專利名稱：存儲器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種存儲器，其包括存儲元件，該存儲元件由將鐵磁層的磁化狀態作為信息而存儲的存儲層以及具有固定磁化方向的磁化固定層構成，其中，電流沿垂直于膜表面的方向流動來注入自旋極化電子，以改變存儲層的磁化方向。本發明還涉及一種可適合用作非易失性存儲器的包括存儲元件的存儲器。
背景技術：
高速與高密度DRAM已廣泛用作諸如計算機的信息裝置中的隨機存取存儲器。
然而，由于DRAM是一種當電源被切斷時會擦除信息的易失性存儲器，所以需要切斷電源時不會擦除信息的非易失性存儲器。
例如，根據2001年2月12日的Nikkei電子(164～171頁)，配置用于通過磁化磁性材料來記錄信息的磁性隨機存取存儲器(MRAM)已引起了人們的注意，并且已逐步發展成為潛在的非易失性存儲器。
在MRAM中，使電流分別流入彼此幾乎垂直的兩種地址配線(字線和位線)中，以基于產生于每條地址配線的電流磁場來使在地址配線的交叉點中的磁性存儲元件的磁性層的磁化反轉，從而記錄信息。
圖1示出了普通RAM的示意圖(透視圖)。
在由諸如硅襯底的半導體襯底110的元件隔離層102隔離的區域中，分別形成漏極區108、源極區107和柵電極101，它們形成了用于選擇各個存儲單元的選擇晶體管。
在柵電極101上設置沿圖中的縱向延伸的字線105。
在圖中的左和右選擇晶體管上形成漏極區108，并且配線109連接至漏極區108。
每個均具有其中磁化方向反轉的存儲層的磁性存儲元件103被置于字線105和位線106之間，位線106置于字線105上并且沿圖中的橫向延伸。例如，磁性存儲元件103由磁隧道結元件(MTJ元件)形成。
另外，磁性存儲元件103通過水平方向的旁路線111和垂直方向的接觸層104電連接至源極區107。
使電流分別流入字線105和位線106中來將電流磁場施加至磁性存儲元件103，從而使磁性存儲元件103的存儲層的磁化方向反轉來記錄信息。
為了使諸如MRAM的磁性存儲器能夠穩定保持所記錄的信息，用以記錄信息的磁性層(存儲層)優選地具有一定的抗磁力。
另一方面，為了重寫所記錄的信息，可以優選地使一定量的電流流入地址配線中。
由于形成MRAM的元件的尺寸減小，所以使磁化方向反轉的電流值趨于增大。相反，由于地址配線變細，所以很難使充足量的電流流動。
例如，根據第2003-17782號日本專利申請公開、第6256223號美國專利、Phys.Rev.B 54.9353(1996)、和J.Magn.Mat.159.L1(1996)，在此情況下，經過配置用于通過自旋注入來使用磁化反轉的存儲器已引起關注，由于它們被配置成能夠使用更少量的電流來使磁化方向反轉。
在通過自旋注入進行的磁化反轉中，通過將流過磁性材料而被自旋極化的電子注入到另一種磁性材料中來使在另外的磁性材料中磁化反轉。
例如，使電流沿垂直于元件膜表面的方向流入巨磁阻元件(GMR元件)或磁隧道結元件(MTJ元件)中，從而使元件的至少一些磁性層的磁化方向反轉。
通過自旋注入進行磁化反轉的優勢在于，即使元件的尺寸減小，仍然可以反轉磁化，而不增加電流量。
圖2和圖3示出了經配置用于利用通過自旋注入進行上述磁化反轉的存儲器的示意圖。圖2是透視圖，圖3是截面圖。
在通過諸如硅襯底的半導體襯底60的元件隔離層52隔離的區域中，分別形成漏極區58、源極區57和柵電極51，它們形成了用于選擇各個存儲單元的選擇晶體管。當然，柵電極51還作為沿圖2中的縱向延伸的字線。
在圖2中的左和右選擇晶體管上均形成漏極區58，并且配線59連接至漏極區58。
每個均具有通過自旋注入使磁化方向反轉的存儲層的存儲元件53被置于源極區57和位線56之間，位線56置于源極區57上并且沿圖2中的橫向延伸。
例如，由磁隧道結元件(MTJ元件)形成存儲元件53。圖中的附圖標號61和62表示磁性層。兩個磁性層61和62中的一個是磁化方向固定的磁化固定層，另一個是磁化方向改變的磁化自由層，具體來說就是存儲層。
存儲元件53通過上或下接觸層54分別連接至位線56和源極區57。因而，可以通過能夠使電流流入存儲元件53中的自旋注入來使存儲層的磁化方向反轉。
這種經過配置用于利用通過自旋注入進行磁化反轉的存儲器的特征在于，與圖1所示的普通MRAM相比，該存儲器能夠具有更簡化的裝置結構。
經過配置用于利用通過自旋注入進行磁化反轉的存儲器比通過外部磁場來使磁化反轉的普通MRAM更具優勢，因為盡管元件的尺寸進一步縮小，但寫電流的量卻不增加。
在MRAM中，寫配線(字線和位線)被設置成與存儲元件相分離，并且基于通過使電流流入寫配線中而生成的電流磁場來寫(記錄)信息。因而，可能足以使用于進行寫操作所必需量的電流流入寫配線中。
相反，在經過配置用于利用通過自旋注入進行磁化反轉的存儲器中，優選地通過使電流流入存儲元件來執行自旋注入，從而使存儲層的磁化方向反轉。
由于是通過以此方式使電流直接流入存儲元件中來寫(記錄)信息的，所以為了選擇執行寫操作的存儲單元，存儲元件連接至選擇晶體管來形成存儲單元。在此情況下，能夠流入存儲元件的電流量被限制到能夠流入該選擇晶體管的電流量(選擇晶體管的飽和電流)。
因此，優選地使用量等于或小于選擇晶體管的飽和電流的電流來執行寫操作，并且優選地通過改進自旋注入效率來減少流入存儲元件的電流量。
為了放大讀信號，可以優選地獲得高磁阻改變率。為了確保高磁阻改變率，有效提供一種具有與作為隧道隔離層(隧道壁壘層)的存儲層的兩面相接觸的中間層的存儲元件。
當以此方式將隧道隔離層用作中間層時，限制能夠流入存儲元件中的電流量，以防止隧道隔離層的介質擊穿。鑒于此，優選地抑制自旋注入期間的電流量。
發明內容
通常，存儲器經過配置用于存儲和保持由電流寫入的信息，因而，可能需要具有抗熱波動的穩定性(熱穩定性)的存儲層。
利用通過自旋注入進行的磁化反轉的存儲元件具有存儲層，該存儲層的體積小于相關技術中的MRAM的存儲層的體積。即，該存儲元件的熱穩定性趨于降低。
當存儲層不具有可靠的熱穩定性時，已反轉的磁化方向會由于加熱而再次反轉，從而引起寫錯誤。
因此，在利用通過自旋注入進行磁化反轉的存儲元件中，熱穩定性是非常重要的性質。
與配置成具有相同的自旋注入效率的利用自旋注入進行磁化反轉的存儲元件相比，熱穩定性隨著飽和磁化數量和存儲層的體積的增加而增加，從而消耗了更多用于執行寫操作的電流。
熱穩定性指數通常可由熱穩定性參數(Δ)來表示。
熱穩定性參數(Δ)是從下列等式中得到的Δ＝KV/kTK各向異性能量，V存儲層的體積，k玻耳茲曼常數，T溫度。
因此，為了將具有其中通過自旋注入來使磁化方向反轉的存儲層的存儲元件用作存儲器，可以通過提高自旋注入效率，將用于進行磁化反轉所需的電流量減小到等于或小于晶體管的飽和電流，并且可獲得熱穩定性來穩定保持寫入信息。
存儲層通常具有與磁化固定層的磁化方向平行的易磁化軸。
在穩定狀態下，存儲層的磁化與磁化固定層的磁化平行或逆平行。
然而，在通過自旋注入進行的磁化反轉中，優選地使存儲元件的磁化和磁化固定層的磁化形成某一限定角。當兩個磁化形成0°(平行狀態)或180°(逆平行狀態)角時，通過自旋注入形成的轉矩仍然存在，并且不會觀察到磁化反轉。
由于熱波動的影響，存儲層的磁化在存儲層的易磁化軸附近波動，并稍微偏離磁化固定層的磁化。當以此狀態執行自旋注入時，由于小磁化偏離而產生轉矩，然后偏離逐步增大，最終出現磁化反轉。
如上所述，磁化反轉很大程度上受到當開始自旋注入時的存儲層的磁化方向的影響，例如，當磁化固定層的磁化方向幾乎與存儲層的磁化方向平行或逆平行時，可能要消耗長時間來使存儲層的磁化方向反轉，并且由于不能高速記錄信息，所以自旋注入存儲器可能不再有優勢。
另外，為了減小熱波動的影響，優選地可增大熱穩定性參數(Δ)。然而，這可能會使得存儲層的磁化方向與磁化固定層的磁化方向直接一致，因而很難滿足減少反轉時間的要求。
根據本發明的實施例，提供了一種能夠高速穩定地記錄信息的存儲器。
根據本發明實施例的存儲器包括至少一個存儲元件，具有基于磁性材料的磁化狀態來保持信息的存儲層；以及電連接至存儲元件的導體。存儲元件包括通過中間層對存儲層設置的磁化固定層；由絕緣體形成的中間層；以及自旋極化電子，其沿堆疊方向注入以使存儲層的磁化方向反轉，從而將信息記錄在存儲層中。對導體的至少一部分設置磁性材料，以增強由于電流在導體中流動所產生的磁場，并且將漏磁場施加至存儲元件的存儲層，以使存儲層的磁化方向偏離。沿堆疊方向的電流通過導體流入存儲元件中，從而注入自旋極化電子。
根據本發明的上述實施例的存儲器經過配置包括具有基于磁性材料的磁化狀態來保持信息的存儲層的存儲元件，其中，通過中間層對存儲層設置磁化固定層，中間層由絕緣體形成，并且沿堆疊方向注入自旋極化電子來改變存儲層的磁化方向，從而將信息記錄在存儲層中。因而，可以通過使電流沿堆疊方向流動來注入自旋極化電子，從而記錄信息。
沿堆疊方向的電流通過電連接至存儲元件的導體流入存儲元件中，以注入自旋極化電子。因而，通過使沿堆疊方向的電流通過導體流入存儲元件中來注入自旋極化電子，以通過自旋注入來將信息記錄在存儲元件中。
另外，對導體的至少一部分設置磁性材料，從而增強由于電流在導體中流動所產生的磁場，并且將漏磁場施加至存儲元件的存儲層，以使存儲層的磁化方向偏離。因此，通過來自磁性材料的漏磁場來使存儲層的磁化方向偏離(存儲層的易磁化軸的方向)，從而可以減少用于使存儲層的磁化方向反轉來記錄信息的時間量。
使用本發明的上述實施例的存儲器可以減少用于通過使存儲層的磁化方向反轉來記錄信息的時間量，因而，可以高速記錄信息。
另外，可以通過使存儲層的磁化方向偏離來減少用于使磁化反轉的電流量。因此，可以降低存儲器的功率損耗。
另外，可以高速記錄信息，同時確保足夠的熱穩定性。
因此，可以得到具有可靠性的高速地記錄信息的存儲器。
圖1是圖解示出了現有技術的MRAM的結構的透視圖；圖2是示出了使用通過自旋注入進行磁化反轉的存儲器的示意結構圖(透視圖)；圖3是圖2中的存儲器的截面圖；圖4是根據本發明實施例的存儲器的示意結構圖(透視圖)；圖5是圖4中的存儲元件的截面圖；圖6是具有現有技術的結構的使用通過自旋注入進行磁化反轉的存儲器的主要部分(存儲元件附近)的放大透視圖；圖7是圖4中的存儲器的主要部分(存儲元件附近)的放大透視圖；圖8A和圖8B是描述當使電流流入圖7結構中時的磁場的影響的示圖；圖9是根據本發明的另一個實施例的存儲器的主要部分(存儲元件附近)的放大透視圖；圖10A和圖10B是描述當使電流流入圖9結構中時的磁場的影響的示圖；
圖11是根據本發明的又一實施例的存儲器的主要部分(存儲元件附近)的放大透視圖；以及圖12A和12B是描述當使電流流入圖11結構中時的磁場的影響的示圖。
具體實施例方式
在描述本發明的具體實施例之前，首先闡述本發明的要點。
在本發明的實施例中，通過上述自旋注入使存儲層的磁化方向反轉來記錄信息。存儲層由諸如鐵磁層的磁性材料形成，并且基于磁性材料的磁化狀態(磁化方向)來保持信息。
在通過自旋注入使磁性層的磁化方向反轉的基本操作中，使具有某一閥值的電流(Ic)或高于Ic的電流以垂直于存儲元件的膜表面的方向流入由巨磁阻元件(GMR元件)或磁性隧道結元件(MTJ元件)形成的存儲元件中。此處，電流的極性(方向)取決于將被反轉的磁化方向。
當使絕對值小于閥值的電流流動或使電流在短時間內流動時，不會出現磁化反轉。
用于通過自旋注入來使磁性層的磁化方向反轉的電流的閥值Jc由以下等式1來形象表示(例如，參見R.H.Koch等人的Phys.Rev.Lett.92 0883021(2004))。
Jc=JcO(1+τ1tln[π2θ])---1]]>
在等式1中，Jc0是由存儲層的磁性確定的特性值并且提供了反轉電流量的下限，τ1是由飽和磁化量和存儲層的阻尼常數確定的時間，并且是一般來說以納秒為單位的值，t是寫時間，而θ是由存儲層的磁化與磁化固定層的磁化而形成的角。
如從等式了解，當θ為0時(當存儲層的磁化與磁化固定層的磁化平行或逆平行時)，反轉電流Jc的量快速增大。θ并不必需是恒定值，而是會受到熱波動的影響而在易磁化軸附近隨機移動。
當自旋注入開始時θ的值近似為0時，能夠流動的電流量可以不完成存儲器的磁化反轉，并且由于反轉消耗長時間，所以會出現寫失敗錯誤。
在本發明的實施例中，存儲器經配置用于防止當θ的值如上所述近似為0時所導致的寫失敗錯誤。
當使電流通過連接至存儲元件的金屬導體流入存儲元件中時，在電流附近產生了環形磁場。
在通過自旋注入進行的普通磁化反轉中，環形電流磁場不會明顯改變存儲層的磁化方向。
相反，在本發明的實施例中，環形電流磁場集中在存儲層上，從而使得存儲層的磁化稍微偏離易磁化軸。因而，可以減少用于使磁化反轉的時間量。
在本發明的實施例中，對電連接至存儲元件的金屬導體設置磁性材料，以增強環形電流磁場并使其集中在存儲層上，從而使存儲層的磁化方向偏離易磁化軸。設置有磁性材料的金屬導體可直接連接至存儲元件，或者可通過另一個導體間接連接至存儲元件；即，金屬導體可以電連接至存儲元件。
例如，設置磁性材料來覆蓋部分或整個金屬導體，從而增強環形電流磁場，并可以使電流磁場集中在存儲層上。
在根據本發明實施例的結構中，可減少用于使磁化反轉的時間量，因而，可高速地記錄信息。
另外，使存儲層的磁化方向偏離來增大等式1中的θ，從而可以減少用于使磁化反轉的電流量，并因此可降低存儲器的功率損耗。
另外，即使不減小熱穩定性參數Δ，用于使存儲層的磁化反轉的時間量仍然可以減少。因而，可以高速地記錄信息，同時確保足夠的熱穩定性。
因此，可以使能夠高速記錄信息的存儲器具有高可靠性。
另外，在本發明的實施例中，使用作為存儲層和磁化固定層之間的非磁性中間層的由絕緣體形成的隧道隔離層來形成磁隧道結元件(MTJ元件)，從而能夠供給選擇晶體管的飽和電流。
與使用非磁性傳導層而形成的巨磁阻(GMR)元件相比，這使得使用隧道隔離層形成的磁隧道結(MTJ)元件能夠增大磁阻改變率(MR比率)和讀信號的強度。
氧化鎂(MgO)具體用作隧道隔離層的材料，從而與通常使用氧化鋁的情況相比，可以增大磁阻改變率(MR比率)。
自旋注入效率通常取決于MR比率。當MR比率增大時，進一步提高了自旋注入效率，從而進一步減小了磁化反轉電流的密度。
因此，氧化鎂用作作為中間層的隧道隔離層的材料，并且使用了具有上述結構的存儲層，從而減少通過自旋注入進行寫操作的閥值電流的量，因此可以使用少量電流寫(記錄)信息。另外，可增大寫信號強度。
因而，確保了MR比率(TMR比率)，從而可以減少通過自旋注入進行寫操作的閥值電流的量，因此可以使用少量電流寫(記錄)信息。
另外，可增大寫信號強度。
當隧道隔離層由氧化鎂(MgO)膜形成時，可以優選地使MgO薄膜結晶，并可以沿001方向維持結晶取向(crystalline orientation)。
在本發明的實施例中，存儲層和磁化固定層之間的中間層可以不由氧化鎂(隧道隔離層)形成；而是可以由各種絕緣體、電介質、或諸如氧化鋁、氮化鋁、SiO2、Bi2O3、MgF2、CaF、SrTiO2、AlLaO3、和Al-N-O的半導體形成。
另外，為了能夠在將氧化鎂用作中間層時得到良好的磁阻特性(MR特性)，退火溫度優選地為300℃或更高，并且優選地為340℃～360℃。該退火溫度高于現有技術中將氧化鎂用作中間層的情況的退火溫度(250℃～280℃)。
該退火溫度可能是形成氧化鎂的隧道隔離層的適當內部結構或晶體結構等所必須的。
因此，可以對存儲元件的鐵磁層使用能夠對如此高的溫度下的退火有抗性的熱阻鐵磁材料來達到良好的MR特性。
存儲元件的其他結構與通過自旋注入來記錄信息的存儲元件的先前已知結構相同。
接下來將描述本發明的實施例。
圖4示出了根據本發明實施例的存儲器的示意結構圖(透視圖)。
存儲器具有置于相互垂直的兩種地址配線(例如，字線和位線)的交叉點附近的存儲元件。
具體地，在通過諸如硅襯底的半導體襯底10的元件隔離層2所隔離的區域中，分別形成漏極區8、源極區7和柵電極1，它們形成了用于選擇各個存儲單元的選擇晶體管。對此，柵電極1也作為以圖中的縱向延伸的一種地址配線(例如，字線)。
在圖中的左和右選擇晶體管上均形成漏極區8，并且配線9連接至漏極區8。
存儲元件3置于源極區7和置于源極區7上并以圖中橫向延伸的另一種地址配線(例如，位線)6之間。存儲元件3各具有由鐵磁層形成的存儲層，其中，通過自旋注入來使磁化方向反轉。
存儲元件3置于兩種地址配線1和6的交叉點附近。
存儲元件3通過上或下接觸部4和5分別連接至位線6和源極區7。
因而，可以通過使電流通過兩種地址配線1和6以垂直方向流入存儲元件3中的自旋極化來反轉存儲層的磁化方向。
圖5示出了根據本發明的存儲器的存儲元件3的截面圖。
如圖5中所示，存儲元件3具有設置在存儲層17下的磁化固定層31，其中，通過自旋注入來反轉磁化方向M1。反鐵磁層12設置在磁化固定層31下，并且通過反鐵磁層12來固定磁化固定層31的磁化方向。
隔離層16設置為存儲層17和磁化固定層31之間的隧道壁壘層(隧道隔離層)，并且通過存儲層17和磁化固定層31形成MTJ元件。
接地層11形成在反鐵磁層12下，并且蓋層18形成在存儲層17上。
磁化固定層31具有堆疊的亞鐵磁結構。
具體地，磁化固定層31包括以下結構，其中，兩個鐵磁層13和15通過非磁性層14堆疊并被反鐵磁粘合起來。
因為磁化固定層31的鐵磁層13和15形成了堆疊的亞鐵磁結構，所以鐵磁層13的磁化M13是右向的；即，鐵磁層15的磁化M15是左向的，并且磁化方向是相對的。因此，從磁化固定層31的鐵磁層13和15漏出的磁通量彼此抵消。
沒有明確限制用于磁化固定層31的鐵磁層13和15的材料。可將由鐵、鎳、和鈷中的一種或多種形成的合金材料用作這種材料。材料可進一步包括過渡金屬元素，諸如Nb、Zr、Gd、Ta、Ti、Mo、Mn、或Cu，或輕元素，諸如Si、B、或C。另外，可通過直接堆疊材料互不相同的多個薄膜(不通過非磁性層)，例如，通過形成CoFe/NiFe/CoFe的堆疊薄膜來形成鐵磁層13和15。
作為用于形成磁化固定層31的堆疊亞鐵磁結構的非磁性層14的材料，可使用釕、銅、鉻、金、銀等。
根據本實施例的存儲器與利用如圖2和3所示的自旋注入的現有技術的存儲器不同，尤其是在連接至存儲元件3的接觸部4和5方面。
圖6示出了根據本發明實施例的作為圖2和圖3中的比較示例的使用自旋注入形成現有技術的存儲器的存儲元件53的附近的放大透視圖。如圖6所示，接觸部54分別連接至存儲元件53的上和下表面，并且接觸部54由金屬導體形成。
在圖6的結構中，根據選擇晶體管等的選擇，將寫電壓施加至在存儲元件53上或下的接觸部54，以使寫電流流入存儲元件53中并通過自旋注入來使磁化方向反轉。
此處，如上所述，用于使磁化方向反轉的時間量與存儲元件53的存儲層的磁化方向有關。當存儲層的磁化方向意外地與磁化固定層的磁化方向一致(角0°或180°)時，可使用超長時間用于進行寫操作。
圖7示出了用于進行比較的圖4(存儲元件3及其附近的放大透視圖)所示的存儲器的存儲單元的主要部分的透視圖。
如圖7所示，在本實施例中，通過用磁性材料22覆蓋金屬導體21分別形成連接至存儲元件3的上和下接觸部4和5。
作為用于磁性材料22的材料，具有高滲透性的任意磁性材料都可呈現出相同效果。
例如，可以使用包括鈷、鐵、或鎳作為主要成分的普通鐵磁合金。特別，可以使用CoFe合金、NiFe合金、或CoNiFe合金。這種鐵磁合金還可以包括一種或多種附加元素，附加元素包括輕元素，諸如，B、C、和N；過渡金屬元素，諸如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、和W；稀土元素，諸如Gd；或者貴金屬元素，諸如Pt和Pd。優選地，鐵磁合金可以包括這種附加元素。
本實施例的接觸部4和5的結構的形成方法不存在任何具體限制。例如，可如下形成接觸部。
第一，表面被覆蓋的隔離層中形成通孔，以形成接觸部。例如，在圖4的存儲器的情況下，通孔形成為達到源極區7和存儲元件3。
第二，沿通孔的內壁形成磁性材料22的薄膜。
第三，去除在通孔底形成的磁性材料22。
第四，通過用金屬導體填充通孔來形成金屬導體21，然后去除殘留在隔離層上的金屬導體21。
可以以此方式形成具有用磁性材料22覆蓋金屬導體21的結構的接觸部4或5。
根據本實施例，為了執行自旋注入，使電流I通過金屬導體21如圖8A所示從上向下流入存儲元件3中。
在此情況下，在上和下接觸部4和5的磁性材料22中，通過向下電流I生成順時針電流磁場23。
然后，通過來自上和下接觸部4和5的磁性材料22的漏磁場以及通過向下電流I產生的電流磁場，在如圖8A的虛線所示的越過存儲元件3的存儲層的水平面中，在存儲元件3的存儲層17中生成如圖8B所示的順時針電流磁場23。
電流磁場23可以改變存儲層17的磁化方向M1，以使其從易磁化軸的方向(磁化固定層31的磁化方向M13或M15)向難磁化軸的方向偏離。
以此方式對接觸部4和5設置具有高滲透性的磁性材料2，以使通過在金屬導體21中流動的電流I所形成的電流磁場23集中在磁性材料22的周圍。因而，在存儲層17周圍產生強磁場23，然后使存儲層17的磁化方向M1稍微偏離磁化固定層31的磁化方向M13或M15。
此處，僅通過自旋注入來使存儲層17的磁化方向M1反轉，并且集中的電流磁場23用于開始自旋注入。
當使電流向上并與圖8A中的電流I的相反方向流動時，通過接觸部4和5的磁性材料22在存儲層17中產生逆時針磁場，并且磁場使存儲層17的磁化方向M1偏離磁化固定層31的磁化方向M13或M15。因此，當存儲層17的磁化方向M1反轉成任意方向時，在磁場的影響下，可以使存儲層17的磁化方向M1偏離。
在上述實施例中，使用在存儲元件3上或下的接觸部4和5中的磁性材料22覆蓋使電流流入的金屬導體21。因而，可以使由于電流在金屬導體21中流動而產生的電流磁場23集中在磁性材料22上。
可以將集中在磁性材料22上的電流磁場23從磁性材料22施加至存儲元件3，作為漏磁場23。因而，可以使存儲元件3的存儲層17的磁化方向M1偏離磁化固定層31的磁化方向M13或M15，特別是偏離易磁化軸的方向，從而易于使存儲層17的磁化方向M1反轉。
因此，可減少用于使存儲層17的磁化方向M1反轉的時間量，因而可高速記錄信息。
另外，在本實施例中，使存儲層17的磁化方向偏離來增大等式1中的θ，從而可以減少用于使磁化方向M1反轉的電流量，并因此可減少存儲器的功率消耗。
此外，即使不減小熱穩定性參數Δ時，仍然可減少用于使存儲層17的磁化方向M1反轉的時間量。因而，可高速記錄信息，同時確保足夠的熱穩定性。
因此，可以使能夠高速記錄信息的存儲器具有高可靠性。
在圖7中，用上和下接觸部4和5中的磁性材料22覆蓋金屬導體21。然而，還可以僅對一個接觸部設置磁性材料22。
在如圖4、圖5、圖7和圖8所示的上述實施例中，上和下接觸部4和5的金屬導體21在一條直線上。然而，可通過諸如MRAM的旁路線111的另一個金屬層來移動上和下接觸部的金屬導體。以下將描述這種情況的實例。
圖9示出了根據本發明的另一個實施例的存儲器的主要部分(存儲元件附近)的放大透視圖。
具體地，在本實施例中，存儲元件3通過圖中的點劃線表示的旁路線24連接至下接觸部5的金屬導體21，并且沿橫向移動上和下接觸部4和5的金屬導體21。
上接觸部4僅具有金屬導體21并沒有磁性材料22。下接觸部5具有金屬導體21，其右半部分覆蓋有磁性材料22。
形成本實施例的下接觸部5的結構的方法沒有任何具體限制。例如，可以通過部分修改先前實施例所述的形成方法來形成接觸部5。
例如，可以通過傾斜沉積磁性材料22或遮蓋通孔的左半部在隔離層通孔的右半部上形成磁性材料22。磁性材料22還可以形成在通孔的整個內壁上，然后去除形成在通孔的左半部上的磁性材料22。
可選地，可以形成柱形金屬導體21，然后可以從右上方開始沉積磁性材料22，從而在金屬導體21的右半部形成磁性材料22。
根據本實施例，使電流I如圖10A所示通過金屬導體21從上向下地流入存儲元件3，從而實現自旋注入。
在此情況下，通過向下電流I在下接觸部5的磁性材料22中產生順時針電流磁場23。由于僅對金屬導體21的右半部設置下接觸部5的磁性材料22，所以電流磁場23從接觸部5向左漏。
然后，通過來自下接觸部5的磁性材料22的漏磁場，在如圖10A的虛線所示的越過存儲元件3的存儲層的水平面中，在存儲元件3的存儲層17中生成如圖10B所示的從前指向后的磁場23。
磁場23可以改變存儲層17的磁化方向M1，從而使其從易磁化軸的方向(磁化固定層31的磁化方向M13或M15)向難磁化軸方向偏離。
當使電流向上并與圖8A中的電流I相反方向流動時，通過下接觸部5的磁性材料22在存儲層17中產生逆時針磁場，并且該磁場移動存儲層17的磁化方向M1，以偏離磁化固定層31的磁化方向M13或M15。
因此，當使存儲層17的磁化方向M1反轉為任意方向時，在磁場的影響下，可以使存儲層17的磁化方向M1偏離。
在上述本實施例中，使用在存儲元件3的下接觸部5中的磁性材料22覆蓋使電流流入的金屬導體21。因而，可以使由電流在金屬導體21中流動所產生的電流磁場23集中在磁性材料22上。
可以將集中在磁性材料22上的電流磁場23作為漏磁場23從磁性材料22施加至存儲元件3。因而，可以使存儲元件3的存儲層17的磁化方向M1偏離磁化固定層31的磁化方向M13或M15，特別是偏離易磁化軸的方向，從而有利于使存儲層17的磁化方向M1反轉。
另外，由于在存儲元件3下的接觸部5的金屬導體21位于存儲元件3的右側，所以可以通過使用磁性材料22僅覆蓋金屬導體21的右半側(存儲元件3的對側)將磁場23更有效地施加至存儲層17。
由于可以輕松使存儲層17的磁化方向M1反轉，所以可減少用于使存儲層17的磁化方向M1反轉的時間量。因此，可以高速記錄信息。
在本實施例中，可減少用于使存儲層17的磁化方向M1反轉的電流量，因此可減少存儲器的功率損耗。因此，與前面實施例相同，可以高速記錄信息，同時還確保足夠的熱穩定性。
因而，可以使能夠高速記錄信息的存儲器具有高可靠性。
上接觸部4和存儲元件3可以被移動，并且通過旁路線24將上接觸部4連接至存儲元件3。在此情況下，對上接觸部4設置磁性材料。
接觸部可以與存儲元件一起沿任意方向移動。在任意這種情況下，可對金屬導體相對于存儲元件的一側設置磁性材料。
圖11示出了根據本發明的又一實施例的存儲器的主要部分(存儲元件附近)的放大透視圖。
在本實施例中，磁場集中在旁路線上。
通過旁路線24將存儲元件3連接至下接觸部5的金屬導體21，并且沿橫向移動上和下接觸部4和5的金屬導體21。
在旁路線24中，使用磁性材料26覆蓋除了金屬層(金屬導體)25的與存儲元件3接觸的上表面之外的三個表面(下表面和兩側表面)。
上和下接觸部4和5僅具有金屬導體21并且不包括任何磁性材料。
在這種結構中，使當電流在旁路線24中流動時所產生的磁場集中在存儲層17周圍，這有利于使存儲層17的磁化方向M1偏離磁化固定層31的磁化方向M13或M15。
本實施例的旁路線24結構的形成方法沒有任何具體限定。例如，可如下形成旁路線。
第一，形成磁性材料層26。
第二，在磁性材料層26中形成將嵌入金屬導體25的槽狀凹入部。
第三，通過將金屬導體25嵌入槽狀凹入部中來形成金屬導體25。
第四，在旁路線24中圖樣化嵌入了金屬導體25的磁性材料26。
可以以此方式形成具有用磁性材料26覆蓋金屬導體25的結構的旁路線24。
根據本實施例，使電流I通過金屬導體21如圖12A所示從上向下流入存儲元件3中，從而執行自旋注入。
在此情況下，電流I向下流入接觸部4和5中；而電流I流向旁路線24的金屬層25的右側。通過向右電流I在覆蓋金屬層25的磁性材料26中產生電流磁場23。由于磁性材料26僅覆蓋金屬層25的三個表面(下表面和兩側表面)，所以電流磁場23沿上方向從旁路線24中漏出。
然后，通過來自旁路線24的磁性材料25的漏磁場，在如圖12A的虛線表示的越過存儲元件3的垂直面中，在存儲元件3中生成如圖12B所示的從后指向前的磁場23。
磁場23可改變存儲元件3的存儲層17的磁化方向M1，從而從易磁化軸的方向(磁化固定層31的磁化方向M13或M15)向難磁化軸的方向偏離。
當使電流向上并與圖12A中的電流I相反方向流動時，在旁路線24中產生向左的電流。向左的電流在旁路線24的磁性材料26中產生了與圖12A中的磁場23相反方向的磁場。由于該磁場在存儲元件3中產生從前指向后的磁場，所以可以使存儲層17的磁化方向M1偏離磁化固定層31的磁化方向M13或M15。
因此，當使存儲層17的磁化方向M1反轉為任意方向時，在磁場的影響下，可以使存儲層17的磁化方向M1偏離。
在上述本實施例中，使用位于存儲元件3下且與其相接觸的旁路線24中的磁性材料26覆蓋使電流流入的金屬導體25。因而，可使由于電流在金屬導體25中流動所產生的電流磁場23集中在磁性材料26上。
可以將集中在磁性材料26上的電流磁場23從磁性材料26施加至存儲元件3，作為漏磁場23。因而，可以使存儲元件3的存儲層17的磁化方向偏離磁化固定層31的磁化方向M13或M15，特別是偏離易磁化軸的方向，從而有利于存儲層17的磁化方向M1反轉。
因此，可減少用于使存儲層17的磁化方向M1反轉的時間量，因而可高速記錄信息。
在本實施例中，可減少用于使存儲層17的磁化方向M1反轉的電流量，并因此可減少存儲器的功率損耗。因此，與之前實施例相同，可高速記錄信息，同時確保足夠的熱穩定性。因而，可以使能夠高速記錄信息的存儲器具有高可靠性。
在上述的每個實施例中，分別使用磁性材料22和26適當覆蓋用于將電流施加至存儲層17的金屬導體21和25，以將集中的磁場23施加至存儲層17，從而改變存儲層的磁化方向M1為偏離磁化固定層31的磁化方向M13或M15。因此，自旋注入轉矩對存儲層17的磁化M1起到很大的作用，因而可在短時間內使存儲層17的磁化方向M1反轉。
本發明的實施例可以不僅使用在上述的每個實施例中所示的存儲元件3的膜結構，而是可以使用多種其他的膜結構。
在圖5中，磁化固定層31具有由兩個鐵磁層13和15以及非磁性層14形成的堆疊鐵磁結構。然而，例如，磁化固定層可由單個鐵磁層形成。
本發明并不限于上述實施例，并且在不偏離本發明本質的情況下，各種其他結構都是可能的。
本領域的技術人員應該理解，在附加權利要求或其等同物的范圍內，可根據設計要求和其它因素來進行各種修改、組合、子組合、和替換。
權利要求
1.一種存儲器，包括至少一個存儲元件，具有基于磁性材料的磁化狀態來保持信息的存儲層；以及電連接至所述存儲元件的導體，其中所述存儲元件包括通過中間層對所述存儲層設置的磁化固定層；所述中間層由絕緣體形成；并且自旋極化電子沿堆疊方向注入以使所述存儲層的磁化方向反轉，從而將信息記錄在所述存儲層中，對所述導體的至少一部分設置所述磁性材料，以增強由于電流在所述導體中流動而產生的磁場，并且將漏磁場施加至所述存儲元件的所述存儲層，以使所述存儲層的所述磁化方向偏離，以及沿所述堆疊方向的電流通過所述導體流入所述存儲元件中，從而注入所述自旋極化電子。
2.根據權利要求1所述的存儲器，其中所述導體置于所述存儲元件的上和下表面中的每個上，并且所述磁性材料被設置為覆蓋上下導體中的至少一個。
全文摘要
本發明披露了一種存儲器，其包括存儲元件，具有基于磁性材料的磁化狀態保持信息的存儲層；以及電連接至存儲元件的導體。在該存儲器中，通過中間層對存儲層設置磁化固定層，該中間層由絕緣體形成，并且自旋極化電子沿堆疊方向注入以使存儲層的磁化方向反轉，從而將信息記錄在存儲層中。還對導體設置磁性材料，以增強由于電流在導體中流動而產生的磁場，并且將漏磁場施加至存儲層，以偏離存儲層的磁化方向，并且沿堆疊方向的電流通過導體流入存儲元件中，從而注入自旋極化電子。
文檔編號H01F10/32GK101079315SQ20071010761
公開日2007年11月28日 申請日期2007年5月22日 優先權日2006年5月23日
發明者肥后豐, 細見政功, 大森廣之, 山元哲也, 山根一陽, 大石雄紀, 鹿野博司 申請人:索尼株式會社