TWI505269B - Memory device - Google Patents

Memory device Download PDF

Info

Publication number
TWI505269B
TWI505269B TW100115502A TW100115502A TWI505269B TW I505269 B TWI505269 B TW I505269B TW 100115502 A TW100115502 A TW 100115502A TW 100115502 A TW100115502 A TW 100115502A TW I505269 B TWI505269 B TW I505269B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
layer
magnetization
memory
magnetic
fixed
Prior art date
Application number
TW100115502A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201209818A (en
Inventor
Yutaka Higo
Masanori Hosomi
Hiroyuki Ohmori
Kazuhiro Bessho
Kazutaka Yamane
Hiroyuki Uchida
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Publication of TW201209818A publication Critical patent/TW201209818A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI505269B publication Critical patent/TWI505269B/zh

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10Magnetoresistive devices

Description

記憶裝置
本發明係關於一種藉由自旋轉矩磁化反轉而於記憶元件中進行資訊之記錄之記憶裝置(記憶體)。
自行動終端至大容量伺服器,伴隨著各種資訊設備之飛躍發展,構成其之記憶體或邏輯電路(logic)等元件亦追求高積體化、高速化、低耗電化等進一步之高性能化。
尤其半導體非揮發性記憶體之進步顯著,其中,作為大容量檔案記憶體之快閃記憶體以驅逐硬碟驅動器之勢頭正進行普及。
另一方面,注視向碼儲存器(code storage)用、進而工作記憶體之展開,為了替換目前通常所使用之NOR快閃記憶體、DRAM(Dynamic Random Access Memory,動態隨機存取記憶體)等,正進行半導體非揮發性記憶體之開發。例如可列舉FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory,鐵電式隨機存取記憶體)、MRAM(Magnetic Random Access Memory,磁性隨機存取記憶體)、PCRAM(Phase-Change Random Access Memory,相變隨機存取記憶體)等。其中,一部分已實用化。
該等非揮發性記憶體中,MRAM係藉由磁性體之磁化方向而進行資料記憶,因此可進行高速之覆寫及大致無限次(1015 次以上)之覆寫,且已於產業自動化及飛機等領域中使用。
MRAM就其高速動作與可靠性而言,今後期待向碼儲存器或工作記憶體之展開。
然而,MRAM於低耗電化及大容量化方面尚有課題。
其係起因於MRAM之記錄原理、即藉由自配線產生之電流磁場而使磁化反轉之方式之本質上的課題。
作為用以解決該問題之一種方法,研究有不藉由電流磁場之記錄(即,磁化反轉)方式,其中,關於自旋轉矩磁化反轉之研究較為活躍(例如,參照專利文獻1及專利文獻2)。
自旋轉矩磁化反轉之記憶元件係與MRAM同樣地藉由MTJ(Magnetic Tunnel Junction,磁穿隧接合)而構成。
並且,其係利用於通過被固定在某一方向上之磁性層之自旋極化電子進入其他自由之(方向不固定之)磁性層時,對該磁性層賦予轉矩,若流通某一臨限值以上之電流,則自由磁性層之磁化之方向反轉。
0/1之覆寫係藉由改變流經記憶元件之電流之極性而進行。
用於自由磁性層之磁化方向之反轉之電流的絕對值就0.1μm左右之規模之記憶元件而言為1mA以下。並且,該電流值與記憶元件之體積成比例地減少,因此可按比例調整。
進而,無需MRAM中必需之用以產生記錄用電流磁場之字元線,因此亦有單元構造變得簡單之優點。
以下,將利用自旋轉矩磁化反轉之MRAM稱為ST- MRAM(Spin Torque-Magnetic Random Access Memory,自旋轉矩式磁性隨機存取記憶體)。
作為於保持有高速且覆寫次數大致無限大之MRAM之優點之狀態下,可實現低耗電化及大容量化的非揮發性記憶體,對ST-MRAM寄予厚望。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]美國專利第5695864號說明書
[專利文獻2]日本專利特開2003-17782號公報
ST-MRAM中,引起磁化反轉之自旋轉矩之大小依存於磁化之方向而發生變化。
通常之ST-MRAM之記憶元件之構造中,存在自旋轉矩為零之磁化角度。
於初始狀態之磁化角度與該角度一致時,磁化反轉所需之時間變得非常長。因此,亦可能存在寫入時間內磁化反轉未完成之情形。
若寫入時間內反轉未完成,則該寫入動作失敗(寫入錯誤),無法進行正常之寫入動作。
為解決上述問題,本發明中提供一種不發生錯誤且可以較短時間進行寫入動作之記憶裝置。
本發明之記憶裝置包含記憶元件,該記憶元件包括:記 憶層,其藉由磁性體之磁化狀態而保持資訊;及固定磁化層,其隔著非磁性層而相對於該記憶層設置,且磁化之方向被固定為與膜面平行之方向。
該記憶元件進而包含磁性層,該磁性層於記憶層之與固定磁化層相反之側隔著非磁性層而設,且磁化之方向為與膜面垂直之方向。
並且,上述記憶裝置包含配線,其向該記憶元件供給在記憶元件之各層之積層方向上流通之電流。
根據上述本發明之記憶裝置之構成,相對於記憶層,在與磁化之方向被固定為與膜面平行之方向之固定磁化層相反之側,隔著非磁性層而設置有磁化之方向為與膜面垂直之方向之磁性層。
由於記憶層之磁化之方向為與膜面大致平行之方向,故而與磁化方向為與膜面垂直之方向之磁性層之磁化方向的相對角度為大致90度。
藉此,可抑制因記憶層及固定磁化層各自之磁化方向為大致平行或反平行所致之磁化反轉所需之時間之發散,因此可於特定之有限時間內使記憶層之磁化方向反轉而進行資訊之寫入。
根據上述之本發明,可於特定之時間內使記憶層之磁化方向反轉而進行資訊之寫入,因此可減少寫入錯誤,且可以更短時間進行寫入動作。
由於可減少寫入錯誤,故而可提高寫入動作之可靠性。 又,由於可以更短時間進行寫入動作,故而可實現動作之高速化。
因此,藉由本發明,可實現一種寫入動作之可靠性較高且高速地動作之記憶裝置。
以下,對用以實施發明之最佳形態(以下,稱為實施形態)進行說明。
再者,說明按照以下之順序進行。
1.本發明之概要
2.第1實施形態
<1.本發明之概要>
首先,在說明本發明之具體實施形態之前,對本發明之概要進行說明。
將先前提出之ST-MRAM之概略構成圖(剖面圖)示於圖4。
如圖4所示,於基底層51上依序積層磁化M52之方向被固定之固定磁化層(亦稱為參照層)52、非磁性層(中間層)53、磁化M54之方向進行反轉之自由磁化層(記憶層)54、上覆層55,而構成記憶元件。
其中,固定磁化層52係藉由較高保磁力等而固定磁化M52之方向。
圖4所示之ST-MRAM(記憶元件)中,藉由具有單軸各向異性之記憶層54之磁化(磁矩)M54之方向而進行資訊之記憶。
向記憶元件中之資訊之寫入係藉由如下方式進行:於與記憶元件之各層之膜面垂直之方向(即,各層之積層方向)上施加電流,使成為記憶層54之自由磁化層發生自旋轉矩磁化反轉。
此處,對自旋轉矩磁化反轉進行簡單說明。
電子具有兩種自旋角動量。假設將其定義為向上、向下。
於非磁性體之內部,具有向上之自旋角動量之電子與具有向下之自旋角動量之電子兩者的數量相同,於鐵磁性體之內部,兩者之數量有差。
首先,對下述情形進行考慮:隔著非磁性層(中間層)53而積層之兩層鐵磁性體(固定磁化層52及自由磁化層54)中,各自之磁化M52、M54之方向處於反平行狀態,使電子自固定磁化層52向自由磁化層(記憶層)54移動。
通過固定磁化層52之電子進行自旋極化,即,向上與向下之數量產生差異。
若非磁性層53之厚度足夠薄,則於自旋極化緩和而成為通常之非磁性體中之非極化(向上與向下之數量相同)狀態之前,便到達另一磁性體、即自由磁化層(記憶層)54。
繼而,因兩層鐵磁性體(固定磁化層52及自由磁化層54)之自旋極化度之符號相反,而一部分電子進行反轉,即,自旋角動量之方向發生變化,以降低系統之能量。此時,必須保存系統之所有角動量,因此亦對自由磁化層(記憶層)54之磁化M54賦予與由已改變方向之電子所引起之角動 量變化之合計等效的反作用。
於電流量、即單位時間內通過之電子之數量較少之情形時,改變方向之電子之總數亦較少,因此由自由磁化層(記憶層)54之磁化M54所產生之角動量變化亦較小,若電流增加,則可於單位時間內賦予較多之角動量變化。
角動量之時間變化為轉矩,若轉矩超過某一臨限值,則自由磁化層(記憶層)54之磁化M54開始進動運動(precession movement),藉由自由磁化層(記憶層)54之單軸各向異性而180度旋轉後變得穩定。即,引起自反平行狀態向平行狀態之反轉。
另一方面,若於兩層鐵磁性體52、54各自之磁化M52、M54處於平行狀態時,使電流相反地於從自由磁化層(記憶層)54向固定磁化層52輸送電子之方向上流通,則此時電子由固定磁化層52反射。
繼而,被反射而自旋之方向反轉之電子在進入自由磁化層54時會賦予轉矩,使自由磁化層(記憶層)54之磁化M54之方向反轉,因此可使互相之磁化M52、M54向反平行狀態反轉。
然而,此時,引起反轉所需之電流量較自反平行狀態向平行狀態反轉之情形為多。
自平行狀態向反平行狀態之反轉難以直觀地理解,亦可想作是由於固定磁化層52之磁化M52因被固定而無法反轉,為保存系統整體之角動量,從而自由磁化層54之磁化M54之方向反轉。
如此,0/1之資訊之記錄係藉由如下方式進行:於自固定磁化層(參照層)52向自由磁化層(記憶層)54之方向或其相反方向,流通對應於各自之極性之某臨限值以上之電流。
資訊之讀出係與先前型之MRAM同樣地使用磁阻效應而進行。
即,與如上述說明之資訊之記錄之情形同樣地,於與各層之膜面垂直之方向(各層之積層方向)上流通電流。且利用記憶元件所顯示之電阻根據自由磁化層(記憶層)54之磁化M54之方向相對於固定磁化層(參照層)52之磁化M52之方向為平行或反平行而變化之現象。
另外,用於非磁性層(中間層)53之材料可為金屬亦可為絕緣體,但就可獲得更高之讀出信號(阻抗之變化率)且可藉由更低之電流進行記錄而言,係將絕緣體用於非磁性層53之情形。將此時之元件稱為磁性穿隧接合(Magnetic Tunnel Junction:MTJ)元件。
上述自旋轉矩之大小係根據自由磁化層(記憶層)54之磁化M54與固定磁化層(參照層)52之磁化M52之角度而變化。
若將表示磁化M54之方向之單位向量設為m1、表示磁化M52之方向之單位向量設為m2,則自旋轉矩之大小與m1×(m1×m2)成比例。此處,「×」為向量之外積。
通常,固定磁化層52之磁化M52被固定為記憶層54之易磁化軸方向。記憶層54之磁化M54存在朝向記憶層54自身 之易磁化軸方向之傾向。此時,m1與m2形成0度或180度之角度。因此,若依照上述自旋轉矩之方式,則自旋轉矩完全不發揮作用。
現實中,記憶層54之磁化M54因熱波動而隨機分佈於易磁化軸之周圍,因此於與固定磁化層52之磁化M52所成之角度自0度或180度離開時,自旋轉矩可發揮作用,引起磁化反轉。
若將m1與m2所成之角設為θ,則磁化反轉所需之時間ts可記為ts=τln(Π/2θ)/(I/Ic0-1)。此處,τ為由記憶層54之材料等所決定之時間參數,通常為數ns(奈秒)。I為流經MTJ之電流,Ic0為開始進動運動所需之電流。
如觀察該式可知,θ越接近零,ts越無限大地發散。
此時,設為τ=1ns、I/Ic0=1.2,寫入時間設為20ns。此時,若θ為1.7度以下,則ts>20ns,於寫入時間內反轉未結束,即,發生寫入錯誤。
寫入錯誤率雖亦取決於ST-MRAM之用途,但必需為10-10 ~10-15 ,因此無法忽視θ<1.7度之概率。
為降低寫入錯誤率,有效的是增大流經MTJ之電流I。然而,反面,若增大電流I,則亦產生消耗電流之增加或元件之絕緣破壞等其他問題,因此電流之增大亦受到限制。
因此,本發明中,為減少上述寫入錯誤率,於通常之MTJ元件中附加具有與記憶元件之各磁性層之膜面垂直之方向(積層方向、上下方向)之磁化的自旋極化層,而構成記憶元件。
即,於自由磁化層(記憶層)之與固定磁化層(參照層)相反之側,配置自旋極化層,進而,於自旋極化層與自由磁化層(記憶層)之間設置非磁性層。
藉此,可避免自旋轉矩不發揮作用之現象,於任一磁化角度下均可在有限之時間內引起磁化反轉。
<2.第1實施形態>
繼而,說明本發明之具體實施形態。
將構成本發明之第1實施形態之記憶裝置之記憶元件之概略構成圖(剖面圖)示於圖1。
圖1所示之記憶元件10係於基底層11上,依序積層有磁化M12之方向被固定之固定磁化層(亦稱為參照層)12、非磁性層13(亦稱為中間層)、磁化M14之方向進行反轉之自由磁化層(記憶層)14。
固定磁化層12之磁化M12之方向被固定為與固定磁化層12之膜面平行之方向(圖1之情形時為圖中右方向)。
至此為止,與圖4所示之先前之ST-MRAM之構成相同。
再者,雖未圖示,但亦可於基底層11與固定磁化層12之間設置包含反鐵磁性體之反鐵磁性層,以便將固定磁化層12之磁化M12之方向固定。
進而,本實施形態之記憶元件10中,與圖4所示之先前之ST-MRAM之MTJ之構成不同,於記憶層14之上部,隔著非磁性層15而設置有上述自旋極化層16。上覆層17積層於自旋極化層16上。
與其他磁性層12、14不同,自旋極化層16之磁矩(磁 化)M16朝向相對於記憶元件10之各層之膜面(包括自旋極化層16之膜面)為垂直之方向(各層之積層方向、上下方向)。
又,本實施形態中,自旋極化層16之磁矩(磁化)M16如圖1所示般被固定為向上。
再者,本發明中,亦可成為自旋極化層之磁矩(磁化)被固定為向下之構成。
作為自旋極化層16之材料,使用形成垂直磁化膜之磁性材料。
作為此種材料,例如可列舉TePt、CoPt、TbFeCo、GdFeCo、CoPd、MnBi、MnGa、PtMnSb、Co-Cr系材料等。又,可使用該等材料以外之形成垂直磁化膜之磁性材料。
藉由使用形成垂直磁化膜之磁性材料,而即便不利用反鐵磁性體等將磁化固定為上下方向,亦可形成自旋極化層16。
再者,不使用形成垂直磁化膜之磁性材料而使用形成膜面方向之磁化之磁性材料來形成自旋極化層時,必須利用反鐵磁性體等將磁化固定為上下方向。因此,除圖1之構成以外,於自旋極化層上形成反鐵磁性層。
於記憶層14與自旋極化層16之間之非磁性層15,可使用Ru等在磁阻效應元件之磁性層之間所使用的非磁性之金屬。
再者,於固定磁化層12與記憶層14之間之非磁性層(中 間層)13,可使用用以形成穿隧絕緣膜之絕緣材料(各種氧化物等)、或者磁阻效應元件之磁性層之間所使用之非磁性之金屬。
作為該非磁性層(中間層)13之材料,若使用絕緣材料,則如上所述,可獲得更高之讀出信號(阻抗之變化率),且可藉由更低之電流進行記錄。
於固定磁化層12及記憶層14,可使用先前之ST-MRAM之MTJ中所使用之各種磁性材料。
例如,可將CoFe用於固定磁化層12,將CoFeB用於記憶層14。
本實施形態之記憶元件10中,於記憶層14之上部,隔著非磁性層15而設置有自旋極化層16,因此如上所述,可避免自旋轉矩不發揮作用之現象。藉此,於任一磁化角度下均可在有限之時間內引起磁化反轉。
此處,關於本實施形態之記憶元件10,與圖4所示之先前之ST-MRAM之MTJ同樣地研究磁化所成之角度與磁化反轉所需之時間之關係。
將表示自旋極化層16之磁化M16之方向之單位向量設為m3。
作用於記憶層14之磁化M14之自旋轉矩之大小成為源自固定磁化層12之自旋轉矩、與源自自旋極化層16之自旋轉矩之和。
即,作用於記憶層14之磁化M14之自旋轉矩之大小與A.m1×(m1×m2)+B.m1×(m1×m3)成比例。此處,「×」為向 量之外積,A及B分別為表示自旋轉矩之貢獻率(contribution rate)之常數。
與先前之ST-RAM之MTJ同樣地,固定磁化層12之磁化M12被固定為記憶層14之易磁化軸方向。
於記憶層14之磁化M14朝向記憶層14自身之易磁化軸時,m1與m2形成0度或180度之角,因此來自固定磁化層12之自旋轉矩完全不發揮作用。
然而,此時,由於m3與m1正交,故而B.m1×(m1×m3)不為零,可知來自旋極化層16之自旋轉矩發揮作用。
如此,可知於先前之MTJ中自旋轉矩成為零之情形時,在本實施形態之記憶元件中,自旋轉矩亦發揮作用,推進磁化反轉。
先前之MTJ中,若將m1與m2所成之角設為θ,則反轉所需之時間ts可記為ts=τln(Π/2θ)/(I/Ic0-1)。
於磁性層為3層之本實施形態之構成中,無法獲得此種解析式。
因此,為研究設置有自旋極化層16所產生之效果,進行電腦模擬。
使用設為無磁化之空間分佈之所謂宏觀自旋模型,於各種磁化角度下計算磁化運動之時間發展。表示自旋轉矩之貢獻率之常數中,將A固定為1.0,使B自-0.8至0.8每0.2地變化,相對於各個自旋極化強度(B/A)之值進行計算。又,磁化角度設為-20度至20度之範圍,寫入時間設為20ns。
將作為計算結果之各個自旋極化強度下之磁化角度與反轉時間之關係示於圖2。
圖2中,中央之自旋極化強度成為0之曲線相當於先前之MTJ。於此情形時,可知在磁化角度為零之點,曲線中斷。其表示反轉時間成為20ns以上。於磁化角度處於該中斷之區域內之情形時,寫入失敗。
雖該中斷之區域之範圍為狹窄為±2度左右之範圍,但如上所述,寫入錯誤率必須為10-10 ~10-15 ,因此為無法忽視之大小。
又,隨著磁化角度自零變大,寫入時間單調遞減。其原因在於,在寫入時間之式:ts=τln(Π/2θ)/(I/Ic0-1)中,對數部分為磁化角度之單調遞減函數。
其次,嘗試觀察自旋極化強度為±0.2、±0.4之情形。
於該等情形時,藉由自旋極化層16之效果,即便於磁化角度為零時自旋轉矩亦發揮作用,因此磁化角度為零之位置上之反轉時間為有限之大小,於±0.2之情形時為13ns,於±0.4之情形時為10ns。並且,可知存在自旋極化強度越大,反轉時間越短之傾向。
磁化角度為零係記憶層14之磁化M14朝向記憶層14自身之易磁化軸方向之最穩定之狀態。
記憶層14之磁化M14之方向雖會熱波動,但處於該最穩定點附近之概率較大。因此,磁化角度為零時之反轉時間變短,就減少寫入錯誤率方面而言效果較大。
另一方面,可知於磁化角度不為零之部分,與先前之 MTJ同樣地反轉時間增大。具體而言,於±0.2之情形時為±2.5度附近,於±0.4之情形時為±5度附近。顯示出於該等點處曲線中斷,反轉時間成為20ns以上。其可看作使先前之MTJ之反轉時間曲線向左右偏移者。該等反轉時間發散之角度與易磁化軸相離開,因此磁化處於其附近之概率小於角度為零之情形。即,沒有先前之MTJ時那麼嚴重,但依然會成為達成10-10 ~10-15 之寫入錯誤率上之障害。
進而,嘗試觀察自旋極化強度為±0.6、±0.8之情形。
於該等情形時,關於磁化角度為零之位置上之反轉時間,於±0.6之情形時為8ns,於±0.8之情形時進一步變小,為6ns。
又,於±0.6之情形時為±8度、±0.8之情形時為±11度附近,反轉時間成為峰值。
但是,與自旋極化強度之絕對值為0.4以下之情形相比,可觀察到顯著之不同。其為曲線未中斷而連續地相連之點。其表示於所有磁化角度下反轉時間均不會超過20ns。其結果,若為20ns之寫入時間,則完全不會發生寫入錯誤。
如此,可知若滿足適當之自旋極化強度,則甚至可達成10-10 ~10-15 等極小之寫入錯誤率。
其次,將使用圖1所示之記憶元件10之本發明之第1實施形態之記憶裝置(記憶體)之概略構成圖(平面圖)示於圖3。
該記憶裝置(記憶體)30係如圖3所示,在正交配置成矩陣狀之分別多條第1配線(例如位元線)31及第2配線(例如字 元線)32之交點處配置記憶元件10而構成。
記憶元件10係平面形狀設為橢圓形狀,且具有圖1所示之剖面構造。
又,記憶元件10係如圖1所示,具有固定磁化層12、記憶層(自由磁化層)14、及自旋極化層16。
並且,藉由各記憶元件10而構成記憶裝置30之記憶體單元。
雖未圖示,但第1配線31及第2配線32分別電性連接於記憶元件10,可經由該等配線31、32而於記憶元件10中流通記憶元件10之各層之積層方向(上下方向)之電流。
並且,藉由使該電流於記憶元件10中流通,可使記憶層14之磁化之方向反轉,而進行資訊之記錄。具體而言,與先前之ST-MRAM同樣地,藉由改變記憶元件10中流通之電流之極性(電流之方向),而使記憶層14之磁化之方向反轉,進行資訊之記錄。
根據上述本實施形態,於構成記憶裝置30之記憶體單元之各記憶元件10中,對於記憶層14,在與固定磁化層(參照層)12相反之側,隔著非磁性層15而設置有具有向上之磁化M16之自旋極化層16。
自旋極化層16之磁化M16之方向為向上,相對於記憶層之面內方向即記憶層14之磁化M14之方向為垂直,因此可使記憶層14之磁化M14之方向自記憶層14之易磁化軸方向移動。
藉此,可避免針對記憶層14之磁化M14之自旋轉矩不發 揮作用之現象。
即,即便記憶層14之磁化M14之方向與固定磁化層12之磁化M12之方向所成的角度為0度或180度或者其附近,亦可在特定之有限時間內使記憶層14之磁化M14之方向反轉,而記錄資訊。
因此,根據本實施形態,可在特定之時間內使記憶層之磁化之方向反轉而進行資訊之寫入,因此可減少寫入錯誤,且可以更短時間進行寫入動作。
由於可減少寫入錯誤,故而可提高寫入動作之可靠性。
又,由於可以更短時間進行寫入動作,故而可實現動作之高速化。
即,可實現一種寫入動作之可靠性較高且高速地進行動作之記憶裝置。
上述實施形態中,係藉由單層之磁性層形成自由磁化層(記憶層)14及固定磁化層(參照層)12。
本發明中,亦可藉由複數層之磁性層形成該等自由磁化層及固定磁化層之至少一者。例如,亦可將組成不同之複數層之磁性層直接積層,或設為將複數層之磁性層隔著非磁性層而積層並反鐵磁性地結合之構成。
又,上述實施形態中,係自下層側依序配置有固定磁化層(參照層)12、非磁性層13、自由磁化層(記憶層)14、非磁性層15、自旋極化層16,但本發明中,亦可配置成使該等各層之順序上下顛倒。
如上述實施形態般,於將固定磁化層12設為下層側之情 形時,未圖示之反鐵磁性層等較厚之層成為下層側,因此與其等位於上層側之構成相比,具有可容易地進行將記憶元件圖案化之蝕刻之優點。
本發明並不限定於上述實施形態,於不脫離本發明之主旨之範圍內可採取其他各種構成。
10‧‧‧記憶元件
11‧‧‧基底層
12‧‧‧固定磁化層(參照層)
13‧‧‧非磁性層(中間層)
14‧‧‧自由磁化層(記憶層)
15‧‧‧非磁性層
16‧‧‧自旋極化層
17‧‧‧上覆層
30‧‧‧記憶裝置(記憶體)
31‧‧‧第1配線
32‧‧‧第2配線
51‧‧‧基底層
52‧‧‧固定磁化層(參照層)
53‧‧‧非磁性層(中間層)
54‧‧‧自由磁化層(記憶層)
55‧‧‧上覆層
M12、M14、M16、M52、M54‧‧‧磁化
圖1係構成本發明之第1實施形態之記憶裝置之記憶元件的概略構成圖(剖面圖)。
園2係表示各自旋極化強度下之磁化角度與反轉時間之關係之圖。
圖3係本發明之第1實施形態之記憶裝置(記憶體)之概略構成圖(平面圖)。
圖4係先前提出之ST-MRAM之概略構成圖(剖面圖)。
10‧‧‧記憶元件
11‧‧‧基底層
12‧‧‧固定磁化層(參照層)
13‧‧‧非磁性層(中間層)
14‧‧‧自由磁化層(記憶層)
15‧‧‧非磁性層
16‧‧‧自旋極化層
17‧‧‧上覆層
M12、M14、M16‧‧‧磁化

Claims (7)

  1. 一種記憶裝置,其包含:記憶元件,其包括:基底層,其位於上述記憶元件之下側,固定磁化層,其位於上述基底層上,具有與其膜面平行之固定的磁化方向,記憶層,其位於上述固定磁化層上,設置為藉由磁性體之磁化狀態而保持資訊,第1非磁性層,其位於上述固定磁化層與上述記憶層之間,磁性層,其位於上述記憶層上,具有與上述固定磁化層之膜面垂直之磁化方向,第2非磁性層,其位於上述磁性層與上述記憶層之間,及反鐵磁性層,其位於上述磁性層上;及配線,其係向上述記憶元件供給在上述記憶元件流通之電流。
  2. 如請求項1之記憶裝置,其中上述磁化之方向為與上述固定磁化層之膜面垂直之方向之磁性層包含形成垂直磁化膜之材料。
  3. 如請求項1之記憶裝置,其中上述固定磁化層與上述記憶層之間之上述第1非磁性層為絕緣層。
  4. 如請求項1之記憶裝置,其中上述固定磁化層與上述記憶層之至少一者包含複數層。
  5. 如請求項1之記憶裝置,其中於上述記憶層之上側,進一步包含上覆層,其位於上述磁性層上。
  6. 一種記憶裝置,其包含:記憶元件,其包括:記憶層,其藉由磁性體之磁化狀態而保持資訊,磁化之方向為與膜面平行之方向固定磁化層,其隔著非磁性層而相對於上述記憶層設置於下層,且磁化之方向被固定為與膜面平行之方向,及磁性層,其於上述記憶層之與上述固定磁化層相反之側即上層隔著非磁性層而設置,且磁化之方向為與膜面垂直之方向;及配線,其係向上述記憶元件供給在上述記憶元件之各層之積層方向上流通之電流;上述固定磁化層與上述記憶層之間之非磁性層為絕緣層;上述磁性層包含材料,該材料形成與膜面平行之方向的磁化;於上述磁性層之上,形成有將上述磁性層之磁化固定於上下方向之反鐵磁性層。
  7. 一種記憶裝置,其包含:記憶元件,其包括:記憶層,其藉由磁性體之磁化狀態而保持資訊,磁化之方向為與膜面平行之方向 固定磁化層,其隔著非磁性層而相對於上述記憶層設置於下層,且磁化之方向被固定為與膜面平行之方向,及磁性層,其於上述記憶層之與上述固定磁化層相反之側即上層隔著非磁性層而設置,且磁化之方向為與膜面垂直之方向;及配線,其係向上述記憶元件供給在上述記憶元件之各層之積層方向上流通之電流;上述固定磁化層與上述記憶層之間之非磁性層為絕緣層;上述磁化之方向為與膜面垂直之方向的磁性層包含MnBi或PtMnSb。
TW100115502A 2010-06-15 2011-05-03 Memory device TWI505269B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010136163A JP5644198B2 (ja) 2010-06-15 2010-06-15 記憶装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201209818A TW201209818A (en) 2012-03-01
TWI505269B true TWI505269B (zh) 2015-10-21

Family

ID=45096128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW100115502A TWI505269B (zh) 2010-06-15 2011-05-03 Memory device

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8547731B2 (zh)
JP (1) JP5644198B2 (zh)
KR (1) KR20110136707A (zh)
CN (1) CN102298961B (zh)
TW (1) TWI505269B (zh)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5786341B2 (ja) * 2010-09-06 2015-09-30 ソニー株式会社 記憶素子、メモリ装置
US9142758B2 (en) * 2011-06-14 2015-09-22 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing a magnetic junction configured for precessional switching using a bias structure
US9082950B2 (en) * 2012-10-17 2015-07-14 New York University Increased magnetoresistance in an inverted orthogonal spin transfer layer stack
US9082888B2 (en) 2012-10-17 2015-07-14 New York University Inverted orthogonal spin transfer layer stack
US20150279904A1 (en) * 2014-04-01 2015-10-01 Spin Transfer Technologies, Inc. Magnetic tunnel junction for mram device
US9263667B1 (en) * 2014-07-25 2016-02-16 Spin Transfer Technologies, Inc. Method for manufacturing MTJ memory device
US9236560B1 (en) 2014-12-08 2016-01-12 Western Digital (Fremont), Llc Spin transfer torque tunneling magnetoresistive device having a laminated free layer with perpendicular magnetic anisotropy
US9728712B2 (en) 2015-04-21 2017-08-08 Spin Transfer Technologies, Inc. Spin transfer torque structure for MRAM devices having a spin current injection capping layer
US10468590B2 (en) 2015-04-21 2019-11-05 Spin Memory, Inc. High annealing temperature perpendicular magnetic anisotropy structure for magnetic random access memory
US9853206B2 (en) 2015-06-16 2017-12-26 Spin Transfer Technologies, Inc. Precessional spin current structure for MRAM
US9773974B2 (en) 2015-07-30 2017-09-26 Spin Transfer Technologies, Inc. Polishing stop layer(s) for processing arrays of semiconductor elements
US9741926B1 (en) 2016-01-28 2017-08-22 Spin Transfer Technologies, Inc. Memory cell having magnetic tunnel junction and thermal stability enhancement layer
US10665777B2 (en) 2017-02-28 2020-05-26 Spin Memory, Inc. Precessional spin current structure with non-magnetic insertion layer for MRAM
US10672976B2 (en) 2017-02-28 2020-06-02 Spin Memory, Inc. Precessional spin current structure with high in-plane magnetization for MRAM
US10360961B1 (en) 2017-12-29 2019-07-23 Spin Memory, Inc. AC current pre-charge write-assist in orthogonal STT-MRAM
US10339993B1 (en) 2017-12-30 2019-07-02 Spin Memory, Inc. Perpendicular magnetic tunnel junction device with skyrmionic assist layers for free layer switching
US10319900B1 (en) 2017-12-30 2019-06-11 Spin Memory, Inc. Perpendicular magnetic tunnel junction device with precessional spin current layer having a modulated moment density
US10468588B2 (en) 2018-01-05 2019-11-05 Spin Memory, Inc. Perpendicular magnetic tunnel junction device with skyrmionic enhancement layers for the precessional spin current magnetic layer
US10580827B1 (en) 2018-11-16 2020-03-03 Spin Memory, Inc. Adjustable stabilizer/polarizer method for MRAM with enhanced stability and efficient switching
CN112951983B (zh) * 2019-12-11 2023-04-07 浙江驰拓科技有限公司 Mtj器件

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7307876B2 (en) * 2003-08-19 2007-12-11 New York University High speed low power annular magnetic devices based on current induced spin-momentum transfer
US20080247072A1 (en) * 2007-03-29 2008-10-09 Commissariat A L'energie Atomique Magnetic tunnel junction magnetic memory
US20090080238A1 (en) * 2007-09-25 2009-03-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element and magnetoresistive random access memory including the same
US7633796B2 (en) * 2007-01-19 2009-12-15 Sony Corporation Storage element and memory
US20100034017A1 (en) * 2008-08-07 2010-02-11 Seagate Technology Llc Oscillating current assisted spin torque magnetic memory
US20100080050A1 (en) * 2008-09-26 2010-04-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive effect device and magnetic memory
US20100080036A1 (en) * 2008-09-30 2010-04-01 Micron Technology, Inc. Unidirectional spin torque transfer magnetic memory cell structure
US7714399B2 (en) * 2007-02-15 2010-05-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic memory element and magnetic memory apparatus

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5695864A (en) 1995-09-28 1997-12-09 International Business Machines Corporation Electronic device using magnetic components
FR2817998B1 (fr) * 2000-12-07 2003-01-10 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique a polarisation de spin et a rotation d'aimantation, memoire et procede d'ecriture utilisant ce dispositif
JP2003017782A (ja) 2001-07-04 2003-01-17 Rikogaku Shinkokai キャリヤスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜と該膜を用いた不揮発性メモリー素子及び該素子を用いたメモリー装置
JP2008028362A (ja) * 2006-06-22 2008-02-07 Toshiba Corp 磁気抵抗素子及び磁気メモリ
TWI422083B (zh) * 2008-05-28 2014-01-01 Hitachi Ltd Magnetic memory lattice and magnetic random access memory
KR101473516B1 (ko) * 2008-06-24 2014-12-16 후지 덴키 가부시키가이샤 스핀 밸브 소자 및 기억 장치
US7859892B2 (en) * 2008-12-03 2010-12-28 Seagate Technology Llc Magnetic random access memory with dual spin torque reference layers
US7936592B2 (en) * 2009-02-03 2011-05-03 Seagate Technology Llc Non-volatile memory cell with precessional switching
US8102703B2 (en) * 2009-07-14 2012-01-24 Crocus Technology Magnetic element with a fast spin transfer torque writing procedure
US8625339B2 (en) * 2011-04-11 2014-01-07 Grandis, Inc. Multi-cell per memory-bit circuit and method

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7307876B2 (en) * 2003-08-19 2007-12-11 New York University High speed low power annular magnetic devices based on current induced spin-momentum transfer
US7633796B2 (en) * 2007-01-19 2009-12-15 Sony Corporation Storage element and memory
US7714399B2 (en) * 2007-02-15 2010-05-11 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic memory element and magnetic memory apparatus
US20080247072A1 (en) * 2007-03-29 2008-10-09 Commissariat A L'energie Atomique Magnetic tunnel junction magnetic memory
US20090080238A1 (en) * 2007-09-25 2009-03-26 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element and magnetoresistive random access memory including the same
US20100034017A1 (en) * 2008-08-07 2010-02-11 Seagate Technology Llc Oscillating current assisted spin torque magnetic memory
US20100080050A1 (en) * 2008-09-26 2010-04-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive effect device and magnetic memory
US20100080036A1 (en) * 2008-09-30 2010-04-01 Micron Technology, Inc. Unidirectional spin torque transfer magnetic memory cell structure

Also Published As

Publication number Publication date
US8547731B2 (en) 2013-10-01
US20110305077A1 (en) 2011-12-15
CN102298961B (zh) 2015-12-16
KR20110136707A (ko) 2011-12-21
TW201209818A (en) 2012-03-01
JP5644198B2 (ja) 2014-12-24
CN102298961A (zh) 2011-12-28
JP2012004222A (ja) 2012-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI505269B (zh) Memory device
US11776605B2 (en) Storage element and storage apparatus
JP5982794B2 (ja) 記憶素子、記憶装置
KR102060744B1 (ko) 기입 에러율이 낮은 스핀 전달 토크 자기 기억 소자
US10375698B2 (en) Memory system
JP2015076523A (ja) 記憶素子、記憶素子の製造方法、記憶装置