[发明专利]存储装置

说明书

相关申请的交叉参考

本发明包含于2006年7月3日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2006-183684的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种存储装置，包括具有存储磁性材料的磁化状态作为信息的存储层和磁化方向固定的磁化固定层的存储元件。存储层的磁化方向通过提供电流来改变，并且，该存储装置适用于非易失性存储器。

背景技术

由于信息通信设备、尤其是诸如便携式通信终端的个人用小型设备得到了广泛地使用，所以包括在这样的设备中的存储元件、逻辑元件等进一步需要更高的性能，例如，更高的集成度、更快的运行速度及更少的电耗。

特别是，非易失性存储器是多功能装置所必须的组件。

关于非易失性存储器，已投入使用的有半导体闪存、FeRAM(铁电随机存取存储器)等，并且，为了更高的性能进行了进一步的研究和开发。

近来，作为使用磁性材料的非易失性存储器，使用隧道磁阻效应的MRAM(磁性随机存取存储器)已经被开发并引起注意(例如，参照“J.Nahas等，IEEE/ISSCC2004 Visulas Supplement，p.22”)。

MRAM包括其中记录有信息的规则排列的微小存储元件和设置用来访问每个存储元件的诸如字线和位线的布线。

每个磁性存储元件都配置有存储层，在其中信息被记录为铁磁材料的磁化方向。

磁性存储元件采用了使用MTJ(磁性隧道结)的结构，包括上述存储层、隧道绝缘膜(非磁性隔离物)以及磁化方向固定的磁化固定层。磁化固定层的磁化方向可通过设置例如反铁磁性层来固定。

在这种结构中，会产生隧道磁阻效应，其中，针对流过隧道绝缘膜的隧道电流的电阻值根据存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向之间的夹角而改变。因此，使用隧道磁阻效应来写入(记录)信息。当存储层的磁化方向与磁化固定层的磁化方向反向平行时，电阻值最大，而当它们平行时，电阻值最小。

通过使用通过将电流提供给字线和位线而形成的合成电流磁场控制磁性存储元件中的存储层的磁化方向，来将信息写入(记录)在上述磁性存储元件中。典型地，分别对应于信息“0”和信息“1”存储磁化方向。

为了将信息记录在存储元件中，例如，日本未审查专利申请公开第H10-116490号披露了一种使用星状(asteroid)特性的方法，以及例如，美国专利申请公开第2003/0072174号披露了一种使用开关特性的方法。

另一方面，为了读取所记录的信息，可以通过在使用诸如晶体管的元件选定存储单元后，利用磁性存储元件的隧道磁阻效应检测作为电压信号之间的差的存储层的磁化方向之间的差，来检测所记录的信息。

MRAM的优势在于通过反转由铁磁材料形成的存储层的磁化方向来重写信息“0”和信息“1”，因此，与其它非易失性存储器相比，能够高速且无限次(＞10¹⁵次)地重写信息。

然而，为了重写所记录的信息，MRAM需要相对较强的电流磁场。因此，需要为地址布线提供一定量的电流(例如，几mA～几十mA)。因此，功耗会很大。

此外，MRAM分别需要用于写入的地址布线和用于读取的地址布线，因此，难以将存储单元小型化。

此外，随着存储元件的小型化，会发生下述问题。即，地址布线变细且很难为其提供充足的电流值，以及由于大矫顽力所需的强电流磁场，使得能耗增加。

因此，难以将元件小型化。

例如，美国专利第5695864号披露了一种解决这些问题的方法，其中，研究了不使用电流磁场的记录，特别地，作为能够通过小电流反转磁化方向的结构，使用基于自旋转移的磁化反转的存储器引起了关注。

例如，日本未审查专利申请公开第2003-17782号披露了基于自旋转移的磁化反转，其中，将通过磁性材料并被自旋极化的电子注入其它磁性材料，从而引起磁化反转。

具体来说，当通过磁化方向固定的磁性层(磁化固定层)的自旋极化电子进入磁化方向不固定的另一个磁性层(磁化自由层)时，对磁化自由层的磁化给定自旋转移扭矩。当流过阈值电流或更大的电流时，可以反转磁性层(磁化自由层)的磁化方向。

例如，如果在与包括磁化固定层和磁化自由层的巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)的膜表面垂直的方向上施加电流，则可以反转这些元件的至少一部分磁性层的磁化方向。

因此，形成了这样的包括磁化固定层和磁化自由层(存储层)的存储元件：其中，流过存储元件的电流的极性被改变以反转存储层的磁化方向，从而重写信息“0”和信息“1”。