專(zhuān)利名稱(chēng)：存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存儲(chǔ)元件和使用該存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)裝置，其中，存儲(chǔ)元件具有多個(gè)磁性層，并且使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)(spin torque magnetization reversal)來(lái)執(zhí)行記錄。
背景技術(shù)：
伴隨包含諸如移動(dòng)終端、大容量服務(wù)器等的各種信息設(shè)備的重大發(fā)展，也要求形成這些設(shè)備的元件(諸如存儲(chǔ)器與邏輯電路)提高性能，諸如集成程度的提高、運(yùn)行速度的提高以及功率消耗的降低。具體地，非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的進(jìn)步一直很突出，對(duì)充當(dāng)大容量文件存儲(chǔ)器的閃存存儲(chǔ)器的需求日益增長(zhǎng)，以代替硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。此外，考慮到代碼存儲(chǔ)和工作存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，為了替換現(xiàn)在通常使用的NOR閃存存儲(chǔ)器、DRAM等，已經(jīng)致力于鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FeRAM)、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)、 相變隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(PCRAM)等。上述的一些存儲(chǔ)器已經(jīng)被投入實(shí)際使用。具體地，由于使用磁性材料的磁化的方向來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，MRAM能夠?qū)嵤└咚俸蛶缀鯚o(wú)窮大(IO15次以上)的重寫(xiě)操作，并已經(jīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、飛機(jī)等的領(lǐng)域。由于其高速操作和高可靠性，MRAM被預(yù)期今后將擴(kuò)展到代碼存儲(chǔ)和工作存儲(chǔ)器；然而，在實(shí)踐中，仍有諸如能量消耗的降低和容量的增長(zhǎng)的問(wèn)題需要克服。上述問(wèn)題是由MRAM的記錄原理產(chǎn)生的固有問(wèn)題，即，是由通過(guò)配線產(chǎn)生的電流磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)的方法所造成的。作為解決這些問(wèn)題的一個(gè)方法，已研究了未使用電流磁場(chǎng)的記錄方法，即，磁化反轉(zhuǎn)方法。尤其是，已經(jīng)積極地實(shí)施對(duì)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的研究(例如，見(jiàn)日本未審查專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)第 2003-17782 號(hào)和第 2008-227388 號(hào)、美國(guó)專(zhuān)利第 6256223 號(hào)、Phys. Rev. B，54，9353 (1996)和 J. Magn. Mat.，159，LI (1996))。與MRAM的情況一樣，具有自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)元件通常使用磁性隧道結(jié)(MTJ)形成。該結(jié)構(gòu)利用這樣的現(xiàn)象，其中，穿過(guò)在特定方向固定的磁性層的自旋極化電子，在其進(jìn)入自由磁性層時(shí)，將扭矩(在一些情況下，還被稱(chēng)為自旋扭矩轉(zhuǎn)換)傳給另一自由磁性層(其方向不固定)，自由磁性層的磁化通過(guò)一個(gè)等于或超過(guò)特定的閾值電流被反轉(zhuǎn)。0/1的重寫(xiě)通過(guò)改變電流的極性來(lái)實(shí)施。在大約0. Iiim尺寸的元件中，用于反轉(zhuǎn)的電流的絕對(duì)值為ImA以下。此外，由于電流值與元件體積成比例地減小，所以能夠?qū)嵤┍壤s放(scaling)。而且，由于對(duì)于MRAM所必需的用于產(chǎn)生電流磁場(chǎng)以進(jìn)行記錄的字線，在這種情況下不是必需的，所以能夠有利地簡(jiǎn)化元件結(jié)構(gòu)。下文中，使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM將被稱(chēng)為“自旋極化磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ST-MRAM)”。在某些情況下，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)也可以被稱(chēng)為自旋注入磁性反轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
順便提及，在MRAM的情況下，除存儲(chǔ)元件之外，還設(shè)置了寫(xiě)入配線(字線和位線)，信息由電流通過(guò)寫(xiě)入配線所產(chǎn)生的電流磁場(chǎng)寫(xiě)入(記錄)。因此，執(zhí)行寫(xiě)入所需的足夠大的電流能夠通過(guò)寫(xiě)入配線流動(dòng)。另一方面，在ST-MRAM中，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)由將在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流執(zhí)行，并且存儲(chǔ)層的磁化的方向被反轉(zhuǎn)。此外，由于電流在用于寫(xiě)入如上所述的信息的(記錄)的存儲(chǔ)元件中直接流動(dòng)，為了選擇執(zhí)行寫(xiě)入的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)元件連接至選擇晶體管以形成存儲(chǔ)單元。在這種情況下，在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流限于能夠在選擇晶體管中流動(dòng)的電流(選擇晶體管的飽和電流)。為此，既然已經(jīng)了解到，必須通過(guò)等于或小于選擇晶體管的飽和電流的電流實(shí)行寫(xiě)入，并且，隨著小型化的推進(jìn)，晶體管的飽和電流降低，為了實(shí)施ST-MRAM的小型化，需要提高旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的效率，并降低在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流。例如，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需的電流被稱(chēng)作反轉(zhuǎn)電流或記錄電流。
考慮到存儲(chǔ)元件之間的反轉(zhuǎn)電流的變化，需要設(shè)計(jì)大的選擇晶體管，作為結(jié)果，可能發(fā)生容量的降低和能量消耗的增加。此外，由于ST-MRAM為非易失性存儲(chǔ)器，由電流所寫(xiě)入的信息必須被穩(wěn)定地存儲(chǔ)。即，必須確保存儲(chǔ)層的磁化對(duì)熱波動(dòng)的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。相應(yīng)地，期待可以提供一種抑制反轉(zhuǎn)電流和熱穩(wěn)定性的變化的作為ST-MRAM的存儲(chǔ)元件。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件包含存儲(chǔ)層，其通過(guò)磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)保持信息；具有磁化的磁化固定層，該磁化被用作在存儲(chǔ)層中存儲(chǔ)信息的基礎(chǔ)；非磁性物質(zhì)的中間層，設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間。此外，存儲(chǔ)元件被配置為通過(guò)使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)使存儲(chǔ)層的磁化進(jìn)行反轉(zhuǎn)來(lái)存儲(chǔ)信息，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)由在包含存儲(chǔ)層、中間層和磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動(dòng)的電流產(chǎn)生，并且其中，在存儲(chǔ)層的飽和磁化和其厚度分別由Ms (emu/cc)和t (nm)表示時(shí)，(1489/Ms) -0. 593<t< (6820/Ms)-I. 55 成立。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置包含通過(guò)磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)保持信息的存儲(chǔ)元件；彼此交叉的兩種類(lèi)型的配線。此外，存儲(chǔ)元件包含，通過(guò)磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)保持信息的存儲(chǔ)層，具有被用作存儲(chǔ)層中存儲(chǔ)信息的基礎(chǔ)的磁化的磁化固定層，以及非磁性物質(zhì)的中間層，設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間，并且存儲(chǔ)元件被配置為通過(guò)使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)使存儲(chǔ)層的磁化進(jìn)行反轉(zhuǎn)來(lái)存儲(chǔ)信息，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)通過(guò)電流在包含存儲(chǔ)層、中間層和磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動(dòng)而產(chǎn)生，并且在其中，在存儲(chǔ)層的飽和磁化和厚度分別由 Ms (emu/cc)和 t (nm)表示時(shí)，(1489/Ms)_0. 593〈t〈 (6820/Ms)_l. 55 成立。此外，存儲(chǔ)元件被構(gòu)造為在兩種類(lèi)型的配線之間，層壓方向上的電流通過(guò)兩種類(lèi)型的配線在存儲(chǔ)元件流動(dòng)，使得發(fā)生自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的上面的技術(shù)中，當(dāng)存儲(chǔ)層的飽和磁化Ms和厚度t適當(dāng)?shù)亟M合進(jìn)行設(shè)定時(shí)，即使存儲(chǔ)層的形狀變化，也能夠抑制熱穩(wěn)定性和反轉(zhuǎn)電流的變化。反轉(zhuǎn)電流和熱穩(wěn)定性的變化由于存儲(chǔ)元件的形狀的變化而產(chǎn)生。存儲(chǔ)元件的形狀的變化在某種程度上由于其制造誤差而產(chǎn)生。因此，在存儲(chǔ)層的厚度t被設(shè)定為滿足上面的條件時(shí)，能夠抑制反轉(zhuǎn)電流和熱穩(wěn)定性的變化。根據(jù)本發(fā)明，在作為ST-MRAM的存儲(chǔ)元件中，能夠抑制熱穩(wěn)定性和反轉(zhuǎn)電流的變化。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)操作穩(wěn)定的高度可靠存儲(chǔ)器。此外，能夠降低反轉(zhuǎn)電流，并且可以降低在存儲(chǔ)元件中實(shí)施寫(xiě)入時(shí)所使用的能量消耗。


圖I是示出了根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖2是根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的截面圖；圖3A和圖3B分別是示出了根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的層結(jié)構(gòu)的截面圖；圖4是示出了存儲(chǔ)層的厚度和垂直磁各向異性能源之間的關(guān)系的曲線圖；圖5是示出了存儲(chǔ)層的厚度和熱穩(wěn)定性指標(biāo)之間的關(guān)系的曲線圖；圖6是示出了存儲(chǔ)層的厚度和熱穩(wěn)定性指標(biāo)變化之間的關(guān)系的曲線圖；圖7是示出了由存儲(chǔ)層的飽和磁化和變化最小化的厚度所圍住的區(qū)域的實(shí)例的曲線圖；圖8是示出了由存儲(chǔ)層的飽和磁化和變化最小化的厚度所圍住的區(qū)域的曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下，將依照如下順序，描述本發(fā)明的實(shí)施方式?！碔.根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)>〈2.根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的概況〉<3.熱穩(wěn)定性和反轉(zhuǎn)電流的變化的描述〉<4.根據(jù)實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)><5.計(jì)算 ><6.修改例 >〈I.根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)〉首先，將描述根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)。在圖I和2中示出了根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的示意性示圖。圖I為透視圖，圖2為截面圖。如圖I所示，在根據(jù)所述實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置中，能夠通過(guò)磁化狀態(tài)保持信息的ST-MRAM的存儲(chǔ)元件3被配置在垂直相交的兩種類(lèi)型的地址線(如字線和位線)的交叉點(diǎn)附近。即，形成用于選擇每個(gè)存儲(chǔ)裝置的選擇晶體管的漏區(qū)8、源區(qū)7以及柵電極I形成在由半導(dǎo)體基板(諸如娃基板)10的元件隔離層(element isolation layer)2隔離的區(qū)域中。上述之中，柵電極I也用作在圖中的前后(front-back)方向上延伸的地址線(字線)。漏區(qū)8針對(duì)位于圖I中的左側(cè)和右側(cè)的兩個(gè)選擇晶體管而共同地形成，并且配線9連接至該漏區(qū)8。另外，在圖I中，具有存儲(chǔ)層的存儲(chǔ)元件3被配置在源區(qū)7和源區(qū)上方的位線6之間，該存儲(chǔ)層的磁化的方向通過(guò)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)進(jìn)行反轉(zhuǎn)。存儲(chǔ)元件3由例如磁性隧道結(jié)元件(MTJ元件)形成。如圖2所示，存儲(chǔ)元件3具有兩個(gè)磁性層15和17。在兩個(gè)磁性層15和17中，一個(gè)磁性層被用作固定磁化M15的方向的磁化固定層15 ;另一磁性層被用作改變磁化M17的方向的磁性自由層17，即存儲(chǔ)層17。此外，存儲(chǔ)元件3通過(guò)相應(yīng)的上下接觸層4而連接至位線6和源區(qū)7。相應(yīng)地，當(dāng)電流通過(guò)兩種類(lèi)型的地址線I和6沿上下(top-bottom)方向在存儲(chǔ)元件3中流動(dòng)時(shí)，存儲(chǔ)層17的磁化M17的方向能夠通過(guò)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)進(jìn)行反轉(zhuǎn)。在如上所述的存儲(chǔ)裝置中，可以很好地理解，寫(xiě)入必須是在電流等于或小于選擇晶體管的飽和電流時(shí)執(zhí)行，并且，隨著晶體管的小型化，其飽和電流降低。相應(yīng)地，對(duì)于存儲(chǔ)裝置的小型化，要在存儲(chǔ)元件3中流動(dòng)的電流優(yōu)選地通過(guò)提高自旋轉(zhuǎn)移(spin transfer)的效率而降低。 此外，為了增加讀出信號(hào)的強(qiáng)度，需要確保較高的磁阻變化率，因此，使用如上所述的MTJ結(jié)構(gòu)是有效的，S卩，其中將用作隧道絕緣層(隧道阻擋層)的中間層設(shè)置在兩個(gè)磁性層15和17之間的存儲(chǔ)元件3被有效地使用。當(dāng)隧道絕緣層被用作如上所述的中間層時(shí)，為了防止隧道絕緣層的電介質(zhì)擊穿，將在存儲(chǔ)元件3中流動(dòng)的電流受到限制。即，為了確保在存儲(chǔ)元件3重復(fù)書(shū)寫(xiě)的可靠性，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需的反轉(zhuǎn)電流也優(yōu)選地被抑制。此外，由于存儲(chǔ)裝置為非易失性存儲(chǔ)裝置，因此需要穩(wěn)定地存儲(chǔ)由電流寫(xiě)入的信息。即，需要確?？勾鎯?chǔ)層的磁化的熱波動(dòng)的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。如果存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性不被確保，反轉(zhuǎn)磁化的方向可能因?yàn)闊?操作環(huán)境中的溫度)被再次反轉(zhuǎn)，可能發(fā)生保持錯(cuò)誤。在該存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)元件3(ST_MRAM)中，盡管能夠有利地實(shí)施縮放，S卩，與現(xiàn)有技術(shù)的MRAM相比，體積能夠降低，但在體積降低時(shí)，如果其他性質(zhì)不變，熱穩(wěn)定性趨于降低。在ST-MRAM的容量增加時(shí)，由于存儲(chǔ)元件3的體積進(jìn)一步降低，因此確保熱穩(wěn)定性成為重要的問(wèn)題。因此，在ST-MRAM的存儲(chǔ)元件3中，熱穩(wěn)定性是非常重要的性質(zhì)，即使其體積降低，也必須進(jìn)行設(shè)計(jì)以確保熱穩(wěn)定性?！?.根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件的概況〉接下來(lái)，將描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件3的概況。如上所述，根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件3通過(guò)使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)使存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)層的磁化的方向反轉(zhuǎn)，來(lái)執(zhí)行記錄。存儲(chǔ)層由包含鐵磁層的磁性材料形成，并被構(gòu)造為通過(guò)磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)(磁化的方向)來(lái)保持信息。盡管在后文中進(jìn)行了描述，例如，根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件3具有圖3A中所示的層結(jié)構(gòu)，并且包含至少兩個(gè)鐵磁層(存儲(chǔ)層17、磁化固定層15)以及中間層16。存儲(chǔ)層17具有垂直于其膜表面的磁化,磁化的方向根據(jù)信息而變化。磁化固定層15具有垂直于其膜表面的磁化,該磁化被用作存儲(chǔ)在存儲(chǔ)層17中的信息的基礎(chǔ)。
中間層16由非磁性物質(zhì)形成，并設(shè)置在存儲(chǔ)層17和磁化固定層15之間。此外，通過(guò)在包含存儲(chǔ)層17、中間層16和磁化固定層15的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上注入自旋極化電子，存儲(chǔ)層17的磁化的方向改變，并且信息被記錄在存儲(chǔ)層17中。在進(jìn)行自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)時(shí)，由于電流在用于寫(xiě)入(記錄)信息的存儲(chǔ)元件中直接流動(dòng)，為了選擇執(zhí)行寫(xiě)入的存儲(chǔ)單元，如參考圖I和圖2所描述的，存儲(chǔ)元件3連接至選擇晶體管從而形成存儲(chǔ)單元。在這種情況下，將在存儲(chǔ)元件3中流動(dòng)的電流被能在選擇晶體管中流動(dòng)的電流(選擇晶體管的飽和電流)限制。而且，考慮到選擇晶體管的飽和電流值，磁性隧道結(jié)(MTJ)元件通過(guò)使用絕緣材料的隧道絕緣層作為設(shè)置在存儲(chǔ)層17和磁化固定層15之間的非磁性的中間層16來(lái)形成。
原因在于當(dāng)使用隧道絕緣層形成磁性隧道結(jié)(MTJ)元件時(shí)，與使用非磁性導(dǎo)電層形成巨磁阻(GMR)元件的情況相比，能夠增加磁阻變化率(MR比率)，并且可以增加讀出信號(hào)的強(qiáng)度。此外，尤其是，當(dāng)氧化鎂(MgO)被用作充當(dāng)隧道絕緣層的中間層16的材料時(shí)，磁阻變化率(MR比率)能夠增加。此外，通常，因?yàn)樾D(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的效率取決于MR比率，隨著MR比率的增加，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的效率的提高，并且磁化反轉(zhuǎn)電流密度能夠降低。因此，當(dāng)氧化鎂用作隧道絕緣層的材料時(shí)，同時(shí)使用上面提到的存儲(chǔ)層17，利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的寫(xiě)入閾值電流可以降低，能夠以弱電流寫(xiě)入(記錄)信息。此外，能夠增加讀出信號(hào)的強(qiáng)度。相應(yīng)地，能夠確保MR比率(TMR比率)，并且可以降低利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的寫(xiě)入電流，能夠以弱電流寫(xiě)入(記錄)信息。此外，能夠增加讀出信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)隧道絕緣層使用如上所述的氧化鎂(MgO)膜形成時(shí)，即使隧道絕緣層被結(jié)晶，MgO膜優(yōu)選地在001方向上維持晶體取向。此外，在該實(shí)施方式中，除氧化鎂之外，可以使用各種類(lèi)型的絕緣材料例如，諸如氧化鋁、氮化鋁、Si02、Bi2O3' MgF2' CaF、SrTiO2, AlLaO3、以及A1-N-0、電介質(zhì)物質(zhì)(dielectric substance)和半導(dǎo)體,來(lái)形成設(shè)置在存儲(chǔ)層17和磁化固定層15之間的中間層16 (隧道絕緣層)。為了獲得利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)使存儲(chǔ)層17的磁化的方向反轉(zhuǎn)所必需的電流密度，中間層16 (隧道絕緣層)的薄層電阻值必須被控制到約幾十Q Um2以下。此外，在由MgO膜形成的中間層16中，為了將薄層電阻值控制在上面的范圍中，MgO膜的厚度必須被設(shè)定在I. 5nm以下。此外，存儲(chǔ)元件3的尺寸優(yōu)選地形成得較小，使得存儲(chǔ)層17的磁化的方向可以以低電流容易地反轉(zhuǎn)。因此，存儲(chǔ)元件的面積優(yōu)選地被設(shè)定在0. 01 U m2以下。<3.熱穩(wěn)定性和反轉(zhuǎn)電流的變化的描述〉盡管上面已提到，在ST-MRAM中，依然需要通過(guò)將在存儲(chǔ)元件中流動(dòng)的電流所進(jìn)行的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)，使存儲(chǔ)層的磁化的方向反轉(zhuǎn)。此外在該實(shí)施方式中，由于信息的寫(xiě)A (記錄)是由直接在存儲(chǔ)元件3中流動(dòng)電流所進(jìn)行的，為了選擇執(zhí)行寫(xiě)入的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)元件被連接至選擇晶體管來(lái)形成存儲(chǔ)單元。在該情況下，將在存儲(chǔ)元件3中流動(dòng)的電流受到能在選擇晶體管中流動(dòng)的電流(選擇晶體管的飽和電流)的限制。針對(duì)所述原因，既然應(yīng)當(dāng)理解，寫(xiě)入必須由等于或小于選擇晶體管的飽和電流的電流所進(jìn)行，并且隨著小型化的推進(jìn)，晶體管的飽和電流降低，所以為了實(shí)施ST-MRAM的小型化，需要通過(guò)提高旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的效率，降低在存儲(chǔ)元件3中流動(dòng)的電流。自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需的電流由電流U表示。此外，另一方面，因?yàn)镾T-MRAM為非易失性存儲(chǔ)器，必須穩(wěn)定地存儲(chǔ)由電流寫(xiě)入的信息。即，必須確保抗存儲(chǔ)層17的磁化的熱波動(dòng)的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。如果存儲(chǔ)層17的熱穩(wěn)定性不能確保，可能在某些情況下，反轉(zhuǎn)磁化的方向因?yàn)闊帷?操作環(huán)境中的溫度)被再次反轉(zhuǎn)，可能發(fā)生保持錯(cuò)誤。作為表明熱穩(wěn)定性的指標(biāo)，使用通過(guò)由于熱進(jìn)行反轉(zhuǎn)所需的能量除以環(huán)境溫度能量所獲得的值。下文中，該指標(biāo)由△表示。在作為ST-MRAM的存儲(chǔ)元件3中，能有利地進(jìn)行縮放，即，與現(xiàn)有MRAM相比，存儲(chǔ)層17的體積能夠減小。然而，在體積減小時(shí)，如果其他性質(zhì)不變，熱穩(wěn)定性會(huì)趨于降低。當(dāng)在本實(shí)施方式中所述的ST-MRAM存儲(chǔ)裝置的容量增加時(shí)，由于存儲(chǔ)元件3的體積進(jìn)一步減小，所以確保熱穩(wěn)定性成為重要的問(wèn)題。因此，在存儲(chǔ)元件3中，熱穩(wěn)定性是非常重要的性質(zhì)，即使其體積減小，也必須進(jìn)行設(shè)計(jì)以確保熱穩(wěn)定性。即，為了使作為ST-MRAM的存儲(chǔ)元件3能夠用作非易失性存儲(chǔ)器，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需的反轉(zhuǎn)電流必須降低到晶體管的飽和電流以下，并且還必須確保用于保持寫(xiě)入信息的熱穩(wěn)定性。作為能夠降低反轉(zhuǎn)電流并同時(shí)能夠確保熱穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)，已注意到針對(duì)存儲(chǔ)層使用垂直磁性膜的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，“垂直”表示存儲(chǔ)層表面的法線方向，“垂直磁性膜”表示一種磁性膜，其中，在等效狀態(tài)下，磁化被指向?yàn)榇怪狈较?。為了形成作為薄膜的存?chǔ)層17作為垂直磁性膜，存儲(chǔ)層17必須獲得被稱(chēng)作“垂直磁各向異性”的性質(zhì)。作為具有垂直磁各向異性的磁性材料，存在幾種類(lèi)型的材料，并且可以提及例如，稀土過(guò)渡金屬合金(rare earth-transition metal alloy)(如 TbCoFe)、金屬多層膜(如Co/Ba多層膜)、有序合金(如FePt)、使用氧化物和磁性金屬之間的界面各向異性的化合物(如 Co/MgO)。在使用垂直磁各向異性的磁性材料的MTJ元件(以下，被稱(chēng)為“垂直MTJ”)中，熱穩(wěn)定性指標(biāo)A和反轉(zhuǎn)電流U可以如下表達(dá)。
/J0 V一 Nz +公式 I
2 kg TIc0 = ) (3) "0 Mi V ( hk -Nz + Nx )公式 2
在上面的公式中，Ii0表示真空磁導(dǎo)率(vacuum permeability), Ms表示存儲(chǔ)層的飽和磁化，V表示存儲(chǔ)層的體積，kB表示波耳茲曼常數(shù)，T表示絕對(duì)溫度，e表示電子的電荷，劃線條的h表示普朗克轉(zhuǎn)換常數(shù)，a表示阻尼常數(shù)，n表示自旋極化率，并且(Nx, Nz)表示去磁系數(shù)，Nx表不面內(nèi)方向分量，Nz表不厚度方向分量。此外，hk表示無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化(non-dimensional normalized)垂直磁各向異性,通過(guò)使用垂直磁各向異性能源K，下列公式成立。
2 KHk =-；公式 3
Mo Mt將更詳細(xì)地討論上面所示的每個(gè)公式。首先，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，熱穩(wěn)定性指標(biāo)A和反轉(zhuǎn) 電流Ietl具有比例關(guān)系，并且容易被反轉(zhuǎn)的元件具有低熱穩(wěn)定性。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，熱穩(wěn)定性指標(biāo)A和反轉(zhuǎn)電流I。。不僅由垂直磁各向異性能量確定，而且從元件的形狀中得到的去磁系數(shù)(Nx，Nz)也有影響。在垂直磁化MTJ中，垂直磁各向異性能量充當(dāng)在垂直方向上引導(dǎo)磁化的基本因素。另一方面，由于存儲(chǔ)層17的形狀具有小于平面內(nèi)方向上的長(zhǎng)度尺寸(幾十個(gè)納米)的厚度方向上的長(zhǎng)度尺寸(幾個(gè)納米)，厚度方向上的退磁場(chǎng)作用更強(qiáng)，從而使得降低垂直磁各向異性。例如，在存儲(chǔ)層17具有無(wú)窮大面積時(shí)，Nx變?yōu)榱?，Nz變?yōu)镮。因此，無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化垂直磁各向異性由于退磁場(chǎng)的作用而變?yōu)閔k_l。另一方面，在存儲(chǔ)層17具有直徑70nm和厚度2nm的圓形膜表面時(shí)，Nx變?yōu)?. 0404，并且Nz變?yōu)?. 9192。在這種情況下，無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化垂直磁各向異性變?yōu)閔k-0. 8788。
如上所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在存儲(chǔ)層17被處理為具有有限尺寸時(shí)，垂直磁各向異性增大，因此，熱穩(wěn)定性指標(biāo)△和反轉(zhuǎn)電流1。(!增加。如上所述，發(fā)現(xiàn)，熱穩(wěn)定性指標(biāo)A和反轉(zhuǎn)電流Ietl不僅取決于垂直磁各向異性能量K,而且取決于元件的形狀。順便提及，存儲(chǔ)層17的處理被執(zhí)行為使得在通過(guò)光刻技術(shù)將抗蝕劑圖案化之后，通過(guò)例如離子統(tǒng)(ion milling)或活性離子蝕刻來(lái)進(jìn)行蝕刻。在這種情況下，例如，由于圖案化形狀的變化，將要形成的存儲(chǔ)層17的形狀也在MTJ元件之間變化。如上所述，因?yàn)榇鎯?chǔ)層17的形狀與熱穩(wěn)定性指標(biāo)△和反轉(zhuǎn)電流Ietl具 有緊密的關(guān)系，在這些性質(zhì)中也不利地產(chǎn)生變化。例如，在反轉(zhuǎn)電流Ietl在元件之間變化時(shí)，必須甚至以最大的反轉(zhuǎn)電流Ietl進(jìn)行寫(xiě)入。因此，隨著變化增大，需要更大的選擇晶體管。因此，可能不利地發(fā)生存儲(chǔ)器的容量的降低和/或功率消耗的增加。此外，在熱穩(wěn)定性指標(biāo)△在元件間變化時(shí)，具有較小的熱穩(wěn)定性指標(biāo)△的元件的熱穩(wěn)定性劣化，因此，在某些情況下存儲(chǔ)器的可靠性降低。根據(jù)該實(shí)施方式，考慮到存儲(chǔ)元件3的制造業(yè)中產(chǎn)生的形狀誤差之后，抑制反轉(zhuǎn)電流1。0和熱穩(wěn)定性指標(biāo)△的變化。〈4.根據(jù)所述實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)〉 接下來(lái)，將描述根據(jù)實(shí)施方式的具體結(jié)構(gòu)。
如上所述，參考圖1，在根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)中，能夠利用磁化狀態(tài)保持信息的存儲(chǔ)元件3被配置在垂直相交的兩種類(lèi)型地址線I和6 (如字線和位線)之間的交叉點(diǎn)附近。此外，當(dāng)上下方向的電流通過(guò)兩種類(lèi)型的地址線I和6在存儲(chǔ)元件3中流動(dòng)時(shí)，存儲(chǔ)層17的磁化的方向能夠通過(guò)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)進(jìn)行反轉(zhuǎn)。圖3A和圖3B均示出了根據(jù)實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件3 (ST-MRAM)的層結(jié)構(gòu)的實(shí)例。存儲(chǔ)元件3具有底層14、磁化固定層15、中間層16、存儲(chǔ)層17以及覆蓋層18。如圖所示，在存儲(chǔ)元件3中，磁化固定層15被設(shè)置在存儲(chǔ)層17的下側(cè)，在存儲(chǔ)層中，磁化M17的方向通過(guò)自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)進(jìn)行反轉(zhuǎn)。此外，存儲(chǔ)層17的磁化M17和磁化固定層15的磁化M15之間的相對(duì)角規(guī)定了 0或I的信息。
在存儲(chǔ)層17和磁化固定層15之間，設(shè)置有充當(dāng)隧道阻擋層(隧道絕緣層)的中間層16，MTJ元件由存儲(chǔ)層17和磁化固定層15形成。此外，底層14被形成在磁化固定層15的下方，覆蓋層18被形成在存儲(chǔ)層17上。Ta、Ru等被用于底層14。此外，Ta、Ru等也被用于覆蓋層18。存儲(chǔ)層17和磁化固定層15均具有垂直磁化。相應(yīng)地，存儲(chǔ)層17和磁化固定層15均優(yōu)選地由包含作為主要成分的Fe、Co和Ni的至少一種以及B和C的至少一種的合金形成。例如，作為存儲(chǔ)層17和磁化固定層15，諸如CoFeB或FeNiC的含F(xiàn)e的合金是適合的。此外，存儲(chǔ)層17可以由具有如下結(jié)構(gòu)垂直磁性膜形成，其中，包含Co和Fe的至少一種的磁性層和導(dǎo)電氧化物層彼此交替地層壓。具體地，可以形成如圖3B的截面圖所示的結(jié)構(gòu)。即，作為形成存儲(chǔ)層17的磁性層的實(shí)例，包含Co和Fe之一的層和包含導(dǎo)電氧化物的層交替地層壓。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，界面(其中每個(gè)界面均有助于垂直磁各向異性)的數(shù)量能夠增加，并且該結(jié)構(gòu)對(duì)于垂直磁化是有利的。例如，作為導(dǎo)電氧化物，可以使用Re03、RuO2, SnO2, TiO2, LiTi2O4^ LiV2O4 和 Fe3O4,此外，也可以使用由一種氧化物形成的化合物，該氧化物通常作為通過(guò)氧缺陷(oxygendefect)、摻雜其他元素等處理從而具有傳導(dǎo)性的絕緣材料。例如，作為中間層16，例如使用MgO (氧化鎂)。當(dāng)中間層16為MgO層時(shí)，磁阻變化率(MR比率)能夠增加。在MR比率增加時(shí)，自旋注入的效率提高，反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層17的磁化M17的方向所必需的電流強(qiáng)度能夠降低。在如上所述的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)存儲(chǔ)層17的飽和磁化和厚度分別由Ms (emu/cc)和t(nm)表示時(shí)，存儲(chǔ)層 17 的厚度 t 滿足條件(1489/Ms)-0.593〈t〈(6820/Ms)-I. 55。根據(jù)該實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件3可以由如下方式制造，其中，在真空裝置中依次形成底層14至覆蓋層18之后，通過(guò)諸如蝕刻的處理形成存儲(chǔ)元件3的圖案。根據(jù)該實(shí)施方式，由于存儲(chǔ)元件3的存儲(chǔ)層17為垂直磁性膜，反轉(zhuǎn)存儲(chǔ)層17的磁化M17的方向所必需的寫(xiě)入電流能夠降低。
如上所述，由于能夠充分確保作為信息保持能力的熱穩(wěn)定性，因此存儲(chǔ)元件3被形成為具有優(yōu)良的特性平衡。相應(yīng)地，能夠避免操作錯(cuò)誤，能夠獲得存儲(chǔ)元件3的充分的操作裕量(operational margins),使得能夠穩(wěn)定地操作存儲(chǔ)元件3。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)操作穩(wěn)定的高度可靠存儲(chǔ)器。此外，通過(guò)降低寫(xiě)入電流，可以減小在存儲(chǔ)元件3中寫(xiě)入時(shí)所使用的功率消耗。因此，當(dāng)存儲(chǔ)器由使用該實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件3形成時(shí)，整個(gè)存儲(chǔ)器的功率消耗可以降低。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)操作穩(wěn)定、具有極好的信息保持性質(zhì)的高度可靠存儲(chǔ)器，并且在含有存儲(chǔ)元件3的存儲(chǔ)器中，功率消耗能夠降低。 而且，根據(jù)上面的實(shí)施方式，由于形成存儲(chǔ)層17的一部分的氧化物層為導(dǎo)電材料，能夠降低串聯(lián)電阻，由此能夠防止隧道磁阻效應(yīng)的降低，其中，串聯(lián)電阻與產(chǎn)生隧道磁阻效應(yīng)的隧道阻擋部的電阻重疊，并且對(duì)隧道磁阻效應(yīng)沒(méi)有貢獻(xiàn)。由于磁阻效果反映在讀出信號(hào)的強(qiáng)度上，能夠防止電路的復(fù)雜性和/或由信號(hào)強(qiáng)度降低所引起的讀出速率的降低。此外，在制造具有圖I中所示結(jié)構(gòu)并包括圖2中所示的存儲(chǔ)元件3的存儲(chǔ)器時(shí)，能有利地應(yīng)用普通半導(dǎo)體MOS形成工藝。因此，實(shí)施方式的存儲(chǔ)器可被用作通用存儲(chǔ)器。此外，因?yàn)榇鎯?chǔ)層17的厚度t被設(shè)定為滿足條件(1489/Ms) _0.593〈t〈 (6820/Ms)-1. 55，能夠抑制熱穩(wěn)定性和反轉(zhuǎn)電流的變化。相應(yīng)地，能夠?qū)崿F(xiàn)操作穩(wěn)定的高度可靠的存儲(chǔ)器。此外，從上面提到的觀點(diǎn)來(lái)看，反轉(zhuǎn)電流能夠降低，因此，也能夠降低在存儲(chǔ)元件中寫(xiě)入時(shí)的功率消耗。此外，除Co和Fe之外的化學(xué)元素也可以被添加到用于形成根據(jù)該實(shí)施方式的存儲(chǔ)層17的一部分的磁性層。此外，固定磁化的方向的磁化固定層15可以?xún)H由鐵磁層形成，或通過(guò)使用反鐵磁層和鐵磁層之間的反鐵磁耦合形成。此外，磁化固定層15能夠由單個(gè)鐵磁層形成，或可以被形成為具有層壓含鐵釘扎(ferri-pinned)結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，層壓鐵磁層，同時(shí)在它們之間設(shè)置有非磁性層。作為形成具有層壓含鐵釘扎結(jié)構(gòu)的磁化固定層15的鐵磁層材料，例如，可以使用Co、CoFe和CoFeB0此外，例如，可以使用Ru、Re、Ir、Os作為非磁性層的材料。可選地，通過(guò)使用反鐵磁層和鐵磁層之間的反鐵磁耦合，能夠形成在其中固定磁化的方向的結(jié)構(gòu)。例如，作為反鐵磁層的材料，可提及諸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO,以及Fe2O3的磁性材料。此外,通過(guò)對(duì)上述磁性物質(zhì)加入諸如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，能夠調(diào)整磁特性，和/或也可以調(diào)整諸如晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度和物質(zhì)穩(wěn)定性的其他各種性質(zhì)。此外，在存儲(chǔ)元件的膜結(jié)構(gòu)中，甚至在存儲(chǔ)層17被配置在磁化固定層15的下側(cè)時(shí)，也不發(fā)生任何問(wèn)題?！?.計(jì)算〉
在該實(shí)施方式的存儲(chǔ)元件3的結(jié)構(gòu)中，使用宏自旋(macro-spin)模型特別地研究了針對(duì)存儲(chǔ)層17的各種特性參數(shù)對(duì)熱穩(wěn)定性指標(biāo)△和反轉(zhuǎn)電流Icfl的影響。如上所述，熱穩(wěn)定性指標(biāo)A和反轉(zhuǎn)電流Ietl分別由公式I和2表示。為了使用存儲(chǔ)元件3作為非易失性存儲(chǔ)器，盡管取決于存儲(chǔ)器容量和/或信息保持時(shí)間，但60到70的熱穩(wěn)定性指標(biāo)A是必要的。如上面的公式I中清楚可見(jiàn)，由于熱穩(wěn)定性指標(biāo)A在分母中包含溫度(T)，當(dāng)運(yùn)行保證溫度為85° C時(shí)，室溫下的熱穩(wěn)定性指標(biāo)A需要較高的值。相應(yīng)地，例如，在存儲(chǔ)層17的飽和磁化為SOOemu/cc的情況下，其膜表面形狀為直徑70nm的圓，在圖4中示出了存儲(chǔ)層17的厚度和無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化垂直磁各向異性能量之間的關(guān)系，其中，A=IOO成立。
從圖4中清晰可見(jiàn)，隨著厚度的增加，去磁系數(shù)Nx增加，Nz降低。因此，隨著厚度的增加，所需的無(wú)量綱標(biāo)準(zhǔn)化垂直磁各向異性能量降低。在如上所述獲得每個(gè)厚度下的所需的垂直磁各向異性能量之后，此時(shí)，改變存儲(chǔ)層17的形狀，并計(jì)算熱穩(wěn)定性指標(biāo)A。假定，形狀由于存儲(chǔ)層17的圖案化而變化。在這種情況下，形狀的變化被設(shè)定為±5nm。此外，熱穩(wěn)定性指標(biāo)A和反轉(zhuǎn)電流Ietl具有如上所述的比例關(guān)系。關(guān)于熱穩(wěn)定性指標(biāo)△的下列描述，也能類(lèi)似地應(yīng)用于關(guān)于反轉(zhuǎn)電流Icfl的描述。在表5中示出了結(jié)果。在存儲(chǔ)層17的Inm到7nm的厚度范圍內(nèi)，進(jìn)行了研究。在每個(gè)厚度下，作為垂直磁各向異性能量，使用從圖4獲得的值。此外，作為存儲(chǔ)層17的形狀，使用直徑為70nm的圓作為基準(zhǔn)，尺寸變?yōu)?5nmX65nm、65nmX70nm、65nmX 75nm、70nmX 75nm 和 75nmX75nm。當(dāng)如上所述表現(xiàn)xXy時(shí),如果x=y成立,形狀為直徑x (=y)的圓，如果x古y成立，則形狀為具有短軸X和長(zhǎng)軸y的橢圓。如圖5中的結(jié)果70nmX70nm所示，由于該形狀被用作基準(zhǔn)，A在每個(gè)厚度下通常為 100。另一方面，在觀察其他形狀的結(jié)果時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)如下內(nèi)容。S卩，在具有65nmX65nm的小面積的形狀中，隨著厚度的增加,熱穩(wěn)定性指標(biāo)A也增加；然而，在分別具有65nmX 75nm、70nmX 75nm或75nmX 75nm的大面積的形狀中，隨著厚度的增加，熱穩(wěn)定性指標(biāo)△降低。因此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在大約3. 7nm的厚度下，甚至當(dāng)形狀變化時(shí)，熱穩(wěn)定性指標(biāo)A的變化也是小的。在圖6中示出了存儲(chǔ)層17的厚度與熱穩(wěn)定性指標(biāo)A的變化之間的關(guān)系。順便提及，熱穩(wěn)定性指標(biāo)A的變化值，是通過(guò)最大A值和最小A值的之差除以初始A值(在該情況下為100)所獲得的值。在熱穩(wěn)定性指標(biāo)A的變化為20%時(shí)獲得厚度時(shí)，圖中點(diǎn)A所示的厚度為I. 82nm,圖中點(diǎn)B所示的厚度為4. 96nm。根據(jù)由此獲得的結(jié)果，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在熱穩(wěn)定性指標(biāo)A為100的情況下，存儲(chǔ)元件的直徑為70nm，飽和磁化為800emu/CC，在存儲(chǔ)層17的厚度被設(shè)定為I. 82nm到4. 96nm范圍時(shí)，變化A能夠控制在20%內(nèi)。接下來(lái)，盡管存儲(chǔ)元件3的熱穩(wěn)定性指標(biāo)△和直徑不變，可以通過(guò)改變飽和磁化獲得熱穩(wěn)定性指標(biāo)△的變化為20%的厚度。結(jié)果由圖7的點(diǎn)所示。由點(diǎn)A和B所示出的各點(diǎn)在800emu/cc的飽和磁化下獲得，并且其與圖6中所示的點(diǎn)A和B相同。其熱穩(wěn)定性指標(biāo)A的變化為20%的厚度可以通過(guò)改變飽和磁化進(jìn)行改變。因?yàn)樵陲柡痛呕疢s增加時(shí)，厚度降低，該關(guān)系由公式t=a+b/Ms近似表達(dá)。系數(shù)a和b通過(guò)擬合得到，使得該公式最正確地表示圖7中所示的點(diǎn)之間的關(guān)系。結(jié)果為圖7中所示的曲線C和D。曲線C表明包含點(diǎn)A的下限厚度的曲線，曲線D表明包含點(diǎn)B的上限厚度的曲線。曲線C和D之間的斜線部分是熱穩(wěn)定性指標(biāo)A的變化 在20%之內(nèi)的范圍。如果厚度的范圍特別地由公式表示，滿足下列關(guān)系。
19074683—0.536 +< ￡" < 一0.878 + 公式 4
MsMs A公式4的左側(cè)項(xiàng)表示圖7中的曲線C，右側(cè)項(xiàng)表示圖7中的曲線D。如上所述，獲得存儲(chǔ)層17的飽和磁化Ms (emu/cc)和厚度t (nm)之間的關(guān)系，其中，在存儲(chǔ)層17的熱穩(wěn)定性指標(biāo)△和直徑固定時(shí)，熱穩(wěn)定性指標(biāo)△以及反轉(zhuǎn)電流中1。(|的變化能夠降低。存儲(chǔ)層17的熱穩(wěn)定性指標(biāo)A和直徑，可以根據(jù)存儲(chǔ)裝置的應(yīng)用、半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)規(guī)則等而采用各種值。通常，熱穩(wěn)定性指標(biāo)A在60至100的范圍內(nèi)，存儲(chǔ)層17的直徑在40nm到70nm的范圍內(nèi)。相應(yīng)地，盡管存儲(chǔ)層17的熱穩(wěn)定性指標(biāo)△和厚度在各自的范圍中是變化的，對(duì)存儲(chǔ)層17的飽和磁化Ms (emu/cc)和熱穩(wěn)定性指標(biāo)A的變化為20%時(shí)的厚度t (nm)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。在圖8中示出了存儲(chǔ)層17的飽和磁化Ms (emu/cc)和厚度t (nm)之間的關(guān)系的上限邊界(曲線F)和下限邊界(曲線E)。斜線部分的區(qū)域是熱穩(wěn)定性指標(biāo)△的變化被控制在20%之內(nèi)的區(qū)域。如果該范圍具體地由公式顯示，滿足下列公式。
14896820—0.593 +< t < —1,55 + 公式 5
MsMs從上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在存儲(chǔ)層17的飽和磁化Ms和厚度t之間的關(guān)系滿足公式5時(shí)，即使存儲(chǔ)層17的形狀變化，熱穩(wěn)定性指標(biāo)△的變化以及反轉(zhuǎn)電流Icfl的變化也能夠降低?！? 修改例〉盡管已描述了實(shí)施方式，但是本發(fā)明的技術(shù)不僅可以應(yīng)用于上述的實(shí)施方式中所示的存儲(chǔ)元件3的膜結(jié)構(gòu)，而且可以應(yīng)用于其他各種膜結(jié)構(gòu)。例如,盡管磁化固定層15在實(shí)施方式中由CoFeB形成,但其并不局限于實(shí)施方式，而可以使用各種結(jié)構(gòu)。此外，盡管在實(shí)施方式中以實(shí)例示出了單個(gè)底層14和單個(gè)覆蓋層18，但是也可以應(yīng)用層壓結(jié)構(gòu)。此外，底層14和覆蓋層18也可以由各種材料形成。作為存儲(chǔ)元件3的膜表面形狀，也可以使用圓形之外的諸如橢圓形和多邊形的各種形狀。此外，本發(fā)明的技術(shù)也可以采用以下結(jié)構(gòu)。(I)能夠提供一種存儲(chǔ)元件，包含存儲(chǔ)層，通過(guò)磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)保持信息；具有磁化的磁化固定層，磁化被用作存儲(chǔ)在存儲(chǔ)層中的信息的基礎(chǔ)；以及非磁性物質(zhì)的中間層，設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間，在該存儲(chǔ)元件中，通過(guò)使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)使存儲(chǔ)層的磁化進(jìn)行反轉(zhuǎn)來(lái)存儲(chǔ)信息，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)通過(guò)電流在包含存儲(chǔ)層、中間層和磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動(dòng)而產(chǎn)生，以及當(dāng)存儲(chǔ)層的飽和磁化和厚度分別由Ms(emu/cc)和 t (nm)表示時(shí)，(1489/Ms)-0. 593〈t〈(6820/Ms)-I. 55 成立。 ( 2)在上述(I)的存儲(chǔ)元件中，存儲(chǔ)層和磁化固定層均具有垂直于各自的膜表面的磁化。 (3)上文(I)或(2)的存儲(chǔ)元件還包含在與所述中間層相對(duì)的一側(cè)處與存儲(chǔ)層相
鄰的覆蓋層。(4)在上述(I)至(3)之一的存儲(chǔ)元件中，存儲(chǔ)層的厚度t (nm)在40nm至70nm的范圍內(nèi)。( 5 )上述(I)至(4 )之一的存儲(chǔ)元件中，存儲(chǔ)層是具有如下結(jié)構(gòu)垂直磁性膜，其中，包含鈷和鐵的至少一種的至少一個(gè)磁性層和至少一個(gè)導(dǎo)電氧化物層彼此交替地層壓。本申請(qǐng)包含于2011年5月23日向日本專(zhuān)利局提交的日本在先專(zhuān)利申請(qǐng)JP2011-114439所涉及的主題，其全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此作為參考。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)設(shè)計(jì)要求和其他因素，可以進(jìn)行各種變化、組合、子組合和變形，只要它們?cè)谒綑?quán)利要求或其等價(jià)物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種存儲(chǔ)元件，包括 存儲(chǔ)層，通過(guò)磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)保持信息； 具有磁化的磁化固定層，所述磁化被用作存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)層中的所述信息的基礎(chǔ)；以及 非磁性物質(zhì)的中間層，設(shè)置在所述存儲(chǔ)層和所述磁化固定層之間， 其中，所述存儲(chǔ)元件被配置為通過(guò)使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)使所述存儲(chǔ)層的磁化進(jìn)行反轉(zhuǎn)來(lái)存儲(chǔ)信息，所述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)通過(guò)電流在包含所述存儲(chǔ)層、所述中間層和所述磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動(dòng)而產(chǎn)生，以及 當(dāng)所述存儲(chǔ)層的飽和磁化和厚度分別由Ms (emu/cc)和t (nm)表示時(shí)，(1489/Ms) -0. 593<t< (6820/Ms)-I. 55 成立。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲(chǔ)元件， 其中，所述存儲(chǔ)層和所述磁化固定層均具有垂直于各自的膜表面的磁化。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲(chǔ)元件， 其中，還包含在與所述中間層相反的一側(cè)處與所述存儲(chǔ)層相鄰的覆蓋層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲(chǔ)元件， 其中，所述存儲(chǔ)層的所述厚度t (nm)在40nm到70nm的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲(chǔ)元件， 其中，所述存儲(chǔ)層是具有如下結(jié)構(gòu)的垂直磁性膜，在所述結(jié)構(gòu)中，包含鈷和鐵的至少一種的至少一個(gè)磁性層和至少一個(gè)導(dǎo)電氧化物層彼此交替地層壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲(chǔ)元件，其中，所述磁化固定層可以?xún)H由鐵磁層形成或通過(guò)使用反鐵磁層與鐵磁層之間的反鐵磁耦合形成。
7.一種存儲(chǔ)裝置，包含 彼此交叉的兩種類(lèi)型的配線；以及 配置在所述兩種類(lèi)型的配線之間的存儲(chǔ)元件，所述存儲(chǔ)元件通過(guò)磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)來(lái)保持信息，并且所述存儲(chǔ)元件包含 存儲(chǔ)層，通過(guò)磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)來(lái)保持信息； 具有磁化的磁化固定層，所述磁化被用作存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)層中的所述信息的基礎(chǔ)，以及 非磁性物質(zhì)的中間層，設(shè)置在所述存儲(chǔ)層和所述磁化固定層之間， 其中，所述存儲(chǔ)元件被配置為通過(guò)使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)使所述存儲(chǔ)層的磁化進(jìn)行反轉(zhuǎn)來(lái)存儲(chǔ)信息，所述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)通過(guò)電流在包含所述存儲(chǔ)層、所述中間層和所述磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動(dòng)而產(chǎn)生， 當(dāng)所述存儲(chǔ)層的飽和磁化和厚度分別由Ms (emu/cc)和t (nm)表示時(shí)，(1489/Ms) -0. 593<t< (6820/Ms)-I. 55 成立，以及 在層壓方向上的所述電流通過(guò)所述兩種類(lèi)型的配線在所述存儲(chǔ)元件中流動(dòng)，使得發(fā)生自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置，該存儲(chǔ)元件包含存儲(chǔ)層，其通過(guò)磁性材料的磁化狀態(tài)保持信息；具有磁化的磁化固定層，該磁化被用作存儲(chǔ)在存儲(chǔ)層中的信息的基礎(chǔ)；非磁性物質(zhì)的中間層，設(shè)置在存儲(chǔ)層和磁化固定層之間。存儲(chǔ)元件被構(gòu)造為，通過(guò)使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)使存儲(chǔ)層的磁化進(jìn)行反轉(zhuǎn)來(lái)存儲(chǔ)信息，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)通過(guò)電流在包含存儲(chǔ)層、中間層和磁化固定層的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上流動(dòng)而產(chǎn)生，在存儲(chǔ)層的飽和磁化和厚度分別由Ms(emu/cc)和t(nm)表示時(shí)，(1489/Ms)-0.593<t<(6820/Ms)-1.55成立。
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公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
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