CN101071628A - 存储元件和存储器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种存储元件，该存储元件包括基于磁性材料的磁化状态而保持信息的存储层。在该存储元件中，通过中间层为所述存储层设置磁化固定层；中间层由绝缘体形成；自旋极化电子沿堆叠方向被注入，以改变存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中；以及形成存储层的铁磁性层具有1×10^－5或更大的磁致伸缩常数。

Description

存储元件和存储器

相关申请交叉参考

本发明包含于2006年5月12日向日本专利局提交的第JP2006-134435号日本专利申请有关的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种存储元件，该存储元件由存储层和磁化固定层构成，其中，存储层可以存储铁磁性层的磁化状态作为信息，磁化固定层具有固定的磁化方向，在该存储元件中，使电流沿垂直于膜表面的方向流动，以注入自旋极化电子，从而改变存储层的磁化方向；本发明还涉及一种包括存储元件的存储器，该存储器适合用作非易失性存储器(non-volatile memory)。

背景技术

高速和高密度的DRAM已广泛用作诸如计算机的信息设备中的随机存取存储器。

然而，由于DRAM是易失性存储器(其中，在电源断开时信息会被删除)，所以需要不会删除信息的非易失性存储器。

例如，根据Nikkei Electronics(2001年2月12日(164～171页))，被构造成通过磁性材料的磁化来记录信息的磁性随机存取存储器(MRAM)已引起关注，并已发展成为潜在的非易失性存储器。

在MRAM中，使电流分别流入彼此几乎垂直的两种地址线(字线(word line)和位线(bit line))中，以基于由每个地址线所产生的电流磁场，使在地址线交叉点中的磁性存储元件的磁性层的磁化反向，从而记录信息。

图1示出了一般MRAM的示意图(透视图)。

在由半导体基板110(诸如硅基板)的元件绝缘层102绝缘的区域中，分别形成有漏极区108、源极区107、和栅电极101，它们构成用于选择各个存储单元的选择晶体管。

沿图中纵向延伸的字线105设置在栅电极101上方。

漏极区108形成在图中的左和右选择晶体管上，并且配线109连接至漏极区108。

均具有使磁化方向反向的存储层的磁性存储元件103被置于字线105与位线106之间，其中，位线置于字线105上方并沿图中的横向延伸。例如，磁性存储元件103由磁隧道结元件(MTJ元件)形成。

另外，磁性存储元件103通过沿水平方向的旁路线111和沿垂直方向的接触层104电连接至源极区107。

使电流分别流入字线105和位线106中，以将电流磁场施加至磁性存储元件103，从而可以使磁性存储元件103的存储层的磁化方向反向，以记录信息。

为了使诸如MRAM的磁性存储器能够稳定地保持所记录的信息，用于记录信息的磁性层(存储层)优选地具有一定的抗磁力(coercive force)。

另一方面，为了重写所记录的信息，优选地使一定量的电流流入地址线中。

然而，由于形成MRAM的元件的尺寸不断减小，因而地址线变细，因此可能无法使足量的电流流入线中。

在这些情况下，被设置成利用自旋注入来进行磁化反向的存储器已引起了关注，这是由于这些存储器被设置成可利用较少量电流来进行磁化反向，例如，第2003-17782号日本专利申请出版物、第6256223号美国专利、非专利文献Phys.Rev.B 54.9353(1996)、和非专利文献J.Magn.Mat.159.L1(1996)中所公开的。

在通过自旋注入而进行的磁化反向中，经过磁性材料而被自旋偏极化的电子被注入另一磁性材料中，以在其它磁性材料中进行磁化反向。

例如，使电流沿垂直于元件膜表面的方向流入巨磁阻元件(GMR元件)或磁隧道结元件(MTJ元件)，从而可以使元件的至少一些磁性层的磁化方向反向。

通过自旋注入进行磁化反向的优势在于，即使元件的尺寸减小，仍然可以在不增加电流量的情况下进行磁化反向。

图2和图3示出了被构造成利用通过自旋注入进行磁化反向的上述存储器的示意图。图2是透视图，而图3是剖视图。

在由半导体基板60(诸如硅基板)的元件绝缘层52绝缘的区域中，分别形成有漏极区58、源极区57、和栅电极51，它们构成用于选择各个存储器单元的选择晶体管。其中，栅电极51还作为沿图2中的纵向延伸的字线。

在图2中，漏极区58为左和右选择晶体管所共用，并且配线59连接至漏极区58。

均具有通过自旋注入使磁化方向反向的存储层的存储元件53被置于源极区57与位线56之间，其中，位线置于源极区57上方并且沿图2中的横向延伸。

例如，存储元件53由磁隧道结元件(MTJ元件)构成。图中的附图标号61和62表示磁性层。两个磁性层61和62中的一个是磁化方向固定的磁化固定层，而另一个为磁化方向改变的磁化自由层，具体地说就是存储层。

存储元件53分别通过上或下接触层54连接至位线56和源极区57。因此，通过使电流流入存储元件53中，可以实现通过自旋注入使存储层的磁化方向反向。

与图1中所示的普通MRAM相比，这种被构造成利用通过自旋注入而进行的磁化反向的存储器的特征在于，该存储器能够具有更简化的装置结构。

被构造成利用通过自旋注入而进行的磁化反向的存储器比通过外部磁场而进行磁化反向的普通MRAM更具优势，这是因为即使元件尺寸进一步减小，写电流的量也不增加。

在MRAM中，写配线(字线和位线)被设置成与存储元件分离，并且信息基于通过使电流流入写配线中而产生的电流磁场而写入(记录)。因此，可以使对于写操来说可能是必需的电流量充足地流入写配线中。

另一方面，在被构造成利用通过自旋注入而进行的磁化反向的存储器中，优选地通过使电流流入存储元件中来执行自旋注入，以使存储层的磁化方向反向。

由于在这种方式中通过使电流直接流入存储元件中来写入(记录)信息，所以将存储元件连接至选择晶体管来形成存储单元，以便选择写入数据的存储单元。在这种情况下，能够流入存储元件的电流量受限于能够流入选择晶体管的电流量(选择晶体管的饱和电流)。

因此，优选地使用等于或小于选择晶体管饱和电流的电流量来执行写操作，并且优选地通过提高自旋注入效率来减少流入存储元件的电流量。

为了放大读取信号，可以优选地获得高磁阻改变率。为了确保高磁阻改变率，有效地是提供一种具有与存储层两侧相接触的中间层的存储元件，该中间层为隧道隔离层(隧道壁垒层)。

当以这种方式将隧道绝缘层用作中间层时，限制流入存储元件中的电流量，以便防止隧道绝缘层的介质击穿。鉴于此，优选地抑制了自旋注入期间的电流量。

发明内容

通常，存储器被构造成存储并保持由电流写入的信息。因此，存储层可能需要具有抗热波动的稳定性(热稳定性)。

利用通过自旋注入而进行的磁化反向的存储元件具有存储层，该存储层具有的体积小于现有技术的MRAM的存储层的体积。即，该存储元件趋向于具有降低的热稳定性。

当该存储层含有不确定的热稳定性时，反向的磁化方向被热量再次反向，从而造成写错误。

因此，在利用通过自旋注入而进行的磁化反向的存储元件中，热稳定性是存储元件的非常重要的性质。

通常，不使用这么多能量进行写操作的元件具有低能量壁垒层，因此，信息可能易于从元件中被删除。

相反，使用这么多能量进行写操作的元件具有高能量壁垒层，因此，可以稳定地保持信息。

当利用通过自旋注入而进行的磁化反向的对比存储元件被构造成具有同样的自旋注入效率时，热稳定性随饱和磁化强度和存储层体积的增加而增加，因此写操作消耗了大量电流。

热稳定性指数通常可以用热稳定性参数(Δ)表示。

热稳定性参数(Δ)从以下公式获得：

Δ＝KV/kT(K：各向异性能量；V：存储层的体积；k：玻尔兹曼(Boltzmann)常数；T：温度)。

因此，为了使被构造成具有存储层的存储器用作存储元件(其中，在该存储层中磁化方向是通过自旋注入而反向的)，可以通过增加自旋注入效率而将磁化反向所必需的电流量减小到等于或小于晶体管的饱和电流，并且可以获得热稳定性，以稳定地保持写入信息。

根据本发明的实施例，提供了一种存储元件，该存储元件可以在不增加写电流量的情况下改进热稳定性，还提供了一种包括该存储元件的存储器。

根据本发明实施例的存储元件包括基于磁性材料的磁化状态来保持信息的存储层，其中，通过中间层为存储层设置磁化固定层；中间层由绝缘体形成；沿堆叠方向注入自旋极化电子，以改变存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中；并且形成存储层的铁磁性层具有1×10^-5或更大的磁致伸缩常数。

根据本发明实施例的存储器包括：存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态而保持信息的存储层；以及彼此相交的两类配线，其中，该存储元件包括根据本发明以上实施例的存储元件；该存储元件设置在两类配线的交叉点附近以及两类配线之间；并且沿堆叠方向的电流通过两类配线流入存储元件中，从而注入自旋极化电子。

根据本发明上述实施例的存储元件包括基于磁性材料的磁化状态而保持信息的存储层，其中，经由中间层为存储层设置磁化固定层；该中间层由绝缘体形成；并且沿堆叠方向注入自旋极化电子，以改变存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中。因此，可通过使电流沿堆叠方向流动来注入自旋极化电子，以记录信息。

形成所述存储层的铁磁性层具有1×10^-5或更大的磁致伸缩常数，从而存储层可以具有增大的抗磁力。以这种方式存储层可以具有增大的抗磁力，进而存储层可以具有改进的热稳定性。

此外，形成存储层的铁磁性层具有1×10^-5或更大的磁致伸缩常数，从而在不增加存储层的饱和磁化强度的情况下，存储层可以具有增大的抗磁力。

因此，在不增加使存储层的磁化方向反向所必需的写电流量的情况下，可以获得存储层的足够热稳定性。

根据本发明上述实施例的存储器包括：存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态而保持信息的存储层；以及彼此相交的两类配线，其中，该存储元件包括根据本发明上述实施例的存储元件；存储元件设置在两类配线的交叉点附近以及两类配线之间；以及沿堆叠方向的电流通过两类配线流入存储元件中，从而注入自旋极化电子。因此，可以通过使电流沿存储元件的堆叠方向流动通过两类配线，来通过自旋注入记录信息。

此外，在不增加使存储元件的存储层的磁化方向反向所必需的写电流的量的情况下，可以获得存储层的足够热稳定性。因此，在不增加存储器中的功率消耗的情况下，可以稳定地保持记录在存储单元中的信息。

根据本发明的上述实施例，在不增加使存储层的磁化方向反向所必需的电流(阈值电流)量的情况下，可以获得作为信息保持性质的热稳定性。因此，可以形成具有优异的性能平衡性(propertyequilibrium)的存储元件。

这可以消除操作误差，并且为存储元件提供足够的操作范围(operation allowance)。

此外，由于即使获得了存储器所必需的热稳定性，写电流的量也不增加，所以不必施加大量的电流。因此，作为中间层的绝缘体不会被损坏。

因此，可以制作操作稳定的、高度可靠的存储器。

此外，即使减少了写电流的量，但也可以获得存储器可能必需的足够热稳定性。因此，可以减少写电流的量，以降低在存储器元件中执行写操作时的功率消耗。

因此，同样可以降低存储器中的总功率消耗。

附图说明

图1是示意性地示出了现有技术的MRAM的结构的透视图；

图2是利用通过自旋注入而进行的磁化反向的存储器的示意结构图(透视图)；

图3是图2中的存储器的剖视图；

图4是根据本发明实施例的存储器的示意结构图(透视图)；

图5是图4中的存储元件的剖视图；

图6是为性质测量而制备的存储元件样品的示意剖视图。

具体实施方式

在描述本发明的具体实施例之前，将首先描述本发明的概要。

在本发明的实施例中，通过利用上述的自旋注入使存储元件的存储层的磁化方向反向来记录信息。存储层由诸如铁磁性层的磁性材料构成，并且基于磁性材料的磁化状态(磁化方向)来保持信息。

在通过自旋注入而使磁性层的磁化方向反向的基本操作中，使具有某一阈值(Ic)或高于该阈值的电流沿垂直于存储元件膜表面的方向流入由巨磁阻元件(GMR元件)或磁隧道结元件(MTJ元件)形成的存储元件中。这里，电流的极性(方向)取决于将被反向的磁化方向。

当使绝对值小于阈值的电流流动时，不会出现磁化反向。

从现象上看，对于通过自旋注入使磁性层磁化方向反向所必需的电流的阈值Ic由以下公式(1)(例如，参见F.J.Albert等人，Appl.Phys.Lett.，77，p.3809，2000)表示。

$\mathrm{Ic}=A\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\η}}M{s}^{2}V---\left(1\right)$

在公式(1)中，A为常数，α为自旋阻尼常数，η为自旋注入效率，Ms为饱和磁化强度，以及V为磁性层(存储层)的体积。

根据本发明的实施例，如公式(1)所示，可以通过控制磁性层的体积V、磁性层的饱和磁化强度Ms、自旋注入效率、和阻尼常数来任意选择电流的阈值。

形成了存储元件，该存储元件具有磁性层(存储层)和磁化固定层，其中，该磁性层可基于磁化状态来保持信息，并且在该磁化固定层中磁化方向是固定的。

典型的存储器可被构造成保持写入信息。通过参考上述的热稳定性指数Δ的值来估算信息保持能力。磁性层(存储层)的热稳定性指数Δ由下面的公式(2)表示。

Δ＝B·Hc₀·Ms·V    (2)

在公式(2)中，B为常数，Hc₀为OK Hc时的抗磁力，Ms为饱和磁化强度，以及V为体积。

通常，热稳定性指数Δ优选为60或更大，以便所存储的信息在85℃下保持10年。热稳定性指数Δ和电流的阈值Ic经常具有权衡关系，并且可能经常同时需要两个值来保持存储特征。

例如，在具有2mm厚的存储层和100nm×100nm的扁平图案的大致椭圆的隧道磁阻元件(TMR元件)中，用于改变存储层的磁化状态的电流实际上具有以下阈值：正阈值+Ic＝+0.5mA；负阈值-Ic＝-0.3mA。此时的电流密度大约为3.5×10⁶A/cm²。这些阈值几乎都与根据公式(1)计算得到的值相对应。

相反，在基于电流磁场而进行磁化反向的典型MRAM中，写电流的量优选地为几mA或更大。

通过自旋注入来执行磁化反向的存储器可以有效地减少集成电路中的功率消耗，这是因为写电流的阈值可以如上所述地足够小。

另外，该存储器在集成密度方面比典型的MRAM更具优势，因为该存储器不必使用用于产生电流磁场的配线(图1中的配线105)，该电流磁场对于普通MRAM来说可能是必须的。

由于通过使电流直接流入存储器中的存储元件内来写入(记录)信息(在该存储器中通过自旋注入而执行磁化反向)，所以将存储元件连接至选择晶体管，以形成存储单元，以便选择写入数据的存储单元。

在这种情况下，能够流入存储元件中的电流量受限于能够流入选择晶体管中的电流量(选择晶体管的饱和电流)。因此，用于写操作的电流允许范围也受到限制。

相反，当存储层的磁化量减少时，可以通过减小用于写操作的电流阈值来增大用于写操作的电流允许范围。然而，如上所述，这削弱了存储层的热稳定性(指数Δ)。当形成存储器时，热稳定性指数Δ可以优选地具有确定值或更大值。

根据本发明的实施例，存储层具有改进的抗磁力，并且在不增加用于写操作的电流量的情况下，该存储层可以具有改进的热稳定性，并且可以通过指定形成存储层的铁磁性层的磁致伸缩常数而形成稳定的存储器。

根据本发明的实施例，形成存储层的有效铁磁性层具有1×10^-5或更大的磁致伸缩常数。

以下将描述通过控制磁致伸缩常数来改进抗磁力。

例如，将具有椭圆形状的微磁性元件的磁各向异性的起因分类为，磁性材料的磁晶各向异性或磁感应各向异性、元件形状各向异性、以及由磁致伸缩引起的单轴晶体各向异性。

被构造成通过自旋注入而改变的磁化方向来记录信息的存储元件优选地具有包括两种稳定状态的单轴各向异性，这是由于当存储层的磁化方向平行或反平行于磁化固定层的磁化方向时阻值变化最大。

这里，在具有几百nm或更小尺寸的微存储元件中，估计上述各种各向异性的值。

首先，磁晶各向异性不可能是单轴各向异性的起因，这是因为磁性膜一般通过溅射而沉积，并且通过溅射而制备的磁性膜通常是多晶的且在平面内方向中是任意定向的。

第二，由通过溅射或热处理沉积存储层时所施加的磁场而增加的磁感应各向异性可能是单轴各向异性的起因。然而，磁感应各向异性所产生的抗磁力只有大约几十[Oe]，并且仅磁感应各向异性不可能确保热稳定所必需的热稳定性指数Δ。

第三，由元件形状(诸如椭圆形)导致的形状磁各向异性随存储元件尺寸的减小而增加。因此，形状各向异性具有作为存储器使用的优异的特性，并且在元件尺寸为大约100nm或更小时，可以产生100[Oe]或更大的抗磁力。

通过减小元件尺寸，起源于感应各向异性和形状各向异性的单轴各向异性导致的总抗磁力可以稍小于约130[Oe]。然而，由于元件尺寸减小时存储层具有减小的体积，所以不可能获得热稳定所必需的60或更大的热稳定性指数Δ。

相反，当磁致伸缩常数为1×10^-5或更大时，作用于经历常规半导体MOS形成工艺的芯片的应力为几百MPa或更大。因此，通过起源于磁致伸缩的单轴各向异性，可以稳定地获得100[Oe]或更大的抗磁力。具体地说，通过起源于磁致伸缩的单轴各向异性而导致的抗磁力等于或高于通过起源于上述磁感应各向异性或形状各向异性的单轴各向异性而导致的抗磁力，并且通过这些各向异性而导致的抗磁力达到150[Oe]或更大。因此，可能获得热稳定所必需的热稳定性指数Δ。

当磁致伸缩常数小于1×10^-5时，不可能达到足够的抗磁力，并且如果应力随环境而改变，则可以容易地改变抗磁力，从而可能使热稳定性指数小于60。

在本发明的实施例中，如上所述，如果存储层具有1×10^-5或更大的磁致伸缩常数，则可以实现利用自旋注入的存储元件的存储层的信息保持特性。

在现有技术的结构中，存储层的反向电流量和信息保持能力趋向于增大。然而，本发明的上述实施例可以在不增加反向电流量的情况下提高存储层的信息保持能力，并且可以实现极好的期望效果。

作为具有大磁致伸缩常数的铁磁性材料的实例，含有Co、Fe、或Ni的普通CoFe合金、NiFe合金、或CoNiFe合金作为主要成分。这种铁磁性合金也可以含有一种或多种附加元素，包括：诸如B、C、和N的轻元素；诸如Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、和W的过渡金属；诸如Gd的稀土元素；或诸如Pt和Pd的贵金属元素。当铁磁性材料含有这种附加元素时可以获得期望的特性。

然而，例如，当CoFe合金含有的Co和Fe总共为60原子百分数(atom％)或更少时，铁磁性层的饱和磁化量和抗磁力都不令人满意。

当CoFe合金具有90∶10到40∶60的Co∶Fe比率时，该合金通常会显示出适当地抑制磁各向异性分散的良好软磁体特性。

因此，可以选择Co和Fe的含量，以便为根据本发明实施例的铁磁性成分提供优异的特性，如上所述。

也可使用诸如CoMnSi、CoMnAl、或CoCrFeAl的非晶材料或Heusler材料作为存储层的铁磁性层。这种材料可以确保大的磁致伸缩常数。

在根据本发明实施例的结构中，形成存储层的铁磁性层优选地具有尽可能大的抗磁力。具体地说，该铁磁性层优选地具有150[Oe]或更大的抗磁力。

在根据本发明实施例的结构中，铁磁性层具有150[Oe]或更大的抗磁力，从而可以获得存储层的足够热稳定性，并且可以抑制反向电流量的增加。

此外，在根据本发明的实施例中，使用由绝缘体形成的隧道绝缘层(其作为存储层与磁化固定层之间的非磁性中间层)来形成磁隧道结(MTJ)元件，允许具有(include)选择晶体管的饱和电流值。

使用隧道绝缘层来形成磁隧道结(MTJ)元件，从而与使用非磁性导电层形成巨磁阻(GMR)元件的情况相比，可以增大磁阻改变率(MR比率)并且读取信号强度。

特别地，氧化镁(MgO)用作隧道绝缘层的材料，从而，与使用通常使用氧化铝的情况相比，可以增大磁阻改变率(MR比率)。

自旋注入效率通常取决于MR比率。当MR比率更高时，自旋注入效率进一步得到改进，从而进一步减小磁化反向电流的密度。

因此，将氧化镁用作作为中间层的隧道绝缘层的材料，并且同时使用具有上述结构的存储层，使得可以减小通过自旋注入而进行的写操作的阈值电流的量，因此可以使用少量电流来写入(记录)信息。此外，可以增大写信号强度。

因此，获得了MR比率(TMR比率)，从而可以减少通过自旋注入的写操作的阈值电流的量，因此可以仅使用少量电流来写入(记录)信息。此外，可以增大写信号强度。

当隧道绝缘层由氧化镁(MgO)薄膜形成时，更优选地是使氧化镁薄膜结晶，并且将晶向保持在001方向。

在本发明的实施例中，存储层与磁化固定层之间的中间层可以不由氧化镁(隧道绝缘层)形成，而是可以由各种绝缘体、电介质、或半导体(诸如，氧化铝、氮化铝、SiO₂、Bi₂O₃、MgF₂、CaF、SrTiO₂、AlLaO₃、和Al-N-O)形成。

另外，当使用氧化镁作为中间层时，预期退火温度高达300℃或更高，并且优选地为340℃至360℃，以实现优异的磁阻特性(MR特性)。此退火温度高于现有技术中的使用氧化铝作为中间层的情况中的退火温度(250℃至280℃)。

此退火温度对于形成氧化镁等的隧道绝缘层的适当内部结构或晶体结构可能是必需的。

因此，使用耐热铁磁性材料可以获得优异的MR特性，该耐热铁磁性材料对于存储元件的铁磁性层的如此高的温度下的退火具有低抗力。

将隧道绝缘层的面积阻抗值(area resistance)控制在约几十Ωμm²或更小，以实现通过自旋注入使存储层磁化方向反向所必需的电流密度。

在由MgO薄膜形成的隧道绝缘层中，优选地，将MgO薄膜设定为具有1.5nm或更小的薄膜厚度，以实现上述范围内的面积阻值。

此外，优选地，减小存储元件的尺寸，从而仅使用少量电流就可以容易地使存储层的磁化方向反向。

因此，存储元件优选地具有0.04μm²或更小的面积。

具有上述结构状态的存储层可以直接与具有不同材料或组分范围的另一铁磁性层堆叠在一起。铁磁性层也可以与软磁性层堆叠在一起，或通过软磁性层或非磁性层与多个铁磁性层堆叠在一起。当以这种方式堆叠层时，也可实现本发明实施例的效果。

具体地说，当通过非磁性层堆叠多个铁磁性层时，可以控制铁磁性层之间相互作用的强度。因此，如果存储元件具有亚微型尺寸或更小，则可以抑制磁化反向电流量。作为这种情况下的非磁性层材料的实例，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、或它们的合金。

磁化固定层优选地具有单向各向异性，而存储层优选地具有单轴各向异性。

磁化固定层和存储层优选地分别具有1nm到30nm的薄膜厚度。

存储元件的其它结构可以与通过自旋注入记录信息的存储元件的公知结构相同。

通过仅使用铁磁性层或抗铁磁性层与铁磁性层之间抗铁磁性地结合(bond)，使得磁化固定层被构造成具有固定的磁化方向。

磁化固定层被构造成由单一铁磁性层形成，或具有堆叠的亚铁磁性结构，其中，通过非磁性层堆叠多个铁磁性层。

当磁化固定层具有堆叠的亚铁磁性结构时，该磁化固定层对于外部磁场的敏感性会降低。因此，可以抑制外部磁场引起的磁化固定层中的不必要磁化波动，以稳定地操作存储元件。此外，可以控制每一铁磁性层的薄膜厚度，并且可以抑制来自磁化固定层的磁场泄漏。

作为用于铁磁性层的材料的实例(其中该铁磁性层形成具有堆叠亚铁磁性结构的磁化固定层)，可以使用Co、CoFe、CoFeB等。作为用于非磁性层的材料的实例，可以使用Ru、Re、Ir、OS等。

用于抗铁磁性层的材料包括磁性材料，诸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO、和Fe₂O₃。

可以将诸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo、或Nb的非磁性元素添加到磁性材料中，以控制磁性或诸如晶体结构、结晶度、和材料稳定性的各种其它特性。

在存储元件的薄膜结构中，存储层可以置于磁化固定层的上面或下面。

通过使铁电隧道电流流过绝缘薄膜或产生磁阻，使得可以通过该薄绝缘膜来从一磁性层中读取记录在存储元件的存储层中的信息，该磁性层被设置成作为用于存储元件的存储层的信息参考。

接下来，将描述本发明的实施例。

图4示出了根据本发明实施例的存储器的示意结构图(透视图)。

该存储器具有置于彼此垂直的两类地址线(例如，字线和位线)的交叉点附近的存储元件。

具体地，在由半导体基板10(诸如硅基板)的元件绝缘层2所绝缘的区域中，分别形成有用作选择晶体管的漏极区8、源极区7、和栅电极1，该选择晶体管用于选择每个存储单元。其中，栅电极1也作为一类沿图中的纵向延伸的地址线(例如，字线)。

漏极区8同时形成在图中的左和右选择晶体管上，并且配线9连接至漏极区8。

存储元件3设置在源极区7与置于源极区7上并沿图中的横向延伸的另一类地址线(例如，位线)6之间。存储元件3具有由铁磁性层形成的存储层，其中，磁化方向通过自旋注入被反向。

将存储元件3设置在两类地址线1和6的交叉点附近。

存储元件3通过上或下接触层4分别连接至位线6和源极区7。

因此，通过使电流经过两类地址线1和6沿垂直方向流入存储元件3中，使得可以利用自旋注入而使存储层的磁化方向反向。

图5示出了根据本发明的存储器的存储元件3的剖视图。

如图5中所示，存储元件3具有设置在存储层17下方的磁化固定层31，其中，通过自旋注入来使磁化方向M1反向。抗铁磁性层12设置在磁化固定层31下，并且通过抗铁磁性层12来固定磁化固定层31的磁化方向。

绝缘层16被设置成作为存储层17与磁化固定层31之间的隧道壁垒层(隧道绝缘层)，并且MTJ元件由存储层17和磁化固定层31构成。

接地层11形成在抗铁磁性层12下方，并且保护层(cap layer)18形成在存储层17上。

磁化固定层31具有堆叠的亚铁磁性结构。

具体地，磁化固定层31具有两个铁磁性层13和15，其中，这两个铁磁性层经由非磁性层14堆叠并抗铁磁性地结合在一起。

因为磁化固定层31的铁磁性层13和15形成了堆叠的亚铁磁性结构，所以铁磁性层13的磁化M13是右向的，而铁磁性层15的磁化M15是左向的，因而磁化方向是相反的。因此，从磁化固定层31的铁磁性层13和15漏出的磁通量彼此抵消。

对用于磁化固定层31的铁磁性层13和15的材料没有特别限制。由铁、镍、和钴中的一种或多种形成的合金材料可以用作这种材料。该材料可以进一步包括：过渡金属元素，诸如Nb、Zr、Gd、Ta、Ti、Mo、Mn、或Cu，或轻元素，诸如Si、B、或C。此外，可以通过直接堆叠材料互不相同的多个薄膜(不通过非磁性层)，例如，通过形成CoFe/NiFe/CoFe的堆叠薄膜，来形成铁磁性层13和15。

作为用于非磁性层14的材料(其中该非磁性层形成磁化固定层31的堆叠亚铁磁性结构)，可以使用钌、铜、铬、金、银等。

非磁性层14的薄膜厚度根据所使用的材料而变化，但是优选地，在大约0.5nm到2.5nm的范围内。

在本实施例中，存储元件3的存储层17具体地由具有1×10^-5或更大的磁致伸缩常数的铁磁性层形成。

上述各种材料适合于增大磁致伸缩常数，并且可以用作形成存储层的铁磁性层的材料。

此外，在本实施例中，当用作中间层的绝缘层16为氧化镁层时，可以增大磁阻改变率(MR比率)。

当MR比率以这种方式增大时，可以通过增大自旋注入效率，来减小使存储层17的磁化方向M1反向所必需的电流密度。

可以通过在真空装置中从接地层11到保护层18连续地形成元件，然后通过诸如蚀刻的处理形成存储元件3的图案，来制造根据本实施例的存储元件3。

在上述的实施例中，存储元件3的存储层17由具有1×10^-5或更大的磁致伸缩常数的铁磁性层形成。因此，可以在不增加使存储层17的磁化方向M1反向所必需的写电流量的情况下，获得存储层17的足够热稳定性。

当存储层17的热稳定性改进时，可以增大通过使电流流入存储元件3来记录信息的操作区域，并可确保足够的操作范围来稳定地操作存储元件3。

由于即使获得存储元件3的存储层17的热稳定性，写电流的量也不会增加，因而不必施加大量的电流。因此，作为中间层的绝缘层16的电介质不会被损坏。

因此，可以实现操作稳定的、高度可靠的存储器。

此外，即使用于写入的电流量减小，仍可以获得足够的热稳定性，因此，可以减小用于写入的电流的量，以降低在存储元件3中执行写操作时的功率消耗。

因此，根据本发明，可以降低在具有由存储元件3形成的存储单元的存储器中的总功率消耗。

因此，可以实现具有优异信息保持特性以及稳定操作的高度可靠的存储器，并且可以降低具有存储元件3的存储器中的功率消耗。

具有图5所示的存储元件3以及具有图4所示结构的存储器的优势在于可以应用典型的半导体MOS形成工艺来制造该存储器。例如，在不降低磁性的情况下，存储层17可以耐340℃至360℃的退火。

因此，具有根据本实施例的存储元件3的存储器可以用作普通的存储器。

这里，检查根据本发明实施例构造的存储元件的特性，其中，具体选择用于每一层的材料(诸如形成存储层的铁磁性材料)、薄膜厚度等。

实际存储器具有与图2和图4中所示的存储元件不同的开关半导体电路等。然而，省略对选择晶体管或下层的制造步骤的描述。

在图4中，上部和下部接触层4连接至存储元件3。然而，在这种情况下，位线24(BL)直接连接在存储元件3上，如图6的剖视图所示。

具有图5所示结构的存储元件3形成在绝缘层22上，该绝缘层中，形成有连接于下层配线的接触层21。

具体地说，通过以以下方式选择每一层的材料和薄膜厚度而形成具有图5所示结构的存储元件3中的每一层。接地膜11是膜厚度为3nm的Ta膜。抗铁磁性层12是膜厚度为20nm的PtMn膜。形成磁化固定层31的铁磁性层13是膜厚度为2nm的CoFe膜。铁磁性层15是膜厚度为2.5nm的CoFeB膜。形成具有堆叠的亚铁磁性结构的磁化固定层31的非磁性层14是膜厚度为0.8nm的Ru膜。作为隧道绝缘层的绝缘层(壁垒层)16是膜厚度为0.9nm的氧化镁膜。存储层17由铁磁性材料形成。保护层18是膜厚度为5nm的Ta膜。

通过改变用于铁磁性层的材料来制备上述膜结构中的存储层17的铁磁性层，如表1所示，作为实例和对比实例。PtMn膜具有Pt 50∶Mn 50(原子百分比)的组分，并且CoFe膜具有Co 90∶Fe 10(原子百分比)的组分。

通过DC磁控管溅射来沉积除了由氧化镁膜形成的绝缘层16之外的每一层。

通过RF磁控管溅射来沉积由氧化镁(MgO)膜形成的绝缘层16。

在沉积存储元件3的每一层之后，在磁性热处理熔炉中，在10KOe下以360℃正规化地(regularization)热处理抗铁磁性层12的PtMn膜两个小时。

之后，通过电子束光刻装置形成存储元件3的图案的掩模，并且通过Ar等离子体选择性地蚀刻堆叠膜，以形成存储元件3。

此时，将除存储元件3部分之外的堆叠膜蚀刻至低于接地层115nm的绝缘层22的深度。

由于为产生进行磁化反向所必需的自旋转矩而优选地使足够量的电流流入存储元件中，所以优选地是，抑制隧道绝缘层的阻值。

因此，存储元件3被构造成具有椭圆图案(短轴：0.09μm×长轴：0.18μm)，并且具有20Ωμm²的面积阻值。然而，仅样本No.3具有0.06μm的短轴和0.09μm的长轴。

接下来，为了绝缘存储元件3的周缘，通过CVD(化学气相沉积)或PVD(物理气相沉积)在存储元件3的整个表面上沉积氮化硅薄膜和SiO₂、Al₂O₃等的绝缘膜23。

之后，通过CMP(化学机械抛光)对表面进行抛光和平坦化，以露出保护层18，从而形成接触区域。

接着，通过标准配线形成技术(wiring formation technique)来形成位线24、外围电路配线(未示出)、以及焊盘区域(未示出)。此外，在位线24的整个表面上沉积等离子氮化硅薄膜25，并且使焊盘区域开口，从而完成LSI(大规模集成)晶圆工艺步骤。

以这种方式来准备存储元件3的样本。

通过如表1所示地改变存储层17的铁磁性层材料，使得通过上述生产方法来准备存储元件3的每一个样本。表1中所示的存储层的组分作为形成样本的条件。

以如下方式评估所准备的存储元件3的每一样本的特性。

在测量之前，构造每个样本，使得可以从外部向存储元件3提供磁场，以便控制反向电流的正方向中的值，使其与反向电流的负方向中的值对称。将施加给存储元件3的电压设为1V或更小，这不会损坏绝缘层16。

(抗磁力的测量)

测量存储元件的抗磁力。

首先，在将持续改变的外部磁场施加至存储元件的同时，测量存储元件的阻值。此时，将温度控制为室温(25℃)，并且将施加给字线端子和位线端子的偏压控制为10mV。

当沿与存储层磁化方向相反的方向施加外部磁场并且外部磁场超过存储层的抗磁力时，存储层的磁化方向被反向。由于通过磁化方向的反向来改变存储元件的阻值，所以阻值改变时的外部磁场的量值可能等于存储元件的抗磁力。基于此来确定存储元件的抗磁力。

(反向电流值和热稳定性的测量)

测量反向电流值，以评估根据本发明实施例的存储元件的写特性。

使具有100ns至1ms的脉冲宽度的电流流入存储元件中，以便随后测量存储元件的阻值。此外，改变流入存储元件中的电流量，以确定使存储层的磁化反向的电流值。将通过脉冲宽度关系曲线(dependence)外推到1ns脉冲宽度而获得的值定义为反向电流值。

反向电流值的脉冲宽度关系曲线的倾斜度对应于存储元件的上述热稳定性指数(Δ)。由于基于脉冲宽度的反向电流值改变(或倾斜度)较小，所以存储元件更耐热干扰。如上所述，为了将存储元件用于存储器，热稳定性指数Δ优选为60或更大。

为了使存储元件之间具有可变性，准备大约20个具有相同结构的存储元件，并且进行上述测量，以确定平均反向电流值和平均热稳定性指数(Δ)。

表1中示出了每一样本的测量结果，其中包括由存储层的材料和组分确定的磁致伸缩常数。

表1

样本号	存储层的组分(原子百分比)	存储元件的尺寸(椭圆形，μm)	磁致伸缩常数(×10-5)	存储元件的抗磁力(Oe)	热稳定性指数Δ	反向电流值(μA)	标记
								1	Ni50Fe20	0.09×0.18	4	30	25	520	对比样本
2	Co100	0.06×0.09	-0.1	40	30	500	对比样本
								3	Co90Fe10	0.09×0.18	6	120	10	180	对比样本

4	Co50Fe30B20	0.09×0.18	30	180	70	440	样本
								5	Co45Fe25Ta10B20	0.09×0.18	40	200	75	430	样本

从表1中的结果清楚看出，当存储元件具有10×10^-6或更大的磁致伸缩常数时，尤其是1×10^-5或更大的磁致伸缩常数时，可以实现150[Oe]或更大的抗磁力。当磁致伸缩常数小于1×10^-5时，抗磁力小于150[Oe]。即使在样本No.3中(其中，通过减小元件的尺寸而使形状各向异性增大)，抗磁力也仅为120[Oe]。

即，1×10^-5或更大的磁致伸缩常数可能是有效的。

从表1很清楚看出，热稳定性指数Δ与抗磁力密切相关，而且当抗磁力为150[Oe]或更大时，热稳定性指数Δ为60或更大。

与样本No.1和No.2相比，具有较小体积的样本No.3确保了具有增大的抗磁力；但是，样本No.3的热稳定性指数Δ不会增大到这么大，可能不会达到60。

在这种方式中，本发明的实施例可以确保60或更大的热稳定性指数Δ，该热稳定性指数对于实际存储器可能必需的。

反向电流值不能改变得这么大，并且即使当磁致伸缩常数改变时，也可以保持较小的方向电流值。具有较小体积的样本No.3具有的反向电流值小于其它样本的反向电流值，这是因为存储层的铁磁性材料具有较小的体积。

因此，本发明的实施例可以同时确保可能具有权衡关系的足够的热稳定性和反向电流量的减小。

本发明的实施例不仅可以采用每一个上述实施例中所示的存储元件3的膜结构，而且可以采用其它膜结构。

在每一个上述实施例中，磁化固定层31具有由两层铁磁性层13和15以及非磁性层14形成的堆叠的亚铁磁性结构。然而，例如，该磁化固定层可以由单一铁磁性层形成。

本发明并不限于上述实施例，并且在不偏离本发明本质的情况下，各种其它结构都是可能的。

本领域的技术人员应该理解，在所附权利要求或其等同物的范围内，可以根据设计要求和其它因素来进行各种修改、组合、子组合、和替换。

Claims (3)

1.一种存储元件，包括：

存储层，其基于磁性材料的磁化状态来保持信息，其中，

经由中间层为所述存储层设置磁化固定层；

所述中间层由绝缘体形成；

自旋极化电子沿堆叠方向被注入，以改变所述存储层的磁化方向，从而将信息记录在所述存储层中；以及

形成所述存储层的铁磁性层具有1×10^-5或更大的磁致伸缩常数。

2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，

形成所述存储层的所述铁磁性层具有150[Oe]或更大的抗磁力。

3.一种存储器，包括：

存储元件，具有存储层，所述存储层基于磁性材料的磁化状态而保持信息；以及

彼此交叉的两类配线，其中，

所述存储元件具有磁化固定层，所述磁化固定层是经由中间层为所述存储层而设置的；所述中间层由绝缘体形成；

自旋极化电子沿堆叠方向被注入，以改变所述存储层的磁化方向，从而将信息记录在所述存储层中；并且

形成所述存储层的铁磁性层具有1×10^-5或更大的磁致伸缩常数；

所述存储元件设置在所述两类配线的交叉点附近以及所述两种配线之间，并且

沿所述堆叠方向的电流通过所述两类配线流入所述存储元件中。

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