专利名称：存储元件和存储装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种存储元件，其包括存储铁磁层的磁化状态作为信息的存储层以及磁化方向被固定的磁化固定层，并且通过通电流来改变存储层的磁化方向；本发明还涉及一种具有该存储元件的存储装置。
背景技术：
在诸如计算机等的信息装置中，高速运行的高密度DRAM已被广泛地用作随机存储器。然而，DRAM是一种易失性存储器，掉电时，其中的信息被擦除，因此，期望一种信息不会被擦除的非易失性存储器。此外，通过磁性材料的磁化来记录信息的磁性随机存储器(MRAM)作为一种备选的非易失性存储器引起了人们的关注，并因此得到了发展。MRAM使得电流分别流过两种基本上互相垂直的地址配线(字线和位线)，并且通过利用由每条地址配线产生的电流磁场，将存储装置的位于地址配线的交叉部处的磁性存储元件的磁性层的磁化方向反转，从而进行信息记录。图9示出了一般的MRAM的示意图(透视图)。构成用于选择各存储单元的选择晶体管的漏区108、源区107和栅电极101分别形成于诸如硅基体的半导体基体110上的元件分离层102所分离的部分中。另外，沿着图中前后方向延伸的字线105设置在栅电极101的上侧。漏区108被形成为图中左、右选择晶体管所共用，且配线109连接到漏区108。此外，磁性存储元件103设置在字线105和位线106之间，位线106设置在字线 105上侧，且在左右方向上延伸，每个磁性存储元件103都具有磁化方向反转的存储层。例如，这些磁性存储元件103由磁性隧道结元件(MTJ元件)构造而成。另外，磁性存储元件103通过水平旁路线111和垂直接触层104电连接到源区 107。当使电流流过字线105和位线106时，电流磁场被施加到磁性存储元件103上，从而磁性存储元件103的存储层的磁化方向被反转，因此可以进行信息记录。此外，对于诸如MRAM的磁存储器，为了稳定的保持所记录的信息，记录信息的磁性层(存储层)需要具有恒定的矫顽力。另一方面，为了改写所记录的信息，需要使一定量的电流流过地址配线。然而，随着组成MRAM的元件的尺寸小型化，地址配线变得很细，难以流过足够的电流。因此，作为一种在相对小的电流下能够实现磁化方向反转的构造，具有采用自旋注入而磁化反转的构造的存储器已引起关注(例如，参考日本未审查专利申请公开第 2003-17782号和第2008-227388号；以及美国专利第6256223号的说明书；Phys. Rev. B, 54，9353 (1996)；以及 J. Magn. Mat.，159，Ll (1996))。
自旋注入磁化反转意味着穿过磁性材料的自旋极化电子被注入至其他磁性材料， 从而在其他磁性材料中引起磁化反转。例如，当使电流沿着垂直于膜表面的方向流到巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)时，该元件的至少部分磁性层的磁化方向可被反转。此外，自旋注入磁化反转的优点在于，即使当元件变得很微小时，也可在不增加电流的情况下实现磁化反转。具有采用上述自旋注入磁化反转构造的存储装置的示意图如图10和图11所示。 图10示出了透视图，图11示出了横截面图。在诸如硅基体的半导体基体60上、由元件隔离层52隔离的部分中，分别形成组成选择晶体管的漏区58、源区57和栅电极51，选择晶体管用于选择每个存储单元。其中，栅电极51也作为沿着图10中前后方向延伸的字线。漏区58被形成为图10中的左、右选择晶体管共用，并且配线59连接到漏区58。具有磁化方向通过自旋注入被反转的存储层的存储元件53被设置在源区57和位线56之间，位线56设置在源区57的上侧，且沿着图10中的左右方向延伸。该存储元件53例如由磁隧道结元件(MTJ)构造而成。该存储元件53具有两个磁性层61和62，在这两个磁性层61和62中，一侧的磁性层被设定为磁化方向固定的磁化固定层，并且另一侧的磁性层被设定为磁化方向可变的磁化自由层，即存储层。另外，存储元件53通过上、下接触层M分别连接到每条位线56和源区57。以这种方式，当使电流流到存储元件53时，可通过自旋注入来反转存储层的磁化方向。在存储装置具有采用自旋注入磁化反转的构造的情况下，可使得装置的结构与图 9中所示通常的MRAM相比更为简单，从而其具有使高密度化成为可能的特性。此外，当采用自旋注入磁化反转时，与通过外部磁场进行磁化反转的普通MRAM相比，具有的优势在于即使元件的小型化继续推进，写入电流也不会增加。
发明内容
然而，在MRAM的情况下，与存储元件分离地设置写配线(字线和位线)，并且利用使电流流经写配线所产生的电流磁场来进行信息的写入(记录)。因此，可使写入所需的足量电流流经写配线。另一方面，在具有采用自旋注入磁化反转构造的存储装置中，需要通过利用流经存储元件的电流进行自旋注入来反转存储层的磁化方向。由于信息的写入(记录)是通过如上所述直接将电流流经存储元件来进行的，所以通过将存储元件连接到选择晶体管以选择进行写入的存储单元来构造存储单元。在这种情况下，流经存储元件的电流被限制到能够流经选择晶体管的电流大小(选择晶体管的饱和电流)。因此，需要用等于或小于选择晶体管饱和电流的电流来进行写入，并且因此需要通过提高自旋注入的效率来减小流经存储元件的电流。另外，为了提高读出信号的强度，需要确保大的磁阻改变率，且为了实现此目的， 采用将与存储层的两侧接触的中间层设定为隧道绝缘层(隧道势垒层)的构造是有效的。以这种方式，在隧道绝缘层用作中间层的情况下，流经存储元件的电流量被限制至避免隧道绝缘层的绝缘击穿的程度。从这个观点出发，也需要在自旋注入时限制电流。由于该电流值正比于存储层的膜厚，且正比于存储层的饱和磁化的平方。调整这些参数(膜厚和饱和磁化)以降低该电流值可能是有效的(例如，参考F. J.Albert et al., Appl. Phy. Lett.，77，3809 (2000))。例如，在F. J. Albert et al.，Appl. Phy. Lett. ,77,3809(2000)中，公开了以下事实当记录材料的磁化量(Ms)降低时，电流值减小。然而，另一方面，如果没有存储被电流写入的信息，就不会实现非易失性存储。艮口， 需要确保抵抗存储层热波动的稳定性(热稳定性)。在采用自旋注入磁化反转的存储元件的情况下，由于存储层的体积变小，与现有技术中的MRAM相比，简单地认为热稳定性趋于降低。当不能确保存储层的热稳定性时，已反转的磁化方向将被热量再次反转，从而导致写入错误。另外，在推进采用自旋注入磁化反转的高容量存储元件的情况下，存储元件的体积变得越来越小，从而使得确保热稳定性成为一个重要的问题。因此，对于采用自旋注入磁化反转的存储元件，热稳定性是一个非常重要的特性。
因此，为了实现一种具有通过自旋注入来反转存储层的磁化方向的构造的存储元件作为存储器，需要将自旋注入磁化反转所需的电流减小到等于或小于晶体管的饱和电流的值，以确保可靠地保持所写入的信息的热稳定性。如上所述，为了减小自旋注入磁化反转所需的电流，可以考虑减少存储层的饱和磁化量Ms，或者让存储层变薄。例如，如美国专利第7242045号中的例子，采用具有小饱和磁化量Ms的材料作为用于存储层的材料是有效的。然而，以这种方式，在简单地采用具有小饱和磁化量Ms的材料的情况下，难以确保可靠地保持信息的热稳定性。因此，在本发明中，期望提供一种在降低写入电流的同时能够提高热稳定性的存储元件，以及具有该存储元件的存储装置。根据本发明的实施方式，提供了一种存储元件，包括存储层，具有垂直于膜表面的磁化，且其磁化方向相应于信息而变化；磁化固定层，具有垂直于膜表面并且成为存储在存储层中的信息的基准的磁化；绝缘层，设置在该存储层和该磁化固定层之间，并由非磁性材料形成。在具有存储层、绝缘层和磁化固定层的层结构的层叠方向上注入自旋极化的电子，从而存储层的磁化方向发生变化，并且关于存储层进行信息的记录。存储层所接收的有效反磁场(effective diamagnetic field)的大小小于存储层的饱和磁化量。此外，Ta膜以接触磁化固定层的与绝缘层侧相对的面的方式形成。此外，存储层可包括Co-Fe-B。根据本发明的另一实施方式，提供了一种包括存储元件的存储装置，该存储元件通过磁性材料的磁化状态来保持信息，且两种配线彼此交叉，其中，存储元件具有根据本发明实施方式的上述存储元件的构造，该存储元件设置在两种配线之间，电流通过两种配线沿着层叠方向流入存储元件，从而将自旋极化电子注入到存储元件中。根据本发明实施方式的存储元件的构造，设置了通过磁性材料的磁化状态保持信息的存储层，在该存储层上方通过中间层设置磁化固定层，该中间层由绝缘材料形成，沿着层叠方向注入自旋极化电子，从而存储层的磁化方向被改变，并且关于存储层进行信息记录，因此可通过在层叠方向上流过电流并且通过注入自旋极化电子来进行信息记录。此外，存储层接收的有效反磁场的大小小于存储层的饱和磁化量，从而使得存储层接收的反磁场降低，因此可减小反转存储层的磁化方向所需的写入电流量。另一方面，即使在存储层的饱和磁化量未减小时也可减小写入电流量，从而使得存储层的饱和磁化量变得足够，可充分地确保存储层的热稳定性。此外，Ta膜以接触磁化固定层的与绝缘层侧相对的面的方式形成，例如，作为底层，使得该配置适于确保存储层的垂直磁化，并且能够提高存储元件的热稳定性。此外，根据本发明实施方式的存储装置的构造，存储元件设置在两种配线之间，电流通过两种配线在层叠方向上流入存储元件，从而将自旋极化电子注入至存储元件。因此， 可通过在存储元件的层叠方向上通过两种配线流过电流来自旋注入，以进行信息记录。此外，即使在饱和磁化量未减少时，也可减小存储元件的写入电流量，从而可稳定地保持记录在存储元件中的信息，并可降低存储装置的功耗。根据本发明的实施方式，即使当存储层的饱和磁化量未减少时，存储元件的写入电流量也可减小，从而充分地确保代表信息保持能力的热稳定性，并且可构造性能平衡优良的存储元件。具体地，Ta膜以接触磁化固定层的与绝缘层侧相对的面的方式形成，使得这种配置对于确保存储层的垂直磁化和提高存储元件热稳定性具有优势。因此，可实现以高可靠性稳定操作的存储装置。此外，写入电流减小，从而可降低执行存储元件的写入期间的功耗。因此，可降低整个存储装置的功耗。
图1是示出根据本发明的实施方式的存储装置的示意性构造的说明图；图2是示出根据该实施方式的存储元件的截面图；图3是示出尺寸为0. 09 μ mXO. 18 μ m的存储层的Co含量与反转电流密度之间的关系的图；图4是示出尺寸为0. 09 ymXO. 18 μ m的存储层的Co含量与热稳定性指标之间的关系的图；图5是示出尺寸为50ηπιΦ的存储层的Co含量与热稳定性指标之间的关系的图；图6Α至图6C是说明根据实施方式的实验5的样品的层结构的图；图7Α至图7C是说明根据实施方式的实验5的测试结果的图；图8Α至图8C是说明根据实施方式的实验6的样品的层结构的图；图9是示意性示出现有技术中的MRAM构造的透视图；图10是示出采用自旋注入磁化反转的存储装置的构造的说明图；以及图11是图10的存储装置的截面图。
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况
2.实施方式的构造3.实验1.实施方式的存储元件的概况首先，将描述根据本发明实施方式的存储元件的概况。根据本发明的实施方式，通过上述自旋注入来反转存储元件的存储层的磁化方向，以进行信息记录。存储层由诸如铁磁层的磁性材料形成，且通过磁性材料的磁化状态(磁化方向)
来保持信息。具有层结构的存储元件的示例如图2所示(稍后将详述)，其包括作为两个磁性层的存储层17和磁化固定层15，以及作为中间层设置在两个磁性层之间的绝缘层16(隧道绝缘层)。存储层17具有垂直于膜表面的磁化，且磁化方向相应于信息而变化。磁化固定层15具有作为存储于存储层17中的信息的基准且垂直于膜表面的磁化。绝缘层16由非磁性材料形成，且设置在存储层17和磁化固定层15之间。在本实施方式中，绝缘层16由氧化膜形成，例如MgO (氧化镁)。在具有存储层17、绝缘层16和磁化固定层15的层叠结构的层叠方向上注入自旋极化电子，存储层17的磁化方向被改变，从而信息被记录在存储层17中。覆层18形成于存储层17的上方。此外，底层14形成于磁化固定层15的下方。在本实施方式中，底层14的至少一个与磁化固定层15接触的面由Ta膜形成。通过自旋注入来反转磁性层(存储层17)的磁化方向的基本操作是使阈值以上的电流在垂直于膜表面的方向上流经存储元件，存储元件包括巨磁阻效应元件(GMR元件)或隧道磁阻效应元件(MTJ元件)。此时，电流的极性(方向)取决于反转的磁化方向。在使绝对值小于阈值的电流流过的情况下，不发生磁化反转。当磁性层的磁化方向通过自旋注入被反转时所需的电流的阈值Ic由以下等式 ⑴表示Ic = A · α · Ms · V · Hd/2 η(1)此处，A是常数，α是自旋制动常数，η为自旋注入效率，Ms是饱和磁化量，V是存储层体积，以及Hd是有效反磁场。如等式(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和自旋制动常数α，可将电流的阈值设定为任意值。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性层(存储层 17)，和磁化方向固定的磁化固定层15。存储元件需要保持写入的信息，从而具有存储器的功能。这由作为信息保持能力的指标的热稳定性指标Δ ( = KV/kBT)的值来确定。上述Δ由以下等式(2)表示Δ = KV/kBT = Ms · V · Hk · (l/2kBT)(2)此处，Hk是有效各向异性场，kB是玻尔兹曼常数，T是温度，Ms是饱和磁化量，V是存储层的体积。有效的各向异性场Hk通过形状磁各向异性、诱导磁各向异性和晶体磁各向异性等获得效果，且当假设单磁畴的一致性转动模型(coherent rotation model)时，有效各向异性场变得与矫顽力相同。热稳定性指标△和电流的阈值Ic通常是抵消关系，因此，这些参数的兼容性成为维持存储特性所面临的一个问题。对于改变磁性层17的磁化状态的电流阈值，实际上，例如在存储层17的厚度是 2nm、并且平面图案是IOOnmX 150nm的大致椭圆形状的TMR元件中，正侧阈值Ic是+0. 5mA, 负侧阈值-Ic是-0. 3mA，此时的电流密度基本上是3. 5X106A/cm2。这些参数基本上与上述等式⑴相吻合。相反地，在利用电流磁场进行磁化反转的普通MRAM中，需要有几mA或更多的写入电流。因此，在通过自旋注入进行磁化反转的情况下，上述写入电流的阈值变得充分地小，使得对于降低集成电路的功耗是有效的。另外，对于普通MRAM所必需的用于产生电流磁场的配线(图9中的配线105)并不是必需的，因此，与普通MRAM相比，在集成度方面具有优势。在通过自旋注入进行磁化反转的情况下，由于通过直接将电流流经存储元件来进行信息的写入(记录)，为了选择进行写入的存储单元，存储元件被连接至选择晶体管以形成存储单元。在这种情况下，流经存储元件的电流被限制在能够流过选择晶体管的电流的大小 (选择晶体管的饱和电流)。为了使自旋注入磁化反转的电流阈值Ic小于选择晶体管的饱和电流，从等式⑴ 可以看出，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的情况(例如，美国专利第7M2045号)下，存储层17的热稳定性被严重破坏，从而难以实现存储单元的存储器功能。为了构造存储器，需要使热稳定性指标△等于或大于预定程度的大小。本发明的发明人进行了各种研究，作为研究的结果，他们发现当选择例如Co-Fe-B 的组合物作为形成存储层17的铁磁层时，存储层17所接收的有效反磁场(Mrfferttire)的大小变得小于存储层17的饱和磁化量Ms。通过采用上述的铁磁性材料，存储层17所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。以这种方式，可使存储层17所接收的反磁场变小，因此可获得在等式( 所表示的热稳定性△未劣化的情况下减小等式(1)所表示的电流阈值Ic的效果。此外，本发明的发明人发现，在所选择的Co-Fe-B组合物的受限组分范围内， Co-Fe-B沿着垂直于膜表面的方向磁化，且由于这个原因，即使在能够实现( 级容量的非常微小的存储元件的情况下，也可确保足够的热稳定性。因此，对于( 级自旋注入型存储器，可形成稳定的存储，其中，在确保热稳定性的状态下，可以以低电流写入信息。在该实施方式中，构造为使得存储层17所接收的有效反磁场的大小小于存储层 17的饱和磁化量Ms，S卩，有效反磁场的大小与存储层17的饱和磁化量Ms的比例变得小于 1。
此外，考虑到选择晶体管的饱和电流值，通过使用由绝缘材料形成的隧道绝缘层 (绝缘层16)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来构造磁性隧道结(MTJ)元件。通过使用隧道绝缘层来构造磁性隧道结(MTJ)元件，从而可使磁阻变化率(MR比率)与采用非磁性导电层构造巨磁阻效应(GMR)元件的情况相比更大，因此可增大读出信号的强度。具体地，当氧化镁(MgO)用作隧道绝缘层16的材料时，可使磁阻变化率(MR比率) 与使用通常所使用的氧化铝的情况相比更大。此外，一般而言，自旋注入效率取决于MR比率，MR比率越大，自旋注入效率提高得越多，因此可减小磁化反转电流密度。因此，当采用氧化镁作为隧道绝缘层16的材料并且采用存储层17时，可减小自旋注入的阈值写入电流，因此可用小电流来执行信息的写入(记录)。此外，可提高读出信号强度。以这种方式，可通过确保MR比率(TMR比率)来减小自旋注入的阈值写入电流，且可用小电流来执行信息的写入(记录)。此外，可提高读出信号强度。如上所述，在隧道绝缘膜16由氧化镁(MgO)膜形成的情况下，期望MgO膜结晶化， 且晶体取向保持在(001)方向。此外，在本实施方式中，除了氧化镁所形成的构造之外，作为中间层而被设置在存储层17和磁化固定层15之间的隧道绝缘层16例如还可以通过使用诸如氧化铝、氮化铝、 Si02、Bi203、MgF2、CaF、SrTi02、AlLa03和Al-N-O等的各种绝缘材料、介电材料和半导体来构造。考虑到获得通过自旋注入来反转存储层17的磁化方向所需的电流密度的观点， 隧道绝缘层16的面积电阻值需要被控制在几十Ω μ m2以下。在由MgO膜形成的隧道绝缘层16中，为了将面积电阻值维持在上述范围之内，需要将MgO膜的膜厚设定为1. 5nm以下。此外，期望将存储元件的尺寸变小，以便于用小电流来反转存储层17的磁化方向。因此，优选存储元件的面积被设定为0. 01 μ m2以下。此外，在本实施方式中，可通过直接层叠另一具有不同组分的铁磁层来形成存储层17。另外，可以层叠铁磁层和软磁层，或者可通过将软磁层或非磁性层插入其间来层叠多个铁磁层。即使在以这种方式层叠的情况下，也能获得本发明的效果。具体地，在通过非磁性层层叠多个铁磁层来构造存储层17的情况下，可调整铁磁层之间的相互作用强度，从而即使当存储元件的尺寸在亚微米级以下时，也能获得将磁化反转电流控制为不大的效果。在这种情况下，可使用Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、 B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb或其合金作为非磁性层的材料。期望磁化固定层15和存储层17具有单向各向异性，另外，优选磁化固定层15和存储层17各自的膜厚均为0. 5nm至30nm。存储元件的其他构造可与现有技术中通过自旋注入来记录信息的存储元件的构造相同。
可以以仅通过铁磁层或通过使用反铁磁层和铁磁层的反铁磁性组合来固定磁化方向的方式来构造磁化固定层15。此外，也可通过单层的铁磁层、或通过非磁性层层叠多个铁磁层的铁销式 (ferri-pin)结构来构造磁化固定层15。可使用Co、CoFe, CoFeB等作为组成层叠式铁销式结构的磁化固定层15的铁磁层的材料。此外，可使用Ru、Re、Ir、Os等作为非磁性层的材料。诸如!^eMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO和!^e2O3的磁性材料可作为反铁磁层的材料的实例。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的非磁性元素添加到上述磁性材料中来调整磁特性，或者除此之外，也可调整各种物理性能，如晶体结构、晶体特性(crystalline property)、物质稳定性等。此外，对于存储元件的膜构造，存储层17可设置在磁化固定层15的下侧或其上侧，不论在任何位置，均完全不会存在问题。另外，磁化固定层15被设置在存储层17的上侧和下侧(即，所谓的双结构)的情形也完全没有问题。此外，作为将存储元件的存储层17中记录的信息读出的方法，作为信息的基准的磁性层通过薄绝缘膜而被设置在存储元件的存储层17上，可通过铁磁隧道电流流过绝缘层16来执行信息的读出，或者通过磁阻效应来执行信息的读出。此外，在本实施方式中，底层14中的Ta膜与磁化固定层15接触。该配置适于确保存储层17的垂直磁化，并提高存储元件的热稳定性。2.实施方式的构造以下将描述本发明的此实施方式的具体构造。作为本发明的实施方式，图1示出了存储装置的示意性构造图(透视图)。该存储装置包括可在磁化状态下保持信息的存储元件3，其设置在彼此垂直的两种地址配线(例如，字线和位线)的交叉点附近。具体而言，组成用于选择每个存储单元的选择晶体管的漏区8、源区7和栅电极1 分别形成在由诸如硅基体的半导体基体10的元件分离层2所分隔的部分中。其中，栅电极 1还用作沿着图中前后方向延伸的一方的地址配线(例如字线)。漏区8被形成为图中的左、右选择晶体管共用，且配线9连接到漏区8。存储元件3被设置在源区7和另一方的地址配线(例如位线)6之间，另一方的地址配线6被设置在上侧且沿着图中的左右方向延伸。该存储元件3具有包括铁磁层的存储层，该铁磁层的磁化方向通过自旋注入而被反转。此外，存储元件3被设置在两种地址配线1和6的交叉点附近。存储元件3通过上下接触层4分别连接到位线6和源区7。以这种方式，电流通过两种地址配线1和6在其垂直方向上流入存储元件3，并且存储层的磁化方向可通过自旋注入而被反转。此外，图2示出了根据本实施方式的存储装置的存储元件3的截面图。在存储元件3中，从底层一侧按顺序层叠底层14、磁化固定层15、绝缘层16、存储层17和覆层18。在这种情况下，磁化固定层15被设置在相对于存储层17的下层处，在存储层17中，磁化M17的磁化方向通过自旋注入而被反转。对于自旋注入型存储器，信息“0”和“1”由存储层17的磁化M17与磁化固定层15 的磁化M15之间的相对角来定义。作为隧道势垒层(隧道绝缘层)的绝缘层16被设置在存储层17和磁化固定层15 之间，因此，MTJ元件由存储层17和磁化固定层15来构造。此外，底层14形成在磁化固定层15下方，并且覆层18形成在存储层17上。存储层17由具有磁矩的铁磁材料形成，其中，磁化M17的方向在垂直于膜表面的方向上自由变化。磁化固定层15由具有磁矩的铁磁材料形成，其中，磁化M15被固定在垂直于膜表面的方向上。通过具有单向各向异性的存储层17的磁化方向来执行信息的存储。通过在垂直于膜表面的方向上施加电流并且通过使自旋力矩磁化反转来执行信息的写入。以这种方式，磁化固定层15被设置在关于存储层17的下层处，在存储层17中，磁化方向通过自旋注入来反转，并且磁化固定层15用作存储层17的存储信息(磁化方向)的基准。在此实施方式中，Co-Fe-B被用于存储层17和磁化固定层15。磁化固定层15用作信息的基准，因此磁化方向需要不发生变化，但不一定需要固定在特定方向上。磁化固定层15可以如下方式构造，S卩，通过相比于存储层17加大矫顽力、 增加膜厚或增大阻尼常数，从而使得移动(migration)比在存储层17中困难。在固定磁化的情况下，诸如PtMn和IrMn的反铁磁材料可与磁化固定层15接触， 或者与这种反铁磁材料接触的磁性材料可通过诸如Ru的非磁性材料进行磁性组合，从而使得磁化固定层15被间接固定。在该实施方式中，具体地，调节存储元件3的存储层17的组分，使得存储层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。S卩，选择存储层17的铁磁材料Co-Fe-B的组分，使得存储层17所接收的有效反磁场的大小变小，从而使得有效反磁场的大小变得小于存储层17的饱和磁化量Ms。此外，在该实施方式中，在作为中间层的绝缘层16由氧化镁(MgO)层形成的情况下，可使得磁阻变化率(MR比率)高。当MR比率如上所述为高时，自旋注入效率得到提高，因此可以减小反转存储层17 的磁化M17的方向所需的电流密度。在本实施方式中，底层14的至少一个与磁化固定层15接触的界面由Ta膜形成。可通过在真空设备中连续地形成从底层14到覆层18，然后通过诸如顺序蚀刻的处理来形成存储元件3的图案，以制造本实施方式的存储元件3。根据上述实施方式，存储元件3的存储层17以以下方式构造，即，存储层17所接收的有效反磁场的大小小于存储层17的饱和磁化量Ms，从而使得存储层17所接收的反磁场降低，从而可减小反转存储层17的磁化M17的方向所需的写入电流量。另一方面，由于即使当存储层17的饱和磁化量Ms没有减小时，也可减小写入电流量，因此可充分地确保存储层17的饱和磁化量，从而可以充分地确保存储层17的热稳定性。此外，底层14的至少一个与磁化固定层15接触的界面由Ta膜形成，使得对于存储层17的垂直磁化和热稳定性具有优势。
这被认为是由于磁化固定层15的( 中的B(硼)被底层14的Ta膜吸附，因此， ( 的取向被加强至有利于垂直磁化的(001)方向，其结果是，由于磁化固定层15的影响， 包括被设置在层叠膜中的上侧的存储层17的整个层叠膜的取向指向(001)方向。如上所述，由于可以充分地确保作为信息保持能力的热稳定性，因此可构造特性平衡优良的存储元件3。以这种方式，消除了操作误差，并充分地获得了存储元件3的操作容限，从而可稳定地操作存储元件3。因此，可实现以高可靠性稳定操作的存储器。此外，写入电流被减小，从而可降低在执行存储元件3的写入时的功耗。因此，可降低其存储单元由本实施方式的存储元件3构造的整个存储装置的功耗。因此，存储元件3能够实现信息保持能力优良、可靠性高且操作稳定的存储装置， 对于包含存储元件3的存储装置，可降低包含该存储元件的存储装置的功耗。此外，包括图2所示的存储元件3且具有图1所示构造的存储装置的优点在于在制造存储装置时可以应用普通的半导体MOS形成工艺。因此，可将本实施方式的存储装置用作通用存储器。3.实验此处，对于本实施方式的存储元件的构造，通过具体地选择组成存储层17的铁磁层的材料，存储层17所接收的有效反磁场的大小被调节，从而制造了存储元件3的样品，然后检验其特性。在实际的存储装置中，如图1所示，除存储元件3之外，还有用于切换的半导体电路等，但此处出于研究存储层17的磁化反转特性的目的，在其中仅形成存储元件的晶片上进行实验。此外，在下述实验1至4中，对以下构造进行了研究，在该构造中，通过选择铁磁材料的组分(即，存储层17的Co-Fe-Β)，使得存储层17所接收的有效反磁场的大小变小，从而使得存储层17所接收的有效反磁场的大小小于存储层的饱和磁化量。此外，在实验5和6中，对底层14的Ta膜与磁化固定层15接触的构造进行研究。实验1在厚度为0. 725mm的硅基体上形成厚度为300nm的热氧化膜，在热氧化膜上形成具有图2所示构造的存储元件3。具体而言，对于图2所示的存储元件3，每一层的材料和膜厚按照如下所述来选择。底层14 :膜厚为IOnm的Ta膜和膜厚为25nm的Ru膜的层叠膜；磁化固定层15 膜厚为2. 5nm的CoFeB膜；隧道绝缘层16 膜厚为0. 9nm的氧化镁膜；存储层17 与磁化固定层组分相同的CoFeB膜；覆层18 :膜厚为3nm的Ta膜、膜厚为3nm的Ru膜和膜厚为3nm的Ta膜的层叠膜；如上所述选择每一层，在底层14和硅基体之间设置膜厚为100nm(用作下述的字线)的Cu膜(未示出)。在上述构造中，存储层17的铁磁层由三元合金Co-Fe-B形成，铁磁层的膜厚固定在 2. Onm0除了由氧化镁膜形成的绝缘层16，其他各层均使用DC磁控溅射法形成。由氧化镁(MgO)膜形成的绝缘层16使用RF磁控溅射法形成。此外，在形成存储元件3的每一层之后，在磁场热处理炉内对其进行热处理。接着，通过光刻对字线部分进行掩膜处理后，关于字线部分之外的层叠膜执行Ar 等离子体选择性蚀刻，从而形成字线(下电极)。此时，字线之外的部分被蚀刻至基体中5nm的深度。然后，通过电子束描绘设备形成存储元件3的图案的掩模，关于层叠膜执行选择性蚀刻，从而形成存储元件3。存储元件3以外的部分被蚀刻至字线的Cu层正上的部分。此外，在用于特性评价的存储元件中，需要使足够的电流流到存储元件以产生磁化反转所需的自旋力矩，因此需要抑制隧道绝缘层的电阻值。因此，存储元件3的图案被设定为短轴为0. 09μπκ长轴为0. 18μπι的椭圆形状，存储元件3的面积电阻值(Ω μ m2)被设定为 20 Ω μπι2。接下来，通过溅射厚度基本上为IOOnm的Al2O3来使存储元件3以外的部分绝缘。然后，使用光刻技术形成用作上电极的位线以及测试垫(measurement pad)。以这种方式，制造了存储元件3的样品。通过上述制造方法，制造存储元件3的各样品，其中，存储层17的铁磁层的 Co-Fe-B组分发生变化。在Co-Fe-B合金的组分中，( 和B的组分比固定在80 20,CoFe中Co的组分比，即 x(原子％ )变为 90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%和 0%o对于如上所述制造的存储元件3的各样品，以如下所述的方法进行特性评估。在测量之前，配置为从外部将磁场施加至存储元件3，从而以正向值和负向值彼此对称的方式控制反转电流。此外，施加至存储元件3的电压在没有击穿绝缘层16的范围之内被设定为直到 IV。饱和磁化量的测量利用样品振动型磁力计(Vibrating Sample Magnetometer)通过VSM测量来测量饱和磁化量Ms。有效反磁场的测量作为用于测量有效反磁场的样品，除了上述存储元件3的样品之外，制造形成有构成存储元件3的各层的样品，然后处理该样品使其具有20mmX20mm的方形平面图案。此外，通过FMR(铁磁谐振)测量来获取有效反磁场的大小Meffe。tive。以下等式( 给出了关于任意外磁场Hex，通过FMR测量所获取的谐振频率fFMK。f FMR = ^V 4 Λ" M effective (HK+Hex)⑶此处，等式(3)中的Meffective可由4 π Meffective = 4 Ji Ms-H ± (H ±为垂直于膜表面的方向上的各向异性场)表示。反转电流值和热稳定性测量为了评价根据本实施方式的存储元件3的写入特性测量反转电流值。
使脉宽为ΙΟμπι至IOOms的电流流入存储元件3，然后测量存储元件3的电阻值。此外，改变流入存储元件3的电流量，然后获得反转存储元件3的存储层17的磁化Μ17的方向的电流值。通过将该电流值对脉宽的依赖关系外推到Ins的脉宽而获得的电流值被设定为反转电流值。此外，该反转电流值对脉宽的依赖关系的倾角对应于存储元件3的热稳定性的上述指标△。由脉宽改变的反转电流值越小(倾角小)，存储元件3抗热干扰能力越强。另外，制造具有相同构造的20个存储元件3，考虑存储元件3本身的差异，进行上述测量，以获得反转电流值的平均值和热稳定性指标Δ。此外，根据通过测量获得的反转电流值的平均值以及存储元件3的平面图案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中示出了存储层17的Co-Fe-B合金组分、饱和磁化量Ms和有效反磁场的大小Mrffertive的测量结果、以及有效反磁场与饱和磁化量的比 Meffective/Mso此处，表1中所示的存储层17的Co_Fe-B合金中的Co的含量用原子百分比来表不。表权利要求
1.一种存储元件，包括存储层，具有垂直于膜表面的磁化，并且其磁化方向相应于信息而变化； 磁化固定层，具有垂直于所述膜表面并且成为存储在所述存储层中的信息的基准的磁化；以及绝缘层，设置在所述存储层和所述磁化固定层之间，并由非磁性材料形成； 其中，在具有所述存储层、所述绝缘层和所述磁化固定层的层结构的层叠方向上注入自旋极化的电子，从而所述存储层的磁化方向发生变化，对所述存储层进行了信息记录， 所述存储层接收的有效反磁场的大小小于所述存储层的饱和磁化量，并且以接触所述磁化固定层的与所述绝缘层侧相反的面的方式形成有Ta膜。
2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述存储层包含Co-Fe-B。
3.一种存储装置，包括存储元件，通过磁性材料的磁化状态保持信息；以及彼此交叉的两种配线， 其中，所述存储元件包括存储层，具有垂直于膜表面的磁化，并且其磁化方向相应于信息而变化； 磁化固定层，具有垂直于所述膜表面并且成为存储在所述存储层中的信息的基准的磁化；以及绝缘层，设置在所述存储层和所述磁化固定层之间，并且由非磁性材料形成， 在具有所述存储层、所述绝缘层和所述磁化固定层的层结构的层叠方向上注入自旋极化的电子，从而所述存储层的磁化方向发生变化，对所述存储层进行了信息记录， 所述存储层接收的有效反磁场的大小小于所述存储层的饱和磁化量， 以接触所述磁化固定层的与所述绝缘层侧相反的面的方式形成有Ta膜， 所述存储元件被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叠方向上流入所述存储元件，从而自旋极化的电子被注入所述存储元件。
全文摘要
本发明公开了一种存储元件和存储装置，该存储元件包括存储层，具有垂直于膜表面的磁化，并且其磁化方向相应于信息而变化；磁化固定层，具有垂直于该膜表面的磁化；以及绝缘层，设置在该存储层和该磁化固定层之间，其中，沿着层结构的层叠方向注入自旋极化的电子，从而该存储层的磁化方向发生变化，对该存储层进行了信息记录，该存储层所接收的有效反磁场的大小小于该存储层的饱和磁化量，并且，以接触该磁化固定层的与该绝缘层侧相反的面的方式形成有Ta膜。
文档编号G11C11/16GK102403030SQ201110264209
公开日2012年4月4日 申请日期2011年9月7日 优先权日2010年9月14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