[发明专利]存储单元、存储装置和磁头

说明书

技术领域

本公开内容涉及利用自旋扭矩磁化反转进行记录的存储单元和存储装置，以及磁头。

现有技术文献列表

专利文献

专利文献1：JP 2003-17782A

专利文献2：US 6,256,223B1说明书

专利文献3：JP 2008-227388A

非专利文献

非专利文献1：Physical Review(物理评论)B,54,9353(1996)

非专利文献2：Journal of Magnetism and Magnetic Materials(磁性与磁性材料期刊)，159,L1(1996)

非专利文献3：Nature Materials(自然材料),5,210(2006)

背景技术

根据从大容量服务器到移动终端的各种信息装置的迅猛发展，人们一直在对它们的构成元件(诸如，存储器或逻辑元件)追求更高的性能，例如，高集成度、高速度、以及低功耗。特别是，半导体非易失性存储器的开发已经非常显著，作为大容量存储器的闪存已得到广泛使用，且发展势头是几乎消除磁盘驱动器。另一方面，正在开发FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM(磁性随机存取存储器)、以及PCRAM(相变随机存取存储器)等，目的是将它们应用于代码存储使用和进一步应用到工作存储器中，以便替代当前普遍使用的NOR闪存、DRAM等。其中一些已被已投入实际使用。

在这些中，因为通过磁体的磁化方向进行数据存储，MRAM能够高速并近似无限次(10¹⁵倍以上)重写，并已用于工业自动化或飞机的领域中。预计由于高速操作和可靠性的原因，将开发MRAM未来用于代码存储或工作存储器；然而，实际上，存在降低功耗或增加容量的难点。该难点源自MRAM的记录原理，也就是说，通过从配线生成的电流磁场反转磁化的方法。

作为解决困难的一种方法，曾考虑过在不使用电流磁场(即，磁化反转系统)的情况下记录。特别是，研究了自旋扭矩磁化反转是活动的(例如，参见专利文献1、2、3和非专利文献1、2)。

在很多情况下，自旋扭矩磁化反转的存储单元由MTJ(磁性隧道结)(TMR(隧道磁阻))元件构成，与MRAM类似。

这种配置利用了穿过沿某个方向上固定的磁性层的自旋极化电子，在进入另一自由(方向不固定)磁性层时对磁性层施加扭矩(这也被称为自旋注入扭矩)。馈入某个阈值以上的电流使得自由磁性层能够反转。通过改变电流的极性实现0/1的重写。

在尺度(scale)为约0.1μm的元件中用于反转的电流的绝对值是1mA以下。此外，电流值与元件体积成比例地减小，这使得元件体积能够缩放。此外，不像MRAM，可以去掉生成电流磁场进行记录的字线，从而取得简化单元构造的优势。

在下文中，利用自旋扭矩磁化反转的MRAM将会称作ST-MRAM(自旋扭矩磁性随机存取存储器)。自旋扭矩磁化反转也被称为自旋注入磁化反转。关于ST-MRAM所抱有的最大期望是，将ST-MRAM用作能够保持MRAM的优点的同时降低低功耗和提高容量，即高速和近似无限次地重写的非易失性存储器。

发明内容

对于在ST-MRAM存储单元中使用的铁磁体，考虑了各种材料。在一般情况下，具有垂直磁各向异性的材料被认为是比具有面内磁性各向异性的材料更适合于省电和容量大。这是因为垂直磁化在自旋扭矩磁化反转中具有超过的较低阈值(反转电流)，并且因为垂直磁化膜的高磁各向异性有利于保持大容量小型化的存储单元的热稳定性。

这里，为了得到高致密的ST-MRAM元件，希望在低电压下实现记录和每个MTJ元件的读出信号的高输出。因此，充分提高足够薄并具有低电阻的绝缘膜中的隧道磁阻比(MR比或TMR)是重要的。由特定材料构成的MTJ结构呈现高TMR，但具体地，垂直磁化材料制成的TMR在某个温度以上进行热处理之后显著降低。

因此希望提供一种可以改进TMR特性的存储单元、包括存储单元的存储装置和磁头。

根据本公开的实施方式的一种存储单元包括层状结构，该层状结构包括存储层，其中，磁化方向与信息对应地改变；磁化固定层，具有垂直于膜表面并用作存储层中存储的信息的基准的磁化；以及中间层，设置在存储层与磁化固定层之间并由非磁体制成，其中，碳被插入于中间层中，并且通过沿层状结构的层压方向馈入电流使存储层中的磁化方向改变从而将信息记录在存储层中。