存储元件、存储装置制造方法

存储元件、存储装置制造方法
【专利摘要】为了获得提供一种具有优良的均衡性能并同时确保热稳定性的存储元件。存储元件设置有分层结构体，所述分层结构体包括存储层、磁化固定层和中间层。所述存储层具有与膜面垂直的磁化，其中所述磁化的方向根据信息而改变。所述磁化固定层具有成为存储在所述存储层中的信息的基准的、与所述膜面垂直的磁化。所述中间层由非磁性材料形成并设置在所述存储层与所述磁化固定层之间。所述存储层包括多层结构层，非磁性材料和氧化物层压在所述多层结构层中，所述存储层的磁化的方向通过在所述分层结构体的层压方向上施加电流来改变，从而将信息记录在所述存储层中。
【专利说明】存储元件、存储装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有多个磁性层并使用自旋扭矩磁化反转做出记录的一种存储元件和一种存储装置。
【背景技术】
[0002]随着从移动终端到大容量服务器的各种信息装置的快速发展，在诸如构成这些装置的存储器和逻辑等的元件中不断追求更高的性能提高，诸如，更高的集成度、更快的速度和更低的功耗。具体地，半导体非易失性存储器已取得显著进步，作为大容量文件存储器，闪存普及的速率使得硬盘驱动器被闪存所取代。同时，已进行了将FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM (磁随机存取存储器)、PCRAM (相变随机存取存储器)等开发成为当前通用的或非门(NOR)闪存、DRAM等的替代物，从而将它们用于代码存储或用作工作存储器。这些中的一部分已经投入实际运用。
[0003]在这些存储器当中，MRAM利用磁性材料的磁化方向执行数据存储以使得可进行高速地、几乎无限制次数(1015次以上)的重写，因此，其已经被用在诸如工业自动化和航空器之类的领域中。由于高速操作和可靠性，在不久的将来期望将MRAM用于代码存储或工作存储器。然而，其存在与降低功耗、增加容量相关的挑战。这是由MRAM的记录原理(即，利用从互连件生成的电流磁场来对磁化进行反转的方法)导致的基本问题。
[0004]作为解决该问题的一种方法，不使用电流磁场的记录方法，S卩，磁化反转方法，正在审查中。具体地，已对自旋扭矩磁化反转进行了积极研究(例如，参见专利文献1，2和3，以及非专利文献I和2)。
[0005]类似于MRAM，使用自旋扭矩磁化反转的存储元件通常包括MTJ(磁性隧道结)元件和TMR(隧道型磁阻)元件。
[0006]该配置利用这样的现象:其中，当经过被固定在任意方向上的磁性层的自旋极化电子进入另一自由(方向未被固定)磁性层时，扭矩(其也被称为自旋转移扭矩)被施加给磁性层，并且当具有预定阈值以上的电流流动时该自由磁性层被反转。0/1的重写是通过改变电流的极性来执行的。
[0007]在具有大约0.1 μπι的尺寸的元件的情况下，用于反转的电流的绝对值为ImA以下。另外，由于该电流值与该元件的体积成比例地下降，因此可以进行缩放。另外，由于不需要MRAM中生成记录电流磁场所必要的字线，因此优点在于单元结构变得简单。
[0008]在下文中，将利用自旋扭矩磁化反转的MRAM称为自旋扭矩磁随机存取存储器(ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反转也被称为自旋注入磁化反转。对作为非易失性存储器的ST-MRAM寄予厚望:该非易失性存储器能够实现更低功耗和更大容量，同时维持MRAM的可执行高速、几乎无限制的重写的优点。
[0009]引用列表
[0010]专利文献
[0011]专利文献1:日本未经审查的专利申请公报N0.2003-17782[0012]专利文献2:美国专利N0.6，256，223
[0013]专利文献3:日本未经审查的专利申请公报N0.2008-227388
[0014]非专利文献
[0015]非专利文献I Physical Review B, 54, 9353(1996)
[0016]非专利文献2:Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, LI (1996)
[0017]非专利文献3:Nature Materials., 5, 210(2006)

【发明内容】

[0018]本发明要解决的问题
[0019]虽然各种材料被视为用于ST-MRAM的存储元件的铁磁性材料，但是具有垂直磁各向异性的材料与具有面内磁各向异性的材料相比通常被视为适用于更低的功耗和更大的容量。这是因为垂直磁化具有在自旋扭矩磁化反转期间应被超过的更低阈值并且垂直磁化膜具有有利于保持存储元件的通过容量增加而小型化的热稳定性的高磁各向异性。
[0020]同时，为了实现高密度的存储元件，在低电流下稳定地保持记录是必要的。然而，具有垂直磁各向异性的存储元件通常被认为具有有助于记录电流的较高阻尼常数，因此不利于减小记录电流。
[0021]鉴于以上情况，本发明的目的是提出了一种提高磁性能并减小记录电流的相对容易的方法，并提供了一种能够在低电流下稳定进行记录的存储元件作为ST-MRAM。
[0022]解决问题的手段
[0023]本发明的存储元件包括分层结构体，其包括:具有与膜面垂直的磁化的存储层，其中，所述磁化的方向根据信息而改变；具有与所述膜面垂直的磁化的磁化固定层，所述磁化成为存储在所述存储层中的信息的基础；以及由非磁性材料形成并设置在所述存储层与所述磁化固定层之间的中间层。然后，所述存储层包括多层结构层，非磁性材料和氧化物层压在所述多层结构层中，所述存储层的磁化的方向通过在所述分层结构体的层压方向上施加电流来改变以将信息记录在所述存储层中。
[0024]此外，本发明的存储装置包括基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储元件，所述存储元件包括分层结构体，所述分层结构体包括:具有与膜面垂直的磁化的存储层，其中，所述磁化的方向根据信息而改变，所述存储层的磁化的方向通过在所述分层结构体的层压方向上施加电流来改变以将信息记录在所述存储层中，所述存储层包括多层结构层，非磁性材料和氧化物层压在所述多层结构层中；具有与所述膜面垂直的磁化的磁化固定层，所述磁化成为存储在所述存储层中的信息的基础；以及由非磁性材料形成并设置在所述存储层与所述磁化固定层之间的中间层；以及所述存储元件还包括彼此互连的两种互连件。然后，所述存储元件设置在两种互连件之间，层压方向上的电流通过两种互连件施加至存储兀件。
[0025]根据本发明的存储元件，因为其包括基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储层，所以磁化固定层经由中间层设置在存储层上，并且该信息通过使用利用在层压方向上流动的电流生成的自旋扭矩磁化反转而记录在存储层中以便反转存储层的磁化，可以通过在层压方向上施加电流来记录信息。此时，由于存储层包括其中层压有非磁性材料和氧化物的多层结构层，因此可以减小对反转存储层的磁化方向所必需的电流值。[0026]另一方面，由于垂直磁化膜的较强的磁各向异性能量，可以足以保持存储层的热稳定性。
[0027]从减小反向电流并确保热稳定性的观点出发，注意到使用垂直磁化膜作为存储层的结构。例如，根据非专利文献3，指出了通过使用垂直磁化膜(诸如Co/Ni多层膜)作为存储层减小反向电流并确保热稳定性的可能性。
[0028]具有垂直磁各向异性的磁性材料的实例包括稀土过渡金属合金(TbCoFe或类似物)、金属多层膜(Co/Pd多层膜或类似物)、有序合金(FePt或类似物)、及使用氧化物与磁性金属(Co/MgO或类似物)之间的界面各向异性的材料。
[0029]然而，使用界面磁各向异性的材料，S卩，包括Co或Fe的磁性材料层压在MgO(其是隧道势垒)上的材料鉴于隧道结结构的采用是有前景的，从而实现高磁阻变化率，其在ST-MRAM中提供大型读出信号，考虑了制造时的热阻力或容易性。
[0030]然而，由界面磁各向异性引起的垂直磁各向异性的各向异性能小于晶体磁各向异性、单离子各向异性或类似物的各向异性能，并随磁性层的厚度增加而减小。
[0031]鉴于以上情况，在本发明中，存储层的铁磁材料为Co-Fe-B层，并且存储层形成为包括层压结构体，该层压结构体包括氧化物和非磁性层。因此，增强了存储层中的各向异性。
[0032]此外，根据本发明的存储装置的配置，层压方向上的电流通过两种互连件施加至存储元件并且发生自旋转移。因此，通过在存储元件的层压方向上通过两种互连件施加电流可以使用自旋扭矩磁化反转来记录信息。
[0033]此外，因为可以足以维持存储层的热稳定性，可以稳定地保持存储在存储元件中的信息，并且可以实现存储装置的小型化，提高可靠性，并减小功耗。
[0034]本发明的效果
[0035]根据本发明，因为获得了具有较高垂直磁各向异性的存储元件，所以可以配置具有均衡良好性能并同时足以确保充当信息保持容量的热稳定性的存储元件。
[0036]因此，可以消除操作错误并且可以充分获得存储元件的操作裕量。因此，可以实现高可靠性的、稳定操作的存储器。
[0037]而且，可以减小写入电流并且当在存储元件上执行写入时可以减小功耗。
[0038]因此，可以减小整个存储装置的功耗。
【专利附图】

【附图说明】
[0039]图1是本发明实施例的存储装置的结构图。
[0040]图2是实施例的存储装置的剖面图。
[0041]图3是示出了实施例的相应存储元件的分层结构体的示图。
[0042]图4是示出了用于实施例的存储元件的实验的相应样本的层压结构体的图。
[0043]图5是示出了实施例的存储元件的不同层压结构体(样本I至5)中的磁各向异性的温度变化的实验结果的示图。
[0044]图6是示出了实施例的存储元件的不同层压结构体(样本3，6和7)中的磁各向异性的温度变化的实验结果的示图。
[0045]图7是实施例的应用磁头的实例的说明图。【具体实施方式】
[0046]在下文中，将按以下顺序描述本发明的实施例。
[0047]〈1、实施例的存储装置的配置〉
[0048]〈2、实施例的存储元件的概述>
[0049]〈3、实施例的具体配置〉
[0050]〈4、实验〉
[0051]〈5、修改例〉
[0052]〈1、实施例的存储装置的配置〉
[0053]首先，将描述充当本发明实施例的存储装置的配置。
[0054]图1和图2中示出了实施例的存储装置示意图。图1是透视图，图2是剖面图。
[0055]如图1所示，实施例的存储装置包括例如存储元件3，其设置在彼此垂直的两种地址互连件(例如，字线和位线)的交点附近，充当ST-MRAM并且能够基于磁化状态保持信
肩、O
[0056]也就是说，漏极区域8、源极区域7和栅电极I构成用于选择各个存储装置的选择晶体管，并被形成在诸如硅衬底的半导体衬底10中被元件隔离层2隔离开的部分上。其中，栅电极I也用作在图中的前后方向上延伸的一个地址互连件(字线)。
[0057]漏极区域8与图1中的用于选择的左右晶体管共同被形成，并且互连件9被连接到漏极区域8。
[0058]然后，具有储存层的存储元件3被布置在源极区域7和位线6之间，该存储层通过自旋扭矩磁化反转来反转磁化方向，该位线6被布置在上侧并在图1的左右方向上延伸。存储元件3例如由磁性隧道结元件(MTJ元件)构成。
[0059]如图2所示，存储元件3具有两个磁性层15和17。在这两个磁性层15和17中，一个磁性层被设为磁化固定层15(其中，磁化M15的方向被固定)，并且另一磁性层被设为磁化自由层(其中，磁化M17的方向是变化的)，即，存储层17。
[0060]另外，存储元件3分别通过上下接触层4被连接到位线6和源极区域7。
[0061]因此，当垂直方向上的电流通过两种类型的地址互连件I和6被施加给存储元件3时，存储层17的磁化M17的方向可以通过自旋扭矩磁化反转被反转。
[0062]在这样的存储装置中，需要以等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流来执行写入，并且已知晶体管的饱和电流随着小型化而减小。因此，为了使该存储装置小型化，提高自旋传输效率并减小流入存储元件3的电流是有利的。
[0063]此外，需要确保高的磁阻改变率以放大读出信号。为了实现它，有效的是采用上述MTJ结构，即以如下方式来配置存储元件3:将中间层用作两个磁性层15和17之间的隧道绝缘层(隧道势垒层)。
[0064]在隧道绝缘层被用作中间层的情况下，流入存储元件3的电流量被限制以防止发生隧道绝缘层的绝缘击穿。即，从确保存储元件3的重复写入的可靠性的角度来说，限制自旋扭矩磁化反转所需的电流是有利的。应该注意，在一些情况下，自旋扭矩磁化反转所需的电流也被称为反转电流、存储电流等。
[0065]此外，由于该存储装置是非易失性存储装置，因此需要稳定地存储通过电流写入的信息。即，需要确保相对于存储层的磁化中的热波动的稳定性(热稳定性)。
[0066]在存储层的热稳定性未得到确保的情况下，经反转的磁化方向可能由于热(操作环境中的温度)而再次被反转，从而导致写入错误。
[0067]与现有技术中的MRAM相比，该存储装置中的存储元件3 (ST-MRAM)在规模方面是有利的，即，有利之处在于存储层的体积可以较小。然而，由于体积较小，在其它特性相同的情况下，热稳定性可能恶化。
[0068]随着ST-MRAM的容量增大，存储元件3的体积变得更小，使得确保热稳定性变得重要。
[0069]因此，在ST-MRAM的存储元件3中，热稳定性是非常重要的特性，并且需要按照即使当体积减小时也确保其热稳定性的方式来设计存储元件。
[0070]〈2、实施例的存储元件的概述〉
[0071]接下来，将描述本发明实施例的存储元件的概述。
[0072]本发明实施例通过借助于上面提到的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化方向，来记录信息。
[0073]存储层由包括铁磁层的磁性材料构成，并且基于磁性材料的磁化状态(磁方向)
保持信息。
[0074]图3示出了存储元件3和20的相应分层结构体的实例。
[0075]存储元件3具有例如如图3A所示的分层结构体，并且包括作为至少两个铁磁层的存储层17和磁化固定层15、以及被布置在这两个磁性层之间的中间层16。
[0076]存储层17具有与膜面垂直的磁化，在该膜面中磁化方向与该信息相对应地变化。
[0077]磁化固定层15具有与膜面垂直的磁化，其成为存储在存储层17中的信息的基础。
[0078]中间层16由非磁性材料形成并被设置在存储层17与磁化固定层15之间。
[0079]然后，通过在具有存储层17、中间层16和磁化固定层15的分层结构体的层压方向上注入自旋极化电子，存储层17的磁化方向被改变，从而将信息存储在存储层17中。
[0080]这里，将简要描述自旋扭矩磁化反转。
[0081]电子具有两种类型的自旋角动量。自旋的状态暂时被定义为向上和向下。向上自旋电子和向下自旋电子的数目在非磁性材料中是相同的。但是，向上自旋电子和向下自旋电子的数目在铁磁性材料中不同。在构成ST-MRAM的两个铁磁层中，S卩，磁化固定层15和存储层17中,将描述每层的磁矩的方向处于反方向上并且电子从磁化固定层15移动到存储层17的情况。
[0082]磁化固定层15是通过高的矫顽力使磁矩的方向固定的固定磁性层。
[0083]通过磁化固定层15的电子被自旋极化，即，向上自旋电子和向下自旋电子的数目不同。当作为非磁性层的中间层16的厚度被制作得充分薄时，在由于通过磁化固定层15而减弱自旋极化并且电子在非极化材料中变成共同的非极化状态(向上自旋电子和向下自旋电子的数目相同)之前，电子抵达另一磁性材料，即，存储层17。
[0084]存储层17中的自旋极化的符号被逆转以使得电子的一部分被反转用于降低系统能量，即，自旋角动量的方向被改变。此时，因为需要保持系统的整体角动量，所以与方向改变了的电子引起的总角动量变化相当的反作用也被施加给存储层17的磁矩。
[0085]在电流(即，每单位时间通过的电子数目)较小的情况下，方向改变了的电子的总数变小，从而使得存储层17的磁矩中发生的角动量的变化变小，但是当电流增大时，能够在单位时间内对角动量进行大的改变。
[0086]角动量随时间的变化就是扭矩，并且当扭矩超过阈值时，存储层17的磁矩开始进动，并且由于其单轴各向异性而旋转180度使得稳定。即，发生从反方向向同方向的反转。
[0087]当磁化方向为相同方向并且使得电子反向地从存储层17流向磁化固定层15时，电子然后在磁化固定层15被反射。当被反射并且被自旋反转的电子进入存储层17时，扭矩被施加并且磁矩被反转为反方向。然而，此时，引起反转所需的电流量大于从反方向反转为同方向的情况。
[0088]磁矩从相同方向向相反方向的反转难以从直观上来理解，但是可以认为磁化固定层15是固定的以使得磁矩不被反转，并且存储层17被反转以用于保持整个系统的角动量。因此，通过从磁化固定层15向存储层17或者在其反方向上施加与每个极性相对应的、具有预定阈值以上的电流来执行0/1的记录。
[0089]通过利用与现有技术中的MRAM类似地磁阻效应来执行信息的读取。S卩，与上述记录的情况一样，在与膜面垂直的方向上施加电流。然后，利用这样的现象:该元件所示出的电阻取决于存储层17的磁矩是与磁化固定层15的磁矩同向还是反向而变化。
[0090]用于磁化固定层15与存储层17之间的中间层16的材料可以是金属材料或绝缘材料，但是，可将绝缘材料用于中间层以获得相对高的读出信号(电阻改变率)并且通过相对低的电流来实现记录。此时的元件被称为强磁性隧道结(磁性隧道结:MTJ)元件。
[0091 ] 取决于磁性层的易磁化轴是平面内方向还是垂直方向，通过自旋扭矩磁化反转来逆转磁性层的磁化方向所需要的电流的阈值Ic是不同的。
[0092]虽然本实施例的存储元件3和20是垂直磁化类似的，但是在现有技术的面内磁化的存储元件中，用于反转磁性层的磁化方向的反转电流用Ic_para表示。
[0093]当该方向从同向被反转为反向时，下式成立:
[0094]Ic_para = (A.α.Ms.V/g (O) /P) (Hk+2 π Ms)。
[0095]当该方向从反向被反转为同向时，下式成立:
[0096]Ic_para = - (Α.α.Ms.V/g ( π ) /P) (Hk+2 π Ms)。
[0097]应该注意，同向和反向表示以磁化固定层的磁化方向为基准的存储层的磁化方向，并且也分别被称为平行方向和非平行方向。
[0098]另一方面,在根据该实例的垂直磁化类型存储元件中，反转电流用Ic_perp表示。当方向从同向被反转为反向时，下式成立:
[0099]Ic_perp = (A.a.Ms.V/g (0) /P) (Hk_4 π Ms)。
[0100]当方向从反向被反转为同向时，下式成立:
[0101]Ic_perp = - (Α.α.Ms.V/g ( π )/P) (Hk_4 π Ms)。
[0102]应该注意，A表示常数，α表示阻尼系数，Ms表示饱和磁化量，V表示元件体积，P表不自旋极化度，g(o)和gO)分别表不与在同方向和反方向中传送到另一磁性层的自旋扭矩的效率相对应的系数，并且Hk表示磁各向异性。
[0103]在各个方程式中，当将垂直磁化类型中的项(Hk-4JiMs)与面内磁化类型中的项(Hk+2 Ms)相比较时，可以明白，垂直磁化类型适合于减小记录电流。
[0104]这里，反转电流IcO和热稳定性指数Λ之间的关系用下面的(式I)来表示。[0105]【式I】
【权利要求】
1.一种存储元件，包括: 分层结构体，所述分层结构体包括: 存储层，具有与膜面垂直的磁化，其中，所述磁化的方向根据信息而改变，所述存储层包括多层结构层，其中，非磁性材料和氧化物被层压，所述存储层的所述磁化的方向通过在所述分层结构体的层压方向上施加电流来改变以将所述信息记录在所述存储层中， 磁化固定层，具有成为存储在所述存储层中的所述信息的基准的、与所述膜面垂直的磁化，以及 中间层，由非磁性材料形成并设置在所述存储层与所述磁化固定层之间。
2.根据权利要求1所述的存储元件，其中， 所述非磁性材料包括Cu、Ag、Au、V、Ta、Zr、Nb、Hf、W、Mo及Cr中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的存储元件，其中， 所述氧化物包括氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氧化钴、氧化锆、氧化钛及氧化铬中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的存储元件，其中， 包括所述非磁性材料和所述氧化物的至少两个所述多层结构层形成在所述存储层中。
5.根据权利要求1所述的存储元件，其中， 形成所述存储层的铁磁性材料为Co-Fe-B。
6.一种存储装置，包括: 存储元件，基于磁性材料的磁化状态保持信息，所述存储元件包括分层结构体，所述分层结构体包括: 存储层，具有与膜面垂直的磁化，其中，所述磁化的方向根据信息而改变，所述存储层的所述磁化的方向通过在所述分层结构体的层压方向上施加电流来改变以将所述信息记录在所述存储层中，所述存储层包括多层结构层，其中，非磁性材料和氧化物被层压， 磁化固定层，具有成为存储在所述存储层中的所述信息的基准的、与所述膜面垂直的磁化，以及 中间层，由非磁性材料形成并设置在所述存储层与所述磁化固定层之间；以及 彼此交叉的两种互连件，所述存储元件被设置在所述两种互连件之间，所述层压方向上的电流通过所述两种互连件被施加至所述存储元件。
【文档编号】G11C11/15GK103946974SQ201280057904
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年10月31日 优先权日:2011年11月30日
【发明者】内田裕行, 细见政功, 大森广之, 别所和宏, 肥后丰, 浅山徹哉, 山根一阳 申请人:索尼公司