[发明专利]磁性元件和存储装置

说明书

本发明涉及磁性元件和存储装置，其中，该磁性元件包括：自由磁化层，根据磁体的磁化状态来保持信息；磁化固定层，具有用作被存储在存储层中的信息的基准的磁化；以及绝缘层，由被设置在存储层与磁化固定层之间的非磁体形成，其中，通过利用伴随在自由磁化层、绝缘层以及磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流发生的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化来存储信息，并且存储层的尺寸小于磁化的方向被同时改变的尺寸。

本申请是申请日2012年07月25日、申请号为201210260559.9、发明名称为“存储元件和存储装置”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及包括将铁磁层的磁化状态存储为信息的存储层和磁化方向被固定的磁化固定层，并且存储层的磁化方向通过使电流流动而改变的存储元件，以及包括该存储元件的存储装置。

背景技术

随着诸如移动终端和大容量服务器的各种信息装置的快速发展，已对诸如各种信息装置中所包括的存储器或逻辑电路的元件研究了诸如高集成度、高速度以及低功耗的高新性能特征。具体地，半导体非易失性存储器已高度先进并且诸如大容量文件存储器的闪存已作为硬盘驱动器被大量生产。另一方面，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)等在开发中，以将这些存储器发展成代码存储器或工作存储器并且代替目前已有的NOR闪存或DRAM。此外，一些存储器已被投入实际使用。

在这些存储器中，MRAM由于数据根据磁体的磁化方向被存储而能够快速地并且几乎是无数次地(10¹⁵次以上)重写数据，并且已被用在工业自动化、飞机等领域。从高速操作和可靠性方面来讲，MRAM期望在未来被发展成代码存储器或工作存储器。实际上，低功耗和大容量的问题已变成一个难题。此问题是MRAM的记录原理所固有的问题，该记录原理为，使电流在基本上彼此垂直的两种地址线(字线和位线)中流动并且通过利用由每条地址线产生的电流磁场来反转在地址线的交叉点处的磁存储元件的磁性层的磁化的方法，即，利用由每条地址线产生的电流磁场来反转磁化。

作为此问题的一种解决方案，在不依赖电流磁场的情况下执行的记录类型，即，磁化反转类型已被实验。在这些类型当中，已积极地进行了对自旋扭矩磁化反转的研究(例如，参见日本未审专利申请公开第2003-17782号、美国专利第6256223号、日本未审专利申请公开第2008-227388号、PHYs.Rev.B,54.9353(1996)以及J.Magn.Mat.,159,L1(1996))。

在许多情况下，自旋扭矩磁化反转类型存储元件通过如在MRAM中的磁隧道结(MTJ)构成。在这种构造中，当通过在穿过被固定在给定方向上的磁性层的自旋极化电子进入另一自由磁性层(其中方向未被固定)时将扭矩(其被称为自旋转移扭矩)施加于磁性层而使值为等于或大于给定阈值的电流流动时，自由磁性层被反转。通过改变电流的极性来执行重写“0/1”。

在尺寸为约0.1μm的元件中，用于反转磁性层的电流的绝对值是1mA以下。此外，可执行按比例缩小(scaling)，以与元件体积成比例地减小电流值。此外，由于不需要MRAM中所必需的记录电流磁场生成字线，所以具有简化了单元结构的优点。

在下文中，利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)。自旋扭矩磁化反转也被称为自旋注入磁化反转。非常期望将ST-RAM实现为除MRAM的优点(数据被快速地并且几乎无限次地被重写)之外还具有低功耗和高容量的优点的非易失性存储器。

发明内容

在MRAM中，从存储元件分离地提供写入线(字线或位线)并且利用通过使电流在写入线中流动而产生的电流磁场来写入(记录)信息。因此，能够在写入线中流过用于写入信息所需的足够的电流量。