[发明专利]存储元件和存储设备

说明书

技术领域

本发明涉及具有多个磁性层并使用自旋磁矩磁化翻转来进行记录的存储元件和存储设备。

背景技术

随着从移动终端到大容量服务器的各种信息设备的迅速发展，已经在诸如构成设备的存储元件和逻辑元件之类的元件当中追求进一步高性能的改善，例如更高的集成度、速度的升高和更低的功耗。具体而言，半导体非易失性存储器已经得到了显著进步，并且作为大容量文档存储器，闪存已经以替代硬盘的速度得到广泛应用。此外，FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM(磁随机存取存储器)、PCRAM(相变随机存取存储器)等的发展已经得到进步，作为当前通用的NOR闪存、DRAM等的替代，从而将其用于代码存储或工作存储器。这些装置的一部分已经投入实际使用。

其中，MRAM使用磁性材料的磁化方向执行数据存储，使得得到高速和近乎无限次(1015次以上)的复写，因此已经在诸如工业自动化和航空之类的领域得到使用。由于其高速工作和可靠性，预计在不远的将来，MRAM将用于代码存储或工作存储器。但是，MRAM具有与降低功耗和提高容量相关的挑战。这是由于MRAM的记录原理(即，使用由互连部产生的电磁场来翻转磁化的方法)导致的问题。

作为解决此问题的方法，正在考虑的是不使用电磁场的记录方法，即磁化翻转方法。具体而言，已经积极地进行了对自旋磁矩磁化翻转的研究(例如，见日本未经审查的专利申请公开2003-17782和2008-227388，美国专利号6,256,223，Physical Review B，54，9353(1996)，Journal ofMagnetism以及Magnetic Materials，159，Ll(1996)，Nature Materials.，5，210(2006))。

与MRAM相似，使用自旋磁矩磁化翻转的存储元件通常包括MTJ(磁性隧道连接)。

此构造利用了如下现象：当经过沿着任意方向固定的磁性层的自旋极化电子进入另一自由(方向不固定)磁性层时，磁矩(所谓“自旋转移矩”)施加到磁性层，并且当具有预定阈值以上的电流流动时，自由磁性层被翻转。通过改变电流极性来执行0/1的复写。

在具有约0.1μm规模的存储元件的情况下，用于翻转的电流的绝对值是1mA以下。此外，因为此电流值与元件体积成比例，所以缩放成为可能。此外，由于不需要在MRAM中为产生记录电磁场所需的字线，所以具有单元结构变得简单的优点。

此后，利用自旋磁矩磁化翻转的MRAM将称为自旋磁矩磁性随机存取存储器(ST-MRAM)。自旋磁矩磁化翻转也称为自旋注入磁化翻转。对于作为非易失性存储器的ST-MRAM寄予厚望，其能够实现更低的功耗和更大的容量，同时维持其中可以执行高速和近似无限次的复写的MRAM的优点。

发明内容

在MRAM中，写入互连部(字线和位线)与存储元件分离地布置，并且通过向写入互连部施加电流而产生的电磁场来写入(记录)信息。因此，为写入所需的电流能够有效地流入写入互连部。

另一方面，在ST-MRAM中，必要的是，流向存储元件的电流引发自旋磁矩磁化翻转来翻转存储层的磁化方向。

通过以此方式直接向存储元件施加电流来写入(记录)信息。为了选择进行写入的存储单元，存储元件连接到选择晶体管以构成存储单元。在此情况下，流向存储元件的电流受到能够流向选择晶体管的电流量的限制，即受到选择晶体管的饱和电流的限制。

因此，需要以等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流来执行写入，并且公知的是，晶体管的饱和电流随着小型化而减小。为了使得ST-MRAM小型化，需要提高自旋转换效率，并且减小流向存储元件的电流。

此外，需要确保较高的大磁致电阻变化率以放大读取信号。为了实现此目的，有效地采用上述MTJ结构，即，将存储元件构造为使得与存储层进行接触的中间层被用作通道绝缘层(通道阻挡层)。

在通道绝缘层被用作中间层的情况下，流向存储元件的电流量受到限制，以防止通道绝缘层发生绝缘击穿。即，从对于存储元件的反复写入的可靠性而言，为自旋磁矩磁化翻转所需的电流必须受到限制。

为自旋磁矩磁化翻转所需的电流也称为翻转电流、存储电流等。

此外，因为基准信号ST-MRAM是非易失性存储器，需要稳定地存储通过电流写入的信息。即，需要确保相对于存储层的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。

在不能确保存储层的热稳定性的情况下，翻转的磁化方向可能由于热(工作环境的温度)而再次翻转，并且这导致写入错误。