CN102403028B

CN102403028B - 存储元件和存储装置

Info

Publication number: CN102403028B
Application number: CN201110262686.8A
Authority: CN
Inventors: 内田裕行; 细见政功; 大森广之; 别所和宏; 肥后丰; 山根一阳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2031-09-06

Abstract

本发明公开了一种存储元件和存储装置，该存储元件包括：存储层，具有垂直于膜面的磁化，并且磁化方向对应于信息而改变；磁化固定层，具有垂直于膜面的磁化，并成为存储在所述存储层中的信息的基准，由多个磁性层构成，并且具有介由非磁性层将所述多个磁性层进行层压的多层铁钉扎结构；以及绝缘层，由非磁性材料制成，并且设置在存储层与磁化固定层之间。

Description

存储元件和存储装置

技术领域

本发明涉及具有用于将铁磁层的磁化状态存储为信息的存储层和在其中固定磁化方向且适于通过使电流流过存储层而改变存储层的磁化方向的磁化固定层的存储元件、以及包括该存储元件的存储装置。

背景技术

以高速运行的高密度DRAM(Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器)通常用作诸如计算机的信息装置中的随机存取存储器。

然而，由于DRAM是切断电源时存储在其中的信息被擦除的易失性存储器，所以期待存储在其中的信息不被擦出的永久性存储器。

同样，用于根据磁性材料的磁化而在其中存储信息的磁性随机存取存储器(MRAM)作为永久性存储器的候选而得到关注，并且促进了MRAM的发展。

在MRAM中，使电流分别流过大约以直角彼此分开的两种地址配线(字线和位线)。此外，通过由这两种地址配线产生的电流磁场反转设置在两种地址配线之间的交叉点上的磁性存储元件的磁性层的磁化方向，从而存储信息。

图8为示出常见MRAM结构的示意图(透视图)。

构成用于选择存储单元中对应的一个的选择晶体管的漏极区108、源极区107、以及栅电极101形成在通过诸如硅衬底的半导体衬底110的绝缘层102与其它部分绝缘的部分中。

此外，在图8的前后方向上延伸的字线105被设置在栅电极101上。

形成图8中右侧和左侧的选择晶体管共同保持的漏极区108。此外，配线109被连接至漏极区108。

此外，磁性存储元件103设置在字线105与设置在字线105之上的位线106之间，以在图8的水平方向上延伸。在这种情况下，磁性存储元件103具有磁化方向适于反转的存储层。此外，磁性存储元件103由磁性隧道结元件(MJT元件)构成。

另外，磁性存储元件103通过在水平方向上延伸的旁路线111和在垂直方向上延伸的接触层104电连接至源极区107。

使电流分别流过字线105和位线106以向磁性存储元件103施加电流磁场。结果，磁性存储元件103的存储层的磁化方向被反转，从而可以记录信息。

此外，为了在诸如MRAM的磁存储器中稳定保持所记录的信息，对于用于在其中记录信息的磁化层(存储层)，有必要具有给定的矫顽力。

另一方面，为了重写所记录的信息，需要使特定量的电流流过地址线。

然而，由于地址线随构成MRAM的元件的减小而变薄，所以不能使足量的电流流动。

于是，关于可以以更少的电流进行磁化反转的结构，具有利用借助于自旋注入的磁化反转的结构的存储器引起关注。这种技术在例如日本专利公开第2003-17782号、美国专利第6,256,223号、日本专利公开第2008-227388号、以及PHYs.Rev.B，54.9353(1996)的非专利文献和J.Magn.Mat.，159，L1(1996)的非专利文献中进行了描述。

借助于自旋注入的磁化反转是：穿过要被自旋极化的磁性材料的电子被注入到另一磁性材料，从而引起另一磁性材料中的磁化反转。

例如，使电流在垂直于膜面的方向上流动通过巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MJT元件)，从而至少可以反转这种元件磁性层的一部分的磁化方向。

此外，借助于自旋注入的磁化反转具有即使在减小元件的情况下也可以不增加电流而实现磁化反转的优点。

图9和10分别是具有利用上述借助于自旋注入的磁化反转的结构的存储装置的示意图。这里，图9是透视图，图10是截面图。

构成用于选择存储单元中对应的一个的选择晶体管的漏极区58、源极区57以及栅电极51形成在通过诸如硅衬底的半导体衬底60的绝缘层52与其它部分绝缘的部分中。这些组件中，栅电极51用作字线，并且在图9中的前后方向上延伸。

形成图9中右侧和左侧的选择晶体管共同保持的漏极区58。此外，配线59被连接至漏极区58。

此外，存储元件53设置在源极区57与设置在源极区57之上的位线56之间，并且在图9的水平方向上延伸。在这种情况下，磁性存储元件53具有其磁化方向适于通过自旋注入被反转的存储层。

此外，磁性存储元件53例如由磁性隧道结元件(MJT元件)构成。存储元件53具有两个磁性层61和62。这两个磁层61和62中的一个磁性层用作其磁化方向固定的磁化固定层，另一个用作其磁化方向适于改变的磁化自由层，即，存储层。

另外，存储元件53通过上接触层54和下接触层54分别被连接至位线56和源极区57。结果，使电流流过存储元件53，从而可以通过自旋注入反转存储层的磁化方向。

在具有利用借助于自旋注入的磁化反转的结构的存储装置的情况下，该装置的结构与图8中示出的通用MRAM相比较可以被简化。因此，有关的存储装置具有可能高密度化的优点。

此外，借助于自旋注入的磁化反转的利用，提供了以下优点：即使在提出减小元件的情况下，与在其中通过外部磁场执行磁化反转的通用MRAM相比较，不增加写电流。

发明内容

现在，在MRAM的情况下，写配线(例如字线和位线)与存储元件分离设置。此外，通过使电流分别流过写配线而产生电流磁场，从而写入(记录)信息。因此，可以使对于写操作所需的足量的电流分别流过写配线。

另一方面，在具有利用借助于自旋注入的磁化反转的结构的存储装置的情况下，有必要基于流过存储元件的电流执行自旋注入，从而反转存储层磁化方向。

此外，以这种方式使电流直接流过存储元件，从而将信息写入到(记录在)存储元件。因此，为了选择向其写入信息的存储单元，存储元件被连接至选择晶体管以配置存储单元。在这种情况下，限制流过存储元件的电流为能够流过选择晶体管的电流(选择晶体管的饱和电流)的大小。

因此，需要以等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流执行写操作。因此，需要提高自旋注入的效率，从而减少流过存储元件的电流。

此外，为了增加读取信号的电平，需要确保高磁阻变化率。为了实现该目的，有效采用隧道绝缘层(隧道屏障层)用作接触存储层两侧的中间层的存储元件的结构。

当隧道绝缘层以这种方式用作中间层时，为了防止引起隧道绝缘层被击穿，限制流过存储元件的电流量。另外，根据该观点，必须在自旋注入阶段抑制电流。

为了减少该电流值，应当理解，由于电流值与存储层的厚度成比例且与存储层的饱和磁化的平方成比例，所以仅需要调整这些因素，即厚度和饱和磁化。该技术在例如F.J.Albert et a1.，Apply.Phy.Lett.，77，3809(2000)的非专利文献中进行了描述。

此外，例如，美国专利第7,242,045号(下文称作专利文献1)示出记录材料的磁化量Ms的减少使电流值减小。

然而，另一方面，除非存储通过电流写入的信息，否则不可能获得永久性存储器的特性。总之，需相对存储层的热波动确保稳定性(热稳定性)。

在利用借助于自旋注入的磁化反转的存储元件的情况下，存储层的体积变得小于现有MRAM情况下的存储层的体积。因此，进行简单地考虑，利用借助于自旋注入的磁化反转的存储元件具有表现出热稳定性降低的趋势。

当不能确保存储层的热稳定性时，通过热力使反转磁化方向反转，这导致写错误。

此外，当促使利用借助于自旋注入磁化反转的存储元件向大容量化前进时，由于存储元件的体积被进一步减小，所以保证热稳定性成为了重要的问题。

因此，在利用借助于自旋注入磁化反转的存储元件中，热稳定性是非常重要的特性。

因此，为了使具有通过自旋注入反转存储层的磁化方向的结构的存储元件可以以存储器的形态存在，所以需减小借助于自旋注入的磁化反转所必需的电流至晶体管的饱和电流或更小。此外，需确保安全保持写入信息的热稳定性。

如上所述，为了减少借助于自旋注入的磁化反转所必需的电流，期望减小存储层的饱和磁化量Ms，使存储层变薄。例如，如专利文献1中所描述的，有效使用具有低饱和磁化量Ms的材料作为存储层的材料。然而，当仅使用具有低饱和磁化量Ms的材料时，不可能确保安全保持信息的热稳定性。

为了解决上述问题而提出了本发明，因此期望提供一种在其中可以提高热稳定性而不增加写电流的存储元件、以及包括该存储元件的存储装置。

此外，还期望强化磁化固定层的垂直磁各向异性。

为了获得上述所期望的，根据本发明的实施方式，提供了一种存储元件，包括：存储层，具有垂直于膜面的磁化，其中磁化方向对应于信息而改变；磁化固定层，具有垂直于膜面的磁化，成为存储在存储层中的信息的基准，包括多个磁性层，并且具有介由非磁性层将所述多个磁性层进行层压的多层铁钉扎(ferri-pin)结构；以及绝缘层，由非磁性材料制成，并且设置在存储层与磁化固定层之间。在存储元件中，通过在具有存储层、绝缘层、以及磁化固定层的层结构的层压方向上注入自旋极化电子来改变存储层的磁化方向，从而在存储层中记录信息；以及存储层接收的有效抗磁场的大小小于存储层的饱和磁化量。

此外，构成存储层的铁磁层材料为Co-Fe-B。

在这种情况下，Co-Fe-B的组成为(Co_xFe_y)_100-zB_z，其中0≤Co_x≤40，60≤Fe_y≤100，0＜B_z≤30。

以根据本发明实施方式的存储元件的结构，存储元件具有用于基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储层，磁化固定层通过中间层设置在存储层上，该中间层由绝缘体制成。此外，在层压方向上注入自旋极化电子以改变存储层的磁化方向，从而在存储层中记录信息。因此，使电流在层压方向上流动以注入自旋极化电子，从而可以记录信息。

同样，由于存储层接收的有效抗磁场的大小小于存储层的饱和磁化量，所以存储层接收的有效抗磁场低。因此，可以减少反转存储层的磁化方向所必需的写电流的量。

另一方面，即使在不减少存储层的饱和磁化量的情况下，也可以减少写电流的量。因此，能够在存储层的饱和磁化量为足量的情况下充分地确保存储层的热稳定性。

此外，磁化固定层具有多层铁钉扎结构。因此，磁化固定层相对于外部磁场被钝化，由于固定层引起的漏磁场被遮断。此外，由于多个磁性层间的层间耦合，所以可以强化磁化固定层的垂直磁各向异性。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种存储装置，包括：基于磁性材料的磁化状态保持信息的存储元件；以及彼此交叉的两种配线。在存储装置中，存储元件包括：存储层，具有垂直于膜面的磁化，并且其中磁化方向对应于信息而改变；磁化固定层，具有垂直于膜面的的磁化，成为存储在存储层中的信息的基准，包括多个磁性层，并且具有介由非磁性层将所述多个磁性层进行层压的多层铁钉扎结构；以及绝缘层，由非磁性材料制成，并且设置在存储层与磁化固定层之间。通过在具有存储层、绝缘层、以及磁化固定层的层结构的层压方向上注入自旋极化电子来改变存储层的磁化方向，从而在存储层中记录信息；以及存储层接收的有效抗磁场的大小小于存储层的饱和磁化量。存储元件设置在两种配线之间；以及使电流通过这两种配线在层压方向上流过存储元件，从而注入自旋极化电子。

此外，通过根据本发明另一实施例的存储装置的结构，存储元件被设置在这两种配线之间，使多层方向上的电流通过这两种配线流过存储元件，从而注入自旋极化电子。因此，使多层方向上的电流通过这两种配线流过存储元件，从而可以通过自旋注入记录信息。

此外，由于即使在没有减少存储层的饱和磁化量的情况下，也可以减少存储元件的写电流的量，可以稳定保持记录在存储元件中的信息，还可以减少存储装置的功耗。

如上所述，根据本发明，即使在没有减少存储层的饱和磁化量的情况下，也可以减少存储元件的写电流的量。因此，可以充分确保作为信息保持力的热稳定性，并且因此构造具有良好特性平衡的存储元件。此外，磁化固定层具有多层铁钉扎结构。因此，磁化固定层相对于外部磁场被钝化，由于固定层引起的漏磁场被遮断。此外，由于多磁性层间的层间耦合，所以可以强化磁化固定层的垂直磁各向异性。结果，可以消除操作错误，并且因此可以充分地获得存储元件的操作裕度(margin)。

因此，可以实现稳定运行的高可靠性的存储装置。

此外，可以减少写电流，从而可以减少在向存储元件写入信息时的功耗。

因此，可以减少整个存储装置的功耗。

附图说明

图1为示出根据本发明实施方式的存储装置的示意性结构的示例性透视图；

图2为示出根据本发明实施方式的存储装置中的存储元件的示意性结构的截面图；

图3为示出具有0.09μm×0.18μm尺寸的存储层的(存储元件)Co的量与反向电流密度之间的关系的图形表示；

图4为示出具有0.09μm×0.18μm尺寸的存储层(存储元件)的Co的量与热稳定性指数之间的关系的图形表示；

图5为示出具有50nm直径的存储层(存储元件)的Co的量与热稳定性指数之间的关系的图形表示；

图6A和6B分别为示出当具有0.04μm×0.04μm尺寸的磁化固定层(存储元件)具有多层铁钉扎结构时的磁化曲线，以及示出由于多层铁钉扎结构中Co-Fe-B的Fe的量的差异而导致的特性差异的图形表示；

图7A和7B分别为示出当具有0.04μm×0.04μm尺寸的磁化固定层(存储元件)具有多层铁钉扎结构时元件阻抗变化的图形表示，以及示出由于多层铁钉扎结构中Co-Fe-B的Fe的量的差异而导致的特性差异的图形表示；

图8为示意性示出现有MRAM的结构的透视图；

图9为示出利用借助于自旋注入的磁化反转的存储装置的示意性结构的说明性透视图；以及

图10为在图9中示出的存储装置的截面图。

具体实施方式

下文将参照附图详细描述本发明的实施方式。

注意，下面将依照下列顺序给出描述：

1.存储元件(概述)；

2.存储装置(实施方式)；以及

3.实验。

1.存储元件(概述)

首先，下文将描述根据本发明实施方式的存储装置中的存储元件的概况。

在存储元件中，通过前面所述的自旋注入反转存储元件的存储层的磁化方向，从而在存储层中记录信息。

存储层由诸如铁磁层的磁性材料制成，并且基于磁性材料的磁化状态(磁化方向)在其中保持信息。

尽管稍后将描述细节，但是存储元件具有图2所示的实例的层结构，并且至少包括存储层17和磁化固定层15作为两个磁化层。此外，存储元件包括绝缘层16(隧道绝缘层)作为设置在两个磁化层之间的中间层。

存储层17具有垂直于膜面的磁化，并且其磁化方向相对应信息而改变。

磁化固定层15具有垂直于膜面的磁化，并成为存储在存储层17中的信息的基准。

绝缘层16由非磁性材料制成，并且设置在存储层17与磁化固定层15之间。

此外，通过在具有存储层17、绝缘层16、以及磁化固定层15的层结构的层压方向上注入自旋极化电子来改变存储层17的磁化方向，从而在存储层17中记录信息。

通过自旋注入反转磁性层(存储层17)的磁化方向的基本操作是使等于或大于特定阈值的电流在垂直于由巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MJT元件)构成的存储元件的膜面的方向上流动。这时，电流的极性(方向)取决于被反转的磁化的方向。

当使绝对值小于阈值的电流流过存储层时，不产生磁化反转。

通过表达式(1)表示对于通过自旋注入反转磁性层的磁化方向时所必需的电流阈值I_C：

Ic＝A·α·Ms·V·Hd/2η ...(1)

其中，A为常数，α为旋转制动常数，η为自旋注入效率，Ms为饱和磁化量，V为存储层的体积，以及Hd为有效抗磁场。

如表达式(1)所表示的，可以通过控制磁性层的体积V、磁性层的饱和磁化量Ms、自旋注入效率η、以及旋转制动常数α来任意设定电流阈值。

在该实例中的存储元件中，存储元件被构造为具有能够基于磁化状态在其中保持信息的磁性层(存储层17)和其磁化方向被固定的磁化固定层15。

为了使存储元件作为存储器而存在，有必要使存储元件能够在其中保持所写入的信息。关于信息保持力的指数，基于热稳定性指数Δ(＝KV/k_BT)的值进行判断。热稳定性指数Δ通过表达式(2)表示为：

Δ＝KV/k_BT＝Ms·V·H_K·(1/2k_BT) ...(2)

其中Hk为有效各向异性磁场，k_B为波尔兹曼常数，T为温度，Ms为饱和磁化量，以及V为存储层体积。

有效各向异性磁场Hk中可以引入形状磁性各向异性、感应磁性各向异性、晶体磁性各向异性等。因此，在假设单域的一致转动模式的情况下，有效各向异性磁场Hk等于矫顽力。

热稳定性指数Δ和电流阈值I_C示出许多情况下的平衡关系。因此，为了保持存储特性，热稳定性指数Δ与电流阈值I_C之间的一致性在许多情况下成为问题。

关于使存储层17的磁化改变的电流阈值，实际上，例如在具有其中存储层17的厚度为2nm且平面图案的尺寸为100nm×150nm的近似椭圆的TMR(TunnelMagnetoresistance，隧道磁阻)元件中，正侧上的阈值+Ic为+0.5mA，负侧上的阈值-Ic为-0.3mA。此外，在这种情况下电流密度大约为3.5×106A/cm²。这些值均与从上述表达式(1)获得的值一致。

另一方面，几毫安以上的写电流对于在其中通过电流磁场执行磁化反转的通常的MRAM是必要的。

因此，不用说，通过自旋注入执行磁化反转时，写电流的阈值如上所述变得足够小，这有效减少了集成电路的功耗。

此外，不再需要通常的MRAM所必需的用于产生电流磁场的配线(图8中示出的配线105)，与通常的MRAM的情况相比较，这有利于集成度水平。

此外，当通过自旋注入执行磁化反转时，使电流直接流过存储元件，从而向(在其中)存储元件写入(记录)信息。因此，为了选择向其中写入信息的存储单元，存储元件被连接至选择晶体管，从而配置有关的存储单元。

在这种情况下，通过流过选择晶体管的电流量(选择晶体管的饱和电流)来限制流过存储元件的电流量。

由表达式(1)可以理解，为了使用于借助于自旋注入的磁化反转的电流阈值Ic小于选择晶体管的饱和电流，减少存储层17的饱和磁化量Ms。

然而，当简单减少饱和磁化量Ms(例如，如专利文献1所描述的)时，存储层17的热稳定性显著削弱，因此它不可能用作存储器。

对于存储器的结构，热稳定性指数Δ有必要具有特定水平以上的大小。

于是，本申请的发明人进行了各种研究，结果发现构成存储层17的铁磁层的成分，例如，选择Co-Fe-B，由此存储层17接收的有效抗磁场的大小Meffective变为小于存储层17的饱和磁化量Ms。

上述铁磁材料的使用导致存储层17接收的有效抗磁场的大小Meffective变为小于存储层17的饱和磁化量Ms。

结果，由于可以使存储层17接收的抗磁场变小，所以可以获得通过表达式(1)表示的电流阈值Ic减小而通过表达式(2)表示的热稳定性指数Δ不减小的效果。

此外，发明人发现在以上述方式选择的Co-Fe-B的组成的限定的组成范围内垂直于膜面的方向上磁化Co-Fe-B，由此即使在可以实现千兆位级别容量的微存储元件中也可以保证充分的热稳定性。

因此，可以形成在千兆位级别的自旋注入型存储器中保持热稳定性的状态下以小电流写入信息的稳定的存储。

在该实例中的存储元件中，存储层17接收的有效抗磁场的大小Meffective变为小于存储层17的饱和磁化量Ms，即，使有效抗磁场的大小与存储层17的饱和磁化量Ms的比值小于1。

此外，考虑选择晶体管的饱和电流值，通过使用作为设置在存储层17与磁化固定层15之间的非磁中间层的由绝缘体制成的隧道绝缘层(绝缘层16)构成磁性隧道结(MJT)元件。

磁性隧道结(MJT)元件通过使用隧道绝缘层构造而成，由此，与通过使用非磁导层构成的巨磁阻效应(GMR)元件的情况相比较，可以使磁阻变化率(MR率)变大，使读出信号的强度变大。

此外，特别地，氧化镁(MgO)被用作隧道绝缘层16的材料，由此，与到目前为止已经通常使用氧化铝的情况相比较，可以使磁阻变化率(MR率)变大。

此外，通常，自旋注入效率取决于MR率。因此，随着MR率增大，自旋注入效率增强，从而可以减小磁化反转电流密度。

因此，氧化镁被用作作为中间层的隧道绝缘层16的材料，同时，使用上述的存储层17，由此可以减少借助于自旋注入的写操作的阈值电流。因此，可以以更少的电流将信息写入(记录到)存储层。同样，可以使读取信号的强度变大。

结果，确保MR率(TMR率)，从而可以减少借助于自旋注入的写操作的阈值电流。因此，可以以更少的电流将信息写入(记录到)存储层。此外，可以使读出信号的强度变大。

当隧道绝缘层16由氧化镁(MgO)膜以这种方式构成时，优选晶化MgO膜，且因此在(001)方向上保持结晶取向。

注意到在该实例中的存储元件中，除了设置在存储层17与磁化固定层15之间的中间层(隧道绝缘层16)的结构由氧化镁制成外，该结构还采用由诸如氧化铝、氮化铝、SiO₂、Bi₂O₃、MgF₂、CaF、SrTiO₂、AlLaO₃、以及Al-N-O的各种绝缘体、介质材料、以及半导体中的任意一种制成的中间层。

从获得通过自旋注入反转存储层17的磁化方向所必需的电流密度的观点，隧道绝缘层16的面电阻需要被控制在大约为几十Ωμm²以下。

此外，为了设定上述范围内的面电阻值，在由MgO膜制成的隧道绝缘层16中，需要设定MgO膜的厚度为1.5nm以下。

此外，优选地，存储元件制作得很小，使得容易以小的电流反转存储层17的磁化方向。

因此，优选地，存储元件的面积被设定为等于或小于0.01μm²。

注意到对于该实例中存储层17的形成，还可以直接在另一层上层压具有不同组成的其它铁磁层。此外，还可以在彼此的上部层压铁磁层和软磁性层，或通过软磁性层或非磁性层层压多个铁磁层。即使在以这种方式执行层压的情况下，也获得本发明中固有的效果。

特别地，当采用介由非磁性层层压多个铁磁层的结构时，可以调节铁磁层之间相互作用的强度。因此，可以获得即使存储元件的大小变得等于或小于亚微米大小也可以抑制磁化反转电流不变大的效果。在该实例中，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或其合金作为非磁性层的材料。

优选地，磁化固定层15和存储层17均具有单向各向异性。

此外，磁化固定层15和存储层17的厚度均在0.5～30nm的范围内。

存储元件的其它结构可以与先前已知的用于通过自旋注入在其中记录信息的结构相同。

磁化固定层15可以采用仅通过铁磁层或利用在反铁磁层与铁磁层之间耦合的抗磁场固定磁化方向的结构。该实例中的存储元件对应于磁化固定层15具有多层铁钉扎结构的情况。

此外，磁化固定层15可以采用由单铁磁层构成的结构，或介由非磁性层层压多个铁磁层的多层铁钉扎(ferri-pin)结构。在这种情况下，铁磁层介由非磁性层以反平行的方式磁耦合至另一层。

Co、Co-Pt、Co-Fe-Pt、Co-Fe、Co-Fe-B等可以用作构成具有多层铁钉扎结构的磁化固定层15的铁磁层的材料。此外，Ru、Re、Ir、Os等可以用作非磁性层的材料。

可以给出诸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、或IrMn合金、NiO或Fe₂O₃的磁性材料作为反铁磁层的材料。

此外，向这种磁性材料添加诸如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，从而可以调节磁特性，或调节诸如材料的结晶结构、结晶度、以及稳定性的各种其它物理特性。

此外，即使在存储层17设置在磁化固定层15下侧的结构中，或在存储层17设置在磁化固定层15上侧的结构中，根本不存在问题。此外，即使在磁化固定层15分别存在于存储层17上侧和下侧的所谓双结构中，也根本不存在问题。

注意到，关于读出记录在存储元件的存储层17中的信息的方法，在成为信息的基准的磁性层通过薄绝缘层设置在存储元件的存储层17上的状态中，可以通过流过绝缘层16的铁磁隧道电流读出信息，或通过磁阻效应读出信息。

2.存储装置(实施方式)

随后，将详细描述根据本发明实施方式的存储装置的具体结构。

图1是示出根据本发明实施方式的存储装置的示意性结构的结构图(透视图)。

以在磁化状态下可以在其中保持信息的存储元件3被设置在以直角彼此分开的两种地址配线(例如字线和位线)之间的交叉点的附近的方式构造存储装置。

即，在通过绝缘区域2与其它部分绝缘的诸如硅衬底的半导体衬底10的部分中形成构成用于选择存储单元中对应的一个的选择晶体管的漏极区8、源极区7、以及栅电极1。这些组件中，栅电极1用作在图1的前后方向上延伸的一条地址配线(诸如字线)。

漏极区8形成为图1中右侧和左侧的选择晶体管共同保持。同样，配线9被连接至漏极区8。

此外，存储元件3被设置在源极区7与设置在源极区7之上的其它地址配线(诸如位线)6之间，并且在图1的水平方向上延伸。存储元件3具有由其磁化方向适于通过自旋注入被反转的铁磁层构成的存储层。

此外，存储元件3被设置在两种地址配线1和6之间的交叉点的附近。

存储元件3分别通过上下接触层4被连接至位线6和源极区7。

结果，使垂直方向上的电流通过两种地址配线1和6流过存储元件3，从而可以通过自旋注入反转存储层的磁化方向。

此外，图2为本发明实施方式的存储装置的存储元件3的截面图。

如图2所示，在存储元件3中，从底层侧开始按该顺序层压基极层14、磁化固定层15、绝缘层16、存储层17、以及保护层18。

这种情况下，磁化固定层15被设置在相对于其磁化M17方向适于通过自旋注入而被反转的存储层17的下层。

在自旋注入型存储器中，通过存储层17的磁化M17与磁化固定层15的磁化M15之间的相对角度调整信息“0”和“1”。

作为隧道屏障层(隧道绝缘层)的绝缘层16被设置在存储层17与磁化固定层15之间。此外，MTJ元件由存储层17和磁化固定层15构成。

此外，形成基极层14以位于磁化固定层15之下，并且形成保护层18以位于存储层17之上。

存储层17由具有通过其在垂直于层表面的方向上随意改变磁化M17的方向的磁矩的铁磁材料制成。磁化固定层15由具有通过其在垂直于层表面的方向上固定磁化M15的方向的磁矩的铁磁材料制成。

基于具有单轴各向异性的存储层17的磁化方向执行信息的存储。使电流在垂直于层表面的方向上流动以引起自旋矩磁化反转，从而在存储层17中写入信息。磁化固定层15被设置在相对于其磁化方向适于通过自旋注入的方式而被改变的存储层17的下层，被用作存储层17的存储信息(磁化方向)的基准。

在该实施方式中，存储层17和磁化固定层15均由Co-Fe-B制成。

由于磁化固定层15被用作信息的基准，所以其磁化方向不应通过记录或读取而改变。然而，磁化方向不需要固定于特定方向。因此，仅需要使磁化固定层15在矫顽力、厚度或卸磁常数(magnetic dumping constant)上大于存储层17，从而使磁化固定层15比存储层17更难以移动。

当磁化被固定时，可以使诸如PtMn或IrMn的反铁磁性材料与磁化固定层15接触，或接触这些反铁磁性材料的磁性材料可以通过诸如Ru的非磁性材料而被彼此磁耦合，从而间接固定磁化固定层15。

注意，本发明的实施方式对应于以介由非磁性层层压多个铁磁层的方式构造磁化固定层15的多层铁钉扎结构的情况。在这种情况下，铁磁层介由非磁性层以反平行的方式与另一层磁耦合。

该实施方式的特征特别在于，调节存储元件3的存储层17的成分，使得存储层17接收的有效抗磁场的大小变得小于存储层17的饱和磁化量Ms。

即如上所述，以减小存储层17接收的有效抗磁场的大小以小于存储层17的饱和磁化量Ms的方式选择作为存储层17的铁磁材料的Co-Fe-B的成分。

此外，在该实施方式中，当作为中间层的绝缘层16由氧化镁层构成时，可以增加磁阻率(MR率)。

以增强自旋注入效率的方式增加MR率，从而可以减小反转存储层17的磁化M17的方向所必需的电流密度。

可以以在真空系统内连续形成从基极层14到保护层18的组件的方式制造该实施方式的存储装置的存储元件3，然后通过诸如蚀刻的处理形成存储元件3的图案。

根据本发明实施方式的存储装置，以存储层17接收的有效抗磁场的大小变得小于存储层17的饱和磁化量Ms的方式构造存储元件3的存储层17。因此，存储层17接收的抗磁场被减小，从而可以减少反转存储层17的磁化M17的方向所必需的写电流的量。

另一方面，甚至在没有减小存储层17的饱和磁化量Ms的情况下，也可以减小写电流的量。因此，可以通过存储层17的饱和磁化量Ms作为充足的量来充分确保存储层17的热稳定性。此外，磁化固定层具有多层铁钉扎结构。因此，磁化固定层相对于外部磁场被钝化，由于固定层引起的漏磁场被遮断。此外，由于多磁化层间的层间耦合，所以可以强化磁化固定层的垂直磁各向异性。

由于以这种方式可以充分确保作为信息保持力的热稳定性，所以可以构造具有良好特性平衡的存储元件3。

结果，可以消除操作错误，并且因此可以充分地获得存储元件3的操作裕度。结果，可以稳定操作存储元件3。

因此，可以实现稳定运行的高可靠性的存储装置。

此外，可以减少写电流，从而可以减小在向存储元件3写入信息时的功耗。

因此，可以减小整个存储装置的功耗，其中存储单元被构造为实施方式中的存储元件3。

因此，可以实现具有良好信息保持特性且稳定运行的高可靠性的存储装置。此外，可以减小包括存储元件3的存储装置中的功耗。

此外，具有图1所示的结构且包括图2所示的存储元件3的存储装置具有在制造存储装置时可以应用通常的半导体MOS(Metal OxideSemiconductor，金属氧化物半导体)形成工艺的优点。

因此，实施例方式的存储装置可以被应用为通用存储器。

3.实验

这里，在实施方式的存储装置中的存储元件的结构中，具体选择构成存储层17的铁磁层的材料，从而调节存储层接收的有效抗磁场的大小。在这种情况下，制造存储元件的样品，并且检查这些样品的特性。

如图1所示，除了存储元件3，切换半导体电路等存在于实际的存储装置中。然而这里，为了检查存储层17的磁化反转特性，对于仅形成存储元件的晶片进行研究。

[实验1]

在具有0.725mm厚的硅衬底上形成具有300nm厚的热氧化膜，并且在热氧化膜上形成具有图2所示的结构的存储元件3。

具体地，在具有图2所示的结构的存储元件3中，如下选择层的材料和厚度：

(1)基极层14：厚10nm的Ta膜和厚25nm的Ru膜的多层膜；

(2)磁化固定层15：厚2.5nm的CoFeB膜；

(3)隧道绝缘层16：厚0.9nm的氧化镁膜；

(4)存储层17：具有与磁化固定层15相同成分的CoFeB膜；以及

(5)保护层18：厚3nm的Ta膜、厚3nm的Ru膜以及厚3nm的Ta膜的多层膜。

以这种方式选择层的材料和厚度。此外，在基极层14与硅衬底之间设置具有10nm毫米厚的Cu膜(成为稍后将描述的字线)(未示出)。

在上述的膜结构中，存储层17的铁磁层由三元合金Co-Fe-B制成，并且将铁磁层的厚度固定为2.0nm。

通过使用DC磁控溅射法沉积由氧化镁(MgO)膜制成的绝缘层16以外的每个层。

通过使用RF磁控溅射法沉积由氧化镁(MgO)膜制成的绝缘层16。

此外，在沉积存储元件3的层之后，在磁场中的热处理熔炉内执行热处理。

接下来，在通过利用光刻遮盖字线部分后，通过利用Ar等离子体对除了字线的部分的层压膜执行选择性蚀刻，从而形成字线(下电极)。

这种情况下，蚀刻除了字线的部分至衬底的5nm深度。

那之后，通过利用电子束光刻系统形成用于存储元件3的图案的掩模，并且对层压膜执行选择性蚀刻，从而形成存储元件3。蚀刻除了存储元件3的部分至恰在构成字线的Cu层之上。

注意，由于为了产生磁化反转所必需的自旋矩而需使充足的电流流过用于特性评价的存储元件，所以必须抑制隧道绝缘层的电阻值。于是，将具有0.09μm的短轴×0.18μm的长轴中的椭圆形用作存储元件3的图案，使得面电阻值(Ωμm²)成为20Ωμm²。

接下来，在溅射处理中通过具有大约100nm厚的Al₂O₃膜绝缘除了存储元件3的部分。

那之后，位线成为上电极，通过使用光刻形成用于测量的衬垫。

以这种方式，制造存储元件3的样品。

此外，通过利用上述制造方法制造在其中改变作为存储层17的铁磁层的Co-Fe-B三元合金的组成的存储元件3的样品。

关于Co-Fe-B三元合金的组成，B对CoFe的组成比例(按％)被固定为80∶20。在这种情况下，依次改变CoFe中Co的组成比例x(按％)为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％、以及0％。

为到目前为止已经以下列方式制造的存储元件3的样品执行特性评价。

在测量之前，为了控制反向电流的正方向上的值和负方向上的值对称，采用可以从外部向存储元件3施加磁场的结构。

此外，设定施加给存储元件3的电压在绝缘层16不被击穿的范围内高达1V。

(关于饱和磁化量的测量)

通过利用振动样品磁强计(Vibrating Sample Magnetometer，VSM)的VSM测量来测量饱和磁化量Ms。

(关于有效抗磁场的测量)

制造在其中构成存储元件3的层14至18形成20mm正方形的平面图案的样品作为用于与上述存储元件3的样品分离的有效抗磁场的测量的样品。

此外，从铁磁共振(FMR)测量获得有效抗磁场的大小Meffective。

通过表达式(3)给出从FMR测量获得的用于任意外部磁场的共鸣谐振频率、fMR、Hex：

f_{FMR} = γ^{,} \sqrt{4 π M_{effective} (H_{K} + H_{ex})} . . . (3)

其中，Meffective可以通过4πMeffective＝4πMs-H⊥(H⊥：垂直于膜面的方向上的各向异性磁场)表示。

(关于反向电流值和热稳定性的测量)

为了评价该实施方式中存储元件3的写特性，执行关于反向电流值的测量。

使具有10μs至100ms脉冲宽度的电流流过存储元件3，测量存储元件3随后的电阻值。

此外，当改变流过存储元件3的电流值时，获得反转存储元件3的存储层17的磁化M17的方向的电流值。此外，通过将因此获得的电流值的脉冲宽度依存性外插到1ns的脉冲宽度而获得的值被用作反向电流值。

此外，反向电流值的脉冲宽度依存性的倾斜度对应于上面存储元件3的热稳定性指数Δ。这意味着当不通过脉冲宽度进一步改变反向电流值(倾斜度更小)时，存储元件3更有力地抵抗热干扰。

同样，为了考虑存储元件3间的测量误差，制造大约20个具有相同结构的存储元件3，执行上述测量，从而获得反向电流值的平均值和热稳定性指数Δ。

此外，由存储元件3的平面图案的面积和由测量获得的反向电流值的平均值两者计算反向电流密度Jc0。

表1示出了存储层17的Co-Fe-B三元合金的组成、饱和磁化量Ms和有效抗磁场的大小Meffective的测量结果、以及饱和磁化量Ms与有效抗磁场的大小Meffective的比Meffective/Ms。这里，以％为单位表示表1中描述的存储层17的Co-Fe-B三元合金中Co的量。

表1

	Ms(emu/cc)	Meffctive(emu/cc)	Meffective/Ms
				(Co₉₀Fe₁₀)₈₀-B₂₀	960	1210	1.26
(Co₈₀Fe₂₀)₈₀-B₂₀	960	1010	1.05
				(Co₇₀Fe₃₀)₈₀-B₂₀	1040	900	0.87
(Co₆₀Fe₄₀)₈₀-B₂₀	1200	830	0.69
				(Co₅₀Fe₅₀)₈₀-B₂₀	1300	690	0.53
(Co₄₀Fe₆₀)₈₀-B₂₀	1300	500	0.38
				(Co₃₀Fe₇₀)₈₀-B₂₀	1260	390	0.31
(Co₂₀Fe₈₀)₈₀-B₂₀	1230	360	0.29
				(Co₁₀Fe₉₀)₈₀-B₂₀	1200	345	0.29
Fe₈₀-B₂₀	1160	325	0.28

从表1，当(Co_xFe_100-x)₈₀B₂₀的Co的量x等于或小于70％时，有效抗磁场的大小Meffective小于饱和磁化量Ms，总而言之，比Meffective/Ms在Co的量x等于或小于70％时小于1.0。

此外，可以确定Co的量x变得越小，有效抗磁场的大小Meffective与饱和磁化量Ms之间的差异越大。

图3示出了反向电流值的测量结果，图4示出热稳定性指数的测量结果。

图3示出了存储层17的Co-Fe-B三元合金中Co的量x(CoFe中的含量；按％)与由反向电流值获得的反向电流密度Jc0之间的关系。

此外，图4示出存储层17的Co-Fe-B三元合金中Co的量x(CoFe中的含量；按％)与热稳定性指数Δ(＝KV/k_BT)之间的关系。

由图3可以理解，随Co的量x变得越小，反向电流密度Jc0变得越小。

该情况是由以下原因导致的：由于在Co的量x减小时，尽管饱和磁化量Ms增大，但是有效抗磁场的大小Meffective减小，饱和磁化量Ms与有效抗磁场的大小Meffective的乘积(Ms×Meffective)变小。

从图4示出的测量结果可以理解随Co的量x变得越小，热稳定性指数Δ(＝KV/k_BT)变得越大，并且当Co的量x减小至特定水平以下时，热稳定性指数Δ稳定在较大的值。

这种情况与由图4示出的饱和磁化量Ms的测量结果预测的变化以及由表达式(2)显而易见的热稳定性指数Δ与饱和磁化量Ms成比例的事实一致。

由表1的值、图3和图4清楚可见，在其中有效抗磁场的大小Meffective小于饱和磁化量Ms的Co的量x占组成的70％以下，可以减小反向电流值Jc0而保持高的热稳定性，且不使用以牺牲热稳定性来减少饱和磁化量Ms的技术。

[实验2]

由上述实验1发现在(Co_xFe_100-x)₈₀B₂₀的情况下，在Co的量x占组成的70％以上的情况下，可以减小反向电流值Jc0而保持高的热稳定性。

于是，通过利用分别具有(Co₇₀Fe₃₀)₈₀B_z和(Co₈₀Fe₂₀)₈₀B_z组成的存储层17来研究B的量z对Co与Fe的比例以及比Meffective/Ms有哪种影响。样品的细节与[实施例1]的情况一致。

表2示出了其中在(Co₇₀Fe₃₀)_100-zB_z的情况下B的量z(按％)被设置在5％至40％的范围内的Co-Fe-B三元合金的组成、饱和磁化量Ms与有效抗磁场的大小Meffective的测量结果、以及饱和磁化量Ms与有效抗磁场的大小Meffective的比Meffective/Ms。

此外，表3示出了其中在(Co₈₀Fe₂₀)_100-zB_z的情况下B的量z(按％)同样被设定在5％至40％的范围的Co-Fe-B三元合金的组成、饱和磁化量Ms与有效抗磁场的大小Meffective的测量结果、以及饱和磁化量Ms与有效抗磁场的大小Meffective的比Meffective/Ms。

表2

	Ms(emu/cc)	Meffective(emu/cc)	Meffective/Ms
				(Co₇₀Fe₃₀)₉₅-B₅	1310	1090	0.83
(Co₇₀Fe₃₀)₉₀-B₁₀	1250	1080	0.89
				(Co₇₀Fe₃₀)₈₀-B₂₀	1040	900	0.87
(Co₇₀Fe₃₀)₇₀-B₃₀	820	730	0.89
				(Co₇₀Fe₃₀)₆₀-B₄₀	450	690	1.53

表3

	Ms(emu/cc)	Meffective(emu/cc)	Meffective/Ms
				(Co₈₀Fe₂₀)₉₅-B₅	1250	1280	1.02
(Co₈₀Fe₂₀)₉₀-B₁₀	1100	1140	1.04
				(Co₈₀Fe₂₀)₈₀-B₂₀	960	1010	1.05
(Co₈₀Fe₂₀)₇₀-B₃₀	750	890	1.19
				(Co₈₀Fe₂₀)₆₀-B₄₀	430	690	1.60

从表2中示出的结果可以确认，如同(Co₇₀Fe₃₀)_100-zB_z时，Co与Fe的比率固定为70/30，在除了B的量z＝40(按％)的组成的任意组成中，饱和磁化量Ms小于有效抗磁场的大小Meffective。

由表3中示出的结果可以确认：在如同(Co₈₀Fe₂₀)_100-zB_z的情况下，Co与Fe的比率固定为80/20，在任意组成中，饱和磁化量Ms大于有效抗磁场的大小Meffective。

由上述表1至表3示出的结果清楚可见，只要B的量z落在30(按％)以下的范围内，通过Co与Fe的比率确定饱和磁化量Ms与有效抗磁场的大小Meffective之间的大小关系。

因此，其中存储层17的饱和磁化量Ms小于有效抗磁场的大小Meffective的Co-Fe-B三元合金的组成表示如下：

(Co_xFe_y)_100-zB_z

其中，0≤Co_x≤70、30≤Fe_y≤100、0＜B_z≤30。

[实验3]

在千兆位等级的自旋注入型存储器中，假设记录元件的直径(大小)在100nm以下。于是，在实验3中，为具有50nm直径的存储元件评价热稳定性。

关于Co-Fe-B三元合金的组成，B与CoFe的组成比例(按％)固定为80∶20。这种情况下，依次改变CoFe中Co的组成比例x(按％)为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％、以及0％。

除了元件大小，样品的细节与实验1的情况一致相同。

图5示出了存储元件3的直径(大小)为50nm时Co-Fe-B三元合金中Co的量x(CoFe中的含量；按％)与热稳定性指数Δ(＝KV/k_BT)之间的关系。

由图5可以理解，设定存储元件3的直径为50nm，导致热稳定性指数Δ对Co-Fe-B三元合金的组成的依存性从热稳定性指数Δ对在具有图4中示出的0.09μm的短轴×0.18μm的长轴的椭圆形的存储元件中获得的Co-Fe-B三元合金的组成的依存性大大改变。

如图5所示，仅在于其中包含60(按％)以上的Fe的Co-Fe-B三元合金的组成的情况下，保持高的热稳定性。

作为执行各种研究的结果，显而易见，于其中包含60(按％)以上的Fe的Co-Fe-B三元合金在微存储元件中表现高的热稳定性指数Δ的原因起因于指示Co-Fe-B三元合金的磁化为垂直于膜面的方向。

指示Co-Fe-B三元合金的磁化为垂直于膜面的方向的原因可能起因于饱和磁化量Ms对应于显著小于有效抗磁场的大小Meffective的情况下的组成的组成。

此外，获得垂直磁化膜时即使在极微小元件中依然保持热稳定性的原因涉及表达式(2)中的“有效各向异性磁场”Hk。在这种情况下，垂直磁化膜的有效各向异性磁场Hk通常得到大于平面内磁化膜的值。总而言之，在垂直磁化膜中，靠大的Hk的效果，即使在通过其不可能确保平面内磁化膜情况下的充足的热稳定性指数Δ的极微小元件中，也可以保持高的热稳定性指数Δ。

根据上述实验结果，可以说在具有组成(Co_xFe_100-x)₈₀B₂₀的Co-Fe-B三元合金中Fe_100-x的量等于或大于60(按％)的情况下，有关的Co-Fe-B三元合金适于利用千兆位级别的自旋注入的存储装置。

[实验4]

由上述实验3，示出了当具有组成(Co_xFe_100-x)₈₀B₂₀的Co-Fe-B三元合金中Fe的量等于或大于60(按％)的情况下，有关的Co-Fe-B三元合金适于利用千兆位级别的自旋注入的存储装置。在实验4中，制造具有50nm直径(大小)的存储元件作为样品，以由其中B的量在5至30(按％)的范围内的Co-Fe-B三元合金组成，并且为因此制造的存储元件评价热稳定性。

样品的细节与实验1的实例中的样本细节相同。

表4示出具有组成(Co_xFe_100-x)_100-zB_z的Co-Fe-B三元合金与热稳定性指数Δ(＝KV/k_BT)之间的关系，其中，Co的量x＝50、40、30、20、10、以及0，B的量z＝5、10、20、以及30。

表4

从表4可以理解，主要在除了Co的量x＝50(按％)以及B的量z＝5至30(按％)的情况的所有成分中保持热稳定性指数Δ。

总而言之，很清楚类似于实验4中的结果的情况，在50(按％)与60(按％)之间的Co的量x在对应于千兆位级别的自旋注入型存储器的极微小元件中确保高的热稳定性的情况下成为界限。

因此，由上述结果清楚，当构成存储层17的Co-Fe-B合金的组成表示为(Co_xFe_y)_100-zB_z(0≤Co_x≤40、60≤Fe_y≤100、以及0＜B_z≤30，)时，构成存储层17的Co-Fe-B三元合金适于制造千兆位级别的自旋注入型存储器。

注意，由于在Fe在Co对Fe的比例中较大的组成中，有效抗磁场的大小Meffective与饱和磁化量Ms之间的差异变大，所以容易确保Co-Fe-B三元合金的热稳定性，因此容易获得垂直磁化。

因此，当磁存储器的容量增加且存储元件3的大小减小时，易于在于其中包含比任何其它Co-Fe-B三元合金中更多的Fe的Co-Fe-B三元合金中保证热稳定性。

因此，考虑以具有70nm直径且于其中包含60(按％)的Fe的量y的存储层17实现千兆位级别的自旋注入型磁存储器的情况，优选提供在其中无论何时将存储元件3的直径减小5nm时使Co-Fe-B三元合金的Fe的量y增加5的状态。

例如，在上述组成(Co_xFe_y)_100-zB_z的情况下，使CoFe中的Fe的量y(按％)的含量具有65％、70％、75％、80％、...(35％、30％、25％、20％、...根据Co的量x)的组成与减小存储元件3的大小相对应而成为更合适的实施例。

[实验5]

在实验5中，检查图2中示出的存储元件3的磁化固定层15具有多层铁钉扎结构时的特性。执行关于磁化曲线的测量、关于磁阻曲线的测量以及关于反向电流值和热稳定性的测量。准备4种样品1至4作为用于这些测量的样品。注意，样品4为用于比较的样品。

样品1至4的磁化固定层15的结构如下。

(1)样品1：厚1.5nm的Co-Pt层、厚0.8nm的Ru膜以及厚1.0nm的[Co₂₀Fe₈₀]₈₀B₂₀膜的层压膜。

(2)样品2：厚1.5nm的Co₉₀Fe₁₀-Pt层、厚0.8nm的Ru膜以及厚1.0nm的[Co₂₀Fe₈₀]₈₀B₂₀膜的层压膜。

(3)样品3：厚1.8nm的Co₉₀Fe₁₀-Pt层、厚0.8nm的Ru膜、厚1.5nm的Co₉₀Fe₁₀-Pt层、厚0.8nm的Ru膜以及厚1.0nm的[Co₂₀Fe₈₀]₈₀B₂₀膜的层压膜。

(4)样品4：厚2.1nm的Co-Pt层、厚0.8nm的Ru膜、厚1.7nm的Co-Pt层、厚0.8nm的Ru膜、以及厚1.0nm的[Co₆₀Fe₄₀]₈₀B₂₀膜的层压膜。

除了磁化固定层15的层的结构如下列样品1至4中的结构。

(1)基极层14：厚5nm的Ta膜和厚10nm的Ru膜的层压膜。

(2)隧道绝缘层16：厚1.2nm的氧化镁膜。

(3)存储层17：厚1.0nm的[Co₂₀Fe₈₀]₈₀B₂₀膜。

(4)保护层18：厚5nm的Ru膜以及厚3nm的Ta膜的层压膜。

以在厚0.725mm的硅衬底上形成300nm厚的热氧化膜以及在因此形成的热氧化膜上形成具有上述结构的存储元件3的方式制造样品1至4。此外，在基极层14与硅衬底之间设置厚100nm的Cu膜(成为稍后将描述的字线)(未示出)。

通过使用DC磁控溅射法沉积由氧化镁膜制成的绝缘层16以外的每个层。

通过使用RF磁控溅射法沉积由氧化镁(MgO)膜制成的绝缘层16。

在这种情况下，蚀刻除了字线的部分至衬底的5nm深度。

注意，由于为了产生磁化反转所必需的自旋矩而需使充足的电流流过用于特性评价的存储元件，所以必须抑制隧道绝缘层的电阻值。于是，具有0.04μm直径(大小)的圆形用作存储元件3的图案，使得面电阻值(Ωμm²)成为10Ωμm²。

接下来，在溅射处理中通过具有大约100nm厚的Al₂O₃膜绝缘除了存储元件3的部分。那之后，位线成为上电极，通过使用光刻形成用于测量的衬垫。以这种方式，制造存储元件3的每个样品。

设定构成存储层的Co-Fe-B三元合金的组成为[Co₂₀Fe₈₀]₈₀B₂₀(以％为单位表示每个元件的含量)。

在测量之前，为了控制反向电流的正方向上的值和负方向上的值对称，采用可以从外部向存储元件3施加磁场的结构。此外，设定施加给存储元件3的电压在绝缘层16不被击穿的范围内高达1V。

(关于磁化曲线的测量)

通过利用振动样品磁强计(Vibrating Sample Magnetometer，VSM)的VSM测量来测量存储元件3的磁化曲线。这时，通过微细图形获得的元件没有用于测量，但是具有大约8mm×大约8mm大小的且为评价晶片上的磁化曲线而特别设置的容积(bulk)膜部分用于测量。此外，在垂直于膜面的方向上或在平行于膜面的方向上施加用于测量的磁场。

(关于磁阻曲线的测量)

在对存储元件的容积膜部分施加磁场时测量元件电阻，从而评价存储元件的磁阻曲线。

(关于反向电流值和热稳定性的测量)

为了评价该实施方式中存储元件3的写特性，执行反向电流值的测量。

使具有10μs至100ms脉冲宽度的电流流过存储元件3，并且测量存储元件3随后的电阻值。此外，当改变流过存储元件3的电流值时，获得反转存储元件3的存储层17的磁化M17的方向的电流值。此外，通过将因此获得的电流值的脉冲宽度依存性外插到1ns的脉冲宽度而获得的值被用作反向电流值。

图6A和6B分别示出了获得的关于样品3和样品4的磁化曲线。图6A示出了关于样品4的磁化曲线的测量结果。此外，图6B示出关于样品3的磁化曲线的测量结果。在各图6A和6B中，实线表示垂直磁化，点划线表示面内磁化。参考图6A，在样品4中产生面内方向上的磁分量，因此样品4不实用。另一方面，参考图6B，在样品3中抑制面内方向上的磁分量，从而加强垂直磁各向异性。

表5示出了关于样品1至4的垂直各向异性磁场和面内各向异性磁场的测量结果。当垂直各向异性磁场与面内各向异性磁场的比等于或大于1时，这意味着存在面内磁场分量。因此，该比有必要小于1。在各样品1至3的情况下，比小于1，因此各样品1至3满足该要求。另一方面，样品4不满足该要求。

表5

根据前述，适于选择隧道屏蔽层与磁化固定层之间的界面中的Co-Fe-B合金的组成，由此减少膜中的抗磁场分量，并且因此强化垂直磁各向异性。

图7A和7B分别示出了关于样品3和样品4获得的磁阻曲线。图7A示出了关于样品4的测量结果。另外，图7B示出了关于样品3的测量结果。

参考图7A，磁场变化相对元件电阻变化缓慢。另一方面，参考图7B，磁场变化相对元件电阻变化急剧。

由此，可以理解样品3具有充分的磁阻变化率(MR率)。

表6示出了矫顽力的值，Δ作为热稳定性指数。由表6，可以理解确保必要的数值。

表6

尽管到目前为止已经描述了实施方式，但是本发明决不限于上述实施方式中示出的存储元件3的膜结构，因此本发明可以采用各种层结构。

例如，尽管在上述实施方式中，存储层17与磁化固定层15中的Co-Fe-B三元合金的组成彼此一致，但是本发明决不限于上述实施方式，并且因此可以采用其它各种结构而不背离本发明的主题。

此外，尽管在上述实施方式中，仅示出了单基极层14、保护材料、以及存储元件的形状，但是本发明决不限于此，可以采用任何其它合适的结构而不背离本发明的主题。

此外，尽管在上述实施方式中，磁化固定层15采用由构成两层或三层的铁磁层和非磁性层构成的多层铁钉扎结构，但是同样可以采用由两层或三层或更多层构成的多层。此外，同样可以采用向多层铁钉扎结构增加反铁磁性膜的结构。

此外，即使在存储层17设置在磁化固定层15下侧的结构中，或者在存储层17设置在磁化固定层15上侧的结构中，也根本不存在问题。此外，即使在磁化固定层15分别存在于存储层17的上侧和下侧的所谓的双结构中，也根本不存在问题。

本发明包含于2010年9月13日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2010-204372中公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。

本领域技术人员应当理解，可以根据设计要求和其它因素，在所附权利要求书的范围内或其等同范围内进行各种修改、组合、子组合以及变换。

Claims

1.一种存储元件，包括：

存储层，具有垂直于膜面的磁化，其中，磁化方向对应于信息而改变；

磁化固定层，具有垂直于所述膜面的磁化，并成为存储在所述存储层中的信息的基准，包括多个磁性层，并且具有介由非磁性层而将所述多个磁性层进行层压的多层铁钉扎结构；以及

绝缘层，由非磁性材料制成，并且设置在所述存储层与所述磁化固定层之间，其中，

通过在具有所述存储层、所述绝缘层以及所述磁化固定层的层结构的层压方向上注入自旋极化电子来改变所述存储层的磁化方向，从而在所述存储层中记录信息，以及

所述存储层接收的有效抗磁场的大小小于所述存储层的饱和磁化量。

2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，构成所述存储层的铁磁层材料、以及构成所述磁化固定层的所述多个磁性层中的位于与所述绝缘层的界面中的磁性层均由Co-Fe-B制成。

3.根据权利要求2所述的存储元件，其中，Co-Fe-B的组成为(Co_xFe_y)_100-zB_z，其中，0≤Co_x≤40，60≤Fe_y≤100，0＜B_z≤30。

4.一种存储装置，包括

存储元件，基于磁性材料的磁化状态保持信息，以及

彼此交叉的两种配线，其中

所述存储元件包括：存储层，具有垂直于膜面的磁化，并且其中磁化方向对应于信息而改变；磁化固定层，具有垂直于膜面的磁化，成为存储在所述存储层中的信息的基准，包括多个磁性层，并且具有介由非磁性层而将所述多个磁性层进行层压的多层铁钉扎结构；以及绝缘层，由非磁性材料制成，并且设置在所述存储层与所述磁化固定层之间；通过在具有所述存储层、所述绝缘层以及所述磁化固定层的层结构的层压方向上注入自旋极化电子来改变所述存储层的磁化方向，从而在所述存储层中记录信息；以及所述存储层接收的有效抗磁场的大小小于所述存储层的饱和磁化量，

所述存储元件设置在所述两种配线之间，以及

使电流通过所述两种配线在所述层压方向上流过所述存储元件，从而注入所述自旋极化电子。