專利名稱：存儲(chǔ)器件和存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存儲(chǔ)器件，其包括存儲(chǔ)磁體的磁化狀態(tài)作為信息的 存儲(chǔ)層以及具有固定磁化方向的磁化固定層，其中，存儲(chǔ)層的磁化 方向通過(guò)4吏電流流過(guò)存^諸層而改變。本發(fā)明還涉及包4舌這種存4諸器 件的存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器件和存儲(chǔ)器可適用于非易失性存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
信息和通信設(shè)備，尤其是諸如個(gè)人數(shù)字助理(PDA)的個(gè)人小 型設(shè)備已經(jīng)在消費(fèi)者中日益廣泛地得到使用。隨著這種普及，要求 用在這種設(shè)備中的器件(例如，存儲(chǔ)器和邏輯器件)的性能提高， 例如更高的集成度、更快的處理速度以及更低的功耗。特別地，非易失性存儲(chǔ)器被認(rèn)為是用于提高這種設(shè)備性能的重 要部件。實(shí)際用在現(xiàn)有技術(shù)中的非易失性存儲(chǔ)器包括半導(dǎo)體閃存和鐵 電非易失性存儲(chǔ)器(Fe-RAM)。為了實(shí)現(xiàn)更高的性能，已經(jīng)對(duì)這些 存儲(chǔ)器進(jìn)行了積極的研究和開(kāi)發(fā)。近來(lái)，作為利用隧道磁阻效應(yīng)的非易失性存儲(chǔ)器的磁性隨才幾存取存儲(chǔ)器(MRAM)已經(jīng)被公開(kāi)并引起注意(例如，J.Nahas等， IEEE/ISSCC 2004 Visulas Supplement, p,22 )。MRAM具有這才羊的結(jié)構(gòu)其具有T者:^字線和^立線的配線以頭見(jiàn) 則配置每個(gè)器件的用于執(zhí)行信息記錄和存取的微小存儲(chǔ)器件。每個(gè) 磁性存儲(chǔ)器件均包括將信息記錄為強(qiáng)磁體的磁化方向的存儲(chǔ)層。此外，》茲性存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)采用所謂的石茲性隧道結(jié)(MTJ)的 構(gòu)造，其包括上述存儲(chǔ)層、隧道絕緣層(非磁性隔離層)以及具有 固定》茲化方向的石茲化固定層?！菲澔潭▽拥娜f(wàn)茲化方向可通過(guò)例如包 括《失萬(wàn)茲性層來(lái)固定。流過(guò)隧道絕纟彖膜的隧道電流的阻抗才艮據(jù)由存4諸層的》茲化方向 和》茲化固定層的》茲化方向形成的角度而改變，即，所謂的隧道》茲阻 效應(yīng)。從而，可利用該隧道萬(wàn)茲阻效應(yīng)來(lái)寫(xiě)(記錄)信息。當(dāng)存4諸層 的》茲化方向和》茲化固定層的石茲化方向反向平4亍時(shí)，阻抗值達(dá)到最 大。相反，當(dāng)它們彼此平行時(shí)，阻抗值達(dá)到最小。在以這種方式形成^f茲性存儲(chǔ)器件的情況下，通過(guò)使用在字線和 位線上生成的合成電流;茲場(chǎng)控制石茲性存儲(chǔ)器件的存4諸層的》茲化方 向，可執(zhí)行將信息寫(xiě)(記錄)到;茲性存儲(chǔ)器件中。通常，分別對(duì)應(yīng) 于信息"0"和信息"1"來(lái)記錄不同的》茲化方向(石茲化狀態(tài))。此外，公開(kāi)了利用星狀(asteroid)特性執(zhí)行將信息記錄(寫(xiě)) 到存儲(chǔ)器件中的方法(例如，曰本未審查專利申請(qǐng)公開(kāi)第10-116490 號(hào))，或使用開(kāi)關(guān)特性的方法(例如，美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)第 2003/0072174 Al號(hào))。另一方面，所記錄的信息以下述方式讀出。使用諸如晶體管的 元件選擇存儲(chǔ)單元，然后磁性存儲(chǔ)器件的隧道磁阻效應(yīng)用于檢測(cè)存 儲(chǔ)層磁化方向之間的差作為電壓信號(hào)之間的差，從而檢測(cè)所記錄的4呂息。當(dāng)該MRAM與其他J壬意非易失性存〗諸器相比時(shí)，MRAM的主 要特征在于，可以以高速且?guī)缀鯚o(wú)限次(即，〉1015次)地重寫(xiě)信 息，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)反轉(zhuǎn)由強(qiáng)》茲體形成的存4諸層的》茲化方向來(lái)進(jìn)行信 息"0"和信息T的重寫(xiě)。然而，為了在MRAM中重寫(xiě)所記錄的信息，優(yōu)選生成相對(duì)較 大的電流一磁場(chǎng)。大量的電流(例如，幾mA至幾十mA )可流過(guò)地 址線。因此，會(huì)極大地增加功耗。此夕卜，MRAM通常包括分別需要的用于寫(xiě)的地址線和用于讀 的地址線。因此，難以在結(jié)構(gòu)上減小存儲(chǔ)單元的尺寸。此外，器件尺寸的減小會(huì)引起一些問(wèn)題，即，由于地址線變細(xì)， 所以難以經(jīng)由;也址線流過(guò)充足的電流。此外，由于頭喬頑力增加，所 以電流f茲場(chǎng)也會(huì)增加，乂人而^f吏功壽毛增加。因此，難以減小器件的尺寸。然而，公開(kāi)了對(duì)無(wú)需使用電流磁場(chǎng)進(jìn)行記錄的結(jié)構(gòu)的研究。其 中，對(duì)于能夠以小電流進(jìn)行^茲通反向(flux reversal)的存儲(chǔ)器的研 究，用于使用基于自旋轉(zhuǎn)移(spin transfer )的磁通反向的存儲(chǔ)器已 經(jīng)引起了關(guān)注(例如，美國(guó)專利第5695864號(hào))。利用自^走轉(zhuǎn)移的^茲通反向表示通過(guò)f茲體而自S走才及化 (spin-polarize )的電子^皮注入到另 一種不固定的i茲體，/人而^f吏后一種》茲體發(fā)生石茲通反向(例3。，曰本未審查專利申^青7>開(kāi)第2003-17782號(hào))。換句話說(shuō)，通過(guò)具有固定磁化方向的磁性層(磁化固定層)的 自旋極化電子是以下現(xiàn)象當(dāng)該自旋極化電子進(jìn)入磁化方向不固定 的不固定磁化層(磁化自由層)時(shí)，為磁性層的磁化提供轉(zhuǎn)矩 (torque )。此外，使大于特定閾值的電流通過(guò)磁性層可以反轉(zhuǎn)磁性 層(磁化自由層)的磁化方向。例如，具有》茲化固定層和》茲化自由層的巨磁阻效應(yīng)元件(GMR 元件)或f茲性隧道結(jié)元件(MTJ元件)包括在與GMR或MTJ元件 的膜表面垂直的方向上通過(guò)電流。結(jié)果，可以反轉(zhuǎn)元件的至少一部 分磁性層的》茲化方向。以這種方式，形成了具有磁化固定層和磁化自由層(存儲(chǔ)層) 的存儲(chǔ)器件，然后改變流過(guò)存儲(chǔ)器件的電流的極性以反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的 萬(wàn)茲化方向，/人而重寫(xiě)信息"0"和信息"1"。通過(guò)在磁化固定層和磁化自由層(存儲(chǔ)層)之間設(shè)置隧道絕緣 層，可以類似于MRAM的方式利用隧道石茲阻效應(yīng)來(lái)讀耳又所記錄的 信息。此外，利用自S走轉(zhuǎn)移的》茲通反向具有可以在不增加電流的情況 下實(shí)現(xiàn)J茲通反向的伊C點(diǎn)。當(dāng)存儲(chǔ)器件例如約為0.1 jam大小時(shí)，流過(guò)存儲(chǔ)器件從而引起磁 通反向的電流的絕對(duì)值為lmA以下。此外，具有絕對(duì)值與存4諸器 件的體積成比例地減小的優(yōu),* 。此外，具有由于去除了在MRA中必需的i己錄字線而可以簡(jiǎn)4匕 存4諸單元結(jié)構(gòu)的另 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。下文中，將利用自旋轉(zhuǎn)移的存儲(chǔ)器件稱作自旋轉(zhuǎn)移隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Sp-RAM )。此外，將引起自旋轉(zhuǎn)移的自旋極化電流稱作自旋 注入電流(spin injection current )。非常期望Sp-RAM作為非易失性存儲(chǔ)器，其能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗并 包括較大的存儲(chǔ)容量，同時(shí)還能夠保持MRAM的、獲得高速性能 并幾乎無(wú)限次地重寫(xiě)的優(yōu)點(diǎn)。圖1是使用自旋轉(zhuǎn)移的現(xiàn)有技術(shù)的存儲(chǔ)器(Sp-RAM)的存儲(chǔ) 單元的示意性截面圖。為了電讀取存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的信息，可使用二極管、MOS 晶體管等。在圖l所示的存儲(chǔ)單元中，使用的是MOS晶體管。首先，描述形成Sp-RAM中存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器件101的結(jié)構(gòu)。纟失》茲層112和4失石茲層114通過(guò)反4失石茲耦合連4妄并通過(guò)非》茲性層 113配置。下層側(cè)的鐵磁層112被配置成鄰接反鐵磁層111。在這些 層之間產(chǎn)生的交換相互作用具有很強(qiáng)的單向磁性各向異性。因此， 石茲化固定層102包括四層111、 112、 113和114。 4灸句話i兌，y磁化 固定層102包4舌兩個(gè)纟失》茲層112、 114。鐵》茲層116 4皮形成為可相對(duì)容易地反轉(zhuǎn)不茲化Ml的方向。通過(guò) 該纟失》茲層116形成存4諸層(石茲化自由層)103。在不茲化固定層102的鐵萬(wàn)茲層114和《失》茲層116之間(即，在；茲 化固定層102和存儲(chǔ)層(磁化自由層)103之間)形成隧道絕緣層 115。隧道絕纟彖層115斷開(kāi)在垂直方向上配置的石茲性層116和;茲性層 114之間的》茲性井禺合，同時(shí)在其中流過(guò)隧道電流。因此，隧道》茲阻8(TMR)元件包括具有^t性層的固定^f茲化方向的^t化固定層102、 隧道絕緣層115以及可改變》茲化方向的存儲(chǔ)層(^磁化自由層)103。此外，上述各層111 ~ 116、底層110以及頂覆層117形成包括 TMR元件的存4諸器件101。此外，在硅基板120上形成選擇MOS晶體管121。在選擇MOS 晶體管121的一個(gè)擴(kuò)散層123上形成接線插頭(連接塞，connection plug) 107。存儲(chǔ)器件101的底層110連接至接線插頭107。選擇 MOS晶體管121的另一個(gè)擴(kuò)散層122通過(guò)接線插頭107連4妄至傳 感線(未示出)。柵極106連接至選擇信號(hào)線(未示出)。存儲(chǔ)器件101的頂覆層117連接至配置在其上的位線(BL )105。在穩(wěn)定狀態(tài)下，通過(guò)非磁性層113的強(qiáng)反鐵磁性耦合，鐵磁層 112的i茲化Mil和4失石茲層114的》茲化M12幾乎處于完全反向平行 狀態(tài)。通常，牽力磁層112和4失不茲層114具有相同的々包和》茲化力莫厚積。 因此，磁極磁場(chǎng)的泄漏分量很小以至于可以忽略。由這些層114、 115、 116形成的TMR元4牛的阻抗/f直依賴于夾 置隧道絕緣層115的存儲(chǔ)層103中鐵磁層116的磁化Ml的方向和 磁化固定層102中鐵^茲層114的磁化M12的方向是平行狀態(tài)還是反 向平行狀態(tài)而 文變。當(dāng)兩個(gè)》茲化M1、 M12處于平行狀態(tài)時(shí)，阻抗 值較低，而處于反向平行狀態(tài)時(shí)，阻抗值較高。整個(gè)存儲(chǔ)器件101 的阻抗隨著TMR元件(114、 115、 116)的阻抗改變而改變。該因 素可用于信息的記錄和所記錄信息的讀取。換句話說(shuō)，例如，信息 "0"可指定為低阻抗值的狀態(tài)，信息'T，指定為高阻抗值的狀態(tài)。 因此，可記錄兩個(gè)值(1位)的信息。注意，在形成^茲化固定層102的層中，當(dāng)讀取所記錄的信息時(shí)， 存儲(chǔ)層103側(cè)上的鐵磁層114是基準(zhǔn)的鐵磁層并設(shè)置為存儲(chǔ)層103 》茲化M1的方向的基準(zhǔn)。因此，鐵A茲層114也被稱為基準(zhǔn)層。為了在存儲(chǔ)單元中重寫(xiě)信息或從存儲(chǔ)單元讀耳又信息，自旋注入 電流Iz流過(guò)存儲(chǔ)單元。自旋注入電流Iz流過(guò)存儲(chǔ)器件101、擴(kuò)散層 123和位線105。通過(guò)改變自S走注入電流Iz的才及性，可將自S走注入電流Iz的方 向乂人上向下改變或/人下向上改變。因此，通過(guò)改變存儲(chǔ)器件101存儲(chǔ)層103的磁化Ml的方向，可重寫(xiě)存儲(chǔ)單元中的信息。然而，為了反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)層的磁化方向，不僅使自旋注 入電流流過(guò)存儲(chǔ)器件，而且Sp-RAM還在除存儲(chǔ)器件之外的存儲(chǔ)層 上施加偏置電流i茲場(chǎng)(例如，日本未審查專利申諱-7>開(kāi)第 2005-277147號(hào))。具體地，在圖1所示的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)中，通過(guò)位線105向存 儲(chǔ)器件101引入自旋注入電流Iz。此外，對(duì)存儲(chǔ)器件101的存儲(chǔ)層 103施加通過(guò)流過(guò)位線105的電流(等于自4t注入電流Iz )生成的 偏置電流》茲場(chǎng)Hx (未示出)。因此，可以有效地 文變存4諸層103的^茲化Ml的方向。發(fā)明內(nèi)容然而，在圖1所示的存儲(chǔ)器件101的結(jié)構(gòu)中，作用于存儲(chǔ)層(磁化自由層)103的石茲化Mfree ( = Ml )的自^走轉(zhuǎn)矩的大小與向量三重 積MfreeXMfteeXMref成比例。Mfef是基準(zhǔn)層(4失》茲層)的》茲^匕(=M12 )。在初始狀態(tài)下，存儲(chǔ)層(》茲化自由層)103的石茲化Mfree和基準(zhǔn) 層(鐵磁層)114的磁化Mref處于平行狀態(tài)或反向平行狀態(tài)。第一 作用自旋轉(zhuǎn)矩非常小。因此，自旋轉(zhuǎn)矩降低的越少，》茲通反向電流增加的越多。因此，磁通反向電流的增加導(dǎo)致用于反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向的 自》走、注入電5危i曾力口 。因此，重寫(xiě)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的信息的電能消耗增加了用于驅(qū) 動(dòng)存儲(chǔ)單元的消庫(kù)C電能。根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例，提供了 一種能夠通過(guò)以少量電流反 轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向來(lái)記錄信息的存儲(chǔ)器件。本發(fā)明的該實(shí)施例還 提供了一種配備有這種存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)器。本發(fā)明的第 一 實(shí)施例是包括存儲(chǔ)層和磁化固定層的存儲(chǔ)器件。 存儲(chǔ)層用于基于磁體的磁化狀態(tài)在其上保存信息。通過(guò)非磁性層在 存儲(chǔ)層上形成具有固定》茲化方向的》茲化固定層。通過(guò)在堆疊方向上 使電流流過(guò)其中來(lái)改變存儲(chǔ)層的磁化方向，以將信息記錄在存儲(chǔ)層 上。兩條金屬配線分別鄰近;茲化固定層的兩端形成。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，存儲(chǔ)器件包括用于基于磁體的磁化 狀態(tài)在其上保存信息的存儲(chǔ)層。該存儲(chǔ)層包括通過(guò)非磁性層的磁化 固定層。電流在堆疊方向上流過(guò)使存儲(chǔ)層的磁化方向改變，以將信息記錄在存^諸層上。因此，在堆疊方向上流過(guò)電流可通過(guò)自^走注入 使存儲(chǔ)層的磁化方向發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)信息的記錄。此外，分別鄰近磁化固定層的兩端形成兩條金屬配線。來(lái)自這 兩條金屬配線的電流磁場(chǎng)作用于磁化固定層，以在磁化固定層的兩端沿不同的堆疊方向生成石茲4匕分量。因4匕，具有不同方向的兩個(gè)自 旋轉(zhuǎn)矩可通過(guò)堆疊方向上的^茲化分量作用于存儲(chǔ)層。本發(fā)明的第二實(shí)施例是包括存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器件包 括存儲(chǔ)層和磁化固定層。存儲(chǔ)層用于基于磁體的磁化狀態(tài)在其上保 存信息。通過(guò)非》茲性層在存儲(chǔ)層上形成具有固定》茲化方向的》茲化固 定層。通過(guò)在堆疊方向上〗吏電流流過(guò)其中來(lái)改變存4諸層的石茲化方 向，以將信息記錄在存儲(chǔ)層上。兩條金屬配線分別鄰近磁化固定層 的兩端形成。相同方向的電流流過(guò)兩條金屬配線分別在形成磁化固 定層的多個(gè)鐵磁層的、至少鄰近存儲(chǔ)層配置的鐵磁層的兩側(cè)形成磁 化區(qū)域。磁化區(qū)域是層壓方向上的磁化分量，并且它們的方向不同。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的存儲(chǔ)器，設(shè)置用于基于磁體的磁化 狀態(tài)在其上保存信息的存儲(chǔ)層。在堆疊方向流過(guò)電流4吏存儲(chǔ)層的磁 化方向發(fā)生改變。該存儲(chǔ)器包括用于在存儲(chǔ)層上執(zhí)行信息的記錄的 存儲(chǔ)器件和用于沿堆疊方向提供通過(guò)存儲(chǔ)器件的電流的配線。在根 據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的存儲(chǔ)器件中，可通過(guò)自旋注入4丸行信息的 記錄，其中，電流沿堆疊方向流過(guò)存儲(chǔ)器件中的配線。此外，使相同方向的電流流過(guò)鄰近磁化固定層兩端形成的兩條 金屬配線導(dǎo)致在磁化固定層中鐵磁層的兩端形成磁化分量。因此， 具有不同方向的兩個(gè)自旋轉(zhuǎn)矩可作用于存儲(chǔ)層，乂人而允許以少量電 流i己錄j言息。沖艮據(jù)本發(fā)明的上述實(shí)施例，通過(guò)反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向，可以 以減小的電流量在存^f渚層上記錄"f言息。因此，本發(fā)明的實(shí)施例可以提供能夠通過(guò)降低用于記錄的消耗 電能來(lái)以較少的電能消耗記錄信息的存儲(chǔ)器。


圖1是使用自旋轉(zhuǎn)移的現(xiàn)有技術(shù)的存儲(chǔ)單元的示意性截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的示意性截面圖；圖3是示出當(dāng)將電流磁場(chǎng)施加于存儲(chǔ)器件時(shí)圖1所示存儲(chǔ)器件 的磁化狀態(tài)的示圖；圖4是示出施加于存儲(chǔ)層磁化的自旋轉(zhuǎn)矩的示圖；以及圖5A和圖5B是分別示出電流脈沖隨時(shí)間改變的示圖，其中， 圖5A示出了關(guān)于自旋注入電流的電流脈沖，圖5B示出了關(guān)于金屬 配線的電流力永沖。
具體實(shí)施方式
首先，在描述本發(fā)明的具體實(shí)施例之前描述本發(fā)明的概念。使用自旋轉(zhuǎn)移的存儲(chǔ)器(Sp-RAM)包括足夠大的各向異性， 以相對(duì)于熱波動(dòng)穩(wěn)定存儲(chǔ)層(磁化自由層)的磁化。通常，可通過(guò)熱穩(wěn)定性參數(shù)(△)表示存儲(chǔ)層的磁化相對(duì)于上 述熱波動(dòng)的穩(wěn)定程度，即，熱穩(wěn)定性指標(biāo)。換句話說(shuō)，熱穩(wěn)定性參數(shù)(△)表示為△=KuV/kBT (Ku:各向異性能量，V:存儲(chǔ)層的體積，kB:玻 爾茲曼常數(shù)，T:絕對(duì)溫度)。此外，需要在使用自旋轉(zhuǎn)移的存儲(chǔ)器(Sp-RAM)中確保熱穩(wěn) 定性指標(biāo)(熱穩(wěn)定性參數(shù))△高于特定程度，同時(shí)減小磁通反向電流o因此，進(jìn)行了各種研究，并且可如下形成穩(wěn)定的存儲(chǔ)器。形成 磁化固定層，使得多個(gè)鐵磁層通過(guò)非磁性層堆疊并反鐵磁耦合。然 后，在至少鄰近存儲(chǔ)層的鐵^茲層的兩端分別形成具有沿堆疊方向的 石茲化分量和方向不同的不同^f茲化的^ 茲性區(qū)域。此外，如下在磁化固定層中的鐵磁層的兩端有效形成分別具有 沿堆疊方向的》茲化分量和不同方向的不同；茲化的》茲化區(qū)域。首先， 鄰近石茲化固定層的兩端配置金屬配線，然后將電流施加于每條金屬 配線以將電流磁場(chǎng)作用于磁化固定層的鐵磁層。在這種情況下，通過(guò)施加電流;茲場(chǎng)在石茲^f匕固定層中的4失石茲層的 兩端形成沿堆疊方向具有相互不同方向的》茲4b分量。因此，有歲文;也 使沿堆疊方向的^t化分量作用于存儲(chǔ)層的石茲化。此外，為了在磁化固定層的鐵磁層的兩端形成沿堆疊方向分別 具有磁化分量的磁化區(qū)域，需要鄰近磁化固定層的兩端總共配置兩 條金屬配線。此外，為了使得到的磁化區(qū)域在磁化固定層的兩端具 有不同方向的》茲化，這兩條金屬配線需要電流沿相同方向流過(guò)。優(yōu)選配置金屬配線，使其可以與磁化固定層中的鐵磁層的磁化 方向垂直。此外，優(yōu)選在與磁化固定層平行的平面中配置金屬配線。沿相同方向分別只于兩條配線施力o電:;危，以沿i,疊方向生成相應(yīng) 的萬(wàn)茲化分量以及方向不同的》茲化。因此，可以/人^"茲化區(qū)域的兩端將 具有不同方向的兩個(gè)自旋轉(zhuǎn)矩作用于存儲(chǔ)層的兩端。這兩個(gè)自旋轉(zhuǎn)矩可容易地反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的^ 茲化方向。因此，可通 過(guò)少量電流反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向。接下來(lái)，將描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。圖2是根據(jù)本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施例的存儲(chǔ)器件的示意性截面圖。存儲(chǔ)器件1包括隧道》茲阻效應(yīng)(TMR)元件。在存儲(chǔ)器件1中，鐵磁層12和鐵磁層14通過(guò)非磁性層13配 置并利用反鐵磁性耦合彼此結(jié)合。另外，鐵磁層12被配置成與反 鐵磁層11鄰接。這里，由于這些層之間的交換相互作用，可觀察 到^艮強(qiáng)的單向^茲性各向異性?！菲澔潭▽?包括四層11、 12、 13、 14,并且磁化固定層2包括兩個(gè)鐵磁層12、 14。鐵磁層16被設(shè)計(jì)為相對(duì)容易地反轉(zhuǎn)磁化Ml的方向。鐵磁層 16形成存儲(chǔ)層(磁化自由層)3。在鐵磁層14和鐵磁層16之間， 即，在磁化固定層2和存儲(chǔ)層(磁化自由層)3之間形成隧道絕緣 層15。隧道絕纟彖層15斷開(kāi)沿垂直方向配置的》茲性層16和f茲性層 14之間的萬(wàn)茲性耦合，同時(shí)還施加隧道電流。因此，隧道》茲阻效應(yīng) (TMR)元件包括具有磁性層的固定磁化方向的磁化固定層2、隧 道絕緣層15以及能夠改變磁化方向的存儲(chǔ)層(磁化自由層)3。具 有TMR元件的存儲(chǔ)器件1包括上述層11 ~ 16、底層10以及頂覆層 17。通過(guò)非磁性層13的強(qiáng)反鐵磁性耦合在反向平行方向上形成鐵 石茲層12的^茲化Mil和4失》茲層14的》茲4匕M12。具有這些層14、 15、 16的TMR元4牛的阻抗/f直依賴于夾置隧道 絕纟彖月莫15的存4諸層3的4失不茲層16的磁化Ml的方向和》茲化固定層2中的鐵》茲層14的》茲化M12的方向是平行狀態(tài)還是反向平行狀態(tài) 而改變。當(dāng)兩個(gè);茲4bMl、 M12處于平4亍狀態(tài)時(shí)，阻抗值4交^f氐，而 處于反向平行狀態(tài)時(shí)，阻抗值較高。整個(gè)存儲(chǔ)器件1的阻抗隨著 TMR元件(14、 15、 16)的阻抗改變而改變。該事實(shí)可用于4言息 的記錄和所記錄信息的讀取。換句話說(shuō)，例如，信息"0"可指定 為低阻抗值的狀態(tài)，信息"1"指定為高阻抗值的狀態(tài)。因此，可 以記錄兩個(gè)值(l位)的信息。在形成磁化固定層2的層中，當(dāng)讀取所記錄的信息時(shí)，存儲(chǔ)層 3側(cè)的鐵磁層14是基準(zhǔn)的鐵磁層并設(shè)置為存儲(chǔ)層3的磁化Ml方向 的基準(zhǔn)。因此，鐵》茲層14也被稱為基準(zhǔn)層。為了在存儲(chǔ)單元中重寫(xiě)信息或從存儲(chǔ)單元讀出信息，優(yōu)選自旋 注入電流Iz流過(guò)存^f渚器^f牛1。通過(guò)改變自旋注入電流Iz的一及性，可將通過(guò)存〗諸器件1的自旋 注入電;危I z ,人上向下或乂人下向上改變。因此，通過(guò)改變存4諸器件1的存4諸層3的》茲化Ml的方向，可 重寫(xiě)存儲(chǔ)單元中的信息?？梢砸灶愃朴趫D1所示現(xiàn)有技術(shù)的存儲(chǔ)器件101的方式形成本 實(shí)施例的存儲(chǔ)器件l。即，存儲(chǔ)器件1可連接至形成在硅基板上的 選沖奪MOS晶體管，以執(zhí)行存儲(chǔ)單元的讀取。此外，存儲(chǔ)器件l可連接至配線，并且自旋注入電流Iz可沿堆 疊方向通過(guò)配線流過(guò)存儲(chǔ)器件1。在本實(shí)施例的存儲(chǔ)器件1中，除上述TMR元件之外還配置金 ^酉己纟戔20、 21。才奐句i舌"i兌，t^酉己纟戔20、 21 4卩il》茲4b固ti 2的 兩端配置，并沿紙面的法線方向延伸。金屬配線20、 21被設(shè)計(jì)成在存儲(chǔ)器件1的附近沿同一方向流 過(guò)電流。此外，金屬配線20、 21被配置成鄰近存儲(chǔ)器件1的兩側(cè)但不 與磁化固定層2接觸。此外，金屬配線20、 21的每一條都可放置 在使生成的電流萬(wàn)茲場(chǎng)沿堆疊方向在,茲化固定層2上生成萬(wàn)茲化分量的 位置處。例如，金屬配線可鄰近存儲(chǔ)器件1的磁化固定層2的兩端 配置，其在與^f茲化固定層2的^t化方向垂直的方向上或與i茲化方向 平行的方向上延伸。此外，可在與存儲(chǔ)器件1的磁化固定層平行的 平面中配置金屬配線。在圖2中，當(dāng)施加電流IZ時(shí)，作用于存儲(chǔ)層3的i茲化Mfree (= Ml )的自旋轉(zhuǎn)矩的大小與向量三重積MfreeXMfreeXMref成比例。然而， Mref是基準(zhǔn)層14的》茲化(=M12 )。在初始狀態(tài)下，存儲(chǔ)層3的石茲化Mfree和基準(zhǔn)層14的石茲化Mref 處于平行狀態(tài)或反向平行狀態(tài)。第一作用自旋轉(zhuǎn)矩非常小。因此， 在這種情況下，》茲通反向電流增加。在本實(shí)施例的存儲(chǔ)器件l中，使相同方向的電流流過(guò)金屬配線20、 21， 乂人而在堆疊方向上在H磁層12、 14的兩端生成具有相互 不同方向的^茲化分量。此外，在堆疊方向上生成^茲化分量導(dǎo)致作用 于存儲(chǔ)層3的磁化Ml的自旋轉(zhuǎn)矩增加，同時(shí)降低了磁通反向電流。這里，優(yōu)選在與存儲(chǔ)器件1的磁化固定層2平行的平面中配置 H酉己纟戔20、 21。 jt匕夕卜，H西己纟戔20、 21 ^Li4^與》茲^匕固《i 2 的不茲^1方向垂直的方向上延伸。如上所述，在與》茲化固定層2平4亍的平面中配置金屬配線20、 21，并且金屬配線20、 21和》茲4b固定層2的不茲4匕方向4皮此垂直。 因此，在金屬配線20、 21周圍生成的電流;茲場(chǎng)可有助于作用于石茲 化固定層2的鐵磁層12、 14。結(jié)果，可容易生成堆疊方向上的磁化 分量。此外，沿堆疊方向生成的》茲化分量變強(qiáng)。因此，可以增加作 用于存儲(chǔ)層的磁化的自旋轉(zhuǎn)矩。此外，可以減小磁通反向電流?？梢裕瑳](méi)計(jì)金屬配線20、 21,使得可鄰近存儲(chǔ)器件1形成兩條獨(dú) 立的金屬配線?？蛇x地，在存儲(chǔ)器件l周圍，可以分割單條配線以 在存儲(chǔ)器件1附近提供兩條金屬配線。接下來(lái)，圖3示出了當(dāng)將平行的電流Ia、Ib施加于金屬配線20、 21時(shí)磁化固定層2的磁化狀態(tài)。如圖3所示，當(dāng)通過(guò)兩條金屬配線20、 21 A人圖的前側(cè)到其后 側(cè)施加平行的電流Ia、 Ib時(shí)，如圖3中的虛線所示，順時(shí)針?lè)较虻?在金屬配線20、 21周圍生成電;克》茲場(chǎng)20a、 21a。在這種情況下，分別通過(guò)兩條金屬配線20、 21，磁化固定層2 內(nèi)的電;:?！菲漣^ 20a、 21a成為兩個(gè)電力U茲i^ 20a、 21a的合成石茲i為。隨著電流萬(wàn)茲場(chǎng)20a、 21a與金屬配線20、 213巨離的增力口，由兩 **，酉己纟戔20、 21 AA的電^^茲i^ 20a、 21a ^于i^詳斤卩爭(zhēng)4氐。因jt匕， 鄰近金屬配線20的磁化固定層2的末端(左側(cè))強(qiáng)烈受到由金屬 配線20生成的向下的電流,茲場(chǎng)20a的影響。相反，鄰近金屬配線21的磁化固定層2的末端(右側(cè))強(qiáng)烈受到由金屬配線21生成的 向上的電流》茲場(chǎng)21a的影響。另 一方面，幾乎在f茲化固定層2的中央，兩個(gè)電流》茲場(chǎng)20a、 21a的大小幾乎互相相等，并且它們的方向互相相反。因此，電流 》茲場(chǎng)20a和21a互相才氐消。結(jié)果，》茲4匕固定層2內(nèi)的》茲4匕結(jié)構(gòu)變?yōu)槿鐖D3所示的結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，在石茲化固定層2中，在4失/磁層12的不茲化Mil的兩 端和4失》茲層14的》茲化M12的兩端生成向上的^茲化分量Mlla、M12a 或向下的》茲化分量Mllb、 M12b。這些向上和向下的》茲化分量 Mlla、 M12a、 Mllb、 M12b在》茲4匕Mil和》茲4匕M12的》茲化方向 和堆疊方向之間具有角度。鄰近金屬配線20的磁化固定層2的末端(左側(cè))接收由金屬 配線20生成的向下電流石茲場(chǎng)20a的影響。因此，生成向下的》茲化 分量Mllb、 M12b。此夕卜，鄰近金屬配線21的不茲化固定層2的末 端(右側(cè))接收由金屬配線21生成的向上電流磁場(chǎng)21a的影響。 因此，生成向上的^茲化分量Mlla、 M12a。這些向上的》茲化分量 Mlla、 M12a和向下的》茲化分量Mllb、 M12b在;茲化固定層2的 兩端幾乎相互逆向。此夕卜，幾乎在萬(wàn)茲化固定層2的中央，兩個(gè)電流i茲場(chǎng)20a、 21a 互相纟氏消。沒(méi)有生成沿堆疊方向的^茲^f匕分量。如上所述，在磁化固定層2的兩側(cè)生成沿堆疊方向的磁化分量。 具體地，對(duì)于磁化固定層2的鐵磁層12、 14，生成鄰近存儲(chǔ)層3的 鐵磁層(即，基準(zhǔn)層)14的堆疊方向上的磁化。因此，可以在初始 狀態(tài)下增大上述存^f諸層3的》茲4匕Ml的向量三重積MfreexMfreexMref。因此，正好在存^諸層3的磁化Ml的《失i茲層14的堆疊方向上 的不茲化分量上方的極其窄的區(qū)域上施加極大的自旋轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，磁化固定層2包括距離金屬配線20、 21非常長(zhǎng)的距離， 難以在《失/磁層12的》茲化Mil和4失石茲層14的》茲化M12的兩端在堆 疊方向上生成》茲化分量。因此，由于在》茲化固定層2兩側(cè)生成的》茲 化，不會(huì)得到用于降低存儲(chǔ)層3的磁化Ml的磁通反向電流的足夠 量的自旋轉(zhuǎn)矩。因此，可在對(duì)^t化固定層2生成電流》茲場(chǎng)的位置處 配置金屬配線20、 21。此夕卜，施加于金屬配線20、 21的電流可以相等或4皮此不同。 來(lái)自金屬配線20、 21的電流石茲場(chǎng)分別作用于鐵》茲體12、 14的兩端。 然后，沿堆疊方向的^茲化分量可生成自禱:轉(zhuǎn)矩。在4失》茲層12、 14 的端部生成的磁化分量不必要彼此相同。在圖2的存4諸器件中，在圖4中示出了添加到存儲(chǔ)層3的f茲化 Ml的自S走4爭(zhēng)矩的4犬態(tài)。^圖4戶斤示，乂人Mll、 M12^f吏由沿堆疊方 向的磁化分量生成的方向互相相反的自旋轉(zhuǎn)矩Ta、 Tb作用于存儲(chǔ) 層3的磁化Ml,從而執(zhí)行存儲(chǔ)層3的磁化Ml的同時(shí)旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，可以容易地反轉(zhuǎn)存4諸層3的^茲化Ml的方向。在本實(shí)施例中，在》茲4b固定層2的4失f茲層12、 14中生成具有 沿堆疊方向的》茲化分量的磁化。然而，如存儲(chǔ)器件101的情況，可 以通過(guò)自旋注入電流Iz的方向(才及性)來(lái)控制存4諸層3的》茲化Ml 的方向。圖5示出了施加于金屬配線20、 21的電流Ia、 Ib的電流月永沖 和自力走注入電流Iz的電流月永沖的時(shí)間變4t (定時(shí))之間的關(guān)系圖。在圖5中，自^走注入電流Iz和施加于金屬配線20、 21的電流 Ia、 Ib分別被確定矩形脈沖。初始狀態(tài)設(shè)置為"t0"。此外，自旋注 入電流Iz和電流Ia、 Ib的上升時(shí)間分別^皮i殳置為"tl"和"t2，，。 此夕卜，自旋注入電流Iz和電流Ia、 Ib的下降時(shí)間分別凈皮設(shè)置為"t3，， 和"t4"。對(duì)于自4t注入電流Iz和電流Ia、 Ib，每個(gè)l永沖的持續(xù)時(shí) 間為t3 ~ tl和t4 ~ t2。自i走注入電流Iz在tl之前處于關(guān)斷狀態(tài)， 在tl時(shí)處于通^各狀態(tài)以及在t3時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)。在圖5A中，自^:注入電流Iz的月永沖上升時(shí)間tl不同于電流Ia、 Ib的月永沖上升時(shí)間t2。才奐句話"i兌，時(shí)間tl晚于時(shí)間t2。此夕卜，在 圖5B中，自S走注入電流Iz的月永沖上升時(shí)間tl等于電流Ia、 Ib的月永 沖上升時(shí)間t2。如圖5A所示，電流Ia、 Ib的電流月永沖上升時(shí)間t2快于自旋注 入電流Iz的電流月永沖上升時(shí)間tl。因此，可預(yù)先在^茲化固定層2 的纟失》茲層12、 14的兩端生成沿堆疊方向的^f茲化分量。因此，沿堆 疊方向的磁化分量使方向彼此相反的自旋轉(zhuǎn)矩Ta、 Tb作用于存儲(chǔ) 層3的》茲化Ml。因此，可以容易地反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層3的^茲化Ml的方 向。結(jié)果，可以降低磁通反向電流。此外，可通過(guò)少量電流反轉(zhuǎn)存 儲(chǔ)層的磁化方向。此夕卜，如圖5B所示，電流Ia、 Ib的電流脈沖上升時(shí)間t2等于 自禱:注入電流Iz的電流月永沖上升時(shí)間tl 。此外，電流Ia、 Ib的電 流月永沖下降時(shí)間t4等于自S走注入電流Iz的電流月永沖下降時(shí)間t3 。 在這種情況下，可以標(biāo)準(zhǔn)化用于驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換(switching )。當(dāng)同時(shí)提 供電流Ia、 Ib和自S走注入電流Iz時(shí)，流過(guò)電流Ia、 Ib的電流增力口 有助于沿堆疊方向在4失;茲層12、 14的兩端生成》茲4匕分量。因此， 可以容易地反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層3的磁化M1的方向。因此，可以降低》茲通 反向電流。此外，可以通過(guò)少量電流反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的》茲化方向。金屬配線20 、 21的電流la 、 Ib的下降時(shí)間t4可以是4壬4可的任 意時(shí)間。例如，如圖5A所示，下降時(shí)間t4可以晚于自S走注入電流 Iz的下降時(shí)間t3?？蛇x地，下降時(shí)間t4可以與自旋注入電流Iz的 下降時(shí)間t3同時(shí)結(jié)束。此外，在圖4中，左側(cè)向下的自旋轉(zhuǎn)矩Ta相對(duì)于右側(cè)向上自 旋轉(zhuǎn)矩Tb的角度幾乎為180。?？梢愿鶕?jù)金屬配線20、 21的鐵磁層 12、 14的膜厚或其飽和磁化的大小來(lái)控制該角度。即使該角度不是如圖4所示的大約180°,但彼此反向的自旋轉(zhuǎn) 矩可以作用于存儲(chǔ)層3的》茲化Ml，從而容易地反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層3的》茲 Ml的方向。在本實(shí)施例中，形成存儲(chǔ)器件1的各層的材料可以是與用在現(xiàn) 有技術(shù)存儲(chǔ)器件中的材料相同的材料。反難失》茲層11的材料可以是例如PtMn 。磁化固定層2的鐵磁層12 、 14的材料可以是CoFe等。非磁性層13的材料可以是Ru、 Ta、 Cr、 Cu等。隧道絕纟彖層15的材并+可以是例如MgO。存儲(chǔ)層3的鐵磁層16的材料可以是諸如CoFeB的鐵磁材料。在上述實(shí)施例的存4諸器件1中，在存4諸層3之下形成》茲化固定 層2，從而可在存儲(chǔ)層3之下配置具有沿堆疊方向的磁化分量的基 準(zhǔn)層14的磁化區(qū)域?？蛇x地，可以在存儲(chǔ)層之上形成石茲化固定層， 并且石茲化區(qū)域可在存儲(chǔ)層之上。在本實(shí)施例中，磁化固定層2包括兩層，即，鐵磁層12、 14。然而，并不具體限制形成磁化固定層2的鐵磁層的數(shù)量。例如，在上述實(shí)施例的存儲(chǔ)器件中，形成磁化固定層的鐵磁層 的數(shù)量可以是除兩層之外的任意層數(shù)。在這種情況下，可以通過(guò)將 來(lái)自金屬配線的電流磁場(chǎng)施加于至少配置在鄰近存儲(chǔ)層3的磁化固 定層的鐵磁層上來(lái)形成沿堆疊方向的磁化分量。結(jié)果，大的自旋轉(zhuǎn) 矩可作用于存儲(chǔ)層的磁化。從而，可以容易地反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層3的磁化 Ml的方向。因此，可以通過(guò)自3走注入電流Iz的少量電流來(lái)反轉(zhuǎn)存 儲(chǔ)層3的磁化M1。以這種方式，可以降低用于記錄信息的自旋注入電流Iz的消庫(kù)毛 電能，乂人而降^f氐功井毛。例如，即使磁化固定層僅包括一層鐵磁層，來(lái)自金屬配線的電 流》茲場(chǎng)也可以作用于單個(gè)4失》茲層，以生成沿堆疊方向的》茲〗匕分量。 結(jié)果，自旋轉(zhuǎn)矩可作用于存儲(chǔ)層的磁化。此外，例如，三層以上的鐵磁層可形成磁化固定層。在磁化固 定層包括多層鐵》茲層的情況下，來(lái)自金屬配線的電流^t場(chǎng)可作用于 鄰近存儲(chǔ)層3的,茲化固定層的至少一層4失》茲層，以生成沿堆疊方向 的》茲化分量。結(jié)果，自旋轉(zhuǎn)矩可作用于存儲(chǔ)層的》茲化。此外，用于生成沿堆疊方向的磁化分量的鐵磁層并不限于鄰近 存儲(chǔ)層3配置的《失;茲層?？梢栽谛纬纱呕潭▽拥牧硪昏F磁層上形 成沿堆疊方向的》茲化分量。此外，可允許多層《失f茲層生成沿堆疊方 向的磁化分量，以對(duì)存儲(chǔ)單元的磁化施加大自旋轉(zhuǎn)矩的作用。結(jié)果， 可以容易地反轉(zhuǎn)存^諸層3的》茲化Ml的方向。因此，可以以自旋注 入電流Iz的少量電流容易地反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層3的萬(wàn)茲化Ml的方向。因此，可以降低用于記錄語(yǔ)言信息的自旋注入電流Iz的消庫(kù)t電能，從而降降低功耗。本發(fā)明并不限于任何上述結(jié)構(gòu)，并且在不背離本發(fā)明精神的情 況下還可以采用各種其4也結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其它因素，可以 有多種修改、組合、再組合和改進(jìn)，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求 或等同物的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)器件，包括存儲(chǔ)層，基于磁體的磁化狀態(tài)在其上保存信息；磁化固定層，具有固定磁化方向，通過(guò)非磁性層形成在所述存儲(chǔ)層上；以及兩條金屬配線，鄰近所述磁化固定層的兩端形成，其中通過(guò)使電流沿堆疊方向通過(guò)所述存儲(chǔ)層來(lái)改變所述存儲(chǔ)層的磁化方向，以將所述信息記錄在所述存儲(chǔ)層上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器件，其中，所述磁化固定層包括通過(guò)非磁性層堆疊的多個(gè)鐵磁層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器件，其中，所述兩條金屬配線垂直于所述4失f茲層的^Ht方向形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器件，其中，所述兩條金屬配線形成在與所述》茲化固定層平4亍的平面中。
5. —種存儲(chǔ)器，包括存儲(chǔ)器件，包括基于磁體的磁化狀態(tài)在其上保存信息的 存儲(chǔ)層；磁化固定層，通過(guò)非》茲性層形成在所述存4渚層上，具有 多個(gè)鐵磁層并具有固定石茲化方向；以及兩條金屬配線，鄰近所述^f茲化固定層的兩端形成，其中通過(guò)使電流沿堆疊方向通過(guò)所述存儲(chǔ)層來(lái)改變所述存儲(chǔ) 層的》茲化方向，以將所述信息記錄在所述存4諸層上，以及其中通過(guò)使電流沿相同方向流過(guò)所述兩條金屬配線，在形成 所述磁化固定層的所述多個(gè)鐵磁層中、至少位于與所述存儲(chǔ)層 最近側(cè)的鐵》茲層的兩端形成第一f茲化區(qū)域和第二》茲化區(qū)域，所 述第 一磁化區(qū)域和所述第二磁化區(qū)域包括沿堆疊方向的磁化 分量并且它們的方向互不相同。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了存儲(chǔ)器件和具有這種存儲(chǔ)器件的存儲(chǔ)器，其中，該存儲(chǔ)器件包括基于磁體的磁化狀態(tài)在其上保存信息的存儲(chǔ)層、通過(guò)非磁性層形成在存儲(chǔ)層上的具有固定磁化方向的磁化固定層以及鄰近磁化固定層的兩端形成的兩條金屬配線。在存儲(chǔ)器中，通過(guò)使電流沿堆疊方向流過(guò)來(lái)改變存儲(chǔ)層的磁化方向，以將信息記錄在存儲(chǔ)層上。通過(guò)本發(fā)明的存儲(chǔ)器，通過(guò)降低用于記錄的消耗功率以較小電功率來(lái)記錄信息。
文檔編號(hào)H01L27/22GK101252144SQ20081000618
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月21日
發(fā)明者五十嵐實(shí), 大森廣之, 大石雄紀(jì), 山元哲也, 山根一陽(yáng), 細(xì)見(jiàn)政功, 肥后豐, 鹿野博司 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社