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(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】6393735
(24)【登録日】2018年8月31日
(45)【発行日】2018年9月19日
(54)【発明の名称】磁気トンネル接合素子及び磁気メモリ素子
(51)【国際特許分類】
H01L 21/8239 20060101AFI20180910BHJP
H01L 27/105 20060101ALI20180910BHJP
H01L 29/82 20060101ALI20180910BHJP
H01L 43/08 20060101ALI20180910BHJP
G11C 11/16 20060101ALI20180910BHJP
H01F 10/32 20060101ALI20180910BHJP
H01F 10/16 20060101ALI20180910BHJP
H01F 10/14 20060101ALI20180910BHJP
【ＦＩ】
H01L27/105 447
H01L29/82 Z
H01L43/08 Z
G11C11/16 100A
G11C11/16 214
G11C11/16 212
G11C11/16 220
H01F10/32
H01F10/16
H01F10/14
【請求項の数】41
【全頁数】40
(21)【出願番号】特願2016-251215(P2016-251215)
(22)【出願日】2016年12月26日
(65)【公開番号】特開2018-67701(P2018-67701A)
(43)【公開日】2018年4月26日
【審査請求日】2016年12月26日
(31)【優先権主張番号】10-2016-0136757
(32)【優先日】2016年10月20日
(33)【優先権主張国】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】510273880
【氏名又は名称】コリア ユニバーシティ リサーチ アンド ビジネス ファウンデーション
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】リー，キョン‐ジン
【審査官】
宮本 博司
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２００８／０９９６２６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１６／１５９０１７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特許第５９８５７２８（ＪＰ，Ｂ１）
【文献】
特開２０１３−１１５３１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１３−５３６５７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−０８０９５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１４−１８３３１９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９
Ｇ１１Ｃ １１／１６
Ｈ０１Ｆ １０／１４
Ｈ０１Ｆ １０／１６
Ｈ０１Ｆ １０／３２
Ｈ０１Ｌ ２７／１０５
Ｈ０１Ｌ ２９／８２
Ｈ０１Ｌ ４３／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
固定磁性体、自由磁性体、及び前記固定磁性体と前記自由磁性体との間に介在された絶縁体を備える磁気トンネル接合及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線を含む磁気トンネル接合素子において、
前記固定磁性体は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜であり、
前記自由磁性体は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造であり、
Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造であることを示し、
前記自由磁性体内で隣り合う２つの磁性層は、前記自由非磁性層を通じたＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）交換相互作用によって、互いに反対方向の磁化を有し、
前記メイン自由磁性層及び前記補助自由磁性層は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜であり、
前記メイン自由磁性層は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線と隣接して配置され、
前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層以外の前記自由磁性体内の他の磁性層の厚さは、バルクトルク（ｂｕｌｋ−ｔｏｒｑｕｅ）の特性を発現するために、強磁性コヒーレンス長より小さいことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
前記固定磁性体は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜であり、
前記自由磁性体は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造であり、
Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造であることを示し、
前記自由磁性体内で隣り合う２つの磁性層は、前記自由非磁性層を通じたＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）交換相互作用によって、互いに反対方向の磁化を有し、
前記メイン自由磁性層及び前記補助自由磁性層は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜であり、
前記メイン自由磁性層は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線と隣接して配置され、
前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層以外の前記自由磁性体内の他の磁性層の厚さは、バルクトルク（ｂｕｌｋ−ｔｏｒｑｕｅ）の特性を発現するために、強磁性コヒーレンス長より小さいことを特徴とする磁気トンネル接合素子。
【請求項2】
前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層の厚さが１ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項3】
前記自由磁性体に含まれた磁性層のうち、前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層を除いた全ての磁性層のそれぞれの厚さが１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項4】
前記自由磁性体の全体の厚さは２ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項5】
前記補助自由磁性層はCoFeBを含む、
前記メイン自由磁性層はCoFe, Co を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記メイン自由磁性層はCoFe, Co を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項6】
前記補助自由磁性層及び前記メイン自由磁性層それぞれは、互いに異なる物質からなるか、又は互いに異なる厚さからなることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項7】
前記固定磁性体は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項8】
前記固定磁性体は、順に積層された第１固定磁性層、固定非磁性層、及び第２固定磁性層からなる反磁性体（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造として、
前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含み、
前記固定非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含み、
前記固定非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項9】
前記固定磁性体は、順に積層された反強磁性層、第１固定磁性層、固定非磁性層、及び第２固定磁性層からなる交換バイアスされた反磁性体構造として、
前記反強磁性層は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｎ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなり、
前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなり、
前記固定非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記反強磁性層は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｎ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなり、
前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなり、
前記固定非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項10】
前記絶縁体は、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＴａＯｘ、ＺｒＯｘ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項11】
前記面内電流を印加する導線は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ，Ｉｒ、Ｍｎ，Ｔｉ、Ｃｒ、Ｏ、及びこれらの混合物のうち、選択される物質からなることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項12】
前記面内電流を印加する導線は、反強磁性層を含み、
前記導線は、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供することを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記導線は、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供することを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項13】
前記自由磁性体の外部から発生する磁場が前記自由磁性体に印加されることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項14】
前記自由磁性体は、少なくとも一つの磁区構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項15】
前記面内電流を印加する導線は、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、
前記反強磁性層は、前記メイン自由磁性層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向性を有し、
前記導線は、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記反強磁性層は、前記メイン自由磁性層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向性を有し、
前記導線は、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項16】
前記固定磁性体に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向性を有した双極子フィールド強磁性層さらに含み、
前記の双極子フィールド非磁性層は、前記固定磁性体に隣接して配置され、
前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記の双極子フィールド非磁性層は、前記固定磁性体に隣接して配置され、
前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項17】
前記導線と前記自由磁性体との間に配置された補助絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項18】
前記導線は、順に積層された導線非磁性層及び導線強磁性層を含み、
前記導線強磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記導線強磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項19】
前記導線は、順に積層された導線強磁性層及び導線非磁性層を含み、
前記導線強磁性層と前記自由磁性体との間に配置された非磁性層を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
前記導線強磁性層と前記自由磁性体との間に配置された非磁性層を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
【請求項20】
複数の磁気トンネル接合を備えた磁気メモリ素子において、
マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合、及び
前記磁気トンネル接合の自由磁性体に隣接して配置された第１導電パターンを含み、
固定磁性体は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜であり、
前記自由磁性体は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜であり、
前記自由磁性体は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造であり、
前記自由磁性体内で隣り合う２つの磁性層は、前記自由非磁性層を通じたＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）交換相互作用によって、互いに反対方向の磁化を有し、
Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造であり、
前記磁気トンネル接合は、前記固定磁性体、前記自由磁性体、及び前記固定磁性体と前記自由磁性体との間に介在された絶縁体を備え、
前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層以外の前記自由磁性体内の他の磁性層の厚さは、バルクトルク（ｂｕｌｋ−ｔｏｒｑｕｅ）の特性を発現するために、強磁性コヒーレンス長より小さいことを特徴とする磁気メモリ素子。
マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合、及び
前記磁気トンネル接合の自由磁性体に隣接して配置された第１導電パターンを含み、
固定磁性体は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜であり、
前記自由磁性体は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜であり、
前記自由磁性体は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造であり、
前記自由磁性体内で隣り合う２つの磁性層は、前記自由非磁性層を通じたＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）交換相互作用によって、互いに反対方向の磁化を有し、
Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造であり、
前記磁気トンネル接合は、前記固定磁性体、前記自由磁性体、及び前記固定磁性体と前記自由磁性体との間に介在された絶縁体を備え、
前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層以外の前記自由磁性体内の他の磁性層の厚さは、バルクトルク（ｂｕｌｋ−ｔｏｒｑｕｅ）の特性を発現するために、強磁性コヒーレンス長より小さいことを特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項21】
前記メイン自由磁性層は、前記第１導電パターンと隣接して配置され、
前記第１導電パターンは、面内電流から前記第１導電パターンの配置平面に 垂直なスピン流を発生させて、前記自由磁性体の磁化方向をスイッチングすることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１導電パターンは、面内電流から前記第１導電パターンの配置平面に 垂直なスピン流を発生させて、前記自由磁性体の磁化方向をスイッチングすることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項22】
前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層の厚さが１ｎｍ以上であることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項23】
前記自由磁性体に含まれた磁性層のうち、前記絶縁体に隣接した前記補助自由磁性層を除いた全ての磁性層のそれぞれの厚さが１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項24】
前記自由磁性体の全体の厚さは、２ｎｍ以上であることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項25】
前記補助自由磁性層及び前記メイン自由磁性層それぞれは、互いに異なる物質からなるか、又は互いに異なる厚さからなることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項26】
前記第１導電パターンは、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｏ、及びこれらの混合物の中から選択される物質からなることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項27】
前記第１導電パターンは、面内電流を印加し、反強磁性層を含み、
前記第１導電パターンは、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供することを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１導電パターンは、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供することを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項28】
前記自由磁性体は、少なくとも一つの磁区構造を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項29】
前記第１導電パターンは、面内電流を印加し、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、
前記反強磁性層は、前記メイン自由磁性層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向性を有し、
前記第１導電パターンは、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記反強磁性層は、前記メイン自由磁性層に隣接して配置され、
前記強磁性層は、面内磁化方向性を有し、
前記第１導電パターンは、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、
前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項30】
前記固定磁性体に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向性を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、
前記双極子フィールド非磁性層は、前記固定磁性体に隣接して配置されることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記双極子フィールド非磁性層は、前記固定磁性体に隣接して配置されることを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項31】
前記第１導電パターンと前記自由磁性体との間に配置された補助絶縁層をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項32】
前記第１導電パターンは、順に積層された第１導電パターン非磁性層及び第１導電パターン磁性層を含み、
前記第１導電パターン磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１導電パターン磁性層は、面内磁化方向成分を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項33】
前記第１導電パターンは、順に積層された第１導電パターン磁性層及び第１導電パターン非磁性層を含み、
前記第１導電パターン磁性層と前記自由磁性体との間に配置された非磁性層をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１導電パターン磁性層と前記自由磁性体との間に配置された非磁性層をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項34】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に延長され、
第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性体に電気的に連結され、前記基板平面で前記第２方向に延長される第２導電パターンを含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性体に電気的に連結され、前記基板平面で前記第２方向に延長される第２導電パターンを含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項35】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性体に電気的に連結され、前記基板平面で前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された前記第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの他端に連結され、第２方向に延長される第４導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性体に電気的に連結され、前記基板平面で前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された前記第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの他端に連結され、第２方向に延長される第４導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項36】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に延長され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体のそれぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記第１方向に延長される第２導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、を含むことを特徴と請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体のそれぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記第１方向に延長される第２導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された前記選択トランジスタそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、を含むことを特徴と請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項37】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に延長され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体のそれぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記第２方向に延長される第２導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された前記選択トランジスタのそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載のメモリ素子。
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体のそれぞれに電気的に連結された選択トランジスタと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記第２方向に延長される第２導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された前記選択トランジスタのそれぞれのゲートに連結された第３導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載のメモリ素子。
【請求項38】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性体それぞれに電気的に連結され、第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１導電パターンそれぞれの他端に連結される選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに連結され、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性体それぞれに電気的に連結され、第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンのそれぞれの一端に連結され、第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１導電パターンそれぞれの他端に連結される選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに連結され、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項39】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体にそれぞれ連結される選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインにそれぞれ連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに 連結され、前記第２方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端に連結され、前記第１方向に延長される第５導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体にそれぞれ連結される選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインにそれぞれ連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタのゲートに 連結され、前記第２方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端に連結され、前記第１方向に延長される第５導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項40】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性体それぞれに電気的に連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結された第１選択トランジスタと、
前記第１導電パターンの他端にそれぞれ連結された第２選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された前記第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された前記第２選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲート と第２選択トランジスタのゲートを互いに連結して、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性体それぞれに電気的に連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結された第１選択トランジスタと、
前記第１導電パターンの他端にそれぞれ連結された第２選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された前記第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された前記第２選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、及び
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲート と第２選択トランジスタのゲートを互いに連結して、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【請求項41】
前記第１導電パターンは、基板平面で第１方向に周期的に配置され、
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体にそれぞれ連結される第１選択トランジスタと、
前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結される第２選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端をそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された第２選択トランジスタのソース／ドレインをそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲート をそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、及び
前記第２方向に配列された第２選択トランジスタのゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第６導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して周期的に配置され、
前記磁気トンネル接合の固定磁性体にそれぞれ連結される第１選択トランジスタと、
前記第１導電パターンの一端にそれぞれ連結される第２選択トランジスタと、
前記第１方向に配列された第１選択トランジスタのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される第２導電パターンと、
前記第１方向に配列された第１導電パターンの他端をそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第３導電パターンと、
前記第１方向に配列された第２選択トランジスタのソース／ドレインをそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される第４導電パターンと、
前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタのゲート をそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第５導電パターンと、及び
前記第２方向に配列された第２選択トランジスタのゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される第６導電パターンと、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の磁気メモリ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、磁気メモリ素子、磁気論理素子、及び磁気センサなど様々な用途に使用することができる磁気トンネル接合に関するものとして、より詳細には、導線に面内電流を印加して、スピンホール又はラシュバ効果によるスピン軌道スピントルクを発生させるスピン軌道トルク磁気トンネル接合に関する。
【背景技術】
【0002】
強磁性体とは、外部で強い磁場を印加しなくても、自発的に磁化が形成されている物質をいう。２つの強磁性体の間に絶縁体を挿入した磁気トンネル接合構造（第１磁性体／絶縁体／第２磁性体）で２つの磁性体の相対的な磁化方向によって電気抵抗が変わるトンネル磁気抵抗効果が発生する。磁気トンネル接合構造でアップスピンとダウンスピンの電子が絶縁体をトンネリングして流れる程度が異なるため、トンネル磁気抵抗効果が発生する。
【0003】
一方、ニュートンの第３法則である作用・反作用の法則によって、相対的磁化方向が電流の流れを制御することができれば、その反作用で電流を印加して２つの磁性体の相対的磁化方向を制御することも可能である。磁気トンネル接合構造に膜面の垂直方向に電流を印加すると、第１磁性体（固定磁性体）によってスピン分極された電流が第２磁性体（自由磁性体）を通過すると同時に、スピン角運動量を伝達することになる。このようなスピン角運動量の伝達によって磁化が感じるトルクをスピン伝達トルク（Ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ）という。スピン伝達トルクを用いて自由磁性体の磁化を反転させるか、又は持続的に回転させる素子、或いは自由磁性体の磁区壁を移動させる素子の作製が可能である。
【0004】
また、磁気トンネル接合は、自由磁性体に隣接した導線内に流れる面内の電流によって発生したスピン軌道スピントルクを用いて、自由磁性体の磁化反転又は磁区構造の移動を誘導することができる。
【0005】
スピン軌道スピントルクを用いた磁化反転素子は、ＵＳ ８４１６６１８ Ｂ２に開示されている。
【0006】
図１は、従来のスピン軌道スピントルクを用いた磁気トンネル接合の構造を示した断面図である。
【0007】
図１に示すように、磁気トンネル接合素子１０は、面内電流が流れるスピンホール物質層１１、及び前記スピンホール物質層に連結された磁気トンネル接合を備える。前記磁気トンネル接合は、順に積層された固定磁性層１４、トンネル絶縁層１３、及び自由磁性層１２を含む。前記自由磁性層１２は、前記スピンホール物質層からスピン流の提供を受け、磁化反転を行う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の解決しようとする一技術的課題は、従来スピン軌道スピントルクを用いて磁化方向を反転又は操作する磁気トンネル接合構造で、臨界電流Ｉｃと熱的安定性係数Δがいずれも自由磁性体の厚さｄに比例する問題によって、低い臨界電流と高い熱的安定性を同時に得ることができないという問題点を解決するための新しい構造の自由磁性体を含む磁気トンネル接合を提供することにある。
【0009】
本発明の解決しようとする一技術的課題は、外部磁場がなくても動作するスピン軌道スピントルクを用いた磁気トンネル接合を提供することにある。本発明の解決しようとする一技術的課題は、スピン軌道スピントルクを用いた磁気メモリ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子は、順に積層した固定磁性体、絶縁体、及び自由磁性体を備える磁気トンネル接合及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体に隣接して、前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線を含む。前記磁気トンネル接合素子は、前記固定磁性体は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜であり、前記自由磁性体は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造であり、Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記メイン自由磁性層及び前記補助自由磁性層は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜であり、前記メイン自由磁性層は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線と隣接して配置される。
【発明の効果】
【0011】
本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子は、電流が自由磁性体に隣接した導線に沿って面内方向に流れる時、スピンホール又はラシュバ効果によって発生したスピン流が自由磁性体の表面で全て吸収されることでなく、自由磁性体の厚さ全体で相対的に均一に吸収される特性を用いて、スピン軌道スピントルクの効率が自由磁性体の厚さに反比例せず相対的に無関係な特性を提供することができる。したがって、［磁性層／非磁性層］Ｎ／磁性層構造のＮを増加させて自由磁性体全体の厚さを増加させると、熱的安定性が増加する一方、臨界電流Ｉｃが自由磁性体の全体の厚さｄと相対的に無関係になる。その結果、非常に小さな大きさの断面積を有する磁気トンネル接合を用いても、不揮発性の確保（例えば、Δ＞５０）が可能であり、同時に低い臨界電流を通じて素子を駆動することができる。したがって、低電力で駆動される超高集積不揮発性素子が可能となる磁気トンネル接合構造である。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】従来のスピン軌道スピントルクを用いた磁気トンネル接合の構造を示す断面図である。
【図2A】本発明の一実施例による磁気トンネル接合及び自由磁性層の磁化方向を説明する概念図である。
【図2B】本発明の一実施例による磁気トンネル接合及び自由磁性層の磁化方向を説明する概念図である。
【図3】従来の磁気トンネル接合と本発明の一実施例による磁気トンネル接合のスピン流のｘ方向成分（ｓx）を示す図面である。
【図5】既存の磁気トンネル接合と本発明による磁気トンネル接合で自由磁性体の厚さｄによる磁化反転のための臨界電流Ｉｃの変化を示す。
【図6】本発明による磁気トンネル接合において、自由磁性体の厚さｄによる熱的安定性係数Δの変化を示す。
【図7】本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【図8】本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【図9】本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【図10】本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【図11】本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【図12】本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【図13】本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【図14】本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【図15】本発明の他の実施例による磁気メモリ素子の駆動方法及び配列を説明する図面である。
【図16】本発明の他の実施例による磁気メモリ素子の駆動方法及び配列を説明する図面である。
【図17】本発明の他の実施例による磁気メモリ素子の駆動方法及び配列を説明する図面である。
【図18】本発明の他の実施例による磁気メモリ素子の駆動方法及び配列を説明する図面である。
【図19】本発明の他の実施例による磁気メモリ素子の駆動方法及び配列を説明する図面である。
【図20】本発明の他の実施例による磁気メモリ素子の駆動方法及び配列を説明する図面である。
【図21】本発明の他の実施例による磁気メモリ素子の駆動方法及び配列を説明する図面である。
【図22】本発明の他の実施例による磁気メモリ素子の駆動方法及び配列を説明する図面である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明の一実施例によると、導線に面内電流を印加してスピンホール又はラシュバ効果による膜面に垂直方向に磁化された自由磁性体に隣接した導線に面内電流を印加してスピンホール又はラシュバ効果によるスピン軌道スピントルクを発生させる。このスピン軌道スピントルクが磁気トンネル接合で自由磁性体の磁化を反転させるか、又は磁区壁（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｄｏｍａｉｎ ｗａｌｌ）などの磁区を移動させる。自由磁性体が［磁性層／非磁性層］Ｎ／磁性層構造である。この時、Ｎは、［磁性層／非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造であることを示し、全体の自由磁性体構造内で互いに最近接する 任意の２つの磁性層は、Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ（ＲＫＫＹ）交換相互作用によって、互いに反対方向の磁化を有する。［磁性層／非磁性層］Ｎ／磁性層構造の一端に位置した磁性層は、スピン流を発生させる導線と隣接して配置され、他端に位置した磁性層は、絶縁体と隣接して配置される。
【0014】
本発明による磁気トンネル接合は、自由磁性体に隣接した導線内に流れる電流によって発生したスピン軌道スピントルクを用いて、自由磁性体の磁化反転又は磁区構造の移動を誘導する。導線に面内方向に流れる電荷電流は、導線のスピン軌道結合によってスピン流に転換される。このスピン流が導線に隣接した自由磁性体にスピン軌道スピントルクを印加する。その結果、スピン軌道スピントルクは、自由磁性体の磁化を反転させるか、又は持続的に回転させる素子、あるいは自由磁性体の磁区構造を移動させる素子を提供する。
【0015】
垂直磁気異方性を有する自由磁性体に対して、導線に流れる面内電流によって発生するスピン軌道スピントルクによる自由磁性体の磁化反転のために必要な臨界電流Ｉｃは、次の［数学式１］のように示す［Ｋ.−Ｓ.Ｌｅｅ、Ｓ.−Ｗ.Ｌｅｅ、Ｂ.−Ｃ.Ｍｉｎ、Ｋ.−Ｊ.Ｌｅｅ、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃs Ｌｅｔｔｅｒｓ １０２、１１２４１０（２０１３）］。【数1】
【0016】
前記［数学式１］において、【数2】
【0017】
一方、高集積素子のためにメモリ単位セルのサイズを小さくすると、常温での熱エネルギによって記録された磁化方向が任意的に変わる超常磁性限界（ｓｕｐｅｒｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ ｌｉｍｉｔ）が発生する。超常磁性限界は、記録された磁気情報が意に反して削除される問題を引き起こす。熱エネルギに抵抗して平均的に磁化方向が維持される時間（Τ）は、次の［数学式２］に示す。【数3】
【0018】
前記［数学式２］において、Τ０は試図周波数の逆数で１ｎｓ程度であり、Ｋｅｆｆは有効垂直磁気異方性エネルギ密度（Ｋｅｆｆ＝ＨＫ，ｅｆｆＭＳ／２）、Ｖは自由磁性体の体積、ＡＦは自由磁性体の断面積、ｋＢはボルツマン定数（＝１.３８１×１０−１６ erg／K）、Ｔはケルビン温度である。ここで、 ＫｅｆｆＶ／ｋＢＴは磁気メモリ素子の熱的安定性係数（Δ）に定義される。不揮発性メモリとしての商用化のためには、一般的に常温で熱的安定性係数Δ＞５０の条件が満足されなければならない。
【0019】
前記の［数学式１］と［数学式２］からスピン軌道スピントルクを用いる磁気トンネル接合の臨界電流Ｉｃと熱的安定性係数Δが、いずれも自由磁性体の厚さｄが大きくなるにつれて増加することが分かる。つまり、高い熱的安定性を確保するために自由磁性体を厚くする場合、磁化反転に要る電流がさらに必要とする。その結果、素子駆動のための電力消耗が大きくなるという問題点がある。このように従来の磁気トンネル接合及び磁気メモリ素子は、臨界電流Ｉｃと熱的安定性係数Δが、いずれも自由磁性体の厚さｄに比例するという問題点を有する。したがって、臨界電流Ｉｃを減少させた低電力駆動と自由磁性体の厚さｄを増加させて、熱的安定性の向上を同時に満たす素子の具現が難しくなる。
【0020】
本発明の目的は、従来スピン軌道スピントルクを用いて磁化方向を反転又は操作する磁気トンネル接合構造で、臨界電流Ｉｃと熱的安定性係数Δがいずれも自由磁性体の厚さｄに比例する問題によって、低い臨界電流と高い熱的安定性を同時に得ることができないという問題点を解決するための新しい構造の自由磁性体を含む磁気トンネル接合を提供することにある。
【0021】
従来の磁気トンネル接合構造で、臨界電流Ｉｃが自由磁性体の厚さｄに比例する理由は、スピン軌道スピントルクを発生させるスピン流が全て自由磁性体の表面で吸収されるためである。このようなスピントルクの特性を“ｓｕｒｆａｃｅ−ｔｏｒｑｕｅ特性”と言う。表面トルク（Ｓｕｒｆａｃｅ−ｔｏｒｑｕｅ）の特性は、自由磁性体内で量子力学的なスピンの空間的歳差運動によって説明される［Ｍ.Ｄ.Ｓｔｉｌｅｓ ａｎｄ Ａ.Ｚａｎｇｗｉｌｌ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ６６、０１４４０７（２００２）］。自由磁性体に隣接した導線に流れる面内電流は、スピンホール又はラシュバ効果によって垂直方向に流れるスピン流を作る。このスピン流は、自由磁性体に入射する。磁性体は、アップスピンとダウンスピンのフェルミ波ベクトル（Ｆｅｒｍｉ ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ）が異なるため、自由磁性体の磁気モーメント方向と異なる方向を有するスピンが自由磁性体に入射すると、このスピンは、磁気モーメントの周りを速く歳差運動し、空間的に進行する。この時スピン歳差運動の空間的波長（ｓｐａｔｉａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）は、入射する電子の方向によって異なる。
【0022】
固体内で特定の方向に電流が流れる場合にも、電流を構成している各電子の方向は、電子バンドのフェルミ表面上、全ての方向を有する。他の方向に移動するスピンは、それぞれ互いに異なる波長を有して歳差運動をするため、空間的にとても速いスピン位相差（ｄｅｐｈａｓｉｎｇ）が発生する。これを全て考慮すると、磁気モーメントと異なる方向を有するスピン成分は、自由磁性体の表面から一定の距離内でのみ存在する。この距離以上では、磁気モーメント方向と同一になる。この距離を強磁性コヒーレンス長（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｌｅｎｇｔｈ）Λｃと言い、次のように与えられる［Ａ.Ａ.Ｋｏｖａｌｅｖ、Ｇ.Ｅ.Ｗ.Ｂａｕｅｒ、Ａ.Ｂｒａｔａａｓ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ７３、０５４４０７（２００６）］。【数4】
【表1】
【0023】
このように臨界電流Ｉｃが自由磁性体の厚さｄに比例する問題点を解決するために、自由磁性体が複数の磁性層で構成されていて、各磁性層の磁気モーメントが電流の流れる方向に沿って反復的に反転する構造を提案する。より詳しくには、提案する自由磁性体は、［磁性層／非磁性層］が繰り返された構造を含み、非磁性層を通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、最近接する２つの磁性層の磁化方向が互いに反対方向を有する。このように互いに反対方向の磁化が反復的に配列された構造によって、自由磁性体内でアップスピンとダウンスピンの効果的（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ）エネルギ差が縮小する。効果的エネルギ差の減少は、自由磁性体全体の効果的【数5】
【数6】
【0024】
提案した新しい自由磁性体構造でバルクトルク（ｂｕｌｋ−ｔｏｒｑｕｅ）の特性が実際に発現することをシミュレーションを通じて確認した。
【0025】
本発明による磁気トンネル接合は、電流が自由磁性体に隣接した道線に沿って面内方向に流れる時、スピンホール又はラシュバ効果によって発生したスピン流が自由磁性体の表面で全て吸収されることでなく、自由磁性体の厚さ全体で相対的に均一に吸収される特性を用いる。これによって、スピン軌道スピントルクの効率は、自由磁性体の厚さに反比例せず相対的に厚さに無関係な特性を有する。このために、自由磁性体は、［磁性層／非磁性層］Ｎ／磁性層構造で構成される。［磁性層／非磁性層］単位構造の繰り返し回数を示すＮを増加させて、自由磁性体の全体の厚さを増加させると、全体の磁気体積が増加して、熱的安定性が増加する。したがって、高い熱的安定性と低い臨界電流を同時に確保することができる。その結果、非常に小さな大きさの断面積を有する磁気トンネル接合を用いても、自由磁性体全体の厚さを増加させて、不揮発性の確保（例えば、熱的安定性係数Δ＞５０）が可能であり、同時に厚さ全体に対して均一にスピントルクが吸収される特性を用いて、低い臨界電流を確保する。したがって、低電力駆動と高い熱的安定性を備えた超高集積不揮発性素子が可能である。
【0026】
以下、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。以下、好ましい実施例を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。しかし、この実施例は、本発明をより具体的に説明するためなもので、実験条件、物質種類などによって本発明が制限、又は限定されないことは、当業者の通常の知識を有した者にとって自明である。本発明は、ここで説明される実施例に限定されず、他の形で具体化される。むしろ、ここで紹介される実施例は、開示された内容が徹底し、完全になるように、そして、当業者に本発明の思想が十分に伝えられるように提供される。図面において、構成要素は、明確性を期するため誇張される。明細書全体に渡って、同一の参照番号で表示された部分は、同一の構成要素を示す。
【0028】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、磁気トンネル接合素子１００は、固定磁性体１４０、自由磁性体１２０、及び前記固定磁性体１４０と前記自由磁性体１２０との間に介在された絶縁体１３０を備える磁気トンネル接合１０１及び前記磁気トンネル接合１０１の前記自由磁性体１２０に隣接して、前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線１１０を含む。
【0029】
前記自由磁性体１２０の外部から発生する磁場が自由磁性体に印加されるか、又は前記外部磁場を代替できるように、磁気トンネル接合素子の構造が変更される。
【0030】
前記固定磁性体１４０は、固定された磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層１２０ａ〜１２０ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎ］Ｎ／メイン自由磁性層１２６構造である。Ｎは、２以上の自然数で、［補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎ］構造１２０ａ〜１２０ｎがＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記メイン自由磁性層１２６及び前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎは、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記メイン自由磁性層１２６は、面内電流によって、スピン流を発生させる導線１１０と隣接して配置される。
【0031】
前記導線１１０は、面内方向に流れた面内電流によってスピンホール（ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ）又はラシュバ（Ｒａｓｈｉｂａ）の効果によってスピン軌道スピントルク（ｓｐｉｎ ｏｒｂｉｔｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ）を発現する。スピン軌道スピントルクは、自由磁性層１２０の磁化を反転させるか、又は磁区構造を移動させる。前記導線１１０は、断層構造又は他の物質で形成された複層構造である。前記導線１１０は、スピンホール効果又はラシュバ効果を発生させる重金属物質である。前記導線１１０は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つの物質を含む。前記導線１１０は、β−Ｔａ、Ｐｔ、β−Ｗ、Ｐｄ、又はＣｒのような重金属である。前記導線１１０は、酸素のような不純物でドーピングされる。
【0032】
磁気トンネル接合１０１は、順に積層された固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を含む。前記磁気トンネル接合１０１は、自由磁性体を含む限り多様に変形される。前記磁気トンネル接合素子１００は、全体的に覆る。
【0033】
前記絶縁体１１０は、トンネル絶縁層を含む。前記絶縁体１１０は、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＴａＯｘ、ＺｒＯｘ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなる薄膜である。
【0034】
前記固定磁性体１４０は、強磁性物質を含み、前記固定磁性体１４０は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む。具体的に、前記固定磁性体１４０は、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＮｉ、又はＮｉＦｅである。
【0035】
前記固定磁性体１４０は、順に積層された第１固定磁性層、固定非磁性層、及び第２固定磁性層からなる反磁性体（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造である。前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含み、前記固定非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む。
【0036】
前記固定磁性体１４０は、順に積層された反強磁性層、第１固定磁性層、固定非磁性層、及び第２固定磁性層からなる交換バイアスされた反磁性体構造である。前記反強磁性層は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｎ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなる。前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層それぞれは、強磁性体物質を含み、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなる。前記固定非磁性層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなる。
【0037】
前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層１２２ａ／自由非磁性層１２４ａ］で構成された単位構造１２０ａがＮ回繰り返された構造を含み、最近接する２つの補助自由磁性層（例えば、１２２ａ、１２２ｂ）は、自由非磁性層１２４ａを通じたＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）交換相互作用によって、互いに反対方向の磁気モーメント（又は、磁化）を有する。同一の理由によって、前記メイン自由磁性層１２６の磁化方向は、最も隣接した補助自由磁性層１２２ｎの磁化方向と反対方向を有する。
【0038】
前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎは、全て垂直磁気異方性を有し、面に垂直な磁化方向を有し、隣り合った補助磁性層は、互いに反対方向の磁化方向性を有する。また、前記メイン自由磁性層１２６と前記メイン自由磁性層に最も隣接した補助自由磁性層１２２ｎは、互いに異なる磁化方向性を有する。前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ及び前記メイン自由磁性層１２６は、前記スピン流によって同時に磁化反転される。
【0039】
前記自由磁性体１２０が２回以上繰り返して積層される［補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１２２ｎ］を有する。
【0040】
前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ及び前記メイン自由磁性層１２６それぞれは、互いに異なる物質からなるか、又は互いに異なる厚さからなる。例えば、前記トンネル絶縁層１３０に隣接した前記補助自由磁性層１２２ａは、前記磁気トンネル接合１０１のトンネル磁気抵抗を決定する。トンネル磁気抵抗は、前記磁気トンネル接合１０１を含む磁気素子の再生信号の大きさを決定するので、大きいほど素子駆動に有利である。したがって、高いトンネル磁気抵抗を有するために、前記補助自由磁性層１２２ａの物質及び厚さは、他の補助自由磁性層１２２ｂ〜１２２ｎ、１２６と異なる。また、前記導線１１０に隣接した前記メイン自由磁性層１２６は、界面効果によって前記自由磁性体１２０に入射するスピン流の大きさに影響を与える。したがって、大きなスピントルクを確保するために、前記メイン自由磁性層１２６の物質及び厚さは、他の補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎと異なる。また、互いに最近接する２つの磁性層（例えば、１２２ａと１２２ｂ、又は１２２ｃと１２２ｄ、又は１２２ｎと１２６）の物質又は厚さを異なるようにして、磁化反転又は磁区駆動効率を増加させる。
【0041】
具体的に、前記トンネル絶縁層１３０に隣接した前記補助自由磁性層１２２ａは、ＣｏＦｅＢを含み、以外の自由磁性体１２０内の他の磁性層は、ＣｏＦｅ、Ｃｏなどで構成される。又は、前記トンネル絶縁層１３０に隣接した前記補助自由磁性層１２２ａの厚さは、高いトンネル磁気抵抗の確保のために１ｎｍより大きい。又は、前記補助自由磁性層１２２ａ以外の自由磁性体１２０内の他の磁性層は、バルクトルク（ｂｕｌｋ−ｔｏｒｑｕｅ）の特性を発現するために、強磁性コヒーレンス長Λｃより小さい１ｎｍ以下である。
【0042】
前記導線１１０内にｘ軸方向に流れる面内電荷電流を構成するアップスピンとダウンスピンの電子は、スピン軌道相互作用によって互いに異なる方向に偏向される（例えば、ｙ軸方向）。前記面内電荷電流方向に垂直な全ての方向にスピン流が発生する。この時、各方向に発生したスピン流は、その方向に垂直偏向したスピン成分を有する。
【0043】
前記導線１１０内の面内電流がｘ方向に流れる場合、発生したスピン流のうち−ｚ方向成分（自由磁性体に入射するスピン流）は、前記導線１１０及びこれに隣接したメイン自由磁性層１２６の物質の種類によってｙ方向又は−ｙ方向のスピン成分【数7】
【表2】
【0044】
図３は、従来の磁気トンネル接合と本発明の一実施例による磁気トンネル接合のスピン流のｘ方向成分（ｓｘ）を示す図面である。
【0045】
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本発明の一実施例による磁気トンネル接合１０１は、自由磁性体１２０は［補助自由磁性層１２２ａ／自由非磁性層１２４ａ］で構成された単位構造１２０ａがＮ回繰り返された構造を含む。
【0046】
図３は、本発明の磁気トンネル接合に対して非平衡グリーン関数法（ＮＥＧＦ：Ｎｏｎ−Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｇｒｅｅｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）に基づいて量子力学的に計算されたスピン流のｘ方向成分（ｓｘ）を自由磁性体の厚さ方向軸（z）について図示している。この時、ｓｘは、特定ｚで計算された局部的な値であり、自由磁性体１２０と導線１１０の界面は、ｚ＝０に位置する。
【0047】
図１に示すように、従来の磁気トンネル接合１０の場合、強磁性コヒーレンス長Λｃが大変短いため、スピン成分（ｓｘ）が自由磁性体の表面（ｚ＝０）から１ｎｍより短い区間内で、ほぼ０になる。これは、既存の磁気トンネル接合１００でスピン軌道スピントルクが表面トルクであることを示す。
【0048】
図２に示すように、本発明による磁気トンネル接合１００の場合、スピン軌道スピントルクを決定するスピン成分（ｓｘ）が自由磁性体の表面（ｚ＝０）ではるかに遠い距離まで０でない状態を維持することが分かる。これは、本発明による磁気トンネル接合１００でスピン軌道スピントルクがバルクトルクであることを示す。
【0050】
図４に示すように、図３に示した局部的スピン成分ｓｘをそれぞれ異なる厚さを有する自由磁性体の全体の厚さに対して平均を出した値（＝＜ｓｘ＞）を示している。この時＜ｓｘ＞は、次のように定義される。【数8】
【0051】
ここで＜ｓｘ＞は、ｄの厚さを有する自由磁性体が実際に感じる全体スピン軌道スピントルクと比例する。
【0052】
図１に示すように、従来の磁気トンネル接合１０の場合、強磁性コヒーレンス長Λｃが大変短いため、＜ｓｘ＞が１／ｄの依存性を有する。つまり、自由磁性体の厚さｄが増加すると、スピントルク効率が１／ｄに減る。
【0053】
図２Ａと２Ｂに示すように、本発明による磁気トンネル接合１００の場合、＜ｓｘ＞のｄに対する依存性がほとんどなく、これは自由磁性体の厚さｄが増加してもスピントルク効率が維持されることを示す。
【0054】
以下、非平衡グリーン関数法に基づいて、量子力学的なモデリングが説明される。
【0055】
本発明による磁気トンネル接合でのスピン軌道スピントルクの特性を非平衡グリーン関数法（ＮＥＧＦ：Ｎｏｎ−Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ Ｇｒｅｅｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）［Ｓ.Ｄａｔｔａ、Ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ２８、４（２０００）；Ｓ.Ｄａｔｔａ、Ｑｕａｎｔｕｍｔｒａｎｓｐｏｒｔ：ａｔｏｍ ｔｏ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ.Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ（２００５）に基づいて量子力学的なモデリングを通じて確認した。既存の磁気トンネル接合構造［スピン分極層（ＳＰ）／非磁性体（ＮＭ）／自由磁性体（磁性層（ＦＭ））］と本発明による磁気トンネル接合構造［スピン分極層（ＳＰ）／非磁性体（ＮＭ）／自由磁性体（［磁性層（ＦＭ）／非磁性層（ＮＭ）］の繰り返し構造）に対して使用されたＴｉｇｈｔ−ＢｉｎｄｉｎｇハミルトニアンＨは、［数学式５ないし７］のようである。【数9】
【表3】
【0056】
モデリングでは、表面グリーン関数（ｓｕｒｆａｃｅ Ｇｒｅｅｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）［Ｔ.Ｏｚａｋｉ、Ｋ.Ｎｉｓｈｉｏ、Ｈ.Ｋｉｎｏ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ ８１、０３５１１６（２０１０）］を自体エネルギの行列【数10】
【数11】
【0057】
ここで、Ｇはグリーン関数であり、Ｅはエネルギであり、Ｉは単位行列であり、Ｇnはｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ関数であり、【数12】
【数13】
【0058】
導線のスピンホール又はラシュバ効果によるスピン流がｙ方向のスピンを有することを模写するために、スピン分極層の磁化をｙ方向に設定した。既存の磁気トンネル接合１０の場合、自由磁性体の全てのサイト（ｓｉｔｅ）での磁化方向を＋ｚ方向に設定した。本発明の一実施例による磁気トンネル接合１００の場合、自由磁性体を構成する磁性層のうち、奇数番目の磁性層の磁化は、＋ｚ方向に設定し、偶数番目の磁性層の磁化は、−ｚ方向に設定した。
【0059】
実験例１.本発明による磁気トンネル接合の自由磁性体でｘ成分非平衡スピン密度の空間的変化
【0060】
（１） 図３は、既存の磁気トンネル接合１０と、本発明による磁気トンネル接合１００に対して非平衡グリーン関数法に基づいて量子力学的に計算されたスピン流のｘ方向成分（ｓｘ）を自由磁性体の厚さ方向軸（ｚ軸）に対して図示している。この時、スピン成分ｓｘは、特定ｚで計算された局部的な値であり、自由磁性体の表面は、ｚ＝０に位置する。
【0061】
（２）使用された物性値は、以下の通りである。格子間隔＝０.２５ｎｍ、自由磁性体を構成する磁性層の厚さ＝０.２５ｎｍ、自由磁性体を構成する非磁性層の厚さ＝０.２５ｎｍ、自由磁性体の外に存在する非磁性層の厚さ＝２.５nm、Ｈｏｐｐｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｔ＝１.０ ｅＶ、電子質量＝９.１×１０-３１kg、スピン分極層の交換エネルギ＝０.８ ｅＶ、自由磁性体を構成する磁性層の交換エネルギ＝０.８ ｅＶ、フェルミエネルギ＝４.１ ｅＶ
【0062】
（３） 図３に示すように、既存の磁気トンネル接合１００の場合、強磁性コヒーレンス長Λｃが大変短いため、スピン成分が自由磁性体の表面（ｚ＝０）から１ｎｍより短い区間内でほぼ０になる。これは、既存の磁気トンネル接合１００でスピン軌道スピントルクが表面トルクであることを示す。
【0063】
これに反して、本発明による磁気トンネル接合１００の場合、スピン軌道スピントルクを決定するｓｘが自由磁性体の表面（ｚ＝０）ではるかに遠い距離まで０でない状態を維持することが分かる。これは、本発明による磁気トンネル接合２００でスピン軌道スピントルクがバルクトルクであることを示す。
【0064】
実験例２.本発明による磁気トンネル接合の自由磁性体に印加される全体スピン軌道スピントルクと自由磁性体の厚さの関係
【0065】
（１） 図４は、図３に示した局部的ｓｘを互いに異なる厚さを有する自磁性体の全体の厚さに対して平均を出した値（＝＜ｓｘ＞）を示している。この時＜ｓｘ＞は、前記［数学式４と定義され、＜ｓｘ＞は、ｄの厚さを有する自由磁性体が実際に感じる全体スピン軌道スピントルクと比例する。
【0066】
（２） 使用された物性値は、実験例１と同一である。
【0067】
（３） 図４に示すように、従来の磁気トンネル接合１０の場合、＜ｓｘ＞が１／ｄの依存性を有する。つまり、自由磁性体の厚さｄが増加すると、スピントルク効率が約１／ｄに減る。
【0068】
これに反して、本発明による磁気トンネル接合１００の場合、＜ｓｘ＞のｄに対する依存性がほとんどなく、これは自由磁性体の厚さｄが増加してもスピントルク効率が維持されることを示す。
【0069】
本発明による磁気トンネル接合での臨界電流Ｉｃの自由磁性体の厚さによる依存性を微小磁気学を通じて確認した。磁化の運動方程式は［数学式１１］のようである。【数14】
【0070】
［数学式１１］で、γは磁気回転定数、Ｈｅｆｆは自由磁性体１２０の全ての有効磁場ベクトル、αはＧｉｌｂｅｒｔ減衰定数であり、ＮＳＯＴはスピン軌道スピントルクである。
【0071】
実験例３.本発明による磁気トンネル接合に対して、自由磁性体の厚さｄによる臨界電流Ｉｃの変化
【0072】
図５は、既存の磁気トンネル接合と本発明による磁気トンネル接合で自由磁性体の厚さｄによる磁化反転のための臨界電流Ｉｃの変化を示す。
【0073】
図５に示すように、既存の磁気トンネル接合１０の場合、臨界電流Ｉｃがｄに比例する結果が得られ、これはスピントルク効率が１／ｄの依存性を有するためである。これは［数学式１］によって予測される結果と同じである。
【0074】
これに反して、本発明による磁気トンネル接合１００の場合、臨界電流Ｉｃがｄとほぼ関係なく一定の結果が得られ、これは自由磁性体の厚さを増やしても磁化反転又は磁区構造移動に必要な電流の大きさがほとんど変わらないことを示す。
【0075】
（１） 図５は、従来の磁気トンネル接合１０と本発明による磁気トンネル接合１００で自由磁性体の厚さｄによる磁化反転のための臨界電流Ｉｃの変化を示す。この時、臨界電流Ｉｃをｄ＝０.６ｎｍでの臨界電流によって正常化して図示した。従来の磁気トンネル接合の場合、表面トルクの特性（非平衡スピン密度が自由磁性体の表面でのみ０でなく、他の所では０である）を仮定した。本発明による磁気トンネル接合の場合、バルクトルクの特性（非平衡スピン密度が空間的に均一である）を仮定した。
【0076】
（２）素子の構造と物性値は、以下の通りである。自由磁性体の断面積＝３０×３０ ｎｍ２、
既存の磁気トンネル接合と本発明による磁気トンネル接合の自由磁性体を構成する磁性層の共通物性：“飽和磁化値（ＭＳ）＝１０００ ｅｍｕ／ｃｍ３、Ｇｉｌｂｅｒｔ減衰定数（α）＝０.０２、垂直磁気異方性エネルギ（Ｋ）＝７.２×１０６ ｅｒｇ／ｃｍ３、有効スピンホール角度絶対値（｜ΘＳＨ｜）＝０.１”
本発明による磁気トンネル接合の自由磁性体を構成する磁性層にのみ適用された物性：“各磁性層の厚さ＝０.３ｎｍ、互いに最近接する磁性層の間のＲＫＫＹ交換エネルギ＝２.５×１０−７ｅｒｇ／ｃｍ”
【0077】
（３） 図５に示すように、既存の磁気トンネル接合１０の場合、臨界電流Ｉｃがｄに比例する結果が得られ、これは、スピントルク効率が１／ｄの依存性を有するためで、これは［数学式１］によって予測される結果と同じである。
【0078】
これに反して、本発明による磁気トンネル接合１００の場合、臨界電流Ｉｃがｄとほぼ関係なく一定の結果が得られ、これは自由磁性体の厚さを増やしても磁化反転又は磁区構造移動に必要な電流の大きさがほとんど変わらないことを示す。
【0079】
図６は、本発明による磁気トンネル接合で自由磁性体の厚さｄによる熱的安定性係数Δの変化を示す。
【0080】
図６に示すように、自由磁性体１２０の厚さが増加すれば、全体的な磁気体積（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｖｏｌｕｍｅ）Ｖが大きくなるので、熱的安定性係数Δがこれに比例して大きくなる。
【0081】
図５と図６に示すように、本発明の一実施例による磁気トンネル接合の場合、自由磁性体の厚さｄを増加させることによって、熱的安定性係数Δは、これに比例して増加するが、臨界電流Ｉｃがｄとほぼ関係なく一定することを示す。したがって、本発明の一実施例による磁気トンネル接合は、より小さい大きさのメモリ又は論理素子セルとして活用された時、不揮発性を維持すると同時に、低い電流で駆動される特性を有するようになって、低電力超高密度不揮発性素子が可能になる。
【0082】
本発明による磁気トンネル接合での熱的安定性係数Δの自由磁性体全体の厚さによる依存性をストリング技法［Ｅ.Ｗｅｉｎａｎ、Ｗ.Ｒｅｎ、Ｅ.ＶａｎｄｅｎＥｉｊｎｄｅｎ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ １２６、１６４１０３（２００７）］を通じて確認した。熱的安定性係数Δを決定するエネルギ障壁ＥＢを得るために、まず、２つのエネルギ最小状態（全ての磁化が＋ｚ方向である場合と、全ての磁化が−ｚである場合）の間の転移経路を設定した。全体の転移経路を１００個のイメージに区分した。この初期転移経路は、最小エネルギ経路ではないので、下記［数学式１２］を通じて各ｉ番目のイメージに対するδｔ時間以降の最小エネルギ経路を求めた。【数15】
【0083】
前記の［数学式１２］で、γは磁気回転定数、Ｈｅｆｆは自由磁性体１２０の全ての有効磁場ベクトルである。時間に対して収斂した各イメージを通じてＥＢを決定し、熱的安定性係数Δは常温（Ｔ＝３００ Ｋ）でＥＢ／ ｋＢＴに決定した。
【0084】
実験例４.本発明による磁気トンネル接合に対して、自由磁性体の厚さｄによる熱的安定性係数Δの変化
【0085】
（１） 図６は、本発明による磁気トンネル接合１００で自由磁性体の厚さｄによる熱的安定性係数Δの変化を示す。この時、熱的安定性係数Δをｄ＝１.０ｎｍでのΔで正常化して図示した。
【0086】
（２） 素子の構造と物性値は、実験例３のようである。
【0087】
（３） 図６に示すように、本発明による磁気トンネル接合２００の場合、熱的安定性係数Δがｄと線形的に比例する結果が得られ、これは、自由磁性体の厚さが増加すれば、全体的な磁気体積（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｖｏｌｕｍｅ）Ｖが大きくなるので、熱的安定性係数Δがこれに比例して大きくなるためである。
【0088】
図２ないし６で説明した部分と重複される説明は省略する。
【0089】
図７は、本発明の一実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【0090】
図７に示すように、磁気トンネル接合素子２００は、順に積層した固定磁性体２４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を備える磁気トンネル接合２０１及び前記磁気トンネル接合２０１の前記自由磁性体１２０に隣接して、前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線１１０を含む。前記固定磁性体２４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎ］Ｎ／メイン自由磁性層１２６構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記メイン自由磁性層１２６及び前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎは、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記メイン自由磁性層１２０は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線と隣接して配置される。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換の相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。
【0091】
前記固定磁性体２４０は、順に積層された第１固定磁性層２４４、固定非磁性層２４６、及び第２固定磁性層２４８からなった人工反磁性体（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造である。前記第１固定磁性層２４４及び第２固定磁性層２４８は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む。前記固定非磁性層２４６は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む。
【0092】
本発明の変形した実施例によると、前記固定磁性体２４０は、順に積層された反強磁性層２４２、第１固定磁性層２４４、固定非磁性層２４６、及び第２固定磁性層２４８からなった交換バイアスされた反磁性体構造である。前記 反強磁性層２４２は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｎ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなる。前記第１固定磁性層２４４及び第２固定磁性層２４８は、それぞれ独立的にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなる。前記固定非磁性層２４６は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む物質からなる。
【0093】
図８は、本発明の他の実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【0094】
図８に示すように、磁気トンネル接合素子３００は、順に積層した固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体３２０を備える磁気トンネル接合３０１及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体３２６に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記自由磁性体３２０は、［補助自由磁性層３２２ａ〜３２２ｎ／自由非磁性層３２４ａ〜３２４ｎ］Ｎ／メイン自由磁性層３２６構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造３２０ａ〜３２０ｎがＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記メイン自由磁性層３２６及び前記補助自由磁性層３２２ａ〜３２２ｎは、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記メイン自由磁性層３２６は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線と隣接して配置される。前記自由磁性体３２０を構成する磁性層３２２ａ〜３２２ｎ、３２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層３２４ａ〜３２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。
【0095】
前記固定磁性体１４０は、前記自由磁性体３２０と互いに整列されない。具体的に、前記自由磁性体３２０は、前記導線１１０の延長方向に互いに並んで延長する。前記自由磁性体３２０は、少なくとも一つの磁区構造３２１を含む。具体的に、前記メイン自由磁性層３２６と前記補助自由磁性層３２２ａ〜３２２ｎそれぞれは、少なくとも一つの磁区構造３２１を含む。前記磁区構造３２１は、前記導線１１０に流れる面内電流によってｘ軸方向に移動する。前記磁区構造３２１は、磁壁又はスキルミオンであり、互いに反対方向に磁化された磁区を分割する。
【0096】
図９は、本発明の他の実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【0097】
図９に示すように、磁気トンネル接合素子４００は、順に積層した固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を備える磁気トンネル接合１０１及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体１２０に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線４１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎ］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造１２０ａ〜１２０ｎがＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記のメイン自由磁性層１２６及び前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎは、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記メイン自由磁性層１２６は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線４１０と隣接して配置される。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。
【0098】
前記導線４１０は、導電性反強磁性体を含む。具体的に、前記導線４１０は、前記面内電流を印加して反強磁性層を含む。前記導線４１０は、前記メイン自由磁性層１２６に面内交換バイアス磁場を提供する。具体的に、前記導線４１０は、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、又はＩｒＭｎである。前記反強磁性層は、前記自由磁性体１２０に交換バイアス磁場を提供する。これによって、前記磁気トンネル接合素子は、外部磁場を使用せずに垂直磁気異方性を有した自由磁性体の磁化方向をスイッチングする。
【0099】
図１０は、本発明の他の実施例による磁気トンネル接合素子を説明する図面である。
【0100】
図１０に示すように、磁気トンネル接合素子５００は、順に積層した固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を備える磁気トンネル接合及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体１２０に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線５１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１２２ｎ］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造１２０ａ〜１２０ｎがＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記メイン自由磁性層１２６及び前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎは、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記メイン自由磁性層１２６は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線４１０と隣接して配置される。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。前記面内電流を印加する導線５１０は、順に積層された反強磁性層５１０ａ及び強磁性層５１０ｂを含む。前記反強磁性層５１０ａは、前記メイン自由層１２６に隣接して配置される。前記強磁性層５１０ｂは、面内磁化方向又は前記強磁性層が延長される方向の磁化方向を有する。前記導線５１０は、前記メイン自由磁性層１２６に面内交換バイアス磁場を提供する。前記自由磁性体１２０は、外部磁場を使用せずにスイッチングされる。
【0101】
前記強磁性層５１０ｂは、面内磁気異方性を有し、前記反強磁性層５１０ａを面内方向に反強磁性整列させる機能を提供する。垂直磁気異方性を有する自由磁性層１２０に隣接した反強磁性層５１０ａが垂直磁気異方性を有する自由磁性層１２０に水平方向の交換バイアス磁場を発生させる。具体的に、水平磁場下に熱的アニールする時、面内磁気異方性を有する強磁性層５１０ｂと反強磁性層５１０ａとの間の交換相互作用によって反強磁性層５１０ａに面内方向の反強磁性に整列される。これで、反強磁性規則によって、他の方に隣接した垂直磁気異方性を有する自由磁性層１２０に水平方向の交換バイアス磁場が誘導される。前記反強磁性層５１０ａを有する導線５１０に流れる電流は、異常ホール効果（ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｈａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）又はスピンホール効果を通じてスピン軌道スピントルクを発生させる。
【0102】
図１１は、本発明の他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す図面である。
【0103】
図１１に示すように、磁気トンネル接合素子６００は、順に積層した固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を備える磁気トンネル接合６０１及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１４ｎ］Ｎ／メイン自由磁性層１２６構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造１２０ａ〜１２０ｎがＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記メイン自由磁性層１２６及び前記補助自由磁性層１２０ａ〜１２０ｎは、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記メイン自由磁性層１２６は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線と隣接して配置される。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。
【0104】
前記固定磁性体１４０に隣接して、順に積層された双極子フィールド非磁性層６５２及び面内磁化方向性を有した双極子フィールド強磁性層６５４が配置される。前記双極子フィールド非磁性層６５２は、前記固定磁性体１４０に隣接して配置される。
【0105】
前記双極子フィールド非磁性層６５２は、導電性金属で、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む。
【0106】
前記双極子フィールド強磁性層６５４は、面内磁化方向（例えば、−ｘ軸方向）を有して双極子磁場を生成し、前記自由磁性層１２０に面内方向（＋ｘ軸方向）に磁場を生成する。これによって、前記磁気トンネル接合素子の自由磁性体は、外部磁場を使用せずに磁化反転を行う。
【0107】
図１２は、本発明の他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す図面である。
【0108】
図１２に示すように、磁気トンネル接合素子７００は、順に積層した固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を備える磁気トンネル接合７０１及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体１２０に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎ］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造１２０ａ〜１２０ｎがＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記メイン自由磁性層１２６及び前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎは、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記メイン自由磁性層１２６は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線と隣接して配置される。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。補助絶縁層７２７が前記導線１１０と前記自由磁性体１２０との間に配置される。前記補助絶縁層７２７は、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＴａＯｘ、ＺｒＯｘ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む。前記補助絶縁層７２７は、前記導線に沿って流れる面内電荷電流が前記磁気トンネル接合を直接通じて流れないように抑制し、純粋スピン流だけが流れる。
【0109】
図１３は、本発明の他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す図面である。
【0110】
図１３に示すように、磁気トンネル接合素子８００は、順に積層した固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を備える磁気トンネル接合１０１及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体１２０に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線８１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎ］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造１２０ａ〜１２０ｎがＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記メイン自由磁性層１２６及び前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎは、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記メイン自由磁性層１２６は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線８１０と隣接して配置される。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。
【0111】
前記導線８１０は、順に積層された導線非磁性層８１０ａ及び導線の強磁性層８１０ｂを含む。前記導線強磁性層８１０ｂは、面内磁化方向成分を含む。前記導線非磁性層８１０ａは、前記自由磁性体１２０と隣接するように配置される。前記導線非磁性層８１０ａは、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びこれらの混合物の中から選択される物質である。前記導線強磁性層８１０ｂは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む。前記導線強磁性層８１０ｂを通じて流れる面内電荷電流によって、前記導線強磁性層８１０ｂの自体的な異常ホール効果又は異方性磁気抵抗（ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を通じてスピン流を発生させる［Ｔ. Ｔａｎｉｇｕｃｈｉ、Ｊ.Ｇｒｏｌｌｉｅｒ、Ｍ.Ｄ.Ｓｔｉｌｅｓ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａｐｐｌｉｅｄ ３、０４４００１（２０１５）］。また、前記導線強磁性層８１０ｂと前記導線非磁性層８１０ａの界面スピン軌道結合効果によってスピン流を発生させる［Ｖ. Ｐ.Ａｍｉｎ、Ｍ.Ｄ.Ｓｔｉｌｅｓ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ９４、１０４４１９（２０１６）］。
【0112】
図１４は、本発明の他の実施例による磁気トンネル接合素子を示す図面である。
【0113】
図１４に示すように、磁気トンネル接合素子９００は、順に積層した固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を備える磁気トンネル接合９０１及び前記磁気トンネル接合の前記自由磁性体に隣接して前記磁気トンネル接合に面内電流を印加する導線９１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎ／自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎ］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造１２０ａ〜１２０ｎがＮ回繰り返し積層された構造であることを示す。前記メイン自由磁性層１２６及び前記補助自由磁性層１２２ａ〜１２２ｎは、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質を含む薄膜である。前記メイン自由磁性層１２６は、前記面内電流によってスピン流を発生させる導線９１０と隣接して配置される。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。
【0114】
前記導線９１０は、順に積層された導線強磁性層９１０ａ及び導線非磁性層９１０ｂを含む。前記導線強磁性層９１０ａと前記自由磁性体１２０との間に配置された非磁性層９２７を含む。前記導線強磁性層９１０ａは、前記自由磁性体１２０に隣接して配置される。前記非磁性層９２７は、前記自由磁性体層の側面と整列される。
【0115】
前記導線非磁性層９１０ｂ及び前記非磁性層９２７は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びこれらの混合物の中から選択される物質である。前記導線強磁性層９１０ａは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ、及びこれらの混合物のうち、少なくとも一つを含む。
【0116】
図１５は、本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【0117】
図１５に示すように、磁気メモリ素子９１は、複数の磁気トンネル接合１０１を備える。前記磁気トンネル接合１０１又は磁気トンネル接合素子１００は、図２ないし図１４で説明したように様々に変形される。
【0118】
前記磁気メモリ素子９１は、基板配置平面でマトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１；及び、前記磁気トンネル接合１０１の自由磁性体１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体１２０は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造である。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。前記磁気トンネル接合は、順に積層された固定磁性体、絶縁体、及び自由磁性体を含む。
【0119】
前記メイン自由磁性層１２６は、前記導電パターンと隣接して配置され、前記第１導電パターン１１０は、面内電流から前記第１導電パターンの配置平面に垂直なスピン流を発生させて、前記自由磁性体の磁化方向をスイッチングする。
【0120】
前記自由磁性体１２０の全体の厚さは、高い熱安定性を確保するために２ｎｍ以上である。
【0121】
Ｎは、２以上の自然数であり、前記自由磁性体１２０内で隣り合う前記補助自由磁性層は、ＲＫＫＹ（Ｒｕｄｅｒｍａｎ−Ｋｉｔｔｅｌ−Ｋａｓｕｙａ−Ｙｏｓｉｄａ）交換相互作用によって、互いに反対方向の磁化を有する。前記自由磁性体１２０の全体の厚さは２ｎｍ以上である。前記補助自由磁性層１２０及び前記メイン自由磁性層１２０それぞれは、互いに異なる物質からなるか、又は互いに異なる厚さからなる。前記補助自由磁性層１２０及び前記メイン自由磁性層１２０それぞれは、０.３ｎｍ水準である。
【0122】
前記第１導電パターン１１０は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｂｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン流を提供し、前記自由磁性体１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性体の磁化反転に寄与する。
【0123】
前記第１導電パターン１１０又はＢＬは、基板平面で第１方向に並んで進行する。第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体１２０は、前記第１導電パターンに隣接して、周期的に配置される。第２導電パターン１８２又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性体１４０に電気的に連結され、前記基板平面で前記第２方向に延長する。
【0124】
前記磁気メモリ素子９１は、クロスポイントメモリによって動作する。前記磁気メモリ素子９１は、前記第１導電パターン１１０に流れる電流によるスピンホール効果、前記第２導電パターン１８２に印加される電圧による臨界電流減少効果によって動作する。又は、前記磁気メモリ素子９１は、第１導電パターンに流れる電流によるスピンホール効果及び選択された磁気トンネル接合を通じて流れるスピン伝達トルク効果によって動作する。
【0125】
図１６は、本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【0126】
図１６に示すように、磁気メモリ素子９２は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９２は、基板配置平面でマトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１；及び、前記磁気トンネル接合の自由磁性体に隣接して配置された第１導電パターン１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体１２０は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造である。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。前記磁気トンネル接合は、順に積層された固定磁性体、絶縁体、及び自由磁性体を含む。
【0127】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的にの離隔して配置される。前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体１２０は、前記第１導電パターン１１０に隣接して、周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン流を提供し、前記自由磁性体１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性体の磁化反転に寄与する。
【0128】
第２導電パターン２８２又はＷＬは、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの固定磁性体１４０に電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される。
【0129】
第３導電パターン２８３又はＳＬは、前記第１方向に配列された前記第１導電パターン１１０のそれぞれの一端に連結され、前記第１方向に延長される。
【0130】
第４導電パターン２８４又はＢＬは、前記第２方向に配列された第１導電パターン１１０のそれぞれの他端に連結され、前記第２方向に延長される。
【0131】
前記磁気メモリ素子９２は、変形されたクロスポイントメモリによって動作する。前記第１導電パターンは、互いに分離して前記自由磁性体にスピン流を注入する。前記第３導電パターン、前記第１導電パターン、及び第４導電パターンを通じて電流が流れる場合、前記第１導電パターンに流れる面内電流は、前記自由磁性体にスピン流を注入して前記自由磁性体の磁化反転に寄与する。
【0132】
図１７は、本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【0133】
図１７に示すように、磁気メモリ素子９３は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９３は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１；及び、前記磁気トンネル接合の自由磁性体に隣接して配置された第１導電パターン１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体１２０は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造である。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。前記磁気トンネル接合は、順に積層された固定磁性体、絶縁体、及び自由磁性体を含む。
【0134】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に延長され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体１２０は、前記第１導電パターン１１０又はＢＬに隣接して、周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン流を提供し、前記自由磁性体１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性体の磁化反転に寄与する。
【0135】
選択トランジスタＴＲは、前記磁気トンネル接合１０１の固定磁性体１４０それぞれに電気的に連結される。
【0136】
第２導電パターン３８２又はＳＬは、前記第１方向に配列された選択トランジスタＴＲそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面で前記１方向に延長される。
【0137】
第３導電パターン３８３又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された前記選択トランジスタＴＲそれぞれのゲートに連結される。
【0138】
特定の第１導電パターン１１０、ＢＬ０に電流が流れる場合、前記第１導電パターンに連結された全ての磁気トンネル接合の自由層は、スピン流の供給を受ける。一方、特定のメモリセルを選択するために、選択トランジスタＴＲのゲートに連結された特定第３導電パターンに電圧を印加する。これによって、特定のメモリセルは、前記第１導電パターンによるスピン流及び選択された選択トランジスタによって固定磁性層に電圧又はスピン伝達電流の供給を受ける。これによって、特定のメモリセルは、記録動作を行う。
【0139】
図１８は、本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【0140】
図１８に示すように、磁気メモリ素子９４は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９４は、基板配置平面でマトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１；及び、前記磁気トンネル接合の自由磁性体に隣接して配置された第１導電パターン１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体１２０は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造である。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。前記磁気トンネル接合は、順に積層された固定磁性体、絶縁体、及び自由磁性体を含む。
【0141】
前記第１導電パターン１１０又はＷＢＬは、基板平面で第１方向に延長され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体１２０は、前記第１導電パターン１１０に隣接して、周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン流を提供し、前記自由磁性体１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記スピン軌道スピントルクは、前記自由磁性体の磁化反転に寄与する。
【0142】
選択トランジスタＴＲは、前記磁気トンネル接合の固定磁性体１４０それぞれに電気的に連結される。
【0143】
第２導電パターン４８２又はＲＢＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタＴＲそれぞれのソース／ドレインに電気的に連結され、前記基板平面上で前記２方向に延長される。
【0144】
第３導電パターン４８３又はＷＬは、前記第１方向に配列された前記選択トランジスタのそれぞれのゲートに連結される。
【0145】
特定のメモリセルに書き込み動作を行うために、特定の第１導電パターンが選択され、選択された第１導電パターンに電流が流れる。また、選択されたメモリセルに連結された選択トランジスタのゲートに連結された第３導電パターンが選択され、前記選択トランジスタのソース／ドレインを前記固定磁性層に電圧が印加されるか、又はスピン伝達電流が流れる。これによって、特定のメモリセルは、書き込み動作を行う。
【0146】
図１９は、本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【0147】
図１９に示すように、磁気メモリ素子９５は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９５は、基板配置平面でマトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１；及び、前記磁気トンネル接合の自由磁性体１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性体層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造である。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対の方向に磁化される。前記磁気トンネル接合１０１は、順に積層された固定磁性体１４０、寺延滞１３０、及び自由磁性体１２０を含む。
【0148】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して、周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン流を提供し、前記自由磁性体１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記のスピン軌道スピントルクは、前記自由磁性体の磁化反転に寄与する。
【0149】
第２導電パターン５８２又はＲＢＬは、前記第１方向に配列された磁気トンネルを接合の固定磁性体１４０それぞれに電気的に連結され、第１方向に延長される。
【0150】
第３導電パターン５８３又はＷＢＬは、前記第１方向に配列された第１導電パターン１１０のそれぞれの一端に連結され、第１方向に延長される。
【0151】
選択トランジスタＴＲは、前記第１導電パターン１１０それぞれの他端に連結される。
【0152】
第４導電パターン５８４又はＳＬは、前記第１方向に配列された選択トランジスタＴＲのソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される。
【0153】
第５導電パターン５８５又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタＴＲのゲートに連結され、前記第２方向に延長される。
【0154】
図２０は、本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【0155】
図２０に示すように、磁気メモリ素子９６は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９６は、基板配置平面でマトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１；及び、前記磁気トンネル接合の自由磁性体１２０に隣接して配置された第１導電パターン１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造である。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。前記磁気トンネル接合１０１は、順に積層された固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を含む。
【0156】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して、周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン流を提供し、前記自由磁性体１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記のスピン軌道スピントルクは、前記自由磁性体の磁化反転に寄与する。
【0157】
選択トランジスタＴＲは、前記磁気トンネル接合の固定磁性体１４０にそれぞれ連結される。
【0158】
第２導電パターン６８２又はＲＢＬは、前記第１方向に配列された選択トランジスタのソース／ドレインにそれぞれ連結され、前記第１方向に延長される。
【0159】
第３導電パターン６８３又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された選択トランジスタＴＲのゲートに接続され、前記第２方向に延長される。
【0160】
第４導電パターン６８４又はＷＢＬは、前記第１方向に配列された第１導電パターン１１０のそれぞれの一端に連結され、第１方向に延長される。
【0161】
第５導電パターン６８５又はＳＬは、前記第１方向に配列された第１導電パターン１１０の他端に連結され、前記第１方向に延長される。
【0162】
図２１は、本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【0163】
図２１に示すように、磁気メモリ素子９７は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９７は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１；及び、前記磁気トンネル接合の自由磁性体に隣接して配置された第１導電パターン１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体１２０は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造である。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。前記磁気トンネル接合１０１は、順に積層された固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を含む。
【0164】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体１２０は、前記第１導電パターンのそれぞれに隣接して、周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン流を提供し、前記自由磁性体１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記のスピン軌道スピントルクは、前記自由磁性体の磁化反転に寄与する。
【0165】
第２導電パターン７８２は、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合の固定磁性体１４０それぞれに電気的に連結され、前記第１方向に垂直な第２方向に延長される。
【0166】
第１選択トランジスタＴＲ１は、前記第１導電パターン１１０の一端にそれぞれ連結される。
【0167】
第２選択トランジスタＴＲ２は、前記第１導電パターン１１０の他端にそれぞれ連結される。
【0168】
第３導電パターン７８３又はＷＢＬは、前記第１方向に配列された前記第１選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される。
【0169】
第４導電パターン７８４又はＳＬは、前記第１方向に配列された前記第２選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される。
【0170】
第５導電パターン７８５は、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタＴＲ１のゲートと第２選択トランジスタＴＲ２のゲートを互いに連結して、前記第２方向に延長される。
【0171】
図２２は、本発明の他の実施例による磁気メモリ素子を説明する図面である。
【0172】
図２２に示すように、磁気メモリ素子９８は、複数の磁気トンネル接合を備える。前記磁気メモリ素子９８は、マトリックスの形で配列された複数の磁気トンネル接合１０１；及び、前記磁気トンネル接合の自由磁性体に隣接して配置された第１導電パターン１１０を含む。前記固定磁性体１４０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体は、磁化方向が変わり、膜面に対して垂直方向に磁化される物質からなった薄膜である。前記自由磁性体は、［補助自由磁性層／自由非磁性層］Ｎ／メイン自由磁性層構造である。Ｎは、２以上の自然数であり、［補助自由磁性層／自由非磁性層］構造がＮ回繰り返し積層された構造である。前記自由磁性体１２０を構成する磁性層１２２ａ〜１２２ｎ、１２６のうち、互いに最近接する２つの磁性層は、前記自由非磁性層１２４ａ〜１２４ｎを通じたＲＫＫＹ交換相互作用によって、互いに反対方向に磁化される。前記磁気トンネル接合１０１は、順に積層された固定磁性体１４０、絶縁体１３０、及び自由磁性体１２０を含む。
【0173】
前記第１導電パターン１１０は、基板平面で第１方向に周期的に配置され、前記第１方向に配列された磁気トンネル接合のそれぞれの自由磁性体は、前記第１導電パターンそれぞれに隣接して、周期的に配置される。前記第１導電パターン１１０は、前記自由磁性層にスピン流を提供し、前記自由磁性体１２０にスピン軌道スピントルクを印加する。前記のスピン軌道スピントルクは、前記自由磁性体の磁化反転に寄与する。
【0174】
第１選択トランジスタＴＲ１は、前記磁気トンネル接合の固定磁性体１４０にそれぞれ連結される。
【0175】
第２選択トランジスタＴＲ２は、前記第１導電パターン１１０の一端にそれぞれ連結される。
【0176】
第２導電パターン８８２又はＲＢＬは、前記第１方向に配列された第１選択トランジスタＴＲ１のソース／ドレインに連結され、前記第１方向に延長される。
【0177】
第３導電パターン８８３又はＷＢＬは、前記第１方向に配列された第１導電パターン１１０の他端をそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される。
【0178】
第４導電パターン８８４又はＳＬは、前記第１方向に配列された第２選択トランジスタＴＲ２のソース／ドレインをそれぞれ連結し、前記第１方向に延長される。
【0179】
第５導電パターン８８５又はＷＬは、前記第１方向に垂直な第２方向に配列された第１選択トランジスタＴＲ１のゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される。
【0180】
第６導電パターン８８６又はＷＬは、前記第２方向に配列された第２選択トランジスタＴＲ２のゲートをそれぞれ連結し、前記第２方向に延長される。
【0182】
図１５ないし図２２及び図９に示すように、前記第１導電パターン１１０は、面内電流を印加し、反強磁性層を含む。前記第１導電パターン１１０は、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供する。
【0183】
図１５ないし図２２及び図１０に示すように、前記第１導電パターン１１０は、面内電流を印加し、順に積層された反強磁性層及び強磁性層を含み、前記反強磁性層は、前記メイン自由層に隣接して配置され、前記強磁性層は、面内磁化方向性を有し、前記第１導電パターンは、前記メイン自由磁性層に面内交換バイアス磁場を提供し、前記自由磁性体は、外部磁場がなくてもスイッチングされる。
【0184】
図１５ないし図２１及び図１１に示すように、前記固定磁性体に隣接して順に積層された双極子フィールド非磁性層及び面内磁化方向性を有した双極子フィールド強磁性層をさらに含み、前記非磁性層は、前記固定磁性体に隣接して配置される。前記自由磁性体は、前記双極子フィールド強磁性層から提供される面内磁場によって、外部磁場がなくてもスイッチングされる。
【0186】
図１５ないし図２２及び図１３に示すように、前記第１導電パターン１１０は、順に積層された第１導電パターン非磁性層及び第１導電パターン磁性層を含み、前記第１導電パターン磁性層は、面内磁化方向成分を含む。
【0187】
図１５ないし図２２及び図１４に示すように、前記第１導電パターン１１０は、順に積層された第１導電パターン磁性層及び第１導電パターン非磁性層を含み、前記第１導電パターン磁性層と前記自由磁性体との間に配置された非磁性層を含む。
【0188】
上記のように、本発明を特定の好ましい実施例に対して図示して説明したが、本発明はこのような実施例に限られず、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で行うことができる多様な形態の実施例を全て含む。
【符号の説明】
【0189】
１１０ 導線又は第１導電パターン１２０ 自由磁性体
１３０ 絶縁体
１４０ 固定磁性体