专利名称：存储元件的驱动方法和存储装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有多个磁性层并通过自旋矩磁化反转(spin torque magnetization reversal)进行记录的存储元件的驱动方法和存储装置。
背景技术：
随着移动终端到大容量服务器等各种信息装置的不断发展，诸如用于构成信息装置的存储器和逻辑元件等的性能得到进一步增强，例如，提高了集成度和速度以及降低了功耗。尤其是，半导体非易失性存储器得到显著发展，于是闪速存储器作为大容量文件存储器得到迅速推广以至于降低了硬盘驱动器的使用。另一方面，由于期望推广到代码存储器(code memory)和工作存储器(working memory)，铁电随机存取存储器(FeRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、相变随机存取存储器(PCRAM)等正得到发展以取代目前通常使用的 NOR闪速存储器、DRAM等。这些存储器中的部分存储器已经投入到实际应用中。尤其是，由于MRAM基于磁体的磁化方向存储数据，所以MRAM能够高速和几乎无限次(1015次以上)的重写。在工业自动化、飞机等领域已经使用MRAM。由于MRAM的高速处理和高可靠性，期望未来将MRAM推广到代码存储器和工作存储器。然而，在实践中，MRAM仍面临功耗降低及容量增加的需求。这些都是起因于MRAM的记录原理的基本问题，S卩，是归因于通过配线产生的电流磁场引起磁化反转的方式的基本问题。作为解决这个问题的一种方法，正在研究不基于电流磁场的记录方式(S卩，磁化反转)。特别是，与自旋矩磁化反转有关的研究比较活跃。如同MRAM，利用自旋矩磁化反转所实现的存储元件配置有磁性隧道结(magnetic tunnel junction, MTJ)。这种结构利用如下特性穿过被固定到某个方向的磁性层的自旋极化电子在进入这个磁性层时向另一自由磁性层(其方向不固定)提供转矩。在这种结构中，等于或大于某个阈值的电流在自由磁性层中引起反转。通过改变电流的极性进行0/1的重写。在尺寸约为0.1 μπι的元件中， 用于该反转的电流的绝对值等于或小于1mA。另外，由于这个电流值与元件体积成比例地降低，所以能够进行缩放。而且，这种方式不需要MRAM所要求的字线，该字线产生用于记录的电流磁场，因此，这种方式还具有单元结构更简单的优点。在下文中，将利用自旋矩磁化反转的MRAM称为ST_MRAM(自旋矩磁性随机存取存储器)。在保留MRAM的高速操作和几乎无限次重写等优点的同时，对作为非易失性存储器的能够降低功耗和增加容量的ST-MRAM寄予厚望。然而，不同于相关技术的MRAM，在ST-MRAM中，在记录时也向MTJ施加电压。记录时的这个电压高于读取电压。因此，与MRAM相比，发生MTJ电击穿的可能性较高(这主要归因于例如薄的隧道势垒的电介质击穿等)。也就是说，为了确保ST-MRAM的高的重写持久性与相关技术MRAM的重写持久性相当，重要的是需要关注MTJ的电击穿并采取措施避免 MTJ的电击穿。在先技术已提出了作为一种措施的方法，该方法通过施加反极性的电压(例如参照Nakano et. al.，ECS Trans. 19 O)，711 (在下文中，称为非专利文献1))来抑制绝缘体的劣化。这种技术旨在通过施加反极性的脉冲电压来抑制施加电场在隧道结处引起的电阻值降低。这表明，通过粗略分类，介质击穿存在两个过程，S卩，可逆过程和不可逆过程(例如参照 P. S. Ku et. al Proc. of 44th Annual international Reliability Physics Symposium, p. 437 (在下文中，称为非专利文献2))。可逆过程相当于如下情况由于电场的原因而产生可消除的缺陷，或者由于电场的原因，形成绝缘体的原子之间的耦合在可恢复范围内发生变形。可通过时效处理、热处理等实现上述缺陷的消除或恢复。另一方面，不可逆过程相当于如下情况由于电场的原因，使原子之间的耦合进入到不可恢复的状态，因此这个过程不能恢复。然而，上述非专利文献1中的技术的物理机制是不清楚的。而且，在上述非专利文献2中，恢复加速效果的起因也是不清楚的。如刚才所述，尽管这些文献包括对电阻值降低的抑制能力的说明，但它们没有提到隧道绝缘膜击穿时次数的增加。此外，在ST-MRAM中，期望在不必较大改变MTJ材料和微加工(microfabrication) 工艺等的情况下相对容易地降低MTJ电击穿和隧道绝缘膜电击穿的可能性。
发明内容
本发明旨在提供一种存储元件的驱动方法和一种存储装置，所述驱动方法和所述存储装置均能够抑制电击穿。根据本发明的实施例，提供了一种存储元件的驱动方法，所述存储元件具有多个磁性层并通过利用自旋矩磁化反转进行记录。所述驱动方法包括将脉冲电压施加到所述存储元件，所述脉冲电压的极性与施加记录脉冲电压时的所述记录脉冲电压的极性相反。根据本发明的另一实施例，提供一种存储装置，所述存储装置包括存储元件，其具有存储层和固定层以及处于所述存储层和所述固定层之间的隧道势垒层；电源电路，其用于向所述存储元件施加脉冲电压；及电感，其设置在所述存储元件和所述电源电路之间。在根据本发明的实施例的存储元件的驱动方法中，通过施加具有与记录脉冲的极性相反的极性的脉冲，能够加速由于记录脉冲电压的施加的原因而在元件中产生的缺陷的恢复。因此，能够抑制由于缺陷的增加所引起的元件的电击穿。此外，在根据本发明的实施例的存储装置中，由于在存储元件和电源电路之间设置电感的原因，在记录脉冲电压的下降沿处产生负脉冲。通过采用这个负脉冲作为具有与记录脉冲的极性相反的脉冲电压，能够抑制元件的电击穿。本发明的实施例能够降低通过利用自旋矩磁化反转进行记录的存储元件发生电击穿的可能性。
图1是表示根据本发明的实施例的ST-MRAM的结构的剖面图；图2是根据本发明的实施例的用于评估的MTJ型ST-MRAM芯片的剖面图；图3是说明MTJ元件的评估方法的流程图；图4是用于说明图3所示的评估方法中的确定过程的图；图5是表示MTJ元件有关的达到击穿时的次数和所施加电压之间关系的图；图6是表示间歇地施加脉冲电压时位置x[t]和重复次数η之间关系的图；图7是表示实施例的驱动方法中位置x[t]和重复次数η之间关系的图；图8是表示MTJ元件有关的达到击穿时的次数和所施加电压之间关系的图；图9是表示本发明的实施例的存储装置的结构的图；图10是表示电压的脉冲形状的一个示例的图，其中，该电压是施加到具有图9所示结构的存储装置中的存储元件的电压；图11是表示根据本发明的实施例的ST-MRAM的另一结构的剖面图；图12是表示根据本发明的实施例的ST-MRAM的又一结构的剖面图。
具体实施例方式下文将说明实现本发明的示例。然而，本发明不限于以下示例。将以如下顺序进行说明。1.本发明的概述2.本发明的实施例1.本发明的概述在说明本发明的具体实施例之前，对本发明进行概述说明。图1是ST-MRAM的示意剖面图。ST-MRAM包括基础层10a、存储层IOb (也称为磁化存储层或自由层)、非磁性层(隧道势垒层)10c、固定层(磁化固定层)IOd和保护层IOe0 存储层IOb是由具有磁矩IOf的铁磁体形成，磁矩IOf的磁化方向在平行于膜表面的方向 (水平方向)上自由变化。固定层IOd是由具有磁矩IOg的铁磁体形成，磁矩IOg的磁化方向固定成平行于膜表面的方向(水平方向)。基于具有单轴各向异性的存储层IOb的磁矩IOf的方向来存储信息。在垂直于膜表面的方向上施加电流以引起自旋矩磁化反转，由此进行写入。下面将对自旋矩磁化反转进行简单说明。电子具有两种自旋角动量。设这些动量是向上动量和向下动量。两种电子的数量在非磁性体内部是相同的，但它们的数量在铁磁体内部存在差异。下面将考虑如下情况在ST-MRAM所包含的两个铁磁层(即，固定层IOd 和存储层IOb)中的磁矩IOf和IOg的方向处于反平行状态时，电子从固定层IOd移动到存储层10b。固定层IOd是如下固定磁性层由于矫顽力大的原因，该固定磁性层中的磁矩IOg的方向是固定的。穿过固定层IOd的电子处于自旋极化状态。也就是说，上自旋 (upward-spin)电子的数量和下自旋(downward-spin)电子的数量之间出现差异。如果非磁性层IOc的厚度足够小，则在消弱由于穿过固定层IOd的自旋极化及电子在普通的非磁体中进入非极化状态(上自旋电子和下自旋电子的数量相同)之前，电子到达其它磁体 (艮P，存储层10b)。在存储层IOb中，自旋极化度的符号变为相反。因此，为了降低系统的能量，部分电子发生翻转，即，自旋角动量的方向发生变化。此时，系统的整体角动量必须守恒。因此，由于方向发生变化的电子的原因，也使存储层IOb的磁矩出现与角动量的变化总量相当的反作用。如果电流小，即每单位时间内通过的电子数少，则方向发生变化的电子的总数也少，因此，在磁性层IOb的磁矩中出现的角动量变化也小。然而，电流的增加能够使每单位时间内的角动量发生更大的变化。角动量在时间上的变化是转矩。如果转矩超过某个阈值， 则存储层IOb的磁矩IOf开始运动，并在完成180度旋转之后由于其单轴各向异性的原因而变得稳定。也就是说，发生从反平行状态到平行状态的翻转。在磁化平行状态下，施加电流，使得从存储层IOb向固定层IOd反向地输送电子。 此时，由于固定层IOd而自旋反转的电子在进入存储层IOb时向存储层IOb提供转矩，从而能够将磁矩IOf翻转到反平行状态。然而，引起这个翻转所需的电流量大于从反平行状态进入平行状态的翻转所需的电流量。难以直观地理解磁矩IOf和IOg从平行状态到反平行状态的翻转。然而，可以想到，由于固定层IOd是固定的，其磁矩不能够翻转，因而在自由层中发生翻转以使整个系统的角动量保持守恒。以此方式，通过施加等于或大于某个阈值并且与从固定层IOd到存储层IOb的方向或相反方向对应的各自极性的电流进行0/1记录。与相关技术的MRAM相类似，通过使用磁电阻效应来读出信息。具体地，与上述记录的情况相类似，在垂直于膜表面的方向上施加电流。此时，元件所表现出的电阻随着存储层IOb的磁矩IOf平行于还是反平行于固定层IOd的磁矩IOg而发生变化。通过利用这种现象读出信息。用作非磁性层IOc的材料可以是金属或绝缘体。然而，如果使用绝缘体作为非磁性层10c，则会获得更高的读取信号(电阻的变化率)，并允许通过更小的电流进行记录。将这类元件称作磁性隧道结(MTJ)。可以由以下表达式表示MTJ的反转电流Ic。平行一反平行时，Ic= (Α · α · Ms · V/g(0)P) (Hk+2 Π Ms)反平行一平行时，Ic= -(A · α · Ms · V/g( Π )P) (Hk+2 Π Ms)在这些表达式中，A表示常数。α表示阻尼常数(damping constant)。Ms表示饱和磁化强度。V表示元件体积。系数g(o)p和g(n)p分别对应于向平行状态和反平行状态下的对应磁化层传输自旋矩的传输效率。Hk表示磁各向异性磁场。MTJ的电阻与这个电流相乘所获得的值等于记录时的电压。当对这个记录电流(电压)与上述读取时流过存储元件的电流或该元件上的电压进行比较时，记录电流(电压)充分地大。这也合乎自旋矩磁化反转原理。而且，在读取时， 为避免错误记录(所谓的干扰)，要求电流(电压)存在差异。再者，在考虑到记录电压和读取电压之间变化的情况下，期望存在差异以确保充足的裕度。这里的问题在于记录电流 (或电压)的上限，该上限充分大于读取电流(或电压)。MTJ中所使用的非磁性绝缘体(隧道势垒)的厚度薄至lnm，因此，如果施加太高的电压，则可能发生电介质击穿。这同样也适用于使用金属作为非磁体的情况。当使用金属时，会发生例如由于大电流所引起的电迁移方面的击穿。这类由电流导致的非磁性绝缘体(隧道势垒)的击穿是ST-MRAM特有的问题，而相关技术中的通过配线磁场进行记录的MRAM不必考虑这个问题。为了解决这个问题，优选地，如果仅单独考虑MTJ，则也需要确保在记录电压和隧道势垒的电介质击穿电压之间存在足够的裕度。因此，关于上述问题，本发明提出了如下方法控制施加到具有给定的记录电压和电介质击穿电压的ST-MRAM的记录电压，由此抑制MTJ中的隧道势垒的电介质击穿。具体地，本发明提出了一种通过控制在记录时所施加的脉冲电压的形状来抑制击穿发生的方法。更具体地，在记录时，在脉冲电压的下降沿处引入负脉冲(undershoot)。具体地，通过如下电路来引入负脉冲以抑制电介质击穿该电路用于在记录电压脉冲的后面施加与记录电压脉冲相比具有较短施加时间和较小绝对值且具有与记录电压脉冲相反极性的电压。通常，电介质击穿可粗略地分为两种击穿。由于施加相对高的电压的原因而瞬时出现的不依赖于时间的击穿称为TZDB。另一方面，由于长时间连续施加相对低的电压的原因而出现的击穿称为TDDB。在存储元件的可靠性评估中，因为其原理而观察以下情况通过比引起瞬时击穿 (TZDB)的电压低的电压重复进行记录。即，本发明重点关注TDDB。上文所说明的TDDB与时间的关系可理解为TDDB与以下乘积的关系即记录电压的脉冲宽度和记录电压的施加次数(周期数)的乘积。例如，应当在即使进行10的数次幂次记录时也保证不出现击穿的情况下来考虑这种TDDB。如果将TDDB作为脉冲宽度与周期数的乘积来考虑，则也应当考虑占空比(即，施加脉冲电压的时间和未施加脉冲电压的时间的比)。这是因为在未施加脉冲的时间区域 (这个时间区域也称为“暂停时间”)中出现减缓劣化累积的现象(这种现象也称为“恢复”)。上述非专利文献2基于击穿的初始阶段时的“可逆陷阱”的产生和减缓来解释劣化的累积和恢复。然而，非专利文献2表示其物理机制是不清楚的。劣化表现为如下现象电阻值随着脉冲电压的累积时间增加而逐渐减小。另一方面，能够根据如下现象确定恢复电阻值从这个减小的状态再次上升到正常值。对于通过减缓可逆陷阱抑制TDDB，上述非专利文献1说明了通过在暂停时间施加反极性电压来促进恢复的效果。然而，这种恢复促进的效果的起因是不清楚的。因此，本发明涉及一种相对简单的方法，该方法通过积极地使用上述恢复效果和恢复促进效果来抑制TDDB。具体地，在记录时，通过在脉冲电压的下降沿处引入负脉冲以在可逆过程中恢复绝缘层。这种原理与上述非专利文献1所述的通过施加反极性电压来抑制绝缘体劣化的方法的原理相似。具体地，通过将反极性电压施加到由于施加记录电压而产生的可消除的缺陷或畸变，能够恢复所述缺陷或畸变。能够通过重复以下过程抑制由于从可逆过程到不可逆过程的转变所导致的电介质击穿由于施加记录电压的原因而产生缺陷，并接着通过负脉冲对缺陷进行恢复。2.本发明的实施例用于评估的ST-MRAM的结构示例下文将说明本发明的实施例。图2是用于评估的MTJ型ST-MRAM芯片的剖面图。 这个存储元件是利用自旋矩磁化反转的MRAM(ST-MRAM)(自旋矩磁性随机存取存储器)。通过在基板20a上顺序堆叠基础层20b、反铁磁性层20c、固定层20d、隧道势垒层 (非磁性层)20e、自由层(存储层)20f和覆盖层(保护层)20g形成用于评估的MTJ元件。
在上述用于评估的MTJ元件的制造中，首先在具有互补金属氧化物半导体(CMOS) 的基板20a上形成5nm厚的Ta层作为基础层20b。接着，在基础层20b上形成20nm厚的 PtMn作为反铁磁性层20c。在反铁磁性层20c上堆叠2nm厚的Co!^e、0. 8nm厚的Ru和2nm 厚的CoFeB作为具有合成的铁磁结构的固定层20d。接下来，在固定层20d上顺序堆叠Inm 厚的MgO作为隧道势垒层20e、l. 8nm厚的CoFeB作为自由层20f以及5nm厚的I1a作为覆盖层20g。通过上述步骤，形成多层体。可使用溅射法形成这个多层体。接下来，通过使用光刻和蚀刻将上述多层体加工成为微隧道结。隧道结的形状是尺寸为70nmX200nm的椭圆。将制成的芯片用于可靠性测试，并将用于单元选择的CMOS晶体管设计成为能够施加充分高的电压以在MTJ元件上引起电介质击穿。上述MTJ元件依照图1的MTJ型ST-MRAM。然而，例如，该结构可以在与自旋矩磁化反转的本质相关的问题之外的范围内进行改变。例如，固定层和自由层的次序可以颠倒， 固定层的结构可以是合成的铁磁结构之外的结构。MTJ元件的评估方法图3表示上述MTJ元件的评估方法。图4表示使用图3的重复电压施加来确定击穿的过程的图。在图4中，横坐标表示重复的次数(经历时间)，纵坐标表示施加的电压和 MTJ元件的电阻值之间在所有次数下的关系。下文通过使用图3中的流程图和图4中的过程具体说明评估方法。首先，将具有高度V和宽度IOOns的脉冲施加到用于评估的MTJ元件，测量用于评估的ST-MRAM的电阻值R(步骤Si)。在这个方法中，设定预定电压值101a，并对一个MTJ 元件重复施加具有相同振幅IOla的脉冲。在两个脉冲的施加时间之间的时间中施加充分低于IOla的电压101b，测量MTJ的电阻值。将在步骤Sl中所测量的电阻值与施加脉冲之前的电阻值R进行比较，判断所测量的电阻值是否等于或小于10% (步骤S2)。如果在脉冲电压施加任意次数201a之后所测量的电阻值降低到在前一次(第OOla-I)轮次)的脉冲电压施加之后所测量的电阻值的 10%以下，则确定出在第201a轮次出现击穿。此外，记录施加的次数201a。如果所测量的电阻值不等于或不小于10%，则再次施加具有高度V和宽度IOOns的脉冲，测量MTJ元件的电阻值(步骤Si)。确定所测量元件的数量是否达到规定数量(步骤S； )。如果所测量的元件的数量并未达到规定数量，记录重复的次数，并评估另一相邻的MTJ元件(步骤S4)。由于制造的元件存在差异，所以MTJ元件201a和相邻的MTJ元件201b不必获得相同的结果。因此，对多个在同一芯片上彼此相邻的元件进行相同的实验，记录达到击穿时的次数201b。以此方式，对任意数量的元件(如1 个元件)进行实验，采用达到击穿时所获得次数的平均值作为对应于电压值IOla的达到击穿时的次数201。在上述评估中，在记录时将脉冲宽度设置成100ns，在读取时将脉冲宽度设置成 30ns。而且，在脉冲IOla的施加和脉冲IOlb的施加之间设置35ns的间隔。读取时的电压设置成大约为10mV。如果测量元件的数量达到规定数量，则记录重复的次数。此后，改变电压值，并评估同一芯片中的相邻的MTJ元件(步骤S5)。电压从IOla变成10 ,进行相同的实验以记录达到击穿时的次数202。以此方式，对于四个不同的电压值，获得达到击穿时的四种周期数(达到击穿时的次数)。评估结果图5表示通过上述评估获得的MTJ元件达到击穿时的次数与所施加的电压之间的关系。在图5中，横坐标表示电压，纵坐标表示达到击穿时的次数。由黑圆圈表示评估结果。图5表明在上述即使使用较低电压的情况下，当周期数较大时仍发生击穿。图5 所示的虚线是通过以下幂函数拟合评估结果而获得的曲线。nc = AXVcb... (1)在这个函数中，nc表示达到击穿时的周期数。Vc表示电压。将表达式(1)所示的多项式近似称为幂律模型(power law model)，其通常在近似计算击穿电压的周期数或施加时间关系的情况下使用。由于时间的限制，难以重复大量的实验。因此，通常采用如下方法通过使用更高的电压实现加速并拟合成模型来估计更低电压和更高周期数一侧的数据。评估结果的讨论恢复和恢复加速基于上述评估结果，下文将讨论非专利文献1和非专利文献2所示的通过反向偏置所实现的恢复效果和恢复加速效果。尽管不清楚其原因，但可以以下方式考虑由反向偏置实现的恢复效果和恢复加速效果。可以将TDDB理解成以下现象。首先，对于击穿的第一阶段，在施加一次不会达到击穿的相对较低电压的重复施加中产生一些缺陷。随后，在第二阶段，由于电压的重复施加而增加了缺陷的数量。无论基于何种机制，当产生的缺陷在绝缘体两侧上的电极之间形成电流路径时，绝缘层中出现击穿。金属性传导和如跳跃式传导(hopping conduction)等均可能是上述机制。然而，在第一阶段产生的缺陷是可逆的，S卩，有可能使缺陷消失。例如，在上述用于评估的MTJ元件中的用作隧道势垒层的MgO中，由于氧离子在NaCl型晶体结构中从其原来的晶格位置发生转移而产生的缺陷能够通过时效效应(aging effect)(暂停时段)返回到原来的晶格结点。这类缓解劣化累积的现象就是恢复。而且，由于氧离子具有电荷，所以受到来自电场的力。因此，通过施加适当的极性和大小的电场使氧离子更快地返回到晶格结点。这就是通过施加反向偏置所获得的恢复加速效果。评估结果的讨论:MTJ元件的评估的建模为了解释上述带电缺陷在被抵消之前消失的现象，将讨论以下非常简化的模型。首先，因为击穿是由于电场(电压脉冲)而出现的现象，所以与电荷有关。为了产生恢复，采用在移除电场之后(暂停时段)使电荷恢复的机制。如果电荷在移除电场之后不留痕迹地返回到原来状态，则永不发生击穿。然而，如果没有获得充分长的用于完全恢复的时间，则在稍微不同于原来状态的状态下施加下一电压脉冲。以此方式，不能实现完全恢复，稍微产生缺陷的状态累积增加，使得当缺陷累积水平超过容限水平时发生击穿。或者， 尽管在那时并不发生击穿，但绝缘体被置于如下状态除被最终击穿之外，该绝缘体没有任何其它选择余地。下面将讨论一个带电粒子。由于粒子受到电场的库仑力而产生移动的原因而产生缺陷。在移除电场的同时，这个移动的粒子受到来自原来稳定位置(处)的吸引力，于是返回到原来的位置。而且，与速度成比例的电阻在返回过程中发挥作用，因此存在一定水平的时间常数。 上述粒子移动是如下阻尼振荡(damped oscillation)该阻尼振荡上周期性地作用有脉冲方式的外加力。如果将t秒后粒子在一维坐标上的位置表示为x[t]，则可以由下述表达式表示该运动。 m (d2/dt2) χ [t] = _2 P (d/dt) χ [t] - ω 2χ [t] +F ... (2)在这个表达式中，m表示粒子的质量。P表示摩擦系数或黏性系数。ω表示受到原来位置的吸引力的常数。F表示外力。如果将粒子的电荷定义为q，施加的电场定义为E = V/d(V是所施加的电压，d是绝缘体的厚度)，则由下述表达式表示F。F = qV/d (当施加脉冲电压时)…(3)F = 0(暂停时段)". )F = -qV/d(当施加反向偏压时)…(5)如果在设定间歇地施加脉冲电压(脉冲电场)的情况下求解表达式⑵和⑶ (5)，则根据P值和ω值得出粒子从原来位置振荡地转移的现象。图6表示t秒后的位置x[t]和重复次数η之间关系的计算示例。在图6中，横坐标表示重复次数(经历时间)，纵坐标表示施加的电压和粒子的移动(位移)量之间在所有次数下的关系。在这种情况下，P和ω设置成与上述现象匹配。在图6的示例中，P = 250，ω = 1。为了简化，m和q设置成1。然而，如下所述，这些值(m，q)和单位可以作为常数项。在图6所示的示例中，将重点关注位移量随时间逐渐增加的现象。而且，将讨论如下模型当逐渐增加的位移量超过阈值时，发生电介质击穿。在这种情况下，如果将位移的最大值(即，脉冲施加结束之前的位移)表示为时间的函数并通过各种类型的函数来拟合计算结果，则可通过下述表达式(6)所示的幂函数表示位移。x[t] = aXVXtb ...(6)在表达式(6)中，x[t]表示t秒后的位移。V表示脉冲电压。t表示时间。a和b 为常数。如果将脉冲施加时间设定成常数，则经历时间与脉冲施加的次数成比例。因此，在电压为Vc的情况下，如果将达到击穿时的脉冲施加次数定义为nc，并将此时的位移定义为 xc，则可将上述表达式(6)从时间的函数重写为下述表达式(7)所示的脉冲施加次数的表达式。xc = a' XVcXncb ...(7)接下来，将重点关注表达式(1)和表达式(7)之间的相似性。如果由对数表示表达式(1)，则获得下述表达式。lognc = logA+B X IogVc ...(8)而且，相似地，如果由对数表示表达式(7)，则获得下述表达式。logxc = Ioga' +logVc+b XlogncΛ lognc = (1/b) (logxc-loga' )-(l/b) IogVc ".(9)当将表达式(8)和表达式(9)进行比较时，能够发现如下等价关系达到击穿时的周期次数nc的对数可通过电压Vc的对数的线性表达式来表示。通过表达式(1)的变形而获得的表达式(8)是与TDDB有关的公知模型，这也证实了通过这个模型能够完全解释图5所示的实验结果。另一方面，通过表达式(6)的变形而获得的表达式(9)是从如下模型得到的结果该模型是其上作用有外加力的物体的阻尼振荡的极简化模型。上述表达式(9)和上述表达式(8)具有等价关系，这意味着至少能够通过具有该关系(nc的对数和Vc的对数之间的线性关系)的上述简单模型来描述TDDB。对于与IogVc不存在关系的常数项，表达式(8)和(9)不必相互对应。然而，由于常数项与下述内容的实质不存在关系，所以忽略常数项，将重点关注表达式(8)中的系数B 和表达式(9)中的系数(1/b)。时间和电压的单位以及离子的电荷q包含在上述常数项中， 因此在下文中也被忽略，这是因为常数项与下述内容的实质不存在关系。如上所述，能够使用同一形式表示上述表达式(8)和上述表达式(9)。因此，通过将图5所示的实验结果视为起点，在不使用实验的情况下，通过计算来获得对应于各种参数的nc和Vc之间的关系，以作为上述简单阻尼振荡模型。具体地，通过使用脉冲电压、脉冲施加时间、暂停时间等参数进行计算，能够获得实现击穿时的周期数nc和施加电压Vc之间的关系。本实施例的驱动方法的说明下文将说明根据本发明的实施例的驱动方法。在本实施例的驱动方法中，在记录时施加的脉冲电压设置成具有如下形状在脉冲的下降沿之后引入负脉冲。通过引入负脉冲，借助记录脉冲的施加能够自动地施加反极性脉冲。在准备通过计算获得nc和Vc之间的上述关系时，应当知道中心力ω和材料的摩擦系数P以解释实验结果。以如下方式获得ω和ρ 设定与图5所示的一个实验相同的实验，并在Ι/b等于获得自图5所示关系的B的条件下求解P和ω。具体地，在设置如施加IOOns的脉冲电压并接着进行IOOns的暂停这一条件(与图4所示的评估方法的条件相同)的情况下，在根据图5所示的关系Ι/b等于B的条件下获得P和ω ρ = 36. 04和ω = 1. 00。通过将 P和ω固定成这些值并改变脉冲的高度和宽度，能够获得系数b的值。另外，根据系数b 的值能够获得B的值。例如，对于在记录脉冲的下降沿之后引入负脉冲的驱动方法，在施加IOOns的记录脉冲之后，反极性脉冲持续施加25ns，该反极性脉冲的绝对值等于记录脉冲的绝对值的 45%。图7表示这种情况下的t秒后的位置x[t]和重复次数η之间关系的计算示例。与图6相类似，在图7中，横坐标表示重复次数(经历时间)，纵坐标表示施加的电压和粒子的移动(位移)量之间在所有次数下的关系。如图7所示，通过在反极性偏压的施加时间期间施加反极性偏压来降低由脉冲电压的施加所移动的粒子的位移量。而且，与图6所示的情况相比，在暂停时间中，也提高了位移量的降低速度。以此方式，与图6所示的情况相比，由于施加反极性偏压，粒子更快速地返回到其原来的晶格结点。因此，提高了位移量的降低速度。因而，即使在重复施加脉冲电压时，位移量的增加速率仍是低的。根据使用上述参数而获得的表达式(9)中的b值来获得表达式(8)中的B值，并在与图5相同的图上绘制B值，从而得到图8所示的粗虚线。对于图5所示的实验数据，图8也示出了在上述阻尼振荡模型中的P = 36.04和 ω = 1.00时获得的曲线。这个曲线与图5所示的拟合曲线完全一致。为得到这个结果，在求解用于对施加反极性偏置时获得的上述结果和图5所示的不施加时获得的结果进行比较的ρ和ω时，设置与图4所示的评估方法的条件相同的条件。对于图8所示的结果，尽管出现对应于常数项的相对图5所示结果的位移，但是，由于MTJ元件具有相同的结构，所以假定TZDB相同，并在假定MTJ元件在1. 5V附近具有相同的耐TDDB能力(在相同次数下出现击穿)的基础上制作图表。在图8所示的结果中，重点不在于击穿电压的绝对值，而在于周期次数增加的变化率与施加电压的降低之间的关系。这表明，即使TZDB在1. 5V附近是相同的，但在电压低于大约1.5V的情况下，由于反极性偏置的原因，增加了相同施加电压的重复次数。因此，这表明，与不引入反极性脉冲时相比，引入反极性脉冲时的耐重复能力(耐TDDB能力)更高。如上所述，这表明在驱动MTJ元件时引入反极性脉冲利于增强耐TDDB能力。这是因为，由于引入反极性脉冲(负脉冲)的原因，将负电场施加到这个区域中，于是使恢复加速。即，通过将所施加电压的脉冲形状从图6所示的脉冲形状变成图7所示的具有负脉冲的脉冲形状，将提高绝缘层中的移动粒子的位移量的降低速度，并使恢复加速。本实施例的驱动方法的说明反极性脉冲只要使用上述简单模型进行验证，即使当反极性脉冲的绝对值等于记录脉冲的绝对值的两倍或三倍时，仍能实现TDDB抑制效果。而且，即使当反极性脉冲的施加时间的长度占据了整个暂停时间时，仍能实现TDDB抑制效果。然而，太大的反极性偏压仅增加了功耗，因此，不希望将太大的反极性偏压施加到 ST-MRAM。而且，ST-MRAM是通过双极性脉冲来记录0/1的存储器。因此，如果在施加用于记录的脉冲电压之后施加用于提高耐TDDB能力的反极性偏压，则反极性偏压可能在与记录脉冲的方向相反的方向上进行错误的写入。因此，反极性偏压的绝对值应当足够小，使得不能在反方向上进行写入。这不是说反极性脉冲的绝对值应当小于记录脉冲的绝对值。这是因为，取决于材料等，记录特性是不对称的，即，用于写入0的电压的绝对值通常不同于用于写入1的电压的绝对值。然而，当考虑到常规记录电压的不对称时，以如下方式设置是充分的将反极性偏压的绝对值设置成小于记录脉冲的绝对值的大约一半。对于反极性偏压的施加时间，根据不应当不必要地延长周期时间这一常规要求，施加时间优选地设置成短于记录脉冲的施加时间。因此，在存储装置的驱动方法中，对于反极性偏压提出以下限定。如果反极性偏压的绝对值太小，则不能获得任何效果。另一方面，太大的绝对值可能导致反极性偏置电压不利地影响势垒，并可能导致以前记录的信息变得不稳定而被重写。因此，优选地，反极性偏压的绝对值设置成在记录脉冲的绝对值的5%至20%的范围内 (包括5%和 20% ) 。为达到效果，反极性偏压的脉冲宽度应当等于或大于记录脉冲的脉冲宽度的5%。 然而，应当设置上限以便抑制周期时间的损失，示意性地，可以将记录脉冲的脉冲宽度的 20%作为上限。上限取决于存储器的用途，在存储器不需要短周期的情况下可以延长反极性偏压的脉冲宽度。存储装置的结构示例下文将使用图9说明根据实施例的存储装置。以如下方式配置本实施例的存储装置如上所述，在施加用于记录的脉冲电压之后引入负脉冲。例如，在记录脉冲产生电路和MTJ之间设置电感(线圈)作为用于产生负脉冲的结构。图9是产生上述负脉冲的存储装置的电路图。如图9所示，存储装置包括存储元件10、电源电路11、线圈12和电容13。将具有图1和图2所述结构的ST-MRAM用作存储元件10。电源电路11产生施加到存储元件10的记录脉冲电压。此外，在电源电路11和存储元件10之间设置用于产生负脉冲的电感(线圈)12。而且，通过将存储元件10作为中间元件来设置电容13，由此构成 LC电路。图10表示通过使用图9所示的电路施加到存储元件10的电压的脉冲形状的一个示例。具体地，图10表示通过使用500nH的线圈作为电感12和寄生电容值为350fF的电容从电源电路11产生2V和IOns的脉冲电压时的脉冲形状。在图10中，实线表示电源电路11所产生脉冲的形状，虚线表示施加到存储元件10 的脉冲的形状。如图10所示，由于在电源电路11和存储元件10之间设置电感的原因，出现了振荡，于是在脉冲的下降沿处引入了负脉冲。上述装置能够将具有这类形状的脉冲施加到存储元件。在具有上述电路的存储装置中，在施加到存储元件的记录脉冲中引入负脉冲。因此，能够在不需要对MTJ材料、微加工等做大的改变的情况下容易地抑制隧道绝缘膜的电击穿。此外，由于施加反极性脉冲的原因，通过具有上述结构的电路来驱动存储装置能够使记录周期时间的损失最小化。对于反极性脉冲的另一种施加技术，例如，也能够适时地施加不同极性的脉冲， 即，以针对记录脉冲的暂停时间区域的方式施加反极性脉冲，但在实践中难以驱动存储装置。在这种结构中，由于配线延迟的原因，能够通过在考虑如芯片中的传输时间差的情况下预先调整时序来施加反极性脉冲(负脉冲)。上述实施例涉及对包括磁化方向平行于膜表面的存储层和固定层的ST-MRAM的应用示例。然而，相似地，上述实施例也能够应用到另一种形式的ST-MRAM。例如，如图11 所示，上述实施例也能够应用到磁化方向垂直于膜表面的ST-MRAM。图11所示的垂直磁化型ST-MRAM包括基板30a、基础层30b、存储层30c (或磁化存储层或自由层)、非磁性层(隧道势垒层)30d、固定层(磁化固定层)30e和保护层30f。存储层30c是由具有磁矩30g的铁磁体形成，磁矩30g的磁化方向在与膜表面垂直的方向上自由地变化。磁化固定层30e是由具有磁矩30h的铁磁体形成，磁矩30h的磁化方向是与膜表面垂直的固定方向。基于具有单轴各向异性的存储层30c的磁矩30g的取向来存储信息。通过在与膜表面垂直的方向上施加电流来进行写入，由此引起自旋矩磁化反转。此外，如图12所示，上述实施例也能够应用到结构中的存储层和固定层的位置发生变化的ST-MRAM。
图12所示的垂直磁化型ST-MRAM包括基板40a、基础层40b、固定层(磁化固定层)40c、非磁性层(隧道势垒层)40d、存储层40e (或磁化存储层或自由层)和保护层40f。存储层40e是由具有磁矩40h的铁磁体形成，磁矩40h的磁化方向在与膜表面垂直的方向上自由变化。磁化固定层40c是由具有磁矩40g的铁磁体形成，磁矩40g的磁化方向是与膜表面垂直的固定方向。基于具有单轴各向异性的存储层40e的磁矩40h的取向来存储信息。通过在与膜表面垂直的方向上施加电流来进行写入，由此引起自旋矩磁化反转。同时，在上述具有垂直于膜表面的磁化的ST-MRAM中，通过控制记录电压的施加方法，也能够例如通过在记录时的脉冲电压的下降沿处引入负脉冲来抑制隧道势垒的电介质击穿。因此，能够降低存储元件中发生电击穿的可能性。本发明不限于上述实施例所限定的结构，在不偏离本发明的精神的情况下，可以做出各种修改和改变。
权利要求
1.一种存储元件的驱动方法，所述存储元件具有多个磁性层并通过利用自旋矩磁化反转进行记录，所述驱动方法包括以下步骤向所述存储元件施加脉冲电压，所述脉冲电压的极性与施加记录脉冲电压时的所述记录脉冲电压的极性相反。
2.如权利要求1所述的存储元件的驱动方法，其中，具有相反极性的所述脉冲电压是所述记录脉冲电压的下降沿处的负脉冲。
3.如权利要求2所述的存储元件的驱动方法，其中，所述负脉冲的绝对值在所述记录脉冲电压的绝对值的5%至20%的范围内，所述负脉冲的脉冲宽度在所述记录脉冲电压的脉冲宽度的5%至20%的范围内。
4.一种存储装置，其包括存储元件，其具有存储层和固定层以及处于所述存储层和所述固定层之间的隧道势垒层；电源电路，其用于向所述存储元件施加脉冲电压；及电感，其设置在所述存储元件和所述电源电路之间。
全文摘要
本发明涉及存储元件的驱动方法和存储装置。对于存储元件的驱动方法，所述存储元件具有多个磁性层并通过利用自旋矩磁化反转进行记录，所述驱动方法包括以下步骤向所述存储元件施加脉冲电压，所述脉冲电压的极性与施加记录脉冲电压时的所述记录脉冲电压的极性相反。所述驱动方法和所述存储装置均能够抑制电击穿。
文档编号G11C11/16GK102290093SQ20111012619
公开日2011年12月21日 申请日期2011年5月12日 优先权日2010年6月18日
发明者内田裕行, 别所和宏, 大森广之, 山根一阳, 细见政功, 肥后丰 申请人:索尼公司