專利名稱：存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存儲器，其包括由存儲層和磁化被固定層構(gòu)成的存儲元件，所述存儲層存儲鐵磁層的磁化狀態(tài)作為信息，所述磁化被固定層的磁化方向被固定，并且其中磁化方向隨電流的施加而改變。更特別地，本發(fā)明涉及適于用作非易失性存儲器應(yīng)用的存儲器。
背景技術(shù)：
隨著信息通信設(shè)備，特別是諸如個人數(shù)字助理的個人小型信息設(shè)備的快速普及，要求構(gòu)造個人小型信息設(shè)備的器件諸如存儲器和邏輯電路應(yīng)該變得性能更高，即使得集成度更高、工作速度更高、及功耗更小。
特別地，用于使半導(dǎo)體非易失性存儲器變得速度更高及存儲容量更大的技術(shù)作為硬磁盤的互補(bǔ)技術(shù)變得更加重要，由于可動部件等的存在，本質(zhì)上目前硬磁盤已經(jīng)難以小型化、高速化和低功耗化。另外，為了實(shí)現(xiàn)新的功能，諸如所謂的“瞬時啟動”，操作系統(tǒng)通過該“瞬時啟動”能夠在通電的同時啟動，上述的實(shí)現(xiàn)上述高速和大容量半導(dǎo)體非易失性存儲器的技術(shù)變得更加重要。
半導(dǎo)體快閃存儲器和FeRAM(鐵電非易失性存儲器)等現(xiàn)在作為非易失性存儲器可商業(yè)應(yīng)用，并且這樣的非易失性存儲器現(xiàn)在正處于積極的研究和開發(fā)中，以使非易失性存儲器性能更高。
近年來，作為使用磁性材料的新的非易失性存儲器，利用隧道磁電阻效應(yīng)的MRAM(magnetic random-access memory，磁性隨機(jī)存取存儲器)已經(jīng)被開發(fā)并且進(jìn)展顯著，現(xiàn)在其得到顯著關(guān)注(例如，見所引用的非專利文獻(xiàn)1和2)。
該MRAM具有這樣的結(jié)構(gòu)，其中用于記錄信息的非常小的磁性存儲器件規(guī)則配置，例如字線和位線的布線被提供來存取這些磁性存儲器件。
每個磁性存儲器件包括存儲層來將信息記錄為鐵磁材料的磁化方向。
然后，作為磁性存儲器件的配置，采用一種利用所謂的磁性隧道結(jié)(MTJmagnetic tunnel junction)的結(jié)構(gòu)，其由上述存儲層、隧道絕緣層(非磁性間隔膜)及磁化方向被固定的磁化被固定層。磁化被固定層的磁化方向可以通過例如設(shè)置反鐵磁層來固定。
由于該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生所謂的隧道磁電阻效應(yīng)，其中關(guān)于流過隧道絕緣膜的隧道電流的電阻值隨存儲層的磁化方向與磁化被固定層的磁化方向之間形成的角度而改變，可以利用該隧道磁電阻效應(yīng)來寫(記錄)信息。當(dāng)該存儲層的磁化方向與該磁化被固定層的磁化方向彼此反平行時，該電阻值的大小變成最大值，而當(dāng)它們彼此平行時，該電阻值的大小變成最小值。
依照具有上述配置的磁性存儲器件，通過應(yīng)用電流流過字線和位線時產(chǎn)生的合成電流磁場來控制磁性存儲器件的存儲層的磁化方向，信息可以被寫(記錄)于磁性存儲器件。通常響應(yīng)“0”信息或“1”信息存儲所產(chǎn)生的存儲層的磁化方向(磁化狀態(tài))的差別。
另一方面，當(dāng)記錄的信息從磁性存儲器件讀出時，通過利用諸如晶體管的器件選定存儲單元，通過利用磁性存儲器件的隧道磁電阻效應(yīng)，存儲層的磁化方向的差別作為電壓信號之間的差別被檢測出來，由此記錄的信息可被檢測出來。
比較了該MRAM與其它非易失性存儲器后，可以理解MRAM的最大優(yōu)點(diǎn)是，由于“0”信息和“1”信息通過反轉(zhuǎn)由鐵磁材料形成的存儲層的磁化方向來重寫，MRAM能夠接近無限次(＞1015次)地被高速重寫。
然而，MRAM不得不產(chǎn)生相對大的電流磁場以重寫所記錄的信息，因此一定的大幅度(例如，大約幾個毫安(mA))的電流要流過地址布線。因此，MRAM的功耗不可避免地顯著增加。
另外，MRAM需要寫地址布線和讀地址布線，因此，從結(jié)構(gòu)的角度難以使存儲單元微型化。
而且，隨著器件越來越微型化，地址布線的寬度也減小，從而難以應(yīng)用足夠的電流到地址布線。另外，由于器件的矯頑力增加，必要的電流磁場增加，因而器件的功耗增加。
因此，難以微型化該器件。
為此，具有利用自旋轉(zhuǎn)移(spin transfer)產(chǎn)生的磁化反轉(zhuǎn)(magnetizationinversion)的配置的存儲器受到顯著關(guān)注，該配置能夠應(yīng)用小電流來反轉(zhuǎn)磁化方向。
自旋轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的磁化反轉(zhuǎn)即通過從磁性材料向其它磁性材料注入自旋極化電子(spin-polarized electron)而引起在其它磁性材料中發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)(例如，見引用的專利文獻(xiàn)1)。
具體地，自旋轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的磁化反轉(zhuǎn)是當(dāng)通過磁化方向被固定的磁層(磁化被固定層)的自旋極化的電子進(jìn)入磁化方向未被固定的其它磁層(磁化自由層)時，給予該磁層的磁化以轉(zhuǎn)矩(torque)的現(xiàn)象。然后，該磁層(磁化自由層)的磁化方向通過應(yīng)用大小比特定閾值高的電流可被反轉(zhuǎn)。
例如，通過向包括磁化被固定層和磁化自由層的巨磁電阻效應(yīng)器件(GMR器件)或磁性隧道結(jié)器件(MTJ器件)沿垂直于其膜平面的方向應(yīng)用電流，這些器件的磁層的至少一部分的磁化方向可以反轉(zhuǎn)。
因此，當(dāng)構(gòu)造了包括磁化被固定層和磁化自由層(存儲層)的存儲元件，并且流經(jīng)存儲元件的電流極性改變時，存儲層的磁化方向被反轉(zhuǎn)從而重寫“0”信息和“1”信息。
當(dāng)從存儲器讀出所記錄的信息時，通過利用類似于MRAM的隧道磁電阻效應(yīng)從存儲器讀出所記錄的信息，因?yàn)樵摯鎯ζ骶哂械慕Y(jié)構(gòu)為其中隧道絕緣層提供在磁化被固定層和磁化自由層(存儲層)之間。
結(jié)果，基于自旋轉(zhuǎn)移的磁化反轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)在于即使元件微型化時也沒有增加電流而實(shí)現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)。
例如，在規(guī)模為大約0.1μm的存儲元件中，流經(jīng)存儲元件以反轉(zhuǎn)磁化方向的電流的絕對值小于1mA。另外，上述絕對值與存儲元件的體積成比例地減小，從按比例縮小的觀點(diǎn)來看這是一個優(yōu)點(diǎn)。
另外，由于MRAM所需要的記錄字線不再必要，該存儲器具有存儲單元的配置能夠簡化的優(yōu)點(diǎn)。
NIKKEI ELECTRONICS，2001，VOL.2.12(PP.164-171)[引用的非專利文獻(xiàn)2]J.NaHas等，IEEE/ISSCC 2004 VisulasSupplement，p.22[引用的專利文獻(xiàn)1]日本特開專利申請公報第2003-17782號通過利用基于上述自旋轉(zhuǎn)移的磁化反轉(zhuǎn)構(gòu)造存儲器，那么當(dāng)信息寫入存儲層中(信息通過“0”信息和“1”信息重寫)以及信息從存儲層讀出時，電流通過相同的通道(channel)。
為此，要求讀電流應(yīng)當(dāng)設(shè)置為比寫電流足夠低，并且讀和寫電流的離差(dispersion)應(yīng)當(dāng)抑止在最小，使得可以防止在從存儲器讀出信息期間信息被誤寫。
附圖中圖1為示意性截面圖，示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)能夠通過利用自旋轉(zhuǎn)移記錄信息的存儲元件的配置。
如圖1所示，該存儲元件110由彼此層疊的底層101、反鐵磁層102、磁化被固定層103、非磁性層104、存儲層105及蓋層106構(gòu)成，從下層開始按照此順序。
存儲層105由具有單軸磁各向異性的鐵磁材料制成，并且存儲元件110能夠根據(jù)該存儲層105的磁化狀態(tài)即存儲層105的磁化方向M112而在其中存儲信息。
由鐵磁材料制成并且其磁化方向M111被固定的磁化被固定層103通過非磁性層104設(shè)置到存儲層105。在圖1所示的配置中，由于反鐵磁層102形成在磁化被固定層103的下層上，磁化被固定層103的磁化方向M111通過該反鐵磁層102的作用而被固定。
當(dāng)信息寫入該存儲元件110中時，通過應(yīng)用沿著垂直于存儲層105的膜平面的方向即存儲元件110的疊層(lamination layer)方向流過的電流，存儲層105的磁化方向M112的方向基于自旋轉(zhuǎn)移被反轉(zhuǎn)。
將簡要描述基于自旋轉(zhuǎn)移的磁化反轉(zhuǎn)。
電子具有兩種自旋角動量。設(shè)該兩種自旋角動量定義為向上自旋角動量和向下自旋角動量。向上自旋角動量和向下自旋角動量在非磁性材料中數(shù)量相同，但在鐵磁材料中它們數(shù)量不同。
在圖1所示的存儲元件110中，考慮這樣的情形，其中在磁化被固定層103和存儲層105中磁矩的方向彼此反平行，并且電子將從磁化被固定層103轉(zhuǎn)移到存儲層105。
經(jīng)過磁化被固定層103的電子是自旋極化的，因而向上自旋角動量與向下自旋角動量數(shù)量上彼此不同。
如果電子在非磁性層104的厚度足夠薄使得自旋極化減少(relaxed)并且電子處于普通非磁性材料的非極化狀態(tài)(向上自旋動量和向下自旋動量數(shù)量相同)之前到達(dá)其它磁性材料，那么由于磁化被固定層103和存儲層105的磁矩的方向彼此反平行并且自旋極化度(degree)的符號彼此相反，所以一部分電子被反轉(zhuǎn)，即自旋角動量的方向被改變以降低系統(tǒng)的能量。這時，因?yàn)橄到y(tǒng)的總角動量應(yīng)該保持(preserved)，相當(dāng)于被方向改變了的電子所改變的全部角動量的反作用(reaction)給了存儲層105的磁矩。
當(dāng)電流即單位時間通過的電子少時，方向?qū)⒈桓淖兊碾娮拥目倲?shù)小，使得存儲層105的磁矩中產(chǎn)生的角動量的改變小。然而，當(dāng)電流增加時，單位時間內(nèi)很多角動量改變可以給予電子。角動量的時間改變是轉(zhuǎn)矩(torque)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩超過閾值時，存儲層105的磁矩M112開始反轉(zhuǎn)并且由于其單軸磁各向異性其旋轉(zhuǎn)180度后得到穩(wěn)定。即，磁矩從反平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)到平行狀態(tài)。
另一方面，當(dāng)磁化被固定層103和存儲層105中磁矩的方向彼此平行時，如果電流沿從存儲層105向磁化被固定層103轉(zhuǎn)移電子的方向流過，則當(dāng)在磁化被固定層103上反射后自旋反轉(zhuǎn)的電子進(jìn)入存儲層105時，轉(zhuǎn)矩被施加到磁化被固定層103和存儲層105，結(jié)果磁矩可以從平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)到反平行狀態(tài)。
然而，與磁矩從反平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)到平行狀態(tài)所需的電流相比，磁矩從平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)到反平行狀態(tài)所需的電流的數(shù)量大大增加。
如上所述，通過沿從磁化被固定層103到存儲層105的方向應(yīng)用比特定閾值高的相應(yīng)于各自極性的電流，信息(“0”信息和“1”信息)被記錄在存儲層105上，反之亦然。
另外，通過利用取決于存儲層105和磁化被固定層(基準(zhǔn)層)103的磁矩之間的相對角度的電阻改變，即所謂的當(dāng)磁矩彼此平行時獲得最小電阻及當(dāng)磁矩彼此反平行時獲得最大電阻的磁電阻效應(yīng)，信息可從存儲層105讀出。
具體地，當(dāng)基本恒定的電壓應(yīng)用到存儲元件110，并且檢測此時流過的電流的大小時，信息可以從存儲層105讀出。
在下面的描述中，存儲元件110的電阻狀態(tài)與信息的關(guān)系將分別指定為低電阻狀態(tài)規(guī)定為“1”信息，高電阻狀態(tài)規(guī)定為“0”信息。
另外，從圖1所示的蓋層106向底層101，即從上層向下層轉(zhuǎn)移電子的電流規(guī)定為正極性電流。這時，當(dāng)正極性電流流過存儲元件110時，電子從蓋層106轉(zhuǎn)移到底層101，即從存儲層105到磁化被固定層103，使得磁化被固定層103的磁化方向M111和存儲層105的磁化方向M112處于反平行狀態(tài)，由此導(dǎo)致存儲元件110被設(shè)置到前面提到的高電阻狀態(tài)。
因此，寫“1”信息(低電阻狀態(tài))的電流成為負(fù)極性，寫“0”信息(高電阻狀態(tài))的電流成為正極性。
圖2為示意圖，示出通過自旋轉(zhuǎn)移來記錄信息的類似圖1所示的存儲元件110的存儲元件中用于寫操作和讀操作的工作電流之間的相互關(guān)系。圖2中，水平軸代表電流，垂直軸代表針對預(yù)定操作的特定大小的電流所流經(jīng)的元件數(shù)量。
圖2示出寫“1”信息或?qū)憽?”信息所分別需要的電流+Iw和-Iw的分布和平均值。
另外，圖2中，Ir0和Ir1表示進(jìn)行讀時所需的電流的分布和平均值。具有小的電流數(shù)量的Ir0相當(dāng)于高電阻狀態(tài)(“0”信息)的讀，具有大的電流數(shù)量的Ir1相當(dāng)于低電阻狀態(tài)(“1”信息)的讀。圖2中，附圖標(biāo)記Ic表示流經(jīng)讀基準(zhǔn)單元(read reference cell)(產(chǎn)生用于比較的用于運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)電流的單元)的電流。附圖標(biāo)記ΔI表示進(jìn)行讀時相應(yīng)于電阻改變的電流差。
在利用自旋轉(zhuǎn)移的用于記錄信息的存儲元件中，通常讀電流可具有任意極性。
另外，具有寫極性即負(fù)極性的寫電流-Iw作為選擇可相當(dāng)于寫“1”信息或?qū)憽?”信息，其可根據(jù)存儲元件110的多層膜的配置而規(guī)定。
然而，當(dāng)“1”信息即低電阻狀態(tài)的電阻值低時，如圖3所示，讀“1”信息時流經(jīng)存儲元件110的電流Ir1增加并且其成為接近寫信息所需要的電流+Iw的值。結(jié)果，經(jīng)常觀察到具有離差的電流值的分布的底緣(bottom edge)會彼此交迭。
這時，由于讀電流Ir1和寫電流+Iw的電流值的分布彼此交迭，存在發(fā)生錯誤的可能性，導(dǎo)致信息被寫入存儲元件110，雖然信息應(yīng)該從存儲元件110讀出。
因而，該事實(shí)對于想要降低寫電流+Iw以降低電功率等情形是不利的。而且，從發(fā)展的觀點(diǎn)來看，在寫電流和讀電流的離差應(yīng)該被抑止以減少寫電流和讀電流彼此交迭的部分的情況下，該事實(shí)將不可避免地遇到困難。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述方面，本發(fā)明意圖提供一種存儲器，其中當(dāng)存儲元件的信息讀電流和信息寫電流彼此干擾時發(fā)生的錯誤可以顯著降低。
另外，本發(fā)明意圖提供一種存儲器，能相對容易地實(shí)現(xiàn)高可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種存儲器，包括存儲元件，其包括用于基于磁性材料的磁化狀態(tài)在其中存儲信息的存儲層，以及通過中間層相對于所述存儲層提供的磁化被固定層，其中所述存儲層的磁化方向通過應(yīng)用流過疊層方向的電流被改變從而在所述存儲層上記錄信息；及電流供應(yīng)裝置，其用于在所述疊層方向上向所述存儲元件應(yīng)用電流，其中當(dāng)信息從所述存儲層讀出時，與通過所述存儲元件的電阻從高電阻狀態(tài)改變到低電阻狀態(tài)的方式來記錄信息的電流的極性具有相同極性的電流通過所述電流供應(yīng)裝置流到所述存儲元件。
根據(jù)本發(fā)明存儲器的上述配置，該存儲器包括存儲元件和用于在疊層方向上對該存儲元件應(yīng)用電流的電流供應(yīng)裝置(電極、布線、電源等)，其中當(dāng)信息從所述存儲層讀出時，與記錄信息使得所述存儲元件的電阻從高電阻狀態(tài)改變到低電阻狀態(tài)所需的電流的極性具有相同極性的電流通過所述電流供應(yīng)裝置流到所述存儲元件。因此，當(dāng)存儲元件處于低電阻狀態(tài)時，與進(jìn)行讀時存儲元件處于高電阻狀態(tài)的情況相比，在該狀態(tài)大電流流過該存儲元件，即使讀電流的分布與寫電流的分布部分交迭，由讀電流寫的信息只限于低電阻狀態(tài)，由此抑止電阻狀態(tài)被讀電流改變的錯誤的發(fā)生。
即，可以顯著降低由于讀電流的分布與寫電流的分布之間的干擾導(dǎo)致發(fā)生錯誤的比率。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，由于讀電流的分布與寫電流的分布之間的干擾導(dǎo)致引起發(fā)生錯誤的比率能夠降低，甚至每個存儲單元處寫電流中發(fā)生一定量的離差，也可以顯著降低由于干擾導(dǎo)致發(fā)生錯誤的比率。
因此，根據(jù)本發(fā)明，容易地實(shí)現(xiàn)高可靠的存儲器成為可能。


圖1為示意性截面圖，示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)能夠通過利用自旋轉(zhuǎn)移讀出信息的存儲元件的配置；圖2為曲線圖，示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)能夠通過利用自旋轉(zhuǎn)移來記錄信息的存儲元件中寫操作和讀操作的工作電流之間的相互關(guān)系；圖3為曲線圖，示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)寫電流和讀電流的電流分布彼此交迭的情形；圖4A至4D為曲線圖，分別示出當(dāng)通過利用自旋轉(zhuǎn)移的用于記錄信息的存儲元件被構(gòu)造后，基于個案的寫電流和讀電流之間的相互關(guān)系以及寫電流的極生與所寫信息之間的相互關(guān)系的情形；圖5為曲線圖，示出在相應(yīng)于圖4A至4D所示的情形的器件中錯誤發(fā)生的比率；圖6為示意圖(一個存儲單元的截面圖)，示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的存儲器的配置；圖7A是平面圖，示出圖6所示存儲單元的第一層的布線層的下層；圖7B是圖6所示的存儲單元的俯視圖；圖8是示意圖(截面圖)，示出圖6所示存儲元件的配置；及圖9是示意圖(截面圖)，示出構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的存儲器的存儲元件的配置。
具體實(shí)施例方式
在描述本發(fā)明的具體實(shí)施例之前，首先將概述本發(fā)明。
在下面的描述中，如前面提到的，低電阻狀態(tài)也規(guī)定為“1”信息，高電阻狀態(tài)也規(guī)定為“0”信息。另外，從存儲元件的上層向下層轉(zhuǎn)移電子的電流規(guī)定為正極性電流。
在本發(fā)明中，寫信息所需的電流的極性與讀信息所需的電流的極性之間關(guān)系以及上述兩種電流的大小之間的關(guān)系是重要的。
在本發(fā)明中，調(diào)整存儲元件的膜配置及存儲器的電路配置，使得與低電阻狀態(tài)(“1”信息)的讀電流分布交迭的寫電流可以成為寫低電阻狀態(tài)(“1”信息)的操作。
根據(jù)上述配置，即使正極性寫電流+Iw和低電阻狀態(tài)(“1”信息)中的讀電流Ir1的各自電流分布如圖3所示彼此交迭，當(dāng)“1”信息從存儲元件中讀出時如果“1”信息被重寫，沒有錯誤發(fā)生，因此能夠避免發(fā)生導(dǎo)致盡管信息應(yīng)該從存儲元件讀出但信息卻被寫入存儲元件這樣的錯誤的問題。
當(dāng)通過利用自旋轉(zhuǎn)移來記錄信息的存儲元件構(gòu)造成類似圖1所示的存儲元件110時，基于寫電流-Iw、+Iw和讀電流Ir0、Ir1之間的相對關(guān)系及寫電流-Iw、+Iw的極性和被寫信息(“0”信息和“1”信息)之間的相對關(guān)系，存儲元件將分為圖4A至4D所示的存儲元件的四種情形。
圖4A示出的存儲元件的情形為，負(fù)極性寫電流-Iw為寫“1”信息的電流Iw1，正極性寫電流+Iw為寫“0”信息的電流Iw0，讀電流Ir0和Ir1為正極性電流。
圖4B示出的存儲元件的情形為，負(fù)極性寫電流-Iw為寫“0”信息的電流Iw0，正極性寫電流+Iw為寫“1”信息的電流Iw1，讀電流Ir0和Ir1為正極性電流。
圖4C示出的存儲元件的情形為，負(fù)極性寫電流-Iw為寫“1”信息的電流Iw1，正極性寫電流+Iw為寫“0”信息的電流Iw0，讀電流Ir0和Ir1為負(fù)極性電流。
圖4D示出的存儲元件的情形為，負(fù)極性寫電流-Iw為寫“0”信息的電流Iw0，正極性寫電流+Iw為寫“1”信息的電流Iw1，讀電流Ir0和Ir1為負(fù)極性電流。
由于選擇了讀電流的任何極性，存儲元件可以具有對應(yīng)于圖4A至4D所示的四種情形的配置中的任何配置。
這里出現(xiàn)了“1”信息寫與“0”信息讀之間的干擾及“0”信息寫與“1”信息讀之間的干擾的問題。從圖4A至4D及圖2清楚看出，讀“0”信息的讀電流Ir0小，因此“1”信息讀與“0”信息寫之間的干擾引起更嚴(yán)重的問題。
因此，如果存儲元件的多層膜配置及讀電流的極性規(guī)定為使得操作電流之間的關(guān)系可與圖4B或4C中所示的關(guān)系相同，即其中讀“1”信息的讀電流Ir1和寫“1”信息的寫電流Iw1可彼此接近，則能夠抑止錯誤的發(fā)生。
圖5為曲線圖，示出了對應(yīng)于圖4A至4D所示的情形的器件中錯誤發(fā)生的發(fā)生率。圖5中，垂直軸代表當(dāng)寫電流分布和讀電流彼此交迭時導(dǎo)致的錯誤寫的錯誤發(fā)生率，水平軸代表寫電流的離差。對于標(biāo)準(zhǔn)差σ/平均值，所測量的器件讀電流的離差為1.5％。
圖5中，曲線A對應(yīng)于表現(xiàn)圖4B或4C所示的操作電流關(guān)系的器件，曲線B對應(yīng)于示出圖4A或4D所示的操作電流關(guān)系的器件。
從圖5可以清楚，在表現(xiàn)圖4B或4C所示的關(guān)系的曲線A的情況中，錯誤發(fā)生率能夠顯著減少。
因而，如果獲得圖4B或4C所示的操作電流關(guān)系，則在沒有顯著改善寫電流的離差的情況下，就能夠容易地減少錯誤。
下面將描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
圖6為示意圖(截面圖)，示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的存儲器的示意配置。更具體地，圖6為截面圖，示出構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的存儲器(存儲器件)的一個存儲單元的配置。
該存儲器中，如圖6所示，存儲單元由能夠基于磁化狀態(tài)存儲信息的存儲元件10構(gòu)成。
該存儲元件10包括由其磁化方向通過自旋轉(zhuǎn)移反轉(zhuǎn)的鐵磁層形成的存儲層。
如圖6所示，該存儲器包括諸如硅襯底的半導(dǎo)體襯底11，該襯底上分別形成構(gòu)造選擇晶體管的漏極區(qū)12、源極區(qū)13和柵極電極14以選擇每個存儲單元。
漏極區(qū)12、源極區(qū)13、及柵極電極14中的柵極電極14連接到字線WL(見圖7A和7B)，該字線存在于不同于圖6的截面中。漏極區(qū)12通過接觸層15D、第一層的布線層16A及掩埋金屬層(buried metal layer)17連接到由第二層的布線層16B形成的傳感線(sense line)SL。源極區(qū)13通過接觸層15S、第一層的布線層16A、第二層的布線層16B、第三層的布線層16C、及各布線層16A、16B及16C之間的掩埋金屬層17連接到存儲元件10。
然后，存儲元件10連接到由提供于其上的第四層的布線層18形成的位線BL。
如果例如使漏極區(qū)12對兩個選擇晶體管共用，則可以使傳感線SL成為對兩個存儲單元共用。
圖7A是平面圖，示出從根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲器的一個存儲單元的第一層的布線層16A開始的下層，圖7B是其俯視圖。
如圖7A和7B所示，選擇晶體管通過經(jīng)第一層的布線層16A電連接NMOS(N型金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管19N和PMOS(P型金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管19P的源極和漏極而構(gòu)造。
因此，這些NMOS晶體管19N和PMOS晶體管19P構(gòu)成了所謂的轉(zhuǎn)移柵極(transfer gate)。
于是，該轉(zhuǎn)移柵極能夠開關(guān)存儲單元，使得允許電流流過存儲元件10或禁止電流流過存儲元件10。
PMOS晶體管19P的柵極電極14通過接觸層15G連接到由第一層的布線層16A形成的字線WL。NMOS晶體管19N的柵極電極14通過接觸層15G連接到字線WL。響應(yīng)流過存儲元件10的電流的導(dǎo)通(ON)和關(guān)斷(OFF)，控制信號提供給PMOS晶體管19P側(cè)的字線WL及NMOS晶體管19N側(cè)的字線WL中的一個，并且由反相器(inverter)反轉(zhuǎn)該相同控制信號得到的控制信號提供給PMOS晶體管19P側(cè)的字線WL及NMOS晶體管19N側(cè)的字線WL中的另一個。
至于選擇晶體管的尺寸，例如，NMOS晶體管19N的寬度Wn設(shè)定為1μm，以及PMOS晶體管19P的寬度Wp設(shè)定為1.5μm。
當(dāng)正或負(fù)的電勢差施加到位線BL和傳感線SL之間并且電壓施加到字線WL以使轉(zhuǎn)移柵極通電時，電流能夠流過存儲元件10的疊層方向的方向中的任何一個。
圖8為示意圖(截面圖)，示出構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲器的存儲元件10的示意性配置。
如圖8所示，該存儲元件10由按照從下層開始的順序?qū)盈B的底層1、反鐵磁層2、磁化被固定層3、非磁性層4、存儲層5、及蓋層6構(gòu)成。
反鐵磁層2提供在磁化被固定層3的下面，磁化被固定層3的磁化M1的方向由該反鐵磁層2固定。如圖8所示，磁化被固定層3的磁化M1的方向固定朝右手側(cè)。
存儲層5能夠基于磁化狀態(tài)即存儲層5的磁化M2的方向在其中存儲信息，并且其能夠基于磁化M2指向右手側(cè)或左手側(cè)而在其中存儲信息。
另外，由于非磁性層4提供在存儲層5和磁化被固定層3之間，存儲層5和磁化被固定層3構(gòu)成GMR(巨磁電阻)器件或MTJ(磁性隧道結(jié))器件。結(jié)果，通過利用磁電阻效應(yīng)可以檢測存儲層5的磁化M2的方向。
更具體地，當(dāng)存儲層5的磁化M2的方向平行(指向右手側(cè)方向)于磁化被固定層3的磁化M1的方向(右手側(cè)方向)時，電阻降低。另外，當(dāng)存儲層5的磁化M2的方向反平行(左手側(cè)方向)于磁化被固定層3的磁化M1的方向時，電阻增加。因此，通過利用磁電阻效應(yīng)(magnetoresistive effect)可以檢測存儲層5的磁化M2的方向。
盡管磁化被固定層3和存儲層5的材料不特別限制，由鐵、鎳、及鈷中的一種或兩種以上制成的合金材料可用作磁化被固定層3和存儲層5的材料。另外，磁化被固定層3和存儲層5的材料可包含諸如Nb和Zr的過渡金屬元素及諸如B的輕金屬。
諸如鐵、鎳、鉑、銥、銠和錳的金屬元素的合金、及鈷和鎳的氧化物等可用作反鐵磁層2的材料。
非磁性層4由非磁性導(dǎo)電層或絕緣層例如隧道勢壘層構(gòu)成。非磁性導(dǎo)電層可由適合的材料諸如釕、銅、鉻、金及銀制成。隧道勢壘層可由絕緣材料例如氧化鋁制成。
根據(jù)該實(shí)施例，特別地，對于存儲元件10，當(dāng)電子沿圖8中箭頭7所示的從底層1至蓋層6的方向，即沿從磁化被固定層3至存儲層5的方向轉(zhuǎn)移時，信息可以從存儲層5中讀出。然后，應(yīng)當(dāng)構(gòu)造諸如電極、布線BL、SK和電源的電流供應(yīng)裝置，使得當(dāng)信息從存儲層5讀出時，電子可沿箭頭7的方向轉(zhuǎn)移。
這時，讀電流Ir(Ir0，Ir1)可沿著與電子轉(zhuǎn)移的箭頭7方向相反的方向，即沿著從蓋層6至底層1的方向流動。
由于該讀電流Ir對應(yīng)前述的負(fù)極性電流，并且具有與寫低電阻狀態(tài)的電流(從磁化被固定層3向存儲層5轉(zhuǎn)移電子的電流)Iw1的極性相同的極性，根據(jù)本實(shí)施例的存儲元件10的疊層膜配置及讀電流的極性對應(yīng)于圖4C所示的情形。
因此，如圖5所示，可以降低讀電流與寫電流之間的干擾引起的錯誤發(fā)生的比率。
根據(jù)上述本實(shí)施例的存儲器的配置，當(dāng)信息從存儲元件10的存儲層5讀出時，與寫信息(記錄信息)從而使得存儲元件10的電阻可從高電阻狀態(tài)變到低電阻狀態(tài)的電流-Iw(Iw1)的極性相同的負(fù)極性的電流流過存儲元件10。因此，當(dāng)針對讀存儲元件10處于低電阻狀態(tài)時，即使讀電流Ir1的分布與寫電流-Iw的分布部分交迭，由讀電流Ir寫的信息只限于低電阻狀態(tài)。
結(jié)果，發(fā)生電阻狀態(tài)被讀電流改變的錯誤的比率能被抑止，并可大大降低由于讀電流的分布與寫電流的分布之間的干擾導(dǎo)致發(fā)生的錯誤的發(fā)生率。
因此，由于讀電流的分布與寫電流的分布之間的干擾導(dǎo)致引起的錯誤比率能夠降低，即使每個存儲單元處寫電流中發(fā)生一定量的離差，也可以顯著降低由于干擾導(dǎo)致錯誤發(fā)生的發(fā)生率。
因此，容易地實(shí)現(xiàn)高可靠的存儲器成為可能。
下面，將參照圖9描述構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的存儲器的存儲元件。
圖9為示意圖(截面圖)，示出構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的存儲器的存儲元件的示意性配置。
在本實(shí)施例中，如圖9所示，該存儲元件20由按照從下層開始的順序?qū)盈B的底層1、存儲層5、非磁性層4、磁化被固定層3、反鐵磁層2、及蓋層6構(gòu)成。即，磁化被固定層3和存儲層5相互疊置的順序與圖8所示的存儲元件10相反。
其余配置與根據(jù)前述實(shí)施例的存儲元件10的布置類似。因此，圖9中，與圖8的相同的元件和部分由相同的附圖標(biāo)記表示，并且不需要再描述。
另外，存儲器的其它部分可以與根據(jù)圖6和圖7A和7B所示的前述實(shí)施例的存儲器相類似地構(gòu)造。
另外，根據(jù)本實(shí)施例，特別地，當(dāng)電子沿圖9中箭頭8所示的方向，即沿從磁化被固定層3至存儲層5的方向從蓋層6轉(zhuǎn)移到底層1時，信息可以從存儲層5中讀出。然后，構(gòu)造諸如電極、布線BL、SK和電源的電流供應(yīng)裝置，使得進(jìn)行讀時電子可沿圖9中箭頭8的方向轉(zhuǎn)移。
這時，讀電流Ir(Ir0，Ir1)沿著與電子轉(zhuǎn)移的方向相反的方向，即沿著從底層1至蓋層6的方向流動。
由于該讀電流Ir對應(yīng)前述的正極性電流，并且具有與寫低電阻狀態(tài)信息的電流(從磁化被固定層3向存儲層5轉(zhuǎn)移電子的電流)的極性相同的極性，根據(jù)本實(shí)施例的存儲元件20的疊層膜配置及讀電流的極性對應(yīng)于圖4B所示器件的情形。
根據(jù)上述本實(shí)施例的存儲器的配置，當(dāng)信息從存儲元件20的存儲層5讀出時，與寫信息(記錄信息)從而使得存儲元件20的電阻可從高電阻狀態(tài)變到低電阻狀態(tài)的電流+Iw(Iw1)的極性相同的正極性的電流流過存儲元件20。因此，當(dāng)存儲元件20針對讀而處于低電阻狀態(tài)時，即使讀電流Ir1的分布與寫電流+Iw的分布部分交迭，會由讀電流Ir寫的信息只限于低電阻狀態(tài)。
結(jié)果，發(fā)生電阻狀態(tài)被讀電流改變的錯誤的比率能被抑止，并可以大大降低由于讀電流的分布與寫電流的分布之間的干擾導(dǎo)致發(fā)生錯誤的發(fā)生率。
因此，由于讀電流的分布與寫電流的分布之間的干擾導(dǎo)致引起錯誤的發(fā)生率能夠降低，即使每個存儲單元處寫電流中發(fā)生一定量的離差，也可以顯著降低由于干擾導(dǎo)致錯誤發(fā)生的發(fā)生率。
因此，容易地實(shí)現(xiàn)高可靠的存儲器成為可能。
根據(jù)上述各實(shí)施例的存儲元件的層配置在實(shí)現(xiàn)必要功能的情況下，可以改變。
例如，磁化被固定層不限于與反鐵磁層形成的疊層，而是可以由具有大矯頑力的鐵磁材料單獨(dú)形成。
另外，構(gòu)造存儲層和磁化被固定層的磁性材料層不限于單層的磁性材料層，而是可以通過直接層疊兩層以上不同成分的磁性材料層形成，或者可以形成為其中兩層以上的磁性層通過非磁性層層疊的疊層鐵磁結(jié)構(gòu)(ferristructure)。
另外，本發(fā)明不限于正和負(fù)極性的寫電流+Iw和-Iw的絕對值如圖4B和4C所示彼此相等的情況，其也可應(yīng)用于正和負(fù)極性的寫電流的絕對值彼此不同的情況。
此外，本發(fā)明的上述操作原理不限于利用自旋轉(zhuǎn)移的存儲器，其通?？蓱?yīng)用于這樣的存儲器，其中信息(“0”信息和“1”信息)通過應(yīng)用雙極性電流記錄以及其中信息在應(yīng)用任意方向的電流時通過檢測電阻改變而讀出。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，由于讀電流的分布與寫電流的分布之間的干擾導(dǎo)致錯誤發(fā)生的比率能夠降低，甚至每個存儲單元處寫電流中發(fā)生一定量的離差，也可以顯著降低由于干擾導(dǎo)致發(fā)生錯誤的比率。
因此，根據(jù)本發(fā)明，容易地實(shí)現(xiàn)高可靠的存儲器成為可能。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在所附權(quán)利要求及其等價物的范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計要求和其它因素，可以做出各種修改、組合、次組合及變更。
本申請包含與2004年9月6日在日本專利局提交的日本專利申請JP2004-258766相關(guān)的主題，其全部內(nèi)容在此引入作為文獻(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種存儲器，包括存儲元件，其包括用于基于磁性材料的磁化狀態(tài)在其中存儲信息的存儲層，以及通過中間層相對于所述存儲層提供的磁化被固定層，其中所述存儲層的磁化方向通過應(yīng)用沿疊層方向流動的電流被改變從而在所述存儲層上記錄信息；及電流供應(yīng)裝置，其用于在所述疊層方向上向所述存儲元件應(yīng)用電流，其中當(dāng)信息從所述存儲層讀出時，與通過所述存儲元件的電阻從高電阻狀態(tài)改變到低電阻狀態(tài)的方式來記錄信息的電流的極性具有相同極性的電流通過所述電流供應(yīng)裝置流到所述存儲元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種存儲器，包括存儲元件(10)，其具有通過中間層(4)相對于存儲層(5)提供的磁化被固定層(3)，其中所述存儲層(5)的磁化方向通過對存儲元件(10)應(yīng)用疊層方向上的電流而被改變從而在所述存儲層(5)上記錄信息；及布線，通過其電流流向存儲元件(10)的疊層方向，其中當(dāng)信息從所述存儲層(5)讀出時，與通過所述存儲元件(10)的電阻從高電阻狀態(tài)改變到低電阻狀態(tài)的方式來記錄信息的電流的極性具有相同極性的電流通過該布線流到所述存儲元件(10)。
文檔編號H01L27/10GK1758372SQ200510099059
公開日2006年4月12日 申請日期2005年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月6日
發(fā)明者別所和宏 申請人:索尼株式會社