[发明专利]存储元件、存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及具有多个磁性层并使用自旋扭矩磁化反转做出记录的一种存储元件和一种存储装置。

背景技术

随着从移动终端到大容量服务器的各种信息装置的快速发展，在诸如构成这些装置的存储器和逻辑等的元件中不断追求更高的性能提高，诸如，更高的集成度、更快的速度和更低的功耗。具体地，半导体非易失性存储器已取得显著进步，作为大容量文件存储器，闪存普及的速率使得硬盘驱动器被闪存所取代。同时，已进行了将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)等开发成为当前通用的或非门(NOR)闪存、DRAM等的替代物，从而将它们用于代码存储或用作工作存储器。这些中的一部分已经投入实际运用。

在这些存储器当中，MRAM利用磁性材料的磁化方向执行数据存储以使得可进行高速地、几乎无限制次数(10¹⁵次以上)的重写，因此，其已经被用在诸如工业自动化和航空器之类的领域中。由于高速操作和可靠性，在不久的将来期望将MRAM用于代码存储或工作存储器。然而，其存在与降低功耗、增加容量相关的挑战。这是由MRAM的记录原理(即，利用从互连件生成的电流磁场来对磁化进行反转的方法)导致的基本问题。

作为解决该问题的一种方法，不使用电流磁场的记录方法，即，磁化反转方法，正在审查中。具体地，已对自旋扭矩磁化反转进行了积极研究(例如，参见专利文献1，2和3，以及非专利文献1和2)。

类似于MRAM，使用自旋扭矩磁化反转的存储元件通常包括MTJ(磁性隧道结)元件和TMR(隧道型磁阻)元件。

该配置利用这样的现象：其中，当经过被固定在任意方向上的磁性层的自旋极化电子进入另一自由(方向未被固定)磁性层时，扭矩(其也被称为自旋转移扭矩)被施加给磁性层，并且当具有预定阈值以上的电流流动时该自由磁性层被反转。0/1的重写是通过改变电流的极性来执行的。

在具有大约0.1μm的尺寸的元件的情况下，用于反转的电流的绝对值为1mA以下。另外，由于该电流值与该元件的体积成比例地下降，因此可以进行缩放。另外，由于不需要MRAM中生成记录电流磁场所必要的字线，因此优点在于单元结构变得简单。

在下文中，将利用自旋扭矩磁化反转的MRAM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。对作为非易失性存储器的ST-MRAM寄予厚望：该非易失性存储器能够实现更低功耗和更大容量，同时维持MRAM的可执行高速、几乎无限制的重写的优点。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本未经审查的专利申请公报No.2003-17782

专利文献2：美国专利No.6,256,223

专利文献3：日本未经审查的专利申请公报No.2008-227388

非专利文献

非专利文献1：Physical Review B,54,9353(1996)

非专利文献2：Journal of Magnetism and Magnetic Materials,159,L1(1996)

非专利文献3：Nature Materials.,5,210(2006)

发明内容

本发明要解决的问题

虽然各种材料被视为用于ST-MRAM的存储元件的铁磁性材料，但是具有垂直磁各向异性的材料与具有面内磁各向异性的材料相比通常被视为适用于更低的功耗和更大的容量。这是因为垂直磁化具有在自旋扭矩磁化反转期间应被超过的更低阈值并且垂直磁化膜具有有利于保持存储元件的通过容量增加而小型化的热稳定性的高磁各向异性。

同时，为了实现高密度的存储元件，在低电流下稳定地保持记录是必要的。然而，具有垂直磁各向异性的存储元件通常被认为具有有助于记录电流的较高阻尼常数，因此不利于减小记录电流。

鉴于以上情况，本发明的目的是提出了一种提高磁性能并减小记录电流的相对容易的方法，并提供了一种能够在低电流下稳定进行记录的存储元件作为ST-MRAM。

解决问题的手段