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，该存储元件具有分层构造，包括：存储层，其中磁化方向对应于信息而改变，通过在分层构造的层叠方向上施加电流来改变磁化方向，从而将信息记录在存储层中；磁化固定层，其中磁化方向固定；中间层，由非磁性材料形成并且设置在存储层和磁化固定层之间；以及垂直磁性各向异性诱导层；该存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层。

【技术实现步骤摘要】
存储元件和存储装置
本技术涉及具有多个磁性层并且使用自旋扭矩磁化转换来进行记录的存储元件和存储装置。
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，诸如更高的集成度、速度的增加以及更低的功耗的更进一步的高性能的改进在构成设备的诸如存储元件和逻辑元件的元件中被追求。特别地，半导体非易失性存储器取得了显著的进步，并且作为大容量文件存储器的闪存以硬盘驱动器被闪存所取代的速率被推广。同时，为了将半导体非易失性存储器用作代码存储或工作存储器，作为当前通常使用的NOR闪存、DRAM等的替代的半导体非易失性存储器的发展取得了进步。示例包括FeRAM（铁电随机存取存储器）、MRAM（磁性随机存取存储器）、PCRAM（相变随机存取存储器）等。这些的一部分已经在实际使用了。在这些非易失性存储器中，MRAM使用磁性材料的磁化方向来进行数据存储使得可以实现高速度和几乎无限（1015次以上）的重写，并且因此MRAM已经被用于诸如工业自动化和飞机的领域。由于高速操作和可靠性，MRAM被期待于在不久的将来扩展至代码存储器或工作存储器。然而，MRAM具有关于降低功耗和增加容量的挑战。这是由MRAM记录原理，即，使用从配线部产生的电流磁场来转换磁化的方法导致的基本问题。作为解决该问题的方法，不使用电流磁场的记录方法（即，磁化转换方法）正在审查中。特别地，对自旋扭矩磁化转换的研究已在积极地进行（例如，参见日本未审查专利申请公开第2003-17782号和美国专利第5,695,864号）与MRAM相似，使用自旋扭矩磁化转换的存储元件包括MTJ（磁性隧道结）。这使用了一种现象，其中当通过以任意方向固定的磁性层的自旋极化电子进入另一自由（方向不固定）磁性层时，扭矩被施加至磁性层，并且当具有预定阈值以上的电流流动时，自由磁性层（存储层）被转换。0/1的重写通过改变电流的极性来执行。在存储元件的大小程度约为0.1μm的条件下，用于自由磁性层转换的电流的绝对值为1mA以下。此外，因为该电流值与存储元件的体积成比例减少，所以能够按比例缩放。此外，因为不需要MRAM中记录电流磁场的产生所需要的字线，所以有着单元构造变得简单的优点。在下文中，利用自旋扭矩磁化转换的MRAM将被称为自旋转移扭矩-磁性随机存取存储器（STT-MRAM）。作为能够在保持MRAM的可以进行高速度和几乎无限的重写的优点的同时实现更低的功耗和更大的容量的非易失存储器被寄予很大的希望。
技术实现思路
在STT-MRAM中，引发的磁化转换的自旋扭矩根据磁化方向改变它的大小。在STT-MRAM存储元件的典型构造中，存在自旋扭矩变成零的磁化角。当在初始状态的磁化角与扭矩变成零的极化角一致时，转换磁化方向会花费相当大量的时间。因此，在写入时间内磁化转换可能无法完成。如果转换没有在写入时间内完成，则写入操作可能导致失败（写入错误）并且将不被正确地执行。希望提供一种有效地抑制错误发生并且在短时间内执行写入操作的存储元件和存储装置。根据本技术的实施方式，一种存储装置按照以下描述来构造。换言之，存储器装置具有分层构造，包括：存储层，其中磁化方向对应于信息而改变，磁化固定层，其中磁化方向固定，中间层，由非磁性材料形成并且设置在存储层和磁化固定层之间，以及垂直磁性各向异性诱导层，其中，通过在分层构造的层叠方向上施加电流来改变存储层的磁化方向，从而记录信息。存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层，第一铁磁性层与中间层接触，第三铁磁性层与垂直磁性各向异性诱导层接触，隔着结合层相邻的这些铁磁性层隔着结合层磁性地结合（耦合），使得铁磁性层的磁化方向从垂直于膜面的方向倾斜。根据本技术的实施方式的存储装置包括向存储装置供给在层叠方向上流动的电流的配线部，以及控制经由配线部向存储装置的电流供给的电流供给控制部。在根据本专利技术的实施方式的存储装置中，存储层具有三个铁磁性层隔着结合层层叠的构造。两个相邻的铁磁性层隔着插入在它们之间的结合层而磁性结合。在这些铁磁性层中，在与垂直磁性各向异性诱导层接触的铁磁性层内，垂直磁性各向异性由垂直磁性各向异性诱导层来诱导（引发），以使得易磁化轴可以垂直于膜面。相似地，在这些铁磁性层中，在与中间层接触的铁磁性层中，垂直磁性各向异性由中间层诱导，以使得易磁化轴可以垂直于膜面。在本技术中，构成存储层的铁磁性层的磁化方向从垂直于膜面的方向倾斜。这可以有效地抑制由存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向接近平行或反平行这一事实引起的磁化转换时间的发散。换言之，存储层的磁化方向可以在预定有限的时间内转换从而写入信息。根据本技术的实施方式的存储装置，电流可以在层叠方向上通过配线部流至存储元件，并且通过存储层的磁化转换，信息可以被记录。根据本技术，通过在预定的时间内转换存储层的磁化方向，可以写入信息，由此可以减少写入错误并且可以在更短的时间内进行写入操作。因为写入错误可以减少，所以写入操作可以具有增加的可靠性。此外，写入操作可以在更短的时间内进行，由此实现高速操作。因此，本技术能够实现可以高速操作的写入操作具有高可靠性的存储元件和存储装置。如附图中所示，本技术的这些和其他的目标、特征和优点将根据以下对其最优模式的实施方式的具体描述变得更加明显。附图说明图1是根据实施方式的存储装置的示意性透视图；图2是根据实施方式的存储装置的截面图；图3是根据实施方式的存储装置的平面图；图4是用于示出在磁化方向垂直于膜面的现有技术中的STT-MRAM存储元件的示意性构造的截面图；图5是根据实施方式的存储元件的示意性构造截面图；图6A和图6B是根据实施方式的存储层的示意性构造透视图和平面图；图7是在平衡状态下在铁磁性层间的磁性结合能与磁化角度之间的关系的曲线图。图8是在铁磁性层的磁能与铁磁性层间的最大磁性结合能之间的关系的曲线图。图9是在铁磁性层间的磁性结合能与热稳定指数之间的关系的曲线图。图10是在激励能量、写入错误率和转换时间之间的关系的曲线图。图11A和图11B各自示出了根据实施方式的存储元件（磁阻效应元件）对复合型磁头的应用。具体实施方式本技术的实施方式将依照以下顺序描述。<1.根据实施方式的存储装置的示意性构造><2.根据实施方式的存储元件的总体描述><3.根据实施方式的存储元件的具体构造><4.模拟结果><5.变形例><1.根据实施方式的存储装置的示意性构造>首先将描述存储装置的示意性构造。图1、图2和图3各自示出了存储装置的示意性示图。图1是透视图，图2是截面图以及图3是平面图。如图1中所示，在根据实施方式的存储器装置中，存储元件3包括自旋转移扭矩-磁性随机存取存储器（STT-MRAM），该STT-MRAM可以根据被布置在两种彼此垂直的地址配线（例如，字线和位线）交点附近的磁化状态来保持信息。换言之，构成用于选择各个存储元件3的选择晶体管的漏区8、源区7和栅区1形成在诸如硅基板的半导体基板中的由元件隔离层2隔离的部分中。它们中，栅极也起到图1中前后方向延伸的地址配线（字线）的作用。漏极8通常通过图1中的右选择晶体管和左选择晶体管形成，并且配线9连接至漏区8。具有通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有分层构造的存储元件，包括：存储层，其中磁化方向对应于信息而改变；通过在所述分层构造的层叠方向上施加电流来改变所述磁化方向从而将所述信息记录在所述存储层中，磁化固定层，其中磁化方向固定，中间层，由非磁性材料形成并且设置在所述存储层和所述磁化固定层之间，以及垂直磁性各向异性诱导层，所述存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层，所述第一铁磁性层与所述中间层接触，所述第三铁磁性层与所述垂直磁性各向异性诱导层接触，隔着所述结合层相邻的这些铁磁性层隔着所述结合层磁性地结合，使得所述铁磁性层的磁化方向从垂直于膜面的方向倾斜。

【技术特征摘要】
2011.11.30 JP 2011-2615211.一种具有分层构造的存储元件，包括：存储层，其中磁化方向对应于信息而改变；通过在所述分层构造的层叠方向上施加电流来改变所述磁化方向从而将所述信息记录在所述存储层中，磁化固定层，其中磁化方向固定，中间层，由非磁性材料形成并且设置在所述存储层和所述磁化固定层之间，以及垂直磁性各向异性诱导层，所述存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层，所述第一铁磁性层与所述中间层接触，所述第三铁磁性层与所述垂直磁性各向异性诱导层接触，隔着所述结合层相邻的这些铁磁性层隔着所述结合层磁性地结合，使得所述第一铁磁性层、所述第二铁磁性层和所述第三铁磁性层的磁化方向均从垂直于膜面的方向倾斜。2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述第一铁磁性层的易磁化轴垂直于膜面，所述第二铁磁性层的易磁化轴在所述膜面内，所述第三铁磁性层的易磁化轴垂直于所述膜面。3.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述中间层和所述垂直磁性各向异性诱导层由氧化物构成。4.根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述第一铁磁性层的第一磁能通过从当所述第一铁磁性层的磁化在所述膜面内时的磁能中减去当所述第一铁磁性层的磁化垂直于所述膜面时的磁能来定义，所述第二铁磁性层的第二磁能通过从当所述第二铁磁性层的磁化在所述膜面内时的磁能中减去当所述第二铁磁性层的磁化垂直于所述膜面时的磁能来定义，所述第三铁磁性层的第三磁能通过从当所述第三铁磁性层的磁化在所述膜面内时的磁能中减去当所述第三铁磁性层的磁化垂直于所...

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