存儲元件和存儲裝置的制作方法

專利名稱：存儲元件和存儲裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及包括將鐵磁層的磁化狀態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：
隨著諸如移動終端和大容量服務器的各種信息裝置的快速發展，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，半導體非易失性存儲器已高度先進并且諸如大容量文件存儲器的閃存已作為硬盤驅動器被大量生產。另一方面，鐵電隨機存取存儲器(FeRAM)、磁性隨機存取存儲器(MRAM)、相變隨機存取存儲器(PCRAM)等在開發中，以將這些存儲器發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由于數據根據磁體的磁化方向被存儲而能夠快速地并且幾乎是無數次地(1015次以上)重寫數據，并且已被用在工業自動化、飛機等領域。從高速操作和可靠性方面來講，MRAM期望在未來被發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生的電流磁場來反轉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生的電流磁場來反轉磁化。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行的記錄類型，S卩，磁化反轉類型已被實驗。在這些類型當中，已積極地進行了對自旋扭矩磁化反轉的研究(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，自旋扭矩磁化反轉類型存儲元件通過如在MRAM中的磁隧道結(MTJ)構成。在這種構造中，當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。通過改變電流的極性來執行重寫“0/1”。在尺寸為約O. I μ m的元件中，用于反轉磁性層的電流的絕對值是ImA以下。此外，可執行按比例縮小(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構的優點。在下文中，利用自旋扭矩磁化反轉的MRAM被稱為自旋扭矩磁隨機存取存儲器(ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反轉也被稱為自旋注入磁化反轉。非常期望將ST-RAM實現為除MRAM的優點(數據被快速地并且幾乎無限次地被重寫)之外還具有低功耗和高容量的優點的非易失性存儲器。

發明內容
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行自旋扭矩磁化反轉來反轉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定性(熱穩定性)。當不能確保存儲層的熱穩定性時，被反轉的磁化方向會由于熱(操作環境中的溫度)再次被反轉。從而，會造成寫入錯誤。在ST-MRAM的存儲元件中，如上所述，相比于根據現有技術的MRAM可獲得按比例縮小的優點，即，減小存儲層的體積的優點。然而，當減小了存儲層的體積時，在其他特性相同的條件下，熱穩定性傾于劣化。通常，當存儲元件的體積增大時，可知熱穩定性和寫入電流增大。相反，當存儲元件的體積減小時，可知熱穩定性和與入電流減小。期望提供一種能夠盡可能確保熱穩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。根據本公開的實施方式，提供了一種具有以下構造的存儲元件。S卩，根據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的磁化固定層。此外，存儲元件包括由設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構的層壓方向上流動的電流發生的自旋扭矩磁化反轉來反轉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。存儲元件設置在這兩種線之間。電流經由兩種線在存儲元件中在層壓方向上流動并且因此發生自旋扭矩磁化反轉。在根據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生的自旋扭矩磁化反轉來反轉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定性的同時可實現低功耗。在根據本公開的實施方式的存儲裝置的構造中，電路經由兩種線在存儲元件中在層壓方向上流動并且因此出現自旋轉移。因此，通過使電流經由兩種線在存儲元件的層壓方向上流動而實現的自旋扭矩磁化反轉來記錄信息。由于充分地保持了存儲層的熱穩定性，所以可穩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、并且實現低功耗。根據本公開的實施方式，可對于具有垂直磁各向異性的ST-MRAM中的寫入電流,有效地提高熱穩定性。因此，可實現確保作為信息保持能力的熱穩定性并且因此具有優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，可實現穩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是示出了根據實施方式的存儲元件的截面圖；圖3是示出了根據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構的示圖；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的尺寸依賴關系(在圖中通過▲來標示)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的尺寸依賴關系(在圖中通過 來標示)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的尺寸依賴關系(在圖中通過▲來標示)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的尺寸依賴關系(在圖中通過 來標示)的示圖。
具體實施例方式在下文中，將參照附圖來詳細描述本公開的優選實施方式。應當注意，在此說明書和附圖中，具有實際上相同功能和結構的結構元件以相同的參考標號來標注，并且這些結構元件的重復描述將被省略。在下文中，將按下列順序來描述本公開的實施方式。
I.根據實施方式的存儲元件
2.根據實施方式的存儲元件的構造
3.根據實施方式的具體構造
4.根據實施方式的實驗
I.根據實施方式的存儲元件
首先，將描述根據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來反轉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成并且根據磁化狀態(磁化方向)來保持信息。例如，存儲元件3具有圖3中所示的層結構。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的層結構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。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量上相同。在鐵磁體中，向上和向下的電子在數量上不同。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，發生自旋極化，即，向上和向下的電子在數量上存在不同。當非磁性絕緣層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入非極化狀態(其中，向上和向下的電子在數量上相同)之前，電子到達另一磁體，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，即，自旋角動量的方向被改變為減小系統的能量。此時，由于系統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被施加于存儲層17的磁矩。當電流(即，單位時間通過的電子數)小時，方向被改變的電子的總數也小。因此，在存儲層17的磁矩中發生的角動量的改變也小。然而，當電流增大時，在單位時間內角動量可被顯著地改變。角動量的時間變化是扭矩。當扭矩大于給定閾值時，存儲層17的磁矩開始旋進運動(precession movement)。當磁矩通過單軸各向異性旋轉了 180度之后磁矩被穩定。SP,磁矩從相反的方向被反轉到相同的方向。當在相同磁化方向的狀態下電流在電子從存儲層17被發送至磁化固定層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電子進入存儲層17的情況下施加扭矩。然后，可在相反的方向上反轉磁矩。此時，相比于磁矩從相反方向被反轉到相同方向的情況，造成反轉所需的電流量更大。難以直觀地理解磁矩從相同方向至相反方向的反轉，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的情況下被反轉至保持系統的總角動量守恒。因此，通過使對應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”。利用磁阻效應來讀取信息，如在根據現有技術的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(MTJ)元件。當通過自旋扭矩磁化反轉來反轉磁性層的磁化的方向時，所需電流的閾值Ic根據磁性層的易磁化軸是在平面內方向上或是在垂直方向上而不同。根據實施方式的存儲元件是垂直磁化型的存儲元件。假設在根據現有技術的平面內磁化型存儲元件中，用于反轉磁性層的磁化方向的反轉電流是Ic_para。當磁化從相同方向被反轉至相反方向(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) ”。當磁化從相反方向被反轉至相同方向時,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，假設垂直磁化型存儲元件的反轉電流為Ic_perp。當磁化從相同方向被反轉至相反方向時，滿足 “Ic_perp =(A · a · Ms · V/g (O)/P) (Hk_4 π Ms) ”。當磁化從相反方向被反轉至相同方向時,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，a表示阻尼常數，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的系數，以及Hk表示磁各向異性(參見NatureMaterials. , 5, 210 (2006))。當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磁化狀態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。熱穩定性的系數值Λ (=KV/kBT)被用作保持信息的能力的系數。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，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。當假設單磁區同時旋轉模式(single-section simultaneousrotation model)時,有效各向異性等于矯頑性。此外，當與上面的Λ相關地表示閾值Ic時，滿足下面的等式(4)。[表達式I]
權利要求
1.一種存儲元件，包括存儲層，根據磁體的磁化狀態來保持信息；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的磁化；以及絕緣層，由被設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構的層壓方向上流動的電流發生的自旋扭矩磁化反轉來反轉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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求4所述的存儲元件，其中，所述存儲層的直徑小于45nm。
6.根據權利要求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成MJT元件。
7.一種存儲裝置，包括存儲元件，根據磁體的磁化狀態來保持信息；以及彼此交叉的兩種線，其中，所述存儲元件包括存儲層，根據磁體的磁化狀態來保持信息；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的磁化；以及絕緣層，由被設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構的層壓方向上流動的電流發生的自旋扭矩磁化反轉來反轉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，以及當所述電流經由所述兩種線在所述存儲元件中在層壓方向上流動時發生所述自旋扭矩磁化反轉。
全文摘要
本發明涉及存儲元件和存儲裝置，其中，該存儲元件包括存儲層，根據磁體的磁化狀態來保持信息；磁化固定層，具有用作被存儲在存儲層中的信息的基準的磁化；以及絕緣層，由被設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構的層壓方向上流動的電流發生的自旋扭矩磁化反轉來反轉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 優先權日2011年8月3日
發明者山根一陽, 細見政功, 大森廣之, 別所和宏, 肥后豐, 淺山徹哉, 內田裕行 申請人:索尼公司