CN102403448A - 存储元件以及存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了存储元件以及存储器，该存储元件包括：磁性层，包含FexNiyBz作为主要成分，并具有在垂直于膜面的方向上的磁各向异性，其中，x+y+z＝1，0.2x≤y≤4x，且0.1(x+y)≤z≤0.4(x+y)；以及氧化物层，由具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物形成，并与磁性层的一个面相接触。

Description

存储元件以及存储器
技术领域
本发明涉及一种存储元件以及具有该存储元件的存储器，该存储元件包括具有垂直于膜面的磁各向异性的磁性层。
背景技术
在诸如计算机的信息装置中，高速运行的高密度DRAM被广泛用作随机存取存储器。然而，DRAM是一种断电时会丢失信息的易失性存储器，从而使得期待一种不会丢失信息的非易失性存储器。作为非易失性存储器的候选，通过磁性材料的磁化来记录信息的磁性随机存取存储器(MRAM)已引起了注意，并因此得到了发展。
作为执行MRAM的记录的方法，可以示例出一种通过使用电流磁场使磁化反转的方法或一种通过将自旋极化的电子直接注入记录层以引起磁化反转的方法(例如，参考日本未审查专利申请公开第2004-193595号)。在这些方法中，可以随着存储元件尺寸的减小而使写电流变小的自旋注入磁化反转已引起了注意。另外，针对存储元件的磁化，已研究了一种使用垂直磁化膜(磁性材料的磁化方向面向垂直方向)的方法(例如，参考日本未审查专利申请公开第2009-81215号)。另外，已经设计了一种使用磁畴壁的移动来执行高密度记录的方法(参考日本未审查专利申请公开第2010-98245号)。
发明内容
在用于这种磁性存储器的垂直磁化膜中，需要减小磁性制动常数以使自旋转矩(spin torque)有效地发挥作用。然而，诸如TbFeCo或CoPt的现有垂直磁化膜具有较大的磁性制动常数，因此其不适用于利用自旋注入的磁性存储器。另外，还存在当形成磁性隧道结(magnetic tunnel junction)时的磁阻变化较小的问题。
期望提供一种具有较小的磁制动常数且能够减小驱动电流的存储元件。
根据本发明的实施方式，提供了一种存储元件，包括，磁性层，包括FexNiyBz(这里，x+y+z＝1，0.2x≤y≤4x，且0.1(x+y)≤z≤0.4(x+y))作为主要成分，并具有在垂直于膜面的方向上的磁各向异性。此外，存储元件还包括氧化物层，其由具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物形成并与磁性层的一个面相接触。
另外，根据本发明的另一实施方式，提供了一种存储器，其包括存储元件和向该存储元件提供电流的配线(interconnect，互连线)。
根据本发明实施方式的存储元件和存储器，能够通过在具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物层上形成具有上述成分的磁性层，来形成磁性制动常数较小的稳定的垂直磁化磁性层。因此，能够实现可以以低电流高速运行的存储元件。
根据本发明的实施方式，能够提供一种磁性制动常数小且能够减小驱动电流的存储元件。
附图说明
图1是根据本发明实施方式的存储器的示意性构造图；
图2是示出了就实验例1和2的样本而言的磁各向异性相对于磁性层的厚度的变化的示图；
图3是示出了就实验例3的样本而言的硼的组成比x与垂直各向异性磁场Hk之间的关系的示图；以及
图4是示出了就实验例6的样本而言的Ni的组成比x与垂直各向异性磁场和磁性制动常数之间的关系的示图。
具体实施方式
下文中，将描述本发明的实施方式，但本发明不限于下面的实施例。
另外，将以下列顺序进行描述。
1.本发明的存储元件的实施方式
2.实施方式的存储元件的实验例
1.本发明的存储元件的实施方式
存储器的构造例
在图1中示出了根据本发明实施方式的存储器的示意性构造图(截面图)。
该存储器包括可以使用磁化状态来保持信息的存储元件，该存储元件布置在彼此正交的两条地址配线(例如，字线和位线)之间的交叉点附近。
具体地，漏区8、源区7和栅电极1(组成用于选择每个存储单元的选择晶体管)分别形成在由半导体基板10(诸如硅基板)的元件分离层所分离的部分处。其中，栅电极1还用作在附图中沿前后方向延伸的地址配线(例如，字线)。
漏区8为在基板上的多个选择晶体管所共用而形成，并且配线连接至漏区8。
存储元件3设置在源区7与布置在源区7上方的地址线(例如，位线)6之间。存储元件3包括由通过自旋注入使磁化方向反转的磁性层形成的存储层。
此外，存储元件3布置在一侧地址配线(栅电极)1与另一侧地址配线6之间的交叉点附近。
存储元件3连接至位线(地址配线)6，并通过接触层4连接至源区7。
以此方式，可以通过两种地址配线1和6向存储元件3提供电流。另外，能够通过使电流在垂直方向(存储元件3的层叠方向)上流至存储元件3的自旋注入来使存储层的磁化方向反转。
存储元件的构造例
接下来，将描述该实施方式的存储元件3。
如图1所示，存储元件3具有层压结构，其中，底层(underlying layer)12、磁化固定层(基准层)14、氧化物层15、磁性层16和硼吸收层(boronadsorbing layer)17顺次地层叠在接触层4上。另外，上部电极(未示出)被设置在硼吸收层17上，下部电极(未示出)被设置在底层12的底部。另外，连接至位线的配线被提供给上部电极，以使得构成存储元件3。
存储元件3通过利用具有单轴各向异性的磁性层的磁化方向M1来执行信息的存储。此外，在垂直于膜面的方向上施加电流，并由此生成自旋转矩磁化反转，从而执行写入。
磁化固定层14设置在磁性层16的下层处，其中，通过自旋注入使磁化方向M14反转。氧化物层15被设置在磁性层16与磁化固定层14之间，并且磁性层16与磁化固定层14组成MTJ元件。
存储元件：磁化固定层
磁化固定层14可以仅由铁磁层构成或可以被构造为通过使用抗铁磁层和铁磁层的抗铁磁组合来固定磁化方向。此外，磁化固定层可以由单层铁磁层或其中通过非磁性层来层叠多个铁磁层的铁销结构构成。
当磁化固定层14由层叠的铁销结构构成时，可以降低磁化固定层关于外部磁场的灵敏度，从而使得抑制磁化固定层中关于外部磁场的不必要的磁化波动，由此，能够稳定地运行存储元件。此外，能够调节每一铁磁层的厚度，从而使得能够抑制来自磁化固定层的漏磁场。
磁化固定层14需要具有大于磁性层16中的磁化反转电流的磁化反转电流，如此有必要使磁化固定层14的厚度大于磁性层16的厚度。充分保证了磁化固定层14与磁性层16之间的反转电流差。例如，该厚度可以为1nm至40nm。
作为磁化固定层14的铁磁层的材料，可以使用包括Co(作为主要成分)以及从由Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Fe和Ni组成的组中选择的至少一种元素的合金，例如，CoCr、CoPt、CoCrTa、CoCrPt等。另外，可以使用Tb、Dy、Gd和过渡金属的非晶质合金。例如，可以使用TbFe、TbCo、TbFeCo等。作为组成层叠的铁销结构的非磁性材料，可以使用Ru、Re、Ir、Os及其合金等。
存储元件：氧化物层
氧化物层15由具有氯化钠结构(NaCl)或尖晶石结构的氧化物形成。
作为具有氯化钠结构的氧化物，例如，可以使用MgO、CoO、NiO、TiO等。特别地，在使用MgO的情况下，可以实现稳定的垂直磁各向异性，并且，当MgO被用作隧道阻挡层(tunnel barrier layer)时，能够获得较大的磁阻(MR)比，如此使得MgO适用于磁性存储器。
作为具有尖晶石结构的氧化物，例如，可以使用MgAl2O4、FeAl2O4、CoAl2O4、MgCr2O4、MgGa2O4等。特别地，当使用MgAl2O4时，能够获得较大的垂直磁各向异性和较高的MR比，从而使得MgAl2O4合适。
这种氧化物可以使用氧化物靶而通过rf溅射方法来形成，并且可以通过使用金属靶而在氧气氛中形成。另外，还可以通过形成金属膜、然后通过使金属膜在氧气氛或含氧等离子气氛中停留适当的时间来形成该氧化物。另外，可以使用CVD(化学汽相淀积)方法。
存储元件：磁性层
磁性层16包括具有组成式FexNiyBz的磁性材料作为主要成分，其中，满足x+y+z＝1，2x≤y≤4x以及0.1(x+y)≤z≤0.4(x+y)。
包含在磁性层16中的Ni的含量按原子百分比为Fe含量的0.2倍以上4倍以下。当除Fe之外还包含Ni时，抗磁力变大，从而使得磁性层16作为垂直磁化膜是极佳的。此外，当Ni的含量过多时，垂直磁各向异性劣化。因此，Ni含量按原子百分比为Fe含量的0.2倍以上4倍以下是优选的。
磁性层16中的硼的含量按原子百分比为Fe和Ni的总含量的0.1倍以上0.4倍以下。当磁性层16中的B的含量被设定在这一范围时，能够获得稳定的垂直磁各向异性。
另外，可以添加除Fe、Ni和硼以外的元素用于改善磁性层16的特性。
当在磁性层16上形成硼吸收层17并接着执行热处理时，包含在磁性层16中的硼扩散至硼吸收层17侧。因此，磁性层16中的硼的含量在形成磁性层16的时间与形成存储元件并接着执行热处理之间是不同的。关于热处理之后的磁性层中的硼而定义了上述磁性层16中的硼的组成比。形成磁性层16时所包含的硼原子通过热处理主要扩散至硼吸收层侧中，但当包含在磁性层和与磁性层的边缘相距1nm距离内的部分中的硼原子的含量被设定在上述范围内时，能够获得稳定的垂直磁各向异性。
磁性层16的厚度优选地为0.5nm至2nm。当磁性层16的厚度小于0.5nm时，作为存储元件的存储层很难获得充分的磁化。另外，当厚度大于2nm时，很难在磁性层16中获得垂直磁化。
此外，磁性层16可以为由上述元素形成的单层，或者可以被分为包括含Fe的层和含硼的层的多个层，诸如Fe层和NiB层。
关于磁性层16，当在与氧化物层15相接触的部分中包含大量Fe时，可以增大垂直磁各向异性或MR比。然而，当在远离氧化物层15的部分中包含大量Fe时，垂直磁各向异性明显下降。因此，当磁性层16的膜厚度较大时，将磁性层16分为诸如Fe层和NiB层的多个层是优选的。
此时，在氧化物层15侧形成含Fe的层，并在硼吸收层17侧形成含硼的层。即使当磁性层16由多个层形成时，磁性层的总厚度基于上述原因为0.5nm至2nm也是优选的。
磁性层16是利用化合物靶或者金属和硼的混合物靶而通过溅射方法来形成的。另外，磁性层16也可以通过例如CVD方法来形成。另外，在形成Fe和Ni的金属层之后，可通过离子注入方法等而将硼原子注入金属层。
存储元件：硼吸收层
硼吸收层17为包括吸收硼的元素(硼吸收元素)的层，并且其形成为调节磁性层16中的硼(包括上述的硼)的含量。硼吸收层17包含从由Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf和Y组成的组中选择的至少一种作为硼吸收元素。当在磁性层16上布置硼吸收层17并且执行适当的热处理时，磁性层16中的硼与硼吸收层17中的一种元素化学耦合，由此促使了原子的重排列。相应地，能够通过磁性层16获得较大的垂直磁各向异性。
硼吸收层17可以单独使用上述的硼吸收元素，也可以包含硼吸收元素和另一元素。例如，硼吸收层17可以由一种以上的上述硼吸收元素和诸如Fe、Co和Ni的磁性材料的合金形成。
例如，作为硼吸收层17由一种以上的上述硼吸收元素和诸如Fe、Co和Ni的磁性材料的合金形成的情况，可以整体地形成磁性层16和硼吸收层17。在这种情况下，第一磁性层可以包括硼和磁性层的磁性材料的一部分。另外，第二磁性层可以包括磁性层的剩余磁性材料和硼吸收材料。此外，第二磁性层形成在第一磁性层上，并且执行预定的热处理。以这种方式，包含在第一磁性层中的硼与包含在第二磁性层中的硼吸收元素化学耦合，并执行原子的重排列。根据其结果，能够构造一种通过上述的第一磁性层和第二磁性层而整体地形成磁性层16和硼吸收层17的存储元件。
在磁性层16和硼吸收层17由第一磁性层和第二磁性层形成的情况下，包含在第一磁性层和第二磁性层中的Fe、Ni和B的总含量可以满足上述的组成。即，包含在第一磁性层中的Fe、Ni和B与包含在第二磁性层中的Fe和Ni的总和可以由组成式FexNiyBz表示，这里，满足x+y+z＝1，2x≤y≤4x，以及0.1(x+y)≤z≤0.4(x+y)。另外，第一磁性层和第二磁性层的总厚度被设定为0.5nm至2.0nm。
如上所述，当在具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化膜15上形成包含Fe和Ni的磁金属以及硼的磁性层16时，能够形成磁性制动常数变小且具有稳定的垂直磁化的磁性层。另外，在磁性层16上层叠包含Ti、V、Nb、Zr、Hf、Ta和Y的硼吸收层17并对它们进行热处理，从而使得能够形成具有较小的磁性制动常数和稳定的垂直磁化的磁性层16。
因此，当存储元件的存储层由上述磁性层形成并使用上述氧化物层和硼吸收层时，能够实现使自旋转矩有效发挥作用的垂直磁化膜。因此，就利用自旋转矩的磁性存储器而言，能够实现可以以低电流高速运行的磁性存储元件。
此外，包括上述氧化物层、磁性层和硼吸收层的构造除了可以应用于利用自旋转矩反转的存储元件以外，还可以应用于包括磁性层、氧化物层和硼吸收层的磁畴壁移动型存储元件。例如，在基板上形成上述硼吸收层，在该硼吸收层上形成上述磁性层。另外，在磁性层上形成氧化物层。然后，该将层压体形成为矩形条纹状，并且在存储元件的两端上形成电极，因此，能够形成磁畴壁移动型存储元件。
2.本发明的存储元件的实验例
将描述应用本发明实施方式的存储元件的实验例。另外，在下面的描述中，没有制造实际的ST-MRAM，而是仅制造了用于测量磁特性的样本，并进行了实验。
磁性层：厚度
实验例1
通过使用rf磁控管溅射(magnetron sputtering)在涂覆有氧化物膜的硅基板上将2nm的MgO形成为氧化物层。然后，通过dc磁控管溅射而在氧化物层上形成作为磁性层的Fe60Ni20B20，同时在0.4nm至1.8nm的范围内改变厚度。然后，通过使用dc磁控管溅射而在磁性层上将5nm的Zr形成为硼吸收层。在形成硼吸收层之后，在300℃下执行一小时的热处理，从而制造出实验例1的样本。
实验例2
通过使用rf磁控管溅射而在涂覆有氧化膜的硅基板上将2nm的MgO形成为氧化物层。然后，在0.7nm至2.2nm的范围内改变厚度的同时通过dc磁控管溅射而在氧化物层上形成作为磁性层的Fe20Ni60B20。然后，通过使用dc磁控管溅射而在磁性层上将5nm的Zr形成为硼吸收层。在形成硼吸收层之后，在300℃下执行一小时的热处理，从而制造出实验例2的样本。
在图2中示出了磁各向异性相对于实验例1和2的样本的磁性层的厚度的变化。在以平面内方式和垂直方式施加磁场的同时而从饱和磁场中获得磁各向异性。在图2中，示出了正的磁各向异性作为垂直磁化，示出了负的磁各向异性作为平面内磁化。
在磁性层由Fe60Ni20B20形成的实验例1的样本中，能够通过具有较小厚度的样本来获得垂直磁化，因此，获得了在厚度在0.5nm至1.1nm中垂直磁化膜。另外，在磁性层由Fe20Ni60B20形成的实验例2的样本中，能够通过厚度大于实验例1中的Fe60Ni20B20的厚度的样本来获得垂直磁化，因此，获得了厚度在0.9nm至1.9nm中的垂直磁化膜。
此外，在实验例1和2中，磁性层的Fe60Ni20B20和Fe20Ni60B20的组成为热处理前的单层膜(single film)中的组成。
根据该结果，可以看出，当磁性层的厚度被设定为0.5nm至2nm时，能够形成具有垂直磁化的存储元件。
磁性层：硼含量
实验例3
接下来，关于与实验例1相似的样本，通过使用dc磁控管溅射来形成作为磁性层的0.8nm的(Fe50Ni50)100-xBX膜。此时，在改变组成比x的同时形成磁性层。硼的组成比x在0至40％的范围内改变。然后，通过使用dc磁控管溅射在磁性层上将5nm的Zr形成为硼吸收层。在形成硼吸收层之后，在300℃下执行一小时的热处理，从而制造出实验例3的样本。
就实验例3的磁性层而言，在图3中示出了磁各向异性相对于硼的组成比x的变化。在以平面内方式和垂直方式施加磁场的同时而从饱和磁化中获得磁各向异性。在图3中，在每个样本中，示出了正的磁各向异性作为垂直磁化，负的磁各向异性作为平面内磁化。
在实验例3的样本中，当硼的组成比x为10至28时，实现了垂直磁化膜。因此，能够获得组成从(Fe50Ni50)90B10至(Fe50Ni50)72B28的具有垂直磁化的磁性层。
从该结果中可以看出，当包含在磁性层16中的硼的含量为Fe和Ni的总含量的0.1倍以上0.4倍以下时，能够调节磁性层的磁化具有垂直方向。
硼吸收层：垂直磁化
实验例4
在替换磁性层上的硼吸收层的材料之后，检查磁特性。关于与实验例1相似的样本，底部氧化物层由MgO组成，并且磁性层由0.8nm的Fe60Ni20B20形成，然后，将表1中所示的每一材料形成为5nm厚的硼吸收层。然后，在200℃至400℃下执行一小时的热处理，从而制造出实验例4的样本。
在实验例4(使用表1中所示的元素形成硼吸收层)的每一样本上检查磁特性。在表1中示出了磁特性的检查结果。在表1中，针对每一样本的硼吸收层，材料被分为在热处理前或在温度为200℃、300℃或400℃的任一温度下由其获得垂直磁化的材料和由其未获得垂直磁化的材料。
表1
Figure BDA0000089320380000121
从表1中可以看出，在使用单个元素Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf和Y及其合金作为硼吸收层的样本中，能够在热处理前或热处理后获得垂直磁化。与此相反，在使用Mg、Al、Cu、W、Mo、Cr、Pd、Pt、Ru、Ag、Au、Rh、和Ir作为硼吸收层的样本中，很难在热处理前或热处理后获得垂直磁化。根据该结果，当使用单个元素Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf和Y及其合金时，通过硼吸收层来控制磁性层中的硼的含量，因此可以调节磁化以具有垂直磁化。
氧化物层：垂直磁化
实验例5
与实验例4相类似，在替换与磁性层相接触的底层(氧化物层)材料之后，检查磁特性。关于与实验例1相似的样本，将表2中所示的每种材料形成为2nm厚的底层，然后在底层上将0.8nm的Fe60Ni20B20形成为磁性层。在磁性层上形成5nm的Zr之后，在300℃下进行一小时的热处理，从而制造出实验例5的样本。
在实验例5(使用表2中所示的元素形成底层)的每个样本上检查磁特性。在表2中示出了磁特性的检查结果。在表2中，关于每个样本的底层，材料被分为在热处理之后由其获得垂直磁化的材料和通过任一热处理由其未获得垂直磁化的材料。
表2
如表2中所示，在使用MgO、CoO、NiO、TiO、MgAl2O4和FeAl2O4作为底层的样本中，能够在热处理之后获得垂直磁化。与此相反，难以在金属底层中获得垂直磁化。另外，在使用诸如SiO2和Al2O3的基于非晶态的氧化物作为底层的情况下，很难获得垂直磁化。根据该结果，需要使用具有NaCl结构或尖晶石结构的氧化物作为与磁性层相接触的底层。
磁性层：Fe/Ni比
实验例6
与实验例1相似，在改变x的同时在2nm的MgO层上将0.8nm的(Fe100-xNix)80C20形成为磁性层。这里，x在0至100的范围内变化。在磁性层上形成5nm的Zr作为硼吸收层之后，在300℃下进行一小时的热处理，从而制造出实验例6的样本。
在图4中，关于实验例6的样本，将磁性层中Ni相对于Fe的组成比x与垂直各向异性磁场之间的关系表示为白点。另外，将Ni相对于Fe的组成比x与从铁磁共振中获得的磁性制动常数之间的关系表示为黑点。
如图4所示，在实验例6的样本中，当Ni相对于Fe的组成比x大致为60％时，随着组成比x的增大，垂直各向异性磁场缓慢地增强。此外，当组成比x超过80％时，垂直各向异性磁场急剧下降。
与此相反，随着Ni相对于Fe的组成比x增大，磁性制动常数下降。特别地，直到组成比x大致达到15％，磁性制动常数急剧下降。另外，当组成比x变为15％以上时，磁性制动常数缓慢下降，并因此显示出稳定的较小值。
根据该结果，当Ni相对于Fe的组成比x被设定为15％至80％时，能够形成磁各向异性变高且磁性制动常数较小的存储元件。因此，Ni含量优选地为Fe含量的0.2倍至4倍以实现具有磁性制动常数小的磁性层。
磁性层：硼吸收层
将描述硼吸收层由硼吸收元素和磁性材料的合金形成的情况。
实验例7
与实验例1相类似，将2nm的MgO形成为氧化物层。将表3中示出的作为第一磁性层的每种材料形成不同的厚度，然后在第一磁性层上将表3中示出的作为第二磁性层的每种材料形成不同的厚度。然后，在第二磁性层上形成作为保护层(cap layer)的5nm的Ru，并在300℃下进行一小时的热处理，从而制造出实验例7的样本。
关于实验例7的每一样本，在表3中示出了第一磁性层和第二磁性层的组合与各向异性磁场之间的关系。当各向异性磁场为正时，这表示具有垂直磁化膜，当各向异性磁场为负时，这表示具有平面内磁化膜。
表3
  第一磁性层   第二磁性层   各向异性磁场
  Fe80B200.5nm   Ni80Zr200.5nm   1.2kOe
  Fe35Ni35B300.5nm   Fe80Ta200.5nm   0.9kOe
  Fe70B300.3nm   Ni70Fe15Hf0.6nm   1.4kOe
  Fe40Ni40B200.5nm   Co85Zr150.5nm   1.0kOe
  Ni80Zr200.5nm   Fe80B200.5nm   -6.5kOe
  Fe 0.3nm   Ni70Fe20Zr100.5nm   -8.3kOe
  Fe80B200.5nm   Ni 0.5nm   -5.5kOe
在第一磁性层为含硼的磁性层并且第二磁性层为含硼吸收元素Zr、Ta和Hf的磁性层的情况下，能够获得垂直磁化。然而，在第一磁性层为不含硼的磁性层并且第二磁性层为不含硼吸收元素Zr、Ta和Hf的情况下，难以获得垂直磁化，而会导致平面内磁化。
根据该结果，在一个层由硼吸收元素和磁性材料的合金形成时，第一磁性层需要包含硼，并且第二磁性层需要包含硼吸收元素。另外，作为第一磁性层和第二磁性层的总的组成，Fe、Ni和B需要满足关系FexNiyBz这里，x+y+z＝1，0.2x≤y≤4x，且0.1(x+y)≤z≤0.4(x+y)。
当满足该条件时，能够构造具有垂直磁化的存储元件。
在第一磁性层由Fe80B20形成并且第二磁性层由Ni80Zr20形成的情况下，Fe、B和Ni被形成为不同的层，并且Ni与硼吸收元素被形成为相同的层。在这种情况下，当第一磁性层和第二磁性层的总组成满足预定的关系时，也能够形成具有垂直磁化的存储元件。
相似地，在第一磁性层由Fe70B30形成并且第二磁性层由Ni70Fe15Hf15形成的情况下，当第一磁性层和第二磁性层的总组成满足预定的关系时，也能够形成具有垂直磁化的存储元件。
另外，在第一磁性层由Fe35Ni35B30形成并且第二磁性层由Fe80Hf20形成的情况下，磁性层中的Fe被分为第一磁性层和第二磁性层，并且形成了不同层。在这种情况下，第一磁性层和第二磁性层的总组成也满足关系FexNiyBz(这里，x+y+z＝1，0.2x≤y≤4x，并且0.1(x+y)≤z≤0.4(x+y))。此外，第一磁性层为包含硼的磁性层，第二磁性层为包含硼吸收元素的磁性层。因此，能够构造具有垂直磁化的存储元件。
另外，在第一磁性层由Fe40Ni40B20形成并且第二磁性层由Co80Zr20形成的情况下，Co和硼吸收元素均包含在第二磁性层中。
除了组成磁性层的Fe、Ni和B以及包含在硼吸收层中的硼吸收元素以外，还可以包括诸如Co的其他元素。在这种情况下，当第一磁性层和第二磁性层的总组成满足预定的关系时，也能够形成具有垂直磁化的存储元件。
另外，在含硼吸收元素的Ni80Zr20被用作第一磁化层并且含硼的Fe80B20被用作第二磁化层的情况下，也能够构造具有垂直磁化的存储元件。即，为了构造具有垂直磁化的存储元件，需要在氧化物侧形成含硼的磁性层，在氧化物层的相对侧形成含硼吸收元素的层。
另外，在第一磁性层仅由Fe构成而不含硼的情况下或者第二磁性层仅由Ni构成而在第二磁性层中不包含硼吸收元素的情况下，很难构造具有垂直磁化的存储元件。
如上所述，可以设置一种构造，其中，将包括硼和磁性层的磁性材料的一部分的第一磁性层形成为磁性层，并且形成包含硼吸收材料和剩余的磁性材料的第二磁性层。在这种情况下，第一磁性层(磁性层)中的硼通过热处理扩散至第二磁性层(硼吸收层)中。另外，硼与硼吸收元素彼此化学耦合，并在第一磁性层(磁性层)和第二磁性层(硼吸收层)处执行原子的重排列。此时，可以整体地形成磁性层和硼吸收层。
另外，根据表3中所示的结果，在磁性层和硼吸收层由整体地形成第一磁性层和第二磁性层的构造来构成时，需要在氧化物侧形成含硼的磁性层，并且在氧化物层的相对侧形成含硼吸收元素的层。
存储元件
接下来，通过使用根据上述磁性层的磁性层来实际制造出自旋注入型的磁化反转磁性存储元件，并检查其特性。
实验例8
通过使用与实验例1相似的方法而在基板上形成作为底层的5nm的Ta和5nm的Ru。然后，在底层上将其中使2nm的CoPt、0.45nm的Ru和1nm的CoFeB含铁结合(ferri-combined)的磁化固定层形成为磁化固定层。接下来，在磁化固定层上将0.8nm的MgO形成为氧化物层。作为氧化物层上的记录层，在氧化物层上层压包含0.15nm的Fe、1nm的Fe40Ni40B20的磁性层，并且在记录层上将5nm的Ta形成为硼吸收层。然后，在300℃下进行一小时的热处理，从而制造出实验例8的样本。存储元件为直径150nm的圆形。
实验例9：比较例
通过使用与实验例1相似的方法而在基板上形成作为底层的5nm的Ta和5nm的Ru。然后，在底层上将其中使2nm的CoPt、0.45nm的Ru和1nm的CoFeB含铁结合的磁化固定层形成为磁化固定层。接下来，在磁化固定层上将0.8nm的MgO形成为氧化物层。作为氧化物层上的记录层，通过三个周期形成0.2nm的Co和0.8nm的Pd的层压膜，并且在记录层上形成作为保护层的5nm的Ta。然后，在300℃下进行一小时的热处理，从而制造出实验例9(比较例)的样本。存储元件为直径150nm的圆形。
在表4中，示出了实验例8和9的样本的反转电流、抗热波动的电阻KV/kBT和MR比。
表4
  实施例   比较例
  存储层的构造   Fe40Ni40B20：1nm   [Co：0.2nm/Pd：0.8nm]×3
  反转电流   175μA   630μA
  KV/kBT   42   41
  MR比   88％   12％
如表4所示，实验例8中的反转电流为175μA，与此相反，实验例9中的反转电流为630μA。以此方式，在具有将0.15nm的Fe和1nm的Fe40Ni40B20层压为磁性层的构造的样本中，反转电流低，如此使得能够构造适于低写电流的存储元件。
此外，关于热波动电阻和MR比，实验例8中的这些值大于实验例9中的这些值。
如上所述，在使用包含Fe和Fe40Ni40B20的磁性层的实验例8的自旋注入磁化反转磁存储器中，磁性制动常数较小，并且可以以低电流实现磁化反转，从而使得该存储器作为低能耗磁性存储器是高效的。
如上所述，根据本发明的实施方式，能够构造一种存储元件，其中，将氧化物层作为隧道阻挡层，并通过在布置于隧道阻挡层两侧的磁性层之间发挥作用的自旋注入转矩来执行磁化反转。作为存储元件的存储层，磁性材料具有FexNiyBz的组成式，其中，满足x+y+z＝1，2x≤y≤4x，以及0.1(x+y)≤z≤0.4(x+y)。由于该构造，当该磁性材料被用作伴随有磁化反转的记录层时，能够实现反转所需的电流下降且具有低能耗的磁性存储器。另外，当在包含硼的磁性层上形成由硼吸收层(包含从由Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf和Y组成的组中选择的至少一种)组成的层时，能够进一步减小磁化反转所需的电流。另外，当根据本发明的存储元件的构造被用作磁畴壁移动型存储元件时，能够实现磁畴壁的驱动电流的减小。
另外，本发明不限于实施方式中所描述的构造，而是在不背离本发明的范围的前提下，可以进行各种修改和改变。
本发明包含于2010年9月13日向日本专利局提交的日本优先权专利申请第JP 2010-204835号所涉及的主题，其全部内容结合于此作为参考。

Claims (8)

1.一种存储元件，包括：
磁性层，包含FexNiyBz作为主要成分，并具有在垂直于膜面的方向上的磁各向异性，其中，x+y+z＝1，0.2x≤y≤4x，且0.1(x+y)≤z≤0.4(x+y)；以及
氧化物层，由具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物形成，并与所述磁性层的一个面相接触。
2.根据权利要求1所述的存储元件，
其中，包含吸收硼的元素的层形成在所述磁性层的与其上形成有所述氧化物层的面相对的面上。
3.根据权利要求2所述的存储元件，
其中，所述包含吸收硼的元素的层包含从由Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf以及Y组成的组中选择的至少一种作为所述吸收硼的元素。
4.根据权利要求3所述存储元件，
其中，所述包含吸收硼的元素的层由合金形成，所述合金包含从Ti、V、Nb、Zr、Ta、Hf和Y组成的组中选择的至少一种元素以及从由Fe、Co和Ni组成的组中选择的至少一种元素。
5.根据权利要求1所述的存储元件，
其中，所述磁性层和用作记录所述磁性层上的信息的基准的层在所述氧化物层介于其间的情况下相层叠。
6.根据权利要求1所述的存储元件，
其中，所述磁性层的厚度为0.5nm至2nm。
7.根据权利要求1所述的存储元件，
其中，所述氧化物层由MgO或MgAl2O4形成。
8.一种存储器，包括：
存储元件，包括：磁性层，由FexNiyBz表示，并且具有在垂直于膜面的方向上的磁各向异性，其中，x+y+z＝1，0.2x≤y≤4x，且0.1(x+y)≤z≤0.4(x+y)；以及氧化物层，由具有氯化钠结构或尖晶石结构的氧化物形成并与所述磁性层的一个面相接触；以及
配线，用于向所述存储元件提供电流。
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