專利名稱：存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)涉及具有多個(gè)磁性層并且使用自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行記錄的存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置。
背景技術(shù)：
隨著從移動(dòng)終端到大容量服務(wù)器的各種信息設(shè)備的快速發(fā)展，諸如更高的集成度、速度的増加以及更低的功耗的更進(jìn)ー步的高性能的改進(jìn)在構(gòu)成設(shè)備的諸如存儲(chǔ)元件和邏輯元件的元件中被追求。特別地，半導(dǎo)體非易失性存儲(chǔ)器取得了顯著的進(jìn)步，并且作為大容量文件存儲(chǔ)器的閃存以硬盤驅(qū)動(dòng)器被閃存所取代的速率被推廣。同時(shí)，為了將半導(dǎo)體非易失性存儲(chǔ)器用作代碼存儲(chǔ)或工作存儲(chǔ)器，作為當(dāng)前通常使用的NOR閃存、DRAM等的替代的半導(dǎo)體非易失性存儲(chǔ)器的發(fā)展取得了進(jìn)步。示例包括FeRAM (鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、MRAM (磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、PCRAM (相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)等。這些的一部分已經(jīng)在實(shí)際使用了。在這些非易失性存儲(chǔ)器中，MRAM使用磁性材料的磁化方向來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使得可以實(shí)現(xiàn)高速度和幾乎無(wú)限(IO15次以上)的重寫，并且因此MRAM已經(jīng)被用于諸如エ業(yè)自動(dòng)化和飛機(jī)的領(lǐng)域。由于高速操作和可靠性，MRAM被期待于在不久的將來(lái)擴(kuò)展至代碼存儲(chǔ)器或工作存儲(chǔ)器。然而，MRAM具有關(guān)于降低功耗和增加容量的挑戰(zhàn)。這是由MRAM記錄原理，即，使用從配線部產(chǎn)生的電流磁場(chǎng)來(lái)轉(zhuǎn)換磁化的方法導(dǎo)致的基本問(wèn)題。作為解決該問(wèn)題的方法，不使用電流磁場(chǎng)的記錄方法(S卩，磁化轉(zhuǎn)換方法)正在審查中。特別地，對(duì)自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換的研究已在積極地進(jìn)行(例如，參見日本未審查專利申請(qǐng)公開第2003-17782號(hào)和美國(guó)專利第5，695，864號(hào))與MRAM相似，使用自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換的存儲(chǔ)元件包括MTJ (磁性隧道結(jié))。這使用了ー種現(xiàn)象，其中當(dāng)通過(guò)以任意方向固定的磁性層的自旋極化電子進(jìn)入另一自由(方向不固定)磁性層時(shí)，扭矩被施加至磁性層，并且當(dāng)具有預(yù)定閾值以上的電流流動(dòng)時(shí)，自由磁性層(存儲(chǔ)層)被轉(zhuǎn)換。0/1的重寫通過(guò)改變電流的極性來(lái)執(zhí)行。在存儲(chǔ)元件的大小程度約為0.1 ii m的條件下，用于自由磁性層轉(zhuǎn)換的電流的絕對(duì)值為ImA以下。此外，因?yàn)樵撾娏髦蹬c存儲(chǔ)元件的體積成比例減少，所以能夠按比例縮放。此外，因?yàn)椴恍枰狹RAM中記錄電流磁場(chǎng)的產(chǎn)生所需要的字線，所以有著單元構(gòu)造變得簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。在下文中，利用自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換的MRAM將被稱為自旋轉(zhuǎn)移扭矩-磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)。
作為能夠在保持MRAM的可以進(jìn)行高速度和幾乎無(wú)限的重寫的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的功耗和更大的容量的非易失存儲(chǔ)器被寄予很大的希望。

發(fā)明內(nèi)容
在STT-MRAM中，引發(fā)的磁化轉(zhuǎn)換的自旋扭矩根據(jù)磁化方向改變它的大小。在STT-MRAM存儲(chǔ)元件的典型構(gòu)造中，存在自旋扭矩變成零的磁化角。當(dāng)在初始狀態(tài)的磁化角與扭矩變成零的極化角一致時(shí)，轉(zhuǎn)換磁化方向會(huì)花費(fèi)相當(dāng)大量的時(shí)間。因此，在寫入時(shí)間內(nèi)磁化轉(zhuǎn)換可能無(wú)法完成。如果轉(zhuǎn)換沒(méi)有在寫入時(shí)間內(nèi)完成，則寫入操作可能導(dǎo)致失敗(寫入錯(cuò)誤)并且將不被正確地執(zhí)行。希望提供一種有效地抑制錯(cuò)誤發(fā)生并且在短時(shí)間內(nèi)執(zhí)行寫入操作的存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置。根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式，一種存儲(chǔ)裝置按照以下描述來(lái)構(gòu)造。換言之，存儲(chǔ)器裝置具有分層構(gòu)造，包括:存儲(chǔ)層，其中磁化方向?qū)?yīng)于信息而改變，磁化固定層,其中磁化方向固定，中間層，由非磁性材料形成并且設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間，以及垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層，其中，通過(guò)在分層構(gòu)造的層疊方向上施加電流來(lái)改變存儲(chǔ)層的磁化方向，從而記錄ィ目息。存儲(chǔ)層包括依次層疊的第一鐵磁性層、第一結(jié)合層、第二鐵磁性層、第二結(jié)合層和第三鐵磁性層，第一鐵磁性層與中間層接觸，第三鐵磁性層與垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層接觸，隔著結(jié)合層相鄰的這些鐵磁性層隔著結(jié)合層磁性地結(jié)合(耦合)，使得鐵磁性層的磁化方向從垂直于膜面的方向傾斜。根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置包括向存儲(chǔ)裝置供給在層疊方向上流動(dòng)的電流的配線部，以及控制經(jīng)由配線部向存儲(chǔ)裝置的電流供給的電流供給控制部。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置中，存儲(chǔ)層具有三個(gè)鐵磁性層隔著結(jié)合層層疊的構(gòu)造。兩個(gè)相鄰的鐵磁性層隔著插入在它們之間的結(jié)合層而磁性結(jié)合。在這些鐵磁性層中，在與垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層接觸的鐵磁性層內(nèi)，垂直磁性各向異性由垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層來(lái)誘導(dǎo)(引發(fā))，以使得易磁化軸可以垂直于膜面。相似地，在這些鐵磁性層中，在與中間層接觸的鐵磁性層中，垂直磁性各向異性由中間層誘導(dǎo)，以使得易磁化軸可以垂直于膜面。在本技術(shù)中，構(gòu)成存儲(chǔ)層的鐵磁性層的磁化方向從垂直于膜面的方向傾斜。這可以有效地抑制由存儲(chǔ)層的磁化方向和磁化固定層的磁化方向接近平行或反平行這一事實(shí)引起的磁化轉(zhuǎn)換時(shí)間的發(fā)散。換言之，存儲(chǔ)層的磁化方向可以在預(yù)定有限的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換從而寫入信息。根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置，電流可以在層疊方向上通過(guò)配線部流至存儲(chǔ)元件，并且通過(guò)存儲(chǔ)層的磁化轉(zhuǎn)換，信息可以被記錄。根據(jù)本技術(shù)，通過(guò)在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)層的磁化方向，可以寫入信息，由此可以減少寫入錯(cuò)誤并且可以在更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行寫入操作。因?yàn)閷懭脲e(cuò)誤可以減少，所以寫入操作可以具有増加的可靠性。此外，寫入操作可以在更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，由此實(shí)現(xiàn)高速操作。因此，本技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)可以高速操作的寫入操作具有高可靠性的存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置。如附圖中所示，本技術(shù)的這些和其他的目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)以下對(duì)其最優(yōu)模式的實(shí)施方式的具體描述變得更加明顯。


圖1是根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的示意性透視圖；圖2是根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的截面圖；圖3是根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的平面圖；圖4是用于示出在磁化方向垂直于膜面的現(xiàn)有技術(shù)中的STT-MRAM存儲(chǔ)元件的示意性構(gòu)造的截面圖；圖5是根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的示意性構(gòu)造截面圖；圖6A和圖6B是根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)層的示意性構(gòu)造透視圖和平面圖；圖7是在平衡狀態(tài)下在鐵磁性層間的磁性結(jié)合能與磁化角度之間的關(guān)系的曲線圖。圖8是在鐵磁性層的磁能與鐵磁性層間的最大磁性結(jié)合能之間的關(guān)系的曲線圖。圖9是在鐵磁性層間的磁性結(jié)合能與熱穩(wěn)定指數(shù)之間的關(guān)系的曲線圖。圖10是在激勵(lì)能量、寫入錯(cuò)誤率和轉(zhuǎn)換時(shí)間之間的關(guān)系的曲線圖。圖1lA和圖1lB各自示出了根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件(磁阻效應(yīng)元件)對(duì)復(fù)合型磁頭的應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式本技術(shù)的實(shí)施方式將依照以下順序描述?！?.根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的示意性構(gòu)造〉〈2.根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的總體描述〉<3.根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的具體構(gòu)造〉<4.模擬結(jié)果><5.變形例 >〈1.根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的示意性構(gòu)造〉首先將描述存儲(chǔ)裝置的示意性構(gòu)造。圖1、圖2和圖3各自示出了存儲(chǔ)裝置的示意性示圖。圖1是透視圖，圖2是截面圖以及圖3是平面圖。如圖1中所示，在根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)器裝置中，存儲(chǔ)元件3包括自旋轉(zhuǎn)移扭矩-磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM),該STT-MRAM可以根據(jù)被布置在兩種彼此垂直的地址配線(例如，字線和位線)交點(diǎn)附近的磁化狀態(tài)來(lái)保持信息。換言之，構(gòu)成用于選擇各個(gè)存儲(chǔ)元件3的選擇晶體管的漏區(qū)8、源區(qū)7和柵區(qū)I形成在諸如硅基板的半導(dǎo)體基板中的由元件隔離層2隔離的部分中。它們中，柵極也起到圖1中前后方向延伸的地址配線(字線)的作用。漏極8通常通過(guò)圖1中的右選擇晶體管和左選擇晶體管形成，并且配線9連接至漏區(qū)8。具有通過(guò)自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換來(lái)轉(zhuǎn)換磁化方向的存儲(chǔ)層的存儲(chǔ)元件3被布置在源區(qū)7與位線6之間，該位線6被布置在上側(cè)并且在圖1中的左右方向上延伸。存儲(chǔ)元件3例如由磁性隧道結(jié)元件(MTJ元件)構(gòu)成。如圖2中所示,存儲(chǔ)元件3具有兩個(gè)磁性層12和14。在兩個(gè)磁性層12和14中，ー個(gè)磁性層被設(shè)定為磁化M12的方向固定的磁化固定層12，并且另ー側(cè)的磁性層被設(shè)定為磁化M14的方向變化的自由磁化層，即存儲(chǔ)層14。此外，存儲(chǔ)元件3通過(guò)上和下接觸層4分別連接至每個(gè)位線6和源區(qū)7。以這種方式，當(dāng)在垂直方向上(在層疊方向上)的電流通過(guò)兩種地址配線I和6被施加于存儲(chǔ)元件3吋，存儲(chǔ)層14的磁化M14的方向可以通過(guò)自旋扭曲磁化轉(zhuǎn)換來(lái)轉(zhuǎn)換。如圖3中所示，存儲(chǔ)裝置通過(guò)將存儲(chǔ)元件3布置在按照矩陣垂直布置的多個(gè)第一配線(字線)I和第二配線(位線)6的交點(diǎn)處來(lái)構(gòu)造。存儲(chǔ)元件3具有平面圓形的形狀以及圖2中所示的截面。同樣，存儲(chǔ)元件3具有磁化固定層12和存儲(chǔ)層14。每個(gè)存儲(chǔ)元件3構(gòu)成存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)單元。在這樣的存儲(chǔ)裝置中，需要以等于或小于選擇晶體管的飽和電流來(lái)執(zhí)行寫入，并且已知的是晶體管的飽和電流隨著小型化而減小。為了使存儲(chǔ)裝置小型化，希望改善自旋變化效率并且減少流向存儲(chǔ)元件3的電流。此外，需要保證高磁阻變化率以放大讀出信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)它，采用上述的MTJ結(jié)構(gòu)、即按照在兩個(gè)磁性層12和14之間布置作為隧道絕緣層(隧道勢(shì)壘層)的中間層的方法來(lái)構(gòu)造存儲(chǔ)元件3是有效的。在隧道絕緣層用作中間層的情況下，流向存儲(chǔ)元件3的電流量被限制從而防止發(fā)生隧道絕緣層的絕緣擊穿。即，從對(duì)于存儲(chǔ)元件3的重復(fù)寫入保證可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看，自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換所需的電流需要被限制。自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換所需的電流也被稱為轉(zhuǎn)換電流、存儲(chǔ)電流等。因?yàn)楦鶕?jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置是非易失性存儲(chǔ)器，所以需要穩(wěn)定地存儲(chǔ)由電流寫入的信息。即，需要保證對(duì)于在存儲(chǔ)層14的磁化中的熱起伏的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。在不能保證存儲(chǔ)層14的熱穩(wěn)定性的條件下，轉(zhuǎn)換過(guò)的磁化方向可以由于熱(在操作環(huán)境中的溫度)而被再次轉(zhuǎn)換，這會(huì)導(dǎo)致保持錯(cuò)誤。在存儲(chǔ)裝置中的存儲(chǔ)元件3 (STT-MRAM)相比于在現(xiàn)有技術(shù)中的MRAM的優(yōu)點(diǎn)在于尺寸，即，優(yōu)點(diǎn)在于體積可以很小。然而，因?yàn)轶w積很小，所以只要其他特性相同，熱穩(wěn)定性就可能劣化。隨著STT-MRAM的容量増加在繼續(xù)，存儲(chǔ)元件3的體積變得更小，使得保持熱穩(wěn)定性是重要的。因此，在STT-MRAM的存儲(chǔ)元件3中，熱穩(wěn)定性是相當(dāng)重要的特性，并且需要按照即使當(dāng)體積減小時(shí)仍可確保其熱穩(wěn)定性的方法來(lái)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器。
〈2.關(guān)于根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的總體描述〉然后，將描述關(guān)于根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的總體描述。首先，參考圖4的截面圖，將描述現(xiàn)有技術(shù)中的STT-MRAM中的存儲(chǔ)元件3’，其中存儲(chǔ)層的磁化方向(在平衡狀態(tài)下的磁化方向)垂直于膜面。如從以下描述中將變得顯而易見的，在根據(jù)本技術(shù)的實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件3中，存儲(chǔ)層14的磁化M14的方向(在平衡狀態(tài)下的磁化M14的方向)將不垂直于膜面。在參考圖4的描述中，存儲(chǔ)元件3’的存儲(chǔ)層“14”將為了方便而被使用。如圖4中所示，在存儲(chǔ)元件3’中，磁化M12的方向固定的磁化固定層(也稱作參考層)12、中間層(非磁性層；隧道絕緣層)13、磁化M14的方向可變的存儲(chǔ)層(自由磁化層)14以及蓋層15按照所述的順序?qū)盈B在底層11上。在這些中，在磁化固定層12中，磁化M12的方向由高矯頑カ等固定。在這種情況下，磁化固定層12的磁化方向固定在垂直于膜面的方向上。在存儲(chǔ)元件3'中，信息由具有單軸各向異性的存儲(chǔ)層14的磁化M14的方向來(lái)存儲(chǔ)。通過(guò)在垂直于存儲(chǔ)元件3’的各層的膜面的方向(換言之，各層的層疊方向)上施加電流從而在存儲(chǔ)層14中引起自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換。這里將簡(jiǎn)短地描述自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換。對(duì)于電子，有兩種可能的自旋角動(dòng)量的值。自旋的狀態(tài)被暫時(shí)定義為上和下。在非磁性材料中，上自旋角動(dòng)量電子和下自旋角動(dòng)量電子的數(shù)量是相同的。但是在鐵磁性材料中，上自旋電子和下自旋電子的數(shù)量是不同的。首先，在隔著中間層13層疊的兩個(gè)鐵磁性層中(磁化固定層12和存儲(chǔ)層14)，將考慮磁化M12和M14的方向是反平行的并且電子從磁化固定層12移動(dòng)至存儲(chǔ)層14的情況。通過(guò)磁化固定層12的電子自旋極化，即，上自旋和下自旋的電子的數(shù)量不同。當(dāng)作為隧道勢(shì)壘層的中間層13的厚度被制造為足夠薄時(shí)，在自旋極化被緩和并且電子成為普通的在非極化材料中的非極化狀態(tài)(上自旋和下自旋電子的數(shù)量相同)之前，電子到達(dá)其他磁性材料，即存儲(chǔ)層(自由磁化層)14。在兩個(gè)鐵磁性層(磁化固定層12和存儲(chǔ)層14)中的自旋極化的符號(hào)相反，使得部分的電子為了降低系統(tǒng)能量而被轉(zhuǎn)換，即，自旋角動(dòng)量的方向被改變。在這時(shí)，系統(tǒng)的整體角動(dòng)量需要守恒使得反作用被施加至存儲(chǔ)層14的磁化M14，該反作用等于由改變方向的電子所改變的總角動(dòng)量。 在電流(即，每單位時(shí)間通過(guò)的電子的數(shù)量)較小時(shí)，被改變了方向的電子的總數(shù)量變少，使得發(fā)生在存儲(chǔ)層14的磁化M14中的角動(dòng)量的改變變小，但當(dāng)電流增加時(shí)，可以在單位時(shí)間內(nèi)在角動(dòng)量中施加大的變化。與角動(dòng)量隨時(shí)間一起變化的是扭矩，并且當(dāng)扭矩超過(guò)閾值吋，存儲(chǔ)層14的磁化M14開始進(jìn)動(dòng)，并且由于存儲(chǔ)層14的單軸各向異性旋轉(zhuǎn)180度而變得穩(wěn)定。S卩，發(fā)生了從反平行狀態(tài)到平行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在另一方面，當(dāng)兩個(gè)鐵磁性層的磁化M12和M14的方向平行并且使得電子從存儲(chǔ)層14反向流動(dòng)到磁化固定層12吋，電子隨后在磁化固定層12被反射。當(dāng)被反射并且被自旋轉(zhuǎn)換的電子進(jìn)入存儲(chǔ)層14時(shí)，扭矩被施加并且存儲(chǔ)層14的磁化M14的方向被轉(zhuǎn)換，使得可以將磁化M12和M14轉(zhuǎn)換至反平行狀態(tài)。然而，在這時(shí)，引起轉(zhuǎn)換所需的電流量大于從反平行狀態(tài)轉(zhuǎn)換到平行狀態(tài)的情況下所需的電流量。從平行狀態(tài)到反平行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換難以直觀地理解，但是可以認(rèn)為磁化固定層12的磁化M12是固定的從而不轉(zhuǎn)換磁力矩，而轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)層14用以使整個(gè)系統(tǒng)的角動(dòng)量守恒。如上所述，對(duì)0/1的記錄通過(guò)從磁化固定層(參考層)12向存儲(chǔ)層14或按照與其相反的方向施加具有預(yù)定閾值以上的相應(yīng)于各個(gè)極性的電流來(lái)執(zhí)行。信息的讀取通過(guò)使用與現(xiàn)有技術(shù)中MRAM相似的磁阻效應(yīng)來(lái)執(zhí)行。即，與以上描述的記錄的情況ー樣，在垂直于膜面的方向上(在各層的層疊方向上)施加電流。然后，利用了這樣ー種現(xiàn)象，其中由存儲(chǔ)元件3所呈現(xiàn)的電阻依賴于存儲(chǔ)層14的磁化M14的方向是與磁化固定層(參考層)12的磁化M12的方向平行還是反平行而變化。用于中間層13 (作為隧道絕緣層)的材料可以是金屬材料或絕緣材料，但是絕緣材料可以用于中間層13以獲得較高的讀出信號(hào)(電阻改變率)并且從而通過(guò)較低的電流實(shí)現(xiàn)記錄。此時(shí)的元件稱為鐵磁性隧道結(jié)(磁性隧道結(jié):MTJ)元件。上述自旋扭矩通過(guò)存儲(chǔ)層14的磁化M14的方向和磁化固定層(參考層)12的磁化M12的方向之間的角度而改變。當(dāng)表示磁化M14的方向的單位向量被指定為ml并且表示磁化M12的方向的單位向量被指定為m2時(shí)，自旋扭矩的大小與mlX (mlXm2)成比例。在這里“ X”的意思是向量的叉積。通常，磁化固定層12的磁化M12固定到存儲(chǔ)層14的易磁化軸。存儲(chǔ)層14的磁化M14具有導(dǎo)向?yàn)榇鎯?chǔ)層14自身的易磁化軸的傾向。在這種情況下，ml和m2呈0度(平行)或180度(反平行)。圖4示出了當(dāng)ml和m2呈0度時(shí)的磁化M14的方向和磁化M12的方向。因此，當(dāng)ml和m2呈0度或180度時(shí)，根據(jù)上述自旋扭矩等式，自旋扭矩將完全不
起作用。然而，在實(shí)踐中，由于熱起伏，存儲(chǔ)層14的磁化M14隨機(jī)分布在存儲(chǔ)層14的易磁化層周圍，所以一旦存儲(chǔ)層14的磁化M14與存儲(chǔ)層12的磁化M12之間的角度偏離0度或180度時(shí)，自旋扭矩起作用從而引起磁化轉(zhuǎn)換。磁性材料具有沿著磁化方向的磁能。在最低磁能的方向上存在易磁化軸。當(dāng)沒(méi)有熱起伏時(shí)，磁化通過(guò)用于使磁能最小的力(扭矩)來(lái)導(dǎo)向至易磁化軸。在另一方面，相比于當(dāng)磁化在易磁化軸上時(shí)，當(dāng)磁化方向由于熱起伏而離開易磁化軸時(shí)磁能變得更高。這種差異稱為激勵(lì)能量E。隨著磁化方向進(jìn)ー步遠(yuǎn)離易磁化軸并且激勵(lì)能量E超過(guò)預(yù)定的閾值吋，發(fā)生磁化轉(zhuǎn)換。閾值被稱為A。A被認(rèn)為是轉(zhuǎn)換磁化所需要的能量。雖然激勵(lì)能量E和閾值A(chǔ)以焦耳(J)為單位，但是這些在下文中當(dāng)做被熱能量(玻爾茲曼常數(shù)與絕對(duì)溫度的乘積)除的無(wú)量綱的量來(lái)處理。因此，因?yàn)锳被認(rèn)為是磁化穩(wěn)定指數(shù)，所以A可以被稱為熱穩(wěn)定指數(shù)。使用存儲(chǔ)層14的磁化M14的激勵(lì)能量E以及熱穩(wěn)定指數(shù)A，由電流I引起的自旋扭矩磁化轉(zhuǎn)換所需的流經(jīng)存儲(chǔ)層14的電流I和時(shí)間(轉(zhuǎn)換時(shí)間)ts由下式表示:
權(quán)利要求
1.ー種具有分層構(gòu)造的存儲(chǔ)元件，包括: 存儲(chǔ)層，其中磁化方向?qū)?yīng)于信息而改變；通過(guò)在所述分層構(gòu)造的層疊方向上施加電流來(lái)改變所述磁化方向從而將所述信息記錄在所述存儲(chǔ)層中， 磁化固定層，其中磁化方向固定， 中間層，由非磁性材料形成并且設(shè)置在所述存儲(chǔ)層和所述磁化固定層之間，以及 垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層， 所述存儲(chǔ)層包括依次層疊的第一鐵磁性層、第一結(jié)合層、第二鐵磁性層、第二結(jié)合層和第三鐵磁性層，所述第一鐵磁性層與所述中間層接觸，所述第三鐵磁性層與所述垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層接觸，隔著所述結(jié)合層相鄰的這些鐵磁性層隔著所述結(jié)合層磁性地結(jié)合，使得所述鐵磁性層的磁化方向從垂直于膜面的方向傾斜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)元件，其中， 所述第一鐵磁性層的易磁化軸垂直于膜面， 所述第二鐵磁性層的易磁化軸在所述膜面內(nèi)， 所述第三鐵磁性層的易磁化軸垂直于所述膜面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)元件，其中， 所述中間層和所述垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層由氧化物構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)元件，其中， 所述第一鐵磁性層的第一磁能通過(guò)從當(dāng)所述第一鐵磁性層的磁化在所述膜面內(nèi)時(shí)的磁能中減去當(dāng)所述第一鐵磁性層的磁化垂直于所述膜面時(shí)的磁能來(lái)定義， 所述第二鐵磁性層的第二磁能通過(guò)從當(dāng)所述第二鐵磁性層的磁化在所述膜面內(nèi)時(shí)的磁能中減去當(dāng)所述第二鐵磁性層的磁化垂直于所述膜面時(shí)的磁能來(lái)定義， 所述第三鐵磁性層的第三磁能通過(guò)從當(dāng)所述第三鐵磁性層的磁化在所述膜面內(nèi)時(shí)的磁能中減去當(dāng)所述第三鐵磁性層的磁化垂直于所述膜面時(shí)的磁能來(lái)定義， 所述第二磁能的符號(hào)不同于所述第一磁能和所述第三磁能的符號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的存儲(chǔ)元件，其中， 在隔著所述第一結(jié)合層的所述第一鐵磁性層與所述第二鐵磁性層之間的磁性結(jié)合能被定義為第一層間磁性結(jié)合能， 在隔著所述第二結(jié)合層的所述第二鐵磁性層與所述第三鐵磁性層之間的磁性結(jié)合能被定義為第二層間磁性結(jié)合能， 所述第一層間磁性結(jié)合能的絕對(duì)值小于通過(guò)將所述第一磁能和所述第二磁能之積除以所述第一磁能和所述第二磁能之和得到的絕對(duì)值，并且 所述第二層間磁性結(jié)合能的絕對(duì)值小于通過(guò)將所述第二磁能和所述第三磁能之積除以所述第二磁能和所述第三磁能之和得到的絕對(duì)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)元件，其中， 所述中間層是隧道絕緣層。
7.一種存儲(chǔ)裝置，包括: 存儲(chǔ)元件，具有分層構(gòu)造，包括: 存儲(chǔ)層，其中磁化方向?qū)?yīng)于信息而改變；通過(guò)在所述分層構(gòu)造的層疊方向上施加電流來(lái)改變所述磁化方向從而將所述信息記錄在所述存儲(chǔ)層中，磁化固定層，其中磁化方向固定， 中間層，由非磁性材料形成并且設(shè)置在所述存儲(chǔ)層和所述磁化固定層之間，以及 垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層， 所述存儲(chǔ)層包括依次層疊的第一鐵磁性層、第一結(jié)合層、第二鐵磁性層、第二結(jié)合層和第三鐵磁性層，所述第一鐵磁性層與所述中間層接觸，所述第三鐵磁性層與所述垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層接觸，隔著所述結(jié)合層相鄰的這些鐵磁性層隔著所述結(jié)合層磁性地結(jié)合，使得所述鐵磁性層的磁化方向從垂直于膜面的方向傾斜， 所述存儲(chǔ)裝置還包括: 配線部，向所述存儲(chǔ)元件供給在所述層疊方向上流動(dòng)的電流，以及 電流供給控制器，控制經(jīng)由所述配線部向所述存儲(chǔ)元件的電流供給。
全文摘要
本發(fā)明涉及存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置，其中，該存儲(chǔ)元件具有分層構(gòu)造，包括存儲(chǔ)層，其中磁化方向?qū)?yīng)于信息而改變，通過(guò)在分層構(gòu)造的層疊方向上施加電流來(lái)改變磁化方向，從而將信息記錄在存儲(chǔ)層中；磁化固定層，其中磁化方向固定；中間層，由非磁性材料形成并且設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間；以及垂直磁性各向異性誘導(dǎo)層；該存儲(chǔ)層包括依次層疊的第一鐵磁性層、第一結(jié)合層、第二鐵磁性層、第二結(jié)合層和第三鐵磁性層。
文檔編號(hào)H01L27/22GK103137851SQ20121047916
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年11月22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(yáng), 內(nèi)田裕行 申請(qǐng)人:索尼公司