TWI440031B

TWI440031B - 資訊儲存元件及其驅動方法

Info

Publication number: TWI440031B
Application number: TW099129347A
Authority: TW
Inventors: Hiroyuki Ohmori; Masanori Hosomi; Kazuhiro Bessho; Yutaka Higo; Kazutaka Yamane; Yuki Oishi
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2014-06-01
Also published as: US8248847B2; TW201120882A; CN102054524B; JP2011096734A; CN102054524A; US20110096591A1; JP5526707B2

Description

資訊儲存元件及其驅動方法

本發明係關於一種使用一磁性材料之資訊儲存元件及其驅動方法。

在一資訊裝置(諸如一電腦)中，一硬磁碟廣泛用作為一外部儲存器件。

然而，因為該硬磁碟涉及一轉動機構，所以其之尺寸減小及功率節省係困難的。

使用一快閃記憶體之一SSD(固態驅動器)已開始被用作為一小型裝置之一外部儲存器件。然而，其之價格昂貴且其之儲存容量亦係不足夠的。此外，對記錄次數有一限制，且對其用作為一外部儲存器件有一限制。

因此，期望一種具有高儲存容量且能夠高速讀取及寫入之非揮發儲存器件。

作為該非揮發記憶體之一候選者，將資訊記錄成一磁性材料之磁化之磁性記憶體引起人們注意且正推廣其之發展。在該等磁性記憶體中，藉由一電流磁場反轉磁化方向之一MRAM(例如，由Freescale半導體公司所製之MR2A16)已進入實際使用中。

作為具有更高密度之一磁性記憶體，一種組態引起注意，在該組態中不使用一電流磁場，但使一電流在夾著一非磁性材料之兩個磁性材料間流動且使用在其等間之自旋注入扭矩工作(例如，參考日本專利特許公開案第2003-17782號及F. J. Albert等人之Appl. phys. Lett. Vol. 77,No. 23,2000，第3809頁)。具有此組態之磁性記憶體被稱為一自旋扭矩MRAM或一自旋RAM。

然而，在具有上述各種組態之磁性記憶體中，需要將一電晶體連接至每一儲存元件。

此外，流至該儲存元件之電流需要大於一特定電流，且因此該連接的電晶體亦需要具有一特定尺寸。

因此，包含該電晶體之記憶體單元之尺寸係大的，且增強不同於該快閃記憶體之記錄密度係困難的。

本發明需要提供一種資訊儲存元件及其驅動方法，每一者允許實現高記錄密度。

根據本發明之一第一實施例，其提供一種資訊儲存元件，其包含：一字電極，其經組態包含連續形成且係電傳導之一第一磁性材料；一非磁性薄膜，其經組態與該字電極之該第一磁性材料相接觸而形成；及一第二磁性材料，其經組態經由該非磁性薄膜連接至該第一磁性材料。此外，該資訊儲存元件包含一磁化設定機構，其經組態被佈置在該字電極之兩個端部之至少一個端部附近且設定該字電極之此端部之磁化方向，及一矯頑性降低機構，其經組態降低該第二磁性材料之矯頑性。此外，該資訊儲存元件包含一電傳導位元電極，其經組態而形成以便亦充當該第二磁性材料或與該第二磁性材料平行形成。連續形成該位元電極以便與該字電極交叉。

在根據本發明之該第一實施例之上述資訊儲存元件之該組態中，包含該字電極，其包含連續形成且係電傳導之該第一磁性材料，及該磁化設定機構，其用於設定該字電極之此端部之磁化方向。藉由此磁化設定機構，設定在該字電極之此端部處之該第一磁性材料之磁化方向。藉由使一電流流經該字電極，可改變連續形成的字電極之該第一磁性材料之磁化方向，且可移動該第一磁性材料中之一磁域壁。

此外，包含該非磁性薄膜，其與該第一磁性材料相接觸而形成，及該第二磁性材料，其經由該非磁性薄膜連接至該第一磁性材料。因此，藉由此等第一磁性材料、非磁性薄膜及第二磁性材料組態磁阻效應元件。

而且，包含用於降低該第二磁性材料之矯頑性之該矯頑性降低機構。藉由此矯頑性降低機構，可降低該第二磁性材料之矯頑性，且可促進反轉該第二磁性材料之磁化方向。此使改變該第二磁性材料之磁化方向與該第一磁性材料之磁化方向相匹配係可能的。

即，可取決於該第二磁性材料之磁化方向記錄資訊。

此外，該資訊儲存元件包含該電傳導位元電極，其經形成以便亦充當該第二磁性材料或與該第二磁性材料平行形成，且連續形成該位元電極以便與該字電極交叉。因此，由該位元電極及該字電極之交叉點附近之一磁阻效應元件組態一記憶體單元。該位元電極及該字電極係經選擇的，且藉由使一電流流經該所選字電極改變該第一磁性材料之磁化方向。此後，降低該第二磁性材料之矯頑性。因此，可在該所選位元電極及該字電極之交叉點附近之該記憶體單元中記錄資訊。

另外，該位元電極及該字電極係經選擇的，且當藉由使一電流流經該所選字電極改變該第一磁性材料之磁化方向時，偵測該記憶體單元之該磁阻效應元件之電阻變化。因此，可推測該記憶體單元之該第二磁性材料之磁化方向。此使讀出該記憶體單元中記錄的資訊成為可能。

而且，當不操作該矯頑性降低機構時且當不使一電流流經該字電極時，該第二磁性材料之磁化方向不會改變。因此，可保持該記錄的資訊。因此，即使當關閉電源時也不會喪失該資訊，其使實現非揮發成為可能。

根據本發明之一第二實施例，其提供用於驅動一資訊儲存元件之一第一方法。該第一方法包含一第一步驟：藉由流經根據本發明之該第一實施例之上述資訊儲存元件中之該字電極之一電流，改變該第一磁性材料之磁化方向。此外，該第一方法包含一第二步驟：藉由該矯頑性降低機構降低該第二磁性材料之矯頑性，藉此將該第二磁性材料之磁化方向改變成對應於該第一磁性材料之磁化方向之一方向。

在根據本發明之該第二實施例之驅動一資訊儲存元件之上述第一方法中，在該第一步驟中藉由以流經該字電極之該電流改變該第一磁性材料之磁化方向，可改變對應於該字電極之一記憶體單元之該第一磁性材料之磁化方向。

此外，在該第二步驟中藉由將該第二磁性材料之磁化方向改變成對應於該第一磁性材料之磁化方向之方向，改變對應於該字電極之該記憶體單元之該第二磁性材料之磁化方向，使得可在此記憶體單元中記錄資訊。

根據本發明之一第三實施例，其提供用於驅動一資訊儲存元件之一第二方法。在此第二方法中，在根據本發明之該第一實施例之上述資訊儲存元件中，當使一電流流經該字電極時，偵測由該第一磁性材料、該非磁性薄膜及該第二磁性材料組態之一磁阻效應元件之電阻。此時，基於由於改變該第一磁性材料之磁化方向而發生之一變化讀出該第二磁性材料中記錄的資訊。

在根據本發明之該第三實施例之驅動一資訊儲存元件之上述第二方法中，基於由於改變該第一磁性材料之磁化方向而發生之一變化讀出該第二磁性材料中記錄的資訊。相比於相關技術的磁性記憶體(基於一磁阻效應元件之電阻值讀出其中的資訊)，此可增強讀出的靈敏度。

根據本發明之該等上述實施例，藉由選擇該字電極及該位元電極，資訊可記錄在此等電極之交叉點附近之該記憶體單元中。因此，可選擇該記憶體單元且甚至在沒有用於選擇之一主動元件(電晶體或類似物)情況下可記錄資訊，該主動元件提供給相關技術的資訊儲存元件之每一記憶體單元。

因為用於選擇之該主動元件係不必要的，所以可減小該記憶體單元之尺寸且相比於相關技術的記憶體單元可增強該記憶體單元之密度。

因此可實現能以高密度記錄資訊之一非揮發儲存器件(記憶體)。

以下將描述用於實行本發明(下文中稱為實施例)之一最佳模式。

描述之次序如下。

1.實施例

2.修改的實例

<1.　實施例>

圖1係根據本發明之一實施例之一資訊儲存元件之一示意組態圖(平面圖)。圖2係沿圖1中之直線X-X之一截面圖。

如圖1中顯示，在此資訊儲存元件中，亦充當一第一磁性材料之複數個字電極1經佈置彼此平行，該第一磁性材料係連續形成且係電傳導的，且亦充當一第二磁性材料並連續形成之複數個電傳導位元電極3經佈置彼此平行。該複數個字電極1及該複數個位元電極3彼此垂直且以一格子方式佈置。

在該字電極1之兩個端部處，提供用於該字電極之一電極及磁化設定機構2。此電極及磁化設定機構2設定該字電極(第一磁性材料)1之端部之磁化方向且亦用作為一電極(一終端之電極)。

在亦充當該第二磁性材料之該位元電極3之兩個端部處，提供一電極(一終端之電極)4。

一穿隧絕緣薄膜(穿隧障壁薄膜)5形成為在該字電極1之該第一磁性材料及該位元電極3之該第二磁性材料間之一非磁性薄膜。此允許由該第一磁性材料、該穿隧絕緣薄膜及該第二磁性材料組態一穿隧磁阻效應元件(TMR元件)。

如圖2中顯示，與兩個相鄰位元電極3之該等第二磁性材料獨立而形成該等位元電極3之每一者之該第二磁性材料。此形成在一記憶體單元，其由該字電極1及該位元電極3之交叉點處之該穿隧磁阻效應元件形成。

如稍後詳細描述，需要移動該第一磁性材料中之一磁域壁。因此，較佳使用包含很少缺點及不連續性之一磁性材料作為該字電極1之該第一磁性材料使得可輕易地移動該磁域壁。

在該字電極1之端部處之該磁化設定機構2用以設定該字電極之端部之磁化方向且當使一電流流經該字電極1時穩定此磁化方向。

作為此磁化設定機構2，可添加由不同於該字電極1之該第一磁性材料之一材料組成之一磁性薄膜。

另外，藉由增加該磁性薄膜之薄膜厚度，或加寬該磁性薄膜之寬度，或將一電傳導非磁性薄膜添加至該磁性薄膜，可下降流經該磁性材料之電流密度以抑制該自旋扭矩之動作。

而且，具有高矯頑性之一磁性材料可添加至該第一磁性材料，或使一反鐵磁性材料可與該第一磁性材料接觸以將該磁化方向固定於一個方向。

至於該位元電極3之該第二磁性材料，不需要移動其中之一磁域壁，且因此該磁性薄膜不需要連續形成為該第二磁性材料。

該位元電極3亦可當用於降低該第二磁性材料之矯頑性之一矯頑性降低機構，及該第二磁性材料。

為此目的，使用一種組態，在該組態中使一電流流經該位元電極3，以藉此藉由該位元電極3之熱產生或由於該電流而產生之一電流磁場之動作降低該第二磁性材料之矯頑性。

為了藉由該位元電極3之熱產生降低該第二磁性材料之矯頑性，較佳調整該位元電極3之材料及厚度使得可獲得適當的熱產生。

在藉由利用當使一電流流經該位元電極3時產生的一電流磁場降低該第二磁性材料之矯頑性之情況，可藉由將一軟磁性材料或類似物添加至該位元電極3之一部份加強該產生的磁場。

分別經佈置用於該字電極1及該位元電極3之該等第一及第二磁性材料之磁化係在垂直於該磁性材料之薄膜表面(該磁性材料之主要表面)之方向(垂直方向)上。即，每一磁性材料由一垂直的磁化薄膜形成。

因為每一磁性材料由一垂直的磁化薄膜形成，所以相比於該磁化在與該磁性材料之薄膜表面平行之方向(水平方向)上之情況，可達成較高資訊保持容量。

作為該字電極1及該位元電極3之該等第一及第二磁性材料，可使用一規律相合金(諸如TbFeCo或FePt)或Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni或類似物之一多層薄膜。此外，為了增加該穿隧磁阻效應元件之電阻變化，具有高極化性之一磁性材料(諸如FeCo或FeCoB)可堆疊在此等材料上。

作為佈置在該第一磁性材料及該第二磁性材料間之該穿隧絕緣薄膜5之材料，可使用Al₂ O₃ 、SiO₂ 、MgO或類似物。特定言之，MgO係適宜的，其之由於鐵磁穿隧效應之電阻變化係大的。

以下將參考圖3A至圖3G描述本實施例之該資訊儲存元件之操作。圖3A至圖3G係顯示該字電極1之磁化狀態之圖。

圖3A顯示穩定狀態，其中未使一電流流動。此時，於圍繞在兩個端處之該等磁化設定機構及電極2(21、22)之一些部中，磁化係在相反方向上。在左電極21側，該電極21及該第一磁性材料(字電極1)之磁化係在向上方向上。在右電極22側，該電極22及該第一磁性材料(字電極1)之磁化係在向下方向上。

在該左電極21及該右電極22間之連續的磁性材料中，形成該磁化方向之至少一邊界，即一磁域壁11。

其次，若使一電流I自該圖中之左流至右，如圖3B中顯示，則該磁域壁11在與該電流相反的方向上移動，即自右至左。

最終，如圖3C中顯示，該磁域壁11停止在與該左電極21接觸之部處，其中電流密度小或矯頑性高。

該圖顯示一個磁域壁11之情況。在複數個磁域壁之情況，該複數個磁域壁朝向該電極端集合，使得僅保留一個磁域壁。

切斷電流之後，如圖3D中顯示，該磁域壁11保留在該左電極21之該端處，且該第一磁性材料(字電極1)之磁化係於向下方向上，除了與此電極21接觸的端部。

其次，如圖3E中顯示，當使一電流在與圖3B及圖3C之方向相反的方向上流動時，該磁域壁11自左至右移動。

最終，如圖3F中顯示，該磁域壁11停止在該右電極22之端部處。

切斷電流之後，如圖3G中顯示，該第一磁性材料(字電極1)之磁化係在向上方向上，除了與該右電極22接觸的端部。

如以上所描述，可藉由改變電流方向來改變該第一磁性材料(字電極1)之磁化狀態。

其次，以下將描述用於將資訊記錄在該位元電極3之該第二磁性材料中之一方法。

圖4A至圖4D係顯示該字電極1之磁化及該字電極1上之一位元電極3之磁化之圖。即，在此等圖中，顯示關於一記憶體單元之該位元電極3之該第二磁性材料。

圖4A顯示不使一電流流經該字電極1及該位元電極3之狀態。在此狀態中，雖然在圖4A中顯示該磁域壁11在緊接該位元電極3之即時左邊，但實際上未安排該磁域壁之位置。

其次，若使該電流I自左至右流動，則該磁域壁11朝向左移動，如圖4B中顯示，使得該字電極1之該第一磁性材料之磁化在該向下方向上對準。

其次，切斷該字電極1之該電流，且使在垂直於圖式表面之方向上之一電流12流經該位元電極3，如圖4C中顯示。此下降該位元電極3之該第二磁性材料之矯頑性。此使改變該位元電極3之該第二磁性材料之磁化更容易。

此時，因為由於該字電極1之磁化之一洩漏磁場或類似物，該位元電極3之該第二磁性材料之磁化方向改變，使得該第二磁性材料之磁化改變成與該字電極1之磁化相匹配之向下磁化，如圖4D中顯示。

若設定使流經該字電極1之該電流在與圖4B相反之方向的方向上，則該位元電極3之該第二磁性材料之磁化方向可反轉地改變成該向上方向。

以此方式，藉由改變該第二磁性材料之磁化方向，資訊可記錄在包含此第二磁性材料之該記憶體單元中。

此係關於一字電極1之操作之描述的結尾。

作為此技術之應用，使一電流同時或從而流經該複數個字電極1，以藉此使該複數個字電極1之每一者具有對應於待記錄之資訊之磁化方向，且此後藉由使一電流流經該位元電極3實行記錄。因此，在該等各個字電極1中之該筆資訊被集體寫入至該位元電極3之該第二磁性材料。

若利用作為記錄靶材之該位元電極3之切換重複此程序，則任意筆資訊可記錄在該字電極1及該位元電極3之交叉點處之所有記憶體單元中。

其次，以下將描述用於讀出本實施例之該資訊儲存元件中之資訊之一方法。

為了偵測該位元電極3之該第二磁性材料之磁化狀態，需要藉由在該字電極1及該位元電極3間施加一電壓或一電流來偵測其等間之電阻。

以下將參考圖5A至圖5D描述用於讀出本實施例之該資訊儲存元件中之資訊之方法之一形式。

如圖5A至圖5D中顯示，對於該電阻偵測，一電阻器13連接至該位元電極3之該第二磁性材料，且一伏特計14連接至該位元電極3之該第二磁性材料及連接至該字電極1之右端部之該電極2(22)。

使一電流經由該電阻器13在該第一磁性材料及該第二磁性材料間流動，且由該伏特計14偵測在該第一磁性材料及該第二磁性材料間之該電阻。

若存在該複數個字電極1及該位元電極3，則電阻變化率大大低於僅有一單一資訊儲存元件之情況中之電阻變化率，且照現狀偵測記錄狀態係困難的。

因此，使一電流流經該字電極1，在該字電極中記錄期望待讀出之資訊，以藉此將該磁域壁11移動至該字電極之該左端部電極21及該右端部電極22之一者之電極端。

圖5A顯示在該字電極1之該第一磁性材料中之該磁域壁11已被移動至該字電極1之該右端部電極22之端部之狀態。

藉由使該電流I在與圖5A之狀態中之方向相反的方向上流經該字電極1，該磁域壁11自該右電極22之該端部朝向左邊移動，如圖5B中顯示。因此，該磁域壁11橫穿該位元電極3之該第二磁性材料下之位置，使得該磁域壁11移動至該位元電極3之該第二磁性材料之左邊，如圖5C中顯示。

該穿隧磁阻效應元件之電阻在圖5B之狀態(其在該磁域壁11橫穿該位元電極3之該第二磁性材料下之該穿隧障壁薄膜5之前)與圖5C中顯示之狀態(在該橫穿之後)間改變。

藉由進一步使該電流I流經該字電極1，該磁域壁11移動至在該左端部處之該電極21之端部，如圖5D中顯示。

圖6示意性顯示藉由當該字電極1之該磁域壁11如圖5A至圖5D中顯示移動時使一電流流經該穿隧障壁薄膜5而偵測之電壓。在圖6中，A至D分別對應於圖5A至圖5D。

如圖6中顯示，該電壓在A及B之狀態中係低的。該電壓在B及C間迅速增加。該電壓在C及D之狀態中係高的。

在圖5A及圖5B之狀態中，因為該位元電極3之該第二磁性材料之磁化及緊接在該第二磁性材料下之該字電極1之該第一磁性材料之磁化兩者在該向上方向上，所以該電阻係低的。

在圖5C及圖5D之狀態中，因為該位元電極3之該第二磁性材料之磁化及緊接在該第二磁性材料下之該字電極1之該第一磁性材料之磁化在相反的方向上，所以該電阻係高的。

反之，若該位元電極3之該第二磁性材料及緊接在該第二磁性材料下之該字電極1之該第一磁性材料之磁化方向由於該磁域壁11之移動而自該等相反的方向改變成相同的方向，則該電壓自該高狀態迅速變至該低狀態，與圖6相反。

若當以此方式移動該磁域壁11時實行讀出，則該電壓取決於記錄的資訊增加或減少且因此甚至可利用一小電阻變化充分讀出該資訊。

舉例而言可以下列方式製造本實施例之該資訊儲存元件。

首先，雖然圖式中未顯示，在一基板(諸如一矽晶圓)上形成作為該資訊儲存元件必要的一邏輯電路、一記錄電路及一讀出電路。此時，可使用一般用於一CMOS邏輯電路之一製作程序。

圖7A顯示在形成該等電路且形成用於自該資訊儲存元件下之電路連接至本實施例之該資訊儲存元件之電極31之後該基板之表面。此外，圖7B顯示在該基板上形成之一層間絕緣薄膜30，圖7B係沿圖7A中之直線Y-Y之一截面圖。在此層間絕緣薄膜30下，佈置電路(諸如互連層及電晶體)，雖然圖式中未顯示。

其次，如圖8A及圖8B中顯示，圖8B係沿圖8A中之直線Y-Y之一截面圖，形成該複數個字電極1以便連接至圖7A中之該等電極31上。

此外，如圖8B中顯示，在該字電極1上形成該穿隧障壁薄膜5，且在該穿隧障壁薄膜5上形成由正如該位元電極3之該第二磁性材料組成之一磁性薄膜32。

作為用於形成該等字電極1之該方法，可藉由橫跨整個表面沈積一薄膜且接著藉由離子研磨、反應離子蝕刻(RIE)或類似方法移除不必要的部而形成該等字電極1。或者，可藉由屏蔽除了期望形成之圖案區域之外的區域且僅在該圖案之部上沈積一薄膜而形成該等字電極1。

如下形成該字電極1之該第一磁性材料。舉例而言，作為一地面層，順序地形成具有2 nm之一薄膜厚度之一Ta薄膜及具有5 nm之一薄膜厚度之一Ru薄膜。在該地面層上，形成由具有0.3 nm之一薄膜厚度之一Co薄膜及具有1 nm之一薄膜厚度之一Ni薄膜之10個循環形成之一多層結構。而且，具有1 nm之一薄膜厚度之一CoFeB薄膜經沈積在與該穿隧障壁薄膜5之介面處。

作為該穿隧障壁薄膜5，例如，使用具有1.2 nm之一薄膜厚度之一MgO薄膜。此外，因為該磁阻變化率變得較高，所以較佳將具有大約0.3 nm之一薄膜厚度之一薄Mg薄膜沈積在該MgO薄膜之一單一表面或兩個表面上。

若具有大約1 nm之一薄膜厚度之一CoFeB薄膜經沈積作為該第二磁性材料，則可減小(舉例而言)由於在該程序中曝露該穿隧障壁薄膜5而減小該磁阻之影響。

或者，可沈積具有一較大厚度之該第二磁性材料或一非磁性保護薄膜層且當形成該位元電極3時，可藉由電漿蝕刻或類似方法移除(此第二磁性材料或非磁性保護薄膜層之)一部份。

其次，如圖9A及圖9B中顯示，圖9B係沿圖9A中之直線Y-Y之一截面圖，形成用於確保該位元電極3及該字電極1間之絕緣之一絕緣層33。

可如下形成此絕緣層33。特定地，留下在形成該字電極1中使用之該字電極1之抗蝕劑圖案，且橫跨整個表面(包含該抗蝕劑圖案上)沈積該絕緣層33。此後，移除該抗蝕劑圖案以曝露由該第二磁性材料組成之該磁性薄膜32之部。或者，可橫跨整個表面沈積該絕緣層33，且此後可藉由拋光該表面曝露由該第二磁性材料組成之該磁性薄膜32之一部份。

其次，如圖10A中顯示，形成由該第二磁性材料組成之磁性層34以便與該字電極1交叉。圖10B係沿圖11A中之直線Y-Y之一截面圖。圖10C係沿圖10A中之直線Y'-Y'之一截面圖。

如圖10B中顯示，形成該等磁性層34以便連接至該等磁性薄膜32，且形成該等位元電極3，每一位元電極由該磁性薄膜32及該磁性層34組成，該磁性薄膜32及該磁性層34兩者由該第二磁性材料組成。

在此方法中，橫跨整個表面沈積用於該位元電極3之該磁性層34，且此後類似於該等字電極1而將該磁性層34形成為該等位元電極3之圖案。此外，在形成該等位元電極3中較佳移除除了該等磁性層34下之外之該磁性薄膜32，如圖10C中顯示。使用例如TbFeCo(其顯示隨著溫度大量變動矯頑性)作為該位元電極3之該第二磁性材料係可能的。

舉例而言，可形成具有10 nm之一薄膜厚度之一TbFeCo薄膜及具有5 nm之一薄膜厚度之一Ta保護薄膜。較佳選擇TbFeCo之組合物使得在室溫下達成最高矯頑性且在大約250℃之一溫度下在垂直於薄膜表面之方向(垂直方向)上之矯頑性消失。

如以上所述，製作該等字電極1及該等位元電極3，且自該等位元電極3之兩個端(圖1中電極4)佈線互連。可自一較低層上之一互連圖案連接該等互連，或可連接至一上層上之一互連圖案。

對用於以一方式使得此等端部之磁化方向被設定在相反的方向上(如圖3A中顯示)在該字電極1之兩個端部處磁化該第一磁性材料之方法沒有特定限制。

舉例而言，可使用以下方法。特定地，藉由一強磁場在相同方向上磁化該字電極1之兩側，且當弱於該矯頑性之一磁場被施加在相反方向上時藉由一雷射局部加熱該字電極之一單一側，以藉此由於減弱此經加熱之部之矯頑性造成反磁化。取代藉由一雷射加熱，可使一小磁鐵直接靠近該字電極端部以磁化此端部。

圖11中顯示本實施例之該資訊儲存元件之記錄操作中施加的電流脈衝之一形式。

特定地，圖11顯示使用利用四個字電極1及四個位元電極3形成之一16位元元件且寫入一方格圖案之情況下之操作，在該方格圖案中交替配置0及1之資料，即配置向上磁化及向下磁化。W1至W4指示該等字電極1之電流。B1至B4指示該等位元電極3之電流。使具有對應於待記錄之資料之極性之電流流動，如該等電流W1至W4，且此後使一電流流經作為記錄靶材之該位元電極3。

雖然圖11中使該電流同時流經四個字電極1，但可使該電流順序地一個接著一個或兩個接著兩個流經該等字電極1。

在流經該等字電極1之該等電流W1至W4中，交替施加將該磁域壁11移動至該字電極1之一端部之一向上電流脈衝41及將該磁域壁11移動至該字電極1之另一端部之一向下電流脈衝42。

在流經該等位元電極3之該等電流B1至B4中，順序地一個接著一個施加藉由下降該位元電極3之該第二磁性材料之矯頑性實行記錄之一電流脈衝43。

圖11中，使流經該等字電極1之該等電流W1至W4匹配一方格圖案。因此，在與待記錄的資訊之內容相匹配中，用於該等記憶體單元之一個別一者之電流脈衝被設定為該向上電流脈衝41或該向下電流脈衝42。

在將相同的資訊記錄於一個字電極1中之連續兩個或多個記憶體單元中之情況，因為該磁域壁11已移動至一端部且已在該第一記憶體單元中之記錄中設定該第一磁性材料之磁化方向，所以可省略用於該第二及隨後的記憶體單元之該電流脈衝41或42。

圖12中顯示本實施例之該資訊儲存元件之讀出操作中施加的電流脈衝之一形式及在此形式中獲得之輸出脈衝。

圖12顯示當讀出圖11中顯示的由該記錄操作記錄之該方格圖案時獲得之輸出脈衝。

在圖12中顯示之該形式中，使用於該讀出操作之一脈衝施加電流流經該字電極1。另外，當使一實質上恆定電流流經該等位元電極3時讀出圖5A至圖5D中顯示之該伏特計14之電壓，且顯示藉由使該電壓之衍生物成形而獲得之輸出脈衝。

在流經該等字電極1之該等電流W1至W4中，施加一組用於使該磁域壁11與該字電極1之一端部對準之一向上電流脈衝45及用於讀出資訊之反轉極性的一隨後施加的向下電流脈衝46。該圖中由44指示的週期係資訊讀出週期。因此，在此週期44中實行的操作係該資訊讀出之主要操作，且在此週期44中輸出之信號係原始資訊。

從該第一字電極1至該第四字電極1順序地施加該組之此等電流脈衝45及46。

作為該等輸出脈衝，取決於該記錄的資訊(該位元電極3之該第二磁性材料之磁化方向)及該字電極1之該第一磁性材料之磁化方向間之關係而偵測一向下輸出脈衝47及一向上輸出脈衝48。

在該向上電流脈衝45被施加至該字電極1用於預先對準該磁域壁11之程序中，當該磁域壁11移動時該等輸出脈衝47及48被輸出，但當該磁域壁11不移動時該等脈衝不輸出。

在該向下電流脈衝46被施加至該字電極1之該資訊讀出週期44中，獲得該等輸出脈衝47及48作為對應於該記錄的資訊之該等輸出信號。

此時，該磁域壁11在該等個別位元電極3下之該字電極1中移動。因此，以從B4至B1或從B1至B4之次序利用短延遲順序地獲得該等輸出脈衝，如該圖中顯示。

在本實施例之該資訊儲存元件中，若利用設定為90 nm(舉例而言)之線寬及線間隔兩者製作該等字電極1及該等位元電極3，則上述4×4元件組群之一側之寬度在大約1 μm內。

在一電晶體藉由等效程序單獨連接至一自旋注入反磁化類型之一磁性記憶體之情況，等效於上述4×4元件組群之元件群組之一側之長度係3至5 μm。因此，該等資訊儲存元件可以比該自旋注入磁性記憶體更高的密度整合。

該磁域壁11之移動速度係40至70 m/s。因此，若該字電極1之長度係1 μm，則該磁域壁11可藉由大約30 ns之一脈衝從該字電極1之一端部移動至另一端部。

因此，在記錄及再製兩者中一個字電極1之操作時間大約係100 ns，包含該磁域壁11之往復時間及等待時間。此操作時間等效於該自旋注入磁性記憶體之操作時間。

在本實施例之該組態中，該操作時間相關於該磁域壁11之移動距離而改變。

因此，若藉由使用一較窄線寬之一程序縮短該位元電極3之寬度及該字電極1之長度，則可增強操作速度。

在上述實施例之該資訊儲存元件之該組態中，藉由用於設定該字電極1之兩個端部之磁化方向之該等磁化設定機構及電極2設定在該字電極1之兩個端部處之該第一磁性材料之磁化方向。藉由使一電流流經該字電極1，可改變連續形成的字電極1之該第一磁性材料之磁化方向且可移動該第一磁性材料中之該磁域壁11。

此外，該位元電極3亦充當用於降低該第二磁性材料之矯頑性之該矯頑性降低機構。因此，藉由亦充當該矯頑性降低機構之此位元電極3，可降低該第二磁性材料之矯頑性且可促進反轉該第二磁性材料之磁化方向。此使將該第二磁性材料之磁化方向改變成與該第一磁性材料之磁化方向相匹配係可能的，且可取決於該第二磁性材料之磁化方向記錄資訊。

藉由該字電極1之該第一磁性材料、該穿隧絕緣薄膜5及該位元電極3之該第二磁性材料組態一穿隧磁阻效應元件。此外，形成該位元電極3(其經形成以便亦充當該第二磁性材料)以便垂直於該字電極1。因此，藉由該位元電極3及該字電極1之交叉點附近之一磁阻效應元件組態一記憶體單元。該位元電極及該字電極係選擇的，且當藉由使一電流流經該所選字電極改變該第一磁性材料之磁化方向時，偵測該記憶體單元之該穿隧磁阻效應元件之電阻變化。因此，可推測該記憶體單元之該第二磁性材料之磁化方向。此使讀出該記憶體單元中記錄的資訊成為可能。

而且，當不操作該矯頑性降低機構時且當不使一電流流經該字電極時，該第二磁性材料之磁化方向不會改變。因此，可保持該記錄的資訊。即使當關閉電源時此阻止該資訊喪失，其可實現非揮發。

此外，在本實施例中，藉由選擇該字電極1及該位元電極3，資訊可記錄在此等電極之交叉點附近之該記憶體單元中。此消除提供用於選擇之一主動元件(電晶體或類似物)之需要，其提供給相關技術的資訊儲存元件之每一記憶體單元。

因為用於選擇之該主動元件係不必要的，所以相比於相關技術的記憶體單元，可藉由減小該記憶體單元之尺寸增強該記憶體單元之密度。

因此，可實現能以高密度記錄資訊之一非揮發儲存器件(記憶體)。

此外，因為用於選擇之該主動元件係不必要的，所以簡化用於驅動之驅動器之組態且減少施加電壓的種類係可能的。

另外，記憶體單元與記憶體單元間之該主動元件之特性變動之影響係不存在的，且因此促進減小該記憶體單元之尺寸。

特定地，本實施例之該資訊儲存元件藉由偵測伴隨一電阻變化之一電壓變化(而不是該記憶體單元之該磁阻效應元件之電阻值)實行資訊讀出。因此，即使當該磁阻效應元件之尺寸小時亦可實行該資訊讀出。亦在這一點上，促進減小該記憶體單元之尺寸。

<2.　修改的實例>

在上述實施例中，該複數個字電極1及該複數個位元電極3經佈置彼此垂直。

在本發明中，該等位元電極及該等字電極不需要彼此垂直。

若該等位元電極及該等字電極像上述實施例一樣彼此垂直，則每單位電極寬度之記錄密度可設定為最高值。

在上述實施例中，該字電極1亦充當該第一磁性材料，且藉由僅使用一亦充當該第一磁性材料之一層磁性材料形成該字電極1。

在本發明中，該字電極可藉由使用複數個磁性材料形成，或可形成為由包含該第一磁性材料之一磁性材料及一非磁性材料組成之一多層電極。

舉例而言，可藉由為該第一磁性材料提供Ta、Ti或類似物之一地面層材料或一保護層形成該字電極。

在上述實施例中，該位元電極3亦充當該第二磁性材料，且藉由使用一磁性材料形成該位元電極本身。

在本發明中，可僅在該位元電極與該字電極之交叉之部處佈置一磁性材料，且可藉由使用一非磁性材料形成該位元電極之其它之部。

此外，舉例而言，可為該第二磁性材料提供Ta、Ti或類似物之一地面層材料或一保護層。

而且，可由該第二磁性材料個別形成該位元電極。

舉例而言，該第二磁性材料形成於對於每一記憶體單元獨立的一圖案中，且與此第二磁性材料平行而提供藉由使用一電傳導材料連續形成之該位元電極。此外，形成該位元電極以便與該第二磁性材料接觸或利用一絕緣層之中間物與該第二磁性材料並置。

亦在形成利用一絕緣層之中間物與該第二磁性材料並置之該位元電極之情況，可藉由熱產生、一電流磁場及當使一電流流經該位元電極時之應力變化之至少一者之動作降低該第二磁性材料之矯頑性。該位元電極亦可以此方式充當該矯頑性降低機構。

提供彼此分離之該位元電極及該矯頑性降低機構亦係可能的。舉例而言，可在圖10B之截面圖中之該磁性層34上方提供與該磁性層34平行之一電傳導層，且此電傳導層可用作為該矯頑性降低機構。

在上述實施例中，分別為該字電極1及該位元電極3佈置的該等第一及第二磁性材料之磁化係在垂直於該磁性材料之該薄膜表面之方向(垂直方向)上，且每一磁性材料由一垂直磁化薄膜形成。

在本發明中，該第一磁性材料及該第二磁性材料之磁化可在與該磁性材料之該薄膜表面平行之方向(水平方向)上。

在上述實施例中，藉由使一電流流經該字電極1移動該字電極1之該第一磁性材料中之該磁域壁11。

在本發明中，對用於移動該字電極之該第一磁性材料中之該磁域壁之方法沒有特定限制。舉例而言，可使用自旋扭矩，或可使用隨著溫度變動之一各向異性磁場，或可藉由一外部磁場移動該磁域壁。或者，可組合其等間之複數個方法。

即使當該字電極與該位元電極間之垂直關係及其等之材料與上述實施例中的材料相反，在該操作中不會造成特定的麻煩，在上述實施例中，僅形成關於該字電極1及該位元電極3之每一者之一層。然而，進一步形成一層間絕緣層之後，可在其上形成該等第二層之該字電極1及該位元電極3。

藉由以此方式形成具有由兩層或多層組成之一多層結構之該資訊儲存元件，該記錄密度可增加兩個或多個之一因數。

另外，藉由在一層之該字電極1之下及之上提供該位元電極3，該記錄密度可增加兩個之一因數。

在上述實施例中，亦充當該磁化設定機構之該等電極2(21、22)被提供在該字電極1之兩個端部處。

在本發明中，可僅在該字電極之一個端部處形成該磁化設定機構，且在另一端部處可不存在該磁化設定機構。

舉例而言，藉由一反鐵磁性材料或類似物將該字電極之一端部之磁化方向設定為一方向(例如，向上方向或向下方向)。若製成此一組態，則當未使一電流流動時，該磁域壁停留在靠近該字電極之另一端部。此外，在資訊記錄及資訊讀出中流經該字電極之電流可僅係將該磁域壁從該字電極之另一端部移動至一端部之電流，且當切斷電流時，該磁域壁再次返回該字電極之另一端部。

舉例而言，作為該磁化設定機構，可在該字電極之一端部處提供藉由一電流磁場改變磁化方向之一機構。在此情況下，流經該字電極之該電流可在一恆定方向上。藉由由該磁化設定機構改變該字電極之一端部之磁化方向，可改變該第二磁性材料之磁化方向且可記錄資訊。

在上述實施例中，藉由在該第一磁性材料及該第二磁性材料間形成該穿隧絕緣薄膜5組態一穿隧磁阻效應元件。

在本發明中，可藉由在該第一磁性材料及該第二磁性材料間形成一非磁性傳導薄膜(而不是該穿隧絕緣薄膜5)作為該非磁性薄膜而組態一磁阻效應元件。

形成作為該非磁性薄膜之一穿隧絕緣薄膜提供一較大磁阻效應且因此具有以下之一優點：藉由一電阻變化之輸出係較大的。

本發明不局限於上述實施例，但在不悖離本發明之要義情況下可使用其它各種組態。

本申請案含有關於2009年10月27日在日本專利局申請之日本優先專利申請案JP 2009-246889中揭示之主旨，該案全文內容以參考方式併入本文中。

1．．．字電極

2．．．電極及磁化設定機構

3．．．位元電極

4．．．電極

5．．．穿隧絕緣薄膜

11．．．磁域壁

13．．．電阻器

14．．．伏特計

21．．．左電極

22．．．右電極

30．．．層間絕緣薄膜

31．．．電極

32．．．磁性薄膜

33．．．絕緣層

34．．．磁性層

41．．．向上電流脈衝

42．．．向下電流脈衝

43．．．向上電流脈衝

44．．．資訊讀出週期

45．．．向上電流脈衝

46．．．向下電流脈衝

47．．．向下輸出脈衝

48．．．向上輸出脈衝

圖1係根據本發明之一實施例之一資訊儲存元件之一示意組態圖(平面圖)；

圖2係沿圖1中直線X-X之一截面圖；

圖3A至圖3G係解釋用於將資訊記錄在圖1之該資訊儲存元件中之一方法之圖；

圖4A至圖4D係解釋用於將資訊記錄在圖1之該資訊儲存元件中之該方法之圖；

圖5A至圖5D係解釋用於讀出圖1之該資訊儲存元件中之資訊之一方法之圖；

圖6係示意性顯示對應於圖5A至圖5D之狀態之電壓變化之一圖；

圖7A及圖7B係解釋用於製造圖1之該資訊儲存元件之一方法之製造步驟圖；

圖8A及圖8B係解釋用於製造圖1之該資訊儲存元件之該方法之製造步驟圖；

圖9A及圖9B係解釋用於製造圖1之該資訊儲存元件之該方法之製造步驟圖；

圖10A至圖10C係解釋用於製造圖1之該資訊儲存元件之該方法之製造步驟圖；

圖11係顯示圖1之該資訊儲存元件中之資訊記錄中施加的電流脈衝之一形式之一圖；及

圖12係顯示圖1之該資訊儲存元件中之讀出操作中施加的電流脈衝之一形式及獲得的輸出脈衝之一圖。

1．．．字電極

2．．．電極及磁化設定機構

3．．．位元電極

4．．．電極

Claims

一種資訊儲存元件，其包括：一字電極，其經組態包含連續形成且係電傳導之一第一磁性材料；一非磁性薄膜，其經組態與該字電極之該第一磁性材料相接觸而形成；一第二磁性材料，其經組態經由該非磁性薄膜連接至該第一磁性材料；一磁化設定機構，其經組態佈置在該字電極之兩個端部之至少一個端部附近且設定該字電極之該端部之磁化方向；一矯頑性降低機構，其經組態降低該第二磁性材料之矯頑性；及一電傳導位元電極，其經組態予以形成以便亦充當該第二磁性材料或平行於該第二磁性材料而形成，連續形成該位元電極以便與該字電極交叉。
如請求項1之資訊儲存元件，其中形成平行之複數個該等字電極且形成平行之複數個該等位元電極，且該等字電極之每一者垂直於該等位元電極之每一者。
如請求項1之資訊儲存元件，其中該非磁性薄膜係一穿隧絕緣薄膜。
如請求項1之資訊儲存元件，其中該第一磁性材料及該第二磁性材料之磁化方向係垂直於該磁性材料之一主要表面之一方向。
如請求項1之資訊儲存元件，其中該位元電極亦充當該矯頑性降低機構。
如請求項1之資訊儲存元件，其中形成與該第二磁性材料接觸之該位元電極。
如請求項1之資訊儲存元件，其中佈置在該字電極之兩個端部之至少一個端部附近之該磁化設定機構具有藉由一電流磁場改變磁化方向之一組態。
一種用於驅動一資訊儲存元件之方法，該資訊儲存元件包含：一字電極，其包含連續形成且係電傳導之一第一磁性材料；一非磁性薄膜，其與該字電極之該第一磁性材料相接觸而形成；一第二磁性材料，其經由該非磁性薄膜連接至該第一磁性材料；一磁化設定機構，其佈置在該字電極之兩個端部之至少一個端部附近且設定該字電極之該端部之磁化方向；一矯頑性降低機構，其降低該第二磁性材料之矯頑性；及一電傳導位元電極，其經形成以便亦充當該第二磁性材料或與該第二磁性材料平行形成，連續形成該位元電極以便與該字電極交叉，該方法包括以下步驟：藉由流經該字電極之一電流改變該第一磁性材料之磁化方向；及藉由該矯頑性降低機構降低該第二磁性材料之矯頑性以將該第二磁性材料之磁化方向改變為對應於該第一磁性材料之該磁化之該方向之一方向。
如請求項8之用於驅動一資訊儲存元件之方法，其中該位元電極亦充當該矯頑性降低機構，且在降低該第二磁性材料之矯頑性中藉由使一電流流經該位元電極降低該第二磁性材料之該矯頑性。
如請求項9之用於驅動一資訊儲存元件之方法，其中藉由熱產生、一電流磁場及由於流經該位元電極之該電流引起之應力變化之至少一者之動作降低該第二磁性材料之該矯頑性。
一種用於驅動一資訊儲存元件之方法，該資訊儲存元件包含：一字電極，其包含連續形成且係電傳導之一第一磁性材料；一非磁性薄膜，其與該字電極之該第一磁性材料相接觸而形成；一第二磁性材料，其經由該非磁性薄膜連接至該第一磁性材料；一磁化設定機構，其佈置在該字電極之兩個端部之至少一個端部附近且設定該字電極之該端部之磁化方向；一矯頑性降低機構，其降低該第二磁性材料之矯頑性；及一電傳導位元電極，其經形成以便亦充當該第二磁性材料或與該第二磁性材料平行形成，連續形成該位元電極以便與該字電極交叉，該方法包括以下步驟：當使一電流流經該字電極時，偵測由該第一磁性材料、該非磁性薄膜及該第二磁性材料組態之一磁阻效應元件之電阻，且基於由於改變該第一磁性材料之磁化方向而發生之一變化讀出該第二磁性材料中記錄的資訊。
如請求項11之用於驅動一資訊儲存元件之方法，其中形成該位元電極以便亦充當該第二磁性材料或與該第二磁性材料接觸且與該第二磁性材料平行形成，且在讀出資訊中使一電流亦在該位元電極及該字電極間流動以便偵測該磁阻效應元件之該電阻。