特許 6319954 磁気トンネリング接合シード膜、キャッピング膜、及びスペーサー膜物質

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6319954

(24)【登録日】2018年4月13日

(45)【発行日】2018年5月9日

(54)【発明の名称】磁気トンネリング接合シード膜、キャッピング膜、及びスペーサー膜物質

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/10 20060101AFI20180423BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20180423BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20180423BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20180423BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20180423BHJP

【ＦＩ】

   H01L43/10

   H01L43/08 Z

   H01L27/105 447

   H01L29/82 Z

【請求項の数】9

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2013-118607(P2013-118607)

(22)【出願日】2013年6月5日

(65)【公開番号】特開2013-254957(P2013-254957A)

(43)【公開日】2013年12月19日

【審査請求日】2016年5月16日

(31)【優先権主張番号】13/491,568

(32)【優先日】2012年6月7日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100154922

【弁理士】

【氏名又は名称】崔 允辰

(74)【代理人】

【識別番号】100140534

【弁理士】

【氏名又は名称】木内 敬二

(72)【発明者】

【氏名】ユージーン・ユジュン・チェン

(72)【発明者】

【氏名】シュエティ・タン

【審査官】 加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２６６３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１７３４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０９８５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５９９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２８３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５４５７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ２７／１０５

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１基準膜と、
自由膜と、
前記第１基準膜及び前記自由膜の間に配置された第１非磁性スペーサー膜と、
前記第１基準膜の下に配置されたシード膜と、を含み、
前記第１非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、
前記第１非磁性スペーサー膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物は、Ｒｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択された１つ以上の追加元素を有するＭｇＯを含み、
前記シード膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、
前記シード膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物はＲｕ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択された１つ以上の追加元素を有するＭｇＯを含み、
前記第１非磁性スペーサー膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物は、前記シード膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物とは異なる、半導体装置のための磁気素子。

【請求項2】

前記第１非磁性スペーサー膜は絶縁トンネリングバリアー膜である請求項１に記載の磁気素子。

【請求項3】

前記第１非磁性スペーサー膜はスピンバルブ（ｓｐｉｎ ｖａｌｖｅ）として機能する導電物質を含む請求項１又は２に記載の磁気素子。

【請求項4】

前記第１基準膜の上に配置されたキャッピング膜をさらに含み、
前記キャッピング膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、
前記キャッピング膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物はＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択された１つ以上の追加元素を有するＭｇＯを含む請求項１から３の何れか一項に記載の磁気素子。

【請求項5】

前記第１非磁性スペーサー膜は（００１）結晶構造を含む請求項１から４の何れか一項に記載の磁気素子。

【請求項6】

前記自由膜の対向する面上に配置された第２基準膜と、
前記第２基準膜及び前記自由膜の間に配置される第２非磁性スペーサー膜と、をさらに含む請求項１から５の何れか一項に記載の磁気素子。

【請求項7】

前記第２非磁性スペーサー膜はＭｇＯを含む請求項６に記載の磁気素子。

【請求項8】

前記自由膜及び前記第２基準膜は面内磁化方向を有し、
前記第１基準膜は垂直磁化方向を有する請求項６又は７に記載の磁気素子。

【請求項9】

前記自由膜及び前記第２基準膜は垂直磁化方向を有し、
前記第１基準膜は面内磁化方向を有する請求項６から８の何れか一項に記載の磁気素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は磁気メモリのような磁気装置で使用できる磁気素子と、前記磁気素子を使用する装置とに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気メモリ、特に磁性ランダムアクセスメモリ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｉｅｓ、ＭＲＡＭｓ）は速い読出し／書込み速度、優れた耐久性、非揮発性、及び動作中での低い消費電力等の可能性を有するため益々関心を集めている。ＭＲＡＭは磁性物質を格納−記録媒体として利用して情報を格納できる。ＭＲＡＭの一形態はスピン伝達トルクランダムアクセスメモリ（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ、ＳＴＴ−ＲＡＭ）である。ＳＴＴ−ＲＡＭは磁気素子を通じて印加される電流によって少なくとも一部に書込みが行われる磁気素子を利用する。

【0003】

例えば、図１は、一般的なＳＴＴ−ＲＡＭで使用され得る１つの例示的な磁気トンネリング接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｊｕｎｃｔｉｏｎ、ＭＴＪ、１０）を図示する。一般的なＭＴＪ１０は一般的に下部コンタクト１１上に形成され、一般的なシード膜１２を使用し、固定膜（ｐｉｎｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ、１４）、例えば一般的な反強磁性（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ、ＡＦＭ）、一般的な被固定膜（又は基準膜、１６）、一般的なトンネリングバリアー膜１８、一般的な自由膜２０、及び一般的なキャッピング膜２２を含む。また、上部コンタクト２４が図示される。

【0004】

一般的なコンタクト１１、２４は面に対して垂直になる電流（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ、ＣＰＰ）方向に、又は図１に示したように軸に沿って、電流を印加するのに使用される。一般的なトンネリングバリアー膜１８は非磁性であり、例えば、ＭｇＯのような薄い絶縁体である。一般的なシード膜１２は一般的に、目的とする結晶構造を有する後続される膜、例えば、ＡＦＭ膜１４のような膜の成長を助けるために使用される。上部コンタクト２４に対する一般的な自由膜２０の直接的露出は不規則な界面、磁性を喪失した領域（ｄｅａｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｇｉｏｎｓ）及び増加されたダンピング（ｄａｍｐｉｎｇ）を誘起させることができる。結果的に、一般的なキャッピング膜２２は上部コンタクト２４の積層の前に、自由膜２０上に直接的に提供される。このような一般的なキャップは拡散防止として機能し、一般的な自由膜２０の表面の質を向上させる。一般的な被固定膜１６及び一般的な自由膜２０は磁性体である。一般的な被固定膜１６の磁化１７は特定方向に、一般的にＡＦＭ膜１４と交換−バイアス作用（ｅｘｃｈａｎｇｅ−ｂｉａｓ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）によって定まれるか、或いは固定される。単純な（単一）膜として図示されても、一般的な被固定膜１６は多重膜を包含することができる。例えば、一般的な被固定膜１６は、Ｒｕのような薄い導電膜を通じて反強磁性的に又は強磁性的に結合された磁性膜を含む合成反強磁性体（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ、ＳＡＦ）であり得る。ＳＡＦのような場合、Ｒｕ薄膜が挿入された多重磁性膜が使用され得る。

【0005】

一般的な自由膜２０は変化できる磁化２１を有する。単一膜として図示されるが、一般的な自由膜２０はまた多重膜を包含することができる。例えば、一般的な自由膜２０は、Ｒｕのような薄い導電膜を通じて反強磁性的に又は強磁性的に連結された磁性膜を含む合成膜であり得る。

【0006】

スピン伝達トルク（Ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）は一般的なＭＴＪ１０に書き込むために使用され得る。特に、スピン−伝達トルクは磁化容易軸（ｅａｓｙ ａｘｉｓ）にしたがう２つの方向の中で１つに一般的な自由膜２０の磁化を回転させる。書込み電流が上記層の面と垂直になる方向に一般的なＭＴＪ１０を通過する時、電子は一般的な被固定膜１６を通じる透過、又は一般的な被固定膜からの反射によってスピン分極され得る。充分な電流が一般的なＭＴＪ１０を通じて印加されれば、一般的な自由膜２０の磁化２１に対するスピン伝達トルクは一般的な自由膜２０をスイッチングさせるのに適切である。したがって、一般的な自由膜２０は望む状態に書き込まれ得る。それで、一般的なＭＴＪ１０はＳＴＴ−ＲＡＭで情報を格納するために使用され得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明が解決しようとする一技術的課題は、狭いバンドギャップを有するトンネリング物質を提供することにある。

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、以上で言及された課題に制限されず、言及されないその他の課題は、以下の記載から当業者に明確に理解され得る。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の概念にしたがう一実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、第１基準膜と、自由膜と、前記第１基準膜及び前記自由膜の間に配置された第１非磁性スペーサー膜と、を含み、前記第１非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は、Ｒｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択された１つ以上の追加元素を有するＭｇＯを含む。

【0010】

本発明の一実施形態によれば、前記第１非磁性スペーサー膜は絶縁トンネリングバリアー膜である。

【0011】

本発明の他の実施形態によれば、前記第１非磁性スペーサー膜はスピンバルブ（ｓｐｉｎ ｖａｌｖｅ）として機能する。

【0012】

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第１基準膜上に配置されたキャッピング膜をさらに含み、前記キャッピング膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記キャッピング膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物はＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択された１つ以上の追加元素を有するＭｇＯを含む。

【0013】

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第１基準膜の下に配置されたシード膜をさらに含み、前記シード膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記シード膜の前記二元、三元、又は多元合金酸化物はＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択された１つ以上の追加元素を有するＭｇＯを含む。

【0014】

本発明のその他の実施形態によれば、前記第１非磁性スペーサー膜は（００１）結晶構造を含む。

【0015】

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記自由膜の対向する面上に配置された第２基準膜と、前記第２基準膜及び前記自由膜の間に配置される第２非磁性スペーサー膜と、をさらに含む。

【0016】

本発明のその他の実施形態によれば、前記第２非磁性スペーサー膜はＭｇＯを含む。

【0017】

本発明のその他の実施形態によれば、前記自由膜及び前記第２基準膜は面内磁化方向を有し、前記第１基準膜は垂直磁化方向を有する。

【0018】

本発明のその他の実施形態によれば、前記自由膜及び前記第２基準膜は垂直磁化方向を有し、前記第１基準膜は面内磁化方向を有する。

【0019】

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第１基準膜を覆うキャッピング膜をさらに含み、前記自由膜及び前記第２基準膜は面内磁化方向を有し、前記第１基準膜は垂直磁化方向を有する。

【0020】

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第１基準膜を覆うキャッピング膜をさらに含み、前記自由膜及び前記第２基準膜は面内磁化方向を有し、前記第１基準膜は垂直磁化方向を有する。

【0021】

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気素子は前記第１基準膜上に配置されたキャッピング膜と、前記第２基準膜の下に配置されたシード膜と、をさらに含み、前記キャッピング膜、前記シード膜、又はこれらの全ては、前記第１及び第２基準膜の中で隣接する１つと密接に整合（ｃｌｏｓｅｌｙ ｍａｔｃｈ）される結晶構造を有する二元、三元、又は多元合金酸化物で形成され、前記キャッピング膜、前記シード膜、又はこれらの全ての前記二元、三元、又は多元合金酸化物はＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択された１つ以上の追加元素を有するＭｇＯを含む。

【0022】

本発明の概念にしたがう他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、前記基準膜上に配置されたキャッピング膜と、前記基準膜の下に配置されたシード膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜、前記キャッピング膜又は前記シード膜の中での少なくとも１つは、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ）ＳｎＯ_３、Ｍｇ_２ＳｎＯ_４、又はＮｉＭｎ_２Ｏ_４を含む。

【0023】

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は１つ以上の追加元素Ａを有するＭｇＯを含み、前記ＡはＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択され、前記二元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ_ｙＯ_ｚを含み、ここで、ｘ＋ｙ＞１であり、ｚ＜１である。

【0024】

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、一方向で反対方向にスイッチングされる磁化方向を有する自由膜と、基準膜と、前記自由膜及び前記基準膜の間に配置されるスペーサー膜と、前記基準膜又は前記自由膜に隣接するように配置されるシード膜又はキャッピング膜と、を含み、前記シード膜又はキャッピング膜は、１つ以上の追加元素を有し、隣接する基準膜又は自由膜の結晶構造に密接に整合される結晶構造を有する二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記１つ以上の追加元素はＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択される。

【0025】

本発明の一実施形態によれば、前記二元、三元、又は多元合金酸化物はＭｇ、Ｏ、及び１つ以上の追加元素を含み、前記１つ以上の追加元素はＭｇＯに比べて前記酸化物の抵抗を減少させる。

【0026】

本発明の他の実施形態によれば、前記スペーサー膜はトンネリングバリアー膜である。

【0027】

本発明のその他の実施形態によれば、前記トンネリングバリアー膜は隣接する自由膜及び基準膜の結晶構造に密接に整合される結晶構造を有する二元、三元、又は多元合金酸化物を含む。

【0028】

本発明のその他の実施形態によれば、前記磁気メモリ格納素子はスピンバルブ構造を提供する。

【0029】

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、前記基準膜の下に配置されたシード膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜又は前記シード膜の中で少なくとも１つは二元、三元、又は多元合金物質を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は１つ以上の追加元素Ａを有するＭｇＯを含み、前記ＡはＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択され、前記二元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ_ｙＯ_ｚであり、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ及び０＜ｘ、又はｙ、又はｚ＜１であり、前記三元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ_ｙＯ_ｚであり、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ及び０＜ｘ、又はｙ、又はｚ＜１であり、前記多元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ^１_ｙ１Ａ^２_ｙ２…Ａ^ｎ_ｙｎＯ_ｚであり、ｘ＋ｙ１＋ｙ２＋…＋ｙｎ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ１＋ｙ２＋…＋ｙｎ及び０＜ｘ、又はｙ１、又はｙ２、…、又はｙｎ、又はｚ＜１である。

【0030】

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、前記基準膜の下に配置されたキャッピング膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜又は前記キャッピング膜の中で少なくとも１つは二元、三元、又は多元合金物質を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は１つ以上の追加元素Ａを有するＭｇＯを含み、前記ＡはＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択され、前記二元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ_ｙＯ_ｚであり、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ及び０＜ｘ、又はｙ、又はｚ＜１であり、前記三元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ^１_ｙ１Ａ^２_ｙ２Ｏｚであり、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ及び０＜ｘ、又はｙ、又はｚ＜１であり、前記多元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ^１_ｙ１Ａ^２_ｙ２…Ａ^ｎ_ｙｎＯ_ｚであり、ｘ＋ｙ１＋ｙ２＋…＋ｙｎ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ１＋ｙ２＋…＋ｙｎ及び０＜ｘ、又はｙ１、又はｙ２、…、又はｙｎ、又はｚ＜１である。

【0031】

本発明の概念にしたがうその他の実施形態は磁気素子を提供する。前記磁気素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、前記自由膜を覆うキャッピング膜と、前記基準膜の下に配置されたシード膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜、前記キャッピング膜及び前記シード膜の中で少なくとも１つは二元、三元、又は多元合金物質を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は１つ以上の追加元素Ａを有するＭｇＯを含み、前記ＡはＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択され、前記二元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ_ｙＯ_ｚであり、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ及び０＜ｘ、又はｙ、又はｚ＜１であり、前記三元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ^１_ｙ１Ａ^２_ｙ２Ｏ_ｚであり、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ及び０＜ｘ、又はｙ、又はｚ＜１であり、前記多元合金酸化物はＭｇ_ｘＡ^１_ｙ１Ａ^２_ｙ２…Ａ^ｎ_ｙｎＯ_ｚであり、ｘ＋ｙ１＋ｙ２＋…＋ｙｎ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ１＋ｙ２＋…＋ｙｎ及び０＜ｘ、又はｙ１、又はｙ２、…、又はｙｎ、又はｚ＜１である。

【0032】

本発明の概念にしたがう一実施形態は磁気メモリプログラムする方法を提供する。前記磁気メモリをプログラムする方法において、前記磁気メモリは多数の磁気格納セルを含み、前記多数の磁気格納セル各々は、少なくとも１つの磁気素子及び少なくとも１つの選択素子を含み、前記少なくとも１つの磁気素子は前記磁気素子を通じて書込み電流を流すか、或いは、前記少なくとも１つの磁気素子に電圧を印加することによってプログラムすることができ、前記少なくとも１つの磁気素子を通じて双極又は単極電流を印加するか、或いは前記少なくとも１つの磁気素子に電圧を印加することを含み、前記双極又は単極の電流又は電圧は前記少なくとも１つの磁気素子をプログラムするのに十分であり、前記少なくとも１つのメモリ素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物は１つ以上の追加元素Ａを有するＭｇＯを含み、前記ＡはＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択される。

【0033】

本発明の概念にしたがう他の実施形態は磁気メモリプログラムする方法を提供する。磁気メモリをプログラムする方法において、前記磁気メモリは多数の磁気格納セルを含み、前記多数の磁気格納メモリセル各々は少なくとも１つの磁気素子及び少なくとも１つの選択素子を含み、前記少なくとも１つの磁気素子は前記磁気素子を通じて書込み電流を流すか、或いは前記少なくとも１つの磁気素子に電圧を印加することによってプログラムすることができ、前記多数の磁気格納セルの一部の前記少なくとも１つの磁気素子を通じてでなく、隣接するように第１電流を印加し、前記第１電流は磁気場又は追加的なスピントルクを発生させることと、前記少なくとも１つの磁気素子を通じて第２電流を印加するか、或いは電圧を印加することと、を含み、前記第２電流又は電圧と、前記磁気場又は前記追加的なスピントルクは前記少なくとも１つの磁気素子をプログラムするのに十分であり、前記少なくとも１つのメモリ素子は、基準膜と、自由膜と、前記基準膜及び前記自由膜の間に配置された非磁性スペーサー膜と、を含み、前記非磁性スペーサー膜は二元、三元、又は多元合金酸化物を含み、前記二元、三元、又は多元合金酸化物はＲｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈからなるグループから選択された１つ以上の追加元素を有するＭｇＯを含む。

【0034】

本発明の一実施形態によれば、前記第２電流は双極又は単極電流である。

【0035】

本発明の他の実施形態によれば、前記第１電流を印加することは、前記少なくとも１つの磁気素子に隣接する導電配線に交流電流を印加することを含む。

【0036】

本発明のその他の実施形態によれば、前記交流電流は、スピンホール効果、又はラシュバ効果の物理的効果から前記少なくとも１つの磁気素子にスピン電流又はスピントルクを誘起させる。

【0037】

本発明のその他の実施形態によれば、前記交流電流は前記少なくとも１つの磁気素子を通じて流れる前記第１電流をリード（ｌｅａｄ）するか、又はオーバーラップできる。

【発明の効果】

【0038】

一実施形態で、アニーリングの後、ＭｇＯと同一な基本結晶方向（００１）を有する二元合金酸化物（ｂｉｎａｒｙ ａｌｌｏｙ ｏｘｉｄｅ）、三元合金酸化物（ｔｅｒｎａｒｙ ａｌｌｏｙ ｏｘｉｄｅ）、又は他の多元合金酸化物（ｍｕｌｔｉ−ｎａｒｙ ａｌｌｏｙ ｏｘｉｄｅ）は、ＭｇＯのバリアー高さを低くするように提供されるので、増加した厚さでさらに小さい抵抗を有する。例えば、新しい酸化物は酸化物（例えば、ＭｇＯ）に追加的な元素を提供して形成され得る。追加的な元素は上記酸化物の抵抗を減少させる。追加的な元素は例えば、下記の元素の１つ以上を包含することができる：Ｒｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈ。上記新しい酸化物がシード膜、キャッピング膜又はスペーサー膜／バリアー膜として使用されて、磁気メモリ装置のような磁気装置のトンネル磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＴＭＲ）比率（ｒａｔｉｏ）を増加させ、ＲＡを減少させ得る。

【0039】

したがって、ＭｇＯ膜の特性が、添加剤又は追加的な元素の使用を通じて向上され得る。添加剤は例えば、格子定数を合わせるように結晶構造を増やすか、或いは減らすために使用され得る。又は、添加剤は格子不一致によるストレイン（ｓｔｒａｉｎ）の影響を増加させるように使用され得る。

【0040】

新しい酸化物はより狭いバンドギャップ、又は幾つかの例示では導電性を有するので、より低いＲＡ値を提供する。より狭いバンドギャップはトンネリングのための物質の電気抵抗を減少させる。導電性酸化物は例えば、減少された抵抗を有するシード又はキャッピング膜を提供するために使用され得る。そして、導電性はスピン伝達トルクＭＴＪ構造でのバリアー膜で一般的に回避されなければならないが、導電性スペーサー（挿入）膜はスピンバルブ構造で有用に使用され得る。シード膜、キャッピング膜及びバリアー膜／スペーサー膜で減少されたＲＡ値を有する新しい酸化物を利用することによって、メモリ書込み電流と電力は減少され、読出し信号及び速度は増加され、書込み及び読出しエラーの可能性は大きく減少されることができる。

【図面の簡単な説明】

【0041】

【図1】一般的な磁気素子を図示する。

【図2】一実施形態の磁気素子を図示する。

【図3】２つのスイッチング方向で図２に図示された磁気メモリ構造に対して多様な電圧でのスイッチング速度（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｐｅｅｄ）を示したグラフである。

【図4】２つのスイッチング方向で図２に図示された磁気メモリ構造に対して多様な電圧でのスイッチング速度（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｓｐｅｅｄ）を示したグラフである。

【図5】図２に図示された構造で、ＭＴＪメモリビットの数と２つのスイッチング方向（Ｐ→ＡＰ、ＡＰ→Ｐ）に対する書込み電流を示したグラフである。

【図6】ＤＭＴＪ構造の長所と、２つのバリアーの中で１つが本発明概念の原理にしたがって配置されたＤＭＴＪ構造の長所を示したグラフのセットを提供する。

【図7】本発明の概念の原理にしたがう１つ以上の新しい酸化物で形成されたバリアー膜を有するように形成された磁気メモリ素子の概略的な代表図である。

【図8】面内磁化された基準膜、及び垂直磁化された基準膜の両方を有し、面内磁化された自由膜をさらに含み、本発明の概念の原理にしたがう１つ以上の新しい物質で形成されたバリアー膜を含む磁気メモリ素子の概略的な代表図である。

【図9】図８と類似するが、本発明概念の追加的な原理にしたがう１つ以上の新しい酸化物で形成されたキャッピング膜をさらに含む磁気メモリ素子の概略的な代表図である。

【図10】垂直（磁化された）基準膜、及び面内（磁化された）基準膜の両方と、垂直磁化された自由膜を有し、本発明の概念のその他の実施形態に他の１つ以上の新しい酸化物で形成されたバリアー膜をさらに有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。

【図11】垂直（磁化された）基準膜、及び面内（磁化された）基準膜の両方と、垂直に磁化された自由膜を含み、本発明の概念の追加的な原理にしたがう１つ以上の新しい酸化物で形成されたバリアー膜をさらに有するその他の実施形態の磁気メモリ素子の概略的な代表図である。

【図12】本発明概念のその他の原理にしたがう１つ以上の新しい酸化物で形成されたシード膜を有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。

【図13】本発明の概念の追加的な原理にしたがう１つ以上の新しい酸化物で形成されたキャッピング膜を有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。

【図14】本発明の概念のその他の原理にしたがう１つ以上の新しい酸化物の１つ以上に形成されたキャッピング膜及びシード膜を有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。

【図15】実質的に垂直に磁化された自由膜及び基準膜を有し、本発明の概念の原理にしたがう１つ以上の新しい酸化物で形成されたバリアー膜をさらに有する磁気メモリ素子の概略的な代表図である。

【図16】実質的に垂直に磁化された基準膜及び自由膜を有する磁気メモリ素子の概略的な体表図として、本発明の概念の追加的な原理にしたがうキャッピング膜、バリアー膜及び／又はシード膜として１つ以上の新しい酸化物の使用を追加的に図示する。

【図17】本願明細書の幾つかの実施形態による磁気素子を使用した磁気メモリの一実施形態を図示する。

【図18】本願明細書の原理にしたがって形成されたＭＴＪ素子を含む磁気装置の概略的な断面図である。

【図19】上述した本発明の概念の幾つかの実施形態による磁気装置が使用された電子システムの概略的な図面である。

【発明を実施するための形態】

【0042】

例示的な実施形態は磁気メモリのような磁気装置で使用できる磁気素子と、上記磁気素子を使用する装置とに関する。下記の技術は当該技術で熟練された者が作るか、或いは使用するように記述され、特許請求の範囲及びその要件が本願明細書内で提供される。例示的な実施形態に対する多様な変更と一般的な概念と本願明細書で記述された特徴は非常に明確である。例示的な実施形態は主に、特定の実施形態で提供される特定の方法及びシステムの用語内で記述される。しかし、上記方法及びシステムは他の実行内で効率的に動作する。“例示的な実施形態（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）”、“一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）”及び“他の実施形態（ａｎｏｔｈｅｒ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）”のような語句は多数の実施形態のみだけでなく、同一であるか、或いは異なる実施形態として見なされ得る。上記実施形態は特定要素を有するシステム及び／又は装置に関連して記述される。しかし、上記システム及び／又は装置は図示されたことより多いか、或いは少ない要素が包含され得り、上記要素の配列及び形態に対する多様性は発明の範囲から逸脱しないように作られる。例示的な実施形態はまた、特定段階を有する特定の文脈内で記述され得る。しかし、上記方法及びシステムは異なり／又は追加した段階及び例示的な実施形態とは不一致する他の順序の段階を有する他の方法に対して効率的に動作する。それで、本発明は図示された実施形態に限定されることではなく、本願明細書内に記述された原理及び特徴を有し、適用された最も広い範囲に相応しい。

【0043】

例示的な実施形態は、特定要素を有する特定磁気素子及び磁気メモリが記述される。本発明が、本発明に矛盾されない他の要素及び／又は追加要素及び／又は他の特性を有する上記磁気素子及び磁気メモリの使用に適用されることを当該技術で熟練された者は容易に認識する。上記方法及びシステムはまた、スピン伝達現象を理解するように文脈内で記述される。結果的に、当業者は上記方法及びシステムの動作の理論的な説明はスピン伝達の理解を基づいて作られたことを容易に認識する。当業者はまた、上記方法及びシステムが基板との特定の関係を有する構造の文脈内に記述されたことを容易に認識する。しかし、当業者は上記方法及びシステムが他の構造でも適用されることを容易に認識する。追加的に、上記方法及びシステムは合成及び／又は単純な特定膜を有するいずれの層の文脈内で記述される。しかし、当業者は上記膜が他の構造を有することができることを容易に認識する。さらに、上記方法及びシステムは特定膜を有する磁気素子の文脈内で記述される。しかし、当業者は上記方法及びシステムに矛盾しない追加的な／又は異なる膜を有する磁性素子も使用され得ることを容易に認識する。その上に、いずれの要素は磁性、強磁性、及びフェリ磁性であることとして記述される。本願明細書内で使用されたように、上記磁性という用語は強磁性、フェリ磁性、又はそれと類似な構造を包含することができる。したがって、本願明細書内で使用されたように、“磁性（ｍａｇｎｅｔｉｃ）”又は“強磁性（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）”は強磁性体（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｓ）及びフェリ磁性体（ｆｅｒｒｉｍａｇｎｅｔｓ）を含み、これに限定されない。上記方法及びシステムはまた、単一要素の文脈内で記述される。しかし、当業者は上記方法及びシステムが多数の要素を有する磁気メモリの使用に適用されることを容易に認識する。その上に、本願明細書内で使用されたように、“面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）”は磁気素子の１つ以上の膜の実質的に面内に又は面に対して平行である。反対に、“垂直（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ）”は磁気素子の１つ以上の膜に対して実質的に垂直である方向に対応される。

【0044】

上記議論されたように、図１のＭＴＪ１０のようなＭＴＪ素子はＭｇＯトンネリングバリアー膜を包含することができる。一般的にＭｇＯはアニーリングの後、ｂｃｃ（００１）ＣｏＦｅ、又はＣｏＦｅＢとの優れた結晶構造整合性（ｍａｔｃｈ）を提供する（００１）（“岩塩”）結晶構造を有する。このような優れた結晶構造整合性（ｍａｔｃｈ）は、例えばメモリ素子への応用に適合するより高いトンネリング磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＴＭＲ）比率を提供する。他のもの中で、高いＴＭＲ比率（例えば、１００％以上）はさらに速い読出し動作を実施するようにする。そして、対称フィルタリング強化スピン分極（ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）は、スピン伝達トルク（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ、ＳＴＴ）臨界スイッチング電流密度の減少を誘起させる。

【0045】

しかし、さらに小さい素子への適用は、ＭＴＪのＲＡを減少させるのが望ましい。このようにするために、１つのアプローチはＭｇＯバリアー膜の厚さを減少させることである。しかし、残念ながら、上記ＭｇＯ膜があまりにも薄い場合、このような効果を失うことがあり得る。特に、約５−１０Ωμｍ^２ＲＡ値以下で、上記バリアーの質（ｑｕａｌｉｔｉｔｙ）は急速に低下し、ＴＭＲ比率が減少する。ＭＴＪセルの直径が２０ｎｍである時、１０Ωμｍ^２のＲＡ値はＭＴＪビットが約３２ｋΩ抵抗を有するようにする。高いＭＲＪビット抵抗は書込み電圧Ｖｗ及び書込みエネルギーＥｗが非常に高くなるようにする。

【0046】

したがって、ＭｇＯと同一であるか、或いは類似な効果を有するが、薄膜品質が低下される程度のあまりにも薄いバリアー膜の形成無しで低いＲＡを提供するように、より低いバリアー高さを有し、改善されたトンネリングバリアー膜を有することが望ましい。例えば、ＰＭＴＪ（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ＭＴＪ）に基づいた２０ｎｍノード以下のＳＴＴ−ＲＡＭの大きさを調整するように、より低いＲＡが望ましい。

【0047】

追加的に、最も高いＴＭＲ比率と最も低いスピン伝達トルクのスイッチング電流密度を獲得するのに望ましい、最上の結晶構造整合性（ｍａｔｃｈｉｎｇ）のために、薄いＭｇＯ膜はシード膜、キャッピング膜、又はスペーサー（挿入）膜として使用され得る。このような膜は多様な望ましい機能を有する。例えば、このような膜はスイッチングの間にＭＴＪで電圧降下を減少させるのに役に立つことができる。例えば、一般的なキャッピング膜は、反応して磁性を失った膜（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｅａｄ ｌａｙｅｒ）を形成できる磁性物質（例えば、Ｔａ）の酸化を防止することができる。ＭｇＯキャッピング膜を有し、磁性を失った膜の形成は防止され、強い垂直界面異方性（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）が達成されることができる。しかし、残念ながら、追加的なＭｇＯ膜の提供は、あまりにも大きい抵抗を提供することによって、ＴＭＲ比率を究極的により低くすることができる直列抵抗を追加することができる。

【0048】

したがって、より多く低いＲＡ値を有する優れた結晶構造整合性を有するシード膜、キャッピング膜及び／又はスペーサー（挿入）膜を有することがまた望ましい。したがって、そうではなければ、発生されることができる性能低下を減少させ得る。

【0049】

さらに、例えば、図２に図示された幾つかのメモリ構造で、ＭｇＯがトンネリングバリアー膜、複数のシード膜、及び複数のキャッピング膜のみに使用される時、上記最終メモリ１００は下で記述される幾つかの書込み及び読出し実施問題に当てられることができる。

【0050】

図２で、メモリ１００は垂直異方性キャッピング膜１４０、変化可能である磁化１３１を有する自由膜１３０、スペーサー膜１２０（例えば、トンネリングバリアー）、及び被固定膜（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）１１０を含む。磁気素子１００は磁気メモリのような磁気装置に使用され、電流は磁気素子１００を通じて印加され得る。結局、このような装置はコンタクト（図２に図示せず）を含み、コンタクトを通じて電流が磁気素子１００へ提供され、磁気素子１００から出力され得る。また、このようなコンタクトは例えば、図７乃至図１６に関連され、図示されなくても下で議論される装置の幾つか又は全体で包含され得る。本願明細書の磁気素子はまた図２で図示されなかった他の要素を包含することができる。例えば、複数のシード膜に追加して、磁気素子は、被固定膜１１０に隣接し、被固定膜１１０の磁化１１１を固定するためのＡＦＭ膜（図示せず）を包含することができる。

【0051】

図２に図示された実施形態で、スピン伝達トルクは、被固定膜１１０の磁化１１１に対して平行Ｐに又は非平行ＡＰに自由膜１３０の磁化１３１をスイッチするのに使用され得る。要求された中間スイッチング電流値は、方向をスイッチしにくい場合（例えば、Ａ→ＡＰ）で、方向をスイッチしやすい場合（例えば、ＡＰ→Ａ）の約２倍である。その上に、同一の技術ノードでセルサイズがＤＲＡＭセルサイズに相当する時、セルトランジスター（例えば、図１７の４１４）から供給される電流が制限されるため、すべてのＭＴＪビットがスイッチングされるスイッチング時間の桁が増加されるので、遅い書込み動作をもたらし、それでは他のメモリ技術と競争できない。方向をスイッチするのに容易である場合でも、メモリ１００は数千乃至数万回の書込みを行う時、ＭＴＪビットはさらに悪くなって、幾つかの書込みサイクルの間にスイッチされなく、その後に再び良くなる。これは、スピントルクによって、スイッチされる時、ＭＴＪビットが時間にしたがって変化される潜伏期を有するからである。ＭＴＪビットはスピントルクが適用される時、それの正確な磁化方向に依存する。ＭｇＯがシード膜及びキャッピング膜として使用される時、上記ＭｇＯは直列抵抗を追加し、読出し信号を低く、したがって、メモリ読出し速度を減少させる。これに対することは以下でさらに説明する。

【0052】

図３乃至図５は図２に図示された装置構造でのように、ＭＴＪ１００がメモリセル構造で単一トンネリングバリアー膜、及び１つ以上のシード膜及びキャッピング膜としてＭｇＯを形成する時に、メモリ１００からの書込み動作実施データを提供する。

【0053】

図３乃至図５を参照すれば、単なるＭｇＯのみで形成されたシード膜、キャッピング膜、及びバリアー膜を有するメモリ構造で書込み動作での問題点が議論される。図３はセルトランジスターへ印加された多様なゲート電圧Ｖｐｐで、単一の書込み動作を通過したＭＴＪセル数と、書込みパルス幅を図示する。図３に示したように、方向のスイッチングが容易である時（例えば、ＡＰ→Ａ）、上記書込み速度（すべての優れたＭＴＪセル、又はメモリアレイでスイッチングされるビットに対する）は２０ｎｓより速い。しかし、図４で示したように、方向のスイッチングが難しい場合（例えば、Ａ→ＡＰ）、単一書込み動作速度はすべてのＭＴＪセル又はスイッチングするビットに対して５００ｎｓより遅い。したがって、全体的な書込み速度は相当に減少される。

【0054】

図５は、書込みパルスが５ｎｓに固定される時、方向のスイッチングが容易である場合及びスイッチングが難しい場合の両方において、書込み動作のための書込み電流分布を図示する。図５に示したように、方向のスイッチングが難い場合のセルをプログラムするのに要求される書込み電流はまた方向のスイッチングが容易である場合のセルをプログラムするのに要求される書込み電流より著しく高いことがあり得る。示したように、方向のスイッチングが難い場合の平均書込み電流は、標準偏差約４７μＡで、約１１３μＡである。しかし、方向のスイッチングが容易である場合の平均書込み電流は、標準偏差９μＡで、約８６μＡにしかならない。方向のスイッチングが難い場合の書込み電流の広い分布のため、このような方式に形成された装置は効率的に機能するのが難しい。

【0055】

図６は単一バリアー膜ＭＴＪ構造（ＭＴＪ構造内で自由膜が下に配置される構造のような）、及び議論された問題点を克服する本発明の概念の幾つかの原理にしたがって形成されたＤＭＴＪ（Ｄｕａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｊｕｎｃｔｉｏｎ：二重磁気トンネル接合）構造（例えば、図７に示したように）でスイッチング電流を比較するグラフ図である。

【0056】

図６を参照すれば、単一トンネリングバリアー膜は方向のスイッチングが容易である場合、集中されたスイッチング電流分布を有するが、方向のスイッチングが難い場合、広い分布を有する。本発明の概念の幾つかの原理にしたがって形成されたＤＭＴＪ構造を使用することによって、方向のスイッチングが難い場合でスイッチング電流の分布を相当に減らし得る。

【0057】

追加的に、多重ＭｇＯバリアー膜を使用したＤＭＴＪ構造は２つの方向全てで速いスイッチング速度（例えば、５０ｎｓ以下）を獲得することができるにも関わらず、ＭｇＯバリアーの全ての磁化状態の統合（ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｂｏｔｈ ＭｇＯ ｂａｒｒｉｅｒｓ）によって、低いＴＭＲ比率が可能することができる。これは５０％乃至８０％のＴＭＲ比率と２０Ωμｍ^２より大きいＲＡをもたらし、２０ｎｍノードより小さい応用製品に不適合である。

【0058】

したがって、２つのＭｇＯバリアーを提供することの代わりに、本発明概念の原理にしたがってバリアーの１つ（又は２つ）を本願明細書に開示された１つ以上の新しい酸化物で形成されたものに代替すれば、さらに低いＲＡの新しい酸化物バリアーはさらに改善されたＴＭＲ比率を提供することによって、このような問題を解消する。

【0059】

特に図７を参照すれば、本発明概念の一実施形態によるＤＭＴＪ構造が開示される。本実施形態のＤＭＴＪ構造で、２つのバリアーの中で１つはＭｇＯよりは新しい１つ以上の酸化物で形成され得る。

【0060】

特に、図７で、磁気メモリのような磁気装置で使用される磁気素子７０は被固定膜（又は下部基準膜）７２、ＭｇＯスペーサー膜７４、自由膜７６、新しい酸化物で形成された非磁性スペーサー膜７８、及びその他の被固定膜（又は上部基準膜）７９を含む。新しい酸化物は例えば、アニーリングの後のＭｇＯのような基本結晶方向（００１）を有し、その抵抗を減少させるために提供される追加した元素を有する二元、三元、又は多元合金酸化物であり得る。多様な磁性膜の磁化方向は面内又は垂直であり得る。幾つかの実施形態で、多様な磁性膜の磁化方向は面内及び垂直磁化方向の組み合わせであり得る。

【0061】

さらに特に、二元合金酸化物は例えば、化学式Ｍｇ_ｘＡ_ｙＯ_ｚで表現され、例えば、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ及び０＜ｘ、又はｙ、又はｚ＜１である。“Ａ”はＭｇＯに添加された追加元素を表現する。このような元素は例えば、下記の元素の中の１つであり得る：Ｒｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｔｂ、Ｃｕ、Ｖ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｗ、Ａｇ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＲｈ。ＭｇＯの一般的なバリアー高さは約２〜３ｅＶであるが、追加原子Ａを有するバリアー高さは２ｅＶより下に低くなり、より低いＲＡ値を提供する。二元合金酸化物ＭｇｘＡｙＯｚは相変わらず、ＭｇＯの（００１）結晶構造を有することができる。

【0062】

同様に、三元合金酸化物は例えば、化学式Ｍｇ_ｘＡ^１_ｙ１Ａ^２_ｙ２Ｏ_ｚで表現でき、例えば、ｘ＋ｙ１＋ｙ２＋ｚ＝１、ｘ＞ｙ１＋ｙ２、及び０＜ｘ、ｙ１、ｙ２、又はｚ＜１である。Ａ^１及びＡ^２はＭｇＯに追加された元素として、バリアー高さを約２ｅＶ以下に低くし、これによって、より低いＲＡ値を提供する。

【0063】

多元合金酸化物は例えば、化学式Ｍｇ_ｘＡ^１_ｙ１Ａ^２_ｙ２…Ａ^ｎ_ｙｎＯ_ｚで表現され、例えば、ｘ＋ｙ１＋ｙ２＋…＋ｙｎ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ、ｙ１、ｙ２、…、ｙｎ、又はｚ＜１である。Ａ^１、Ａ^２、…、Ａ^ｎはＭｇＯに追加された元素としてバリアー高さを約２ｅＶ以下に低くし、より低いＲＡ値を提供する。

【0064】

しかし、幾つかの実施形態で、ｘ＋ｙ又はｘ＋ｙ１＋…＋ｙｎ＞１であり、ｚ＞１であり得る点を確認する。例えば、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）ＳｎＯ_３、Ｍｇ_２ＳｎＯ_４、又はＮｉＭｎ_２Ｏ_４物質の中で１つ以上は新しい酸化物として使用され得る。

【0065】

新しい酸化物は例えば、目的とする複数の追加原子を有するマグネシウムターゲットをスパッタリングして形成され、スパッタされたフィルムを酸素に露出させることによって、形成され得る。選択的に２つ、３つ又はそれ以上のターゲットが二元、三元、又は多元合金酸化物のために共にスパッタされることができる。予め混合されたターゲットもまた提供され得り、この場合、目的とする金属がスパッタリングされる前に、予め混合され、酸素に露出される。或いは、メモリ装置でパーティクル数があまりにも多いに関わらず、上記金属及び酸素はスパッタリングする前に、１つの単一ターゲットに予め混合され得る。新しい酸化物がバリアー膜として使用される時、導電性がないとしても、シード膜又はキャッピング膜として使用される時やスピンバルブ構造でスペーサー膜として使用される時、上記新しい酸化物は導電性であり得る。

【0066】

１つ以上のＭｇＯバリアー膜に新しい酸化物を使用しなければ、ＴＭＲ比率はＭｇＯ膜の直列抵抗のためにより低いことがあり得る。新しい酸化物の中での１つの使用で、より高いＴＭＲ比率と向上されたスピン分極が獲得され得る。

【0067】

図８乃至図１６は本発明概念の原理にしたがって形成されたメモリ素子のための磁気スタック構造におけるその他の実施形態を図示する。このような実施形態の各々で、基準膜は例えば、自由膜に対するバイアス磁気場効果を減少させるか、或いは無くすＳＡＦ構造であり得る。また、上記自由膜はＳＡＦ構造であり得る。

【0068】

図８によれば、磁気素子又は磁気スタック構造８０は、面内磁化方向（面内磁化）を有する自由膜８６上に配列された垂直磁化方向（垂直磁化）を有する被固定膜（又は上部基準膜）８９を含み、自由膜８６及び上部基準膜８９の間に１つ以上の新しい酸化物で形成された非磁性スペーサー膜（又はトンネリングバリアー膜）８８を有する。その他の被固定膜（又は下部基準膜）８２が、面内磁化方向を有するように、提供され得る。下部基準膜８２及び自由膜８６の間にＭｇＯトンネリングバリアー膜８４が形成される。本実施形態は下部の面内（磁化の）基準膜及び上部の垂直（磁化の）基準膜からの２つのスピントルクの組み合わせで非常に速いスイッチングを提供することができる。ＭｇＯはより高いＲＡ値を提供するようにメイントンネリングバリアー膜として本実施形態で使用され得る。したがって、読出し信号は、さらに大きい読出し信号及びさらに速い読出し動作のためのより高いＴＭＲ比率を有するメインＭｇＯバリアーによって改善され得る。書込み電流が図８に図示されたＭＴＪ構造を通過する時、上部垂直（磁化の）基準膜は、自由膜８６に対して大きい垂直スピントルクを提供し、自由膜磁化を面に対して直ちに傾かないようにする。また、下部基準膜８２からのスピントルクは自由膜磁化に影響を与えて、自由膜８６磁化が下部基準膜８２に対して平行であるか、或いは非平行であるようにする。また、自由膜がフィルム面に対して傾けられる時、自由膜磁化の歳差回転効果（ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎａｌ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｅｆｆｅｃｔ）がある。それで、自由膜磁化のスイッチングが非常に速くになる（例えば、数十乃至数百ピコ秒）。

【0069】

図９に図示された実施形態は被固定膜（又は上部基準膜）９８上に整列された１つ以上の新しい酸化物で形成されたキャッピング膜９９を除外すれば、図８に図示されたものと類似である。新しい酸化物キャッピング膜９９は、上部基準膜９８で追加的な界面垂直異方性をもたらすようにする。前述した実施形態と後述される実施形態の各々で、上記構造は本願明細書で記述された発明原理から逸脱しなければ、その順序は変わることができることを確認する。磁気素子９０はまた、面内の自由膜９６、下部基準膜９２、及びそれらの間のＭｇＯ膜９４を包含することができる。非磁性スペーサー膜（又はトンネリングバリアー膜）９７は自由膜９６及び上部基準膜９８の間に配置され、１つ以上の新しい酸化物で形成される。

【0070】

図１０は磁気素子（又は磁気スタック構造又はＭＴＪ）１００を図示する。上記磁気素子内の上部基準膜１０９は面内磁化方向を有する反面、自由膜１０６及び下部基準膜１０２は垂直磁化方向を有する。１つ以上の新しい酸化物で形成された非磁性スペーサー膜又はトンネリングバリアー膜１０８は上部基準膜１０９及び自由膜１０６の間に配置でき、ＭｇＯトンネリングバリアー膜１０４は自由膜１０６及び下部基準膜１０２の間に配置され得る。垂直磁化物質は面内磁化物質より大きい磁気異方性を有するので、垂直磁化方向は上記磁気装置の大きさを２０ｎｍに減少するようにする。書込み電流が図１０に図示されたＭＴＪを通じて印加される時、面内磁化された上部基準膜１０９は上記自由膜に最大スピントルクを提供して、上記自由膜が面内方向に磁化されるようにする。そして、下部垂直磁化された基準膜１０２からのスピントルクによって、上記自由膜は短い期間に下部基準膜１０２と平行又は非平行になるようにスイッチされる。しかし、面内磁化された上部基準膜１０９がなければ、初期スピントルクは０であるか、或いは０に近く、スイッチングされるのに望ましくないように長い時間が掛かる。

【0071】

図１１は磁気素子（又は磁気スタック構造又はＭＴＪ）１１０を図示する。上部基準膜１１９及び自由膜１１６は垂直磁化方向を有し、下部基準膜１１２は面内磁化方向を有する。ＭｇＯトンネリングバリアー膜１１８は上部基準膜１１９及び自由膜１１６の間に配置され、１つ以上の新しい酸化物で形成された非磁性スペーサー膜（又はトンネリングバリアー膜）１１４は自由膜１１６及び下部基準膜１１２の間に配置され得る。図１０に図示された実施形態の面内磁化された上部基準膜１０９のように、本実施形態の面内磁化された下部基準膜１１２はスイッチング動作を初期化するようにして、さらに速いスイッチング速度を提供するようにすることができる。

【0072】

図７乃至図１１の各々は本発明の概念の原理にしたがって形成されたＤＭＴＪ構造を図示する。多様な単一バリアー膜ＭＴＪ構造はまた、本発明の原理の範囲内で考慮され、幾つかの実施形態は図１２乃至図１４を参照して記述される。

【0073】

図１２は磁気素子（又は磁気スタック構造）１２０を図示する。１つ以上の新しい酸化物がシード膜１２２として使用され、自由膜１２４がシード膜上に形成される。ＭｇＯトンネリングバリアー膜１２６は被固定膜（又は上部基準膜）１２８から自由膜１２４を分離させる。このような特定の実施形態で、自由膜１２４及び上部基準膜１２８の両方は垂直磁化方向を有する。前述したように、垂直磁化方向はより小さい装置構造を可能にできる。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．９９、０４２５０１（２００１）、及びＩＥＥＥ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２、３０００２０４（２０１１）で詳細に議論されたように、自由膜の活性体積（ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ）が全体体積より小さい場合、垂直単一トンネリングバリアー膜構造で、スイッチングはドメインの速い核生成（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）を通じて達成され得る。

【0074】

図１３は磁気素子（又は磁気スタック構造又はＭＴＪ）１３０を図示する。１つ以上の新しい酸化物で形成されたキャッピング膜１３８が提供され得る。キャッピング膜１３８は自由膜１３６上に配置でき、自由膜１３６はＭｇＯトンネリングバリアー膜１３４によって被固定膜（又は下部基準膜）１３２と分離され得る。本実施形態で、自由膜１３６及び下部基準膜１３２の両方は垂直磁化方向を有することができる。

【0075】

図１４は本発明の概念の原理にしたがって形成されたその他の磁気素子（又は磁気スタック構造）１４０を図示する。図１４に示したように、シード膜１４２は本願明細書で開示された１つ以上の新しい酸化物で形成され得る。被固定膜（又は下部基準膜）１４４はシード膜１４２上に形成され得る。自由膜１４８はＭｇＯトンネリングバリアー膜１４６によって、下部基準膜１４４から分離されて提供され得る。最後に、キャッピング膜１４９は１つの新しい酸化物で形成でき、自由膜１４８上に配置され得る。本実施形態で、自由膜１４８及び下部基準膜１４４の両方は垂直磁化方向を有することができる。

【0076】

図１５は、磁性膜の各々が垂直磁化方向を有することを除外すれば、図８に図示されたことと類似な磁気素子又はＤＭＴＪ磁気スタック構造１５０を図示する。さらに詳細には、図１５に示したように、被固定膜（又は上部基準膜）１５９は自由膜１５６上に配置され得る。非磁性スペーサー膜又はトンネリングバリアー膜１５８が被固定膜及び自由膜の間に配置される。スペーサー膜１５８は本願明細書に開示された１つ以上の新しい酸化物で形成され得る。他の被固定膜（又は下部基準膜）１５２は自由膜１５６下に配置され得る。ＭｇＯトンネリングバリアー膜１５４が自由膜１５６及び下部基準膜１５２の間に配置される。図面符号１５２、１５９の各々と自由膜１５６は垂直磁化方向を有し得り、上部基準膜１５９の磁化方向は下部基準膜１５２の磁化方向と反対に配列される。前述したように、垂直磁化方向はより小さい装置構造を製造することができ、活性体積が自由膜の全体体積より小さい場合、速いスイッチングを達成することができる。

【0077】

図１６を参照すれば、その他の実施形態による磁気素子（又は磁気スタック構造又はＭＴＪ）１６０は１つ以上の新しい酸化物で形成されたシード膜１６１、シード膜１６１上に形成された被固定膜（又は下部基準膜）１６３、下部基準膜１６３及び自由膜１６５の間に配置されたＭｇＯトンネリングバリアー膜１６４、１つ以上の新しい酸化物で形成され、自由膜１６５及び他の被固定膜（又は上部基準膜）１６８の間に配置された非磁性スペーサー膜又はトンネリングバリアー膜１６７、及び１つ以上の酸化物で形成され、上部基準膜の上に配置されるキャッピング膜１６９を包含することができる。自由膜及び基準膜の各々は垂直磁化方向を有し、上部及び下部基準膜１６３、１６８は互いに反対方向の磁化方向を有する。

【0078】

図１７は前述した磁気素子を利用する磁気メモリ４００の一部の実施形態を図示する。本実施形態で、磁気メモリはＳＴＴ−ＲＡＭ４００であり得る。ＳＴＴ−ＲＡＭ４００は、ワードラインセレクター／ドライバー（ｗｏｒｄ ｌｉｎｅ ｓｅｌｅｃｔｏｒ／ｄｒｉｖｅｒ）４０４のみならず、読出し／書込みカラムセレクター／ドライバー（ｒｅａｄｉｎｇ／ｗｒｉｔｉｎｇ ｃｏｌｕｍｎ ｓｅｌｅｃｔｏｒ／ｄｒｉｖｅｒｓ）４０２、４０６を含む。ＳＳＴ−ＲＡＭ４００はまた、磁気素子４１２及び選択／分離素子４１４を含むメモリセル４１０を含む。磁気素子４１２は図７乃至図１６に図示されたいずれの磁気素子であり得る。読出し／書込みカラムセレクター／ドライバー４０２、４０６はビットライン４０３及びセル４１０へ選択的に電流を印加するのに使用され得る。ワードラインセレクター／ドライバー４０４は、選択されたワードライン４０５に結合された選択／分離素子（ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ／ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）４１４をイネーブルすることによって、ＳＴＴ−ＲＡＭ４００の複数の列を選択することができる。図示された実施形態で、書込みに使用された追加的な磁気場はビットライン４０３によって提供され得る。

【0079】

図１７を参照すれば、本発明の概念の他の原理にしたがって、図１７に図示されたような回路構造は、シード膜、キャッピング膜、又はバリアー膜として二元、三元、又は多元合金酸化物を含む磁気メモリ素子を利用して形成されることができるので、小さくなったメモリセル大きさでの実行特性、さらに速い書込み及び読出し速度、及び減少された読出し／書込み無作為エラーを改善させ得る。

【0080】

図１８を参照すれば、アクセス装置は基板１０の指定された領域内に配置される。

【0081】

基板１０はシリコン基板、ガリウム砒素基板、シリコンゲルマニウム基板、セラミック基板、石英基板、又はディスプレー用ガラス基板であり、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）であり得る。この場合、アクセス装置はＭＯＳトランジスターであり得る。この場合、アクセストランジスターは、基板１０の指定された領域内に形成された素子分離膜１１によって、限定されたアクティブ領域内に配置される。特に、アクセストランジスターはアクティブ領域内に配置され、互いに離隔されたソース領域１３及びドレーン領域１２と、ソース領域１３及びドレーン領域１２の間のチャンネル領域上部領域上に形成されたゲート電極２２を包含することができる。ゲート電極２２はワードラインとして機能するようにアクティブ領域の上部を横切って延長できる。ゲート電極２２はゲート絶縁膜２１によって、アクティブ領域から絶縁される。

【0082】

第１層間絶縁膜２０はアクセストランジスターを有する基板１０の上部上に形成され、ソースライン３２はソース領域１３に対応される第１層間絶縁膜２０の指定された領域上に配置され得る。ソースライン３２はゲート電極２２と同一な方向に延長するように形成され得る。ソースラインコンタクト２４及びランディングコンタクト（ｌａｎｄｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ）２３は第１層間絶縁膜２０内に形成される。ソースラインコンタクト２４はソースライン３２とソース領域１３を電気的に連結し、ランディングコンタクト２３はドレーン領域１２上に形成されてＭＴＪ素子をアクセストランジスターのドレーン領域１２に電気的に連結させることができる。

【0083】

第２層間絶縁膜３０は第１層間絶縁膜２０上に形成され得る。ソースライン３２は第１層間絶縁膜２０上に配置される。第２層間絶縁膜３０内に、ランディングコンタクト２３と電気的に連結される下部電極コンタクト３１が形成され得る。

【0084】

例えば、図７乃至図１６に関連して前述した本願明細書の幾つかの実施形態によるＭＴＪ素子１０は電極コンタクト３１及び／又は第２層間絶縁膜３０上に配置され得る。磁気トンネル接合素子（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）１０は上述されたので、これに対する詳細な説明は省略する。

【0085】

磁気トンネル接合素子１０及びドレーン領域１２はランディングコンタクト２３及び下部電極コンタクト３１を通じて電気的に連結される。

【0086】

第３層間絶縁膜４０はＭＴＪ素子１０上に形成され得る。第３層間絶縁膜４０上に、ビットライン５０がゲート電極２２を横切りながら、配列され得る。ビットライン５０及び磁気トンネル接合素子１０は上部電極コンタクト４１によって電気的に連結される。選択的な工程で、上部電極コンタクト４１は省略され得る。

【0087】

第１、第２及び第３層間絶縁膜２０、３０、４０は例えば、シリコン酸化膜又はシリコン硝酸窒酸化膜で形成され得る。ランディングコンタクト２３、ソースラインコンタクト２４、ソースライン３２、下部電極コンタクト３１、上部電極コンタクト４１、及びビットライン５０は例えば、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｌ、又は不純物がドーピングされたポリシリコンを使用して形成され得る。

【0088】

ビットライン５０上に、回路回路領域（図示せず）の回路と電気的な接触のための導電配線がさらに形成され得る。

【0089】

図１９は前述した本発明の概念の幾つかの実施形態による磁気素子が使用された電子システム９００の概略的な図面である。電子システム９００はコンピューター、ノートブック型コンピューター、ウルトラモバイルＰＣ（ＵＭＰＣ）、タブレットＰＣ、サーバー、ワークステーション、モバイルテレコミュニケーション装置、衛星、セットトップボックス、ＴＶ等のような多様な電子装置に使用され得るが、上述したものに限定されない。例えば、電子システム９００はメモリシステム９１２、プロセッサー９１４、ＲＡＭ９１６、及びユーザーインターフェイス９１８を包含でき、バス９２０を使用して情報交換を実行することができる。メモリシステム９１２は前述した本願明細書の幾つかの実施形態による磁気素子を包含することができる。プロセッサー９１４はマイクロプロセッサー又はモバイルプロセスＡＰであり得る。プロセッサー９１４は、フローティングポイントユニット（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｕｎｉｔ、ＦＰＵ）、算術論理ユニット（ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ、ＡＬＵ）、グラフィックプロセシングユニット（ｇｒａｐｈｉｃｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ、ＧＰＵ）、及びデジタル信号プロセシングコア（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃｏｒｅ、ＤＳＰ Ｃｏｒｅ）又はこれらの組み合わせを包含することができるプロセッサーコア（図示せず）を有することができる。プロセッサー９１４は電子システム９００をプログラム及び制御を実行することができる。ＲＡＭ９１６はプロセッサー９１４の動作メモリとして使用され得る。例えば、プロセッサー９１４又はＲＡＭ９１６は前述した実施形態による磁気メモリを包含することができる。選択的に、プロセッサー９１４及びＲＡＭ９１６は電子システムに／からの、入力する／出力するデータとして使用され得る。メモリシステム９１２はプロセッサー９１４の動作のためのコード、プロセッサー９１４によって、進行されたデータ、又は外部入力データを格納できる。メモリシステム９１２はコントローラ及びメモリを包含することができる。

【0090】

電子システム９００は多様な電子装置のための電子的コントローラとして使用され得る。

【0091】

シード膜、キャッピング膜、及び／又はバリアー又はスペーサー膜として１つ以上の新しい酸化物を有する磁気スタック構造を形成することによって、より低いＲＡ値及びより低いＳＴＴ書込み電流密度と電圧と共により高いＴＭＲ比率が提供され得る。追加的に、より高い界面垂直異方性はこのような改善されたシード膜、キャッピング膜及び挿入物質の使用することによって達成されることができる。改善された物質はまた、スイッチングのための設定された方向と優れた選択特徴と共に読出し及び書込みエラーの非常に減少された可能性を提供する。

【0092】

例えば、新しいＭｇ_ｘＡ_ｙＯ_ｚ二元酸化物としてＭｇＴｂ_ｙＯを使用したバリアー膜の中で１つを形成することによって、高いコヒーレントトンネリング（ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）が達成されることができ、ＴＭＲ比率が高くなることができる。追加的に、バリアー膜及び磁性被固定膜又は自由膜の間での優れた結晶整合性が獲得され得る。同様に、ＭｇＴｂ_ｙＯ（又は新しい酸化物の中で１つ）はシード又はキャッピング膜を形成するために使用され、結晶構造の間での優れた格子整合性が獲得され、より低いＲＡ値が達成されることができる。即ち、望ましくＴｂがＯと結合するので、より少ない酸素原子がＭｇと反応して結果的により低いバリアー高さ及びより低いＲＡ値が誘起される。

【0093】

図示された幾つかの実施形態で、ＭｇＯは一般的にバリアー膜の中で１つとして使用され、新しい酸化物が第２バリアー膜、キャッピング膜、又はシード膜として使用される。しかし、本願明細書の原理は、ＭｇＯと異なるバリアー物質が使用される時もまた適用され得る。新しい酸化物が２つ以上のバリアー膜を提供するために使用されれば、新しい酸化物膜の中で１つは望ましく、他の新しい酸化物バリアー膜より少なくとも１桁高いＲＡ値を有することができる。磁化状態の統合はＲＡ値に依存するので、ＲＡ値があまりにも小さければ、装置の効率的な読出しが難しいことがある。したがって、他の実施形態で、メイントンネリングバリアーは１つ以上の新しい酸化物系から形成され得る。

【0094】

幾つかの実施形態で、上記装置での書込み方法は、スイッチングを誘起するようにＭＴＪ装置を通じて流れる双極（ｂｉｐｏｌａｒ）又は単極（ｕｎｉｐｏｌａｒ）電流（又は電圧）を使用することを包含することができる。選択的に、書込み方法はＭＴＪ装置に隣接して補助的なパルス電流と共にＭＴＪ装置を通じて流れる双極又は単極電流（又は電圧）を使用することを包含することができる。一実施形態で、補助的なパルス電流は磁気場を通じてＭＴＪと結合させることができる。他の実施形態で、補助的なパルス電流はスピンホール効果（Ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ Ｅｆｆｅｃｔ）又はラシュバ効果（Ｒａｓｈｂａ ｅｆｆｅｃｔ）のような物理的効果からＭＴＪでスピン電流又はスピントルクを誘起させることができる。補助的なパルス電流はＭＴＪを通じて流れる電流（又は電圧）をリードするか、又は重畳することができる。上記方法はより低い書込みエラー率と共にさらに速いスイッチングするようにすることができる。

【0095】

特に、一実施形態によれば、図１７に示したように多数の磁気格納セル（各々は前述した少なくとも１つの磁気素子を包含）を含む磁気メモリは少なくとも１つの磁気素子を通じて双極又は単極電流を印加するか、或いは少なくとも１つの磁気素子に電圧を印加することによって、プログラムされ得る。双極又は単極の電流又は電圧は少なくとも１つの磁気素子をプログラムするのに十分であり得る。また多数の磁気格納セルの各々は少なくとも１つの選択素子を包含することができる。それで、少なくとも１つの磁気素子は少なくとも１つの磁気素子を通じて書込み電流を流すか、或いは少なくとも１つの磁気素子に電圧を印加することによって、プログラムすることができる。

【0096】

他の実施形態で、図１７に示したように、多数の磁気格納セル（前述した少なくとも１つの磁気素子を包含）を含む磁気メモリは、多数の磁気格納セルの一部の少なくとも１つの磁気素子を通じてではなく、磁気素子に隣接するように第１電流を印加し（例えば、少なくとも１つの磁気素子に隣接する導電配線に交流電流を印加し）、そして少なくとも１つの磁気素子を通じて第２電流を印加するか、或いは電圧を印加することによって、プログラムされることができる。第１電流は磁気場又は追加的なスピントルクを形成することができる。第２電流又は電圧、及び磁気場又は追加的なスピントルクは少なくとも１つの磁気素子をプログラムするのに十分であり得る。本発明の概念の前述した実施形態にしたがえれば、磁気メモリの動作でより低いエラー率を有し、さらに速いスイッチングが実現されることができる。即ち、本発明概念の新しい酸化物で、前述した補助書込みを加えて、最も小さいメモリセルサイズ、例えば、２０ｎｍノード以下で最も速いスイッチングが実現されることができる。

【0097】

一般的に本願明細書に使用された用語と特に添付された請求項（例えば、添付された請求項の本文）は“開放（ｏｐｅｎ）”用語（例えば、用語“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ、含む”は“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ、包含するが、これに限定されない”と解釈されなければならなく、用語“ｈａｖｉｎｇ、有する”は“ｈａｖｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ、少なくとも有する”と解釈されなければならなく、用語“ｉｎｃｌｕｄｅｓ、含む”は”ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｕｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ包含するが、これに限定されない”と解釈されなければならない等）として使用されるように意図されたことは当業者に理解できる。仮に開示された請求項の上述の特定な数字が意図されたことであれば、そのような意図は請求項に定まれることで、そのような上述が存在しなければ、そのような意図は存在しないことは当業者に理解できる。例えば、理解を助ける意図に、次の添付された請求項は導入句“ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ、少なくとも１つ”と“ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ、１つ以上”を請求項に上述されたことを含む。しかし、同一な請求項が導入句節“１つ以上”又は“少なくとも１つ”そして、“ａ”、“ａｎ”ような不明確な句節を包含する時、そのような句節の使用は不明確な句節“ａ”又は“ａｎ”による請求項の上述の導入が、単なる１つのそのような上述したこと含むそのような発明に導入された請求項上述したこと含む、いずれの特定請求項を限定することを内包すること排除しない（例えば、“１つの”及び／又は“１”は通常“少なくとも１つ”又は“１つ以上”を意味することと解釈される）、同一なことは請求項を上述を導入するために使用された不明確な句節の使用のために有効である。さらに、“Ａ、Ｂ、及びＣの中での少なくとも１つ”と類似な規則が使用された場合には、一般的にそのような解釈は当業者がその規則を理解することを前提して意図される（例えば、“Ａ、Ｂ、及びＣの中での少なくとも１つを有するシステム”は、Ａのみを有するか、Ｂのみを有するか、Ｃのみを有するか、Ａ及びＢを共に有するか、Ａ及びＣを共に有するか、Ｂ及びＣを共に有するか、或いはＡ、Ｂ、及びＣを共に有するシステムを包含するがこれに制限されない）。“Ａ、Ｂ、又はＣの中での少なくとも１つ”と類似な規則が使用された場合には、一般的にそのような解釈は当業者がその規則を理解することを前提して意図される（例えば、“Ａ、Ｂ、又はＣの中での少なくとも１つを有するシステム”は、Ａのみを有するか、Ｂのみを有するか、Ｃのみを有するか、Ａ及びＢを共に有するか、Ａ及びＣを共に有するか、Ｂ及びＣを共に有するか、或いはＡ、Ｂ、及びＣを共に有するシステムを包含するがこれに制限されない）。また当業者であれば、実質的に何らかの離接的接続詞（ｄｉｓｊｕｎｃｔｉｖｅ ｗｏｒｄ）及び／又は２つ以上の代案的な用語を示す句節は、それが詳細な説明、請求の範囲又は図面にあるかに関係なく、その用語の中での１つ、その用語の中でのいずれか１つ、又はその用語２つ両方を含む可能性を考慮したことを理解する。例えば、“Ａ又はＢ”という句節は“Ａ”又は“Ｂ”又は“Ａ及びＢ”の可能性を含むことと理解できる。

【0098】

本願明細書全体に掛けて“一実施形態”又は“１つの実施形態”に対する参照は、実施形態に関連して記述された特定の特徴、構造又は特性が本発明に含まれる少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、“１つの実施形態”又は“一実施形態で”という語句は必ず同一の実施形態を参照することではない。また、特定の特徴、構造又は特性は図示された特定実施形態を除外した他の適切な形態に形成され得り、このようなすべての形態は本出願の特許請求の範囲内に包含される。多様な磁気メモリ素子構造、そして上記磁気メモリ素子を使用して製造された磁気メモリ素子及びメモリを提供する方法及びシステムが記述される。上記構造、方法及びシステムが実施形態によって記述されるが、本実施形態に対する多様な変形が可能であり、したがって、変形は本願明細書に開示された装置、方法及びシステムのマッピング及び範囲内で考慮されたことを当業者は容易に認識する。したがって、多様な変形は当業者によって、添付された請求項のマッピング及び範囲から逸脱しながら、行われる。

【符号の説明】

【0099】

１０・・・基板
１１・・・素子分離膜
１２・・・ドレーン領域
１３・・・ソース領域
２０・・・第１層間絶縁膜
２１・・・ゲート絶縁膜
２２・・・ゲート電極
２３・・・ランディングコンタクト
２４・・・ソースラインコンタクト
３０・・・第２層間絶縁膜
３１・・・下部電極コンタクト
３２・・・ソースライン
４０・・・第３層間絶縁膜
４１・・・上部電極コンタクト
５０・・・ビットライン
７０、８０、９０、１００、１１０、１２０，１３０、１４０、１５０、１６０、４１２・・・磁気素子
７２、８２、７９、８９、９８、１１０、１２８、１３２、１４４、１５２、１５９、１６３、１６８・・・被固定膜
７４、８４、１２０・・・スペーサー膜
７６、８６、９６、１０６、１１６、１２４、１３０、１３６、１４８、１５６、１６５・・・自由膜
７８、８８、９７、１０８、１１４、１５８、１６７・・・非磁性スペーサ―層
９２、１０２，１１２・・・下部基準膜
９４、１０４、１１８、１２６、１３４、１４６、１５４、１６４・・・ＭｇＯ膜
９９、１３８、１４９・・・キャッピング膜
１０９、１１９・・・上部基準膜
１１１、１３１・・・磁化
１２２、１４２、１６１・・・シード膜
１４０・・・垂直異方性キャッピング膜
４００・・・磁気メモリ
４０２、４０６・・・読出し／書込みカラムセレクター／ドライバー
４０３・・・ビットライン
４０５・・・ワードライン
４０４・・・ワードラインセレクター／ドライバー
４１０・・・メモリセル
４１４・・・選択／分離素子、トランジスタ
９００・・・電子システム
９１２・・・メモリシステム
９１４・・・プロセッサー
９１６・・・ＲＡＭ
９１８・・・ユーザーインターフェース
９２０・・・バス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】