CN100470664C - 磁存储装置 - Google Patents
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Abstract
提供一种磁存储装置，即使提高存储密度，也能提高在存储单元中使用的磁效应元件存储层的存储维持状态稳定性，且可靠性高。存储单元在选择与第一写入布线对应的第二写入布线时分别被选择，且具有：磁阻效应元件，其具有通过在第一及第二写入布线上分别流过电流产生磁场而存储应写入的信息的存储层；第一结构部件，设置成包围第一写入布线，在记录层磁化容易轴方向上配置记录层和形成磁闭路的两端部；和第二结构部件，设置成包围第二写入布线，在记录层磁化困难的轴方向上配置使记录层磁化困难轴方向磁场强化的两端部。第一结构部件的两端部配置成比第二结构部件的两端部更接近记录层。
Description
技术领域
本发明涉及在存储单元中使用磁阻效应元件的磁存储装置。
技术背景
所谓磁随机存取存储器(MRAM)是使用在存储信息的存储单元上具有磁阻效应的磁阻效应元件的磁存储装置，作为具有高速工作、大容量、非易失性特征的第二代存储装置引起重视。所谓磁阻效应是一旦在强磁性体上施加磁场，则电阻根据强磁性体的磁化方向而发生变化的现象。把这样的强磁性体的磁化的方向用于信息记录中，用对应于此的电阻的大小根据读出信息可作为磁存储装置(MRAM)进行工作。
近年来，在包括2个强磁性层之间插入绝缘层(也称隧道阻挡层)的层状结构的强磁性隧道结中，通过隧道磁阻效应(TMR效应)得到20％以上的磁阻变化率(MR比)(J.Appl..Phys.，79，4724(1996))。以此为契机，使用利用隧道磁效应的强磁性隧道结磁阻效应元件(以下也称TMR元件)的MRAM得到期待和重视。
在MRAM中使用TMR元件的情况下，在夹着隧道阻挡层的二个强磁性层内，以其一的磁化方向不变化地固定的磁化固定层作为磁化基准层，以其二的磁化方向反转容易的磁化自由层作为存储层。基准层和存储层的磁化方向把平行状态和反平行状态与2进制信息的“0”和“1”相对应，这样就可以存储信息。
记录信息的写入是通过在设置在TMR元件附近的写入布线上流动电流而产生的感应磁场使存储层的磁化方向反转而进行的。而且，记录信息的读出是通过检测TMR效应产生的电阻变化部分进行的。
为了固定基准层的磁化方向，使用以与强磁性层接合的方式设置反强磁性层，难于通过交换耦合力引起磁化反转的方法，这样的构造被称为自旋阀型结构。在该结构中，通过在施加磁场的同时进行热处理(磁化固定退火)来确定基准层磁化方向。另一方面，存储层以通过赋予磁各向异性，使磁化容易轴方向与基准层磁化方向大体相同的方式形成。
如上所述，由于存储层的磁化反转使用电流感应磁场，所以存储层反转所必要的磁场越小越好。但是，磁化反转容易会具有这样的可能性，例如根据来自于外部的噪声磁场和向相邻的存储单元写入时的泄漏磁场的影响而容易产生反转，成为误动作的原因。
因而，最好是存储层只是在改写信息时容易反转，此外的存储保持状态下不容易反转。为了减小反转磁场，例如，使用矫顽力小的软磁性材料的方法和使层变薄而减小矫顽力的方法。另一方面，为了使存储保持状态稳定，通常是通过作成使TMR元件的长边和短边之比较大的形状的单元，来强化形状的各向异性。
在上述的MRAM中，最好为了加大MRAM的存储容量，而减少存储单元的面积，由此提高存储密度。因此有效的是，使存储单元的短边(将此称为单元宽度)和存储单元的长边(将此称为单元长度)都减小到设计规则。然而，若成为这样的结构，由于单元长度和单元宽度之比即形状比接近1，所以形状的磁各向异性小，在存储状态下的磁化的不稳定性加大。
发明内容
本发明目的在于提供一种磁存储装置，即使存储密度高也能提高在存储单元上使用的磁阻效应元件的记录层的记录保持状态的稳定性，且可靠性高。
本发明提供一种磁存储装置，其特征在于，具有存储单元阵列，该存储单元阵列具有：多个第一写入布线；与这些第一写入布线交错的多个第二写入布线；和在所述第一写入布线和所述第二写入布线的交错区域的每一个上设置的存储单元，所述存储单元在对应的所述第一写入布线和对应的所述第二写入布线被选择时，分别被选择，且具有：隧道型磁阻效应元件，其具有：利用在所述第一及第二写入布线中分别流动的电流产生的磁场来存储应写入信息的记录层；将磁化方向固定在与所述记录层的磁化容易轴方向相同的方向上的磁化基准层；和设置在所述记录层和所述磁化基准层之间的隧道阻挡层；第一结构部件，具有环的一部分有切口的截面形状，设置成包围所述第一写入布线，并在所述记录层的磁化容易轴方向上配置两端部，以与所述记录层形成磁闭路；以及第二结构部件，具有环的一部分有切口的截面形状，设置成包围所述第二写入布线，并在所述记录层的磁化困难轴方向上配置两端部，以强化所述记录层的磁化困难轴方向上的磁场，选择所述第一和第二结构部件各自的两端部与所述记录层的距离以及所述第一和第二结构部件的导磁率，以使所述记录层的磁化容易轴方向的磁各向异性能量小于磁化困难轴方向的磁各向异性能量。
本发明的第一技术方案的磁记录装置，其特征在于，具有存储单元阵列，该存储单元阵列具有：多个第一写入布线，与这些第一写入布线交错的多个第二写入布线，和在所述第一写入布线和所述第二写入布线的交错区域的每一个上设置的存储单元，在对应的所述第一写入布线和对应的所述第二写入布线被选择时，所述存储单元的每一个被选择，且具有；磁阻效应元件，具有根据在所述第一及第二写入布线中分别流动的电流产生的磁场来存储应写入信息的存储层，第一结构部件，设置成包围所述第一写入布线，在所述记录层的磁化容易轴方向上配置所述记录层和形成磁闭路的两端部，以及第二结构部件，设置成包围所述第二写入布线，在所述记录层的磁化困难轴方向上配置强化所述记录层磁化困难轴方向上的磁场的两端部；将所述第一结构部件的所述两端部的每一个配置为，比所述第二结构部件的所述两端部的每一个更接近所述记录层。
而且，本发明第二技术方案的磁记录装置，其特征在于，具有存储单元阵列，其中具有：多个第一写入布线、与这些第一写入布线交错的多个第二写入布线、和在所述第一写入布线和所述第二写入布线交错区域的每一个设置的存储单元，
所述存储单元的每一个在与对应的所述第一写入布线对应的所述第二写入布线被选择时进行选择；设有：磁效应元件，具有根据在所述第一及第二写入布线中分别流动电流产生的磁场存储应写入信息的存储层，第一结构部件，设置成包围所述第一写入布线，在所述记录层磁化容易的轴向配置所述记录层和为形成磁闭路的两端部，和第二结构部件，设置成包围所述第二写入布线，为使所述记录层磁化困难轴向的磁场强化而在所述记录层的磁化困难轴方向配置两端部；所述第一结构部件由比所述第二结构部件的导磁率大的材料构成。
还有，根据本发明第三技术方案的磁记录装置，其特征在于，具有存储单元阵列，其中具有：多个第一写入布线、与这些第一写入布线交错的多个第二写入布线、和在所述第一写入布线和所述第二写入布线交错区域的每一个设置的存储单元，所述存储单元的每一个在与对应的所述第一写入布线对应的所述第二写入布线被选择时进行选择；设有：磁效应元件，具有根据在所述第一及第二写入布线中分别流动电流产生的磁场存储应写入信息的存储层，第一结构部件，设置成包围所述第一写入布线，在所述记录层磁化容易的轴向配置所述记录层和为形成磁闭路的两端部，和第二结构部件，设置成包围所述第二写入布线，为使所述记录层磁化困难轴向的磁场强化而在所述记录层的磁化困难轴方向配置两端部；所述第一及第二结构部件分别由包含强磁性材料的材料组成，所述第一结构部件的所述两端部以配置成比所述第二结构部件的所述两端部更接近所述记录层的方式，从所述第一写入布线的侧部向所述磁阻效应元件的所述记录层延伸。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例的磁记录装置的存储单元的大体构成的透视图；
图2A是表示コ字形及其两端向闭合方向伸展的环状结构部件例子的图；
图2B是表示马蹄形及其两端向闭合方向伸展的环状结构部件例子的图；
图2C是表示U字形及其两端向闭合方向伸展的环状结构部件例子的图；
图2D是表示C字形及其两端向闭合方向伸展的环状结构部件例子的图；
图3A是已有的存储单元的俯视图；
图3B是本发明的存储单元的俯视图；
图4是表示第一实施例的磁记录装置的存储单元的大体构成的透视图；
图5A是表示本发明第二实施例的磁记录装置的存储单元的大体构成的透视图；
图5B是用图5A所示的剖面A剖切的截面图；
图6是表示有关第二实施例的存储单元结构的俯视图。
具体实施方式
下面根据附图说明本发明实施例。
(第一实施例)
参照图1说明本发明第一实施例的磁记录装置。该实施例的磁记录装置具有存储单元阵列，该存储单元阵列具有：矩阵状排列的多个存储单元；多个写入位线108；和与这些写入位线108交错设置的多个写入字线110。图1是本实施例磁记录装置的记录单元的大体构成的透视图，选择晶体管未在图上画出。如图1所示，该实施例的磁记录装置存储单元具有：设置在写入位线108和写入字线110交错的区域上的TMR元件100；与该TMR元件100的一个端子电连接的下部电极101；与所述TMR元件100的另一端子连接的上部电极(也称触点)107；环状结构部件109；和一端与下部电极101连接，另一端与未图示的选择晶体管连接的连接插头111。写入位线108及写入字线110，在写入时选择存储单元，在选择的存储单元内的TMR元件上写入信息。写入位线108与上部电极107电连接，写入字线110通过未图示的绝缘膜与下部电极101电绝缘。
如图1所示，TMR元件100具有：由Ta组成的缓冲层102、由Ir-Mn组成的反铁磁性层103、由Co-Fe组成的磁化基准层104、由Al2O3组成的隧道阻挡层105、和由Co-Fe-Ni组成的记录层106。缓冲层102与下部电极101电连接。记录层106通过上部电极107与写入位线108电连接。使记录层106的磁化容易轴方向与磁化基准层104的磁化方向大体平行，成为TMR元件100的MR比为最大值的结构。
TMR元件100周围用绝缘膜(未图示)覆盖，在该绝缘膜的外侧设置由高导磁率磁性材料组成、环的一部分有切口的截面形状的环状结构部件109。在本实施例中，环状结构部件109由Ni78Fe22组成。此外，环状结构部件109由包含强磁性体材料的材料组成，该包含强磁性体材料的材料是包括Co、Fe、Ni中的至少一种的合金，相对导磁率最好大于10。
该环状结构部件109设置成其两端被配置在记录层106的磁化容易轴方向(图1中的箭头方向)上，从而成为能会聚来自记录层106的磁力线的结构。来自记录层106的磁力线会聚，从环状结构部件109的一端进入环状结构部件109，通过形成上述磁力线通过环状结构部件109从环状结构部件109的另一端环流到记录层106中的磁路闭环，可以降低磁化容易轴方向的磁各向异性能量，使记录层106的磁化方向稳定。
另外，作为环状结构部件109的具体截面形状的例子，有例如，如图2A所示的“コ”字形形状及其两端在闭合方向上延伸的形状，如图2B所示的马蹄型及其两端向闭合方向上延伸的形状，如图2C所示的“U”字形形状及其两端向闭合方向上延伸的形状，以及如图2D所示的“C”字形及其两端向闭合方向上延伸的形状。而且，在本实施例中，环状结构部件109虽然由从记录层106接受磁力线或使磁力线返回到记录层106的部分109a、109b和连接这些部分109a、109b的部分109c构成，但只要这些部分109a、109b、109c是整体形成的结构就行。
在本实施例中，由于根据环状结构部件109的设置，使记录层106的磁化方向稳定，所以可把存储单元的形状作成正方形。例如，可作成存储单元的单元宽0.15μm、单元长0.15μm的正方形。即，可实现已有情况下不稳定的单元长和单元宽之比即形状比为1的存储单元形状。在过去，如图3A所示，形状比仅在约为2才能作为稳定的TMR元件109使用，存储单元面积只有用12F2的存储单元(F是根据设计规则决定的尺寸)才可实现。然而，在本实施例中，如图3B所示，存储单元的面积为8F2，与已有的相比较，存储单元的面积可减少到3/2。这样，可提高存储密度。
如上所述，根据本实施例，即使提高存储密度，也能提高存储单元中所使用的磁阻效应元件的存储层存储保持状态的稳定性，可得到高可靠性的磁记录装置。
在上述第一实施例中，环状结构部件109虽然在构成TMR元件100的叠层膜的膜面方向上形成，但是如图4所示，也可在与构成TMR元件100的叠层膜的膜面垂直的方向上形成。如图4所示，该情况下的写入位线108构成为通过环状结构部件109的内侧。于是如图4所示，在磁存储装置中，在利用来自2个写入布线108、110的磁场使记录层106的磁化反转时，由于环状结构部件109增强了由位线108发生的磁力，所以具有促进记录层106磁化反转的效果。
(第二实施例)
接着，参照附图5A、图5B及图6说明本发明第二实施例的磁存储装置。该实施例的磁记录装置具有存储单元阵列，该存储单元阵列具有矩阵状排列的多个存储单元，各存储单元具有TMR元件和选择晶体管。图5A是表示本实施例的磁存储装置的存储单元大体构成的透视图，图5B是沿图5A中所示的剖切面A剖切时的截面图。
该实施例的磁存储装置具有存储单元阵列，该存储单元阵列具有：矩阵状排列的多个存储单元、多个写入位线208、和设置成与这些写入位线208交错的多个写入字线210。
根据该实施例的磁存储装置的存储单元，如图5A所示，具有：在写入位线208和写入字线210相交错的区域内设置的TMR元件200、环状结构部件209、反转促进结构部件212。TMR元件200的一端与写入位线208连接，TMR元件200的另一端与写入字线210连接。即，如图6所示，成为在写入字线210和写入位线208中直接夹入TMR元件200的简单矩阵结构，这2个写入布线208、210在写入时选择存储单元，用来向选择的存储单元内的TMR元件中写入信息，同时，在读出时也使用。反转促进结构部件212强化了来自写入字线210的磁场，促使后述的TMR元件200的记录层206的磁化反转.
此外，该TMR元件200，与在图1中所示的第一实施例中所使用的TMR元件相同，具有：由Ta组成的缓冲层、由Ir-Mn组成的反强磁性反强磁性层、由Co-Fe组成的磁化基准层、由Al2O3组成的隧道阻挡层、和由Co-Fe-Ni组成的记录层206。
在本实施例中，TMR元件200是单元宽100nm、单元长100nm的正方形，记录层206的磁化容易轴方向与磁化基准层的磁化方向大体平行。而且，在本实施例中，如果规定F表示由设计规则决定的尺寸，则存储单元面积为4F2(参照图6)。
环状结构部件209具有环的一部分有切口的截面形状，夹着绝缘膜设置成包围写入位线208。于是，环状结构部件209的两端部由于通过来自记录层206的磁力线环流而配置在记录层206的磁化容易轴方向上(参照图5B)。
而且，反转促进结构部件212具有环的一部分作出切口的截面形状，夹着绝缘膜设置在写入字线210的周围。于是，反转促进结构部件212的两端部为了强化记录层206的磁化困难轴方向的来自写入字线210的磁场，而成为在记录层206磁化困难轴方向上配置的结构(参照图5B)。
环状结构部件209、反转促进结构212都由高导磁率材料构成。
一般来说，为了促使TMR元件200的记录层206的磁化反转，一旦在记录层206的磁化困难轴方向设置高导磁性体，则由于磁化困难轴方向的磁各向异性能量变小，存储保持状态下记录层206的磁化方向不稳定性加大。
于是，在本实施例中，如图5B所示，在记录层206的附近，为了以高于该磁化困难轴方向的磁各向异性能量减少部分的方式降低磁化容易轴方向的磁各向异性能量，配置成从在磁化容易轴方向设置的环状结构部件209的端部到记录层206的距离de，比从在磁化困难轴方向设置的反转促进结构部件212的端部到记录层206的距离dh小。距离dh如果是距离de1.1倍以上，则效果更显著。这时，距离dh小于50nm则更好。此外，在实用上只要距离dh是距离de的2倍以上就行。
还有，为了进一步降低磁化容易轴方向的磁各向异性能量，磁化容易轴方向配置的环状结构部件209的高导磁率磁性体的导磁率选择这样的材料，即使其要比磁化困难轴方向配置的反转促进结构部件212的高导磁率磁性体的导磁率大3倍。
此外，为了配置成从在磁化容易轴方向设置的环状结构部件209的端部到记录层206的距离de比从在磁化困难轴方向设置的反转促进结构部件212的端部到记录层206的距离dh小，环状结构部件209构成为其两端部从位线208的侧部向TMR元件200的记录层206延伸，反转促进结构部件212的构成为其两端部从写入字线210的侧部向TMR元件200的记录层206延伸也可以。这时，如本实施例那样，将反转促进结构212配置在TMR元件200的下侧，如果将环状结构部件209配置在TMR元件200的上侧，则即使使用普通的制造工序，也能容易地制作磁存储装置。
在本实施例中，环状结构部件209由Ni78Fe22构成，反转促进结构部件212由Ni45Fe55构成。此外，环状结构部件209由包含强磁性体材料的材料构成，该包含强磁性体材料的材料是包含Co、Fe、Ni中的至少一种的合金，相对导磁率最好大于10。
另外，环状结构部件209及反转促进结构部件212的具体形状可作成如第一实施例中说明的图2A至图2D中所示的形状的任一种。
如上所述，根据本实施例，即使提高存储密度也可使在存储单元中使用的磁阻效应元件的存储层的存储保持状态稳定性提高。
此外，在本实施例中，尽管de<dh且把比反转促进结构212的导磁率大的材料用于环状结构部件209中，但是，磁化容易轴向磁各向异性能量只要比磁化困难轴方向的小就行，例如，即使de是dh的约2倍，用导磁率差10倍的组合也能获得同样效果。该磁各向异性能量近似地与在其方向上放置的高导磁率材料的导磁率大小成正比例，与其距离成反比。
此外，在本实施例中，虽然环状结构部件和反转促进结构部件与包含记录层的平面交错，但是，并不一定要与该平面交错。
还有，在本实施例中，环状结构部件209及反转促进结构部件212虽然在写入布线208、210周围夹着绝缘膜(未图示)形成，但也可不夹着绝缘膜形成。在该情况下，环状结构部件209及反转促进结构部件212中使用的材料电阻率最好大于在写入布线208、210中使用的材料电阻率，理想的是至少在2倍以上。还有，在该情况下，最好夹着防止各结构部件和布线金属之间相互扩散的阻挡层金属，例如，如果布线由Cu组成，结构部件是Ni-Fe，则作为阻挡层金属，可用Co-Fe、TiN、TaN、TiW等。
另外，在以上的第一及第二实施例中，也可在环状结构部件209的两端实现与磁力线闭环的磁力线方向同向的磁化。而且，如果使用在磁化基准层上通过非磁性层反铁磁性耦合2个强磁性层的合成结构，那么，由于可减少来自磁化基准层的磁耦合，则进一步强化本发明的效果。
而且，环状结构部件也可以是在环厚度方向(与磁力线闭环垂直的方向)上伸长的结构，即筒状延伸的结构，也可与相邻的存储单元共用。
而且，在上述第一及第二实施例中，作为在环状结构部件中使用的材料，最好是Fe、Fe-Al合金、Fe-Si合金、铁硅铝磁合金等的Fe-Si-Al合金、NiFe合金、Fe2O3、以Fe2O3合金为主成分的软铁氧体、Fe、Co、Ni和B、Si、P等的非晶态合金等一般的高导磁率磁性材料。
而且，作为上述第二实施例的反转促进结构部件中所用的材料，最好是包含Ni、Fe、Co中的任一种的高导磁率磁性材料。
并且，在上述第一及第二实施例中，虽然说明将单结的TMR元件用于存储单元，但是即使使用双结的TMR元件其效果也不变。
如上所述，根据本发明，即使提高存储密度，也能提高在存储单元中使用的磁阻效应元件存储层的存储保持状态的稳定性，可获得可靠性高的磁存储装置。
Claims (9)
1.一种磁存储装置，其特征在于，具有存储单元阵列，该存储单元阵列具有：多个第一写入布线；与这些第一写入布线交错的多个第二写入布线；和在所述第一写入布线和所述第二写入布线的交错区域的每一个上设置的存储单元，
所述存储单元在对应的所述第一写入布线和对应的所述第二写入布线被选择时，分别被选择，且具有：
隧道型磁阻效应元件，其具有：利用在所述第一及第二写入布线中分别流动的电流产生的磁场来存储应写入信息的记录层；将磁化方向固定在与所述记录层的磁化容易轴方向相同的方向上的磁化基准层；和设置在所述记录层和所述磁化基准层之间的隧道阻挡层；
第一结构部件，具有环的一部分有切口的截面形状，设置成包围所述第一写入布线，并在所述记录层的磁化容易轴方向上配置两端部，以与所述记录层形成磁闭路；以及
第二结构部件，具有环的一部分有切口的截面形状，设置成包围所述第二写入布线，并在所述记录层的磁化困难轴方向上配置两端部，以强化所述记录层的磁化困难轴方向上的磁场，
选择所述第一和第二结构部件各自的两端部与所述记录层的距离以及所述第一和第二结构部件的导磁率，以使所述记录层的磁化容易轴方向的磁各向异性能量小于磁化困难轴方向的磁各向异性能量。
2.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，所述第一结构部件由包含强磁性材料的材料构成，所述强磁性材料的相对导磁率大于10。
3.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，所述第一结构部件的所述两端部被配置在所述磁化基准层的磁化方向上。
4.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，从所述第二结构部件的所述两端部的每一个到所述记录层的距离比从所述第一结构部件的所述两端部的每一个到所述记录层的距离要长10％以上。
5.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，从所述第二结构部件的所述两端部的每一个到所述记录层的距离是从所述第一结构部件的所述两端部的每一个到所述记录层的距离的2倍以上。
6.根据权利要求4所述的磁存储装置，其特征在于，从所述第二结构部件的所述两端部的每一个到所述记录层的距离小于50nm。
7.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，所述第一结构部件的所述两端部具有延伸的部分，以接近所述磁阻效应元件。
8.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，所述第一及第二结构部件分别由包含强磁性材料的材料构成，所述第一结构部件的所述两端部从所述第一写入布线的侧部向所述磁阻效应元件的所述记录层延伸，以便配置成比所述第二结构部件的所述两端部更接近所述记录层。
9.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，所述第一结构部件设置在所述磁阻效应元件的上侧，所述第二结构部件设置在所述磁阻效应元件的下侧。
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