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)明涉及具有多個磁性層并通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)(spin torque magnetization reversal)來執(zhí)行記錄的存儲元件和存儲裝置。
背景技術(shù)：
伴隨著移動終端到大型服務(wù)器等各種信息裝置的飛速發(fā)展，在形成上述裝置的元件如存儲器與邏輯元件中，已經(jīng)追求了性能的進(jìn)一步改善。如集成度的提高、工作速度的增加和能耗的減少。具體而言，半導(dǎo)體非易失性存儲器的進(jìn)步顯著，并且分別充當(dāng)大型文件存儲器的閃存日益普及，由此將硬盤驅(qū)動器擠出市場。另外，為了代替現(xiàn)在普遍使用的NOR閃存和DRAM等等，已經(jīng)發(fā)展了鐵電隨機(jī)存取存儲器(FeRAM)、磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)和相變隨機(jī)存取存儲器(PCRAM)等以用于代碼存儲裝置并進(jìn)一步用于工作存儲器。上述存儲器的一些已經(jīng)開始應(yīng)用于實踐。具體而言，由于MRAM通過磁性物質(zhì)的磁化方向來執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲，所以它實際上， 可以高速執(zhí)行近似無窮次( ο15次或更高)的重寫，并且MRAM已經(jīng)被用在例如工業(yè)自動化和飛機(jī)等領(lǐng)域中。由于其高速的工作和可靠性，所以期望將MRAM進(jìn)一步用于代碼存儲裝置和工作存儲器應(yīng)用；但是，實際上，要克服的課題還有降低能耗并增加容量。這些課題本質(zhì)上來自于MRAM的記錄原理，即，來自于用以通過各個配線所產(chǎn)生的電流磁場來使磁化反轉(zhuǎn)的方法。作為解決這些課題的方法之一，已經(jīng)研究了不依賴于電流磁場的記錄，即，磁化反轉(zhuǎn)方法。具體而言，已經(jīng)積極地進(jìn)行了自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)的研究(例如，參見日本專利未審查申請公開第2003-17782號和第2008-227388號、美國專利第6256223號，Phys. Rev. B, 54，9353 (1996)、以及 J. Magn. Mat.，159，Ll (1996))。自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)的存儲元件經(jīng)常被形成為具有磁性隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)，這如同 MRAM的情況。在這樣的結(jié)構(gòu)中，使用了下述現(xiàn)象當(dāng)經(jīng)過其中磁化沿某一方向固定的磁性層的自旋極化電子進(jìn)入另一自由磁性層(磁化的方向不固定)時，其將力矩(其被稱作“自旋轉(zhuǎn)移力矩”傳遞到該自由磁性層，并且當(dāng)供給大于等于某一閾值的電流時，該自由磁性層的磁化發(fā)生反轉(zhuǎn)。通過改變該電流的極性來執(zhí)行“ 0 ”與“ 1”之間的重寫。用于此反轉(zhuǎn)的電流的絕對值為ImA或更小，以用于尺寸約為0. 1 μ m的元件。此外， 由于該電流值與元件體積成比例地減小，所以可以執(zhí)行縮放。另外，由于不需要MRAM生成用于記錄的電流磁場所必要的字線，所以可以顯著簡化該單元結(jié)構(gòu)。下面，將使用了自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM稱作自旋力矩-磁性隨機(jī)存取存儲器 (ST-MRAM)。另外，在某些情況下，也可將自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)稱作自旋注入磁化反轉(zhuǎn)。迫切期望將能夠在保持MRAM優(yōu)點(diǎn)，即較高的工作速度和近似無窮次的重寫的同時，實現(xiàn)能耗減少和性能增加的非易失性存儲器放置在ST-MRAM上。
ST-MRAM的概要視圖如圖8及圖9所示。圖8為立體圖，并且圖9為剖視圖。在被元件隔離層52隔離的半導(dǎo)體基體60，如硅基底的一部分中，形成了漏區(qū)58、 源區(qū)57和柵極51，其中漏區(qū)58、源區(qū)57和柵極51形成了用于選擇各存儲單元的選擇性晶體管。在上面所述的元件中，柵極51也充當(dāng)垂直于圖8的平面延伸的字線。漏區(qū)58通常被形成為用于選擇性晶體管，其中該選擇性晶體管位于圖8的左、右側(cè)，并且配線59被連接到該漏區(qū)58。另外，存儲元件53被配置在源區(qū)57與位線56之間，其中該存儲元件53具有存儲層，在該存儲層中，通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來使其磁化方向發(fā)生發(fā)轉(zhuǎn)，其中該位線56被配置在源區(qū)57上方以沿圖9的左-右方向延伸。該存儲元件53例如由磁性隧道結(jié)元件(MTJ元件)形成。存儲元件53具有兩個磁性層61和62。在這兩個磁性層61和62中，一個磁性層被用作其中磁化方向固定的磁化固定層，而另一個磁性層被用作其中磁化方向發(fā)生改變的磁化自由層，即存儲層。另外，存儲元件53通過設(shè)置在其間的上、下接觸層M分別連接到位線56和源區(qū) 57。因此，當(dāng)使得電流流過存儲元件53時，便可以通過自旋注入使該存儲層的磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
順便提及，在MRAM的情況下，寫入配線(字線和位線)被設(shè)置在存儲元件側(cè)邊，并且當(dāng)使得電流流經(jīng)該寫入配線時，通過電流磁場來寫入(記錄)信息。因此，可以將寫入所必需的電流供給該寫入配線。另一方面，在ST-MRAM中，必須通過使用流過存儲元件的電流執(zhí)行自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來使存儲層的磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。另外，如上所述，由于通過被直接供給該存儲元件的電流來執(zhí)行信息的寫入(記錄)，所以為了選擇執(zhí)行寫入的存儲單元，將該存儲元件連接到選擇性晶體管以形成該存儲單元。因此，將流過該存儲元件的電流限制為被允許流過該選擇性晶體管的電流(該選擇性晶體管的飽和電流)。具體而言，將ST-MRAM中的寫入電流限制為該選擇性晶體管的飽和電流或者更由于已經(jīng)很好地理解了晶體管的飽和電流隨小型化的推進(jìn)而減小，所以為了使整個ST-MRAM最小化，必須通過提高自旋轉(zhuǎn)移的效率來減少流過該存儲元件的電流。另外，為了增加讀取信號的強(qiáng)度，必須確保磁阻效應(yīng)的高速變化，并且為此，可以有效地使用上述MTJ結(jié)構(gòu)，即可以有效地使用其中與兩個磁性層接觸的中間層被形成為隧道絕緣層(隧道屏蔽層)的存儲元件。但是，當(dāng)將該隧道絕緣層用作上述的中間層時，為了防止擊穿該隧道絕緣層的電介質(zhì)時，限制了被供給存儲元件的電流。也就是說，為了確保該存儲元件抵抗重寫的可靠性，也必須減少自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)所需要的電流。在某些情況下，可以將自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)所需要的電流稱作反轉(zhuǎn)電流或記錄電流寸。另一方面，由于ST-MRAM是非易失性存儲器，所以期望將電流所寫入的信息穩(wěn)定地保存在其中。也就是說，必須確保該存儲層的磁化對熱起伏的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。
4
由此，如果不能確保該存儲層的熱穩(wěn)定性，則在某些情況下，被反轉(zhuǎn)的磁化方向可能隨熱量(工作環(huán)境的溫度)再次發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而可能導(dǎo)致寫入誤差。如上所述，與相關(guān)的MRAM相比，ST-MRAM的存儲元件在縮放方面頗具優(yōu)勢，即該 ST-MRAM的存儲層體積可以隨記錄電流值減小。但是，當(dāng)該體積減小時，如果其它比例不發(fā)生變化，則其熱穩(wěn)定性易于降低。由于當(dāng)該ST-MRAM的容量增加時，該存儲元件的體積會進(jìn)一步減小，所以確保其熱穩(wěn)定性變得十分重要。鑒于此點(diǎn)，對ST-MRAM的存儲元件而言，熱穩(wěn)定性是非常重要的性能，并且因此， 即使其體積減小時，也必須將ST-MRAM設(shè)計為確保該熱穩(wěn)定性。因此，為了將ST-MRAM用作有效的非易失性存儲器，必須將自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)所使用的反轉(zhuǎn)電流減少到晶體管的飽和電流或者更小，并且減少到破壞隧道屏障處的電流以下，并且也必須確保其熱穩(wěn)定性以保持寫入信息。為了同時減少反轉(zhuǎn)電流和確保熱穩(wěn)定性，將垂直磁性各向異性膜用于存儲層的結(jié)構(gòu)引起了人們的注意。例如，根據(jù)Nature Materials.，5，21(^2006)，通過將垂直磁性各向異性膜，如Co/ Ni多層膜用于存儲層，可以同時減少反轉(zhuǎn)電流并確保熱穩(wěn)定性。例如，可能提及幾種具有垂直磁性各向異性的磁性材料，如稀土過渡金屬合金 (TbCoFe等)、金屬多層膜(Co/Pd多層膜等)，有序合金O^ePt等)和分別使用了氧化物與磁性金屬之間的界面磁性各向異性的復(fù)合材料(Co/MgO等)。但是，當(dāng)為了在ST-MRAM中得到較大的讀取信號考慮使用隧道結(jié)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)磁阻的高速變化時，并且當(dāng)也對耐熱性和易于制造處理加以考慮時，由使用了界面磁性各向異性的復(fù)合材料形成的結(jié)構(gòu)，如通過在隧道屏蔽層MgO上層疊含有Co或狗的磁性材料所形成的層疊板頗有前途。但是，與結(jié)晶磁性各向異性和單離子各向異性等的各向異性能量相比，基于界面磁性各向異性的垂直磁性各向異性的各向異性能量較小，并且當(dāng)磁性層的厚度增加時，其也易于降低，而這是極為不利的。為了解決上述問題，本申請人研究了其中將氧化物配置在磁性金屬的兩側(cè)以增加界面數(shù)量的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)被形成為使用了這種現(xiàn)象通過氧元素(0)與Co或狗的結(jié)合來產(chǎn)生界面磁性各向異性。也就是說，當(dāng)存儲層位于隧道屏蔽層上方時可以通過添加氧化物保護(hù)層(cap layer)，并且當(dāng)存儲層位于隧道屏蔽層下方時可以通過添加氧化物襯層(imderlayer)來增加基于界面磁性各向異性的磁性各向異性能量。除使用了保護(hù)層和/或襯層的結(jié)構(gòu)之外，也可以通過其中存儲層通過交替層疊磁性層來形成的結(jié)構(gòu)來增加誘導(dǎo)垂直磁性各向異性的界面數(shù)量，并且因此增加了各向異性能量。但是，由于用于上述結(jié)構(gòu)的氧化物(MgO)總體上是具有較高阻抗的絕緣物質(zhì)，并且用作與磁阻變化重疊的串聯(lián)阻抗，其中該磁阻變化是通過利用設(shè)置在磁化固定層與存儲層之間的隧道屏蔽層在其間產(chǎn)生的隧道磁阻效應(yīng)所獲得的，并且因此，在某些情況下，存儲元件的阻抗變化率易于出現(xiàn)下降。由于讀取信號的強(qiáng)度會因阻抗的變化率降低，所以問題可能加劇，例如，為了克服上述降低而使電路復(fù)雜化，或者讀取速度易于出現(xiàn)不利的下降。因此，在本發(fā)明中，決定形成下述存儲元件。也就是說，根據(jù)發(fā)明實施例的存儲元件具有存儲層，其中該存儲層具有與膜表面垂直的磁化，并且在該存儲層中，磁化方向隨信息發(fā)生改變。另外，上述存儲元件具有磁化固定層，其中該磁化固定層具有與膜表面垂直的磁化，該膜表面用作為存儲在該存儲層中的信息的基體。該存儲元件還具有非磁性物質(zhì)的絕緣層，其中該絕緣層被設(shè)置在存儲層與磁化固定層之間。另外，通過使用沿層結(jié)構(gòu)的層疊方向流動的電流所產(chǎn)生的自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來使該存儲層的磁化發(fā)生反轉(zhuǎn)以存儲信息，其中該層結(jié)構(gòu)具有存儲層、絕緣層和磁化固定層。在該存儲元件中，該存儲層具有磁性層和導(dǎo)電氧化物的層疊結(jié)構(gòu)。另外，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲裝置包括根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件和兩種彼此交叉的配線，該存儲元件配置在這兩種配線之間，并且使電流能夠沿層疊方向通過這兩種配線流入該存儲元件。根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件，磁化固定層被設(shè)置在該存儲層上，其中絕緣層 (隧道屏蔽層)被設(shè)置在該磁化固定層與該存儲層之間，并且由于通過使用沿層疊方向流動的電流所產(chǎn)生的自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來使該存儲層的磁化發(fā)生反轉(zhuǎn)以執(zhí)行信息的記錄，所以可以通過使電流沿層疊方向流動來記錄信息。在此情況下，由于該存儲層為垂直磁性各向異性膜，所以可以降低使該存儲層的磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)所需要的寫入電流。另外，可以通過垂直磁性各向異性膜較高的磁性各向異性能量來充分地保持該存儲層的熱穩(wěn)定性。在本發(fā)明中，該存儲層是其中例如分別包括鐵(Fe)和鈷(Co)的至少一者的磁性層和分別由氧化物形成的層彼此交替層疊的多層膜。此外，由氧化物形成的層是具有高導(dǎo)電率的所謂導(dǎo)電氧化物。在根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件中，由于除鐵磁性隧道結(jié)以外的部分(除絕緣層以外的部分)不包括由絕緣物質(zhì)所形成的層，其中從該鐵磁性隧道結(jié)獲得讀取信息，所以降低了無助于隧道磁阻效應(yīng)的串聯(lián)阻抗成分，并且因此，可以有效地抑制讀取信號強(qiáng)度的降低。另外，根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲裝置的結(jié)構(gòu)，由于電流沿層疊方向通過兩種配線流入存儲元件時，引起了自旋轉(zhuǎn)移，所以當(dāng)電流能夠沿存儲元件的層疊方向流動通過這兩種配線時，可以通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來記錄信息。此外，由于能夠充分保持存儲層的熱穩(wěn)定性，所以可以穩(wěn)定地保持存儲在該存儲元件中的信息，并且能夠?qū)崿F(xiàn)存儲元件的小型化、可靠性的提高和能耗的降低。根據(jù)本發(fā)明，由于能夠容易地得到具有垂直磁性各向異性的存儲元件，所以在充分確保熱穩(wěn)定性，即信息保持能力的同時，能夠形成平衡性能良好的存儲元件。因此，可以避免工作誤差，并且可以充分得到存儲元件的經(jīng)營利潤。因此，可以實現(xiàn)操作穩(wěn)定、可靠性高的存儲器。另外，可以減小寫入電流，并且也可以降低將信息寫入存儲元件中所需要的能耗。 因此，可以降低整個存儲裝置的能耗。
此外，由于可以減少無助于隧道磁阻效應(yīng)的串聯(lián)阻抗成分，從而可以抑制讀取信號強(qiáng)度的降低，也可以避免復(fù)雜的電路和讀取速度的降低。


圖1是根據(jù)實施例的存儲裝置(存儲器裝置)的概要結(jié)構(gòu)視圖(立體視圖)；圖2是根據(jù)實施例的存儲元件的剖視圖；圖3是通過磁性層和氧化物層交替層疊所形成的存儲層結(jié)構(gòu)的示例進(jìn)行闡明的剖視圖；圖4是通過磁性層和氧化物層交替層疊所形成的、根據(jù)實施例的存儲層結(jié)構(gòu)的示例進(jìn)行闡明的剖視圖；圖5是其中存儲層配置在磁化固定層下側(cè)的存儲元件的剖視圖；圖6是示出試驗中所使用的存儲元件樣品的剖視結(jié)構(gòu)的視圖；圖7是示出本發(fā)明實施例中所使用的導(dǎo)電氧化物的優(yōu)選材料的圖表；圖8是通過自旋注入來使磁化反轉(zhuǎn)的存儲器裝置的概要結(jié)構(gòu)的立體視圖；以及圖9是圖8中存儲器裝置的剖視圖。
具體實施例方式下面，將描述本發(fā)明的具體實施方式
(下面被稱作“實施例”)。將按照以下次序進(jìn)行描述。<1.根據(jù)實施例的存儲元件的概述<2.根據(jù)實施例的結(jié)構(gòu)<3.試驗<4.修改例<1.根據(jù)實施例的存儲元件的概述首先，將描述根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲元件的概述。根據(jù)本發(fā)明的實施例，通過上述自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)，使該存儲元件的存儲層的磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)來記錄信息。該存儲層是由磁性物質(zhì)形成的鐵磁性層，并且通過該磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)(磁化方向)來保持信息。盡管下面將進(jìn)行詳細(xì)的描述，但是通過示例的方式示出了根據(jù)本實施例的存儲元件具有如圖2所示的層結(jié)構(gòu)，并且具有至少兩個鐵磁性層，即存儲層17和磁化固定層15，并且還具有設(shè)置在上述兩個磁性層之間的絕緣層16，作為中間層。存儲層17具有與膜表面垂直的磁化，并且磁化方向隨信息發(fā)生改變。磁化固定層15具有與膜表面垂直的磁化，其中該膜表面用作為存儲在存儲層17 中的信息的基體。絕緣層16包含非磁性物質(zhì)，并且被設(shè)置在存儲層17與磁化固定層15之間。當(dāng)將自旋極化電子注入沿層疊方向具有存儲層17、絕緣層16和磁化固定層15的層結(jié)構(gòu)中時，存儲層17的磁化方向發(fā)生改變，并且信息被記錄在存儲層17中。 下面，將簡要地描述自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)。
電子具有兩種自旋角動量。這些動量暫時被定義為向上動量和向下動量。在非磁性物質(zhì)中，分別具有向上動量的電子數(shù)目等于分別具有向下動量的電子數(shù)目，并且在鐵磁性物質(zhì)中，上述數(shù)目彼此不同。在兩個鐵磁性層中，當(dāng)這兩層的磁矩方向彼此相反時(下面被稱作“相反方向狀態(tài)”)，磁化固定層15和存儲層17形成了自旋力矩磁化隨機(jī)存取存儲器(ST-MRAM)，將討論其中電子從磁化固定層15移動到存儲層17的情況。磁化固定層15是其中磁矩方向通過高抗磁力固定的固定磁性層。經(jīng)過磁化固定層15的電子被自旋極化，即，向上電子的數(shù)目不同于向下電子的數(shù)目。當(dāng)絕緣層16，即非磁性層被形成為具有充分小的厚度時，在經(jīng)過磁化固定層15的電子所引起的自旋極化被減弱并且被放置在一般非磁性物質(zhì)的非極化狀態(tài)(其中向上電子的數(shù)目等于向下電子的數(shù)目)下之前，電子到達(dá)存儲層17。由于存儲層17中的自旋極化度符號與磁化固定層15中的自旋極化度符號相反， 所以為了降低系統(tǒng)能量，使一些電子發(fā)生了反轉(zhuǎn)，即，其自旋角動量的方向發(fā)生了改變。在此情況下，由于在理論上，系統(tǒng)的總角動量守恒，所以也將相當(dāng)于其方向發(fā)生改變的電子所引起的角動量總變化的反作用傳遞給存儲層17的磁矩。當(dāng)電流，即單位時間內(nèi)經(jīng)過的電子數(shù)目減小時，其方向發(fā)生變化的電子的總數(shù)目也會減小，并且在存儲層17的磁矩中所產(chǎn)生的角動量的變化也會減?。坏?，當(dāng)電流增加時，可以傳遞角動量在單位時間內(nèi)的較大變化。角動量的時間變化表示力矩，并且當(dāng)該力矩超過某一閾值時，存儲層17的磁矩開始作旋進(jìn)運(yùn)動，并且當(dāng)旋轉(zhuǎn)180°時被其單軸各向異性穩(wěn)定。也就是說，發(fā)生了從相反方向到相同方向(其中磁矩方向為同一方向的狀態(tài))的反轉(zhuǎn)。如果磁化處于相同方向狀態(tài)下，并且反向供給電流以沿從存儲層17到磁化固定層15的方向發(fā)送電子，則當(dāng)在磁化固定層15處被反射的自旋極化電子進(jìn)入存儲層17時傳遞力矩，并且可以將該磁矩反轉(zhuǎn)到相反方向狀態(tài)。但是，在此情況下，引起反轉(zhuǎn)所需要的電流大于其中將相反方向狀態(tài)反轉(zhuǎn)到相同方向狀態(tài)的情況下的電流。盡管很難直觀地理解磁矩從相同方向狀態(tài)到相反方向狀態(tài)的反轉(zhuǎn)，但是以此方式可以理解，磁矩不會在磁化固定層15中發(fā)生反轉(zhuǎn)，這是因為其磁化是固定的，并且為了使整個系統(tǒng)的角動量守恒，使磁矩在存儲層17中發(fā)生反轉(zhuǎn)。如上所述，通過根據(jù)相對應(yīng)的極性沿從磁化固定層15到存儲層17的方向或沿相反方向供給某一閾值或更大的電流來執(zhí)行 “0”或“1”的記錄。通過使用磁阻效應(yīng)來執(zhí)行信息的讀取，這如同有關(guān)MRAM中的情況。也就是說，與上述記錄的情況一樣，沿垂直于膜表面的方向供給電流。另外，使用了這種現(xiàn)象根據(jù)存儲層17的磁矩與磁化固定層15的磁矩是否同向或是否反向來使元件的電阻發(fā)生變化。在本實施例中，在磁化固定層15與存儲層17之間，設(shè)置了絕緣層16，即非磁性和絕緣物質(zhì)。如上所述，由于絕緣層16被設(shè)置在磁化固定層15與存儲層17之間，所以與設(shè)置了例如金屬膜的情況相比，其獲得了較大的讀取信號(阻抗的變化率)，并且可以通過較小的電流來執(zhí)行記錄。將其中絕緣層16被設(shè)置在磁化固定層15與存儲層17之間的結(jié)構(gòu)稱作鐵磁性隧道結(jié)(磁性隧道結(jié)=MTJ)。
當(dāng)磁性層的磁化方向通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)發(fā)生反轉(zhuǎn)時所需要的電流閾值Ic發(fā)生變化時，該磁性層的易磁化軸處于與表面平面平行的面內(nèi)方向上或與其垂直的方向上。具體而言，當(dāng)面內(nèi)磁化型ST-MRAM的反轉(zhuǎn)電流用Ic_para表示時，磁化的反轉(zhuǎn)方向與反轉(zhuǎn)電流Ic_para之間的關(guān)系表示如下。相同方向狀態(tài)到相反方向狀態(tài)Ic_para = {Α · α · Ms · V/ (g (0) *P)} (Hk+2 π Ms)相反方向狀態(tài)到相同方向狀態(tài)Ic_para = - {A · α · Ms · V/ (g ( π ) *Ρ)} (Hk+2 π Ms)在上面的公式中，A表示常數(shù)，α表示阻尼常數(shù)，Ms表示飽和磁化量，V表示元件體積，(g(0)*p和(g(JT)*P表示與沿相同方向或反向方將自旋力矩傳送到相對磁性層的效率分別對應(yīng)的系數(shù)，并且Hk表示磁性各向異性(見Nature Materials. , 5, 210 (2006)) 0另一方面，當(dāng)垂直磁化型ST-MRAM的反轉(zhuǎn)電流用Ic_perp表示時，得到了下列關(guān)系。相同方向狀態(tài)到相反方向狀態(tài)Ic_perp = {Α · α · Ms · V/(g(0)*P)} (Hk_4 π Ms)相反方向狀態(tài)到相同方向狀態(tài)Ic_perp = - {Α · α · Ms · V/ (g ( π ) } (Hk~4 π Ms)在上面的公式中，當(dāng)垂直磁化型的(Hk-4JiMs)與面內(nèi)磁化型的(Hk+2 π Ms)比較時，可以理解該垂直磁化型更適于減小記錄電流。順便提及，ST-MRAM必須保持被存儲的信息作為有效的存儲器。可能提及保持信息的能力指標(biāo)，例如熱穩(wěn)定性的指標(biāo)Δ ( = KV/kBT)。該Δ用下面的公式1表示。Δ = KV/kBT = Ms · V · Hk · (l/2kBT) · · ·[等式 1]在上面的公式中，Hk表示有效各向異性場，kB表示波耳茲曼常數(shù)，T表示溫度，Ms 表示飽和磁化量，并且V表示存儲層的體積。形狀磁性各向異性、誘導(dǎo)磁性各向異性和結(jié)晶磁性各向異性的作用均包含在有效各向異性場Hk中，并且當(dāng)假設(shè)抗磁旋轉(zhuǎn)模型位于單磁區(qū)中時，有效各向異性場Hk等于該抗磁力。在許多情況下，熱穩(wěn)定性的指標(biāo)Δ和電流閾值Ic具有取舍(trade-off)關(guān)系。因此，在許多情況下，為了保持存儲器的性能，要求同時滿足這兩個參數(shù)。在其中存儲層17的厚度例如為2nm且其平面圖案呈略橢圓形IOOnmX 150nm的 TMR元件中，使存儲層17的磁化狀態(tài)發(fā)生改變的電流閾值實際上如下所述。A+側(cè)閾值+Ic 等于+0. 5mA, A-側(cè)閾值-Ic等于-0. 3mA,并且在此情況下的電流密度約為3. 5X 106A/cm2。 這些大致與上述公式1一致。另一方面，在通過電流磁場執(zhí)行磁化反轉(zhuǎn)的一般性MRAM中，必須使用數(shù)毫安級的寫入電流。因此，可以發(fā)現(xiàn)在ST-MRAM的情況下，如上所述，由于寫入電流的閾值被充分減少，所以ST-MRAM在降低集成電路的能耗方面是有效的。另外，由于用于一般性MRAM的磁場生成配線對ST-MRAM來說是沒有必要的，所以與一般性MRAM相比，ST-MRAM在集成度方面也是頗具優(yōu)勢。
由于在執(zhí)行自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)的ST-MRAM中，電流被直接供給用于寫入(記錄) 信息存儲元件，所以為了選擇執(zhí)行寫入的存儲器單元，將該存儲元件連接到選擇性晶體管以形成該存儲器單元。在此情況下，流入該存儲元件的電流通過能夠流過該選擇性晶體管的電流(選擇性晶體管的飽和電流)來限定。為了減少記錄電流，優(yōu)選使用上述垂直磁化型。另外，由于垂直磁化各向異性膜總體上能夠具有比面內(nèi)磁化各向異性膜的磁性各向異性高的磁性各向異性，所以優(yōu)選可以保持上述Δ較高。作為具有垂直各向異性的磁性材料，例如，可能提及這幾種材料，如稀土過渡金屬合金(TbCc^e等)、金屬多層膜(Co/Pd多層膜等)，有序合金O^ePt等)和分別使用了氧化物與磁性金屬之間的界面磁性各向異性的復(fù)合材料(Co/MgO等)。在上述這些材料中，由于稀土過渡金屬合金受熱會擴(kuò)散并結(jié)晶，導(dǎo)致喪失垂直磁化各向異性，所以該材料并不優(yōu)選用作ST-MRAM的材料。另外，已經(jīng)很好地了解到金屬多層膜會受熱擴(kuò)散，從而降低其垂直磁化各向異性。另外，由于只能沿面心立方晶體的(111)取向獲得垂直磁化各向異性，所以很難實現(xiàn)MgO所需要的(001)取向和被配置為與其鄰接的極化率較高的層，其中該極化率較高的層例如由Fe、CoFe或CoFeB形成。另外，由于LlO有序合金在高溫下很穩(wěn)定，并且展示了沿(001)取向的垂直磁化各向異性，所以上述問題不會加劇。但是，由于在制造過程中必須在500°C或更高的溫度下執(zhí)行加熱，或者在制造之后在500°C或更高的溫度下執(zhí)行熱處理用以規(guī)則地排列原子，所以在某些情況下，可能在層疊膜，如絕緣層16 (隧道屏蔽層)的另一部分中發(fā)生不利的擴(kuò)散和/ 或界面粗糙度的增加。 另一方面，通過使用了界面磁化各向異性的復(fù)合材料，即，通過層疊在隧道屏蔽層諸如MgO上的、基于Co或基于狗的材料，就不會發(fā)生上述任何問題，并且因此，該復(fù)合材料有望成為ST-MRAM的、頗具前途的存儲層材料。盡管認(rèn)為當(dāng)包含在氧化物中的氧元素在界面處與Co或！^結(jié)合時會產(chǎn)生基于界面磁化各向異性的垂直磁化各向異性，但是與有序合金的結(jié)晶磁化各向異性和稀土元素的單離子各向異性相比，其各向異性能量較低，并且當(dāng)磁性層厚度減小時，該各向異性能量也會出現(xiàn)不利的下降。為了解決上述問題，本申請人已經(jīng)提出了其中將氧化物配置在磁性金屬兩側(cè)以增加界面數(shù)量的結(jié)構(gòu)(日本專利申請No. 2010-2015 )。具體而言，例如，該結(jié)構(gòu)如下所述。基底/襯層/磁化固定層/Mg0(隧道屏蔽層)/存儲層/氧化物保護(hù)層通過上述結(jié)構(gòu)，作為有助于界面磁化各向異性的界面，除了存儲層/Mg0(隧道屏蔽層)之間的界面之外，額外獲得了存儲層/氧化物保護(hù)層之間的一個界面，并且因此可以有效地增加該存儲層的各向異性。另外，為了增加有助于垂直磁化各向異性的界面數(shù)量，通過交替層疊磁性層和氧化物層所形成的層疊結(jié)構(gòu)也是有效的存儲層結(jié)構(gòu)。具體而言，上述結(jié)構(gòu)如圖3的剖視圖所示。在圖3的示例中，包含Co和狗之一的層被示為形成存儲層17的磁性層，并且使用了 MgO的層被示為氧化物層。但是，由于用于該結(jié)構(gòu)的氧化物層(諸如MgO) —般由絕緣物質(zhì)形成，所以其阻抗很高，并且該阻抗與由磁化固定層與存儲層之間的隧道磁阻效應(yīng)所獲得磁阻變化重疊，使得在某些情況下，可以降低的阻抗的變化率。因此，本申請人發(fā)現(xiàn)當(dāng)通過交替層疊磁性層與氧化物層所形成的結(jié)構(gòu)用作存儲層17時，該氧化物層使用導(dǎo)電氧化物來形成。為了便于確認(rèn)，使用導(dǎo)電氧化物所形成的存儲層17的結(jié)構(gòu)(剖視圖)如圖4所示。通過上述結(jié)構(gòu)，可以減少串聯(lián)阻抗成分，其中該串聯(lián)阻抗成分無助于隧道磁阻效應(yīng)并且與產(chǎn)生隧道磁阻效應(yīng)的隧道屏蔽部分(絕緣層16)的阻抗重疊，并且可以有效地抑制隧道磁阻效應(yīng)的降低。另外，將磁阻效應(yīng)反映到讀取信號的強(qiáng)度。如上所述，由于可以抑制磁阻效應(yīng)的降低，所以可以避免其中為了阻止信號強(qiáng)度降低而使電路復(fù)雜的情況和/或其中讀取速度降低的情況。在本實施例中，存儲層17是其中磁性層和氧化物層彼此交替的垂直磁化各向異性膜，其中該磁性層分別包含Co和!^e的至少一者，該氧化物層具有較高的導(dǎo)電性。此外，鑒于選擇性晶體管的飽和電流值，將由絕緣物質(zhì)形成的絕緣層16設(shè)置在存儲層17與磁化固定層15之間，作為非磁性層以形成磁性隧道結(jié)(MTJ)元件。通過使用隧道絕緣層形成磁性隧道結(jié)(MTJ)元件，與其中通過使用非磁性導(dǎo)電層形成巨磁電阻效應(yīng)(GMR)元件的情況相比，其可以增加磁阻的變化率(在下面某些情況下， 其被稱作“MR比率”)，并且可以增加讀取信號的強(qiáng)度。另外，具體而言，通過將氧化鎂(MgO)用作絕緣層16的材料，其中絕緣層16充當(dāng)該隧道絕緣層，可以增加磁阻的變化率(MR比率)。總體上，自旋轉(zhuǎn)移的效率取決于MR比率，并且當(dāng)MR增大時，自旋轉(zhuǎn)移的效率提高， 并且可以減小磁化反轉(zhuǎn)電流密度。因此，當(dāng)將氧化鎂用作絕緣層16的材料時，并且當(dāng)其與上述存儲層17—起使用時，可以減少通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)的寫入電流閾值，并且可以通過較小的電流來寫入(記錄)信息。另外，也可以增加讀取信號的強(qiáng)度。如上所述，盡管確保了 MR比率(TMR比率)，但是可以減少通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)的寫入電流閾值，并且可以通過較小的電流來寫入(記錄)信息。另外，也可以增加讀取信號的強(qiáng)度。當(dāng)絕緣層16由氧化鎂(MgO)膜形成時，更優(yōu)選使MgO膜結(jié)晶并且將其結(jié)晶取向保持在(001)方向。在本實施例中，除了由氧化鎂形成的結(jié)構(gòu)之外，可以通過使用例如諸如氧化鋁、氮化鋁、Si02、Bi203、MgF2, CaF、SrTiO2^AlLaO3和Al-N-O之類的各種絕緣物質(zhì)、電介質(zhì)和半導(dǎo)體來形成充當(dāng)隧道屏蔽層的絕緣層16。另外，必須將絕緣層16的面阻抗(areal resistance)控制到約數(shù)十Ω · μ m2或更小，以得到通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)而使存儲層17的磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)的電流密度。為了將由MgO膜形成的絕緣層16的面阻抗控制在上述范圍內(nèi)，必須將其厚度設(shè)置為1. 5nm或更小。在上述實施例的情況下，磁性層和氧化物層彼此交替用作存儲層17，并且另外，導(dǎo)電氧化物用作氧化物層。作為本實施例中的導(dǎo)電氧化物，例如，可以使用Re03、RuO2, SnO2, TiO2, LiTi204、
11LiV2O4和狗304，并且另外，當(dāng)通過形成氧缺陷或通過摻雜不同元素來傳遞電導(dǎo)時，也可以使用在通常情況下具有絕緣性能的氧化物。另外，為了通過較小的電流輕松地使存儲層17的磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，優(yōu)選減小存儲元件的尺寸。優(yōu)選將該存儲元件的面積設(shè)定為0. 01 μ m2或更小。在本實施例中，可以將除&)和!^e以外的元素添加到磁性層，其中該磁性層形成了存儲層17的一部分。通過添加不同類型的元素，可以得到許多優(yōu)點(diǎn)，如通過阻止擴(kuò)散來提高熱阻，增加磁阻效應(yīng)以及增加平坦化所引起的耐電壓。在此情況下，作為添加的材料，例如，可以使用 Ru、Os、Re、Ir、Au,、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb 或其合金。也可以通過直接層疊具有不同成分的其它鐵磁性層來形成根據(jù)本發(fā)明實施例的存儲層17。另外，可以彼此層疊鐵磁性層和弱磁性層，或者可以利用弱磁性層與非磁性層的至少一者來層疊多個鐵磁性層，其中該非磁性層設(shè)置在鐵磁性層與弱磁性層之間。具體而言，當(dāng)利用設(shè)置在其間的至少一個非磁性層來層疊多個鐵磁性層時，由于可以調(diào)節(jié)鐵磁性層之間相互作用的強(qiáng)度，所以即使存儲元件的尺寸被減至亞微米級或更小，也可以得到抑制磁化反轉(zhuǎn)電流增加的效果。在此情況下，作為非磁性層的材料，例如，可以使用 Ru、Os、Re、Ir、Au，、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb 或其合
^^ ο可以只通過鐵磁性層或通過使用反鐵磁性層和鐵磁性層之間的反鐵磁耦合，來形成磁化固定層15，使得其磁化方向固定。另外，磁化固定層15可以由單個鐵磁性層或?qū)盈B(ferri-pirmed)結(jié)構(gòu)形成，其中在該層疊鐵銷結(jié)構(gòu)中，鐵磁性層通過設(shè)置在其間的非磁性層而層疊。作為鐵磁性層的材料，其中該鐵磁性層形成了具有層疊鐵銷結(jié)構(gòu)的磁化固定層 15，例如，可以使用Co, CoFe ^P CoFeB0另夕卜，作為非磁性層的材料，例如，可以使用Ru、Re、 Ir 禾口 Os。作為反鐵磁性層的材料，可以涉及磁性物質(zhì)，諸如!^eMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn 合金、IrMn 合金、NiO 和 F%03。通過將諸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、0、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir, W, Mo 和 Nb 之
類的非磁性元素添加到上述這些磁性物質(zhì)中，可以調(diào)節(jié)磁性性能，和/或也可以調(diào)節(jié)其它各種物理性能，如結(jié)晶結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性以及物質(zhì)的穩(wěn)定性。磁化固定層15的厚度和存儲層17的厚度分別優(yōu)選在0. 5nm至30nm的范圍內(nèi)。存儲元件3的其余結(jié)構(gòu)可以形成為與通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來記錄信息的存儲元件的常規(guī)結(jié)構(gòu)類似。<2.根據(jù)實施例的結(jié)構(gòu)接著，將描述根據(jù)本實施例的存儲元件的存儲裝置的具體結(jié)構(gòu)。圖1示出了存儲器裝置如根據(jù)本發(fā)明一個實施例的存儲裝置的概要結(jié)構(gòu)視圖(立體圖)。在該存儲器裝置中，在垂直相交的兩種地址配線(如字線和位線)的交叉點(diǎn)附近， 配置了能夠通過磁化狀態(tài)保持信息的存儲元件3。
也就是說，在被元件隔離層2隔離的半導(dǎo)體基體10，如硅基底的一部分中，形成了漏區(qū)8、源區(qū)7和柵極1，其中漏區(qū)8、源區(qū)7和柵極1形成了用于選擇各存儲單元的選擇性晶體管。在上面所述的元件中，柵極1也充當(dāng)垂直于附圖中平面延伸的地址配線(如字線)。漏區(qū)8通常被形成為用于選擇性晶體管，其中該選擇性晶體管位于附圖的左、右側(cè)，并且配線9被連接到該漏區(qū)8。另外，存儲元件3被配置在源區(qū)7與其它配線(如位線)6之間，其中該位線6被配置在源區(qū)7上方以沿圖中的左-右方向延伸。該存儲元件3配置在兩種地址配線1與6之間的交叉點(diǎn)附近。另外，存儲元件3通過上、下接觸層4分別連接到位線6和源區(qū)7。因此，通過兩種配線1和6，使電流能夠沿上-下方向流入存儲元件3，使得可以通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來使該存儲層的磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。圖2是根據(jù)本實施例的存儲元件3的剖視圖。如圖2所示，存儲元件3由存儲層17和磁化固定層15形成，其中在存儲層17中， 通過自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)使磁化M17的方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，并且磁化固定層15設(shè)置在存儲層17 下方。在ST-MRAM中，存儲層17的磁化M17與磁化固定層15的M15之間的相對角度規(guī)定信息“0”或“1”。在存儲層17與磁化固定層15之間，形成了用作隧道屏蔽層(隧道絕緣層)的絕緣層16，并且MTJ元件通過存儲層17與磁化固定層15來形成。另外，襯層14形成在磁化固定層15的下側(cè)，并且保護(hù)層18形成在存儲層17的上側(cè)。在本實施例中，如上所述，具體而言，存儲層17是其中磁性層和導(dǎo)電氧化物彼此交替層疊的垂直磁化各向異性膜，其中該磁性層分別包含Co和!^e的至少一者。此外，在本實施例中，絕緣層16由氧化鎂層形成以增加磁阻的變化率(MR比率)。如上所述，當(dāng)MR比率增加時，可以提高自旋注入的效率，并且可以減少使存儲層 17的磁化方向M17發(fā)生反轉(zhuǎn)所需要的電流密度。另外，在本實施例中，可以將諸如Ta之類的金屬用于保護(hù)層18，其中該保護(hù)層18 被配置為與存儲層17鄰接?？梢栽谡婵昭b置中，通過連續(xù)形成從襯層14到保護(hù)層18的層的步驟來制造根據(jù)本實施例的存儲元件3，并且接著通過刻蝕法等來形成存儲元件3的圖案。由于存儲層17是垂直磁化各向異性膜，所以根據(jù)本實施例的存儲元件3可以減少使存儲層17的磁化方面M17發(fā)生反轉(zhuǎn)所需要的寫入電流。另外，由于將其中磁性層和導(dǎo)電氧化物彼此交替層疊的結(jié)構(gòu)用于存儲層17，其中該磁性層分別包含Co和狗的至少一者，所以可以有效地抑制磁阻效應(yīng)的降低。如上所述，由于能夠充分地確保其熱穩(wěn)定性，即信息保持能力，所以可以實現(xiàn)性能良好的存儲元件。因此，可以避免工作誤差，并且可以充分地獲得存儲元件3的運(yùn)營利潤，使得能夠穩(wěn)定地操作存儲元件3。因此，實現(xiàn)了能夠穩(wěn)定工作的、可靠度高的存儲器。另外，可以減少寫入電流，并且也可以減少存儲元件3進(jìn)行寫入所需要的能耗。因此，可以減少整個系統(tǒng)的能耗。此外，根據(jù)本實施例，由于形成存儲層17的一部分的氧化物層是導(dǎo)電物質(zhì)，所以可以減少串聯(lián)電阻，其中該串聯(lián)電阻無助于磁阻效應(yīng)并且與生成隧道磁阻效應(yīng)的隧道屏蔽部分的電阻重疊，并且可以抑制隧道磁阻效應(yīng)的降低。由于磁阻效應(yīng)被反映到讀取信號的強(qiáng)度，所以當(dāng)抑制磁阻效應(yīng)的降低時，可以避免其中信號強(qiáng)度降低而使電路復(fù)雜和/或讀取速度降低的情況。另外，有利地是，可以通過使用一般性半導(dǎo)體MOS成型處理來制造圖1所示的存儲器裝置結(jié)構(gòu)，其中該存儲器裝置包括圖2所示的存儲元件3。因此，可以將根據(jù)本實施例的存儲器裝置用作一般性目的的存儲器。盡管上面以存儲元件結(jié)構(gòu)示例的方式描述了其中保護(hù)層18、存儲層17、絕緣層 16、磁化固定層15和襯層14自上層側(cè)依次配置的結(jié)構(gòu)，但是如圖5所示的、根據(jù)本發(fā)明實施的存儲元件，也可以形成其中存儲層17配置在磁化固定層15下側(cè)的結(jié)構(gòu)。具體而言，該結(jié)構(gòu)被形成為使得保護(hù)層18、磁化固定層15、絕緣層16、存儲層17和襯層14自上層側(cè)依次配置。<3.試驗在參考圖2所述的存儲元件3的結(jié)構(gòu)中，尤其通過選擇形成保護(hù)層18的材料，形成了存儲元件3的樣品，并且研究了其性能。盡管切換半導(dǎo)體電路等安裝在除圖1所示的存儲元件3以外的實際存儲器裝置中，但是在本試驗中，為了研究被定位為與保護(hù)層18鄰接的存儲層17的磁化反轉(zhuǎn)性能，使用了其中只形成存儲元件部分的晶片以便研究。在厚度為0. 725mm的硅基底上形成厚度為300nm的熱氧化物膜，并且在該氧化物膜上形成圖2所示的存儲元件3的結(jié)構(gòu)。具體而言，在圖2所示的存儲元件3的結(jié)構(gòu)中，如下所述來選擇各層的材料和厚度。襯層14....厚度為IOnm的Ta膜的和厚度為25nm的Ru膜的層疊膜磁化固定層15....厚度為2. 5nm的CoFeB膜絕緣層16....厚度為0. 9nm的氧化鎂膜存儲層17. . . . CoFeB/MgO層疊膜(存儲元件3A) ,CoFeB/CoTiO層疊膜(存儲元件 3B)或者Cc^eB (存儲元件3C)保護(hù)層18....厚度為5nm的Ta膜在本試驗中，存儲元件3A、存儲元件;3B和存儲元件3C分別用“樣品3A”、“樣品!3B” 和“樣品3C”來表示。在上面的膜結(jié)構(gòu)中，存儲層17的鐵磁性層的Coi^eB組分為 Col6% -Fe64% _B20%，并且該鐵磁性層的厚度為0. 8nm。另外，將MgO(樣品3A)的厚度和 CoTiO(樣品;3B)的厚度分別設(shè)定為0. 2nm。在樣品3A和;3B中，層疊次數(shù)為5。也就是說，樣品3A和如下所示。樣品3A [CoFeB/Mg0/CoFeB/Mg0/CoFeB/Mg0/CoFeB/Mg0/CoFeB]樣品3B [CoFeB/CoTiO/CoFeB/CoTiO/CoFeB/CoTiO/CoFeB/CoTiO/CoFeB]通過使用RF磁控管濺射法來獲得由氧化鎂(MgO)膜形成的絕緣層16和由MgO或CoTiO形成的存儲層17，并且通過DC磁控管濺射法來形成其它膜。此外，在樣品3A至3C的每一者中，在形成各層之后，在350°C的磁場熱處理爐中執(zhí)行熱處理達(dá)2h，并且通過使用一般電子束光刻或離子銑削處理來形成直徑為50nm的圓柱形存儲層17。在樣品3A中，MgO是絕緣物質(zhì)，并且在樣品:3B中，CoTiO是室溫下其阻抗率約為 0. 1Ω · cm的半導(dǎo)體。為了便于確認(rèn)，樣品3A至3C的每一者的剖視結(jié)構(gòu)如圖6所示。如圖所示，在樣品3A至3C中，其結(jié)構(gòu)比較普遍保護(hù)層18、存儲層17、絕緣層16 和磁化固定層15自上層側(cè)依次形成。下面，將討論存儲元件如樣品3A至3C的每一者的阻抗和TMR變化率(TMR比率)。首先，由于磁化固定層15和保護(hù)層18分別由金屬形成，絕緣層16由氧化物形成， 并且存儲層17包含氧化物(3A和:3B)，所以存儲元件的阻抗由絕緣層16的阻抗和存儲層 17的阻抗決定。對絕緣層16的阻抗和存儲層17中氧化物層的阻抗而言，由于其厚度非常小，僅使得隧道電流流過，所以方便引入面阻抗(RA)的概念。該面阻抗用阻抗乘以面積來表示，并且其單位為[Ω · μπι2]。絕緣層16的面阻抗和氧化物層的面阻抗分別由從其材料中提取的厚度和數(shù)值決定，并且當(dāng)其面積增加時，其實際阻抗減小，并且當(dāng)其面積減小時，其實際阻抗增大。當(dāng)TMR比率較高時，即，當(dāng)其中存儲層17的磁化方向與磁化固定層15的磁化方向處于相同方向的情況與其中存儲層17的磁化方向與磁化固定層15的磁化方向處于相反方向的情況之間(即，在“O”狀態(tài)與“1”狀態(tài)之間)的阻抗變化率較高時，ST-MRAM的讀取信號增加。當(dāng)存儲元件的阻抗由絕緣層16的阻抗決定時，“O”狀態(tài)與“1”狀態(tài)之間的阻抗變化由絕緣層16、磁化固定層15和存儲層17的材料決定，并且用下列公式表示。TMR(% ) = 100 · (RAh-RAl)/RAl在上面的公式中，相同方向狀態(tài)下的面阻抗用表示，并且相反方向狀態(tài)下的面阻抗用RAh表示。但是，如本發(fā)明上面已經(jīng)描述的，在其中將氧化物添加到存儲層17以誘導(dǎo)垂直磁化各向異性的情況下，當(dāng)該氧化物具有絕緣性并且增加了存儲層17的、除絕緣層16 界面以外的部分處的阻抗時，串行添加無助于阻抗變化的阻抗RAf因此，阻抗的變化率用下列公式表示。TMR(% ) = 100 · (RAh-RAl)/(RAL+RA0X)也就是說，當(dāng)RAra增大時，阻抗的變化率下降。此外，對樣品3A至3C彼此進(jìn)行比較。當(dāng)測量樣品3C的RA和TMR的變化率時，RAl為20 Ω · μ m2，RAh為36 Ω · μ m2，并且TMR為80%。在該樣品3C中，阻抗主要由形成絕緣層16的MgO決定，并且R^由厚度為 0. 9nm的MgO，即絕緣層16決定。在此情況下，可以將RAra視為0。在樣品3A中，RAl為27 Ω · μ m2，RAh為43 Ω · μ m2，并且TMR為59%，并且在樣品 :3B 中，RAl 為 21 Ω · μ m2，RAh 為 37 Ω · μ m2，并且 TMR 為 76 %。也就是說，樣品 3A 的 RA。X 為7 Ω μ m2，并且樣品3B的RAqx為1 Ω · μ m2。由于氧化物層的厚度非常小、粗糙度和擴(kuò)散度，所以很難通過其阻抗率和厚度來簡單地估計其阻抗；但是，我們發(fā)現(xiàn)可以得到反映被添加氧化物阻抗率的阻抗。我們發(fā)現(xiàn)與樣品3C比較，將MgO用作存儲層17的樣品3A的TMR比率明顯下降， 并且另一方面，使用了 CoTiO的樣品;3B的TMR比率幾乎沒有下降。根據(jù)本發(fā)明，盡管必須將氧化物添加到存儲層17，但是由于使用了 CoTiO，即具有較低阻抗率的氧化物，所以可以抑制TMR比率的下降。當(dāng)然，盡管確定了電路構(gòu)造所必需的TMR比率的特定值，但是，例如通過讀取電路的性能，由于可以通過使用CoTiO來確保較高的TMR比率，所以電路設(shè)計變得容易是顯而易見的。作為被添加到存儲層17的導(dǎo)電氧化物，上面上述了 CoTiO;但是，當(dāng)然，導(dǎo)電氧化物并不限于此。導(dǎo)電氧化物的重要點(diǎn)在于，為了誘導(dǎo)垂直各向異性，必須包含氧原子，并且為了不使存儲元件的TMR比率明顯下降，阻抗率必須足夠低。在本試驗中，作為滿足上述阻抗率條件的氧化物材料，例如，可以提及如圖7所示的、分別通過適當(dāng)?shù)闹圃旆较蛐纬傻难趸?。但是，即使?dāng)將一般被視作絕緣物質(zhì)的材料用作基體材料時，如果通過摻雜和擴(kuò)散混合等來傳遞電導(dǎo)率，則也可以將上述材料用作有效抑制阻抗變化率下降的材料。也就是說，可以充分獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。<4.修改例至此，盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的實施例，但是本發(fā)明并不限于上述存儲元件3的膜結(jié)構(gòu)，并且也可以使用各種膜結(jié)構(gòu)。也就是說，可以在脫離本發(fā)明保護(hù)范圍的情況下形成各種結(jié)構(gòu)。例如，盡管上面描述了其中代替使用單層結(jié)構(gòu)的情況，但是可以將磁化固定層15 形成為具有兩層鐵磁性層和非磁性層的層疊鐵銷結(jié)構(gòu)，在此情況下，也可以通過進(jìn)一步將反鐵磁性膜添加到該層疊鐵銷結(jié)構(gòu)膜來形成該結(jié)構(gòu)。本申請包含于2011年1月7日向日本特許廳遞交的日本在先專利申請 JP2011-001921涉及的主題，在此通過引用將其全部內(nèi)容包含在本說明書中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不脫離所附權(quán)利要求的范圍及其等同范圍的前提下，取決于設(shè)計要求及其他因素，可以進(jìn)行各種改變、組合、子組合以及替換。
權(quán)利要求
1.一種存儲元件，所述存儲元件包括存儲層，所述存儲層具有與膜表面垂直的磁化，所述磁化的方向隨信息發(fā)生變化； 磁化固定層，所述磁化固定層具有與膜表面垂直的磁化，所述膜表面用作為存儲在所述存儲層中的信息的基體；以及非磁性物質(zhì)的絕緣層，所述絕緣層設(shè)置在所述存儲層與所述磁化固定層之間， 其中通過使用沿層結(jié)構(gòu)的層疊方向流動的電流所產(chǎn)生的自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來使所述存儲層的所述磁化發(fā)生反轉(zhuǎn)以存儲信息，所述層結(jié)構(gòu)包括所述存儲層、所述絕緣層和所述磁化固定層，以及所述存儲層具有包括磁性層和導(dǎo)電氧化物的層疊結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲元件，其中所述存儲層的所述磁性層包含Co和狗的至少一者。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲元件，其中所述導(dǎo)電氧化物包含 Re03、RuO2, SnO2, TiO2, CoTiO, LiTi2O4^ LiV2O4 和 Fii3O4 的一者ο
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的存儲元件， 其中所述絕緣層包含氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的存儲元件， 其中所述絕緣層包含MgO。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲元件， 還包括襯層和保護(hù)層，其中所述襯層、所述磁化固定層、所述絕緣層、所述存儲層和所述保護(hù)層依次層疊。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的存儲元件， 還包括襯層和保護(hù)層，其中所述襯層、所述存儲層、所述絕緣層、所述磁化固定層和所述保護(hù)層依次層疊。
8.一種存儲裝置，所述存儲裝置包括存儲元件，所述存儲元件通過磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)來保持信息；以及兩種配線，所述兩種配線彼此相交， 其中所述存儲元件包括存儲層，所述存儲層具有與膜表面垂直的磁化，所述磁化的方向隨信息發(fā)生變化； 磁化固定層，所述磁化固定層具有與膜表面垂直的磁化，所述膜表面用作為存儲在所述存儲層中的信息的基體；以及非磁性物質(zhì)的絕緣層，所述絕緣層設(shè)置在所述存儲層與所述磁化固定層之間， 通過使用沿層結(jié)構(gòu)的層疊方向流動的電流所產(chǎn)生的自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來使所述存儲層的所述磁化發(fā)生反轉(zhuǎn)以存儲信息，所述層結(jié)構(gòu)包括所述存儲層、所述絕緣層和所述磁化固定層，所述存儲層具有包括磁性層和導(dǎo)電氧化物的層疊結(jié)構(gòu)， 所述存儲元件配置在所述兩種配線之間，以及沿所述層疊方向流動的所述電流通過所述兩種配線流入所述存儲元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及存儲元件和存儲裝置，該存儲元件包括存儲層，該存儲層具有與膜表面垂直的磁化，該磁化的方向隨信息發(fā)生變化；磁化固定層，該磁化固定層具有與膜表面垂直的磁化，該膜表面用作為存儲在該存儲層中的信息的基體；以及非磁性物質(zhì)的絕緣層，該絕緣層設(shè)置在該存儲層與該磁化固定層之間，其中通過使用沿層結(jié)構(gòu)的層疊方向流動的電流所產(chǎn)生的自旋力矩磁化反轉(zhuǎn)來使該存儲層的磁化發(fā)生反轉(zhuǎn)以存儲信息，該層結(jié)構(gòu)包括該存儲層、該絕緣層和該磁化固定層，以及該存儲層具有包括磁性層和導(dǎo)電氧化物的層疊結(jié)構(gòu)。
文檔編號G11C11/02GK102592657SQ20111046133
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7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