專利名稱：存儲元件和存儲器裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及存儲元件和具有存儲元件的存儲器裝置，存儲元件包括存儲層和磁化固定層，并通過電流的流動來改變存儲層的磁化方向，存儲層將鐵磁性層的磁化狀態(tài)存儲為信息，磁化固定層的磁化方向是固定的。
背景技術：
在例如計算機等的信息設備中，具有高操作速度和高密度的DRAM被廣泛用作為隨機存取存儲器。然而，由于該DRAM是其中當電力斷掉時信息發(fā)生損失的易失性存儲器，因此需要其中信息不發(fā)生損失的非易失存儲器。因此，作為非易失存儲器的候選已經(jīng)關注用磁性物質的磁化記錄信息的磁性隨機存取存儲器(MRAM)，并且其發(fā)展正在進行中。MRAM記錄信息，使得電流分別在基本上彼此垂直的兩種地址線(包括字線(word line)和位線)上流動，并且布置在地址線的交叉點中的磁性存儲元件的磁性層的磁化通過每個地址線產(chǎn)生的電流磁場而反轉。圖12示出一般MRAM的示意圖(立體圖)。構成用于對每個存儲器單元進行選擇的選擇晶體管的漏區(qū)108、源區(qū)107和柵電極101分別形成在由半導體基底110 (例如硅基底等)的元件分離層102分開的部分中。此外，沿附圖的前后方向延伸的字線105布置在柵電極101上方。漏區(qū)108公共地形成在在附圖的左右側中的選擇晶體管中，并且布線109連接到漏區(qū)108。此外，具有存儲層(其中磁化方向反轉)的磁性存儲元件103布置在字線105和位線106之間，位線106布置在上部并沿圖的左-右方向延伸。磁性存儲元件103例如包括磁隧道結元件(MTJ元件)。此外,磁性存儲元件103通過沿水平方向的旁路線(by-pass line) 111和沿豎直方向的接觸層104電連接到源區(qū)107。通過使電流流到字線105和位線106以反轉磁性存儲元件103的存儲層的磁化的方向，將電流磁場施加到磁性存儲元件103，從而執(zhí)行信息記錄。然后，為了在磁性存儲器(例如MRAM等)中穩(wěn)定地保持記錄的信息，記錄信息的磁性層(存儲層)需要具有一定程度的矯頑磁力。另一方面，為了改寫記錄的信息，一定量的電流需要在地址線中流動。然而，由于地址線隨著構成MRAM的元件變得精細化而變得精密，所以難于使足夠的電流流過。因此，作為能通過較小的電流量使磁化反轉的結構，已經(jīng)關注被配置為使用自旋注入產(chǎn)生的磁化反轉的存儲器(例如，參見日本未經(jīng)審查專利公開No. 2003-17782、美國專利 No. 6256223、日本未經(jīng)審查專利公開 No. 2008—227388、PHYs. Rev. B, 54. 9353(1996)和J. Magn. Mat.，159，LI (1996))。執(zhí)行自旋注入產(chǎn)生的磁化反轉，使得通過磁性物質的自旋極化電子被注入另一磁性物質，以在磁性物質中帶來磁性反轉。例如關于巨磁阻效應元件(GMR元件)或磁隧道結元件(MTJ元件)，通過使電流沿元件的膜表面的垂直方向流動，該元件的磁性層的至少部分的磁化方向可以被反轉。此外，自旋注入產(chǎn)生的磁化反轉的優(yōu)點在于即使當元件變得微小時，可以不用增大電流而實施磁化反轉。圖13和14示出配置為使用上述的自旋注入產(chǎn)生的磁化反轉的存儲器裝置的示意圖。圖13是立體圖，圖14是截面圖。構成用于對每個存儲器單元進行選擇的選擇晶體管的漏區(qū)58、源區(qū)57和柵電極 51分別形成在由半導體基底60 (例如硅基底等)的元件分離層52分開的部分中。其中，柵電極51還作為沿圖14的前后方向延伸的字線。漏區(qū)58公共地形成在沿圖13的左和右側的選擇晶體管中，并且布線59連接到漏區(qū)58。此外，具有存儲層(其中磁化方向通過自旋注入反轉)的磁性存儲元件57布置在源區(qū)57和位線56之間，位線56布置在上部并沿圖13的左-右方向延伸。存儲元件53例如包括磁隧道結元件(MTJ元件)。存儲元件53具有兩個磁性層 61和62。在這兩個磁性層61和62中，一個磁性層設為磁化固定層,其磁化方向是固定的， 另一個磁性層設為磁化自由層，即，其存儲層的磁化方向改變。此外，存儲元件53通過上側和下側的接觸層54分別連接到位線56和源區(qū)57。因此，通過使電流流到存儲元件53，存儲層的磁化方向可以通過自旋注入而反轉。相比圖12所示的一般MRAM，配置為使用上述自旋注入產(chǎn)生的磁化反轉的存儲器裝置具有裝置結構可以簡化的特征，并且由此可以具有高密度。此外，相比通過外部磁場執(zhí)行磁化反轉的一般MRAM，該存儲器裝置的優(yōu)點在于 通過使用由自旋注入產(chǎn)生的磁化反轉，即使當發(fā)展元件的小型化時也不增加寫入電流。

發(fā)明內容
然而，MRAM通過電流磁場執(zhí)行信息的寫入(記錄)，該電流磁場產(chǎn)生為使得寫入布線(字線和位線)與存儲元件分開布置并且使電流流過寫入布線。鑒于此，可以使用于寫入的充足量的電流流過寫入布線。另一方面，在配置為使用通過自旋注入的磁化反轉的存儲器裝置的情況中，需要通過使電流渡過存儲元件來執(zhí)行自旋注入，以使存儲層的磁化方向反轉。此外，通過使電流直接流過存儲元件，為了從信息的寫操作(記錄)選擇執(zhí)行寫入的存儲器單元，通過將存儲元件連接到選擇晶體管來配置存儲器單元。在該情況下，在存儲元件中流動的電流的強度被限制到能在選擇晶體管中流動的電流的強度(選擇晶體管的飽和電流)。鑒于此，需要以強度等于或低于選擇晶體管的飽和電流的強度的電流來執(zhí)行寫入，并通過改善自旋注入的效率來降低存儲元件中流動的電流。此外，為了加強讀出信號，需要確保磁阻的高變化率，并且為此構造以下的存儲元件是有效的，在該存儲元件中與存儲層的兩側接觸的中間層設為隧道絕緣層(隧道屏障層)。在將隧道絕緣層用作為中間層的情況下，對通過存儲元件流動的電流量進行限制，用于防止隧道絕緣層的介電質擊穿。同樣由此，需要抑制自旋注入期間的電流。由于電流值與存儲層的膜厚成比例并與存儲層的飽和磁化的平方成比例，應理解可以對因子(膜厚或飽和磁化)進行調節(jié)以降低電流值(例如參見F. J. Albert等人，Appl. Phy.Lett. ，77，3809(2000))。此外，美國專利申請公開No. 2005-0184839 Al示出了如果記錄材料的磁化量 (Ms)降低則可以降低電流值。然而另一方面，當存儲由電流寫入的信息時可以獲得非易失性存儲器。換言之，需要確保存儲層的熱波動的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。在使用自旋注入的磁化反轉的存儲元件中，由于存儲層的體積小于相關技術中的 MRAM的體積，簡單地考慮，熱穩(wěn)定性趨于降低。如果不能確保存儲層中的熱穩(wěn)定性，磁化的反轉方向由熱量再次反轉，從而引起
寫入誤差。此外，在使用自旋注入的磁化反轉的存儲元件的高容量的發(fā)展中，存儲元件的體積變小，因此確保熱穩(wěn)定性是重要任務。鑒于此，在使用自旋注入的磁化反轉的存儲元件中，熱穩(wěn)定性是十分重要的特征。因此，為了提出配置為通過自旋注入使存儲層的磁化方向反轉的存儲元件作為存儲器，需要將通過自旋注入的磁化反轉所需的電流的強度降低至等于或小于晶體管的飽和電流，以確保用于穩(wěn)定地保持寫入信息的熱穩(wěn)定性。由上，考慮降低存儲層的飽和磁化量Ms并減薄存儲層，來降低通過自旋注入的磁化反轉所需的電流。例如，如美國專利申請公開No. 2005-0184839 Al中，對于存儲層的材料使用具有低飽和磁化量Ms的材料是有效的。然而，當如上簡單地使用具有低飽和磁化量Ms的材料時，很難確保有助于穩(wěn)定地保持信息的熱穩(wěn)定性。關于ST-MRAM，希望實現(xiàn)可以提高熱穩(wěn)定性而不增加寫入電流的存儲元件。這里，研究了作為在ST-MRAM中使用的鐵磁性物質的各種材料，但是一般認為具有垂直磁性各向異性的材料比具有面內磁性各向異性的材料更適于低能耗和高容量。這是因為垂直磁化具有低能量屏障(在自旋轉矩磁化反轉期間應被克服)，并且垂直磁化膜具有的高磁性各向異性有利于維持高容量的精密的存儲載體的熱穩(wěn)定性。作為具有垂直磁性各向異性的磁性材料，采用包括Co和Fe的合金，但是當采用這樣的磁性材料時，擔心氧化引起的阻抗增加，即，由于成分中包括Fe，所以在熱處理或其它處理中促進了腐蝕。具體地，在需要具有等于或小于IOOnm的微小元件直徑的高密度存儲元件中(此外，在高容量存儲器中)，存在這樣的問題很難忽略從外圍部分到磁性層的腐蝕引起的阻抗增加。本發(fā)明目的是使ST-MRAM中寫電流的減小與熱穩(wěn)定性相兼容，并提供具有低能耗存儲元件，其防止在存儲層的微制造期間阻抗的增加。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種存儲元件，包括存儲層，其具有與膜表面垂直的磁化，并且所述存儲層的磁化的方向根據(jù)信息而變化；磁化固定層，其具有與所述膜表面垂直的磁化，所述磁化固定層用作為存儲在所述存儲層中的信息的基準；以及作為非磁性體的絕緣層，其布置在所述存儲層與所述磁化固定層之間。此外，通過沿著具有所述存儲層、所述絕緣層和所述磁化固定層的層結構的層疊方向注入自旋極化電子，來改變所述存儲層的磁化的方向，因而在所述存儲層上執(zhí)行信息的記錄，并且，所述存儲層接收到的有效退磁場的大小配置為小于所述存儲層的飽和磁化量。此外，構成所述存儲層的鐵磁性層材料具有作為基材的CoFeB，并且耐腐蝕元素被加到所述基材中。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種存儲器裝置，包括存儲元件，其通過磁性體的磁化狀態(tài)來保持信息；以及彼此相交的兩種線，并且所述存儲元件具有上述根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲元件的結構，所述存儲元件布置在所述兩種線之間，并且通過所述兩種線使電流沿所述層疊方向在所述存儲元件中流動，以執(zhí)行自旋極化電子的注入。根據(jù)上述本發(fā)明的實施例的存儲元件的結構，包括通過磁體的磁化狀態(tài)來保持信息的存儲層，通過中間層設置用于存儲層的磁化固定層，中間層由絕緣體形成，通過沿著層疊方向注入自旋極化電子，來改變所述存儲層的磁化方向，以在所述存儲層上執(zhí)行信息的記錄，因此通過使電流沿層疊方向流動并注入自旋極化電子可以記錄信息。此外，通過將所述存儲層接收到的有效退磁場的大小配置為小于所述存儲層的飽和磁化量，使得存儲層接收到的有效退磁場較低，用于使存儲層的磁化方向反轉所需的寫電流的量可以減小。另一方面，由于寫電流量可以的量可以減小而不降低存儲層的飽和磁化量，可以確保存儲層的充分的熱穩(wěn)定性，從而將存儲層的飽和磁化量設為充分的量。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲元件具有垂直于存儲層和磁化固定層的磁化。 具有垂直磁性各向異性比具有面內磁性各向異性更適于低能耗和高容量。原因是在自旋轉矩磁化反轉期間垂直磁化越過低的能量屏障，并且由于垂直磁化膜具有的高磁性各向異性，有利于存儲層中用于保持信息的熱穩(wěn)定性。此外，在根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲元件中，構成所述存儲層的鐵磁性層材料具有作為基材的CoFeB，并且耐腐蝕元素被加到所述基材中。根據(jù)該結構，可以防止存儲層的微制造期間阻抗增大，從而可以提供具有低能耗的存儲元件。此外，根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器裝置的上述結構，所述存儲元件布置在所述兩種線之間，并且通過所述兩種線使電流沿所述層疊方向在所述存儲元件中流動并執(zhí)行自旋注入，電流通過所述兩種線沿所述層疊方向在所述存儲元件中流動并執(zhí)行自旋注入，并注入自旋極化電子以執(zhí)行記錄信息。此外，由于可以減小存儲元件的寫電流量而不降低存儲層的飽和磁化量，可以穩(wěn)定地保持記錄在存儲元件上的信息并降低存儲器裝置的能耗。此外，在該情況下的存儲元件中，耐腐蝕元素被加到構成所述存儲層的鐵磁性層材料的基材中，因此可以防止微制造期間存儲層的阻抗增大，從而實現(xiàn)具有低能耗的存儲器裝置。此外，通過將耐腐蝕元素被加到構成所述存儲層的鐵磁性層材料的基材中，還可以實現(xiàn)熱穩(wěn)定性提聞。根據(jù)本發(fā)明，由于可以減小存儲元件的寫電流量而不降低存儲層的飽和磁化量， 可以確保充分的熱穩(wěn)定性(信息保持能力)并構造特性平衡優(yōu)良的存儲元件。因此，可以獲得存儲元件的充分的操作余量而沒有操作誤差。因此，可以實現(xiàn)以高可靠性穩(wěn)定操作的存儲器裝置。此外，寫電流減小，從而降低存儲元件中寫入執(zhí)行期間的能耗。簡單說，由此，可以減小整個存儲器裝置的能耗。此外，根據(jù)本發(fā)明，通過將耐腐蝕元素被加到構成所述存儲層的鐵磁性層材料的基材中，防止微制造期間存儲層的阻抗增大，由此，實現(xiàn)具有低能耗的存儲器裝置。此外，將耐腐蝕元素被加到構成所述存儲層的鐵磁性層材料的基材中，還有助于熱穩(wěn)定性的提高。



的的視圖
圖I是根據(jù)先例和實施例的存儲器裝置的示意性結構的示意圖2是根據(jù)先例和實施例的存儲元件的截面圖3是先例I的實驗中使用的存儲元件的樣品的層結構的示意圖4是示出尺寸O. 09X0. 18 μ m的存儲層的反轉電流密度和Co量之間的關系的
圖5是示出尺寸O. 09X0. 18 μ m的存儲層的熱穩(wěn)定性的指數(shù)和Co量之間的關系
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6是示出尺寸50ηπιΦ的存儲層的熱穩(wěn)定性的指數(shù)和Co量之間的關系的7是先例2的實驗中使用的存儲元件的樣品的層結構的示意8是示出對于先例的存儲層的CoFeB的每個成分的TMR根據(jù)熱處理溫度的變化
9Α至9C是示出在關于先例的存儲層的CoFeB通過Co/Fe比率改變B的濃度和熱處理溫度時，TMR特性的測量結果的視圖；圖10是示出對于先例的元件尺寸在300°C和350°C的熱處理溫度時的RA的比率的視圖；圖11是示出對于樣品I至3的元件尺寸在300°C和350°C的熱處理溫度時的RA 的比率的視圖；圖12是示意性示出相關技術中的MRAM的結構的立體圖；圖13是通過使用自旋注入的磁化反轉的存儲器裝置的示意性結構的示意圖；并且圖14是圖13的存儲器裝置的截面圖。
具體實施例方式以下將參照附圖詳細描述實現(xiàn)本發(fā)明的實施例。〈I.作為先例的存儲元件〉[1-1.先例的存儲元件的概覽]
[1-2.先例I的結構][1-3.關于先例I的實驗][1-4.先例2的結構][1-5.關于先例2的實驗]〈2.實施例的存儲元件〉[2-1.先例的相關問題][2-2.實施例的存儲元件的結構][2-3.實施例的存儲元件的實驗]〈3.改進示例〉〈I.作為先例的存儲元件〉[1-1.先例的存儲元件的概覽]首先，在說明本發(fā)明的存儲元件之前，將描述作為形成之前的存儲元件的基礎的先例的存儲元件的概覽。作為先例的存儲元件(和后述的實施例)通過用上述自旋注入將存儲層的磁化方向反轉，執(zhí)行信息記錄。存儲層由例如鐵磁性層的磁性物質構成，并在磁性物質的磁化狀態(tài)(磁化的方向)下保持信息。如下所述,存儲元件例如采用圖2的示例所示的層結構,包括存儲層17和磁化固定層15來作為至少兩個磁性層，還包括兩個磁性層之間的絕緣層16(隧道絕緣層)，作為中間層。存儲層17的磁化垂直于膜表面，并且磁化方向根據(jù)信息而改變。磁化固定層15的磁化垂直于膜表面，用作為存儲在存儲層17中的信息的基準。絕緣層16是非磁性介質，并且設置在存儲層17和磁化固定層15之間。此外，通過沿包括存儲層17、絕緣層16和磁化固定層15的層結構的層疊方向注入自旋極化電子，存儲層17的磁化方向改變，以在存儲層17上記錄信息。通過自旋注入將磁性層(存儲層17)的磁化方向反轉的基本操作使得強度等于或大于閾值的電流在巨磁阻效應元件(GMR元件)或磁隧道結元件(MTJ元件)形成的存儲元件中沿垂直于膜表面的方向流動。此時，電流的極性(方向)取決于反轉磁化的方向。當絕對值小于閾值的電流流過時，不發(fā)生磁化反轉。當磁性層的磁化方向通過自旋注入反轉時，所需電流的閾值Ic 一般表述如下Ic = A · α · Ms · V · Hd/2 η其中，A是常數(shù)，α是自旋制動常數(shù)，η是自旋注入率，Ms是飽和磁化量，V是存儲層的體積，Hd是有效退磁場。如公式中所述，通過控制存儲層的體積V、磁性層的飽和磁化量Ms、自旋注入率η 和自旋制動常數(shù)α，可以任意設定電流的閾值。嚴格說，當通過自旋轉矩磁化反轉將磁性層的磁化方向反轉時，由于磁性層的易磁化軸是面內方向(in-plane direction)或垂直方向的事實,所需電流的閾值Ic不同。實施例的先例的存儲元件是垂直磁化式，但是如果在相關技術的面內磁化式的存儲元件的情況下，用于使磁性層的磁化方向反轉的反轉電流被設為Ic-para，那么當執(zhí)行從相同方向到相對方向的反轉時(相同方向和相對方向是當磁化固定層的磁化方向被設為基準時存儲層的磁化方向)Ic_para = (A · α · Ms · V/g (O)/P) (Hk+2 π Ms)當執(zhí)行從相對方向到相同方向的反轉時Ic_para =-(A · α · Ms · V/g ( π ) /P) (Hk+2 π Ms)另一方面，如果示例中的垂直磁化式的存儲元件的反轉電流被設為Ic_perp，當執(zhí)行從相同方向到相對方向的反轉時，Ic_perp = (A · α · Ms · V/g(O)/P) (Hk-4 3i Ms)，當執(zhí)行從相對方向到相同方向的反轉時，Ic_perp = -(A· α · Ms · V/g( π )/P) (Hk-4 3i Ms)。其中，A是常數(shù)，α是翻轉(dumping)常數(shù),Ms是飽和磁化量,V是元件體積，P是自旋極化率，g(0)和g(Ji)是與沿相同方向和相對方向分別傳遞到另一個磁性層的自旋轉矩的效率相對應的系數(shù)，Hk是磁性各向異性的(參照Nature Materials.，5，210 (2006))。在以上每個公式中，當垂直磁化式的(Hk-4 Ms)和面內磁化式的(Hk+2 Ms)彼此比較時，可以理解垂直磁化式更適于降低記錄電流。示例的存儲元件通過隧道磁阻效應基于阻抗不同執(zhí)行信息讀取。換言之，當隧道磁阻效應大時，輸出變大。隧道磁阻效應TMR利用自旋極化率P由公式(I)表示。TMR(% ) = P1P2Z(I-P1P2) X 100...公式(I)這里，P1是固定層的自旋極化率，P2是記錄層的自旋極化率。在公式(I)中，可以理解，當自旋極化率變高時，TMR變大。此外，基于與關于反轉電流的公式的比較，還可以理解，低電流和高輸出(高TMR) 是一致的關系。在先例和實施例中，存儲元件配置為包括在磁化狀態(tài)下保持信息的磁性層(存儲層17)和磁化方向是固定的磁化固定層15。為了可以呈現(xiàn)為存儲器，元件需要保持寫入的信息。保持信息的能力基于熱穩(wěn)定性的指數(shù)△ (KuV/kBT)的值來確定。該△由以下的公式(2)表示。Δ = KV/kBT = MS · V · Hk · (l/2kBT) · · ·公式(2)其中，Hk是有效各向異性磁場，kB是波爾茲曼常數(shù)，T是溫度，Ms是飽和磁化量，V 是存儲層的體積。有效各向異性磁場Hk綜合了例如形狀磁性各向異性、感應磁性各向異性、晶體磁性各向異性等的影響，并且當假定單磁域的相干轉動模型時等價于矯頑磁力。熱穩(wěn)定性的指數(shù)Λ和電流的閾值Ic通常是平衡關系。鑒于此，許多情況下對于維持存儲器特征，要素的兼容性是個問題。關于改變存儲層17的磁化狀態(tài)的電流的閾值，特別是基本上橢圓形的TMR元件中 (其中存儲層17的厚度是2nm，平面圖案是IOOnmX 150nm)，正側的閾值是+0. 5mA，負側的閾值是-O. 3mA，此時的電流密度是約3. 5X 106A/cm2。這些要素與關于Ic的上述公式相符。相比之下，對于由電流磁場執(zhí)行磁化反轉的一般MRAM，需要幾個mA或更大的寫電流。因此，當執(zhí)行自旋注入的磁化反轉時，寫電流的閾值如上所述充分小，從而理解反轉方法有效降低集成電路的能量消耗。此外，由于一般MRAM中必需的用于產(chǎn)生電流磁場的布線(圖12中的布線105)對于反轉方法來說不是必需的，該方法相比一般MRAM在集成度方面是有益的。此外，由于在通過自旋注入執(zhí)行磁化反轉時通過使電流直接在存儲元件中流動來執(zhí)行信息寫入(記錄)，所以為了選擇執(zhí)行寫入的存儲器單元，難過將存儲元件連接到選擇晶體管來構造存儲器單元。在該情況下，從存儲元件通過的電流的強度限制到可以在選擇晶體管中流動的電流的強度(選擇晶體管的飽和電流)。為了使通過自旋注入的磁化反轉的電流閾值Ic比選擇晶體管的飽和電流小，發(fā)現(xiàn)存儲層17的飽和磁化量Ms可以減小。然而，當簡單地減小飽和磁化量Ms時(例如，美國專利申請公開No. 2005-0184839 Al)，存儲層17的熱穩(wěn)定性被嚴重削弱，從而不能實現(xiàn)作為存儲器的功能。為了構成存儲器，需要熱穩(wěn)定性的指數(shù)△具有等于或大于一定水平的大小。因此，作為本申請的發(fā)明人進行的各種檢測的結果，發(fā)現(xiàn)通過選取例如CoFeB的成分作為構成存儲層17的鐵磁性層，存儲層17接收的有效退磁場(MefTective)的大小小于存儲層17的飽和磁化量Ms。通過使用上述的鐵磁性材料，存儲層17接收的有效退磁場的大小被配置為小于存儲層17的飽和磁化量Ms。因此，由于存儲層17接收的退磁場的大小可以減小，所以獲得以下效果上述關于Ic的公式表示的電流的閾值Ic降低，而不減小由公式(2)表示的熱穩(wěn)定性△。此外，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在上述CoFeB的被選擇的成分中有限的成分范圍內沿膜表面垂直方向使CoFeB磁化，從而同樣在可以實現(xiàn)吉比特(Gbit)級容量的亞微觀存儲元件中確保充分的熱穩(wěn)定性。從而，可以形成穩(wěn)定的存儲器，其中在吉比特級自旋注入式磁化反轉存儲器中以保持熱穩(wěn)定性的狀態(tài)可以用低電流執(zhí)行信息寫入。在先例和實施例中，存儲層17接收的有效磁場的大小配置為小于存儲層17的飽和磁化量Ms，換言之，存儲層17的有效退磁場和飽和磁化量Ms的比例的值設為小于I。此外，考慮選擇晶體管的飽和電流值，利用由絕緣體形成的隧道絕緣層(絕緣層 16)，磁隧道結(MTJ)元件構造為存儲層17和磁化固定層15之間的非磁性中間層。相比利用非磁性傳導層構造巨磁阻效應(GMR)元件的情況，利用隧道絕緣層的磁隧道結(MTJ)元件的結構使得可以增加磁致電阻變化率(MR比率)并增加讀出信號的強度。此外，當具體將氧化鎂(MgO)用作為隧道絕緣層16的材料時，相比使用目前一般使用的氧化鋁的情況，磁致電阻變化率(MR比率)可以增加。此外，自旋注入效率一般取決于MR比率，并且自旋注入效率隨MR比率變大而提高，從而降低磁化反轉的電流密度。因此，如果氧化鎂作為同時用作中間層的隧道絕緣層16的材料，使用上述存儲層 17，可以減小通過自旋注入的閾值寫入電流，并且能以低電流執(zhí)行信息寫入(記錄)。此外， 可以增加讀出信號的強度。
因此，可以減小通過自旋注入的閾值寫入電流，并且通過確保MR比率(TMR比率) 能以低電流執(zhí)行信息寫入(記錄)。此外，可以增加讀出信號的強度。當隧道絕緣層16由氧化鎂(MgO)膜形成時，希望MgO膜結晶以保持沿(001)方向的結晶定向。此外，存儲層17和磁化固定層15之間的中間層(隧道絕緣層16)可以配置為不僅由氧化鎂形成，而且由各種絕緣體、感應體和半導體(例如包括氧化鋁、氮化鋁、Si02、Bi203、 MgF2' CaF、SrTiO2, AlLa03、AlNO 等)形成。需要將隧道絕緣層16的面積阻抗值控制為等于或小于幾個+Ω μ m2，以獲得通過自旋注入反轉存儲層17的磁化方向所需的電流密度。此外，在由MgO膜形成的隧道絕緣層16中，需要將MgO膜的厚度設為等于或小于
I.5nm,以使面積阻抗值在上述范圍內。此外,希望使存儲元件小,使得存儲層17的磁化方向容易通過小電流而反轉。鑒于此，存儲元件的面積優(yōu)選設為等于或小于O. 01 μ m2。此外，存儲層17可以與具有不同成分的另一鐵磁性層直接重疊。此外，可以重疊鐵磁性層和軟磁性層，或通過軟磁性層或非磁性層重疊多個鐵磁性層。在上述執(zhí)行重疊的情況下，獲得如先例中的效果。具體地，在通過非磁性層重疊多個鐵磁性層的結構中，由于鐵磁性層之間相互作用的強度可以調整，所以獲得以下效果磁化反轉電流可以得到抑制，從而即使當存儲元件的尺寸等于或小于亞微型單元時也不會增大。作為該情況下非磁性層的材料，可以使用Ru、 Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb 或其合金。希望磁化固定層15和存儲層17具有沿一個方向的各向異性。此外，磁化固定層15和存儲層17的膜厚優(yōu)選是O. 5nm到30nm。存儲元件的另一種結構可以與相關技術中通過自旋注入記錄信息的存儲元件的結構相同。通過僅使用鐵磁性層或使用反鐵磁性層和鐵磁性層的結合的反鐵磁性，磁化固定層15的磁化方向可以配置為固定的。此外，磁化固定層15可以具有由單個鐵磁性層或多層鐵銷(ferri-pin)結構形成的結構，該鐵銷結構中多個鐵磁性層通過非磁性層重疊。作為構成多層鐵銷結構的磁化固定層15的鐵磁性層的材料，可以使用Co、CoFe或 CoFeB等。此外,作為非磁性層的材料,可以使用Ru、Re、Ir或Os等。作為反鐵磁性層的材料,示例可以是例如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn 合金、IrMn合金、NiO或Fe2O3的磁性體等。此外，通過將例如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo 或
Nb等的非磁性元素加到上述磁性體，可以調節(jié)磁性特征或調節(jié)其它各種物理特性，例如結晶結構穩(wěn)定性或結晶材料等。此外，關于存儲元件的膜結構，不難采用將存儲層17布置在磁化固定層15下方的結構和將存儲層17布置在磁化固定層15上方的結構。此外，磁化固定層15出現(xiàn)在存儲層 17的上方和下方的所謂的雙重結構可以被采用而沒有問題。此外，作為讀取記錄在存儲元件的存儲層17中的信息的方法，可以通過以下方式執(zhí)行讀取通過薄絕緣膜提供作為存儲元件的存儲層17中的信息的基準的磁性層，使鐵磁性隧道電流流過絕緣層16 ;或通過磁阻效應執(zhí)行讀取。[1-2.先例I的結構]對于本發(fā)明的先例，有先例I和先例2。首先，將描述先例I的結構。圖I示出作為先例I的存儲器裝置的示意性結構圖(立體圖)。通過將存儲元件3 (可以在磁化狀態(tài)下保持信息)布置在相互垂直的兩種地址線 (例如字線和位線)的交叉點附近，形成存儲器裝置。換言之，構成用于對每個存儲器單元進行選擇的選擇晶體管的漏區(qū)8、源區(qū)7和柵電極I分別形成在由半導體基底10 (例如硅基底等)的元件分離層2分開的部分中。其中， 柵電極I還作為沿圖的前后方向延伸的一種地址線(例如字線)。漏區(qū)8公共地形成在沿圖的左和右側的選擇晶體管中，并且布線9連接到漏區(qū)8。此外，存儲元件3布置在源區(qū)7和另一個地址線(例如位線)6之間，位線6布置在上側并沿圖的左右方向延伸。存儲元件3包括存儲層，由磁化方向通過自旋注入反轉的鐵磁性層形成。此外，存儲元件3布置在兩種地址線I和6的交叉點附近。存儲元件3通過上、下接觸層4分別連接到位線6和源區(qū)7。因此，通過使電流通過兩種地址線I和6沿上、下方向在存儲元件3中流動，存儲層的磁化方向可以通過自旋注入而反轉。此外，圖2示出本先例I的存儲裝置的存儲元件3的截面圖。如圖2所示，存儲元件3通過基礎層14、磁化固定層15、絕緣層16、存儲層17和帽層(cap layer) 18以從下層開始的順序來重疊。在該情況下，磁化固定層15布置在存儲層17的下層側，存儲層17中磁化方向M17 通過自旋注入而反轉。在自旋注入式磁化反轉存儲器中，信息的“O”和“I”由存儲層17的磁化M17和磁化固定層15的磁化M15的相對角度來限定。用作為隧道屏障(tunnel barrier)層(隧道絕緣層)的絕緣層16布置在存儲層 17和磁化固定層15之間，MTJ元件由存儲層17和磁化固定層15構成。此外，基礎層14形成在磁化固定層15下方，帽層18形成在存儲層17上。存儲層17包括具有磁矩的鐵磁性體,其磁化方向M17沿層表面垂直方向自由地改變。磁化固定層15包括具有磁矩的鐵磁性體,其磁化方向Ml5沿膜表面垂直方向是固定的。通過具有單軸各向異性的存儲層17的磁化方向來執(zhí)行信息的存儲。通過沿膜表面垂直方向施加電流并隨后設定自旋轉矩磁化反轉來執(zhí)行寫入。如此，磁化固定層15布置在其中磁化方向通過自旋注入而反轉的存儲層17的下層中，以用作為存儲層17中存儲的信息(磁化方向)的基準。在先例I中，CoFeB用作為磁化固定層15。具體地，CoFeB的成分設為(CoxFey) 1(I(I_ZBZ，范圍是 O < Cox < 40，60 ( Fey ( 100， O < Bz 彡 30。由于磁化固定層15用作為信息的基準，其磁化方向不應通過記錄或讀取而改變，然而，該方向不需要固定為具體方向，并且通過比存儲層17進一步增加矯頑磁力，通過使膜厚更厚，或通過增加磁翻轉常數(shù)，使磁化固定層15的運動比存儲層17的運動更困難。當磁化固定時,通過使反鐵磁性體(例如PtMn或IrMn等)與磁化固定層15接觸, 或通過例如Ru等的非磁性體與磁性體(其與該反鐵磁性體進行接觸)結合，磁化固定層15 可以被間接地固定。具體地，先例I的特征在于存儲元件3的存儲層17的成分被調節(jié)為使得存儲層17 接收的有效退磁場小于存儲層17的飽和磁化量Ms。換言之，如上所述，使大小小于存儲層17的飽和磁化量Ms，使得存儲層17的鐵磁性材料的成分CoFeB被選擇，并且存儲層17接收的有效退磁場的大小降低。此外，在先例I中，當作為中間層的絕緣層16布置有氧化鎂層時，磁致電阻變化率 (MR比率)可以升高。通過提高上述MR比率，可以提高自旋注入的效率，并且可以降低用于反轉存儲層 17的磁化方向M17所需的電流密度。先例I的存儲元件3可以制造為使得形成基礎層14至帽層18的層在真空裝置中連續(xù)地形成，然后通過例如刻蝕等過程形成存儲元件3的圖案。根據(jù)上述先例1，由于配置為存儲元件3的存儲層17接收的有效退磁場的大小比存儲層17的飽和磁化量Ms小，存儲層17接收的退磁場降低，并且用于反轉存儲層17的磁化方向M17所需的寫電流量降低。另一方面，由于可以降低寫電流量而不降低存儲層17的飽和磁化量Ms，所以可以通過存儲層17的充分的飽和磁化量Ms充分確保存儲層17的熱穩(wěn)定性。由此，由于作為信息保持能力的熱穩(wěn)定性可以被充分地確保，所以可以構成特性平衡優(yōu)良的存儲元件3。因此，可以充分獲得存儲元件3的操作余量，存儲元件3可以穩(wěn)定地操作，消除了
操作誤差。因此，可以實現(xiàn)以高可靠性穩(wěn)定操作的存儲器裝置。此外，通過減小寫電流，可以降低在存儲元件3中執(zhí)行寫入時的能量消耗。因此，在存儲器單元由先例I的存儲元件3構造的整個存儲器裝置中，能量消耗可以降低。因此，在具有優(yōu)良信息保持特性、以高可靠性穩(wěn)定操作的具有存儲元件3的存儲器裝置中，能量消耗可以降低。此外，包括圖2所示的存儲元件3和圖I所示的結構的存儲器裝置優(yōu)勢在于在存儲器裝置的制造過程中可以應用一般的半導體MOS形成過程。因此，實施例的存儲器裝置可以用作為一般用途的存儲器。[1-3.關于先例I的實驗]這里，在先例I的存儲元件的結構中，通過具體選擇構成存儲層17的鐵磁性層的材料，存儲層17接收到的有效退磁場的大小被調節(jié)，制備了存儲元件的樣品，然后檢驗其特性。在實際存儲器裝置中，除圖I所示的存儲元件3外還有用于切換等的半導體電路， 但是為了檢測存儲層17的磁化反轉特征的目的，本文中僅對只形成有存儲元件的晶圓進行評論。實驗I在厚度O. 725mm的硅基底上形成厚度300nm的熱氧化膜，在其上形成具有圖2所示的結構的存儲元件3。具體地，在具有圖2所示的結構的存儲元件3中，每層的材料和膜厚如選取為如圖 3所示?；A層14 :具有膜厚IOnm的Ta膜和膜厚25nm的Ru膜的層疊層磁化固定層15 :膜厚2. 5nm的CoFeB膜隧道絕緣層16 :具有膜厚O. 9nm的氧化鎂膜存儲層17 :具有與磁化固定層相同成分的CoFeB膜帽層18 :具有膜厚3nm的Ta膜、膜厚3nm的Ru膜和膜厚3nm的Ta膜的層疊層每個層如上選擇，并且圖中未示出的膜厚IOOnm的Cu膜(將作為后述的字線)布置在基礎層14和硅基底之間。在上述膜結構中，存儲層17的鐵磁性層具有CoFeB的三元素基礎合金的材料，并且鐵磁性層的膜厚固定為2. Onm。除氧化鎂膜形成的絕緣層16外的每個層使用DC磁電管濺射方法形成。由氧化鎂(MgO)膜形成的絕緣層16使用RF磁電管濺射方法形成。此外，在存儲元件3的每個層形成之后，在磁場中的熱處理爐中執(zhí)行熱處理。接下來，字線部分由光刻法掩模后，通過用Ar等離子體對重疊膜的、字線以外的部分執(zhí)行選擇刻蝕形成字線(下電極)。此時，對字線以外的部分執(zhí)行的刻蝕達基底的5nm的深度。之后，通過電子束打印裝置形成存儲元件3的圖案的掩模，并且對層疊膜執(zhí)行選擇刻蝕以形成存儲元件3。在字線的Cu層上方的、除存儲元件3外的部分中執(zhí)行刻蝕。此外，由于需要使足夠的電流在存儲元件中流動以產(chǎn)生用于特性評估的存儲元件的磁化反轉所需的自旋轉矩，需要抑制隧道絕緣層的阻抗值。因此，存儲元件3的圖案形成為短軸O. 09 μ m并且長軸O. 18 μ m的橢圓形，從而將存儲元件3的面積阻抗值(Ω μ m2)設為 3 至 20 Ω μ m2。接下來,通過派射厚度約IOOnm的Al2O3,除存儲元件3外的部分被絕緣。之后，使用光刻法形成用作為上電極的位線和用于測量的墊。這樣，制備了存儲元件3的樣品。然后，根據(jù)上述制造方法，制備存儲元件3的每個樣品，其中改變存儲層17的鐵磁性層的CoFeB合金的成分。在CoFeB合金的成分中，CoFe和B的成分比(原子％ )固定到80 20，CoFe中 Co 的成分比例 x(原子％ )改變至Ij 90%,80%,70%,60%,50% ,40%,30%,20%UO%0%。對于以上制備的存儲元件3的每個樣品，執(zhí)行以下的特征評估。在測量之前，由于可以將反轉電流的正方向和負方向的值控制為對稱，存儲元件3 配置為從外側接收磁場。此外，施加到存儲元件3的電壓設為IV，其在絕緣層16不損壞的范圍內。
(飽和磁化量的測量)使用振蕩樣品磁力計通過VSM測量飽和磁化量Ms。(有效退磁場的測量)作為測量有效退磁場的樣品，樣品制備為使得形成構成存儲元件3的每個層，并且層形成在20mmX20mm見方的平面圖案中，與上述存儲元件3的樣品分離。然后通過FMR (鐵磁性諧振)測量獲得有效退磁場MefTective的大小。通過以下公式(3)獲得任意外磁場Hex (通過FMR測量獲得)的共振頻率fFMK。
權利要求
1.一種存儲元件，包括存儲層，其具有與膜表面垂直的磁化，并且所述存儲層的磁化的方向根據(jù)信息而變化；磁化固定層，其具有與所述膜表面垂直的磁化，所述磁化固定層用作為存儲在所述存儲層中的信息的基準；以及作為非磁性體的絕緣層，其布置在所述存儲層與所述磁化固定層之間，其中，通過沿著具有所述存儲層、所述絕緣層和所述磁化固定層的層結構的層疊方向注入自旋極化電子，來改變所述存儲層的磁化的方向，因而在所述存儲層上執(zhí)行信息的記錄，其中，所述存儲層接收到的有效退磁場的大小被配置為小于所述存儲層的飽和磁化量，并且其中，構成所述存儲層的鐵磁性層材料具有作為基材的CoFeB，并且耐腐蝕元素被加到所述基材中。
2.根據(jù)權利要求I所述的存儲元件，其中，所述耐腐蝕元素是閥金屬。
3.根據(jù)權利要求2所述的存儲元件，其中，所述耐腐蝕元素是鉻(Cr)或鎳(Ni)。
4.根據(jù)權利要求I所述的存儲元件，其中，所述耐腐蝕元素是從以下組合中選擇的一者-Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、Ti、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo 和 Nb。
5.根據(jù)權利要求I所述的存儲元件，其中，所述CoFeB的成分被設置為在以下范圍內的 (CoxFey) 100_ZBZ O ≤ Cox ≤ 40 ;60 ≤ Fey ≤ 100 ;并且 O < Bz ≤ 30。
6.根據(jù)權利要求I所述的存儲元件，其中，所述CoFeB的成分被設置為在以下范圍內的 (CoxFey) 100_ZBZ O ≤Cox ≤ 40 ;60≤ Fey ≤100 ;并且 20 < Bz ≤ 40。
7.一種存儲器裝置，包括存儲元件，其通過磁性體的磁化狀態(tài)來保持信息；以及彼此相交的兩種線，其中，所述存儲元件包括存儲層，其具有與膜表面垂直的磁化，并且所述存儲層的磁化的方向根據(jù)信息而變化；磁化固定層，其具有與膜表面垂直的磁化，所述磁化固定層用作為存儲在所述存儲層中的信息的基準；以及作為非磁性體的絕緣層，其布置在所述存儲層與所述磁化固定層之間，其中，通過沿著具有所述存儲層、所述絕緣層和所述磁化固定層的層結構的層疊方向注入自旋極化電子，來改變所述存儲層的磁化的方向，因而在所述存儲層上執(zhí)行信息的記錄，所述存儲層接收到的有效退磁場的大小被配置為小于所述存儲層的飽和磁化量，并且構成所述存儲層的鐵磁性層材料具有作為基材的CoFeB，并且耐腐蝕元素被加到所述基材中，其中，所述存儲元件被布置在所述兩種線之間，并且其中，通過所述兩種線使電流沿所述層疊方向在所述存儲元件中流動，以執(zhí)行自旋極化電子的注入。
全文摘要
本發(fā)明涉及存儲元件和存儲器裝置，該存儲元件包括存儲層，其具有與膜表面垂直的磁化，并且所述存儲層的磁化方向變化；磁化固定層，其具有與所述膜表面垂直的磁化，用作為信息的基準；以及絕緣層；通過沿著層結構的層疊方向注入自旋極化電子來改變所述存儲層的磁化方向，以執(zhí)行信息的記錄，所述存儲層接收到的有效退磁場的大小配置為小于所述存儲層的飽和磁化量，并且構成所述存儲層的鐵磁性層材料具有作為基材的CoFeB，并且耐腐蝕元素被加到所述基材中。
文檔編號G11C11/16GK102610270SQ201210018100
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權日2011年1月18日
發(fā)明者內田裕行, 別所和宏, 大森廣之, 山根一陽, 淺山徹哉, 細見政功, 肥后豐 申請人:索尼公司