CN114267785A - 磁存储装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施方式提供一种能够进行稳定的读出动作的磁存储装置。实施方式的磁存储装置具备磁阻效应元件(40)及二端子型开关元件，所述磁阻效应元件(40)具备：第1磁性层(41)，具有固定的磁化方向；第2磁性层(42)，具有固定的磁化方向；第3磁性层(43)，设置在第1磁性层与第2磁性层之间，具有可变的磁化方向；第1非磁性层(46)，设置在第1磁性层与第3磁性层之间；以及第2非磁性层(47)，设置在第2磁性层与第3磁性层之间；所述二端子型开关元件相对于磁阻效应元件串联连接，当施加在两端子间的电压达到阈值电压以上时，从非电导通状态变成电导通状态。
Description
[相关申请案]
本申请案享有以日本专利申请案2020-155599号(申请日：2020年9月16日)为基础申请案的优先权。本申请通过参照该基础申请案而包含基础申请的所有内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及一种磁存储装置。
背景技术
业界提出了一种非易失性磁存储装置，它在半导体衬底上集成有包含磁阻效应元件及开关元件(选择器)的存储单元。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种能够进行稳定的读出动作的磁存储装置。
实施方式的磁存储装置具备磁阻效应元件及二端子型开关元件，所述磁阻效应元件具备：第1磁性层，具有固定的磁化方向；第2磁性层，具有固定的磁化方向；第3磁性层，设置在所述第1磁性层与所述第2磁性层之间，具有可变的磁化方向；第1非磁性层，设置在所述第1磁性层与所述第3磁性层之间；以及第2非磁性层，设置在所述第2磁性层与所述第3磁性层之间；所述二端子型开关元件相对于所述磁阻效应元件串联连接，当施加在两端子间的电压达到阈值电压以上时，从非电导通状态变成电导通状态。
附图说明
图1A是示意性地表示实施方式的磁存储装置的构成的一例的立体图。
图1B是示意性地表示实施方式的磁存储装置的构成的另一例的立体图。
图2是示意性地表示实施方式的磁存储装置中所包含的磁阻效应元件的构成的剖视图。
图3是示意性地表示实施方式的磁存储装置中所包含的选择器的构成的剖视图。
图4是示意性地表示实施方式的磁存储装置中所包含的选择器的电流-电压特性的图。
图5是表示关于磁存储装置的读出动作中所要求的电流的范围的图。
图6是用来说明对实施方式的磁存储装置中所包含的磁阻效应元件进行写入时的动作的图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。
图1A是示意性地表示实施方式的非易失性磁存储装置的构成的立体图。图1A所示的构造集成在半导体衬底(未图示)上。
如图1A所示，本实施方式的磁存储装置包含：多条第1配线10，在X方向上延伸；多条第2配线20，在与X方向交叉的Y方向上延伸；以及多个存储单元30，连接在多条第1配线10与多条第2配线20之间。第1配线10及第2配线20中的一个与字线对应，另一个与位线对应。
各存储单元30包含：磁阻效应元件40；以及选择器(开关元件)50，相对于磁阻效应元件40串联连接。在图1A所示的例子中，在磁阻效应元件40与选择器50之间设置着导电性缓冲层60。另外，在本实施方式中，在磁阻效应元件40是MTJ(magnetic tunnel junction，磁性隧道结)元件的情况下进行说明。
通过在连接于所需的存储单元30的第1配线10与第2配线20之间施加特定的电压，所需的存储单元30中所包含的选择器50成为接通状态，从而能够对所需的存储单元30中所包含的磁阻效应元件40进行读出或者写入。
另外，图1A所示的磁存储装置是选择器50设置在磁阻效应元件40的上层侧的构成，但也可以如图1B所示，是磁阻效应元件40设置在选择器50的上层侧的构成。
图2是示意性地表示所述磁阻效应元件40的构成的剖视图。
如图2所示，磁阻效应元件40包含第1磁性层41、第2磁性层42、第3磁性层43、第4磁性层44、第5磁性层45、第1隧道势垒层(第1非磁性层)46、第2隧道势垒层(第2非磁性层)47、第1中间层48及第2中间层49，且具有这些层41～49在Z方向上积层的构造。
具体来说，在第1磁性层41与第2磁性层42之间设置着第3磁性层43，在第1磁性层41与第3磁性层43之间设置着第1隧道势垒层(第1非磁性层)46，在第2磁性层42与第3磁性层43之间设置着第2隧道势垒层(第2非磁性层)47。此外，第1磁性层41、第2磁性层42及第3磁性层43设置在第4磁性层44与第5磁性层45之间。
第1磁性层41是具有固定的磁化方向的强磁性层，作为第1参照层RL1的一部分发挥作用。所谓固定的磁化方向，意指相对于特定的写入电流，磁化方向不发生变化。第1磁性层41例如由含有钴(Co)、铁(Fe)及硼(B)的CcFeB层形成。
第2磁性层42也是具有固定的磁化方向的强磁性层，作为第2参照层RL2的一部分发挥作用。第1磁性层41的磁化方向与第2磁性层42的磁化方向相互平行。也就是说，第1磁性层41的磁化方向和第2磁性层42的磁化方向是同一方向。第2磁性层42例如也是由含有钴(Co)、铁(Fe)及硼(B)的CcFeB层形成的。
第3磁性层43是具有可变的磁化方向的强磁性层，作为存储层SL发挥作用。所谓可变的磁化方向，意指相对于特定的写入电流，磁化方向发生变化。第3磁性层43例如由含有钴(Co)、铁(Fe)及硼(B)的CcFeB层形成。
第4磁性层44是具有固定的磁化方向的强磁性层，作为第1参照层RL1的一部分发挥作用。第4磁性层44的磁化方向相对于第1磁性层41的磁化方向反向平行。也就是说，第4磁性层44的磁化方向相对于第1磁性层41的磁化方向为反方向。第4磁性层44例如由钴(Co)层及铂(Pt)层交替积层的超晶格层形成。
第5磁性层45也是具有固定的磁化方向的强磁性层，作为第2参照层RL2的一部分发挥作用。第5磁性层45的磁化方向相对第2磁性层42的磁化方向反向平行。也就是说，第5磁性层45的磁化方向相对于第2磁性层42的磁化方向为反方向。第5磁性层45例如也是由钴(Co)层及铂(Pt)层交替积层的超晶格层形成的。
第1隧道势垒层(第1非磁性层)46是设置在第1磁性层41与第3磁性层43之间的绝缘层。第1隧道势垒层46例如由含有镁(Mg)及氧(O)的MgO层形成。
第2隧道势垒层(第2非磁性层)47是设置在第2磁性层42与第3磁性层43之间的绝缘层。第2隧道势垒层47例如也是由含有镁(Mg)及氧(O)的MgO层形成的。
第1中间层48设置在第1磁性层41与第4磁性层44之间，由特定的金属材料形成。
第2中间层49设置在第2磁性层42与第5磁性层45之间，由特定的金属材料形成。
所述磁阻效应元件40是具有垂直磁化的STT(spin transfer torque，自旋转移力矩)型磁阻效应元件。具体来说，第1磁性层41、第2磁性层42、第3磁性层43、第4磁性层44及第5磁性层45的磁化方向都是相对于各自膜面垂直的方向。
所述磁阻效应元件40在第3磁性层43的磁化方向相对于第1磁性层41及第2磁性层42的磁化方向平行时，相对地呈低电阻状态(第1电阻状态)，在第3磁性层43的磁化方向相对于第1磁性层41及第2磁性层42的磁化方向反向平行时，相对地呈高电阻状态(第2电阻状态)。
因此，磁阻效应元件40能够根据电阻状态(低电阻状态、高电阻状态)存储二进制数据。此外，磁阻效应元件40的电阻状态能够根据流经磁阻效应元件40的电流方向来设定。
能够认为所述磁阻效应元件40实质上包含2个磁阻效应元件部分。具体来说，第1磁阻效应元件部分包含第1磁性层41、第3磁性层43、第4磁性层44、第1隧道势垒层46及第1中间层48，第2磁阻效应元件部分包含第2磁性层42、第3磁性层43、第5磁性层45、第2隧道势垒层47及第2中间层49。在这种情况下，第1磁阻效应元件部分的MR比(magnetoresistanceratio，磁阻比)和第2磁阻效应元件部分的MR比互异。
图3是示意性地表示所述选择器(开关元件)50的构成的剖视图。
如图3所示，选择器50包含：第1电极51；第2电极52；以及选择器材料层53，设置在第1电极51与第2电极52之间。选择器50是二端子型开关元件，在施加于两端子间的电压小于阈值电压的情况下，该开关元件为“高电阻状态”，例如非电导通状态，当施加在两端子间的电压达到阈值电压以上时，开关元件改变为“低电阻状态”，例如电导通状态。
图4是示意性地表示本实施方式中所使用的选择器50的电流-电压特性的图。
选择器50具有非线性的电流-电压特性，且具有如下特性：当施加在两端子间的电压增加，达到阈值电压Vth时，从断开状态(非导通状态)转为接通状态(导通状态)，当成为接通状态时，两端子间的电压转为比阈值电压Vth低的保持电压Vhold(此时，选择器50中流通电流Ihold)，电流急剧增加。此外，选择器50具有如下特性：当施加在两端子间的电压减少，达到保持电压Vhold时，从接通状态转为断开状态。此外，选择器50也可以具有双向(正方向及负方向)相互对称的电流-电压特性。
在本实施方式中，通过使用所述磁存储装置，能够进行稳定的读出及写入动作。以下，进行详细说明。
图5是表示关于读出动作中所要求的电流(在串联连接着磁阻效应元件40及选择器50的存储单元30中流动的电流)的范围的图。
图5(a)是示意性地表示选择器50的电流-电压特性的图，是简化地表示图4所示的电流-电压特性的图。图5(b)是示意性地表示磁阻效应元件40的WER(write error rate，写入错误率)和磁阻效应元件40中流动的电流(即选择器50中流动的电流)的关系的图。
如上文已述，当施加在两端子间的电压增加，达到阈值电压Vth时，选择器50从断开状态转为接通状态，当成为接通状态时，两端子间的电压转为比阈值电压Vth低的保持电压Vhold，电流急剧增加。因为两端子间的电压从阈值电压Vth转为保持电压Vhold的范围是不稳定的范围，所以为了进行稳定的读出动作，必须使比转为保持电压Vhold时的电流Ihold大的电流在选择器50中流动。
另一方面，在对磁阻效应元件40进行写入时，必须使比读出电流大的写入电流在磁阻效应元件40中流动。具体来说，如图5(b)所示，必须使比写入电流的下限值Iw0大的电流在磁阻效应元件40中流动，随着电流从写入电流的下限值Iw0起增加，WER(write errorrate)减少。从读出电流的观点来考虑，在读出时必须使比写入电流的下限值Iw0小的读出电流在磁阻效应元件40中流动。如果在读出时，比Iw0大的电流在磁阻效应元件40中流动，那么有可能导致对磁阻效应元件40进行错误写入，可能会产生读取扰动。
因此，为了进行正确的读出动作，必须设定比保持电流Ihold大且比写入电流的下限值Iw0小的读出电流。并且，虽重要的是确保充分的余裕(margin)以进行稳定的读出动作，但并不容易获得较大的Ihold和Iw0的差。
在本实施方式中，通过使用所述的磁阻效应元件40，如下所述，能够增加读出动作时的范围，能够进行抑制了读取扰动的稳定的读出动作。
图6是为了说明对磁阻效应元件40进行写入时的动作的图。另外，第1磁性层41～第5磁性层45内所示的箭头表示电子的自旋方向。
首先，说明向磁阻效应元件40中写入“0”的情况。也就是说明对磁阻效应元件40设定低电阻状态(第3磁性层43的磁化方向相对于第1磁性层41及第2磁性层42的磁化方向平行的状态)的情况。在向磁阻效应元件40中写入“0”的情况下，使电流从图6的上层侧朝下层侧流动。因此，电子“e-”从图6的下层侧朝上层侧流动。
如上文已述，本实施方式的磁阻效应元件40实质上包含2个磁阻效应元件部分40a及40b。也就是说，第1磁阻效应元件部分40a包含第1磁性层41、第3磁性层43、第4磁性层44、第1隧道势垒层46及第1中间层48，第2磁阻效应元件部分40b包含第2磁性层42、第3磁性层43、第5磁性层45、第2隧道势垒层47及第2中间层49。
首先，如果只考虑第1磁阻效应元件部分40a，那么电子e-是从第1磁性层41朝第3磁性层43流动。因为具有朝上自旋的电子e-容易从第1磁性层41注入到第3磁性层43，所以具有朝上自旋的电子e-在第3磁性层43内处于支配地位。因此，第3磁性层43的磁化方向相对于第1磁性层41的磁化方向平行。
另一方面，如果只考虑第2磁阻效应元件部分40b，那么电子e-是从第3磁性层43朝第2磁性层42流动。因为具有朝上自旋的电子e-容易从第3磁性层43注入到第2磁性层42，所以具有朝下自旋的电子e-残留在第3磁性层43内。因此，第3磁性层43的磁化方向相对于第2磁性层42的磁化方向反向平行。
如上所述，在向磁阻效应元件40中写入“0”的情况下，在第1磁阻效应元件部分40a中，第3磁性层43的磁化方向容易相对于第1磁性层41的磁化方向平行，在第2磁阻效应元件部分40b中，第3磁性层43的磁化方向容易相对于第2磁性层42的磁化方向反向平行。然而，实际上，第3磁性层43在第1磁阻效应元件部分40a和第2磁阻效应元件部分40b中是共有的。因此，第3磁性层43的磁化方向是依存于第1磁阻效应元件部分40a的写入效率(经由第1隧道势垒层46的电子的注入效率)和第2磁阻效应元件部分40b的写入效率(经由第2隧道势垒层47的电子的注入效率)的关系来决定的。如果第1磁阻效应元件部分40a的写入效率高于第2磁阻效应元件部分40b的写入效率，那么第3磁性层43的磁化方向基于第1磁阻效应元件部分40a中的磁化方向，设定成朝上。结果，第3磁性层43的磁化方向相对于第1磁性层41及第2磁性层42的磁化方向平行，而向磁阻效应元件40中写入“0”。
其次，说明向磁阻效应元件40中写入“1”的情况。也就是说明对磁阻效应元件40设定高电阻状态(第3磁性层43的磁化方向相对于第1磁性层41及第2磁性层42的磁化方向反向平行的状态)的情况。在向磁阻效应元件40中写入“1”的情况下，使电流从图6的下层侧朝上层侧流动。因此，电子“e-”从图6的上层侧朝下层侧流动。
首先，如果只考虑第2磁阻效应元件部分40b，那么电子e-是从第2磁性层42朝第3磁性层43流动。因为具有朝上自旋的电子e-容易从第2磁性层42注入到第3磁性层43，所以具有朝上自旋的电子e-在第3磁性层43内处于支配地位。因此，第3磁性层43的磁化方向相对于第2磁性层42的磁化方向平行。
另一方面，如果只考虑第1磁阻效应元件部分40a，那么电子e-是从第3磁性层43朝第1磁性层41流动。因为具有朝上自旋的电子e-容易从第3磁性层43注入到第1磁性层41，所以具有朝下自旋的电子e-残留在第3磁性层43内。因此，第3磁性层43的磁化方向相对于第1磁性层41的磁化方向反向平行。
如上所述，在向磁阻效应元件40中写入“1”的情况下，在第1磁阻效应元件部分40a中，第3磁性层43的磁化方向容易相对于第1磁性层41的磁化方向反向平行，在第2磁阻效应元件部分40b中，第3磁性层43的磁化方向容易相对于第2磁性层42的磁化方向平行。因此，根据与向磁阻效应元件40中写入“0”时相同的讨论，如果第1磁阻效应元件部分40a的写入效率高于第2磁阻效应元件部分40b的写入效率，那么第3磁性层43的磁化方向基于第1磁阻效应元件部分40a中的磁化方向，设定成朝下。结果，第3磁性层43的磁化方向相对于第1磁性层41及第2磁性层42的磁化方向反向平行，而向磁阻效应元件40中写入“1”。
如上所述，在向磁阻效应元件40中写入“0”时及写入“1”时的任一情况下，都对第3磁性层43起到使磁化方向朝上的作用和使磁化方向朝下的作用。结果，两作用的差异实质上会作用于第3磁性层43。因此，包含了2个磁阻效应元件部分40a及40b的本实施方式的磁阻效应元件40与仅由1个磁阻效应元件部分构成的一般的磁阻效应元件相比，需要增大写入电流。
像这样，对于本实施方式的磁阻效应元件40来说，不增大写入电流就无法进行写入，因此即使增大读出电流，也能够防止读出时进行错误写入。因此，在本实施方式中，能够增加读出动作时的范围，能够进行抑制了读取扰动的稳定的读出动作。
此外，在本实施方式中，第1磁阻效应元件部分40a的MR比与第2磁阻效应元件部分40b的MR比互异。具体来说，第1磁阻效应元件部分40a的MR比高于第2磁阻效应元件部分40b的MR比。
一般来说，在磁阻效应元件中，写入“0”时的写入效率比写入“1”时的写入效率高。因此，假设第1磁阻效应元件部分40a的MR比与第2磁阻效应元件部分40b的MR比相同，那么不论对第1磁阻效应元件部分40a及第2磁阻效应元件部分40b中的哪一个，都始终写入“0”。因此，和写入电流的流动方向无关，始终向磁阻效应元件40中写入“0”。
在本实施方式中，通过使第1磁阻效应元件部分40a的MR比高于第2磁阻效应元件部分40b的MR比，第1磁阻效应元件部分40a的写入效率(经由第1隧道势垒层46的电子的注入效率)将高于第2磁阻效应元件部分40b的写入效率(经由第2隧道势垒层47的电子的注入效率)。因此，能够避免如上所述的问题，通过使电流从图6的上层侧朝下层侧流动(也就是说，使电子“e-”从图6的下层侧朝上层侧流动)，能够向磁阻效应元件40中写入“0”，通过使电流从图6的下层侧朝上层侧流动(也就是说，使电子“e-”从图6的上层侧朝下层侧流动)，能够向磁阻效应元件40中写入“1”。
此外，在本实施方式中，磁阻效应元件40实质上是通过第1磁阻效应元件部分40a与第2磁阻效应元件部分40b串联连接而构成的，所以与一般的磁阻效应元件相比，读出电压变高。因此，能够使磁阻效应元件40中存储着“0”(低电阻状态)时的读出电压和磁阻效应元件40中存储着“1”(高电阻状态)时的读出电压的差变大。因此，能够确实地读出磁阻效应元件40中所存储的数据(0或1)。
此外，虽然读出电压较高，但因为对第1磁阻效应元件部分40a及第2磁阻效应元件部分40b分别施加经分压的电压，所以对第1隧道势垒层46及第2隧道势垒层47分别施加的电压并不增加。因此，尽管读出电压较高，也能够抑制对第1隧道势垒层46及第2隧道势垒层47施加较大电压。
对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其它各种方式实施，在不脱离发明主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变化包含在发明的范围及主旨中，同样包含在权利要求书所记载的发明中及其均等范围内。
[符号的说明]
10 第1配线
20 第2配线
30 存储单元
40 磁阻效应元件
40a 第1磁阻效应元件部分
40b 第2磁阻效应元件部分
41 第1磁性层
42 第2磁性层
43 第3磁性层
44 第4磁性层
45 第5磁性层
46 第1隧道势垒层(第1非磁性层)
47 第2隧道势垒层(第2非磁性层)
48 第1中间层
49 第2中间层
50 选择器(开关元件)
51 第1电极
52 第2电极
53 选择器材料层
60 缓冲层。
Claims (10)
1.一种磁存储装置，其特征在于具备磁阻效应元件及二端子型开关元件，
所述磁阻效应元件具备：
第1磁性层，具有固定的磁化方向；
第2磁性层，具有固定的磁化方向；
第3磁性层，设置在所述第1磁性层与所述第2磁性层之间，具有可变的磁化方向；
第1非磁性层，设置在所述第1磁性层与所述第3磁性层之间；以及
第2非磁性层，设置在所述第2磁性层与所述第3磁性层之间；
所述二端子型开关元件相对于所述磁阻效应元件串联连接，当施加在两端子间的电压达到阈值电压以上时，从非电导通状态变成电导通状态。
2.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1磁性层的磁化方向与所述第2磁性层的磁化方向相互平行。
3.根据权利要求2所述的磁存储装置，其特征在于，
所述磁阻效应元件具有：第1电阻状态，所述第3磁性层的磁化方向相对于所述第1及第2磁性层的磁化方向平行；以及第2电阻状态，所述第3磁性层的磁化方向相对于所述第1及第2磁性层的磁化方向反向平行。
4.根据权利要求3所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1电阻状态及所述第2电阻状态是根据所述磁阻效应元件中流动的电流方向而设定。
5.根据权利要求2所述的磁存储装置，其特征在于，
所述磁阻效应元件还具备：
第4磁性层，具有固定的磁化方向；以及
第5磁性层，具有固定的磁化方向；
所述第4及第5磁性层的磁化方向相对于所述第1及第2磁性层的磁化方向反向平行，
所述第1、第2及第3磁性层设置在所述第4磁性层与所述第5磁性层之间。
6.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1磁性层、所述第3磁性层及所述第1非磁性层构成第1磁阻效应元件部分；
所述第2磁性层、所述第3磁性层及所述第2非磁性层构成第2磁阻效应元件部分；
所述第1磁阻效应元件部分的MR比与所述第2磁阻效应元件部分的MR比互异。
7.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1、第2及第3磁性层具有垂直磁化。
8.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于还具备：
第1配线，在第1方向上延伸；以及
第2配线，在与所述第1方向交叉的第2方向上延伸；
所述磁阻效应元件及所述开关元件串联连接在所述第1配线与所述第2配线之间。
9.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1、第2及第3磁性层至少含有铁(Fe)及硼(B)。
10.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1及第2非磁性层含有镁(Mg)及氧(O)。
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