存储元件和存储设备制造技术

本发明专利技术公开一种存储元件和存储设备。存储元件具有层叠的结构，包括：存储层，其具有与膜表面垂直的磁化，并且磁化方向取决于信息而变化，并包括Co-Fe-B磁性层，磁化方向通过在层叠结构的层叠方向施加电流以在存储层中记录信息而改变，磁化固定层，其具有与变成存储在存储层中的信息的基准的膜表面垂直的磁化，以及中间层，其由非磁性材料形成，并设置在存储层和磁化固定层之间；第一氧化层和第二氧化层。

【技术实现步骤摘要】
存储元件和存储设备
本专利技术涉及具有多个磁性层并使用自旋转转矩磁化切换进行记录的存储元件和存储设备。
技术介绍
随着从移动终端到大容量服务器的各种信息设备的快速发展，已经在构成该设备的诸如存储元件和逻辑元件的元件中追求更高性能的改进，诸如更高的集成度、速度的增大和更低的功耗。尤其是，半导体非易失性存储器取得显著的进步，并且作为大容量文件存储器的闪存存储器以硬盘驱动器被闪存存储器替换的速率普及。同时，FeRAM(铁电随机访问存储器)、MRAM(磁性随机访问存储器)、PCRAM(相变随机访问存储器)等的研发已经取得进展，作为当前一般使用的非闪存存储器、DRAM等的替代，以为了代码存储或者作为工作的存储器而使用它们。这些的一部分已经在实践中使用。这当中，MRAM使用磁性材料的磁性方向执行数据存储，使得能进行高速和几乎无限制的重写(1015次以上)，并且因而，已经在诸如工业自动化和航空的领域中使用。期望MRAM在将来由于高速操作和可靠性而用于代码存储或者工作存储器。然而，MRAM具有与降低功耗和增大容量相关的挑战。这是由于MRAM的记录原理(即，使用从互连产生的电流磁场来切换磁化的方法)引起的基本问题。作为解决此问题的方法，正在研究不使用电流磁场的记录方法(即，磁化切换方法)。具体地，已经积极地研究自旋转转矩磁化切换(例如，参见日本未审查专利申请公报No.2003-17782和2008-227388、美国专利No.6,256,223、PhysicalReviewB，54，9353(1996)，JournalofMagnetismandMagneticMaterials，159，L1(1996))。使用自旋转转矩磁化切换的存储元件如同MRAM那样通常包括MTJ(磁性隧道结)。此构造使用其中当经过磁性层(其在任意方向固定)自旋转极化电子进入另一磁性层(方向不固定)时，转矩(还称为自旋转移矩)施加到磁性层，并且当任意阈值以上的电流流动时，切换自由磁性层。通过改变电流的极性执行0/1的重写。在比例约为0.1um的存储元件的情况下，用于此切换的电流的绝对值是1mA以下。此外，由于此电流值与元件的体积成比例的减小，比例缩放是可行的。此外，由于不需要在MRAM中产生记录电流磁场的字线，存在单元结构变得简单的优点。以下，利用自旋转转矩磁化切换的MRAM将称为自旋转转矩磁化随机访问存储器(ST-MRAM)。自旋转转矩磁化切换还称为自旋转注射磁化切换。对ST-MRAM有很大的期望，其作为非易失性存储器，能够实现低功耗和更大容量，同时维持其中可以执行高速和几乎无限制重写的MRAM的优点。
技术实现思路
在MRAM中，写入互连(字线和位线)与存储元件分开设置，并且信息由通过向写入互连施加电流而产生的电流磁场而写入(记录)。因而，写入所需的电流能充分地流经写入互连。另一方面，在ST-MRAM中，需要流到存储元件的电流诱导自旋转转矩磁化切换，以切换存储层的磁化方向。通过以此方式将电流直接施加到存储元件写入(记录)信息。为了选择进行写入的存储单元，存储元件连接到旋转晶体管以构造存储单元。在此情况下，流到存储元件的电流受到能流到选择晶体管的电流(选择晶体管的饱和电流)的量的限制。因而，需要以等于或者小于选择晶体管的饱和电流的电流执行写入，并且知道晶体管的饱和电流随着小型化而降低。为了使ST-MRAM小型化，需要自旋转转移效率提高，并且流到存储元件的电流减小。此外，需要确保高的磁阻变化比以放大读出信号。为了将此实现，有效地采用以上所述的MTJ结构，即，以与存储层接触的中间层用作隧道绝缘层(隧道障碍层)的方式构造存储元件。在隧道绝缘层用作互连层的情况下，流到存储元件的电流的量被限制，以防止隧道绝缘层的绝缘击穿发生。即，从确保存储元件的重复写入的可靠性出发，自旋转转矩磁化切换所需的电流必须被限制。用于自旋转转矩磁化切换的电流还称为切换电流、存储器电流等。此外，由于ST-MRAM是非易失性存储器，需要稳定地存储通过电流写入的信息。即，需要确保存储层的磁化中的热波动的稳定性(热稳定性)。在不确保存储层的热稳定性情况下，由于热(操作环境的温度)而可以重写切换的磁化方向，这造成写入误差。ST-MRAM中的存储元件的优点是相较于现有技术中的MRAM而比例缩放，即，优点是存储层的体积能较小，这在上面以记录电流值进行了描述。然而，随着体积变小，热稳定性会恶化，只要其他特性相同。随着ST-MRAM的容量增大，存储元件的体积变更小，使得确保热稳定性是重要的。因而，在ST-RAM的存储元件中，热稳定性是显著重要的特性，并且需要以即使当体积减小时也要确保其热稳定性的方式设计存储元件。换言之，为了提供作为非易失性存储器的ST-MRAM，用于自旋转转矩磁化切换所需的切换电流减小，以不超过晶体管的饱和电流或者，或者击穿隧道障碍。此外，需要确保用于保持写入信息的热稳定性。期望提供一种减小切换电流并确保热稳定性的作为ST-MRAM的存储元件。根据本公开的实施例，提供存储元件，包括：层叠的结构，包括：存储层，其具有与膜表面垂直的磁化，并且磁化方向取决于信息而变化，磁化固定层，其具有与变成存储在所述存储层中的信息的基准的膜表面垂直的磁化，以及中间层，其由非磁性材料形成，并设置在所述存储层和所述磁化固定层之间。通过在层叠结构的层叠方向上施加电流来改变存储层的磁化方向以在存储层中记录信息。此外，存储层包括Co-Fe-B磁性层。第一氧化层形成在与所述存储层接触的所述中间层和所述存储层之间的界面上。第二氧化层至少形成在与所述中间层相反的一侧与所述存储层接触的不同层和所述存储层之间的界面上。所述不同层的所述第二氧化层是包含Li的Li基氧化层。根据本专利技术实施例的存储设备包括取决于磁性材料的磁化状态而保持信息的存储元件和彼此相交的两种类型的互连。存储元件是具有如上所述的构造的元件，并设置在两个类型的互连之间。通过两个类型的互连，电流在层叠方向上流到存储元件。根据本公开实施例的存储元件包括取决于磁性材料的磁化状态而保持信息的存储层，以及经由中间层形成在存储层上的磁化固定层。通过利用在层叠方向上流动的电流诱导的自旋转转矩磁化切换来切换存储层的磁化而记录信息。因而，当在层叠方向上施加电流时，能记录信息。由于存储层是垂直磁化膜，能减小切换存储层的磁化方向所需的写入电流值。同时，由于垂直磁化膜的强的磁性各向异性能量，能充分地提供存储层的热稳定性。包括垂直磁化膜的存储层不能同时减小切换电流并确保热稳定性。例如，NatureMaterials.，5，210(2006)教导当诸如Co/Ni多层膜的垂直磁化膜用于存储层时，能同时提供减小切换电流并确保热稳定性。具有垂直磁性各向异性的磁性材料的示例包括稀土-过渡金属合金(诸如TbCoFe)、金属多层膜(诸如Co/Pd多层膜)、规则合金(诸如FePt)、利用氧化物和磁性金属之间的界面磁性各向异性的那些(诸如Co/MgO)等。考虑使用用于实现高磁阻变化比的隧道结结构以在ST-MRAM中提供高读出信号，并考虑到耐热性和制造容易性，利用界面磁性各向异性的材料，即，作为隧道障碍物的MgO和含有Co或者Fe的磁性材料的层叠体是有前途的。然而，与结晶磁性各向异性、单离子各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种存储元件，包括：层叠结构，包括：存储层，其具有与膜表面垂直的磁化，并且磁化方向取决于信息而变化，并包括Co?Fe?B磁性层，通过在所述层叠结构的层叠方向施加电流而改变所述磁化方向以在所述存储层中记录所述信息，磁化固定层，其具有与成为存储在所述存储层中的信息的基准的膜表面垂直的磁化，以及中间层，其由非磁性材料形成，并设置在所述存储层和所述磁化固定层之间；第一氧化层，其至少形成在与所述存储层接触的所述中间层和所述存储层之间的界面上；以及第二氧化层，其至少形成在位于所述中间层相反的一侧与所述存储层接触的不同层和所述存储层之间的界面上，所述不同层的所述第二氧化层是包含Li的Li基氧化层。

【技术特征摘要】
2011.12.01 JP 2011-2632881.一种存储元件，包括：层叠结构，包括：存储层，其具有与膜表面垂直的磁化，并且磁化方向取决于信息而变化，并包括Co-Fe-B磁性层，通过在所述层叠结构的层叠方向施加电流而改变所述磁化方向以在所述存储层中记录所述信息，磁化固定层，其具有与成为存储在所述存储层中的信息的基准的膜表面垂直的磁化，以及中间层，其由非磁性材料形成，并设置在所述存储层和所述磁化固定层之间；第一氧化层，其至少形成在与所述存储层接触的所述中间层和所述存储层之间的界面上；以及第二氧化层，其至少形成在位于所述中间层相反的一侧与所述存储层接触的不同层和所述存储层之间的界面上，所述不同层的所述第二氧化层是包含Li的Li基氧化层；以及下覆层，形成在所述磁化固定层的与所述中间层相反的一侧上，并且在所述下覆层中层叠包括不同材料的多个层；所述存储层包括所述Co-Fe-B磁性层和至少一个非磁性层，所述非磁性层包含Ta。2.根据权利要求1所述的存储元件，其中所述Li基氧化层包括由Al、Si、Cu、Mg、P、B和C中的至少一者和Li构成的氧化物。3.根据权利要求1所述的存储元件，其中所述Li基氧化层包括由Li和氧构成的氧化物。4.根据权利要求1所述的存储元件，其中至少所述中间层的与所述存储层接触的界面包括MgO膜。5.根据权利要求1所述的存储元件，其中还包括：层叠形成氧...

【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，浅山彻哉，内田裕行，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：