[發明專利]存儲元件和存儲裝置

無效

• 申請號: 201210129098.1
• 申請日: 2012-04-27
• 公開（公告）號: CN102769100A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 別所和宏;細見政功;大森廣之;肥后豐;山根一陽;淺山徹哉;內田裕行
• 申請（專利權）人: 索尼公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;G11C11/15
• 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

本發明涉及存儲元件和包括該存儲元件的存儲裝置。存儲元件包括存儲鐵磁性層的磁化狀態作為信息的存儲層和磁化方向固定的磁化固定層，并且通過電流的流動改變存儲層的磁化方向。

背景技術

隨著各種信息裝置(從移動終端到大容量服務器)的快速發展，構成信息裝置的存儲器和邏輯元件需要更高的性能，例如高集成度、高速度和低功耗。特別是，半導體非易失性存儲器的發展是顯著的，并且閃速存儲器變得更加廣泛用作大容量存儲器，好像幾乎要將硬盤驅動器從市場中消除。同時，預期代碼存儲存儲器或者工作存儲器的進展，已經研究FeRAM(鐵電隨機存取存儲器)、MRAM(磁性隨機存取存儲器)、PCRAM(相變隨機存取存儲器)等等，以代替當前通常使用的NOR閃速存儲器、DRAM等。這些存儲器類型中的一些已經實際使用。

在這些之中，由于MRAM基于磁性材料的磁化方向記錄數據，所以能夠快速并且幾乎無限制(1015次以上)地執行重寫。因此，MRAM已經用于工業自動化、飛機等的領域。盡管由于其高速操作和可靠性而期望將來發展為代碼存儲存儲器或者工作存儲器，但是實際上MRAM在實現低功耗和大容量時存在問題。這些問題是由MRAM的記錄原理引起的，該記錄原理是使電流分別流過大致彼此交叉的兩種類型的地址配線(字線和位線)，并且位于地址配線的交點的磁存儲元件的磁性層的磁化通過從各地址配線產生的電流電場而反轉，從而記錄信息。即，這是由于通過從配線產生的電流磁場而反轉磁化的方法所導致的基本問題。

作為解決該問題的解決方法，已經討論了不使用電流磁場的記錄，即，不使用電流磁場而反轉磁化的方法。在這些之中，已經積極地實施關于自旋扭矩磁化反轉的研究(例如，參見日本未審查專利申請公開第2003-17782號、美國專利第6256223號、日本未審查專利申請公開第2008-227388號，PHYs.Rev.B，54.9353(1996)，和J.Magn.Mat.，159，L1(1996))。

類似于MRAM，利用自旋扭矩磁化反轉的存儲元件在許多情況下由MTJ(磁性隧道結)構成。該構造利用這樣的現象，當穿過以給定方向固定的磁性層的自旋極化電子進入另一個自由磁性層(其中方向不固定)時，扭矩被施加至該磁性層(該現象也被稱為自旋傳輸扭矩)。在該情況下，當使得等于或者大于給定閾值的電流流動時，自由磁性層反轉。通過改變電流的極性重寫0和1。

用于反轉的電流的絕對值對于大約0.1μm程度的元件為等于或小于1mA。此外，因為該電流值與元件體積成比例減小，所以可進行按比例換算。此外，由于在MRAM中產生記錄電流磁場所需的字線并非必需，所以也具有單元結構簡單的有利效果。

在下文中，利用自旋扭矩磁化反轉的MRAM被稱為ST-MRAM(自旋扭矩磁性隨機存取存儲器)。自旋扭矩磁化反轉往往可以稱為自旋注入磁化反轉。ST-MRAM作為非易失存儲器已更加引人關注，其能夠實現低功耗和大容量，同時保持MRAM迅速地和幾乎無限制地執行重寫的有利效果。

發明內容

在MRAM的情況下，寫入配線(字線和位線)與存儲元件分離設置，并且能夠通過使電流流過寫入配線時產生的電流磁場而寫入(記錄)信息。因此，能夠使得寫入所需的足夠量的電流流過寫入配線。

另一方面，在ST-MRAM中，通過在存儲元件中流動的電流來執行自旋扭矩磁化反轉，并且需要反轉存儲層的磁化方向。以該方式，能夠通過使電流直接流入存儲元件而寫入(記錄)信息。因此，為了選擇執行寫入的存儲裝置，將存儲元件和選擇晶體管連接從而構成存儲裝置。在該情況下，在存儲元件中流動的電流被限制為能夠在選擇晶體管中流動的電流(選擇晶體管的飽和電流)的大小。

期望提供這樣的存儲元件和包括該存儲元件的存儲裝置，該存儲元件能夠提高熱穩定性，而不增大寫入電流，并且具有良好的矯頑力。

根據本發明的實施方式，提供了一種存儲元件，包括：存儲層，基于磁性材料的磁化狀態來存儲信息；磁化固定層，具有用作存儲在存儲層中的信息的基準的磁化；中間層，由非磁性材料形成，并且介于存儲層和磁化固定層之間；保護層，被設置為與存儲層相鄰并且在中間層的相反側；以及金屬保護層，被設置為與保護層相鄰并且在存儲層的相反側。

在該構造中，利用由在包括存儲層、中間層和磁化固定層的層結構的層壓方向上流動的電流所引起的自旋扭矩磁化反轉將存儲層的磁化反轉，從而存儲信息，中間層和保護層由氧化物形成，并且金屬保護層由Pd或Pt形成。