JP2012504349A

JP2012504349A - 電子的反射性絶縁スペーサを有する磁束閉鎖ｓｔｒａｍ

Info

Publication number: JP2012504349A
Application number: JP2011529345A
Authority: JP
Inventors: チョン，イェンカイ; ディミトロフ，ディミタール
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: US7985994B2; US20110221016A1; KR20110079824A; WO2010037090A2; CN102216995B; EP2342716B1; EP2342716A2; US20130140659A1; US8362534B2; WO2010037090A3; US9041083B2; CN102216995A; JP5667982B2; KR101308605B1; US20100078742A1

Abstract

反射性絶縁スペーサを有する磁束閉鎖スピン注入トルクメモリが開示される。磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニットは、電気的絶縁電子的反射層を介して第２自由磁性層に反強磁性的に連結された第１自由磁性層を含む多層自由磁性素子を含む。電気的絶縁非磁性トンネリングバリヤ層は、自由磁性素子をリファレンス磁性層から隔てる。

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、磁気トンネリング接合（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。スピン注入トルク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。自由層が厚くなるにつれ熱安定性とデータ保持力とが改善するが、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する。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、反射性絶縁スペーサを含む磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニットに関連する。反射性絶縁スペーサは、電気的絶縁電子的反射層とも呼ばれる。電気的絶縁電子的反射層は、スピン電子を自由層にはね返し、自由層の磁化方向の切り替えを支援し、それによって、スピン注入トルクメモリユニットに対して要求されるスイッチング電流を低減する。

ある特定の実施例において、反射性絶縁スペーサを有する磁束閉鎖スピン注入トルクメモリが開示される。磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニットは、電気的絶縁電子的反射層を介して第２自由磁性層に反強磁性的に連結された第１自由磁性層を含む多層自由磁性素子を含む。電気的絶縁非磁性トンネリングバリア層は、第１磁性素子をリファレンス磁性層から隔てる。

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。

図面の簡単な説明
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リング接合（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。例示的なスピン注入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電子的反射層の概略的な断面図である。多層リファレンス層を含む例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニットの概略図である。スペーサ層を含む例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニットの概略図である。スペーサ層および多層リファレンス層を含む例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニットの概略図である。スペーサ層および第２反射性スペーサ層を含む例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニットの概略図である。スペーサ層、多層リファレンス層、および、第２反射性スペーサ層を含む例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニットの概略図である。

図面は、必ずしも一定に比率の縮尺ではない。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形状、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、反射性絶縁スペーサを含む磁束閉鎖スピン注入トルクメモリに関連する。反射性絶縁スペーサは、電気的絶縁電子的反射層とも呼ばれる。電気的絶縁電子的反射層は、自由層磁化方向を切り替えることを支援するためにスピン電子を自由層にはね返し、スピン注入トルクメモリユニットに対して要求される切替電流を低減する。自由層素子の磁束閉鎖構造は、メモリユニットの熱的安定性とデータ保持力とを向上する。さらに、メモリセルアレイ内の隣接するメモリの磁気妨害は、自由層素子の略ゼロのモーメントに起因して最小化される。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リング接合（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有用な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、スピン注入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、たとえば酸化物素材（たとえばＡｌ₂Ｏ₃またはＭｇＯ）のような電気的絶縁素材からなり得る。他の適切な素材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的に整えられた素材を用いた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の磁性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、スピン注入を通じて、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。

例示的なスピン注入トルクＭＴＪセル１０は、固定された磁性層１４に対する自由磁性層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リング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、固定された磁性層に対する自由層の磁化方向によって変化する。スピン注入トルク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、他の磁性層との磁気結合を通じて得られ得る。一般的に、異方性は、薄い磁性層において容易軸（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、例示的なスピン注入トルクメモリユニット２０の概略図である。スピン注入トルクメモリユニット２０は、多層自由磁性素子ＦＬと、リファレンス磁性層ＲＬと、多層自由磁性素子ＦＬをリファレンス磁性層ＲＬから隔てる電気的絶縁非磁性トンネリングバリア層ＴＢとを含む。

多層自由磁性素子ＦＬは、電気的絶縁電子的反射層ＥＲを介して第２自由磁性層ＦＬ２に強磁性的に連結された第１自由磁性層ＦＬ１を含む。第１自由磁性層ＦＬ１は、第２磁性層ＦＬ２の磁化方向と反平行の関係にある磁化方向を有する。したがって、この二重接合自由層素子は、「磁束閉鎖」構造と呼ばれる。反強磁性的な連結は、中間層連結または静的連結のいずれかからもたらされ得る。したがって、この磁束閉鎖自由磁性素子は、スピン偏極した電流によって容易に切り替えられる。この磁束閉鎖自由磁性素子は、高い熱的安定性と高いデータ保持力とを有する。磁束閉鎖自由磁性素子の正味モーメントがゼロまたは略ゼロであることに加えて、隣接するセルに静的磁場が与えられず、セル間の干渉が最小限にされる。

リファレンス磁性層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素材であり得る。自由磁性層ＦＬ１およびＦＬ２は、上述したように、許容できる異方性を有する任意の強磁性素材であり得る。第１電極層Ｅ１と第２電極層Ｅ２とは、２つの反対方向の間で多層自由磁性層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、スピン注入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。

電気的絶縁電子的反射層ＥＲ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、ＣｕＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＴａＮまたはＳｉＮのような、任意の有用な電気的絶縁電子的反射素材から形成され得る。電気的絶縁電子的反射層ＥＲ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。電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、１〜１０オームμｍ²の面積抵抗を有し得る。

電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、電子の少なくとも一部を自由磁性層ＦＬ１および／またはＦＬ２にはね返し、電子の少なくとも一部を通過させることが可能である。これらの反射され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、磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット２０に供給する必要がある電流の量を、効果的に低減する。したがって、電気的絶縁電子的反射層ＥＲ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。

いくつかの実施形態において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲ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電子的反射層ＥＲはまた、出力信号を維持するための直列抵抗をも低減する。

いくつかの実施形態において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲ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電子的反射層ＥＲはまた、出力信号を維持するための直列抵抗をも低減する。不均一な電気的絶縁電子的反射層ＥＲ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電子的反射層ＥＲ構造がこの開示の範囲内に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電子的反射層ＥＲの概略断面図である。不均一な厚みを有する電気的絶縁電子的反射層ＥＲの、この図示された実施形態において、電気的絶縁電子的反射層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、頂点と谷とを定義するとともに、電気的絶縁電子的反射層ＥＲに複数の異なる厚みＴ１，Ｔ２およびＴ３を与える。電流は、電気的絶縁電子的反射層ＥＲ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電子的反射層ＥＲの概略断面図である。不均一な厚みを有する電気的絶縁電子的反射層ＥＲの、この図示された実施形態において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲ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電子的反射層ＥＲを規定する。電流は、電気的絶縁電子的反射層ＥＲ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、別の例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット３０の概略図である。この実施例は、図３に、リファレンス層ＲＬを形成する合成反強磁性素子を追加したものに類似する。スピン注入トルクメモリユニット３０は、多層自由磁性素子ＦＬ、リファレンス磁性層ＲＬ、および、多層自由磁性素子ＦＬをリファレンス磁性層ＲＬから隔てる電気的絶縁非磁性トンネリングバリア層ＴＢを含む。

多層自由磁性素子ＦＬは、電気的絶縁電子的反射層ＥＲを介して第２自由磁性層ＦＬ２に反強磁性的に連結された第１自由磁性層ＦＬ１を含む。第１自由磁性層ＦＬ１は、第２磁性層ＦＬ２の磁化方向と反平行の関係にある磁化方向を有する。したがって、この二重接合自由層素子は、上述したように、「磁束閉鎖」構造と呼ばれる。

示されたリファレンス磁性層ＲＬは、合成反強磁性素子と呼ばれる。合成反強磁性素子は、第１強磁性層ＦＭ１と、電導性非磁性スペーサ層ＳＰ１によって隔てられる第２強磁性層ＦＭ２とを含む。電導性非磁性スペーサ層ＳＰ１は、第１強磁性層ＦＭ１と第２強磁性層ＦＭ２とが反強磁性的に並べられるように構成される。多くの実施例において、第１反強磁性層ＦＭ１と第２反強磁性層ＦＭ２とは反平行の磁化方向を有し、そのような方向の１つが図示される。反強磁性層ＡＦＭは第２電極層Ｅ２に隣接する。反強磁性層ＡＦＭは、第１強磁性層ＦＭ１と第２強磁性層ＦＭ２の磁化方向の固定を支援する。

開示されたスピン注入トルクメモリユニットにおいて合成反強磁性素子を用いることには多くの利点がある。いくつかの利点は、自由層の静的磁場が低減され、リファレンス層の熱的安定性が向上し、層間拡散が低減されるということを含む。

第１強磁性層ＦＭ１は、上述したように、０．５以上の許容可能なスピン偏極範囲を有する任意の有用な強磁性素材であり得る。第２強磁性層ＦＭ２は、上述したように、任意の有用な強磁性素材であり得る。反強磁性層ＡＦＭは、たとえば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどのような反強磁性的に整えられた素材を用いた交換バイアスの使用によって強磁性層を固定する。電導性非磁性スペーサ層ＳＰ１は、たとえば、Ｒｕ、Ｐｄなどのような任意の有用な電導性非強磁性素材であり得る。

自由磁性層ＦＬ１およびＦＬ２は、上述したように、許容可能な異方性を有する任意の強磁性素材であり得る。第１電極層Ｅ１と第２電極層Ｅ２とは、多層自由磁性素子ＦＬの磁化方向を、反対向きにすることができる電子の流れを供給し、結果として、上述したように、スピン注入トルクメモリユニット３０は、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、反平行状態（すなわち、高抵抗状態または「１」データ状態）とが、電流の向きに応じて切換えられる。

電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、酸化層または窒化層であり得、たとえば、ＭｇＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＴａＮ、またはＳｉＮのような任意の有用な電気的絶縁電子的反射素材で形成される。電気的絶縁電子的反射層ＥＲの厚さは、３〜１５オングストローム、または５〜１５オングストロームの範囲内にあり得る。電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、１〜１０オームμｍ²の面積抵抗を有する。

電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、電子の少なくとも一部を、自由磁性層ＦＬ１および／またはＦＬ２にはね返し、電子の少なくとも一部が、電気的絶縁電子的反射層ＥＲを通過することを許容することができる。これらの反射された電子はスピン電流効率を拡大することができ、磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット３０を平行状態（すなわち、低抵抗状態または「０」データ状態）と反平行（すなわち、高抵抗状態または「１」データ状態）との間で切換えるために磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット３０に加える必要がある電流の量を効果的に低減することができる。したがって、電気的絶縁電子的反射層ＥＲがスピン電流効率を増加するようにスピン電子を反射することができるので、スイッチング電流が大幅に低減され得る。

いくつかの実施例において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、不均一の厚さを有し得る。この結果得られる傾斜した電流は、スイッチング電流をさらに低減するようにスピン効率をさらに増加させることができる。不均一の電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、出力信号を維持するための直列抵抗も低減することができる。

図６Ａは、別の例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット４０の概略図である。この実施例は、図３に、多層自由磁性素子ＦＬの中に電導性非磁性スペーサ層ＳＰ２を加えたものに類似する。スピン注入トルクメモリユニット４０は、多層自由磁性素子ＦＬ、リファレンス磁性層ＲＬ、および、多層自由磁性素子ＦＬをリファレンス磁性層ＲＬから隔てる電気的絶縁非磁性トンネリングバリア層ＴＢを含む。

多層自由磁性素子ＦＬは、電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよび電導性非磁性スペーサ層ＳＰ２を介して第２自由磁性層ＦＬ２と反強磁性的に連結された第１自由磁性層ＦＬ１を含む。電導性非磁性スペーサ層ＳＰ２は、電気的絶縁電子的反射層ＥＲと第２自由磁性層ＦＬ２とを隔てる。しかしながら、別の実施例において、電導性非磁性スペーサ層ＳＰ２は、電気的絶縁電子的反射層ＥＲと第１自由磁性層ＦＬ１とを隔てる。第１自由磁性層ＦＬ１は、第２自由磁性層ＦＬ２の磁化方向と反平行の関係にある磁化方向を有する。したがって、上述したように、この二重接合自由層素子は、「磁束閉鎖」構造と呼ばれる。

図６Ｂは、別の例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット４０の概略図である。この実施例は、図６Ａにリファレンス層ＲＬを形成する合成反強磁性素子を加えたものに類似する。スピン注入トルクメモリユニット４０は、多層自由磁性素子ＦＬ、リファレンス磁性素子ＲＬ、および、多層自由磁性素子ＦＬをリファレンス磁性層ＲＬから隔てる電気的絶縁非磁性トンネリングバリア層ＴＢを含む。

図示されたリファレンス磁性層ＲＬは、合成反強磁性素子と呼ばれる。合成反強磁性素子は、第１強磁性層ＦＭ１と、電導性非磁性スペーサ層ＳＰ１によって隔てられた第２強磁性層ＦＭ２とを含む。電導性非磁性スペーサ層ＳＰ１は、第１強磁性層ＦＭ１と第２強磁性層ＦＭ２とが反強磁性的に並べられるように構成され、多くの実施例において、第１強磁性層ＦＭ１と第２強磁性層ＦＭ２とは、図示されたように、反平行の磁化方向を有する。反強磁性層ＡＦＭは、第２電極層Ｅ２と隣接する。反強磁性層ＡＦＭは、第１強磁性層ＦＭ１および第２強磁性層ＦＭ２の磁化方向の固定を支援する。開示されたスピン注入トルクメモリユニットに合成反強磁性素子を用いることには多くの利点がある。いくつかの利点は、自由層の静的な磁場が低減され、リファレンス層の熱的な安定性が向上し、層間拡散が低減されるということを含む。

第１強磁性層ＦＭ１および第２強磁性層ＦＭ２は、上述したように０．５以上の許容可能なスピン偏極範囲を有する任意の有用な強磁性素材であり得る。反強磁性層ＡＦＭは、たとえば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどのような反強磁性的に並べられた素材とバイアスを交換することによって、強磁性層を固定する。反強磁性層ＡＦＭは、たとえば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどの反強磁性的に並べられた素材との交換バイアスを用いることによって、強磁性層を固定する。電導性非磁性スペーサ層ＳＰ１およびＳＰ２は、たとえば、Ｒｕ、Ｐｄなどのような任意の有用な電導性非強磁性素材から形成され得る。

自由磁性層ＦＬ１およびＦＬ２は、上述したように、許容可能な異方性を有する任意の強磁性素材であり得る。第１電極層Ｅ１および第２電極層Ｅ２は、多層自由磁性素子ＦＬの磁化方向を反対方向に切換えることができる電子の流れを供給し、結果として、スピン注入トルクメモリユニット４０において、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）とが、上述したように電流の流れの方向に依存して切換えられ得る。

電気的絶縁電子的反射層ＥＲは薄い酸化層または窒化層であり得、たとえば、ＭｇＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＴａＮ、またはＳｉＮのような任意の有用な電気的絶縁電子的反射素材から形成され得る。電気的絶縁電子的反射層ＥＲの厚さは、３〜１５オングストロームまたは５〜１５オングストロームの範囲内にあり得る。多くの実施例において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、１から１０オームμｍ²の面積抵抗を有する。

多層自由磁性素子ＦＬが、（３〜２０オングストロームの厚さを有する）電気的絶縁電子的反射層ＥＲと、（５〜２０オングストロームの厚さを有する）電導性非磁性スペーサ層ＳＰ２とを含むいくつかの実施例において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、たとえば５〜５０オームμｍ²のような大きな面積抵抗を有し得る。これらの実施例に対して好適な電気的絶縁電子的反射層ＥＲの素材は、電導性非磁性スペーサ層ＳＰ２素材がたとえば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｒｕ、またはＷを含む場合において、たとえばＣｏＦｅ−Ｏ、ＡｌＯ、ＮｉＦｅＯ、ＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ−Ｏ、ＮｉＦｅ−Ｏを含む。

電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、電子の少なくとも一部を、自由磁性層ＦＬ１および／またはＦＬ２にはね返し、電子の少なくとも一部が、電気的絶縁電子的反射層ＥＲを通過することを許容することができる。これらの反射された電子はスピン電流効率を拡大することができ、磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット３０を平行状態（すなわち、低抵抗状態または「０」データ状態）と反平行（すなわち、高抵抗状態または「１」データ状態）との間で切換えるために磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット４０に加える必要がある電流の量を効果的に低減することができる。したがって、電気的絶縁電子的反射層ＥＲがスピン電流効率を増加するようにスピン電子を反射することができるので、スイッチング電流が大幅に低減され得る。

いくつかの実施例において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、上述したように、不均一の厚さを有し得る。この結果得られる傾斜した電流は、スイッチング電流をさらに低減するようにスピン効率をさらに増加させることができる。不均一の電気的絶縁電子的反射層ＥＲは、出力信号を維持するための直列抵抗も低減することができる。

図７Ａは、別の例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット５０の概略図である。この実施例は、図６Ａに、多層自由磁性素子ＦＬの中に電気的絶縁電子的反射層ＥＲを加えたものに類似する。スピン注入トルクメモリユニット４０は、多層自由磁性素子ＦＬ、リファレンス磁性層ＲＬ、および、多層自由磁性素子ＦＬをリファレンス磁性層ＲＬから隔てる電気的絶縁非磁性トンネリングバリア層ＴＢを含む。

多層自由磁性素子ＦＬは、電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよび電気的絶縁電子的反射層ＥＲを介して第２自由磁性層ＦＬ２と反強磁性的に連結された第１自由磁性層ＦＬ１と、第２電気的絶縁電子的反射層ＥＲ２とを含む。電導性非磁性スペーサ層ＳＰ２は、電気的絶縁電子的反射層ＥＲと第２電気的絶縁電子的反射層ＥＲ２とを隔てる。第１自由磁性層ＦＬ１は、第２自由磁性層ＦＬ２の磁化方向と反平行の関係にある磁化方向を有する。したがって、上述したように、この二重接合自由層素子は、「磁束閉鎖」構造と呼ばれる。

図７Ｂは、別の例示的な磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット５０の概略図である。この実施例は、図７Ａにリファレンス層ＲＬを形成する合成反強磁性素子を加えたものに類似する。スピン注入トルクメモリユニット４０は、多層自由磁性素子ＦＬ、リファレンス磁性素子ＲＬ、および、多層自由磁性素子ＦＬをリファレンス磁性層ＲＬから隔てる電気的絶縁非磁性トンネリングバリア層ＴＢを含む。

図示されたリファレンス磁性層ＲＬは、合成反強磁性素子と呼ばれる。合成反強磁性素子は、第１強磁性層ＦＭ１と、電導性非磁性スペーサ層ＳＰ１によって隔てられた第２強磁性層ＦＭ２とを含む。電導性非磁性スペーサ層ＳＰ１は、第１強磁性層ＦＭ１と第２強磁性層ＦＭ２とが反強磁性的に並べられるように構成され、多くの実施例において、第１強磁性層ＦＭ１と第２強磁性層ＦＭ２とは、図示されたように、反平行の磁化方向を有する。反強磁性層ＡＦＭは、第２電極層Ｅ２と隣接する。反強磁性層ＡＦＭは、第１強磁性層ＦＭ１および第２強磁性層ＦＭ２の磁化方向の固定を支援する。

開示されたスピン注入トルクメモリユニットに合成反強磁性素子を用いることには多くの利点がある。いくつかの利点は、自由層の静的な磁場が低減され、リファレンス層の熱的な安定性が向上し、層間拡散が低減されるということを含む。

第１強磁性層ＦＭ１および第２強磁性層ＦＭ２は、上述したように０．５以上の許容可能なスピン偏極範囲を有する任意の有用な強磁性素材であり得る。反強磁性層ＡＦＭは、たとえば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎなどの反強磁性的に調整された素材を用いて交換バイアス使用することによって、強磁性層を固定する。電導性非磁性スペーサ層ＳＰ１およびＳＰ２は、たとえば、Ｒｕ、Ｐｄなどのような任意の有用な電導性非強磁性素材から形成され得る。

自由磁性層ＦＬ１およびＦＬ２は、上述したように、許容可能な異方性を有する任意の強磁性素材であり得る。第１電極層Ｅ１および第２電極層Ｅ２は、多層自由磁性素子ＦＬの磁化方向を反対方向に切換えることができる電子の流れを供給し、結果として、スピン注入トルクメモリユニット５０において、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）とが、上述したように電流の流れの方向に依存して切換えられ得る。

電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよび／またはＥＲ２は、独立した薄い酸化層または窒化層であり得、たとえば、ＭｇＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＴａＮ、またはＳｉＮのような任意の有用な電気的絶縁電子的反射素材から形成され得る。電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよび／またはＥＲ２の厚さは、３〜１５オングストロームまたは５〜１５オングストロームの範囲内にあり得る。多くの実施例において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよび／またはＥＲ２は、１から１０オームμｍ²の面積抵抗を有する。

多層自由磁性素子ＦＬが、（５〜２０オングストロームの厚さを有する）電導性非磁性スペーサ層ＳＰ２によって隔てられる（各々が３〜２０オングストロームの厚さを有する）２つの電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよびＥＲ２を含むいくつかの実施例において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよびＥＲ２は、たとえば５〜５０オームμｍ²のような大きな面積抵抗を有し得る。これらの実施例に対して好適な電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよびＥＲ２の素材は、電導性非磁性スペーサ層ＳＰ２の素材がたとえば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔａ、Ｒｕ、またはＷを含む場合において、たとえばＣｏＦｅ−Ｏ、ＡｌＯ、ＮｉＦｅＯ、ＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ−Ｏ、ＮｉＦｅ−Ｏを含む。

電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよびＥＲ２は、電子の少なくとも一部を、自由磁性層ＦＬ１および／またはＦＬ２にはね返し、電子の少なくとも一部が、電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよびＥＲ２を通過することを許容することができる。これらの反射された電子はスピン電流効率を拡大することができ、磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット３０を平行状態（すなわち、低抵抗状態または「０」データ状態）と反平行（すなわち、高抵抗状態または「１」データ状態）との間で切換えるために磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット５０に加える必要がある電流の量を効果的に低減することができる。したがって、電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよびＥＲ２がスピン電流効率を増加するようにスピン電子を反射することができるので、スイッチング電流が大幅に低減され得る。

いくつかの実施例において、電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよびＥＲ２の一方あるいは両方は、上述したように、不均一の厚さを有し得る。この結果得られる傾斜した電流は、スイッチング電流をさらに低減するようにスピン効率をさらに増加させることができる。不均一の電気的絶縁電子的反射層ＥＲおよび／またはＥＲ２は、出力信号を維持するための直列抵抗も低減することができる。

いくつかの実施例において、上述した磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニットは、スピン電子を反射する代わりにスピン電子を拡散する素材層を含み得る。このスピン電子拡散層は上述した電気的絶縁電子的反射層に加えてもしくは代わりになり得る。加えもしくは置き換えられ得る。スピン電子拡散層は、たとえばＲｕ、Ｐｄ、Ｔａ、Ｐｔ、Ａｌなどのような電導性金属から形成され得る。この層の厚さは１０〜５０オングストロームの範囲内であり得る。

したがって、電子的反射絶縁スペーサを有する磁束閉鎖ＳＴＲＡＭの実施例が開示された。上述したもの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、それらの開示された実施例とは別の実施例を用いて本開示を実用化することができる。開示された実施例は説明のためのものであって限定すべきものではなく、本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims

電気的絶縁電子的反射層を介して第２自由磁性層に反強磁性的に連結された第１自由磁性層を含む多層自由磁性素子と、
リファレンス磁性層と、
リファレンス磁性層から前記自由磁性素子を隔てる電気的絶縁非磁性トンネルバリヤ層とを含む、スピン注入トルクメモリユニット。
前記電気的絶縁電子的反射層は、不均一の厚さを有する、請求項１に記載のスピン注入トルクメモリユニット
前記電気的絶縁電子的反射層は、３〜１５オングストロームの範囲にある厚さ値を有する、請求項１に記載のスピン注入トルクメモリユニット。
前記電気的絶縁電子的反射層は、ＭｇＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＴａＮまたはＳｉＮを含む、請求項１に記載のスピン注入トルクメモリユニット。
前記電気的絶縁電子的反射層は、１〜１０オームμｍ²の面積抵抗を有する、請求項１に記載のスピン注入トルクメモリユニット。
前記リファレンス磁性層は、合成反強磁性素子を含む、請求項１に記載のスピン注入トルクメモリユニット。
前記多層自由磁性素子は、前記電気的絶縁電子的反射層を前記第１自由磁性層または前記第２自由磁性層のうちの１つから隔てる電導非磁性層をさらに含む、請求項１に記載のスピン注入トルクメモリユニット。
前記多層自由磁性素子は第２の電気的絶縁電子的反射層をさらに含み、前記電導非磁性層は、前記電気的絶縁電子的反射層を前記第２の電気的絶縁電子的反射層から隔てる、請求項７に記載のスピン注入トルクメモリユニット。
前記電導非磁性層は、５〜２０オングストロームの範囲にある厚さ値を有する、請求項７に記載のスピン注入トルクメモリユニット。
前記電導非磁性層は、Ｔａ、Ｃｕ、Ｒｕ、またはＡｕを含む、請求項７に記載のスピン注入トルクメモリユニット。
電気的絶縁電子的反射層および電導非強磁性層を介して第２自由磁性層に反強磁性的に連結された第１自由磁性層を含む多層自由磁性素子と、
リファレンス磁性層と、
前記自由磁性素子を前記リファレンス磁性層から隔てる.電気的絶縁非磁性トンネルバリヤ層とを含む、磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット。
前記電気的絶縁電子的反射層は、不均一の厚さを有する、請求項１１に記載の磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット、
前記電気的絶縁電子的反射層は、３〜１５オングストロームの範囲にある厚さ値を有する、請求項１１に記載の磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット、
前記電気的絶縁電子的反射層は、ＭｇＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＴａＮ、またはＳｉＮを含む、請求項１１に記載の磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット。
前記電気的絶縁電子的反射層は、１〜１０オームμｍ²の面積抵抗を有する、請求項１１に記載の磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット。
前記リファレンス磁性層は、合成反強磁性素子を含む、請求項１１に記載の磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット、
前記多層自由磁性素子は、第２の電気的絶縁電子的反射層をさらに含み、前記電導非磁性層は、前記電気的絶縁電子的反射層を前記第２の電気的絶縁電子的反射層から隔てる、請求項１１に記載の磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット。
前記電導非強磁性層は、５〜２０オングストロームの範囲にある厚さ値を有する、請求項１１に記載の磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット。
前記電導非磁性層は、Ｔａ、Ｃｕ、Ｒｕ、またはＡｕを含む、請求項１１に記載の磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット。
３〜１５オングストロームの範囲にある厚さを有し、ＭｇＯ、ＣｕＯ、ＴｉＯ、ＡｌＯ、ＴａＯ、ＴａＮ、またはＳｉＮを含む電気的絶縁電子的反射層を介して第２自由磁性層に反強磁性的に連結された第１自由磁性層を含む多層自由磁性素子と、
合成反強磁性素子を含むリファレンス磁性層と、
前記自由磁性素子を前記リファレンス磁性層から隔てる.電気的絶縁非磁性トンネルバリヤ層とを含む、磁束閉鎖スピン注入トルクメモリユニット。