TW201336089A - 儲存元件及記憶體 - Google Patents

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Abstract

一種儲存元件包括一磁化固定層及一磁化自由層。該磁化自由層包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的耦合層疊層在一起。該等鐵磁性層之磁化方向相對於該磁化固定層之磁化方向傾斜。

Description

儲存元件及記憶體
本發明技術係關於儲存元件及記憶體，該儲存元件及該記憶體具有複數個磁性層且在使用自旋轉矩磁化反轉時執行記錄。
各種類型之資訊器件(諸如行動終端機及大容量儲存伺服器)已取得快速進展。因此，已預期記憶體及元件(諸如組成此等器件之邏輯元件)具有諸如高整合度、高速處理及低消耗功率之較高效能。特定地，非揮發性半導體記憶體已取得顯著進展，且充當大容量儲存檔案記憶體之快閃記憶體已得到普及以致於取代了硬碟機的地位。相比之下，鐵電隨機存取記憶體(FeRAM)、磁性隨機存取記憶體(MRAM)、相變隨機存取記憶體(PCRAM)及其類似者已得到發展以便代替現在通常使用之NOR快閃記憶體、動態隨機存取記憶體(DRAM)及其類似者，同時正被考慮用於程式碼儲存器且進一步被發展為工作記憶體。此等已發展之RAM中的一部分業已付諸實際使用。
在此等RAM之中的MRAM基於磁性物質之磁化方向來執行資料記錄以便可以高速實質上無限次數地重寫(1015次或更多)。因此，業已將MRAM用於工業自動化、飛機及其類似者之領域中。由於MRAM之高速操作及可靠性，預期將MRAM發展為程式碼儲存器或工作記憶體。然而，在實際使用中，MRAM在低消耗功率及大儲存容量方面存在問 題。此等問題由MRAM之記錄原理(亦即，其中透過由導線之電流誘發的磁場來反轉磁化方向的記錄方法)導致。
作為用於解決此等問題之方法中的一者，已檢驗不取決於電流之磁場的記錄(亦即，磁化反轉方法)。尤其已積極地研究自旋轉矩磁化反轉(例如，參看專利文獻(PTL)1及2)。
以與MRAM相同之方式，常常藉由磁穿隧接面(MTJ)及穿隧磁阻(TMR)元件來結構化使用自旋轉矩磁化反轉之儲存元件。在此結構中，利用以下現象：通過磁性層(該磁性層之磁化被固定於一方向上)之自旋極化電子在進入另一自由磁性層(該磁性層之磁化並非固定的)時給予此自由磁性層一轉矩(亦稱為自旋轉移轉矩)。當具有等於或大於一臨限值之值的電流流動時，此自由磁性層之磁化方向被反轉。藉由改變電流之極性來執行0及1之重寫。
當儲存元件具有近似0.1 μm之大小時，用於磁化反轉之電流的絕對值等於或小於1 mA。另外，由於此電流值係隨元件體積而減小，所以大小調整係有可能的。此外，由於未使用用以誘發用於在MRAM中進行記錄的電流磁場的字導線，所以存在記憶胞結構被簡化的優點。
下文中，將使用自旋轉矩磁化反轉之MRAM稱為自旋轉矩磁性隨機存取記憶體(ST-MRAM)。自旋轉矩磁化反轉亦稱為自旋注入磁化反轉。吾人對將此ST-MRAM用作非揮發性記憶體寄予厚望，其中低消耗功率及大儲存容量係有可能的，同時維持MRAM以高速進行操作且可實質上無限 次數地重寫的優點。
[引用清單] [專利文獻] [PTL 1]
日本專利特許公開申請案第2003-17782號
[PTL 2]
美國專利第5,695,864號
然而，引起ST-MRAM中之磁化反轉的自旋轉矩之強度係隨磁化方向而改變。在具有普通ST-MRAM之儲存元件的結構中，存在自旋轉矩等於零的磁化角度。當經設定處於初始狀態之ST-MRAM中的磁化角度符合此磁化角度時，磁化反轉所必要之時間被大大延長。因此，有時未在一寫入時間週期內完成磁化反轉。當未在一寫入時間週期內完成反轉時，此寫入操作係失敗的(寫入錯誤)，且不能執行正常寫入操作。
鑒於如上文所描述之情形，需要提供一儲存元件及一記憶體，該儲存元件及該記憶體能夠在短時間中執行寫入操作而不引起任何寫入錯誤。
在一實施例中，一儲存元件包括一磁化固定層及一磁化自由層。該磁化自由層包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的耦合層疊層在一起。該等鐵磁性層之磁化方向相對於該磁化固定層之磁化方向傾斜。
在另一實施例中，提供一種將資訊寫入至一儲存元件的方法，該儲存元件包括一磁化固定層及一磁化自由層，該磁化自由層包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的耦合層疊層在一起。該方法包括在磁化固定層之磁化方向上施加電流以在磁化自由層中引起自旋轉矩磁化反轉。該等鐵磁性層之磁化方向相對於該磁化固定層之磁化方向傾斜。
在另一實施例中，一自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件包括：一磁化固定層，其在相對於該磁化固定層之膜表面的垂直方向上具有固定磁化；一磁化自由層，其包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間藉此磁性地耦合該等鐵磁性層的耦合層疊層在一起；及一非磁性層，其形成於磁化固定層與磁化自由層之間。該等鐵磁性層之磁化方向相對於垂直方向傾斜。
在另一實施例中，一磁阻效應型磁頭包括：第一磁屏蔽件，其經由絕緣層而形成於基板上；一磁性感測元件，其包括磁化固定層及磁化自由層，該磁化自由層包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的耦合層疊層在一起；及第二磁屏蔽件，其經由該絕緣層而形成於磁性感測元件上。該等鐵磁性層之磁化方向相對於磁化固定層之磁化方向傾斜。
在根據本發明技術之第一實施例的儲存元件中，儘管當儲存層與磁化固定層兩者之磁化方向變成彼此近似平行或反平行時，磁化反轉所必要之時間週期被分散，但可藉由 組成儲存層之鐵磁性層之間的磁耦合來抑制此分散。因此，可藉由在一預定之有限時間週期內反轉儲存層之磁化方向來執行資訊之寫入。另外，可減小用以反轉儲存層之磁化方向的寫入電流的值。此外，由於垂直磁化膜中所保持之強大各向異性磁能，所以可充分維持儲存層之熱穩定性。
另外，在根據本發明技術之第二實施例的記憶體中，電流在疊層方向上經由兩種類型之導線而流經儲存元件，且發生自旋轉移。因此，藉由在疊層方向上經由兩種類型之導線流經儲存元件的電流，可執行基於自旋轉矩磁化反轉之資訊記錄。另外，由於可充分維持儲存元件之熱穩定性，所以可穩定地保持儲存元件中所記錄之資訊，且可達成記憶體之小型化、可靠性之改良及低消耗功率。
如上文所描述，根據本發明技術，由於可執行資訊之寫入同時在一預定之時間週期內反轉儲存層之磁化方向，所以可減少寫入錯誤，且可在較短之時間中執行寫入操作。另外，由於可減少寫入錯誤，所以可改良寫入操作之可靠性。此外，由於可在較短之時間中執行寫入操作，所以可提高操作速度。因此，可根據本發明技術來達成在寫入操作方面具有高可靠性且以高速操作之記憶體。
下文中，將按以下次序來描述本發明技術之一實施例：
<1.根據此實施例之記憶體的示意性結構> <2.根據此實施例之儲存元件的概述> <3.根據此實施例之具體結構> <4.修改> <1.根據此實施例之記憶體的示意性結構>
最初，將描述記憶體之示意性結構。記憶體之示意圖展示於圖1、圖2及圖3中。圖1係透視圖，圖2係剖視圖，且圖3係平面圖。
如圖1中所示，在記憶體中，具有ST-MRAM之儲存元件3位於彼此垂直延伸的兩種類型之位址導線(例如，字線及位元線)之跨接點中的每一者附近。ST-MRAM能夠保持由磁狀態指示之資訊。更具體言之，構成用於選擇記憶胞中之每一者的選擇電晶體的汲極區域8、源極區域7及閘電極1形成於一由半導體本體10(諸如矽基板)之元件分離層2分離的部分中。閘電極1亦充當在圖1中之前-後方向上延伸的一條位址導線(字線)。
汲極區域8共同地形成至位於圖1中之右側及左側的兩個選擇電晶體。導線9連接至此汲極區域8。具有儲存層之儲存元件3位於源極區域7與位元線6之間，該位元線6位於上部側且在圖1中之橫向方向上延伸。藉由自旋轉矩磁化反轉而反轉儲存層之磁化的方向。舉例而言，儲存元件3由磁穿隧接面元件(MTJ元件)形成。
如圖2中所示，儲存元件3具有兩個磁性層12及14。此等磁性層12及14中之一者係磁化固定層12(其中磁化M12之方向係固定的)，且另一磁性層係儲存層14(亦即，其中磁化M14之方向係可改變的自由磁化層)。另外，儲存元件3經 由各別上及下接觸層4而連接至位元線6及源極區域7。因此，當電流在垂直方向上經由兩種類型之位址導線1及6而流經儲存元件3時，可藉由自旋轉矩磁化反轉來反轉儲存層14之磁化M14的方向。
如圖3中所示，在記憶體中，大量第一導線(例如，位元線)1及大量第二導線(例如，字線)6以矩陣形狀配置成彼此垂直，且儲存元件3位於導線1及6之跨接點上。每一儲存元件3以圓形形狀形成於其平面中且具有圖2中所示之橫截面結構。另外，如圖2中所示，儲存元件3具有一個磁化固定層12及一個儲存層(自由磁化層)14。每一儲存元件3形成記憶體之記憶胞中的一者。
在上文所描述之記憶體中，有必要藉由等於或低於選擇電晶體之飽和電流的電流量來執行寫入操作。吾人熟知電晶體之飽和電流係隨電晶體之小型化而減小。因此，為了將記憶體小型化，需要改良自旋轉移之效率以減小流經儲存元件3之電流。
另外，為了增加讀出信號之位準，應確保大的磁阻改變率。因此，採用如上文所描述之MTJ結構係有效的。更具體言之，儲存元件3具有一位於磁性層12與14之間的中間層(其為穿隧絕緣層(穿隧障壁層))係有效的。當將穿隧絕緣層用作如上文所描述之中間層時，流經儲存元件3之電流的量被限制以防止穿隧絕緣層遭到介電質擊穿。亦即，鑒於確保對儲存元件3之重複寫入的可靠性，需要抑制自旋轉矩磁化反轉所必要之電流。自旋轉矩磁化反轉所必要 之電流有時稱為反轉電流或儲存電流。
另外，由於記憶體為非揮發性記憶體，所以有必要穩定地儲存由電流寫入之資訊。換言之，有必要確保對於儲存層之磁化之熱波動的穩定性(熱穩定性)。假定儲存層之熱穩定性未得到確保，則經反轉之磁化方向有時歸因於熱(操作環境中之溫度)而再次反轉，且不良地引起保持錯誤。與過去之MRAM相比，此記憶體中之儲存元件(ST-MRAM)3具有定大小(sizing)之優點。亦即，有可能減小元件3之體積。然而，若其他特性未改變，則體積減小會引起熱穩定性之劣化。由於ST-MRAM之儲存容量的增加進一步減小儲存元件3之體積，所以確保熱穩定性為至關重要的。因此，ST-RAM之儲存元件3中的熱穩定性係一非常重要的特性，且需要設計元件3以便即使減小元件3之體積仍確保此熱穩定性。
<2.根據此實施例之儲存元件的概述>
緊接著，將描述根據此實施例之儲存元件的概要。ST-MRAM之儲存元件的示意性結構圖(橫截面圖)展示於圖4中，其中磁化之方向垂直於該元件之膜表面。
如圖4中所示，儲存元件具有按以下順序疊層之以下各層：位於底層11上之磁化固定層(亦稱為參考層)12，其中磁化M12之方向係固定的；中間層(非磁性層)13；儲存層(自由磁化層)14，其中磁化M14之方向係可改變的；及頂蓋層15。在此等層中之層12中，磁化M12之方向藉由高矯頑磁力(coercive force)及其類似者而被固定為垂直於層12 之膜表面。
在圖4中所示之儲存元件中，執行資訊之儲存，該資訊由具有單軸各向異性之儲存層14之磁化(磁矩)M14的方向指示。藉由在垂直於儲存元件之該等層之膜表面的方向(亦即，該等層之疊層方向)上施加電流以在變成儲存層14之自由磁化層中引起自旋轉矩磁化反轉來執行對儲存元件之資訊寫入。
此處，將簡短地描述自旋轉矩磁化反轉。電子具有兩種類型之自旋角動量中之一者，且此等自旋角動量被暫定稱為上自旋角動量及下自旋角動量。在非磁性物質之內部，具有上自旋角動量之電子的數目等於具有下自旋角動量之電子的數目。在鐵磁性物質之內部，此等數目彼此不同。
最初，考慮以下狀況，其中當在經由中間層(非磁性層)13而彼此疊層的兩個鐵磁性物質層(磁化固定層12及自由磁化層14)中磁化M12及M14之方向彼此反平行時，電子自磁化固定層12移至儲存層(自由磁化層)14。通過磁化固定層12之電子的自旋被極化。亦即，具有上自旋角動量之電子的數目不同於具有下自旋角動量之電子的數目。當非磁性層13之厚度充分薄時，在自旋極化減輕以便被固定於正常非磁性物質之非極化狀態(具有上自旋角動量之電子的數目等於具有下自旋角動量之電子的數目)之前，電子到達另一磁性物質(亦即，儲存層(自由磁化層)14)。接著，由於在兩個鐵磁性物質層(磁化固定層12及自由磁化層14)中之自旋極化位準的正負號彼此不同，所以一部分 電子中之自旋被反轉而減少此系統中之能量。亦即，改變了自旋角動量之方向。此時，由於系統中之總角動量應守恆，所以給予儲存層(自由磁化層)14之磁化M14一反作用，該反作用等效於由電子(該等電子之自旋方向被改變)引起之角動量改變的總和。
當電流之量(亦即，每單位時間通過之電子的數目)較小時，電子(該等電子之自旋方向被改變)之數目亦為小的。因此，在儲存層(自由磁化層)14之磁化M14中引起之角動量改變亦為小的。相比之下，當電流的量增加時，可在一個單位時間內給予角動量之大的改變。角動量之時間改變係轉矩。當此轉矩超過一臨限值時，儲存層(自由磁化層)14之磁化M14開始進動，且在旋轉軸被旋轉180度時歸因於儲存層(自由磁化層)14之單軸各向異性而穩定。換言之，引起自反平行狀態至平行狀態之反轉。
相比之下，當在兩個鐵磁性物質層12及14之磁化M12及M14的方向彼此平行的狀況下電流逆向地流動以便將電子自儲存層(自由磁化層)14發送至磁化固定層12時，電子由磁化固定層12反射。接著，當經反射以便反轉電子之自旋方向的電子進入自由磁化層14時，該等電子給予一轉矩以便反轉儲存層(自由磁化層)14之磁化M14的方向。因此，可將磁化M12及M14改變為反平行狀態。在此狀況下，引起此反轉所必要之電流量變得大於引起自反平行狀態至平行狀態之改變所必要的電流量。
難以直觀地辨識自平行狀態至反平行狀態之改變。然 而，因為磁化M12係固定的，可認為磁化固定層12之磁化M12的方向難以被反轉，但自由磁化層14之磁化M14的方向經反轉以使整個系統之角動量守恆。
如上文所描述，藉由使電流以等於或高於一臨限值(對應於電流之極性)的值在自磁化固定層(參考層)12至儲存層(自由磁化層)14的一方向上或在相反方向上流動來執行資訊(為0及1中之每一者)之記錄。
藉由以與在過去MRAM中之方式相同的方式使用磁阻效應來執行資訊之讀出。更具體言之，以與上文所描述之資訊記錄之狀況相同的方式，電流在垂直於每一層之膜表面的方向(每一層之疊層方向)上流動。接著，由於當儲存層(自由磁化層)14之磁化M14的方向平行於磁化固定層(參考層)12之磁化M12的方向時由儲存元件指示之電阻不同於當磁化M14之方向反平行於磁化M12之方向時的電阻，所以可利用此現象。
用於中間層(非磁性層)13之材料可為金屬或絕緣體。然而，當將絕緣體用於非磁性層13時，可獲得較高位準(電阻之較高改變速率)之讀出信號，且可執行使用較低值之電流的記錄。將此種使用絕緣體之元件稱為磁穿隧接面(MTJ)元件。
上文所描述之自旋轉矩的強度隨儲存層(自由磁化層)14之磁化M14與磁化固定層(參考層)12之磁化M12之間的角度而改變。當指示磁化M14之方向的單位向量由m1表達而指示磁化M12之方向的單位向量由m2表達時，自旋轉矩之 強度與m1x(m1xm2)成比例。此處，「x」指示向量之外積。
磁化固定層12之磁化M12通常被固定至儲存層14之易磁化軸的方向。儲存層14之磁化M14易於被導引至儲存層14自身之易磁化軸方向。此時，向量m1及m2產生0或180度之角度。因此，根據上文所描述之自旋轉矩方程式，根本無自旋轉矩發生作用。
在實際狀況下，儲存層14之磁化M14歸因於熱波動而隨機地分佈於易磁化軸周圍。當磁化M14之方向相對於磁化固定層12之磁化M12的方向偏離0度或180度之角度時，自旋轉矩發生作用，且可引起磁化反轉。
磁性物質具有強度對應於其磁化方向的磁能。最大地減小磁能的方向係易磁化軸。當未引起熱波動時，磁化由一最小化磁能的力(轉矩)導引至易磁化軸。相比之下，當磁化方向歸因於熱波動而離開易磁化軸時，與在磁化被導引至易磁化軸時所固定的磁能相比，磁能變大。此差異稱為激發能E。接著，當磁化方向進一步偏離易磁化軸使得激發能E超過某一臨限值時，引起磁化反轉。此臨限值由△表達。可將臨限值△視為反轉磁化所必要之能量。儘管激發能E及臨限值△由單位焦耳(J)表達，但下文中使用藉由用熱能(波茲曼常數(Boltzmann's constant)與絕對溫度的乘積)除此等值所獲得之無因次量。在此狀況下，由於可將臨限值△視為指示磁化相對於熱能之穩定性的指數，所以有時將臨限值△稱為熱穩定性指數。
當使用儲存層14之磁化M14的激發能E及熱穩定性指數△時，施加至儲存層14之電流I及由該電流I引起之自旋轉矩磁化反轉所必要的時間週期(反轉時間)ts滿足以下方程式1。
此處，Ic0表示引起自旋轉矩磁化反轉所必要之臨限電流，η表示電流I之自旋極化率，e表示電子之電荷，Ms表示磁化M14之飽和磁化，V表示儲存層14之體積，且μB表示波耳磁元(Bohr magneton)。方程式1之左側對應於被注入至儲存層14中之電子的數目。方程式1之右側對應於存在於儲存層14中之電子的數目。此等數目之比例係藉由對數項來調整。激發能E之值對應於在施加電流時的磁化方向。如自此方程式1發現，當激發能E接近於零時，反轉時間ts被無限發散。如上文所描述，當未引起熱波動時，磁化M14被導引至對應於為零之能E的易磁化軸，且反轉時間之分散(diversion)係一問題。
因此，在此技術中，為了抑制上文所描述之反轉時間的分散，儲存層經組態以具有經由耦合層而疊層之至少兩個或兩個以上鐵磁性層。彼此鄰近之兩個鐵磁性層經由***於其間之耦合層而彼此磁性耦合。在根據上文所描述之本發明技術之實施例之記憶體的結構中，由於儲存層與磁化固定層兩者之磁化方向由於組成儲存層之鐵磁性層之間的 磁耦合而變成彼此近似平行或反平行，所以可抑制磁化反轉所必要之時間週期的分散，且藉由在一預定之有限時間週期內反轉儲存層之磁化方向來執行資訊寫入可為有可能的。
<3.根據此實施例之具體結構>
緊接著，將具體地描述根據本發明技術之實施例。圖5係根據本發明技術之實施例之組成記憶體的儲存元件的示意性結構圖(橫截面圖)。
圖5中所示之儲存元件20具有按以下順序疊層之以下各層：位於底層21上之磁化固定層(亦稱為參考層)22，其中磁化M22之方向係固定的；中間層(非磁性層)23；儲存層(自由磁化層)24，其中磁化之方向係可改變的；及頂蓋層25。在磁化固定層22中，磁化M22經固定成被導引至垂直於磁化固定層22之膜表面的方向(圖5中之上部方向)。上文所描述之結構與圖4中所示之ST-MRAM之結構相同。由反鐵磁性物質形成的反鐵磁性層(未圖示)可位於底層21與磁化固定層22之間以固定磁化固定層22之磁化M22的方向。
另外，根據此實施例之儲存元件20與圖4中所示之ST-MRAM之MTJ的結構的不同之處在於：儲存層24包括一多層膜，其中複數個鐵磁性層及一耦合層疊層於彼此之上。在圖5中，儲存層24包括三層結構，該三層結構具有按以下次序來定位之以下各層：鐵磁性層24a、耦合層24b及鐵磁性層24c。
鐵磁性層24a之磁化M1及鐵磁性層24c之磁化M2經由耦 合層24b而彼此磁性地耦合。作為耦合層24b之材料，可使用諸如Ta及Ru之非磁性金屬。
作為位於磁化固定層22與儲存層24之間的中間層(非磁性層)23的材料，可使用用於形成穿隧絕緣膜之絕緣材料(各種氧化物)或用於位於磁阻效應元件之磁性層之間的層的非磁性金屬。當將絕緣材料用作此中間層(非磁性層)23之材料時，如上文所描述，可獲得較高位準(電阻之較高改變速率)之讀出信號，且可執行使用較低值之電流進行的記錄。
作為磁化固定層22及儲存層24之材料，可使用用於過去之ST-MRAM之MTJ的各種磁性材料。舉例而言，可將CoFe用於磁化固定層22，且可將CoFeB用於儲存層24。另外，可使用NiFe、TePt、CoPt、TbFeCo、GdFeCo、CoPd、MnBi、MnGa、PtMnSb及Co-Cr族之材料。此外，可使用除此等材料之外的磁性材料。
以與在圖4中所示之儲存元件3中的方式相同的方式，藉由使用磁阻效應來執行資訊之讀出。更具體言之，以與上文所描述之資訊記錄相同的方式，電流在垂直於每一層之膜表面的方向(每一層之疊層方向)上流動。接著，使用以下現象：由儲存元件指示之電阻隨在磁化固定層22之磁化M22的方向與鐵磁性層24a之磁化M1的方向之間的相對角度而改變。
儲存層24之結構進一步詳細展示於圖6A之透視圖及圖6B之俯視圖中。為了簡化在圖6A及圖6B中省略了中間層 24b。在根據此實施例之儲存元件20中，以柱狀物形狀形成儲存層24。為了描述磁化M1及M2之方向，如下定義角度θ1、θ2、φ1及φ2。沿垂直方向穿透儲存層24的垂直軸31展示於透視圖中。將磁化M1之方向與垂直軸31之間的角度定義為θ1，且將磁化M2之方向與垂直軸31之間的角度定義為θ2。另外，通過儲存層24a或24c之中心的參考線32展示於俯視圖中。由於通常以圓形橫截面來形成儲存層24a及24c，所以可任意地選擇參考線32之方向。當磁化M1及M2分別被投影至儲存層24a及24c之膜表面上時，將磁化M1之方向與參考線32之間的角度定義為φ1，且將磁化M2之方向與參考線32之間的角度定義為φ2。
如上文所描述，磁性物質具有強度對應於其磁化之方向的磁能。為了描述磁能，定義以下值。藉由自在磁化M1被導引至表面中方向(θ1=90度)時的磁能強度減去在磁化M1被導引至垂直方向(θ1=0度)時的磁能強度所獲得的能量差由△1指示。另外，藉由自在磁化M2被導引至表面中方向(θ2=90度)時的磁能強度減去在磁化M2被導引至垂直方向(θ2=0度)時的磁能強度所獲得的能量差由△2指示。此外，磁化M1與M2之間的磁耦合能的強度由△ex指示。差△1及△2以及強度△ex以焦耳(J)為單位表達。然而，以與上文所描述之熱能E及熱穩定性的指數△相同的方式，使用藉由用熱能(波茲曼常數及絕對溫度的乘積)除該等差及強度所獲得的無因次量。
在此狀況下，儲存層24之磁能ε由以下方程式2表達。
儲存層24之激發能E由方程式E=ε-εmin表達。此處，εmin表示磁能ε之最小值。以與圖4中之儲存層14的狀況相同的方式，當未引起熱波動時，激發能E變為零。亦即，磁化M1及M2之方向經改變使得磁能ε變為εmin(此狀態稱為平衡狀態)。在儲存層14之狀況下，當激發能E達到零時，在儲存層14之磁化M14的方向與磁化固定層12之磁化M12的方向之間的相對角度為0度(平行)或180度(反平行)。因此，存在反轉時間增加同時無自旋轉矩發生作用的問題。然而，本發明技術之發明者執行各種檢驗且認識到當激發能E達到零時，磁化M1及M2之方向可能與磁化固定層22之磁化M22的方向(垂直軸)產生除0度(平行)或180度(反平行)以外的角度。亦即，磁化M1及M2可相對於磁化M22而傾斜。此時，由於有限之自旋轉矩發生作用，所以可預期反轉時間之增加得到抑制。
此處，當使用方程式2時，發明者執行對磁化M1及M2相對於磁化M22傾斜之條件的各種檢驗。結果，發現如下條件。考慮其中磁化M1與M2之間的磁耦合能的強度△ex等於零且磁化M1及M2獨立地移動的狀況。根據定義，當差△1為正時，磁化M1之易磁化軸變成垂直於鐵磁性層24a之膜表面，且處於平衡狀態之磁化M1被導引至垂直於膜表面之方向。相比之下，當差△1為負時，磁化M1之易磁化軸置於膜表面中，且處於平衡狀態之磁化M1被導引至在鐵磁性層24a之膜表面中的表面中方向。此時，由於鐵磁性 層24a相對於圍繞垂直軸之旋轉為各向同性，所以φ1之值係任意的。以相同之方式，當差△2為正時，磁化M2之易磁化軸垂直於膜表面，且處於平衡狀態之磁化M2被導引至垂直於鐵磁性層24c之膜表面的方向。相比之下，當差△2為負時，磁化M2之易磁化軸置於鐵磁性層24c之膜表面中，且處於平衡狀態之磁化M2被導引至在膜表面中之表面中方向。此時，由於鐵磁性層24c相對於圍繞垂直軸之旋轉為各向同性，所以φ2之值係任意的。
緊接著，考慮此技術中原創的狀況，其中磁化M1與M2之間的磁耦合能的強度△ex不同於零，同時磁化M1及M2彼此耦合且移動。根據定義，當強度△ex為正時，磁化M1及M2之方向移動成平行。有時將此稱為鐵磁性耦合。相比之下，當強度△ex為負時，磁化M1及M2之方向移動成反平行。有時將此稱為反鐵磁性耦合。為了簡化下文中之描述，儘管僅考慮強度△ex為正的狀況，但可在強度△ex為負的狀況下進行相同論述。當差△1及△2一同為正時，處於平衡狀態之磁化M1及M2的方向變成平行於垂直軸而不管強度△ex如何。此與圖4中所示之儲存元件3中的情況相同，且反轉時間的增加可能為不可避免的。相比之下，當差△1及△2一同為負時，處於平衡狀態之磁化M1及M2分別被導引至在膜表面中之表面中方向而不管強度△ex如何。此時，無關於φ1之值，在磁化固定層22之磁化M22的方向與鐵磁性層24a之磁化M1的方向之間的相對角度變成恆定的90度。因此，未引起歸因於磁阻效應之電阻改變，且無資 訊可被讀出。在此狀況下，其中差△1及△2之正負號相同的儲存元件不可用作組成ST-MRAM之儲存元件。如上文所描述，根據本發明技術之實施例之儲存元件20中的差△1及△2的正負號應彼此區分。
如上文所描述，當差△1及△2之正負號彼此不同時，一個鐵磁性層之磁化的易磁化軸垂直於膜表面而另一鐵磁性層之磁化的易磁化軸置於膜表面中。此等兩個磁化(該等磁化之方向彼此衝突)可歸因於在能強度△ex下之耦合而相對於垂直方向傾斜。能強度△ex具有上限。假定強度△ex無限大，磁化M1及M2應彼此平行。在此狀況下，根據差△1與△2之間的量值相關性，易磁化軸之總和變成被導引成垂直於膜表面或置於膜表面中。即使強度△ex並非無限大，當強度△ex大於某一強度時，磁化M1及M2仍不良地變成彼此平行。
因此，為了判定強度△ex之上限，本發明技術之發明者在差△1及△2之各種組合的狀況下藉由使用方程式2來計算上限△exmax，在該上限△exmax處，磁化M1及M2變成彼此平行。實例展示於圖7中。在圖7中，差△2被固定至-40，且差△1在自0至100之範圍中改變。白圈指示藉由計算判定之強度△ex的上限。當強度△ex小於相應之上限時，磁化M1及M2可相對於垂直方向一同傾斜。在值△1+△2小於零的狀況下極限△exmax對差△1的依賴性不同於在值△1+△2大於零的狀況下的依賴性。曲線C41指示當值△1+△2小於零時強度△exmax的△1依賴性。相比之下，曲線C42指示當值 △1+△2大於零時強度△exmax的△1依賴性。發明者試圖找出一適當地表達此等曲線的方程式，且認識到曲線C41及C42由以下方程式來表達。△exmax=abs(2x△1x△2/(△1+△2))此處，abs表示用於改變至絕對值的函數。現在，在此方程式中僅考慮強度△ex為正的狀況。然而，以相同之方式，在強度△ex為負的狀況下獲得該方程式。結果，磁化M1及M2相對於垂直方向一同傾斜的條件係如下。abs(△ex)<abs(2x△1x△2/(△1+△2))
如上文所描述，在本發明技術中，找出磁化M1及M2相對於垂直方向一同傾斜的條件。當給出滿足此條件的差△1及△2以及強度△ex時，可獲得磁化M1及M2相對於垂直軸傾斜的等效狀態。接著，藉由自由方程式2指示之磁能的值減去處於等效狀態之磁能的值所獲得的值表示根據本發明技術之實施例之儲存元件20的激發能E。另外，反轉磁化M1及M2之方向所必要的激發能E為熱穩定性之指數△。因此，當給出差△1及△2以及強度△ex時，可唯一地判定激發能E及熱穩定性之指數△。
熱穩定性之指數△對強度△ex的依賴性展示於圖8中。在圖8中，滿足關係式△1>0>△2。然而，亦允許關係式△2>0>△1。在此狀況下，圖8中之差△1及△2隨彼此而改變。當強度△ex為零時，指數△等於差△1。儘管指數△隨強度△ex增加而減小，但在值△1+△2小於零的狀況下的依賴性不同於在值△1+△2大於零的狀況下的依賴性。曲線C51 對應於值△1+△2小於零，而曲線C52對應於值△1+△2大於零。當值△1+△2小於零時，在強度△ex接近極限△exmax的同時，差△收斂至零。相比之下，當值△1+△2大於零時，在強度△ex接近極限△exmax的同時，指數△收斂至值△1+△2。
熱穩定性之指數△表示一指示對儲存元件20之熱波動之容忍度的指數。當將儲存元件20用作非揮發性記憶體時，有必要在有保證之操作時間週期中保持資訊。此意謂熱穩定性之指數△應高於某一恆定值。儘管指數△之下限隨記憶體容量及有保證之操作時間週期而改變，但該下限係近似在自40至70之範圍內。當指數△增加時，對熱的容忍度得到加強。然而，由於進行寫入所必要之能量亦增加，所以不必要地增加指數△係不必要的。現在，熱穩定性之指數△的設計值由△0指示。在此狀況下，根據圖8，藉由調整強度△ex來獲得指數△=△0的條件係滿足關係式△1+△2<△0<△1。圖8展示關係式△1>0>△2之狀況。然而，當亦考慮關係式△2>0>△1之狀況時，應滿足差△1及△2的條件係關係式△1+△2<△0<max(△1,△2)。此處，max表示用於自差△1及△2選擇最大值的函數。
應滿足差△1及△2的條件標繪於圖9中。此處，熱穩定性之指數△的設計值由△0指示。直線L61指示關係式△1+△2=△0，直線L62指示差△1=△0，且直線L63指示差△2=△0。區域D64(置於線L61之下部側且置於線L62之右側)及區域D65(置於線L61之下部側且置於線L63之上部側) 係差△1及△2滿足關係式△1+△2<△0<max(△1,△2)之條件的範圍。當將差△1及△2一同置於區域D64或D65中時，可調整強度△ex使得熱穩定性之指數△變成等於設計值△0，且此時磁化M1及M2之方向可相對於垂直軸傾斜。儘管已在上文中描述差△1及△2之正負號應彼此區分的條件，但當將差△1及△2一同置於區域D64或D65中時自動地滿足此條件。
緊接著，執行在使用根據本發明技術之實施例之儲存元件20的狀況下關於自旋注入磁化反轉(自旋轉矩轉移)的模擬，同時執行在使用圖4中所示之儲存元件3的狀況下的模擬以供比較。圖10展示針對某一電流的激發能E與反轉時間ts之間的關係。以對數比例尺來標繪水平軸之激發能E。此處，將在施加電流時自一磁化方向計算的值用作激發能E。該磁化方向歸因於熱波動而自平衡狀態移位。此意謂此移位隨著激發能E增加而變大(轉至圖10中之右側)。
如上文所描述，在儲存元件3中激發能E與反轉時間ts之間的關係由方程式1表達。當將磁化完美地設定於平衡狀態時，無限反轉時間係必要的。然而，在實際狀況下，由於激發能E之值歸因於熱波動而等於或高於零，故磁化可在有限之時間週期中反轉。此趨勢由曲線C71指示。當以對數比例尺指示水平軸之激發能E時，曲線C71近似為直線。應認識到，隨著激發能E增加，磁化在較短之時間中被反轉。
現在，假定電流施加時間為20奈秒。在此狀況下，如由點P73所指示，若激發能E之對數值等於-20，則可執行僅在20奈秒中的反轉。激發能E並不固定至某一恆定值，而總是歸因於熱波動而改變。當激發能E之對數值等於或高於-20時，可執行在20奈秒中的反轉。相比之下，當激發能E之對數值等於或低於-20時，不可執行在20奈秒中之反轉，亦即，引起寫入錯誤。如上文所描述，在儲存元件3中，當在施加電流時磁化角被改變時，反轉所必要之時間週期改變。因此，寫入操作歸因於反轉時間之改變的影響而有時成功而有時失敗。
相比之下，在使用根據本發明技術之實施例之儲存元件20的狀況下，激發能E與反轉時間ts之間的關係由曲線C72指示。對於圖4中所示之儲存元件3而言，此線C72不同於曲線C71，且線C72指示即使當激發能E減小時仍無反轉時間ts之增加。原因係：由於即使當激發能E等於零時磁化M1及M2之方向仍相對於垂直軸傾斜(圖10中所示之對數比例尺上的負無限值)，所以有限之自旋轉矩作用於磁化M1及M2。
在由圖10中所示之曲線C72指示的計算實例中，當激發能E之對數值近似等於或低於零時，反轉時間ts恆定地為10奈秒。當激發能E之對數值近似等於或高於零時，反轉時間ts進一步縮短。此意謂即使在施加電流時磁化M1及M2被導引至任何方向，反轉時間ts仍不超過10奈秒。如上文所描述，在根據本發明技術之實施例的儲存元件20中， 判定反轉時間ts的上限(在圖10中所示之計算實例中為10奈秒)，而無關於在施加電流時所設定之磁化M1及M2的方向。因此，當將電流施加時間設定為等於或大於此上限時，可執行寫入而不引起任何寫入錯誤。
此處，將補充激發能E之物理意義。如上文所描述，激發能E之值歸因於熱波動而為有限的。在儲存層由單一鐵磁性層、以與圖4中所示之儲存元件3中的方式相同的方式而結構化的狀況下，激發能E變成小於值X的機率由1-exp(-X)給出。(當儲存層由複數個鐵磁性層以與根據本發明技術之實施例之儲存元件20中的方式相同的方式而結構化時，可不給出此嚴格之方程式，但趨勢係幾乎相同的。)在圖10中所示之計算實例中，對應於20奈秒之反轉時間ts的激發能E之對數值為-20。因此，當激發能E之對數值低於-20時，在20奈秒之電流施加時間中的寫入係失敗的。藉由使用方程式1-exp(-X)將激發能E之對數值低於-20的機率計算為1-exp(-exp(-20))≒2x10-9。因此，激發能E及寫入錯誤率彼此密切相關。即使當激發能E為小的時候，出於減小寫入錯誤率之目的而縮短反轉時間ts仍可為重要的。考慮到此點，本發明技術之實施例(其中即使當激發能E小至任何程度時反轉時間ts仍置於恆定值)適合用於減小寫入錯誤率。
藉由用儲存元件20來代替在圖1、圖2及圖3中所示之記憶體中之儲存元件3而獲得使用圖5中所示之儲存元件20的記憶體。如在該等圖式中所示，在此記憶體中，大量第一 導線(例如，位元線)1以矩陣形狀垂直於大量第二導線(例如，字線)6而延伸，且儲存元件20位於第一導線1及第二導線6之跨接點中的每一者處。儲存元件20係以圓形形狀形成於平面中，且具有圖5中所示之橫截面結構。另外，如圖5中所示，儲存元件20具有磁化固定層22及儲存層(自由磁化層)24。每一記憶體元件20形成記憶體之記憶胞中的一者。
第一導線1及第二導線6中之每一者與相應之儲存元件20電連接，使得電流可在儲存元件20之每一層的疊層方向(垂直方向)上經由此等導線1及6而流經儲存元件20。接著，當電流流經儲存元件20時，儲存層24之磁化的方向被反轉。因此，可執行資訊之記錄。更具體言之，以與圖4中所示之ST-MRAM中的方式相同的方式，藉由改變流經儲存元件20之電流的極性(電流之方向)來反轉儲存層24之磁化的方向，且執行資訊之記錄。
在上文所描述之實施例中，在組成記憶體之一個記憶胞的每一儲存元件20中，儲存層24具有鐵磁性層24a、耦合層24b及鐵磁性層24c之疊層結構。由於此疊層結構，鐵磁性層24a之磁化M1及鐵磁性層24c之磁化M2可具有相對於垂直於膜表面之軸傾斜的方向。因此，可避免無自旋轉矩作用於磁化M1及M2的現象。亦即，可藉由在一預定之有限時間週期內反轉磁化M1及M2之方向來執行資訊之記錄。
因此，在此實施例中，由於可藉由在一預定之時間週期 內反轉儲存層之磁化的方向來執行資訊之寫入，所以可減少寫入錯誤，且可在較短時間中執行寫入操作。另外，由於可減少寫入錯誤，所以可改良寫入操作之可靠性。此外，由於可在較短時間中執行寫入操作，所以可以高速執行操作。亦即，可獲得在以高速進行操作時具有寫入操作之高可靠性的記憶體。
在上文所描述之實施例中，儲存層(自由磁化層)24具有鐵磁性層24a、耦合層24b及鐵磁性層24c之三層結構。然而，在本發明技術中，可使用具有除三層結構之外的任意數目之層的疊層結構。
另外，在上文所描述之實施例中，磁化固定層(參考層)22、中間層(非磁性層)23及儲存層(自由磁化層)24按此順序自下部層側起定位。然而，在本發明技術中，可允許此等層在垂直方向上以顛倒之次序定位的配置。當磁化固定層22位於下部層側上時(如上文所描述之實施例)，比較厚的層(諸如反鐵磁性層(未圖示))位於下部層側上。因此，與層22位於上部層側上的結構相比，有利地是可容易地執行蝕刻以用於圖案化儲存元件。
本發明技術並不僅限於上文所描述之實施例，且可在不偏離本發明技術之要旨的情況下以不同之方式加以修改。
<4.修改>
將根據本發明技術之實施例之儲存元件3或儲存元件20的結構用於磁阻效應元件(諸如TMR元件)。然而，充當TMR元件之磁阻效應元件可不僅應用於上文所描述之記憶 體，而且可應用於磁頭、配備有此磁頭之硬碟機、積體電路晶片、個人電腦、攜帶型終端機、蜂巢式電話、各種電子設備(諸如磁性感測器器件、電子商品及其類似者)。
作為一實例，磁阻效應元件101展示於圖11A及圖11B中，該磁阻效應元件101具有儲存元件3或20之結構且被應用於組合型磁頭100。圖11A係組合型磁頭100之透視圖，其中若干部件被剝裂以顯露頭100之內部結構，且圖11B係組合型磁頭100之橫截面圖。該組合型磁頭100係用於硬碟器件及其類似者之磁頭。頭100具有形成於基板122上之一磁阻效應型磁頭(本發明技術被應用於其)，且亦具有經形成以便疊層於磁阻效應型磁頭上的一電感型磁頭。此處，將磁阻效應型磁頭作為用於再生之頭進行操作，且將電感型磁頭作為用於記錄之頭進行操作。亦即，此組合型磁頭100具有用於再生之頭及用於記錄之頭的組合。
裝載於組合型磁頭100上之磁阻效應型磁頭係所謂之屏蔽型MR頭，且具有經由絕緣層123而形成於基板122上的一第一磁屏蔽件125、經由絕緣層123而形成於第一磁屏蔽件125上的磁阻效應元件101及經由絕緣層123而形成於磁阻效應元件101上的一第二磁屏蔽件127。絕緣層123由諸如Al2O3或SiO2之絕緣材料形成。第一磁屏蔽件125磁性地屏蔽磁阻效應元件101之下部層側且由諸如Ni-Fe之軟磁材料形成。在此第一磁屏蔽件125上，經由絕緣層123而形成磁阻效應元件101。
在磁阻效應型磁頭中，磁阻效應元件101充當一偵測來 自磁性記錄媒體之磁信號的磁性感測元件。此磁阻效應元件101具有與上文所描述之儲存元件3或20之膜結構相同的膜結構。此磁阻效應元件101係近似地形成為矩形形狀且具有曝露於面對磁性記錄媒體之表面的一側表面。偏壓層128及129定位於此磁阻效應元件101之兩端上。另外，形成分別與該等偏壓層128及129連接之連接端子130及131。經由該等連接端子130及131而給予磁阻效應元件101一感測電流。此外，第二磁屏蔽件127經由絕緣層123而定位於偏壓層128及129的上部部分上。
被疊層且形成於磁阻效應型磁頭上的電感型磁頭具有：一磁心，其包括第二磁屏蔽件127及上部層核心132；及經形成以便纏繞於磁心周圍的薄化(thinned)膜線圈133。上部層核心132與第二磁屏蔽件127合作而形成閉合磁路且充當此電感型磁頭之磁心。
核心132由諸如Ni-Fe之軟磁材料形成。此處，第二磁屏蔽件127及上部層核心132經形成以便具有曝露於面對磁性記錄媒體之表面的前端部分，且在其後端部分中彼此鄰近。此處，第二磁屏蔽件127及上部層核心132之前端部分經形成以使得層127及核心132在面對磁性記錄媒體之表面上彼此相隔一預定間隙g。亦即，在組合型磁頭100中，第二磁屏蔽件127磁性地屏蔽磁阻效應元件101之上部層側且亦充當電感型磁頭之磁心。電感型磁頭的此磁心係由第二磁屏蔽件127及上部層核心132形成。間隙g表示電感型磁頭之記錄磁隙。
另外，內埋至絕緣層123中的薄化膜線圈133形成於第二磁屏蔽件127上。此處，薄化膜線圈133經形成以便纏繞於由第二磁屏蔽件127及上部層核心132組成的磁心周圍。此薄化膜線圈133的兩個端部分(未圖示)曝露至外部以在線圈133之兩端上形成電感型磁頭之外部連接端子。亦即，當將磁信號記錄於磁性記錄媒體上時，提供自外部連接端子至薄化膜線圈133之記錄電流。
如上文所描述之組合型磁頭121配備有磁阻效應型磁頭以作為用於再生之頭，且此磁阻效應型磁頭具有磁阻效應元件101(本發明技術被應用於其)以作為用於偵測來自磁性記錄媒體之磁信號的磁性感測元件。由於磁阻效應元件101(本發明技術被應用於其)具有如上文所描述之非常優良的特性，所以此磁阻效應型磁頭可應對磁性記錄中之記錄密度的進一步提高。
本發明技術可採用以下結構。
(1)一種儲存元件，其包含：一磁化固定層；及一磁化自由層，其包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的耦合層疊層在一起，其中該等鐵磁性層之磁化方向相對於該磁化固定層之一磁化方向傾斜。
(2)如(1)之磁性儲存元件，其進一步包含形成於該磁化固定層與該磁化自由層之間的一非磁性中間層。
(3)如(2)之磁性儲存元件，其中該中間層由絕緣材料形成且為一穿隧絕緣層。
(4)如(1)之磁性儲存元件，其中該磁化固定層之一磁化方向係在垂直於該磁化固定層之一膜表面的一方向上。
(5)如(1)之磁性儲存元件，其進一步包含一下伏層及形成於該下伏層與該磁化固定層之間的一反鐵磁性層。
(6)如(1)之磁性儲存元件，其中該磁化自由層包括一第一鐵磁性層及一第二鐵磁性層，該等耦合層中的一者形成於其間，其中一垂直軸在垂直於該磁化自由層之一膜表面的一方向上延伸穿過該磁化自由層，其中在該第一鐵磁性層之磁化方向與該垂直軸之間的一角度係θ1，其中將在該第二鐵磁性層之該磁化方向與該垂直軸之間的一角度定義為θ2。
(7)如(6)之磁性儲存元件，其中一參考線在一俯視圖中通過該第一鐵磁性層及該第二鐵磁性層之一中心，且其中當該第一鐵磁性層之一第一磁化M1及該第二鐵磁性層之一第二磁化M2分別被投影至該第一鐵磁性層及該第二鐵磁性層之膜表面上時，將在該第一磁化M1之方向與該參考線之間的一角度定義為φ1，且將在該第二磁化M2之方向與該參考線之間的該角度定義為φ2。
(8)如(7)之磁性儲存元件，其中該儲存層24之一磁能ε由以下方程式2來表達：，其中藉由自在該第一磁化M1被導引至一表面中方向(θ1=90度)時的該磁能之一強度減去在該第一磁化M1被導引至該垂直方向(θ1=0度)時的該磁能之一強度所獲得的一第一能量差由 △1指示，其中藉由自在該第二磁化M2被導引至一表面中方向(θ2=90度)時的該磁能之一強度減去在該第二磁化M2被導引至該垂直方向(θ2=0度)時的該磁能之一強度所獲得的一第二能量差由△2指示，且其中該第一磁化M1與該第二磁化M2之間的磁耦合能的一強度由△ex指示。
(9)如(8)之磁性儲存元件，其中以下條件中之一者適用：(a)若一第一能量差△1為正，則該第二能量差△2為負；及(b)若一第一能量差△1為負，則該第二能量差△2為正。
(10)如(8)之磁性儲存元件，其中滿足以下條件：abs(△ex)<abs(2x△1x△2/(△1+△2))。
(11)如(1)之磁性儲存元件，其中該磁化自由層包括：一第一鐵磁性層，其具有一第一磁化M1；一第二鐵磁性層，其具有一第二磁化M2；及形成於其間之該等耦合層中之一者，且其中該第一鐵磁性層之一第一磁化方向相對於該第二鐵磁性層之一第二磁化方向傾斜。
本發明技術亦可採用以下結構。
(12)一種將資訊寫入至一儲存元件的方法，該儲存元件包括一磁化固定層及一磁化自由層，該磁化自由層包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的耦合層疊層在一起，該方法包含：在該磁化固定層之一磁化方向上施加一電流以在該磁化自由層中引起一自旋轉矩磁化反轉，其中該等鐵磁性層之磁化方向相對於該磁化固定層之該磁化方向傾斜。
(13)如(12)之方法，其中該儲存元件進一步包括形成於 該磁化固定層與該磁化自由層之間的一非磁性中間層。
(14)如(13)之方法，其中該中間層由絕緣材料形成且為一穿隧絕緣層。
(15)如(12)之方法，其中該磁化固定層之一磁化方向係在垂直於該磁化固定層之一膜表面的一方向上。
(16)如(12)之方法，其進一步包含一下伏層及形成於該下伏層與該磁化固定層之間的一反鐵磁性層。
(17)如(12)之方法，其中該磁化自由層包括一第一鐵磁性層及一第二鐵磁性層，該等耦合層中的一者形成於其間，其中一垂直軸在垂直於該磁化自由層之一膜表面的一方向上延伸穿過該磁化自由層，其中在該第一鐵磁性層之磁化方向與該垂直軸之間的一角度係θ1，且其中將在該第二鐵磁性層之該磁化方向與該垂直軸之間的一角度定義為θ2。
(18)如(17)之方法，其中一參考線在一俯視圖中通過該第一鐵磁性層及該第二鐵磁性層之一中心，且其中當該第一鐵磁性層之一第一磁化M1及該第二鐵磁性層之一第二磁化M2分別被投影至該第一鐵磁性層及該第二鐵磁性層之膜表面上時，將在該第一磁化M1之方向與該參考線之間的一角度定義為φ1，且將在該第二磁化M2之方向與該參考線之間的該角度定義為φ2。
(19)如(18)之方法，其中該儲存層24之一磁能ε由以下方程式2來表達：，其中藉由 自在該第一磁化M1被導引至一表面中方向(θ1=90度)時的該磁能之一強度減去在該第一磁化M1被導引至該垂直方向(θ1=0度)時的該磁能之一強度所獲得的一第一能量差由△1指示，其中藉由自在該第二磁化M2被導引至一表面中方向(θ2=90度)時的該磁能之一強度減去在該第二磁化M2被導引至該垂直方向(θ2=0度)時的該磁能之一強度所獲得的一第二能量差由△2指示，且其中該第一磁化M1與該第二磁化M2之間的磁耦合能的一強度由△ex指示。
(20)如(19)之方法，其中以下條件中之一者適用：(a)若一第一能量差△1為正，則該第二能量差△2為負；及(b)若一第一能量差△1為負，則該第二能量差△2為正。
(21)如(19)之方法，其中滿足以下條件：abs(△ex)<abs(2x△1x△2/(△1+△2))。
(22)如(12)之方法，其中該磁化自由層包括：一第一鐵磁性層，其具有一第一磁化M1；及一第二鐵磁性層，其具有一第二磁化M2；及形成於其間之該等耦合層中之一者，且其中該第一鐵磁性層之一第一磁化方向相對於該第二鐵磁性層之一第二磁化方向傾斜。
本發明技術亦可採用以下結構。
(23)一種自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其包含：一磁化固定層，其在相對於該磁化固定層之一膜表面的一垂直方向上具有一固定磁化；一磁化自由層，其包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間藉此磁性地耦合該等鐵磁性層的耦合層疊層在一 起；及形成於該磁化固定層與該磁化自由層之間的一非磁性層，其中該等鐵磁性層之磁化方向相對於該垂直方向傾斜。
(24)如(23)之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中該非磁性層由絕緣材料形成且為一穿隧絕緣層。
(25)如(24)之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中該磁化固定層之一磁化方向係在垂直於該磁化固定層之一膜表面的一方向上。
(26)如(23)之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其進一步包含一下伏層及形成於該下伏層與該磁化固定層之間的一反鐵磁性層。
(27)如(23)之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中該磁化自由層包括一第一鐵磁性層及一第二鐵磁性層，該等耦合層中的一者形成於其間，其中一垂直軸在垂直於該磁化自由層之一膜表面的一方向上延伸穿過該磁化自由層，其中在該第一鐵磁性層之磁化方向與該垂直軸之間的一角度係θ1，且其中將在該第二鐵磁性層之該磁化方向與該垂直軸之間的一角度定義為θ2。
(28)如(27)之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中在一俯視圖中，一參考線通過該第一鐵磁性層及該第二鐵磁性層之一中心，且其中當該第一鐵磁性層之一第一磁化M1及該第二鐵磁性層之一第二磁化M2分別被投影至該第一鐵磁性層及該第二鐵磁性層之膜表面上時，將在該第一磁化M1之方向與該參考線之間的一角度定義為φ1，且將在 該第二磁化M2之方向與該參考線之間的該角度定義為φ2。
(29)如(28)之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中該儲存層24之一磁能ε由以下方程式2來表達： ，其中藉由自在該第一磁化M1被導引至一表面中方向(θ1=90度)時的該磁能之一強度減去在該第一磁化M1被導引至該垂直方向(θ1=0度)時的該磁能之一強度所獲得的一第一能量差由△1指示，其中藉由自在該第二磁化M2被導引至一表面中方向(θ2=90度)時的該磁能之一強度減去在該第二磁化M2被導引至該垂直方向(θ2=0度)時的該磁能之一強度所獲得的一第二能量差由△2指示，且其中該第一磁化M1與該第二磁化M2之間的磁耦合能的一強度由△ex指示。
(30)如(23)之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中以下條件中之一者適用：(a)若一第一能量差△1為正，則該第二能量差△2為負；及(b)若一第一能量差△1為負，則該第二能量差△2為正。
(31)如(29)之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中滿足以下條件：abs(△ex)<bs(2x△1x△2/(△1+△2))。
(32)如(23)之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中該磁化自由層包括：一第一鐵磁性層，其具有一第一磁化M1；及一第二鐵磁性層，其具有一第二磁化M2；及形成於其間之該等耦合層中之一者，且其中該第一鐵磁性層之一第一磁化方向相對於該第二鐵磁性層之一第二磁化方向傾斜。
本發明技術亦可採用以下結構。
(33)一種磁阻效應型磁頭，其包含：一第一磁屏蔽件，其經由一絕緣層而形成於一基板上；一磁性感測元件，其包括一磁化固定層及一磁化自由層，該磁化自由層包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的耦合層疊層在一起；及一第二磁屏蔽件，其經由該絕緣層而形成於該磁性感測元件上，其中該等鐵磁性層之磁化方向相對於該磁化固定層之一磁化方向傾斜。
(34)如(33)之磁阻效應型磁頭，其中該磁性感測元件係形成為一近似矩形形狀，且具有曝露於面對一磁性記錄媒體之一表面的一側表面。
(35)如(33)之磁阻效應型磁頭，其進一步包含形成於該磁性感測元件之兩端上的偏壓層。
(36)如(35)之磁阻效應型磁頭，其進一步包含分別與該等偏壓層連接之連接端子，且該等連接端子經組態以將一感測電流傳輸至該磁性感測元件。
本發明技術亦可採用以下結構。
(1)一種儲存元件，其具有一層結構，該層結構包括：一儲存層，其中一磁化之一方向根據資訊而被改變；一中間層，其為一非磁性物質；及一磁化固定層，其經由該中間層而定位於該儲存層上，其中一磁化之一方向係固定的，其中該儲存層經組態以將至少兩個鐵磁性層經由一耦合層而疊層於彼此之上，該兩個鐵磁性層經由該耦合層而 彼此磁性地耦合，該兩個鐵磁性層之磁化方向相對於垂直於該等鐵磁性層之膜表面的一方向傾斜，且該記錄層之一磁化狀態藉由一在該層結構之一疊層方向上流動的電流而改變以在該儲存層上執行資訊之記錄。
(2)如(1)之儲存元件，其中該等鐵磁性層中之一者經組態以具有為一值之磁能，該值係藉由自其中該磁化被導引至該膜表面中之一表面中方向的該鐵磁性層之該磁能的一值減去其中該磁化之該方向垂直於該鐵磁性層之一膜表面的該鐵磁性層之該磁能的一值而獲得，另一鐵磁性層經組態以具有為一值之磁能，該值係藉由自其中該磁化被導引至該另一鐵磁性層之該膜表面中的一表面中方向的該另一鐵磁性層之該磁能的一值減去其中該磁化之該方向垂直於該另一鐵磁性層之一膜表面的該另一鐵磁性層之該磁能的一值而獲得，且該等鐵磁性層之該等磁能值之正負號彼此區分。
(3)如(2)之儲存元件，其中該兩個鐵磁性層在為一預定值之磁能下經由該耦合層而彼此磁性地耦合，且該磁能之該預定值的一絕對值低於一值之一絕對值，該值係藉由使一藉由以下步驟所獲得之值加倍而獲得：用該等鐵磁性層中之一者之該磁能的該值與該另一鐵磁性層之該磁能之該值的一總和除該等鐵磁性層中之一者之該磁能的該值與該另一鐵磁性層之該磁能之該值的一乘積。
(4)如(2)或(3)之儲存元件，其中熱穩定性之一指數之一值被設定於一值與一最大值之間，該值係藉由將該等鐵 磁性層中之一者之該磁能的該值加至該另一鐵磁性層之該磁能之該值而獲得，且該最大值係在該等鐵磁性層中之一者之該磁能的該值與該另一鐵磁性層之該磁能的該值之間。
(5)如(2)至(4)中任一項之儲存元件，其中熱穩定性之該指數之該值等於或高於四十。
本申請案含有與2011年11月30日在日本專利局申請之日本優先權專利申請案JP 2011-261853中所揭示之標的有關的標的，該案之全部內容特此以引用之方式併入本文中。
1‧‧‧閘電極
2‧‧‧元件分離層
3‧‧‧儲存元件
4‧‧‧接觸層
6‧‧‧位元線
7‧‧‧源極區域
8‧‧‧汲極區域
9‧‧‧導線
10‧‧‧半導體基板
11‧‧‧底層
12‧‧‧磁化固定層
13‧‧‧中間層
14‧‧‧儲存層
15‧‧‧頂蓋層
20‧‧‧儲存元件
21‧‧‧底層
22‧‧‧磁化固定層
23‧‧‧中間層
24‧‧‧儲存層
24a‧‧‧鐵磁性層
24b‧‧‧耦合層
24c‧‧‧鐵磁性層
25‧‧‧頂蓋層
31‧‧‧垂直軸
32‧‧‧參考線
100‧‧‧組合型磁頭
101‧‧‧磁阻效應元件
122‧‧‧基板
123‧‧‧絕緣層
125‧‧‧第一磁屏蔽件
127‧‧‧第二磁屏蔽件
128‧‧‧偏壓層
129‧‧‧偏壓層
130‧‧‧連接端子
131‧‧‧連接端子
132‧‧‧上部層核心
133‧‧‧薄化膜線圈
C41‧‧‧曲線
C42‧‧‧曲線
C51‧‧‧曲線
C52‧‧‧曲線
C71‧‧‧曲線
C72‧‧‧線
D64‧‧‧區域
D65‧‧‧區域
L61‧‧‧直線
L62‧‧‧直線
L63‧‧‧直線
M1‧‧‧磁化
M2‧‧‧磁化
M12‧‧‧磁化
M14‧‧‧磁化
M22‧‧‧磁化
P73‧‧‧點
圖1係根據本發明技術之一實施例之記憶體的示意性透視圖。
圖2係根據該實施例之記憶體的橫截面圖。
圖3係根據該實施例之記憶體的平面圖。
圖4係一儲存元件之示意性結構圖(橫截面圖)，該儲存元件具有一儲存層，該儲存層包括在垂直於膜表面之方向上磁化的磁性物質。
圖5係根據該實施例之儲存元件的示意性結構圖(橫截面圖)。
圖6A係根據該實施例之儲存層的示意性結構圖(透視圖)。
圖6B係根據該實施例之儲存層的示意性結構圖(俯視圖)。
圖7係標繪磁耦合能之範圍的圖。
圖8係標繪磁耦合能與熱穩定性之指數之間的關係的圖。
圖9係標繪磁能之範圍的圖。
圖10係標繪激發能與反轉時間之間的關係的圖。
圖11A係該實施例被應用至之磁頭的解釋性透視圖。
圖11B係磁頭之解釋性橫截面圖。
1‧‧‧閘電極
2‧‧‧元件分離層
3‧‧‧儲存元件
4‧‧‧接觸層
6‧‧‧位元線
7‧‧‧源極區域
8‧‧‧汲極區域
9‧‧‧導線
10‧‧‧半導體基板

Claims (20)

  1. 一種儲存元件，其包含：一磁化固定層；及一磁化自由層，其包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的一耦合層疊層在一起，其中該等鐵磁性層之磁化方向相對於該磁化固定層之一磁化方向傾斜。
  2. 如請求項1之儲存元件，其進一步包含形成於該磁化固定層與該磁化自由層之間的一非磁性中間層。
  3. 如請求項2之儲存元件，其中該中間層由絕緣材料形成且為一穿隧絕緣層。
  4. 如請求項1之儲存元件，其中該磁化固定層之一磁化方向係在垂直於該磁化固定層之一膜表面的一方向上。
  5. 如請求項1之儲存元件，其進一步包含一下伏層及形成於該下伏層與該磁化固定層之間的一反鐵磁性層。
  6. 如請求項1之儲存元件，其中該磁化自由層包括一第一鐵磁性層及一第二鐵磁性層，該等耦合層中的一者形成於其間，其中一垂直軸在垂直於該磁化自由層之一膜表面的一方向上延伸穿過該磁化自由層，其中在該第一鐵磁性層之磁化方向與該垂直軸之間的一角度係θ1，且其中將在該第二鐵磁性層之該磁化方向與該垂直軸之 間的一角度定義為θ2。
  7. 如請求項6之儲存元件，其中在一俯視圖中一參考線通過該第一鐵磁性層及該第二鐵磁性層之一中心，且其中當該第一鐵磁性層之一第一磁化M1及該第二鐵磁性層之一第二磁化M2分別投影至該第一鐵磁性層及該第二鐵磁性層之膜表面上時，將在該第一磁化M1之方向與該參考線之間的一角度定義為φ1，且將在該第二磁化M2之方向與該參考線之間的該角度定義為φ2。
  8. 如請求項7之儲存元件，其中該儲存層24之一磁能ε由以下方程式2來表達： 其中藉由自在該第一磁化M1被導引至一表面中方向(θ1=90度)時的該磁能之一強度減去在該第一磁化M1被導引至該垂直方向(θ1=0度)時的該磁能之一強度所獲得的一第一能量差由△1指示，其中藉由自在該第二磁化M2被導引至一表面中方向(θ2=90度)時的該磁能之一強度減去在該第二磁化M2被導引至該垂直方向(θ2=0度)時的該磁能之一強度所獲得的一第二能量差由△2指示，且其中該第一磁化M1與該第二磁化M2之間的磁耦合能的一強度由△ex指示。
  9. 如請求項8之儲存元件，其中以下條件中之一者適用：(a)若一第一能量差△1為正，則該第二能量差△2為 負；及(b)若一第一能量差△1為負，則該第二能量差△2為正。
  10. 如請求項8之儲存元件，其中滿足以下條件：abs(△ex)<abs(2x△1x△2/(△1+△2))。
  11. 如請求項1之儲存元件，其中該磁化自由層包括：一第一鐵磁性層，其具有一第一磁化M1；一第二鐵磁性層，其具有一第二磁化M2；及形成於該第一鐵磁性層與該第二鐵磁性層之間的該等耦合層中之一者，且其中該第一鐵磁性層之一第一磁化方向相對於該第二鐵磁性層之一第二磁化方向傾斜。
  12. 一種將資訊寫入至一儲存元件的方法，該儲存元件包括一磁化固定層及一磁化自由層，該磁化自由層包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的一耦合層疊層在一起，該方法包含：在該磁化固定層之一磁化方向上施加一電流以在該磁化自由層中引起一自旋轉矩磁化反轉，其中該等鐵磁性層之磁化方向相對於該磁化固定層之該磁化方向傾斜。
  13. 如請求項12之方法，其中該磁化固定層之一磁化方向係在垂直於該磁化固定層之一膜表面的一方向上。
  14. 如請求項12之方法，其中該磁化自由層包括：一第一鐵磁性層，其具有一 第一磁化M1；及一第二鐵磁性層，其具有一第二磁化M2；及形成於該第一鐵磁性層與該第二鐵磁性層之間的該等耦合層中之一者，且其中該第一鐵磁性層之一第一磁化方向相對於該第二鐵磁性層之一第二磁化方向傾斜。
  15. 一種自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其包含：一磁化固定層，其在相對於該磁化固定層之一膜表面的一垂直方向上具有一固定磁化；一磁化自由層，其包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間藉此磁性地耦合該等鐵磁性層的一耦合層疊層在一起；及形成於該磁化固定層與該磁化自由層之間的一非磁性層，其中該等鐵磁性層之磁化方向相對於該垂直方向傾斜。
  16. 如請求項15之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中該磁化固定層之一磁化方向係在垂直於該磁化固定層之一膜表面的一方向上。
  17. 如請求項15之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其進一步包含一下伏層及形成於該下伏層與該磁化固定層之間的一反鐵磁性層。
  18. 如請求項15之自旋轉矩磁性隨機存取記憶體元件，其中該磁化自由層包括：一第一鐵磁性層，其具有一第一磁化M1；一第二鐵磁性層，其具有一第二磁化 M2；及形成於該第一鐵磁性層與該第二鐵磁性層之間的該等耦合層中之一者，且其中該第一鐵磁性層之一第一磁化方向相對於該第二鐵磁性層之一第二磁化方向傾斜。
  19. 一種磁阻效應型磁頭，其包含：一第一磁屏蔽件，其經由一絕緣層而形成於一基板上；一磁性感測元件，其包括：一磁化固定層；及一磁化自由層，其包括複數個鐵磁性層，該等鐵磁性層與形成於每對鄰近之鐵磁性層之間的一耦合層疊層在一起；及一第二磁屏蔽件，其經由該絕緣層而形成於該磁性感測元件上，其中該等鐵磁性層之磁化方向相對於該磁化固定層之一磁化方向傾斜。
  20. 如請求項19之磁阻效應型磁頭，其中該磁性感測元件係以一近似矩形形狀形成，且具有曝露於面對一磁性記錄媒體之一表面的一側表面。
TW101142705A 2011-11-30 2012-11-15 儲存元件及記憶體 TWI566418B (zh)

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