[发明专利]非易失性存储器及其记录方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请包含涉及于2009年6月25日向日本专利局递交的日本在先专利申请JP 2009-151514中所公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种使用具有电阻值变化的磁性材料等例如作为信息存储器件的非易失性存储器以及记录方法。

背景技术

在诸如计算机的信息设备中，以高密度更快操作的DRAM(动态随机存取存储器)被广泛用作随机存储器(RAM：随机存取存储器)。然而，由于DRAM是易失性存储器，当电源关闭时记录的信息丢失，因此，期望有一种能够保留信息的非易失性存储器。

因此，作为非易失性存储器的候选，利用磁性材料的磁化记录信息的磁阻式随机存取存储器(MRAM)引起了人们的关注。

在MRAM中，存储信息的小信息存储器件(minute information memory device)被规则排列和布线，使得它们中的每一个都是可存取的，并且布线具有(例如)其中设置了字线和位线的结构。每个信息存储器件具有存储层，在该存储层中，信息作为铁磁材料的磁化方向被存储。

此外，对于信息存储器件，采用磁性存储设备，该磁性存储设备采样利用所谓的磁性隧道结(MTJ)的结构。磁性隧道结包括上述存储层、隧道绝缘膜(非磁性隔离膜)以及其中磁化方向被固定的磁化固定层。例如，可以通过设置反铁磁层来固定磁化固定层中的磁化方向。

在该结构中，出现所谓的隧道磁阻效应，即，在隧道绝缘膜中流动的隧道电流的电阻值根据由存储层的磁化方向和磁化固定层磁化方向形成的角而改变。利用隧道磁阻效应，能够进行信息的读出。当存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向反向平行时，电阻值取最大值，而当它们平行时，电阻值取最小值。

以如下方式来执行在信息存储器件中存储信息的方法(在下文中，可以简称为“信息的写入”或“写入”)。即，利用合成电流磁场(当允许电流在信息存储器件之上和之下垂直设置的字线和位线中流动时产生该合成电流磁场)在低电阻状态和高电阻态之间切换信息存储器件的存储层的磁化方向。此外，利用至少两个电阻值之间的差值进行信息的写入。通常，在信息写入时，磁化方向之间的差分别对应于“0”信息和“1”信息被存储在信息存储器件中。以这样的方式，通过反转包括铁磁材料的存储层的磁化方向来写入“0”信息和“1”信息，可以进行高速并且几乎是无限次(＞10¹⁵次)重新写入。

另一方面，以如下方式来执行写入信息的读出(在下文中，可以简称为“信息的读出”或“读出”)。即，利用诸如晶体管的元件进行存储单元的选择，并且利用信息存储器件的隧道磁阻效应检测存储层的磁化方向之间的差作为电压信号之间的差。因此，能够感测写入的信息。

然而，在MRAM中，由于相对于每个信息存储器件用于写入的地址线和用于读出的地址线是必须的，所以存储单元的小型化在结构上是有难度的。此外，为了重写一次写入信息，有必要产生相对大的电流磁场并且在地址线中流过大到一定程度(例如，几毫安至几十毫安)的电流。从而，功率消耗变得更大。此外，随着信息存储器件的小型化，地址配线也变得更薄，可能难以流过足够的电流，并且由于矫顽磁力变得更大且需要的电流磁场增加，所以功耗可能增加。

因此，具有利用由自旋转移(也称为“自旋注入扭矩”)实现磁化反转的结构的存储器作为不依赖电流磁场、用于存储信息、能够以小的电流进行磁化反转的存储器引起了人们的关注。通过自旋转移实现的磁化反转在穿过一种磁性材料进入另一磁性材料的同时注入自旋偏振电子并且引起在另一磁性材料中的磁化反转(例如，见JP-A-2003-17782和F.J.Albert et al.，Applied Physics.Letters.Vol.77，2002，p.3809)。

这个现象是，当已穿过具有固定磁化方向的磁性层(磁化固定层)的自旋偏振电子进入无固定磁化方向的磁性层(磁化自由层)时，电子对磁性层的磁化的产生扭矩。然后，大于某个阈值电平的电流在另一磁性材料中流过，因此，可反转该磁性层(磁化自由层)的磁化方向。

例如，电流在巨磁阻磁头(GMR元件)或磁性隧道结(MTJ元件)(在与其膜表面垂直的方向上具有磁化固定层和磁化自由层)中流过。因此，可以反转这些元件的磁化层的至少一部分的磁化方向。

此外，形成具有磁化固定层和磁化自由层(存储层)的信息存储器件并且改变信息存储器件中流过的电流的极性，从而，反转存储层的磁化方向并切换低电阻状态和高电阻状态。利用两个电阻值之间的差，进行“0”信息和“1”信息之间的重写。