本发明专利技术公开了存储元件和存储装置。一种存储元件包括分层结构。该分层结构包括存储层、磁化固定层和中间层。存储层具有与膜面垂直的磁化，其中该磁化的方向取决于信息而改变，并且该磁化的方向通过在分层结构的层压方向上施加电流而被改变从而将信息记录在存储层中。磁化固定层具有成为存储层中所存储的信息的基础的、与膜面垂直的磁化，并且具有包括非磁层和至少两个铁磁层的层压铁钉合结构。该非磁层包括Cr。中间层由非磁材料形成并且被设置在存储层和磁化固定层之间。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及具有多个磁层(magnetic layer)并且利用自旋扭矩磁化反转(spintorque magnetization switching)进行记录的存储元件和存储装置。
技术介绍
随着从移动终端到大容量服务器的各种信息装置的快速发展，在诸如构成这些装置的存储元件和逻辑元件之类的元件中不断追求更高的性能提高，例如，更高的集成度、更快的速度和更低的功耗。尤其是，半导体非易失性存储器已取得显著进步，作为大容量文件存储器，闪存普及的速率使得硬盘驱动器被闪存所取代。同时，已进行了将FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM (磁随机存取存储器)、PCRAM (相变随机存取存储器)等开发成为当前通用的或非门(NOR)闪存、DRAM等的替代，从而将它们用于代码存储或作为工作存储器。这些中的一部分已经投入实际运用。在它们当中，MRAM利用磁材料的磁化方向执行数据存储以使得可进行高速地、几乎无限制次数(1015次以上)的重写，因此，已经被用在诸如工业自动化和航空器之类的领域中。由于高速操作和可靠性，在不久的将来期望将MRAM用于代码存储或工作存储器。然而，MRAM存在与降低功耗、增加容量相关的挑战。这是由MRAM的记录原理(即，利用从互连件(interconnection)生成的电流磁场来对磁化进行反转)导致的基本问题。作为解决该问题的一个方法，不使用电流磁场的记录方法，S卩，磁化反转方法，正在审查中。具体地，已对自旋扭矩磁化反转进行了积极研究(例如，参见日本未实审专利申请公报 N0.2003-017782 和 N0.2008-227388、美国专利 N0.6，256，223,Physical Review B，54,9353(1996), Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, LI (1996))。类似于MRAM，使用自旋扭矩磁化反转的存储元件通常包括MTJ (磁隧道结)。该配置使用这样的现象:其中，当经过被固定在任意方向上的磁层的自旋极化电子进入另一自由(方向未被固定)磁层时，扭矩(其也被称为自旋转移扭矩)被施加给磁层，并且当具有预定阈值以上的电流流动时该自由磁层被反转。0/1的重写是通过改变电流的极性来执行的。在具有大约0.1 ii m的尺寸的存储元件的情况中，用于反转的电流的绝对值为ImA或更小。另外，由于该电流值与该元件的体积成比例地下降，因此可以进行缩放。另外，由于不需要MRAM中生成记录电流磁场所必要的字线，因此优点在于单元结构变得简单。下面，将利用自旋扭矩磁化反转的MRAM成为自旋扭矩磁随机存取存储器(SpinTorque-Magnetic Random Access Memory, ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反转也被称为自旋注入磁化反转。对作为如下非易失性存储器的ST-MRAM寄予厚望:该非易失性存储器能够实现更低功耗和更大容量，同时维持MRAM的可执行高速、几乎无限制的重写的优点。
技术实现思路
在MRAM中，将写互连件(字线和位线)与存储元件分开地布置，并且经由通过向写互连件施加电流而生成的电流磁场来写入(记录)信息。因此，写入所需要的电流可以充分地流经写互连件。另一方面，在ST-MRAM中，要求流入存储单元的电流包括自旋扭矩磁化反转以便反转存储层的磁化方向。通过以这种方式直接向存储元件施加电流来写入(记录)信息。为了选择要进行写入的存储单元，存储元件被连接到选择晶体管以构成存储单元。在此情况中，流入存储元件的电流受到可以流入选择晶体管的电流量的限制，即，受到选择晶体管的饱和电流的限制。因此，需要以等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流来执行写入，并且已知晶体管的饱和电流随着小型化而减小。为了使ST-MRAM小型化，需要提高自旋转移效率并且减小流入存储元件的电流。另外，需要确保高的磁阻改变率以放大读出信号。为了实现此，有效的是采用上述MTJ结构，即以如下方式来配置存储元件:将与存储层相接触的中间层用作隧道绝缘层(隧道势垒层)。在隧道势垒层被用作中间层的情况中，流入存储元件的电流量被限制以防止发生隧道绝缘层的绝缘击穿。即，从确保存储元件的重复写入的可靠性的角度来说，必须限制自旋扭矩磁化反转所需的电流。自旋扭矩磁化反转所需的电流也被称为反转电流、存储电流等。此外，由于ST-MRAM是非易失性存储器，因此需要稳定地存储通过电流写入的信息。即，需要确保相对于存储层的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。在存储层的热稳定性未得到确保的情况下，经反转的磁化方向可能由于热(操作环境中的温度)而再次被反转，从而导致写入错误。与相关技术中的MRAM相比，ST-MRAM中的存储元件在规模方面是有利的，即，有利点在于，如上所述从记录电流值方面来讲，存储层的体积可以较小。然而，由于体积较小，在其它特性相同的情况下，热稳定性可能恶化。随着ST-MRAM的容量继续增大，存储元件的体积变得更小，使得确保热稳定性变得重要。因此，在ST-MRAM的存储元件中，热稳定性是非常重要的特性，并且需要按照即使当体积减小时也确保其热稳定性的方式来设计存储元件。换言之，为了提供作为非易失性存储器的ST-MRAM，自旋扭矩磁化反转所需的反转电流被减小以便不超过晶体管的饱和电流或者不击穿隧道势垒层。而且，需要确保热稳定性以保持所写入的信息。希望提供作为ST-MRAM的、能够降低信息写入方向上的热稳定性的非对称性并且充分确保作为信息保持能力的热稳定性的存储元件。根据本专利技术的实施例，提供了一种存储元件，包括:分层结构，该分层结构包括:存储层，其具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向取决于信息而改变，磁化固定层，其具有与膜面垂直的磁化(该磁化成为存储层中所存储的信息的基础)，以及中间层，其由非磁材料形成并且被设置在存储层和磁化固定层之间。存储层的磁化方向通过在该分层结构的层压方向上施加电流而被改变以便将该信息记录在该存储层中。另外，磁化固定层具有包括非磁层和至少两个铁磁层(ferromagnetic layer)的层压铁钉合结构(laminated ferr1-pinned structure),并且该非磁层包括Cr。根据本专利技术实施例的一种存储装置包括保持取决于磁材料的磁化状态的信息的存储元件以及彼此相交的两种类型的互连件。该存储元件是具有上述配置的存储元件，并被布置在两种类型的互连件之间。通过两种类型的互连件，层压方向上的电流流向存储元件。根据本专利技术实施例的存储元件包括用于保持取决于磁材料的磁化状态的信息的存储层以及经由中间层被形成在存储层上的磁化固定层。通过利用由在层压方向上流动的电流诱发出的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化，来记录该信息。因此，当在层压方向上施加电流时，信息可以被记录。由于存储层是垂直磁化膜，因此可以减小反转存储层的磁化方向所需的写电流值。就减小反转电流并且同时确保热稳定性而言，包括垂直磁化膜的存储层是令人满意的。例如，Nature Materials.，5，210 (2006)建议，当将诸如Co/Ni多层膜之类的垂直磁化膜用于存储层时，可以同时实现减小反转电流和确保热稳定性。另一方面，希望将具有界面磁各向异性的垂直磁化磁材料用于磁化固定层。具本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种存储元件，包括：分层结构，该分层结构包括：存储层，其具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向取决于信息而改变，该磁化的方向通过在所述分层结构的层压方向上施加电流而被改变，从而将所述信息记录在所述存储层中，磁化固定层，其具有成为所述存储层中所存储的信息的基础的、与膜面垂直的磁化，并且具有包括非磁层和至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，所述非磁层包括Cr，以及中间层，其由非磁材料形成，并且被设置在所述存储层和所述磁化固定层之间。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：山根一阳，细见政功，大森广之，别所和宏，肥后丰，浅山彻哉，内田裕行，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：
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