本发明专利技术提供了一种不需要增大写入电流就能提高热稳定性的存储元件和存储器。该存储器的构造包括：存储元件（３），具有根据磁性物质的磁化状态保持信息的存储层（１７），其中，在存储层（１７）上设置磁化固定层（３１），其间插入有中间层（１６），中间层（１６）由绝缘体形成，并且存储层（１７）的磁化方向Ｍ１通过在层压方向上注入自旋极化的电子而发生改变，从而将信息记录到存储层（１７），并将变形从存在于存储层（１７）周围且热膨胀系数小于存储层（１７）的绝缘层施加到存储层（１７）上；以及配线，用于提供在存储元件（３）的层压方向上流动的电流。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过注入自旋极化电子改变存储层的磁化方向的存储元件，以及具有该存储元件并适于应用于非易失性存储器的存储器。
技术介绍
在诸如计算机的信息装置中，具有高操作速度和高密度的DRAM作为随机存取存 储器而得到广泛应用。 然而，由于DRAM是断电后其信息会丢失的易失性存储器，因此人们期望一种其信 息不会丢失的非易失性存储器。 此外，通过磁性物质的磁化来记录信息的磁性随机存取存储器(MRAM)作为非易 失存储器的候选引起了人们的关注，并正在进行开发。 在MRAM中，通过将电流施加到两种几乎相 互垂直的地址线(字线和位线)，并通过 由各地址线生成的电流磁场反转位于地址线的交点处的磁性存储元件的磁层的磁化方向， 来进行信息的记录。 图10示出了一般的MRAM的示意图(透视图)。 构成用于选择各存储单元的选择晶体管的漏区108、源区107及栅极101形成在由诸如硅基板的半导体基底110的元件分离层102所分离的部分中。 此外，在图中前后延伸的字线105设置在栅极101的上方。 漏区108形成为被图中的左右选择晶体管所共用，配线109连接到漏区108。 此外，具有其磁化方向反转的存储层的磁性存储元件103设置在字线105和位线106之间，其中位线106设置在字线105的上方，并在图中左右延伸。例如，磁性存储元件103由磁性隧道结元件(MTJ元件)形成。 此外，磁性存储元件103经由水平旁路线111和竖直接触层104电连接到源区 107。 通过将电流施加到字线105和位线106的每一个来将电流磁场加到磁性存储元件 103，从而反转磁性存储元件的存储层的磁化方向，由此来记录信息。 然而，在诸如MRAM的磁性存储器中，为了稳定保持记录信息，需要使记录信息的 磁层(存储层)具有固定的矫顽力。 另一方面，为了重写记录信息，需要将一定量的电流施加到地址线上。 然而，由于随着形成MRAM的元件的小型化，地址线变细，因此不可能施加足够的电流。 因此，具有利用自旋转移导致的磁化反转的构造的存储器作为能以较小的电流而 实现磁化反转的构造已引起人们的关注(例如，见专利文献1和2，非专利文献1和2)。 由自旋转移导致的磁化反转是指穿过磁性物质的内部的自旋极化电子注入另一 磁性物质以使另一磁性物质的磁化反转。 例如，通过以与层表面垂直的方向将电流施加到巨型磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)上，能够反转该元件至少部分磁层的磁化方向。 此外，由自旋转移导致的磁化反转的优点在于即使元件变得小型化也不需增大电流就能实现磁化反转。 图8和图9示出了具有利用上述由自旋转移导致的磁化反转的构造的存储器的示 意图。图8是透视图，图9是截面图。 构成用于选择各存储单元的选择晶体管的漏区58、源区57及栅极51形成在由诸 如硅基板的半导体基底60的元件分离层52所分离的部分中。其中，栅极51也用作图8中 前后延伸的字线。 漏区58形成为由图8中的左右选择晶体管共用，且配线59连接到漏区58。 此外，具有由自旋转移而反转了磁化方向的存储层的存储元件53设置在源区57和位线56之间，其中位线56设置在源区57的上方，并在图8中左右延伸。 例如，存储元件53由磁性隧道结元件(MTJ元件)形成。在图中，61和62表示磁层。假设两磁层61和62之一是其磁化方向固定的磁化固定层，而另一磁层是其磁化方向变化的自由磁化层，即存储层。 此外，存储元件53分别经由上下接触层54连接到位线56和源区57。因此，通过 将电流施加到存储元件53，通过自旋转移能够反转存储层的磁化方向。 与图10所示的一般MRAM相比，具有利用由自旋转移导致的磁化反转的构造的存 储器也具有其器件结构能够简化的特点。 此外，由于采用由自旋转移导致的磁化反转，与由外部磁场进行磁化反转的一般 MRAM相比，其优点在于即使当元件小型化时其写入电流也不会增大。 同时，在MRAM的情况下，配线(字线和位线)与存储元件分离地设置，并通过将电 流施加到配线生成的电流磁场而执行信息的写入(记录)。因此，写入所需的足够的电流量 能够流过写入线。 另一方面，在具有利用由自旋转移导致的磁化反转的构造的存储器中，需要通过 使用流经存储元件的电流进行自旋转移来反转存储层的磁化方向。 此外，如上所述，通过直接将电流施加到存储元件上来写入(记录)信息。因此， 为了选择执行写入的存储单元，将存储元件和选择晶体管相连以形成存储单元。在这种情 况下，流经存储元件的电流将限制到能够施加到选择晶体管上的电流(选择晶体管的饱和 电流)大小。 因此，需要以等于或小于选择晶体管的饱和电流进行写入。因此，需要提高自旋转 移的效率，使得能够减小流经存储元件的电流。 此外，为了放大读取信号，需要确保大的磁阻变化率。为了实现此目的，采用将与 存储层的两侧接触的中间层作为隧道绝缘层(隧道阻挡层)的存储元件的结构是有效的。 在使用隧道绝缘层作为中间层的情况下，为了防止隧道绝缘层的电介质击穿，需 要限制流经存储元件的电流量。同样从这点上考虑，需要抑制自旋转移时的电流。 非专利文献1 :Phys. Rev. B 54. 9353 (1996) 非专利文献2 :J. Magn. Mat. 159. LI (1996) 专利文献1 :日本未审查专利申请公开2003-17782 专利文献2 :美国专利第6256223号
技术实现思路
然而，如果其不存储和保持由电流写入的信息，其不能成为存储器。因此，需要确 保对抗存储层的热波动的稳定性(热稳定性)。 在利用由自旋转移导致的磁化反转的存储元件的情况下，与现有的MRAM相比，存 储层的体积变小，简言之，热稳定性也相应地趋于降低。 如果不能确保存储层的热稳定性，则反转的磁化方向将会由于热而再次反转，这 将导致写入错误。 因此，在利用由自旋转移导致的磁化反转的存储元件中，热稳定性是一个非常重 要的特性。 通常，在写入时很少消耗能量的元件中，由于能垒(energybarrier)小，信息容易 丢失。 另一方面，在写入时需要大量能量的元件中，可以形成高的能垒。因此，可以说信 息的存储也是稳定的。 在与自旋转移效率相等的构造进行比较时，在利用由自旋转移导致的磁化反转的 存储元件中，随着存储层的饱和磁化量和存储层的体积的增大，热稳定性变高，且写入时需 要大量的电流。 通常，热稳定指标可以由热稳定参数(A)表示。 假设A = KV/kT(K :各向异性能量，V :存储层的体积，k :玻尔兹曼常数，T :温度)。 因此，为了具有其存储层的磁化方向通过自旋转移而反转的结构的存储元件可以 作为存储器存在，需要提高自旋转移效率，这样磁化反转所需的电流能够减小到等于或小 于晶体管的饱和电流，并确保用于可靠保持写入信息的热稳定性。 为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种不需要增大写入电流就可以提高热 稳定性的存储元件及具有该存储元件的存储器。 本专利技术的一种存储元件包括根据磁性物质的磁化状态保持信息的存储层。磁化固 定层设置在存储层上，其间插入有中间层。中间层由绝缘体形成。存储层的磁化方向通过 在层压方向上注入自旋极化的电子而发生改变，从而将信息记录到存储层。存储层的热膨 胀系数为等于或者大于1本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种存储元件，包括： 存储层，根据磁性物质的磁化状态保持信息， 其中，在所述存储层上设置磁化固定层，其间插入有中间层， 所述中间层由绝缘体形成， 所述存储层的磁化方向通过在层压方向上注入自旋极化的电子而发生改变，从而将所述信息记录到所述存储层， 所述存储层的热膨胀系数等于或者大于１×１０↑［－５］［／Ｋ］，以及 至少在所述存储层的周围设置热膨胀系数等于或小于５×１０↑［－６］［／Ｋ］的绝缘层，从而将变形施加到所述存储层上。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2007-7-19 188371/2007一种存储元件，包括存储层，根据磁性物质的磁化状态保持信息，其中，在所述存储层上设置磁化固定层，其间插入有中间层，所述中间层由绝缘体形成，所述存储层的磁化方向通过在层压方向上注入自旋极化的电子而发生改变，从而将所述信息记录到所述存储层，所述存储层的热膨胀系数等于或者大于1×10-5[/K]，以及至少在所述存储层的周围设置热膨胀系数等于或小于5×10-6[/K]的绝缘层，从而将变形施加到所述存储层上。2. —种存储器，包括存储元件，其具有根据磁性物质的磁化状态保持信息的存储层，其中，在所述存储层 上设置磁化固定层，其间插入有中间层，所述中间层由绝缘体形成，并且所述存储层的磁化 方向通过在层压方向上注入自旋极化的电子而发生改变，从而将所述信息记录到所述存储 层；以及配线，用于提供在所述存储元件的层压方向上流动的电流，其中，在所述存储元件中，所述存储层的热膨胀系数等于或大于1 X 10—5[/K]，并且至少 在所述存储层的周围设置热膨胀系数等于或小于5X10—6[/K]的绝缘层，从而将变形施加 到所述存储层上。3. —种存储器，包括存储单元，它们均由存储元件形成，所述存储元件具有根据磁性物质的磁化状态保持 信息的存储层，其中，在所述存储层上设置磁化固定层，其间插入有中间层，所述中间层由 绝缘体形成，并且所述存储层的磁化方向通过在层压方向上注入自旋极化的电子而发生改 变，从而将所述信息记录到所述存储层；以及配线，用于提供在所述存储元件的层压方向上流动的电流，其中，所述存储单元以矩阵形式设置，以及通过在存储单元行之间嵌入热膨胀系数与所述存储单元的存储元件周围的材料的热 膨胀系数不同的材料，而将变形施加到所述存储层。4...
【专利技术属性】
技术研发人员：细见政功，大森广之，五十岚实，山元哲也，肥后豊，山根一阳，大石雄纪，鹿野博司，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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