專利名稱：存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有多個(gè)磁性層并使用自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)(spin torque magnetization reversal)來執(zhí)行記錄的存儲(chǔ)元件、并涉及存儲(chǔ)裝置。
背景技術(shù)：
伴隨從移動(dòng)終端到大規(guī)模服務(wù)器的各種類型信息裝置的顯著發(fā)展，在形成上述裝置的元件(例如，存儲(chǔ)和邏輯元件)中，一直追求性能方面(例如，集成度増加、操作速度增加和功耗減少)的進(jìn)ー步提高。具體地，半導(dǎo)體非易失性存儲(chǔ)器的發(fā)展是顯著的，各自用作大規(guī)模文件存儲(chǔ)器的快閃存儲(chǔ)器日益發(fā)展，以至于將硬盤驅(qū)動(dòng)器逐出市場(chǎng)。此外，為了取代通常使用的NOR型快閃存儲(chǔ)器、DRAM等，已經(jīng)執(zhí)行鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(PCRAM)等的開發(fā)，以用于代碼存儲(chǔ)應(yīng)用和工作存儲(chǔ)器的其他應(yīng)用。上述這些存儲(chǔ)器中的ー些已經(jīng)開始用于實(shí)踐。具體的，因?yàn)镸RAM使用磁性物質(zhì)的磁化方向來執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所以重寫可以高速執(zhí)行近似無限次數(shù)( ο15或更多)，并且MRAM已經(jīng)用于例如エ業(yè)自動(dòng)化和飛機(jī)領(lǐng)域。由于高速操作和可靠性，期望MRAM還用于代碼存儲(chǔ)和工作存儲(chǔ)器應(yīng)用；但是，實(shí)際上，功耗減少和容量增加是待克服的問題。這是由MRAM的記錄原理產(chǎn)生的(即，由通過每個(gè)線產(chǎn)生的電流磁場(chǎng)來反轉(zhuǎn)磁化的方法產(chǎn)生的)這些實(shí)質(zhì)問題。作為克服這些問題的ー種方法，已經(jīng)研究了不依賴于電流磁場(chǎng)的記錄，即，磁化反轉(zhuǎn)方法。具體地，積極地對(duì)自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)進(jìn)行了研究(例如，參見日本專利未審查申請(qǐng)公開 No. 2003-17782 和 2008-227388、美國專利 No. US 6，256，223、Phys. Rev. B，54， 9353 (1996)和 J. Magn. Mat.，159，Ll (1996))。與MRAM的情況一祥，自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)元件經(jīng)常形成為具有磁性隧道結(jié) (MTJ)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，使用這樣的現(xiàn)象，S卩，當(dāng)穿過將磁化固定在一定方向上的磁性層的自旋極化電子進(jìn)入另ー自由磁性層(磁化的方向不固定)吋，自由磁性層產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩(這稱作“自旋轉(zhuǎn)移矩”)，并且當(dāng)提供等于或大于一定閾值的電流吋，自由磁性層的磁化被反轉(zhuǎn)。 通過改變電流的極性來執(zhí)行“ 0 ”和“ 1”之間的重寫。對(duì)于具有約0. 1 μ m規(guī)模的元件，用于這種反轉(zhuǎn)的電流的絕對(duì)值是ImA或更小。此外，因?yàn)樵撾娏髋c元件體積成比例地降低，所以可以進(jìn)行調(diào)節(jié)(scaling)。此外，因?yàn)椴恍枰a(chǎn)生用于記錄的電流磁場(chǎng)所需要的MRAM的字線，所以可以有利地簡化單元結(jié)構(gòu)。在下文中，使用自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM稱作自旋轉(zhuǎn)矩磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (ST-MRAM)。此外，在某些情況下，自旋轉(zhuǎn)矩磁性反轉(zhuǎn)也可以稱作自旋注入磁性反轉(zhuǎn)。作為能夠?qū)崿F(xiàn)功耗減少和容量増加并同時(shí)保持MRAM的優(yōu)點(diǎn)(S卩，高操作速度和近似無限次數(shù)重寫)的非易失性存儲(chǔ)器，對(duì)ST-MRAM寄托了極大的期望。圖7和8中示出ST-MRAM的示意圖。圖7是透視圖，圖8是截面圖。在半導(dǎo)體基體60 (例如，硅襯底)的由元件隔離層52所隔離的一部分中形成漏極區(qū)58、源極區(qū)57和柵電極51，漏極區(qū)58、源極區(qū)57和柵電極51形成用于選擇每個(gè)存儲(chǔ)單元的選擇晶體管。在上述這些當(dāng)中，柵電極51還用作垂直于圖8的平面延伸的字線。漏極區(qū)58形成為由位于圖7中右側(cè)和左側(cè)的選擇晶體管共用，線59連接到該漏極區(qū)58。此外，具有存儲(chǔ)層的存儲(chǔ)元件53布置在源極區(qū)57和位線56之間，在所述存儲(chǔ)層中磁化方向被自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)所反轉(zhuǎn)，所述位線56布置在存儲(chǔ)元件53上方以在圖8中從右到左方向上延伸。例如，存儲(chǔ)元件53由磁性隧道結(jié)元件(MTJ元件)形成。存儲(chǔ)元件53具有兩個(gè)磁性層61和62。在兩個(gè)磁性層61和62當(dāng)中，ー個(gè)磁性層用作磁化方向固定的磁化固定層， 另ー個(gè)磁性層用作磁化方向變化的磁化自由層(即，存儲(chǔ)層)。此外，存儲(chǔ)元件53用頂部和底部接觸層M來連接到位線56和源極區(qū)57，頂部和底部接觸層分別設(shè)置在存儲(chǔ)元件53、與位線56和源極區(qū)57之間。因此，當(dāng)使電流流入存儲(chǔ)元件53吋，存儲(chǔ)層的磁化方向可以被旋轉(zhuǎn)注入所反轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
此外，對(duì)于MRAM，除了存儲(chǔ)元件之外還提供寫入線(字線和位線)，通過在使電流流過寫入線時(shí)產(chǎn)生的電流磁場(chǎng)來寫入(記錄)信息。因此，可以將寫入所需要的電流提供至寫入線。另ー方面，在ST-MRAM中，需要通過使用在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流來執(zhí)行自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)，以使存儲(chǔ)層的磁化方向反轉(zhuǎn)。此外，因?yàn)槿缟纤鐾ㄟ^直接提供至存儲(chǔ)單元的電流來執(zhí)行信息的寫入(記錄)，所以為了選擇執(zhí)行寫入的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)元件連接選擇晶體管以形成存儲(chǔ)單元。結(jié)果，在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流限制為能在選擇晶體管中流動(dòng)的電流(選擇晶體管的飽和電流)。具體地，ST-MRAM中的寫入電流限制為選擇晶體管的飽和電流或更小。因?yàn)楸娝苤S著小型化的發(fā)展，晶體管的飽和電流降低，所以為了使整個(gè) ST-MRAM小型化，需要通過提高自旋轉(zhuǎn)移的效率來減小在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流。此外，為了增加讀出信號(hào)的強(qiáng)度，需要保證磁電阻的高變化率，為此目的，可以有效地使用上述MTJ結(jié)構(gòu)，S卩，可以有效地使用中間層形成為隧道絕緣層(隧道勢(shì)壘層)的存儲(chǔ)元件，所述中間層與兩個(gè)磁性層接觸。但是，當(dāng)如上所述隧道絕緣層用作中間層時(shí)，為了防止隧道絕緣層的介質(zhì)擊穿，對(duì)提供至存儲(chǔ)元件的電流進(jìn)行限制。即，為了保證存儲(chǔ)元件針對(duì)重復(fù)寫入的可靠性，還必需減小自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)所需要的電流。在某些情況下，自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)所需要的電流可以稱作反轉(zhuǎn)電流、記錄電流等。另ー方面，因?yàn)镾T-MRAM是非易失性存儲(chǔ)器，期望通過電流寫入的信息能穩(wěn)定地存儲(chǔ)在ST-MRAM中。即，需要保證存儲(chǔ)層的磁化抗熱波動(dòng)的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。這是因?yàn)槿绻荒鼙ＷC存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性，則在某些情況下，反轉(zhuǎn)的磁化方向會(huì)由于熱量(操作環(huán)境中的溫度)而再次反轉(zhuǎn)，從而會(huì)產(chǎn)生寫入錯(cuò)誤。如上所述，與現(xiàn)有MRAM的存儲(chǔ)元件相比，ST-MRAM的存儲(chǔ)元件在縮放方面是有利的，即，考慮到記錄電流值，ST-MRAM的存儲(chǔ)層的體積可以有利地減小。但是，當(dāng)體積減小吋，如果不改變其他特性，則熱穩(wěn)定性可能降低。因?yàn)樵赟T-MRAM的容量增大時(shí)存儲(chǔ)元件的體積進(jìn)一步減小，所以保證熱穩(wěn)定性是很重要的?？紤]到這個(gè)問題，熱穩(wěn)定性對(duì)于ST-MRAM的存儲(chǔ)元件是非常重要的特性，因此得出ST-MRAM需要設(shè)計(jì)為即使體積減小也能保證該熱穩(wěn)定性。因此，為了使用ST-MRAM作為有效的非易失性存儲(chǔ)器，需要將用于自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)電流減小到晶體管的飽和電流或更小、并減小到小于破壞隧道勢(shì)壘的電流，并且還需要保證熱穩(wěn)定性以保留寫入的信息。為了同時(shí)減小反轉(zhuǎn)電流并保證熱穩(wěn)定性，使用垂直磁各向異性膜用于存儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)引起關(guān)注。例如，根據(jù)Nature Materials.，5，21(^2006)，通過使用垂直磁各向異性膜(例如，Co/Ni多層膜)用于存儲(chǔ)層，提出了同時(shí)減小反轉(zhuǎn)電流并保證熱穩(wěn)定性的可能性。例如，提到多種類型的具有垂直磁各向異性的磁性材料，例如，稀土過渡金屬合金 (TbCoFe等)、金屬多層膜(Co/Pd多層膜等)、有序合金O^ePt等)、和各自使用氧化物和磁性金屬之間的界面磁各向異性的復(fù)合材料(Co/MgO等)。但是，當(dāng)考慮為實(shí)現(xiàn)磁電阻的高變化率而使用隧道結(jié)結(jié)構(gòu)以在ST-MRAM中獲得大讀出信號(hào)時(shí)、并且當(dāng)還考慮熱阻和容易的制造工藝時(shí)，作為隧道勢(shì)壘的、由使用界面磁各向異性的復(fù)合材料形成的結(jié)構(gòu)(例如，通過將包含Co或!^e的磁性材料層疊在MgO上而形成的疊層板)是有前途的。但是，與晶體磁各向異性、單離子各向異性等相比，基于界面磁各向異性的垂直磁各向異性的各向異性能低，并且還不利地易于隨著磁性層的厚度增大而降低。為了解決上述問題，本發(fā)明人研究了氧化物布置在磁性金屬的兩側(cè)以增加界面數(shù)量的結(jié)構(gòu)。形成該結(jié)構(gòu)，以使用通過氧(0)和Co或狗之間的鍵合來產(chǎn)生界面磁各向異性的現(xiàn)象。S卩，當(dāng)存儲(chǔ)層位于隧道勢(shì)壘層上方時(shí)通過增加氧化物覆蓋層、和當(dāng)存儲(chǔ)層位于隧道勢(shì)壘層下方時(shí)通過增加氧化物底層，可以增加基于界面磁各向異性的磁各向異性能。但是，因?yàn)樵谶@種情況下使用的MgO等的氧化物覆蓋層通常是具有高電阻的絕緣物質(zhì)并且用作串聯(lián)電阻，所述串聯(lián)電阻與通過磁化固定層和存儲(chǔ)層之間產(chǎn)生的隧道磁電阻效應(yīng)而獲得的磁電阻的變化重疊，通道勢(shì)壘層設(shè)置在磁化固定層和存儲(chǔ)層之間，結(jié)果，在某些情況下存儲(chǔ)元件的電阻的變化率有可能降低。因?yàn)橛捎陔娮枳兓实慕档投鹱x出信號(hào)的強(qiáng)度降低，所以會(huì)產(chǎn)生問題，例如， 使電路變復(fù)雜以克服上述降低，或讀出速度不利地可能降低。因此，在本說明書中，決定形成如下存儲(chǔ)元件。S卩，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)元件具有存儲(chǔ)層，該存儲(chǔ)層具有與膜表面垂直的磁化，并且其中磁化的方向根據(jù)信息而改變。此外，上述存儲(chǔ)元件還具有磁化固定層，該磁化固定層具有與用作存儲(chǔ)在存儲(chǔ)層中的信息的基準(zhǔn)的膜表面垂直的磁化。存儲(chǔ)元件還具有非磁性物質(zhì)的絕緣層，該絕緣層設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間。此外，通過使用自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)所述存儲(chǔ)層的磁化以存儲(chǔ)信息，通過在層結(jié)構(gòu)的層疊方向上流動(dòng)的電流來產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)，層結(jié)構(gòu)包括存儲(chǔ)層、絕緣層和磁化固定層。此外，在該存儲(chǔ)元件中，在與上述存儲(chǔ)層接觸的各層當(dāng)中，設(shè)置在與絕緣層相反一側(cè)上的層由導(dǎo)電氧化物形成。此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)元件、和彼此交叉的兩種類型的線，存儲(chǔ)元件布置在兩種類型的線之間，電流能夠通過兩種類型的線、沿著層疊方向在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)元件，磁化固定層設(shè)置在存儲(chǔ)層上，絕緣層(隧道勢(shì)壘層)設(shè)置在磁化固定層和存儲(chǔ)層之間，因?yàn)橥ㄟ^使用自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)使存儲(chǔ)層的磁化反轉(zhuǎn)來執(zhí)行信息記錄，通過沿著層疊方向流動(dòng)的電流來產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)，所以通過使電流沿著層疊方向流動(dòng)可以記錄信息。在這種情況下，因?yàn)榇鎯?chǔ)層是垂直磁各向異性膜， 所以可以減小使存儲(chǔ)層的磁化方向反轉(zhuǎn)所需要的寫入電流。此外，通過垂直磁各向異性膜的高磁各向異性能，可以充分保持存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性。此外，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)元件中，因?yàn)槌髓F磁隧道結(jié)之外的部分 (除了絕緣層之外的部分)不包括由絕緣物質(zhì)形成的層，從所述鐵磁隧道結(jié)獲得讀出信號(hào)， 所以減小了對(duì)隧道磁電阻效應(yīng)沒有幫助的串聯(lián)電阻分量，因此，可以有效地抑制讀出信號(hào)的強(qiáng)度減小。此外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)，因?yàn)殡娏魍ㄟ^兩種類型的線沿著層疊方向在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)，以引起自旋轉(zhuǎn)移，所以當(dāng)電流能夠通過兩種類型的線沿著存儲(chǔ)元件的層疊方向流動(dòng)時(shí)，通過自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)可以記錄信息。此外，因?yàn)榭梢猿浞直３执鎯?chǔ)層的熱穩(wěn)定性，所以可以穩(wěn)定地保留記錄在存儲(chǔ)元件中的信息，并且可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)裝置的小型化、可靠性提高、和功耗減小。根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)榭梢匀菀椎孬@得具有垂直磁各向異性的存儲(chǔ)元件，同時(shí)充分保證作為信息保留能力的熱穩(wěn)定性，所以可以形成在性能平衡方面優(yōu)異的存儲(chǔ)元件。因此，可以避免操作錯(cuò)誤，并可以充分獲得存儲(chǔ)元件的操作裕度。因此，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定操作的高可靠性的存儲(chǔ)器。此外，可以減小寫入電流，并且在存儲(chǔ)元件中寫入信息所需要的功耗也可以減小。 因此，可以減小整個(gè)存儲(chǔ)裝置的功耗。此外，因?yàn)榭梢詼p小對(duì)隧道磁電阻效應(yīng)沒有幫助的串聯(lián)電阻分量，并且從而可以抑制讀出信號(hào)的強(qiáng)度減小，所以還可以避免復(fù)雜的電路和讀出速度減小。


圖1是根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置(存儲(chǔ)設(shè)備)的示意性結(jié)構(gòu)示圖(透視圖)；圖2是根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的截面圖；圖3是存儲(chǔ)層布置在磁化固定層的下側(cè)上的存儲(chǔ)元件的截面圖；圖4A是示出通過使用磁光克爾效應(yīng)進(jìn)行研究而獲得的、使用絕緣氧化物(MgO)作為覆蓋層的試樣的磁特性的結(jié)果的曲線圖；圖4B是示出通過使用磁光克爾效應(yīng)進(jìn)行研究而獲得的、使用導(dǎo)電氧化物(CoTiO)作為覆蓋層的試樣的磁特性的結(jié)果的曲線圖；圖5是示出用于對(duì)當(dāng)導(dǎo)電氧化物用作覆蓋層時(shí)獲得更高的磁電阻效應(yīng)進(jìn)行討論的、圓柱隧道結(jié)元件的一個(gè)示例的示圖；圖6是每種都滿足覆蓋層所需的電阻率調(diào)解的材料的表；圖7是使用通過自旋注入的磁化反轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)裝置的示意性結(jié)構(gòu)的透視圖；和圖8是圖7中所示的存儲(chǔ)裝置的截面圖。
具體實(shí)施例方式在下文中，將描述本發(fā)明的實(shí)施方式(在下文中稱作“實(shí)施例”)。將以下列順序進(jìn)行描述。<1.根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的概述〉<2.根據(jù)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)><3.試驗(yàn)〉<4.修改形式><1.根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的概述〉首先，將描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的概述。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過上述自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)，使存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)層的磁化方向反轉(zhuǎn)以記錄信息。存儲(chǔ)層是由磁性物質(zhì)形成的鐵磁層，并且通過磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)(磁化方向) 來保存信息。盡管之后將詳細(xì)描述，但是根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)元件具有例如圖2中所示的層結(jié)構(gòu)并具有至少兩個(gè)鐵磁層，即，存儲(chǔ)層17和磁化固定層15，并且該存儲(chǔ)元件還具有絕緣層16 作為設(shè)置在上述兩個(gè)鐵磁層之間的中間層。存儲(chǔ)層17具有垂直于膜表面的磁化，磁化方向根據(jù)信息變化。磁化固定層15具有垂直于膜表面的磁化，該膜表面用作存儲(chǔ)在存儲(chǔ)層17中的信息的基準(zhǔn)。絕緣層16包含非磁性物質(zhì)，并且設(shè)置在存儲(chǔ)層17和磁化固定層15之間。當(dāng)將自旋極化電子注入到沿著層疊方向具有存儲(chǔ)層17、絕緣層16和磁化固定層 15的層結(jié)構(gòu)中吋，存儲(chǔ)層17的磁化方向改變，信息被記錄在存儲(chǔ)層17中。在下文中，將簡要描述自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)。電子具有兩種類型的自旋角動(dòng)量。這些動(dòng)量臨時(shí)定義為向上動(dòng)量和向下動(dòng)量。在非磁性物質(zhì)中，各自具有向上動(dòng)量的電子的數(shù)量與各自具有向下動(dòng)量的電子的數(shù)量相同， 在鐵磁物質(zhì)中，上述數(shù)量彼此不同。在形成自旋轉(zhuǎn)矩磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ST-MRAM)的兩個(gè)鐵磁層(磁化固定成15和存儲(chǔ)層17)中，當(dāng)兩個(gè)層的磁矩的方向彼此相反時(shí)(在下文中稱作“相反方向狀態(tài)”)，將討論電子從磁化固定層15移動(dòng)到存儲(chǔ)層17的情況。磁化固定層15是通過高矯頑カ來固定磁矩的方向的固定磁化層。穿過磁化固定層15的電子是自旋極化的，即，向上電子的數(shù)量與向下電子的數(shù)量不同。當(dāng)作為非磁性層的絕緣層16形成為具有足夠小的厚度吋，在由穿過磁化固定層15 的電子引起的自旋極化減少并且在通常的非磁性物質(zhì)中被置于非極化狀態(tài)(向上電子的數(shù)量等于向下電子的數(shù)量的狀態(tài))之前，電子到達(dá)存儲(chǔ)層17。因?yàn)榇鎯?chǔ)層17的自旋極化度的符號(hào)與磁化固定層15的自旋極化度的符號(hào)相反， 所以為了減少系統(tǒng)能量，一些電子反轉(zhuǎn)，即，一些電子的自旋角動(dòng)量的方向改變。在這種情況下，因?yàn)橄到y(tǒng)的總角動(dòng)量理論上守恒，所以存儲(chǔ)層17的磁矩也產(chǎn)生與由方向改變的電子引起的角動(dòng)量變化的總和等價(jià)的反作用。當(dāng)電流(S卩，每單位時(shí)間流過的電子的數(shù)量)小時(shí)，方向改變的電子的總數(shù)也小， 并且存儲(chǔ)層17的磁矩產(chǎn)生的角動(dòng)量的變化也??；但是，當(dāng)電流增大時(shí)，每單位時(shí)間產(chǎn)生大的角動(dòng)量變化。角動(dòng)量的時(shí)間變化表示轉(zhuǎn)矩，并且當(dāng)轉(zhuǎn)矩超過一定閾值時(shí)，存儲(chǔ)層17的磁矩開始旋進(jìn)運(yùn)動(dòng)、并且當(dāng)旋轉(zhuǎn)180°時(shí)通過其單軸各向異性來保持穩(wěn)定。即，產(chǎn)生從相反方向狀態(tài)反轉(zhuǎn)到相同方向狀態(tài)(磁矩的方向在相同方向上的狀態(tài))。如果磁化處于相同方向狀態(tài)，并且相反地提供電流以在從存儲(chǔ)層17到磁化固定層15的方向上發(fā)送電子，則當(dāng)在磁化固定層15處通過反射而自旋反轉(zhuǎn)的電子進(jìn)入存儲(chǔ)層 17時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，并且磁矩可以反轉(zhuǎn)到相反方向狀態(tài)。但是，在這種情況下，引起反轉(zhuǎn)所需要的電流大于在相反方向狀態(tài)反轉(zhuǎn)到相同方向狀態(tài)的情況下的電流。盡管很難直觀地理解磁矩從相同方向狀態(tài)反轉(zhuǎn)到相反方向狀態(tài)，但是可以以這樣的方式來理解，即因?yàn)榇呕潭▽?5的磁化是固定的，所以在磁化固定層15中磁矩不反轉(zhuǎn)，并且為了使整個(gè)系統(tǒng)的角動(dòng)量守恒，在存儲(chǔ)層17中磁矩被反轉(zhuǎn)。如上所述，通過根據(jù)相應(yīng)的極性在從磁化固定層15到存儲(chǔ)層17的方向上或與此相反的方向上、提供一定閾值或更大的電流，來執(zhí)行“0”和“ 1，，的記錄。與現(xiàn)有MRAM的情況一樣，通過使用磁電阻效應(yīng)來執(zhí)行信息的讀出。即，與上述記錄的情況一樣，在垂直于膜表面的方向上提供電流。此外，使用這樣的現(xiàn)象，即，根據(jù)存儲(chǔ)層 17的磁矩與磁化固定層15的磁矩處于相同方向還是處于相反方向，來改變?cè)碾娮琛Ｔ诒緦?shí)施例中，在磁化固定層15和存儲(chǔ)層17之間提供絕緣層16，該絕緣層16是非磁性的絕緣物質(zhì)。因?yàn)槿缟纤鼋^緣層16設(shè)置在磁化固定層15和存儲(chǔ)層17之間，所以與例如提供金屬膜的情況相比，獲得了更大的讀出信號(hào)(電阻變化率)，并且可以以較小的電流來執(zhí)行記錄。絕緣層16設(shè)置在磁化固定層15和存儲(chǔ)層17之間的結(jié)構(gòu)稱作鐵磁隧道結(jié)(磁性隧道結(jié)MTJ)。無論磁性層的易磁化軸是與表面平行的面內(nèi)方向還是與表面垂直的方向，在通過自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)來使磁性層的磁化方向反轉(zhuǎn)時(shí)所需要的電流閾值Ic都改變。具體地，當(dāng)面內(nèi)磁化型ST-MRAM的反轉(zhuǎn)電流由Ic_para表示時(shí)，磁化的反轉(zhuǎn)方向與反轉(zhuǎn)電流Ic_para之間的關(guān)系表示如下。相同方向狀態(tài)到相反方向狀態(tài)...Ic_para ={Α· α · Ms · V/(g(0)*P)} (Hk+2JiMs)相反方向狀態(tài)到相同方向狀態(tài)...Ic_para =- {A · α · Ms · V/ (g ( π ) *Ρ)} (Hk+2 π Ms)在上述方程式中，A表示常數(shù)，α表示阻尼系數(shù)，Ms表示飽和磁化，V表示元件體積，g(o)p和g( π )ρ分別表示與在相同方向狀態(tài)下和在相反方向狀態(tài)下自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移到面對(duì)的磁化層的效率相對(duì)應(yīng)的系數(shù)，Hk表示磁各向異性(參見Nature Materials.，5，210(2006)) ο另ー方面，當(dāng)垂直磁化型ST-MRAM的反轉(zhuǎn)電流由Ic_perp表示吋，獲得下列關(guān)系式。相同方向狀態(tài)到相反方向狀態(tài)...Ic_perp = {Α · α · Ms · Vバg(shù)(0)*P)} (Hk-4π Ms)相反方向狀態(tài)到相同方向狀態(tài)...Ic_perp = -{Α · α · Ms · Vバg(shù) ( π ) *Ρ)} (Hk-4π Ms)在上述方程式中，當(dāng)將垂直磁化型的(Hk-4 π Ms)與面內(nèi)磁化型的(Hk+2 π Ms)進(jìn)行對(duì)比吋，可以理解垂直磁化型更適合于減小記錄電流。此外，作為有效的存儲(chǔ)器，ST-MRAM需要保留存儲(chǔ)的信息。作為保留信息的能力的指標(biāo)，例如，可以提及熱穩(wěn)定性的指標(biāo)Δ ( = KV/kBT)。Δ由下列方程式1表示。Δ = KV/kBT = Ms · V · Hk · (l/2kBT) · · ·[方程式 1]在上述方程式中，Hk表示有效各向異性場(chǎng)，kB表示波爾茲曼常數(shù)，T表示溫度，Ms 表示飽和磁化量，V表示存儲(chǔ)層的體積。形狀磁各向異性、感應(yīng)磁各向異性、晶體磁各向異性等的影響結(jié)合在有效各向異性場(chǎng)Hk中，并且當(dāng)假設(shè)單疇中的相干轉(zhuǎn)動(dòng)模式吋，該有效各向異性場(chǎng)Hk等于矯頑力。在很多情況下熱穩(wěn)定性的指標(biāo)Δ和電流閾值Ic具有權(quán)衡關(guān)系。因此，為了維持存儲(chǔ)器特性，在很多情況下，需要同時(shí)滿足這兩個(gè)參數(shù)。在例如存儲(chǔ)層17的厚度是2nm并且平面圖案具有IOOnmX 150nm的大致橢圓形的TMR元件中，改變存儲(chǔ)層17的磁化狀態(tài)的電流閾值實(shí)際上如下所述。+側(cè)閾值+Ic是 +0. 5mA,-側(cè)閾值-Ic是-0. 3mA,并且這種情況下的電流強(qiáng)度約為3. 5X 106A/cm2。這些與上述方程式1基本一致。另ー方面，在通過電流磁場(chǎng)來執(zhí)行磁化反轉(zhuǎn)的通常MRAM中，需要數(shù)安培的寫入電流。因此，發(fā)現(xiàn)對(duì)于ST-MRAM，因?yàn)槿缟纤鰧懭腚娏鞯拈撝党浞譁p小，所以ST-MRAM 對(duì)于減小集成電路的功耗是有效的。此外，因?yàn)閷?duì)于ST-MRAM不需要通常的MRAM所用的磁場(chǎng)產(chǎn)生線，所以與通常的 MRAM相比，ST-MRAM在集成度方面也是有優(yōu)勢(shì)的。因?yàn)閷?duì)于執(zhí)行自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)的ST-MRAM，電流被直接提供至存儲(chǔ)元件中以用于信息寫入(記錄)，所以為了選擇呢執(zhí)行寫入的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)元件連接到選擇晶體管以形成存儲(chǔ)單元。在這種情況下，存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流受到選擇晶體管中允許流動(dòng)的電流(選擇晶體管的飽和電流)的限制。為了減小記錄電流，如上所述優(yōu)選使用垂直磁化型。此外，因?yàn)榇怪贝鸥飨虍愋阅ねǔＤ軌虮让鎯?nèi)磁各向異性膜具有更高的磁各向異性，所以上述△更好地保持較大。作為具有垂直各向異性的磁性材料，例如，可以提及多種類型的材料，例如，稀土過渡金屬合金(TbCoi^e等)、金屬多層膜(Co/Pd多層膜等)、有序合金O^ePt等)、和各自使用氧化物和磁性金屬之間的界面磁各向異性的復(fù)合材料(Co/MgO等)。在上述這些材料當(dāng)中，因?yàn)橄⊥吝^渡金屬合金在通過加熱進(jìn)行擴(kuò)散和結(jié)晶化時(shí)失去垂直磁各向異性，所以
10這種材料并不優(yōu)選作為ST-MRAM的材料。此外，眾所周知金屬多層膜通過加熱而擴(kuò)散，從而其垂直磁各向異性降低。此外，因?yàn)橹辉诿嫘牧⒎骄w的(111)方向上獲得垂直磁各向異性，所以很難實(shí)現(xiàn)MgO及布置在MgO附近的由例如Fe、CoFe或CoFeB形成的高極性層所需的(001)方向。此外，因?yàn)長lO有序合金在高溫下穩(wěn)定并且在(001)方向上表現(xiàn)出垂直磁各向異性，所以不會(huì)產(chǎn)生上述問題。但是，因?yàn)閷?duì)于常規(guī)排列的原子需要在制造中在500°C或更高的高溫下執(zhí)行加熱、或需要在制造之后在500°C或更高的高溫下執(zhí)行熱處理，所以在某些情況下會(huì)產(chǎn)生在層疊膜的另外部分(例如，絕緣層16(隧道勢(shì)壘層))中的不利擴(kuò)散、和/或増加界面粗糙度。另ー方面，由使用界面磁各向異性的復(fù)合材料(即，由層疊在隧道勢(shì)壘層(例如， MgO)上的Co基或狗基材料)，不會(huì)產(chǎn)生上述任意問題，因此，預(yù)期這種復(fù)合材料很有前途成為ST-MRAM存儲(chǔ)層材料。盡管相信當(dāng)氧化物中包含的氧在界面處鍵合到Co或!^e時(shí)產(chǎn)生基于界面磁各向異性的垂直磁各向異性，但是與有序合金的晶體磁各向異性和稀土元素的單離子各向異性相比，所述垂直磁各向異性自身的各向異性能較低，并且還隨著磁性層厚度增大而不利地減小。為了解決上述問題，本發(fā)明人提出了將氧化物布置在磁性金屬的兩側(cè)的結(jié)構(gòu)以增加界面的數(shù)量(日本專利申請(qǐng)No. 2010-2015 )。具體地，例如，該結(jié)構(gòu)如下所述。襯底/底層/磁化固定層/Mg0(隧道勢(shì)壘層)/存儲(chǔ)層/氧化物覆蓋層通過上述結(jié)構(gòu)，因?yàn)榻缑嬗兄诮缑娲鸥飨虍愋?，除了存?chǔ)層/MgO(隧道勢(shì)壘層) 之間的界面之外，還額外獲得了存儲(chǔ)層/氧化物覆蓋層之間的ー個(gè)界面，因此存儲(chǔ)層的各向異性可以有效地増大。但是，因?yàn)橛糜谶@種結(jié)構(gòu)的氧化物覆蓋層(例如MgO)通常由絕緣物質(zhì)形成，所以其電阻高，并且該電阻與通過磁化固定層和存儲(chǔ)層之間的隧道磁電阻效應(yīng)而獲得的磁電阻的變化重疊，以使得在某些情況下電阻的變化率可以減小。因此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)與存儲(chǔ)層接觸的、設(shè)置在與絕緣層(隧道勢(shì)壘層)相反ー側(cè)上的一個(gè)層由導(dǎo)電氧化物形成的結(jié)構(gòu)。具體地，在使用圖2中所示的結(jié)構(gòu)示例的情況下，覆蓋層18由具有高導(dǎo)電率的氧化物形成。通過上述結(jié)構(gòu)，可以減少串聯(lián)電阻元件，該串聯(lián)電阻元件對(duì)隧道磁電阻效應(yīng)沒有幫助、并且與產(chǎn)生隧道磁電阻效應(yīng)的隧道勢(shì)壘部分(絕緣層16)的電阻重疊，并且可以有效地抑制隧道磁電阻效應(yīng)的降低。此外，讀出信號(hào)的強(qiáng)度反映出磁電阻效應(yīng)。因?yàn)槿缟纤隹梢砸种拼烹娮栊?yīng)的降低，所以可以避免為防止信號(hào)強(qiáng)度降低而使電路變復(fù)雜的情況和/或讀出速度降低的情況。在本實(shí)施例中，存儲(chǔ)層17是包括合金區(qū)域的垂直磁各向異性膜，所述合金區(qū)域包含Co和!^e中的至少ー種。此外，考慮到選擇晶體管的飽和電流值，由絕緣物質(zhì)形成的絕緣層16被設(shè)置在存儲(chǔ)層17和磁化固定層15之間作為非磁性層，以形成磁性隧道結(jié)(MTJ)元件。通過使用隧道絕緣層來形成磁性隧道結(jié)(MTJ)元件，與使用非磁性導(dǎo)電層來形成巨磁電阻效應(yīng)(GMR)元件的情況相比，可以減小磁電阻的變化率(在下文中在某些情況下稱作“MR率”)，并且可以減小讀出信號(hào)的強(qiáng)度。此外，具體地，通過使用氧化鎂(MgO)作為絕緣層16的材料，該絕緣層16用作隧道絕緣層，可以減小磁電阻的變化率(MR率)。通常，自旋轉(zhuǎn)移的效率依賴于MR率并且隨著MR率的增大而提高，可以減小磁化反轉(zhuǎn)電流強(qiáng)度。因此，當(dāng)氧化鎂用作絕緣層16的材料、并且還一起使用上述存儲(chǔ)層17時(shí)，自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)的寫入電流閾值可以減小，通過可以由小電流來寫入(記錄)信息。此外， 讀出信號(hào)的強(qiáng)度也可以減小。如上所述，在保證MR率(TMR率)的同時(shí)，自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)的寫入閾值可以減小，并且可以由小電流來寫入(記錄)信息。此外，讀出信號(hào)的強(qiáng)度也可以減小。當(dāng)絕緣層16由氧化鎂膜形成時(shí)，更優(yōu)選地，氧化鎂膜是結(jié)晶化的，并且氧化鎂膜的晶體取向保持在(001)方向上。在本實(shí)施例中，除了由氧化鎂形成的結(jié)構(gòu)之外，例如，可以使用各種類型的絕緣物質(zhì)(例如，氧化鋁、氮化鋁、SiO2、Bi203、MgF2、CaF、SrTiO2、A1 LaO3、和A1-N-0)、電介質(zhì)和半導(dǎo)體來形成用作隧道勢(shì)壘層的絕緣層16。此外，為了獲得用以通過自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)來使存儲(chǔ)層17的磁化方向反轉(zhuǎn)的電流密度，絕緣層16的面電阻必需控制成約數(shù)十Ω · μ m2或更小。為了將由MgO膜形成的絕緣層16的面電阻控制在上述范圍，絕緣層16的厚度必需設(shè)置成1.5nm或更小。對(duì)于上述實(shí)施例，覆蓋層18布置成與存儲(chǔ)層17相鄰，導(dǎo)電氧化物用于該覆蓋層 18。對(duì)于導(dǎo)電氧化物，例如，可以使用Re03、RuO2, SnO2, TiO2, LiTi204、LiV2O4、和 Fii3O4， 此外，在通常條件下具有絕緣特性的氧化物當(dāng)通過形成氧缺陷或摻雜不同的元素而產(chǎn)生導(dǎo)電率時(shí)也可以使用。此外，為了通過小電流容易地使存儲(chǔ)層17的磁化方向反轉(zhuǎn)，優(yōu)選減小存儲(chǔ)元件的尺寸。存儲(chǔ)元件的面積優(yōu)選設(shè)置成0. 01 μ m2或更小。在本實(shí)施例中，除了 Co和！^之外的元素也可以添加到存儲(chǔ)層17。通過加入不同類型的元素，可以獲得有益效果，例如，通過防止擴(kuò)散來提高耐熱性、提高磁電阻效應(yīng)和通過平坦化引起增大耐受電壓。對(duì)于這種情況下的附加元素的材料， 例如，可以使用 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。還可以通過直接層疊具有不同成分的其他鐵磁層來形成根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)層17。此外，鐵磁層和軟磁層可以彼此層疊，或者可以層疊多個(gè)鐵磁層且軟磁層和非磁性層當(dāng)中的至少一個(gè)設(shè)置在鐵磁層之間。具體地，當(dāng)層疊多個(gè)鐵磁層且至少一個(gè)非磁性層設(shè)置在鐵磁層之間時(shí)，因?yàn)榭梢哉{(diào)節(jié)鐵磁層之間的相互作用，所以即使存儲(chǔ)元件的尺寸減小到亞微米量級(jí)或更小，也可以獲得抑制磁化反轉(zhuǎn)電流增大的效果。對(duì)于這種情況下的非磁性層的材料，例如，可以使用 Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb、或其合金。
僅通過鐵磁層、或通過使用反鐵磁層與鐵磁層之間的反鐵磁耦合，磁化固定層15 可以形成為使得磁化的方向被固定。此外，磁化固定層15可以由單一鐵磁層或?qū)盈B含鐵壓制(ferri-pirmed)結(jié)構(gòu)形成，在所述層疊含鐵壓制結(jié)構(gòu)中鐵磁層層疊且非磁性層設(shè)置在鐵磁層之間。對(duì)于形成具有層疊含鐵壓制結(jié)構(gòu)的磁化固定層15的鐵磁層的材料，例如，可以使用Co、CoFe、和CoFeB0此外，對(duì)于非磁性層的材料，例如，可以使用Ru、Re、Ir和Os。對(duì)于反鐵磁層的材料，例如，可以涉及諸如PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、 IrMn合金、NiO和Fii2O3的磁性物質(zhì)。通過將非磁性元素(Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、0、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo
和Nb)増加到上述這些磁性物質(zhì)，可以調(diào)節(jié)磁特性，和/或還可以調(diào)節(jié)各種其他物理特性， 例如晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、和物質(zhì)的穩(wěn)定性。磁化固定層15的厚度和存儲(chǔ)層17的厚度各自優(yōu)選在0. 5nm到30nm的范圍內(nèi)。存儲(chǔ)元件3的剩余結(jié)構(gòu)可以形成為類似于通過自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)來記錄信息的存儲(chǔ)元件的通常結(jié)構(gòu)。<2.根據(jù)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)>然后，將描述根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置的具體結(jié)構(gòu)。圖1示出作為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)示圖(透視圖)。在該存儲(chǔ)設(shè)備中，在彼此正交交叉的兩種類型的地址線(例如，字線和位線)的交叉點(diǎn)附近，布置存儲(chǔ)元件3，該存儲(chǔ)元件3可以通過磁化的狀態(tài)來保留信息。即，漏極區(qū)8、源極區(qū)7和柵電極1形成用于選擇每個(gè)存儲(chǔ)單元的選擇晶體管，并且形成在由半導(dǎo)體基體10(例如，硅襯底)的元件隔離層2所隔離的部分中。在上述這些當(dāng)中，柵電極1也用作垂直于圖的平面延伸的地址線(例如，字線)。漏極區(qū)8形成為由位于圖中的右側(cè)和左側(cè)的選擇晶體管共用，線9連接到該漏極區(qū)8。此外，存儲(chǔ)元件3布置在源極區(qū)7和其他線(例如，位線)6之間，該其他線6布置在源極區(qū)7上方以在圖中從右到左的方向上延伸。該存儲(chǔ)元件3布置在兩種類型的地址線1和6之間的交叉點(diǎn)附近。此外，存儲(chǔ)元件3分別通過頂部和底部接觸層4連接到位線6和源極區(qū)7。從而，通過兩種類型的地址線1和6，電流能夠沿著從上到下的方向在存儲(chǔ)元件3 中流動(dòng)，以使得通過自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)可以使存儲(chǔ)層的磁化方向反轉(zhuǎn)。圖2是根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)元件3的截面圖。如圖2所示，該存儲(chǔ)元件3由存儲(chǔ)層17和磁化固定層15形成，在該存儲(chǔ)層17中通過自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)來使磁化M17的方向反轉(zhuǎn)，該磁化固定層15設(shè)置在存儲(chǔ)層17下方。在ST-MRAM中，存儲(chǔ)層17的磁化M17與磁化固定層15的磁化M15之間的相對(duì)角度規(guī)定了信息“0”或“ 1”。在存儲(chǔ)層17和磁化固定層15之間，形成將用作隧道勢(shì)壘層(隧道絕緣層)的絕緣層16，通過存儲(chǔ)層17和磁化固定層15來形成MTJ元件。此外，底層14形成于磁化固定層15的下側(cè)，覆蓋層18形成于存儲(chǔ)層17的上側(cè)。
在本實(shí)施例中，如上所述，存儲(chǔ)層17是包括合金區(qū)域的垂直磁各向異性膜，該合金區(qū)域包含Co和當(dāng)中的至少ー種。此外，在本實(shí)施例中，布置成與存儲(chǔ)層17相鄰的覆蓋層18由導(dǎo)電氧化物形成。此外，在本實(shí)施例中，絕緣層16由氧化鎂層形成，以增大磁電阻的變化率(MR率)。當(dāng)如上所述MR率増大吋，自旋注入的效率可以提高，使存儲(chǔ)層17的磁化M17的方向反轉(zhuǎn)所需要的電流密度可以減小。通過在真空裝置中連續(xù)形成從底層14到覆蓋層18的各層、然后通過蝕刻等形成存儲(chǔ)元件3的圖案的步驟，可以制造根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)元件3。因?yàn)榇鎯?chǔ)層17是垂直磁各向異性膜，所以根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)元件3可以減小使存儲(chǔ)層17的磁化M17的方向反轉(zhuǎn)所需要的寫入電流。此外，因?yàn)閷盈B在存儲(chǔ)層17上的覆蓋層18雖然是氧化物、但也是導(dǎo)電物質(zhì)，所以可以有效地抑制磁電阻效應(yīng)的降低。如上所述，因?yàn)榭梢杂行У乇ＷC作為信息保留能力的熱穩(wěn)定性，所以可以實(shí)現(xiàn)在特性平衡方面優(yōu)異的存儲(chǔ)元件。因此，可以避免操作錯(cuò)誤，并且可以有效地獲得存儲(chǔ)元件3的動(dòng)作裕度，以使得可以穩(wěn)定地操作存儲(chǔ)元件3。因此，實(shí)現(xiàn)了可以穩(wěn)定操作的高可靠性的存儲(chǔ)器。此外，可以減小寫入電流，并且還可以減小在存儲(chǔ)元件3中進(jìn)行寫入所需要的功耗。因此，可以減小整個(gè)存儲(chǔ)裝置的功耗。此外，根據(jù)本實(shí)施例，因?yàn)楦采w層18由具有高導(dǎo)電率的氧化物形成，所以可以減小串聯(lián)電阻，該串聯(lián)電阻元件對(duì)磁電阻效應(yīng)沒有幫助、并且與產(chǎn)生隧道磁電阻效應(yīng)的隧道勢(shì)壘部分的電阻重疊，并且可以抑制隧道磁電阻效應(yīng)的降低。因?yàn)樽x出信號(hào)的強(qiáng)度反映出磁電阻效應(yīng)，所以當(dāng)抑制磁電阻效應(yīng)的降低吋，可以避免通過降低信號(hào)強(qiáng)度而使電路變復(fù)雜的情況和/或讀出速度降低的情況。此外，通過使用通常的半導(dǎo)體MOS形成エ藝，可以有利地制造包括圖2中所示的存儲(chǔ)元件3的圖1中所示的結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)裝置。因此，根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置可以用作通用存儲(chǔ)器。盡管上面舉例描述了從上層ー側(cè)按照如下順序布置覆蓋層18、存儲(chǔ)層17、絕緣層 16、磁化固定層15和底層14的結(jié)構(gòu)，作為存儲(chǔ)元件的結(jié)構(gòu)，但是對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)元件，如圖3所示，也可以形成存儲(chǔ)層17布置在磁化固定層15的下側(cè)的結(jié)構(gòu)。具體地，結(jié)構(gòu)形成為使得從上層一側(cè)按照如下順序布置覆蓋層18、磁化固定層 15、絕緣層16、存儲(chǔ)層17和底層14。在這種情況下，通過底層14(嚴(yán)格來講，通過存儲(chǔ)層17和底層14之間的界面)來執(zhí)行對(duì)存儲(chǔ)層17的垂直磁各向異性的增強(qiáng)。因此，在這種情況下，底層14由上述導(dǎo)電氧化物形成。<3.試驗(yàn)〉在參考圖2所述的存儲(chǔ)元件3的結(jié)構(gòu)中，通過具體選擇形成覆蓋層18的材料，形成存儲(chǔ)元件3的試樣，并研究該試樣的特性。盡管如圖1所示，除了存儲(chǔ)元件3之外，開關(guān)半導(dǎo)體電路等安裝在實(shí)際存儲(chǔ)裝置上，但是在本試驗(yàn)中，為了研究放置成與覆蓋層18相鄰的存儲(chǔ)層17的磁化反轉(zhuǎn)特性，使用只形成存儲(chǔ)元件部分的晶片進(jìn)行研究。具有300nm厚度的熱氧化物膜形成于具有0. 725mm厚度的硅襯底上，圖2中所示結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)元件3形成于熱氧化物膜上。具體地，在圖2中所示的結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)元件3中，如下選擇各個(gè)層的材料和厚度。 底層14....具有IOnm厚度的Ta膜與具有25nm厚度的Ru膜的層疊膜·磁化固定層15....具有2. 5nm厚度的CoFeB膜·絕緣層16....具有0. 9nm厚度的氧化鎂膜·存儲(chǔ)層 17. · · · CoFeB/Ta/CoFeB 層疊膜·覆蓋層18.... MgO (存儲(chǔ)元件3A)或CoTiO (存儲(chǔ)元件3B)在本試驗(yàn)中，存儲(chǔ)元件3A和存儲(chǔ)元件加分別由“試樣3A”和“試樣3B”表示。此外，在上述膜結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)層17的鐵磁層是Coi^eB :0. 9nm/Ta :0. 3nm/Co!^eB: 0. 9nm, CoFeB 的成分是 Co 16% -Fe 64% -B 20%。通過使用射頻(RF)磁控濺射方法來獲得由氧化鎂(MgO)膜形成的絕緣層16和由 MgO或CoTiO形成的覆蓋層18，通過使用直流(DC)磁控濺射方法來獲得其他膜。此外，在每個(gè)試樣3A和;3B中，在形成各層之后，在磁場(chǎng)熱處理爐中在350°C下執(zhí)行熱處理持續(xù)2小吋。在試樣3A中，MgO是絕緣物質(zhì)，在試樣加中，CoTiO是在室溫下具有約0. 1 Ω · cm 的電阻率的導(dǎo)體(半導(dǎo)體)。圖4A和4B中示出通過使用磁光克爾效應(yīng)進(jìn)行研究而獲得的試樣3A和加的磁特性的結(jié)果。圖4A示出試樣3A的結(jié)果，圖4B示出試樣加的結(jié)果。在圖4A和4B的每ー個(gè)中，水平軸表示在與膜表面垂直的方向上施加的磁場(chǎng)，垂直軸表示克爾旋轉(zhuǎn)角。因?yàn)橄拗拼艌?chǎng)(矯頑力)越高，則垂直磁各向異性増大，在該限制磁場(chǎng)中，即使在與膜表面垂直的方向上的磁場(chǎng)從正值減小到O時(shí)也可以保持正克爾旋轉(zhuǎn)角，并且即使進(jìn)ー步施加負(fù)磁場(chǎng)時(shí)也可以保持克爾旋轉(zhuǎn)角。根據(jù)圖4A和4B，發(fā)現(xiàn)試樣加具有優(yōu)于試樣3A的垂直磁各向異性。即，發(fā)現(xiàn)即使覆蓋層18由導(dǎo)電氧化物形成，也獲得了垂直磁各向異性，并且在某些情況下，如此獲得的垂直磁各向異性會(huì)優(yōu)于當(dāng)覆蓋層18由絕緣材料形成時(shí)獲得的垂直磁各向異性。當(dāng)使用試樣3A和加來形成存儲(chǔ)元件吋，在兩種情況下都可以獲得對(duì)于ST-MRAM 足夠低的記錄電流和足夠高的熱穩(wěn)定性，具體地，因?yàn)樵嚇?B的覆蓋層18具有導(dǎo)電性，與試樣3A的覆蓋層18相比，獲得高磁電阻效應(yīng)。下面將描述這種情況的原因。首先，將討論具有50nm直徑的圓柱隧道結(jié)元件形成為存儲(chǔ)元件的情況。如圖5所示，上述元件的層結(jié)構(gòu)從上層一側(cè)按照下列順序由保護(hù)層20、覆蓋層18、存儲(chǔ)層17、絕緣層 16、和磁化固定層15形成。因?yàn)榇呕潭▽?5、存儲(chǔ)層17和保護(hù)層20各自都有金屬形成，并且絕緣層16和覆蓋層18各自都有氧化物形成，所以由絕緣層16的電阻和覆蓋層18的電阻來確定存儲(chǔ)元件的電阻。對(duì)于絕緣層16的電阻和覆蓋層18的電阻，因?yàn)榻^緣層16和覆蓋層18的厚度非常小以使得隧道電流流過，所以引入面電阻(RA)的概念是便利的。該面電阻由電阻乘以面積來表示，對(duì)于面電阻的単位，使用[Ω · μπι2]。通過絕緣層16和覆蓋層18的厚度、和由絕緣層16和覆蓋層18的材料得到的值來確定絕緣層16的面電阻和覆蓋層18的面電阻，隨著面積増大，實(shí)際電阻減小，而隨著面積減小，實(shí)際電阻増大。當(dāng)TMR率高吋，即，在存儲(chǔ)層17的磁化方向與磁化固定層15的磁化方向在相同方向上的情況、和存儲(chǔ)層17的磁化方向與磁化固定層15的磁化方向在相反方向上的情況之間(即，在“0”狀態(tài)和“ 1”狀態(tài)之間)當(dāng)電阻的變化率高吋，ST-MRAM的讀出信號(hào)増大。當(dāng)存儲(chǔ)元件的電阻主要由絕緣層16的電阻來確定吋，在“0”狀態(tài)和“ 1”狀態(tài)之間電阻的變化由絕緣層16、磁化固定層15和存儲(chǔ)層17的材料來確定，并且由下列方程式來表示。TMR(% ) = 100 · (RAh-RAl)/RAl在上述方程式中，相同方向狀態(tài)的面電阻由來表示，相反方向狀態(tài)的面電阻由 RAh來表示。但是，如在本說明書中所描述的，在將氧化物用于覆蓋層18以產(chǎn)生垂直磁各向異性的情況下，當(dāng)氧化物具有絕緣特性吋，串聯(lián)地增加了對(duì)電阻率的變化沒有幫助的電阻 RAcap0結(jié)果，電阻的變化率由下列方程式表示。TMR(% ) = 100 · (RAh-RAl)/(RAL+RAcap)BP,電阻的變化率隨著RAeap増大而減小。此外，對(duì)試樣3C、3D和3E彼此進(jìn)行對(duì)比。在這些試樣3C、3D和3E中的每ー個(gè)中， 將形成絕緣層16的MgO的厚度設(shè)置成0. 9nm。對(duì)于覆蓋層18的材料，將各自具有0. 9nm厚度的iTa (金屬)、MgO (絕緣物質(zhì))和CoTiO (半導(dǎo)電的導(dǎo)體)分別用于試樣3C、3D和3E。此外，在上述每ー個(gè)試樣中，將具有5nm厚度的Ru用于保護(hù)層20。這些試樣的剩余結(jié)構(gòu)與示例3A和;3B的剰余結(jié)構(gòu)相同。當(dāng)對(duì)試樣3C的RA和TMR變化率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，RAl是20 Ω · μ m2，RAh是40 Ω · μ m2， TMR是100%。在試樣3C中，電阻主要由形成絕緣層16的MgO來確定，R^由作為絕緣層16 的、具有0. 9nm厚度的MgO來確定。在這種情況下，RAcap可以認(rèn)為是零。在試樣3D中，因?yàn)楦采w層18由具有0.9nm厚度的MgO來形成，所以覆蓋層18也具有相等的RA。S卩，RAeap是20 Ω · μ m2，因此TMR減小到50%。另ー方面，用于試樣3E的CoTiO顯示出半導(dǎo)電特性，并且在室溫下具有0. 1 Ω -cm 的電阻率，該電阻率是介于用作絕緣物質(zhì)的MgO與用作金屬的Ta之間的值。但是，因?yàn)槟ず穸刃?例如，0.9nm)，所以通過簡單計(jì)算發(fā)現(xiàn)CoTiO的RAeap是0.9 Ω ·μπι2。在這種情況下，TMR 是 95%。與試樣3C對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，將MgO用于覆蓋層18的試樣3D的TMR率減小了一半， 另ー方面，將CoTiO用于覆蓋層18的試樣3Ε的TMR率幾乎沒有減小。根據(jù)本發(fā)明，盡管需要將氧化物用于覆蓋層18，但是因?yàn)閷oTiO用于覆蓋層18，CoTiO是具有低電阻率的氧化物，所以可以抑制TMR率的減小。當(dāng)然，盡管例如通過讀出電路的性能來確定電路構(gòu)造所需要的TMR率的具體值， 但是因?yàn)橥ㄟ^使用CoTiO可以保證高TMR率，所以很明顯可以有利地使電路設(shè)計(jì)更容易。此外，盡管提到了通過減小由MgO形成的覆蓋層18的厚度來減小RAcap、以抑制TMR 率的減小的方法，但是從制造的角度來說限制氧化物厚度的減小，并且如果厚度過度減小，
16則由此會(huì)產(chǎn)生電阻的變化。即，通過使用具有約0.9mm的可控厚度的導(dǎo)電氧化物(例如， CoTiO)可以獲得效果的結(jié)構(gòu)很明顯也是有利的。對(duì)于形成覆蓋層18的導(dǎo)電氧化物，如上所述使用CoTiO;但是，當(dāng)然，導(dǎo)電氧化物不限于此。導(dǎo)電氧化物的重點(diǎn)在于為了引入垂直各向異性，包含氧原子，并且為了不顯著地減小存儲(chǔ)元件的TMR率，電阻率等于或小于一定值。通過與絕緣層16的RA結(jié)合來確定覆蓋層18所需要的電阻率的范圍。盡管根據(jù)裝置的發(fā)展通過元件的面積和晶體管的電阻來進(jìn)行優(yōu)化，但是絕緣層16 的RA最大為20Ω ·μπι2。盡管根據(jù)電路構(gòu)造，覆蓋層18的容許串聯(lián)電阻是絕緣層16的約 10%，因此，RAeap需要是2 Ω · μ m2或更小。當(dāng)想要為了制造穩(wěn)定性而通過0. 5nm或更大的膜厚度來實(shí)現(xiàn)上述值時(shí)，通過簡單計(jì)算，覆蓋層18的電阻率可以設(shè)置成約0. 4Ω · cm或更在本試驗(yàn)中，對(duì)于滿足上述電阻率的條件的材料，例如，可以提及圖6中所示的氧化物，通過適當(dāng)?shù)闹圃旆椒▉硇纬蓤D6中所示的每種氧化物。但是，即使當(dāng)將通常認(rèn)為是絕緣物質(zhì)的材料用作基體材料吋，如果通過摻雜、擴(kuò)散式混合等而產(chǎn)生電阻率，則也可以滿足上述電阻率的條件。例如，當(dāng)使用通過MgO和Ta之間的相互擴(kuò)散進(jìn)行制備、以使得電阻減小到具有0. 4Ω 或更小的電阻率的化合物吋，可以充分獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。<4.修改形式〉以上，盡管描述了本發(fā)明的實(shí)施例，但是本發(fā)明不限于上述存儲(chǔ)元件3的膜結(jié)構(gòu)， 還可以使用各種膜結(jié)構(gòu)。即，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以形成各種結(jié)構(gòu)。例如，盡管描述了這樣的情況，S卩，代替使用單層結(jié)構(gòu)，磁化固定層15可以形成為具有非磁性層和兩個(gè)鐵磁層的層疊含鐵壓制結(jié)構(gòu)，但是在這種情況下，還可以通過將反鐵磁膜進(jìn)一步增加到層壓含鐵壓制結(jié)構(gòu)膜來形成結(jié)構(gòu)。本申請(qǐng)包含與2011年1月7日遞交于日本特許廳的日本在先專利申請(qǐng)JP 2011-001920中公開的內(nèi)容相關(guān)的主題，該專利申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要在權(quán)利要求書或等價(jià)的范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)需求和其他因素，可以產(chǎn)生各種修改、組合、變形和替換。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)元件，其包括存儲(chǔ)層，其具有與膜表面垂直的磁化，所述存儲(chǔ)層的磁化的方向根據(jù)信息而改變； 磁化固定層，其具有與用作存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)層中的信息的基準(zhǔn)的膜表面垂直的磁化；和由非磁性物質(zhì)構(gòu)成的絕緣層，其設(shè)置在所述存儲(chǔ)層和所述磁化固定層之間， 其中，使用自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)所述存儲(chǔ)層的磁化以存儲(chǔ)信息，通過在層結(jié)構(gòu)的層疊方向上流動(dòng)的電流來產(chǎn)生所述自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)，所述層結(jié)構(gòu)包括所述存儲(chǔ)層、所述絕緣層和所述磁化固定層，所述存儲(chǔ)層在與所述絕緣層相反ー側(cè)上直接設(shè)置有層，并且所述層包括導(dǎo)電氧化物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)元件，其中，所述存儲(chǔ)層包括合金區(qū)域，所述合金區(qū)域包含狗和Co中的至少ー種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲(chǔ)元件，其中，所述導(dǎo)電氧化物具有0. 4 Ω . cm或更小的電阻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的存儲(chǔ)元件，其中，所述導(dǎo)電氧化物包括 Re03、RuO2, SnO2, TiO2, CoTiO, LiTi2O4, LiV2O4,和 Fe3O4 當(dāng)中的ー種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的存儲(chǔ)元件， 其中，所述絕緣層包括氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲(chǔ)元件， 其中，所述絕緣層包括MgO。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的存儲(chǔ)元件， 還包括底層和覆蓋層，其中，所述底層、所述磁化固定層、所述絕緣層、所述存儲(chǔ)層、和所述覆蓋層按照這樣的順序?qū)盈B，并且所述覆蓋層包括所述導(dǎo)電性氧化層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的存儲(chǔ)元件， 還包括底層和覆蓋層，其中，所述底層、所述存儲(chǔ)層、所述絕緣層、所述磁化固定層、和所述覆蓋層按照這樣的順序?qū)盈B，并且所述底層包括所述導(dǎo)電性氧化層。
9.一種存儲(chǔ)裝置，其包括存儲(chǔ)元件，其通過磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)來保留信息；和彼此交叉的兩種類型的線， 其中，所述存儲(chǔ)元件包括存儲(chǔ)層，其具有與膜表面垂直的磁化，所述存儲(chǔ)層的磁化的方向根據(jù)信息而改變； 磁化固定層，其具有與用作存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)層中的信息的基準(zhǔn)的膜表面垂直的磁化；和由非磁性物質(zhì)構(gòu)成的絕緣層，其設(shè)置在所述存儲(chǔ)層和所述磁化固定層之間，其中，使用自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)所述存儲(chǔ)層的磁化以存儲(chǔ)信息，通過在層結(jié)構(gòu)的層疊方向上流動(dòng)的電流來產(chǎn)生所述自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)，所述層結(jié)構(gòu)包括所述存儲(chǔ)層、所述絕緣層和所述磁化固定層，所述存儲(chǔ)層在與所述絕緣層相反ー側(cè)上直接設(shè)置有層，所述層包括導(dǎo)電氧化物， 所述存儲(chǔ)元件布置在所述兩種類型的線之間，并且通過所述兩種類型的線，所述在層疊方向上的電流在所述存儲(chǔ)元件中流動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置。存儲(chǔ)元件包括存儲(chǔ)層，其具有與膜表面垂直的磁化，該存儲(chǔ)層的磁化的方向根據(jù)信息而改變；磁化固定層，其具有與用作存儲(chǔ)在存儲(chǔ)層中的信息的基準(zhǔn)的膜表面垂直的磁化；和非磁性物質(zhì)的絕緣層，絕緣層設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間。在上述存儲(chǔ)元件中，使用自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化以存儲(chǔ)信息，通過層結(jié)構(gòu)的層疊方向上流動(dòng)的電流來產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)矩磁化反轉(zhuǎn)，該層結(jié)構(gòu)包括存儲(chǔ)層、絕緣層和磁化固定層，存儲(chǔ)層在與絕緣層相反一側(cè)上直接具有層，并且該層包括導(dǎo)電氧化物。
文檔編號(hào)G11C11/02GK102592658SQ20111046133
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7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(qǐng)人:索尼公司