[发明专利]存储元件和存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及存储元件和包括该存储元件的存储装置。存储元件包括存储铁磁性层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，并且通过电流的流动改变存储层的磁化方向。

背景技术

随着各种信息装置(从移动终端到大容量服务器)的快速发展，构成信息装置的存储器和逻辑元件需要更高的性能，例如高集成度、高速度和低功耗。特别是，半导体非易失性存储器的发展是显著的，并且闪速存储器变得更加广泛用作大容量存储器，好像几乎要将硬盘驱动器从市场中消除。同时，预期代码存储存储器或者工作存储器的进展，已经研究FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM(磁性随机存取存储器)、PCRAM(相变随机存取存储器)等等，以代替当前通常使用的NOR闪速存储器、DRAM等。这些存储器类型中的一些已经实际使用。

在这些之中，由于MRAM基于磁性材料的磁化方向记录数据，所以能够快速并且几乎无限制(1015次以上)地执行重写。因此，MRAM已经用于工业自动化、飞机等的领域。尽管由于其高速操作和可靠性而期望将来发展为代码存储存储器或者工作存储器，但是实际上MRAM在实现低功耗和大容量时存在问题。这些问题是由MRAM的记录原理引起的，该记录原理是使电流分别流过大致彼此交叉的两种类型的地址配线(字线和位线)，并且位于地址配线的交点的磁存储元件的磁性层的磁化通过从各地址配线产生的电流电场而反转，从而记录信息。即，这是由于通过从配线产生的电流磁场而反转磁化的方法所导致的基本问题。

作为解决该问题的解决方法，已经讨论了不使用电流磁场的记录，即，不使用电流磁场而反转磁化的方法。在这些之中，已经积极地实施关于自旋扭矩磁化反转的研究(例如，参见日本未审查专利申请公开第2003-17782号、美国专利第6256223号、日本未审查专利申请公开第2008-227388号，PHYs.Rev.B，54.9353(1996)，和J.Magn.Mat.，159，L1(1996))。

类似于MRAM，利用自旋扭矩磁化反转的存储元件在许多情况下由MTJ(磁性隧道结)构成。该构造利用这样的现象，当穿过以给定方向固定的磁性层的自旋极化电子进入另一个自由磁性层(其中方向不固定)时，扭矩被施加至该磁性层(该现象也被称为自旋传输扭矩)。在该情况下，当使得等于或者大于给定阈值的电流流动时，自由磁性层反转。通过改变电流的极性重写0和1。

用于反转的电流的绝对值对于大约0.1μm程度的元件为等于或小于1mA。此外，因为该电流值与元件体积成比例减小，所以可进行按比例换算。此外，由于在MRAM中产生记录电流磁场所需的字线并非必需，所以也具有单元结构简单的有利效果。

在下文中，利用自旋扭矩磁化反转的MRAM被称为ST-MRAM(自旋扭矩磁性随机存取存储器)。自旋扭矩磁化反转往往可以称为自旋注入磁化反转。ST-MRAM作为非易失存储器已更加引人关注，其能够实现低功耗和大容量，同时保持MRAM迅速地和几乎无限制地执行重写的有利效果。

发明内容

在MRAM的情况下，写入配线(字线和位线)与存储元件分离设置，并且能够通过使电流流过写入配线时产生的电流磁场而写入(记录)信息。因此，能够使得写入所需的足够量的电流流过写入配线。

另一方面，在ST-MRAM中，通过在存储元件中流动的电流来执行自旋扭矩磁化反转，并且需要反转存储层的磁化方向。以该方式，能够通过使电流直接流入存储元件而写入(记录)信息。因此，为了选择执行写入的存储装置，将存储元件和选择晶体管连接从而构成存储装置。在该情况下，在存储元件中流动的电流被限制为能够在选择晶体管中流动的电流(选择晶体管的饱和电流)的大小。

期望提供这样的存储元件和包括该存储元件的存储装置，该存储元件能够提高热稳定性，而不增大写入电流，并且具有良好的矫顽力。

根据本发明的实施方式，提供了一种存储元件，包括：存储层，基于磁性材料的磁化状态来存储信息；磁化固定层，具有用作存储在存储层中的信息的基准的磁化；中间层，由非磁性材料形成，并且介于存储层和磁化固定层之间；保护层，被设置为与存储层相邻并且在中间层的相反侧；以及金属保护层，被设置为与保护层相邻并且在存储层的相反侧。

在该构造中，利用由在包括存储层、中间层和磁化固定层的层结构的层压方向上流动的电流所引起的自旋扭矩磁化反转将存储层的磁化反转，从而存储信息，中间层和保护层由氧化物形成，并且金属保护层由Pd或Pt形成。