专利名称：存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种存储器，其包括存储元件，该存储元件由将铁磁层的磁化状态作为信息而存储的存储层以及具有固定磁化方向的磁化固定层构成，其中，电流沿垂直于膜表面的方向流动来注入自旋极化电子，以改变存储层的磁化方向。本发明还涉及一种可适合用作非易失性存储器的包括存储元件的存储器。
背景技术：
高速与高密度DRAM已广泛用作诸如计算机的信息装置中的随机存取存储器。
然而，由于DRAM是一种当电源被切断时会擦除信息的易失性存储器，所以需要切断电源时不会擦除信息的非易失性存储器。
例如，根据2001年2月12日的Nikkei电子(164～171页)，配置用于通过磁化磁性材料来记录信息的磁性随机存取存储器(MRAM)已引起了人们的注意，并且已逐步发展成为潜在的非易失性存储器。
在MRAM中，使电流分别流入彼此几乎垂直的两种地址配线(字线和位线)中，以基于产生于每条地址配线的电流磁场来使在地址配线的交叉点中的磁性存储元件的磁性层的磁化反转，从而记录信息。
图1示出了普通RAM的示意图(透视图)。
在由诸如硅衬底的半导体衬底110的元件隔离层102隔离的区域中，分别形成漏极区108、源极区107和栅电极101，它们形成了用于选择各个存储单元的选择晶体管。
在栅电极101上设置沿图中的纵向延伸的字线105。
在图中的左和右选择晶体管上形成漏极区108，并且配线109连接至漏极区108。
每个均具有其中磁化方向反转的存储层的磁性存储元件103被置于字线105和位线106之间，位线106置于字线105上并且沿图中的横向延伸。例如，磁性存储元件103由磁隧道结元件(MTJ元件)形成。
另外，磁性存储元件103通过水平方向的旁路线111和垂直方向的接触层104电连接至源极区107。
使电流分别流入字线105和位线106中来将电流磁场施加至磁性存储元件103，从而使磁性存储元件103的存储层的磁化方向反转来记录信息。
为了使诸如MRAM的磁性存储器能够稳定保持所记录的信息，用以记录信息的磁性层(存储层)优选地具有一定的抗磁力。
另一方面，为了重写所记录的信息，可以优选地使一定量的电流流入地址配线中。
由于形成MRAM的元件的尺寸减小，所以使磁化方向反转的电流值趋于增大。相反，由于地址配线变细，所以很难使充足量的电流流动。
例如，根据第2003-17782号日本专利申请公开、第6256223号美国专利、Phys.Rev.B 54.9353(1996)、和J.Magn.Mat.159.L1(1996)，在此情况下，经过配置用于通过自旋注入来使用磁化反转的存储器已引起关注，由于它们被配置成能够使用更少量的电流来使磁化方向反转。
在通过自旋注入进行的磁化反转中，通过将流过磁性材料而被自旋极化的电子注入到另一种磁性材料中来使在另外的磁性材料中磁化反转。
例如，使电流沿垂直于元件膜表面的方向流入巨磁阻元件(GMR元件)或磁隧道结元件(MTJ元件)中，从而使元件的至少一些磁性层的磁化方向反转。
通过自旋注入进行磁化反转的优势在于，即使元件的尺寸减小，仍然可以反转磁化，而不增加电流量。
图2和图3示出了经配置用于利用通过自旋注入进行上述磁化反转的存储器的示意图。图2是透视图，图3是截面图。
在通过诸如硅衬底的半导体衬底60的元件隔离层52隔离的区域中，分别形成漏极区58、源极区57和栅电极51，它们形成了用于选择各个存储单元的选择晶体管。当然，栅电极51还作为沿图2中的纵向延伸的字线。
在图2中的左和右选择晶体管上均形成漏极区58，并且配线59连接至漏极区58。
每个均具有通过自旋注入使磁化方向反转的存储层的存储元件53被置于源极区57和位线56之间，位线56置于源极区57上并且沿图2中的横向延伸。
例如，由磁隧道结元件(MTJ元件)形成存储元件53。图中的附图标号61和62表示磁性层。两个磁性层61和62中的一个是磁化方向固定的磁化固定层，另一个是磁化方向改变的磁化自由层，具体来说就是存储层。
存储元件53通过上或下接触层54分别连接至位线56和源极区57。因而，可以通过能够使电流流入存储元件53中的自旋注入来使存储层的磁化方向反转。
这种经过配置用于利用通过自旋注入进行磁化反转的存储器的特征在于，与图1所示的普通MRAM相比，该存储器能够具有更简化的装置结构。
经过配置用于利用通过自旋注入进行磁化反转的存储器比通过外部磁场来使磁化反转的普通MRAM更具优势，因为尽管元件的尺寸进一步缩小，但写电流的量却不增加。
在MRAM中，写配线(字线和位线)被设置成与存储元件相分离，并且基于通过使电流流入写配线中而生成的电流磁场来写(记录)信息。因而，可能足以使用于进行写操作所必需量的电流流入写配线中。
相反，在经过配置用于利用通过自旋注入进行磁化反转的存储器中，优选地通过使电流流入存储元件来执行自旋注入，从而使存储层的磁化方向反转。
由于是通过以此方式使电流直接流入存储元件中来写(记录)信息的，所以为了选择执行写操作的存储单元，存储元件连接至选择晶体管来形成存储单元。在此情况下，能够流入存储元件的电流量被限制到能够流入该选择晶体管的电流量(选择晶体管的饱和电流)。
因此，优选地使用量等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流来执行写操作，并且优选地通过改进自旋注入效率来减少流入存储元件的电流量。
为了放大读信号，可以优选地获得高磁阻改变率。为了确保高磁阻改变率，有效提供一种具有与作为隧道隔离层(隧道壁垒层)的存储层的两面相接触的中间层的存储元件。
当以此方式将隧道隔离层用作中间层时，限制能够流入存储元件中的电流量，以防止隧道隔离层的介质击穿。鉴于此，优选地抑制自旋注入期间的电流量。
发明内容
通常，存储器经过配置用于存储和保持由电流写入的信息，因而，可能需要具有抗热波动的稳定性(热稳定性)的存储层。
利用通过自旋注入进行的磁化反转的存储元件具有存储层，该存储层的体积小于相关技术中的MRAM的存储层的体积。即，该存储元件的热稳定性趋于降低。
当存储层不具有可靠的热稳定性时，已反转的磁化方向会由于加热而再次反转，从而引起写错误。
因此，在利用通过自旋注入进行磁化反转的存储元件中，热稳定性是非常重要的性质。
与配置成具有相同的自旋注入效率的利用自旋注入进行磁化反转的存储元件相比，热稳定性随着饱和磁化数量和存储层的体积的增加而增加，从而消耗了更多用于执行写操作的电流。
热稳定性指数通常可由热稳定性参数(Δ)来表示。
热稳定性参数(Δ)是从下列等式中得到的Δ＝KV/kTK各向异性能量，V存储层的体积，k玻耳兹曼常数，T温度。
因此，为了将具有其中通过自旋注入来使磁化方向反转的存储层的存储元件用作存储器，可以通过提高自旋注入效率，将用于进行磁化反转所需的电流量减小到等于或小于晶体管的饱和电流，并且可获得热稳定性来稳定保持写入信息。
存储层通常具有与磁化固定层的磁化方向平行的易磁化轴。
在稳定状态下，存储层的磁化与磁化固定层的磁化平行或逆平行。
然而，在通过自旋注入进行的磁化反转中，优选地使存储元件的磁化和磁化固定层的磁化形成某一限定角。当两个磁化形成0°(平行状态)或180°(逆平行状态)角时，通过自旋注入形成的转矩仍然存在，并且不会观察到磁化反转。
由于热波动的影响，存储层的磁化在存储层的易磁化轴附近波动，并稍微偏离磁化固定层的磁化。当以此状态执行自旋注入时，由于小磁化偏离而产生转矩，然后偏离逐步增大，最终出现磁化反转。
如上所述，磁化反转很大程度上受到当开始自旋注入时的存储层的磁化方向的影响，例如，当磁化固定层的磁化方向几乎与存储层的磁化方向平行或逆平行时，可能要消耗长时间来使存储层的磁化方向反转，并且由于不能高速记录信息，所以自旋注入存储器可能不再有优势。
另外，为了减小热波动的影响，优选地可增大热稳定性参数(Δ)。然而，这可能会使得存储层的磁化方向与磁化固定层的磁化方向直接一致，因而很难满足减少反转时间的要求。
根据本发明的实施例，提供了一种能够高速稳定地记录信息的存储器。
根据本发明实施例的存储器包括至少一个存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态来保持信息的存储层；以及电连接至存储元件的导体。存储元件包括通过中间层对存储层设置的磁化固定层；由绝缘体形成的中间层；以及自旋极化电子，其沿堆叠方向注入以使存储层的磁化方向反转，从而将信息记录在存储层中。对导体的至少一部分设置磁性材料，以增强由于电流在导体中流动所产生的磁场，并且将漏磁场施加至存储元件的存储层，以使存储层的磁化方向偏离。沿堆叠方向的电流通过导体流入存储元件中，从而注入自旋极化电子。
根据本发明的上述实施例的存储器经过配置包括具有基于磁性材料的磁化状态来保持信息的存储层的存储元件，其中，通过中间层对存储层设置磁化固定层，中间层由绝缘体形成，并且沿堆叠方向注入自旋极化电子来改变存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中。因而，可以通过使电流沿堆叠方向流动来注入自旋极化电子，从而记录信息。
沿堆叠方向的电流通过电连接至存储元件的导体流入存储元件中，以注入自旋极化电子。因而，通过使沿堆叠方向的电流通过导体流入存储元件中来注入自旋极化电子，以通过自旋注入来将信息记录在存储元件中。
另外，对导体的至少一部分设置磁性材料，从而增强由于电流在导体中流动所产生的磁场，并且将漏磁场施加至存储元件的存储层，以使存储层的磁化方向偏离。因此，通过来自磁性材料的漏磁场来使存储层的磁化方向偏离(存储层的易磁化轴的方向)，从而可以减少用于使存储层的磁化方向反转来记录信息的时间量。
使用本发明的上述实施例的存储器可以减少用于通过使存储层的磁化方向反转来记录信息的时间量，因而，可以高速记录信息。
另外，可以通过使存储层的磁化方向偏离来减少用于使磁化反转的电流量。因此，可以降低存储器的功率损耗。
另外，可以高速记录信息，同时确保足够的热稳定性。
因此，可以得到具有可靠性的高速地记录信息的存储器。
图1是图解示出了现有技术的MRAM的结构的透视图；图2是示出了使用通过自旋注入进行磁化反转的存储器的示意结构图(透视图)；图3是图2中的存储器的截面图；图4是根据本发明实施例的存储器的示意结构图(透视图)；图5是图4中的存储元件的截面图；图6是具有现有技术的结构的使用通过自旋注入进行磁化反转的存储器的主要部分(存储元件附近)的放大透视图；图7是图4中的存储器的主要部分(存储元件附近)的放大透视图；图8A和图8B是描述当使电流流入图7结构中时的磁场的影响的示图；图9是根据本发明的另一个实施例的存储器的主要部分(存储元件附近)的放大透视图；图10A和图10B是描述当使电流流入图9结构中时的磁场的影响的示图；
图11是根据本发明的又一实施例的存储器的主要部分(存储元件附近)的放大透视图；以及图12A和12B是描述当使电流流入图11结构中时的磁场的影响的示图。
具体实施例方式
在描述本发明的具体实施例之前，首先阐述本发明的要点。
在本发明的实施例中，通过上述自旋注入使存储层的磁化方向反转来记录信息。存储层由诸如铁磁层的磁性材料形成，并且基于磁性材料的磁化状态(磁化方向)来保持信息。
在通过自旋注入使磁性层的磁化方向反转的基本操作中，使具有某一阀值的电流(Ic)或高于Ic的电流以垂直于存储元件的膜表面的方向流入由巨磁阻元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)形成的存储元件中。此处，电流的极性(方向)取决于将被反转的磁化方向。
当使绝对值小于阀值的电流流动或使电流在短时间内流动时，不会出现磁化反转。
用于通过自旋注入来使磁性层的磁化方向反转的电流的阀值Jc由以下等式1来形象表示(例如，参见R.H.Koch等人的Phys.Rev.Lett.92 0883021(2004))。
Jc=JcO(1+τ1tln[π2θ])---1]]>
在等式1中，Jc0是由存储层的磁性确定的特性值并且提供了反转电流量的下限，τ1是由饱和磁化量和存储层的阻尼常数确定的时间，并且是一般来说以纳秒为单位的值，t是写时间，而θ是由存储层的磁化与磁化固定层的磁化而形成的角。
如从等式了解，当θ为0时(当存储层的磁化与磁化固定层的磁化平行或逆平行时)，反转电流Jc的量快速增大。θ并不必需是恒定值，而是会受到热波动的影响而在易磁化轴附近随机移动。
当自旋注入开始时θ的值近似为0时，能够流动的电流量可以不完成存储器的磁化反转，并且由于反转消耗长时间，所以会出现写失败错误。
在本发明的实施例中，存储器经配置用于防止当θ的值如上所述近似为0时所导致的写失败错误。
当使电流通过连接至存储元件的金属导体流入存储元件中时，在电流附近产生了环形磁场。
在通过自旋注入进行的普通磁化反转中，环形电流磁场不会明显改变存储层的磁化方向。
相反，在本发明的实施例中，环形电流磁场集中在存储层上，从而使得存储层的磁化稍微偏离易磁化轴。因而，可以减少用于使磁化反转的时间量。
在本发明的实施例中，对电连接至存储元件的金属导体设置磁性材料，以增强环形电流磁场并使其集中在存储层上，从而使存储层的磁化方向偏离易磁化轴。设置有磁性材料的金属导体可直接连接至存储元件，或者可通过另一个导体间接连接至存储元件；即，金属导体可以电连接至存储元件。
例如，设置磁性材料来覆盖部分或整个金属导体，从而增强环形电流磁场，并可以使电流磁场集中在存储层上。
在根据本发明实施例的结构中，可减少用于使磁化反转的时间量，因而，可高速地记录信息。
另外，使存储层的磁化方向偏离来增大等式1中的θ，从而可以减少用于使磁化反转的电流量，并因此可降低存储器的功率损耗。
另外，即使不减小热稳定性参数Δ，用于使存储层的磁化反转的时间量仍然可以减少。因而，可以高速地记录信息，同时确保足够的热稳定性。
因此，可以使能够高速记录信息的存储器具有高可靠性。
另外，在本发明的实施例中，使用作为存储层和磁化固定层之间的非磁性中间层的由绝缘体形成的隧道隔离层来形成磁隧道结元件(MTJ元件)，从而能够供给选择晶体管的饱和电流。
与使用非磁性传导层而形成的巨磁阻(GMR)元件相比，这使得使用隧道隔离层形成的磁隧道结(MTJ)元件能够增大磁阻改变率(MR比率)和读信号的强度。
氧化镁(MgO)具体用作隧道隔离层的材料，从而与通常使用氧化铝的情况相比，可以增大磁阻改变率(MR比率)。
自旋注入效率通常取决于MR比率。当MR比率增大时，进一步提高了自旋注入效率，从而进一步减小了磁化反转电流的密度。
因此，氧化镁用作作为中间层的隧道隔离层的材料，并且使用了具有上述结构的存储层，从而减少通过自旋注入进行写操作的阀值电流的量，因此可以使用少量电流写(记录)信息。另外，可增大写信号强度。
因而，确保了MR比率(TMR比率)，从而可以减少通过自旋注入进行写操作的阀值电流的量，因此可以使用少量电流写(记录)信息。
另外，可增大写信号强度。
当隧道隔离层由氧化镁(MgO)膜形成时，可以优选地使MgO薄膜结晶，并可以沿001方向维持结晶取向(crystalline orientation)。
在本发明的实施例中，存储层和磁化固定层之间的中间层可以不由氧化镁(隧道隔离层)形成；而是可以由各种绝缘体、电介质、或诸如氧化铝、氮化铝、SiO2、Bi2O3、MgF2、CaF、SrTiO2、AlLaO3、和Al-N-O的半导体形成。
另外，为了能够在将氧化镁用作中间层时得到良好的磁阻特性(MR特性)，退火温度优选地为300℃或更高，并且优选地为340℃～360℃。该退火温度高于现有技术中将氧化镁用作中间层的情况的退火温度(250℃～280℃)。
该退火温度可能是形成氧化镁的隧道隔离层的适当内部结构或晶体结构等所必须的。
因此，可以对存储元件的铁磁层使用能够对如此高的温度下的退火有抗性的热阻铁磁材料来达到良好的MR特性。
存储元件的其他结构与通过自旋注入来记录信息的存储元件的先前已知结构相同。
接下来将描述本发明的实施例。
图4示出了根据本发明实施例的存储器的示意结构图(透视图)。
存储器具有置于相互垂直的两种地址配线(例如，字线和位线)的交叉点附近的存储元件。
具体地，在通过诸如硅衬底的半导体衬底10的元件隔离层2所隔离的区域中，分别形成漏极区8、源极区7和栅电极1，它们形成了用于选择各个存储单元的选择晶体管。对此，栅电极1也作为以图中的纵向延伸的一种地址配线(例如，字线)。
在图中的左和右选择晶体管上均形成漏极区8，并且配线9连接至漏极区8。
存储元件3置于源极区7和置于源极区7上并以图中横向延伸的另一种地址配线(例如，位线)6之间。存储元件3各具有由铁磁层形成的存储层，其中，通过自旋注入来使磁化方向反转。
存储元件3置于两种地址配线1和6的交叉点附近。
存储元件3通过上或下接触部4和5分别连接至位线6和源极区7。
因而，可以通过使电流通过两种地址配线1和6以垂直方向流入存储元件3中的自旋极化来反转存储层的磁化方向。
图5示出了根据本发明的存储器的存储元件3的截面图。
如图5中所示，存储元件3具有设置在存储层17下的磁化固定层31，其中，通过自旋注入来反转磁化方向M1。反铁磁层12设置在磁化固定层31下，并且通过反铁磁层12来固定磁化固定层31的磁化方向。
隔离层16设置为存储层17和磁化固定层31之间的隧道壁垒层(隧道隔离层)，并且通过存储层17和磁化固定层31形成MTJ元件。
接地层11形成在反铁磁层12下，并且盖层18形成在存储层17上。
磁化固定层31具有堆叠的亚铁磁结构。
具体地，磁化固定层31包括以下结构，其中，两个铁磁层13和15通过非磁性层14堆叠并被反铁磁粘合起来。
因为磁化固定层31的铁磁层13和15形成了堆叠的亚铁磁结构，所以铁磁层13的磁化M13是右向的；即，铁磁层15的磁化M15是左向的，并且磁化方向是相对的。因此，从磁化固定层31的铁磁层13和15漏出的磁通量彼此抵消。
没有明确限制用于磁化固定层31的铁磁层13和15的材料。可将由铁、镍、和钴中的一种或多种形成的合金材料用作这种材料。材料可进一步包括过渡金属元素，诸如Nb、Zr、Gd、Ta、Ti、Mo、Mn、或Cu，或轻元素，诸如Si、B、或C。另外，可通过直接堆叠材料互不相同的多个薄膜(不通过非磁性层)，例如，通过形成CoFe/NiFe/CoFe的堆叠薄膜来形成铁磁层13和15。
作为用于形成磁化固定层31的堆叠亚铁磁结构的非磁性层14的材料，可使用钌、铜、铬、金、银等。
根据本实施例的存储器与利用如图2和3所示的自旋注入的现有技术的存储器不同，尤其是在连接至存储元件3的接触部4和5方面。
图6示出了根据本发明实施例的作为图2和图3中的比较示例的使用自旋注入形成现有技术的存储器的存储元件53的附近的放大透视图。如图6所示，接触部54分别连接至存储元件53的上和下表面，并且接触部54由金属导体形成。
在图6的结构中，根据选择晶体管等的选择，将写电压施加至在存储元件53上或下的接触部54，以使写电流流入存储元件53中并通过自旋注入来使磁化方向反转。
此处，如上所述，用于使磁化方向反转的时间量与存储元件53的存储层的磁化方向有关。当存储层的磁化方向意外地与磁化固定层的磁化方向一致(角0°或180°)时，可使用超长时间用于进行写操作。
图7示出了用于进行比较的图4(存储元件3及其附近的放大透视图)所示的存储器的存储单元的主要部分的透视图。
如图7所示，在本实施例中，通过用磁性材料22覆盖金属导体21分别形成连接至存储元件3的上和下接触部4和5。
作为用于磁性材料22的材料，具有高渗透性的任意磁性材料都可呈现出相同效果。
例如，可以使用包括钴、铁、或镍作为主要成分的普通铁磁合金。特别，可以使用CoFe合金、NiFe合金、或CoNiFe合金。这种铁磁合金还可以包括一种或多种附加元素，附加元素包括轻元素，诸如，B、C、和N；过渡金属元素，诸如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、和W；稀土元素，诸如Gd；或者贵金属元素，诸如Pt和Pd。优选地，铁磁合金可以包括这种附加元素。
本实施例的接触部4和5的结构的形成方法不存在任何具体限制。例如，可如下形成接触部。
第一，表面被覆盖的隔离层中形成通孔，以形成接触部。例如，在图4的存储器的情况下，通孔形成为达到源极区7和存储元件3。
第二，沿通孔的内壁形成磁性材料22的薄膜。
第三，去除在通孔底形成的磁性材料22。
第四，通过用金属导体填充通孔来形成金属导体21，然后去除残留在隔离层上的金属导体21。
可以以此方式形成具有用磁性材料22覆盖金属导体21的结构的接触部4或5。
根据本实施例，为了执行自旋注入，使电流I通过金属导体21如图8A所示从上向下流入存储元件3中。
在此情况下，在上和下接触部4和5的磁性材料22中，通过向下电流I生成顺时针电流磁场23。
然后，通过来自上和下接触部4和5的磁性材料22的漏磁场以及通过向下电流I产生的电流磁场，在如图8A的虚线所示的越过存储元件3的存储层的水平面中，在存储元件3的存储层17中生成如图8B所示的顺时针电流磁场23。
电流磁场23可以改变存储层17的磁化方向M1，以使其从易磁化轴的方向(磁化固定层31的磁化方向M13或M15)向难磁化轴的方向偏离。
以此方式对接触部4和5设置具有高渗透性的磁性材料2，以使通过在金属导体21中流动的电流I所形成的电流磁场23集中在磁性材料22的周围。因而，在存储层17周围产生强磁场23，然后使存储层17的磁化方向M1稍微偏离磁化固定层31的磁化方向M13或M15。
此处，仅通过自旋注入来使存储层17的磁化方向M1反转，并且集中的电流磁场23用于开始自旋注入。
当使电流向上并与图8A中的电流I的相反方向流动时，通过接触部4和5的磁性材料22在存储层17中产生逆时针磁场，并且磁场使存储层17的磁化方向M1偏离磁化固定层31的磁化方向M13或M15。因此，当存储层17的磁化方向M1反转成任意方向时，在磁场的影响下，可以使存储层17的磁化方向M1偏离。
在上述实施例中，使用在存储元件3上或下的接触部4和5中的磁性材料22覆盖使电流流入的金属导体21。因而，可以使由于电流在金属导体21中流动而产生的电流磁场23集中在磁性材料22上。
可以将集中在磁性材料22上的电流磁场23从磁性材料22施加至存储元件3，作为漏磁场23。因而，可以使存储元件3的存储层17的磁化方向M1偏离磁化固定层31的磁化方向M13或M15，特别是偏离易磁化轴的方向，从而易于使存储层17的磁化方向M1反转。
因此，可减少用于使存储层17的磁化方向M1反转的时间量，因而可高速记录信息。
另外，在本实施例中，使存储层17的磁化方向偏离来增大等式1中的θ，从而可以减少用于使磁化方向M1反转的电流量，并因此可减少存储器的功率消耗。
此外，即使不减小热稳定性参数Δ时，仍然可减少用于使存储层17的磁化方向M1反转的时间量。因而，可高速记录信息，同时确保足够的热稳定性。
因此，可以使能够高速记录信息的存储器具有高可靠性。
在图7中，用上和下接触部4和5中的磁性材料22覆盖金属导体21。然而，还可以仅对一个接触部设置磁性材料22。
在如图4、图5、图7和图8所示的上述实施例中，上和下接触部4和5的金属导体21在一条直线上。然而，可通过诸如MRAM的旁路线111的另一个金属层来移动上和下接触部的金属导体。以下将描述这种情况的实例。
图9示出了根据本发明的另一个实施例的存储器的主要部分(存储元件附近)的放大透视图。
具体地，在本实施例中，存储元件3通过图中的点划线表示的旁路线24连接至下接触部5的金属导体21，并且沿横向移动上和下接触部4和5的金属导体21。
上接触部4仅具有金属导体21并没有磁性材料22。下接触部5具有金属导体21，其右半部分覆盖有磁性材料22。
形成本实施例的下接触部5的结构的方法没有任何具体限制。例如，可以通过部分修改先前实施例所述的形成方法来形成接触部5。
例如，可以通过倾斜沉积磁性材料22或遮盖通孔的左半部在隔离层通孔的右半部上形成磁性材料22。磁性材料22还可以形成在通孔的整个内壁上，然后去除形成在通孔的左半部上的磁性材料22。
可选地，可以形成柱形金属导体21，然后可以从右上方开始沉积磁性材料22，从而在金属导体21的右半部形成磁性材料22。
根据本实施例，使电流I如图10A所示通过金属导体21从上向下地流入存储元件3，从而实现自旋注入。
在此情况下，通过向下电流I在下接触部5的磁性材料22中产生顺时针电流磁场23。由于仅对金属导体21的右半部设置下接触部5的磁性材料22，所以电流磁场23从接触部5向左漏。
然后，通过来自下接触部5的磁性材料22的漏磁场，在如图10A的虚线所示的越过存储元件3的存储层的水平面中，在存储元件3的存储层17中生成如图10B所示的从前指向后的磁场23。
磁场23可以改变存储层17的磁化方向M1，从而使其从易磁化轴的方向(磁化固定层31的磁化方向M13或M15)向难磁化轴方向偏离。
当使电流向上并与图8A中的电流I相反方向流动时，通过下接触部5的磁性材料22在存储层17中产生逆时针磁场，并且该磁场移动存储层17的磁化方向M1，以偏离磁化固定层31的磁化方向M13或M15。
因此，当使存储层17的磁化方向M1反转为任意方向时，在磁场的影响下，可以使存储层17的磁化方向M1偏离。
在上述本实施例中，使用在存储元件3的下接触部5中的磁性材料22覆盖使电流流入的金属导体21。因而，可以使由电流在金属导体21中流动所产生的电流磁场23集中在磁性材料22上。
可以将集中在磁性材料22上的电流磁场23作为漏磁场23从磁性材料22施加至存储元件3。因而，可以使存储元件3的存储层17的磁化方向M1偏离磁化固定层31的磁化方向M13或M15，特别是偏离易磁化轴的方向，从而有利于使存储层17的磁化方向M1反转。
另外，由于在存储元件3下的接触部5的金属导体21位于存储元件3的右侧，所以可以通过使用磁性材料22仅覆盖金属导体21的右半侧(存储元件3的对侧)将磁场23更有效地施加至存储层17。
由于可以轻松使存储层17的磁化方向M1反转，所以可减少用于使存储层17的磁化方向M1反转的时间量。因此，可以高速记录信息。
在本实施例中，可减少用于使存储层17的磁化方向M1反转的电流量，因此可减少存储器的功率损耗。因此，与前面实施例相同，可以高速记录信息，同时还确保足够的热稳定性。
因而，可以使能够高速记录信息的存储器具有高可靠性。
上接触部4和存储元件3可以被移动，并且通过旁路线24将上接触部4连接至存储元件3。在此情况下，对上接触部4设置磁性材料。
接触部可以与存储元件一起沿任意方向移动。在任意这种情况下，可对金属导体相对于存储元件的一侧设置磁性材料。
图11示出了根据本发明的又一实施例的存储器的主要部分(存储元件附近)的放大透视图。
在本实施例中，磁场集中在旁路线上。
通过旁路线24将存储元件3连接至下接触部5的金属导体21，并且沿横向移动上和下接触部4和5的金属导体21。
在旁路线24中，使用磁性材料26覆盖除了金属层(金属导体)25的与存储元件3接触的上表面之外的三个表面(下表面和两侧表面)。
上和下接触部4和5仅具有金属导体21并且不包括任何磁性材料。
在这种结构中，使当电流在旁路线24中流动时所产生的磁场集中在存储层17周围，这有利于使存储层17的磁化方向M1偏离磁化固定层31的磁化方向M13或M15。
本实施例的旁路线24结构的形成方法没有任何具体限定。例如，可如下形成旁路线。
第一，形成磁性材料层26。
第二，在磁性材料层26中形成将嵌入金属导体25的槽状凹入部。
第三，通过将金属导体25嵌入槽状凹入部中来形成金属导体25。
第四，在旁路线24中图样化嵌入了金属导体25的磁性材料26。
可以以此方式形成具有用磁性材料26覆盖金属导体25的结构的旁路线24。
根据本实施例，使电流I通过金属导体21如图12A所示从上向下流入存储元件3中，从而执行自旋注入。
在此情况下，电流I向下流入接触部4和5中；而电流I流向旁路线24的金属层25的右侧。通过向右电流I在覆盖金属层25的磁性材料26中产生电流磁场23。由于磁性材料26仅覆盖金属层25的三个表面(下表面和两侧表面)，所以电流磁场23沿上方向从旁路线24中漏出。
然后，通过来自旁路线24的磁性材料25的漏磁场，在如图12A的虚线表示的越过存储元件3的垂直面中，在存储元件3中生成如图12B所示的从后指向前的磁场23。
磁场23可改变存储元件3的存储层17的磁化方向M1，从而从易磁化轴的方向(磁化固定层31的磁化方向M13或M15)向难磁化轴的方向偏离。
当使电流向上并与图12A中的电流I相反方向流动时，在旁路线24中产生向左的电流。向左的电流在旁路线24的磁性材料26中产生了与图12A中的磁场23相反方向的磁场。由于该磁场在存储元件3中产生从前指向后的磁场，所以可以使存储层17的磁化方向M1偏离磁化固定层31的磁化方向M13或M15。
因此，当使存储层17的磁化方向M1反转为任意方向时，在磁场的影响下，可以使存储层17的磁化方向M1偏离。
在上述本实施例中，使用位于存储元件3下且与其相接触的旁路线24中的磁性材料26覆盖使电流流入的金属导体25。因而，可使由于电流在金属导体25中流动所产生的电流磁场23集中在磁性材料26上。
可以将集中在磁性材料26上的电流磁场23从磁性材料26施加至存储元件3，作为漏磁场23。因而，可以使存储元件3的存储层17的磁化方向偏离磁化固定层31的磁化方向M13或M15，特别是偏离易磁化轴的方向，从而有利于存储层17的磁化方向M1反转。
因此，可减少用于使存储层17的磁化方向M1反转的时间量，因而可高速记录信息。
在本实施例中，可减少用于使存储层17的磁化方向M1反转的电流量，并因此可减少存储器的功率损耗。因此，与之前实施例相同，可高速记录信息，同时确保足够的热稳定性。因而，可以使能够高速记录信息的存储器具有高可靠性。
在上述的每个实施例中，分别使用磁性材料22和26适当覆盖用于将电流施加至存储层17的金属导体21和25，以将集中的磁场23施加至存储层17，从而改变存储层的磁化方向M1为偏离磁化固定层31的磁化方向M13或M15。因此，自旋注入转矩对存储层17的磁化M1起到很大的作用，因而可在短时间内使存储层17的磁化方向M1反转。
本发明的实施例可以不仅使用在上述的每个实施例中所示的存储元件3的膜结构，而是可以使用多种其他的膜结构。
在图5中，磁化固定层31具有由两个铁磁层13和15以及非磁性层14形成的堆叠铁磁结构。然而，例如，磁化固定层可由单个铁磁层形成。
本发明并不限于上述实施例，并且在不偏离本发明本质的情况下，各种其他结构都是可能的。
本领域的技术人员应该理解，在附加权利要求或其等同物的范围内，可根据设计要求和其它因素来进行各种修改、组合、子组合、和替换。
权利要求
1.一种存储器，包括至少一个存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态来保持信息的存储层；以及电连接至所述存储元件的导体，其中所述存储元件包括通过中间层对所述存储层设置的磁化固定层；所述中间层由绝缘体形成；并且自旋极化电子沿堆叠方向注入以使所述存储层的磁化方向反转，从而将信息记录在所述存储层中，对所述导体的至少一部分设置所述磁性材料，以增强由于电流在所述导体中流动而产生的磁场，并且将漏磁场施加至所述存储元件的所述存储层，以使所述存储层的所述磁化方向偏离，以及沿所述堆叠方向的电流通过所述导体流入所述存储元件中，从而注入所述自旋极化电子。
2.根据权利要求1所述的存储器，其中所述导体置于所述存储元件的上和下表面中的每个上，并且所述磁性材料被设置为覆盖上下导体中的至少一个。
全文摘要
本发明披露了一种存储器，其包括存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储层；以及电连接至存储元件的导体。在该存储器中，通过中间层对存储层设置磁化固定层，该中间层由绝缘体形成，并且自旋极化电子沿堆叠方向注入以使存储层的磁化方向反转，从而将信息记录在存储层中。还对导体设置磁性材料，以增强由于电流在导体中流动而产生的磁场，并且将漏磁场施加至存储层，以偏离存储层的磁化方向，并且沿堆叠方向的电流通过导体流入存储元件中，从而注入自旋极化电子。
文档编号H01F10/32GK101079315SQ20071010761
公开日2007年11月28日 申请日期2007年5月22日 优先权日2006年5月23日
发明者肥后丰, 细见政功, 大森广之, 山元哲也, 山根一阳, 大石雄纪, 鹿野博司 申请人:索尼株式会社