存儲(chǔ)元件、存儲(chǔ)裝置和磁頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)設(shè)及包括多個(gè)磁性層并且使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)（spin torque ma即etization reversal)記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)裝置。
[0002] 本公開(kāi)還設(shè)及檢測(cè)來(lái)自磁性記錄介質(zhì)的磁性信號(hào)的磁頭。
[0003] 本公開(kāi)包括于2012年9月28日向日本專利局提交的日本在先專利申請(qǐng)JP 2012-217702所公開(kāi)的主題，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于此。
[0004] 引用列表 [000引專利文獻(xiàn)
[0006] ?化 1 ;JP 2003-17782A
[0007] ?化 2 ;USP 6, 256, 223 [000引？化 3 ;JP 2008-227388A
[0009] 非專利文獻(xiàn)
[0010] NPL 1 ；Phys. Rev. B, 54, 9353 (1996)
[0011] NPL 2 ；J. Magn. Mat. , 159, LI (1996)
[001 引 NPL 3 ;Nature Materials.，5, 210(2006)
[0013] NPL 4 ；Phys. Rev. Lett. , 67, 3598 (1991)
【背景技術(shù)】
[0014] 隨著從移動(dòng)終端到大型服務(wù)器的各種信息設(shè)備的迅速發(fā)展，已經(jīng)探索用于配置該 樣的設(shè)備的類似存儲(chǔ)器和邏輯元件的組件的更高的性能，如更高的集成度、更高的速度W 及減少電力消耗。
[0015] 具體地，在半導(dǎo)體非易失性存儲(chǔ)器中已經(jīng)取得顯著的提升，利用瞬時(shí)存儲(chǔ)器作為 大容量文件存儲(chǔ)器變得越來(lái)越廣泛并且取代了硬盤驅(qū)動(dòng)器的位置。
[0016] 同時(shí)，還提升了非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展W便代替目前通常用于代碼存儲(chǔ) 器（code storage) W及用于工作存儲(chǔ)器（working memcxry)的非瞬時(shí)存儲(chǔ)器、DRAM等。 化RAM(鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）、MRAM(磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）W及PCRAM(相變RAM)可給 出作為該樣的非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的實(shí)例。該些中的一些已被商業(yè)化。
[0017] 在該樣的非易失存儲(chǔ)器中，MRAM利用磁體的磁化（magnetization)方向存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 并且因此能夠高速重寫(xiě)并且?guī)缀鯚o(wú)限次地重寫(xiě)a〇is次或更多）。MRAM已用于如工業(yè)自動(dòng) 化和飛機(jī)的領(lǐng)域中。
[0018] 由于其高速操作和可靠性，未來(lái)極有可能使用MRAM作為代碼存儲(chǔ)器和工作存儲(chǔ) 器。
[0019] 然而，減少電力消耗和增加容量仍然是MRAM的問(wèn)題。該些是由于MRAM的記錄原 理導(dǎo)致的本質(zhì)問(wèn)題，就是說(shuō)，磁性使用從配線產(chǎn)生的電流磁場(chǎng)進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)的布置。
[0020] 作為解決上述問(wèn)題的方法，正在研究不依賴于電流磁場(chǎng)的記錄方法（即，磁性反 轉(zhuǎn)）。與自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)有關(guān)的研究尤其活躍（例如，參見(jiàn)PTL1、P化2、P化3、NPL1和 NPL2)〇
[0021] W與MRAM相同的方式，在許多情況下，使用MTJ (磁性隧道結(jié)）配置使用自旋扭矩 磁化反轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)元件。
[0022] 該樣的結(jié)構(gòu)在已通過(guò)固定在特定方向上的磁性層的自旋極化電子進(jìn)入自由磁性 層時(shí)，使用施加到自由磁性層（其磁化方向沒(méi)有被固定）的扭矩（也被稱為"自旋轉(zhuǎn)移扭 矩"）在W給定的闊值W上電流的流過(guò)時(shí)自由磁性層反轉(zhuǎn)。0/1的重寫(xiě)通過(guò)改變電流的極性 實(shí)現(xiàn)。
[0023] 用于該樣的反轉(zhuǎn)的電流的絕對(duì)量對(duì)于約0. 1毫米的大小的元件是1mA或W下。因 為該樣的電流量與元件容積成比例減小，所W小型化（scaling)是可能的。另外，因?yàn)椴恍?要用于生成MRAM所需的記錄電流磁場(chǎng)的字線（word line),所W還有另一優(yōu)勢(shì)，即電解槽 結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單化。
[0024] 在下文中，使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM被稱作STT-MRAM (基于自旋扭矩轉(zhuǎn)移的 磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）。應(yīng)注意，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)有時(shí)還被稱作"自旋注入磁化反轉(zhuǎn)（spin injection magnetization reversal)"。
[0025] 對(duì)于STT-MRAM有極大期望，其作為非易失存儲(chǔ)器能夠減少電力消耗并增加容量， 同時(shí)保持MRAM的優(yōu)勢(shì)，即，高速并且能夠進(jìn)行幾乎無(wú)限次的改寫(xiě)。
[0026] 當(dāng)MTJ構(gòu)造被應(yīng)用于作為STT-MRAM的存儲(chǔ)元件的構(gòu)造時(shí)，作為一個(gè)實(shí)例，使用基 底層、釘扎磁化層（pinned magnetization layer,固定磁化層）、中間層（絕緣層）、存儲(chǔ) 層、蓋帽層（cap layer)構(gòu)造。
[0027] 應(yīng)用MTJ構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)是可W確保大的磁阻變化率，該增加了讀取信號(hào)。
[002引在此，因?yàn)镾TT-MRAM是非易失存儲(chǔ)器，所W需要穩(wěn)定地存儲(chǔ)通過(guò)電流所寫(xiě)入的信 息。就是說(shuō)，需要確保存儲(chǔ)層的磁化中對(duì)于熱波動(dòng)的穩(wěn)定性（也被稱作"熱穩(wěn)定性"）。
[0029] 如果不能確保存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性，會(huì)有W下情況，即，由于熱（即，運(yùn)行環(huán)境中的 溫度）導(dǎo)致反方向的磁化再反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生寫(xiě)入錯(cuò)誤。
[0030] 如上所述，與現(xiàn)有的MRAM相比，STT-MRAM存儲(chǔ)元件對(duì)于小型化來(lái)說(shuō)是有利的，或 者換言之，具有W下優(yōu)勢(shì)，即可W減少存儲(chǔ)層的體積。然而，當(dāng)體積減少時(shí)，如果其他特性仍 然相同，那么會(huì)存在熱穩(wěn)定性下降的趨勢(shì)。
[0031] 因?yàn)榇鎯?chǔ)元件的體積變得顯著減小，所W如果STT-MRAM的容量增加，那么保證熱 穩(wěn)定性是一個(gè)重要的問(wèn)題。
[0032] 因此，熱穩(wěn)定性對(duì)于STT-MRAM中的存儲(chǔ)元件是極度重要的特性并且需要使用即 使在減少體積時(shí)仍能確保熱穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。
[0033] 在此，重要的是，注意到了存儲(chǔ)元件中的電流限于能夠在選擇晶體管（即，用于選 擇存儲(chǔ)元件的晶體管，在該存儲(chǔ)元件中電流流出構(gòu)成每個(gè)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)元件）中流動(dòng)的 電流的大?。縋，選擇晶體管的飽和電流）。換言之，需要使用選擇晶體管的飽和電流或低 于飽和電流的電流進(jìn)行執(zhí)行至存儲(chǔ)元件的寫(xiě)入。
[0034] 因?yàn)橐阎w管的飽和電流隨著晶體管的小型化而降低，為了使STT-MRAM能夠 小型化，要求改善自旋轉(zhuǎn)移的效率W便減少提供給存儲(chǔ)元件的電流。
[0035] 同樣，如果隧道絕緣層被用在中間層中作為MTJ結(jié)構(gòu)，故為了防止隧道絕緣層的 介電擊穿（dielectric breakdown),對(duì)于提供給存儲(chǔ)元件的電流量有限制。換言之，從保 持存儲(chǔ)元件的重復(fù)寫(xiě)入的可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看，同樣需要抑制自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需要的電 流。
[0036] W該種方式，在STT-MRAM存儲(chǔ)元件中，要求將自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需要的反轉(zhuǎn)電 流減少到晶體管的飽和電流和針對(duì)作為隧道勢(shì)壘（tunnel barrier)的絕緣層（中間層） 出現(xiàn)的擊穿電流或更低。
[0037] 就是說(shuō)，對(duì)于STT-MRAM存儲(chǔ)元件，要求確保如先前描述的熱穩(wěn)定性并且減少反轉(zhuǎn) 電流。
[003引為了實(shí)現(xiàn)減少反轉(zhuǎn)電流和保持熱穩(wěn)定性兩者，注意力已被聚焦在使用垂直磁化膜 作為存儲(chǔ)層的構(gòu)造上。
[0039] 已提出了例如根據(jù)NPL3,在存儲(chǔ)層中使用如Co/Ni的多層膜的垂直磁化膜，使得 既可W減少反轉(zhuǎn)電流又可W確保熱穩(wěn)定性。
[0040] 存在許多類型的具有垂直磁各向異性的磁性材料，如稀±-過(guò)渡金屬合金（如 化Co化）、金屬多層膜（如Co/Pd多層膜）、有序合金（如化Pt)、W及氧化物和磁性金屬之 間的界面各向異性（interhce anisotropy)的使用（如Co/MgO)。然而，考慮到實(shí)現(xiàn)提供 STT-MRAM中的大的讀取信號(hào)的磁阻的高變化率的隧道結(jié)構(gòu)造的使用，并且同樣考慮到耐熱 性和容易制造，期望使用界面各向異性的材料，即，其中將包括Co或化的磁性材料層壓在 Mg上作為隧道勢(shì)壘的構(gòu)造。
[0041] 同時(shí)，同樣期望在釘扎磁化層中使用具有界面磁各向異性的垂直磁化磁性材料。 具體地，為了提供大的讀取信號(hào)，希望將包括Co或化的磁性材料直接層壓在MgO之下作為 隧道勢(shì)壘。
[004引為了確保熱穩(wěn)定性，使用所謂的"層壓鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)（laminated ferri-pinned construction)"作為釘扎磁化層的構(gòu)造。就是說(shuō)，釘扎磁化層是由非磁性層和至少兩個(gè)鐵 磁性層組成的至少=個(gè)層的層疊結(jié)構(gòu)。一般說(shuō)來(lái)，層壓鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)將通常使用兩個(gè)鐵磁 性層和非磁性層（Ru)組成的層疊結(jié)構(gòu)。
[0043] 通過(guò)使用層壓鐵磁釘扎結(jié)構(gòu)作為釘扎磁化層，可W減少由于從釘扎磁化層漏出的 磁場(chǎng)導(dǎo)致的存儲(chǔ)層上的偏離并且由此改進(jìn)熱穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0044] 技術(shù)問(wèn)題
[0045] 在此，如上所述，對(duì)于STT-MRAM存儲(chǔ)元件來(lái)說(shuō)，重要的是改進(jìn)熱穩(wěn)定性W減少元 件尺寸（并且依次增加存儲(chǔ)容量）。
[0046] 確保熱穩(wěn)定性同樣有助于存儲(chǔ)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。
[0047] 期望進(jìn)一步改善STT-MRAM存儲(chǔ)元件的熱穩(wěn)定性W便使存儲(chǔ)元件的更進(jìn)一步地小 型化、促進(jìn)存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)容量的增加W及穩(wěn)定存儲(chǔ)裝置的運(yùn)行。
[0048] 問(wèn)題的解決方案
[0049] 根據(jù)本技術(shù)的第一實(shí)施方式，提供一種包括分層結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)元件，該存儲(chǔ)元件包 括；存儲(chǔ)層，具有垂直于存儲(chǔ)層的表面的磁化，并且對(duì)應(yīng)于信息改變其磁化方向；釘扎磁化 層，具有垂直于釘扎磁化層的表面的磁化，并且用作用于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)層中的信息的標(biāo)準(zhǔn)；W 及絕緣層，由非磁性材料組成并且被設(shè)置在存儲(chǔ)層與釘扎磁化層之間。通過(guò)在分層結(jié)構(gòu)的 層壓方向上注入自旋極化電子改變存儲(chǔ)層