CN103427017A - 磁阻元件和包括其的存储装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁阻元件及包括其的存储装置。该磁阻元件包括自由层和从自由层突出的突出元件。该突出元件可以具有封闭的围栏结构。该突出元件可以包括从自由层的第一方向的两端突出的第一部分和从自由层的第二方向的两端突出的第二部分。第一部分和第二部分可以具有相同的突出长度。第一部分和第二部分可以具有不同的突出长度。另一方面，突出元件可以包括从自由层的第一方向的两端的至少之一突出的第一部分和从自由层的第二方向的两端的至少之一突出的第二部分。

Description

磁阻元件和包括其的存储装置
技术领域
本公开涉及磁阻元件和包括其的存储装置。
背景技术
磁性随机存取存储器（MRAM）是通过利用磁性隧穿结（MTJ）元件的电阻变化来存储数据的存储装置。MTJ元件的电阻根据自由层的磁化方向而改变。换言之，当自由层的磁化方向与被钉扎层的磁化方向相同时，MTJ元件具有低电阻。当自由层的磁化方向与被钉扎层的磁化方向相反时，MTJ元件具有高电阻。如果MTJ元件具有低电阻，则数据可以相应于“0”。相反，如果MTJ元件具有高电阻，则数据可以相应于“1”。MRAM作为下一代非易失性存储装置之一由于其诸如非易失性、高速操作和高耐久性的优点而引起注意。
存储在MTJ元件中的数据的热稳定性与自由层的能量势垒（Eb）相关。已知当自由层是平面内磁性各向异性材料层时，如果Eb/kBT（kB：玻尔兹曼常数，T：绝对温度）约为60，则MTJ元件的热稳定性可以保持大约10年。通常，MTJ元件的特征尺寸，即自由层的特征尺寸，应该至少约为40nm以确保大约60的相对高的Eb/kBT，虽然其可以根据自由层的厚度而稍微改变。这意味着难以将MTJ元件的特征尺寸减小到小于40nm。因此，难以将MRAM的记录密度提高到预定水平。
发明内容
提供适合于按比例缩小的磁阻元件。
提供具有优异的热稳定性的磁阻元件。
提供有助于高集成度和高性能的装置（例如存储装置）的磁阻元件。
提供包括磁阻元件的装置（例如存储装置）。
附加的方面将部分地在后面的描述中阐述，从该描述部分地显见，或者可以通过给出的实施方式的实践而习知。
根据本发明的一方面，磁阻元件包括：被钉扎层，具有固定的磁化方向；自由层，设置为相应于被钉扎层并具有可变的磁化方向；和突出元件，从自由层突出、具有封闭的围栏结构并具有可变的磁化方向。
突出元件可以在垂直于自由层的方向上突出。
突出元件可以从自由层的边缘突出。
突出元件可以朝被钉扎层突出。
突出元件可以具有围绕被钉扎层的结构。
如果突出元件朝被钉扎层突出，则突出元件可以具有围绕被钉扎层的结构。
突出元件可以远离被钉扎层而突出。
突出元件可以具有均匀的突出长度。
突出元件可以包括具有不同的突出长度的第一部分和第二部分。
自由层可以具有矩形形状。
突出元件可以包括相应于自由层的短边的第一部分和相应于自由层的长边的第二部分，其中第一部分和第二部分的突出长度相同。
突出元件可以包括相应于自由层的短边的第一部分和相应于自由层的长边的第二部分，其中第一部分和第二部分的突出长度不同。第二部分的突出长度可以小于第一部分的突出长度。
自由层可以具有椭圆形状。
突出元件可以包括相应于自由层的长轴方向的两端的第一部分和相应于自由层的短轴方向的两端的第二部分，其中第一部分和第二部分的突出长度相同。
突出元件可以包括相应于自由层的长轴方向的两端的第一部分和相应于自由层的短轴方向的两端的第二部分，其中第一部分和第二部分的突出长度不同。第二部分的突出长度可以小于第一部分的突出长度。
突出元件的至少一部分可以具有等于或大于约8nm的突出长度。
自由层和被钉扎层可以具有平面内磁各向异性。在此情形下，突出元件可以具有平面内磁各向异性。
自由层和被钉扎层可以具有垂直磁各向异性。在此情形下，突出元件可以具有垂直磁各向异性。
该磁阻元件还可以包括设置在自由层与被钉扎层之间的分隔层。
被钉扎层可以是第一被钉扎层，且磁阻元件可以还包括：与第一被钉扎层分离的第二被钉扎层；和间隔件，设置在第一被钉扎层与第二被钉扎层之间。
第一被钉扎层、第二被钉扎层和间隔件可以构成合成反铁磁（SAF）结构。
根据本发明的另一方面，磁性装置或电子装置包括该磁阻元件。
根据本发明的另一方面，存储装置包括至少一个存储单元，其中存储单元包括该磁阻元件。
存储单元还可以包括连接到磁阻元件的开关元件。
存储装置可以是磁随机存取存储器（MRAM）。
存储装置可以是自旋转移矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）。
根据本发明的另一方面，磁阻元件包括：被钉扎层，具有固定的磁化方向；自由层，设置为相应于被钉扎层并具有可变的磁化方向；和突出元件，从自由层突出，其中突出元件包括：从自由层的面对第一方向的两端的至少之一突出的第一突出部分；和从自由层的面对第二方向的两端的至少之一突出的第二突出部分。
第一突出部分和第二突出部分可以具有相同的突出长度。
第一突出部分和第二突出部分可以具有不同的突出长度。
第一突出部分的宽度可以小于第二突出部分的宽度，在此情形下，第二突出部分的突出长度可以小于第一突出部分的突出长度。
突出元件可以从自由层向下突出。
突出元件可以从自由层向上突出。
突出元件的至少一部分可以具有等于或大于约8nm的突出长度。
自由层和被钉扎层中的至少之一可以具有四边形或椭圆形形状。这里，四边形可以是矩形。
自由层和被钉扎层可以具有平面内磁各向异性。在此情形下，突出元件可以具有平面内磁各向异性。
自由层和被钉扎层可以具有垂直磁各向异性。在此情形下，突出元件可以具有垂直磁各向异性。
该磁阻元件还可以包括设置在自由层与被钉扎层之间的分隔层。
被钉扎层可以是第一被钉扎层，磁阻元件可以还包括与第一被钉扎层分隔开的第二被钉扎层以及设置在第一被钉扎层与第二被钉扎层之间的间隔件。
第一被钉扎层、第二被钉扎层和间隔件可以构成合成反铁磁（SAF）结构。
根据本发明的另一方面，磁性装置或电子装置包括该磁阻元件。
根据本发明的另一方面，存储装置包括至少一个存储单元，其中存储单元包括该磁阻元件。
存储单元还可以包括连接到磁阻元件的开关元件。
存储装置可以是磁随机存取存储器（MRAM）。
存储装置可以是自旋转移矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）。
附图说明
通过结合附图对实施方式的下列描述，这些和/或其它方面将变得明显且更易于理解，在附图中：
图1A是根据本发明的实施方式的磁阻元件的透视图；
图1B是沿图1A的线A-A’所取的截面图；
图1C是沿图1A的线B-B’所取的截面图；
图2A是根据本发明的另一实施方式的磁阻元件的透视图；
图2B是沿图2A的线A-A’所取的截面图；
图3至图16是根据本发明的实施方式的磁阻元件的透视图；
图17A和图17B是用于描述根据本发明的实施方式的磁阻元件的操作方法的截面图；
图18是根据本发明的另一实施方式的磁阻元件的截面图；
图19是根据对比示例的磁阻元件的透视图；
图20是曲线图，示出在图19的结构中的特征尺寸F改变时，根据自由层的转换路径（switching path）的Eb/kBT（关于热能的能量势垒）；
图21是曲线图，示出当实施方式的磁阻元件的特征尺寸F为15nm时，根据自由层的转换路径的Eb/kBT（关于热能的能量势垒）；
图22是曲线图，示出当另一实施方式的磁阻元件的特征尺寸F为15nm时，根据自由层的转换路径的Eb/kBT（关于热能的能量势垒）；
图23是根据另一对比示例的磁阻元件的透视图；
图24是曲线图，示出当图23的磁阻元件的特征尺寸F为15nm时，根据自由层的转换路径的Eb/kBT（关于热能的能量势垒）；以及
图25和图26示出根据本发明的实施方式的包括磁阻元件的存储装置。
具体实施方式
现在将参考附图更充分地描述多个示例实施方式，在附图中示出示例实施方式。
将理解，当元件被称为“连接到”或“耦接到”另一元件时，它可以直接连接到或直接耦接到其它元件，或可以存在中间的元件。相反，当元件被称为“直接连接到”或“直接耦接到”其它元件时，则没有中间元件存在。如这里所用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何及所有组合。
将理解，虽然术语第一、第二等可以在此处使用来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分应不受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与其他元件、部件、区域、层或部分。因此，以下讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一部分可以被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二部分，而不背离示范性实施方式的教导。
空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等可以在此用于描述一个元件或特征与另一（多个）元件和/或特征如图中所示的关系。将理解，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外装置在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的装置被翻转，被描述为在其他元件或特征的“下方”或“下面”的元件则应取向在所述其他元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包括上和下两种取向。装置也可以有其它取向（旋转90度或其它取向）且相应地解释这里所使用的空间相对描述符。
这里使用的术语仅为了描述特定实施方式的目的，而非旨在限制示例实施方式。如这里所用的，单数形式“一”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地指示另外的意思。还将理解，本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指定了存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组分，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组分和/或其组的存在或增加。
将参考截面图描述示例实施方式，截面图是示例实施方式的理想化实施方式（和中间结构）的示意图。因此，可以预期由于例如制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化。因此，示范性实施方式不应理解为限于这里所示的区域的特定形状，而是包括由于例如制造引起的形状的偏离。例如，示出为矩形的注入区通常具有倒圆或弯曲的特征和/或在其边缘具有注入浓度的梯度而不是从注入区到非注入区的二元变化。类似地，通过注入形成的埋入区可以在埋入区和通过其发生注入的表面之间的区域中产生一些注入。因此，图中示出的区域本质上是示意性的且它们的形状并非旨在示出器件的区域的实际形状且并非旨在限制示例实施方式的范围。
除非另外限定，否则这里使用的所有的术语（包括技术术语和科学术语）具有与示例实施方式所属的技术领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。将进一步理解，诸如通用词典中定义的那些术语，应该理解为具有与它们在相关语境中的含义一致的含义，且不应理解为理想化或过度形式化的含义，除非这里明确地如此限定。
现在将详细参考实施方式，其示例在附图中示出，其中相似的附图标记通篇指代相似的元件。在这点上，本实施方式可以具有不同的形式且不应理解为限于这里给出的描述。因此，下面通过参考附图仅描述实施方式，以解释本描述的多个方面。
在下文，将参考附图详细描述根据本发明的实施方式的磁阻元件及包括其的装置（存储装置）。在附图中，为了清晰夸大了层或区域的厚度和尺寸。
图1A是根据本发明的实施方式的磁阻元件的透视图。图1B是沿图1A的线A-A’所取的截面图，图1C是沿图1A的线B-B’所取的截面图。
参考图1A至图1C，磁阻元件可以包括被钉扎层PL1、自由层FL1和位于被钉扎层PL1与自由层FL1之间的分隔层SL1。被钉扎层PL1是具有固定磁化方向并可以由铁磁材料形成的磁性层。铁磁材料可以包括Co、Fe、和Ni中的至少一种以及另一种元素，例如B、Cr、Pt和Pd。自由层FL1是磁性层，其具有可变磁化方向并可以由包括Co、Fe和Ni中的至少一种的铁磁材料形成。用于自由层FL1的铁磁材料还可以包括另一种元素，例如B、Cr、Pt和Pd。自由层FL1和被钉扎层PL1可以由相同材料或不同材料形成。分隔层SL1可以由绝缘材料形成。例如，分隔层SL1可以包括诸如Mg氧化物和Al氧化物的绝缘材料。当这样的材料（具体地，Mg氧化物）用于形成分隔层SL1时，磁阻率（即，MR率）可以增加。然而，用于形成分隔层SL1的材料不限于绝缘材料。如果需要，分隔层SL1可以由导电材料形成。在这点上，分隔层SL1可以包括从Ru、Cu、Al、Au、Ag及其任意混合物构成的组中选择的至少一种导电材料（金属）。分隔层SL1的厚度可以约为5nm或以下，例如约为3nm或以下。
可以提供从自由层FL1突出的突出元件PE1。突出元件PE1可以具有闭合围栏结构。即，突出元件PE1可以具有围绕一区域的结构。突出元件PE1可以是从自由层FL1的边缘突出的元件。突出元件PE1可以在垂直于自由层FL1的方向突出。在这点上，“垂直于自由层FL1的方向”不一定指突出元件PE1与自由层FL1之间的角度恰好是90°的方向。如果突出元件PE1以预定角度从自由层FL1向上或向下延伸，则突出元件PE1可以被认为具有关于自由层FL1垂直的分量。因此，即使突出元件PE1与自由层FL1之间的角度不是90°，当突出元件PE1从自由层FL1向上或向下突出时，突出元件PE1可以被认为具有关于自由层FL1垂直的分量。因此，这里使用的表述“垂直于自由层FL1的方向”应该以广义的含义理解。根据本实施方式，突出元件PE1可以从自由层FL1向下突出，即从自由层FL1朝被钉扎层PL1垂直地突出，如图1A至图1C所示。突出元件PE1可以具有围绕被钉扎层PL1的结构。突出元件PE1的磁性质可以与自由层FL1的磁性质相同或相似。换言之，突出元件PE1可以具有可变的磁化方向，类似于自由层FL1。因此，自由层FL1和突出元件PE1可以构成“自由层结构”。自由层结构可以具有包括自由层FL1和在预定方向从自由层FL1突出的突出元件PE1的立体结构（即，三维结构）。用于形成突出元件PE1的材料可以与自由层FL1相同或者可以不与自由层FL1相同。至少部分的突出元件PE1可以具有约8nm或以上的突出长度（在Z轴方向的长度）。然而，如果需要，突出元件PE1在Z轴方向的长度可以小于约8nm。
由于突出元件PE1接触自由层FL1，即，突出元件PE1从自由层FL1延伸，所以自由层FL1的磁化方向不会容易地被热改变。换言之，自由层FL1的热稳定性可以被突出元件PE1改善。为了改变自由层FL1的磁化方向，突出元件PE1的磁化方向也应该改变。因此，在自由层FL1接触突出元件PE1的结构中，自由层FL1的磁化方向不会容易地被热改变。特别地，如果突出元件PE1具有封闭的围栏结构，自由层FL1的热稳定性可以进一步改善。这将在后面更详细地描述。
如果图1A的磁阻元件的Y轴方向宽度由W1表示，图1A的磁阻元件的X轴方向宽度由W2表示，Y轴方向宽度W1和X轴方向宽度W2可以彼此不同。例如，Y轴方向宽度W1可以是1F，X轴方向宽度W2可以是2F。在这点上，F表示特征尺寸。磁阻元件的Y轴方向宽度W1与X轴方向宽度W2之比可以是1：2或类似的值。然而，磁阻元件的Y轴方向宽度W1与X轴方向宽度W2之比可以不同地改变。同时，被钉扎层PL1和分隔层SL1的Y轴方向宽度与X轴方向宽度之比可以类似于或稍不同于磁阻元件的Y轴方向宽度W1与X轴方向宽度W2之比。被钉扎层PL1和分隔层SL1的Y轴方向宽度与X轴方向宽度之比可以是1：2或类似的值。
在下文，将更详细地描述被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1。
被钉扎层PL1和自由层FL1可以具有平面内磁各向异性。在此情形下，突出元件PE1也可以具有平面内磁各向异性。如果被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1具有平面内磁各向异性，它们可以包括软磁材料。软磁材料的磁各向异性能量可以在约104至约105erg/cc范围内。软磁材料可以为Ni、Co、NiCo、NiFe、CoFe、CoFeB、CoZrNb、CoZrCr等。如果被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1具有平面内磁各向异性，则它们的易磁化轴可以由形状各向异性确定。在这点上，被钉扎层PL1和自由层FL1可以具有在预定方向上（例如在沿X轴的方向上）伸长的形状。例如，被钉扎层PL1和自由层FL1可以具有矩形形状，该矩形形状具有沿X轴的方向的两个长边和沿Y轴的方向的两个短边。在此情形下，突出元件PE1可以具有分别相应于自由层FL1的两个短边的第一部分p10和分别相应于自由层FL1的两个长边的第二部分p20。第一部分p10是从自由层FL1的X轴方向的两端突出的部分，第二部分p20是从自由层FL1的Y轴方向的两端突出的部分。在图1B和图1C的被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1中示出的
Figure BDA00002846324800081
和箭头表示被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1的磁化方向。在这点上，表示在X轴方向的磁化方向，表示在负X轴方向的磁化方向。被钉扎层PL1的磁化方向可以固定，自由层FL1和突出元件PE1的磁化方向可以转换。例如，被钉扎层PL1的磁化方向可以固定在负X轴方向。自由层FL1的磁化方向可以在X轴方向和负X轴方向之间转换。在图1B和图1C中，自由层FL1在X方向被磁化。突出元件PE1的第一部分p10可以具有平行于Z轴的磁化方向（图1C）。在这点上，第一部分p10可以具有在Z轴方向的长边。即，第一部分p10的Z轴方向的边可以长于Y轴方向宽度W1。如果自由层FL1在X轴方向被磁化，则自由层FL1的左边第一部分p10可以在Z轴方向被磁化，自由层FL1的右边第一部分p10可以在负Z轴方向被磁化（图1C）。突出元件PE1的第二部分p20可以在与自由层FL1相同的方向被磁化（图1B）。图1B和图1C示出的由
Figure BDA00002846324800091
和箭头表示的方向（即磁化方向）被示范性地示出且可以改变。
在突出元件PE1中，第一部分p10的X轴方向厚度例如可以为约5nm或以下，或者约3nm或以下。类似地，第二部分p20的Y轴方向厚度例如可以为约5nm或以下，或者约3nm或以下。第一部分p10和第二部分p20的厚度可以类似于或小于自由层FL1的Z轴方向厚度。自由层FL1的Z轴方向厚度可以约为5nm或以下。例如，自由层FL1的Z轴方向厚度可以在约0.5nm至约5nm范围内。然而，该厚度被示范性地描述且可以改变。
同时，自由层FL1和突出元件PE1在图1B和图1C中用虚线示出为单独的元件，但是他们可以形成为一体（即，自由层FL1和突出元件PE1可以形成为单个体）。此外，参考图1B和图1C，突出元件PE1从自由层FL1的一侧延伸，但是该结构被示范性地示出。突出元件PE1也可以从自由层FL1的边缘的下表面（或上表面）延伸。
以上参考图1A至图1C描述了根据本实施方式的磁阻元件。在下文，图1A至图1C可以被称为图1。
在图1中的突出元件PE1的结构可以以不同的方式修改。例如，虽然第一部分p10和第二部分p20的Z轴方向长度在图1中是相同的，但是根据另一实施方式，第一部分p10和第二部分p20的长度可以彼此不同。其示例在图2A和图2B中示出。图2B是沿图2A的线A-A’所取的截面图。
参考图2A和图2B，突出元件PE2可以包括第一部分p10和第二部分p25。第一部分p10可以是从自由层FL1的两个短边（即X轴方向的两端）突出的部分，第二部分p25可以是从自由层FL1的两个长边（即Y轴方向的两端）突出的部分。第二部分p25的突出长度可以短于第一部分p10的突出长度。在此情形下，自由层FL1的热稳定性可以进一步改善。这将在后面参考图22更详细地描述。在下文，图2A和图2B可以被称为图2。
在参考图1和图2描述的实施方式中，被钉扎层PL1的磁化方向可以利用各种方法固定。例如，为了固定被钉扎层PL1的磁化方向，可以使用合成反铁磁（SAF）结构（未示出）或反铁磁层（未示出）。磁化方向也可以通过利用被钉扎层PL1的形状各向异性而固定，不使用SAF结构或反铁磁层。即，被钉扎层PL1的磁化方向可以固定而不使用额外的层。
图3和图4是由图1和图2修改的透视图，示出了用于固定被钉扎层PL1的磁化方向的SAF结构。
参考图3和图4，可以进一步提供相应于被钉扎层PL1（在下文，被称为第一被钉扎层）的第二被钉扎层PL2。第二被钉扎层PL2可以设置在第一被钉扎层PL1下方。因此，第一被钉扎层PL1可以设置在第二被钉扎层PL2与自由层FL1之间。间隔件SP1可以设置在第一被钉扎层PL1与第二被钉扎层PL2之间。第二被钉扎层PL2可以具有固定在与第一被钉扎层PL1的磁化方向相反的方向的磁化方向。第一被钉扎层PL1、间隔层SP1和第二被钉扎层PL2构成SAF结构。在该SAF结构中，相邻设置的第一被钉扎层PL1和第二被钉扎层PL2（间隔件SP1位于其间）可以具有彼此相反地固定的磁化方向。第二被钉扎层PL2和第一被钉扎层PL1可以由相同或相似的材料形成。间隔件SP1可以包括至少一种导电材料，例如Ru、Cu、Al、Au、Ag及其混合物，间隔件SP1的厚度可以小于约5nm，例如约3nm或以下。图3和图4的结构可以与图1和图2的结构相同，除了进一步设置第二被钉扎层PL2和间隔件SP1之外，因此这里将不提供其描述。
图1至图4的突出元件PE1和PE2的方向可以改变。在图1至图4中，突出元件PE1和PE2朝被钉扎层PL1突出，即从自由层FL1向下突出。然而，根据另一实施方式，突出元件PE1和PE2可以在远离被钉扎层PL1的方向突出，即向上突出。其示例在图5至图8中示出。
图5至图8是透视图，示出与图1至图4所示的突出元件PE1和PE2不同的突出方向。
参考图5至图8，突出元件PE1’和PE2’可以从自由层FL1向上突出。即，突出元件PE1’和PE2’可以在远离被钉扎层PL1的方向突出。在图5和图7中，突出元件PE1’可以具有从自由层FL1的短边突出的第一部分p10’和从自由层FL1的长边突出的第二部分p20’。第一部分p10’和第二部分p20’的突出长度可以相同。在图6和图8中，突出元件PE2’可以具有从自由层FL1的短边突出的第一部分p10’和从自由层FL1的长边突出的第二部分p25’。第一部分p10’和第二部分p25’的突出长度可以彼此不同。第二部分p25’的突出长度可以短于第一部分p10’的突出长度。图5至图8的结构可以与图1至图4的结构相同，除了突出元件PE1’和PE2’的改变的位置/方向之外。
在图1至图8中，被钉扎层PL1和PL2、自由层FL1和突出元件PE1、PE1’、PE2和PE2’具有四边形（矩形）形状，但是这些形状可以以不同的方式修改。例如，被钉扎层PL1和PL2、自由层FL1和突出元件PE1、PE1’、PE2和PE2’在俯视图中可以具有椭圆形或类似的形状。其示例在图9至图16中示出。
在图9至图16中，附图标记PL10、SL10和FL10分别表示被钉扎层（第一被钉扎层）、分隔层和自由层，附图标记PE10、PE10’、PE20和PE20’表示突出元件，附图标记PL20和SP10分别表示第二被钉扎层和间隔件。附图标记p100和p100’表示突出元件PE10、PE10’、PE20和PE20’的第一部分，附图标记p200、p200’、p250和p250’表示突出元件PE10、PE10’、PE20和PE20’的第二部分。第一部分p100和p100’是从自由层FL10的长轴方向的两端突出的部分，第二部分p200、p200’、p250和p250’是从自由层FL10的短轴方向的两端突出的部分。图9至图16的结构与图1至图8的结构相同，除了每层的圆化形状之外，图9至图16的结构的每层的功能类似于以上所描述的那些。因此，自由层FL10的热稳定性可以通过图9至图16所示的结构中的突出元件PE10、PE10’、PE20和PE20’而改善。
图17A和图17B是用于描述根据本发明的实施方式的磁阻元件的操作方法的截面图。该操作方法关于具有图1A至图1C所示的结构的磁阻元件来描述，图17A和图17B的操作方法关于图1C而示出。
参考图17A，第一电流I1可以从自由层FL1提供到被钉扎层PL1。第一电流I1可以从自由层FL1经由分隔层SL1流到被钉扎层PL1。通过第一电流I1，电子e-可以从被钉扎层PL1流到自由层FL1。从被钉扎层PL1流到自由层FL1的电子e-可以具有与被钉扎层PL1相同的自旋方向并可以向自由层FL1提供自旋矩（spin torque）。因此，自由层FL1可以在与被钉扎层PL1相同的方向被磁化。这样，其中自由层FL1和被钉扎层PL1在相同的方向被磁化的状态为平行态，磁阻元件可以具有低电阻（第一电阻）。在此情形下，突出元件PE1的两个第一部分p10中的设置在自由层FL1左侧的一个第一部分可以在负Z轴方向被磁化，设置在自由层FL1的右侧的另一第一部分p10可以在Z轴方向被磁化。同时，虽然在图17A中没有示出，但是突出元件PE1的第二部分p20可以在与自由层FL1相同的方向（即，负X轴方向）被磁化。
参考图17B，第二电流I2可以从被钉扎层PL1提供到自由层FL1。第二电流I2可以从被钉扎层PL1经由分隔层SL1流到自由层FL1。通过第二电流I2，电子e-可以从自由层FL1流到被钉扎层PL1。通过从自由层FL1流到被钉扎层PL1的电子e-，自由层FL1可以在与被钉扎层PL1相反的方向被磁化。这是因为在流到被钉扎层PL1的电子e-之中的具有与被钉扎层PL1相同自旋的电子通过被钉扎层PL1流出，而具有与被钉扎层PL1相反自旋的电子返回自由层FL1并向自由层提供自旋矩。即，由于具有与被钉扎层PL1相反自旋的电子向自由层FL1施加自旋矩，所以自由层FL1可以在与被钉扎层PL1的磁化方向相反的方向上被磁化。其中自由层FL1和被钉扎层PL1在相反方向被磁化的状态是反平行态，磁阻元件可以具有高电阻（第二电阻）。通过第二电流I2，突出元件PE1的磁化方向可以反转。即，随着自由层FL1的磁化方向被反转，突出元件PE1的磁化方向也被反转。因此，突出元件PE1的两个第一部分p10中的设置在自由层FL1左侧的第一部分可以在Z轴方向被磁化，而设置在自由层FL1的右侧的另一第一部分p10可以在负Z轴方向被磁化。同时，虽然在图17B中没有示出，但是突出元件PE1的第二部分p20可以在与自由层FL1相同的方向（即，X轴方向）被磁化。
如以上参考图17A和图17B所述，自由层FL1的磁化方向可以由电流I1和I2确定。由于电子的自旋矩通过电流I1和I2被施加到自由层FL1，所以自由层FL1可以在预定方向（即，与被钉扎层PL1的磁化方向相同的方向或相反的方向）被磁化。因此，自由层FL1的磁化可以通过自旋转移矩（spintransfer torque）而执行。
以上描述了具有平面内磁各向异性的被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1。然而，它们可以具有垂直磁各向异性。如果被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1具有垂直磁各向异性，则它们可以包括硬磁材料。硬磁材料的磁各向异性能可以在约106至约107erg/cc范围内。包括硬磁材料的被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1由于相对高的磁各向异性而可以具有垂直于基板的易磁化轴。具体地，如果被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1具有垂直磁各向异性，则它们可以具有多层结构，包括交替堆叠的第一层和第二层，第一层可以包括Co和Co合金中的至少之一，第二层可以包括Pt、Ni和Pd中的至少之一。备选地，被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1可以包括具有L10结构的FePt层或CoPt层；或者稀土元素和过渡金属的合金层。稀土元素可以包括Tb和Gd中的至少之一，过渡金属可以包括Ni、Fe和Co中的至少之一。
图18是根据本发明的另一实施方式的磁阻元件的截面图，其中被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1具有垂直磁各向异性。如图18所示，被钉扎层PL1的磁化方向可以固定在平行于Z轴的方向，例如在负Z轴方向。自由层FL1的磁化方向可以在Z轴方向与负Z轴方向之间转换。在图18中，自由层FL1在Z轴方向被磁化。突出元件PE1可以在与自由层FL1相同的方向被磁化。突出元件PE1的两个第一部分p10可以在与自由层FL1相同的方向被磁化。虽然在图18中没有示出，但是突出元件PE1的第二部分p20可以在与自由层FL1相同的方向被磁化。这样，如果被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1具有垂直磁各向异性，它们的磁化方向不由形状各向异性确定。因此，被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1的形状（宽度和长度比）可以容易地改变。此外，即使被钉扎层PL1、自由层FL1和突出元件PE1具有垂直磁各向异性，自由层FL1的热稳定性也可以通过突出元件PE1而改善。
图19是根据对比示例的磁阻元件的透视图。
参考图19，根据对比示例的磁阻元件具有包括依次形成在第一被钉扎层PL100上的分隔层SL100和自由层FL100以及依次形成在第一被钉扎层PL100下方的间隔件SP100和第二被钉扎层PL200的结构。第一被钉扎层PL100可以是CoFeB层，分隔层SL100可以是MgO层，自由层FL10可以是CoFeB层。间隔件SP100可以是Ru层，第二被钉扎层PL200可以是CoFe层。磁阻元件的X轴方向宽度是2F，其Y轴方向宽度是1F。在这点上，F表示特征尺寸。
图20是曲线图，示出当改变图19的结构中的特征尺寸F时，根据自由层FL100的转换路径的Eb/kBT（关于热能的能量势垒）。在这点上，Eb是能量势垒，kB是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。这里，自由层FL100的厚度是2.4nm。在图20中，在第一至第四曲线G1、G2、G3和G4中，特征尺寸F分别为15nm、25nm、35nm和45nm。
在图20中，当路径为0时，自由层FL100在X轴方向被磁化，当路径为100时，自由层FL100在负X轴方向被磁化。路径“0”与路径“100”之间的势垒（即Eb/kBT）是用于反转自由层FL100的磁化方向的能量势垒。相对高的势垒表示自由层FL100的优异的热稳定性。随着特征尺寸F增加，自由层FL100的Eb/kBT增加。如果特征尺寸F为15nm、25nm和35nm（即G1、G2和G3），转换路径的中心的Eb/kBT小于60。如果特征尺寸F为45nm（即G4），转换路径的中心的Eb/kBT大于60。如果Eb/kBT为大约60，磁阻元件的热稳定性可以保持约10年。因此，为了将根据对比示例的磁阻元件的热稳定性保持超过10年，特征尺寸F应该为约45nm或以上。这意味着难以将根据对比示例的磁阻元件的特征尺寸F减小到小于45nm。
图21是曲线图，示出当实施方式（图3）的磁阻元件的特征尺寸F为15nm时根据自由层FL1的转换路径的Eb/kBT（关于热能的能量势垒）。图21示出图3的磁阻元件的结果。在将突出元件PE1的Z轴方向长度（即突出长度T）从8nm以4nm的增量增加到24nm时，测量了自由层FL1的Eb/kBT。在这点上，自由层FL1、分隔层SL1、第一被钉扎层PL1、间隔件SP1和第二被钉扎层PL2分别由CoFeB、MgO、CoFeB、Ru和CoFe形成。自由层FL1、分隔层SL1、第一被钉扎层PL1、间隔件SP1和第二被钉扎层PL2的厚度分别为2.4nm、1.6nm、2.4nm、0.8nm和2.4nm。突出元件PE1由与自由层FL1相同的材料形成。在图21的第一至第五曲线G10、G20、G30、G40和G50中，突出元件PE1的长度T分别为8nm、12nm、16nm、20nm和24nm。
参考图21，当突出元件PE1的长度T为8nm（即G10）时，转换路径的中心的Eb/kBT约为60或以上。此外，随着突出元件PE1的长度T增加，Eb/kBT增加。当突出元件PE1的长度T为24nm（即G50）时，Eb/kBT大于约110。该结果显示，即使当根据本实施方式的磁阻元件的特征尺寸F约为15nm时，也可以获得优异的热稳定性。具体地，如果突出元件PE1的长度T长于8nm，则可以显著地改善热稳定性。如果突出元件PE1的长度T长于12nm，则即使当磁阻元件的特征尺寸F减小到约10nm时，也可以获得优异的热稳定性。因此，根据本实施方式，即使特征尺寸F减小到约15nm或以下，磁阻元件也可以具有优异的热稳定性。在这点上，根据本实施方式的磁阻元件可以适合于按比例缩小和确保装置（例如存储装置）的高性能。
图22是曲线图，示出当另一实施方式（图4）的磁阻元件的特征尺寸F为15nm时，根据自由层FL1的转换路径的Eb/kBT（关于热能的能量势垒）。图22示出图4的磁阻元件的结果。在将突出元件PE2的第一部分p10的Z轴方向长度（即突出长度）T1固定在24nm并将突出元件PE2的第二部分p25的Z轴方向长度（即突出长度）T2改变为24nm、18.4nm、10.4nm和6.4nm时，测量了自由层FL1的Eb/kBT。在这点上，自由层FL1、分隔层SL1、第一被钉扎层PL1、间隔件SP1和第二被钉扎层PL2的材料和厚度可以与以上参考图21描述的相同。突出元件PE2由与自由层FL1相同的材料形成。在图22的第一至第四曲线G11、G22、G33和G44中，突出元件PE2的第二部分p25的长度T2分别为24nm、18.4nm、10.4nm和6.4nm。
参考图22，当T2为24nm（即，如果T2与T1相同）时（即G11），自由层FL1的Eb/kBT约为110。当T2为18.4nm（即G22）时，Eb/kBT约为140，如果T2为10.4nm（即G33），Eb/kBT约为190。即，如果T2小于T1，则Eb/kBT可以显著增加。基于该结果，当T2短于T1时，与T1和T2相同时相比，自由层FL1的热稳定性可以进一步改善。因此，如图4所示，如果突出元件PE2的第二部分p25的长度T2短于第一部分p10的长度T1，则热稳定性可以进一步改善。
图23是根据另一对比示例的磁阻元件的透视图。
参考图23，根据对比示例的磁阻元件具有这样的结构：突出元件PE100’仅设置在自由层FL100’的X轴方向的两端。即，根据对比示例的磁阻元件具有类似于图3的结构，其中突出元件PE1的第二部分p20从其去除。在此情形下，突出元件PE100’具有敞开结构而不是封闭的围栏结构。在图23中，PL100’、PL200’、SP100’和SL100’分别表示第一被钉扎层、第二被钉扎层、间隔件和分隔层。
图24是曲线图，示出当图23的磁阻元件的特征尺寸F为15nm时，根据自由层FL100’的转换路径的Eb/kBT（关于热能的能量势垒）。这里，用于自由层FL100’、分隔层SL100’、第一被钉扎层PL100’、间隔件SP100’和第二被钉扎层PL200’的材料（厚度）分别为CoFeB（2.4nm）、MgO（1.6nm）、CoFeB（2.4nm）、Ru（0.8nm）和CoFe（2.4nm）。突出元件PE100’由与自由层FL100’相同的材料形成。
参考图24，转换路径的中心的Eb/kBT约为37（相对低的值）。根据该结果，当具有图23所示的结构的磁阻元件的特征尺寸F约为15nm时，难以获得优异的热稳定性。通过将该结果与根据本发明的实施方式（图21和图22）的磁阻元件的结果相比较，根据本发明的磁阻元件的热稳定性和按比例缩小可以比对比示例的磁阻元件更容易地实现。
根据本发明实施方式的磁阻元件可以应用于各种磁装置和电子装置。例如，磁阻元件可以应用于存储装置的存储单元。如上所述，磁阻元件可以适合于按比例缩小并具有优异的热稳定性。因此，如果磁阻元件应用于存储装置，则可以制造高密度/高性能的存储装置。如果通常的磁阻元件的宽度（即特征尺寸）约为40nm或以下，则不能获得自由层的热稳定性（即存储在自由层中的数据的热稳定性）。然而，即使根据本实施方式的磁阻元件的宽度（即特征尺寸）减小到约10nm，也可以获得自由层的热稳定性。因此，可以制造小尺寸的磁阻元件。因此，通过使用这样的磁阻元件，可以制造具有相对高密度的存储装置，在每单位面积上具有相对高的容量。根据本发明的实施方式的磁阻元件也可以在存储装置之外的各种装置中使用。
图25示出根据本发明的实施方式的包括磁阻元件的存储装置。
参考图25，根据本实施方式的存储装置可以包括存储单元MC1，该存储单元MC1包括磁阻元件MR1和与其连接的开关元件TR1。磁阻元件MR1可以具有以上参考图1至图16描述的任何一种结构，例如图3的结构。开关元件TR1例如可以是晶体管。
存储单元MC1可以设置在位线BL1与字线WL1之间。位线BL1和字线WL1可以彼此交叉，存储单元MC1可以设置在它们的交叉点。位线BL1可以连接到磁阻元件MR1。磁阻元件MR1的自由层FL1可以电连接到位线BL1。第二被钉扎层PL2可以电连接到字线WL1。开关元件TR1可以设置在第二被钉扎层PL2与字线WL1之间。如果开关元件TR1是晶体管，则字线WL1可以连接到开关元件TR1的栅电极。通过字线WL1和位线BL1，用于写的电流、用于读的电流、用于擦除的电流等可以提供到存储单元MC1。
虽然图25示出一个存储单元MC1，但是可以设置多个存储单元MC1以形成阵列。即，多个位线BL1和多个字线WL1可以彼此交叉，存储单元MC1可以分别设置在它们的交叉点。由于根据本发明的实施方式的磁阻元件MR1的尺寸可以减小到约40nm或以下，或者减小到约20nm或以下，所以存储单元MC1的尺寸可以减小，从而可以制造高密度/高集成度的存储装置。
图25的存储装置可以是磁随机存取存储器（MRAM）。具体地，由于在图25的存储装置中可以使用上述自旋转移矩，所以存储装置可以是自旋转移矩MRAM（STT-MRAM）。在STT-MRAM中，不需要如常规MRAM一样的用于产生外部磁场的额外布线（即数位线），因此STT-MRAM可以有效地用于相对高的集成度且可以简单地操作。
图26示出根据本发明的另一实施方式的包括磁阻元件MR2的存储装置。根据本实施方式的存储装置可以包括存储单元MC2，该存储单元MC2包括磁阻元件MR2和与其连接的开关元件TR1。磁阻元件MR2可以具有从图25的磁阻元件MR1修改的结构，例如图4的结构。图26的结构可以与图25的结构相同，除了磁阻元件MR2的结构之外。
在图25和图26中，磁阻元件MR1和MR2的翻转结构是可能的。在这点上，磁阻元件MR1和MR2的自由层FL1可以连接到开关元件TR1，第二被钉扎层PL2可以连接到位线BL1。图25和图26所示的磁阻元件的结构可以以各种方式修改。
虽然已经参考本发明的优选实施方式具体示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节的各种变化而不背离由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。例如，对于本领域普通技术人员明显的是，图1至图16所示的磁阻元件的结构可以以各种方式修改。具体地，在图1至图4中，从自由层FL1的第一方向的两端突出的两个第一部分p10之一可以不形成，或者从自由层FL的第二方向的两端突出的两个第二部分p20或p25之一可以不形成。类似地，在图5至图8中，从自由层FL1的第一方向的两端突出的两个第一部分p10’之一可以不形成，或者从自由层FL的第二方向的两端突出的两个第二部分p20’或p25’之一可以不形成。这也适用于参考图9至图16描述的实施方式。此外，根据本发明的实施方式的磁阻元件可以不仅应用于图25和图26所示的存储装置，还应用于其他存储装置和其他磁装置。
应该理解，这里描述的示范性实施方式应该仅理解为描述性的含义而不是为了限制的目的。每个实施方式中的特征或方面的描述应该典型地理解为可用于其他实施方式中的其他类似特征或方面。
本公开要求于2012年5月18日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2012-0053157的权益，其公开通过引用整体结合于此。

Claims (35)

1.一种磁阻元件，包括：
被钉扎层，具有固定的磁化方向；
自由层，设置为相应于所述被钉扎层并具有可变的磁化方向；和
突出元件，从所述自由层突出、具有封闭的围栏结构并具有可变的磁化方向。
2.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述突出元件在垂直于所述自由层的方向上突出。
3.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述突出元件从所述自由层的边缘突出。
4.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述突出元件朝所述被钉扎层突出。
5.根据权利要求4所述的磁阻元件，其中所述突出元件具有围绕所述被钉扎层的结构。
6.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述突出元件远离所述被钉扎层突出。
7.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述突出元件具有均匀的突出长度。
8.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述突出元件包括具有不同的突出长度的第一部分和第二部分。
9.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述自由层具有矩形形状。
10.根据权利要求9所述的磁阻元件，其中所述突出元件包括相应于所述自由层的短边的第一部分和相应于所述自由层的长边的第二部分，
其中所述第一部分和第二部分的突出长度相同。
11.根据权利要求9所述的磁阻元件，其中所述突出元件包括相应于所述自由层的短边的第一部分和相应于所述自由层的长边的第二部分，
其中所述第一部分和第二部分的突出长度不同。
12.根据权利要求11所述的磁阻元件，其中所述第二部分的突出长度小于所述第一部分的突出长度。
13.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述自由层具有椭圆形状。
14.根据权利要求13所述的磁阻元件，其中所述突出元件包括相应于所述自由层的长轴方向的两端的第一部分和相应于所述自由层的短轴方向的两端的第二部分，
其中所述第一部分和第二部分的突出长度相同。
15.根据权利要求13所述的磁阻元件，其中所述突出元件包括相应于所述自由层的长轴方向的两端的第一部分和相应于所述自由层的短轴方向的两端的第二部分，
其中所述第一部分和第二部分的突出长度不同。
16.根据权利要求15所述的磁阻元件，其中所述第二部分的突出长度小于所述第一部分的突出长度。
17.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述突出元件的至少一部分具有等于或大于约8nm的突出长度。
18.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述自由层和所述被钉扎层具有平面内磁各向异性。
19.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述自由层和所述被钉扎层具有垂直磁各向异性。
20.根据权利要求1所述的磁阻元件，还包括设置在所述自由层与所述被钉扎层之间的分隔层。
21.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中所述被钉扎层是第一被钉扎层，且所述磁阻元件还包括：
与所述第一被钉扎层分离的第二被钉扎层；和
间隔件，设置在所述第一被钉扎层与所述第二被钉扎层之间。
22.根据权利要求21所述的磁阻元件，其中所述第一被钉扎层、所述第二被钉扎层和所述间隔件构成合成反铁磁结构。
23.一种存储装置，包括至少一个存储单元，其中所述存储单元包括根据权利要求1所述的磁阻元件。
24.根据权利要求23所述的存储装置，其中所述存储单元还包括连接到所述磁阻元件的开关元件。
25.根据权利要求23所述的存储装置，其中所述存储装置是自旋转移矩磁随机存取存储器。
26.一种磁阻元件，包括：
被钉扎层，具有固定的磁化方向；
自由层，设置为相应于所述被钉扎层并具有可变的磁化方向；和
突出元件，从所述自由层突出，
其中所述突出元件包括：从所述自由层的面对第一方向的两端的至少之一突出的第一突出部分；和从所述自由层的面对第二方向的两端的至少之一突出的第二突出部分。
27.根据权利要求26所述的磁阻元件，其中所述第一突出部分和所述第二突出部分具有相同的突出长度。
28.根据权利要求26所述的磁阻元件，其中所述第一突出部分和所述第二突出部分具有不同的突出长度。
29.根据权利要求28所述的磁阻元件，其中所述第一突出部分的宽度小于所述第二突出部分的宽度，
所述第二突出部分的突出长度小于所述第一突出部分的突出长度。
30.根据权利要求26所述的磁阻元件，其中所述突出元件从所述自由层向下突出。
31.根据权利要求26所述的磁阻元件，其中所述突出元件从所述自由层向上突出。
32.根据权利要求26所述的磁阻元件，其中所述自由层和所述被钉扎层中的至少之一具有四边形或椭圆形形状。
33.一种存储装置，包括至少一个存储单元，其中所述存储单元包括权利要求26所述的磁阻元件。
34.根据权利要求33所述的存储装置，其中所述存储单元还包括连接到所述磁阻元件的开关元件。
35.根据权利要求33所述的存储装置，其中所述存储装置是自旋转移矩磁随机存取存储器。
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