专利名称：自旋累积磁化反转型存储元件及自旋ram的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用自旋累积技术，具有磁阻效应元件的磁纪录、读出存储器。
技术背景现在，在动态随机存取存储器(DRAM)所代表的存储器的领域，满足高 速、高集成、低功耗这三个要求的新存储器的研究开发正在全世界进行。作为 满足这些条件并具有非易失性的存储器的侯补，非常期待》兹随机存取存储器 (MRAM)。该MRAM做成把隧道》兹阻(TMR)效应元件排列成阵列状的构造。TMR 元件基本构造为用二个强磁性层夹住作为隧道阻挡层使用的绝缘层。TMR效 应是在这二个强磁性体的磁化方向在平行、反平行的场合，TMR元件的电阻 矩具有极大的变化。二十世纪九十年代虽然研究成功绝缘层使用了氧化铝的 TMR元件，但近几年对于令人注目的绝缘层使用氧化镁的情况，也发表了超 过300°/。的文献。这些都记载在非专利文献1等中。'非专利文献 1: Jun Hayakawa， Shoji Ikeda， Young Min Lee, Ryutaro Sasaki,Toshiyasu Meguto，Fumihiro Matsukura，Hiromasa Takahashi and Hideo Ohno "Current-Driven Magnetization Switching in CoFeB/Mgo/CoFeB Magnetic Tunnel Junctions" , Jpn. J. A卯l. Phys. 44. L1267 (2005).非专利文献2: F. J. Jedema， H. B. Heersche, A. T. Fi 1 ip， J. L A. Baselman s and B, J， van Wees, "Electrical detection of spin precession a metallic mesoscopic spin valve" Mature 416,713(2002).非专利文献3: T. Kimura. Y. Otani and J. Hamrle， "Switching Magnetization of a Nanoscale Ferromagnetic Particle Using Nonlocal Spin Injection" ， Phys Rev, Lett. 96, 037201 (2006).就使用了 TMR效应的MRAM而言，中间隔有绝缘层的二个铁磁性体的磁化借助于配置成平行或逆平行时的电阻差来进行读出。通过使二个铁磁性体的顽磁力产生差，用外部磁场使一方的磁化反转来实 现写入。
一般外部-兹场使用流经位线/字线的电流产生的合成;兹场。这里，把磁化反转的铁磁性层作为自由层，把没有反转的铁磁性层作为固 定层。可是，在用该外部磁场的写入方式中，若为了提高集成度而减小隧道磁阻元件(TMR元件)，则西自由层的顽磁力增大而使外部磁场引起的自由层的 磁化反转变得困难。另夕卜，若为了施加磁场而使电流流过的布线微细化，提高了电流密度的布 线将断开。而且，若电流流过该布线，由于布线附近的TMR元件也有》兹场， 要写入的TMR元件以外的元件也存在进行了重写的干扰的问题。因此，作为写入4支术使用了自旋转矩(spin-transfer torque )的自旋注入;兹 4b反4争(spin-transfer torque magnetization reversal)4支术令人注目,{旦由于读出电 流路径和写入电流路径为相同的路径，如果读出电流和写入电流没有足够的 差，就有用读出电流进行了写入的可能性。由于写入时需要大的电流密度，容易引起TMR元件的绝缘破坏，并存在 需要与大电流对应的晶体管之类的缺点。 发明内容本发明的目的就是为了解决上述问题。为了达到上述的目的，本发明的自旋累积磁化反转型存储元件及磁存储器 具有铁磁性字线、与铁磁性字线交叉的非磁性位线、与铁磁性字线相对的布线、 在铁磁性字线及非磁性位线的交叉部分和布线之间设置的磁阻效应元件，磁阻 效应元件具有在布线侧设置的第 一铁磁性层、在铁;兹性字线侧设置的第二铁磁 性层、在第 一铁磁性层和第二铁磁性层之间设置的非磁性层。在写入动作时，使电流在铁磁性字线和上述非磁性位线之间流动，通过从 铁磁性字线向非磁性位线累积自旋来使第二铁磁性层的磁化方向反转。这样，通过累积逆向自旋，第二铁磁性层的磁化方向变成与铁磁性字线1 的磁化方向平行，通过累积顺向自旋，第二铁磁性层的磁化方向变成与铁磁性的第一字线的磁化方向逆平行。另外，在读出动作时，使电流流经非磁性位线和布线之间，使电流沿磁阻效应元件的"莫厚方向流动。若使用本发明，在写入动作时和读出动作时电流路径不同，在读出时引起 误写入的危险减少。另外，由于在写入动作时，大的写入电流不直接流经^兹阻 效应元件，而仅在读出动作时，读出电流柳过磁阻效应元件，所以在写入时能 使对作为存储保持部分的磁阻效应元件施加的电流量减小。因而，对磁阻效应 元件施加的电压小，能实现耐久性优良的自旋存储器。
图1是釆用本发明的实施例1的磁存储器(MRAM)的示意图。图2是采用本发明的实施例1的自旋累积磁化反转型磁纪录元件的剖视图。图3是图2所示的自旋累积》兹化反转型^f兹纪录元件的动作原理的示意图。 图4是表示本发明的非磁性位线的膜厚对自旋累积效应的依赖性的图。 图5是釆用本发明的实施例2的自旋累积磁化反转型磁纪录元件的剖视图。图6是釆用本发明的实施例3的自旋累积磁化反转型磁纪录元件的剖视图。图7是采用本发明的实施例4的磁存储器的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明采用了本发明的自旋累积磁化反转型磁纪录元 件及磁存储器。 实施例1图1表示是表示采用了本发明的磁随机存存储器(MRAM )。该MRAM100 具有排列成格子状的多条铁磁性写入字线101和多条非磁性位线102。在铁磁 性写入字线101和非磁性位线102交叉的部分配置有存储元件103。存储元件 103通过金属布线层104与晶体管105的源极连接。另外，多条非磁性读出字线106通过存储元件103与铁磁性写入字线101 平行地配置，与晶体管105的栅极电连接。多条源线107与非磁性位线102 平行地配置，与晶体管105的漏极电连接。作为源线107，使用例如非磁性体。存储元件103如图2所示，在铁磁性写入字线101和非磁性位线102交叉的位置，在铁磁性写入字线101和金属布线层104之间形成磁阻效应元件201。磁阻效应元件201从金属布线层104 —侧层叠有第一铁》兹性层(固定层) 202、第一非^兹性层203、第二铁/磁性层(自由层)204。这时，^兹阻效应元件 201的电阻值由第一铁磁性层的磁化方向207和第二铁磁性层的磁化方向206 平行地配置或逆平行地配置来决定。因而，希望使用反铁磁性耦合等将第一铁磁性层的磁化固定在铁磁性写入 位线的方向上。这里，第二铁磁性层与非磁性位线102电连接。非磁性位线 102与铁磁性写入字线101电连接。在本发明中，向磁阻效应元件的自由层的磁化方向的写入使用自旋累积技 术。该技术通过将非磁性层与铁磁性层连接，将从铁磁性层自旋极化了的电子 注入非磁性层来实现。例如，如非专利文献2那样，向非磁性层注入的自旋极化电子遍及非磁性 层的自旋扩散长度的范围，使其二在非磁性层中产生自旋的不均衡。进而考虑 将铁磁性层连接在非磁性层的另一端，用二个铁磁性层夹住非磁性层的构造。这种情况，如非专利文献3那样，若从一方的铁磁性层向非磁性层注入自 旋极化了的电子而使自旋累积在非磁性层中，则另一方的铁磁性层能吸收该自 旋。另外，若考虑自旋注入一侧的铁磁性层和非磁性层的状态密度，则能用电 流的方向改变在非磁性层中累积的自旋方向。因此，自旋吸收一侧的铁磁性层与非磁性层的磁化方向对应地改变磁化方 向。即，用电流的方向能重写磁化的方向。将这样的自旋累积方式应用到磁阻效应元件的自由层磁化方向的重写。实 施例1的磁阻效应元件201把第一非磁性层203 (中间层)介于中间，使第一 铁磁性层202 (固定层)和第二铁》兹性层204 (自由层)电连接，做成由上述 第二铁磁性层204的磁化方向显示磁阻效应的构造。上述的第二铁J兹性层204与非^磁性位线102电连接。另外，以与上述非磁 性位线102交叉的方式连接有铁」磁性写入字线101。这里，其结构是铁磁性写入字线101的方向与第一铁》兹性层202和第二铁 磁性层204的易磁化轴方向一致。第一铁磁性体202通过金属布线层104及晶 体管105与源线107电连接。晶体管105的栅极与读出字线106电连接。作为开关元件之一虽使用晶体管，但本发明不限定晶体管。作为写入动作，写入电流205流经铁磁性写入字线101和非磁性位线102 之间，在与电流方向的方向响相应的方向上重写第二铁^兹性层的^兹化方向 206。流过非磁性位线102的电流方向既可以是图2 (a)的右方向，也可以是 左方向。具体地，若在磁存储器中选择一个铁磁性写入字线101和一个非磁性位线 102,则从铁磁性写入字线101向位于其交点的存储元件103附近的非磁性位 线102注入自旋。所注入的自旋累积在非磁性位线102中。由于写入字线101由铁磁性体构成，因而，若从写入字线101向非磁性位 线102注入自旋，则在非磁性位线102中累积与铁磁性写入字线101的自旋相 同方向的自》走。累积在非磁性位线102中的自旋在位线中扩散，被第二铁磁性层204吸收。 因此，若写入电流超过某阈值，则第二铁磁性层的^兹化成为与铁磁性写入字线 101的》兹化方向208相同的方向。另一方面，若从非磁性位线102向铁磁性写入字线101注入电子，则由于 具有与铁磁性写入字线101的自旋相同方向的自旋的电子容易通过写入字线 101，因而与铁磁性写入字线101的自旋相反方向的自旋累积在非磁性位线102 中。由于该自旋在非磁性位线102中扩散并被第二铁磁性层204吸收，因而， 若写入电流超过某阈值，则第二铁磁性层204的磁化成为与铁磁性写入字线 101的》兹化方向208相反方向。即，能用电流的方向重写第二铁磁性层的磁化方向。以下，根据图3详细 说明写入动作。首先，说明使铁磁性写入字线101和第二铁磁性层的磁化为平行的结构。 这时，如图3(a)所示，使电流从非磁性位线102流向铁磁性写入字线101。 由于电子从铁磁性写入字线IOI传导给非磁性位线102,因而，根据铁磁性写 入字线101的状态密度301的差，逆自旋便累积在非磁性位线102中。因此， 第二铁磁性层的磁化变成与铁磁性写入字线101的磁化平行。接着，说明使铁磁性写入字线101和第二铁磁性层的磁化为逆平行的结构。这时，如图3 (b)所示，电流从铁磁性写入字线101流向非磁性位线102。 由于电子从非磁性位线102传导给铁磁性写入字线101，因而，根据铁磁性写 入字线101的状态密度303的差，逆自旋容易传导给铁^磁性写入字线101，其 结果，顺自旋累积在非磁性位线102中。由于所累积的自旋被第二铁磁性层吸 收，第二铁磁性层的磁化方向则反转。因此，第二铁磁性层的磁化变成与铁磁 性写入字线101的^兹化逆平行。接着，说明读出动作。读出信息由图2的磁阻效应元件201部分的电阻值 决定。因而，需要使电流流过磁阻效应元件201。电流路径如图2 (a)的读出 电流209所示。这里，流过非;磁性位线102和源线107的电流的方向也既可以 是图2的右方向，也可以是图2的左方向。若对非磁性读出字线106提供电位，晶体管105处于有源状态。因此，能 使读出电流209从非》兹性位线102通过^兹阻效应元件201 、金属布线层104、 晶体管105流到源线107。因而，能读出磁阻效应元件201的电阻。另外，由于是层叠构造，写入时从铁^兹性写入字线101注入的电子沿膜厚 方向在非磁性位线102中扩散，并被第二铁磁性层吸收。位线能制作成薄到数 纳米程度，与在面内方向制造作元件的情况比较，能减少重写所需要的电流。这里，位线中的自旋累积效应的大小与下述数学式1成比例。其中，P是 从铁磁性写入字线101注入到非磁性位线102中的电子自旋的极化率，S是位 线的自旋扩散长度，I是电流，G是位线的电导，A是TMR元件的断面积，L 是位线的膜厚度。 数学式l: P2SI . exp(-L/S)/GA由此可知，累积的效应与A成反比例地增大。即，由于将TMR元件 的断面积做得越小，累积的效应越大，因而写入需要的电流也越小。进而，若 减小L的位线膜厚变，则累积的效应同样增大。图4是估计减少L时的自旋累积大小的结果。TMR元件的断面积为50 x 180nm时，若使膜厚从400nm减少到50nm，写入的电流值就能降低到0. 5mA。 由此可知，可使膜厚进一步减少，该发明对降低写入电流是非常有效的。铁磁性写入字线101的材料，作为候补可举出所有的铁J兹性体。例如，有Co、 Fe、 Ni、 CoFe、 CoFeB、 NiFe、 NiFeB等，为了进一步减少写入电流，以 选择半金属等P值高的材料为宜。在半金属场合，由于P值大致是l,所以能 使写入电流下降。关于非磁性位线102的材料，所有的非磁性体都为其材料。例如，可以举 出A1、 Cu等。但是为了减小写入电流，希望S大且G小的物资。因而，若使 用半导体或超导体效果更好。使用半导体时，能不降低S而减小G。而使用了 超导体时，由于从铁^兹性写入字线101注入的电子以超导位线的准粒子状态注 入，所以能使实效的G减小。接着，由于磁阻效应元件201是纪录保持部分，因而以电阻变化大者为佳。 因而，虽然可以使用CPP-GMR构造，但是希望4吏用电阻变化更大的隧道,兹阻 元件(TMR元件)。作为材料，在CPP-GMR的场合所有的非磁性体都为该材料。在TMR元 件场合，第一非磁性层使用绝缘层。绝缘层的材料虽可列举氧化铝、氧化镁等， 但优选电阻变化更大的氧化镁。关于第一铁磁性层、第二铁磁性层，作为候补 可列举所有的铁》兹性体。例如，有Co、 Fe、 Ni、 CoFe、 CoFeB、 NiFe、 NiFeB 等，为了使电阻变化更大，优选使用P值大的半金属等。以上，在采用了本发明的磁存储器中，可利用上述结构将存储元件103 的读出电流和写入电流的电流路径分开。即，由于写入的电流路径和读出的电 流路径不同，因而在写入时，电流不会在成为记录部分的石兹阻效应元件201中流动。由于写入时的电流比读出时大，通过估文成不让写入电流直^妄流到^兹阻效应 元件201中的结构，从而能减轻磁阻效应元件201的破坏。并且，读出时引起 误写入的危险变小。特别是在使用TMR元件的场合，TMR元件的破坏大约在1V发生。但是， 在本发明中，电流在TMR元件中流动仅仅在读出时。在读出TMR元件的电 阻值时，仅有0.2V的电位差就读出。因此，通过读出电流值的设计也能减轻 元件-皮坏。实施例2如图5所示，非磁性位线102和铁磁性写入字线101也可以使第二绝缘层501介于中间进行电连接。这里，第二绝缘层501具有作为隧道阻挡层的功能。 若采用这种结构，从写入字线注入的自旋在写入字线和位线的界面不接受散射，P显示出与用4失磁性体构成的写入字线同样高的值。因此，能降低写入电流。实施例3如图6所示，第二铁》兹性层和非^磁性位线102也可以使第三绝缘层601介 于中间进行电连接。这里，第三绝缘层601具有作为隧道阻挡层的功能。在不 使用第三绝缘层601的场合，第二铁》兹性层作为自旋极化了的电子的受主的作 用。另一方面，在使用了第三绝缘层的场合，由于电子不接受在界面的散射， 因而仍然保持高的极化率传导到第二铁^磁性层。实施例4在具有自旋累积极化反转型磁纪录元件的磁存储器中，叙述制作多值构造 的场合的实施例。如图7所示，通过在4先磁性写入字线101和非》兹性读出位线交叉的部分层 叠磁纪录元件而可实现多值化。这种场合，在图1的磁存储器中，第三铁磁性 层702、第二非磁性层703、第四铁磁性层704通过金属布线层701与铁磁性 写入字线101和非磁性读出位线102交叉的部分电连接。第四铁磁性层通过第 二非磁性位线705与第二铁磁性写入字线706电连接。
权利要求
1.一种存储元件，其特征是，具有铁磁性字线，与上述铁磁性字线交叉的非磁性位线，与上述铁磁性字线相对的布线，在上述铁磁性字线及上述非磁性位线的交叉部分和上述布线之间设置的磁阻效应元件；上述磁阻效应元件具有在上述布线侧设置的第一铁磁性层，在上述铁磁性字线侧设置的第二铁磁性层，在上述第一铁磁性层和上述第二铁磁性层之间设置的非磁性层；在写入动作时，通过使电流在上述铁磁性字线和上述非磁性位线之间流动，使自旋从上述铁磁性字线累积到非磁性位线，从而使上述第二铁磁性层的磁化方向反转；在读出动作时，使电流沿上述磁阻效应元件的膜厚方向流动。
2. 根据权利要求1记载的存储元件，其特征是， 在上述写入动作时，通过使电流从上述非磁性位线向上述铁磁性字线流动，从而使逆自旋从上 述铁磁性字线累积到上述非磁性位线上，通过使电流从上述铁磁性字线向上述非磁性位线流动，从而使顺自旋从上 述铁磁性字线累积到上述非磁性位线上。
3. 根据权利要求2记载的存储元件，其特征是，由于累积上述逆自旋，上述第二铁磁性层的磁化方向成为与上述铁磁性字 线的磁化方向平行，由于累积上述顺自旋，上述第二铁磁性层的磁化方向成为与上述铁磁性字 线的磁化方向逆平行。
4. 根据权利要求1记栽的存储元件，其特征是， 在上述读出动作时，电流在上述非磁性位线和上述布线之间流动。
5. 才艮据权利要求4记载的存储元件，其特征是，上述》兹阻效应元件通过开关元件与源线电连接。
6. 根据权利要求5记栽的存储元件，其特征是， 上述开关元件是晶体管，具有与上述晶体管的栅极电连接的读出字线； 与上述晶体管的漏极电连接的上述源线； 与上述晶体管的源极电连接的上述布线。
7. 根据权利要求1记载的存储元件，其特征是， 还具有在上述非磁性位线和上述铁磁性字线之间设置的绝缘层。
8. 根据权利要求1记载的存储元件，其特征是， 还具有在上述第二铁磁性层和非磁性位线之间设置的绝缘层。
9. 根据权利要求1记载的存储元件，其特征是， 上述磁阻效应元件是CPP-GMR或TMR。
10. —种自旋RAM，其特征是， 具有第一铁磁性字线，与上述第 一铁磁性字线交叉的第 一非磁性位线， 与上述第 一铁》兹性字线相对的第 一布线，在上述第一铁磁性字线及上述第一非磁性位线的交叉部分和上述第 一布线之间设置的第 一》兹阻效应元件，在与同上述第一铁磁性字线的上述第一非磁性位线交叉的面相反一 侧设置的第二布线，第二铁磁性字线，与上述第二铁》兹性字线交叉的第二非磁性位线， 在上述第二铁磁性字线及上述第二非磁性位线的交叉部分和上述第 二布线之间设置的第二^兹阻效应元件；上述第 一,兹阻效应元件具有在上述第 一布线侧设置的第 一铁磁性层，在上 述第 一铁磁性字线侧设置的第二铁磁性层，在上述第 一铁磁性层和上述第二铁 磁性层之间设置的第 一非磁性层；上述第二磁阻效应元件具有在上述第二布线侧设置的第三铁磁性层，在上 述第二铁磁性字线侧设置的第四铁磁性层，在上述第三铁磁性层和上述第四铁磁性层之间设置的第二非磁性层；在写入动作时，通过使电流在上述第一铁磁性字线和第一非磁性位线之间 流动，使自旋从上述第一铁磁性字线累积到上述第一非磁性位线上，从而使上 述第二铁磁性层的磁化方向反转，通过使电流在上述第二铁磁性字线和第二非磁性位线之间流动，使自旋从 上述第二铁磁性字线累积到上述第二非磁性位线上，从而使第四铁磁性层的磁 化方向反转;在读出动作时，使电流沿上述第 一》兹阻效应元件及第二;兹阻效应元件的膜 厚方向流动。
11. 根据权利要求IO记载的自旋RAM，其特征是，上述第 一磁阻效应元件及第二磁阻效应元件通过开关元件与源线电连接。
12. 根据权利要求11记载的自旋RAM，其特征是， 上述开关元件是晶体管，具有与上述晶体管的栅极电连接的读出字线； 与上述晶体管的漏极电连接的上述源线； 与上述晶体管的源极电连接的上述第一布线。
全文摘要
本发明涉及存储元件及自旋RAM。本发明提供一种耐久性优良的自旋存储器。其具备铁磁性字线、与铁磁性字线交叉的非磁性位线、与铁磁性字线相对的布线和在铁磁性字线及非磁性位线的交叉部分和布线之间设置的磁阻效应元件。在写入动作时，通过使电流在铁磁性字线和上述非磁性位线之间流动，并使自旋从铁磁性字线累积到非磁性位线，从而使磁阻效应元件的自由层的磁化方向反转。在读出动作时，使电流在非磁性位线和布线之间流动，使电流沿磁阻效应元件的膜厚方向流动。
文档编号H01L43/08GK101325087SQ20081009886
公开日2008年12月17日 申请日期2008年5月19日 优先权日2007年6月13日
发明者三浦胜哉 申请人:株式会社日立制作所