存储装置专利检索-电阻电子零件及设备专利检索查询-专利查询网

存储装置

阅读：129发布：2021-04-11

专利汇可以提供存储装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本公开提供一种存储装置。实施方式的存储装置包括电阻变化元件，所述电阻变化元件包含层叠体，该层叠体包含第一铁磁性体、第二铁磁性体、以及设置于所述第一铁磁性体与所述第二铁磁性体之间的包含硼添加稀土类氧化物的第一非磁性体。，下面是存储装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种存储装置，
具备电阻变化元件，
所述电阻变化元件具备层叠体，该层叠体包含第一铁磁性体、第二铁磁性体、以及设置于所述第一铁磁性体与所述第二铁磁性体之间的包含硼添加稀土类氧化物的第一非磁性体。
2.根据权利要求1所述的存储装置，
所述第一非磁性体具有非晶结构。
3.根据权利要求1所述的存储装置，
所述电阻变化元件具备第三铁磁性体和设置于所述层叠体与所述第三铁磁性体之间的第二非磁性体，
所述第二非磁性体相对于所述第二铁磁性体位于与所述第一非磁性体相反侧，所述第一铁磁性体的垂直磁各向异性磁场即Hk比所述第二铁磁性体的垂直磁各向异性磁场大。
4.根据权利要求3所述的存储装置，
所述第一铁磁性体的含硼率比所述第二铁磁性体的含硼率高。
5.根据权利要求3所述的存储装置，
所述第一铁磁性体的膜厚比所述第二铁磁性体的膜厚小。
6.根据权利要求1所述的存储装置，
所述电阻变化元件具备第三铁磁性体和设置于所述层叠体与所述第三铁磁性体之间的第二非磁性体，
所述第二非磁性体相对于所述第二铁磁性体位于与所述第一非磁性体相反侧，所述第一铁磁性体的磁化的共振磁场即Hr比所述第二铁磁性体的磁化的共振磁场大。
7.根据权利要求6所述的存储装置，
所述第一铁磁性体的含硼率比所述第二铁磁性体的含硼率高。
8.根据权利要求6所述的存储装置，
所述第一铁磁性体的膜厚比所述第二铁磁性体的膜厚小。
9.根据权利要求1所述的存储装置，
所述电阻变化元件具备第三铁磁性体和设置于所述层叠体与所述第三铁磁性体之间的第二非磁性体，
所述第二非磁性体相对于所述第二铁磁性体位于与所述第一非磁性体相反侧，所述第一铁磁性体的阻尼常数即α比所述第二铁磁性体的阻尼常数大。
10.根据权利要求9所述的存储装置，
所述第一铁磁性体的含硼率比所述第二铁磁性体的含硼率高。
11.根据权利要求9所述的存储装置，
所述第一铁磁性体的膜厚比所述第二铁磁性体的膜厚小。
12.根据权利要求1所述的存储装置，
所述电阻变化元件具备第三铁磁性体和设置于所述层叠体与所述第三铁磁性体之间的第二非磁性体，
所述第二非磁性体相对于所述第二铁磁性体位于与所述第一非磁性体相反侧，所述第一铁磁性体的磁化量即Mst比所述第二铁磁性体的磁化量小。
13.根据权利要求12所述的存储装置，
所述第一铁磁性体的饱和磁化强度即Ms比所述第二铁磁性体的饱和磁化强度小。
14.根据权利要求12所述的存储装置，
所述第一铁磁性体的膜厚比所述第二铁磁性体的膜厚小。
15.根据权利要求1所述的存储装置，
所述电阻变化元件具备第三铁磁性体和设置于所述层叠体与所述第三铁磁性体之间的第二非磁性体，
所述第二非磁性体相对于所述第二铁磁性体位于与所述第一非磁性体相反侧，至少所述第一铁磁性体包含铱即Ir或者所述第二铁磁性体包含铂即Pt。
16.根据权利要求1所述的存储装置，
所述第一非磁性体包含钪即Sc、钇即Y、镧即La、铈即Ce、镨即Pr、钕即Nd、钷即Pm、钐即Sm、铕即Eu、钆即Gd、铽即Tb、镝即Dy、钬即Ho、铒即Er、铥即Tm、镱即Yb以及镥即Lu中的至少一种。
17.根据权利要求1所述的存储装置，
所述第一铁磁性体、所述第一非磁性体以及所述第二铁磁性体形成磁隧道结。
18.根据权利要求1所述的存储装置，
还具备存储器单元，该存储器单元包括所述电阻变化元件。
19.根据权利要求1所述的存储装置，
所述层叠体根据所供给的电流对信息进行保持。

说明书全文

存储装置

[0001] 本申请享有以日本专利申请2018-171328号(申请日：2018年9月13日)为在先申请的优先权。本申请通过参照该在先申请而包含该在先申请的全部内容。

技术领域

[0002] 实施方式涉及存储装置。

背景技术

[0003] 已知一种具有磁元件的存储装置。发明内容

[0004] 实施方式提供高品质的存储装置。

[0005] 实施方式的存储装置包括电阻变化元件，所述电阻变化元件包括层叠体，该层叠体包括第一铁磁性体、第二铁磁性体、以及设置于所述第一铁磁性体与所述第二铁磁性体之间的包含硼添加稀土类氧化物的第一非磁性体。附图说明

[0006] 图1是示出第一实施方式的存储装置的构成的一例的框图。

[0007] 图2是示出第一实施方式的存储装置的存储器单元的构成的一例的截面图。

[0008] 图3是示出第一实施方式的存储装置的电阻变化元件的构成的一例的截面图。

[0009] 图4A是包括图3所示出的层叠体的一例的例示性的层叠体的截面图、以及包括与图3所示出的层叠体类似的构成的例示性的层叠体的截面图。

[0010] 图4B是示出标绘在对图4A所示出的各层叠体施加了外部磁场时所测定的磁化量的值而成的曲线图的一例的图。

[0011] 图5是示出在第一实施方式的存储装置中将电阻变化元件设定为高电阻状态的写入工作的一例的示意图。

[0012] 图6是示出在第一实施方式的存储装置中将电阻变化元件设定为低电阻状态的写入工作的一例的示意图。

[0013] 图7A是作为第一实施方式的比较例的例示性的层叠体的截面图。

[0014] 图7B是示出标绘了在对图7A所示出的层叠体施加外部磁场时所测定的磁化量的值的曲线图的一例的图。

具体实施方式

[0015] 以下，参照附图对实施方式进行说明。此外，在以下的说明中，对具有同一功能以及构成的构成要素标注共同的附图标记。另外，在对具有共同的附图标记的多个构成要素进行区别的情况下，对该共同的附图标记标注角标来进行区别。此外，在无需对多个构成要素特别地进行区别的情况下，对该多个构成要素仅标注共同的附图标记，不标注角标。

[0016] ＜第一实施方式＞

[0017] 对第一实施方式的存储装置进行说明。第一实施方式的存储装置例如包括使用电阻变化元件作为存储元件的、基于垂直磁化方式的磁存储装置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory，磁阻随机存取存储器)，该电阻变化元件利用基于磁隧道结(MTJ：Magnetic Tunnel Junction)的隧穿磁阻(TMR：Tunneling Magnetoresistance)效应。此外，所谓的TMR效应是指如下现象，即：因磁场的施加而使铁磁性体的磁化方向发生变化，由此隧穿电流流动时的电阻发生变化。在以下的说明中，作为存储装置的一例，对上述的磁存储装置进行说明。

[0018] [构成例]

[0019] (1)存储装置的构成

[0020] 首先，对第一实施方式的存储装置的构成进行说明。

[0021] 图1是示出第一实施方式的存储装置1的构成的一例的框图。如图1所示，存储装置1包括存储器单元阵列11、电流吸收器(current sink)12、读出放大器(sense amplifier)及写入驱动器(SA/WD)13、行译码器14、页缓冲器15、输入输出电路16、以及控制部17。

[0022] 存储器单元阵列11包括与行(row)和列(column)相关联的多个存储器单元MC。例如，与同一行相关联的存储器单元MC连接于同一字线WL。例如，与同一列相关联的存储器单元MC的第一端连接于同一位线BL，与同一列相关联的存储器单元MC的第二端连接于同一源线/BL。

[0023] 电流吸收器12连接于位线BL以及源线/BL。电流吸收器12在数据的写入和读出等工作中将位线BL或源线/BL设为接地电位。

[0024] SA/WD13包括写入驱动器WD和读出放大器SA。例如，写入驱动器WD分别连接于相关联的位线BL以及源线/BL。例如，读出放大器SA分别连接于相关联的位线BL。写入驱动器WD分别经由上述相关联的位线BL和源线/BL向对象的存储器单元MC供给电流，进行向该存储器单元MC的数据写入。另外，读出放大器SA分别经由上述相关联的位线BL向对象的存储器单元MC供给电流，进行从该存储器单元MC的数据读出。

[0025] 行译码器14经由字线WL与存储器单元阵列11连接。行译码器14对指定连接存储器单元阵列11的字线WL的行地址进行译码。之后，行译码器14选择由译码而得的行地址指定的字线WL，对所选择的字线WL施加能够进行数据的写入以及读出等工作的电压。

[0026] 页缓冲器15将要写入存储器单元阵列11内的数据、以及从存储器单元阵列11读出的数据以被称为页的数据单位临时进行保持。

[0027] 输入输出电路16将从存储装置1的外部接收到的各种信号向控制部17和页缓冲器15发送，将来自控制部17和页缓冲器15的各种信息向存储装置1的外部发送。

[0028] 控制部17与电流吸收器12、SA/WD13、行译码器14、页缓冲器15、以及输入输出电路16连接。控制部17根据输入输出电路16从存储装置1的外部接收到的各种信号，来控制电流吸收器12、SA/WD13、行译码器14、以及页缓冲器15。

[0029] (2)存储器单元的构成

[0030] 接着，对第一实施方式的存储装置的存储器单元的构成进行说明。

[0031] 图2是示出第一实施方式的存储装置1的存储器单元MC的构成的一例的截面图。在以下的说明中，将与半导体基板20平行的面定义为xy平面，例如将与该xy平面垂直的轴定义为z轴。x轴和y轴例如被定义为在xy平面内互相正交的轴。图2所示的截面图与用xz平面将上述存储器单元MC截断后的截面图相对应。在以下的说明中，将朝向z轴的正朝向的方向作为上方、将朝向z轴的负朝向的方向作为下方来进行说明。

[0032] 如图2所示，存储器单元MC设置在半导体基板20上，包括选择晶体管21和电阻变化元件22。选择晶体管21被设置为控制在数据的写入及读出时向电阻变化元件22的电流的供给和停止的开关。电阻变化元件22例如包括层叠的多个物质。能够通过在贯穿层的界面的方向、例如与层的界面垂直的方向上流动的电流，将电阻变化元件22的电阻值在低电阻状态与高电阻状态之间进行切换。能够通过利用该电阻状态的变化来实现向电阻变化元件22的数据写入，电阻变化元件22作为能够非易失地保持所写入了的数据且能够进行该数据的读出的存储元件来发挥功能。

[0033] 选择晶体管21包括：连接于作为字线WL发挥功能的布线层23的栅、和在该栅的沿着x方向的两端设置于半导体基板20的表面的一对源区域或漏区域24。选择晶体管21形成于半导体基板20的活性区域。活性区域例如通过元件分离区域(STI：Shallow Trench Isolation，浅沟槽隔离)(未图示)而互相绝缘，以使得不电连接于其他存储器单元MC的活性区域。

[0034] 布线层23隔着半导体基板20上的绝缘层25而沿着y方向设置，例如共同连接于沿着y方向排列的其他存储器单元MC的选择晶体管21(未图示)的栅。布线层23例如在x方向上排列。

[0035] 在选择晶体管21的一方的源区域或漏区域24上设置有接触插塞(Contact plug)26。在接触插塞26的上表面上设置有电阻变化元件22。在电阻变化元件22的上表面上设置有接触插塞27。接触插塞27的上表面连接于布线层28。布线层28作为位线BL发挥功能并沿着x方向设置，例如共同连接于在x方向上排列的其他存储器单元MC的电阻变化元件22(未图示)。

[0036] 在选择晶体管21的另一方的源区域或漏区域24上设置有接触插塞29。接触插塞29的上表面连接于布线层30。布线层30作为源线/BL发挥功能并沿着x方向延伸，例如共同连接于在x方向排列的其他存储器单元MC的选择晶体管21(未图示)。

[0037] 布线层28和30例如在y方向上排列。布线层28例如位于布线层30的上方。选择晶体管21、电阻变化元件22、布线层23、28、30以及接触插塞26、27、29被层间绝缘膜31覆盖。

[0038] 此外，相对于电阻变化元件22沿着x方向或y方向排列的其他电阻变化元件22(未图示)例如设置在同一层上。即，在存储器单元阵列11内，多个电阻变化元件22例如沿着半导体基板20扩展的方向排列。此外，作为一例，以将三端子型选择晶体管适用为开关元件的情况进行了说明，但也可以适用两端子型开关元件。

[0039] (3)电阻变化元件的构成

[0040] 接着，对第一实施方式的存储装置的电阻变化元件的构成进行说明。

[0041] 图3是示出第一实施方式的存储装置1的电阻变化元件22的构成的一例的截面图。图3所示的截面图与用上述的xz平面截断电阻变化元件22而得到的截面图相对应。

[0042] 如图3所示，电阻变化元件22包括非磁性体110、层叠体120、非磁性体130以及铁磁性体140。非磁性体110、层叠体120、非磁性体130以及铁磁性体140按非磁性体110、层叠体120、非磁性体130以及铁磁性体140的顺序从半导体基板20侧在z轴方向上层叠。

[0043] 非磁性体110例如作为基底层(under layer)发挥功能。非磁性体130例如作为隧道势垒层(tunnel barrier layer)发挥功能。即，层叠体120、非磁性体130以及铁磁性体
140形成磁隧道结。铁磁性体140具有固定于某方向的磁化，例如作为参考层(reference layer)发挥功能。

[0044] 层叠体120在稳定状态下具有沿着某方向可变的磁化，例如作为存储层(storage layer)发挥功能。稳定状态是指未被施加电压，且不位于磁场中，磁化状态的转变结束而稳定了的状态。

[0045] 层叠体120、非磁性体130以及铁磁性体140的组表现出TMR效应。TMR效应是指如下现象：在包括夹着绝缘体的两个铁磁性体的构造中，当两个铁磁性体的磁化朝向为平行时，构造表现出最小的电阻值；当两个铁磁性体的磁化朝向为反平行时，构造表现出最大的电阻值。电阻变化元件22能够通过使层叠体120的磁化方向相对于铁磁性体140的磁化方向平行或反平行，来取得低电阻状态和高电阻状态中的某一方。

[0046] 在铁磁性体140的磁化方向与层叠体120的磁化方向平行的情况下，电阻变化元件22的电阻值最低。即，电阻变化元件22被设定为低电阻状态。该低电阻状态被称为“P
(Parallel，平行)状态”，例如被规定为数据“0”的状态。

[0047] 在铁磁性体140的磁化方向与层叠体120的磁化方向反平行的情况下，电阻变化元件22的电阻值最高。即，电阻变化元件22被设定为高电阻状态。该高电阻状态被称为“AP(Anti-Parallel，反平行)状态”，例如被规定为数据“1”的状态。

[0048] 层叠体120包括铁磁性体210、非磁性体220以及铁磁性体230。铁磁性体210、非磁性体220以及铁磁性体230按照铁磁性体210、非磁性体220、以及铁磁性体230的顺序从半导体基板20侧起在z轴方向上层叠。铁磁性体210例如作为第一存储层发挥功能。铁磁性体230例如作为第二存储层发挥功能。非磁性体220例如作为功能层(function layer)发挥功能，作为隧道势垒层发挥功能。即，铁磁性体210、非磁性体220以及铁磁性体230形成磁隧道结，能够表现出TMR效应。

[0049] 铁磁性体210的磁化和铁磁性体230的磁化在稳定状态下朝向同一方向。因而，所谓层叠体120的磁化方向是稳定状态下的铁磁性体210及230的磁化方向。

[0050] 这样，作为存储层发挥功能的构造通过两个铁磁性体210及230而实现。非磁性体220设置于铁磁性体210与230之间，包含氧化物。通过这样在铁磁性体210与230之间设置氧化物，使铁磁性体210及230的磁化产生朝向与层的界面垂直的方向的界面各向异性。因此，层叠体120的垂直磁化具有比存储层由一个铁磁性体构成的情况高的抗热扰动性。另外，具有垂直磁化的两个铁磁性体为了使静磁能最小化而以互相平行的状态稳定化。

[0051] 图3所示的电阻变化元件22不过是例示而已，电阻变化元件22也可以进一步包括上述层以外的层。

[0052] 接着，对非磁性体110、层叠体120、非磁性体130以及铁磁性体140进一步进行说明。

[0053] 非磁性体110具有导电性，包含非磁性体的材料。例如，非磁性体110包含以下的化合物中的至少一个，该化合物是包含以下的碱金属、碱土类金属以及稀土类金属那样的金属元素的氧化物、例如氧化镁(MgO)、稀土类氧化物(YO、LaO、EuO、GdO)、或者包含以下的碱金属、贱金属以及过渡金属那样的金属元素的氮化物、例如氮化镁(MgN)、氮化锆(ZrN)、氮化铌(NbN)、氮化铝(AlN)、氮化铪(HfN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)、氮化铬(CrN)、氮化钼(MoN)、氮化钛(TiN)及氮化钒(VN)、或者包含5d过渡金属的硼化物、例如HfB、TaB等。另外，非磁性体110也可以包含上述的氧化物、氮化物或硼化物的混合物。即，非磁性体110不限于由两种元素构成的二元化合物，也可以含有由三种元素构成的三元化合物、例如硼化氧化物(GdBO)等。

[0054] 非磁性体130例如表现出绝缘性，包含非磁性体的材料。例如，非磁性体130包含氧化镁(MgO)。

[0055] 铁磁性体140具有导电性，包含具有沿着与铁磁性体140和其他层的界面垂直的方向、例如z轴的易磁化轴的铁磁性体的材料。例如，铁磁性体140包含铁钴硼(FeCoB)作为具有垂直磁化的铁磁性体。此外，电阻变化元件22也可以在相对于铁磁性体140的与非磁性体130相反侧，包含具有使磁化与铁磁性体140反平行地耦合的垂直磁化的钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)和钴钯(CoPd)中的至少一方，作为另外的铁磁性体。该另外的铁磁性体的磁化的大小比铁磁性体140的磁化的大小大。为了使这两个铁磁性体反平行地耦合，能够使用例如钌(Ru)、铱(Ir)。铁磁性体140的磁化方向被固定，朝向层叠体120侧和其相反侧中的任一侧(在图3的例子中，朝向层叠体120侧的相反侧)。所谓“磁化方向被固定”意味着磁化方向不会因在本实施方式中使用的、使层叠体120的磁化方向反转的大小的磁场、电流等而发生变化。与此相对，所谓“磁化方向可变”意味着磁化方向可能会因上述磁场、电流等而发生变化。此外，所谓层叠体120的磁化方向反转是指使层叠体120所包含的铁磁性体210及230各自的磁化方向以使朝向半导体基板20侧和铁磁性体140侧中的任意方向的磁化方向朝向另一个方向的方式反转。

[0056] 铁磁性体210及230分别具有导电性，包含铁磁性体的材料。例如，铁磁性体210及230分别包含铁钴硼(FeCoB)或硼化铁(FeB)。

[0057] 例如，铁磁性体210的垂直磁各向异性磁场(Hk)比铁磁性体230的垂直磁各向异性磁场大。并且(或者)，铁磁性体210的磁化的共振磁场(Hr)比铁磁性体230的磁化的共振磁场大。并且(或者)，铁磁性体210的磁化的阻尼常数(α)比铁磁性体230的磁化的阻尼常数大。由于该目的，例如铁磁性体210能够具有比铁磁性体230高的含硼率。并且(或者)铁磁性体210能够具有比铁磁性体230小的膜厚。除了这样对铁磁性体210及230的垂直磁各向异性磁场、共振频率和(或)阻尼常数设置大小关系之外，铁磁性体210及230也可以为如下这样的构成。例如，铁磁性体210的磁化量(Mst)比铁磁性体230的磁化量小。磁化量以铁磁性体的饱和磁化强度(Ms)与膜厚之积被赋予。由于该目的，例如铁磁性体210能够具有比铁磁性体230小的饱和磁化强度。并且(或者)铁磁性体210能够具有比铁磁性体230小的膜厚。为了对铁磁性体210的共振频率、阻尼常数、Ms进行调整，也可以使铁钴硼(FeCoB)或硼化铁(FeB)含有过渡金属、例如Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Ti、V、Cr、MN、Ni、Cu。

[0058] 非磁性体220例如为电介质且表现出绝缘性，包含添加(含有)硼的稀土类元素(Re：Rare-earth element)的氧化物。非磁性体220作为隧道势垒层发挥功能。添加硼的稀土类元素的氧化物(以下也简称为“硼添加稀土类氧化物(Re-B-O：Boron-doped rare-
earth oxide)”)，例如包含钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)以及镥(Lu)中的至少一种的氧化物。具有这样的材料特征的非磁性体220，在非磁性体220由两个铁磁性体呈三明治状夹持的情况下，能够维持该两个铁磁性体的垂直磁各向异性(PMA：Perpendicular Magnetic Anisotropy)。即，铁磁性体210及230具有朝向将铁磁性体210及230与别的层的界面贯穿的方向的易磁化轴，例如具有沿着z轴的易磁化轴。因而，铁磁性体210、230以及铁磁性体140各自的磁化方向会与层的界面垂直。

[0059] 铁磁性体210及230各自的磁化方向能够沿着易磁化轴切换，能够通过铁磁性体210及230各自的磁化方向的切换向电阻变化元件22写入数据。由于该目的，能够对存储装置1适用自旋注入写入方式。在自旋注入写入方式中，向电阻变化元件22直接流入写入电流，由该写入电流来控制层叠体120的磁化方向。即，利用由写入电流产生的自旋转移矩(STT：Spin Transfer Torque)效应。

[0060] 当在电阻变化元件22中在图3所示的箭头a1的方向、即从铁磁性体140朝向层叠体120的方向上流动写入电流时，层叠体120的磁化方向相对于铁磁性体140的磁化方向为反平行。

[0061] 当在电阻变化元件22中在图3所示的箭头a2的方向、即从层叠体120朝向铁磁性体140的方向上流动写入电流时，层叠体120的磁化方向相对于铁磁性体140的磁化方向为平行。

[0062] (4)作为存储层的铁磁性体的垂直磁各向异性

[0063] 对如上述那样层叠体120具有垂直磁各向异性进行说明。

[0064] 图4A是包含图3所示的层叠体120的一例的例示性的层叠体的截面图，以及包含与图3所示的层叠体120类似的构成的例示性的层叠体的截面图。对各层叠体的构成具体地进行说明，但作为包含于各层叠体而进行说明的各层，也可以包含除了以下明确示出的物质以外的任意物质。

[0065] 在图4A的(a)所示的层叠体22a中，按氧化镁(MgO)层310a、铁钴硼(FeCoB)层320a、硼添加钆氧化物(GdBO)层330a、铁钴硼(FeCoB)层340a、氧化镁(MgO)层350a的顺序，层叠各层。此外，设为层320a及层340a具有同一含硼率和膜厚。

[0066] 在图4A的(b)所示的层叠体22b中，按硼添加钆氧化物(GdBO)层310b、铁钴硼(FeCoB)层320b、硼添加钆氧化物(GdBO)层330b、铁钴硼(FeCoB)层340b、氧化镁(MgO)层
350b的顺序，层叠各层。此外，设为层320b及层340b具有同一含硼率和膜厚。

[0067] 在图4A的(c)所示的层叠体22c中，按铪硼(HfB)层310c、铁钴硼(FeCoB)层320c、硼添加钆氧化物(GdBO)层330c、铁钴硼(FeCoB)层340c、氧化镁(MgO)层350c的顺序，层叠各层。此外，设为与层340c相比，层320c的含硼率高且膜厚小。因此，与层340c相比，层320c的垂直磁各向异性磁场大。

[0068] 在图4A的(d)所示的层叠体22d中，按氧化镁(MgO)层310d、铁钴硼(FeCoB)层320d、硼添加钆钴氧化物(GdCoBO)层330d、铁钴硼(FeCoB)层340d、氧化镁(MgO)层350d的顺序，层叠各层。此外，设为层320d及层340d具有同一含硼率和膜厚。

[0069] 图4A的(c)所示的层叠体22c是包括上述的电阻变化元件22所包含的层叠体120的一例的层叠体。具体而言，层叠体22c所包含的由层320c、层330c以及层340c构成的部分与包含铁磁性体210、非磁性体220以及铁磁性体230的层叠体120相对应。另一方面，图4A的(a)、(b)以及(d)所示的各层叠体包括与上述的电阻变化元件22所包含的层叠体120类似的构成。例如，图4A的(a)所示的层叠体22a所包含的由层320a、层330a以及层340a构成的部分、图4A的(b)所示的层叠体22b所包含的由层320b、层330b以及层340b构成的部分、以及图
4A的(d)所示的层叠体22d所包含的由层320d、层330d以及层340d构成的部分，在各层所包含的物质这一点上与层叠体120相对应。

[0070] 图4B示出了标绘出在对图4A所示的各层叠体施加了外部磁场时所测定出的、该各层叠体中与层叠体120相对应的部分所表现出的磁化量的值而得的曲线图的一例。在图4B所示的曲线图中，在相对于各层叠体的层的界面垂直的方向上施加了磁场的情况下的磁化量的值用实线来标绘，另外，在相对于各层叠体的层的界面平行的方向上施加了磁场的情况下的磁化量的值用虚线来标绘。

[0071] 具体而言，在图4B的(a1)的曲线图中，标绘出层叠体22a中由层320a、层330a以及层340a构成的部分表现出的磁化量的值。同样地，在图4B的(b1)的曲线图中，标绘出层叠体22b中由层320b、层330b以及层340b构成的部分表现出的磁化量的值，在图4B的(c1)的曲线图中，标绘出层叠体22c中由层320c、层330c以及层340c构成的部分表现出的磁化量的值，在图4B的(d1)的曲线图中，标绘出层叠体22d中由层320d、层330d以及层340d构成的部分表现出的磁化量的值。

[0072] 进而，在图4B的(a2)的曲线图中，标绘出在层叠体22a中减小了层330a的膜厚的情况下由层320a、层330a以及层340a构成的部分表现出的磁化量的值。在图4B的(b2)的曲线图中，标绘出在层叠体22b中减小了层330b的膜厚的情况下由层320b、层330b以及层340b构成的部分表现出的磁化量的值。

[0073] 在图4B所示的所有的曲线图中可知，对于施加了零及其附近的大小的外部磁场时的磁化量而言，相对于层的界面垂直的方向上的磁化量比平行的方向上的磁化量大，图4A所示的各层叠体中与层叠体120相对应的部分具有垂直磁各向异性。据此可知：层叠体120也同样具有垂直磁各向异性。

[0074] [工作例]

[0075] 接着，对第一实施方式的存储装置的写入工作进行说明。

[0076] 在以下的说明中，将写入对象的存储器单元MC称为“选择存储器单元MC”。将与选择存储器单元MC对应的位线BL、源线/BL以及字线WL分别称为“选择位线BL”、“选择源线/BL”以及“选择字线WL”。另一方面，将不与选择存储器单元MC对应的位线BL、源线/BL以及字线WL分别称为“非选择位线BL”、“非选择源线/BL”以及“非选择字线WL”。

[0077] 向选择字线WL施加使选择存储器单元MC所包含的选择晶体管21成为导通(ON)状态的“H”电平的电压。另一方面，向非选择字线WL供给使对应的存储器单元MC所包含的选择晶体管21成为截止(OFF)状态的“L”电平的电压。通过这样的控制和在选择位线BL与选择源线/BL之间设置电位差，能够在选择存储器单元MC所包含的电阻变化元件22中流动写入电流，并通过使用图3说明的自旋注入写入方式将电阻变化元件22设定为低电阻状态或高电阻状态。

[0078] 图5是示出在第一实施方式的存储装置1中，在电阻变化元件22中流动写入电流而将该电阻变化元件22从低电阻状态设定为高电阻状态的写入工作的一例的示意图。

[0079] 首先，在状态St1下，铁磁性体210及230的磁化方向与铁磁性体140的磁化方向平行。此时，电阻变化元件22为使用图3说明的低电阻状态。

[0080] 接着，在状态St2下，来源于写入电流的电子e在电阻变化元件22的从铁磁性体210朝向铁磁性体140的方向上流动。在从铁磁性体210朝向铁磁性体140的方向上流动的电子e中的多数具有与铁磁性体210及230的磁化方向同一朝向的自旋，这样的电子e仅通过铁磁性体210及230。另一方面，在从铁磁性体210朝向铁磁性体140的方向上流动的电子e中的少数具有与铁磁性体210及230的磁化方向相反朝向的自旋。通过这样的电子e，向铁磁性体210及230注入具有与铁磁性体140的磁化方向反平行的磁化方向的自旋扭矩(spin
torque)。由于自旋扭矩的注入，铁磁性体210及230的磁化方向会受到影响。此时，铁磁性体
210及230中的铁磁性体210的磁化方向先开始向与铁磁性体140的磁化方向反平行的方向
反转。这是因为：由于铁磁性体210的垂直磁各向异性磁场比铁磁性体230的垂直磁各向异性磁场大、或者铁磁性体210的磁化的共振磁场比铁磁性体230的磁化的共振磁场大、或者铁磁性体210的磁化的阻尼常数比铁磁性体230的磁化的阻尼常数大，因此自旋进动(spin precession)的频率变大，转速变快。进一步，由于来自铁磁性体140的漏磁场，铁磁性体210及230中的位于更接近铁磁性体140的位置的铁磁性体230的磁化方向也会难以反转。

[0081] 在状态St3下，铁磁性体210的磁化方向反转完成，但之后也在电阻变化元件22中继续流动上述写入电流。

[0082] 接着，在状态St4下，因铁磁性体210等而自旋极化了的电子e流入到铁磁性体230。该自旋极化了的电子e与铁磁性体230的电子发生交换相互作用。结果，产生该自旋极化了的电子e和铁磁性体230的电子的自旋扭矩。流入到铁磁性体230的电子e中的多数具有与铁磁性体210的磁化方向同一朝向的自旋。此外，在从铁磁性体230朝向铁磁性体140的方向上流动的电子e中的少数具有与铁磁性体230的磁化方向相反朝向的自旋。通过这样的电子e向铁磁性体230注入具有与铁磁性体140的磁化方向反平行的磁化方向的自旋扭矩。因而，通过自旋扭矩，也使铁磁性体230的磁化方向开始向与铁磁性体140的磁化方向反平行的方向反转。这样，在铁磁性体210与铁磁性体230之间产生STT。

[0083] 通过持续供给写入电流，在状态St5下，铁磁性体230的磁化方向的反转也完成。此时，铁磁性体210及230的磁化方向与铁磁性体140的磁化方向反平行。即，电阻变化元件22被设定为使用图3说明了的高电阻状态。

[0084] 图6是示出在第一实施方式的存储装置1中，在电阻变化元件22中流动写入电流而将该电阻变化元件22从高电阻状态设定为低电阻状态的写入工作的一例的示意图。

[0085] 首先，在状态St6中，铁磁性体210及230的磁化方向与铁磁性体140的磁化方向反平行。此时，电阻变化元件22为使用图3说明了的高电阻状态。

[0086] 接着，在状态St7下，来源于写入电流的电子e在电阻变化元件22的从铁磁性体140朝向铁磁性体210的方向上流动。流入到铁磁性体230的电子e中的多数因铁磁性体140而自旋极化，并具有与铁磁性体140的磁化方向同一朝向的自旋。该自旋极化了的电子e与铁磁性体230的电子发生交换相互作用。结果，产生自旋极化了的电子e和铁磁性体230的电子的自旋扭矩。通过该自旋扭矩，铁磁性体230的磁化方向开始向与铁磁性体140的磁化方向平行的方向反转。

[0087] 在状态St8中，铁磁性体230的磁化方向的反转完成，但之后也在电阻变化元件22中继续流动上述写入电流。

[0088] 接着，在状态St9中，因铁磁性体230等而自旋极化了的电子e流入到铁磁性体210。该自旋极化了的电子e与铁磁性体210的电子发生交换相互作用。结果，产生该自旋极化了的电子e和铁磁性体210的电子的自旋扭矩。流入到铁磁性体210的电子e中的多数具有与铁磁性体230的磁化方向同一朝向的自旋。因而，通过自旋扭矩，使铁磁性体210的磁化方向也开始向与铁磁性体140的磁化方向平行的方向反转。这样，在将电阻变化元件22向高电阻状态设定时，在铁磁性体210与铁磁性体230之间也会产生STT。

[0089] 通过继续供给写入电流，在状态St10下，铁磁性体210的磁化方向的反转也完成。此时，铁磁性体210及230的磁化方向与铁磁性体140的磁化方向平行。即，电阻变化元件22被设定为使用图3说明了的低电阻状态。

[0090] 此外，包含例如硼添加稀土类氧化物的非磁性体220为电介质，因此非磁性体220可能表现出由于一般而言在绝缘体与磁性体的界面产生的电场而使磁特性变化的电压控制磁各向异性(VCMA：Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy)效应。在使用图5及图6说明了的写入工作的例子中，也可以利用基于非磁性体220的VCMA效应。例如，在状态St2下的铁磁性体210的磁化方向的反转以及状态St7下的铁磁性体230的磁化方向的反转中，通过利用VCMA效应，能够降低磁化方向反转的能量势垒。

[0091] [效果]

[0092] 在使用包括两个铁磁性体的构造作为存储层的情况下，通过使用两个铁磁性体之间的STT能够高效地进行两个铁磁性体的磁化方向的反转，进而能够降低这样的存储层的写入的电流。由于使用STT的目的，考虑在铁磁性体之间使用MgO。图7A示出这样的例子，是作为上述第一实施方式的比较例的例示性的层叠体32的截面图。

[0093] 在层叠体32中，按硼添加钆氧化物(GdBO)层410、铁钴硼(FeCoB)层420、氧化镁(MgO)层430、铁钴硼(FeCoB)层440、氧化镁(MgO)层450的顺序，层叠各层。此外，在层叠体32中，若与图4A的(b)所示的层叠体22b相比较，则除了代替硼添加钆氧化物(GdBO)层330b而含有氧化镁(MgO)层430这一点之外，其它各层具有同一构成物质和膜厚。

[0094] 图7B示出了标绘出在对图7A所示的层叠体32施加了外部磁场时所测定的、层叠体32中由层420、层430以及层440构成的部分表现出的磁化量的值而得的曲线图的一例。在图
7B所示的曲线图中，在相对于层叠体32的层的界面垂直的方向上施加了磁场的情况下的磁化量的值用实线来标绘，另外，在相对于层叠体32的层的界面平行的方向上施加了磁场的情况下的磁化量的值用虚线来标绘。

[0095] 具体而言，在图7B的(a)的曲线图中，标绘出层叠体32中由层420、层430以及层440构成的部分表现出的磁化量的值。在图7B的(b)的曲线图中，标绘出在减小了层430的膜厚的情况下由层420、层430以及层440构成的部分表现出的磁化量的值。

[0096] 在图7B所示的任意曲线图中可知，关于施加了零及其附近的大小的外部磁场时的磁化量，相对于层的界面平行的方向上的磁化量比垂直的方向上的磁化量大，图7A所示出的层叠体32中的、作为铁磁性体的铁钴硼(FeCoB)层420及440不具有垂直磁各向异性。因此，若在包含多个铁磁性体的存储层的铁磁性体之间使用MgO，则无法将这样构造作为具有垂直磁化的存储层来使用。

[0097] 与此相对，在上述第一实施方式的存储装置1中，作为存储层发挥功能的层叠体120包括铁磁性体210、包含硼添加稀土类氧化物的非磁性体220、以及铁磁性体230。在这样的层叠体120中，铁磁性体210及230具有垂直磁各向异性。因此，能够实现具有垂直磁化的存储层。

[0098] 与使用了MgO作为非磁性体220的情况相比，在使用了硼添加稀土类氧化物的情况下能够得到高的垂直磁各向异性，这是因为稀土类氧化物具有高的硼吸收能力。在堆积起图3的层叠膜之后，例如若实施热处理则铁磁性体210、铁磁性体230中的硼会被吸收到非磁性体220中，非磁性体220会成为具有比铁磁性体210、铁磁性体230高的硼浓度的硼添加稀土类氧化物。因非磁性体220中积累的硼，非磁性体220成为非晶状态，铁磁性体210、铁磁性体230成为结晶化的状态。结果，当在非磁性体220中使用了硼添加稀土类氧化物的情况下，铁磁性体210、铁磁性体230的残留硼会比使用了MgO作为非磁性体220的情况少，且变形得到缓和，而且因为结晶化得到促进而能够得到高的垂直磁各向异性磁场。

[0099] 此外，根据上述第一实施方式的存储装置1，层叠体120的磁化的反转能够如以下说明的那样使用比较低的写入电流来实现。

[0100] 一般而言，在铁磁性体的磁化方向反转中，需要赋予超过与铁磁性体的抗热扰动性对应的能量的大小的写入电流。另一方面，铁磁性体210及230的、垂直磁各向异性磁场(Hk)、磁化的共振磁场(Hr)和(或)磁化的阻尼常数(α)、以及(或)磁化量(Mst)具有如上所述那样的大小关系。由此，如使用图5及图6说明了的那样，能够使铁磁性体210及230各自的磁化方向的反转依次独立地开始。因此，如使用图5及图6说明了的那样，能够通过利用铁磁性体210与230之间的STT而使铁磁性体210及230的磁化反转，由此使层叠体120的磁化方向反转。因而，第一实施方式中的写入电流比铁磁性体210及230的垂直磁各向异性磁场、磁化的共振磁场、和(或)磁化的阻尼常数、以及(或)磁化量为相同的情况下的写入电流低。

[0101] 此外，通过利用基于包含例如硼添加稀土类氧化物的非磁性体220的VCMA效应，也能够进一步降低层叠体120的磁化方向反转的能量势垒。

[0102] [变形例]

[0103] 在上述第一实施方式中，对利用基于包含例如硼添加稀土类氧化物的非磁性体220的VCMA效应来降低层叠体120的磁化方向反转的能量势垒进行了说明。例如，作为与
VCMA效应同样地利用电压下降来实现降低能量势垒的方法，也可以采用如下这样的方法。

[0104] 例如，也可以将铁磁性体210构成为包含铱(Ir)。另外，也可以将铁磁性体230构成为包含铂(Pt)。由此，与VCMA效应同样地能够实现电压下降，因此，能够进一步降低层叠体120的磁化方向反转的能量势垒。

[0105] ＜其它实施方式＞

[0106] 在本说明书中，所谓“连接”表示电连接，不排除例如其间借助于别的元件的情况。

[0107] 对在上述的第一实施方式和变形例中说明的电阻变化元件是例如作为存储层发挥功能的层叠体设置于比例如作为参考层发挥功能的铁磁性体靠下方的底部自由(bottom free)型的情况进行了说明，但不限定于此。例如，电阻变化元件也可以是例如作为存储层发挥功能的层叠体设置于比例如作为参考层发挥功能的铁磁性体靠上方的顶部自由(top free)型。

[0108] 另外，在上述的第一实施方式和变形例中，作为具备电阻变化元件的存储装置的一例，对具备MTJ元件的磁存储装置进行了说明，但这些实施方式等涉及的装置不限定于此。例如，这些实施方式等涉及的装置包括传感器、介质等必需具有垂直磁各向异性的磁元件的其他器件。该磁元件例如是至少包含使用图3说明的那样的、例如作为存储层发挥功能的、包含两个铁磁性体以及设置于其间的非磁性体的层叠体的元件。另外，例如以作为基底层发挥功能的方式进行了说明的非磁性体，只要具有导电性即可，不限于非磁性体，也可以是铁磁性体。

[0109] 进一步，在上述的第一实施方式中说明了的写入工作中，对控制写入电流而进行向电阻变化元件的写入的工作进行了说明，但不限定于此。例如，在写入工作中，也可以组合使用写入电流的控制和写入电压的控制。

[0110] 在上述的实施方式中通过使用了三端子的选择晶体管作为开关元件的构成，进行了说明，但开关元件也可以是例如两端子间开关元件。在施加于两端子之间的电压为阈值以下的情况下，该开关元件处于“高电阻”状态、例如电非导通状态。在施加于两端子之间的电压为阈值以上的情况下，开关元件变为“低电阻”状态、例如电导通状态。

[0111] 对于开关元件而言，无论电压为哪种极性都可以具有该功能。即，两端子间开关元件也可以在双方向上具有上述功能。

[0112] 该开关元件例如也可以包含选自由Te、Se以及S构成的群中的至少一种以上的硫属元素(chalcogen element)。或者，也可以包含作为包含上述硫属元素的化合物的硫属化合物(Chalcogenide)。该开关元件除此之外，也可以包含选自由B、Al、Ga、IN、C、Si、Ge、SN、As、P、Sb构成的群中的至少一种以上的元素。

[0113] 这样的两端子间开关元件，如上述的实施方式那样，经由两个接触插塞而连接于磁阻效应元件。两个接触插塞中的磁阻效应元件侧的接触插塞例如包含铜。也可以是，在磁阻效应元件与包含铜的接触插塞之间设置导电层(例如包含钽的层)。

[0114] 对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并不旨在限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种各样的方式来实施，能够在不脱离发明主旨的范围内进行各种省略、替换、变更。这些实施方式和/或其变形包含于发明的范围和/或主旨，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围。

标题	发布/更新时间	阅读量
一种改进的永磁同步电机转子位置检测方法	2020-08-04	0
超级电容器以及具有长寿命特征的第二电源的充电器	2020-06-04	1
一种基于交流开关切换的双向DC-DC变流器	2020-09-01	2
交流充电桩控制导引电路的扩展电路和装置	2021-06-19	0
阴道内射精潜伏期及阴道阵挛监测装置	2021-12-08	0
部标外设管理装置	2020-06-11	0
一种安装稳定的在线监测装置	2020-08-18	0
一种大功率灯具的保护散热电路	2020-08-21	1
L型PTC手机电池保护板	2020-10-29	1
一种电水壶	2020-08-25	2

存储装置

存储装置

技术领域

背景技术

具体实施方式

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：