることができる。ナノマトリクスは、内部にナノ粒子が配された材料ベースからなる。一例では、材料ベースは母材の本体内に空孔を含むことができ、ナノ粒子はその空孔の中に配される。他の例では、ナノ粒子は母材の本体に埋め込まれる。どちらの例でも、ナノ粒子および母材はそれぞれ、誘電性材料および導電性材料とすることができる。
【００３３】
構造および組成の違いとは無関係に、該熱バリアは低い熱伝導率および高い電気伝導率を示す。具体的には、熱バリアは、好ましくは１．０Ｗ／ｍ．Ｋ〜３．０Ｗ／ｍ．Ｋ、より好ましくは１．０Ｗ／ｍ．Ｋ〜２．０Ｗ／ｍ．Ｋである熱伝導率を有している。他の例において、熱バリア層は、２．０Ｗ／ｍ．Ｋ以下、１．０Ｗ／ｍ．Ｋ以下、０．５Ｗ／ｍＫ以下、０．４７Ｗ／ｍＫ以下、０．２８Ｗ／ｍＫ以下、０．２７Ｗ／ｍＫ以下、０．１５Ｗ／ｍＫ以下、より好ましくは０．０５Ｗ／ｍＫ〜１．５Ｗ／ｍＫ、より好ましくは０．１４Ｗ／ｍＫ〜０．２７Ｗ／ｍＫ、または０．２８Ｗ／ｍＫ〜０．４７Ｗ／ｍＫなど、３．０Ｗ／ｍ．Ｋ以下である熱伝導率を有することができる。
【００３４】
熱バリアは、必要ではないが、５ｎｓなど、１０ｎｓ以下の加熱時間または冷却時間を有することが好ましい。熱アシストＭＲＡＭセルにおける加熱時間とは、ピン層（例えば図１の熱バリア層１０４であり、ピン層とも呼ばれる）の温度を、そのネール温度またはブロッキング温度などの閾値温度まで上昇させるための時間のことである。熱アシストＭＲＡＭにおける図１の熱バリア層１０４などのピン層は反強磁性層であり、したがって、図１の層１０６などの磁性自由層の磁化配向をその既存の磁化配向にピニングするために用いられることを理解されたい。自由磁性層のピニングは、ＭＲＡＭセルのＭＴＪ接合部の状態を安定化するのに役立つ。しかしながら、それにより、磁化配向を切り変えるために自由磁性層（例えば、図１の層１０６）の保磁力に打ち勝つことがより難しくもなる。それに応じて、ピン層（例えば、熱バリア層１０４）を電流によって加熱する。ピン層を通って流れる電流は、ピン層の温度を、例えばその温度でピン層（例えば、熱バリア層１０４）が常磁性体として働くようになるネール温度またはブロッキング温度など、ある閾値以上に高めるのに十分な大きさのものである。結果として、ピン層（熱バリア層１０４）は、もはや自由磁性層１０６をその既存の状態にピニングしなくなり、自由磁性層１０６の磁化配向を変えるのに、より低い磁界で十分になり、またそうした磁界を使用することが可能になる。自由磁性層（１０６）の磁化配向を更新した後、更新された自由磁性層１０６の磁化配向をピニングするように、ピン層（例えば、図１の熱バリア層１０４）の温度をそのネール温度またはブロッキング温度未満まで低下させる。そうした温度を低下させる工程（例えば室温まで）のための時間分は、冷却温度またはアニール温度と呼ばれる。短い加熱温度および冷却温度が望ましく、加熱温度および／または冷却温度が短いほど、ＭＴＪ接合部がその状態を迅速に切り換え、したがって、ＭＲＡＭセルがより高速に動作する。他の例では、熱バリアは、熱バリアと実質的に同じ厚さおよび動作条件を有するＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ薄膜層の熱伝導率に実質的に等しい、またはそれより低い熱伝導率を有する。
【００３５】
電極（例えば、頂部電極または底部電極）から自由磁性層（または固定磁性層）までなど、電子を通過させるために、熱バリアは導電性であることが求められる。具体的には、熱バリアは、２０℃の温度で１×１０４Ｓ／ｍ〜６０×１０４Ｓ／ｍ、より好ましくは２０℃の温度で１×１０４Ｓ／ｍ〜１０×１０４Ｓ／ｍの電気伝導率を示すことが好ましい。もちろん、熱バリア層は、その特定の構造および材料に応じて他の電気伝導率を有することもできる。一例において、熱バリア層は、２０℃の温度で１０×１０４Ｓ／ｍ以上、または６０×１０４Ｓ／ｍ以上など、１×１０４Ｓ／ｍ以上の電気伝導率を有することができる。他の例において、熱バリアは、２０℃の温度で３Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率、および２００μｍ−ｃｍ以上の電気抵抗率を有する。熱バリアは、より好ましくは、２０℃の温度で２Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率、および／または２０℃の温度で１０００μｍ−ｃｍ以上の電気抵抗率を有する。他の例において、熱バリアは、熱バリアと実質的に同じ寸法および動作条件を有するＧｅ−Ｓｂ−Ｔｅ薄膜層の電気伝導率に等しい、またはそれよい大きい電気伝導率を有する。
【００３６】
熱バリアにおいて低い熱伝導率と十分な電気伝導率の両方を共存させることは、サーメット材料など、バリスタによって熱バリアを形成することにより達成することが可能である。熱バリアには、広い範囲のサーメット材料を用いることができる。一例において、サーメットは、遷移金属窒化物、遷移金属酸化物、遷移金属ケイ素−窒化物、遷移金属ホウ素−窒化物、またはＩｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｄ、ＰｔもしくはＲｈのケイ素−酸化物、あるいはそれらの任意の組み合わせからなることができる。他の例において、サーメットは、カルコゲニド、または金属−アルミニウム−窒化物もしくは貴金属−アルミニウム−窒化物からなることができる。本明細書で使用するとき、遷移金属とは、周期表の３〜１２（１Ｂ〜８Ｂ）列、すなわち、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｕおよびＺｎで始まる列の元素である。前周期遷移金属とは、周期表の３Ｂ、４Ｂ、５Ｂ、６Ｂおよび７Ｂ列の元素であり、後周期遷移金属とは、８Ｂ、１Ｂおよび２Ｂ列の元素である。本明細書で使用するとき、「窒化物」とはオキシ窒化物（ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅｓ）およびカルボ窒化物（ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅｓ）を含むが、追加の酸素または炭素が、好ましくは１０原子％以下の量で存在することが好ましい。貴金属とは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＰｔまたはＡｕなどの元素であり、強磁性遷移金属とは、Ｆｅ、ＣｏまたはＮｉである。
【００３７】
他の例において、熱バリアは、マトリクス材料であるサーメットからなる。具体的には、マトリクスのサーメットは、散在粒子（またはアイランド、または泡状体、または他の形態）をその内部または表面に散在させたマトリクスベースからなる。マトリクスベースは二元化合物Ｙ−Ｚ（式中、Ｙは周期表の３Ａ〜６Ａ族から選択され（例えばＡｌ、Ｂおよび／またはＳｉ）、ＺはＮである）とすることができる。このように、マトリクス材料は、ケイ素、アルミニウムまたはホウ素の窒化物であることが好ましい。散在させる粒子は金属材料とすることができ、金属材料は、好ましくは（必要ではないが）窒素に結合されていない（好ましくは周期表の８Ｂまたは１Ｂ族からの）遷移金属を含むことが好ましい。あるいは、マトリクスベースはＳｉＯｘ（またはＢＯｘ、ＰＯｘ、ＣＯｘもしくはＡｌＯｘ）からなり、後周期遷移金属（または前周期遷移金属）をマトリクスベース（好ましくは貴金属）の中に散在させることができるが、酸素濃度が低くなると、金属ケイ化物相も存在し得る。
【００３８】
さらに他の例において、マトリクス材料は三元（またはそれより多い）材料Ｘ−Ｙ−Ｚ（式中、Ｘは遷移金属（好ましくは後周期遷移金属）であり、ＹはＳｉ、ＡｌまたはＢであり、ＺはＮ（またはＯ−ＮもしくはＣ−Ｎである））とすることができる。したがって材料は、絶縁マトリクス（例えば、窒化ケイ素、オキシ窒化物もしくはカルボ窒化物）を形成する窒化物（またはオキシ窒化物もしくはカルボ窒化物）を含み、例えば後周期遷移金属の小さい「泡状体」または粒子またはアイランドをマトリクスベース全体に散在させたものと考えられる。一例において、後周期遷移金属は貴金属である。他の例において、後周期遷移金属は、Ｃｏ、ＮｉまたはＦｅである。
【００３９】
さらに他の例において、熱バリア（１０４）は、要素ＸａＹｂＺｃ（式中、Ｘは遷移金属（例えば、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＲｈもしくはＣｏもしくはＴｉなどの前周期遷移金属または後周期遷移金属）であり、Ｙは周期表のＩＩＩＡまたはＩＶＡ列から選択され（例えばＳｉ、Ｂ、ＡｌおよびＧｅ）、Ｚは周期表のＶＡまたはＶＩＡ列から選択される（例えばＮおよびＯ））を有する材料を含む。例示的なＸａＹｂＺｃ材料は、ＣｏＳｉＮおよびＴｉＳｉＮとすることができる。
【００４０】
さらに他の例において、熱バリア１０４は、前周期遷移金属窒化物および他の化学元素を含む。あるいは、熱バリア１０４は、貴金属および酸素を含むこと、または導電性の金属酸化物、およびＳｉまたＯなどの第３の元素を含むことができる。他の例では、熱バリア（１０４）に異なる遷移金属が含まれてもよい。
【００４１】
マトリクスベースおよび散在粒子のための前述の材料は、熱バリア用のサーメット材料として、しかし散在粒子を有するマトリクス以外の任意の他の形態で使用することが可能であることに留意されたい。前述の材料は、熱バリアの中で化学的複合体または他の形態として供することができる。
【００４２】
先に論じたサーメットの薄膜層は、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理的に作動させる（Ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ−ｅｎｅｒｇｉｚｅｄ）ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、ＬＰＣＶＤおよび他の方法など、多くの薄膜堆積技術によって形成することができる。一例において、遷移金属窒化物層は、遷移金属ターゲット（例えば、単一の遷移金属、２つ以上の遷移金属の合金など２つ以上の遷移金属、または遷移金属化合物（例えば遷移金属のアルミナイド、または好ましくはケイ化物））を窒素ガス中でスパッタリングすることによって形成することができる。ターゲットは２つ以上の遷移金属の組み合わせ（または合金の形の２つの遷移金属）とすることが可能であるが、一例では、ターゲットが単一の遷移金属、あるいは１つ（または複数）の遷移金属、および１つまたは複数のメタロイド（および、おそらくは様々なスパッタリング法においてしばしば存在する微量のＯ、Ｈ、他の遷移金属、メタロイドなどの不純物）を含むことが好ましい。一実施形態において、ターゲットは、少なくとも１つの遷移金属および少なくとも１つのメタロイドを含む。他の例において、ターゲットは単一の遷移金属を含み、不純物または微量のものを除き、他の金属を含まない。そのような場合には、ターゲットの遷移金属が、ターゲットの９０％以上、好ましくは９８％以上を占めることが好ましい。本発明における反応性スパッタリングでは、窒素およびアルゴンが好ましいガスであるが（例えば２０％のＮ２、８０％のＡｒ）、形成される層もしくは構造の中に、少量の酸素または水素（または少量の遷移金属酸化物などのその化合物）が存在し得る（ターゲットの「不純物」またはスパッタリングガスから生じる、層内の酸素および／または水素）。
【００４３】
熱バリアは複数の層からなることが可能であり、その一例を図２に図示する。図２を参照すると、バリア層（図１の１０４または１１４）は、１〜１００ナノメートル、より好ましくは約２０ナノメートルの厚さを有する遷移窒化物または酸化物の材料層とすることができる、層１１８を含む積層物である。別の特徴として、中間層１１８の頂面および底面の上に接着層１１６および１２０を堆積させ、自由磁性層（１０６）、固定磁性層（１１０）、および／またはバッファ層（１１２）などの他のデバイス層に対する中間層（１１８）の接着性を高めることができる。接着層（１１６および１２０）用の例示的な材料は、ＴｉＷＮ２とすることができる。
【００４４】
再び図１を参照すると、頂部電極層１２０ａおよび底部電極層１２０ｂは、例えば外部の信号／電力源への電気接点（電極）を供している。それに応じて、電極層はそれぞれ、金属元素、金属合金、金属化合物、金属間化合物およびそれらの任意の組み合わせなどの導電性材料を含む。各電極層は、異なる材料の複数の層を含む積層物とすることができる。金属間化合物は、前周期遷移金属または後周期遷移金属からなることができる。一例において、電極１０２ａおよび１０２ｂは、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＰｔＭｎ、Ｒｕ、ＩｒＭｎまたは他の適切な材料を含むことができる。他の例において、電極１０２ａおよび１０２ｂは、Ｔｉ、Ｔａ、またはＴｉおよびＴａの積層物からなることができる。
【００４５】
自由磁性層１０６は磁性材料からなる。一例において、自由磁性層１０６は、２００℃以下、より好ましくは約１５０℃のブロッキング温度など、低いブロッキング温度を有する。図３に図示するように、自由磁性層は、ＩｒＭｎまたは他の化学種を含むことができるピニング層１２２、ＮｉＦｅまたは他の材料とすることができる層１２４、およびＣｏＦｅＢまたは他の材料とすることができる層１２６など、複数の層からなることができる。別の特徴として、誘電体層（図１のトンネル接合層１０８）とＩｒＭｎピニング層１２２の間の関係を分離するために、自由磁性層のスタックにＴａ層１２８を含むようにすることができる。Ｔａ層（１２８）は、ＩｒＭｎ層１２２とトンネル接合層（図２の１０８）の間の任意の位置に配置することができる。例えば、Ｔａ分離層をＮｉＦｅ層とＣｏＦｅＢ層の間、またはＩｒＭｎ層とＮｉＦｅ層の間に配置することができる。
【００４６】
誘電体層（トンネル接合層）１０８は、磁気トンネル接合層である。誘電体層１０８は、酸化物、窒化物、炭化物、オキシ窒化物、炭素−オキシ−窒化物および他の適切な材料、ならびにそれらの任意の組み合わせなど、様々な誘電性材料からなることができる。誘電体層は、例えば薄膜堆積に続いてパターン形成を行うことによって形成される、別の薄膜層とすることができる。あるいは、誘電体層は、もう１つのまたは他のデバイス構成要素の化学反応によって形成することもできる。例えば、ＭｇまたはＡｌなどの金属元素からなる金属層を堆積させることができる。堆積した金属層を、所望の誘電体層を形成するように酸化または窒化することができる。
【００４７】
固定磁性層１１０は、強磁性体、反強磁性体および／または永久磁性材料などの磁性材料からなる。使用される様々な材料に関係無く、（必要ではないが）固定磁性層が、２００℃以上、より好ましくは５００℃未満、より好ましくは約３２５℃のブロッキング温度など、自由磁性層より高いブロッキング温度を有することが好ましい。あるいは、固定磁性層（１１０）は複数の薄膜構成要素からなることが可能であり、その一例を図４に図示する。図４を参照すると、この例における固定磁性層１１０は、ＣｏＦｅＢまたは他の材料を含むことができる層１３０、Ｒｕまたは他の材料を含むことができる層１３２、ＣｏＦｅまたは他の材料を含むことができる層１３４、およびＰｔＭｎまたは他の材料を含むことができるピニング層１３６を備えている。
【００４８】
戻って図１を参照すると、バッファ層１１２を別の特徴として設けることが可能である。例示的なバッファ層はＴａ層であることができる。
【００４９】
これまでに論じた熱アシスト磁気トンネル接合１００は、信号記憶デバイス（例えば磁気ランダムアクセスメモリ）、磁気書き込み／読み取りヘッド、およびセンサなど、多くの電子デバイスとして構成することが可能である。デジタル記憶の用途では、頂部電極１０２ａおよび底部電極１０２ｂによって、ビット値を磁気接合構造１００に書き込む、または磁気接合構造１００から読み取ることができる。しばしば、デジタル値を記憶するために、いくつかの磁気トンネル接合構造がメモリアレイとして配置される。
【００５０】
示されていない一実施形態において、メモリシステムは、本明細書で開示した複数の熱アシスト磁気トンネル構造を有するメモリアレイを備えている。メモリシステムはさらに、熱バリア１０４、１１４を加熱する電流を通すために、例えば行および／または列に沿って、複数の磁気トンネル構造を接続する１つまたは複数の電流ラインを備えることができる。
【００５１】
当業者には、本明細書において、新しく有用な熱アシスト磁気トンネル接合構造について記載してきたことが理解されるであろう。しかしながら、多くの実現可能な実施形態を考慮すると、本明細書で図面に関連して記載される実施形態は説明のためのものにすぎず、請求されるものの範囲を限定すると解釈すべきではないことを認識すべきである。当業者には、示した実施形態を、配置および細部について変更することが可能であることが認識されるであろう。したがって、本明細書に記載されるデバイスおよび方法は、以下の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内となり得る、そうしたすべての実施形態を企図するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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