专利名称：存储元件及存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括具有垂直于膜面的磁各向异性的磁性层的存储元件以及具有该存储元件的存储器。
背景技术：
在诸如计算机的信息装置中，高速运转的高密度DRAM已被广泛地用作随机存取存储器。然而，DRAM是在断开电源时信息被擦除的易失性存储器，从而期望信息不被擦除的非易失性存储器。作为该非易失性存储器的候选，通过磁性材料的磁化来记录信息的磁性随机存取存储器(MRAM)引起了关注，并因此而被开发。例如，使用电流磁场反转磁化的方法，或通过将自旋极化的电子直接注入记录层来使磁化反转的方法(例如，参照日本未审查专利申请公开第2004-193595号)可作为执行MRAM的记录的方法。其中，能够使写入电流随着存储单元尺寸的减小而变小的自旋注入磁化反转已经引起了关注。此外，为了使存储元件小型化，已经对使用其中磁性材料的磁化方向面垂直方向的垂直磁化膜的方法进行了研究(例如，参照日本未审查专利申请公开第 2009-81215号)。此外，已经发明了使用磁畴壁的移动来执行高密度记录的方法(参照日本未审查专利申请公开第2010-98245号)。
发明内容
在用在该磁性存储器中的垂直磁化膜中，为了使自旋扭矩有效地起作用，需要减小磁制动常数。然而，现有的垂直磁化膜(诸如Tbi^eCo或CoPt)具有大的磁制动常数，因而不适用于这种利用自旋扭矩的磁性存储器。此外，存在形成磁性隧道结时磁致电阻变化小的问题。期望提供具有小的磁制动常数并且能够降低驱动电流的存储元件。根据本发明的实施方式，提供一种存储元件，包括磁性层，包括选自由Fe、Co和Ni 组成的组中的至少一种元素以及碳，并且相对于Fe、Co和Ni的总量，碳的含量为3原子％ 以上且小于70原子％，并且该磁性层在垂直于膜面的方向上的磁各向异性。此外，存储元件包括氧化物层，由具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物形成，并且与该磁性层接触。此外，根据本发明的另一实施方式，提供包括存储元件和为存储元件提供电流的配线的存储器。依据根据本发明实施方式的存储元件和存储器，可形成具有稳定垂直磁化的磁性层，其中，通过在具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物层上形成具有上述成分的磁性层使得磁制动常数较小。因此，能够实现低电流且高速运行的存储元件。根据本公开的实施方式，可提供具有小的磁制动常数和能够降低驱动电流的存储元件。
图1是根据本发明实施方式的存储器的示意性构造示图；图2是示出了关于实验例1和实验例2磁各向异性相对于磁性层的厚度的变化的示图；图3A和图;3B是示出了关于实验例4样品的极性克尔效应的示图，其中，图3A示出了热处理之前的极性克尔效应，图:3B示出了 300°C下在热处理之后的极性克尔效应；图4是示出了关于实验例6和7的样品的Co或Ni的含量χ与垂直抗磁力 (coercive force，保磁力)Hc之间的关系的示图；图5是示出了关于实验例8和9的样品的磁各向异性对！^层的厚度t的依赖性的示图；图6是示出了关于实验例10和11的样品的Pd层或Au层的厚度t与垂直抗磁力之间的关系的示图；图7是示出了关于实验例12的样品的作为碳吸收层的^ 层的厚度与抗磁力之间的关系的示图；以及图8是示出了关于实验例16和17的关于电流的磁畴壁移动速度的示图。
具体实施例方式下文中，将描述本发明的实施方式，但本发明并不限于以下实例。此外，将以以下顺序进行描述。1.本发明的存储元件的实施方式2.实施方式的存储元件的实验例1.本发明的存储元件的实施方式存储器的构成例在图1中示出了根据本发明实施方式的存储器的示意性构成示图(截面图)。该存储器包括存储元件，其能够利用磁化状态保持信息，设置在彼此正交的两种地址配线(例如，字线和位线)之间的交点附近。具体地，构成选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区域8、源极区域7和栅电极 1分别形成在由半导体基板10 (诸如硅基板)的元件分离层分离的部分。其中，栅电极1还用作在图中的前后方向延伸的地址配线(例如，字线)。漏极区域8形成为被形成于基板上的多个选择晶体管共用，并且配线连接至漏极区域8。存储元件3设置在源极区域7与设置在源极区域7之上的地址配线6 (例如，位线)之间。存储元件3包括由其磁化方向通过自旋注入反转的磁性层组成的存储层。此外，存储元件3设置在一侧地址配线(栅电极)1与另一侧地址配线6间的交点附近。存储元件3连接至位线(地址配线)6，并且经由接触层4连接至源极区域7。以这种方式，可经由两种地址配线1和6向存储元件3提供电流。此外，可经由通过使电流在存储元件3的垂直方向(存储元件3的层压方向)上流向存储元件的自旋注入将存储层的磁化方向反转。存储元件的构成例
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接下来，将描述该实施方式的存储元件3。如图1所示，存储元件3具有底层12、磁化固定层(参照层)14、氧化物层15、磁性层16和碳吸收层17顺次层压在接触层4的层压结构。此外，上电极(未示出)设置在碳吸收层17上，而下电极(未示出)设置在底层12的底部。此外，为上电极提供连接至位线的配线，从而构成存储元件3。存储元件1利用具有单轴各向异性的磁性层16的磁化方向Ml执行信息的存储。 此外，在垂直于膜面的方向上施加电流，因而发生自旋扭矩磁化反转，从而执行写入。磁化固定层14设置在其中磁化方向Ml通过自旋注入反转的磁性层16的下层。 氧化物层15设置在磁性层16与磁化固定层14之间，并且磁性层16和磁化固定层14构成 MTJ元件。存储元件磁化固定层磁化固定层14可仅由铁磁层构成或可以以通过使用反铁磁层和铁磁层的反铁磁结合来固定磁化方向的方式来构造。此外，磁化固定层14可以由单层铁磁层构成，或可以是其中经由非磁性层层压多个铁磁层的含铁引脚结构。当磁化固定层14由层压的含铁引脚结构构成时，可以降低磁化固定层对于外界磁场的灵敏度，使得抑制了由于外界磁场引起的磁化固定层的不需要的磁化变动，从而可使存储元件稳定地运作。此外，能够调整每层铁磁层的厚度，使得可抑制磁化固定层的漏磁场。磁化固定层14需要具有比磁性层16大的磁化反转电流，使得需要使磁化固定层 14的厚度大于磁性层16的厚度。确保磁化固定层14与磁性层16之间的反转电流差足够大。例如，厚度可以为Inm至40nm。包括Co作为主要成分，并且具有选自由Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、&、Pt、Pd、Fe、和 Ni组成的组中的至少一种元素的合金可作为磁化固定层14的铁磁层的材料。例如，可以使用CoCr、CoPt、CoCrTa、CoCrPt等。此外，可以使用Tb、Dy、Gd和过渡金属的无定形合金。 例如，可以使用TWe、TbCo、TWeCo等。可以使用Ru、Re、Ir、Os、其合金等作为组成层压含铁引脚结构的非磁性材料。存储元件氧化物层氧化物层15由具有氯化钠(NaCl)结构或尖晶石结构的氧化物形成。例如，可以使用MgO、CoO, NiO, TiO等作为具有氯化钠结构的氧化物。具体地，在使用MgO的情况下，可实现稳定的垂直磁各向异性，并且在用作隧道阻挡层时，可获得大的磁致电阻(MR)比，从而MgO适用于磁性存储器。例如，可以使用MgAl204、FeAl2O4, CoAl2O4, MgCr2O4, MgGa2O4 等作为具有尖晶石结构的氧化物。具体地，当使用MgAl2O4时，可获得大的垂直磁各向异性以及大的MR比，从而 MgAl2O4是适合的。这种氧化物可以通过rf溅射法使用氧化物靶来形成，并且可以在氧气气氛中使用金属靶来形成。此外，可以通过形成金属膜，然后通过将金属膜按其原样在氧气气氛中或含氧气的等离子气氛中放置适当的时间。此外，可以使用CVD(化学气相沉积)法。存储元件磁性层磁性层16包括选自由Fe、Co、和Ni组成的组中的至少一种元素和碳。
磁性层16中所含的碳的含量相对于i^e、Co、和Ni的总量为3原子％以上且70原子％以下。当磁性层16的碳含量设定在这个范围内时，可获得稳定的垂直各向异性。此外，关于磁性层16，当在与氧化物层15接触的部分中包括的！^的含量较大时，可增加垂直磁各向异性或MR比。当在磁性层16上形成碳吸收层17并然后进行热处理时，磁性层16中所含的碳扩散到碳吸收层17侧。因此，磁性层16中所含的碳的含量在形成磁性层16的时刻与形成存储元件并然后进行热处理时之间是不同的。相对于热处理后磁性层中的碳来定义上述磁性层16中碳的成分比。形成磁性层16时所包括的碳原子通过热处理主要扩散到碳吸收层侧，但是磁性层中和距离磁性层边缘Inm距离内的部分中所含的碳原子的含量设定在上述范围内，可获得稳定的垂直磁各向异性。关于磁性层16中所含的Co的含量，优选地，Co与狗的比大于1原子％并且等于或小于30原子％。此外，关于磁性层16中所含的Ni的含量，优选地，Ni与!^e的比大于1 原子％且70原子％以下。当除!^e之外还包括Co和Ni时，磁性层16具有大的抗磁力，因此作为垂直磁化膜是良好的。此外，当Co和Ni的含量过多时，垂直磁各向异性降低。因此，优选地，Co的含量相对于狗为30原子％以下，而Ni的含量相对于!^e为70原子％以下。此外，为了改善磁性层16的特性，可以添加除i^e、Co、Ni和碳之外的元素。优选地，磁性层16的厚度为0. 5nm至2nm。当磁性层16的厚度小于0. 5nm时，难以获得足够的磁化来作为存储元件的存储层。此外，当厚度大于2nm时，难以在磁性层16 中获得垂直磁化。此外，磁性层16可以是由上述元素组成的单层，或可以是分为包括包括狗的层和包括碳的层的多个层(诸如狗/CoC)。此时，包括狗的层形成在氧化物层15侧，而包括碳的层形成在碳吸收层17侧。即使磁性层16由多个层形成，由于上述原因，优选地，磁性层的总厚度为0. 5nm至2nm。具体地，关于磁性层16，当在与氧化物层15接触的部分中包括的Fe的含量较大时，垂直磁各向异性或MR比变得较大，从而该构造是优选的。然而，当在与氧化物层15分离的部分中包括的狗的含量较大时，垂直磁各向异性的劣化变大。因此，当制成的磁性层 16的膜厚较大时，优选地，将磁性层16分为诸如i^e/CoC的多个层。可以通过使用化合物靶或金属与碳的混合物靶利用溅射法来形成磁性层16。此外，当形成磁性层16时，诸如甲烷气体的碳氢气体可以包含在溅射的气体中。此外，可通过利用例如CVD法形成磁性层16。此外，在形成金属膜之后，可以通过离子注入法等将碳原子导入到膜中。存储元件碳吸收层碳吸收层17是包含吸收碳(碳吸收元素)的元素的层，并且形成为调整磁性层16 中碳(包括上述的碳)的含量。碳吸收层17至少包括选自由Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf和Y组成的组中的一种作为碳吸收元素。当碳吸收层17设置在磁性层16上并执行适当的热处理时，磁性层中的碳和碳吸收层中的元素以化学方法结合在一起，从而促进原子的重新排列。 因此，通过磁性层16可以获得大的垂直磁各向异性。此外，当用上述材料时，碳吸收层17 还具有保护层的功能。
碳吸收层17可以单独地使用上述的碳吸收元素，或者可包括碳吸收元素和另一元素。例如，碳吸收层17可由一种或多种上述的碳吸收元素和选自由Fe、Co和Ni组成的组中的一种或多种的合金形成。如上所述，当包括Fe、Co和Ni磁性金属以及碳的磁性层16形成在具有氟化钠或者尖晶石结构的氧化膜15上时，可形成磁阻尼常数变得较小并具有稳定的垂直磁化的磁性层。此外，包括Ti、V、Nb、Zr、Hf、Ta和Y的碳吸收层17层压在磁性层16之上，然后对其执行热处理，从而可形成具有较小磁阻尼常数和稳定的垂直磁化的磁性层16。因此，当存储元件的存储层由上述磁性层形成并使用上述氧化物层和碳吸收层时，可实现使自旋转矩高效运转的垂直磁化。因此，对于使用自旋转矩的磁性存储器，可实现高速度且低电流运转的磁性存储元件。此外，0. 5nm以下的任意的非磁性层插入在磁性层16和碳吸收层17之间。即使插入非磁性层，磁性层16中的碳和碳吸收层17中的元素通过热处理会彼此结合在一起，因此执行原子的重新排列。因此，磁性层16的垂直磁各向异性不会消失。例如，Pd、Au、Cr、Cu、Mo、Ag、Ru、W、Ir和Pt可用作非磁性层。当插入非磁性层时， 存储元件的磁致伸缩会改变。因此，可插入非磁性层以用来调整存储元件的磁致伸缩等。此外，薄的非磁性层形成在磁性层16和碳吸收层17之间，通过热处理磁性层中的碳通过非磁性层扩散到碳吸收层。因此，即使在形成非磁性层时，磁性层的抗磁力不会很大程度上变化。此外，包括上述氧化物层、磁性层和碳吸收层的配置可应用于除使用自旋转矩的存储元件之外的包括磁性层、氧化物层和碳吸收层的磁畴壁迁移型存储元件。例如，上述碳吸收层形成在基板之上，并且上述磁性层形成在碳吸收层之上。然后，处理该层压体以具有矩形条状，然后电极形成在存储元件的两端，因此可形成磁畴壁迁移型存储元件。2.本发明的存储元件的实验例将描述应用本发明的实施方式的存储元件的实验例。此外，在以下描述中，不制造实际的ST-MRAM，而只制造用于测试磁特性的样品并进行实验。磁性层厚度实验例1 在涂覆有氧化膜的硅基板上形成2nm的MgO作为氧化物层。然后，通过直流电磁控溅射法在氧化物层上形成I^e65C0l5C2tl作为磁性层，其中F^C0l5C2tl的厚度在0. 4nm到1. 6nm 之间变化。然后，作为碳吸收层的5nm厚的^ 形成于通过直流电磁控溅射的磁性层上。在形成碳吸收层之后，在300°C对其执行热处理一小时，从而实验例1的样品制作而成。实验例2在涂覆有氧化膜的硅基板上形成2nm的MgO作为氧化物层。然后，通过直流电磁控溅射法在氧化物层上形成I^e4tlNi35C25作为磁性层，其中F^1Ni35C25的厚度在0. 4nm到1. 6nm 之间变化。然后，作为碳吸收层的5nm厚的^ 形成在使用直流电磁控溅射的磁性层上。在形成碳吸收层之后，在300°C执行热处理一小时，从而制造实验例2的样品。图2示出了关于实验例1和实验例2的样品的磁性层厚度的磁各向异性的变化。 当以面内方式和垂直方式施加磁场时，从饱和磁化中获得磁各向异性。如图2所示，正的磁各向异性被示为垂直磁化，负的磁各向异性被示为面内磁化。
在由FeCoC形成的磁性层的实验例1的样品中，可使用具有较小厚度的样品获得垂直磁化，因此在厚度为0. 5nm至1. Inm之间，可获得垂直磁化膜。此外，在由FeNiC形成的磁性层的实验例2的样品中，可使用具有大于实验例1中i^eCoC的厚度的样品获得垂直磁化，因此在厚度为0. Snm至2nm之间，可获得垂直磁化膜。此外，在实验例1和实验例2中，磁性层的成分!^e65Co15C2tl和Fi34(1Ni35CM是热处理前单体膜中的成分。从该结果，可以看出，当磁性层的厚度设定在0.05nm至2nm之间时，可以形成具有垂直磁化的存储元件。磁性层碳含量实验例3接下来，关于类似于实验例1的样品，用直流电磁控溅射法形成0. Snm的!^eCoC膜作为磁性层。此时，形成磁性层的同时改变i^eCoC中C的含量。C的含量相对于!^e和Co的总量在5.3原子％至100原子％的范围内变化。然后，用直流电磁控溅射法在磁性层上形成5nm的ττ作为碳吸收层。在形成碳吸收层之后，在300°C下执行热处理一个小时，从而制作成实验例3的样品。使用具有成分分析功能的透射电子显微镜观察经过热处理后的磁性层的截面，并测量磁性层中和距离磁性层Inm范围内的部分中所含的Co含量与!^Co的总量的成分比。 在表1中，示出了形成磁性层时的碳的含量相对于热处理之前!^Co的总量的成分比(填充的Co/FeCo比)和碳的含量与处理之后的!^Co的总量的成分比(测量的Co/FeCo比)。此外，在表1中示出了在每种成分下磁性层的磁化方向(面内或垂直方向)表 权利要求
1.一种存储元件，包括磁性层，包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素以及碳，并且相对于狗、 Co和Ni的总量，碳的含量为3原子％以上且小于70原子％，并且所述磁性层具有在垂直于膜面的方向上的磁各向异性；以及氧化物层，由具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物形成，并且与所述磁性层接触。
2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，包括吸收碳的元素的层形成在所述磁性层的与形成有所述氧化物层的面相对的面上。
3.根据权利要求2所述的存储元件，其中，所述包括吸收碳的元素的层包括选自由Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf和Y组成的组中的至少一种作为所述吸收碳的元素。
4.根据权利要求3所述的存储元件，其中，所述包括吸收碳的元素的层由包括选自由Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf和Y组成的组中的至少一种元素和选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素的合金形成。
5.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁性层以及用作记录在所述磁性层中的信息的基准的层以所述氧化物层介于之间的方式层压。
6.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁性层的厚度为0. 5nm至2nm。
7.根据权利要求1所述的存储元件，其中，Co与狗的比为大于1原子％且30原子％以下，而Ni与狗的比为大于1原子％ 且70原子％以下。
8.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述氧化物层由MgO或MgAl2O4形成。
9.根据权利要求2所述的存储元件，其中，非磁性层设置在所述包括吸收碳的元素的层与所述磁性层之间。
10.一种存储器，包括存储元件，包括磁性层，所述磁性层包括选自由i^、c0和Ni组成的组中的至少一种元素以及碳，并且相对于Fe、Co和Ni的总量，碳的含量为3原子％以上且小于70原子％，并且所述磁性层具有在垂直于膜面的方向上的磁各向异性；以及氧化物层，由具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物形成，并且与所述磁性层接触；以及配线，向所述存储元件提供电流。
全文摘要
本发明公开了存储元件和存储器。该存储元件包括磁性层，包括选自由Fe、Co和Ni组成的组中的至少一种元素以及碳，并且相对于Fe、Co和Ni的总量，碳的含量为3原子％以上且小于70原子％，并且在垂直于膜面的方向上具有磁各向异性；以及氧化物层，由具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物形成并且与磁性层接触。
文档编号G11C16/00GK102403449SQ20111025904
公开日2012年4月4日 申请日期2011年9月2日 优先权日2010年9月9日
发明者内田裕行, 别所和宏, 大森广之, 山根一阳, 细见政功, 肥后丰 申请人:索尼公司