[发明专利]存储元件和存储设备

说明书

技术领域

本发明涉及存储元件以及包含该存储元件的存储设备，其中，该存储元件包括将铁磁层的磁化状态存储作为信息的存储层和磁化方向为固定（pin）的磁化钉扎层（magnetization pinned layer），并且该存储元件通过流入的电流改变存储层的磁化方向。

背景技术

伴随着各种信息装置（包括大容量服务器、移动终端等）的显著发展，形成这些装置的元件（诸如存储器以及逻辑电路）也被要求改进性能，诸如集成度的提高、运行速度的提高以及功耗的降低。尤其是，非易失性半导体存储器的进步已引人关注，首先，对于充当大容量文件存储器的闪速存储器的需求不断增长，从而替代硬盘驱动器。

此外，由于扩展到代码存储和工作存储器，铁电随机存取存储器（FeRAM）、磁性随机存取存储器（MRAM）、相变随机存取存储器（PCRAM）等已被开发，从而替换现在常用的NOR闪速存储器、DRAM等，并且上述的一些存储器已经被投入实际使用。

尤其是，因为数据通过磁性材料的磁化方向进行存储，MRAM能够执行高速并且几乎无限的（10¹⁵次以上）重写操作，并已被应用于工业自动化、飞机等领域。

因为MRAM的高速操作和高可靠性，预计今后将其扩展到代码存储和工作存储器；然而，在实践中，还有诸如功耗降低以及容量增加的问题需要克服。

上述问题是由MRAM的记录原理造成的固有问题，即，是通过由配线产生的电流磁场执行磁化反转的方法所造成的。作为解决上述问题的一个方法，已研究使用非电流磁场的记录方法（即，磁化反转方法），尤其是，已经积极地进行针对自旋扭矩磁化反转的研究。

在MRAM的情况下，自旋扭矩磁化反转的存储元件使用磁隧道结（MTJ）而形成，并且利用以下现象，在其中，穿过在特定方向上固定的磁性层的自旋极化电子在其进入另一自由磁性层时，把扭矩传给该自由磁性层（其方向不固定），并且自由磁性层的磁性是由等于或超过特定阈值电流的电流通过而反转。通过改变电流的极性执行0/1重写。

在约0.1μm规格的元件中，用于反转的电流绝对值是1mA以下。

此外，因为电流值与元件体积成比例降低，所以能够执行比例缩放（scaling）。而且，因为对于MRAM所必须的用于产生电流磁场以进行记录的字线（word line），在这种情况下不是必须的，从而单元结构有利地被简化。

以下，使用自旋扭矩磁化反转的MRAM被称为“自旋扭矩磁随机存取存储器（ST-MRAM）”。某些情况下，自旋扭矩磁化反转也可以称为自旋注入磁化反转。

ST-MRAM已经被大大地预期作为能实现容量增加以及功耗降低的非易失性存储器，并同时保持MRAM的优势（诸如高速操作和几乎无限的重写次数）。

作为ST-MRAM，例如日本未审查专利申请公开第2004-193595号中公开的使用面内（in-plane）磁化的存储器，以及例如日本未审查专利申请公开第2009-81215号中公开的使用垂直磁化的存储器已被开发。

发明内容

尽管各种材料被检测作为用于ST-MRAM的铁磁性物质，但通常认为，与具有面内磁各向异性的材料相比，具有垂直磁各向异性的材料更适合于容量的增加和功耗的降低。

其原因是，对于垂直磁化，在自旋扭矩磁化反转中需要超越的能量势垒是低的，并且垂直磁化膜的较高的磁各向异性有利地保持小型化存储载体的热稳定性，从而实现容量的增长。

然而，根据具有垂直各向异性的磁性材料，其各向异性能是较低的，进而作为存储元件保持信息的特性在某些情况下可能是令人担忧的。

因此，需要提供这样的ST-MRAM元件，其通过进一步地增强垂直磁各向异性，实现作为存储元件的较高的信息保持特性，并且能以较低电流稳定地执行记录。

根据本发明实施方式的存储元件，包括：存储层，具有垂直于其膜面的磁化，并通过磁性物质的磁化状态保持信息；磁化钉扎层，被用作存储层中所存储的信息的基准的、垂直于其膜面的磁化；非磁性物质中间层，设置在存储层和磁化钉扎层之间；以及帽层（cap layer），设置为邻近存储层并且与中间层相反的一侧，并且包含至少两个氧化物层。该存储元件被配置为，通过使用在包括存储层、中间层和磁化钉扎层的层结构的层压方向上流动的电流所产生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化从而存储信息。