[发明专利]存储元件和存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及通过使用自旋扭矩磁化反转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设备的快速发展，人们追求有关组成这种信息设备的存储器、逻辑以及其他元件的诸如高集成化、高速度以及低功耗等越来越高的性能。

具体地，在半导体非易失性存储器方面已经取得显著进步，并且作为大容量文件存储器的闪存已经得到广泛的应用，似乎它们能够取代硬盘。

同时，考虑到还将开发扩展至代码存储和工作存储器，已经开始开发半导体非易失性存储器来取代目前通常使用的NOR闪存存储器、DRAM等。半导体非易失性存储器的实施例包括FeRAM(铁电随机存取存储器)MRAM(磁性随机存取存储器)、PCRAM(相变RAM)等。已经实现其中的一些。

在这些非易失性存储器中，MRAM能够高速重写以及它们通过利用磁性材料的磁化方向执行数据存储从而也能够几乎无限次(10¹⁵次以上)的重写。MRAM已经应用于工业自动化、航天等领域中。

对于高速操作和可靠性，今后期望在代码存储和工作存储器方面开发MRAM。

然而，MRAM在实现低功耗和大容量方面仍存在问题。

这可能是由MRAM的记录原理产生的严重问题，即，通过由配线产生的电流磁场反转磁化的方法。

当前研究下解决这种问题的方法的一种实例是记录方法不再取决于电流电场(即，磁化反转)。在这些研究中，已经积极开展了有关自旋扭矩磁化反转的研究(例如，参见专利文献1和2)。

使用自旋扭矩磁化反转的存储元件可由与MRAM中相同的MTJ(磁隧道结)配置。

这利用了以下事实，当穿过被固定至特定方向的磁性层的自旋极化电子进入另一磁性自由层(没有固定方向)时，自旋极化电子对磁性自由层施加自旋扭矩。当流入特定阀值以上的电流时，自由磁性层(存储层)将其磁化方向反转。

通过改变允许流入存储元件的电流极性进行0/1的重写。

用于自由磁性层的磁化方向反转的电流的绝对值在0.1μm-级(scale)存储元件中通常为1mA以下。而且，随着该电流值与存储元件的体积成比例地减少，可以缩放比例。

而且，因为其消除了用于产生写电流磁场的字线的需要，所以其可具有能够简化单元结构的优点。

下面，使用自旋扭矩磁化反转的MRAM被称之为“STT-MRAM(自旋转移扭矩磁性随机存取存储器)”。

非常希望作为非易失性存储器的STT-MRAM能够实现低功耗和大容量的同时保持MRAM具有的高速度和几乎无限次重写的优点。

专利文献1：日本专利申请特开第2003-17782号

专利文献2：美国专利第5,695,864号

发明内容

本发明解决的问题

在STT-MRAM中，引起磁化反转的自旋扭矩的大小将根据磁化方向而变化。

在STT-RAM中的存储元件的通常结构中，存在自旋扭矩为零的磁化角。

当初始状态下的磁化角与该角一致时，磁化反转所需的时间将变得非常长。因此，存在磁化反转未能在写时间内完成的一些情况。

如果未在写时间内完成反转，则该写操作将产生故障(写入错误)，其中，不能执行正常写操作。

本公开的目的是提供一种能够有效防止错误产生并且在短时间内执行写操作的存储元件和存储装置。

解决此问题的手段

为了解决上述所述问题，根据本公开的存储元件配置如下。

即，根据本公开的存储元件包括层状结构。层状结构至少包括：存储层，存储层具有根据信息而变化的磁化方向；磁化固定层，磁化固定层具有固定的磁化方向；以及中间层，中间层包含非磁性材料、设置在存储层与磁化固定层之间。通过使电流流入其层压方向的层状结构引起存储层的磁化方向变化来记录信息。

磁化固定层具有在其间插入耦合层层压的两个铁磁层，插入耦合层磁耦合铁磁层，铁磁层具有从垂直于膜表面的方向倾斜的磁化方向。

此外，根据本公开的存储装置包括：根据本公开的存储元件；以及配线部分，配线部分用于将流入层压方向的电流供应至存储元件；以及电流供应控制部分，电流供应控制部分用于控制经由配线部分向存储元件供应的电流。

如上所述，在根据本公开的存储元件中，形成磁化固定层的铁磁层的磁化方向从垂直于膜表面的方向倾斜。从而可以有效防止磁化反转时间因存储层和磁化固定层的磁化方向变得大致平行或者反平行而发散。即，可以通过在预定的有限时间内使存储层的磁化方向反转来执行信息的写入。