[發(fā)明專利]存儲元件和存儲裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210152766.2
• 申請日: 2012-05-16
• 公開（公告）號: CN102800804B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肥后豐;細(xì)見政功;大森廣之;別所和宏;淺山徹哉;山根一陽;內(nèi)田裕行
• 申請（專利權(quán)）人: 索尼公司
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;G11C11/16;H01F10/32;B82Y25/00
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司11240
• 代理人: 余剛,吳孟秋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及存儲元件和使用該存儲元件的存儲裝置，其中，存儲元件具有多個磁性層，并且使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)（spin?torque?magnetization?reversal）來執(zhí)行記錄。

背景技術(shù)

伴隨包含諸如移動終端、大容量服務(wù)器等的各種信息設(shè)備的重大發(fā)展，也要求形成這些設(shè)備的元件（諸如存儲器與邏輯電路）提高性能，諸如集成程度的提高、運(yùn)行速度的提高以及功率消耗的降低。具體地，非易失性半導(dǎo)體存儲器的進(jìn)步一直很突出，對充當(dāng)大容量文件存儲器的閃存存儲器的需求日益增長，以代替硬盤驅(qū)動器。

此外，考慮到代碼存儲和工作存儲器的擴(kuò)展，為了替換現(xiàn)在通常使用的NOR閃存存儲器、DRAM等，已經(jīng)致力于鐵電隨機(jī)存取存儲器（FeRAM）、磁性隨機(jī)存取存儲器（MRAM）、相變隨機(jī)存取存儲器（PCRAM）等。上述的一些存儲器已經(jīng)被投入實(shí)際使用。

具體地，由于使用磁性材料的磁化的方向來存儲數(shù)據(jù)，MRAM能夠?qū)嵤└咚俸蛶缀鯚o窮大（10¹⁵次以上）的重寫操作，并已經(jīng)用于工業(yè)自動化、飛機(jī)等的領(lǐng)域。由于其高速操作和高可靠性，MRAM被預(yù)期今后將擴(kuò)展到代碼存儲和工作存儲器；然而，在實(shí)踐中，仍有諸如能量消耗的降低和容量的增長的問題需要克服。上述問題是由MRAM的記錄原理產(chǎn)生的固有問題，即，是由通過配線產(chǎn)生的電流磁場來進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)的方法所造成的。

作為解決這些問題的一個方法，已研究了未使用電流磁場的記錄方法，即，磁化反轉(zhuǎn)方法。尤其是，已經(jīng)積極地實(shí)施對自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的研究（例如，見日本未審查專利申請公開第2003-17782號和第2008-227388號、美國專利第6256223號、Phys.Rev.B，54，9353（1996）和J.Magn.Mat.，159，L1（1996））。

與MRAM的情況一樣，具有自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的存儲元件通常使用磁性隧道結(jié)（MTJ）形成。

該結(jié)構(gòu)利用這樣的現(xiàn)象，其中，穿過在特定方向固定的磁性層的自旋極化電子，在其進(jìn)入自由磁性層時，將扭矩（在一些情況下，還被稱為自旋扭矩轉(zhuǎn)換）傳給另一自由磁性層（其方向不固定），自由磁性層的磁化通過一個等于或超過特定的閾值電流被反轉(zhuǎn)。0/1的重寫通過改變電流的極性來實(shí)施。

在大約0.1μm尺寸的元件中，用于反轉(zhuǎn)的電流的絕對值為1mA以下。此外，由于電流值與元件體積成比例地減小，所以能夠?qū)嵤┍壤s放（scaling）。而且，由于對于MRAM所必需的用于產(chǎn)生電流磁場以進(jìn)行記錄的字線，在這種情況下不是必需的，所以能夠有利地簡化元件結(jié)構(gòu)。

下文中，使用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM將被稱為“自旋極化磁性隨機(jī)存取存儲器（ST-MRAM）”。在某些情況下，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)也可以被稱為自旋注入磁性反轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

順便提及，在MRAM的情況下，除存儲元件之外，還設(shè)置了寫入配線（字線和位線），信息由電流通過寫入配線所產(chǎn)生的電流磁場寫入（記錄）。因此，執(zhí)行寫入所需的足夠大的電流能夠通過寫入配線流動。

另一方面，在ST-MRAM中，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)由將在存儲元件中流動的電流執(zhí)行，并且存儲層的磁化的方向被反轉(zhuǎn)。此外，由于電流在用于寫入如上所述的信息的（記錄）的存儲元件中直接流動，為了選擇執(zhí)行寫入的存儲單元，存儲元件連接至選擇晶體管以形成存儲單元。

在這種情況下，在存儲元件中流動的電流限于能夠在選擇晶體管中流動的電流（選擇晶體管的飽和電流）。

為此，既然已經(jīng)了解到，必須通過等于或小于選擇晶體管的飽和電流的電流實(shí)行寫入，并且，隨著小型化的推進(jìn)，晶體管的飽和電流降低，為了實(shí)施ST-MRAM的小型化，需要提高旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移的效率，并降低在存儲元件中流動的電流。例如，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)所需的電流被稱作反轉(zhuǎn)電流或記錄電流。

考慮到存儲元件之間的反轉(zhuǎn)電流的變化，需要設(shè)計(jì)大的選擇晶體管，作為結(jié)果，可能發(fā)生容量的降低和能量消耗的增加。

此外，由于ST-MRAM為非易失性存儲器，由電流所寫入的信息必須被穩(wěn)定地存儲。即，必須確保存儲層的磁化對熱波動的穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性）。

相應(yīng)地，期待可以提供一種抑制反轉(zhuǎn)電流和熱穩(wěn)定性的變化的作為ST-MRAM的存儲元件。