專利名稱：存儲元件和存儲器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲元件以及具有該存儲元件的存儲器件，其中，該存儲元件包括存儲鐵磁層的磁化狀態(tài)作為信息的存儲層以及磁化方向固定且通過使電流流動來改變存儲層的磁化方向的磁化固定層。
背景技術(shù)：
在諸如電腦的信息設(shè)備中，高速運行的高密度DRAM已被廣泛用作隨機存取存儲
ο然而，DRAM是當(dāng)斷開電源時信息被檫除的易失性存儲器，從而期望信息不被檫除的非易失性存儲器。此外，作為非易失性存儲器的候選，通過磁性材料的磁化來記錄信息的磁性的隨機存取存儲器(MRAM)已引起關(guān)注并因此而被開發(fā)。MRAM使電流分別流向基本上相互垂直的兩種地址配線(字線和位線)，利用每種地址配線產(chǎn)生的電流磁場使位于磁性存儲元件的地址配線的交叉點的磁性存儲元件的磁性層的磁化反向，從而執(zhí)行信息的記錄。圖10示出了常見MRAM的示意圖(透視圖)。構(gòu)成選擇每個存儲單元的選擇晶體管的漏區(qū)108、源區(qū)107以及柵極101分別形成在由半導(dǎo)體襯底110(諸如硅襯底)的元件分離層102分離的部分。此外，沿附圖中的前后方向延伸的字線105設(shè)置在柵極101的上側(cè)。漏區(qū)108通常形成了附圖中的左右選擇晶體管，配線109連接至漏區(qū)108。此外，磁性存儲元件103設(shè)置在字線105和相對于字線105設(shè)置在上側(cè)并沿附圖中的左右方向延伸的位線106之間，每個磁性存儲元件具有磁化方向反轉(zhuǎn)的存儲層。例如， 通過磁性隧道結(jié)元件(MTJ元件)配置這些磁性存儲元件103。此外，磁性存儲元件103通過水平旁通管線111和垂直接觸層104電連接至源區(qū) 107。當(dāng)使電流流向字線105和位線106時，電流磁場施加至磁性存儲元件103，從而使磁性存儲元件103的存儲層的磁化方向反向，因此可執(zhí)行信息的記錄。此外，針對諸如MRAM的磁性元件，記錄信息的磁性層(存儲層)必須具有恒定的抗磁力，以便穩(wěn)定保持記錄信息。另一方面，需要使一定數(shù)量的電流流向地址配線以便重寫記錄信息。然而，隨著構(gòu)成MRAM的元件的微型化，地址配線變得越來越細(xì)，從而難以使足夠的電流流動。因此，作為能夠利用相對較小的電流來實現(xiàn)磁化反向的配置，具有利用自旋注入磁化反向的配置的存儲器已引起關(guān)注(例如，參照日本未審查專利申請公開2003-17782 和2008-227388，美國專利第6，256，223號的說明書，《物理評論(Phys. Rev.) B)), 54. 9353 (1996)以及《磁學(xué)與磁性材料雜志(J. Magn. Mat.))) 159，Ll (1996))。
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使用自旋注入的磁化反向指將自旋極化電子在通過磁性材料之后注入其他磁性材料，從而在其他磁性材料中引起磁性反向。例如，在使電流沿垂直于膜面的方向流向巨磁阻效應(yīng)元件(GMR元件)或磁性隧道結(jié)元件(MTJ元件)時，可以使該元件的磁性層的至少一部分的磁化方向反向。此外，使用自旋注入的磁化反向的優(yōu)點在于即使元件變得很微小，可實現(xiàn)磁化反向而不增加電流。圖11和12示出了具有利用上述自旋注入的磁化反向的配置的存儲器件的示意圖。圖11示出透視圖，圖12示出截面圖。構(gòu)成選擇每個存儲單元的選擇晶體管的漏區(qū)58、源區(qū)57以及柵極51分別形成在由半導(dǎo)體襯底60 (諸如硅襯底)的元件分離層52分離的部分。其中，柵極51同時也具有沿圖U中的前后方向延伸的字線的功能。漏區(qū)58通常形成圖11中的左右選擇晶體管，配線59連接至漏區(qū)58。具有通過自旋注入使磁化方向反向的存儲層的磁性存儲元件53設(shè)置在源區(qū)57和設(shè)置在源區(qū)57上側(cè)并沿圖11中的左右方向延伸的位線56之間。例如，通過磁性隧道結(jié)元件(MTJ元件)配置該磁性存儲元件53。磁性存儲元件 53具有兩層磁性層61和62。在這兩層磁性層61和62中，一側(cè)磁性層設(shè)置為磁化方向固定的磁化固定層，另一側(cè)磁性層設(shè)置為磁化方向改變的磁化自由層，即存儲層。此外，磁性存儲元件53分別通過上和下接觸層M連接至每條位線56和源區(qū)57。 以這種方式，在使電流流向存儲元件53時，通過自旋注入使存儲層的磁化方向反向。在具有利用該自旋注入磁化反向的配置的存儲器件的情況中，可使該器件的結(jié)構(gòu)與圖10中所示的通用MRAM相比更簡單，因此其特性在于高致密化變?yōu)榭赡?。此外，?dāng)采用自旋注入磁化反向時，優(yōu)點在于即使當(dāng)元件微型化進行時，與通過外部磁場執(zhí)行磁化反向的通用MRAM相比，也不增加寫入電流。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在MRAM的情況下，寫入配線(字線或位線)獨立于存儲元件設(shè)置，利用通過使電流流向?qū)懭肱渚€產(chǎn)生的電流磁場執(zhí)行信息的寫入(記錄)。因此，可使寫入所需的足夠量的電流流向?qū)懭肱渚€。另一方面，在具有利用自旋注入的磁化反向的配置的存儲器件中，需要通過利用流向存儲元件的電流執(zhí)行自旋注入來使存儲層的磁化方向反向。由于通過直接使電流流向上述存儲元件來執(zhí)行信息的寫入(記錄)，通過將存儲元件連接至選擇晶體管來配置存儲單元，以便選擇執(zhí)行寫入的存儲單元。在該情況下，將流向存儲元件的電流限制為能夠流向選擇晶體管的電流大小(選擇晶體管的飽和電流)。因此，需要利用選擇晶體管的飽和電流以下的電流來執(zhí)行寫入，因此需要通過提高自旋注入效率來減小流向存儲元件的電流。此外，為了增加讀出信號強度，需要確保較大的磁阻變化率，為了實現(xiàn)該目的，采用存儲元件的配置是有效的，其中將與存儲層的兩面均接觸的中間層設(shè)置為隧道絕緣層 (隧道阻擋層)。這樣，在隧道絕緣層用作中間層的情況下，限制流向存儲元件的電流量以防止隧道絕緣層的絕緣擊穿。從該觀點來看，也需要在自旋注入時限制電流。由于電流值與存儲層的膜厚度成正比且與存儲層的飽和磁化的平方成正比，因此調(diào)整這些值(膜厚度以及飽和磁化)來降低該電流值可能有效(例如，參照F. J.Albert等， 《應(yīng)用物理快報(App 1. Phy. Lett))) 77，3809 (2000))。例如，在美國專利申請公開2005/0184839A1中，公開了降低記錄材料的磁化量 (Ms)時，可能會降低電流值的事實。然而，另一方面，如果不存儲電流寫入的信息，則不能實現(xiàn)非易失性存儲器。即，需要確保存儲層的熱起伏的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。在利用自旋注入磁化反向的存儲元件的情況中，由于存儲層的容量變小，與現(xiàn)有技術(shù)的MRAM相比，簡單地認(rèn)為熱穩(wěn)定性趨于下降。在未確保存儲層的熱穩(wěn)定性時，反向的磁化方向通過加熱重新反向，并且這導(dǎo)致寫入錯誤。此外，在利用自旋注入磁化反向的存儲元件的大容量改進的情況下，存儲元件的容量變小，使得確保熱穩(wěn)定性變成了重要的問題。因此，關(guān)于自旋注入磁化反向的存儲元件，熱穩(wěn)定性是非常重要的特性。因此，為了實現(xiàn)具有通過自旋注入使作為存儲器的存儲層的磁化方向反向的配置的存儲元件，需要將自旋注入磁化反向所需的電流降到晶體管的飽和電流值以下，從而確?？煽康乇３謱懭胄畔⒌臒岱€(wěn)定性。如上所述，為了降低自旋注入磁化反向所需的電流，可以考慮降低存儲層的飽和磁化量Ms或使存儲層變薄。例如，如在美國專利申請公開2005/0184839A1中的情況，使用具有較小飽和磁化量Ms的材料作為存儲層的材料是有效的。然而，以這種方式，在僅使用具有較小飽和磁化量Ms的材料的情況下，難以確?？煽康乇３中畔⒌臒岱€(wěn)定性。因此，在本發(fā)明中，期望提供在不增加寫入電流的情況下能夠提高熱穩(wěn)定性的存儲元件，以及具有該存儲元件的存儲器件。此外，期望提供即使在350°C以上的溫度下對構(gòu)成存儲層的磁性材料進行熱處理時也具有優(yōu)良特性的存儲元件。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供了一種存儲元件，包括存儲層，具有垂直于膜面的磁化強度且其磁化方向?qū)?yīng)于信息而改變；磁化固定層，具有垂直于該膜面且為存儲在存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化的磁化固定層；以及絕緣層，設(shè)置在該存儲層和該磁化固定層之間由非磁性層構(gòu)成。沿具有存儲層，絕緣層和磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向注入自旋極化電子，從而磁化方向改變，并對存儲層執(zhí)行信息的記錄，該存儲層接收的有效抗磁場的強度小于存儲層的飽和磁化量。此外，構(gòu)成存儲層的鐵磁材料可以是Co-Fe-B。在這種情況下，Co-Fe-B的組成可以是(Cox-Fey) 100_Z-BZ，其中0彡Cox彡40、 60 彡 Fey 彡 100 且 0 < Bz 彡 30。此外，Co-Fe-B的組成可以是(Cox-Fey) ！。。-Z_BZ，其中 O 彡 Cox 彡 40、60 彡 Fey ( 100 且 20 < Bz 彡 40。根據(jù)本發(fā)明另一實施方式，提供了一種存儲器件，包括存儲元件，通過磁性材料的磁化狀態(tài)保持信息，兩種配線，相互交叉，其中，存儲元件具有根據(jù)本發(fā)明實施方式的上述存儲元件的配置，存儲元件設(shè)置在兩種配線之間，通過兩種配線，層壓方向上的電流流向該存儲元件，從而將自旋極化電子注入該存儲元件。根據(jù)本發(fā)明實施方式的存儲元件的配置，提供通過磁性材料的磁化狀態(tài)保持信息的存儲層，磁化固定層設(shè)置通過中間層設(shè)置在存儲層上，中間層由絕緣材料構(gòu)成，沿層壓方向注入自旋極化電子且磁化方向改變，從而對存儲層執(zhí)行信息的記錄，因此可通過使電流沿層壓方向流動并注入自旋極化電子來執(zhí)行信息的記錄。此外，存儲層接收的有效抗磁場的強度小于存儲層的飽和磁化量，存儲層接收的有效抗磁場降低，因此可降低使存儲層的磁化方向反向所需的寫入電流量。另一方面，即使不減小存儲層的飽和磁化量也可減小寫入電流量，從而存儲層的飽和磁化量變得充足，并可充分確保存儲層的熱穩(wěn)定性。特別地，在根據(jù)本發(fā)明實施方式的存儲元件中，存儲層和磁化固定層具有垂直于膜面的磁化。具有垂直磁各向異性的配置與具有平面磁各向異性的配置相比適合低功耗和大容量。其原因被認(rèn)為是因為在垂直磁化的情況下，自旋轉(zhuǎn)矩磁化反向期間要被超過的勢壘較低，由于垂直磁化膜具有的高磁各向異性，存儲層保持信息的熱穩(wěn)定性變得有利。此外，根據(jù)本發(fā)明實施方式的存儲器件的配置，存儲元件設(shè)置在兩種配線之間，通過兩種配線，沿層壓方向的電流流向存儲元件，從而將自旋極化電子注入存儲元件。因此， 可通過兩種配線使在存儲元件的層壓方向的電流流動的自旋注入來執(zhí)行信息的記錄。此外，即使不減小存儲層的飽和磁化量時，也可減小存儲元件的寫入電流量，使得可以穩(wěn)定地保持記錄在存儲元件中的信息，并降低存儲器件的功耗。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，即使不減小存儲層的飽和磁化量，也可減小存儲元件的寫入電流量，從而充分確保表示信息保持能力的熱穩(wěn)定性，且可配置具有特性平衡優(yōu)良的存儲元件。因此，可以通過消除操作誤差來充分獲取存儲元件的動作裕度。此外，特別地，在將構(gòu)成存儲層的鐵磁材料設(shè)置為Co-Fe-B，且Co-Fe-B的組成是 (Cox-Fey) 1QQ_Z-BZ，其中 O ^ Cox^ 40,60 ^ Fey 彡 100 且 O < Bz 彡 30 時，這適用于構(gòu)成具有垂直磁化的存儲層。此外，假設(shè)熱處理溫度為基本上350至450°C的相對較高的溫度時，在Co-Fe-B的組成是(Cox-Fey) 1QQ-Z-BZ，其中O彡Cox彡40、60彡Fey ( 100且20 < Bz彡40的情況下，構(gòu)成存儲層的鐵磁材料即使在高溫?zé)崽幚硐乱脖憩F(xiàn)出較高的隧道磁阻效應(yīng)，使得該組成是合適的。因此，可以實現(xiàn)操作穩(wěn)定且具有高可靠性的存儲器件。此外，減小寫入電流，使得在執(zhí)行寫入存儲元件期間可以降低功耗。因此，可降低整個存儲器件的功耗。


圖1為示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的存儲器件的示意配置的說明圖；圖2為示出根據(jù)實施方式的存儲元件的截面圖；圖3為示出用于實驗的存儲元件的樣品的層結(jié)構(gòu)的說明圖；圖4為示出尺寸為0.09X0. 18 μ m的存儲層的Co的量與反向電流密度之間關(guān)系的示圖；圖5為示出尺寸為0. 09X0. 18 μ m的存儲層的Co的量與熱穩(wěn)定性指數(shù)之間的關(guān)系的示圖；圖6為示出尺寸為50ηπιΦ的存儲層的Co的量與熱穩(wěn)定性指數(shù)之間的關(guān)系的示圖；圖7為示出用于實驗的存儲元件的樣品的層結(jié)構(gòu)的說明圖；圖8為示出實施方式存儲層的Co-Fe-B的每種組成的TMR的熱處理溫度依存性的示圖；圖9Α至9C為示出在針對實施方式存儲層的Co-Fe-B，在以Co/^e比改變B的濃度和熱處理溫度的情況下測量TMR特性的結(jié)果的示圖；圖10為示意性地示出現(xiàn)有技術(shù)中MRAM的配置的透視圖；圖11為示出使用通過自旋注入的磁化反向的存儲器件的示意配置的說明圖；以及圖12為圖11的存儲器件的截面圖。
具體實施例方式在下文中，將按照下列順序描述本發(fā)明的實施方式。1.實施方式的存儲元件的概況2.第一實施方式的配置3.與第一實施方式相關(guān)的實驗4.第二實施方式的配置5.與第二實施方式相關(guān)的實驗6.變形例1.實施方式的存儲元件的概況首先將描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲元件的概況。根據(jù)本發(fā)明的實施方式通過上述自旋注入使存儲元件的存儲層的磁化方向反向來執(zhí)行信息的記錄。存儲層由諸如鐵磁層的磁性材料構(gòu)成，并通過磁性材料的磁化狀態(tài)(磁化方向)
保持信息。下文將詳細(xì)介紹，但存儲元件具有圖2示出的其實例的層結(jié)構(gòu)，包括存儲層17 和作為兩層磁性層的磁化固定層15，以及作為設(shè)置在兩層磁性層之間的中間層的絕緣層 16(隧道絕緣層)。存儲層17具有垂直于膜面的磁化，且磁化方向?qū)?yīng)于信息改變。磁化固定層15具有為存儲在存儲層中的信息的基準(zhǔn)且垂直于膜面的磁化。絕緣層16由非磁性層構(gòu)成且設(shè)置在存儲層17和磁化固定層15之間。沿具有該存儲層17、絕緣層16和磁化固定層15的層結(jié)構(gòu)的層壓方向注入自旋極化電子，存儲層17的磁化方向改變，從而將信息記錄在存儲層17中。通過自旋注入使磁性層(存儲層17)的磁化方向反向的基本操作使電流產(chǎn)生閾值或使電流沿垂直于膜面的方向更多地流向包括巨磁阻效應(yīng)元件(GMR元件)或隧道磁阻效應(yīng)元件(MTJ元件)的存儲元件。此時，電流的極性(方向)取決于反向的磁化方向。在使具有小于閾值的絕對值的電流流動的情況下，磁化反向不出現(xiàn)。
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通過自旋注入使磁性層的磁化方向反向時所需電流的閾值Ic通過下列等式表示Ic = A · α · Ms · V · Hd/2 η這里，A 常數(shù)，α 自旋制動常數(shù)，n 自旋注入效率，Ms 飽和磁化量，V 存儲層的容量，Hd 有效抗磁場。如等式所示，可以通過控制磁性層的容量V、磁性層的飽和磁化量Ms、自旋注入效率η和自旋制動常數(shù)α將電流的閾值設(shè)置為任意值。更嚴(yán)格地說，利用自旋轉(zhuǎn)矩磁化反向使磁性層的磁化方向反向所需的電流的閾值 Ic不相同，取決于易磁化軸是在平面方向還是垂直方向。根據(jù)實施方式的存儲元件為垂直磁化型，但是現(xiàn)有技術(shù)的存儲元件為平面磁化型時，使磁性層的磁化方向反向的反向電流設(shè)置為IC_para，在從相同方向至相反方向執(zhí)行反向的情況下(此外，相同方向和相反方向是磁化方向，其中給出磁化固定層的磁化方向作為參考)，Ic_para = (Α · α · Ms · V/g (0) /P) (Hk+2 π Ms)。此外，當(dāng)從相反方向至相同方向執(zhí)行反向時，Ic_para = (Α · α · Ms · V/g( π )/P) (Hk+2 π Ms) ο另一方面，在這種情況下，將本實施方式的垂直磁化型存儲元件的反向電流設(shè)置為 Ic_perp = (Α · α · Ms · V/g (0) /P) (Hk_4 π Ms)。此外，在從相反方向至相同方向執(zhí)行反向的情況下，Ic_perp = (Α · α · Ms · V/ g(n)/P) (Hk-4 π Ms) ο這里，A是常數(shù)，α是阻尼常數(shù)，Ms是飽和磁化，P是自旋極化率，g(0)和g(Ji)分別是在相同方向和相反方向時對應(yīng)于將自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換為相應(yīng)磁性層的效率的系數(shù)，Hk是磁各向異性(參考《自然材料》5，210(2006))。在每個等式中，當(dāng)將垂直磁化(Hk-4 JI Ms)的情況與平面磁化(Hk+2 π Ms)的情況作比較時，可以理解為垂直磁化型適用于低寫入電流。本實施方式的存儲元件利用隧道磁阻效應(yīng)引起的電阻的差值執(zhí)行信息的讀出。 即，當(dāng)隧道磁阻效應(yīng)比較大時，輸出也會變大。隧道磁阻效應(yīng)TMR通過利用自旋極化率的下列等式⑴表示。tmr(0Zo) = ^ pipi χ 10q
1 -Pl p2(1)這里，P1是磁化固定層的自旋極化率，P2是存儲層的自旋極化率。從等式⑴可以看出，當(dāng)自旋極化率較大時，TMR變大。此外，從與反向電流等式的比較可看出，應(yīng)理解低電流和高輸出(高TMR)是協(xié)調(diào)關(guān)系。在該實施方式中，存儲元件包括磁性層(存儲層17)以及磁化固定層15，磁性層能夠通過磁化狀態(tài)保持信息，磁化固定層15的磁化方向是固定的。存儲元件必須保持寫入信息以用作存儲器。這由作為維護信息的能力的指數(shù)的熱穩(wěn)定性的指數(shù)Δ ( = KV/kBT)的值確定。上述Δ通過下列等式(2)表示。Δ = KV/kBT = Ms · V · Hk · (l/2kBT) (2)這里，Hk :有效各向異性磁場，kB 波茲曼常數(shù)，T 溫度，Ms 飽和磁化量，V 存儲層的容量。有效各向異性磁場Hk接收形狀磁各向異性、誘導(dǎo)的磁各向異性和晶體磁各向異性等的影響，當(dāng)假設(shè)單磁區(qū)的相干旋轉(zhuǎn)模型時，有效各向異性磁場與抗磁力相同。熱穩(wěn)定性的指數(shù)Δ以及電流的閾值Ic通常為折衷關(guān)系。因此，指數(shù)和閾值的并存性成了保持存儲特性的問題。對于改變存儲層17的磁化狀態(tài)的電流的閾值，實際上，例如，在存儲層17的厚度為2nm，平面模型基本上為IOOnmX 150nm的橢圓形的TRM元件中，正側(cè)的閾值+Ic為0. 5mA, 負(fù)側(cè)的閾值-Ic為-0. 3mA，此時的電流密度基本上為3. 5X 106A/cm2。這些值基本上對應(yīng)于上述Ic的等式(IC_para的等式)。相反，在利用電流磁場執(zhí)行磁化反向的通常的MRAM中，幾毫安以上的寫入電流是必要的。因此，在通過自旋注入執(zhí)行磁化反向的情況下，上述寫入電流的閾值變得足夠小， 因此這對降低集成電路的功耗是有效的。此外，不需要通常的MRAM所需的用來產(chǎn)生電流磁場的配線(圖10的配線105)，使得與通常的MRAM相比，對于集成度來說是有利的。在通過自旋注入執(zhí)行磁化反向的情況下，由于通過直接使電流流向存儲元件來執(zhí)行信息的寫入(記錄)以選擇執(zhí)行寫入的存儲單元，存儲元件；連接至選擇晶體管以構(gòu)成存儲單元。在這種情況下，將流向存儲元件的電流限制為能夠流向選擇晶體管的電流大小 (選擇晶體管的飽和電流)。為了使利用自旋注入磁化反向的電流的閾值Ic小于選擇晶體管的飽和電流，從 Ic的等式可以看出，降低存儲層17的飽和磁化量Ms是有效的。然而，在只降低飽和磁化量Ms的情況下(例如，美國專利申請公開 2005/0184839A1)，存儲層17的熱穩(wěn)定性顯著下降，因此存儲元件難以用作存儲器。為了構(gòu)造存儲器，熱穩(wěn)定性的指數(shù)Δ必須一定程度的大小以上。發(fā)明人已經(jīng)作出各種研究，因此，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)例如選擇Co-Fe-B的組成作為構(gòu)成存儲層17的鐵磁層時，存儲層17接收的有效抗磁場的強度(MrffertiJ小于存儲層17的飽和磁化量Ms。利用上述鐵磁材料，存儲層17接收的有效抗磁場的強度小于存儲層17的飽和磁化量Ms。以這種方式，可使存儲層17接收的有效抗磁場變小，因此在不降低等式( 表示的熱穩(wěn)定性△的情況下，可以獲得減小Ic的等式表示的電路的閾值Ic的效果。此外，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)Co-Fe-B在選擇的Co-Fe-B組成的受限制的組成范圍內(nèi)沿垂直于膜面的方向磁化，由此，即使非常微小的能實現(xiàn)千兆位級容量的存儲元件，也可確保足夠的熱穩(wěn)定性。因此，對于自旋注入式磁化反向存儲器，在(ibit級自旋注入式磁化反向存儲器中確保熱穩(wěn)定性的狀態(tài)下，可制造利用較低電流來寫入信息的穩(wěn)定存儲器。在該實施方式中，配置使得存儲層17接收的有效抗磁場的強度小于存儲層17的飽和磁化量Ms，S卩，有效抗磁場的強度相對于存儲層17的飽和磁化量Ms的比變?yōu)樾∮?。
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此外，鑒于選擇晶體管的飽和電流值，利用隧道絕緣層(絕緣層16)配置磁性隧道結(jié)(MTJ)元件，隧道絕緣層由絕緣材料構(gòu)成，作為設(shè)置在存儲層17和磁化固定層15之間的非磁性中間層。利用隧道絕緣層配置磁性隧道結(jié)(MTJ)元件，使得與利用非磁性導(dǎo)電層配置巨磁阻效應(yīng)(GMR)元件的情況相比，可使磁阻變化率(MR比)變大，因此可以增加讀出信號強度。特別地，當(dāng)氧化鎂(MgO)用作隧道絕緣層16的材料時，與使用常用的氧化鋁的情況相比，可使磁阻變化率(MR變化率)變大。此外，一般地，自旋注入效率取決于MR變化率，MR變化率越大，自旋注入效率提高得越多，因此，可降低磁化反向電流密度。因此，當(dāng)氧化鎂用作隧道絕緣層16的材料時并使用存儲層17時，可以通過自旋注入來降低閾值寫入電流，從而可以利用較小的電流來執(zhí)行信息的寫入(記錄)。此外，可以增加讀出信號強度。以這種方式，可以通過確保MR變化率(TMR率)采用自旋注入來降低閾值寫入電流，并可以利用小的電流來執(zhí)行信息的寫入(記錄)。此外，可以增加讀出信號強度。如上所述，在隧道絕緣層16由氧化鎂(MgO)構(gòu)成的情況下，期望使MgO膜結(jié)晶并因此在001方向保持結(jié)晶取向。此外，在該實施方式中，除氧化鎂構(gòu)成的配置之外，存儲層17和磁化固定層15之間的中間層(隧道絕緣層16)可利用例如各種絕緣材料、介電材料和諸如氧化鋁、氮化鋁、 SiO2, Bi203、MgF2, CaF、SrTiO2, AlLaO3^ Al-N-O 等的半導(dǎo)體來配置。從獲得通過自旋注入使存儲層17的磁化方向反向所需的電流密度的角度來說， 隧道絕緣層16的面積電阻值必須控制為幾十Ω μ m2以下。在MgO膜構(gòu)成的隧道絕緣層16中，必須將MgO膜的膜厚度設(shè)置為1. 5nm以下以將面積電阻值保持在上述范圍內(nèi)。此外，期望使存儲元件更小，以利用較小的電流而很容易地使存儲層17的磁化方向反向。因此，優(yōu)選地，將存儲元件的面積設(shè)置為0. 01 μ m2以下。此外，在該實施方式中，存儲層17可通過直接層壓具有不同組成的另一鐵磁層來形成。此外，鐵磁層和軟磁層可層壓，或多層鐵磁層可通過介入其間的軟磁層或非磁性層層壓。即使在用這種方式層壓的情況下，也可獲得本發(fā)明的效果。特別地，在通過非磁性層層壓多層鐵磁層來配置存儲層17的情況下，可以調(diào)整鐵磁層間的相互作用強度，使得即使存儲層的尺寸在亞微米之下時，也存在獲得的控制磁化反向電流使電流不會變大的效果。在這種情況下，可使用Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、 Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb或其合金作為非磁性層的材料。期望磁化固定層15和存儲層17具有單向各向異性。此外，期望磁化固定層15和存儲層17的每層的膜厚度為0. 5至30nm。存儲元件的其他配置可與現(xiàn)有技術(shù)中通過自旋注入記錄信息的存儲元件的配置相同。磁化固定層15可通過只利用鐵磁層或利用反鐵磁層和鐵磁層的反鐵磁組合來固定磁化方向的方式進行配置。此外，磁化固定層15可利用單層鐵磁層或通過非磁性層層壓多層鐵磁層的含鐵引腳結(jié)構(gòu)進行配置。可使用Co、Coi^e、CoFeB等作為構(gòu)成層壓的含鐵引腳結(jié)構(gòu)的磁化固定層15的鐵磁層的材料。此外，可使用Ru、Re、Ir、Os等作為非磁性層的材料。例如，諸如!^eMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO和Fii2O3 等的磁性材料可用作反鐵磁層的材料。此外，可通過將諸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、0、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir,W, Mo、
Nb等非磁性元素添加到上述磁性材料中來調(diào)整磁性特性，或除此之外，也可調(diào)整諸如結(jié)晶結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性能、物質(zhì)穩(wěn)定性等各種物理性質(zhì)。此外，關(guān)于存儲元件的膜配置，存儲層17可設(shè)置在磁化固定層15的下側(cè)、上側(cè)以及任意位置，沒有任何問題。此外，磁化固定層15設(shè)置在存儲層17的上側(cè)和下側(cè)(所謂的雙重結(jié)構(gòu))的情況中，也沒有任何問題。此外，在讀出記錄在存儲元件的存儲層17中的信息的方法中，為信息的基準(zhǔn)的磁性層通過較薄的絕緣膜設(shè)置在存儲元件的存儲層17上，利用通過絕緣層16流動的鐵磁隧道電流可執(zhí)行讀出，或者利用磁阻效應(yīng)執(zhí)行讀出。2.第一實施方式的配置隨后，將描述本發(fā)明的第一實施方式的具體配置。作為本發(fā)明的實施方式，圖1示出了存儲器件的示意性配置圖(透視圖)。存儲器件包括存儲元件3，其可將信息保持在磁化狀態(tài)，設(shè)置在相互垂直的兩種地址配線(例如，字線和位線)的交叉點附近。具體地，構(gòu)成選擇每個存儲單元的選擇晶體管的漏區(qū)8、源區(qū)7和柵極1分別形成在由半導(dǎo)體襯底10 (例如硅襯底)的元件分離層2分離的部分。其中，柵極1還用作在附圖中的前后方向延伸的一側(cè)地址配線(例如，字線)。漏區(qū)8通常形成有附圖中的左右選擇晶體管，配線9連接至漏區(qū)8。存儲元件3設(shè)置在源區(qū)7和設(shè)置在上側(cè)并沿附圖中的左右方向延伸的另一側(cè)地址配線(例如，位線)之間。存儲元件3具有包括鐵磁層的存儲層，通過自旋注入使鐵磁層的磁化方向反向。此外，存儲元件3設(shè)置在兩種地址配線1和6的交叉點附近。存儲元件3分別通過上下接觸層4與位線6和源區(qū)7連接。以這種方式，通過兩種地址配線1和6，電流沿其垂直方向流向存儲元件3，并通過自旋注入使存儲層的磁化方向反向。此外，圖2示出了根據(jù)實施方式的存儲器件的存儲元件3的截面圖。如圖2所示，在存儲元件3中，底層14、磁化固定層15、絕緣層16、存儲層17和頂層18從下層側(cè)順序?qū)訅?。在這種情況下，磁化固定層15相對于通過自旋注入使磁化方向反向的存儲層17 設(shè)置在下層。關(guān)于自旋注入式磁化反向存儲器，通過存儲層17的磁化強度M17和磁化固定層15 的磁化強度M15之間的相對角度來限定信息“0”和“ 1 ”。
用作隧道阻擋層(隧道絕緣層)的絕緣層16設(shè)置在存儲層17和磁化固定層15 之間，因此MTJ元件利用存儲層17和磁化固定層15來配置。此外，底層14形成在磁化固定層15的下方，頂層18形成在存儲層17上。存儲層17由具有磁化強度M17的方向沿垂直于膜面的方向隨意改變的磁矩的鐵磁材料構(gòu)成。磁化固定層15由具有磁化強度M15沿垂直于膜面的方向固定的磁矩的鐵磁材料構(gòu)成。沿具有單向各向異性的存儲層17的磁化方向執(zhí)行信息的存儲。通過沿垂直于膜面的方向施加電流并使自旋轉(zhuǎn)矩磁化反向來執(zhí)行信息的寫入。以這種方式，磁化固定層15 相對于通過自旋注入使磁化方向反向的存儲層17設(shè)置在下層，并用作存儲層17的存儲信息(磁化方向)的基準(zhǔn)。在該實施方式中，Co-Fe-B用于存儲層17和磁化固定層15。特別地，將Co-Fe-B的組成設(shè)置為(Cox-Fey) 1(1(1_Ζ_ΒΖ，其中O彡Cox彡40、 60 彡 Fey 彡 100 且 O < Bz 彡 30。磁化固定層15用作信息的基準(zhǔn)，使得不需要改變磁化方向，且不需要沿特定方向固定?？赏ㄟ^與存儲層17相比，使抗磁力變大、膜厚度變大、阻尼常數(shù)變大、在存儲層17中的移動變得越來越困難的方式配置磁化固定層15。在固定磁化方向的情況下，諸如PtMn和IrMn的反鐵磁材料可與磁化固定層1接觸，或與這種鐵磁材料接觸的磁性材料可通過諸如Ru的非磁性材料磁性地組合，從而可間接地固定磁化固定層15。在該實施方式中，特別地，調(diào)整存儲元件3的存儲層17的組成，使得存儲層17接收的有效抗磁場的強度小于存儲層17的飽和磁化量。S卩，如上所述，選擇存儲層17的鐵磁材料Co-Fe-B的組成，并使存儲層17接收的有效抗磁場的強度變小，使得有效抗磁場的強度小于存儲層17的飽和磁化量Ms。此外，在該實施方式中，作為中間層的絕緣層16由氧化鎂層構(gòu)成。在這種情況下， 可以使磁阻變化率(MR變化率)變高。當(dāng)MR變化率與上述的變化率一樣高時，提高自旋注入效率，從而可以降低使存儲層17的磁化強度M17的方向反向所需的電流密度。實施方式的存儲元件3可通過從真空裝置的底層14至頂層18連續(xù)形成，然后通過諸如后繼蝕刻等處理形成存儲元件3的模型來制造。根據(jù)上述實施方式，存儲元件3的存儲層17通過存儲層17接收的有效抗磁場的強度小于存儲層17的飽和磁化量Ms的方式進行配置，以便降低存儲層17接收的有效抗磁場并降低使存儲層17的磁化強度M17的方向反向所需的寫入電流的量。另一方面，即使不減小存儲層17的飽和磁化量Ms也可減小寫入電流的量，因此可以充分確保存儲層17的飽和磁化量，并充分確保存儲層17的熱穩(wěn)定性。如上所述，由于可以充分確保表示信息保持能力的熱穩(wěn)定性，所以可配置特性平衡優(yōu)良的存儲元件3。以這種方式，消除操作誤差并充分獲取存儲元件3的動作裕度，使得可以穩(wěn)定地操作存儲元件3。相應(yīng)地，可以實現(xiàn)操作穩(wěn)定且可靠性高的存儲器。
此外，減小寫入電流，可在寫入存儲元件3時可以降低功耗。因此，可降低利用實施方式的存儲元件3來配置存儲單元的整個存儲器件的功因此，對于包括能夠?qū)崿F(xiàn)具有優(yōu)良的信息保持能力、具有高可靠性，操作穩(wěn)定的存儲元件3的存儲器件，可以降低包括存儲元件的存儲器件的功耗。此外，包括圖2所示的存儲元件3并具有圖1所示的配置的存儲器件的優(yōu)點在于制造存儲器件時可應(yīng)用通用的半導(dǎo)體MOS形成工藝。因此，可以將實施方式的存儲器用作通用存儲器。3.與第一實施方式相關(guān)的實驗這里，關(guān)于實施方式的存儲元件的配置，通過具體選擇構(gòu)成存儲層17的鐵磁層的材料，調(diào)整存儲層17接收的有效抗磁場的強度，從而制造存儲元件3的樣品，并然后檢查其特性。在實際存儲器件中，如圖1所示，用于切換等的半導(dǎo)體電路不僅存在于存儲元件3 之中，還在這里對只形成存儲元件的晶片進行檢查以研究存儲層17的磁化反向特性。實驗1厚度為300nm的熱氧化膜形成在厚度為0. 725mm的硅襯底上，具有圖2所示配置的存儲元件3形成在熱氧化膜上。具體地，對于圖2所示的存儲元件3，選擇材料和每層的膜厚度，如圖3所示。·底層14 :膜厚為IOnm的Ta膜和膜厚為25nm的Ru膜的層壓膜·磁化固定層15 膜厚為2. 5nm的CoFeB膜·隧道絕緣層16 膜厚為0. 9nm的氧化鎂膜·存儲層17 與磁化固定層具有相同組成的CoFeB膜·頂層18 :膜厚為3nm的Ta膜、膜厚為3nm的Ru膜和膜厚為3nm的Ta膜的層壓
膜如上所述選擇，膜厚為IOOnm的Cu膜(未示出)(用作下述字線)設(shè)置在底層14 和硅襯底之間。在上述配置中，存儲層17的鐵磁層由Co-Fe-B的三元合金構(gòu)成，鐵磁層的膜厚為 2. Onm0除由氧化鎂膜構(gòu)成的絕緣層16之外的每層都利用DC磁控濺射法構(gòu)成。由氧化鎂(MgO)膜構(gòu)成的絕緣層16利用射頻磁控濺射法形成。此外，形成存儲元件3的每層之后，在磁場熱處理爐中執(zhí)行熱處理。接下來，在通過光刻掩蔽字線部分后，對除字線部分之外的層壓膜利用Ar等離子進行選擇刻蝕，從而形成字線(下電極)。此時，除字線之外的部分在襯底中被刻蝕為5nm的深度。隨后，存儲元件3的圖案的掩膜利用電子束繪圖儀形成，對層壓膜進行選擇刻蝕， 從而形成存儲元件3。除存儲元件3之外的部分被刻蝕為Cu層正上方的字線的一部分。此外，在用于特性評估的存儲元件中，需要使充足的電流流向存儲元件，以產(chǎn)生磁化反向所需的自旋轉(zhuǎn)矩，使得需要抑制隧道絕緣層的電阻值。因此，將存儲元件3的圖案設(shè)置為短軸為0. 09umX長軸為0. 18 μ m的橢圓形，將存儲元件3的面積電阻值(Ω μ m2)設(shè)置為 20 Ω μπι2。接下來，除存儲元件3之外的部分通過濺射Al2O3以具有約IOOnm的厚度來進行絕緣。隨后，利用光刻法形成用作上電極的位線和測量墊。以這種方式，制造存儲元件3的樣品。利用上述制造方法，制造改變存儲層17的鐵磁層的Co-Fe-B合金的組成的存儲元件3的每個樣品。在Co-Fe-B合金的組成中，Coi^e和B的組成比(原子％)固定為80 20，CoFe 中 Co 的組成比，即 χ(原子 ％ )變成 90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10% 和0%。關(guān)于如上所述制造的存儲元件3的各個樣品，如下所述執(zhí)行特性評估。在測量前，配置為從外側(cè)向存儲元件3施加磁場來通過正向的值與負(fù)向的值彼此對稱的方式控制反向電流。此外，向存儲元件3施加的電壓在不破壞絕緣層16的情況下設(shè)置為范圍內(nèi)的IV。飽和磁化量的測量采用振動樣品磁強計的VSM測量來測量飽和磁化量Ms。有效抗磁場的測量作為用于測量有效抗磁場的樣品，除上述存儲元件3的樣品之外，還制造形成構(gòu)成存儲元件3的每層的樣品，隨后處理樣品，使其具有20mmX20mm的方形平面圖案。此外，通過FMR(鐵磁共振)測量獲得的有效抗磁場的強度Mrffe。tire。針對任意外部磁場Ηεχ，通過FMR測量獲得的共振頻率fFMR可通過下式( 表示。fFMR = ^V4;rMActive (HK+Hex)(3)這里，等式(3)中的Meffeetive可以通過4 Ji Meffective = 4 Ji Ms-H丄表示(H丄在垂直于膜面的方向上的各向異性磁場)。反向電流值和熱穩(wěn)定性的測量測量反向電流值，以根據(jù)實施方式來評估存儲元件3的寫入特性。使脈沖寬度為10 μ s至IOOms的電流流向存儲元件3，隨后測量存儲元件3的電阻值。此外，改變存儲元件3的電流量，隨后獲得使存儲元件3的存儲層17的磁化強度 Μ17的方向反向的電流值。將通過推測電流值的脈沖寬度依賴性為脈沖寬度Ins獲得的值設(shè)置為反向電流值。此外，反向電流值的脈沖寬度依賴性的傾斜與上述存儲元件3的熱穩(wěn)定性的指數(shù) Δ相對應(yīng)。反向電流值被脈沖寬度改變得越少(傾斜小)，存儲元件3抵抗熱干擾的能力增強得越多。此外，制造配置相同的二十個存儲元件3以考慮存儲元件3自身的變化，執(zhí)行上述測量，獲得反向電流值的平均值和熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ。此外，從通過測量獲得的反向電流值的平均值和存儲元件3的平面圖案的面積計算反向電流值JcO。
關(guān)于存儲元件3的每個樣品，表1示出了存儲層17的Co-Fe-B合金的組成、飽和磁化量Ms和有效抗磁場的強度Mrffertive的測量結(jié)果，以及有效抗磁場與飽和磁化量的比 Meffective/MSo這里，表1所述的存儲層17的C0-Fe_B合金的量用原子％表示。表 1
Ms(emu/cc)Meffctive(emu/cc)Meffective/Ms(Co90Fe10) 80^^2096012101. 26(Co80Fe20) 80- )96010101. 05(Co70Fe30) 80^^2010409000. 87(Co60Fe40) 80-B2012008300. 69(CO5()Fe50) 80^^2013006900. 53(Co40Fe60) 80-B2013005000. 38(Co30Fe70) 80^^2012603900. 31(Co20Fe80) 80^^2012303600. 29(Co10Fe90) 80^^2012003450. 2911603250. 28從表1可以看出，在(CoxFeiQ(1_x)8(1B2(1中Co的量χ為70%以下的情況下，有效抗磁場的強度(Meffertive)小于飽和磁化量Ms，S卩，Meffective/Ms的比在Co的量χ為70%以下的情況下變成小于1.0的值。此外，已證實Co的量χ減少得越多，Meffective和Ms的差值就越大。圖4示出了反向電流值的測量結(jié)果，圖5示出了熱穩(wěn)定性的指數(shù)的測量結(jié)果。圖4示出了存儲層17的Co-Fe-B合金中Co的量χ (Coi^e中的含量；原子％)與從反向電流值獲得的反向電流密度JcO之間的關(guān)系。圖5示出了存儲層17的Co-Fe-B合金的Co的量x(Cc^e中的含量；原子％ )與熱穩(wěn)定性的指數(shù)Δ (KV/kBT)之間的關(guān)系。從圖4可以看出，Co的量χ減小時，反向電流密度JcO也減小。這是因為在Co的量χ變小的情況中，飽和磁化量Ms增加，但有效抗磁場的強度 effective 減小，因此它們的乘積MsXM
effective 變小。從圖5可以看出，Co的量χ減小時，熱穩(wěn)定性的指數(shù)Δ ( = KV/kBT)增加，在Co的量X在一定程度上或多或少的變小的情況中，熱穩(wěn)定性的指數(shù)△變穩(wěn)定至較大值。這很好地與表1所示的飽和磁化量Ms的測量結(jié)果期望的變化相對應(yīng)，等式(2)的熱穩(wěn)定性的指數(shù)Δ與飽和磁化量Ms成正比。
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如從表1、圖4和如5的結(jié)果清楚可見，在Co的量χ為70%以下且有效抗磁場 Meffective小于飽和磁化量Ms的組成中，在不使用減小Ms并因此犧牲熱穩(wěn)定性的方法的情況下，可在保持較高熱穩(wěn)定性的同時減小反向電流密度JcO。實驗2從實驗1可以看出，在(C0xFeiQ(1_x)8(1B2(1的情況中，在Co的量χ為70%以下的組成中，可在保持較高熱穩(wěn)定性的同時減小反向電流值JcO。因此，在實驗2中，利用具有組成(C07c^e3ci)8tlBz和組成(Co8c^e2ci)8tlBz的存儲層17 來檢查B的量對Co和Fe、以及Mrffe。tive/MS的比的影響。樣品的詳細(xì)情況基本上與實驗1中的情況相同。表2示出了將(Co7ciFe3ci) 1QQ_ZBZ中的B的量設(shè)置為5至40%的CoFeB合金的組成， 飽和磁化量Ms以及有效抗磁場的強度Mrffertive的測量結(jié)果，以及飽和磁化量和有效抗磁場
的強度的比 effective' ivi^ °此外，表3示出了將(CodeJ 100_ZBZ中的B的量近似地設(shè)置為5至40 %的Coi^eB 合金的組成，以及飽和磁化量Ms和有效抗磁場的強度Mrffertire的比Mrffe。tire/Ms。表權(quán)利要求
1.一種存儲元件，包括存儲層，具有垂直于膜面的磁化并且其磁化方向?qū)?yīng)于信息而改變； 磁化固定層，具有垂直于所述膜面且成為存儲在所述存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化；以及絕緣層，設(shè)置在所述存儲層和所述磁化固定層之間并由非磁性層構(gòu)成， 其中，沿具有所述存儲層、所述絕緣層和所述磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向注入自旋極化電子，從而磁化方向改變，并對所述存儲層執(zhí)行信息的記錄，以及所述存儲層接收的有效抗磁場的強度小于所述存儲層的飽和磁化量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲元件，構(gòu)成所述存儲層的鐵磁材料是Co-Fe-B。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲元件，其中，所述Co-Fe-B的組成是(Cox-Fey) ·_Ζ-ΒΖ， 這里，O彡Cox彡40， 60彡Fey彡100且 O < Bz ^ 30。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲元件，其中，所述Co-Fe-B的組成是(Cox-Fey) ·_Ζ-ΒΖ， 這里，O彡Cox彡40， 60彡Fey彡100且 20 < Bz ^ 40。
5.一種存儲器件，包括存儲元件，通過磁性材料的磁化狀態(tài)保持信息；以及相互交叉的兩種配線， 其中，所述存儲元件包括，存儲層，具有垂直于膜面的磁化且其磁化方向?qū)?yīng)于信息而改變， 磁化固定層，具有垂直于所述膜面且成為存儲在所述存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化，以及絕緣層，設(shè)置在所述存儲層和所述磁化固定層之間并由非磁性層構(gòu)成， 沿具有所述存儲層、所述絕緣層和所述磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向注入自旋極化電子，從而磁化方向改變，并對所述存儲層執(zhí)行信息的記錄，所述存儲層接收的有效抗磁場的強度小于所述存儲層的飽和磁化量， 所述存儲元件設(shè)置在所述兩種配線之間，以及通過所述兩種配線，所述層壓方向上的電流流入所述存儲元件)，從而將自旋極化電子注入所述存儲元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了存儲元件和存儲器件。該存儲元件，包括具有垂直于膜面的磁化且其磁化方向?qū)?yīng)于信息而改變的存儲層；具有垂直于膜面且成為存儲在存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化的磁化固定層；設(shè)置在該存儲層和該磁化固定層之間并由非磁性層構(gòu)成的絕緣層，其中，沿具有該存儲層、該絕緣層和該磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向注入自旋極化電子，從而磁化方向改變，并對該存儲層執(zhí)行信息的記錄，該存儲層接收的有效抗磁場的強度小于該存儲層的飽和磁化量。
文檔編號G11C16/06GK102403038SQ201110253669
公開日2012年4月4日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者內(nèi)田裕行, 別所和宏, 大森廣之, 山根一陽, 淺山徹哉, 細(xì)見政功, 肥后豐 申請人:索尼公司