存储元件和存储器的制作方法

专利名称：存储元件和存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种存储元件以及一种包括这种存储元件的存储 器，其中，该存4渚元件由用于存储石兹性材料的万兹化(magnetization， 》兹化强度)状态作为信息的存储层和石兹化方向固定并通过施加电流 来改变存储层的磁化方向的石兹化固定层构成，本发明适用于非易失 性存储器。
背景技术：
随着信息通信设备，尤其是诸如移动电话的个人小型设备的广 泛普及，要求构成信息通信设备的元件(诸如，存储器和逻辑元件) 的性能更高，例如，集成度的增加、速度的增加、以及功耗降低。具体地，认为非易失性存储器是使设备功能更高必不可少的部件。半导体闪存、FeRAM(铁电非易失性存储器)等作为非易失性 存储器而在市场上可买到，并且为了能够使非易失性存储器的性能 更高，正在进ff着积才及的研究和开发，近来，作为使用磁性材料的新非易失性存储器，利用隧道磁阻 效应的MRAM (磁性随机存取存储器)的开发和发展是很显著的， 并且MRAM受到了显著关注(例如，参看J.Nahas等人的 IEEE/ISSCC 2004 Visulas Supplement的22页)。MRAM具有用于记录信息的小型存储元件被规则排列并且设 置配线(例如，字线和位线)来寻址每个存储元件的结构。每个磁性存储元件被配置为具有能够记录作为铁磁材料的磁 化方向的信息的存储层。然后，采用使用了由上述存储层、隧道绝缘层(非磁性隔离膜 (spacer film))、和》兹4匕方向固定的^H匕固定层构成的所谓f兹性隧 道结(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)的结构作为石兹寸生存4诸元4牛的 结构。例如，可以通过设置反铁磁层来固定磁化固定层的磁化方向。在这种结构中，相对于流过隧道绝纟彖膜的隧道电流的阻抗^直响 应于由存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向所形成的角度， 隧道》兹阻效应会发生改变，乂人而可以利用这个隧道f兹阻效应来写 (记录)信息。当存储层的^t化方向和石兹化固定层的^f兹化方向彼此 逆平行时，该阻抗值变为最大值，而当它们彼此平行时，该阻抗值 变为最小值。在具有上述结构的万兹性存〗诸元件中，可以通过基于通过向字线 和位线施加电流而生成的合成电流万兹场来控制石兹性存4诸元件的存 储层的^兹化方向，从而将信息写(记录)到》兹性存储元件中。通常，分别响应于信息"0"和信息"1"将当时的》兹化方向(》兹化状态) 的差异存储到磁性存储元件中。然后，4吏用星一犬净争4正(asteroid characteristics )的方';去(侈'H口， 参看第Hei-10-116490号日本未审查专利7>开)和4吏用开关特性的 方法(例如，参看第2003/0072174号未审查美国专利申诮v厶开的i兌 明书)可用作将信息记录(写)到存储元件中的方法。另一方面，当从磁性存储元件中读取所记录的信息时，通过使 用诸如晶体管的器件来选择存储单元，并通过使用磁性存储元件的 隧道磁阻效应检测存储层的磁化差异作为电压信号的差异，从而可 以才全测所记录的信息。当将该MRAM与另外的非易失性存储器进行比较时，该 MRAM的优点在于，由于通过反转由铁磁材料形成的存储层的磁 化方向来重写信息"0"和信息"1"，所以可以进4于高速且几乎无 限次(> 1015次)的重写。然而，在MRAM中，要生成4艮大的电流万兹场才能重写所i己录 的信息，并且要将很大(例如，几毫安至几十毫安)的电流施加至 地址配线，从而4吏功库毛增大。同样，由于MRAM需要写地址配线和读地址配线，所以很难 在结构上使存储单元小型化。此外，由于随着元4牛小型〗匕而^f吏i也址配线变细，所以出现了以 下问题，难以施加足够的电流以及抗磁力增大，使所需的电流磁场 增大并且,人而使功耗增大。因此，很难使元件小型化。因此，作为用于解决这些问题的方法，已对能够与电流》兹场无 关地来记录信息的结构进行了研究。具体地，具有使用基于自旋转 移的磁化反转的结构的存储器作为可以用较少量的电流来使磁化发生反转的结构受到了显著的关注(例如，参看第5695864号的美 国专利的i^明书)。诸如，基于自旋转移的磁化反转能够通过将使电子通过磁性材 泮牛而自旋极化的这些电子注入到；兹性材^l"中来使另 一种万兹性材料 的万兹化反转(例如，参看第2003-17782号日本未审查专利申讳v^ 开)。更具体地，基于自旋转移的磁化反转是以下现象当通过磁化 方向固定的磁性层(磁化固定层)的自旋极化电子进入磁化方向不 固定的另一个石兹性层"兹化自由层)时，转矩(torque)被施加给 该磁性层的磁化。然后，通过施加大于某个阈值的电流，可以反转 磁性层(磁化自由层)的磁化方向。例如，当沿与每个均具有》兹化固定层和f兹化自由层的巨石兹阻效 应元件(GMR元件)或石兹性隧道结元件(MTJ元件)的膜平面垂 直的方向施加电流时，可以反转这些元件的至少 一部分石兹性层的万兹 孑匕方向。因而，通过构造包括磁化固定层和磁化自由层的存储元件以及 通过改变施加至存储元件的电流的极性，使存储层的磁化方向反 转，从而重写信息"0"和信息T。相对于读耳又所i己录的信息，通过构造存〗诸元件以在》兹化固定层 和;兹化自由层(存储层)之间i殳置隧道绝缘层，可以通过4吏用如 MRAM中 一样的隧道石兹阻效应来乂人存储元件中读出所记录的信息。此外，基于自旋转移的磁化反转具有即使微型化元件仍能够在 不增大电流的情况下实现》IH匕反转的优点。例如，在约0.1 |im大小的存储元件中，为反转磁化而施加至存 储元件的电流的绝对值为1mA以下。另外，电流的绝对值与存储 元件的体积成比例地减小，从缩放比例的角度来说，这是有利的。此外，由于MRAM中所需的用于进4亍i己录的字线变4寻并不必 需，所以存在使存储单元的结构简化的优点。下文中，使用自旋转移的存储元件将被称为"SpRAM(自旋转 移随机存耳又存储器)"，以及引起自旋转移的自旋极化电子流将被称为"自s走注入电;;危"。目前，非常期望SpRAM成为可以在保持能够高速^喿作和冲妻近 无限次重写的MRAM的优点的同时还能降^氐功井毛并增大容量的非 易失性存储器。附图中的图l是示出了根据现有技术的使用自旋转移的存储器 (SpRAM)的存^诸单元的示意截面图。虽然诸如二极管或MOS晶体管的适当器件可以用于电选4奪存 储单元以从存储单元中读取信息，但是图1中所示的存储单元使用 的是MOS晶体管。首先，将描述构成SpRAM的存储单元的存储元件101的结构。如图1所示，通过非》兹性层113》文置《失万兹层112和114,从而 4吏4失石兹层112和114以反纟失石兹性耦合的方式耦合。此外，方文置在下 层侧上的铁磁层112与反铁石兹层111接触，并且通过铁磁层112和 反铁磁层111之间的交互作用来使铁磁层112具有很强的单向磁性各向异'l"生。然后，这四个层111、 112、 113、和114构成了不兹4匕固定层102。即，》兹化固定层102包括两个4失》兹层112和114。以能够相对容易地旋转成铁磁层116的磁化Ml的方向的方式 来配置l失石兹层116,并且这个纟失》兹层116构成了存4诸层O兹化自由 层)103。在石兹化固定层102的寺失石兹层114和116之间，即，在石兹化固定 层102和存储层U兹化自由层)103之间，形成隧道绝缘层115。 这个隧道绝纟彖层115起到^f吏在上下的万兹性层116和114之间的石兹性 耦合断开和使隧道电流流动的作用。因此，由磁性层的磁化方向固 定的万兹化固定层102、隧道绝纟彖层115、和》兹化方向可以一皮改变的 存4诸层(石兹化自由层)103构成TMR (隧道石兹阻效应)元件。然后，上述的各个层111至116、底层膜110、和外涂层117构 成了包括TMR元件的存4诸元件101。同样，在硅基板120中形成选择MOS晶体管121,以及在该 选择MOS晶体管121的一个扩散层123上形成连接插头107。存 储元件101的底层膜110连4姿到连接插头107上。虽然未示出，但 是选4奪MOS晶体管121的另一个扩散层122通过连接插头连接至 读出线。选择MOS晶体管121的栅极106连接至选择信号线。存储元件101的外涂层117连接至形成在外涂层117上的位线 (BL) 105。在稳定状态下，由于通过非磁性层113的强4失石兹性耦合，铁磁 层112的^t化Mil和4失石兹层114的万兹化Ml2处于几乎完全逆平行 的状态。由于通常4失》兹层112和114 ^皮配置为具有相等的々包和石兹化〗莫厚 度积，所以极性》兹场的泄漏分量小到可以忽略。然后，根据存储层103的铁石兹层116的》兹化Ml的方向和f兹化 固定层102的铁万兹层114的磁化M12的方向在隧道绝缘层115上处 于平4于还是逆平ff状态的状态，由这些层114、 115和116构成的TMR元件的阻抗4直发生改变。当两个》兹化M1 、 M12处于平ff状态 时，阻抗zfi减小。当石兹4匕M1、 M12处于逆平4亍状态时，阻抗值增 大。由于TMR元4牛(114、 115、 116)的阻抗J直 文变，所以整个存 储元件101的阻抗值也改变。通过利用这种现象，可以将信息记录 到存储单元中或从存储单元中读取信息。更具体地，通过将阻抗值 低的状态分配给信息"0"以及将阻抗值高的状态分配给信息'T，， 可以将二进制(1位)信息记录到存储单元中。应注意，由于在读出所记录的信息时，磁化固定层102中在存 储层103 —侧上的铁磁层114成为存储层103的》兹化Ml的方向的 基准，所以将该铁石兹层114称为"基准层"。为了重写存储在存储单元中的信息或从存储单元中读取信息， 应卄寻自S走注入电;;危Iz施力。至存<*元4牛101。该自S走注入电流Iz通过 存4诸元4牛101、扩散层123、和<立线105。通过改变自S走注入电流Iz的4及性，可以改变自上向下或自下向 上流过存4诸元4牛101的自S走注入电流Iz方向。因此，可以通过改变存储元件101的存储层103的》兹化Ml的 方向来重写存储在在存储单元中的信息。同时，才是出了 一种不仅向存储元件施加自旋注入电流Iz而且还 向存储元件施加偏流磁场以反转存储元件的存储层的磁化方向的SpRAM结构(参看第2005-277147号日本未审查专利申请公开)。更具体地，在图1所示的结构中，通过位线105向存储元件101 施力口自旋注入电流Iz,并且还向存储元件101的存储层103施加通 过流过^立线105的电流(等于自S走注入电流Iz )而生成的偏流磁场 Hx (未示出)。从而，能够有效改变存储层103的化Ml的方向。下文中，将纵轴表示自旋注入电流Iz和才黄轴表示偏流磁场Hx 以及表达存储单元的状态的状态图称为"相位图"。应注意，当自 S走注入电流Iz和生成偏流磁场Hx的偏流是由"永冲电流形成时， 使用脉沖电流的峰值得到相位图。发明内容在具有图1所示结构的存储元件101中，作用于存储层(磁化 层自由)103的磁化Mfree ( = Ml )的自4t寿争矩的大小与向量三重积MfreeXMfreeXMref成比例，其中，Mref是基准层(磁铁层)114的磁化(=M12)。在起始状态下，由于存储层(磁化自由层)103的磁化Mfree和基准层(铁磁层)114的磁化M^被设为处于逆平行状态，所以开始对磁化起作用的自旋转矩极其小。由于自旋转矩如上所述是很小的，所以磁化反转电流增大。 通常的相位图包括磁滞区域、存储单元被设为低阻抗状态的区域(0状态区域)(即，与起始磁化状态无关的Q状态)、存储单元被设为高阻抗状态的区域(1状态区域)(即，与起始^t化状态无关 的1状态)、以及上述三个区域处于混合状态的不稳、定才喿作区域。为了使SpRAM能够用作具有有效容限(操作容限)的存储器， 三个区域U兹滞区域、0状态区域、和1状态区域)必须足够宽且 独立存在。万兹滞区域也可以称为"双稳定操作区域"。同样，0状态区域和 1状态区域也可以称为"单稳定操作区域"。此处，图2示出了对图1所示的存储元件101进行测量得到的 相位图的实例。图2示出了将自旋注入电流Iz的电流脉冲的脉冲宽 度选为lns (毫樣l秒)的情况。图2所示的相位图是示出了纵轴表示自旋注入电流I z的脉冲峰 值和横轴表示偏流》兹场Hx的脉冲峰值的存储单元状态的状态图。在该相位图中，双稳定操作区域(磁滞区域80 )和单稳定操作 区域(0状态区域81和1状态区域82 );波此分隔，并因此，SpRAM 能够稳定操作。如图2所示，三个状态80、 81、 82处于混合状态的不稳定操 作区域83存在于图2中的右上端部(第一象限)和左上端部(第 三象限)。当如上所述存在不稳定操作区域83时，设定当执行石兹化反转 才喿作时的自S走注入电流Iz和偏流不兹场Hx ，以i"更覆盖不稳、定才喿作区 域83。然而，在图2所示的相位图中，由于双稳定操作区域80宽范 围i也存在，所以除非自S走注入电流Iz和偏流^兹场Hx增大，否则不覆盖单稳定才喿作区域81和82。因此，如本文之前所述，应了解， 应增大石iH匕反转电 流o需要提供一种能够用少量电流来记录信息的存储元件、以及一 种包括这种存储元件的存储器。状态来保存信息的存储层、和磁化方向固定的磁化固定层，其中， 》兹化固定层通过一非》兹性层相对于存卩诸层方文置。通过沿层压方向施 加电流来改变存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中，以 及在万兹化固定层中或在万兹<匕固定层与存4诸层相7于的相对侧上形成分别具有沿层压方向的^H匕分量和具有沿互不相同方向的f兹化的 多个石兹4匕区i或。根据本发明实施例的存储器包括存储元件，包括用于根据磁 性材料的万兹化状态来保存信息的存储层，通过沿层压方向施加电流 来改变存储层的磁化方向，从而将信息记录到存储层中；以及配线， 用于4是供沿该存4诸元件的层压方向流动的电流。该存储层具有根据 本发明实施例的上述存储元件的结构。根据存储元件的实施例，存储元件包括用于根据磁性材料的磁 化状态来保存信息的存储层、和通过非磁性层相对于存储层放置的 万兹化固定层。沿层压方向施加电流来改变存储层的石兹化方向，以便_ 通过4吏电流沿层压方向流动以通过自S走注入改变存4诸层的i兹4匕方 向来将信息记录到存^诸中，所以可以将信息记录到存储元件中。然后，由于在》兹化固定层中或在石兹化固定层与存储层相对的相 对侧上形成了分别具有沿层压方向的石兹化分量和具有沿互不相同 方向的；兹化的多个》兹化区域，所以具有不同方向的两个自旋转矩从 这些磁化区域开始作用于存储层的磁化。因此，可以利用少量电流来反转存储层的万兹化方向。同样，可以稳定执行转换，乂人而能够不 考虑自^走注入电流的"永冲宽度就改变石兹化方向。根据本发明的存储器实施例，该存储器包括存储元件其包括 用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息的存储层，通过沿层压方 向施加电流来改变存^f诸层的不兹化方向，,人而将^f言息记录在存4诸层 中；以及配线，用于冲是供沿该存储元件的层压方向流动的电流。存流沿存储元件的层压方向流过配线，可以利用自旋注入来将信息记 录到存储器中。同样，可以用少量电流来记录信息，并且可以不考虑自旋注入 电流的脉沖宽度来稳定记录信息。根据本发明的上述实施例，可以用少量电流来反转存储层的磁 ^b方向以i己录4言息。因此，通过减少记录信息所需的电能，能够得到消耗更少电能 的存储器。同样，由于可以不考虑自旋注入电流的脉沖宽度来稳定执行转 换，所以可以加宽相对于自旋注入电流的脉冲宽度的容限。因此，能够得到可以稳定记录信息的高可靠存储元件。同样，由于相对于脉沖宽度的容限加宽，即使存储单元的特性 曲线轻微波动，仍可以稳定操作存储器。因此，甚至是包括大量存 储单元的大容量存储也器可以稳定操作。即，根据本发明的实施例，可以获得能够被稳定操作的具有大 存储容量的存储器。


图l是根据现有技术的使用自旋转移的存储器的存储单元的示 意截面图。图2是图1所示的存储元件的相位图。图3是根据本发明实施例的存储元件的示意结构图(截面图)。图4是示出了施加至图3、图5、图6和图7所示的存储层的 自旋转矩的示图。图5是示出了根据本发明的另一个实施例的存储元件的结构图 (截面图)。图6是示出了根据本发明的另一个实施例的存储元件的结构图 (截面图)。图7是示出了根据本发明的另一个实施例的存储元件的结构图 (截面图)。
具体实施方式
在描述本发明的具体实施例之前，将首先描述本发明的概要。使用自旋转移的存储器(SpRAM)具有足够大的各向异性，以 使存储层(即，万兹化自由层)的磁化可以相对于热波动变得稳定。通常，可以通过热稳定性参lt (△)来表示存储层的万兹化相对 于上述热波动的稳定程度，即，热稳定性指数。通过△=KuV/kBT ( Ku:各向异性能量，V:存4诸层的体积，kB: 玻尔兹曼常数，T:绝对温度)给出热稳定性参数(△)。在现有技术的SpRAM中，由于所形成的构成》兹化固定层的纟失 》兹层4艮薄，所以々包和》兹场Hs增大。饱磁场Hs可以表示为2J/ (Ms'd )，其中，J表示的反铁磁耦合的磁化固定层(反铁磁性耦合 多个铁磁层)的反铁磁性耦合的大小，以及Ms表示磁化固定层中 的每个磁层的饱和磁化。当饱和磁场Hs很大时，必须增大用于反转存储层的磁化方向 的电流，即，磁化反转电流。此外，在使用自旋转移的存储器(SpRAM)中，不仅需要使热 稳定性指数(热稳定性参数)A保持高于某个程度，而且还需要同 时减小石兹化反转电 流。然后，在多种研究后，本申请的发明人发现，通过在磁化固定 层中或存在于;兹化固定层与存4诸层相对的相对侧上的层中形成多 个磁化区域(分别具有沿层压方向的^兹化分量并具有沿互不相同方 向的磁化)，可以减小磁化反转电流，并可以同时获得足够的热稳 定性，从而可以形成稳定存卩诸器。然后，本申请的发明人发现，作为在磁化固定层的铁磁层中形 成分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化 的多个磁化区域的方法，将具有沿层压方向的磁化分量并处于粒子 或层状态的磁性材料插入磁化固定层的铁磁层中的方法是有效的。通过在磁化固定层的铁磁层中形成分别具有沿层压方向的磁 化分量并具有沿互不相同方向的石兹化的万兹化区域，具有不同方向的 两个自旋转矩将从这些石兹化区域开始对存储层起作用。由于可以用这两个自旋转矩来轻松反转存储层的磁化方向，所 以可以使用少量电流来反转存〗诸层的石兹化方向。同样，可以不考虑 自旋注入电流的月永冲宽度就#^亍稳、定转换来改变》兹化方向。接下来将描述本发明的具体实施例。图3是示出了根据本发明实施例的存储元件的示意结构图(截 面图)。如图3所示，该存4诸元件1由TMR (隧道》兹阻效应)元件构成。由于通过非》兹性层13放置铁万兹层12和14,所以它们彼此反铁 不兹性耦合。另外，铁i兹层12被放置成与反铁磁层ll接触，并且通 过在这些层12和11之间起作用的交互作用，使铁磁层12具有了 强单向万兹性各向异性。这四个层11、 12、 13、和14构成了》兹化固 定层2。即，磁化固定层2包括两层形式的铁磁层12和14。以使其》兹化Ml的方向可以相对容易旋转的方式来配置铁磁层 16。存储层(磁化自由层)3由铁磁层16构成。在铁磁层14和铁》兹层16之间，即，在磁化固定层2和存储层 OIH匕自由层)3之间，形成隧道绝l彖层15。该隧道绝乡彖层15起 到使上和下》兹性层16和14之间的》兹性耦合断开的作用以及施加隧 道电流的作用。因此，TMR (隧道石兹阻效应)元件由》兹性层的》兹化 方向固定的》兹化固定层2 、隧道绝》彖层15 、和》兹4匕方向可以改变的 存储层(磁化自由层)3构成。然后，上述的各个层11至16、底层膜10、和外涂层17构成 了由TMR元件形成的存储元件1。利用通过非磁性层13的强反铁磁性耦合来将铁磁层12的磁化和4失》兹层14的》兹化i殳为逆平行。然后，才艮才居^4者层3的4失箱t层16的》兹i'匕Ml的方向和,兹4匕固 定层2的4失》兹层14的；兹化的方向处于平4于还是逆平行状态的状态， 改变由这些层14、 15和16组成的TMR元件的阻抗值。当两个》兹 化处于平4亍状态时，阻抗/f直减小。当两个》兹化处于逆平4亍状态时， 阻抗zf直增大。由于TMR元4牛(14、 15、 16)的阻抗J直改变，所以 整个存储元件1的阻抗值也改变。通过利用这种现象，可以记录信 息并可以读出所记录的信息。更具体地，通过将阻抗值低的状态分 配给信息"0"和将阻抗值高的状态分配给信息"1",可以记录二 进制(1位)信息。应注意，由于当从存储器中读出信息时，磁化固定层2中最接 近存储层3的铁磁层14成为存储层3的磁化Ml的方向的基准，所 以将考失》兹层14称为"基准层"。为了重写存储在存储单元中的信息或从存〗诸单元中读取所记 录的信息，必须沿存储元件1的层压方向施加自旋注入电流Iz。通过改变自S走注入电流Iz的才及性，可以自上向下或自下向上地 文变;虎过存<诸单元1的自^走注入电;危Iz的方向。因此，可以通过改变存储元件1的存储层3的磁化Ml的方向 来重写存储在存储单元中的信息。应注意，根据本发明实施例的存储元件1还可以被配置为被连 接至形成在硅基板上的选纟奪MOS晶体管，从而能够与图1所示的 现有技术的存储元件101 —样地读取存储单元。同样，存储元件1可以连接至配线，以通过该配线沿存储元件1的层压方向来施力o自s走-注入电;;克Iz。具体地，在根据本发明的这个实施例的存储元件1中，具有垂直》兹性各向异性的《失》兹材料21以粒子状态分布在》兹化固定层2的 4失万兹层14中。因此，除了沿4失万兹层14的膜平面方向的万兹化(未示出)夕卜， 在铁磁层14中生成具有沿层压方向(图3的垂直方向)的磁化分 量的万兹化M21a和M21b。在图3中，石兹化M21a指向上以及磁化 M21b指向下，并且它们指向基本相反的方向。可以通过沿层压方向施加》兹场以及通过减小所施加的被最终 消》兹的^兹场的大小来获得以上的向上和向下的》兹化M21 a和M21 b。在随4几生成向上》兹化M21 a和向下》兹化M21 b的同时，分布在 铁磁层14中的整个粒子状态的铁磁材料21的所有磁化都消失了 (变为0)。4匕时，还要沿层压方向向4失石兹层12、 14、和16施力W兹场。然 而，由于这些《失石兹层12、 14、和16的》兹化通过力莫平面方向上的形 状各向异性和在层压方向上起作用的反万兹场而牢固地固定在膜平面方向上，所以当停止沿层压方向施加石兹场时，这些》兹化方向指向 月莫平面方向。由于生成了具有沿层压方向的石兹化分量的》兹化M21a和M21b， 所以在起始状态下，上述存4诸层3的万兹化Ml与这些》兹化M21a和M21b的向量三重积MfVeeXMfreeXMref可以增大。因此，向正好在铁磁材料21的磁化M21a和M21b上的存储层 3的磁化Ml的极其窄的区域施力口很大的自旋转矩。由于存1'诸层3的整个层具有沿相同方向的箱ti'匕Ml,所以箱t畴 (magnetic domain )没有边界，并且可以和图3—才羊通过一个大箭 头来表示石兹〗匕Ml。此处，如果将存储层3看作;故分为小区，则应注意，所分割的 每个区都具有磁化Ml。然后，可以解释为，聚集沿相同方向分别 具有万兹化M1的大量区域来构成存〗诸层3。由于在磁化固定层2的铁磁层14内的铁磁材料21,具有沿层 压方向和沿互不相同方向的石兹化分量的》兹化M21a和M21b对构成 存储层3的各个区域起作用。因此，在构成存储层3的小区域中，沿互不相同方向的自旋转 矩Ta和Tb如图4所示对》兹4匕Ml起作用。由于这些自旋转矩Ta和Tb的作用，在构成存储层3的每个小 区域中，可以轻+>反转》兹化Ml的方向。因此，在整个存储层3中，可以轻松反转磁化Ml的方向。在本发明的这个实施例中，在磁化固定层2的铁磁层15中生 成具有沿层压方向的》兹化分量的石兹化M21a和M21b的同时，可以 与如图1所示的存4诸元件101中一样，通过自旋注入电流Iz的方向 (极性)来控制存储层3的磁化Ml的方向。在本发明的这个实施例中，可以将与现有技术的存储元件的材 料类似的材料用作构成存储元件1的各个层的材料。例如，可以将PtMn用作反4失万兹层11的材料。可以将卞者如CoFe的4失万兹材冲牛用作;兹化固定层2的孝失-磁层12和 14的才才泮+。例如，可以将Ru、 Ta、 Cr、 Cu等用作非磁性层13的材料。例如，可以将MgO用作隧道绝纟彖层15的材泮+。可以将诸如CoFeB的铁》兹材料用作存储层3的铁石兹层16的材料。可以爿寻i者^口 FePt、 CoPt、 FeTbCo、 CoPd、详口 Co-Cr基才才泮+的 铁万兹材料用作分布在4失万兹层14中的4失》兹材料21的材料。然后，例如，4姿照那个顺序来沉积4失》兹层12 (由1至2个原子 层形成的纟失万兹材冲+层)、和《失不兹层14,并通过热处理来对该层压膜 进行处理，从而可以制造使铁磁材料21分散在粒子状的铁磁层14 中的结构。根据本发明上述实施例的存储元件1的结构，由于粒子状态的 铁磁材料21分散在石兹化固定层2的铁》兹层14中，所以在铁》兹层14 中形成了分别具有沿层压方向的；IH匕分量和具有沿互不相同方向 的不兹化M21 a和M21 b的石兹化区域。这些万兹化区i或4吏互不相同方向 的大自旋转矩Ta和Tb对存储层3的万兹化Ml起作用。因此，由于可以轻松反转存储层3的磁化Ml的方向，所以可 以利用相对少量电流的自旋注入电流Iz来反转存4诸层3的万兹化Ml 的方向。因此，可以减小记录信息必需的自旋注入电流Iz,从而可以降 低功耗。例如，在具有热稳定性指lt △等于60 ( △= 60 )的结构的存储元件1中，即使所选4奪的自旋注入电流Iz的脉沖宽度短到lns (毫 微秒)，仍可以用0.3 mA以下的少量电流来反转磁化。另一方面，在具有图1所示的现有技术结构的存储元件1中， 如果热稳定性指数△等于60 ( △ = 60 )，那么为了以lns的脉沖宽 度来反转^^化，需要使电流量为2 mA以上。同样，4艮据本发明实施例的存储元件1,由于可以使沿相不相 同方向的大转矩Ta和Tb作用于存J诸层3的万兹化M1 ，所以可以不 考虑自旋注入电流Iz的脉沖宽度来执行稳定转换。因此，可以稳定记录信息，并且可以得到高可靠的存储元件1。同样，由于自旋注入电流Iz相对于脉冲宽度的容限扩大，所以 即使每个存储单元的特性曲线轻樣"皮动，仍可以稳定操作存储元件 1，并且可以稳定操作甚至包括大量存储单元的大容量存储器。因此，通过将大存储容量的存储器配置为包括由图3所示的存 储元件1形成的大量存储单元，可以得到消井4更少电能并且可以稳 定操作的大存储容量的存储器。接着，图5是才艮据本发明的另一个实施例的存卩诸元件的示意结 构图(截面图)。如图5所示，4艮据本发明的这个实施例的存储元件20具有在 石兹4匕固定层2中的4力磁层14中插入作为具有沿层压方向(图5的 垂直方向)的磁化分量的铁磁层的垂直磁化层22的结构。页按磁畴来分隔垂直磁化层22,并且在磁畴中交替形成了具有向上》兹化M22a的万兹化区i或和具有向下》兹化M22b的^H匕区i或。.、, -;z 、J"画'rr 口 rr 丄—" '丄-;r, _'>4"一 、_! -'ri己 丄—,■!_ ^:上 ez_pj k/、ua^L'/d"/&/-^>^ 、口j犯力y^然》"^r;uiix^迎)^f/乂5x^j、"i犯力uEr、j^夂耳义 终消^磁的^f兹场的大小来获得分别具有向上和向下^t化M22a和 M22b的垂直石兹化层22的》兹化区域。该结构的其余部分类似于本发明之前实施例的存储元件1的结 构。因此，在图5中，用同一参考标号来表示与图3相同的元件和 部件并将省略对其重复描述。由于在垂直》兹化层22中形成了具有石兹化M22a和M22b (具有 沿层压方向的磁化分量)的磁化区域，所以在起始状态下，可以增 大上述存4诸层3的万兹化Ml与磁化M22和M22b的向量三重积 MfreexMfreexMref。因此，向正好在垂直》兹化层22的万兹化M22a和M22b上的存储 层3的万兹4匕Ml的才及其窄的区i成施加^艮大的自S走專争矩。由于在万兹化固定层2的4失万兹层14内的垂直磁化层22,所以沿 互不相同方向并具有沿层压方向的》兹4匕分量的不兹<匕M22a和M22b 对构成存储层3的各个区域起作用。因此，与本发明之前实施例的存储元件1一样，向构成存储层 3的小区i或中的石兹4匕Ml施力口图4所示的自S走專争矩。如图4所示，沿互不相同方向的自旋转矩Ta和Tb作用于^f兹化Ml。由于自旋转矩Ta和Tb的作用，可以在构成存储层3的每个小 区域中轻+>反转》兹化Ml的方向。因此，在整个存储层3中，可以轻松反转磁化Ml的方向。同样，在本发明的这个实施例中，在磁化固定层2的铁磁层14中生成具有沿层压方向的磁化M22a和M22b的同时，可以如图1所示的存储元件101中一样，基于自旋注入电流Iz的方向(极性) 来控制存储层3的磁化Ml的方向。可以卄夸i者^口 FePt、 CoPt、 FeTbCo、 CoPd详口 Co-Cr基才才泮+的纟失 石兹材冲牛用作垂直;兹化层22的材泮+。根据本发明的这个实施例的存储元件20的上述结构，在磁化 固定层2中的铁磁层14中插入作为具有沿层压方向的磁化分量的 纟失》兹层的垂直》兹化层22,并且具有向上f兹化M22a的》兹化区域和具 有向下》兹化M22b的》兹化区域，即，^兹化方向互不相同的多个石兹化 区i或形成在这个垂直石lH匕层22中。由于这些磁化区域，与本发明之实施例的存储元件1一样，可 以使沿互不相同方向的大自S走转矩Ta和Tb对存〗诸层3的》兹化Ml 起作用。因此，由于可以轻+》反转存4诸层3的》兹化M1的方向，所以可 以用相对少量电流的自旋注入电流Iz来反转存储层3的》兹化Ml的 方向。因此，可以减小在记录信息过程中所需的自旋注入电流Iz，从 而可以降〗氐功库毛。同样，根据本发明实施例的存储元件20，由于可以使沿互不相 同方向的大自旋转矩Ta和Tb对存储层3的》兹化Ml起作用，所以 可以不考虑自S走注入电流Iz的脉沖宽度来才丸行稳定转换。理，在将处理结果存储在共享缓存器150后结束处理。其后，应用间通信功能145使IC卡应用A回复到可执行状态。然 后，IC卡应用A从共享缓存器150取得与信息对应的处理结果。因为 与信息对应的处理结果存储在共享缓存器150中，所以在IC卡应用间 共享，但是，由于与信息对应的处理在IC卡应用内部执行，所以能够 将处理内容从其他IC卡应用隐蔽起来。如本实施例中的说明，应用间通信功能145在结算应用110对生 物体认证应用130请求生物体认证处理时使用。作为应用间通信功能 145的具体例子，能够举出作为IC卡的操作系统的MULTOS所具有的 委派(delegation)功能，或者Java (注册商标)Card所具有的SIO (Shareable Interface Object:共享接口对象)功能。应用哈希值生成功能146是使用哈希函数生成针对注册在应用管 理表141中的IC卡应用的程序或数据的哈希值的功能。作为生成哈希 值的哈希函数，可考虑使用例如SHA-1哈希函数。或者使用其他哈希 函数也为本实施例的应用范围。此外，执行中的IC卡应用指定其他的IC卡应用的AID,调出应 用哈希值生成功能146，由此，能够取得指定的IC卡应用的哈希值。 在此，作为生成哈希值的原始数据为，构成IC卡应用的程序和数据整 体，或者程序的整体或一部分，或者数据的整体或一部分，任意一种 情况均为本实施例的应用范围。接着，将应用管理表141的结构例示于图2。在图2中，应用管理 表141是对每个注册的IC卡应用，记录有AID161、应用参照地址162、 应用大小(size) 163、选择标记164、调出顺序165、和应用哈希值166 的表。在此，AID161是专门识别对应的IC卡应用，用于操作系统140 选择应用的标识符。应用参照地址162是保存着对应的IC卡应用的存储器的先头地 址。在图2中，对各IC卡应用只设定有一个地址，但是也可以设定如 代码部的先头地址和数据部的先头地址这样的多个地址。应用大小(size) 163是对应的IC卡应用的大小。在图2中，对各 IC卡应用只设定有一个大小，但是也可以设定如代码部的大小、数据 部的大小这样的多个大小。选择标记164表示当前是否选择有对应的在本发明的这个实施例中，垂直》兹化层23存在于石兹化固定层2的反《失^兹层11的下层中，以及几个层11至14存在于存储层3和垂 直^兹化层23之间。只要存储层3和垂直》兹化层23之间的各个层11 至14的总厚度落在电子的自旋极化可以被保持的距离中，就可以 得到与通过图3和图5所示的之前实施例的存储元件1和20所得 到的效果类似的效果。然后，由于在垂直》兹化层中形成具有石兹化M23a和M23b (具 有沿层压方向的》IH匕分量)的石兹化区i或，所以可以在初始状态下增 大上述存储层3的万兹化Ml与；兹化M23a和M23b的向量三重积 MfreexMfreexMref。因此，向正好在垂直》兹化层23的》兹化M23a和M23b上的存储-层3的磁化Ml的极其窄的区域施力口很大的转矩。由于位于》兹化固定层2下的垂直石兹化层23,沿互不相同方向并 具有沿层压方向的》兹化分量的^f兹化M23a和M23b作用于构成存储 层3的各个区域。因此，与之前实施例的存储元件1一样，向构成存储层3的每 个小区域中的石兹化Ml施加图4所示的自旋转矩。如图4所示，沿互不相同方向的自旋转矩Ta和Tb作用于^H匕Ml。由于这些自旋转矩Ta和Tb的作用，在构成存储层3的每个小 区i或中，可以轻+>反转万兹化M1的方向。因此，在整个存储层3中，可以轻+>反转万兹化Ml的方向。同样，在该实施例中，与在图1所示的存储元件101中一样， 可以基于自旋注入电流Iz的方向(极性)来控制存储层3的磁化 Ml的方向。可以一寻i者^口FePt、 CoPt、 FeTbCo、 CoPd、详口 Co-C基r才才泮牛的 铁磁材料用作垂直磁化层23的材料。才艮据本发明的这个实施例的存储元件30的上述结构，在磁化 固定层2 (反铁磁层11 )和在磁化固定层2下面的底层膜10之间 形成垂直万兹化层23作为具有沿层压方向的；兹化分量的4失》兹层。在 该垂直石兹化层23中形成具有向上^兹化M23a的^兹化区域和具有向下 》兹4匕M23b的石兹4匕区i或，即，石兹4匕方向互不相同的多个不兹<匕区域。与本发明之前实施例的存储元件1和20 —样，这些^l化区域 使沿互不相同方向的大自旋转矩作用于存储层3的磁化Ml 。因此，由于可以轻松反转存储层3的^兹化Ml的方向，所以可 以利用少量电流的自旋注入电流Iz来反转存储层3的》兹化M1的方 向。因此，可以减小在记录信息的过程中所需的自旋注入电流Iz, /人而可以降j氐功库毛。同样，根据本发明实施例的存储元件30，由于可以使沿互不相 同方向的大自旋转矩Ta和Tb作用于存储层3的磁化Ml,所以可 以不考虑自^走注入电流Iz的月永沖宽度来才丸4亍稳定转换。因此，可以稳定记录信息，并且可以获得高可靠的存储元件30。同样，由于自旋注入电流Iz相对于脉冲宽度的容限加宽，所以 即使存储单元的特性曲线在存储单元中轻微波动，仍可以稳定操作存储元件30，并且可以稳定操作甚至具有大量存储单元的大容量存 储器。m丄u a pei m女山ra /: aa右厶i^: 乂七，n jk A: aa o~甚^i"M^个乂ij ^rzFj vx7 ti_j u厂/| "、 w v i丁 i^g n j" 乂'少" h v yv主^i丁储单元的结构，可以得到消耗更少电能并能够稳定操作的大容量存 储器。应注意，虽然在本发明的上述各个实施例中，通过反铁磁层ii固定^兹化固定层2的4失万兹层的；兹化方向，但是本发明也可以应用于 在没有设置反铁磁层的情况下固定磁化固定层的磁化方向的结构、 以及通过层压硬磁性层和铁磁层来固定磁化固定层的磁化方向的 结构。接下来将描述在上述各个变型结构之中，对图6所示的实施例 的结构进行〗多改并且在不i殳置反4失》兹层的情况下固定》兹化固定层 的万兹〗t方向的情况。图7是示出了4艮据本发明的另一个实施例的存储元件的示意结 构图(示意截面图)。图7所示的存储元件40具有一皮图6所示的存储元件30中去除 反铁磁层11的结构，其中，在磁化固定层2下的铁磁层12和底层 膜10之间设置垂直^f兹化层23。该存储元件40可以实现与通过图6所示的存卩诸元件30实现的 步文果类似的岁丈果。应注意，取代垂直^t化层23,可以在图6和图7所示的存储元 件30和40中设置与图3所示的存储元件1类似的粒子状铁》兹材料 21。本发明的实施例包括这种结构。尽管在本发明的上述各个实施例中分别形成了向上磁化M21a、 M22a、 M23a和向下石兹4匕M21b、 M22b、 M23b (即，具有 沿存储元件1的各个层的层压方向(与膜平面方向垂直的方向)的 》兹化的》兹化区域)，^旦是本发明并不限于此，并且可以形成》兹化相 对于膜平面方向倾斜的磁化区域。在这种情况下，可以沿斜向上的 方向和沿杀牛向下的方向来i殳定》兹化方向，以便沿层压方向的磁化分 量可以是沿互不相同方向的向上石兹化分量和向下》兹化分量。才艮据本发明的上述各个实施例，由于》兹化固定层2形成在存储 层3下，所以在存储层3的下层侧上设置在铁磁层13中具有沿层 压方向的》兹化分量的石兹化区域。另一方面，可以配置万兹化固定层形成在存4诸层的上层中，并且 在存储层的上层侧(与》兹化固定层的存储层相反的一侧)上设置石兹 化区域。同才羊，可以配置》兹化固定层形成在存4诸层上和下，并且在存4诸 层在两个磁化固定层或其中 一个磁化固定层中的相对侧上设置磁 化区域。虽然在本发明的上述各个实施例中，磁化固定层2由通过非》兹 性层13以两个层形式的4失》兹层12和14构成，^旦是才艮据本发明， ^H匕固定层可以由单个或三个以上的孝失石兹层构成。然后，可以在单 个4失^兹层中或在三个以上《失》兹层的一个或多个层中形成具有沿层 压方向的》兹化分量的石兹化区域。虽然在本发明的上述各个实施例中，存储层3由单个4失磁层16 构成，但是根据本发明，存储层可以由铁磁性耦合或反铁万兹性耦合 的多个铁》兹层构成。可以考虑通过非》兹性层层压多个铁》兹层的结构或直接层压多个《失》兹层的结构(在这种结构的情况下，相邻的铁石兹 层的材4十或成分不同)。应注意，4艮据本发明的实施例，可以通过i殳置非》兹性中间层代 替本发明的上述各个实施例的隧道绝纟象层来形成具有GMR元件结构的存^诸元件。如果存储元件具有与本发明的上述各个实施例中 一样的TMR 元4牛，则可以维持大MR比。本发明不限于上述各个实施例，并且在不脱离本发明精神的情 况下，可以具有各种其他结构。本领域的技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以有 多种修改、组合、子组合和改进，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
1.一种存储元件，包括存储层，用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息；以及磁化方向固定的磁化固定层，其中，所述磁化固定层通过一非磁性层相对于所述存储层放置，其中，通过沿层压方向施加电流来改变所述存储层的磁化方向，从而将所述信息记录在所述存储层中，以及其中，在所述磁化固定层中或在所述磁化固定层与所述存储层相对的相对侧上形成分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化的多个磁化区域。
2. 根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁化区域以粒子 状态分散在所述石兹化固定层中。
3. 根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁化区域以层状 形成在所述磁化固定层中并按》兹畴分割。
4. 根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁化区域以粒子 状态分散在所述》兹化固定层与所述存储层相对的所述相对侧
5.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁化区域以层状
6. —种存储器，包括层、和磁化方向固定并通过一非磁性层相对于所述存 储层放置的磁化固定层，通过沿层压方向施加电流来改变所述 存储层的所述磁化方向，从而将所述信息记录到所述存储层中；以及配线，用于冲是供沿所述存储元件的所述层压方向流动的 电流，其中，所述存储元件具有多个磁化区i或，所述多个AIH匕 区域分別具有沿层压方向的万兹化分量和具有沿互不相同方向 的磁化，并且所述多个磁化区域形成在所述磁化固定层中或形 成在所述磁化固定层与所述存储层相对的相对侧上。
全文摘要
本发明提供了一种存储元件和存储器，其中，该存储元件包括用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息的存储层；以及磁化方向固定的磁化固定层，其中，通过非磁性层相对于存储层来放置磁化固定层。通过沿层压方向施加电流来改变存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中。在磁化固定层中或在磁化固定层与存储层相对的相对侧上形成分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化的多个磁化区域。
文档编号G11C11/16GK101226769SQ200810004149
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月18日 优先权日2007年1月19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