CN100594554C

CN100594554C - 存储装置

Info

Publication number: CN100594554C
Application number: CN200710127235A
Authority: CN
Inventors: 五十岚实
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: US20080043517A1; JP4518049B2; JP2008016503A; KR20080003709A; US7502250B2; CN101101788A

Abstract

一种存储装置，包括存储元件、第一布线、及第二布线。存储元件包括基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储层和磁化方向固定并通过非磁性层针对存储层设置的磁化固定层，其中，电流在堆叠方向上流动，以改变存储层的磁化方向。第一布线，提供在存储元件的堆叠方向上流动的电流，以及第二布线提供电流以将电流磁场施加给存储元件。当在存储装置中记录信息时，将第一脉冲电流提供给第一布线，将第二脉冲电流提供给第二布线，并且在第一脉冲电流下降至少10皮秒后，第二脉冲电流下降。

Description

存储装置

相关申请的交叉参考

本发明包含于2006年7月3日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2006-183684的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种存储装置，包括具有存储磁性材料的磁化状态作为信息的存储层和磁化方向固定的磁化固定层的存储元件。存储层的磁化方向通过提供电流来改变，并且，该存储装置适用于非易失性存储器。

背景技术

由于信息通信设备、尤其是诸如便携式通信终端的个人用小型设备得到了广泛地使用，所以包括在这样的设备中的存储元件、逻辑元件等进一步需要更高的性能，例如，更高的集成度、更快的运行速度及更少的电耗。

特别是，非易失性存储器是多功能装置所必须的组件。

关于非易失性存储器，已投入使用的有半导体闪存、FeRAM(铁电随机存取存储器)等，并且，为了更高的性能进行了进一步的研究和开发。

近来，作为使用磁性材料的非易失性存储器，使用隧道磁阻效应的MRAM(磁性随机存取存储器)已经被开发并引起注意(例如，参照“J.Nahas等，IEEE/ISSCC 2004 Visulas Supplement，p.22”)。

MRAM包括其中记录有信息的规则排列的微小存储元件和设置用来访问每个存储元件的诸如字线和位线的布线。

每个磁性存储元件都配置有存储层，在其中信息被记录为铁磁材料的磁化方向。

磁性存储元件采用了使用MTJ(磁性隧道结)的结构，包括上述存储层、隧道绝缘膜(非磁性隔离物)以及磁化方向固定的磁化固定层。磁化固定层的磁化方向可通过设置例如反铁磁性层来固定。

在这种结构中，会产生隧道磁阻效应，其中，针对流过隧道绝缘膜的隧道电流的电阻值根据存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向之间的夹角而改变。因此，使用隧道磁阻效应来写入(记录)信息。当存储层的磁化方向与磁化固定层的磁化方向反向平行时，电阻值最大，而当它们平行时，电阻值最小。

通过使用通过将电流提供给字线和位线而形成的合成电流磁场控制磁性存储元件中的存储层的磁化方向，来将信息写入(记录)在上述磁性存储元件中。典型地，分别对应于信息“0”和信息“1”存储磁化方向。

为了将信息记录在存储元件中，例如，日本未审查专利申请公开第H10-116490号披露了一种使用星状(asteroid)特性的方法，以及例如，美国专利申请公开第2003/0072174号披露了一种使用开关特性的方法。

另一方面，为了读取所记录的信息，可以通过在使用诸如晶体管的元件选定存储单元后，利用磁性存储元件的隧道磁阻效应检测作为电压信号之间的差的存储层的磁化方向之间的差，来检测所记录的信息。

MRAM的优势在于通过反转由铁磁材料形成的存储层的磁化方向来重写信息“0”和信息“1”，因此，与其它非易失性存储器相比，能够高速且无限次(＞10¹⁵次)地重写信息。

然而，为了重写所记录的信息，MRAM需要相对较强的电流磁场。因此，需要为地址布线提供一定量的电流(例如，几mA～几十mA)。因此，功耗会很大。

此外，MRAM分别需要用于写入的地址布线和用于读取的地址布线，因此，难以将存储单元小型化。

此外，随着存储元件的小型化，会发生下述问题。即，地址布线变细且很难为其提供充足的电流值，以及由于大矫顽力所需的强电流磁场，使得能耗增加。

因此，难以将元件小型化。

例如，美国专利第5695864号披露了一种解决这些问题的方法，其中，研究了不使用电流磁场的记录，特别地，作为能够通过小电流反转磁化方向的结构，使用基于自旋转移的磁化反转的存储器引起了关注。

例如，日本未审查专利申请公开第2003-17782号披露了基于自旋转移的磁化反转，其中，将通过磁性材料并被自旋极化的电子注入其它磁性材料，从而引起磁化反转。

具体来说，当通过磁化方向固定的磁性层(磁化固定层)的自旋极化电子进入磁化方向不固定的另一个磁性层(磁化自由层)时，对磁化自由层的磁化给定自旋转移扭矩。当流过阈值电流或更大的电流时，可以反转磁性层(磁化自由层)的磁化方向。

例如，如果在与包括磁化固定层和磁化自由层的巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)的膜表面垂直的方向上施加电流，则可以反转这些元件的至少一部分磁性层的磁化方向。

因此，形成了这样的包括磁化固定层和磁化自由层(存储层)的存储元件：其中，流过存储元件的电流的极性被改变以反转存储层的磁化方向，从而重写信息“0”和信息“1”。

通过在磁化固定层和磁化自由层(存储层)之间提供隧道绝缘层，可像MRAM一样利用隧道磁阻效应，从而读取所记录的信息。

利用自旋转移的磁化反转具有即使减小元件尺寸也可以在不增加电流量的情况下实现磁化反转的优点。

例如，在约为0.1μm的存储元件中，流过存储元件从而引起磁化反转的电流的绝对值为1mA以下，并且该绝对值与在尺寸上具有优势的存储元件的体积成比例地减小。

此外，由于不需要MRAM所必需的记录字线，所以具有简化存储单元结构的优势。

下文中，将使用自旋转移的存储元件称作SpRAM(自旋转移随机存取存储器)，并将引起自旋转移的自旋极化电流称作自旋注入电流。

期望SpRAM为在保持MRAM高速运行且能够无限次重写的优势的同时消耗更少电能并具有大容量的非易失性存储器。

图1是示出使用典型自旋转移的存储器(SpRAM)中的存储单元的示意性截面图。

为了读取记录在存储单元中的信息，可使用二极管或MOS晶体管等来电选择存储单元。图1所示的存储单元使用的是MOS晶体管。

首先，描述形成SpRAM的存储单元的存储元件101的结构。

通过非磁性层113在第一磁化固定层112和第二磁化固定层114之间形成反铁磁结合。此外，第一磁化固定层112设置为与反铁磁性层111接触，并具有由层间的交换相互作用所引起的强单向磁异向性。固定层102被配置为具有四层111、112、113、以及114。具体地，固定层102包括两个磁性层(第一磁化固定层112和第二磁化固定层114)。

铁磁性层116被配置为使得能够相对容易地反转磁化M1的方向以形成存储层(磁化自由层)103。

在第二磁化固定层114和铁磁性层116之间(具体地，在固定层102和存储层(磁化自由层)103之间)形成隧道绝缘层115。隧道绝缘层115断开在垂直方向上堆叠的磁性层116和114之间的磁性结合，并提供隧道电流。因此，TMR(隧道磁阻)元件被配置为具有固定了磁性层的磁化方向的固定层102、隧道绝缘层115、以及可以改变磁化方向的存储层(磁化自由层)103。

因此，存储元件101包括上述层111～116中的每一层、接地层110、以及顶覆层117，从而形成TMR元件。

在硅基板120上形成选择MOS晶体管121，并且在作为为选择MOS晶体管121设置的一个扩散层的扩散层123上形成接线插头107。存储元件101的接地层110设置在将与其连接的接线插头107上。尽管未在图1中示出，但是选择MOS晶体管121的另一个扩散层122通过接线插头连接至传感线。选择MOS晶体管121的栅极106连接至选择信号线。

存储元件101中的顶覆层117连接至设置在其顶部的位线(BL)105。

在稳定状态下，基于通过非磁性层113的强反铁磁性结合，第一磁化固定层112的磁化M11和第二磁化固定层114的磁化M12几乎处于完全反向平行状态。

典型地，第一磁化固定层112和第二磁化固定层114被配置为具有相同的饱和磁化和膜厚的积，因此，磁极和磁场的泄漏成分足够小，以至于可以被忽略。

通过隧道绝缘膜115，根据作为存储层103的铁磁性层116的磁化M1的方向和包括在固定层102中的第二磁化固定层114的磁化M12的方向是否处于平行状态或反向平行状态，来改变包括层114、115、以及116的TMR元件的阻值。如果两个磁化M1、M12处于平行状态，则阻值较低，而如果它们处于反向平行状态，则阻值较高。当改变TMR元件(层114、115、以及116)的阻值时，存储元件101的整体阻值也会发生改变。使用上述改变可以记录信息，以及可以读取所记录的信息。具体来说，例如，将阻值低的状态指定为信息“0”，将阻值高的状态指定为信息“1”，从而记录二进制(1位)信息。

为了重写存储单元中的信息并读取记录在存储单元中的信息，需要提供自旋注入电流Iz。自旋注入电流Iz通过存储元件101、扩散层123、以及位线105。

通过改变自旋注入电流Iz的极性，可将在存储元件101中流动的自旋注入电流Iz的方向从向上的方向改变为向下的方向，反之亦然。

因此，通过改变存储元件101中存储层103的磁化M1的方向，可重写存储单元中的信息。

日本未审查专利申请公开第2005-277147号披露了一种SpRAM结构，其中，为了反转存储元件中存储层的磁化方向，不仅为存储元件提供自旋注入电流，而且为存储元件和其它元件提供偏置电流磁场。

具体地，例如，在图1所示的结构中，通过位线105将自旋注入电流Iz提供给存储元件101，并且将由在位线105中流动的电流(等于自旋注入电流Iz)所产生的偏置电流磁场Hx(没有示出)施加给存储元件101中的存储层103。

因此，可以有效地改变存储层103的磁化M1的方向。

下文中，将示出存储单元状态的图称作相图，其中，垂直轴代表自旋注入电流Iz，水平轴代表偏置电流磁场Hx。这里，在使用脉冲电流作为产生自旋注入电流Iz和偏置电流磁场Hx的偏置电流的情况下，使用脉冲电流的峰值来制作相图。

图2示出了测量SpRAM的相图值的装置实例。图2所示的装置使用亥姆霍兹线圈72来替代位线，从而生成偏置电流磁场Hx，并且独立地从外部电源71提供在亥姆霍兹线圈72中流动的偏置电流Ib。

通过连接至存储单元的位线105，自旋注入电流Iz从另一个驱动电路流入或流出至另一个驱动电路。

通过自旋注入电流Iz和偏置电流磁场Hx，可以改变作为存储层103的铁磁性层116的磁化M1的方向。

使用图2所示的装置，可以任意设置自旋注入电流Iz和偏置电流磁场Hx的强度和相位，并且可以测量相图的值。

发明内容

如上所述，在典型的SpRAM中，通过改变自旋注入电流Iz的极性来重写存储单元中的信息。然而，存在由于使用自旋转移的磁化反转现象的不稳定而不能单独通过自旋注入电流的极性来必然地确定磁性反转结果(反转或不反转)的情况。

在这种情况下，为了确定地反转磁化，可能需要辅助偏置磁场。

然而，当如在日本未审查专利申请公开第2005-277147号中所披露的使用相同的位线生成自旋注入电流Iz和偏置电流磁场Hx时，不能单独设置自旋注入电流Iz和偏置电流磁场Hx的强度和相位。例如，不能单独并随意地调节自旋注入电流的强度和偏置电流的强度，以及不能单独调节自旋注入电流的定时、施加偏置磁场的定时、及其极性。

因此，在包括在日本未审查专利申请公开第2005-277147号中所提出的结构的典型SpRAM中，例如，由于限制了在存储单元中重写信息情况下的条件，所以难以使条件最优来使功耗最小以及可以高速执行重写。

此外，因为限制了在存储单元中重写信息情况下的条件，所以不能充分地防止上述使用自旋转移的磁化反转现象中的不稳定性。

此处，图3A示出了将在日本未审查专利申请公开第2005-277147号中提出的结构应用于图1中所示存储单元的情况，并且示出自旋注入电流Iz的脉冲电流和生成偏置电流磁场的偏置电流Ib的脉冲电流的每个定时。

如图3A所示，为了简化说明，自旋注入电流Iz和偏置电流Ib都具有矩形脉冲。t₀示出初始条件；t₁和t₂分别示出自旋注入电流Iz和偏置电流Ib的上升时间；t₃和t₄分别示出自旋注入电流Iz和偏置电流Ib的下降时间；以及t₅示出观察到的结束条件的时间。

每个脉冲的持续时间为自旋注入电流Iz的t₃-t₁以及偏置电流Ib的t₄-t₂。在t₁前断开自旋注入电流Iz，在t₁时接通，并且在t₃时断开。

在这种情况下，将流过位线105的部分电流用作自旋注入电流Iz，并将其它部分用作生成偏置电流磁场Hx的偏置电流Ib。因此，由同一驱动电源将自旋注入电流Iz和偏置电流Ib提供给位线105，因此不能以不同的定时提供注入电流Iz和偏置电流Ib。

因此，自旋注入电流Iz的脉冲的上升沿91的时间t₁和偏置电流Ib的脉冲的上升沿92的时间t₂确保为相同的时间。

接下来，图3B和3C示出了当使用典型SpRAM时存储元件101的电阻随时间改变的实例。图3B和3C中的两条曲线分别对应于超过用于反转磁化方向的阈值的±2.5mA的自旋注入电流Iz。此处，自旋注入电流Iz的脉冲持续时间(图3A中t₃-t₁)为5ns(纳秒)，并且偏置电流Ib的脉冲峰值为0。此外，图3A中的t₅-t₁为10ns。

图3B示出了初始电阻从低阻状态(“0”状态)开始并且磁化方向可以正常反转的实例。

如图3B所示，在自旋注入电流Iz的峰值为-2.5mA的条件下，可以得到从初始状态(低阻状态)反转的高阻状态，而在自旋注入电流Iz的峰值为+2.5mA的条件下，低阻状态作为初始状态保持不变。

另一方面，图3C示出了初始电阻从高阻状态(“1”状态)开始并且不可以反转磁化方向的实例。

如图3C所示，在自旋注入电流Iz的峰值为+2.5mA的条件下，临时获取从初始状态反转的低阻状态；但是，在经过5ns后断开自旋注入电流Iz时，电阻状态返回到初始的高阻状态，以及在自旋注入电流Iz的峰值为-2.5mA的条件下，高阻状态作为初始状态保持不变。

在下面的情况下观察如图3C所示的从作为初始电阻的高阻的转换不能被正常反转的现象。具体来说，在存储层(磁化自由层)103的磁化M1由于自旋注入电流Iz很短的持续时间而没有达到平行状态的情况下，在磁化方向改变的转换处理中在部分磁化自由层103中产生反转磁畴的情况下，或者在通过巨大的自旋扭矩将基本上不改变的自旋层102的磁化M11或M12移动一点点的情况下。

自旋扭矩趋向于沿由自旋注入电流Iz形成的螺旋形电流磁场增大，因此，在磁化自由层103中形成抵抗由自旋注入电流Iz形成的螺旋形电流磁场的模式的反转磁畴。

SpRAM是一种卓越的存储器，其中，使用自旋扭矩可以减小反转存储层的磁化方向所需的电流(反转阈值电流)，并且自旋扭矩的强度很大，很容易超过由与元件尺寸成反比增大的静磁场所引起的扭矩。

因此，SpRAM具有如果元件尺寸很小，则具有获取更大的反转阈值电流的优势的特性；然而，巨大的自旋扭矩会引起自旋转移磁化反转现象的不稳定性。如图3C所示，由于这种不稳定性，会观察到不能单独通过自旋注入电流的极性反转磁化方向的现象。

接下来，解释上述现象和相图之间的关系。

典型的相图包括：滞后区80；无论初始磁化状态如何，存储单元始终处于“0”状态(低阻状态)的区域81；无论初始磁化状态如何，存储单元始终处于“1”状态(高阻状态)的区域82；以及上述三种区域共存的不稳定工作区83。

为了起到存储器(其中，SpRAM具有实际容限(运行容限))的功能，可能需要三个区域(滞后区80、“0”状态区81、及“1”状态区82)分别作为足够宽的区域而独立存在。

如图4所示，不能单独通过自旋注入电流Iz的极性正常反转磁化方向的现象出现在相图上作为在“0”状态区81和“1”状态区82中两种或多种状态共存的不稳定工作区83。

图4示出了典型SpRAM的测量相图的示例，其中，自旋注入电流Iz的持续时间和偏置电流Ib的持续时间都为5ns。

图4所示的相图为示出在转换结束条件下(例如，图3A中的t₅)存储单元状态的示图，其中，自旋注入电流Iz的脉冲峰值为纵轴，偏置电流磁场Hx的脉冲峰值为横轴。

如图4所示，在图中的右上方(第一象限)和图中的左下方(第三象限)出现三种状态80、81、82共存的不稳定工作区83。

应该注意，在图4中，“0”状态区81出现在第二象限中，“1”状态区82出现在第四象限中，而不稳定工作区83出现在第一和第三象限中，然而，这些不是必须的通用特性。依赖于定义自旋注入电流Iz的方向以及固定层102的磁化M11和磁化M12的方向的方法，“0”状态区81、“1”状态区82、以及不稳定工作区83可出现在与图4所示不同的象限中。

在不稳定工作区83出现在如图4所示相图中的情况下，需要将当执行磁化反转时的自旋注入电流Iz和偏置电流Ib设置在不稳定工作区83的外部。

然而，在通过相同的位线提供电流Iz、Ib的这种结构中，难以将电流设置为不在不稳定工作区83中。

因此，期望设置条件，使得每个电流值都在不稳定工作区83的外部，稳定且确定地反转存储层的磁化方向，并稳定地记录信息。

鉴于上面的问题，期望提供具有高可靠性且稳定记录信息的存储装置。

根据本发明的实施例，提供了一种存储装置，包括：存储元件、第一布线、以及第二布线。存储元件包括基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储层和磁化方向固定并通过非磁性层为存储层设置的磁化固定层。通过在堆叠方向上提供电流改变存储层的磁化方向来记录信息。第一布线提供在存储元件的堆叠方向上流动的电流，第二布线提供电流以向存储元件施加电流磁场。当记录信息时，向第一布线提供第一脉冲电流，向第二布线提供第二脉冲电流，并且在第一脉冲电流下降至少10皮秒后，第二脉冲电流下降。

根据本发明实施例的存储装置包括：存储元件、第一布线、及第二布线。存储元件包括基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储层和磁化方向固定并通过非磁性层设置的磁化固定层。通过在堆叠方向上提供电流改变存储层的磁化方向来记录信息。由于第一布线提供在存储元件的堆叠方向上流动的电流，以及第二布线提供电流以将电流磁场施加于存储元件，所以可通过利用自旋转移改变存储层的磁化状态(磁化方向)，即，通过使用第一布线在存储元件的堆叠方向上提供电流来记录信息。

此外，由于存储装置包括提供电流以将电流磁场施加于存储元件的第二布线，所以将电流提供给第二布线，将磁场施加于存储元件，并且可以通过磁场的操作来改变存储元件中存储层的磁化方向。因此，可以通过改变存储层的磁化方向容易地执行记录信息的操作。

此外，由于第二布线与提供在存储元件的堆叠方向上流动的电流的第一布线分开设置，所以可以独立设置由流过第二布线的电流所形成的磁场和提供给第一布线的电流。

此外，当记录信息时，将第一脉冲电流提供给第一布线以及将第二脉冲电流提供给第二布线，并且在第一脉冲电流下降至少10皮秒后，第二脉冲电流下降。因此，通过降低在利用自旋转移改变磁化状态的操作中的不稳定性，可以稳定且确定地执行改变存储层磁化状态的操作。

根据本发明的实施例，可稳定且确定地执行改变存储层磁化状态的操作。因此，存储装置可具有如下所述使用自旋转移记录信息的存储装置的特性。特别来说，通过将存储元件最小化，存储装置可具有更大的容量，可减小尺寸，可消耗更少的功率等，并且也可获取稳定操作并具有高可靠性的存储装置。

附图说明

图1是根据相关技术使用自旋转移的存储器中的存储单元的示意性截面图；

图2示出了用于测量相图的装置的实例；

图3A～3C是以下示图：其中，图3A示出了自旋注入电流和偏置电流的每个电流脉冲随时间的变化，以及，图3B和图3C示出了通过施加的电流脉冲，存储元件的电阻随时间变化的实例；

图4示出了根据相关技术的相图的实例；

图5是根据本发明实施例的存储装置中的存储单元的示意性截面图；

图6是图5中所示位线的侧面截面图；

图7是示出根据本发明实施例的电流脉冲随时间变化的示图；

图8是示出根据本发明实施例的相图实例的示图；

图9是根据本发明另一实施例的存储装置中的存储单元的示意性截面图；

图10是示出根据本发明另一实施例的相图实例的示图；以及

图11是根据本发明又一实施例的相关部分的位线的示意性侧面截面图。

具体实施方式

图5示出了根据本发明实施例的存储装置的存储单元(SpRAM存储单元)的示意性截面图。

类似于图1中所示的典型SpRAM存储单元，选择MOS晶体管用于从实施例中的存储单元读取信息。

首先，描述形成SpRAM存储单元的存储元件1的结构。存储元件1具有类似于图1中所示存储单元的存储元件101的结构。

通过非磁性层13在第一磁化固定层12和第二磁化固定层14之间形成反铁磁结合。此外，第一磁化固定层12被设置为与反铁磁性层11接触，并具有通过层间的交换相互作用所引起的强单向磁异向性。固定层2被配置为具有四层11、12、13、以及14。具体地，固定层2包括两个磁性层(第一磁化固定层12和第二磁化固定层14)。

铁磁性层16被配置为使得相对容易地反转磁化M1的方向以形成存储层(磁化自由层)3。

在第二磁化固定层14和铁磁性层16之间(具体地，在固定层2和存储层(磁化自由层)3之间)形成隧道绝缘层15。隧道绝缘层15断开在垂直方向上堆叠的磁性层16和14之间的磁性结合，并提供隧道电流。因此，TMR(隧道磁阻)元件被配置为具有固定了磁性层的磁化方向的固定层2、隧道绝缘层15、以及可以改变磁化方向的存储层(磁化自由层)3。

在存储层3上面形成顶覆层17。顶覆层17防止扩散并减小布线(位线)33和与其连接的存储单元1之间的接触电阻，并防止存储层3的氧化。

在反铁磁性层11下方形成接地层10。接地层10具有改善向上堆叠的各层的结晶化的功能。

例如，将镍、铁、钴、或包括将其作为主要成分的合金的铁磁材料用于第一和第二磁化固定层12、14、以及存储层3的铁磁性层16。

例如，可将钽、铬、钌等用作非磁性层13的材料。

例如，可将包括铁、镍、铂、铱、铑等的锰合金、钴或镍氧化物等用作反铁磁性层11的材料。

例如，可将由包括铝、镁、硅等的氧化物或氮化物形成的绝缘体用作隧道绝缘层15的材料。

例如，可将铬、钽等用于接地层10。

例如，可将铜、钽、TiN等材料用于顶覆层17。

在这些层中，主要通过溅射法形成磁性层12、14、16以及导电层10、13、17。

可通过氧化或氮化利用溅射法形成的金属膜来得到隧道绝缘层15。

通过包括层11～16的每一层、接地层10、以及顶覆层17的TMR元件形成存储元件1。

在硅基板40中形成选择MOS晶体管41，并将存储元件1的接地层10通过接线插头32连接至为选择MOS晶体管41设置的一个扩散层43。尽管未在图5中示出，但将选择MOS晶体管41的另一个扩散层42通过接线插头连接至传感线。将选择MOS晶体管41的栅极31连接至选择信号线。

存储元件1中的顶覆层17连接至其顶部上的位线(BL)33。

在稳定状态下，基于通过非磁性层13的强反铁磁性结合，第一磁化固定层12的磁化M11和第二磁化固定层14的磁化M12处几乎于完全反向平行状态。

典型地，第一磁化固定层12和第二磁化固定层14被配置为具有相同的饱和磁化和膜厚的积，因此，磁极和磁场的泄漏成分足够小，以至于可以被忽略。

通过隧道绝缘膜15，根据作为存储层3的铁磁性层16的磁化M1的方向和在包括在固定层2中的第二磁化固定层14的磁化M12的方是否处于平行状态或反向平行状态，来改变包括层14、15、以及16的TMR元件的阻值。如果两个磁化M1、M12处于平行状态，则阻值较低，如果它们处于反向平行状态，则阻值较高。当改变TMR元件(层14、15、以及16)的阻值时，存储元件1的整体阻值也会发生改变。使用上述改变可以记录信息，以及可以读取所记录的信息。具体地，例如，将阻值低的状态指定为信息“0”，将阻值高的状态指定为信息“1”，从而记录二进制(1位)信息。

为了重写存储单元中的信息并读取记录在存储单元中的信息，需要提供自旋注入电流Iz。自旋注入电流Iz通过存储元件1、扩散层43、以及位线33。

通过改变自旋注入电流Iz的极性，可以将在存储元件1中流动的自旋注入电流Iz的方向从向上的方向改变为向下的方向，反之亦然。

因此，通过改变存储元件1中存储层3的磁化M1的方向，可重写存储单元中的信息。

特别地，根据上述实施例的存储装置除具有将自旋注入电流Iz提供给存储元件1的位线(第一位线)33之外，还具有第二位线34。

在垂直方向上与其间间隔平行地设置第一位线33和第二位线34。图6示出了图5中所示位线33、34的侧面截面图。

前述偏置电流Ib流过第二位线34。通过流过第二位线34的偏置电流Ib在第二位线34的周围产生偏置电流磁场Hx。这里，仅当改变存储层3的磁化状态以记录(写入)信息时提供偏置电流Ib。

应该注意，期望以至少1nm的距离将第二位线34与第一位线33分开设置，以确保电绝缘。

尽管一般通过矢量表示磁场，但仍将第二位线34的截面设置为使偏置电流磁场Hx的主标量成分与存储层3的磁化易轴(magnetization easy axis)相对应。例如，如果存储层3的磁化易轴在图6中的水平方向上，则第二位线34的理想截面为正方形或矩形。

此外，根据本实施例，将流过第一位线33的自旋注入电流Iz和流过第二位线34的偏置电流Ib都用作电流脉冲，并存在自旋注入电流Iz的电流脉冲的定时和偏置电流Ib的电流脉冲的定时之间的关系特性。

图7示出了根据本实施例的自旋注入电流Iz的脉冲和偏置电流Ib的脉冲的每个定时(随时间变化)。

如图7所示，为了简化说明，自旋注入电流Iz和偏置电流Ib都具有矩形脉冲，类似于图3A，t₀示出初始条件；t₁和t₂分别示出自旋注入电流Iz和偏置电流Ib上升的时间；t₃和t₄分别示出自旋注入电流Iz和偏置电流Ib下降的时间；以及t₅示出观察到结束条件的时间。每个脉冲的持续时间为自旋注入电流Iz的t₃-t₁及偏置电流Ib的t₄-t₂。在t₁之前断开自旋注入电流Iz，在t₁时接通，并在t₃时断开。在t₂之前偏置电流Ib处于断开状态，在t₂时接通，并在t₄时断开。

如图7所示，自旋注入电流Iz的脉冲的上升沿91的时间t₁和偏置电流Ib的脉冲的上升沿92的时间t₂分别具有不同的定时，并且时间t₂延迟于时间t₁。

这里，由于持续时间t₃-t₁和持续时间t₄-t₂几乎相等，所以自旋注入电流Iz的脉冲的下降沿93的时间t₃和偏置电流Ib的脉冲的下降沿94的时间t₄不同，并且时间t₄延迟于时间t₃。

如上所述，由于偏置电流Ib的脉冲的下降沿94的时间t₄延迟于自旋注入电流Iz的脉冲的下降沿93的时间t₃，所以在断开自旋注入电流Iz之后，偏置电流磁场Hx仍然帮助存储层3的磁化M1的方向上的反转操作。因此，可以稳定存储层3的磁化M1方向上的反转操作，并且如下所述，可以防止出现图4中所示的不稳定工作区83。

根据本实施例，由于独立设置提供自旋注入电流Iz的第一位线33和提供偏置电流Ib的第二位线34，从而可获得上述设置。

这里，为了稳定存储层3的磁化M1方向上的反转操作，自旋注入电流Iz的脉冲的下降沿93的时间t₃和偏置电流Ib的脉冲的下降沿94的时间t₄之间的时间差(t₄-t₃)至少为10ps(皮秒)。

此处，图8示出了根据本实施例的存储装置的测量相图的实例。

图8示出的实例中，各个脉冲的持续时间t₃-t₁、t₄-t₂分别为5ns，并且两个脉冲的下降沿时间之间的时间差(t₄-t₃)为5ns。

图8和图4之间的差异表示通过在断开自旋注入电流Iz之后使偏置电流磁场Hx维持5ns所产生的效果。

在图4的第一象限和第三象限上广泛观察到不稳定工作区83，但应该明白，大多数不稳定工作区83在图8中消失。

具体而言，由于与第一位线33分开设置用于产生偏置电流磁场Hx的第二位线34，并且为流过各个位线33、34的脉冲的下降沿设置了时间差，所以第一象限中的不稳定工作区83变成存储单元为“1”状态的区域82，并且将第三象限中的不稳定工作区83变成存储单元为“0”状态的区域81。

因此，可将存储单元为“0”状态的区域81扩展至第二象限和第三象限相结合的范围，并且可将存储单元为“1”状态的区域82扩展至第三象限和第四象限相结合的范围。

因此，可以广泛自由地设置存储层3的磁化M1方向上的反转操作条件。

根据上述实施例，由于设置了提供用于将偏置电流磁场Hx施加给存储元件1的偏置电流Ib的第二位线34，将偏置电流Ib提供给第二位线34，并将偏置电流磁场Hx提供给存储元件1，从而通过偏置电流磁场Hx的操作来改变存储元件1中存储层3的磁化M1的方向。因此，可以轻松地执行通过反转存储层3的磁化M1的方向来记录信息的操作。

同时，由于与提供自旋注入电流Iz的第一位线33分开设置第二位线34，所以可以单独设置由流过第二位线34的偏置电流Ib所产生的偏置电流磁场Hx和被提供给第一位线33的自旋注入电流Iz。因此，由于可以以独立的振幅、独立的符号、以及独立的相位控制偏置电流Ib和自旋注入电流Iz，所以可将条件最优化，例如使功耗最小以及高速执行重写。

此外，在通过反转存储层3的磁化M1的方向记录信息的情况下，将自旋注入电流Iz的脉冲电流提供给第一位线33，并将偏置电流Ib的脉冲电流提供给第二位线34，偏置电流Ib的下降沿94的时间t₄比自旋注入电流Iz的下降沿93的时间t₃延迟10ps或更多。因此，由于在断开自旋注入电流Iz之后保持辅助偏置电流磁场Hx，所以可减小记录信息操作中的不稳定性，并且可通过利用自旋转移反转存储层3的磁化M1的方向来稳定安全地记录信息。

由于如上所述可以稳定安全地执行记录信息的操作，所以可以获得具有通过将存储元件1最小化所产生的诸如具有更大容量、尺寸减小、以及消耗更少电能等的SpRAM特性的存储装置，并且进一步稳定存储装置的操作并可以获取高可靠性。

接下来，图9示出了根据本发明另一实施例的存储装置的存储单元的示意性截面图。

根据本实施例，具体地，除固定层2和存储层(磁化自由层)3之外，在顶覆层17和作为存储层3的铁磁性层16之间设置具有垂直磁异向性的磁性层18。

例如，将具有主要成分Ni、Fe、Co、或其合金的铁磁材料用作磁性层18。

此外，为了防止铁磁性层16和磁性层18的相互扩散，在其间设置非磁性层19。可将诸如Cu、Ta、Cr、及Ru等的材料用作非磁性层19。可将非磁性层19和磁性层18作为整体称作垂直膜4。

顶覆层17防止相互扩散，减小接触电阻，以及防止磁性层18的氧化，并且类似于上述实施例，通常可使用Cu、Ta、TiN等材料。

磁性层18的磁化M21引起用于存储层3的磁化M1的强自旋扭矩，并减小磁化反转所需的自旋注入电流Iz的阈值。

应该注意，磁性层18的磁化M21的方向固定为向上且在存储元件1的堆叠方向上，并且不被自旋注入电流Iz和偏置电流磁场Hx所改变。

根据本实施例，自旋注入电流Iz的脉冲定时(随时间变化)和偏置电流Ib的脉冲定时类似于图7所示前一实施例的脉冲定时。

由于其它结构与图5～7中所示上述实施例的结构相同，所以此处省略对其的冗余说明。

如上所述，由于设置了具有垂直磁异向性的磁性层18，所以可以减小磁化反转所需的自旋注入电流Iz的阈值。

然而，尽管有效地降低了阈值，但仍然可能增加自旋转移磁化反转现象中的不稳定性。

因此，很难单独通过自旋注入电流Iz的极性稳定地反转磁化。

根据前一实施例，为了反转存储层的磁化M1的方向，期待除自旋注入电流Iz之外还增加偏置电流磁场Hx的相对消极的影响。

另一方面，根据本实施例，存在这样一种差异，即，在没有施加偏置电流磁场Hx的情况下不能稳定地反转存储层的磁化的方向。

应该注意，在具有根据本实施例的垂直膜4的SpRAM中，需要将自旋注入电流Iz的脉冲持续时间t₃-t₁和偏置电流Ib的脉冲持续时间t₄-t₂限制为10ns或更小。

图10示出根据本实施例的存储装置的测量相图的实例。

根据图10所示的实例，分别将脉冲持续时间t₃-t₁和脉冲持续时间t₄-t₂设置为150ps(皮秒)，并将两个脉冲的下降沿之间的时间差(t₄-t₃)设置为50ps。

如图10所示，滞后区80具有星形形状。

此外，大部分的滞后区80显示在偏置电流磁场Hx＝0的线上。因此，即使改变了自旋注入电流的脉冲峰值或极性，如果不施加偏置电流磁场Hx，也不能将信息记录到处于“0”状态或“1”状态的存储单元。

随后，存储单元处于“0”状态的“0”状态区81和存储单元处于“1”状态的“1”状态区82存在于第二象限和第三象限所结合的范围内或第一象限与第四象限所结合的范围内。因此，通过施加由流过第二位线34的偏置电流Ib所感应的偏置电流磁场Hx，存储单元可稳定地处于“0”状态和“1”状态。

根据本实施例，确定存储单元的状态的首要原因为偏置电流磁场Hx，并且类似于使用星形特性的MRAM，自旋注入电流Iz辅助操作用于减小所需的偏置电流磁场Hx。

根据上述实施例，由于类似于前述实施例，可以使用偏置电流磁场Hx改变存储元件1的存储层3的磁化M1的方向，所以通过反转存储层3的磁化M1的方向，可以轻松地记录信息。

此外，由于可以以独立的振幅、独立的符号、以及独立的相位控制偏置电流Ib和自旋注入电流Iz，所以可将条件最优化，例如使功耗最小，并高速执行重写。

此外，由于在断开自旋注入电流Iz之后仍然保持辅助偏置电流磁场Hx，所以能够减小记录信息操作中的不稳定性，并且通过利用自旋转移反转存储层3的磁化M1的方向，可以稳定安全地记录信息。

此外，根据本实施例，由于在顶覆层17和作为存储层3的铁磁性层16之间设置了具有垂直各向异性的磁性层18，所以通过引起存储层3的磁化M1的强自旋扭矩，可以减小磁化反转所需的自旋注入电流Iz的阈值。

因此，由于减小了自旋注入电流Iz，所以可以降低由自旋注入电流Iz所消耗的功率。

尽管在上述各个实施例中自旋注入电流Iz的脉冲持续时间和偏置电流Ib的脉冲持续时间相等，但是它们也可以彼此不同。

根据本发明的实施例，只要通过施加自旋注入电流Iz和偏置电流Ib(具体地，通过叠加两个脉冲)来记录(反转存储层的磁化方向)信息，以及只要在自旋注入电流Iz的脉冲下降至少10ps后，偏置电流Ib的脉冲下降，就不特别限定这两个脉冲间之间的关系，例如，升高顺序及时间长度(持续时间)。

接下来，图11示出了根据本发明又一实施例的存储装置相关部分的位线的示意性侧面截面图。

根据本实施例，特别地，在第一位线33和第二位线34周围设置具有高磁导率的磁性材料35。

例如，可将包括Ni、Fe、Co、或其合金作为主要成分的铁磁材料用作磁性材料35。

例如，可通过溅射或沉积在位线33、34周围形成磁性材料35。

这里，为了将第一位线33与第二位线34电绝缘，在第一和第二位线33、34以及磁性材料35之间有效地设置1nm以上的绝缘层。

其它结构与图5～7所示的前一实施例相同。

在上述实施例中，由偏置电流Ib所感应的偏置电流磁场Hx强度与流过第二位线34的偏置电流Ib成比例。

为了降低由SpRAM所消耗的电能，需要尽可能地提高感应偏置电流磁场Hx的效率。

根据本实施例，由于设置了磁性材料35，所以可以有效地将由偏置电流Ib所感应的偏置电流磁场Hx从磁性材料35的边缘部分施加给存储元件1中的存储层3。

此外，期望磁性材料35的边缘部分与存储元件1中的存储层3尽可能靠近地形成，使得可有效地将偏置电流磁场Hx施加给存储元件1中的存储层3。

因此，优选地，磁性材料35的边缘部分从第一位线33的下表面突出1nm以上。

此外，期望磁性材料35的磁导率为1以上。

根据本实施例，可以获得与前述实施例类似的效果。

此外，根据本实施例，由于在第一位线33和第二位线34周围设置了具有高磁导率的磁性材料35，所以偏置电流磁场Hx能够从磁性材料35的边缘部分有效地施加给存储元件1的存储层3。因此，通过比前述实施例更小的偏置电流Ib，就能获得与前述实施例相等的偏置电流磁场Hx。因此，减小了偏置电流Ib，结果可以降低SpRAM的功耗。

根据上述实施例，平行地垂直排列用于提供自旋注入电流Iz的第一位线33和用于提供引起偏置电流磁场Hx的偏置电流Ib的第二位线34。

根据本发明的实施例，用于提供引起偏置电流磁场的偏置电流的布线不需要与用于提供自旋注入电流的布线平行，例如，这些布线可以彼此垂直。在两条布线彼此垂直的情况下，提供偏置电流的布线不是位线，而是其它布线。

根据本发明的实施例，存储元件1的膜结构不限于上述每个实施例中所示出的结构，可以采用其它各种膜结构。

根据上述的每个实施例，固定层2具有包括两层磁化固定层12、14以及非磁性层13的多层含铁结构。但是，磁化固定层可被配置为具有单层的铁磁性层。

此外，可以反转固定层和存储层的位置，使得在固定层下面设置存储层。

此外，由非磁性导体层代替隧道绝缘层来形成固定层和存储层之间的中间层，从而构成GMR元件。

本领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其他因素，可以有多种修改、组合、再组合和改进，均应包含在本发明的权利要求或等同物的范围之内。

Claims

1.一种存储装置，包括：

存储元件，包括基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储层和磁化方向固定并通过非磁性层针对所述存储层设置的磁化固定层，电流在所述存储元件的堆叠方向上流动以改变所述存储层的磁化方向，从而将信息记录在所述存储层中；

第一布线，提供在所述存储元件的所述堆叠方向上流动的电流，所述第一布线连接至所述存储元件；以及

第二布线，提供电流以向所述存储元件施加电流磁场，所述第二布线与所述第一布线平行且其间具有间隔，其中

当记录信息时，向所述第一布线提供第一脉冲电流，向所述第二布线提供第二脉冲电流，并且，在所述第一脉冲电流下降至少10皮秒后，所述第二脉冲电流下降。

2.根据权利要求1所述的存储装置，其中

在所述存储元件中的所述存储层的上方配置有在所述堆叠方向上被磁化的磁性层。

3.根据权利要求2所述的存储装置，其中

所述第一脉冲电流的持续时间和所述第二脉冲电流的持续时间为10纳秒以下。

4.根据权利要求1所述的存储装置，其中

所述第一布线和所述第二布线近似平行地配置，所述第一布线和所述第二布线周围配置有具有磁导率为1以上的磁性材料，所述电流磁场从所述磁性材料的边缘施加给所述存储元件。