(57)【要約】磁気メモリを提供するための方法及びシステム。本方法及びシステムは、複数の磁気素子を設けること、少なくとも１つの応力支援層を設けること、を含む。複数の磁気素子の各々は、スピン転移を用いて書き込まれるように構成されている。少なくとも１つの応力支援層は、書き込み時、複数の磁気素子の少なくとも１つの磁気素子に少なくとも１つの応力を及ぼすように構成されている。書き込み時、応力支援層によって磁気素子に及ぼされる応力により、スピン転移スイッチング電流が低減される。スイッチング電流が一旦オフになると、２つの磁化状態間のエネルギ障壁が変化しないことから、熱変動に対する磁気メモリの安定性が損なわれることはない。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気メモリであって、
複数の磁気素子であって、前記複数の磁気素子の各々がスピン転移を用いて書き込まれるように構成された、前記複数の磁気素子と、
書き込み時、前記複数の磁気素子の少なくとも１つの磁気素子に少なくとも１つの応力を及ぼすように構成された少なくとも１つの応力支援層と、
を備える磁気メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、
前記少なくとも１つの応力により、書き込み時、前記少なくとも１つの磁気素子上に少なくとも１つの異方性が誘起され、前記少なくとも１つの異方性により、前記少なくとも１つの磁気素子の安定状態に垂直な総異方性エネルギが低減する、磁気メモリ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、
前記磁気素子は、複数の層を含み、前記少なくとも１つの応力は、前記複数の層のうちの少なくとも１つの面に垂直な方向である、磁気メモリ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気メモリにおいて、
少なくとも１つの層が自由層である、磁気メモリ。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気メモリにおいて、
前記自由層は、強磁性層及びキャップ層を含むとともに、高い正の磁気ひずみを有する、磁気メモリ。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気メモリにおいて、
前記自由層は、表面異方性と、前記自由層の安定状態に垂直な総異方性とを有し、前記キャップ層は、前記表面異方性を変更して前記総垂直異方性を低減するように構成されており、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄ又はＰｔを含み得る、磁気メモリ。
【請求項７】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、
前記少なくとも１つの磁気素子は、複数の側面を有し、前記少なくとも１つの応力支援層は、前記少なくとも１つの磁気素子の前記複数の側面を囲む、磁気メモリ。
【請求項８】
請求項１に記載の磁気メモリは更に、
複数のワード書き込みラインを備えており、
前記少なくとも１つの応力支援層は、前記複数のワードラインと前記少なくとも１つの磁気素子との間に備えられている、磁気メモリ。
【請求項９】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、
前記応力支援層は更に、ＩｒＯ２／ＰＺＴ、ＭｎＯ／ＰＺＴ、ＴｉＯｙ／ＰＺＴ、Ａｌ２Ｏ３／ＰＺＴ、Ａｌ２Ｏ３／ＰＭＮ、Ａｌ２Ｏ３／ＳｒＢａＴｉＯ３、ＳｉＯ２／ＰＺＴ、及びＳｉＯ２／ＳｒＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも１つの二重層を含む（但し、ＰＺＴはＰｂＺｒ１−ｘＴｉｘＯ３、ＰＭＮはＰｂＴｉＯ３が添加されたＰｂＭｎ１−ｘＮｂｘＯ３、ｘは１より小さい小数）、磁気メモリ。
【請求項１０】
複数の磁気素子を含む磁気メモリをプログラミングするための方法であって、前記複数の磁気素子の各々は、スピン転移を用いて書き込まれるように構成されており、当該方法は、
（ａ）  少なくとも１つの応力支援層にバイアスを印加することであって、書き込み時、前記複数の磁気素子の少なくとも１つの磁気素子に少なくとも１つの応力を及ぼすように構成された前記少なくとも１つの応力支援層にバイアスを印加すること、
（ｂ）  前記少なくとも１つの応力が前記少なくとも１つの磁気素子に及ぼされている間、前記少なくとも１つの磁気素子に流す電流を駆動することであって、スピン転移を用いて前記少なくとも１つの磁気素子に書き込むのに充分な前記電流を駆動すること、
を備える、方法。
【請求項１１】
磁気メモリであって、
複数の磁気素子であって、前記複数の磁気素子の各々は、スピン転移を用いて書き込まれるように構成されているとともに、垂直異方性を有する強磁性自由層と、前記強磁性自由層上にある非磁性キャップ層とを含んでおり、前記非磁性キャップ層により、前記強磁性自由層の前記垂直異方性が低減する、前記複数の磁気素子を備える磁気メモリ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の磁気メモリにおいて、
前記強磁性自由層は、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉのうちの少なくとも１つを含み、
前記非磁性キャップ層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｔａ、及びＣｒのうちの少なくとも１つを含む、磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリシステムに関し、特に、スイッチングに応力支援によるスピン転移効果を用いる素子であって、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等の磁気メモリに用い得る素子を提供するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１Ａ及び図１Ｂは、従来の磁気素子１０及び１０´を示す。従来の磁気素子１０は、スピンバルブであり、従来の反強磁性（ＡＦＭ）層１２、従来の固定層１４、従来の非磁性スペーサ層１６及び従来の自由層１８を含む。更に、シード層又はキャップ層等の他の層（図示せず）も用い得る。従来の固定層１４及び従来の自由層１８は、強磁性である。従って、従来の自由層１８は、変更可能な磁化１９を有するものとして示す。従来の非磁性スペーサ層１６は、伝導性である。ＡＦＭ層１２は、特定の方向に固定層１４の磁化を固着、又は、固定するために用いられる。自由層１８の磁化は、通常、外部磁場に応じて自由に回転する。図１Ｂに示す従来の磁気素子１０´は、スピントンネル接合である。従来のスピントンネル接合１０´の複数の部位は、従来のスピンバルブ１０に類似している。従って、従来の磁気素子１０´には、ＡＦＭ層１２´、従来の固定層１４´、従来の絶縁障壁層１６´及び変更可能な磁化１９´を有する従来の自由層１８´が含まれる。従来の障壁層１６´は、従来のスピントンネル接合１０´において、電子がトンネリングするのに充分な程薄い。
【０００３】
従来の自由層１８／１８´の磁化１９／１９´の向きと従来の固定層１４／１４´とにそれぞれ依存して、従来の磁気素子１０／１０´の抵抗は、それぞれ変化する。従来の自由層１８／１８´の磁化１９／１９´が、従来の固定層１４／１４´の磁化と平行である場合、従来の磁気素子１０／１０´の抵抗は、低い。従来の自由層１８／１８´の磁化１９／１９´が、従来の固定層１４／１４´の磁化に反平行である場合、従来の磁気素子１０／１０´の抵抗は、高い。
【０００４】
従来の磁気素子１０／１０´の抵抗を検出する場合、電流が駆動され従来の磁気素子１０／１０´に流れる。電流は、２つの形態、面内電流（ＣＩＰ）及び面垂直電流（ＣＰＰ）、のうちの１つで駆動し得る。ＣＰＰ構成において、電流は、従来の磁気素子１０／１０´の層に対して垂直（図１Ａ又は図１Ｂにおいて分かるように上又は下）に駆動される。通常、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）用途等のメモリ用途では、従来の磁気素子１０及び１０´は、ＣＰＰ構成で用いられる。
【０００５】
より高い密度のメモリセルを有する磁気メモリに関連する幾つかの問題を克服するために、スピン転移を利用して、従来の自由層１０／１０´の磁化１９／１９´を切り換え得る。スピン転移については、従来の磁気素子１０´に関連して説明されるが、従来の磁気素子１０にも同様に適用可能である。スピン転移に関する現在の知見は、以下の出版物に詳細に記載されている。即ち、スロンチェウスキ（Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ）による、「磁性多層の電流駆動式励起」、磁気及び磁性材料機関紙、第１５９巻、Ｌ１頁（１９９６年）や、バーガー（Ｌ．Ｂｅｒｇｅｒ）による、「電流によって横断される磁性多層によるスピン波の放出」、物理論評Ｂ、第５４巻、９３５３頁（１９９６年）や、アルバート（Ｆ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ）、カティン（Ｊ．Ａ．Ｋａｔｉｎｅ）、及びバーマン（Ｒ．Ａ．Ｂｕｈｒｍａｎ）による、「Ｃｏ薄膜ナノ磁石のスピン偏極電流スイッチング」、応用物理書簡、第７７巻、第２３号、３８０９頁（２０００年）に記載されている。従って、スピン転移現象の以下の説明は、現在の知見に基づくものであり、本発明の範囲を限定しようとするものではない。
【０００６】
スピン偏極電流が、ＣＰＰ構成のスピントンネル接合１０´等の磁性多層を横断する場合、強磁性層に入射する電子のスピン角運動量の一部は、強磁性層に転移し得る。特に、従来の自由層１８´に入射する電子は、それらのスピン角運動量の一部を従来の自由層１８´に転移し得る。その結果、電流密度が充分に高く（約１０７〜１０８Ａ／ｃｍ２）、スピントンネル接合の横方向の寸法が小さい（約２００ナノメータより小さい）場合、スピン偏極電流により従来の自由層１８´の磁化１９´の方向を切り換え得る。更に、スピン転移により従来の自由層１８´の磁化１９´の方向を切り換え得る場合、従来の自由層１８´は、充分に薄い方が良く、例えば、好適には、Ｃｏの場合、約１０ナノメータより小さい方が良い。スピン転移に基づく磁化のスイッチングは、他のスイッチングメカニズムより優れており、従来の磁気素子１０／１０´の横方向の寸法が小さく、数百ナノメータの範囲にある場合、観察可能になる。従って、スピン転移は、より小さい磁気素子１０／１０´を有するより高い密度の磁気メモリに適している。
【０００７】
スピン転移の現象は、外部スイッチング磁場を用いて従来のスピントンネル接合１０´の従来の自由層１８´の磁化方向を切り換えることに対する他の選択肢又は追加としてＣＰＰ構成に用い得る。例えば、従来の自由層１８´の磁化１９´は、従来の固定層１４´の磁化に反平行な方向から従来の固定層１４´の磁化に平行な方向に切り換え得る。電流は、従来の自由層１８´から従来の固定層１４´に駆動される（伝導電子は、従来の固定層１４´から従来の自由層１８´に移動する）。従って、従来の固定層１４´から移動する多数電子のスピンは、従来の固定層１４´の磁化と同じ方向に偏極される。これらの電子は、それらの充分な量の角運動量を従来の自由層１８´に転移して、従来の自由層１８´の磁化１９´を従来の固定層１４´のそれに平行になるように切り換え得る。他の選択肢として、自由層１８´の磁化は、従来の固定層１４´の磁化に平行な方向から従来の固定層１４´の磁化に反平行に切り換え得る。電流が、従来の固定層１４´から従来の自由層１８´に駆動される（伝導電子が反対方向に移動する）場合、多数電子のスピンは、従来の自由層１８´の磁化の方向に偏極される。これらの多数電子は、従来の固定層１４´を透過する。少数電子は、従来の固定層１４´から反射され、従来の自由層１８´に戻り、それらの充分な量の角運動量を転移して、自由層１８´の磁化１９´を従来の固定層１４´のそれに反平行に切り換え得る。
【０００８】
スピン転移が機能しても、従来の磁気素子１０及び１０´に書き込むことは比較的困難となり得ることを当業者は容易に認識し得る。特に、磁化は、後述するように、低電流では、切り換えが困難な場合がある。従来の自由層１８´の磁化１９´を従来の固定層１４´の磁化に平行になるようにスイッチングする場合、従来の固定層１４´は、スピン偏極電子の供給源として機能し、従来の自由層１８´は、供給先として機能する。この構成におけるスピン転移現象は、スピン偏極電流に起因するスピントルク項を含むようにスピン力学のランド・リフシッツ・ギルバート（Ｌａｎｄａｕ＿Ｌｉｆｓｈｉｔｚ＿Ｇｉｌｂｅｒｔ）（ＬＬＧ）式を変形することによって説明し得る。ＬＬＧ式は、刊行物、即ち、カティン（Ｊ．Ａ．Ｋａｔｉｎｅ）、アルバート（Ｆ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ）、バーマン（Ｒ．Ａ．Ｂｕｈｒｍａｎ）、マイヤ（Ｅ．Ｂ．Ｍｙｅｒｓ）、及びラルフ（Ｄ．Ｃ．Ｒａｌｐｈ）による、「Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ柱（ｐｉｌｌａｒ）における電流駆動式磁化反転及びスピン波励起」、物理論評書簡、第８４巻、３１４９頁（２０００年）に記載されている。磁気素子１０及び１０´の場合、膜面は、ｘ−ｙ面に沿う。ｚ方向は、図１Ｂでは、上向き（膜面に垂直）である。従来の自由層１８´の総磁気モーメントＳの力学は、
【０００９】
【数１】
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によって記述される。
【００１０】
式（１）の第１項は、スピンモーメントの定常状態の摂動を記述しており、従来の自由層１８´の磁化１９´に作用する全ての磁場からのトルクを含む。磁場Ｈｅｆ／／には、膜面における自由層の容易軸に沿って並んだ異方性磁場（Ｈａｎ）、交換磁場（Ｈｅｘ）及び印加磁場（Ｈａｐ）が含まれる。４πＭ項は、自由層の面に垂直に作用し、ｚ方向に沿った、自由層１８´の面外減磁場（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）を意味する。減磁場は、この膜の場合、２πＭ２の形状異方性になる。第２項は、現象学的減衰効果である。ここで、αは、強磁性体の減衰係数である。第３項は、スピン偏極電流Ｉの結果として、強磁性体のモーメントに作用するスピントルクであり、ここで、ｇは、スピン転移効率である。
【００１１】
従来の自由層１８´の磁化１９´の方向のスイッチングは、スピン偏極電子の電流によって及ぼされるトルクが減衰を超えた時起こり、これは、式（１）のαｄＳ／ｄｔ項によって説明される。電流からのトルクが減衰を超過すると、そのトルクによって、自由層１８´の磁気モーメントに外向きの摂動が生じる。その結果、本明細書においてスイッチング電流と称する電流（Ｉｃ）の臨界最小値において、従来の自由層１８´の磁化方向が切り換えられる。従って、従来の自由層１８´の磁化１９´は、スピン転移により方向を切り換えることができる。
【００１２】
スイッチング電流Ｉｃは、スピン転移を用いて、従来の自由層１８´の磁化１９´の方向を切り換えるのに必要な最小電流である。エネルギを考慮すると、Ｈｅｆｆ及び減磁場に対するスイッチング電流の依存性は、
【００１３】
【数２】
2007513501.tif 000004
によって与えられる。従って、スイッチング電流は、従来の自由層１８´の飽和磁化、従来の自由層１８´の厚さ（ｔ）、減衰係数（α）、面に垂直な有効減磁場（２πＭ項による）、及び従来の自由層１８´の面における有効磁場Ｈｅｆ／／に比例する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の磁気素子は、スピン転移をスイッチングメカニズムとして用い得るが、２πＭ項の値が大きいため、スイッチング電流が大きい。多くの理由により、大きいスイッチング電流は、磁気メモリ用途には望ましくない。従って、低スイッチング電流で、スピン転移を用いて、より簡単に切り換え得る磁気メモリ素子を提供するためのシステム及び方法が必要である。本発明は、そのような磁気メモリ素子に対するニーズに対応する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、磁気メモリを提供するための方法及びシステムを提供する。本方法及びシステムは、複数の磁気素子を設けること、少なくとも１つの応力支援層を設けること、を備える。複数の磁気素子の各々は、スピン転移を用いて書き込まれるように構成されている。少なくとも１つの応力支援層は、書き込み時、複数の磁気素子の少なくとも１つの磁気素子に少なくとも１つの応力を及ぼすように構成されている。
【発明の効果】
【００１６】
本明細書に記載されたシステム及び方法によれば、本発明は、低電流を用いて書き込み可能であり、また、書き込まれた後は安定状態を維持する磁気素子を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、磁気素子及びＭＲＡＭ等の磁気メモリの改善に関する。以下の説明は、当業者が本発明を実現し使用するために提示する。好適な実施形態に対する種々の修正は、当業者には容易に明らかであり、また、本明細書における一般的な原理は、他の実施形態にも適用し得る。従って、本発明は、例示した実施形態に限定することを意図するものではなく、本明細書に述べる原理及び特徴と合致する最も広い範囲に適合するものである。
【００１８】
本発明は、特定の磁気メモリ及び或る構成要素を有する特定の磁気素子に関して説明される。しかしながら、当業者は、本方法及びシステムは、異なる及び／又は追加の構成要素を有する他の磁気メモリ素子、及び／又は、本発明と矛盾しない異なる及び／又は他の特徴を有する他の磁気メモリに対して有効に作用することを容易に認識し得る。
【００１９】
また、本発明は、スピン転移現象における現在の理解に関して説明される。従って、本方法及びシステムの理論的な説明は、このスピン転移の現在の理解に基づき行われることを当業者は容易に認識し得る。また、本方法及びシステムは、基板との特定の関係を有する構造であることを当業者は容易に認識し得る。しかしながら、本方法及びシステムは、他の構造と整合性があることを当業者は容易に認識し得る。
【００２０】
更に、本方法及びシステムは、或る層が組合せられたものである及び／又は単一であるという観点で説明される。しかしながら、これらの層は、他の構造を有し得ることを当業者は容易に認識し得る。更に、或る構成要素は、強磁性であると説明される。しかしながら、本明細書に用いる用語「強磁性」には、フェリ磁性又は同様な構造を含み得る。従って、本明細書に用いる用語「強磁性」には、これに限定するものではないが、強磁性体及びフェリ磁性体が含まれる。
【００２１】
また、本発明を、単一の素子、ビットライン、及びワードラインに関して説明する。しかしながら、本発明は、多数の素子、ビットライン、及びワードラインを有する磁気メモリの用途と整合性があることを当業者は容易に認識し得る。
【００２２】
次に、本発明に基づく方法及びシステムを更に詳細に示すために、本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリ１００の一部の一実施形態を図２に示す。磁気メモリ１００は、好適には、ＭＲＡＭである。磁気メモリ１００には、ワード書き込みライン１１０、底部リード１２０、応力支援層１４０によって囲まれた磁気素子１３０、及びビットライン１５０が含まれる。特定のワード書き込みライン１１０、底部リード１２０、磁気素子１３０、及びビットライン１５０を示したが、本発明は、他の及び／又は追加の要素を用いる他の構成と整合性があることを当業者は容易に認識し得る。底部リード１２０は、絶縁体１１２によってワード書き込みライン１１０から分離されており、トランジスタ１６０に接続される。従って、好適な実施形態において、磁気メモリセルには、磁気素子１３０及びトランジスタ１６０の双方が含まれる。しかしながら、他の構成において、磁気メモリセルの一部として、トランジスタ１６０の代わりに又はそれに加えて他の構成要素を用いることやトランジスタ１６０を省くことを妨げない。
【００２３】
図示した磁気素子１３０は、スピントンネル接合である。しかしながら、他の一実施形態において、磁気素子１３０は、後述するように、電流を印加した状態で、有限の電圧を生じる他の構造を含み得る。磁気素子１３０には、底部シード層１３１、ＡＦＭ層１３２、固定層１３３、障壁層１３７、自由層１３８、及び頂部キャップ層１３９が含まれる。ＡＦＭ層１３２は、好適には、ＰｔＭｎであるが、ＰｄＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ及びＩｒＭｎ又は他の反強磁性材料等のような、他の反強磁性体を含み得る。好適なＡＦＭ材料は、ＩｒＭｎ及びＰｔＭｎである。
【００２４】
図示した固定層１３３は、非磁性スペーサ層１３５によって分離された２つの強磁性層１３４及び１３６を含む合成反強磁性体である。強磁性層１３４及び１３６は、好適には、Ｃｏ又はＣｏＦｅであり、他方、非磁性スペーサ層１３５は、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｃｕ及びＩｒ等の反強磁性結合材料である。好適な材料は、Ｒｕである。障壁層１３７は、好適には、Ａｌ２Ｏ３であって、障壁層をトンネル通過させるのに充分な程薄い絶縁体である。自由層１３８は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉの元素のうちの少なくとも１つを含む強磁性材料であり、好適には、Ｔａ膜によって覆われる。自由層の組成は、好適には、高い正の磁気ひずみを得るように調整される。
【００２５】
磁気メモリ１００には、また、応力支援層１４０が含まれる。応力支援層１４０は、磁気素子１３０を通過する電流の方向に、面に垂直な引張応力を与える。従って、与えられた応力は、自由層１３８の磁化が平衡状態にある面に垂直である。他の実施形態においては、応力は、垂直である必要はないが、単に、自由層１３８の磁化が平衡状態にある面に垂直な成分を有する必要がある。好適な実施形態において、圧電又は電歪材料（１つ又は複数）が、応力支援層１４０に用いられる。更に、応力支援層１４０に用いられる材料（１つ又は複数）は、磁気素子１３０が適切に絶縁されることを保証する良好な絶縁特性を有する。好適な実施形態において、応力支援層１４０には、ＩｒＯ２／ＰＺＴ、ＭｎＯ／ＰＺＴ、ＴｉＯｙ／ＰＺＴ、Ａｌ２Ｏ３／ＰＺＴ、Ａｌ２Ｏ３／ＰＭＮ、Ａｌ２Ｏ３／ＳｒＢａＴｉＯ３、ＳｉＯ２／ＰＺＴ又はＳｉＯ２／ＳｒＢａＴｉＯ３の二重層が含まれる。材料ＰＺＴは、ＰＺＴの誘電特性を強化するためにドーパントが添加された基礎材料としてのＰｂＺｒ１−ｘＴｉｘＯ３であり、ここで、ｘは１より小さい小数である。材料ＰＭＮは、ＰｂＴｉＯ３が添加されたＰｂＭｎ１−ｘＮｂｘＯ３であり、ここで、ｘは１より小さい小数である。二重層の底部層は、拡散障壁、絶縁体及び／又はシード層として機能する。
【００２６】
動作時、磁気素子１３０は、ビットライン１５０と底部リード１２０との間で駆動される電流を用いて書き込まれる。例えば、記憶されるデータは、「１」又は「０」のいずれかであり、固定層１３３に対する自由層１３８の磁化の方向に依存する。印加電流の方向が、臨海電流において、ビットライン１５０から底部リード１２０へ向かう（電子が底部から頂部に移動する）場合、自由層１３８の磁化方向は、固定層１３３の頂部強磁性層１３６の磁化方向と並ぶ。従って、自由層１３８の磁化が初期的に反平行であった（例えば、データ「１」を表す）場合、この磁化は、固定層１３３に平行になる（データ「０」を表す）ように方向を切り換える。自由層１３８の磁化の方向を再度変えるためには、電流の方向を反転する。電流方向が、底部リード１２０からビットライン１５０へ向かう場合、固定層１３３の頂部強磁性層１３６の磁化とは反対のスピンを有する電子は、反射して戻される。これらの反射された電子は、自由層１３８のモーメントにトルクを及ぼし、他の臨海電流値でそれを切り換えさせる。従って、自由層１３８の磁化は、固定層１３３の頂部強磁性層１３６の磁化と反平行に並ぶようになる（データ「１」を表す）。
【００２７】
応力支援層１４０は、電流の方向にかかわらず、自由層１３８の磁化のスイッチングを支援する。電流がビットライン１５０から底部リード１２０に又はその逆に流れる場合、障壁層１３７が存在すると、有限の電圧差が、ビットライン１５０と底部リード１２０との間に生じる。この電圧差は、応力支援層１４０全体に有効に存在する。応力支援層１４０は、圧電／電歪材料であることから、ビットライン１５０と底部電極１２０との間での電流の印加によって誘起された電圧差によって、応力支援層１４０は、電界の方向に平行に膨張する。応力支援層１４０の膨張によって、膜１３１〜１３９に垂直な方向に沿って、磁気素子１３０に引張応力が生じる。いずれかの電流の方向によって、ｚ方向に沿って、応力支援層１４０に膨張が生じ、従って、引張応力が、ｚ方向に沿って磁気素子１３０に生じる。更に、引張応力は、ビットライン１５０と底部リード１２０との間の電圧差によることから、引張応力は、電流がないと存在しない。
【００２８】
この引張応力は、書き込み時、自由層１３８の磁化のスイッチングを支援するが、磁気素子１３０が休止状態にある場合は、磁気素子１３０に影響を及ぼさない。引張応力は、垂直異方性を低減する過渡的な異方性をもたらし、これによって、面に垂直な方向に対する（２πＭ項を含む）有効磁場項が小さくなる。その結果、自由層１３８の磁化の方向を切り換えることが容易になる。特に、自由層１３８に書き込むために用いられるスピン転移スイッチング電流が低減される。更に、引張応力によって誘起された異方性は、電流が駆動されて磁気素子１３０に流れる場合にのみもたらされることから、電流が存在しない時の磁気素子１３０の状態は、影響を受けない。従って、磁気素子１３０の安定性は、このスイッチング電流低減方式によって悪影響を受けない。
【００２９】
スイッチング電流を更に低減するために、自由層１３８は、上記Ｆｅ、Ｃｏ又はＮｉベース合金のうちの少なくとも１つを含有する強磁性層及び頂部に非磁性層、例えば、Ｃｏ／Ａｕ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、ＣｏＦｅ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｃｕ、ＣｏＦｅ／Ａｕ、Ｃｏ／Ｐｔ、ＣｏＰｄ／Ｐｄ、ＣｏＰｄ、ＣｏＦｅ又はＣｏが含まれる二重層であってよい。二重層の頂部層は、好適には、数オングストロームの範囲にあり、自由層１３８の表面異方性を変化させる。しかしながら、自由層１３８の表面異方性を変えるために用いられる頂部層なしで自由層を用いることを妨げない。上記二重層は、ｎを整数とすると、自由層１３８の代表的な構造が（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎとなるように、ｎ回繰り返し得る。更に、二重層の強磁性材料は、自由層１３８の代表的な全体構造がＮｉＦｅ／Ｃｏ／Ａｕであるように、実際にそれ自体、２層構造であってよい。自由層１３８の組成は、好適には、高い正の磁気ひずみを得るように調整される。
【００３０】
自由層１３８の磁化のスピン転移スイッチング電流に対する応力の影響について、有効異方性に基づき、以下にように更に詳細に説明する。自由層１３８等のナノ寸法の膜において、異方性エネルギは一般的に、形状異方性、結晶異方性、表面異方性及び誘起異方性の和である。誘起異方性は、例えば、自由層１３８の成膜中に印加される磁場に起因し得る。総異方性は、上記異方性の和であるが、最大の異方性が残りの異方性の組合せを上回る場合、総異方性は、最大の異方性によって制御される。そのような場合、最大の異方性の影響が最小限に抑えられるように自由層１３８の磁気モーメントが方向付けされると、より低いエネルギ状態、即ち、より安定な状態が生じる。通常、有効又は総垂直異方性（膜面に垂直な４πＭ減磁場による異方性を含む）は、膜面に沿う有効異方性より大幅に大きい。従って、膜面は磁化の好適な面である。このように、総垂直異方性は、通常状態においてスイッチング電流を制御する。
【００３１】
引張応力は、垂直異方性をもたらすことによって作用する。しかしながら、引張応力によってもたらされた垂直異方性は、過渡的である。過渡的な垂直異方性は、電流がビットライン１５０と底部リード１２０との間で駆動され、また、応力支援層１４０が電圧差を受ける間、存在する。大きい磁気ひずみで応力がかかった磁性膜の場合、（逆磁気ひずみ又は磁気弾性効果を介してもたらされた）応力誘起異方性（ｓｔｒｅｓｓ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）の影響は、異方性バランスを変化させる。特に、応力誘起異方性は、後述するように、４πＭ減磁場に起因する垂直異方性と対向する方向に作用するように設計できる。従って、有効又は総垂直異方性は、応力が存在する場合、低減されるが、これによって、自由層１３８磁化のスイッチングが更に容易になり得る。
【００３２】
有効垂直異方性を低減するための他の補足的なメカニズムは、自由層１３８の表面異方性を変えることである。例えば、非磁性層は、自由層１３８の頂部に設け得る。或る非磁性層は、表面異方性をもたらすことによって、自由層の総垂直異方性を低減する。表面異方性は、膜面に垂直な軸に沿うが、４πＭ減磁場に起因する異方性とは反対の方向に作用する。頂部層（例えば、Ｐｔ又はＰｄ）は、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ａｕ、（Ｃｏ／Ｐｔ）ｎＣｏＦｅ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｃｕ、ＣｏＦｅ／Ａｕ、Ｃｏ／Ｐｔ、ＣｏＰｄ／Ｐｄ、ＣｏＰｄ、又はＣｏＦｅ等の上述した二層自由層において、自由層１３８の有効垂直異方性を低減する。
【００３３】
有効磁場の点において、種々の垂直異方性の寄与による垂直有効磁場は、式（２）から展開して、次のように表すことができる。
【００３４】
【数３】
2007513501.tif 000005
磁場Ｈｓａｎ⊥は、垂直な方向に作用する表面異方性項による垂直有効磁場である。上述したように、自由層１３８の表面異方性項は、非磁性キャップ層を用いたことに起因する。磁場Ｈｓは、垂直な磁気弾性エネルギの影響による垂直方向に沿った等価な磁場である。言い換えると、磁場Ｈｓは、上述したように、電位差の影響下において応力支援層１４０に依存する。適切な材料を自由層に選択することによって、Ｈｓａｎ⊥及びＨｓは、好適には、摂動時、減磁場の成分（４πＭ）が＋ｚ又は−ｚ方向に作用するかどうかにかかわらず、減磁場と反対方向に作用するように設計される。磁場Ｈｓは、
【００３５】
【数４】
2007513501.tif 000006
によって与えられる。Ｈｓの符号、即ち、方向は、λσ積の符号に依存する。従って、引張応力によって誘起された異方性は、λの符号に依存して、層の面に垂直な方向に沿って有効磁場を増加又は減少させるために用い得る。好適には、Ｈｓは、自由層１３８の垂直異方性を低減するために用いられる。特に、正の磁気ひずみを有する自由層と組み合わせた引張応力は、面に垂直な４πＭ減磁場に対応して形状異方性を相殺するために用いられる。従って、材料及び応力の組合せは、垂直な方向に沿って正のλσを提供するために選択し得る。この結果、垂直異方性に対応する有効磁場Ｈｅｆｆ⊥は、低減し得る。
【００３６】
磁場Ｈｓは、減磁場とは反対に作用し、これによって、膜に垂直な方向に沿って有効磁場Ｈｅｆｆ⊥が低減される。この結果、磁化の方向を切り換えるのに必要な電流は、自由層１３８用の応力及び材料を適切に選択することによって低減し得る。この結果、スイッチング電流に対する式（２）の最終形態が、
【００３７】
【数５】
2007513501.tif 000007
によって与えられる。項Ｈｅｆｆ⊥は、引張応力、及び自由層１３８用のキャップ層によって低減し得ることから、スイッチング電流も低減される。従って、応力支援層１４０、及び自由層１３８のキャップ層を用いることによって、スイッチング電流は、低減し得る。更に、有効磁場Ｈｓは、書き込み時のみに存在することから、応力支援層１４０を用いても、書き込みがなされていないと、磁気メモリ１００の性能に悪影響は及ぼされない。
【００３８】
例えば、自由層１３８が、約１０〜３０オングストロームの厚さを有し、また、Ｃｏ製であると仮定する。減磁場（４πＭ）、Ｈｓａｎ⊥及びＨｓに対応する公称エネルギ値を表１に示す。
【００３９】
【表１】
2007513501.tif 000008
従って、等価磁場の点において、Ｃｏ自由層１３８の場合、磁場は、４πＭが約１５ｋＯｅであり、Ｈｓａｎ⊥が約−２ｋＯｅであり、Ｈｓが約−２ｋＯｅであることによって与えられる。表１において異方性エネルギの符号は異なっている。従って、書き込み時の応力支援層１４０による有効磁場、及び自由層１３８のキャップ層による表面異方性は、双方共に、減磁場の影響を低減する。その結果、減磁場の４πＭ項は、一般的に、面内異方性Ｈｅｆｆ／／より大幅に大きいことから、スイッチング電流値の約３０％の減少が予測される。層を更に最適化すると、面外異方性磁場が更に低減される。例えば、自由層１３８の二重層に用いられる材料を変更し、応力支援層１４０用の圧電／電歪材料を最適化すると、スイッチング電流の減少は、５０％を超え得る。
【００４０】
表１の外部応力がない場合、Ｅｓの有限の値は、磁気素子１３０周辺の絶縁体層に存在する固有の応力（一般的に、膜面に沿った圧縮応力、従って、垂直な方向の引張応力）に依存する。Ｅｓの値は、（例えば、成膜パラメータ変更により膜面に沿って圧縮応力を大きくすることによって）最適化し得る。従って、上述したような正の磁気ひずみを有する自由層１３８と共に、固有の応力はスイッチング電流の低減を支援し得る。圧電又は電歪材料を用いることによって積極的にスイッチング電流を低減する好適な実施形態とは反対に、固有の応力を用いることは、スイッチング電流低減の消極的な方法である。
【００４１】
ウェーハ全体の応力誘起垂直異方性磁場の均一性は、自由層１３８の組成制御（磁気ひずみ制御）及び応力支援層１４０（応力制御）に依存する。これらのパラメータは、６インチウェーハ全体において、公称応力値及び応力異方性値の１０パーセント以内になるように制御し得る。従って、磁気メモリ１００は、従来のプロセスを用いて組み立て得る。
【００４２】
図３は、本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリ１００´の一部の第２実施形態を示す図である。磁気メモリ１００´は、図２に示す磁気メモリ１００に類似している。従って、磁気メモリ１００´の構成要素は、同様に符号付けする。更に、メモリ１００´の構成要素に用いられる材料は、好適には、メモリ１００の構成要素と類似するか又は同じである。しかしながら、層１３７´は、例えば、障壁層又は導電スペーサ層のいずれかであって、Ｃｕ製でよい。従って、磁気素子１３０´は、好適には、スピントンネル接合又はスピンバルブのいずれかである。しかしながら、他の実施形態においては、磁気素子１３０´に他の構造を用い得る。更に、応力支援層１４０´は、底部リード１２０´の下に配置される。しかしながら、応力支援層１４０´は、同様な機能を有する。従って、応力支援層１４０´は、ビットライン１５０´と底部リード１２０´との間に書き込み電流を印加した状態で、同様に磁気素子１３０´を変形させる。従って、応力支援層１４０´は、同様にメモリ１００´用のスイッチング電流を低減する。
【００４３】
動作時、磁気メモリ１００´は、磁気メモリ１００と同様に機能し、また、同様な原理を利用する。しかしながら、応力支援層１４０´は、ワード書き込みライン１１０´と底部リード１２０´との間の電圧差を利用する。特に、書き込み時、ワード書き込みライン１１０´は、磁気素子１３０´より低い電位、従って、底部リード１２０´より低い電位に維持される。この電位差は、駆動された電流が磁気素子１３０´を流れる方向にかかわらず、支持される。従って、駆動された電流が磁気素子１３０´を流れることによって、応力支援層１４０´の圧電又は電歪材料は、膜面に平行な方向に収縮する。応力支援層１４０´は、膜面に沿って（図３において水平方向に）収縮することから、この収縮によって、応力支援層１４０´上の領域において、垂直な方向に沿って膨張が生じる。面に沿う応力支援層１４０´の収縮により、磁気素子１３０´は、面に沿って圧縮され、この結果、磁気素子のｚ方向に膨張する。従って、自由層１３８´は、同様に層の面に垂直な引張応力を受ける。その結果、自由層１３８の磁化´は、更に簡単に切り換えられる。更に、自由層１３８´には、自由層１３８´の表面異方性を低減し、更に磁気素子１３０´のスイッチング電流を低減するキャップ層を含み得る。
【００４４】
従って、磁気メモリ１００´のスイッチング電流は、応力支援層１４０´により低減される。電流が駆動され磁気素子１３０´を流れる間だけ、応力支援層１４０´によって、垂直異方性を低減し得る。従って、応力支援層１４０´を用いることによって、磁気素子１３０´の安定性が悪影響を受けることはない。更に、応力支援層１４０´は、底部リード１２０´とワード書き込みライン１１０´との間の電位差によって制御される。従って、応力の制御は、磁気素子１３０´を介してスピン転移スイッチング電流を印加することから電気的に分離し得る。その結果、磁気素子１３０´をスイッチングするための回路は、応力支援層の高い周波数動作時に発生し得る共振から相対的に隔離される。高い周波数スイッチング特性を改善する他の手段には、応力支援層のパターニング及び最適な誘電特性による材料の選択が含まれる。従って、磁気素子１３０´の性能は、更に改善し得る。
【００４５】
図４Ａは、本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリ用の磁気素子における代替スイッチング素子２００の第１実施形態を示す図である。代替素子２００は、それぞれ自由層１３８又は１３８´を含む磁気素子１３０又は１３０´における一部の層を置き換え得る。従って、磁気素子２００の自由層２０２は、それぞれ磁気素子１３０又は１３０´における層１３７又は１３７´の上にあってよい。代替スイッチング素子２００には、強磁性層２０２、分離層２０４、第２強磁性層２０６、スペーサ層２０８、固定層２１０、及びＡＦＭ層２１８が含まれる。固定層２１０は、好適には、合成であり、従って、非磁性層２１４によって分離された強磁性層２１２及び２１６が含まれる。自由層２０６には、好適には、自由層１３８又は１３８´に用いられるもの等の材料が含まれる。分離層２０４には、好適には、Ｃｕ又はＣｕＰｔが含まれる。分離層を用いると、第１自由層２０２及び第２自由層２０６は、それらの磁化が反平行に並ぶように、静磁気的に結合される。第２自由層２０２には、好適には、ＣｏＦｅ又はＣｏが含まれる。スペーサ層２０８は、好適には、Ｃｕである。
【００４６】
図２、図３及び図４Ａにおいて、磁気素子１３０又は１３０´において代替スイッチング素子２００を用いる場合、磁気素子１３０又は１３０´には、効果的にスピントンネル接合部及びスピンバルブ部が含まれる。スピントンネル接合部には、層１３１、１３２、１３３、１３４、及び２０２が含まれ、一方、スピンバルブ部には、層２０６、２０８、２１０、及び２１８が含まれる。磁気素子２００を用いると、スピンバルブ部は、スピントンネル接合部とは別々に最適化し得る。特に、スピンバルブ部は、スイッチング電流を小さくするために最適化でき、一方、スピントンネル接合部は、信号を大きくするために最適化し得る。従って、磁気素子１３０又は１３０´の性能は、更に、改善し得る。
【００４７】
図４Ｂは、本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリ用の磁気素子における代替スイッチング素子２５０の第２実施形態を示す図である。従って、代替スイッチング素子２５０は、それぞれ自由層１３８又は１３８´を含む磁気素子１３０又は１３０´における層を置き換え得る。従って、磁気素子２５０の自由層２５２は、それぞれ磁気素子１３０又は１３０´の層１３７又は１３７´上にあってよい。他の磁気素子２５０には、自由層２５２、非磁性であるスペーサ層２５４、固定層２５６、及びＡＦＭ層２５８が含まれる。自由層２５２には、好適には、自由層１３８又は１３８´に用いられるもの等の材料が含まれる。スペーサ層２５４には、好適には、Ｃｕが含まれる。固定層２５６には、好適には、ＣｏＦｅが含まれる。他の選択肢として、固定層は、合成反強磁性体の形態であってよく、ＣｏＦｅ等の３つの強磁性層から構成し、Ｒｕ等の２つの反強磁性結合層によって分離し得る。
【００４８】
図２、図３及び図４Ｂにおいて、上述したように磁気素子２５０を用いる場合、磁気素子１３０又は１３０´には、効果的に、共有自由層と共に、スピントンネル接合部及びスピンバルブ部が含まれる。スピントンネル接合部には、層１３１、１３２、１３３、１３４、及び２５２が含まれ、一方、スピンバルブ部には、層２５２、２５４、２５６、及び２５８が含まれる。それぞれ固定層１３３又は１３３´の部位１３４又は１３４´及び固定層２５６は、同じ方向を向いている。従って、固定層１３３又は１３３´の部位１３６又は１３６´及び固定層２５６は、反対方向を向いている。スピンバルブ部及びスピントンネル部は、従って、双方共、自由層１３８又は１３８´のスピン転移誘起スイッチングに寄与でき、他方、ＡＦＭ層２１８及び２５８は、ＡＦＭ層１３２又は１３２´と同じ方法で方向付けし得る。プログラミング時、自由層２５２に入射する２つの固定層１３６及び２５６からの電子は、いずれの電流の方向に対しても、同じスピン方向を有する。その結果、自由層２５２の磁化の方向を切り換えるのに必要な電流は、更に、低減される。更に、磁気素子２５０を用いると、スピンバルブ部は、スピントンネル接合部とは別々に最適化し得る。特に、スピンバルブ部は、スイッチング電流を小さくするために最適化でき、一方、スピントンネル接合部は、信号を大きくするために最適化し得る。従って、磁気素子１３０又は１３０´の性能は、更に、改善し得る。
【００４９】
図５は、本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリを提供するための方法３００の一実施形態を示す上位レベルフローチャートである。容易に理解し得るように、方法３００については、磁気メモリ１００に関して説明する。しかしながら、方法３００は、本発明と矛盾しない他の磁気メモリに用い得ることを当業者は容易に認識し得る。
【００５０】
ワード書き込みライン１１０は、ステップ３０２によって設けられる。底部リード１２０は、ステップ３０４によって設けられる。磁気素子１３０は、ステップ３０６によって設けられる。応力支援層１４０は、ステップ３０８によって設けられる。磁気メモリ１００´の場合、ステップ３０８は、ステップ３０４に先立って実施し得る。磁気メモリ１００の場合、ステップ３０６及び３０８は、応力支援層１４０が磁気素子１３０の側面を囲むように行われる。また、頂部リードは、ステップ３１０によって設けられる。従って、磁気メモリ１００及び１００´の利点を有する磁気素子１３０及び１３０´を提供し得る。
【００５１】
図６は、本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリをプログラミングするための方法３５０の一実施形態を示す上位レベルフローチャートである。容易に理解し得るように、磁気メモリ１００´に関して、方法３５０を説明する。しかしながら、方法３５０は、本発明と矛盾しない他の磁気素子に用い得ることを当業者は容易に認識し得る。
【００５２】
ステップ３５２によって、応力支援層１４０が電気的にバイアスされ、それによって、応力支援層１４０が変形して磁気素子１３０に引張応力が与えられる。磁気素子１３０の場合、ステップ３５２は、電流を駆動して、該電流を磁気素子１３０に流すことによって行われる。しかしながら、磁気素子１３０´の場合、ステップ３５２は、底部リード１２０´及び／又は磁気素子１３０´とワード書き込みライン１１０´との間に電圧差を与えることで行われる。ステップ３５４によって、他の任意の必要な書き込み電流が駆動されて該書き込み電流が磁気素子１３０に流れ、スピン転移を用いて磁気素子１３０に書き込みを行う。磁気メモリ１００の場合、ステップ３５２は、必要ではない。従って、磁気メモリ１００の場合は、応力支援層１４０をバイアスする同じ電流によって、磁気素子１３０が同時に書き込まれる。しかしながら、磁気メモリ１００´の場合、別の電流が駆動され磁気素子１３０´に流れる。従って、磁気メモリ１００及び１００´は、スピン転移現象を用いて書き込み得る。更に、プログラミングが応力支援によるスピン転移スイッチングを用いて行われることから、より小さい書き込み電流を用い得る。
【００５３】
応力支援によるスイッチングを用いてデータを書き込み得る磁気素子を提供するための方法及びシステムを説明し、例示した実施形態に基づき本発明を説明したが、これら実施形態を変更し得ること、また、それらの変更は、本発明の思想と範囲内においてなし得ることを当業者は容易に認識し得る。従って、当業者であれば添付の特許請求の範囲の思想と範囲から逸脱することなく、多くの変形をなし得る。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１Ａ】従来の磁気素子、スピンバルブの図。
【図１Ｂ】他の従来の磁気素子、スピントンネル接合の図。
【図２】本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリの一部の一実施形態を示す図。
【図３】本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリの一部の第２実施形態を示す図。
【図４Ａ】本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリ用の磁気素子の一部に用いられる代替構造の第１実施形態を示す図。
【図４Ｂ】本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリ用の磁気素子の一部に用いられる代替構造の第２実施形態を示す図。
【図５】本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリを提供するための方法の一実施形態を示す上位レベルフローチャート。
【図６】本発明に基づく、応力支援によるスイッチングを利用する磁気メモリをプログラミングするための方法の一実施形態を示す上位レベルフローチャート。
【図１Ａ】
2007513501.tif 000009
【図１Ｂ】
2007513501.tif 000010
【図２】
2007513501.tif 000011
【図３】
2007513501.tif 000012
【図４Ａ】
2007513501.tif 000013
【図４Ｂ】
2007513501.tif 000014
【図５】
2007513501.tif 000015
【図６】
2007513501.tif 000016
【国際調査報告】
2007513501.tif 000017
2007513501.tif 000018