專利名稱：存儲元件和存儲裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有多個磁層(magnetic layer)并且利用自旋扭矩磁化反轉(spintorque magnetization switching)進行記錄的存儲元件和存儲裝置。
背景技術：
隨著從移動終端到大容量服務器的各種信息裝置的快速發展，在諸如構成這些裝置的存儲元件和邏輯元件之類的元件中不斷追求更高的性能提高，例如，更高的集成度、更快的速度和更低的功耗。尤其是，半導體非易失性存儲器已取得顯著進步，作為大容量文件存儲器，閃存普及的速率使得硬盤驅動器被閃存所取代。同時，已進行了將FeRAM(鐵電隨機存取存儲器)、MRAM (磁隨機存取存儲器)、PCRAM (相變隨機存取存儲器)等開發成為當前通用的或非門(NOR)閃存、DRAM等的替代，從而將它們用于代碼存儲或作為工作存儲器。這些中的一部分已經投入實際運用。在它們當中，MRAM利用磁材料的磁化方向執行數據存儲以使得可進行高速地、幾乎無限制次數(1015次以上)的重寫，因此，已經被用在諸如工業自動化和航空器之類的領域中。由于高速操作和可靠性，在不久的將來期望將MRAM用于代碼存儲或工作存儲器。然而，MRAM存在與降低功耗、增加容量相關的挑戰。這是由MRAM的記錄原理(即，利用從互連件(interconnection)生成的電流磁場來對磁化進行反轉)導致的基本問題。作為解決該問題的一個方法，不使用電流磁場的記錄方法，S卩，磁化反轉方法，正在審查中。具體地，已對自旋扭矩磁化反轉進行了積極研究(例如，參見日本未實審專利申請公報 N0.2003-017782 和 N0.2008-227388、美國專利 N0.6，256，223,Physical Review B，54,9353(1996), Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, LI (1996))。類似于MRAM，使用自旋扭矩磁化反轉的存儲元件通常包括MTJ (磁隧道結)。該配置使用這樣的現象:其中，當經過被固定在任意方向上的磁層的自旋極化電子進入另一自由(方向未被固定)磁層時，扭矩(其也被稱為自旋轉移扭矩)被施加給磁層，并且當具有預定閾值以上的電流流動時該自由磁層被反轉。0/1的重寫是通過改變電流的極性來執行的。在具有大約0.1 ii m的尺寸的存儲元件的情況中，用于反轉的電流的絕對值為ImA或更小。另外，由于該電流值與該元件的體積成比例地下降，因此可以進行縮放。另外，由于不需要MRAM中生成記錄電流磁場所必要的字線，因此優點在于單元結構變得簡單。下面，將利用自旋扭矩磁化反轉的MRAM成為自旋扭矩磁隨機存取存儲器(SpinTorque-Magnetic Random Access Memory, ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反轉也被稱為自旋注入磁化反轉。對作為如下非易失性存儲器的ST-MRAM寄予厚望:該非易失性存儲器能夠實現更低功耗和更大容量，同時維持MRAM的可執行高速、幾乎無限制的重寫的優點。
發明內容
在MRAM中，將寫互連件(字線和位線)與存儲元件分開地布置，并且經由通過向寫互連件施加電流而生成的電流磁場來寫入(記錄)信息。因此，寫入所需要的電流可以充分地流經寫互連件。另一方面，在ST-MRAM中，要求流入存儲單元的電流包括自旋扭矩磁化反轉以便反轉存儲層的磁化方向。通過以這種方式直接向存儲元件施加電流來寫入(記錄)信息。為了選擇要進行寫入的存儲單元，存儲元件被連接到選擇晶體管以構成存儲單元。在此情況中，流入存儲元件的電流受到可以流入選擇晶體管的電流量的限制，即，受到選擇晶體管的飽和電流的限制。因此，需要以等于或小于選擇晶體管的飽和電流的電流來執行寫入，并且已知晶體管的飽和電流隨著小型化而減小。為了使ST-MRAM小型化，需要提高自旋轉移效率并且減小流入存儲元件的電流。另外，需要確保高的磁阻改變率以放大讀出信號。為了實現此，有效的是采用上述MTJ結構，即以如下方式來配置存儲元件:將與存儲層相接觸的中間層用作隧道絕緣層(隧道勢壘層)。在隧道勢壘層被用作中間層的情況中，流入存儲元件的電流量被限制以防止發生隧道絕緣層的絕緣擊穿。即，從確保存儲元件的重復寫入的可靠性的角度來說，必須限制自旋扭矩磁化反轉所需的電流。自旋扭矩磁化反轉所需的電流也被稱為反轉電流、存儲電流等。此外，由于ST-MRAM是非易失性存儲器，因此需要穩定地存儲通過電流寫入的信息。即，需要確保相對于存儲層的磁化的熱波動的穩定性(熱穩定性)。在存儲層的熱穩定性未得到確保的情況下，經反轉的磁化方向可能由于熱(操作環境中的溫度)而再次被反轉，從而導致寫入錯誤。與相關技術中的MRAM相比，ST-MRAM中的存儲元件在規模方面是有利的，即，有利點在于，如上所述從記錄電流值方面來講，存儲層的體積可以較小。然而，由于體積較小，在其它特性相同的情況下，熱穩定性可能惡化。隨著ST-MRAM的容量繼續增大，存儲元件的體積變得更小，使得確保熱穩定性變
得重要。因此，在ST-MRAM的存儲元件中，熱穩定性是非常重要的特性，并且需要按照即使當體積減小時也確保其熱穩定性的方式來設計存儲元件。換言之，為了提供作為非易失性存儲器的ST-MRAM，自旋扭矩磁化反轉所需的反轉電流被減小以便不超過晶體管的飽和電流或者不擊穿隧道勢壘層。而且，需要確保熱穩定性以保持所寫入的信息。希望提供作為ST-MRAM的、能夠降低信息寫入方向上的熱穩定性的非對稱性并且充分確保作為信息保持能力的熱穩定性的存儲元件。根據本發明的實施例，提供了一種存儲元件，包括:分層結構，該分層結構包括:存儲層，其具有與膜面垂直的磁化，其中，該磁化的方向取決于信息而改變，磁化固定層，其具有與膜面垂直的磁化(該磁化成為存儲層中所存儲的信息的基礎)，以及
中間層，其由非磁材料形成并且被設置在存儲層和磁化固定層之間。存儲層的磁化方向通過在該分層結構的層壓方向上施加電流而被改變以便將該信息記錄在該存儲層中。另外，磁化固定層具有包括非磁層和至少兩個鐵磁層(ferromagnetic layer)的層壓鐵釘合結構(laminated ferr1-pinned structure),并且該非磁層包括Cr。根據本發明實施例的一種存儲裝置包括保持取決于磁材料的磁化狀態的信息的存儲元件以及彼此相交的兩種類型的互連件。該存儲元件是具有上述配置的存儲元件，并被布置在兩種類型的互連件之間。通過兩種類型的互連件，層壓方向上的電流流向存儲元件。根據本發明實施例的存儲元件包括用于保持取決于磁材料的磁化狀態的信息的存儲層以及經由中間層被形成在存儲層上的磁化固定層。通過利用由在層壓方向上流動的電流誘發出的自旋扭矩磁化反轉來反轉存儲層的磁化，來記錄該信息。因此，當在層壓方向上施加電流時，信息可以被記錄。由于存儲層是垂直磁化膜，因此可以減小反轉存儲層的磁化方向所需的寫電流值。就減小反轉電流并且同時確保熱穩定性而言，包括垂直磁化膜的存儲層是令人滿意的。例如，Nature Materials.，5，210 (2006)建議，當將諸如Co/Ni多層膜之類的垂直磁化膜用于存儲層時，可以同時實現減小反轉電流和確保熱穩定性。另一方面，希望將具有界面磁各向異性的垂直磁化磁材料用于磁化固定層。具體地，將Co或Fe包括在中間層(隧道勢壘層)之下的磁化固定層有望提供較高的讀出信號。作為磁化固定層，可以使用包括非磁層和至少兩個鐵磁層的層壓鐵釘合結果。當磁化固定層具有層壓鐵釘合結構時，能夠容易地消除信息寫入方向上的熱穩定性的對稱性并且可以提高自旋扭矩的穩定性。當相同的磁層被形成時，磁化固定層所需要的特征包括高強度的層壓鐵耦合。為了利用將具有產生于界面磁各向異性的垂直磁各向異性的材料布置在隧道勢壘之下的配置來獲得高強度的層壓鐵耦合，不僅選擇可以增加層壓鐵耦合的強度的材料是重要的，而且選擇可以增加垂直磁各向異性的非磁層也是重要的。因此，非磁層包括Cr。可以通過具有高強度的層壓鐵耦合的磁化固定層來獲得其中信息寫入方向上的熱穩定性的對稱性較低的ST-MRAM。另外，根據本發明的實施例的存儲裝置的配置，層壓方向上的電流通過兩種類型的互連件流入存儲元件以誘發自旋轉移。因此，當存儲元件的層壓方向上的電流流經兩種類型的互連件時，可以通過自旋扭矩磁化反轉來記錄信息。此外，由于可以充分地保持存儲層的熱穩定性并且可以維持信息寫入方向上的熱穩定性的對稱性，因此，可以穩定地保持記錄在存儲元件中的信息，可以使存儲裝置小型化，可以增強可靠性，并且可以減小功耗。根據本發明的實施例，可以通過具有高強度的層壓鐵耦合的磁化固定層來降低信息寫入方向上的熱穩定性的非對稱性。因此，由于可以充分確保作為信息保持能力的熱穩定性，因此可以構成具有均勻特性的存儲元件。因此，可以消除操作錯誤，并且可以充分地提供存儲元件的操作裕量。因此，能夠實現高可靠性的、穩定操作的存儲器。還能夠減小寫入電流并且減小寫入存儲元件時的功耗。
結果，能夠減小整個存儲裝置的功耗。從如圖所示的本發明的最佳模式實施例的以下詳細描述中，將更清楚本發明的這些以及其它目的、特征和優點。
圖1是根據本發明實施例的存儲裝置的說明圖；圖2是根據實施例的存儲裝置的剖面圖；圖3的(A)至(D)均是根據實施例的存儲元件的配置的說明圖；圖4的(A)至(G)是示出各個實驗樣本的存儲元件的說明圖；圖5的(A)和⑶是示出實驗中的樣本I和2的磁光克爾效應的測量結果的示圖；圖6是示出實驗樣本中的層壓鐵耦合的磁場測量結果的示圖；圖7的(A)和⑶是本實施例在磁頭中的應用的說明圖。
具體實施例方式將按以下順序描述本發明的實施例。〈1.根據實施例的存儲裝置的配置〉〈2.根據實施例的存儲元件的一般描述〉<3.實施例的具體配置〉<4.實驗〉<5.替代方式>〈1.根據實施例的存儲裝置的配置〉首先，將描述根據本發明實施例的存儲裝置的配置。圖1和圖2各自示出了根據實施例的存儲裝置示意圖。圖1是透視圖，圖2是剖面圖。如圖1所示，在根據本實施例的存儲裝置中，包括能夠保持取決于磁化狀態的信息的ST-MRAM的存儲元件3被布置在彼此垂直的兩種地址互連件(例如，字線和位線)的交點附近。換言之，漏極區域8、源極區域7和柵電極I構成用于選擇各個存儲裝置的選擇晶體管，并被形成在諸如硅襯底之類的半導體襯底10中被元件隔離層2隔離開的各部分處。在它們當中，柵電極I也用作在圖1的前后方向上延伸的地址互連件(字線)。漏極區域8與圖1中的左右選擇晶體管共同被形成，并且互連件9被連接到漏極區域8。具有儲存層的存儲元件3被布置在源極區域7和位線6之間，該存儲層通過自旋扭矩磁化反轉來反轉磁化方向，該位線6被布置在上側并在圖1的左右方向上延伸。存儲元件3例如由磁隧道結元件(MTJ元件)構成。如圖2所示，存儲元件3具有兩個磁層15和17。在這兩個磁層15和17中，一個磁層被設為磁化固定層15(其中,磁化M15的方向被固定)，并且另一磁層被設為磁化自由層(其中，磁化M17的方向是變化的)，即，存儲層17。
另外，存儲元件3分別通過上下接觸層4被連接到每條位線6和源極區域7。以這種方式，當垂直方向的電流通過兩種類型的地址互連件I和6被施加給存儲元件3時，存儲層17的磁化M17的方向可以通過自旋扭矩磁化反轉被反轉。在這樣的存儲裝置中，需要以等于或小于選擇晶體管的飽和電流的電流來執行寫入，并且已知晶體管的飽和電流隨著小型化而減小。為了使該存儲裝置小型化，希望提高自旋轉移效率并減小流入存儲元件3的電流。另外，需要確保高的磁阻改變率以放大讀出信號。為了實現它，有效的是采用上述MTJ結構，即以如下方式來配置存儲元件3:將中間層用作兩個磁層15和17之間的隧道絕緣層(隧道勢壘層)。在隧道絕緣層被用作中間層的情況中，流入存儲元件3的電流量被限制以防止發生隧道絕緣層的絕緣擊穿。即，從確保存儲元件的重復寫入的可靠性的角度來說，希望限制自旋扭矩磁化反轉所需的電流。自旋扭矩磁化反轉所需的電流也被稱為反轉電流、存儲電流等。此外，由于該存儲裝置是非易失性存儲器，因此需要穩定地存儲通過電流寫入的信息。即，需要確保相對于存儲層的磁化中的熱波動的穩定性(熱穩定性)。在存儲層的熱穩定性未得到確保的情況下，經反轉的磁化方向可能由于熱(操作環境中的溫度)而再次被反轉，從而導致寫入錯誤。與相關技術中的MRAM相比，該存儲裝置中的存儲元件3 (ST-MRAM)在規模方面是有利的，即，有利點在于存儲層的體積可以較小。然而，由于體積較小，在其它特性相同的情況下，熱穩定性可能惡化。 隨著ST-MRAM的容量繼續增大，存儲元件3的體積變得更小，使得確保熱穩定性變
得重要。因此，在ST-MRAM的存儲元件3中，熱穩定性是非常重要的特性，并且需要按照即使當體積減小時也確保其熱穩定性的方式來設計存儲元件。〈2.根據實施例的存儲元件的一般描述〉隨后，將描述根據本實施例的存儲兀件3的一般性描述。根據本實施例的存儲元件3通過借助于上面提到的自旋扭矩磁化反轉來反轉存儲層的磁化方向，來記錄信息。存儲層由包括鐵磁層的磁材料構成，并且保持取決于磁材料的磁化狀態(磁化方向)的信息。存儲元件3具有例如如圖3 (A)所示的分層結構，并且包括作為至少兩個鐵磁層的存儲層17和磁化固定層15、以及被布置在這兩個磁層之間的中間層16。如圖3(B)所示，存儲元件3可以包括作為至少兩個鐵磁層的磁化固定層15U和15L、存儲層17、以及布置在這三個磁層之間的中間層16U和16L。存儲層17具有與膜面(film face)垂直的磁化，在該膜面中磁化方向與該信息相對應地變化。磁化固定層15具有與膜面垂直的磁化，其成為存儲在存儲層17中的信息的基礎。中間層16由非磁性材料形成并被設置在存儲層17與磁化固定層15之間。通過在具有存儲層17、中間層16和磁化固定層15的分層結構的層壓方向上注入自旋極化離子，存儲層17的磁化方向被改變，從而將信息存儲在存儲層17中。這里，將簡要描述自旋扭矩磁化反轉。對于電子，存在兩種可能的自旋角動量的值。自旋的狀態暫時被定義為向上和向下。向上自旋電子和向下自旋電子的數目在非磁性材料中是相同的。但是，向上自旋電子和向下自旋電子的數目在強磁材料中不同。在ST-MRAM的兩個鐵磁層中，即，磁化固定層15和存儲層17中，將描述每層的磁矩(magnetic moment)的方向處于反方向上并且電子從磁化固定層15移動到存儲層17的情況。磁化固定層15是通過高的矯頑力使磁矩的方向固定的固定磁層。通過磁化固定層15的電子被自旋極化，即，向上自旋電子和向下自旋電子的數目不同。當作為非磁性層的中間層16的厚度被制作得充分薄時，在由于通過磁化固定層15而減弱自旋極化并且電子在非極化材料中變成共同的非極化狀態(向上自旋電子和向下自旋電子的數目相同)之前，電子抵達另一磁材料，即，存儲層17。存儲層17中的自旋極化的符號被逆轉以使得電子的一部分被反轉用于降低系統能量，即，自旋角動量的方向被改變。此時，需要保持系統的整體角動量，以使得與方向改變了的電子引起的總角動量變化相當的反作用也被施加給存儲層17的磁矩。在電流(即，每單位時間通過的電子數目)較小的情況中，方向改變了的電子的總數變小，從而使得存儲層17的磁矩中發生的角動量的變化變小，但是當電流增大時，能夠在單位時間內對角動量進行大的改變。角動量隨時間的變化就是扭矩，并且當扭矩超過閾值時，存儲層17的磁矩開始進動(precession)，并且由于其單軸各向異性將是穩定的因此旋轉180度。S卩，發生從反方向向同方向的反轉。當磁化方向為相同方向并且使得電子反向地從存儲層17流向磁化固定層15時，電子然后在磁化固定層15被反射。當被反射并且被自旋反轉的電子進入存儲層17時，扭矩被施加并且磁矩被反轉為反方向。然而，此時，引起反轉所需的電流量大于從反方向反轉為同方向的情況。磁矩從相同方向向相反方向的反轉難以從直觀上來理解，但是可以認為磁化固定層15是固定的以使得磁矩不被反轉，并且存儲層17被反轉以用于保持整個系統的角動量。因此，通過從磁化固定層15向存儲層17或者在其反方向上施加與每個極性相對應的、具有預定閾值以上的電流來執行0/1的記錄。通過利用與相關技術中的MRAM類似地磁阻效應來執行信息的讀取。S卩，與上述記錄的情況一樣，在與膜面垂直的方向上施加電流。然后，利用這樣的現象:其中，該元件所示出的電阻取決于存儲層17的磁矩是與磁化固定層15的磁矩同向還是反向而變化。用于磁化固定層15與存儲層17之間的中間層16的材料可以是金屬材料或絕緣材料，但是，可將絕緣材料用于中間層以獲得相對高的讀出信號(電阻改變率)并且通過相對低的電流來實現記錄。此時的元件被稱為強磁隧道結(磁隧道結:MTJ)元件。取決于磁層的磁化的容易軸是平面內方向還是垂直方向，通過自旋扭矩磁化反轉來逆轉磁層的磁化方向所需要的電流的閾值Ic是不同的。雖然根據本實施例的存儲元件具有垂直磁化，但是在相關技術的具有平面內磁化的存儲元件中，用于反轉磁層的磁化方向的反轉電流用Ic_para表示。當該方向從同向被反轉為反向時，下式成立:Ic_para = (A a Ms V/g (0) /P) (Hk+2 n Ms0當該方向從反向被反轉為同向時，下式成立:Ic_para = - (A a Ms V/g ( n ) /P) (Hk+2 n Ms)。同向和反向表示以磁化固定層的磁化方向為基準的存儲層的磁化方向，并且也分別被稱為平行方向和非平行方向。另一方面,在根據本實施例的具有垂直磁化的存儲元件中，反轉電流用Ic_perp表示。當方向從同向被反轉為反向時，下式成立:Ic_perp = (A a Ms V/g(0)/P) (Hk_4 n Ms。當方向從反向被反轉為同向時，下式成立:Ic_perp = - (A a Ms V/g ( n )/P) (Hk_4 n Ms)。其中A表示常數，a表示阻尼系數，Ms表示飽和磁化量，V表示元件體積，P表示自旋極化度，g(o)和gO)分別表不與在同方向和反方向中傳送到另一磁層的自旋扭矩的效率相對應的系數，并且Hk表示磁各向異性。在各個式子中，當將垂直磁化類型中的項(Hk-4JiMs)與平面內磁化類型中的項(Hk+2 Ms)相比較時，可以明白，垂直磁化類型適合于減小記錄電流。這里，反轉電流IcO和熱穩定性指數A之間的關系用下面的[式I]來表示。
權利要求
1.一種存儲元件，包括: 分層結構，該分層結構包括: 存儲層，其具有與膜面垂直的磁化，其中，該磁化的方向取決于信息而改變，該磁化的方向通過在所述分層結構的層壓方向上施加電流而被改變，從而將所述信息記錄在所述存儲層中， 磁化固定層，其具有成為所述存儲層中所存儲的信息的基礎的、與膜面垂直的磁化，并且具有包括非磁層和至少兩個鐵磁層的層壓鐵釘合結構，所述非磁層包括Cr，以及 中間層，其由非磁材料形成，并且被設置在所述存儲層和所述磁化固定層之間。
2.根據權利要求1所述的存儲元件，其中， 在所述磁化固定層的那些鐵磁層中，與所述中間層相接觸的一個鐵磁層包括作為磁材料的 Co-Fe-B。
3.根據權利要求1所述的存儲元件，其中， 所述磁化固定層中的所述非磁層是單層Cr。
4.根據權利要求1所述的存儲元件，其中， 在所述磁化固定層中的所述非磁層中，層壓有Ru層和Cr層。
5.一種存儲裝置，包括: 存儲元件，被配置為保持取決于磁材料的磁化狀態的信息，并且包括分層結構，該分層結構包括: 存儲層，其具有與膜面垂直的磁化，其中，該磁化的方向取決于信息而改變，該磁化的方向通過在所述分層結構的層壓方向上施加電流而被改變，從而將所述信息記錄在所述存儲層中， 磁化固定層，其具有成為所述存儲層中所存儲的信息的基礎的、與膜面垂直的磁化，并且具有包括非磁層和至少兩個鐵磁層的層壓鐵釘合結構，所述非磁層包括Cr，以及 中間層，其由非磁材料形成，并且被設置在所述存儲層和所述磁化固定層之間，以及 彼此相交并夾住所述存儲元件的兩種互連件，通過這些互連件，層壓方向上的所述電流流向所述存儲元件。
全文摘要
本發明公開了存儲元件和存儲裝置。一種存儲元件包括分層結構。該分層結構包括存儲層、磁化固定層和中間層。存儲層具有與膜面垂直的磁化，其中該磁化的方向取決于信息而改變，并且該磁化的方向通過在分層結構的層壓方向上施加電流而被改變從而將信息記錄在存儲層中。磁化固定層具有成為存儲層中所存儲的信息的基礎的、與膜面垂直的磁化，并且具有包括非磁層和至少兩個鐵磁層的層壓鐵釘合結構。該非磁層包括Cr。中間層由非磁材料形成并且被設置在存儲層和磁化固定層之間。
文檔編號H01L43/08GK103137854SQ201210487968
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月26日 優先權日2011年12月1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