CN100452233C - 自旋注入磁随机存取存储器及写入方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的一种自旋注入磁随机存取存储器，包括磁电阻元件，该磁电阻元件具有其磁化方向固定的磁性固定层、其磁化方向可以通过注入自旋极化电子改变的磁性记录层、和提供在磁性固定层和磁性记录层之间的隧道势垒层；位线，该位线使自旋注入电流通过磁电阻元件，自旋注入电流用于产生自旋极化的电子；写入字线，辅助电流通过该写入字线，辅助电流用于沿着磁电阻元件的易磁化轴方向产生辅助磁场；以及驱动器/接收器，该驱动器/接收器确定自旋注入电流的方向和辅助电流的方向。
Description
本申请基于并要求申请日为2005年1月28日、申请号为2005-21877的先前日本专利申请的优先权，该申请引入本文作参考。
技术领域
本发明涉及通过自旋极化电子来进行磁化反转的自旋注入磁随机存取存储器。
背景技术
除了磁头和例如磁传感器的检测元件外，已经研究了使用磁膜的磁电阻元件在固态磁存储器-磁随机存取存储器(MRAM)中用作存储元件。
磁电阻元件具有夹层结构，其包括例如两层磁金属层和排列在其间的电介层。在具有夹层结构的磁电阻元件中，因为两层磁金属层的磁化状态根据数据而不同，所以使用隧道磁电阻(TMR)效应可以读出数据。
最近，对于表示磁电阻波动速率的MR比(磁电阻比)，获得室温下MR比大于20％的磁电阻元件，并且磁随机存取存储器的研究和开发十分活跃。
使用TMR效应的磁电阻元件可以如下实现：在作为磁金属层的铁磁体上形成厚度从0.6纳米至2.0纳米范围的Al(铝)层，Al层的表面暴露于氧气辉光放电或氧气下，形成由Al2O3组成的隧道势垒层，并且进一步形成作为磁金属层的铁磁体。
还使用MgO(氧化镁)代替Al2O3作为隧道势垒层。
建议铁磁单隧道结元件作为使用TMR效应的磁电阻元件的另一种结构。举例来说，在铁磁单隧道结元件中，在磁化状态由反铁磁性层固定的磁性固定层中形成两层铁磁性层中的一层。此外，还建议了具有通过分散在电介体中的磁性颗粒的铁磁隧道结和在连续膜中形成铁磁体的铁磁双隧道结元件的磁电阻元件。
因为MR比从20％至230％变化，并且甚至增加施加到磁电阻元件上的电压时也会抑制MR比降低，所以已经认为这些磁电阻元件具有巨大的潜在应用。
在使用磁电阻元件的磁随机存取存储器中，读出时间快达不大于10纳秒并且可擦写次数(rewritable endurance)高达至少1015次。
但是，使用脉冲电流产生的磁场在磁性记录层中进行数据写入(磁化反转)。因此，施加到字线和位线上的脉冲电流的电流密度增加，导致电力消耗增加、难于实现大存储容量，以及产生脉冲电流的驱动器面积增加等新的问题。
因此，建议了一种轭线技术，其中具有高磁导率的磁性材料(轭材料)提供在写入线周围，以高效地给磁电阻元件赋予磁场。根据该技术，可以降低在数据写入期间产生的脉冲电流的电流密度。
但是，所述脉冲电流仍不会降低至磁随机存取存储器实际使用所需的值，即不大于1mA的值。
建议了通过自旋注入的写入方法作为一种解决这些问题的技术。
自旋注入写入方法具有通过将自旋极化的电子注入到磁电阻元件的磁性记录层中进行磁性记录层磁化反转的特征。
当通过自旋极化的电子进行磁化反转时，因为与通过磁场进行磁化反转的情况相比可以降低脉冲电流的密度，所以自旋注入写入方法有利于电力消耗降低、存储容量增大、驱动器面积降低等。在此情况下，为了脉冲电流不会产生环磁场，因为需要降低磁电阻元件的尺寸，所以集成磁电阻元件是方便的。
为了实现自旋注入写入方法，第一，当磁电阻元件的尺寸等于或者小于0.1×0.1μm2时，需要保证热稳定性(热波动电阻)。第二，需要降低磁电阻元件尺寸的波动。第三，需要降低自旋注入磁化反转所需的脉冲电流的电流密度。
目前，自旋注入磁化反转所需的脉冲电流的电流密度约为107A/cm2，但是为了防止隧道势垒击穿问题等，需要进一步降低该电流密度。
在使用巨磁电阻(GMR)效应的磁电阻元件中，通过采用所谓的双钉扎结构，脉冲电流的电流密度可以降低至106A/cm2的程度。例如，在使用Cu/Co90Fe10、Ru/Co90Fe10作为自旋反射膜的情况中，自旋注入磁化反转所需的脉冲电流的电流密度分别变成为约8×106A/cm2和约2×106A/cm2。
但是，这些值仍不足以实现磁随机存取存储器。为了解决例如隧道势垒击穿和由于磁电阻元件温度升高而引起的热干扰的问题，需要进行可以实现电流密度进一步降低的新结构和写入方法的研究和开发。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决隧道势垒击穿和由于磁电阻元件温度升高而引起的热干扰的问题的自旋注入磁随机存取存储器及其写入方法。
根据本发明一个方面的自旋注入磁随机存取存储器包括：磁电阻元件，该磁电阻元件具有其磁化方向固定的磁性固定层、其磁化方向可以通过注入自旋极化电子改变的磁性记录层、和提供在磁性固定层和磁性记录层之间的隧道势垒层；位线，该位线使自旋注入电流通过磁电阻元件，自旋注入电流用于产生自旋极化的电子；写入字线，辅助电流通过该写入字线，辅助电流用于沿着磁电阻元件的易磁化轴方向产生辅助磁场；被连接到位线的第一驱动器/接收器(sinker)；被连接到写入字线的第二驱动器/接收器；第一解码器，该第一解码器控制第一驱动器/接收器，以根据磁电阻元件中的写入数据中写入数据的值来确定自旋注入电流的取向，同时确定自旋注入电流截止的计时；以及第二解码器，该第二解码器控制驱动器/接收器，以根据数据写入期间写入数据的值来确定自旋注入电流的取向，同时使得辅助电流的截止计时迟于自旋注入电流截止的计时。
本发明还提供一种自旋注入磁随机存取存储器的写入方法，包括：使自旋注入电流通过磁电阻元件；使得磁电阻元件中的磁性记录层的磁化方向可以通过产生自旋极化电子而改变；截止自旋注入电流；以及在自旋注入电流截止后沿着磁电阻元件的易磁化轴方向将辅助磁场施加到磁性记录层，施加恒定的期间。
根据本发明，通过在使用自旋极化电子的磁化反转时施加辅助磁场，能够抑制电子自旋进动，降低磁电阻元件特性由于热干扰而造成的波动，并且通过辅助磁场可以降低用于自旋注入磁化反转的脉冲电流的电流密度，可以防止例如隧道势垒击穿等的问题。
附图说明
图1表示磁电阻元件的热干扰；
图2表示自旋注入写入期间磁电阻元件的温度升高；
图3是表示基本结构第一实施方案的示意图；
图4是表示基本结构第一实施方案的示意图；
图5是表示基本结构第一实施方案的示意图；
图6是表示基本结构第一实施方案的示意图；
图7是表示基本结构第二实施方案的示意图；
图8是表示基本结构第二实施方案的示意图；
图9是表示基本结构第二实施方案的示意图；
图10是表示基本结构第二实施方案的示意图；
图11是表示磁电阻元件第一实施方案的示意图；
图12是表示磁电阻元件第二实施方案的示意图；
图13是表示磁电阻元件第三实施方案的示意图；
图14是表示磁电阻元件第四实施方案的示意图；
图15是表示磁电阻元件第五实施方案的示意图；
图16是表示磁电阻元件第五实施方案的示意图；
图17是表示磁电阻元件第五实施方案的示意图；
图18是表示磁电阻元件第五实施方案的示意图；
图19表示根据本发明实施例的写入方法的流程图；
图20是表示自旋注入电流和辅助磁场开/关计时的波形图；
图21是表示根据本发明实施方案的磁随机存取存储器外围电路的电路图；
图22是表示用于图21存储器的信号波形的波形图；
图23表示解码器的实例；
图24表示该解码器的该实例；
图25表示该解码器的该实例；
图26表示该解码器的该实例；
图27表示该解码器的该实例；
图28表示有源信号RWL的产生电路的实例；
图29表示有源信号E2W的产生电路的实例；
图30表示有源信号W2E的产生电路的实例；
图31表示有源信号N2S的产生电路的实例；
图32表示有源信号S2N的产生电路的实例；
图33表示确定有源信号计时的电路的实例；
图34表示确定有源信号计时的电路的实例；
图35是表示从图33和34的电路中输出的信号的波形图；
图36表示延迟电路的实例；
图37表示该延迟电路的该实例；
图38是表示基本结构第一实施方案的修改的示意图；
图39是表示基本结构第一实施方案的修改的示意图；
图40是表示基本结构第一实施方案的修改的示意图；
图41是表示基本结构第一实施方案的修改的示意图；
图42是表示基本结构第二实施方案的修改的示意图；
图43是表示基本结构第二实施方案的修改的示意图；
图44是表示基本结构第二实施方案的修改的示意图；
图45是表示基本结构第二实施方案的修改的示意图；
图46表示磁电阻元件的热干扰；
图47表示磁电阻元件的热干扰；
图48表示磁电阻元件的热干扰；以及
图49表示磁电阻元件的热干扰。
具体实施方式
下面将参照附图详细地说明本发明一个方面的自旋注入磁随机存取存储器。
1.结构和写入方法
(1)热干扰
图1表示传统磁电阻元件的热干扰。
假设使用脉冲宽度为50ns的脉冲电流(自旋极化电子)进行自旋注入的磁化反转。
当通过向磁电阻元件MTJ上施加脉冲电流进行磁化反转(开关)时，在每次写入时产生开关所需的脉冲电流电流密度(相应于脉冲电压)的波动以及开关后磁电阻波动率(相应于结电阻)中的波动。
认为该波动是由在开关期间施加到磁电阻元件MTJ上的脉冲电流引起的。即，脉冲电流引起磁电阻元件MTJ的温度上升。相信磁电阻元件MTJ的温度上升在开关期间对磁性记录层(自由层)有一些影响。
图2表示当用脉冲宽度为50ns的脉冲电流进行磁化反转时磁电阻元件的温度上升。
当向磁电阻元件供应脉冲电流时，磁电阻元件的温度以恒定的速率增加。温度增加到130℃。在截止脉冲电流后，充分冷却磁电阻元件需要数十纳秒。例如，在实施方案中，充分冷却磁电阻元件花费至少50纳秒。
(2)基本结构
在本发明的实施方案中，使用沿着磁电阻元件易磁化轴方向的磁场辅助自旋注入磁随机存取存储器的磁化反转(开关)，通过自旋极化的电子进行该磁化反转。
也就是说，在自旋注入磁化反转方法中，尽管因为通过鼓励电子自旋进动进行磁化反转，记录层受热波动很大的影响，辅助磁场抑制记录层中电子自旋的热干扰，直到由于自旋极化的电子而升高的磁电阻元件温度充分地降低。
因而，当在使用自旋极化的电子进行磁化反转期间施加辅助磁场时，抑制电子自旋进动，以降低磁电阻元件特性由于热干扰的波动。
此外，辅助磁场降低了用于自旋注入磁化反转的脉冲电流的电流密度，这就防止了例如隧道势垒击穿的问题。
沿着磁电阻元件易磁化轴方向的辅助磁场不会主要进行磁化反转，但是在开关期间抑制了自由层中电子自旋的热干扰，以至于不大于1mA的辅助电流足以产生辅助磁场。
(i)第一实施方案
图3至6表示基本结构的第一实施方案。
存储单元包括一个MOS晶体管Tr和一个磁电阻元件MTJ。
磁电阻元件MTJ的一端与位线BLu连接，并且另一端通过选择元件-MOS晶体管TR与位线BLd连接。两根位线BLu和BLd彼此相交排列。
在实施方案中，位线BLu在磁电阻元件MTJ的难磁化轴方向上延伸，并且位线BLd在磁电阻元件MTJ的易磁化轴方向上延伸。但是，相反也是正确的。
两根位线BLu和BLd彼此平行排列。
在数据写入期间向磁电阻元件MTJ供应产生自旋注入磁化反转的自旋注入电流(脉冲电流)Is。
举例来说，当从位线BLu向位线BLd供应自旋注入电流Is时，记录层的磁化方向取向成与固定层(受钉扎层)的方向相同(平行状态)。当从位线BLd向位线BLu供应自旋注入电流Is时，记录层的磁化方向与固定层的方向相反(反平行状态)。
此时，在本实施方案中，在磁电阻元件MTJ附近排列沿着难磁化轴方向延伸的写入字线WWL。
在数据写入期间辅助电流(脉冲电流)Ia通过写入字线WWL，并且辅助电流(脉冲电流)Ia具有根据写入数据值确定的取向。辅助电流Ia在易磁化轴方向上产生辅助磁场H，其中辅助磁场H抑制了磁电阻元件MTJ的记录层中电子自旋的热干扰。
参考图3，在磁电阻元件MTJ上方排列写入字线WWL，并且写入字线WWL沿着与位线BLu相同的方向延伸。参考图4，在磁电阻元件MTJ上方排列写入字线WWL，并且写入字线WWL沿着与位线BLu交叉的方向延伸。
参考图5，在磁电阻元件MTJ下方排列写入字线WWL，并且写入字线WWL沿着与位线BLu相同的方向延伸。参考图6，在磁电阻元件MTJ下方排列写入字线WWL，并且写入字线WWL沿着与位线BLu交叉的方向延伸。
如上所述，甚至在自旋注入电流Is截止后数十纳秒，磁电阻元件MTJ的温度也保持在高水平下。因为为了抑制记录层中电子自旋热干扰，使用辅助磁场H，在自旋注入电流Is截止后辅助电流Ia继续流通数十纳秒。
设置通过辅助电流Ia的计时与通过自旋注入电流Is的计时相同，或者通过辅助电流Ia的计时可以早于或迟于通过自旋注入电流Is的计时。
(ii)第二实施方案
图7至10表示基本结构的第二实施方案。
与第一实施方案相同，存储单元包括一个MOS晶体管Tr和一个磁电阻元件MTJ。
第二实施方案因为磁电阻元件MTJ是边缘型隧道磁电阻元件而与第一实施方案不同。
在正常磁电阻元件中如图3至7所示的固定层上表面形成隧道势垒层同时，在边缘型隧道磁电阻元件中固定层的侧面(板线部分)上形成隧道势垒层。因此，通过固定层的厚度可以确定固定层和隧道势垒层之间的结面积，从而允许降低元件之间特性的波动。
与第一实施方案相同，在数据写入期间向磁电阻元件MTJ供应产生自旋注入磁化反转的自旋注入电流Is。
举例来说，当从位线BLu向位线BLd供应自旋注入电流Is时，记录层的磁化方向与固定层的方向相同(平行状态)。当从位线BLd向位线BLu供应自旋注入电流Is时，记录层的磁化方向与固定层的方向相反(反平行状态)。
在数据写入期间，辅助电流Ia通过写入字线WWL，并且辅助电流(脉冲电流)Ia具有根据写入数据值确定的取向。辅助电流Ia在易磁化轴方向上产生辅助磁场H，并且辅助磁场H抑制了磁电阻元件MTJ的记录层中电子自旋的热干扰。
参考图7，在磁电阻元件MTJ上方排列写入字线WWL，并且写入字线WWL沿着与位线BLu相同的方向延伸。参考图8，在磁电阻元件MTJ上方排列写入字线WWL，并且写入字线WWL沿着与位线BLu交叉的方向延伸。
参考图9，在磁电阻元件MTJ下方排列写入字线WWL，并且写入字线WWL沿着与位线BLu相同的方向延伸。参考图10，在磁电阻元件MTJ下方排列写入字线WWL，并且写入字线WWL沿着与位线BLu交叉的方向延伸。
与第一实施方案相同，设置通过辅助电流Ia的计时与通过自旋注入电流Is的计时相同，或者通过辅助电流Ia的计时可以早于或迟于通过自旋注入电流Is的计时。
与第一实施方案相同，在从自旋注入电流Is截止开始经过数十纳秒时设置辅助电流Ia截止的计时。
(3)磁电阻元件的结构
为了通过解决例如隧道势垒层击穿和磁电阻元件温度上升引起的热干扰的问题实现大容量的自旋注入磁随机存取存储器，还需要研究磁电阻元件的结构。
需要给磁电阻元件提供自旋注入磁化反转并且可以在低电流密度下进行磁化反转。下面将说明一些实施方案。
(i)第一实施方案
图11表示磁电阻元件的第一实施方案。
在第一实施方案中，磁电阻元件包括反铁磁性层3、第一磁性固定层4、隧道势垒层5、磁性记录层6、非磁性金属层7、第二磁性固定层8和反铁磁性层9。磁性记录层6通过隧道势垒层5排列在第一磁性固定层4上。第二磁性固定层8通过非磁性金属层7排列在磁性记录层6上。
在第一磁性固定层4中，通过第一磁性固定层4和反铁磁性层3之间的交换相互结合固定磁化状态。在第二磁性固定层8中，通过第二磁性固定层8和反铁磁性层9之间的交换相互结合固定磁化状态。设置第一磁性固定层4的磁化方向在第二磁性固定层8磁化方向的相反方向上。
磁电阻元件排列在作为电极的基底层2上，并且电极层10排列在反铁磁性层9上。
当自旋注入电流从电极层10流向基底层2时，自旋极化的电子从第一磁性固定层4注入磁性记录层6，并且磁性记录层6的磁化方向变成与第一磁性固定层4相同的方向(平行状态)。当自旋注入电流从基底层2流向电极层10时，自旋极化的电子从第二磁性固定层8注入磁性记录层6，并且磁性记录层6的磁化方向变成与第二磁性固定层8相同的方向(反平行状态)。
在自旋注入磁化反转方法中，为了高效地进行磁化反转，通过增强自旋反射比的材料组合形成非磁性金属层7和第二磁性固定层8。
举例来说，在第二磁性固定层8由包括Co(例如富Co)的铁磁性材料组成时，非磁性金属层7由选自Zr、Hf、Rh、Ag、Cu和Au组，优选Zr、Hf、Rh和Ag组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
另外，在第二磁性固定层8由包括Fe(例如富Fe)的铁磁性材料组成时，非磁性金属层7由选自Rh、Pt、Ir、Al、Ga、Cu和Au组，优选Rh、Pt、Ir、Al和Ga组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
在第二磁性固定层8由包括Ni(例如富Ni)的铁磁性材料组成时，非磁性金属层7由选自Zr、Hf、Au、Ag和Cu组，优选Zr、Hf、Au和Ag组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
根据上述结构，第二磁性固定层8反射在与第二磁性固定层8的磁化方向(电子自旋的取向)相反的方向上自旋极化的电子。因此，适当选择用于非磁性金属层7的材料能够高效地反射在与第二磁性固定层8的磁化方向相反的方向上自旋极化的电子，以反转磁性记录层6的磁化状态。
需要第一磁性固定层4和第二磁性固定层8的磁矩方向总是彼此相差约180度。
因此，举例来说，可以分别向第一磁性固定层4和第二磁性固定层8上添加具有不同奈耳温度TN的反铁磁性层3和9，并且当温度介于确定磁化方向的退火过程中冷却期间的奈耳温度TN之间时，磁场方向可以反转180度。
(ii)第二实施方案
图12表示磁电阻元件的第二实施方案。
第二实施方案是第一实施方案的一个修改方案，并且第二实施方案在第二磁性固定层的结构方面与第一实施方案不同。
在第二实施方案中，磁电阻元件包括反铁磁性层3、第一磁性固定层4、隧道势垒层5、磁性记录层6、非磁性金属层7、第二磁性固定层8SAF和反铁磁性层9。磁性记录层6通过隧道势垒层5排列在第一磁性固定层4上。第二磁性固定层8SAF通过非磁性金属层7排列在磁性记录层6上。
在第一磁性固定层4中，通过第一磁性固定层4和反铁磁性层3之间的交换相互结合固定磁化状态。第二磁性固定层8SAF具有SAF(合成的反铁磁性)结构，并且固定第二磁性固定层8SAF的磁化状态。
采用SAF结构可以设置位于第二磁性固定层8SAF隧道势垒层5侧的第一磁性固定层4和铁磁性层的磁化方向在相互相反的方向上成180度角，甚至不需使用第一实施方案的结构所需的退火过程。
在第二实施方案中，当在反转第一磁性固定层4和磁性记录层6之间的磁矩(磁化)从反平行状态到平行状态中，电子从第一磁性固定层4注入磁性记录层6时，在第一磁性固定层4中自旋极化的电子通过隧道势垒层5，以向磁性记录层6赋予自旋转矩。
自旋极化的电子从磁性记录层6通过非磁性金属层7到达第二磁性固定层8SAF。但是，自旋极化的电子在第二磁性固定层8SAF上被反射，并且作为反射的自旋电子的自旋极化的电子再次给磁性记录层6赋予自旋转矩。
因此，当第一磁性固定层4和磁性记录层6之间的磁矩处于反平行状态时，磁性记录层6的磁矩被反转，并且第一磁性固定层4和磁性记录层6之间的磁矩变成平行状态。
当在反转第一磁性固定层4和磁性记录层6之间的磁矩从平行状态到反平行状态中，电子从第二磁性固定层8SAF注入磁性记录层6时，在第二磁性固定层8SAF中自旋极化的电子通过非磁性金属层7，以向磁性记录层6赋予自旋转矩。
自旋极化的电子趋向于从磁性记录层6通过隧道势垒层5流向第一磁性固定层4。但是，因为当电子通过隧道势垒层5时，隧道效应概率在第一磁性固定层4磁矩的相反方向上具有自旋的电子中降低，所以电子被反射，并且作为反射的自旋电子的电子再次给磁性记录层6赋予自旋转矩。
因此，当第一磁性固定层4和磁性记录层6之间的磁矩处于平行状态时，磁性记录层6的磁矩被反转，并且第一磁性固定层4和磁性记录层6之间的磁矩变成反平行状态。
因此，通过改变自旋注入电流的流过方向可以反转磁性记录层6的磁化方向，从而可以通过自旋注入进行“0”和“1”的写入。
在第二磁性固定层8SAF由包括Co(例如富Co)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Zr、Hf、Rh、Ag、Cu和Au组，优选Zr、Hf、Rh和Ag组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
在第二磁性固定层8SAF由包括Fe(例如富Fe)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Rh、Pt、Ir、Al、Ga、Cu和Au组，优选Rh、Pt、Ir、Al和Ga组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
此外，在第二磁性固定层8SAF由包括Ni(例如富Ni)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Zr、Hf、Au、Ag和Cu组，优选Zr、Hf、Au和Ag组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
(iii)第三实施方案
图13表示磁电阻元件的第三实施方案。
在第三实施方案中，磁电阻元件包括反铁磁性层3、第一磁性固定层4、隧道势垒层5、磁性记录层6、非磁性金属层7、第二磁性固定层8和反铁磁性层9。磁性记录层6通过隧道势垒层5排列在第一磁性固定层4上。第二磁性固定层8通过非磁性金属层7排列在磁性记录层6上。
在第一磁性固定层4中，通过第一磁性固定层4和反铁磁性层3之间的交换相互结合固定磁化状态。在第二磁性固定层8中，通过第二磁性固定层8和反铁磁性层9之间的交换相互结合固定磁化状态。设置第一磁性固定层4的磁化方向在与第二磁性固定层8的磁化方向相同的方向上。
磁电阻元件排列在基底层2上，并且电极层10排列在反铁磁性层9上。
在这种结构中，当自旋注入电流从电极层10流向基底层2时，电子从第一磁性固定层4注入磁性记录层6，并且第一磁性固定层4中在与第一磁性固定层4磁矩相同的方向上自旋极化的电子通过隧道势垒层5赋予磁性记录层6自旋转矩(平行状态)。此外，电子通过磁性记录层6和非磁性金属层7注入第二磁性固定层8。当选择用于非磁性金属层7的材料时，在与第二磁性固定层8的磁矩相同的方向上具有自旋的电子在第二磁性固定层8上被反射，并且再次作为反射的自旋电子注入磁性记录层6，从而允许磁性记录层6的磁化方向沿着与第一磁性固定层4磁化方向相同的方向取向(平行状态)。
当自旋注入电流从基底层2流向电极层10时，电子从第二磁性固定层8通过非磁性金属层7注入磁性记录层6。当选择用于非磁性金属层7的材料时，在第二磁性固定层8中自旋极化的电子流过非磁性金属层7中，在与第二磁性固定层8的磁矩相反的方向上具有自旋的电子是主要的，并且自旋极化的电子赋予磁性记录层6自旋转矩。此外，电子趋向于从磁性记录层6通过隧道势垒层5流向第一磁性固定层4。但是，因为当电子通过隧道势垒层5时，隧道效应概率在第一磁性固定层4磁矩的相反方向上具有自旋的电子中降低，所以电子被反射，并且作为反射的自旋电子的电子再次给磁性记录层6赋予自旋转矩。因此，磁性记录层6的磁化方向在与第一磁性固定层4的磁化方向相反的方向上取向(反平行状态)。
在自旋注入磁化反转方法中，为了高效地进行磁化反转，通过增强自旋反射比的材料组合形成非磁性金属层7和第二磁性固定层8。
在第二磁性固定层8由包括Co(例如富Co)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Cr、Ir、Os、Ru和Re组，优选Cr、Ir和Os组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
在第二磁性固定层8由包括Fe(例如富Fe)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Mn、Cr、V、Mo、Re、Ru、Os、W和Ti组，优选Mn、Cr、V、Mo和Re组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
此外，在第二磁性固定层8由包括Ni(例如富Ni)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Rh、Ru、Ir、Os、Cr、Re、W、Nb、V、Ta和Mo组，优选Rh、Ru、Ir和Os组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
根据上述结构，第二磁性固定层8反射在与第二磁性固定层8的磁化方向(电子自旋的取向)相反的方向上自旋极化的电子。因此，适当选择用于非磁性金属层7的材料能够高效地反射在与第二磁性固定层8的磁化方向相反的方向上自旋极化的电子，以反转磁性记录层6的磁化状态。
在第三实施方案中，因为第一磁性固定层4和第二磁性固定层8的磁矩方向在相同的方向上取向，所以不需要第一实施方案的退火过程。
(iv)第四实施方案
图14表示磁电阻元件的第四实施方案。
第四实施方案是第三实施方案的一个修改方案，并且第四实施方案在第一和第二磁性固定层分别具有SAF(合成的反铁磁性)结构方面与第三实施方案不同。
在第四实施方案中，磁电阻元件包括反铁磁性层3、第一磁性固定层4SAFSAF、隧道势垒层5、磁性记录层6、非磁性金属层7、第二磁性固定层8SAF和反铁磁性层9。磁性记录层6通过隧道势垒层5排列在第一磁性固定层4SAF上。第二磁性固定层8SAF通过非磁性金属层7排列在磁性记录层6上。
第一磁性固定层4SAF具有SAF结构，并且固定第一磁性固定层4SAF的磁化状态。相似地，第二磁性固定层8SAF具有SAF结构，并且固定第二磁性固定层8SAF的磁化状态。
在第四实施方案中，按照与第三实施方案相似的方式进行写入。
也就是说，当在反转第一磁性固定层4SAF和磁性记录层6之间的磁矩(磁化)从反平行状态到平行状态中，电子从第一磁性固定层4注入磁性记录层6时，在第一磁性固定层4SAF中自旋极化的电子通过隧道势垒层5，以向磁性记录层6赋予自旋转矩。
自旋极化的电子从磁性记录层6通过非磁性金属层7到达第二磁性固定层8SAF。但是，自旋极化的电子在第二磁性固定层8SAF上被反射，并且作为反射的自旋电子的自旋极化的电子再次给磁性记录层6赋予自旋转矩。
因此，当第一磁性固定层4SAF和磁性记录层6之间的磁矩(磁化)处于反平行状态时，磁性记录层6的磁矩被反转，并且第一磁性固定层4SAF和磁性记录层6之间的磁矩变成平行状态。
当在反转第一磁性固定层4SAF和磁性记录层6之间的磁矩(磁化)从平行状态到反平行状态中，电子从第二磁性固定层8SAF注入磁性记录层6时，在第二磁性固定层8SAF中自旋极化的电子通过非磁性金属层7，以向磁性记录层6赋予自旋转矩。
自旋极化的电子趋向于从磁性记录层6通过隧道势垒层5流向第一磁性固定层4SAF。但是，因为当电子通过隧道势垒层5时，隧道效应概率在第一磁性固定层4SAF磁矩的相反方向上具有自旋的电子中降低，所以电子被反射，并且作为反射的自旋电子的电子再次给磁性记录层6赋予自旋转矩。
因此，当第一磁性固定层4SAF和磁性记录层6之间的磁矩处于平行状态时，磁性记录层6的磁矩被反转，并且第一磁性固定层4SAF和磁性记录层6之间的磁矩变成反平行状态。
因此，通过改变自旋注入电流相对于磁电阻元件的流过方向可以反转磁化，从而可以通过自旋注入进行“0”和“1”的写入。
在第一和第二磁性固定层4SAF和8SAF由包括Co(例如富Co)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Cr、Ir、Os、Ru和Re组，优选Cr、Ir和Os组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
在第一和第二磁性固定层4SAF和8SAF由包括Fe(例如富Fe)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Mn、Cr、V、Mo、Re、Ru、Os、W和Ti组，优选Mn、Cr、V、Mo和Re组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
在第一和第二磁性固定层4SAF和8SAF由包括Ni(例如富Ni)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Rh、Ru、Ir、Os、Cr、Re、W、Nb、V、Ta和Mo组，优选Rh、Ru、Ir和Os组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
(v)第五实施方案
图15至18是磁电阻元件的第五实施方案。
第五实施方案是第一至第四实施方案的一个改进方案，并且第五实施方案特征在于当与第一至第四实施方案比较时磁性记录层通过多个阵列形状的柱状层形成。
图15是图11中所示的第一实施方案的改进；图16是图12中所示的第二实施方案的改进；图17是图13中所示的第三实施方案的改进；并且图18是图14中所示的第四实施方案的改进。
通过一组多个阵列形状的柱状层(铁磁体)形成磁性记录层6。在每个柱形层中磁化方向可以改变。通过绝缘体11(或者电介体)分隔柱形层。隧道势垒层5排列在第一磁性固定层4或4SAF和磁性记录层6之间。
在图15和16所示结构的情况中，为了增强自旋反射比，通过下面的材料组合形成非磁性金属层7和第二磁性固定层8或8SAF。
另外，在第二磁性固定层8或8SAF由包括Co(例如富Co)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Zr、Hf、Rh、Ag、Cu和Au组，优选Zr、Hf、Rh和Ag组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
在第二磁性固定层8或8SAF由包括Fe(例如富Fe)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Rh、Pt、Ir、Al、Ga、Cu和Au组，优选Rh、Pt、Ir、Al和Ga组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
此外，在第二磁性固定层8或8SAF由包括Ni(例如富Ni)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Zr、Hf、Au、Ag和Cu组，优选Zr、Hf、Au和Ag组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
在图17和18所示结构的情况中，为了增强自旋反射比，通过下面的材料组合形成非磁性金属层7和第二磁性固定层8或8SAF。
在第二磁性固定层8或8SAF由包括Co(例如富Co)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Cr、Ir、Os、Ru和Re组，优选Cr、Ir和Os组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
在第二磁性固定层8或8SAF由包括Fe(例如富Fe)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Mn、Cr、V、Mo、Re、Ru、Os、W和Ti组，优选Mn、Cr、V、Mo和Re组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
在第二磁性固定层8或8SAF由包括Ni(例如富Ni)的铁磁性材料组成的情况中，非磁性金属层7由选自Rh、Ru、Ir、Os、Cr、Re、W、Nb、V、Ta和Mo组，优选Rh、Ru、Ir和Os组中的至少一种金属，或者包括其中至少一种金属的合金组成。
因此，根据磁性记录层6由多个柱形层形成的磁电阻元件，当与第一至第四实施方案比较时，铁磁隧道结的有效结面积降低。因而，即使在数据写入期间流过自旋注入电流，也几乎不会产生由于自旋注入电流引起的环磁场，这就允许在磁性记录层中稳定地进行磁化反转。
当磁电阻元件的尺寸较大时，第五实施方案是有效的。具体地说，当柱形层由圆柱形成时，优选柱形层的直径设置在1至100纳米的范围内。
当柱形层的直径小于1纳米时，柱形结构的铁磁体变成超顺磁。当柱形层的直径大于100纳米时，由于周期性磁畴结构的稳定，几乎不能进行稳定的磁化反转并且MR比也降低。
(vi)总结
如上所述，在自旋注入写入方法中，当磁性记录层6包含Ni-Co、Ni-Fe、Co-Fe、或Co-Fe-Ni时，非磁性金属层7由选自Au、Zr、Hf、Rh、Pt、Ir、Al和Ga组，或者包括其中至少一种金属的合金组成。因此，可以降低自旋注入电流Is。
当使用第一至第四实施方案的磁电阻元件作为图3至10所示的自旋注入磁随机存取存储器的存储单元时，电流密度在磁化反转期间降低，从而允许解决例如隧道势垒层击穿和热干扰的问题。在此情况下，为了在磁化反转期间稳定第一和第二磁性固定层4或4SAF及8或8SAF的磁化状态，第一和第二磁性固定层4或4SAF及8或8SAF的体积尽可能增大。
参考SAF结构，可以对第一和第二磁性固定层之一或两者使用SAF结构。
(4)写入方法
下面将描述使用根据本发明实施方案的结构的数据写入方法(磁化反转过程)。
图19表示根据本发明实施例的磁化反转过程的流程图。图20表示用于实现图19的过程的自旋注入电流和辅助磁场(辅助电流)的信号波形。
首先，向磁电阻元件供给具有根据写入数据的值取向的自旋注入电流Is(步骤ST1，时间t1)。产生由自旋注入电流Is自旋极化的电子，并且自旋转矩通过自旋极化的电子对磁性记录层起作用，开始磁化反转。
当自旋注入电流Is通过磁电阻元件时，因为磁电阻元件的温度逐渐上升(参见图2)，在自旋注入电流Ia通过计时的同时，或者在自旋注入电流Ia通过后，辅助电流Is通过写入字线WWL，产生辅助磁场H(步骤ST2，时间t2)。
辅助磁场H在磁电阻元件的易磁化轴方向上产生，这就抑制了磁性自由层中由于磁电阻元件的温度上升引起的电子自旋热干扰。
辅助电流Ia通过字线WWL，产生辅助磁场H的计时可以早于自旋注入电流Ia通过的计时。
然后，自旋注入电流Is截止(步骤ST3，时间t3)。
在此情况下，从图2中可以看出，磁电阻元件具有足以产生电子自旋热干扰直至从自旋注入电流Is截止后数十纳秒的高温。
因此，直到数十纳秒后，甚至在自旋注入电流Is截止后，也连续提供辅助电流Ia。
在磁电阻元件的温度充分下降时，停止辅助电流Ia，截止辅助磁场H(步骤ST4，时间t4)。
因此，根据本发明实施方案的磁化反转方法，在电流截止计时中，因为用于产生辅助磁场的脉冲电流迟于用于自旋注入写入的脉冲电流时，可以有效地防止由于磁电阻元件温度上升引起的磁性记录层中电子自旋的热干扰。
实施例
下面将说明优选的实施例。
(1)电路实施例
图21示意性地表示了用来实现自旋注入磁化反转的磁随机存取存储器的外围电路。
在图21中使用的信号中，b＊＊＊应该意指逻辑＊＊＊被反转的反转信号(＊＊＊是任何信号)。此外，i应该意指多行中的第i行，并且j应该意指多列中的第j列。
磁电阻元件MTJ的一端通过接触部件CNT与上位线BLu连接。磁电阻元件MTJ的另一端通过作为下电极的基底层2和作为选择开关的MOS晶体管Tr与下位线BLd连接。来自读出字线的行选择信号RWLi被输入到N-沟道MOS晶体管Tr的栅极。
上位线BLu和下位线BLd都在相同的方向上延伸。即，在本实施方案中，上位线BLu和下位线BLd都在列方向上延伸。
上位线BLu的一端与CMOS型驱动器/接收器DS1连接。向构成驱动器/接收器DS1的P-沟道MOS晶体管的栅极输入驱动信号bN2Sj，并且向构成驱动器/接收器DS1的N-沟道MOS晶体管的栅极输入合成信号N2Sj。
下位线BLu的一端与CMOS型驱动器/接收器DS2连接。向构成驱动器/接收器DS2的P-沟道MOS晶体管的栅极输入驱动信号bS2Nj，并且向构成驱动器/接收器DS2的N-沟道MOS晶体管的栅极输入合成信号N2Sj。
举例来说，行选择信号RWLi设置为“H”，驱动信号bN2Sj和合成信号S2Nj设置为“L”，并且驱动信号bS2Nj和合成信号S2Nj设置为“H”，这就使自旋注入电流Is从驱动器/接收器DS1流向驱动器/接收器DS2。
另一方面，行选择信号RWLi设置为“H”，驱动信号bN2Sj和合成信号S2Nj设置为“H”，并且驱动信号bS2Nj和合成信号N2Sj设置为“L”，这就使自旋注入电流Is从驱动器/接收器DS2流向驱动器/接收器DS1。
在行方向上延伸的写入字线WWL排列在磁电阻元件MTJ附近。
写入字线WWL的一端与CMOS型驱动器/接收器DS3连接。向构成驱动器/接收器DS3的P-沟道MOS晶体管的栅极输入驱动信号bE2Wi，并且向构成驱动器/接收器DS3的N-沟道MOS晶体管的栅极输入合成信号W2Ei。
写入字线WWL的另一端与CMOS型驱动器/接收器DS4连接。向构成驱动器/接收器DS4的P-沟道MOS晶体管的栅极输入驱动信号bW2Ei，并且向构成驱动器/接收器DS4的N-沟道MOS晶体管的栅极输入合成信号E2Wi。
举例来说，驱动信号bE2Wi和合成信号E2Wi设置为“L”，并且驱动信号bW2Ei和合成信号E2Wi设置为“H”，这就使辅助电流Ia从驱动器/接收器DS3流向驱动器/接收器DS4。
另一方面，驱动信号bE2Wi和合成信号W2Ei设置为“H”，并且驱动信号bW2Ei和合成信号E2Wi设置为“L”，这就使辅助电流Ia从驱动器/接收器DS4流向驱动器/接收器DS3。
上位线BLu的另一端通过作为列选择开关的N-沟道MOS晶体管CSW与读出放大器S/A的正侧输入端连接。读出放大器S/A例如包括差动放大器。向MOS晶体管CSW的栅极输入列选择信号CSLj。
向读出放大器S/A的负侧输入端输入参考电势REF。参考电势REF成为确定来自磁电阻元件MTJ的读出数据值的参考。读出放大器S/A的输出信号变成磁电阻元件MTJ的读出数据ROUT。
(2)信号计时波形
图22表示用于图21的磁随机存取存储器的驱动信号和合成信号的波形。
图22的信号计时波形是产生图21所示的自旋注入电流Is和辅助电流Ia的一个实例。
首先，在时间t1，设置合成信号E2Wi为“H”并且设置驱动信号bE2Wi为“L”，这就使辅助电流Ia通过写入字线WWL从驱动器/接收器DS3流向驱动器/接收器DS4。
在时间t2设置读出选择信号RWLi为“H”。然后，在时间t3设置合成信号N2Sj为“H”并且设置驱动信号bN2Sj为“L”，这就使自旋注入电流Is从驱动器/接收器DS1流向驱动器/接收器DS2。
此后，在时间t4设置合成信号N2Sj为“L”、设置驱动信号bN2Sj为“H”，并且截止自旋注入电流Is。然后，在时间t5设置读出选择信号RWLi为“L”。
在从自旋注入电流Is截止数十纳秒后的时间t6，设置合成信号E2Wi为“L”、设置驱动信号bE2Wi为“H”、截止辅助电流Ia，并且取消辅助磁场H。
在本实施例的信号计时波形中，在自旋注入电流Is通过前，通过辅助电流Ia，产生辅助磁场H。但是，如上所述，可以在自旋注入电流Is通过的同时或者自旋注入电流Is通过后产生辅助磁场H。
(3)解码器
下面将说明控制图21的驱动器/接收器DS1、DS2、DS3和DS4的解码器的实施例。
在磁电阻元件中写入数据期间，解码器控制驱动器/接收器，根据写入数据的值确定自旋注入电流Is和辅助电流Ia的取向。解码器还控制驱动器/接收器，确定自旋注入电流Is和辅助电流Ia供应/截止的计时。
图23表示产生读出选择信号RWLi的解码器实施例。
在本实施例中，解码器包括AND门电路。当有源信号RWL和行地址信号设置在“H”时，读出选择信号RWLi变成“H”。
图24表示产生驱动信号bE2Wi和合成信号E2Wi的解码器实施例。
在本实施例中，解码器包括AND门电路。当有源信号E2W和行地址信号均设置在“H”时，驱动信号bE2Wi变成“L”并且合成信号E2Wi变成“H”。
图25表示产生驱动信号bW2Ei和合成信号W2Ei的解码器实施例。
在本实施例中，解码器包括AND门电路。当有源信号W2E和行地址信号均设置在“H”时，驱动信号bW2Ei和合成信号W2Ei均变成“H”。
图26表示产生驱动信号bN2Sj和合成信号N2Sj的解码器实施例。
在本实施例中，解码器包括AND门电路。当有源信号N2S和列地址信号均设置在“H”时，驱动信号bN2Sj变成“L”并且合成信号N2Sj变成“H”。
图27表示产生驱动信号bS2Nj和合成信号S2Nj的解码器实施例。
在本实施例中，解码器包括AND门电路。当有源信号S2N和列地址信号均设置在“H”时，驱动信号bS2Nj变成“L”并且合成信号S2Nj变成“H”。
图28至32表示产生有源信号RWL、E2W、W2E、N2S和S2N的电路。
信号A、B、C、D、E和F确定分别输出信号RWL、E2W、W2E、N2S和S2N的计时。
在图29至32中，DATA 1是当写入数据是“1”时变成“H”的信号，并且DATA 0是当写入数据是“0”时变成“H”的信号。
因此，根据写入数据的值来确定自旋注入电流Is和辅助电流Ia的取向。
在本实施例中，设置辅助电流Ia通过的计时在自旋注入电流Is通过前。但是，可以设置辅助电流Ia通过的计时在自旋注入电流Is通过的同时或者自旋注入电流Is通过后。
图33和34表示基于写入信号WRITE产生信号A、B、C、D、E和F的延迟电路1至6。
图35表示图33和34的延迟电路1至6的操作波形。
图36和37表示延迟电路1至6的的实例。
图36的实例是延迟电路由串联连接的多个反相器形成的反相器型。延迟时间通过反相器的数量控制。实施例37的实例是延迟电路由电阻R和电容C形成的RC型。延迟时间可以通过电阻R的电阻值和电容C的电容值来控制。
3.修改
下面将说明根据本发明实施方案的基本结构(参见图3至10)的修改方案。
(1)第一修改方案
图38至45表示根据本发明实施方案的基本结构的修改方案。
修改方案具有所谓轭线结构，其中为了高效地向磁电阻元件MTJ赋予辅助磁场H，在写入字线WWL周围排列由软磁材料(轭材料)组成的磁性层12。
根据该轭线结构，可以进一步降低用来产生辅助磁场H的辅助电流Ia。具体地说，辅助电流Ia可以设置产不大于0.5mA的值。
图38至45中所示的结构分别相应于图3至10中所示的基本结构。
(2)第二修改方案
参考磁电阻元件，进行下面的修改。
在图11至18所示的磁电阻元件中，反铁磁性层3或9可以由例如Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、Ir-Mn、NiO和Fe2O3的材料组成。
第一和第二磁性固定层4或4SAF及8或8SAF可以由具有单方向各向异性的材料组成，并且磁性记录层6可以由具有单轴向各向异性的材料组成。构成第一和第二磁性固定层4或4SAF及8或8SAF的铁磁性层和磁记录层6的厚度设置在0.1纳米至100纳米的范围内。为了保证铁磁体不会变成超顺磁，优选铁磁性层的厚度不小于0.4纳米。
在图15至18所示的磁电阻元件中，作为由电介体分开的铁磁性颗粒的柱形层可以由Co、Fe、或Ni、或者其合金，或者选自Co-Pt、Co-Fe-Pt、Fe-Pt、Co-Fe-Cr-Pt和Co-Cr-Pt组中的至少一种金属组成。
在图11至18所示的磁电阻元件的磁性记录层6中，通过向磁性材料中添加非磁性元素，例如Ag、Cu、Au、Al、Ru、Os、Re、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo和Nb，可以调节物理性质，例如磁性质、结晶度、机械性质和化学性质。
4.实验实施例
然后，将说明实验实施例。
(1)第一实验实施例
第一实验实施例是包括图6的基本结构和图21至37的电路的自旋注入磁随机存取存储器。
使用磁性固定层具有如图12或14所示的SAF结构的磁电阻元件作为第一实验实施例的磁电阻元件。
生产第一实验实施例的程序如下：
首先，在半导体衬底上形成MOS晶体管和写入字线WWL。然后，形成磁性固定层具有如图12或14所示的SAF结构的磁电阻元件。
在图12的磁电阻元件(样品1a)的情形中，形成Ta/Cu/Ta叠层作为基底层(电极层)2。
在基底层2上形成由Ru(5纳米)/PtMn(20纳米)组成的反铁磁性层3。在该反铁磁性层3上顺序形成由Co75Fe25(5纳米)组成的第一磁性固定层4、由AlOx(1.4纳米)组成的隧道势垒层5和由Co90Fe10(3纳米)组成的磁性记录层6。
在磁性记录层6上形成由Cu(5纳米)组成的非磁性金属层7。在该非磁性金属层7上形成由Co75Fe25(5纳米)/Ru(0.9纳米)/Co75Fe25(5纳米)组成的第二磁性固定层8SAF。在该第二磁性固定层8SAF上形成由PtMn(20纳米)/Ru(5纳米)组成的反铁磁性层9。
然后，在该反铁磁性层9上形成由Ta(150纳米)组成的电极层10。
在图14的磁电阻元件(样品1b)的情形中，形成Ta/Cu/Ta叠层作为基底层(电极层)2。
在基底层2上形成由Ru(5纳米)/PtMn(20纳米)组成的反铁磁性层3。在该反铁磁性层3上形成由Co75Fe25(5纳米)/Ru(0.9纳米)/Co75Fe25(5纳米)组成的第一磁性固定层4SAF。在该第一磁性固定层4SAF上顺序形成由AlOx(1.4纳米)组成的隧道势垒层5和由Co90Fe10(3纳米)组成的磁性记录层6。
在磁性记录层6上形成由Cu(5纳米)组成的非磁性金属层7。在该非磁性金属层7上形成由Co75Fe25(5纳米)/Ru(0.9纳米)/Co75Fe25(5纳米)组成的第二磁性固定层8SAF。在该第二磁性固定层8SAF上形成由PtMn(20纳米)/Ru(5纳米)组成的反铁磁性层9。
然后，在该反铁磁性层9上形成由Ta(150纳米)组成的电极层10。
此时，举例来说，在形成了0.6纳米厚的Al后，通过重复该过程两次可以产生由1.4纳米厚的AlOx组成的隧道势垒层5，该过程是指Al被纯氧气自然地原位氧化。
用TEM(透射电子显微镜)观察通过上述方法生产的AlOx厚度上的横截面，证实由于氧化AlOx的厚度变成1.4纳米，同时Al层的总厚度为1.2(＝0.6+0.6纳米)。
使用EB(电子束)成像设备可以在定义了结面积的部分上形成隧道结，并且使用KrF步进设备可以在其它部分上形成隧道结。结面积为0.1×0.15μm2。
在形成了结隔离后，形成由35纳米厚的SiOx组成的保护层，并且形成由Ta/Ru组成的电极。然后，在通过背部刻蚀曝光接触层后，进行接触清洗，形成由Ti(15纳米)/Al(300纳米)/Ti(15纳米)组成的上电极。然后，在280℃下进行退火10小时，同时在磁性层的主轴上施加磁场，以给磁电阻元件赋予单轴向各向异性。
图46表示根据第一实验实施例(样品1a)的磁电阻元件的热干扰，并且图47表示根据第一实验实施例(样品1b)的磁电阻元件的热干扰，
当获得图46和47中所示的结果时，为了使先有技术(图1)与本发明之间的作用差异更加明显，基本上采用与先有技术中相同的条件。即，自旋注入写入时间设置为50纳秒，辅助电流设置为0.4mA，并且自旋注入电流截止和辅助电流截止之间的延迟时间设置为20纳秒。
从这些图中可以看出在第一实验实施例的样品1a和1b中，脉冲电流的电流密度(相应于脉冲电压)的波动和开关后磁电阻波动状态(相应于结电阻)的波动降低很大。在磁化反转(开关)中，需要降低脉冲电流的电流密度的波动和开关后磁电阻波动状态的波动。
不管辅助磁场产生的计时如何，都以相同的方式获得这些结果，即辅助磁场产生的计时与自旋注入电流通过的计时无关。因此，该结果有助于大容量磁随机存取存储器的实际使用。
(2)第二实验实施例
第二实验实施例是包括图41的基本结构和图21至37的电路的自旋注入磁随机存取存储器。
使用磁性固定层具有如图12或14所示的SAF结构的磁电阻元件作为第一实验实施例的磁电阻元件。
生产第一实验实施例的程序如下：
首先，在半导体衬底上形成具有轭结构的MOS晶体管和写入字线WWL。然后，形成磁性固定层具有如图12或14所示的SAF结构的磁电阻元件。
例如，在图12的磁电阻元件(样品2a)中，形成Ta/Cu/Ta叠层作为基底层(电极层)2。
在基底层2上形成由Ru(5纳米)/PtMn(20纳米)组成的反铁磁性层3。在该反铁磁性层3上顺序形成由Co65Fe35(5纳米)组成的第一磁性固定层4、由MgO(0.9纳米)组成的隧道势垒层5和由(Co65Fe35)80B20(3.5纳米)组成的磁性记录层6。
在磁性记录层6上形成由Rh(5纳米)组成的非磁性金属层7。在该非磁性金属层7上形成由Co75Fe25(5纳米)/Ru(0.9纳米)/Co75Fe25(5纳米)组成的第二磁性固定层8SAF。在该第二磁性固定层8SAF上形成由PtMn(20纳米)/Ru(5纳米)组成的反铁磁性层9。
然后，在该反铁磁性层9上形成由Ta(150纳米)组成的电极层10。
在图14的磁电阻元件(样品2b)的情形中，形成Ta/Cu/Ta叠层作为基底层(电极层)2。
在基底层2上形成由Ru(5纳米)/PtMn(20纳米)组成的反铁磁性层3。在该反铁磁性层3上形成由Co75Fe25(5纳米)/Ru(0.9纳米)/Co75Fe25(5纳米)组成的第一磁性固定层4SAF。在该第一磁性固定层4SAF上顺序形成由MgO(0.9纳米)组成的隧道势垒层5和由(Co65Fe35)80B20(3.5纳米)组成的磁性记录层6。
在磁性记录层6上形成由Rh(5纳米)组成的非磁性金属层7。在该非磁性金属层7上形成由Co75Fe25(5纳米)/Ru(0.9纳米)/Co75Fe25(5纳米)组成的第二磁性固定层8SAF。在该第二磁性固定层8SAF上形成由PtMn(20纳米)/Ru(5纳米)组成的反铁磁性层9。
然后，在该反铁磁性层9上形成由Ta(150纳米)组成的电极层10。
此时，举例来说，在通过RF直接溅射形成Mg后，通过进行等离子体氧化3秒钟可以产生由0.9纳米厚的MgO组成的隧道势垒层5。
按照与第一实验实施例相同的方式赋予磁电阻元件单轴向各向异性。
图48表示根据第二实验实施例(样品2a)的磁电阻元件的热干扰，并且图49表示根据第二实验实施例(样品2b)的磁电阻元件的热干扰，
当获得图48和49中所示的结果时，为了使先有技术(图1)与本发明之间的作用差异更加明显，基本上采用与先有技术中相同的条件。即，自旋注入写入时间设置为50纳秒，辅助电流设置为0.2mA，并且自旋注入电流截止和辅助电流截止之间的延迟时间设置为20纳秒。
从这些图中可以看出在第二实验实施例的样品2a和2b中，脉冲电流的电流密度(相应于脉冲电压)的波动和开关后磁电阻波动率(相应于结电阻)的波动降低很大。在磁化反转(开关)中，需要降低脉冲电流的电流密度的波动和开关后磁电阻波动率的波动。
不管辅助磁场产生的计时如何，都以相同的方式获得这些结果，即辅助磁场产生的计时与自旋注入电流通过的计时无关。因此，该结果有助于大容量磁随机存取存储器的实际使用。
5.其它
如上所述，根据本发明，在自旋注入磁随机存取存储器中，通过新的结构和写入方法可以解决例如隧道势垒击穿和由于磁电阻元件温度上升引起的热干扰的问题。
本领域技术人员容易理解其它的优点和修改。因此，本发明在更广义的方面上不局限于本文中表示和说明的具体细节和代表性的实施例。因此，可以做出各种修改而不会背离由附加权利要求及其等价物定义的本发明一般概念的精神和范围。
Claims (20)
1.一种自旋注入磁随机存取存储器，包括：
磁电阻元件，该磁电阻元件具有其磁化方向固定的磁性固定层、其磁化方向可以通过注入自旋极化电子改变的磁性记录层、和提供在磁性固定层和磁性记录层之间的隧道势垒层；
位线，该位线使自旋注入电流通过磁电阻元件，自旋注入电流用于产生自旋极化的电子；
写入字线，辅助电流通过该写入字线，辅助电流用于沿着磁电阻元件的易磁化轴方向产生辅助磁场；
被连接到位线的第一驱动器/接收器；
被连接到写入字线的第二驱动器/接收器；
第一解码器，该第一解码器控制第一驱动器/接收器，以根据磁电阻元件中的写入数据中写入数据的值来确定自旋注入电流的取向，同时确定自旋注入电流截止的计时；以及
第二解码器，该第二解码器控制驱动器/接收器，以根据数据写入期间写入数据的值来确定自旋注入电流的取向，同时使得辅助电流的截止计时迟于自旋注入电流截止的计时。
2.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述位线和所述写入字线彼此交叉而延伸。
3.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述位线和所述写入字线彼此平行而延伸。
4.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述辅助电流在从自旋注入电流截止开始经过至少50纳秒时截止。
5.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述辅助电流不大于1mA。
6.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述磁电阻元件具有位于磁性记录层与隧道势垒层相反的一侧上的另一个磁性固定层，该另一个磁性固定层具有与所述磁性固定层的磁化方向相反方向的磁化。
7.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述磁电阻元件具有位于磁性记录层与隧道势垒层相反的一侧上的另一个磁性固定层，该另一个磁性固定层具有与所述磁性固定层的磁化方向相同方向的磁化。
8.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述磁性记录层由多个柱状层形成，多个柱状层由绝缘体或电介体隔开。
9.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述位线和所述写入字线都具有轭形布线结构。
10.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述磁电阻元件排列在半导体衬底上方，并且所述写入字线排列在磁电阻元件下方。
11.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述磁电阻元件排列在半导体衬底上方，并且所述写入字线排列在磁电阻元件上方。
12.根据权利要求1的自旋注入磁随机存取存储器，其中所述磁电阻元件的一端被连接到所述位线，并且另一端被连接到读出选择开关。
13.一种自旋注入磁随机存取存储器的写入方法，包括：
使自旋注入电流通过磁电阻元件；
使得磁电阻元件中的磁性记录层的磁化方向可以通过产生自旋极化电子而改变；
截止自旋注入电流；以及
在自旋注入电流截止后沿着磁电阻元件的易磁化轴方向将辅助磁场施加到磁性记录层，施加恒定的期间。
14.根据权利要求13的写入方法，其中通过自旋极化电子来进行磁化反转。
15.根据权利要求13的写入方法，其中仅仅通过辅助磁场不进行磁化反转。
16.根据权利要求13的写入方法，其中所述辅助磁场由不同于自旋注入电流的辅助电流产生。
17.根据权利要求16的写入方法，其中所述辅助电流的路径不同于自旋注入电流的路径。
18.根据权利要求13的写入方法，其中所述恒定期间不低于50纳秒。
19.根据权利要求13的写入方法，其中所述辅助磁场在自旋注入电流通过磁电阻元件之前或同时产生。
20.根据权利要求13的写入方法，其中所述辅助磁场在自旋注入电流通过磁电阻元件同时或之后产生。
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