CN106953005A - 磁性元件和存储装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁性元件和存储装置，其中，该磁性元件包括：自由磁化层，根据磁体的磁化状态来保持信息；磁化固定层，具有用作被存储在存储层中的信息的基准的磁化；以及绝缘层，由被设置在存储层与磁化固定层之间的非磁体形成，其中，通过利用伴随在自由磁化层、绝缘层以及磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化来存储信息，并且存储层的尺寸小于磁化的方向被同时改变的尺寸。

Description

磁性元件和存储装置
本申请是申请日2012年07月25日、申请号为201210260559.9、发明名称为“存储元件和存储装置”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及包括将铁磁层的磁化状态存储为信息的存储层和磁化方向被固定的磁化固定层，并且存储层的磁化方向通过使电流流动而改变的存储元件，以及包括该存储元件的存储装置。
背景技术
随着诸如移动终端和大容量服务器的各种信息装置的快速发展，已对诸如各种信息装置中所包括的存储器或逻辑电路的元件研究了诸如高集成度、高速度以及低功耗的高新性能特征。具体地，半导体非易失性存储器已高度先进并且诸如大容量文件存储器的闪存已作为硬盘驱动器被大量生产。另一方面，铁电随机存取存储器(FeRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、相变随机存取存储器(PCRAM)等在开发中，以将这些存储器发展成代码存储器或工作存储器并且代替目前已有的NOR闪存或DRAM。此外，一些存储器已被投入实际使用。
在这些存储器中，MRAM由于数据根据磁体的磁化方向被存储而能够快速地并且几乎是无数次地(1015次以上)重写数据，并且已被用在工业自动化、飞机等领域。从高速操作和可靠性方面来讲，MRAM期望在未来被发展成代码存储器或工作存储器。实际上，低功耗和大容量的问题已变成一个难题。此问题是MRAM的记录原理所固有的问题，该记录原理为，使电流在基本上彼此垂直的两种地址线(字线和位线)中流动并且通过利用由每条地址线产生的电流磁场来反转在地址线的交叉点处的磁存储元件的磁性层的磁化的方法，即，利用由每条地址线产生的电流磁场来反转磁化。
作为此问题的一种解决方案，在不依赖电流磁场的情况下执行的记录类型，即，磁化反转类型已被实验。在这些类型当中，已积极地进行了对自旋扭矩磁化反转的研究(例如，参见日本未审专利申请公开第2003-17782号、美国专利第6256223号、日本未审专利申请公开第2008-227388号、PHYs.Rev.B,54.9353(1996)以及J.Magn.Mat.,159,L1(1996))。
在许多情况下，自旋扭矩磁化反转类型存储元件通过如在MRAM中的磁隧道结(MTJ)构成。在这种构造中，当通过在穿过被固定在给定方向上的磁性层的自旋极化电子进入另一自由磁性层(其中方向未被固定)时将扭矩(其被称为自旋转移扭矩)施加于磁性层而使值为等于或大于给定阈值的电流流动时，自由磁性层被反转。通过改变电流的极性来执行重写“0/1”。
在尺寸为约0.1μm的元件中，用于反转磁性层的电流的绝对值是1mA以下。此外，可执行按比例缩小(scaling)，以与元件体积成比例地减小电流值。此外，由于不需要MRAM中所必需的记录电流磁场生成字线，所以具有简化了单元结构的优点。
在下文中，利用自旋扭矩磁化反转的MRAM被称为自旋扭矩磁随机存取存储器(ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反转也被称为自旋注入磁化反转。非常期望将ST-RAM实现为除MRAM的优点(数据被快速地并且几乎无限次地被重写)之外还具有低功耗和高容量的优点的非易失性存储器。
发明内容
在MRAM中，从存储元件分离地提供写入线(字线或位线)并且利用通过使电流在写入线中流动而产生的电流磁场来写入(记录)信息。因此，能够在写入线中流过用于写入信息所需的足够的电流量。
另一方面，在ST-MRAM中，需要通过在存储元件中流动的电流来执行自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化的方向。由于通过使电路直接流至存储元件来写入(记录)信息，所以存储装置包括存储元件和彼此连接以选择写入信息的存储装置的选择晶体管。在这种情况下，在存储元件中流动的电流受限于可在选择晶体管中流动的电流(选择晶体管的饱和电流)的大小。
此外，由于ST-MRAM是非易失性存储器，所以需要稳定地存储利用电流写入的信息。即，需要确保对于存储层的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。
当不能确保存储层的热稳定性时，被反转的磁化方向会由于热(操作环境中的温度)再次被反转。从而，会造成写入错误。
在ST-MRAM的存储元件中，如上所述，相比于根据现有技术的MRAM可获得按比例缩小的优点，即，减小存储层的体积的优点。
然而，当减小了存储层的体积时，在其他特性相同的条件下，热稳定性倾于劣化。
通常，当存储元件的体积增大时，可知热稳定性和写入电流增大。相反，当存储元件的体积减小时，可知热稳定性和写入电流减小。
期望提供一种能够尽可能确保热稳定性并且不会增大写入电流的存储元件以及包括该存储元件的存储装置。
根据本公开的实施方式，提供了一种具有以下构造的存储元件。
即，根据本公开的实施方式的存储元件包括具有垂直于膜表面的磁化并且对信息改变磁化的方向的存储层。
此外，存储元件包括具有垂直于膜表面的磁化并且用作被存储在存储层中的信息的基准的磁化固定层。
此外，存储元件包括由设置在存储层与磁化固定层之间的非磁体形成的绝缘层。
此外，通过利用伴随在存储层、绝缘层以及磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化来存储信息。
存储层的尺寸必须小于磁化的方向被同时改变的尺寸。
根据本公开的另一实施方式，提供了一种存储装置，其包括上述存储元件以及两种彼此交叉的线。存储元件设置在这两种线之间。电流经由两种线在存储元件中在层压方向上流动并且因此发生自旋扭矩磁化反转。
在根据本公开的实施方式的存储元件中，磁化固定层和存储层被形成有被介于它们之间的绝缘层(隧道势垒层)。由于通过利用伴随在层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化而记录信息，所以可通过使电流在层压方向上流动来记录信息。此时，由于存储层的尺寸小于磁化的方向被同时改变的情况下的尺寸，所以在尽可能确保热稳定性的同时可实现低功耗。
在根据本公开的实施方式的存储装置的构造中，电路经由两种线在存储元件中在层压方向上流动并且因此出现自旋转移。因此，通过使电流经由两种线在存储元件的层压方向上流动而实现的自旋扭矩磁化反转来记录信息。
由于充分地保持了存储层的热稳定性，所以可稳定地保持存储元件中所记录的信息。此外，可使存储装置小型化、改善可靠性、并且实现低功耗。
根据本公开的实施方式，可对于具有垂直磁各向异性的ST-MRAM中的写入电流，有效地提高热稳定性。因此，可实现确保作为信息保持能力的热稳定性并且因此具有优良的诸如功耗的特性平衡的存储元件。
因此，能防止操作错误，并且可充分获得存储元件的操作余量。
因此，可实现稳定地操作并且具有高可靠性的存储器。
此外，可减小写入电流，因此当信息被写入在存储元件上时可减小功耗。因此，可减小存储装置的总功耗。
附图说明
图1是示出了根据实施方式的存储装置(存储器装置)的示意图(透视图)；
图2是示出了根据实施方式的存储元件的截面图；
图3是示出了根据实施方式的存储元件的截面图；
图4是示出了在实验中所使用的存储元件的样本的截面结构的示图；
图5A和图5B是示出了存储层的尺寸相对于从样本1的实验中获得的Ic和Δ的依赖关系的示图；
图6是示出了存储层相对于从样本1的实验获得的Δ的尺寸依赖关系(在图中通过▲来标示)以及存储层相对于基于通过VSM测量获得的饱和磁化Ms和各向异性磁场Hk所计算出的Δ的尺寸依赖关系(在图中通过◆来标示)的示图；
图7A和图7B是示出了存储层的尺寸相对于从样本2的实验获得的Ic和Δ的依赖关系的示图；以及
图8是示出了存储层相对于从样本2的实验获得的Δ的尺寸依赖关系(在图中通过▲来标示)以及存储层相对于基于通过VSM测量获得的饱和磁化Ms和各向异性磁场Hk所计算出的Δ的尺寸依赖关系(在图中通过◆来标示)的示图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图来详细描述本公开的优选实施方式。应当注意，在此说明书和附图中，具有实际上相同功能和结构的结构元件以相同的参考标号来标注，并且这些结构元件的重复描述将被省略。
在下文中，将按下列顺序来描述本公开的实施方式。
1.根据实施方式的存储元件
2.根据实施方式的存储元件的构造
3.根据实施方式的具体构造
4.根据实施方式的实验
1.根据实施方式的存储元件
首先，将描述根据本公开的实施方式的存储元件。
在本公开的实施方式中，信息通过借助于上述自旋扭矩磁化反转来反转存储元件的存储层的磁化方向而被记录。
存储层通过包括铁磁层的磁体来构成并且根据磁化状态(磁化方向)来保持信息。
例如，存储元件3具有图3中所示的层结构。存储元件3至少包括存储层17和磁化固定层15作为两个铁磁层，并且包括绝缘层16作为这两个铁磁层之间的中间层。
存储元件3还包括在该存储层17层上面的保护层18并且包括在磁化固定层15下面的底层14。
存储层17具有垂直于膜表面的磁化。磁化方向被改变从而对应于信息。
磁化固定层15具有垂直于用作存储在存储层17中的信息的基准的膜表面的磁化。
绝缘层16是非磁体并且被形成在存储层17与磁化固定层15之间。
当自旋极化电子在存储层17、绝缘层16以及磁化固定层15的层结构的层压方向上被注入时，存储层17的磁化方向被改变并且由此信息被记录在存储层17上。
下文中，将简单描述自旋扭矩磁化反转。
电子具有两种自旋角动量。这里，电子被定义为向上的电子和向下的电子。在非磁体中，向上和向下的电子在数量上相同。在铁磁体中，向上和向下的电子在数量上不同。在磁化固定层15和存储层17(作为存储元件3的两个铁磁层)中，将考虑当磁矩的方向彼此相反时电子从磁化固定层15向存储层17移动的情况。
磁化固定层15是磁矩的方向被固定以确保高矫顽力的固定磁性层。
在穿过磁化固定层15的电子中，发生自旋极化，即，向上和向下的电子在数量上存在不同。当非磁性绝缘层16具有足够的厚度时，在穿过磁化固定层15的电子的自旋极化被减缓并且在通常的非磁体中电子进入非极化状态(其中，向上和向下的电子在数量上相同)之前，电子到达另一磁体，即，存储层17。
在存储层17中，由于自旋极化度的符号是相反的，所以一些电子被反转，即，自旋角动量的方向被改变为减小系统的能量。此时，由于系统的整个角动量必须守恒，所以与由方向被改变的电子所造成的角动量的改变总和等价的反应被施加于存储层17的磁矩。
当电流(即，单位时间通过的电子数)小时，方向被改变的电子的总数也小。因此，在存储层17的磁矩中发生的角动量的改变也小。然而，当电流增大时，在单位时间内角动量可被显著地改变。
角动量的时间变化是扭矩。当扭矩大于给定阈值时，存储层17的磁矩开始旋进运动(precession movement)。当磁矩通过单轴各向异性旋转了180度之后磁矩被稳定。即，磁矩从相反的方向被反转到相同的方向。
当在相同磁化方向的状态下电流在电子从存储层17被发送至磁化固定层15的方向上反向地流动时，在电子从磁化固定层15被反射并且自旋反转电子进入存储层17的情况下施加扭矩。然后，可在相反的方向上反转磁矩。此时，相比于磁矩从相反方向被反转到相同方向的情况，造成反转所需的电流量更大。
难以直观地理解磁矩从相同方向至相反方向的反转，但由于磁化固定层15被固定，所以存储层17可被看作在不存在磁矩的反转的情况下被反转至保持系统的总角动量守恒。因此，通过使对应于各个极性并且等于或大于给定阈值的电流在从磁化固定层15至存储层17的方向上或在相反方向上流动来记录“0/1”。
利用磁阻效应来读取信息，如在根据现有技术的MRAM中一样。即，电流在垂直于膜表面的方向上流动，如在上面描述的记录情况中一样。根据存储层17的磁矩的方向与磁化固定层15的磁矩的方向是相同或相反来使用元件的电阻的改变现象。
金属或绝缘材料可被用作被形成在磁化固定层15与存储层17之间的绝缘层的材料。当绝缘材料用作绝缘层16的材料时，可获得较高读取信号(电阻变化率)并且可以以更低的电流记录信息。在这种情况下，元件被称为磁隧道结(MTJ)元件。
当通过自旋扭矩磁化反转来反转磁性层的磁化的方向时，所需电流的阈值Ic根据磁性层的易磁化轴是在平面内方向上或是在垂直方向上而不同。
根据实施方式的存储元件是垂直磁化型的存储元件。假设在根据现有技术的平面内磁化型存储元件中，用于反转磁性层的磁化方向的反转电流是Ic_para。
当磁化从相同方向被反转至相反方向(其中，相同方向和相反方向是利用磁化固定层的磁化方向作为基准所考虑的存储层的磁化方向)时，满足“Ic_para＝(A·α·Ms·V/g(0)/P)(Hk+2πMs)”。
当磁化从相反方向被反转至相同方向时，满足“Ic_para＝-(A·α·Ms·V/g(π)/P)(Hk+2πMs)”(其被称作等式(1))。
另一方面，假设垂直磁化型存储元件的反转电流为Ic_perp。当磁化从相同方向被反转至相反方向时，满足“Ic_perp＝(A·α·Ms·V/g(0)/P)(Hk-4πMs)”。
当磁化从相反方向被反转至相同方向时，满足“Ic_perp＝-(A·α·Ms·V/g(π)/P)(Hk-4πMs)”(其被称为等式(2))。
在该等式中，A表示常数，α表示阻尼常数，Ms表示饱和磁化，V表示元件体积，P表示自旋极化率，g(0)和g(π)表示与分别在相同方向和相反方向上被施加于磁性层的自旋扭矩的效率对应的系数，以及Hk表示磁各向异性(参见Nature Materials.,5,210(2006))。
当在上述等式中的垂直磁化型的存储元件(Hk-4πMs)与平面磁化类型存储元件(Hk+2πMs)相比时，垂直磁化型存储元件可被理解成适合于低记录电流。
在此实施方式中，存储元件3被配置为包括可根据磁化状态来保持信息的磁性层(存储层17)和磁化方向被固定的磁化固定层15。
为了用作存储装置，必须保持所写入的信息。热稳定性的系数值Δ(＝KV/kBT)被用作保持信息的能力的系数。这里，Δ通过下面的等式(3)来表示。
Δ＝K·V/kB·T＝Ms·V·Hk·(1/2kB·T) 等式(3)
在此等式中，Hk是有效各向异性场，kB是波尔兹曼常数，T是温度，Ms是饱和磁化量，V是存储层17的体积，而K是各向异性能量。
有效各向异性场Hk接收诸如形状磁各向异性、感生磁各向异性或晶体磁各向异性的磁各向异性的影响。当假设单磁区同时旋转模式(single-section simultaneousrotation model)时，有效各向异性等于矫顽性。
此外，当与上面的Δ相关地表示阈值Ic时，满足下面的等式(4)。
[表达式1]
在此等式中，e是元件电荷，kB是波尔兹曼常数，T是温度，Ms是饱和磁化量，α是吉尔伯特(Gilbert)阻尼常数，h横杠是弗朗克常量，以及η是自旋注入效率。
当根据等式(3)和等式(4)来确定Hk、Ms、α以及η的值时，Δ和Ic与记录层的体积V成比例。即，当记录层的体积V增加时，Δ和Ic增加。相反，当存储层的体积V减小时，Δ和Ic减小。此原理可从上述理论等式理解到。
然而，在实际存储层中，已发现当存储层的体积等于或大于给定尺寸时，Δ和Ic相对于存储层的体积的增加率变化。
根据此关系，当存储层的体积等于或大于给定尺寸时，仅Ic增加，Δ不增加，而与存储层的体积增加至超过给定尺寸的事实无关。这意味着当存储层的体积大于存储层的给定尺寸时，Δ和Ic之间的比率减小。因此，难以确立作为非易失性存储器的ST-MRAM的有效存在条件，即，记录信息的低电流信息记录和高热稳定性之间的相容性。
因此，重要的是平衡热稳定性系数Δ与阈值Ic的值。
在许多情况下，热稳定性的系数Δ与阈值Ic的值具有折衷关系。因此，相容性是保持存储器特性的任务。
关于用于改变存储层17的磁化状态的电流的阈值，实际上，存储层17的厚度，例如是2nm。在平面图案100nm×150nm的基本椭圆的TMR元件中，正侧的阈值+Ic等于+0.5mA，而负侧的阈值-Ic等于-0.3mA。此时，电流密度是约3.5×106A/cm2。这些值与等式(1)中的那些相同。
然而，在磁化通过电流磁场被反转的通常MRAM中，需要几mA以上的写入电流。
因此，如上所述，在ST-MRAM，写入电流的阈值足够小。因此，阈值可被理解成对减小集成电路的功耗是有效的。
此外，由于不需要用于产生电流磁场的在通常MRAM中所需的配线，因此相比于通常MRAM可获得集成度的优势。
当执行自旋扭矩磁化反转时，通过使电流直接流至存储元件3来写入(记录)信息。因此，存储元件包括存储元件3和连接至彼此以选择写入信息的存储元件3的选择晶体管。
在这种情况下，在存储元件3中流动的电流受限于可在选择晶体管中流动的电流(选择晶体管的饱和电流)的大小。
如上所述，优选垂直磁化型存储元件用于减小记录电流。此外，由于垂直磁化膜可具有高于平面内磁化膜的磁各向异性，所以优选保持上述热稳定性的大系数Δ。
具有垂直各向异性的磁性材料的实例包括稀土和过渡金属的合金(TbCoFe等)、金属多层膜(Cd/Pd多层膜等)、规则合金(FePt等)以及利用氧化物与磁性金属之间的界面各向异性的材料(Co/MgO)。稀土和过渡金属的合金并不期望被用作ST-MRAM的材料。这是因为当合金通过加热被扩散并被晶体化时失去了垂直磁各向异性。已知，金属多层膜通过加热会被扩散并且垂直磁各向异性劣化，因此，当实现了面心立方(111)取向时，表现出垂直磁各向异性。因此，难以实现在与MgO相邻的诸如MgO或Fe、CoFe、CoFeB等中的高极化率层中所需的(001)取向。由于L10规则合金在高温下稳定并且在(001)取向时间表现出垂直磁各向异性，所以不会发生上述问题。然而，由于需要通过在制造过程中在500℃以上的足够高的温度下执行加热或通过在制造之后在500℃以上的足够高的温度下执行加热来有序地配置原子，所以存在会在诸如隧道势垒的层压层的其他部分中发生不期望的扩散或者会增加表面粗糙度的可能性。
然而，对于利用界面磁各向异性的材料，即，Co类材料或Fe类材料被层压在用作隧道势垒的MgO上的材料，上述问题很少发生。因此，该材料作为ST-MRAM的存储层的材料是所期望的。
在此实施方式中，具有作为基底Co-Fe-B的材料被用作存储层17的材料。Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf、Y等中的几种元素可作为非磁性金属被添加至Co-Fe-B。
此外，考虑到选择晶体管的饱和电流值，利用包括绝缘体作为在存储层17和磁化固定层15之间的非磁性绝缘层16的隧道绝缘层来构成MTJ元件。
当利用隧道绝缘层来构成MTJ元件时，相比于利用非磁性导电层来构成巨磁阻效应(GMR)元件的情况可增加磁阻率(MR率)。因此，可增加读取信息的强度。
具体地，可利用作为用作隧道绝缘层的绝缘层16的材料的镁氧化物(MgO)来增加磁阻率(MR率)。
通常，自旋转移效率取决于MR率。MR率越大，则自旋转移效率被提高越多。因此，可减小磁化反转电流密度。
因此，通过使用镁氧化物作为隧道绝缘层和存储层17的材料，可通过自旋扭矩磁化反转减小写入电流的阈值。因此，可以更低的电流写入(记录)信息。因此，可增加读取信号的强度。
因此，由于可通过自旋扭矩磁化反转来确保MR率(TMR率)并且可减小写入电流的阈值，所以可以更低的电流来写入(记录)信息。此外，可增加读取信号的强度。
当隧道绝缘层由镁氧化物(MgO)膜形成时，MgO被晶体化。因此，晶体取向更优选被保持在001方向。
在此实施方式中，在存储层17与磁化固定层15之间形成的绝缘层16(隧道绝缘层)不仅由镁氧化物而且由各种绝缘体(诸如，铝氧化物、铝氮化物、SiO2、Bi2O3、MgF2、CaF、SrTiO2、AlLaO3以及Al-N-O)、介电材料、半导体等形成。
就获得通过自旋扭矩磁化反转来反转存储层17的磁化方向所需的电流而言，需要控制用作隧道绝缘层的绝缘层16的面积电阻值，使得面积电阻值等于或小于约几十Ωμm2。
在由MgO膜形成的隧道绝缘层中，MgO膜的厚度应被设定成1.5nm以下，使得面积电阻值在上述范围中。
在ST-MRAM中，通过存储层17的磁化M17与磁化固定层15的磁化M15的相对角度来确定信息0和1。
底层14形成在磁化固定层15的下面，而保护层18形成在存储层17的上面。
在此实施方式中，绝缘层16被形成为镁氧化物层以增加磁阻率(MR率)。
通过增加MR率，可提高自旋注入效果并且减小反转存储层17的磁化M17的方向所需的电流密度。
图1中示出并且包括图2中所示的存储元件3的存储装置具有当制造存储装置时采用通常的半导体MOS形成工艺的优点。
因此，根据该实施方式的存储装置适用于通用存储器。
由于存储层17的尺寸可小于磁化的方向被同时改变的情况下的尺寸，所以可将功耗抑制到尽可能小。因此，可以尽可能地利用存储元件3的热稳定性来实现ST-MRAM。存储元件3的存储层17的具体尺寸优选地等于或小于45nm的直径。
因此，可实现以低功耗确保作为信息保持能力的热稳定性的同时具有优良的特性平衡的存储元件3。
由于可通过去除操作错误来充分地获得存储元件3的操作余量，所以存储元件3能稳定地操作。因此，可实现稳定地操作并具有高可靠性的存储装置。
由于写入电流被减小，所以当信息被写入在存储元件3上时可减小功耗。因此，可减小存储元件的总功耗。
在此实施方式中，诸如Ta的金属被用在与存储层17相邻形成的保护层18中。
根据本公开的实施方式，除了Co和Fe以外的元素可被添加至存储层17。
当添加不同种类的元素时，可获得通过防止扩散获得的热阻提高、磁阻效应的增加、伴随平坦化获得的介电耐压的增加等的效果。被添加元素的实例包括B、C、N、O、F、Mg、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ge、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Ir、Pt、Au、Zr、Hf、Re、Os或它们的合金。
在根据本公开的实施方式的存储层17的构造中，可直接层压另一铁磁层。此外，可层压铁磁层或软磁层，或可层压多个其间插入了软磁层或非磁性层的铁磁层。即使在层压了这些磁性层时，仍可获得本公开的实施方式的优点。
特别地，当层压多个其间插入了非磁性层的铁磁层时，可调节铁磁层之间的相互作用力。因此，尽管存储元件3的尺寸等于或小于亚微米，仍可获得防止磁化反转电流增加的优点。在这种情况下，Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb或它们的合金可用作非磁性层的材料。
在磁化固定层15中，仅通过铁磁层或利用反铁磁层与铁磁层的反铁磁耦合来固定磁化的方向。
磁化固定层15可包括单层铁磁层或可具有层压了多个其间插入了非磁性层的铁磁层的层压铁钉扎结构(lamination ferri-pin structure)。
作为具有层压铁钉扎结构的磁化固定层15的铁磁层的材料，可使用Co、CoFe、CoFeB等。作为非磁性层的材料，可使用Ru、Re、Ir、Os等。
作为反铁磁层的材料，可使用FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金或诸如NiO、Fe2O3的磁体。
此外，诸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo、Nb等的非磁性元素可被添加至磁体以调节磁特性或调节诸如晶体结构、结晶性能以及物质稳定性的各种物质性质。
存储元件3的存储层17和磁化固定层15的构造以外的其余构造与通过根据现有技术的自旋扭矩磁化反转来记录信息的存储元件3的构造相同。
在存储元件3的构造中，存储层17当然可被设置在磁化固定层15的下面。在这种情况下，导电氧化物底层承担了导电氧化物保护层的角色。
如上所述，存储元件3具有从上层侧起层压保护层18、存储层17、绝缘层16、磁化固定层15以及底层14的层压结构。然而，此实施方式的存储元件3可具有将存储层17层压在磁化固定层15的下面的结构。
具体地，存储元件3可具有从上层侧起依次形成保护层18、磁化固定层15、绝缘层16、存储层17以及底层14的结构。
2.根据实施方式的存储装置的构造
接下来，将描述根据本公开的实施方式的存储装置的构造。
图1和图2是示出了根据实施方式的存储装置的示意图。图1是透视图，而图2是截面图。
如图1中所示，根据本实施方式的存储装置包括通过能够通过在彼此垂直的两种地址线(例如，字线和位线)的交叉点附近的磁化状态来保持信息的ST-RAM构成的存储元件3。
即，被配置成选择每个存储装置的选择晶体管的漏极区域8、源极区域7以及栅极区域1被形成在通过诸如硅基板的半导体基底基板10的元件隔离层2隔离的部分中。具体地，栅电极1还用作在图中的前后方向上延伸的一条地址线(字线)。
漏极区域8公共地形成在图1的左右的选择晶体管中。配线9被连接至漏极区域8。
被设置在源极区域7的上面并且包括存储层(其中，磁化方向通过自旋扭矩磁化反转而反转)的存储元件3被设置在源极区域7和在图1的左右方向上延伸的位线6之间。通过例如MTJ元件来构造存储元件3。
如图2中所示，存储元件3包括两个磁性层15和17。在两层磁性层15和17中，磁化固定层15被构造为磁化M15的方向被固定的层，而存储层17被构造为磁化M17的方向被改变的自由磁化层。
存储元件3被连接至位线6和源极区域7，其间分别夹置有上和下接触层4。
因此，当电流经由两种地址线1和6在存储元件3中在垂直方向上流动时，存储层17的磁化M17的方向可通过自旋扭矩磁化反转而反转。
在这种存储装置中，需要利用等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流来写入信息。因此，已知，通过存储装置的小型化来减小选择晶体管的饱和电流。因此，为了使存储装置小型化，需要改善自旋转移效率并且减小在存储装置3中流动的电流。
此外，为了增大读取信号，需要确保大磁阻率。因此，有效的是利用上述MTJ结构，即，绝缘层形成为在磁性层15和17这两层之间的隧道绝缘层(隧道势垒层)的存储元件3的构造。
当隧道绝缘层被用作绝缘层时，在存储元件3中流动的电流的量被限制以防止隧道绝缘层的绝缘破坏。即，自旋扭矩磁化反转所需的电流应被抑制为确保存储元件3的重写的可靠性。
自旋扭矩磁化反转所需的电流也被称为反转电流或记录电流。
由于存储装置是非易失性存储器，所以存储装置应利用电流稳定地存储写入的信息。即，需要确保抵御存储层的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。
当不能确保存储层的热稳定性时，被反转了的磁化方向可能由于在某些情况下的热(操作环境的温度)而被再次反转，因此会造成写入错误。
相比于根据现有技术的MRAM，根据本公开的实施方式的存储装置的存储元件3具有按比例缩小的优点，即，减小存储元件的体积的优点。然而，当存储元件的体积被减小时，在其他特性相同的条件下热稳定性趋于劣化。
当ST-MRAM具有大的容量时，进一步减小了存储元件3的体积。因此，确保热稳定性是一个重要任务。
因此，热稳定性是ST-MRAM中存储元件3的非常重要的特性。即使当存储元件的体积被减小，存储元件也应被设计成确保热稳定性。
在本公开的实施方式中，存储元件3的存储层17的尺寸小于磁化方向被同时改变的情况下的尺寸。存储元件3的存储层17的具体尺寸优选等于或小于45nm的直径。因此，将功耗抑制为尽可能小。因此，可以实现尽可能利用存储元件3的热稳定性的ST-MRAM。
存储元件3的写入电流被减小。由于功耗被减小，所以可减小存储装置的总功耗。
图1中所示并且包括图2中所示的存储元件3的存储装置具有当制造存储装置时采用通常的半导体MOS形成工艺的优点。
因此，根据此实施方式的存储装置适用于通用存储器。
3.根据实施方式的具体构造
接下来将描述本公开的实施方式的具体构造。
在如上所述参照图1的存储装置的构造中，能够根据磁化状态保持信息的存储元件3被设置在两种彼此垂直的地址线1和6(例如，字线和位线)的交叉点附近。
此外，当电流经由两种地址线1和6在存储元件3中在垂直方向上流动时，可通过自旋扭矩磁化反转来反转存储层17的磁化方向。
图3示出了存储元件3的详细构造。
如图3所示，存储元件3包括在存储层17(其中，通过自旋扭矩磁化反转来反转磁化M17的方向)下面的磁化固定层15。
在ST-MRAM中，通过存储层17的磁化M17和磁化固定层15的磁化M15的相对角度来确定信息0和1。
被构造为隧道势垒层(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，使得MTJ元件通过存储层17和磁化固定层15来构成。
在磁化固定层15的下面形成底层14。
在存储层17的上面(与存储层17相邻并且与绝缘层16相反的一侧)形成保护层18。
在此实施方式中，存储层17是由Co-Fe-B形成的垂直磁化层。
保护层18由导电氧化物形成。
存储元件3的存储层17的尺寸小于磁化方向被同时改变的情况下的尺寸。存储层17的具体尺寸优选地等于或小于45nm的直径。
在此实施方式中，当绝缘层16由镁氧化物层形成时，会增加磁致电阻率(MR率)。
通过增加MR率，可提高自旋注入效果并且减小反转存储层17的磁化M17的方向所需的电流密度。
可通过在真空装置中连续地形成底层14至保护层18，然后通过蚀刻等形成存储元件3的图案来制造根据此实施方式的存储元件3。
根据上述实施方式，由于存储元件3的存储层17是垂直磁化层，所以可减小反转存储层17的磁化M17的方向所需的写入电流量。
因此，由于能充分确保作为信息保持能力的热稳定性，所以可构成具有优良的特性平衡的存储元件3。
由于可呈现操作错误并且能充分地获得存储元件3的操作余量，所以可稳定地操作存储元件3。
即，可实现稳定地操作并且具有高可靠性的存储装置。
此外，由于减小了配线电流，所以可在信息被写入在存储元件3上时减小功耗。
结果，包括根据此实施方式的存储元件3的存储装置可减小功耗。
因此，由于能够实现具有优良的信息保持特性并且稳定且可靠地操作的存储装置，所以可在包括存储元件3的存储装置中减小功耗。
此外，图1中所示并且包括图3中所示的存储元件3的存储装置具有当制造存储元件时采用通常的半导体MOSA形成工艺的优点。
因此，根据此实施方式的存储装置适用于通用存储器。
4.根据实施方式的实验
这里，参照图1至图3在改变上述存储元件3的结构中的存储层17的尺寸的同时来制造存储元件3的样本，并且检查存储元件3的特性。
在实际存储装置中，如图1中所示，不仅存在存储元件3而且存在开关半导体电路等。然而，对其上仅形成了存储元件3的晶片进行检查，以检查与保护层18相邻的存储层17的磁化反转特性。
在厚度为0.725mm的硅基板上形成厚度为300nm的热氧化膜，然后在热氧化膜上形成具有图3和图4中所示的构造的存储元件3。
具体地，图3中所示的存储元件3的各个层的材料和厚度如下。
如图4中所示，底层14被形成为厚度为10nm的Ta膜和厚度为25nm的Ru膜的层压层，磁化固定层15被形成为包括厚度为2.0nm的CoPt膜、厚度为0.8nm的Ru膜以及厚度为2.0nm的Co-Fe-B膜的层，绝缘层16被形成为厚度为0.9nm的镁氧化物层，存储层17被形成为厚度为1.5nm的CoFeB层(图4中的A)或CoFeB/Ta/CoFeB层(图4中的B)，而保护层18被形成为包括厚度为0.8nm的氧化膜、厚度为3nm的Ta膜、厚度为3nm的Ru膜以及厚度为3nm的Ta膜的层。
这里，在图4的A中所示的存储元件3通过样本1来标示，而图4的B中所示的存储元件3通过样本2来标示。
在膜结构中，存储层17的铁磁层的CoFeB成分是16％的Co-64％的Fe-20％的B。
通过镁氧化物(MgO)膜构成的绝缘层16以及保护层18的氧化膜通过RF电磁溅射方法形成，而其他膜通过DC电磁溅射方法形成。
在形成了各个层之后，将每个样本在热处理炉中在磁场中进行热处理。之后，通过通常的电子束光刻和通常的离子铣处理来制造直径为30nm、40nm、65nm、75nm、90nm以及120nm的圆柱形存储层17。
对所制造的存储元件3的各个样本的特性评价如下。
在测量之前，磁场设计成要被施加于存储元件3，以控制反转电流的值，使得在正和负方向上的反转电流的值是对称的。
要被施加于存储元件3的电压被设置到在绝缘层16不被破坏的范围内的1V。
饱和磁化量和磁各向异性的测量
通过利用振动样本磁力计的VSM测量来测量饱和磁化Ms。此外，通过在面垂直方向和平面内方向上施加磁场并且扫描磁场来测量各向异性磁场HK。
反转电流值和热稳定性的测量
测量反转电流值以评价根据此实施方式的存储元件3的写入特性。
然后通过使脉冲宽度在10μs至100ms的范围内的电流在存储元件3中流动来测量存储元件3的电阻值。
此外，通过改变在存储元件3中流动的电流量来计算存储元件3的存储层17的磁化M17的方向被反转的电流值。通过在脉冲宽度1ns处外推电流值的脉冲宽度依赖关系而获得的值被设定为反转电流值。
反转电流值的脉冲宽度依赖关系的斜率对应于存储元件3的上述热稳定性的指标Δ。由于反转电流值被脉冲宽度改变得更小(斜率小)，热稳定性意味着对抗热干扰的较强程度。
考虑到存储元件3中的变形，制造具有相同构造的二十个存储元件3，以实施上述的测量，并计算反转电流的值和热稳定性的指标Δ的平均值。
根据通过测量获得的反转电流的值的平均值和存储元件3的平面图案的面积来计算反转电流密度Jc0。
这里，图5A和图5B示出了从实验对于样本1获得的存储元件3的存储层17对于Ic(图5A)和Δ(图5B)的尺寸依赖关系。在图5A中，可证实随着存储层17的尺寸增加Ic增加，正如从Ic_perp的等式所能预期的。相反，如图5B中所示，Δ并不与等式3中所示的关系一致。此外，即使当存储元件的尺寸增加时，Δ也并不单调地增加。
为了更详细地检查Δ与存储层17的尺寸之间的关系，利用VSM首先检查饱和磁化Ms(＝760emu/cc)与各向异性磁场Hk(＝2kOe)，然后利用饱和磁化Ms、各向异性磁场Hk以及等式3来计算从物质性质的值预计的Δ。图6示出了存储层17对于从样本1的实验获得的Δ的尺寸依赖关系(通过图中的▲来指示)以及存储层17对于基于通过VSM测量获得的饱和磁化Ms以及各向异性磁场Hk计算的Δ的尺寸依赖关系。根据图6，可认识到，计算结果和实验结构直到作为存储层的直径的约40nm都彼此一致，但是在元件尺寸等于或大于40nm时，计算结果和实验结果彼此越来越不同。通常，当磁体小时，发生均一的(同时的)磁化旋转。当磁体大时，易发生不均一的磁化旋转。
计算结果与实验结果彼此不同的原因被认为是从约40nm的直径起，当存储层17的磁化被反转时物质性质的状态被改变。即，当存储层的尺寸等于或小于约40nm的直径时，认为存储层17的磁化被同时旋转。
当存储层的尺寸大于约40nm的直径时，认为存储层17中易于旋转的一部分的磁化被先反转，而剩余部分的磁化由于先磁化的影响而因此被反转。换言之，认为磁化被不均一地旋转。
当在尺寸等于或大于直径40nm的存储层17中Δ被认为是几乎均一时，根据等式“y＝19697x+17.634”的曲线，可知通过计算获得的Δ与通过实验获得的Δ一致的元件尺寸是45nm。此值被认为是用于使Ic尽可能小同时确保Δ尽可能大的值。即，存储层17的尺寸被理解为是45nm的直径。存储层的尺寸可被转换成体积“1.5nm×π×(45/2)2＝2390nm3”。
在尺寸等于或小于直径45nm的存储元件3中，由于Δ和Ic被减小，如从计算结果所预期的，能保持Δ和Ic的较好平衡。
因此，当形成通过样本1所标示的存储元件3使得存储层17的尺寸等于或小于磁化方向被同时改变的临界尺寸，即，存储层17的尺寸等于或小于直径45nm时，可以尽可能地抑制功耗。因此，可以尽可能利用存储元件3的热稳定性来实现ST-MRAM。
同样，图7A和图7B示出了从实验对于样本2获得的存储层17对于Ic(图7A)和Δ(图7B)的尺寸依赖关系。图8示出了从样本2的实验获得的存储层17对于Δ的尺寸依赖关系(在图中通过▲指示)以及存储层17对于基于通过VSM的测量获得的饱和磁化Ms和各向异性磁场Hk所计算的Δ的尺寸依赖关系(在图中通过◆指示)。在样本2中，饱和磁化Ms是650emu/cc，而各向异性磁场是2.15kOe。在图7A、图7B和图8中所示的样本2中，当尺寸等于或小于如样本1中的直径45nm时，可以尽可能地抑制功耗。因此，可以尽可能地利用存储元件3的热稳定性来实现ST-MRAM。
当存储层17由Co-Fe-B或向Co-Fe-B添加了非磁性材料的材料形成并且存储层17的尺寸等于或小于磁化方向被同时改变的临界尺寸(即，如上所述的直径45nm)时，可以尽可能小地抑制功耗。因此，可以尽可能地利用存储元件3的热稳定性来实现ST-MRAM。
已描述了该实施方式，但本公开并不限于根据上述实施方式的存储元件3的层结构。可实现各种层结构。
例如，在上述实施方式中，存储层17和磁化固定层15的Co-Fe-B的成分彼此相同。本公开不限于上述实施方式，而是可在不背离本公开的要旨的范围内以各种方式变化。
底层14或保护层18可由单种材料形成或者可具有多种材料的层压结构。
磁性固定层15可通过单个层或铁磁层和非磁性层这两个层的层压铁钉扎结构来构成。此外，反铁磁层可被添加至具有层压铁钉扎结构的层。
另外，本公开的技术还可采用下面的结构。
(1)一种存储元件，包括
存储层，根据磁体的磁化状态来保持信息；
磁化固定层，具有用作被存储在存储层中的信息的基准的磁化；以及
绝缘层，由被设置在存储层与磁化固定层之间的非磁体形成，
其中，通过利用伴随在存储层、绝缘层以及磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化来存储信息，以及
存储层的尺寸小于磁化的方向被同时改变的尺寸。
(2)根据(1)的存储元件，其中，存储层的铁磁材料是Co-Fe-B。
(3)根据(1)的存储元件，其中，非磁性材料被添加至存储层的铁磁材料的Co-Fe-B。
(4)根据(1)或(2)或(3)的存储元件，其中，存储层和磁化固定层具有垂直于膜表面的磁化。
(5)根据(1)或(2)或(3)的存储元件，其中，存储层的直径小于45nm。
本领域的技术人员应当理解，根据设计需要和其他因素，可进行各种修改、组合、子组合和变形，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围之内。
本公开涉及于2011年8月3日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2011-169867中所公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。

Claims (23)

1.一种磁性元件，包括
自由磁化层，具有1600nm2以下的平面图案的面积，所述自由磁化层包括被配置为待改变的磁化状态；
绝缘层，被耦合至所述自由磁化层，所述绝缘层包括非磁性材料；以及
磁化固定层，与所述自由磁化层相对地耦合至所述绝缘层，所述磁化固定层包括固定的磁化以便能够用作所述自由磁化层的基准，
其中，所述平面图案的区域垂直于所述磁性元件的厚度方向。
2.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述非磁性材料包括MgO。
3.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述自由磁化层的尺寸等于或者小于所述磁化的方向被同时改变的尺寸。
4.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述自由磁化层包括第一铁磁材料。
5.根据权利要求4所述的磁性元件，其中，所述第一铁磁材料包括Co、Fe和B。
6.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述平面图案的面积是1300nm2以下。
7.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述自由磁化层具有45nm以下的横向长度。
8.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述自由磁化层具有40nm以下的横向长度。
9.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，所述自由磁化层具有2390nm3以下的体积。
10.根据权利要求5所述的磁性元件，其中，所述自由磁化层包括单个第一铁磁材料层。
11.根据权利要求10所述的磁性元件，其中，所述单个第一铁磁材料层具有1.5nm的厚度。
12.根据权利要求5所述的磁性元件，其中，所述自由磁化层包括多个第一铁磁材料层。
13.根据权利要求12所述的磁性元件，其中，所述多个第一铁磁材料层中的至少一个具有小于1.5nm的厚度。
14.根据权利要求5所述的磁性元件，进一步包括保护层，所述保护层与所述绝缘层相对地耦合至所述自由磁化层。
15.根据权利要求14所述的磁性元件，其中，所述保护层包括Ru层。
16.根据权利要求15所述的磁性元件，其中，所述保护层进一步包括Ta层。
17.根据权利要求16所述的磁性元件，其中，所述Ta层在所述Ru层与所述自由磁化层之间。
18.根据权利要求17所述的磁性元件，其中，所述磁化固定层包括第二铁磁材料。
19.根据权利要求18所述的磁性元件，其中，所述第二铁磁材料包括Co和Fe。
20.根据权利要求19所述的磁性元件，其中，所述磁化固定层包括Ru。
21.根据权利要求20所述的磁性元件，其中，所述磁化固定层包括第一层、第二层以及第三层，所述第一层包括Co和Fe，所述第二层包括Ru，所述第三层包括Co，并且其中，所述第二层在所述第一层与所述第三层之间。
22.根据权利要求1所述的磁性元件，进一步包括底层，所述底层与所述绝缘层相对地耦合到所述磁化固定层，并且其中，所述底层包括Ru。
23.一种存储装置，包括如在权利要求1中所述的磁性元件。
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