專利名稱：磁存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法，特別涉及一種使用自旋注入式磁阻效應(yīng)元件的磁存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
近年來，作為可重寫非易失性存儲(chǔ)器，包括以矩陣方式設(shè)置的多個(gè)磁阻效應(yīng)元件的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(以下稱為MRAM)受到關(guān)注。MRAM使用兩個(gè)磁性層的磁化方向的組合來存儲(chǔ)信息，并通過檢測(cè)兩個(gè)磁性層的磁化方向彼此平行時(shí)的電阻與兩個(gè)磁性層的磁化方向彼此反平行(anti-parallel)時(shí)的電阻之間的電阻變化(即，電流變化或電壓變化)，來讀出該信息。
GMR(巨磁阻)元件和TMR(隧道磁阻)元件是公知的用于形成MRAM的磁阻效應(yīng)元件。其中，作為用于MRAM中的磁阻效應(yīng)元件，TMR元件能夠提供較大的電阻變化，從而受到關(guān)注。TMR元件包括彼此疊置的兩個(gè)鐵磁性層，并且在所述兩個(gè)鐵磁性層之間形成隧道絕緣膜，而且TMR元件利用下述現(xiàn)象經(jīng)由隧道絕緣膜在兩個(gè)磁性層之間流動(dòng)的隧道電流根據(jù)兩個(gè)鐵磁性層的磁化方向之間的關(guān)系而變化。換言之，當(dāng)所述兩個(gè)鐵磁性層的磁化方向彼此平行時(shí)，TMR元件具有較低的元件電阻；當(dāng)所述兩個(gè)鐵磁性層的磁化方向彼此反平行時(shí)，TMR元件具有較高的元件電阻。這兩種狀態(tài)與數(shù)據(jù)“0”和數(shù)據(jù)“1”相關(guān)，從而可將TMR元件用作存儲(chǔ)器。
作為寫入磁阻效應(yīng)元件的方法，通常使用下述方法(電流磁場(chǎng)寫方法)使電流在通常彼此交叉的兩個(gè)信號(hào)線(例如位線和寫字線)中流動(dòng)；將由上述信號(hào)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)的合成磁場(chǎng)施加至MTJ元件，以改變與施加的磁場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的所述兩個(gè)鐵磁性層(自由磁化層)中的一個(gè)鐵磁性層的磁化方向。
但是，在這種方法中，電功耗和可靠性取決于位線和寫字線產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)的產(chǎn)生效率以及自由磁化層向外部磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)的容易程度。尤其是當(dāng)為了獲得更高的存儲(chǔ)密度而進(jìn)一步減小磁阻效應(yīng)元件的尺寸時(shí)，自由磁化層的退磁場(chǎng)增加，這使得自由磁化層的磁化反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Hc增加。換言之，隨著集成度變高，寫電流增加，從而電功耗增加。
為解決上述問題，提出一種所謂的覆層(clad)結(jié)構(gòu)，其中除了與磁阻效應(yīng)元件相對(duì)的表面以外，位線和寫字線的外圍被屏蔽以使磁通集中。但是，自由磁化層的磁化反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與尺寸減小成反比地增加，且現(xiàn)有的電流磁寫方法使寫電流急劇增加，事實(shí)上這將使寫操作非常困難。
在寫數(shù)據(jù)時(shí)，將電流施加至位線和寫字線，以通過合成磁場(chǎng)使指定選擇的元件的自由磁化層的磁化反轉(zhuǎn)。此時(shí)，電流磁場(chǎng)作用于連接至施加有電流的位線和寫字線的多個(gè)未被選擇的元件。將處于這種狀態(tài)下的元件定義為處于半選擇狀態(tài)；磁化反轉(zhuǎn)趨向于不穩(wěn)定地產(chǎn)生，這會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤操作。在與選擇晶體管連接的MRAM中，除了位線和字線以外，用于寫操作的寫字線也是必需的，這使得裝置結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜化。
有鑒于此，近年來自旋注入磁化反轉(zhuǎn)元件受到關(guān)注。與GMR元件和TMR元件類似，自旋注入磁化反轉(zhuǎn)元件是包括兩個(gè)磁性層、并且在兩個(gè)磁性層之間形成有絕緣膜或非磁性金屬層的磁阻效應(yīng)元件。
在自旋注入磁化反轉(zhuǎn)元件中，當(dāng)電流垂直于膜表面從自由磁化層流向釘扎磁層時(shí)，自旋極化傳導(dǎo)電子從釘扎磁化層流向自由磁化層，以與自由磁化層中的電子進(jìn)行交換作用，從而在電子之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，并且當(dāng)轉(zhuǎn)矩足夠大時(shí)，自由磁化層的磁矩從反平行反轉(zhuǎn)為平行。另一方面，當(dāng)反向施加電流時(shí)，與上述作用相反的作用的效果可以將磁矩從平行反轉(zhuǎn)為反平行。換言之，自旋注入磁化反轉(zhuǎn)元件是一種能夠僅通過電流控制而引起自由磁化層的磁化反轉(zhuǎn)以重寫存儲(chǔ)狀態(tài)的存儲(chǔ)元件。
在自旋注入磁化反轉(zhuǎn)元件中，即使元件尺寸減小，磁化反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Hc增加，反轉(zhuǎn)電流也能由于體積的減小效應(yīng)而下降。與電流磁場(chǎng)寫元件相比，自旋注入磁化反轉(zhuǎn)元件非常有利于增加容量和降低電功耗。此外，不需要寫字線，這使得裝置結(jié)構(gòu)和制造方法簡(jiǎn)化。
現(xiàn)有技術(shù)在例如參考文獻(xiàn)1(日本特開2000-195250號(hào)公報(bào))、參考文獻(xiàn)2(日本特開2002-299584號(hào)公報(bào))、參考文獻(xiàn)3(T.Miyazaki等，“Fe/Al2O3/Fe結(jié)中的巨磁隧道效應(yīng)(Giant magnetic tunneling effect inFe/Al2O3/Fe junction)”，J.Magn.Magn.Mater.，139，p.L231(1995))、參考文獻(xiàn)4(K.Yagami等，“自旋注入磁化反轉(zhuǎn)的研究動(dòng)向(Study trend ofspin-injection magnetization reversal)”，journal of the magnetic society for Japan，Vol.28 No.9，2004，pp.937-948)、參考文獻(xiàn)5(J.A.Katine等，“Co/Cu/Co柱中電流驅(qū)動(dòng)磁化反轉(zhuǎn)及自旋波激勵(lì)(Current-driven magnetization reversaland spin-wave excitation in Co/Cu/Co pillars)”，Phys.Rev.Lett.，84，p.3149(2000))、參考文獻(xiàn)6(L.Berger，“通過快速提高電流脈沖來阻止磁疇壁的運(yùn)動(dòng)(Motion of a magnetic domain wall traversed by fast-rising current pulses)”，J.Appl.Phys.，71，p.2721(1992))、以及參考文獻(xiàn)7(A.Yamaguchi等，“亞微磁線中電流驅(qū)動(dòng)疇壁運(yùn)動(dòng)的實(shí)空間觀測(cè)(Real-space observation ofcurrent-driven domain wall motion in submicron magnetic wires)”，Phy.Rev.Lett.，92，p.077205-1(2004))中公開。
但是，在電流垂直于膜表面流動(dòng)的自旋注入磁化反轉(zhuǎn)元件中，每次寫操作必須重復(fù)流入大電流。因而，在阻擋層中經(jīng)常產(chǎn)生介電擊穿和針孔(pinhole)，并且經(jīng)常由于電子遷移而使互連斷開。這將導(dǎo)致裝置的可靠性下降。
通常，TMR元件具有非常高的元件自身電阻，并且對(duì)于自旋注入寫操作而言，阻擋層的厚度必須不大于1nm。但是，阻擋層變薄本質(zhì)上使得MR比(磁化平行狀態(tài)與反平行狀態(tài)之間的電阻變化率)大幅下降，并使得實(shí)際上對(duì)于裝置很重要的S/N比下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高阻擋層的可靠性和輸出的S/N比的磁存儲(chǔ)裝置及其驅(qū)動(dòng)方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，提供一種磁存儲(chǔ)裝置，其包括磁阻效應(yīng)元件和寫電流施加電路。其中該磁存儲(chǔ)裝置包括第一磁性層，其具有沿第一方向釘扎的磁化；非磁性層，其形成在該第一磁性層上；以及第二磁性層，其形成在該非磁性層上，并具有沿所述第一方向磁化的第一磁疇，以及設(shè)置為與該第一磁疇沿所述第一方向相鄰、并沿與所述第一方向相反的第二方向磁化的第二磁疇。該寫電流施加電路使寫電流沿所述第一方向或所述第二方向流至該第二磁性層，以使該第一磁疇與該第二磁疇之間的磁疇壁移動(dòng)，并控制該第二磁性層的、與該第一磁性層相對(duì)的一部分的磁化方向。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供一種用于驅(qū)動(dòng)磁存儲(chǔ)裝置的方法，該磁存儲(chǔ)裝置包括磁阻效應(yīng)元件。其中該磁存儲(chǔ)裝置包括第一磁性層，其具有沿第一方向針扎的磁化；非磁性層，其形成在該第一磁性層上；以及第二磁性層，其形成在該非磁性層上，并具有沿所述第一方向磁化的第一磁疇，以及設(shè)置為與該第一磁疇沿所述第一方向相鄰、并沿與所述第一方向相反的第二方向磁化的第二磁疇。該方法包括如下步驟使所述第一方向或所述第二方向的寫電流在該第二磁性層中流動(dòng)，以使該第一磁疇與該第二磁疇之間的磁疇壁移動(dòng)，并控制該第二磁性層的、與該第一磁性層相對(duì)的一部分的磁化方向。
根據(jù)本發(fā)明，磁阻效應(yīng)元件包括第一磁性層，其具有沿第一方向釘扎的磁化；非磁性層，其形成在該第一磁性層上；以及第二磁性層，其形成在該非磁性層上，并具有沿所述第一方向磁化的第一磁疇，以及設(shè)置為與該第一磁疇沿所述第一方向相鄰、并沿與所述第一方向相反的第二方向磁化的第二磁疇。通過使寫電流沿平面內(nèi)在該第二磁性層中流動(dòng)，從而使該第一磁疇與該第二磁疇之間的磁疇壁移動(dòng)，以控制該第二磁性層的、與該第一磁性層相對(duì)的一部分的磁化方向，由此重寫該磁阻效應(yīng)元件的存儲(chǔ)信息。因而寫電流不必在非磁性層中流動(dòng)。這能夠防止非磁性層的惡化，并延長磁存儲(chǔ)裝置的壽命。因此，能夠提高可靠性。
寫電流不經(jīng)由非磁性層流動(dòng)，這使得與傳統(tǒng)自旋注入磁化反轉(zhuǎn)式磁阻效應(yīng)元件相比，非磁性層可以更薄。從而能夠增加磁阻效應(yīng)元件的MR比，并提高輸出的S/N比。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的俯視圖。
圖2A和圖2B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的示意剖視圖。
圖3A-圖3C為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的工作原理的俯視圖。
圖4A和圖4B為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的工作原理的剖視圖。
圖5為磁阻效應(yīng)元件的阻擋層膜厚與MR比的關(guān)系圖。
圖6A-圖6C、圖7A-圖7B、圖8A-圖8B、圖9A-圖9C、圖10A-圖10B和圖11A-圖11B為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例在磁存儲(chǔ)裝置的制造方法步驟中磁存儲(chǔ)裝置的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1-圖11B，說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置及其制造方法。
圖1為根據(jù)本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的俯視圖，其示出了磁存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)。圖2A和圖2B為根據(jù)本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的示意剖視圖，其示出了磁存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)。圖3A-圖3C為示出根據(jù)本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的工作原理的俯視圖。圖4A-圖4B為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的工作原理的剖視圖。圖5為磁阻效應(yīng)元件的阻擋層膜厚與MR比的關(guān)系圖。圖6A-圖11B為根據(jù)本實(shí)施例在磁存儲(chǔ)裝置的制造方法步驟中磁存儲(chǔ)裝置的剖視圖，其示出了該方法。
首先，參照?qǐng)D1和圖2A-圖2B說明根據(jù)本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)。圖2A為沿圖1中A-A′線的剖視圖，圖2B為沿圖1中B-B′線的剖視圖。
用于限定元件區(qū)的元件隔離膜12形成于硅襯底10上。元件區(qū)的形狀為沿X方向延長的矩形。
在形成有元件隔離膜12的硅襯底10上形成沿Y方向延伸的字線WL。在字線WL兩側(cè)的元件區(qū)中形成源極/漏極區(qū)16、18。因此，在元件區(qū)中形成選擇晶體管，該選擇晶體管包括由字線WL形成的柵極14以及源極/漏極區(qū)16、18。
在形成有選擇晶體管的硅襯底10上形成層間絕緣膜20。在層間絕緣膜20中，形成連接至源極/漏極區(qū)16的接觸塞24。在形成有接觸塞24的層間絕緣膜20上形成源極線26，該源極線26沿Y方向延伸并經(jīng)由接觸塞24電連接至源極/漏極區(qū)16。
在形成有源極線26的層間絕緣膜20上形成層間絕緣膜28。在層間絕緣膜28上形成沿X方向延伸的讀位線30。
在形成有讀位線30的層間絕緣膜28上形成層間絕緣膜32。在層間絕緣膜32中，形成連接至讀位線30的接觸塞36。在形成有接觸塞36的層間絕緣膜32上形成下電極層38，該下電極層38經(jīng)由接觸塞36電連接至讀位線30。
在下電極層38上形成反鐵磁性層40、釘扎磁化層(第一磁性層)42以及阻擋層(非磁性層)50。在形成有下電極層38、反鐵磁性層40、釘扎磁化層42以及阻擋層50的層間絕緣膜32上，形成層間絕緣膜44，該層間絕緣膜44將下電極層38、反鐵磁性層40、釘扎磁化層42以及阻擋層50埋入，并露出阻擋層50的上表面。在層間絕緣膜44、32、28、20中，形成連接至源極/漏極區(qū)18的接觸塞48。
在層間絕緣膜44上形成自由磁化層(第二磁性層)52，該自由磁化層52經(jīng)由接觸塞48電連接至源極/漏極區(qū)18，并與釘扎磁化層42相對(duì)，而且在自由磁化層52與釘扎磁化層42之間形成阻擋層50。從而形成包括反鐵磁性層40、釘扎磁化層42、阻擋層50以及自由磁化層52的磁阻效應(yīng)元件54。磁阻效應(yīng)元件54具有沿X方向延伸的自由磁化層52以及設(shè)置于中央的釘扎磁化層42，并且在自由磁化層52與釘扎磁化層42之間形成阻擋層50。
在形成有自由磁化層52的層間絕緣膜44上，形成層間絕緣膜56。在層間絕緣膜56中，形成連接至自由磁化層52的接觸塞60。在形成有接觸塞60的層間絕緣膜56上形成寫位線62，該寫位線62沿X方向延伸并經(jīng)由接觸塞60電連接至自由磁化層52。
由此形成自旋注入磁存儲(chǔ)裝置，其包括由一個(gè)選擇晶體管和一個(gè)磁阻效應(yīng)元件構(gòu)成的存儲(chǔ)單元。
如上所述，在根據(jù)本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置中，磁阻效應(yīng)元件54的自由磁化層52沿X方向延長，寫電流可以沿自由磁化層52的長度方向在平面內(nèi)流動(dòng)。釘扎磁化層42設(shè)置于磁阻效應(yīng)元件54的自由磁化層52的中央部分，并且釘扎磁化層42與自由磁化層52之間形成阻擋層50，以使讀電流可以垂直于平面流動(dòng)。
接著，參照?qǐng)D3A-圖4B說明根據(jù)本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的磁阻效應(yīng)元件54的工作原理。
如圖3A所示，自由磁化層52沿X方向延長。在自由磁化層52中分別靠近其兩端的位置形成梯形槽口(notch)72，以減小自由磁化層52的寬度。在自由磁化層52的中央形成釘扎磁化層42，并且自由磁化層52與釘扎磁化層42之間形成阻擋層(未示出)。
在此，假定自由磁化層52的磁疇的磁化方向相對(duì)于磁疇壁70彼此相反。換言之，在圖3A中，自由磁化層52的右側(cè)的磁化方向?yàn)樽笙颍杂纱呕瘜?2的左側(cè)的磁化方向?yàn)橛蚁?。假定圖3A中釘扎磁化層42的磁化方向?yàn)橛蚁?。磁疇的磁化方向相?duì)于磁疇壁彼此相反是鐵磁材料的一般屬性。
在圖3A所示的狀態(tài)中，當(dāng)電流沿自由磁化層52的長度方向在自由磁化層的平面內(nèi)流動(dòng)時(shí)，磁疇壁70沿電子自旋的方向移動(dòng)。例如，在圖3A中，當(dāng)電流I向右流動(dòng)時(shí)，電子向左自旋，磁疇壁70向左移動(dòng)(圖3B)。在圖3A中，當(dāng)電流I向左流動(dòng)時(shí)，電子向右自旋，磁疇壁70向右移動(dòng)(圖3C)。
此時(shí)，磁疇壁70向左或向右移動(dòng)而超出形成釘扎磁化層42的區(qū)域，與釘扎磁化層42相對(duì)的部分自由磁化層52的磁化方向改變，其中釘扎磁化層42與自由磁化層52之間具有阻擋層50。
換言之，如圖4A-圖4B所示，當(dāng)磁疇壁70向左移動(dòng)而超出釘扎磁化層42時(shí)，與釘扎磁化層42相對(duì)的部分自由磁化層52的磁化方向?yàn)樽笙?，并且釘扎磁化?2的磁化方向和自由磁化層52的磁化方向彼此反平行(高阻狀態(tài))(圖4A)。相反地，當(dāng)磁疇壁70向右移動(dòng)而超出釘扎磁化層42時(shí)，與釘扎磁化層42相對(duì)的部分自由磁化層52的磁化方向?yàn)橛蚁?，并且釘扎磁化?2的磁化方向和自由磁化層52的磁化方向彼此平行(低阻狀態(tài))(圖4B)。
因此，利用由電子自旋注入導(dǎo)致的磁疇壁移動(dòng)來限定磁阻效應(yīng)元件磁化方向?yàn)槠叫泻头雌叫械膬芍禒顟B(tài)。
但是，在以簡(jiǎn)單的細(xì)線結(jié)構(gòu)形成的自由磁化層52中，磁疇壁70沿電子自旋的方向連續(xù)移動(dòng)。為了防止這一問題，在自由磁化層52中靠近其兩端的位置設(shè)置槽口72。眾所周知，細(xì)線結(jié)構(gòu)具有諸如裂紋或切口之類的缺陷，因此磁疇壁的移動(dòng)將釘扎在上述缺陷位置。因而，在自由磁化層52中靠近其兩端的位置設(shè)置被稱為磁疇壁釘扎位置(site)的槽口72，從而能夠控制磁疇壁70的移動(dòng)范圍，并提高寫操作的穩(wěn)定性。
槽口72不必為如圖所示的梯形，楔型、矩形、半圓形或其它形狀的槽口72也能提供相同的效果?？梢愿鶕?jù)裝置結(jié)構(gòu)自由選擇槽口72的形狀。
在單一的鐵磁細(xì)線中，磁化方向沿細(xì)線長度方向延伸，細(xì)線的兩端均為磁極，在這種情況下通常難以產(chǎn)生磁疇壁。但是，當(dāng)細(xì)線具有不規(guī)則形時(shí)，趨向于在細(xì)線的一些部分處產(chǎn)生磁疇壁。例如，已經(jīng)確認(rèn)在寬度為240nm的細(xì)線的端部形成500nm的菱形圖形，并以與細(xì)線的延伸方向呈26度的角度施加外部磁場(chǎng)的情況下，可以在沒有磁疇壁的細(xì)線中產(chǎn)生磁疇壁(例如，參見參考文獻(xiàn)7)。同樣在本實(shí)施例中，也可以采用這種方法在自由磁化層52中產(chǎn)生磁疇壁。
接下來，將說明根據(jù)本實(shí)施例用于在磁存儲(chǔ)裝置中進(jìn)行寫操作的方法。
對(duì)圖2A和圖2B所示的磁存儲(chǔ)裝置中的寫操作而言，使用寫位線62、源極線26和字線WL(柵極14)，而讀位線30懸空(float)。
當(dāng)指定驅(qū)動(dòng)電壓施加至字線WL且選擇晶體管導(dǎo)通時(shí)，在寫位線62與源極線26之間形成彼此串聯(lián)的寫位線62-接觸塞60-自由磁化層52-接觸塞48-選擇晶體管-源極線26的電流路徑。在該電流路徑中，指定的寫電流可以沿自由磁化層52的平面內(nèi)方向流動(dòng)。因而，可適當(dāng)?shù)馗淖冸娏髀窂街辛鲃?dòng)的電流的方向，從而在磁阻效應(yīng)元件54中存儲(chǔ)所需信息。
例如，寫電流從源極線26向?qū)懳痪€62流動(dòng)，從而在自由磁化層52中，磁疇壁70沿圖3B所示的方向移動(dòng)，并且磁阻效應(yīng)元件為高阻狀態(tài)。寫電流從寫位線62向源極線26流動(dòng)，從而在自由磁化層52中，磁疇壁70沿圖3C所示的方向移動(dòng)，并且磁阻效應(yīng)元件為低阻狀態(tài)。
在如上所述利用由電子自旋注入使磁疇壁移動(dòng)而進(jìn)行磁阻效應(yīng)元件54的寫操作時(shí)，寫電流不必垂直于平面(即經(jīng)由阻擋層50)流動(dòng)。因而，阻擋層50不會(huì)由于寫操作而惡化(degradation)，從而可以提高可靠性，例如元件壽命等。
在包括多個(gè)磁阻效應(yīng)元件54的磁存儲(chǔ)裝置中，當(dāng)多個(gè)磁阻效應(yīng)元件54的位信息同時(shí)初始化時(shí)，沿一個(gè)方向施加強(qiáng)外部磁場(chǎng)很有效。
接下來，將說明根據(jù)本實(shí)施例用于在磁存儲(chǔ)裝置中進(jìn)行讀操作的方法。
在圖2A和圖2B所示的磁存儲(chǔ)裝置中的讀操作中，使用讀位線30、源極線26和字線WL(柵極14)，而寫位線62懸空。
當(dāng)指定驅(qū)動(dòng)電壓施加至字線WL且選擇晶體管導(dǎo)通時(shí)，在讀位線30與源極線26之間形成彼此串聯(lián)的讀位線30-接觸塞36-磁阻效應(yīng)元件54-接觸塞48-選擇晶體管-源極線26的電流路徑。在該電流路徑中，讀電流可以垂直于平面向磁阻效應(yīng)元件54流動(dòng)。因而，電流沿該電流路徑流動(dòng)，并檢測(cè)輸出至讀位線30的電壓，從而可以判斷磁阻效應(yīng)元件54的電阻狀態(tài)。
接下來，將論證根據(jù)本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)裝置的特性。
首先，將說明磁存儲(chǔ)裝置的電功耗。
當(dāng)磁阻效應(yīng)元件的實(shí)電阻(不包括電路等的寄生電阻)RTMR為5KΩ、元件面積S為0.01μm2以及寫電壓VW為500mV時(shí)，寫電流垂直于平面流動(dòng)的傳統(tǒng)MRAM(以下稱為CPP(電流垂直于平面)型MRAM)的寫電流IW為IW＝VW/RTMR＝0.1mA。
因而，寫操作的電功耗W為W＝VW×IW＝500mV×0.1mA＝50μW。
另一方面，在根據(jù)本實(shí)施例的寫電流沿自由磁化層的平面內(nèi)方向流動(dòng)的MRAM(以下稱為CIP(電流沿平面內(nèi)方向)型MRAM)中，當(dāng)NiFe自由磁化層52的截面積S為240nm×10nm、寫電流IW＝Jc×S＝3.12mA、Fe的電阻率ρFe＝1.0×10-7Ω·cm、以及磁疇壁的移動(dòng)距離L為1.5μm時(shí)，自由磁化層的實(shí)電阻R為R＝ρFe×L/S＝1.0×10-7Ω·cm×1.5μm/(240nm×10nm)＝0.628Ω。
因而，將磁疇壁移動(dòng)1.5μm所需的電功耗W為W＝I2×R(3.12mA)2×0.628Ω＝6.1μW。
可見，本實(shí)施例與CPP型MRAM相比，能夠?qū)㈦姽慕档?個(gè)數(shù)量級(jí)(one place)。這是由以下事實(shí)導(dǎo)致的在CPP型MRAM中，阻擋層的隧道電阻非常高；而在CIP型MRAM中，導(dǎo)電在金屬中進(jìn)行，因而電阻非常低。
接下來，將說明磁阻效應(yīng)元件的輸出。
圖5為使用MgO作為阻擋層的磁阻效應(yīng)元件的阻擋層厚度與MR比的關(guān)系圖。MR比為磁阻效應(yīng)元件的釘扎磁化層和自由磁化層的平行磁化方向與反平行磁化方向之間的電阻變化率。隨著MR比的提高，讀取裕量(readmargin)變大，這表明S/N比增加。
如圖所示，可見當(dāng)MgO的膜厚約為1.5nm時(shí)，MR比接近100％。但是，當(dāng)MgO的膜厚下降至0.9nm時(shí)，MR比下降至不大于10％。
在傳統(tǒng)CPP型MRAM中，由于存在阻擋層，所以磁阻效應(yīng)元件自身的元件電阻較高，并且為了降低寫操作的電功耗，必須犧牲輸出特性而使阻擋層變薄。另一方面，在根據(jù)本實(shí)施例的CIP型MRAM中，阻擋層的存在與寫操作的電功耗無關(guān)，而僅考慮讀操作的施加電壓，將磁阻效應(yīng)元件設(shè)計(jì)為形成用于高輸出的膜厚的阻擋層。因而與CPP型MRAM相比能夠大幅提高S/N比。
接下來，將說明磁阻效應(yīng)元件的寫速度。
在根據(jù)本實(shí)施例的CIP型MRAM中，當(dāng)自由磁化層52的截面積S為240nm×10nm以及寫電流IW＝Jc×S＝3.12mA時(shí)，當(dāng)施加0.5微秒(μsec)的寫電流脈沖時(shí)，磁疇壁移動(dòng)約1.5μm。根據(jù)上述結(jié)果計(jì)算出的磁疇壁的平均移動(dòng)速度為3m/sec。
當(dāng)假定磁阻效應(yīng)元件的自由磁化層52的存儲(chǔ)部分的長度為200nm時(shí)，將磁疇壁移動(dòng)與該長度對(duì)應(yīng)的距離所需的時(shí)間為67納秒(nsec)。考慮到閃存的寫速度為微秒數(shù)量級(jí)，根據(jù)本實(shí)施例的CIP型MRAM的寫速度實(shí)際上已足夠高。
接下來，參照?qǐng)D6A-圖11B說明根據(jù)本實(shí)施例用于制造磁存儲(chǔ)裝置的方法。圖6A-圖8B為該磁存儲(chǔ)裝置的制造方法步驟中沿圖1的A-A′線的剖視圖，圖9A-圖11B為該磁存儲(chǔ)裝置的制造方法步驟中沿圖1的B-B′線的剖視圖。
首先，通過例如STI(淺槽隔離)方法在硅襯底10上形成用于限定元件區(qū)的元件隔離膜12。
然后，在由元件隔離膜12限定的元件區(qū)中，以與通常MOS晶體管的制造方法相同的方法形成選擇晶體管，該選擇晶體管包括柵極14以及源極/漏極區(qū)16、18(圖6A和圖9A)。
接著，在形成有選擇晶體管的硅襯底10上，通過例如CVD方法來沉積氧化硅膜，并通過CMP方法平坦化該氧化硅膜的表面，以形成由氧化硅膜構(gòu)成的層間絕緣膜20。
接著，在層間絕緣膜20中通過光刻和干蝕刻形成向下延伸至源極/漏極區(qū)16的接觸孔22。
接著，通過例如CVD方法沉積作為阻擋金屬的氮化鈦膜和鎢膜，對(duì)這些導(dǎo)電膜進(jìn)行回蝕或回拋光，以形成埋入接觸孔22且電連接至源極/漏極區(qū)16的接觸塞24。
接著，在埋有接觸塞24的層間絕緣膜20上，沉積導(dǎo)電膜并圖案化以形成源極線26，該源極線26經(jīng)由接觸塞24電連接至源極/漏極區(qū)16(圖6B和圖9B)。
然后，通過例如CVD方法，在形成有源極線26的層間絕緣膜20上沉積氧化硅膜，并通過CMP方法平坦化該氧化硅膜的表面，以形成由氧化硅膜構(gòu)成的層間絕緣膜28。
接著，在層間絕緣膜28上沉積導(dǎo)電膜并圖案化以形成讀位線30(圖9C)。
然后，在形成有讀位線30的層間絕緣膜28上，通過例如CVD方法沉積氧化硅膜，并通過CMP方法平坦化該氧化硅膜的表面，以形成由氧化硅膜構(gòu)成的層間絕緣膜32。
然后，在層間絕緣膜32中形成向下延伸至讀位線30的接觸孔34。
然后，沉積作為阻擋金屬的氮化鈦膜和鎢膜，對(duì)這些導(dǎo)電膜進(jìn)行回蝕或回拋光，以形成埋入接觸孔34且電連接至讀位線30的接觸塞36(圖6C和圖10A)。
接著，在埋有接觸塞36的層間絕緣膜32上，順序沉積Ta膜、PtMn膜、CoFe膜、Ru膜、CoFeB膜和MgO膜。
接著，圖案化MgO膜、CoFeB膜、Ru膜、CoFe膜和PtMn膜，以形成反鐵磁性層40、釘扎磁化層42以及阻擋層50，其中反鐵磁性層40形成于Ta膜上且由PtMn膜構(gòu)成，釘扎磁化層42形成于反鐵磁性層40上且由合成鐵磁結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該合成鐵磁結(jié)構(gòu)為CoFeB膜42c/Ru膜42b/CoFe膜42a的疊層膜結(jié)構(gòu)，阻擋層50形成于釘扎磁化層42上且由MgO膜構(gòu)成。
然后，通過光刻和干蝕刻圖案化Ta膜，以形成由Ta膜構(gòu)成的下電極層38(圖7A和圖10B)。
接著，在形成有下電極層38、反鐵磁性層40、釘扎磁化層42以及阻擋層50的層間絕緣膜32上，通過例如CVD方法沉積氧化硅膜，并通過CMP方法拋光該氧化硅膜的表面直至露出阻擋層50，以形成由氧化硅膜構(gòu)成的層間絕緣膜44。
接著，在層間絕緣膜44中，通過光刻和干蝕刻形成向下延伸至源極/漏極區(qū)18的接觸孔46。
接著，通過例如CVD方法沉積作為阻擋金屬的氮化鈦膜和鎢膜，并對(duì)這些導(dǎo)電膜進(jìn)行回蝕或回拋光，以形成埋入接觸孔46且電連接至源極/漏極區(qū)18的接觸塞48(圖7B)。
接著，在埋有接觸塞48的層間絕緣膜44上，通過例如濺射方法沉積NiFe膜。
接著，通過光刻和干蝕刻圖案化該NiFe膜，以在阻擋層50上形成由NiFe膜構(gòu)成的自由磁化層52。
從而形成包括反鐵磁性層40、釘扎磁化層42、阻擋層50以及自由磁化層52的TMR結(jié)構(gòu)的磁阻效應(yīng)元件54(圖8A和圖11A)。
反鐵磁性層40可由例如含有Re、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Cr、Fe、Ni、Cu、Ag和Au中的一個(gè)元素以及Mn的反鐵磁材料構(gòu)成，，該反鐵磁性層40例如為PtMn、PdPtMn、IrMn、RhMn、FeMn或其它。
釘扎磁化層42可由含有Co、Fe和Ni中的一個(gè)元素的鐵磁材料構(gòu)成，例如為CoFe、NiFe或其它。在形成合成鐵磁結(jié)構(gòu)的情況下，可使用諸如Ru、Rh、Cr或其它之類的非磁性材料作為耦合膜。
阻擋層50可由含有Mg、Al、Hf、Ti、V、Ta和Si中的一個(gè)元素的氧化物材料、氧氮化物材料以及氮化物材料構(gòu)成，例如為MgO、AlO、AlN、HfO、TiO、VO、TaO、SiO或其它。
自由磁化層52可由含有Co、Fe和Ni中的一個(gè)元素的鐵磁材料構(gòu)成，例如為CoFeB、CoFeNi、CoFeSi、CoFeBSi、FeB、CoFe、NiFe或其它。
在形成有磁阻效應(yīng)元件54的層間絕緣膜44上，通過例如CVD方法沉積氧化硅膜，然后通過CMP方法平坦化該氧化硅膜的表面，以形成由氧化硅膜構(gòu)成的層間絕緣膜56。
然后，在層間絕緣膜56中，通過光刻和干蝕刻形成向下延伸至磁阻效應(yīng)元件54的接觸孔58。
然后，通過例如CVD方法沉積作為阻擋金屬的氮化鈦膜和鎢膜，并對(duì)這些導(dǎo)電膜進(jìn)行回蝕或回拋光，以形成埋入接觸孔58且電連接至磁阻效應(yīng)元件54的接觸塞60。
接著，在埋有接觸塞60的層間絕緣膜56上，沉積導(dǎo)電膜并圖案化以形成寫位線62(圖8B和圖11B)。
然后，根據(jù)需要在寫位線62上形成絕緣層、互連層等，從而完成磁存儲(chǔ)裝置。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例，磁阻效應(yīng)元件包括釘扎磁化層，其具有釘扎于第一方向的磁化；阻擋層，其形成于該釘扎磁化層上；以及自由磁化層，其位于該阻擋層上，并具有沿第一方向磁化的第一磁疇和沿與第一方向相反的第二方向磁化的第二磁疇。在該磁阻效應(yīng)元件中，通過使寫電流沿平面內(nèi)方向在自由磁化層中流動(dòng)，從而使磁疇壁在第一磁疇與第二磁疇之間移動(dòng)，以控制與釘扎磁化層相對(duì)的部分自由磁化層的磁化方向，由此將存儲(chǔ)信息寫入該磁阻效應(yīng)元件中，因而寫電流不必經(jīng)由阻擋層流動(dòng)。這能夠防止阻擋層的惡化，并使阻擋層的壽命延長。因此，能夠提高磁存儲(chǔ)裝置的可靠性。
寫電流不流經(jīng)阻擋層，這使得與傳統(tǒng)自旋注入磁化反轉(zhuǎn)式磁阻效應(yīng)元件相比，阻擋層可以更薄，從而增加磁阻效應(yīng)元件的MR比，并提高輸出的S/N比。
改進(jìn)實(shí)施例本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，并能夠覆蓋其它多種修改。
例如，在上述實(shí)施例中，本發(fā)明應(yīng)用于包括TMR式磁阻效應(yīng)元件的磁存儲(chǔ)裝置。但是，本發(fā)明也適用于包括GMR式磁阻效應(yīng)元件的磁存儲(chǔ)裝置。在這種情況下，可設(shè)置導(dǎo)電非磁性層來取代阻擋層50。釘扎磁化層42與自由磁化層52的位置可以上下對(duì)調(diào)。
在上述實(shí)施例中，釘扎磁化層42具有由CoFeB/Ru/CoFe構(gòu)成的合成鐵磁結(jié)構(gòu)，從而能夠減少釘扎磁化層42的泄漏磁場(chǎng)。但是，釘扎磁化層可以具有例如CoFe的單層結(jié)構(gòu)。
在上述實(shí)施例中，本發(fā)明應(yīng)用于包括存儲(chǔ)單元的磁存儲(chǔ)裝置，該存儲(chǔ)單元包括一個(gè)選擇晶體管和一個(gè)磁阻效應(yīng)元件。但是，存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)并不限于上述結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的特征主要在于磁阻效應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)，只要磁存儲(chǔ)裝置包括根據(jù)本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件，則存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)、信號(hào)線的排列以及其它結(jié)構(gòu)不限于上述結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲(chǔ)裝置，包括磁阻效應(yīng)元件，其包括第一磁性層，其具有沿第一方向釘扎的磁化；非磁性層，其形成在該第一磁性層上；以及第二磁性層，其形成在該非磁性層上，并具有沿所述第一方向磁化的第一磁疇，以及設(shè)置為與該第一磁疇沿所述第一方向相鄰、并沿與所述第一方向相反的第二方向磁化的第二磁疇，以及寫電流施加電路，其使寫電流沿所述第一方向或所述第二方向流至該第二磁性層，以使該第一磁疇與該第二磁疇之間的磁疇壁移動(dòng)，并控制該第二磁性層的、與該第一磁性層相對(duì)的一部分的磁化方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中當(dāng)在該磁阻效應(yīng)元件中寫入高阻狀態(tài)時(shí)，該寫電流施加電路使寫電流沿所述第一方向流動(dòng)，以使該磁疇壁沿所述第二方向移動(dòng)，從而使該第二磁疇位于與該第一磁性層相對(duì)的部分，以及當(dāng)在該磁阻效應(yīng)元件中寫入低阻狀態(tài)時(shí)，該寫電流施加電路使寫電流沿所述第二方向流動(dòng)，以使該磁疇壁沿所述第一方向移動(dòng)，從而使該第一磁疇位于與該第一磁性層相對(duì)的部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中該磁存儲(chǔ)裝置還包括讀電流施加電路，其使讀電流經(jīng)由該第一磁性層、該非磁性層和該第二磁性層，沿與所述第一方向交叉的方向流動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中該第二磁性層具有沿所述第一方向延長的形狀，并具有分別靠近其兩端形成的、用于限制該磁疇壁移動(dòng)的槽口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中該第一磁性層沿所述第一方向的長度短于該第二磁性層，并且該第一磁性層位于該第二磁性層的中央。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁存儲(chǔ)裝置，其中該非磁性層由絕緣材料構(gòu)成。
7.一種用于驅(qū)動(dòng)磁存儲(chǔ)裝置的方法，該磁存儲(chǔ)裝置包括磁阻效應(yīng)元件，該磁阻效應(yīng)元件包括第一磁性層，其具有沿第一方向釘扎的磁化；非磁性層，其形成在該第一磁性層上；以及第二磁性層，其形成在該非磁性層上，并具有沿所述第一方向磁化的第一磁疇，以及設(shè)置為與該第一磁疇沿所述第一方向相鄰、并沿與所述第一方向相反的第二方向磁化的第二磁疇，該方法包括如下步驟使所述第一方向或所述第二方向的寫電流在該第二磁性層中流動(dòng)，以使該第一磁疇與該第二磁疇之間的磁疇壁移動(dòng)，并控制該第二磁性層的、與該第一磁性層相對(duì)的一部分的磁化方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于驅(qū)動(dòng)磁存儲(chǔ)裝置的方法，其中當(dāng)在所述磁阻效應(yīng)元件中寫入高阻狀態(tài)時(shí)，使寫電流沿所述第一方向流動(dòng)，以使該磁疇壁沿所述第二方向移動(dòng)，從而使該第二磁疇位于與該第一磁性層相對(duì)的部分，以及當(dāng)在所述磁阻效應(yīng)元件中寫入低阻狀態(tài)時(shí)，使寫電流沿所述第二方向流動(dòng)，以使該磁疇壁沿所述第一方向移動(dòng)，從而使該第一磁疇位于與該第一磁性層相對(duì)的部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于驅(qū)動(dòng)磁存儲(chǔ)裝置的方法，其中使讀電流經(jīng)由該第一磁性層、該非磁性層和該第二磁性層，沿與所述第一方向交叉的方向流動(dòng)，并基于輸出電壓值判斷該磁阻效應(yīng)元件的存儲(chǔ)信息。
全文摘要
一種磁存儲(chǔ)裝置，其包括磁阻效應(yīng)元件(54)和寫電流施加電路。其中該磁阻效應(yīng)元件(54)包括磁性層(42)，其具有沿第一方向釘扎的磁化；非磁性層(50)，其形成在該磁性層(42)上；以及磁性層(52)，其形成在該非磁性層(50)上，并具有沿所述第一方向磁化的第一磁疇，以及沿與所述第一方向相反的第二方向磁化的第二磁疇。該寫電流施加電路使寫電流沿所述第一方向或所述第二方向流動(dòng)，以使該第一磁疇與該第二磁疇之間的磁疇壁移動(dòng)，并控制該磁性層(52)的、與磁性層(42)相對(duì)的一部分的磁化方向。
文檔編號(hào)H01L43/08GK101047023SQ200610103118
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2006年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者落合隆夫, 梅原慎二郎, 蘆田裕, 佐藤雅重, 小林和雄 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社