[發(fā)明專(zhuān)利]存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)設(shè)備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210488520.2
• 申請(qǐng)日: 2012-11-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103137855B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 山根一陽(yáng);細(xì)見(jiàn)政功;大森廣之;別所和宏;肥后豐;淺山徹哉;內(nèi)田裕行
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 索尼公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01L43/08
• 分類(lèi)號(hào): H01L43/08;G11C11/15
• 代理公司: 北京康信知識(shí)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)明涉及具有多個(gè)磁性層并使用自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩磁化切換進(jìn)行記錄的存儲(chǔ)元件和存儲(chǔ)設(shè)備。

背景技術(shù)

隨著從移動(dòng)終端到大容量服務(wù)器的各種信息設(shè)備的快速發(fā)展，已經(jīng)在構(gòu)成該設(shè)備的諸如存儲(chǔ)元件和邏輯元件的元件中追求更高性能的改進(jìn)，諸如更高的集成度、速度的增大和更低的功耗。尤其是，半導(dǎo)體非易失性存儲(chǔ)器取得顯著的進(jìn)步，并且作為大容量文件存儲(chǔ)器的閃存存儲(chǔ)器以硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器被閃存存儲(chǔ)器替換的速率普及。同時(shí)，F(xiàn)eRAM(鐵電隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器)、MRAM(磁性隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器)、PCRAM(相變隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器)等的研發(fā)已經(jīng)取得進(jìn)展，作為當(dāng)前一般使用的非閃存存儲(chǔ)器、DRAM等的替代，以為了代碼存儲(chǔ)或者作為工作的存儲(chǔ)器而使用它們。這些的一部分已經(jīng)在實(shí)踐中使用。

這當(dāng)中，MRAM使用磁性材料的磁性方向執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使得能進(jìn)行高速和幾乎無(wú)限制的重寫(xiě)(10¹⁵次以上)，并且因而，已經(jīng)在諸如工業(yè)自動(dòng)化和航空的領(lǐng)域中使用。期望MRAM在將來(lái)由于高速操作和可靠性而用于代碼存儲(chǔ)或者工作存儲(chǔ)器。然而，MRAM具有與降低功耗和增大容量相關(guān)的挑戰(zhàn)。這是由于MRAM的記錄原理(即，使用從互連產(chǎn)生的電流磁場(chǎng)來(lái)切換磁化的方法)引起的基本問(wèn)題。

作為解決此問(wèn)題的方法，正在研究不使用電流磁場(chǎng)的記錄方法(即，磁化切換方法)。具體地，已經(jīng)積極地研究自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩磁化切換(例如，參見(jiàn)日本未審查專(zhuān)利申請(qǐng)公報(bào)No.2003-17782和2008-227388、美國(guó)專(zhuān)利No.6,256,223、Physical?Review?B，54，9353(1996)，Journal?of?Magnetism?andMagnetic?Materials，159，L1(1996))。

使用自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩磁化切換的存儲(chǔ)元件如同MRAM那樣通常包括MTJ(磁性隧道結(jié))。

此構(gòu)造使用其中當(dāng)經(jīng)過(guò)磁性層(其在任意方向固定)自旋轉(zhuǎn)極化電子進(jìn)入另一磁性層(方向不固定)時(shí)，轉(zhuǎn)矩(還稱(chēng)為自旋轉(zhuǎn)移矩)施加到磁性層，并且當(dāng)任意閾值以上的電流流動(dòng)時(shí)，切換自由磁性層。通過(guò)改變電流的極性執(zhí)行0/1的重寫(xiě)。

在比例約為0.1um的存儲(chǔ)元件的情況下，用于此切換的電流的絕對(duì)值是1mA以下。此外，由于此電流值與元件的體積成比例的減小，比例縮放是可行的。此外，由于不需要在MRAM中產(chǎn)生記錄電流磁場(chǎng)的字線(xiàn)，存在單元結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

以下，利用自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩磁化切換的MRAM將稱(chēng)為自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩磁化隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器(ST-MRAM)。自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩磁化切換還稱(chēng)為自旋轉(zhuǎn)注射磁化切換。對(duì)ST-MRAM有很大的期望，其作為非易失性存儲(chǔ)器，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗和更大容量，同時(shí)維持其中可以執(zhí)行高速和幾乎無(wú)限制重寫(xiě)的MRAM的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

在MRAM中，寫(xiě)入互連(字線(xiàn)和位線(xiàn))與存儲(chǔ)元件分開(kāi)設(shè)置，并且信息由通過(guò)向?qū)懭牖ミB施加電流而產(chǎn)生的電流磁場(chǎng)而寫(xiě)入(記錄)。因而，寫(xiě)入所需的電流能充分地流經(jīng)寫(xiě)入互連。

另一方面，在ST-MRAM中，需要流到存儲(chǔ)元件的電流誘導(dǎo)自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩磁化切換，以切換存儲(chǔ)層的磁化方向。

通過(guò)以此方式將電流直接施加到存儲(chǔ)元件寫(xiě)入(記錄)信息。為了選擇進(jìn)行寫(xiě)入的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)元件連接到旋轉(zhuǎn)晶體管以構(gòu)造存儲(chǔ)單元。在此情況下，流到存儲(chǔ)元件的電流受到能流到選擇晶體管的電流(選擇晶體管的飽和電流)的量的限制。

因而，需要以等于或者小于選擇晶體管的飽和電流的電流執(zhí)行寫(xiě)入，并且知道晶體管的飽和電流隨著小型化而降低。為了使ST-MRAM小型化，需要自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移效率提高，并且流到存儲(chǔ)元件的電流減小。

此外，需要確保高的磁阻變化比以放大讀出信號(hào)。為了將此實(shí)現(xiàn)，有效地采用以上所述的MTJ結(jié)構(gòu)，即，以與存儲(chǔ)層接觸的中間層用作隧道絕緣層(隧道障礙層)的方式構(gòu)造存儲(chǔ)元件。

在隧道絕緣層用作互連層的情況下，流到存儲(chǔ)元件的電流的量被限制，以防止隧道絕緣層的絕緣擊穿發(fā)生。即，從確保存儲(chǔ)元件的重復(fù)寫(xiě)入的可靠性出發(fā)，自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩磁化切換所需的電流必須被限制。

用于自旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩磁化切換的電流還稱(chēng)為切換電流、存儲(chǔ)器電流等。

此外，由于ST-MRAM是非易失性存儲(chǔ)器，需要穩(wěn)定地存儲(chǔ)通過(guò)電流寫(xiě)入的信息。即，需要確保存儲(chǔ)層的磁化中的熱波動(dòng)的穩(wěn)定性(熱穩(wěn)定性)。

在不確保存儲(chǔ)層的熱穩(wěn)定性情況下，由于熱(操作環(huán)境的溫度)而可以重寫(xiě)切換的磁化方向，這造成寫(xiě)入誤差。