TWI352352B - Storage element and memory - Google Patents

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1352352 « » 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 • 本發明係關於一種儲存元件，其包括一儲存層，其中一 ν 磁性材料之磁化狀態係儲存為資訊；及一固定磁化層，其 一磁化方向係固定，其中該儲存層之磁化方向可藉由施加 • 一電流來改變。本發明亦關於一種包括此儲存元件之記憶 " 體，及可有利地應用至一非揮發性記憶體。 【先前技術】 實行資訊通信之裝置（尤其係諸如個人數位助理之小型 使用者器具）業經廣泛使用，且改進例如更高整合、更快 速操作及減少電力消耗之性能的需要，已針對例如構成此 等器具的記憶體及邏輯電路之元件提出。 尤其係，非揮發性記憶體可為一用於改進器具之性能的 極重要組件。 在非揮發性記憶體之領域中，例如半導體快閃記憶體及 • FeRAM(鐵電隨機存取記憶體）之各種技術已商業化，連同 研究與發展亦實施以達到甚至更高之性能。 對於一使用磁性材料之新類型非揮發性記憶體而言，業 經投入許多關注至使用穿隧磁阻效應之MRam(磁性隨機 - 存取記憶體）的領域。此技術近年來已快速進展（參見例如 J.Nahas 等人之 IEEE/ISSCC 2〇〇4 ”扣心 ，第 22 頁）。 MRAM包括記錄資訊之規則性配置的小儲存元件；及佈 線，例如字線及位元線，以致可存取各元件。 123218.doc 1352352 Λ ' 個別磁性記憶體元件各包括一儲存層，其中資訊係儲存 為一強磁性材料的磁化方向。 各磁性記憶體元件使用一磁性穿隧接面（MTJ)，其包括 以上所述儲存層；一穿隧絕緣膜（非磁性間隔膜）；及一固 定磁化層，其磁化方向係固定。固定磁化層之磁化方向可 藉由例如提供一反強磁性層來固定。

使用此構造，因為「穿隧磁阻效應」，其中對於在穿隧 絕緣膜中流動之穿隧電流的電阻，係基於儲存層之磁化方 向及所產生之固定磁化層的磁化方向間之角度而改變，資 訊可使用此穿隧磁阻效應寫入（記錄）。此電阻之量值係當 該儲存層之磁化方向及該固定磁化層的磁化方向係反平行 時最大，且當該等方向平行時最小。 對於一具有此構造之磁性記憶體元件，可藉由使用由施 加電机至一子線及一位元線兩者所產生之組合電流磁場， 來控制磁性記憶體元件中之儲存層的磁化方向，而將資訊

5己錄（寫）至該磁性記憶體元件内。在典型構造中，不同磁 化方向（或「磁化狀態」）係對應於「〇」資訊及「丨」資訊 儲存。 例如，曰本未審定專利申請公告案第Η1〇 ιΐ649〇號揭示 一種使用星形特徵將資訊記錄（寫）至儲存元件内的方法， 且例如美國專利中請公告案第扇纖72 ! 74號揭示一種使 用切換特徵將資訊記錄（寫）至一儲存元件内的方法。 另一方面，已記錄資訊之讀取可經由例如一電晶體之元 件選擇一記憶體單元 及使用該磁性記憶體元件之穿隧磁 1232I8.doc 1352352 阻效應來偵測該儲存層的磁化方向中之任何差為一電壓广 號’因而偵測已記錄資訊。 與其他非揮發性記憶體相比，MRAM之主要特徵係因為 • 「〇」資訊及「丨」資訊係藉由反轉由強磁性材料形成之儲 . 存層的磁化方向來重寫’資訊可以高速及幾乎無限地（即 超過1015次）重寫。 ^ 然而，因為可能需要產生一相當大之電流磁場以在 φ MRAM中重寫已記錄資訊，故可能需要供應大電流（例如 從數mA至數十mA)至位址線。此導引更高電力消耗。 同樣’因為在MRAM中可能需要寫入位址線及讀取位址 線兩者，故難以使記憶體單元之結構微型化。同時，當元 件微型化時，位址線變成更精細，使其難以供應足^電 流，且因為所需電流磁場由於抗磁性之增加而增加，故增 加電力消耗》 因此’難以微型化MRAM中之元件。 • 研究已針對不使用一電流磁場記錄資訊之構造來實行。 在此等構造中’例如美國專利第5,695,864號揭示藉由自旋 轉移使用磁化反轉之記憶體，以致磁化可使用小電流來反 ' 轉。 日本未審定專利申請公告案第2〇〇3_17782號揭示藉由自 旋轉移之磁化反轉，其中已通過一磁性材料之自旋偏振電 子被注入另一磁性材料内，因而造成在此其他磁性材料中 之磁化反轉。 即，當已通過其磁化方向固定之一磁性層（即「固定磁 123218.doc 1352352 化層」）的自旋偏謝，被注入其磁化方向不固定之另 一磁性層(即「自由磁化層」）時，轉矩係施加至自由磁化 層之磁化。一旦施加一給定臨界值或更大之電流時，該磁 性層的磁化方向（即自由磁化層）可反轉。 例如’藉由在一垂直於具有—自由磁化層及一固定磁化 層之巨大磁阻元件（GMR元件）及/或一磁性穿随接面元件 (MTJ元件）的膜表面之方向_施加—電流，將可能反轉至 少一些元件的磁化方向。 依此方法’藉由形成-具有_固定磁化層及—自由磁化 層（儲存層）之儲存元件，及改變—流至儲存元件之電流的 極性，該儲存層的磁化方向會反轉因而在「〇」資訊及 「1」資訊間切換（重寫）。 已記錄資訊可藉由在固定磁化層及自由磁化層（儲存層） 之間提供-穿隨絕緣層’而依與具有_MRAM之相同方式 使用穿隧磁阻效應來讀取。 藉由自旋轉移之磁化反轉具有之優點係即使#該等元件 微型化時，亦可能在不增加電流Tit到磁化反轉。 供應至一儲存元件以達到磁化反轉之電流的絕對值，對 於（例如）約0.1 μιη規模之儲存元件係i mA或以下，且亦與 儲存元件之體積成比例地降下，其對於按比例調整係有 利。 此外，因為在MRAM中所需用於記錄之字線可能不需 要，故有簡化記憶體單元構造之進一步優點。 在下文中，一使用自旋轉移之儲存元件係稱作 123218.doc 1352352

SpRAM」（自旋轉移隨機存取記憶體），且一造成自旋轉 移之自旋偏振電子流係稱作「自旋注入電流」。 對於將SpRAM作為一能降低電力消耗及增加容量，同時 維持MRAM之高速及可幾乎無限次數重寫的優點之非揮發 性記憶體，係有很大的期望。 圖1顯示一使用依據先前技術之自旋轉移的一記憶體 (SpRAM)之記憶體單元的示意性斷面圖。 為了讀取記錄在一記憶體單元中之資訊，二極體、M〇s 電晶體或類似者被用來電選擇該記憶體單元。在圖丨中顯 示之記憶體單元使用MOS電晶體。 首先，將描述形成一 SpRAM之記憶體單元的儲存元件 1〇1之構造。 一強磁性層112及一強磁性層114係藉由在其間佈置一非 磁性層11 3來反強磁性耦合。此外，下強磁性層i丨2係佈置 以接觸一反強磁性層111，且由於在此等層間作用之交換 相互作用而具有強單向磁性各向異性。一固定磁化層1〇2 係由此等四層111、112、113及114形成。即，固定磁化層 102包括兩強磁性層112、114。 一強磁性層11 6係形成使得其磁化方向μ 1相對較易旋 轉。此強磁性層116形成一儲存層（自由磁化層）ι〇3。一穿 隧絕緣層11 5係形成在固定磁化層1 〇2之強磁性層丨丨4及強 磁性層116間即介於固定磁化層1〇2及儲存層（自由磁化 層）103之間。穿隧絕緣層115中斷在其上及其下之磁性層 116及114間的磁性耦合，且亦傳送一穿隧電流。依此方

123218.doc -10- 1352352 法’一TMR(穿隧磁阻效應）元件係形成包括係具有固定磁 化方向之磁性層的固定磁化層102，穿随絕緣層115，及其 一磁化方向可改變之儲存層（自由磁化層）103。 此外’以上描述之層111至116、一基底膜11〇及一頂部 外罩層117構成一包括一 TMR元件的儲存元件1〇1。 一選擇MOS電晶體121係形成在一矽基板120中，且一連 接插塞107係形成在該選擇MOS電晶體121之一擴散層123 上。儲存元件101之基底膜110係連接至此連接插塞1〇7。 雖然未顯示，但選擇MOS電晶體121之其他擴散層122係經 由一連接插塞連接至一感測線《選擇MOS電晶體之閘極 106係連接至一選擇信號線。 儲存元件101之頂部外罩層117係連接至一佈置於其上的 位元線（BL)105。 在常態時’由於經由非磁性層113之強反強磁性耦合， 強磁性層112之磁化Μ11及強磁性層114的磁化Μ12係幾乎 完全反平行。 因為強磁性層112及強磁性層114之構造，使得膜厚度及 飽和磁化之乘積係相等，故極磁場之洩漏成分十分小以致 可忽略。

包括層114、115、116之TMR元件的電阻，係基於儲存 層103之強磁性層116的磁化Ml之方向，及在穿隧絕緣層 115兩側上之固定磁化層1〇2的強磁性層114之磁化M12的 方向係平行或反平行來改變。當磁化Ml、Μ12平行時，電 阻減少，而當磁化Ml、Μ12反平行時，電阻增加。若TMR

f. S 123218.doc 1352352 元件（層114、115、116)之電阻改變，整個儲存元件1〇1的 電阻亦將改變。藉由使用此改變，可兼記錄資訊及讀取已 記錄資訊。即，（例如）藉由將低電阻狀態指定為「〇資訊 且高電阻狀態指定為「丨」資訊，可記錄二進制資訊（的一 位元）。 ° 應注意到，因為固定磁化層1〇2之該等層中最靠近儲存 層103的強磁性層114,係在讀取已記錄資訊期間作=一= 於儲存層H)3之磁化M1的方向之參考，此強磁性層114亦 稱作「參考層」。為了重寫一記憶體單元之資訊或讀取已 記錄在記憶體單元中的資訊，需要供應一自旋注入電流 ιΖ。此自旋注入電流Iz通過儲存元件1〇1、擴散層123及2 元線105。 藉由改變自旋注入電流12的極性，彳改變自上向下或自 下向上流經儲存元件101之自旋注入tWz。藉由如此進 行，可改變儲存元件101之儲存層1〇3的磁化河丨之方向， 因而重寫記憶體單元中的資訊。 曰本未審定專利申請公告案第2〇〇5 277147號揭示一種

SpRAM’其中錯存元件之儲存層的磁化方向係藉由施加一 自旋注入電流至該儲存元件且亦施加一偏壓電流磁場至該 儲存元件來反轉。 更明確s之，例如對於圖i中所示構造，自旋注入電流 IZ係經由位元線1〇5施加至儲存元件1〇1，且由流經位元線 105的電流（其係等於自旋注人電流Iz)產生之偏厘電流磁場 Hx(未顯示）亦施加至儲存元件1〇1的儲存層1〇3。藉由如此 I23218.doc 12 進行’可有效地改變儲存層103的磁化Ml之方向。 下文中，將其中一記憶體單元的狀態用垂直軸上之自旋 注入電流Iz及水平轴上之偏壓磁場11乂表示之的圖稱作「相 位圖」。應生意在其中自旋注入電流Iz及產生偏壓電流磁 場Hx之偏壓電流係脈衝電流之情況下，一相位圖係使用脈 衝電流的峰值產生。 【發明内容】 對於圖1中顯示之儲存元件101，作用在儲存層（自由磁 化層）103之磁化Mfree(=Ml)上的自旋轉矩之量級係與向量 二重積MfreexMfreexMref成比例。本文中，Mref係參考層（強 磁性層）114之磁化（=M12)。 因為儲存層（自由磁化層）1〇3之磁化Mfree及參考層（強磁 I1生層）114的Mref在初始狀態中係反平行，故首先作用之自 旋轉矩極小。因為該自旋轉矩小，磁化反轉電流會增加。 一典型之相位圖包括一磁滞區，一其中記憶體單元係在 低電阻狀態之區（「〇」狀態區），即一不論初始磁化狀態之 「〇」狀態；一其中記憶體單元係在高電阻狀態之區 (「1」狀態區），即一不論初始磁化狀態之「〗」狀態；及 一不穩定操作區’其中以上所述三區係混合。 為了使SpRAM功能為一具有用於實際使用之足夠操作裕 度的记憶體，該等三區（磁滯區、「〇」狀態區及「1」狀態 區）需要分離地足夠寬。亦可將磁滯區稱作「雙穩定操作 區」。「〇」狀態區及「1」狀態區亦可稱作「單穩定操作 區」0 123218.doc 1352352 圖2顯示一針對圖1中顯示之儲存元件1〇1測量的相位圖 之範例。圖2顯示其中自旋注入電流Iz之電流脈衝的脈衝 寬度係設疋在1 ns(奈秒）之情況。在圖2中顯示之相位圖係 一顯示s己憶體單元狀態的狀態圖，其具有在垂直轴上之自 旋注入電流Iz的脈衝峰值及水準軸上之偏壓電流磁場1^的 脈衝峰值。 藉由在此相位圖中分離雙穩定操作區（磁滯區8〇)及單穩 定操作區（「0」狀態區81及「1」狀態區82)，穩定操作變 得可行。如圖2中顯示，其中三狀態8〇、81、82係混合之 不穩定操作區83顯現在右上（第一象限）及左下（第三象限） 角落。當此等不穩定操作區83存在時，在磁化反轉操作期 間使用之自旋注入電流12及偏壓電流磁場Ηχ係設定以避免 不穩定操作區8 3。 然而，因為雙穩定操作區80在圖2中顯示之相位圖中出 現遍及寬廣區域中，除非自旋注人電流12及偏壓電流磁場 Ηχ增加，否則單穩定操作區81、82無法達到。此意即如先 前所述’可能仍需要增加磁化反轉電流。 本發明克服以上所述問題及提供一種其中資訊可用小電 流穩定記錄之儲存元件’及一種包括此儲存元件的記憶 體。 一種依據本發明之具體實施例的儲存元件包括··一儲存 層，其基於一磁性材料之一磁性狀態儲存資訊；及一固定 磁化層’其—磁化方向係駭，且其係提供用於在其間具 有-非磁性層之該儲存層。在該健存元件中，資訊係藉由 123218.doc •14- 1352352 在一堆疊方向中施加一電流以改變該儲存層之磁化方向而 s己錄在該儲存層中。該固定磁化層包括複數個強磁性層， 其間堆疊有非磁性層。該固定磁化層包括磁化區，其具有 • 在該堆疊方向中之磁性成分及在分別相反方向中之磁化。 • 該等區係形成在佈置於該複數個強磁性層中最靠近該儲存 層之至少一強磁性層的兩端處。 依據本發明之一具體實施例的一種記憶體包括一儲存元 φ 件及佈線。該儲存元件具有一儲存層，其基於一磁性材 料之一磁性狀態儲存資訊，其中資訊係藉由在一堆疊方向 中施加一電流以改變該儲存層之磁化方向而記錄在該儲存 層中。該佈線供應在該儲存元件之堆疊方向中流動之一電 流。該儲存元件係形成為一依據本發明的以上描述具體實 施例之儲存元件。 依據本發明之一具體實施例的儲存元件包括一儲存層， 其基於一磁性材料之一磁性狀態儲存資訊。一固定磁化層 # 係提供用於在其間具有一非磁性層之該儲存層，且藉由在 一堆疊方向中施加一電流，該儲存層之磁化方向會改變， 目而在記錄層中記錄資訊。因此，藉著由在堆疊方向中施 加一電流獲得之自旋注入，可改變儲存層之磁化方向，因 而記錄資訊。 同樣，因為該固定磁化層係由複數個在其間堆疊有非磁 性層之強磁性層製成，或換句話說，因為該固定磁化層具 有一「多層強磁性層結構」，故該等具堆疊強磁性層之磁 化方向係分別不同，相反磁場彼此抵消掉，且從該固定磁 123218.doc •15· 1352352 化層洩漏至該儲存層之磁場強度會減少。

此外，該固定磁化層包括磁化區，其具有在堆疊方向中 之磁性成分，且在分別相反方向中之磁化。該等區係形成 在佈置於該複數個強磁性層中（即多層強磁性層結構中）最 靠近該儲存層之至少該強磁性層的兩端處。結果，具有不 同方向之兩自旋轉矩從在（固定磁化層中）之強磁性層的兩 端處之磁化區作用在該儲存層上。因此，可使用小電济反 轉該儲存層的磁化方向。亦可穩定地實行改變磁化方向之 切換而不論該自旋注入電流的脈衝寬度。

依據本發明之一具體實施例的記憶體包括一儲存元件及 一佈線。該儲存元件具有一儲存層，其基於一磁性材料之 一磁性狀態儲存資訊，其中資訊係藉由在一堆疊方向中施 加一電流以改變該儲存層之磁化方向，來記錄在該儲存層 中。該佈線供應在該儲存元件之堆疊方向中流動之電流。 該儲存元件係形成為一依據以上㈣之本發”具體；施 例之儲存元件。以，藉著由在㈣存元件之堆疊方向中 經由佈線來施加電流所獲得之自旋注人可記錄資訊。 卜可使用小電流來記錄資訊，且亦可穩定地記錄資 訊而不論該自旋注入電流的脈衝寬度。 依據以上描述之本發明具體實施例，可反轉該健存層之 磁化方向，因而使用小電流來記錄資訊。 因此’可減少用於4拉答 用於兄錄資訊之電力及獲得具有低電力消 耗的記憶體。 因為亦可穩定地實行切換 而不論該自旋注入電流的脈衝 123218.doc 16 叫352 寬度’故可增加對於自旋注入電流的脈衝寬度之裕度。結 果’可獲得其中可穩定地記錄資訊之高度可靠儲存元件。 因為有用於脈衝寬度之更寬廣裕度，即使當記憶體單元 間之特徵中有輕微變動時亦可穩定操作，因此即使對於具 有大量記憶體單元之大容量記憶體穩定操作亦屬可能。 即’依據本發明之具體實施例，可獲得一具有穩定操作 之大容量記憶體。 【實施方式】 首先’在描述本發明之特定具體實施例前，將概要地描 述本發明。一種使用自旋轉移（即SpRAM)的記憶體係具有 足夠大各向異性’以致一儲存層（即自由磁化層）的磁化係 穩定地對抗熱變動。 儲存層之磁化如先前描述穩定地對抗熱變動之程度 (即’熱穩定性指數），通常可藉由熱穩定性參數（Δ)表示。 參數（△)係給定為^Κιιν/ΙίΒΤχΚιι :各向異性能量，ν : 儲存層之體積，kB:波茲曼（Boltzmann)常數，Τ :絕對溫 度）。 因為構成固定磁化層之強磁性層係較薄地形成在一典型 SpRAM中，故飽和磁場Hs較大。此飽和磁場Hs可表示為 2J/(Ms’d) ’其中J係固定磁化層中反強磁性耦合之量值， 其中複數個強磁性層係反強磁性地耦合，且Ms係固定磁化 層中的個別強磁性層之飽和磁化。當飽和磁場Hs大時，用 來反轉該儲存層之磁化方向的電流（或換句話說「磁化反 轉電流」）可能需要增加。 123218.doc •17· 1352352 對於-使用自旋轉移的記憶體（SpRAM)，可能需要達到 針對熱穩定性指數（熱穩定性參數）△之某一位準，及減少 磁化反轉電流兩者。 從各種研究中’本中請案之發明者發現如下…固定磁 化層被提供’纟中複數個堆疊之強磁性層在其間具有非磁 性層，以反強磁性地輕合。在該固定磁化層中，在堆疊方 向中具有磁化成分及分別不同磁化方肖之磁化區係在最靠 近該儲存層之至少強磁性層的兩端處形成。因此，可減少 磁化反轉電流及亦達到足夠熱穩定性，因而形成穩定記憶 體。 本發明者已發現為了在固定磁化層中之強磁性層兩端處 形成磁化區（其在堆疊方向中具有磁化成分及分別不同之 磁化方向），有效的係形成一相對較厚強磁性層（例如，與 儲存層之強磁性層相比係足夠厚）。 在固定磁化層之強磁性層中，最靠近儲存層之強磁性層 較佳係應至少2 nm厚。更佳係，固定磁化層中之各強磁性 層應至少2 nm厚。 藉由在固定磁化層之強磁性層兩端處形成堆疊方向中具 有磁化成分及分別不同磁化方向的磁化區，兩具有不同方 向之自旋轉矩將從強磁性層兩端處之磁化區作用在儲存層 的兩端處。 因為此等兩自旋轉矩可易於反轉儲存層的磁化方向，故 可用更小電流反轉儲存層的磁化方向。亦可穩定地實行改 變磁化方向之切換’而不論該自旋注入電流的脈衝寬度。

(S 123218.doc 1352352 其次’將描述本發明的特定具體實施例。 圖3顯示一依據本發明之具體實施例的儲存元件之示意 圖（斷面圖）。此儲存元件1係由一 TMR(穿隨磁阻效應）元件 形成。 藉由佈置在其間具有一非磁性層13之強磁性層12及強磁 性層14，強磁性層12、14係反強磁性地耦合。此外，強磁 性層12係佈置以接觸一反強磁性層丨丨，且由於在此類層間 作用之交換相互作用而具有強單向磁性各向異性。一固定 磁化層2係由此等四層u、12、13及14形成。即，固定磁 化層2包括兩強磁性層12、14。 一強磁性層1 6係形成使得其磁化Μ1之方向相對較易旋 轉。此強磁性層16構成一儲存層（自由磁化層）3。一穿隧絕 緣層1 5係形成在強磁性層14及強磁性層16間，即在固定磁 化層2及儲存層（自由磁化層）3間。穿隧絕緣層15中斷在其 上及其下之磁性層16及14間的磁性麵合，且亦傳送一穿随 電流。依此方法，提供一 TMR(穿隧磁阻效應）元件，其包 括係一具有固定磁化方向之磁性層的固定磁化層2，穿隧 絕緣層15，及其磁化方向可改變之儲存層（自由磁化層）3。 由於經由非磁性層1 3之強反強磁性耦合，強磁性層12之 磁化Mil及強磁性層14的磁化Μ12係反平行。包括層14、 15、16之TMR元件的電阻係基於儲存層3之強磁性層16的 磁化Μ1之方向’及在穿随絕緣層15兩側上之固定磁化層2 的強磁性層14之磁化Μ12的方向係平行或反平行來改變。 當兩磁化Μ1、Μ12係平行時，電阻減少，而當磁化μ 1、 123218.doc -19· 1352352 M12反平行時，電阻增加。若TMR元件（層丨4、Η、1 •冑阻改變，整個儲存元件1的電阻亦將改變。藉由二): . ㈣變，可記錄資訊且讀取已記錄資訊…(例如= =低電阻狀態指定為「〇」資訊且高電阻狀態指定為「1」 資訊，可記錄二進制資訊（的一位元）。 」 應注意，因為固定磁化層2之該等層中最靠近儲存層3的 強磁性層14係在讀取已記錄資訊時作為用於儲存層:之磁 φ 化Ml方向的參考，故此強磁性層14亦稱作「參考層」。 為了重寫記憶體單元之資訊或讀取已在記憶體單元中記 錄的資訊，可能需要在儲存元件丨之堆疊方向中供應一°自 旋注入電流Iz。 u 藉由改變自旋注入電流12的極性，可改變自下向上或自 下向上流經儲存元件1之自旋注入電流Iz。 藉由如此進行，可改變儲存元件丨之儲存層3的磁化mi 方向，因而重寫記憶體單元中的資訊。 • 應注意，以如依據圖1中顯示之先前技術之儲存元件101 的相同方法，依據本具體實施例的儲存元件1可形成以連 接至一形成在一矽基板中的選擇肘〇3電晶體，以允許從該 記憶體皁元讀取資訊.。 此外儲存元件1係連接至佈線，以致可將自旋注入電 流12經由該佈線在儲存元件1之堆疊方向中施加。 一依據本具體實施例之儲存元件〗之特徵係固定磁化層2 之兩強磁性層12、14與儲存層3的強磁性層16相比係足夠 厚0 123218.doc -20· 1352352 結果，如圖3中，除了在膜之平面中導引的磁化Mil、 M12以外，在堆疊方向中具有磁化成分的磁化mila、 M 12a及Mllb、Ml 2b係在固定磁化層2之兩強磁性層12、 14的兩端處產生，以減少靜磁能。 圖3左側上之磁化Mila及磁化M12a兩者皆向下，且圖3 右側上之磁化Ml lb及磁化M12b兩者皆向上，及在實質上 相反方向中。 強磁性層12、14的厚度d較佳應在2 nm或以上。 藉由產生如以上描述在堆疊方向中具有磁化成分之磁化 Mila、M12a及Mllb、M12b，可在初始狀態中提升如以上 描述用於儲存層3之磁化Ml的向量三重積 MfreexMfreexMref。尤其係，該結果可藉由係固定磁i層2 之強磁性層12、14中最靠近儲存層3之強磁性層（參考層） 的磁化M12a及M12b來提升。 因此’極大之自旋轉矩被施加至儲存層3的磁化Ml之極 乍£ ’其係直接在強磁性層14之磁化M12a、M12b上。 圖4顯示施加至圖3中所示儲存元件1之儲存層3的磁化 Ml之自旋轉矩的狀態。 如圖4中所示，相反方向中之自旋轉矩丁&、几從磁化 Ml 2a、Ml 2b作用在儲存層3的磁化…上。此當在單一運 動中旋轉儲存層3之磁化M1時有利。藉由如此進行，可易 於反轉儲存層3之磁化]VII的方向。 若（例如）強磁性層12、14之反強磁性耦合j係約1 erg/cm，且儲存層3(16)之飽和磁化Ms係約12〇〇 emu/cc， 123218.doc -21 - 1352352 則飽和磁場強度將會降至8 k0e或更低。在此，名詞「飽 和磁場」指施加以造成儲存層3之磁化河丨的方向平行於固 定磁化層2之強磁性層中佈置於最靠近儲存層3之強磁性層 14的磁化M12的方向之飽和磁場。 應注意，依據構成強磁性層12、14之強磁性材料，存在 其中即使S厚度d在2 nm以下時亦在堆疊方向中產生磁化 成分之情況。 依據本具體實施例，在堆疊方向中具有磁化成分之磁化 Mila、M12a及Mllb、M12b係在固定磁化層2的強磁性層 12 I4中產生。然而’對於儲存層3之磁化Ml的方向控制 可依如圖1中所示儲存元件1〇1的相同方法，基於自旋注入 電流Iz的方向（極性）實行。 應注意’雖然在圖3中，左側上之磁化μ 11 a和磁化 M12a，以及右侧上之磁化MUb和磁化M12b之間的角度係 實質上180。，但可經由強磁性層12、14之厚度0及飽和磁 化的強度來控制該角度。 即使此角度並非如圖3中顯示係接近18〇。，亦可藉由以 對於儲存層3之磁化Ml的不同方向施加自旋轉矩，而易於 反轉儲存層3的磁化Ml方向。 在本具體實施例中，可將如典型儲存元件的相同材料用 作構成儲存元件1之各種層的材料。 作為一範例，可將PtMn用作反強磁性層丨丨的材料。 可將例如CoFe之強磁性材料用作固定磁化層2的強磁性 層12、14的材料。 123218.doc -22- 1352352 作為範例，可將Ru、Ta、Cr、Cu及類似者用作非磁性 層13的材料。 作為一範例’可將Mg〇用作穿隧絕緣層15的材料。 可將例如CoFeB之一強磁性材料用作儲存層3之強磁性 層16的材料。 圖5顯不一已針對依據本具體實施例之儲存元件1測量的 相位圖之範例。該自旋注入電流12之電流脈衝的脈衝寬度 係設定在1 ns(奈秒）。 圖5中顯示之相位圖係一顯示記憶體單元狀態的狀態 圖，其具有垂直軸上之自旋注入電流Iz的脈衝峰值及水平 軸上之偏壓電流磁場Ηχ的脈衝峰值。應注意，儘管圖3中 顯不之儲存元件1未形成以施加偏壓電流磁場Ηχ，一其中 偏壓電流磁場Ηχ係施加至儲存元件〗之構造係用來產生此 相位圖。 如圖5中顯示，不穩定操作區83顯現在右上及左下。然 而，因為雙穩定操作區80及單穩定操作區81、82係明顯地 分離，穩定操作可藉由設定自旋注入電流Ιζ及偏壓電流磁 % Ηχ的方向及量值來達成，以避免不穩定操作區“^ 此外因為雙穩定操作區80及單穩定操作區81、82明顯 地分離，故即使當偏壓電流磁場Ηχ=〇時，亦可穩定地實行 磁化反轉而無須施加一偏壓電流磁場Ηχ。 依據本具體實施例之以上所述儲存元件丨，固定磁化層2 之強磁|±層12、14係足夠厚。結果，強磁性層12、14在其 兩端處之堆疊方向中具有磁化成分，目而產生相反方向中 123218.doc •23- 1352352 的磁化Mila、Ml 2a及M lib、M12b。因此，可造成具有相 反方向之大自旋轉矩Ta、Tb，以作用在儲存層3之磁化Ml 的兩端上。 因為儲存層3之磁化Ml的方向可易於依此方法反轉，故 可使用更小量值之自旋注入電流Iz來反轉磁化Ml的方向。 藉由如此進行，可減少用於記錄資訊之自旋注入電流 Iz，因而減少電力消耗。 例如’對於一經構造使得熱穩定性指數A=6〇之儲存元件 1，即使自旋注入電流Iz之脈衝寬度在丨ns(奈秒）係相形下 較長，磁化反轉係以〇·3瓜八或以下的小電流可行。 另一方面’對於依據先前技術具有圖1中所示構造的儲 存元件101 ’若該元件經構造使得熱穩定性指數厶係6〇，可 能需要2 mA或以上之電流以用脈衝寬度丨ns反轉該磁化。 使用依據本具體實施例之儲存元件丨，因為具有相反方 向之大自旋轉矩Ta、Tb可作用在儲存層3之磁化M1的兩端 上，故可穩定地實行切換而不論自旋注入電流12的脈衝寬 度如何。 因此，能獲得其中可穩定地記錄資訊之高度可靠儲存元 件1。 因為有用於自旋注入電流12之脈衝寬度的更寬裕度，即 使當在記憶體單元間之特徵中有輕微㈣時，穩定操作亦 可能’因此穩定操作即使對於具有大量記憶體單元之大容 量記憶體而言亦可能。 因此’藉由構造一具有各包括圖3中所示儲存元件1的大

<S 123218.doc -24- 1352352 量記憶體單元之記憶體，可獲得一具有低電力消耗及穩定 操作的大容量記憶體。 同樣’如圖5之相位圖中顯示，即使不施加一偏壓電流 磁場Hx亦可穩定地反轉該磁化。 因此，因為包括儲存元件丨之記憶體單元的構造與一其 中知加偏壓電流磁場Ηχ的構造相比可較簡化，故可使記情 體單元微型化’其使得微型化記憶體及/或增加儲存容量 可行。 因為固定磁化層2係形成在依據以上描述之本具體實施 例之儲存元件1中的儲存層3下，具有在參考層14之堆疊方 向中的磁化成分之磁化區將佈置於儲存層3下。然而，亦 可使用一種構造’其中固定磁化層係形成在儲存層上，且 磁化區係佈置於儲存層上。 其次，圖6顯示一依據本發明之另一具體實施例的儲存 元件之示意圖（斷面圖）。 一依據本具體實施例的儲存元件2〇包括（除了先前所述 具體實施例之儲存元件1的構造外）在儲存層3(16)及覆蓋層 17間之另一固定磁化層4，即在儲存層3(16)上，且亦包括 一在儲存層3及固定磁化層4間之穿隧絕緣層25。亦即，儲 存元件20具有「雙重穿隧」構造。 儲存層3(1 6)上之固定磁化層4依從頂部之次序包括一反 強磁性層2 1、一強磁性層22、一非磁性層23及一強磁性層 24 〇 依與下固定磁化層2中之相同方式，上固定磁化層4的兩 123218.doc •25- 1352352 強磁性層22、24與儲存層3之強磁性層16相比係形成足夠 厚’以致得在堆疊方向中具有磁化成分之磁化M2 ia、 M22a及M21b、M22b會在強磁性層22、24中產生。 上固定磁化層4之強磁性層24的磁化M22之方向係向 右’其係與下固定磁化層2的強磁性層（參考層）14之磁化 Μ12的方向相反》上固定磁化層4之此強磁性層24亦係一 參考層。 磁化迴路在上固定磁化層4中係逆時針方向而在下固定 磁化層2中係逆時針方向，且因此迴路係在相同方向中。 依與下固定磁化層2之強磁性層（參考層）14相同的方 式’可從上固定磁化層4的強磁性層（參考層）24在相反方向 中施加大自旋轉矩至儲存層3兩端。 尤其係在下固定磁化層2之強磁性層（參考層）14及上固 定磁化層4的強磁性層（參考層μ4中，圖6中左端之磁化 M12a、M22a兩者皆向下，且右端之磁化Ml2b、M22b兩者 皆向上。因此’在相同方向中之自旋轉矩係從強磁性層 (參考層）14、24施加至儲存層3之左端及右端。 因此’在相同方向中加強之大自旋轉矩係從下強磁性層 (參考層）14及上強磁性層（參考層）24施加至儲存層3的兩 端。因此’儲存層3之磁化Ml的方向可甚至比先前描述具 體實施例之儲存元件1更易於反轉。 依據具有本具體實施例之以上描述構造的儲存元件2〇， 依與先前描述具體實施例的儲存元件1相同之方式，大自 旋轉矩可作用在儲存層3之磁化Ml的兩端上。 123218.doc •26· 因此’因為易於反轉儲存層3之磁化Ml的方向，儲存層 3之磁化Ml可用小量值的自旋注入電流Iz反轉。因此可減 少用於記錄資訊之自旋注入電流Iz且減少電力消耗。 因為可穩定地實行切換而不管自旋注入電流12的脈衝寬 度如何’故用於自旋注入電流Iz之脈衝寬度係有較寬的裕 度’且因此即使當在記憶體單元間之特徵中有輕微變動 時’亦可穩定操作。因此，即使對於具有大量記憶體單元 之大容量記憶體亦可實行穩定操作。 因此，藉由構造一具有各包括圖6中所示儲存元件20的 大量記憶體單元之記憶體，可獲得一具有電力消耗及穩定 操作的大容量記憶體。 尤其係，大自旋轉矩可自本具體實施例之儲存元件2〇中 的下固定磁化層2之強磁性層（參考層）14，及上固定磁化層 4強磁性層（參考層）24兩者，施加至儲存層3的兩端。因 此，儲存層3的磁化與先前描述具體實施例之儲存元件1相 比可甚至更易於反轉。 因此’與先則描述具體實施例之儲存元件1相比，可更 減少自旋注入電流Iz。 應注思’即使圖ό中顯不之儲存疋件2 〇的構造之上部分 係藉由提供一非磁性中間層來取代穿隧絕緣層25而改變成 一 GMR元件，亦可獲得除MR比以外的相同效應。 使用此構造，因為可自由選擇以上固定磁化層4之強磁 性層24的磁化M22之方向，故可省略反強磁性層21。 其次’圖7顯示一依據本發明又另一具體實施例的儲存 123218.doc -27· 1352352 元件之示意圖（斷面圖）。 . 雖_上111定磁化層4具有如B6巾所示赫元件2〇中的 相同構造’但本具體實施例之—儲存元件3g包括由如圖】 ’ 巾顯示之儲存元件101中的薄強磁性層12、14所形成的下 固定磁化層2。 依據本具體實施例的儲存元件3G，可依先前描述具體實 ^ 施例之儲存元件1的相同方式，從上固定磁化層4之強磁性 φ 層（參考層）24以相反方向施加自旋轉矩至儲存層3的兩端。 因此，可易於反轉儲存層3之磁化河丨的方向。 因此’可使用小量值之自旋注入電流Iz反轉儲存層3之 磁化Ml的方向。因此’可減少用於記錄資訊之自旋注入 電流1Z ’導致電力消耗的減少。亦可穩定地實行切換而不 論自旋注入電流Iz之脈衝寬度。 依據本具體實施例的儲存元件3〇，下固定磁化層2係依 如圖1中之儲存元件1〇1的相同方式藉由形成薄強磁性層 φ 12、14而構成，因此未產生在堆疊方向中之磁化成分。因 此’藉由適當地選擇下固定磁化層2之層12、13、14的材 料及厚度’可最佳化該MR比（即磁阻改變率）。 結果’可將儲存元件30分隔成最佳化MR比之下固定磁 化層2 ’及最佳化磁化反轉電流的上固定磁化層4。因而’ 藉由控制固定磁化層2、4的個別構造，可最佳化MR比及 磁化反轉電流。 因此，下固定磁化層2之層12、13、14的材料及非磁性 層13的厚度，可對於上固定磁化層4不同地設定’以最佳 123218.doc •28- 1352352 化MR比及磁化反轉電流。同樣，雖然在圖7顯示之儲存元 件30中’下固定磁化層2係從兩強磁性層12、14構成，即 如上固定磁化層4的相同數目之強磁性層，但固定磁化層2 可具有不同於固定磁化層4之數目的強磁性層。 應注意，即使圖7中顯示之健存元件3 〇的構造之上部分 係藉由提供一非磁性中間層來取代上穿隧絕緣層2 5而改變 成GMR元件’亦可獲得除MR比以外的相同效應。 使用此構造’因為可視需要地選擇上固定磁化層4之強 磁性層24的磁化M22之方向，故可省略反強磁性層21。 Π樣即使圖7中顯示之儲存元件3 0的構造之下部分係 藉由提供一非磁性中間層來取代下穿隧絕緣層15而改變成 GMR元件，亦可獲得除MR比以外的相同效應。 然而，為了達到一適合MR比，一穿隧絕緣層係用作該 下中間層及上中間層中至少一層。 此外，在圖7中顯示之儲存元件3〇包括依據本具體實施 例構成的上固定磁化層4。然而，亦可構成依據本具體實 施例之下固定磁化層，以獲得其中堆疊方向中之磁化成分 未在上固定磁化層中產生的構造，即，使用對於圖7所示 構造之垂直平面中的相反構造。 在以上描述之具體實施例中，固定磁化層2、4係分别由 其間堆疊非磁性層13、23的兩強磁性層12、14及22、24構 成…：而依據本發明一具體實施例之固定磁化層可由在 其間堆疊有非磁性層之三或更多強磁性層形成。 圖顯示^固定磁化層係由三層強磁性層構成之磁化狀 123218.doc -29- 1352352 態的示意性斷面圖》 如圖8中顯示，一固定磁化層35係由其中間堆疊有非磁 性層34的三層強磁性層31、32、33形成。藉由將中間強磁 性層32之厚度設定在將近該下強磁性層3丨及上強磁性層33 的厚度之兩倍’可幾乎完全消除來自整個固定磁化層35之 洩漏磁場。 在最下方強磁性層3 1中，除了向右之磁化]vi3 1以外，堆 疊方向中具有磁化成分的磁化M3 la及M3 lb係在兩端處產 生。 在最上方強磁性層33中，除了向右之磁化m3 3以外，堆 疊方向中具有磁化成分的磁化M33c及M33d係在兩端處產 生。 在中間強磁性層32中，除了向左之磁化M32以外，堆疊 方向申具有磁化成分的磁化M3 2a、M3 2b、M3 2c、M3 2d係 在兩端產生。此類磁化對應於下強磁性層3 1之磁化 M3 la、M3 lb及上強磁性層33的磁化M33c、M33d，且在堆 疊方向中具有之磁化成分係與其他強磁性層中的此類磁化 具有相同定向。 此類磁化在固定磁化層3 5之上半中形成一順時針方向磁 場迴路，及在固定磁化層35的下半中產生逆時針方向磁場 迴路。 在其中儲存層係佈置於強磁性層33上之情況中，例如— 大的向上自旋轉矩係施加至儲存層之磁化的左端，且—大 的向下自旋轉矩係施加至右端。 -30- 123218.doc 應庄忍’在兩強磁性層包括在固定磁化層中之情況下， 需要兩強磁性層形成較厚以實質上消除-$漏磁場。然 對於所有層而言厚度d可能不相等’且洩漏磁場可藉 由使最靠近儲存層之強磁性層比其他強磁性層稍薄而減 少。 另方面’若固定磁化層中具有三或更多層強磁性層， 隹且方向中之磁化成分未在遠離儲存層的強磁性層 中產生時，仍可獲得依據本發明之一具體實施例的效應。 例如，對於圖8中顯示之三層構造的一修改，可較薄地 形成最下方強磁性層3丨，以致堆疊方向中之磁化成分可能 不在下方迴路中產生。 即，若堆疊方向中之磁化成分係在固定磁化層之複數個 強磁性層中至少對於儲存層最靠近之強磁性層（即參考層） 中產生，則可獲得依據本發明之一具體實施例的效應。 可藉由調整在三或更多層強磁性層間之總體平衡以減少 Ά漏磁場。 雖然儲存層3係由在以上描述之具體實施例中的單一強 磁性層16形成，但依據本發明之具體實施例，儲存層可由 係強磁性耦合或反強磁性耦合的複數個強磁性層形成。可 提供一其令複數個強磁性層在其間係堆疊有非磁性層之構 造’及一其中複數個強磁性層係直接堆疊之構造（在此情 況下’鄰接之強磁性層具有不同材料或組成物）。 同樣，固定磁化層2、4之強磁性層的磁化方向係藉由先 前描述具體實施例中之反強磁性層11、21固定。然而，依

123218.doc •31- (S 1352352 據本發明之一具體實施例’亦可使用一其中固定磁化層之 磁化方向係固定而不提供反強磁性層的構造，及一其中固 定磁化層之磁化方向係藉由堆疊一硬磁性層及一強磁性層 來固定之構造。 應注思在以上描述的具體實施例中，藉由形成固定磁化 層的厚強磁性層，堆疊方向中具有磁化成分的磁化區可在 任何時候於強磁性層中形成。 頃相信依據本發明之一具體實施例的效應（即用更小電 流記錄資訊的能力）亦可使用該等先前描述之不同構造獲 得。 例如’可能使用一其中在堆疊方向中具有磁化成分之磁 化區’其係藉由從一在固定磁化層外提供之磁場施加器件 (例如一硬磁性層）施加的磁場’形成在固定磁化層之一強 磁性層内。 作為另一範例，可使用一其中一儲存元件被驅動之構 造’使得在堆疊方向中具有磁化成分之磁化區係在資訊記 錄程序期間形成於固定磁化層之強磁性層中，且在堆疊方 向中具有磁化成分之磁化區係不在其他程序（例如讀取程 序）期間或當儲存已記錄資訊時形成。 本發明不受限於以上描述的具體實施例，且可在不脫離 本發明範疇下進行各種修改。 熟習此項技術人士應瞭解取決於設計需要及其他因素， 可進行各種修改、組合、次組合及變更，只要其係在隨附 申請專利範疇或其等效者的範圍内。 123218.doc -32- 1352352 【圖式簡單說明】 旋轉移的記憶體中 之 圖1係一在使用依據先前技術之自 S己憶體單元的示意性斷面圖。 圖2係—用於圖!中顯示之儲存元件的相位圖。 圖3係一依據本發明之具體實施 (斷面圖）。 ”錯存兀件之示意圖 圖4係一顯示施加至圖3中顯示之 矩的圖式。 #層的磁化之自旋轉 圖5係-用於圖3中顯示之儲存元件的相位圖。 圖6係一依據本發明之另一具體實施例的 意圖（斷面圖）。 子几件之示 圖7係一依據本發明之又另一具體實施例的 示意圖（斷面圖）。 子π件之 強磁性層之固定磁化層的 示意性斷 圖8係顯示包括三層 面圖。 【主要元件符號說明】 1 儲存元件 2 固定磁化層 3 儲存層/自由磁化層 4 固定磁化層 11 反強磁性層 12 強磁性層 13 非磁性層 14 強磁性層/參考層 123218.doc -33- 1352352 15 穿隧絕緣層 16 儲存層/強磁性層 17 覆蓋層 20 儲存元件 21 反強磁性層 22 強磁性層 23 非磁性層 24 強磁性層/參考層 25 穿隧絕緣層 30 儲存元件 31 強磁性層 32 強磁性層 33 強磁性層 34 非磁性層 35 固定磁化層 80 狀雙穩定操作區/磁滯區 81 單穩定操作區 82 單穩定操作 83 不穩定操作區 101 儲存元件 102 固定磁化層 103 儲存層/自由磁化層 105 位元線 106 閘極 123218.doc .34. 1352352

107 110 111 112 113 114 115 116 117 120 121 122 123 連接插塞 基底膜 反強磁性層 強磁性層 非磁性層 強磁性層 穿隧絕緣層 強磁性層 頂部外罩層 矽基板 選擇MOS電晶 擴散層 擴散層 123218.doc -35-

Claims (1)

1352352 第096136897號專利申請索 中文申請專利範圍替換本(〗〇〇年6月） --j 十、申請專利範圍： 1〇心月，糾I • 1. 一種儲存元件，其包含： '· _儲存層，其係基於—磁性_之-磁性狀態儲存資 . 訊；及 一固定則b^|，其-磁化Μ係以，且制定磁化 層係被提供以用於該儲存層，在該固定磁化層與該儲存 層之間具有一非磁性層，其中 貝騎、藉由在—堆疊方向中施加-電流以改變該儲存 9 I之磁化方向而記錄在該儲存層中， 该固定磁化層包括複數個強磁性層，在其間係堆疊有 非磁性層，及 1 该固定磁化層包括複數個磁化區，該等磁化區具有在 °亥堆嗟方向中之磁化成分及在分別相反方向中之磁化， 該等磁化區係形成在該複數個強磁性層中佈置於最靠近 該儲存層之至少一強磁性層的兩端處。 φ 2·如請求項1之儲存元件，其中 形成該固定磁化層之各強磁性層具有一至少2 nm的厚 度。 3·如請求項1之儲存元件’其中 该固定磁化層之一飽和磁場的一量值係8 k〇e或以 下6玄飽和磁場係施加以使該儲存層之該磁化方向平行 於該複數個強磁性層中佈置於最靠近該儲存層之該強磁 性層的磁化方向。 4·如請求項1之儲存元件，其中 · 123218-100060l.doc U52352 該固定磁化層包括一下固定磁化層，其係提供在該儲 存層之下；及一上固定磁化層，其係提供在該儲存層之 上’·且具有該等磁化區之該至少一強磁性層係包括在該 下固定磁化層及該上固定磁化層中至少一層中。 5 ‘ 一種記憶體，其包含： 儲存元件，其包括一儲存層，其基於一磁性材料之 一磁性狀態儲存資訊；及一固定磁化層，其一磁化方向 係固定，且其係被提供以用於該儲存層，在該固定磁化 層與該儲存層之間具有一非磁性層，其中資訊係藉由在 一堆疊方向中施加一電流以改變該儲存層之該磁化方向 而s己錄在該儲存層中；及 佈線其供應一在該儲存元件之堆疊方向中流動之電 流，其中 。玄儲存元件之泫固定磁化層包括複數個其間堆疊有非 磁性層之強磁性層，及 該固定磁化層包括複數個磁化區，該等磁化區在該堆 豐方向中具有磁化成分及在分別相反方向中之磁化，該 專磁化區係形成在該複數個強磁性層中佈置於最靠近該 儲存層之至少一強磁性層的兩端處。 123218-1000601.doc -2·