KR101308604B1 - 보상 엘리먼트를 갖는 ｓｔｒａｍ - Google Patents

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Abstract

보상 엘리먼트를 갖는 스핀-전달 토크 메모리 유니트가 개시된다.
스핀-전달 토크 메모리 유니트는 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트, 합성 반강자성 보상 엘리먼트, 상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트와 상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트 사이의 자성의 프리층, 상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트로부터 상기 자성의 프리층을 분리하는 전기적으로 절연성이고 비자성인 터널링 배리어층; 및 상기 자성의 프리층으로부터 상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트를 분리하는 전기적으로 절연성인 층을 포함한다. 자성의 프리층은 1100 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트 값을 갖는다.

Description

보상 엘리먼트를 갖는 ＳＴＲＡＭ {STRAM WITH COMPENSATION ELEMENT}
본 발명은 보상 엘리먼트를 갖는 STRAM에 관한 것이다.
[01] 퍼베이시브 컴퓨팅(pervasive computing) 및 핸드헬드/커뮤니케이션 산업의 고속 성장은 고용량 비휘발성 고체-상태 데이터 저장 디바이스들에 대한 수요 증가를 산출한다. 비휘발성 메모리들, 특히 플래시 메모리(flash memory)는 메모리 시장에 대한 가장 큰 몫을 차지하는 DRAM을 대신할 것으로 여겨진다. 그러나, 플래시 메모리는 느린 액세스 속도(~ms 기록 및 ~50-100ns 판독), 제한된 내구성(~103-104 프로그래밍 사이클들), 및 시스템-온-칩(SoC)에서의 집적화 어려움과 같은 몇 가지 단점들을 갖는다. 플래시 메모리(NAND 또는 NOR) 또한 32nm 보다 큰 노드에서 상당한 스케일링 문제들에 직면한다.
[02] 자기-저항식 랜덤 액세스 메모리(MRAM)는 미래의 비휘발성 및 범용성(universal) 메모리에 대한 또 다른 유망한 후보이다. MRAM은 비휘발성, 고속 기록/판독 속도(<10ns), 거의 제한되지 않는 프로그래밍 내구성(
Figure 112011032075205-pct00001
사이클들) 및 제로 대기 전력을 특징으로 한다. MRAM의 기본 콤포넌트는 자기 터널링 졍션(MTJ)이다. 데이터 저장부는 하이-저항 상태와 로우-저항 상태 사이에서 MTJ의 저항을 스위칭함으로써 구현된다. MRAM은 MTJ의 자화를 스위칭하기 위해 전류 유도 자기장을 사용함으로써 MTJ 저항을 스위칭한다. MTJ 크기가 축소됨에 따라, 스위칭 자기장 진폭은 증가하며 스위칭 편차(variation)는 보다 엄격해지고 있다. 따라서, 초래되는 높은 전력 소모는 통상의 MRAM의 스케일링을 제한한다.
[03] 최근, 스핀 분극 전류 유도 자화 스위칭에 기초하는 새로운 기록 메커니즘이 MRAM 설계에 도입되었다. 스핀-전달 토크 RMA(STRAM)이라 불리는 이러한 새로운 MRAM 설계는 저항 스위칭을 구현하기 위해 MTJ를 통과하는 (양방향성) 전류를 이용한다. 따라서, STRAM의 스위칭 메커니즘은 국부적으로 한정되며 STRAM은 통상의 MRAM 보다 나은 스케일링 특성을 가지는 것으로 여겨진다.
[04] 그러나, STRAM이 생산 단계에 진입하기 이전에 수율을 제한하는 다수의 요인들이 해결되어야 한다. 통상의 STRAM 설계에서의 한가지 관심사는 STRAM 셀의 프리층(free layer) 간의 두께 트레이드오프(thickness tradeoff)에 있다. 두꺼운 프리층은 열 안정성 및 데이터 보존을 개선시키지만 스위칭 전류 요구조건을 증가시키며, 이는 프리층의 두께에 비례하기 때문이다. 따라서, 저항 데이터 상태들 간에 STRAM 셀을 스위칭하는데 요구되는 전류량은 크다.
[05] 본 개시물은 보상 엘리먼트를 포함하는 스핀-전달 토크 메모리 유니트에 관한 것이다.
[06] 하나의 특정 실시예에서, 스핀-전달 토크 메모리 유니트는 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트, 합성 반강자성 보상 엘리먼트, 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트와 합성 반강자성 보상 엘리먼트 사이의 자성의 프리층, 및 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트로부터 자성의 프리층을 분리하는 전기적으로 절연성이며 비자성인 터널링 배리어층을 포함한다. 강자성의 프리층은 1100 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트 값을 갖는다.
[07] 이러한 및 다양한 다른 특성들 및 장점들은 하기의 상세한 설명부의 판독으로부터 명백해질 것이다.
[08] 본 개시물은 첨부되는 도면들과 관련되는 개시물의 다양한 실시예들에 대한 하기의 상세한 설명부를 참조로 보다 명확히 이해될 것이다.
[09] 도 1은 예시적인 로우 저항 상태의 자성 터널링 졍션(MTJ)에 대한 단면 개략도이다;
[10] 도 2는 하이 저항 상태의 예시적인 MTJ에 대한 단면 개략도이다;
[11] 도 3은 예시적 스핀-전달 토크 메모리 유니트의 개략도이다;
[12] 도 4a는 예시적을 불균일하며 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층에 대한 개략적 단면도이다;
[13] 도 4b는 예시적으로 불균일하며 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층에 대한 또 다른 예시적인 개략적 단면도이다;
[14] 도 5는 다층의 레퍼런스층을 포함하는 예시적인 스핀-전달 토크 메모리 유니트의 개략도이다;
[15] 도 6은 다층의 레퍼런스층 및 추가의 스페이서층을 포함하는 또 다른 예시적인 스핀-전달 토크 메모리 유니트의 개략도이다.
[16] 도면들은 반드시 스케일링된 것이 아니다. 도면들에 사용되는 같은 번호들은 같은 콤포넌트들로 간주된다. 그러나, 제시된 도면에서 콤포넌트로 간주되는 번호의 사용은 동일한 번호로 라벨링된 또 다른 도면의 콤포넌트를 제한하도록 의도되는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다.
[17] 하기의 설명에서, 몇 가지 특정 실시예들에 대한 예로써 도시되며 본 발명의 일부를 형성하는 첨부되는 도면들의 세트를 참조로 한다. 본 개시물의 범주 또는 사상을 이탈하지 않고 다른 실시예들이 고려되고 고안될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 하기의 상세한 설명은 제한을 의미하는 것으로 간주되지 않는다. 본 명세서에 제공되는 정의들은 본 개시물의 범주를 제한하는 것을 의미하는 것이 아니며 본 명세서에서 빈번하게 사용되는 특정 용어들의 이해를 돕기 위한 것이다.
[18] 별다르게 지시되지 않는다면, 명세서 및 청구항들에 사용되는 번호들로 표현되는 모든 피처 크기들, 양들, 및 물리적 특성들은 "약"이라는 용어에 의해 모든 경우들(instances)에서 변조되는 것으로 이해될 것이다. 따라서, 반대의 표시가 없다면, 전술한 명세서 및 첨부되는 청구항들에 개시되는 공칭의 파라미터들은 본 명세서에 개시되는 설명들을 이용하는 당업자들에 의해 얻을 수 있는 원하는 특성들에 따라 변할 수 있는 근사치들(approximations)이다.
[19] 엔드포인트들에 의한 공칭 범위들의 인용은 상기 범위 내에 그리고 상기 범이 내의 임의의 범위를 포함하는 모든 수들을 포함한다(이를 테면, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 및 5를 포함한다).
[20] 본 명세서 및 첨부되는 청구항들에서 사용되는 것처럼, 단수 형태의 "a", "an", 및 "the"는 문맥(content)에 달리 명백하게 지시되지 않는 한, 복수의 지시물들(referents)을 포함하는 실시예들을 포함한다. 본 명세서 및 첨부되는 청구항들에 사용되는 것처럼, "또는"이라는 용어는 문맥에 달리 명백하게 지시되지 않는 한, 일반적으로 "및/또는"을 포함하는 의미로 사용된다.
[21] 본 개시물은 보상 엘리먼트를 포함하는 스핀-전달 토크 메모리(STRAM)에 관한 것이다. STRAM은 레퍼런스층, 높은(high) Ms(즉, 포화 모멘트) 프리층, 추가의 오프셋 필드 보상층, 및 정반사형일 수 있는 절연체층을 포함한다. 정반사 절연체층은 프리층에 대한 스핀 전류 효율성을 강화시킬 수 있다. 개시된 STRAM 구성들은 높은 열적 안정성을 유지하기 위해 높은 Ms 프리층을 이용하고, 낮은 스위칭 전류를 유지하기 위해 정반사 절연체 스페이서를 이용하고, 레퍼런스층으로부터의 층간 결합(interlayer coupling)을 보상하기 위해 보상 고정층(compensate fixed layer)을 이용한다. 보상층을 도입한 이후, 정적 필드(static field)가 제거될 수 있고, 따라서 밸런스드(balanced) 레퍼런스 및 보상 층이 이용될 수 있다. 오프셋 필드는 진성의(intrinsic) 층간 결합에만 관련될 것이다. 오프셋 필드 편차는 최소화될 수 있다. 개시된 STRAM 구조들은 열적 배리어 에너지를 증가시키며, 스위칭 전류를 감소시키며 오프셋 필드 및 그의 편차를 감소시킬 수 있다. 따라서, 낮은 스위칭 전류, 높은 열적 안정성, 큰 신호, 작은 오프셋 필드 및 작은 오프셋 필드 편차가 개시된 STRAM 구성들로 달성될 수 있다. 본 개시물에서, 1100 emu/cc 보다 큰 높은 Ms를 갖는 프리층은 열적 에너지 배리어를 크게(significantly) 증가시키기 위해 사용되어, 큰 프리층 종횡비가 요구되지 않는다. 본 개시물이 이로 제한되는 것은 아니지만, 개시물의 다양한 양상들에 대한 인식은 하기 제공되는 예들의 논의를 통해 얻어질 수 있다.
[22] 도 1은 로우 저항 상태의 예시적 자기 터널링 졍션(MTJ) 셀(10)에 대한 개략적 단면도이며 도 2는 하이 상태의 예시적 MTJ 셀(10)의 개략적 단면도이다. MTJ 셀은 하이 저항 상태와 로우 저항 상태 사이에서 스위칭될 수 있는 임의의 메모리 셀일 수 있다. 다수의 실시예들에서, 본 명세서에 개시되는 가변성 저항식 메모리 셀은 스핀-전달 토크 메모리 셀이다.
[23] MTJ 셀(10)은 강자성 프리층(12) 및 강자성 레퍼런스(즉, 핀드(pinned))층(14)을 포함한다. 강자성 프리층(12) 및 강자성 레퍼런스층(14)은 산화물 배리어층(13) 또는 터널링 배리어층에 의해 분리된다. 제 1 전극(15)은 강자성 프리층(12)과 전기적으로 접촉하며 제 2 전극(16)은 강자성 레퍼런스층(14)과 전기적으로 접촉한다. 강자성층들(12, 14)은 임의의 이용가능한 강자성(FM) 합금들 이를 테면 예를 들어, Fe, Co, Ni로 구성될 수 있으며 절연성 터널링 배리어층(13)은 전기적으로 절연성인 물질, 이를 테면 예를 들어 산화물 물질(이를 테면, Al2O3 또는 MgO)로 구성될 수 있다. 다른 적절한 물질들 또한 사용될 수 있다.
[24] 전극들(15, 16)은 강자성층들(12, 14)을 흐르는 판독 전류 및 기록 전류를 제공하는 제어 회로에 강자성층들(12, 14)을 전기적으로 연결한다. MTJ 셀(10) 양단의 저항은 강자성층들(12, 14)의 자화 배향들 또는 자화 벡터들의 상대적 배향에 의해 결정된다. 강자성 레퍼런스층(14)의 자화 방향은 미리결정된 방향으로 핀드되는 반면 강자성 프리층(12)의 자화 방향은 스핀 토크의 영향력하에 회전이 자유롭다(free). 강자성 레퍼런스층(14)의 피닝은 PtMn, IrMn 및 다른것 들과 같이 반강자성으로 정렬된(antiferromagnetically ordered) 물질과 함께 교환 바이어스(exchange bias)의 사용을 통해 달성될 수 있다.
[25] 도 1은 로우 저항 상태의 MTJ 셀(10)을 도시하며, 여기서 강자성 프리층(12)의 자화 배향은 강자성 레퍼런스층(14)의 자화 배향과 평행하며 동일한 방향이다. 이는 로우 저항 상태 또는 "0" 데이터 상태로 불린다. 도 2는 하이 저항 상태의 MTJ 셀(10)을 도시하며, 여기서 강자성 프리층(12)의 자화 배향은 강자성 레퍼런스층(14)의 자화 배향과 역평행하며 반대 방향이다. 이는 하이 저항 상태 또는 "1" 데이터 상태로 불린다.
[26] MTJ 셀(10)의 자성층을 통과하는 전류가 스핀 분극되고 MTJ 셀(10)의 프리층(12) 상의 스핀 토크에 영향을 미칠 때, 스핀-전달을 통한 MTJ 셀의 저항 상태 및 따라서 데이터 상태의 스위칭이 이루어진다. 프리층(12)에 충분한 스핀 토크가 적용될 때, 프리층(12)의 자화 배향은 2개의 방향들 사이에서 스위칭될 수 있고 따라서, MTJ 셀(10)은 전류의 방향에 따라 평행 상태(즉, 로우 저항 상태 또는 "0" 데이터 상태)와 역-평행 상태(즉, 하이 저항 상태 또는 "1" 데이터 상태) 사이에서 스위칭될 수 있다.
[27] 예시적인 스핀-전달 토크 MTJ 셀(10)은 다수의 가변성 저항식 메모리 셀들을 포함하는 메모리 디바이스를 구성하는데 이용될 수 있고, 여기서 데이터 비트는 자성의 핀드층(14)과 관련하여 자성 프리층(12)의 상대적 자화 상태를 변경함으로써 자기 터널 졍션에 저장된다. 저장된 데이터 비트는 자성의 핀드층을 중심으로 프리층의 자화 방향에 따라 변하는 셀의 저항을 측정함으로써 판독될 수 있다. 스핀-전달 토크 MTJ 셀(10)에 대해 비휘발성 랜덤 액세스 메모리의 특성을 갖도록 하기 위해, 프리층은 랜덤한 변동들(fluctuations)에 대한 열적 안정성을 나타내어 프리층의 배향은 프리층이 이러한 변화를 구성하도록 제어될 때만 변경될 수 있다. 이러한 열적 안정성은 상이한 방법들, 이를 테면 비트 크기, 형상 및 결정성 비등방성 변화를 이용하는 자기 비등방성을 통해 달성될 수 있다. 추가의 비등방성은 교환 필드 또는 자기 필드 중 하나를 통해 다른 자성층들에 대한 자성 결합을 통해 달성될 수 있다. 일반적으로, 비등방성은 소프트 및 하드 축이 얇은 자성층들을 생성하게 한다. 하드 및 소프트 축들은 통상적으로 자기 필드의 형태이며, 자화 방향을 상기 방향으로 완전히 회전(포화)시키는데 필요한 외부 에너지의 크기에 의해 정의되며, 하드 축은 높은 포화 자기 필드를 요구한다.
[28] 도 3은 예시적인 스핀-전달 토크 메모리 유니트(20)에 대한 개략도이다. 스핀-전달 토크 메모리 유니트(20)는 자성의 프리 엘리먼트 또는 층(FL), 자성의 레퍼런스 엘리먼트 또는 층(RL), 및 자성의 레퍼런스층(RL)으로부터 다층의 자성 프리층(FL)을 분리하는 전기적으로 절연성이고 비자성인 터널링 배리어층(TB)을 포함한다. 스핀-전달 토크 메모리 유니트(20)는 보상층(CL), 및 자성의 프리층(FL)으로부터 보상층(CL)을 분리하는 전기적으로 절연성인 층(IL)을 더 포함한다. 보상층(CL) 및 자성의 레퍼런스층(RL)은 단일층으로서 예시되지만, 도 5 및 도 6에 예시된 것처럼, 보상층(CL) 및 자성의 레퍼런스층(RL)이 다층의 구조들일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[29] 보상층(CL)의 자화 모멘트는 레퍼런스층(RL)의 자화 모멘트와 상반된다. 레퍼런스층(RL)로부터의 층간 결합은 보상층(CL)으로부터의 층간 결합에 의해 보상될 수 있다. 네트 결합 필드(net coupling filed)는 거의 제로(near zero)일 수 있으며, 레퍼런스층(RL) 및 보상층(CL) 모두로부터의 정적 필드가 제거될 수 있다. 이러한 정적 필드는 크기와 관련되며 층간 결합은 크기와 관련되지 않아, 오프셋 필드의 편차가 최소화될 수 있다.
[30] 자성의 레퍼런스층(RL)은 앞서 개시된 것처럼, 0.5 보다 큰 허용가능한 스핀 분극 범위를 갖는 임의의 유용한 강자성 물질일 수 있다. 자성의 프리층(FL)은 허용가능한 비등방성 및 1100 emu/cc 이상 또는 1500 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트(즉, Ms) 값을 갖는 임의의 강자성 물질일 수 있다. EMU은 자기 쌍극자 모멘트의 전자기 유니트로 간주되며 cc는 규빅 센티미터로 간주된다. 다수의 실시예들에서, 자성의 프리층(FL)은
Figure 112011032075205-pct00002
이며, 여기서 X는 30 보다 큰 값이며 Y는 15 보다 큰 값이다.
[31] 보상층(CL)은 0.2 내지 0.9의 허용가능한 스핀 분극 범위를 갖는 임의의 유용한 강자성 물질일 수 있다. 전기적으로 절연성인 층(IL)은 임의의 유용한 전기적으로 절연성인 물질일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기적으로 절연성인 층(IL)은 전자적 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층이다. 프리층(FL)―전기적으로 절연성인 층(IL)―, 일 실시예에서 보상층(CL)으로부터의 스핀 분극은 0.4 미만이다.
[32] 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층은 얇은 산화물층 또는 질화물층일 수 있으며 임의의 유용한 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 물질, 이를 테면 예를 들어 MgO, SiO, TiO, AlO, TaO, NiO, TaN, 또는 AlN로 형성될 수 있다. 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층의 두께는 3에서 15 옴스트롱, 또는 5에서 15 옴스트롱의 범위일 수 있다. 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층은 1에서 50
Figure 112011032075205-pct00003
또는 1에서 20
Figure 112011032075205-pct00004
의 면적 저항을 가질 수 있다.
[33] 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층은 전자들의 적어도 일부를 다시 자성의 프리층(FL)으로 반사시킬 수 있고 전자들의 적어도 일부가 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층을 통과하게 허용한다. 이러한 반사된 전자들은 스핀 전류 효율성을 강화시킬 수 있고 평행 상태(즉, 로우 저항 상태 또는 "0" 데이터 상태)와 역평행 상태(즉, 하이 저항 상태 또는 "1" 데이터 상태) 사이에서 메모리 유니트(20)를 스위칭하기 위해 폐쇄형-플럭스 스핀-전달 토크 메모리 유니트(20)에 적용될 필요가 있는 전류량을 효율적으로 감소시킬 수 있다. 따라서, 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층이 스핀 전류 효율성을 증가시키기 위해 스핀 전자들을 반사시킬 수 있기 때문에, 스위칭 전류가 상당히 감소될 수 있다.
[34] 제 1 전극층(E1) 및 제 2 전극층(E2)은 2개의 상반되는 방향들 사이에서 다층의 자성 프리층(FL)의 자화 배향을 스위칭할 수 있는 전자들의 전류를 제공하며 따라서 스핀-전달 토크 메모리 유니트(20)는 앞서 개시된 것처럼, 전류의 방향에 따라 평행 상태(즉, 로우 저항 상태 또는 "0" 데이터 상태)와 역평행 상태(즉, 하이 저항 상태 또는 "1" 데이터 상태) 사이에서 스위칭될 수 있다.
[35] 일부 실시예들에서, 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)은 불균일한 두께를 가질 수 있다. 이로 인해 형성되는 경사 전류(canted current)는 스위칭 전류를 추가로 감소시키기 위해 스핀 효율성을 추가로 증가시킬 수 있다. 또한, 불균일하며 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)은 출력 신호를 유지하기 위해 직렬 저항을 감소시킬 수 있다. 불균일하고 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)의 2개의 실시예들이 하기에서 도시되고 개시되지만, 임의의 불균일하고 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL) 구조가 본 개시물의 범주 내에 있다는 것이 이해된다.
[36] 도 4a는 예시적인 불균일하며 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)의 개략적 단면도이다. 불균일한 두께를 갖는 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)에 대해 이렇게 예시된 실시예에서, 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(ER)은 피크들(peaks) 및 밸리들(valleys)을 한정하는 대향하는 주표면들(S1, S2)을 가지며 다수의 가변 두께들(T1, T2, T3)을 갖는 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(ER)을 제공한다. 전류는 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)의 두께 방향을 따라 대향하는 비평면형(non-planar) 주표면들(S1, S2)을 통해 이동한다.
[37] 도 4b는 또 다른 예시적인 불균일하며 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)의 개략적 단면도이다. 불균일한 두께를 갖는 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)에 대해 이렇게 예시된 실시예에서, 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)은 대향하는 평면형 주표면들(S1, S2)을 갖는다. 대향하는 평면형 주표면들(S1, S2)은 제 1 두께 T를 가지며 제 2 두께로 감소되는 연속 경사진 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(IL)을 한정한다. 전류는 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층(ER)의 두께 방향을 따라 대향하는 비평면형 주표면들(S1, S2)을 통해 이동한다.
[38] 도 5는 또 다른 예시적인 스핀-전달 토크 메모리 유니트(30)의 개략도이다. 본 실시예는 보상층(CL)이 합성 반자성 보상 엘리먼트(CL)이고 레퍼런스층(RL)이 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트(RL)라는 것을 제외하고 도 3과 유사하다.
[39] 스핀-전달 토크 메모리 유니트(30)은 앞서 개시된 것처럼, 자성의 프리층(FL), 합성 반강자성인 자성의 레퍼런스 엘리먼트(RL) 및 합성 반강자성인 자성의 레퍼런스 엘리먼트(RL)로부터 자성의 프리층(FL)을 분리하는 전기적으로 절연성이며 비자성인 터널링 배리어층(TB)을 포함한다. 전기적으로 절연성인 층(IL)은 자성의 프리층(FL)으로부터 합성 반강자성 보상 엘리먼트(CL)을 분리한다.
[40] 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트(RL)는 제 1 스페이서층(SP1)에 의해 분리되는 제 1 강자성층(FM1) 및 제 2 강자성층(FM2), 및 제 1 강자성층(FM1) 및 제 2 강자성층(FM2)으로부터 분리되는 제 3 강자성층(FM3)을 포함한다. 제 1 강자성층(FM1), 제 2 강자성층(FM2) 및 제 3 강자성층(FM3)은 서로 반강성으로 결합된다. 제 1 반강자성층(AFM1)은 제 1 강자성층(FM1)에 인접한다. 제 1 강자성층(FM1), 제 2 강자성층(FM2) 및 제 3 강자성층(FM3)은 0.5 보다 큰 스핀 분극을 갖는 강자성 물질로 형성된다.
[41] 합성 반강자성 보상 엘리먼트(CL)는 제 3 스페이서층(SP3)에 의해 분리되는 제 4 강자성층(FM4) 및 제 5 강자성층(FM5)을 포함한다. 제 4 강자성층(FM4) 및 제 5 강자성층(FM5)은 서로 반강자성으로 결합된다. 제 2 반강자성층(AFM2)은 제 5 강자성층(FM5)에 인접한다. 제 4 강자성층(FM4) 및 제 5 강자성층(FM5)은 0.2에서 0.9 범위의 스핀 분극을 갖는 강자성 물질로 형성된다. 프리층(FL)―전기적으로 절연성인 층(IL)―, 일 실시예에서 보상층(CL)으로부터의 스핀 분극은 0.4 미만이다.
[42] 스페이서층들(SPl, SP2, SP3)은 임의의 유용한 전기적으로 전도성이며 비강자성인 물질, 이를 테면 예를 들어 Ru, Pd, 또는 Cr일 수 있다. 반강자성층들(AFMl, AFM2)은 이를 테면 PtMn, IrMn, 및 다른 것들과 같이 반강자성으로 정렬된 물질과 함께 교환 바이어스의 사용을 통해 강자성층들을 피닝한다.
[43] 개시된 스핀-전달 토크 메모리 유니트들에서 합성 반강자성 엘리먼트를 사용하는 다수의 장점들이 제공된다. 일부 장점들은 프리층의 정적 필드가 감소되는 것, 레퍼런스층의 열적 안정성이 개선되는 것, 층간 확산이 감소되는 것을 포함한다.
[44] 자성의 프리층(FL)은 허용가능한 비등방성 및 1100 emu/cc 이상 또는 1500 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트(즉, Ms) 값을 갖는 임의의 강자성 물질일 수 있다. 다수의 실시예들에서, 자성의 프리층(FL)은
Figure 112011032075205-pct00005
이며, 여기서 X는 30 보다 큰 값이며 Y는 15 보다 큰 값이다.
[45] 전기적으로 절연성인 층(IL)은 임의의 유용한 전기적으로 절연성인 물질일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기적으로 절연성인 층(IL)은 앞서 개시된 것처럼, 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층이다.
[46] 제 1 전극층(E1) 및 제 2 전극층(E2)은 2개의 상반되는 방향들 사이에서 다층의 자성 프리층(FL)의 자화 배향을 스위칭할 수 있는 전자들의 전류를 제공하며 따라서 스핀-전달 토크 메모리 유니트(20)는 앞서 개시된 것처럼, 전류의 방향에 따라 평행 상태(즉, 로우 저항 상태 또는 "0" 데이터 상태)와 역평행 상태(즉, 하이 저항 상태 또는 "1" 데이터 상태) 사이에서 스위칭될 수 있다.
[47] 도 6은 또 다른 예시적인 스핀-전달 토크 메모리 유니트(40)의 개략도이다. 본 실시예는 제 4 스페이서층(SP4)이 전기적으로 절연성인 층(IL)으로부터 보상의 제 4 강자성층(FM4)을 분리한다는 것을 제외하고는 도 5와 유사하다. 제 4 스페이서층(SP4)은 전기적으로 전도성이며 비강자성인 물질, 이를 테면 Ta, Cu, Al, Mg, 또는 Au이다. 제 4 스페이서층(SP4)은 보상 엘리먼트(CL) 층간 결합의 제어를 돕는다.
[48] 스핀-전달 토크 메모리 유니트(30)는 앞서 개시된 것처럼 자성의 프리층(FL), 합성 반강자성인 자성의 레퍼런스 엘리먼트(RL) 및 합성 반강자성인 자성의 레퍼런스 엘리먼트(RL)로부터 자성의 프리층(FL)을 분리하는 전기적으로 절연성이고 비자성인 터널링 배리어층(TB)을 포함한다. 전기적으로 절연성인 층(IL) 및 제 4 스페이서층(SP4)은 자성의 프리층(FL)으로부터 합성 반강자성 보상 엘리먼트(CL)을 분리한다.
[49] 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트(RL)는 제 1 스페이서(SP1)에 의해 분리되는 제 1 강자성층(FM1) 및 제 2 강자성층(FM2) 그리고 제 2 스페이서층(SP2)에 의해 제 2 강자성층(FM2)으로부터 분리되는 제 3 강자성층(FM3)을 포함한다. 제 1 강자성층(FM1), 제 2 강자성층(FM2) 및 제 3 강자성층(FM3)은 서로 반강자성으로 결합된다. 제 1 반강자성층(AFM1)은 제 1 강자성층(FM1)에 인접한다. 제 1 강자성층(FM1), 제 2 강자성층(FM2) 및 제 3 강자성층(FM3)은 0.5 보다 큰 스핀 분극을 갖는 강자성 물질로 형성된다.
[50] 합성 반강자성 보상 엘리먼트(CL)는 제 3 스페이서층(SP3)에 의해 분리되는 제 4 강자성층(FM4) 및 제 5 강자성층(FM5)을 포함한다. 제 4 강자성층(FM4) 및 제 5 강자성층(FM5)은 서로 반강자성으로 결합된다. 제 2 반강자성층(AFM2)은 제 5 강자성층(FM5)에 인접한다. 제 4 강자성층(FM4) 및 제 5 강자성층(FM5)은 0.2에서 0.9 범위의 스핀 분극을 갖는 강자성 물질로 형성된다. 프리층(FL)―전기적으로 절연성인 층(IL)―, 일 실시예에서 보상층(CL)으로부터의 스핀 분극은 0.4 미만이다.
[51] 스페이서층들(SPl, SP2, SP3)은 임의의 유용한 전기적으로 전도성이며 비강자성인 물질, 이를 테면 예를 들어 Ru, Pd, 또는 Cr일 수 있다. 반강자성층들( AFMl, AFM2)은 이를 테면 PtMn, IrMn, 및 다른 것들과 같이 반강자성으로 정렬된 물질과 함께 교환 바이어스의 사용을 통해 강자성층들을 피닝한다.
[52] 개시된 스핀-전달 토크 메모리 유니트들에서 합성 반강자성 엘리먼트를 사용하는 다수의 장점들이 제공된다. 일부 장점들은 프리층의 정적 필드가 감소되는 것, 레퍼런스층의 열적 안정성이 개선되는 것, 층간 확산이 감소되는 것을 포함한다.
[53] 자성의 프리층(FL)은 허용가능한 비등방성 및 1100 emu/cc 이상 또는 1500 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트(즉, Ms) 값을 갖는 임의의 강자성 물질일 수 있다. 다수의 실시예들에서, 자성의 프리층(FL)은
Figure 112011032075205-pct00006
이며, 여기서 X는 30 보다 큰 값이며 Y는 15 보다 큰 값이다.
[54] 전기적으로 절연성인 층(IL)은 임의의 유용한 전기적으로 절연성인 물질일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기적으로 절연성인 층(IL)은 앞서 개시된 것처럼 전자적 전기적으로 절연성이고 전자적으로 반사성인 층이다.
[55] 제 1 전극층(E1) 및 제 2 전극층(E2)은 2개의 상반되는 방향들 사이에서 다층의 자성 프리층(FL)의 자화 배향을 스위칭할 수 있는 전자들의 전류를 제공하며 따라서 스핀-전달 토크 메모리 유니트(20)는 앞서 개시된 것처럼, 전류의 방향에 따라 평행 상태(즉, 로우 저항 상태 또는 "0" 데이터 상태)와 역평행 상태(즉, 하이 저항 상태 또는 "1" 데이터 상태) 사이에서 스위칭될 수 있다.
[56] 따라서, 보상 엘리먼트를 갖는 STRAM의 실시예들이 개시된다. 상기 개시된 구현예들 및 다른 구현예들은 하기의 청구항들이 범위내이다. 당업자들은 본 개시물이 개시된 것들과 다른 실시예들로 실시될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 개시된 실시예들은 제한되지 않고 예시를 목적으로 제시된 것이며 본 발명은 하기의 청구항들에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

  1. 스핀-전달 토크 메모리 유니트로서,
    합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트;
    합성 반강자성 보상 엘리먼트;
    상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트와 상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트 사이의 자성의 프리층(free magnetic layer) ―상기 자성의 프리층은 1100 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트 값을 가짐―;
    상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트로부터 상기 자성의 프리층을 분리하는 전기적으로 절연성이고 비자성인 터널링 배리어층; 및
    상기 자성의 프리층으로부터 상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트를 분리하는 전기적으로 절연성인 층을 포함하고,
    상기 전기적으로 절연성인 층은 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층인,
    스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성의 프리층은 1500 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트 값을 갖는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자성의 프리층은
    Figure 112013010753431-pct00007
    를 포함하며, X는 30 보다 큰 값이며 Y는 15 보다 큰 값인, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적으로 절연성인 층은 3 내지 15 옴스트롱 범위의 두께를 갖는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트와 상기 전기적으로 절연성인 층 사이에 배치되는 전기적으로 전도성이며 비강자성인 스페이서층을 더 포함하는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트는 Ru, Pd 또는 Cr 스페이서층을 포함하며 상기 비강자성인 스페이서층은 Ta, Cu, Al, Mg, 또는 Au를 포함하는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층은 TaO, AlO, MgO, SiO, TiO, NiO, TaN, 또는 AlN를 포함하며 1 내지 50
    Figure 112013010753431-pct00008
    범위의 면적 저항 값을 갖는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  9. 스핀-전달 토크 메모리 유니트로서,
    합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트;
    합성 반강자성 보상 엘리먼트;
    상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트와 상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트 사이의 자성의 프리층;
    상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트로부터 상기 자성의 프리층을 분리하는 전기적으로 절연성이며 비자성인 터널링 배리어층; 및
    3 내지 15 옴스트롱 범위의 두께를 가지며 상기 자성의 프리층으로부터 상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트 사이에 있는 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층
    을 포함하는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층은 TaO, AlO, MgO, SiO, TiO, NiO, TaN, 또는 AlN을 포함하며 1 내지 50
    Figure 112013010753431-pct00009
    범위의 면적 저항 값을 갖는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트와 상기 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층 사이에 배치되는 전기적으로 전도성이고 비강자성인 스페이서층을 더 포함하는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트는 Ru, Pd 또는 Cr 스페이서층을 포함하며 상기 비강자성인 스페이서층은 Ta, Cu, Al, Mg, 또는 Au를 포함하는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 자성의 프리층은 1100 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트 값을 갖는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 자성의 프리층은
    Figure 112013010753431-pct00010
    를 포함하며 X는 30 보다 큰 값이며 Y는 15 보다 큰 값인, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트는 서로 반강자성으로 결합되는 제 1 강자성층, 제 2 강자성층 및 제 3 강자성층을 포함하며,
    제 1 스페이서층은 상기 제 1 강자성층 및 상기 제 2 강자성층을 분리하며,
    제 2 스페이서층은 상기 제 2 강자성층 및 상기 제 3 강자성층을 분리하며,
    제 1 반강자성층은 상기 제 1 강자성층에 인접하며,
    상기 제 1 강자성층, 상기 제 2 강자성층 및 상기 제 3 강자성층은 0.5 보다 큰 스핀 분극을 갖는 강자성 물질을 포함하는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트는 서로 반강자성으로 결합되는 제 4 강자성층 및 제 5 강자성층을 포함하며,
    제 3 스페이서층은 상기 제 4 강자성층 및 상기 제 5 강자성층을 분리하며,
    제 2 반강자성층은 상기 제 5 강자성층에 인접하며,
    상기 제 4 강자성층 및 상기 제 5 강자성층은 0.2 내지 0.9 범위의 스핀 분극을 갖는 강자성 물질을 포함하며,
    상기 자성의 프리층/전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층/합성 반강자성 보상 엘리먼트로부터의 스핀 분극은 0.4 미만인, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  17. 스핀-전달 토크 메모리 유니트로서,
    합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트;
    합성 반강자성 보상 엘리먼트;
    상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트와 상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트 사이의 자성의 프리층 ―상기 자성의 프리층은 1100 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트 값을 가짐―;
    상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트로부터 상기 자성의 프리층을 분리하는 전기적으로 절연성이며 비자성인 터널링 배리어층;
    3 내지 15 옴스트롱 범위의 두께를 가지며 상기 자성의 프리층으로부터 상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트 사이에 있는 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층; 및
    상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트와 상기 전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층 사이에 배치되는 전기적으로 전도성이며 비강자성인 스페이서층
    을 포함하는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 합성 반강자성 보상 엘리먼트는 Ru, Pd 또는 Cr 스페이서층을 포함하며, 상기 비강자성 스페이서층은 Ta, Cu, Al, Mg, 또는 Au를 포함하는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 자성의 프리층은 1500 emu/cc 보다 큰 포화 모멘트 값을 갖는, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 합성 반강자성 레퍼런스 엘리먼트는 0.5 보다 큰 스핀 분극을 가지며,
    상기 자성의 프리층/전기적으로 절연성이며 전자적으로 반사성인 층/합성 반강자성 보상 엘리먼트로부터의 스핀 분극은 0.4 미만인, 스핀-전달 토크 메모리 유니트.
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