專利名稱：存儲元件和存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲元件，該存儲元件由存儲層和磁化固定層構(gòu)成，其中，存儲層可以存儲鐵磁性層的磁化狀態(tài)作為信息，磁化固定層具有固定的磁化方向，在該存儲元件中，使電流沿垂直于膜表面的方向流動，以注入自旋極化電子，從而改變存儲層的磁化方向；本發(fā)明還涉及一種包括存儲元件的存儲器，該存儲器適合用作非易失性存儲器(non-volatile memory)。
背景技術(shù)：
高速和高密度的DRAM已廣泛用作諸如計算機的信息設(shè)備中的隨機存取存儲器。
然而，由于DRAM是易失性存儲器(其中，在電源斷開時信息會被刪除)，所以需要不會刪除信息的非易失性存儲器。
例如，根據(jù)Nikkei Electronics(2001年2月12日(164～171頁))，被構(gòu)造成通過磁性材料的磁化來記錄信息的磁性隨機存取存儲器(MRAM)已引起關(guān)注，并已發(fā)展成為潛在的非易失性存儲器。
在MRAM中，使電流分別流入彼此幾乎垂直的兩種地址線(字線(word line)和位線(bit line))中，以基于由每個地址線所產(chǎn)生的電流磁場，使在地址線交叉點中的磁性存儲元件的磁性層的磁化反向，從而記錄信息。
圖1示出了一般MRAM的示意圖(透視圖)。
在由半導(dǎo)體基板110(諸如硅基板)的元件絕緣層102絕緣的區(qū)域中，分別形成有漏極區(qū)108、源極區(qū)107、和柵電極101，它們構(gòu)成用于選擇各個存儲單元的選擇晶體管。
沿圖中縱向延伸的字線105設(shè)置在柵電極101上方。
漏極區(qū)108形成在圖中的左和右選擇晶體管上，并且配線109連接至漏極區(qū)108。
均具有使磁化方向反向的存儲層的磁性存儲元件103被置于字線105與位線106之間，其中，位線置于字線105上方并沿圖中的橫向延伸。例如，磁性存儲元件103由磁隧道結(jié)元件(MTJ元件)形成。
另外，磁性存儲元件103通過沿水平方向的旁路線111和沿垂直方向的接觸層104電連接至源極區(qū)107。
使電流分別流入字線105和位線106中，以將電流磁場施加至磁性存儲元件103，從而可以使磁性存儲元件103的存儲層的磁化方向反向，以記錄信息。
為了使諸如MRAM的磁性存儲器能夠穩(wěn)定地保持所記錄的信息，用于記錄信息的磁性層(存儲層)優(yōu)選地具有一定的抗磁力(coercive force)。
另一方面，為了重寫所記錄的信息，優(yōu)選地使一定量的電流流入地址線中。
然而，由于形成MRAM的元件的尺寸不斷減小，因而地址線變細(xì)，因此可能無法使足量的電流流入線中。
在這些情況下，被設(shè)置成利用自旋注入來進行磁化反向的存儲器已引起了關(guān)注，這是由于這些存儲器被設(shè)置成可利用較少量電流來進行磁化反向，例如，第2003-17782號日本專利申請出版物、第6256223號美國專利、非專利文獻Phys.Rev.B 54.9353(1996)、和非專利文獻J.Magn.Mat.159.L1(1996)中所公開的。
在通過自旋注入而進行的磁化反向中，經(jīng)過磁性材料而被自旋偏極化的電子被注入另一磁性材料中，以在其它磁性材料中進行磁化反向。
例如，使電流沿垂直于元件膜表面的方向流入巨磁阻元件(GMR元件)或磁隧道結(jié)元件(MTJ元件)，從而可以使元件的至少一些磁性層的磁化方向反向。
通過自旋注入進行磁化反向的優(yōu)勢在于，即使元件的尺寸減小，仍然可以在不增加電流量的情況下進行磁化反向。
圖2和圖3示出了被構(gòu)造成利用通過自旋注入進行磁化反向的上述存儲器的示意圖。圖2是透視圖，而圖3是剖視圖。
在由半導(dǎo)體基板60(諸如硅基板)的元件絕緣層52絕緣的區(qū)域中，分別形成有漏極區(qū)58、源極區(qū)57、和柵電極51，它們構(gòu)成用于選擇各個存儲器單元的選擇晶體管。其中，柵電極51還作為沿圖2中的縱向延伸的字線。
在圖2中，漏極區(qū)58為左和右選擇晶體管所共用，并且配線59連接至漏極區(qū)58。
均具有通過自旋注入使磁化方向反向的存儲層的存儲元件53被置于源極區(qū)57與位線56之間，其中，位線置于源極區(qū)57上方并且沿圖2中的橫向延伸。
例如，存儲元件53由磁隧道結(jié)元件(MTJ元件)構(gòu)成。圖中的附圖標(biāo)號61和62表示磁性層。兩個磁性層61和62中的一個是磁化方向固定的磁化固定層，而另一個為磁化方向改變的磁化自由層，具體地說就是存儲層。
存儲元件53分別通過上或下接觸層54連接至位線56和源極區(qū)57。因此，通過使電流流入存儲元件53中，可以實現(xiàn)通過自旋注入使存儲層的磁化方向反向。
與圖1中所示的普通MRAM相比，這種被構(gòu)造成利用通過自旋注入而進行的磁化反向的存儲器的特征在于，該存儲器能夠具有更簡化的裝置結(jié)構(gòu)。
被構(gòu)造成利用通過自旋注入而進行的磁化反向的存儲器比通過外部磁場而進行磁化反向的普通MRAM更具優(yōu)勢，這是因為即使元件尺寸進一步減小，寫電流的量也不增加。
在MRAM中，寫配線(字線和位線)被設(shè)置成與存儲元件分離，并且信息基于通過使電流流入寫配線中而產(chǎn)生的電流磁場而寫入(記錄)。因此，可以使對于寫操來說可能是必需的電流量充足地流入寫配線中。
另一方面，在被構(gòu)造成利用通過自旋注入而進行的磁化反向的存儲器中，優(yōu)選地通過使電流流入存儲元件中來執(zhí)行自旋注入，以使存儲層的磁化方向反向。
由于在這種方式中通過使電流直接流入存儲元件中來寫入(記錄)信息，所以將存儲元件連接至選擇晶體管來形成存儲單元，以便選擇寫入數(shù)據(jù)的存儲單元。在這種情況下，能夠流入存儲元件的電流量受限于能夠流入選擇晶體管的電流量(選擇晶體管的飽和電流)。
因此，優(yōu)選地使用等于或小于選擇晶體管飽和電流的電流量來執(zhí)行寫操作，并且優(yōu)選地通過提高自旋注入效率來減少流入存儲元件的電流量。
為了放大讀取信號，可以優(yōu)選地獲得高磁阻改變率。為了確保高磁阻改變率，有效地是提供一種具有與存儲層兩側(cè)相接觸的中間層的存儲元件，該中間層為隧道隔離層(隧道壁壘層)。
當(dāng)以這種方式將隧道絕緣層用作中間層時，限制流入存儲元件中的電流量，以便防止隧道絕緣層的介質(zhì)擊穿。鑒于此，優(yōu)選地抑制了自旋注入期間的電流量。

發(fā)明內(nèi)容
通常，存儲器被構(gòu)造成存儲并保持由電流寫入的信息。因此，存儲層可能需要具有抗熱波動的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。
利用通過自旋注入而進行的磁化反向的存儲元件具有存儲層，該存儲層具有的體積小于現(xiàn)有技術(shù)的MRAM的存儲層的體積。即，該存儲元件趨向于具有降低的熱穩(wěn)定性。
當(dāng)該存儲層含有不確定的熱穩(wěn)定性時，反向的磁化方向被熱量再次反向，從而造成寫錯誤。
因此，在利用通過自旋注入而進行的磁化反向的存儲元件中，熱穩(wěn)定性是存儲元件的非常重要的性質(zhì)。
通常，不使用這么多能量進行寫操作的元件具有低能量壁壘層，因此，信息可能易于從元件中被刪除。
相反，使用這么多能量進行寫操作的元件具有高能量壁壘層，因此，可以穩(wěn)定地保持信息。
當(dāng)利用通過自旋注入而進行的磁化反向的對比存儲元件被構(gòu)造成具有同樣的自旋注入效率時，熱穩(wěn)定性隨飽和磁化強度和存儲層體積的增加而增加，因此寫操作消耗了大量電流。
熱穩(wěn)定性指數(shù)通?？梢杂脽岱€(wěn)定性參數(shù)(Δ)表示。
熱穩(wěn)定性參數(shù)(Δ)從以下公式獲得Δ＝KV/kT(K各向異性能量；V存儲層的體積；k玻爾茲曼(Boltzmann)常數(shù)；T溫度)。
因此，為了使被構(gòu)造成具有存儲層的存儲器用作存儲元件(其中，在該存儲層中磁化方向是通過自旋注入而反向的)，可以通過增加自旋注入效率而將磁化反向所必需的電流量減小到等于或小于晶體管的飽和電流，并且可以獲得熱穩(wěn)定性，以穩(wěn)定地保持寫入信息。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種存儲元件，該存儲元件可以在不增加寫電流量的情況下改進熱穩(wěn)定性，還提供了一種包括該存儲元件的存儲器。
根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件包括基于磁性材料的磁化狀態(tài)來保持信息的存儲層，其中，通過中間層為存儲層設(shè)置磁化固定層；中間層由絕緣體形成；沿堆疊方向注入自旋極化電子，以改變存儲層的磁化方向，從而將信息記錄在存儲層中；并且形成存儲層的鐵磁性層具有1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲器包括存儲元件，具有基于磁性材料的磁化狀態(tài)而保持信息的存儲層；以及彼此相交的兩類配線，其中，該存儲元件包括根據(jù)本發(fā)明以上實施例的存儲元件；該存儲元件設(shè)置在兩類配線的交叉點附近以及兩類配線之間；并且沿堆疊方向的電流通過兩類配線流入存儲元件中，從而注入自旋極化電子。
根據(jù)本發(fā)明上述實施例的存儲元件包括基于磁性材料的磁化狀態(tài)而保持信息的存儲層，其中，經(jīng)由中間層為存儲層設(shè)置磁化固定層；該中間層由絕緣體形成；并且沿堆疊方向注入自旋極化電子，以改變存儲層的磁化方向，從而將信息記錄在存儲層中。因此，可通過使電流沿堆疊方向流動來注入自旋極化電子，以記錄信息。
形成所述存儲層的鐵磁性層具有1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)，從而存儲層可以具有增大的抗磁力。以這種方式存儲層可以具有增大的抗磁力，進而存儲層可以具有改進的熱穩(wěn)定性。
此外，形成存儲層的鐵磁性層具有1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)，從而在不增加存儲層的飽和磁化強度的情況下，存儲層可以具有增大的抗磁力。
因此，在不增加使存儲層的磁化方向反向所必需的寫電流量的情況下，可以獲得存儲層的足夠熱穩(wěn)定性。
根據(jù)本發(fā)明上述實施例的存儲器包括存儲元件，具有基于磁性材料的磁化狀態(tài)而保持信息的存儲層；以及彼此相交的兩類配線，其中，該存儲元件包括根據(jù)本發(fā)明上述實施例的存儲元件；存儲元件設(shè)置在兩類配線的交叉點附近以及兩類配線之間；以及沿堆疊方向的電流通過兩類配線流入存儲元件中，從而注入自旋極化電子。因此，可以通過使電流沿存儲元件的堆疊方向流動通過兩類配線，來通過自旋注入記錄信息。
此外，在不增加使存儲元件的存儲層的磁化方向反向所必需的寫電流的量的情況下，可以獲得存儲層的足夠熱穩(wěn)定性。因此，在不增加存儲器中的功率消耗的情況下，可以穩(wěn)定地保持記錄在存儲單元中的信息。
根據(jù)本發(fā)明的上述實施例，在不增加使存儲層的磁化方向反向所必需的電流(閾值電流)量的情況下，可以獲得作為信息保持性質(zhì)的熱穩(wěn)定性。因此，可以形成具有優(yōu)異的性能平衡性(propertyequilibrium)的存儲元件。
這可以消除操作誤差，并且為存儲元件提供足夠的操作范圍(operation allowance)。
此外，由于即使獲得了存儲器所必需的熱穩(wěn)定性，寫電流的量也不增加，所以不必施加大量的電流。因此，作為中間層的絕緣體不會被損壞。
因此，可以制作操作穩(wěn)定的、高度可靠的存儲器。
此外，即使減少了寫電流的量，但也可以獲得存儲器可能必需的足夠熱穩(wěn)定性。因此，可以減少寫電流的量，以降低在存儲器元件中執(zhí)行寫操作時的功率消耗。
因此，同樣可以降低存儲器中的總功率消耗。


圖1是示意性地示出了現(xiàn)有技術(shù)的MRAM的結(jié)構(gòu)的透視圖；圖2是利用通過自旋注入而進行的磁化反向的存儲器的示意結(jié)構(gòu)圖(透視圖)；圖3是圖2中的存儲器的剖視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲器的示意結(jié)構(gòu)圖(透視圖)；圖5是圖4中的存儲元件的剖視圖；圖6是為性質(zhì)測量而制備的存儲元件樣品的示意剖視圖。
具體實施例方式
在描述本發(fā)明的具體實施例之前，將首先描述本發(fā)明的概要。
在本發(fā)明的實施例中，通過利用上述的自旋注入使存儲元件的存儲層的磁化方向反向來記錄信息。存儲層由諸如鐵磁性層的磁性材料構(gòu)成，并且基于磁性材料的磁化狀態(tài)(磁化方向)來保持信息。
在通過自旋注入而使磁性層的磁化方向反向的基本操作中，使具有某一閾值(Ic)或高于該閾值的電流沿垂直于存儲元件膜表面的方向流入由巨磁阻元件(GMR元件)或磁隧道結(jié)元件(MTJ元件)形成的存儲元件中。這里，電流的極性(方向)取決于將被反向的磁化方向。
當(dāng)使絕對值小于閾值的電流流動時，不會出現(xiàn)磁化反向。
從現(xiàn)象上看，對于通過自旋注入使磁性層磁化方向反向所必需的電流的閾值Ic由以下公式(1)(例如，參見F.J.Albert等人，Appl.Phys.Lett.，77，p.3809，2000)表示。
Ic=AαηMs2V---(1)]]>在公式(1)中，A為常數(shù)，α為自旋阻尼常數(shù)，η為自旋注入效率，Ms為飽和磁化強度，以及V為磁性層(存儲層)的體積。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，如公式(1)所示，可以通過控制磁性層的體積V、磁性層的飽和磁化強度Ms、自旋注入效率、和阻尼常數(shù)來任意選擇電流的閾值。
形成了存儲元件，該存儲元件具有磁性層(存儲層)和磁化固定層，其中，該磁性層可基于磁化狀態(tài)來保持信息，并且在該磁化固定層中磁化方向是固定的。
典型的存儲器可被構(gòu)造成保持寫入信息。通過參考上述的熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ的值來估算信息保持能力。磁性層(存儲層)的熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ由下面的公式(2)表示。
Δ＝B·Hc0·Ms·V(2)在公式(2)中，B為常數(shù)，Hc0為OK Hc時的抗磁力，Ms為飽和磁化強度，以及V為體積。
通常，熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ優(yōu)選為60或更大，以便所存儲的信息在85℃下保持10年。熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ和電流的閾值Ic經(jīng)常具有權(quán)衡關(guān)系，并且可能經(jīng)常同時需要兩個值來保持存儲特征。
例如，在具有2mm厚的存儲層和100nm×100nm的扁平圖案的大致橢圓的隧道磁阻元件(TMR元件)中，用于改變存儲層的磁化狀態(tài)的電流實際上具有以下閾值正閾值+Ic＝+0.5mA；負(fù)閾值-Ic＝-0.3mA。此時的電流密度大約為3.5×106A/cm2。這些閾值幾乎都與根據(jù)公式(1)計算得到的值相對應(yīng)。
相反，在基于電流磁場而進行磁化反向的典型MRAM中，寫電流的量優(yōu)選地為幾mA或更大。
通過自旋注入來執(zhí)行磁化反向的存儲器可以有效地減少集成電路中的功率消耗，這是因為寫電流的閾值可以如上所述地足夠小。
另外，該存儲器在集成密度方面比典型的MRAM更具優(yōu)勢，因為該存儲器不必使用用于產(chǎn)生電流磁場的配線(圖1中的配線105)，該電流磁場對于普通MRAM來說可能是必須的。
由于通過使電流直接流入存儲器中的存儲元件內(nèi)來寫入(記錄)信息(在該存儲器中通過自旋注入而執(zhí)行磁化反向)，所以將存儲元件連接至選擇晶體管，以形成存儲單元，以便選擇寫入數(shù)據(jù)的存儲單元。
在這種情況下，能夠流入存儲元件中的電流量受限于能夠流入選擇晶體管中的電流量(選擇晶體管的飽和電流)。因此，用于寫操作的電流允許范圍也受到限制。
相反，當(dāng)存儲層的磁化量減少時，可以通過減小用于寫操作的電流閾值來增大用于寫操作的電流允許范圍。然而，如上所述，這削弱了存儲層的熱穩(wěn)定性(指數(shù)Δ)。當(dāng)形成存儲器時，熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ可以優(yōu)選地具有確定值或更大值。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，存儲層具有改進的抗磁力，并且在不增加用于寫操作的電流量的情況下，該存儲層可以具有改進的熱穩(wěn)定性，并且可以通過指定形成存儲層的鐵磁性層的磁致伸縮常數(shù)而形成穩(wěn)定的存儲器。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，形成存儲層的有效鐵磁性層具有1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)。
以下將描述通過控制磁致伸縮常數(shù)來改進抗磁力。
例如，將具有橢圓形狀的微磁性元件的磁各向異性的起因分類為，磁性材料的磁晶各向異性或磁感應(yīng)各向異性、元件形狀各向異性、以及由磁致伸縮引起的單軸晶體各向異性。
被構(gòu)造成通過自旋注入而改變的磁化方向來記錄信息的存儲元件優(yōu)選地具有包括兩種穩(wěn)定狀態(tài)的單軸各向異性，這是由于當(dāng)存儲層的磁化方向平行或反平行于磁化固定層的磁化方向時阻值變化最大。
這里，在具有幾百nm或更小尺寸的微存儲元件中，估計上述各種各向異性的值。
首先，磁晶各向異性不可能是單軸各向異性的起因，這是因為磁性膜一般通過濺射而沉積，并且通過濺射而制備的磁性膜通常是多晶的且在平面內(nèi)方向中是任意定向的。
第二，由通過濺射或熱處理沉積存儲層時所施加的磁場而增加的磁感應(yīng)各向異性可能是單軸各向異性的起因。然而，磁感應(yīng)各向異性所產(chǎn)生的抗磁力只有大約幾十[Oe]，并且僅磁感應(yīng)各向異性不可能確保熱穩(wěn)定所必需的熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ。
第三，由元件形狀(諸如橢圓形)導(dǎo)致的形狀磁各向異性隨存儲元件尺寸的減小而增加。因此，形狀各向異性具有作為存儲器使用的優(yōu)異的特性，并且在元件尺寸為大約100nm或更小時，可以產(chǎn)生100[Oe]或更大的抗磁力。
通過減小元件尺寸，起源于感應(yīng)各向異性和形狀各向異性的單軸各向異性導(dǎo)致的總抗磁力可以稍小于約130[Oe]。然而，由于元件尺寸減小時存儲層具有減小的體積，所以不可能獲得熱穩(wěn)定所必需的60或更大的熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ。
相反，當(dāng)磁致伸縮常數(shù)為1×10-5或更大時，作用于經(jīng)歷常規(guī)半導(dǎo)體MOS形成工藝的芯片的應(yīng)力為幾百MPa或更大。因此，通過起源于磁致伸縮的單軸各向異性，可以穩(wěn)定地獲得100[Oe]或更大的抗磁力。具體地說，通過起源于磁致伸縮的單軸各向異性而導(dǎo)致的抗磁力等于或高于通過起源于上述磁感應(yīng)各向異性或形狀各向異性的單軸各向異性而導(dǎo)致的抗磁力，并且通過這些各向異性而導(dǎo)致的抗磁力達(dá)到150[Oe]或更大。因此，可能獲得熱穩(wěn)定所必需的熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ。
當(dāng)磁致伸縮常數(shù)小于1×10-5時，不可能達(dá)到足夠的抗磁力，并且如果應(yīng)力隨環(huán)境而改變，則可以容易地改變抗磁力，從而可能使熱穩(wěn)定性指數(shù)小于60。
在本發(fā)明的實施例中，如上所述，如果存儲層具有1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)，則可以實現(xiàn)利用自旋注入的存儲元件的存儲層的信息保持特性。
在現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中，存儲層的反向電流量和信息保持能力趨向于增大。然而，本發(fā)明的上述實施例可以在不增加反向電流量的情況下提高存儲層的信息保持能力，并且可以實現(xiàn)極好的期望效果。
作為具有大磁致伸縮常數(shù)的鐵磁性材料的實例，含有Co、Fe、或Ni的普通CoFe合金、NiFe合金、或CoNiFe合金作為主要成分。這種鐵磁性合金也可以含有一種或多種附加元素，包括諸如B、C、和N的輕元素；諸如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、和W的過渡金屬；諸如Gd的稀土元素；或諸如Pt和Pd的貴金屬元素。當(dāng)鐵磁性材料含有這種附加元素時可以獲得期望的特性。
然而，例如，當(dāng)CoFe合金含有的Co和Fe總共為60原子百分?jǐn)?shù)(atom％)或更少時，鐵磁性層的飽和磁化量和抗磁力都不令人滿意。
當(dāng)CoFe合金具有90∶10到40∶60的Co∶Fe比率時，該合金通常會顯示出適當(dāng)?shù)匾种拼鸥飨虍愋苑稚⒌牧己密洿朋w特性。
因此，可以選擇Co和Fe的含量，以便為根據(jù)本發(fā)明實施例的鐵磁性成分提供優(yōu)異的特性，如上所述。
也可使用諸如CoMnSi、CoMnAl、或CoCrFeAl的非晶材料或Heusler材料作為存儲層的鐵磁性層。這種材料可以確保大的磁致伸縮常數(shù)。
在根據(jù)本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)中，形成存儲層的鐵磁性層優(yōu)選地具有盡可能大的抗磁力。具體地說，該鐵磁性層優(yōu)選地具有150[Oe]或更大的抗磁力。
在根據(jù)本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)中，鐵磁性層具有150[Oe]或更大的抗磁力，從而可以獲得存儲層的足夠熱穩(wěn)定性，并且可以抑制反向電流量的增加。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的實施例中，使用由絕緣體形成的隧道絕緣層(其作為存儲層與磁化固定層之間的非磁性中間層)來形成磁隧道結(jié)(MTJ)元件，允許具有(include)選擇晶體管的飽和電流值。
使用隧道絕緣層來形成磁隧道結(jié)(MTJ)元件，從而與使用非磁性導(dǎo)電層形成巨磁阻(GMR)元件的情況相比，可以增大磁阻改變率(MR比率)并且讀取信號強度。
特別地，氧化鎂(MgO)用作隧道絕緣層的材料，從而，與使用通常使用氧化鋁的情況相比，可以增大磁阻改變率(MR比率)。
自旋注入效率通常取決于MR比率。當(dāng)MR比率更高時，自旋注入效率進一步得到改進，從而進一步減小磁化反向電流的密度。
因此，將氧化鎂用作作為中間層的隧道絕緣層的材料，并且同時使用具有上述結(jié)構(gòu)的存儲層，使得可以減小通過自旋注入而進行的寫操作的閾值電流的量，因此可以使用少量電流來寫入(記錄)信息。此外，可以增大寫信號強度。
因此，獲得了MR比率(TMR比率)，從而可以減少通過自旋注入的寫操作的閾值電流的量，因此可以僅使用少量電流來寫入(記錄)信息。此外，可以增大寫信號強度。
當(dāng)隧道絕緣層由氧化鎂(MgO)薄膜形成時，更優(yōu)選地是使氧化鎂薄膜結(jié)晶，并且將晶向保持在001方向。
在本發(fā)明的實施例中，存儲層與磁化固定層之間的中間層可以不由氧化鎂(隧道絕緣層)形成，而是可以由各種絕緣體、電介質(zhì)、或半導(dǎo)體(諸如，氧化鋁、氮化鋁、SiO2、Bi2O3、MgF2、CaF、SrTiO2、AlLaO3、和Al-N-O)形成。
另外，當(dāng)使用氧化鎂作為中間層時，預(yù)期退火溫度高達(dá)300℃或更高，并且優(yōu)選地為340℃至360℃，以實現(xiàn)優(yōu)異的磁阻特性(MR特性)。此退火溫度高于現(xiàn)有技術(shù)中的使用氧化鋁作為中間層的情況中的退火溫度(250℃至280℃)。
此退火溫度對于形成氧化鎂等的隧道絕緣層的適當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)可能是必需的。
因此，使用耐熱鐵磁性材料可以獲得優(yōu)異的MR特性，該耐熱鐵磁性材料對于存儲元件的鐵磁性層的如此高的溫度下的退火具有低抗力。
將隧道絕緣層的面積阻抗值(area resistance)控制在約幾十Ωμm2或更小，以實現(xiàn)通過自旋注入使存儲層磁化方向反向所必需的電流密度。
在由MgO薄膜形成的隧道絕緣層中，優(yōu)選地，將MgO薄膜設(shè)定為具有1.5nm或更小的薄膜厚度，以實現(xiàn)上述范圍內(nèi)的面積阻值。
此外，優(yōu)選地，減小存儲元件的尺寸，從而僅使用少量電流就可以容易地使存儲層的磁化方向反向。
因此，存儲元件優(yōu)選地具有0.04μm2或更小的面積。
具有上述結(jié)構(gòu)狀態(tài)的存儲層可以直接與具有不同材料或組分范圍的另一鐵磁性層堆疊在一起。鐵磁性層也可以與軟磁性層堆疊在一起，或通過軟磁性層或非磁性層與多個鐵磁性層堆疊在一起。當(dāng)以這種方式堆疊層時，也可實現(xiàn)本發(fā)明實施例的效果。
具體地說，當(dāng)通過非磁性層堆疊多個鐵磁性層時，可以控制鐵磁性層之間相互作用的強度。因此，如果存儲元件具有亞微型尺寸或更小，則可以抑制磁化反向電流量。作為這種情況下的非磁性層材料的實例，可以使用Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb、或它們的合金。
磁化固定層優(yōu)選地具有單向各向異性，而存儲層優(yōu)選地具有單軸各向異性。
磁化固定層和存儲層優(yōu)選地分別具有1nm到30nm的薄膜厚度。
存儲元件的其它結(jié)構(gòu)可以與通過自旋注入記錄信息的存儲元件的公知結(jié)構(gòu)相同。
通過僅使用鐵磁性層或抗鐵磁性層與鐵磁性層之間抗鐵磁性地結(jié)合(bond)，使得磁化固定層被構(gòu)造成具有固定的磁化方向。
磁化固定層被構(gòu)造成由單一鐵磁性層形成，或具有堆疊的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)，其中，通過非磁性層堆疊多個鐵磁性層。
當(dāng)磁化固定層具有堆疊的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)時，該磁化固定層對于外部磁場的敏感性會降低。因此，可以抑制外部磁場引起的磁化固定層中的不必要磁化波動，以穩(wěn)定地操作存儲元件。此外，可以控制每一鐵磁性層的薄膜厚度，并且可以抑制來自磁化固定層的磁場泄漏。
作為用于鐵磁性層的材料的實例(其中該鐵磁性層形成具有堆疊亞鐵磁性結(jié)構(gòu)的磁化固定層)，可以使用Co、CoFe、CoFeB等。作為用于非磁性層的材料的實例，可以使用Ru、Re、Ir、OS等。
用于抗鐵磁性層的材料包括磁性材料，諸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO、和Fe2O3。
可以將諸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo、或Nb的非磁性元素添加到磁性材料中，以控制磁性或諸如晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、和材料穩(wěn)定性的各種其它特性。
在存儲元件的薄膜結(jié)構(gòu)中，存儲層可以置于磁化固定層的上面或下面。
通過使鐵電隧道電流流過絕緣薄膜或產(chǎn)生磁阻，使得可以通過該薄絕緣膜來從一磁性層中讀取記錄在存儲元件的存儲層中的信息，該磁性層被設(shè)置成作為用于存儲元件的存儲層的信息參考。
接下來，將描述本發(fā)明的實施例。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲器的示意結(jié)構(gòu)圖(透視圖)。
該存儲器具有置于彼此垂直的兩類地址線(例如，字線和位線)的交叉點附近的存儲元件。
具體地，在由半導(dǎo)體基板10(諸如硅基板)的元件絕緣層2所絕緣的區(qū)域中，分別形成有用作選擇晶體管的漏極區(qū)8、源極區(qū)7、和柵電極1，該選擇晶體管用于選擇每個存儲單元。其中，柵電極1也作為一類沿圖中的縱向延伸的地址線(例如，字線)。
漏極區(qū)8同時形成在圖中的左和右選擇晶體管上，并且配線9連接至漏極區(qū)8。
存儲元件3設(shè)置在源極區(qū)7與置于源極區(qū)7上并沿圖中的橫向延伸的另一類地址線(例如，位線)6之間。存儲元件3具有由鐵磁性層形成的存儲層，其中，磁化方向通過自旋注入被反向。
將存儲元件3設(shè)置在兩類地址線1和6的交叉點附近。
存儲元件3通過上或下接觸層4分別連接至位線6和源極區(qū)7。
因此，通過使電流經(jīng)過兩類地址線1和6沿垂直方向流入存儲元件3中，使得可以利用自旋注入而使存儲層的磁化方向反向。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的存儲器的存儲元件3的剖視圖。
如圖5中所示，存儲元件3具有設(shè)置在存儲層17下方的磁化固定層31，其中，通過自旋注入來使磁化方向M1反向?？硅F磁性層12設(shè)置在磁化固定層31下，并且通過抗鐵磁性層12來固定磁化固定層31的磁化方向。
絕緣層16被設(shè)置成作為存儲層17與磁化固定層31之間的隧道壁壘層(隧道絕緣層)，并且MTJ元件由存儲層17和磁化固定層31構(gòu)成。
接地層11形成在抗鐵磁性層12下方，并且保護層(cap layer)18形成在存儲層17上。
磁化固定層31具有堆疊的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)。
具體地，磁化固定層31具有兩個鐵磁性層13和15，其中，這兩個鐵磁性層經(jīng)由非磁性層14堆疊并抗鐵磁性地結(jié)合在一起。
因為磁化固定層31的鐵磁性層13和15形成了堆疊的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)，所以鐵磁性層13的磁化M13是右向的，而鐵磁性層15的磁化M15是左向的，因而磁化方向是相反的。因此，從磁化固定層31的鐵磁性層13和15漏出的磁通量彼此抵消。
對用于磁化固定層31的鐵磁性層13和15的材料沒有特別限制。由鐵、鎳、和鈷中的一種或多種形成的合金材料可以用作這種材料。該材料可以進一步包括過渡金屬元素，諸如Nb、Zr、Gd、Ta、Ti、Mo、Mn、或Cu，或輕元素，諸如Si、B、或C。此外，可以通過直接堆疊材料互不相同的多個薄膜(不通過非磁性層)，例如，通過形成CoFe/NiFe/CoFe的堆疊薄膜，來形成鐵磁性層13和15。
作為用于非磁性層14的材料(其中該非磁性層形成磁化固定層31的堆疊亞鐵磁性結(jié)構(gòu))，可以使用釕、銅、鉻、金、銀等。
非磁性層14的薄膜厚度根據(jù)所使用的材料而變化，但是優(yōu)選地，在大約0.5nm到2.5nm的范圍內(nèi)。
在本實施例中，存儲元件3的存儲層17具體地由具有1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)的鐵磁性層形成。
上述各種材料適合于增大磁致伸縮常數(shù)，并且可以用作形成存儲層的鐵磁性層的材料。
此外，在本實施例中，當(dāng)用作中間層的絕緣層16為氧化鎂層時，可以增大磁阻改變率(MR比率)。
當(dāng)MR比率以這種方式增大時，可以通過增大自旋注入效率，來減小使存儲層17的磁化方向M1反向所必需的電流密度。
可以通過在真空裝置中從接地層11到保護層18連續(xù)地形成元件，然后通過諸如蝕刻的處理形成存儲元件3的圖案，來制造根據(jù)本實施例的存儲元件3。
在上述的實施例中，存儲元件3的存儲層17由具有1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)的鐵磁性層形成。因此，可以在不增加使存儲層17的磁化方向M1反向所必需的寫電流量的情況下，獲得存儲層17的足夠熱穩(wěn)定性。
當(dāng)存儲層17的熱穩(wěn)定性改進時，可以增大通過使電流流入存儲元件3來記錄信息的操作區(qū)域，并可確保足夠的操作范圍來穩(wěn)定地操作存儲元件3。
由于即使獲得存儲元件3的存儲層17的熱穩(wěn)定性，寫電流的量也不會增加，因而不必施加大量的電流。因此，作為中間層的絕緣層16的電介質(zhì)不會被損壞。
因此，可以實現(xiàn)操作穩(wěn)定的、高度可靠的存儲器。
此外，即使用于寫入的電流量減小，仍可以獲得足夠的熱穩(wěn)定性，因此，可以減小用于寫入的電流的量，以降低在存儲元件3中執(zhí)行寫操作時的功率消耗。
因此，根據(jù)本發(fā)明，可以降低在具有由存儲元件3形成的存儲單元的存儲器中的總功率消耗。
因此，可以實現(xiàn)具有優(yōu)異信息保持特性以及穩(wěn)定操作的高度可靠的存儲器，并且可以降低具有存儲元件3的存儲器中的功率消耗。
具有圖5所示的存儲元件3以及具有圖4所示結(jié)構(gòu)的存儲器的優(yōu)勢在于可以應(yīng)用典型的半導(dǎo)體MOS形成工藝來制造該存儲器。例如，在不降低磁性的情況下，存儲層17可以耐340℃至360℃的退火。
因此，具有根據(jù)本實施例的存儲元件3的存儲器可以用作普通的存儲器。
這里，檢查根據(jù)本發(fā)明實施例構(gòu)造的存儲元件的特性，其中，具體選擇用于每一層的材料(諸如形成存儲層的鐵磁性材料)、薄膜厚度等。
實際存儲器具有與圖2和圖4中所示的存儲元件不同的開關(guān)半導(dǎo)體電路等。然而，省略對選擇晶體管或下層的制造步驟的描述。
在圖4中，上部和下部接觸層4連接至存儲元件3。然而，在這種情況下，位線24(BL)直接連接在存儲元件3上，如圖6的剖視圖所示。
具有圖5所示結(jié)構(gòu)的存儲元件3形成在絕緣層22上，該絕緣層中，形成有連接于下層配線的接觸層21。
具體地說，通過以以下方式選擇每一層的材料和薄膜厚度而形成具有圖5所示結(jié)構(gòu)的存儲元件3中的每一層。接地膜11是膜厚度為3nm的Ta膜?？硅F磁性層12是膜厚度為20nm的PtMn膜。形成磁化固定層31的鐵磁性層13是膜厚度為2nm的CoFe膜。鐵磁性層15是膜厚度為2.5nm的CoFeB膜。形成具有堆疊的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)的磁化固定層31的非磁性層14是膜厚度為0.8nm的Ru膜。作為隧道絕緣層的絕緣層(壁壘層)16是膜厚度為0.9nm的氧化鎂膜。存儲層17由鐵磁性材料形成。保護層18是膜厚度為5nm的Ta膜。
通過改變用于鐵磁性層的材料來制備上述膜結(jié)構(gòu)中的存儲層17的鐵磁性層，如表1所示，作為實例和對比實例。PtMn膜具有Pt 50∶Mn 50(原子百分比)的組分，并且CoFe膜具有Co 90∶Fe 10(原子百分比)的組分。
通過DC磁控管濺射來沉積除了由氧化鎂膜形成的絕緣層16之外的每一層。
通過RF磁控管濺射來沉積由氧化鎂(MgO)膜形成的絕緣層16。
在沉積存儲元件3的每一層之后，在磁性熱處理熔爐中，在10KOe下以360℃正規(guī)化地(regularization)熱處理抗鐵磁性層12的PtMn膜兩個小時。
之后，通過電子束光刻裝置形成存儲元件3的圖案的掩模，并且通過Ar等離子體選擇性地蝕刻堆疊膜，以形成存儲元件3。
此時，將除存儲元件3部分之外的堆疊膜蝕刻至低于接地層115nm的絕緣層22的深度。
由于為產(chǎn)生進行磁化反向所必需的自旋轉(zhuǎn)矩而優(yōu)選地使足夠量的電流流入存儲元件中，所以優(yōu)選地是，抑制隧道絕緣層的阻值。
因此，存儲元件3被構(gòu)造成具有橢圓圖案(短軸0.09μm×長軸0.18μm)，并且具有20Ωμm2的面積阻值。然而，僅樣本No.3具有0.06μm的短軸和0.09μm的長軸。
接下來，為了絕緣存儲元件3的周緣，通過CVD(化學(xué)氣相沉積)或PVD(物理氣相沉積)在存儲元件3的整個表面上沉積氮化硅薄膜和SiO2、Al2O3等的絕緣膜23。
之后，通過CMP(化學(xué)機械拋光)對表面進行拋光和平坦化，以露出保護層18，從而形成接觸區(qū)域。
接著，通過標(biāo)準(zhǔn)配線形成技術(shù)(wiring formation technique)來形成位線24、外圍電路配線(未示出)、以及焊盤區(qū)域(未示出)。此外，在位線24的整個表面上沉積等離子氮化硅薄膜25，并且使焊盤區(qū)域開口，從而完成LSI(大規(guī)模集成)晶圓工藝步驟。
以這種方式來準(zhǔn)備存儲元件3的樣本。
通過如表1所示地改變存儲層17的鐵磁性層材料，使得通過上述生產(chǎn)方法來準(zhǔn)備存儲元件3的每一個樣本。表1中所示的存儲層的組分作為形成樣本的條件。
以如下方式評估所準(zhǔn)備的存儲元件3的每一樣本的特性。
在測量之前，構(gòu)造每個樣本，使得可以從外部向存儲元件3提供磁場，以便控制反向電流的正方向中的值，使其與反向電流的負(fù)方向中的值對稱。將施加給存儲元件3的電壓設(shè)為1V或更小，這不會損壞絕緣層16。
(抗磁力的測量)測量存儲元件的抗磁力。
首先，在將持續(xù)改變的外部磁場施加至存儲元件的同時，測量存儲元件的阻值。此時，將溫度控制為室溫(25℃)，并且將施加給字線端子和位線端子的偏壓控制為10mV。
當(dāng)沿與存儲層磁化方向相反的方向施加外部磁場并且外部磁場超過存儲層的抗磁力時，存儲層的磁化方向被反向。由于通過磁化方向的反向來改變存儲元件的阻值，所以阻值改變時的外部磁場的量值可能等于存儲元件的抗磁力?；诖藖泶_定存儲元件的抗磁力。
(反向電流值和熱穩(wěn)定性的測量)測量反向電流值，以評估根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件的寫特性。
使具有100ns至1ms的脈沖寬度的電流流入存儲元件中，以便隨后測量存儲元件的阻值。此外，改變流入存儲元件中的電流量，以確定使存儲層的磁化反向的電流值。將通過脈沖寬度關(guān)系曲線(dependence)外推到1ns脈沖寬度而獲得的值定義為反向電流值。
反向電流值的脈沖寬度關(guān)系曲線的傾斜度對應(yīng)于存儲元件的上述熱穩(wěn)定性指數(shù)(Δ)。由于基于脈沖寬度的反向電流值改變(或傾斜度)較小，所以存儲元件更耐熱干擾。如上所述，為了將存儲元件用于存儲器，熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ優(yōu)選為60或更大。
為了使存儲元件之間具有可變性，準(zhǔn)備大約20個具有相同結(jié)構(gòu)的存儲元件，并且進行上述測量，以確定平均反向電流值和平均熱穩(wěn)定性指數(shù)(Δ)。
表1中示出了每一樣本的測量結(jié)果，其中包括由存儲層的材料和組分確定的磁致伸縮常數(shù)。
表1


從表1中的結(jié)果清楚看出，當(dāng)存儲元件具有10×10-6或更大的磁致伸縮常數(shù)時，尤其是1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)時，可以實現(xiàn)150[Oe]或更大的抗磁力。當(dāng)磁致伸縮常數(shù)小于1×10-5時，抗磁力小于150[Oe]。即使在樣本No.3中(其中，通過減小元件的尺寸而使形狀各向異性增大)，抗磁力也僅為120[Oe]。
即，1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)可能是有效的。
從表1很清楚看出，熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ與抗磁力密切相關(guān)，而且當(dāng)抗磁力為150[Oe]或更大時，熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ為60或更大。
與樣本No.1和No.2相比，具有較小體積的樣本No.3確保了具有增大的抗磁力；但是，樣本No.3的熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ不會增大到這么大，可能不會達(dá)到60。
在這種方式中，本發(fā)明的實施例可以確保60或更大的熱穩(wěn)定性指數(shù)Δ，該熱穩(wěn)定性指數(shù)對于實際存儲器可能必需的。
反向電流值不能改變得這么大，并且即使當(dāng)磁致伸縮常數(shù)改變時，也可以保持較小的方向電流值。具有較小體積的樣本No.3具有的反向電流值小于其它樣本的反向電流值，這是因為存儲層的鐵磁性材料具有較小的體積。
因此，本發(fā)明的實施例可以同時確保可能具有權(quán)衡關(guān)系的足夠的熱穩(wěn)定性和反向電流量的減小。
本發(fā)明的實施例不僅可以采用每一個上述實施例中所示的存儲元件3的膜結(jié)構(gòu)，而且可以采用其它膜結(jié)構(gòu)。
在每一個上述實施例中，磁化固定層31具有由兩層鐵磁性層13和15以及非磁性層14形成的堆疊的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)。然而，例如，該磁化固定層可以由單一鐵磁性層形成。
本發(fā)明并不限于上述實施例，并且在不偏離本發(fā)明本質(zhì)的情況下，各種其它結(jié)構(gòu)都是可能的。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在所附權(quán)利要求或其等同物的范圍內(nèi)，可以根據(jù)設(shè)計要求和其它因素來進行各種修改、組合、子組合、和替換。
權(quán)利要求
1.一種存儲元件，包括存儲層，其基于磁性材料的磁化狀態(tài)來保持信息，其中，經(jīng)由中間層為所述存儲層設(shè)置磁化固定層；所述中間層由絕緣體形成；自旋極化電子沿堆疊方向被注入，以改變所述存儲層的磁化方向，從而將信息記錄在所述存儲層中；以及形成所述存儲層的鐵磁性層具有1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲元件，其中，形成所述存儲層的所述鐵磁性層具有150[Oe]或更大的抗磁力。
3.一種存儲器，包括存儲元件，具有存儲層，所述存儲層基于磁性材料的磁化狀態(tài)而保持信息；以及彼此交叉的兩類配線，其中，所述存儲元件具有磁化固定層，所述磁化固定層是經(jīng)由中間層為所述存儲層而設(shè)置的；所述中間層由絕緣體形成；自旋極化電子沿堆疊方向被注入，以改變所述存儲層的磁化方向，從而將信息記錄在所述存儲層中；并且形成所述存儲層的鐵磁性層具有1×10-5或更大的磁致伸縮常數(shù)；所述存儲元件設(shè)置在所述兩類配線的交叉點附近以及所述兩種配線之間，并且沿所述堆疊方向的電流通過所述兩類配線流入所述存儲元件中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種存儲元件，該存儲元件包括基于磁性材料的磁化狀態(tài)而保持信息的存儲層。在該存儲元件中，通過中間層為所述存儲層設(shè)置磁化固定層；中間層由絕緣體形成；自旋極化電子沿堆疊方向被注入，以改變存儲層的磁化方向，從而將信息記錄在存儲層中；以及形成存儲層的鐵磁性層具有1×10
文檔編號G11C11/16GK101071628SQ20071009736
公開日2007年11月14日 申請日期2007年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者山元哲也, 大森廣之, 細(xì)見政功, 肥后豐, 山根一陽, 大石雄紀(jì), 鹿野博司 申請人:索尼株式會社