JP5623507B2 - スピントルクの切換を補助する層を有する、スピントルクの切換を持つ磁気積層体 - Google Patents

Description

背景
広がるコンピュータおよび携帯／通信産業の急速な成長は、高容量の不揮発性ソリッドステートデータ記憶素子および回転磁気データ記憶素子に対する爆発的な需要を生み出している。フラッシュメモリのような現在の技術は、遅いアクセス速度、制限された耐久性、集積化の難しさといったような、いくつかの欠点を有する。フラッシュメモリ（ＮＡＮＤまたはＮＯＲ）は、また、スケーリング問題に直面する。また、従来の回転記憶素子は、面密度における試み、および、読出／書込ヘッドのような構成要素をより小さくかつより信頼性あるものにすることにおける試みに直面する。

抵抗性センスメモリ（ＲＳＭ）は、データビットを、高抵抗状態または低抵抗状態のいずれかとして記憶することにより、将来の不揮発性および普遍のメモリの有望な候補である。そのようなメモリの１つである磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、不揮発性、高い書込／読出速度、ほとんど制限のないプログラミング耐久性、および待機電力が０であるという特徴を有する。ＭＲＡＭの基本的な構成要素は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）である。ＭＲＡＭは、ＭＴＪの磁化を切換えるための、電流で誘起された磁場を用いることによってＭＴＪ抵抗を切換える。ＭＴＪのサイズが縮小されるにつれて切換磁場の大きさが増大し、切換の変動がより厳しくなる。

しかしながら、そのような磁気メモリ積層体がメモリ素子または磁場センサとして確実に使用可能になる前には、歩留まりを制限する多くの要因を克服しなければならない。したがって、低減されたスイッチング電流と高められた熱信頼性とを有する磁気メモリ積層体が要望される。

簡単な要約
本開示は、スピントルクメモリセルまたは磁気トンネル接合セルのような磁気セルに関し、磁気セルは関連する強磁性層の磁気異方性および磁気配向を有し、強磁性層はウェハ平面に垂直または「平面外」に位置合せされる。セルはアシスト層を含む。

この開示の１つの特定的な実施の形態は、強磁性自由層と強磁性のピン留めされた（pinned）参照層とを有する磁気セルであり、各々は平面外磁気異方性と平面外磁気配向とを有し、スピントルクによって切換え可能である。セルは、約５００Ｏｅ以下の低い磁気異方性を有する強磁性アシスト層を含む。アシスト層は、平面内または平面外異方性を有し得る。

この開示の別の特定的な実施の形態は、基板上の磁気メモリセルである。メモリセルは、基板に垂直な平面外磁気異方性と平面外磁気配向とを有し、スピントルクによって切換え可能な強磁性自由層を有する。セルは、また、基板に垂直な平面外磁気異方性と平面外磁気配向とを有する第１の強磁性のピン留めされた参照層と、自由層と第１の参照層との間の酸化物バリア層とを有する。さらに、低い磁気異方性を有する、自由層に近接した強磁性アシスト積層体が含まれ、そのアシスト積層体は、アシスト層を備え、アシスト層は、約１０００ｅｍｕ／ｃｃ未満の磁気モーメントと、電流からの電子の流れの方向に回転する磁気配向とを有する。

この開示の別の特定的な実施の形態は、磁気セルに書込む方法である。方法は、自由層と参照層とを備える磁気セルに電流を流すステップを含み、自由層と参照層との各々は、平面外異方性および磁気配向を有し、電流は電子の流れの方向を有する。方法は、自由層に近接するアシスト層の磁気配向を、電子の流れの方向に回転させるステップを含み、アシスト層は、約５００Ｏｅ以下の磁気異方性を有する。このことは、電子の流れの方向に自由層の磁気配向を向けることをもたらす。

これらのおよびさまざまな他の特徴および利点は、続く詳細な説明を読むことで明らかとなるであろう。

図面の簡単な説明
本開示は、添付の図面と関連して、この開示のさまざまな実施の形態の以下に続く詳細な説明を考慮することでより完全に理解され得る。

平面外磁気配向およびアシスト層を有する磁気セルの概略的側面図である。 磁気セルの代替的な実施の形態の概略的側面図である。 磁気セルの別の代替的な実施の形態の概略的側面図である。 メモリセルと半導体トランジスタとを含む例示的なメモリユニットの概略図である。 平面外磁気配向およびアシスト層を有する磁気セルの別の実施の形態の概略的側面図である。 積層体が高抵抗状態にある、アシスト層を有する磁気セルの概略的側面図である。 低抵抗状態にある磁気セルの概略的側面図である。

図面は拡大縮小される必要がない。図面に用いられる同様の符号は、同様の構成要素を参照する。しかしながら、所与の図面中の構成要素を参照する符号の使用は、同じ符号が付された別の図面中の構成要素を限定する意図がないということが理解されるであろう。

詳細な説明
この開示は、磁気積層体またはセル（たとえばスピントルクメモリ（ＳＴＲＡＭ）セル）に向けられ、磁気積層体またはセルは、スピン電流駆動アシスト層を含む多層アシスト積層体を含む垂直異方性を有する。いくつかの実施の形態において、スピン電流駆動アシスト層は、一般に「平面内」であり、スピン電流によって容易に「平面外」に切換わる。別の実施の形態において、スピン電流駆動アシスト層は、一般に「平面外」であるが、それはスピン電流によって容易に反対の方向へと切換わるためである。

本開示は、関連する強磁性体層の磁気配向をウェハ平面に垂直または「平面外」に位置合せすることをもたらす磁気異方性を有する磁気メモリセルのさまざまな設計に向けられる。メモリセルは、適切な熱安定性を維持しつつ、セルのデータビット状態を切換えるために必要なスイッチング電流を低減する構造的素子を有する。メモリセルは、高い面密度でウェハ上にパターニングされることができる。

以下の説明において、説明の一部を形成する添付の図面の組が参照され、図面においては、図示によって、いくつかの特定の実施形態が示される。他の実施形態が意図されるとともに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、という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する意味で解釈されるべきではない。本明細書で与えられる定義は、本明細書で頻繁に用いられる特定の用語の理解を容易にするためのものであり、本開示の範囲を制限することを意味するものではない。

それ以外が示されていなければ、明細書および特許請求の範囲で用いられる形状、量および物理特性を表わすすべての数は、「約（about）」との用語によって、すべての例において変更されるということが理解されるべきである。したがって、逆に示されていなければ、上述の明細書および添付の請求項において説明される数値パラメータは、近似であって、その近似は、本明細書に開示された教示を利用する当業者によって取得されることが目指される、所望の特性に依存して変化し得る。

この明細書および添付の請求項において用いられるように、単数形「ａ」、「an」、「the」は、その内容が明らかにそれ以外を示さない限りは、複数の対象を有する実施形態を包含する。この明細書および添付の請求項において用いられるように、「または（or）」との用語は、その内容が明らかにそれ以外を示さない限りは、概して「および／または（and/or）」を含む意味において用いられる。

この開示では、「上（top）」、「下（bottom）」、「上方（above）」、「下方（below）」等の用語が用いられ得る。これらの用語は、構造の位置または向きを限定するように解釈されるべきものではなく、構造間の空間的な関係を与えるものとして用いられるべきものである。

本開示はそのように限定されるものではないが、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じて得られるであろう。

図１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、垂直または平面外磁気配向を有する磁気積層体を示す。いくつかの実施の形態において、磁気積層体は、磁気メモリセルであり、磁気トンネル接合セル（ＭＴＪ）、可変抵抗性メモリセル、可変抵抗メモリセル、または抵抗性センスメモリ（ＲＳＭ）セルなどと呼ばれ得る。図１Ａは、メモリセル１０Ａを示し、図１Ｂは、メモリセル１０Ｂを示し、図１Ｃは、メモリセル１０Ｃを示す。

磁気メモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、相対的に軟強磁性の自由層１２および強磁性参照（たとえば固定またはピン留めされた）層１４を有し、各々は平面外磁気異方性および磁気配向を有する。強磁性自由層１２と強磁性参照層１４とは酸化物バリア層１３によって分離され、酸化物バリア層は、いくつかの実施の形態ではトンネルバリア層などと呼ばれる。

図１Ａおよび１Ｂは、シリコンウェハのような基板１１上の磁気セル１０Ａ，１０Ｂを示す。図１Ａのメモリセル１０Ａにおいて、参照層１４は自由層１２よりも基板１１に接近している。図１Ｂのメモリセル１０Ｂにおいて、自由層１２は参照層１４よりも基板１１に接近している。

図１Ａ，１Ｂ，１Ｃのすべてに戻り、自由層１２と参照層１４との各々は、磁気異方性および関連する磁気配向を有する。層１２，１４の異方性および磁気配向は、層の延在方向およびメモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが形成されるウェハ基板１１の平面に対して垂直に向けられており、これは、しばしば「平面外」または「垂直」と呼ばれる。自由層１２の磁気配向は、参照層１４の磁気配向よりも容易に切換え可能であるが、参照層１４の磁気配向は固定され、一般に非常に低く、切換わらない。いくつかの実施の形態において、近接強磁性参照層１４は反強磁性（ＡＦＭ）ピニング層であり、ピニング層は、反強磁性に秩序付けられたピニング層の材料による交換バイアスによって、参照層１４の磁気配向を固定する。適切なピニング材料の例は、ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎおよびその他を含む。代替的な実施の形態において、参照層１４の磁気配向をピン留めするために、他の機構または素子が用いられ得る。

強磁性層１２，１４は、垂直または平面外異方性を有する任意の実用的な強磁性（ＦＭ）材料により形成され得る。垂直磁気異方性を与えるこれら強磁性の多くの構成および他の材料が存在し、そのような構成および材料は、（１）強磁性材料（ＦＭ）の単一の層、（２）強磁性／非金属（ＦＭ／ＮＭ）多層、（３）ＦＭ／ＦＭ多層、（４）特定の結晶相およびテクスチャを有する強磁性合金、（５）重希土類遷移金属合金である。ＦＭ／ＮＭ多層の１つの特定的な例はＣｏ／Ｐｔ多層である。ＦＭ／ＦＭ多層の例はＣｏ／Ｎｉ多層である。特定の結晶相およびテクスチャを有する強磁性合金の例はｈｃｐ結晶構造と薄膜平面に垂直なｃ軸（容易軸）とを有するＣｏＰｔ_X合金である。別の例は、Ｌ１０構造および薄膜平面に垂直なｃ軸を有するＦｅＰｔである。同じＬ１０ ＦｅＰｔは、Ｃｒ／Ｐｔ／ＦｅＰｔのようなＦｅＰｔ多層方式で形成することができる。重希土類遷移金属合金の例は、ＴｂＣｏＦｅおよびＧｄＣｏＦｅを含む。他の利用可能な材料の例はＤｙＦｅＣｏおよびＳｍＦｅＣｏを含む。いくつかの実施の形態において、層１２，１４は約１−１０ｎｍの厚みを有する。

バリア層１３は、たとえば酸化物材料（たとえばＡｌ₂Ｏ₃，ＴｉＯ_XまたはＭｇＯ_X）のような電気的に絶縁性の材料により形成され得る。バリア層１３は、プロセスの実現可能性とデバイスの信頼性とに依存して、自由層１２とともにまたは参照層１４とともに任意選択的にパターニングされることができる。いくつかの実施の形態において、バリア層１３は約０．５−１．５ｎｍの厚みを有する。

図１Ｃの実施の形態において、メモリセル１０Ｃは、バリア層１３の少なくとも一方の側に存在する強化層１５を含むが、この実施の形態において、強化層１５はバリア層１３の各々の側、バリア層１３と自由層１２との間、およびバリア層１３と参照層１４との間に存在する。強化層１５は自由層１２および／または参照層１４と強力に結合し、したがってセル１０Ｃの磁気抵抗（ＴＭＲ）を増大させるとともにセル１０Ｃを通じたスピン偏極を増大させる。図１Ａのメモリセル１０Ａおよび図１Ｂのメモリセル１０Ｂのような実施の形態の場合には、参照層１４は十分なスピン偏極および磁気抵抗特性を有しているので、強化層は存在しない。

強化層１５は、もし存在するならば、許容できるスピン偏極範囲（たとえば約０．５より大きい）を有する任意の強磁性材料であり得る。適切な材料の例は、たとえばＮｉＦｅ，ＣｏＦｅおよびＣｏＦｅＢのようなＦｅ，Ｃｏおよび／またはＮｉの合金を含む。いくつかの実施の形態において、強化層は約５−３０Å（すなわち０．５−３ｎｍ）の厚みを有する。

平面内異方性を有する強磁性材料（たとえばＦｅ，Ｃｏおよび／またはＮｉの合金）が強化層１５に用いられる場合の実施の形態では、強化層１５の磁気配向は通常は約２５°未満、たとえば約５−２０°で「平面外」または「垂直」から傾いている。強化層１５の磁気配向は、平面内異方性のためにわずかに傾いているものの、一般に自由層１２または参照層１４の磁気配向と同じ方向である。

この開示に従う磁気積層体では、磁気メモリセルを含むが、低い異方性（たとえば約５００Ｏｅ）を有するスピン電流駆動またはスピン偏極アシスト層が含まれる。異方性は平面内または平面外であり得る。アシスト層は、自由層の磁気配向の切換えを容易にする。図１Ａ，１Ｂ，１Ｃの各々において、アシスト層１７は、自由層１２と近接し、いくつかの実施の形態では、介在する層なく自由層１２に隣接しているが、自由層１２の磁気配向の切換えを容易にする。特に、アシスト層１７の磁気配向からの磁場は、自由層１２の磁気配向の切換えを容易にする。

自由層１２、参照層１４および任意選択的な強化層１５と異なり、アシスト層１７は非常に弱い異方性（たとえば約７００Ｏｅ未満以下、いくつかの実施の形態では約５００Ｏｅ以下であり、約４００Ｏｅ以下でさえある）を有し、その弱い異方性は、結果として容易に切換わる磁気配向をもたらす。アシスト層１７は自由層１２と結合しまたは弱く結合する。図１Ａ，１Ｂ，１Ｃの各々は、中立で平面内の磁気配向を有するアシスト層１７を示す。磁気セル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを通る電流の印加は、スピントルクを生成してアシスト層１７の磁気配向に影響を与えるが、それは順に自由層１２の磁気配向に影響を与える。

アシスト磁気層１７は、許容できる異方性（たとえば約７００Ｏｅ以下または５００Ｏｅ以下または４００Ｏｅ以下）を有する任意の強磁性材料であり得て、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅなどの合金を含むがそれらに限定されるものではない。アシスト層１７は、低い磁気モーメント（Ｍｓ）を有する材料を含み、その磁気モーメント（Ｍｓ）は、たとえばＭｓ≦１１００ｅｍｕ／ｃｃであり、いくつかの実施の形態ではＭｓ≦１０００ｅｍｕ／ｃｃあるいはＭｓ≦９５０ｅｍｕ／ｃｃでさえある。いくつかの実施の形態において、アシスト層１７は約５−３０Å（すなわち０．５−３ｎｍ）の厚みを有する。

第１の電極１６および第２の電極は自由層１２と参照層１４とに電気的に接触する。図１Ａのメモリセル１０Ａと図１Ｃのメモリセル１０Ｃとの場合、電極１６は参照層１４に近接（およびいくつかの実施の形態では隣接）し、一方、図１Ｂのメモリセル１０Ｂの場合には、電極１６はアシスト層１７に近接（およびいくつかの実施の形態では隣接）する。図１Ａのメモリセル１０Ａと図１Ｃのメモリセル１０Ｃとの場合、電極１８はアシスト層１７に近接（およびいくつかの実施の形態では隣接）し、その一方、図１Ｂのメモリセル１０Ｂの場合、電極１８は参照層１４に近接（およびいくつかの実施の形態では隣接）する。電極１６，１８はセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを層１２，１４を通じて読出および書込電流を与える制御回路に接続する。磁気メモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの抵抗は、強磁性層１２，１４の磁気ベクトルの相対的配向または磁気配向によって決定される。

メモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのすべては、自由層１２に対して定義されていない磁気配向で示される。自由層１２の磁気配向は２つの安定な反対の状態を有し、その両方はメモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが形成される基板に対して垂直である。磁気メモリセルは、自由層１２の磁気配向が参照層１４の磁気配向と同じ方向にあるときに低抵抗状態にある。逆に、磁気メモリセルは、自由層１２の磁気配向が参照層１４の磁気配向の反対の方向にあるときに高抵抗状態にある。いくつかの実施の形態において、低抵抗状態は「０」データ状態であり、高抵抗状態は「１」データ状態であるが、その一方で他の実施の形態においては、低抵抗状態が「１」であり、高抵抗状態が「０」である。

スピン注入を通じて、磁気メモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの抵抗状態を切換えること、すなわちデータ状態を切換えることは、アシスト層１７のような磁気層を通って流れる電流がスピン偏極して自由層１２にスピントルクを注入するときに生じる。十分なスピントルクが自由層１２に印加される場合、自由層１２の磁気配向は、２つの反対の方向の間で切換わり得、したがって磁気メモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、低抵抗状態と高抵抗状態との間で切換わり得る。

図２は、電気伝導性素子を通じて半導体トランジスタ２２と電気的に結合されるメモリ素子２１を含むメモリユニット２０を例示する概略図である。メモリ素子２１は、本明細書で記述される任意のメモリセルであり得るか、またはメモリ素子２１を通って流れる電流を介してデータ状態を切換えるように構成された任意の他のメモリセルであり得る。トランジスタ２２は、ドープ領域（たとえばｎドープ領域として図示される）と、ドープ領域の間のチャネル領域（たとえばｐドープチャネル領域として図示される）とを有する半導体基板を含む。トランジスタ２２は、ワード線ＷＬに電気的に結合されて、選択およびビット線ＢＬからメモリ素子２１へ電流が流れることを可能にするゲート２６を含む。プログラム可能な金属配線メモリユニット２０のアレイは、半導体製造技術を用いて、ワード線およびビット線を伴って半導体基板に形成され得る。

メモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのような垂直磁気異方性を有する磁気積層体（たとえばメモリセル）の場合、平面内磁気異方性を有する磁気積層体においてよりも、より強い結合がピン留めされた参照層と自由層との間に与えられる。強化層１５を任意選択的に含むことは、さらにその結合を増大させる。より高い結合は、結果として、より低い、必要なスイッチング電流（Ｉｃ）をもたらす。

平面内異方性および磁化を有する磁気積層体は、その熱安定性を維持するために形状異方性を必要とする。しかしながら形状異方性は、形状およびサイズに依存し、高容量および高密度メモリに対する試みを与える。さらに、平面内磁気積層体は、熱安定性を通じて、スイッチング電流の低い効率を与える。平面内磁気積層体の場合のスイッチング電流密度は、以下の式で表される。

ここで、αは減衰定数であり、Ｍ_Sは飽和磁化であり、ηはスピン電流効率であり、Ｈ_kは平面内異方性であり、Ｈは外部磁場である。

第１項（Ｈ_k）は積層体の熱安定性に貢献するが、第２項（２πＭ_S）は熱エネルギに対する貢献をもたらさず、必要なスイッチング電流に大きな影響を与える。

平面外磁気スタックで、垂直異方性を有する（たとえばメモリセル１０Ａ，１０Ｂ）の場合のスイッチング電流密度は、以下の式で表される。

ここでＨ_kは平面外異方性磁場である。
平面外異方性の場合、第１項（Ｈ_k）および第２項（−４πＳ_S）の両方が積層体の熱安定性に貢献する。消磁場は、さらに熱エネルギバリア層を低減し、また必要なスイッチング電流を低減することができる。少なくともこれらの理由によって、平面外異方性を有する磁気積層体は、熱安定性を通じた、スピン電流のより高い効率を有する。

図３は、平面外異方性を有するとともに、弱い異方性を有するアシスト層を含む磁気積層体の実施の形態を示し、アシスト層はアシスト積層体の一部である。いくつかの実施の形態において、アシスト層は、アシスト積層体中の唯一の層であり得る。この磁気積層体のさまざまな素子の特徴は、他に示されていなければ、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃの磁気メモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの素子と同様または同一である。

図３の磁気セル３００は、図１Ｂのメモリセル１０Ｂと同様に配向され、メモリセルが形成された基板には、参照層よりも自由層が接近している。しかしながら磁気セル１０Ｂと異なり、磁気セル３００は多層からなるアシスト積層体を有し、その多層のうちの１つはアシスト層である。

磁気セル３００は相対的に軟強磁性の自由層３０２と、第１の強磁性参照（たとえば固定されあるいはピン留めされた）層３０４と、それらの間のバリア層３０３とを含む。自由層３０２と参照層３０４との各々は平面外磁気配向を有する。バリア層３０３のいずれか一方の側は強化層３０５，３０７であり、第１の強化層３０５は自由層３０２に近接し、第２の強化層３０７は参照層３０４に近接する。磁気セル３００は、スピン電流駆動またはスピン偏極アシスト積層体３１１を含み、積層体３１１は任意選択的なスペーサ層３１０によって自由層３０２から分離される。この実施の形態において、アシスト積層体３１１は第２の強磁性参照（たとえば固定されあるいはピン留めされた）層３１４と第３の強化層３１５とからなり、第３の強化層３１５は第２のバリア層３１３によってアシスト層３１７から間隔を隔てて設けられる。他の実施の形態において、アシスト積層体３１１は異なる層（追加の層またはより少ない層）を有し得るが、アシスト層３１７を含む。第１の電極３０６はアシスト積層体３１１を介して自由層３０２と電気的に接触し、第２の電極３０８は参照層３０４と電気的に接触している。

いくつかの実施の形態において、磁気セル３００はデュアルセルとして呼ばれ得るが、デュアルセルは１つの自由層（すなわち自由層３０２）を伴う２つの参照層（すなわち参照層３０４，３１４）を有する。デュアルセル構造は、ピン留めされた参照層によってその頂部および底部の両方に制限された切換え可能な垂直磁気配向を有する強磁性自由層を有する。デュアルセル構造を有する磁気スタックの場合、スイッチング電流（Ｉｃ）は単一セル構造よりも低いが、それは２つのピン留めされた参照層によるものである。各々のピン留めされた参照層は自由層の磁気配向の切換えに影響を与えるので、第１のピン留めされた参照層および第２のピン留めされた参照層からのスピントルクは累積的であり、したがって自由層の磁気配向を切換えるための、より少ない全体的スイッチング電流を必要とする。

自由層３０２、バリア層３０３、参照層３０４、強化層３０５，３０７のさまざまな特徴は、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃの自由層１２、バリア層１３、参照層１４、強化層１５，１７の特徴と同一または同様である。図１Ａ，１Ｂ，１Ｃのメモリセル１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと同様に、自由層３０２および参照層３０４は平面外または垂直の異方性と磁気配向とを有し、強化層３０５，３０７は主に平面外または垂直の磁気配向を有する。自由層３０２の磁気配向は２つの安定的で反対の状態を有し、その両方は磁気セル３００が形成される基板に対して垂直である。強化層３０５，３０７の磁気配向もまた２つの安定的な反対の状態を有し、それらの両方は、基板に関してわずかに傾いている。参照層３０４に近接する強化層３０７は、参照層３０４の磁気配向に関して、概して平行であるが、さらにわずかに傾いている磁気配向を有する。強化層３０５は、第２の強化層３０７よりも自由層３０２に接近しているが、自由層３０２の磁気配向に基づいて切換わる磁気配向を有する。その磁気配向は、強化層３０７の磁気配向に対して平行または反平行のいずれかであり得る。

アシスト積層体３１１は、平面外または垂直の異方性および磁気配向を有する参照層３１４を有し、強化層３１５は主として平面外または垂直の磁気配向を有する。デュアルセル構造であるので、参照層３１４は第１の参照層３０４の磁気配向に対して反対または反平行の磁気配向を有する。強化層３１５の磁気配向は、２つの安定的で反対の状態を有し、その両方は磁気セル３００が形成される基板に関してわずかに傾いている。参照層３１４に近接する強化層３１７は、参照層３１４の磁気配向に関して、概して平行であるがさらにわずかに傾いている磁気配向を有する。アシスト層３１７は弱い異方性を有し、弱い異方性は平面内または平面外のいずれかに、容易に切換え可能である。

磁気セル３００の特定の実施の形態において、アシスト積層体３１１を自由層３０２から分離するのはスペーサ３１０であり、スペーサ３１０は１．５ｎｍ未満の厚みを有する、たとえばＲｕ，ＰｄまたはＣｒのような導電性の非強磁性材料、または電気絶縁体である。たとえば、アシスト層３０７と自由層３０２との間の直接的な結合が要望されるいくつかの実施の形態において、スペーサ層は存在しない。

アシスト積層体３１１は、スピン電流偏極アシスト層３１７を含むが、自由層３０２の磁気配向の切換えを容易にする。特に、アシスト層３１７の磁気配向からの磁場は、自由層３０２の磁気配向の切換えを容易にする。

自由層３０２、参照層３０４，３１４および強化層３０５，３０７，３１５と異なり、アシスト層３１７は弱いまたは非常に弱い異方性を有し、その異方性は容易に切換え可能である。異方性は、平面内または平面外であり得る。アシスト層３１７は自由層３０２と結合し、または弱く結合する。図３は、中立で、平面内磁気配向を有するアシスト層３１７を示す。磁気セル３００を通じた電流の印加は、アシスト層３１７の磁気配向に影響を与えるスピントルクを生成し、スピントルクは順に自由層３０２の磁気配向に影響を与える。

図４Ａおよび４Ｂを参照して、図３の磁気セル３００と同様の磁気積層体が示される。磁気セル４００は、相対的に軟強磁性の自由層４０２と第１の強磁性参照（たとえば固定され、あるいはピン留めされた）層４０４とを含み、各々は平面外磁気配向を有する。自由層４０２と第１の参照層４０４との間には、第１のバリア層４０３と第１の強化層４０５と第２の強化層４０７とが存在する。アシスト積層体４１１は参照層４０４の反対側において自由層４０２と近接し、任意選択的なスペーサ層４１０によって自由層４０２から分離される。アシスト積層体４１１は、強化層４１５とアシスト層４１７との間の第２のバリア層４１３を伴って、第２の参照層４１４と第３の強化層４１５とアシスト層４１７とを有する。積層体４１１のさまざまな層の中でアシスト層４１７が自由層４０２に最も接近している。第１の電極４０６はアシスト積層体４１１を介して自由層４０２と電気的に接触し、第２の電極４０８は、第１の参照層４０４と電気的に接触している。

磁気セル４００を通じたスピントルクは、アシスト層４１７の磁気配向を、電子の流れの方向に依存して、上（すなわち第２の参照層４１４の磁気配向と同じ方向）、または下（すなわち第１の参照層４０４の磁気配向と同じ方向）のいずれかに容易に変化させる。任意の電流および電子の流れの印加に先立ち、アシスト層４１７の磁気配向は平面内または平面外のいずれかであり得る。平面内であるならば、ほとんどの実施の形態において、アシスト層４１７の磁気配向は、電子の流れに伴って平面内から平面外へと回転するであろう。その回転は、通常は平面内から少なくとも１０°であり、いくつかの実施の形態において、平面内から少なくとも２５°である。

図４Ａは、第２の参照層４１４から第１の参照層４０４へと上る電子の流れを示し、図４Ｂは、第１の参照層４０４から第２の参照層４１４へと下る電子の流れを示す。低い異方性により、スピン偏極電子は図４Ａにおいて下から上へと流れるので、アシスト層４１７の磁気配向は電子により回転する。上に配向されたアシスト層４１７は、補助磁場（すなわち静的な磁場、中間層結合磁場またはそれらの両方）を発生させる。補助磁場は、自由層４０２の磁化の切換えに影響を与える。結果としての構造は、高抵抗状態にあり、自由層４０２の磁気配向は、第１の参照層４０４の磁気配向に対して反対の方向（すなわち反平行）にある。図４Ｂにおいて、スピン偏極電子は上から下へと流れるので、アシスト層４１７の磁気配向は電子により回転する。下に配向されたアシスト層４１７は補助磁場（静的磁場、中間層結合磁場、またはそれらの両方）を発生し、補助磁場は自由層４０２の磁化の切換えに影響を与える。結果としての構造は低抵抗状態にあり、自由層４０２の磁気配向は、参照層４０４の磁気配向と同じ方向（平行）にある。

したがって、メモリセル４００（図４Ｂ）に低抵抗状態を書込むために、電流が電極４０６から電極４０８へとメモリセル４００を通って印加され、その結果電子が下方に流れるであろう。逆に、メモリセル４００（図４Ａ）に高抵抗状態を書込むために、電流は電極４０８から電極４０６へとメモリセル４００を通って印加され、その結果、電子が上方に流れるであろう。

この開示のさまざまな構造は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、物理気相蒸着（ＰＶＤ）、スパッタ蒸着、および原子層蒸着（ＡＬＤ）などの薄膜技術によって形成され得る。

したがって、「アシスト層を有する磁気積層体」の実施の形態が開示される。当業者は、この開示が開示された以外の実施の形態で実現可能であることを理解するであろう。開示された実施の形態は例示の目的で提示されるものであって制限する目的で提示されるものではなく、本発明は以下に続く請求項によってのみ限定される。

以下に続く請求項における「第１」、「第２」、その他の数値的な特定の使用は、特定および先行詞を与えるためのものである。内容が明確に他を指定するものでなければ、数値による特定は、素子、システムまたは装置において存在することが要求されるそのような素子の数を参照することを暗示するものではない。たとえば、素子が第１の層を含むならば、第２の層が、その素子に必要であるということを意味するということではない。

Claims (14)

1. 磁気セルであって、
   強磁性の自由層と、第１の強磁性のピン留めされた参照層とを備え、前記自由層と前記参照層との各々は、その層の平面外の方向を各々有する平面外磁気異方性と、平面外磁気配向とを有し、前記自由層の磁気配向は、前記自由層を通るスピン偏極電流によって与えられるスピントルクによって切換え可能に構成され、
   前記自由層と前記参照層との間の第１の酸化物バリア層と、
   前記自由層に近接した、約７００Ｏｅ未満の低い磁気異方性場を有する強磁性のアシスト層とをさらに備え、前記強磁性のアシスト層の磁気配向は、前記磁気セルを通って流れる書込電流によって回転し、
   平面外磁気異方性と平面外磁気配向とを有する第２のピン留めされた参照層をさらに備え、
   前記アシスト層は前記自由層と前記第２のピン留めされた参照層との間にあり、
   前記第２のピン留めされた参照層に近接する強化層とをさらに備える、磁気セル。
2. 前記アシスト層は、平面内磁気異方性を有する、請求項１に記載の磁気セル。
3. 前記アシスト層は、平面外磁気異方性を有する、請求項１に記載の磁気セル。
4. 前記アシスト層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅうちの少なくとも１つ、またはそれらの合金を備える、請求項１に記載の磁気セル。
5. 前記アシスト層は、約１１００ｅｍｕ／ｃｃ未満の磁気モーメントを有する、請求項１に記載の磁気セル。
6. 前記第１の酸化物バリア層と前記強磁性の自由層との間の第１の強化層をさらに備え、
   第２の強化層をさらに備え、前記第２の強化層は、前記酸化物バリア層と前記第１のピン留めされた参照層との間に位置する、請求項１に記載の磁気セル。
7. 前記アシスト層と前記強化層との間の第２の酸化物バリア層をさらに備える、請求項１に記載の磁気セル。
8. 前記アシスト層と前記自由層との間の導電性の非強磁性スペーサ層を備える、請求項１に記載の磁気セル。
9. 前記アシスト層と前記自由層との間の電気的絶縁性のスペーサ層を備える、請求項１に記載の磁気セル。
10. 前記磁気セルを通して電流を流すことにより、前記アシスト層の前記磁気配向は、平面内から少なくとも１０°である、請求項１に記載の磁気セル。
11. 前記磁気セルは、磁気トンネル接合メモリセルである、請求項１に記載の磁気セル。
12. 磁気セルに書込む方法であって、
    請求項１に記載の磁気セルに電流を通すステップを備え、前記電流は電子の流れの方向を有し、
    前記電子の流れの方向に、前記アシスト層の磁気配向を回転させるステップと、
    前記自由層および前記強化層の前記磁気配向を、前記電子の流れの方向に配向させるステップとをさらに備える、方法。
13. 前記第２のピン留めされた参照層に電流を通すステップをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
14. アシスト層の磁気配向を回転させるステップは、前記磁気配向を、平面内から少なくとも１０°回転させるステップを備える、請求項１２に記載の方法。