專利名稱：磁阻效應(yīng)元件和磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻效應(yīng)元件和磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
各種類型的固態(tài)磁性存儲(chǔ)器已被開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，提出了包括每一
個(gè)表玉見(jiàn)出巨》茲阻(GMR， giant magnetoresistive )效應(yīng)的》茲阻效應(yīng)元 件的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM);具體地，使用每一個(gè)表現(xiàn)出 隧道/f茲阻(TMR, tunnel magnetoresistive)效應(yīng)的鐵J茲隧道結(jié)的》茲性 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器引起了關(guān)注。
鐵磁隧道結(jié)的MTJ (磁隧道結(jié)，Magnetic Tunnel Junction)元 件由包括第一鐵磁層、絕緣層和第二鐵磁層的三層膜形成。在讀取 時(shí)，電流隧穿絕緣層而流過(guò)。此時(shí)的結(jié)電阻值根據(jù)第一鐵磁層的磁化 和第二鐵磁層的磁化之間的相對(duì)角度的余弦而變化。因此，當(dāng)?shù)谝昏F
磁層和第二鐵磁層的磁化方向相互平行(方向相同)時(shí)，結(jié)電阻值變 得最小，而當(dāng)?shù)谝昏F磁層和第二鐵磁層的磁化方向相互反平行(彼此 方向相反)時(shí)，結(jié)電阻值變得最大。將此稱為T(mén)MR效應(yīng)。在室溫 下，由于TMR效應(yīng)導(dǎo)致的電阻值的變化有時(shí)變得大于300%。
在包括鐵磁隧道結(jié)的MTJ元件作為存儲(chǔ)單元的磁性存儲(chǔ)器件 中，將每個(gè)存儲(chǔ)單元中的至少一個(gè)鐵磁層當(dāng)作參考層，并且該鐵磁層 的磁化方向是固定的，而將另一個(gè)鐵磁層設(shè)定為記錄層。在這樣的單 元中，通過(guò)使二進(jìn)制信息"0"和"1"與參考層和記錄層之間的平行 磁化布置和反平行磁化布置相關(guān)聯(lián)，來(lái)記錄信息。傳統(tǒng)地，根據(jù)下述 技術(shù)在這樣的單元上執(zhí)行記錄信息的寫(xiě)入利用通過(guò)向與所述單元分 離地設(shè)置的寫(xiě)入導(dǎo)線施加電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使記錄層的磁化反轉(zhuǎn) (在下文中，將該技術(shù)稱作電流場(chǎng)寫(xiě)入技術(shù))。但是，通過(guò)電流場(chǎng)寫(xiě)入技術(shù)來(lái)進(jìn)行寫(xiě)入所需的電流量隨著存儲(chǔ)單元變小而變大。于是，獲 得大的存儲(chǔ)容量變得困難。近年來(lái)，已經(jīng)提出了用于代替電流場(chǎng)寫(xiě)入
技術(shù)的技術(shù)(例如請(qǐng)參見(jiàn)美國(guó)專利No.6，256，223)。通過(guò)該技術(shù)，利 用通過(guò)直接向每一個(gè)MTJ元件施加電流而從參考層注入的自旋扭矩 來(lái)反轉(zhuǎn)記錄層的磁化(在下文中，將該技術(shù)稱作自旋扭矩寫(xiě)入技 術(shù))。利用自旋扭矩寫(xiě)入技術(shù)來(lái)進(jìn)行寫(xiě)入所需的電流量特有地隨著存 儲(chǔ)單元尺寸上變小而變小，從而可以容易地獲得大的存儲(chǔ)容量。通過(guò) 向鐵磁隧道結(jié)施加電流并且檢測(cè)由TMR效應(yīng)引起的電阻變化，來(lái)執(zhí) 行從存儲(chǔ)單元讀取信息。這樣的存儲(chǔ)單元被大量地布置，以便形成磁 性存儲(chǔ)器。通過(guò)為各個(gè)單元布置開(kāi)關(guān)晶體管來(lái)形成實(shí)際的結(jié)構(gòu)，例如 如同在DRAM中，以便能夠選擇所需的單元，然后將外圍電路并入 該結(jié)構(gòu)中。
為了實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)器，需要通過(guò)使MTJ元件尺寸上較小來(lái)增 加單元在芯片中占用的空間，并且減少進(jìn)行寫(xiě)入所需的電流量。例 如，為了實(shí)現(xiàn)幾千兆比特或者更大的大容量存儲(chǔ)器，寫(xiě)入電流密度應(yīng) 當(dāng)小于1 MA/cm2。如上所述，自旋扭矩寫(xiě)入技術(shù)在實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ) 器方面是有利的。但是，進(jìn)行寫(xiě)入所需的電流密度據(jù)說(shuō)是在3 MA/cn^左右，因而，寫(xiě)入電流量的減少是不夠的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮到這些情況而做出的，本發(fā)明的目的是提供一種磁 阻效應(yīng)元件和一種磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其能夠使進(jìn)行寫(xiě)入所需的電 流最小化、進(jìn)行高速寫(xiě)入并且具有大容量。
根據(jù)本發(fā)明第一方面的磁阻效應(yīng)元件包括第一鐵磁層，具有垂 直于膜平面的不可變磁化；第二鐵磁層，具有垂直于膜平面的可變磁 化；第一非磁性層，插在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間；第三鐵磁 層，設(shè)置在第二鐵磁層的與第一非磁性層相反的一側(cè)，并且具有平行 于膜平面的可變磁化；以及第二非磁性層，插在第二鐵磁層和第三鐵 磁層之間，通過(guò)使電流在垂直于第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的膜平面的方向上流動(dòng)，將自旋極化電子注入到第二鐵磁層中，通過(guò)將自旋 極化電子從第二鐵磁層經(jīng)由第二非磁性層注入到第三鐵磁層中，在第 三鐵磁層的磁化中感應(yīng)出進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，向第二鐵》茲層施加頻率與所述進(jìn)
動(dòng)運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的^b皮磁場(chǎng)。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器包括根據(jù)所述第 一方面的磁阻效應(yīng)元件；第一導(dǎo)線，其與第一鐵磁層電連接；以及第 二導(dǎo)線，其與第三鐵磁層電連接。


圖l是按照本發(fā)明第一實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件的橫斷面圖2是用于解釋按照第一實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件的操作的透視
圖3示出了在磁性記錄層中，共振頻率和磁各向異性常數(shù)之間的 關(guān)系；
圖4A和4B示出了在磁性記錄層上進(jìn)行自旋注入寫(xiě)入的情況下 觀察到的磁化分量的磁化相關(guān)性；
圖5示出了電流密度和進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)頻率之間的關(guān)系；
圖6示出了在設(shè)置了磁化振蕩層的情況下觀察到的磁化反轉(zhuǎn)特性
和在沒(méi)有設(shè)置磁化振蕩層的情況下觀察到的磁化反轉(zhuǎn)特性； 圖7示出了微波磁場(chǎng)和磁化反轉(zhuǎn)時(shí)間之間的關(guān)系； 圖8是按照本發(fā)明第二實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件的橫斷面圖； 圖9是按照本發(fā)明第三實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件的橫斷面圖；以及 圖10是按照本發(fā)明第四實(shí)施例的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的電路圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。 (第一實(shí)施例)
圖l示出了按照本發(fā)明第一實(shí)施例的^茲阻效應(yīng)元件l。該實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件包括不可變磁化層(參考磁化層)2、隧道阻擋層 4、磁性記錄層6、間隔層8以及磁化振蕩層10。不可變磁化層2包 括鐵磁層，該鐵磁層具有基本上垂直于膜平面并且在向磁阻效應(yīng)元件 1施加電流之前和之后不可變的磁化方向。隧道阻擋層4由包含從 Mg、 Al、 Ti、 Hf等的組中選擇的元素的氧化物形成，可以通過(guò)隧穿 電子而從該層獲得所需的磁阻效應(yīng)變化。更具體地，可將氧化鎂、氧 化鋁等用作隧道阻擋層4。磁性記錄層6包括鐵磁層，該鐵磁層具有 基本上垂直于膜平面并且在向》茲阻效應(yīng)元件1施加電流之前和之后可 變的磁化方向。間隔層8包括非磁性層。磁化振蕩層10包括鐵磁 層，該鐵磁層具有基本上平行于膜平面并且可變的磁化方向。
在該實(shí)施例的》茲阻效應(yīng)元件中，^磁性記錄層6應(yīng)當(dāng)由具有足夠大 的垂直磁各向異性的磁性材料形成。因此，磁性記錄層6最佳的磁性 材料應(yīng)當(dāng)是有序合金，其包含從Fe、 Co和Ni的組中選擇的一種或 多種元素以及從Pt、 Pd的組中選擇的一種或多種元素，并且具有 L10晶體結(jié)構(gòu)。例如，可以將FePd、 CoPt等用于/f茲性記錄層6?；?者，磁性記錄層6可以由這樣的合金形成，該合金包含從Fe、 Co和 Ni的組中選擇的一種或多種元素以及從Cr、 Pt、 Pd和Ta的組中選 擇的一種或多種元素，并且具有六邊形晶體結(jié)構(gòu)。例如，可使用Co-Cr合金("-"表示對(duì)象材料為合金)、或Co-Cr-Pt、 Co-Cr-Pd、 Co-Cr-Ta等，其是通過(guò)向Co-Cr合金中添加Pt、 Pd、 Ta等形成 的。代替Co或除了Co以外，還可以使用Fe或Ni。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，描述該實(shí)施例的石茲阻效應(yīng)元件1的操作。當(dāng)向該 實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件1施加電流時(shí)，自旋極化電子從不可變磁化層 2經(jīng)由隧道阻擋層4流入》茲性記錄層6，并JU茲性記錄層6的磁化狀 態(tài)被確定(自旋注入寫(xiě)入)。例如，在不可變磁化層2的磁化方向與 磁性記錄層6的磁化方向反平行的情況下，電子從不可變磁化層2流 向磁化振蕩層10,以便反轉(zhuǎn)磁性記錄層6的磁化。然后，在不可變 磁化層2的磁化方向上極化的電子從不可變磁化層2流入磁性記錄層 6和^f茲化振蕩層10。在不可變^茲化層2的^f茲化方向與磁性記錄層6的磁化方向平行的情況下，電子從磁化振蕩層10流向不可變磁化層 2，以便反轉(zhuǎn)磁性記錄層6的磁化。然后，在與不可變磁化層2的磁 化方向相同的方向上自旋極化的電子經(jīng)過(guò)不可變磁化層2，但在不同 方向上自旋極化的電子被不可變磁化層2反射并流入磁性記錄層6和 磁化振蕩層10。以任何一種方式，在垂直于膜平面的方向上自旋極 化的電子同時(shí)從磁性記錄層6經(jīng)由間隔層8流入磁化振蕩層10。當(dāng) 使在垂直于與膜平面平行的磁化的方向上自旋極化的電流在磁化振蕩 層10中流動(dòng)時(shí)，平行于膜平面的磁化在膜平面中具有固有頻率在 GHz數(shù)量級(jí)的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。由平行于磁化振蕩層10的膜平面的 磁化，向磁性記錄層6恒定地施加方向平行于膜平面的i茲場(chǎng)。因此， 在通過(guò)自磁性記錄層6的自旋注入使平行于磁化振蕩層10的膜平面 的磁化旋轉(zhuǎn)的情況下，在磁性記錄層6中感應(yīng)出頻率在GHz數(shù)量級(jí) 的、在平面內(nèi)(in-plane)方向上旋轉(zhuǎn)的微波磁場(chǎng)。這里，微波磁場(chǎng) 可以是頻率在300 MHz-3 THz范圍內(nèi)的磁場(chǎng)。
一般來(lái)說(shuō)，磁性材料具有與微波磁場(chǎng)共振的固有共振頻率，其取 決于各向異性能量或飽和磁化。當(dāng)相對(duì)于垂直磁化在與膜平面平行的
方向上感應(yīng)出對(duì)應(yīng)于共振頻率的微波磁場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，并且垂 直于膜平面的磁化迅速地向平行于膜平面的方向傾斜，以便開(kāi)始進(jìn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)。這里，由于微波磁場(chǎng)的影響，垂直于膜平面的磁化的垂直磁各 向異性有效地變得比原始的磁各向異性小得多。因?yàn)楫?dāng)在以上述方式 在磁阻效應(yīng)元件中進(jìn)行自旋注入寫(xiě)入的同時(shí)感應(yīng)出微波磁場(chǎng)，所以自 旋注入寫(xiě)入變得更容易，并且可以使反轉(zhuǎn)所需的電流值足夠小。當(dāng)磁 性記錄層的磁化被反轉(zhuǎn)時(shí)在磁性記錄層中感應(yīng)出的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的頻率由 下式確定
這里，y表示回轉(zhuǎn)磁常數(shù)(y-1.76xl07 Hz/Oe) ，Ms表示飽和 磁化，Ku表示磁各向異性常數(shù)。上述等式相當(dāng)于一般鐵磁共振的共 振條件。圖3示出了根據(jù)上述等式進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，以便確定在Ms為700 emu/cm3的磁性記錄層中共振頻率與Ku的相關(guān)性。從圖3中 可知，在將Ms為700 emu/cm3、 Ku為3.6 Merg/cm3的材料用作磁 性記錄層的情況下，該磁性記錄層具有4.1 GHz的磁共振頻率。圖 4A示出了垂直于膜平面的方向上的磁化分量Mz和平行于膜平面的 方向上的磁化分量Mx的時(shí)間相關(guān)性，其中在Ms為700 emu/cm3、 Ku為3.6 Merg/cm3 (通過(guò)樹(shù):磁仿真而計(jì)算出)并且具有垂直于膜平 面的方向上的磁化的磁性記錄層上進(jìn)行自旋注入寫(xiě)入。從圖4A中可 以看出，在平行于膜平面的方向上的分量Mx中存在明顯振蕩現(xiàn)象。 圖4B示出了對(duì)平行于膜平面的方向上的分量Mx的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行 頻率分析的結(jié)果。從圖4B中可以看出，由該實(shí)施例的磁性記錄層6 中的自旋注入寫(xiě)入感應(yīng)出的平面內(nèi)方向進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的固有頻率約為4 GHz，其與通過(guò)微磁仿真進(jìn)行分析計(jì)算的結(jié)果相符?；谏鲜鼋Y(jié)果， 可以預(yù)測(cè)可以通過(guò)在Ms為700 emu/cm3、 Ku為3.6 Merg/cm3的 磁性記錄層6中感應(yīng)出頻率約為4 GHz的孩"皮磁場(chǎng)，使自旋注入反 轉(zhuǎn)電流較小。
在該實(shí)施例中，將磁化振蕩層10用作微波磁場(chǎng)的源，所述磁化 振蕩層10具有平行于膜平面的可變磁化方向并且當(dāng)施加寫(xiě)入電流并 且從磁性記錄層6進(jìn)行自旋注入時(shí)具有磁化振蕩?，F(xiàn)在描述在從磁性 記錄層6到磁化振蕩層10上進(jìn)行自旋注入的情況下振蕩的條件。利 用通過(guò)LLG ( Landau-Lifshitz-Gilbert)等式獲得的下式來(lái)表達(dá)當(dāng)從 磁性記錄層6到磁化振蕩層10上進(jìn)行自旋注入時(shí)所引起的振蕩頻率
、2e j
"丄 a 2加
假定
4
21 + Z^cos0
這里，Y表示回轉(zhuǎn)》茲常數(shù)，a表示阻尼常數(shù)，P表示極化，Ms 表示飽和磁化，t表示磁化振蕩層10的膜厚度，J表示磁化振蕩層
10中的電流密度，方表示通過(guò)將普朗克常數(shù)除以2tt獲得的狄拉克常數(shù)，e表示元電荷，e表示在振蕩條件下，磁化振蕩層10的磁化相
對(duì)于磁性記錄層6的磁化的相對(duì)角度。
制備包括具有垂直于膜平面的磁化的鐵磁層、非磁性層和具有平 行于膜平面的磁化的磁化振蕩層的層疊膜，并且使自旋極化電子從鐵 磁層經(jīng)由非磁性層流入磁化振蕩層。圖5示出了具有平行于膜平面的 磁化的磁化振蕩層的振蕩頻率的電流密度相關(guān)性。這里，磁化振蕩層 由具有》茲特性的材料制成，用700 emu/cm3的Ms、 0.005的oc和0.8 的P來(lái)表示所述磁特性。磁化振蕩層的膜厚度為1 nm。從圖5中可 以看出，通過(guò)施加電流密度J約為0.7 MA/cm2的電流來(lái)引起4 GHz 的振蕩?；谏鲜鼋Y(jié)果，預(yù)測(cè)由于微波磁場(chǎng)引起的輔助效應(yīng)而使反 轉(zhuǎn)電流減小，所述微波磁場(chǎng)是通過(guò)提供》茲化振蕩層和插在磁化振蕩層 和磁性記錄層6之間的非磁性層而感應(yīng)出的，所述磁化振蕩層的Ms 為700 emu/cm3、 oc為0.005、 P為0.8和t為1 nm并且具有平行于 膜平面的》茲化，所述;茲性記錄層6具有用700 emu/cm3的Ms、 3.6 Merg/ci^的Ku來(lái)表示的磁特性。此外，如圖5中所示，由于振蕩 頻率隨流入磁化振蕩層的電流而變，所以可以在信息讀取時(shí)減少錯(cuò)誤 的寫(xiě)入。
在使用自旋注入寫(xiě)入技術(shù)的磁性存儲(chǔ)器中，通常需要施加小于寫(xiě) 入電流的電流，即使在信息讀取時(shí)也不例外，以便測(cè)量電阻。因?yàn)榇?時(shí)從不可變磁化層2到磁性記錄層上進(jìn)行自旋注入，所以可能會(huì)進(jìn)行 錯(cuò)誤的寫(xiě)入。但是，在該實(shí)施例中，可以通過(guò)使磁化振蕩層10只有 利用寫(xiě)入時(shí)所用的電流值產(chǎn)生的振蕩頻率才等于磁性記錄層的磁共振 頻率，來(lái)減少讀取時(shí)的錯(cuò)誤寫(xiě)入。例如，在使用磁性記錄層6和磁化 振蕩層IO并且在讀取時(shí)流動(dòng)的電流的電流密度為0.2 MA/cm2的情況 下，磁化振蕩層10的振蕩頻率變成約為1 GHz，這與磁性記錄層6 的4 GHz的磁共振頻率相差較遠(yuǎn)。從而，不產(chǎn)生微波磁場(chǎng)的輔助效 應(yīng)，并且不在讀取時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤的寫(xiě)入。
在磁化振蕩層與;p茲性記錄層相鄰的情況下，以及在不存在f茲化振 蕩層的情況下，通過(guò)微磁仿真來(lái)計(jì)算自旋注入反轉(zhuǎn)電流值，其中所述磁化振蕩層具有隨著來(lái)自磁性記錄層的自旋注入振蕩的磁化并且具有
平行于膜平面的》茲化方向，所述磁性記錄層6具有用700 emu/cn^的 Ms、 3.6 Merg/cm3的Ku來(lái)表示的磁特性并且具有垂直于膜平面的磁 化方向，或者具有4 GHz的固有頻率。圖6示出了反轉(zhuǎn)電流值之間 的比較結(jié)果。在仿真中，將磁化振蕩層的膜平面中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的頻率 調(diào)整為約4GHz。此外，進(jìn)行距離調(diào)整，以^/f吏在平行于膜平面的方 向上感應(yīng)出的》茲場(chǎng)約為100 Oe。從圖6中可以看出，可以通過(guò)從i茲 化振蕩層向> 茲性記錄層施加約為4 GHz的孩乏波而^f吏自;J走注入寫(xiě)入所 需的反轉(zhuǎn)電流值幾乎減半。圖7示出了磁化反轉(zhuǎn)時(shí)間的頻率相關(guān)性， 其是通過(guò)調(diào)整在具有平行于膜平面的磁化方向的磁化振蕩層中的磁化 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的頻率，以及改變?cè)诰哂写怪庇谀て矫娴拇呕较虻拇判?記錄層中感應(yīng)出的樣"皮磁場(chǎng)的頻率而獲得的。在磁性記錄層的磁化的 垂直方向分量Mz為"0"的情況下獲得圖7中所示的頻率相關(guān)性。 從圖7顯而易見(jiàn)的是，使磁化反轉(zhuǎn)所需的時(shí)間在磁性記錄層的固有頻 率為4 GHz的情況下幾乎減半。從圖7中可以看出，只要微波磁場(chǎng) 的頻率在2.5 GHz-6.0 GHz范圍內(nèi)，》茲化反轉(zhuǎn)時(shí)間就變得較短，并且 存在樣"皮磁場(chǎng)的輔助效應(yīng)。這意味著，只要孩"皮磁場(chǎng)的頻率相對(duì)于磁 性記錄層4 GHz的固有頻率在62% (=2.5/4)到150% (=6.0/4)的 范圍內(nèi)，就存在輔助效應(yīng)。
在按照該實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件中，需要通過(guò)來(lái)自磁性記錄層6 的自旋注入，有效地使磁化振蕩層10具有在平行于膜平面的方向上 的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。因此，應(yīng)當(dāng)利用不會(huì)使磁性記錄層6的自旋信息發(fā)生任 何改變的材料來(lái)形成插在磁性記錄層6和/f茲化振蕩層10之間的非磁 性間隔層8。最好，間隔層8被利用包含選自Cu、 Au和Ag的組中 的至少一種元素的合金來(lái)形成，這些元素在巨型磁阻元件中被用作間 隔層。也可使用諸如Cu-Au的合金。在利用包含選自Mg、 Al、 Ti 和Hf (這些元素在隧道磁阻元件中被用作隧道阻擋層)的組中的一 種元素的氧化物來(lái)形成間隔層8的情況下，可以有效地導(dǎo)致磁化振蕩 層中的磁化反轉(zhuǎn)。如上所述，根據(jù)該實(shí)施例，可以使得導(dǎo)致磁化反轉(zhuǎn)所需的電流值 和導(dǎo)致反轉(zhuǎn)所需的時(shí)間小于在進(jìn)行傳統(tǒng)的自旋注入寫(xiě)入的情況下所需 的電流值和時(shí)間。因此，可以使寫(xiě)入電流盡可能地小，并且可以進(jìn)行 高速寫(xiě)入。而且，可以形成尺寸較小的^P茲阻效應(yīng)元件，因?yàn)槔昧俗?旋扭矩寫(xiě)入技術(shù)。
(第二實(shí)施例)
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件。除了磁化振 蕩層10具有鐵》茲地耦合的鐵乂茲層10a和10c以及插在10a和10c之 間的非磁性層10b的層疊結(jié)構(gòu)(而不是具有平行于膜平面的磁化方向 的單層鐵磁層)之外，該實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件1與圖1中所示的第 一實(shí)施例的》茲阻效應(yīng)元件1相同。鐵》茲層10a和10c中的每一個(gè)的i茲 化方向平行于膜平面。
如果在由單層鐵磁膜形成的磁化振蕩層中，以圓形、正方形或以
每個(gè)角是圓的類似正方形的形狀形成具有平行于膜平面的磁化的磁性 材料，貝'j可能會(huì)形成回流域(reflux domain )結(jié)構(gòu)。該回流域結(jié)構(gòu)可 能會(huì)阻礙平行于膜平面的磁化的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了解決該問(wèn)題，在該實(shí) 施例中使用包括鐵磁層10a、非磁性層10b和4失磁層10c的層疊膜。 利用這樣的層疊結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用將平行于膜平面的磁化以相對(duì)方式改 變180度的各向異性，從而產(chǎn)生不形成回流域的穩(wěn)定的微波磁場(chǎng)。
如同第 一 實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件，該實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件不僅 能夠使寫(xiě)入電流最小化，而且還能夠進(jìn)行高速寫(xiě)入。此外，由于使用 了自旋扭矩寫(xiě)入技術(shù)，所以可以使該實(shí)施例的/f茲阻效應(yīng)元件較小。 (第三實(shí)施例)
圖9示出了按照本發(fā)明第三實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件。該實(shí)施例的 磁阻效應(yīng)元件1與圖1中所示的第一實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件1的不同 之處在于用有序合金層6a或合金層6a和合金層6b的層疊結(jié)構(gòu)來(lái) 代替磁性記錄層6。所述有序合金層6a具有包含選自Fe、 Co、 Ni的 組中的至少一種元素以及選自Pt、 Pd的組中的至少一種元素的L10 晶體結(jié)構(gòu)。所述合金層6a由具有六邊形晶體結(jié)構(gòu)的合金形成，所述
12合金包含選自Fe、 Co和Ni的組中的至少一種元素以及選自Cr、 Ta、 Pt、 Pd的組中的至少一種元素并且具有在基本上垂直于膜平面 的方向上的》茲各向異性。所述合金層6b包含選自Fe、 Co、 Ni、 Mn 組中的至少一種元素。具有L10晶體結(jié)構(gòu)的有序合金的材料和具有 六邊形晶體結(jié)構(gòu)的合金的材料可以與第 一實(shí)施例中所用的材料相同。 合金層6b的示例性材料包括Co-Fe-B和Fe合金。此外，可以添加 Mn,以便調(diào)整飽和磁化。這里，合金層6a和6b可彼此交換耦合， 以便任何一個(gè)合金層的磁化指向基本上垂直于膜平面的方向。利用這 樣的層疊結(jié)構(gòu)，可以形成具有足夠大的垂直磁各向異性的磁性記錄 層。
如同第 一 實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件，該實(shí)施例的萬(wàn)茲阻效應(yīng)元件不僅 能夠使寫(xiě)入電流最小化，而且還能夠進(jìn)行高速寫(xiě)入。此外，由于使用 了自^走扭矩寫(xiě)入纟支術(shù)，所以可以4吏該實(shí)施例的磁阻效應(yīng)元件較小。 (第四實(shí)施例)
圖10示出了按照本發(fā)明第四實(shí)施例的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (MRAM)。該實(shí)施例的MRAM包括具有按照矩陣樣式排列的存儲(chǔ) 單元MC的存儲(chǔ)單元陣列30。所述存儲(chǔ)單元MC中的每一個(gè)具有 MTJ元件1，所述MTJ元件1是第一至第三實(shí)施例的^茲阻效應(yīng)元件之一。
在存儲(chǔ)單元陣列30中，沿著列的延伸方向布置位線對(duì)BL和 /BL。在存儲(chǔ)單元陣列30中，還沿著行的延伸方向布置字線WL。
在位線BL和字線WL之間的交叉部分處布置存儲(chǔ)單元MC。存 儲(chǔ)單元MC中的每一個(gè)包括MTJ元件1和選擇晶體管31。 MTJ元 件的一端與對(duì)應(yīng)的位線BL相連接。MTJ元件1的另一端與選擇晶 體管31的漏極端相連接。選擇晶體管31的柵極端與對(duì)應(yīng)的字線WL 相連接。選擇晶體管31的源極端子與對(duì)應(yīng)的位線/BL相連接。
行解碼器32與字線WL相連接。寫(xiě)入電路34和讀取電路35與 位線對(duì)BL和/BL相連接。列解碼器33與寫(xiě)入電路34和讀取電路35 相連接。通過(guò)行解碼器32和列解碼器33來(lái)選擇存儲(chǔ)單元MC中的每一個(gè)。
按照下述方式來(lái)進(jìn)行到存儲(chǔ)單元MC的數(shù)據(jù)寫(xiě)入。首先，為了 選捧要在其上進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入的存儲(chǔ)單元MC，激活與存儲(chǔ)單元MC相 連接的字線WL。此時(shí)，選擇晶體管31被接通。
然后，向MTJ元件1供應(yīng)雙向?qū)懭腚娏鱅w。更具體地講，在將 寫(xiě)入電流Iw從左手側(cè)向右手側(cè)供應(yīng)至MTJ元件1的情況下，寫(xiě)入 電路34向位線BL施加正電位，并且向位線/BL施加地電位。在將 寫(xiě)入電流Iw從右手側(cè)向左手側(cè)供應(yīng)至MTJ元件1的情況下，寫(xiě)入 電路34向位線/BL施加正電位，并且向位線BL施加地電位。按照 這種方式，將數(shù)據(jù)"0"或數(shù)據(jù)"1"寫(xiě)入存儲(chǔ)單元MC。
按照下述方式進(jìn)行從存儲(chǔ)單元MC的數(shù)據(jù)讀取。首先，選擇存 儲(chǔ)單元MC之一。讀取電路35供應(yīng)從右手側(cè)流向左手側(cè)至MTJ元 件1的讀取電流Ir。基于所述讀取電流Ir，讀取電路35檢測(cè)MTJ 元件1的電阻值。按照這種方式，可以讀出存儲(chǔ)在MTJ元件1中的
4各息。
如上所述，才艮據(jù)該實(shí)施例，可以利用MTJ元件1來(lái)形成 MRAM，所述MTJ元件1是按照第一至第三實(shí)施例之一的磁阻效應(yīng) 元件。通過(guò)使用其是按照第一至第三實(shí)施例中的一個(gè)實(shí)施例的磁阻效 應(yīng)元件的MTJ元件1，可以形成尺寸較小的器件，并且可以使寫(xiě)入 電流最小化。此外，可以進(jìn)行高速寫(xiě)入。
本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到其它優(yōu)點(diǎn)和修改。因此，本發(fā)明在其更 廣的方面不限于這里所示和所述的具體細(xì)節(jié)和代表性實(shí)施例。所以， 可在不脫離所附權(quán)利要求及其等同權(quán)利要求所限定的一般發(fā)明概念的 精神或范圍的情況下，進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1. 一種磁阻效應(yīng)元件，包括第一鐵磁層，具有垂直于膜平面的不可變磁化；第二鐵磁層，具有垂直于膜平面的可變磁化；第一非磁性層，插在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間；第三鐵磁層，設(shè)置在第二鐵磁層的與第一非磁性層相反的一側(cè)，并且具有平行于膜平面的可變磁化；以及第二非磁性層，插在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間，通過(guò)使電流在垂直于第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的膜平面的方向上流動(dòng)，將自旋極化電子注入到第二鐵磁層，通過(guò)將自旋極化電子從第二鐵磁層經(jīng)由第二非磁性層注入到第三鐵磁層，在第三鐵磁層的磁化中感應(yīng)出進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，向第二鐵磁層施加頻率與所述進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的微波磁場(chǎng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第二非磁性層是包 含選自包括Cu、 Au和Ag的組中的至少一種元素的合金。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第二非磁性層是包 含選自包括Mg、 Al、 Ti和Hf的組中的至少一種元素的氧化物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第三鐵磁層具有包 括第三非磁性層和第一、第二鐵磁膜的層疊結(jié)構(gòu)，所述第三非磁性層 插在第一和第二鐵磁膜之間，第一和第二鐵磁膜中的每一個(gè)具有平行 于膜平面的磁化方向并且相互反鐵磁地耦合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第二鐵磁層由具有 LilO晶 體結(jié)構(gòu)的磁性材料形成，所述磁性材料包含選自包括Fe、 Co 和Ni的組中的至少一種元素以及選自包括Pt和Pd的組中的至少一 種元素。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第二鐵磁層由具有 六邊形晶體結(jié)構(gòu)的磁性材料形成，所述磁性材料包含選自包括Fe、Co和Ni的組中的至少一種元素以及選自包括Cr、 Ta、 Pt和Pd的組中的至少一種元素。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第二鐵磁層具有層 疊結(jié)構(gòu)，所述層疊結(jié)構(gòu)包括合金和具有L10晶體結(jié)構(gòu)的磁性材料， 所述合金包含選自包括Fe、 Co、 Ni和Mn的組中的至少一種元素， 所述磁性材料包含選自包括Fe、 Co和Ni的組中的至少一種元素以 及選自包括Pt和Pd的組中的至少一種元素。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述第二鐵磁層具有層 疊結(jié)構(gòu)，所述層疊結(jié)構(gòu)包括合金和具有六邊形晶體結(jié)構(gòu)的磁性材料， 所述合金包含選自包括Fe、 Co、 Ni和Mn的組中的至少一種元素， 所述磁性材料包含選自包括Fe、 Co和Ni的組中的至少一種元素以 及選自包括Cr、 Ta、 Pt和Pd的組中的至少一種元素。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，所述微波磁場(chǎng)的頻率在 包括第二鐵磁層的磁共振頻率的預(yù)定范圍內(nèi)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的元件，其中，通過(guò)使電流流入第一鐵 磁層來(lái)產(chǎn)生自旋極化電子。
11. 一種磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，包括 根據(jù)權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件；第一導(dǎo)線，其與第一鐵磁層電連接；以及 第二導(dǎo)線，其與第三鐵磁層電連接。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的存儲(chǔ)器，還包括選擇晶體管，其源極和漏極之一電連接到第 一鐵磁層和第三鐵磁層之一，而其源極和漏極中的另一個(gè)電連接到第一和第二導(dǎo)線。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種磁阻效應(yīng)元件和磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。所述磁阻效應(yīng)元件包括第一鐵磁層，具有垂直于膜平面的不可變磁化；第二鐵磁層，具有垂直于膜平面的可變磁化；第一非磁性層，插在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間；第三鐵磁層，設(shè)置在第二鐵磁層的與第一非磁性層相反的一側(cè)，并且具有平行于膜平面的可變磁化；以及第二非磁化層，插在第二鐵磁層和第三鐵磁層之間，通過(guò)使電流在垂直于第一鐵磁層和第三鐵磁層之間的膜平面的方向上流動(dòng)，將自旋極化電子注入到第二鐵磁層，通過(guò)將自旋極化電子從第二鐵磁層經(jīng)由第二非磁性層注入到第三鐵磁層，在第三鐵磁層的磁化中感應(yīng)出進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以及向第二鐵磁層施加頻率與進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的微波磁場(chǎng)。
文檔編號(hào)H01L43/10GK101546808SQ20091012790
公開(kāi)日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者與田博明, 中山昌彥, 岸達(dá)也, 池川純夫, 甲斐正 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝