存储元件、存储装置和磁头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开设及包括多个磁性层并且使用自旋扭矩磁化反转（spin torque ma即etization reversal)记录数据的存储元件和存储装置。
[0002] 本公开还设及检测来自磁性记录介质的磁性信号的磁头。
[0003] 本公开包括于2012年9月28日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2012-217702所公开的主题，其全部内容通过引用结合于此。
[0004] 引用列表 [000引专利文献
[0006] ?化 1 ;JP 2003-17782A
[0007] ?化 2 ;USP 6, 256, 223 [000引？化 3 ;JP 2008-227388A
[0009] 非专利文献
[0010] NPL 1 ；Phys. Rev. B, 54, 9353 (1996)
[0011] NPL 2 ；J. Magn. Mat. , 159, LI (1996)
[001 引 NPL 3 ;Nature Materials.，5, 210(2006)
[0013] NPL 4 ；Phys. Rev. Lett. , 67, 3598 (1991)
【背景技术】
[0014] 随着从移动终端到大型服务器的各种信息设备的迅速发展，已经探索用于配置该 样的设备的类似存储器和逻辑元件的组件的更高的性能，如更高的集成度、更高的速度W 及减少电力消耗。
[0015] 具体地，在半导体非易失性存储器中已经取得显著的提升，利用瞬时存储器作为 大容量文件存储器变得越来越广泛并且取代了硬盘驱动器的位置。
[0016] 同时，还提升了非易失性半导体存储器的发展W便代替目前通常用于代码存储 器（code storage) W及用于工作存储器（working memcxry)的非瞬时存储器、DRAM等。 化RAM(铁电随机存取存储器）、MRAM(磁性随机存取存储器）W及PCRAM(相变RAM)可给 出作为该样的非易失性半导体存储器的实例。该些中的一些已被商业化。
[0017] 在该样的非易失存储器中，MRAM利用磁体的磁化（magnetization)方向存储数据 并且因此能够高速重写并且几乎无限次地重写a〇is次或更多）。MRAM已用于如工业自动 化和飞机的领域中。
[0018] 由于其高速操作和可靠性，未来极有可能使用MRAM作为代码存储器和工作存储 器。
[0019] 然而，减少电力消耗和增加容量仍然是MRAM的问题。该些是由于MRAM的记录原 理导致的本质问题，就是说，磁性使用从配线产生的电流磁场进行磁化反转的布置。
[0020] 作为解决上述问题的方法，正在研究不依赖于电流磁场的记录方法（即，磁性反 转）。与自旋扭矩磁化反转有关的研究尤其活跃（例如，参见PTL1、P化2、P化3、NPL1和 NPL2)〇
[0021] W与MRAM相同的方式，在许多情况下，使用MTJ (磁性隧道结）配置使用自旋扭矩 磁化反转的存储元件。
[0022] 该样的结构在已通过固定在特定方向上的磁性层的自旋极化电子进入自由磁性 层时，使用施加到自由磁性层（其磁化方向没有被固定）的扭矩（也被称为"自旋转移扭 矩"）在W给定的阔值W上电流的流过时自由磁性层反转。0/1的重写通过改变电流的极性 实现。
[0023] 用于该样的反转的电流的绝对量对于约0. 1毫米的大小的元件是1mA或W下。因 为该样的电流量与元件容积成比例减小，所W小型化（scaling)是可能的。另外，因为不需 要用于生成MRAM所需的记录电流磁场的字线（word line),所W还有另一优势，即电解槽 结构变得简单化。
[0024] 在下文中，使用自旋扭矩磁化反转的MRAM被称作STT-MRAM (基于自旋扭矩转移的 磁性随机存取存储器）。应注意，自旋扭矩磁化反转有时还被称作"自旋注入磁化反转（spin injection magnetization reversal)"。
[0025] 对于STT-MRAM有极大期望，其作为非易失存储器能够减少电力消耗并增加容量， 同时保持MRAM的优势，即，高速并且能够进行几乎无限次的改写。
[0026] 当MTJ构造被应用于作为STT-MRAM的存储元件的构造时，作为一个实例，使用基 底层、钉扎磁化层（pinned magnetization layer,固定磁化层）、中间层（绝缘层）、存储 层、盖帽层（cap layer)构造。
[0027] 应用MTJ构造的优点是可W确保大的磁阻变化率，该增加了读取信号。
[002引在此，因为STT-MRAM是非易失存储器，所W需要稳定地存储通过电流所写入的信 息。就是说，需要确保存储层的磁化中对于热波动的稳定性（也被称作"热稳定性"）。
[0029] 如果不能确保存储层的热稳定性，会有W下情况，即，由于热（即，运行环境中的 温度）导致反方向的磁化再反转，从而产生写入错误。
[0030] 如上所述，与现有的MRAM相比，STT-MRAM存储元件对于小型化来说是有利的，或 者换言之，具有W下优势，即可W减少存储层的体积。然而，当体积减少时，如果其他特性仍 然相同，那么会存在热稳定性下降的趋势。
[0031] 因为存储元件的体积变得显著减小，所W如果STT-MRAM的容量增加，那么保证热 稳定性是一个重要的问题。
[0032] 因此，热稳定性对于STT-MRAM中的存储元件是极度重要的特性并且需要使用即 使在减少体积时仍能确保热稳定性的设计。
[0033] 在此，重要的是，注意到了存储元件中的电流限于能够在选择晶体管（即，用于选 择存储元件的晶体管，在该存储元件中电流流出构成每个存储单元的存储元件）中流动的 电流的大小（目P，选择晶体管的饱和电流）。换言之，需要使用选择晶体管的饱和电流或低 于饱和电流的电流进行执行至存储元件的写入。
[0034] 因为已知晶体管的饱和电流随着晶体管的小型化而降低，为了使STT-MRAM能够 小型化，要求改善自旋转移的效率W便减少提供给存储元件的电流。
[0035] 同样，如果隧道绝缘层被用在中间层中作为MTJ结构，故为了防止隧道绝缘层的 介电击穿（dielectric breakdown),对于提供给存储元件的电流量有限制。换言之，从保 持存储元件的重复写入的可靠性的观点来看，同样需要抑制自旋扭矩磁化反转所需要的电 流。
[0036] W该种方式，在STT-MRAM存储元件中，要求将自旋扭矩磁化反转所需要的反转电 流减少到晶体管的饱和电流和针对作为隧道势垒（tunnel barrier)的绝缘层（中间层） 出现的击穿电流或更低。
[0037] 就是说，对于STT-MRAM存储元件，要求确保如先前描述的热稳定性并且减少反转 电流。
[003引为了实现减少反转电流和保持热稳定性两者，注意力已被聚焦在使用垂直磁化膜 作为存储层的构造上。
[0039] 已提出了例如根据NPL3,在存储层中使用如Co/Ni的多层膜的垂直磁化膜，使得 既可W减少反转电流又可W确保热稳定性。
[0040] 存在许多类型的具有垂直磁各向异性的磁性材料，如稀±-过渡金属合金（如 化Co化）、金属多层膜（如Co/Pd多层膜）、有序合金（如化Pt)、W及氧化物和磁性金属之 间的界面各向异性（interhce anisotropy)的使用（如Co/MgO)。然而，考虑到实现提供 STT-MRAM中的大的读取信号的磁阻的高变化率的隧道结构造的使用，并且同样考虑到耐热 性和容易制造，期望使用界面各向异性的材料，即，其中将包括Co或化的磁性材料层压在 Mg上作为隧道势垒的构造。
[0041] 同时，同样期望在钉扎磁化层中使用具有界面磁各向异性的垂直磁化磁性材料。 具体地，为了提供大的读取信号，希望将包括Co或化的磁性材料直接层压在MgO之下作为 隧道势垒。
[004引为了确保热稳定性，使用所谓的"层压铁磁钉扎结构（laminated ferri-pinned construction)"作为钉扎磁化层的构造。就是说，钉扎磁化层是由非磁性层和至少两个铁 磁性层组成的至少=个层的层叠结构。一般说来，层压铁磁钉扎结构将通常使用两个铁磁 性层和非磁性层（Ru)组成的层叠结构。
[0043] 通过使用层压铁磁钉扎结构作为钉扎磁化层，可W减少由于从钉扎磁化层漏出的 磁场导致的存储层上的偏离并且由此改进热稳定性。
【发明内容】
[0044] 技术问题
[0045] 在此，如上所述，对于STT-MRAM存储元件来说，重要的是改进热稳定性W减少元 件尺寸（并且依次增加存储容量）。
[0046] 确保热稳定性同样有助于存储装置的稳定运行。
[0047] 期望进一步改善STT-MRAM存储元件的热稳定性W便使存储元件的更进一步地小 型化、促进存储装置的存储容量的增加W及稳定存储装置的运行。
[0048] 问题的解决方案
[0049] 根据本技术的第一实施方式，提供一种包括分层结构的存储元件，该存储元件包 括；存储层，具有垂直于存储层的表面的磁化，并且对应于信息改变其磁化方向；钉扎磁化 层，具有垂直于钉扎磁化层的表面的磁化，并且用作用于存储在存储层中的信息的标准；W 及绝缘层，由非磁性材料组成并且被设置在存储层与钉扎磁化层之间。通过在分层结构的 层压方向上注入自旋极化电子改变存储层