[發(fā)明專利]存儲單元、存儲裝置和磁頭

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380049226.4
• 申請日: 2013-08-22
• 公開（公告）號: CN104662654B
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 內(nèi)田裕行;細見政功;大森廣之;別所和宏;肥后豐;淺山徹哉;山根一陽
• 申請（專利權(quán)）人: 索尼公司
• 主分類號: H01L21/8246
• 分類號: H01L21/8246;G11B5/39;H01L27/105;H01L43/08;H01L43/10
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責任公司11240
• 代理人: 田喜慶,吳孟秋

技術(shù)領(lǐng)域

本公開內(nèi)容涉及利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)進行記錄的存儲單元和存儲裝置，以及磁頭。

現(xiàn)有技術(shù)文獻列表

專利文獻

專利文獻1：JP 2003-17782A

專利文獻2：US 6,256,223B1說明書

專利文獻3：JP 2008-227388A

非專利文獻

非專利文獻1：Physical Review(物理評論)B,54,9353(1996)

非專利文獻2：Journal of Magnetism and Magnetic Materials(磁性與磁性材料期刊)，159,L1(1996)

非專利文獻3：Nature Materials(自然材料),5,210(2006)

背景技術(shù)

根據(jù)從大容量服務(wù)器到移動終端的各種信息裝置的迅猛發(fā)展，人們一直在對它們的構(gòu)成元件(諸如，存儲器或邏輯元件)追求更高的性能，例如，高集成度、高速度、以及低功耗。特別是，半導(dǎo)體非易失性存儲器的開發(fā)已經(jīng)非常顯著，作為大容量存儲器的閃存已得到廣泛使用，且發(fā)展勢頭是幾乎消除磁盤驅(qū)動器。另一方面，正在開發(fā)FeRAM(鐵電隨機存取存儲器)、MRAM(磁性隨機存取存儲器)、以及PCRAM(相變隨機存取存儲器)等，目的是將它們應(yīng)用于代碼存儲使用和進一步應(yīng)用到工作存儲器中，以便替代當前普遍使用的NOR閃存、DRAM等。其中一些已被已投入實際使用。

在這些中，因為通過磁體的磁化方向進行數(shù)據(jù)存儲，MRAM能夠高速并近似無限次(10¹⁵倍以上)重寫，并已用于工業(yè)自動化或飛機的領(lǐng)域中。預(yù)計由于高速操作和可靠性的原因，將開發(fā)MRAM未來用于代碼存儲或工作存儲器；然而，實際上，存在降低功耗或增加容量的難點。該難點源自MRAM的記錄原理，也就是說，通過從配線生成的電流磁場反轉(zhuǎn)磁化的方法。

作為解決困難的一種方法，曾考慮過在不使用電流磁場(即，磁化反轉(zhuǎn)系統(tǒng))的情況下記錄。特別是，研究了自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)是活動的(例如，參見專利文獻1、2、3和非專利文獻1、2)。

在很多情況下，自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的存儲單元由MTJ(磁性隧道結(jié))(TMR(隧道磁阻))元件構(gòu)成，與MRAM類似。

這種配置利用了穿過沿某個方向上固定的磁性層的自旋極化電子，在進入另一自由(方向不固定)磁性層時對磁性層施加扭矩(這也被稱為自旋注入扭矩)。饋入某個閾值以上的電流使得自由磁性層能夠反轉(zhuǎn)。通過改變電流的極性實現(xiàn)0/1的重寫。

在尺度(scale)為約0.1μm的元件中用于反轉(zhuǎn)的電流的絕對值是1mA以下。此外，電流值與元件體積成比例地減小，這使得元件體積能夠縮放。此外，不像MRAM，可以去掉生成電流磁場進行記錄的字線，從而取得簡化單元構(gòu)造的優(yōu)勢。

在下文中，利用自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)的MRAM將會稱作ST-MRAM(自旋扭矩磁性隨機存取存儲器)。自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)也被稱為自旋注入磁化反轉(zhuǎn)。關(guān)于ST-MRAM所抱有的最大期望是，將ST-MRAM用作能夠保持MRAM的優(yōu)點的同時降低低功耗和提高容量，即高速和近似無限次地重寫的非易失性存儲器。

發(fā)明內(nèi)容

對于在ST-MRAM存儲單元中使用的鐵磁體，考慮了各種材料。在一般情況下，具有垂直磁各向異性的材料被認為是比具有面內(nèi)磁性各向異性的材料更適合于省電和容量大。這是因為垂直磁化在自旋扭矩磁化反轉(zhuǎn)中具有超過的較低閾值(反轉(zhuǎn)電流)，并且因為垂直磁化膜的高磁各向異性有利于保持大容量小型化的存儲單元的熱穩(wěn)定性。

這里，為了得到高致密的ST-MRAM元件，希望在低電壓下實現(xiàn)記錄和每個MTJ元件的讀出信號的高輸出。因此，充分提高足夠薄并具有低電阻的絕緣膜中的隧道磁阻比(MR比或TMR)是重要的。由特定材料構(gòu)成的MTJ結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高TMR，但具體地，垂直磁化材料制成的TMR在某個溫度以上進行熱處理之后顯著降低。

因此希望提供一種可以改進TMR特性的存儲單元、包括存儲單元的存儲裝置和磁頭。

根據(jù)本公開的實施方式的一種存儲單元包括層狀結(jié)構(gòu)，該層狀結(jié)構(gòu)包括存儲層，其中，磁化方向與信息對應(yīng)地改變；磁化固定層，具有垂直于膜表面并用作存儲層中存儲的信息的基準的磁化；以及中間層，設(shè)置在存儲層與磁化固定層之間并由非磁體制成，其中，碳被插入于中間層中，并且通過沿層狀結(jié)構(gòu)的層壓方向饋入電流使存儲層中的磁化方向改變從而將信息記錄在存儲層中。