信息存储元件及其驱动方法

专利名称：信息存储元件及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及采用磁性材料的信息存储元件及其驱动方法。
背景技术：
在诸如计算机的信息装置中，硬盘广泛用作外部存储设备。然而，因为硬盘包括旋转机构，所以很难小型化和节能。采用闪速存储器的SSD (固态驱动器)已经开始用作小装置的外部存储设备。然 而，其价格高并且其存储容量也不够。此外，存在记录次数的限制，从而存在作为外部存储 设备使用的限制。因此，期望一种具有高存储容量并且能够高速读写的非易失性存储设备。作为用于非易失性存储器的候选者，将信息记录为磁性材料的磁化的磁存储器引 起了人们的注意并且其开发正在进行之中。在这些磁存储器中，通过电流磁场反转磁化方 向的MRAM(例如，由Freescale Semiconductor, Inc.生产的MR2A16)已经投入到实际应用 中。作为具有较高密度的磁存储器，人们将注意力投向了如下构造，S卩，在这种构造 中，不使用电流磁场，而是使得电流在夹置非磁性材料的两种磁性材料之间流动，并使用这 两种磁性材料之间的起作用的自旋注入扭矩(spin-injection torque)。(例如，参照日 本专利公开第 2003-17782 和 F. J. Albert et al.，Appl. Phys. Lett. Vol. 77，No. 23，2000， p. 3809)。具有这种构造的磁存储器被称为自旋扭矩MRAM或者自旋RAM。

发明内容
然而，在具有上述各种构造的磁存储器中，需要将一个晶体管连接至每个存储元 件。此外，需要使流过存储元件的电流大于特定电流，因此，连接的晶体管还需要具有 特定尺寸。因此，包括晶体管的存储单元的尺寸较大，并且难以不同于闪速存储器地提高记 录密度。本发明需要提供一种信息存储元件及其驱动方法，均允许实现高记录密度。根据本发明的第一实施方式，提供了一种信息存储元件，包括字电极，被配置为 包括连续形成并且导电的第一磁性材料；非磁性膜，被配置为与字电极的第一磁性材料接 触地形成；以及第二磁性材料，被配置为经由非磁性膜连接至第一磁性材料。此外，信息存 储元件包括磁化设定机构，被配置为设置在字电极的两个端部的至少一个端部附近并且设定字电极的该端部的磁化方向；以及矫顽力减小机构，被配置为减小第二磁性材料的矫 顽力。而且，信息存储元件包括导电性位电极，被配置为形成以兼作第二磁性材料或者与第 二磁性材料平行地形成。连续形成位电极以与字电极交叉。在根据本发明的第一实施方式的上述信息存储元件的构造中，包括字电极，包括 连续形成并且导电的第一磁性材料；以及磁化设定机构，用于设定字电极的该端部的磁化 方向。通过该磁化设定机构，设定字电极的该端部处的第一磁性材料的磁化方向。通过使 电流流过字电极，可以改变连续形成的字电极的第一磁性材料的磁化方向，并且可以移动 第一磁性材料中的磁畴壁。此外，包括与第一磁性材料接触地形成的非磁性膜以及经由非磁性膜连接至第一 磁性材料的第二磁性材料。从而，由第一磁性材料、非磁性膜、第二磁性材料这些来构成磁 阻效应元件。而且，包括用于减少第二磁性材料的矫顽力的矫顽力减小机构。通过这种矫顽力 减小机构，可以减少第二磁性材料的矫顽力，并且可以促进第二磁性材料的磁化方向的反 转。这可以改变与第一磁性材料的磁化方向匹配的第二磁性材料的磁化方向。S卩，可以根据第二磁性材料的磁化方向来记录信息。此外，信息存储元件包括导电性位电极，形成导电性位电极以兼作第二磁性材料 或者与第二磁性材料平行地形成导电性位电极，并且连续形成该导电性位电极以与字电极 交叉。因此，通过在位电极和字电极的交叉点附近的磁阻元件来构成存储单元。选择位电 极和字电极，并且通过使电流流过选择的字电极来改变第一磁性材料的磁化方向。其后，减 小第二磁性材料的矫顽力。因此，可以将信息记录在选择的位电极和字电极的交叉点附近 的存储单元中。另外，选择位电极和字电极，并且当通过使电流流过选择的字电极来改变第一磁 性材料的磁化方向时，检测存储单元的磁阻效应元件的电阻变化。因此，可以得到存储单元 的第二磁性材料的磁化方向。这可以读出记录在存储单元中的信息。而且，当矫顽力减小机构不工作时并且当未使电流流过字电极时，第二磁性材料 的磁化方向不改变。因此，可以保持记录的信息。因此，即使当关闭电源时，也不会丢失信 息，这可以实现非易失性。根据本发明的第二实施方式，提供了用于驱动信息存储元件的第一方法。第一方 法包括第一步骤，通过使电流流过根据本发明的第一实施方式的上述信息存储元件中的字 电极来改变第一磁性材料的磁化方向。此外，第一方法包括第二步骤，通过矫顽力减小机构 减小第二磁性材料的矫顽力从而将第二磁性材料的磁化方向改变为对应于第一磁性材料 的磁化方向的方向。在根据本发明的第二实施方式的用于驱动信息存储元件的上述第一方法中，通过 在第一步骤中由流过字电极的电流来改变第一磁性材料的磁化方向，可以改变与字电极相 对应的存储单元的第一磁性材料的磁化方向。此外，通过在第二步骤中将第二磁性材料的磁化方向改变为对应于第一磁性材料 的磁化方向的方向，改变与字电极相对应的存储单元的第二磁性材料的磁化方向，以便可 以将信息记录在该存储单元中。根据本发明的第三实施方式，提供了用于驱动信息存储元件的第二方法。在该第二方法中，在根据本发明的第一实施方式的上述信息存储元件中，在使电流流过字电极的 同时，检测由第一磁性材料、非磁性膜、第二磁性材料所构成的磁阻效应元件的电阻。这时， 基于由于第一磁性材料的磁化方向的变化而产生的变化来读取记录在第二磁性材料中的 fn息ο在根据本发明的第三实施方式的用于驱动信息存储元件的上述第二方法中，基于 由于第一磁性材料的磁化方向的变化而产生的变化来读取记录在第二磁性材料中的信息。 与基于磁阻效应元件的电阻值读出信息的现有技术的磁存储器相比，这可以提高读取灵敏度。根据本发明的上述实施方式，通过选择字线和位线，可以将信息记录在这些电极 的交叉点附近的存储单元中。因此，即使在没有(为现有技术的信息存储元件中的每个存 储单元而设置的)用于选择的有源元件(晶体管等)的情况下，也可以选择存储单元并且 可以记录信息。因为用于选择的有源元件是不必要的，所以与现有技术的存储单元相比，可以使 存储单元小型化并且可以提高存储单元的密度。因此，可以实现可以高密度地记录信息的非易失存储设备(存储器)。


图1为根据本发明的一种实施方式的信息存储元件的示意性构造图(平面图)；图2为沿着图1中的线X-X截取的截面图；图3A 图3G为用于说明在图1的信息存储元件中记录信息的方法的示图；图4A 图4D为用于说明在图1的信息存储元件中记录信息的方法的示图；图5A 图5D为用于说明读取图1的信息存储元件中的信息的方法的示图；图6为示意性地示出对应于图5A 图5D的状态的电压变化的示图；图7A和图7B为用于说明制造图1的信息存储元件的方法的制造步骤图；图8A和图8B为用于说明制造图1的信息存储元件的方法的制造步骤图；图9A和图9B为用于说明制造图1的信息存储元件的方法的制造步骤图；图IOA 图IOC为用于说明制造图1的信息存储元件的方法的制造步骤图；图11为示出在图1的信息存储元件中记录信息时所施加的电流脉冲的一种形式 的示图；以及图12为示出在图1的信息存储元件中的读出操作中所施加的电流脉冲一种形式 以及所获得的输出脉冲的示图。
具体实施例方式下文中，将描述用于实施本发明的最佳模式(下文中，称作实施方式)。描述的顺序如下。1.实施方式2.变形实施例<1.实施方式〉图1为根据本发明的一种实施方式的信息存储元件的示意性构造图(平面图)。图2为沿着图1中的线X-X截取的截面图。如图1所示，在该信息存储元件中，彼此平行地设置兼作连续形成的并且导电的 第一磁性材料的多个字电极1，并且彼此平行地设置兼作第二磁性材料并连续形成的多个 导电性位电极3。多个字电极1和多个位电极3互相垂直并且以格子方式进行设置。在字电极1的两个端部，设置用于字电极的电极兼磁化设定机构 (electrode-and-magnetization setting mechanism)2。该电极兼磁化设定机构 2 设定字 电极(第一磁性材料)1的端部的磁化方向并且兼作电极(用于端子的电极)。在兼作第二磁性材料的位电极3的两个端部，设置电极(用于端子的电极)4。在字电极1的第一磁性材料和位电极3的第二磁性材料之间形成作为非磁性膜的 隧道绝缘膜(隧道势垒膜，tunnel barrier film)5。这允许由第一磁性材料、隧道绝缘膜 5以及第二磁性材料来构成隧道磁阻效应元件(TMR元件)。如图2所示，每个位电极3的第二磁性材料独立于两个相邻位电极3的第二磁性 材料而形成。这形成由在字电极1和位电极3的交叉点处的隧道磁阻效应元件所形成的存 储单元。如稍后详细描述的，需要在第一磁性材料中移动磁畴壁。因此，优选地，使用包括 少许缺陷和不连续性的磁性材料作为字电极1的第一磁性材料，以便可以容易地移动磁畴壁。当使电流流过字电极1时，在字电极1的端部的磁化设定机构2设定字电极的端 部的磁化方向并且稳定该磁化方向。作为该磁化设定机构2，可以添加由与字电极1的第一磁性材料不同的材料所构 成的磁性膜。另外，通过增加磁性膜的膜厚度，或者加宽磁性膜的宽度，或者将导电性非磁性膜 添加至磁性膜，可以降低流过磁性材料的电流密度以抑制自旋扭矩的作用。而且，可以将具有高矫顽力的磁性材料添加至第一磁性材料，或者可以使反铁磁 性材料与第一磁性材料接触以将磁化方向固定到一个方向。对于位电极3的第二磁性材料，不需要在其中移动磁畴壁，因此，不需要连续形成 磁性膜作为第二磁性材料。位电极3兼作用于减小第二磁性材料的矫顽力的矫顽力减小机构及第二磁性材 料。为此，采用如下构造，S卩，在该构造中，使电流流过位电极3从而通过位电极3的发 热作用或者由于电流所生成的电流磁场的作用来减小第二磁性材料的矫顽力。为了通过位电极3的发热来减小第二磁性材料的矫顽力，优选地，调整位电极3的 材料和厚度以便可以获得适当的发热。在通过利用当使电流流过位电极3时所生成的电流磁场来减小第二磁性材料的 矫顽力的情况下，可以通过向位电极3的一部分添加软磁性材料等来增强生成的磁场。为字电极1和位电极3设置的第一磁性材料和第二磁性材料的磁化 (magnetization)分别在垂直于磁性材料的膜表面(磁性材料的主表面)的方向(垂直方 向)上。即，每种磁性材料由垂直磁化膜形成。因为每种磁性材料由垂直磁化膜形成，所以与磁化在平行于磁性材料的膜表面的方向(水平方向)上的情况相比，可以获得更高的信息保持容量。作为字电极1和位电极3的第一磁性材料和第二磁性材料，可以使用诸如Tbi^eCo 或者!^ePt的有序相(ordered-phase)合金或者Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni等的多层膜。此外，为 了增加隧道磁阻效应元件的电阻变化，可以在这些材料上堆叠诸如i^eCo或者!^eCoB的具有 高极化率的磁性材料。作为设置在第一磁性材料和第二磁性材料之间的隧道绝缘膜5的材料，可以使用 A1203、Si02、Mg0等。具体地，MgO是合适的，其由于铁磁隧道效应导致的电阻变化较大。下文中，将参照图3A 图3G描述本实施方式的信息存储元件的操作。图3A 图 3G为示出字电极1的磁化状态的示图。图3A示出了未使电流流动的稳定状态。这时，在两端的磁化设定机构兼电极 2(21,22)周围部分中的磁化处于相反的方向。在左电极21—侧，电极21和第一磁性材料 (字电极1)的磁化在向上的方向上。在右电极22 —侧，电极22和第一磁性材料(字电极 1)的磁化在向下的方向上。在左电极21和右电极22之间连续的磁性材料中，形成至少一个磁化方向的边界， 即，磁畴壁11。接下来，如图3B所示，如果使电流I在示图中从左向右流动，则磁畴壁11在与电 流相反的方向上移动，即，从右向左。最终，如图3C所示，磁畴壁11在与左电极21接触的部分(该部分电流密度小或 者矫顽力高)处停止。示图示出了一个磁畴壁11的情况。在多个磁畴壁的情况下，多个磁畴壁向电极端 聚集，从而只保留一个磁畴壁。如图3D所示，在切断电流之后，磁畴壁11保留在左电极21端，并且除了与该电极 21的端部接触以外，第一磁性材料(字电极1)的磁化在向下的方向上。接下来，如图3E所示，当使电流在与图:3B和图3C相反的方向上流动时，磁畴壁11 从左向右移动。最后，如图3F所示，磁畴壁11在右电极22的端部停止。在切断电流之后，如图3G所示，除了与右电极22的端部接触以外，第一磁性材料 (字电极1)的磁化在向上的方向上。如上所述，可以通过改变电流的方向来改变第一磁性材料(字电极1)的磁化状 态。接下来，以下将描述在位电极3的第二磁性材料中记录信息的方法。图4A 图4D为示出在字电极1的磁化和在字电极1上的一个位电极3的磁化的 示图。即，在这些示图中，以一个存储单元示出了位电极3的第二磁性材料。图4A示出了使电流既不流过字电极1也不流过位电极3的状态。在该状态中，尽 管在图4A中示出的磁畴壁11紧挨着位电极3左边，但是实际上并未固定磁畴壁的位置。接下来，如图4B所示，如果使电流I从左向右流动，则磁畴壁11向左移动，从而字 电极1的第一磁性材料的磁化对准向下方向。接下来，如图4C所示，切断字电极1的电流，并且使在与附图的表面垂直的方向上 的电流12流过位电极3。这降低了位电极3的第二磁性材料的矫顽力。这使得更容易改变位电极3的第二磁性材料的磁化。这时，如图4D所示，因为由字电极1的磁化所导致的磁场泄漏等，所以位电极3的 第二磁性材料的磁化方向改变，从而将第二磁性材料的磁化改变为与字电极1的磁化方向 相匹配的向下磁化。如果设定流过字电极1的电流在与图4B相反的方向上，则可以相反地将位电极3 的第二磁性材料的磁化方向改变为向上方向。以这种方式，通过改变第二磁性材料的磁化方向，可以将信息记录在包括该第二 磁性材料的存储单元中。关于一个字电极1的操作的描述到此结束。作为该技术的应用，使电流同时或者依次流过多个字电极1从而使多个字电极1 中的每个均具有对应于待记录的信息的磁化方向，其后，通过使电流流过位电极3来进行 记录。因此，将在各个字电极1中的多条信息一起写入位电极3的第二磁性材料。如果通过切换作为记录目标的位电极3来重复该处理，则可以将任意条信息记录 在字电极1和位电极3的交叉点处的所有存储单元中。接下来，以下将描述用于读取在本实施方式的信息存储元件中的信息的方法。为了检测位电极3的第二磁性材料的磁化状态，需要通过将电压或者电流施加在 字电极1和位电极3之间来检测字电极1和位电极3之间的电阻。以下将参照图5A 图5D描述读取本实施方式的信息存储元件中的信息的方法的 一种形式。如图5A 图5D所示，为了电阻检测，将电阻器13连接至位电极3的第二磁性材 料，并且将电压表14连接至位电极3的第二磁性材料和(连接至字电极1的右端部的)电 极 2(22)。使电流经由电阻器13在第一磁性材料和第二磁性材料之间流动，并且通过电压 表14检测在第一磁性材料和第二磁性材料之间的电阻。如果存在多个字电极1和位电极3，则电阻变化率大大低于在只有单个信息存储 元件的情况下的电阻变化率，并且实际上难以检测记录状态。因此，使电流流过记录了期望读出的信息的字电极1，从而，磁畴壁11移动到字电 极的左端部和右端部处的电极21和电极22之一的电极端。图5A示出了字电极1的第一磁性材料中的磁畴壁11已经移动到字电极1的右端 部处的电极22的端部的状态。如图5B所示，使电流I在与图5A的状态相反的方向上流过字电极1，磁畴壁11从 右电极22的端部向左移动。因此，如图5C所示，磁畴壁11穿越位电极3的第二磁性材料 下方的位置，从而磁畴壁11移动到位电极3的第二磁性材料的左边。隧道磁阻效应元件的电阻在图5B的状态和图5C中所示的状态之间改变，其中，图 5B的状态为在磁畴壁11穿越位电极3的第二磁性材料下方的隧道势垒膜5以前的状态，而 图5C所示的状态为穿越之后的状态。如图5D所示，通过进一步使电流I流过字电极1，磁畴壁11移动到左端部的电极 21的端部。图6示意性地示出了当字电极1中的磁畴壁11如图5A 5D所示地移动时通过使电流流过隧道势垒膜5所检测到的电压。在图6中，A D分别对应于图5A 图5D。如图6所示，电压在A状态和B状态下是低的。电压在B和C之间急剧增大。电 压在C状态和D状态下是高的。在图5A和图5B的状态下，因为位电极3的第二磁性材料的磁化和第二磁性材料 正下方的字电极1的第一磁性材料的磁化都在向上的方向上，所以电阻低。在图5C和图5D的状态下，因为位电极3的第二磁性材料的磁化和第二磁性材料 正下方的字电极1的第一磁性材料的磁化在相反的方向上，所以电阻高。反之，如果由于磁畴壁11的移动，位电极3的第二磁性材料和第二磁性材料正下 方的字电极1的第一磁性材料的磁化方向从相反方向变为相同方向，则与图6相反，电压从 高状态急剧变化为低状态。如果在以这种方式移动磁畴壁11的同时进行读取，则电压根据记录的信息而升 高或者降低，因此，甚至根据很小的电阻变化，也可以充分地读取信息。例如，可以按照如下方式制造本实施方式的信息存储元件。首先，尽管在附图中未示出，但是在诸如硅晶片的基板上形成作为信息存储元件 必需的逻辑电路、记录电路以及读取电路。这时，可以使用通常用于CMOS逻辑电路的制造 工艺。图7A示出了形成电路之后的基板的表面，并且形成用于从信息存储元件下方的 电路连接至本实施方式的信息存储元件的电极31。此外，图7B(为沿着图7A中的线Y-Y截 取的截面图)示出了在基板上形成的层间绝缘膜30。尽管图中未示出，但是在该层间绝缘 膜30下方设置有诸如配线层和晶体管的电路。接下来，如图8A和图8B (为沿着图8A中的线Y_Y截取的截面图)所示，形成多个 平行的字电极1以连接至图7Α中的电极31上。此外，如图8Β所示，在字电极1上形成隧道势垒膜5，并且在隧道势垒膜5上形成 由与位电极3 —样的第二磁性材料构成的磁性膜32。作为形成字电极1的方法，可以通过遍及整个表面沉积膜然后通过离子研磨、反 应性离子蚀刻(RIE)等去除不需要的部分来形成这些字电极。可选地，通过遮蔽除期望形 成的图案的区域以外的区域并且仅在图案部分上沉积膜来形成这些字电极。形成字电极1的第一磁性材料如下。例如，作为接地层(ground layer)，顺序形成 膜厚度为2nm的Ta膜和膜厚度为5nm的Ru膜。在接地层上，形成膜厚度为0. 3nm的Co膜 和膜厚度为Inm的Ni膜的10次循环所形成的多层结构。而且，在与隧道势垒膜5的界面 处沉积膜厚度为Inm的CoFeB膜。作为隧道势垒膜5，例如，使用膜厚度为1.2nm的MgO膜。此外，优选地，因为磁阻 变化率变得较高，所以在MgO膜的单个表面或者两个表面上沉积膜厚度约为0. 3nm的薄Mg膜。如果沉积膜厚度约为Inm的CoFeB膜作为第二磁性材料，则可以降低例如由于在 处理中暴露隧道势垒膜5所导致的磁阻的降低的影响。可选地，当形成位电极3时，可以沉积具有更大厚度的第二磁性材料或者非磁性 保护膜层并且可以通过等离子蚀刻等去除(该第二磁性材料或者非磁性保护膜层的)一部 分。
接下来，如图9A和图9B (为沿着图9A中的线Y_Y截取的截面图)所示，形成用于 确保位电极3和字电极1之间的绝缘的绝缘层33。可以按如下方式形成该绝缘层33。具体地，留下字电极1的形成时所使用的字电 极1的抗蚀图案，并且遍及(包括在抗蚀图案上的)整个表面上沉积绝缘层33。此后，去除 抗蚀图案以露出由第二磁性材料所构成的磁性膜32的一部分。可选地，可以遍及整个表面 沉积绝缘膜33，并且此后，可以通过抛光表面来露出由第二磁性材料所构成的磁性膜32的 一部分。接下来，如图IOA所示，形成由第二磁性材料所构成的磁性层34以与字电极1交 叉。图IOB为沿着图IOA中的线Y-Y截取的截面图。图IOC为沿着图IOA中的线Υ’-Υ’截 取的截面图。如图IOB所示，形成磁性层34以连接至磁性膜32，从而形成均由磁性膜32和磁性 层34构成的位电极3，磁性膜32和磁性层34都由第二磁性材料构成。在该方法中，遍及整个表面沉积用于位电极3的磁性层34，其后，与字电极1类似 地，将磁性层34形成为位电极3的图案。此外，优选地，如图IOC所示，去除除了位电极3 的形成时的磁性层34下方的磁性膜以外的磁性膜32。可以使用例如表现出矫顽力随温度变化较大的TWeCo作为位电极3的第二磁性 材料。例如，可以形成膜厚度为IOnm的TWeCo膜和膜厚度为5nm的Ta保护膜。优选 地，选择TWeCo的合成物以便在室温下达到最高矫顽力并且在约250°C的温度下与膜表面 垂直的方向(垂直方向)上的矫顽力消失。如上所述，制造字电极1和位电极3，从位电极3两端(图IA中的电极4)铺设 (route) 了互连(interconnect)。该互连可以从下层的互连图案连接，或者可以连接至上 层的互连图案。不具体限制用于(以在如图3A所示的相反方向上设定这些端部的磁化方向的这 种方式)磁化字电极1的两端部处的第一磁性材料的方法。例如，可以采用以下方法。具体地，通过强磁场在相同方向上磁化字电极1的两 端，并且在相反方向上施加弱于矫顽力的磁场的同时用激光局部加热字电极的单侧，从而 导致由于弱化该加热部分的矫顽力引起的磁化反转。可以直接用小磁体接近字电极端部而 不是用激光加热来磁化该端部。图11示出了在本实施方式的信息存储元件的记录操作中所施加的电流脉冲的一 种形式。具体地，图11示出了在采用由4个字电极1和4个位电极3所形成的16位元件 并且写入其中交替排列0和1数据(即，排列向上磁化和向下磁化)的棋盘图案的情况下 的操作。Wl W4表示字电极1的电流。Bl B4表示位电极3的电流。使具有对应于待 记录的数据的极性的电流作为电流Wl W4流动，并且此后，使电流流过作为记录目标的位 电极3。尽管使电流同时流过图11中的4个字电极1，但是可以使电流一个一个或者两个 两个地顺序流过字电极1。在流过字电极1的电流Wl W4中，交替施加使磁畴壁11移动到字电极1的一个端部的向上电流脉冲41和使磁畴壁11移动到字电极1的另一个端部的向下电流脉冲42。在流过位电极3的电流Bl B4中，一个一个地顺次施加(通过降低位电极3的 第二磁性材料的矫顽力来进行记录的)电流脉冲43。在图11中，使得流过字电极1的电流Wl W4与棋盘图案相匹配。因此，在与待 记录的信息内容的相匹配时，将用于各个存储单元的电流脉冲设定为向上电流脉冲41或 者向下电流脉冲42。在将相同信息连续地记录在一个字电极1中的两个或以上存储单元中的情况下， 因为磁畴壁11已经移动到端部，并且在第一存储单元中进行记录时已经设定了第一磁性 材料的磁化方向，所以可以省略用于第二存储单元和随后存储单元的电流脉冲41或者42。图12中示出了在本实施方式的信息存储元件的读取操作中所施加的电流脉冲的 一种形式和以这种形式所获得的输出脉冲。图12示出了当读取通过图11中所示的记录操作所记录的棋盘图案时所获得的输 出脉冲。在图12中所示的形式中，使得用于读取操作的脉冲应用电流(pulse application current)流过字电极1。另外，在使得基本恒定的电流流过位电极3的同时，读取图5A 图5D中所示的电压表14的电压，并且示出通过对电压的导数(derivative)进行整形所获 得的输出脉冲。在流过字电极1的电流Wl W4中，施加一组用于使磁畴壁11与字电极1的一个 端部对准的向上电流脉冲45和用于读取信息的相反极性的随后施加的向下电流脉冲46。 图中的44所表示的时间段为信息读取时间段。因此，在该时间段44中进行的操作为信息 读取的主操作，并且在该时间段44中输出的信号为原始信息。从第一字电极1至第四字电极1顺序施加这组电流脉冲45和46。作为输出脉冲，根据记录信息(位电极3的第二磁性材料的磁化方向)和字电极 1的第一磁性材料的磁化方向之间的关系来检测向下输出脉冲47和向上输出脉冲48。在为了预先对准磁畴壁11而向字电极1施加向上电流脉冲45的过程中，当磁畴 壁11移动时，输出输出脉冲47和48，并且当磁畴壁11不移动时，不输出脉冲。在向字电极1施加向下电流脉冲46的信息读取时间段44中，获得输出脉冲47和 48作为对应于记录信息的输出信号。这时，磁畴壁11在各个位电极3下方的字电极1中移动。因此，如图所示，按照从 B4至Bl或者从Bl至B4的顺序顺次以较短延迟获得了输出脉冲。在本实施方式的信息存储元件中，如果通过例如将线宽度和线间隔都设定为90nm 来制造字电极1和位电极3，则上述4X4元件组一边的宽度在约1 μ m以内。在通过等同处理将晶体管单独连接至的自旋注入磁化反转型(spin-injection magnetization reversal type)磁存储器的情况下，与上述4X4元件组等同的元件组的一 边的长度为3 μ m 5 μ m。因此，与自旋注入磁存储器相比，可以更高密度地集成信息存储 元件。磁畴壁11的移动速度为40m/s 70m/s。因此，如果字电极1的长度为1 μ m，则 可以通过约30ns的脉冲使磁畴壁11从字电极1的一个端部移动到另一个端部。因此，用于一个字电极1的操作时间在(包括磁畴壁11的往复时间和等待时间的)记录和再生中共约为100ns。该操作时间与自旋注入磁存储器的相当。在本实施方式的构造中，操作时间与磁畴壁11的移动距离相关地变化。因此，如果通过使用更窄线宽度的工艺来缩短位电极3的宽度和字电极1的宽度， 则可以提高操作速度。在上述实施方式的信息存储元件的构造中，通过用于设定字电极1的两端部的磁 化方向的磁化设定机构兼电极2来设定字电极1的两端部的第一磁性材料的磁化方向。通 过使电流流过字电极1，可以改变连续形成的字电极1的第一磁性材料的磁化方向并且可 以移动第一磁性材料中的磁畴壁11。此外，位电极3兼作用于减小第二磁性材料的矫顽力的矫顽力减小机构。因此，通 过兼作矫顽力减小机构的该位电极3，可以减小第二磁性材料的矫顽力并且可以促进第二 磁性材料的磁化方向的反转。这可以改变与第一磁性材料的磁化方向相匹配的第二磁性材 料的磁化方向，并且可以根据第二磁性材料的磁化方向来记录信息。由字电极1的第一磁性材料、隧道绝缘膜5、位电极3的第二磁性材料构成隧道磁 阻效应元件。此外，形成兼作第二磁性材料的位电极3以与字电极1垂直。因此，由位电极 3和字电极1的交叉点附近的磁阻效应元件构成存储单元。选择位电极和字电极，并且当通 过使电流流过选择的字电极来改变第一磁性材料的磁化方向时，检测存储单元的隧道磁阻 效应元件的电阻变化。因此，可以得到存储单元的第二磁性材料的磁化方向。这可以读出 记录在存储单元中的信息。而且，当未使电流流过字电极1时，第二磁性材料的磁化方向不改变。因此，可以 保持记录的信息。甚至当关闭电源时，这也防止信息丢失，这可以实现非易失性。此外，在本实施方式中，通过选择字电极1和位电极3，可以将信息记录在这些电 极的交叉点附近的存储单元中。这消除了设置用于选择的有源元件(晶体管等)(用于现 有技术的信息存储元件的每个存储单元)的必要。因为用于选择的有源元件不是必要的，所以与现有技术的存储单元相比，通过存 储单元的小型化可以提高存储单元的密度。因此，可以实现可以高密度地记录信息的非易失性存储设备(存储器)。此外，因为用于选择的有源元件不是必要的，所以可以简化用于驱动的驱动器的 构造并且降低各种施加电压。另外，不存在存储单元之间的有源元件特性变化的影响，因此，促进了存储单元的 小型化。特别地，本实施方式的信息存储元件不是通过检测存储单元的磁阻效应元件的电 阻值而是通过检测伴随电阻变化的电压变化来进行信息读取。因此，即使当磁阻效应元件 的尺寸很小时，也可以进行信息读取。在这点上，同样促进了存储单元的小型化。<2.变形实施例〉在上述实施方式中，将多个字电极1和多个位电极3设置为互相垂直。在本发明中，位电极和字电极不是必须互相垂直。如果位电极和字电极在上述实施方式中互相垂直，则可以将每单位电极宽度的记 录密度设定为最高值。在上述实施方式中，字电极1兼作第一磁性材料，并且通过仅使用兼作第一磁性材料的仅一层磁性材料来形成字电极1。在本发明中，可以通过使用多种磁性材料来形成字电极，或者可以由(包括第一 磁性材料的磁性材料和非磁性材料所构成的)多层电极来形成字电极。例如，可以通过设置用于第一磁性材料的接地层材料或者Ta、Ti等的保护层来形 成字电极。在上述实施方式中，位电极3兼作第二磁性材料，并且通过使用磁性材料来形成 位电极本身。在本发明中，可以仅在位电极与字电极的交叉部分设置磁性材料，并且可以通过 使用非磁性材料来形成位电极的其他部分。此外，例如，可以将接地层材料或者Ta、Ti等的保护层用于第二磁性材料。而且，可以与第二磁性材料相独立地形成位电极。例如，将第二磁性材料形成为对于每个存储单元独立的图案，并且与该第二磁性 材料平行地设置通过使用导电性材料而连续形成的位电极。此外，形成位电极以与第二磁 性材料接触或者通过中间绝缘层与第二磁性材料并置。此外，在形成通过中间绝缘层与第二磁性材料并置的位电极的情况下，当使电流 流过位电极时，可以通过发热、电流磁场、压力变化中的至少一种的作用来减小第二磁性材 料的矫顽力。位电极还可以用这种方式兼做矫顽力减小机构。还可以设置彼此分离的位电极和矫顽力减小机构。例如，可以将导电层与磁性层 34平行地设置在图IOB的截面图中的磁性层34上方，并且该导电层可以用作矫顽力减小机 构。在上述实施方式中，分别为字电极1和位电极3设置的第一磁性材料和第二磁性 材料的磁化在与磁性材料的膜表面垂直的方向(垂直方向)上，并且每种磁性材料由垂直 磁化膜形成。在本发明中，第一磁性材料和第二磁性材料的磁化可以在与磁性材料的膜表面平 行的方向(水平方向)上。在上述实施方式中，通过使电流流过字电极1来移动字电极1的第一磁性材料中 的磁畴壁11。在本发明中，不具体限制在字电极的第一磁性材料中移动磁畴壁的方法。例如，可 以使用自旋扭矩，或者可以使用随温度的各向异性磁场的变化，或者可以通过外部磁场来 移动磁畴壁。可选地，可以组合其中的多种方法。甚至当在字电极和位电极之间的垂直关系和其材料与上述实施方式中的相反时， 在操作中也不会造成特殊的麻烦。在上述实施方式中，对于字电极1和位电极3中的每个仅形成一层。然而，在进一 步形成层间绝缘层之后，可以在其上形成第二层的字电极1和位电极3。通过以这种方式形成具有由两层以上构成的多层结构的信息存储元件，记录密度 可以增加两倍或以上。另外，可以通过将位电极3设置在一层的字电极1下方和上方来将记录密度增加 两倍或以上。在上述实施方式中，将兼作磁化设定机构的电极2 (21、22)设置在字电极1的两个端部。在本发明中，可以仅在字电极的一个端部形成磁化设定机构，并且在另一个端部 可以不设置磁化设定机构。例如，通过反铁磁材料等将字电极的一个端部的磁化方向设定为一个方向(向上 方向或者向下方向)。如果采用这种构造，则当未使电流流动时，磁畴壁在接近字电极的另 一个端部停止。此外，在信息记录和信息读取时，流过字电极的电流可以仅为使磁畴壁从字 电极的另一个端部向一个端部移动的电流，并且当切断电流时，磁畴壁再次返回至字电极 的另一个端部。例如，作为磁化设定机构，可以将通过电流磁场改变磁化方向的机构设置在字电 极的一个端部。在这种情况下，流过字电极的电流可以为恒定方向。通过由磁化设定机构改 变字电极的一个端部的磁化方向，可以改变第二磁性材料的磁化方向并且可以记录信息。在上述实施方式中，通过在第一磁性材料和第二磁性材料之间形成隧道绝缘膜5 来构成隧道磁阻效应元件。在本发明中，可以通过形成非磁性的导电膜作为在第一磁性材料和第二磁性材料 之间的非磁性膜来代替隧道绝缘膜5构成磁阻效应元件。形成作为非磁性膜的隧道绝缘膜提供了更大的磁阻效应，并且因此，具有由电阻 变化引起的输出更大的优点。本发明不仅限于上述实施方式，而是在不脱离本发明的主旨的范围内，可以采用 其他各种构造。
权利要求
1.一种信息存储元件，包括字电极，包括连续形成并且导电的第一磁性材料； 非磁性膜，与所述字电极的第一磁性材料接触地形成； 第二磁性材料，经由所述非磁性膜连接至所述第一磁性材料； 磁化设定机构，设置在所述字电极的两个端部的至少一个端部，并设定所述字电极的 所述端部的磁化方向；矫顽力减小机构，减小所述第二磁性材料的矫顽力；以及导电性位电极，被形成为兼作所述第二磁性材料或者与所述第二磁性材料平行地形 成，所述位电极连续形成以与所述字电极交叉。
2.根据权利要求1所述的信息存储元件，其中，平行地形成多个所述字电极并且并行地形成多个所述位电极，并且每个所述字电极与 每个所述位电极垂直。
3.根据权利要求1所述的信息存储元件，其中， 所述非磁性膜为隧道绝缘膜。
4.根据权利要求1所述的信息存储元件，其中，所述第一磁性材料和所述第二磁性材料的磁化方向是垂直于所述磁性材料的主表面 的方向。
5.根据权利要求1所述的信息存储元件，其中， 所述位电极兼作所述矫顽力减小机构。
6.根据权利要求1所述的信息存储元件，其中， 所述位电极与所述第二磁性材料接触地形成。
7.根据权利要求1所述的信息存储元件，其中，设置在所述字电极的两个端部的至少一个端部的所述磁化设定机构具有通过电流磁 场改变磁化方向的构造。
8.一种用于驱动信息存储元件的方法，所述信息存储元件包括字电极，包括连续形成并且导电的第一磁性材料；非磁性膜，与所述字电极的所述第一 磁性材料接触地形成；第二磁性材料，经由所述非磁性膜连接至所述第一磁性材料；磁化 设定机构，设置在所述字电极的两个端部的至少一个端部并且设定所述字电极的所述端部 的磁化方向；矫顽力减小机构，用于减小所述第二磁性材料的矫顽力；以及导电性位电极， 形成为兼作所述第二磁性材料或者与所述第二磁性材料平行地形成，所述位电极连续形成 以与所述字电极交叉，所述方法包括以下步骤通过使电流流过所述字电极来改变所述第一磁性材料的磁化方向；以及 通过所述矫顽力减小机构减小所述第二磁性材料的矫顽力，将所述第二磁性材料的磁 化方向改变为对应于所述第一磁性材料的磁化方向的方向。
9.根据权利要求8所述的用于驱动信息存储元件的方法，其中，所述位电极兼作所述矫顽力减小机构，并且在减小所述第二磁性材料的矫顽力的过程 中，通过使电流流过所述位电极来减小所述第二磁性材料的矫顽力。
10.根据权利要求9所述的用于驱动信息存储元件的方法，其中，通过由于使电流流过所述位电极而引起的发热、电流磁场、压力变化中的至少一种的作用来减小所述第二磁性材料的矫顽力。
11.一种用于驱动信息存储元件的方法，所述信息存储元件包括字电极，包括连续形成并且导电的第一磁性材料；非磁性膜，与所述字电极的所述第一 磁性材料接触地形成；第二磁性材料，经由所述非磁性膜连接至所述第一磁性材料；磁化 设定机构，设置在所述字电极的两个端部的至少一个端部并且设定所述字电极的所述端部 的磁化方向；矫顽力减小机构，用于减小所述第二磁性材料的矫顽力；以及导电性位电极， 形成为兼作所述第二磁性材料或者与所述第二磁性材料平行地形成，所述位电极连续形成 以与所述字电极交叉，所述方法包括以下步骤在使电流流过所述字电极的同时，检测由所述第一磁性材料、所述非磁性膜、所述第二 磁性材料所构成的磁阻效应元件的电阻，并且基于由于所述第一磁性材料的磁化方向的
变 化而产生的变化来读取记录在所述第二磁性材料中的信息。12.根据权利要求11所述的用于驱动信息存储元件的方法，其中，形成所述位电极以兼作所述第二磁性材料或者与所述第二磁性材料接触，并且所述位 电极与所述第二磁性材料平行地形成，并且使电流也在所述位电极和所述字电极之间流动 以在读出信息的过程中检测所述磁阻效应元件的电阻。
全文摘要
本发明公开了一种信息存储元件及其驱动方法，信息存储元件包括字电极，包括连续形成并且导电的第一磁性材料；非磁性膜，与字电极的第一磁性材料接触地形成；第二磁性材料，经由非磁性膜连接至第一磁性材料；磁化设定机构，设置在字电极的两个端部的至少一个端部附近并且设定字电极的端部的磁化方向；矫顽力减小机构，减小第二磁性材料的矫顽力；以及导电性位电极，形成以兼作第二磁性材料或者与第二磁性材料平行地形成，连续形成位电极以与字电极交叉。
文档编号G11C11/16GK102054524SQ20101051862
公开日2011年5月11日 申请日期2010年10月20日 优先权日2009年10月27日
发明者别所和宏, 大森广之, 大石雄纪, 山根一阳, 细见政功, 肥后丰 申请人:索尼公司