专利名称：存储元件和存储设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有多个磁性层并利用自旋矩磁化反转进行记录的存储元件和存储设备。
背景技术：
随着从移动终端到大容量服务器的各种信息装置的快速发展，在诸如存储元件和逻辑元件的元件中追求诸如高集成度、高速度、低功耗的进一步的高性能化。特别地，半导体非易失性存储器有了显著的进步，并且作为大容量文件存储器，闪存已经被广泛使用，而且有排除硬盘驱动器的趋势。同时，着眼于代码存储器或工作存储器的开发，作为目前常用的NOR闪存、DRAM等的替代物，FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM(磁性随机存取存储器)、PCRAM(相变随机存取存储器)等的开发已经取得进展。它们中的一部分已经投入实际使用。在它们中，MRAM使用磁体的磁化方向执行数据存储，从而可以进行高速并且几乎是不受限制( ο15次或更多)的重写，因此，MRAM已经用于诸如工业自动化和飞机的领域中。 由于高速操作和可靠性，因此希望在不久的将来把MRAM扩展至代码存储器或工作存储器， 但是实际上，MRAM面临降低功耗和增加容量的挑战。这是由MRAM的记录原理(也就是，使用由配线(interconnect)产生的电流磁场进行反转磁化的方法)所造成的根本性问题。作为解决该问题的一种方法，考虑采用不用电流磁场的记录方法，也就是，磁化反转方法。具体地，已经积极开展了对自旋矩磁化反转的研究(例如，参见日本未审专利申请公开第2003-17782号和第2008-227388号、美国专利第6256223号的说明书、Phys. Rev. B, 54，9353 (1996)以及 J. Magn. Mat.，159，Ll (1996))。自旋矩磁化反转的存储元件通常使用与MRAM相同方式的MTJ (磁性隧道结)进行配置。该配置利用这样的现象，当通过固定在任意方向上的磁性层的旋转极性电子进入另一自由(方向不固定)磁性层时，旋转极性电子将转矩施加于自由磁性层(这也被称为自旋转移矩)，在任意阈值的电流或更大电流流过的情况下，自由磁性层反转。通过改变电流极性执行0/1的重写。在元件大约为0.1 μ m尺寸时，用于该反转的电流的绝对值是ImA或更小。此夕卜， 该电流与元件体积成比例地下降，从而按比例缩放(scaling)成为可能。此外，不需要MRAM 中的产生记录电流磁场所需的字线，从而具有单元结构简单的优势。在下文中，将利用自旋矩磁化反转的MRAM称为ST_MRAM(自旋矩磁性随机存取存储器)。可将自旋矩磁化反转称为自旋注入磁化反转。人们对作为能够实现低功耗和大容量而同时保持MRAM的可以执行高速和几乎无限制的重写的优点的非易失性存储器的 ST-MRAM寄予很大的期望。图6和图7示出了 ST-MRAM的示意图。图6是透视图，图7是截面图。在诸如硅衬底的半导体衬底60上，在由元件隔离层52隔离的部分分别形成漏极区域58、源极区域57和栅电极51，它们构成用于选择各个存储单元的选择晶体管。在它们之中，栅电极51也可起到在图7中前后方向上延伸的字线的作用。漏极区域58形成为在图7中的左侧和右侧选择晶体管的公用漏极区域，配线59 与漏极区域58连接。存储元件53具有通过自旋矩磁化反转使磁化方向反转的存储层，并且存储元件 53设置在源极区域57与位线56之间，位线56被设置在图6中上侧并在左右方向上延伸。存储元件53例如通过磁性隧道结元件(MTJ元件)进行配置。存储元件53具有两个磁性层61和62。在两个磁性层61和62中，一侧的磁性层被设置为磁化方向固定的磁化固定层，另一侧的磁性层被设置为磁化方向变化的磁化自由层，也就是存储层。此外，存储元件53分别通过上下接触层54与各个位线56和源极区域57连接。在该方式下，当使电流流向存储元件53时，可通过自旋注入反转存储层的磁化方向。
发明内容
然而，在MRAM的情况下，独立于存储元件提供写入配线(字线或位线)，并且通过使电流流向写入配线而产生的电流磁场来执行信息的写入(记录)。因此，可以使写入所必需的足够量的电流流入写入配线。另一方面，对于ST-MRAM，需要通过流向存储元件的电流执行自旋矩磁化反转来将存储层的磁化方向反转。由于信息的写入(记录)如上所述通过直接使电流流向存储元件来执行，所以存储单元被配置为连接存储元件与选择晶体管以选择用于执行写入的存储单元。在这种情况下，将流向存储元件的电流限制在能够流向选择晶体管的电流大小(选择晶体管的饱和电流)。因此，需要利用等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流执行写入，已知晶体管的饱和电流会随着小型化而下降，因此为了 ST-MRAM的小型化，需要通过提高自旋转移效率来减小流向存储元件的电流。此外，为了提高读出信号强度，需要确保大的磁阻变化率，为了实现这一点，采用上述MTJ结构是有效的，也就是，以这样的方式配置存储元件将与存储层的两侧连接的中间层设置为隧道绝缘层(隧道阻挡层)。在将隧道绝缘层用作中间层的情况下，限制流向存储元件的电流量以防止隧道绝缘层的绝缘击穿。也就是，从确保关于存储元件的重复写入的可靠性的角度来讲，需要限制用于自旋矩磁化反转所必须的电流。由于这样的电流与存储层的膜厚度成比例，并与存储层的饱和磁化的平方成比例，因此通过调整这些值(膜厚度或饱和磁化)可有效减小这样的电流值(例如，参见 Appl. Phys. Lett.，77，3809 (2000))。例如，在美国专利第7242045号的说明书中，公开了当记录材料的磁化量(Ms)下降时可减少电流值的事实。然而，在另一方面，由于ST-MRAM是非易失性存储器，因此需要稳定地存储这种通过电流写入的信息。也就是，需要确保关于在存储层的磁化中的热波动的稳定性(热稳定)。
此外，在不能保证存储层的热稳定性的情况下，可能由于热(操作环境中的温度) 引起反转的磁化方法再次反转，导致写入错误。相比于相关技术中的MRAM，ST-MRAM中存储元件在按比例缩放方面有优势，也就是如上所述，从记录电流值的角度来看，优势在于存储层的体积可以很小。然而，由于体积小，只要其它特性相同，热稳定性可能恶化。因此，随着ST-MRAM的容量增加，存储元件的体积变小，因此确保热稳定性非常重要。因此，关于ST-MRAM的存储元件，热稳定性是非常重要的特性，因此在设计存储元件时，即使减小体积，也要确保其热稳定性。也就是，为了实现作为非易失性存储器的ST-MRAM，需要减少用于自旋矩磁化反转的电流至等于或小于晶体管的饱和电流或者等于或小于击穿隧道阻挡的电流，并还需要确保用于保持纪录信息的热稳定性。如上所述，为了减少用于自旋矩磁化反转所需的电流，考虑了减少存储层的饱和磁化量Ms的方法或使存储层变薄的方法。例如，如美国专利第7242045号的说明书所述， 将具有低饱和磁化量Ms的材料用作存储层的材料是有效的。然而，如上所述，在简单地使用具有低饱和磁化量Ms的材料的情况下，难以确保用于保持信息的热稳定性。因此，希望提供一种能够提高热稳定性而不增加写入电流的存储元件以及包括该存储元件的存储设备。根据本发明的一个实施方式，公开了一种存储元件，包括存储层，通过磁性材料的磁化状态保持信息；磁化固定层，具有作为存储在存储层中的信息的基准的磁化；以及中间层，由非磁性材料形成并设在存储层和磁化固定层之间，其中通过利用根据在具有存储层、中间层和磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流产生的自旋矩磁化反转对存储层的磁化进行反转来执行信息的存储。存储层包括含有铁(Fe)和钴(Co)中至少一个的合金区域，以及存储层在其磁化反转期间接收的有效反磁场的大小小于存储层的饱和磁化量。此外，构成存储层的铁磁性材料包括Co-Fe合金。此外，存储层由⑶和^^表示的合金形成，并且易磁化轴方向垂直于膜表面，在这里，χ是原子％，并且0彡χ彡40。此外，存储层由(Co/e-JMh表示的合金形成，并且易磁化轴方向垂直于膜表面，在这里，M是不同于Fe和Co的元素，χ和y是原子％，0彡χ彡40，并且0 < y < 100。此外，根据本发明的另一实施方式，提供了一种存储设备，其包括存储元件，通过磁性材料的磁化状态保持信息；以及两种配线，彼此交叉。存储装置包括上述的本发明实施方式的存储元件，存储元件设置在两种配线之间，电流在通过两种配线的层压方向上流向存储元件，由此，产生自旋矩磁化反转。根据本发明实施方式的存储元件，设置有通过磁化材料的磁化状态保持信息的存储层，在存储层和磁化固定层之间设置有中间层，并且通过利用根据在层压方向上流动的电流产生的自旋矩磁化反转、对存储层的磁化进行反转来执行信息存储，从而可以通过电流在层压方向上的流动执行信息记录。此时，存储层在其磁化反转期间接收的反磁场(diamagnetic field)的大小小于存储层的饱和磁化量，从而存储层接收的反磁场变小，并且可以减小用于反转存储层的磁化方向所需的写入电流值。另一方面，即使在没有减小存储层的饱和磁化量时，也可以减小写入电流量，从而可以确保用于保持存储层足够的热稳定性所需的饱和磁化量。此外，根据本发明实施方式的存储设备的配置，电流通过两种配线在层压方向上流向存储元件，并发生自旋转移，从而利用电流通过两种配线在层压方向上流动导致的自旋矩磁化反转可以执行信息记录。此外，即使在存储层的饱和磁化量减小的情况下，也可以减小写入电流的量，从而记录在记录元件中的信息被稳定地保持，并可以实现记录设备的小型化、可靠性的提高和功耗的降低。根据本发明的实施方式，即使在减小存储层的饱和磁化量时，也可以减少存储元件的写入电流量，从而可以通过充分确保作为信息保持能力的热稳定性来配置特性平衡优异的存储元件。以这种方式，可以通过减小操作错误以充分获得存储元件的操作裕度。因此，可以实现稳定操作的高可靠性存储器。此外，减小写入电流，从而可以在写入存储元件时降低功耗。因此，可以降低整个存储设备的功耗。
图1是示出根据本发明实施方式的存储器的示意性配置的说明图；图2是示出根据本发明实施方式的存储元件的截面图；图3是示出大小为0. 09X0. 18 μ m的存储层的Co量和反转电流密度之间的关系的图；图4是示出大小为0. 09X0. 18 μ m的存储层的Co量和热稳定性的指标之间的关系的图；图5是示出大小为0. 05X0. 05 μ m的存储层的Co量和热稳定性的指标之间的关系的图；图6是示出ST-MRAM的示意性配置的说明图；以及
图7是图6的ST-MRAM的截面图。
具体实施例方式在下文中，将以下列顺序描述本发明的实施方式。1.实施方式的存储元件的概述2.实施方式的配置3.实验1.实施方式的存储元件的概述首先，将描述根据本发明的实施方式的存储元件的概况。根据本发明的实施方式，通过上述的自旋矩磁化反转对存储元件的存储层的磁化方向进行反转以执行信息记录。
存储层由诸如铁磁层的磁性材料形成，并通过磁性材料的磁化状态(磁化方向)
保持信息。存储元件具有如图2的实例所示的层结构，并至少包括作为两个铁磁性层的存储层17和磁化固定层15，以及设在两个磁性层之间的中间层16。存储层17具有垂直于膜表面的磁化，并且磁化方向对应于信息而变化。磁化固定层15具有作为存储在存储层17中的信息的基准并与膜表面垂直的磁化。中间层16由非磁性材料形成并设在存储层17和磁化固定层15之间。在具有存储层17、中间层16和磁化固定层15的层压结构的层压方向上注入自旋极化电子，存储层17的磁化方向变化，从而信息被记录在存储层17中。这里，将简单描述自旋矩磁化反转。电子具有两种自旋角动量。将这些动量定义为向上方向和向下方向。两者在非磁性材料内部的数量相同，在铁磁性材料内部数量不同。对于构成ST-MRAM的两层铁磁性材料的磁化固定层15和存储层17，将考虑当各个磁矩的方向处于反转方向状态时，电子从磁化固定层15移动到存储层17的情况。磁化固定层15是固定的磁层，因为高矫顽力其磁矩方向是固定的。通过磁化固定层15的电子是自旋极化的，也就是，面向上和面向下的数量彼此不同。当非磁性层的中间层16的厚度足够薄时，在电子通过磁化固定层15后自旋极化会减轻，并且电子在成为普通的非极化材料的非极化状态(面向上和面向下的数量相同)之前， 到达另一磁性材料，即存储层17。在存储层17中，自旋极化的符号反转，从而为了降低系统能量，部分电子反转，也就是，自旋角动量的方向交换。此时，需要保持系统的全部角动量，从而通过其方向变化的电子的等于全部角动量的反作用施加至存储层17的磁矩。在电流(也就是电子数量)小的情况下，方向被改变的电子的总数量变小，从而发生在存储层17的磁矩中的角动量变化变小，但是当电流增加时，可以在单位时间内对角动量施加大的变化。角动量随时间的变化是转矩，当转矩超过阈值时，存储层17的磁矩开始进动，并且由于其单轴各向异性而旋转180°并变得稳定。也就是，发生从反转方向状态到相同方向状态的反转。当磁化为相同方向状态时，如果在电流的方向上，使电流从存储层17至磁化固定层15反向流动，当从磁化固定层15反射时自旋反转的电子进入存储层17，施加了转矩，并可以将磁矩反转为反转方向状态。然而，此时，用于引起该反转所需的电流量大于从反转方向状态反转为相同方向状态的电流量。难以直观地理解磁矩从相同方向状态反转为反转方向状态，但是可以这样考虑 磁化固定层15是固定的，从而磁矩未被反转，并且为了保持整个系统的角动量，存储层17 被反转。如上所述，通过特定阈值或更大电流(对应于各个极化)从磁化固定层15到存储层17或其相反的方向的流动，执行0/1的记录。通过使用与相关技术的MRAM相似的磁阻效果，执行信息的读出。也就是，与上述记录的情况一样，使电流在与膜表面垂直的方向上流动。此外，利用这样的现象元件所显示的电阻根据存储层17的磁矩与磁化固定层15的磁矩是相同方向还是相反方向而变化。用于设在磁化固定层15和存储层17之间的中间层16的材料可以是金属材料或绝缘材料，但是绝缘材料可用于中间层以获得相对高的读出信号强度(电阻变化比)，并可以通过相对低的电流实现记录。将此时的元件称为铁磁隧道结(磁性隧道结MTJ)。当由于自旋矩磁化反转而反转磁性层的磁化方向时，由下式(1)表达所需的电流阈值Ic。Ic = A · α · Ms · V · Hd/2 η(1)在这里，A 常数，α 自旋制动常数，n 自旋注入效率，Ms 饱和磁化量，V 存储层的体积，以及Hd 有效反磁场。如公式(1)所示，通过控制磁性层的体积V、磁性层的饱和磁化Ms、自旋注入效率 n以及自旋制动常数α，电流的阈值可设置为任意值。在本实施方式中，存储元件包括能够通过磁化状态保持信息的磁层(存储层17)， 以及磁化方向固定的磁化固定层15。存储元件需要保持写入信息以作用存储器。这由作为保持信息能力的指标的热稳定性指标Δ ( = KV/KBT)的值确定。上述Δ由以下公式(2)表示。Δ = KV/KBT = Ms · V · Hk · (1/2KBT)(2)在这里，Hk 有效的各向异性场，Kb 玻尔兹曼常数，T 温度，Ms 饱和磁化量，以及 V:存储层的体积。有效的各向异性场Hk受到形状磁性各向异性、感生磁性各向异性、晶体磁性各向异性等的影响，并且在假设单畴的一致转动模型时，有效的各向异性场变得与抗磁力相同。热稳定性的指标Δ和电流的阈值Ic通常为平衡关系。因此，兼容性成为保持存储特性中的问题。对于改变存储层的磁化状态的电流阈值，实际上，例如，在存储层17的厚度为2nm 的TMR元件中，平面图案基本上为IOOnmX 150nm的椭圆形状，正侧的阈值+Ic为+0. 5mA,负侧的阈值-Ic为-0. 3mA，并且此时的电流密度基本上为3. 5X 106A/cm2。这些基本上对应于上述公式(1)。相反，在由电流磁场执行磁化反转的普通MRAM中，必需数个mA以上的写入电流。因此，在ST-MRAM的情况下，上述写入电流的阈值变得足够小，从而可有效降低集成电路的功耗。此外，不需要用于产生电流磁场的配线(其对于普通的MRAM是必须的)，从而关于集成度，相比于普通MRAM具有优势。在执行自旋矩磁化反转时，由于通过使电流直接流向存储元件来执行信息的写入 (记录)，因此为了选择执行写入的存储单元，存储元件被连接至选择晶体管以构建存储单兀。在这种情况下，将流向存储元件的电流限制为能够使其流向选择晶体管的电流 (选择晶体管的饱和电流)的大小。为了使通过注入自旋而磁化反转的电流的阈值Ic小于选择晶体管的饱和电流， 从公式(1)可以看到，减小存储层17的饱和磁化量Ms是有效的。然而，在简单地减小饱和磁化量Ms (例如，美国专利第7242045号)的情况下，存储层17的热稳定性显著下降，因此存储元件难以用作存储器。为了构建存储器，需要热稳定性的指标△等于或大于特定程度的大小。本发明人已经进行了各种研究，结果，他们发现当构成存储层17的铁磁性层由包括钴(Co)和铁(Fe)的合金形成、并且选择Co-Fe的组成，存储层17接收的有效反磁场 (Meffective)小于存储层17的饱和磁化量Ms。通过使用上述铁磁性材料，存储层17接收的有效的反磁场的大小小于存储层17 的饱和磁化量Ms。以这种方式，可以使存储层17接收的反磁场变小，从而通过公式(1)可以获得减小电流阈值Ic的效果，并且不会使由公式(2)表示的热稳定性△恶化。此外，本发明人已经发现在所选择的Co-Fe组合物的有限组成范围内，C0-Fe在垂直于膜表面方向上磁化，由此，即使在能够实现G比特级容量的极小记录元件的情况下，也可以确保足够的热稳定性。因此，在G比特级的ST-MRAM中确保热稳定性的状态下，可以制造稳定的利用低电流写入信息的存储器。在本实施方式中，配置为使得存储层17接收的有效反磁场的大小小于存储层17 的饱和磁化量Ms，也就是，有效反磁场的大小相对于存储层17的饱和磁化量Ms的比小于 1。此外，磁性隧道结(MTJ)元件被如下配置考虑到选择晶体管的饱和电流值，使用由绝缘材料形成的隧道绝缘层作为设置在存储层17和磁化固定层15之间的非磁性中间层 16。通过使用隧道绝缘层配置磁性隧道结(MTJ)元件，从而相比于通过使用非磁性导体层配置的巨磁阻效应(GMR)元件的情况，可以使磁阻变化率(MR率)变大，从而可以使读出信号强度增大。特别是当氧化镁(MgO)用作作为隧道绝缘层的中间层16的材料时，相对于使用通常使用的氧化铝的情况，可以使磁阻变化率(MR率)变大。此外，通常，自旋转移效率取决于MR率，并且随着MR率增大，自旋转移效率提高， 因此可以减小磁化反转电流密度。因此，当氧化镁用作隧道绝缘材料的材料并使用存储层17时，可以通过自旋矩磁化反转减小阈值写入电流，因此，可以利用小电流执行信息的写入(记录)。此外，可以使读出信号强度增大。以这种方式，可以通过确保MR率(TMR率)减小自旋矩磁化反转的写入阈值电流， 并可以用小电流执行信息的写入(记录)。此外，可以使读出信号强度增大。如上所述，在隧道绝缘层由氧化镁(MgO)膜形成的情况下，期望MgO膜结晶，从而在(001)方向上保持结晶取向。此外，在本实施方式中，除了由氧化镁形成的配置，例如可通过使用例如各种绝缘材料、电介质材料和半导体(例如氧化铝、氮化铝、SiO2, Bi203> MgF2, CaF, SrTiO2^AlLaO3和 A1-N-0)配置设在存储层17和磁化固定层15之间的中间层16(隧道绝缘层)。从获得通过自旋矩磁化反转对存储层17的磁化方向进行反转所需的电流密度的角度考虑，需要将隧道绝缘层的面积电阻值控制在几十个Ω μ m2或者更小。
在由MgO膜形成的隧道绝缘层中，为了将面积电阻值保持在上述范围内，需要将 MgO膜的膜厚度设置为1. 5nm或更小。此外，希望将存储元件变小，以便容易地用小电流对存储层17的磁化方向进行反转。因此，优先地，将存储元件的面积设置为0. 01 μ m2或者更小。此外，作为本发明的实施方式，可以将除Co和Fe之外的元素加入到存储层17中。当添加不同种类的元素时，可得到诸如由于防止扩散而使耐热性提高或磁阻效果提高、以及伴随平面化的绝缘击穿电压增加的效果。作为该添加的元素的材料，可使用B、 C、N、0、F、Mg、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ge、Nb、Mo、Ru, Rh, Pd、Ag、Ta, W、Ir、Pt、Au、Zr、 Hf、Re、Os或其合金。此外，作为本实施方式的存储层17，可以直接层压具有不同组成的铁磁性层。此外，可层压铁磁性层和软磁性层，或通过软磁性层或非磁性层层压多个铁磁性层。在这种方式的层压的情况下，可以获得本发明的效果。特别地，在通过(介由)非磁性层层压多个铁磁性层的情况下，可以调整铁磁性层之间的相互作用的强度，从而即使在存储元件的尺寸在亚微米以下，也可以获得控制磁化反转电流不增大的效果。作为这种情况下的非磁性层的材料，可使用Ru、0s、Re、Ir、Au、Ag、 Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta, Pd、Pt、Zr, Hf、W、Mo、Nb $胃。希望磁化固定层15和存储层17具有单向的各向异性。此外，每个磁化固定层15和存储层17的膜厚度优选为0. 5nm 30nm。存储元件的其他配置可与相关技术中通过自旋矩磁化反转记录信息的存储元件的配置相同。可以这样的方式配置磁化固定层15 仅通过铁磁性层或通过使用反铁磁性层和铁磁性层的反铁磁性耦合固定磁化方向。此外，可通过单层铁磁性层或者介由非磁性层层压了多个铁磁性层的铁钉结构 (ferri-pin structure)配置磁化固定层 15。作为构成层压铁钉结构的磁化固定层15的铁磁性层的材料，可使用Co、CoFe, CoFeB等。此外，作为非磁性层的材料，可使用Ru、Re、Ir、Os等。作为反铁磁性层的材料，可以为诸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO和Fe2O3的磁性材料。此外，可通过将诸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、0、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo
和Nb的非磁性元素加入到上述磁性材料，来调整磁性特性，或者除此之外，还可调整诸如结晶结构、结晶性质、物质稳定性等各种物理性质。此外，关于存储元件的膜配置，存储层17可设置在磁化固定层15的下侧或在其上侧，在任何布置中都没有问题。此外，在磁化固定层15设置在存储层17的上侧和下侧(所谓的双重结构)的情况下也没有问题。此外，作为读出记录在存储元件的存储层17中的信息的方法，将成为信息基准的磁性层通过薄的绝缘膜设在存储元件的存储层17上，并且可通过流经绝缘层(中间层16) 的铁磁性隧道电流来执行读出，或者通过磁阻效应执行读出。2.实施方式的配置
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随后，将描述本发明此实施方式的具体配置。作为本发明的一个实施方式，图1示出了存储设备的示意性配置图(透视图)。该存储设备包括能够在磁化状态保持信息的存储元件3，它被设置在相互垂直的两种地址配线(例如，字线和位线)的交叉点附近。具体地，构成用于选择各个存储单元的选择晶体管的漏极区域8、源极区域7和栅电极1分别形成在由诸如硅衬底的半导体衬底10的元件分离层2分离的部分。在它们之中，栅电极1还用作在图的前后方向上延伸的一侧地址配线(例如，字线)。漏极区域8形成为由左侧和右侧选择晶体管共用，并且配线9与漏极区域8连接。存储元件3设置在源极区域7和另一侧的地址配线(例如，位线)6之间，地址配线设置在上侧并在图中左右方向延伸。该存储元件3具有包括其磁化方向由于自旋注入而反转的铁磁性层的存储层。此外，存储元件3设置在两种地址配线1和6的交叉点附近。存储元件3分别通过上下接触层4与位线6和源极区域7连接。以这种方式，电流通过两种地址配线1和6在垂直方向上流入存储元件3，并且存储层的磁化方向可以通过自旋矩磁化反转而被反转。此外，图2示出了根据本实施方式的存储设备的存储元件3的截面图。如图2所示，存储元件3具有相对于存储层17设在较低层的磁化固定层15，其中在存储层17中通过自旋矩磁化反转将磁化M17的磁化方向反转。关于ST-MRAM，通过存储层17的磁化Ml7和磁化固定层15的磁化M15之间的相对角来定义信息0和1。用作隧道阻挡层(隧道绝缘层)的中间层16设在存储层17和磁化固定层15之间，因此，通过存储层17和磁化固定层15配置MTJ元件。此外，底层14形成在磁化固定层15的下面，顶层(cap layer) 18形成在存储层17 的上面。在此实施方式中，特别地，调整存储元件3的存储层17的组成，从而存储层17接收的有效反磁场的大小变得小于存储层17的饱和磁化量Ms。也就是，如上所述，选择存储层17的铁磁材料Co-Fe的组成，并且使得存储层17 接收的有效反磁场的大小变小，从而有效反磁场的大小变得小于饱和磁化量Ms。此外，在此实施方式中，在中间层16由氧化镁层形成的情况下，可以使磁阻变化率(MR率)较高。当如上所述使MR率提高时，提高了自旋注入效率，因此可以减小反转存储层17的磁化M17方向所需的电流密度。本实施方式的存储元件3可通过在真空装置中从底层14至顶层18连续形成、并通过诸如后蚀刻等处理形成存储元件3的图案来制造。根据上述实施方式，以这样的方式配置存储元件3的存储层17 存储层17接收的有效反磁场的大小小于存储层17的饱和磁化量Ms，从而存储层17接收的反磁场减小，并可以减小反转存储层17的磁化M17方向所需的写入电流量。另一方面，由于即使存储层17的饱和磁化量Ms没有减小，也可减小写入电流量， 所以可以充分确保存储层17的饱和磁化量，因此，可以充分确保存储层17的热稳定性。
如上所述，由于可以充分确保作为信息保持能力的热稳定性，所以可以配置具有优良的特性平衡的存储元件3。以这种方式，消除了操作错误，并且充分获得存储元件3的操作裕度，从而可以稳定地操作存储元件3。因此，可以实现高可靠性地稳定操作的存储器。此外，减少了写入电流，从而可以在执行写入存储元件3时降低功耗。因此，可以降低存储单元由本实施方式的存储元件3配置的存储器的整体功耗。因此，对于包括能够实现具有优异信息保持能力、具有高可靠性并且操作稳定的存储器的存储元件3的存储器，可以降低功耗。此外，在制造存储器时，包括图2所示的存储元件3并具有图1所示的配置的存储器的优点在于可以采用普通的半导体MOS形成加工。因此，可以将该实施方式的存储器用作通用存储器。3.实验这里，关于本实施方式的存储元件3的配置，通过特别选择构成存储层17的铁磁性层的材料，调节存储层17接收的有效反磁场的大小，从而制造出存储元件3的样品，然后检验其特性。在实际的存储设备中，如图1所示，除了存储元件3外，还存在用于切换的半导体电路等，但是这里，为了研究存储层17的磁化反转特性，对仅形成有存储元件的晶片进行检测。实验1在厚度为0. 725mm的硅衬底上形成厚度为300nm的热氧化膜，并在热氧化膜上形成具有图2所示配置的存储元件3。具体地，对于图1所示的存储元件3，如下所述地选择各个层的材料和膜厚度。·底层14 膜厚度为IOnm的Ta膜和膜厚度为25nm的Ru膜的层压膜·磁化固定层15 膜厚度为2. 5nm的CoFeB膜·中间层(隧道绝缘层)16 膜厚度为0. 9nm的氧化镁膜 存储层 17:CoFe 膜·顶层18 膜厚度为3nm的Ta膜、厚度为3nm的Ru膜和厚度为3nm的Ta膜的层
压膜各个层按上述方式选择，将膜厚度为IOOnm的Cu膜(用作下述的字线)(未示出) 设在底层14和硅衬底之间。在上述配置中，存储层17的铁磁性层由Co-Fe的二元合金形成，并且铁磁性层的膜厚度被固定为2. Onm。使用DC磁控管溅射法形成除由氧化镁膜形成的中间层16之外的各个层。使用RF磁控管溅射法形成由氧化镁(MgO)膜形成的中间层16。此外，在形成存储元件3的每一层后，在磁场热处理炉中执行加热处理。接下来，通过光刻法对字线部分掩模后，通过Ar等离子体对字线部分之外的层压膜进行选择性蚀刻，从而形成字线(下电极)。此时，在衬底上将字线之外的部分蚀刻至5nm 的深度。
然后，通过电子束绘图装置形成存储元件3的图案的掩模，对层压膜进行选择性蚀刻，从而形成存储元件3。将存储元件3之外的部分蚀刻至直接位于Cu层上的字线部分。此外，在用于特性评估的存储设备中，需要使足够的电流流向存储元件以产生磁化反转所需的自旋矩，从而需要抑制隧道绝缘层的电阻值。因此，将存储元件3的图案设置为短轴为0.9 μ mX长轴为0. 18 μ m的椭圆形，并将存储元件3的面积电阻值(Ω μ m2)设置为 20 Ω μπι2。接下来，通过将Al2O3溅射至厚度基本为IOOnm而使存储元件3之外的部分绝缘。随后，通过使用光刻法形成用作上电极的位线和测量垫(measurementpad)。以这种方式，制造了存储元件3的样品。通过上述制造方法，在存储元件3中改变存储层17的铁磁性层的Co-Fe合金的组成，制造存储元件3的各个样品。在Co-Fe合金的组成中，CoFe中Co的Co组成比，也就是，x(原子％ )被改变为 90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%和 0%。对于按照上述方式制造的各个存储元件3的样品，可按下述方式进行特性评估。在测量之前，将磁场从外侧施加至存储元件3以控制反转电流，从而正方向上的值和负方向上的值彼此对称。此外，在不击穿绝缘层(中间层16)的范围内将应用于存储元件3的电压设至IV。饱和磁化量的测量通过使用振动样品磁力计进行VSM测量以测量饱和磁化量Ms。有效反磁场的测量作为用于测量有效反磁场的样品，除了存储元件3的上述样品，还制造形成有构成存储元件3的各层的样品，然后将样品加工为具有20mmX20mm平方的平面图案。此外，通过FMR(铁磁化共振)测量获得有效反磁场的大小Meffe。tive。通过以下公式(3)给出对于任意外部磁场Hex的共振频率fFMK(通过FMR测量得到)。
权利要求
1.一种存储元件，包括存储层，通过磁性材料的磁化状态保持信息；磁化固定层，具有作为存储在所述存储层中的信息的基准的磁化；以及中间层，由非磁性材料形成并设在所述存储层和所述磁化固定层之间， 其中，利用根据在具有所述存储层、所述中间层和所述磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流产生的自旋矩磁化反转，对所述存储层的磁化进行反转来执行信息的存储，所述存储层包括含有Fe和Co中至少一种的合金区域，并且所述存储层在其磁化反转期间接收的有效反磁场的大小小于所述存储层的饱和磁化量。
2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，构成所述存储层的铁磁性材料包括Co-Fe合金。
3.根据权利要求2所述的存储元件，其中，所述存储层由C0xFe1(l(l_x表示的合金形成，并且易磁化轴方向垂直于膜表面， 这里，χ为原子％，并且O彡40。
4.根据权利要求2所述的存储元件，其中，所述存储层由(Co/e.JyMh表示的合金形成，并且易磁化轴方向垂直于膜表这里，M是不同于Fe和Co的元素，χ和y为原子％，0 ^ χ ^ 40,并且O < y < 100。
5. 一种存储设备，包括存储元件，通过磁性材料的磁化状态保持信息；以及两种配线，彼此交叉，其中，所述存储元件包括通过磁性材料的磁化状态保持信息的存储层、具有作为存储在所述存储层中的信息的基准的磁化的磁化固定层以及由非磁性材料形成并设置在所述存储层和所述磁化固定层之间的中间层，利用根据在具有所述存储层、所述中间层和所述磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流产生的自旋矩磁化反转，对存储层的磁化进行反转来执行信息的存储， 所述存储层包括含有Fe和Co中至少一种的合金区域，所述存储层在其磁化反转期间接收的有效反磁场的大小小于所述存储层的饱和磁化量，所述存储元件设置在所述两种配线之间，并且电流通过所述两种配线在所述层压方向上流向所述存储元件，由此，产生自旋矩磁化反转。
全文摘要
本发明公开了存储元件和存储设备。该存储元件包括存储层，通过磁性材料的磁化状态保持信息；磁化固定层，具有作为存储在存储层中信息的基准的磁化；以及中间层，由非磁性材料形成并设在存储层和磁化固定层之间。利用根据在具有存储层、中间层和磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流产生的自旋矩磁化反转对存储层的磁化进行反转以执行信息存储，存储层包括含有Fe和Co中至少一种的合金区域，以及存储层在其磁化反转期间接收的有效反磁场的大小小于存储层的饱和磁化量。
文档编号G11C16/06GK102385923SQ20111024977
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月26日 优先权日2010年9月2日
发明者内田裕行, 别所和宏, 大森广之, 山根一阳, 细见政功, 肥后丰 申请人:索尼公司