CN102800803B - 存储元件和存储设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种存储元件和存储装置。其中，该存储元件包括：存储层，具有垂直于其膜面的磁化，并通过磁性物质的磁化状态保持信息；磁化钉扎层，具有被用作存储在存储层中的信息的基准的、垂直于其膜面的磁化；非磁性物质中间层，设置在存储层和磁化钉扎层之间；以及帽层，设置在存储层附近并且与中间层相反的一侧，并且包括至少两个氧化物层。该存储元件被配置为，通过使用在包括存储层、中间层和磁化钉扎层的层结构的层压方向上流动的电流所产生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化从而存储信息。

Description

存储元件和存储设备
技术领域
本发明涉及存储元件以及包含该存储元件的存储设备，其中，该存储元件包括将铁磁层的磁化状态存储作为信息的存储层和磁化方向为固定（pin）的磁化钉扎层（magnetization pinned layer），并且该存储元件通过流入的电流改变存储层的磁化方向。
背景技术
伴随着各种信息装置（包括大容量服务器、移动终端等）的显著发展，形成这些装置的元件（诸如存储器以及逻辑电路）也被要求改进性能，诸如集成度的提高、运行速度的提高以及功耗的降低。尤其是，非易失性半导体存储器的进步已引人关注，首先，对于充当大容量文件存储器的闪速存储器的需求不断增长，从而替代硬盘驱动器。
此外，由于扩展到代码存储和工作存储器，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）等已被开发，从而替换现在常用的NOR闪速存储器、DRAM等，并且上述的一些存储器已经被投入实际使用。
尤其是，因为数据通过磁性材料的磁化方向进行存储，MRAM能够执行高速并且几乎无限的（1015次以上）重写操作，并已被应用于工业自动化、飞机等领域。
因为MRAM的高速操作和高可靠性，预计今后将其扩展到代码存储和工作存储器；然而，在实践中，还有诸如功耗降低以及容量增加的问题需要克服。
上述问题是由MRAM的记录原理造成的固有问题，即，是通过由配线产生的电流磁场执行磁化反转的方法所造成的。作为解决上述问题的一个方法，已研究使用非电流磁场的记录方法（即，磁化反转方法），尤其是，已经积极地进行针对自旋扭矩磁化反转的研究。
在MRAM的情况下，自旋扭矩磁化反转的存储元件使用磁隧道结（MTJ）而形成，并且利用以下现象，在其中，穿过在特定方向上固定的磁性层的自旋极化电子在其进入另一自由磁性层时，把扭矩传给该自由磁性层（其方向不固定），并且自由磁性层的磁性是由等于或超过特定阈值电流的电流通过而反转。通过改变电流的极性执行0/1重写。
在约0.1μm规格的元件中，用于反转的电流绝对值是1mA以下。
此外，因为电流值与元件体积成比例降低，所以能够执行比例缩放（scaling）。而且，因为对于MRAM所必须的用于产生电流磁场以进行记录的字线（word line），在这种情况下不是必须的，从而单元结构有利地被简化。
以下，使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）”。某些情况下，自旋扭矩磁化反转也可以称为自旋注入磁化反转。
ST-MRAM已经被大大地预期作为能实现容量增加以及功耗降低的非易失性存储器，并同时保持MRAM的优势（诸如高速操作和几乎无限的重写次数）。
作为ST-MRAM，例如日本未审查专利申请公开第2004-193595号中公开的使用面内（in-plane）磁化的存储器，以及例如日本未审查专利申请公开第2009-81215号中公开的使用垂直磁化的存储器已被开发。
发明内容
尽管各种材料被检测作为用于ST-MRAM的铁磁性物质，但通常认为，与具有面内磁各向异性的材料相比，具有垂直磁各向异性的材料更适合于容量的增加和功耗的降低。
其原因是，对于垂直磁化，在自旋扭矩磁化反转中需要超越的能量势垒是低的，并且垂直磁化膜的较高的磁各向异性有利地保持小型化存储载体的热稳定性，从而实现容量的增长。
然而，根据具有垂直各向异性的磁性材料，其各向异性能是较低的，进而作为存储元件保持信息的特性在某些情况下可能是令人担忧的。
因此，需要提供这样的ST-MRAM元件，其通过进一步地增强垂直磁各向异性，实现作为存储元件的较高的信息保持特性，并且能以较低电流稳定地执行记录。
根据本发明实施方式的存储元件，包括：存储层，具有垂直于其膜面的磁化，并通过磁性物质的磁化状态保持信息；磁化钉扎层，被用作存储层中所存储的信息的基准的、垂直于其膜面的磁化；非磁性物质中间层，设置在存储层和磁化钉扎层之间；以及帽层（caplayer），设置为邻近存储层并且与中间层相反的一侧，并且包含至少两个氧化物层。该存储元件被配置为，通过使用在包括存储层、中间层和磁化钉扎层的层结构的层压方向上流动的电流所产生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化从而存储信息。
根据本发明实施方式的存储设备，包括：通过磁性物质的磁化状态保持信息的存储元件；以及彼此相交的两种配线。在该存储设备中，存储元件包括：存储层，具有垂直于其膜面的磁化，并通过磁性物质的磁化状态保持信息；磁化钉扎层，被用作存储层中所存储的信息的基准的、垂直于其膜面的磁化；非磁性物质中间层，设置在存储层和磁化钉扎层之间；以及帽层，设置为邻近存储层并且与中间层相反的一侧，并且包含至少两个氧化物层。此外，存储元件被配置为，通过使用在包括存储层、中间层和磁化钉扎层的层结构的层压方向上流动的电流所产生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化从而存储信息。此外，在该存储设备中，存储元件布置在两种配线之间，通过两种配线，层压方向上的电流在存储元件中流动，从而发生自旋扭矩磁化反转。
在本发明的上述技术中，作为ST-MRAM，存储层、中间层（隧道势垒层）和磁化钉扎层形成MTJ结构。而且，位于靠近存储层的帽层包含至少两个氧化物层。
与使用单层氧化物的结构相比，由于帽层被形成为具有氧化物层压结构，因此能够增强垂直磁各向异性。
根据本发明的技术，作为垂直磁化类型ST-MRAM的非易失性存储器，垂直磁各向异性得以增强，因此，作为存储元件的高信息保持特性（热稳定性）能够被实现。相应地，能够实现以低电流来稳定地执行记录的ST-MRAM存储元件，和使用该存储元件的存储设备。
附图说明
图1是根据实施方式的存储设备的结构的示意性透视图；
图2是根据实施方式的存储设备的截面图；
图3是示出了根据实施方式的存储元件的层结构的截面图；
图4A和图4B是示出了根据实施方式的实验1的样本的视图；
图5是示出了作为实验1的结果的矫顽力的示图；
图6A和图6B是示出了根据实施方式的实验2的样本的视图；以及
图7是示出了实验2的结果的表格。
具体实施方式
以下，依照如下顺序描述本发明的实施方式。
<1.根据实施方式的存储设备的结构>
<2.根据实施方式的存储元件的概要>
<3.根据实施方式的具体结构>
<4.根据实施方式的实验>
<1.根据实施方式的存储设备的结构>
首先，将描述根据本发明实施方式的存储设备的结构。
在图1和图2中示出了根据实施方式的存储设备的示意图。图1是透视图，图2是截面图。
如图1所示，在根据该实施方式的存储设备中，能通过磁化状态保持信息的ST-MRAM的存储元件3被布置在彼此垂直相交的两种地址线（诸如，字线和位线）的交叉点附近。
即，构成选择晶体管以选择各存储设备的漏区8、源区7以及栅电极1形成在半导体基板10（诸如，硅基板）的通过元件隔离层2分隔的区域中。在上述各项中，栅电极1还用作地址线之一（例如，字线），其在图中的纵向（front-back）方向上延伸。
漏极区8对于位于图1中左侧和右侧的两个选择晶体管而公共形成，配线9连接到漏极区8。
此外，存储元件3被设置在源极区7和位线6之间，位线6设置在存储元件1上并且在图1中的横向方向上延伸，其中，存储元件3具有存储层，该存储层的磁化方向通过自旋扭矩磁化反转进行反转。存储元件3，例如，由磁隧道结元件（MTJ元件）形成。
如图2所示，存储元件3有两个磁性层15和17。两个磁性层15和17中，一个磁性层用作磁化钉扎层15，其磁化M15的方向是被固定的；另一磁性层用作磁性自由层17，即，存储层17，其磁化M17的方向是变化的。
此外，存储元件3通过相应的顶部和底部接触层4，连接到位线6和源区7。
因此，在电流通过两种地址线1和6以上-下方向在存储元件3中流动时，存储层17的磁化M17的方向能够通过自旋扭矩磁化反转进行反转。
在如上所述的存储设备中，已经很好地理解到，必须以小于等于选择晶体管的饱和电流的电流来执行写入，并且，随着晶体管小型化其饱和电流降低。相应地，为了存储设备的小型化，优选地，通过提高自旋转移的效率，使存储元件3中流动的电流降低。
此外，为了增加读信号的强度，需要确保较高的磁阻变化率，因此，使用如上所述的MTJ结构是有效的，即，存储元件3被有效地利用，其中，在存储元件3的两个磁性层15和17之间设置充当隧道绝缘层（隧道势垒层）的中间层。
如上所述，当隧道绝缘层用作中间层时，为了防止隧道绝缘层的电介质被击穿，在存储元件3中流动的电流被限制。即，为了确保存储元件3的重复写入的可靠性，优选地，自旋扭矩磁化反转所需的电流也被抑制。此外，在某些情况下，例如，自旋扭矩磁化反转所需的电流也可以被称为反转电流或存储电流。
此外，因为存储设备是非易失性存储设备，需要稳定地存储通过电流写入的信息。即，需要确保对存储层磁化热波动的稳定性（热稳定性）。
如果不能确保存储层的热稳定性，在某些情况下，经反转的磁化方向可能因为热（操作环境的温度）被再次反转，进而可能发生写入错误。
在该存储设备的存储元件3（ST-MRAM）中，虽然比例缩放能被有利地执行，即，与相关MRAM相比，体积能够减小，但在体积减小时，如果其他特性未变，则热稳定性往往会劣化。
在ST-MRAM的容量增加时，因为存储元件3的体积进一步地减小，确保热稳定性成为重要的课题。
因此，在ST-MRAM的存储元件3中，热稳定性是非常重要的特性，即使其体积减小，也必须进行设计以确保热稳定性。
<2.根据实施方式的存储元件的概要>
接下来，将描述根据本发明实施方式的存储元件的概要。
根据该实施方式的存储元件被形成为ST-MRAM。通过自旋扭矩磁化反转，ST-MRAM反转存储元件的存储层的磁化方向以存储信息。
存储层由包含磁性物质的铁磁层形成，并且被配置为通过磁性物质的磁化状态（磁化方向）来保持信息。
虽然稍后详细地描述，例如，根据该实施方式的存储元件3具有图3中所示的层结构，其包含至少两个铁磁层（存储层17和磁化钉扎层15），以及设置在这两者之间的中间层16。
存储层17具有垂直于其膜面的磁化，磁化方向相应于信息而变化。
磁化钉扎层15具有垂直于其膜面的磁化，其被用作存储在存储层17中的信息的基准。
中间层16由绝缘层（例如，非磁性物质）形成，并且设置在存储层17和磁化钉扎层15之间。
此外，通过在包括存储层17、中间层16和磁化钉扎层15的层结构的层压方向上注入自旋极化电子，存储层17的磁化方向改变，进而信息存储在存储层17中。
自旋扭矩磁化反转将简要地描述。
电子有两种类型的自旋角动量。这些电子暂时被定义为向上电子和向下电子。在非磁性物质内，向上电子的数量等于向下电子的数量，在铁磁性物质内，向上电子的数量不同于向下电子的数量。在形成存储元件3的两个铁磁层（磁化钉扎层15和存储层17）中，将讨论当上述铁磁层的磁矩方向是逆平行状态时，电子从磁化钉扎层15转移到存储层17的情况。
磁化钉扎层15是固定的磁性层，其磁矩方向被高矫顽力固定。
穿过磁化钉扎层15的电子被自旋极化，即，向上电子的数量变得不同于向下电子的数量。在中间层16（其是非磁性层）的厚度被形成为足够薄，使得在因通过磁化钉扎层15所导致的电子自旋极化被缓和并且电子被置于普通的非磁性物质的非极化状态（其中，向上电子的数量等于向下电子的数量）之前，电子到达另一磁性物质，即，存储层17。
因为在存储层17中的自旋极化的程度的符号是相反的，为了降低***能量，一些电子被反转，即，自旋角动量的方向被反转。在此时，因为***的总角动量应当守恒，等价于电子的角动量的总变化（各电子的方向改变）的反作用（reaction）也被传给存储层17的磁矩。
在电流较低时，即，在每单位时间通过的电子数量较小时，因为电子（改变其方向的各电子）的总数是小的，在存储层17的磁矩中产生的角动量的改变是小的；然而，在电流增加时，能够在每单位时间内给予更大的角动量的变化。
角动量随时间而改变的是扭矩，如果扭矩超过特定的阈值，存储层17的磁矩开始进动运动（precession motion），并且由于其单轴磁性各向异性因此在旋转了180°之后稳定。即，发生从逆平行状态到平行状态的反转。
相反地，在磁化处于平行状态时，接下来，如果电流按照电子从存储层17转移到磁化钉扎层15的方向流动时，在磁化钉扎层15处被反射而自旋极化的电子进入存储层17时，扭矩被给予存储层17；因此，磁矩能够被反转到逆平行状态。然而，在这种情况下，引起这种反转所需的电流大于从逆平行状态到平行状态的反转所需的电流。
虽然难于直观地理解磁矩从平行状态到逆平行状态的反转，但该机制可以按如下方式考虑，因为磁化钉扎层15是固定的，磁矩被反转，为了使整个***的动量矩守恒，存储层17的磁化被反转。如上所述，通过使对应于各自极性的、大于等于特定阈值的电流在磁化钉扎层15到存储层17的方向或相反的方向上通过，来存储0/1。
如同MRAM相关情况，能够通过磁阻效应读出信息。即，如同上述存储的情况，电流以垂直于膜面的方向流动。此外，使用了如下现象，其中，根据存储层17的磁矩是否与磁化钉扎层15的磁矩处于同一方向或是相反方向，改变元件的电阻。
虽然金属或者绝缘材料都可以用于设置在磁化钉扎层15和存储层17之间的中间层16，但认为在绝缘材料用于中间层时，可以得到较高的读取信号（电阻变化率），并且能够以较低的电流来存储信息。如上所述的元件被称为铁磁隧道结（磁隧道结：MTJ）。
在磁性层的磁化方向通过自旋扭矩磁化反转进行反转时，根据磁性层的易磁化轴是处于面内（in-plane）方向还是处于与其垂直的方向，来改变所需的电流阈值Ic。
虽然该实施方式的存储元件是垂直磁化类型，但是反转关于面内磁化类型存储元件的磁性层的磁化方向的反转电流由Ic_para表示。
在平行状态被反转到逆平行状态（平行状态和逆平行状态分别由基于磁化钉扎层磁化方向的存储层的磁化方向确定）时，
Ic_para=（A·α·Ms·V/g（0）/P）（Hk+2πMs）成立。
在逆平行状态被反转到平行状态时，
Ic_para=-（A·α·Ms·V/g（π）/P）（Hk+2πMs）成立。
另一方面，如果垂直磁化类型存储元件的反转电流被表示为本示例中的Ic_perp，在平行状态被反转到逆平行状态时，
Ic_perp=（A·α·Ms·V/g（0）/P）（Hk-4πMs）成立。
在逆平行状态被反转到平行状态时，
Ic_perp=-（A·α·Ms·V/g（π）/P）（Hk-4πMs）成立。
在上面的公式中，A表示常量，α表示阻尼常数，Ms表示饱和磁化，V表示元件体积，P表示自旋极化，g（0）和g（π）分别表示对于平行状态和逆平行状态的对应磁性层的自旋扭矩传送效率相对应的系数，以及Hk表示磁各向异性。
在上面的每个公式中，如果将垂直磁化类型情况下的（Hk-4πMs）与面内磁化类型情况下的（Hk+2πMs）相比，能够理解，垂直磁化类型更适合于存储电流的降低。
例如，作为具有垂直各向异性的磁性材料，Co-Fe-B合金可能被提及，并且，为了实现高磁阻变化率以给予较大的ST-MRAM读取信号，上面的材料可以和MgO一起使用，用作隧道势垒（中间层16）；因此，上述组合是允许的。
然而，在具有以氧化物作为垂直磁各向异性的起源的界面各向异性的结构中，相比其他垂直磁化材料，由于较低垂直各向异性能所造成的较低保持特性（热稳定性）是引人担忧的。
为了改进保持特性，虽然有诸如增大磁性层体积的方法，不利地是，作为厚度增加的代价，界面各向异性的降低容易发生。
在存储元件用作存储器时，存储在其中的信息必须保持。
作为保持信息的能力的指标，使用热稳定性的指标Δ（=KV/kBT）的值作为判断。Δ由以下公式表示。
Δ=KV/kBT=Ms·V·Hk（1/2kB·T）
在该公式中，Hk表示有效各向异性场，kB表示波耳兹曼常数，T表示绝对温度，Ms表示饱和磁化量，V表示存储层17的体积，以及K表示各向异性能。
形状磁各向异性、磁感应各向异性、结晶磁各向异性等的影响并入有效各向异性场Hk，在假定单畴一致旋转模型（coherent rotation model）时，该有效各向异性场Hk变为等于矫顽力。
<3.根据实施方式的具体结构>
接下来，描述根据本发明实施方式的具体结构。
如上参考图1所述，在存储设备的结构中，能够通过磁化状态保持信息的存储元件3被布置在彼此垂直相交的两种地址线1和6（诸如，字线和位线）之间的交叉点附近。
此外，在电流通过两种地址线1和6以上-下方向在存储元件3中流动时，存储层17的磁化方向能够由自旋扭矩磁化反转进行反转。
图3示出了根据该实施方式的存储元件3（ST-MRAM）的层结构的示例。
存储元件3具有下层14、磁化钉扎层15、中间层16、存储层17、氧化物帽层18、以及帽保护层19。
如图3中所示的示例，在存储元件3中，磁化钉扎层15设置在存储层17之下，其中存储层17的磁化M17的方向通过自旋扭矩磁化反转进行反转。
在ST-MRAM中，存储层17的磁化M17和磁化钉扎层15的磁化M15之间的相对角度规定了信息0或1。
存储层17由具有磁矩的铁磁性物质形成，其中磁矩的磁化方向在垂直于其层面的方向上自由变化。磁化钉扎层15由具有磁矩的铁磁性物质形成，其中磁矩的磁化方向被固定在垂直于其膜面的方向上。
信息通过具有单轴各向异性的存储层17的磁化方向进行存储。通过在垂直于其膜面的方向上施加电流从而引起自旋扭矩磁化反转来执行写入。如上所述，磁化钉扎层15设置在磁化方向通过自旋注入而反转的存储层下方，并被用作存储层17的存储信息（磁化方向）的基准。
在存储层17和磁化钉扎层15之间，设置充当隧道势垒层（隧道绝缘层）的中间层16，并且MTJ元件由存储层17和磁化钉扎层15形成。
此外，下层14形成在磁化钉扎层15下方。
氧化物帽层18形成在存储层17上（即，从存储层17观察时在与中间层16相反的一侧）。
而且，帽保护层19形成在氧化物帽层18上（即，从氧化物帽层18观察时在与存储层17相反的一侧）。
根据该实施方式，Co-Fe-B用于存储层17和磁化钉扎层15。
此外，除Co-Fe-B合金之外，Co-Fe-C合金，Ni-Fe-B合金以及Ni-Fe-C合金也可以用于形成存储层17和磁化钉扎层15的磁性物质。
因为磁化钉扎层15用作信息的基准，其磁化方向不应当因为记录和/或读取而改变；然而，其方向不必固定在特定的方向上，并且磁化钉扎层15的矫顽力、厚度或磁化磁阻尼常数可以增加到大于存储层17，因此其磁化方向与存储层17相比，将不太容易变动。
例如，中间层16（隧道势垒层）由MgO形成。在形成MgO（氧化镁）层时，磁阻变化率（MR比率）能够增加。在如上所述MR比率增加时，自旋注入的效率提高，从而能够降低反转存储层17的磁化M17的方向所需的电流密度。
此外，除氧化镁之外，中间层16也可以由各种绝缘物质形成，诸如氧化铝、氮化铝、SiO2、Bi2O3、MgF2、CaF、SrTiO2、AlLaO3、以及Al-N-O、电介质材料和半导体。
对于下层14和帽保护层19，也能够使用诸如Ta，Ti，W，以及Ru的各类金属，以及诸如TiN的导电氮化物。此外，下层14和保护层19可以是单层，或可以通过层压不同材料层形成。
在该示例中，氧化物帽层18具有双层的层压结构，包含第一帽层18a和第二帽层18b。
优选地，第一帽层18a和第二帽层18b各自形成为氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氧化钴、铁氧体、氧化钛、氧化铬、钛酸锶、铝酸镧、氧化锌层或包含上述提及的氧化物的至少一种的混合物的层。
此外，靠近存储层17的第一帽层18a优选地是氧化镁层。
虽然在图3中所示的示例中描述了两层的层压结构（第一帽层18a和第二帽层18b），也可以形成具有至少三个氧化物层的层压结构。
尤其是，在该实施方式中，存储层17的成分被调整，使得被存储层17接收的有效退磁场的强度小于存储层17的饱和磁化量Ms。
如上所述，具有Co-Fe-B成分的铁磁性材料被选择用于存储层17，并且被存储层17接收的有效退磁场的强度降低，从而小于存储层的饱和磁化量Ms。相应地，存储层17的磁化被定向在垂直于其膜面的方向上。
此外，在该实施方式中，在形成中间层16的绝缘层是氧化镁层（MgO）时，磁阻变化率（MR比率）能够增加。在MR比率如上所述增加时，自旋注入的效率提高，从而能够降低反转存储层17的磁化方向所需的电流密度。
因为存储元件3的存储层17以如下方式形成，其中存储层17接收的有效退磁场的强度小于存储层17的饱和磁化量Ms，从而存储层接收的退磁场降低，进而能够降低反转存储层的磁化方向所需的写入电流。其原因在于，由于存储层17具有垂直磁各向异性，能够施加垂直磁化类型ST-MRAM的反转电流，因此，对于退磁场能够得到优势。
另一方面，因为能够在不降低存储层17的饱和磁化量Ms的情况下降低写入电流，同时保持足够的存储层17饱和磁化量Ms，能够确保存储层17的热稳定性。
而且，在该实施方式中，设置与存储层17接触的、包含两个氧化物层的氧化物帽层18。
通过具有如上设置的氧化物层压结构的氧化物帽层18，能够调整垂直磁各向异性，并且与使用单一氧化物层的那些结构相比，存储层17的矫顽力以及信息保持特性（热稳定性指标Δ）能够得以增强。
因此，能够形成具有卓越的特性平衡的存储元件。
在该实施方式的存储元件3中，在真空装置中顺序地先后形成从下层14到帽保护层19的各层，从而得到层压结构。随后，通过诸如蚀刻的处理形成存储元件3的图案，从而存储元件3被制造出来。
此外，磁化钉扎层15可以由单一的铁磁层形成或被形成为具有层压铁钉扎结构（laminate ferri-pinned structure），该该结构中，层压铁磁层并且其间设置有至少一层非磁性层。
作为形成具有层压铁钉扎结构的磁化钉扎层15的铁磁层材料，能够使用Co、CoFe、CoFeB等。此外，例如Ru、Re、Ir、和Os可以用作非磁性层的材料。
可替换地，通过使用在反铁磁层和铁磁层之间的反铁磁耦合，能够在磁化被固定的方向上形成该结构。
例如，作为反铁磁层的材料，可能提及诸如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO以及Fe2O3的磁性物质。
此外，通过将诸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo和Nb的非磁性元素加入上述磁性物质，磁特性能够被调整，和/或也能调整其他多种特性，诸如晶体结构、结晶度和物质的稳定性。
如果磁化钉扎层15被形成为具有层压铁钉扎结构，磁化钉扎层15能够变得对外部磁场不敏感，并能阻止由磁化钉扎层15引起的磁场渗漏，此外，磁化钉扎层15的垂直磁各向异性能由磁性层之间耦接的中间层增强。
<4.根据实施方式的实验>
[实验1]
该实验评估包含氧化物帽层18（其具有图3所示的氧化物层压结构）的存储元件3的磁特性。执行磁化曲线的测量，并测量矫顽力Hc。
准备了8种样本，样本1到8。样本2到8分别对应根据该实施方式的存储元件3，样本1是对比示例的样本。
每个样本的层结构在图4A和图4B中显示。
如图4A所示的样本1到8除氧化物帽层18之外具有相同的结构。
·下层14：厚度为15nm的Ta膜和厚度为10nm的Ru膜的层压膜。
·磁化钉扎层15：厚度为2nm的Co-Pt层、厚度为0.7nm的Ru膜以及厚度为1.2nm的[Co20Fe80]70B30膜的层压膜。
·中间层16（隧道绝缘层）：厚度为1nm的氧化镁膜。
·存储层17：厚度为2nm的[Co20Fe80]70B30膜。
在图4B中示出了靠近存储层17的氧化物帽层18的结构。
·样本1（比较示例）：厚度为0.9nm的氧化镁。
·样本2：厚度为0.5nm的氧化镁和厚度为0.4nm的氧化铝。
·样本3：厚度为0.5nm的氧化镁和厚度为1.0nm的氧化钽。
·样本4：厚度为0.5nm的氧化镁和厚度为1.0nm的氧化铬。
·样本5：厚度为0.4nm的氧化铝和厚度为0.5nm的氧化镁。
·样本6：厚度为1.0nm的氧化钽和厚度为0.5nm的氧化镁。
·样本7：厚度为1.0nm的氧化铬和厚度为0.5nm的氧化镁。
·样本8：厚度为0.5nm的氧化铝和厚度为0.5nm的氧化钽。
此外，在各样本的氧化物帽层18的上半部分上，层压帽保护层19（Ta、Ru、W等）。
在样本2到样本4中，氧化镁用于与存储层17接触的第一帽层18a。
在样本5到样本7中，氧化镁用于未接触存储层17的第二帽层18b，除氧化镁之外的化合物用于第一帽层18a。
在样本8中，除氧化镁之外的化合物用于第一帽层18a和第二帽层18b。
在每个样本中，厚度为300nm的热氧化膜形成在厚度为0.725mm的硅基板上，并且具有上述结构的存储元件形成在上述氧化膜上方。
此外，厚度为100nm的Cu膜（未示出）设置在下层和硅基板之间。
除了中间层16以外的各层使用直流磁控溅射法形成。使用氧化物的中间层16以如下方式形成，在使用射频磁控溅射法或直流磁控溅射法形成金属层之后，在氧化室内执行氧化。
在形成存储元件的各层被形成之后，在磁场热处理炉中，以300°C执行长达1个小时的热处理。
（磁化曲线的测量）
使用克尔氏磁效应测量，测量每个样本的存储元件的磁化曲线。
对于该测量，代替使用经过微细加工处理的元件，而使用尺寸约为8mm×8mm的、专门设置在晶片上用于进行磁化曲线评估的体膜（bulk film）部分。此外，将测量磁场施加在垂直于其膜面的方向上。
图5示出了从各样本1到样本8的磁化曲线得到的矫顽力Hc。
至于帽层相关的磁化曲线的形状，在各结构中得到具有良好的直角形状的磁化曲线，并且形成存储层17的Co-Fe-B合金通过界面各向异性充分地表现垂直磁各向异性。
在帽层具有两个氧化物层的层压结构的样本2到样本8中，与使用单一氧化物层的对比示例（样本1）的结构相比，矫顽力的值增加到最高值的大约2倍。
认为上述原因在于，存储层17和氧化物帽18之间的应变（strain）的影响降低。在实际的材料中，在通过热处理结晶化的Co-Fe-B合金和氧化镁的中间层16，局部应变被引入高度定向的磁性层/氧化物界面，进而磁特性劣化。
特别是，一般理解的是，在CoFe基的磁膜和氧化镁膜之间，晶格常数失配是大的，并且由应变所引起的影响也较大。
认为在样本2到样本8中，由于将具有不同失配的氧化物结合单一氧化镁帽层相层压，使应变得到调整和补偿，从而磁特性得以改进。
此外，在样本2到样本8中，认为，由于具有不同晶格常数的氧化物形成层压结构，面内方向上的压缩应变在该叠层的上部或下部产生，对层压以形成帽保护层19的Ru、W或Ta层进行热处理所引起的扩散得到抑制。
因此，防止界面各向异性劣化的效果与应变补偿的效果同时得到，其中，该各向异性劣化是在扩散的帽保护层19与氧化物混合时发生的。
此外，可以层压至少三个氧化物层，从而调整垂直磁各向异性。此外，除在每个样本中所示的氧化物之外，也可以包含氧化硅、氧化钴、铁氧体、氧化钛、钛酸锶、铝酸镧、氧化锌、或包含至少一种所述氧化物的混合层。
当样本2、3、4与样本5、6、7相比时，存储层17的界面处存在氧化镁的结构的矫顽力，大约是界面处不存在氧化镁的结构的1.2倍。
相应地，针对位于界面侧的第一帽层18a，优选地使用对磁性层有效地表现界面各向异性的氧化镁。然而，靠近存储层17的氧化物即使是氧化镁之外的氧化物，与单一的氧化物层（样本1）的情况相比，也能得到矫顽力增强的效果。
此外，虽然在实验中将Co-Fe-B合金中的B的成分设成30%，考虑到TMR值和/或热阻，B成分可能变成大约20%到40%。
除Co-Fe-B合金之外，作为形成存储层17的磁性材料，也可以使用Co-Fe-C合金、Ni-Fe-B合金以及Ni-Fe-C合金。
因为向存储层17和磁化钉扎层15的Co-Fe-B合金添加非磁性元素也是有效的，在这种情况下，作为非磁性元素的Ru，Os，Re，Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B，C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb或其合金也能够使用，并且磁性能够因此调整。
[实验2]
该实验评估包含具有如图3所示的层压结构的氧化物帽层18的存储元件3的特性。执行了反转电流值的磁阻曲线的测量和热稳定性的测量。准备了3种样本，样本9到样本11。样本10和样本11各自对应根据该实施方式的存储元件3，样本9是用于比较的样本。
每个样本的层结构在图6A和图6B中显示。
如图6A所示，样本9到样本11除了氧化物帽层18之外具有相同的结构。
·下层14：厚度为15nm的Ta膜和厚度为10nm的Ru膜的层压膜。
·磁化钉扎层15：厚度为2nm的Co-Pt层、厚度为0.7nm的Ru膜以及厚度为1.2nm的[Co20Fe80]70B30膜的层压膜。
·中间层16（隧道绝缘层）：厚度为1nm的氧化镁膜。
·存储层17：厚度为2nm的[Co20Fe80]70B30膜。
在图6B中示出了靠近存储层17的各氧化物帽层18的结构。
·样本9（对比示例）：厚度为0.9nm的氧化镁。
·样本10：厚度为0.5nm的氧化镁和厚度为0.4nm的氧化铝。
·样本11：厚度为0.5nm的氧化镁和厚度为1.0nm的氧化铬。
在各结构中，由厚度为5nm的Ru和厚度为3nm的Ta形成的帽保护层19形成在氧化物帽层18的上部。
在各样本中，厚度为300nm的热氧化膜形成在厚度为0.725mm的硅基板上，并且上述存储元件形成在上述氧化膜上方。此外，厚度为100nm的Cu膜（未示出，将要形成稍后描述的字线）设置在下层和硅基板之间。
除中间层16之外的各层使用直流磁控溅射法形成。使用氧化物的中间层16通过如下方法形成，在使用直流磁控溅射法或射频磁控溅射法形成金属层之后，在氧化室中执行氧化。
在形成存储元件的每个层被形成之后，在磁场热处理炉中，以300°C执行长达1个小时的热处理。
接下来，在字线部分通过光刻被掩膜之后，通过Ar等离子体对字线之外的那部分层压膜执行选择性蚀刻，形成字线（下电极）。
在该步骤中，字线部分之外的那部分被蚀刻至5nm的基底深度。随后，存储元件的图案的掩膜通过电子束曝光装置形成，并且对层压膜实施选择性蚀刻，从而形成存储元件。
在由铜层形成的字线的正上方，存储元件部分之外的那部分被蚀刻。
此外，因为需要在性能测量的存储元件中通过足够的电流从而产生磁化反转所需的自旋扭矩，中间层16（隧道绝缘层）的阻抗必须降低。
因此，存储元件的图案形成为短轴0.07μm以及长轴0.07μm的圆形，以便存储元件的薄层电阻（Ω/μm2）为20Ω/μm2。
接下来，存储元件之外的那部分被利用溅射而具有厚度约为100nm的Al2O3隔离。随后，使用光刻，形成用作上电极的位线和用于测量的焊垫（pad）。
如上所述，形成与存储元件3对应的各样本。
如下所述，评估如此形成的存储元件的各样本9到样本11的特性。为了控制反转电流使其值在正方向和负方向中是彼此对称的，在执行测量之前，形成该结构，使得能够从外部将磁场施加至存储元件。此外，施加至存储元件的电压被设成1V以下，以免损坏绝缘层。
（磁阻曲线的测量（TMR测量））
通过在施加磁场的同时测量元件阻抗，执行对存储元件的磁阻曲线的评估。
（反转电流值和热稳定性的测量）
测量反转电流值，以便评估根据该实施方式的存储元件3的写入特性。使脉冲宽度为10微秒至100毫秒的电流在该存储元件中流动，然后测量存储元件的阻抗。
而且，变化将要流经存储元件的电流，得到存储元件的存储层的磁化方向被反转时的电流值。
此外，通过测量至少两次存储元件的磁阻曲线，得到的矫顽力Hc离散对应于上述存储元件的保持特性（热稳定性）的指标（Δ）。
当测量到的矫顽力Hc离散更小时，得到的Δ值更高。
此外，为了把存储元件间的变动考虑进去，在形成大约20个具有同样结构的存储元件之后，实施上述测量，并得到反转电流值的平均值和热稳定性指标Δ的平均值。
磁阻曲线和通过样本9到11的电流进行写入的磁化反转特性的评估，在图7中示出。
示出了TMR（隧道磁阻效应）值，矫顽力Hc，热稳定性指标Δ，以及反转电流密度JcO。
在样本10和样本11中发现，如在实验1中执行的使用体膜的对比情况，TMR（隧道磁阻效应）值和反转电流密度被维持为类似于比较示例（样本9），而矫顽力Hc和保持特性（热稳定性指标Δ）增加到1.1倍到1.4倍。
从所述结果，具有层压结构的氧化物帽层18的优势得到确认。
此外，除样本10和样本11的结构之外，氧化物帽层的层压结构可以在实验1中所述的有效范围内变化。
此外，通过将与氧化物帽层18接触的帽保护层19的Ru变成其他材料，可能形成反转电流降低的结构。
上述实验1和实验2表明，根据该实施方式的存储元件3具有容易地制造垂直磁化类型MTJ、以及使用MTJ的大容量和低功耗ST-MRAM存储元件和存储设备的效果。
所述技术也能接受以下结构。
（1）能够提供一种存储元件，包括：存储层，具有垂直于其膜面的磁化，并通过磁性物质的磁化状态保持信息；磁化钉扎层，具有被用作存储在所述存储层中的信息的基准的、垂直于其膜面的磁化；非磁性物质中间层，设置在所述存储层和所述磁化钉扎层之间；以及帽层，设置在所述存储层中的与所述中间层相反的一侧，并且包括至少两个氧化物层，在所述存储元件中，通过使用在包括所述存储层、所述中间层和所述磁化钉扎层的层结构的层压方向上流动的电流所产生的自旋扭矩磁化反转来反转所述存储层的所述磁化从而存储信息。
（2）根据（1）所述的存储元件，其中，所述帽层包括氧化硅、氧化镁、氧化钽、氧化铝、氧化钴、铁氧体、氧化钛、氧化铬、钛酸锶、铝酸镧、氧化锌、或包含至少一种上述氧化物的混合物的层。
（3）根据（1）或（2）所述的存储元件中，其中，在形成所述帽层的至少两个氧化物层中，靠近所述存储层的氧化物层是氧化镁层。
（4）根据（1）至（3）之一所述的存储元件，其中，形成所述存储层的铁磁层材料是Co-Fe-B。
本申请包含于2011年5月23日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2011-114440中所披露的相关主题，其全部内容通过引用结合于此。
本领域技术人员应当理解，根据设计需要和其他因素，可以有各种改变、组合、子组合和变形，只要它们在所附权利要求及其等同替换的范围。

Claims (4)

1.一种存储元件，包括：
存储层，具有垂直于其膜面的磁化，并通过磁性物质的磁化状态保持信息；
磁化钉扎层，具有被用作存储在所述存储层中的信息的基准的、垂直于其膜面的磁化；
非磁性物质中间层，设置在所述存储层和所述磁化钉扎层之间；以及
帽层，设置为与所述存储层相邻并且设置在与所述中间层相反的一侧，并且包括至少两个氧化物层，其中，在包括至少两个氧化物层的所述帽层中，邻近所述存储层的第一氧化物层包含氧化镁，邻近所述第一氧化物层的第二氧化物层包括氧化钽和氧化铝中的至少一种，
其中，所述存储元件被配置为，通过使用在包括所述存储层、所述中间层和所述磁化钉扎层的层结构的层压方向上流动的电流所产生的自旋扭矩磁化反转来反转所述存储层的所述磁化从而存储信息。
2.根据权利要求1所述的存储元件，
其中，所述存储层包括含有Co-Fe-B的铁磁层材料。
3.根据权利要求1所述的存储元件，
其中，所述中间层由MgO形成。
4.一种存储设备，包括：
存储元件，通过磁性物质的磁化状态保持信息；以及
彼此相交的两种配线，
其中，所述存储元件包括：存储层，具有垂直于其膜面的磁化，并通过磁性物质的磁化状态保持信息；磁化钉扎层，具有被用作存储在所述存储层中的信息的基准的、垂直于其膜面的磁化；非磁性材料中间层，设置在所述存储层和所述磁化钉扎层之间；以及帽层，设置为与所述存储层相邻并且设置在与所述中间层相反的一侧，并且包含至少两个氧化物层，其中，在包括至少两个氧化物层的所述帽层中，邻近所述存储层的第一氧化物层包含氧化镁，邻近所述第一氧化物层的第二氧化物层包括氧化钽和氧化铝中的至少一种，
其中，所述存储元件被配置为，通过使用在包括所述存储层、所述中间层和所述磁化钉扎层的层结构的层压方向上流动的电流所产生的自旋扭矩磁化反转来反转所述存储层的所述磁化从而存储信息，
所述存储元件设置在所述两种配线之间，以及
通过所述两种配线，所述层压方向上的所述电流在所述存储元件中流动，从而发生所述自旋扭矩磁化反转。
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