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)明涉及存儲元件和包括該存儲元件的存儲裝置。該存儲元件包括將鐵磁層的磁化狀態(tài)作為信息存儲的存儲層以及磁化方向固定的磁化固定層，并且通過電流的流動來改變存儲層的磁化方向。
背景技術(shù)：
在諸如計算機的信息設(shè)備中，已經(jīng)廣泛使用了快速操作并且高密度的DRAM (動態(tài)隨機存取存儲器)作為隨機存取存儲器。然而，由于DRAM是當電源被切斷時丟失信息的易失性存儲器，所以盼望一種當電源被切斷時不丟失信息的非易失性存儲器。作為非易失性存儲器的候選，基于磁性材料的磁化來存儲信息的磁性隨機內(nèi)存 (MRAM)已吸引了關(guān)注并被研究。作為在MRAM中執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲的方法，例如，日本未審專利申請公開第2004-193595號公開了利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)(spin torque magnetizationreversal)的存儲元件，其中，執(zhí)行存儲的磁性材料的磁化被在兩個磁性材料之間流動的自旋扭矩反轉(zhuǎn)。此元件由于較簡單的結(jié)構(gòu)和大量的可重寫次數(shù)而引起了關(guān)注。類似于MRAM，利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的存儲元件在許多情況下由MTJ (磁性隧道結(jié))構(gòu)造。這種構(gòu)造利用了當穿過被固定為給定方向的磁性層的自旋極化電子進入另一自由磁性層(其中，方向未固定)時扭矩被施加于該磁性層的現(xiàn)象(此現(xiàn)象也被稱為自旋轉(zhuǎn)移扭矩)。在這種情況下，當使等于或大于給定閾值的電流流動時，自由磁性層被反轉(zhuǎn)。通過改變電流的極性來重寫O和I。對于約O. I μ m尺寸范圍的元件，用于反轉(zhuǎn)的電流的絕對值等于或小于1mA。另外，由于此電流值與元件體積成比例地被減小，所以可按比例縮放。此外，由于不需要在MRAM中產(chǎn)生記錄電流磁場所需的字線，所以還具有單元結(jié)構(gòu)簡單的有益效果。在下文中，利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM被稱為“自旋扭矩MRAM”或“ST-MRAMC自旋扭矩-磁性隨機存取存儲器)”。該自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)往往可被稱為自旋注入磁化反轉(zhuǎn)。作為ST-MRAM的實例，存在如在日本未審專利申請公開第2004-193595中公開的利用面內(nèi)磁化的ST-MRAM和如在日本未審專利申請公開第2009-81215中公開的利用垂直磁化的ST-MRAM。在利用面內(nèi)磁化的ST-MRAM中，可以高自由度地選擇材料,并且固定磁化的方法較容易。然而，在垂直磁性層的情況下，材料被限于具有垂直磁各向異性的材料。近來，例如，如在“NatureMaterials, Vol. 9, p. 721 (2010) ”中所公開的，利用在Fe與氧化物之間的晶體界面處出現(xiàn)的垂直磁各向異性的界面各向異性型垂直磁性層已吸引了關(guān)注。當利用界面各向異性時，可通過作為磁性材料的FeCoB合金和作為氧化物的MgO來獲得垂直磁性層，從而可實現(xiàn)高磁阻率(MR率)與垂直磁化之間的平衡(折中)。由于界面各向異性對于存儲層和基準層均有利地起作用，所以期待對垂直磁化型自旋扭矩MRAM的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高磁性存儲器的密度，存儲元件應(yīng)具有相對于熱波動的大的各向異性能。為了提高各向異性能，有效的是提高矯頑力并增加存儲層的厚度。然而，作為垂直磁各向異性的界面各向異性僅能在磁性材料與氧化物之間的界面獲得。因此，當增大磁性層的厚度時，矯頑力降低。結(jié)果，難以容易地提高各向異性能。期望實現(xiàn)一種非易失性存儲器，其在自旋扭矩MRAM中具有大的各向異性能，并且即使當元件尺寸減小時對熱波動具有足夠耐性。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供了一種存儲元件，包括存儲層，具有垂直于層表面的磁化并且基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；磁化固定層，具有用作被存儲在存儲層中的信息的基準并且垂直于層表面的磁化；中間層，由非磁性材料形成并且介于存儲層和磁化固定層之間；矯頑力強化層，被設(shè)置成與存儲層相鄰并且在中間層的相反側(cè)，并且由 Cr, Ru, W, Si和Mn中的至少一種形成；以及自旋勢壘層，由氧化物形成，并且被設(shè)置成與矯頑力強化層相鄰并且在存儲層的相反側(cè)。在這種情況下，利用由在包括存儲層、中間層以及磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，提供了一種存儲裝置，包括存儲元件，基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；以及彼此交叉的兩種類型的配線。該存儲元件包括存儲層，具有垂直于層表面的磁化并且基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；磁化固定層，具有用作被存儲在存儲層中的信息的基準并且垂直于層表面的磁化；中間層，由非磁性材料形成并且介于存儲層和磁化固定層之間；矯頑力強化層，被設(shè)置成與存儲層相鄰并且在中間層的相反側(cè)，并且由Cr、Ru、W、Si和Mn中的至少一種形成；以及自旋勢魚層，由氧化物形成，并且被設(shè)置成與矯頑力強化層相鄰并且在存儲層的相反側(cè)，其中，利用由在包括存儲層、中間層以及磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息。另外，該存儲元件被設(shè)置在兩種類型的配線之間，并且通過這兩種類型的配線使層壓方向上的電流在存儲元件中流動，從而引起自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，作為ST-MRAM，采用層壓了存儲層、中間層(隧道勢壘層)以及磁化固定層的MTJ結(jié)構(gòu)。另外，由Cr、Ru、W、Si以及Mn中的至少一種形成的矯頑力強化層被設(shè)置為與存儲層相鄰，并且由氧化物形成的自旋勢壘層被設(shè)置為與矯頑力強化層相鄰。通過設(shè)置矯頑力強化層，可提高存儲層的矯頑力以提高各向異性能。因此，可實現(xiàn)即使當元件尺寸減小時仍對熱波動具有足夠耐性的非易失性存儲器。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，作為利用垂直磁ST-MRAM的非易失性存儲器，可獲得即使當元件尺寸減小時仍具有足夠的磁各向異性能的元件。結(jié)果，可實現(xiàn)具有以高密度存儲信息的良好性能的存儲元件和存儲裝置。


圖I是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲裝置的構(gòu)造的透視圖。圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲裝置的截面圖。圖3A和圖3B是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲元件的層結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的實驗試樣的示圖。圖5A至圖是示出了矯頑力He對各種試樣的矯頑力強化層及其厚度的依賴性的實驗結(jié)果的示圖。圖6A和圖6B是示出了各向異性磁場的大小對矯頑力強化層和存儲層的厚度的依賴性的示圖。
圖7A至圖7C是示出了自旋勢壘層的各種材料的垂直磁化的實驗的示圖。圖8是示出了實驗中室溫下KuVzKbT的值的示圖。
具體實施例方式下文中，將按下列順序來描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式。I.根據(jù)實施方式的存儲裝置的構(gòu)造2.根據(jù)實施方式的存儲元件的概述3.實施方式的具體構(gòu)造4.關(guān)于實施方式的實驗I.根據(jù)實施方式的存儲裝置的構(gòu)造首先，將描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲裝置的構(gòu)造。圖I和圖2示意性地示出了根據(jù)實施方式的存儲裝置。圖I是透視圖，而圖2是截面圖。如圖I中所示，在根據(jù)實施方式的存儲裝置中，由ST-RAM構(gòu)造并能基于磁化狀態(tài)來存儲信息的存儲元件3被設(shè)置在彼此交叉的兩種類型的地址配線(例如，字線和位線)的交點附近。即，在諸如硅基板的半導(dǎo)體基板10的通過元件隔離層2隔開的部分中分別形成構(gòu)造用于選擇各個存儲裝置的選擇晶體管的漏極區(qū)8、源極區(qū)7和柵極I。其中，柵極I與在附圖的前后方向上延伸的地址配線(字線)中的一條重疊。漏極區(qū)8形成為被圖I的左右部分中的選擇晶體管所共用。配線9被連接至漏極區(qū)8。另外，包括存儲層(其中磁化方向通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn))的存儲元件3被設(shè)置在源極區(qū)7與被設(shè)置在上方并在圖I的左右方向上延伸的位線6之間。例如，存儲元件3包括磁性隧道結(jié)(MTJ)元件。如圖2中所示,存儲元件3包括兩個磁性層15和17。這兩個磁性層15和17中的一個被設(shè)為磁化M15的方向固定的磁化固定層15,而另一磁性層被設(shè)為磁化M17的方向改變的自由磁性層，即存儲層17。另外，存儲元件3通過上下接觸層4而連接至位線6和源極區(qū)7。因此，通過兩種類型的地址配線I和6使電流在存儲元件3中在垂直方向上流動，并且存儲層7的磁化M17的方向可通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)而反轉(zhuǎn)。在這種存儲裝置中，需要以等于或小于該選擇晶體管的飽和電流的電流來執(zhí)行寫入，并且晶體管的飽和電流隨著存儲裝置的小型化而減小。因此，為了小型化，優(yōu)選提高自旋轉(zhuǎn)移的效率并減小在存儲元件3中流動的電流。另外，為了放大讀取信號，需要確保大的磁阻變化率。為此，有效的是采用上述MTJ結(jié)構(gòu)，即，構(gòu)造將隧道絕緣層(隧道勢壘層)作為中間層介于磁性層15和17這兩個層之間的存儲兀件3。以這種方式，當隧道絕緣層被用作中間層時，限制了在存儲元件3中流動的電流的量，以防止隧道絕緣層被擊穿。即，從確保存儲元件3的重復(fù)寫入的可靠性的觀點考慮，優(yōu)選限制自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需的電流。這里，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需電流往往可被稱為反轉(zhuǎn)電流、記錄電流等。另外，由于存儲裝置是非易失性存儲器，所以需要穩(wěn)定地存儲通過電流寫入的信息。即，需要確保存儲層的磁化的熱波動的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。當沒有確保存儲層的穩(wěn)定性時，磁化的反轉(zhuǎn)方向可能被熱(在操作環(huán)境下的溫度)再次反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生寫入錯誤。 當與現(xiàn)有技術(shù)中的MRAM比較時，根據(jù)此實施方式的存儲裝置中的存儲元件3(ST-MRAM)具有按比例縮放的有益效果。即，體積可減小。然而，如果其他特性相同，則體積上減小可能會導(dǎo)致熱穩(wěn)定性劣化。當ST-MARM的容量增大時，存儲元件3的體積進一步減小。因此，確保熱穩(wěn)定性是一個重要的問題。因此，熱穩(wěn)定性對于ST-MRAM中的存儲元件3是特別重要的特性，需要設(shè)計即使在體積被減小時仍能確保熱穩(wěn)定性的存儲元件。2.根據(jù)實施方式的存儲元件的概述接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明實施方式的存儲元件的概述。根據(jù)本實施方式的存儲元件被構(gòu)造為ST-MRAM。ST-MRAM利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)存儲元件的存儲層的磁化的方向，從而存儲信息。該存儲層由包含鐵磁層的磁性材料形成，并基于磁性材料的磁化狀態(tài)(磁化的方向)來存儲信息。例如，將在下面詳細描述的根據(jù)該實施方式的存儲元件3具有如圖3中所示的層結(jié)構(gòu)，并且至少包括存儲層17、磁化固定層15這兩個鐵磁層以及介于這兩個磁性層之間的中間層16。存儲層17具有垂直于層表面的磁化,并且磁化方向響應(yīng)于信息而改變。磁化固定層15具有垂直于層表面的磁化并且用作被寫入存儲層17中的信息的基準。中間層16是由非磁性材料形成并被設(shè)置在存儲層17與磁化固定層15之間的絕緣層。另外，通過注入在包括存儲層17、中間層16和磁化固定層15的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上自旋極化的電子，存儲層17的磁化方向被改變并且信息被記錄在存儲層17上。這里，將簡要描述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。電子具有兩種自旋角動量。為了方便起見,這些角動量被定義為向上和向下的動量。這兩種角動量的數(shù)量在非磁性材料中是相同的，但在鐵磁性材料中不同。在作為構(gòu)造存儲元件3的兩個鐵磁性材料層的磁化固定層15和存儲層17中，假定電子在磁矩方向相反的狀態(tài)下從磁化固定層14移動至存儲層。磁化固定層15是為了高矯頑力而固定磁矩的方向的磁化固定層。
已穿過磁化固定層15的電子被自旋極化。即，在向上和向下的電子數(shù)量之間產(chǎn)生了差異。當作為磁性層的中間層的厚度足夠薄時，自旋極化可被穿過磁化固定層15的電子減緩。電子在通常的非磁性材料中的非極化狀態(tài)(向上和向下的電子數(shù)量相同)之前到達另一磁性材料，即，存儲層17。在存儲層17中，自旋極化的符號被反轉(zhuǎn)。因此，為了減少系統(tǒng)的能量，電子數(shù)量被反轉(zhuǎn)。即，自旋角動量的方向被改變。此時，由于系統(tǒng)的總角動量應(yīng)守恒，所以等價于方向改變的電子的角動量變化的總和的反作用被施加于存儲層17的磁矩。當電流較低時，即，當在單位時間內(nèi)穿過的電子數(shù)量較小時，方向改變的電子總數(shù)也較小。因此，通過存儲層17的磁矩產(chǎn)生的角動量變化也較小。然而，當電流較高時，大多數(shù)的角動量變化可在單位時間內(nèi)被施加。角動量隨時間的變化是扭矩。當扭矩超過給定閾值時，存儲層17的磁矩開始旋進并且由于其單軸各向異性而旋轉(zhuǎn)180°從而變得穩(wěn)定。即，磁矩從相反方向狀態(tài)被反轉(zhuǎn)為相同方向狀態(tài)。 當磁化處于相同方向狀態(tài)時，使電流在從存儲層17至磁化固定層15移動電子的方向上流動。在這種情況下，當電子(其在磁化固定層15中被反射時被自旋反轉(zhuǎn))進入存儲層17時，向其施加扭矩。結(jié)果，磁矩可被反轉(zhuǎn)為相反的方向。此時，反轉(zhuǎn)所需的電流量大于從相反方向狀態(tài)反轉(zhuǎn)為相同方向狀態(tài)的情況。難以直觀地理解磁矩從相同方向至相反方向的反轉(zhuǎn)。然而，其可被理解為如下因為磁化固定層15固定，所以磁矩難以反轉(zhuǎn)；并且為了使系統(tǒng)的總角動量守恒，存儲層17被反轉(zhuǎn)。以這種方式，通過使等于或大于給定閾值并且對應(yīng)于各極性的電流在從磁化固定層15到存儲層17的方向上或在其相反的方向上流動來記錄O和I。類似于在現(xiàn)有技術(shù)中MRAM中的情況，利用磁阻效應(yīng)來讀取信息。即，類似于上述記錄的情況，使電流在垂直于層表面的方向上流動。另外，利用根據(jù)存儲層17的磁矩是否具有與磁化固定層15的磁矩相同的方向或相反的方向來改變元件所指示的阻抗的現(xiàn)象來執(zhí)行讀取。用作介于磁化固定層15和存儲層17之間的中間層16的材料可以是金屬或絕緣材料。然而，作為中間層的絕緣材料可獲得更高的讀取信號(電阻改變率)并在較低的電流下執(zhí)行記錄。此時的元件被稱為磁性隧道結(jié)(MTJ)。當磁性層的磁化方向通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所反轉(zhuǎn)時所需的電流的閾值Ic根據(jù)磁性層的易磁化軸在面內(nèi)方向上或在垂直方向上而變化。根據(jù)實施方式的存儲元件是垂直磁化型。在現(xiàn)有技術(shù)中的面內(nèi)磁化型存儲元件的情況下，當磁性層的磁化方向被反轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)電流通過Ic_para來表示并且磁化從相同方向被反轉(zhuǎn)為相反方向(這里，相同方向和相反方向表不參照磁化固定層的磁化方向的存儲層的磁化方向)時，滿足以下表達式。Ic_para= (A · α · Ms · V/g (0) /P) (Hk+2 π Ms)當磁化從相反方向被反轉(zhuǎn)為相同方向時，滿足以下表達式。Ic_para=- (A · α · Ms · V/g ( π ) /P) (Hk+2 π Ms)(下文中，以上表達式將被稱為表達式(I)。)另一方面，當根據(jù)實施方式的垂直磁化型存儲層的反轉(zhuǎn)電流通過Ic_para來表示并且磁化從相同的方向反轉(zhuǎn)為相反的方向時，滿足以下表達式。Ic_perp= (A · α · Ms · V/g (0) /P) (Hk_4 π Ms)當磁化從相反方向反轉(zhuǎn)為相同方向時，滿足以下表達式。Ic_perp=-(A · α · Ms · V/g ( π ) /P) (Hk~4 π Ms)(下文中，以上表達式將被稱為表達式(2)。)在這些表達式中，A表示常數(shù)，α表示阻尼常數(shù)，Ms表示飽和磁化，V表示元件體積，P表示自旋極化率，g(o)和g( 分別表示與將自旋扭矩傳遞至在相同方向和在相反方向上的相對磁性層的效率相對應(yīng)的系數(shù)，而Hk表示磁各向異性。
在上述表達式的每一個中，當在垂直磁化型的情況下的(Hk-4 Ji Ms)與在面內(nèi)磁化型的情況下的(Hk+2 JiMs)進行比較時，可認識到，垂直磁化型更適合于減小記錄電流。根據(jù)改實施方式，存儲層3包括其可基于磁化狀態(tài)存儲信息的磁性層(存儲層17)和磁化方向固定的磁化固定層15。為了用作存儲器，需要存儲寫入信息。通過熱穩(wěn)定性的系數(shù)Λ (=KV/kBT)的值來確定存儲信息的能力。系數(shù)Λ通過以下表達式(3)來表示。Δ =Ku · V/kB · T=Ms · V · Hk(l/2kB · T)表達式(3)在此表達式中，Hk :等效各向異性場，kB :玻爾茲曼常數(shù)，T :溫度，Ms :飽和磁化量，V :存儲層17的體積，以及Ku :各向異性能。等效各向異性場Hk包括形狀磁各向異性、感應(yīng)磁各向異性以及晶體磁各向異性。當假定了單磁疇一致旋轉(zhuǎn)模式時，等效各向異性場等同于矯頑力。在許多情況下熱穩(wěn)定性的系數(shù)Λ與電流的閾值Ic具有折中(平衡)的關(guān)系。因此，為了保持存儲器特性，在許多情況下，它們之間的折中變成了問題。例如，當存儲層17的厚度是2mm并且具有IOOnmX 150nm的平面圖案的TMR元件具有基本上橢圓的形狀時，改變存儲層17的磁化狀態(tài)的電流的閾值實際上如下。+ 側(cè)的閾值 +Ic=+0. 5mA-側(cè)的閾值-Ic=-O.3mA此時的電流密度為約3.5X106A/cm2。這些幾乎等同于上述表達式(I )。另一方面，在磁化通過電流磁性場來反轉(zhuǎn)的通常的MRAM中，需要幾十mA以上的寫入電流。因此，可看到因為如上所述寫入電流的閾值足夠低，所以ST-MRAM對于降低集成電路的功耗是有效的。另外，由于不需要用于產(chǎn)生通常的MRAM所需的電流磁場的配線，所以與通常的MRAM相比，即使就集成度而言，ST-MRAM仍是有效的。另外，當執(zhí)行自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)時，使直流電在存儲元件3中流動以寫入(記錄)信息。因此，為了選擇執(zhí)行寫入的存儲元件3，存儲裝置被構(gòu)造成將存儲元件3連接至選擇晶體管。在這種情況下，使得在存儲元件3中流動的電流限于可使得在選擇晶體管中流動的電流大小(選擇晶體管的飽和電流)。為了減小記錄電流，期望采用如上所述的垂直磁化型。另外，由于垂直磁性層通常能確保比面內(nèi)磁性層的磁各向異性更高的磁各向異性，所以從確保熱穩(wěn)定性的上述系數(shù)Λ的較大值的觀點開率，垂直磁性層是優(yōu)選的。使用具有垂直各向異性的各種磁性材料，諸如稀土過渡金屬合金(例如，TbCoFe),金屬多層(例如，Co/Pd多層)、有序合金(例如，F(xiàn)ePt)或利用氧化物與磁性金屬之間的界面各向異性的材料(例如，Co/MgO)。然而，稀土過渡金屬合金在通過加熱擴散并結(jié)晶化時失去垂直磁各向異性，這作為ST-MRAM的材料不是優(yōu)選的。類似地，在金屬多層的情況下，垂直磁各向異性在通過加熱擴散時劣化，并且在面心立方晶格的(111)取向上出現(xiàn)垂直磁各向異性。因此，難以實現(xiàn)諸如MgO或與 MgO相鄰設(shè)置的Fe、CoFe和CoFeB的高極化率層所需的(001)取向。由于LlO有序合金即使在高溫下仍可穩(wěn)定并且垂直磁各向異性出現(xiàn)在(001)取向上，所以不會出現(xiàn)上述問題。然而，需要通過在制造過程中執(zhí)行在500° C以上的加熱或通過在制造之后執(zhí)行在500° C以上的高溫下的熱處理來執(zhí)行原子的有序化。因此，有可能在諸如隧道勢壘的層壓層的其他部分中造成不利的擴散或在界面粗糙度的增加。另一方面，在利用界面磁各向異性的材料上，即，在如隧道勢壘的MgO上層壓Co系或Fe系材料的層不太可能具有上述問題，因此很期望其作為ST-MRAM的存儲層的材料。此外，當考慮選擇晶體管的飽和電流值時，利用由絕緣材料形成的隧道絕緣層作為介于存儲層17和磁化固定層15之間的非磁性中間層16來構(gòu)造磁性隧道結(jié)(MTJ)元件。當利用隧道絕緣層來構(gòu)造磁性隧道結(jié)(MTJ)元件時，與利用非磁性導(dǎo)電層構(gòu)造巨磁阻(GMR)元件的情況相比，能提高磁阻變化率(MR率)并提高讀取信號的強度。具體地，可通過使用氧化鎂(MgO)作為中間層16 (其作為隧道絕緣層)的材料來增加磁阻變化率(MR率)。另外，通常，自旋轉(zhuǎn)移的效率取決于MR率。更大的MR率能提高自旋轉(zhuǎn)移的效率并減小磁化反轉(zhuǎn)的電流密度。因此，通過利用氧化鎂作為隧道絕緣層并同時利用上述存儲層17，可降低當利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來執(zhí)行寫入時的閾值電流并且可在低電流下寫入信息。另外，可增加讀取信號的強度。結(jié)果，可確保MR率(TMR率)，可降低當利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來執(zhí)行寫入時的閾值電流并且可在低電流下寫入(存儲)信息。另外，可增加讀取信號的強度。當隧道絕緣層是氧化鎂(MgO)層時，優(yōu)選使MgO層結(jié)晶化并將晶體取向保持在001取向。從獲得利用自旋磁矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)存儲層17的磁化方向所需的電流密度的觀點考慮，需要將隧道絕緣層的面積電阻值控制為等于或小于幾個Ω μπι2。另外，為了控制面積電阻值在上述范圍內(nèi)，需要將由MgO形成的隧道絕緣層的厚度設(shè)為等于或小于I. 5nm。另外，為了存儲層17的磁化方向易于在較低的電流下被反轉(zhuǎn)，優(yōu)選減小存儲元件3的尺寸。因此，優(yōu)選地，存儲元件3的面積等于或小于O. 01 μ m2。3.實施方式的具體構(gòu)造接下來，將描述根據(jù)本發(fā)明的實施方式的具體構(gòu)造。在存儲裝置的構(gòu)造中，如在上面參照圖I所描述的，可基于磁化狀態(tài)來存儲信息的存儲元件3被設(shè)置在彼此交叉的兩種類型的地址配線I和6 (例如，字線和位線)的交點附近。另外，通過兩種類型的地址配線I和6使電流在存儲元件3中在垂直方向上流動，因此存儲層17的磁化方向可通過自旋磁矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)。圖3A和圖3B示出了根據(jù)實施方式的存儲裝置3 (ST-MRAM)的層結(jié)構(gòu)的實例。在圖3A的實例中，存儲元件3包括底層14、磁化固定層15、中間層16、存儲層17、矯頑力強化層18、自旋勢壘層19和保護層20。在圖3B的實例中，除了圖3A的層結(jié)構(gòu)之外，為了增加磁化固定層15的矯頑力，還在磁化固定層15與底層14之間形成了磁耦合層13和高矯頑力層12。在存儲元件3中，如在圖3A和圖3B的各個實例中所示，磁化固定層15被設(shè)置在通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)磁化M17的方向的存儲層17的下方。 在ST-MRAM中，通過存儲層17的磁化M17與磁化固定層15的磁化M15之間的相對角度來定義信息O和I。在存儲層17與磁化固定層15之間設(shè)置作為隧道勢壘層(隧道絕緣層)的中間層16。通過存儲層17和磁化固定層15來構(gòu)造MTJ元件。存儲層17和磁化固定層15具有垂直于各層表面的磁化。另外,在磁化固定層15下方形成底層14。在存儲層17上方形成矯頑力強化層18(8卩，當從存儲層17觀看時在中間層16的相反側(cè))。此外，在矯頑力強化層18上方形成自旋勢壘層19(B卩，當從矯頑力強化層18觀看時在存儲層17的相反側(cè))。在自旋勢壘層19上方形成保護層20。根據(jù)此實施方式，存儲層17和磁化固定層15優(yōu)選由具有Fe、Co和Ni中的至少一種作為主要成分并且包含B和C中的至少一種的合金形成。B和C的含量優(yōu)選為5原子％至30原子％。例如，諸如FeCoB或FeNiC的含F(xiàn)e合金適合于存儲層17和磁化固定層15。存儲層17和磁化固定層15優(yōu)選分別在與中間層16的界面附近中包含至少30%以上的Fe。當Fe的含量少于30%時，難以獲得足夠的垂直磁各向異性。例如，中間層16 (隧道勢壘層)由MgO形成。在MgO (氧化鎂)層的情況下，可增大磁阻變化率(MR率)。通過以這種方式增加MR率，可增大自旋注入的效率并且可降低反轉(zhuǎn)存儲層17的磁化M17的方向所需的電流密度。另外，除了氧化鎂之外，中間層17還可以由Al203、Al2Mg04、Ti0等形成。矯頑力強化層18可由Cr、Ru、Si、W和Mn中的任一種形成。自旋勢壘19可由氧化鎂、、氧化鉻、氧化鋇、氧化鋁以及氧化鈣中的任意一種形成。底層14和保護層20可由諸如Ta、Ti、W和Ru的各種金屬；和諸如TiN的導(dǎo)電氮化物形成。另外，底層14和保護層20可以是單層或者可通過層壓由不同材料形成的多個層來形成。圖3B中示出的高矯頑力層12可由CoPt、FePt、MnAl和TbFeCo形成，并且可以是層壓了 Co和Pt的層或者層壓了 Co和Pd層。
磁I禹合層13可由Ru、Re、Os等形成。在根據(jù)實施方式的存儲元件3中，在真空設(shè)備中按順序并連續(xù)地形成從底層14至保護層20的各個層。之后，通過諸如蝕刻的處理來形成存儲元件3的圖案。結(jié)果，可制造存儲兀件。如上所述，為了高密度，存儲元件應(yīng)相對于熱波動具有較大的各向異性能。為了增加各向異性能，有效的是增加矯頑力并增加存儲層的厚度。然而，僅可在磁性材料與氧化物之間的界面處獲得用于獲得有利的垂直磁化的界面各向異性。因此，當磁性層的厚度增大時，矯頑力被降低。結(jié)果，難以容易地增加各向異性能。因此，根據(jù)實施方式，可實現(xiàn)在自旋扭矩MRAM中具有的大的各向異性能和即使當元件尺寸減小時仍具有對熱波動足夠的耐性的非易失性存儲器。
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除了作用在中間層16與存儲層17之間的界面磁各向異性之外，還在存儲層17的與中間層16側(cè)相反的表面上形成氧化物層(自旋勢壘層19)。結(jié)果，存儲層17的兩側(cè)都可具有界面各向異性，從而能夠強化垂直磁各向異性。此時,可看到，當由Cr、Ru、W、Si和Mn中的至少一種形成的矯頑力強化層18介于存儲層17與自旋勢壘層19之間時，可更有效地強化垂直磁各向異性。作為矯頑力強化層18，由Cr、Ru、W、Si和Mn中的至少一種形成的層是有效的，并且其有效厚度等于或大于O. 03nm。當厚度小于O. 03nm時，效果低微。當矯頑力強化層18由Cr形成時，其厚度優(yōu)選等于或小于O. 3nm。當矯頑力強化層18由Ru形成時,其厚度優(yōu)選等于或小于O. 2nm。當矯頑力強化層18由W、Si或Mn形成時,其厚度優(yōu)選等于或小于O. lnm。當矯頑力強化層18的厚度小于O. 03nm或大于在上述情況下的各厚度時，難以獲得垂直磁各向異性的強化效果。自旋勢壘層19可由各種氧化物形成，但由于氧化鎂、氧化鉻、氧化鋇、氧化鋁以及氧化鈣具有良好的矯頑力強化效果，所以它們是優(yōu)選的。自旋勢壘19可由被充分氧化的氧化物或氧缺損的氧化物形成。在實施方式中所使用的試樣可通過濺射、真空沉積、化學(xué)氣相沉積(CVD)等來制備。此外，自旋勢壘層19 (氧化物層)可通過形成金屬層然后用氧等離子體來氧化該金屬來制備?？梢杂靡韵路椒▉順?gòu)造磁性存儲器(ST-MRAM)。在硅晶片上形成CMOS邏輯電路從而在下部電極上構(gòu)造上述層壓層之后，通過反應(yīng)離子蝕刻(RIE)、離子銑削、化學(xué)蝕刻等來將層壓層形成為合適的形狀。此外，形成上部電極，并且將該層連接至CMOS電路，從而在上部和下部電極之間施加合適的電壓。元件的形狀是任意的，但是環(huán)形是特別優(yōu)選的，因為制備簡單并且能夠以高密度配置。在包括矯頑力強化層18和自旋勢壘層19的根據(jù)該實施方式的垂直磁ST-MRAM中，能夠獲得即時當元件尺寸減小時仍具有充分的磁各向異性能的元件。結(jié)果，可以實現(xiàn)具有以高密度存儲信息的良好能力的非易失性存儲器。另外，由于存儲元件3的存儲層17是垂直磁性層，所以可降低反轉(zhuǎn)存儲層17的磁化M17的方向所需的寫入電流量。因此，可降低當對存儲層3執(zhí)行寫入時的功耗。
由于可確保作為信息存儲能力的熱穩(wěn)定性，所以可構(gòu)造具有良好平衡特性的存儲元件3。因此，可無操作誤差地充分獲得存儲元件3的操作裕度(margin)，因此可穩(wěn)定地操作存儲元件3。即，可實現(xiàn)能以高可靠性穩(wěn)定操作的存儲裝置。以該方式，可實現(xiàn)具有良好的信息存儲能力并能以高可靠性穩(wěn)定地操作的存儲元件3。結(jié)果，能改善具有存儲元件3的存儲裝置的可靠性并且能降低其功耗。另外，具有圖3A和圖3B中所示的存儲元件3和圖I中所示的結(jié)構(gòu)的存儲裝置具有的有益效果在于當被制造時可應(yīng)用通常的半導(dǎo)體MOS形成處理。 因此，根據(jù)該實施方式的存儲器能用作通用存儲器。另外，可將除Co、Fe、Ni之外的元素添加至根據(jù)本發(fā)明實施方式的存儲層17。通過添加不同種元素，可獲得由于防止了擴散而改善耐熱并提高磁致電阻效應(yīng)的效果以及由于平坦化而增加介電強度電壓的效果。在這種情況下被添加的元素的實例包括B、C、N、O、F、Mg、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ge、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Ir、Pt、Au、Zr、Hf、Re以及Os ；以及其合金。另外，在根據(jù)本發(fā)明的實施方式的存儲層17中，可直接層壓具有不同成分的其他鐵磁層。另外，可層壓鐵磁層和軟磁層或者可層壓將軟磁層和非磁性層介于之間的多個鐵磁層。在這種層壓結(jié)構(gòu)中，可獲得根據(jù)本發(fā)明的實施方式的效果。特別地，在層壓非磁性層介于其間的多個鐵磁層的結(jié)構(gòu)中，可調(diào)節(jié)鐵磁層之間的相互作用的強度。因此，即使當存儲層3的尺寸等于或小于亞微米時，可抑制磁反轉(zhuǎn)電流增力口。在這種情況下，非磁性層的材料的實例包括仙、08、1^、11'、411、48、0131、8丨、5丨、8、(、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo 以及 Nb ；以及其合金。優(yōu)選磁化固定層15和存儲層17的厚度分別是O. 5nm至30nm。存儲元件3的其他構(gòu)造可以與利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)存儲信息的現(xiàn)有技術(shù)中的存儲元件3的現(xiàn)有構(gòu)造相同。磁化固定層15可具有磁化方向僅通過鐵磁層或通過在反鐵磁層與鐵磁層之間的反鐵磁結(jié)合來固定的構(gòu)造。另外，磁化固定層15可具有形成單層鐵磁層的結(jié)構(gòu)或?qū)訅悍谴判詫咏橛谄溟g的多個鐵磁層的鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)(ferromagnetic pinned structure)。構(gòu)造具有鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)的磁化固定層15的鐵磁層的材料的實例包括Co、CoFe以及CoFeB。另外，非磁性層的材料的實例包括Ru、Re、Ir和Os。反鐵磁性層的材料的實例包括諸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO以及Fe2O3的磁性材料。另外，通過將諸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo 以
及Nb的非磁性元素添加到這些磁性材料中，可調(diào)節(jié)磁特性并且可調(diào)節(jié)諸如晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度以及物質(zhì)穩(wěn)定性的各種物理性質(zhì)。另外，當存儲層17被設(shè)置在磁化固定層15的下方時，存儲元件3的層結(jié)構(gòu)沒有問題。4.關(guān)于實施方式的實驗在下文中，將描述為了驗證根據(jù)實施方式的存儲元件3的效果而執(zhí)行的實驗。
實驗I首先，為了驗證自旋勢壘層19的效果，直接在底層14上形成存儲層17，并且在之上形成矯頑力強化層18、自旋勢壘層19以及保護層20以制備該試樣。圖4示出了試樣的層結(jié)構(gòu)。在試樣中，如在圖4中所示，通過氧化涂覆在硅基板上層壓各個層。底層14 :5nm厚的Ta層存儲層17 :0. 8nm 厚的 Fe64Co16B2tl 層矯頑力強化層18 :由各種元素形成的層(各有各厚度tM)
自旋勢壘層19 : Inm厚的MgO層保護層20 3nm厚的Ru層作為矯頑力強化層18，由Ru、Cu、Cr、Mn、Si、Nb、Ta、Al、W、Ti、Zr以及V各材料形
成的試樣以各自的厚度制備。圖5A至圖不出各試樣的矯頑力He對于在矯頑力強化層18中使用的各兀素tM的各自厚度的依賴性。圖5A和圖5B是在300° C下熱處理一小時后的結(jié)果，圖5C和圖是在350° C下熱處理一小時后的結(jié)果。這里，厚度=0表示未形成矯頑力強化層18的試樣。例如，在圖5A中的Ru (由Ru形成矯頑力強化層18的試樣)的情況下，當厚度tM分別是O. 03nm、0. 05nm、0. Inm以及O. 15nm時，與厚度=0的情況相比，即，與未形成矯頑力強化層18的情況相比，矯頑力增加。因此，可看到由Ru形成的矯頑力強化層18在給定厚度范圍中對矯頑力強化是有效的。另一方面，類似地，在圖5A中的由Nb形成的矯頑力強化層18的情況下，與厚度=0的情況相比，即，與未形成矯頑力強化層18的情況相比，在所有厚度情況下矯頑力He都降低。上述結(jié)果表示Nb不適合于矯頑力強化層18。當考慮各個試樣的結(jié)果時，作為矯頑力強化層18，Ru和Cr在300° C的熱處理的情況下具有矯頑力強化效果，而Ru、Cr、Mn和Si在350° C的熱處理的情況下具有矯頑力強化效果。當考慮300° C和350° C的熱處理情況的結(jié)果時，以下厚度是優(yōu)選的。當矯頑力強化層18由Cr形成時,厚度被設(shè)為O. 03nm至O. 3nm。當矯頑力強化層18由Ru形成時,厚度被設(shè)為O. 03nm至O. 2nm。當矯頑力強化層18由Si、W以及Mn中的任意一種形成時,厚度被設(shè)為O. 03nm至
O.Inm0實驗2接下來，進行添加磁化固定層15作為對于磁性存儲器的鐵磁隧道元件所實際采用的構(gòu)造的試樣的實驗。圖6A示出了試樣的層結(jié)構(gòu)。底層14 :5nm厚的Ta層和5nm厚的Ru層高矯頑力層12 :2nm厚的CoPt層磁稱合層13 :0. 9nm厚的Ru層磁化固定層15 0. 8nm 厚的 Fe64Co16B2tl 層
中間層16 0. 8nm厚的MgO層存儲層17 tFeCoB 厚的 Fe64Co16B20 層矯頑力強化層18 : tGr厚的Cr層自旋勢壘層19 :0.6nm厚的MgO層制備上述試樣，并且在圖6B中示出測量垂直各向異性磁場(Hk)的結(jié)果。在300° C下執(zhí)行熱處理一小時。當執(zhí)行去磁場校正時獲得Hk的值。Hk的正值表示垂直磁性層，而負值表示面內(nèi)磁性層。在未插入作為矯頑力強化層18的Cr層的t&=0nm的情況下，僅當厚度tFe&)B在 I.Inm至I. 3nm的較窄厚度范圍內(nèi)時，F(xiàn)eCoB存儲層17是垂直磁性層。另外，Hk根據(jù)層厚度迅速變化并且最優(yōu)條件也在較窄范圍內(nèi)。另一方面，在插入作為矯頑力強化層18的Cr層的情況下，在t&=0. Inm和tCr=0. 2nm的所有情況下，垂直磁各向異性都增大。另外，將可獲得垂直磁化的FeCoB存儲層17的厚度tFeC()B增加至在O. 9nm至2. 2nm的范圍內(nèi)，并且垂直磁各向異性根據(jù)FeCoB層厚度逐漸改變。實驗3為了檢查自旋勢壘層19的效果，在各種制備方法中在存儲磁性層上制備作為自旋勢壘層的各種氧化物。圖7A示出了試樣的層結(jié)構(gòu)。底層14 5nm厚的Ta和5nm厚的Ru層存儲層17:0. 7nm 厚的 Fe4ciCo4ciC2ci 層矯頑力強化層18 0. 2nm厚的Cr層自旋勢壘層19:由各種材料形成的層保護層20 3nm厚的Ru層在300° C下執(zhí)行熱處理一小時。自旋勢壘層19被制備為在RF濺射的情況下具有O.7nm的厚度或在自然氧化和等離子體氧化的情況下具有O. 6nm至O. 8nm的厚度。圖7B和圖7C分別示出了各制備方法的用自旋勢壘層19的各種材料制備的試樣當中的能獲得垂直磁化的材料和不能獲得垂直磁化的材料。在能夠獲得垂直磁化的材料的情況下(圖7B)，還示出了在垂直方向上的矯頑力(HC丄)。獲得垂直磁化的自旋勢壘層19由氧化鎂、氧化鉻、氧化鋇、氧化鋁或氧化鈣形成。實例4接下來，為了檢查對熱波動的耐性，形成直徑為70nm的環(huán)形元件，并且檢查對熱波動的耐性的系數(shù)Λ (=KuVAbT)(參見表達式(3))。反復(fù)測量矯頑力以評價其分布。測量作為未設(shè)置矯頑力強化層18的比較例的試樣A和設(shè)置了矯頑力強化層18的根據(jù)實施方式的試樣B和C。圖8示出了試樣Α、Β和C的層結(jié)構(gòu)。試樣A底層14 5nm厚的Ta層和5nm厚的Ru層
高矯頑力層I2 :2nm厚的CoPt層磁耦合層13:0. 8nm厚的Ru層磁化固定層15 0. 8nm 厚的 Fe64Co16B2tl 層中間層16 0. 8nm厚的MgO層存儲層17 :1· 2nm 厚的 Fe64Co16B20 層自旋勢壘層19 0. 6nm厚的MgO層保護層20 3nm厚的Ru層試樣B
底層14 :5nm厚的Ta層和5nm厚的Ru層高矯頑力層I2 :2nm厚的CoPt層磁耦合層13:0. 8nm厚的Ru層磁化固定層15 0. 8nm 厚的 Fe64Co16B2tl 層中間層16 0. 8nm厚的MgO層存儲層17 :1· 6nm 厚的 Fe64Co16B20 層矯頑力強化層18 0. 2nm厚的Cr層自旋勢壘層19 0. 6nm厚的MgO層保護層20 3nm厚的Ru層試樣C底層14 :5nm厚的Ta層和5nm厚的Ru層高矯頑力層I2 :2nm厚的CoPt層磁耦合層13:0. 8nm厚的Ru層磁化固定層15 0. 8nm 厚的 Fe64Co16B2tl 層中間層16 0. 8nm厚的MgO層存儲層17 :1. 5nm 厚的 Fe64Co16B20 層矯頑力強化層18 0. 05nm厚的Ru層自旋勢壘層19 0. 6nm厚的CaO層保護層20 3nm厚的Ru層試樣A和B進行在300° C下的熱處理一小時。在圖8的下部中，示出了在室溫下各個試樣的KuVzXT的值。試樣A (比較例)是35,試樣B是76,而試樣C是68。為了將信息存儲10年以上,KuVAbT值應(yīng)等于或大于60。因此，可看到根據(jù)本實施方式的存儲元件滿足此條件，并且作為非易失性存儲器是有效的。根據(jù)實驗I至4的結(jié)果，可看到，當具有根據(jù)實施方式的構(gòu)造的層被用在利用垂直磁性層的自旋扭矩MRAM中時，可實現(xiàn)具有良好保磁特性的高密度非易失性存儲器。根據(jù)本發(fā)明的實施方式可具有以下構(gòu)造。(I) 一種存儲元件，包括存儲層，具有垂直于層表面的磁化并且基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；磁化固定層，具有用作被存儲在存儲層中的信息的基準并且垂直于層表面的磁化；
中間層，由非磁性材料形成并且介于存儲層和磁化固定層之間；矯頑力強化層，被設(shè)置成與存儲層相鄰并且在中間層的相反側(cè)，并且由Cr、Ru、W、Si和Mn中的至少一種形成；以及自旋勢壘層，由氧化物形成，并且被設(shè)置成與矯頑力強化層相鄰并且在存儲層的相反側(cè)，其中，利用由在包括存儲層、中間層以及磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息。(2)根據(jù)上述(I)所述的存儲元件，其中，存儲層具有Fe、Co和Ni中的至少一種作為主要成分并且包含B和C中的至少一種。
·
( 3 )根據(jù)上述(I)或(2 )所述的存儲元件，其中，矯頑力強化層由Cr形成并具有O. 03nm至O. 3nm的厚度。( 4 )根據(jù)上述(I)或(2 )所述的存儲元件，其中，矯頑力強化層由Ru形成并具有O. 03nm至O. 2nm的厚度。(5 )根據(jù)上述(I)或(2 )所述的存儲元件，其中，矯頑力強化層由Si、W和Mn中的至少一種形成并具有O. 03nm至O. Inm的厚度。(6)根據(jù)上述(I)至(5)中的任一項所述的存儲元件，其中，自旋勢壘層由氧化鎂、氧化鉻、氧化鋇、氧化鋁和氧化鈣中的至少一種形成。本發(fā)明包含于2011年5月10日向日本專利局提交的日本在先專利申請JP2011-104877中所公開的主題，其全部內(nèi)容結(jié)合于此作為參考。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，根據(jù)設(shè)計要求和其他因素，可進行各種修改、組合、子組合以及變形，只要它們在所附權(quán)利要求及其等價物的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種存儲元件，包括 存儲層，具有垂直于層表面的磁化并且基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息； 磁化固定層，具有用作被存儲在所述存儲層中的信息的基準并且垂直于層表面的磁化； 中間層，由非磁性材料形成并且介于所述存儲層和所述磁化固定層之間； 矯頑力強化層，被設(shè)置成與所述存儲層相鄰并且在所述中間層的相反側(cè)，并且由Cr、Ru、W、Si和Mn中的至少一種形成；以及 自旋勢壘層，由氧化物形成，并且被設(shè)置成與所述矯頑力強化層相鄰并且在所述存儲層的相反側(cè)， 其中，利用由在包括所述存儲層、所述中間層以及所述磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將所述存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件， 其中，所述存儲層具有Fe、Co和Ni中的至少一種作為主要成分并且包含B和C中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件， 其中，所述矯頑力強化層由Cr形成并具有O. 03nm至O. 3nm的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件， 其中，所述矯頑力強化層由Ru形成并具有O. 03nm至O. 2nm的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件， 其中，所述矯頑力強化層由Si、W和Mn中的至少一種形成并具有O. 03nm至O. Inm的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件， 其中，所述自旋勢壘層由氧化鎂、氧化鉻、氧化鋇、氧化鋁和氧化鈣中的至少一種形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件， 其中，所述中間層是隧道絕緣層。
8.一種存儲裝置，包括 存儲元件，基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；以及 彼此交叉的兩種類型的配線， 其中，所述存儲兀件包括存儲層，具有垂直于層表面的磁化并且基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；磁化固定層，具有用作被存儲在所述存儲層中的信息的基準并且垂直于層表面的磁化；中間層，由非磁性材料形成并且介于所述存儲層和所述磁化固定層之間；矯頑力強化層，被設(shè)置成與所述存儲層相鄰并且在所述中間層的相反側(cè)，并且由Cr、Ru、W、Si和Mn中的至少一種形成；以及自旋勢壘層，由氧化物形成，并且被設(shè)置成與所述矯頑力強化層相鄰并且在所述存儲層的相反側(cè)，其中，利用由在包括所述存儲層、所述中間層以及所述磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將所述存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息， 所述存儲元件被設(shè)置在所述兩種類型的配線之間，并且 通過所述兩種類型的配線使所述層壓方向上的電流在所述存儲元件中流動，從而引起所述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了存儲元件和存儲裝置，該存儲元件包括存儲層，具有垂直于層表面的磁化并且基于磁性材料的磁化狀態(tài)來存儲信息；磁化固定層，具有用作被存儲在存儲層中的信息的基準并且垂直于層表面的磁化；中間層，由非磁性材料形成并且介于存儲層和磁化固定層之間；矯頑力強化層，被設(shè)置成與存儲層相鄰并且在中間層的相反側(cè)，并且由Cr、Ru、W、Si和Mn中的至少一種形成；以及自旋勢壘層，由氧化物形成，并且被設(shè)置成與矯頑力強化層相鄰并且在存儲層的相反側(cè)。利用由在包括存儲層、中間層以及磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)將存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，從而存儲信息。
文檔編號G11C11/15GK102779939SQ20121013573
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10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, 細見政功, 肥后豐 申請人:索尼公司