[发明专利]存储设备和写入控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用自旋扭矩磁化反转在存储元件中执行信息存储的存储设备。

背景技术

随着从移动终端到大容量服务器的各种信息设备的动态飞速发展，还对诸如构成信息设备的存储器和逻辑的元件要求进一步更高的性能，诸如高集成度、高速度、低功耗等。

具体而言，半导体非易失存储器的进步显著，并且随着硬盘驱动器推动的势头，作为大容量文件存储器的闪存的广泛普及使用在不断地上升。

另一方面，代码存储器(code storage)和工作存储器(working memory)的发展得到关注，并且半导体非易失存储器的开发也在不断地进行以代替当前通常使用的NOR闪存、DRAM等。例如，存在FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM(磁性随机存取存储器)、PCRAM(相变RAM)等。这些中的一部分已经投入实践使用。

在这些非易失存储器中，对于MRAM，高速重写和基本不受限的重写(10¹⁵以上次)是可行的，这是因为利用磁性材料的磁化取向进行数据存储，并且MRAM已经在诸如工业自动化、飞机等领域中使用。

由于高速操作性和可靠性，未来期待作为代码存储器和工作存储器的MRAM的发展。

然而，MRAM存在降低功耗和增加容量的问题。

这是因MRAM的记录原理(即，一种其中利用从配线产生的电流磁场使磁化反转的方法)所导致的基本问题。

作为解决该问题的一个方法，正在考虑一种不依赖于电流磁场的记录(即磁化反转)方法，其中关于自旋扭矩磁化反转的研究是活跃的(例如，参照美国专利第5695864号和日本未审查专利申请公开第2003-17782号)。

使用与MRAM相同的MTJ(磁性隧道结)构成自旋扭矩磁化反转的存储元件。

MTJ设置有磁化固定在一定方向上的磁化层(以下称为磁化固定层)以及磁化不固定的磁化层(以下称为存储层)，通过在磁化固定层和存储层之间设置隧道绝缘层来形成隧道结。

随后，通过利用磁化固定层的磁化取向与存储层的磁化取向间的相对角度，来使用MTJ的电阻的变化执行“0”或“1”的读出，即所谓的隧道磁化电阻效应。

另一方面，由于在自旋极化元素通过磁化固定层进入存储层时，使用施加至磁化层的扭矩进行写入，因此如果存在特定阈值以上的电流流动，则存储层的磁化取向反转。

当写入时，通过改变流入存储元件中的电流的极性来执行对“0”或“1”的选择。

对于大小为约0.1微米的存储元件，用于反转存储层的磁化的电流绝对值为1毫安以下。进一步，由于电流值与存储元件的体积成正比降低，因此可以进行按比例缩放。

进一步，另外，由于用于产生在MRAM中是必需的、用于记录的电流磁场的字线并非必需，因此具有单元构成简化的优点。

以下将利用自旋扭矩磁化反转的MRAM称为ST-MRAM(自旋扭矩-磁化随机存取存储器)。

ST-MRAM已经引起了很大期望来作为非易失存储器，其中低功耗和高容量是可能的，同时保持了MRAM的高速重写和无限次重写的优点。

发明内容

此处，在如上所述的ST-MRAM中，使用预定电压的写入电流在存储元件的层叠方向上流动，以将信息写入存储元件。此时，在存储元件的隧道绝缘层的两端具有大约0.5伏至1伏的电压。

然而，与隧道绝缘层的击穿电压相比，电压太大而不能忽略。也就是说，当执行重复写入并且将磁场应力施加到隧道绝缘层时，存在对隧道绝缘层造成静电放电击穿的情况。在存在对隧道绝缘层造成静电放电击穿的存储元件中，存储元件自身的电阻显著减少，并且进一步，不能够通过电阻的变化读出信息。

以此方式，在ST-MRAM中，写入期间施加到隧道绝缘层的电压(“写入电压”)充分小于对隧道绝缘层造成静电放电击穿的电压(“击穿电压”)是必要的。这是因为当写入电压和损坏电压之间的差较小时，由于每个存储元件特性的不同，因此构成大容量存储器极为困难。

期望利用通过施加小的写入电压导致存储层的磁化取向的反转来将信息存储在存储元件中，同时防止对存储元件的损坏。

同时，在使用ST-RAM的存储设备中，期望在写入期间有效地抑制延迟来实现高速写入。

也就是说，期望完成如下的兼容性，即，使用小写入电压来进行信息存储以避免对存储元件的损坏的实现和高速写入的实现。

一种根据本发明实施方式的存储设备构成如下。

即，根据本发明实施方式的存储设备设置有多对存储块和写入控制部。