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磁性体とＢｉＳｂの積層構造の製造方法、磁気抵抗メモリ、純スピン注入源

国内特許コード	P200017314
整理番号	(S2017-0902-N0)
掲載日	2020年12月2日
出願番号	特願2019-542310
出願日	平成30年9月14日(2018.9.14)
国際出願番号	JP2018034191
国際公開番号	WO2019054484
国際出願日	平成30年9月14日(2018.9.14)
国際公開日	平成31年3月21日(2019.3.21)
優先権データ	特願2017-177564 (2017.9.15) JP
発明者	ファムナムハイゲィンフンユィカン
出願人	国立大学法人東京工業大学
発明の名称	磁性体とＢｉＳｂの積層構造の製造方法、磁気抵抗メモリ、純スピン注入源
発明の概要	磁気抵抗メモリのセル２は、磁化自由層１２を含むＭＴＪ素子１０と純スピン注入源２０を備える。純スピン注入源２０は、磁化自由層１２と接続されるＢｉＳｂ層を含む。ＢｉＳｂ層に面内電流を流すことにより磁化自由層１２の磁化反転が可能である。
従来技術、競合技術の概要	近年、消費電力が少ない不揮発性メモリの開発が盛んに行われており、中でも磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）は大変有望視されている。ＭＲＡＭは不揮発性に加えて、１０ｎｓ級の高速動作、極めて高い耐久性（書き込み回数１０^１６回以上）など、大変優れた特性を示す。従って、ＭＲＡＭを主メモリだけでなく、集積回路に不揮発性メモリとして内蔵すれば、パワーゲーティング効果により集積回路の消費電力を９割削減できると期待される。第一世代のＭＲＡＭのメモリ素子（ＭＴＪ：磁気トンネル接合）では、磁場による磁化反転法が用いられた。しかし、磁場による磁化反転はエネルギー消費量が大きかった。２０００年台に第二世代の書き込み技術として、スピン注入磁化反転法が研究開発され、２０１２年ごろから実用化されている。スピン注入磁化反転技術では、ＭＴＪ素子の固定磁性層から自由磁性層にスピン偏極電流を注入し、スピントランスファートルク（ＳＴＴ：Spin transfer torque）によって、磁化反転を起こす。この技術を使うＭＲＡＭはＳＴＴ－ＭＲＡＭと呼ばれている。スピン注入磁化反転では、次のスピン流Ｉ_Ｓがスピン偏極電流によって注入される。スピン流Ｉ_Ｓは単位時間のスピン角運動量の流量である。Ｉ_Ｓ＝（ｈ_ｂａｒ／２ｅ）ＰＩｈ_ｂａｒ：プランク定数ｈ／２π ｅ：電気素量Ｉ：電流Ｐ：磁性電極材料のスピン分極率Ｐの上限は１であり、通常ではＰ～０．５程度である。この式から分かるように、スピン注入磁化反転技術では、スピン流が（ｈ_ｂａｒ／２ｅ）Ｉを超えることはない。これは、各電子がｈ_ｂａｒ／２のスピン角運動量しか運べない物理限界があるからである。ＭＲＡＭは不揮発性があり、待機中にはエネルギーを消費しないが、データを書き込みの時にＳＲＡＭなどのメモリよりもまだ１桁大きいエネルギーを消費してしまうという課題が残っている。また、大きな書き込み電流は大きな駆動トランジスタが必要であるため、ＭＲＡＭの容量を増やすことが困難である。図１は、純スピン流を用いた磁化反転方式の概要を説明する図である。強磁性層にスピン軌道相互作用が強い材料を接続させる。この層に電流Ｉを流すと、垂直方向に純スピン流Ｉ_Ｓが流れる。このような現象はスピンホール効果と呼ばれている。純スピン流密度Ｊ_Ｓと電流密度Ｊの間にＪ_Ｓ＝（ｈ_ｂａｒ／２ｅ）・θ_ｓｈＪという関係が成り立つ。ここで、θ_ｓｈはスピン軌道相互作用の強さを反映するパラメータで、スピンホール角と呼ばれている。これより、純スピン流Ｉ_ｓと電流Ｉの間に、次の関係が成り立つ。Ｉ_Ｓ＝（ｈ_ｂａｒ／２ｅ）・（Ｌ／ｔ_Ｎ）θ_ｓｈＩつまり、各電子が実効的に、（Ｌ／ｔ_Ｎ）θ_ｓｈのスピンを発生できる。もし、（Ｌ／ｔ_Ｎ）θ_ｓｈ ≫ １を実現できれば、通常のスピン注入磁化反転よりも純スピン流による磁化反転の方は効率が良いことが分かる。通常（Ｌ／ｔ_Ｎ）～５－１０であるため、θ_ｓｈ＞１のスピンホール材料を用いることができれば、ＭＲＡＭ素子の磁化反転に必要な電流および電力を１桁下げることができる。また、純スピン流注入磁化反転方式では、１桁ぐらい高速に磁化反転できるため、書き込みエネルギーを２桁削減できる。スピンホール効果による純スピン流注入を用いるＭＲＡＭはスピン軌道トルクＳＯＴ（Spin-orbit-torque）ＭＲＡＭと呼ばれている。
産業上の利用分野	本発明は、磁気抵抗メモリに関する。
特許請求の範囲	【請求項1】磁化自由層を含むＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子と、前記磁化自由層と接続されるＢｉＳｂ層を含む純スピン注入源と、を備え、前記ＢｉＳｂ層に面内電流を流し、前記磁化自由層の磁化反転が可能であることを特徴とする磁気抵抗メモリ。【請求項2】前記ＢｉＳｂ層は、結晶化していることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。【請求項3】前記ＢｉＳｂ層は（０１２）配向を有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗メモリ。【請求項4】前記ＢｉＳｂ層のトポロジカル表面状態を利用して、セルが２端子化されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁気抵抗メモリ。【請求項5】面内バイアス磁場の印加を行わないことを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗メモリ。【請求項6】磁気抵抗メモリの製造方法であって、磁化自由層を形成するステップと、ＢｉＳｂ層を含む純スピン注入源を形成するステップと、を備え、前記ＢｉＳｂ層は、基板温度２００～２５０℃の条件で製膜されることを特徴とする製造方法。【請求項7】磁性体とＢｉＳｂ層の積層構造の製造方法であって、前記ＢｉＳｂ層を、基板温度２００～２５０℃の条件で製膜することを特徴とする製造方法。する製造方法。【請求項8】前記ＢｉＳｂ層は（０１２）配向を有することを特徴とする請求項６または７に記載の製造方法。【請求項9】磁性体に純スピン流を注入する純スピン注入源であって、前記磁性体と接続されるＢｉＳｂ層を含み、前記ＢｉＳｂ層に流れる面内電流に応じて、前記磁性体に面直方向に純スピン流を供給することを特徴とする純スピン注入源。【請求項10】前記ＢｉＳｂ層は、結晶化していることを特徴とする請求項９に記載の純スピン注入源。【請求項11】磁化自由層を含むＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子と、前記磁化自由層と接続されるＢｉＳｂ層を含む純スピン注入源と、を備え、前記ＢｉＳｂ層が（０１２）配向を有し、四回対称の結晶構造の下地層が利用される磁気抵抗メモリ。
国際特許分類(IPC)	H01L 21/8239 メモリ構造 H01L 27/105 電界効果構成部品を含むもの H01L 29/82 装置に印加される磁界の変化によって制御可能なもの H01L 43/08 磁界制御抵抗 H01L 43/10 材料の選択
Fターム	4M119AA01 低消費電力 4M119AA05 高速化 4M119BB01 ＴＭＲ素子 4M119CC05 スピン注入磁化反転方式 4M119CC10 その他の磁化制御技術 4M119DD17 垂直磁化膜を用いたもの 4M119DD26 長方形 4M119DD33 ＭＩＳＦＥＴ 4M119EE03 書込専用配線が記憶素子の下にあるもの 4M119EE04 書込専用配線が記憶素子の上にあるもの 5F092AA03 高速化 5F092AA04 低消費電力化 5F092AC12 スピンバルブ型 5F092AC26 スピンホール効果素子 5F092AD03 基板主面膜面に垂直（ＣＰＰ含む） 5F092AD23 垂直磁化を利用するもの 5F092AD25 スピン注入により磁化を反転するもの 5F092BB22 Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのみの合金又は単体 5F092BB23 合金（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ系と他の金属） 5F092BB35 Ａｌ２Ｏ３ 5F092BB36 ＭｇＯ 5F092BB42 Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのみの合金又は単体 5F092BB43 合金（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ系と他の金属） 5F092BB55 電極 5F092BC03 固定層が自由層より上にあるもの 5F092BC04 自由層が固定層より上にあるもの
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出願権利状態	公開