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公開番号2025081224
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-27
出願番号2024172870
出願日2024-10-02
発明の名称平行スピン-モーメンタム固定スピン電流を用いた磁気トンネル接合スイッチング
出願人三星電子株式会社,Samsung Electronics Co.,Ltd.,インターナショナルビジネスマシーンズコーポレーション
代理人弁理士法人ITOH
主分類H10N 50/10 20230101AFI20250520BHJP()
要約【課題】スピン・トランスファー・トルクを利用する磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM)デバイスのための方法及び装置を提供する。
【解決手段】デバイスは、基板及び/又は下地層と、基板上に形成され、参照層、トンネル障壁層及び自由層を含む磁気トンネル接合(MTJ)と、MTJの自由層上に形成された平行スピン・モーメンタム(PSM)層201を含む。PSM層、即ちキラル材料層は、MTJの自由層又は自由層に隣接するテクスチャ・ブレーキング層(TBL)に隣接するものに対して追加的に形成されてもよく、スピン・トランスファー・トルクの追加的なソースを提供し、より低いスイッチング電流で動作することが可能なMTJデバイスを提供する。
【選択図】図2A
特許請求の範囲【請求項１】
基板；
前記基板の上に形成された磁気トンネル接合（MTJ）であって、参照層、トンネル障壁層、及び自由層を含むMTJ；及び
前記MTJの前記自由層の上に形成された平行スピン・モーメンタム（PSM）層であって、キラル材料を含むPSM層；
を含むデバイス。
続きを表示（約 660 文字）【請求項２】
請求項1に記載のデバイスにおいて、前記キラル材料は、前記MTJの前記参照層の磁化方向に対応する左旋キラリティ又は右旋キラリティを有する、デバイス。
【請求項３】
請求項1に記載のデバイスにおいて、前記キラル材料は、PtAl又はPtGaを含む、デバイス。
【請求項４】
請求項1に記載のデバイスにおいて、前記PSM層は、2-3nmより大きな厚みを有する、デバイス。
【請求項５】
請求項1に記載のデバイスにおいて、前記PSM層は、50％を越える、左旋キラリティ又は右旋キラリティを有するキラル材料を含む、デバイス。
【請求項６】
請求項1に記載のデバイスにおいて、前記MTJ層の前記自由層と前記PSM層との間に形成されたテクスチャ・ブレーキング層（TBL）を更に含むデバイス。
【請求項７】
請求項1に記載のデバイスにおいて、前記MTJのトンネル障壁層はMgOを含む、デバイス。
【請求項８】
請求項1に記載のデバイスにおいて、前記MTJの前記自由層は、Co，Fe，及びBの合金を含む、デバイス。
【請求項９】
請求項1に記載のデバイスにおいて、前記MTJの前記自由層は、ホイスラー化合物を含む、デバイス。
【請求項１０】
請求項9に記載のデバイスにおいて、前記ホイスラー化合物は、Mn
3
Geを含む、デバイス。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、磁気ランダム・アクセス・メモリ（magnetic random access memory，MRAM）の分野に関連し、より詳細には、スピン・トランスファー・トルク（spin transfer torque）を利用するMRAMデバイスに関連する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
MRAMのような磁気メモリは、情報記憶媒体として磁性体を用いて情報を記憶する。例えば、磁気トンネル接合（magnetic tunneling junction，MTJ）は、スピン・トランスファー・トルクMRAM（STT-MRAM）のようなMRAMで使用される場合がある。MTJは、典型的には、参照層と、自由層と、参照層及び自由層の間のトンネル障壁層とを含む。参照層と自由層は磁性層である。参照層の磁気モーメントは、一般に、特定の方向に固定されている、又は動けなくされている。自由層は、可変な磁気モーメントを有し、情報を記憶するために使用される。MTJの下にあるボトム・コンタクトとMTJの上にあるトップ・コンタクトは、STT-MRAMにおける、面に垂直な電流（current-perpendicular-to-plane，CPP）方向において、MTJを通る電流を駆動するために使用される。正のトンネル磁気抵抗（tunnel magnetoresistance，TMR）を有するMTJの場合、十分な電流が、面に垂直な一方向（例えば、トップからボトム）において駆動されると、自由層の磁気モーメントは、参照層の磁気モーメントに平行になるように切り替わる。十分な電流が、反対方向（例えば、ボトムからトップ）において駆動されると、自由層の磁気モーメントは、参照層の磁気モーメントと反平行になるように切り替わる。異なる磁性構造は、異なる磁気抵抗、従ってMTJの異なる論理状態（例えば、論理「0」及び論理「1」）に対応する。
【０００３】
より具体的には、STT-MRAMは、MTJを介してスピン偏向電流を直接的に流すことによって、自由層の磁気方向を変化させる。これは、STT-MRAMにスケーラビリティをもたらし、即ち、MTJのサイズがより小さくなるにつれて、状態反転を行うための閾電流は減少するであろう、ということを意味する。この特性はまた、MRAMをトグルさせることと比較して、漂遊磁界（stray magnetic fields）に対するより大きな耐性を、STT-MRAMに提供する。
【０００４】
STT-MRAMは、従来のMRAMよりも低い電力消費と優れたスケーラビリティという利点を有するので、例えば、モバイル・デバイスやストレージ・デバイスにおいて、低密度のダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（DRAM）及びスタティック・ランダム・アクセス・メモリ（SRAM）に取って代わることが可能である。DRAMやSRAMを上回るMRAMの別の利点は、その不揮発性であり、即ち、MRAMは、電源オフ状態であっても、書き込まれたデータを保持する。
【０００５】
しかしながら、STT-MRAMにおいて、磁性層が層表面に垂直な磁化を有する場合、即ち、垂直磁気異方性（perpendicular magnetic anisotropy，PMA）を有する場合には、面内磁化MTJのときよりも小さなスイッチング電流が必要とされる。
【０００６】
更に、ナノ秒領域（例えば、2-50ns）で動作することが可能な低電力STT-MRAM製品については、より低いスイッチング電流が必要とされる。
【０００７】
スピン・トランスファー・トルクの追加的なソースを提供するためにデュアルMTJ構造が提案されているが、より厚いMTJスタックを必要とし、これは製造上の課題となり、トップ参照層の安定性に対する大幅な改善を要求する。
【０００８】
更に、スピン－軌道カップリング・トルク（spin-orbit coupling torque，SOT）支援型STT-MRAMが提案されており、この場合、スピン・トルクの追加的なソースは、MTJの自由層に隣接するSOT材料によって提供される。しかしながら、これらの従来技術では、SOTは、SOTラインを流れる面内電流（in-plane electrical current）によって生成され、これは、横方向に延びるものであり、また、製造に関する追加的な課題を提示するものでもある。
【発明の概要】
【０００９】
従って、本開示の一態様は、MTJデバイスにおいてより低いスイッチング電流を得るための装置及び方法を提供するものである。
【００１０】
本開示の別の態様は、製造上の困難を伴うことなく、MTJデバイスのためにスピン・トランスファー・トルクの更なるソースを提供するものである。
（【００１１】以降は省略されています）

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