(57)【要約】  磁気セル（１０）は、自由磁化配向方向（ＭF）を有する強磁性自由層（１８）と、自由磁化配向方向に平行または逆平行の第１の基準磁化配向方向（ＭR1）を有する第１の強磁性固定基準層（１４）とを含む。第１の酸化物バリヤ層（１６）は、強磁性自由層と第１の強磁性固定基準層との間にある。磁気セルは、第１の基準磁化配向方向に直交する第２の基準磁化配向方向（ＭR2）を有する第２の強磁性固定基準層（１３）をさらに含む。強磁性自由層は、第１の強磁性固定基準層と第２の強磁性固定基準層との間にある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気セルであって、
自由磁化配向方向を有する強磁性自由層と、
前記自由磁化配向方向に平行または逆平行の第１の基準磁化配向方向を有する第１の強磁性固定基準層と、
前記強磁性自由層と前記第１の強磁性固定基準層との間にある第１の酸化物バリヤ層と、
前記第１の基準磁化配向方向に直交する第２の基準磁化配向方向を有する第２の強磁性固定基準層とを備え、
前記強磁性自由層は、前記第１の強磁性固定基準層と前記第２の強磁性固定基準層との間にある、磁気セル。
【請求項２】
前記強磁性自由層、前記第１の強磁性固定基準層、および前記第２の強磁性固定基準層は、面内磁気異方性を有する、請求項１に記載の磁気セル。
【請求項３】
前記強磁性自由層と前記第２の強磁性固定基準層との間に第２の酸化物バリヤ層をさらに備える、請求項１に記載の磁気セル。
【請求項４】
前記第１の強磁性固定基準層は、合成反強磁性素子を含む、請求項１に記載の磁気セル。
【請求項５】
前記第２の強磁性固定基準層は、合成反強磁性素子を含む、請求項１に記載の磁気セル。
【請求項６】
前記強磁性自由層は、前記磁気セルを流れる電流によって誘導されるスピントルクトランスファによって、高抵抗データ状態と低抵抗データ状態との間を切換える、請求項１に記載の磁気セル。
【請求項７】
前記第２の強磁性固定基準層は、永久磁石を含む、請求項４に記載の磁気セル。
【請求項８】
前記第１の強磁性固定基準層は、第１の阻害温度を有する合成反強磁性素子を含み、
前記第２の強磁性固定基準層は、前記第１の阻害温度よりも低い第２の阻害温度を有する合成反強磁性素子を含む、請求項１に記載の磁気セル。
【請求項９】
前記自由磁化配向方向は、前記第２の基準磁化配向方向に直交する、請求項１に記載の磁気セル。
【請求項１０】
スピントルクトランスファ磁気セルであって、
前記磁気セルを流れる電流によって誘導されるスピントルクトランスファによって、高抵抗データ状態と低抵抗データ状態との間を切換える、面内自由磁化配向方向を有する強磁性自由層と、
前記自由磁化配向方向に平行または逆平行の第１の基準磁化配向方向を有する第１の強磁性固定基準層と、
前記強磁性自由層と前記第１の強磁性固定基準層との間にある第１の酸化物バリヤ層と、
前記自由磁化配向方向に直交する、面内の第２の基準磁化配向方向を有する第２の強磁性固定基準層と、
前記強磁性自由層と前記第２の強磁性固定基準層との間の第２の酸化物バリヤ層とを備える、スピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項１１】
前記第１の強磁性固定基準層は、合成反強磁性素子を含む、請求項１０に記載のスピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項１２】
前記第２の強磁性固定基準層は、合成反強磁性素子を含む、請求項１０に記載のスピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項１３】
前記第２の強磁性固定基準層は、永久磁石を含む、請求項１１に記載のスピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項１４】
前記第１の強磁性固定基準層は、第１の阻害温度を有する合成反強磁性素子を含み、
前記第２の強磁性固定基準層は、前記第１の阻害温度よりも低い第２の阻害温度を有する合成反強磁性素子を含む、請求項１０に記載のスピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項１５】
前記自由磁化配向方向は、前記第２の基準磁化配向方向に直交する、請求項１０に記載のスピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項１６】
スピントルクトランスファ磁気セルであって、
前記磁気セルを流れる電流によって誘導されるスピントルクトランスファによって、高抵抗データ状態と低抵抗データ状態との間を切換える、面内自由磁化配向方向を有する強磁性自由層と、
前記自由磁化配向方向に平行または逆平行の第１の基準磁化配向方向を有する第１の強磁性固定基準層と、
前記強磁性自由層と前記第１の強磁性固定基準層との間にある第１の酸化物バリヤ層と、
前記第１の基準磁化配向方向に直交する、面内の第２の基準磁化配向方向を有する第２の強磁性固定基準層と、
前記強磁性自由層と前記第２の強磁性固定基準層との間の第２の酸化物バリヤ層とを備える、スピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項１７】
前記第１の強磁性固定基準層は、合成反強磁性素子を含む、請求項１６に記載のスピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項１８】
前記第２の強磁性固定基準層は、合成反強磁性素子を含む、請求項１６に記載のスピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項１９】
前記第２の強磁性固定基準層は、永久磁石を含む、請求項１７に記載のスピントルクトランスファ磁気セル。
【請求項２０】
前記第１の強磁性固定基準層は、第１の阻害温度を有する合成反強磁性素子を含み、
前記第２の強磁性固定基準層は、前記第１の阻害温度よりも低い第２の阻害温度を有する合成反強磁性素子を含む、請求項１６に記載のスピントルクトランスファ磁気セル。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
背景
スピン電子工学とも称されるスピントルクトランスファ技術は、半導体技術と磁気学とを組み合わせており、より最近の開発である。スピン電子工学においては、電荷よりもむしろ電子のスピンが、デジタル情報の存在を示すために用いられる。「０」または「１」で表わされるデジタル情報は、磁気素子内の磁気モーメントの整列によって記憶することができる。磁気素子の抵抗は、モーメントの整列または配向に依存する。記憶された状態は、要素の抵抗状態を検出することによって、その素子から読み出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
磁気素子は、一般的に、強磁性体固定層および強磁性体自由層を含み、各々は磁気素子全体の抵抗を規定する磁化配向を有する。そのような素子は、一般的に、「スピントンネリング接合」、「磁気トンネル接合」、「磁気トンネル接合セル」などと称される。自由層および固定層の磁化配向が平行である場合、素子の抵抗は低くなる。自由層および固定層の磁化配向が逆平行である場合、素子の抵抗は高くなる。
【０００３】
スピントルクトランスファメモリの用途は、概して、１０6から１０7Ａ／ｃｍ2のスイッチング電流密度要件を有し、それは通常のＣＭＯＳプロセスとの統合における困難性をもたらす。実現可能な製品を製造するために、スイッチング電流密度を大幅に低減することが望まれる。さまざまな試みがなされてきた。しかしながら、スピントルクトランスファセルにおけるスイッチング電流とデータ安定性との間にはジレンマが存在する。低スイッチング電流は、スピントルクトランスファセルの温度不安定性のために、データ保持力を低減し得る。低スイッチング電流と十分なデータ保磁力の双方を達成し得るスピントルクトランスファセル設計が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
要約
本開示は、直交する磁化配向方向を有する２つの基準磁気層または基準磁気素子を含む、スピントルクトランスファセルのような磁気セルに関連する。これらのスピントルクメモリセルは、高抵抗データ状態と低抵抗データ状態との間を即座に切換え、２つの酸化物バリヤ層の間に自由磁気層を含む。その２つの基準層は垂直方向に整列される。
【０００５】
本開示の実施形態においては、磁気セルは、自由磁化配向方向を有する自由磁気層と、自由磁化配向方向に平行または逆平行の第１の基準磁化配向方向を有する第１の強磁性固定基準層とを含む。第１の酸化物バリヤ層は、強磁性自由層と第１の強磁性固定基準層との間にある。磁気セルは、第１の基準磁化配向方向に直交する第２の基準磁化配向方向を有する第２の強磁性固定基準層をさらに含む。強磁性自由層は、第１の強磁性固定基準層と第２の強磁性固定基準層との間にある。
【０００６】
これらのおよびさまざまな他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を読むことで明らかになるであろう。
【０００７】
本開示は、添付の図面とともに、本開示のさまざまな実施形態の以下の詳細な説明の検討によって、より完全に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】低抵抗データ状態であり、かつ直交基準層磁化配向を有する磁気セルの概略的な側面図である。
【図１Ｂ】高抵抗データ状態であり、かつ直交基準層磁化配向を有する磁気セルの概略的な側面図である。
【図２】メモリセルおよび半導体トランジスタを含む例示的なメモリユニットの概略図である。
【図３】例示的なメモリアレイの概略図である。
【図４】直交基準層磁化方向を有する他の磁気セルの概略側面図である。
【図５】直交基準層磁化方向を有する他の磁気セルの概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図は、必ずしも縮尺通りではない。図中の同じ符号は、同様の要素を示す。しかしながら、所与の図における要素を示す符号の使用は、同じ符号が付された他の図における要素に限定することが意図されたものではないことが理解されるであろう。
【００１０】
詳細な説明
本開示は、直交磁化配向方向を有する２つの磁気基準層または素子を含む磁気スタックまたはセル（たとえば、スピントルクメモリ（ＳＴＲＡＭ）セル）に向けられる。これらのスピントルクメモリセルは、高抵抗データ状態と低抵抗データ状態との間を迅速に切換えるとともに、２つの酸化物バリヤ層の間に自由磁気層を含む。その２つの基準層は垂直方向に整列される。このデータセル構造は、書込速度を増加するとともに、垂直方向に揃えられた基準層を有さない従来のデータセルに対して、データセルのトンネリング磁気抵抗比を改善する。
【００１１】
以下の説明においては、本明細書の一部を形成するとともに、さまざまな特定の実施形態が例として示される添付の図面の組への参照がなされる。他の実施形態が企図され、それらは本開示の範囲または精神から逸脱することなくなされ得ることが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定の意味として採用されるべきではない。本明細書中で与えられるいかなる定義も、本明細書において頻繁に使用される特定の用語の理解を容易にするためのものであり、本開示の範囲を限定することを意味するものではない。
【００１２】
特に示さなければ、明細書および特許請求の範囲で用いられるフィーチャサイズ、量、および物理特性を表わす全ての数値は、「約（about）」の語句によってすべての事例に修正されるものとして理解されるべきである。したがって、そうでないことが示されていなければ、上述の明細書および添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、本明細書に開示された教示を利用して当業者によって取得されるべき所望の特性に応じて変化し得る近似である。
【００１３】
本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられるように、内容がそうでないことを明示していない場合には、単数形の「a」、「an」および「the」は、複数の参照を有する実施形態を包含する。本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられるように、内容がそうでないことを明示していない場合には、「または（or）」の語句は、一般的に、「および／または（and/or）」を含む意味として採用される。
【００１４】
なお、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」などのような語句が、本開示において用いられ得ることに注意すべきである。これらの語句は、構造の位置または配向を限定するものとして解釈されるべきではないが、構造の間の空間的関係を提供するものとして使用されるべきである。
【００１５】
本開示はあまり限定されていないが、本開示のさまざまな局面の理解は、以下に与えられる例の議論を通して深められるであろう。
【００１６】
図１Ａは、低抵抗データ状態であり、かつ直交基準層磁化配向を有する磁気セル１０の概略側面図である。図１Ｂは、高抵抗データ状態であり、かつ直交基準層磁化配向を有する磁気セル１０の概略側面図である。磁気トンネル接合１０は、第１の基準
R1を有する第１の強磁性固定基準層または素子１４と、自由磁化配向方向ＭFを有する強磁性自由素子または層１８と、強磁性自由素子１８から第１の強磁性固定基準磁気素子１４を分離する第１のトンネリングバリヤ層１６とを含む。第２の強磁性固定基準層または素子１３は、第１の基準磁化配向動向ＭR1に直交する第２の基準磁化配向方向ＭR2を有する。強磁性自由層は、第１の強磁性固定基準層１４と第２の強磁性固定基準層１３との間にある。多くの実施形態においては、第２のトンネリングバリヤ１５は、第２の強磁性固定基準磁気素子１３を強磁性自由素子１８から分離する。
【００１７】
これらの素子または層は、第１の電極１３と第２の電極１９との間に電気的に配置される。単一の磁気トンネル接合１０が示されているが、複数の磁気トンネル接合セル１０が、メモリアレイを形成するようにアレイ内に配置され得ることが理解される。シード層またはキャッピング層のような他の層は、明確化のために示されていない。
【００１８】
強磁性自由素子１８は、高抵抗データ状態（すなわち、第１の強磁性固定基準磁気素子１４に対して逆平行方向の磁化配向方向ＭR1であり、図１Ｂに示される）と低抵抗データ状態（すなわち、第１の強磁性固定基準磁気素子１４に対して平行方向の磁化配向方向ＭR1であり、図１Ａに示される）との間を切換可能な、自由磁化配向方向ＭFを有する。強磁性自由素子または層１８、第１の強磁性固定基準磁気素子１４および第２の強磁性固定基準磁気素子１３は、面内磁気異方性を有する。
【００１９】
第１の強磁性固定基準素子１４は単一の層として示されているが、この素子１４は、強磁性基準（固定）層および反強磁性基準（ピニング）層のような２つまたはより多くの層を含むことができ、反強磁性基準層は、強磁性基準層の磁化を固定するように機能する。他の実施形態においては、第１の強磁性固定基準素子１４は、互いに反強磁性的に結合された１つより多くの強磁性層（たとえば、合成反強磁性体）を含む。強磁性基準層は、
で形成することができる。
【００２０】
第２の強磁性固定基準素子１３は単一の層として示されているが、この素子１３は、強磁性基準（固定）層および反強磁性基準（ピニング）層のような２つまたはより多くの層を含むことができ、反強磁性基準層は、強磁性基準層の磁化を固定するように機能する。他の実施形態においては、第２の強磁性固定基準素子１３は、互いに反強磁性的に結合された１つより多くの強磁性層（たとえば、合成反強磁性体）を含む。強磁性基準層は、たとえば、コバルト、鉄、および／またはニッケルを含む合金および材料のような、任意の有用な材料で形成され得る。ＣｏＦｅＢのような三元合金は、スピン電流切換えに好適である、より低いモーメントと高い偏極率のために、特に有用であり得る。反強磁性基準層は、たとえば、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、および／またはＰｔＭｎのような任意の有用な材料で形成することができる。
【００２１】
強磁性自由素子１８は、第１の磁化方向と反対の第２の磁化方向との間で強磁性自由素子１８の磁化方向を切換えることができる任意の有用な軟磁性材料で形成することができる。多くの実施形態においては、強磁性自由素子１８はＣｏ65Ｆｅ30Ｂ15のようなＣｏＦｅＢ材料で形成され、たとえば、１２００ｅｍｕ／ｃｃから５００ｅｍｕ／ｃｃまでの範囲の磁気飽和を有する。第１の磁化方向は、第１の強磁性固定基準素子１４の磁化方向に平行であり、低抵抗データ状態または「０」データ状態を形成し得る。第２の磁化方向は、第１の強磁性固定基準素子１４の磁化方向に逆平行であり、高抵抗データ状態または「１」データ状態を形成し得る。強磁性自由層は、たとえば、コバルト、鉄、および／またはニッケルを含む合金および材料のような、任意の有用な材料で形成され得る。ＣｏＦｅＢのような三元合金は、より低いモーメントと高い
のために、特に有用であり得る。
【００２２】
第１および第２のトンネリングバリヤまたは酸化物バリヤ１５，１６は、電気的に絶縁する非磁気材料である。トンネリングバリヤまたは酸化物バリヤ１５，１６は、たとえば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、および／または酸化チタンのような、任意の有用な電気的に絶縁する非磁気材料で形成することができる。いくつかの実施形態においては、酸化物バリヤ層１５，１６は、約０．５〜２ｎｍの厚みを有する。
【００２３】
電極１３，１９は、磁気トンネル接合セル１０を、磁気トンネル接合セル１０通して読出電流および書込電流を供給する制御回路に電気的に接続する。磁気トンネル接合セル１０にわたる抵抗は、強磁性層１４，１８の磁気ベクトルの相対的な方向または磁化方向によって定められる。強磁性固定基準層１４，１３の磁化方向は予め定められた方向に固定され、一方、強磁性自由層１８の磁化方向は自由であり、磁気トンネル接合セル１０に電流が流れるときにスピントルクの影響下で回転する。
【００２４】
抵抗状態、すなわち、スピントルクトランスファを介した磁気トンネル接合セル１０のデータ状態の切換えは、磁気トンネル接合セル１０の磁気層を流れる電流がスピン偏極され、磁気トンネル接合セル１０の強磁性自由層１８上にスピントルクが与えられるときに生じる。十分な（エネルギバリヤＥに打ち勝つのに十分な）スピントルクが強磁性自由層１８に印加されると、強磁性自由層１８の磁化方向は、２つの対向する方向間で切換えられ、それによって、磁気トンネル接合セル１０は、平行状態（すなわち、低抵抗状態または「０」データ状態）と逆平行状態（すなわち、高抵抗状態または「１」データ状態）との間で切換えられ得る。
【００２５】
図２は、メモリユニット２０と半導体トランジスタ２２とを含む例示的なメモリユニットの概略図である。メモリユニット２０は、
として、磁気トンネル接合セル１０を含む。
【００２６】
図３は、例示的なメモリアレイ３０の概略図である。メモリアレイ３０は、クロスポイントアレイを形成する複数のワードラインＷＬおよび複数のビットラインＢＬを含む。本明細書において記述されるように、各交点において、メモリセル１０はワードラインＷＬおよびビットラインＢＬとに電気的に結合される。選択装置（図示せず）が、各交点に、あるいは各ワードラインＷＬおよびビットラインＢＬに設けられ得る。
【００２７】
図４は、直行基準層磁化配向を有する他の磁気セル４０の概略側面図である。磁気トンネル接合セル４０は、第１の基準磁化配向方向を有する第１の強磁性固定基準層または素子１４と、自由磁化配向方向を有する強磁性自由素子または層１８と、第１の強磁性固定基準磁気セル１４を強磁性自由素子１８から分離する第１のトンネリングバリヤ１６とを含む。第２の強磁性固定基準層または素子１３は、第１の基準磁化配向方向に直交する第２の基準磁化配向方向を有する。強磁性自由層１８は、第１の強磁性固定基準層１４と第２の強磁性固定基準層１３との間にある。多くの実施形態においては、第２のトンネリングバリヤ１５は、第２の強磁性固定基準磁気素子１３を強磁性基準素子１８から分離する。
【００２８】
これらの素子または層は、第１の電極１３と第２の電極１９との間に電気的に配置される。単一の磁気トンネル接合１０が示されているが、複数の磁気トンネル接合セル１０が、メモリアレイを形成するようにアレイ内に配置され得ることが理解される。シード層またはキャッピング層のような他の層は、明確化のために示されていない。
【００２９】
第１の強磁性固定基準層または素子１４は、第１の合成反強磁性素子ＳＡＦ１と、第１の反強磁性基準（ピニング）層ＡＦＭ１とを含む。第１の合成反強磁性素子ＳＡＦ１は、反強磁性的に結合されるとともに非磁気的でかつ電気的に導通するスペーサ層ＳＰ１によって分離される２つの強磁性層ＦＭ１，ＦＭ２を含む。第２の強磁性固定基準層または素子１３は、第２の合成反強磁性素子ＳＡＦ２と、第２の反強磁性基準（ピニング）層ＡＦＭ２とを含む。第２の合成反強磁性素子ＳＡＦ２は、反強磁性的に結合されるとともに非磁気的でかつ電気的に導通するスペーサ層ＳＰ２によって分離される２つの強磁性層ＦＭ３，ＦＭ４を含む。
【００３０】
多くの実施の形態においては、第１の反強磁性基準（ピニング）層ＡＦＭ１は、第２の反強磁性基準（ピニング）層ＡＦＭ２とは異なる材料組成を有する。第１の反強磁性基準（ピニング）層ＡＦＭ１は、第２の反強磁性基準（ピニング）層ＡＦＭ２よりも高い阻止温度を有し得る。したがって、第１の強磁性固定基準層または素子１４は、その磁化配向を、後に形成される第２の強磁性固定基準層または素子１３よりも高い温度に設定し得る。そして、第２の強磁性固定基準層または素子１３は、その磁化配向を、前に形成された第１の強磁性固定基準層または素子１４よりも低い温度に設定し得る。
【００３１】
図５は、直行基準層磁化配向を有する他の磁気セル５０の概略側面図である。磁気トンネル接合セル５０は、第１の基準磁化配向方向を有する第２の強磁性固定基準層または素子１４と、自由磁化配向方向を有する強磁性自由素子または層１８と、第１の強磁性固定基準磁気セル１４を強磁性自由素子１８から分離する第１のトンネリングバリヤ１６とを含む。第２の強磁性固定基準層または素子１３は、第１の基準磁化配向方向に直交する第２の基準磁化配向方向を有する。強磁性自由層１８は、第１の強磁性固定基準層１４と第２の強磁性固定基準層１３との間にある。多くにおいては、
である。
【００３２】
これらの素子または層は、第１の電極１３と第２の電極１９との間に電気的に配置される。単一の磁気トンネル接合１０が示されているが、複数の磁気トンネル接合セル１０が、メモリアレイを形成するようにアレイ内に配置され得ることが理解される。シード層またはキャッピング層のような他の層は、明確化のために示されていない。
【００３３】
第１の強磁性固定基準層または素子１４は、第１の合成反強磁性素子ＳＡＦ１と、第１の反強磁性基準（ピニング）層ＡＦＭとを含む。第１の合成反強磁性素子ＳＡＦ１は、反強磁性的に結合されるとともに非磁気的でかつ電気的に導通するスペーサ層ＳＰ１によって分離される２つの強磁性層ＦＭ１，ＦＭ２を含む。第２の強磁性固定基準層または素子１３は、第２の合成反強磁性素子ＳＡＦ２と、永久磁石ＰＭとを含む。第２の合成反強磁性素子ＳＡＦ２は、反強磁性的に結合されるとともに非磁気的でかつ電気的に導通するスペーサ層ＳＰ２によって分離される２つの強磁性層ＦＭ３，ＦＭ４を含む。第１の強磁性固定基準層または素子１４の磁化配向は、磁気設定焼鈍（magnetic set anneal）で設定することができ、第２の強磁性固定基準層または素子１３の磁化配向は永久磁石ＰＭで設定することができる。
【００３４】
本開示のさまざまな構造は、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、スパッタ堆積、および原子層堆積（ＡＬＤ）のような薄膜技術によって作られ得る。
【００３５】
このように、「直行磁化配向方向を伴う基準層を有する磁気スタック」の実施形態が開示される。上述の実行例および他の実行例は、以下の請求項の範囲内にある。当業者は、本開示は、その開示されたもの以外の実施形態を用いても実行することができることを理解するであろう。開示された実施形態は、
である。
【００３６】
後続する請求項における「第１の」、「第２の」などのような数値識別子の使用は、識別および先行詞を提供することを目的とするものである。内容が明らかにそうでないことを示していない場合は、数値識別子は、デバイス、システムまたは装置内に存在することが必要とされるそのような素子の数を称していることを意味しているわけではない。たとえば、デバイスが第１の層を含む場合、そのデバイス内に第２の層が必要とされることが意味されているわけではない。
【図１Ａ】
2012533189.tif 000003
【図１Ｂ】
2012533189.tif 000004
【図２】
2012533189.tif 000005
【図３】
2012533189.tif 000006
【図４】
2012533189.tif 000007
【図５】
2012533189.tif 000008
【国際調査報告】
2012533189.tif 000009
2012533189.tif 000010