專利名稱：存儲元件和存儲設備的制作方法
技術領域：
本公開涉及具有多個磁層(magnetic layer)并利用自旋扭矩磁化切換(spintorque magnetization switching)來進行記錄的存儲元件和存儲設備。
背景技術：
隨著從移動終端到大容量服務器等各種信息設備的快速發(fā)展，元件(諸如配置設備的存儲元件和邏輯元件)追求更高的性能改進，諸如高集成性、速度提升與低功耗。特別是半導體非易失性存儲器有了顯著提高，并且作為大容量文件存儲器的閃速存儲器快速普及以取代了硬盤驅動器。同時，F(xiàn)eRAM(鐵電隨機存取存儲器)、MRAM(磁性隨機存取存儲器)和PCRAM(相變隨機存取存儲器)等也取得進步，普遍用作替代現(xiàn)有的NOR閃速存儲器和DRAM等，從而用作代碼存儲設備或工作存儲器。這些存儲器部分已在實際中使用。其中，MRAM使用磁性材料的磁化方向執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲，因而具有高速度和幾近無限的重寫次數(shù)(1015次或更多)，因此已用于諸如工業(yè)自動化、飛機的領域。因其高速運行和可靠性，在不久的將來MRAM有望用作代碼存儲設備或工作存儲器。但是，在降低功耗和提升容量上，MRAM也面臨挑戰(zhàn)。MRAM的記錄原理，即使用互連所生成的電流磁場來切換磁化的方法，是導致這一基本問題的原因。作為解決此問題的方法，正在研究一種不使用電流磁場的記錄方法，即磁化切換方法。特別是，自旋扭矩磁化切換的研究已在積極開展中(例如，參閱日本未經(jīng)審查的專利申請 N0.2003-17782 和 N0.2008-227388、美國專利 N0.6，256，223,Physical Review B (物理評論B), 54,9353 (1996)、和 Journal of Magnetism and Magnetic Materials (磁學和磁性材料雜志)，159，LI (1996)。使用自旋扭矩磁化切換的存儲元件通常包括與MRAM類似的MTJ (磁隧道結)。該配置利用了以下現(xiàn)象，當自旋極性電子穿過在任一方向固定的磁層進入另一自由(方向不固定)磁層時，施加扭矩(也稱為自旋轉移扭矩)于所述磁層，并且當電流達到預定閾值或超過時切換所述自由磁層。0/1的重寫通過改變電流極性來執(zhí)行。在存儲元件大小為約0.1 ii m的情況下，用于切換的電流的絕對值是ImA或更小。此外，由于該電流值與元件體積呈比例地減小，因此大小縮放是可行的。此外，由于在MRAM中生成記錄電流磁場所必需的字線此時是不必要的，因此具有單元結構也變得簡單的優(yōu)點。在下文中，使用自旋扭矩磁化切換的MRAM將被稱為自旋扭矩磁性隨機存取存儲器(ST-MRAM)。所述自旋扭矩磁化切換也稱為自旋注入磁化切換。ST-MRAM被寄予了很大期望用作為能實現(xiàn)低功耗和大容量同時還能保持MRAM的可執(zhí)行高速度和幾近無限的重寫次數(shù)的優(yōu)點的非易失性存儲器。

發(fā)明內(nèi)容
在MRAM中，寫入互連(字線和位線)與存儲元件被分開設置，并且由通過施加電流到所述寫入互連所生成的電流磁場寫入(記錄)信息。因此，寫入所必需的電流可充分地流過寫入互連。另一方面，在ST-MRAM中，流向存儲元件的電流必須包括自旋扭矩磁化切換以切換存儲層的磁化方向。信息以此方式通過直接施加電流到存儲元件而被寫入(記錄)。為了選擇進行寫入的存儲單元，存儲元件被連接到一個選擇晶體管以配置所述存儲單元。在這種情況下，流向存儲元件的電流受到可流向選擇晶體管的電流量(即選擇晶體管的飽和電流)的限制。因此，必須使用與選擇晶體管的飽和電流相等的電流或更小的電流來執(zhí)行寫入，并且可知晶體管的飽和電流是隨著小型化而減小的。為了使ST-MRAM小型化，必須提高自旋轉移效率并且減小流向存儲元件的電流。此外，必須確保高磁阻變化比以放大讀出信號。為了實現(xiàn)這一目標，采用上述MTJ結構是有效的，即，將存儲元件配置為與存儲層接觸的中間層被用作隧道絕緣層(隧道屏障層)。在隧道絕緣層被用作中間層時，流向存儲元件的電流量被限制以防止隧道絕緣層發(fā)生絕緣擊穿。也就是說，關于存儲元件的重復寫入，從確保可靠性的觀點出發(fā)，自旋扭矩磁化切換所必需的電流必須被限制。自旋扭矩磁化切換所必需的電流也被稱為切換電流、存儲電流等。并且，由于ST-MRAM是非易失性存儲器，因此必須平穩(wěn)地存儲被電流寫入的信息。即，必須確保關于存儲層磁化中熱起伏的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。在不能確保存儲層的熱穩(wěn)定性的情況下，已切換的磁化方向可能因為高溫(操作環(huán)境的溫度)被再次切換，這將導致寫入錯誤。與相關技術中的MRAM相比，ST-MRAM中的存儲元件在大小縮放上具有優(yōu)勢，即如上文關于記錄電流值方面所述，在存儲層體積可被縮小上具有優(yōu)勢。然而，因為體積小，所以只要其他特性相同，熱穩(wěn)定性就可能降低。隨著ST-MRAM的容量繼續(xù)增加，存儲元件的體積變小，使得確保熱穩(wěn)定性很重要。因此，在ST-MRAM的存儲元件中，熱穩(wěn)定性是一項極其重要的特性，并且必須將存儲元件設計為即使體積在減小也要確保其熱穩(wěn)定性。換而言之，為了提供ST-MRAM作為非易失性存儲器，減小自旋扭矩磁化切換所必需的切換電流，以免超過晶體管的飽和電流或避免擊穿隧道屏障。并且，必須確保熱穩(wěn)定性以保存寫入的信息。期望提供一種存儲元件作為減小切換電流和確保熱穩(wěn)定性的ST-MRAM。根據(jù)本公開的實施例，提供了一種存儲元件，包括:分層結構，其包括:具有與其磁化方向對應于信息發(fā)生改變的薄膜面相垂直的磁化的存儲層，具有與成為存儲在存儲層的信息的基礎的薄膜面相垂直的磁化的磁化固定層，以及由非磁性材料形成的位于存儲層和磁化固定層之間的中間層。通過施加電流到分層結構的層壓方向改變存儲層的磁化方向，以便將信息記錄到存儲層中。此外，存儲層包括Co-Fe-B磁層和至少一個非磁層；并且形成了將氧化物層、Co-Fe-B磁層和非磁層按所述順序層壓的層狀結構。根據(jù)本公開的實施例的存儲設備包括:取決于磁性材料的磁化狀態(tài)保存信息的存儲元件，和兩種類型的互相交叉的互連。存儲元件是具有如上所述配置的元件，并設置于上述兩種類型的互連之間。層壓方向的電流通過上述兩種類型的互連流向存儲元件。根據(jù)本公開的實施例的存儲元件包括:取決于磁性材料的磁化狀態(tài)保存信息的存儲層，和通過中間層形成于存儲層上的磁化固定層。通過利用層壓方向流動電流引起的自旋扭矩磁化切換來切換存儲層的磁化以記錄信息。因此，當電流被施加到層壓方向，信息可被記錄。由于存儲層是垂直磁化薄膜，因此切換存儲層的磁化方向所必需的寫入電流值可被減小。同時，由于垂直磁化薄膜的強磁各向異性能量，可充分地提供存儲層的熱穩(wěn)定性。在同時減小切換電流和確保熱穩(wěn)定性方面，包括垂直磁化薄膜的存儲層是值得注意的。例如，Nature Materials (自然科學)5，210 (2006)提出，當垂直磁化薄膜,諸如Co/Ni多層薄膜等被用于存儲層時，可同時減小切換電流和確保熱穩(wěn)定性。具有垂直磁各向異性的磁性材料的示例包括稀土 -過渡金屬合金(諸如TbCoFe)、金屬多層薄膜(諸如Co/Pd多層薄膜)、有序合金(諸如FePt)和這些利用介于氧化物和磁性金屬(諸如Co/MgO)之間的界面磁各向異性的材料等?？紤]到隧道結結構用于實現(xiàn)高磁阻變化比從而在ST-MRAM中提供高讀出信號的作用，及考慮到耐熱性和易于制造性，利用界面磁各向異性的材料，即作為隧道屏障的MgO和包含Co或者Fe的磁性材料的層壓結構，是有前景的。然而，與晶體磁各向異性、單離子各向異性等相比，由界面磁各向異性產(chǎn)生的垂直磁各向異性的各向異性能量較低，并且隨著磁層厚度的增加而降低。根據(jù)本公開的實施例，提供了一種層狀結構，其由氧化物層、Co-Fe-B磁層和非磁層按所述順序層壓而成。因此，提高了存儲層的各向異性。此外，根據(jù)本公開的實施例的存儲設備的配置，層壓方向的電流通過兩種類型的互連流向存儲元件以引起自旋轉移。因此，當存儲元件層壓方向的電流流過兩種類型的互連時，可通過自旋扭矩磁化切換記錄信息。并且，可充分地保持存儲層的熱穩(wěn)定性，借此可穩(wěn)定地保存記錄在存儲元件中的信息，能使存儲設備小型化，提高穩(wěn)定性，并且可減少功耗。根據(jù)本公開的例所述，提供了具有高垂直磁各向異性的存儲元件。因此，由于可充分地確保作為信息保存能力的熱穩(wěn)定性，可以配置具有良好平衡性能的存儲元件。因此，可消除操作錯誤，并且可充分地提供存儲元件的操作裕度。從而可以實現(xiàn)以高可靠性穩(wěn)定操作的存儲器。還可以在寫入存儲元件的同時減小寫入電流并降低功耗。因此，可以降低整個存儲設備的功耗。鑒于下文對本公開最佳實施例(如附圖所示)的詳細說明，本公開的這些和其他目的、特征和優(yōu)點將會更加明顯。


圖1是根據(jù)本公開的實施例的存儲設備的說明圖2是根據(jù)該實施例的存儲設備的剖視圖；圖3A和3B分別是根據(jù)該實施例的存儲元件的配置的說明圖；圖4是根據(jù)該實施例的存儲元件的層狀結構的說明圖；圖5是根據(jù)該實施例的存儲元件的層狀結構的另一說明圖；圖6A-6E是根據(jù)該實施例的樣品的分層結構的說明圖；圖7是各實驗樣品切換電壓與熱穩(wěn)定指數(shù)KV/kBT之間關系的圖；圖8A和8B分別是將該實施例應用于磁頭(magnetic head)的說明圖。
具體實施例方式本公開的實施例將按以下順序進行描述。〈1.根據(jù)實施例的存儲設備的配置〉〈2.根據(jù)實施例的存儲元件的總體描述〉<3.實施例的具體配置〉<4.實驗〉〈5 可替代實施例〉

〈1.根據(jù)實施例的存儲設備的配置〉首先將描述根據(jù)本公開的實施例的存儲設備的配置。圖1和2分別示出了根據(jù)該實施例的存儲設備的原理圖。圖1是透視圖，圖2是首1J視圖。如圖1所示，在根據(jù)該實施例的存儲設備中，包括可取決于磁化狀態(tài)而保存信息的ST-MRAM的存儲元件3被設置于兩種互相垂直的地址互連(例如，字線與位線)的交叉點附近。換而言之，組成用于選擇每個存儲設備的選擇晶體管的漏極區(qū)8、源極區(qū)7和柵電極I形成于半導體襯底10 (諸如硅襯底)中被元件隔離層2隔離的部分處。其中，柵電極I還具有圖1中前后方向延伸的地址互連(字線)的功能。漏極區(qū)8 —般由圖1中的右選擇晶體管和左選擇晶體管形成，并且互連9被連接至漏極區(qū)8。具有通過自旋扭矩磁化切換來切換磁化方向的存儲層的存儲元件3被設置于源極區(qū)7和圖1中設置于上方并在左右方向延伸的位線6之間。存儲元件3配置有例如磁隧道結元件(MTJ元件)。如圖2所不，存儲兀件3具有兩個磁層15和17。在兩個磁層15和17中，一個磁層被設置為其磁化方向M15是固定的磁化固定層15,而另一磁層被設置為其磁化方向M17是可變的磁化自由層，即存儲層17。此外，存儲元件3通過上接觸層和下接觸層4被分別連接至位線6和源極區(qū)7。如此，當垂直方向的電流通過兩種類型的地址互連I和6施加到存儲元件3時，存儲層17的磁化方向M17可被自旋扭矩磁化切換所切換。在這樣的存儲設備中，必須使用與選擇晶體管的飽和電流相等的電流或更小的電流來執(zhí)行寫入，并且已知晶體管的飽和電流是隨著小型化而減小的。為了使存儲設備小型化，期望提高自旋轉移效率并且減小流向存儲元件3的電流。
此外，必須確保高磁阻變化比以放大讀出信號。為了實現(xiàn)這一目標，采用上述MTJ結構是有效的，即，將存儲元件3配置為將中間層用作介于兩磁層15和17之間的隧道絕緣層(隧道屏障層)。在隧道絕緣層被用作中間層的情況下，流向存儲元件3的電流量被限制以防止隧道絕緣層發(fā)生絕緣擊穿。也就是說，關于存儲元件3的重復寫入，從確保可靠性的觀點出發(fā)，期望限制自旋扭矩磁化切換所必需的電流。自旋扭矩磁化切換所必需的電流也被稱為切換電流、存儲電流等。并且，由于存儲設備是非易失性存儲設備，因此必須平穩(wěn)地存儲被電流寫入的信息。即，必須確保關于存儲層磁化中熱起伏的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。在不能確保存儲層的熱穩(wěn)定性的情況下，已切換的磁化方向可能因為高溫(操作環(huán)境的溫度)被再次切換，這將導致寫入錯誤。與相關技術中的MRAM相比，存儲設備中的存儲元件3 (ST-MRAM)在大小縮放上具有優(yōu)勢，即在存儲層體積可被縮小上具有優(yōu)勢。然而，因為體積小，所以只要其他特性相同，熱穩(wěn)定性就可能降低。隨著ST-MRAM的容量繼續(xù)增加，存儲元件3的體積變小，使得確保熱穩(wěn)定性很重要。因此，在ST-MRAM的存儲元件3中，熱穩(wěn)定性是一項極其重要的特性，并且必須將存儲元件設計為即使體積在減小也要確保其熱穩(wěn)定性?！?.根據(jù)實施例的存儲元件的總體描述〉隨后，將對根據(jù)該實施例的存儲元件3進行總體描述。根據(jù)該實施例的存儲元件3通過使用上述自旋扭矩磁化切換來切換存儲層的磁化方向來記錄信息。存儲層由包括鐵磁層的磁性材料構成，并取決于磁性材料的磁化狀態(tài)(磁化方向)來保存信息。存儲元件3具有例如圖3A所示的分層結構，并包括作為所述至少兩個鐵磁層的存儲層17和磁化固定層15以及設置于兩磁層之間的中間層16。如圖3B所示，存儲元件3可包括作為所述至少兩個鐵磁層的磁化固定層15U和15L、存儲層17和設置于三個磁層之間的中間層16U和16L.
存儲層17具有與其磁化方向對應于信息發(fā)生改變的薄膜面相垂直的磁化。磁化固定層15具有與成為存儲在存儲層17的信息的基礎的薄膜面相垂直的磁化。中間層16由非磁性材料形成，并且位于存儲層17和磁化固定層15之間。通過向具有存儲層17、中間層16和磁化固定層15的分層結構的層壓方向注入自旋極化離子，改變了該存儲層17的磁化方向，借此將信息存儲在存儲層17中。在此，將對自旋扭矩磁化切換進行簡要描述。對于電子來說，自旋角動量具有兩個可能的值。自旋的狀態(tài)被臨時定義為上和下。在非磁性材料中，上自旋電子和下自旋電子的數(shù)量是相同的。但在鐵磁材料中，上自旋電子和下自旋電子的數(shù)量是不同的。在ST-MRAM的兩個鐵磁層(即磁化固定層15和存儲層17)中，各層磁矩的方向是反向的并且電子從磁化固定層15移動到存儲層17的情況將被加以考慮。磁化固定層15是一個磁矩方向被高矯頑力固定的固定磁層。穿過磁化固定層15的電子是自旋極化的，即上自旋電子和下自旋電子的數(shù)量是不同的。當中間層16(即非磁層)的厚度足夠薄時，在通過穿過磁化固定層15而減弱自旋極化之前，電子到達其他磁性材料(即存儲層17)，并且電子變?yōu)榉菢O化材料中常見的非極化狀態(tài)(上自旋電子和下自旋電子的數(shù)量是相同的)。存儲層17中自旋極化的標記被反轉，使得電子的一部分被切換以降低系統(tǒng)能量，即自旋角動量的方向被改變。同時，必須保存系統(tǒng)的整個角動量，使得將與由方向已改變的電子所作出的全部角動量改變相等的反應也施加到存儲層17的磁矩中。在電流(即每單位時間通過的電子數(shù))較小的情況下，方向已改變的電子的總數(shù)變小，使得發(fā)生在存儲層17的磁矩中的角動量變化變小，但當電流增大時，可以在單位時間內(nèi)對角動量施加大變化。角動量的時間改變即為扭矩，并且當扭矩超過閾值時，存儲層17的磁矩開始運動，并因其自身的單軸各向異性旋轉180度以保持穩(wěn)定。即，從相反方向切換到相同方向。當磁化方向相同并且電子從存儲層17反向流動到磁化固定層15時，電子隨后在磁化固定層15被反射。當被反射并自旋切換的電子進入存儲層17時，施加扭矩并將磁矩切換至反方向。然而，此時導致切換所必需的電流量比從相反方向切換至相同方向所需的電流量更大。將磁矩從相同方向切換至相反方向是難以直觀理解的，但是它可被認為是磁化固定層15被固定使得不切換磁矩，并且切換存儲層17以保存整個系統(tǒng)的角動量。因此，0/1的記錄是通過將具有預定閾值或更大值并與各極性對應的電流從磁化固定層15施加到存儲層17或以其相反方向施加來 執(zhí)行的。與相關技術中的MRAM相近似地通過使用磁阻效應來執(zhí)行信息讀取。即，在上述記錄的情況下，將電流施加到與薄膜面垂直的方向。然后，利用元件所顯示的電阻取決于存儲層17的磁矩與磁化固定層15的磁矩方向相同或相反而變化這一現(xiàn)象。用于磁化固定層15與存儲層17之間的中間層16的材料可為金屬材料或絕緣材料，但絕緣材料可用于中間層以獲得較高讀出信號(電阻變化比)并通過較低電流實現(xiàn)記錄。此時元件被稱為鐵磁隧道結(磁隧道結:MTJ)元件。通過自旋扭矩磁化切換反轉磁層的磁化方向所必需的電流的閾值Ic取決于磁層磁化的易磁化軸在平面方向或垂直方向而不同。盡管根據(jù)該實施例的存儲元件具有垂直磁化，但是在相關技術中的具有平面磁化的存儲元件中，用于切換磁層磁化方向的切換電流被表示為Ic_para。當方向被從相同方向切換為相反方向時，等式Ic_para = (A a Ms V/g (0) /P) (Hk+2 n Ms)成立。當方向被從相反方向切換為相同方向時，等式Ic_para =-(A a Ms V/g ( n )/P) (Hk+2 n Ms)成立。 相同方向和相反方向表不基于磁化固定層磁化方向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(jù)該實施例的具有垂直磁化的存儲元件中，切換電流被表示為Ic_perp。當方向被從相同方向切換為相反方向時，等式Ic_pep = (A a Ms V/g (0) /P) (Hk~4 n Ms)成立。當方向被從相反方向切換為相同方向時，等式Ic_perp =-(A a Ms V/g ( n )/P) (Hk_4 n Ms)成立。其中，A表示常數(shù)，a表示阻尼常數(shù)，Ms表示飽和磁化，V表示元件體積，P表示自旋極化度，g(o)和gO)表不對應于自旋扭矩分別以相同方向和相反方向傳送到其他磁層的效率的系數(shù)，及Hk表示磁各向異性。在各等式中，當垂直磁化類型的(Hk-4JiMs)項與平面磁化類型的(Hk+2 Ms)項相比較時，可理解為垂直磁化類型適合于減小記錄電流。在此，切換電流IcO與熱穩(wěn)定指數(shù)A之間的關系由以下等式I表示:[等式I]
權利要求
1.一種存儲元件，包括: 分層結構，其包括: 具有與其磁化方向取決于信息發(fā)生改變的薄膜面相垂直的磁化的存儲層，所述存儲層包括Co-Fe-B磁層和至少一個非磁層，其中，通過施加電流到所述分層結構的層壓方向來改變所述磁化方向，以便將所述信息記錄到所述存儲層中， 具有與成為存儲在所述存儲層的信息的基礎的薄膜面相垂直的磁化的磁化固定層，以及 由非磁性材料形成的位于所述存儲層和所述磁化固定層之間的中間層；以及 氧化物層、所述Co-Fe-B磁層和所述非磁層層壓而成的層狀結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的存儲元件，其中 所述中間層的至少與所述存儲層接觸的界面由氧化物形成，并且所述層狀結構由所述中間層的氧化物層、所述存儲層的所述Co-Fe-B磁層和所述存儲層的所述非磁層形成。
3.根據(jù)權利要求1所述的存儲元件，其中 在所述中間層的相對側不同層的至少與所述存儲層接觸的界面由氧化物形成，并且所述層狀結構由所述不同層的氧化物層、所述存儲層的所述Co-Fe-B磁層和所述存儲層的所述非磁層形成。
4.根據(jù)權利要求1所述的存儲元件，其中 所述非磁層由金屬元素V、Nb、Ta、Cr、W、Mo、T1、Zr和Hf中的至少一種形成。
5.根據(jù)權利要求1所述的存儲元件，其中 所述氧化物層是MgO層。
6.—種存儲設備,包括: 配置為取決于磁性材料的磁化狀態(tài)保存信息的存儲元件，其包括分層結構，所述分層結構包括: 具有與其磁化方向取決于信息發(fā)生改變的薄膜面相垂直的磁化的存儲層，其中通過施加電流到所述分層結構的層壓方向來改變所述磁化方向，以便將所述信息記錄到所述存儲層中， 具有與成為存儲在所述存儲層的信息的基礎的薄膜面相垂直的磁化的磁化固定層，所述磁化固定層具有包括至少兩個鐵磁層和一個含Cr的非磁層的層壓鐵釘扎結構， 由非磁性材料形成的位于所述存儲層和所述磁化固定層之間的中間層，以及氧化物層、所述Co-Fe-B磁層和所述非磁層按該順序層壓而成的層狀結構；以及兩種類型的互相交叉的互連，其將所述存儲元件夾在其中，層壓方向的電流通過所述互連流向所述存儲元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了存儲元件和存儲設備。提供了一種具有分層結構的存儲元件，包括具有與其磁化方向對應于信息發(fā)生改變的薄膜面相垂直的磁化的存儲層，并包括Co-Fe-B磁層和至少一個非磁層；其中通過使電流以分層結構的層壓方向流動來改變存儲層的磁化方向，以便將信息記錄到存儲層中，具有與成為存儲在存儲層的信息的基礎的薄膜面相垂直的磁化的磁化固定層，和由非磁性材料形成的位于存儲層和磁化固定層之間的中間層，還包括氧化物層、Co-Fe-B磁層和非磁層層壓而成的層狀結構。
文檔編號H01L27/22GK103137853SQ20121048796
公開日2013年6月5日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權日2011年12月1日
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