[发明专利]含有具有垂直磁各向异性膜的数据记录层的磁存储器

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁存储器，更具体地，涉及一种利用具有垂直磁各向异性(PMA)的磁膜作为每个存储单元中的数据记录层的磁存储器。

背景技术

磁存储器或磁随机存取存储器(MRAM)是实现高速操作并允许无限次重写的非易失性存储器。这促进了MRAM在特定应用中的实际用途，并且促进了对MRAM多用途扩展的开发。磁存储器使用磁膜作为存储元件，并将数据存储为磁膜的磁化方向。在向磁膜中写入期望的数据时，磁膜的磁化转变成与数据对应的方向。已经提出了各种方法来转变磁化方向，但是所有这些提出的方法的相同之处在于都使用电流(或写入电流)。在实现MRAM的实际应用中非常重要的一点是减小写入电流。例如，N.Sakimura等人在IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，VOL.42，NO.4，pp.830-838，2007的“MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”中论述了减小写入电流的重要性。

减小写入电流的一种途径是在数据写入时使用“电流驱动畴壁运动”。如A.Yamaguchi等人在PHYSICAL REVIEW LETTERS，VOL.92，NO.7，077205，2004的“Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires”中所公开的，当电流在穿过畴壁的方向上流动时，畴壁会在传导电子的方向上移动。因此，通过流动穿过数据记录层的写入电流，畴壁会在对应于电流方向的方向上移动，由此写入期望的数据。例如，在日本专利申请公布No.2005-191032A中公开了基于电流驱动畴壁运动的MRAM。

此外，在美国专利No.6,834,005中公开了一种基于自旋注入(spin injection)的磁移位寄存器。这种磁移位寄存器利用在磁体中形成的畴壁记录数据。当电流穿过畴壁注入到被分成多个区域(或磁畴)的磁体中时，畴壁被电流移动。每个区域的磁化方向定义为记录的数据。例如，这种磁移位寄存器用来记录大量串行数据。

本领域熟知的，在实现基于电流驱动畴壁运动的数据写入的磁存储器中，通过利用具有垂直磁各向异性的磁膜作为数据记录层，能够进一步减小写入电流。例如，S.Fukami等人在JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，VOL.103，07E718，2008的“Micromagnetic analysis of current driven domain wall motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy”中公开了这种技术。

此外，国际公布No.WO2009/001706 A1公开了一种磁存储器，其中具有垂直磁各向异性的磁膜用作数据记录层，并且通过电流驱动畴壁运动实现数据写入。图1是示意性示出集成在公开的磁存储器中的磁阻效应元件200的截面图。磁阻效应元件200包括数据记录层110、间隔层120和基准层130。数据记录层110由具有垂直磁各向异性的磁膜形成。间隔层120由非磁性电介质层形成。基准层130由具有固定磁化的磁层形成。

数据记录层110包括一对磁化固定区111a和111b以及磁化自由区113。磁化固定区111a和111b隔着磁化自由区113布置。磁化固定区111a和111b的磁化分别被磁化固定层115a和115b固定在相反的方向(或反向平行方向)。更具体地，通过与磁化固定层115a磁耦合，磁化固定区111a的磁化方向固定为+z方向；并且通过与磁化固定层115b磁耦合，磁化固定区111b的磁化方向固定为-z方向。另一方面，通过从磁化固定区111a和111b中的一个流向另一个的写入电流，磁化自由区113的磁化方向是在+z和-z方向之间可反转的。结果，取决于磁化自由区113的磁化方向，在数据记录层110中形成了畴壁112a或112b。数据存储为磁化自由区113的磁化方向。数据可以被认为是存储为畴壁的位置(由数字112a和112b指示)。

基准层130、间隔层120和数据记录层110的磁化自由层113形成磁隧道结(MTJ)。MTJ的电阻根据磁化自由区113的磁化方向，即，写入到数据记录层110中的数据而变化。数据被读取为MTJ电阻的大小。