CN1967892A

CN1967892A - 存储元件和存储器

Info

Publication number: CN1967892A
Application number: CNA2006101486949A
Authority: CN
Inventors: 细见政功; 大森广之; 鹿野博司
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2007-05-23
Also published as: US20070030724A1; JP2007048790A

Abstract

本发明提供一种存储元件，其包括基于磁性物质的磁化状态保持信息的存储层，和为该存储层设置的磁化固定层，在两者之间具有中间层，所述中间层由绝缘体组成。将自旋－极化电子在层－叠加方向上注入，以由此改变所述存储层的磁化方向，使得信息记录在存储层中。包括在存储层中的至少一种铁磁层主要由CoFeTa组成，并且具有在1原子百分比(原子％)到20原子％范围中的Ta含量。

Description

存储元件和存储器

相关申请的交叉引用

本发明包含与于2005年8月5日在日本专利局提交的日本专利申请JP2005-228902相关的主题，该申请全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及存储元件，其包括用于存储铁磁层的磁化状态作为信息的存储层和磁化方向是固定的磁化固定(pinned)层，并且响应于通过的电流改变存储层的磁化方向。本发明还涉及包括该存储元件并且适于用作非易失性存储器的存储器。

背景技术

在信息设备如计算机中，高速且高密度的DRAM广泛用作随机存取存储器。

然而，DRAM是易失性存储器，且因此当切断电源时丢失信息。因此，对不涉及信息丢失的非易失性存储器的需要正在增加。

作为非易失性存储器的候选者，基于磁性物质的磁化记录信息的磁阻随机存取存储器(MRAM)已经引起人们的注意，并且正在加速它的开发(参照例如NikkeiElectronics，第164-171页，Issue No.12，2001年2月)。

在MRAM中，电流施加于基本上彼此垂直的两种地址线(address line)(字线和位线)，并且因此从各自的地址线中生成电流磁场。这个电流磁场导致在地址线之间的交叉处磁存储元件中的磁层的磁化反向，以便记录信息。

附图8是典型的MRAM的示意图(透视图)。

在半导体基底110如硅衬底中通过元件隔离层102分隔的各自的区域中，形成包括在用于选挥各自存储单元的选择晶体管中的漏极区108、源区107和栅电极101。

在栅电极101上方，提供在图中的前后方向上延伸的字线105。

对于在图中横向布置的两个选择晶体管共同地形成漏极区108，并且该漏极区108与互连(互连物、配线)(interconnect)109连接。

在图中在字线105和在上方设置的且在横向方向上延伸的位线106之间，配置包括其磁化方向可反转的存储层的磁存储元件103。磁存储元件103由例如磁隧道结元件(MTJ元件)形成。

磁存储元件103经由水平延伸的旁路线111和垂直延伸的接触层104电连接(couple)到源区107。

当电流施加到字线105和位线106时，电流磁场施加到磁存储元件103。该磁场施加使允许信息记录的磁存储元件103中的存储层的磁化方向反转。

为了使磁存储器如MRAM稳定地保留记录的信息，用于记录信息的磁层(存储层)具有某种矫顽性。

此外，为了重写记录的信息，一定量电流需要施加于地址线。

对于磁化反转所必需的电流值显示出随着包括在MRAM中的元件尺寸的减少而使该值增加的趋势。然而，伴随着元件尺寸减少的地址线宽度减少阻止了足够量的电流流过所述地址线。

因此，作为可以用小电流反转磁化的存储器，采用归因于自旋注入(spininjection)的磁化反转的存储器已经引起了人们的注意。下列文件例子描述了这种类型的存储器：日本专利公开No.2003-17782；美国专利No.6256223；Phys.Rev.B 54.9353(1996)；和J.Magn.Mat.159.L1(1996)。

归因于自旋注入的磁化反转的概述如下：其自旋已由于电子通过磁性物质而极化的电子注入到另一磁性物质中，使得在该磁性物质中引起磁化反转。

例如，在垂直于元件的膜面方向上电流施加于巨大的磁阻效应元件(GMR元件)或磁隧道结元件(MTJ元件)，其使得在元件中至少一个磁层中的磁化方向反转。

归因于自旋注入的磁化反转具有即使当元件小型化时，在没有涉及电流增加的情况下也可以实现磁化反转的优点。

图6和7是说明使用上述归因于自旋注入的磁化反转的存储器的示意图。图6是透视图，而图7是剖视图。

在半导体基底60如硅衬底中通过元件隔离层52分隔的各自的区域中，形成包括在用于选择各自存储单元的选择晶体管中的漏极区58、源区57、和栅电极51。在这些组件中，栅电极51也用作在图6的前后方向上延伸的字线。

对于在图6中横向布置的两个选择晶体管共同地形成漏极区58，并且该漏极区58连接到互连59。

在图6中在源区57和在上方设置的且在横向方向上延伸的位线56之间，配置包括其磁化方向可以由于自旋注入而反转的存储层的存储元件53。

存储元件53由例如磁隧道结元件(MTJ元件)形成。参考图7，存储元件53包括磁层61和62。在这两个磁层61和62中，一个磁层用作其中磁化方向是固定的磁化固定层，而另一个磁层用作磁化方向可以改变的磁化自由层，即作为存储层。

存储元件53分别经由上下接触层54连接到位线56和源区57。这个结构允许电流流过存储元件53，使得存储层中的磁化方向可以由于自旋注入而反转。

这种采用归因于自旋注入的磁化反转的存储器具有特征：其器件结构可以简化且因此与图8中所示的典型的MRAM相比较密度可以增强。

此外，归因于自旋注入的磁化反转提供优点：与采用用于磁化反转的外部磁场的典型MRAM不同，即使当元件尺寸减少时用于写入的电流值也不增加。

在典型的MRAM中，独立于存储元件提供写入线(字线和位线)，并且通过使用当电流施加于写入线时生成的电流磁场进行信息写入(记录)。因此，可以把对于写入所必需的足够量的电流施加于写入线。

相反地，在采用归因于自旋注入的磁化反转的存储器中，经由流过存储元件的用于存储层的磁化方向反转的电流实现自旋注入是必须的。

通过如此直接地施加电流到存储元件来进行信息写入(记录)，并且通过将存储元件连接到选择晶体管来构造存储单元，用于选择将进行写入的存储单元。因此，将流过存储元件的电流量受施加于选择晶体管的最大可容许的电流量(选择晶体管的饱和电流)限制。

因此，用等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流进行写入。因此，增强自旋注入的效率以减少将施加于存储元件的电流是必须的。

此外，需要确保大的磁阻比率以便获取大的读出信号。为了确保大的磁阻比率，构造其中与存储层的两面接触的中间层是隧道绝缘层(隧道阻挡层)的存储元件是有效的。

然而，使用隧道绝缘层作为中间层对流过存储元件的电流量强加限制以防止隧道绝缘层的绝缘击穿。而且从此观点来看，在自旋注入的时候电流需要被抑制。

因此，在其中存储层的磁化方向通过自旋注入反转的存储元件中，为了减少必要的电流需要改善自旋注入效率。

作为用于抑制在自旋注入时的电流的手段，具有下列结构的存储元件已经在美国公开申请No.2004/0027853中提出。具体来讲，这个存储元件具有固定层/中间层/存储层/中间层/固定层的多层结构(其中在存储层上方和下方的固定层具有彼此相反的磁化方向)，来代替在典型的磁隧道结元件中应用的固定层/中间层/存储层的多层结构。

此外，这个专利文献解释说上下固定层的这些相反的磁化方向使得自旋注入效率加倍。

发明内容

在这个专利文献中描述的结构使得自旋注入效率加倍在理论上是可能的。

然而，当本发明人实际制造具有在该专利文献中描述的上述结构的存储元件并且检验这个存储元件的性能时，并没有获得与专利文献理论一致的结果并且没有发现自旋注入效率方面的足够的改进。

希望本发明提供具有增强的自旋注入效率的存储元件并且因此可以用减少的电流值实现写入，以及提供包括该存储元件的存储器。

根据本发明的第一实施方式，存储元件包括基于磁性物质的磁化状态保持信息的存储层，和为该存储层设置的磁化固定层，在其间具有由绝缘体构成的中间层。在层-叠加方向上注入自旋-极化电子，由此改变存储层的磁化方向，使得信息记录在存储层中。存储层主要由CoFeTa构成，并且具有从1原子百分比(在下文中，缩写为原子％)到20原子％范围内的Ta含量。

根据本发明的第二实施方式，存储器包括具有用于基于磁性物质的磁化状态保持信息的存储层和彼此交叉的两种互连(互连物、配线)(interconnect)的存储元件。这个存储元件具有和第一实施方式的存储元件相同的结构。存储元件被配置在两种互连之间并且在两种互连的交叉点附近。在层-叠加方向上的电流经由两种互连流过存储元件。

根据第一实施方式的存储元件的配置，包括基于磁性物质的磁化状态保持信息的存储层，以及为该存储层设置磁化固定层，在其间具有中间层。对于这个存储元件，在层-叠加方向上注入自旋-极化电子，由此改变存储层的磁化方向，使得信息记录在存储层中。因此，通过在层-叠加方向上施加电流以注入自旋-极化电子，可进行归因于自旋注入的信息记录。

此外，因为中间层由绝缘体组成，并且存储层主要由CoFeTa组成并且具有从1原子％到20原子％范围内的Ta含量，可以极大地增加自旋注入的效率。因此，对由于自旋注入的存储层的磁化方向反转所必需的电流量(阈电流)可降低。

根据第二实施方式的存储器的配置，包括含有用于基于磁性物质的磁化状态保持信息的存储层和互相交叉的两种互连的存储元件。这个存储元件具有和第一实施方式的存储元件相同的结构，并且配置在两种互连之间和在两种互连的交叉点附近。此外，在层-叠加方向上的电流经由两种互连流过存储元件。因此，归因于自旋注入的信息记录可以通过在存储元件的层-叠加方向上经由两种互连施加电流以注入自旋-极化电子来进行。

此外，对由于自旋注入的存储元件中的存储层的磁化方向反转所必需的电流量(阈电流)可降低。

根据本发明的上述实施方式，可以抑制对存储层的磁化方向反转所必需的电流量(阈电流)，其可以减少对信息记录所必需的电流量。

因此，可以获得用于存储元件工作的足够的误差界限，且因此存储元件可以在高速下工作而没有误差。

此外，消除了施加大电压的需要，其导致没有作为中间层的绝缘体的击穿。

因此，可以实现稳定工作的高度可靠的存储器。

此外，整个存储器的功率消耗可减少。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的存储器的示意结构图(透视图)；

图2是图1中所示的存储元件的剖视图；

图3是根据本发明的另一个实施方式的存储元件的剖视图；

图4A是显示第一实验的各个样品的Ta添加量(原子％)和MR比率之间关系的图；

图4B是显示第一实验的各个样品的Ta添加量(原子％)和反转电流密度之间关系的图；

图5A是显示第二实验的各个样品的Ta和B的添加量(原子％)和MR比率之间关系的图；

图5B是显示第二实验的各个样品的Ta和B的添加量(原子％)和反转电流密度之间关系的图；

图6是使用归因于自旋注入的磁化反转的存储器示意结构图(透视图)；

图7是图6中所示的存储器的剖视图；和

图8是示意性说明在相关技术中的MRAM的结构的透视图。

具体实施方式

在描述本发明的具体实施方式之前，下面将描述本发明的要点。

在本发明中，存储元件中的存储层的磁化方向通过上述自旋注入反转以便记录信息。存储层由磁性物质组成如铁磁层，并且基于磁性物质的磁化状态(磁化方向)保持信息。

用于通过自旋注入使磁层的磁化方向反转的基本操作是在垂直于元件的膜面方向上将大于特定阈值的电流施加到由巨大的磁阻效应元件(GMR元件)或隧道磁阻效应元件(MTJ元件)形成的存储元件。电流的极性(方向)取决于磁化将反转的方向。

当施加绝对值小于阈值的电流时，不引起磁化反转。

对于通过自旋注入的磁层的磁化方向反转所必需的电流的阈值Ic通过下列等式(1)现象上地表示(参照例如F.J.Albert等，Appl.Phys.Lett.，77，p.3809，2000)。

I_c ^±＝kMsV(H_K ^有效)/g^± (1)

在等式(1)中，k是常数，g^±是对应于正负电流极性的材料-特有的(material-specific)反转系数，H_K ^有效是有效的磁各向异性，Ms是磁层的饱和磁化，以及V是磁层的体积。

本发明利用可以如等式(1)所示通过调节磁层的体积V、磁层的饱和磁化Ms、以及有效的磁各向异性的量而任选地设置电流阈值的事实。

此外，构造存储元件，其包括能够基于其磁化状态保持信息的磁层(存储层)和其磁化方向是固定的磁化固定层。

用于改变实际元件中的存储层的磁化状态的电流阈的例子如下：在其存储层具有2nm的厚度和120-130nm乘100nm的平面图案尺寸的基本上椭圆的巨大的磁阻效应电极(GMR元件)中，正阈值+Ic是+0.6mA，负阈值-Ic是-0.2mA，以及对应于阈值的电流密度大约为6×10⁶A/cm²。这些值基本上匹配等式(1)(参照Yagami等，Journal of the Magnetics Society of Japan，Vol.28，No.2，p.149，2004)。

相反地，在采用电流磁场用于磁化反转的典型MRAM中，若干毫安数量级的写入电流是必需的。

与此相反，如上所述采用自旋注入用于磁化反转提供充分地减少的写入电流阈，因此对于减少集成电路的功率消耗是有益的。

此外，采用自旋注入消除了对提供用在典型MRAM中用于生成电流磁场的线(图8中的线105)的需要，并且因此在集成度方面对于典型MRAM是有益的。

然而，如上所述，在采用归因于自旋注入的磁化反转的存储器中，经由流过存储元件的电流进行自旋注入以使用于存储层的磁化方向反转是必须的。

通过如此直接施加电流到存储元件来进行信息写入(记录)，并且通过将存储元件连接到选择晶体管来构造存储单元，用于选择将进行写入的存储单元。因此，流过存储元件的电流量受施加于选择晶体管的最大可容许的电流量(选择晶体管的饱和电流)限制。

因此，用等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流进行写入。因此，增强自旋注入的效率以减少施加于存储元件的电流是必须的。

本发明的发明人因此已经进行了各种研究以增强自旋注入效率，并且结果，发明人已经发现下列事实。具体来讲，通过规定包括在存储层中的至少一个铁磁层的材料并且限定该层中的组成，自旋注入效率得到改善并且因此对于存储层的磁化方向反转所必需的电流密度降低。

因此，根据本发明的实施方式，包括在存储层中的至少一个铁磁层主要由CoFeTa构成，并且具有在从1原子％到20原子％范围内的Ta含量。

因此，自旋注入效率可以提高，由此对于存储层的磁化方向反转所必需的电流密度可降低。

或者，也可利用另一种配置，其中包括在存储层中的至少一个铁磁层主要由CoFeTaB组成，并且在铁磁层中的Ta含量和B含量分别处于从1原子％到20原子％的范围，以及从10原子％到30原子％的范围内。

混合Ta到存储层中可以降低电流密度的原因将在下文中进行说明。

在上述等式(1)中，术语有效的磁各向异性H_K ^有效由磁层的面内方向中的各向异性磁场H_K和在其垂直于平面的方向中的各向异性磁场H_K的组合产生。在CoFe或CoFeB存储层中(其在膜面中具有磁各向异性)，在垂直于平面的方向上的各向异性磁场H_K大于在面内方向上的各向异性磁场H_K，以及垂直于平面的方向上的各向异性磁场H_K可以表示为Ms/2。

在这种情况下，等式(1)可以表示为下列等式(2)。

Ic＝Ms·V·(H_K+Ms/2)·(k/g) (2)

在等式(2)中，H_K比Ms小得多。

等式(2)表明减少饱和磁化Ms对于减少电流阈Ic是有效的。

在本发明中，Ta的添加减少了饱和磁化Ms，且因此电流阈Ic减少了与原始的饱和磁化Ms的平方和减少的饱和磁化Ms的平方之间的差值成比例的量。

此外，Ta的添加与添加另一元素的情况相比，允许以较少量的添加元素(即Ta)用于降低饱和磁化Ms，且因此由于元素的添加可以抑制MR比率的减少。

因此，由于添加Ta，电流阈Ic可以通过减少饱和磁化Ms而减少，同时可以确保MR比率等于过去的值。

此外，为了保持作为存储器的特性，需要确保热稳定性指数Δ大于特定值，使得不产生由于热的磁化反转。典型地，指数Δ需要为至少60。指数Δ通过下列等式(3)表示。

Δ＝Ms·V·H_K·(1/2kT) (3)

在等式(3)中，k是波尔兹曼常数，以及T是温度。

等式(3)表明热稳定性指数Δ随着饱和磁化Ms的减少而减少。

因此，各向异性磁场H_K增加以防止与饱和磁化Ms的减少有关的热稳定性指数Δ的减少。

各向异性磁场H_K可以通过减少元件的短轴尺寸以由此增加元件的长宽比来增加。此外，增加存储层的铁磁材料的各向异性磁场H_K也是可用的。这可以通过将由CoFeTa或CoFeTaB组成的存储层和另一个具有大的各向异性磁场H_K的铁磁层组合而实现。

如上所述，根据本发明的实施方式，包括在存储层中的至少一个铁磁层由将Ta添加到CoFe或CoFeB产生的材料组成。因此，可以减少磁化反转电流，同时确保所需的MR比率和热稳定性。

用于添加Ta的简单方法是制造CoFeTa或CoFeTaB溅射靶。然而，由典型的热压烧结以获取合金靶制造的CoFeTa或CoFeTaB靶涉及大的组成偏差，因此可能导致不均一的薄膜。在真空中熔化合金和浇铸熔融合金的方法的情况中，铸锭是易碎的且因此它难以通过压延形成再结晶晶粒，其迫使使用铸造的锭作为合金靶。因此，尽管使用合金靶的方法可以是可利用的，但难以制造靶本身。

因此，作为用于添加Ta的方法，采用在CoFe或CoFeB层中提供Ta超薄薄膜的方法或通过共溅射混合Ta的方法。在CoFe或CoFeB层中提供Ta超薄薄膜允许高度可再现的调整Ta添加量。

为了确保需要的MR比率，期望形成存储层，使得Ta不存在于直接和隧道绝缘层(隧道阻挡层)接触的存储层的界面中。

添加到CoFe或CoFeB层的Ta的量处于从1原子％到20原子％的范围中。

尽管饱和磁化Ms随着Ta添加量的增加而减少，但超过20原子％的添加量导致显著减少的饱和磁化Ms，其使得难以通过增加各向异性磁场H_K确保高热稳定性指数Δ。因此，存储层的磁化变得太小，其使作为存储器的存储层的功能劣化。

至于Ta添加量的下限，为了将被识别的Ta添加的效果，至少1原子％是所必需的。随着Ta添加量从1原子％增加，反转电流减少并且热稳定性指数Δ减少。取决于根据存储器性质的性质确定Ta添加量。

如上所述，其剂量处于从1原子％到20原子％范围的Ta的添加可以减少磁化反转电流，同时确保作为存储元件所必需的热稳定性(指数Δ)。磁化反转电流的减少允许选择晶体管的饱和电流值的减少。具体来讲，晶体管的栅宽度可降低，并且因此单元可以小型化，其可以提供大容量的非易失性存储器。

在确保磁化和软磁性方面，优选的是在CoFeTa合金中为铁磁性成分的Co含量和Fe含量的和等于或大于80原子％。

更具体地说，优选的是在CoFeTa合金中，Co含量处于从32原子％到90原子％的范围并且Fe含量处于从8原子％到60原子％的范围。

此外，优选的是在CoFeTaB合金中为铁磁性成分的Co含量和Fe含量的和等于或大于60原子％。

更具体地说，优选的是在CoFeTaB合金中，Co含量处于从20原子％到80原子％的范围和Fe含量处于从5原子％到55原子％的范围。

如果Co含量和Fe含量的和小于60原子％，无法获得如铁磁层的饱和磁化和矫顽性。此外，一般来讲，当Co与Fe的比率处于从90∶10到40∶60范围时，显示出磁各向异性分散被适当抑制的这种有利的软磁性。因此，还在本发明的实施方式中，可设置Co与Fe的量的比率，使得如上所述这些Co和Fe获得如铁磁性组分的有利的性能。

此外，考虑到选择晶体管的饱和电流值，本发明采用由绝缘体组成的隧道绝缘层作为在存储层和磁化固定层之间的非磁性中间层，使得形成磁隧道结(MTJ)元件。这是因为通过使用隧道绝缘层形成MTJ元件与通过使用非磁性导电层形成巨大的磁阻效应(GMR)元件的情况相比较，可以提供较大的磁阻改变比率(MR比率)和由此的较大强度的读出信号。

此外，特别地，采用氧化镁(MgO)作为隧道绝缘层的材料与使用在过去通常用于元件的氧化铝的情况相比较，可以提供进一步的较大的磁阻改变比率(MR比率)。

一般来讲，自旋注入效率取决于MR比率：较大的MR比率可以提供增强的自旋注入效率以及由此减少的磁化反转电流密度。

因此，当氧化镁用作作为中间层的隧道绝缘层的材料时，由于自旋注入的写入的阈电流可减少，并且因此信息可以用小电流写入(记录)。此外，读出信号的强度可增强。

因此，由于自旋注入的写入的阈电流可减少，同时确保高MR比率(TMR比率)，并且因此信息可以用小电流写入(记录)。此外，读出信号的强度可增强。

关于由氧化镁(MgO)薄膜形成的隧道绝缘层，更希望的是MgO薄膜结晶并且其晶体取向保持在001方向上。

在本发明中，在存储层和磁化固定层之间的中间层可以由任何各种绝缘体、电介质、和半导体，如氧化铝、氮化铝、SiO₂、Bi₂O₃、MgF₂、CaF、SrTiO₂、AlLaO₃和Al-N-O代替氧化镁(隧道绝缘层)来构成。

当氧化镁用于中间层时，通常退火温度高达至少300℃，和期望为340-360℃，以获得优异的MR性能。这样的温度高于在过去用于中间层的氧化铝的退火温度(250-280℃)。

这是因为高温对于氧化镁的适当的内部结构和晶体结构的形成是必需的。

因此，除非将具有耐热性以抵抗这种高退火温度的铁磁材料用于存储元件的铁磁层，否则难以获得优异的MR性能。

然而，由本发明人作出的研究已经证明了添加具有高熔点的Ta到包括在存储层中的铁磁层会提供下列优点。具体来讲，铁磁层的磁性物质的耐热性可改善，并且在铁磁层和邻近层之间的元素的扩散可以得到抑制。

B含量需要为至少10原子％以确保相对于高达400℃的温度的耐热性。然而，如果B含量高于30原子％，尽管允许铁磁层作为磁层存在，但铁磁层很难确保对构造存储元件所必需的饱和磁化。因此，B含量设定为等于或小于30原子％的值。

CoFe合金用作典型的MRAM中的存储层的材料，并且发现在CoFe合金中较高的铁含量导致较大的MR比率和改善的自旋注入效率的趋势。

然而，实际上，反转电流密度的减少量小于从MR比率的增加量中期望的量。

为了将足够的写入电流施加于存储元件，隧道绝缘层(隧道阻挡层)的面积-电阻积(area-resistance product)需要减少。

具体来讲，根据获得对由于自旋注入的存储层的磁化方向反转所必需的电流密度，隧道绝缘层的面积-电阻积设置为几十Ωμm²或更少。

当采用由MgO薄膜形成的隧道绝缘层时，MgO薄膜的薄膜厚度需要是1.5nm或更小，以获得在上述范围内的面积-电阻积。

此外，希望的是减少存储元件的尺寸，使得可以用小电流容易地使存储层的磁化方向反转。

因此，优选的是存储元件的区域设置为0.04μm²或更小。

在本发明中，包括在存储层中的至少一个铁磁层主要由组成和上述组成范围一致的CoFeTa或CoFeTaB组成。

具体来讲，包括在存储层中的一个或所有铁磁层主要由组成和上述组成范围是一致的CoFeTa或CoFeTaB组成。

也可将主要由具有和上述组成范围一致的组成的CoFeTa或CoFeTaB组成的铁磁层和具有不同材料或组成的另一铁磁层直接在彼此上堆叠。或者，也可将铁磁层和软磁层在彼此上堆叠，或将在中间具有软磁层和非磁性层的多个铁磁层堆叠。这种多层结构也提供本发明的上述优点。

当多个铁磁层和特别是在中间的非磁性层堆叠时，允许调整铁磁层中相互作用的强度。因此，即使当存储元件的尺寸是亚微米级或更小时，也可以有利地抑制磁化反转电流以便不增加。作为插入在铁磁层中间的非磁性层的材料，可以使用任何下述元素或任何这些元素的合金：Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo和Nb。

通常，存储层主要由铁磁材料如Co、Fe、Ni和Gd组成，并且通过将由这些铁磁材料的至少两个的合金组成的至少一层堆叠而形成。

如果包括在存储层中的铁磁层主要由具有和上述组成范围一致的组成的CoFeTa或CoFeTaB组成，铁磁层可以采用包括作为主要材料的CoFeTa或CoFeTaB以及附加材料的材料。附加材料的例子包括磁性元素如Ni和Gd，和其他元素如C、N、Si、P、Al、Ta、No、Cr、Nb、Cu、Zr、W、V、Hf、Mn和Pd。

作为在除主要由CoFeTa或CoFeTaB组成的铁磁层以外的存储层中的铁磁层的材料和作为在磁化固定层中的铁磁层的材料，下列任何材料都是可用的：NiFe合金；CoFe合金；CoFeNi合金；由将选自Si和B中至少一种元素加入到选自Co、Fe和Ni中的至少一种元素中产生的材料；由将选自P、Al、Mo、Nb和Mn的至少一种元素进一步加入到上述材料中产生的材料；由将选自Zr、Hf、Nb、Ta和Ti中的至少一种元素加入到钴中产生的无定形材料；和Huesler材料如CoMnSi、CoMnAl和CoCrFeAl。

期望磁化固定层具有单向的各向异性和存储层具有单轴各向异性。此外，优选的是磁化固定层和存储层的薄膜厚度处于从1nm到30nm的范围。

存储元件的其它配置可以与在相关技术中的用于通过使用自旋注入记录信息的存储元件的公知的配置相同。

磁化固定层的磁化方向通过使用铁磁层或通过使用在反铁磁层和铁磁层之间的反铁磁性耦合而固定。

磁化固定层由单个铁磁层形成，或具有其中多个铁磁层和在其中间的非磁性层堆叠的合成亚铁磁性结构。

当磁化固定层具有合成的亚铁磁性结构时，磁化固定层对外部磁场的灵敏度可降低。因此，由于外磁场的磁化固定层的不必要的磁化波动可被抑制，其可使存储元件稳定工作。此外，允许调整各自铁磁层的薄膜厚度，并且因此可抑制来自于磁化固定层的泄漏磁场。

作为包括在具有合成的亚铁磁性结构的磁化固定层中的铁磁层的材料，可使用Co、CoFe、CoFeB等的任一种。作为非磁性层的材料，可使用Ru、Re、Ir、Os等的任一种。

反铁磁层的材料的例子包括磁性物质如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO和Fe₂O₃。

此外，这些磁性物质可配有任何附加的非磁性元件例如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo和Nb，使得磁性可调节以及其它各种各种性质如晶体结构、结晶度、和物质稳定性可调节。

在存储元件的薄膜结构中，存储层提供在磁化固定层以上还是以下根本是无关紧要的。

为了检索记录在存储元件的存储层中的信息，用作信息参照的磁层可以设置在中间具有薄的绝缘薄膜的存储元件的存储层附近，以及信息可以基于流过绝缘层的铁磁隧道电流进行检索。或者，信息可以基于磁阻效应进行检索。

本发明的实施方式将在下文中说明。

图1是根据本发明的一个实施方式的存储器的示意性结构图(透视图)。

在该存储器中，可以基于磁化状态保持信息的存储元件布置在彼此垂直的两种地址线(例如，字线和位线)之间的交叉点附近。

具体来讲，在半导体基底10如硅衬底中由元件隔离层2分隔的各自区域中，形成包括在用于选择各自存储单元的选择晶体管中的漏极区8，源区7，和栅电极1。在这些组件中，栅电极1也用作在图中的前后方向上延伸的一个地址线(例如字线)。

对于在图中横向布置的两个选择晶体管共同地形成漏极区8，并且该漏极区8与互连9连接。

在图中在源区7和在上方设置并在横向方向上延伸的其他地址线(例如位线)6之间提供存储元件3。存储元件3包括由磁化方向由于自旋注入而反转的铁磁层形成的存储层。

存储元件3配置在两种地址线1和6之间的交叉点附近。

存储元件3经由上下接触层4分别连接到位线6和源区7。

这个结构允许电流经由两个位线6和互连9在垂直方向上流过存储元件3，使得存储层中的磁化方向可以由于自旋注入而反转。

图2是在本实施方式的存储器中的存储元件3的剖视图。

如图2中所示，存储元件3包括其中磁化方向M1由于自旋注入而反转的存储层17，和在存储层17的下面设置的磁化固定层31。在磁化固定层31的下面设置反铁磁层12，并且磁化固定层31的磁化方向由于反铁磁层12而固定。

用作隧道阻挡层(隧道绝缘层)的绝缘薄膜16设置在存储层17和磁化固定层31之间，使得存储层17和磁化固定层31构造MTJ元件。

底层11形成在反铁磁层12下面，以及帽层(cap layer)18形成在存储层17上。

磁化固定层31具有合成的亚铁磁结构。

具体来讲，磁化固定层31具有其中两个铁磁层13和15与在其中间的非磁性层14堆叠以反铁磁性地彼此耦合的结构。

因为磁化固定层31的各自铁磁层13和15形成合成的亚铁磁结构，铁磁层13和15的磁化方向M13和M15在图中分别是右和左的方向，且因而彼此是相反的。

因此，从磁化固定层31的铁磁层13和15中泄漏的磁通量互相抵消。

本实施方式采用其中存储层17主要由CoFeTa组成并且具有Ta含量在1原子％到20原子％范围内的配置。或者，所述实施方式采用另一种配置，其中存储层17主要由CoFeTaB组成，并且在存储层17中的Ta含量和B含量分别处于从1原子％到20原子％的范围，和从10原子％到30原子％的范围。

主要由CoFeTa或CoFeTaB组成的具有在上述组成范围中的组成的铁磁层可包含Fe、Co和Gd中的任何一种作为其他元素。此外，铁磁层可包含任何其它过渡金属如Mo、Mn、Cu、Nb和Zr，和任何轻元素如B和C。

此外，更优选的是作为中间层的绝缘层16由氧化镁层形成。中间层可以由任何各种绝缘体、电介质和半导体例如，氧化铝、氮化铝、SiO₂、Bi₂O₃、MgF₂、CaF、SrTiO₂、AlLaO₃和AlNO代替氧化镁层来形成。

作为包括在磁化固定层31的合成的亚铁磁结构中的非磁性层14的材料，可使用任何上述材料。非磁性层14的薄膜厚度取决于它的材料，但是优选的是在从大约0.5nm到大约2.5nm的范围内。

作为反铁磁层12的材料，可使用任何上述材料。

磁化固定层31的铁磁层13和15可以由例如包括Fe、Ni、Co和Gd中的一种或多种的合金材料组成。此外，层13和15可包含任何过渡金属元素如Nb和Zr，和任何轻元素如B和C。

磁化固定层31的铁磁层13和15的薄膜厚度可以适当地调整，并且优选的是处于从1nm到5nm的范围内。

本实施方式的存储元件3可以通过在真空设备中连续地形成从底层11到帽层18的各自组成部分，然后通过如蚀刻的处理形成存储元件3的图案来制造。

根据本发明的实施方式，存储元件3的存储层17主要由CoFeTa组成并且具有在从1原子％到20原子％范围内的Ta含量。或者，存储层17主要由CoFeTaB组成，并且在存储层17中的Ta含量和B含量分别处于从1原子％到20原子％的范围和从10原子％到30原子％的范围。因此，自旋注入效率可以增强，同时保持高MR比率，以由此显著地减少对由于自旋注入的存储层17中的磁化方向M1反转所必需的电流密度。

此外，铁磁层的耐热性增强，并且因此铁磁层可以耐受在400℃下的退火，而其磁性不劣化。

这个特征提供了这样的优点：典型的半导体MOS形成方法可以应用于制造包括存储元件3的存储器，其允许具有本实施方式的存储元件3的存储器用作通用存储器。

此外，如果在本实施方式中作为中间层的绝缘层16由氧化镁层形成，可以实现增强的磁阻改变比率(MR比率)。

该MR比率的增强也可以改善自旋注入效率以由此减少对存储层17中的磁化方向M1反转所必需的电流密度。

因此，可以实现稳定工作的高度可靠的存储器，并且可以减少包括存储元件3的存储器的功率消耗。

图3是说明根据本发明的另一实施方式的构成存储器的存储元件的剖视图。

存储元件30包括磁化方向M1由于自旋注入而反转的存储层17，和分别在存储层17下面和上面设置的磁化固定层31和32。也就是说，对于存储层17设置上下两个磁化固定层31和32。

上层磁化固定层32由单铁磁层20形成。

用作隧道阻挡层(隧道绝缘层)的绝缘薄膜19设置在存储层17和磁化固定层32之间，使得存储层17和磁化固定层32构造MTJ元件。

反铁磁层21设置在磁化固定层32上，并且在磁化固定层32的铁磁层20中的磁化方向M20由于反铁磁层21而固定。

帽层18形成在反铁磁层21上。

本实施方式具有这样的配置，其中存储层17主要由CoFeTa组成并且具有在从1原子％到20原子％范围内的Ta含量，或这样的配置，其中存储层17主要由CoFeTaB组成，并且在存储层17中的Ta含量和B含量分别处于从1原子％到20原子％的范围和从10原子％到30原子％的范围。

此外，更优选的是作为中间层的绝缘层16和19由氧化镁层形成。

主要由CoFeTa或CoFeTaB组成的具有在上述组成范围中的组成的铁磁层可包含Fe和Gd中的任何一种作为其他元素。此外，铁磁层可包含任意其它过渡金属如Mo、Mn、Cu、Nb和Zr，和任何轻元素如B和C。

存储元件30的其它部分与图2中所示的存储元件3的那些相同，因此采用相同的数字，省略其重复描述。

此外，使用本实施方式的存储元件30，可以构造类似于图1中所示的存储器的存储器。

具体来讲，存储元件30布置在两种地址线之间的交叉点处以由此构造存储器。在存储器中，在垂直方向(层-叠加方向)上的电流经由两种地址线施加于存储元件30，并且因此存储层17的磁化方向M1由于自旋注入而反转，使得信息可以记录在存储元件30中。

根据本发明的实施方式，存储元件30的存储层17主要由CoFeTa组成并且具有在从1原子％到20原子％范围内的Ta含量。或者，存储层17主要由CoFeTaB组成，并且在存储层17中的Ta含量和B含量分别处于从1原子％到20原子％的范围和从10原子％到30原子％的范围。因此，自旋注入效率可以增强，同时确保高MR比率，以由此显著地减少对由于自旋注入的存储层17中的磁化方向M1反转所必需的电流密度。

这个特征提供一个优点：典型的半导体MOS形成方法可以应用于制造包括存储元件30的存储器。具有本实施方式的存储元件30的存储器可用作通用存储器。

此外，如果在本实施方式中作为中间层的绝缘层16和19由氧化镁层形成，可以实现增强的磁阻改变比率(MR比率)。

该MR比率的增强也可以改善自旋注入效率，以由此减少对存储层17中的磁化方向M1反转所必需的电流密度。

而且，在本实施方式中，磁化固定层31和32分别设置在存储层17的下面和上面，在其中间有绝缘层16和19。这种结构的操作也可以减少对存储层17中的磁化方向M1反转所必需的电流。

因此，可以实现稳定工作的高度可靠的存储器，并且可以减少包括存储元件30的存储器的功率消耗。

工作实施例

具体选择各自层的材料、薄膜厚度等用于本发明的存储元件的结构，并且对存储元件的特性进行研究。

除存储元件之外，实际的存储器还包括如图1和6中所示的用于切换的半导体电路等。然而，在所述工作实施例中，对存储元件已经形成在其上的晶片进行研究，以研究所述存储层的磁阻特性。

<第一实验>

在具有0.725mm厚度的硅衬底上形成具有300nm厚度的热氧化薄膜，然后将具有图2的结构的存储元件3形成在热氧化薄膜上。

在具有图2中所示的结构的存储元件3中的各自层的具体材料和薄膜厚度如下所示。底层薄膜11由具有3nm厚度的Ta薄膜形成，以及反铁磁层12由20nm的PtMn薄膜形成。磁化固定层31的铁磁层13和15分别由2nm的CoFe薄膜和2.5nm的CoFeB薄膜形成。包括在具有合成的亚铁磁结构的磁化固定层31中的非磁性层14由具有0.8nm厚度的Ru薄膜形成。用作隧道绝缘层的绝缘层(阻挡层)16由具有0.9nm厚度的氧化镁薄膜形成。存储层17和帽层18分别由3nm的CoFeTa薄膜和5nm的Ta薄膜形成。此外，具有100nm厚度的铜薄膜(未示出，用作稍后描述的字线)设置在底层薄膜11和反铁磁层12之间。

在这个薄膜结构中，PtMn薄膜的组成是Pt50Mn50(原子％)，以及CoFe薄膜的组成是Co90Fe10(原子％)。

在CoFeTa薄膜中Co与Fe的比率是80∶20。

除由氧化镁薄膜形成的绝缘层16以外的各层通过DC磁控管溅射淀积。

由氧化镁(MgO)薄膜形成的绝缘层16通过RF磁控管溅射淀积。

在存储元件3中各层的淀积之后，在360℃下以10kOe在磁性退火炉中进行两个小时退火以由此进行用于反铁磁层12的PtMn薄膜的有序化(ordering)热处理。

随后，字线部分由掩模通过光刻法覆盖，然后用氩等离子体对除字线部分以外的多层薄膜进行选择性蚀刻，以便形成字线(低电极)。通过该蚀刻，将除字线部分以外的区域蚀刻到衬底的5nm深度。

其后，通过使用电子束描绘仪形成用于存储元件3的图案的掩模，随后对于多层薄膜进行选择性地蚀刻，其导致形成存储元件3。对于除存储元件部分以外的区域，直接在作为字线的铜层之上进行蚀刻。

注意，需要对用于性能评估的存储元件提供足够大的电流以产生对于磁化反转所必需的自旋扭矩，因此在存储元件中的隧道绝缘层的电阻需要被抑制。因此，存储元件3的图案形成为具有0.09μm(短轴)乘0.18μm(长轴)大小的椭圆形，使得存储元件3的面积-电阻积(Ωμm²)是30Ωμm²。

随后，除存储元件部分以外的区域通过在其上由溅射淀积具有大约100nm厚度的Al₂O₃薄膜而分离。

其后，作为上电极的位线和用于测量的衬垫通过使用光刻法形成。

用这样的方式，制造存储元件3的样品。

通过上述制造方法，制造多个存储元件3的样品，其中在存储层17的CoFeTa薄膜中的Ta的添加量根据每个样品彼此不相同。

具体来讲，制造具有下列Ta添加量的样品：0(钴80铁20)、2、5、10、15、20、25、和30原子％。

<第二实验>

对于具有图2中所示的结构的存储元件3，各层的材料和薄膜厚度如下选择。底层薄膜11由具有3nm厚度的Ta薄膜形成，以及反铁磁层12由20nm的PtMn薄膜形成。磁化固定层31的铁磁层13和15分别由2nm的CoFe薄膜和2.5nm的CoFeB薄膜形成。包括在具有合成的亚铁磁结构的磁化固定层31中的非磁性层14由具有0.8nm厚度的Ru薄膜形成。用作隧道绝缘层的绝缘层(阻挡层)16由具有0.8nm厚度的氧化镁薄膜形成。存储层17和帽层18分别由3nm的CoFeTaB薄膜和5nm的Ta薄膜形成。

在CoFeTaB薄膜中Co与Fe的比率是80∶20。

存储元件3的其它配置和制造方法与第一实验的存储元件3的那些相同。

通过上述制造方法，制造多个存储元件3的样品，其中在存储层17的CoFeTaB薄膜中的Ta和B的添加量根据每个样品彼此不相同。

具体来讲，制造具有下列Ta和B添加量的样品：对于Ta为0、5、10、15、20、25、和30原子％，以及对于B为5、10、20、30、和40原子％。即，制造的样品总数是7×5＝35。

对于在第一和第二实验中制造的存储元件3的各个样品，进行下列性能评估。

在测量之前，测量系统被配置为允许从外部向存储元件3施加磁场，使得在正负方向上的反转电流值可以控制为对称的。此外，施加于该存储元件3的电压被设置为低于1V，这在不使绝缘层16击穿的电压范围内。

测量反转电流值和MR比率

电流施加于存储元件3以便测量存储元件3的阻值。在这个电阻测量中，温度调节到25℃的室温，并且施加于字线和位线的终端的偏压设置为10mV。以变化的流过存储元件3的电流量进行该电阻测量，并且因此从该测量结果中获得电阻-电流曲线。对于两极性(在正和负方向上)的电流，进行用于获取电阻-电流曲线的该测量。

从电阻-电流曲线中，获得使电阻变化的电流值，并且定义为产生磁化方向反转的反转电流值。对于两极性的电流，获取反转电流值。

随后，计算两极性的反转电流值的绝对值的平均值，并且这个平均值除以元件面积由此计算磁化反转电流密度(MA/cm²)。

此外，计算下列阻值的比率，并且定义为MR比率(TMR比率)：当更接近存储层17的磁化固定层31的铁磁层15中的磁化方向M15反平行于存储层17的磁化方向M1，且由此电阻大时的阻值；和当这些磁化方向M15和M1平行，且由此电阻小时的阻值。

对第一实验的各个样品的测量结果显示在图4A和4B中，并且对于第二实验的各个样品的结果显示在图5A和5B中。图4A和5A示出在Ta添加量(原子％)(和图5A中的B添加量(原子％))和MR比率之间的关系。图4B和5B示出在Ta添加量(原子％)(和图5B中的B添加量(原子％))和磁化反转电流密度之间的关系。

图4A和5A表明下列事实。具体来讲，当在第一和第二实验的存储元件3中，在存储层17的CoFeTa或CoFeTaB层中的Ta添加量处于从1原子％到20原子％的范围，和B添加量处于从10原子％到30原子％的范围时，即当这些添加量在本发明指定的范围之内时，确保MR比率大于75％。

75％的MR比率是对于存储器的必要值，以确保足够的读取速度和误差界限。即使反转电流密度的改进导致MR比率的减少，但只要MR比率至少是75％，也使得存储器具有需要的性能。

图4B和5B表明下列事实。具体来讲，当在第一和第二实验的存储元件3中，在存储层17的CoFeTa或CoFeTaB层中的Ta添加量处于从1原子％到20原子％的范围，和B添加量处于从10原子％到30原子％的范围时，即当这些添加量在本发明指定的范围之内时，磁化反转电流密度小于3MA/cm²，其容许完成使用自旋注入的存储器。

上述结果显示下列事实。具体来讲，即使当存储层17的铁磁层包含Ta并由此发现MR比率减少的时候，作为对于存储器的读取操作的必要值的75％的MR比率，可以通过调节铁磁层的组成使得所述组成落入本发明中指定的组成范围之内来保持。该组成调整也使反转电流密度大大减小，其已经成为最大的挑战。此外，采用本发明的配置允许制造可以用相对低的3MA/cm²或更少的电流密度写入信息的存储元件，因此可以实现新颖的低-功率-消耗的采用自旋注入磁化反转的磁存储器。

本发明不局限于上述实施方式中所示的存储元件3和30的薄膜结构，而是可以采用其它各种薄膜结构。

在上述实施方式中，磁化固定层31具有包括铁磁层13和15与非磁性层14的合成的亚铁磁结构。然而，磁化固定层可以由例如单铁磁层形成。

本发明不局限于上述实施方式，而是可以在不脱离本发明范围的情况下采用其它各种配置。

Claims

1、一种存储元件，包括：

存储层，其基于磁性物质的磁化状态保持信息；和

为该存储层设置的磁化固定层，在两者之间具有中间层，所述中间层由绝缘体组成；其中

将自旋-极化电子在层-叠加方向上注入，以由此改变所述存储层的磁化方向，使得信息记录在该存储层中，以及

包括在该存储层中的至少一种铁磁层主要由CoFeTa组成，并且具有在1原子百分比(原子％)到20原子％范围中的Ta含量。

2、根据权利要求1的存储元件，其中

包括在该存储层中的至少一种铁磁层主要由CoFeTaB组成，并且具有在1原子％到20原子％范围中的Ta含量和在10原子％到30原子％的范围中的B含量。

3、根据权利要求1的存储元件，其中

所述中间层由氧化镁组成。

4、一种存储器，包括：

存储元件，其包括用于基于磁性物质的磁化状态保持信息的存储层；和

互相交叉的两种互连；其中

所述存储元件包括为该存储层设置的磁化固定层，在两者之间具有由绝缘体组成的中间层，

将自旋-极化电子在层-叠加方向上注入，以由此改变所述存储层的磁化方向，使得信息记录在该存储层中，

包括在该存储层中的至少一种铁磁层主要由CoFeTa组成，并且具有在1原子％到20原子％范围中的Ta含量，

所述存储元件配置在该两种互连之间并且在该两种互连的交叉点附近，并且

在层-叠加方向上的电流经由该两种互连流过该存储元件。

5、根据权利要求4的存储器，其中

包括在该存储元件的存储层中的至少一种铁磁层主要由CoFeTaB组成，并且具有在1原子％到20原子％范围中的Ta含量和在10原子％到30原子％范围中的B含量。