[发明专利]磁阻元件和磁性存储器

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁阻元件(magnetoresistive element)和磁性存储器，例如，涉及能够通过双向提供电流来记录数据的磁阻元件以及使用这种磁阻元件的磁性存储器。

背景技术

近来提出了许多用于根据新原理记录数据的固态存储器。在所有这些固态存储器中，作为固态磁性存储器，利用隧道式磁阻(tunnelingmagnetoresistive，TMR)效应的磁阻式随机存取存储器(magnetoresistive random access memory，MRAM)受到极大关注。作为特有性能，MRAM按照磁性隧道结(magnetic tunnel junction，MTJ)元件的磁化状态存储数据。

在传统的、按照由互连电流产生的磁场写入数据的MRAM中，当MTJ元件的尺寸减小时，矫顽力Hc增大，因此，进行写入所需要的电流趋于增大。事实上，为了制造具有256兆位或更大的大容量MRAM，芯片尺寸必须很小。为此，需要在通过增加芯片中的单元阵列占用率(cell array occupation ratio)的同时，将写电流减小到μA级。但是，减小MTJ元件的尺寸与减小写电流是相互矛盾的。为此，传统的MRAM难以同时减小单元尺寸和电流来获得大于256兆位的容量。

提出了一种MRAM，它利用自旋动量转移(spin momentumtransfer，SMT)来解决上述问题(例如，美国专利No.6256223；参考文献1[C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of MagneticMultilayers”，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Vol.159，1996，pp.L1-L7])；以及参考文献2[L.Berger，“Emission of SpinWaves by a Magnetic Multilayer Traversed by a Current”，PhysicalReview B，Vol.54，No.13，1996，pp.9353-8])。在自旋动量转移(以下称为“自旋注入”)翻转(switching)中，电流密度Jc限定了翻转所需要的磁化翻转电流Ic。因此，当元件面积减小时，利用自旋注入引起翻转的翻转电流也减小。

在写入模式中，如果电流密度为常数，则写电流也随着MTJ元件尺寸的减小而减小。因此，与传统的场写入型(field-write-type)MRAM相比，预期这种类型的MRAM具有卓越的可扩展性。但是，在电流自旋注入式MRAM中，翻转需要的电流密度Jc很高，即，10mA/cm²或更大。甚至使用尺寸为100nm²的MTJ元件也需要约1mA的写电流。

这是由于自旋注入翻转方案需要双向激发，并且，自旋注入的效率随激发方向改变。即，自旋注入翻转曲线是不对称的。翻转磁性自由层(自由层)的磁化方向，从而将自由层和磁性参考层(固定层(pinnedlayer))的磁化排列从平行变到反向平行所需要的电流约为从反向平行变到平行所需要的电流的两倍。

以下将对这个不对称曲线的问题进行描述。如果使用隧道式磁阻(TMR)效应薄膜，并且通过激发使自由层和固定层的磁化排列从反向平行翻转到平行来实现写入，则由于阈值电流很小，因此没有问题。但是，如果按照预定的电流密度Ia-ap，通过激发使自由层和固定层的磁化排列从平行翻转到反向平行来实现写入，则按照TMR效应，由于写电流很大，因此反向平行磁化排列中的元件电阻Rap增加。因此，写入电压Vp-ap提高。

因此，如果隧道阻挡层的击穿电压不够高，则在达到反向平行磁化排列之前，所述层已经到达击穿电压Vbd并且引起电介质击穿。此外，即使不出现电介质击穿，也不能保证在高电压下运行的可靠性。

发明内容

按照本发明的第一方面，提供了一种磁阻元件，包括：第一磁性参考层，具有磁化方向；磁性自由层，可以通过提供自旋极化电子改变其磁化方向；第二磁性参考层，具有磁化方向；第一中间层，提供在第一磁性参考层与磁性自由层之间；以及，第二中间层，提供在磁性自由层与第二磁性参考层之间。磁性自由层与第一磁性参考层具有与平面内方向垂直或平行的易磁化方向。第一磁性参考层与第二磁性参考层具有相互垂直的易磁化方向。

按照本发明的第二方面，提供了一种磁性存储器，包括存储单元，存储单元包括：磁阻元件；以及，第一电极和第二电极，用于给磁阻元件提供电流。