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)明涉及包括將鐵磁層的磁化狀態(tài)存儲為信息的存儲層和磁化方向被固定的磁化固定層，并且存儲層的磁化方向通過使電流流動而改變的存儲元件，以及包括該存儲 元件的存儲裝置。
背景技術(shù)：
隨著諸如移動終端和大容量服務(wù)器的各種信息裝置的快速發(fā)展，已對諸如各種信息裝置中所包括的存儲器或邏輯電路的元件研究了諸如高集成度、高速度以及低功耗的高新性能特征。具體地，半導(dǎo)體非易失性存儲器已高度先進(jìn)并且諸如大容量文件存儲器的閃存已作為硬盤驅(qū)動器被大量生產(chǎn)。另一方面，鐵電隨機(jī)存取存儲器(FeRAM)、磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)、相變隨機(jī)存取存儲器(PCRAM)等在開發(fā)中，以將這些存儲器發(fā)展成代碼存儲器或工作存儲器并且代替目前已有的NOR閃存或DRAM。此外，一些存儲器已被投入實際使用。在這些存儲器中，MRAM由于數(shù)據(jù)根據(jù)磁體的磁化方向被存儲而能夠快速地并且?guī)缀跏菬o數(shù)次地(1015次以上)重寫數(shù)據(jù)，并且已被用在工業(yè)自動化、飛機(jī)等領(lǐng)域。從高速操作和可靠性方面來講，MRAM期望在未來被發(fā)展成代碼存儲器或工作存儲器。實際上，低功耗和大容量的問題已變成一個難題。此問題是MRAM的記錄原理所固有的問題，該記錄原理為，使電流在基本上彼此垂直的兩種地址線(字線和位線)中流動并且通過利用由每條地址線產(chǎn)生的電流磁場來反轉(zhuǎn)在地址線的交叉點處的磁存儲元件的磁性層的磁化的方法，即，利用由每條地址線產(chǎn)生的電流磁場來反轉(zhuǎn)磁化。作為此問題的一種解決方案，在不依賴電流磁場的情況下執(zhí)行的記錄類型，S卩，磁化反轉(zhuǎn)類型已被實驗。在這些類型當(dāng)中，已積極地進(jìn)行了對自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的研究(例如，參見日本未審專利申請公開第2003-17782號、美國專利第6256223號、日本未審專利申請公開第 2008-227388 號、PHYs. Rev. B, 54. 9353 (1996)以及 J. Magn. Mat.，159，LI (1996))。在許多情況下，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)類型存儲元件通過如在MRAM中的磁隧道結(jié)(MTJ)構(gòu)成。在這種構(gòu)造中，當(dāng)通過在穿過被固定在給定方向上的磁性層的自旋極化電子進(jìn)入另一自由磁性層(其中方向未被固定)時將扭矩(其被稱為自旋轉(zhuǎn)移扭矩)施加于磁性層而使值為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執(zhí)行重寫“0/1”。在尺寸為約O. I μ m的元件中，用于反轉(zhuǎn)磁性層的電流的絕對值是ImA以下。此外，可執(zhí)行按比例縮小(scaling),以與元件體積成比例地減小電流值。此夕卜，由于不需要MRAM中所必需的記錄電流磁場生成字線，所以具有簡化了單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。在下文中，利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM被稱為自旋扭矩磁隨機(jī)存取存儲器(ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)也被稱為自旋注入磁化反轉(zhuǎn)。非常期望將ST-RAM實現(xiàn)為除MRAM的優(yōu)點(數(shù)據(jù)被快速地并且?guī)缀鯚o限次地被重寫)之外還具有低功耗和高容量的優(yōu)點的非易失性存儲器。

發(fā)明內(nèi)容
在MRAM中，從存儲元件分離地提供寫入線(字線或位線)并且利用通過使電流在寫入線中流動而產(chǎn)生的電流磁場來寫入(記錄)信息。因此，能夠在寫入線中流過用于寫入信息所需的足夠的電流量。另一方面，在ST-MRAM中，需要通過在存儲元件中流動的電流來執(zhí)行自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)存儲層的磁化的方向。由于通過使電路直接流至存儲元件來寫入(記錄)信息，所以存儲裝置包括存儲元件和彼此連接以選擇寫入信息的存儲裝置的選擇晶體管。在這種情況下，在存儲元件中流動的電流受限于可在選擇晶體管中流動的電流(選擇晶體管的飽和電流)的大小。此外，由于ST-MRAM是非易失性存儲器，所以需要穩(wěn)定地存儲利用電流寫入的信息。即，需要確保對于存儲層的磁化的熱波動的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。當(dāng)不能確保存儲層的熱穩(wěn)定性時，被反轉(zhuǎn)的磁化方向會由于熱(操作環(huán)境中的溫度)再次被反轉(zhuǎn)。從而，會造成寫入錯誤。在ST-MRAM的存儲元件中，如上所述，相比于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的MRAM可獲得按比例縮小的優(yōu)點，即，減小存儲層的體積的優(yōu)點。然而，當(dāng)減小了存儲層的體積時，在其他特性相同的條件下，熱穩(wěn)定性傾于劣化。通常，當(dāng)存儲元件的體積增大時，可知熱穩(wěn)定性和寫入電流增大。相反，當(dāng)存儲元件的體積減小時，可知熱穩(wěn)定性和與入電流減小。期望提供一種能夠盡可能確保熱穩(wěn)定性并且不會增大寫入電流的存儲元件以及包括該存儲元件的存儲裝置。根據(jù)本公開的實施方式，提供了一種具有以下構(gòu)造的存儲元件。S卩，根據(jù)本公開的實施方式的存儲元件包括具有垂直于膜表面的磁化并且對信息改變磁化的方向的存儲層。此外，存儲元件包括具有垂直于膜表面的磁化并且用作被存儲在存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化固定層。此外，存儲元件包括由設(shè)置在存儲層與磁化固定層之間的非磁體形成的絕緣層。此外，通過利用伴隨在存儲層、絕緣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發(fā)生的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)存儲層的磁化來存儲信息。 存儲層的尺寸必須小于磁化的方向被同時改變的尺寸。根據(jù)本公開的另一實施方式，提供了一種存儲裝置，其包括上述存儲元件以及兩種彼此交叉的線。存儲元件設(shè)置在這兩種線之間。電流經(jīng)由兩種線在存儲元件中在層壓方向上流動并且因此發(fā)生自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。在根據(jù)本公開的實施方式的存儲元件中，磁化固定層和存儲層被形成有被介于它們之間的絕緣層(隧道勢壘層)。由于通過利用伴隨在層壓方向上流動的電流發(fā)生的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)存儲層的磁化而記錄信息，所以可通過使電流在層壓方向上流動來記錄信息。此時，由于存儲層的尺寸小于磁化的方向被同時改變的情況下的尺寸，所以在盡可能確保熱穩(wěn)定性的同時可實現(xiàn)低功耗。在根據(jù)本公開的實施方式的存儲裝置的構(gòu)造中，電路經(jīng)由兩種線在存儲元件中在層壓方向上流動并且因此出現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)移。因此，通過使電流經(jīng)由兩種線在存儲元件的層壓方向上流動而實現(xiàn)的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來記錄信息。由于充分地保持了存儲層的熱穩(wěn)定性，所以可穩(wěn)定地保持存儲元件中所記錄的信息。此外，可使存儲裝置小型化、改善可靠性、并且實現(xiàn)低功耗。根據(jù)本公開的實施方式，可對于具有垂直磁各向異性的ST-MRAM中的寫入電流,有效地提高熱穩(wěn)定性。因此，可實現(xiàn)確保作為信息保持能力的熱穩(wěn)定性并且因此具有優(yōu)良的諸如功耗的特性平衡的存儲元件。因此，能防止操作錯誤，并且可充分獲得存儲元件的操作余量。因此，可實現(xiàn)穩(wěn)定地操作并且具有高可靠性的存儲器。此外，可減小寫入電流，因此當(dāng)信息被寫入在存儲元件上時可減小功耗。因此，可減小存儲裝置的總功耗。


圖I是示出了根據(jù)實施方式的存儲裝置(存儲器裝置)的示意圖(透視圖)；圖2是示出了根據(jù)實施方式的存儲元件的截面圖；圖3是示出了根據(jù)實施方式的存儲元件的截面圖；圖4是示出了在實驗中所使用的存儲元件的樣本的截面結(jié)構(gòu)的示圖；圖5A和圖5B是示出了存儲層的尺寸相對于從樣本I的實驗中獲得的Ic和Λ的依賴關(guān)系的示圖；圖6是示出了存儲層相對于從樣本I的實驗獲得的Λ的尺寸依賴關(guān)系(在圖中通過▲來標(biāo)示)以及存儲層相對于基于通過VSM測量獲得的飽和磁化Ms和各向異性磁場Hk所計算出的Λ的尺寸依賴關(guān)系(在圖中通過 來標(biāo)示)的示圖；圖7Α和圖7Β是示出了存儲層的尺寸相對于從樣本2的實驗獲得的Ic和Λ的依賴關(guān)系的不圖；以及圖8是示出了存儲層相對于從樣本2的實驗獲得的Λ的尺寸依賴關(guān)系(在圖中通過▲來標(biāo)示)以及存儲層相對于基于通過VSM測量獲得的飽和磁化Ms和各向異性磁場Hk所計算出的Λ的尺寸依賴關(guān)系(在圖中通過 來標(biāo)示)的示圖。
具體實施例方式在下文中，將參照附圖來詳細(xì)描述本公開的優(yōu)選實施方式。應(yīng)當(dāng)注意，在此說明書和附圖中，具有實際上相同功能和結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)元件以相同的參考標(biāo)號來標(biāo)注，并且這些結(jié)構(gòu)元件的重復(fù)描述將被省略。在下文中，將按下列順序來描述本公開的實施方式。
I.根據(jù)實施方式的存儲元件
2.根據(jù)實施方式的存儲元件的構(gòu)造
3.根據(jù)實施方式的具體構(gòu)造
4.根據(jù)實施方式的實驗
I.根據(jù)實施方式的存儲元件
首先，將描述根據(jù)本公開的實施方式的存儲元件。
在本公開的實施方式中，信息通過借助于上述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)存儲元件的存儲層的磁化方向而被記錄。存儲層通過包括鐵磁層的磁體來構(gòu)成并且根據(jù)磁化狀態(tài)(磁化方向)來保持信息。例如，存儲元件3具有圖3中所示的層結(jié)構(gòu)。存儲元件3至少包括存儲層17和磁化固定層15作為兩個鐵磁層，并且包括絕緣層16作為這兩個鐵磁層之間的中間層。存儲元件3還包括在該存儲層17層上面的保護(hù)層18并且包括在磁化固定層15下面的底層14。存儲層17具有垂直于膜表面的磁化。磁化方向被改變從而對應(yīng)于信息。磁化固定層15具有垂直于用作存儲在存儲層17中的信息的基準(zhǔn)的膜表面的磁化。絕緣層16是非磁體并且被形成在存儲層17與磁化固定層15之間。當(dāng)自旋極化電子在存儲層17、絕緣層16以及磁化固定層15的層結(jié)構(gòu)的層壓方向上被注入時，存儲層17的磁化方向被改變并且由此信息被記錄在存儲層17上。下文中，將簡單描述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。電子具有兩種自旋角動量。這里，電子被定義為向上的電子和向下的電子。在非磁體中，向上和向下的電子在數(shù)量上相同。在鐵磁體中，向上和向下的電子在數(shù)量上不同。在磁化固定層15和存儲層17 (作為存儲元件3的兩個鐵磁層)中，將考慮當(dāng)磁矩的方向彼此相反時電子從磁化固定層15向存儲層17移動的情況。磁化固定層15是磁矩的方向被固定以確保高矯頑力的固定磁性層。在穿過磁化固定層15的電子中，發(fā)生自旋極化，即，向上和向下的電子在數(shù)量上存在不同。當(dāng)非磁性絕緣層16具有足夠的厚度時，在穿過磁化固定層15的電子的自旋極化被減緩并且在通常的非磁體中電子進(jìn)入非極化狀態(tài)(其中，向上和向下的電子在數(shù)量上相同)之前，電子到達(dá)另一磁體，即，存儲層17。在存儲層17中，由于自旋極化度的符號是相反的，所以一些電子被反轉(zhuǎn)，即，自旋角動量的方向被改變?yōu)闇p小系統(tǒng)的能量。此時，由于系統(tǒng)的整個角動量必須守恒，所以與由方向被改變的電子所造成的角動量的改變總和等價的反應(yīng)被施加于存儲層17的磁矩。當(dāng)電流(即，單位時間通過的電子數(shù))小時，方向被改變的電子的總數(shù)也小。因此，在存儲層17的磁矩中發(fā)生的角動量的改變也小。然而，當(dāng)電流增大時，在單位時間內(nèi)角動量可被顯著地改變。角動量的時間變化是扭矩。當(dāng)扭矩大于給定閾值時，存儲層17的磁矩開始旋進(jìn)運(yùn)動(precession movement)。當(dāng)磁矩通過單軸各向異性旋轉(zhuǎn)了 180度之后磁矩被穩(wěn)定。SP,磁矩從相反的方向被反轉(zhuǎn)到相同的方向。當(dāng)在相同磁化方向的狀態(tài)下電流在電子從存儲層17被發(fā)送至磁化固定層15的方向上反向地流動時，在電子從磁化固定層15被反射并且自旋反轉(zhuǎn)電子進(jìn)入存儲層17的情況下施加扭矩。然后，可在相反的方向上反轉(zhuǎn)磁矩。此時，相比于磁矩從相反方向被反轉(zhuǎn)到相同方向的情況，造成反轉(zhuǎn)所需的電流量更大。難以直觀地理解磁矩從相同方向至相反方向的反轉(zhuǎn)，但由于磁化固定層15被固定，所以存儲層17可被看作在不存在磁矩的反轉(zhuǎn)的情況下被反轉(zhuǎn)至保持系統(tǒng)的總角動量守恒。因此，通過使對應(yīng)于各個極性并且等于或大于給定閾值的電流在從磁化固定層15至
6存儲層17的方向上或在相反方向上流動來記錄“0/1”。利用磁阻效應(yīng)來讀取信息，如在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的MRAM中一樣。S卩，電流在垂直于膜表面的方向上流動，如在上面描述的記錄情況中一樣。根據(jù)存儲層17的磁矩的方向與磁化固定層15的磁矩的方向是相同或相反來使用元件的電阻的改變現(xiàn)象。金屬或絕緣材料可被用作被形成在磁化固定層15與存儲層17之間的絕緣層的材料。當(dāng)絕緣材料用作絕緣層16的材料時，可獲得較高讀取信號(電阻變化率)并且可以以更低的電流記錄信息。在這種情況下，元件被稱為磁隧道結(jié)(MTJ)元件。當(dāng)通過自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)磁性層的磁化的方向時，所需電流的閾值Ic根據(jù)磁性層的易磁化軸是在平面內(nèi)方向上或是在垂直方向上而不同。根據(jù)實施方式的存儲元件是垂直磁化型的存儲元件。假設(shè)在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的平面內(nèi)磁化型存儲元件中，用于反轉(zhuǎn)磁性層的磁化方向的反轉(zhuǎn)電流是Ic_para。當(dāng)磁化從相同方向被反轉(zhuǎn)至相反方向(其中，相同方向和相反方向是利用磁化固定層的磁化方向作為基準(zhǔn)所考慮的存儲層的磁化方向)時，滿足“Ic_para =(Α · a Ms *V/g (0) /P) (Hk+2 3i Ms) ”。當(dāng)磁化從相反方向被反轉(zhuǎn)至相同方向時,滿足“Ic_para =_(A · a *Ms · V/g( π )/P) (Hk+2 3i Ms)"(其被稱作等式(I))。另一方面，假設(shè)垂直磁化型存儲元件的反轉(zhuǎn)電流為Ic_perp。當(dāng)磁化從相同方向被反轉(zhuǎn)至相反方向時，滿足 “Ic_perp =(A · a · Ms · V/g (O)/P) (Hk_4 π Ms) ”。當(dāng)磁化從相反方向被反轉(zhuǎn)至相同方向時,滿足“Ic_perp =_(A · a *Ms · V/g( π )/P) (Hk-4 3i Ms)"(其被稱為等式(2))。在該等式中，A表示常數(shù)，a表示阻尼常數(shù)，Ms表示飽和磁化，V表示元件體積，P表不自旋極化率，g(0)和gO )表不與分別在相同方向和相反方向上被施加于磁性層的自旋扭矩的效率對應(yīng)的系數(shù)，以及Hk表示磁各向異性(參見NatureMaterials. , 5, 210 (2006))。當(dāng)在上述等式中的垂直磁化型的存儲元件(Hk-4 Ms)與平面磁化類型存儲元件(Hk+2 π Ms)相比時，垂直磁化型存儲元件可被理解成適合于低記錄電流。在此實施方式中，存儲元件3被配置為包括可根據(jù)磁化狀態(tài)來保持信息的磁性層(存儲層17)和磁化方向被固定的磁化固定層15。為了用作存儲裝置，必須保持所寫入的信息。熱穩(wěn)定性的系數(shù)值Λ (=KV/kBT)被用作保持信息的能力的系數(shù)。這里，△通過下面的等式(3)來表示。Δ =K · V/kB · T =Ms · V · Hk · (l/2kB · T)等式(3)在此等式中，Hk是有效各向異性場，kB是波爾茲曼常數(shù)，T是溫度，Ms是飽和磁化量，V是存儲層17的體積，而K是各向異性能量。有效各向異性場Hk接收諸如形狀磁各向異性、感生磁各向異性或晶體磁各向異性的磁各向異性的影響。當(dāng)假設(shè)單磁區(qū)同時旋轉(zhuǎn)模式(single-section simultaneousrotation model)時,有效各向異性等于矯頑性。此外，當(dāng)與上面的Λ相關(guān)地表示閾值Ic時，滿足下面的等式(4)。[表達(dá)式I]
權(quán)利要求
1.一種存儲元件，包括存儲層，根據(jù)磁體的磁化狀態(tài)來保持信息；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(zhǔn)的磁化；以及絕緣層，由被設(shè)置在所述存儲層與所述磁化固定層之間的非磁體形成，其中，通過利用伴隨在所述存儲層、所述絕緣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發(fā)生的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)所述存儲層的磁化來存儲所述信息，以及所述存儲層的尺寸小于所述磁化的方向被同時改變的尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件，其中，所述存儲層的鐵磁材料是Co-Fe-B。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件，其中，非磁性材料被添加至所述存儲層的鐵磁材料的 Co-Fe-B。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的存儲元件，其中，所述存儲層和所述磁化固定層具有垂直于膜表面的磁化。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的存儲元件，其中，所述存儲層的直徑小于45nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的存儲元件，其中，利用包括絕緣體作為所述絕緣層的隧道絕緣層構(gòu)成MJT元件。
7.一種存儲裝置，包括存儲元件，根據(jù)磁體的磁化狀態(tài)來保持信息；以及彼此交叉的兩種線，其中，所述存儲元件包括存儲層，根據(jù)磁體的磁化狀態(tài)來保持信息；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(zhǔn)的磁化；以及絕緣層，由被設(shè)置在所述存儲層與所述磁化固定層之間的非磁體形成，在所述存儲元件中，通過利用伴隨在所述存儲層、所述絕緣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發(fā)生的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)所述存儲層的磁化來存儲所述信息，并且所述存儲層的尺寸小于所述磁化的方向被同時改變的尺寸，所述存儲元件介于所述兩種線之間，以及當(dāng)所述電流經(jīng)由所述兩種線在所述存儲元件中在層壓方向上流動時發(fā)生所述自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及存儲元件和存儲裝置，其中，該存儲元件包括存儲層，根據(jù)磁體的磁化狀態(tài)來保持信息；磁化固定層，具有用作被存儲在存儲層中的信息的基準(zhǔn)的磁化；以及絕緣層，由被設(shè)置在存儲層與磁化固定層之間的非磁體形成，其中，通過利用伴隨在存儲層、絕緣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發(fā)生的自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)存儲層的磁化來存儲信息，并且存儲層的尺寸小于磁化的方向被同時改變的尺寸。
文檔編號H01L43/08GK102916126SQ201210260559
公開日2013年2月6日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者山根一陽, 細(xì)見政功, 大森廣之, 別所和宏, 肥后豐, 淺山徹哉, 內(nèi)田裕行 申請人:索尼公司