存储器件和存储器的制作方法

专利名称：存储器件和存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及存储器件，其包括存储磁体的磁化状态作为信息的 存储层以及具有固定磁化方向的磁化固定层，其中，存储层的磁化 方向通过4吏电流流过存^诸层而改变。本发明还涉及包4舌这种存4诸器 件的存储器。该存储器件和存储器可适用于非易失性存储器。
背景技术：
信息和通信设备，尤其是诸如个人数字助理(PDA)的个人小 型设备已经在消费者中日益广泛地得到使用。随着这种普及，要求 用在这种设备中的器件(例如，存储器和逻辑器件)的性能提高， 例如更高的集成度、更快的处理速度以及更低的功耗。特别地，非易失性存储器被认为是用于提高这种设备性能的重 要部件。实际用在现有技术中的非易失性存储器包括半导体闪存和铁 电非易失性存储器(Fe-RAM)。为了实现更高的性能，已经对这些 存储器进行了积极的研究和开发。近来，作为利用隧道磁阻效应的非易失性存储器的磁性随才几存取存储器(MRAM)已经被公开并引起注意(例如，J.Nahas等， IEEE/ISSCC 2004 Visulas Supplement, p,22 )。MRAM具有这才羊的结构其具有T者:^字线和^立线的配线以头见 则配置每个器件的用于执行信息记录和存取的微小存储器件。每个 磁性存储器件均包括将信息记录为强磁体的磁化方向的存储层。此外，》兹性存储器件的结构采用所谓的石兹性隧道结(MTJ)的 构造，其包括上述存储层、隧道绝缘层(非磁性隔离层)以及具有 固定》兹化方向的石兹化固定层。》兹化固定层的万兹化方向可通过例如包 括《失万兹性层来固定。流过隧道绝纟彖膜的隧道电流的阻抗才艮据由存4诸层的》兹化方向 和》兹化固定层的》兹化方向形成的角度而改变，即，所谓的隧道》兹阻 效应。从而，可利用该隧道万兹阻效应来写(记录)信息。当存4诸层 的》兹化方向和》兹化固定层的石兹化方向反向平4亍时，阻抗值达到最 大。相反，当它们彼此平行时，阻抗值达到最小。在以这种方式形成^f兹性存储器件的情况下，通过使用在字线和 位线上生成的合成电流;兹场控制石兹性存储器件的存4诸层的》兹化方 向，可执行将信息写(记录)到;兹性存储器件中。通常，分别对应 于信息"0"和信息"1"来记录不同的》兹化方向(石兹化状态)。此外，公开了利用星状(asteroid)特性执行将信息记录(写) 到存储器件中的方法(例如，曰本未审查专利申请公开第10-116490 号)，或使用开关特性的方法(例如，美国专利申请公开第 2003/0072174 Al号)。另一方面，所记录的信息以下述方式读出。使用诸如晶体管的 元件选择存储单元，然后磁性存储器件的隧道磁阻效应用于检测存 储层磁化方向之间的差作为电压信号之间的差，从而检测所记录的4吕息。当该MRAM与其他J壬意非易失性存〗诸器相比时，MRAM的主 要特征在于，可以以高速且几乎无限次(即，〉1015次)地重写信 息，这是因为通过反转由强》兹体形成的存4诸层的》兹化方向来进行信 息"0"和信息T的重写。然而，为了在MRAM中重写所记录的信息，优选生成相对较 大的电流一磁场。大量的电流(例如，几mA至几十mA )可流过地 址线。因此，会极大地增加功耗。此夕卜，MRAM通常包括分别需要的用于写的地址线和用于读 的地址线。因此，难以在结构上减小存储单元的尺寸。此外，器件尺寸的减小会引起一些问题，即，由于地址线变细， 所以难以经由;也址线流过充足的电流。此外，由于头乔顽力增加，所 以电流f兹场也会增加，乂人而^f吏功寿毛增加。因此，难以减小器件的尺寸。然而，公开了对无需使用电流磁场进行记录的结构的研究。其 中，对于能够以小电流进行^兹通反向(flux reversal)的存储器的研 究，用于使用基于自旋转移(spin transfer )的磁通反向的存储器已 经引起了关注(例如，美国专利第5695864号)。利用自^走转移的^兹通反向表示通过f兹体而自S走才及化 (spin-polarize )的电子^皮注入到另 一种不固定的i兹体，/人而^f吏后一种》兹体发生石兹通反向(例3。，曰本未审查专利申^青7>开第2003-17782号)。换句话说，通过具有固定磁化方向的磁性层(磁化固定层)的 自旋极化电子是以下现象当该自旋极化电子进入磁化方向不固定 的不固定磁化层(磁化自由层)时，为磁性层的磁化提供转矩 (torque )。此外，使大于特定阈值的电流通过磁性层可以反转磁性 层(磁化自由层)的磁化方向。例如，具有》兹化固定层和》兹化自由层的巨磁阻效应元件(GMR 元件)或f兹性隧道结元件(MTJ元件)包括在与GMR或MTJ元件 的膜表面垂直的方向上通过电流。结果，可以反转元件的至少一部 分磁性层的》兹化方向。以这种方式，形成了具有磁化固定层和磁化自由层(存储层) 的存储器件，然后改变流过存储器件的电流的极性以反转存储层的 万兹化方向，/人而重写信息"0"和信息"1"。通过在磁化固定层和磁化自由层(存储层)之间设置隧道绝缘 层，可以类似于MRAM的方式利用隧道石兹阻效应来读耳又所记录的 信息。此外，利用自S走转移的》兹通反向具有可以在不增加电流的情况 下实现J兹通反向的伊C点。当存储器件例如约为0.1 jam大小时，流过存储器件从而引起磁 通反向的电流的绝对值为lmA以下。此外，具有绝对值与存4诸器 件的体积成比例地减小的优,* 。此外，具有由于去除了在MRA中必需的i己录字线而可以简4匕 存4诸单元结构的另 一个优点。下文中，将利用自旋转移的存储器件称作自旋转移随机存取存储器(Sp-RAM )。此外，将引起自旋转移的自旋极化电流称作自旋 注入电流(spin injection current )。非常期望Sp-RAM作为非易失性存储器，其能够实现低功耗并 包括较大的存储容量，同时还能够保持MRAM的、获得高速性能 并几乎无限次地重写的优点。图1是使用自旋转移的现有技术的存储器(Sp-RAM)的存储 单元的示意性截面图。为了电读取存储在存储单元中的信息，可使用二极管、MOS 晶体管等。在图l所示的存储单元中，使用的是MOS晶体管。首先，描述形成Sp-RAM中存储单元的存储器件101的结构。纟失》兹层112和4失石兹层114通过反4失石兹耦合连4妄并通过非》兹性层 113配置。下层侧的铁磁层112被配置成邻接反铁磁层111。在这些 层之间产生的交换相互作用具有很强的单向磁性各向异性。因此， 石兹化固定层102包括四层111、 112、 113和114。 4灸句话i兌，y磁化 固定层102包4舌两个纟失》兹层112、 114。铁》兹层116 4皮形成为可相对容易地反转不兹化Ml的方向。通过 该纟失》兹层116形成存4诸层(石兹化自由层)103。在不兹化固定层102的铁万兹层114和《失》兹层116之间(即，在；兹 化固定层102和存储层(磁化自由层)103之间)形成隧道绝缘层 115。隧道绝纟彖层115断开在垂直方向上配置的石兹性层116和;兹性层 114之间的》兹性井禺合，同时在其中流过隧道电流。因此，隧道》兹阻8(TMR)元件包括具有^t性层的固定^f兹化方向的^t化固定层102、 隧道绝缘层115以及可改变》兹化方向的存储层(^磁化自由层)103。此外，上述各层111 ~ 116、底层110以及顶覆层117形成包括 TMR元件的存4诸器件101。此外，在硅基板120上形成选择MOS晶体管121。在选择MOS 晶体管121的一个扩散层123上形成接线插头(连接塞，connection plug) 107。存储器件101的底层110连接至接线插头107。选择 MOS晶体管121的另一个扩散层122通过接线插头107连4妄至传 感线(未示出)。栅极106连接至选择信号线(未示出)。存储器件101的顶覆层117连接至配置在其上的位线(BL )105。在稳定状态下，通过非磁性层113的强反铁磁性耦合，铁磁层 112的i兹化Mil和4失石兹层114的》兹化M12几乎处于完全反向平行 状态。通常，牵力磁层112和4失不兹层114具有相同的々包和》兹化力莫厚积。 因此，磁极磁场的泄漏分量很小以至于可以忽略。由这些层114、 115、 116形成的TMR元4牛的阻抗/f直依赖于夹 置隧道绝缘层115的存储层103中铁磁层116的磁化Ml的方向和 磁化固定层102中铁^兹层114的磁化M12的方向是平行状态还是反 向平行状态而 文变。当两个》兹化M1、 M12处于平行状态时，阻抗 值较低，而处于反向平行状态时，阻抗值较高。整个存储器件101 的阻抗随着TMR元件(114、 115、 116)的阻抗改变而改变。该因 素可用于信息的记录和所记录信息的读取。换句话说，例如，信息 "0"可指定为低阻抗值的状态，信息'T，指定为高阻抗值的状态。 因此，可记录两个值(1位)的信息。注意，在形成^兹化固定层102的层中，当读取所记录的信息时， 存储层103侧上的铁磁层114是基准的铁磁层并设置为存储层103 》兹化M1的方向的基准。因此，铁A兹层114也被称为基准层。为了在存储单元中重写信息或从存储单元读耳又信息，自旋注入 电流Iz流过存储单元。自旋注入电流Iz流过存储器件101、扩散层 123和位线105。通过改变自S走注入电流Iz的才及性，可将自S走注入电流Iz的方 向乂人上向下改变或/人下向上改变。因此，通过改变存储器件101存储层103的磁化Ml的方向，可重写存储单元中的信息。然而，为了反转存储器件的存储层的磁化方向，不仅使自旋注 入电流流过存储器件，而且Sp-RAM还在除存储器件之外的存储层 上施加偏置电流i兹场(例如，日本未审查专利申讳-7>开第 2005-277147号)。具体地，在图1所示的存储单元的结构中，通过位线105向存 储器件101引入自旋注入电流Iz。此外，对存储器件101的存储层 103施加通过流过位线105的电流(等于自4t注入电流Iz )生成的 偏置电流》兹场Hx (未示出)。因此，可以有效地 文变存4诸层103的^兹化Ml的方向。发明内容然而，在图1所示的存储器件101的结构中，作用于存储层(磁化自由层)103的石兹化Mfree ( = Ml )的自^走转矩的大小与向量三重 积MfreeXMfteeXMref成比例。Mfef是基准层(4失》兹层)的》兹^匕(=M12 )。在初始状态下，存储层(》兹化自由层)103的石兹化Mfree和基准 层(铁磁层)114的磁化Mref处于平行状态或反向平行状态。第一 作用自旋转矩非常小。因此，自旋转矩降低的越少，》兹通反向电流增加的越多。因此，磁通反向电流的增加导致用于反转存储层的磁化方向的 自》走、注入电5危i曾力口 。因此，重写存储在存储单元中的信息的电能消耗增加了用于驱 动存储单元的消库C电能。根据本发明的 一个实施例，提供了 一种能够通过以少量电流反 转存储层的磁化方向来记录信息的存储器件。本发明的该实施例还 提供了一种配备有这种存储器件的存储器。本发明的第 一 实施例是包括存储层和磁化固定层的存储器件。 存储层用于基于磁体的磁化状态在其上保存信息。通过非磁性层在 存储层上形成具有固定》兹化方向的》兹化固定层。通过在堆叠方向上 使电流流过其中来改变存储层的磁化方向，以将信息记录在存储层 上。两条金属配线分别邻近;兹化固定层的两端形成。根据本发明的第一实施例，存储器件包括用于基于磁体的磁化 状态在其上保存信息的存储层。该存储层包括通过非磁性层的磁化 固定层。电流在堆叠方向上流过使存储层的磁化方向改变，以将信息记录在存^诸层上。因此，在堆叠方向上流过电流可通过自^走注入 使存储层的磁化方向发生改变，从而实现信息的记录。此外，分别邻近磁化固定层的两端形成两条金属配线。来自这 两条金属配线的电流磁场作用于磁化固定层，以在磁化固定层的两端沿不同的堆叠方向生成石兹4匕分量。因4匕，具有不同方向的两个自 旋转矩可通过堆叠方向上的^兹化分量作用于存储层。本发明的第二实施例是包括存储器件的存储器。该存储器件包 括存储层和磁化固定层。存储层用于基于磁体的磁化状态在其上保 存信息。通过非》兹性层在存储层上形成具有固定》兹化方向的》兹化固 定层。通过在堆叠方向上〗吏电流流过其中来改变存4诸层的石兹化方 向，以将信息记录在存储层上。两条金属配线分别邻近磁化固定层 的两端形成。相同方向的电流流过两条金属配线分别在形成磁化固 定层的多个铁磁层的、至少邻近存储层配置的铁磁层的两侧形成磁 化区域。磁化区域是层压方向上的磁化分量，并且它们的方向不同。根据本发明的第二实施例的存储器，设置用于基于磁体的磁化 状态在其上保存信息的存储层。在堆叠方向流过电流4吏存储层的磁 化方向发生改变。该存储器包括用于在存储层上执行信息的记录的 存储器件和用于沿堆叠方向提供通过存储器件的电流的配线。在根 据本发明的第一实施例的存储器件中，可通过自旋注入4丸行信息的 记录，其中，电流沿堆叠方向流过存储器件中的配线。此外，使相同方向的电流流过邻近磁化固定层两端形成的两条 金属配线导致在磁化固定层中铁磁层的两端形成磁化分量。因此， 具有不同方向的两个自旋转矩可作用于存储层，乂人而允许以少量电 流i己录j言息。冲艮据本发明的上述实施例，通过反转存储层的磁化方向，可以 以减小的电流量在存^f渚层上记录"f言息。因此，本发明的实施例可以提供能够通过降低用于记录的消耗 电能来以较少的电能消耗记录信息的存储器。


图1是使用自旋转移的现有技术的存储单元的示意性截面图；图2是根据本发明实施例的存储器件的示意性截面图；图3是示出当将电流磁场施加于存储器件时图1所示存储器件 的磁化状态的示图；图4是示出施加于存储层磁化的自旋转矩的示图；以及图5A和图5B是分别示出电流脉冲随时间改变的示图，其中， 图5A示出了关于自旋注入电流的电流脉冲，图5B示出了关于金属 配线的电流力永冲。
具体实施方式
首先，在描述本发明的具体实施例之前描述本发明的概念。使用自旋转移的存储器(Sp-RAM)包括足够大的各向异性， 以相对于热波动稳定存储层(磁化自由层)的磁化。通常，可通过热稳定性参数(△)表示存储层的磁化相对于上 述热波动的稳定程度，即，热稳定性指标。换句话说，热稳定性参数(△)表示为△=KuV/kBT (Ku:各向异性能量，V:存储层的体积，kB:玻 尔兹曼常数，T:绝对温度)。此外，需要在使用自旋转移的存储器(Sp-RAM)中确保热稳 定性指标(热稳定性参数)△高于特定程度，同时减小磁通反向电流o因此，进行了各种研究，并且可如下形成稳定的存储器。形成 磁化固定层，使得多个铁磁层通过非磁性层堆叠并反铁磁耦合。然 后，在至少邻近存储层的铁^兹层的两端分别形成具有沿堆叠方向的 石兹化分量和方向不同的不同^f兹化的^ 兹性区域。此外，如下在磁化固定层中的铁磁层的两端有效形成分别具有 沿堆叠方向的》兹化分量和不同方向的不同；兹化的》兹化区域。首先， 邻近石兹化固定层的两端配置金属配线，然后将电流施加于每条金属 配线以将电流磁场作用于磁化固定层的铁磁层。在这种情况下，通过施加电流;兹场在石兹^f匕固定层中的4失石兹层的 两端形成沿堆叠方向具有相互不同方向的》兹4b分量。因此，有岁文;也 使沿堆叠方向的^t化分量作用于存储层的石兹化。此外，为了在磁化固定层的铁磁层的两端形成沿堆叠方向分别 具有磁化分量的磁化区域，需要邻近磁化固定层的两端总共配置两 条金属配线。此外，为了使得到的磁化区域在磁化固定层的两端具 有不同方向的》兹化，这两条金属配线需要电流沿相同方向流过。优选配置金属配线，使其可以与磁化固定层中的铁磁层的磁化 方向垂直。此外，优选在与磁化固定层平行的平面中配置金属配线。沿相同方向分别只于两条配线施力o电:;危，以沿i,叠方向生成相应 的万兹化分量以及方向不同的》兹化。因此，可以/人^"兹化区域的两端将 具有不同方向的两个自旋转矩作用于存储层的两端。这两个自旋转矩可容易地反转存储层的^ 兹化方向。因此，可通 过少量电流反转存储层的磁化方向。接下来，将描述本发明的具体实施例。图2是根据本发明 一个实施例的存储器件的示意性截面图。存储器件1包括隧道》兹阻效应(TMR)元件。在存储器件1中，铁磁层12和铁磁层14通过非磁性层13配 置并利用反铁磁性耦合彼此结合。另外，铁磁层12被配置成与反 铁磁层11邻接。这里，由于这些层之间的交换相互作用，可观察 到^艮强的单向^兹性各向异性。》兹化固定层2包括四层11、 12、 13、 14,并且磁化固定层2包括两个铁磁层12、 14。铁磁层16被设计为相对容易地反转磁化Ml的方向。铁磁层 16形成存储层(磁化自由层)3。在铁磁层14和铁磁层16之间， 即，在磁化固定层2和存储层(磁化自由层)3之间形成隧道绝缘 层15。隧道绝纟彖层15断开沿垂直方向配置的》兹性层16和f兹性层 14之间的万兹性耦合，同时还施加隧道电流。因此，隧道》兹阻效应 (TMR)元件包括具有磁性层的固定磁化方向的磁化固定层2、隧 道绝缘层15以及能够改变磁化方向的存储层(磁化自由层)3。具 有TMR元件的存储器件1包括上述层11 ~ 16、底层10以及顶覆层 17。通过非磁性层13的强反铁磁性耦合在反向平行方向上形成铁 石兹层12的^兹化Mil和4失》兹层14的》兹4匕M12。具有这些层14、 15、 16的TMR元4牛的阻抗/f直依赖于夹置隧道 绝纟彖月莫15的存4诸层3的4失不兹层16的磁化Ml的方向和》兹化固定层2中的铁》兹层14的》兹化M12的方向是平行状态还是反向平行状态 而改变。当两个;兹4bMl、 M12处于平4亍状态时，阻抗值4交^f氐，而 处于反向平行状态时，阻抗值较高。整个存储器件1的阻抗随着 TMR元件(14、 15、 16)的阻抗改变而改变。该事实可用于4言息 的记录和所记录信息的读取。换句话说，例如，信息"0"可指定 为低阻抗值的状态，信息"1"指定为高阻抗值的状态。因此，可 以记录两个值(l位)的信息。在形成磁化固定层2的层中，当读取所记录的信息时，存储层 3侧的铁磁层14是基准的铁磁层并设置为存储层3的磁化Ml方向 的基准。因此，铁》兹层14也被称为基准层。为了在存储单元中重写信息或从存储单元读出信息，优选自旋 注入电流Iz流过存^f渚器^f牛1。通过改变自旋注入电流Iz的一及性，可将通过存〗诸器件1的自旋 注入电;危I z ,人上向下或乂人下向上改变。因此，通过改变存4诸器件1的存4诸层3的》兹化Ml的方向，可 重写存储单元中的信息。可以以类似于图1所示现有技术的存储器件101的方式形成本 实施例的存储器件l。即，存储器件1可连接至形成在硅基板上的 选冲奪MOS晶体管，以执行存储单元的读取。此外，存储器件l可连接至配线，并且自旋注入电流Iz可沿堆 叠方向通过配线流过存储器件1。在本实施例的存储器件1中，除上述TMR元件之外还配置金 ^酉己纟戋20、 21。才奐句i舌"i兌，t^酉己纟戋20、 21 4卩il》兹4b固ti 2的 两端配置，并沿纸面的法线方向延伸。金属配线20、 21被设计成在存储器件1的附近沿同一方向流 过电流。此外，金属配线20、 21被配置成邻近存储器件1的两侧但不 与磁化固定层2接触。此外，金属配线20、 21的每一条都可放置 在使生成的电流万兹场沿堆叠方向在,兹化固定层2上生成万兹化分量的 位置处。例如，金属配线可邻近存储器件1的磁化固定层2的两端 配置，其在与^f兹化固定层2的^t化方向垂直的方向上或与i兹化方向 平行的方向上延伸。此外，可在与存储器件1的磁化固定层平行的 平面中配置金属配线。在图2中，当施加电流IZ时，作用于存储层3的i兹化Mfree (= Ml )的自旋转矩的大小与向量三重积MfreeXMfreeXMref成比例。然而， Mref是基准层14的》兹化(=M12 )。在初始状态下，存储层3的石兹化Mfree和基准层14的石兹化Mref 处于平行状态或反向平行状态。第一作用自旋转矩非常小。因此， 在这种情况下，》兹通反向电流增加。在本实施例的存储器件l中，使相同方向的电流流过金属配线20、 21， 乂人而在堆叠方向上在H磁层12、 14的两端生成具有相互 不同方向的^兹化分量。此外，在堆叠方向上生成^兹化分量导致作用 于存储层3的磁化Ml的自旋转矩增加，同时降低了磁通反向电流。这里，优选在与存储器件1的磁化固定层2平行的平面中配置 H酉己纟戋20、 21。 jt匕夕卜，H西己纟戋20、 21 ^Li4^与》兹^匕固《i 2 的不兹^1方向垂直的方向上延伸。如上所述，在与》兹化固定层2平4亍的平面中配置金属配线20、 21，并且金属配线20、 21和》兹4b固定层2的不兹4匕方向4皮此垂直。 因此，在金属配线20、 21周围生成的电流;兹场可有助于作用于石兹 化固定层2的铁磁层12、 14。结果，可容易生成堆叠方向上的磁化 分量。此外，沿堆叠方向生成的》兹化分量变强。因此，可以增加作 用于存储层的磁化的自旋转矩。此外，可以减小磁通反向电流。可以，没计金属配线20、 21,使得可邻近存储器件1形成两条独 立的金属配线。可选地，在存储器件l周围，可以分割单条配线以 在存储器件1附近提供两条金属配线。接下来，图3示出了当将平行的电流Ia、Ib施加于金属配线20、 21时磁化固定层2的磁化状态。如图3所示，当通过两条金属配线20、 21 A人图的前侧到其后 侧施加平行的电流Ia、 Ib时，如图3中的虚线所示，顺时针方向地 在金属配线20、 21周围生成电;克》兹场20a、 21a。在这种情况下，分别通过两条金属配线20、 21，磁化固定层2 内的电;:危》兹i^ 20a、 21a成为两个电力U兹i^ 20a、 21a的合成石兹i为。随着电流万兹场20a、 21a与金属配线20、 213巨离的增力口，由两 **，酉己纟戋20、 21 AA的电^^兹i^ 20a、 21a ^于i^详斤卩争4氐。因jt匕， 邻近金属配线20的磁化固定层2的末端(左侧)强烈受到由金属 配线20生成的向下的电流,兹场20a的影响。相反，邻近金属配线21的磁化固定层2的末端(右侧)强烈受到由金属配线21生成的 向上的电流》兹场21a的影响。另 一方面，几乎在f兹化固定层2的中央，两个电流》兹场20a、 21a的大小几乎互相相等，并且它们的方向互相相反。因此，电流 》兹场20a和21a互相才氐消。结果，》兹4匕固定层2内的》兹4匕结构变为如图3所示的结构。换句话说，在石兹化固定层2中，在4失/磁层12的不兹化Mil的两 端和4失》兹层14的》兹化M12的两端生成向上的^兹化分量Mlla、M12a 或向下的》兹化分量Mllb、 M12b。这些向上和向下的》兹化分量 Mlla、 M12a、 Mllb、 M12b在》兹4匕Mil和》兹4匕M12的》兹化方向 和堆叠方向之间具有角度。邻近金属配线20的磁化固定层2的末端(左侧)接收由金属 配线20生成的向下电流石兹场20a的影响。因此，生成向下的》兹化 分量Mllb、 M12b。此夕卜，邻近金属配线21的不兹化固定层2的末 端(右侧)接收由金属配线21生成的向上电流磁场21a的影响。 因此，生成向上的^兹化分量Mlla、 M12a。这些向上的》兹化分量 Mlla、 M12a和向下的》兹化分量Mllb、 M12b在;兹化固定层2的 两端几乎相互逆向。此夕卜，几乎在万兹化固定层2的中央，两个电流i兹场20a、 21a 互相纟氏消。没有生成沿堆叠方向的^兹^f匕分量。如上所述，在磁化固定层2的两侧生成沿堆叠方向的磁化分量。 具体地，对于磁化固定层2的铁磁层12、 14，生成邻近存储层3的 铁磁层(即，基准层)14的堆叠方向上的磁化。因此，可以在初始 状态下增大上述存^f诸层3的》兹4匕Ml的向量三重积MfreexMfreexMref。因此，正好在存^诸层3的磁化Ml的《失i兹层14的堆叠方向上 的不兹化分量上方的极其窄的区域上施加极大的自旋转矩。此时，磁化固定层2包括距离金属配线20、 21非常长的距离， 难以在《失/磁层12的》兹化Mil和4失石兹层14的》兹化M12的两端在堆 叠方向上生成》兹化分量。因此，由于在》兹化固定层2两侧生成的》兹 化，不会得到用于降低存储层3的磁化Ml的磁通反向电流的足够 量的自旋转矩。因此，可在对^t化固定层2生成电流》兹场的位置处 配置金属配线20、 21。此夕卜，施加于金属配线20、 21的电流可以相等或4皮此不同。 来自金属配线20、 21的电流石兹场分别作用于铁》兹体12、 14的两端。 然后，沿堆叠方向的^兹化分量可生成自祷:转矩。在4失》兹层12、 14 的端部生成的磁化分量不必要彼此相同。在图2的存4诸器件中，在图4中示出了添加到存储层3的f兹化 Ml的自S走4争矩的4犬态。^图4戶斤示，乂人Mll、 M12^f吏由沿堆叠方 向的磁化分量生成的方向互相相反的自旋转矩Ta、 Tb作用于存储 层3的磁化Ml,从而执行存储层3的磁化Ml的同时旋转。结果，可以容易地反转存4诸层3的^兹化Ml的方向。在本实施例中，在》兹4b固定层2的4失f兹层12、 14中生成具有 沿堆叠方向的》兹化分量的磁化。然而，如存储器件101的情况，可 以通过自旋注入电流Iz的方向(才及性)来控制存4诸层3的》兹化Ml 的方向。图5示出了施加于金属配线20、 21的电流Ia、 Ib的电流月永沖 和自力走注入电流Iz的电流月永冲的时间变4t (定时)之间的关系图。在图5中，自^走注入电流Iz和施加于金属配线20、 21的电流 Ia、 Ib分别被确定矩形脉冲。初始状态设置为"t0"。此外，自旋注 入电流Iz和电流Ia、 Ib的上升时间分别^皮i殳置为"tl"和"t2，，。 此夕卜，自旋注入电流Iz和电流Ia、 Ib的下降时间分别净皮设置为"t3，， 和"t4"。对于自4t注入电流Iz和电流Ia、 Ib，每个l永沖的持续时 间为t3 ~ tl和t4 ~ t2。自i走注入电流Iz在tl之前处于关断状态， 在tl时处于通^各状态以及在t3时处于关断状态。在图5A中，自^:注入电流Iz的月永沖上升时间tl不同于电流Ia、 Ib的月永沖上升时间t2。才奐句话"i兌，时间tl晚于时间t2。此夕卜，在 图5B中，自S走注入电流Iz的月永冲上升时间tl等于电流Ia、 Ib的月永 沖上升时间t2。如图5A所示，电流Ia、 Ib的电流月永沖上升时间t2快于自旋注 入电流Iz的电流月永冲上升时间tl。因此，可预先在^兹化固定层2 的纟失》兹层12、 14的两端生成沿堆叠方向的^f兹化分量。因此，沿堆 叠方向的磁化分量使方向彼此相反的自旋转矩Ta、 Tb作用于存储 层3的》兹化Ml。因此，可以容易地反转存储层3的^兹化Ml的方 向。结果，可以降低磁通反向电流。此外，可通过少量电流反转存 储层的磁化方向。此夕卜，如图5B所示，电流Ia、 Ib的电流脉冲上升时间t2等于 自祷:注入电流Iz的电流月永冲上升时间tl 。此外，电流Ia、 Ib的电 流月永沖下降时间t4等于自S走注入电流Iz的电流月永冲下降时间t3 。 在这种情况下，可以标准化用于驱动的转换(switching )。当同时提 供电流Ia、 Ib和自S走注入电流Iz时，流过电流Ia、 Ib的电流增力口 有助于沿堆叠方向在4失;兹层12、 14的两端生成》兹4匕分量。因此， 可以容易地反转存储层3的磁化M1的方向。因此，可以降低》兹通 反向电流。此外，可以通过少量电流反转存储层的》兹化方向。金属配线20 、 21的电流la 、 Ib的下降时间t4可以是4壬4可的任 意时间。例如，如图5A所示，下降时间t4可以晚于自S走注入电流 Iz的下降时间t3。可选地，下降时间t4可以与自旋注入电流Iz的 下降时间t3同时结束。此外，在图4中，左侧向下的自旋转矩Ta相对于右侧向上自 旋转矩Tb的角度几乎为180。。可以根据金属配线20、 21的铁磁层 12、 14的膜厚或其饱和磁化的大小来控制该角度。即使该角度不是如图4所示的大约180°,但彼此反向的自旋转 矩可以作用于存储层3的》兹化Ml，从而容易地反转存储层3的》兹 Ml的方向。在本实施例中，形成存储器件1的各层的材料可以是与用在现 有技术存储器件中的材料相同的材料。反难失》兹层11的材料可以是例如PtMn 。磁化固定层2的铁磁层12 、 14的材料可以是CoFe等。非磁性层13的材料可以是Ru、 Ta、 Cr、 Cu等。隧道绝纟彖层15的材并+可以是例如MgO。存储层3的铁磁层16的材料可以是诸如CoFeB的铁磁材料。在上述实施例的存4诸器件1中，在存4诸层3之下形成》兹化固定 层2，从而可在存储层3之下配置具有沿堆叠方向的磁化分量的基 准层14的磁化区域。可选地，可以在存储层之上形成石兹化固定层， 并且石兹化区域可在存储层之上。在本实施例中，磁化固定层2包括两层，即，铁磁层12、 14。然而，并不具体限制形成磁化固定层2的铁磁层的数量。例如，在上述实施例的存储器件中，形成磁化固定层的铁磁层 的数量可以是除两层之外的任意层数。在这种情况下，可以通过将 来自金属配线的电流磁场施加于至少配置在邻近存储层3的磁化固 定层的铁磁层上来形成沿堆叠方向的磁化分量。结果，大的自旋转 矩可作用于存储层的磁化。从而，可以容易地反转存储层3的磁化 Ml的方向。因此，可以通过自3走注入电流Iz的少量电流来反转存 储层3的磁化M1。以这种方式，可以降低用于记录信息的自旋注入电流Iz的消库毛 电能，乂人而降^f氐功井毛。例如，即使磁化固定层仅包括一层铁磁层，来自金属配线的电 流》兹场也可以作用于单个4失》兹层，以生成沿堆叠方向的》兹〗匕分量。 结果，自旋转矩可作用于存储层的磁化。此外，例如，三层以上的铁磁层可形成磁化固定层。在磁化固 定层包括多层铁》兹层的情况下，来自金属配线的电流^t场可作用于 邻近存储层3的,兹化固定层的至少一层4失》兹层，以生成沿堆叠方向 的》兹化分量。结果，自旋转矩可作用于存储层的》兹化。此外，用于生成沿堆叠方向的磁化分量的铁磁层并不限于邻近 存储层3配置的《失;兹层。可以在形成磁化固定层的另一铁磁层上形 成沿堆叠方向的》兹化分量。此外，可允许多层《失f兹层生成沿堆叠方 向的磁化分量，以对存储单元的磁化施加大自旋转矩的作用。结果， 可以容易地反转存^诸层3的》兹化Ml的方向。因此，可以以自旋注 入电流Iz的少量电流容易地反转存储层3的万兹化Ml的方向。因此，可以降低用于记录语言信息的自旋注入电流Iz的消库t电能，从而降降低功耗。本发明并不限于任何上述结构，并且在不背离本发明精神的情 况下还可以采用各种其4也结构。本领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其它因素，可以 有多种修改、组合、再组合和改进，均应包含在本发明的权利要求 或等同物的范围之内。
权利要求
1.一种存储器件，包括存储层，基于磁体的磁化状态在其上保存信息；磁化固定层，具有固定磁化方向，通过非磁性层形成在所述存储层上；以及两条金属配线，邻近所述磁化固定层的两端形成，其中通过使电流沿堆叠方向通过所述存储层来改变所述存储层的磁化方向，以将所述信息记录在所述存储层上。
2. 根据权利要求1所述的存储器件，其中，所述磁化固定层包括通过非磁性层堆叠的多个铁磁层。
3. 根据权利要求1所述的存储器件，其中，所述两条金属配线垂直于所述4失f兹层的^Ht方向形成。
4. 根据权利要求1所述的存储器件，其中，所述两条金属配线形成在与所述》兹化固定层平4亍的平面中。
5. —种存储器，包括存储器件，包括基于磁体的磁化状态在其上保存信息的 存储层；磁化固定层，通过非》兹性层形成在所述存4渚层上，具有 多个铁磁层并具有固定石兹化方向；以及两条金属配线，邻近所述^f兹化固定层的两端形成，其中通过使电流沿堆叠方向通过所述存储层来改变所述存储 层的》兹化方向，以将所述信息记录在所述存4诸层上，以及其中通过使电流沿相同方向流过所述两条金属配线，在形成 所述磁化固定层的所述多个铁磁层中、至少位于与所述存储层 最近侧的铁》兹层的两端形成第一f兹化区域和第二》兹化区域，所 述第 一磁化区域和所述第二磁化区域包括沿堆叠方向的磁化 分量并且它们的方向互不相同。
全文摘要
本发明公开了存储器件和具有这种存储器件的存储器，其中，该存储器件包括基于磁体的磁化状态在其上保存信息的存储层、通过非磁性层形成在存储层上的具有固定磁化方向的磁化固定层以及邻近磁化固定层的两端形成的两条金属配线。在存储器中，通过使电流沿堆叠方向流过来改变存储层的磁化方向，以将信息记录在存储层上。通过本发明的存储器，通过降低用于记录的消耗功率以较小电功率来记录信息。
文档编号H01L27/22GK101252144SQ20081000618
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月21日 优先权日2007年2月21日
发明者五十岚实, 大森广之, 大石雄纪, 山元哲也, 山根一阳, 细见政功, 肥后丰, 鹿野博司 申请人:索尼株式会社