具有低寫入錯(cuò)誤率的自旋轉(zhuǎn)移力矩磁存儲(chǔ)元件的制作方法
【專利摘要】一種存儲(chǔ)元件，包括：磁化固定層和磁化自由層。所述磁化固定層包括與形成在每對(duì)相鄰的鐵磁層之間的耦合層層壓在一起的多個(gè)鐵磁層。所述鐵磁層的磁化方向相對(duì)于所述磁化固定層的磁化方向傾斜。
【專利說明】具有低寫入錯(cuò)誤率的自旋轉(zhuǎn)移力矩磁存儲(chǔ)元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)涉及具有多個(gè)磁性層并且在使用自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)的同時(shí)執(zhí)行記錄的存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)器。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如移動(dòng)終端和大容量存儲(chǔ)服務(wù)器的各種信息裝置已經(jīng)取得了快速的發(fā)展。因此，人們希望存儲(chǔ)器和組成這些裝置的邏輯元件的元件具有更高的性能，諸如高度集成、高速處理以及低功耗。具體地，非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器已經(jīng)取得了大幅進(jìn)步，并且已經(jīng)散布用作大容量存儲(chǔ)文件存儲(chǔ)器的閃速存儲(chǔ)器，以便驅(qū)除硬盤驅(qū)動(dòng)器。相反，已經(jīng)研制了鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)、磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(PCRAM)等，以便代替現(xiàn)在常用的NOR閃速存儲(chǔ)器、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)等，同時(shí)被視為用于代碼存儲(chǔ)器并且進(jìn)一步作為工作存儲(chǔ)器進(jìn)行研制。這些研制的RAM中的一部分已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用中。
[0003]在這些RAM之中的MRAM基于磁性物質(zhì)的磁化方向執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄，以便可高速重寫大致無限次數(shù)(1015次或以上)。因此，MRAM已經(jīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、飛機(jī)等領(lǐng)域中。由于MRAM的高速操作和可靠性，所以人們希望將MRAM研制為代碼存儲(chǔ)器或工作存儲(chǔ)器。然而，由于低功耗以及大儲(chǔ)存容量，故MRAM在實(shí)際使用中存在問題。MRAM的記錄原理(即，其中由電線的電流弓I起的磁場反轉(zhuǎn)磁化方向的記錄方法)導(dǎo)致這些問題。
[0004]作為解決這些問題的一種方法，已經(jīng)分析了不根據(jù)電流的磁場進(jìn)行記錄的方法，即，磁化反轉(zhuǎn)方法。尤其，已經(jīng)積極地研究了自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)(例如，參照專利文獻(xiàn)(PTL) I 和 2)。
[0005]通過與MRAM相同的方式，使用自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)元件通常由磁性隧道結(jié)(MTJ)和隧道型磁阻(TMR)元件構(gòu)造。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，利用以下現(xiàn)象:在一個(gè)方向穿過磁化固定的磁性層的自旋極化電子在進(jìn)入該自由磁性層(也稱為自旋轉(zhuǎn)移力矩)時(shí)為另一個(gè)自由磁性層(其磁化未固定)提供力矩。在具有等于或大于閾值的值的電流流動(dòng)時(shí)，該自由磁化層的磁化方向反轉(zhuǎn)。通過改變電流的極性來重寫O和I。
[0006]在存儲(chǔ)元件具有大約0.1 μπι的尺寸時(shí)，用于反轉(zhuǎn)磁化的電流的絕對(duì)值等于或小于 ImA0
[0007]進(jìn)一步地，因?yàn)樵撾娏髦惦S著元件體積減小而減小，故可以進(jìn)行尺寸調(diào)整。而且，因?yàn)槲词褂米志€(word wire)來引起用于在MRAM中進(jìn)行記錄的電流的磁場,故具有簡化單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。
[0008]在下文中，使用自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM被稱為自旋力矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ST-MRAM)。自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)也被稱為自旋注入磁化反轉(zhuǎn)。該ST-MRAM被極大地預(yù)期作為非易失性存儲(chǔ)器，其中，能夠具有低功耗和大儲(chǔ)存容量，同時(shí)保持以高速進(jìn)行操作并且可被重寫大致無限次數(shù)MRAM的優(yōu)點(diǎn)。
[0009]引用列表[0010]專利文獻(xiàn)
[0011]PTLl:日本專利申請(qǐng)公開第2003-17782號(hào)
[0012]PTL2:美國專利第 5，695，864 號(hào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]然而，在ST-MRAM中產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)的自旋力矩的強(qiáng)度隨著磁化方向而改變。在具有正常的ST-MRAM的存儲(chǔ)元件的結(jié)構(gòu)中，存在自旋力矩等于零的磁化角度。
[0014]當(dāng)在初始狀態(tài)中設(shè)置的ST-MRAM中的磁化角度與該磁化角度一致時(shí)，大幅延長磁化反轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間。因此，有時(shí)在寫入時(shí)間段內(nèi)未完成磁化反轉(zhuǎn)。
[0015]在寫入時(shí)間段內(nèi)未完成反轉(zhuǎn)時(shí)，該寫入操作失敗(寫入錯(cuò)誤)，并且不能執(zhí)行正常的寫入操作。
[0016]鑒于上述情況，可以提供一種存儲(chǔ)元件和一種存儲(chǔ)器，其能夠在沒有產(chǎn)生任何寫入錯(cuò)誤的情況下，在短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行寫入操作。
[0017]在實(shí)施方式中，一種存儲(chǔ)元件包括:磁化固定層以及磁化自由層。磁化固定層包括多個(gè)鐵磁層，所述多個(gè)鐵磁層與在每對(duì)相鄰的鐵磁層之間形成的耦合層層壓在一起。鐵磁層的磁化方向相對(duì)于磁化固定層的磁化方向傾斜。
[0018]在另一個(gè)實(shí)施方式中，提供了一種將信息寫入存儲(chǔ)元件中的方法，所述存儲(chǔ)元件包括磁化固定層以及磁化自由層，所述磁化自由層包括多個(gè)鐵磁層，所述多個(gè)鐵磁層與在每對(duì)相鄰的鐵磁層之間形成的耦合層層壓在一起。所述方法包括:在所述磁化固定層的磁化方向上施加電流，以在所述磁化自由層中產(chǎn)生自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)。所述鐵磁層的磁化方向相對(duì)于所述磁化固定層的磁化方向傾斜。
[0019]在另一個(gè)實(shí)施方式中，一種自旋力矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器兀件包括:磁化固定層，在相對(duì)于磁化固定層的膜表面的垂直方向上具有固定磁化；磁化自由層，包括多個(gè)鐵磁層，所述多個(gè)鐵磁層與形成在每對(duì)相鄰的鐵磁層之間的耦合層層壓在一起，從而與鐵磁層磁耦合；以及非磁性層，形成在所述磁化固定層與所述磁化自由層之間。所述鐵磁層的磁化方向相對(duì)于垂直方向傾斜。
[0020]在另一個(gè)實(shí)施方式中，一種磁阻效應(yīng)型磁頭包括:第一磁屏蔽，經(jīng)由絕緣層形成在基板上；磁感測元件，包括磁化固定層和磁化自由層，所述磁化自由層包括多個(gè)鐵磁層，所述多個(gè)鐵磁層與形成在每對(duì)相鄰的鐵磁層之間的耦合層層壓在一起；以及第二磁屏蔽，經(jīng)由絕緣層形成在所述磁感測元件上。所述鐵磁層的磁化方向相對(duì)于所述磁化固定層的磁化方向傾斜。
[0021]在根據(jù)本技術(shù)的第一實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件中，雖然在存儲(chǔ)層和磁化固定層的磁化方向這兩者彼此大致平行或反平行時(shí)，磁化反轉(zhuǎn)所需的時(shí)間段分散，但在構(gòu)成存儲(chǔ)層的鐵磁層之間的磁耦合可抑制該分散。因此，通過在預(yù)定的有限時(shí)間段內(nèi)，反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向可執(zhí)行信息寫入。
[0022]進(jìn)一步地，可減小用于反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向的寫入電流的值。
[0023]此外，由于在垂直磁化膜中保持強(qiáng)勁的異向性磁能，故可充分地保持存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性。
[0024]進(jìn)一步地，在根據(jù)本技術(shù)的第二實(shí)施方式的存儲(chǔ)器中，電流經(jīng)由這兩種電線在層壓方向上流過存儲(chǔ)元件，并且發(fā)生自旋轉(zhuǎn)移。因此，通過電流經(jīng)由這兩種電線在層壓方向流過存儲(chǔ)元件，根據(jù)自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)可執(zhí)行信息記錄。
[0025]進(jìn)一步地，因?yàn)榭沙浞值乇３执鎯?chǔ)元件的熱穩(wěn)定性，故可穩(wěn)定地保持存儲(chǔ)元件中所記錄的信息，并且在存儲(chǔ)器中可實(shí)現(xiàn)尺寸減小、可靠性改進(jìn)以及低功耗。
[0026]如上所述，根據(jù)本技術(shù)，因?yàn)樵陬A(yù)定的時(shí)間段內(nèi)反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向的同時(shí)可執(zhí)行信息寫入，故可減少寫入錯(cuò)誤，并且可在更短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行寫入操作。
[0027]進(jìn)一步地，因?yàn)榭蓽p少寫入錯(cuò)誤，故可提高寫入操作的可靠性。此外，由于可在更短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行寫入操作，故可提高操作速度。
[0028]因此，根據(jù)本技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在寫入操作中具有高可靠性并且以高速操作的存儲(chǔ)器。【專利附圖】

【附圖說明】
[0029][圖1]圖1為根據(jù)本技術(shù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)器的示意性透視圖。
[0030][圖2]圖2為根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)器的剖視圖。
[0031][圖3]圖3為根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)器的平面圖。
[0032][圖4]圖4為具有包括在與薄膜表面垂直的方向上磁化的磁性物質(zhì)的存儲(chǔ)層的存儲(chǔ)元件的示意性結(jié)構(gòu)圖(剖視圖)。
[0033][圖5]圖5為根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的示意性結(jié)構(gòu)圖(剖視圖)。
[0034][圖6A]圖6A為根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)層的示意性結(jié)構(gòu)圖(透視圖)。
[0035][圖6B]圖6B為根據(jù)本實(shí)施方式的存儲(chǔ)層的示意性結(jié)構(gòu)圖(頂視圖)。
[0036][圖7]圖7為其中繪示了磁稱合能量的范圍的示圖。
[0037][圖8]圖8為其中繪示了在磁耦合能量與熱穩(wěn)定性的指數(shù)(index)之間的關(guān)系的示圖。
[0038][圖9]圖9為其中繪示了磁能的范圍的示圖。
[0039][圖10]圖10為其中繪示了在激發(fā)能與反轉(zhuǎn)時(shí)間之間的關(guān)系的示圖。
[0040][圖11A]圖1lA為其應(yīng)用了該實(shí)施方式的磁頭的說明性透視圖。
[0041][圖11B]圖1lB為磁頭的說明性剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]在下文中，將按照以下順序描述本技術(shù)的實(shí)施方式。
[0043]〈1、根據(jù)該實(shí)施方式的存儲(chǔ)器的示意性結(jié)構(gòu)>
[0044]〈2、根據(jù)該實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的概述>
[0045]〈3、根據(jù)該實(shí)施方式的具體結(jié)構(gòu)>
[0046]〈4、變形例 >
[0047]〈1、根據(jù)該實(shí)施方式的存儲(chǔ)器的示意性結(jié)構(gòu)>
[0048]首先，將描述存儲(chǔ)器的示意性結(jié)構(gòu)。在圖1、圖2以及圖3中示出了存儲(chǔ)器的示意圖。圖1為透視圖，圖2為剖視圖并且圖3為平面圖。
[0049]如圖1中所示，在存儲(chǔ)器中，具有ST-MRAM的存儲(chǔ)元件3位于彼此垂直延伸的兩種地址線(例如，字線和位線)的每個(gè)交叉點(diǎn)附近。ST-MRAM能夠保持由磁性狀態(tài)表示的信息。更具體而言，在由半導(dǎo)體主體10(例如，硅基板)的元件隔離層2隔離的部分中形成構(gòu)成用于選擇每個(gè)存儲(chǔ)單元的選擇晶體管的漏極區(qū)域8、源極區(qū)域7以及柵極電極I。柵極電極I在圖1中也用作在前后方向上延伸的一個(gè)地址線(字線)。
[0050]漏極區(qū)域8被形成為由位于圖1中的左側(cè)和右側(cè)的兩個(gè)選擇晶體管共有。電線9連接至該漏極區(qū)域8。
[0051]在圖1中，具有存儲(chǔ)層的存儲(chǔ)元件3位于源極區(qū)域7與字線6之間，字線位于上側(cè)上并且在橫向方向上延伸。存儲(chǔ)層的磁化方向由自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)。存儲(chǔ)元件3例如由磁性隧道結(jié)元件(MTJ元件)形成。
[0052]如在圖2中所示,存儲(chǔ)元件3具有兩個(gè)磁性層12和14。這些磁性層12和14中的一個(gè)是磁化固定層12，其中磁化M12的方向是固定的；并且另一個(gè)磁性層是存儲(chǔ)層14，SP，自由磁化層，其中磁化M14的方向在該自由磁化層內(nèi)是可改變的。
[0053]進(jìn)一步地，存儲(chǔ)元件3經(jīng)由相應(yīng)的上部和下部的接觸層4連接至字線6和源極區(qū)域7。
[0054]因此，當(dāng)電流在垂直方向上經(jīng)由兩種地址線I和6流過存儲(chǔ)元件3時(shí)，存儲(chǔ)層14的磁化M14的方向可通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)進(jìn)行反轉(zhuǎn)。
[0055]如在圖3中所示，在存儲(chǔ)器中，大量的第一電線(例如，位線)I和大量的第二電線(例如，字線)6被配置為在矩陣形狀中彼此垂直，并且存儲(chǔ)元件3位于電線I和6的交叉點(diǎn)上。
[0056]每個(gè)存儲(chǔ)元件3在其平面內(nèi)形成為圓形并且具有在圖2中所示的橫截面結(jié)構(gòu)。
[0057]進(jìn)一步地，如圖2中所示，存儲(chǔ)元件3具有一個(gè)磁化固定層12和一個(gè)存儲(chǔ)層(自由磁化層)14。
[0058]每個(gè)存儲(chǔ)元件3形成存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元。
[0059]在上述存儲(chǔ)器中，需要通過具有等于或小于選擇晶體管的飽和電流的量的電流執(zhí)行寫入操作。眾所周知，隨著晶體管尺寸的減小，晶體管的飽和電流減少。因此，為了減小存儲(chǔ)器的尺寸，期望提高自旋轉(zhuǎn)移的效率以減少流過存儲(chǔ)元件3的電流。
[0060]進(jìn)一步地，為了增加讀出信號(hào)的電平，應(yīng)確保大幅磁阻變化率。因此，如上所述，采用MTJ結(jié)構(gòu)是有效的。更具體而言，存儲(chǔ)元件3具有位于磁性層12與14之間的隧道絕緣層(隧道阻擋層)的中間層是有效的。
[0061]在如上所述隧道絕緣層用作中間層時(shí)，限制流過存儲(chǔ)元件3的電流的量，以防止隧道絕緣層接收介電擊穿。即，由于確保重復(fù)寫入存儲(chǔ)元件3的可靠性，故期望的是抑制自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)所需要的電流。自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)所需要的電流有時(shí)被稱為反轉(zhuǎn)電流(reversing current)或存儲(chǔ)電流。
[0062]進(jìn)一步地，因?yàn)榇鎯?chǔ)器是非易失性存儲(chǔ)器，故需要穩(wěn)定地存儲(chǔ)由電流寫入的信息。換言之，需要確保存儲(chǔ)層的磁化的熱波動(dòng)的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。
[0063]假設(shè)不能確保存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性，由于熱量(在操作環(huán)境中的溫度)，所以反磁化的方向有時(shí)再次反轉(zhuǎn)，并且不期望地產(chǎn)生保持錯(cuò)誤(holding error)。
[0064]與過去的MRAM相比，在該存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)元件(ST-MRAM) 3具有尺寸上的優(yōu)勢(shì)。即，能夠減小元件3的體積。然而，如果其他特征不改變，則體積減小造成熱穩(wěn)定性退化。
[0065]因?yàn)镾T-MRAM的存儲(chǔ)容量的增大進(jìn)一步減小了存儲(chǔ)元件3的體積，故確保熱穩(wěn)定性是重要的。[0066]因此，ST-RAM的存儲(chǔ)元件3中的熱穩(wěn)定性是非常重要的特性，并且期望的是即使元件3的體積減小，元件3也被設(shè)計(jì)使得確保該熱穩(wěn)定性。
[0067]〈2、根據(jù)該實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的概述>
[0068]接下來，將描述根據(jù)該實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的概要。
[0069]在圖4中示出了其中磁化方向與元件的薄膜表面垂直的ST-MRAM的存儲(chǔ)元件的示意性結(jié)構(gòu)圖(剖視圖)。
[0070]如圖4中所示，存儲(chǔ)元件具有按照此順序?qū)訅旱奈挥诨A(chǔ)層11上的磁化固定層(也被稱為參考層)12，其中磁化M12的方向是固定的；中間層(非磁性層)13 ;存儲(chǔ)層(自由磁化層)14，其中磁化M14的方向是可改變的；以及覆蓋層15。
[0071]在這些層的層12中，磁化M12的方向由高矯頑力等固定，以垂直于層12的膜表面。
[0072]在圖4中所示的存儲(chǔ)元件中，執(zhí)行由具有單軸異向性的存儲(chǔ)層14的磁化(磁矩)M14的方向表不的信息進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0073]通過在與存儲(chǔ)元件的層的膜表面垂直的方向(即，層的層壓方向)施加電流來將信息寫入存儲(chǔ)元件中，以在變成存儲(chǔ)層14的自由磁化層中造成自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)。
[0074]此處，將簡要描述自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)。
[0075]電子具有兩種自旋角動(dòng)量中的一個(gè),并且這些自旋角動(dòng)量臨時(shí)稱為上部自旋角動(dòng)量和下部自旋角動(dòng)量。
[0076]在非磁性物質(zhì)的內(nèi)部,具有上部自旋角動(dòng)量的電子的數(shù)量等于具有下部自旋角動(dòng)量的電子的數(shù)量。在鐵磁物質(zhì)內(nèi)部，這些數(shù)量彼此不同。
[0077]首先，考慮以下情況:在磁化M12和M14的方向在經(jīng)由中間層(非磁性層)13彼此層壓的兩個(gè)鐵磁物質(zhì)層(磁化固定層12和自由磁化層14)中彼此反平行時(shí)，電子從磁化固定層12移動(dòng)到存儲(chǔ)層(自由磁化層)14。
[0078]使穿過磁化固定層12的電子的自旋被極化。即，具有上部自旋角動(dòng)量的電子的數(shù)量與具有下部自旋角動(dòng)量的電子的數(shù)量不同。
[0079]當(dāng)非磁性層13的厚度足夠薄時(shí)，電子到達(dá)另一個(gè)磁性物質(zhì)，在自旋極化之前照亮存儲(chǔ)層(自由磁化層)14，以便設(shè)置在正常非磁性物質(zhì)的非極化狀態(tài)(具有上部自旋角動(dòng)量的電子的數(shù)量等于具有下部自旋角動(dòng)量的電子的數(shù)量)中。
[0080]然后，因?yàn)樵趦蓚€(gè)鐵磁物質(zhì)層(磁化固定層12和自由磁化層14)中的自旋極化電平的符號(hào)彼此不同，故在一部分電子中的自旋被反轉(zhuǎn)，以減少在該系統(tǒng)中能量。即，自旋角動(dòng)量的方向改變。此時(shí)，因?yàn)閼?yīng)保留在系統(tǒng)中的整個(gè)角動(dòng)量，故將等于由電子(其自旋方向改變)造成的角動(dòng)量的變化的總和的反應(yīng)提供給存儲(chǔ)層(自由磁化層)14的磁化M14。
[0081]當(dāng)電流量(B卩，每單位時(shí)間通過的電子的數(shù)量)較小時(shí)，其自旋方向改變的電子的數(shù)量也較小。因此，在存儲(chǔ)層(自由磁化層)14的磁化M14中造成的角動(dòng)量的變化也較小。相反，當(dāng)電流量增大時(shí)，在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)可提供角動(dòng)量的大幅改變。
[0082]角動(dòng)量上的時(shí)間改變是力矩。當(dāng)該力矩超過閾值時(shí)，由于在旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180度時(shí)存儲(chǔ)層(自由磁化層)14的單軸異向性，故存儲(chǔ)層(自由磁化層)14的磁化M14開始旋進(jìn)并且穩(wěn)定。換言之，造成從反平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)成平行狀態(tài)。
[0083]相反，在其中這兩個(gè)鐵磁物質(zhì)層12和14的磁化M12和M14的方向彼此平行的情況下，電流反向流動(dòng)，以便將電子從存儲(chǔ)層(自由磁化層)14中發(fā)送給磁化固定層12時(shí)，電子被磁化固定層12反射。
[0084]然后，當(dāng)被反射以便反轉(zhuǎn)電子的自旋方向的電子進(jìn)入自由磁化層14時(shí)，電子提供力矩，以便反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層(自由磁化層)14的磁化M14的方向。因此，磁化M12和M14可改變?yōu)榉雌叫袪顟B(tài)。
[0085]在這種情況下，造成這種反轉(zhuǎn)所需要的電流量大于造成從反平行狀態(tài)改變成平行狀態(tài)所需要的電流量。
[0086]難以憑直覺識(shí)別從平行狀態(tài)到反平行狀態(tài)的改變。然而，人們認(rèn)為，因?yàn)榇呕疢12是固定的，故難以反轉(zhuǎn)磁化固定層12的磁化M12的方向，但是反轉(zhuǎn)自由磁化層14的磁化M14的方向，以保留整個(gè)系統(tǒng)的角動(dòng)量。
[0087]如上所述，由在從磁化固定層(參考層)12到存儲(chǔ)層(自由磁化層)14的一個(gè)方向或者在值等于或高于與電流的極性相對(duì)應(yīng)的閾值時(shí)的相反方向流動(dòng)的電流執(zhí)行均為O和I的信息的記錄。
[0088]通過與在過去的MRAM中相同的方式使用磁阻效應(yīng)來執(zhí)行信息讀出。
[0089]更具體而言，通過與上述信息記錄的情況相同的方式，電流在與每層的膜表面垂直的方向(每層的層壓方向)上流動(dòng)。然后，因?yàn)樵诖鎯?chǔ)層(自由磁化層)14的磁化M14的方向與磁化固定層(參考層)12的磁 化M12的方向平行時(shí)由存儲(chǔ)元件表示的電阻與在磁化M14的方向與磁化M12的方向反平行時(shí)的電阻不同，故利用該現(xiàn)象。
[0090]用于中間層(非磁性層)13的材料可以是金屬或絕緣體。然而，當(dāng)絕緣體被用于非磁性層13時(shí)，可獲得更高級(jí)別(電阻的更高的變化率)的讀出信號(hào)，并且可使用較低值的電流來執(zhí)行記錄。使用絕緣體的該元件稱為磁性隧道結(jié)(MTJ)元件。
[0091]上述自旋力矩的強(qiáng)度隨著在存儲(chǔ)層(自由磁化層)14的磁化M14與磁化固定層(參考層)12的磁化M12之間的角度變化。
[0092]當(dāng)指示磁化M14的方向的單位向量被表示為ml時(shí)，同時(shí)指示磁化M12的方向的單位向量被表示為m2時(shí)，自旋力矩的強(qiáng)度與mlx(mlxm2)成比例。此處，“x”表示向量的外積。
[0093]磁化固定層12的磁化M12通常被固定為存儲(chǔ)層14的易磁化軸的方向。存儲(chǔ)層14的磁化M14易于被定向于存儲(chǔ)層14本身的易磁化軸的方向。此時(shí)，向量ml和m2構(gòu)成O或180度的角度。因此，根據(jù)上述自旋力矩等式，自旋力矩根本不起作用。
[0094]在實(shí)際情況下，由于熱波動(dòng)，故存儲(chǔ)層14的磁化M14被隨機(jī)分布在易磁化軸周圍。當(dāng)磁化M14的方向到磁化固定層12的磁化M12的方向遠(yuǎn)離O度或180度的角度移動(dòng)時(shí)，自旋力矩起作用并且可造成磁化反轉(zhuǎn)。
[0095]磁性物質(zhì)具有與其磁化方向相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度的磁能。最多減少磁能的方向是易磁化軸。當(dāng)未造成熱波動(dòng)時(shí)，磁化由盡可能減少磁能的力量(力矩)被定向于易磁化軸。相反，當(dāng)與在磁化被定向于易磁化軸時(shí)設(shè)置的磁能相比，在磁化方向由于熱波動(dòng)從而遠(yuǎn)離易磁化軸時(shí)，磁能變大。該差異被稱為激發(fā)能E。然后，當(dāng)磁化方向進(jìn)一步遠(yuǎn)離易磁化軸使得激發(fā)能E超過某個(gè)閾值時(shí)，造成磁化反轉(zhuǎn)。該閾值由△表示?？蓪㈤撝怠饕暈榉崔D(zhuǎn)磁化所需要的能量。雖然激發(fā)能E和閾值△由單位焦耳(J)表示，但是在下文中使用通過由熱能除以這些從而獲得的無因次量(玻爾茲曼常數(shù)和絕對(duì)溫度的乘積)。在這種情況下，因?yàn)榭蓪㈤撝怠饕暈橹甘緹崮艿拇呕姆€(wěn)定性的指數(shù)，故閾值△有時(shí)稱為熱穩(wěn)定性的指數(shù)。[0096]當(dāng)使用存儲(chǔ)層14的磁化M14的激發(fā)能E和熱穩(wěn)定性的指數(shù)Λ時(shí)，施加于存儲(chǔ)層14的電流I以及由該電流I造成的自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間段(反轉(zhuǎn)時(shí)間)ts滿足以下等式I。
【權(quán)利要求】
1.一種存儲(chǔ)元件，包括: 磁化固定層；以及 磁化自由層，包括與形成在每對(duì)相鄰的鐵磁層之間的耦合層層壓在一起的多個(gè)鐵磁層， 其中，所述鐵磁層的磁化方向相對(duì)于所述磁化固定層的磁化方向傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)元件，進(jìn)一步包括形成在所述磁化固定層與所述磁化自由層之間的非磁性的中間層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁存儲(chǔ)元件，其中，所述中間層由絕緣材料形成并且是隧道絕緣層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)元件，其中，所述磁化固定層的磁化方向是在垂直于所述磁化固定層的膜表面的方向上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)元件，進(jìn)一步包括基礎(chǔ)層以及形成在所述基礎(chǔ)層與所述磁化固定層之間的反鐵磁層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)元件， 其中，所述磁化自由層以所述耦合層中的一個(gè)形成于其間的方式包括第一鐵磁層和第二鐵磁層， 其中，垂直軸在垂直于所述磁化自由層的膜表面的方向上延伸通過所述磁化自由層， 其中，所述第一鐵磁層的磁化的方向與所述垂直軸之間的角度為Θ 以及 其中，所述第二鐵磁層的磁化的方向與所述垂直軸之間的角度被定義為Θ 2。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁存儲(chǔ)元件， 其中，參考線在頂視圖中穿過所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層的中心，以及其中，當(dāng)所述第一鐵磁層的第一磁化Ml和所述第二鐵磁層的第二磁化M2分別投射至所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層的膜表面上時(shí)，所述第一磁化Ml的方向與所述參考線之間的角度被定義為φι，并且所述第二磁化M2的方向與所述參考線之間的角度被定義為φ2°
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁存儲(chǔ)元件， 其中，存儲(chǔ)層24的磁能ε由以下等式2表示:
E=A1 sin2 θ A Δ 2sin2 θ 2- Δ ex (cos θ jcos θ 2+sin θ pin θ 2cos ( φ「φ 2))， 其中，通過從在所述第一磁化Ml被定向于表面內(nèi)方向(Θ丨=90度)時(shí)的所述磁能的強(qiáng)度中減去在所述第一磁化Ml被定向于所述垂直方向(Θ i = O度)時(shí)的所述磁能的強(qiáng)度而獲得的第一能差由A1表示， 其中，通過從在所述第二磁化M2被定向于表面內(nèi)方向(Θ 2 = 90度)時(shí)的所述磁能的強(qiáng)度中減去在所述第二磁化M2被定向于垂直方向(Θ 2 = O度)時(shí)的所述磁能的強(qiáng)度而獲得的第二能差由Δ2表不，以及 其中，所述第一磁化Ml與所述第二磁化M2之間的磁耦合能量的強(qiáng)度由Aex表示。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁存儲(chǔ)元件，其中，應(yīng)用以下條件中的一個(gè): (a)如果所述第一能差A(yù)1為正，則所述第二能差A(yù)2為負(fù)；以及 (b)如果所述第一能差A(yù)1為負(fù)，則所述第二能差A(yù)2為正。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁存儲(chǔ)元件，其中，滿足以下條件: abs ( Δ ex) <abs (2x ( Δ J χ ( Δ 2) / (( Δ ) + ( Δ 2)))。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)元件， 其中，所述磁化自由層包括具有第一磁化Ml的第一鐵磁層、具有第二磁化M2的第二鐵磁層以及形成在所述第一鐵磁層與所述第二鐵磁層之間的所述耦合層中的一個(gè)，以及其中，所述第一鐵磁層的第一磁化方向相對(duì)于所述第二鐵磁層的第二磁化方向傾斜。
12.—種將信息寫入存儲(chǔ)元件的方法，所述存儲(chǔ)元件包括磁化固定層；以及磁化自由層，所述磁化自由層包括與形成在每對(duì)相鄰的鐵磁層之間的耦合層層壓在一起的多個(gè)鐵磁層，所述方法包括: 在所述磁化固定層的磁化方向上施加電流，以在所述磁化自由層中產(chǎn)生自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)， 其中，所述鐵磁層的磁化方向相對(duì)于所述磁化固定層的磁化方向傾斜。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述磁化固定層的磁化方向是在垂直于所述磁化固定層的膜表面的方向上。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法， 其中，所述磁化自由層包括具有第一磁化Ml的第一鐵磁層、具有第二磁化M2的第二鐵磁層以及形成在所述第一鐵磁層與所述第二鐵磁層之間的所述耦合層中的一個(gè)，以及其中，所述第一鐵磁層的第一磁化方向相對(duì)于所述第二鐵磁層的第二磁化方向傾斜。
15.一種自旋力矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器元件，包括: 磁化固定層，所述磁化固定層的固定磁化在相對(duì)于所述磁化固定層的膜表面的垂直方向上； 磁化自由層，包括與形成在在每對(duì)相鄰的鐵磁層之間的耦合層層壓在一起的多個(gè)鐵磁層，從而磁耦合所述鐵磁層；以及 非磁性層，形成在所述磁化固定層與所述磁化自由層之間， 其中，所述鐵磁層的磁化方向相對(duì)于所述垂直方向傾斜。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的自旋力矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器元件，其中，所述磁化固定層的磁化方向是在垂直于所述磁化固定層的膜表面的方向上。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的自旋力矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器元件，進(jìn)一步包括基礎(chǔ)層以及形成在所述基礎(chǔ)層與所述磁化固定層之間的反鐵磁層。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的自旋力矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器元件， 其中，所述磁化自由層包括具有第一磁化Ml的第一鐵磁層、具有第二磁化M2的第二鐵磁層以及形成在所述第一鐵磁層與所述第二鐵磁層之間的所述耦合層中的一個(gè)，以及其中，所述第一鐵磁層的第一磁化方向相對(duì)于所述第二鐵磁層的第二磁化方向傾斜。
19.一種磁阻效應(yīng)型磁頭,包括: 第一磁屏蔽，經(jīng)由絕緣層形成在基板上； 磁感測元件，包括: 磁化固定層，以及 磁化自由層，包括與形成在每對(duì)相鄰的鐵磁層之間的耦合層層壓在一起的多個(gè)鐵磁層；以及第二磁屏蔽，經(jīng)由所述絕緣層形成在所述磁感測元件上， 其中，所述鐵磁層的磁化方向相對(duì)于所述磁化固定層的磁化方向傾斜。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的磁阻效應(yīng)型磁頭，其中，所述磁感測元件被形成為近似矩形形狀并且具有暴露于面向磁記錄介質(zhì)的表面的側(cè)面。
【文檔編號(hào)】G11C11/16GK103959407SQ201280057911
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月30日
【發(fā)明者】肥后豐, 細(xì)見政功, 大森廣之, 別所和宏, 淺山徹哉, 山根一陽, 內(nèi)田裕行 申請(qǐng)人:索尼公司