[發明專利]存儲設備和寫入控制方法

無效

• 申請號: 201110386994.1
• 申請日: 2011-11-29
• 公開（公告）號: CN102543156A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 肥后豐;細見政功;大森廣之;別所和宏;山根一陽;內田裕行;淺山徹哉
• 申請（專利權）人: 索尼公司
• 主分類號: G11C11/16
• 分類號: G11C11/16
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;吳孟秋

技術領域

本發明涉及使用自旋扭矩磁化反轉在存儲元件中執行信息存儲的存儲設備。

背景技術

隨著從移動終端到大容量服務器的各種信息設備的動態飛速發展，還對諸如構成信息設備的存儲器和邏輯的元件要求進一步更高的性能，諸如高集成度、高速度、低功耗等。

具體而言，半導體非易失存儲器的進步顯著，并且隨著硬盤驅動器推動的勢頭，作為大容量文件存儲器的閃存的廣泛普及使用在不斷地上升。

另一方面，代碼存儲器(code?storage)和工作存儲器(working?memory)的發展得到關注，并且半導體非易失存儲器的開發也在不斷地進行以代替當前通常使用的NOR閃存、DRAM等。例如，存在FeRAM(鐵電隨機存取存儲器)、MRAM(磁性隨機存取存儲器)、PCRAM(相變RAM)等。這些中的一部分已經投入實踐使用。

在這些非易失存儲器中，對于MRAM，高速重寫和基本不受限的重寫(10¹⁵以上次)是可行的，這是因為利用磁性材料的磁化取向進行數據存儲，并且MRAM已經在諸如工業自動化、飛機等領域中使用。

由于高速操作性和可靠性，未來期待作為代碼存儲器和工作存儲器的MRAM的發展。

然而，MRAM存在降低功耗和增加容量的問題。

這是因MRAM的記錄原理(即，一種其中利用從配線產生的電流磁場使磁化反轉的方法)所導致的基本問題。

作為解決該問題的一個方法，正在考慮一種不依賴于電流磁場的記錄(即磁化反轉)方法，其中關于自旋扭矩磁化反轉的研究是活躍的(例如，參照美國專利第5695864號和日本未審查專利申請公開第2003-17782號)。

使用與MRAM相同的MTJ(磁性隧道結)構成自旋扭矩磁化反轉的存儲元件。

MTJ設置有磁化固定在一定方向上的磁化層(以下稱為磁化固定層)以及磁化不固定的磁化層(以下稱為存儲層)，通過在磁化固定層和存儲層之間設置隧道絕緣層來形成隧道結。

隨后，通過利用磁化固定層的磁化取向與存儲層的磁化取向間的相對角度，來使用MTJ的電阻的變化執行“0”或“1”的讀出，即所謂的隧道磁化電阻效應。

另一方面，由于在自旋極化元素通過磁化固定層進入存儲層時，使用施加至磁化層的扭矩進行寫入，因此如果存在特定閾值以上的電流流動，則存儲層的磁化取向反轉。

當寫入時，通過改變流入存儲元件中的電流的極性來執行對“0”或“1”的選擇。

對于大小為約0.1微米的存儲元件，用于反轉存儲層的磁化的電流絕對值為1毫安以下。進一步，由于電流值與存儲元件的體積成正比降低，因此可以進行按比例縮放。

進一步，另外，由于用于產生在MRAM中是必需的、用于記錄的電流磁場的字線并非必需，因此具有單元構成簡化的優點。

以下將利用自旋扭矩磁化反轉的MRAM稱為ST-MRAM(自旋扭矩-磁化隨機存取存儲器)。

ST-MRAM已經引起了很大期望來作為非易失存儲器，其中低功耗和高容量是可能的，同時保持了MRAM的高速重寫和無限次重寫的優點。

發明內容

此處，在如上所述的ST-MRAM中，使用預定電壓的寫入電流在存儲元件的層疊方向上流動，以將信息寫入存儲元件。此時，在存儲元件的隧道絕緣層的兩端具有大約0.5伏至1伏的電壓。

然而，與隧道絕緣層的擊穿電壓相比，電壓太大而不能忽略。也就是說，當執行重復寫入并且將磁場應力施加到隧道絕緣層時，存在對隧道絕緣層造成靜電放電擊穿的情況。在存在對隧道絕緣層造成靜電放電擊穿的存儲元件中，存儲元件自身的電阻顯著減少，并且進一步，不能夠通過電阻的變化讀出信息。

以此方式，在ST-MRAM中，寫入期間施加到隧道絕緣層的電壓(“寫入電壓”)充分小于對隧道絕緣層造成靜電放電擊穿的電壓(“擊穿電壓”)是必要的。這是因為當寫入電壓和損壞電壓之間的差較小時，由于每個存儲元件特性的不同，因此構成大容量存儲器極為困難。

期望利用通過施加小的寫入電壓導致存儲層的磁化取向的反轉來將信息存儲在存儲元件中，同時防止對存儲元件的損壞。

同時，在使用ST-RAM的存儲設備中，期望在寫入期間有效地抑制延遲來實現高速寫入。

也就是說，期望完成如下的兼容性，即，使用小寫入電壓來進行信息存儲以避免對存儲元件的損壞的實現和高速寫入的實現。

一種根據本發明實施方式的存儲設備構成如下。

即，根據本發明實施方式的存儲設備設置有多對存儲塊和寫入控制部。