CN102403038A - 存储元件和存储器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了存储元件和存储器件。该存储元件，包括具有垂直于膜面的磁化且其磁化方向对应于信息而改变的存储层；具有垂直于膜面且成为存储在存储层中的信息的基准的磁化的磁化固定层；设置在该存储层和该磁化固定层之间并由非磁性层构成的绝缘层，其中，沿具有该存储层、该绝缘层和该磁化固定层的层结构的层压方向注入自旋极化电子，从而磁化方向改变，并对该存储层执行信息的记录，该存储层接收的有效抗磁场的强度小于该存储层的饱和磁化量。

Description

存储元件和存储器件
技术领域
本发明涉及一种存储元件以及具有该存储元件的存储器件，其中，该存储元件包括存储铁磁层的磁化状态作为信息的存储层以及磁化方向固定且通过使电流流动来改变存储层的磁化方向的磁化固定层。
背景技术
在诸如电脑的信息设备中，高速运行的高密度DRAM已被广泛用作随机存取存储器。
然而，DRAM是当断开电源时信息被檫除的易失性存储器，从而期望信息不被檫除的非易失性存储器。
此外，作为非易失性存储器的候选，通过磁性材料的磁化来记录信息的磁性的随机存取存储器(MRAM)已引起关注并因此而被开发。
MRAM使电流分别流向基本上相互垂直的两种地址配线(字线和位线)，利用每种地址配线产生的电流磁场使位于磁性存储元件的地址配线的交叉点的磁性存储元件的磁性层的磁化反向，从而执行信息的记录。
图10示出了常见MRAM的示意图(透视图)。
构成选择每个存储单元的选择晶体管的漏区108、源区107以及栅极101分别形成在由半导体衬底110(诸如硅衬底)的元件分离层102分离的部分。
此外，沿附图中的前后方向延伸的字线105设置在栅极101的上侧。
漏区108通常形成了附图中的左右选择晶体管，配线109连接至漏区108。
此外，磁性存储元件103设置在字线105和相对于字线105设置在上侧并沿附图中的左右方向延伸的位线106之间，每个磁性存储元件具有磁化方向反转的存储层。例如，通过磁性隧道结元件(MTJ元件)配置这些磁性存储元件103。
此外，磁性存储元件103通过水平旁通管线111和垂直接触层104电连接至源区107。
当使电流流向字线105和位线106时，电流磁场施加至磁性存储元件103，从而使磁性存储元件103的存储层的磁化方向反向，因此可执行信息的记录。
此外，针对诸如MRAM的磁性元件，记录信息的磁性层(存储层)必须具有恒定的抗磁力，以便稳定保持记录信息。
另一方面，需要使一定数量的电流流向地址配线以便重写记录信息。
然而，随着构成MRAM的元件的微型化，地址配线变得越来越细，从而难以使足够的电流流动。
因此，作为能够利用相对较小的电流来实现磁化反向的配置，具有利用自旋注入磁化反向的配置的存储器已引起关注(例如，参照日本未审查专利申请公开2003-17782和2008-227388，美国专利第6,256,223号的说明书，《物理评论(Phys.Rev.)B》，54.9353(1996)以及《磁学与磁性材料杂志(J.Magn.Mat.)》159，L1(1996))。
使用自旋注入的磁化反向指将自旋极化电子在通过磁性材料之后注入其他磁性材料，从而在其他磁性材料中引起磁性反向。
例如，在使电流沿垂直于膜面的方向流向巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)时，可以使该元件的磁性层的至少一部分的磁化方向反向。
此外，使用自旋注入的磁化反向的优点在于即使元件变得很微小，可实现磁化反向而不增加电流。
图11和12示出了具有利用上述自旋注入的磁化反向的配置的存储器件的示意图。图11示出透视图，图12示出截面图。
构成选择每个存储单元的选择晶体管的漏区58、源区57以及栅极51分别形成在由半导体衬底60(诸如硅衬底)的元件分离层52分离的部分。其中，栅极51同时也具有沿图11中的前后方向延伸的字线的功能。
漏区58通常形成图11中的左右选择晶体管，配线59连接至漏区58。
具有通过自旋注入使磁化方向反向的存储层的磁性存储元件53设置在源区57和设置在源区57上侧并沿图11中的左右方向延伸的位线56之间。
例如，通过磁性隧道结元件(MTJ元件)配置该磁性存储元件53。磁性存储元件53具有两层磁性层61和62。在这两层磁性层61和62中，一侧磁性层设置为磁化方向固定的磁化固定层，另一侧磁性层设置为磁化方向改变的磁化自由层，即存储层。
此外，磁性存储元件53分别通过上和下接触层54连接至每条位线56和源区57。以这种方式，在使电流流向存储元件53时，通过自旋注入使存储层的磁化方向反向。
在具有利用该自旋注入磁化反向的配置的存储器件的情况中，可使该器件的结构与图10中所示的通用MRAM相比更简单，因此其特性在于高致密化变为可能。
此外，当采用自旋注入磁化反向时，优点在于即使当元件微型化进行时，与通过外部磁场执行磁化反向的通用MRAM相比，也不增加写入电流。
发明内容
然而，在MRAM的情况下，写入配线(字线或位线)独立于存储元件设置，利用通过使电流流向写入配线产生的电流磁场执行信息的写入(记录)。因此，可使写入所需的足够量的电流流向写入配线。
另一方面，在具有利用自旋注入的磁化反向的配置的存储器件中，需要通过利用流向存储元件的电流执行自旋注入来使存储层的磁化方向反向。
由于通过直接使电流流向上述存储元件来执行信息的写入(记录)，通过将存储元件连接至选择晶体管来配置存储单元，以便选择执行写入的存储单元。在该情况下，将流向存储元件的电流限制为能够流向选择晶体管的电流大小(选择晶体管的饱和电流)。
因此，需要利用选择晶体管的饱和电流以下的电流来执行写入，因此需要通过提高自旋注入效率来减小流向存储元件的电流。
此外，为了增加读出信号强度，需要确保较大的磁阻变化率，为了实现该目的，采用存储元件的配置是有效的，其中将与存储层的两面均接触的中间层设置为隧道绝缘层(隧道阻挡层)。
这样，在隧道绝缘层用作中间层的情况下，限制流向存储元件的电流量以防止隧道绝缘层的绝缘击穿。从该观点来看，也需要在自旋注入时限制电流。
由于电流值与存储层的膜厚度成正比且与存储层的饱和磁化的平方成正比，因此调整这些值(膜厚度以及饱和磁化)来降低该电流值可能有效(例如，参照F.J.Albert等，《应用物理快报(Appl.Phy.Lett)》77，3809(2000))。
例如，在美国专利申请公开2005/0184839A1中，公开了降低记录材料的磁化量(Ms)时，可能会降低电流值的事实。
然而，另一方面，如果不存储电流写入的信息，则不能实现非易失性存储器。即，需要确保存储层的热起伏的稳定性(热稳定性)。
在利用自旋注入磁化反向的存储元件的情况中，由于存储层的容量变小，与现有技术的MRAM相比，简单地认为热稳定性趋于下降。
在未确保存储层的热稳定性时，反向的磁化方向通过加热重新反向，并且这导致写入错误。
此外，在利用自旋注入磁化反向的存储元件的大容量改进的情况下，存储元件的容量变小，使得确保热稳定性变成了重要的问题。
因此，关于自旋注入磁化反向的存储元件，热稳定性是非常重要的特性。
因此，为了实现具有通过自旋注入使作为存储器的存储层的磁化方向反向的配置的存储元件，需要将自旋注入磁化反向所需的电流降到晶体管的饱和电流值以下，从而确保可靠地保持写入信息的热稳定性。
如上所述，为了降低自旋注入磁化反向所需的电流，可以考虑降低存储层的饱和磁化量Ms或使存储层变薄。例如，如在美国专利申请公开2005/0184839A1中的情况，使用具有较小饱和磁化量Ms的材料作为存储层的材料是有效的。然而，以这种方式，在仅使用具有较小饱和磁化量Ms的材料的情况下，难以确保可靠地保持信息的热稳定性。
因此，在本发明中，期望提供在不增加写入电流的情况下能够提高热稳定性的存储元件，以及具有该存储元件的存储器件。此外，期望提供即使在350℃以上的温度下对构成存储层的磁性材料进行热处理时也具有优良特性的存储元件。
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强度且其磁化方向对应于信息而改变；磁化固定层，具有垂直于该膜面且为存储在存储层中的信息的基准的磁化的磁化固定层；以及绝缘层，设置在该存储层和该磁化固定层之间由非磁性层构成。沿具有存储层，绝缘层和磁化固定层的层结构的层压方向注入自旋极化电子，从而磁化方向改变，并对存储层执行信息的记录，该存储层接收的有效抗磁场的强度小于存储层的饱和磁化量。
此外，构成存储层的铁磁材料可以是Co-Fe-B。
在这种情况下，Co-Fe-B的组成可以是(Cox-Fey)100-z-Bz，其中0≤Cox≤40、60≤Fey≤100且0＜Bz≤30。
此外，Co-Fe-B的组成可以是(Cox-Fey)100-z-Bz，其中0≤Cox≤40、60≤Fey≤100且20＜Bz≤40。
根据本发明另一实施方式，提供了一种存储器件，包括：存储元件，通过磁性材料的磁化状态保持信息，两种配线，相互交叉，其中，存储元件具有根据本发明实施方式的上述存储元件的配置，存储元件设置在两种配线之间，通过两种配线，层压方向上的电流流向该存储元件，从而将自旋极化电子注入该存储元件。
根据本发明实施方式的存储元件的配置，提供通过磁性材料的磁化状态保持信息的存储层，磁化固定层设置通过中间层设置在存储层上，中间层由绝缘材料构成，沿层压方向注入自旋极化电子且磁化方向改变，从而对存储层执行信息的记录，因此可通过使电流沿层压方向流动并注入自旋极化电子来执行信息的记录。
此外，存储层接收的有效抗磁场的强度小于存储层的饱和磁化量，存储层接收的有效抗磁场降低，因此可降低使存储层的磁化方向反向所需的写入电流量。
另一方面，即使不减小存储层的饱和磁化量也可减小写入电流量，从而存储层的饱和磁化量变得充足，并可充分确保存储层的热稳定性。
特别地，在根据本发明实施方式的存储元件中，存储层和磁化固定层具有垂直于膜面的磁化。具有垂直磁各向异性的配置与具有平面磁各向异性的配置相比适合低功耗和大容量。其原因被认为是因为在垂直磁化的情况下，自旋转矩磁化反向期间要被超过的势垒较低，由于垂直磁化膜具有的高磁各向异性，存储层保持信息的热稳定性变得有利。
此外，根据本发明实施方式的存储器件的配置，存储元件设置在两种配线之间，通过两种配线，沿层压方向的电流流向存储元件，从而将自旋极化电子注入存储元件。因此，可通过两种配线使在存储元件的层压方向的电流流动的自旋注入来执行信息的记录。
此外，即使不减小存储层的饱和磁化量时，也可减小存储元件的写入电流量，使得可以稳定地保持记录在存储元件中的信息，并降低存储器件的功耗。
根据本发明的实施方式，即使不减小存储层的饱和磁化量，也可减小存储元件的写入电流量，从而充分确保表示信息保持能力的热稳定性，且可配置具有特性平衡优良的存储元件。因此，可以通过消除操作误差来充分获取存储元件的动作裕度。
此外，特别地，在将构成存储层的铁磁材料设置为Co-Fe-B，且Co-Fe-B的组成是(Cox-Fey)100-z-Bz，其中0≤Cox≤40、60≤Fey≤100且0＜Bz≤30时，这适用于构成具有垂直磁化的存储层。
此外，假设热处理温度为基本上350至450℃的相对较高的温度时，在Co-Fe-B的组成是(Cox-Fey)100-z-Bz，其中0≤Cox≤40、60≤Fey≤100且20＜Bz≤40的情况下，构成存储层的铁磁材料即使在高温热处理下也表现出较高的隧道磁阻效应，使得该组成是合适的。
因此，可以实现操作稳定且具有高可靠性的存储器件。
此外，减小写入电流，使得在执行写入存储元件期间可以降低功耗。
因此，可降低整个存储器件的功耗。
附图说明
图1为示出根据本发明实施方式的存储器件的示意配置的说明图；
图2为示出根据实施方式的存储元件的截面图；
图3为示出用于实验的存储元件的样品的层结构的说明图；
图4为示出尺寸为0.09×0.18μm的存储层的Co的量与反向电流密度之间关系的示图；
图5为示出尺寸为0.09×0.18μm的存储层的Co的量与热稳定性指数之间的关系的示图；
图6为示出尺寸为50nmφ的存储层的Co的量与热稳定性指数之间的关系的示图；
图7为示出用于实验的存储元件的样品的层结构的说明图；
图8为示出实施方式存储层的Co-Fe-B的每种组成的TMR的热处理温度依存性的示图；
图9A至9C为示出在针对实施方式存储层的Co-Fe-B，在以Co/Fe比改变B的浓度和热处理温度的情况下测量TMR特性的结果的示图；
图10为示意性地示出现有技术中MRAM的配置的透视图；
图11为示出使用通过自旋注入的磁化反向的存储器件的示意配置的说明图；以及
图12为图11的存储器件的截面图。
具体实施方式
在下文中，将按照下列顺序描述本发明的实施方式。
1.实施方式的存储元件的概况
2.第一实施方式的配置
3.与第一实施方式相关的实验
4.第二实施方式的配置
5.与第二实施方式相关的实验
6.变形例
1.实施方式的存储元件的概况
首先将描述根据本发明的实施方式的存储元件的概况。
根据本发明的实施方式通过上述自旋注入使存储元件的存储层的磁化方向反向来执行信息的记录。
存储层由诸如铁磁层的磁性材料构成，并通过磁性材料的磁化状态(磁化方向)保持信息。
下文将详细介绍，但存储元件具有图2示出的其实例的层结构，包括存储层17和作为两层磁性层的磁化固定层15，以及作为设置在两层磁性层之间的中间层的绝缘层16(隧道绝缘层)。
存储层17具有垂直于膜面的磁化，且磁化方向对应于信息改变。
磁化固定层15具有为存储在存储层中的信息的基准且垂直于膜面的磁化。
绝缘层16由非磁性层构成且设置在存储层17和磁化固定层15之间。
沿具有该存储层17、绝缘层16和磁化固定层15的层结构的层压方向注入自旋极化电子，存储层17的磁化方向改变，从而将信息记录在存储层17中。
通过自旋注入使磁性层(存储层17)的磁化方向反向的基本操作使电流产生阈值或使电流沿垂直于膜面的方向更多地流向包括巨磁阻效应元件(GMR元件)或隧道磁阻效应元件(MTJ元件)的存储元件。此时，电流的极性(方向)取决于反向的磁化方向。
在使具有小于阈值的绝对值的电流流动的情况下，磁化反向不出现。
通过自旋注入使磁性层的磁化方向反向时所需电流的阈值Ic通过下列等式表示：
Ic＝A·α·Ms·V·Hd/2η
这里，A：常数，α：自旋制动常数，η：自旋注入效率，Ms：饱和磁化量，V：存储层的容量，Hd：有效抗磁场。
如等式所示，可以通过控制磁性层的容量V、磁性层的饱和磁化量Ms、自旋注入效率η和自旋制动常数α将电流的阈值设置为任意值。
更严格地说，利用自旋转矩磁化反向使磁性层的磁化方向反向所需的电流的阈值Ic不相同，取决于易磁化轴是在平面方向还是垂直方向。
根据实施方式的存储元件为垂直磁化型，但是现有技术的存储元件为平面磁化型时，使磁性层的磁化方向反向的反向电流设置为Ic_para，在从相同方向至相反方向执行反向的情况下(此外，相同方向和相反方向是磁化方向，其中给出磁化固定层的磁化方向作为参考)，Ic_para＝(A·α·Ms·V/g(0)/P)(Hk+2πMs)。
此外，当从相反方向至相同方向执行反向时，Ic_para＝(A·α·Ms·V/g(π)/P)(Hk+2πMs)。
另一方面，在这种情况下，将本实施方式的垂直磁化型存储元件的反向电流设置为Ic_perp＝(A·α·Ms·V/g(0)/P)(Hk-4πMs)。
此外，在从相反方向至相同方向执行反向的情况下，Ic_perp＝(A·α·Ms·V/g(π)/P)(Hk-4πMs)。
这里，A是常数，α是阻尼常数，Ms是饱和磁化，P是自旋极化率，g(0)和g(π)分别是在相同方向和相反方向时对应于将自旋转矩转换为相应磁性层的效率的系数，Hk是磁各向异性(参考《自然材料》5，210(2006))。
在每个等式中，当将垂直磁化(Hk-4πMs)的情况与平面磁化(Hk+2πMs)的情况作比较时，可以理解为垂直磁化型适用于低写入电流。
本实施方式的存储元件利用隧道磁阻效应引起的电阻的差值执行信息的读出。即，当隧道磁阻效应比较大时，输出也会变大。隧道磁阻效应TMR通过利用自旋极化率的下列等式(1)表示。
TMR ( % ) = P 1 P 2 1 - P 1 P 2 × 100 - - - ( 1 )
这里，P1是磁化固定层的自旋极化率，P2是存储层的自旋极化率。从等式(1)可以看出，当自旋极化率较大时，TMR变大。
此外，从与反向电流等式的比较可看出，应理解低电流和高输出(高TMR)是协调关系。
在该实施方式中，存储元件包括磁性层(存储层17)以及磁化固定层15，磁性层能够通过磁化状态保持信息，磁化固定层15的磁化方向是固定的。
存储元件必须保持写入信息以用作存储器。这由作为维护信息的能力的指数的热稳定性的指数Δ(＝KV/kBT)的值确定。上述Δ通过下列等式(2)表示。
Δ＝KV/kBT＝Ms·V·Hk·(1/2kBT)(2)
这里，Hk：有效各向异性磁场，kB：波兹曼常数，T：温度，Ms：饱和磁化量，V：存储层的容量。
有效各向异性磁场Hk接收形状磁各向异性、诱导的磁各向异性和晶体磁各向异性等的影响，当假设单磁区的相干旋转模型时，有效各向异性磁场与抗磁力相同。
热稳定性的指数Δ以及电流的阈值Ic通常为折衷关系。因此，指数和阈值的并存性成了保持存储特性的问题。
对于改变存储层17的磁化状态的电流的阈值，实际上，例如，在存储层17的厚度为2nm，平面模型基本上为100nm×150nm的椭圆形的TRM元件中，正侧的阈值+Ic为0.5mA，负侧的阈值-Ic为-0.3mA，此时的电流密度基本上为3.5×106A/cm2。这些值基本上对应于上述Ic的等式(Ic_para的等式)。
相反，在利用电流磁场执行磁化反向的通常的MRAM中，几毫安以上的写入电流是必要的。
因此，在通过自旋注入执行磁化反向的情况下，上述写入电流的阈值变得足够小，因此这对降低集成电路的功耗是有效的。
此外，不需要通常的MRAM所需的用来产生电流磁场的配线(图10的配线105)，使得与通常的MRAM相比，对于集成度来说是有利的。
在通过自旋注入执行磁化反向的情况下，由于通过直接使电流流向存储元件来执行信息的写入(记录)以选择执行写入的存储单元，存储元件；连接至选择晶体管以构成存储单元。
在这种情况下，将流向存储元件的电流限制为能够流向选择晶体管的电流大小(选择晶体管的饱和电流)。
为了使利用自旋注入磁化反向的电流的阈值Ic小于选择晶体管的饱和电流，从Ic的等式可以看出，降低存储层17的饱和磁化量Ms是有效的。
然而，在只降低饱和磁化量Ms的情况下(例如，美国专利申请公开2005/0184839A1)，存储层17的热稳定性显著下降，因此存储元件难以用作存储器。
为了构造存储器，热稳定性的指数Δ必须一定程度的大小以上。
发明人已经作出各种研究，因此，他们发现当例如选择Co-Fe-B的组成作为构成存储层17的铁磁层时，存储层17接收的有效抗磁场的强度(Meffective)小于存储层17的饱和磁化量Ms。
利用上述铁磁材料，存储层17接收的有效抗磁场的强度小于存储层17的饱和磁化量Ms。
以这种方式，可使存储层17接收的有效抗磁场变小，因此在不降低等式(2)表示的热稳定性Δ的情况下，可以获得减小Ic的等式表示的电路的阈值Ic的效果。
此外，发明人发现Co-Fe-B在选择的Co-Fe-B组成的受限制的组成范围内沿垂直于膜面的方向磁化，由此，即使非常微小的能实现千兆位级容量的存储元件，也可确保足够的热稳定性。
因此，对于自旋注入式磁化反向存储器，在Gbit级自旋注入式磁化反向存储器中确保热稳定性的状态下，可制造利用较低电流来写入信息的稳定存储器。
在该实施方式中，配置使得存储层17接收的有效抗磁场的强度小于存储层17的饱和磁化量Ms，即，有效抗磁场的强度相对于存储层17的饱和磁化量Ms的比变为小于1。
此外，鉴于选择晶体管的饱和电流值，利用隧道绝缘层(绝缘层16)配置磁性隧道结(MTJ)元件，隧道绝缘层由绝缘材料构成，作为设置在存储层17和磁化固定层15之间的非磁性中间层。
利用隧道绝缘层配置磁性隧道结(MTJ)元件，使得与利用非磁性导电层配置巨磁阻效应(GMR)元件的情况相比，可使磁阻变化率(MR比)变大，因此可以增加读出信号强度。
特别地，当氧化镁(MgO)用作隧道绝缘层16的材料时，与使用常用的氧化铝的情况相比，可使磁阻变化率(MR变化率)变大。
此外，一般地，自旋注入效率取决于MR变化率，MR变化率越大，自旋注入效率提高得越多，因此，可降低磁化反向电流密度。
因此，当氧化镁用作隧道绝缘层16的材料时并使用存储层17时，可以通过自旋注入来降低阈值写入电流，从而可以利用较小的电流来执行信息的写入(记录)。此外，可以增加读出信号强度。
以这种方式，可以通过确保MR变化率(TMR率)采用自旋注入来降低阈值写入电流，并可以利用小的电流来执行信息的写入(记录)。此外，可以增加读出信号强度。
如上所述，在隧道绝缘层16由氧化镁(MgO)构成的情况下，期望使MgO膜结晶并因此在001方向保持结晶取向。
此外，在该实施方式中，除氧化镁构成的配置之外，存储层17和磁化固定层15之间的中间层(隧道绝缘层16)可利用例如各种绝缘材料、介电材料和诸如氧化铝、氮化铝、SiO2、Bi2O3、MgF2、CaF、SrTiO2、AlLaO3、Al-N-O等的半导体来配置。
从获得通过自旋注入使存储层17的磁化方向反向所需的电流密度的角度来说，隧道绝缘层16的面积电阻值必须控制为几十Ωμm2以下。
在MgO膜构成的隧道绝缘层16中，必须将MgO膜的膜厚度设置为1.5nm以下以将面积电阻值保持在上述范围内。
此外，期望使存储元件更小，以利用较小的电流而很容易地使存储层17的磁化方向反向。
因此，优选地，将存储元件的面积设置为0.01μm2以下。
此外，在该实施方式中，存储层17可通过直接层压具有不同组成的另一铁磁层来形成。此外，铁磁层和软磁层可层压，或多层铁磁层可通过介入其间的软磁层或非磁性层层压。即使在用这种方式层压的情况下，也可获得本发明的效果。
特别地，在通过非磁性层层压多层铁磁层来配置存储层17的情况下，可以调整铁磁层间的相互作用强度，使得即使存储层的尺寸在亚微米之下时，也存在获得的控制磁化反向电流使电流不会变大的效果。在这种情况下，可使用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。
期望磁化固定层15和存储层17具有单向各向异性。
此外，期望磁化固定层15和存储层17的每层的膜厚度为0.5至30nm。
存储元件的其他配置可与现有技术中通过自旋注入记录信息的存储元件的配置相同。
磁化固定层15可通过只利用铁磁层或利用反铁磁层和铁磁层的反铁磁组合来固定磁化方向的方式进行配置。
此外，磁化固定层15可利用单层铁磁层或通过非磁性层层压多层铁磁层的含铁引脚结构进行配置。
可使用Co、CoFe、CoFeB等作为构成层压的含铁引脚结构的磁化固定层15的铁磁层的材料。此外，可使用Ru、Re、Ir、Os等作为非磁性层的材料。
例如，诸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO和Fe2O3等的磁性材料可用作反铁磁层的材料。
此外，可通过将诸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo、Nb等非磁性元素添加到上述磁性材料中来调整磁性特性，或除此之外，也可调整诸如结晶结构、结晶性能、物质稳定性等各种物理性质。
此外，关于存储元件的膜配置，存储层17可设置在磁化固定层15的下侧、上侧以及任意位置，没有任何问题。此外，磁化固定层15设置在存储层17的上侧和下侧(所谓的双重结构)的情况中，也没有任何问题。
此外，在读出记录在存储元件的存储层17中的信息的方法中，为信息的基准的磁性层通过较薄的绝缘膜设置在存储元件的存储层17上，利用通过绝缘层16流动的铁磁隧道电流可执行读出，或者利用磁阻效应执行读出。
2.第一实施方式的配置
随后，将描述本发明的第一实施方式的具体配置。
作为本发明的实施方式，图1示出了存储器件的示意性配置图(透视图)。
存储器件包括存储元件3，其可将信息保持在磁化状态，设置在相互垂直的两种地址配线(例如，字线和位线)的交叉点附近。
具体地，构成选择每个存储单元的选择晶体管的漏区8、源区7和栅极1分别形成在由半导体衬底10(例如硅衬底)的元件分离层2分离的部分。其中，栅极1还用作在附图中的前后方向延伸的一侧地址配线(例如，字线)。
漏区8通常形成有附图中的左右选择晶体管，配线9连接至漏区8。
存储元件3设置在源区7和设置在上侧并沿附图中的左右方向延伸的另一侧地址配线(例如，位线)之间。存储元件3具有包括铁磁层的存储层，通过自旋注入使铁磁层的磁化方向反向。
此外，存储元件3设置在两种地址配线1和6的交叉点附近。
存储元件3分别通过上下接触层4与位线6和源区7连接。
以这种方式，通过两种地址配线1和6，电流沿其垂直方向流向存储元件3，并通过自旋注入使存储层的磁化方向反向。
此外，图2示出了根据实施方式的存储器件的存储元件3的截面图。
如图2所示，在存储元件3中，底层14、磁化固定层15、绝缘层16、存储层17和顶层18从下层侧顺序层压。
在这种情况下，磁化固定层15相对于通过自旋注入使磁化方向反向的存储层17设置在下层。
关于自旋注入式磁化反向存储器，通过存储层17的磁化强度M17和磁化固定层15的磁化强度M15之间的相对角度来限定信息“0”和“1”。
用作隧道阻挡层(隧道绝缘层)的绝缘层16设置在存储层17和磁化固定层15之间，因此MTJ元件利用存储层17和磁化固定层15来配置。
此外，底层14形成在磁化固定层15的下方，顶层18形成在存储层17上。
存储层17由具有磁化强度M17的方向沿垂直于膜面的方向随意改变的磁矩的铁磁材料构成。磁化固定层15由具有磁化强度M15沿垂直于膜面的方向固定的磁矩的铁磁材料构成。
沿具有单向各向异性的存储层17的磁化方向执行信息的存储。通过沿垂直于膜面的方向施加电流并使自旋转矩磁化反向来执行信息的写入。以这种方式，磁化固定层15相对于通过自旋注入使磁化方向反向的存储层17设置在下层，并用作存储层17的存储信息(磁化方向)的基准。
在该实施方式中，Co-Fe-B用于存储层17和磁化固定层15。
特别地，将Co-Fe-B的组成设置为(Cox-Fey)100-z-Bz，其中0≤Cox≤40、60≤Fey≤100且0＜Bz≤30。
磁化固定层15用作信息的基准，使得不需要改变磁化方向，且不需要沿特定方向固定。可通过与存储层17相比，使抗磁力变大、膜厚度变大、阻尼常数变大、在存储层17中的移动变得越来越困难的方式配置磁化固定层15。
在固定磁化方向的情况下，诸如PtMn和IrMn的反铁磁材料可与磁化固定层1接触，或与这种铁磁材料接触的磁性材料可通过诸如Ru的非磁性材料磁性地组合，从而可间接地固定磁化固定层15。
在该实施方式中，特别地，调整存储元件3的存储层17的组成，使得存储层17接收的有效抗磁场的强度小于存储层17的饱和磁化量。
即，如上所述，选择存储层17的铁磁材料Co-Fe-B的组成，并使存储层17接收的有效抗磁场的强度变小，使得有效抗磁场的强度小于存储层17的饱和磁化量Ms。
此外，在该实施方式中，作为中间层的绝缘层16由氧化镁层构成。在这种情况下，可以使磁阻变化率(MR变化率)变高。
当MR变化率与上述的变化率一样高时，提高自旋注入效率，从而可以降低使存储层17的磁化强度M17的方向反向所需的电流密度。
实施方式的存储元件3可通过从真空装置的底层14至顶层18连续形成，然后通过诸如后继蚀刻等处理形成存储元件3的模型来制造。
根据上述实施方式，存储元件3的存储层17通过存储层17接收的有效抗磁场的强度小于存储层17的饱和磁化量Ms的方式进行配置，以便降低存储层17接收的有效抗磁场并降低使存储层17的磁化强度M17的方向反向所需的写入电流的量。
另一方面，即使不减小存储层17的饱和磁化量Ms也可减小写入电流的量，因此可以充分确保存储层17的饱和磁化量，并充分确保存储层17的热稳定性。
如上所述，由于可以充分确保表示信息保持能力的热稳定性，所以可配置特性平衡优良的存储元件3。
以这种方式，消除操作误差并充分获取存储元件3的动作裕度，使得可以稳定地操作存储元件3。
相应地，可以实现操作稳定且可靠性高的存储器。
此外，减小写入电流，可在写入存储元件3时可以降低功耗。
因此，可降低利用实施方式的存储元件3来配置存储单元的整个存储器件的功耗。
因此，对于包括能够实现具有优良的信息保持能力、具有高可靠性，操作稳定的存储元件3的存储器件，可以降低包括存储元件的存储器件的功耗。
此外，包括图2所示的存储元件3并具有图1所示的配置的存储器件的优点在于制造存储器件时可应用通用的半导体MOS形成工艺。
因此，可以将实施方式的存储器用作通用存储器。
3.与第一实施方式相关的实验
这里，关于实施方式的存储元件的配置，通过具体选择构成存储层17的铁磁层的材料，调整存储层17接收的有效抗磁场的强度，从而制造存储元件3的样品，并然后检查其特性。
在实际存储器件中，如图1所示，用于切换等的半导体电路不仅存在于存储元件3之中，还在这里对只形成存储元件的晶片进行检查以研究存储层17的磁化反向特性。
实验1
厚度为300nm的热氧化膜形成在厚度为0.725mm的硅衬底上，具有图2所示配置的存储元件3形成在热氧化膜上。
具体地，对于图2所示的存储元件3，选择材料和每层的膜厚度，如图3所示。
·底层14：膜厚为10nm的Ta膜和膜厚为25nm的Ru膜的层压膜
·磁化固定层15：膜厚为2.5nm的CoFeB膜
·隧道绝缘层16：膜厚为0.9nm的氧化镁膜
·存储层17：与磁化固定层具有相同组成的CoFeB膜
·顶层18：膜厚为3nm的Ta膜、膜厚为3nm的Ru膜和膜厚为3nm的Ta膜的层压膜
如上所述选择，膜厚为100nm的Cu膜(未示出)(用作下述字线)设置在底层14和硅衬底之间。
在上述配置中，存储层17的铁磁层由Co-Fe-B的三元合金构成，铁磁层的膜厚为2.0nm。
除由氧化镁膜构成的绝缘层16之外的每层都利用DC磁控溅射法构成。
由氧化镁(MgO)膜构成的绝缘层16利用射频磁控溅射法形成。
此外，形成存储元件3的每层之后，在磁场热处理炉中执行热处理。
接下来，在通过光刻掩蔽字线部分后，对除字线部分之外的层压膜利用Ar等离子进行选择刻蚀，从而形成字线(下电极)。
此时，除字线之外的部分在衬底中被刻蚀为5nm的深度。
随后，存储元件3的图案的掩膜利用电子束绘图仪形成，对层压膜进行选择刻蚀，从而形成存储元件3。除存储元件3之外的部分被刻蚀为Cu层正上方的字线的一部分。
此外，在用于特性评估的存储元件中，需要使充足的电流流向存储元件，以产生磁化反向所需的自旋转矩，使得需要抑制隧道绝缘层的电阻值。因此，将存储元件3的图案设置为短轴为0.09μm×长轴为0.18μm的椭圆形，将存储元件3的面积电阻值(Ωμm2)设置为20Ωμm2。
接下来，除存储元件3之外的部分通过溅射Al2O3以具有约100nm的厚度来进行绝缘。
随后，利用光刻法形成用作上电极的位线和测量垫。
以这种方式，制造存储元件3的样品。
利用上述制造方法，制造改变存储层17的铁磁层的Co-Fe-B合金的组成的存储元件3的每个样品。
在Co-Fe-B合金的组成中，CoFe和B的组成比(原子％)固定为80∶20，CoFe中Co的组成比，即x(原子％)变成90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％和0％。
关于如上所述制造的存储元件3的各个样品，如下所述执行特性评估。
在测量前，配置为从外侧向存储元件3施加磁场来通过正向的值与负向的值彼此对称的方式控制反向电流。
此外，向存储元件3施加的电压在不破坏绝缘层16的情况下设置为范围内的1V。
饱和磁化量的测量
采用振动样品磁强计的VSM测量来测量饱和磁化量Ms。
有效抗磁场的测量
作为用于测量有效抗磁场的样品，除上述存储元件3的样品之外，还制造形成构成存储元件3的每层的样品，随后处理样品，使其具有20mm×20mm的方形平面图案。
此外，通过FMR(铁磁共振)测量获得的有效抗磁场的强度Meffective。
针对任意外部磁场Hex，通过FMR测量获得的共振频率fFMR可通过下式(3)表示。
f FMR = γ , 4 π M effective ( H k + H ex ) - - - ( 3 )
这里，等式(3)中的Meffective可以通过4πMeffective＝4πMs-H⊥表示(H⊥：在垂直于膜面的方向上的各向异性磁场)。
反向电流值和热稳定性的测量
测量反向电流值，以根据实施方式来评估存储元件3的写入特性。
使脉冲宽度为10μs至100ms的电流流向存储元件3，随后测量存储元件3的电阻值。
此外，改变存储元件3的电流量，随后获得使存储元件3的存储层17的磁化强度M17的方向反向的电流值。将通过推测电流值的脉冲宽度依赖性为脉冲宽度1ns获得的值设置为反向电流值。
此外，反向电流值的脉冲宽度依赖性的倾斜与上述存储元件3的热稳定性的指数Δ相对应。反向电流值被脉冲宽度改变得越少(倾斜小)，存储元件3抵抗热干扰的能力增强得越多。
此外，制造配置相同的二十个存储元件3以考虑存储元件3自身的变化，执行上述测量，获得反向电流值的平均值和热稳定性指数Δ。
此外，从通过测量获得的反向电流值的平均值和存储元件3的平面图案的面积计算反向电流值Jc0。
关于存储元件3的每个样品，表1示出了存储层17的Co-Fe-B合金的组成、饱和磁化量Ms和有效抗磁场的强度Meffective的测量结果，以及有效抗磁场与饱和磁化量的比Meffective/Ms。这里，表1所述的存储层17的Co-Fe-B合金的量用原子％表示。
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可以看出，在(CoxFe100-x)80B20中Co的量x为70％以下的情况下，有效抗磁场的强度(Meffective)小于饱和磁化量Ms，即，Meffective/Ms的比在Co的量x为70％以下的情况下变成小于1.0的值。
此外，已证实Co的量x减少得越多，Meffective和Ms的差值就越大。
图4示出了反向电流值的测量结果，图5示出了热稳定性的指数的测量结果。
图4示出了存储层17的Co-Fe-B合金中Co的量x(CoFe中的含量；原子％)与从反向电流值获得的反向电流密度Jc0之间的关系。
图5示出了存储层17的Co-Fe-B合金的Co的量x(CoFe中的含量；原子％)与热稳定性的指数Δ(KV/kBT)之间的关系。
从图4可以看出，Co的量x减小时，反向电流密度Jc0也减小。
这是因为在Co的量x变小的情况中，饱和磁化量Ms增加，但有效抗磁场的强度Meffective减小，因此它们的乘积Ms×Meffective变小。
从图5可以看出，Co的量x减小时，热稳定性的指数Δ(＝KV/kBT)增加，在Co的量x在一定程度上或多或少的变小的情况中，热稳定性的指数Δ变稳定至较大值。
这很好地与表1所示的饱和磁化量Ms的测量结果期望的变化相对应，等式(2)的热稳定性的指数Δ与饱和磁化量Ms成正比。
如从表1、图4和如5的结果清楚可见，在Co的量x为70％以下且有效抗磁场Meffective小于饱和磁化量Ms的组成中，在不使用减小Ms并因此牺牲热稳定性的方法的情况下，可在保持较高热稳定性的同时减小反向电流密度Jc0。
实验2
从实验1可以看出，在(CoxFe100-x)80B20的情况中，在Co的量x为70％以下的组成中，可在保持较高热稳定性的同时减小反向电流值Jc0。
因此，在实验2中，利用具有组成(Co70Fe30)80Bz和组成(Co80Fe20)80Bz的存储层17来检查B的量对Co和Fe、以及Meffective/Ms的比的影响。样品的详细情况基本上与实验1中的情况相同。
表2示出了将(Co70Fe30)100-ZBz中的B的量设置为5至40％的CoFeB合金的组成，饱和磁化量Ms以及有效抗磁场的强度Meffective的测量结果，以及饱和磁化量和有效抗磁场的强度的比Meffective/Ms。
此外，表3示出了将(Co70Fe30)100-ZBz中的B的量近似地设置为5至40％的CoFeB合金的组成，以及饱和磁化量Ms和有效抗磁场的强度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的结果，可证实在将如(Co70Fe30)100-ZBz中的Co和Fe的比设置为70/30的情况下，除B的量z为40原子％的组成外，其他组成中有效抗磁场的强度Meffective小于饱和磁化量Ms。
根据表3的结果，可证实在将如(Co80Fe20)100-ZBz中的Co和Fe的比设置为80/20的情况下，在所有组成中有效抗磁场的强度Meffective大于饱和磁化量Ms。
根据上述表1至3的结果，显示了B的量在30原子％以下的范围内的情况中，饱和磁化量Ms和有效抗磁场的强度Meffective的大小对应关系由Co和Fe的比确定。
因此，在有效抗磁场的强度Meffective小于饱和磁化量Ms的Co-Fe-B合金的组成如下：
(Cox-Fey)100-z-Bz，
这里，0≤Cox≤70，
30≤Fey≤100，
0＜Bz≤30。
实验3
在Gbit级自旋注入式存储器中，假设存储元件的尺寸为100nmφ。因此，在实验3中，利用尺寸为50nmφ的存储元件对热稳定性进行评估。
在Co-Fe-B合金的组成中，CoFe和B的组成比(原子％)固定为80∶20，CoFe中Co的组成比x(原子％)变为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％和0％。
除样品尺寸外的样品的详细情况基本上与实验1中的情况相同。
在存储元件3的尺寸为50nmφ的情况中，图6示出了Co-Fe-B合金中Co的量(CoFe中的含量；原子％)和热稳定性的指数Δ(KV/kBT)之间的关系。
从图6可以看出，当元件尺寸为50nmφ时，热稳定性指数Δ的Co-Fe-B合金组成依赖性很大程度上不同于图4所示的短轴0.09μm×长轴0.18μm的椭圆形存储元件中获得的Δ的Co-Fe-B合金组成依赖性。
根据图6，只在Fe为60原子％以上的Co-Fe-B合金组成中保持较高的热稳定性。
由于各种评论，显而易见的是包含60原子％以上的Fe的Co-Fe-B合金在极微小的存储元件中显示出较高热稳定性Δ的原因是因为Co-Fe-B合金的磁化面向垂直于膜面的方向。
Co-Fe-B合金的磁化面向垂直于膜面的方向的原因被认为是由于有效抗磁场的强度Meffective明显小于饱和磁化量Ms的组成。
此外，即使在垂直磁化膜的极微小元件的情况中也可以确保热稳定性的原因与等式(2)中的Hk(有效各向异性磁场)有关，垂直磁化膜的Hk为显著大于平面磁化膜的值。即，在垂直磁化膜中，由于较大Hk的作用，即使在不能够确保平面磁化膜中足够热稳定性Δ的极微小元件的情况中，也可以保持较高的热稳定性。
根据上述实验结果，针对具有(CoxFe100-x)80B20组成的Co-Fe-B合金，在Fe100-x的量为60以上的情况中，该合金被视为适于利用自旋注入的Gbit级存储元件。
实验4
从上述实验3可以看出，在具有(CoxFe100-x)80B20的组成的Co-Fe-B合金中F的量为60以上时，合金适用于利用自旋注入的Gbit级存储元件。在实验4中，利用包含量为5至30原子％的B的Co-Fe-B合金制造尺寸为50nmφ的存储元件，并评估热稳定性。
除元件尺寸外的其他详细情况与实验1中的情况基本相同。
表4示出了热稳定性指数Δ(KV/kBT)和具有Co的量x为50、40、30、20、10和0，B的量z为5、10、20和30的(CoxFe100-x)80B20组成的Co-Fe-B合金之间的关系。
表4
Figure BDA0000087547480000261
从表4可以看出，除Co的量x为50，B的量z为5至30的情况之外，所有组成中的热稳定性Δ都保持较高。
即，如实验4的结果的情况中，显示了50和60的Co的量x成为确保对应于Gbit级自旋注入式磁化反向存储器的极微小元件的较高热稳定性的边界。
因此，根据上述结果，显示了存储层17的Co-Fe-B合金适用于按照下列组成制造Gbit级自旋注入式磁化反向存储器：
(Cox-Fey)100-z-Bz，
这里，0≤Cox≤40，
60≤Fey≤100，
0＜Bz≤30。
此外，对于Co-Fe-B合金，在Co和Fe中Fe的比较大的组成中，有效抗磁场的强度Meffective与饱和磁化量Ms之间的差值变大，合金容易被磁化，因此容易确保热稳定性。
因此，在磁性存储器的容量增加且存储元件3的尺寸减小的情况下，易于确保包含大量Fe的Co-Fe-B合金的热稳定性。
因此，例如，当假设利用Fe的量y为60且其尺寸为70nmφ的存储层17实现Gbit级自旋注入式磁性存储器时，优选地，当存储元件3的直径减少5nmφ时，Co-Fe-B合金中Fe的量y以值5增加。
例如，在(Cox-Fey)100-z-Bz的情况中，Fe的量y通过作为CoFe中含量的原子％为65％、70％、75％、80％、…(根据Co的量x 35％、30％、25％、20％、…的)的方式进行设置，这是对应于存储元件尺寸减小的更适当的实例。
4.第二实施方式的配置
在下文中，将描述第二实施方式。此外，存储器件的配置实例和第二实施方式的存储元件基本上与图1和2所示的相同，因此不再重复其赘述。
与第一实施方式相似，第二实施方式使用Co-Fe-B作为存储层17和磁化固定层15，但将Co-Fe-B的组成设置为Cox-Fey)100-z-Bz，其中0≤Cox≤40、60≤Fey≤100且20＜Bz≤40。
假设制造作为半导体器件的自旋注入式磁化反向存储器时，优选地，构成存储元件3的磁性材料在半导体工艺中允许的温度范围内显示出优良特性。
例如，由于在所有工艺中利用Si衬底制造芯片后进行的半导体工艺中使用的热负荷为350℃以上，在考虑该条件时，构成存储元件3的磁性材料必须具有优良特性，即使在350℃以上的温度下进行热处理。
此外，另一方面，存储器件的操作所需的晶体管通常暴露在例如450℃以上的高温，其特性容易劣化。因此，在450℃或500℃的高温下加热时表现出优良特性的磁性材料也不适用。
因此，假设制造自旋注入式磁化反向存储器时，构成存储元件3的磁性材料必须在350℃以上450℃以下的温度时表现出优良特性。
从与半导体工艺的热相容性的角度来说，由于通用垂直磁化材料的磁性特性或TMR特性在250℃以上温度下会劣化，或磁性特性在500℃以上的温度下才示出，因此难以处理垂直磁化膜。
然而，如上所述，垂直磁化膜适用于大容量和低功耗。因此，为自旋注入式磁化反向存储器开发在与半导体工艺高度相容的热处理条件下表现出低反向电流和高输出特性的垂直磁化膜非常重要。
因此，第二实施方式基于关于使用具有适用于上述低功耗的垂直磁各向异性的存储元件3的识别，在350℃以上450℃以下的热处理温度内必须确保较大的磁阻变化率。
为了降低上述写入电流，优选采用垂直型。此外，通常，与平面磁化膜相比，可以使垂直磁性膜具有较高的磁各向异性，使得从保持上述热稳定性Δ较高的角度，该配置是优选的。
例如，稀土过渡金属合金(TbCoFe等)、金属多层膜(Co/Pd多层膜等)、有序合金(FePt等)、氧化物和磁性金属之间利用界面各向异性的磁性材料(Co/MgO等)等可作为具有垂直各向异性的磁性材料。然而，通过加热扩散结晶时，稀土过渡金属合金失去垂直磁各向异性，因此自旋注入式磁化反向存储器是不优选的。此外，公开了当通过加热扩散金属多层膜时，其各向异性劣化，在(111)面中心立方取向时显示出垂直磁各向异性，因此难以实现MgO或与MgO相邻设置的诸如Fe、CoFe和CoFeB等的高极化层所需的(001)取向。
L10有序合金在高温下是稳定的，并在(001)取向时显示出垂直磁各向异性，因此有序合金不会出现上述问题，但需要在制造过程中在500℃以上的足够高的高温下加热有序合金，或需要在制造后在500℃以上的高温下进行热处理以有序化原子，因此有序合金与半导体工艺具有较低相容性。此外，有序合金可引起层压膜的另一部分(例如，隧道势垒)不优选的扩散，或可增加界面粗糙度。
与此相反，在利用界面磁各向异性的材料，即，具有Co基或Fe基材料层压在MgO上的配置的材料的情况中，很难出现上述问题，因此该材料有望成为用于自旋注入式磁化反向存储器的存储层的材料。
因此，发明人进行了深入研究，作为其结果，他们发现在由Co-Fe-B构成且具有(Cox-Fey)100-z-Bz组成(其中0≤Cox≤40、60≤Fey≤100且20＜Bz≤40)的磁性材料的情况中，这种材料即使在热处理温度为350℃以上的状态下也能在表示反向电流的等式中高度保持自旋极化率P。
关于高输出元件，当自旋极化率P较高时，可根据实施方式实现低反向电流。
此外，在使用具有较高磁各向异性的垂直磁化材料时，可提供高输出低功耗的自旋注入式磁化反向元件(存储元件3)。
根据第二实施方式的存储器件和存储元件3的配置基本上与图1和2相同，但存储元件3的存储层17具有上述组成。
具体地，根据第二实施方式的存储元件，设置通过磁性材料的磁化状态保持信息的存储层17，通过作为中间层的绝缘层16相对于存储层17设置磁化固定层15。沿层压方向注入自旋极化电子，从而磁化方向改变，并对沿垂直于膜面的方向磁化的存储层17执行信息的记录。这里，例如，使用具有上述组成的Co-Fe-B作为构成存储层17的铁磁材料，使得即使在较高温度热处理条件下也可获得较高的磁阻效应和较低的反向电流特性。
以这种方式，可以实现在较高温度热处理条件下的高输出，可能出现低电流的磁化反向。
此外，关于使用存储元件3的存储器件，电流通过两种配线(图1中的配线1和6)沿存储元件3的层压方向流入存储元件3，从而发生自旋转移，使得可通过使电流通过两种配线沿存储元件3的层压方向流动来执行信息的记录。
根据第二实施方式，即使在较高温度热处理条件下也可获得高输出低电流操作的特性，因此可配置具有特性平衡优良的存储元件3。
此外，使用具有较高磁各向异性的垂直磁化膜，使得信息的热稳定性不会劣化。
以这种方式，消除操作误差并充分获取存储元件3的动作裕度，使得可以稳定地操作存储元件3。
上述材料在350℃以上450℃以下的温度下在高温热处理中表现出优良特性，使得这种材料与半导体工艺具有较高的相容性。
此外，减小关于存储元件3的写入电流，使得可以降低存储元件3的功耗。
因此，可降低通过该实施方式的存储元件3配置存储单元的整个存储器件的功耗。
因此，可以实现操作稳定且可靠性高的存储器。
此外，包括图2所示的存储元件3并具有图1所示的配置的存储器的优点在于制造存储器时可利用通用半导体MOS形成工艺。
因此，可以将该实施方式的存储器用作通用存储器。
此外，磁化固定层15可由具有上述配置的Co-Fe-B构成。
此外，在第二实施方式中，当作为中间层的绝缘层16由氧化镁构成时，可使磁阻变化率(MR变化率)变大。
MR变化率变高时，提高自旋注入效率，因此可进一步降低使存储层17的磁化强度M17的方向反向所需的电流。
此外，存储元件3可通过从真空装置的底层14至顶层18连续形成，然后通过诸如后继蚀刻等处理形成存储元件3的图案来制造。
5.与第二实施方式相关的实验
关于实施方式的存储元件3的配置，特别地选择构成存储层17的铁磁层的材料，然后研究存储元件3的特性。
如上述实验1至4的情况，只对其上形成存储元件的晶片进行研究，从而研究存储层17的磁化反向特性。
实验5
厚度为300nm的热氧化膜形成在厚度为0.725mm的硅衬底上，具有图2所示配置的存储元件3形成在图7所示的热氧化膜上。
·底层14：膜厚为10nm的Ta膜和膜厚为10nm的Ru膜的层压膜
·磁化固定层15：膜厚为1.2nm的CoFeB膜
·隧道绝缘层16：膜厚为0.9nm的氧化镁膜
·存储层17：与磁化固定层具有相同组成的CoFeB膜
·顶层18：膜厚为3nm的Ta膜、膜厚为3nm的Ru膜和膜厚为3nm的Ta膜的层压膜
如上所述选择每层，膜厚为100nm的Cu膜(未示出)(用作下述字线)设置在底层14和硅衬底之间。
在上述配置中，存储层17的铁磁层由Co-Fe-B的三元合金构成，铁磁层的膜厚固定为1.5nm。
除由氧化镁膜构成的绝缘层16之外的每层均利用直流磁控溅射法形成。
由氧化镁(MgO)膜构成的绝缘层16利用射频磁控溅射法形成。
此外，形成存储元件3的每层之后，在不同温度下在磁场热处理炉中执行热处理一小时。
接下来，光刻掩蔽字线部分后，对除字线部分之外的层压膜利用Ar等离子进行选择刻蚀，从而形成字线(下电极)。此时，除字线之外的部分在衬底中被刻蚀为5nm的深度。
随后，存储元件3的图案的掩膜利用电子束绘图仪形成，对层压膜进行选择刻蚀，从而形成存储元件3。除存储元件3之外的部分被刻蚀为Cu层正上方的字线的一部分。
此外，在用于特性评估的存储元件中，需要使充足的电流流向存储元件以产生磁化反向所需的自旋转矩，使得需要抑制隧道绝缘层的电阻值。因此，将存储元件3的图案设置为短轴0.09μm×长轴0.18μm的椭圆形，将存储元件3的面积电阻值(Ωμm2)设置为20Ωμm2。
接下来，除存储元件3之外的部分通过溅射Al2O3以具有约100nm的厚度来进行绝缘。
随后，利用光刻法形成用作上电极的位线和测量垫。
以这样的方式，制造存储元件3的样品。
利用上述制造方法，制造改变存储层17的铁磁层的Co-Fe-B合金的组成的存储元件3的每个样品。
在Co-Fe-B合金的组成中，Co和Fe的组成比(原子％)固定为20∶80，B的组成比z(原子％)变成10％、20％、30％、35％、40％和50％。
针对如上所述制造的存储元件3的每个样品，如下所述执行特性的评估。
TMR测量
执行TMR测量以根据本发明的实施方式评估存储元件的输出特性。
在3个kOe范围内向存储元件3施加磁场的同时，向存储元件3施加100mV的电压，然后测量存储元件3的电阻值。
此外，制造配置相同的二十个存储元件3以考虑存储元件3自身的变化，执行上述测量，并获得特性的平均值。
图8示出了针对存储元件3的每个样品，存储层17的Co-Fe-B合金的每种组成的TMR的热处理温度依存性。
从图8可以看出，在B的浓度为10％(附图中的10B)的情况下，TMR在接近300℃的热处理温度时呈现峰值。
与此相反，在B的浓度为20至40％(附图中的20B至40B)的组成范围的情况下，TMR的峰值向接近300至400℃的热处理温度移动。
此外，在B的浓度为50％(附图中的50B)的情况下，当执行200℃上的热处理时，观察TMR，但可以看出与其他组成的Co-Fe-B合金相比，TMR的绝对值变得非常小。
在B的浓度为40％的情况下，与B的浓度为10至35％的样品的最大TMR(约110％)相比，TMR较小，但接近350至400℃的温度时确保80％的TMR，从而达到适用于自旋注入式磁化反向存储器的输出。
此外，在B的浓度为20至30％的样品的情况中，接近450℃时充分确保TMR。
总之，在B的浓度为20至40％的组成范围的情况下，可证实在与半导体工艺最相容的热处理范围获得最优良的TMR特性。
通常，在利用Co-Fe-B合金形成磁性隧道结的情况下，B通过热处理扩散至MgO阻挡层(绝缘层16)或顶层18侧。在350至400℃的热处理温度下，B的20％至40％的浓度适当的原因与B的扩散有关，被期望为是因为当预定量的B包含在合金膜中作为初始Co-Fe-B合金组成时，实现在所需热处理温度范围能够获得优良垂直磁性特性和TMR特性的B的分布，因此提高MgO阻挡层和Co-Fe-B合金的界面磁各向异性。
根据此期望，即使在450℃以上的高温处理下也能获得优良TMR特性的B的浓度存在，但在用于该实验的样品的情况中，由于底层14的粗糙度在超过450℃温度的热处理中增加，并且底层14和顶层18出现过度扩散，所以在所有B浓度中Co-Fe-B的TMR特性被认为劣化。
在B的浓度为10％的情况下，在350℃以上的温度下TMR特性劣化的原因被认为是在进行高温热处理时，由于B的浓度太低，难以提高MgO阻挡层和Co-Fe-B合金的界面磁各向异性。
此外，B的浓度为50％时，不能获得良好的TMR特性的原因被认为是因为B的浓度太高，从而急剧降低了饱和磁化。
根据上述结果，关于Co和Fe的组成比(原子％)固定为20∶80的Co-Fe-B合金，证明当B的浓度为20至40％时，可以在350至450℃的热处理温度范围制造具有高输出的存储元件3。
实验6
在上述实验5中，示出了改变具有特定Co/Fe比的B的浓度时的详细的实验结果。接下来，在实验6中，制造B的浓度分别变为20％、30％或40％，Co/Fe比分别为40/60、30/70或10/90的存储元件3，并对TMR特性进行评估。
图9A至图9C示出了在根据Co/Fe比改变B的浓度和热处理温度的情况下的TMR特性。
从结果可以看出，在所有组成中，可在实验5所示的B的浓度[20％至40％]以及在所有组成中的热处理温度[350℃至400℃]下可以获得高输出(高TMR)。
此外，在某种组成中，即使在接近450℃的温度下也可实现高输出(高TMR)。例如，该组成与B的浓度为20至30％的组成相对应。
此外，没有观察到TMR值的较大的Co/Fe比依赖性。
根据上述实验5和6的结果，可以看出使用具有0≤Cox≤40、60≤Fey≤100且20＜Bz≤40的(Cox-Fey)100-z-Bz的组成的垂直磁化铁磁材料时，可以在与半导体工艺高度相容的350℃至400℃的热处理温度下提供具有高输出的存储元件。
此外，当实现高输出时，同样实现高自旋极化率P，因此低功耗也是可能的。
如上所述，当使用垂直磁化较高的磁各向异性时，在不使用牺牲热稳定性的方法的情况下，可以提供高输出和低反向电流的自旋注入磁化反向元件。
此外，在第一实施方式中，关于B的浓度，描述了在0＜Bz≤30的范围内，有效抗磁场的强度Meffective小于饱和磁化量Ms，使得该浓度适用于垂直磁化(例如，参考表2)。与此相反，在第二实施方式中，B的浓度设置为20＜Bz≤40，30％至40％的范围似乎不适合。
然而，在相对较高的温度下执行热处理的情况下，即使B的浓度在30％至40％的范围内，也发现有效抗磁场的强度Meffective小于饱和磁化量Ms，因此该范围同样适用于垂直磁化。
下列表5示出了在针对存储层17的Co-Fe-B的组成(即(Co70-Fe30)65-B35和(Co70-Fe30)60-B40)，将热处理温度设置为400℃的情况下，对饱和磁化量Ms和有效抗磁场的强度Meffective之间的关系进行研究的结果。
表5
  Ms(emu/cc)   Meffective(emu/cc)   Meffective/Ms
  (Co70Fe30)65-B35   740   650   0.88
  (Co70Fe30)60-B40   720   550   0.89
即使在B的浓度为35％或45％的情况下，有效抗磁场的强度Meffective也小于饱和磁化量Ms(Meffective/Ms＜1)。
即，在热处理温度较高的情况下，30％至40％的B浓度范围满足存储层17接收的实际抗磁场的强度小于存储层17的饱和磁化量的条件。
6.变形例
在上文中，描述了本发明的实施方式，但是本发明不限于上述实施方式描述的存储元件3的膜配置，因此可采用不同膜配置。
例如，在实施方式中，使存储层17和磁化固定层15的Co-Fe-B组成彼此相同，但不限于上述实施方式，因此在不背离本发明范围的情况下可进行不同配置。
此外，在实施方式中，只示出了存储元件的单个底层14、顶层材料和形状，但不限于此，因此在不背离本发明范围的情况下可进行不同配置。
在实施方式中，磁化固定层15由单层构成，但磁化固定层15可使用包括两层铁磁层和一层非磁性层的层压的含铁引脚结构。此外，将反铁磁膜涂布至层压的含铁引脚结构膜的结构是可行的。
此外，存储元件的膜配置可以是存储层17设置在磁化固定层15的上侧的配置，或者存储层17设置在下侧的配置。此外，膜配置可以是所谓的磁化固定层15设置在存储层17上侧和下侧的双重结构。
本发明包含于2010年9月6日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-198936和2011年1月18日向日本专利局提交的在先日本优先权专利申请JP 2011-007665中所公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。
本领域技术人员应当理解，可根据设计需求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变形，均应包含在所附权利要求或其等同物的范围之内。

Claims (5)

1.一种存储元件，包括：
存储层，具有垂直于膜面的磁化并且其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且成为存储在所述存储层中的信息的基准的磁化；以及
绝缘层，设置在所述存储层和所述磁化固定层之间并由非磁性层构成，
其中，沿具有所述存储层、所述绝缘层和所述磁化固定层的层结构的层压方向注入自旋极化电子，从而磁化方向改变，并对所述存储层执行信息的记录，以及
所述存储层接收的有效抗磁场的强度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，
构成所述存储层的铁磁材料是Co-Fe-B。
3.根据权利要求2所述的存储元件，
其中，所述Co-Fe-B的组成是(Cox-Fey)100-z-Bz，
这里，0≤Cox≤40，
60≤Fey≤100且
0＜Bz≤30。
4.根据权利要求2所述的存储元件，
其中，所述Co-Fe-B的组成是(Cox-Fey)100-z-Bz，
这里，0≤Cox≤40，
60≤Fey≤100且
20＜Bz≤40。
5.一种存储器件，包括：
存储元件，通过磁性材料的磁化状态保持信息；以及
相互交叉的两种配线，
其中，所述存储元件包括，
存储层，具有垂直于膜面的磁化且其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且成为存储在所述存储层中的信息的基准的磁化，以及
绝缘层，设置在所述存储层和所述磁化固定层之间并由非磁性层构成，
沿具有所述存储层、所述绝缘层和所述磁化固定层的层结构的层压方向注入自旋极化电子，从而磁化方向改变，并对所述存储层执行信息的记录，
所述存储层接收的有效抗磁场的强度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
通过所述两种配线，所述层压方向上的电流流入所述存储元件)，从而将自旋极化电子注入所述存储元件。
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