[发明专利]存储元件和存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及存储元件和使用该存储元件的存储装置，其中，存储元件具有多个磁性层，并且使用自旋扭矩磁化反转（spin torque magnetization reversal）来执行记录。

背景技术

伴随包含诸如移动终端、大容量服务器等的各种信息设备的重大发展，也要求形成这些设备的元件（诸如存储器与逻辑电路）提高性能，诸如集成程度的提高、运行速度的提高以及功率消耗的降低。具体地，非易失性半导体存储器的进步一直很突出，对充当大容量文件存储器的闪存存储器的需求日益增长，以代替硬盘驱动器。

此外，考虑到代码存储和工作存储器的扩展，为了替换现在通常使用的NOR闪存存储器、DRAM等，已经致力于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。上述的一些存储器已经被投入实际使用。

具体地，由于使用磁性材料的磁化的方向来存储数据，MRAM能够实施高速和几乎无穷大（10¹⁵次以上）的重写操作，并已经用于工业自动化、飞机等的领域。由于其高速操作和高可靠性，MRAM被预期今后将扩展到代码存储和工作存储器；然而，在实践中，仍有诸如能量消耗的降低和容量的增长的问题需要克服。上述问题是由MRAM的记录原理产生的固有问题，即，是由通过配线产生的电流磁场来进行磁化反转的方法所造成的。

作为解决这些问题的一个方法，已研究了未使用电流磁场的记录方法，即，磁化反转方法。尤其是，已经积极地实施对自旋扭矩磁化反转的研究（例如，见日本未审查专利申请公开第2003-17782号和第2008-227388号、美国专利第6256223号、Phys.Rev.B，54，9353（1996）和J.Magn.Mat.，159，L1（1996））。

与MRAM的情况一样，具有自旋扭矩磁化反转的存储元件通常使用磁性隧道结（MTJ）形成。

该结构利用这样的现象，其中，穿过在特定方向固定的磁性层的自旋极化电子，在其进入自由磁性层时，将扭矩（在一些情况下，还被称为自旋扭矩转换）传给另一自由磁性层（其方向不固定），自由磁性层的磁化通过一个等于或超过特定的阈值电流被反转。0/1的重写通过改变电流的极性来实施。

在大约0.1μm尺寸的元件中，用于反转的电流的绝对值为1mA以下。此外，由于电流值与元件体积成比例地减小，所以能够实施比例缩放（scaling）。而且，由于对于MRAM所必需的用于产生电流磁场以进行记录的字线，在这种情况下不是必需的，所以能够有利地简化元件结构。

下文中，使用自旋扭矩磁化反转的MRAM将被称为“自旋极化磁性随机存取存储器（ST-MRAM）”。在某些情况下，自旋扭矩磁化反转也可以被称为自旋注入磁性反转。

发明内容

顺便提及，在MRAM的情况下，除存储元件之外，还设置了写入配线（字线和位线），信息由电流通过写入配线所产生的电流磁场写入（记录）。因此，执行写入所需的足够大的电流能够通过写入配线流动。

另一方面，在ST-MRAM中，自旋扭矩磁化反转由将在存储元件中流动的电流执行，并且存储层的磁化的方向被反转。此外，由于电流在用于写入如上所述的信息的（记录）的存储元件中直接流动，为了选择执行写入的存储单元，存储元件连接至选择晶体管以形成存储单元。

在这种情况下，在存储元件中流动的电流限于能够在选择晶体管中流动的电流（选择晶体管的饱和电流）。

为此，既然已经了解到，必须通过等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流实行写入，并且，随着小型化的推进，晶体管的饱和电流降低，为了实施ST-MRAM的小型化，需要提高旋转转移的效率，并降低在存储元件中流动的电流。例如，自旋扭矩磁化反转所需的电流被称作反转电流或记录电流。

考虑到存储元件之间的反转电流的变化，需要设计大的选择晶体管，作为结果，可能发生容量的降低和能量消耗的增加。

此外，由于ST-MRAM为非易失性存储器，由电流所写入的信息必须被稳定地存储。即，必须确保存储层的磁化对热波动的稳定性（热稳定性）。

相应地，期待可以提供一种抑制反转电流和热稳定性的变化的作为ST-MRAM的存储元件。