TW201539439A - 磁性記憶體、磁性記憶體裝置、及磁性記憶體之動作方法 - Google Patents

磁性記憶體、磁性記憶體裝置、及磁性記憶體之動作方法 Download PDF

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TW201539439A
TW201539439A TW104107654A TW104107654A TW201539439A TW 201539439 A TW201539439 A TW 201539439A TW 104107654 A TW104107654 A TW 104107654A TW 104107654 A TW104107654 A TW 104107654A TW 201539439 A TW201539439 A TW 201539439A
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magnetic
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magnetization
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magnetic memory
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TW104107654A
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Shiho Nakamura
Yasuaki Ootera
Takuya Shimada
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Toshiba Kk
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Abstract

本發明提供一種具有容易進行與磁性細線之位置對準且可進行信號存取之讀出部及寫入部之磁性記憶體、磁性記憶體裝置、及磁性記憶體之動作方法。 本發明之實施形態之磁性記憶體具備：具有複數個磁區之磁性細線；包圍上述磁性細線之一端且具有磁化之參照層；設置於上述參照層與上述磁性細線之間之非磁性層；設置於上述參照層之兩端且具有彼此反向之磁化之第1磁化固定部及第2磁化固定部；設置於上述第1磁化固定部之第1電極；設置於上述第2磁化固定部之第2電極；及設置於上述磁性細線之另一端之第3電極。

Description

磁性記憶體、磁性記憶體裝置、及磁性記憶體之動作方法
本申請案係以日本專利申請2014-046854(申請日：2014年3月10日)為基礎，自該申請日起享有優先之利益。本申請案藉由參照該申請而包含該申請之所有內容。
本發明之實施形態係關於一種磁性記憶體、磁性記憶體裝置、及磁性記憶體之動作方法。
作為實現記憶體之大容量化之方法，提出使用有磁壁之抗自旋移位型之3維記憶體。此種3維記憶體包含磁性細線、讀出部、及寫入部。此種3維記憶體較佳為容易進行磁性細線與該讀出部及與該寫入部之位置對準之構造。
本發明之實施形態提供一種具有容易進行與磁性細線之位置對準且可進行信號存取之讀出部及寫入部之磁性記憶體、磁性記憶體裝置、及磁性記憶體之動作方法。
本發明之實施形態之磁性記憶體具備：具有複數個磁區之磁性細線；包圍上述磁性細線之一端且具有磁化之參照層；設置於上述參照層與上述磁性細線之間之非磁性層；設置於上述參照層之兩端且具有彼此反向之磁化之第1磁化固定部及第2磁化固定部；設置於上述第1磁化固定部之第1電極；設置於上述第2磁化固定部之第2電極；及設置於上述磁性細線之另一端之第3電極。
根據上述構成之磁性記憶體，磁性細線與可進行信號存取之讀出部及寫入部之位置對準變得容易。
10‧‧‧基板
20‧‧‧磁性細線
30‧‧‧寫入/讀出部
31‧‧‧非磁性層
32‧‧‧第1磁化固定部
33‧‧‧第2磁化固定部
34‧‧‧參照層
35‧‧‧第1反鐵磁性層
36‧‧‧第2反鐵磁性層
37‧‧‧非磁性層
38‧‧‧磁性層
40‧‧‧電極
50‧‧‧電極
51‧‧‧電極
60‧‧‧絕緣層
100‧‧‧磁性記憶體
200‧‧‧磁性記憶體元件
Ie(write)‧‧‧電子流
Ie(set)‧‧‧電子流
圖1係表示本發明之實施形態之磁性記憶體之圖。
圖2A係用以說明實施形態之圖。
圖2B係用以說明實施形態之圖。
圖3A係用以說明實施形態之圖。
圖3B係用以說明實施形態之圖。
圖3C係用以說明實施形態之圖。
圖4A係用以說明實施形態之圖。
圖4B係用以說明實施形態之圖。
圖4C係用以說明實施形態之圖。
圖5A係用以說明實施形態之圖。
圖5B係用以說明實施形態之圖。
圖6A係用以說明實施形態之圖。
圖6B係用以說明實施形態之圖。
圖7(a)~(g)係用以說明實施形態之圖。
圖8A係用以說明實施形態之圖。
圖8B係用以說明實施形態之圖。
圖9A係用以說明實施形態之圖。
圖9B係用以說明實施形態之圖。
以下，參照圖式，對本發明之各實施形態進行說明。標註有相同符號之構件表示相同構件。再者，圖式係模式性或概念性圖式，各部分之厚度與寬度之關係、部分間之大小之比例係數等並非必須與實際情況相同。又，即便於表示相同部分之情形時，亦有彼此之尺寸或 比例係數根據圖式而不同地予以表示之情況。
圖1係磁性記憶體100之剖視圖。磁性記憶體100設置於基板10上。圖1之箭頭表示磁化。基板10亦可搭載積體電路。
磁性記憶體100具備磁性細線20與寫入/讀出部30。寫入/讀出部30具備非磁性層31、及包含第1磁化固定部32及第2磁化固定部33之參照層34。
磁性細線20記憶資料。磁性細線20係由包含磁性體之細線而形成。磁性細線20於基板10之表面之法線方向上延伸。磁性細線20具有複數個磁區。磁性細線20具有一端與另一端。於磁性細線20之一端設置有電極40。磁性細線20之另一端由非磁性層31包圍。
磁性細線20之剖面形狀為長方形、正方形、圓形、橢圓形等。亦可於磁性細線20之剖面形狀之中央埋入非磁性體。磁性細線20之寬度為0.5nm以上500nm以下。該寬度相當於磁性細線20之與延伸之方向正交之方向之大小。磁性細線20之延伸方向之長度為50nm以上100μm以下。但，該長度依存於磁性記憶體100之資料容量。
對於磁性細線20，可使用含有選自鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、錳(Mn)、及鉻(Cr)中之至少1者之材料。對於磁性細線20，亦可使用將該等材料組合而成之合金。進而，可使用層中含有該等材料之多層膜。
磁性細線20之磁化較佳為與磁性細線20延伸之方向正交之方向。磁性細線20可使用包含稀土類過渡金屬與3d過渡金屬之合金之TbFeCo等稀土類-過渡金屬非晶合金膜。磁性細線20可使用Co/Ni多層膜、Co/Pd多層膜等多層膜。磁性細線20可使用FePt、CoPt、FePd等有序合金。藉由使用該等材料，使形成磁性細線20之膜具有將相對於包含磁性細線20延伸之方向之側壁面之垂直方向作為易磁化軸之垂直磁各向異性。進而，可使磁性細線20之磁化朝與磁性細線20延伸之方 向正交之方向。除此之外，藉由使用磁應力、或使磁性細線20之結晶方位一致，可使磁性細線20之易磁化軸朝與磁性細線20延伸之方向正交之方向。進而，磁性細線20之磁化為與磁性細線20延伸之方向正交之方向，於與磁性細線20延伸之方向正交之面上亦可具有不同之角度。非磁性層31由參照層34包圍。非磁性層31可使用MgO。非磁性層31之膜厚為0.4nm以上20nm以下。對於非磁性層31，可使用作為隧道勢壘而發揮作用之氧化物或氮化物。藉由使用該等氧化物或氮化物可使非磁性層之厚度減薄，因此可提高記錄容量。對於非磁性層31，可使用選自銅、銀、金、鋁、及鉑中之至少1者之材料。對於非磁性層31，亦可使用將該等材料組合而成之合金。藉由使用該等金屬，可使非磁性層31之膜厚增厚，從而使製造變得容易。對於非磁性層31，可使用包含石墨烯之石墨。
參照層34之兩端成為第1磁化固定部32及第2磁化固定部33。第1磁化固定部32及第2磁化固定部33亦可與參照層34分離而形成。參照層34之膜厚例如為0.4nm以上100nm以下。參照層34與基板10之表面平行，故參照層34可於與基板10之表面平行之方向擴大尺寸。藉由擴大該尺寸，可使參照層34之尺寸相對於磁性細線20之寬度增大。因此，可容易地進行磁性細線20與寫入/讀出部30之位置對準。參照層34之與基板10之表面平行之方向之大小例如為0.6nm以上20μm以下。
對於參照層34，可使用包含選自鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(Ni)、錳(Mn)、及鉻(Cr)中之至少1者之材料。對於參照層34，亦可使用將該等材料組合而成之合金。參照層34之磁化亦可朝與基板10之表面平行之面內。又，該磁化更佳為與連結第1磁化固定部32和第2磁化固定部33之方向正交。
第1磁化固定部32之磁化與第2磁化固定部33之磁化朝彼此相反 之方向。將該狀態稱為逆平行。第1磁化固定部32之磁化與第2磁化固定部33之磁化係與磁性細線20之磁化平行或逆平行。第1磁化固定部32與第2磁化固定部33之材料可使用與參照層34相同之材料。為了成為逆平行之狀態，變更第1磁化固定部32及第2磁化固定部33之材料、或對第1磁化固定部32或第2磁化固定部33之至少一者照射離子。其原因在於，藉由如此般而使第1磁化固定部32與第2磁化固定部33之磁各向異性變更，使第1磁化固定部32與第2磁化固定部33分別具有不同之保磁力。
藉由改變第1磁化固定部32及第2磁化固定部33之自旋偏極方向與磁化之組合而可實現逆平行之狀態。例如，對於第1磁化固定部32，使用如Tb、Co般之稀土類富集之稀土類-過渡金屬，對於第2磁化固定部33，使用如Fe、Co、Ni般之3d過渡金屬富集之稀土類-過渡金屬。其後，藉由對第1磁化固定部32及第2磁化固定部33施加外部磁化而將第1磁化固定部32及第2磁化固定部33之磁化初始化。
於第1磁化固定部32上接觸設置有電極50。於第2磁化固定部33上接觸設置有電極51。電極50、51係於對磁性記憶體100進行寫入、讀出、或使磁性細線20之磁壁移動時使電流流過而使用。
如圖2A所示，亦可於第1磁化固定部32與電極50之間設置第1反鐵磁性層35，且於第2磁化固定部33與電極51之間設置第2反鐵磁性層36。若第1反鐵磁性層35之奈耳溫度與第2反鐵磁性層36之奈耳溫度不同，則可使第1磁化固定部32之磁化與第2磁化固定部33之磁化成為逆平行之狀態。
如圖2B所示，亦可於第2固定部33與第2反鐵磁性層36之間設置Ru等之非磁性層37或磁性層38。藉由如此般，可使第1磁化固定部32之磁化與第2磁化固定部33之磁化成為逆平行之狀態。
磁性細線20之於電極40與非磁性層31之間由絕緣層60包圍。絕 緣層60可使用氧化鋁、氧化矽等氧化物、或氮化矽等氮化物、絕緣性聚合物。磁性細線20可藉由以下方法而製作，即，對較厚地積層之介電體使用微影術與反應性離子蝕刻而掘溝，以ALD(atomic layer deposition，原子層沈積)法或CVD(chemical vapor deposition，化學氣相沈積)法形成磁性膜之後，將其加工成細線。
參照層34之面與基板10之表面平行。
電極40使電流流過磁性細線20。
其次，對磁性記憶體100之動作進行說明。
圖3A~圖3C係用以說明磁性記憶體100之動作之圖。
圖3A係用以說明對磁性記憶體100之寫入之圖。藉由使寫入電流(Iwrite)流過電極50與電極51之間而控制磁性細線20之由非磁性層31包圍之部分之磁化。被寫入之磁化係根據寫入電流之方向而決定。被寫入之磁化與和寫入電流之方向相反方向之電子流Ie(write)流出之第1磁化固定部32或第2磁化固定部33之磁化之任一者一致。藉由自參照層34經由非磁性層31向磁性細線20傳輸自旋轉移矩而進行寫入。於對磁性記憶體100進行1位元之寫入之後，藉由使電流Ishift流過電極50或電極51與電極40之間而使1位元移位。Ishift之絕對值小於Iwrite之絕對值。Ishift流動之方向可自電極50或電極51流向電極40，亦可為其相反方向，可根據材料而調整。藉由反覆該動作而對磁性記憶體100寫入資料。
圖3B係用以說明磁性記憶體100之讀出之圖。藉由使讀出電流(Iread)流過電極50與電極51之間而自磁性電阻讀出磁性細線20之由非磁性層31包圍之部分之磁化狀態。利用經由非磁性層31而於參照層34與磁性細線20之間產生之磁電阻效應讀出資料。藉由使電流Ishift流過電極50或電極51與電極40之間而使1位元移位。讀出時之Ishift之方向與寫入時之Ishift之方向為相反方向。Iread之絕對值小於Ishift之絕 對值。藉由反覆該動作而自磁性記憶體100讀出資料。
於讀出時，較理想為預先控制參照層34之磁化。如圖3C所示，藉由使大於Iread之絕對值且小於Ishift之絕對值之設置電流(Iset)流過電極50與電極51之間而控制參照層34之磁化(設置動作)。此時，於與設置電流相反方向流過電流Ie(set)。參照層34之磁化係根據Iset之方向而決定。參照層34之磁化與電子流Ie(set)流出之第1磁化固定部32或第2磁化固定部33之磁化一致。電流之大小關係如下。|Iread|<|Iset|<|Ishift|<|Iwrite|。
上述之寫入及讀出等動作係使用下述之電流源電路(Current Source Circuit)進行。
於將複數個磁性記憶體100連接之情形時，如圖4A所示使電極40共用。又，如圖4B所示，亦可共用磁化固定部。藉由共用磁化固定部，可使搭載於基板時之佔有面積小於圖4A所示之複數個磁性記憶體100。將具備複數個磁性記憶體100之裝置定義為磁性記憶體裝置。如圖4C般，亦可使設置於參照層34上之電極共用。
圖5A中表示用以將磁性記憶體100以陣列狀排列之構造例。為易於理解圖，省略非磁性層31、電極40、50、51。圖5A使2個磁性記憶體100之電極40共用。於各磁性記憶體100之電極50、51上連接有1個或2個選擇電晶體。各選擇電晶體之閘極電極連接於位元線及字元線。
圖5B中例示磁性記憶體100未共用電極40之情形之圖。電極40經由選擇電晶體而連接於位元線，電極50、51經由選擇電晶體而連接於位元線及字元線。選擇電晶體之閘極電極連接於位元線或字元線。此種構造可藉由選擇位元線及字元線而進行磁性記憶體100之選擇。
圖5A及圖5B之形態亦具備複數個磁性記憶體100，故定義為磁性記憶體裝置。
圖6A及圖6B係例示使用有複數個磁性記憶體100之電路圖者。圖6A及圖6B之電路構成對應於使電極50、51於鄰接記憶體間共用之圖4C之磁性記憶體。又，該電路構成對於使磁化固定部於鄰接記憶體間共用之圖4B之磁性記憶體亦可應用。位元線及字元線連接於各選擇器(Selector)，各選擇器連接於電流源電路。2個選擇器中之1個選擇器連接於讀出部(Reading unit)。
使用圖7a至圖7f對磁性記憶體100之製造方法進行說明。
藉由以CVD法向由陽極氧化所形成之多孔氧化鋁之孔中填充包含Co及Ni之多層膜之磁性體而形成磁性細線(圖7a)。此時，亦可使用ALD法。
藉由對氧化鋁(AlOx)之多孔面之一面進行蝕刻而使磁性細線之一部分露出(圖7b)。
以覆蓋氧化鋁及磁性細線之一部分之方式成膜包含MgO之非磁性層。於非磁性層上成膜包含CoFe之參照層(圖7c)。
去除非磁性層之表面直至磁性細線露出(圖7d)。
於露出之表面之一部分塗佈抗蝕劑且藉由EB(electron beam，電子束)繪圖而形成遮罩。於露出之表面及遮罩上，依序形成CoFe之極薄膜、Ru膜、CoFe膜、及IrMn膜。該等磁性膜相當於磁化固定層。藉由去除遮罩而形成2個磁化固定部之1個(圖7e)。再次於露出之表面之一部分塗佈抗蝕劑且藉由EB繪圖而形成遮罩。於露出之表面及遮罩上，依序形成CoFe之極薄膜、及IrMn膜。該等磁性膜相當於另一個磁化固定層。藉由去除遮罩亦形成另一個磁化固定部。以絕緣層埋入於磁化固著部間，於磁化固定層上以剝離法形成電極。藉由研磨參照層而使各個磁性記憶體分離(圖7f)。
以與磁性細線之未加工之側之磁性細線接觸之方式，形成包含Cr/Au之電極(圖7g)。
準備設置有選擇電晶體與配線之基板，將其接合於參照層之形成有電極之面。此時，配線與電極之位置建立對應。
以此方式製作磁性記憶體100。
本實施形態可提供一種具有容易進行與磁性細線之位置對準且可進行信號存取之讀出元件及寫入元件之磁性記憶體、磁性記憶體裝置、及磁性記憶體之讀出及寫入方法。
圖8A表示磁性記憶體元件200。於第1磁化固定部32與第2磁化固定部33之間設置有複數個磁性細線20，該點與磁性記憶體100不同。圖8B表示圖8A之A-B之剖視圖。對於1個寫入/讀出部30(未圖示)，對應有複數個磁性細線。於各磁性細線20之一端，於參照層34與磁性細線20之間設置有非磁性層31。於各磁性細線20之另一端，設置有電極40。磁性細線20之寬度充分小於參照層34，因此該構造使磁性細線20與寫入/讀出部30之位置對準變得容易。
磁性記憶體元件200中，對連接於1層參照層34之複數個磁性細線20一次性進行寫入，且作為寫入至複數個磁性細線中之資料資訊之平均值而讀出。1位元之移位係以複數個磁性細線20為一單位而進行。將複數個磁性細線20作為一單位來處理，可抑制寫入動作及讀出動作之缺陷及錯誤。
圖9A表示於磁性記憶體元件200中共用磁化固定部之磁性記憶體裝置。圖9B表示於磁性記憶體元件200中共用電極40之磁性記憶體裝置。
「正交」及「平行」由於包含製造步驟中之偏差，故只要實質上為正交及平行即可。
對本發明之若干實施形態進行了說明，但該等實施形態係作為示例而提出者，並未意圖限定發明之範圍。該等新穎之實施形態可以其他各種形態實施，且可於不脫離發明之要旨之範圍進行各種省略、 置換、及變更。該等實施形態或其變化包含於發明之範圍或要旨，並且包含於申請專利範圍中記載之發明及其均等之範圍。
10‧‧‧基板
20‧‧‧磁性細線
30‧‧‧寫入/讀出部
31‧‧‧非磁性層
32‧‧‧第1磁化固定部
33‧‧‧第2磁化固定部
34‧‧‧參照層
40‧‧‧電極
50‧‧‧電極
51‧‧‧電極
60‧‧‧絕緣層
100‧‧‧磁性記憶體

Claims (12)

  1. 一種磁性記憶體，其具備：磁性細線，其具有複數個磁區；參照層，其包圍上述磁性細線之一端，且具有磁化；非磁性層，其設置於上述參照層與上述磁性細線之間；第1磁化固定部及第2磁化固定部，其等設置於上述參照層之兩端，且具有彼此反向之磁化；第1電極，其設置於上述第1磁化固定部；第2電極，其設置於上述第2磁化固定部；及第3電極，其設置於上述磁性細線之另一端。
  2. 如請求項1之磁性記憶體，其更具備反鐵磁性層，該反鐵磁性層設置於上述第1磁化固定部與上述第1電極之間。
  3. 如請求項1或2之磁性記憶體，其中上述磁性細線具有之磁化、上述第1磁化固定部之磁化、及上述第2磁化固定部之磁化之至少1者於與連結上述第1電極與上述第2電極之線相交之方向上具有易磁化軸。
  4. 如請求項1至3中任一項之磁性記憶體，其中上述非磁性層包含含有選自銅、銀、金、及鉑中之至少1者之材料、或將該等材料組合而成之合金、或氧化物、或氮化物、或石墨。
  5. 如請求項1至4中任一項之磁性記憶體，其更具備：對上述第1電極與上述第2電極之間施加電流之機構；對上述第1電極或上述第2電極與上述第3電極之間施加電流之機構；及讀出上述第1電極及上述第2電極之間之電阻值之機構。
  6. 一種磁性記憶體裝置，其具備第1磁性記憶體與第2磁性記憶 體，上述第1磁性記憶體具備：第1磁性細線，其具有複數個磁區；第1參照層，其包圍上述磁性細線之一端，且具有磁化；第1非磁性層，其設置於上述第1參照層與上述第1磁性細線之間；第1磁化固定部及第2磁化固定部，其等設置於上述第1參照層之兩端，且具有彼此反向之磁化；第1電極，其設置於上述第1磁化固定部；第2電極，其設置於上述第2磁化固定部；及第3電極，其設置於上述磁性細線之一端；且上述第2磁性記憶體具備：第2磁性細線，其具有複數個磁區；第2參照層，其包圍上述第2磁性細線之一端，且具有磁化；第2非磁性層，其設置於上述第2參照層與上述第2磁性細線之間；第3磁化固定部及第4磁化固定部，其等設置於上述第2參照層之兩端，且具有彼此反向之磁化；第4電極，其設置於上述第3磁化固定部；第5電極，其設置於上述第4磁化固定部；及第6電極，其設置於上述第2磁性細線之一端。
  7. 如請求項6之磁性記憶體裝置，其中上述第3電極與上述第6電極被共用。
  8. 如請求項6之磁性記憶體裝置，其中上述第1電極與上述第4電極被共用。
  9. 如請求項6之磁性記憶體裝置，其中上述第1參照層與上述第2參 照層被共用。
  10. 一種磁性記憶體之動作方法，該磁性記憶體具備：磁性細線，其具有複數個磁區；參照層，其包圍上述磁性細線之一端，且具有磁化；非磁性層，其設置於上述參照層與上述磁性細線之間；第1磁化固定部及第2磁化固定部，其等設置於上述參照層之兩端，且具有彼此反向之磁化；第1電極，其設置於上述第1磁化固定部；第2電極，其設置於上述第2磁化固定部；及第3電極，其設置於上述磁性細線之一端；上述磁性記憶體之動作方法具備以下步驟：使第1電流流過上述第1電極與上述第2電極之間，控制上述參照層之磁化之配置及上述磁性細線之由上述非磁性層所包圍之區域之磁化，藉此進行寫入；使小於上述第1電流之第2電流流過上述第1電極與上述第2電極之間，藉此進行讀出。
  11. 如請求項10之磁性記憶體之動作方法，其更具備以下步驟：使小於上述第1電流且大於上述第2電流之第3電流流過上述第1電極或上述第2電極與上述第3電極之間，藉此使上述複數個磁區移動。
  12. 如請求項11之磁性記憶體之動作方法，其更具備以下步驟：使大於上述第2電流且小於上述第3電流之第4電流流過上述第1電極與上述第2電極之間，藉此固定上述參照層之磁化方向。
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