专利名称：存储元件和存储装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括将铁磁层的磁化状态存储为信息的存储层和磁化方向固定的磁化固定层、并通过流入电流改变存储层的磁化方向的存储元件，以及具有该存储元件的存储装置。
背景技术：
在诸如计算机的信息设备中，以高速操作的高密度DRAM已经被广泛用作随机存取存储器。但是，DRAM为当电源切断时信息被擦除的易失性存储器，从而，期望信息不会被擦除的非易失性存储器。另外，作为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)已经受到广泛关注，因此已经进行了开发。MRAM使电流分别流入彼此基本垂直的两种地址配线(字线和位线)，并且通过使用通过每个地址配线所生成的电流磁场反转存储装置中位于地址配线交叉部处的磁性存储元件的磁性层的磁化，从而执行信息的记录。图8中示出了通用MRAM的示意图(透视图)。构成选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区108、源极区107及栅电极101分别形成在通过诸如硅基板的半导体基板110的元件分离层102所分离的部分处。另外，图中在前后方向上延伸的字线105设置在栅电极101的上侧。在图中，漏极区108形成为对于左和右选择晶体管所共用，并且配线109连接至漏极区108。另外，每个都具有磁化方向被反转的存储层的磁性存储元件103都设置在字线 105与被设置在相对于字线105的上侧并在左右方向上延伸的位线106之间。例如，这些磁性存储元件103由磁性隧道结元件(MTJ元件)构成。另外，磁性存储元件103通过水平旁路111和垂直接触层104而电连接至源极区 107。当使电流流入字线105和位线106时，将电流磁场施加至磁性存储元件103，从而磁性存储元件103的存储层的磁化方向被反转，因此，能够执行信息的记录。另外，关于诸如MRAM的磁性存储器，为了稳定保持所记录的信息，记录有信息的磁性层(存储层)需要具有恒定矫顽力。另一方面，为了重写记录信息，需要使一定量的电流流入地址配线。但是，随着构成MRAM的元件的小型化，地址配线变细，使得难以流经充分的电流。因此，作为能够通过较小的电流实现磁化反转的结构，具有利用通过自旋注入的磁化反转的结构的存储器已经引起关注(例如，参见日本未审查专利申请公开第 2003-17782 和 2008-227388 号，及美国专利第 6256223 号，PHYs. Rev. B, 54. 9353 (1996) and J. Magn. Mat.，159，Ll (1996)的说明书)。
通过自旋注入的磁化反转指的是，通过磁性材料后的自旋极化的电子被注入其他磁性材料，从而在其他磁性材料中引起磁化反转。例如，当使电流在垂直于薄膜面的方向上流入巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)时，该元件的至少一部分磁性层的磁化方向可以被反转。另外，通过自旋注入的磁化反转具有这样的优点，S卩，即使当元件变得很小时，也能在不增大电流的条件下实现磁化反转。图9和图10中示出了具有利用通过上述自旋注入的磁化反转的结构的存储装置的示意图。图9示出了透视图，并且图10示出了截面图。构成用于选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区58、源极区57及栅电极51被分别形成在诸如硅基板的半导体基板60中通过元件绝缘层52所分隔的部分处。它们之中， 栅电极51也用作图9中在前后方向上延伸的字线。图9中，漏极区58形成为对于左和右选择晶体管所共用，并且配线59连接至漏极区58。图9中，具有通过自旋注入反转了磁化方向的存储层的存储元件53设置在源极区 57与被设置在源极区57的上侧并在左右方向上延伸的位线56之间。该存储元件53例如由磁性隧道结元件(MTJ元件)构成。存储元件53具有两个磁性层61和62。在两个磁性层61和62中，一侧的磁性层被设定为磁化方向固定的磁化固定层，并且另一侧的磁性层被设定为磁化方向变化的磁化自由层，即，存储层。另外，存储元件53通过上和下接触层M分别连接至每个位线56和源极区57。由此，当使电流流入存储元件53时，存储层的磁化方向可以通过自旋注入而反转。在具有利用通过该自旋注入的磁性反转的结构的存储装置的情况下，与图8中所示的通用MRAM相比，能够使装置结构简单，因此，其具有可以高密度化的特性。另外，当利用通过自旋注入的磁化反转时，存在这样的优点，即，即使在进行元件的小型化时，与使用外部磁场执行磁化反转的通用MRAM相比，写入电流也不会增大。
发明内容
但是，在MRAM的情况下，写入配线(字线或位线)与存储元件分离设置，并且利用通过使电流流入写入配线所生成的电流磁场执行信息的写入(记录)。因此，能够使写入所需的充分的电流量流入写入配线。另一方面，在具有利用通过自旋注入的磁化反转的结构的存储装置中，需要通过利用流入存储元件的电流执行自旋注入来反转磁性层的磁化方向。由于如上所述通过电流直接流入存储元件来执行信息的写入(记录)，所以存储单元通过将存储元件连接至选择晶体管从而选择执行写入的存储单元来构成。在这种情况下，流入存储元件的电流被限制为能够流入选择晶体管的电流的大小(选择晶体管的饱和电流)。因此，需要通过小于等于选择晶体管的饱和电流的电流来执行写入，因此，需要通过改进自旋注入效率来减小流入存储元件的电流。另外，为了提高读出信号强度，需要确保大的磁阻改变率，为了实现这点，采用与存储层的两侧都接触的中间层被设定为隧道绝缘层(隧道势垒层)的结构是有效的。
由此，在隧道绝缘层被用作中间层的情况下，流入存储元件的电流量被限制为防止隧道绝缘层的绝缘击穿。鉴于此，也需要限制自旋注入时的电流。由于这样的电流值与存储层的膜厚成比例并与存储层的饱和磁化的平方成比例，所以可以有效地调节它们(膜厚及饱和磁化)，从而降低这样的电流值(例如，参照 F.J.Albert et al.，Appl. Phys. Lett.，77，3809 (2000))。例如，在F. J.Albert et al. ,Appl. Phys. Lett. ,77,3809(2000)中，披露了这样一种情况，当记录材料的磁化量(Ms)减小时，电流值可以被减小。但是，另一方面，如果通过电流所写入的信息没有被存储，则不能实现非易失性存储器。即，需要确保抵抗存储层的热起伏的稳定性。在利用通过自旋注入的磁化反转的存储元件的情况下，与现有技术的MRAM相比， 由于存储层的体积变小，所以单纯地考虑，热稳定性趋于降低。当没有确保存储层的热稳定性时，被反转的磁化方向由于加热而再反转，这导致写入错误。另外，在利用通过自旋注入的磁化反转的存储元件的高容量化得以发展的情况下，存储元件的体积变得更小，使得确保热稳定性变为重要的问题。因此，对于利用通过自旋注入的磁化反转的存储元件，热稳定性是非常重要的特性。因此，为了实现具有通过自旋注入反转作为存储器的存储层的磁化方向的结构的存储元件，需要将利用自旋注入的磁化方向反转所需的电流减小至小于等于晶体管的饱和电流的值，从而，确保了热稳定性以可靠地保持所写入的信息。如上所述，为了减小利用自旋注入的磁化方向反转所需的电流，可以考虑减小存储层的饱和磁化量Ms，或使存储层变薄。例如，如美国专利第7M2045号的情况那样，使用具有小饱和磁化量Ms的材料作为用于存储层的材料是有效的。但是，通过这种方式，在单纯使用具有小饱和磁化量Ms的材料的情况下，难以确保热稳定性以可靠地保持信息。因此，在本发明中，期望提供一种能够提高热稳定性而不会增大写入电流的存储元件以及具有该存储元件的存储装置。根据本发明的实施方式，提供了一种存储元件，包括存储层，具有垂直于膜面的磁化，并且其磁化方向相应于信息而变化；磁化固定层，具有垂直于膜面并且成为在存储层中所存储的信息的基准的磁化；以及绝缘层，设置在存储层与磁化固定层之间，并且由非磁性层构成，其中，在具有存储层、绝缘层及磁化固定层的层结构的层压方向上注入自旋极化的电子，从而存储层的磁化方向变化，并且对存储层执行信息的记录。存储层所接收的有效反磁场的大小小于存储层的饱和磁化量。绝缘层由氧化膜(例如，MgO膜)构成，存储层由 Co-Fe-B构成，B浓度在与绝缘层界面附近较低，并且B浓度随其远离绝缘层而增大。例如，存储层可以具有多个Co-Fe-B层的层压结构，并且各个Co-Fe-B层可以以与绝缘层接触的层被设定为具有最低B (硼)浓度的层、并且随其远离绝缘层B浓度增大的方式而构成。另外，存储层可以以至少在完成最终制造处理后的状态下B浓度在与绝缘层的界面附近较低、并且随其远离界面B浓度连续增大的方式而构成。根据本发明的另一实施方式，提供了一种存储装置，包括存储元件，通过磁性材料的磁化状态来保持信息；以及两种配线，彼此交叉，其中，所述存储元件具有根据本发明实施方式的上述存储元件的结构，该存储元件设置在两种配线之间，并且电流通过两种配线在层压方向上流入存储元件，从而自旋极化的电子被注入存储元件。根据本发明实施方式的存储元件的结构，提供了通过磁性材料的磁化状态保持信息的存储元件，在存储层上通过(隔着)中间层设置了磁化固定层，中间层由绝缘材料构成，自旋极化的电子在层压方向上被注入，从而改变了存储层的磁化方向，并且对存储层执行信息的记录，因此，能够通过在层压方向上流入电流并通过注入自旋极化的电子来执行信息的记录。另外，存储层所接收的有效反磁场的大小小于存储层的饱和磁化量，使得能够减小反转存储层的磁化方向所需的写入电流量。另一方面，即使当存储层的饱和磁化量没有减小时，也能减小写入电流量，使得存储层的饱和磁化量变得充分，并且能够充分确保存储层的热稳定性。特别地，在存储层中，B浓度在与绝缘层的界面附近较低，并且B浓度被调制，使得随着远离绝缘层，B浓度增大。即，B朝向绝缘层的相反侧扩散。在这种情况下，存储层的 Co或狗与绝缘层中的氧结合的机会增大，使得界面磁各向异性变得更强。另一方面，在远离绝缘层一侧，B浓度增大，使得饱和磁化降低，因此，反磁场成分减小。通过这种方式，垂直磁各向异性增强。另外，根据本发明实施方式的存储装置的结构，设置了具有通过磁性材料的磁化状态保持信息的存储层的存储元件以及彼此交叉的两种配线，存储元件具有根据本发明实施方式的上述存储元件的结构，所述存储元件被设置在两种配线之间，并且电流通过两种配线在层压方向上流入存储元件，从而自旋极化电子被注入存储元件。因此，能够通过两种配线通过在存储元件的层压方向上流入电流通过自旋注入来执行信息的记录。另外，即使当饱和磁化量没有减小时，也能够减小存储元件的写入电流量，使得能够稳定保持在存储元件中所记录的信息，并且能够减小存储装置的电力消耗。根据本发明的实施方式，减小了写入电流量，并且充分确保了表示信息保持能力的热稳定性，使得能够构成特性平衡出色的存储元件。特别地，在与作为氧化膜的绝缘层的界面处的B浓度降低，使得垂直磁各向异性增强。另外，B浓度随其远离与绝缘层的界面而增大，使得饱和磁化降低，从而进一步增强垂直磁各向异性。因此，能够实现以高可靠性稳定操作的存储装置。另外，写入电流被减小，使得能够减小在执行向存储元件中的写入期间的电力消
^^ ο因此，能够减小存储装置整体的电力消耗。
图1是示出了根据本发明实施方式的存储装置的示意性结构的说明图；图2是示出了根据实施方式的存储元件的截面图；图3是示出了 0. 09X0. 18 μ m大小的存储层的Co量与反转电流密度之间的关系的示图；图4是示出了 0. 09X0. 18 μ m大小的存储层的Co量与热稳定性的指标之间的关系的示图；图5是示出了 50ηπιΦ大小的存储层的Co量与热稳定性的指标之间的关系的示图；图6Α至图6C是示出了 B浓度被调制的实施方式的存储层结构的试样的说明图；图7是示出了根据实施方式的存储层的B浓度的连续调制实例的说明图；图8是示出了现有技术的MRAM的结构的斜视图；图9是示出了利用通过自旋注入的磁化反转的存储装置的示意性结构的说明图； 并且图10是示出了图7的存储器的截面图。
具体实施例方式下文中，将以下面顺序描述本发明的实施方式。1.实施方式的存储元件的概述2.实施方式的结构3.实验1.实施方式的存储元件的概述首先，将描述根据本发明实施方式的存储元件的概述。根据本发明的实施方式通过利用上述自旋注入反转存储元件的存储层的磁化方向来执行信息的记录。存储层由诸如铁磁层的磁性材料构成，并且通过磁性材料的磁化状态(磁化方向)保持信息。尽管将在随后被详细描述，但是存储元件具有在图2中示出实例的层结构，并且包括磁性层17和磁化固定层15作为两个铁磁层，以及绝缘层16 (隧道绝缘层)作为设置在这两个磁性层之间的中间层。存储层17具有垂直于膜面的磁化，并且磁化方向相应于信息而变化。磁化固定层15具有作为用于在存储层17中所存储的信息的基准并垂直于膜面的磁化。绝缘层16由非磁性材料构成，并且设置在磁性层17和磁化固定层15之间。在本实施方式中，绝缘层由氧化物膜构成，例如，MgO (氧化镁)。在具有存储层17、绝缘层16及磁化固定层15的层压结构的层压方向上注入自旋极化的电子，并且存储层17的磁化方向被改变，从而将信息记录在存储层17中。用于通过自旋注入反转磁性层(存储层17)的磁化方向的基本操作是为了使阈值以上的电流在垂直于膜面的方向上流入包括巨磁阻效应元件(GMR元件)或隧道磁阻效应元件(MTJ元件)的存储元件。此时，电流的极性(方向)依赖于反转的磁化方向。在使具有小于阈值的绝对值的电流流入的情况下，不发生磁化反转。由下面等式(1)表示当通过自旋注入反转磁性层的磁化方向时所需的电流阈值 Ic0Ic = A · α · Ms · V · Hd/2 η(1)此处，A 常数，α 自旋制动常数，n 自旋注入效率，Ms 饱和磁化量，V 存储层的
7体积，Hd 有效反磁场。如由等式(1)所表示的一样，可以通过控制磁性层的体积V、磁性层的饱和磁化 Ms、自旋注入效率η、及自旋制动常数α将电流阈值设定为任意值。在本实施方式中，存储元件包括磁性层(存储层17)，能够通过磁化状态保持信息；以及磁化固定层15，其磁化方向固定。存储单元能够保持写入信息，从而用作存储器。这通过作为保持信息能力的指标的热稳定性指标Δ ( = KV/kBT)的值来确定。通过下述等式( 来表示上述Δ。Δ = KV/kBT = Ms · V · Hk · (l/2kBT) (2)此处，Hk :有效各向异性磁场，kB 波尔兹曼常数，T 温度，Ms 饱和磁化量，V 存储层的体积。有效各向异性磁场Hk接收通过形状磁各向异性、感应磁各向异性及晶体磁各向异性等的效果，并且当假设单磁畴的相干转动模式时，有效各向异性磁场变为与矫顽力相同。热稳定性的指标Δ和电流的阈值Ic经常具有此消彼长的关系。因此，它们的兼容成为保持存储特性的问题。关于改变存储层17的磁化状态的电流的阈值，实际上，例如，在存储层17的厚度为2nm并且平面图案基本为100nmX150nm椭圆形的TMR元件中，正侧的阈值+Ic为+0. 5mA, 负侧的阈值-Ic为-0. 3mA,并且此时的电流密度基本上为3. 5X 106A/cm2。这些基本上对应于上述等式(1)。相反，在利用电流磁场执行磁化反转的普通MRAM中，需要几mA以上的写入电流。因此，在通过自旋注入执行磁化反转的情况下，上述写入电流的阈值变得足够小， 使得对于减小集成电路的电力消耗很有效。另外，不需要普通MRAM所需的用于电流磁场生成的配线(图8的配线105)，使得对于集成度而言，与普通MRAM相比是有利的。在通过自旋注入执行磁化反转的情况下，由于通过将电流直接流入存储元件来执行信息的写入(记录)，所以为了选择执行写入的存储单元，将存储元件连接至选择晶体管，以构成存储单元。在这种情况下，流入存储元件的电流被限制为能够流入选择晶体管的电流大小 (选择晶体管的饱和电流)。为了使通过自旋注入的磁化反转电流的阈值Ic小于选择晶体管的饱和电流，如可以从等式(1)所看到的，减小存储层17的饱和磁化量Ms是有效的。但是，在单纯减小饱和磁化量Ms的情况下(例如，美国专利第7M2045号)，存储层17的热稳定性显著劣化，因此，该存储元件难以用作存储器。为了构成存储器，需要热稳定性的指标△等于或大于一定程度的大小。本发明人已经进行了各种研究，作为其结果，他们已经发现，例如，当Co-Fe-B的组成被选择作为构成存储层17的铁磁层时，存储层17所接收的有效反磁场(Mrffertire)的大小变得小于存储层17的饱和磁化量Ms。通过使用上述铁磁材料，存储层17所接收的有效反磁场的大小变得小于存储层 17的饱和磁化量Ms。由此，能够使存储层17所接收的反磁场小，使得能够获得减小通过等式(1)所表示的电流的阈值Ic而不会劣化通过等式( 所表示的热稳定性△的效果。另外，本发明人已经发现，在所选择的Co-Fe-B组成的限制组成范围内，Co-Fe-B 在垂直于膜面的方向上磁化，据此，即使在能够实现(^bit级容量的极微小的存储元件的情况下，也能够确保充分的热稳定性。因此，关于(ibit级的自旋注入型存储器，在(ibit级的自旋注入型存储器中确保热稳定性的状态下，能够实现可以用低电流写入信息的稳定的存储器，。在本实施方式中，构成为使得存储层17所接收的有效反磁场的大小小于存储层 17的饱和磁化量Ms，S卩，有效反磁场的大小对存储层17的饱和磁化量Ms的比率变为小于 1。另外，考虑到选择晶体管的饱和电流值，通过使用由绝缘材料所构成的隧道绝缘层(绝缘层16)作为被设置在存储层17与磁化固定层15之间的非磁性中间层来构成磁性隧道结(MTJ)元件。通过使用隧道绝缘层构成磁性隧道结(MTJ)元件，使得与通过使用非磁性导电层构成巨磁阻效应(GMR)元件的情况相比，能够使磁阻改变率(MR率)较大，因此，能够提高读出信号强度。特别地，当将氧化镁(MgO)用作隧道绝缘层16的材料时，与使用通常所用的氧化铝的情况相比，能够使巨磁阻改变率(MR率)较大。另外，通常，自旋注入效率依赖于MR率，并且MR率越大，自旋注入效率提高越多， 因此，能够减小磁化反转电流密度。因此，当氧化镁被用作隧道绝缘层16的材料并使用存储层17时，能够通过自旋注入减小阈值写入电流，因此，能够以小电流执行信息的写入(记录)。另外，能够增加读出信
号强度。由此，能够通过确保MR率(TMR率)通过自旋注入减小阈值写入电流，并且能够以小电流执行信息的写入(记录)。另外，能够增加读出信号强度。如上所述，在隧道绝缘层16由氧化镁(MgO)膜构成的情况下，期望MgO膜晶体化， 因此，晶体取向能够维持在(001)方向。另外，在本实施方式中，除了由氧化镁所形成的结构之外，例如，还可以通过使用各种绝缘材料、介电材料、以及诸如氧化铝、SiO2, Bi203、SrTiO2, AlLaO3和Al-N-O的半导体构成设置在存储层17与磁化固定层15之间的绝缘层16。考虑到获得通过自旋注入反转存储层17的磁化方向所需的电流密度的观点，隧道绝缘层16的面积电阻值需要被控制为几十Ω μ m2以下。在由MgO膜所形成的隧道绝缘层16中，为了将面积电阻值保持在上述范围内，需要将MgO膜的膜厚设定为1. 5nm以下。另外，期望使存储元件很小，从而以很小的电流容易地反转存储层17的磁化方向。因此，优选地，存储元件的面积被设定为0. 01 μ m2以下。此外，在本实施方式中，在垂直于膜面的方向上调制构成存储层17的Co-Fe-B磁性层的组成。具体地，B浓度在与绝缘层16 (MgO的氧化膜)的界面处较低，并且随其远离界面，B浓度连续或阶段式地增大。
在与作为氧化膜的绝缘层16的界面处的B浓度降低，使得垂直磁各向异性增强。 这是因为，作为界面垂直磁各向异性的起源的Co-O结合或 ^-0结合难以受到B的妨碍。另外，B浓度随其远离界面而增大，使得饱和磁化降低，因此，垂直磁各向异性进一步增强。期望磁化固定层15和存储层17具有单向各向异性。另外，优选磁化固定层15和存储层17的各自的膜厚为0. 5nm至30nm。存储元件的其他结构可以与现有技术中通过自旋注入记录信息的存储元件的结构相同。磁化固定层15可以以仅通过铁磁层或通过使用反铁磁层和铁磁层的反铁磁组合而固定磁化方向的方式构成。另外，磁化固定层15可以通过单层铁磁层、或隔着非磁性层层压多层铁磁层的含铁销式结构(ferri-pin structure)来构成。作为构成层压含铁销式结构的磁化固定层15的铁磁层的材料，可以使用Co、 Coi^e、CoFeB等。另外，作为非磁性层的材料，可以使用Ru、Re、Ir、Os等。作为反铁磁层的材料，可以例举诸如!^eMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO和Fii2O3的磁性材料。另外，可以通过将诸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、0、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、
Mo及Nb的非磁性元素添加至上述磁性材料来调节磁性特性，或者除此之外，还可以调节诸如晶体结构、晶体性能、物质稳定性等的各种物理性能。另外，相对于存储元件的膜结构，存储层17可以被设置在磁化固定层15的下侧， 或者在其上侧，并且在任意位置处，都完全不会有问题。另外，在磁化固定层15设置在存储层17的上侧以及下侧(所谓的双重结构)的情况下，都不会有任何问题。另外，作为记录在存储元件的存储层17中的信息的读出方法，通过薄绝缘膜在存储元件的存储层17上设置成为用于信息的基准的磁性层，并且可以通过流经绝缘层16的铁磁隧道电流来执行读出，或者可以通过磁阻效应执行读出。2.实施方式的结构随后，将描述本发明本实施方式的具体结构。作为本发明的实施方式，图1中示出了存储装置的示意性结构图(透视图)。该存储装置包括能够以磁化状态保持信息、设置在彼此垂直的两种地址配线(例如，字线和位线)的交叉部附近的存储元件3。具体地，构成选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区8、源极区7及栅电极1被分别形成在通过诸如硅基板的半导体基板10的元件分离层2所分离的部分中。在它们中， 栅电极1也用作图中在前后方向上延伸的一侧的地址配线(例如，字线)。漏极区8形成为对于图中的左和右晶体管所共用，并且配线9被连接至漏极区8。存储元件3设置在源极区7与在图中被设置在上侧并在左右方向上延伸的另一侧的地址配线(例如，位线)6之间。该存储元件3具有包括通过自旋注入反转磁化方向的铁磁层的存储层。另外，存储元件3设置在两种地址配线1和6的交叉部的附近。存储元件3通过上和下接触层4被分别连接至位线6和源极区7。
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由此，电流通过两种地址配线1和6在垂直方向上流入存储元件3，并且存储层的磁化方向可以通过自旋注入而被反转。另外，图2中示出了根据本实施方式的存储装置的存储元件3的截面图。如图2所示，在存储元件3中，底层14、磁化固定层15、绝缘层16、存储层17及盖层18从下层侧起依次被层压。在这种情况下，磁化固定层15设置在相对于通过自旋注入反转磁化M17的磁化方向的存储层17的下层。关于自旋注入型存储器，通过存储层17的磁化M17与磁化固定层15的磁化M15 之间的相对角度来定义信息“ 0，，和“1”。用作隧道势垒层(隧道绝缘层)的中间层16设置在存储层17与磁化固定层15 之间，因此，通过存储层17和磁化固定层15构成MTJ元件。另外，在磁化固定层15下面形成底层14，并且在存储层17上形成盖层18。存储层17由具有磁化M17的方向在垂直于膜面的方向上自由改变的磁矩的铁磁材料形成。磁化固定层15由具有磁化M15在垂直于膜面的方向上固定的磁矩的铁磁材料形成。通过具有单向各向异性的存储层17的磁化方向执行信息的存储。通过在垂直于膜面的方向上施加电流并通过引起自旋扭矩磁化反转来执行信息的写入。由此，磁化固定层15被设置在相对于通过自旋注入反转磁化方向的存储层17的下层，并用作用于存储层 17的存储信息(磁化方向)的基准。在本实施方式中，Co-Fe-B被用于存储层17和磁化固定层15。磁化固定层15用作用于信息的基准，使得需要磁化方向不变，但并不必须固定为特定的方向。磁化固定层15可以这样构成，即与存储层17相比通过使矫顽力变大、通过使膜厚变大、或通过使阻尼常数变大使得迁移变得比在存储层17中更困难。在固定磁化的情况下，可以使诸如PtMn和IrMn的反铁磁材料与磁化固定层15接触，或者与这样的反铁磁材料接触的磁性材料可以通过诸如Ru的非磁性材料被磁性组合， 从而可以直接固定磁化固定层15。在本实施方式中，特别地，调节存储元件3的存储层17的组成，使得存储层17所接收的有效反磁场的大小变得小于存储层17的饱和磁化量Ms。S卩，如上所述，选择存储层17的铁磁材料Co-Fe-B的组成，并且使存储层17所接收的有效反磁场的大小变小，使得有效反磁场的大小变得小于存储层17的饱和磁化量Ms。另外，在本实施方式中，作为中间层的绝缘层16由氧化镁层形成。在这种情况下， 能够使磁阻改变率(MR率)较高。当如上所述使MR率较高时，自旋注入效率得以提高，因此，能够减小反转存储层 17的磁化M17方向所需的电流密度。另外，如上所述，在垂直于膜面的方向上调制构成存储层17的Co-Fe-B磁性层的组成，并且将组成设计为B浓度在与绝缘层16(Mg0氧化膜)的界面处较低、并且随其远离界面(即，朝向盖层18)B浓度连续或阶段式增大。本实施方式的存储元件3可以通过在真空装置中连续形成从底层14至盖层18、然后通过诸如此后的蚀刻等的处理形成存储元件3的图案来制造。根据上述实施方式，以存储层17所接收的有效反磁场的大小比存储层17的饱和磁化量Ms更小的方式构成存储元件3的存储层17，使得存储层17所接收的反磁场减小，并且能够减小反转存储层17的磁化M17的方向所需的写入电流量。另一方面，由于即使当存储层17的饱和磁化量Ms没有被减小时也可以减小写入电流量，所以能够充分确保存储层17的饱和磁化量，因此，能够充分确保存储层17的热稳
定性。。如上所述，由于能够充分确保作为信息保持能力的热稳定性，所以能够构成特性平衡良好的存储元件3。由此，消除了操作误差，并且充分获得了存储元件3的操作余量(margin)，使得能够稳定地操作存储元件3。因此，能够实现以高可靠性稳定地操作的存储器。另外，写入电流减小，使得当执行向存储元件3中的写入时，能够减小电力消耗。因此，能够减小通过本实施方式的存储元件3构成存储单元的存储器的整体电力消耗。因此，关于包括能够实现信息保持能力良好、具有高可靠性、且操作稳定的存储器的存储元件3的存储装置，能够减小包括存储元件3的存储装置中的电力消耗。另外，包括图2中所示的存储元件3并具有图1所示结构的存储器具有这样的优点，即，当制造存储器时，可以应用通用半导体MOS形成处理。因此，能够将本实施方式的存储装置应用为通用目的的存储器。3.实验此处，关于本实施方式的存储元件的结构，通过具体选择构成存储层17的铁磁层的材料，调节存储层17所接收的有效反磁场的大小，从而制造了存储元件3的样品，随后， 检验它们的特性。在实际存储装置中，如图1所示，除了存储元件3之外，还存在用于切换等的半导体电路，此处，对仅形成了存储元件的晶片(wafer)进行检验，以为了研究存储层17的磁化反转特性。实验1在具有0. 725mm厚度的硅基板上形成具有300nm厚度的热氧化膜，并且在热氧化膜上形成具有图2所示结构的存储元件3。具体地，关于图2所示的存储元件3，如下所述选择各层的材料及膜厚。·底层14 具有IOnm膜厚的Ta膜和具有25nm膜厚的Ru膜的层压膜·磁化固定层15 具有2. 5nm膜厚的CoFeB膜·隧道绝缘层16 具有0. 9nm膜厚的氧化镁膜·存储层17 具有与磁化固定层相同组成的CoFeB膜 盖层18 具有3nm膜厚的Ta膜、具有3nm膜厚的Ru膜、及具有3nm厚度的Ta膜的层压膜如上所述选择各层，在底层14与硅基板之间设置具有IOOnm膜厚的Cu膜(未示出)(用作下述的字线)。
在上述结构中，存储层17的铁磁层由Co-Fe-B的三元合金构成，并且铁磁层的膜厚被固定为2. Onm。除了由氧化镁膜所构成的绝缘层16之外的各层均使用DC磁控溅射法而形成。由氧化镁(MgO)膜所构成的绝缘层16利用RF磁控溅射法而形成。另外，在形成存储元件3的各层后，在磁场热处理炉中执行热处理。接着，在通过光刻法掩蔽字线部后，对除字线部之外的层压膜执行通过Ar等离子体的选择性蚀刻，从而形成字线(下部电极)。此时，除字线之外的部分在基板中被蚀刻至5nm深度。随后，通过电子束绘图装置形成存储元件3的图案的掩膜，对层压膜执行选择性蚀刻，从而形成存储元件3。除存储元件3之外的部分被蚀刻至刚好在Cu层之上的字线部分。另外，在用于特征评价的存储元件中，需要使充分的电流流入存储元件，从而生成磁化反转所需的自旋扭矩，使其需要抑制隧道绝缘层的电阻值。因此，存储元件3的图案被设定为具有0. 09 μ m的短轴XO. 18 μ m的长轴的椭圆形，并且存储元件3的面积电阻值 (Ω μ m2)被设定为 20Ω μπι2。接着，通过溅射具有基本为IOOnm厚度的Al2O3来绝缘除存储元件3之外的部分。随后，通过使用光刻法形成用作上部电极和测量垫(measurement pad)的位线。由此，制造了存储元件3的样品。通过上述制造方法，制造了存储层17的铁磁层的Co-Fe-B合金的组成改变的存储元件3的各个样品。在Co-Fe-B合金的组成中，CoFe与B的组成比率被固定为80 20，并且Coi^e中的 Co 的组成比率(x(原子％ ))被改变为 90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、
10%及 0%。对于如上所述所制造的存储元件3的各个样品，如下所述执行特征评价。测量前，其被配置为从外部向存储元件3施加磁场，以正方向上的值和负方向上的值彼此对称的方式控制反转电流。另外，向存储元件3所施加的电压被设定为不会击穿绝缘层16的范围内的IV。饱和磁化量的测量通过使用振动样品磁强计的VSM测量来测量饱和磁化量Ms。有效反磁场的测量作为用于测量有效反磁场的样品，除了存储元件3的上述样品之外，还制造了形成构成存储元件3的各层的样品，随后，该样品被处理为具有20mmX20mm正方形的平面图案。另外，通过FMR(铁磁共振)测量获得有效反磁场的大小Meffe。tive。通过下面等式( 给出相对于任意外部磁场Hex的通过FMR测量获得的共振频率 fFMRo[数学式1]f FMR = ^y Meffective (HK+Hex)⑶
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此处，等式(3)中的Meffeetive可以被表示为4 Ji Meffective = 4 Ji Ms-H丄(H丄垂直于膜面方向上的各向异性磁场)。反转电流值和热稳定性的测量为了评价根据本实施方式的存储元件3的写入特性的目的，测量反转电流值。使具有10 μ s至IOOms脉冲宽度的电流流入存储元件3，随后，测量存储元件3的电阻值。另外，流入存储元件3的电流量被改变，随后，获得了存储元件3的存储层17的磁化Μ17的方向被反转的电流值。通过将该电流值的脉冲宽度依赖性外推至脉冲宽度Ins所获得的值被设定为反转电流值。另外，反转电流值的脉冲宽度依赖性的斜度相应于上述存储元件3的热稳定性的指标△。反转电流值被脉冲宽度改变得越少(斜度小)，存储元件4抗热干扰的能力增强越多。另外，考虑到存储元件3自身的变化，制造了具有相同结构的20个存储元件3，上述测量被执行，并且获得了反转电流值和热稳定性的指标△的平均值。另外，通过由测量所获得的反转电流值的平均值和存储元件3的平面图案的面积来计算反转电流密度JcO。对于存储元件3的各个样品，在表1中示出了存储层17的Co-Fe-B合金的组成、 饱和磁化量Ms和有效反磁场的大小Mrffertire的测量值、以及有效反磁场与饱和磁化量的比率Meffe。tire/Ms。此处，通过原子％表示表1中所描述的存储层17的Co-Fe-B合金的Co含量。[表1]
权利要求
1.一种存储元件，包括存储层，具有垂直于膜面的磁化，并且其磁化方向相应于信息变化； 磁化固定层，具有垂直于所述膜面并且成为在所述存储层中所存储的所述信息的基准的磁化；以及绝缘层，设置在所述存储层与所述磁化固定层之间，并且由非磁性层构成， 其中，在具有所述存储层、所述绝缘层及所述磁化固定层的层结构的层压方向上注入自旋极化的电子，从而所述存储层的所述磁化方向变化，并且对所述存储层执行信息记录， 所述存储层所接收的有效反磁场的大小小于所述存储层的饱和磁化量， 所述绝缘层由氧化膜构成，并且所述存储层由Co-Fe-B构成，B浓度在与所述绝缘层的界面附近较低，并且所述B浓度随其远离所述绝缘层而增大。
2.根据权利要求1所述的存储元件， 其中，所述绝缘层由MgO构成。
3.根据权利要求2所述的存储元件，其中，所述存储层具有多个Co-Fe-B层的层压结构，并且各个所述Co-Fe-B层以与所述绝缘层接触的层被设定为具有最低B浓度的层、并且随其远离所述绝缘层所述B浓度增大的方式而构成。
4.根据权利要求2所述的存储元件，其中，所述存储层以至少在完成最终制造处理后的状态下所述B浓度在与所述绝缘层的所述界面附近处低、并且随其远离所述界面所述B浓度连续增大的方式而构成。
5.一种存储装置，包括存储元件，通过磁性材料的磁化状态保持信息；以及两种配线，彼此交叉， 其中，所述存储元件包括，存储层，具有垂直于膜面的磁化，并且其磁化方向相应于信息变化， 磁化固定层，具有垂直于所述膜面并且成为在所述存储层中所存储的所述信息的基准的磁化，以及绝缘层，设置在所述存储层与所述磁化固定层之间，并且由非磁性层构成， 在具有所述存储层、所述绝缘层及所述磁化固定层的层结构的层压方向上注入自旋极化的电子，从而所述存储层的所述磁化方向变化，并且对所述存储层执行信息记录， 所述存储层所接收的有效反磁场的大小小于所述存储层的饱和磁化量， 所述绝缘层由氧化膜构成，并且所述存储层由Co-Fe-B构成，B浓度在与所述绝缘层的界面附近较低，并且所述B浓度随其远离所述绝缘层而增大，所述存储元件设置在所述两种配线之间，并且在所述层压方向上的电流通过所述两种配线流入所述存储元件，从而自旋极化的电子被注入所述存储元件。
全文摘要
本发明提供了存储元件和存储装置，其中，该存储元件包括存储层，具有垂直于膜面的磁化；磁化固定层，具有垂直于膜面的磁化；以及绝缘层，设置在存储层与磁化固定层之间，其中，在层结构的层压方向上注入自旋极化的电子，从而存储层的磁化方向变化，并且执行信息记录，存储层所接收的有效反磁场的大小小于存储层的饱和磁化量，绝缘层由氧化膜构成，并且存储层由Co-Fe-B构成，在与绝缘层的界面附近处，B浓度较低，并且B浓度随其远离绝缘层而增大。
文档编号G11C11/16GK102403026SQ20111025756
公开日2012年4月4日 申请日期2011年8月31日 优先权日2010年9月7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