专利名称：存储元件和存储装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括将铁磁层的磁化状态存储为信息的存储层和磁化方向被固定的磁化固定层，并且存储层的磁化方向通过使电流流动而改变的存储元件，以及包括该存储 元件的存储装置。
背景技术：
随着诸如移动终端和大容量服务器的各种信息装置的快速发展，已对诸如各种信息装置中所包括的存储器或逻辑电路的元件研究了诸如高集成度、高速度以及低功耗的高新性能特征。具体地，半导体非易失性存储器已高度先进并且诸如大容量文件存储器的闪存已作为硬盘驱动器被大量生产。另一方面，铁电随机存取存储器(FeRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、相变随机存取存储器(PCRAM)等在开发中，以将这些存储器发展成代码存储器或工作存储器并且代替目前已有的NOR闪存或DRAM。此外，一些存储器已被投入实际使用。在这些存储器中，MRAM由于数据根据磁体的磁化方向被存储而能够快速地并且几乎是无数次地(1015次以上)重写数据，并且已被用在工业自动化、飞机等领域。从高速操作和可靠性方面来讲，MRAM期望在未来被发展成代码存储器或工作存储器。实际上，低功耗和大容量的问题已变成一个难题。此问题是MRAM的记录原理所固有的问题，该记录原理为，使电流在基本上彼此垂直的两种地址线(字线和位线)中流动并且通过利用由每条地址线产生的电流磁场来反转在地址线的交叉点处的磁存储元件的磁性层的磁化的方法，即，利用由每条地址线产生的电流磁场来反转磁化。作为此问题的一种解决方案，在不依赖电流磁场的情况下执行的记录类型，S卩，磁化反转类型已被实验。在这些类型当中，已积极地进行了对自旋扭矩磁化反转的研究(例如，参见日本未审专利申请公开第2003-17782号、美国专利第6256223号、日本未审专利申请公开第 2008-227388 号、PHYs. Rev. B, 54. 9353 (1996)以及 J. Magn. Mat.，159，LI (1996))。在许多情况下，自旋扭矩磁化反转类型存储元件通过如在MRAM中的磁隧道结(MTJ)构成。在这种构造中，当通过在穿过被固定在给定方向上的磁性层的自旋极化电子进入另一自由磁性层(其中方向未被固定)时将扭矩(其被称为自旋转移扭矩)施加于磁性层而使值为等于或大于给定阈值的电流流动时，自由磁性层被反转。通过改变电流的极性来执行重写“0/1”。在尺寸为约O. I μ m的元件中，用于反转磁性层的电流的绝对值是ImA以下。此外，可执行按比例缩小(scaling),以与元件体积成比例地减小电流值。此夕卜，由于不需要MRAM中所必需的记录电流磁场生成字线，所以具有简化了单元结构的优点。在下文中，利用自旋扭矩磁化反转的MRAM被称为自旋扭矩磁随机存取存储器(ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反转也被称为自旋注入磁化反转。非常期望将ST-RAM实现为除MRAM的优点(数据被快速地并且几乎无限次地被重写)之外还具有低功耗和高容量的优点的非易失性存储器。
发明内容
在MRAM中，从存储元件分离地提供写入线(字线或位线)并且利用通过使电流在写入线中流动而产生的电流磁场来写入(记录)信息。因此，能够在写入线中流过用于写入信息所需的足够的电流量。另一方面，在ST-MRAM中，需要通过在存储元件中流动的电流来执行自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化的方向。由于通过使电路直接流至存储元件来写入(记录)信息，所以存储装置包括存储元件和彼此连接以选择写入信息的存储装置的选择晶体管。在这种情况下，在存储元件中流动的电流受限于可在选择晶体管中流动的电流(选择晶体管的饱和电流)的大小。此外，由于ST-MRAM是非易失性存储器，所以需要稳定地存储利用电流写入的信息。即，需要确保对于存储层的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。当不能确保存储层的热稳定性时，被反转的磁化方向会由于热(操作环境中的温度)再次被反转。从而，会造成写入错误。在ST-MRAM的存储元件中，如上所述，相比于根据现有技术的MRAM可获得按比例缩小的优点，即，减小存储层的体积的优点。然而，当减小了存储层的体积时，在其他特性相同的条件下，热稳定性倾于劣化。通常，当存储元件的体积增大时，可知热稳定性和写入电流增大。相反，当存储元件的体积减小时，可知热稳定性和与入电流减小。期望提供一种能够尽可能确保热稳定性并且不会增大写入电流的存储元件以及包括该存储元件的存储装置。根据本公开的实施方式，提供了一种具有以下构造的存储元件。S卩，根据本公开的实施方式的存储元件包括具有垂直于膜表面的磁化并且对信息改变磁化的方向的存储层。此外，存储元件包括具有垂直于膜表面的磁化并且用作被存储在存储层中的信息的基准的磁化固定层。此外，存储元件包括由设置在存储层与磁化固定层之间的非磁体形成的绝缘层。此外，通过利用伴随在存储层、绝缘层以及磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化来存储信息。 存储层的尺寸必须小于磁化的方向被同时改变的尺寸。根据本公开的另一实施方式，提供了一种存储装置，其包括上述存储元件以及两种彼此交叉的线。存储元件设置在这两种线之间。电流经由两种线在存储元件中在层压方向上流动并且因此发生自旋扭矩磁化反转。在根据本公开的实施方式的存储元件中，磁化固定层和存储层被形成有被介于它们之间的绝缘层(隧道势垒层)。由于通过利用伴随在层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化而记录信息，所以可通过使电流在层压方向上流动来记录信息。此时，由于存储层的尺寸小于磁化的方向被同时改变的情况下的尺寸，所以在尽可能确保热稳定性的同时可实现低功耗。在根据本公开的实施方式的存储装置的构造中，电路经由两种线在存储元件中在层压方向上流动并且因此出现自旋转移。因此，通过使电流经由两种线在存储元件的层压方向上流动而实现的自旋扭矩磁化反转来记录信息。由于充分地保持了存储层的热稳定性，所以可稳定地保持存储元件中所记录的信息。此外，可使存储装置小型化、改善可靠性、并且实现低功耗。根据本公开的实施方式，可对于具有垂直磁各向异性的ST-MRAM中的写入电流,有效地提高热稳定性。因此，可实现确保作为信息保持能力的热稳定性并且因此具有优良的诸如功耗的特性平衡的存储元件。因此，能防止操作错误，并且可充分获得存储元件的操作余量。因此，可实现稳定地操作并且具有高可靠性的存储器。此外，可减小写入电流，因此当信息被写入在存储元件上时可减小功耗。因此，可减小存储装置的总功耗。
图I是示出了根据实施方式的存储装置(存储器装置)的示意图(透视图)；图2是示出了根据实施方式的存储元件的截面图；图3是示出了根据实施方式的存储元件的截面图；图4是示出了在实验中所使用的存储元件的样本的截面结构的示图；图5A和图5B是示出了存储层的尺寸相对于从样本I的实验中获得的Ic和Λ的依赖关系的示图；图6是示出了存储层相对于从样本I的实验获得的Λ的尺寸依赖关系(在图中通过▲来标示)以及存储层相对于基于通过VSM测量获得的饱和磁化Ms和各向异性磁场Hk所计算出的Λ的尺寸依赖关系(在图中通过 来标示)的示图；图7Α和图7Β是示出了存储层的尺寸相对于从样本2的实验获得的Ic和Λ的依赖关系的不图；以及图8是示出了存储层相对于从样本2的实验获得的Λ的尺寸依赖关系(在图中通过▲来标示)以及存储层相对于基于通过VSM测量获得的饱和磁化Ms和各向异性磁场Hk所计算出的Λ的尺寸依赖关系(在图中通过 来标示)的示图。
具体实施例方式在下文中，将参照附图来详细描述本公开的优选实施方式。应当注意，在此说明书和附图中，具有实际上相同功能和结构的结构元件以相同的参考标号来标注，并且这些结构元件的重复描述将被省略。在下文中，将按下列顺序来描述本公开的实施方式。
I.根据实施方式的存储元件
2.根据实施方式的存储元件的构造
3.根据实施方式的具体构造
4.根据实施方式的实验
I.根据实施方式的存储元件
首先，将描述根据本公开的实施方式的存储元件。
在本公开的实施方式中，信息通过借助于上述自旋扭矩磁化反转来反转存储元件的存储层的磁化方向而被记录。存储层通过包括铁磁层的磁体来构成并且根据磁化状态(磁化方向)来保持信息。例如，存储元件3具有图3中所示的层结构。存储元件3至少包括存储层17和磁化固定层15作为两个铁磁层，并且包括绝缘层16作为这两个铁磁层之间的中间层。存储元件3还包括在该存储层17层上面的保护层18并且包括在磁化固定层15下面的底层14。存储层17具有垂直于膜表面的磁化。磁化方向被改变从而对应于信息。磁化固定层15具有垂直于用作存储在存储层17中的信息的基准的膜表面的磁化。绝缘层16是非磁体并且被形成在存储层17与磁化固定层15之间。当自旋极化电子在存储层17、绝缘层16以及磁化固定层15的层结构的层压方向上被注入时，存储层17的磁化方向被改变并且由此信息被记录在存储层17上。下文中，将简单描述自旋扭矩磁化反转。电子具有两种自旋角动量。这里，电子被定义为向上的电子和向下的电子。在非磁体中，向上和向下的电子在数量上相同。在铁磁体中，向上和向下的电子在数量上不同。在磁化固定层15和存储层17 (作为存储元件3的两个铁磁层)中，将考虑当磁矩的方向彼此相反时电子从磁化固定层15向存储层17移动的情况。磁化固定层15是磁矩的方向被固定以确保高矫顽力的固定磁性层。在穿过磁化固定层15的电子中，发生自旋极化，即，向上和向下的电子在数量上存在不同。当非磁性绝缘层16具有足够的厚度时，在穿过磁化固定层15的电子的自旋极化被减缓并且在通常的非磁体中电子进入非极化状态(其中，向上和向下的电子在数量上相同)之前，电子到达另一磁体，即，存储层17。在存储层17中，由于自旋极化度的符号是相反的，所以一些电子被反转，即，自旋角动量的方向被改变为减小系统的能量。此时，由于系统的整个角动量必须守恒，所以与由方向被改变的电子所造成的角动量的改变总和等价的反应被施加于存储层17的磁矩。当电流(即，单位时间通过的电子数)小时，方向被改变的电子的总数也小。因此，在存储层17的磁矩中发生的角动量的改变也小。然而，当电流增大时，在单位时间内角动量可被显著地改变。角动量的时间变化是扭矩。当扭矩大于给定阈值时，存储层17的磁矩开始旋进运动(precession movement)。当磁矩通过单轴各向异性旋转了 180度之后磁矩被稳定。SP,磁矩从相反的方向被反转到相同的方向。当在相同磁化方向的状态下电流在电子从存储层17被发送至磁化固定层15的方向上反向地流动时，在电子从磁化固定层15被反射并且自旋反转电子进入存储层17的情况下施加扭矩。然后，可在相反的方向上反转磁矩。此时，相比于磁矩从相反方向被反转到相同方向的情况，造成反转所需的电流量更大。难以直观地理解磁矩从相同方向至相反方向的反转，但由于磁化固定层15被固定，所以存储层17可被看作在不存在磁矩的反转的情况下被反转至保持系统的总角动量守恒。因此，通过使对应于各个极性并且等于或大于给定阈值的电流在从磁化固定层15至
6存储层17的方向上或在相反方向上流动来记录“0/1”。利用磁阻效应来读取信息，如在根据现有技术的MRAM中一样。S卩，电流在垂直于膜表面的方向上流动，如在上面描述的记录情况中一样。根据存储层17的磁矩的方向与磁化固定层15的磁矩的方向是相同或相反来使用元件的电阻的改变现象。金属或绝缘材料可被用作被形成在磁化固定层15与存储层17之间的绝缘层的材料。当绝缘材料用作绝缘层16的材料时，可获得较高读取信号(电阻变化率)并且可以以更低的电流记录信息。在这种情况下，元件被称为磁隧道结(MTJ)元件。当通过自旋扭矩磁化反转来反转磁性层的磁化的方向时，所需电流的阈值Ic根据磁性层的易磁化轴是在平面内方向上或是在垂直方向上而不同。根据实施方式的存储元件是垂直磁化型的存储元件。假设在根据现有技术的平面内磁化型存储元件中，用于反转磁性层的磁化方向的反转电流是Ic_para。当磁化从相同方向被反转至相反方向(其中，相同方向和相反方向是利用磁化固定层的磁化方向作为基准所考虑的存储层的磁化方向)时，满足“Ic_para =(Α · a Ms *V/g (0) /P) (Hk+2 3i Ms) ”。当磁化从相反方向被反转至相同方向时,满足“Ic_para =_(A · a *Ms · V/g( π )/P) (Hk+2 3i Ms)"(其被称作等式(I))。另一方面，假设垂直磁化型存储元件的反转电流为Ic_perp。当磁化从相同方向被反转至相反方向时，满足 “Ic_perp =(A · a · Ms · V/g (O)/P) (Hk_4 π Ms) ”。当磁化从相反方向被反转至相同方向时,满足“Ic_perp =_(A · a *Ms · V/g( π )/P) (Hk-4 3i Ms)"(其被称为等式(2))。在该等式中，A表示常数，a表示阻尼常数，Ms表示饱和磁化，V表示元件体积，P表不自旋极化率，g(0)和gO )表不与分别在相同方向和相反方向上被施加于磁性层的自旋扭矩的效率对应的系数，以及Hk表示磁各向异性(参见NatureMaterials. , 5, 210 (2006))。当在上述等式中的垂直磁化型的存储元件(Hk-4 Ms)与平面磁化类型存储元件(Hk+2 π Ms)相比时，垂直磁化型存储元件可被理解成适合于低记录电流。在此实施方式中，存储元件3被配置为包括可根据磁化状态来保持信息的磁性层(存储层17)和磁化方向被固定的磁化固定层15。为了用作存储装置，必须保持所写入的信息。热稳定性的系数值Λ (=KV/kBT)被用作保持信息的能力的系数。这里，△通过下面的等式(3)来表示。Δ =K · V/kB · T =Ms · V · Hk · (l/2kB · T)等式(3)在此等式中，Hk是有效各向异性场，kB是波尔兹曼常数，T是温度，Ms是饱和磁化量，V是存储层17的体积，而K是各向异性能量。有效各向异性场Hk接收诸如形状磁各向异性、感生磁各向异性或晶体磁各向异性的磁各向异性的影响。当假设单磁区同时旋转模式(single-section simultaneousrotation model)时,有效各向异性等于矫顽性。此外，当与上面的Λ相关地表示阈值Ic时，满足下面的等式(4)。[表达式I]
权利要求
1.一种存储元件，包括存储层，根据磁体的磁化状态来保持信息；磁化固定层，具有用作被存储在所述存储层中的信息的基准的磁化；以及绝缘层，由被设置在所述存储层与所述磁化固定层之间的非磁体形成，其中，通过利用伴随在所述存储层、所述绝缘层以及所述磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转所述存储层的磁化来存储所述信息，以及所述存储层的尺寸小于所述磁化的方向被同时改变的尺寸。
2.根据权利要求I所述的存储元件，其中，所述存储层的铁磁材料是Co-Fe-B。
3.根据权利要求I所述的存储元件，其中，非磁性材料被添加至所述存储层的铁磁材料的 Co-Fe-B。
4.根据权利要求2所述的存储元件，其中，所述存储层和所述磁化固定层具有垂直于膜表面的磁化。
5.根据权利要求4所述的存储元件，其中，所述存储层的直径小于45nm。
6.根据权利要求I所述的存储元件，其中，利用包括绝缘体作为所述绝缘层的隧道绝缘层构成MJT元件。
7.一种存储装置，包括存储元件，根据磁体的磁化状态来保持信息；以及彼此交叉的两种线，其中，所述存储元件包括存储层，根据磁体的磁化状态来保持信息；磁化固定层，具有用作被存储在所述存储层中的信息的基准的磁化；以及绝缘层，由被设置在所述存储层与所述磁化固定层之间的非磁体形成，在所述存储元件中，通过利用伴随在所述存储层、所述绝缘层以及所述磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转所述存储层的磁化来存储所述信息，并且所述存储层的尺寸小于所述磁化的方向被同时改变的尺寸，所述存储元件介于所述两种线之间，以及当所述电流经由所述两种线在所述存储元件中在层压方向上流动时发生所述自旋扭矩磁化反转。
全文摘要
本发明涉及存储元件和存储装置，其中，该存储元件包括存储层，根据磁体的磁化状态来保持信息；磁化固定层，具有用作被存储在存储层中的信息的基准的磁化；以及绝缘层，由被设置在存储层与磁化固定层之间的非磁体形成，其中，通过利用伴随在存储层、绝缘层以及磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化来存储信息，并且存储层的尺寸小于磁化的方向被同时改变的尺寸。
文档编号H01L43/08GK102916126SQ201210260559
公开日2013年2月6日 申请日期2012年7月25日 优先权日2011年8月3日
发明者山根一阳, 细见政功, 大森广之, 别所和宏, 肥后丰, 浅山徹哉, 内田裕行 申请人:索尼公司