磁気スタックおよびこのようなスタックを備えたメモリセル
【課題】磁気スタックおよびこのようなスタックを備えたメモリセルを提供すること。
【解決手段】本発明は、平面外磁化を有する磁気スタック（４）に関し、前記スタックは、
−コバルト、鉄およびニッケル、ならびにこれらの材料をベースとする磁気合金の群から選択される１つまたは複数の材料で構成された第１の磁気層（１）と、
−第１の層の材料と共有界面を形成すると界面起源の垂直異方性を与えることができる金属材料で構成された第２の層（２）と
を備え、スタック（４）は、第１の層（１）の上に堆積した第３の層（３）をさらに備え、第２の層（２）が第３の層（３）の上に堆積し、第３の層（３）が、第１の層の材料との１０％未満の混和性を有する金属材料で構成されていることを特徴としている。
【解決手段】本発明は、平面外磁化を有する磁気スタック（４）に関し、前記スタックは、
−コバルト、鉄およびニッケル、ならびにこれらの材料をベースとする磁気合金の群から選択される１つまたは複数の材料で構成された第１の磁気層（１）と、
−第１の層の材料と共有界面を形成すると界面起源の垂直異方性を与えることができる金属材料で構成された第２の層（２）と
を備え、スタック（４）は、第１の層（１）の上に堆積した第３の層（３）をさらに備え、第２の層（２）が第３の層（３）の上に堆積し、第３の層（３）が、第１の層の材料との１０％未満の混和性を有する金属材料で構成されていることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面外磁化を有する磁気スタックに関する。「平面外磁化を有する磁気スタック」または「垂直磁化を有する磁気スタック」とは、スタックが延在している平面に対して実質的に垂直の磁化を有する磁気スタックを表している。また、本発明は、このような磁気スタックを備えた、平面外磁化を有する多層、ならびにこのような多層を備えたメモリポイント、およびこのようなメモリポイントを備えた磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリすなわちＭＲＡＭは、記憶密度、電力消費および信頼性の点で有効なメモリセルを得るための有望なルートとして提供されている。これらのＭＲＡＭには、通常、
−「基準層」として知られている、磁化方向が固定された磁化を有する磁気層と、
−「記憶層」として知られている、磁化方向が可変であり、かつ、基準層の磁化方向に対して平行または反平行のいずれかに自から配向させることができる磁化を有する磁気層と、
−基準層および記憶層を分離しているトンネル障壁と
を備えたメモリセルが含まれている。
【０００３】
特許文献１に、例えばこのようなメモリセルが記述されている。
【０００４】
個々のメモリセルは、通常、「読取り」モードおよび「書込み」モードの２つの動作モードを有している。書込みモードでは、電子の流れが層を介して送られ、あるいは磁界がメモリポイントの記憶層に印加され、それにより記憶層の磁化方向が反転し、次に基準層の磁化方向に対して平行または反平行になる。記憶層の磁化方向が基準層の磁化方向に対して平行であるか、あるいは反平行であるかどうかに応じて、「１」または「０」が記憶層に記憶される。
【０００５】
読取りモードでは、電子の流れがメモリセルを介して注入され、それによりその抵抗が読み取られる。基準層の磁化方向および記憶層の磁化方向が平行である場合、メモリポイントの抵抗は小さく、一方、基準層および記憶層の磁化方向が反平行である場合、メモリポイントの抵抗は大きい。基準抵抗と比較することにより、記憶層に記憶されている値（「０」または「１」）を決定することができる。
【０００６】
通常、基準層および記憶層は、前記層の各々の平面に対して平行の磁化方向を有している。したがって磁気層は、平面内に磁化を有している、あるいは平面磁化を有していると言える。
【０００７】
しかしながら、平面磁化を有し、かつ、磁界による切換えを有するメモリセルに基づく第一世代のＭＲＡＭメモリは、利用可能な記憶密度が依然として極端に低いため、フラッシュタイプのメモリと競合することができるようになるまでの道程は長い。さらに、これらのＭＲＡＭメモリの場合、メモリポイントのサイズの縮小は、磁力線が耐えることができる電流密度によって制限されており、また、長期間、例えば１０年にわたる情報保存安定性の判定基準によって制限されており、この判定基準は、熱活性化によって情報が失われないよう、最小磁気体積を課している。
【０００８】
この問題を解決するために、平面外磁化を有する層を備えたメモリセルが開発された。本明細書では、「平面外磁化を有する層または多層」は、層または多層の平面に対して垂直の磁化を有する層または多層を表している。これを拡張して、「平面外磁化を有するメモリセル」は、このような層を備えたメモリセルを表している。
【０００９】
平面外磁化を有するメモリセルは、平面内磁化を有するメモリセルよりはるかに小さい寸法を有することができ、その一方で満足すべき安定性を維持している。さらに、これらのメモリセルは、スピン分極電流によって書き込むことができる。
【００１０】
したがって、メモリセルのサイズを小さくすることができるようにするために可能な限り強い異方性を有する平面外磁化を有し、かつ、スピン転移による臨界切換え電流を小さくするために磁気厚さが最小である材料を製造することができることが極めて重要である。
【００１１】
過去においては、垂直磁化を有する、情報記憶用途のための、例えば希土類／磁気遷移金属合金などの多くの材料が開発されている。非特許文献１に、平面外磁化を有するこのような材料が記述されている。
【００１２】
平面外磁化を有するコバルト−クロム−白金合金などの粒状材料も同じく知られている。前記材料は、例えば、非特許文献２に記載されている。
【００１３】
平面外磁化を有する規則Ｌ１０合金タイプのＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｄ等々も同じく知られている。前記材料は、例えば、非特許文献３、または非特許文献４、あるいはその代わりに、非特許文献５に記載されている。
【００１４】
平面外磁化を有する材料の他の例が、同じく、非特許文献６に記載されている。
【００１５】
また、非特許文献７、および非特許文献８に、平面外磁化を有するスタックが記述されている。前記スタックは、通常、磁気金属、例えばコバルトまたはＣｏ、ＮｉおよびＦｅをベースとする合金の第２の層がその上に堆積される非磁気金属の第１の層、例えば白金またはパラジウムの層の反復で構成されている。
【００１６】
それにもかかわらず前記スタックは、単独ではメモリセルに使用することはできない。実際、前記スタックに有意な平面外磁化を持たせるためには、それらの厚さは１ｎｍ未満でなければならない。一方、最適磁気抵抗トンネルを有するメモリセルを得るためには、少なくとも１．５ｎｍの磁気厚さを有する、トンネル障壁と接触している多層を持たせなければならない。したがってＭｇＯ障壁の場合、少なくとも１００％の磁気抵抗を得ることが可能である。この問題を解決するための解決法は、磁気抵抗の大きい振幅（言い換えると少なくとも６０％）を保証するだけの十分な厚さの追加層を、平面外磁化を有するスタックの上に堆積させることである。スタックの垂直異方性が十分である場合、前記追加層と、平面外磁化を有する層との間の界面を介した交換バイアスにより、追加層の磁化を平面から引き出すことができる。結合が強い場合で、また、形状効果によって追加層の異方性が唯一無二であると仮定すると、垂直異方性を得るための判定基準は、
Ｋｅｆｆ１ｔ１＞Ｋｅｆｆ２ｔ２＝２πｔ２Ｍｓ２２ （１）
であり、Ｋｅｆｆ１は、平面外の前記層の磁化を引き出す垂直異方性と、その形状異方性の両方を考慮した、垂直磁化を有するスタックの単位体積当たりの有効異方性であり、平面中にその磁化を引き込む傾向があり、
ｔ１は、垂直磁化を有するスタックの磁気厚さであり、
Ｍｓ２は追加層の磁化であり、
また、ｔ２は追加層の厚さである。
【００１７】
２πｔ２Ｍｓ２２は、薄い磁気層中の減磁界による形状異方性の項である。
【００１８】
次に、メモリセルの安定性判定基準は、Ｓ＊（Ｋｅｆｆｌｔｌ−２πｔ２Ｍｓ２２）＞５０ｋＢＴで表され、Ｓはメモリセルの断面である。円筒状メモリセルの場合、
【００１９】
【数１】
【００２０】
に等しい最小の直径が得られる。最小の直径ｄｍｉｎは可能な限り小さく、式（２）の分母を最大化することが賢明である。これは、スタックの総合厚さｔ１を大きくするか、あるいは垂直異方性Ｋｅｆｆ１を有するスタックの有効異方性を最大化することによって実施することができるが、スタックの総合厚さｔ１を大きくすることは、スピン転移によって前記層の磁化の整流に必要な電流密度が高くなるため、スピン転移による書込みのためには望ましくない。
【００２１】
したがって最も強い可能有効異方性Ｋｅｆｆｌを有する平面外磁化を有する磁気スタックを有することは、とりわけ有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】仏国特許第２８１７９９９号明細書
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ｘ． Ｌｉｕ、Ａ． Ｍｏｒｉｓａｋｏ、Ｈ． Ｓａｋｕｒａｉ、Ｙ． Ｓａｋｕｒａｉ、Ｍ． Ｉｔｏｕ、およびＡ． Ｋｏｉｚｕｍｉ、「Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ＴｂＦｅＣｏ ｆｉｌｍｓ」、Ｊ． Ｍａｇｎ． Ｍａｇｎ． Ｍａｔｅｒ． ３１０、１７４４〜１７４６頁（２００７）
【非特許文献２】Ｄ． Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｓ． Ｍｉｚｕｋａｍｉ、Ｆ． Ｗｕ、Ｍ． Ｏｏｇａｎｅ、Ｈ． Ｎａｇａｎｕｍａ、Ｙ． Ａｎｄｏ、およびＴ． Ｍｉｙａｚａｋｉ、「Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｎ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｌｙ ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｆｅｒｒｉｍａｇｎｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ＣｏＣｒＰｔ ａｎｄ ＣｏＦｅＢ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ： Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ ２００、０７２１０４頁（２０１０）
【非特許文献３】Ｆ． Ｃａｓｏｌｉ、Ｆ． Ａｌｂｅｒｔｉｎｉ、Ｌ． Ｐａｒｅｔｉ、Ｓ． Ｆａｂｂｒｉｃｉ、Ｌ． Ｎａｓｉ、Ｃ． Ｂｏｃｃｈｉ、およびＲ． Ｃｉｐｒｉａｎ、「Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｆｅ−Ｐｔ Ｆｉｌｍｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ． ４１、３２２３〜３２２５頁（２００７）
【非特許文献４】Ｍ． Ｙｏｓｈｉｋａｗａ、Ｅ． Ｋｉｔａｇａｗａ、Ｔ． Ｎａｇａｓｅ、Ｔ． Ｄａｉｂｏｕ、Ｍ． Ｎａｇａｍｉｎｅ、Ｋ． Ｎｉｓｈｉｙａｍａ、Ｔ． Ｋｉｓｈｉ、およびＨ． Ｙｏｄａ、「Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｏｖｅｒ １００％ ｉｎ ＭｇＯ−Ｂａｓｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｌｍｓ Ｗｉｔｈ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｌ１０−ＦｅＰｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ．４４、２５７３〜２５７６頁（２００８）
【非特許文献５】Ｋ． Ｂａｒｍａｋ、Ｊ． Ｋｉｍ、Ｌ．Ｈ． Ｌｅｗｉｓ、Ｋ．Ｒ． Ｃｏｆｆｅｙ、Ａ．Ｊ． Ｋｅｌｌｏｃｋ、およびＪ．−Ｕ． Ｔｈｉｅｌｅ、「Ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ａｎｄ ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ ｉｎ ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌ１０ ＣｏＰｔ （００１） ａｎｄ ＦｅＰｔ （００１） ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ」、Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ ９８、０３３９０４頁（２００５）
【非特許文献６】Ｌ． Ｅ． Ｎｉｓｔｏｒ、Ｂ． Ｒｏｄｍａｃｑ、Ｓ． Ａｕｆｆｒｅｔ、およびＢ． Ｄｉｅｎｙ「Ｐｔ／Ｃｏ／ｏｘｉｄｅ ａｎｄ ｏｘｉｄｅ／Ｃｏ／Ｐｔ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９４、０１２５１２頁（２００９）
【非特許文献７】Ｆ．Ｊ．Ａ． ｄｅｎ Ｂｒｏｅｄｅｒ、Ｗ． Ｈｏｖｉｎｇ、およびＰ．Ｊ．Ｈ． Ｂｌｏｅｍｅｎ、「Ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ」、Ｊ． Ｍａｇｎ． Ｍａｇｎ． Ｍａｔｅｒ． ９３、５６２〜５７０頁（１９９１）
【非特許文献８】Ｊ．Ｊ． ｄｅ Ｖｒｉｅｓ、「Ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ」、Ｒｅｐ． Ｐｒｏｇ． Ｐｈｙｓ． ５９、１４０９〜１４５８頁（１９９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
したがって本発明の目的は、可能な限り最も強い有効異方性を有する平面外磁化を有する磁気スタックを提案することである。そのために、本発明によれば、非磁気金属の第１の層と磁気金属の第２の層の間への、磁気材料との混和性が小さい銅、マグネシウムまたは任意の材料の層の挿入が提案される。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
より詳細には、本発明の第１の態様は、平面外磁化を有する磁気スタックに関しており、前記スタックは、
−コバルト、鉄およびニッケル、ならびにこれらの材料をベースとする磁気合金の群から選択される１つまたは複数の材料で構成された第１の磁気層と、
−金属材料で構成された第２の層であって、金属材料が、第２の層が第１の層との共有界面を有すると、第１および第２の層によって形成されるアセンブリに界面起源の垂直異方性を付与することができる材料である、第２の層と
を備えており、スタックは、さらに、第１の層の上に堆積した第３の層を備えており、第２の層は第３の層の上に堆積し、第３の層は、第１の層の材料との１０％未満の混和性を有する金属材料で構成されている。
【００２６】
混和性は、一般に、様々な材料が一体に混合する能力を表している。実際、２つの成分ＡおよびＢからなる二元合金の場合、Ａ中におけるＢの混和性とは、材料Ａ中に均質に希釈する材料Ｂの能力を表している。材料Ａ中に均質に希釈する材料Ｂの能力が低い場合、材料Ｂは、Ａ中への混和性が小さい、あるいはＡ中への溶解度が小さい、と言われる。ある材料が他の材料中に均質に希釈するこの能力は、二元合金Ａ−Ｂの相線図によって、知られている方法で表される。
【００２７】
磁気スタックは、周囲温度で平面外磁化方向を有している。
【００２８】
驚くべきことには、磁気金属の第１の層と非磁気金属の第２の層の間に、第１の層の材料との混和性が小さい金属材料の第３の層を追加することにより、スタックの平面外異方性を大きくすることができる。前記第３の層の厚さが最適化され、典型的には１原子平面ないし数原子平面程度になると、スタックは、第３の層がない場合に有することになる平面外異方性より大きい平面外異方性を有することになる。
【００２９】
第３の層を形成するために使用される材料は、第１の層を構成している材料と混合しないか、あるいは混合が乏しい材料である。言い換えると、第３の層は、第１の層が形成される材料中に拡散しないか、あるいは実質的に拡散しない材料から作製される。
【００３０】
既に言及したように、第１の層の上に直接堆積し、また、その上に第２の層が直接堆積した第３の層を存在させることにより、スタックの平面外異方性を大きくすることができる。一方、その逆の場合、言い換えると第３の層が第２の層の上に堆積し、また、第１の層が第３の層の上に堆積している場合、スタックの平面外異方性は大きくならず、その代わりに小さくなる。
【００３１】
さらに、本発明によるスタックは、２５０℃と３５０℃の間のアニーリング後においても良好な平面外異方性を維持する点でとりわけ有利である。
【００３２】
さらに、第１の層と第２の層の間に第３の層を追加することにより、スタックは、第３の層を備えていない場合に有することになるキュリー温度と比較すると、低いキュリー温度を有することができ、その一方で平面外磁化を維持することができる。
【００３３】
また、スタックは、個々に選択された、あるいは技術的に可能な任意の組合せに基づいて選択された以下の特徴のうちの１つまたは複数を有することも可能である。
【００３４】
第２の層は、白金、パラジウム、金、イリジウム、モリブデンの群から選択される１つまたは複数の材料で構成されることが好ましい。
【００３５】
第３の層は、銅、銀、マグネシウム、アルミニウムの群から選択される材料で構成されることが好ましい。これらの材料は、第１の層の材料との１０％未満の混和性を有している。
【００３６】
非制限の実施形態によれば、第３の層は、０．２ｎｍと１．５ｎｍの間の厚さを有している。実際、０．２ｎｍ未満では、第１の層は第３の層によって完全に覆われない。さらに、第３の層の厚さが１．５ｎｍより分厚くなると、スタックの平面外異方性を大きくすることができなくなる。したがって１．５ｎｍより厚い第３の層を堆積させることは無意味である。
【００３７】
非制限の実施形態によれば、第１の層は、０．３ｎｍ未満の厚さ、好ましくは厳格に０．３ｎｍ未満の厚さを有するコバルトの層である。したがってスタックは１５０℃程度のキュリー温度を有しており、スタックの磁化を温度によって平面外磁化から平面内磁化へ容易に転換することができる。
【００３８】
非制限の実施形態によれば、第１の層は２ｎｍ以下の厚さを有している。実際、２ｎｍを超えると、第１の層と第２の層の間に第３の層を挿入しても、もはやスタックの平面外異方性を有意に大きくすることはできない。
【００３９】
非制限の実施形態によれば、第１および第２の層は、それぞれ０．２ｎｍより厚い厚さを有している。実際、０．２ｎｍ未満では、前記層は、それらがその上に堆積される層を完全に覆うことができない。
【００４０】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による少なくとも１つの第１のスタックおよび１つの第２のスタックを備えた多層に関しており、この多層は平面外磁化を有しており、第２のスタックの第１の層は、第１のスタックの第２の層の上に堆積されている。
【００４１】
多層は、周囲温度で平面外の磁化方向を有している。
【００４２】
実際、可能な限り大きい平面外異方性を個々のスタックに有する多層を有するためには、第１の層の上に第３の層を堆積させなければならず、また、この第３の層の上に第２の層を堆積させなければならない。一方、第２のスタックの第１の層は、第１のスタックの第２の層の上に直接堆積させなければならない。
【００４３】
本発明の第１の態様による複数のスタックを積み重ねることにより、平面外異方性を有する、１ｎｍより厚い多層を形成することができる。
【００４４】
また、多層は、個々に選択された、あるいは技術的に可能な任意の組合せで選択された以下の特徴のうちの１つまたは複数を有することも可能である。
【００４５】
非制限の実施形態によれば、多層は、さらに、スタックの上に堆積した、磁気材料の追加層を備えている。スタックの上に追加層を堆積させることにより、磁気厚さを分厚くすることができ、その一方で多層の平面外異方性を維持することができる。実際、多層のスタックは、それらが、追加層と多層のスタックとの間の界面を介した磁気結合によって追加層の磁化を平面から「引き出す」ことができるよう、極めて重要な平面外異方性を有している。そのためには、追加層ではなく、スタックが追加層の磁化を平面から引き出すよう、言い換えると追加層の平面磁化が多層の磁化を平面中に引き出さないよう、多層のスタックの総異方性エネルギーが追加層の総異方性エネルギーより大きくなるようにしなければならない。
【００４６】
非制限の実施形態によれば、追加層は、コバルト、鉄、ニッケルまたは前記材料をベースとする合金のうちの１つの材料から作製される。
【００４７】
追加層は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄの元素のうちの１つまたは複数を含むことも可能である。
【００４８】
非制限の実施形態によれば、ＭＲＡＭタイプのメモリ用途の範囲内におけるとりわけ重要なことには、多層は、０．５ｎｍと４ｎｍの間の厚さを有している。実際、多層は、トンネル障壁によるサポート可能な電流密度、言い換えると典型的には２．１０７Ａ／ｃｍ２未満の電流密度のスピン転移によって反転させることができるようにするために適度の磁気厚さを維持するためには、好ましくは４ｎｍ未満の厚さを有していなければならない。さらに、０．５ｎｍより厚い厚さを有することにより、多層をメモリポイント内の基準層または記憶層として使用することができる。
【００４９】
また、本発明の第３の態様は、
−「基準層」として知られている第１の磁気多層と、
−可変磁化方向を有する「記憶層」として知られている第２の磁気多層と、
−基準層および記憶層を分離しているスペーサと
を備えたメモリセルに関しており、基準層および／または記憶層は、本発明の第２の態様による多層を備えている。
【００５０】
したがって形成されるメモリセルは、極めて小さい横方向の寸法、言い換えると典型的には４５ｎｍ未満の寸法を有することができ、その一方で良好な熱安定性を有することができるため、とりわけ有利である。
【００５１】
本発明の第４の態様は、本発明の第３の態様によるメモリセルを備えた磁気ランダムアクセスメモリに関している。
【００５２】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図を参照して以下の説明を読むことにより、より明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１ａ】本発明の一実施形態によるスタックの断面図である。
【図１ｂ】二元合金Ｃｏ−Ｃｕの相線図である。
【図２】本発明の一実施形態による多層の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による多層および従来技術の多層であって、コバルトの層を備えた多層中の、コバルトの層の厚さの関数としての有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示す曲線である。
【図４】従来技術の多層および図２の多層中のコバルトの層の厚さの関数としての有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示す曲線である。
【図５】コバルト層の厚さの関数としての、図２の多層中および従来技術の多層中の飽和磁化Ｍｓの展開を示す曲線である。
【図６】前記多層のアニーリング温度の関数としての、図２の多層中および従来技術による多層中の有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示す曲線である。
【図７ａ】本発明の一実施形態による多層の断面図である。
【図７ｂ】従来技術による多層の断面図である。
【図８】ａ〜ｄは、極カー効果によって測定された従来技術の多層中のヒステリシスループであり、ｅ〜ｈは、極カー効果によって測定された本発明の異なる実施形態による多層中のヒステリシスループである。
【図９】本発明の一実施形態による多層の２５℃における飽和磁化に対する、温度Ｔにおける飽和磁化の展開を温度の関数として示す曲線である。
【図１０ａ】極カー効果によって測定された、異なる温度における本発明の一実施形態による多層中のヒステリシスループである。
【図１０ｂ】極カー効果によって測定された、異なる温度における本発明の他の実施形態による多層中のヒステリシスループである。
【図１１】本発明の一実施形態によるメモリセルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
より明確にするために、全く同じ部材または同様の部材には、すべての図において全く同じ参照符号が付されている。
【００５５】
図１ａは、本発明の一実施形態によるスタック４を示したものである。前記スタック４は、磁気材料から作製された第１の層１を備えている。前記第１の層１はコバルトで構成されることが好ましいが、鉄、ニッケルまたは前記材料の合金で構成することも可能である。
【００５６】
また、スタック４は、非磁気材料から作製された第２の層２を備えることも可能である。第２の層２は白金で構成されることが好ましいが、パラジウム、金、または第１の層１の材料との共有界面を形成すると、界面垂直異方性を付与する金属材料で構成することも可能である。このような材料の例については、非特許文献７、および非特許文献８を参照されたい。
【００５７】
第１の層１は、０．２ｎｍと１ｎｍの間の厚さを有していることが好ましい。より詳細には、第１の層１がコバルトから作製される場合、その厚さは、連続膜が形成されるよう、０．２ｎｍより厚いことが好ましい。第１の層１が鉄から作製される場合、その厚さは、連続膜が形成されるよう、０．２ｎｍより厚いことが好ましい。第１の層１がニッケルから作製される場合、その厚さは、連続膜が形成されるよう、０．３ｎｍより厚いことが好ましい。
【００５８】
非制限の実施形態によれば、第２の層２は０．２ｎｍより厚い厚さを有している。実際、０．２ｎｍ未満では、第２の層は下方の層を完全に覆うことはできない。
【００５９】
また、スタック４は、第１の層１と第２の層２の間に挿入される第３の層３を備えている。より詳細には、第３の層３は第１の層１の上に直接堆積され、また、第２の層２は、この第３の層３の上に直接堆積される。
【００６０】
本明細書では、これらの層は、陰極スパッタリング、蒸着または任意の他の物理蒸着法によって堆積させることができる。
【００６１】
第３の層３は、第１の層１との混和性が小さい金属材料、言い換えると混和性が１０％未満の金属材料から作製される。
【００６２】
前記金属材料は、例えば銅、銀、マグネシウム、アルミニウムであってもよい。これらの材料は、それらが第１の層と第２の層の間の拡散障壁として働くよう、第１の層１を構成している材料中への拡散係数が極めて小さい材料である。
【００６３】
一例として図１ｂは、二元合金Ｃｏ−Ｃｕの相線図を示したものである。この相線図には、コバルト中の銅の濃度を表している２つの分岐３０および３１の存在によってコバルト中における銅の低混和性が示されている。前記２つの分岐３０、３１が垂直軸に対して事実上接線であるということは、周囲温度に向かって補外すると、コバルト中に銅を均質に導入することはほとんど不可能であり、ここでは周囲温度で１％未満であることを示している。同様に、銅中にコバルトを均質に導入することもほとんど不可能である。
【００６４】
これは、大量の銅をコバルト中に混合させようとすると、コバルト基質中に分散した銅の微小粒子またはフィラメントの形態で銅が本質的に沈殿し、均質には混合しないことを意味している。この場合、銅は、コバルトとの混和性が小さい、と言われる。
【００６５】
それとは逆に、例えば合金ＣｏＮｉは、コバルト中のニッケルの全濃度範囲にわたって固溶体を形成することが知られている。この場合、Ｎｉは、コバルトとの混和性が大きい、と言われる。
【００６６】
第３の層３により、スタックは強い垂直異方性を有することができる。
【００６７】
本明細書では、スタック、層、多層は、前記スタック、前記層、前記多層が基準平面、ここでは平面ｘｙに対して平行に延在している場合、「垂直異方性」または「平面外異方性」を有している、と言われ、また、前記スタック、前記層または前記多層は、基準平面に対して垂直の軸、ここではｚ軸に沿った方向に磁化を有している、と言われる。
【００６８】
図２は、本発明の一実施形態による多層１０を示したものである。
【００６９】
前記多層１０はバッファ層５を備えることができる。前記バッファ層５は、多層１０の他の層を成長させるためのベースとして働き、また、基板の上に多層を接着させる働きをしている。前記バッファ層５は非磁気材料から作製されることが好ましい。前記バッファ層５は、例えばタンタルで構築することができる。前記バッファ層５は、例えば３ｎｍの厚さを有することができる。
【００７０】
バッファ層５の上には、非磁気材料から作製された層６を堆積させることができる。非磁気材料から作製された前記層６により、多層の残りの部分に良好な結晶構造を付与することができる。非磁気材料から作製された前記層６は、例えば白金で構築することができ、また、５ｎｍの厚さを有することができる。
【００７１】
多層１０は、次に、連続するｎ個のスタック４ａ、４ｂ、．．．４ｎを備えている。個々のスタック４ａ、４ｂ、．．．４ｎは、図１を参照して説明したスタック４と全く同じである。
【００７２】
これらのスタックは、第２のスタック４ｂの第１の層１ｂが第１のスタック４ａの第２の層２ａの上に堆積されるよう、互いの上に堆積されている。同様に、ｎ番目のスタック４ｎの第１の層１ｎは、スタックｎ−１の第２の層２（ｎ−ｌ）の上に堆積され、以下、同様である。したがって多層の総合厚さは、反復数の関数として０．５ｎｍから５０ｎｍまで変化させることができる。
【００７３】
したがって多層１０内では、コバルトの個々の第１の層１ａ、１ｂ、．．．、１ｎの上に、これらの層１ａ、１ｂ、．．．、１ｎとの混和性が小さい銅、銀、マグネシウム、アルミニウムまたは任意の他の金属の第３の層３ａ、３ｂ、．．．、３ｎが位置しており、これらの第３の層は、第１の層１ａ、１ｂ、．．．、１ｎと第２の層２ａ、２ｂ、．．．、２ｎの間に挿入されている。一方、個々の第１の層１ａ、１ｂ、１ｎのすぐ下には、白金、パラジウム、またはこれらの層１ａ、１ｂ、．．．１ｎを構成している材料と共有界面を形成すると、界面垂直異方性を付与することが知られている他の金属から作製された層２ａ、２ｂ、．．．、２ｎ−１が位置しており、上側のスタックの第１の層と下側のスタックの第２の層の間には銅の層は挿入されていない。この配置によれば、強い平面外異方性を有する多層１０を有することができる。
【００７４】
また、多層１０は、スタックの頂部に堆積した、例えば空気中における酸化からスタックを保護するための、保護を目的とした層７または一連の層７および８を備えることも可能である。これらの保護層は、例えば厚さ２ｎｍのタンタルの層７および同じく厚さ２ｎｍの白金の層８で構築することができる。
【００７５】
したがって製造される多層は平面外磁化を有している。
【００７６】
図３は、コバルトの層を備えた３つの多層中の、コバルト層の厚さの関数としての有効磁気異方性の展開を示したものである。
【００７７】
したがって曲線３０３は、
−厚さ３ｎｍのタンタルのバッファ層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−厚さｔＣｏが可変であるコバルトの第１の層
−厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えた従来技術による多層中の有効磁気異方性Ｋｅｆｆの、コバルトの第１の層の厚さの関数としての展開を示している。
【００７８】
曲線３０２は、
−厚さ３ｎｍのタンタルのバッファ層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−スタックであって、
厚さｔＣｏが可変であるコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えたスタック
を備えた本発明の実施形態による多層中の有効磁気異方性Ｋｅｆｆの、コバルトの第１の層の厚さの関数としての展開を示している。
【００７９】
これらの曲線から分かるように、コバルトの第１の層の厚さｔＣｏが１ｎｍ未満である場合、コバルトの第１の層の上に銅の第３の層を存在させることによって有効磁気異方性Ｋｅｆｆを大きくすることができ、これは、第１の層の上に第３の層が存在すると、スタックは、前記第３の層がない場合にスタックが有することになる平面外磁気異方性より大きい平面外磁気異方性を有することを示している。実際、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−厚さ０．５ｎｍのコバルトの第１の層
−厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えた従来技術によるスタックは、９５．１０４Ａ／ｍに対応する実質的に９５０ｅｍｕ／ｃｍ３に等しい磁化を有しており、また、４．１３０．１０５Ｊ／ｍ３に対応する４．１３Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の有効磁気異方性Ｋｅｆｆを有している。
【００８０】
厚さ０．４ｎｍの第３の銅層が前記スタックの第１の層と第２の層の間に追加されると、スタックは、１０２．１０４Ａ／ｍに対応する実質的に１０２０ｅｍｕ／ｃｍ３に等しい磁化を有し、また、９．１８．１０５Ｊ／ｍ３に対応する９．１８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の有効磁気異方性Ｋｅｆｆを有することになる。
【００８１】
厚さ０．４ｎｍのマグネシウムの第３の層が、上で説明した従来技術によるスタックの第１の層と第２の層の間に追加されると、スタックは、１０２．１０４Ａ／ｍに対応する実質的に１０２０ｅｍｕ／ｃｍ３に等しい磁化を有し、また、７．２７０．１０５Ｊ／ｍ３に対応する７．２７Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の有効異方性Ｋｅｆｆを有することになる。
【００８２】
したがって本発明によるスタックは、第１の層と第２の層の間に第３の層が存在しているため、従来技術によるスタックの磁化より大きい磁化を有しており、したがって第１の層を構成している材料の第２の層２中への拡散、あるいはその逆の第２の層２を構成している材料の第１の層中への拡散が回避される。さらに、本発明によるスタックは、従来技術の垂直磁気異方性より大きい垂直磁気異方性を有している。
【００８３】
図４は、それぞれコバルトの第１の層を備えた複数の全く同じスタックを備えた２つの多層中の、コバルトの第１の層の厚さの関数としての有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示したものである。
【００８４】
したがって曲線４０１は、コバルトの第１の層の厚さの関数としての、図２の多層と同様の多層中の異方性係数の展開を示している。
【００８５】
曲線４０２は、前記多層がコバルトの第１の層の上に第３の層を備えていない点が異なる、図２の多層と同様の多層中の異方性係数の展開を示している。
【００８６】
図４から分かるように、そのコバルトの第１の層の各々の上に銅の第３の層を備えた多層は、第３の層を備えていない多層より重要な有効磁気異方性Ｋｅｆｆを有している。したがってコバルトの個々の第１の層と白金の個々の第２の層の間に銅の第３の層を備えた多層は、第３の層を備えていない多層の界面起源の平面外異方性より大きい界面起源の平面外異方性を有している。
【００８７】
図５は、コバルトの第１の層を備えた２つの多層中の、コバルトの第１の層の厚さの関数としての飽和磁化の展開を示したものである。
【００８８】
したがって曲線５０１は、第１のコバルト層の厚さの関数としての、図２の多層と同様の多層中の飽和磁化の展開を示している。
【００８９】
曲線５０２は、前記多層が第１のコバルト層の上に第３の層を備えていない点が異なる、図２の多層と同様の多層中の飽和磁化の展開を示している。
【００９０】
図５から分かるように、その第１のコバルトの層の各々の上に銅の第３の層を備えた多層は、第３の層を備えていない多層より高い飽和磁化を有している。
【００９１】
図６は、２つの多層のアニーリング温度の関数としての有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示したものである。
【００９２】
より詳細には、曲線６０２は、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−３つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．６ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた３つのスタック
−厚さ２ｎｍのタンタルの層
−厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えた多層中の有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示したものである。
【００９３】
曲線６０１は、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−３つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．４ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた３つのスタック
−厚さ２ｎｍのタンタルの層
−厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えた多層中の異方性係数Ｋｅｆｆの展開を示したものである。
【００９４】
これらの曲線から分かるように、０℃と３５０℃の間のアニーリング温度ＴＡであれば、曲線６０１および６０２の多層がどの温度でアニーリングされても、コバルトの個々の第１の層の上に銅の第３の層を備えた曲線６０１の多層は、第３の層を備えていない曲線６０２の多層の有効磁気異方性より大きい有効磁気異方性を有している。
【００９５】
この方法によれば、多層の垂直異方性を破壊するメモリポイントのアニーリングを必要とすることなく、とりわけ酸化マグネシウムまたは酸化アルミニウムのトンネル障壁を有するメモリセルに本発明による多層を使用することができるため、この特性はとりわけ重要である。
【００９６】
図７ａは、本発明の一実施形態による多層１１を示したものである。前記多層１１は、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層１３
−厚さ５ｎｍの白金の層１４
−３つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．３ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた３つのスタック４ａ、４ｂ、４ｃ
−厚さｔＣｏＦｅＢのコバルト−鉄−ホウ素合金の追加層１５
−厚さ０．５５ｎｍの酸化アルミニウムの層１６
−厚さ２ｎｍのタンタルの層１７
−厚さ２ｎｍの白金の層１８
を備えている。
【００９７】
図７ｂは、これらのスタックが銅の個々の第１の層の上に第３の層を備えていないことを除き、図７ａの多層と全く同じ組成の多層１２を示したものである。より詳細には、多層１２は、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層１３
−厚さ５ｎｍの白金の層１４
−３つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．３ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた３つのスタック１９ａ、１９ｂ、１９ｃ
−厚さｔＣｏＦｅＢのコバルト−鉄−ホウ素合金の追加層１５
−厚さ０．５５ｎｍの酸化アルミニウムの層１６
−厚さ２ｎｍのタンタルの層１７
−厚さ２ｎｍの白金の層１８
を備えている。
【００９８】
図８ａは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが０．５ｎｍである場合の図７ｂの多層１２のヒステリシスループを示したものである。
【００９９】
図８ｂは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが１ｎｍである場合の図７ｂの多層１２のヒステリシスループを示したものである。
【０１００】
図８ｃは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが１．５ｎｍである場合の図７ｂの多層１２のヒステリシスループを示したものである。
【０１０１】
図８ｄは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが２ｎｍである場合の図７ｂの多層１２のヒステリシスループを示したものである。
【０１０２】
図８ｅは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが０．５ｎｍである場合の図７ａの多層１１のヒステリシスループを示したものである。
【０１０３】
図８ｆは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが１ｎｍである場合の図７ａの多層１１のヒステリシスループを示したものである。
【０１０４】
図８ｇは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが１．５ｎｍである場合の図７ａの多層１１のヒステリシスループを示したものである。
【０１０５】
図８ｈは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが２ｎｍである場合の図７ａの多層１１のヒステリシスループを示したものである。
【０１０６】
前記ヒステリシスループは、これらの層の平面に対して垂直に磁界を印加することによって極カー効果によって得られたものである。極カー効果によって前記ヒステリシスループを得ることができる実験的プロトコルは、従来技術で知られており、例えば、「Ｍａｇｎｅｔｉｓｍｅ， Ｆｏｎｄｅｍｅｎｔｓ （Ｔｏｍｅ １）」および「Ｍａｇｎｅｔｉｓｍｅ， Ｍａｔｅｒｉａｕｘ ｅｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ （Ｔｏｍｅ ２）」、Ｅ．Ｄｕ Ｔｒｅｍｏｌｅｔ ｄｅ Ｌａｃｈｅｉｓｓｅｒｉｅ編、Ｇｒｅｎｏｂｌｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓと題する本に記載されている。これらの測定は、直線偏光された、６３２ナノメートルの波長のヘリウム−ネオンレーザを使用して実施された。
【０１０７】
図８ｅないし８ｆは、コバルトの第１の層１の上に銅の第３の層３を存在させることにより、多層の平面に対して垂直の磁化を多層１１に付与することができることを示しており、その有効異方性は、追加層１５の磁化を平面から「引き出す」には十分である。実際、スタック４ａないし４ｃが、層１中への混和性が小さい銅、マグネシウムまたは任意の他の金属の第３の層を備えている場合、これらのスタックは、２ｎｍ程度の値を達成することができる相当な厚さを追加層１５が有している場合であってもそれらが追加層の磁化を平面から引き出すよう、より大きい平面外異方性を有している。
【０１０８】
一方、図８ａないし８ｄは、多層１２中に第３の層３が存在しない場合、多層は、層の平面内に磁化を有することを示している。実際、この場合、スタック１９ａないし１９ｃの異方性は、追加層の磁化を追加層１５の平面から「引き出す」には不十分である。
【０１０９】
したがってスタック中に第３の層を存在させることにより、多層の磁化を多層の平面に対して垂直にすることができ、一方、第３の層がない場合、多層は、多層の平面に対して平行の磁化を有することになる。
【０１１０】
図９は、多層中における磁化の展開を前記多層の温度の関数として示したものである。
【０１１１】
より詳細には、曲線８０１、８０２、８０３は、それぞれ、温度Ｔにおける多層の飽和磁化Ｍｓ（Ｔ）の、２５℃におけるこの同じ多層の飽和磁化Ｍｓ（２５℃）に対する比率の展開を温度Ｔの関数として示したものである。
【０１１２】
曲線８０１、８０２および８０３に対して使用された多層は、以下の構成を有している。
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−５つのスタックであって、それぞれ、
厚さｔＣｏのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた５つのスタック
−厚さ０．５ｎｍのコバルトの層
−厚さ０．９ｎｍのルテニウムの層
−厚さ２ｎｍのタンタルの層
−厚さ２ｎｍの白金の層
【０１１３】
曲線８０１を生成するために使用された多層は、それぞれ厚さｔＣｏ＝０．４ｎｍのコバルトの第１の層を有している。
【０１１４】
曲線８０２を生成するために使用された多層は、それぞれ厚さｔＣｏ＝０．３ｎｍのコバルトの第１の層を有している。
【０１１５】
曲線８０３を生成するために使用された多層は、それぞれ厚さｔＣｏ＝０．２ｎｍのコバルトの第１の層を有している。
【０１１６】
これらの曲線は、個々のスタックのコバルトの第１の層の厚さｔＣｏが薄くなると、キュリー温度、言い換えると多層の自然磁化がゼロになる温度が低くなることを示している。
【０１１７】
キュリー温度のこの低減は、本質的に有限サイズ効果とリンクしており、言い換えるとコバルトの原子の配位の低減、言い換えるとそれらのコバルトの近隣の原子の数の減少により、コバルトの層内における交換相互作用が効果的に減少する。したがってそれは、第１の層と接触している第３の層の性質にかかわらず一般的な現象である。前記キュリー温度は、Ｐ．Ｊ． Ｊｅｎｓｅｎら、Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ ４２、８４９頁（１９９０）の刊行物に記載されている現象である、異方性切換え温度を制御するための極めて重要な要因である。
【０１１８】
一般に、実質的に１５０℃に等しいキュリー温度を得るためには、個々のスタック内のコバルトの第１の層の厚さｔＣｏを０．３ｎｍ未満、好ましくは厳格に０．３ｎｍ未満にしなければならない。しかしながらコバルトの第１の層をこのような厚さにしても、スタックの個々の第１の層の上に第３の層が存在している場合、スタックにできることは、周囲温度で平面外異方性を維持することのみである。したがってコバルトの第１の層との混和性が小さい銅、マグネシウム、または任意の他の金属の第３の層を存在させることにより、周囲温度で垂直異方性を有し、かつ、低いキュリー温度を有する多層を有することができる。
【０１１９】
図１０ａは、極カー効果によって測定された、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−５つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．２５ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた５つのスタック
−厚さ１．５ｎｍのコバルト−鉄−ホウ素合金の層
−厚さ０．５５ｎｍの酸化アルミニウムの層
−厚さ２ｎｍのタンタルの層
−厚さ２ｎｍの白金の層
を備えた本発明の一実施形態による多層中のヒステリシスループを示したものである。
【０１２０】
図１０ｂは、極カー効果によって測定された、個々のスタックのコバルトの第１の層が０．２５ｎｍの厚さを有する代わりに０．３ｎｍの厚さを有していることを除き、図１０ａの多層と同様の多層のヒステリシスループを示したものである。図１０ａおよび１０ｂのヒステリシスループを生成するため、これらの層の平面に対して垂直に磁界が印加された。
【０１２１】
図１０ａから分かるように、温度が高くなると多層の磁化方向が切り換わる。実際、多層の温度が周囲温度である場合、多層は、コバルトの第１の層の厚さに無関係に、多層の平面に対して垂直の磁化方向を有する。一方、温度が高くなると、平面外磁化を引き出す垂直有効異方性が小さくなり、特定の温度で符号が変化する。符号の前記変化は、磁気層の磁化を平面内に引き込む傾向がある形状異方性が、次に、平面外磁化を引き出す傾向がある体積起源または界面起源の垂直異方性に打ち勝つことに対応している。有効異方性の符号が変化する前記臨界温度では、磁気層の磁化は、前記温度未満の平面に対して垂直の方向から、前記温度より高い平面内の方向へ突発的に再配向される。図１０ａでは、コバルトの第１の層の厚さが０．２５ｎｍである場合、切換え温度は１５０℃に近く、一方、コバルトの第１の層の厚さが０．３ｎｍである場合、切換え温度は２００℃より高いことが分かる。
【０１２２】
さらに、多層が、とりわけ、図１１を参照して説明するメモリセル内の記憶層として使用される場合、異方性切換え温度が低い多層、言い換えると異方性切換え温度が１５０℃程度の多層を有することは、とりわけ有利である。
【０１２３】
図１１は、本発明の一実施形態によるメモリセルを示したものである。
【０１２４】
前記メモリポイントは、「基準層」２１として知られている第１の多重磁気層を備えている。基準層２１は、基準層の平面に対して垂直の磁化方向を有している。さらに、基準層は、固定磁化方向を有している。そのために、例えば基準層２１と接触している反強磁性層２４によって基準層２１の磁化方向をトラップすることができる。基準層２１は、既に説明した本発明による多層中に形成することができる。
【０１２５】
また、メモリポイントは、「記憶層」２２として知られている、可変磁化方向を有する第２の磁気多層を備えることも可能である。メモリセルが書き込まれていない周囲温度では、記憶層の磁化方向は、
−基準層の磁化方向に対して平行になり、この場合「０」が記憶層に書き込まれる
−あるいはその代わりに基準層の磁化方向に対して反平行になり、この場合「１」が記憶層に書き込まれる
ように配置することができる。
【０１２６】
記憶層２２は、本発明による多層の中に製造され、この例では以下の要素を備えている。
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−５つのスタックであって、それぞれ、
コバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた５つのスタック
−厚さ１．５ｎｍのコバルト−鉄−ホウ素合金の追加層１５
【０１２７】
個々のスタックの第１の層は、０．２５ｎｍまたは０．３ｎｍの厚さを有することができる。図１０ａおよび１０ｂを参照して説明したように、個々のスタックのコバルトの第１の層の厚さが０．２５ｎｍである場合、記憶層２２は、１５０℃程度の異方性切換え温度を有し、一方、個々のスタックのコバルトの第１の層の厚さが０．３ｎｍである場合、記憶層２２は、２００℃より高い異方性切換え温度を有する。
【０１２８】
また、メモリセルは、基準層２１および記憶層２２を分離しているスペーサ２３を備えている。スペーサ２３は、基準層２１と記憶層２２の間のトンネル障壁を形成している。スペーサ２３は、この例では、厚さ０．５５ｎｍの酸化アルミニウムの層で構成されている。
【０１２９】
また、メモリセルはトランジスタ２５を備えており、このトランジスタ２５は、電子の流れがメモリセルを通って流れることができるよう、通過段に配置することができる。
【０１３０】
メモリセルは、スピン転移によって書き込まれることが好ましい。したがって電子の流れは、メモリセルを通って流れる。前記電子の流れが磁気である基準層２１を通過すると、電子が分極スピンで前記基準層２１から出るよう、電子のスピンが自からスピン分極されることになる。前記電子が記憶層２２を通過すると、それらの電子は、記憶層２２を磁化させるスピンと交換相互作用することになる。電流密度が十分に高い場合、この交換相互作用によって記憶層の磁化が再配向され、また、記憶層２２の磁気モーメントで分極された電子の角モーメントの転移によって記憶層２２の磁化が整列することになる。この現象は、スピン転移としても知られている。したがって電子の流れが基準層から記憶層へ流れると、スピン転移によって記憶層および基準層の磁化が平行に配向されることになる。一方、電子の流れが記憶層から基準層へ流れると、記憶層および基準層の磁化は反平行に整列することになる。
【０１３１】
さらに、スピン転移トルクは、電子のスピン分極の方向と前記トルクが加えられる磁化の間の角度の正弦として変化する。したがって記憶層および基準層が互いに垂直の磁化方向を有すると、前記トルクが大きくなる。さらに、静止状態では、基準層２１および記憶層２２はいずれも、周囲温度で、前記層の平面に対して垂直の磁化方向を有し、したがって基準層２１および記憶層２２は、周囲温度で、互いに平行または反平行の磁化方向を有する。
【０１３２】
しかしながら、記憶層への情報の書込みを可能にするために電流がメモリセルを通って流れると、前記電流によってメモリセルが加熱され、詳細には記憶層が加熱され、それにより記憶層の磁化方向が切り換わり、記憶層の平面内の磁化方向により接近する。記憶層のキュリー温度が低いほど、異方性切換え温度が低くなり、また、メモリセルに書き込むために必要な電流が小さくなる。したがって記憶層が、厚さ０．２５ｎｍのコバルトの第１の層を個々のスタック中に備えた多層で構成されている場合、メモリセルを通って流れる電流は、記憶層の磁化を９０°だけ切り換え、それにより記憶層の磁化方向を基準層の磁化方向に対して垂直になるようにするには十分である。したがってスピン転移の効果が最大限に発揮され、それにより電流の方向に応じて記憶層の磁化を「下側の」半球中に引き込むことができ、あるいは「上側の」半球中に引き込むことができる。次に、電流が遮断されると、記憶層の磁化方向がまっすぐになり、また、電子の流れが記憶層の磁化方向を基準層の磁化方向に対して平行または反平行に配向したかどうかに応じて、基準層の磁化方向に対して平行または反平行になる。
【０１３３】
したがって、記憶層に情報を書き込んでいる間、スピン転移させるためには、厚さ０．２５ｎｍのコバルトの層で構成される第１の層を個々のスタック内に有することがとりわけ重要である。そうすることにより、記憶層に情報を書き込むために必要な電流密度を小さくすることができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１ 第１の層（磁気層）
１ａ 第１のスタックの第１の層（磁気層）
１ｂ 第２のスタック４ｂの第１の層（磁気層）
１ｎ ｎ番目のスタック４ｎの第１の層（磁気層）
２ 第２の層
２ａ 第１のスタック４ａの第２の層
２ｂ 第２のスタック４ｂの第２の層
２（ｎ−１） スタックｎ−１の第２の層
２ｎ スタックｎの第２の層
３ 第３の層
３ａ、３ｂ、３ｎ 個々のスタックの第３の層
４ スタック（磁気スタック）
４ａ、１９ａ 第１のスタック（磁気スタック）
４ｂ、１９ｂ 第２のスタック（磁気スタック）
４ｃ、１９ｃ 第３のスタック
４ｎ ｎ番目のスタック（磁気スタック）
５ バッファ層
６ 非磁気材料から作製された層
７ 保護タンタル層
８ 保護白金層
１０、１１、１２ 多層
１３、１７ タンタルの層
１４、１８ 白金の層
１５ 追加層
１６ 酸化アルミニウムの層
２１ 基準層
２２ 記憶層
２３ スペーサ
２４ 反強磁性層
２５ トランジスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面外磁化を有する磁気スタックに関する。「平面外磁化を有する磁気スタック」または「垂直磁化を有する磁気スタック」とは、スタックが延在している平面に対して実質的に垂直の磁化を有する磁気スタックを表している。また、本発明は、このような磁気スタックを備えた、平面外磁化を有する多層、ならびにこのような多層を備えたメモリポイント、およびこのようなメモリポイントを備えた磁気ランダムアクセスメモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダムアクセスメモリすなわちＭＲＡＭは、記憶密度、電力消費および信頼性の点で有効なメモリセルを得るための有望なルートとして提供されている。これらのＭＲＡＭには、通常、
−「基準層」として知られている、磁化方向が固定された磁化を有する磁気層と、
−「記憶層」として知られている、磁化方向が可変であり、かつ、基準層の磁化方向に対して平行または反平行のいずれかに自から配向させることができる磁化を有する磁気層と、
−基準層および記憶層を分離しているトンネル障壁と
を備えたメモリセルが含まれている。
【０００３】
特許文献１に、例えばこのようなメモリセルが記述されている。
【０００４】
個々のメモリセルは、通常、「読取り」モードおよび「書込み」モードの２つの動作モードを有している。書込みモードでは、電子の流れが層を介して送られ、あるいは磁界がメモリポイントの記憶層に印加され、それにより記憶層の磁化方向が反転し、次に基準層の磁化方向に対して平行または反平行になる。記憶層の磁化方向が基準層の磁化方向に対して平行であるか、あるいは反平行であるかどうかに応じて、「１」または「０」が記憶層に記憶される。
【０００５】
読取りモードでは、電子の流れがメモリセルを介して注入され、それによりその抵抗が読み取られる。基準層の磁化方向および記憶層の磁化方向が平行である場合、メモリポイントの抵抗は小さく、一方、基準層および記憶層の磁化方向が反平行である場合、メモリポイントの抵抗は大きい。基準抵抗と比較することにより、記憶層に記憶されている値（「０」または「１」）を決定することができる。
【０００６】
通常、基準層および記憶層は、前記層の各々の平面に対して平行の磁化方向を有している。したがって磁気層は、平面内に磁化を有している、あるいは平面磁化を有していると言える。
【０００７】
しかしながら、平面磁化を有し、かつ、磁界による切換えを有するメモリセルに基づく第一世代のＭＲＡＭメモリは、利用可能な記憶密度が依然として極端に低いため、フラッシュタイプのメモリと競合することができるようになるまでの道程は長い。さらに、これらのＭＲＡＭメモリの場合、メモリポイントのサイズの縮小は、磁力線が耐えることができる電流密度によって制限されており、また、長期間、例えば１０年にわたる情報保存安定性の判定基準によって制限されており、この判定基準は、熱活性化によって情報が失われないよう、最小磁気体積を課している。
【０００８】
この問題を解決するために、平面外磁化を有する層を備えたメモリセルが開発された。本明細書では、「平面外磁化を有する層または多層」は、層または多層の平面に対して垂直の磁化を有する層または多層を表している。これを拡張して、「平面外磁化を有するメモリセル」は、このような層を備えたメモリセルを表している。
【０００９】
平面外磁化を有するメモリセルは、平面内磁化を有するメモリセルよりはるかに小さい寸法を有することができ、その一方で満足すべき安定性を維持している。さらに、これらのメモリセルは、スピン分極電流によって書き込むことができる。
【００１０】
したがって、メモリセルのサイズを小さくすることができるようにするために可能な限り強い異方性を有する平面外磁化を有し、かつ、スピン転移による臨界切換え電流を小さくするために磁気厚さが最小である材料を製造することができることが極めて重要である。
【００１１】
過去においては、垂直磁化を有する、情報記憶用途のための、例えば希土類／磁気遷移金属合金などの多くの材料が開発されている。非特許文献１に、平面外磁化を有するこのような材料が記述されている。
【００１２】
平面外磁化を有するコバルト−クロム−白金合金などの粒状材料も同じく知られている。前記材料は、例えば、非特許文献２に記載されている。
【００１３】
平面外磁化を有する規則Ｌ１０合金タイプのＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＰｄ等々も同じく知られている。前記材料は、例えば、非特許文献３、または非特許文献４、あるいはその代わりに、非特許文献５に記載されている。
【００１４】
平面外磁化を有する材料の他の例が、同じく、非特許文献６に記載されている。
【００１５】
また、非特許文献７、および非特許文献８に、平面外磁化を有するスタックが記述されている。前記スタックは、通常、磁気金属、例えばコバルトまたはＣｏ、ＮｉおよびＦｅをベースとする合金の第２の層がその上に堆積される非磁気金属の第１の層、例えば白金またはパラジウムの層の反復で構成されている。
【００１６】
それにもかかわらず前記スタックは、単独ではメモリセルに使用することはできない。実際、前記スタックに有意な平面外磁化を持たせるためには、それらの厚さは１ｎｍ未満でなければならない。一方、最適磁気抵抗トンネルを有するメモリセルを得るためには、少なくとも１．５ｎｍの磁気厚さを有する、トンネル障壁と接触している多層を持たせなければならない。したがってＭｇＯ障壁の場合、少なくとも１００％の磁気抵抗を得ることが可能である。この問題を解決するための解決法は、磁気抵抗の大きい振幅（言い換えると少なくとも６０％）を保証するだけの十分な厚さの追加層を、平面外磁化を有するスタックの上に堆積させることである。スタックの垂直異方性が十分である場合、前記追加層と、平面外磁化を有する層との間の界面を介した交換バイアスにより、追加層の磁化を平面から引き出すことができる。結合が強い場合で、また、形状効果によって追加層の異方性が唯一無二であると仮定すると、垂直異方性を得るための判定基準は、
Ｋｅｆｆ１ｔ１＞Ｋｅｆｆ２ｔ２＝２πｔ２Ｍｓ２２ （１）
であり、Ｋｅｆｆ１は、平面外の前記層の磁化を引き出す垂直異方性と、その形状異方性の両方を考慮した、垂直磁化を有するスタックの単位体積当たりの有効異方性であり、平面中にその磁化を引き込む傾向があり、
ｔ１は、垂直磁化を有するスタックの磁気厚さであり、
Ｍｓ２は追加層の磁化であり、
また、ｔ２は追加層の厚さである。
【００１７】
２πｔ２Ｍｓ２２は、薄い磁気層中の減磁界による形状異方性の項である。
【００１８】
次に、メモリセルの安定性判定基準は、Ｓ＊（Ｋｅｆｆｌｔｌ−２πｔ２Ｍｓ２２）＞５０ｋＢＴで表され、Ｓはメモリセルの断面である。円筒状メモリセルの場合、
【００１９】
【数１】
【００２０】
に等しい最小の直径が得られる。最小の直径ｄｍｉｎは可能な限り小さく、式（２）の分母を最大化することが賢明である。これは、スタックの総合厚さｔ１を大きくするか、あるいは垂直異方性Ｋｅｆｆ１を有するスタックの有効異方性を最大化することによって実施することができるが、スタックの総合厚さｔ１を大きくすることは、スピン転移によって前記層の磁化の整流に必要な電流密度が高くなるため、スピン転移による書込みのためには望ましくない。
【００２１】
したがって最も強い可能有効異方性Ｋｅｆｆｌを有する平面外磁化を有する磁気スタックを有することは、とりわけ有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】仏国特許第２８１７９９９号明細書
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ｘ． Ｌｉｕ、Ａ． Ｍｏｒｉｓａｋｏ、Ｈ． Ｓａｋｕｒａｉ、Ｙ． Ｓａｋｕｒａｉ、Ｍ． Ｉｔｏｕ、およびＡ． Ｋｏｉｚｕｍｉ、「Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ＴｂＦｅＣｏ ｆｉｌｍｓ」、Ｊ． Ｍａｇｎ． Ｍａｇｎ． Ｍａｔｅｒ． ３１０、１７４４〜１７４６頁（２００７）
【非特許文献２】Ｄ． Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｓ． Ｍｉｚｕｋａｍｉ、Ｆ． Ｗｕ、Ｍ． Ｏｏｇａｎｅ、Ｈ． Ｎａｇａｎｕｍａ、Ｙ． Ａｎｄｏ、およびＴ． Ｍｉｙａｚａｋｉ、「Ｉｎｔｅｒｌａｙｅｒ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｎ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｌｙ ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｆｅｒｒｉｍａｇｎｅｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ ＣｏＣｒＰｔ ａｎｄ ＣｏＦｅＢ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ： Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ ２００、０７２１０４頁（２０１０）
【非特許文献３】Ｆ． Ｃａｓｏｌｉ、Ｆ． Ａｌｂｅｒｔｉｎｉ、Ｌ． Ｐａｒｅｔｉ、Ｓ． Ｆａｂｂｒｉｃｉ、Ｌ． Ｎａｓｉ、Ｃ． Ｂｏｃｃｈｉ、およびＲ． Ｃｉｐｒｉａｎ、「Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｆｅ−Ｐｔ Ｆｉｌｍｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ． ４１、３２２３〜３２２５頁（２００７）
【非特許文献４】Ｍ． Ｙｏｓｈｉｋａｗａ、Ｅ． Ｋｉｔａｇａｗａ、Ｔ． Ｎａｇａｓｅ、Ｔ． Ｄａｉｂｏｕ、Ｍ． Ｎａｇａｍｉｎｅ、Ｋ． Ｎｉｓｈｉｙａｍａ、Ｔ． Ｋｉｓｈｉ、およびＨ． Ｙｏｄａ、「Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｏｖｅｒ １００％ ｉｎ ＭｇＯ−Ｂａｓｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｆｉｌｍｓ Ｗｉｔｈ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｌ１０−ＦｅＰｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ．４４、２５７３〜２５７６頁（２００８）
【非特許文献５】Ｋ． Ｂａｒｍａｋ、Ｊ． Ｋｉｍ、Ｌ．Ｈ． Ｌｅｗｉｓ、Ｋ．Ｒ． Ｃｏｆｆｅｙ、Ａ．Ｊ． Ｋｅｌｌｏｃｋ、およびＪ．−Ｕ． Ｔｈｉｅｌｅ、「Ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ａｎｄ ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ ｉｎ ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌ１０ ＣｏＰｔ （００１） ａｎｄ ＦｅＰｔ （００１） ｔｈｉｎ ｆｉｌｍｓ」、Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ ９８、０３３９０４頁（２００５）
【非特許文献６】Ｌ． Ｅ． Ｎｉｓｔｏｒ、Ｂ． Ｒｏｄｍａｃｑ、Ｓ． Ａｕｆｆｒｅｔ、およびＢ． Ｄｉｅｎｙ「Ｐｔ／Ｃｏ／ｏｘｉｄｅ ａｎｄ ｏｘｉｄｅ／Ｃｏ／Ｐｔ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」、Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９４、０１２５１２頁（２００９）
【非特許文献７】Ｆ．Ｊ．Ａ． ｄｅｎ Ｂｒｏｅｄｅｒ、Ｗ． Ｈｏｖｉｎｇ、およびＰ．Ｊ．Ｈ． Ｂｌｏｅｍｅｎ、「Ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｆ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ」、Ｊ． Ｍａｇｎ． Ｍａｇｎ． Ｍａｔｅｒ． ９３、５６２〜５７０頁（１９９１）
【非特許文献８】Ｊ．Ｊ． ｄｅ Ｖｒｉｅｓ、「Ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｉｎ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ」、Ｒｅｐ． Ｐｒｏｇ． Ｐｈｙｓ． ５９、１４０９〜１４５８頁（１９９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
したがって本発明の目的は、可能な限り最も強い有効異方性を有する平面外磁化を有する磁気スタックを提案することである。そのために、本発明によれば、非磁気金属の第１の層と磁気金属の第２の層の間への、磁気材料との混和性が小さい銅、マグネシウムまたは任意の材料の層の挿入が提案される。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
より詳細には、本発明の第１の態様は、平面外磁化を有する磁気スタックに関しており、前記スタックは、
−コバルト、鉄およびニッケル、ならびにこれらの材料をベースとする磁気合金の群から選択される１つまたは複数の材料で構成された第１の磁気層と、
−金属材料で構成された第２の層であって、金属材料が、第２の層が第１の層との共有界面を有すると、第１および第２の層によって形成されるアセンブリに界面起源の垂直異方性を付与することができる材料である、第２の層と
を備えており、スタックは、さらに、第１の層の上に堆積した第３の層を備えており、第２の層は第３の層の上に堆積し、第３の層は、第１の層の材料との１０％未満の混和性を有する金属材料で構成されている。
【００２６】
混和性は、一般に、様々な材料が一体に混合する能力を表している。実際、２つの成分ＡおよびＢからなる二元合金の場合、Ａ中におけるＢの混和性とは、材料Ａ中に均質に希釈する材料Ｂの能力を表している。材料Ａ中に均質に希釈する材料Ｂの能力が低い場合、材料Ｂは、Ａ中への混和性が小さい、あるいはＡ中への溶解度が小さい、と言われる。ある材料が他の材料中に均質に希釈するこの能力は、二元合金Ａ−Ｂの相線図によって、知られている方法で表される。
【００２７】
磁気スタックは、周囲温度で平面外磁化方向を有している。
【００２８】
驚くべきことには、磁気金属の第１の層と非磁気金属の第２の層の間に、第１の層の材料との混和性が小さい金属材料の第３の層を追加することにより、スタックの平面外異方性を大きくすることができる。前記第３の層の厚さが最適化され、典型的には１原子平面ないし数原子平面程度になると、スタックは、第３の層がない場合に有することになる平面外異方性より大きい平面外異方性を有することになる。
【００２９】
第３の層を形成するために使用される材料は、第１の層を構成している材料と混合しないか、あるいは混合が乏しい材料である。言い換えると、第３の層は、第１の層が形成される材料中に拡散しないか、あるいは実質的に拡散しない材料から作製される。
【００３０】
既に言及したように、第１の層の上に直接堆積し、また、その上に第２の層が直接堆積した第３の層を存在させることにより、スタックの平面外異方性を大きくすることができる。一方、その逆の場合、言い換えると第３の層が第２の層の上に堆積し、また、第１の層が第３の層の上に堆積している場合、スタックの平面外異方性は大きくならず、その代わりに小さくなる。
【００３１】
さらに、本発明によるスタックは、２５０℃と３５０℃の間のアニーリング後においても良好な平面外異方性を維持する点でとりわけ有利である。
【００３２】
さらに、第１の層と第２の層の間に第３の層を追加することにより、スタックは、第３の層を備えていない場合に有することになるキュリー温度と比較すると、低いキュリー温度を有することができ、その一方で平面外磁化を維持することができる。
【００３３】
また、スタックは、個々に選択された、あるいは技術的に可能な任意の組合せに基づいて選択された以下の特徴のうちの１つまたは複数を有することも可能である。
【００３４】
第２の層は、白金、パラジウム、金、イリジウム、モリブデンの群から選択される１つまたは複数の材料で構成されることが好ましい。
【００３５】
第３の層は、銅、銀、マグネシウム、アルミニウムの群から選択される材料で構成されることが好ましい。これらの材料は、第１の層の材料との１０％未満の混和性を有している。
【００３６】
非制限の実施形態によれば、第３の層は、０．２ｎｍと１．５ｎｍの間の厚さを有している。実際、０．２ｎｍ未満では、第１の層は第３の層によって完全に覆われない。さらに、第３の層の厚さが１．５ｎｍより分厚くなると、スタックの平面外異方性を大きくすることができなくなる。したがって１．５ｎｍより厚い第３の層を堆積させることは無意味である。
【００３７】
非制限の実施形態によれば、第１の層は、０．３ｎｍ未満の厚さ、好ましくは厳格に０．３ｎｍ未満の厚さを有するコバルトの層である。したがってスタックは１５０℃程度のキュリー温度を有しており、スタックの磁化を温度によって平面外磁化から平面内磁化へ容易に転換することができる。
【００３８】
非制限の実施形態によれば、第１の層は２ｎｍ以下の厚さを有している。実際、２ｎｍを超えると、第１の層と第２の層の間に第３の層を挿入しても、もはやスタックの平面外異方性を有意に大きくすることはできない。
【００３９】
非制限の実施形態によれば、第１および第２の層は、それぞれ０．２ｎｍより厚い厚さを有している。実際、０．２ｎｍ未満では、前記層は、それらがその上に堆積される層を完全に覆うことができない。
【００４０】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による少なくとも１つの第１のスタックおよび１つの第２のスタックを備えた多層に関しており、この多層は平面外磁化を有しており、第２のスタックの第１の層は、第１のスタックの第２の層の上に堆積されている。
【００４１】
多層は、周囲温度で平面外の磁化方向を有している。
【００４２】
実際、可能な限り大きい平面外異方性を個々のスタックに有する多層を有するためには、第１の層の上に第３の層を堆積させなければならず、また、この第３の層の上に第２の層を堆積させなければならない。一方、第２のスタックの第１の層は、第１のスタックの第２の層の上に直接堆積させなければならない。
【００４３】
本発明の第１の態様による複数のスタックを積み重ねることにより、平面外異方性を有する、１ｎｍより厚い多層を形成することができる。
【００４４】
また、多層は、個々に選択された、あるいは技術的に可能な任意の組合せで選択された以下の特徴のうちの１つまたは複数を有することも可能である。
【００４５】
非制限の実施形態によれば、多層は、さらに、スタックの上に堆積した、磁気材料の追加層を備えている。スタックの上に追加層を堆積させることにより、磁気厚さを分厚くすることができ、その一方で多層の平面外異方性を維持することができる。実際、多層のスタックは、それらが、追加層と多層のスタックとの間の界面を介した磁気結合によって追加層の磁化を平面から「引き出す」ことができるよう、極めて重要な平面外異方性を有している。そのためには、追加層ではなく、スタックが追加層の磁化を平面から引き出すよう、言い換えると追加層の平面磁化が多層の磁化を平面中に引き出さないよう、多層のスタックの総異方性エネルギーが追加層の総異方性エネルギーより大きくなるようにしなければならない。
【００４６】
非制限の実施形態によれば、追加層は、コバルト、鉄、ニッケルまたは前記材料をベースとする合金のうちの１つの材料から作製される。
【００４７】
追加層は、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄの元素のうちの１つまたは複数を含むことも可能である。
【００４８】
非制限の実施形態によれば、ＭＲＡＭタイプのメモリ用途の範囲内におけるとりわけ重要なことには、多層は、０．５ｎｍと４ｎｍの間の厚さを有している。実際、多層は、トンネル障壁によるサポート可能な電流密度、言い換えると典型的には２．１０７Ａ／ｃｍ２未満の電流密度のスピン転移によって反転させることができるようにするために適度の磁気厚さを維持するためには、好ましくは４ｎｍ未満の厚さを有していなければならない。さらに、０．５ｎｍより厚い厚さを有することにより、多層をメモリポイント内の基準層または記憶層として使用することができる。
【００４９】
また、本発明の第３の態様は、
−「基準層」として知られている第１の磁気多層と、
−可変磁化方向を有する「記憶層」として知られている第２の磁気多層と、
−基準層および記憶層を分離しているスペーサと
を備えたメモリセルに関しており、基準層および／または記憶層は、本発明の第２の態様による多層を備えている。
【００５０】
したがって形成されるメモリセルは、極めて小さい横方向の寸法、言い換えると典型的には４５ｎｍ未満の寸法を有することができ、その一方で良好な熱安定性を有することができるため、とりわけ有利である。
【００５１】
本発明の第４の態様は、本発明の第３の態様によるメモリセルを備えた磁気ランダムアクセスメモリに関している。
【００５２】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図を参照して以下の説明を読むことにより、より明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１ａ】本発明の一実施形態によるスタックの断面図である。
【図１ｂ】二元合金Ｃｏ−Ｃｕの相線図である。
【図２】本発明の一実施形態による多層の断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による多層および従来技術の多層であって、コバルトの層を備えた多層中の、コバルトの層の厚さの関数としての有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示す曲線である。
【図４】従来技術の多層および図２の多層中のコバルトの層の厚さの関数としての有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示す曲線である。
【図５】コバルト層の厚さの関数としての、図２の多層中および従来技術の多層中の飽和磁化Ｍｓの展開を示す曲線である。
【図６】前記多層のアニーリング温度の関数としての、図２の多層中および従来技術による多層中の有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示す曲線である。
【図７ａ】本発明の一実施形態による多層の断面図である。
【図７ｂ】従来技術による多層の断面図である。
【図８】ａ〜ｄは、極カー効果によって測定された従来技術の多層中のヒステリシスループであり、ｅ〜ｈは、極カー効果によって測定された本発明の異なる実施形態による多層中のヒステリシスループである。
【図９】本発明の一実施形態による多層の２５℃における飽和磁化に対する、温度Ｔにおける飽和磁化の展開を温度の関数として示す曲線である。
【図１０ａ】極カー効果によって測定された、異なる温度における本発明の一実施形態による多層中のヒステリシスループである。
【図１０ｂ】極カー効果によって測定された、異なる温度における本発明の他の実施形態による多層中のヒステリシスループである。
【図１１】本発明の一実施形態によるメモリセルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
より明確にするために、全く同じ部材または同様の部材には、すべての図において全く同じ参照符号が付されている。
【００５５】
図１ａは、本発明の一実施形態によるスタック４を示したものである。前記スタック４は、磁気材料から作製された第１の層１を備えている。前記第１の層１はコバルトで構成されることが好ましいが、鉄、ニッケルまたは前記材料の合金で構成することも可能である。
【００５６】
また、スタック４は、非磁気材料から作製された第２の層２を備えることも可能である。第２の層２は白金で構成されることが好ましいが、パラジウム、金、または第１の層１の材料との共有界面を形成すると、界面垂直異方性を付与する金属材料で構成することも可能である。このような材料の例については、非特許文献７、および非特許文献８を参照されたい。
【００５７】
第１の層１は、０．２ｎｍと１ｎｍの間の厚さを有していることが好ましい。より詳細には、第１の層１がコバルトから作製される場合、その厚さは、連続膜が形成されるよう、０．２ｎｍより厚いことが好ましい。第１の層１が鉄から作製される場合、その厚さは、連続膜が形成されるよう、０．２ｎｍより厚いことが好ましい。第１の層１がニッケルから作製される場合、その厚さは、連続膜が形成されるよう、０．３ｎｍより厚いことが好ましい。
【００５８】
非制限の実施形態によれば、第２の層２は０．２ｎｍより厚い厚さを有している。実際、０．２ｎｍ未満では、第２の層は下方の層を完全に覆うことはできない。
【００５９】
また、スタック４は、第１の層１と第２の層２の間に挿入される第３の層３を備えている。より詳細には、第３の層３は第１の層１の上に直接堆積され、また、第２の層２は、この第３の層３の上に直接堆積される。
【００６０】
本明細書では、これらの層は、陰極スパッタリング、蒸着または任意の他の物理蒸着法によって堆積させることができる。
【００６１】
第３の層３は、第１の層１との混和性が小さい金属材料、言い換えると混和性が１０％未満の金属材料から作製される。
【００６２】
前記金属材料は、例えば銅、銀、マグネシウム、アルミニウムであってもよい。これらの材料は、それらが第１の層と第２の層の間の拡散障壁として働くよう、第１の層１を構成している材料中への拡散係数が極めて小さい材料である。
【００６３】
一例として図１ｂは、二元合金Ｃｏ−Ｃｕの相線図を示したものである。この相線図には、コバルト中の銅の濃度を表している２つの分岐３０および３１の存在によってコバルト中における銅の低混和性が示されている。前記２つの分岐３０、３１が垂直軸に対して事実上接線であるということは、周囲温度に向かって補外すると、コバルト中に銅を均質に導入することはほとんど不可能であり、ここでは周囲温度で１％未満であることを示している。同様に、銅中にコバルトを均質に導入することもほとんど不可能である。
【００６４】
これは、大量の銅をコバルト中に混合させようとすると、コバルト基質中に分散した銅の微小粒子またはフィラメントの形態で銅が本質的に沈殿し、均質には混合しないことを意味している。この場合、銅は、コバルトとの混和性が小さい、と言われる。
【００６５】
それとは逆に、例えば合金ＣｏＮｉは、コバルト中のニッケルの全濃度範囲にわたって固溶体を形成することが知られている。この場合、Ｎｉは、コバルトとの混和性が大きい、と言われる。
【００６６】
第３の層３により、スタックは強い垂直異方性を有することができる。
【００６７】
本明細書では、スタック、層、多層は、前記スタック、前記層、前記多層が基準平面、ここでは平面ｘｙに対して平行に延在している場合、「垂直異方性」または「平面外異方性」を有している、と言われ、また、前記スタック、前記層または前記多層は、基準平面に対して垂直の軸、ここではｚ軸に沿った方向に磁化を有している、と言われる。
【００６８】
図２は、本発明の一実施形態による多層１０を示したものである。
【００６９】
前記多層１０はバッファ層５を備えることができる。前記バッファ層５は、多層１０の他の層を成長させるためのベースとして働き、また、基板の上に多層を接着させる働きをしている。前記バッファ層５は非磁気材料から作製されることが好ましい。前記バッファ層５は、例えばタンタルで構築することができる。前記バッファ層５は、例えば３ｎｍの厚さを有することができる。
【００７０】
バッファ層５の上には、非磁気材料から作製された層６を堆積させることができる。非磁気材料から作製された前記層６により、多層の残りの部分に良好な結晶構造を付与することができる。非磁気材料から作製された前記層６は、例えば白金で構築することができ、また、５ｎｍの厚さを有することができる。
【００７１】
多層１０は、次に、連続するｎ個のスタック４ａ、４ｂ、．．．４ｎを備えている。個々のスタック４ａ、４ｂ、．．．４ｎは、図１を参照して説明したスタック４と全く同じである。
【００７２】
これらのスタックは、第２のスタック４ｂの第１の層１ｂが第１のスタック４ａの第２の層２ａの上に堆積されるよう、互いの上に堆積されている。同様に、ｎ番目のスタック４ｎの第１の層１ｎは、スタックｎ−１の第２の層２（ｎ−ｌ）の上に堆積され、以下、同様である。したがって多層の総合厚さは、反復数の関数として０．５ｎｍから５０ｎｍまで変化させることができる。
【００７３】
したがって多層１０内では、コバルトの個々の第１の層１ａ、１ｂ、．．．、１ｎの上に、これらの層１ａ、１ｂ、．．．、１ｎとの混和性が小さい銅、銀、マグネシウム、アルミニウムまたは任意の他の金属の第３の層３ａ、３ｂ、．．．、３ｎが位置しており、これらの第３の層は、第１の層１ａ、１ｂ、．．．、１ｎと第２の層２ａ、２ｂ、．．．、２ｎの間に挿入されている。一方、個々の第１の層１ａ、１ｂ、１ｎのすぐ下には、白金、パラジウム、またはこれらの層１ａ、１ｂ、．．．１ｎを構成している材料と共有界面を形成すると、界面垂直異方性を付与することが知られている他の金属から作製された層２ａ、２ｂ、．．．、２ｎ−１が位置しており、上側のスタックの第１の層と下側のスタックの第２の層の間には銅の層は挿入されていない。この配置によれば、強い平面外異方性を有する多層１０を有することができる。
【００７４】
また、多層１０は、スタックの頂部に堆積した、例えば空気中における酸化からスタックを保護するための、保護を目的とした層７または一連の層７および８を備えることも可能である。これらの保護層は、例えば厚さ２ｎｍのタンタルの層７および同じく厚さ２ｎｍの白金の層８で構築することができる。
【００７５】
したがって製造される多層は平面外磁化を有している。
【００７６】
図３は、コバルトの層を備えた３つの多層中の、コバルト層の厚さの関数としての有効磁気異方性の展開を示したものである。
【００７７】
したがって曲線３０３は、
−厚さ３ｎｍのタンタルのバッファ層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−厚さｔＣｏが可変であるコバルトの第１の層
−厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えた従来技術による多層中の有効磁気異方性Ｋｅｆｆの、コバルトの第１の層の厚さの関数としての展開を示している。
【００７８】
曲線３０２は、
−厚さ３ｎｍのタンタルのバッファ層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−スタックであって、
厚さｔＣｏが可変であるコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えたスタック
を備えた本発明の実施形態による多層中の有効磁気異方性Ｋｅｆｆの、コバルトの第１の層の厚さの関数としての展開を示している。
【００７９】
これらの曲線から分かるように、コバルトの第１の層の厚さｔＣｏが１ｎｍ未満である場合、コバルトの第１の層の上に銅の第３の層を存在させることによって有効磁気異方性Ｋｅｆｆを大きくすることができ、これは、第１の層の上に第３の層が存在すると、スタックは、前記第３の層がない場合にスタックが有することになる平面外磁気異方性より大きい平面外磁気異方性を有することを示している。実際、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−厚さ０．５ｎｍのコバルトの第１の層
−厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えた従来技術によるスタックは、９５．１０４Ａ／ｍに対応する実質的に９５０ｅｍｕ／ｃｍ３に等しい磁化を有しており、また、４．１３０．１０５Ｊ／ｍ３に対応する４．１３Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の有効磁気異方性Ｋｅｆｆを有している。
【００８０】
厚さ０．４ｎｍの第３の銅層が前記スタックの第１の層と第２の層の間に追加されると、スタックは、１０２．１０４Ａ／ｍに対応する実質的に１０２０ｅｍｕ／ｃｍ３に等しい磁化を有し、また、９．１８．１０５Ｊ／ｍ３に対応する９．１８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の有効磁気異方性Ｋｅｆｆを有することになる。
【００８１】
厚さ０．４ｎｍのマグネシウムの第３の層が、上で説明した従来技術によるスタックの第１の層と第２の層の間に追加されると、スタックは、１０２．１０４Ａ／ｍに対応する実質的に１０２０ｅｍｕ／ｃｍ３に等しい磁化を有し、また、７．２７０．１０５Ｊ／ｍ３に対応する７．２７Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の有効異方性Ｋｅｆｆを有することになる。
【００８２】
したがって本発明によるスタックは、第１の層と第２の層の間に第３の層が存在しているため、従来技術によるスタックの磁化より大きい磁化を有しており、したがって第１の層を構成している材料の第２の層２中への拡散、あるいはその逆の第２の層２を構成している材料の第１の層中への拡散が回避される。さらに、本発明によるスタックは、従来技術の垂直磁気異方性より大きい垂直磁気異方性を有している。
【００８３】
図４は、それぞれコバルトの第１の層を備えた複数の全く同じスタックを備えた２つの多層中の、コバルトの第１の層の厚さの関数としての有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示したものである。
【００８４】
したがって曲線４０１は、コバルトの第１の層の厚さの関数としての、図２の多層と同様の多層中の異方性係数の展開を示している。
【００８５】
曲線４０２は、前記多層がコバルトの第１の層の上に第３の層を備えていない点が異なる、図２の多層と同様の多層中の異方性係数の展開を示している。
【００８６】
図４から分かるように、そのコバルトの第１の層の各々の上に銅の第３の層を備えた多層は、第３の層を備えていない多層より重要な有効磁気異方性Ｋｅｆｆを有している。したがってコバルトの個々の第１の層と白金の個々の第２の層の間に銅の第３の層を備えた多層は、第３の層を備えていない多層の界面起源の平面外異方性より大きい界面起源の平面外異方性を有している。
【００８７】
図５は、コバルトの第１の層を備えた２つの多層中の、コバルトの第１の層の厚さの関数としての飽和磁化の展開を示したものである。
【００８８】
したがって曲線５０１は、第１のコバルト層の厚さの関数としての、図２の多層と同様の多層中の飽和磁化の展開を示している。
【００８９】
曲線５０２は、前記多層が第１のコバルト層の上に第３の層を備えていない点が異なる、図２の多層と同様の多層中の飽和磁化の展開を示している。
【００９０】
図５から分かるように、その第１のコバルトの層の各々の上に銅の第３の層を備えた多層は、第３の層を備えていない多層より高い飽和磁化を有している。
【００９１】
図６は、２つの多層のアニーリング温度の関数としての有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示したものである。
【００９２】
より詳細には、曲線６０２は、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−３つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．６ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた３つのスタック
−厚さ２ｎｍのタンタルの層
−厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えた多層中の有効磁気異方性Ｋｅｆｆの展開を示したものである。
【００９３】
曲線６０１は、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−３つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．４ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた３つのスタック
−厚さ２ｎｍのタンタルの層
−厚さ２ｎｍの白金の第２の層
を備えた多層中の異方性係数Ｋｅｆｆの展開を示したものである。
【００９４】
これらの曲線から分かるように、０℃と３５０℃の間のアニーリング温度ＴＡであれば、曲線６０１および６０２の多層がどの温度でアニーリングされても、コバルトの個々の第１の層の上に銅の第３の層を備えた曲線６０１の多層は、第３の層を備えていない曲線６０２の多層の有効磁気異方性より大きい有効磁気異方性を有している。
【００９５】
この方法によれば、多層の垂直異方性を破壊するメモリポイントのアニーリングを必要とすることなく、とりわけ酸化マグネシウムまたは酸化アルミニウムのトンネル障壁を有するメモリセルに本発明による多層を使用することができるため、この特性はとりわけ重要である。
【００９６】
図７ａは、本発明の一実施形態による多層１１を示したものである。前記多層１１は、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層１３
−厚さ５ｎｍの白金の層１４
−３つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．３ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた３つのスタック４ａ、４ｂ、４ｃ
−厚さｔＣｏＦｅＢのコバルト−鉄−ホウ素合金の追加層１５
−厚さ０．５５ｎｍの酸化アルミニウムの層１６
−厚さ２ｎｍのタンタルの層１７
−厚さ２ｎｍの白金の層１８
を備えている。
【００９７】
図７ｂは、これらのスタックが銅の個々の第１の層の上に第３の層を備えていないことを除き、図７ａの多層と全く同じ組成の多層１２を示したものである。より詳細には、多層１２は、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層１３
−厚さ５ｎｍの白金の層１４
−３つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．３ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた３つのスタック１９ａ、１９ｂ、１９ｃ
−厚さｔＣｏＦｅＢのコバルト−鉄−ホウ素合金の追加層１５
−厚さ０．５５ｎｍの酸化アルミニウムの層１６
−厚さ２ｎｍのタンタルの層１７
−厚さ２ｎｍの白金の層１８
を備えている。
【００９８】
図８ａは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが０．５ｎｍである場合の図７ｂの多層１２のヒステリシスループを示したものである。
【００９９】
図８ｂは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが１ｎｍである場合の図７ｂの多層１２のヒステリシスループを示したものである。
【０１００】
図８ｃは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが１．５ｎｍである場合の図７ｂの多層１２のヒステリシスループを示したものである。
【０１０１】
図８ｄは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが２ｎｍである場合の図７ｂの多層１２のヒステリシスループを示したものである。
【０１０２】
図８ｅは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが０．５ｎｍである場合の図７ａの多層１１のヒステリシスループを示したものである。
【０１０３】
図８ｆは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが１ｎｍである場合の図７ａの多層１１のヒステリシスループを示したものである。
【０１０４】
図８ｇは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが１．５ｎｍである場合の図７ａの多層１１のヒステリシスループを示したものである。
【０１０５】
図８ｈは、極カー効果によって測定された、追加層１５の厚さが２ｎｍである場合の図７ａの多層１１のヒステリシスループを示したものである。
【０１０６】
前記ヒステリシスループは、これらの層の平面に対して垂直に磁界を印加することによって極カー効果によって得られたものである。極カー効果によって前記ヒステリシスループを得ることができる実験的プロトコルは、従来技術で知られており、例えば、「Ｍａｇｎｅｔｉｓｍｅ， Ｆｏｎｄｅｍｅｎｔｓ （Ｔｏｍｅ １）」および「Ｍａｇｎｅｔｉｓｍｅ， Ｍａｔｅｒｉａｕｘ ｅｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ （Ｔｏｍｅ ２）」、Ｅ．Ｄｕ Ｔｒｅｍｏｌｅｔ ｄｅ Ｌａｃｈｅｉｓｓｅｒｉｅ編、Ｇｒｅｎｏｂｌｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓと題する本に記載されている。これらの測定は、直線偏光された、６３２ナノメートルの波長のヘリウム−ネオンレーザを使用して実施された。
【０１０７】
図８ｅないし８ｆは、コバルトの第１の層１の上に銅の第３の層３を存在させることにより、多層の平面に対して垂直の磁化を多層１１に付与することができることを示しており、その有効異方性は、追加層１５の磁化を平面から「引き出す」には十分である。実際、スタック４ａないし４ｃが、層１中への混和性が小さい銅、マグネシウムまたは任意の他の金属の第３の層を備えている場合、これらのスタックは、２ｎｍ程度の値を達成することができる相当な厚さを追加層１５が有している場合であってもそれらが追加層の磁化を平面から引き出すよう、より大きい平面外異方性を有している。
【０１０８】
一方、図８ａないし８ｄは、多層１２中に第３の層３が存在しない場合、多層は、層の平面内に磁化を有することを示している。実際、この場合、スタック１９ａないし１９ｃの異方性は、追加層の磁化を追加層１５の平面から「引き出す」には不十分である。
【０１０９】
したがってスタック中に第３の層を存在させることにより、多層の磁化を多層の平面に対して垂直にすることができ、一方、第３の層がない場合、多層は、多層の平面に対して平行の磁化を有することになる。
【０１１０】
図９は、多層中における磁化の展開を前記多層の温度の関数として示したものである。
【０１１１】
より詳細には、曲線８０１、８０２、８０３は、それぞれ、温度Ｔにおける多層の飽和磁化Ｍｓ（Ｔ）の、２５℃におけるこの同じ多層の飽和磁化Ｍｓ（２５℃）に対する比率の展開を温度Ｔの関数として示したものである。
【０１１２】
曲線８０１、８０２および８０３に対して使用された多層は、以下の構成を有している。
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−５つのスタックであって、それぞれ、
厚さｔＣｏのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた５つのスタック
−厚さ０．５ｎｍのコバルトの層
−厚さ０．９ｎｍのルテニウムの層
−厚さ２ｎｍのタンタルの層
−厚さ２ｎｍの白金の層
【０１１３】
曲線８０１を生成するために使用された多層は、それぞれ厚さｔＣｏ＝０．４ｎｍのコバルトの第１の層を有している。
【０１１４】
曲線８０２を生成するために使用された多層は、それぞれ厚さｔＣｏ＝０．３ｎｍのコバルトの第１の層を有している。
【０１１５】
曲線８０３を生成するために使用された多層は、それぞれ厚さｔＣｏ＝０．２ｎｍのコバルトの第１の層を有している。
【０１１６】
これらの曲線は、個々のスタックのコバルトの第１の層の厚さｔＣｏが薄くなると、キュリー温度、言い換えると多層の自然磁化がゼロになる温度が低くなることを示している。
【０１１７】
キュリー温度のこの低減は、本質的に有限サイズ効果とリンクしており、言い換えるとコバルトの原子の配位の低減、言い換えるとそれらのコバルトの近隣の原子の数の減少により、コバルトの層内における交換相互作用が効果的に減少する。したがってそれは、第１の層と接触している第３の層の性質にかかわらず一般的な現象である。前記キュリー温度は、Ｐ．Ｊ． Ｊｅｎｓｅｎら、Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ ４２、８４９頁（１９９０）の刊行物に記載されている現象である、異方性切換え温度を制御するための極めて重要な要因である。
【０１１８】
一般に、実質的に１５０℃に等しいキュリー温度を得るためには、個々のスタック内のコバルトの第１の層の厚さｔＣｏを０．３ｎｍ未満、好ましくは厳格に０．３ｎｍ未満にしなければならない。しかしながらコバルトの第１の層をこのような厚さにしても、スタックの個々の第１の層の上に第３の層が存在している場合、スタックにできることは、周囲温度で平面外異方性を維持することのみである。したがってコバルトの第１の層との混和性が小さい銅、マグネシウム、または任意の他の金属の第３の層を存在させることにより、周囲温度で垂直異方性を有し、かつ、低いキュリー温度を有する多層を有することができる。
【０１１９】
図１０ａは、極カー効果によって測定された、
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−５つのスタックであって、それぞれ、
厚さ０．２５ｎｍのコバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた５つのスタック
−厚さ１．５ｎｍのコバルト−鉄−ホウ素合金の層
−厚さ０．５５ｎｍの酸化アルミニウムの層
−厚さ２ｎｍのタンタルの層
−厚さ２ｎｍの白金の層
を備えた本発明の一実施形態による多層中のヒステリシスループを示したものである。
【０１２０】
図１０ｂは、極カー効果によって測定された、個々のスタックのコバルトの第１の層が０．２５ｎｍの厚さを有する代わりに０．３ｎｍの厚さを有していることを除き、図１０ａの多層と同様の多層のヒステリシスループを示したものである。図１０ａおよび１０ｂのヒステリシスループを生成するため、これらの層の平面に対して垂直に磁界が印加された。
【０１２１】
図１０ａから分かるように、温度が高くなると多層の磁化方向が切り換わる。実際、多層の温度が周囲温度である場合、多層は、コバルトの第１の層の厚さに無関係に、多層の平面に対して垂直の磁化方向を有する。一方、温度が高くなると、平面外磁化を引き出す垂直有効異方性が小さくなり、特定の温度で符号が変化する。符号の前記変化は、磁気層の磁化を平面内に引き込む傾向がある形状異方性が、次に、平面外磁化を引き出す傾向がある体積起源または界面起源の垂直異方性に打ち勝つことに対応している。有効異方性の符号が変化する前記臨界温度では、磁気層の磁化は、前記温度未満の平面に対して垂直の方向から、前記温度より高い平面内の方向へ突発的に再配向される。図１０ａでは、コバルトの第１の層の厚さが０．２５ｎｍである場合、切換え温度は１５０℃に近く、一方、コバルトの第１の層の厚さが０．３ｎｍである場合、切換え温度は２００℃より高いことが分かる。
【０１２２】
さらに、多層が、とりわけ、図１１を参照して説明するメモリセル内の記憶層として使用される場合、異方性切換え温度が低い多層、言い換えると異方性切換え温度が１５０℃程度の多層を有することは、とりわけ有利である。
【０１２３】
図１１は、本発明の一実施形態によるメモリセルを示したものである。
【０１２４】
前記メモリポイントは、「基準層」２１として知られている第１の多重磁気層を備えている。基準層２１は、基準層の平面に対して垂直の磁化方向を有している。さらに、基準層は、固定磁化方向を有している。そのために、例えば基準層２１と接触している反強磁性層２４によって基準層２１の磁化方向をトラップすることができる。基準層２１は、既に説明した本発明による多層中に形成することができる。
【０１２５】
また、メモリポイントは、「記憶層」２２として知られている、可変磁化方向を有する第２の磁気多層を備えることも可能である。メモリセルが書き込まれていない周囲温度では、記憶層の磁化方向は、
−基準層の磁化方向に対して平行になり、この場合「０」が記憶層に書き込まれる
−あるいはその代わりに基準層の磁化方向に対して反平行になり、この場合「１」が記憶層に書き込まれる
ように配置することができる。
【０１２６】
記憶層２２は、本発明による多層の中に製造され、この例では以下の要素を備えている。
−厚さ３ｎｍのタンタルの層
−厚さ５ｎｍの白金の層
−５つのスタックであって、それぞれ、
コバルトの第１の層
厚さ０．４ｎｍの銅の第３の層
厚さ０．４ｎｍの白金の第２の層
を備えた５つのスタック
−厚さ１．５ｎｍのコバルト−鉄−ホウ素合金の追加層１５
【０１２７】
個々のスタックの第１の層は、０．２５ｎｍまたは０．３ｎｍの厚さを有することができる。図１０ａおよび１０ｂを参照して説明したように、個々のスタックのコバルトの第１の層の厚さが０．２５ｎｍである場合、記憶層２２は、１５０℃程度の異方性切換え温度を有し、一方、個々のスタックのコバルトの第１の層の厚さが０．３ｎｍである場合、記憶層２２は、２００℃より高い異方性切換え温度を有する。
【０１２８】
また、メモリセルは、基準層２１および記憶層２２を分離しているスペーサ２３を備えている。スペーサ２３は、基準層２１と記憶層２２の間のトンネル障壁を形成している。スペーサ２３は、この例では、厚さ０．５５ｎｍの酸化アルミニウムの層で構成されている。
【０１２９】
また、メモリセルはトランジスタ２５を備えており、このトランジスタ２５は、電子の流れがメモリセルを通って流れることができるよう、通過段に配置することができる。
【０１３０】
メモリセルは、スピン転移によって書き込まれることが好ましい。したがって電子の流れは、メモリセルを通って流れる。前記電子の流れが磁気である基準層２１を通過すると、電子が分極スピンで前記基準層２１から出るよう、電子のスピンが自からスピン分極されることになる。前記電子が記憶層２２を通過すると、それらの電子は、記憶層２２を磁化させるスピンと交換相互作用することになる。電流密度が十分に高い場合、この交換相互作用によって記憶層の磁化が再配向され、また、記憶層２２の磁気モーメントで分極された電子の角モーメントの転移によって記憶層２２の磁化が整列することになる。この現象は、スピン転移としても知られている。したがって電子の流れが基準層から記憶層へ流れると、スピン転移によって記憶層および基準層の磁化が平行に配向されることになる。一方、電子の流れが記憶層から基準層へ流れると、記憶層および基準層の磁化は反平行に整列することになる。
【０１３１】
さらに、スピン転移トルクは、電子のスピン分極の方向と前記トルクが加えられる磁化の間の角度の正弦として変化する。したがって記憶層および基準層が互いに垂直の磁化方向を有すると、前記トルクが大きくなる。さらに、静止状態では、基準層２１および記憶層２２はいずれも、周囲温度で、前記層の平面に対して垂直の磁化方向を有し、したがって基準層２１および記憶層２２は、周囲温度で、互いに平行または反平行の磁化方向を有する。
【０１３２】
しかしながら、記憶層への情報の書込みを可能にするために電流がメモリセルを通って流れると、前記電流によってメモリセルが加熱され、詳細には記憶層が加熱され、それにより記憶層の磁化方向が切り換わり、記憶層の平面内の磁化方向により接近する。記憶層のキュリー温度が低いほど、異方性切換え温度が低くなり、また、メモリセルに書き込むために必要な電流が小さくなる。したがって記憶層が、厚さ０．２５ｎｍのコバルトの第１の層を個々のスタック中に備えた多層で構成されている場合、メモリセルを通って流れる電流は、記憶層の磁化を９０°だけ切り換え、それにより記憶層の磁化方向を基準層の磁化方向に対して垂直になるようにするには十分である。したがってスピン転移の効果が最大限に発揮され、それにより電流の方向に応じて記憶層の磁化を「下側の」半球中に引き込むことができ、あるいは「上側の」半球中に引き込むことができる。次に、電流が遮断されると、記憶層の磁化方向がまっすぐになり、また、電子の流れが記憶層の磁化方向を基準層の磁化方向に対して平行または反平行に配向したかどうかに応じて、基準層の磁化方向に対して平行または反平行になる。
【０１３３】
したがって、記憶層に情報を書き込んでいる間、スピン転移させるためには、厚さ０．２５ｎｍのコバルトの層で構成される第１の層を個々のスタック内に有することがとりわけ重要である。そうすることにより、記憶層に情報を書き込むために必要な電流密度を小さくすることができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１ 第１の層（磁気層）
１ａ 第１のスタックの第１の層（磁気層）
１ｂ 第２のスタック４ｂの第１の層（磁気層）
１ｎ ｎ番目のスタック４ｎの第１の層（磁気層）
２ 第２の層
２ａ 第１のスタック４ａの第２の層
２ｂ 第２のスタック４ｂの第２の層
２（ｎ−１） スタックｎ−１の第２の層
２ｎ スタックｎの第２の層
３ 第３の層
３ａ、３ｂ、３ｎ 個々のスタックの第３の層
４ スタック（磁気スタック）
４ａ、１９ａ 第１のスタック（磁気スタック）
４ｂ、１９ｂ 第２のスタック（磁気スタック）
４ｃ、１９ｃ 第３のスタック
４ｎ ｎ番目のスタック（磁気スタック）
５ バッファ層
６ 非磁気材料から作製された層
７ 保護タンタル層
８ 保護白金層
１０、１１、１２ 多層
１３、１７ タンタルの層
１４、１８ 白金の層
１５ 追加層
１６ 酸化アルミニウムの層
２１ 基準層
２２ 記憶層
２３ スペーサ
２４ 反強磁性層
２５ トランジスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面外磁化を有する磁気スタック（４、４ａ、４ｂ、４ｎ）であって、
コバルト、鉄およびニッケル、ならびにこれらの材料をベースとする磁気合金の群から選択される１つまたは複数の材料で構成された第１の磁気層（１、１ａ、１ｂ、１ｎ）と、
金属材料で構成された第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）であって、前記金属材料が、前記第２の層が前記第１の層との共有界面を有すると、前記第１および前記第２の層によって形成されるアセンブリに界面起源の垂直異方性を与えることができる材料である、第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）と
を備え、前記スタック（４、４ａ、４ｂ、４ｎ）が、前記第１の層（１、１ａ、１ｂ、１ｎ）の上に堆積された第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）をさらに備え、前記第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）が前記第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）の上に堆積され、前記第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）が、前記第１の層の材料との１０％未満の混和性を有する金属材料で構成されていることを特徴とするスタック。
【請求項２】
前記第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）が、白金、パラジウム、金、イリジウム、モリブデンの群から選択される１つまたは複数の材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスタック。
【請求項３】
前記第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）が、銅、銀、マグネシウム、アルミニウムの群から選択される材料で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスタック。
【請求項４】
前記第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）が０．２ｎｍと１．５ｎｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスタック。
【請求項５】
前記第１の層（１、１ａ、１ｂ、１ｎ）が２ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のスタック。
【請求項６】
前記第１の層（１、１ａ、１ｂ、１ｎ）および前記第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）が、それぞれ０．２ｎｍより厚い厚さを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のスタック。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の少なくとも１つの第１のスタック（４ａ）および１つの第２のスタック（４ｂ）を備えた、平面外磁化を有する多層（１１、１２）であって、前記第２のスタック（４ｂ）の前記第１の層（１ｂ）が、前記第１のスタック（４ａ）の前記第２の層（２ａ）の上に堆積されている多層。
【請求項８】
前記スタック（４ａ、４ｂ、４ｎ）の上に堆積された磁気材料の追加層（１５）をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の多層。
【請求項９】
前記追加層（１５）が、コバルト、鉄、ニッケルまたは前記材料をベースとする磁気合金の材料のうちの１つから作製されていることを特徴とする請求項８に記載の多層。
【請求項１０】
前記追加層が、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄの元素のうちの１つまたは複数をさらに含む、請求項９に記載の多層。
【請求項１１】
「基準層」（２１）として知られている第１の磁気多層と、
可変磁化方向を有する「記憶層」（２２）として知られている第２の磁気多層と、
前記基準層（２１）および前記記憶層（２２）を分離しているスペーサ（２３）と
を備えたメモリセルであって、前記基準層（２１）および／または前記記憶層（２２）が、請求項７から１０のいずれか一項に記載の多層（１０、１１）を備えることを特徴とするメモリセル。
【請求項１２】
請求項１１に記載のメモリセルを備えた磁気ランダムアクセスメモリ。
【請求項１】
平面外磁化を有する磁気スタック（４、４ａ、４ｂ、４ｎ）であって、
コバルト、鉄およびニッケル、ならびにこれらの材料をベースとする磁気合金の群から選択される１つまたは複数の材料で構成された第１の磁気層（１、１ａ、１ｂ、１ｎ）と、
金属材料で構成された第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）であって、前記金属材料が、前記第２の層が前記第１の層との共有界面を有すると、前記第１および前記第２の層によって形成されるアセンブリに界面起源の垂直異方性を与えることができる材料である、第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）と
を備え、前記スタック（４、４ａ、４ｂ、４ｎ）が、前記第１の層（１、１ａ、１ｂ、１ｎ）の上に堆積された第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）をさらに備え、前記第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）が前記第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）の上に堆積され、前記第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）が、前記第１の層の材料との１０％未満の混和性を有する金属材料で構成されていることを特徴とするスタック。
【請求項２】
前記第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）が、白金、パラジウム、金、イリジウム、モリブデンの群から選択される１つまたは複数の材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスタック。
【請求項３】
前記第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）が、銅、銀、マグネシウム、アルミニウムの群から選択される材料で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のスタック。
【請求項４】
前記第３の層（３、３ａ、３ｂ、３ｎ）が０．２ｎｍと１．５ｎｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のスタック。
【請求項５】
前記第１の層（１、１ａ、１ｂ、１ｎ）が２ｎｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のスタック。
【請求項６】
前記第１の層（１、１ａ、１ｂ、１ｎ）および前記第２の層（２、２ａ、２ｂ、２ｎ）が、それぞれ０．２ｎｍより厚い厚さを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のスタック。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の少なくとも１つの第１のスタック（４ａ）および１つの第２のスタック（４ｂ）を備えた、平面外磁化を有する多層（１１、１２）であって、前記第２のスタック（４ｂ）の前記第１の層（１ｂ）が、前記第１のスタック（４ａ）の前記第２の層（２ａ）の上に堆積されている多層。
【請求項８】
前記スタック（４ａ、４ｂ、４ｎ）の上に堆積された磁気材料の追加層（１５）をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の多層。
【請求項９】
前記追加層（１５）が、コバルト、鉄、ニッケルまたは前記材料をベースとする磁気合金の材料のうちの１つから作製されていることを特徴とする請求項８に記載の多層。
【請求項１０】
前記追加層が、Ｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｐｔ、Ｐｄの元素のうちの１つまたは複数をさらに含む、請求項９に記載の多層。
【請求項１１】
「基準層」（２１）として知られている第１の磁気多層と、
可変磁化方向を有する「記憶層」（２２）として知られている第２の磁気多層と、
前記基準層（２１）および前記記憶層（２２）を分離しているスペーサ（２３）と
を備えたメモリセルであって、前記基準層（２１）および／または前記記憶層（２２）が、請求項７から１０のいずれか一項に記載の多層（１０、１１）を備えることを特徴とするメモリセル。
【請求項１２】
請求項１１に記載のメモリセルを備えた磁気ランダムアクセスメモリ。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１】
【図１ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１２７３３（Ｐ２０１３−１２７３３Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１３０２８５（Ｐ２０１２−１３０２８５）
【出願日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【出願人】（５０２１２４４４４）コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３０２８５（Ｐ２０１２−１３０２８５）
【出願日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【出願人】（５０２１２４４４４）コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ (383)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]