本发明专利技术公开了存储元件和存储设备。提供了一种具有分层结构的存储元件，包括具有与其磁化方向对应于信息发生改变的薄膜面相垂直的磁化的存储层，并包括Co-Fe-B磁层和至少一个非磁层；其中通过使电流以分层结构的层压方向流动来改变存储层的磁化方向，以便将信息记录到存储层中，具有与成为存储在存储层的信息的基础的薄膜面相垂直的磁化的磁化固定层，和由非磁性材料形成的位于存储层和磁化固定层之间的中间层，还包括氧化物层、Co-Fe-B磁层和非磁层层压而成的层状结构。
【技术实现步骤摘要】
本公开涉及具有多个磁层(magnetic layer)并利用自旋扭矩磁化切换(spintorque magnetization switching)来进行记录的存储元件和存储设备。
技术介绍
随着从移动终端到大容量服务器等各种信息设备的快速发展，元件(诸如配置设备的存储元件和逻辑元件)追求更高的性能改进，诸如高集成性、速度提升与低功耗。特别是半导体非易失性存储器有了显著提高，并且作为大容量文件存储器的闪速存储器快速普及以取代了硬盘驱动器。同时，FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM(磁性随机存取存储器)和PCRAM(相变随机存取存储器)等也取得进步，普遍用作替代现有的NOR闪速存储器和DRAM等，从而用作代码存储设备或工作存储器。这些存储器部分已在实际中使用。其中，MRAM使用磁性材料的磁化方向执行数据存储，因而具有高速度和几近无限的重写次数(1015次或更多)，因此已用于诸如工业自动化、飞机的领域。因其高速运行和可靠性，在不久的将来MRAM有望用作代码存储设备或工作存储器。但是，在降低功耗和提升容量上，MRAM也面临挑战。MRAM的记录原理，即使用互连所生成的电流磁场来切换磁化的方法，是导致这一基本问题的原因。作为解决此问题的方法，正在研究一种不使用电流磁场的记录方法，即磁化切换方法。特别是，自旋扭矩磁化切换的研究已在积极开展中(例如，参阅日本未经审查的专利申请 N0.2003-17782 和 N0.2008-227388、美国专利 N0.6，256，223,Physical Review B (物理评论B), 54,9353 (1996)、和 Journal of Magnetism and Magnetic Materials (磁学和磁性材料杂志)，159，LI (1996)。使用自旋扭矩磁化切换的存储元件通常包括与MRAM类似的MTJ (磁隧道结)。该配置利用了以下现象，当自旋极性电子穿过在任一方向固定的磁层进入另一自由(方向不固定)磁层时，施加扭矩(也称为自旋转移扭矩)于所述磁层，并且当电流达到预定阈值或超过时切换所述自由磁层。0/1的重写通过改变电流极性来执行。在存储元件大小为约0.1 ii m的情况下，用于切换的电流的绝对值是ImA或更小。此外，由于该电流值与元件体积呈比例地减小，因此大小缩放是可行的。此外，由于在MRAM中生成记录电流磁场所必需的字线此时是不必要的，因此具有单元结构也变得简单的优点。在下文中，使用自旋扭矩磁化切换的MRAM将被称为自旋扭矩磁性随机存取存储器(ST-MRAM)。所述自旋扭矩磁化切换也称为自旋注入磁化切换。ST-MRAM被寄予了很大期望用作为能实现低功耗和大容量同时还能保持MRAM的可执行高速度和几近无限的重写次数的优点的非易失性存储器。
技术实现思路
在MRAM中，写入互连(字线和位线)与存储元件被分开设置，并且由通过施加电流到所述写入互连所生成的电流磁场写入(记录)信息。因此，写入所必需的电流可充分地流过写入互连。另一方面，在ST-MRAM中，流向存储元件的电流必须包括自旋扭矩磁化切换以切换存储层的磁化方向。信息以此方式通过直接施加电流到存储元件而被写入(记录)。为了选择进行写入的存储单元，存储元件被连接到一个选择晶体管以配置所述存储单元。在这种情况下，流向存储元件的电流受到可流向选择晶体管的电流量(即选择晶体管的饱和电流)的限制。因此，必须使用与选择晶体管的饱和电流相等的电流或更小的电流来执行写入，并且可知晶体管的饱和电流是随着小型化而减小的。为了使ST-MRAM小型化，必须提高自旋转移效率并且减小流向存储元件的电流。此外，必须确保高磁阻变化比以放大读出信号。为了实现这一目标，采用上述MTJ结构是有效的，即，将存储元件配置为与存储层接触的中间层被用作隧道绝缘层(隧道屏障层)。在隧道绝缘层被用作中间层时，流向存储元件的电流量被限制以防止隧道绝缘层发生绝缘击穿。也就是说，关于存储元件的重复写入，从确保可靠性的观点出发，自旋扭矩磁化切换所必需的电流必须被限制。自旋扭矩磁化切换所必需的电流也被称为切换电流、存储电流等。并且，由于ST-MRAM是非易失性存储器，因此必须平稳地存储被电流写入的信息。即，必须确保关于存储层磁化中热起伏的稳定性(热稳定性)。在不能确保存储层的热稳定性的情况下，已切换的磁化方向可能因为高温(操作环境的温度)被再次切换，这将导致写入错误。与相关技术中的MRAM相比，ST-MRAM中的存储元件在大小缩放上具有优势，即如上文关于记录电流值方面所述，在存储层体积可被缩小上具有优势。然而，因为体积小，所以只要其他特性相同，热稳定性就可能降低。随着ST-MRAM的容量继续增加，存储元件的体积变小，使得确保热稳定性很重要。因此，在ST-MRAM的存储元件中，热稳定性是一项极其重要的特性，并且必须将存储元件设计为即使体积在减小也要确保其热稳定性。换而言之，为了提供ST-MRAM作为非易失性存储器，减小自旋扭矩磁化切换所必需的切换电流，以免超过晶体管的饱和电流或避免击穿隧道屏障。并且，必须确保热稳定性以保存写入的信息。期望提供一种存储元件作为减小切换电流和确保热稳定性的ST-MRAM。根据本公开的实施例，提供了一种存储元件，包括:分层结构，其包括:具有与其磁化方向对应于信息发生改变的薄膜面相垂直的磁化的存储层，具有与成为存储在存储层的信息的基础的薄膜面相垂直的磁化的磁化固定层，以及由非磁性材料形成的位于存储层和磁化固定层之间的中间层。通过施加电流到分层结构的层压方向改变存储层的磁化方向，以便将信息记录到存储层中。此外，存储层包括Co-Fe-B磁层和至少一个非磁层；并且形成了将氧化物层、Co-Fe-B磁层和非磁层按所述顺序层压的层状结构。根据本公开的实施例的存储设备包括:取决于磁性材料的磁化状态保存信息的存储元件，和两种类型的互相交叉的互连。存储元件是具有如上所述配置的元件，并设置于上述两种类型的互连之间。层压方向的电流通过上述两种类型的互连流向存储元件。根据本公开的实施例的存储元件包括:取决于磁性材料的磁化状态保存信息的存储层，和通过中间层形成于存储层上的磁化固定层。通过利用层压方向流动电流引起的自旋扭矩磁化切换来切换存储层的磁化以记录信息。因此，当电流被施加到层压方向，信息可被记录。由于存储层是垂直磁化薄膜，因此切换存储层的磁化方向所必需的写入电流值可被减小。同时，由于垂直磁化薄膜的强磁各向异性能量，可充分地提供存储层的热稳定性。在同时减小切换电流和确保热稳定性方面，包括垂直磁化薄膜的存储层是值得注意的。例如，Nature Materials (自然科学)5，210 (2006)提出，当垂直磁化薄膜,诸如Co/Ni多层薄膜等被用于存储层时，可同时减小切换电流和确保热稳定性。具有垂直磁各向异性的磁性材料的示例包括稀土 -过渡金属合金(诸如TbCoFe)、金属多层薄膜(诸如Co/Pd多层薄膜)、有序合金(诸如FePt)和这些利用介于氧化物和磁性金属(诸如Co/MgO)之间的界面磁各向异性的材料等。考虑到隧道结结构用于实现高磁阻变化比从而在ST-MRAM中提供高读出信号的作用，及考虑到耐热性和易于制造性，利用界面磁各向异性的材料，即作为隧道本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种存储元件，包括：分层结构，其包括：具有与其磁化方向取决于信息发生改变的薄膜面相垂直的磁化的存储层，所述存储层包括Co?Fe?B磁层和至少一个非磁层，其中，通过施加电流到所述分层结构的层压方向来改变所述磁化方向，以便将所述信息记录到所述存储层中，具有与成为存储在所述存储层的信息的基础的薄膜面相垂直的磁化的磁化固定层，以及由非磁性材料形成的位于所述存储层和所述磁化固定层之间的中间层；以及氧化物层、所述Co?Fe?B磁层和所述非磁层层压而成的层状结构。
【技术特征摘要】
2011.12.01 JP 2011-2632871.一种存储元件，包括: 分层结构，其包括: 具有与其磁化方向取决于信息发生改变的薄膜面相垂直的磁化的存储层，所述存储层包括Co-Fe-B磁层和至少一个非磁层，其中，通过施加电流到所述分层结构的层压方向来改变所述磁化方向，以便将所述信息记录到所述存储层中， 具有与成为存储在所述存储层的信息的基础的薄膜面相垂直的磁化的磁化固定层，以及 由非磁性材料形成的位于所述存储层和所述磁化固定层之间的中间层；以及 氧化物层、所述Co-Fe-B磁层和所述非磁层层压而成的层状结构。2.根据权利要求1所述的存储元件，其中 所述中间层的至少与所述存储层接触的界面由氧化物形成，并且所述层状结构由所述中间层的氧化物层、所述存储层的所述Co-Fe-B磁层和所述存储层的所述非磁层形成。3.根据权利要求1所述的存储元件，其中 在所述中间层的相对侧不同层的至少与所述存储层接触的界面由氧化物形成，并且所述层状结构由所述不同层的氧化物层...
【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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