[发明专利]磁性存储装置及其驱动方法和信息写入读取方法

说明书

技术领域

示例实施例涉及磁性存储装置、驱动所述磁性存储装置的方法、所述磁 性存储装置的数据写入和读取方法，更具体地讲，涉及可以使磁电阻(MR)的 减小减轻或最小化和/或可以减小临界电流密度(Jc)的磁性存储装置、驱动所 述磁性存储装置的方法、所述磁性存储装置的数据写入和读取方法。

背景技术

随着信息产业的发展，需要对相对大量的信息进行处理。因此，对于能 够存储相对大量的信息的数据存储介质的需求正在持续地增加。随着对于数 据存储介质的需求的增加，已经开展了关于具有相对高的数据存储速度的相 对小尺寸的信息存储介质的研究。作为这样的研究的结果，已经开发出了各 种信息存储设备。

信息存储设备是易失性信息存储设备或非易失性信息存储设备。在易失 性信息存储设备的情况下，当关断电源时存储的信息被擦除。易失性信息存 储设备的写入和读取速度高于非易失性信息存储设备的写入和读取速度。在 非易失性信息存储设备的情况下，即使关断电源存储的信息也没有被擦除。

动态随机存取存储器(DRAM)是传统的易失性信息存储设备的示例。硬 盘驱动器(HDD)和随机存取存储器(RAM)是传统的非易失性信息存储设备的 示例。作为一种易失性信息存储设备，磁性随机存取存储器(MRAM)利用基 于自旋相关电子传输现象的磁电阻效应。

传统的磁性存储装置利用由流过传统的磁性存储装置的位线和字线的电 流产生的磁场来切换存储单元的自由层的磁化方向。然而，这样的方法存在 下面的缺点。

当减小单位单元的尺寸以实现相对高密度的存储装置时，自由层的矫顽 性增加。结果，切换场(switching field)增加。因此，施加的电流的幅值会增加。 此外，因为在存储阵列结构中包括了相对大量的存储单元，所以不期望的单 元的自由层会被切换。因此，利用磁场进行切换的传统的磁性存储装置具有 相对低的选择性，并会难以实现高密度的存储装置。

利用自旋转移扭矩(spin transfer torque，STT)现象的磁性存储装置可以解 决上述在高密度、选择性、和高写入电流方面的缺点，因此，已经展开了关 于利用STT现象的磁性存储装置的很多研究。在这样的传统方法中，通过使 自旋被沿一定方向极化的电流在磁性存储装置中流动，来利用电子的自旋转 移，将磁性存储装置的自由层切换为期望的方向。这样的传统方法优点在于 实现了相对高的密度，这是因为随着单元尺寸的减小所需电流是相对小的。 然而，对于利用STT现象的磁性存储装置来说，切换所述磁性存储装置所需 的临界电流密度太大以至于不能商业化，因此，已经展开了为了减小利用STT 现象的磁性存储装置的临界电流密度的研究。

下面提出了减小临界电流密度的多种方法。

在一个示例中，通过增加输入电流的极化因子(polarization factor)，可以 减小切换所需的临界电流。然而，极化因子是材料的基本性质，因此，难以 增加极化因子。可选择地，可以使用多层结构。

图1是传统的磁性存储装置的结构的剖视图。

参照图1，传统的磁性存储装置包括顺序形成在基底100上的第一反铁 磁层101、第一固定层102、第一非磁性层103、自由层104。第二非磁性层 105、第二固定层106、第二反铁磁层107顺序形成在自由层104上。通过第 一反铁磁层101将第一固定层102的磁化方向固定为沿第一方向，同时，通 过第二反铁磁层107将第二固定层106的磁化方向固定为沿第二方向。可以 沿任意方向来改变自由层104的磁化方向。第一非磁性层103由Cu形成。第 一固定层102、第一非磁性层103、自由层104具有传统的巨磁电阻(GMR) 结构。

第二非磁性层105由Al形成，自由层104、第二非磁性层105、第二固 定层106具有隧穿磁电阻(tunneling magneto-resistance，TMR)结构。