磁性存储元件、磁性存储器和驱动磁性存储器的方法技术

本发明专利技术公开了一种磁性存储元件、磁性存储器和驱动磁性存储器的方法。在执行读取时可以防止不经意的写入。用于在磁性存储层中写入信息的写入电流脉冲的持续时间比用于从磁性存储层读取信息的读取电流脉冲的持续时间长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁性存储元件、包括该磁性存储元件的磁性存储器和 驱动磁性存储器的方法。
技术介绍
利用铁磁性材料的磁性随机存取存储器(MRAM ，下面也简称为 磁性存储器，，)预计成为具有非易失性、高速可操作性、大容量和低功 耗的非易失性存储器。这种磁性存储器具有包括存储单元的结构，每 个存储单元具有隧道磁阻效应元件(TMR元件)作为磁性存储元件。 TMR元件是用夹层结构膜形成的，该膜具有介于两个铁磁层之间的一 个电介质层(隧道势垒层)。在这种TMR元件中，电流垂直地施加在膜 平面上以利用隧道电流。但在传统的MRAM中，磁记录是通过依靠通过设置在磁性存储 元件上方的线(line)感应的局部电流磁场使磁性存储元件的磁性层(磁 性存储层)的磁化方向反向来执行的。因此，可以施加在该线上的电流 值随着器件尺寸变小而降低，而且也很难感应出足够的电流磁场。而 且，在磁性存储元件中记录信息所需要的电流磁场的大小也会随着器 件尺寸变小而增大。因此，预计MRAM利用通过线感应的局部电流 磁场执行写入的原理在126 Mbit到256 Mbit这一发展阶段中将达到极限。作为通过用更低的电流进行磁化反向来执行写入的装置，利用通 过自旋注射引起的磁化反向的磁性存储器吸引了众多注意(例如参见USP No. 6256223)。通过自旋注射引起的磁化反向是通过在磁性存储 元件中注射穿过一个磁性层(磁化参考层)进入另一个磁性层(磁性存储 层)的自旋极化的电子，从而在该另 一个磁性层(磁性存储层)中感应出 磁化反向而产生的。利用通过自旋注射使磁化反向的方法，存储信息来确定。因:，存储信息所需要的电流随4器件尺寸变'J、而降低。、此外，在通过自旋注射引起的磁化反向中，尽管器件尺寸变小了 ， 磁化反向所需要的电流密度也几乎不会变得更高。因此，可以比利用 电流磁场的写入更高的效率执行写入。在传统的自旋注射MRAM中，在相同方向上延伸的电流路径既 用于写入又用于读取。因此，在读取操作期间自旋注射到每个磁性存 储元件的磁性存储层中。注射到磁性存储层中的自旋向磁性存储层中 的自旋施加了转矩。结果，在磁性存储层中的自旋被置于能量的激发 状态。由于能量被激发的自旋对热扰动的抵抗性较低，因此在读取操 作中信息被不经意地写入磁性存储层中，从而很难长时间保持所存储 的信息。为了克服这个问题，通过提高每个磁性存储层的存储保持能量来 改善对热扰动的抵抗力，并且防止在读取操作中的不经意写入。但是， 每个磁性存储层的存储保持能量的增大导致写入电流密度的增加，从 而导致其它问题。还建议应当增加读取电流与写入电流之比。具体地说，减小读取 电流，增大写入电流，从而防止在读取操作期间的不经意写入。但是， 读取电流的下限是由读出放大器的灵敏度确定的，写入电流的上限是 由每个磁性存储元件的隧道势垒层的击穿电压确定的。因此，对读取 电流和写入电流之差的增加有限制。而且，为了在读取电流的下限和写入电流的上限不变的情况下增 加读取电流与写入电流之比，要减小读取电流值和写入电流值的变化。 但是，减小这些变化是非常困难的，因为自旋注射元件的变化随着容 量的增大而变得更大。
技术实现思路
本专利技术就是针对上述情况做出的，其目的在于提供一种可以防止 读取操作期间的不经意写入的自旋注射磁性存储元件、包括该磁性存 储元件的磁性存储器、以及用于驱动磁性存储器的方法。按照本专利技术的笫一方面，提供了一种用于驱动磁性存储器的方 法，该磁性存储器包括具有磁性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被固定(pinned)的磁化参考层、磁化方向可变的磁性 存储层、和介于磁化参考层和磁性存储层之间的隧道势垒层，所述磁磁性存储层中来改变，该方法包括施加用于在磁性存储层中写入信 息的写入电流脉沖；以及施加用于从磁性存储层读取信息的读取电流 脉冲，其中写入电流脉沖的持续时间比读取电流脉沖的持续时间长。按照本专利技术的第二方面，提供了一种磁性存储器，包括具有磁 性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被固定的磁化 参考层、磁化方向可变的磁性存储层、和介于磁化参考层和磁性存储 层之间的非磁性层，所述磁性存储层的磁化方向可以通过向该磁性存 储层施加电流脉沖来改变；读取电路，其产生用于从磁性存储元件读 取信息的读取电流脉冲；写入电路，其产生用于在磁性存储元件中写 入信息的写入电流脉冲，该写入电流脉沖的脉冲持续时间比读取电流 脉冲的脉冲持续时间长；与磁性存储元件的一端连接的第一行，在执 行写入时所述写入电流脉冲流过第一行，在执行读取时所述读取电流 脉冲流过第一行；以及与磁性存储元件的另一端连接的第二行，在执 行写入时所述写入电流脉冲流过第二行，在执行读取时所述读取电流 脉冲流过第二行。按照本专利技术的第三方面，提供了一种磁性存储元件，包括第一 磁化参考层，其具有固定在一个方向的第一磁化反向；磁性存储层， 其具有与第一磁化方向平行的第二磁化方向，第二磁化方向可以通过 注射自旋极化的电子来改变；介于第一磁化参考层和磁性存储层之间 的非磁性层；第二磁化参考层，其设置在磁性存储层的背离非磁性层 的一侧；以及介于笫二磁化参考层和磁性存储层之间的自旋过滤层。根据本专利技术的第四方面，提供了一种磁性存储器，包括包括根 据第三方面的磁性存储元件的存储单元；读取电路，其产生用于从磁 性存储元件读取信息的读取电流脉冲；写入电路，其产生用于在磁性 存储元件中写入信息的写入电流脉冲；与磁性存储元件的 一 端连接的 第一行，在执行写入时所述写入电流脉沖流过第一行，在执行读取时 所述读取电流脉沖流过第一行；以及与磁性存储元件的另一端连接的 第二行，在执行写入时所述写入电流脉沖流过第二行，在执行读取时 所述读取电流脉冲流过第二行，附图说明图1是MRAM存储器的TMR元件的示意截面图； 图2A和2B示出TMR元件中的磁化反向；图3示出在自旋注射TMR元件中执行写入时观察到的电流方向 和执行读取时观察到的电流方向；图4示出在读取操作期间的扰动；图5示出被扰动的反向电流Ic随脉冲持续时间(施加时间)的变化；图6示出被扰动的反向电流Ic随脉沖持续时间的变化； 图7示出在磁性存储层中需要的athe加相对于读取电流与写入电 流的比值的关系；图8示出根据本专利技术第一实施例的用于驱动MRAM的方法；图9示出第一实施例的驱动方法的第一变型；图IO示出第一实施例的驱动方法的第二变型；图ll是示出根据本专利技术的第二实施例的磁性存储器的电路图； 图12是根据本专利技术第二实施例的磁性存储器的磁性存储元件的截面图；图13是示出根据本专利技术第二实施例的自旋过滤层的另一个示例 的截面图；图14示出第二实施例中电流脉冲持续时间和电流密度之间的关系。具体实施方式下面参照附图描述本专利技术的实施例。 (第一实施例)下面描述根据本专利技术的第一实施例驱动磁性存储器的方法。该实施例的驱动方法用于自旋注射MRAM(磁性随机存取存储器)。MRAM 包括存储单元，每个存储单元都具有TMR元件作为磁性存储元件。 图1示出TMR元件的一般结构。该TMR元件1包括磁化方向可以 改变的磁性层(磁化自由层(磁性存储层))2、磁化方向被固定的磁性层 (磁化参考层)6、以及介于这些磁性层之间的隧道势垒层4。根据两个 磁性层2和6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于驱动磁性存储器的方法，该磁性存储器包括具有磁性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被固定的磁化参考层、磁化方向可变的磁性存储层、和介于磁化参考层和磁性存储层之间的隧道势垒层，所述磁性存储层的磁化方向可以通过施加电流脉冲和注射自旋极化的电子到磁性存储层中来改变，该方法包括：施加用于在磁性存储层中写入信息的写入电流脉冲；以及施加用于从磁性存储层读取信息的读取电流脉冲，其中写入电流脉冲的持续时间比读取电流脉冲的持续时间长。

【技术特征摘要】
JP 2006-8-21 2006-2240121.一种用于驱动磁性存储器的方法，该磁性存储器包括具有磁性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被固定的磁化参考层、磁化方向可变的磁性存储层、和介于磁化参考层和磁性存储层之间的隧道势垒层，所述磁性存储层的磁化方向可以通过施加电流脉冲和注射自旋极化的电子到磁性存储层中来改变，该方法包括施加用于在磁性存储层中写入信息的写入电流脉冲；以及施加用于从磁性存储层读取信息的读取电流脉冲，其中写入电流脉冲的持续时间比读取电流脉冲的持续时间长。2. 根据权利要求1的方法，其中当多次施加写入电流脉沖和读 取电流脉沖时，写入电流脉沖的每次脉沖持续时间都比读取电流脉冲 的每次脉沖持续时间长。3. 根据权利要求1的方法，其中读取电流脉沖的脉冲持续时间 比与反向有关的初始切换时间T。短，而写入电流脉冲的脉冲持续时间等于或大于与反向有关的初始切换时间To。4. 一种磁性存储器，包括具有磁性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被 固定的磁化参考层、磁化方向可变的磁性存储层、和介于磁化参考层 和磁性存储层之间的非磁性层，所述磁性存储层的磁化方向可以通过 向该磁性存储层施加电流脉沖来改变；读取电路，其产生用于从磁性存储元件读取信息的读取电流脉沖；写入电路，其产生用于在磁性存储元件中写入信息的写入电流脉 冲，该写入电流脉冲的脉冲持续时间比读取电流脉冲的脉冲持续时间长； 与磁性存储元件的一端连接的第一行，在执行写入时所述写入电流脉沖流过第一行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第一行；以 及与磁性存储元件的另一端连接的第二行，在执行写入时所述写入 电流脉冲流过第二行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第二行。5. 根据权利要求4的存储器，其中当多次施加写入电流脉沖和 读取电流脉冲时，写入电流脉沖的每次脉沖持续时间都比读取电流脉 冲的每次脉冲持续时间长。6. 根据权利要求4的存储器，其中读取电流脉沖的脉沖持续时 间比与反向有关的初始切换时间To短，而写入电流脉冲的脉冲持续时 间等于或大于与反向有关的初始切换时间To。7. 根据权利要求4的存储器，其中所述磁性存储层的磁性各向 异性场Hk在50 Oe到5000 Oe的范围内。8. —种磁性存储元件，包括第一磁化参考层，其具有固定在一个方...

【专利技术属性】
技术研发人员：北川英二，吉川将寿，岸达也，与田博明，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：JP[日本]