專利名稱：存儲元件、存儲元件的制造方法以及存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及存儲元件、存儲元件的制造方法以及包括該存儲元件的存儲器，上述存儲元件具有如下構(gòu)造具有相對于膜平面的垂直磁各向異性并且通過施加垂直電流實(shí)現(xiàn)磁致電阻變化。
背景技術(shù)：
隨著大容量服務(wù)器到移動終端等各種信息裝置的不斷發(fā)展，諸如用于構(gòu)成信息裝置的存儲器和邏輯元件等的性能得到進(jìn)一步增強(qiáng)，例如，提高了集成度和速度以及降低了功耗。尤其是，半導(dǎo)體非易失性存儲器得到顯著發(fā)展，于是閃速存儲器作為大容量文件存儲器得到迅速推廣以至于降低了硬盤驅(qū)動器的使用。另一方面，由于期望推廣到代碼存儲器(code memory)和工作存儲器(working memory)，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)等正得到發(fā)展以取代目前通常使用的 NOR閃速存儲器、DRAM等。這些存儲器中的部分存儲器已經(jīng)投入到實(shí)際應(yīng)用中。尤其是，由于MRAM基于磁性材料的磁化方向存儲數(shù)據(jù)，所以MRAM能夠高速和幾乎無限次(1015次以上)的重寫。在工業(yè)自動化、飛機(jī)等領(lǐng)域已經(jīng)使用MRAM。由于MRAM的高速處理和高可靠性，期望未來將MRAM推廣到代碼存儲器和工作存儲器。然而，在實(shí)踐中， MRAM仍面臨功耗降低及容量增加的需求。這些都是起因于MRAM的存儲原理的基本問題， 即，是歸因于通過配線產(chǎn)生的電流磁場引起磁化反轉(zhuǎn)的方式的基本問題。作為解決這個問題的一種方法，正在研究不基于電流磁場的存儲方式(S卩，磁化反轉(zhuǎn))。特別是，與自旋矩磁化反轉(zhuǎn)有關(guān)的研究比較活躍。如同MRAM，利用自旋矩磁化反轉(zhuǎn)所實(shí)現(xiàn)的存儲元件配置有磁性隧道結(jié)(magnetic tunnel junction, MTJ)。這種結(jié)構(gòu)利用如下特性穿過被固定到某個方向的磁性層的自旋極化電子在進(jìn)入這個磁性層時(shí)向另一自由磁性層(其方向不固定)提供轉(zhuǎn)矩。在這種結(jié)構(gòu)中，等于或大于某個閾值的施加電流在自由磁性層中引起反轉(zhuǎn)。通過改變電流的極性進(jìn)行0/1的重寫。在尺寸約為0.1 μπι的元件中，用于該反轉(zhuǎn)的電流的絕對值等于或小于1mA。另外，由于這個電流值與元件體積成比例地降低，所以能夠進(jìn)行縮放。而且，這種方式不需要MRAM所要求的字線，該字線產(chǎn)生用于存儲的電流磁場，因此，這種方式還具有單元結(jié)構(gòu)更簡單的優(yōu)點(diǎn)。在下文中，將利用自旋矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM稱為ST_MRAM(自旋矩磁性隨機(jī)存取存儲器)。在保留MRAM的高速操作和幾乎無限次重寫等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，對作為非易失性存儲器的能夠降低功耗和增加容量的ST-MRAM寄予厚望。為了實(shí)現(xiàn)ST-MRAM的功耗降低，重要的是通過減小隧道勢壘層的厚度來減小MTJ元件的電阻。如果根據(jù)比例縮放，容量增大而使元件尺寸減小，那么由于隧道勢壘層電阻會增大。因此，難以減小元件的電阻。于是，為了實(shí)現(xiàn)比例縮放和功耗的降低，應(yīng)該減小隧道
勢壘層的厚度。圖11是ST-MRAM的MTJ結(jié)構(gòu)的示意性截面圖。圖11中所示的ST-MRAM包括基體層51、反鐵磁性層52、磁化固定層(固定層，參照層)53、隧道勢壘層M、存儲層(磁化存儲層，自由層) 和覆蓋層(保護(hù)層)56。箭頭表示ST-MRAM操作中各磁性層的磁化方向。 存儲層陽由具有如下磁矩的鐵磁性材料形成，該磁矩的磁化的方向M55在與膜平面平行的方向(水平方向)上自由變化。磁化固定層53由具有如下磁矩的鐵磁性材料形成，該磁矩的磁化的方向M53在與膜平面平行的方向(水平方向)上是固定的。基于具有單軸各向異性的自由磁化層(存儲層)的磁化方向來存儲信息。通過在與膜平面垂直的方向上施加電流，從而在存儲層中引起自旋矩磁化反轉(zhuǎn)來進(jìn)行寫入。MTJ元件具有厚度等于或小于Inm的極薄的隧道勢壘層。因此，隧道勢壘層的界面對粗糙度很敏感而應(yīng)當(dāng)足夠平坦。作為使通常用作隧道勢壘層的MgO層平坦化的技術(shù)， 例如已知一種方法在形成MgO膜之后在真空下進(jìn)行加熱(例如參照作為非專利文獻(xiàn)1的 Isogami 等人的 APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 93，192109 [2008])。為了實(shí)現(xiàn)在ST-MRAM中得到大讀出信號的高磁致電阻變化率，優(yōu)選使用取向 (001)方向的MgO作為隧道勢壘層。然而，通過減小MgO隧道勢壘層的厚度來減小電阻存在如下問題(1)磁化自由層與磁化固定層之間的磁性層間耦合(奈耳耦合，Neel coupling) 由于隧道勢壘層的界面粗糙度而增大。(2)由于諸如針孔等缺陷弓丨入隧道勢壘層而使隧道勢壘層的質(zhì)量下降。如果隧道勢壘層的厚度減小，則磁化固定層與存儲層(二者之間夾著隧道勢壘層)之間會發(fā)生取決于隧道勢壘層的膜厚度分布的磁性奈耳耦合。例如，對于小厚度的隧道勢壘層，曾報(bào)導(dǎo)過隧道勢壘層的界面粗糙度的增大與所發(fā)生的奈耳耦合之間的關(guān)系 (例如參照作為非專利文獻(xiàn)2的Kools等人的JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Vol. 85， 4466 [1999])0由于奈耳耦合，在MTJ元件中會產(chǎn)生泄漏磁場。這會引起在沒有施加外部磁場的情況下就進(jìn)行操作的問題。另外，所需電流的大小在元件之間發(fā)生變化。結(jié)果，使隧道磁電阻(TMR)率、短路等元件特性劣化，從而與MTJ元件一樣在操作中出現(xiàn)ST-MRAM的讀出信號下降等問題。這一問題也在晶片級評估時(shí)清楚地顯示出來。作為一個示例，圖12示出了以上述 MTJ元件的隧道勢壘層厚度分別設(shè)置成0. 72nm和0. 63nm這樣的方式制造的兩種樣品的磁化曲線。根據(jù)晶片上的MTJ結(jié)構(gòu)的磁性特性的評估，在隧道勢壘層的厚度為0. 63nm的元件中，由于基于上述兩個因素的奈耳耦合而使反映磁化自由層的磁滯回線移位，并且由于針孔粗糙度而使層內(nèi)的各磁化分散。因此，如圖12所示，隧道勢壘層的厚度減小到0.63nm這個樣品的磁滯回線的方形度與隧道勢壘層的厚度設(shè)為0. 72nm的樣品相比有所劣化。如上所述，為了使ST-MRAM的功耗減小，形成高質(zhì)量的隧道勢壘層是很重要的，這就不會由于隧道勢壘層的厚度減小而在較低電阻范圍內(nèi)因粗糙度等使MTJ元件的功能變差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠使功耗減小的存儲元件、該存儲元件的制造方法以及包括該存儲元件的存儲器。本發(fā)明實(shí)施例提供了一種存儲元件，其中，通過在堆疊方向上施加電流并注入自旋極化電子來改變存儲層的磁化方向，由此在所述存儲層中存儲信息。該存儲元件包括存儲層和磁化固定層，所述存儲層用于基于磁性材料的磁化狀態(tài)來保持信息，所述磁化固定層，其相對所述存儲層設(shè)置，且在所述磁化固定層與所述存儲層之間設(shè)有隧道勢壘層。所述隧道勢壘層具有大于或等于0. Inm且小于或等于0. 6nm的厚度以及小于0. 5nm的界面粗糙度。本發(fā)明另一實(shí)施例提供了一種存儲器，所述存儲器包括上述存儲元件和配線，所述配線用于在所述堆疊方向上向所述存儲元件供給電流。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲元件和存儲器，通過將所述隧道勢壘層的厚度設(shè)定成大于或等于0. Inm且小于或等于0. 6nm,能夠減小電阻。另外，通過將界面粗糙度設(shè)成小于 0. 5nm,即使當(dāng)所述隧道勢壘層的厚度減小至小于或等于0. 6nm時(shí)也能夠抑制奈耳耦合及缺陷。因此，在不使隧道勢壘層的質(zhì)量下降的情況下，能夠降低存儲器和存儲元件的功
^^ ο本發(fā)明另一實(shí)施例提供了一種存儲元件的制造方法。該方法包括形成磁性層以及在所述磁性層上形成隧道勢壘層。在所述形成隧道勢壘層的步驟中，以分成至少兩步的方式將所述隧道勢壘層形成為預(yù)定厚度。在本發(fā)明該實(shí)施例的存儲元件的制造方法中，在形成所述隧道勢壘層的步驟中， 在形成整個隧道勢壘層時(shí)以把步驟分成至少兩步的方式將所述隧道勢壘層形成為預(yù)定厚度。通過以分成至少兩步的方式實(shí)現(xiàn)形成所述隧道勢壘層的步驟，得到了具有充分平坦性的隧道勢壘層。因此，能夠抑制隧道勢壘層的粗糙度增大所引起的存儲元件的質(zhì)量下降，并能制造使功耗降低的存儲元件。本發(fā)明的實(shí)施例能夠提供可使功耗降低的存儲元件和存儲器。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的存儲器的示意性結(jié)構(gòu)圖(立體圖)；圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例的存儲元件的截面圖；圖3是本發(fā)明另一實(shí)施例的存儲元件的截面圖；圖4是示出了實(shí)驗(yàn)例1 4的元件的磁化曲線圖；圖5是示出了實(shí)驗(yàn)例1 4的元件以及實(shí)驗(yàn)例5 8的元件的界面粗糙度的圖；圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例的存儲元件的截面圖；圖7是示出了實(shí)驗(yàn)例9和實(shí)驗(yàn)例10的元件的磁化曲線圖；圖8是本發(fā)明第三實(shí)施例的存儲元件的截面圖；圖9A和圖9B是示出了實(shí)驗(yàn)例11的元件的磁化曲線圖；圖10是示出了實(shí)驗(yàn)例12的元件的磁化曲線圖；圖11是相關(guān)技術(shù)中存儲元件的截面圖12是示出了相關(guān)技術(shù)中存儲元件的磁化曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面說明用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例。然而，本發(fā)明不限于下面的示例。說明的順序如下1.本發(fā)明的第一實(shí)施例2.本發(fā)明實(shí)施例的存儲元件的制造方法3.第一實(shí)施例的存儲元件的實(shí)驗(yàn)例4.本發(fā)明的第二實(shí)施例5.第二實(shí)施例的存儲元件的實(shí)驗(yàn)例6.本發(fā)明的第三實(shí)施例7.第三實(shí)施例的存儲元件的實(shí)驗(yàn)例1.本發(fā)明的第一實(shí)施例存儲器的結(jié)構(gòu)示例圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例的存儲器的示意性結(jié)構(gòu)圖(立體圖)。該存儲器是通過設(shè)置能夠保持信息的存儲元件而形成的，該信息基于彼此正交的兩種地址配線(例如，字線和位線)的交叉點(diǎn)附近的磁化狀態(tài)。具體地，在諸如硅基板等半導(dǎo)體基板10的被元件隔離層2隔開的部分中，形成漏極區(qū)域8、源極區(qū)域7和柵極電極1作為用于選擇相應(yīng)的存儲器單元的選擇晶體管。柵極電極1還用作沿著圖中的前后方向延伸的一條地址配線(例如字線)。漏極區(qū)域8形成為被圖中左右兩側(cè)的選擇晶體管共用。該漏極區(qū)域8與配線9連接。在源極區(qū)域7與另一條地址配線(例如位線)6之間設(shè)置有存儲元件3，上述另一條地址配線(例如位線)6設(shè)置于上側(cè)并且沿著圖中的水平方向延伸。該存儲元件3具有由鐵磁性層形成的存儲層，該鐵磁性層的磁化方向通過自旋注入而反轉(zhuǎn)。該存儲元件3設(shè)置在兩種地址配線1和6的交點(diǎn)附近。該存儲元件3通過上部接觸層4和下部接觸層4分別與位線6和源極區(qū)域7連接。通過這兩種地址配線1和6能夠向存儲元件3供給電流。此外，通過在垂直方向 (存儲元件3的堆疊方向)上向存儲元件3供給電流，利用自旋注入可使存儲層的磁化方向反轉(zhuǎn)。存儲元件的結(jié)構(gòu)示例圖2是第一實(shí)施例的存儲元件3的截面圖。如圖2所示，該存儲元件3具有在基板11上方依次堆疊下述各層而得到的多層結(jié)構(gòu)基體層12、反鐵磁性層13、磁化固定層(參照層)14、隧道勢壘層15、存儲層(磁化自由層，自由層)16和覆蓋層(保護(hù)層)17。此外，在覆蓋層17上方設(shè)有上部電極(未示出)， 并且在基體層12的底部設(shè)有下部電極(未示出)。另外，在上部電極上設(shè)有與位線連接的配線，由此構(gòu)成存儲元件3。在存儲元件3中，基于具有單軸各向異性的存儲層16的磁化的方向Ml來存儲信息。另外，通過在與膜平面垂直的方向上施加電流，從而在存儲層內(nèi)引起自旋矩磁化反轉(zhuǎn)來進(jìn)行寫入。磁化固定層14設(shè)置在存儲層16的下方，存儲層16的磁化的方向Ml通過自旋注入而反轉(zhuǎn)。反鐵磁性層13設(shè)置在磁化固定層14的下面，通過該反鐵磁性層13固定磁化固定層14的磁化的方向M14。隧道勢壘層15設(shè)置在存儲層16與磁化固定層14之間，存儲層 16和磁化固定層14構(gòu)成了 MTJ元件。磁化固定層14可以僅由鐵磁性層形成或者可具有如下結(jié)構(gòu)它的磁化方向通過利用反鐵磁性層與鐵磁性層間的反鐵磁性耦合來固定。磁化固定層14具有由單層鐵磁性層形成的結(jié)構(gòu)或者通過堆疊多個鐵磁性層得到的合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)，在上述多個鐵磁性層之間設(shè)有隧道勢壘層。如果采用具有合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)的磁化固定層14，則磁化固定層14對于外部磁場的靈敏度可能會下降。因此，能夠抑制外部磁場所引起的磁化固定層的不必要的磁化變化，能夠穩(wěn)定地操作存儲元件。另外，能夠調(diào)節(jié)各鐵磁性層的厚度，并且還能抑制從磁化固定層泄漏磁場。因?yàn)榇呕潭▽?4的磁化反轉(zhuǎn)電流應(yīng)當(dāng)大于存儲層16的磁化反轉(zhuǎn)電流，所以磁化固定層14的厚度應(yīng)設(shè)成大于存儲層16的厚度。磁化固定層14形成為例如具有Inm 40nm的厚度，該厚度使得磁化固定層14與存儲層16之間的反轉(zhuǎn)電流具有足夠大的差異。例如可以使用Co、CoFe和CoFeB作為構(gòu)成磁化固定層14的鐵磁性層的材料。例如可以使用Ru、Re、Ir、Os或這些材料的合金作為形成合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)的隧道勢壘層的材料。反鐵磁性層13的材料示例包括諸如!^eMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO和狗203等磁性材料。另外，可通過向這些磁性材料中加入諸如Ag、Cu、 Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、0、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo 和 Nb 等非磁性元素來調(diào)節(jié)磁性特性。 另外，可以調(diào)節(jié)諸如結(jié)晶結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性和物質(zhì)穩(wěn)定性等各種其他性能。反鐵磁性層13形成為例如具有Inm 40nm的厚度。對于存儲元件3的堆疊結(jié)構(gòu)，可將存儲層16設(shè)置在磁化固定層14的上側(cè)或者設(shè)置在磁化固定層14的下側(cè)。存儲層16主要由諸如Co、Fe、Ni和Gd等鐵磁性材料構(gòu)成，使用這些元素中的至少兩種元素的合金作為一層將該存儲層16形成為一層或者至少兩層的多層狀態(tài)?？蓪⒑辖鹪丶尤敫麒F磁性層以控制諸如飽和磁化強(qiáng)度等磁性特性以及結(jié)晶結(jié)構(gòu)(結(jié)晶狀態(tài)、微晶結(jié)構(gòu)、非晶結(jié)構(gòu))。例如，可以使用如下材料該材料主要由( 合金、CoFeB合金、!^e合金或Nii^e合金構(gòu)成，并摻雜有諸如Gd等磁性元素或者諸如B、C、N、Si、P、Al、Ti、Ta、Mo、Cr、 Nb、Cu、Zr、W、V、Hf、Mn和Pd等其他元素中的一種或多種?；蛘?，例如，可以使用通過向Co 中摻雜Zr、Hf、Nb、Ta和Ti中的至少一種元素而得到的非晶材料，或者使用諸如CoMnSi、 CoMnAl或CoCri^eAl等赫斯勒材料(Heusler material)。只要存儲層16的厚度為2nm 8nm,在存儲元件的工作中就不會出現(xiàn)問題。覆蓋層17由例如1^、86、妝、1%、恥、11、￥、1^和83中的至少一種元素、或者含有這些元素中任一種元素的氧化物、或者Ti和V中至少一種元素的氮化物構(gòu)成?；w層12由例如Mg、Ca、V、Nb、Mn、Fe、Co和Ni中的至少一種元素或者含有這些元素中任一種元素的氧化物構(gòu)成?；w層12形成為具有3 30nm的厚度，這是因?yàn)楹穸忍髸档推交远穸忍构δ芰踊?。可以使用氧化鎂(MgO)作為存儲層16與磁化固定層14之間的隧道勢壘層15的材料。除了氧化鎂以外，例如還可以使用下列各種絕緣體、介電體和半導(dǎo)體氧化鋁、氮化鋁、Si02、Bi203、MgF2、CaF、SrTi02、AlLaOJP A1-N-0。為了在存儲元件3中實(shí)現(xiàn)給出大讀出信號的高磁致電阻變化率，優(yōu)選使用取向(001)方向的MgO作為隧道勢壘層15。隧道勢壘層15的厚度大于或等于0. Inm且小于或等于0. 6nm,界面粗糙度小于 0. 5nm。通過形成厚度小于或等于0. 6nm的薄隧道勢壘層，能夠降低元件的電阻。此外，通過將界面粗糙度設(shè)定成小于0. 5nm,能夠抑制奈耳耦合并能夠抑制驅(qū)動電流的增大。隧道勢壘層厚度的下限根據(jù)所使用的材料設(shè)成使隧道勢壘層實(shí)際用作隧道絕緣膜的最小厚度，例如0. lnm。例如，如果隧道勢壘層由MgO形成，由于MgO晶體的一個晶胞的長度為0. 42nm, 則基于一個晶胞的長度優(yōu)選地將厚度下限設(shè)成使隧道勢壘層實(shí)際用作隧道絕緣膜的大于或等于約0. 3nm。另外，通過將界面粗糙度設(shè)定成小于0. 5nm，可抑制諸如針孔等缺陷引入隧道勢壘層。通過使隧道勢壘層的粗糙度小于0. 5nm來精確地形成隧道勢壘層以便得到平坦性和結(jié)晶性極好的層。這能夠解決相關(guān)技術(shù)中隧道勢壘層的厚度減小時(shí)發(fā)生的缺陷等問題。2.本發(fā)明實(shí)施例的存儲元件的制造方法下面說明本發(fā)明實(shí)施例的上述存儲元件的制造方法。可通過如下方法來制造本實(shí)施例的存儲元件3 利用濺射、真空蒸發(fā)、CVD、PVD等在真空裝置中連續(xù)形成基體層12 覆蓋層17，然后通過諸如蝕刻等處理形成存儲元件3的圖案。首先，在基板11上形成基體層12。例如可使用具有熱氧化層的硅基板作為基板 11。在基板11上，例如形成厚度為3nm 30nm的Ta層作為基體層12。接著，在基體層12上形成反鐵磁性層13。可利用上述材料(例如PtMn)在基體層 12上形成厚度為Inm 40nm的反鐵磁性層13。隨后，在反鐵磁性層13上形成磁化固定層14。可使用上述鐵磁性層材料將磁化固定層14形成為具有Inm 40nm的厚度。如果使用具有合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)的磁化固定層 14，則將上述隧道勢壘層形成為具有例如0. 4nm 2. 5nm的厚度。接下來，在磁化固定層14上形成隧道勢壘層15。利用濺射法使用上述元素的氧化物或氮化物(例如MgO)的靶材形成具有0. Inm 0. 6nm的厚度的隧道勢壘層15。也可形成由上述元素及上述元素的氧化物或氮化物構(gòu)成的多層體作為隧道勢壘層15。具體地，形成由Mg和MgO構(gòu)成的多層體，例如MgO/Mg多層體或Mg/MgO/Mg多層體。另外，在形成隧道勢壘層15的整個厚度的過程中，按照將堆疊步驟劃分成至少兩個步驟的方式將隧道勢壘層15形成為預(yù)定厚度。例如，如果以分成兩步的方式形成隧道勢壘層15，則第一步在磁化固定層14上形成厚度比隧道勢壘層15的預(yù)定厚度小的第一隧道勢壘層。接著，在第二步中，使用相同的材料在第一步形成的第一隧道勢壘層上進(jìn)一步形成第二隧道勢壘層。通過這兩步，形成了具有預(yù)定厚度的隧道勢壘層15。將隧道勢壘層15的整個厚度設(shè)定成等于或小于0. 6nm，從而能夠降低電阻并能夠降低存儲元件的功耗。另外，通過將隧道勢壘層15的形成步驟分成兩個步驟，可將隧道勢壘層的界面粗糙度設(shè)成小于0. 5nm。這是因?yàn)?，由于以分成多個步驟的方式形成隧道勢壘層 15，所以在膜形成處理間歇時(shí)發(fā)生膜沉積的余熱所引起的元素的再布置。接著，在隧道勢壘層15上形成存儲層16?？衫脼R射法使用上述鐵磁性材料形成具有2nm Snm的厚度的存儲層16。隨后，在存儲層16上形成覆蓋層17。可使用上述元素或者上述元素的氧化物或氮化物形成覆蓋層17。通過上述步驟，能夠制造具有圖2所示的結(jié)構(gòu)的存儲元件3。存儲元件的變形例與膜平面垂直的磁化上述第一實(shí)施例涉及包括具有平面內(nèi)磁各向異性的存儲層的存儲元件。然而，本發(fā)明的實(shí)施例也適用于相對于膜平面具有垂直磁各向異性的存儲元件。圖3是垂直磁化型的ST-MRAM的示意性截面圖。ST-MRAM具有在基板11上方依次堆疊下列各層而得到的多層結(jié)構(gòu)結(jié)晶取向用的基體層12、反鐵磁性層13、磁化固定層(參照層)19、隧道勢壘層15、存儲層(磁化自由層，自由層)18和覆蓋層17 (保護(hù)層)。另外， 在覆蓋層17上方設(shè)有上部電極(未示出)，在基體層12的底部設(shè)有下部電極(未示出)。 另外，在上部電極上設(shè)有與位線連接的配線，從而構(gòu)成存儲元件。存儲層18由鐵磁性材料形成，其磁矩的磁化的方向M18在垂直于層平面的方向上自由變化。磁化固定層19由鐵磁性材料形成，其磁矩的磁化的方向M19在與膜平面垂直的方向上固定?；诰哂袉屋S各向異性的存儲層18的磁化的方向M18來存儲信息。通過在垂直于膜平面的方向上施加電流從而引起自旋矩磁化反轉(zhuǎn)來進(jìn)行寫入。磁化固定層19設(shè)置在存儲層18的下方，如上所述，通過自旋注入使磁化的方向 M18反轉(zhuǎn)。另外，反鐵磁性層13設(shè)在磁化固定層19的下方，并且磁化固定層19的磁化的方向M19因該反鐵磁性層13而固定。隧道勢壘層15設(shè)置在存儲層18與磁化固定層19之間，并且存儲層18和磁化固定層19構(gòu)成了 MTJ元件。除了磁化固定層和存儲層之外，垂直磁化型的ST-MRAM的結(jié)構(gòu)與平面內(nèi)磁化型存儲元件的結(jié)構(gòu)相同。因此，可按照類似于上述第一實(shí)施例的方式構(gòu)造垂直磁化型的 ST-MRAM。因此，省略磁化固定層19和存儲層18之外的其他結(jié)構(gòu)的說明。存儲層18由具有垂直磁各向異性的磁性材料形成。這種磁性材料的示例包括諸如TbCoi^e等稀土過渡金屬合金、諸如Co/Pd多層膜等金屬多層膜以及諸如!^ePt等有序合金。為了在ST-MRAM中實(shí)現(xiàn)給出大讀出信號的高磁致電阻變化率，優(yōu)選使用MgO作為隧道勢壘層15。鑒于這一點(diǎn)，優(yōu)選使用取向(001)平面的i^ePt、FePcUi^eNi和MnAl合金。使用反轉(zhuǎn)電流很大的磁性層作為磁化固定層19。通過使用反轉(zhuǎn)電流比存儲層18 的反轉(zhuǎn)電流大的磁性層，能夠配置高性能的存儲元件。例如可以使用主要由Co構(gòu)成且含有Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Fe和Ni 中至少一種元素的合金作為磁化固定層19的材料。例如，可以使用CoCr、CoPt、CoCrTa和 CoCrPt?；蛘?，可以使用由Tb、Dy或Gd與過渡金屬構(gòu)成的非晶合金。例如，可以使用TWe、 TbCo 和 TbFeCo。磁化固定層19可僅由鐵磁性層形成，或者可具有通過堆疊多個鐵磁性層得到的合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)，在上述多個鐵磁性層之間設(shè)有隧道勢壘層。另外，在具有垂直磁化的ST-MRAM中，以將堆疊步驟分成至少兩步的方式，將隧道勢壘層形成為具有大于或等于0. Inm且小于或等于0. 6nm的厚度以及小于0. 5nm的界面粗
9糙度。在本實(shí)施例中，優(yōu)選使用取向(001)平面的MgO作為隧道勢壘層。一般地，認(rèn)為具有垂直磁各向異性的存儲元件比具有平面內(nèi)磁各向異性的存儲元件更適于降低功耗及增大容量。這是因?yàn)椋瑢τ诖怪贝呕?，自旋矩磁化反轉(zhuǎn)時(shí)需要超越的能量勢壘較低，并且垂直磁化膜所具有的高的磁各向異性有利于保持為增大容量而微型化的存儲載體的熱穩(wěn)定性。3.第一實(shí)施例的存儲元件的實(shí)驗(yàn)例根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的存儲元件的結(jié)構(gòu)實(shí)際構(gòu)造MTJ元件，并研究它的特性。磁化特性的比較(實(shí)驗(yàn)例1)在具有熱氧化膜的硅基板上形成5nm厚的Ta層作為基體層12。接著，形成20nm 厚的PtMn層作為反鐵磁性層13，依次形成2nm厚的( 層/0. 8nm厚的Ru層/2nm厚的 CoFeB層作為磁化固定層14。在本示例中，使用了利用反鐵磁性層13制成的自旋閥(spin valve)結(jié)構(gòu)，并且使用隔著Ru中間層制成的合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)作為磁化固定層14的結(jié)構(gòu)。接著，在第一步中形成0. 4nm厚的MgO層，然后在第二步中形成剩余的厚度為 0. 07nm的MgO層，該分兩步形成的MgO層作為隧道勢壘層。最后，依次形成作為自由磁化層的3nm厚的CoFeB層以及覆蓋層。在形成具有上述結(jié)構(gòu)的多層體之后，在320°C下進(jìn)行磁場熱處理。通過上述步驟，制造了隧道勢壘層的厚度為0.47nm的實(shí)驗(yàn)例1的MTJ元件。(實(shí)驗(yàn)例2 4)除了將用于形成隧道勢壘層的第二步中形成的MgO層的厚度分別設(shè)成0. 13nm、 0. 19nm和0. 23nm以外，利用與實(shí)驗(yàn)例1相同的方法制造實(shí)驗(yàn)例2 4的MTJ元件。在實(shí)驗(yàn)例2 4的MTJ元件中，隧道勢壘層的厚度分別為0. 53nm(實(shí)驗(yàn)例2)、0. 59nm(實(shí)驗(yàn)例3) 和0. 63nm(實(shí)驗(yàn)例4)。磁化曲線的比較圖4示出了關(guān)于實(shí)驗(yàn)例1 4的MTJ元件的各個制造樣品的存儲層的磁化曲線。 在圖4中，橫軸代表施加的磁場H
，縱軸代表磁化強(qiáng)度M [a. u]。實(shí)驗(yàn)例1 4的元件顯示出由于隧道勢壘層的平坦性而得到的良好方形度。在實(shí)驗(yàn)例4中，隧道勢壘層的厚度為0. 63nm,顯示出由于隧道勢壘層的平坦性而得到的良好方形度。相反，根據(jù)相關(guān)技術(shù)所形成的MTJ元件的磁化曲線(圖12)，當(dāng)MgO厚度為0. 72nm時(shí)顯示出良好的方形度，而當(dāng)MgO厚度為0. 63nm時(shí)方形度劣化。根據(jù)這一結(jié)果，可得出在實(shí)驗(yàn)例4中制造的MTJ元件中即使隧道勢壘層的厚度設(shè)成0. 63nm時(shí)粗糙度也不會增大。這是因?yàn)?，在相關(guān)技術(shù)中，如果隧道勢壘層的厚度減小至0.63nm，則由于奈耳耦合和針孔粗糙而使隧道勢壘層的質(zhì)量下降，與相關(guān)技術(shù)相比，在實(shí)驗(yàn)例4中抑制了隧道勢壘層的質(zhì)量劣化。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)例1 3的磁化曲線，當(dāng)MgO厚度逐漸減小至0. 59nm(實(shí)驗(yàn)例3)、 0. 53nm(實(shí)驗(yàn)例2)和0. 47nm(實(shí)驗(yàn)例1)時(shí)也保持著良好的方形度。根據(jù)該結(jié)果，顯然，在實(shí)驗(yàn)例1 4的MTJ元件中，當(dāng)隧道勢壘層的厚度減小至 0. 47nm時(shí)也能夠維持平坦性并能抑制諸如針孔等缺陷的引入。
隧道勢壘層的界面粗糙度的比較下面對關(guān)于上述實(shí)驗(yàn)例1 4的存儲元件中的隧道勢壘層的界面粗糙度進(jìn)行說明。在上述非專利文獻(xiàn)2中，關(guān)于隧道勢壘層的界面上的奈耳耦合(Hf)與隧道勢壘層的厚度之間的關(guān)系，定義了包括界面粗糙度h的下列表達(dá)式(1)。[表達(dá)式1]
「 , TT n2h2Mp f -n4l-tMgO\........門、Hf=-J=— exp -—⑴在表達(dá)式(1)中，Mp代表磁化固定層的磁矩，tf代表磁化自由層的厚度，tMgO代表隧道勢壘層的厚度，λ代表膜平面內(nèi)的均勻性，h代表界面粗糙度。對于實(shí)驗(yàn)例1 4中隧道勢壘層的厚度tMgO與奈耳耦合Hf之間的關(guān)系，可根據(jù)上述表達(dá)式(1)進(jìn)行擬合來評估界面粗糙度h。具體地，在ST-MRAM的制造過程中，在相同的制造條件下形成具有不同厚度的隧道勢壘層。另外，對于具有不同厚度的隧道勢壘層的多個元件，利用上述表達(dá)式(1)對奈耳耦合Hf與隧道勢壘層的厚度進(jìn)行擬合。通過這一方法，在ST-MRAM中，能夠得到在該制造條件下形成的隧道絕緣層的界面粗糙度h。奈耳耦合Hf定義為自由層的磁滯回線離零磁場的移動量。對于奈耳耦合Hf來說， 例如可根據(jù)關(guān)于晶片的磁化曲線得到該移動量。對于元件來說，可根據(jù)磁致電阻曲線得到該移動量。上述表達(dá)式(1)不是專用于使用MgO作為隧道勢壘層的情況的表達(dá)式，也適用于磁性層被隔離件分隔開的結(jié)構(gòu)。例如，該表達(dá)式也適用于使用諸如氧化鋁等其它材料形成隧道勢壘層的元件。(實(shí)驗(yàn)例5 8)除了在隧道勢壘層的形成步驟中在單個步驟中制造整體厚度的MgO層以外，在與上述實(shí)驗(yàn)例1相同的制造條件下通過相同的方法制造實(shí)驗(yàn)例5 8的MTJ元件。在實(shí)驗(yàn)例 5 8的MTJ元件中，MgO層的厚度分別為0. 72nm (實(shí)驗(yàn)例5)、0. 66nm (實(shí)驗(yàn)例6)、0. 63nm (實(shí)驗(yàn)例7)和0. 59nm(實(shí)驗(yàn)例8)。關(guān)于上述實(shí)驗(yàn)例1 4的MTJ元件和實(shí)驗(yàn)例5 8的MTJ元件，隧道勢壘層的厚度 tMgO與奈耳耦合Hf之間的關(guān)系如圖5所示。在圖5中，實(shí)線代表表達(dá)式(1)與實(shí)驗(yàn)例1 4的MTJ元件的擬合結(jié)果，虛線代表表達(dá)式(1)與實(shí)驗(yàn)例5 8的MTJ元件的擬合結(jié)果。根據(jù)表達(dá)式(1)與實(shí)驗(yàn)例1 4的MTJ元件的擬合結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)例1 4中隧道勢壘層的界面粗糙度h為0. 3nm。根據(jù)表達(dá)式(1)與實(shí)驗(yàn)例5 8的MTJ元件的擬合結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)例5 8中隧道勢壘層的界面粗糙度h為0. 5nm。根據(jù)該界面粗糙度的結(jié)果和上述磁化曲線的結(jié)果得出下面的結(jié)論。具體地，如果隧道勢壘層的界面粗糙度為0. 5nm，那么當(dāng)隧道勢壘層的厚度為0. 72nm時(shí)磁化曲線的方形度良好，而當(dāng)該厚度為0.63nm時(shí)磁化曲線劣化。相比之下，如果隧道勢壘層的界面粗糙度為0. 3nm，則即使當(dāng)隧道勢壘層的厚度為0. 63nm以下時(shí)磁化曲線的方形度也是良好的。也就是說，在形成有厚度為0. 6nm以下的隧道勢壘層的ST-MRAM中，通過將隧道勢壘層的界面粗糙度設(shè)定為小于0. 5nm能夠得到良好特性。根據(jù)上述結(jié)果，可得知，通過減小界面粗糙度，即使在形成具有小厚度的隧道勢壘層時(shí)也能夠抑制質(zhì)量劣化。
另外，通過如上所述以至少分成兩步的方式堆疊層，能夠形成具有高平坦性的層作為隧道勢壘層。因此，即使在形成厚度比相關(guān)技術(shù)中的隧道勢壘層厚度小的隧道勢壘層時(shí)，也能夠抑制由于界面粗糙度的增大而在存儲元件中引起的奈耳耦合和隧道勢壘層的質(zhì)量劣化。另外，通過形成界面粗糙度小于0. 5nm且平坦性和結(jié)晶性極好的精密隧道勢壘層能夠抑制諸如針孔等缺陷的引入。因此，能夠解決相關(guān)技術(shù)中隧道勢壘層厚度減小時(shí)發(fā)生的缺陷等問題。于是，通過減小高質(zhì)量隧道勢壘層的厚度，能夠在不使存儲元件質(zhì)量劣化的情況下降低電阻。4.本發(fā)明的第二實(shí)施例具有雙結(jié)構(gòu)的存儲元件1下面說明本發(fā)明第二實(shí)施例的存儲元件。第二實(shí)施例的存儲元件也可應(yīng)用于上述第一實(shí)施例的存儲器的存儲元件。圖6是第二實(shí)施例的存儲元件的截面圖。第二實(shí)施例的存儲元件具有在基板21上方依次堆疊下述各層而得到的多層結(jié)構(gòu)基體層22、第一反鐵磁性層31、第一磁化固定層M、第一隧道勢壘層25和存儲層26。 此外，該存儲元件具有在存儲層26上方依次堆疊下述各層而得到的多層結(jié)構(gòu)第二隧道勢壘層27、第二磁化固定層觀、第二反鐵磁性層32和覆蓋層四。另外，在覆蓋層四上方設(shè)有上部電極(未示出)，在基體層22的底部設(shè)有下部電極(未示出)。另外，在上部電極上設(shè)有與位線連接的配線，由此構(gòu)成存儲元件。如圖6所示，在該存儲元件中，在存儲層沈的下方及上方分別設(shè)置有第一磁化固定層M和第二磁化固定層觀，在存儲層沈中磁化的方向通過自旋注入而反轉(zhuǎn)。在第一磁化固定層M的下方設(shè)有第一反鐵磁性層31，并且第一磁化固定層M的磁化的方向MM由于該第一反鐵磁性層31而固定。在第二磁化固定層觀上設(shè)有第二反鐵磁性層32，并且第二磁化固定層觀的磁化的方向似8由于該第二反鐵磁性層32而固定。 在存儲層26與第一磁化固定層M之間設(shè)有第一隧道勢壘層25，在存儲層沈與第二磁化固定層觀之間設(shè)有第二隧道勢壘層27。也就是說，該MTJ元件具有這樣的結(jié)構(gòu)存儲層沈的上方和下方設(shè)有兩個磁化固定層M和觀(雙MTJ元件)。除了在存儲層沈與覆蓋層四之間設(shè)有第二隧道勢壘層27、第二磁化固定層觀和第二反鐵磁性層32以外，第二實(shí)施例的存儲元件具有與上述第一實(shí)施例的存儲元件(單 MTJ元件)相同的結(jié)構(gòu)。第二磁化固定層觀可以僅由鐵磁性層形成，或者可具有通過堆疊多個鐵磁性層得到的合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)，在上述多個鐵磁性層之間設(shè)有隧道勢壘層。如果采用具有合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)的第二磁化固定層觀，則磁化固定層對于外部磁場的靈敏度會下降。因此，能夠抑制外部磁場所引起的磁化固定層的不必要的磁化變化，能夠穩(wěn)定地操作存儲元件。另外，能夠調(diào)節(jié)各鐵磁性層的厚度，并且還能抑制從磁化固定層泄漏磁場。因?yàn)榈诙呕潭▽佑^的磁化反轉(zhuǎn)電流應(yīng)當(dāng)大于存儲層沈的磁化反轉(zhuǎn)電流，所以第二磁化固定層觀的厚度應(yīng)設(shè)成大于存儲層沈的厚度。第二磁化固定層觀例如形成為具有Inm 40nm的厚度，該厚度使得第二磁化固定層觀與存儲層沈之間的反轉(zhuǎn)電流具有足夠大的差異。與上述第一實(shí)施例的磁化固定層類似，例如可以使用Co、CoFe和CoFeB作為構(gòu)成第二磁化固定層觀的鐵磁性層的材料。例如可以使用Ru、Re、Ir, Os或這些材料的合金作為形成合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)的隧道勢壘層的材料?？墒褂醚趸V作為存儲層沈與第二磁化固定層觀之間的第二隧道勢壘層27的材料。除了氧化鎂以外，例如還可以使用下列各種絕緣體、介電體和半導(dǎo)體氧化鋁、氮化鋁、Si02、Bi203、MgF2, CaF、SrTiO2^AlLaO3 和 Al-N-O。通過形成厚度大于或等于0. Inm且小于或等于0. 6nm的薄層作為第二隧道勢壘層 27，能夠降低元件的電阻。在雙MTJ結(jié)構(gòu)中，特別是在形成第二隧道勢壘層27的過程中，因?yàn)榕c單MTJ結(jié)構(gòu)相比，下方的多層結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，所以平坦性容易劣化。如果破壞了作為上層的第二磁化固定層觀的平坦性，則器件的功能可能會喪失。具體地，例如，存儲層沈與第二磁化固定層觀磁性耦合并且在這些層中同時(shí)發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)。為了避免這一問題，將第二隧道勢壘層27的界面粗糙度設(shè)為小于0. 5nm。通過將界面粗糙度設(shè)為小于0. 5nm,能夠抑制奈耳耦合，并能夠抑制驅(qū)動電流的增大。另外，通過將界面粗糙度設(shè)定成小于0. 5nm，抑制了諸如針孔等缺陷引入隧道勢壘層。上述第二實(shí)施例的存儲元件包括夾著存儲層沈的第一隧道勢壘層25和第二隧道勢壘層27。然而，這些隧道勢壘層中的至少一者具有大于或等于0. Inm且小于或等于0. 6nm 的厚度以及小于0. 5nm的界面粗糙度就足夠了。至少一層滿足上述條件就能夠抑制隧道勢壘層的粗糙度增大所引起的質(zhì)量劣化，并且能構(gòu)成減小電阻的存儲元件。特別優(yōu)選的是，第二隧道勢壘層27滿足上述條件?；蛘?，優(yōu)選第一隧道勢壘層25和第二隧道勢壘層27都滿足上述條件。5.第二實(shí)施例的存儲元件的實(shí)驗(yàn)例根據(jù)上述第二實(shí)施例的存儲元件的結(jié)構(gòu)實(shí)際構(gòu)造雙MTJ元件，并研究它的特性。磁化特性(實(shí)驗(yàn)例9)在具有熱氧化膜的硅基板上形成3nm厚的Ta層作為基體層22。接著，形成20nm厚的PtMn層作為第一反鐵磁性層31，并且依次形成2nm厚的( 層/0. 8nm厚的Ru層/4nm 厚的( 層/0. 8nm厚的Ru層/2nm厚的CoFeB層作為第一磁化固定層24。在本示例中， 使用了利用第一反鐵磁性層31制成的自旋閥結(jié)構(gòu)，并且使用隔著Ru中間層制成的合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)作為第一磁化固定層M的結(jié)構(gòu)。接著，形成0. 75nm厚的MgO層作為第一隧道勢壘層25，然后形成3nm厚的CoFeB 層作為存儲層26。另外，在存儲層沈上，在第一步中形成0.4nm厚的MgO層，在第二步中形成剩余的厚度為0. 19nm的MgO層，該分兩步形成的MgO層作為第二隧道勢壘層27。此外，依次形成Inm厚的CoFeB層/2nm厚的Coi^e層/0. 9nm厚的Ru層/2nm厚的 ( 層作為第二磁化固定層觀。另外，形成20nm厚的PtMn層作為第二反鐵磁性層32。在本示例中，第二磁化固定層觀被構(gòu)造成具有如下結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)是隔著Ru中間層制成的合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)，并且能夠利用第二反鐵磁性層32固定磁化方向。另外，第二磁化固定層觀中的與第二隧道勢壘層27接觸的磁性層的厚度被調(diào)整成使得第二磁化固定層觀的磁化方向與第一磁化固定層M的磁化方向反平行。最后，形成覆蓋層四。在形成具有上述結(jié)構(gòu)的多層體之后，在320°C下進(jìn)行磁場熱處理。通過上述步驟，制造了實(shí)驗(yàn)例9的雙MTJ元件。
(實(shí)驗(yàn)例10)除了在形成第二隧道勢壘層的步驟中以單個步驟制造0. 59nm厚的MgO層以外，利用與上述實(shí)驗(yàn)例9相同的方法制造實(shí)驗(yàn)例10的雙MTJ元件。磁化曲線圖7示出了關(guān)于實(shí)驗(yàn)例9和實(shí)驗(yàn)例10所制造的雙MTJ元件的存儲層的磁化曲線。 在圖7中，橫軸代表施加的磁場H
，縱軸代表磁化強(qiáng)度M [a. u]。另外，在圖7中，實(shí)驗(yàn)例 9的磁化曲線由實(shí)線示出，實(shí)驗(yàn)例10的磁化曲線由虛線示出。以兩步形成第二隧道勢壘層27的實(shí)驗(yàn)例9的元件表現(xiàn)出類似于上述第一實(shí)施例的MTJ元件的良好方形度。相比之下，以一步形成第二隧道勢壘層的實(shí)驗(yàn)例10示出了第二隧道勢壘層的質(zhì)量劣化所致的劣化磁滯回線。根據(jù)該結(jié)果得出在實(shí)驗(yàn)例9的雙MTJ元件中，保證了第二隧道勢壘層的平坦性并且實(shí)現(xiàn)了奈耳耦合的抑制以及磁滯回線方形度的改善。6.本發(fā)明的第三實(shí)施例具有雙結(jié)構(gòu)的存儲元件2下面說明本發(fā)明第三實(shí)施例的存儲元件。第三實(shí)施例的存儲元件也可應(yīng)用于上述第一實(shí)施例的存儲器的存儲元件。圖8是第三實(shí)施例的存儲元件的截面圖。第三實(shí)施例的存儲元件具有在基板21上方依次堆疊下述各層而得到的多層結(jié)構(gòu)基體層22、反鐵磁性層23、第一磁化固定層M、第一隧道勢壘層25和存儲層26。此外， 該存儲元件具有在存儲層26上方依次堆疊下述各層而得到的多層結(jié)構(gòu)第二隧道勢壘層 27、第二磁化固定層觀和覆蓋層四。另外，在覆蓋層四上方設(shè)有上部電極(未示出)，在基體層22的底部設(shè)有下部電極(未示出)。另外，在上部電極上設(shè)有與位線連接的配線，由此構(gòu)成存儲元件。如圖8所示，在該存儲元件中，在存儲層沈的下方及上方分別設(shè)置有第一磁化固定層M和第二磁化固定層觀，存儲層26中磁化的方向通過自旋注入而反轉(zhuǎn)。反鐵磁性層23設(shè)置在第一磁化固定層M的下方，并且第一磁化固定層M的磁化的方向M24由于該反鐵磁性層23而固定。在第二磁化固定層觀中，磁化的方向似8被固定成在平面內(nèi)與第一磁化固定層M的磁化方向相反的方向。在存儲層沈與第一磁化固定層對之間設(shè)有第一隧道勢壘層25，并且在存儲層沈與第二磁化固定層觀之間設(shè)有第二隧道勢壘層27。 也就是說，該MTJ元件具有這樣的結(jié)構(gòu)存儲層沈的上方和下方設(shè)有兩個磁化固定層M和 28 (雙MTJ元件)。上述第三實(shí)施例的存儲元件具有從第二實(shí)施例的存儲元件中除去第二反鐵磁性層32而得到的結(jié)構(gòu)。盡管在上述第二實(shí)施例的存儲元件中的第二磁化固定層上設(shè)有第二反鐵磁性層，但只要第二磁化固定層的磁化方向是固定的即可，于是也可以采用在第二磁化固定層上不設(shè)置反鐵磁性層的結(jié)構(gòu)。在第三實(shí)施例的存儲元件中，可根據(jù)第二磁化固定層觀的合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)的矯頑力差來設(shè)定磁化方向。除了在第二磁化固定層觀與覆蓋層四之間未設(shè)置第二反鐵磁性層以外，第三實(shí)施例的存儲元件具有與上述第二實(shí)施例的存儲元件(雙MTJ元件)相同的結(jié)構(gòu)。在上述第三實(shí)施例的存儲元件中，與第二實(shí)施例的存儲元件相類似地，第一隧道勢壘層25和第二隧道勢壘層27中的至少一者具有大于或等于0. Inm且小于或等于0. 6nm 的厚度以及小于0. 5nm的界面粗糙度就足夠了。特別優(yōu)選的是，第二隧道勢壘層27滿足上述條件?；蛘撸瑑?yōu)選第一隧道勢壘層25和第二隧道勢壘層27都滿足上述條件。7.第三實(shí)施例的存儲元件的實(shí)驗(yàn)例根據(jù)上述第三實(shí)施例的存儲元件的結(jié)構(gòu)實(shí)際構(gòu)造雙MTJ元件，并研究它的特性。磁化特性(實(shí)驗(yàn)例11)在具有熱氧化膜的硅基板上形成3nm厚的Ta層作為基體層22。接著，形成20nm 厚的PtMn層作為反鐵磁性層23，并且依次形成2nm厚的( 層/0. 8nm厚的Ru層/4nm厚的( 層/0. 8nm厚的Ru層/2nm厚的CoFeB層作為第一磁化固定層24。在本示例中，使用了利用反鐵磁性層23制成的自旋閥結(jié)構(gòu)，并且使用隔著Ru中間層制成的合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)作為第一磁化固定層M的結(jié)構(gòu)。接著，形成0. 75nm厚的MgO層作為第一隧道勢壘層25，然后形成3nm厚的CoFeB 層作為存儲層26。另外，在存儲層沈上，在第一步中形成0.4nm厚的MgO層，在第二步中形成剩余的厚度為0. 19nm的MgO層，該分兩步形成的MgO層作為第二隧道勢壘層27。此外，依次形成1. 5nm厚的CoFeB層/2nm厚的Coi^e層/0. 9nm厚的Ru層/2nm厚的( 層/1. 5nm厚的CoFeB層作為第二磁化固定層28。在本示例中，使用隔著Ru中間層制成的合成的亞鐵磁性結(jié)構(gòu)作為第二磁化固定層觀的結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)矯頑力差將與第二隧道勢壘層27接觸的磁性層的厚度調(diào)整成使該磁性層的磁化方向與第一磁化固定層的磁化方向反平行。最后，形成覆蓋層四作為保護(hù)層。在形成具有上述結(jié)構(gòu)的多層體之后，在 320°C下進(jìn)行磁場熱處理。通過上述步驟，制造了實(shí)驗(yàn)例11的雙MTJ元件。(實(shí)驗(yàn)例12)除了在形成第二隧道勢壘層的步驟中以單個步驟制造0.7nm厚的MgO層以外，利用與上述實(shí)驗(yàn)例11相同的方法制造實(shí)驗(yàn)例12的雙MTJ元件。磁化曲線圖9A和圖9B示出了關(guān)于實(shí)驗(yàn)例11所制造的雙MTJ元件的存儲層的磁化曲線。圖 10示出了關(guān)于實(shí)驗(yàn)例12所制造的雙MTJ元件的存儲層的磁化曲線。在圖9和圖10中，橫軸代表施加的磁場H
，縱軸代表磁化強(qiáng)度M [a. u]。如圖10所示，盡管第二隧道勢壘層27的厚度相對較大，即0. 7nm，但實(shí)驗(yàn)例12的雙MTJ元件表現(xiàn)出與所設(shè)計(jì)的情況不同的情況。這是因?yàn)椋鎯由蚺c第二磁化固定層觀間的磁性耦合未被第二隧道勢壘層27阻斷，并且在這兩層中同時(shí)發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)。該結(jié)果顯示出第二隧道勢壘層27與第一隧道勢壘層25相比具有更大的粗糙度。 這種趨勢在低電阻區(qū)域特別是在第一隧道勢壘層25和第二隧道勢壘層27的厚度減小的時(shí)候會更加明顯。相比之下，在以兩步形成具有0. 59nm的厚度的第二隧道勢壘層27的實(shí)驗(yàn)例11的元件中，如圖9A和圖9B所示，有效實(shí)現(xiàn)了自由磁化層與上部磁化固定層之間的磁性隔離， 并且能夠確認(rèn)具有矯頑力差的結(jié)構(gòu)的存在。另外，通過測量低磁場區(qū)域中的磁化曲線，會發(fā)現(xiàn)得到了反映自由磁化層的磁滯回線并且形成了想要的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，在實(shí)驗(yàn)例11的雙MTJ元件中，即使當(dāng)?shù)诙淼绖輭緦?7的厚度減小時(shí)，也能保證第二隧道勢壘層的平坦性，并能實(shí)現(xiàn)奈耳耦合的抑制以及磁滯回線方形度的改善。對于上述第二實(shí)施例和第三實(shí)施例的具有雙MTJ結(jié)構(gòu)的存儲元件，已經(jīng)說明了包括具有平面內(nèi)磁各向異性的存儲層的存儲元件。然而，該雙MTJ結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于具有垂直磁各向異性的存儲元件。在將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于具有垂直磁各向異性的存儲元件的情況下，如第一實(shí)施例的上述變形例所示，與基于垂直于膜平面磁化的存儲元件相同的結(jié)構(gòu)能夠適用于存儲層沈、第一磁化固定層M及第二磁化固定層觀。另外，存儲層沈由鐵磁性材料形成，其磁矩的磁化方向在與膜平面垂直的方向上自由變化，并且第一磁化固定層M和第二磁化固定層觀配置成具有被固定在垂直于膜平面且彼此不同的方向上的磁化。通過采用這種結(jié)構(gòu)，能夠配置具有垂直磁各向異性的雙MTJ結(jié)構(gòu)的存儲元件。本發(fā)明不限于上述實(shí)施例所述的結(jié)構(gòu)，在不背離本發(fā)明的結(jié)構(gòu)下可以作出其他各種變形及改變。
權(quán)利要求
1.一種存儲元件，其包括存儲層，其用于基于磁性材料的磁化狀態(tài)來保持信息；以及磁化固定層，其相對所述存儲層設(shè)置，且在所述磁化固定層與所述存儲層之間設(shè)有隧道勢壘層，其中，所述隧道勢壘層具有0. Inm 0. 6nm的厚度以及小于0. 5nm的界面粗糙度，并且通過在堆疊方向上施加電流并注入自旋極化電子來改變所述存儲層的磁化方向，由此在所述存儲層中存儲信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的存儲元件，其中，所述隧道勢壘層中含有MgO。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的存儲元件，其中，設(shè)有夾著所述存儲層的第一隧道勢壘層和第二隧道勢壘層；在所述第一隧道勢壘層的與所述存儲層相反的一側(cè)設(shè)有第一磁化固定層；在所述第二隧道勢壘層的與所述存儲層相反的一側(cè)設(shè)有第二磁化固定層，并且所述第一隧道勢壘層和所述第二隧道勢壘層中的至少一者具有0. Inm 0. 6nm的厚度以及小于0. 5nm的界面粗糙度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的存儲元件，其中，由于所述磁化固定層與反鐵磁性層的交換耦合而使磁性層的磁化具有單軸各向異性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的存儲元件，其中，所述存儲層和所述磁化固定層在與膜平面垂直的方向上具有磁各向異性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的存儲元件，其中，所述隧道勢壘層以至少兩步的方式形成。
7.一種存儲元件的制造方法，其包括如下步驟 形成磁性層；以及在所述磁性層上形成隧道勢壘層，其中，在所述形成隧道勢壘層的步驟中，以分成至少兩步的方式將所述隧道勢壘層形成為預(yù)定厚度。
8.如權(quán)利要求7所述的存儲元件的制造方法，其中，通過濺射法使用MgO靶材形成所述隧道勢壘層。
9.一種存儲器，其包括存儲元件，其為權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的存儲元件；以及配線，其用于在所述堆疊方向上向所述存儲元件供給電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了存儲元件、存儲元件的制造方法以及存儲器。所述存儲元件包括存儲層，其用于基于磁性材料的磁化狀態(tài)來保持信息；以及磁化固定層，其相對所述存儲層設(shè)置，且在所述磁化固定層與所述存儲層之間設(shè)有隧道勢壘層，其中，所述隧道勢壘層具有0.1nm～0.6nm的厚度以及小于0.5nm的界面粗糙度，并且通過在堆疊方向上施加電流并注入自旋極化電子來改變所述存儲層的磁化方向，由此在所述存儲層中存儲信息。本發(fā)明的實(shí)施例能夠提供可使功耗降低的存儲元件和存儲器。
文檔編號H01L43/08GK102315383SQ201110125939
公開日2012年1月11日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者內(nèi)田裕行, 別所和宏, 大森廣之, 山根一陽, 細(xì)見政功, 肥后豊 申請人:索尼公司