专利名称：：存储元件和存储器的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种存储元件，其包括用于存储铁f兹层的磁化状态的存储层和具有固定的磁化方向的磁化固定层，其中，存储层的磁化方向随电流的流动而改变。本发明还涉及一种包括这种存储元件的存储器，该存储元件适用于非易失性存储器。
背景技术：
：可高速操作的高密度DRAM已被用作诸如计算机的信息设备中的随机存取存储器。然而，DRAM是当电源断开时其中的信息会消失的易失性存储器。因此，需要其中的信息不会消失的非易失性存储器。此外，作为非易失性存储器的候选，基于磁性材料的磁化来将信息记录在其中的磁性随机存取存储器(MRAM)引起了关注。因此，MRAM的发展耳又得进展。MRAM4吏电流流过几乎;f皮此垂直的两种不同地址配线(字线和位线)，以生成来自每条-地址配线的电流的电场。电流》兹场i吏位于地址配线的交叉点处的》兹性存储元件的石兹性层的磁化反转，以记录4言息。图1示出了现有技术中通常所使用的MRAM的示意图(透视图)。构成用于选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区108、源极区107、和4册电才及101形成在通过半导体基^反110(例如，石圭基^反)的元件隔离层102隔开的部分上。另夕卜，字线105在如图所示的深度方向上延伸，并位于栅电极101之上。形成漏才及区108,4吏其可以:故位于如图1所示的右侧和左侧的选4奪晶体管共用。漏极区108连接至配线109。此外，位线106在如图所示的横向上延伸，并位于字线105之上。具有磁化方向被反转的存储层的磁性存储元件103被置于字线105和位线106之间。例如，7磁性存4诸元件可以由》兹性隧道结元件(MTJ元件)构成。此外，磁性存储元件103通过水平延伸的旁路线111和垂直延伸的接触层104电连4妄至源才及区107。电流流过字线105和位线106中的每一条，以向^兹性存^f诸元件103施加电流磁场。因此，可以反转磁性存储元件103中的存储层的石兹4匕方向，乂人而i己录4言息。此外，用于记录信息的磁性层(存储层)必须具有用于稳定地保持记录在诸如MRAM的磁性存储器中的信息的预定保磁力(coerciveforce)。另一方面，应该〗吏一定等级的电流流过用于重写记录信息的地址配线。然而，通过小型4匕MRAM中的元件来〗吏所形成的:t也址配线專交细。因而，充足的电流4艮难流过;也址配线。利用自旋注入来反转磁化方向的存储器作为可以用更小的电流来反4争石兹4匕方向的存^f诸器(例3。，参看第2003-17782号(JP2003-17782A)日本未审查专利申请7>开、第6256223号美国专利、第2005—018439Al号美国专利申i青7^开、PHYs.Rev.B.54.9353(1996)、以及J.Magn.,159,Ll(1996))。然后，利用用自旋注入来反转》兹化方向，以使通过磁性材料的自旋极化电子被注入其它磁性材料中，从而反转其它》兹性材料的磁化方向。例如，电流垂直流过巨》兹阻元件(GMR元件)和石兹性隧道结元件(MTJ元件)中的每个的膜表面，以反转这些元件的^f兹性层中的至少一部分的；兹4b方向。此外，利用自旋注入反转磁化方向的优点在于，即使该元件被小型化，也能在没有增大电流的情况下反转^磁化方向。现在参考图2和图3,将描述如上所述的使用自^走注入来反转磁化方向的存储器的配置。图2是存储器的透视图，以及图3是存储器的截面图。元件隔离层52将诸如硅基板的半导体基板60分为几个部分。所隔离的部分设置有用于选择每个存储器单元的选择晶体管。即，选4奪晶体管包括漏才及区58、源4及区57、和4册电4及51。4册电才及51也用作沿如图2中所示的深度方向延伸的字线。形成漏才及区58，以-使其可以祐f立于如图2所示的右侧和左侧的选择晶体管共同使用。漏才及区58连4妄至配线59。此外，具有通过自旋注入反转磁化方向的存储层的存储元件53置于源极区57和位线56之间。这里，位线56沿如图2所示的横向延伸，并^皮置于源才及区57之上。例如，存^(渚元件53由；兹性隧道结(MTJ)元件构成。在该图中，参考标号61和62分别表示^f兹性层。两个》兹性层61、62中的一个被设置来作为具有固定磁化方向的磁化固定层，而另一个祐:设置来作为可以改变在其上的^兹4b方向的自由f兹〗匕层。另外，存储元件53分别通过上和下接触层54连4妾至^f立线56和源极区57。因此，可以通过使电流流过存4诸元件53以利用自旋注入反4争石兹4匕方向。与图1中所示的典型MRAM相比，这种利用自旋注入来反转磁化方向的存储器具有简化的元件结构，从而该存储器具有高密度集成的优点。另外，与利用外部》兹场来反4争;兹化方向的典型MRAM相比，当利用自旋注入来反转磁化方向时，即使元件被小型化，4旦是用于进行写入的电流也不会增大。在MRAM中，除了存+者元件外，还形成了用于进4亍写入的写配线(字线和^立线)，以通过4吏电伊u流过每条写配线而生成的电流磁场来写(记录)信息。因此，可以使写信息所需的足够电流流入写配线中。另一方面，在其中利用自旋注入来反转f兹化方向的存储器的情况下，可以通过具有流过存4诸it/f牛的电流的自S走注入来反转存储元件的》兹化方向。如上所述，可以通过将电流直接供给存^f诸元件来写(记录)信息。因此，可以通过将存储元件连接至选择晶体管来形成存储单元，以选择记录信息的存储单元。在此情况下，将流过存储元件的电流限定为流过选4奪晶体管的一定等级的电流(选择晶体管的々包和电流)。因此，必须利用小于选择晶体管的饱和电流的电流来进行写操作。从而，必须提高自旋注入的效率以减小流过存储元件的电流。为了增大读取t信号的电平，必须确保4交高的》兹阻变化率。因此，提供一种将与存储层的两侧相接触的中间层作为隧道绝缘层(隧道保护层)的存储元件是有效的。当隧道绝纟彖层一皮用作上述的中间层时，可以限定流过存i昔元件的电流量，以防止隧道隔离层介质击穿。鉴于ot匕，必须控制自S走注入时的电;克。电流等级与存储层的膜厚度和存储层的々包和i兹化的平方成比例。因此，可以调整这些因素(存储层的膜厚度和饱和磁化)以降低电流的等级(例如，参看F.J.Albert等人，Appl.Phy.Lett，77,3809(2000))。另外，例如，Nguyen等人披露了可以通过降低记录材料的》兹化等级(Ms)来减小电流等级(例如，参看第2005-018439Al号美国专利申请公开)。然而，另一方面，存储器可以用于存储通过这种电流写入的信息。即，必须确保存储层对于热波动的稳定性(热稳定性)。与过去的MRAM相比，在其中利用自旋注入来反转》兹化方向的存储元件具有体积较小的存储层。因此，可以认为能够降低热稳定性。如果不能确保存储层的热稳定性，则反转后的磁化方向可能由于热量而再次反转，因此可能出现写错误。因此，对于使用自旋注入来进行磁化反转的存储元件，热稳定性是很重要的特性。因此，为了使在其中利用自旋注入来反转存储层的磁化方向的存储元件作为存储器，可以将利用自旋注入来反转磁化方向所需的电流减小至饱和电流以下。另外，还需要保证用于稳定地保持所写信息的热稳定性。
发明内容可以通过降^f氐存4诸层的々包和不兹^f匕等级(saturation-magnetizationlevel)Ms或4吏存〗诸层变薄的方法来减小利用自S走注入来反转石兹化方向的电流。例如，方便使用的存储层材料可以是如第2005-018439Al号美国专利申请公开中所述的具有低饱和磁化等级Ms的材料。然而，当如上所述仅使用具有低饱和磁化等级Ms的材料时，^f艮难确保用于稳定保持信息的热稳定性。期望提供一种能够在无需写入电流增大的情况下提高热稳定性的存储元件、以及具有这种存储元件的存储器。根据本发明的实施例，提供了一种存储元件。该存4诸元件包括存储层，基于磁性材料的磁化状态来保持信息；以及磁化固定层，通过由绝缘材料制成的中间层而形成在存储层上。在该存储元件中，利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子而引起的存储层的磁化方向的改变将信息记录在存储层上。另外，通过存储层接收的有效去磁场的等级(level)小于存储层的饱和磁化等级。根据本发明的另一个实施例，提供了一种存储器。该存储器包括存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态来保持信息的存储层；以及彼此垂直的两种不同配线。在该存储器中，存储元件包括通过中间层在存储层上的磁化固定层。这里，中间层包括绝缘材料，并且利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子引起的存储层的磁化方向的改变，来将信息记录在存储层上。存储层接收的有效去磁场的等级小于存储层的々包和」磁化等级。存〗诸元件净皮置于两种不同配线的交叉点附近并4立于两种不同配线之间。电流通过两种不同配线沿堆叠方向流入存储元件，以注入自旋极化电子。根据本发明实施例的存储元件设置有存储层，其基于磁性材料的磁化状态来保持信息。通过由绝缘材料制成的中间层，存储层设置有^兹化固定层。因此，沿堆叠方向注入自力定才及化电子导致存^f诸层的万兹化方向的改变，从而将信息记录在存储元件上。即，通过沿堆叠方向供给电流来注入自旋极化电子，从而记录信息。另外，存储层受到的有效去磁场的等级小于存储层的饱和磁化等级。存储层接收的去磁场很小，从而可以减小用于反转存储层的》兹化方向可能所需的写电流量。另一方面，可以在不降<氐存4诸层的々包和^^匕等纟及的情况下减小写电流量。因此，在保持充分的存储层的饱和磁化等级的同时，可以确保充分的存储元件的热稳定性。根据本发明实施例的存储器包括存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态来保持信息的存储层；以及彼此垂直的两种不同配线。在此情况下，该存储元件是根据本发明的上述实施例的存Y诸元件。存储元件被置于两种不同配线交叉点附近并位于两种不同配线之间。电;危通过两种不同配线沿堆叠方向流入存卡者元fK以注入自S走才及4匕电子。因此，可以通过经由两种不同配线沿存^f诸元^f牛的堆叠方向供给电流而引起的自旋极化来记录信息。另夕卜，可以在不降^氐存^f诸元件的饱和石兹化等级的情况下减小写电流量。可以稳定地保持记录在存储元件上的信息，同时降低存储器功耗。才艮据上述本发明的实施例，可以在不降^f氐存J渚层的饱和》兹化的情况下减小用于存储元件的写电流量。因此，在充分确保表示保持信息能力的热稳定性的同时，存储元件可具有才及好的平衡特性。因此，可以防止存储元件发生操作错误，从而其获得充分的操4乍限度(margin)。因而，可以获得稳定操作的可靠存储器。另外，可以通过减小写电流量来降低存储元件在写过程中的功耗。因此，可以降低整个存储器的功耗。图1是示出了4艮据现有4支术的MRAM的配置的示意透4见图。图2是示出了其中利用自旋注入来反转磁化方向的存储器的配置的示意透碎见图。图3是图2中所示的存储器的截面图。图4是示出了才艮据本发明实施例的存储器的配置的示意透祸L图。图5是图4中所示的存储元件的截面图。图6是根据本发明的另一实施例的存储元件的截面图。图7是示出了存储层中的钴的量与饱和磁化等级和有效去磁场之间的关系的图示。图8是示出了存储层中的钴的量与反转后的电流密度之间的关系的图示。图9是示出了存储层中的钴的量与热稳定性指数之间的关系的图示。具体实施方式首先，在描述本发明的具体实施例之前，将示意性地描述本发明。根据本发明的实施例，通过利用上述的自旋注入反转存储元件的存储层的磁化方向来记录信息。该存储层包括诸如铁磁层的磁性材料，并基于铁磁材料的磁化状态(磁化方向)来保持信息。通过电流的流动来实现利用自S走注入来反转磁性层的万兹化方向的基本操作。即，将预定阈值以上的电流沿垂直于存储元件的膜表面的方向供给存储元件。这里，存4诸元件可以是巨磁阻元件(GMR元件)和磁隧道结元件(MTJ元件)。在此情况下，电流的极性(方向)耳又决于纟寺反转的》兹化方向。当电流的绝对幅值小于阈〗直时，不反寿争^兹4匕方向。通过下列等式(1)来表示用于利用自旋注入来反转磁性层的》兹4b方向的电;充的阈〗直Ic:Ic=A-Of'Ms-V'Hd/277(1)其中，A表示常Ha表示自4t制动(spin-braking)常凄t，r|表示自旋注入率，Ms表示饱和磁化等级，V表示存储层的体积，以及Hd表示有效去》兹场。如等式(1)所示，可通过控制f兹性层的体积、々包和》兹^lMs、自旋注入效率t)、和;兹性层的自S走制动常数a可选地确定电流的阈值。根据本发明的实施例，存储元件包括能够基于;兹化状态保持信息的磁性层(存储层)和具有固定磁化方向的磁化固定层。为了能够提供该存储元件作为存储器，必须保持所写信息。表示热稳定性的值△(=KV/1cbT)可用于确定保持信息的能力。通过下列等式(2)来表示值A:A=KV/kBT=Ms,V'Hk'(1/2kBT)(2)其中，Hk表示有效的各向异性场，ke表示波尔兹曼常数，T表示温度，Ms表示饱和磁化等级，以及V表示存储层的体积。有效各向异性场Hk包括由形状不同而产生的》兹性各向异性(magneticshapeanisotropy)、感生的万兹'性各向异'f生、》兹晶各向异寸生等的作用。有效各向异性场Hk等于假定单磁畴的相干低压模式时的Y呆f兹力。在很多情况下，热稳定性指数A和电流的阈值Ic可以处于折衷关系。因此，为了保持持存储器的性能，在许多情况下，这些因素的共存成为一个主题。例如，引起存储层的磁化状态改变的电流的阈值实际为下列情况在具有厚度为2nm以及平面图样为100nmx150nm的存,者层的近似椭圆形状的TMR元件的情况下，正(+)侧的阈值为+0.5mA(+Ic=+0.5mA)，以及负(-)才及的阈j直为-0.3mA(—Ic=-0.3mA)。在此情况下的电流密度约为3.5><106A/cm2。这些几乎与上述等式(1)一致。相反，利用电流》兹场来反转》兹化方向的典型MRAM可能需要几毫安以上的写电;充。因此，可以发现，由于充分减小如上所述的写电流的阈值，所以利用自旋注入来反转》兹化方向有效降低了集成电-各的功耗。因此，在利用用自旋注入来反转磁化方向的情况下，可以不需要如在典型的MRNA中所需的用于生成电流〃磁场的配线(例如，图1中的参考标号105所表示的配线)。因此，与典型的MRAM相比，利用自旋注入来反转磁化方向在集成度方面也是有利的。为了利用自旋注入来反转磁化方向，将电流直接供给存储元件以写(记录)信息。因此，为了选择执行写操作的存储单元，通过将存储元件连接至选择晶体管来形成存储单元。在此情况下，通过可供给选4奪晶体管的电流量(即，选4,晶体管的饱和电流)来限定流过存々者元件的电流。由等式(1)可知，为了获得小于选择晶体管的饱和电流的用于利用自旋注入来反转磁化方向的电流的阈值Ic,可以降低存储层的々包和》兹4b等级Ms。然而，当不经任何考虑而^f又减小々包和磁化等级Ms时(例如，参看第2005-018439Al号美国专利申请公开)，可能会相反地降低存储层的热稳定性。结果，难以起到存储器的作用。因而，存储器需要具有预定等级以上的热稳定性指数△。考虑到这些情况，本发明的发明人已进行了各种研究并发现以下事实。通过选择用于构成存储层的铁磁层的材料或用于与存储层相邻的层的材料，使存储层受到的有效去磁场的等级(Meffeetive)d、于存储层的饱和磁化等级Ms。如上所述，才艮据本发明的实施例，存储层受到的有效去i"兹场的等级小于存储层的饱和磁化等级Ms。因此，可以在不降低由等式(2)表示的热稳定性A的情况下减小由等式(1)表示的电流的阈值Ic。因此，根据这些实施例，可以形成能够在保持热稳定性的同时利用少量电流来写信息的稳定存储器。为了降低存储层受到的有效去磁场的等级以使该等级低于存,昔层的々包和》兹化等级Ms,纟是供了如下的三种方法(1)改变存々者层中的铁磁材料的组成；(2)将非磁性材料添加到存储层中的铁磁材料中；以及(3)与中间层相对的存储层相接触地形成具有降j氐去》兹场性能的非》兹性层。为了改变存储层中的铁磁材料的组成，例如，可以在减少钴含量的同时，在CoFe合金或CoFeB合金中增力口Fe的含量。在将非磁性材料添加到存储层中的铁磁材料中的情况下，例如，可以添加诸如Cr、Ta、或Hf的非-磁性金属元素、或者这些元素的非磁性合金、或者诸如MgO或Ta205的非金属石兹性材料。在与中间层相对的存储层相接触地形成具有降低去磁场的性能的非磁性层的情况下，例如，非磁性层的材料可以是诸如Ru的非石兹性金属、或者诸如氧化镁(MgO)或氧化铝的非金属材料。根据本发明的实施例，存储层受到的有效去》兹场的等级小于存储层的饱和磁化等级Ms。即，存储层的饱和f兹化等级Ms与有效去万兹场的等^及之比大于1。更优选地，存储层的饱和磁化等级Ms与有效去》兹场的等级之比为1.15以上。此外，才艮据本发明的实施例，考虑了选择晶体管的饱和电流量。因此，可以将由绝缘材料制成的隧道绝》彖层作为存储层和f兹化固定层之间的非^兹性中间层来形成^兹隧道结(MTJ)元件。由于4吏用隧道绝纟彖层来形成石兹隧道结(MTJ)元件，所以与巨磁阻(GMR)元件相比，可获得较高的磁阻变化率(MR比)，从而增大读信号强度。此外，具体地，氧化镁(MgO)可用作隧道绝缘层的材料。在此情况下，与通常^f吏用氧化铝的元件相比，可以获得4交高的》兹阻变4匕率(MR比)。此夕卜，通常，自旋注入效率取决于MR比。MR比越大，自旋注入率越大。因此，可减小用于反转磁化方向的电流强度。因此，.当可以同时使用如上所述的存储层时，氧化镁可以用作作为中间层的隧道绝缘层的材料。因此，可以减小通过自旋注入产生的阈值写电流，并因而可以利用少量电流来写(记录)信息。此外，可以增大读信号的强度。因此，可以确4呆MR比(TMR比)，并且可以减小通过自》走注入产生的阈值写电流。因而，可以减小通过自旋注入产生的阈值写电流，并且可以利用4交少的电流来写(记录)^言息。此外，可以增大读信号的强度。如上所述，当隧道绝缘层由氧化镁(MgO)膜形成时，优选地，<吏MgO薄J莫结晶并以方向为晶体取向。此外，根据本发明的实施例，存储层和f兹化固定层之间的中间层(隧道绝缘层)可以由氧化镁制成。可选地，其可由诸如SiCb、Bi203、MgF2、CaF、SrTi02、AlLa03、和Al-N-O的各种绝缘材料、电介质材料、和半导体材料中的任一种制成。为了获得用于利用自旋注入来反转磁化方向的电流强度，必须利用自^走注入来将隧道绝纟彖层的面积阻抗值调整为约几十Q.jum2以下。此夕卜，由MgO膜制成的隧道绝缘层必须具有1.5nm以下的MgO膜厚度，以获得上述范围内的面积阻抗值。另夕卜，有利地，可以将存储元件制作得更小，从而可以利用少量的电流来容易地反转存储层的磁化方向。因此，优选地，存储元件的面积为0.04nm2以下。料或组成范围的另一铁磁层直接堆叠在一起。可选地，可以将铁磁层和專欠不兹性层堆叠在一起。另外，可以通过软石兹性层或非》兹性层佳_多个《失石兹层4皮此相互堆叠在一起。可以通过4吏用这种堆叠结构中的任一种来获得根据本发明的实施例的效果。当通过非f兹性层堆叠多个《失》兹层时，可以调节4失》兹层之间的相互作用的强度。因此，即4吏存〗诸元件的尺寸变为亚孩i米级以下，也可以获得防止^兹化反转电流增大的效果。在此情况下，所^吏用的非i兹性层的材冲牛可以是Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb、或它们的合金中的4壬一种。期望石兹化固定层和存4诸层中的每个在一个方向上具有各向异性。此夕卜，磁化固定层和存储层中的每个的膜厚度优选地在1nm~30nm的范围内。存4诸元件的其它配置可以具有与用于利用自^走注入来记录信息的现有技术中已知存j渚元件相同的结构。磁化固定层可以仅由铁磁层形成，或者可以是利用反铁磁层和铁磁层之间的反铁磁性耦合的具有固定磁化方向的层。另外，磁化固定层可以由单个铁磁层形成，或者可以由包括通过非磁性层堆叠的多个铁磁层的堆叠的亚铁磁结构形成。当磁化固定层由堆叠的亚铁磁结构形成时，磁化固定层对于外部磁场的敏感度降低。避免了通过外部磁场产生的不必要的磁化固定层的磁化变化，从而使存储元件稳定地操作。此外，可以调节每个今失》兹层的膜厚度，乂人而防止》兹化固定层引起漏泄场。利用堆叠的亚铁磁结构形成磁化固定层的铁磁层的材料可以是Co、CoFe、CoFeB等。另外，非磁性层的材料可以是Ru、Re、Ir、Os等。反铁磁层的材料可以是诸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO、和Fe203的石兹性材泮牛中的4壬一种。另夕卜，可以4夺i者J口Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo、或Nb等的非》兹性元素添加到这些磁性材料的任一种中，以调节其》兹性特性或调节诸如其它晶体结构、晶体性质、或材料稳定性的各种物理性质中的任一种。此外，存储元件可以具有存储层被置于》兹化固定层之上的膜结构。可选地，存^f渚层可以置于石兹化固定层之下。此外，可以如下方式读取记录在存储元件的存储层上的信息。可以将磁性层(信息的基础)通过绝缘薄膜设置在存储元件的存储层上，以通过4吏H磁隧道电流流过绝纟彖层来读〗言息。可选i也，可以利用^兹阻来读取信息。这里，将描述本发明的实施例。图4是示出了根据本发明实施例的存储器的配置的透视图。存储器包括存储元件，其基于其磁化状态来保持信息，并被置于相互垂直的两种不同；也址配线(例3口，字线牙口4立线)之间的交叉点附近。即，构成用于选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区8、源极区7、和栅电极1分别形成在由诸如娃基板的半导体基板10的元件隔离层2所隔离的部分上。其中，栅电极l还用作沿如图4所示的深度方向延伸的地址配线之一(例如，字线)。漏才及区8经过形成净皮位于图中的右侧和左侧的选4奪晶体管所共同4吏用。另夕卜，漏才及区8连"t妄至配线9。此外，存储元件3被置于源极区7和另一条地址配线(例如，位线)之间。地址配线位于存储元件3之上并沿图4中所示的横向延伸。存储元件3包括由其中可以利用自旋注入来反转;兹化方向的4失》兹层形成的存书者层。另外，存储元件3一皮置于两种不同地址配线1、6之间的交叉点附近。存储元件3分别通过上和下接触层4连接至位线6和源极区7。因此，通过使电流沿垂直方向通过地址配线1、6供《会存+者元件，可以利用自s走注入来反转》兹化方向。图5是根据本发明的存储器的存储元件3的截面图。如图5所示，存储元件3包括在存储层17下面的i兹化固定层31，在该存储层中，利用自旋注入来反转磁化方向Ml。另外，反铁磁层12形成在》兹化固定层31下面。通过反铁f兹层12佳:磁化固定层31的；兹4匕方向固定。由隧道保护层(隧道绝缘层)形成的绝缘层16被设置在存々者层17和》兹化固定层31之间。存储层17和》兹化固定层31构成了MTJ元件。另外，在反铁磁层12下面形成基础层11。在存储层17上形成保护层(cappinglayer)18。》兹4匕固定层31具有堆叠的亚4失^磁结构。具体;也，石兹化固定层31是由通过非石兹性层14相互堆叠的两个铁磁层13、15利用反铁磁性耦合形成的。磁化固定层31的铁》兹层13、15中的每个均具有堆叠的亚铁石兹结构。因此，铁磁层13的磁化M13指向右，而铁磁层15的f兹化M15指向左。因此，两个层指向互不相同的方向。因此，/人》兹4b固定层31的各个4失不兹层13、15中泄漏的》兹通量互相4氐消。石兹化固定层31的各个4失^t层13、15的材料包括但不具体限于选自铁、镍、和钴的一种或两种以上的合金材料。此外，可以包括i者^口Nb、Zr、Gd、Ta、Ti、Mo、Mn、和Cu的过〉度金属元素、以及i者如Si、B、和C的轻元素。it匕夕卜，可形成4失》兹层13、15,以<吏由不同材料制成的两种以上的膜直接相互堆叠在一起(没有非》兹性层)，诸如CoFe/NiFe/CoFe的堆叠层。形成》兹化固定层31的堆叠亚铁磁结构的非磁性层14的材料可以是钌、铜、铬、金、4艮等。具体地，才艮据本发明的实施例，存储元件3的存储层17经配置以使存储层17受到的有效去磁场的等级小于存储层17的饱和磁化等级Ms。即，如上所述，可以通过将铁磁材料或添加有非磁性材料的铁z磁材料的提供给存储层17来降低由存储层17受到的有效去磁场的等级。因此，有效去磁场的等级可以低于存储层17的饱和磁化等级Ms。存储层17的具体配置如下例如，存储层17可以由其中Fe的量大而Co的量小的CoFe合金或CoFeB合金形成。可选地，在存储层17中，诸如Cr、Ta或Hf的非/磁性材料元素、或这些元素的非》兹性合金、或诸如MgO或丁&205的非金属非》兹性材料被添加到铁磁材料(例如CoFe合金或CoFeB合金)中。此外，才艮据本实施例，当作为中间层设置的绝缘层16由氧4b4美层形成时，可以增大^兹阻变4b率(MR比)。如上所述，获得高MR比以提高自旋注入的效率，从而减小用于反转存储层17的磁化M1的方向的电流强度。可如下制备根据本实施例的存储元件3。首先，使用真空装置来连续形成从基础层11~保护层18的多个层。随后，通过蚀刻或使用其它处理来形成存储元件3的图样。根据本发明的上述实施例，存储元件3的存储层17经配置以使存储层17受到的有效去磁场的等级可以小于存储层17的饱和磁化等级Ms。因此，存储层17受到的有效去磁场的等级很低。因而，可以减小用于反转存〗诸层17的》兹化M1的方向所需的写电流量。另一方面，即使存4诸层17的饱和》兹化等级Ms没有降^f氐，也可减小写电流量。因此，可以利用存储层17的足够饱和磁化等级Ms来^f吏存〗诸层17具有充分的热稳、定性。如上所述，可以充分获得表示保持信息的能力的热稳定性。因此，可以获得具有良好平衡特性的存储元件3。因此，可防止存储元件3发生操作错误，从而其获得充分的操作限度。从而，可以获得能够稳定操作的可靠存储器。另外，可减小写电流以降低用于在存储元件3上进行写的功耗。因此，可通过减小写电流量来降低存储元件3在写时的功耗。从而，可以降低整个存储器的功耗。因此，可获得能够稳定操作的具有良好的保持信息特性的可靠存储器。可降低包括存储元件3的存储器的功耗。此外，具有如图5所示的存储元件3且被配置为如图4所示的存储器具有可以在制造存储器时采用传统的半导体MOS形成处理的优点。因此，根据本实施例的存储器可用作通用存储器。接下来，图6是根据本发明的另一实施例的存储元件的截面图。具体地，如图6所示，根据本实施例的存储元件20包括在存储层17和保护层18之间由非磁性金属或非磁性氧化物制成的非磁性层19。优选地，非磁性层19中所使用的非磁性材料可以为钌(Ru)、氧化4美(MgO)、氧化铝(Al-O;八1203或其它铝氧化物任何一种)等。存储元件的其它配置与图5中所示的存储元件l相同。因此，给出了相同的参考标号并省略了重复的描述。才艮据本实施例的图6所示的存4诸元件20用于制备具有与图4所示配置类似配置的存储器。根据上述实施例，由非磁性金属或非磁性氧化物制成的非磁性层19被设置在存储元件20的存储层17和保护层18之间。非》兹性层19具有降低存储层17受到的有效去磁场的等级的性能。因此，降低了存储层17受到的有效去磁场。从而，可以减小用于反转存卡者层17的石IH匕M1的方向的写电流量。另一方面，在不降^f氐存4渚层17的饱和》兹4匕等级Ms的情况下，可以减小写电流量。从而，可以获得足够的存储层17的饱和f兹化等级Ms,从而充分确保存储层17的热稳定性。因此，可以获得具有与根据之前实施例的情况类似的良好平衡特性的存4诸元件20。可以防止存^f诸元件20发生净喿作错-误并^f吏其获得充分的操作限度，从而能够稳定操作存储元件20。因此，可获得能够稳定操作的可靠存储器。此外，可以通过减小写电流来降^f氐存储元件20在进4于写时的功耗。因此，包括每个均由本实施例的存储元件20形成的多个存储单元的存储器能够降低整个存储器的功耗。因此，可获得能够稳定操作的具有良好保持信息特性的可靠存储器。可降低包括存储元件20的存储器的功耗。实例这里，制备具有根据本发明实施例的存储元件的配置的存储元件来作为样品。即，通过调整存储层受到的有效去^t场的等级来制备存储元件。通过具体地选择构成存储层的4失》兹层的材料或者选择与存储层相邻的层的材料来进行这种调整。然后，研究存储元件的特性。如图4所示，除存储元件外，存储器的实际配置还包括用于进行转换的半导体电路等。这里，为了研究反转存储层的磁化方向的特性，对在其上仅形成一个存储元件的晶片进行研究。实验1在厚度为0.725nm的硅基板上形成厚度为300nm的热氧化膜，然后在其上形成^皮配置为如图5所示的存储元件3。具体地，在图5所示的存储元件3的配置中，每层的材料和薄膜厚度定义如下。底膜(foundationfilm)11是力莫厚度为10nm的Ta膜。反名失》兹层12是膜厚度为20nm的PtMn月莫。构成石兹4b固定层31的铁》兹层13是膜厚度为2nm的CoFe膜，以及铁》兹性层15是膜厚度为2.5nm的CoFeB膜。另夕卜，具有堆叠的亚铁磁结构的磁化固定层31的非磁性层14是膜厚度为0.8nm的Ru膜。用作隧道绝缘层的绝缘层(保护层)16是膜厚度为0.9nm的氧化镁膜。存储层17是CoFeB膜。保护层18是膜厚度为5nm的Ta膜。另外，在底膜11和反铁磁层12之间形成膜厚度为100nm的Cu膜(未示出，#皮_没置为如下所述的字线)。在存储元件3的上述膜配置中，存储层17的孝失磁层由三元合金Co-Fe-B制成，并且铁磁层所减小的膜厚度^皮定为2.0nm。PtMn膜的纟且成比为Pt:Mn-50:50(原子％)。CoFe月莫的纟且成比为Co:Fe=90:10(原子％)。使用DCi兹控管溅射法分别制备除由氧化4美膜制成的绝缘层16之外的各层。使用RF磁控管溅射法分别制备由氧化镁(MgO)膜制成的绝缘层。此外，在存储元件3中的每个层的膜形成之后，在》兹场为10kOe、36(TC的条件下，在用于磁场热处理的熔炉中进行2小时的热处理，以使反铁^兹层12的PtMn膜受到热有序化(ordering)处理。随后，在通过光刻法来遮蔽字线部分之后，对除字线部分外的堆叠膜进行利用Ar等离子体的选择性蚀刻以形成字线(下部电极)。此时，在基板的深度方向，将除字线部分之外的部分蚀刻5nm。随后，通过电子束曝光系统形成存4诸元件3的图样掩才莫，然后对堆叠膜进4于选4奪性的蚀刻，从而形成存储元件3。蚀刻除存储元件3之外的部分以Y吏其在字线的Cu层的正上方。此外，用于评价其特性的存储元件可能需要充足的电流流入存储元件才能生成用于》兹化反转的自旋转矩。因而，需要抑制隧道绝缘层的阻抗。因此，所形成的存储元件3的图样具有短轴为0.09pm和长轴为0.18|Lim的椭圓形状，从而向存储元件3提供20Q|_im2的面积阻才A/f直(Q|im2)。接下来，通过用厚度约为100nm的八1203进行溅射来使除存储元件3之外的部分绝缘。在此之后，使用光刻法来形成被设置为上部电极的位线和用于测量的焊盘。如上所述，制备存储元件3的样品。此外，通过上述制造过程来制备作为样品的存^f诸元件3，以4吏其具有存储层17的Co-Fe-B合金铁磁层的各种组成。具体地，CoFe和B的组成比(原子％);故定为80:20,并且作为样品的存储元件3的CoFe中的Co具有分别为90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、和10%的不同的的组成比x(原子%)。此外，由此制备的存储元件3的每个样品均经过以下特性能评<介处理。在进行测量之前，可以向存储元件3提供外部石兹场，从而使反转电流在正向和反向上相互对称。另外，将施加至存储元件3的电压i殳为1伏特(IV),/人而可以防止绝纟彖层16损坏。饱和;兹化等级的测量通过〗吏用纟展动才羊品-磁力计(VSM)的所谓VSM测定来确定々包和》兹化等纟及Ms。(有效去;兹场的测量)除了存储元件3的样品外，还制备了形成存储元件3的各个层，然后通过在20nmx20nm的正方形的平面图样上形成各个层来制备样品。此外，使用铁石兹共振(FMR)测量来获4寻有效去》兹场Meffective的等级。通过FMR测量得到的可选外部磁场Hex的共振频率fFMR由下列公式(3)给出fFMR=*T/4丌Meffctive(HK+Hex)(3)其中，Meffective表示47tMeffective=47lMs-H丄(H丄在垂直于膜表面的方向上的各向异性场)。反转电流量和热稳定性的测量为了评价才艮据本发明实施例的存储元件的写特性，对反转电流量进行测量。将月永沖宽度为10|am~100ms的电流供给存〗诸元件3，然后测量存储元件3的阻抗。此外，改变流过存储元件3的电流量。获得了用于反转存储元件3中的存储层17的磁化M1的方向所需的电流量。将取决于电流量的脉冲宽度外插(extrapolate)至1ns的脉冲宽度，然后将其设为反转电流量。另外，取决于电流量的脉沖宽度的斜率对应于存储元件3的上述热稳定性指数(A)。只要反转电流量不被脉沖宽度改变(只要斜率小)，存储元件3对热扰乱的抵抗是4艮强的。此外，考虑到存储元件3的变化，制备了具有相同配置的近20个存储元件3,然后使其经过上述测量。分别获得了热稳定性指数△和反转电流量的平均值。此外，才艮据通过测量确定的反转电流量的平均值和存々者元件3的平面图样的面积来计算反转电流密度Jco。对于存储元件3的每个样品，表1表示存储层17的Co-Fe-B合金的组成以及饱和磁化等级Ms和有效去磁场的等级Meffective的测量结果。此外，在表1中，还表示了饱和磁化等级Ms与有效去;兹场的等级M池ctive的比。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table>表1所示的饱和磁化等级Ms和有效去磁场的等级Meffective的测量结果用图7中的条形图来表示。图7示出了存储层17的Co-Fe-B合金中的Co量(CoFe中的Co含量；原子％)与饱和磁化等级Ms和有效去磁场的等级Meffective之间的关系。另外，图8中示出了反转电流量的测量结果，以及图9中示出了热稳定性指数的测量结果。图8示出了存储层17的Co-Fe-B合金中的Co量(CoFe中的Co含量；原子％)与根据反转电流量所获得的反转电流密度Jco之间的关系。图9示出了存储层17的Co-Fe-B合金中的Co量(CoFe中的Co含量；原子％)与热稳定性指数A(KV/keT)之间的关系。如图7所示，々包和石兹4匕等级Ms和有步丈去,兹场的等级Meffective之间的大小关系随着Co-Fe-B的组成而变化。在某种组成中，有效去磁场Meffective小于饱和磁化等级Ms。具体地，当(CoxFe100-x)80B20中的CO(X)的量为70%以下时，Meffective小于MS。因此，Co(X)的量越少，Meffective和Ms之差越大。如图8所示，由于以下原因，Co(x)的量越少，反转电济u密度Jco越小。当Co(x)的量少时，饱和》兹化等级Ms增大，而有效去磁场Meffective减小。因此，才艮据这些因子的乘积(Meffective><Ms)的减小可得出该结论。如图9所示，Co(x)的量越少，热稳定性指数A(=KV/kBT)越大。因此，可发现，Co(x)的量减少到一定等级以下，而热稳定性指数A稳定在较高等级。这与所期望的变化一致，这是因为根据等式(2)，图7中所示的々包和》兹化等级Ms的测量结果和热稳、定性指凄t△与雄^和;兹^b等级Ms成比例。如图7~图9的结果所示，在组成上，当Co(x)的量为70%以下(有效去磁场Meffeetive小于饱和^兹化等级Ms)时，在保持热稳定性高于其中Co(x)的量大于70%的组成的热稳定性的同时，可减小反转电流密度Jc。的量。此夕卜，如表1所示，当Co(x)的量为70%时，Ms/Meffective比为1.16。因此，更优选地，选择存储层17的组成，使得Ms/Meffeetive比为1.16以上。实验2<吏用其中向CoFeB中添加添加物的材坤牛来制备存4诸层17。然后，调整饱和磁化等级与有效去磁场的等级的比(Ms/Meffective);随后4吏其经受与实-验l中的测量相同的测量。除以下方式外，以与实验1相同的方式制备作为样品的存储元件3:将所减少的膜厚度为0.1nm的添加物(Cr、Ta、Hf、MgO、或Ta2Os)添加到其中(CoxFe1()0-x)80B2()中的Co(x)的量(原子%)为70%的CoFeB合金中。因此，存储层17中所减少的膜厚度为2.0nm。对于这样制备的存储元件3的每个样品，均以类似于实例1的方式测量饱和磁化等级Ms、有效去f兹场Meffeetive、和反转电流量。根据测量结果，表2示出了饱和i兹化等级Ms、有效去》兹场Meffective、饱和磁化等级与有效去磁场的比(Ms/Meffective)、以及根据反转电流量得到的反转电流密度Jco。在表2中还示出了在实验1中所测量的以缺少任何添加物的方式(-)所得到的测量值。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage32</column></row><table>如表2所示，可发iE见，添加物的添加导致反4争电流密度JCo减小了15%以上，同时提高了饱和^t化等级与有效去i兹场的等级的比(Ms/Meffective)。具体地，与缺少添加物所获得的反转电流密度相比，当添加了Ta或MgO时，反4争电流密度Jco减小至30%以上。此外，与击夹少4壬一种添加物所获4寻的々包和^^匕等《及相比，当添加Ta或MgO时，々包和;兹化等级Ms减小。然而，各向异性场Hk增大，从而一艮据等式(2)可保持热稳定性不变。实验3如图6所示，非;兹性层19位于存4诸层17和4呆护层18之间，从而调整有效去^f兹场的等级以将其施加至存储层17。随后，以类似于实验1的方式进行测量。存储层17中的CoFeB膜的组成被定为(Co7oFe3())75B25。该组成的硼(B)的含量略多于实验1和2中所制备的样品。由于硼(B)的含量略大，所以饱和^兹化等级MS略减小，并且有效去磁场Meffective略增大。另一方面，在存储层17的CoFeB膜和保护层18的Ta膜之间形成由另一种非磁性材料(Cr、Ru、MgO、或Al-O)制成的膜厚度为1.0nm的非^兹4生层19。其余方法与实-验1中的方法类似，然后制备具有图6所示的配置的存〗诸元件20的才羊品。此外，制备具有直4姿形成在存储层17上的保护层18的样品存储元件来作为比较实例。对于这样制备的存々者元件3的每个样品，均以类似于实例1的方式测量饱和》兹化等级Ms、有效去石兹场Meffective、和反转电流量。根据测量结果，表3示出了饱和磁化等级Ms、有效去磁场Meffective、饱和磁化等级与有效去磁场的比(Ms/Meffective)、以及才艮据反转电流量所得到的反转电流密度JcG。在表3中，作为比较实例的在其中保护层18直接形成在存储层17上的样品被表示为"仅有Ta"。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage33</column></row><table>如表3所示，当保护层18直4妄形成在存储层17上、或者Cr层形成在保护层18和存储层17之间时，可发现，(Ms/Meffeetive)比为1(一)以下，并且反转电流强度Jco较大。另一方面，当形成了由Ru、MgO、或A1-0制成的非石兹性层19时，(Ms/Meffective)比达到1.15以上。因此，可发现，与保护层18直4妄形成在其上的存^f诸层相比，反4争电流强度Jco减少至20%以上。此外，与保护层18直接形成在其上的存储层相比，存储层17的饱和磁化等级不变。因此，根据等式(2),热稳定性指数A也不变。即，由Ru、MgO、或Al-O制成的非不兹性层19形成在存4诸层17和保护层18之间，从而减小了反转电流密度但不降低热稳定性。才艮据以上结果，当Ms/Meffective比的范围在1.15以上时，可以在不降低热稳定性的情况下得到较小的反转电流强度Jc0。另夕卜，存储层17不限于上述Co-Fe-B材料。可以使用选自Co、Fe、Ni的至少两种材料来制备存4诸层17,在这些材料中可添加包4舌B、C、Si、N、Ta、Ti、Cr、W、Al、Mg、或O中的一种或多种元素。在此情况下，只要Ms艇effeetive比满足预定条件，就能够获^寻如本发明的实施例中所述的岁丈果。此外，当将除了上述材料(Ru、MgO、以及Al-O)之外的任和材料插入存储层17和保护层18之间时，只要Ms/Meffective比满足预定条件，就能够获得如本发明的实施例中所述的效果。根据本发明的实施例，膜配置并不限于各个实施例中所述的存储元件3、20的膜配置。可以采用各种膜配置中的任一种。在上述的每个实施例中，磁化固定层31包括由两个铁磁层13、15和非/磁性层14构成的堆叠亚铁万兹结构。然而，例如，》兹化固定层可以由单层的4失》兹层构成。本发明不限于上述实施例，并且只要不背离本发明的主旨，各种配置均在本发明的范围之内。本领域的技术人员应了解，根据设计需要和其它因素，可以有各种修改、组合、子组合和改进，均应在本发明的所附权利要求或等同物的范围之内。权利要求1.一种存储元件，包括存储层，基于磁性材料的磁化状态保持信息；以及磁化固定层，通过由绝缘材料制成的中间层形成在所述存储层上，其中，利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子引起的所述存储层的磁化方向的改变，将所述信息记录在所述存储层上，以及其中，所述存储层受到的有效去磁场的等级小于所述存储层的饱和磁化等级。2.根据权利要求1所述的存储元件，其中所述存储层中的4失f兹层材冲+的々包和f兹化等级与所述有效去^f兹场的等级的比为1.15以上。3.才艮据^L利要求1所述的存々者元件，其中所述存储层包括添加有氧化物或非7磁性金属的《失》兹材料。4.才艮据权利要求1所述的存储元件，还包4舌非》兹性层，形成在与所述中间层相对的所述存储层上，并具有降低所述存储层受到的所述有效去^t场的等级的性能。一种存储器，包括存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态保持信息的存4诸层；以及4皮此垂直的两种不同配线，其中定层，所述中间层包括绝缘材料，利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子引起的所述存储层的》兹化方向的改变，将所述信息记录在所述存^f诸层上，所述存储层受到的有效去磁场的等级小于所述存储层的饱和^f兹化等级，所述存4诸元件:帔置于在所述两种不同配线的交叉点附近并4立于戶斤述两种不同酉己线之间，以及电流通过所述两种不同配线沿堆叠方向流入所述存4诸元件，从而注入所述自力走极化电子。全文摘要本发明提供了一种存储元件和存储器。该存储元件包括存储层和磁化固定层。存储层基于磁性材料的磁化状态来保持信息。磁化固定层通过由绝缘材料制成的中间层形成在存储层上。利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子引起的存储层的磁化方向的改变来将信息记录在存储层上。存储层受到的有效去磁场的等级小于存储元件的饱和磁化等级。文档编号G11C11/02GK101266831SQ200810084068公开日2008年9月17日申请日期2008年3月14日优先权日2007年3月15日发明者大森广之,大石雄纪,山元哲也,山根一阳,细见政功,肥后丰,鹿野博司申请人:索尼株式会社