JP2012504348A - 補償素子を有するｓｔｒａｍ - Google Patents

Abstract

補償素子を有するスピン転移トルクメモリが開示される。スピン転移トルクメモリユニットは、合成反強磁性リファレンス素子と、合成反強磁性補償素子と、合成反強磁性リファレンス素子と合成反強磁性補償素子との間の自由磁化層と、自由磁化層を合成反強磁性リファレンス素子から分離する電気的絶縁および非磁性トンネリングバリア層とを含む。自由磁化層は、１１００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きな飽和モーメント値を有する。

Description

背景
広がるコンピュータおよび携帯／通信産業の急速な成長は、高容量の不揮発性ソリッドステートデータ記憶素子に対する爆発的な需要を生み出している。不揮発性メモリ、特にフラッシュメモリは、ＤＲＡＭに代わりメモリ市場の最大のシェアを占めると考えられている。しかしながらフラッシュメモリは、遅いアクセス速度（〜ｍｓの書込および〜５０−１００ｎｓの読出）、制限された耐久性（〜１０³−１０⁴のプログラミング回数）、およびシステムオンチップ（ＳｏＣ）に集積化することの難しさといったような、いくつかの欠点を有する。フラッシュメモリ（ＮＡＮＤまたはＮＯＲ）は、また、３２ｎｍノード、および、それより先での重要なスケーリング問題に直面する。

磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、将来の不揮発性および普遍のメモリに対する別の有望な候補である。ＭＲＡＭは、不揮発性、高い書込／読出速度（＜１０ｎｓ）、ほとんど制限のないプログラミング耐久性（＞１０¹⁵サイクル）、および待機電力が０であるという特徴を有する。ＭＲＡＭの基本的な構成要素は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）である。データの記憶は、高抵抗状態と低抵抗状態との間でＭＴＪの抵抗を切換えることによって実現される。ＭＲＡＭは、ＭＴＪの磁化を切換えるための、電流で誘起された磁場を用いることによってＭＴＪ抵抗を切換える。ＭＴＪのサイズが縮小されるにつれて切換磁場の大きさが増大し、切換の変動がより厳しくなる。すなわち、発生した高い電力消費が従来のＭＲＡＭのスケーリングを制限する。

近年、スピン偏極電流で誘起された磁化の切換に基づく新しい書込機構がＭＲＡＭの設計に導入された。スピン転移トルクＲＡＭ（ＳＴＲＡＭ）と呼ばれるこの新しいＭＲＡＭ設計は、ＭＴＪを流れる（双方向の）電流を用いて抵抗の切換を実現する。すなわち、ＳＴＲＡＭの切換機構は局所的に制約されて、ＳＴＲＡＭは従来のＭＲＡＭよりも優れたスケーリング特性を有すると考えられる。

しかしながらＳＴＲＡＭが製造段階に入る前には、歩留まりを制限する多数の要因が克服されなければならない。従来のＳＴＲＡＭ設計における１つの懸念事項は、ＳＴＲＡＭセルの自由層の間での厚みのトレードオフである。より厚い自由層は熱安定性とデータ保持力とを改善するが、スイッチング電流が自由層の厚みに比例するためにスイッチング電流の必要量も増大させる。したがって、ＳＴＲＡＭセルを抵抗データ状態の間で切換えるために要求される電流の量が大きくなる。

簡単な要約
本開示は、補償素子を含むスピン転移トルクメモリユニットに関する。

１つの特定の実施形態において、スピン転移トルクメモリユニットは、合成反強磁性リファレンス素子と、合成反強磁性補償素子と、合成反強磁性リファレンス素子と合成反強磁性補償素子との間の自由磁化層と、自由磁化層を合成反強磁性リファレンス素子から分離する、電気的絶縁および非磁性トンネリングバリア層とを含む。自由磁化層は、１１００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい飽和モーメント値を有する。

これらのおよびさまざまな他の特徴ならびに利点は、以下に続く詳細な説明を読むことから明らかとなるであろう。

本開示は、添付の図面と関連して、以下に続く本開示のさまざまな実施形態の詳細な説明を考慮することで、より完全に理解され得る。

低抵抗状態の例示的な磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の断面概略図である。 高抵抗状態の例示的なＭＴＪの断面概略図である。 例示的なスピン転移トルクメモリユニットの概略図である。 例示的な、不均一な電気的絶縁および電子的反射層の概略的な断面図である。 別の例示的な、不均一な電気的絶縁および電子的反射層の概略的な断面図である。 多層反射層を含む例示的なスピン転移トルクメモリユニットの概略図である。 多層反射層とさらなるスペーサ層とを含む、別の例示的なスピン転移トルクメモリユニットの概略図である。

図面は縮尺の必要がない。図面で用いられる同様の符号は同様の要素を参照する。しかしながら、特定の図面中の要素を参照するために符号を使用することが、別の図面において同じ符号が付された要素を制限することを意図するものではないということが理解されるであろう。

詳細な説明
以下の説明において、説明の一部を形成する添付の図面の組が参照され、図面においては、図示によって、いくつかの特定の実施形態が示される。他の実施形態が意図されるとともに、本開示の範囲または精神から逸脱することなくなされ得るということが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は限定する意味で解釈されるべきではない。本明細書で与えられる定義は、本明細書で頻繁に用いられる特定の用語の理解を容易にするためのものであり、本開示の範囲を制限することを意味するものではない。

それ以外が示されていなければ、明細書および特許請求の範囲で用いられるフィーチャ（feature）のサイズ、量および物理特性を表わすすべての数は、「約（about）」との用語によって、すべての例において変更されるということが理解されるべきである。したがって、逆に示されていなければ、上述の明細書および添付の特許請求の範囲において説明される数値パラメータは近似であって、その近似は、本明細書に開示された教示を利用する当業者によって取得されることが目指される所望の特性に依存して変化し得る。

端点による数値範囲の記述は、その範囲内に包含されるすべての数（たとえば１から５は、１，１．５，２，２．７５，３，３．８０，４．５を含む）およびその範囲内の任意の範囲を含む。

この明細書および添付の特許請求の範囲において用いられるように、単数形「ａ」、「an」、「the」は、その内容が明らかにそれ以外を示さない限りは、複数の対象を有する実施形態を包含する。この明細書および添付の特許請求の範囲において用いられるように、「または（or）」との用語は、その内容が明らかにそれ以外を示さない限りは、概して「および／または（and/or）」を含む意味において用いられる。

本開示は、補償素子を含むスピン転移トルクメモリ（ＳＴＲＡＭ）に関連する。ＳＴＲＡＭは、リファレンス層と、高Ｍｓ（すなわち飽和モーメント）自由層と、追加オフセット場補償層と、反射性であり得る絶縁層とを含む。反射絶縁層は、自由層におけるスピン電流効率を高めることができる。開示されたＳＴＲＡＭ構造は、高い熱安定性を維持するための高Ｍｓ自由層と、低スイッチング電流を維持するための絶縁反射スペーサと、リファレンス層からの中間層結合を補償するための補償固定層とを用いる。補償層の導入の後、静的な場が取除かれ、したがって平衡したリファレンスおよび補償層が用いられ得る。オフセット場は、固有中間層結合にのみ依存する。オフセット場の変動は最小化され得る。開示されたＳＴＲＡＭ構造は、熱障壁エネルギを増大させること、スイッチング電流を減少させること、そして、オフセット場とその変動とを減少させることができる。このようにして、低いスイッチング電流と、高い熱安定性と、大きな信号と、小さなオフセット場と、オフセット場の小さな変動とは、開示されたＳＴＲＡＭ構造によって達成し得る。この開示において、熱エネルギ障壁を大きく増大させるために、１１００ｅｍｕ／ｃｃより大きな、高いＭｓを有する自由層が用いられ、したがって、自由層の大きなアスペクト比が不要となる。本開示は特に限定されるものではないが、以下に与えられる例の議論を通じて、本開示のさまざまな局面の理解が得られるであろう。

図１は、低抵抗状態における例示的な磁気トンネル接合（ＭＴＪ）セル１０の断面概略図であり、図２は、高抵抗状態における例示的なＭＴＪセル１０の断面の概略図である。ＭＴＪセルは、高抵抗状態と低抵抗状態との間で切換可能な任意のメモリセルであり得る。多くの実施形態において、本明細書で記述される可変抵抗性メモリセルは、スピン転移トルクメモリセルである。

ＭＴＪセル１０は、強磁性自由層１２と、強磁性リファレンス（すなわち固定された）層１４とを含む。強磁性自由層１２と強磁性リファレンス層１４とは酸化バリア層１３またはトンネリングバリア層によって分離される。第１の電極１５は強磁性自由層１２と電気的に接触し、第２の電極１６は、強磁性リファレンス層１４と電気的に接触している。強磁性層１２，１４は、たとえば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのような任意の実用的な強磁性（ＦＭ）合金からなり得て、絶縁トンネリングバリア層１３は、たとえば酸化物材料（たとえばＡｌ₂Ｏ₃またはＭｇＯ）のような電気的絶縁材料からなり得る。他の適切な材料もまた用いられ得る。

電極１５，１６は、強磁性層１２，１４を流れる読出電流および書込電流を与える制御回路に、強磁性層１２，１４を電気的に接続する。ＭＴＪセル１０の抵抗は、強磁性層１２，１４の磁化ベクトルの相対的な方向または磁化方向によって決定される。強磁性リファレンス層１４の磁化方向は所定の方向に固定される一方で、強磁性自由層１２の磁化方向はスピントルクの影響下で自由に回転する。強磁性リファレンス層１４の固定は、たとえば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎおよびその他のような反強磁性に秩序付けられた材料での交換バイアスの使用を通じて達成され得る。

図１は、低抵抗状態でのＭＴＪセル１０を示し、低抵抗状態では、強磁性自由層１２の磁化方向が強磁性リファレンス層１４の磁化方向と平行であり同じ方向である。これは、低抵抗状態または「０」データ状態と呼ばれる。図２は、高抵抗状態でのＭＴＪセル１０を示し、高抵抗状態では、強磁性自由層１２の磁化方向が強磁性リファレンス層１４の磁化方向と反平行であり逆方向にある。これは高抵抗状態または「１」データ状態と呼ばれる。

ＭＴＪセル１０の磁気層を通る電流がスピン偏極されて、ＭＴＪセル１０の自由層１２にスピントルクを与える場合に、スピン転移を通じて、ＭＴＪセル１０の抵抗状態、したがってデータ状態を切換えることが起こる。十分なスピントルクが自由層１２に与えられた場合、自由層１２の磁化方向は、２つの反対方向の間で切換わり得て、したがって、電流の方向に応じて、ＭＴＪセル１０が平行状態（すなわち低抵抗状態または「０」データ状態）と反平行状態（すなわち高抵抗状態または「１」データ状態）との間で切換わり得る。

例示的なスピン転移トルクＭＴＪセル１０は、固定された磁気層１４に対する自由磁化層１２の相対的な磁化状態を変化させることによって、データビットが磁気トンネル接合セルに記憶される場合に、複数の可変抵抗メモリセルを含むメモリデバイスを構築するために用いられ得る。記憶されたデータビットは、セルの抵抗を測定することによって読出され得るが、セルの抵抗は、固定された磁気層に対する自由層の磁化方向によって変化する。スピン転移トルクＭＴＪセル１０が不揮発性ランダムアクセスメモリの特性を有するために、自由層はランダムな変動に対して熱安定性を示し、その結果、自由層の方向は、そのような変化が生じるようにそれが制御された場合のみ変化する。この熱安定性は、たとえばビットサイズ、形状および結晶異方性といった異なる方法を用いることによる磁気異方性によって達成し得る。さらなる異方性が、交換または磁場のいずれかを通じた、他の磁気層との磁気結合を通じて得られ得る。一般的に、異方性は、薄い磁気層において容易軸（soft axis）と困難軸（hard axis）とを形成する。困難軸と容易軸とは、通常では磁場の形をとる外部エネルギの大きにより定義され、外部エネルギは、より高い飽和磁場を要求する困難軸により、磁化の方向をその方向に完全に回転させる（飽和させる）ことが必要とされる。

図３は、例示的なスピン転移トルクメモリユニット２０の概略図である。スピン転移トルクメモリユニット２０は、自由磁化素子または層ＦＬと、リファレンス磁気素子または層ＲＬと、電気的絶縁および非磁性トンネリングバリア層ＴＢとを含み、トンネリングバリア層ＴＢは、多層自由磁化層ＦＬをリファレンス磁気層ＲＬから分離する。スピン転移トルクメモリユニット２０は、さらに、補償層ＣＬと、その補償層ＣＬを自由磁化層ＦＬから分離する電気的絶縁層ＩＬとを含む。補償層ＣＬとリファレンス磁気層ＲＬとは単一の層として示されているが、補償層ＣＬとリファレンス磁気層ＲＬとは、図５および図６に示されるように多層構造であってもよいことが理解される。

補償層ＣＬの磁化モーメントはリファレンス層ＲＬの磁化モーメントと反対である。リファレンス層ＲＬと結合する中間層は、補償層ＣＬと結合する中間層によって補償される。正味の結合場がほぼ０になり得るので、リファレンス層ＲＬと補償層ＣＬとの両方からの静的な場は除かれ得る。静的な場はサイズに依存し、中間層結合はサイズに依存しないので、オフセット場の変動が最小化され得る。

リファレンス磁気層ＲＬは、上記のように、０．５よりも大きい、許容できるスピン偏極範囲を有する任意の実用的な強磁性材料であり得る。自由磁化層ＦＬは、許容できる異方性と、１１００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい、または１５００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい飽和モーメント（すなわちＭｓ）値とを有する任意の強磁性材料であり得る。ｅｍｕは、磁気双極子モーメントの電磁気的単位を示し、ｃｃは立方センチメートルを示す。多くの実施形態において、自由磁化層ＦＬはＣｏ_100-X-YＦｅ_XＢ_Yであり、Ｘは３０よりも大きな値であり、Ｙは１５よりも大きな値である。

補償層ＣＬは、０．２から０．９までの、許容できるスピン偏極範囲を有する任意の実用的な強磁性材料であり得る。電気的絶縁層ＩＬは、任意の実用的な電気絶縁性材料であり得る。いくつかの実施形態において、電気的絶縁層ＩＬは、電子的および電気的に絶縁し、電子的に反射する層である。１つの実施形態において、自由層ＦＬ−電気的絶縁層ＩＬ−補償層ＣＬからのスピン偏極は、０．４未満である。

電気的絶縁および電子的反射層は、薄い酸化物層または窒化物層であり得るとともに、たとえばＭｇＯ，ＳｉＯ，ＴｉＯ，ＡｌＯ，ＴａＯ，ＮｉＯ，ＴａＮまたはＡｌＮのような、任意の実用的な電気的絶縁および電子的反射材料から形成され得る。電気的絶縁および電子的反射層の厚みは３〜１５オングストロームの範囲内、または５〜１５オングストロームの範囲内であり得る。電気的絶縁および電子的反射層は、１〜５０オームμｍ²または１〜２０オームμｍ²の面積抵抗を有し得る。

電気的絶縁および電子的反射層は、電子の少なくとも一部を自由磁化層ＦＬに反射可能であるとともに、電子の少なくとも一部を電気的絶縁および電子的反射層を通過させる。これらの反射した電子はスピン電流効率を高めることができ、平行状態（すなわち低抵抗状態または「０」データ状態）と反平行状態（すなわち高抵抗状態または「１」データ状態）との間でメモリユニット２０を切換えるために、磁束閉鎖された（flux-closed）スピン転移トルクメモリユニット２０に印加されることが必要な電流の量を、効果的に減少させる。すなわち、電気的絶縁および電子的反射層は、スピン電子を反射してスピン電流効率を高めることが可能であるので、スイッチング電流は大きく減少し得る。

第１の電極層Ｅ１と第２の電極層Ｅ２とは、２つの反対方向の間で多層自由磁化層ＦＬの磁化方向を切換えることが可能な電子の流れを提供し、したがって、上記のように、スピン転移トルクメモリユニット２０は、電流の方向に依存して平行状態（すなわち低抵抗状態または「０」データ状態）と反平行状態（すなわち高抵抗状態または「１」データ状態）との間で切換わり得る。

いくつかの実施形態において、電気的絶縁および電子的反射層ＩＬは、不均一な厚みを有し得る。これに起因する傾斜電流は、スピン効率をさらに増加させて、スイッチング電流をさらに減少させる。不均一な、電気的絶縁および電子的反射層ＩＬはまた、直列抵抗を減少して出力信号を維持することを可能にする。不均一な、電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの２つの実施形態が示されるとともに以下に説明されているが、任意の不均一な電気的絶縁および電子的反射層ＩＬ構造がこの開示の範囲内であることが理解される。

図４Ａは、例示的な、不均一な電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの概略断面図である。不均一な厚みを有する電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの、この図示された実施形態において、電気的絶縁および電子的反射層ＥＲは対向する主表面Ｓ１およびＳ２を有し、主表面Ｓ１およびＳ２は、ピークと谷とを定義するとともに、複数の異なる厚みＴ１，Ｔ２およびＴ３を有する電気的絶縁および電子的反射層ＩＬを提供する。電流は、電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの厚み方向に沿って、対向する平坦ではない主表面Ｓ１およびＳ２を通る。

図４Ｂは、別の例示的な不均一な電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの概略断面図である。不均一な厚みを有する電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの、この図示された実施形態において、電気的絶縁および電子的反射層ＩＬは対向する平坦な主表面Ｓ１およびＳ２を有する。対向する平坦な主表面Ｓ１およびＳ２は、第１の厚みＴ１、および低下した第２の厚みとを有する、連続的に傾斜した電気的絶縁および電子的反射層ＩＬを定義する。電流は、電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの厚み方向に沿って、対向する平坦ではない主表面Ｓ１およびＳ２を通る。

図５は、別の例示的なスピン転移トルクメモリユニット３０の概略図である。この実施形態は、補償層ＣＬが合成反強磁性補償素子ＣＬであり、リファレンス層ＲＬが合成反強磁性リファレンス素子ＲＬである点を除いては図３と同様である。

スピン転移トルクメモリユニット３０は、自由磁化層ＦＬと、合成反強磁性リファレンス磁気素子ＲＬと、上記のように、自由磁化層ＦＬを合成反強磁性リファレンス磁気素子ＲＬから分離する電気的絶縁および非磁性トンネリングバリア層ＴＢとを含む。電気的絶縁層ＩＬは、合成反強磁性補償素子ＣＬを自由磁化層ＦＬから分離する。

合成反強磁性リファレンス素子ＲＬは、第１の強磁性層ＦＭ１と、第１のスペーサ層ＳＰ１によって分離された第２の強磁性層ＦＭ２と、第２のスペーサ層ＳＰ２によって第２の強磁性層ＦＭ２から分離された第３の強磁性層ＦＭ３とを含む。第１の強磁性層ＦＭ１と、第２の強磁性層ＦＭ２と、第３の強磁性層ＦＭ３とは互いに反強磁性結合される。第１の反強磁性層ＡＦＭ１は、第１の強磁性層ＦＭ１と隣接する。第１の強磁性層ＦＭ１と、第２の強磁性層ＦＭ２と、第３の強磁性層ＦＭ３とは、０．５より大きいスピン偏極を有する強磁性材料から形成される。

合成反強磁性補償素子ＣＬは、第４の強磁性層ＦＭ４と、第３のスペーサ層ＳＰ３によって分離された第５の強磁性層ＦＭ５とを含む。第４の強磁性層ＦＭ４と第５の強磁性層ＦＭ５とは互いに反強磁性結合される。第２の反強磁性層ＡＦＭ２は、第５の強磁性層ＦＭ５と隣接する。第４の強磁性層ＦＭ４と、第５の強磁性層ＦＭとは、０．２から０．９までの範囲内のスピン偏極を有する強磁性材料から形成される。自由層ＦＬ−電気的絶縁層ＩＬ−補償層ＣＬからのスピン偏極は０．４未満である。

スペーサ層ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３は、たとえばＲｕ，ＰｄまたはＣｒのような任意の実用的な導電性および非磁性材料であり得る。反強磁性層ＡＦＭ１およびＡＦＭ２は、たとえば、ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎおよびその他のような反強磁性的に秩序付けられた材料での交換バイアスの使用を通じて、強磁性層を固定する。

開示されたスピン転移トルクメモリユニットおける合成反強磁性素子の使用には多くの利点が存在する。いくつかの利点は、自由層の静的な場が減少されること、リファレンス層の熱安定性が改善されること、および、中間層拡散（interlayer diffusion）が減少されるということを含む。

自由磁化層ＦＬは、許容できる異方性と、１１００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい、または１５００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい飽和モーメント（すなわちＭｓ）値とを有する任意の強磁性材料であり得る。多くの実施形態において、自由層ＦＬはＣｏ_100-X-YＦｅ_XＢ_Yであり、Ｘは３０よりも大きい値であり、Ｙは１５よりも大きな値である。

電気的絶縁層ＩＬは、任意の実用的な電気的絶縁性材料であり得る。いくつかの実施形態において、上記のように、電気的絶縁層ＩＬは電気的絶縁および電子的反射層である。

第１の電極層Ｅ１と第２の電極層Ｅ２とは、２つの反対方向の間で多層自由磁化層ＦＬの磁化方向を切換えることが可能な電子の流れを提供し、したがって上記のように、スピン転移トルクメモリユニット２０は、電流の方向に依存して、平行状態（すなわち低抵抗状態または「０」データ状態）と反平行状態（すなわち高抵抗状態または「１」データ状態）との間で切換わり得る。

図６は、別の例示的なスピン転移トルクメモリユニット４０の概略図である。この実施形態は、第４のスペーサ層ＳＰ４が、補償する第４の強磁性層ＦＭ４を電気的絶縁層ＩＬから分離する点を除いて図５と同様である。第４のスペーサ層ＳＰ４は、Ｔａ，Ｃｕ，Ａｌ，ＭｇまたはＡｕのような導電性および非強磁性材料である。第４のスペーサ層ＳＰ４は、補償素子ＣＬの中間層結合の制御に役立つ。

スピン転移トルクメモリユニット３０は、自由磁化層ＦＬと、合成反強磁性リファレンス磁気素子ＲＬと、上記のように、自由磁化素子ＦＬを合成反強磁性リファレンス磁気素子ＲＬから分離する電気的絶縁および非磁性トンネリングバリア層ＴＢとを含む。電気的絶縁層ＩＬと第４のスペーサ層ＳＰ４とは合成反強磁性補償素子ＣＬを自由磁化層ＦＬから分離する。

合成反強磁性リファレンス素子ＲＬは、第１の強磁性層ＦＭ１と、第１のスペーサ層ＳＰ１によって分離された第２の強磁性層ＦＭ２と、第２のスペーサ層ＳＰ２によって第２の強磁性層ＦＭ２から分離された第３の強磁性層ＦＭ３とを含む。第１の強磁性層ＦＭ１と、第２の強磁性層ＦＭ２と、第３の強磁性層ＦＭ３とは互いに反強磁性結合される。第１の反強磁性層ＡＦＭ１は、第１の強磁性層ＦＭ１と隣接する。第１の強磁性層ＦＭ１と、第２の強磁性層ＦＭ２と、第３の強磁性層ＦＭ３とは、０．５より大きいスピン偏極を有する強磁性材料から形成される。

合成反強磁性補償素子ＣＬは、第４の強磁性層ＦＭ４と、第３のスペーサ層ＳＰ３によって分離された第５の強磁性層ＦＭ５とを含む。第４の強磁性層ＦＭ４と第５の強磁性層ＦＭ５とは互いに反強磁性結合される。第２の反強磁性層ＡＦＭ２は、第５の強磁性層ＦＭ５と隣接する。第４の強磁性層ＦＭ４と、第５の強磁性層ＦＭとは、０．２から０．９までの範囲内のスピン偏極を有する強磁性材料から形成される。自由磁化層ＦＬ−電気的絶縁および電子的反射層ＩＬ−合成反強磁性補償層ＣＬからのスピン偏極は０．４未満である。

スペーサ層ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３は、たとえばＲｕ，ＰｄまたはＣｒのような任意の実用的な導電性および非磁性材料であり得る。反強磁性層ＡＦＭ１およびＡＦＭ２は、たとえば、ＰｔＭｎ，ＩｒＭｎおよびその他のような反強磁性的に秩序付けられた材料での交換バイアスの使用を通じて、強磁性層を固定する。

開示されたスピン転移トルクメモリユニットにおける合成反強磁性素子の使用には多くの利点が存在する。いくつかの利点は、自由層の静的な場が減少されること、リファレンス層の熱安定性が改善されること、および、中間層拡散が減少されるということを含む。

自由磁化層ＦＬは、許容できる異方性と、１１００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい、または１５００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい飽和モーメント（すなわちＭｓ）値とを有する任意の強磁性材料であり得る。多くの実施形態において、自由磁化層ＦＬは、Ｃｏ_100-X-YＦｅ_XＢ_Yであり、Ｘは３０よりも大きい値であり、Ｙは１５よりも大きな値である。

電気的絶縁層ＩＬは、任意の実用的な電気的絶縁性材料であり得る。いくつかの実施形態において、上記のように、電気的絶縁層ＩＬは電子的電気的絶縁および電子的反射層である。

第１の電極層Ｅ１と第２の電極層Ｅ２とは、２つの反対方向の間で多層自由磁化層ＦＬの磁化方向を切換えることが可能な電子の流れを提供し、したがって上記のように、スピン転移トルクメモリユニット２０は、電流の方向に依存して、平行状態（すなわち低抵抗状態または「０」データ状態）と反平行状態（すなわち高抵抗状態または「１」データ状態）との間で切換わり得る。

このように、「補償素子を有するＳＴＲＡＭ」の実施形態が開示される。上記の実施および他の実施は以下の特許請求の範囲の範囲内にある。当業者は、開示されたもの以外の実施形態により、本開示が実現され得ることを理解するであろう。開示された実施形態は、図示および制限しない目的のために提示され、本発明は以下に続く特許請求の範囲によってのみ制限される。

図４Ｂは、別の例示的な不均一な電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの概略断面図である。不均一な厚みを有する電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの、この図示された実施形態において、電気的絶縁および電子的反射層ＩＬは対向する平坦な主表面Ｓ１およびＳ２を有する。対向する平坦な主表面Ｓ１およびＳ２は、第１の厚みＴ１、および低下した第２の厚みとを有する、連続的に傾斜した電気的絶縁および電子的反射層ＩＬを定義する。電流は、電気的絶縁および電子的反射層ＩＬの厚み方向に沿って、対向する平坦な主表面Ｓ１およびＳ２を通る。

スピン転移トルクメモリユニット４０は、自由磁化層ＦＬと、合成反強磁性リファレンス磁気素子ＲＬと、上記のように、自由磁化素子ＦＬを合成反強磁性リファレンス磁気素子ＲＬから分離する電気的絶縁および非磁性トンネリングバリア層ＴＢとを含む。電気的絶縁層ＩＬと第４のスペーサ層ＳＰ４とは合成反強磁性補償素子ＣＬを自由磁化層ＦＬから分離する。

第１の電極層Ｅ１と第２の電極層Ｅ２とは、２つの反対方向の間で多層自由磁化層ＦＬの磁化方向を切換えることが可能な電子の流れを提供し、したがって上記のように、スピン転移トルクメモリユニット４０は、電流の方向に依存して、平行状態（すなわち低抵抗状態または「０」データ状態）と反平行状態（すなわち高抵抗状態または「１」データ状態）との間で切換わり得る。

Claims (20)

1. スピン転移トルクメモリユニットであって、
   合成反強磁性リファレンス素子と、
   合成反強磁性補償素子と、
   前記合成反強磁性リファレンス素子と前記合成反強磁性補償素子との間の自由磁化層とを備え、前記自由磁化層は、１１００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい飽和モーメント値を有し、
   前記自由磁化層を前記合成反強磁性リファレンス素子から分離する電気的絶縁および非磁性トンネリングバリア層と、
   前記合成反強磁性補償素子を前記自由磁化層から分離する電気的絶縁層とをさらに備える、スピン転移トルクメモリユニット。
2. 前記自由磁化素子は、１５００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい飽和モーメント値を有する、請求項１に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
3. 前記自由磁化素子は、Ｃｏ_100-X-YＦｅ_XＢ_Yを備え、Ｘは３０より大きな値であり、Ｙは１５より大きな値である、請求項１に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
4. 前記電気的絶縁層は、３オングストロームから１５オングストロームまでの範囲内の厚みを有する、請求項１に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
5. 前記電気的絶縁層は、電気的絶縁および電子的反射層である、請求項４に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
6. 前記合成反強磁性補償素子と前記電気的絶縁層との間に配置された導電性および非強磁性スペーサ層をさらに備える、請求項４に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
7. 前記合成反強磁性補償素子は、Ｒｕ，ＰｄまたはＣｒのスペーサ層を備え、前記非強磁性スペーサ層は、Ｔａ，Ｃｕ，Ａｌ，ＭｇまたはＡｕを備える、請求項６に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
8. 前記電気的絶縁および電子的反射層は、ＴａＯ，ＡｌＯ，ＭｇＯ，ＳｉＯ，ＴｉＯ，ＮｉＯ，ＴａＮまたはＡｌＮを備えるとともに、１〜５０オームμｍ²の範囲内にある面積抵抗値を有する、請求項５に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
9. スピン転移トルクメモリユニットであって、
   合成反強磁性リファレンス素子と、
   合成反強磁性補償素子と、
   前記合成反強磁性リファレンス素子と前記合成反強磁性補償素子との間の自由磁化層と、
   前記自由磁化層を前記合成反強磁性リファレンス素子から分離する電気的絶縁および非磁性トンネリングバリア層と、
   ３オングストロームから１５オングストロームまでの範囲内の厚みを有し、前記合成反強磁性補償素子と前記自由磁化層との間にある電気的絶縁および電子的反射層とを備える、スピン転移トルクメモリユニット。
10. 前記電気的絶縁および電子的反射層は、ＴａＯ，ＡｌＯ，ＭｇＯ，ＳｉＯ，ＴｉＯ，ＮｉＯ，ＴａＮまたはＡｌＮを備えるとともに、１〜５０オームμｍ²の範囲内にある面積抵抗値を有する、請求項９に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
11. 前記合成反強磁性補償素子と前記電気的絶縁および電子的反射層との間に配置された導電性および非強磁性スペーサ層をさらに備える、請求項９に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
12. 前記合成反強磁性補償素子は、Ｒｕ，ＰｄまたはＣｒのスペーサ層を備え、前記非強磁性スペーサ層は、Ｔａ，Ｃｕ，Ａｌ，ＭｇまたはＡｕを備える、請求項１１に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
13. 前記自由磁化素子は、１１００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい飽和モーメント値を有する、請求項９に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
14. 前記自由磁化素子は、Ｃｏ_100-X-YＦｅ_XＢ_Yを備え、Ｘは３０より大きな値であり、Ｙは１５より大きな値である、請求項１に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
15. 前記合成反強磁性リファレンス素子は、互いに反強磁性結合された、第１の強磁性層と、第２の強磁性層と、第３の強磁性層とを備え、第１のスペーサ層は、前記第１および第２の強磁性層を分離し、第２のスペーサ層は、前記第２および第３の強磁性層を分離し、第１の反強磁性層は前記第１の強磁性層に隣接し、前記第１、第２および第３の強磁性層は、０．５よりも大きいスピン偏極を有する強磁性材料を備える、請求項９に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
16. 前記合成反強磁性補償素子は、互いに反強磁性結合された第４の強磁性層と第５の強磁性層とを備え、第３のスペーサ層は前記第４および第５の強磁性層を分離し、第２の反強磁性層は、前記第５の強磁性層に隣接し、前記第４および第５の強磁性層は、０．２から０．９までの範囲内にあるスピン偏極を有する強磁性材料を備え、前記自由磁化層／電気的絶縁および電子的反射層／合成反強磁性補償素子からのスピン偏極は０．４未満である、請求項１５に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
17. スピン転移トルクメモリユニットであって、
    合成反強磁性リファレンス素子と、
    合成反強磁性補償素子と、
    前記合成反強磁性リファレンス素子と前記合成反強磁性補償素子との間の自由磁化層とを備え、前記自由磁化素子は、１１００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい飽和モーメント値を有し、
    前記自由磁化層を前記合成反強磁性リファレンス素子から分離する電気的絶縁および非磁性トンネリングバリア層と、
    ３オングストロームから１５オングストロームまでの範囲内の厚みを有し、前記合成反強磁性補償素子と前記自由磁化層との間にある電気的絶縁および電子的反射層と、
    前記合成反強磁性補償素子と前記電気的絶縁および電子的反射層との間に配置された導電性および非強磁性スペーサ層とを備える、スピン転移トルクメモリユニット。
18. 前記合成反強磁性補償素子は、Ｒｕ，ＰｄまたはＣｒのスペーサ層を備え、前記非強磁性スペーサ層は、Ｔａ，Ｃｕ，Ａｌ，ＭｇまたはＡｕを備える、請求項１７に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
19. 前記自由磁化素子は、１５００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きい飽和モーメント値を有する、請求項１７に記載のスピン転移トルクメモリユニット。
20. 前記合成反強磁性リファレンス素子は、０．５よりも大きいスピン偏極を有し、前記自由磁化層／電気的絶縁および電子的反射層／合成反強磁性補償素子からのスピン偏極は０．４未満である、請求項１７に記載のスピン転移トルクメモリユニット。

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