(57)【要約】【課題】  熱閉じ込めを最適化した磁気デバイスを提供する。【解決手段】  本発明は、熱アシスト磁化反転書き込み操作を使用して書き込みを行うことができる磁気要素であって、第１の磁性層と第２の磁性層の間に配設された、トンネル障壁層から形成された磁気トンネル接合であって、第２の磁性層が第２の磁化を有し、第２の磁化の方向を、書き込み操作中、磁気トンネル接合が高いしきい値温度に加熱されるときに調節することができる磁気トンネル接合と、磁気トンネル接合の上端部に接続された上側電流ラインと、横方向に延在し、磁気トンネル接合の底端部に接続されたストラップ部分とを備え、磁気デバイスが、下側断熱層をさらに備え、下側断熱層が、ストラップ部分にほぼ平行に延在し、磁気トンネル接合と下側断熱層の間にストラップ部分が位置するように配置される磁気要素に関する。磁気要素は、書き込み操作中に熱損失を低減することができるようにし、電力消費を低減させる。【選択図】      図４
2012019214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱アシスト磁化反転書き込み操作を使用して書き込みが行われる磁気要素であって、第１の磁性層と第２の磁性層の間に配設された、トンネル障壁層から形成された磁気トンネル接合であって、前記第２の磁性層が第２の磁化を有し、前記第２の磁化の方向を、書き込み操作中、磁気トンネル接合が高いしきい値温度に加熱されるときに調節されることができる磁気トンネル接合と、前記磁気トンネル接合の上端部に接続された上側電流ラインと、横方向に延在し、前記磁気トンネル接合の底端部に接続されたストラップ部分とを備える磁気要素であって、
前記磁気デバイスが、下側断熱層をさらに備え、前記下側断熱層が、前記ストラップ部分にほぼ平行に延在し、前記磁気トンネル接合と前記下側断熱層の間に前記ストラップ部分が位置するように配置された、磁気要素。
【請求項２】
前記上側電流ラインと前記磁気トンネル接合の間に、前記磁気トンネル接合の上端部に配置された上側断熱層をさらに備える、請求項１に記載の磁気要素。
【請求項３】
横方向断熱層をさらに備え、前記磁気トンネル接合の少なくとも一部分を横方向で埋め込む、請求項１に記載の磁気要素。
【請求項４】
前記磁気トンネル接合の前記少なくとも一部分が、前記下側磁性層、前記上側磁性層、前記トンネル障壁層、または前記層のうちの任意の層の組合せを備える、請求項３に記載の磁気要素。
【請求項５】
前記磁気トンネル接合の前記少なくとも一部分が、磁気トンネル接合全体を備える、請求項３に記載の磁気要素。
【請求項６】
前記断熱層の熱伝導率が１．０Ｗｍ−１℃−１未満である、請求項１に記載の磁気要素。
【請求項７】
前記断熱層が低誘電率材料から作られる、請求項１に記載の磁気要素。
【請求項８】
前記磁気トンネル接合が、前記上側電流ラインと前記磁気トンネル接合の間にある上側熱障壁層と、前記磁気トンネル接合と前記ストラップ部分の間にある下側熱障壁層とをさらに備える、請求項１に記載の磁気要素。
【請求項９】
前記長手方向熱障壁層の電気抵抗が、前記トンネル障壁層の電気抵抗の１０分の１以下である、請求項８に記載の磁気要素。
【請求項１０】
複数の磁気要素を備える磁気メモリデバイスであって、各磁気要素が、熱アシスト磁化反転書き込み操作を使用して書き込みが行われるように適合され、第１の磁性層、第２の磁性層、および前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の間に配設された、トンネル障壁層から形成された磁気トンネル接合であって、前記第２の磁性層が第２の磁化を有し、前記第２の磁化の方向を、書き込み中、前記磁気トンネル接合が高いしきい値温度に加熱されるときに調節されることができる磁気トンネル接合と、横方向に延在し、前記磁気トンネル接合の底端部に接続されたストラップ部分と、前記ストラップ部分にほぼ平行に延在し、前記磁気トンネル接合と下側断熱層の間に前記ストラップ部分が位置するように配置された下側断熱層とを備える、磁気メモリデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱アシスト磁化反転書き込み操作を使用することによって書き込みを行うことができる磁気トンネル接合を備える磁気要素、および複数の磁気要素を備える磁気メモリデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱アシスト磁化反転（ＴＡＳ）読み取りおよび書き込み操作を行うように適合され、磁気トンネル接合を備える磁気要素が、特許文献１に記載されている。図１に示されるように、磁気要素１が、第１の磁性層または基準層２１と第２の磁性層または記憶層２３の間に配設された、トンネル障壁層２２から形成された磁気トンネル接合２を備える。磁気要素１は、磁気トンネル接合２の上端部に接続された上側電流ライン４と、ストラップ部分７とをさらに備え、ストラップ部分７は、第１の磁性層２１および第２の磁性層２３にほぼ平行に横方向に延在し、磁気トンネル接合２の底端部を選択トランジスタ３に接続する。このストラップ部分７の構成は、その使用について以下に論じる下側電流ライン５を配設するのに有利である。
【０００３】
基準層２１は、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉベースの合金から形成することができ、固定磁化方向を有する第１の磁化を有することができる。第１の磁化は、任意の従来の様式で、例えば高い保磁力（または大きな磁化反転磁界）の材料を使用することによって固定することができる。例えば、第１の磁化の方向は、反強磁性基準層（図示せず）に交換結合することによって固定することができ、反強磁性基準層は、その基準ブロッキング温度ＴＢＲ未満の低いしきい値温度で第１の磁化をピン止めする。
【０００４】
好ましくは、トンネル障壁層２２は、典型的にはナノメートル範囲の薄層であり、例えばアルミナや酸化マグネシウムなど任意の適切な絶縁材料から形成される。トンネル障壁層２２は、典型的には、抵抗と面積の積が５０Ωμｍ２よりも小さい。
【０００５】
記憶層２３は第２の磁化を有することができ、第２の磁化の方向は、磁気トンネル接合２が高いしきい値温度に加熱されるときに自由に調節することができる。記憶層２３は、典型的にはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはそれらの合金を含む強磁性材料の層であることができる。記憶層２３は、隣接する反強磁性記憶層（図示せず）と交換結合することができ、反強磁性記憶層は、その記憶ブロッキング温度ＴＢＳ未満の温度で記憶層２３をピン止めし、ここで記憶ブロッキング温度ＴＢＳは基準ブロッキング温度ＴＢＲよりも小さいことが好ましい。反強磁性記憶層は、ＦｅとＭｎの合金、例えばＦｅＭｎ、またはＩｒとＭｎの合金、例えば２０％のＩｒと８０％のＭｎを含む合金から形成することができる。記憶ブロッキング温度ＴＢＳは、典型的には１５０℃〜２５０℃の間であることができる。ＴＡＳ書き込み操作中、磁気トンネル接合２は、磁気トンネル接合２に加熱電流３１を印加することによって、ＴＢＳよりも高いがＴＢＲよりも低い高いしきい値温度に加熱される。加熱電流３１は、選択トランジスタ３が通電モードであるときに電流ライン４を介して印加することができる。磁気トンネル接合２が高いしきい値温度に加熱されると、第２の磁化の方向を調節することができ、この調節は、スピン偏極電流を流すことによって、または磁気トンネル接合２内での電流誘起磁化反転（ＣＩＭＳ）によって、あるいは図１に示されるように外部磁場５２を使用することによって行われる。外部磁場５２を使用する場合には、下側電流ライン５に界磁電流５１を流すことによって外部磁場５２を発生させることができる。記憶層２３の近傍に下側電流ライン５を位置決めすることにより、使用される界磁電流５１を最小限にすることができるようになる。書き込み中、第２の磁化は、第１の磁化方向とほぼ平行または（図１の例のように）反平行になるように向けることができる。次いで、加熱電流３１を遮断し、磁気トンネル接合２をＴＢＳ未満の低いしきい値温度に冷却することによって、第２の磁化がその反転された方向で凍結される。
【０００６】
読み取り操作中、磁気トンネル接合２の抵抗は、磁気トンネル接合２にセンス電流（図示せず）を流すことによって測定することができる。測定される抵抗は、第１の磁化と第２の磁化の相対方向に応じて変化する。第１の磁化が第２の磁化とほぼ反平行に向けられるときには高い抵抗が測定され、第１の磁化と第２の磁化がほぼ平行に向けられるときには小さい抵抗が測定される。
【０００７】
所定の高い温度しきい値まで磁気トンネル接合２０を加熱するために加熱電流３１を流すには、基準層２１と記憶層２３の間に、場合によっては高い値の電圧Ｖｈｅａｔを印加する必要がある。
【０００８】
図２に、磁気トンネル接合２に沿った距離Ｘに対してポテンシャルエネルギーＥがプロットされており、これは、磁気トンネル接合２内に加熱電流３１が流されるときに発生される電位Ｖｈｅａｔをかけられている磁気トンネル接合２内の電子のポテンシャルエネルギー関数８を表す。図２で、基準層２１と記憶層２３は、Ｘ０に配置されたトンネル障壁層２２の両側に位置される。負の値の加熱電流３１に関して、基準層２１と記憶層２３は、それぞれ上側フェルミ準位Ｅｆｓを有する電子放出層と下側フェルミ準位Ｅｆｉを有する電子受取り層となる。フェルミ準位の差は、電位の差：Ｅｆｓ−Ｅｆｉ＝ｅＶに比例し、ここでｅは電子の電気素量である。矢印９によって示されるように、放出層から放出された電子は、トンネル効果により、エネルギーを散逸することなくトンネル障壁層２２を通過する。より高いエネルギーＥｆｓからより低いエネルギーＥｆｉへの電子の非弾性緩和が生じるとき、電子は、例えばフォノン１０および／またはマグノン１１を生成することによって電子受取り層内でエネルギーｅＶを散逸し、これにより電子受取り層の温度が上昇する。非弾性緩和は、特性長さまたは非弾性平均自由行程λｉｎにわたって生じ、この長さは、典型的には、典型的な磁気トンネル接合で通常使用される磁気材料内では約数ナノメートルである。したがって、トンネル障壁層２２を通過する電子またはトンネル電流（図示せず）による熱生成は、トンネル障壁層２２に隣接する厚さ数ナノメートルの受取り層区域において最大である。磁気トンネル接合２を高い温度しきい値に加熱するために使用される電位Ｖｈｅａｔは高いことがあるので、そのような熱生成は、磁気トンネル接合２を損壊する可能性がある。
【０００９】
磁気トンネル接合２を断熱することが有利となることがあり、それにより、ＴＡＳ書き込み操作中に、より小さい加熱電流３１で磁気トンネル接合２が効率的に加熱され、したがって書き込み操作を行うのに必要な電力が最小限になる。
【００１０】
図３は、特許文献２による磁気要素１を示し、この磁気要素１では、磁気トンネル接合２が、電流ライン４と基準層２１の間に配置された上側熱障壁層１４と、記憶層２３とストラップ部分７の間にある下側熱障壁層１５とをさらに備える。図３には下側電極１６が示され、下側バイア１７を介してストラップ部分７に接続されている。選択トランジスタ３（図３には図示せず）を下側電極１６または下側バイア１７に直接接続することができる。ＴＡＳ書き込み操作中、有利には、加熱電流３１が流されるときに、上側熱障壁層１４と下側熱障壁層１５が、磁気トンネル接合２の上端部と底端部の両方で熱損失を低減する。その結果、より効率的な磁気トンネル接合２０の加熱が実現され、磁気トンネル接合２０を加熱するのに必要な加熱電流３１または電位Ｖｈｅａｔを小さくすることができる。
【００１１】
熱障壁層１４、１５がトンネル障壁層２２に直列接続されているので、電流が磁気トンネル接合２だけを通って流れることを保証するために、熱障壁層１４、１５の導電率は、トンネル障壁層２２の導電率に比べて十分に高くなければならない。好ましくは、熱障壁層１４、１５の導電率は、トンネル障壁層２２の導電率の１０倍である。これは、熱伝導率が非常に低い材料を熱障壁層１４、１５に使用する可能性を制限する。典型的には、そのような熱障壁層は、ビスマス（Ｂｉ）とテルル（Ｔｅ）を含む合金、例えばＢｉＴｅからなり、これは、約１．７５ｍΩ・ｃｍの導電率および約１．５Ｗｍ−１℃−１の熱伝導率を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第６９５０３３５号明細書
【特許文献２】欧州特許第１６７１３３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、従来技術の少なくともいくつかの限界を克服する磁気要素に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、熱アシスト磁化反転書き込み操作を使用して書き込みを行うことができる磁気要素が、第１の磁性層と第２の磁性層の間に配設された、トンネル障壁層から形成された磁気トンネル接合であって、第２の磁性層が第２の磁化を有し、第２の磁化の方向を、書き込み操作中、磁気トンネル接合が高いしきい値温度に加熱されるときに調節することができる磁気トンネル接合と、磁気トンネル接合の上端部に接続された上側電流ラインと、横方向に延在し、磁気トンネル接合の底端部に接続されたストラップ部分とを備え、磁気デバイスが、下側断熱層をさらに備えることができ、下側断熱層が、ストラップ部分にほぼ平行に延在し、磁気トンネル接合と下側断熱層の間にストラップ部分が位置するように配置されて、下側断熱層を備えない磁気トンネル接合に比べて、書き込み操作中の磁気トンネル接合の熱損失を低減する。
【００１５】
一実施形態では、磁気要素は、上側電流ラインと磁気トンネル接合の間に、磁気トンネル接合の上端部に配置された上側断熱層をさらに備えることができる。
【００１６】
別の実施形態では、磁気要素は、横方向断熱層をさらに備えることができ、磁気トンネル接合の少なくとも一部分を横方向で埋め込む。
【００１７】
さらに別の実施形態では、磁気トンネル接合の前記少なくとも一部分が、下側磁性層、上側磁性層、トンネル障壁層、または上記層のうちの任意の層の組合せを備えることができる。
【００１８】
さらに別の実施形態では、磁気トンネル接合の前記少なくとも一部分が、磁気トンネル接合全体を備えることができる。
【００１９】
さらに別の実施形態では、断熱層の熱伝導率が１．０Ｗｍ−１℃−１未満であることができる。
【００２０】
さらに別の実施形態では、断熱層が低誘電率材料からななることができる。
【００２１】
さらに別の実施形態では、磁気トンネル接合が、上側電流ラインと磁気トンネル接合の間にある上側熱障壁層と、磁気トンネル接合とストラップ部分の間にある下側熱障壁層とをさらに備えることができる。
【００２２】
さらに別の実施形態では、長手方向熱障壁層の電気抵抗が、トンネル障壁層の電気抵抗の１０分の１以下であることができる。
【００２３】
さらに別の実施形態では、磁気トンネル接合が、磁気トンネル接合を埋め込む電気絶縁ライナ層を備えることができる。
【００２４】
さらに別の実施形態では、磁気要素は、選択トランジスタをさらに備えることができ、選択トランジスタは、ストラップ部分を介して磁気トンネル接合の下端部に接続され、磁気トンネル接合を高いしきい値温度に加熱するために上側電流ラインを介して前記磁気トンネル接合に加熱電流を印加するために作動させることができる。
【００２５】
また、本発明は、複数の磁気要素を備える磁気メモリデバイスであって、１つまたは複数の電流ラインが、前記複数の磁気要素にそれらの磁気トンネル接合を介して結合され、磁気メモリデバイスが、磁気要素にそれらの選択トランジスタを介して結合された１つまたは複数の制御電流ラインをさらに備える磁気メモリデバイスに関する。
【００２６】
本明細書で開示される磁気要素は、上側電流ラインと磁気トンネル接合の間および／またはストラップ部分と磁気トンネル接合の間で熱障壁層を使用する従来の磁気要素に比べて、より効果的に熱損失を低減することができるようにする。断熱層は、製造プロセスの複雑さを増すことなく、磁気要素の製造プロセスに容易に組み込むことができる。ここで、本発明の磁気要素およびメモリデバイスは、従来の磁気要素およびメモリデバイスで使用されるものよりも小さい加熱電流で使用することができ、それにより電流消費を低減させ、磁気要素の耐久性を改善する。
【００２７】
本発明は、例として提示し、図面に図示される実施形態の説明を読めば、より良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】磁気トンネル接合を備え、熱アシスト磁化反転書き込み操作を行うように適合された従来の磁気要素を示す図である。
【図２】電位をかけられた図１の磁気トンネル接合内の電子のポテンシャルエネルギー関数を示す図である。
【図３】磁気トンネル接合が第１および第２の長手方向熱障壁層を含む、別の従来の磁気要素を示す図である。
【図４】一実施形態による磁気要素を示す図である。
【図５】別の実施形態による磁気要素を示す図である。
【図６】一実施形態による磁気要素の磁気トンネル接合でのシミュレートされた温度分布を示す図である。
【図７】別の実施形態による磁気要素の磁気トンネル接合でのシミュレートされた温度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図４に、一実施形態に従って磁気要素１が示される。上述したのと同様に、磁気要素１は、第１の磁性層２１と第２の磁性層２３の間に配設された、トンネル障壁層２２から形成された磁気トンネル接合２を備える。第２の磁性層２３は第２の磁化を有し、第２の磁化の方向は、書き込み操作中、磁気トンネル接合２が高いしきい値温度に加熱されるときに調節することができる。また、磁気要素１は、磁気トンネル接合２の上端部に接続された上側電流ライン４と、金属ストラップ部分７とを備え、金属ストラップ部分７は、第１の磁性層２１および第２の磁性層２３にほぼ平行に横方向に延在し、磁気トンネル接合２の底端部を、下側バイア１７を介して下側電極１６に接続する。図４の実施形態では、メモリセル１は、ストラップ部分７の下でストラップ部分７にほぼ平行に延在する下側断熱層２８をさらに備える。この構成では、ストラップ部分７は、磁気トンネル接合２と下側断熱層２８の間にあり、下側断熱層２８は、ストラップ部分７の底面７’に沿ってストラップ部分７に接触している。磁気トンネル接合２を、横方向で、ＳｉＯ２やＴＥＯＳなど従来の断熱材料２７に埋め込むことができる。
【００３０】
図４に示されるように、ストラップ部分７は金属バイア１７を介して下側電極と電気的に接触し、したがって下側断熱層２８は磁気トンネル接合２の電気経路内には設けられていない。下側断熱層２８は、トンネル障壁層２２と直列接続されないので、熱障壁層１４、１５に典型的に使用される材料よりも導電率がはるかに低い材料から形成することができる。例えば、下側断熱層２８は、導電率が１０−１４Ｓ／ｃｍ未満であることができる。好ましくは、下側断熱層２８は、熱伝導率が１．０Ｗｍ−１℃−１未満の低誘電率材料からなり、磁気要素１の製造プロセスに組み込むことができる。例えば、下側断熱層２８は、熱伝導率が２０℃で約０．０２５Ｗｍ−１℃−１の多孔性ＳｉＯ２、ＳｉＮ、またはジルコニア（イットリア安定化ＺｒＯ２）など、低い熱伝導率を示す材料から形成することができる。また、低い熱伝導率の材料は、その非晶質・高抵抗状態で低い熱伝導率を示すＧＳＴ状材料であることもできる。ＧＳＴ状材料は、ＧｅＳｂＴｅ、ＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ、またはＡｇＩｎＳｂＴｅなど、カルコゲナイド化合物材料からなってもよい。
【００３１】
好ましい実施形態では、下側断熱層２８は、フッ素または炭素ドープ二酸化ケイ素、熱伝導率が約０．２１Ｗｍ−１℃−１の水素化オキシ炭化ケイ素（ＳｉＣＯＨ）、多孔性ＳｉＣＯＨ、多孔性メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）、多孔性ハイドロゲンシルセスキオキサン（ＨＳＱ）、スピンオン有機ポリマー誘電体、またはそれらのうちの任意の材料の組合せを含む低誘電率材料から作られる。ここで、表現「低誘電率」とは、好ましくは、誘電率が約３．９未満の任意の材料を意味する。
【００３２】
下側断熱層２８は、熱伝導率が熱障壁層１４、１５よりも低く、下側断熱層２８に使用される材料によっては、場合により最小で約６分の１である。これは、熱障壁層１４、１５を使用する従来の磁気要素よりも効果的に磁気トンネル接合２の熱放散を低減できるようにする。さらに、下側断熱層２８は、その配置により、金属ストラップ部分７から放散される熱を効果的に遮断することができる。金属ストラップ部分７は、その高い熱伝導率と、磁気トンネル接合２のサイズに比べて比較的大きいそのサイズとにより、大きい熱放散領域となる。下側断熱層２８は、製造プロセスの複雑さを増すことなく、磁気要素１の製造プロセスに容易に組み込むことができる。
【００３３】
図５に示される別の実施形態では、磁気要素１は、上側電流ライン４と磁気トンネル接合２の間で磁気トンネル接合２の上端部に配置され、ストラップ部分７にほぼ平行に延びる上側断熱層３２をさらに備える。この構成では、上側バイア１８が上側電流ライン４を磁気トンネル接合２に接続し、上側断熱層３２は磁気トンネル接合２の電気経路内にない。この上側断熱層３２が、磁気トンネル接合２からの熱放散をさらに低減する。あるいは、磁気要素１は、下側断熱層２８を備えず、上側断熱層３２のみを備えることもある。ＴＡＳ書き込み操作中、下側断熱層２８、および場合によっては、上側断熱層３２は、加熱電流３１によって発生される磁気トンネル接合２内の熱の放散を低減させる。
【００３４】
さらに別の実施形態（図示せず）では、磁気トンネル接合２は、磁気トンネル接合２の底端部および上端部に、上述した下側熱障壁層１４および／または上側熱障壁層１５をさらに備える。
【００３５】
さらに別の実施形態では、磁気要素１は、横方向断熱層３０をさらに備え、磁気トンネル接合２の少なくとも一部分を横方向で埋め込む。これは、例えば、従来の断熱材料２７の代わりに熱伝導率が１．０Ｗｍ−１℃−１未満の材料を使用することによって実現することができる。横方向断熱層３０は、低誘電率材料など、下側断熱層２８および／または上側断熱層３２に使用されるものと同じ材料から形成することができる。実際には、横方向断熱層３０は、磁気トンネル接合２に沿って上方向および／または下方向に延在する下側断熱層２８および／または上側断熱層３２によって実現することができる。図４および図５の例は、従来の断熱材料２７の代わりに横方向断熱層３０が使用されている磁気要素１を示し、横方向断熱層３０は磁気トンネル接合２全体を埋め込んでいる。
【００３６】
この実施形態の一変形形態では、横方向断熱層３０に埋め込まれる磁気トンネル接合２の部分は、下側磁性層２３、上側磁性層２１、トンネル障壁層２２、（存在する場合には）下側熱障壁層１４および上側熱障壁層１５、またはそれらのうちの任意の層の組合せを備えることができる。磁気トンネル接合２の残りの部分を、ＳｉＯ２やＴＥＯＳなど従来の断熱材料２７に横方向で埋め込むことができる。
【００３７】
さらに別の実施形態（図示せず）では、磁気トンネル接合２は、薄いライナによって取り囲まれる。ライナは、典型的には、磁気トンネル接合２のエッチングレートよりも低いエッチングレートを有する材料で作られる。この構成では、ライナは、磁気トンネル接合２に沿って延在し、磁気トンネル接合２と横方向断熱障壁層３０および／または従来の断熱材料２７との間に配設される薄い層である。製造プロセス中、特に磁気トンネル接合２が複数のステップでエッチングされるときに、ライナの使用が有利となることがある。例えば、ライナは、磁気トンネル接合２の第１のエッチングされた部分を、第２の部分がエッチングされるときに保護することができる。
【００３８】
さらに、横方向断熱障壁層３０は、加熱電流３１によって発生した熱を磁気トンネル接合２の側壁間に閉じ込めることができ、これにより熱放散をさらに低減する。さらに、横方向断熱層３０の導電率はトンネル障壁層２２の導電率以下でよいので、横方向断熱障壁層３０は、第１の層２１および第２の層２３とトンネル障壁層２２との間の電気容量を低減することができる。
【００３９】
図６および７は、磁気要素１が下側断熱障壁層２８を備える場合（図６および図７で実線の曲線）と下側断熱障壁層２８を備えない場合（図６および図７で破線の曲線）に関してシミュレートされた温度分布を比較する。磁気トンネル接合２の直径が０．２μｍであり、加熱電流３１が２０ｎｓの電流パルスとして流され、２０ｎｓ電流パルスの終点で温度分布が示されると仮定して計算を行った。より詳細には、図６では、磁気トンネル接合２が、
符号Ｚ２で示される区域に位置されたストラップ部分７と、
区域Ｚ４に位置され、厚さ５ｎｍのＣｏＦｅの強磁性層および厚さ５ｎｍのＩｒＭｎの反強磁性層を備える下側磁性層２３と、
界面Ｚ４／Ｚ５に位置され、ＭｇＯからなり、厚さが１ｎｍであるトンネル障壁層２２と、
区域Ｚ５に位置され、厚さ２０ｎｍのＰｔＭｎで作られた反強磁性基準層および厚さ５ｎｍのＣｏＦｅで作られた強磁性基準層を備える上側磁性層２１と、
区域Ｚ７に位置された上側電流ライン４と
を備えると仮定して計算を行った。
【００４０】
図６では、磁気トンネル接合２は、それぞれ区域Ｚ３および区域Ｚ６に位置される、熱伝導率が１．４５Ｗｍ−１℃−１の下側熱障壁層１５および上側熱障壁層１４をさらに備える。下側断熱障壁層２８が区域Ｚ１に位置されている場合のシミュレートされた温度分布（実線の曲線）は、下側断熱障壁層２８を備えない場合のシミュレートされた温度（破線の曲線）に比べて約１０〜２０％高い磁気トンネル接合２（区域Ｚ４および区域Ｚ５）内部での温度を示す。ここで、区域Ｚ１〜区域Ｚ７は、図４に示される軸Ａ−Ａ’に沿ったｎｍ単位での距離に対応し、区域の番号はＡ’からＡに向かって増していく。このシミュレーションでは、下側断熱障壁層２８の熱伝導率は０．１Ｗｍ−１℃−１と仮定した。
【００４１】
図７では、下側熱障壁層１５を備えない場合のシミュレーションを行った。この図では、磁気トンネル接合２は、区域Ｚ３に位置された下側磁性層２３と、界面Ｚ３／Ｚ４にあるトンネル障壁層２２と、区域Ｚ４にある上側磁性層２１と、区域Ｚ５にある上側熱障壁層１４と、区域Ｚ６に位置された上側電流ライン４とを備える。ここで、下側断熱障壁層２８が区域Ｚ１に位置されている場合のシミュレートされた温度分布（実線の曲線）は、下側断熱障壁層２８を備えない場合のシミュレートされた温度（破線の曲線）に比べて約４０％高い磁気トンネル接合２（区域Ｚ３および区域Ｚ４）内部での温度を示す。また、下側断熱障壁層２８の熱伝導率は０．１Ｗｍ−１℃−１と仮定した。したがって、図７におけるシミュレートされた温度分布は、熱障壁層１４、１５を備える場合よりも下側断熱障壁層２８を備える場合のほうが、磁気トンネル接合２内部で良好な熱閉じ込めを実現することができることを示唆する。下側断熱障壁層２８を備える場合には熱損失をより少なくすることができるので、より低い加熱電流３１、したがってより低い電力消費で磁気要素１に書き込みを行うことができる。
【００４２】
磁気メモリデバイス（図示せず）は、行列に配列された複数のメモリ要素１を備えることができる。各メモリ要素１は、磁気トンネル接合２に電気的に結合された選択トランジスタ３を備えることができる。磁気メモリデバイスは、行に沿って磁気要素１を接続する１つまたは複数の上側電流ライン４と、列に沿って、磁気要素１の選択トランジスタ３のゲートを介して磁気要素１に結合された１つまたは複数の制御電流ラインとをさらに備えることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  磁気要素
２  磁気トンネル接合
２１  上側磁性層、基準層
２２  トンネル障壁層
２３  下側磁性層、記憶層
３  選択トランジスタ
３１  加熱電流
４  上側電流ライン
５  下側電流ライン
５１  界磁電流
５２  磁場
７  ストラップ部分
７’  ストラップ部分の底面
８  ポテンシャルエネルギー関数
９  トンネル効果による電子のトンネル障壁通過
１０  フォノン
１１  マグノン
１４  上側熱障壁層
１５  下側熱障壁層
１６  下側電極
１７  下側バイア
１８  上側バイア
２７  従来の断熱材料
２８  下側断熱層
３０  横方向断熱層
３２  上側断熱層
４０  断熱層を備えない場合のシミュレートされた温度分布
４１  横方向断熱障壁層を備える場合のシミュレートされた温度分布
Ｅ  ポテンシャルエネルギー
Ｅｆｉ  下側フェルミ準位
Ｅｆｓ  上側フェルミ準位
ｅＶ  ２つのフェルミ準位の間の電位差
ＴＢＲ  基準ブロッキング温度
ＴＢＳ  記憶ブロッキング温度
Ｖｈｅａｔ  加熱電流を流すための電圧
Ｘ  距離
Ｘ０  長手方向座標
λｉｎ  非弾性平均自由行程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
2012019214000001.pdf