專利名稱：存儲元件和存儲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存儲元件和包 括該存儲元件的存儲裝置。存儲元件包括存儲鐵磁性層的磁化狀態(tài)作為信息的存儲層和磁化方向固定的磁化固定層，并且通過電流的流動改變存儲層的磁化方向。
背景技術(shù)：
隨著各種信息裝置(從移動終端到大容量服務(wù)器)的快速發(fā)展，構(gòu)成信息裝置的存儲器和邏輯元件需要更高的性能，例如高集成度、高速度和低功耗。特別是，半導(dǎo)體非易失性存儲器的發(fā)展是顯著的，并且閃速存儲器變得更加廣泛用作大容量存儲器，好像幾乎要將硬盤驅(qū)動器從市場中消除。同時，預(yù)期代碼存儲存儲器或者工作存儲器的進(jìn)展，已經(jīng)研究FeRAM (鐵電隨機(jī)存取存儲器)、MRAM (磁性隨機(jī)存取存儲器)、PCRAM (相變隨機(jī)存取存儲器)等等，以代替當(dāng)前通常使用的NOR閃速存儲器、DRAM等。這些存儲器類型中的一些已經(jīng)實際使用。在這些之中，由于MRAM基于磁性材料的磁化方向記錄數(shù)據(jù)，所以能夠快速并且?guī)缀鯚o限制(1015次以上)地執(zhí)行重寫。因此，MRAM已經(jīng)用于工業(yè)自動化、飛機(jī)等的領(lǐng)域。盡管由于其高速操作和可靠性而期望將來發(fā)展為代碼存儲存儲器或者工作存儲器，但是實際上MRAM在實現(xiàn)低功耗和大容量時存在問題。這些問題是由MRAM的記錄原理引起的，該記錄原理是使電流分別流過大致彼此交叉的兩種類型的地址配線(字線和位線)，并且位于地址配線的交點的磁存儲元件的磁性層的磁化通過從各地址配線產(chǎn)生的電流電場而反轉(zhuǎn)，從而記錄信息。即，這是由于通過從配線產(chǎn)生的電流磁場而反轉(zhuǎn)磁化的方法所導(dǎo)致的基本問題。作為解決該問題的解決方法，已經(jīng)討論了不使用電流磁場的記錄，S卩，不使用電流磁場而反轉(zhuǎn)磁化的方法。在這些之中，已經(jīng)積極地實施關(guān)于自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的研究(例如，參見日本未審查專利申請公開第2003-17782號、美國專利第6256223號、日本未審查專利申請公開第 2008-227388 號，PHYs. Rev. B, 54. 9353 (1996)，和 J. Magn. Mat.，159，LI (1996))。類似于MRAM，利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的存儲元件在許多情況下由MTJ(磁性隧道結(jié))構(gòu)成。該構(gòu)造利用這樣的現(xiàn)象，當(dāng)穿過以給定方向固定的磁性層的自旋極化電子進(jìn)入另一個自由磁性層(其中方向不固定)時，扭矩被施加至該磁性層(該現(xiàn)象也被稱為自旋傳輸扭矩)。在該情況下，當(dāng)使得等于或者大于給定閾值的電流流動時，自由磁性層反轉(zhuǎn)。通過改變電流的極性重寫O和I。用于反轉(zhuǎn)的電流的絕對值對于大約O. I μ m程度的元件為等于或小于1mA。此外，因為該電流值與元件體積成比例減小，所以可進(jìn)行按比例換算。此外，由于在MRAM中產(chǎn)生記錄電流磁場所需的字線并非必需，所以也具有單元結(jié)構(gòu)簡單的有利效果。在下文中，利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM被稱為ST_MRAM(自旋扭矩磁性隨機(jī)存取存儲器)。自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)往往可以稱為自旋注入磁化反轉(zhuǎn)。ST-MRAM作為非易失存儲器已更加引人關(guān)注，其能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗和大容量，同時保持MRAM迅速地和幾乎無限制地執(zhí)行重寫的有利效果。

發(fā)明內(nèi)容
在MRAM的情況下，寫入配線(字線和位線)與存儲元件分離設(shè)置，并且能夠通過使電流流過寫入配線時產(chǎn)生的電流磁場 而寫入(記錄)信息。因此，能夠使得寫入所需的足夠量的電流流過寫入配線。另一方面，在ST-MRAM中，通過在存儲元件中流動的電流來執(zhí)行自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)，并且需要反轉(zhuǎn)存儲層的磁化方向。以該方式，能夠通過使電流直接流入存儲元件而寫入(記錄)信息。因此，為了選擇執(zhí)行寫入的存儲裝置，將存儲元件和選擇晶體管連接從而構(gòu)成存儲裝置。在該情況下，在存儲元件中流動的電流被限制為能夠在選擇晶體管中流動的電流(選擇晶體管的飽和電流)的大小。期望提供這樣的存儲元件和包括該存儲元件的存儲裝置，該存儲元件能夠提高熱穩(wěn)定性，而不增大寫入電流，并且具有良好的矯頑力。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，基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；磁化固定層，具有用作存儲在存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化；中間層，由非磁性材料形成，并且介于存儲層和磁化固定層之間；保護(hù)層，被設(shè)置為與存儲層相鄰并且在中間層的相反側(cè)；以及金屬保護(hù)層，被設(shè)置為與保護(hù)層相鄰并且在存儲層的相反側(cè)。在該構(gòu)造中，利用由在包括存儲層、中間層和磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息，中間層和保護(hù)層由氧化物形成，并且金屬保護(hù)層由Pd或Pt形成。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供了一種存儲裝置，包括存儲元件，基于磁性材料的磁化狀態(tài)存儲信息；以及彼此交叉的兩種類型的配線。存儲元件包括存儲層，基于磁性材料的磁化狀態(tài)存儲信息；磁化固定層，具有用作存儲在存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化；中間層，由非磁性材料形成，并且介于存儲層和磁化固定層之間；保護(hù)層，被設(shè)置為與存儲層相鄰并且在中間層的相反側(cè)；金屬保護(hù)層，被設(shè)置為與保護(hù)層相鄰并且在存儲層的相反偵牝其中，利用由在包括存儲層、中間層和磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息，中間層和保護(hù)層由氧化物形成，并且金屬保護(hù)層由Pd或Pt形成。此外，存儲元件設(shè)置在兩種類型的配線之間，并且通過兩種類型的配線使層壓方向上的電流在存儲元件中流動，從而引起自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，存儲元件具有設(shè)置相對于存儲層在中間層的相反側(cè)的保護(hù)層和金屬保護(hù)層的結(jié)構(gòu)。然而，因為金屬保護(hù)層由Pd或Pt形成，所以矯頑力能夠增大。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，因為能夠容易得到具有垂直磁各向異性的存儲元件，所以能夠構(gòu)成這樣的存儲元件，其足夠確保作為信息存儲能力的穩(wěn)定性并具有良好的平衡特性。因此，能夠充分得到存儲元件的工作裕度，而沒有操作錯誤。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性穩(wěn)定操作的存儲器。此外，當(dāng)在存儲元件上執(zhí)行寫入時，能夠減小寫入電流，并且因此能夠減少功耗。因此，整個存儲裝置的功耗能夠減少。


圖I是示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲裝置的構(gòu)造的透視圖。圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲裝置的截面圖。圖3是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲元件的層結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4是示出了用于實驗的存儲元件的層結(jié)構(gòu)的示圖。圖5是示出了金屬保護(hù)層的組成材料和矯頑力之間的關(guān)系的示圖。
具體實施例方式在下文中，將按以下順序描述本發(fā)明根據(jù)實施方式。I.根據(jù)實施方式的存儲裝置的構(gòu)造2.根據(jù)實施方式的存儲元件的概述3.實施方式的具體構(gòu)造4.關(guān)于實施方式的實驗I.根據(jù)實施方式的存儲裝置的構(gòu)造首先，將描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲裝置的構(gòu)造。圖I和圖2示意地示出了根據(jù)實施方式的存儲裝置。圖I是透視圖并且圖2是截面圖。如圖I所示，在根據(jù)實施方式的存儲裝置中，由ST-MRAM構(gòu)造并且能夠基于磁化狀態(tài)存儲信息的存儲元件3設(shè)置在彼此交叉的兩種類型的地址配線(例如，字線和位線)的交點附近。S卩，構(gòu)成用于選擇各個存儲裝置的選擇晶體管的漏區(qū)8、源區(qū)7和柵電極I分別形成在諸如硅基板的半導(dǎo)體基板10的由元件隔離層2隔離的部分中。在這些中，柵電極I與在附圖中的前后方向上延伸的一個地址配線(字線)重疊。漏區(qū)8形成為被圖I的左部分和右部分中的選擇晶體管所共用。配線9連接到漏區(qū)8。此外，存儲元件3設(shè)置在源區(qū)7與設(shè)置在上方并且在圖I的左右方向上延伸的位線6之間，該存儲元件包括存儲層，其種通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)磁化方向。例如，存儲元件3包括磁性隧道結(jié)(MTJ)元件。如圖2所示，存儲元件3包括兩個磁性層15和17。兩個磁性層15和17中的一個被設(shè)定為磁化固定層15，其中，磁化M15的方向是固定的，并且另一個磁性層被設(shè)定為自由磁性層，其中，磁化M17的方向變化，即，存儲層17。此外，存儲元件3通過上和下接觸層4連接到位線6和源區(qū)7。因此，使電流通過兩種類型的地址配線I和6以豎直方向在存儲元件3中流動，并且能夠通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將存儲層17的磁化M17的方向反轉(zhuǎn)。在這種存儲裝置中，需要用等于或者小于選擇晶體管的飽和電流的電流執(zhí)行寫入，并且晶體管的飽和電流隨存儲裝置的小型化而減小。因此，為了小型化，需要提高自旋傳輸?shù)男什⑶覝p小在存儲元件3中流動的電流。此外，為了放大讀取信號，需要確保大的磁阻變化率。為此，采用上述MTJ結(jié)構(gòu)，即，構(gòu)造作為中間層的隧道絕緣層(隧道勢壘層)介于磁性層15和17這兩個層之間的存儲元件3是有效的。以這種方法，當(dāng)隧道絕緣層被用作中間層時，為了防止隧道絕緣層擊穿，限制在存儲元件3中流動的電流的量。即，從確保用于存儲元件3的重復(fù)寫入的可靠性的角度，應(yīng)該限制自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需的電流。自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需的電流往往可以被稱為反轉(zhuǎn)電流、記錄電流等等。
同時，因為存儲裝置是非易失性存儲器，所以需要穩(wěn)定地存儲由電流寫入的信息。即，需要確保對存儲層的磁化的熱波動的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。當(dāng)沒有確保存儲層的熱穩(wěn)定性時，被反轉(zhuǎn)的磁化的方向可能由于熱(操作環(huán)境下的溫度)而再次反轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生寫入錯誤。同現(xiàn)有技術(shù)中的MRAM相比，根據(jù)實施方式的存儲裝置中的存儲元件3具有按比例換算的有利效果。即，能夠減小體積。然而，如果其他特性相同，則體積減小可能引起熱穩(wěn)定性的劣化。當(dāng)ST-MRAM的容量增大時，存儲元件3的體積進(jìn)一步減小。因此，確保熱穩(wěn)定性是重要議題。因此，熱穩(wěn)定性是對于ST-MRAM中存儲元件3的顯著重要的特性，并且需要設(shè)計即使當(dāng)體積減小時也能夠保證熱穩(wěn)定性的存儲元件。2.根據(jù)實施方式的存儲元件的概述接著，將描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲元件的概述。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，通過上述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將存儲元件的存儲層的磁化方向反轉(zhuǎn)，從而記錄信息。存儲層由包括鐵磁性層的磁性材料形成，并且基于磁性材料的磁化狀態(tài)(磁化的方向)存儲信息。例如，存儲元件3具有如圖3所示的層結(jié)構(gòu)，并且包括至少兩個鐵磁性層存儲層17和磁化固定層15以及介于兩個磁性層之間的中間層16。存儲層17具有垂直于層表面的磁化,并且磁化的方向響應(yīng)于信息變化。磁化固定層15具有垂直于層表面的磁化，并且用作存儲層17中寫入的信息的基準(zhǔn)。中間層16由非磁性材料形成，并且設(shè)置在存儲層17和磁化固定層15之間。此外，通過注入在包括存儲層17、中間層16和磁化固定層15的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上自旋極化的電子，存儲層17的磁化的方向改變并且在存儲層17上記錄信息。這里，將簡要地描述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。電子具有兩種類型的自旋角動量。為了方便起見，可以定義為向上和向下動量。兩者的數(shù)量在非磁性材料中相同但是在鐵磁性材料中不同。在作為構(gòu)成存儲元件3的兩層鐵磁性材料的磁化固定層15和存儲層17中，假設(shè)在磁矩的方向相反的狀態(tài)中電子從磁化固定層15向存儲層17移動。磁化固定層15是為了高矯頑力而固定磁矩的方向的固定磁性層。已經(jīng)通過磁化固定層15的電子被自旋極化。即，在向上和向下電子的數(shù)量之間產(chǎn)生差異。當(dāng)作為非磁性層的中間層16的厚度足夠薄時，電子穿過磁化固定層15能夠減輕自旋極化。在普通的非磁性材料中的未極化的狀態(tài)(向上和向下電子相同)之前，電子到達(dá)另一磁性材料，即，存儲層17。在存儲層17中，反轉(zhuǎn)自旋極化的符號。因此，為了減少系統(tǒng)能量，反轉(zhuǎn)了許多電子，即，改變了自旋角動量的方向。在該時候，因為應(yīng)該保存系統(tǒng)的總的角動量，所以將等價于方向變化的電子的角動量變化的總計的反作用施加至存儲層17的磁矩。當(dāng)電流低時，即，當(dāng)在單位時間 內(nèi)穿過的電子的數(shù)量少時，方向變化的電子的總數(shù)也少。因此，由存儲層17的磁矩產(chǎn)生的角動量變化也小。然而，當(dāng)電流大時，能夠在單位時間內(nèi)施加大多數(shù)的角動量變化。角動量的時間變化是扭矩。當(dāng)扭矩超過給定閾值時，由于單軸各向異性磁矩存儲層17的磁矩開始旋進(jìn)(precession)并旋轉(zhuǎn)180° ,從而變得穩(wěn)定。S卩，磁矩從相反方向狀態(tài)反轉(zhuǎn)為相同方向狀態(tài)。當(dāng)磁化處于相同的方向狀態(tài)時，使電流在將電子從存儲層17向磁化固定層15移動的方向上流動。在該情況下，當(dāng)在磁化固定層15中反射時自旋反轉(zhuǎn)的電子進(jìn)入存儲層17時，向其施加扭矩。因此，磁矩能夠反轉(zhuǎn)為相反方向。在此時，反轉(zhuǎn)所需的電流的量比從相反方向狀態(tài)反轉(zhuǎn)為相同方向狀態(tài)的情況大。難以直觀地理解磁矩從相同方向到相反方向的反轉(zhuǎn)。然而，可以如下理解磁矩難以反轉(zhuǎn)，因為磁化固定層15固定；并且為了保存系統(tǒng)的總的角動量而反轉(zhuǎn)存儲層17。以該方法，通過引起等于或大于給定閾值并且相應(yīng)于各自的極性的電流在從磁化固定層15到存儲層17的方向上或者在其相反方向上流動，來記錄O和I。類似于現(xiàn)有技術(shù)中MRAM中的情況，利用磁阻效應(yīng)讀取信息。即，類似于如上所述記錄的情況，使電流在垂直于層表面的方向上流動。此外，利用以下現(xiàn)象執(zhí)行讀取，即由元件表示的阻抗根據(jù)存儲層17的磁矩具有與磁化固定層15相同的方向還是相反的方向而變化。用作介于磁化固定層15和存儲層17之間的中間層16的材料可以是金屬或者絕緣材料。然而，作為中間層的絕緣材料能夠得到較高的讀取信號(電阻變化率)并且在較低的電流下執(zhí)行記錄。此時，該元件被稱為磁性隧道結(jié)(MTJ)。在通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將磁性層的磁化方向反轉(zhuǎn)時所需的電流的閾值Ic根據(jù)磁性層的易磁化軸是位于面內(nèi)方向還是垂直方向而變化。根據(jù)實施方式的存儲元件是垂直磁化類型。在現(xiàn)有技術(shù)中的面內(nèi)磁化類型存儲元件的情況下，當(dāng)磁性層的磁化方向反轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)電流由Ic_para表示，并且磁化從相同方向反轉(zhuǎn)為相反方向時(這里，相同方向和相反方向表不參考磁化固定層的磁化方向的存儲層的磁化方向)，滿足以下表達(dá)式。Ic_para = (A · α · Ms · V/g (O) /P) (Hk+2 π Ms)當(dāng)磁化從相反方向反轉(zhuǎn)為相同方向時，滿足以下表達(dá)式。Ic_para =-(A · α · Ms · V/g ( π ) /P) (Hk+2 π Ms)(在下文中，上述表達(dá)式將被稱為表達(dá)式(I)。)另一方面，當(dāng)根據(jù)實施方式的垂直磁化類型存儲層的反轉(zhuǎn)電流由Ic_perp表示，并且磁化從相同方向反轉(zhuǎn)為相反方向時，滿足以下表達(dá)式。Ic_perp = (A · α · Ms · V/g (O) /P) (Hk_4 π Ms)當(dāng)磁化從相反方向反轉(zhuǎn)為相同方向時，滿足以下表達(dá)式。
Ic_perp = -(Α· α · Ms · V/g ( π ) /P) (Hk_4 n Ms)(在下文中，上述表達(dá)式將被稱為表達(dá)式(2)。)在這些表達(dá)式中，A表示常數(shù)、α表示阻尼常數(shù)、Ms表示飽和磁化、V表示元件體積、P表不自旋極化率、g(0)和gO)分別表不與在相同方向和在相反方向上將自旋扭矩傳送至對方磁性層的效率相對應(yīng)的系數(shù)、并且Hk表示磁各向異性(參考Nature Materials.,5,210(2006)) ο
在各個上述表達(dá)式中，當(dāng)比較垂直磁化類型的情況下的(Hk-4JiMs)和面內(nèi)磁化類型的情況下的(Hk+2 JiMs)時，能夠理解垂直磁化類型更適合于減小記錄電流。根據(jù)該實施方式，存儲層3包括能夠基于磁化狀態(tài)存儲信息的磁性層(存儲層17)和磁化方向固定的磁化固定層15。為了用作存儲器，必須存儲寫入信息。存儲信息的能力由熱穩(wěn)定性的指數(shù)Λ (=KV/kBT)的值確定。指數(shù)Λ由以下表達(dá)式(3)表示。Δ = K · V/kB · T = Ms · V · Hk (l/2kB · T)表達(dá)式(3)在該表達(dá)式中，Hk :有效各向異性場，kB :玻耳茲曼常數(shù)，T :溫度，Ms :飽和磁化量，V :存儲層17的體積，以及K :各向異性能。有效各向異性場Hk包括形狀磁各向異性、感應(yīng)磁各向異性和晶體磁各向異性。當(dāng)假設(shè)單疇一致旋轉(zhuǎn)模式時，有效各向異性場等同于矯頑力。在很多情況下熱穩(wěn)定性的指數(shù)Λ與電流的閾值Ic具有權(quán)衡關(guān)系。因此，為了維持存儲器特性，在很多情況下其間的權(quán)衡成為問題。當(dāng)存儲層17的厚度是2nm，并且具有IOOnmX 150nm的平面圖案的TMR元件大體上為橢圓形時，例如改變存儲層17的磁化狀態(tài)的電流的閾值實際上為如下。+ 側(cè)的閾值 +Ic = +0. 5mA-側(cè)的閾值-Ic= -O. 3mA此時的電流密度是大約3. 5X 106A/cm2。這些大致上等同于上述表達(dá)式⑴。另一方面，在磁化通過電流磁場反轉(zhuǎn)的普通MRAM中，需要幾十mA以上的寫入電流。因此，能夠看出ST-MRAM對于降低集成電路的功耗是有效的，因為如上所述寫入電流的閾值足夠低。此外，由于不需要普通MRAM所需的用于產(chǎn)生電流磁場的配線，所以與普通MRAM比較，ST-MRAM即使在整合度(integration)方面也是有效的。此外，當(dāng)執(zhí)行自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)時，使直流電流在存儲元件3中流動，從而寫入(記錄)信息。因此，為了選擇執(zhí)行寫入的存儲裝置3，存儲元件構(gòu)造為將存儲元件3連接到選擇晶體管。在該情況下，在存儲元件3中流動的電流被限制為能夠在選擇晶體管中流動的電流(選擇晶體管的飽和電流)的大小。為了減小記錄電流，期望采用如上所述的垂直磁化類型。此外，因為垂直磁性層能確保與通常的面內(nèi)磁性層相比更高的磁各向異性，所以從確保上述熱穩(wěn)定性的指數(shù)Λ的大的值的角度，垂直磁性層是更優(yōu)選的。使用具有垂直各向異性的各種磁性材料，諸如稀土過渡金屬合金(例如TbCoFe)、金屬多層(例如，Co/Pd多層)、規(guī)則合金(例如，F(xiàn)ePt)、或者利用氧化物和磁性金屬之間的界面各向異性的材料(例如，Co/MgO)。然而，稀土過渡金屬合金當(dāng)通過加熱擴(kuò)散和結(jié)晶時失去垂直磁各向異性，其不是優(yōu)選作為ST-MRAM的材料。類似地，在金屬多層的情況下，當(dāng)通過加熱擴(kuò)散時垂直磁各向異性損壞，并且在面心立方晶格的(111)取向上體現(xiàn)垂直磁各向異性。因此，難以實現(xiàn)諸如MgO或與MgO相鄰設(shè)置的Fe、CoFe和CoFeB的高極化度層所需的(001)取向。由于LlO規(guī)則合金即使在高溫下也是穩(wěn)定的，并且垂直磁各向異性在
(001)取向上體現(xiàn)，所以未發(fā)生上述問題。然而，需要通過在制造期間執(zhí)行在500°C以上的加熱或者在制造之后在500°C以上的高溫下 執(zhí)行熱處理，來執(zhí)行原子排序。因此，存在這樣的可能性，可能在諸如隧道勢壘的層壓層的其他部分中引起不利的擴(kuò)散或者界面粗糙度的增加。另一方面，Co系或Fe系材料層壓在利用界面磁各向異性的材料上，即在作為隧道勢壘的MgO上的層，不太可能具有上述問題，因此非常期望作為用于ST-MRAM的存儲層的材料。從界面磁各向異性取向的垂直磁各向異性通過將氧化物中包含的氧鍵接至界面中的Co或Fe而引起。然而，存在的問題在于，與由規(guī)則合金體現(xiàn)的晶體磁各向異性和由稀土體現(xiàn)的單離子各向異性相比，各向異性能低并且隨著磁性層的厚度變厚而劣化。作為這些問題的解決方法，本發(fā)明的實施方式提出將氧化物設(shè)置在磁性金屬兩偵牝從而增加界面的數(shù)量的結(jié)構(gòu)。即，提出了這樣的方法，其中通過采用基板、底層、磁化固定層、MgO(中間層)、存儲層、由氧化物形成的保護(hù)層和金屬保護(hù)層以該順序?qū)訅旱慕Y(jié)構(gòu)，增加存儲層的各向異性。根據(jù)實施方式，存儲層17是包含Co和Fe中的至少一種的垂直磁性層。此外，當(dāng)考慮選擇晶體管的飽和電流值時，使用由絕緣材料構(gòu)成的隧道絕緣層作為介于存儲層17和磁化固定層15之間的非磁性中間層16來構(gòu)造磁性隧道結(jié)(MTJ)。當(dāng)磁性隧道結(jié)(MTJ)元件利用隧道絕緣層構(gòu)成時，與使用非磁性導(dǎo)電層構(gòu)造巨型磁阻(GMR)元件相比，磁阻變化率(MR比率)能夠增加，并且讀取信號的強(qiáng)度能夠增加。特別地，通過將氧化鎂(MgO)用作作為隧道絕緣層中間層16的材料，能夠增加磁阻變化率(MR比率)。此外，通常，自旋傳輸?shù)男嗜Q于MR比率。較大的MR比率能夠提高自旋傳輸?shù)男什⑶覝p小磁化反轉(zhuǎn)的電流密度。因此，通過同時使用氧化鎂作為隧道絕緣層的材料并且使用上述存儲層17，當(dāng)利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)執(zhí)行寫入時的電流閾值能夠減少并且能夠在低電流下寫入(記錄)信息。此外，讀取信號的強(qiáng)度能夠增大。因此，能夠確保MR比率(TMR比率)，當(dāng)利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)執(zhí)行寫入時的電流閾值能夠減小，并且能夠在低電流下寫入(記錄)信息。此外，讀取信號的強(qiáng)度能夠增大。當(dāng)隧道絕緣層是氧化鎂(MgO)層時，優(yōu)選MgO層是結(jié)晶的并且晶體取向維持在001取向。此外，根據(jù)實施方式，除了氧化鎂以外，存儲層17和磁化固定層15之間的中間層16(隧道絕緣層)還可以由各種絕緣材料、介電材料和半導(dǎo)體材料構(gòu)成，例如氧化鋁、氮化鋁、Si02、Bi203、MgF2, CaF、SrTiO2^AlLaO3 和 Al-N-O。
從得到利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)存儲層17的磁化的方向所需的電流密度的角度，需要隧道絕緣層的面積電阻值被控制為等于或小于幾Ω μπι2。此外，為了將面積電阻值控制在上述范圍中，需要由MgO形成的隧道絕緣層的厚度被設(shè)定為等于或者小于I. 5nm。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，保護(hù)層18設(shè)置為鄰近存儲層17，并且保護(hù)層18由氧化物形成。由氧化物形成的保 護(hù)層18的實例包括MgO、氧化鋁、TiO2, SiO2, Bi203> SrTiO2,AlLaO3 和 A1-N-0。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，金屬保護(hù)層19設(shè)置為鄰近保護(hù)層18并且在存儲層17的相反側(cè)。金屬保護(hù)層19由Pd或Pt形成。此外，為了在低電流下易于反轉(zhuǎn)存儲層17的磁化的方向，優(yōu)選減小存儲元件3的尺寸。因此，優(yōu)選地，存儲元件3的面積等于或者小于O. 01 μπι2。此外，能夠?qū)⒊鼵o和Fe以外的元素添加到根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲層17。通過各種元素的添加，能夠得到由于防止擴(kuò)散而提高耐熱性和增加磁阻效應(yīng)的效果和由于平坦化而增加介電強(qiáng)度電壓的效果。在該情況下添加的元素的實例包括B、C、N、
O、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和Os ;及它們的合金。此外，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲層17中，能夠直接層壓具有不同成分的其他鐵磁性層。此外，鐵磁性層和軟磁性層能夠?qū)訅海蛘叨鄠€的鐵磁性層能夠通過介于其間的軟磁性層和非磁性層層壓。在這種層壓結(jié)構(gòu)中，能夠得到根據(jù)本發(fā)明的實施方式的效果。特別地，在多個鐵磁性層通過介于其間的非磁性層層壓的結(jié)構(gòu)中，鐵磁性層之間的相互作用的強(qiáng)度能夠調(diào)節(jié)。因此，即使當(dāng)存儲層3的存儲等于或者小于亞微米時，磁性反轉(zhuǎn)電流也能夠被抑制而免于增加。在該情況下，非磁性層的材料的實例包括Ru、0S、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo 和 Nb ;及它們的合金。優(yōu)選磁化固定層15和存儲層17的厚度分別是O. 5nm到30nm。存儲元件的其他構(gòu)造可以與利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來記錄信息的現(xiàn)有技術(shù)中的存儲元件3的現(xiàn)有構(gòu)造相同。磁化固定層15可以具有這樣的構(gòu)造，其中磁化的方向只由鐵磁性層或者由反鐵磁性層與鐵磁性層之間的反鐵磁性結(jié)合而固定。此外，磁化固定層15能夠具有形成單層鐵磁性層的結(jié)構(gòu)或者多個鐵磁性層用介于其間的非磁性層層壓的鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)(ferromagnetic pinned structure)。構(gòu)成具有鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)的磁化固定層15的鐵磁性層的材料的實例包括Co、CoFe和CoFeB。此外，非磁性層的材料的實例包括Ru、Re、Ir和Os。反鐵磁性層的材料的實例包括磁性材料，例如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn 合金、IrMn 合金、NiO 和 Fe203。此外，通過將諸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo 和
Nb的非磁性元素添加到這些磁性材料中，能夠調(diào)節(jié)磁性特性，并且能夠調(diào)節(jié)各種物理性質(zhì)，如晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和物質(zhì)穩(wěn)定性。此外，當(dāng)存儲層17設(shè)置在磁化固定層 15下方時，存儲元件3的層結(jié)構(gòu)沒有問題。在該情況下，上述導(dǎo)電氧化物保護(hù)層的功能可以由導(dǎo)電氧化物底層執(zhí)行。3.實施方式的具體構(gòu)造接著，將描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式的具體構(gòu)造。在存儲裝置的構(gòu)造中，如參考圖I所述，能夠基于磁化狀態(tài)存儲信息的存儲元件3設(shè)置在彼此交叉的兩種類型的地址配線I和6(例如，字線和位線)的交點附近。此外，使電流通過兩種類型的地址配線I和6以豎直方向在存儲元件3中流動，并且因此存儲層17的磁化M17的方向能夠通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn)。圖3示出了存儲元件3的具體結(jié)構(gòu)。如圖3所示，在存儲元件3中，磁化固定層15設(shè)置在存儲層17的下方，其中，磁化M17的方向通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn)。在ST-MRAM中，信息的O和I由存儲層17的磁化Ml7與磁化固定層15的磁化Ml5之間的相對角度來定義。作為隧道勢壘層(隧道絕緣層)的中間層16設(shè)置在存儲層17和磁化固定層15之間。MTJ元件由存儲層17和磁化固定層15構(gòu)成。此外，底層14形成在磁化固定層15下方。保護(hù)層18形成在存儲層17上方(即與存儲層17相鄰并且在中間層16的相反側(cè))。此外，金屬保護(hù)層19在保護(hù)層18上方形成(即與保護(hù)層18相鄰并且在存儲層17的相反側(cè))。在實施方式中，存儲層17是包含Co和Fe中的至少一種的垂直磁性層。此外，保護(hù)層18由導(dǎo)電氧化物形成。金屬保護(hù)層19由Pd或Pt形成。此外，在實施方式中，當(dāng)中間層16是氧化鎂層時，磁阻變化率(MR比率)能夠增加。通過以該方式增加MR比率，自旋注入的效率能夠增加并且反轉(zhuǎn)存儲層17的磁化M17的方向所需的電流密度能夠減小。在根據(jù)實施方式的存儲元件3中，從底層14到金屬保護(hù)層19的層在真空設(shè)備中連續(xù)形成。其后，存儲元件3的圖案由諸如蝕刻的處理形成。因此，能夠制造存儲元件。根據(jù)上述實施方式，因為存儲元件3的存儲層17是垂直磁性層，所以能夠減少反轉(zhuǎn)存儲層17的磁化M17的方向所需的寫入電流的量。以該方法，因為能夠充分確保作為信息存儲能力的熱穩(wěn)定性，所以存儲元件3具有良好的平衡特性。因此，能夠充分得到存儲元件3的操作裕度，而沒有操作錯誤。因此，能夠穩(wěn)定地操作存儲元件3。S卩，可以實現(xiàn)能夠高可靠性穩(wěn)定地操作的存儲裝置。此外，當(dāng)在存儲元件3上執(zhí)行寫入時，能夠減少寫入電流，并且因此能夠減少功耗。
因此，根據(jù)實施方式具有存儲元件3的存儲裝置能夠減少功耗。如上所述，能夠?qū)崿F(xiàn)具有良好的信息存儲能力并且能夠高可靠性穩(wěn)定地操作的存儲器，并且具有存儲元件3的存儲器能夠減少功耗。此外，具有圖3所不的存儲兀 件3和圖I所不的結(jié)構(gòu)的存儲裝置具有有利的效果，在于當(dāng)制造時能夠應(yīng)用通常的半導(dǎo)體MOS形成處理。因此，根據(jù)實施方式的存儲器能夠用作通用存儲器。4.關(guān)于實施方式的實驗這里，在根據(jù)實施方式的存儲元件3的構(gòu)造中，通過選擇形成金屬保護(hù)層19的具體材料來制備存儲元件3的樣本，并且檢測其特性。實際上，除了圖I所示的存儲元件3之外，存儲裝置還具有半導(dǎo)體開關(guān)電路等。然而，在該實驗中，為了檢測鄰近保護(hù)層18的存儲層17的磁化反轉(zhuǎn)特性，使用其中只形成存儲元件3的晶片執(zhí)行檢測。300nm厚的熱氧化層在O. 725mm厚的硅樹脂基板上形成，并且在其上形成具有圖3所示的結(jié)構(gòu)的存儲元件3。具體地，在具有圖3所示的結(jié)構(gòu)的存儲元件3中，如下選擇各層的材料和厚度。如圖4所示，如下選擇材料和厚度。底層14 :層壓IOnm厚的Ta層和25nm厚的Ru層的層。磁化固定層15 2. 5nm厚的CoFeB層中間層(隧道絕緣層)16 0. 9nm厚的氧化鎂層存儲層17 :層壓CoFeb、Ta和CoFeB的層保護(hù)層18:Mg0層金屬保護(hù)層19 由Ru、Pt、Ta、CrRu> Pd和V中的一種形成的5nm厚的層S卩，作為5nm厚的金屬保護(hù)層19，使用六種材料制備六種樣本。在上述層的構(gòu)造中，存儲層17的鐵磁性層具有O. 9nm厚的CoFeB、0. 3nm厚的Ta和 O. 9nm 厚的 CoFeB。CoFeB 的成分是 Co 16% -Fe 64% _B20%。由氧化鎂(MgO)形成的中間層16和保護(hù)層18是通過RF磁控濺射形成的。其他層是通過DC磁控濺射形成的。此外，在形成存儲層3的各個層之后，在300°C在磁場熱處理爐中執(zhí)行熱處理兩個小時。上述樣本的磁性特性利用磁光克爾效應(yīng)(magneto-optical Kerr effect)評價。圖5中示出由此得到的矯頑力和金屬保護(hù)層的材料之間的關(guān)系。這些層是垂直磁性層。然而，矯頑力存在顯著差別，并且能夠看出Pd和Pt顯示出聞的矯頑力。S卩，如實施方式中利用Pd或Pt作為金屬保護(hù)層19的規(guī)則元素能夠提高矯頑力。此外，根據(jù)實施方式，因為能夠簡單得到具有垂直磁各向異性的存儲元件，所以能夠確保作為信息存儲能力的熱穩(wěn)定性并且能夠構(gòu)成具有良好平衡特性的存儲元件。因此，能夠充分得到存儲元件的操作裕度，而沒有操作錯誤。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性穩(wěn)定操作的存儲器。此外，當(dāng)對存儲元件執(zhí)行寫入時，能夠減小寫入電流，并且因此能夠減少功耗。因此，整個存儲裝置的功耗能夠減少。在上文中，已經(jīng)描述了實施方式。然而，本發(fā)明不限于根據(jù)上述的實施方式的存儲層3的層構(gòu)造，并且可以采用各種層構(gòu)造。例如，在實施方式中，磁化固 定層15由CoFeB形成，但是本發(fā)明不限于此。在不背離本發(fā)明的理念的前提下，可以應(yīng)用其他各種構(gòu)造。此外，在實施方式中，底層、保護(hù)材料和存儲層的形式分別只具有一種構(gòu)造，但本發(fā)明不限于此。在不背離本發(fā)明的理念的前提下，可以應(yīng)用其他各種構(gòu)造。此外，在實施方式中，磁化固定層15具有單個層。然而，可以采用鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)，其中層壓鐵磁性層和非磁性層這兩層。此外，可以采用將反鐵磁性層應(yīng)用于具有鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)的層的結(jié)構(gòu)。此外，在存儲層17設(shè)置在磁化固定層15的上方或者下方的任何一種情況下，存儲元件3的層構(gòu)造都沒有問題。 根據(jù)本發(fā)明的實施方式能夠具有以下構(gòu)造。(I) 一種存儲元件，包括存儲層，基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；磁化固定層，具有用作存儲在存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化；中間層，由非磁性材料形成，并且介于存儲層和磁化固定層之間；保護(hù)層，被設(shè)置為與存儲層相鄰并且在中間層的相反側(cè)；以及金屬保護(hù)層，被設(shè)置為與保護(hù)層相鄰并且在存儲層的相反側(cè)，其中，利用由在包括存儲層、中間層和磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息，中間層和保護(hù)層由氧化物形成，并且金屬保護(hù)層由Pd或Pt形成。(2)根據(jù)上述(I)所述的存儲元件，其中，存儲層包括包含F(xiàn)e和Co中的至少一種的合金區(qū)域。(3)根據(jù)上述(I)或(2)所述的存儲元件，其中，存儲層和磁化固定層具有垂直于層表面的磁化。本發(fā)明包含于2011年5月6日向日本專利局提交的日本在先專利申請JP2011-103683中所公開的主題，將其全部內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)設(shè)計要求和其他因素，可以進(jìn)行各種修改、組合、子組合和變形，只要它們在所附權(quán)利要求或其等同物的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種存儲元件，包括 存儲層，基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息； 磁化固定層，具有用作存儲在所述存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化； 中間層，由非磁性材料形成，并且介于所述存儲層和所述磁化固定層之間； 保護(hù)層，被設(shè)置為與所述存儲層相鄰并且在所述中間層的相反側(cè)；以及 金屬保護(hù)層，被設(shè)置為與所述保護(hù)層相鄰并且在所述存儲層的相反側(cè)， 其中，利用由在包括所述存儲層、所述中間層和所述磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將所述存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息， 所述中間層和所述保護(hù)層由氧化物形成，并且 所述金屬保護(hù)層由Pd或Pt形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件， 其中，所述存儲層包括包含F(xiàn)e和Co中的至少一種的合金區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲元件， 其中，所述存儲層和所述磁化固定層具有垂直于層表面的磁化。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件， 其中，所述中間層是隧道絕緣層。
5.一種存儲裝置，包括 存儲元件，基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；以及 彼此交叉的兩種類型的配線， 其中，所述存儲元件包括存儲層，基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；磁化固定層，具有用作存儲在所述存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化；中間層，由非磁性材料形成并且介于所述存儲層和所述磁化固定層之間；保護(hù)層，被設(shè)置為與所述存儲層相鄰并且在所述中間層的相反側(cè)；以及金屬保護(hù)層，被設(shè)置為與所述保護(hù)層相鄰并且在所述存儲層的相反側(cè)，其中，利用由在包括所述存儲層、所述中間層和所述磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將所述存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息，所述中間層和所述保護(hù)層由氧化物形成，并且所述金屬保護(hù)層由Pd或Pt形成， 所述存儲元件設(shè)置在所述兩種類型的配線之間，并且 通過所述兩種類型的配線使所述層壓方向上的電流在所述存儲元件中流動，從而引起所述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及存儲元件和存儲裝置，其中，該存儲元件包括存儲層，基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；磁化固定層，具有用作存儲在存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化；中間層，由非磁性材料形成，并且介于存儲層和磁化固定層之間；保護(hù)層，被設(shè)置為與存儲層相鄰并且在中間層的相反側(cè)；以及金屬保護(hù)層，被設(shè)置為與保護(hù)層相鄰并且在存儲層的相反側(cè)。
文檔編號G11C11/15GK102769100SQ201210129098
公開日2012年11月7日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5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