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)磁層(magnetic layer)并且利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)(spintorque magnetization switching)進(jìn)行記錄的存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置。
背景技術(shù)：
隨著從移動(dòng)終端到大容量服務(wù)器的各種信息裝置的快速發(fā)展，在諸如構(gòu)成這些裝置的存儲(chǔ)元件和邏輯元件之類的元件中不斷追求更高的性能提高，例如，更高的集成度、更快的速度和更低的功耗。尤其是，半導(dǎo)體非易失性存儲(chǔ)器已取得顯著進(jìn)步，作為大容量文件存儲(chǔ)器，閃存普及的速率使得硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器被閃存所取代。同時(shí)，已進(jìn)行了將FeRAM(鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、MRAM (磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)、PCRAM (相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)等開(kāi)發(fā)成為當(dāng)前通用的或非門(mén)(NOR)閃存、DRAM等的替代，從而將它們用于代碼存儲(chǔ)或作為工作存儲(chǔ)器。這些中的一部分已經(jīng)投入實(shí)際運(yùn)用。在它們當(dāng)中，MRAM利用磁材料的磁化方向執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以使得可進(jìn)行高速地、幾乎無(wú)限制次數(shù)(1015次以上)的重寫(xiě)，因此，已經(jīng)被用在諸如工業(yè)自動(dòng)化和航空器之類的領(lǐng)域中。由于高速操作和可靠性，在不久的將來(lái)期望將MRAM用于代碼存儲(chǔ)或工作存儲(chǔ)器。然而，MRAM存在與降低功耗、增加容量相關(guān)的挑戰(zhàn)。這是由MRAM的記錄原理(即，利用從互連件(interconnection)生成的電流磁場(chǎng)來(lái)對(duì)磁化進(jìn)行反轉(zhuǎn))導(dǎo)致的基本問(wèn)題。作為解決該問(wèn)題的一個(gè)方法，不使用電流磁場(chǎng)的記錄方法，S卩，磁化反轉(zhuǎn)方法，正在審查中。具體地，已對(duì)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)進(jìn)行了積極研究(例如，參見(jiàn)日本未實(shí)審專利申請(qǐng)公報(bào) N0.2003-017782 和 N0.2008-227388、美國(guó)專利 N0.6，256，223,Physical Review B，54,9353(1996), Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, LI (1996))。類似于MRAM，使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)元件通常包括MTJ (磁隧道結(jié))。該配置使用這樣的現(xiàn)象:其中，當(dāng)經(jīng)過(guò)被固定在任意方向上的磁層的自旋極化電子進(jìn)入另一自由(方向未被固定)磁層時(shí)，扭矩(其也被稱為自旋轉(zhuǎn)移扭矩)被施加給磁層，并且當(dāng)具有預(yù)定閾值以上的電流流動(dòng)時(shí)該自由磁層被反轉(zhuǎn)。0/1的重寫(xiě)是通過(guò)改變電流的極性來(lái)執(zhí)行的。在具有大約0.1 ii m的尺寸的存儲(chǔ)元件的情況中，用于反轉(zhuǎn)的電流的絕對(duì)值為ImA或更小。另外，由于該電流值與該元件的體積成比例地下降，因此可以進(jìn)行縮放。另外，由于不需要MRAM中生成記錄電流磁場(chǎng)所必要的字線，因此優(yōu)點(diǎn)在于單元結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單。下面，將利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM成為自旋扭矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SpinTorque-Magnetic Random Access Memory, ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)也被稱為自旋注入磁化反轉(zhuǎn)。對(duì)作為如下非易失性存儲(chǔ)器的ST-MRAM寄予厚望:該非易失性存儲(chǔ)器能夠?qū)崿F(xiàn)更低功耗和更大容量，同時(shí)維持MRAM的可執(zhí)行高速、幾乎無(wú)限制的重寫(xiě)的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在MRAM中，將寫(xiě)互連件(字線和位線)與存儲(chǔ)元件分開(kāi)地布置，并且經(jīng)由通過(guò)向?qū)懟ミB件施加電流而生成的電流磁場(chǎng)來(lái)寫(xiě)入(記錄)信息。因此，寫(xiě)入所需要的電流可以充分地流經(jīng)寫(xiě)互連件。另一方面，在ST-MRAM中，要求流入存儲(chǔ)單元的電流包括自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)以便反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向。通過(guò)以這種方式直接向存儲(chǔ)元件施加電流來(lái)寫(xiě)入(記錄)信息。為了選擇要進(jìn)行寫(xiě)入的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)元件被連接到選擇晶體管以構(gòu)成存儲(chǔ)單元。在此情況中，流入存儲(chǔ)元件的電流受到可以流入選擇晶體管的電流量的限制，即，受到選擇晶體管的飽和電流的限制。因此，需要以等于或小于選擇晶體管的飽和電流的電流來(lái)執(zhí)行寫(xiě)入，并且已知晶體管的飽和電流隨著小型化而減小。為了使ST-MRAM小型化，需要提高自旋轉(zhuǎn)移效率并且減小流入存儲(chǔ)元件的電流。另外，需要確保高的磁阻改變率以放大讀出信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)此，有效的是采用上述MTJ結(jié)構(gòu)，即以如下方式來(lái)配置存儲(chǔ)元件:將與存儲(chǔ)層相接觸的中間層用作隧道絕緣層(隧道勢(shì)壘層)。在隧道勢(shì)壘層被用作中間層的情況中，流入存儲(chǔ)元件的電流量被限制以防止發(fā)生隧道絕緣層的絕緣擊穿。即，從確保存儲(chǔ)元件的重復(fù)寫(xiě)入的可靠性的角度來(lái)說(shuō)，必須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)所需的電流也被稱為反轉(zhuǎn)電流、存儲(chǔ)電流等。此外，由于ST-MRAM是非易失性存儲(chǔ)器，因此需要穩(wěn)定地存儲(chǔ)通過(guò)電流寫(xiě)入的信息。即，需要確保相對(duì)于存儲(chǔ)層的磁化的熱波動(dòng)的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。在存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性未得到確保的情況下，經(jīng)反轉(zhuǎn)的磁化方向可能由于熱(操作環(huán)境中的溫度)而再次被反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致寫(xiě)入錯(cuò)誤。與相關(guān)技術(shù)中的MRAM相比，ST-MRAM中的存儲(chǔ)元件在規(guī)模方面是有利的，即，有利點(diǎn)在于，如上所述從記錄電流值方面來(lái)講，存儲(chǔ)層的體積可以較小。然而，由于體積較小，在其它特性相同的情況下，熱穩(wěn)定性可能惡化。隨著ST-MRAM的容量繼續(xù)增大，存儲(chǔ)元件的體積變得更小，使得確保熱穩(wěn)定性變
得重要。因此，在ST-MRAM的存儲(chǔ)元件中，熱穩(wěn)定性是非常重要的特性，并且需要按照即使當(dāng)體積減小時(shí)也確保其熱穩(wěn)定性的方式來(lái)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)元件。換言之，為了提供作為非易失性存儲(chǔ)器的ST-MRAM，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需的反轉(zhuǎn)電流被減小以便不超過(guò)晶體管的飽和電流或者不擊穿隧道勢(shì)壘層。而且，需要確保熱穩(wěn)定性以保持所寫(xiě)入的信息。希望提供作為ST-MRAM的、能夠降低信息寫(xiě)入方向上的熱穩(wěn)定性的非對(duì)稱性并且充分確保作為信息保持能力的熱穩(wěn)定性的存儲(chǔ)元件。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種存儲(chǔ)元件，包括:分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括:存儲(chǔ)層，其具有與膜面垂直的磁化，其中，該磁化的方向取決于信息而改變，磁化固定層，其具有與膜面垂直的磁化(該磁化成為存儲(chǔ)層中所存儲(chǔ)的信息的基礎(chǔ))，以及
中間層，其由非磁材料形成并且被設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間。存儲(chǔ)層的磁化方向通過(guò)在該分層結(jié)構(gòu)的層壓方向上施加電流而被改變以便將該信息記錄在該存儲(chǔ)層中。另外，磁化固定層具有包括非磁層和至少兩個(gè)鐵磁層(ferromagnetic layer)的層壓鐵釘合結(jié)構(gòu)(laminated ferr1-pinned structure),并且該非磁層包括Cr。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一種存儲(chǔ)裝置包括保持取決于磁材料的磁化狀態(tài)的信息的存儲(chǔ)元件以及彼此相交的兩種類型的互連件。該存儲(chǔ)元件是具有上述配置的存儲(chǔ)元件，并被布置在兩種類型的互連件之間。通過(guò)兩種類型的互連件，層壓方向上的電流流向存儲(chǔ)元件。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲(chǔ)元件包括用于保持取決于磁材料的磁化狀態(tài)的信息的存儲(chǔ)層以及經(jīng)由中間層被形成在存儲(chǔ)層上的磁化固定層。通過(guò)利用由在層壓方向上流動(dòng)的電流誘發(fā)出的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來(lái)反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化，來(lái)記錄該信息。因此，當(dāng)在層壓方向上施加電流時(shí)，信息可以被記錄。由于存儲(chǔ)層是垂直磁化膜，因此可以減小反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向所需的寫(xiě)電流值。就減小反轉(zhuǎn)電流并且同時(shí)確保熱穩(wěn)定性而言，包括垂直磁化膜的存儲(chǔ)層是令人滿意的。例如，Nature Materials.，5，210 (2006)建議，當(dāng)將諸如Co/Ni多層膜之類的垂直磁化膜用于存儲(chǔ)層時(shí)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)減小反轉(zhuǎn)電流和確保熱穩(wěn)定性。另一方面，希望將具有界面磁各向異性的垂直磁化磁材料用于磁化固定層。具體地，將Co或Fe包括在中間層(隧道勢(shì)壘層)之下的磁化固定層有望提供較高的讀出信號(hào)。作為磁化固定層，可以使用包括非磁層和至少兩個(gè)鐵磁層的層壓鐵釘合結(jié)果。當(dāng)磁化固定層具有層壓鐵釘合結(jié)構(gòu)時(shí)，能夠容易地消除信息寫(xiě)入方向上的熱穩(wěn)定性的對(duì)稱性并且可以提高自旋扭矩的穩(wěn)定性。當(dāng)相同的磁層被形成時(shí)，磁化固定層所需要的特征包括高強(qiáng)度的層壓鐵耦合。為了利用將具有產(chǎn)生于界面磁各向異性的垂直磁各向異性的材料布置在隧道勢(shì)壘之下的配置來(lái)獲得高強(qiáng)度的層壓鐵耦合，不僅選擇可以增加層壓鐵耦合的強(qiáng)度的材料是重要的，而且選擇可以增加垂直磁各向異性的非磁層也是重要的。因此，非磁層包括Cr?？梢酝ㄟ^(guò)具有高強(qiáng)度的層壓鐵耦合的磁化固定層來(lái)獲得其中信息寫(xiě)入方向上的熱穩(wěn)定性的對(duì)稱性較低的ST-MRAM。另外，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的配置，層壓方向上的電流通過(guò)兩種類型的互連件流入存儲(chǔ)元件以誘發(fā)自旋轉(zhuǎn)移。因此，當(dāng)存儲(chǔ)元件的層壓方向上的電流流經(jīng)兩種類型的互連件時(shí)，可以通過(guò)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來(lái)記錄信息。此外，由于可以充分地保持存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性并且可以維持信息寫(xiě)入方向上的熱穩(wěn)定性的對(duì)稱性，因此，可以穩(wěn)定地保持記錄在存儲(chǔ)元件中的信息，可以使存儲(chǔ)裝置小型化，可以增強(qiáng)可靠性，并且可以減小功耗。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以通過(guò)具有高強(qiáng)度的層壓鐵耦合的磁化固定層來(lái)降低信息寫(xiě)入方向上的熱穩(wěn)定性的非對(duì)稱性。因此，由于可以充分確保作為信息保持能力的熱穩(wěn)定性，因此可以構(gòu)成具有均勻特性的存儲(chǔ)元件。因此，可以消除操作錯(cuò)誤，并且可以充分地提供存儲(chǔ)元件的操作裕量。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性的、穩(wěn)定操作的存儲(chǔ)器。還能夠減小寫(xiě)入電流并且減小寫(xiě)入存儲(chǔ)元件時(shí)的功耗。
結(jié)果，能夠減小整個(gè)存儲(chǔ)裝置的功耗。從如圖所示的本發(fā)明的最佳模式實(shí)施例的以下詳細(xì)描述中，將更清楚本發(fā)明的這些以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的說(shuō)明圖；圖2是根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的剖面圖；圖3的(A)至(D)均是根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的配置的說(shuō)明圖；圖4的(A)至(G)是示出各個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本的存儲(chǔ)元件的說(shuō)明圖；圖5的(A)和⑶是示出實(shí)驗(yàn)中的樣本I和2的磁光克爾效應(yīng)的測(cè)量結(jié)果的示圖；圖6是示出實(shí)驗(yàn)樣本中的層壓鐵耦合的磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的示圖；圖7的(A)和⑶是本實(shí)施例在磁頭中的應(yīng)用的說(shuō)明圖。
具體實(shí)施例方式將按以下順序描述本發(fā)明的實(shí)施例?！?.根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的配置〉〈2.根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的一般描述〉<3.實(shí)施例的具體配置〉<4.實(shí)驗(yàn)〉<5.替代方式>〈1.根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的配置〉首先，將描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置的配置。圖1和圖2各自示出了根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置示意圖。圖1是透視圖，圖2是剖面圖。如圖1所示，在根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)裝置中，包括能夠保持取決于磁化狀態(tài)的信息的ST-MRAM的存儲(chǔ)元件3被布置在彼此垂直的兩種地址互連件(例如，字線和位線)的交點(diǎn)附近。換言之，漏極區(qū)域8、源極區(qū)域7和柵電極I構(gòu)成用于選擇各個(gè)存儲(chǔ)裝置的選擇晶體管，并被形成在諸如硅襯底之類的半導(dǎo)體襯底10中被元件隔離層2隔離開(kāi)的各部分處。在它們當(dāng)中，柵電極I也用作在圖1的前后方向上延伸的地址互連件(字線)。漏極區(qū)域8與圖1中的左右選擇晶體管共同被形成，并且互連件9被連接到漏極區(qū)域8。具有儲(chǔ)存層的存儲(chǔ)元件3被布置在源極區(qū)域7和位線6之間，該存儲(chǔ)層通過(guò)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來(lái)反轉(zhuǎn)磁化方向，該位線6被布置在上側(cè)并在圖1的左右方向上延伸。存儲(chǔ)元件3例如由磁隧道結(jié)元件(MTJ元件)構(gòu)成。如圖2所示，存儲(chǔ)元件3具有兩個(gè)磁層15和17。在這兩個(gè)磁層15和17中，一個(gè)磁層被設(shè)為磁化固定層15(其中,磁化M15的方向被固定)，并且另一磁層被設(shè)為磁化自由層(其中，磁化M17的方向是變化的)，即，存儲(chǔ)層17。
另外，存儲(chǔ)元件3分別通過(guò)上下接觸層4被連接到每條位線6和源極區(qū)域7。以這種方式，當(dāng)垂直方向的電流通過(guò)兩種類型的地址互連件I和6被施加給存儲(chǔ)元件3時(shí)，存儲(chǔ)層17的磁化M17的方向可以通過(guò)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)被反轉(zhuǎn)。在這樣的存儲(chǔ)裝置中，需要以等于或小于選擇晶體管的飽和電流的電流來(lái)執(zhí)行寫(xiě)入，并且已知晶體管的飽和電流隨著小型化而減小。為了使該存儲(chǔ)裝置小型化，希望提高自旋轉(zhuǎn)移效率并減小流入存儲(chǔ)元件3的電流。另外，需要確保高的磁阻改變率以放大讀出信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)它，有效的是采用上述MTJ結(jié)構(gòu)，即以如下方式來(lái)配置存儲(chǔ)元件3:將中間層用作兩個(gè)磁層15和17之間的隧道絕緣層(隧道勢(shì)壘層)。在隧道絕緣層被用作中間層的情況中，流入存儲(chǔ)元件3的電流量被限制以防止發(fā)生隧道絕緣層的絕緣擊穿。即，從確保存儲(chǔ)元件的重復(fù)寫(xiě)入的可靠性的角度來(lái)說(shuō)，希望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)所需的電流也被稱為反轉(zhuǎn)電流、存儲(chǔ)電流等。此外，由于該存儲(chǔ)裝置是非易失性存儲(chǔ)器，因此需要穩(wěn)定地存儲(chǔ)通過(guò)電流寫(xiě)入的信息。即，需要確保相對(duì)于存儲(chǔ)層的磁化中的熱波動(dòng)的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。在存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性未得到確保的情況下，經(jīng)反轉(zhuǎn)的磁化方向可能由于熱(操作環(huán)境中的溫度)而再次被反轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致寫(xiě)入錯(cuò)誤。與相關(guān)技術(shù)中的MRAM相比，該存儲(chǔ)裝置中的存儲(chǔ)元件3 (ST-MRAM)在規(guī)模方面是有利的，即，有利點(diǎn)在于存儲(chǔ)層的體積可以較小。然而，由于體積較小，在其它特性相同的情況下，熱穩(wěn)定性可能惡化。 隨著ST-MRAM的容量繼續(xù)增大，存儲(chǔ)元件3的體積變得更小，使得確保熱穩(wěn)定性變
得重要。因此，在ST-MRAM的存儲(chǔ)元件3中，熱穩(wěn)定性是非常重要的特性，并且需要按照即使當(dāng)體積減小時(shí)也確保其熱穩(wěn)定性的方式來(lái)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)元件?！?.根據(jù)實(shí)施例的存儲(chǔ)元件的一般描述〉隨后，將描述根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)兀件3的一般性描述。根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)元件3通過(guò)借助于上面提到的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來(lái)反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層的磁化方向，來(lái)記錄信息。存儲(chǔ)層由包括鐵磁層的磁材料構(gòu)成，并且保持取決于磁材料的磁化狀態(tài)(磁化方向)的信息。存儲(chǔ)元件3具有例如如圖3 (A)所示的分層結(jié)構(gòu)，并且包括作為至少兩個(gè)鐵磁層的存儲(chǔ)層17和磁化固定層15、以及被布置在這兩個(gè)磁層之間的中間層16。如圖3(B)所示，存儲(chǔ)元件3可以包括作為至少兩個(gè)鐵磁層的磁化固定層15U和15L、存儲(chǔ)層17、以及布置在這三個(gè)磁層之間的中間層16U和16L。存儲(chǔ)層17具有與膜面(film face)垂直的磁化，在該膜面中磁化方向與該信息相對(duì)應(yīng)地變化。磁化固定層15具有與膜面垂直的磁化，其成為存儲(chǔ)在存儲(chǔ)層17中的信息的基礎(chǔ)。中間層16由非磁性材料形成并被設(shè)置在存儲(chǔ)層17與磁化固定層15之間。通過(guò)在具有存儲(chǔ)層17、中間層16和磁化固定層15的分層結(jié)構(gòu)的層壓方向上注入自旋極化離子，存儲(chǔ)層17的磁化方向被改變，從而將信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)層17中。這里，將簡(jiǎn)要描述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。對(duì)于電子，存在兩種可能的自旋角動(dòng)量的值。自旋的狀態(tài)暫時(shí)被定義為向上和向下。向上自旋電子和向下自旋電子的數(shù)目在非磁性材料中是相同的。但是，向上自旋電子和向下自旋電子的數(shù)目在強(qiáng)磁材料中不同。在ST-MRAM的兩個(gè)鐵磁層中，即，磁化固定層15和存儲(chǔ)層17中，將描述每層的磁矩(magnetic moment)的方向處于反方向上并且電子從磁化固定層15移動(dòng)到存儲(chǔ)層17的情況。磁化固定層15是通過(guò)高的矯頑力使磁矩的方向固定的固定磁層。通過(guò)磁化固定層15的電子被自旋極化，即，向上自旋電子和向下自旋電子的數(shù)目不同。當(dāng)作為非磁性層的中間層16的厚度被制作得充分薄時(shí)，在由于通過(guò)磁化固定層15而減弱自旋極化并且電子在非極化材料中變成共同的非極化狀態(tài)(向上自旋電子和向下自旋電子的數(shù)目相同)之前，電子抵達(dá)另一磁材料，即，存儲(chǔ)層17。存儲(chǔ)層17中的自旋極化的符號(hào)被逆轉(zhuǎn)以使得電子的一部分被反轉(zhuǎn)用于降低系統(tǒng)能量，即，自旋角動(dòng)量的方向被改變。此時(shí)，需要保持系統(tǒng)的整體角動(dòng)量，以使得與方向改變了的電子引起的總角動(dòng)量變化相當(dāng)?shù)姆醋饔靡脖皇┘咏o存儲(chǔ)層17的磁矩。在電流(即，每單位時(shí)間通過(guò)的電子數(shù)目)較小的情況中，方向改變了的電子的總數(shù)變小，從而使得存儲(chǔ)層17的磁矩中發(fā)生的角動(dòng)量的變化變小，但是當(dāng)電流增大時(shí)，能夠在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)角動(dòng)量進(jìn)行大的改變。角動(dòng)量隨時(shí)間的變化就是扭矩，并且當(dāng)扭矩超過(guò)閾值時(shí)，存儲(chǔ)層17的磁矩開(kāi)始進(jìn)動(dòng)(precession)，并且由于其單軸各向異性將是穩(wěn)定的因此旋轉(zhuǎn)180度。S卩，發(fā)生從反方向向同方向的反轉(zhuǎn)。當(dāng)磁化方向?yàn)橄嗤较虿⑶沂沟秒娮臃聪虻貜拇鎯?chǔ)層17流向磁化固定層15時(shí)，電子然后在磁化固定層15被反射。當(dāng)被反射并且被自旋反轉(zhuǎn)的電子進(jìn)入存儲(chǔ)層17時(shí)，扭矩被施加并且磁矩被反轉(zhuǎn)為反方向。然而，此時(shí)，引起反轉(zhuǎn)所需的電流量大于從反方向反轉(zhuǎn)為同方向的情況。磁矩從相同方向向相反方向的反轉(zhuǎn)難以從直觀上來(lái)理解，但是可以認(rèn)為磁化固定層15是固定的以使得磁矩不被反轉(zhuǎn)，并且存儲(chǔ)層17被反轉(zhuǎn)以用于保持整個(gè)系統(tǒng)的角動(dòng)量。因此，通過(guò)從磁化固定層15向存儲(chǔ)層17或者在其反方向上施加與每個(gè)極性相對(duì)應(yīng)的、具有預(yù)定閾值以上的電流來(lái)執(zhí)行0/1的記錄。通過(guò)利用與相關(guān)技術(shù)中的MRAM類似地磁阻效應(yīng)來(lái)執(zhí)行信息的讀取。S卩，與上述記錄的情況一樣，在與膜面垂直的方向上施加電流。然后，利用這樣的現(xiàn)象:其中，該元件所示出的電阻取決于存儲(chǔ)層17的磁矩是與磁化固定層15的磁矩同向還是反向而變化。用于磁化固定層15與存儲(chǔ)層17之間的中間層16的材料可以是金屬材料或絕緣材料，但是，可將絕緣材料用于中間層以獲得相對(duì)高的讀出信號(hào)(電阻改變率)并且通過(guò)相對(duì)低的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)記錄。此時(shí)的元件被稱為強(qiáng)磁隧道結(jié)(磁隧道結(jié):MTJ)元件。取決于磁層的磁化的容易軸是平面內(nèi)方向還是垂直方向，通過(guò)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來(lái)逆轉(zhuǎn)磁層的磁化方向所需要的電流的閾值Ic是不同的。雖然根據(jù)本實(shí)施例的存儲(chǔ)元件具有垂直磁化，但是在相關(guān)技術(shù)的具有平面內(nèi)磁化的存儲(chǔ)元件中，用于反轉(zhuǎn)磁層的磁化方向的反轉(zhuǎn)電流用Ic_para表示。當(dāng)該方向從同向被反轉(zhuǎn)為反向時(shí)，下式成立:Ic_para = (A a Ms V/g (0) /P) (Hk+2 n Ms0當(dāng)該方向從反向被反轉(zhuǎn)為同向時(shí)，下式成立:Ic_para = - (A a Ms V/g ( n ) /P) (Hk+2 n Ms)。同向和反向表示以磁化固定層的磁化方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的存儲(chǔ)層的磁化方向，并且也分別被稱為平行方向和非平行方向。另一方面,在根據(jù)本實(shí)施例的具有垂直磁化的存儲(chǔ)元件中，反轉(zhuǎn)電流用Ic_perp表示。當(dāng)方向從同向被反轉(zhuǎn)為反向時(shí)，下式成立:Ic_perp = (A a Ms V/g(0)/P) (Hk_4 n Ms。當(dāng)方向從反向被反轉(zhuǎn)為同向時(shí)，下式成立:Ic_perp = - (A a Ms V/g ( n )/P) (Hk_4 n Ms)。其中A表示常數(shù)，a表示阻尼系數(shù)，Ms表示飽和磁化量，V表示元件體積，P表示自旋極化度，g(o)和gO)分別表不與在同方向和反方向中傳送到另一磁層的自旋扭矩的效率相對(duì)應(yīng)的系數(shù)，并且Hk表示磁各向異性。在各個(gè)式子中，當(dāng)將垂直磁化類型中的項(xiàng)(Hk-4JiMs)與平面內(nèi)磁化類型中的項(xiàng)(Hk+2 Ms)相比較時(shí)，可以明白，垂直磁化類型適合于減小記錄電流。這里，反轉(zhuǎn)電流IcO和熱穩(wěn)定性指數(shù)A之間的關(guān)系用下面的[式I]來(lái)表示。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)元件，包括: 分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括: 存儲(chǔ)層，其具有與膜面垂直的磁化，其中，該磁化的方向取決于信息而改變，該磁化的方向通過(guò)在所述分層結(jié)構(gòu)的層壓方向上施加電流而被改變，從而將所述信息記錄在所述存儲(chǔ)層中， 磁化固定層，其具有成為所述存儲(chǔ)層中所存儲(chǔ)的信息的基礎(chǔ)的、與膜面垂直的磁化，并且具有包括非磁層和至少兩個(gè)鐵磁層的層壓鐵釘合結(jié)構(gòu)，所述非磁層包括Cr，以及 中間層，其由非磁材料形成，并且被設(shè)置在所述存儲(chǔ)層和所述磁化固定層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)元件，其中， 在所述磁化固定層的那些鐵磁層中，與所述中間層相接觸的一個(gè)鐵磁層包括作為磁材料的 Co-Fe-B。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)元件，其中， 所述磁化固定層中的所述非磁層是單層Cr。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)元件，其中， 在所述磁化固定層中的所述非磁層中，層壓有Ru層和Cr層。
5.一種存儲(chǔ)裝置，包括: 存儲(chǔ)元件，被配置為保持取決于磁材料的磁化狀態(tài)的信息，并且包括分層結(jié)構(gòu)，該分層結(jié)構(gòu)包括: 存儲(chǔ)層，其具有與膜面垂直的磁化，其中，該磁化的方向取決于信息而改變，該磁化的方向通過(guò)在所述分層結(jié)構(gòu)的層壓方向上施加電流而被改變，從而將所述信息記錄在所述存儲(chǔ)層中， 磁化固定層，其具有成為所述存儲(chǔ)層中所存儲(chǔ)的信息的基礎(chǔ)的、與膜面垂直的磁化，并且具有包括非磁層和至少兩個(gè)鐵磁層的層壓鐵釘合結(jié)構(gòu)，所述非磁層包括Cr，以及 中間層，其由非磁材料形成，并且被設(shè)置在所述存儲(chǔ)層和所述磁化固定層之間，以及 彼此相交并夾住所述存儲(chǔ)元件的兩種互連件，通過(guò)這些互連件，層壓方向上的所述電流流向所述存儲(chǔ)元件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置。一種存儲(chǔ)元件包括分層結(jié)構(gòu)。該分層結(jié)構(gòu)包括存儲(chǔ)層、磁化固定層和中間層。存儲(chǔ)層具有與膜面垂直的磁化，其中該磁化的方向取決于信息而改變，并且該磁化的方向通過(guò)在分層結(jié)構(gòu)的層壓方向上施加電流而被改變從而將信息記錄在存儲(chǔ)層中。磁化固定層具有成為存儲(chǔ)層中所存儲(chǔ)的信息的基礎(chǔ)的、與膜面垂直的磁化，并且具有包括非磁層和至少兩個(gè)鐵磁層的層壓鐵釘合結(jié)構(gòu)。該非磁層包括Cr。中間層由非磁材料形成并且被設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間。
文檔編號(hào)H01L43/08GK103137854SQ201210487968
公開(kāi)日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者山根一陽(yáng), 細(xì)見(jiàn)政功, 大森廣之, 別所和宏, 肥后豐, 淺山徹哉, 內(nèi)田裕行 申請(qǐng)人:索尼公司