(57)【要約】  磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を開示する。ＭＲＡＭデバイスは、磁気トンネル接合構造における自由層の性能を大幅に改善した磁気トンネル接合スタックを有する。ＭＲＡＭデバイスは、ＰＳＣ磁性層の面内磁化方向が自由に回転する垂直ＭＴＪと共に、歳差スピン電流（ＰＳＣ）磁気構造を利用する。歳差スピン電流磁性層は、非磁性歳差スピン電流挿入層によって分離された第１および第２の歳差スピン電流強磁性層である。
2020511002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気デバイスであって、
第１の平面における第１の合成反強磁性構造であって、前記第１の合成反強磁性構造は、磁気基準層を含み、前記磁気基準層が、前記第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向を有している、前記第１の合成反強磁性構造と、
前記磁気基準層上に配置された第２の平面における非磁性トンネル障壁層と、
前記非磁性トンネル障壁層上に配置された第３の平面における自由磁性層であって、前記自由磁性層は、前記第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向とを有し、前記磁気基準層と、前記非磁性トンネル障壁層と、前記自由磁性層とが、磁気トンネル接合を形成する、前記自由磁性層と、
前記自由磁性層上に配置された第４の平面における非磁性スペーサ層であって、前記磁気結合層は、ＭｇＯを含む、前記非磁性スペーサ層と、
第５の平面における歳差スピン電流磁気構造であって、前記歳差スピン電流磁気構造は、前記自由磁性層から物理的に分離され、前記非磁性スペーサ層によって前記自由磁性層に結合されており、前記第５の平面において任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化方向を有する磁化ベクトルを前記第５の平面に有し、第１の歳差スピン電流強磁性層と、非磁性歳差スピン電流挿入層と、第２の歳差スピン電流強磁性層とを含み、前記第１の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性スペーサ層上に配置され、前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、前記第１の歳差スピン電流強磁性層上に配置され、前記第２の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性歳差スピン電流挿入層上に配置される、前記歳差スピン電流磁気構造と、
前記歳差スピン電流磁気構造の上に配置された第６の平面におけるキャップ層と、
を備え、
前記歳差スピン電流磁気構造を通過する電流の電子は、前記歳差スピン電流磁気層の磁気方向に整列され、前記非磁性スペーサ、前記自由磁性層、前記非磁性トンネル障壁層、及び、前記磁気基準層に注入され、
前記歳差スピン電流磁気構造の磁化方向が歳差することにより、前記自由磁性層の磁化ベクトルのスイッチングを促進するためのスピン移行トルクが生じる、磁気デバイス。
【請求項２】
前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、２ナノメートルを超えるスピン拡散長を有する材料で構成されている、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、Ｒｕの薄膜で構成されている、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記Ｒｕの薄膜が、少なくとも１ナノメートルの厚さを有する、請求項３に記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記Ｒｕの薄膜が、１．５ナノメートルの厚さを有する、請求項３に記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記第１の歳差スピン電流強磁性層は、Ｆｅの薄膜を含み、
前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、スピン拡散長の長い材料を含み、
前記第２の歳差スピン電流強磁性層は、ＣｏＦｅＢの薄膜を含む、請求項１に記載の磁気構造。
【請求項７】
前記Ｆｅの薄膜が、０．４ナノメートルの厚さを有する、請求項６に記載の磁気構造。
【請求項８】
前記Ｆｅの薄膜が、０．６ナノメートルの厚さを有する、請求項６に記載の磁気構造。
【請求項９】
前記ＣｏＦｅＢの薄膜の４０パーセントがＣｏ、４０パーセントがＦｅ、および、２０パーセントがＢから構成されている、請求項６に記載の磁気構造。
【請求項１０】
前記ＣｏＦｅＢの薄膜が、１．７ナノメートルの厚さを有する、請求項９に記載の磁気構造。
【請求項１１】
前記ＣｏＦｅＢの薄膜が、１．８５ナノメートルの厚さを有する、請求項９に記載の磁気構造。
【請求項１２】
前記スピン拡散長の長い材料は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ及びＡｌからなる群から選択される、請求項６に記載の磁気構造。
【請求項１３】
前記自由磁性層は、その容易磁化軸が前記垂直方向から離れる方向を指し、垂直平面に対して角度をなすような有効磁気異方性を有する、請求項１に記載の磁気構造。
【請求項１４】
基板上に磁気デバイスを製造する方法であって、
前記基板上に第１の合成反強磁性構造を堆積するステップであって、前記第１の合成反強磁性構造は、第１の平面にあり、前記第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向と、を有する、ステップと、
前記第１の合成反強磁性構造の上に交換結合層を堆積するステップであって、前記交換結合層が、第２の平面にある、ステップと、
前記基板上に第２の合成反強磁性構造を堆積するステップであって、前記第２の合成反強磁性構造は、第３の平面にあり、磁気基準層を含み、前記第２の合成反強磁性構造と前記磁気基準層は、前記第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向と、を有する、ステップと、
非磁性トンネル障壁層を第４の平面に堆積するステップであって、前記非磁性トンネル障壁は、磁気基準層上に配置される、ステップと、
自由磁性層を第５の平面に堆積するステップであって、前記自由磁性層は、前記非磁性トンネル障壁層上に配置され、前記第５の平面に垂直な磁化ベクトルを有し、前記自由磁性層は、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向を有し、前記磁気基準層、前記非磁性トンネル障壁層、および、前記自由磁性層が、磁気トンネル接合を形成する、ステップと、
非磁性スペーサ層を第６の平面に堆積するステップであって、前記非磁性スペーサ層は、前記自由磁性層上に配置される、ステップと、
歳差スピン電流磁気構造を第７の平面に堆積するステップであって、前記歳差スピン電流磁気構造は、前記非磁性スペーサ層によって、前記自由磁性層と物理的に分離され、かつ前記自由磁性層に結合され、前記歳差スピン電流磁気構造は、前記第７の平面において任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化方向を有する磁化ベクトルを第７の平面に有し、前記歳差スピン電流磁気構造を堆積する前記ステップは、
第１の歳差スピン電流強磁性層を前記非磁性スペーサ層上に堆積するステップであって、前記第１の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性スペーサ層上に配置される、ステップと、
非磁性歳差スピン電流挿入層を堆積するステップであって、前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、前記第１の歳差スピン電流強磁性層上に配置される、ステップと、
第２の歳差スピン電流強磁性層を堆積するステップであって、前記第２の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性歳差スピン電流挿入層上に配置される、ステップと、
を備える、ステップと、
第８の平面にキャップ層を堆積させるステップであって、前記キャップ層は、前記歳差スピン電流磁性層上に配置される、ステップと、
前記磁気デバイスを摂氏４００°Ｃ以上の温度でアニールするステップと、
を備える、方法。
【請求項１５】
前記自由磁性層を堆積するステップは、前記自由磁性層が、その容易磁化軸が前記垂直方向から離れる方向を指し、垂直平面に対して角度をなすような有効磁気異方性を有するように、磁気結晶異方性を有する材料を堆積することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板は、前記基板上に製造された相補型金属酸化物半導体回路を有する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許文献は、概して、スピン移行トルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリに関し、より詳細には、強磁性材料と非磁性スペーサ層を使用することで、面異方性を有する歳差スピン電流構造を使用することによって、磁気トンネル接合構造における自由層の性能を改善した磁気トンネル接合スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（「ＭＲＡＭ」）は、磁気記憶素子を通してデータを記憶する不揮発性メモリ技術である。これらの素子は、磁化を保持することが可能な、非磁性金属または絶縁体などの非磁性材料によって分離された２つの強磁性プレートまたは電極である。一般に、プレートの一方は自身の磁化を固定しており（すなわち、「基準層」）、これは、この層が他方の層よりも高い保磁力を有しており、自身の磁化の向きを変化させるためにより大きな磁場またはスピン偏極電流を必要とすることを意味する。他方のプレートは、典型的には自由層と呼ばれ、その磁化方向は、基準層と比べてより小さい磁界またはスピン偏極電流によって変化させることができる。基準層と自由層との間の絶縁体は、自由層から基準層への電子のトンネリングを可能にする。
【０００３】
ＭＲＡＭデバイスは、自由層の磁化の向きを変えることによって情報を記憶する。具体的には、自由層が基準層に対して平行に整列しているか、反平行に整列しているかに基づいて、「１」または「０」のいずれかが各ＭＲＡＭセルに記憶される。スピン偏極電子トンネル効果により、各セルの電気抵抗は、２層の磁化の向きによって変化する。セルの抵抗が平行状態と反平行状態では異なるため、セルの抵抗を使用して「１」と「０」を区別することができる。ＭＲＡＭデバイスの重要な特徴の１つは、電源がオフのときでも情報を保持するため、不揮発性メモリデバイスであることである。２つのプレートは、横方向のサイズがサブミクロンであることが可能であり、それでも、磁化方向は熱的変動に対して安定であり得る。
【０００４】
スピン移行トルク、すなわちスピン移行スイッチングは、スピン整列された（「偏極された」）電子を使用して、磁気トンネル接合における自由層の磁化方向を変化させる。一般に、電子はスピン（電子に固有の角運動量の量子化された数）を有する。一般に、電流は偏極されていない、すなわち電流は５０％のスピンアップ電子と５０％のスピンダウン電子からなる。磁性層に電流を流すことにより、磁性層（すなわち偏極子）の磁化方向に対応するスピン配向を有する電子が偏極され、スピン偏極電流が生じる。磁気トンネル接合デバイスの自由層の磁気領域にスピン偏極電流を流すと、電子は自身のスピン角運動量の一部を磁化層に移行し、自由層の磁化に対してトルクを発生させる。したがって、このスピン移行トルクは、自由層の磁化を切り替えることができ、これによって、自由層が基準層に対して平行状態であるか反平行状態であるかに基づいて、事実上、「１」または「０」が書き込まれる。
【０００５】
図１は、従来のＭＲＡＭデバイス用の磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）スタック１００を示す。図示されるように、スタック１００は、スタック１００の底部に設けられた一つ以上のシード層１１０を含み、その上に堆積される層において所望の結晶成長を開始させる。さらに、ＭＴＪ１３０が、ＳＡＦ層１２０の上に堆積される。ＭＴＪ１３０は、磁性層である基準層１３２と、非磁性トンネル障壁層（すなわち、絶縁体）１３４と、磁性層である自由層１３６とを含む。基準層１３２は、実際にはＳＡＦ層１２０の一部であるが、非磁性トンネル障壁層１３４および自由層１３６が基準層１３２上に形成されると、ＭＴＪ１３０の強磁性プレートのうちの一つを形成することを理解されたい。図１に示すように、磁気基準層１３２は、その平面に垂直な磁化方向を有する。図１にさらに示されるように、自由層１３６も、その平面に垂直な磁化方向を有するが、その方向は１８０度変動できる。
【０００６】
ＳＡＦ層１２０における第１の磁性層１１４は、シード層１１０の上に配置される。また、ＳＡＦ層１２０は、第１の磁性層１１４上に配置された反強磁性結合層１１６を有する。さらに、ＭＴＪ１３０の上部に非磁性スペーサ１４０が配置され、非磁性スペーサ１４０の上部に偏極子１５０が配置される。偏極子１５０は、その平面内に磁気方向を有するが、基準層１３２および自由層１３６の磁気方向に垂直である。偏極子１５０は、ＭＴＪ構造１００に印加される電子（「スピン整列電子」）の電流を偏極するために設けられる。さらに、ＭＴＪスタック１００の下の層を保護するために、偏極子１５０の上に一つ以上のキャップ層１６０を設けてよい。最後に、ハードマスク１７０がキャップ層１６０上に堆積される。ハードマスク１７０は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスを使用して、ＭＴＪ構造１００の下層をパターニングするために設けられる。
【０００７】
面内磁気トンネル接合デバイスのための直交スピン移行などの、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスにおける自由層の磁化スイッチングに役立つ種々の機構が提案されてきた。問題の１つは、面内ＭＴＪ構造に対して直交スピン移行効果を実現するためには、スイッチングに大きなスピン電流が必要になることである。大きなスイッチング電流が必要であることにより、そのようなデバイスの商業的な適用性が制限されてしまう可能性がある。スイッチング電流を低減する方法の１つは、自由層の磁化を低下させることである。しかしながら、自由層の有効磁化を著しく低くすると、直交効果が制限されてしまい、その結果、自由層が、自由層の磁化の最終状態を非決定性にする歳差モードにならない。これは、平面内ＯＳＴ構造の操作ウィンドウを定義する。面内デバイスでは、図１に示されるものとは異なり、基準層および自由層の磁化方向は層の平面内にある。面内デバイスの別の態様では、熱安定性要件が、ＭＴＪデバイスのサイズを約６０ナノメートル以上に制限する可能性がある。
【０００８】
図１に示されるような垂直ＭＴＪ構造にとって、歳差は問題ではない。直交偏極子は、初期状態において自由層の磁化に作用するが、歳差運動が起こると、固定された直交偏極子１５０は、自由層の磁化回転のサイクルのうち半分のみを補助し、サイクルの残りの半分を害する。これは、図２Ａ-２Ｂおよび図３を参照して説明されている。図２Ａ-２Ｂは、ＭＴＪの自由層１３６のスイッチングを示す。図示されるように、自由層１３６は、偏極子１５０の磁化方向に垂直な磁化方向２００を有する。自由層１３６の磁化方向２００は、１８０度回転することができる。図２Ａ-２Ｂは、自由層１３６の磁化ベクトルの軸を中心とする歳差運動を示す。歳差運動中、磁気ベクトル２００は、円錐状に軸の周りを回転し始め、その磁化ベクトル２００’が自由層１３６の垂直軸２０２から偏向する。理想的な場合には、歳差運動の開始前には、磁気ベクトル２００の成分は自由層１３６の平面内に存在せず、歳差運動が開始すると、磁気ベクトル２００’の成分は、面内および自由層１３６に直交して見出すことができる。図２Ｂに見られるように、磁気ベクトル２００’が歳差運動を続ける（つまり、スイッチし続ける）につれて、ベクトル２００’の回転は自由層１３６の中心からさらに延びる。
【０００９】
偏極子１５０のような偏極子を使用する従来のＭＴＪデバイスでは、図１と図３に示されるように、偏極子１５０の磁化方向は固定されている。電流の存在下で、偏極層の磁化の方向は変化しないと述べている米国特許第６，５３２，１６４号も参照されたい。電流がＭＴＪを通過する前は、自由層１３６は、偏極子１５０の磁化方向に対して実質的に垂直な磁化方向２００を有する。自由層１３６の磁化方向２００は１８０度回転することができるが、このような回転は、通常、軸２０２の方向を指すベクトル２０５（図２Ａおよび図３において破線として示される）によって表される自由層固有の減衰能力２０５によって妨げられる。軸２０２は、自由層１３６の平面に垂直である。この減衰２０５は、自由層１３６の磁化方向を維持する減衰定数によって定義される値を有する。
【００１０】
偏極子１５０に電流を流すと、スピン偏極電流が生じ、これにより、磁化ベクトル２００に対して偏極子１５０の方向にスピン移行トルク２１０が生じる。偏極子からのこのスピン移行トルクは、自由層の磁化方向スイッチングを引き起こす主スピン移行トルクに加わる。図１に示すようなデバイスにおいて、スピン移行トルク２１０が自由層１３６に固有の減衰２０５を克服するのを補助し始めると、図２Ａに示すように、磁気方向２００’はその軸を中心に歳差運動し始める。図３に見られるように、スピン移行トルク２１０は、自由層１３６の磁化方向が層の平面に垂直な軸２０２を中心として円錐状に歳差運動することを補助する。スピン偏極電流がスタック１００を横切ると、自由層１３６の磁化は、自由層１３６の磁気方向がスピントルクが歳差運動を引き起こす前の磁気方向と反対になるまで、すなわち自由層１３６の磁気方向が１８０度切り替わるまで、振動を維持しながら連続的に歳差運動する（すなわち、図３に示すように、自身の周りを連続的に回転する）。
【００１１】
図３は、偏極磁性層１５０によって提供されるスピン偏極電流によって補助されるＭＴＪの自由層１３６の歳差運動を示す。偏極子１５０からのスピン偏極電子は、歳差運動２１５の前半において、減衰２０５の克服を補助するトルク２１０を提供する。これは、スピン偏極電流によって提供されるトルク２１０が、自由層１３６の固有減衰２０５のトルクと反対であるためであり、図３の中央部右側に示されている。しかしながら、偏極子１５０からのスピン偏極電子は、歳差運動２２０の後半では、実際にはスイッチングプロセスに悪影響を及ぼす。この理由は、スピン偏極電流における電子のスピンが、電子の偏極の方向にトルク２１０を加えるだけだからである。したがって、磁気ベクトルが、偏極電子のスピンと反対の歳差運動サイクル２２０の半分にあるときには、スピン移行トルク２１０は、実際には自由層１３６の固有減衰２０５とともに作用して、回転をより困難にする。これは、図３の中央部左側に示されている。実際、電子のスピンが歳差運動に悪影響を与えてしまう歳差運動サイクルの半分において、自由層１３６の減衰ならびにスピン移行トルク２１０を克服するのは基準層１３２（図３には示されていない）の磁化ベクトルであり、したがって、歳差運動の完了を可能にするのは基準層１３２である。
【００１２】
これらの従来の装置では、偏極子１５０の磁化方向が固定されているので、歳差運動がいったん始まると、１８０度の歳差運動が完了するまで、スイッチング機構に対してプラスの効果はない。これは、すべてのベクトルが厳密に整列しているときに、偏極電子がスピン移行トルクに最も寄与するからである。
【００１３】
本特許文献と同じ出願人によって出願された米国特許出願第１４／８１４，０３６号には、磁気トンネル接合の自由磁性層から物理的に分離され、スペーサによって自由磁性層に結合される歳差スピン電流（「ＰＳＣ」）磁性層を有するＭＲＡＭデバイスが開示されている。この同時係属出願に記載されたデバイスでは、歳差スピン電流磁性層の磁化方向が自由磁性層の磁化方向の歳差運動に追従するため、自由磁性層の磁化ベクトルのスイッチングを補助するスピン移行トルクが生じる。米国特許出願第１４／８１４，０３６号の開示は、その全体が参照により援用される。
【００１４】
歳差スピン電流磁性層に単一の強磁性層を用いたＭＲＡＭデバイスの性能は、その層の厚さと材料の選択により変化する。層の厚さは、磁気トンネル接合の自由層のスイッチングに及ぼす歳差スピン電流効果の影響に作用するので、歳差スピン電流磁性層の厚さを変化可能であるということは重要である。材料の選択についても同様である。実際、厚さおよび材料の選択は、ＰＳＣ構造のスピントルク効率ならびにＰＳＣ構造と自由層との間の結合強度に影響を及ぼす。
【００１５】
面内強磁性歳差スピン電流磁性層の磁気モーメントは、歳差スピン電流磁性層を通過する電流を十分にスピン偏極させるために、大きくなければならない。歳差スピン電流磁性層の自由層との歳差運動を達成するのに必要とされる、磁気トンネル接合の自由層と歳差スピン電流磁性層との間の必要交換結合もまた、限られた交換結合強度を必要とする。さらに、面内ＰＳＣ層の自由層への近接によって生じる双極子場は、強い静磁気結合に起因して、自由層の安定性の低下を引き起こす可能性がある。本明細書に記載される様々な実施形態は、これらの問題を克服する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
磁気トンネル接合スタックを有するＭＲＡＭデバイスのための歳差スピン電流構造を開示する。
【００１７】
一実施形態では、磁気デバイスは、第１の平面に、第１の合成反強磁性構造を含む。第１の合成反強磁性構造は、磁気基準層を含む。磁気基準層は、第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向を有している。一実施形態はまた、第２の平面に、非磁性トンネル障壁層を含み、非磁性トンネル障壁層は、磁気基準層の上に配置される。一実施形態は、第３の平面に、自由磁性層を含み、自由磁性層は、非磁性トンネル障壁層の上に配置される。自由磁性層は、第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向とを有する。磁気基準層と、非磁性トンネル障壁層と、自由磁性層とは、磁気トンネル接合を形成する。一実施形態はまた、第４の平面に、非磁性スペーサを含み、非磁性スペーサは、自由磁性層の上に配置される。磁気結合層はＭｇＯを含む。一実施形態はまた、第５の平面に歳差スピン電流磁性構造を含み、歳差スピン電流磁性構造は、自由磁性層から物理的に分離され、非磁性スペーサ層によって自由磁性層に結合される。歳差スピン電流磁性構造は、第５面において、任意の磁気方向に自由に回転することができる磁化成分を有する磁化ベクトルを有する歳差スピン電流磁気構造は、第１の歳差スピン電流強磁性層と、非磁性歳差スピン電流挿入層と、第２の歳差スピン電流強磁性層と、を含む。第１の歳差スピン電流強磁性層は、非磁性スペーサ層上に配置されてよい。非磁性の歳差スピン電流挿入層は、第１の歳差スピン電流強磁性層上に配置されてよい。第２の歳差スピン電流強磁性層は、非磁性の歳差スピン電流挿入層上に配置されてよい。一実施形態では、磁気デバイスは、第６の面においてキャップ層をさらに含み、キャップ層は、歳差スピン電流磁気構造の上に配置される。一実施形態では、歳差スピン電流磁気構造を通過する電流の電子は、歳差スピン電流磁気層の磁気方向に整列され、非磁性スペーサ、自由磁性層、非磁性トンネル障壁層、および磁気基準層に注入される。歳差スピン電流磁気構造の磁化方向が歳差することにより、自由磁性層の磁化ベクトルのスイッチングを促進するスピン移行トルクが生じる。
【００１８】
磁気デバイスの一実施形態では、非磁性歳差スピン電流挿入層は、２ナノメートルを超えるスピン拡散長を有する材料から構成されている。
【００１９】
磁気デバイスの一実施形態では、非磁性歳差スピン電流挿入層は、Ｒｕの薄膜で構成されている。
【００２０】
磁気デバイスの一実施形態では、Ｒｕの薄膜は、少なくとも１ナノメートルの厚さを有する。
【００２１】
磁気デバイスの一実施形態では、Ｒｕの薄膜は、１．５ナノメートルの厚さを有する。
【００２２】
磁気デバイスの一実施形態では、第１の歳差スピン電流強磁性層は、Ｆｅの薄膜を含む。非磁性歳差スピン電流挿入層は、スピン拡散長の長い材料を含む。第２の歳差スピン電流強磁性層は、ＣｏＦｅＢの薄膜を含む。
【００２３】
磁気デバイスの一実施形態では、Ｆｅの薄膜は、０．４ナノメートルの厚さを有する。
【００２４】
磁気デバイスの一実施形態では、Ｆｅの薄膜は、０．６ナノメートルの厚さを有する。
【００２５】
磁気デバイスの一実施形態では、ＣｏＦｅＢの薄膜は、４０パーセントのＣｏ、４０パーセントのＦｅ、および２０パーセントのＢからなる。
【００２６】
磁気デバイスの一実施形態では、ＣｏＦｅＢの薄膜は、１．７ナノメートルの厚さを有する。
【００２７】
磁気デバイスの一実施形態では、ＣｏＦｅＢの薄膜は、１．８５ナノメートルの厚さを有する。
【００２８】
磁気デバイスの一実施形態では、スピン拡散長の長い材料は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＭｇおよびＡｌからなる群から選択される。
【００２９】
磁気デバイスの一実施形態では、自由磁性層は、垂直面に対して角度を形成し、自由磁性層の容易軸磁化軸が垂直方向から離れた方向を指すような有効磁気異方性を有する。
【００３０】
一実施形態では、磁気デバイスの製造方法が開示される。この方法は、基板上に第１の合成反強磁性構造を堆積するステップを含む。第１の合成反強磁性構造は、第１の平面にあり、第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向と、を有する。この方法は、第１の合成反強磁性構造の上に交換結合層を堆積するステップを含み、交換結合層は、第２の平面にある。この方法はまた、基板上に第２の合成反強磁性構造を堆積するステップを含む。第２の合成反強磁性構造は、第３の平面にある。第２の合成反強磁性構造は、磁気基準層を含む。第２の合成反強磁性構造と磁気基準層は、第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向と、を有する。この方法はまた、非磁性トンネル障壁層を第４の平面に堆積するステップを含む。非磁性トンネル障壁は、磁気基準層上に配置される。この方法はまた、自由磁性層を第５の平面に堆積するステップを含む。自由磁性層は、非磁性トンネル障壁層上に配置され、第５の平面に垂直な磁化ベクトルを有する。自由磁性層は、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向を有する。磁気基準層、非磁性トンネル障壁層および自由磁性層は、磁気トンネル接合を形成する。この方法はまた、非磁性スペーサ層を第６の平面に堆積するステップを含み、非磁性スペーサ層は、自由磁性層上に配置される。この方法はさらに、歳差スピン電流磁気構造を第７の平面に堆積するステップを含み、歳差スピン電流磁気構造は、非磁性スペーサ層によって、自由磁性層と物理的に分離され自由磁性層に結合される。歳差スピン電流磁気構造は、第７平面において磁化方向を有する磁化ベクトルであって、第７平面内において任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化ベクトルを有する。
【００３１】
歳差スピン電流磁気構造を堆積する方法は、第１の歳差スピン電流強磁性層を堆積するステップを含む。第１の歳差スピン電流強磁性層は、非磁性スペーサ層上に配置される。この方法はさらに、非磁性歳差スピン電流挿入層を堆積するステップを含む。非磁性歳差スピン電流挿入層は、第１の歳差スピン電流強磁性層上に配置される。この方法は、さらに、第２の歳差スピン電流強磁性層を堆積するステップを含む。第２の歳差スピン電流強磁性層は、非磁性歳差スピン電流挿入層上に配置される。
【００３２】
磁気デバイスの製造方法は、キャップ層を第８の平面に堆積するステップをさらに含む。キャップ層は、歳差スピン電流磁性層上に配置される。この方法は、磁気デバイスを摂氏４００°Ｃ以上の温度でアニールするステップをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
本明細書の一部として含まれる添付の図面は、現在好ましい実施形態を例示し、上述の一般的な説明および以下の詳細な説明と共に、本明細書に記載されるＭＴＪデバイスの原理を説明および教示する。
【００３４】
【図１】ＭＲＡＭデバイス用の従来のＭＴＪスタックを示す。
【図２】ＭＴＪにおける自由層の歳差運動を示す。
【図３】ＭＴＪにおける自由層の歳差運動を示す。
【図３】固定された磁化方向を有する偏極磁性層と共に使用されるＭＴＪにおける自由層の歳差運動を示す。
【図４】自由に回転する磁化方向を有する歳差スピン電流磁性層と共に使用されるＭＴＪにおける自由層の歳差運動を示す。
【図５】歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスの一実施形態のためのＭＴＪスタックを示す。
【図４】本明細書に記載の歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスの一実施形態の製造工程を示すフローチャートである。
【図５】本明細書に記載の歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスの一実施形態の製造工程を示すフローチャートである。
【図７】非磁性歳差スピン電流挿入層を有する歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスのためのＭＴＪスタックの実施形態を示す。
【図６】本明細書に記載の歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスの一実施形態の製造工程を示すフローチャートである。
【図７】本明細書に記載の歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスの一実施形態の製造工程を示すフローチャートである。
【図９】非磁性歳差スピン電流挿入層を有する歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスのためのＭＴＪスタックの別の実施形態を示す。
【図８】一実施形態の歳差スピン電流磁性層の磁気方向を示す。
【図９】図７に示すデバイスに関する薄膜振動試料磁力計（ＶＳＭ）の主要ヒステリシス・ループ・データのグラフであり、デバイス層の平面に対して垂直に磁場が印加される。
【図１０】図７に示すデバイスに関する薄膜振動試料磁力計（ＶＳＭ）の主要ヒステリシス・ループ・データのグラフであり、デバイス層の平面内に磁場が印加される。
【図１１】図７に示す歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスの強磁性共鳴（ＦＭＲ）を示すグラフである。
【図１２】非磁性歳差スピン電流挿入層を有する歳差スピン電流磁性層を有するＭＲＡＭデバイスのためのＭＴＪスタックの別の実施形態である。
【００３５】
図面は必ずしも縮尺通りに描かれているわけではなく、同様の構造または機能を有する要素は、図面全体を通して、説明の目的で、概して同様の参照番号によって表される。図面は、本明細書に記載される様々な実施形態を説明し易くすることのみを意図している。図面は、本明細書に開示された教示の全ての態様を説明するものではなく、特許請求の範囲を限定するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下の説明は、当業者が、ＭＲＡＭデバイスのような磁気半導体デバイスのための歳差スピン電流構造を作成し、使用することを可能にするために提示される。本明細書に開示された特徴及び教示の各々は、開示されたシステム及び方法を実施するために、別々に又は他の特徴と併せて利用することができる。これらの追加の特徴および教示の多くを別々に及び組み合わせて利用する代表的な例を、添付図面を参照してさらに詳細に説明する。この詳細な説明は、単に本教示の好ましい態様を実施するためのさらなる詳細を当業者に教示することを意図しており、特許請求の範囲を限定することを意図していない。したがって、以下の詳細な説明に開示される特徴の組み合わせは、最も広い意味において教示を実施するためには必要でない場合があり、単に本教示の特に代表的な例を説明するために教示される。
【００３７】
以下の説明では、単なる説明目的として、本教示の完全な理解を提供するための特定の用語を記載する。しかしながら、これらの特定の詳細が本教示を実施するために必要でないことは当業者には明らかであろう。
【００３８】
本特許文献には、固定された磁化方向を有する偏極層を用いないＭＲＡＭデバイスが開示されている。本特許文献に記載のＭＲＡＭデバイスは、固定された磁化方向を有する偏極層の代わりに、垂直ＭＴＪ４３０と共に歳差スピン電流（ＰＳＣ）磁性層３５０を利用し、ＰＳＣ層の面内磁化成分方向は、自由に回転する（例えば、図４に示される）。ＰＳＣ磁性層３５０は、自由層の磁化の歳差動ダイナミクスとともに回転してよい。これにより、歳差運動の半分だけではなく、歳差運動サイクルの軌道運動全体にわたって、ＰＳＣ層が、スピントルクが自由層３３６の減衰２０５を克服するのを援助するため、自由層３３６のこの固有の減衰を克服する際のスピン電流の影響が著しく改善される。１８０度回転全体にわたるこの歳差スピン電流効果により、自由層の磁化スイッチングが著しく向上する。
【００３９】
図４は、固定された磁化方向を持つ磁気ベクトルを有する偏極層１５０の代わりに、回転する磁化ベクトル２７０を有するＰＳＣ磁性層３５０を使用するＭＲＡＭデバイスの背景にある概念を示す。この実施形態における自由層３３６は、スピン移行トルクの援助によって克服可能な固有の減衰特性２０５を有するという点で、前述の自由層１３６と同様である。しかしながら、図４に示される実施形態は、偏極層１５０をＰＳＣ磁性層３５０に置き換えている。図４の下部に見られるように、自由層３３６を通過するスピン電流によって生じるスピン移行トルク３１０の方向は、ＰＳＣ磁性層３５０の磁化方向の回転に伴って変化する。図４の中央に見られるように、スピン移行トルク３１０は、自由層３３６の磁化方向２００’が層平面に垂直な軸２０２を中心に円錐状に歳差運動するのを援助する。図４は、軸２０２を中心とした磁気方向２００’の回転の進行を示す。上述のように、スピン偏極電流がデバイスを横切ると、自由層３３６の磁化方向は、自由層３３６の磁気方向が、スピントルクが歳差運動を引き起こす前の自由層３３６の磁気方向と反対になるまで、すなわち自由層１３６の磁気方向が１８０度切り替わるまで、振動を維持しながら連続的に歳差運動する（すなわち、図４に示すように、自身の周りを連続的に回転する）。歳差スピン電流層３５０と自由層３３６は、磁気的及び／又は電子的に結合されているので、ＰＳＣ磁性層３５０の磁化ベクトル２７０の磁化方向は、自由層３３６の磁気ベクトルの歳差回転に自由に追従する。これは、図４に示されている。
【００４０】
図４の右側に見られるように、スピン偏極電子はトルク３１０を提供し、このトルクは歳差運動２１５の前半において減衰２０５を克服するのを援助する。これは、スピン偏極電流によって提供されるトルク３１０が、自由層３３６の固有減衰２０５のトルクと反対であるからである。上述したように、ＰＳＣ磁性層３５０の磁化ベクトル２７０の磁化方向は、回転する。したがって、ＰＳＣ磁性層３５０によって生成されるスピン電流の電子の偏極も変化する。これは、自由層３３６の磁気ベクトルに印加されるトルク３１０の方向も変化することを意味し、図４の下部に示されている。したがって、固定偏極磁性層１５０を有する従来のデバイスとは異なり、スピン偏極電流の電子のスピンは、固定偏極磁性層１５０を有するデバイスが実際には歳差運動を妨害してしまう歳差運動サイクル２２０の半分を含む歳差運動サイクルの両半分において、トルク３１０を印加する。これは、図４の左側に示されている。図示されるように、トルク３１０は、歳差運動サイクル全体にわたって、自由層１３６の固有減衰２０５の克服を援助し続ける。
【００４１】
一実施形態では、ＰＳＣ磁性層３５０の歳差ベクトル２７０は、自由層３３６の磁気ベクトルの歳差回転に自由に追従する。自由層の磁化方向は、電流の方向によって最終状態が規定される基準層１３２からのスピントルク３１０によって、切り替えられる。
【００４２】
歳差スピン電流ＭＴＪ構造３００を有するメモリセルを図５に示す。図５に示す実施形態は、本明細書に記載する全ての実施形態と同様に、シリコン基板または磁気デバイスのための他の適切なベース上に形成されることが好ましく、基板上に製造される相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）回路を含んでよい。ＭＴＪ構造３００は、上に堆積される層において所望の結晶成長を始めるための、スタック３００の底部に設けられる一つ以上のシード層３２０を含んでよい。第１の合成反強磁性（ＳＡＦ）層３２２は、シード層３２０の上に配置される。図５に示されるように、第１のＳＡＦ層３２２は、自身の平面に垂直な磁化方向を有する磁性層である。第１のＳＡＦ層３２２の構成の詳細については、後述する。反強磁性（ＡＦＭ）結合層３２４は、第１のＳＡＦ層３２２の上に配置される。ＡＦＭ結合層３２４は、非磁性層である。第２のＳＡＦ層３２６は、ＡＦＭ結合層３２４上に配置される。図５に示されるように、第２のＳＡＦ層３２６は、自身の平面に垂直な磁気方向を有する。図５に示すように、一実施形態において、第１のＳＡＦ層３２２と第２のＳＡＦ層３２６の磁気方向は、反平行である。第２のＳＡＦ層３２６の構成の詳細も、後述する。強磁性結合層３２８は、第２のＳＡＦ層３２６上に配置される。強磁性結合層３２８は、非磁性層である。ＭＴＪ３３０は、強磁性結合層３２８上に堆積される。ＭＴＪ３３０は、基準層３３２と、トンネル障壁層（すなわち、絶縁体）３３４と、自由層３３６とを含む。ＭＴＪ３３０の基準層３３２は、強磁性結合層３２８の上に生成される。ＭＴＪ３３０のトンネル障壁層３３４は、基準層３３２の上に生成される。ＭＴＪ３３０の自由層３３６は、トンネル障壁層３３４上に生成される。なお、合成反強磁性層３２６も、技術的には強磁性結合層３２８および基準層３３２を含むが、ここでは説明のために、別々に図示している。
【００４３】
図５に示すように、基準層３３２の磁化ベクトルは、自身の平面に垂直な磁化方向を有する。図５にさらに示されるように、自由層３３６もまた、自身の平面に垂直な磁化ベクトルを有するが、その方向は１８０度変化可能である。さらに、自由層３３６の設計は、その垂直軸から数度離れた方向を指す自由層３３６の磁化を含んでよい。自由層の磁化の傾斜角は、ＰＳＣ磁性層３５０との相互作用または磁気結晶異方性に起因し、スイッチングの開始を改善することによって自由層の磁化のスイッチングをさらに促進する。基準層３３２と自由層３３６が、それぞれの平面に垂直な磁気方向を有するので、ＭＴＪ３３０は垂直ＭＴＪとして知られている。
【００４４】
非磁性スペーサ層３４０がＭＴＪ３３０上に配置される。歳差スピン電流（「ＰＳＣ」）磁性構造３５０は、非磁性スペーサ層３４０上に配置される。一実施形態では、ＰＳＣ磁性構造３５０は、自身の平面に平行な磁気方向を有する磁化ベクトルを有し、基準層３３２および自由層３３６の磁気ベクトルに垂直である。一つ以上のキャップ層３７０をＰＳＣ層３５０の上に設けて、ＭＴＪスタック３００の下の層を保護してよい。
【００４５】
非磁性スペーサ層３４０は、多くの特性を有する。例えば、非磁性スペーサ層３４０は、自由層３３６とＰＳＣ構造３５０とを物理的に分離する。非磁性スペーサ層３４０は、ＰＳＣ磁性構造３５０から自由層３３６へスピン電流を効率的に伝達する。また、非磁性スペーサ層３４０は、良好な微細構造および高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を促進し、自由層３３６の減衰定数を低く維持するのに役立つ。
【００４６】
本教示によれば、ＰＳＣ磁気構造３５０は複数の層を含む。非磁性スペーサ層３４０上には、第１の歳差スピン電流（「ＰＳＣ」）強磁性層３４３が形成されている。第１のＰＳＣ強磁性層３４３上には、非磁性歳差スピン電流（「ＰＳＣ」）挿入層３４５が形成されている。非磁性ＰＳＣ挿入層３４５上には、第２の歳差スピン電流（「ＰＳＣ」）強磁性層３４７が形成されている。
【００４７】
非磁性ＰＳＣ挿入層３４５は、ＰＳＣ磁性構造３５０の自由層３３６への静的及び動的結合の両方を調整可能であるので、ＰＳＣ磁性構造３５０の性能を改善する。静的結合は交換結合であり、動的結合はスピンポンピング効果である。
【００４８】
第１の強磁性ＰＳＣ層３４３および第２の強磁性ＰＳＣ層３４７を非磁性ＰＳＣ挿入層３４５によって分離することにより、ＰＳＣ磁気構造３５０と自由層３３６との強い静磁気結合が回避される。これにより、自由層３３６の安定性を維持しながら、ＰＳＣ磁気構造３５０の歳差運動が自由層３３６に及ぼす影響が改善される。一実施形態では、薄い非磁性ＰＳＣ挿入層３４５が使用され、非磁性ＰＳＣ挿入層３４５を介して第１の強磁性ＰＳＣ層３４３と第２の強磁性ＰＳＣ層３４７の静的および動的結合を達成することができる。静的結合は交換結合によって起こり、動的結合はスピンポンピングによって起こる。静的および動的結合は、第１の強磁性ＰＳＣ層３４３と第２の強磁性ＰＳＣ層３４７の磁気ベクトルの磁気方向の歳差運動を引き起こす。一実施形態によると、非磁性ＰＳＣ挿入層３４５は、１〜３ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。非磁性ＰＳＣ挿入層３４５が約１ナノメートルの厚さを有する場合、交換によって静的結合が達成され、隣接する第１の強磁性ＰＳＣ層３４３と第２の強磁性ＰＳＣ層３４７の歳差磁化のスピンポンピング効果によって動的結合が達成される。非磁性ＰＳＣ挿入層３４５の厚さが１ナノメートルよりも大きい場合、隣接する第１の強磁性ＰＳＣ層３４３と第２の強磁性ＰＳＣ層３４７間の交換結合は小さくなるが、スピンポンピング効果による動的結合は存在し、支配的になる。このアプローチは、ＰＳＣ磁気構造３５０と自由層３３６との間の結合をより良好に制御する。
【００４９】
磁気トンネル接合３３０の自由層３３６をスイッチングできるスピン偏極電流は、非磁性ＰＳＣ挿入層３４５によって促進されるスピンポンピング作用および／または交換結合を利用することで、ＰＳＣ磁性構造３５０によって提供される。非磁性スペーサ層３４０上に直接堆積され得る第１の強磁性ＰＳＣ層３４３は、第２の強磁性ＰＳＣ層３４７によって生成されるスピン電流の連続性を確保し、プログラミング電流のスピン偏極電子を自由層３３６に伝達する。さらに、例えばデバイスの読み出し動作中に、小さなＤＣ電流がＰＳＣ磁気構造３５０を通過すると、ＰＳＣ磁気構造３５０の歳差磁気ベクトルの横方向成分のほんの一部のみが自由層３３６に伝達される。このＰＳＣ磁気構造３５０の歳差磁気ベクトルの横方向成分の一部は、ＰＳＣ磁気構造３５０の膜平面に垂直であり、自由層３３６に平行である。スピンポンピングおよびスピン拡散理論によれば、歳差磁気ベクトルの横方向成分は磁気減衰に関連するので、この寄与は、異なる磁気減衰係数を達成するために、材料の厚さならびに適切な材料を選択することによって、調整することもできる。これは、原則として、自由層３３６の安定化の向上に寄与し、データ保持性を改善することができる。
【００５０】
上述したように、ＭＲＡＭセルは、例えば電流源３７５からの直流電流をＰＳＣ磁気構造３５０、磁気トンネル接合３３０、およびデバイス３００の残りの構造に流すことによって、プログラムされる。プログラミング（例えば、書き込み動作）に使用される電流は、読み取り動作に使用される電流よりも大幅に大きい可能性がある。デバイス書き込み動作時に使用される直流電流が大きいほど、第２のＰＳＣ強磁性層３４７の磁気ベクトルの歳差角は大きくなる。さらに、第２のＰＳＣ強磁性層３４７の磁気ベクトルの面内成分は、自由層３３６に対して現在直交しているスピンポンピングによって第１のＰＳＣ強磁性層３４３に伝達され、これによって、自由層３３６のスイッチングに必要なエネルギー障壁が低下する。その結果、偏極子層１５０などの固定偏極層または他のＰＳＣ磁性層を使用する他のＭＲＡＭデバイスに比べて、自由層３３６をスイッチングするのに必要なスイッチング電流の量が低減される。
【００５１】
ＰＳＣ磁性構造３５０は、以下の追加的な特性を有する。まず、一実施形態では、ＰＳＣ磁性構造３５０の磁化方向は層の平面内にあるが、自由層３３６の磁化方向に対して垂直である。図１０に示されるような他の実施形態では、ＰＳＣ磁性構造３５０の磁化方向は、水平成分Ｘおよび垂直成分Ｚを有してよく、これにより、自由層３３６の平面とＰＳＣ磁性構造３５０の磁気方向２７０との間の角度θが０度から９０度未満の任意の角度となり得る。ただし、前述のように、この角度は、磁気方向が平面内にとどまるよう実現可能な限りゼロに近い。同様に、図示されるように、磁化ベクトルは、垂直軸を中心に歳差運動しながら、図１０で円錐状の回転２８０として示されるように、回転するようにスピンしてよい。なお、この状況では、自由層３３６の平面とＰＳＣ磁性層３５０の磁気方向２７０との間の角度θは、変化する。
【００５２】
図５に示すＭＴＪ構造のシード層３２０は、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｎｉ、Ｆｅ、またはこれらの合金を含むことが好ましい。第１のＳＡＦ層３２２は、Ｃｏ／Ｎｉの多層構造またはＣｏ／Ｐｔの多層構造のいずれかを含むことが好ましい。第２のＳＡＦ層３２６は、好ましくは、Ｃｏ／Ｎｉの多層構造またはＣｏ／Ｐｔの多層構造のいずれかと、２〜５オングストロームの厚さを有するタンタルからなる薄い非磁性層とを含む。反強磁性結合層３２４は、好ましくは、３〜１０オングストロームの範囲の厚さを有するＲｕから形成される。強磁性結合層３２８は、１〜１０オングストロームの範囲の厚さを有する、Ｔａ、Ｗ、ＭｏまたはＨｆの層から形成される。トンネル障壁層３３４は、約１０オングストロームの厚さを有する、ＭｇＯのような絶縁材料で形成されることが好ましい。自由層３３６は、好ましくは、トンネル障壁層３３４の上に堆積されたＣｏＦｅＢで形成される。自由層３３６は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの層又はこれらの合金の層を有してよい。ＭＴＪ３３０上のスペーサ層３４０は、２〜２０オングストロームのルテニウム、２〜２０オングストロームのＴａ、２〜２０オングストロームのＴａＮ、２〜２０オングストロームのＣｕ、２〜２０オングストロームのＣｕＮ、または２〜２０オングストロームのＭｇＯなどの任意の非磁性材料であってよい。
【００５３】
次に、歳差スピン電流ＭＴＪ構造３００を用いてビットを書き込む方法について説明する。具体的には、歳差スピン電流磁性構造３５０、非磁性スペーサ層３４０、自由磁性層３３６、非磁性トンネル障壁層３３４、および基準層３３２を通して電流を流す電流源３７５によって、電流が供給される。歳差スピン電流磁性構造３５０を通過する電流の電子は、歳差スピン電流磁性構造３５０の磁気方向にスピン偏極し、これにより、非磁性スペーサ層３４０を通過するスピン偏極電流が生じる。スピン偏極電流は、自由層３３６にスピン移行トルクを印加し、これにより、自由層３３６を構成する磁性材料に固有の減衰の克服が援助される。その結果、図４に示される自由磁性層３３６の自身の軸を中心とした歳差運動が引き起こされる。
【００５４】
自由磁性層３３６の磁気方向が歳差運動し始めると、図４に見られるように、ＰＳＣ磁性構造３５０の磁気方向が回転し始める。ＰＳＣ磁性構造３５０の磁気方向の回転は、ＰＳＣ磁性構造３５０の磁気方向に対応するように、電流の電子のスピン偏極を変化させる。スピン偏極電流の電子のスピンはＰＳＣ磁性構造３５０の磁気方向に対応するので、電子のスピンは、スイッチングサイクル全体にわたって変化する方向で、自由層３３６に対してスピン移行トルクを印加する。したがって、ＰＳＣ磁性構造３５０を使用するデバイスは、スイッチングサイクル全体にわたってスピン移行トルク３１０を提供することができる。
【００５５】
特に、ＰＳＣ磁性構造３５０およびスペーサ層３４０を利用する本明細書に記載の構造は、歳差運動サイクル全体にわたってＭＴＪの自由層３３６にスピン電流を提供する歳差磁化を生じさせるため、自由層スイッチングプロセスを著しく向上させ、それにより、書き込み時間がより速くなる。
【００５６】
ＭＲＡＭスタック５００の一実施形態を製造する方法４００を示すフローチャートを図６Ａ〜図６Ｂに示す。ＭＲＡＭスタック５００は、通常、ある形態の基板上に生成され、この基板は、ある形態ではシリコン基板であってよい。ＭＲＡＭスタック５００は、図７に示されている。第１ステップ４０２では、シード層５２０が堆積される。一実施形態によると、シード層５２０は、ステップ４０４でＴａＮ層５０４を堆積し、次いでステップ４０６でＣｕ層５０６を堆積することによって構成されてよい。一実施形態によると、ＴａＮ層５０４は、厚さが５ナノメートルの薄膜であり、Ｃｕ層５０６は、厚さが５ナノメートルの薄膜である。別の実施形態では、ＴａＮ層５０４は、２〜２０ナノメートルの範囲の厚さを有してよく、Ｃｕ層５０６は、０〜２０ナノメートルの厚さを有してよい。
【００５７】
ステップ４０８では、第１の垂直合成反強磁性層５２２が堆積される。一実施形態によると、第１の垂直合成反強磁性層５２２は、Ｐｔ層５０８（ステップ４１０で堆積される）と、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０（ステップ４１２で堆積される）と、Ｃｏ層５１２（ステップ４１４で堆積される）とを含んでよい。一実施形態によると、Ｐｔ層５０８は、０．７ナノメートルの厚さを有するＰｔ薄膜である。他の実施形態では、Ｐｔ層５０８は、０．５から２０ナノメートルの範囲の厚さを有するＰｔ薄膜を含んでよい。Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０は、０．６ナノメートルの厚さを有するＣｏの薄膜と、０．４ナノメートルの厚さを有するＰｔの薄膜とを含んでよい。他の実施形態では、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０のＣｏ層は、０．１から１ナノメートルの厚さを有してよく、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０のＰｔ層は、０．１から１ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。一実施形態によると、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０が６つのＣｏ／Ｐｔ多層を含むように、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１０が繰り返される。一実施形態によると、Ｃｏ層５１２は、０．６ナノメートルの厚さを有する薄膜である。他の実施形態では、Ｃｏ層５１２は、０．１から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。
【００５８】
図７に見られるように、第１の垂直合成反強磁性層５２２は、自身の平面に垂直な方向を有する磁気ベクトルを有する。第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向は固定されており、通常の動作条件下において、その方向は変化しない（すなわち、回転または歳差運動しない）。
【００５９】
ステップ４１６において、交換結合層５２４が堆積される。一実施形態では、交換結合層５２４は、０．８ナノメートルの厚さを有するＲｕ薄膜を含み、他の実施形態では、０．３から１．５ナノメートルの範囲であってよい。
【００６０】
ステップ４１８では、第２の垂直合成反強磁性層５２６が生成される。第２の垂直合成反強磁性層５２６の生成（ステップ４１８）は多くのステップを含み、後述するように、磁気トンネル接合５３０の基準層５３２の生成を含む。ステップ４２０では、Ｃｏ層５１４が堆積される。一実施形態では、Ｃｏ層５１４は、０．３ナノメートルの厚さを有する薄膜であり、他の実施形態では、０．１から１．０ナノメートルの厚さを有してよい。その後、ステップ４２０において、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１６が堆積される。一実施形態によると、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１６は、０．６ナノメートルの厚さを有するＣｏの薄膜と、０．４ナノメートルの厚さを有するＰｔの薄膜とを含む。他の実施形態では、Ｃｏの薄膜は、０．１から１．０ナノメートルの厚さを有してよく、Ｐｔの薄膜は、０．１から１．０ナノメートルの厚さを有してよい。さらに、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１６は、本明細書に記載するように、複数のＣｏ／Ｐｔ層を含んでよい。一実施形態によると、Ｃｏ／Ｐｔ多層５１６は、上述の厚さ特性を有する２つのＣｏ／Ｐｔ多層を有する。ステップ４２２でＣｏ／Ｐｔ多層５１６を堆積した後、本明細書に記載の方法は、ステップ４２４でコバルト層５１８を堆積する。一実施形態では、Ｃｏ層５１８は、０．６ナノメートルの厚さを有する薄膜であり、他の実施形態では、Ｃｏ層５１８は、０．１から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。Ｃｏ層５１４、Ｃｏ／Ｐｔ層５１６およびＣｏ層５１８は共に、磁気構造を形成する。Ｃｏ層５１４、Ｃｏ／Ｐｔ層５１６およびＣｏ層５１８の組み合わせの磁気方向は、各層の平面に対して垂直かつ第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行であるように固定されている。
【００６１】
Ｃｏ層５１４、Ｃｏ／Ｐｔ層５１６およびＣｏ層５１８の組合せの磁気特性は、第２の垂直合成反強磁性層５２６の基準層５３２の磁気特性と相互作用し、第２の垂直合成反強磁性層５２６の各層の平面に対して垂直かつ第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行な固定の磁気方向を有する磁気ベクトルを生成する。これらの磁気ベクトルは図示されており、図７では、第２の垂直合成反強磁性層５２６が、第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行な固定された垂直磁気方向を有することが分かる。なお、第２の垂直合成反強磁性層５２６および第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向は、通常の動作条件下では固定されている。
【００６２】
Ｃｏ層５１８を堆積した後（ステップ４２４）、強磁性結合層５２８を堆積する（ステップ５２６）。一実施形態によると、強磁性結合層５２８は、０．２ナノメートルの厚さを有するＴａの薄膜である。他の実施形態では、強磁性結合層５２８は、厚さが０．１から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＴａ、Ｗ、Ｈｆ、またはＭｏの薄膜であってもよい。
【００６３】
ステップ４２６で強磁性結合層５２８を堆積した後、基準層５３２を堆積する（ステップ４２８）。ステップ４２８の基準層５３２の生成は、磁性層５２７の堆積（ステップ４３０）、タングステン（Ｗ）層５２９の堆積（ステップ４３２）、および磁性層５３１の堆積（ステップ４３４）を含むいくつかのステップを含む。一実施形態によると、磁性層５２７は、６０パーセントが鉄（Ｆｅ）、２０パーセントがコバルト（Ｃｏ）、２０パーセントがホウ素（Ｂ）であるＣｏＦｅＢの薄膜を含み、この薄膜は、０．６ナノメートルの厚さを有する。一実施形態において、Ｗ層５２９は、０．２ナノメートルの厚さを有する薄膜を含む。一実施形態において、磁性層５３１は、６０パーセントが鉄（Ｆｅ）、２０パーセントがコバルト（Ｃｏ）、２０パーセントがホウ素（Ｂ）であるＣｏＦｅＢの薄膜を含み、この薄膜は、０．８ナノメートルの厚さを有する。他の実施形態では、磁性層５２７は、０．５から１．５ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜を含んでよく、Ｗ層５２９は、０．１から１．０ナノメートルの厚さを有する薄膜を含んでよく、磁性層５３１は、０．５から２．０ナノメートルの厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜を含んでよい。
【００６４】
基準層５３２は、磁性材料を用いて構成されているので、自身の平面に垂直な磁気方向を有する磁気ベクトルを有し、方向が固定されており、第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行である。上述され、図７にも見られるように、第２の垂直合成反強磁性層５２６の集合材料は、集合層の各々の平面に対して垂直であり、固定されており、かつ第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向に対して反平行な磁気方向を有する磁気ベクトルを有する。なお、第１の垂直合成反強磁性層５２２および第２の垂直合成反強磁性層５２６の特定の磁気方向は、各平面に対して垂直かつ互いに反平行である限り、重要ではない。
【００６５】
上述したように、基準層５３２は、磁気トンネル接合５３０を形成する構造の一つである。磁気トンネル接合５３０を含むＭＲＡＭスタック５００の製造方法を示すフローチャートは、図６Ｂに続く。ステップ４３６では、非磁性トンネル障壁層５３４が、基準層５３２上に堆積される。一実施形態によると、非磁性トンネル障壁５３４は、例えばＭｇＯのような絶縁材料の薄膜として形成され、１．１ナノメートルの厚さを有する。非磁性トンネル障壁５３４の目的は、上述された通りである。
【００６６】
磁気トンネル接合５３０の生成は、ステップ４３８へと続き、ステップ４３８では、自由層５３６が非磁性トンネル障壁５３４の上に堆積される。自由層５３６の生成は、いくつかのステップを含む。ステップ４４０では、磁性層５３５が非磁性トンネル障壁５３４上に堆積される。一実施形態によると、磁性層５３５は、６０パーセントが鉄（Ｆｅ）、２０パーセントがコバルト（Ｃｏ）、２０パーセントがホウ素（Ｂ）であるＣｏＦｅＢの薄膜からなり、１．２ナノメータの厚さを有する。他の実施形態では、磁性層５３５は、０．５から２．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜または他の適切な磁性材料の薄膜を含んでよい。自由層５３５の生成は、ステップ４４２へと続き、ステップ４４２では、Ｗ層５３７が堆積される。一実施形態では、Ｗ層５３７は、０．２ナノメートルの厚さを有するＷの薄膜を含み、他の実施形態では、０．１から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。ステップ４４４では、自由層５３６の生成が続けられ、磁性層５３９が形成される。一実施形態によると、磁性層５３９は、６０パーセントが鉄（Ｆｅ）、２０パーセントがコバルト（Ｃｏ）、２０パーセントがホウ素（Ｂ）からなるＣｏＦｅＢの薄膜を含んでよく、０．９ナノメータの厚さを有してよい。他の実施形態では、磁性層５３９は、０．５から１．５ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜または他の適切な磁性材料の薄膜を含んでよい。
【００６７】
集合的に、磁性層５３５および５３９は、非磁性Ｗ層５３７とともに、自由磁性層５３６を形成する。自由磁性層５３６は、自身の平面に垂直な磁気方向を有する磁気ベクトルを有する。加えて、自由磁性層５３６の設計は、自由層５３６の垂直軸から数度離れた方向を指す自由層５３６の磁化を含んでよい。自由層の磁化の傾斜角は、ＰＳＣ磁性層５５０との相互作用または磁気結晶異方性に起因している可能性があり、スイッチングの開始を改善することによって、自由層の磁化のスイッチングをさらに促進する。図７に見られるように、自由磁性層５３６の磁気方向は、一方の方向から他方の方向へ、反平行方向に１８０度切り替わることができる。
【００６８】
ステップ４３８で磁気トンネル接合５３０を生成した後、ステップ４４６が実施され、非磁性スペーサ層５４０が堆積される。一実施形態によると、非磁性スペーサ層５４０は、０．９ナノメートルの厚さを有するＭｇＯの薄膜を含んでよい。他の実施形態では、スペーサ層５４０は、０．５から１．５ナノメートルの範囲の厚さを有するＭｇＯの薄膜を含んでよい。他の実施形態では、スペーサ層５４０は、２０１５年９月２５日に出願され、「Spin Transfer Torque Structure For MRAM Devices Having A Spin Current Injection Capping Layer.」という名称の米国特許出願第１４／８６６，３５９号に記載されているように構成されてよい。米国特許出願第１４／８６６，３５９号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【００６９】
スペーサ層５４０の堆積後、歳差スピン電流磁性構造５５０が堆積される（ステップ４５０）。図６Ｂに見られるように、歳差スピン電流磁性構造５５０の生成は、いくつかのステップを含む。ステップ４５２では、第１の歳差スピン電流強磁性層５４３が、スペーサ層５４０上に生成される。一実施形態によると、第１の歳差スピン電流強磁性層５４３は、０．４ナノメートルの厚さを有するＦｅの薄膜を含む。他の実施形態では、第１の歳差スピン電流強磁性層５４３は、０．５から２．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＦｅの薄膜を含んでよい。
【００７０】
ステップ４５４では、磁性Ｆｅ層５４３上に非磁性歳差スピン電流挿入層５４５が堆積される。一実施形態によると、非磁性歳差スピン電流挿入層５４５は、１．５ナノメートルの厚さを有するＲｕの薄膜を含んでよい。後述するように、非磁性歳差スピン電流挿入層５４５の厚さは、第１の歳差スピン電流強磁性層５４３と第２の歳差スピン電流強磁性層５４７との結合（以下で説明する）を制御および調整するように、選択されてよい。非磁性歳差スピン電流挿入層５４５を使用することで、いくつかの改善点および利点が得られる。例えば、非磁性歳差スピン電流挿入層５４５は、歳差スピン電流磁気構造５５０がスピンポンピング作用を利用して、歳差スピン電流磁気構造５５０のスピントルク効率を制御することを可能にする。非磁性歳差スピン電流挿入層５４５はまた、第１の歳差スピン電流強磁性層５４３と自由層５３６との間の分離の厚さに起因して自由層５３６に作用する双極子フリンジ磁界を歳差スピン電流磁気構造５５０から減少させることができる。強いフリンジング磁界は望ましくない効果であり、自由層５３６に作用する大きな双極子磁界のせいで、通常の動作条件下での自由層５３６のスイッチングを妨げる可能性がある。
【００７１】
図７に示す実施形態の非磁性歳差スピン電流挿入層５４５はＲｕで構成されてよいが、比較的長いスピン拡散長、例えば５ナノメートルより大きいスピン拡散長を有する他の非磁性材料を使用が使用されてもよい。このような非磁性材料の例としては、Ｃｕ（約４００ｎｍのスピン拡散長を有する）、Ａｇ（約１５０ｎｍのスピン拡散長を有する）、Ａｕ（約３５ｎｍのスピン拡散長を有する）、Ｍｇ（約１５０ｎｍのスピン拡散長を有する）、Ａｌ（約３００ｎｍのスピン拡散長を有する）等が挙げられる。上述のＲｕのスピン拡散長は、約１０ｎｍである。比較的長いスピン拡散長を有するこれらのような材料を使用することで、スピンポンピング効果による動的結合によって、歳差スピン電流磁気構造５５０の所望のスピントルク効率を達成することが可能である。
【００７２】
ステップ４５６では、第２の歳差スピン電流強磁性層５４７が堆積される。一実施形態によると、第２の歳差スピン電流強磁性層５４７は、４０％が鉄（Ｆｅ）、４０％がコバルト（Ｃｏ）、２０％がホウ素（Ｂ）からなり、厚さが１．７ナノメートルのＣｏＦｅＢ薄膜を含む。他の実施形態では、第２の歳差スピン電流強磁性層５４７は、１．０〜５．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びそれらの合金の薄膜から構成されていてよい。
【００７３】
なお、スペーサ層５４０は、歳差スピン電流磁気構造５５０から磁気トンネル接合５３０へ効果的にスピン偏極電流を注入のために使用されることに留意されたい。スピン電流は、第２の歳差スピン電流強磁性層５４７の磁化方向を歳差運動させることによって生成され、スピンポンピング効果を利用して、スピン拡散輸送によって非磁性歳差スピン電流挿入層５４５を通って第１の歳差スピン電流強磁性層５４３へと運ばれる。第２の歳差スピン電流強磁性層５４７と第１の歳差スピン電流強磁性層５４３の磁化は、スピンポンピング作用によって動的に結合する。第１の歳差スピン電流強磁性層５４３は、スピン電流注入層として機能し、第２の歳差スピン電流強磁性層５４７によって生成されるスピン電流の連続性を提供する。
【００７４】
また、非磁性歳差スピン電流挿入層５４５の厚さが約１ナノメータを超えると、第１の歳差スピン電流強磁性層５４３と第２の歳差スピン電流強磁性層５４７と間の交換結合が著しく減少することに留意されたい。しかし、非磁性歳差スピン電流挿入層５４５の厚さが約１ナノメータを超えると、スピンポンピング効果による第２の歳差スピン電流強磁性層５４７と第１の歳差スピン電流強磁性層５４３との動的結合が優勢となる。したがって、非磁性歳差スピン電流挿入層５４５によって分離された第１の歳差スピン電流強磁性層５４３および第２の歳差スピン電流強磁性層５４７を有する歳差スピン電流磁気構造５５０を使用することで、より良好な制御が提供され、歳差スピン電流磁気構造５５０と自由層５３６との間の結合の調整が可能となる。
【００７５】
ステップ４５０で歳差スピン電流磁性構造５５０を生成した後、キャップ層５５１が堆積される（ステップ４６０）。キャップ層５５１の生成は、ＴａＮ層５５３の堆積（ステップ４６２）と、Ｒｕ層５５５の堆積（ステップ４６４）とを含んでよい。一実施形態では、ＴａＮ層５５３は、２．０ナノメートルの厚さを有するＴａＮの薄膜を含み、他の実施形態では、ＴａＮ層５５３は、１．０から５．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。一実施形態では、Ｒｕ層５５５は、１０ナノメートルの厚さを有するＲｕの薄膜を含み、他の実施形態では、Ｒｕ層５５５は、１．０から２０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。他の実施形態では、キャップ層５５１は、Ｒｕの層（ＴａＮは含まれていない）、またはＭｇＯの層を含む。特定のキャップ構造の選択は、いくつかの理由のうち、使用される特定のアニーリング温度の影響を受ける。これは、これらの特定の材料が、アニール温度によって異なる特性を有するという事実に起因している。
【００７６】
ステップ４６６では、ハードマスク５５７が堆積される。ハードマスク５５７は、ＴａＮを含んでよい。その後、ＭＴＪスタック５００は、摂氏３００°Ｃで１時間アニールされる。このようなデバイスは、アニール後、１００％を超えるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を有し、抵抗面積積（ＲＡ）は５〜１０Ωμｍ２の範囲であった。
【００７７】
一実施形態であるＭＲＡＭスタック７００を製造する方法６００を示すフローチャートを図８Ａ、図８Ｂに示す。ＭＲＡＭスタック７００は、通常、ある形態の基板上に製造される。特定の実施形態では、基板はシリコン基板であってよく、その上に製造される相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）回路を含んでよい。ＭＲＡＭスタック７００を図９に示す。最初のステップ６０２は、シード層７２０を堆積することである。一実施形態によると、シード層７２０は、ステップ６０４でＴａＮ層７０４を堆積し、次いでステップ６０６でＣｕ層７０６を堆積することによって構成されてよい。一実施形態によると、ＴａＮ層７０４は、１０ナノメートルの厚さを有する薄膜であり、Ｃｕ層７０６は、３ナノメートルの厚さを有する薄膜である。代替実施形態では、ＴａＮ層７０４は、２．０〜２０ナノメートルの範囲の厚さを有してよく、Ｃｕ層７０６は、０〜２０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。
【００７８】
ステップ６０８では、第１の垂直合成反強磁性層７２２が堆積される。一実施形態によると、第１の垂直合成反強磁性層７２２は、Ｐｔ層７０８（ステップ６１０で堆積される）と、Ｃｏ／Ｐｔ多層７１０（ステップ６１２で堆積される）と、Ｃｏ層７１２（ステップ６１４で堆積される）とを含んでよい。一実施形態によると、Ｐｔ層７０８は、０．７ナノメートルの厚さを有するＰｔ薄膜である。他の実施形態では、Ｐｔ層７０８は、０．５〜２０ナノメートルの範囲の厚さを有するＰｔ薄膜を含んでよい。Ｃｏ／Ｐｔ多層７１０は、０．６ナノメートルの厚さを有するＣｏの薄膜と、０．４ナノメートルの厚さを有するＰｔの薄膜とを含んでよい。他の実施形態では、Ｃｏ／Ｐｔ多層７１０のＣｏ層は、０．１〜１．０ナノメートルの厚さを有してよく、Ｃｏ／Ｐｔ多層７１０のＰｔ層は、０．１〜１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。一実施形態によると、Ｃｏ／Ｐｔ多層７１０は、Ｃｏ／Ｐｔ多層７１０が６つのＣｏ／Ｐｔ多層を含むように繰り返される。一実施形態によると、Ｃｏ層７１２は、０．６ナノメートルの厚さを有する薄膜である。他の実施形態では、Ｃｏ層７１２は、０．１〜１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。
【００７９】
図９に示すように、第１の垂直合成反強磁性層７２２は、自身の平面に垂直な方向を有する磁気ベクトルを有する。第１の垂直合成反強磁性層７２２の磁気方向は固定されており、通常の動作条件下では方向を変えない（すなわち、回転または歳差運動しない）。合成反強磁性層の厚さは、デバイス製造後に自由層に作用する、ＭＴＪ構造内の基準層および他の磁性層から生じる双極子フリンジング場を最小化するように選択されてよい。
【００８０】
ステップ６１６において、交換結合層７２４が堆積される。一実施形態では、交換結合層７２４は、０．８ナノメートルの厚さを有するＲｕ薄膜を含み、他の実施形態では、０．３〜１．５ナノメートルの範囲であってよい。
【００８１】
ステップ６１８では、第２の垂直合成反強磁性層７２６が生成される。第２の垂直合成反強磁性層７２６の生成（ステップ６１８）は、多くのステップを含み、後述するように、磁気トンネル接合７３０の基準層７３２の生成を含む。ステップ６２０では、Ｃｏ層５１４が堆積される。一実施形態では、Ｃｏ層７１４は、０．３ナノメートルの厚さを有する薄膜であり、他の実施形態では、０．１〜１．０ナノメートルの厚さを有してよい。その後、ステップ６２０において、Ｃｏ／Ｐｔ多層７１６が堆積される。一実施形態によると、Ｃｏ／Ｐｔ多層７１６は、０．６ナノメートルの厚さを有するＣｏの薄膜と、０．４ナノメートルの厚さを有するＰｔの薄膜とを含む。他の実施形態では、Ｃｏの薄膜は、０．１〜１．０ナノメートルの厚さを有してよく、Ｐｔの薄膜は、０．１〜１．０ナノメートルの厚さを有してよい。さらに、Ｃｏ／Ｐｔ多層７１６は、本明細書に記載するように、複数のＣｏ／Ｐｔ層を含んでよい。一実施形態によると、Ｃｏ／Ｐｔ多層７１６は、上述の厚さ特性を有する２つのＣｏ／Ｐｔ多層を有する。ステップ６２２でＣｏ／Ｐｔ多層７１６を堆積した後、本明細書に記載の方法は、ステップ６２４で、コバルト層７１８を堆積する。一実施形態では、Ｃｏ層７１８は、０．９ナノメートルの厚さを有する薄膜であり、他の実施形態では、Ｃｏ層７１８は、０．１〜１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。
【００８２】
Ｃｏ層７１４、Ｃｏ／Ｐｔ層７１６およびＣｏ層７１８は共に、磁気構造を形成する。Ｃｏ層７１４、Ｃｏ／Ｐｔ層７１６およびＣｏ層７１８の組み合わせの磁気方向は、各層の平面に対して垂直（なお、数度のばらつきは垂直と考えられる範囲内である）かつ第１の垂直合成反強磁性層７２２の磁気方向に対して反平行であるように固定されている。Ｃｏ層７１４、Ｃｏ／Ｐｔ層７１６およびＣｏ層７１８の組合せの磁気特性は、第２の垂直合成反強磁性層７２６の基準層７３２の磁気特性と相互作用し、第２の垂直合成反強磁性層７２６の各層の平面に対して垂直かつ第１の垂直合成反強磁性層７２２の磁気方向に対して反平行な固定の磁気方向を有する磁気ベクトルを生成する。これらの磁気ベクトルは図示されており、図９では、第２の垂直合成反強磁性層７２６が、第１の垂直合成反強磁性層７２２の磁気方向に対して反平行な固定された垂直磁気方向を有することが分かる。なお、第２の垂直合成反強磁性層７２６および第１の垂直合成反強磁性層７２２の磁気方向は、通常の動作条件下では、固定されている。
【００８３】
ステップ６２４におけるＣｏ層７１８の堆積の後、基準層７３２が堆積される（ステップ６２８）。ステップ６２８の基準層７３２の生成は、タングステン（Ｗ）層７２９の堆積（ステップ６３２）および磁性層７３１の堆積（ステップ６３４）を含むいくつかのステップを含む。一実施形態によると、Ｗ層７２９は、０．３ナノメートルの厚さを有する薄膜を含む。一実施形態によると、磁性層７３１は、６０％が鉄（Ｆｅ）、２０％がコバルト（Ｃｏ）、および２０％がホウ素（Ｂ）からなるＣｏＦｅＢの薄膜を含み、薄膜の厚さは０．８ナノメートルである。他の実施形態では、Ｗ層７２９は、０．２〜１．０ナノメートルの厚さを有する薄膜を含んでよく、磁性層７３１は、０．５〜１．５ナノメートルの厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜を含んでよい。
【００８４】
基準層７３２は、磁性材料を用いて構成されているので、自身の平面に垂直な磁気方向を有する磁気ベクトルを有し、方向が固定されており、第１の垂直合成反強磁性層７２２の磁気方向に対して反平行である。上述され、図９にも見られるように、第２の垂直合成反強磁性層７２６の集合材料は、集合層の各々の平面に対して垂直であり、固定されており、かつ第１の垂直合成反強磁性層７２２の磁気方向に対して反平行な磁気方向を有する磁気ベクトルを有する。なお、第１の垂直合成反強磁性層７２２および第２の垂直合成反強磁性層７２６の特定の磁気方向は、各平面に対して垂直かつ互いに反平行である限り、重要ではない。
【００８５】
上述したように、基準層７３２は、磁気トンネル接合７３０を形成する構造の一つである。磁気トンネル接合７３０を含むＭＲＡＭスタック７００の製造方法を示すフローチャートは、図８Ｂに続く。ステップ６３６では、非磁性トンネル障壁層７３４が、基準層７３２上に堆積される。一実施形態によると、非磁性トンネル障壁７３４は、例えばＭｇＯのような絶縁材料の薄膜として形成され、１．１ナノメータの厚さを有する。非磁性トンネル障壁７３４の目的は、上述された通りである。
【００８６】
磁気トンネル接合７３０の生成は、ステップ６３８へと続き、ステップ６３８では、自由層７３６が非磁性トンネル障壁７３４の上に堆積される。自由層７３６の生成は、いくつかのステップを含む。ステップ６４０では、磁性層７３５が非磁性トンネル障壁７３４上に堆積される。一実施形態によると、磁性層７３５は、５４パーセントが鉄（Ｆｅ）、１８パーセントがコバルト（Ｃｏ）、および２８パーセントがホウ素（Ｂ）からなるＣｏＦｅＢの薄膜からなり、この薄膜は、１．５ナノメートルの厚さを有する。他の実施形態では、磁性層７３５は、０．５から２．５ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜または他の適切な磁性材料の薄膜を含んでよい。自由層７３５の生成は、ステップ６４２へと続き、ステップ６４２では、Ｗ層７３７が堆積される。一実施形態では、Ｗ層７３７は、０．５ナノメートルの厚さを有するＷの薄膜を含み、他の実施形態では、０．２から１．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。ステップ６４４では、自由層７３６の生成が続けられ、磁性層７３９が形成される。一実施形態によると、磁性層７３９は、５４パーセントが鉄（Ｆｅ）、１８パーセントがコバルト（Ｃｏ）、および２８パーセントがホウ素（Ｂ）からなるＣｏＦｅＢの薄膜を含んでよく、この薄膜は、０．８ナノメートルの厚さを有する。他の実施形態では、磁性層７３９は、０．５から２．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢの薄膜または他の適切な磁性材料の薄膜を含んでよい。
【００８７】
集合的に、磁性層７３５および７３９は、非磁性Ｗ層７３７とともに、自由磁性層７３６を形成する。自由磁性層７３６は、自身の平面に垂直な磁気方向を有する磁気ベクトルを有する。加えて、自由磁性層７３６の設計は、自由層７３６の垂直軸から数度離れた方向を指す自由層７３６の磁化を含んでよい。自由層の磁化の傾斜角は、ＰＳＣ磁性層７５０との相互作用または磁気結晶異方性に起因している可能性があり、スイッチングの開始を改善することによって、自由層の磁化のスイッチングをさらに促進する。図９に見られるように、自由磁性層７３６の磁気方向は、一方の方向から他方の方向へ、反平行方向に１８０度切り替わることができる。
【００８８】
ステップ６３８で磁気トンネル接合７３０を生成した後、ステップ６４６が実施され、非磁性スペーサ層７４０が堆積される。一実施形態によると、非磁性スペーサ層７４０は、０．９ナノメートルの厚さを有するＭｇＯの薄膜を含んでよい。他の実施形態では、スペーサ層７４０は、０．５から２．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＭｇＯの薄膜を含んでよい。他の実施形態では、スペーサ層７４０は、２０１５年９月２５日に出願され、「Spin Transfer Torque Structure For MRAM Devices Having A Spin Current Injection Capping Layer.」という名称の米国特許出願第１４／８６６，３５９号に記載されているように構成されてよい。米国特許出願第１４／８６６，３５９号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【００８９】
スペーサ層７４０の堆積後、歳差スピン電流磁性構造７５０が堆積される（ステップ６５０）。図８Ｂに見られるように、歳差スピン電流磁性構造７５０の生成は、いくつかのステップを含む。ステップ６５２では、第１の歳差スピン電流強磁性層７４３が、スペーサ層７４０上に製造される。一実施形態によると、第１の歳差スピン電流強磁性層７４３は、０．５〜２．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＦｅの薄膜を含んでよい。
【００９０】
ステップ６５４では、非磁性歳差スピン電流挿入層７４５が、磁性の第1の歳差スピン電流強磁性層７４３上に堆積される。一実施形態によると、非磁性歳差スピン電流挿入層７４５は、１．５ナノメートルの厚さを有するＲｕの薄膜を含んでよい。図７に示す実施形態に関連して議論したように、非磁性歳差スピン電流挿入層７４５は、いくつかの改善および利点を提供する。上述したように、非磁性の歳差スピン電流挿入層７４５は、歳差スピン電流磁気構造７５０がスピンポンピング作用を利用して、歳差スピン電流磁気構造７５０のスピントルク効率を制御することを可能にする。また、上述したように、非磁性歳差スピン電流挿入層７４５は、スピンポンピング作用によって、第２の歳差スピン電流強磁性層７４７（後述する）の歳差を第１の歳差スピン電流強磁性層７４３に結合することを可能にし、これにより、非磁性スペーサ層７４０を用いて、歳差スピン電流磁気構造７５０から自由層７３６にスピントルクが注入することが可能である。
【００９１】
図９に示す実施形態の非磁性歳差スピン電流挿入層７４５はＲｕで構成されているが、比較的長いスピン拡散長、例えば、５ナノメートルより大きいスピン拡散長を有する他の非磁性材料を使用してもよい。このような非磁性材料としては、Ｃｕ（約４００ｎｍのスピン拡散長を有する）、Ａｇ（約１５０ｎｍのスピン拡散長を有する）、Ａｕ（約３５ｎｍのスピン拡散長を有する）、Ｍｇ（約１５０ｎｍのスピン拡散長を有する）、Ａｌ（約３００ｎｍのスピン拡散長を有する）等が挙げられる。上述のＲｕのスピン拡散長は、約１０ｎｍである。比較的長いスピン拡散長を有するこれらのような材料を使用すると、スピンポンピング効果に起因する動的結合によって、歳差スピン電流磁気構造７５０の所望のスピントルク効率を達成することができる。
【００９２】
ステップ６５６では、第２の歳差スピン電流強磁性層７４７が堆積される。一実施形態によると、第２の歳差スピン電流強磁性層７４７は、４０％が鉄（Ｆｅ）、４０％がコバルト（Ｃｏ）、２０％がホウ素（Ｂ）からなり、厚さが１．８５ナノメートルのＣｏＦｅＢ薄膜からなる。他の実施形態では、第２の歳差運動スピン電流強磁性層７４７は、１．０から５．０ナノメートルの範囲の厚さを有するＣｏＦｅＢ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ及びそれらの合金の薄膜を含んでよい。
【００９３】
図７に示すデバイス５００と同様に、スペーサ層７４０は、歳差スピン電流磁気構造７５０から磁気トンネル接合７３０へのスピン偏極電流の効果的な注入のために使用される。前述したように、スピン電流は、第２の歳差スピン電流強磁性層７４７の磁化方向を歳差することによって生成され、スピンポンピング効果を用いて、非磁性歳差スピン電流挿入層７４５を介して、第１の歳差スピン電流強磁性層７４３へとスピン拡散輸送によって運ばれる。第２の歳差スピン電流強磁性層７４７と第１の歳差スピン電流強磁性層７４３の磁化は、スピンポンピング作用によって、動的に結合される。第１の歳差スピン電流強磁性層７４３は、第２の歳差スピン電流強磁性層７４７によって生成されるスピン電流の連続性を提供するスピン電流注入層として機能する。図７のデバイス実施形態５００に関して上述したように、非磁性歳差スピン電流挿入層７４５の厚さは、第２の歳差スピン電流強磁性層７４７と第１の歳差スピン電流強磁性層との所望の結合量を選択するように選択されてよく、歳差スピン電流磁気構造７５０と自由層７３６との結合を調整するために使用されてよい。
【００９４】
ステップ６５０で歳差スピン電流磁性構造７５０を生成した後、キャップ層７５１が堆積される（ステップ６６０）。キャップ層７５１の生成は、ＴａＮ層７５３の堆積（ステップ６６２）と、Ｒｕ層７５５の堆積（ステップ６６４）とを含んでよい。一実施形態では、ＴａＮ層７５３は、２．０ナノメートルの厚さを有するＴａＮの薄膜を含み、他の実施形態では、ＴａＮ層７５３は、１．０から５．０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。一実施形態では、Ｒｕ層７５５は、１０ナノメートルの厚さを有するＲｕの薄膜を含み、他の実施形態では、Ｒｕ層７５５は、１．０から２０ナノメートルの範囲の厚さを有してよい。他の実施形態では、キャップ層７５１は、Ｒｕの層（ＴａＮは含まれていない）、またはＭｇＯの層を含む。上述のように、特定のキャップ構造の選択は、いくつかの理由のうち、使用される特定のアニーリング温度の影響を受ける。これは、これらの特定の材料が、アニール温度によって異なる特性を有するという事実に起因している。
【００９５】
ステップ６６６において、ＭＴＪスタック７００は、ｉｎ−ｓｉｔｕ急速熱アニール炉を使用して、摂氏４００°Ｃで最大４５分の浸漬時間、アニールされる。ステップ６６８では、ハードマスク７５７が堆積される。ハードマスク７５７は、７．０ナノメートルの厚さを有するＴａＮの層を含んでよい。アニール工程の温度の許容範囲は、摂氏２５０°Ｃ〜４５０°Ｃの範囲内である。
【００９６】
高温アニーリング工程６６６を用いて上述のように製造されたＭＴＪスタック７００は、結果として、１６０パーセントを超える（有利に高い）トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）および約１０〜１２Ωμｍ２もの抵抗面積積（ＲＡ）範囲を有するデバイス７００となる。デバイス７００のこれらのＴＭＲおよびＲＡ特性は非常に望ましいものであり、本明細書に記載の歳差スピン電流磁気構造７５０が摂氏４００°Ｃでの高温アニールに耐えることができ、かつ良好に動作できることを示している。これは、歳差スピン電流磁気構造７５０を有するＭＴＪデバイス７００が、標準ＣＭＯＳプロセスを使用して製造できることを意味する。これは、カスタム製造設備を必要とせず、ＭＲＡＭメモリをＣＭＯＳ集積回路に埋め込むことができることを意味し、非常に有利である。
【００９７】
図１１は、磁気トンネル接合５３０と歳差スピン電流磁性構造５５０を有する磁気デバイス５００に関する薄膜振動試料磁力計（ＶＳＭ）の主ヒステリシス・ループ・データのグラフである。このＶＳＭ主ヒステリシスループ（図１１では１１００と表示されている）を得るために、試料平面に垂直な磁気方向、すなわち磁気トンネル接合５３０の容易軸に沿った磁気方向に、磁場を印加した。図１１に示されるように、印加磁場は、−１２０００エルステッドで始め、その後０．００エルステッドに減少させた後、非常に大きな磁場である＋１２０００エルステッドまで上昇させた。その後、印加磁場を＋１２０００エルステッドから０．００エルステッドへ減少させ、その後−１２０００エルステッドへ増加させた。ＤＣ印加磁場の正および負の符号は、磁場掃引の垂直印加磁場方向を示す。
【００９８】
ｐＭＴＪの特定の成分の磁気方向のスイッチングは、矢印によって概略的に示されている。第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向のスイッチングは、当該層の磁気方向を示す矢印１１１０Ａ、１１１０Ｂ、および１１１０Ｃで示される。第２の垂直合成反強磁性層５２６の磁気方向のスイッチングは、当該層の磁気方向を示す矢印１１２０Ａ、１１２０Ｂ、および１１２０Ｃで示される。最後に、自由層５３６のスイッチングは、、当該層の磁気方向を示す矢印１１３０Ａ、１１３０Ｂ、および１１３０Ｃで示される。
【００９９】
図１１に見られるように、垂直磁場が−１２，０００エルステッドから減少すると、磁気方向、第１の垂直合成反強磁性層５２２は、磁場が約＋４，０００エルステッドになるまで方向を逆転しない。これは矢印１１１０Ｃで示されており、第１の垂直合成反強磁性層５２２の磁気方向が切り替えられたことを示している。これは、第１の垂直合成反強磁性層５２２が、通常の使用ではこのような条件を経験しないので、非常に安定性があることを示している。この安定性は、歳差スピン電流磁気構造５５０の使用が、基準層５３２の全体およびその交換結合場の安定性に悪影響を及ぼさないことを実証している。
【０１００】
図１１にも見られるように、第２の垂直合成反強磁性層５２６は、約−４，０００エルステッドの垂直磁場が印加されるまで、方向を逆転しない。これは矢印１１２０Ａで示されており、第２の垂直合成反強磁性層５２６の磁気方向が切り替えられたことを示している。デバイス５００は、通常の動作条件下ではこのような大きな磁場を経験しないので、この試験は、第２の垂直合成反強磁性層５２６が非常に安定性があることを実証しており、さらに歳差スピン電流磁気構造５５０の使用がデバイス５００内の他の磁気構造に悪影響を及ぼさないことも実証している。第２の垂直合成反強磁性層５２６に含まれる基準層５３２は、磁気トンネル接合５３０が適切に機能するように固定された磁気方向を有する必要があるため、上記も重要である。
【０１０１】
最後に、図１１は、歳差スピン電流磁気構造５５０を含むデバイス５００が、優れた自由層スイッチング性能を有することを示す。自由層のスイッチングは、約０．０エルステッドで起こり、矢印１１３０Ｂで示されている。
【０１０２】
急激なスイッチング遷移は、垂直磁気トンネル接合５３０の第１の垂直合成反強磁性層５２２、基準層５３２（第２の垂直合成反強磁性層５２６を含む）、および自由層５３６の良好な垂直異方性を示す。４．３キロエルステッドの交換結合は、基準層の良好な安定性を示す。±３．０キロエルステッド間のヒステリシスループの傾きは、垂直磁気トンネル接合５３０の層に直交する、すなわち垂直印加磁場の困難軸に沿った、歳差スピン電流磁気構造５５０の回転を示す。
【０１０３】
図１２は、磁気トンネル接合５３０および歳差スピン電流磁気構造５５０を有する磁気デバイス５００に関する薄膜振動試料磁力計（ＶＳＭ）の主要ヒステリシス・ループ・データのグラフである。ＶＳＭメジャーヒステリシスループ（図１２では１２００と表示されている）を測定するために、磁気トンネル接合５３０の層の面内にある磁気方向で磁場を印加した。図１２に見られるように、印加磁場は、−１４，０００エルステッドで始め、その後０．００エルステッドに減少させた後、非常に大きな磁場である＋１４，０００エルステッドまで上昇させた。その後、印加磁場を＋１２，０００エルステッドから０．０エルステッドへ徐々に減少させ、その後−１２０００エルステッドに増加させた。その後、磁場を＋１４，０００エルステッドから０．０エルステッドへ減少させた後、−１４，０００エルステッドへ増加させた。ＤＣ印加磁場の正および負の符号は、磁場掃引の面内印加磁場方向を示す。
【０１０４】
ＶＳＭメジャーヒステリシスループ１２００の傾きの増加は、磁界が面内印加されたときの、磁気トンネル接合５３０の層のゆっくりした回転に対応しており、これらの層の磁気方向に直交している。ゼロ磁場付近でのＶＳＭメジャーヒステリシスループ１２００の急激な遷移は、歳差スピン電流磁気構造５５０の歳差運動に対応する。この急激なスイッチングは、歳差スピン電流磁気構造５５０が面内磁化されている、すなわち面内印加磁場の容易軸に沿って磁化されていることを示す。上記の説明に加えて、図１１および１２に示されるＶＳＭメジャーヒステリシスループ１１００および１２００は、自由層５３０および歳差スピン電流磁気構造５５０が互いに対して直交磁化されていることを示す。
【０１０５】
図１３は、歳差スピン電流磁性構造５５０を有する磁気トンネル接合デバイス５００の２４ＧＨｚで測定された強磁性共鳴を示す。磁場は、垂直方向に印加された。８０００エルステッドにおける破線１３００は、面内歳差スピン電流磁性構造５５０と垂直磁化自由磁性層５３６との間の２４ＧＨｚにおける領域境界ω／γ〜８．０キロガウスを示す。自由層５３６は自身の平面に垂直な磁気方向を有するので、共鳴方程式ω／γ＝Ｈｒｅｓ-４πＭｅｆｆによると、共鳴線は、ω／γ〜８．０キロガウス境界より小さい共鳴場に生じる。同様に、歳差スピン電流磁気構造５５０の共鳴は、強い面内磁化を示すω／γ〜８．０キロガウス境界より大きい場において生じる。有効磁化値は、自由層５３６の強い垂直異方性（４πＭｅｆｆ〜−３．５キロガウス）および歳差スピン電流磁気構造５５０の強い面内異方性（４πＭｅｆｆ〜６キロガウス）を示す。
【０１０６】
代替的な実施形態を図１４に示す。この実施形態では、磁気デバイス１４００のＭＴＪスタックが、図５に示される実施形態に対して反転している。具体的には、磁気デバイス１４００は、シード層１４７０を含む。シード層１４７０上には、歳差スピン電流磁性構造１４５０が配置されている。ＰＳＣ構造１４５０は、第１の歳差スピン電流強磁性層１４４７と、非磁性ＰＳＣ挿入層１４４５と、第２の歳差スピン電流強磁性層１４４３とを含む。第１の歳差運動スピン電流強磁性層１４４７は、図５、図７、図９のそれぞれで説明した第２の歳差スピン電流強磁性層３４７、５４７及び７４７と同様である。非磁性ＰＳＣ挿入層１４４５は、図５、図７、図９で説明した非磁性ＰＳＣ挿入層３４５、５４５および７４７と同様である。最後に、第２の歳差スピン電流強磁性層１４４３は、図５、図７、図９のそれぞれで説明した第１の歳差スピン電流強磁性層３４３、５４３及び７４３と同様である。歳差スピン電流磁気構造１４５０は、対応する歳差スピン電流磁気層３５０、５５０および７５０に関して説明したように動作する。
【０１０７】
非磁性スペーサ層１４４０は、ＰＳＣ構造１４５０上に配置される。非磁性スペーサ層１４４０は、上述した非磁性スペーサ層３４０、５４０および７４０と同じ特性、構造および特徴を有する。ＭＴＪ１４３０は、非磁性スペーサ層１４４０上に配置される。ＭＴＪ１４３０は、概して、自由層１４３６（非磁性スペーサ層１４４０上に配置される）および基準層１４３２から構成される。自由層１４３６と基準層１４３２とは、ＭｇＯやＷ等の絶縁材料からなるトンネル障壁層１４３４によって空間的に分離されている。このように、垂直ＭＴＪとしてのＭＴＪ１４３０では、基準層および自由層の両方の磁気方向が、それぞれの平面に対して垂直である。他の実施形態に関して説明したように、自由磁性層１４３６の設計は、当該層の垂直軸から数度離れた方向を指す自由層１４３６の磁化を含んでよい。自由層磁化の傾斜角は、ＰＳＣ磁性層１４５０との相互作用、または磁気結晶異方性に起因し得り、スイッチングの開始を改善することによって、自由層磁化のスイッチングをさらに助ける。強磁性結合層１４２８は、基準層１４３２の上に配置される。合成反強磁性（ＳＡＦ）層１４２６は、強磁性結合層１４２８上に配置される。ＳＡＦ層１４２６上には、反強磁性結合層１４２４が配置される。別の合成反強磁性層１４２２は、反強磁性結合層１４２４上に配置される。なお、ＳＡＦ層１４２６は、技術的には強磁性結合層１４２８および基準層１４３２も含むが、本明細書では説明のために別々に示している。ＳＡＦ層１４２６および１４２２も、通常の動作条件下で、垂直磁気方向を有する。最後に、キャップ層１４２０が、ＳＡＦ層１４２２上に配置される。電流は、電流源１４７５によって供給されてよい。層の順序を除いて、磁気デバイスは、図５、図７、図９に示される実施形態に関して説明したのと同じように動作する。したがって、図５、図７および図９に示されているとおり、ＰＳＣ磁気構造１４５０は、自由層１４３６の歳差運動サイクル全体にわたってスピントランスファートルク３１０が有益に加えられるように、回転する。
【０１０８】
図５、図７、図９および図１４に示されたデバイス３００、５００、７００および１４００の全ての層は、当業者には理解されるように、薄膜スパッタ堆積システムによって形成されてよい。薄膜スパッタ堆積システムは、必要な物理蒸着（ＰＶＤ）チャンバを含んでよく、チャンバの各々が、一つ以上のターゲット、酸化チャンバ、およびスパッタエッチングチャンバを有する。典型的には、スパッタ堆積プロセスは、超高真空のスパッタガス（例えばアルゴン、クリプトン、キセノン等）を伴い、ターゲットは、基板上に堆積される金属または金属合金からなる。したがって、本明細書において、ある層が別の層の上に配置されると記載されている場合、そのような層は、そのようなシステムを使用して堆積され得る。他の方法が用いられてもよい。ＭＴＪスタック３００、５００、７００および１３００を製造するために必要な残りのステップは、当業者には周知であり、本明細書の開示の様態を不必要に不明瞭にしないように、本明細書では詳細に説明しないことを理解されたい。
【０１０９】
当業者であれば、複数のＭＴＪ構造３００、５００、７００および１３００を製造し、その各々がＳＴＴ-ＭＲＡＭデバイスのビットセルとして提供されてよいことを理解されたい。言い換えると、ＭＴＪスタック３００、５００、７００および１４００の各々は、複数のビットセルを有するメモリアレイのビットセルとして実装されてよい。
【０１１０】
上記の説明および図面は、本明細書に記載された特徴および利点を達成する特定の実施形態の例示にすぎないと考えられるべきである。特定のプロセス条件に対して変更および置換を行ってもよい。したがって、この特許文献における実施形態は、前述の説明および図面によって限定されると考えられるべきではない。
【図１】
2020511002.tif 000003
【図２Ａ】
2020511002.tif 000004
【図２Ｂ】
2020511002.tif 000005
【図３】
2020511002.tif 000006
【図４】
2020511002.tif 000007
【図５】
2020511002.tif 000008
【図６Ａ】
2020511002.tif 000009
【図６Ｂ】
2020511002.tif 000010
【図７】
2020511002.tif 000011
【図８Ａ】
2020511002.tif 000012
【図８Ｂ】
2020511002.tif 000013
【図９】
2020511002.tif 000014
【図１０】
2020511002.tif 000015
【図１１】
2020511002.tif 000016
【図１２】
2020511002.tif 000017
【図１３】
2020511002.tif 000018
【図１４】
2020511002.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】令和2年1月7日(2020.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気デバイスであって、
第１の平面における第１の合成反強磁性構造であって、前記第１の合成反強磁性構造は、磁気基準層を含み、前記磁気基準層が、前記第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向を有している、前記第１の合成反強磁性構造と、
前記磁気基準層上に配置された第２の平面における非磁性トンネル障壁層と、
前記非磁性トンネル障壁層上に配置された第３の平面における自由磁性層であって、前記自由磁性層は、前記第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向とを有し、前記磁気基準層と、前記非磁性トンネル障壁層と、前記自由磁性層とが、磁気トンネル接合を形成する、前記自由磁性層と、
前記自由磁性層上に配置された第４の平面における非磁性スペーサ層であって、前記非磁性スペーサ層は、ＭｇＯを含む、前記非磁性スペーサ層と、
第５の平面における歳差スピン電流磁気構造であって、前記歳差スピン電流磁気構造は、前記自由磁性層から物理的に分離され、前記非磁性スペーサ層によって前記自由磁性層に結合されており、前記第５の平面において任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化方向を有する磁化ベクトルを前記第５の平面に有し、第１の歳差スピン電流強磁性層と、非磁性歳差スピン電流挿入層と、第２の歳差スピン電流強磁性層とを含み、前記第１の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性スペーサ層上に配置され、前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、前記第１の歳差スピン電流強磁性層上に配置され、前記第２の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性歳差スピン電流挿入層上に配置される、前記歳差スピン電流磁気構造と、
前記歳差スピン電流磁気構造の上に配置された第６の平面におけるキャップ層と、
を備え、
前記歳差スピン電流磁気構造を通過する電流の電子は、前記歳差スピン電流磁気構造の磁気方向に整列され、前記非磁性スペーサ層、前記自由磁性層、前記非磁性トンネル障壁層、及び、前記磁気基準層に注入され、
前記歳差スピン電流磁気構造の磁化方向が歳差することにより、前記自由磁性層の磁化ベクトルのスイッチングを促進するためのスピン移行トルクが生じる、磁気デバイス。
【請求項２】
前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、２ナノメートルを超えるスピン拡散長を有する材料で構成されている、請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、Ｒｕの薄膜で構成されている、請求項１又は２に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記Ｒｕの薄膜が、少なくとも１ナノメートルの厚さを有する、請求項３に記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記Ｒｕの薄膜が、１．５ナノメートルの厚さを有する、請求項３に記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記第１の歳差スピン電流強磁性層は、Ｆｅの薄膜を含み、
前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、スピン拡散長の長い材料を含み、
前記第２の歳差スピン電流強磁性層は、ＣｏＦｅＢの薄膜を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項７】
前記Ｆｅの薄膜が、０．４ナノメートルの厚さを有する、請求項６に記載の磁気デバイス。
【請求項８】
前記Ｆｅの薄膜が、０．６ナノメートルの厚さを有する、請求項６に記載の磁気デバイス。
【請求項９】
前記ＣｏＦｅＢの薄膜の４０パーセントがＣｏ、４０パーセントがＦｅ、および、２０パーセントがＢから構成されている、請求項６に記載の磁気デバイス。
【請求項１０】
前記ＣｏＦｅＢの薄膜が、１．７ナノメートルの厚さを有する、請求項９に記載の磁気デバイス。
【請求項１１】
前記ＣｏＦｅＢの薄膜が、１．８５ナノメートルの厚さを有する、請求項９に記載の磁気デバイス。
【請求項１２】
前記スピン拡散長の長い材料は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ及びＡｌからなる群から選択される、請求項６に記載の磁気デバイス。
【請求項１３】
前記自由磁性層は、その容易磁化軸が垂直方向から離れる方向を指し、垂直平面に対して角度をなすような有効磁気異方性を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気デバイス。
【請求項１４】
基板上に磁気デバイスを製造する方法であって、
前記基板上に第１の合成反強磁性構造を堆積するステップであって、前記第１の合成反強磁性構造は、第１の平面にあり、前記第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向と、を有する、ステップと、
前記第１の合成反強磁性構造の上に交換結合層を堆積するステップであって、前記交換結合層が、第２の平面にある、ステップと、
前記基板上に第２の合成反強磁性構造を堆積するステップであって、前記第２の合成反強磁性構造は、第３の平面にあり、磁気基準層を含み、前記第２の合成反強磁性構造と前記磁気基準層は、前記第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向と、を有する、ステップと、
非磁性トンネル障壁層を第４の平面に堆積するステップであって、前記非磁性トンネル障壁層は、磁気基準層上に配置される、ステップと、
自由磁性層を第５の平面に堆積するステップであって、前記自由磁性層は、前記非磁性トンネル障壁層上に配置され、前記第５の平面に垂直な磁化ベクトルを有し、前記自由磁性層は、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向を有し、前記磁気基準層、前記非磁性トンネル障壁層、および、前記自由磁性層が、磁気トンネル接合を形成する、ステップと、
非磁性スペーサ層を第６の平面に堆積するステップであって、前記非磁性スペーサ層は、前記自由磁性層上に配置される、ステップと、
歳差スピン電流磁気構造を第７の平面に堆積するステップであって、前記歳差スピン電流磁気構造は、前記非磁性スペーサ層によって、前記自由磁性層と物理的に分離され、かつ前記自由磁性層に結合され、前記歳差スピン電流磁気構造は、前記第７の平面において任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化方向を有する磁化ベクトルを第７の平面に有し、前記歳差スピン電流磁気構造を堆積する前記ステップは、
第１の歳差スピン電流強磁性層を前記非磁性スペーサ層上に堆積するステップであって、前記第１の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性スペーサ層上に配置される、ステップと、
非磁性歳差スピン電流挿入層を堆積するステップであって、前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、前記第１の歳差スピン電流強磁性層上に配置される、ステップと、
第２の歳差スピン電流強磁性層を堆積するステップであって、前記第２の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性歳差スピン電流挿入層上に配置される、ステップと、
を備える、ステップと、
第８の平面にキャップ層を堆積させるステップであって、前記キャップ層は、前記歳差スピン電流磁性構造上に配置される、ステップと、
前記磁気デバイスを摂氏４００°Ｃ以上の温度でアニールするステップと、
を備える、方法。
【請求項１５】
前記自由磁性層を堆積するステップは、前記自由磁性層が、その容易磁化軸が垂直方向から離れる方向を指し、垂直平面に対して角度をなすような有効磁気異方性を有するように、磁気結晶異方性を有する材料を堆積することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記基板は、前記基板上に製造された相補型金属酸化物半導体回路を有する、請求項１４又は１５に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１０】
上記の説明および図面は、本明細書に記載された特徴および利点を達成する特定の実施形態の例示にすぎないと考えられるべきである。特定のプロセス条件に対して変更および置換を行ってもよい。したがって、この特許文献における実施形態は、前述の説明および図面によって限定されると考えられるべきではない。
以下の項目は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
磁気デバイスであって、
第１の平面における第１の合成反強磁性構造であって、前記第１の合成反強磁性構造は、磁気基準層を含み、前記磁気基準層が、前記第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向を有している、前記第１の合成反強磁性構造と、
前記磁気基準層上に配置された第２の平面における非磁性トンネル障壁層と、
前記非磁性トンネル障壁層上に配置された第３の平面における自由磁性層であって、前記自由磁性層は、前記第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向とを有し、前記磁気基準層と、前記非磁性トンネル障壁層と、前記自由磁性層とが、磁気トンネル接合を形成する、前記自由磁性層と、
前記自由磁性層上に配置された第４の平面における非磁性スペーサ層であって、前記磁気結合層は、ＭｇＯを含む、前記非磁性スペーサ層と、
第５の平面における歳差スピン電流磁気構造であって、前記歳差スピン電流磁気構造は、前記自由磁性層から物理的に分離され、前記非磁性スペーサ層によって前記自由磁性層に結合されており、前記第５の平面において任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化方向を有する磁化ベクトルを前記第５の平面に有し、第１の歳差スピン電流強磁性層と、非磁性歳差スピン電流挿入層と、第２の歳差スピン電流強磁性層とを含み、前記第１の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性スペーサ層上に配置され、前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、前記第１の歳差スピン電流強磁性層上に配置され、前記第２の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性歳差スピン電流挿入層上に配置される、前記歳差スピン電流磁気構造と、
前記歳差スピン電流磁気構造の上に配置された第６の平面におけるキャップ層と、
を備え、
前記歳差スピン電流磁気構造を通過する電流の電子は、前記歳差スピン電流磁気層の磁気方向に整列され、前記非磁性スペーサ、前記自由磁性層、前記非磁性トンネル障壁層、及び、前記磁気基準層に注入され、
前記歳差スピン電流磁気構造の磁化方向が歳差することにより、前記自由磁性層の磁化ベクトルのスイッチングを促進するためのスピン移行トルクが生じる、磁気デバイス。
（項目２）
前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、２ナノメートルを超えるスピン拡散長を有する材料で構成されている、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目３）
前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、Ｒｕの薄膜で構成されている、項目１に記載の磁気デバイス。
（項目４）
前記Ｒｕの薄膜が、少なくとも１ナノメートルの厚さを有する、項目３に記載の磁気デバイス。
（項目５）
前記Ｒｕの薄膜が、１．５ナノメートルの厚さを有する、項目３に記載の磁気デバイス。
（項目６）
前記第１の歳差スピン電流強磁性層は、Ｆｅの薄膜を含み、
前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、スピン拡散長の長い材料を含み、
前記第２の歳差スピン電流強磁性層は、ＣｏＦｅＢの薄膜を含む、項目１に記載の磁気構造。
（項目７）
前記Ｆｅの薄膜が、０．４ナノメートルの厚さを有する、項目６に記載の磁気構造。
（項目８）
前記Ｆｅの薄膜が、０．６ナノメートルの厚さを有する、項目６に記載の磁気構造。
（項目９）
前記ＣｏＦｅＢの薄膜の４０パーセントがＣｏ、４０パーセントがＦｅ、および、２０パーセントがＢから構成されている、項目６に記載の磁気構造。
（項目１０）
前記ＣｏＦｅＢの薄膜が、１．７ナノメートルの厚さを有する、項目９に記載の磁気構造。
（項目１１）
前記ＣｏＦｅＢの薄膜が、１．８５ナノメートルの厚さを有する、項目９に記載の磁気構造。
（項目１２）
前記スピン拡散長の長い材料は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ及びＡｌからなる群から選択される、項目６に記載の磁気構造。
（項目１３）
前記自由磁性層は、その容易磁化軸が前記垂直方向から離れる方向を指し、垂直平面に対して角度をなすような有効磁気異方性を有する、項目１に記載の磁気構造。
（項目１４）
基板上に磁気デバイスを製造する方法であって、
前記基板上に第１の合成反強磁性構造を堆積するステップであって、前記第１の合成反強磁性構造は、第１の平面にあり、前記第１の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向と、を有する、ステップと、
前記第１の合成反強磁性構造の上に交換結合層を堆積するステップであって、前記交換結合層が、第２の平面にある、ステップと、
前記基板上に第２の合成反強磁性構造を堆積するステップであって、前記第２の合成反強磁性構造は、第３の平面にあり、磁気基準層を含み、前記第２の合成反強磁性構造と前記磁気基準層は、前記第３の平面に垂直な磁化ベクトルと、固定された磁化方向と、を有する、ステップと、
非磁性トンネル障壁層を第４の平面に堆積するステップであって、前記非磁性トンネル障壁は、磁気基準層上に配置される、ステップと、
自由磁性層を第５の平面に堆積するステップであって、前記自由磁性層は、前記非磁性トンネル障壁層上に配置され、前記第５の平面に垂直な磁化ベクトルを有し、前記自由磁性層は、第１の磁化方向から第２の磁化方向に歳差可能な磁化方向を有し、前記磁気基準層、前記非磁性トンネル障壁層、および、前記自由磁性層が、磁気トンネル接合を形成する、ステップと、
非磁性スペーサ層を第６の平面に堆積するステップであって、前記非磁性スペーサ層は、前記自由磁性層上に配置される、ステップと、
歳差スピン電流磁気構造を第７の平面に堆積するステップであって、前記歳差スピン電流磁気構造は、前記非磁性スペーサ層によって、前記自由磁性層と物理的に分離され、かつ前記自由磁性層に結合され、前記歳差スピン電流磁気構造は、前記第７の平面において任意の磁気方向に自由に回転可能な磁化方向を有する磁化ベクトルを第７の平面に有し、前記歳差スピン電流磁気構造を堆積する前記ステップは、
第１の歳差スピン電流強磁性層を前記非磁性スペーサ層上に堆積するステップであって、前記第１の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性スペーサ層上に配置される、ステップと、
非磁性歳差スピン電流挿入層を堆積するステップであって、前記非磁性歳差スピン電流挿入層は、前記第１の歳差スピン電流強磁性層上に配置される、ステップと、
第２の歳差スピン電流強磁性層を堆積するステップであって、前記第２の歳差スピン電流強磁性層は、前記非磁性歳差スピン電流挿入層上に配置される、ステップと、
を備える、ステップと、
第８の平面にキャップ層を堆積させるステップであって、前記キャップ層は、前記歳差スピン電流磁性層上に配置される、ステップと、
前記磁気デバイスを摂氏４００°Ｃ以上の温度でアニールするステップと、
を備える、方法。
（項目１５）
前記自由磁性層を堆積するステップは、前記自由磁性層が、その容易磁化軸が前記垂直方向から離れる方向を指し、垂直平面に対して角度をなすような有効磁気異方性を有するように、磁気結晶異方性を有する材料を堆積することを含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記基板は、前記基板上に製造された相補型金属酸化物半導体回路を有する、項目１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2020511002.tif 000020
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