存储元件和存储装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及存储元件和存储装置，其中，该存储元件包括：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，并且存储层的尺寸小于磁化的方向被同时改变的尺寸。

【技术实现步骤摘要】
存储元件和存储装置
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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）以本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，具有用作被存储在所述存储层中的信息的基准的磁化；以及绝缘层，由被设置在所述存储层与所述磁化固定层之间的非磁体形成，其中，通过利用伴随在所述存储层、所述绝缘层以及所述磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转所述存储层的磁化来存储所述信息，以及所述存储层的尺寸小于所述磁化的方向被同时改变的尺寸。

【技术特征摘要】
2011.08.03 JP 2011-1698671.一种存储元件，包括存储层，根据磁体的磁化状态来保持信息，其中，所述存储层的直径小于45nm；磁化固定层，具有用作被存储在所述存储层中的信息的基准的磁化；以及绝缘层，由被设置在所述存储层与所述磁化固定层之间的非磁体形成，其中，通过利用伴随在所述存储层、所述绝缘层以及所述磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转所述存储层的磁化来存储所述信息，以及所述存储层的尺寸小于所述磁化的方向被同时改变的尺寸。2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述存储层的铁磁材料是Co-Fe-B。3.根据权利要求1所述的存储元件，其中，非磁性材料被添加至所述存储层的铁磁材料的Co-Fe-B。4.根据权利要求2所述的存储元件，其中，所述存储层和所述磁化固定层...

【专利技术属性】
技术研发人员：山根一阳，细见政功，大森广之，别所和宏，肥后丰，浅山徹哉，内田裕行，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：