CN101266831A - 存储元件和存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种存储元件和存储器。该存储元件包括存储层和磁化固定层。存储层基于磁性材料的磁化状态来保持信息。磁化固定层通过由绝缘材料制成的中间层形成在存储层上。利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子引起的存储层的磁化方向的改变来将信息记录在存储层上。存储层受到的有效去磁场的等级小于存储元件的饱和磁化等级。

Description

存储元件和存储器
相关申请的交叉参考
本发明包含于2007年3月15日向日本专利局提交的日本专利申请JP2007-066907号的主题，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，其包括用于存储铁磁层的磁化状态的存储层和具有固定的磁化方向的磁化固定层，其中，存储层的磁化方向随电流的流动而改变。本发明还涉及一种包括这种存储元件的存储器，该存储元件适用于非易失性存储器。
背景技术
可高速操作的高密度DRAM已被用作诸如计算机的信息设备中的随机存取存储器。
然而，DRAM是当电源断开时其中的信息会消失的易失性存储器。因此，需要其中的信息不会消失的非易失性存储器。
此外，作为非易失性存储器的候选，基于磁性材料的磁化来将信息记录在其中的磁性随机存取存储器(MRAM)引起了关注。因此，MRAM的发展取得进展。
MRAM使电流流过几乎彼此垂直的两种不同地址配线(字线和位线)，以生成来自每条地址配线的电流的电场。电流磁场使位于地址配线的交叉点处的磁性存储元件的磁性层的磁化反转，以记录信息。
图1示出了现有技术中通常所使用的MRAM的示意图(透视图)。
构成用于选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区108、源极区107、和栅电极101形成在通过半导体基板110(例如，硅基板)的元件隔离层102隔开的部分上。
另外，字线105在如图所示的深度方向上延伸，并位于栅电极101之上。
形成漏极区108，使其可以被位于如图1所示的右侧和左侧的选择晶体管共用。漏极区108连接至配线109。
此外，位线106在如图所示的横向上延伸，并位于字线105之上。具有磁化方向被反转的存储层的磁性存储元件103被置于字线105和位线106之间。例如，磁性存储元件可以由磁性隧道结元件(MTJ元件)构成。
此外，磁性存储元件103通过水平延伸的旁路线111和垂直延伸的接触层104电连接至源极区107。
电流流过字线105和位线106中的每一条，以向磁性存储元件103施加电流磁场。因此，可以反转磁性存储元件103中的存储层的磁化方向，从而记录信息。
此外，用于记录信息的磁性层(存储层)必须具有用于稳定地保持记录在诸如MRAM的磁性存储器中的信息的预定保磁力(coercive force)。
另一方面，应该使一定等级的电流流过用于重写记录信息的地址配线。
然而，通过小型化MRAM中的元件来使所形成的地址配线较细。因而，充足的电流很难流过地址配线。
利用自旋注入来反转磁化方向的存储器作为可以用更小的电流来反转磁化方向的存储器(例如，参看第2003-17782号(JP2003-17782A)日本未审查专利申请公开、第6256223号美国专利、第2005-018439 A1号美国专利申请公开、PHYs.Rev.B.54.9353(1996)、以及J.Magn.，159，L1(1996))。
然后，利用用自旋注入来反转磁化方向，以使通过磁性材料的自旋极化电子被注入其它磁性材料中，从而反转其它磁性材料的磁化方向。
例如，电流垂直流过巨磁阻元件(GMR元件)和磁性隧道结元件(MTJ元件)中的每个的膜表面，以反转这些元件的磁性层中的至少一部分的磁化方向。
此外，利用自旋注入反转磁化方向的优点在于，即使该元件被小型化，也能在没有增大电流的情况下反转磁化方向。
现在参考图2和图3，将描述如上所述的使用自旋注入来反转磁化方向的存储器的配置。图2是存储器的透视图，以及图3是存储器的截面图。
元件隔离层52将诸如硅基板的半导体基板60分为几个部分。所隔离的部分设置有用于选择每个存储器单元的选择晶体管。即，选择晶体管包括漏极区58、源极区57、和栅电极51。栅电极51也用作沿如图2中所示的深度方向延伸的字线。
形成漏极区58，以使其可以被位于如图2所示的右侧和左侧的选择晶体管共同使用。漏极区58连接至配线59。
此外，具有通过自旋注入反转磁化方向的存储层的存储元件53置于源极区57和位线56之间。这里，位线56沿如图2所示的横向延伸，并被置于源极区57之上。
例如，存储元件53由磁性隧道结(MTJ)元件构成。在该图中，参考标号61和62分别表示磁性层。两个磁性层61、62中的一个被设置来作为具有固定磁化方向的磁化固定层，而另一个被设置来作为可以改变在其上的磁化方向的自由磁化层。
另外，存储元件53分别通过上和下接触层54连接至位线56和源极区57。因此，可以通过使电流流过存储元件53以利用自旋注入反转磁化方向。
与图1中所示的典型MRAM相比，这种利用自旋注入来反转磁化方向的存储器具有简化的元件结构，从而该存储器具有高密度集成的优点。
另外，与利用外部磁场来反转磁化方向的典型MRAM相比，当利用自旋注入来反转磁化方向时，即使元件被小型化，但是用于进行写入的电流也不会增大。
在MRAM中，除了存储元件外，还形成了用于进行写入的写配线(字线和位线)，以通过使电流流过每条写配线而生成的电流磁场来写(记录)信息。因此，可以使写信息所需的足够电流流入写配线中。
另一方面，在其中利用自旋注入来反转磁化方向的存储器的情况下，可以通过具有流过存储元件的电流的自旋注入来反转存储元件的磁化方向。
如上所述，可以通过将电流直接供给存储元件来写(记录)信息。因此，可以通过将存储元件连接至选择晶体管来形成存储单元，以选择记录信息的存储单元。在此情况下，将流过存储元件的电流限定为流过选择晶体管的一定等级的电流(选择晶体管的饱和电流)。
因此，必须利用小于选择晶体管的饱和电流的电流来进行写操作。从而，必须提高自旋注入的效率以减小流过存储元件的电流。
为了增大读取信号的电平，必须确保较高的磁阻变化率。因此，提供一种将与存储层的两侧相接触的中间层作为隧道绝缘层(隧道保护层)的存储元件是有效的。
当隧道绝缘层被用作上述的中间层时，可以限定流过存储元件的电流量，以防止隧道隔离层介质击穿。鉴于此，必须控制自旋注入时的电流。
电流等级与存储层的膜厚度和存储层的饱和磁化的平方成比例。因此，可以调整这些因素(存储层的膜厚度和饱和磁化)以降低电流的等级(例如，参看F.J.Albert等人，Appl.Phy.Lett，77，3809(2000))。另外，例如，Nguyen等人披露了可以通过降低记录材料的磁化等级(Ms)来减小电流等级(例如，参看第2005-018439 A1号美国专利申请公开)。
然而，另一方面，存储器可以用于存储通过这种电流写入的信息。即，必须确保存储层对于热波动的稳定性(热稳定性)。
与过去的MRAM相比，在其中利用自旋注入来反转磁化方向的存储元件具有体积较小的存储层。因此，可以认为能够降低热稳定性。
如果不能确保存储层的热稳定性，则反转后的磁化方向可能由于热量而再次反转，因此可能出现写错误。
因此，对于使用自旋注入来进行磁化反转的存储元件，热稳定性是很重要的特性。
因此，为了使在其中利用自旋注入来反转存储层的磁化方向的存储元件作为存储器，可以将利用自旋注入来反转磁化方向所需的电流减小至饱和电流以下。另外，还需要保证用于稳定地保持所写信息的热稳定性。
发明内容
可以通过降低存储层的饱和磁化等级(saturation-magnetizationlevel)Ms或使存储层变薄的方法来减小利用自旋注入来反转磁化方向的电流。
例如，方便使用的存储层材料可以是如第2005-018439 A1号美国专利申请公开中所述的具有低饱和磁化等级Ms的材料。
然而，当如上所述仅使用具有低饱和磁化等级Ms的材料时，很难确保用于稳定保持信息的热稳定性。
期望提供一种能够在无需写入电流增大的情况下提高热稳定性的存储元件、以及具有这种存储元件的存储器。
根据本发明的实施例，提供了一种存储元件。该存储元件包括：存储层，基于磁性材料的磁化状态来保持信息；以及磁化固定层，通过由绝缘材料制成的中间层而形成在存储层上。在该存储元件中，利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子而引起的存储层的磁化方向的改变将信息记录在存储层上。另外，通过存储层接收的有效去磁场的等级(level)小于存储层的饱和磁化等级。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种存储器。该存储器包括：存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态来保持信息的存储层；以及彼此垂直的两种不同配线。在该存储器中，存储元件包括：通过中间层在存储层上的磁化固定层。这里，中间层包括绝缘材料，并且利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子引起的存储层的磁化方向的改变，来将信息记录在存储层上。存储层接收的有效去磁场的等级小于存储层的饱和磁化等级。存储元件被置于两种不同配线的交叉点附近并位于两种不同配线之间。电流通过两种不同配线沿堆叠方向流入存储元件，以注入自旋极化电子。
根据本发明实施例的存储元件设置有存储层，其基于磁性材料的磁化状态来保持信息。通过由绝缘材料制成的中间层，存储层设置有磁化固定层。因此，沿堆叠方向注入自旋极化电子导致存储层的磁化方向的改变，从而将信息记录在存储元件上。即，通过沿堆叠方向供给电流来注入自旋极化电子，从而记录信息。
另外，存储层受到的有效去磁场的等级小于存储层的饱和磁化等级。存储层接收的去磁场很小，从而可以减小用于反转存储层的磁化方向可能所需的写电流量。
另一方面，可以在不降低存储层的饱和磁化等级的情况下减小写电流量。因此，在保持充分的存储层的饱和磁化等级的同时，可以确保充分的存储元件的热稳定性。
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来保持信息的存储层；以及彼此垂直的两种不同配线。在此情况下，该存储元件是根据本发明的上述实施例的存储元件。存储元件被置于两种不同配线交叉点附近并位于两种不同配线之间。电流通过两种不同配线沿堆叠方向流入存储元件，以注入自旋极化电子。因此，可以通过经由两种不同配线沿存储元件的堆叠方向供给电流而引起的自旋极化来记录信息。
另外，可以在不降低存储元件的饱和磁化等级的情况下减小写电流量。可以稳定地保持记录在存储元件上的信息，同时降低存储器功耗。
根据上述本发明的实施例，可以在不降低存储层的饱和磁化的情况下减小用于存储元件的写电流量。因此，在充分确保表示保持信息能力的热稳定性的同时，存储元件可具有极好的平衡特性。
因此，可以防止存储元件发生操作错误，从而其获得充分的操作限度(margin)。
因而，可以获得稳定操作的可靠存储器。
另外，可以通过减小写电流量来降低存储元件在写过程中的功耗。
因此，可以降低整个存储器的功耗。
附图说明
图1是示出了根据现有技术的MRAM的配置的示意透视图。
图2是示出了其中利用自旋注入来反转磁化方向的存储器的配置的示意透视图。
图3是图2中所示的存储器的截面图。
图4是示出了根据本发明实施例的存储器的配置的示意透视图。
图5是图4中所示的存储元件的截面图。
图6是根据本发明的另一实施例的存储元件的截面图。
图7是示出了存储层中的钴的量与饱和磁化等级和有效去磁场之间的关系的图示。
图8是示出了存储层中的钴的量与反转后的电流密度之间的关系的图示。
图9是示出了存储层中的钴的量与热稳定性指数之间的关系的图示。
具体实施方式
首先，在描述本发明的具体实施例之前，将示意性地描述本发明。
根据本发明的实施例，通过利用上述的自旋注入反转存储元件的存储层的磁化方向来记录信息。该存储层包括诸如铁磁层的磁性材料，并基于铁磁材料的磁化状态(磁化方向)来保持信息。
通过电流的流动来实现利用自旋注入来反转磁性层的磁化方向的基本操作。即，将预定阈值以上的电流沿垂直于存储元件的膜表面的方向供给存储元件。这里，存储元件可以是巨磁阻元件(GMR元件)和磁隧道结元件(MTJ元件)。在此情况下，电流的极性(方向)取决于待反转的磁化方向。当电流的绝对幅值小于阈值时，不反转磁化方向。
通过下列等式(1)来表示用于利用自旋注入来反转磁性层的磁化方向的电流的阈值Ic：
Ic＝A·α·MS·V·Hd/2η(1)
其中，A表示常数，α表示自旋制动(spin-braking)常数，η表示自旋注入率，Ms表示饱和磁化等级，V表示存储层的体积，以及Hd表示有效去磁场。
如等式(1)所示，可通过控制磁性层的体积、饱和磁化Ms、自旋注入效率η、和磁性层的自旋制动常数α可选地确定电流的阈值。
根据本发明的实施例，存储元件包括能够基于磁化状态保持信息的磁性层(存储层)和具有固定磁化方向的磁化固定层。
为了能够提供该存储元件作为存储器，必须保持所写信息。表示热稳定性的值Δ(＝KV/kBT)可用于确定保持信息的能力。通过下列等式(2)来表示值Δ：
Δ＝KV/kBT＝Ms·V·Hk·(1/2kBT)(2)
其中，Hk表示有效的各向异性场，kB表示波尔兹曼常数，T表示温度，Ms表示饱和磁化等级，以及V表示存储层的体积。
有效各向异性场Hk包括由形状不同而产生的磁性各向异性(magnetic shape anisotropy)、感生的磁性各向异性、磁晶各向异性等的作用。有效各向异性场Hk等于假定单磁畴的相干低压模式时的保磁力。
在很多情况下，热稳定性指数Δ和电流的阈值Ic可以处于折衷关系。因此，为了保持持存储器的性能，在许多情况下，这些因素的共存成为一个主题。
例如，引起存储层的磁化状态改变的电流的阈值实际为下列情况：
在具有厚度为2nm以及平面图样为100nm×150nm的存储层的近似椭圆形状的TMR元件的情况下，正(+)侧的阈值为+0.5mA(+Ic＝+0.5mA)，以及负(-)极的阈值为-0.3mA(-Ic＝-0.3mA)。在此情况下的电流密度约为3.5×106A/cm2。这些几乎与上述等式(1)一致。
相反，利用电流磁场来反转磁化方向的典型MRAM可能需要几毫安以上的写电流。
因此，可以发现，由于充分减小如上所述的写电流的阈值，所以利用自旋注入来反转磁化方向有效降低了集成电路的功耗。
因此，在利用用自旋注入来反转磁化方向的情况下，可以不需要如在典型的MRNA中所需的用于生成电流磁场的配线(例如，图1中的参考标号105所表示的配线)。因此，与典型的MRAM相比，利用自旋注入来反转磁化方向在集成度方面也是有利的。
为了利用自旋注入来反转磁化方向，将电流直接供给存储元件以写(记录)信息。因此，为了选择执行写操作的存储单元，通过将存储元件连接至选择晶体管来形成存储单元。
在此情况下，通过可供给选择晶体管的电流量(即，选择晶体管的饱和电流)来限定流过存储元件的电流。
由等式(1)可知，为了获得小于选择晶体管的饱和电流的用于利用自旋注入来反转磁化方向的电流的阈值Ic，可以降低存储层的饱和磁化等级Ms。
然而，当不经任何考虑而仅减小饱和磁化等级Ms时(例如，参看第2005-018439 A1号美国专利申请公开)，可能会相反地降低存储层的热稳定性。结果，难以起到存储器的作用。
因而，存储器需要具有预定等级以上的热稳定性指数Δ。
考虑到这些情况，本发明的发明人已进行了各种研究并发现以下事实。通过选择用于构成存储层的铁磁层的材料或用于与存储层相邻的层的材料，使存储层受到的有效去磁场的等级(Meffective)小于存储层的饱和磁化等级Ms。
如上所述，根据本发明的实施例，存储层受到的有效去磁场的等级小于存储层的饱和磁化等级Ms。因此，可以在不降低由等式(2)表示的热稳定性Δ的情况下减小由等式(1)表示的电流的阈值Ic。
因此，根据这些实施例，可以形成能够在保持热稳定性的同时利用少量电流来写信息的稳定存储器。
为了降低存储层受到的有效去磁场的等级以使该等级低于存储层的饱和磁化等级Ms，提供了如下的三种方法：(1)改变存储层中的铁磁材料的组成；(2)将非磁性材料添加到存储层中的铁磁材料中；以及(3)与中间层相对的存储层相接触地形成具有降低去磁场性能的非磁性层。
为了改变存储层中的铁磁材料的组成，例如，可以在减少钴含量的同时，在CoFe合金或CoFeB合金中增加Fe的含量。
在将非磁性材料添加到存储层中的铁磁材料中的情况下，例如，可以添加诸如Cr、Ta、或Hf的非磁性金属元素、或者这些元素的非磁性合金、或者诸如MgO或Ta2O5的非金属磁性材料。
在与中间层相对的存储层相接触地形成具有降低去磁场的性能的非磁性层的情况下，例如，非磁性层的材料可以是诸如Ru的非磁性金属、或者诸如氧化镁(MgO)或氧化铝的非金属材料。
根据本发明的实施例，存储层受到的有效去磁场的等级小于存储层的饱和磁化等级Ms。即，存储层的饱和磁化等级Ms与有效去磁场的等级之比大于1。
更优选地，存储层的饱和磁化等级Ms与有效去磁场的等级之比为1.15以上。
此外，根据本发明的实施例，考虑了选择晶体管的饱和电流量。因此，可以将由绝缘材料制成的隧道绝缘层作为存储层和磁化固定层之间的非磁性中间层来形成磁隧道结(MTJ)元件。
由于使用隧道绝缘层来形成磁隧道结(MTJ)元件，所以与巨磁阻(GMR)元件相比，可获得较高的磁阻变化率(MR比)，从而增大读信号强度。
此外，具体地，氧化镁(MgO)可用作隧道绝缘层的材料。在此情况下，与通常使用氧化铝的元件相比，可以获得较高的磁阻变化率(MR比)。
此外，通常，自旋注入效率取决于MR比。MR比越大，自旋注入率越大。因此，可减小用于反转磁化方向的电流强度。
因此，当可以同时使用如上所述的存储层时，氧化镁可以用作作为中间层的隧道绝缘层的材料。因此，可以减小通过自旋注入产生的阈值写电流，并因而可以利用少量电流来写(记录)信息。此外，可以增大读信号的强度。
因此，可以确保MR比(TMR比)，并且可以减小通过自旋注入产生的阈值写电流。因而，可以减小通过自旋注入产生的阈值写电流，并且可以利用较少的电流来写(记录)信息。此外，可以增大读信号的强度。
如上所述，当隧道绝缘层由氧化镁(MgO)膜形成时，优选地，使MgO薄膜结晶并以[001]方向为晶体取向。
此外，根据本发明的实施例，存储层和磁化固定层之间的中间层(隧道绝缘层)可以由氧化镁制成。可选地，其可由诸如SiO2、Bi2O3、MgF2、CaF、SrTiO2、AlLaO3、和Al-N-O的各种绝缘材料、电介质材料、和半导体材料中的任一种制成。
为了获得用于利用自旋注入来反转磁化方向的电流强度，必须利用自旋注入来将隧道绝缘层的面积阻抗值调整为约几十Ω.μm2以下。
此外，由MgO膜制成的隧道绝缘层必须具有1.5nm以下的MgO膜厚度，以获得上述范围内的面积阻抗值。另外，有利地，可以将存储元件制作得更小，从而可以利用少量的电流来容易地反转存储层的磁化方向。
因此，优选地，存储元件的面积为0.04μm2以下。
此外，可以将满足上述结构条件的存储层和具有互不相同的材料或组成范围的另一铁磁层直接堆叠在一起。可选地，可以将铁磁层和软磁性层堆叠在一起。另外，可以通过软磁性层或非磁性层使多个铁磁层彼此相互堆叠在一起。可以通过使用这种堆叠结构中的任一种来获得根据本发明的实施例的效果。
当通过非磁性层堆叠多个铁磁层时，可以调节铁磁层之间的相互作用的强度。因此，即使存储元件的尺寸变为亚微米级以下，也可以获得防止磁化反转电流增大的效果。在此情况下，所使用的非磁性层的材料可以是Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb、或它们的合金中的任一种。
期望磁化固定层和存储层中的每个在一个方向上具有各向异性。
此外，磁化固定层和存储层中的每个的膜厚度优选地在1nm～30nm的范围内。
存储元件的其它配置可以具有与用于利用自旋注入来记录信息的现有技术中已知存储元件相同的结构。
磁化固定层可以仅由铁磁层形成，或者可以是利用反铁磁层和铁磁层之间的反铁磁性耦合的具有固定磁化方向的层。
另外，磁化固定层可以由单个铁磁层形成，或者可以由包括通过非磁性层堆叠的多个铁磁层的堆叠的亚铁磁结构形成。
当磁化固定层由堆叠的亚铁磁结构形成时，磁化固定层对于外部磁场的敏感度降低。避免了通过外部磁场产生的不必要的磁化固定层的磁化变化，从而使存储元件稳定地操作。此外，可以调节每个铁磁层的膜厚度，从而防止磁化固定层引起漏泄场。
利用堆叠的亚铁磁结构形成磁化固定层的铁磁层的材料可以是Co、CoFe、CoFeB等。另外，非磁性层的材料可以是Ru、Re、Ir、Os等。
反铁磁层的材料可以是诸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO、和Fe2O3的磁性材料中的任一种。
另外，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等的非磁性元素添加到这些磁性材料的任一种中，以调节其磁性特性或调节诸如其它晶体结构、晶体性质、或材料稳定性的各种物理性质中的任一种。
此外，存储元件可以具有存储层被置于磁化固定层之上的膜结构。可选地，存储层可以置于磁化固定层之下。
此外，可以如下方式读取记录在存储元件的存储层上的信息。可以将磁性层(信息的基础)通过绝缘薄膜设置在存储元件的存储层上，以通过使铁磁隧道电流流过绝缘层来读信息。可选地，可以利用磁阻来读取信息。
这里，将描述本发明的实施例。
图4是示出了根据本发明实施例的存储器的配置的透视图。
存储器包括存储元件，其基于其磁化状态来保持信息，并被置于相互垂直的两种不同地址配线(例如，字线和位线)之间的交叉点附近。
即，构成用于选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区8、源极区7、和栅电极1分别形成在由诸如硅基板的半导体基板10的元件隔离层2所隔离的部分上。其中，栅电极1还用作沿如图4所示的深度方向延伸的地址配线之一(例如，字线)。
漏极区8经过形成被位于图中的右侧和左侧的选择晶体管所共同使用。另外，漏极区8连接至配线9。
此外，存储元件3被置于源极区7和另一条地址配线(例如，位线)之间。地址配线位于存储元件3之上并沿图4中所示的横向延伸。存储元件3包括由其中可以利用自旋注入来反转磁化方向的铁磁层形成的存储层。
另外，存储元件3被置于两种不同地址配线1、6之间的交叉点附近。
存储元件3分别通过上和下接触层4连接至位线6和源极区7。
因此，通过使电流沿垂直方向通过地址配线1、6供给存储元件，可以利用自旋注入来反转磁化方向。
图5是根据本发明的存储器的存储元件3的截面图。
如图5所示，存储元件3包括在存储层17下面的磁化固定层31，在该存储层中，利用自旋注入来反转磁化方向M1。另外，反铁磁层12形成在磁化固定层31下面。通过反铁磁层12使磁化固定层31的磁化方向固定。
由隧道保护层(隧道绝缘层)形成的绝缘层16被设置在存储层17和磁化固定层31之间。存储层17和磁化固定层31构成了MTJ元件。
另外，在反铁磁层12下面形成基础层11。在存储层17上形成保护层(capping layer)18。
磁化固定层31具有堆叠的亚铁磁结构。
具体地，磁化固定层31是由通过非磁性层14相互堆叠的两个铁磁层13、15利用反铁磁性耦合形成的。
磁化固定层31的铁磁层13、15中的每个均具有堆叠的亚铁磁结构。因此，铁磁层13的磁化M13指向右，而铁磁层15的磁化M15指向左。因此，两个层指向互不相同的方向。因此，从磁化固定层31的各个铁磁层13、15中泄漏的磁通量互相抵消。
磁化固定层31的各个铁磁层13、15的材料包括但不具体限于选自铁、镍、和钴的一种或两种以上的合金材料。此外，可以包括诸如Nb、Zr、Gd、Ta、Ti、Mo、Mn、和Cu的过渡金属元素、以及诸如Si、B、和C的轻元素。此外，可形成铁磁层13、15，以使由不同材料制成的两种以上的膜直接相互堆叠在一起(没有非磁性层)，诸如CoFe/NiFe/CoFe的堆叠层。形成磁化固定层31的堆叠亚铁磁结构的非磁性层14的材料可以是钌、铜、铬、金、银等。
具体地，根据本发明的实施例，存储元件3的存储层17经配置以使存储层17受到的有效去磁场的等级小于存储层17的饱和磁化等级Ms。
即，如上所述，可以通过将铁磁材料或添加有非磁性材料的铁磁材料的提供给存储层17来降低由存储层17受到的有效去磁场的等级。因此，有效去磁场的等级可以低于存储层17的饱和磁化等级Ms。
存储层17的具体配置如下：
例如，存储层17可以由其中Fe的量大而Co的量小的CoFe合金或CoFeB合金形成。
可选地，在存储层17中，诸如Cr、Ta或Hf的非磁性材料元素、或这些元素的非磁性合金、或诸如MgO或Ta2O5的非金属非磁性材料被添加到铁磁材料(例如CoFe合金或CoFeB合金)中。
此外，根据本实施例，当作为中间层设置的绝缘层16由氧化镁层形成时，可以增大磁阻变化率(MR比)。
如上所述，获得高MR比以提高自旋注入的效率，从而减小用于反转存储层17的磁化M1的方向的电流强度。
可如下制备根据本实施例的存储元件3。首先，使用真空装置来连续形成从基础层11～保护层18的多个层。随后，通过蚀刻或使用其它处理来形成存储元件3的图样。
根据本发明的上述实施例，存储元件3的存储层17经配置以使存储层17受到的有效去磁场的等级可以小于存储层17的饱和磁化等级Ms。因此，存储层17受到的有效去磁场的等级很低。因而，可以减小用于反转存储层17的磁化M1的方向所需的写电流量。
另一方面，即使存储层17的饱和磁化等级Ms没有降低，也可减小写电流量。因此，可以利用存储层17的足够饱和磁化等级Ms来使存储层17具有充分的热稳定性。
如上所述，可以充分获得表示保持信息的能力的热稳定性。因此，可以获得具有良好平衡特性的存储元件3。
因此，可防止存储元件3发生操作错误，从而其获得充分的操作限度。从而，可以获得能够稳定操作的可靠存储器。
另外，可减小写电流以降低用于在存储元件3上进行写的功耗。
因此，可通过减小写电流量来降低存储元件3在写时的功耗。从而，可以降低整个存储器的功耗。
因此，可获得能够稳定操作的具有良好的保持信息特性的可靠存储器。可降低包括存储元件3的存储器的功耗。
此外，具有如图5所示的存储元件3且被配置为如图4所示的存储器具有可以在制造存储器时采用传统的半导体MOS形成处理的优点。
因此，根据本实施例的存储器可用作通用存储器。
接下来，图6是根据本发明的另一实施例的存储元件的截面图。具体地，如图6所示，根据本实施例的存储元件20包括在存储层17和保护层18之间由非磁性金属或非磁性氧化物制成的非磁性层19。
优选地，非磁性层19中所使用的非磁性材料可以为钌(Ru)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al-O；Al2O3或其它铝氧化物任何一种)等。
存储元件的其它配置与图5中所示的存储元件1相同。因此，给出了相同的参考标号并省略了重复的描述。
根据本实施例的图6所示的存储元件20用于制备具有与图4所示配置类似配置的存储器。
根据上述实施例，由非磁性金属或非磁性氧化物制成的非磁性层19被设置在存储元件20的存储层17和保护层18之间。非磁性层19具有降低存储层17受到的有效去磁场的等级的性能。因此，降低了存储层17受到的有效去磁场。从而，可以减小用于反转存储层17的磁化M1的方向的写电流量。
另一方面，在不降低存储层17的饱和磁化等级Ms的情况下，可以减小写电流量。从而，可以获得足够的存储层17的饱和磁化等级Ms，从而充分确保存储层17的热稳定性。
因此，可以获得具有与根据之前实施例的情况类似的良好平衡特性的存储元件20。可以防止存储元件20发生操作错误并使其获得充分的操作限度，从而能够稳定操作存储元件20。
因此，可获得能够稳定操作的可靠存储器。
此外，可以通过减小写电流来降低存储元件20在进行写时的功耗。
因此，包括每个均由本实施例的存储元件20形成的多个存储单元的存储器能够降低整个存储器的功耗。
因此，可获得能够稳定操作的具有良好保持信息特性的可靠存储器。可降低包括存储元件20的存储器的功耗。
实例
这里，制备具有根据本发明实施例的存储元件的配置的存储元件来作为样品。即，通过调整存储层受到的有效去磁场的等级来制备存储元件。通过具体地选择构成存储层的铁磁层的材料或者选择与存储层相邻的层的材料来进行这种调整。然后，研究存储元件的特性。
如图4所示，除存储元件外，存储器的实际配置还包括用于进行转换的半导体电路等。这里，为了研究反转存储层的磁化方向的特性，对在其上仅形成一个存储元件的晶片进行研究。
实验1
在厚度为0.725nm的硅基板上形成厚度为300nm的热氧化膜，然后在其上形成被配置为如图5所示的存储元件3。
具体地，在图5所示的存储元件3的配置中，每层的材料和薄膜厚度定义如下。底膜(foundation film)11是膜厚度为10nm的Ta膜。反铁磁层12是膜厚度为20nm的PtMn膜。构成磁化固定层31的铁磁层13是膜厚度为2nm的CoFe膜，以及铁磁性层15是膜厚度为2.5nm的CoFeB膜。另外，具有堆叠的亚铁磁结构的磁化固定层31的非磁性层14是膜厚度为0.8nm的Ru膜。用作隧道绝缘层的绝缘层(保护层)16是膜厚度为0.9nm的氧化镁膜。存储层17是CoFeB膜。保护层18是膜厚度为5nm的Ta膜。另外，在底膜11和反铁磁层12之间形成膜厚度为100nm的Cu膜(未示出，被设置为如下所述的字线)。
在存储元件3的上述膜配置中，存储层17的铁磁层由三元合金Co-Fe-B制成，并且铁磁层所减小的膜厚度被定为2.0nm。PtMn膜的组成比为Pt∶Mn＝50∶50(原子％)。CoFe膜的组成比为Co∶Fe＝90∶10(原子％)。
使用DC磁控管溅射法分别制备除由氧化镁膜制成的绝缘层16之外的各层。
使用RF磁控管溅射法分别制备由氧化镁(MgO)膜制成的绝缘层。
此外，在存储元件3中的每个层的膜形成之后，在磁场为10kOe、360℃的条件下，在用于磁场热处理的熔炉中进行2小时的热处理，以使反铁磁层12的PtMn膜受到热有序化(ordering)处理。
随后，在通过光刻法来遮蔽字线部分之后，对除字线部分外的堆叠膜进行利用Ar等离子体的选择性蚀刻以形成字线(下部电极)。此时，在基板的深度方向，将除字线部分之外的部分蚀刻5nm。
随后，通过电子束曝光系统形成存储元件3的图样掩模，然后对堆叠膜进行选择性的蚀刻，从而形成存储元件3。蚀刻除存储元件3之外的部分以使其在字线的Cu层的正上方。
此外，用于评价其特性的存储元件可能需要充足的电流流入存储元件才能生成用于磁化反转的自旋转矩。因而，需要抑制隧道绝缘层的阻抗。因此，所形成的存储元件3的图样具有短轴为0.09μm和长轴为0.18μm的椭圆形状，从而向存储元件3提供20Ωμm2的面积阻抗值(Ωμm2)。
接下来，通过用厚度约为100nm的Al2O3进行溅射来使除存储元件3之外的部分绝缘。
在此之后，使用光刻法来形成被设置为上部电极的位线和用于测量的焊盘。
如上所述，制备存储元件3的样品。
此外，通过上述制造过程来制备作为样品的存储元件3，以使其具有存储层17的Co-Fe-B合金铁磁层的各种组成。
具体地，CoFe和B的组成比(原子％)被定为80∶20，并且作为样品的存储元件3的CoFe中的Co具有分别为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、和10％的不同的的组成比x(原子％)。
此外，由此制备的存储元件3的每个样品均经过以下特性能评价处理。
在进行测量之前，可以向存储元件3提供外部磁场，从而使反转电流在正向和反向上相互对称。另外，将施加至存储元件3的电压设为1伏特(1V)，从而可以防止绝缘层16损坏。
饱和磁化等级的测量
通过使用振动样品磁力计(VSM)的所谓VSM测定来确定饱和磁化等级Ms。
(有效去磁场的测量)
除了存储元件3的样品外，还制备了形成存储元件3的各个层，然后通过在20nm×20nm的正方形的平面图样上形成各个层来制备样品。
此外，使用铁磁共振(FMR)测量来获得有效去磁场Meffective的等级。
通过FMR测量得到的可选外部磁场Hex的共振频率fFMR由下列公式(3)给出：
f FMR = γ ′ 4 π M effctive ( H K + H ex ) - - - ( 3 )
其中，Meffective表示4πMeffective＝4πMs-H⊥(H⊥：在垂直于膜表面的方向上的各向异性场)。
反转电流量和热稳定性的测量
为了评价根据本发明实施例的存储元件的写特性，对反转电流量进行测量。
将脉冲宽度为10μm～100ms的电流供给存储元件3，然后测量存储元件3的阻抗。此外，改变流过存储元件3的电流量。获得了用于反转存储元件3中的存储层17的磁化M1的方向所需的电流量。将取决于电流量的脉冲宽度外插(extrapolate)至1ns的脉冲宽度，然后将其设为反转电流量。
另外，取决于电流量的脉冲宽度的斜率对应于存储元件3的上述热稳定性指数(Δ)。只要反转电流量不被脉冲宽度改变(只要斜率小)，存储元件3对热扰乱的抵抗是很强的。
此外，考虑到存储元件3的变化，制备了具有相同配置的近20个存储元件3，然后使其经过上述测量。分别获得了热稳定性指数Δ和反转电流量的平均值。
此外，根据通过测量确定的反转电流量的平均值和存储元件3的平面图样的面积来计算反转电流密度Jc0。
对于存储元件3的每个样品，表1表示存储层17的Co-Fe-B合金的组成以及饱和磁化等级Ms和有效去磁场的等级Meffective的测量结果。此外，在表1中，还表示了饱和磁化等级Ms与有效去磁场的等级Meffective的比。
表1
  Ms(emu/cc)   Meffctive(emu/cc)   Ms/Meffective
  (Co90Fe10)80-B20   960   1210   0.79
  (Co80Fe20)80-B20   960   1010   0.95
  (Co70Fe30)80-B20   1040   900   1.16
  (Co60Fe40)80-B20   1200   760   1.58
  (Co50Fe50)80-B20   1300   690   1.88
  (Co40Fe60)80-B20   1300   500   2.60
  (Co30Fe70)80-B20   1260   390   3.23
  (Co20Fe80)80-B20   1230   360   3.42
  (Co10Fe90)80-B20   1200   345   3.48
表1所示的饱和磁化等级Ms和有效去磁场的等级Meffective的测量结果用图7中的条形图来表示。图7示出了存储层17的Co-Fe-B合金中的Co量(CoFe中的Co含量；原子％)与饱和磁化等级Ms和有效去磁场的等级Meffective之间的关系。
另外，图8中示出了反转电流量的测量结果，以及图9中示出了热稳定性指数的测量结果。图8示出了存储层17的Co-Fe-B合金中的Co量(CoFe中的Co含量；原子％)与根据反转电流量所获得的反转电流密度Jc0之间的关系。图9示出了存储层17的Co-Fe-B合金中的Co量(CoFe中的Co含量；原子％)与热稳定性指数Δ(KV/kBT)之间的关系。
如图7所示，饱和磁化等级Ms和有效去磁场的等级Meffective之间的大小关系随着Co-Fe-B的组成而变化。在某种组成中，有效去磁场Meffective小于饱和磁化等级Ms。具体地，当(CoxFe100-x)80B20中的Co(x)的量为70％以下时，Meffective小于Ms。因此，Co(x)的量越少，Meffective和Ms之差越大。
如图8所示，由于以下原因，Co(x)的量越少，反转电流密度Jc0越小。当Co(x)的量少时，饱和磁化等级Ms增大，而有效去磁场Meffective减小。因此，根据这些因子的乘积(Meffective×Ms)的减小可得出该结论。
如图9所示，Co(x)的量越少，热稳定性指数Δ(＝KV/kBT)越大。因此，可发现，Co(x)的量减少到一定等级以下，而热稳定性指数Δ稳定在较高等级。这与所期望的变化一致，这是因为根据等式(2)，图7中所示的饱和磁化等级Ms的测量结果和热稳定性指数Δ与饱和磁化等级Ms成比例。
如图7～图9的结果所示，在组成上，当Co(x)的量为70％以下(有效去磁场Meffective小于饱和磁化等级Ms)时，在保持热稳定性高于其中Co(x)的量大于70％的组成的热稳定性的同时，可减小反转电流密度Jc0的量。
此外，如表1所示，当Co(x)的量为70％时，Ms/Meffective比为1.16。
因此，更优选地，选择存储层17的组成，使得Ms/Meffective比为1.16以上。
实验2
使用其中向CoFeB中添加添加物的材料来制备存储层17。然后，调整饱和磁化等级与有效去磁场的等级的比(Ms/Meffective)，随后使其经受与实验1中的测量相同的测量。
除以下方式外，以与实验1相同的方式制备作为样品的存储元件3：将所减少的膜厚度为0.1nm的添加物(Cr、Ta、Hf、MgO、或Ta2O5)添加到其中(CoxFe100-x)80B20中的Co(x)的量(原子％)为70％的CoFeB合金中。因此，存储层17中所减少的膜厚度为2.0nm。
对于这样制备的存储元件3的每个样品，均以类似于实例1的方式测量饱和磁化等级Ms、有效去磁场Meffective、和反转电流量。
根据测量结果，表2示出了饱和磁化等级Ms、有效去磁场Meffective、饱和磁化等级与有效去磁场的比(Ms/Meffective)、以及根据反转电流量得到的反转电流密度Jc0。在表2中还示出了在实验1中所测量的以缺少任何添加物的方式(-)所得到的测量值。
表2
  添加物   Ms(emu/cc)   Meffective(emu/cc)   Ms/Meffective   Jc0(MA/cm2)
  -   1040   900   1.2   6.3
  Cr   950   500   1.9   5.1
  Ta   800   310   2.6   4.2
  Hf   940   630   1.5   5.5
  MgO   890   360   2.5   4.1
  Ta2O5   920   410   2.2   4.3
如表2所示，可发现，添加物的添加导致反转电流密度Jc0减小了15％以上，同时提高了饱和磁化等级与有效去磁场的等级的比(Ms/Meffective)。具体地，与缺少添加物所获得的反转电流密度相比，当添加了Ta或MgO时，反转电流密度Jc0减小至30％以上。
此外，与缺少任一种添加物所获得的饱和磁化等级相比，当添加Ta或MgO时，饱和磁化等级Ms减小。然而，各向异性场Hk增大，从而根据等式(2)可保持热稳定性不变。
实验3
如图6所示，非磁性层19位于存储层17和保护层18之间，从而调整有效去磁场的等级以将其施加至存储层17。随后，以类似于实验1的方式进行测量。
存储层17中的CoFeB膜的组成被定为(Co70Fe30)75B25。该组成的硼(B)的含量略多于实验1和2中所制备的样品。由于硼(B)的含量略大，所以饱和磁化等级Ms略减小，并且有效去磁场Meffective略增大。
另一方面，在存储层17的CoFeB膜和保护层18的Ta膜之间形成由另一种非磁性材料(Cr、Ru、MgO、或Al-O)制成的膜厚度为1.0nm的非磁性层19。
其余方法与实验1中的方法类似，然后制备具有图6所示的配置的存储元件20的样品。
此外，制备具有直接形成在存储层17上的保护层18的样品存储元件来作为比较实例。
对于这样制备的存储元件3的每个样品，均以类似于实例1的方式测量饱和磁化等级Ms、有效去磁场Meffective、和反转电流量。
根据测量结果，表3示出了饱和磁化等级Ms、有效去磁场Meffective、饱和磁化等级与有效去磁场的比(Ms/Meffective)、以及根据反转电流量所得到的反转电流密度Jc0。在表3中，作为比较实例的在其中保护层18直接形成在存储层17上的样品被表示为“仅有Ta”。
表3
  非磁性层   Ms(emu/cc)   Meffective(emu/cc)   Ms/Meffective   Jc0(MA/cm2)
  仅有Ta   930   1020   0.91   5.9
  Cr   950   1000   0.95   6
  Ru   940   820   1.15   4.5
  MgO   945   800   1.18   4.4
  Al-O   1030   890   1.16   4.5
如表3所示，当保护层18直接形成在存储层17上、或者Cr层形成在保护层18和存储层17之间时，可发现，(Ms/Meffective)比为1(一)以下，并且反转电流强度Jc0较大。
另一方面，当形成了由Ru、MgO、或Al-O制成的非磁性层19时，(Ms/Meffective)比达到1.15以上。因此，可发现，与保护层18直接形成在其上的存储层相比，反转电流强度JC0减少至20％以上。此外，与保护层18直接形成在其上的存储层相比，存储层17的饱和磁化等级不变。因此，根据等式(2)，热稳定性指数Δ也不变。
即，由Ru、MgO、或Al-O制成的非磁性层19形成在存储层17和保护层18之间，从而减小了反转电流密度但不降低热稳定性。
根据以上结果，当Ms/Meffective比的范围在1.15以上时，可以在不降低热稳定性的情况下得到较小的反转电流强度Jc0。
另外，存储层17不限于上述Co-Fe-B材料。可以使用选自Co、Fe、Ni的至少两种材料来制备存储层17，在这些材料中可添加包括B、C、Si、N、Ta、Ti、Cr、W、Al、Mg、或O中的一种或多种元素。在此情况下，只要Ms/Meffective比满足预定条件，就能够获得如本发明的实施例中所述的效果。
此外，当将除了上述材料(Ru、MgO、以及Al-O)之外的任和材料插入存储层17和保护层18之间时，只要Ms/Meffective比满足预定条件，就能够获得如本发明的实施例中所述的效果。
根据本发明的实施例，膜配置并不限于各个实施例中所述的存储元件3、20的膜配置。可以采用各种膜配置中的任一种。
在上述的每个实施例中，磁化固定层31包括由两个铁磁层13、15和非磁性层14构成的堆叠亚铁磁结构。然而，例如，磁化固定层可以由单层的铁磁层构成。
本发明不限于上述实施例，并且只要不背离本发明的主旨，各种配置均在本发明的范围之内。
本领域的技术人员应了解，根据设计需要和其它因素，可以有各种修改、组合、子组合和改进，均应在本发明的所附权利要求或等同物的范围之内。

Claims (5)

1.一种存储元件，包括：
存储层，基于磁性材料的磁化状态保持信息；以及磁化固定层，通过由绝缘材料制成的中间层形成在所述存储层上，
其中，利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子引起的所述存储层的磁化方向的改变，将所述信息记录在所述存储层上，以及
其中，所述存储层受到的有效去磁场的等级小于所述存储层的饱和磁化等级。
2.根据权利要求1所述的存储元件，其中
所述存储层中的铁磁层材料的饱和磁化等级与所述有效去磁场的等级的比为1.15以上。
3.根据权利要求1所述的存储元件，其中
所述存储层包括添加有氧化物或非磁性金属的铁磁材料。
4.根据权利要求1所述的存储元件，还包括：
非磁性层，形成在与所述中间层相对的所述存储层上，并具有降低所述存储层受到的所述有效去磁场的等级的性能。
5.一种存储器，包括：
存储元件，具有基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储层；以及
彼此垂直的两种不同配线，其中
所述存储元件包括通过中间层在所述存储层上的磁化固定层，
所述中间层包括绝缘材料，
利用通过沿堆叠方向注入自旋极化电子引起的所述存储层的磁化方向的改变，将所述信息记录在所述存储层上，
所述存储层受到的有效去磁场的等级小于所述存储层的饱和磁化等级，
所述存储元件被置于在所述两种不同配线的交叉点附近并位于所述两种不同配线之间，以及
电流通过所述两种不同配线沿堆叠方向流入所述存储元件，从而注入所述自旋极化电子。
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