JP2011501420A - 低電流密度を有する磁気要素 - Google Patents

Abstract

メモリ・デバイスは、固定磁性層と、固定磁性層の上のトンネル障壁層と、トンネル障壁層の上に形成された自由磁性構造とを含む。自由磁性構造は、弱く磁気結合された複数のサブレイヤの層を有する。したがって、低いプログラミング電圧を使用してトンネル障壁破壊を避けることができ、かつ、小さいパス・トランジスタを使用してダイ面積を節約することができる。
【選択図】図１

Description

本開示は、概してメモリ・デバイスに関し、詳しくは磁気メモリ・デバイスに関する。

不揮発性メモリ・デバイスは電子システムにおける重要構成要素である。フラッシュ（ＦＬＡＳＨ）は現在使用されている主要な不揮発性メモリ・デバイスである。典型的な不揮発性メモリ・デバイスは、情報を記憶するために浮遊酸化物層にトラップされた電荷を使用する。フラッシュ・メモリの欠点には、高電圧を必要とすること、プログラム時間および消去時間が遅いこと、耐久性が低いこと、ならびに拡張性に限界があることが挙げられる。

これらの欠点を克服するために、半導体産業では、磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）などの磁気メモリ・デバイスが評価されている。ＭＲＡＭのメモリ状態は、層に蓄積された電荷によってではなく磁気モーメントの方向によって保持される。ＭＲＡＭは磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造を含む。ＭＴＪは、誘電体トンネル障壁によって自由磁性層から分離された固定磁性層を有する。従来のＭＲＡＭでは、データの記憶は、磁界を印加し、２つの可能なメモリ状態に対応して自由層を固定層の磁化と平行または反平行のいずれかに磁化させることによって達成される。データの読み出しは、自由磁性層と固定磁性層との間の電流トンネリングの抵抗を検知することによって達成される。自由層の磁気モーメントが固定層のモーメントと平行である場合、ＭＲＡＭデバイスは低い抵抗を有する。代わりに、自由層の磁気モーメントが固定層のモーメントと反平行である場合、ＭＲＡＭデバイスは高い抵抗を有する。書き込むための磁界は、ＭＴＪ構造の外部の導電性線路に電流を通過させることによって生成される。

様々なタイプのＭＲＡＭがある。１つのタイプはトグルＭＲＡＭである。トグルＭＲＡＭでは、ビットは、ビットの近傍にある導電性線路に電流を伝えることによって生成される磁界を使用してプログラムされる。同じパルス・シーケンスを使用して、ある状態（例えば「１」または「０」）から別の状態（例えば「０」または「１」）に切り替える。トグルＭＲＡＭはいくつかの利点を有しているとはいえ、特に小さいセル・サイズの場合小さい書き込み電流を実現していない。別のタイプのＭＲＡＭ、スピン・トルクＭＲＡＭ（ＳＴＭＲＡＭ）では、ビットはスピン偏極電子電流を磁性自由層に作用させることによってプログラムされる。スピン偏極電流に関連した角運動量の変化が自由層にてトルクを生じさせ、それが十分に大きい電流である場合には磁化方向が変更される。

ＳＴ−ＭＲＡＭは、特に小さいセル・サイズではトグルＭＲＡＭよりも実質的に少ない書き込み電流を使用するが、ＳＴＭＲＡＭ用の書き込み電流は望ましくないことに依然として大きく、セルによっては、トンネル障壁の破壊電圧（Ｖｂｄ）を超えるプログラミング電圧を必要とする。さらに、大きい書き込み電流は、アレイ中のビットを選択的にプログラムするために大きいパス・トランジスタを必要とし、それによって全記録密度が望ましくないことに制限される。したがって、スピン・トランスファ効果デバイスではプログラム電流をさらに減少させる必要がある。

一実施形態によるＭＲＡＭデバイスなどのメモリ・デバイスの断面図。 一実施形態による自由磁性要素の断面図。 一実施形態によるメモリ・セルへの書き込み方法を示すフローチャート。 一実施形態による書き込み処理中における図２の自由磁性要素の図。 一実施形態による書き込み処理中における図２の自由磁性要素の図。 一実施形態による書き込み処理中における図２の自由磁性要素の図。 一実施形態による書き込み処理中における図２の自由磁性要素の図。 一実施形態によるメモリ・セルのアレイの概略図。

本発明は例として示されており、添付の図によって限定されない。図中、同様の符号は類似の要素を示す。また、図中の要素は簡潔化および明確化のために示されており、必ずしも原寸に比例して描かれていない。

ＳＴＭＲＡＭデバイスのプログラミング電流を減少させるため、ＭＴＪ構造の自由磁性要素は弱く結合された磁性層を含む。一実施形態では、磁性層は薄い非磁性中間層を通して弱く強磁性結合される。一実施形態では、薄い中間層の各々は厚さが約０．１ナノメートルから約２ナノメートルである。電流が一実施形態におけるスピン・トランスファ効果メモリ・デバイスに印加されると、スピン・トルクがトンネル障壁に最も近い自由層の一部に誘導される。この層が反転するとき、弱い強磁性結合によって他の層も連続して反転する。こうして、スイッチング事象が多数の層にわたって広がり、時間がわずかに遅延し、それによって、反転に必要とされるピークトルク（したがってピーク電流）が低減される。対照的に、従来のスピン・トランスファ効果ＭＲＡＭデバイスでは、自由層全体が、連続的な磁性材料に固有の強い強磁性結合のために同時に反転する。弱く磁気結合された層を使用することによって低いプログラミング電流が達成され、トンネル障壁破壊が防止または最小限にされる。さらに、メモリ・セルは、従来のＳＴＭＲＡＭ構造よりも小さいパス・トランジスタを含むことができ、それによって、セルのサイズを好適に減少させることができる。したがって、より高密度およびより低電力のＭＲＡＭデバイスが可能となる。さらに、弱く結合された磁性層をもつ自由磁性要素は任意の好適な磁性メモリ・セルで使用することができる。

ＭＲＡＭなどのスピン・トルク・メモリ・セルで使用されるスピン・トランスファ効果は、電子が磁石／非磁石／磁石の３層構造中の第１の磁性層を通過した後でスピン偏極になる電流を含み、ここで、第１の磁性層が第２の磁性層よりも実質的に厚いために、または隣接する層への磁気結合のために、第１の磁性層は反応せずに「固定」される。スピン偏極電子は非磁性スペーサを横断し、次に、角運動量保存によって第２の磁性層にトルクを渡し、それにより、第２の層の磁化方向は第１の層の磁化方向と平行になるように切り替えられる。逆極性の電流が印加される場合、電子は、代わりに、最初に第２の磁性層を通過する。非磁性スペーサを横断した後、トルクは第１の磁性層に与えられる。しかし、第１の磁性層は固定されているので、それは切り替わらない。したがって、わずかな電子が第１の磁性層から反射し、非磁性スペーサを横切って戻り、その後第２の磁性層と相互作用する。この場合、スピン・トランスファ・トルクは、第２の層の磁化方向を第１の層の磁化方向と反平行になるように切り替える。今までに説明したスピン・トランスファは、この構造のすべての層を横切る電流の送出を含む。別の可能性はスピン・トランスファ反射モード・スイッチングである。反射モードでは、電子が第１の磁性層を通過するとき、電流は再度スピン偏極になる。次に、電子は非磁性スペーサ層を横断するが、さらに第２の磁性層を横断する代わりに、電子は、非磁性スペーサと第２の磁性層との間のインターフェイスから出ている追加の導体によるより低い抵抗経路に従う。この工程では、わずかな電子がこのインターフェイスから反射し、それによって、スピン・トランスファ・トルクを第２の磁性層に働かせて第２の磁性層は第１の磁性層と平行に位置合わせされることになる。

図１を参照すると、ＭＲＡＭセル１００の断面図が一実施形態に従って構成されている。実際には、ＭＲＡＭアーキテクチャまたはデバイスは、列および行からなるマトリクスに相互に接続することができる多くのＭＲＡＭセル１００を含むことになる。ＭＲＡＭセル１００は、一般に、以下の要素、すなわち書き込み電流１２６を搬送する第１の導体１０２と、スペーサ要素１０６と、自由磁性要素または構造１０８と、絶縁体１１０と、固定磁石要素１１２と、分離トランジスタまたはパス・トランジスタ１１４とを含む。

実際には、第１の導体１０２を任意の数の同様のＭＲＡＭセル（例えば、列のセル）に接続し、接続されたセルの各々に共通書き込み電流１２６を供給することができる。第１の導体１０２は電気を伝導することができる任意の好適な材料から形成される。例えば、第１の導体１０２はＡｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔａ、Ｔｉなどまたはそれらの組合せを含むことができる。

スペーサ要素１０６は、第１の導体１０２と自由磁性要素１０８との間に配置することができる。スペーサ要素１０６は、導電性非磁性材料、例えばＴａ、ＴａＮ、または他の金属材料から形成される。一実施形態では、スペーサ要素１０６は存在しない。

自由磁性要素１０８は、スペーサ要素１０６（またはスペーサ要素１０６が存在しない場合、第１の導体１０２）と絶縁体１１０との間に配置される。図１に示された実施形態では、自由磁性要素１０８は、第１の自由磁性層（または第１のサブレイヤ）１０９と、中間層１１１によって互いに分離された第２の自由磁性層（または第２のサブレイヤ）１１３とを含む。第１の自由磁性層１０９および第２の自由磁性層１１３は共に可変磁化を有する磁性材料から形成される。同じ材料または異なる材料をサブレイヤ１０９および１１３に使用することができる。例えば、第１の自由磁性層１０９および第２の自由磁性層１１３に使用される磁性材料としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏなどや、それらの合金や、ＢおよびＯを有する合金や、またはＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ、Ｆｅ_３Ｏ_４、もしくはＣｒＯ_２などのいわゆる半金属強磁性体を含むことができる。一実施形態では、第１および第２の自由磁性層１０９，１１３は各々、約１ナノメートルから約５ナノメートルの厚さである。自由磁性要素１０８の可変磁化の方向は、ＭＲＡＭセル１００が「１」ビットまたは「０」ビットを表すかどうかを決定する。実際には、自由磁性要素１０８の磁化の方向は、固定磁石要素１１２の磁化の方向と平行または反平行のいずれかである。

中間層１１１は任意の非磁性材料とすることができる。一実施形態では、中間層１１１は、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｕなどまたはそれらの組合せを含む不連続な非磁性導電性材料である。別の実施形態では、中間層１１１は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、Ｚｒなど、またはそれらの組合せの酸化物、窒化物、もしくは酸窒化物などの不連続な非磁性絶縁材料である。中間層１１１が酸化物または窒化物である場合、それは酸化物層または窒化物層を堆積させることによって、あるいは層（例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどまたはそれらの組合せを含む層）を酸素または窒素の環境に暴露することによって形成することができる。中間層１１１が不連続な非磁性材料である場合、それは、好ましくは、約０．１ナノメートルから約１ナノメートルの厚さである。一実施形態では、この厚さは、自由磁性層１０９，１１３間に所望の量の強磁性結合を達成するように選択される。層１０９，１１３間に中間層がない場合、最大の強磁性の結合が達成され、これは１０^４エルステッド（Ｏｅ）を超える結合場に相当し得る。中間層の厚さが約０．１ｎｍから約１ｎｍの範囲にある場合、それは通常、不連続であり、その結果、結合は依然として自由磁性層１０９，１１３間に存在するものの、その大きさを著しく低減することができる。非磁性中間層が連続的である場合、層１０９，１１３間に強磁性結合は存在しないが、酸化物によっては反強磁性が可能である。強磁性結合の所望のレベルは約５０エルステッド（Ｏｅ）から約５００エルステッド（Ｏｅ）の範囲であり、それは層厚、ビット・サイズ、および形状に基づいて変化し得る。本明細書で説明されるように、層の端部には反強磁性結合が存在し得るので、強磁性結合のこの大きさは正味の強磁性結合となり得ることが当業者に認識され得る。

別の実施形態では、中間層１１１は、その厚さに応じて、層１０９，１１３間に反強磁性結合または強磁性結合を生成し得る導電性材料である。そのような材料としてはＲｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｉｒなどを含む。中間層が不連続となるように非常に薄い（約０．１ｎｍから約０．５ｎｍの範囲の）場合、自由磁性層１０９，１１３間に強磁性結合がある。中間層が連続的である場合、約０．７ｎｍから約１．１ｎｍの範囲の厚さでは層１０９，１１３間に数百エルステッド（Ｏｅ）の最大の大きさを有する反強磁性結合がある。より厚い中間層では、典型的には約１．３ｎｍから約１．５ｎｍの厚さ範囲において、結合は再び弱い強磁性になることがある。

中間層１１１からの磁気結合に加えて、主としてビットの端部で生成された静磁場によって引き起こされる自由磁性層１０９と自由磁性層１１３との間の反強磁性（ＡＦ）結合もある。自由磁性層１０９，１１３間に所望の正味の結合を選択する場合、このＡＦ結合を考慮に入れることができる。スイッチング電流は、自由磁性層１０９，１１３間の弱い正味の強磁性結合または弱い正味の反強磁性結合のいずれかに対して低減することができる。

自由磁性要素１０８は、磁化の固有または「デフォルト」の方向を規定する磁化容易軸を有する。ＭＲＡＭセル１００が、書き込み電流１２６の印加されていない定常状態にある場合、自由磁性要素１０８の磁化は自然にその容易軸に沿って向くことになる。ＭＲＡＭセル１００は自由磁性要素１０８に対して特定の容易軸方向を定めるように適切に構成される。図１の関連で見ると、自由磁性要素１０８の磁化は右または左のいずれかに向かう。自由磁性層１０８の形状または結晶異方性などの異方性は、自由磁性要素１０８のそれぞれの容易軸の方向を決定する。図１に示された実施形態では、自由磁性要素１０８は多数の磁性層を含み、したがって、各磁性層が容易軸を有する。第１の磁性層１０９および第２の磁性層１１３の容易軸は、一実施形態では同じ方向である。図１に示されるように、磁性層１０９および１１３の磁化は共にそれらの容易軸に沿って右に向かっている。

この例示的実施形態では、絶縁体１１０は自由磁性要素１０８と固定磁石要素１１２との間に配置される。一実施形態では、固定磁石要素１１２は固定磁性層、スペーサ層、ピン磁性層、および反強磁性ピニング層を含む。この実施形態では、絶縁体１１０は自由磁性要素１０８と固定磁性層１１８との間に配置される。絶縁体１１０は、電気絶縁体として機能することができる任意の好適な材料から形成される。例えば、絶縁体１１０は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｚｒなどを含む酸化物または窒化物などの材料から形成することできる。ＭＲＡＭセル１００では、絶縁体１１０はトンネル障壁要素として働き、自由磁性要素１０８、絶縁体１１０、および固定磁石要素１１２の組合せはＭＴＪを形成する。

図示の実施形態では、固定磁石要素１１２は絶縁体１１０と分離トランジスタ１１４との間に配置される。固定磁石要素１１２は、磁化が自由磁性要素１０８の磁化と平行または反平行のいずれかである固定磁性層１１９を有する。一実施形態では、固定磁石要素はＣｏＦｅなどの単一の磁性材料である。

別の実施形態では、固定磁石要素１１２は固定磁性層、スペーサ層、ピン磁性層、および反強磁性ピニング層を含む。この実施形態では、固定磁性層およびピン磁性層は反平行磁化を有する。固定磁性層およびピン磁性層は、元素Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏのうちの少なくとも１つや、それらの合金や、Ｂもしくは０を有する合金や、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ、Ｆｅ_３Ｏ_４、もしくはＣｒＯ_２などのいわゆる半金属強磁性体など、任意の好適な磁性材料から形成することできる。反強磁性層としては、例えば、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＲｈＭｎ、またはＰｔＭｎを含むことができる。スペーサ層は、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｃｕ、またはそれらの組合せを含む任意の好適な非磁性体から形成することできる。

分離トランジスタ１１４は、電圧電位に結合された第１の電流電極と、固定磁性層１２２に結合された第２の電流電極と、選択されたときにセル１００を通じて第１の導体１０２に電子を流すゲートとを含む。第１の導体１０２から分離トランジスタ１１４に電流を供給することによってセル１００に書き込みを行う場合に、分離トランジスタ１１４がアドレス指定される。

実際には、ＭＲＡＭセル１００は代替または追加の要素を使用することができ、図１に示された１つまたは複数の要素は、複合構造またはサブ要素の組合せとして実現することできる。図１に示された層の特定の構成は単に一実施形態を示している。

図２は、別の実施形態による自由磁性要素１０８を示す。この実施形態では、自由磁性要素１０８は多数の自由磁性層１３１〜１３４（すなわち、第１の自由磁性層１３１、第２の自由磁性層１３２、第３の自由磁性層１３３、および第４の自由磁性層１３４）を含む。自由磁性層１３１〜１３４の対の間に中間層１３６〜１３８（すなわち、第１の中間層１３６、第２の中間層１３７、および第３の中間層１３８）がある。自由磁性層１３１〜１３４は、自由磁性層１０９，１１３について説明した材料や寸法のいずれかとすることができる。さらに、中間層１３６〜１３８は、中間層１１１について説明した材料や寸法のいずれかとすることができる。自由磁性層１０９および１１２に関して説明したように、自由磁性層１３１〜１３４は、好ましくは、互いに同じ容易軸方向を有する。図２に示されるように、自由磁性層１３１〜１３４の各々は、矢印１４０〜１４３によって示されたような磁化方向を有する。また、図２に図示された実施形態で示されるように、自由磁性層１３１〜１３４間には正味の強磁性結合があるが、それは電流が印加されていない状態で磁化方向が平行であるからである。自由磁性層１３１〜１３４間に正味の反強磁性結合がある一実施形態では、各層の磁化方向は最隣接の両方と反平行になる。一実施形態では、自由磁性要素１０８は、埋め込み中間層をもつ１つの自由磁性材料と考えることができる。自由磁性層間にそれぞれ１つから３つの中間層をもつ２つまたは４つの自由磁性層を有する実施形態が、図１および図２に示されているが、これらは単に例であり、任意の数の自由磁性層および中間層が存在し得る（例えば、３つの磁性層と２つの中間層、５つの磁性層と４つの中間層、６つの磁性層と５つの中間層など）ことが当業者なら理解し得る。自由層中の磁性層および中間層が多いほど、必要なスイッチング電流は低い。したがって、１つまたは２つより多い磁性層および１つより多い中間層を有することは有利である。

したがって、一実施形態では、メモリ・デバイスは、固定磁性層と、固定磁性層の上のトンネル障壁層と、トンネル障壁層の上に形成される自由磁性層とを含み、自由磁性層が、第１の自由磁性層と、第１の自由磁性層に弱く強磁性結合または反強磁性結合されている第２の自由磁性層と、第２の自由磁性層に弱く強磁性結合または反強磁性磁気結合されている第３の自由磁性層とを含む。一実施形態では、メモリ・デバイスは、第１の自由磁性層と第２の自由磁性層との間の第１の非磁性層と、第２の自由磁性層と第３の自由磁性層との間の第２の非磁性層とをさらに含み、ここで、第１の非磁性層は不連続な絶縁体である。一実施形態では、第２の非磁性層も不連続な絶縁体であり、それは第１の非磁性層と同じ絶縁体でもよいし、異なる絶縁体でもよい。

図３は、ＭＲＡＭセル１００を含むＭＲＡＭアレイにデータを書き込むときに実行される一実施形態によるＭＲＡＭ書き込み処理３００のフローチャートである。処理３００は、コンピュータ・システムなどにおける１つまたは複数の論理要素またはプロセッサ要素（例えば、図５を参照）によって実行または制御することができる。実用的な実施では、処理３００は任意の数の追加または代替のタスクを含むことができ、処理３００は、より複雑なメモリ制御読み出し／書き込み手順に組み込むことができる。さらに、処理３００に示されたタスクは図３に示された順番に実行する必要はなく、１つまたは複数のタスクは同時に実行することができる。

ＭＲＡＭ書き込み処理３００は、書き込みを行うために、ＭＲＡＭアレイ中のＭＲＡＭセルを指定するタスク３０２から始まる。典型的な「２次元」ＭＲＡＭアレイでは、タスク３０２は行および列を特定してＭＲＡＭセルを指定する。ＭＲＡＭセルが指定された後、分離トランジスタ１１４を選択することによって（タスク３０４）、ＭＲＡＭセルの行に結合されている導体線路に書き込み電流が印加され、その電流は指定されたＭＲＡＭセルのビットを通過する。

「１」ビットが書き込まれる場合（判断タスク３０６）、ＭＲＡＭ書き込み処理３００は、指定されたＭＲＡＭセルに第１の方向の書き込み電流を印加し（タスク３０８）、その書き込み電流に応じて、指定されたＭＲＡＭセルの自由磁性要素の磁化の方向が書き込み状態に切り替えられる（タスク３１０）。指定されたＭＲＡＭセルの自由磁性要素の磁化の方向は、指定されたＭＲＡＭセルの固定磁性要素の磁化の方向と反平行になるように切り替えられる。

「０」ビットが書き込まれる場合（判断タスク３０６）、ＭＲＡＭ書き込み処理３００は、指定されたＭＲＡＭセルに第２の方向の書き込み電流を印加する（タスク３１２）。指定されたＭＲＡＭセルの自由磁性要素の磁化の方向は、指定されたＭＲＡＭセルの固定磁性要素の磁化の方向と平行になるように切り替えられる。

図４〜図７は、一実施形態に従ってどのようにスピン・トルク反転が図２の自由磁性要素１０８を移動するかを示す。図４〜図７のすべての断面図は、各図の軸１０によって示されるようなｘ−ｚ面で得られた断面図である。図４は、書き込み電流が印加される前の自由磁性要素１０８を示し、各サブレイヤ１３１〜１３４のスピン１５０〜１５３はすべて同じ方向である。（スピン１５０〜１５３は各サブレイヤ１３１〜１３４の磁化方向を表す。）要素２００は、ｘ−ｙ面における各サブレイヤ１３１〜１３４のスピン１５０〜１５３の方向を示す。サブレイヤ１３１〜１３４のスピン１５０〜１５３が同じ方向であるので、要素２００の矢印はすべてのサブレイヤ１３１〜１３４のスピン１５０〜１５３を示す。電流が自由磁性要素１０８を通して送出されると、図示の実施形態では第４の自由磁性層１３４であるトンネル接合に最も近い層が、図５に示されるように、最初に反転する。同時に、第３の自由磁性層１３３が反転し始め、その後第２の自由磁性層１３２が続く。第１の自由磁性層１３１は依然として反転していない可能性がある。軸が図の状態で規定されるとき、反転はｘ−ｙ面内でｚ軸のまわりに生じる。図示の実施形態では、スピン１５２は、要素２１０によって示されるように、スピン１５３に対して約６０度回転される。したがって、スピン１５２は、より短い矢印の長さを有することによっておおよそ紙面から外に向いているように示される。図示の実施形態では、スピン１５１は、要素２１０によって示されるように、スピン１５０に対して約６０度、およびスピン１５２に対して約６０度回転される。したがって、要素１０８の磁性層１３２のスピン１５１を示す矢印も、スピン１５１が紙に対してある角度をなしているので矢印１５０よりも短いように描かれている。

一実施形態では約０．２５ナノ秒とすることができるさらなる時間の後、図６に示されるように、第３の自由磁性層１３３は、第４の自由磁性層１３４のように、完全に反転しており、第２の自由磁性層１３２はより多く反転しており、第１の自由磁性層１３１は反転し始めている。要素２２０に示されているように、第２の自由磁性層１３２は、第３の自由磁性層１３３のスピン１５２に対して約６０度、および第１の自由磁性層１３１のスピン１５０に対して約６０度であるスピン１５１を有する。スピン１５１のこの方向は、スピン１５２を示す矢印よりも短い長さであるスピン１５１を示す矢印によって、しかしスピン１５１がスピン１５２と同じ方向に向いている状態で、要素１０８の磁性層１３２内に示されている。第１の自由磁性層１３１のスピン１５０はおおよそ紙面から外に向いているので、スピン１５０もより短い長さを有する矢印によって示されている。さらなる時間の後、図７に示されるように、サブレイヤはすべて反転している。自由磁性要素が約４ナノメートルの厚さであり、４つの磁性層を有する場合、全書き込み処理は約１ナノ秒とすることができる。要素２３０は、スピン１５０〜１５３が、スイッチング電流の印加前のスピン１５０〜１５３を示す要素２００のスピン１５０〜１５３と反対である（すなわち、それらから１８０度である）ことを示している。

図４〜図７に示されたスピンの反転は、ｘ−ｙ面においてｚ軸のまわりに右回りの方向に回転または反転するスピンを有していたことを当業者は認識する。しかし、スピンは左回りの方向に回転することができる。スピンが左回りの方向に回転した場合、スピンのあるものは紙面の中の方に向かい、それは、各スピンを円で囲んだ点とは対照的に、円で囲んだｘによって示すことができる。

したがって、図４〜図７で示されるように、自由磁性要素１０８の下部（すなわち第４の自由磁性層１３４）から自由磁性要素１０８の上部（すなわち第１の自由磁性層１３１）まで自由磁性要素１０８を通して磁化の方向の連続した変化がある。自由磁性層の各々が弱く磁気結合されているので、自由磁性要素１０８のｚ方向の（下から上の、または逆の）順次スピン・トルク誘起反転が生じる。言い換えれば、弱い交換結合がスピン・トルク反転のような磁区壁を誘起する。約１０^６エルステッド（Ｏｅ）以上である強磁性体の交換結合よりも実質的に小さい任意の磁気結合が弱く結合される。一実施形態では、弱く結合された層は、約−５００Ｏｅから約１０００Ｏｅである。すべてのスピンが同時に反転する従来のコヒーレント回転の代わりに順次スピン・トルク誘起反転を使用することによって、スイッチング事象は多数の層にわたって広がり、時間が遅延する。スイッチング・トルクが一度に１層にのみ与えられ、各層は自由磁性要素１０８の全体の厚さよりも薄いので、より低いスイッチング電流が印加される。例えば、ミクロ磁気シミュレーションによれば、各々が１ｎｍ厚さであるＮｉＦｅの４つの弱く強磁性結合された層を有する０．０８μｍ×０．１６μｍのサイズのビットの場合、スピン・トルク・スイッチング電流は全体にわたって強結合を有する連続的な４ｎｍ厚さのＮｉＦｅ層の場合と比較して２分の１未満に低減されることが示された。さらに、自由磁性要素１０８の全体の厚さは依然として十分に大きく（例えば４ナノメートル）、その結果、熱効果に対する安定性が保持される。この安定性により、データを保持することが可能になる。

図４〜図７に示された実施形態は強磁性結合を示している。しかし、結合は強磁性または反強磁性とすることができる。
自由磁性要素１０８のスピン・トルク回転が完了すれば、自由磁化の切替え（タスク３１０または３１４）は完了している。ＭＲＡＭ書き込み処理３００の選択的書き込み法により、指定されないＭＲＡＭセルのすべての自由磁性要素の磁化方向は保持される（タスク３１６）。指定されたＭＲＡＭセルにデータが書き込まれた後、書き込み電流は除去される（タスク３１８）。書き込み電流を除去した後、タスク３０４で選択された分離トランジスタの選択が解除される（タスク３２０）。分離トランジスタの選択解除および書き込み電流の除去は、指定されたセルの書き込み状態を保存するために望ましい（タスク３２２）。

実用的ＭＲＡＭアーキテクチャは、個々の書き込み選択性を有するＭＲＡＭセル１００のアレイまたはマトリクスを含むことができる。図８は、任意の数のＭＲＡＭセル１００を使用することができる例示のＭＲＡＭアレイ２００の概略図である。図８中の破線は、ＭＲＡＭアレイ２００が任意の数の行および任意の数の列を含むことができることを示す。この例では、各セル１００はそれの所有する分離トランジスタ２０２に結合され、所与の行のセル１００は共通書き込み線路２１０、２１２、２１４を共有する。ＭＲＡＭアレイ２００は、分離トランジスタ２０２の選択を制御する選択論理回路２１８と、該当する書き込み線路２１０、２１２、２１４への電流の選択または印加を制御するスピン・トランスファ書き込み電流選択論理回路２２０とを含む。図３に示された処理と同様のＭＲＡＭ書き込み処理を利用して、ＭＲＡＭアレイ２００にデータを書き込むことができる。

同時に反転する自由磁性層をもつメモリ・デバイスに比べてスイッチング電流を低減させるメモリ・デバイスおよびメモリ・デバイスを切り替える方法が既に理解されているはずである。一実施形態では、これは、弱く磁気結合されているサブレイヤを含む自由磁性要素を使用し、その結果、スピン・トルク誘起反転が自由磁性要素を通して連続して進行することによって達成される。これにより、より低いプログラミング電圧を使用することが可能になり、トンネル障壁破壊が防止され、かつ、小さいパス・トランジスタを使用することが可能になり、したがってダイ面積が節約される。

当然理解されるように、一実施形態では、メモリ・デバイスは、固定磁性層と、固定磁性層の上のトンネル障壁層と、トンネル障壁層の上に形成され、第１の層および第２の層を有する自由磁性構造であって、第１の層がある結合強度で第２の層に弱く磁気結合されるとともに、結合強度が最小のスピン・トルク・スイッチング電流を生成するように選ばれる該自由磁性構造とを含む。一実施形態では、第１の層は第２の層に弱く強磁性結合される。一実施形態では、第１の層は第２の層に弱く反強磁性結合される。

一実施形態では、メモリ・デバイスを切り替える方法は、固定磁性層を形成することと、固定磁性層の上にトンネル障壁層を形成することと、トンネル障壁層の上に自由磁性層を形成することとを含み、自由磁性層または構造が、第１の自由磁性材料である第１のサブレイヤまたは層をトンネル障壁層の上に形成することと、第１のサブレイヤに接する第１の中間層を形成することと、第２の自由磁性材料である第２のサブレイヤまたは層を第１の中間層に接するように形成することとを含む。さらに、この方法はメモリ・デバイスに書き込み電流を印加することを含む。ここで、書き込み電流を印加すると磁気スピンが連続して切り替わる。磁気スピンが連続して切り替わる一実施形態は、第２のサブレイヤの磁性スピンが切り替わる前に第１のサブレイヤの磁気スピンを切り替えることを含む。

本発明を実施する装置は、その大部分が当業者に既知の電子構成要素および回路からなる。従って、回路の詳細は、本発明の基本的概念の理解および認識のためおよび本発明の教示を混乱または紛れがないように、上述の説明で必要と考えられるよりも広い範囲では説明されていない。

さらに、上述の動作の機能間の境界は単に例示であることを当業者は認識する。多数の動作の機能は単一の動作に組み合わすことができるか、または単一の動作の機能は追加の動作に分割することができる。さらに、代替実施形態は特定の動作の多数の例を含むことができ、動作の順序は様々な他の実施形態において変更することできる。

本発明を特定の実施形態を参照しながら本明細書で説明したが、添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく様々な変形および変更を行うことができる。したがって、明細書および図面は限定の意味ではなく例示と見なされるべきであり、そのような変形はすべて本発明の範囲に含まれるものである。特定の実施形態に関して本明細書で説明されている問題に対するいかなる利益、利点、または解決策も、特許請求の範囲のいずれかまたはすべての決定的、必須、または本質的な形体または要素として解釈されるべきものではない。

本明細書で使用される「１つの」という用語は１つまたは１つを超えるものと規定される。さらに、本説明および特許請求の範囲における「前部」、「後部」、「上部」、「下部」、「上に」、「下に」などの用語は、もしあれば、説明の目的で使用されており、恒久的な相対位置を説明するために必ずしも使用されていない。そのように使用された用語は適切な状況下で交換可能であり、その結果、本明細書で説明された本発明の実施形態は、例えば、本明細書で説明された、あるいは説明された方位以外の方位で動作することができることが理解される。特に言明されない限り、「第１の」および「第２の」のような用語は、そのような用語が記述する要素間を便宜的に識別するために使用される。したがって、これらの用語は必ずしもそのような要素の時間の経過順または他の優先順位を示すものではない。

様々な実施形態が以下で説明される。
１．固定磁性層と、固定磁性層の上のトンネル障壁層と、トンネル障壁層の上に形成され、かつ、第１の自由磁性層と、第１の自由磁性層に接する第１の中間層と、第１の中間層に接するとともに第１の自由磁性層に弱く強磁性結合されている第２の自由磁性層とを含む自由磁性構造と、を備えるメモリ・デバイスであって、スピン偏極電子電流を自由磁性構造に作用させることによってプログラムされ得るメモリ・デバイス。

２．強磁性結合強度が５０エルステッドから５００エルステッドの間である、項目１に記載のメモリ・デバイス。
３．第１の中間層が、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、およびＲｅからなる群から選択された元素を含む、かつ、第１の中間層が約１．２ナノメートルから約１．７ナノメートルの範囲の厚さを有する、項目１に記載のメモリ・デバイス。

４．第１の中間層が絶縁材料を含む、項目１に記載のメモリ・デバイス。
５．第１の中間層が、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、およびＺｒからなる群から選択された元素からなる酸化物を含む、項目４に記載のメモリ・デバイス。

６．第１の中間層が導電性材料を含む、項目１に記載のメモリ・デバイス。
７．第１の中間層が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｖ、Ｃｕ、およびＢからなる群から選択された元素からなる金属からなる、項目６に記載のメモリ・デバイス。

８．第１の中間層が約０．１ｎｍから約１ｎｍの範囲の厚さを有する、項目１に記載のメモリ・デバイス。
９．固定磁性層と、固定磁性層の上のトンネル障壁層と、トンネル障壁層の上に形成された自由磁性構造であって、非磁性絶縁材料内に埋め込まれた自由磁性材料を含む自由磁性構造とを備えるメモリ・デバイス。

１０．自由磁性構造が、弱く強磁性結合されている複数のサブレイヤを含む、項目９に記載のメモリ・デバイス。
１１．複数のサブレイヤが同じ材料である、項目１０に記載のメモリ・デバイス。

１２．複数のサブレイヤが異なる材料である、項目１０に記載のメモリ・デバイス。
１３．非磁性絶縁材料が不連続である、項目９に記載のメモリ・デバイス。
１４．固定磁性層と、固定磁性層の上のトンネル障壁層と、トンネル障壁層の上に形成され、かつ、第１の自由磁性層と、第１の自由磁性層に弱く磁気結合されている第２の自由磁性層と、第２の自由磁性層に弱く磁気結合されている第３の自由磁性層とを含む自由磁性構造と、を備えるメモリ・デバイスであって、スピン偏極電子電流を自由磁性構造に作用させることによってプログラムされ得るメモリ・デバイス。

１５．第２の自由磁性層が第１の自由磁性層に弱く強磁性結合される、項目１４に記載のメモリ・デバイス。
１６．第２の自由磁性層が第１の自由磁性層に弱く反強磁性結合される、項目１４に記載のメモリ・デバイス。

１７．第１の自由磁性層と第２の自由磁性層との間に第１の中間層をさらに含む、項目１６に記載のメモリ・デバイス。
１８．第１の中間層が、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｏｓ、およびＣｕからなる群から選択された元素からなる金属を含む、項目１７に記載のメモリ・デバイス。

１９．第１の中間層が連続的な金属層を含む、項目１７に記載のメモリ・デバイス。
２０．第１の中間層が、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、およびＺｒからなる群から選択された元素からなる酸化物を含む、項目１７に記載のメモリ・デバイス。

Claims (20)

1. メモリ・デバイスであって、
   固定磁性層と、
   前記固定磁性層の上のトンネル障壁層と、
   前記トンネル障壁層の上に形成された自由磁性構造であって、
   第１の自由磁性層と、
   前記第１の自由磁性層に接する第１の中間層と、
   前記第１の中間層に接するとともに前記第１の自由磁性層に弱く強磁性結合されている第２の自由磁性層とを含む前記自由磁性構造と、を備え、
   前記自由磁性構造にスピン偏極電子電流を作用させることによってプログラムされ得るメモリ・デバイス。
2. 前記強磁性結合の強度が５０エルステッドから５００エルステッドの間である、請求項１に記載のメモリ・デバイス。
3. 前記第１の中間層が、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、およびＲｅからなる群から選択された元素を含み、前記第１の中間層が約１．２ナノメートルから約１．７ナノメートルの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のメモリ・デバイス。
4. 前記第１の中間層が絶縁材料を含む、請求項１に記載のメモリ・デバイス。
5. 前記第１の中間層が、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、およびＺｒからなる群から選択された元素からなる酸化物を含む、請求項４に記載のメモリ・デバイス。
6. 前記第１の中間層が導電性材料を含む、請求項１に記載のメモリ・デバイス。
7. 前記第１の中間層が、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｖ、Ｃｕ、およびＢからなる群から選択された元素からなる金属を含む、請求項６に記載のメモリ・デバイス。
8. 前記第１の中間層が約０．１ｎｍから約１ｎｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のメモリ・デバイス。
9. メモリ・デバイスであって、
   固定磁性層と、
   前記固定磁性層の上のトンネル障壁層と、
   前記トンネル障壁層の上に形成された自由磁性構造であって、非磁性絶縁材料内に埋め込まれた自由磁性材料を含む自由磁性構造と、
   を備えるメモリ・デバイス。
10. 前記自由磁性構造が、弱く強磁性結合された複数のサブレイヤを含む、請求項９に記載のメモリ・デバイス。
11. 前記複数のサブレイヤが同じ材料である、請求項１０に記載のメモリ・デバイス。
12. 前記複数のサブレイヤが異なる材料である、請求項１０に記載のメモリ・デバイス。
13. 前記非磁性絶縁材料が不連続である、請求項９に記載のメモリ・デバイス。
14. メモリ・デバイスであって、
    固定磁性層と、
    前記固定磁性層の上のトンネル障壁層と、
    前記トンネル障壁層の上に形成された自由磁性構造であって、
    第１の自由磁性層と、
    前記第１の自由磁性層に弱く磁気結合されている第２の自由磁性層と、
    前記第２の自由磁性層に弱く磁気結合されている第３の自由磁性層とを含む前記自由磁性構造と、を備え、
    前記自由磁性構造にスピン偏極電子電流を作用させることによってプログラムされ得るメモリ・デバイス。
15. 前記第２の自由磁性層が前記第１の自由磁性層に弱く強磁性結合される、請求項１４に記載のメモリ・デバイス。
16. 前記第２の自由磁性層が前記第１の自由磁性層に弱く反強磁性結合される、請求項１４に記載のメモリ・デバイス。
17. 前記第１の自由磁性層と前記第２の自由磁性層との間に第１の中間層をさらに含む請求項１６に記載のメモリ・デバイス。
18. 前記第１の中間層が、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｏｓ、およびＣｕからなる群から選択された元素からなる金属を含む、請求項１７に記載のメモリ・デバイス。
19. 前記第１の中間層が連続的な金属層を含む、請求項１７に記載のメモリ・デバイス。
20. 前記第１の中間層が、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｖ、およびＺｒからなる群から選択された元素からなる酸化物を含む、請求項１７に記載のメモリ・デバイス。

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