[发明专利]磁性存储元件、磁性存储器和驱动磁性存储器的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于2006年8月21日在日本提交的在先日本专利申请2006-224012，并且要求享受其优先权，通过引用将其全部内容合并于此。

技术领域

本发明涉及磁性存储元件、包括该磁性存储元件的磁性存储器和驱动磁性存储器的方法。

背景技术

利用铁磁性材料的磁性随机存取存储器(MRAM，下面也简称为“磁性存储器”)预计成为具有非易失性、高速可操作性、大容量和低功耗的非易失性存储器。这种磁性存储器具有包括存储单元的结构，每个存储单元具有“隧道磁阻效应元件(TMR元件)”作为磁性存储元件。TMR元件是用夹层结构膜形成的，该膜具有介于两个铁磁层之间的一个电介质层(隧道势垒层)。在这种TMR元件中，电流垂直地施加在膜平面上以利用隧道电流。

但在传统的MRAM中，磁记录是通过依靠通过设置在磁性存储元件上方的线(line)感应的局部电流磁场使磁性存储元件的磁性层(磁性存储层)的磁化方向反向来执行的。因此，可以施加在该线上的电流值随着器件尺寸变小而降低，而且也很难感应出足够的电流磁场。而且，在磁性存储元件中记录信息所需要的电流磁场的大小也会随着器件尺寸变小而增大。因此，预计MRAM利用通过线感应的局部电流磁场执行写入的原理在126 Mbit到256 Mbit这一发展阶段中将达到极限。

作为通过用更低的电流进行磁化反向来执行写入的装置，利用通过自旋注射引起的磁化反向的磁性存储器吸引了众多注意(例如参见USP No.6256223)。通过自旋注射引起的磁化反向是通过在磁性存储元件中注射穿过一个磁性层(磁化参考层)进入另一个磁性层(磁性存储层)的自旋极化的电子，从而在该另一个磁性层(磁性存储层)中感应出磁化反向而产生的。利用通过自旋注射使磁化反向的方法，存储信息所需要的电流由在磁性存储层的膜厚度方向上流动的电流的电流密度来确定。因此，存储信息所需要的电流随着器件尺寸变小而降低。

此外，在通过自旋注射引起的磁化反向中，尽管器件尺寸变小了，磁化反向所需要的电流密度也几乎不会变得更高。因此，可以比利用电流磁场的写入更高的效率执行写入。

在传统的自旋注射MRAM中，在相同方向上延伸的电流路径既用于写入又用于读取。因此，在读取操作期间自旋注射到每个磁性存储元件的磁性存储层中。注射到磁性存储层中的自旋向磁性存储层中的自旋施加了转矩。结果，在磁性存储层中的自旋被置于能量的激发状态。由于能量被激发的自旋对热扰动的抵抗性较低，因此在读取操作中信息被不经意地写入磁性存储层中，从而很难长时间保持所存储的信息。

为了克服这个问题，通过提高每个磁性存储层的存储保持能量来改善对热扰动的抵抗力，并且防止在读取操作中的不经意写入。但是，每个磁性存储层的存储保持能量的增大导致写入电流密度的增加，从而导致其它问题。

还建议应当增加读取电流与写入电流之比。具体地说，减小读取电流，增大写入电流，从而防止在读取操作期间的不经意写入。但是，读取电流的下限是由读出放大器的灵敏度确定的，写入电流的上限是由每个磁性存储元件的隧道势垒层的击穿电压确定的。因此，对读取电流和写入电流之差的增加有限制。

而且，为了在读取电流的下限和写入电流的上限不变的情况下增加读取电流与写入电流之比，要减小读取电流值和写入电流值的变化。但是，减小这些变化是非常困难的，因为自旋注射元件的变化随着容量的增大而变得更大。

发明内容

本发明就是针对上述情况做出的，其目的在于提供一种可以防止读取操作期间的不经意写入的自旋注射磁性存储元件、包括该磁性存储元件的磁性存储器、以及用于驱动磁性存储器的方法。

按照本发明的第一方面，提供了一种用于驱动磁性存储器的方法，该磁性存储器包括具有磁性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被固定(pinned)的磁化参考层、磁化方向可变的磁性存储层、和介于磁化参考层和磁性存储层之间的隧道势垒层，所述磁性存储层的磁化方向可以通过施加电流脉冲和注射自旋极化的电子到磁性存储层中来改变，该方法包括：施加用于在磁性存储层中写入信息的写入电流脉冲；以及施加用于从磁性存储层读取信息的读取电流脉冲，其中写入电流脉冲的持续时间比读取电流脉冲的持续时间长。