非易失性存储器元件及其制造方法与流程

1.本公开涉及非易失性存储元件及其制造方法。


背景技术：

2.已经提出了使用磁电阻元件作为存储元件的磁性随机存取存储器(下文中简称为“mram”)。由于mram基于磁体的磁化方向来存储数据，因此mram可以执行高速且几乎无限次(10
15
次以上)的重写，并且已经在工业自动化、飞行器等领域得到应用。此外，由于其高速操作和高可靠性，mram有望在未来发展成为用于代码存储的存储器和工作存储器。这种mram的示例包括具有隧道磁电阻(tmr)效应并且由铁磁层(磁化固定层)/中间层(隧道势垒层)/铁磁层(存储层)构成的磁隧道结(mtj)元件。在mtj元件中，在磁化固定层中的磁化方向与存储层中的磁化方向彼此相对平行的情况下，获得低电阻，并且在方向彼此相对反平行的情况下，获得高电阻。此外，已知电阻变化率是几十％至几百％。
3.顺便提及，在常规的mtj元件中，通过使用通过使电流流过部署在mtj元件附近的布线而生成的电流感应磁场反转存储层的磁化方向来写入数据。但是，这种方法在实现大容量存储器阵列时存在写入电流随着小型化而增加的大问题。因此，作为解决这种问题的手段，研究了不依赖于电流感应磁场的记录方法，即，磁化反转法。最重要的是，对其应用通过自旋注入的磁化反转的基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器(stt-mram)引起了人们的注意。
4.基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器(下文中简称为“非易失性存储器元件”)是使用对其中例如当已通过在某个方向上固定的磁化固定层的自旋极化电子进入存储层时磁化方向不固定的存储层(自由层)施加扭矩的元件。当某个电流值或更大的电流流动时，存储层的磁化方向反转。已经研究了各种材料作为在非易失性存储元件中使用的铁磁体，但一般认为具有垂直磁各向异性的非易失性存储器元件比具有面内磁各向异性的非易失性存储器元件更适合降低功率和增加容量。这是因为垂直磁化在自旋扭矩磁化反转时具有将被超越的较低的能量势垒，并且垂直磁化膜的高磁各向异性更有利于维持通过增加容量而小型化的存储载体的热稳定性。
5.此外，如果dram可以用非易失性存储器元件代替，那么可以预期降低设备操作期间的功耗。此外，如果用非易失性存储器元件代替sram，那么由于非易失性存储器元件的面积小于sram的面积，因此可以减小存储器单元的面积。但是，在用非易失性存储器元件代替dram或sram的情况下，提高写入速度并减小写入所必需的电流值是个技术问题。特别地，在假设更换sram的情况下，写入操作要求几纳秒至几十纳秒的写入速度，但已知磁化反转所需的电流随着写入速度的增加而迅速增加(参见图16a和非专利文献1)。注意的是，在图16a中，横轴表示写入电压的脉冲宽度(单位：秒)，纵轴表示反向电流阈值i
th
(单位：微安)。
6.从例如日本专利申请特许公开no.2013-115301中已知可以以小电流高速操作的非易失性存储器元件。在这个专利公开中公开的技术中，存储层具有其中第一铁磁层、耦合层和第二铁磁层按该次序堆叠的结构，第一铁磁层和第二铁磁层经由耦合层磁耦合，第一
铁磁层和第二铁磁层中的一个是具有优异的面内磁化的面内磁化层，另一个是具有优异的垂直磁化强度的垂直磁化层，并且第一铁磁层和第二铁磁层的磁化方向从垂直于膜表面的方向倾斜。
7.引文列表
8.专利文献
9.专利文献1：日本专利申请特许公开no.2013-115301
10.非专利文献
11.非专利文献1：m.hosomi等人，iedm tech.dig.第459-462页(2005)


技术实现要素：

12.本发明要解决的问题
13.在上述专利公开中公开的技术中，通过使存储层的一部分成为面内磁化层，存储层的易磁化轴从堆叠方向移位，从而有可能抑制“孵化时间”，在此孵化时间期间磁化反转不对在电流流入存储层之后立即出现的自旋扭矩进行响应。因此，有可能在几十纳秒内写入数据。但是，存储层、中间层和磁化固定层的堆叠中的存储层的配置是复杂的。
14.因此，本公开的目的是提供一种虽然构造和结构简单却能够以小电流高速操作的非易失性存储器元件，以及提供一种用于制造非易失性存储器元件的制造方法。
15.问题的解决方案
16.一种用于实现上述目的的本公开的电阻可变式的非易失性存储器元件具有
17.堆叠，包括至少磁化固定层、中间层和存储层，以及
18.非磁性材料，分散在磁化固定层和存储层中的至少一个中。
19.一种用于制造实现上述目的的根据本公开的第一方面的电阻可变式的非易失性存储器元件的方法是
20.一种用于制造非易失性存储器元件的方法，该非易失性存储器元件具有至少包括磁化固定层、中间层和存储层的堆叠，
21.非磁性材料，其分散在存储层中，该方法包括：
22.交替堆叠用于形成存储层的存储层形成层和非磁性材料；然后对该堆叠进行加热处理以使非磁性材料分散在存储层中。
23.一种用于制造实现上述目的的根据本公开的第二方面的电阻可变式的非易失性存储器元件的方法是
24.一种用于制造非易失性存储器元件的方法，该非易失性存储器元件具有至少包括磁化固定层、中间层和存储层的堆叠，
25.非磁性材料，其分散在磁化固定层中，该方法包括：
26.交替堆叠用于形成磁化固定层的磁化固定层形成层和非磁性材料；然后对该堆叠进行加热处理以使非磁性材料分散在磁化固定层中。
附图说明
27.图1a和1b分别是示例1的非易失性存储器元件(对其应用自旋转移磁化反转的基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器)和具有双自旋过滤器结构的基于自旋转移扭矩的
磁性随机存取存储器的概念图。
28.图2是示例1的非易失性存储器元件的示意性部分横截面视图。
29.图3是示例1中存储单元阵列的等效电路图。
30.图4a、4b和4c是示例1的非易失性存储器元件的修改1的概念图。
31.图5a、5b和5c是示例1的非易失性存储器元件的修改2的概念图。
32.图6a和6b是堆叠的概念图，用于解释根据示例2的制造非易失性存储器元件的方法。
33.图7a和7b是堆叠的概念图，用于解释根据示例3的制造非易失性存储器元件的方法。
34.图8是示例4中存储器单元阵列的等效电路图。
35.图9是示例5中存储器单元阵列的等效电路图。
36.图10a和10b分别是图示示例1和比较示例1的非易失性存储器元件中非磁性材料的质量％的值与存储层的饱和磁化强度ms之间的关系的曲线图，以及图示非磁性材料的质量％的值与存储层的各向异性磁场hk之间的关系的曲线图。
37.图11是图示示例1和比较示例1的非易失性存储器元件中非磁性材料的质量％的值与存储层的保持特性之间的关系的曲线图。
38.图12是图示示例1的非易失性存储器元件11和比较示例1的非易失性存储器元件的wer评估结果的曲线图。
39.图13是图示示例1的非易失性存储器元件中在100纳秒和20纳秒内h
→
l反转时的写入特性的曲线图。
40.图14是图示示例1的非易失性存储器元件中在100纳秒和20纳秒内l
→
h反转时的写入特性的曲线图。
41.图15是图示示例1的非易失性存储器元件在100纳秒和20纳秒内的wer评估结果的图表。
42.图16a和16b分别是用于解释磁化反转所需的电流随着写入速度的增加而迅速增加的曲线图，以及用于解释wer的写入电压依赖性在几十纳秒或更短的写入速度下除了反转电流阈值(i
th
)值的增加之外也变得平缓的曲线图。
43.图17a和17b分别是图示示例6的组合磁头的一部分被切除的示意性透视图，以及示例6的组合磁头的示意性横截面视图。
44.图18a和18b是非易失性存储器元件的修改的概念图。
具体实施方式
45.在下文中，将参考附图基于示例来描述本公开。但是，本公开不限于示例，并且示例中的各种数值和材料是说明性的。注意的是，将按以下次序进行描述。
46.1.本公开的非易失性存储器元件以及根据本公开的第一和第二方面的制造非易失性存储器元件的方法的一般描述
47.2.示例1(本公开的非易失性存储器元件)
48.3.示例2(根据本公开的第一方面的用于制造非易失性存储器元件的方法)
49.4.示例3(根据本公开的第二方面的用于制造非易失性存储器元件的方法)
50.5.示例4(示例1的修改)
51.6.示例5(示例1的另一个修改)
52.7.示例6(示例1至5的非易失性存储器元件的应用示例)
53.8.其它
54.《本公开的非易失性存储器元件以及根据本公开的第一和第二方面的制造非易失性存储器元件的方法的一般描述》
55.在根据本公开的第一或第二方面的制造非易失性存储器元件的方法中，非磁性材料的厚度可以是小于构成非磁性材料的材料的晶格常数的厚度，具体而言，厚度小于构成非磁性材料的材料的晶格常数中最小的晶格常数。注意的是，当形成具有这种厚度的非磁性材料时，所形成的非磁性材料基本上形成为岛状。形成时用于形成存储层的非磁性材料的厚度是设定值(形成装置中的厚度的设定值)。
56.在根据本公开的第二方面的制造非易失性存储器元件的方法中，包括上述优选形式，通过交替地堆叠用于形成磁化固定层的磁化固定层形成层和非磁性材料，交替地堆叠用于形成存储层的存储层形成层和非磁性材料，然后对该堆叠进行加热处理，非磁性材料可以分散在磁化固定层和存储层中。此外，在这种情况下，用于形成磁化固定层形成层和存储层中的每一个的非磁性材料的厚度可以是小于构成非磁性材料的材料的晶格常数的厚度，具体而言，厚度小于构成非磁性材料的材料的晶格常数中最小的晶格常数。注意的是，当形成具有这种厚度的非磁性材料时，所形成的非磁性材料不是分层的并且基本上形成为岛状。形成时用于形成磁化固定层和存储层中的每一个的非磁性材料的厚度是设定值(形成装置中的厚度的设定值)。
57.在本公开的非易失性存储器元件或通过根据本公开的第一和第二方面的制造非易失性存储器元件的方法获得的非易失性存储器元件中，包括上述优选形式(在下文中，这些可以统称为“本公开的非易失性存储器元件等”)，非磁性材料可以是选自铌(nb)、钨(w)、钽(ta)、铱(ir)、铬(cr)、钼(mo)、钛(ti)、钌(ru)、镁(mg)、mgo、锆(zr)和铪(hf)组成的组中的至少一种非磁性材料，或者包括非磁性材料中的两种或更多种的合金材料。
58.在包括上述优选形式的本公开的非易失性存储器元件等中，非磁性材料可以分散在存储层中。在这种情况下，非磁性材料可以以3.3质量％至20质量％的量分散在存储层中。
59.可替代地，在包括上述优选形式的本公开的非易失性存储器元件等中，非磁性材料可以分散在磁化固定层中。在这种情况下，非磁性材料可以以3.3质量％至20质量％的量分散在磁化固定层中。
60.可替代地，在包括上述优选形式的本公开的非易失性存储器元件等中，非磁性材料可以分散在磁化固定层和存储层中。在这种情况下，
61.非磁性材料可以以3.3质量％至20质量％的量分散在存储层中，以及
62.非磁性材料可以以3.3质量％至20质量％的量分散在磁化固定层中。
63.另外，在包括上述优选形式和构造的本公开的非易失性存储器元件等中，在非易失性存储器元件中，写入错误率的写入电压依赖性可以比其中未分散非磁性材料的非易失性存储器元件中写入错误率的写入电压依赖性陡峭。在这种情况下，当写入错误率由wer1表示，其中未分散非磁性材料的非易失性存储器元件中的写入错误率由wer0表示，并且写
入电压由vw表示时，可以满足
[0064][0065]
在本公开的非易失性存储器元件等中，“分散”是指一种物质以细粒状散布在形成一相的另一种物质中的状态。即，“分散”是指非磁性材料以微粒状散布在构成存储层和/或磁化固定层的物质中的状态。在存储层和/或磁化固定层中，优选地，非磁性材料没有不均匀分布(例如，没有分层)，而是随机分散在一定体积内，质量％没有变化(或几乎没有变化)。微粒状非磁性材料的中值粒径(50％直径，d
50
)的值例如可以是0.05nm至0.15nm。此外，可以基于能量色散x射线分析(edx)方法或二次离子质谱(sims)方法来评估非磁性材料的分散。
[0066]
包括上述各种优选形式和构造的本公开的非易失性存储器元件等电连接到选择晶体管。非易失性存储器元件和选择晶体管的组合可以被称为“存储器单元”。然后，存储器单元在第一方向和不同于第一方向的第二方向上布置成二维矩阵以形成存储器单元阵列。选择晶体管部署在基部(稍后描述)中。
[0067]
在存储器单元阵列中，本公开的非易失性存储器元件等可以由基于垂直磁化类型自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器(在下文中，也简称为“基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器”)构成。但是，本公开的非易失性存储器元件等不限于这种形式，并且也可以由混合的垂直磁化类型磁电阻元件和面内磁化类型磁电阻元件或由面内磁化类型磁电阻元件构成。在基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器中，存储层的磁化方向根据要存储的信息而改变，并且在存储层中，易磁化轴例如平行于堆叠的堆叠方向。
[0068]
在第一方向上彼此相邻的存储器单元可以通过晶体管(也称为“元件分离晶体管”)进行元件分离。注意的是，元件分离晶体管优选地具有与选择晶体管相同的结构。但是，存储器单元的形式不限于此，并且存储器单元可以通过元件分离区域彼此元件分离。
[0069]
在存储器单元阵列中，选择晶体管的栅极电极可以连接到在第二方向上延伸的字线(或者也可以用作字线)。此外，位线(第二布线)延伸的方向上的投影图像可以与字线延伸的方向上的投影图像正交，或者其中位线(第二布线)延伸的方向可以平行于字线延伸的方向。
[0070]
在存储器单元中，选择晶体管可以由平面晶体管构成，具体而言，可以由场效应晶体管(已知的mis-fet或mos-fet)构成，或者可以由fin-fet构成，由此可以抑制短沟道特性。可替代地，在选择晶体管中，沟道形成区域可以由具有三栅结构的半导体元件或具有环栅(gaa)结构或欧米茄(ω)结构的半导体元件构成(具体而言，例如，其中沟道形成区域由纳米线或纳米片构成的fet)。选择晶体管可以是n沟道晶体管或p沟道晶体管。
[0071]
在本公开的非易失性存储器元件等中，磁化固定层可以连接到选择晶体管的一个源极/漏极区域，或者存储层可以连接到选择晶体管的一个源极/漏极区域。
[0072]
由基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器元件构成的非易失性存储器元件具有堆叠，该堆叠包括至少磁化固定层、中间层和存储层，并且堆叠的第一表面(面向选择晶体管的表面)连接到导电基层，并且堆叠的第二表面(面向第一表面的表面)与第二布线(位线)接触。基层连接到选择晶体管的一个源极/漏极区域。具体而言，基层连接到将选择晶体管的一个源极/漏极区域与堆叠彼此连接的接触孔。即，选择晶体管的一个源极/漏极区域和堆叠通过接触孔彼此电连接。选择晶体管的另一个源极/漏极区域连接到感测线(第一布
线)。然后，通过使电流(也称为磁化反转电流或自旋极化电流，其是写入电流)在第一布线和第二布线之间流动，可以将信息存储在存储层中。即，通过使磁化反转电流在堆叠的堆叠方向上流动，可以改变存储层的磁化方向，并且可以在存储层中存储和记录信息。
[0073]
如上所述，磁化固定层可以经由基层连接到选择晶体管的一个源极/漏极区域。即，磁化固定层可以构成堆叠的第一表面，从而可以获得材料稳定的堆叠。但是，堆叠不限于此，并且如上所述，存储层可以构成堆叠的第一表面。
[0074]
如上所述，在基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器中，具有tmr效应或巨磁电阻(gmr)效应的堆叠可以由包括存储层、中间层和磁化固定层的堆叠构成。此外，例如，当磁化反转电流(自旋极化电流或写入电流)在反平行布置的磁化状态下从存储层流到磁化固定层时，存储层的磁化被通过从磁化固定层向存储层注入电子而起作用的自旋扭矩反转，并且存储层的磁化方向、磁化固定层(具体而言，参考层)的磁化方向和存储层的磁化方向彼此平行。同时，例如，当磁化反转电流以平行布置的磁化状态从磁化固定层流向存储层时，存储层的磁化被通过电子从存储层流向磁化固定层而作用的自旋扭矩反转，并且存储层的磁化方向与磁化固定层(具体而言，参考层)的磁化方向反平行。可替代地，如图1b的概念图中所示，也可以采用其中具有tmr效应或gmr效应的堆叠由磁化固定层、中间层、存储层、中间层和磁化固定层构成的结构(双自旋过滤器结构)。在这种结构中，需要使位于存储层上方和下方的两个中间层之间的磁电阻变化不同。
[0075]
在此，构成磁化固定层和存储层的金属原子可以包含钴(co)原子、铁(fe)原子或钴原子和铁原子(co-fe)。换句话说，构成磁化固定层和存储层的金属原子可以包含至少钴(co)原子或铁(fe)原子。即，磁化固定层和存储层可以由包含至少钴(co)或铁(fe)的金属材料(合金或化合物)构成。
[0076]
可替代地，存储层可以由选自钴、铁和镍中的至少一种金属材料(合金或化合物)构成。优选地，存储层可以由包含钴、铁和镍的金属材料(合金或化合物)或包含钴、铁、镍和硼的金属材料(合金或化合物)构成。可替代地，构成存储层的材料的示例可以包括铁磁材料的合金，诸如镍(ni)、铁(fe)或钴(co)(例如，co-fe、co-fe-b、co-fe-ni、fe-pt、ni-fe、fe-b或co-b)，以及通过向这些合金添加钆(gd)获得的合金。此外，在垂直磁化类型中，为了进一步提高垂直磁各向异性，可以向这种合金添加诸如铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)之类的重稀土金属，或者包含这些重稀土金属的合金可以被堆叠。存储层的结晶度基本上是任意的，并且可以是多晶的、单晶的或非晶的。此外，存储层可以具有单层构造、堆叠上述多个不同铁磁材料层的堆叠构造、或者堆叠铁磁材料层和非磁性体层的堆叠构造。
[0077]
此外，还有可能向构成存储层的材料添加非磁性元素。通过添加非磁性元素，可以获得诸如由于防止扩散引起的耐热性提高、磁电阻效应提高、由于平坦化引起的介电强度提高之类的效果。要添加的非磁性元素的示例包括b、c、n、o、f、li、mg、si、p、ti、v、cr、mn、ni、cu、ge、nb、ru、rh、pd、ag、ta、ir、pt、au、zr、hf、w、mo、re和os。
[0078]
此外，可以堆叠具有不同组成的铁磁材料层作为存储层。可替代地，也有可能堆叠铁磁材料层和软磁材料层，或者堆叠多个铁磁材料层其间夹着软磁材料层或非磁性体层。特别地，在诸如fe层、co层、fe-ni合金层、co-fe合金层、co-fe-b合金层、fe-b合金层和co-b合金层之类的多个铁磁材料层经由非磁性体层堆叠的情况下，有可能调整铁磁材料层之间的磁强度的关系，因此有可能抑制基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器中磁化反转电
流(也称为自旋极化电流)增加。非磁性体层的材料的示例包括ru、os、re、ir、au、ag、cu、al、bi、si、b、c、cr、ta、pd、pt、zr、hf、w、mo、nb、v及其合金。
[0079]
存储层的厚度可以是例如0.5nm至30nm，并且磁化固定层的厚度可以是例如0.5nm至30nm。
[0080]
磁化固定层可以具有堆叠的铁结构(也称为堆叠的铁钉扎结构)，其中堆叠至少两个磁性材料层。构成堆叠的铁结构的一个磁性材料层可以被称为“参考层”，而构成堆叠的铁结构的另一个磁性材料层可以被称为“固定层”。堆叠的铁结构是具有反铁磁耦合的堆叠结构，即，其中两个磁性材料层(参考层和固定层)之间的层间交换耦合是反铁磁的结构，并且也称为合成反铁磁体(saf)。堆叠的铁结构是指两个磁性材料层之间的层间交换耦合是反铁磁性或铁磁性的结构，这取决于形成在两个磁性材料层(参考层和固定层)之间的非磁性层的厚度，并且例如在s.s.parkin等人在physical review letters中报道，5月7日，第2304-2307页(1990年)。参考层的磁化方向是用作要存储在存储层中的信息的参考的磁化方向。构成堆叠的铁结构的一个磁性材料层(参考层)位于存储层侧。即，参考层与中间层接触。通过对磁化固定层采用堆叠的铁结构(也称为堆叠的铁钉扎结构)，可以可靠地抵消相对于信息写入方向的热稳定性的不对称性，并且可以提高对抗自旋扭矩的稳定性。
[0081]
此外，构成堆叠的铁结构的一个磁性材料层(例如，参考层)包含选自铁(fe)、钴(co)和镍(ni)中的至少一种元素，或者包含选自铁(fe)、钴(co)、镍(ni)和硼(b)中的至少一种元素。其具体示例包括co-fe合金、co-fe-ni合金、ni-fe合金和co-fe-b合金，并且包括堆叠的结构，诸如fe层/pt层、fe层/pd层、co层/pt层、co层/pd层、co层/ni层或co层/rh层。对于这些材料，可以添加非磁性元素(诸如ag、cu、au、al、si、bi、ta、b、c、o、n、pd、pt、zr、ta、hf、ir、w、mo、nb、v、ru或rh)以调整磁特性，或调整各种物理特性(诸如物质的晶体结构、结晶度和稳定性)。
[0082]
同时，构成堆叠的铁结构的另一个磁性材料层(例如，固定层)可以包括包含选自铁(fe)、钴(co)、镍(ni)和锰(mn)中的至少一种元素(为方便起见称为“元素-a”)以及选自铂(pt)、钯(pd)、镍(ni)、锰(mn)、铱(ir)和铑(rh)中的至少一种元素(与上述元素-a不同的元素，为方便起见，称为“元素-b”)作为主要成分的材料。
[0083]
此外，构成非磁性层的材料的示例包括钌(ru)、其合金和钌化合物，或者可替代地包括os、re、ir、au、ag、cu、al、bi、si、b、c、cr、ta、pd、pt、zr、hf、w、mo、nb、v、rh、ti及其合金。
[0084]
可替代地，固定层可以具有co薄膜/pt薄膜的堆叠结构，参考层可以具有co薄膜/pt薄膜/cofeb薄膜的堆叠结构(cofeb薄膜与中间层接触)以便提高mr比，并且可以在固定层和参考层之间形成包含例如ru的非磁性层。
[0085]
但是，磁化固定层不限于具有堆叠的铁结构的形式。磁化固定层可以是由一层构成的磁化固定层并用作参考层。构成这种磁化固定层的材料的示例包括构成存储层的材料(铁磁材料)。可替代地，磁化固定层(参考层)可以由co层和pt层的堆叠、co层和pd层的堆叠、co层和ni层的堆叠、co层和tb层、co-pt合金层、co-pd合金层、co-ni合金层、co-fe合金层、co-tb合金层、co层、fe层，或co-fe-b合金层构成。可替代地，对于这些材料，可以添加非磁性元素(诸如ag、cu、au、al、si、bi、ta、b、c、o、n、pd、pt、zr、hf、ir、w、mo、nb、v、ru或rh)以调整磁特性，或调整各种物理特性(诸如物质的晶体结构、结晶度和稳定性)。此外，磁化固定层(参考层)可以由co-fe-b合金层构成。
[0086]
可替代地，可以通过使用反铁磁层和铁磁层之间的反铁磁耦合来固定磁化固定层的磁化方向。反铁磁材料的具体示例包括fe-mn合金、fe-pt合金、ni-mn合金、pt-mn合金、pt-cr-mn合金、ir-mn合金、rh-mn合金、co-pt合金、氧化钴、氧化镍(nio)和氧化铁(fe2o3)。可替代地，对于这些材料，可以添加非磁性元素(诸如ag、cu、au、al、si、bi、ta、b、c、o、n、pd、pt、zr、ta、hf、ir、w、mo、nb、v、ru或rh)以调整磁特性，或调整各种物理特性(诸如物质的晶体结构、结晶度和稳定性)。此外，构成非磁性层的材料的示例包括钌(ru)、其合金和钌化合物，或者可替代地包括os、re、ir、au、ag、cu、al、bi、si、b、c、cr、ta、pd、pt、zr、hf、w、mo、nb、v、rh及其合金。
[0087]
由于磁化固定层的磁化方向是信息的参考，因此不应当通过存储/记录或读取信息来改变磁化方向。但是，磁化方向不必固定到特定方向，并且只需要通过将磁化固定层的矫顽力、膜厚或磁阻尼常数设置为大于存储层的矫顽力、膜厚或磁阻尼常数，采用磁化固定层的磁化方向比存储层的磁化方向不易变化的构造或结构。
[0088]
中间层优选地包括非磁性体材料。即，在基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器中，在构成具有tmr效应的堆叠的情况下的中间层优选地包括绝缘的非磁性体材料。由磁化固定层、中间层和存储层构成的具有tmr效应的堆叠是指由用作隧道绝缘膜的非磁性体材料膜构成的中间层夹在包括磁性材料的磁化固定层和包括磁性材料的存储层之间的结构。在此，绝缘性非磁性体材料的示例包括各种绝缘材料，诸如氧化镁(mgo)、氮化镁、氟化镁、氧化铝(alox)、氮化铝(aln)、氧化硅(siox)、氮化硅(sin)、tio2、cr2o3、ge、nio、cdox、hfo2、ta2o5、bi2o3、caf2、srtio2、allao3、mg-al
2-o、al-n-o、bn和zns、介电材料，以及半导体材料。包括绝缘材料的中间层优选地具有大约几十ω
·
μm2或更小的面电阻值。在中间层包括氧化镁(mgo)的情况下，mgo层期望地结晶化，并且更期望地具有(001)方向上的结晶取向。此外，在中间层包括氧化镁(mgo)的情况下，其厚度期望地是1.5nm或更小。同时，构成具有gmr效应的堆叠的非磁性体材料膜的材料的示例包括导电材料，诸如cu、ru、cr、au、ag、pt、ta或其合金。如果非金属材料具有高导电性(具有数百μω
·
cm或更小的电阻率)，那么可以使用任意非金属材料。但是，期望适当地选择几乎不造成与存储层或磁化固定层的界面反应的材料。
[0089]
包括绝缘非磁性体材料的中间层例如可以通过对通过溅射法形成的金属层(金属膜)进行氧化或氮化而获得。更具体而言，在使用氧化铝(alo
x
)或氧化镁(mgo)作为中间层中所包括的绝缘材料的情况下，获得中间层的方法的示例包括在大气中对通过溅射法形成的铝或镁进行氧化的方法、对通过溅射法形成的铝或镁进行等离子体氧化的方法、对通过用ipc等离子体的溅射法形成的铝或镁进行氧化的方法、在氧中对通过溅射法形成的铝或镁进行自然氧化的方法、用氧自由基对通过溅射法形成的铝或镁进行氧化的方法、当铝或镁在氧中自然氧化时用紫外线对通过溅射法形成的铝或镁进行照射的方法、用于通过反应溅射法形成铝或镁的膜的方法，以及用于通过溅射法形成氧化铝(alo
x
)或氧化镁(mgo)的膜的方法。
[0090]
从确保存储层中的易磁化轴方向上的易处理和均匀性的角度来看，期望堆叠的三维形状是圆筒形状或圆柱形状，但不限于此，并且可以是三棱柱、四棱柱、六棱柱、八棱柱等(包括侧边缘或边脊是圆形的棱柱)或椭圆柱。从以低磁化反转电流容易反转磁化方向的观点来看，堆叠的面积优选地是例如0.01μm2或更小。通过使磁化反转电流从第一布线(传感
线)流向第二布线(位线)或从第二布线(位线)流向第一布线(传感线)通过堆叠而使存储层中的磁化方向与易磁化轴平行或与易磁化轴相反，信息被写入存储层。
[0091]
基层是为了提高构成堆叠的磁性材料层的结晶性而形成的，并且包括ta、cr、ru、ti等。此外，可以在第二布线(位线)和堆叠之间形成帽层，以便防止第二布线(位线)和构成堆叠的原子之间的相互扩散，以降低接触电阻，并防止堆叠的氧化。但是，在一些情况下，位线可以直接连接到堆叠。此外，在这种情况下，帽层可以由包括选自铪、钽、钨、锆、铌、钼、钛、钒、铬、镁、钌、铑、钯和铂中的至少一种材料的单层结构；包括氧化物的单层结构，诸如氧化镁层、氧化铝层、氧化钛层、氧化硅层、bi2o3层、srtio2层、allao3层、al-n-o层、mg-ti-o层，或mgal2o4层；或选自铪、钽、钨、锆、铌、钼、钛、钒、铬、镁、钌、铑、钯和铂中的至少一种材料层与选自mgtio、mgo、al2o和sio中的至少一种氧化物层的堆叠结构(例如，ru层/ta层)构成。
[0092]
上述各种层例如可以通过以溅射法、离子束蒸镀法或真空蒸镀法为代表的物理蒸镀法(pvd法)或以原子层沉积(ald)方法为代表的化学蒸镀法(cvd法)形成。此外，这些层的构图可以通过反应离子蚀刻法(rie法)或离子铣削法(离子束蚀刻法)执行。各层优选地在真空装置中连续形成，然后优选地被构图。
[0093]
基层、第二布线(位线)、第一布线(感测线)、各种类型的其它布线、各种其它布线层等可以各自具有ta或tan、或cu、al、au、pt、ti、ru、w等或它们的化合物的单层结构，或者可以各自具有包括cr、ti等的基膜与在其上形成的cu层、au层、pt层等的堆叠结构。可替代地，基层、第二布线(位线)、第一布线(感测线)、各种类型的其它布线、各种其它布线层等可以各自具有ta或其化合物的单层结构，或与cu、ti等或其化合物的堆叠结构。这些电极等例如可以通过以溅射法为代表的pvd法形成。
[0094]
将选择晶体管的基层和源极/漏极区域彼此电连接的接触孔、连接孔和焊盘部分可以包括掺杂有杂质的多晶硅、诸如钨、ti、pt、pd、cu、tiw、tinw、wsi2或mosi2的高熔点金属、或金属硅化物，并且可以基于以溅射法为代表的cvd法或pvd法形成。阻挡金属层形成在接触孔或连接孔的内壁或底部上。此外，构成各种绝缘层和各种层间绝缘层的材料的示例包括氧化硅(sio2)、氮化硅(sin)、sion、sioc、siof、sicn、旋涂玻璃(sog)、非掺杂硅酸盐玻璃(nsg)、硼磷硅玻璃(bpsg)、psg、bsg、pbsg、assg、sbsg、lto和al2o3。可替代地，其示例包括低介电常数绝缘材料(例如，碳氟化合物、环全氟碳聚合物、苯并环丁烯、环状氟树脂、聚四氟乙烯、无定形四氟乙烯、聚芳基醚、氟化芳基醚、氟化聚酰亚胺、有机sog、聚对二甲苯、氟化富勒烯、或无定形碳)、聚酰亚胺基树脂、氟基树脂、silk(the dow chemical co.的商标，涂层型低介电常数层间绝缘膜材料)和flare(honeywell electronic materials co.的商标，基于聚烯丙基醚(pae)的材料)。这些材料可以单独使用或适当地组合使用。可替代地，其示例包括可以在低温下形成的高k(高介电常数)膜(例如，hf氧化物、al2o3、ru氧化物、ta氧化物、含有al、ru、ta或hf的si氧化物，含有al、ru、ta或hf的si氮化物，以及含有al、ru、ta或hf的氮氧化硅)。可替代地，其示例包括有机绝缘材料(有机聚合物)，由在一端具有能够与控制电极键合的官能团的直链烃例示，诸如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)；聚乙烯苯酚(pvp)；聚乙烯醇(pva)；聚酰亚胺；聚碳酸酯(pc)；聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)；聚苯乙烯；n-2(氨基乙基)3-氨基丙基三甲氧基硅烷(aeaptms)、3-巯基丙基三甲氧基硅烷(mptms)、或十八烷基三氯硅烷(ots)等硅烷醇衍生物(硅烷偶联剂)；酚醛清漆型酚醛树脂；氟基树脂；
十八硫醇或异氰酸十二烷基酯。也可以使用它们的组合。各种绝缘膜和各种层间绝缘层可以基于已知的方法形成，诸如各种cvd法、涂敷法、各种pvd法(包括溅射法和真空蒸镀法)、各种印刷法(包括丝网印刷法)，或溶胶-凝胶法。接触孔和连接孔可以形成在焊盘部分上。
[0095]
基部例如可以由硅半导体基板构成，或者可以由soi基板(具体而言，由构成soi基板的硅层等)构成。soi基板的示例包括基于智能切割法和基板接合技术形成的soi基板、基于氧注入分离(simox)形成的soi基板、以及其中绝缘层在硅半导体基板的表面上形成并且硅层在绝缘层上形成的soi基板。可替代地，基部可以由ingaas层或ge层而不是硅层构成。
[0096]
结合本公开的非易失性存储器元件的电子设备的示例包括诸如移动设备、游戏设备、音乐设备或视频设备的便携式电子设备、固定电子设备和磁头。此外，其示例包括包含本公开的非易失性存储器元件的存储设备，并且本公开的非易失性存储器元件还可以用作一次性可编程存储器(otp存储器)。
[0097]
[示例1]
[0098]
示例1涉及本公开的非易失性存储器元件。图1a图示了示例1的非易失性存储器元件(对其应用了自旋转移磁化反转的基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器)中的堆叠30等的概念图，图2图示了示例1的示意性部分横截面视图，图3图示了示例1中的存储器单元阵列的等效电路图，并且图1b图示具有双自旋滤波器结构的基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器的概念图。注意的是，在图3中，一个存储器单元被单点划线包围，并且部署的元件分离晶体管的位置由虚线表示。
[0099]
示例1或稍后描述的示例2至5的电阻可变式的非易失性存储器元件11、11'或11”具有
[0100]
堆叠30，包括至少磁化固定层31、中间层32和存储层(也称为磁化反转层或自由层)33，以及
[0101]
非磁性材料36，分散在磁化固定层31和存储层33的至少一个中。
[0102]
非易失性存储器元件11中的堆叠30的三维形状是圆筒状(柱状)或四棱柱状，但不限于此。堆叠30具有第一表面30a和面向第一表面30a的第二表面30b。磁化固定层31位于第一表面30a侧，存储层33位于第二表面30b侧。磁化固定层31的第一表面30a与基层34接触，并且基层34形成在包括sio2的层间绝缘层67上。可以在基层34和层间绝缘层67之间形成焊盘部分。
[0103]
选择晶体管tr电连接到非易失性存储器元件11。另外，非易失性存储器元件11和选择晶体管tr构成存储器单元，并且存储器单元在第一方向和第二方向上布置成二维矩阵，以构成存储器单元阵列。构成示例1的存储器单元阵列的存储器单元是所谓的“1t-1r”类型存储器单元。
[0104]
磁化固定层31具有其中堆叠有至少两个磁性材料层的堆叠的铁结构(也称为堆叠的铁钉扎结构)。包含钌(ru)的非磁性层31b形成在构成堆叠的铁结构的一个磁性材料层(参考层)31c和构成堆叠的铁结构的另一个磁性材料层(固定层)31a之间。
[0105]
存储层33包括具有其中磁化方向在堆叠30的堆叠方向上自由改变的磁矩的铁磁材料，更具体而言，co-fe-b合金[(co
20
fe
80
)
80b20
]。包括非磁性体材料的中间层32由用作隧道势垒层(隧道绝缘层)的绝缘层(具体而言是氧化镁(mgo)层)构成。通过由mgo层构成中间层32，可以增加磁电阻变化率(mr比)，从而可以提高自旋注入的效率，并且可以使存储层33
的磁化方向反转所需的磁化反转电流密度降低。此外，帽层35被形成为与堆叠30的第二表面30b接触。
[0106]
在示例1的非易失性存储器元件中，存储层33的磁化方向根据要存储的信息而改变。另外，在存储层33中，易磁化轴平行于堆叠30的堆叠方向(即，垂直磁化类型)。即，示例1的非易失性存储器元件由基于垂直磁化类型自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器构成。换句话说，示例1中的非易失性存储器元件由mtj元件构成。参考层31c的磁化方向是用作要存储在存储层33中的信息的参考的磁化方向，并且信息“0”和信息“1”由存储层33的磁化方向与参考层31c的磁化方向之间的相对角度限定。
[0107]
此外，在示例1或稍后描述的示例2至5的存储器单元阵列中，在第一方向上彼此相邻的存储器单元通过具有与选择晶体管相同结构的元件分离晶体管tr'进行元件分离。在第二方向上彼此相邻的存储器单元通过例如具有浅沟槽结构的元件分离区域进行元件分离。通过元件分离晶体管tr'的操作，可以防止电流在存储器单元之间(具体而言，在选择晶体管tr之间)流动。元件分离晶体管tr'的栅极电极的延伸部分在与字线平行的第二方向上延伸。注意的是，元件分离晶体管tr'优选地具有与选择晶体管tr相同的结构。
[0108]
基层34连接到接触孔66。具体而言，在接触孔66上形成基板层34。此外，帽层35连接到位线bl(第二布线42)。此外，通过使电流(磁化反转电流)在感测线sl(第一布线41)和位线bl(第二布线42)之间流动，信息被存储在存储层33中。即，通过使磁化反转电流在堆叠30的堆叠方向上流动，存储层33的磁化方向改变，并且信息被存储和记录在存储层33中。如上所述，参考层31c中的易磁化轴平行于堆叠30的堆叠方向。即，参考层31c包括具有其中磁化方向在平行于堆叠30的堆叠方向的方向上变化的磁矩的铁磁材料，更具体而言，co-fe-b合金[(co
20
fe
80
)
80b20
]。此外，固定层31a由co-pt合金层构成，并且构成经由含有钌(ru)的非磁性层31b与参考层31c磁耦合的堆叠的铁结构。
[0109]
在示例1或后述的示例2至5中的非易失性存储器元件中，非磁性体36含有微粒状的钼(mo)。此外，在示例1中，非磁性材料36分散(混合)在存储层33中，并且非磁性材料36以3.3质量％至20质量％的量分散在存储层33中。此外，微粒状非磁性体36的中径(50％直径，d
50
)的值例如可以是0.05nm～0.15nm。
[0110]
在下面的表1中列出了示例1或稍后描述的示例2至5中的各种层构造。
[0111]
《表1》
[0112]
[0113][0114]
图2图示了包括非易失性存储器元件和选择晶体管的示例1的非易失性存储器元件(存储器单元)的示意性部分横截面视图，由场效应晶体管构成的选择晶体管(tr)部署在堆叠30的下方。具体而言，
[0115]
示例1的非易失性存储器元件(存储器单元)包括：
[0116]
选择晶体管tr，形成在半导体基板60中；以及
[0117]
层间绝缘层67，覆盖选择晶体管tr，其中
[0118]
第一布线41(感测线sl)形成在层间绝缘层67上，
[0119]
第一布线41经由形成在层间绝缘层67中的连接孔65(或连接孔和着陆焊盘部分，或在一些情况下为下层布线)电连接到选择晶体管tr的另一个源极/漏极区域64b,
[0120]
基层34、堆叠30、帽层35以及围绕基层34、堆叠30和帽层35的绝缘材料层51形成在层间绝缘层67上，
[0121]
堆叠30经由基层34经由形成在层间绝缘层67中的接触孔66电连接到选择晶体管的一个源极/漏极区域64a，以及
[0122]
经由帽层35与堆叠30接触的位线bl(第二布线42)形成在绝缘材料层51上。
[0123]
选择晶体管tr包括栅极电极61、栅极绝缘层62、沟道形成区域63以及源极/漏极区域64a和64b。如上所述，另一个源极/漏极区域64b和感测线sl(第一布线41)经由包括钨塞的连接孔65连接到形成在层间绝缘层67上的感测线sl(第一布线41)。此外，该一个源极/漏极区域64a经由接触孔66和基层34连接到堆叠30。栅极电极61还用作所谓的字线wl或地址线。此外，第二布线42(位线bl)延伸的方向上的投影图像与栅极电极61(字线wl)延伸的方向上的投影图像正交，并且在感测线sl(第一布线41)延伸的方向上与投影图像平行。但是，在图2中，为了简化附图，栅极电极61、第一布线41和第二布线42延伸的方向与这些不同。
[0124]
在下文中，对示例1的非易失性存储器元件的制造方法进行描述。
[0125]
[步骤-100]
[0126]
首先，在基部中形成构成存储器单元的选择晶体管，然后在整个表面上形成层间绝缘层。具体而言，包括栅极绝缘层62、栅极电极61以及源极/漏极区域64a和64b的选择晶体管tr基于已知方法形成在与基部对应的硅半导体基板60中。位于源极/漏极区域64a和64b之间的硅半导体基板60的一部分与沟道形成区域63对应。此外，具有与选择晶体管tr相同结构的元件分离晶体管tr'形成在存储器单元之间。随后，在整个表面上形成层间绝缘层67，在层间绝缘层67的于另一个源极/漏极区域64b上方的部分中形成连接孔65，此外，感测线sl(第一布线41)形成在层间绝缘层67上。此外，在层间绝缘层67的于该一个源极/漏极区域64a上方的部分中形成接触孔66。如果需要，可以在层间绝缘层67上形成与接触孔66接触的焊盘部分。
[0127]
[步骤-110]
[0128]
其后，在层间绝缘层67上形成与构成存储器单元的选择晶体管tr电连接的用于形成非易失性存储器元件的堆叠膜，然后对该堆叠膜进行构图(具体而言，蚀刻)以形成非易
失性存储器元件11。具体而言，基层34、堆叠30和帽层35基于例如磁控溅射法连续形成在层间绝缘层67的整个表面上，随后基于反应离子刻蚀法(rie法)或离子铣削法(离子束刻蚀法)对帽层35、堆叠30和基层34进行构图。基层34与接触孔66接触。注意的是，在存储层33的形成中，仅需要使用包含构成存储层33的材料和非磁性材料36的溅射靶。
[0129]
[步骤-120]
[0130]
接下来，在整个表面上形成绝缘材料层51，并且将绝缘材料层51平坦化，使得绝缘材料层51的顶表面与帽层35的顶表面处于同一水平。此后，与帽层35接触的位线bl(第二布线42)形成在绝缘材料层51上。以这种方式，可以获得具有图1a和2中所示结构的非易失性存储器元件(具体而言，基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器)。然后，在后续的制造工序(诸如层间膜形成)中，通常施加350℃至400℃的温度，并且因此，非磁性材料36在存储层33中扩散，并且非磁性材料36分散在存储层33中。注意的是，在通常的加热处理中，施加350℃至400℃的温度几分钟，但是在形成其上形成有非易失性存储器元件(存储器单元阵列)的基板和其上形成有成像元件的基板彼此接合的情况下，施加350℃至400℃的温度大约1至4小时。
[0131]
如上所述，可以将一般的mos制造工艺应用于示例1中的非易失性存储器元件的制造，并且该非易失性存储器元件可以用作通用存储器。
[0132]
在存储二进制信息的电阻可变式的非易失性存储器元件的情况下，非易失性存储器元件是所谓可变电阻元件的类型，它采用高电阻状态(hrs)和低电阻状态(lrs)两种状态，并且状态分别与例如“1”和“0”相关联。此外，一般而言，电阻可变式的非易失性存储器元件的0/1状态是根据其电阻值是高于还是低于用于比较的参考电阻值(也称为参考电阻值)来确定的，并且部署用于执行这种比较确定的感测放大器。参考电阻值常常基于预先写入hrs或lrs的多个存储器元件(这些被称为“参考元件”)进行组合。即，参考电阻值被生成为hrs中的电阻值和lrs中的电阻值的平均值。在后述的示例1或示例2至4的非易失性存储器元件中，在读取数据时，将感测线sl中出现的电压与参考电压进行比较，并根据电压电平确定是存储了数据“1”还是存储了“0”。
[0133]
顺便提及，信息由具有单轴各向异性的存储层33的磁化方向限定。通过使磁化反转电流(自旋极化电流)在堆叠30的堆叠方向上流动以造成自旋扭矩磁化反转来写入信息。在下文中，将参考图1a简要描述自旋扭矩磁化反转，图1a是对其应用自旋转移磁化反转的基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器的概念图。电子有两种类型的自旋角动量。这些被限定为向上动量和向下动量。非磁性体中向上动量的数量与向下动量的数量相同，铁磁体中向上动量的数量与向下动量的数量不同。
[0134]
假设各自包括铁磁材料的存储层33和参考层31c的磁矩方向彼此反平行。在这种状态下，信息“1”被存储在存储层33中。假设存储层33中存储的信息“1”被重写为“0”。在这种情况下，使磁化反转电流(自旋极化电流)从图1a的(b)的概念图所示的状态从存储层33流到磁化固定层31。即，使电子从磁化固定层31流向存储层33。已通过参考层31c的电子造成自旋极化，即，在向上动量的数量与向下动量的数量之间产生差异。当中间层32足够薄并且在自旋极化被弛豫以在非磁性体中处于非极化状态(向上动量的数量与向下动量的数量相同的状态)之前电子到达存储层33时，自旋极化程度的符号反转，因此一些电子反转，即，一些电子的自旋角动量的方向改变，以便降低整个系统的能量。此时，由于需要存储系统的
总角动量，因此对存储层33的磁矩施加了与因电子方向改变而引起的角动量变化的总和相当的反应。在电流(即，在单位时间内通过堆叠30的电子的数量)小的情况下，改变方向的电子的总数也少。因此，存储层33中的磁矩中生成的角动量变化也小。但是，当电流增加时，可以在单位时间内对存储层33施加大量的角动量变化。角动量的时间变化就是扭矩，当扭矩超过某个阈值时，存储层33的磁矩开始反转，并且由于其单轴各向异性，当磁矩旋转180度时，其变得稳定。即，发生从反平行状态到平行状态的反转，并且信息“0”被存储在存储层33中(参见图1a的(a)的概念图)。
[0135]
接下来，假设存储层33中存储的信息“0”被重写为“1”。在这种情况下，使磁化反转电流从图1a的(a)的概念图所示的状态从磁化固定层31流向存储层33。即，使电子从存储层33流向磁化固定层31。已经到达参考层31c并具有向下自旋的电子穿过磁化固定层31。同时，具有向上自旋的电子被参考层31c反射。然后，当此类电子进入存储层33时，电子向存储层33施加扭矩，并且存储层33反转为反平行状态(参见图1a的(b)的概念图)。但是，此时，造成反转所需的电流量大于从反平行状态到平行状态造成反转的情况下的电流量。虽然难以直观地理解从平行状态到反平行状态的反转，但是可以认为因为参考层31c的磁化方向是固定的，并且存储层33为了存储整个系统的角动量而反转，所以不能进行反转。如上所述，通过使等于或大于与每个极性对应的某个阈值的磁化反转电流(自旋极化电流)在从磁化固定层31到存储层33的方向或与其相反的方向上流动来存储0/1的信息。
[0136]
如上所述，非易失性存储器元件11连接到选择晶体管tr，并且上限被设置为根据选择晶体管tr的性能而可以流动的电流值(或电压值)。因此，需要将用于使存储层33的磁化反转并造成磁化从反平行到平行或从平行到反平行的过渡的电流(称为“反转电流阈值i
th”)设计为充分低于可以流入选择晶体管tr的电流值的上限。此外，由于在有限温度下由于热而存在磁化的波动，因此数据写入本身是随机的。
[0137]
已知写入错误率(wer)通过增加流经非易失性存储器元件11的电流而降低。有必要满足i
th
《《iw《《i
max
，其中iw和i
max
分别表示wer等于或小于指定数值的写入电流和可以流过非易失性存储器元件的最大电流。此外，由于已知在几十纳秒以下的写入速度下，除了i
th
的高值之外，wer的写入电压依赖性也平缓，因此iw也增加。因此，在几十纳秒以下的写入速度下，通常难以满足i
th
《《iw《《i
max
。此外，如图16b中所示，写入电压vw和写入阈值电压v
th
以40纳秒或更短的时间迅速增加。注意的是，在图16b中，写入电压vw的曲线图指示用于将wer的值设置为1x10-6
或更小的写入电压。在此，写入电压vw是在以写入电压vw向非易失性存储器元件写入1x106次信息的情况下发生一次写入错误时的写入电压。此外，写入阈值电压v
th
是用于反转存储层33的磁化并且造成磁化从反平行到平行或从平行到反平行的过渡的电压。
[0138]
在几十纳秒或更短的短写入时间内降低写入电流或写入电压有两种思路。为了方便起见，下面将描述写入电压的降低。降低写入电压的第一种方法是降低写入阈值电压(v
th
)本身的方法。第二种方法是使wer的写入电压依赖性陡峭的方法。
[0139]
在其中非磁性材料36分散在存储层33中的示例1的非易失性存储器元件11中，如图10a中所示，存储层33的饱和磁化强度ms趋向于随着非磁性材料36的质量百分比的值增加而减小。同时，如图10b中所示，存储层33的各向异性磁场hk趋向于随着非磁性材料36的质量百分比值的增加而增加。图10a、10b和11中的纵轴分别由比较示例1的包括未向其添加
非磁性材料36的非易失性存储器元件的饱和磁化强度ms、各向异性磁场hk和保持特性的值归一化。存储层33的保持特性一般与饱和磁化强度ms和各向异性磁场hk的乘积成比例。图11图示了存储层33的保持特性，并且可以看出，保持特性随着非磁性材料36的质量％值的增加而暂时增加并随后降低。
[0140]
关于非磁性材料36的含量，已知随着存储层33中的非磁性材料36的含量增加，与读取特性相关的mr比趋于降低。当mr比低时，在读取操作期间发生误动。因此，在形成包括非磁性材料36的存储层33时，非磁性材料36与存储层33的比例期望地是20质量％或更小。
[0141]
此外，已知通过降低存储层33的饱和磁化强度ms可以使wer的写入电压依赖性陡峭。因此，wer的写入电压依赖性可以陡峭而不降低保持特性，即，可以减小写入电压的设定值。
[0142]
下面将示例1的非易失性存储器元件11的wer评估结果与比较示例1的非易失性存储器元件的wer评估结果进行比较。图12图示了wer在20纳秒的写入脉冲宽度下的写入电压依赖性。在图12中，右半部分图示了当存储层33和磁化固定层31的磁化方向如图1a的(a)所示从反平行状态反转为平行状态时的wer(h
→
l反转，存储信息“0”)，并且左半部分图示了当存储层33和磁化固定层31的磁化方向如图1a的(b)所示从平行状态反转为反平行状态时wer的写入电压依赖性(l
→
h反转，存储信息“1”)。在图12中，由“b”指示的wer曲线是比较示例1的非易失性存储器元件的wer评估结果，并且由“a”指示的wer曲线是示例1的非易失性存储器元件的wer评估结果。
[0143]
如图12可见，在wer的值小于1x10-3
的区域中，可以看到示例1的非易失性存储器元件11在相同的wer值下的写入电压低于比较示例1的非易失性存储器元件。即，可以看到示例1的非易失性存储器元件11与比较示例1的非易失性存储器元件相比，在将信息1x103次写入非易失性存储器元件的情况下，发生一次写入错误时的写入电压较低。
[0144]
此外，图13图示了h
→
l反转的wer的陡度(vw[wer＝1x10-4
]/vth'])与非磁性材料36的质量％的关系，图14表示两者的关系。l
→
h反转中wer的陡度(vw[wer＝1x10-4
]/v
th
'])和非磁性材料36的质量％。在此，“v
th
'”是wer的值为5x10-1
时的写入电压的值。即，v
th
'是在非易失性存储器元件中写入信息1x104次的情况下发生5x103次写入错误时的写入电压。此外，“vw[wer＝1x10-4
]”是指在非易失性存储器元件中写入1x104次信息的情况下发生一次写入错误时的写入电压vw。
[0145]
此外，为了参考，图15图示了说明在100纳秒和20纳秒的写入脉冲下包括未向其添加非磁性材料36的存储层的比较示例1的非易失性存储器元件的wer评估结果的曲线图。在图15中，“a”指示写入脉冲为100纳秒的结果，并且“b”指示写入脉冲为20纳秒的结果。此外，图15的右半部分图示了当存储层33和磁化固定层31的磁化方向如图1a的(a)所示从反平行状态反转为平行状态时的wer(h
→
l反转，存储信息“0”)，并且其左半部分图示了当存储层33和磁化固定层31的磁化方向如图1a的(b)所示从平行状态反转为反平行状态时的wer(l
→
h反转，存储信息“1”)。
[0146]
在100纳秒和20纳秒的写入脉冲下评估h
→
l反转和l
→
h反转中的每一个。灰点指示100纳秒的写入脉冲，并且黑点指示20纳秒的写入脉冲。可以看出，在图1a中所示的示例1的非易失性存储器元件中，wer的陡度值(vw[wer＝1x10-4
]/v
th
])在20纳秒和100纳秒的写入脉冲之间基本相等。即，可以看出，通过在存储层33中分散非磁性材料36，wer的写入电压依
赖性在20纳秒的短脉冲写入中陡峭。换句话说，即使是20纳秒的短脉冲写入，也可以以低写入电压vw写入信息。
[0147]
此外，根据以上结果，发现非磁性材料36优选地以3.3质量％以上且20质量％以下的量分散在存储层33中。
[0148]
此外，根据图13和14中20纳秒写入的特性，发现通过以3.3质量％或更多的量在存储层33中分散非磁性材料36，wer的陡度值(vw[wer＝1x10-4
]/v
th
])减小。即，在示例1的非易失性存储器元件11中，写入错误率的写入电压依赖性比非磁性材料36未分散的非易失性存储器元件11中的写入错误率的写入电压依赖性陡峭。当写入错误率由wer1表示，其中未分散非磁性材料36的非易失性存储器元件11中的写入错误率由wer0表示，写入电压由vw表示时，满足
[0149][0150]
注意的是，在图13和14中，以黑色圆圈指示20纳秒写入的特性，并且以白色圆圈指示100纳秒写入的特性。
[0151]
如上所述，在示例1的非易失性存储器元件中，由于非磁性材料分散在存储层中，因此有可能提供能够以小电流高速操作的非易失性存储器元件，但是具有简单的构造和结构。
[0152]
在示例1的非易失性存储器元件的修改1的非易失性存储器元件11'中，非磁性材料36分散在磁化固定层31中。此外，在这种情况下，非磁性材料36优选地以3.3质量％至20质量％的量分散在磁化固定层31中。注意的是，在这个修改1中，非磁性材料36可以分散在构成磁化固定层31中的堆叠的铁结构(参见图4a的概念图)的一个磁性材料层(参考层)31c中，非磁性材料36可以分散在另一个磁性材料层(固定层)31a中(参见图4b的概念图)，或者非磁性材料36可以分散在参考层31c和固定层31a中(参见图4c的概念图)。具体而言，在上述[步骤110]中的磁化固定层31的形成中，只需要使用包含构成磁化固定层31(31a和31c)的材料和非磁性材料36的溅射靶即可。
[0153]
可以认为通过提高磁化固定层31的保持特性，可以抑制磁化固定层31的磁化被自旋扭矩错误地反转的现象。如果可以抑制自旋扭矩引起的磁化固定层31的错误反转，那么有可能抑制在wer的写入电压依赖性被评估的情况下在高电压侧发生写入错误的所谓反向跳变现象的发生，并且因此可以降低写入电压。
[0154]
可替代地，在示例1的非易失性存储器元件的修改2的非易失性存储器元件11”中，非磁性材料36分散在磁化固定层31和存储层33中。此外，在这种情况下，非磁性材料36以3.3质量％至20质量％的量分散在存储层33中，并且非磁性材料36以3.3质量％至20质量％的量分散在磁化固定层31中。注意的是，在这个修改2中，非磁性材料36可以分散在磁化固定层31中的构成堆叠的铁结构的参考层31c中(参见图5a的概念图)，非磁性材料36可以分散在在固定层31a中(参见图5b的概念图)，或者非磁性材料36可以分散在参考层31c和固定层31a中(参见图5c的概念图)。具体而言，在上述[步骤110]中的磁化固定层31的形成中，只需要使用包含构成磁化固定层31(31a和31c)的材料和非磁性材料36的溅射靶，而在存储层33的形成中，只需要使用包含构成存储层33的材料和非磁性材料36的溅射靶。
[0155]
即使在上述示例1的非易失性存储器元件的修改1和修改2中，也可以获得与示例1
的非易失性存储器元件11相似的特性和评估结果。
[0156]
[示例2]
[0157]
示例2涉及根据本公开的第一方面的用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法。
[0158]
根据示例2的用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法是
[0159]
一种用于制造非易失性存储器元件的方法，非易失性存储器元件具有包括至少磁化固定层31、中间层32和存储层33的堆叠30，
[0160]
非磁性材料36分散在存储层33中，该方法包括：
[0161]
交替地堆叠用于形成存储层33的存储层形成层和非磁性材料；然后对堆叠进行加热处理以将非磁性材料36分散在存储层33中。
[0162]
具体而言，在根据示例2的用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法中，在上述[步骤110]中的存储层33的形成中，磁化固定层31(固定层31a、非磁性层31b和参考层31c)和中间层32基于磁控溅射法连续地形成在基层34上。随后，在中间层32上形成存储层形成层33'，并且在存储层形成层33'上形成非磁性材料36a(参见图6a)。注意的是，此时的非磁性材料36a的厚度是小于构成非磁性材料36a的材料的晶格常数的厚度。具体而言，使用钼(mo)作为非磁性材料36a。钼(mo)是立方晶体(体心立方结构)，晶格常数a＝0.31399nm。在示例2中，非磁性材料36a和36b中的每一个在形成时的厚度的设置值为0.15nm。结果，非磁性材料36a和36b未分层，并且形成的非磁性材料36a基本上形成为岛状。这类似地适用于以下描述。
[0163]
随后，在存储层形成层33'和非磁性材料36a上形成存储层形成层33”，并且在存储层形成层33”上形成非磁性材料36b(参见图6b)。此时，只需要将非磁性材料36b的厚度设置为与非磁性材料36a的厚度相似。然后，将着步骤重复期望的次数，最后形成存储层形成层。每个存储层形成层(示例2中为三个存储层形成层)在形成时的厚度的设置值为0.50nm。注意的是，虽然在附图中图示了两层非磁性材料，但是本公开不限于此。此外，当非磁性材料的形成次数由n表示时，存储层形成层的形成次数为(n 1)。
[0164]
此后，以与示例1的[步骤110]相似的方式形成帽层35，随后基于反应离子蚀刻法(rie法)或离子铣削法(离子束蚀刻法)对帽层35、堆叠30和基层34进行构图。随后，以与示例1的[步骤120]相似的方式在整个表面上形成绝缘材料层51，并且将绝缘材料层51平坦化，使得绝缘材料层51的顶表面与帽层35的顶表面处于相同水平。此后，与帽层35接触的位线bl(第二布线42)形成在绝缘材料层51上。然后，在后续的制造工序(诸如层间膜形成)中，通常施加350℃至400℃的温度，并且因此，非磁性材料36在存储层33中扩散，并且非磁性材料36分散在存储层33中。可以获得具有与示例1中描述的那些相似的构造和结构的非易失性存储器元件。注意的是，非磁性材料36以3.3质量％至20质量％的量分散在存储层33中。
[0165]
在根据示例2的制造非易失性存储器元件的方法中，为了形成存储层，将存储层形成层和非磁性材料交替堆叠，然后对堆叠进行加热处理以在存储层中分散非磁性材料。因此，可以精确地控制非磁性材料在存储层的厚度方向上的分散状态。注意的是，实验性地制造包括形成为分层状的非磁性材料的非易失性存储器元件。即，实验性地制造非磁性材料未分散在存储层中并且在存储层中形成为多层状的非易失性存储器元件。然后，评估这种非易失性存储器元件原型的特性。仅获得与包括未添加非磁性材料的存储层的比较示例1
的非易失性存储器元件的饱和磁化强度ms、各向异性磁场hk和保持特性的值相似的值。
[0166]
[示例3]
[0167]
示例3涉及根据本公开的第二方面的用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法。
[0168]
根据示例3的用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法是
[0169]
一种用于制造非易失性存储器元件的方法，非易失性存储器元件具有至少包括磁化固定层31、中间层32和存储层33的堆叠30，
[0170]
非磁性材料36分散在磁化固定层31中，该方法包括：
[0171]
交替地堆叠用于形成磁化固定层31的磁化固定层形成层和非磁性材料；然后对堆叠进行加热处理，以使非磁性材料分散在磁化固定层中。
[0172]
具体而言，在根据示例3的用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法中，在上述[步骤110]中的磁化固定层31的形成中，固定层31a和非磁性层31b被依次地形成在基层34上。接下来，在非磁性层31b上形成参考层31c。此时，在参考层31c中分散有非磁性材料36的情况下，基于与示例2相似的方法形成磁化固定层形成层(参考层形成层31c')，并且在参考层形成层31c'上形成非磁性材料36a(参见图7a)。随后，在参考层形成层31c'和非磁性材料36a上形成参考层形成层31c”，并且在参考层形成层31c”上形成非磁性材料36b(参见图7b)。然后，将这个步骤重复期望的次数，并且最后形成存储层形成层。注意的是，虽然在附图中图示了两层非磁性材料，但是本公开不限于此。此外，当非磁性材料的形成次数由n表示时，磁化固定层形成层的形成次数为(n 1)。
[0173]
其后，以与示例1的[步骤110]相似的方式形成中间层32、存储层33和帽层35，随后基于反应离子刻蚀法(rie法)或离子铣削法(离子束刻蚀法)对帽层35、堆叠30和基层34构图。随后，以与示例1的[步骤120]相似的方式在整个表面上形成绝缘材料层51，并且将绝缘材料层51平坦化，使得绝缘材料层51的顶表面与帽层35的顶表面处于相同水平。此后，与帽层35接触的位线bl(第二布线42)形成在绝缘材料层51上。然后，在后续的制造工序(诸如层间膜形成)中，通常施加350℃至400℃的温度，并且因此，非磁性材料36在参考层31c中扩散，并且非磁性材料36分散在参考层31c中。可以获得具有与示例1中描述的那些相似的构造和结构的非易失性存储器元件。注意的是，非磁性材料36以3.3质量％至20质量％的量分散在磁化固定层31中(更具体而言，在参考层31c中)。
[0174]
在根据示例3的用于制造非易失性存储器元件的方法中，为了形成磁化固定层，将磁化固定层形成层和非磁性材料交替堆叠，然后对堆叠进行加热处理以在磁化固定层中分散非磁性材料。因此，可以精确地控制非磁性材料在磁化固定层的厚度方向上的分散状态。注意的是，实验性地制造包括形成为分层状的非磁性材料的非易失性存储器元件。即，实验性地制造非磁性材料未分散在磁化固定层中而是在磁化固定层中形成为多层状的非易失性存储器元件。然后，评估这种非易失性存储器元件原型的特性。仅获得与包括未添加非磁性材料的磁化固定层的非易失性存储器元件的饱和磁化强度ms、各向异性磁场hk和保持特性的值相似的值。
[0175]
注意的是，非磁性材料36可以分散在固定层31a中，或者非磁性材料36可以通过与参考层31c相似的方法分散在固定层31a和参考层31c中。
[0176]
此外，通过交替地用于形成磁化固定层31的堆叠磁化固定层形成层和非磁性材料
36，交替地堆叠用于形成存储层33的存储层形成层和非磁性材料36，然后对堆叠进行加热处理，非磁性材料36可以分散在磁化固定层31和存储层33中。具体而言，通过组合示例2和3，非磁性材料36可以分散在参考层31c和存储层33中，非磁性材料36可以分散在固定层31a和存储层33中，或者非磁性材料36中可以分散在固定层31a、参考层31c和存储层33中。在这种情况下，非磁性材料36可以以3.3质量％至20质量％的量分散在存储层33中，并且非磁性材料36可以以3.3质量％至20质量％的量分散在磁化固定层31中。
[0177]
[示例4]
[0178]
示例4是示例1至3的修改。图8图示了示例4的非易失性存储器元件的等效电路图。注意的是，在图8中，一个存储器单元被双点划线包围，而另一个存储器单元被三点划线包围。
[0179]
在示例4的存储器单元阵列中，存储器单元包括一个非易失性存储器元件21、22和两个选择晶体管tr1、tr2(参见由双点划线或三点划线包围的存储器单元)。构成示例4的存储器单元阵列的存储器单元是所谓的“2t-1r”类型存储器单元，并且示例1至3的非易失性存储器元件也可以适于这种“2t-1r”类型存储器单元的非易失性存储器元件21、22。
[0180]
除了以上几点之外，示例4的非易失性存储器元件的构造和结构可以类似于示例1至3的非易失性存储器元件的构造和结构，因此将省略其详细描述。
[0181]
[示例5]
[0182]
示例5是示例1至3的修改。图9图示了示例5的非易失性存储器元件的等效电路图。注意的是，在图9中，成对操作的存储器单元由单点划线包围，成对操作的另一个存储器单元由双点划线包围。
[0183]
在示例5的存储器单元阵列中，存储器单元包括两个非易失性存储器元件21、22和两个选择晶体管tr
1a
、tr
1b
、tr
1a
、tr
1b
、tr
2a
、tr
2b
、tr
2a
、tr
2b
。示例5的存储器单元是所谓的“2t-2r”类型存储器单元。通过使用这种“2t-2r”类型存储器单元并将一条数据存储在两个存储器单元(2位)中，可以提高数据读取电路的速度。注意的是，成对的存储器单元中的一个连接到位线bl，另一个连接到位线xbl。
[0184]
除了以上几点之外，示例5的非易失性存储器元件的构造和结构可以与示例1至3的非易失性存储器元件的构造和结构相似，因此将省略其详细描述。
[0185]
[示例6]
[0186]
示例6涉及包括示例1至5中描述的非易失性存储器元件的电子设备，具体而言，涉及磁头。磁头可以应用于例如硬盘驱动器、集成电路芯片、个人计算机、移动终端、移动电话、包括磁传感器设备的各种电子设备、电气设备等。
[0187]
作为示例，图17a和17b图示了将包括示例1至示例5中描述的非易失性存储器元件的磁电阻器101应用于组合磁头100的示例。注意的是，图17a是图示组合磁头100的示意性透视图，其中一部分被切除以便可以看到其内部结构，并且图17b是组合磁头100的示意性横截面视图。
[0188]
组合磁头100是用于硬盘设备等的磁头。在基板122上形成包括示例1至5中描述的非易失性存储器元件(存储器单元阵列)的磁电阻效应类型磁头，并且在磁电阻效应类型磁头上进一步堆叠感应类型磁头。在此，磁电阻效应类型磁头作为再现头操作，并且感应类型磁头作为记录头操作。即，在组合磁头100中，再现头和记录头被组合。
[0189]
组合磁头100中所包括的磁电阻效应类型磁头是所谓的屏蔽型mr磁头，并且包括经由绝缘层123形成在基板122上的第一磁屏蔽层125、经由绝缘层123形成在第一磁屏蔽层125上的磁电阻器101、以及经由绝缘层123形成在磁电阻器101上的第一磁屏蔽层127。绝缘层123包括绝缘材料，诸如al2o3或sio2。第一磁屏蔽层125形成为对磁电阻器101的下层侧进行磁屏蔽，并且包括诸如ni-fe之类的软磁材料。磁电阻器101经由绝缘层123形成在第一磁屏蔽层125上。在磁电阻效应类型磁头中，磁电阻器101用作检测来自磁记录介质的磁信号的磁感测元件。磁电阻器101具有大致矩形形状，并且其一个侧表面暴露为面向磁记录介质的表面。此外，偏置层128和129形成在磁电阻器101的两端。此外，形成连接到偏置层128和129的连接端子130和131。感测电流经由连接端子130和131供应给磁电阻器101。第二磁屏蔽层127经由绝缘层123形成在偏置层128、129的上方。
[0190]
堆叠在磁电阻效应类型磁头上的感应类型磁头包括磁芯，磁芯包括第二磁屏蔽层127和上层磁芯132，以及形成为缠绕磁芯的薄膜线圈133。上层磁芯132与第二磁屏蔽层127一起形成闭合磁路，用作感应类型磁头的磁芯，并且包括诸如ni-fe之类的软磁材料。在此，第二磁屏蔽层127和上层芯132形成为使得其前端作为与磁记录介质相对的面而露出，并且第二磁屏蔽层127和上层芯132在其后端处彼此接触。在此，第二磁屏蔽层127和上层芯132的前端形成为使得第二磁屏蔽层127和上层芯132在磁记录介质的相对表面上以预定间隙g彼此分离。即，在组合磁头100中，第二磁屏蔽层127不仅对磁电阻器101的上层侧进行磁屏蔽，而且用作感应类型磁头的磁芯，并且第二磁屏蔽层127和上层磁芯132构成感应类型磁头的磁芯。此外，间隙g是感应类型磁头的记录磁隙。
[0191]
此外，在第二磁屏蔽层127上，形成嵌入绝缘层123中的薄膜线圈133。薄膜线圈133被形成为缠绕包括第二磁屏蔽层127和上层磁芯132的磁芯。虽未示出，但薄膜线圈133的两个端部都向外部露出，并且形成于薄膜线圈133的两个端部的端子用作感应类型磁头的外部连接端子。即，在磁记录介质上记录磁信号时，从这些外部连接端子向薄膜线圈133供应记录电流。
[0192]
如上所述的组合磁头100包括磁电阻效应类型磁头作为再现头，并且磁电阻效应类型磁头包括示例1至5中描述的磁电阻器101作为从磁记录介质检测磁信号的磁敏元件。此外，由于磁电阻器101如上所述表现出非常优异的特性，因此这个磁电阻效应类型磁头可以响应磁记录的记录密度的进一步增加。
[0193]
迄今为止，已经基于优选示例描述了本公开。但是，本公开不限于这些示例。构成示例中描述的非易失性存储器元件的各种堆叠结构、使用的材料等是说明性的，并且可以适当改变。
[0194]
如图18a中的非易失性存储器元件的修改的概念图中所示，在每个示例中，已经描述了具有其中存储层33位于堆叠30的最上层的结构的基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器。但是，通过颠倒堆叠30中的层的堆叠的次序，也可以使用具有其中存储层33位于堆叠30中的最下层的结构的基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器。可替代地，如图18b中的非易失性存储器元件的修改的概念图中所示，堆叠的铁结构还可以在一个磁性材料层(参考层)31c和构成堆叠的铁结构的堆叠30之间包括包含选自钒、铬、铌、钼、钽、钨、铪、锆、钛和钌中的至少一种元素的非磁性材料层31d。
[0195]
此外，绝缘材料层51可以具有磁性。在这种情况下，仅需要由例如氧化铁(feo
x
)构
成绝缘材料层51。
[0196]
在示例中基部由硅半导体基板构成，但也可以替代地由soi基板(具体而言，构成soi基板的硅层等)构成。可替代地，基部可以由ingaas层或ge层代替硅层构成，并且选择晶体管tr可以形成在ingaas层或ge层中。
[0197]
注意的是，本公开可以具有以下配置。
[0198]
[a01]《《电阻可变式的非易失性存储器元件》》
[0199]
一种电阻可变式的非易失性存储器元件，其具有堆叠，该堆叠至少包括磁化固定层、中间层和存储层，其中
[0200]
非磁性材料分散在所述磁化固定层和所述存储层中的至少一个中。
[0201]
[a02]根据[a01]所述的非易失性存储器元件，其中所述非磁性材料是选自由铌(nb)、钨(w)、钽(ta)、铱(ir)、铬(cr)、钼(mo)、钛(ti)、钌(ru)、镁(mg)、mgo、锆(zr)和铪(hf)构成的组中的至少一种非磁性材料，或者包括所述非磁性材料中的两种或更多种的合金材料。
[0202]
[a03]根据[a01]或[a02]所述的非易失性存储器元件，其中所述非磁性材料分散在所述存储层中。
[0203]
[a04]根据[a03]所述的非易失性存储器元件，其中所述非磁性材料以3.3质量％至20质量％的量分散在所述存储层中。
[0204]
[a05]根据[a01]或[a02]所述的非易失性存储器元件，其中所述非磁性材料分散在所述磁化固定层中。
[0205]
[a06]根据[a05]所述的非易失性存储器元件，其中所述非磁性材料以3.3质量％至20质量％的量分散在所述磁化固定层中。
[0206]
[a07]根据[a01]或[a02]所述的非易失性存储器元件，其中所述非磁性材料分散在所述磁化固定层和所述存储层中。
[0207]
[a08]根据[a07]所述的非易失性存储器元件，其中
[0208]
所述非磁性材料以3.3质量％至20质量％的量分散在所述存储层中，以及
[0209]
所述非磁性材料以3.3质量％至20质量％的量分散在所述磁化固定层中。
[0210]
[a09]根据[a01]至[a08]中的任一项所述的非易失性存储器元件，其中，写入错误率的写入电压依赖性比其中未分散所述非磁性材料的非易失性存储器元件中的写入错误率的写入电压依赖性更陡峭。
[0211]
[a10]根据[a09]所述的非易失性存储器元件，满足
[0212]
其中
[0213]
wer1表示写入错误率，wer0表示其中未分散所述非磁性材料的非易失性存储器元件中的写入错误率，并且vw表示写入电压。
[0214]
[b01]《《用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法
···
第一方面》》
[0215]
一种用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法，该电阻可变式的非易失性存储器元件具有至少包括磁化固定层、中间层和存储层的堆叠，
[0216]
非磁性材料分散在所述存储层中，该方法包括：
[0217]
交替地堆叠存储层形成层和非磁性材料以形成所述存储层；然后对堆叠进行加热处理以使所述非磁性材料分散在所述存储层中。
[0218]
[b02]根据[b01]所述的用于制造非易失性存储器元件的方法，其中所述非磁性材料具有小于构成所述非磁性材料的材料的晶格常数的厚度。
[0219]
[b03]根据[b01]或[b02]所述的用于制造非易失性存储器元件的方法，其中所述非磁性材料以3.3质量％至20质量％的量分散在所述存储层中。
[0220]
[c01]《《用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法
···
第二方面》》
[0221]
一种用于制造电阻可变式的非易失性存储器元件的方法，该电阻可变式的非易失性存储器元件具有至少包括磁化固定层、中间层和存储层的堆叠，
[0222]
非磁性材料分散在所述磁化固定层中，该方法包括：
[0223]
交替地堆叠用于形成所述磁化固定层的磁化固定层形成层和非磁性材料；然后对堆叠进行加热处理以使所述非磁性材料分散在所述磁化固定层中。
[0224]
[c02]根据[c01]所述的用于制造非易失性存储器元件的方法，其中所述非磁性材料具有小于构成所述非磁性材料的材料的晶格常数的厚度。
[0225]
[c03]根据[c01]或[c02]所述的用于制造非易失性存储器元件的方法，其中所述非磁性材料以3.3质量％至20质量％的量分散在所述磁化固定层中。
[0226]
[c04]根据[c01]至[c03]中的任一项所述的用于制造非易失性存储器元件的方法，该方法包括：交替地堆叠用于形成所述磁化固定层的磁化固定层形成层和非磁性材料；交替地堆叠用于形成所述存储层的存储层形成层和非磁性材料；然后对堆叠进行加热处理以使所述非磁性材料分散在所述磁化固定层和所述存储层中。
[0227]
[c05]根据[c04]所述的用于制造非易失性存储器元件的方法，其中用于形成所述存储层的所述非磁性材料具有小于构成所述非磁性材料的材料的晶格常数的厚度。
[0228]
[c06]根据[c04]或[c05]的用于制造非易失性存储器元件的方法，其中所述存储层中的所述非磁性材料以3.3质量％至20质量％的量分散在所述磁化固定层中。
[0229]
[d01]《《电子设备》》
[0230]
一种电子设备，包括根据[a01]至[a10]中的任一项所述的非易失性存储器元件。
[0231]
附图标记列表
[0232]
11，11'，11”，21，22 非易失性存储器元件
[0233]
30 堆叠
[0234]
30a 堆叠的第一表面
[0235]
30b 堆叠的第二表面
[0236]
31 磁化固定层
[0237]
31a 固定层
[0238]
31b 非磁性层
[0239]
31c 参考层
[0240]
31c'，31c
”ꢀ
参考层形成层
[0241]
31d 非磁性材料层
[0242]
32 中间层
[0243]
33 存储层(磁化反转层或自由层)
[0244]
33'，33
”ꢀ
存储层形成层
[0245]
34 基层
[0246]
35 帽层
[0247]
36 非磁性材料
[0248]
41 第一布线
[0249]
42 第二布线
[0250]
51 绝缘材料层
[0251]
60 基部(半导体基板)
[0252]
61 栅极电极
[0253]
62 栅极绝缘层
[0254]
63 沟道形成区域
[0255]
64a、64b 源极/漏极区域
[0256]
65 连接孔
[0257]
66 接触孔
[0258]
67 层间绝缘层
[0259]
100 组合磁头
[0260]
101 磁电阻
[0261]
122 基板
[0262]
123 绝缘层
[0263]
125 第一磁屏蔽层
[0264]
127 第二磁屏蔽层
[0265]
128，129 偏置层
[0266]
130，131 接线端子
[0267]
132 上层
[0268]
133 薄膜线圈
[0269]
g 间隙
[0270]
tr、tr1、tr2、tr
1a
、tr
1b
、tr
1a
、tr
1b
、tr
2a
、tr
2b
、tr
2a
、tr
2b 选择晶体管
[0271]
tr' 元件分离晶体管
[0272]
wl 字线
[0273]
bl 位线
[0274]
sl 感测线