[发明专利]存储元件和存储装置

说明书

技术领域

本公开涉及具有多个磁层(magnetic layer)并利用自旋扭矩磁化反转(spin torque magnetization switching)进行记录的存储元件和存储装置。

背景技术

随着从移动终端到大容量服务器的各种信息装置的快速发展，在诸如构成这些装置的存储元件和逻辑元件之类的元件中不断追求更高的性能提高，例如，更高的集成度、更快的速度和更低的功耗。尤其是，半导体非易失性存储器已取得显著进步，作为大容量文件存储器，闪存普及的速率使得硬盘驱动器被闪存所取代。同时，已进行了将FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM(磁随机存取存储器)、PCRAM(相变随机存取存储器)等开发成为当前通用的或非门闪存、DRAM等的替代，从而将它们用于代码存储或作为工作存储器。这些中的一部分已经投入实际运用。

在它们当中，MRAM利用磁材料的磁化方向执行数据存储以使得可进行高速地、几乎无限制次数(10¹⁵次以上)的重写，因此，已经被用在诸如工业自动化和航空器之类的领域中。由于高速操作和可靠性，在不久的将来期望将MRAM用于代码存储或工作存储器。然而，MRAM存在与降低功耗、增加容量相关的挑战。这是由MRAM的记录原理(即，利用从互连件生成的电流磁场来对磁化进行反转)导致的基本问题。

作为解决该问题的一个方法，不使用电流磁场的记录方法，即，磁化反转方法，正在审查中。具体地，已对自旋扭矩磁化反转进行了积极研究(例如，参见日本未实审专利申请公报No.2003-017782和No.2008-227388、美国专利No.6,256,223、Physical Review B，54，9353(1996)，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，159，L1(1996))。

类似于MRAM，使用自旋扭矩磁化反转的存储元件通常包括MTJ(磁隧道结)。

该配置使用这样的现象：其中，当经过被固定在任意方向上的磁层的自旋极化电子进入另一自由(方向未被固定)磁层时，扭矩(其也被称为自旋转移扭矩)被施加给磁层，并且当具有预定阈值以上的电流流动时该自由磁层被反转。0/1的重写是通过改变电流的极性来执行的。

在具有大约0.1μm的尺寸的存储元件的情况中，用于反转的电流的绝对值为1mA或更小。另外，由于该电流值与该元件的体积成比例地下降，因此可以进行缩放。另外，由于不需要MRAM中生成记录电流磁场所必要的字线，因此优点在于单元结构变得简单。

下面，将利用自旋扭矩磁化反转的MRAM成为自旋扭矩磁随机存取存储器(Spin Torque-Magneic Random Access Memory，ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反转也被称为自旋注入磁化反转。对作为如下非易失性存储器的ST-MRAM寄予厚望：该非易失性存储器能够实现更低功耗和更大容量，同时维持MRAM的可执行高速、几乎无限制的重写的优点。

发明内容

在MRAM中，将写互连件(字线和位线)与存储元件分开地布置，并且经由通过向写互连件施加电流而生成的电流磁场来写入(记录)信息。因此，写入所需要的电流可以充分地流经写互连件。

另一方面，在ST-MRAM中，要求流入存储单元的电流包括自旋扭矩磁化反转以便反转存储层的磁化方向。

通过以这种方式直接向存储元件施加电流来写入(记录)信息。为了选择要进行写入的存储单元，存储元件被连接到选择晶体管以构成存储单元。在此情况中，流入存储元件的电流受到可以流入选择晶体管的电流量的限制，即，受到选择晶体管的饱和电流的限制。

因此，需要以等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流来执行写入，并且已知晶体管的饱和电流随着小型化而减小。为了使ST-MRAM小型化，需要提高自旋转移效率并且减小流入存储元件的电流。

另外，需要确保高的磁阻改变率以放大读出信号。为了实现此，有效的是，采用上述MTJ结构，即，以如下方式来配置存储元件：将与存储层相接触的中间层用作隧道绝缘层(隧道势垒层)。

在隧道势垒层被用作中间层的情况中，流入存储元件的电流量被限制以防止发生隧道绝缘层的绝缘击穿。即，从确保存储元件的重复写入的可靠性的角度来说，必须限制自旋扭矩磁化反转所需的电流。

自旋扭矩磁化反转所需的电流也被称为反转电流、存储电流等。

此外，由于ST-MRAM是非易失性存储器，因此需要稳定地存储通过电流写入的信息。即，需要确保相对于存储层的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。