CN1956207A - 自旋注入磁随机存取存储器 - Google Patents
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Abstract
根据本发明一个方面的一种自旋注入磁随机存取存储器包括磁阻元件、写入单元，其使用由自旋注入电流所产生的自旋极化电子来将数据写入磁阻元件，并且在写入期间将磁阻元件的不易磁化方向的磁场施加到磁阻元件。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据和要求2005年10月28日提交的日本专利申请2005-315459的优先权，其全部内容在此引用作为参考。
技术领域
本发明涉及一种自旋注入磁随机存取存储器，其使用自旋极化电子执行磁化反转。
背景技术
近年来，已经作出许多努力来将采用隧道磁阻(TMR)效应的磁阻元件施加到磁随机存取存储器(MRAM)。
近年来，已经获得这样的磁阻元件，它的表示磁阻变化率的磁阻(MR)比率为大于等于230％，并且MR比率对电压的依赖性已经被抑制。这增加了将磁随机存取存储器应用于实际的可能性。
当磁阻元件用作磁随机存取存储器的存储元件时，将其间夹有隧道势垒层的两个铁磁性层中的一个用作磁化方向固定的磁固定层，另一个用作磁化方向变化的磁自由层。
使用这种铁磁性单或双隧道结的磁阻元件具有以下特性：它可以以非易失性的方式存储数据，写入/读取时间快达10ns或更快，写入次数大于等于1015倍。
但是，在采用由一个晶体管和一个磁阻元件构成存储单元的系统的情况下，存在的问题是，存储单元的尺寸不能减小到没有动态随机存取存储器(DRAM)大。
为了解决该问题，提出了：二极管型系统，其中在位线和字线之间串联连接磁阻元件和二极管；简单的阵列型系统，其中在位线和字线之间仅设置磁阻元件，等等。
但是，在所有情况下，都是在对磁记录层写入(磁化反转)期间使用由电流脉冲所产生的唯一磁场(电流磁场)。这会导致新问题，即增加了在写入时间方面的功耗，由于电线的可容许电流密度的限制导致存储容量不能扩大，以及产生电流脉冲的驱动器/消能器(sinker)的区域扩大。
因此，提出一种结构，其中由高磁导率磁性材料(磁轭材料)构成的薄膜围绕作为电流脉冲的路径的写入线形成。
根据这种结构，由于高磁导率磁性材料高效地将磁场施加到磁阻元件，所以能够降低写入所需的电流值。但是不能将写入电流值降低到小于等于1mA。
作为一次性解决这些问题的技术，提出一种借助自旋注入磁化反转工艺的写入方法(参见例如美国专利申请6,256,223)。
在这种自旋注入磁化反转工艺中，将自旋极化电子(自旋注入电流)注入到存储元件的磁记录层中以使得磁记录层的磁化反转。由于写入所需的自旋注入电流的电流值随着磁记录层的小型化而降低，因此对于将该工艺用作对磁随机存取存储器的写入方法具有很大的可能性。
但是，在该方法中，为了执行写入(磁化反转)，需要大约8×106A/cm2的自旋注入电流的电流密度。因此，当随着磁阻元件的小型化而将隧道势垒层设置为较薄时，对该层的破坏变成问题(参见例如Yiming Huai等，Appl.Phys.Lett.84(2004)3118以及第49届MMM会议ES-08，HA-05，以及HA-12。)
因此，为了实现稳定的写入操作而不引起这些破坏，需要减少自旋注入电流。
而且，当在自旋注入磁化反转工艺中实现自旋注入电流的减少时，该工艺能够节省磁随机存取存储器的功耗。因此，有必要降低自旋注入电流。
发明内容
根据本发明一个方面的一种自旋注入磁随机存取存储器包括：磁阻元件、写入单元，其使用由自旋注入电流所产生的自旋极化电子来将数据写入磁阻元件、并且在写入期间将磁阻元件的不易磁化方向的磁场施加到磁阻元件。
根据本发明一个方面的写入方法，包括：在使得自旋注入电流流过磁阻元件以对磁阻元件执行写入时，沿磁阻元件的不易磁化方向将磁场施加到磁阻元件。
附图说明
图1是本发明一个实例的原理的示意图；
图2是本发明一个实例的原理的示意图；
图3是示出了第一实施例的磁随机存取存储器的电路图；
图4是示出了第一实施例的装置结构的第一实例的截面图；
图5是示出了第一实施例的装置结构的第二实例的截面图；
图6是示出了第二实施例中磁随机存取存储器的第一实例的电路框图；
图7是示出了第二实施例中磁随机存取存储器的第二实例的电路框图；
图8是示出了第二实施例的装置结构的第一实例的截面图；
图9是示出了第二实施例的装置结构的第二实例的截面图；
图10是示出了第三实施例的磁随机存取存储器的电路图；
图11是示出了第三实施例的装置结构的第一实例的截面图；
图12是示出了第三实施例的装置结构的第二实例的截面图；
图13是示出了第三实施例的装置结构的第三实例的截面图；
图14是示出了第三实施例的装置结构的第四实例的截面图；
图15是示出了第四实施例中磁随机存取存储器的电路框图；
图16是示出了图15的存储单元的装置结构的一个实例的截面图；
图17是示出了第四实施例中磁随机存取存储器的电路框图；
图18是示出了图17的存储单元的装置结构的一个实例的截面图；
图19是示出了图13的装置结构的修改的截面图；
图20是示出了第五实施例的装置结构的一个实例的截面图；
图21是示出了磁化反转过程的流程图；
图22是示出了自旋注入电流和辅助电流的提供/断开时序的框图；
图23是示出了第一实验实例的装置结构的截面图；
图24是示出了第二实验实例的装置结构的截面图；
图25是示出了第三实验实例的装置结构的截面图；
图26是示出了第四实验实例的装置结构的截面图；
图27是示出了第五实验实例的装置结构的截面图；
图28是示出了第五实验实例的磁阻元件平面形状的图；以及
图29是示出了第五实验实例的磁阻元件的平面形状的图。
具体实施方式
以下参考附图描述本发明一个方面的自旋注入磁随机存取存储器。
1.概述
在本发明的一个实例中，在通过自旋注入磁化反转方法写入期间，自旋注入电流通过磁阻元件，并且产生辅助磁场以辅助磁记录层的磁化反转，从而执行具有较小自旋注入电流的磁记录层的磁化反转。
沿不易磁化的方向将辅助磁场施加到磁阻元件。沿不易磁化的方向将辅助磁场施加到磁阻元件的原因如下：
图1和2各示出了在将易磁化方向的磁场Hx和不易磁化方向的磁场Hy施加到磁阻元件MTJ时，磁记录层的磁化反转所需的能量。
因此，可以发现，当不易磁化方向的磁场Hy为0时所述能量最高，并且当不易磁化方向的磁场Hy值增加时所述能量逐渐减少。
因此，即使在自旋注入磁化反转方法中，磁记录层的磁化方向被反转。当流过自旋注入电流并且在写入期间产生不易磁化方向的磁场Hy时，能够使用比以前小的自旋注入电流执行磁化反转。
如上所述，在本发明的实例中，当在写入期间通过自旋注入磁化反转方法产生磁记录层的不易磁化方向的辅助磁场时，有可能减少自旋注入电流。
2.实施例
接着，以下描述认为是最优选的几个实施例。
(1)第一实施例
第一实施例是自旋注入电流的路径完全与辅助电流的路径分离的实例。
A.电路方框图
图3是示出第一实施例中磁随机存取存储器主要部分的电路框图。
磁阻元件MTJ构成存储单元阵列10的部分。
磁阻元件MTJ的一端连接到上部位线BLu，其另一端经由作为选择开关的N-沟道MOS晶体管Tr连接到下部位线BLd。上部位线BLu和下部位线BLd都以相同的方向延伸，在本实例中该方向是磁阻元件MTJ的不易磁化方向(纵向)。
上部位线BLu的一端连接到CMOS型驱动器/消能器DS1。该驱动器/消能器DS1由在电源终端Vdd和Vss之间串联连接的P沟道MOS晶体管P1和N沟道MOS晶体管N1构成。
上部位线BLu的另一端经由用作选择开关的N沟道MOS晶体管CSW连接到读出放大器S/A。
下部位线BLd的一端连接到CMOS型驱动器/消能器DS2。该驱动器/消能器DS2由在电源终端Vdd和Vss之间串联连接的P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N2构成。
N沟道MOS晶体管Tr的栅极连接到字线WL。字线WL沿磁阻元件MTJ的易磁化方向(横向)延伸，字线的一端连接到字线驱动器WD。
而且，在磁阻元件MTJ的附近放置沿易磁化方向延伸的写入辅助线AL。
写入辅助线AL的一端连接到由P沟道MOS晶体管P3构成的驱动器D1，该线另一端连接到由N沟道MOS晶体管N3构成的消能器S1。
B.工作过程
将描述图3的磁随机存取存储器的工作过程。
在写入操作中，通过字线驱动器WD将字线WL的电平设置为“高(H)”，接通N沟道MOS晶体管Tr。
当“1”被写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“低(L)”，并且将控制信号C和D的电平设为“H”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P1和N沟道MOS晶体管N2被接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器/消能器DS1到驱动器/消能器DS2的方向流动通过磁阻元件MTJ。
与此同时，将控制信号E的电平设为“L”，将控制信号F的电平设为“H”，并且辅助电流Ia通过写入辅助线AL从驱动器D1流动到消能器S1。该辅助电流Ia沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向生成辅助磁场。
当“0”被写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“H”，并且将控制信号C和D的电平设为“L”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N1被接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器/消能器DS2到驱动器/消能器DS1的方向流动通过磁阻元件MTJ。
与此同时，将控制信号E的电平设为“L”，将控制信号F的电平设为“H”，并且辅助电流Ia从驱动器D1通过写入辅助线AL流向消能器S1。该辅助电流Ia沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向生成辅助磁场。
这里，在本实例中，由于辅助磁场的方向不必根据写入数据的值而改变，因此辅助电流Ia的方向可以保持恒定。因此，可以减少驱动器D1和消能器S1所需的区域。
需要注意的是，可以将控制信号A、B、C和D的电平设为“L”以便在通过自旋注入电流Is以写入数据之前预先对上部位线BLu和下部位线BLd充电。
类似，可以将控制信号E和F设为“L”以便在通过辅助电流Ia之前预先对写入辅助线AL充电。
而且，在断开自旋注入电流Is以完成写入之后，可以将控制信号A、B、C和D的电平设为“H”以将上部位线BLu和下部位线BLd固定到接地电势Vss。
类似，在断开辅助电流Ia之后，可以将控制信号E和F的电平设为“H”以将写入辅助线AL固定到接地电势Vss。
下面将在磁化反转过程中描述自旋注入电流Is和辅助电流Ia的提供/断开时序之间的关系。
在读取操作中，将字线WL的电平经由字线驱动器WD设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管Tr。将选择信号CSLj设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管CSW。
将控制信号A、C和D的电平设为“H”，并且将控制信号B的电平设为“L”，以形成经由磁阻元件MTJ的从读出放大器S/A到接地点Vss的电流路径。
而且，例如，当提供从读出放大器S/A到磁阻元件MTJ的读取电流Iread时，读出放大器S/A的输入电势Vin根据存储在磁阻元件MTJ中的数据(阻值)而改变。因此，将该电势与参考电势Vref比较以检测数据值。
需要注意的是，为了避免在读取过程中的干扰，将读取电流Iread的值设为比自旋注入电流Is的值小。
C.装置结构
下面描述存储单元的装置结构的实例。
图4示出了该装置结构的第一实例。
该结构是1Tr-1MTJ，其中存储单元由一个晶体管和一个磁阻元件构成。
N沟道MOS晶体管Tr作为选择开关位于半导体衬底11的表面区域。N沟道MOS晶体管Tr由源极/漏极扩散层12构成，并且栅极电极(字线)WL位于这些层之间的沟道上。
源极/漏极扩散层12中的一个经由中间层13连接到下部位线BLd。其它源极/漏极扩散层12经由中间层14连接到下电极15。
磁阻元件MTJ位于下电极15上。
对于磁阻元件MTJ的形状、结构等没有任何特别的限制，但是磁阻元件MTJ优选具有作为磁固定层的单方向各向异性和作为磁记录层的单轴各向异性。
磁阻元件MTJ的整个厚度优选设置为在0.1nm到100nm范围内的值。
需要防止构成磁阻元件MTJ的铁磁层(磁固定层、磁记录层等等)是超顺磁性的。为此，该层的厚度优选设置为大于等于0.4nm的值。
写入辅助线AL位于磁阻元件MTJ之下。在写入辅助线AL中，辅助电流Ia例如从图纸的后面朝向前面流动。因此，将图中向左的辅助磁场Ha施加到磁阻元件MTJ。
上部位线BLu经由接触层16位于磁阻元件MTJ上。自旋注入电流Is沿着从下部位线BLd朝向上部位线BLu或者从上部位线BLu朝向下部位线BLd的方向流动通过磁阻元件MTJ。
在这种结构中，当由无定形金属、微晶金属等等制成的中间层位于磁阻元件MTJ和接触层16或者下电极15之间时，能够进一步减少切换磁场(反转磁场)的值。
图5示出了该装置结构的第二实例。
第二实例的特征与第一实例的特征的不同在于，写入辅助线AL具有所谓的磁轭结构。其它方面与第一实例相同。
写入辅助线AL由以诸如金属或者合金的导电材料制成的主体17a、以及位于主体17a的下表面和侧面的高磁导率的磁性材料(磁轭材料)17b构成。高磁导率的磁性材料17b可以是角状型以便从主体17a的顶部向上突出。
在第一和第二实例中，已经描述了1Tr-1MTJ结构，其中存储单元由一个晶体管和一个磁阻元件构成，但是本发明的实例可用于另一种结构，例如堆叠磁阻元件MTJ的三维结构。
D.结论
根据第一实施例，在通过自旋注入磁化反转方法写入的过程中，能够使用不易磁化方向的辅助磁场来辅助磁化反转以便减小自旋注入电流。
(2)第二实施例
第二实施例是自旋注入电流的路径与辅助电流的路径部分一致的实例。
A.电路方框图
图6是示出第二实施例中磁随机存取存储器主要部分的第一实例的电路框图。
磁阻元件MTJ构成存储单元阵列10的一部分。
磁阻元件MTJ的一端连接到上部位线BLu/写入辅助线AL，其另一端经由作为选择开关的N沟道MOS晶体管Tr连接到下部位线BLd。
上部位线BLu/写入辅助线AL和下部位线BLd都以相同的方向延伸，在本实施例中该方向是磁阻元件MTJ的易磁化方向(纵向)。
上部位线BLu/写入辅助线AL的一端连接到CMOS型驱动器/消能器DS1和DS3。
该驱动器/消能器DS1由在电源终端Vdd，和Vss之间串联连接的P沟道MOS晶体管P1和N沟道MOS晶体管N1构成，该驱动器/消能器DS3由在电源终端Vdd和Vss之间串联连接的P沟道MOS晶体管P4和N沟道MOS晶体管N4构成。
上部位线BLu/写入辅助线AL的另一端连接到CMOS型驱动器/消能器DS4。该驱动器/消能器DS4由在电源终端Vdd和Vss之间串联连接的P沟道MOS晶体管P5和N沟道MOS晶体管N5构成。
而且，上部位线BLu/写入辅助线AL的另一端经由作为选择开关的N沟道MOS晶体管CSW连接到读出放大器S/A。
下部位线BLd的一端连接到CMOS型驱动器/消能器DS2。该驱动器/消能器DS2由在电源终端Vdd和Vss之间串联连接的P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N2构成。
N沟道MOS晶体管Tr的栅极连接到字线WL。字线WL沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向(横向)延伸，字线的一端连接到字线驱动器WD。
图7是示出第二实施例中磁随机存取存储器的主要部分的第二实例的电路框图。
磁阻元件MTJ构成存储单元阵列10的一部分。
磁阻元件MTJ的一端连接到上部位线BLu/写入辅助线AL，其另一端经由作为选择开关的N沟道MOS晶体管Tr连接到下部位线BLd。
上部位线BLu/写入辅助线AL和下部位线BLd都以相同的方向延伸，在本实施例中该方向是磁阻元件MTJ的易磁化方向(纵向)。
上部位线BLu/写入辅助线AL的一端连接到驱动器D2。该驱动器D2由在电源终端Vdd和上部位线BLu/写入辅助线AL之间并联连接的P沟道MOS晶体管P6和P7构成。
上部位线BLu/写入辅助线AL的另一端连接到消能器S2。该消能器S2由在上部位线BLu/写入辅助线AL和电源终端Vss之间并联连接的N沟道MOS晶体管N6和N7构成。
而且，上部位线BLu/写入辅助线AL的另一端经由作为选择开关的N沟道MOS晶体管CSW连接到读出放大器S/A。
下部位线BLd的一端连接到CMOS型驱动器/消能器DS2。该驱动器/消能器DS2由在电源终端Vdd和Vss之间串联连接的P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N2构成。
N沟道MOS晶体管Tr的栅极连接到字线WL。字线WL沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向(横向)延伸，字线的一端连接到字线驱动器WD。
由于在第二实施例中上部位线BLu也用作写入辅助线AL，因此与第一实施例相比，能够减少与写入辅助线AL一样多的导线的数目。
B.操作过程
下面描述图6的磁随机存取存储器的工作过程。
在写入操作中，通过字线驱动器WD将字线WL的电平设置为“H”，接通N沟道MOS晶体管Tr。
当将“1”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“L”，并且将控制信号C和D的电平设为“H”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P1和N沟道MOS晶体管N2被接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器/消能器DS1到驱动器/消能器DS2的方向流动通过磁阻元件MTJ。
与此同时，将控制信号G和H的电平设为“L”，将控制信号I和J的电平设为“H”，以通过上部位线BLu/写入辅助线AL将来自驱动器/消能器DS3的辅助电流Ia流通到驱动器/消能器DS4。该辅助电流Ia生成磁阻元件MTJ的不易磁化方向的辅助磁场。
当将“0”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“H”，并且将控制信号C和D的电平设为“L”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N1被接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器/消能器DS2到驱动器/消能器DS1的方向流动通过磁阻元件MTJ。
与此同时，将控制信号G和H的电平设为“H”，将控制信号I和J的电平设为“L”以通过上部位线BLu/写入辅助线AL将来自驱动器/消能器DS4的辅助电流Ia流通到驱动器/消能器DS3。该辅助电流Ia生成磁阻元件MTJ的不易磁化方向的辅助磁场。
这里，在本实例中，为了根据写入数据的值改变辅助磁场的方向，将用于生成辅助电流Ia的驱动器/消能器DS3和DS4设置到上部位线BLu/写入辅助线AL的相对端。
辅助电流Ia的值可以与自旋注入电流Is的值相等或者不同。
需要注意的是，可以将控制信号A、B、C、D、E、F、G、和H的电平设为“L”，以便在流通自旋注入电流Is以写入数据之前预先对上部位线BLu/写入辅助线AL和下部位线BLd充电。
而且，在断开自旋注入电流Is以完成写入之后，可以将控制信号A、B、C、D、E、F、G、和H的电平设为“H”，以将上部位线BLu/写入辅助线AL和下部位线BLd固定到接地电势Vss。
下面通过磁化反转过程描述自旋注入电流Is和辅助电流Ia的提供/断开时序之间的关系。
在读取操作中，将字线WL的电平由字线驱动器WD设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管Tr。将选择信号CSLi设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管CSW。
将控制信号A、C、D、G和I的电平设为“H”，并且将控制信号B、H、和J的电平设为“L”，以形成经由磁阻元件MTJ的从读出放大器S/A到接地点Vss的电流路径。
而且，例如，当提供从读出放大器S/A到磁阻元件MTJ的读取电流Iread时，读出放大器S/A的输入电势Vin根据存储在磁阻元件MTJ中的数据(阻值)而改变。因此，将该电势与参考电势Vref比较以检测数据值。
下面描述图7的磁随机存取存储器的工作过程。
在写入操作中，通过字线驱动器WD将字线WL的电平设置为“H”，接通N沟道MOS晶体管Tr。
当将“1”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号K和M的电平设为“L”，并且将控制信号C和D的电平设为“H”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P6和N沟道MOS晶体管N2接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器DS2到驱动器/消能器DS2的方向流动通过磁阻元件MTJ。
与此同时，将控制信号L的电平设为“L”，将控制信号N的电平设为“H”，以通过上部位线BLu/写入辅助线AL将辅助电流Ia从驱动器D2流通到消能器S2。该辅助电流Ia生成磁阻元件MTJ的不易磁化方向的辅助磁场。
当将“0”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号K和M的电平设为“H”，并且将控制信号C和D的电平设为“L”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N6接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器/消能器DS2到消能器S2的方向流动通过磁阻元件MTJ。
与此同时，将控制信号L的电平设为“L”，将控制信号N的电平设为“H”，以通过上部位线BLu/写入辅助线AL将辅助电流Ia从驱动器D2流通到消能器S2。该辅助电流Ia生成磁阻元件MTJ的不易磁化方向的辅助磁场。
这里，在本实例中，由于辅助磁场的方向不必根据写入数据的值而改变，因此辅助电流Ia的方向可以保持恒定。因此，可以减少驱动器D2和消能器S2所需的区域。
辅助电流Ia的值可以与自旋注入电流Is的值相等或者不同。
需要注意的是，可以将控制信号C、D、K、L、M、和N的电平设为“L”，以便在流通自旋注入电流Is以写入数据之前预先对上部位线BLu/写入辅助线AL和下部位线BLd充电。
而且，在断开自旋注入电流Is以完成写入之后，可以将控制信号C、D、K、L、M、和N的电平设为“H”，以将上部位线BLu/写入辅助线AL和下部位线BLd固定到接地电势Vss。
下面通过磁化反转过程描述自旋注入电流Is和辅助电流Ia的提供/断开时序之间的关系。
在读取操作中，将字线WL的电平经由字线驱动器WD设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管Tr。将选择信号CSLj设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管CSW。
将控制信号C、D、K、和L的电平设为“H”，并且将控制信号M和N的电平设为“L”，以形成经由磁阻元件MTJ的从读出放大器S/A到接地点Vss的电流路径。
而且，例如，当提供从读出放大器S/A到磁阻元件MTJ的读取电流Iread时，读出放大器S/A的输入电势Vin根据存储在磁阻元件MTJ中的数据(阻值)而改变。因此，将该电势与参考电势Vref比较以检测数据值。
需要注意的是，为了避免在读取过程中的干扰，将读取电流Iread的值设为比自旋注入电流Is的值小。
C.装置结构
下面描述存储单元的装置结构的实例。
图8示出了该装置结构的第一实例。
该结构是1Tr-1MTJ结构，其中存储单元由一个晶体管和一个磁阻元件构成。
N沟道MOS晶体管Tr作为选择开关位于半导体衬底11的表面区域。N沟道MOS晶体管Tr由源极/漏极扩散层12构成，并且栅极电极(字线)WL位于这些层之间的沟道上。
源极/漏极扩散层12中的一个经由中间层13连接到下部位线BLd。其它源极/漏极扩散层12经由中间层14连接到下电极15。
磁阻元件MTJ位于下电极15上。
对于磁阻元件MTJ的形状、结构等等没有任何特别的限制，但是磁阻元件MTJ优选具有作为磁固定层的单方向各向异性和作为磁记录层的单轴各向异性。
磁阻元件MTJ的整个厚度优选设置为在0.1nm到100nm范围内的值。
需要防止构成磁阻元件MTJ的铁磁层(磁固定层、磁记录层等等)是超顺磁性的。为此，该层的厚度优选设置为大于等于0.4nm的值。
上部位线BLu/写入辅助线AL经由接触层16位于磁阻元件MTJ上。在磁阻元件MTJ中，自旋注入电流Is沿着从下部位线BLd朝向上部位线BLu/写入辅助线AL或者从上部位线BLu/写入辅助线AL朝向下部位线BLd的方向流动。
而且，在上部位线BLu/写入辅助线AL中，辅助电流Ia例如在图中向左或向右流动。因此，沿垂直穿过图的方向将辅助磁场Ha施加到磁阻元件MTJ。
在这种结构中，当由无定形金属、微晶金属等等制成的中间层位于磁阻元件MTJ和接触层16或者下电极15之间时，能够进一步减少切换磁场(反转磁场)的值。
图9示出了该装置结构的第二实例。
第二实例的特征与第一实例的特征的不同在于，上部位线BLu/写入辅助线AL具有所谓的磁轭结构。其它方面与第一实例相同。
上部位线BLu/写入辅助线AL由以诸如金属或者合金的导电材料制成的主体18a、以及位于主体18a的顶部和侧面的高磁导率的磁性材料(磁轭材料)18b构成。高磁导率的磁性材料18b可以是角状型以便从主体18a的下侧向下突出。
在第一和第二实例中，已经描述了1Tr-1MTJ结构，其中存储单元由一个晶体管和一个磁阻元件构成，但是本发明的实例可用于另一种结构，例如堆叠磁阻元件MTJ的三维结构。
D.结论
根据第二实施例，以与第一实施例相同的方式能够实现减少自旋注入电流的效果。此外，由于上部位线BLu也用作写入辅助线AL，因此能够减小存储单元中的导线的数目，并降低成本。
(3)第三实施例
第三实施例是自旋注入电流的路径与辅助电流的路径完全一致的实例。
在第三实施例中，提出了两种情况，一种情况是自旋注入电流本身也用作辅助电流；另一种情况是自旋注入电流的工作与辅助电流的工作不同。以下将要描述前一自旋注入电流产生辅助磁场的情况。
A.电路方框图
图10是示出第三实施例中磁随机存取存储器的主要部分的电路框图。
磁阻元件MTJ构成存储单元阵列10的一部分。
磁阻元件MTJ的一端连接到上部位线BLu/写入辅助线AL，其另一端经由作为选择开关的N沟道MOS晶体管Tr连接到下部位线BLd。
上部位线BLu/写入辅助线AL和下部位线BLd都以相同的方向延伸，在本实施例中该方向是磁阻元件MTJ的易磁化方向(纵向)。
上部位线BLu/写入辅助线AL的一端连接到CMOS型驱动器/消能器DS1。
该驱动器/消能器DS1由在电源终端Vdd和Vss之间串联连接的P沟道MOS晶体管P1和N沟道MOS晶体管N1构成。
上部位线BLu/写入辅助线AL的另一端经由用作选择开关的N沟道MOS晶体管CSW连接到读出放大器S/A。
下部位线BLd的一端连接到CMOS型驱动器/消能器DS2。该驱动器/消能器DS2由在电源终端Vdd和Vss之间串联连接的P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N2构成。
N沟道MOS晶体管Tr的栅极连接到字线WL。字线WL沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向(横向)延伸，字线的一端连接到字线驱动器WD。
由于在第三实施例中，上部位线BLu也以与第二实施例相同的方式用作写入辅助线AL，因此，能够减少在存储单元中的与写入辅助线AL一样多的导线的数目。
而且，当使用由自旋注入电流Is所产生的磁场作为辅助磁场时，不需要用于产生辅助电流Ia的驱动器/消能器。因此，能够减小存储单元阵列的周边电路的区域。
需要注意的是，在自旋注入电流的操作与辅助电流的操作不同的情况下，具有与驱动器/消能器DS1的构成相同的驱动器/消能器可以连接到上部位线BLu/写入辅助线AL，并且具有与驱动器/消能器DS2的构成相同的驱动器/消能器可以连接到下部位线BLd，以通过这些驱动器/消能器控制辅助电流的提供/断开。
B.工作过程
下面描述图10的磁随机存取存储器的工作过程。
在写入操作中，通过字线驱动器WD将字线WL的电平设置为“H”，接通N沟道MOS晶体管Tr。
当将“1”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“L”，并且将控制信号C和D的电平设为“H”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P1和N沟道MOS晶体管N2接通，因此自旋注入电流Is/辅助电流Ia沿着从驱动器/消能器DS1到驱动器/消能器DS2的方向流动通过磁阻元件MTJ。
将自旋极化电子注入到磁阻元件MTJ中，并且通过该自旋注入电流Is/辅助电流Ia沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向产生辅助磁场。
当将“0”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“H”，并且将控制信号C和D的电平设为“L”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N1接通，因此自旋注入电流Is/辅助电流Ia沿着从驱动器/消能器DS2到驱动器/消能器DS1的方向流动通过磁阻元件MTJ。
将自旋极化电子注入到磁阻元件MTJ中，并且通过该自旋注入电流Is/辅助电流Ia沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向产生辅助磁场。
需要注意的是，可以将控制信号A、B、C和D的电平设为“L”，以便在流通自旋注入电流Is/辅助电流Ia以写入数据之前，预先对上部位线BLu/写入辅助线AL和下部位线BLd充电。
而且，在断开自旋注入电流Is/辅助电流Ia以完成写入之后，可以将控制信号A、B、C和D的电平设为“H”，以将上部位线BLu/写入辅助线AL和下部位线BLd固定到接地电势Vss。
在读取操作中，将字线WL的电平经由字线驱动器WD设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管Tr。将选择信号CSLj设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管CSW。
将控制信号A、C和D的电平设为“H”，并且将控制信号B的电平设为“L”，以形成经由磁阻元件MTJ的从读出放大器S/A到接地点Vss的电流路径。
而且，当提供从读出放大器S/A到磁阻元件MTJ的读取电流Iread时，例如，读出放大器S/A的输入电势Vin根据存储在磁阻元件MTJ中的数据(阻值)而改变。因此，将该电势与参考电势Vref比较以检测数据值。
需要注意的是，为了避免在读取过程中的干扰，将读取电流Iread的值设为比自旋注入电流Is/辅助电流Ia的值小。
C.装置结构
下面描述存储单元的装置结构的实例。
图11示出了该装置结构的第一实例。
该结构是1Tr-1MTJ，其中存储单元由一个晶体管和一个磁阻元件构成。
N沟道MOS晶体管Tr作为选择开关位于半导体衬底11的表面区域。N沟道MOS晶体管Tr由源极/漏极扩散层12构成，并且栅极电极(字线)WL位于这些层之间的沟道上。
源极/漏极扩散层12中的一个经由中间层13连接到下部位线BLd。其它源极/漏极扩散层12经由中间层14连接到下电极15。
磁阻元件MTJ位于下电极15上。
对于磁阻元件MTJ的形状、结构等等没有任何特别的限制，但是磁阻元件MTJ优选具有作为磁固定层的单方向各向异性和作为磁记录层的单轴各向异性。
磁阻元件MTJ的整个厚度优选设置为在0.1nm到100nm范围内的值。
需要防止构成磁阻元件MTJ的铁磁层(磁固定层、磁记录层等等)是超顺磁性的。为此，该层的厚度优选设置为大于等于0.4nm的值。
上部位线BLu/写入辅助线AL经由接触层16位于磁阻元件MTJ上。
在磁阻元件MTJ中，自旋注入电流Is/辅助电流Ia例如沿着从下部位线BLd朝向上部位线BLu/写入辅助线AL或者从上部位线BLu/写入辅助线AL朝向下部位线BLd的方向流动。
因此，沿垂直穿过该图的方向将辅助磁场Ha施加到磁阻元件MTJ。
在这种结构中，当由无定形金属、微晶金属等制成的中间层位于磁阻元件MTJ和接触层16或者下电极15之间时，能够进一步减少切换磁场(反转磁场)的值。
图12示出了该装置结构的第二实例。
第二实例的特征与第一实例的特征的不同在于，上部位线BLu/写入辅助线AL具有所谓的磁轭结构。其它方面与第一实例相同。
上部位线BLu/写入辅助线AL由以诸如金属或者合金的导电材料制成的主体18a、以及位于主体18a的顶部和侧面的高磁导率的磁性材料(磁轭材料)18b构成。高磁导率的磁性材料18b可以是角状型以便从主体18a的下侧向下突出。
图13示出了该装置结构的第三实例。
第三实例的特征与第一实例的特征的不同在于，下电极15(AL)具有所谓的磁轭结构并且用作写入辅助线。其它方面与第一实例相同。
下电极15(AL)由以诸如金属或者合金的导电材料制成的主体19a、以及位于主体19a的底部和侧面的高磁导率的磁性材料(磁轭材料)19b。高磁导率的磁性材料19b可以是角状型以便从主体19a的顶部向上突出。
根据第三实例，与第一和第二实例不同，有可能实现抑制写入干扰的效果。
即，高磁导率磁性材料19b应用于单独位于磁阻元件MTJ正下方的下电极15(AL)。因此，从下电极15(AL)施加到到磁阻元件MTJ的磁场比从上部位线BLu/写入辅助线AL施加到磁阻元件MTJ的磁场大。例如，不像第二实例那样高磁导率磁性材料19b应用于上部位线BLu/写入辅助线AL，辅助磁场Ha仅仅有效地施加到所选择的磁阻元件MTJ。
图14示出了该装置结构的第四实例。
第四实例是第二和第三实例的结合，其特征在于，上部位线BLu/写入辅助线AL和下电极15(AL)具有所谓的磁轭结构。其它方面与第一实施例相同。
上部位线BLu/写入辅助线AL由以诸如金属或者合金的导电材料制成的主体18a、以及位于主体18a的顶部和侧面的高磁导率的磁性材料(磁轭材料)18b构成。高磁导率的磁性材料18b可以是角状型以便从主体18a的下侧向下突出。
下电极15(AL)由以诸如金属或者合金的导电材料制成的主体19a、以及位于主体19a的下面和侧面的高磁导率的磁性材料(磁轭材料)19b构成。高磁导率的磁性材料19b可以是角状型以便从主体19a的顶部向上突出。
在第一到第四实例中，已经描述了1Tr-1MTJ结构，其中存储单元由一个晶体管和一个磁阻元件构成，但是本发明的实例可用于另一种结构，例如堆叠磁阻元件MTJ的三维结构。
D.结论
根据第三实施例，能够实现减少自旋注入电流的效果和减小存储单元阵列中的导线的数目的效果。此外，由于通过自旋注入电流产生了辅助磁场，因此能够降低作为存储单元阵列的周边电路的驱动器/消能器的区域。
(4)第四实施例
第四实施例是使用永久磁体产生辅助磁场的实例。
A.第一实例
图15是示出第四实施例的磁随机存取存储器的第一实例的电路框图。
第一实例的特征在于，第一实施例的写入辅助线AL由永久磁体构成，其它方面与第一实施例相同。
写入辅助线AL位于磁阻元件MTJ的附近，并且沿易磁化方向延伸。由于写入辅助线AL是永久磁体，因此任何辅助电流不必通过该线。因而，写入辅助线AL没有连接到任何用于产生辅助电流的驱动器/消能器。
在写入操作中，通过字线驱动器WD将字线WL的电平设置为“H”，接通N沟道MOS晶体管Tr。
当将“1”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“L”，并且将控制信号C和D的电平设为“H”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P1和N沟道MOS晶体管N2接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器/消能器DS1到驱动器/消能器DS2的方向流动通过磁阻元件MTJ。
当将“0”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“H”，并且将控制信号C和D的电平设为“L”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N1接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器/消能器DS2到驱动器/消能器DS1的方向流动通过磁阻元件MTJ。
在包括写入时序的通常时序中，不易磁化方向的辅助磁场经由作为永久磁体的写入辅助线AL施加于磁阻元件MTJ。
在读取操作中，将字线WL的电平经由字线驱动器WD设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管Tr。将选择信号CSLj设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管CSW。
将控制信号A、C和D的电平设为“H”，并且将控制信号B的电平设为“L”，以形成经由磁阻元件MTJ的从读出放大器S/A到接地点Vss的电流路径。
而且，当提供从读出放大器S/A到磁阻元件MTJ的读取电流Iread时，例如，读出放大器S/A的输入电势Vin根据存储在磁阻元件MTJ中的数据(阻值)而改变。因此，将该电势与参考电势Vref比较以检测数据值。
需要注意的是，为了避免在读取过程中的干扰，将读取电流Iread的值设为比自旋注入电流Is的值小。
图16示出了应用于图15的磁随机存取存储器的存储单元的装置结构的一个实例。
写入辅助线AL具有磁轭结构并且位于磁阻元件MTJ之下。
写入辅助线AL由以永久磁体构成的主体17a、以及位于主体17a的下面和侧面的高磁导率的磁性材料17b。高磁导率的磁性材料17b可以是角状型以便从主体17a的顶部向上突出。
在这种结构中，当由无定形金属、微晶金属等等制成的中间层位于磁阻元件MTJ和接触层16或者下电极15之间时，能够进一步减少切换磁场(反转磁场)的值。
B.第二实例
图17是示出了第四实施例的磁随机存取存储器的主要部分的第二实例的电路框图。
第二实例的特征在于，第二和第三实施例的写入辅助线由永久磁体构成，其它方面与第二和第三实施例相同。
上部位线BLu/写入辅助线AL位于磁阻元件MTJ的附近，并且沿易磁化方向延伸。由于上部位线BLu/写入辅助线AL是永久磁体，因此任何辅助电流不必通过该线。因而，上部位线BLu/写入辅助线AL没有连接到任何用于产生辅助电流的驱动器/消能器。
在写入操作中，通过字线驱动器WD将字线WL的电平设置为“H”，接通N沟道MOS晶体管Tr。
当将“1”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“L”，并且将控制信号C和D的电平设为“H”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P1和N沟道MOS晶体管N2接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器/消能器DS1到驱动器/消能器DS2的方向流动通过磁阻元件MTJ。
当将“0”写入磁阻元件MTJ时，将控制信号A和B的电平设为“H”，并且将控制信号C和D的电平设为“L”。在这种情况下，由于P沟道MOS晶体管P2和N沟道MOS晶体管N1接通，因此自旋注入电流Is沿着从驱动器/消能器DS2到驱动器/消能器DS1的方向流动通过磁阻元件MTJ。
在包括写入时序的通常时序中，不易磁化方向的辅助磁场经由作为永久磁体的上部位线BLu/写入辅助线AL施加于磁阻元件MTJ。
在读取操作中，将字线WL的电平经由字线驱动器WD设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管Tr。将选择信号CSLj设为“H”，并且接通N沟道MOS晶体管CSW。
将控制信号A、C和D的电平设为“H”，并且将控制信号B的电平设为“L”以形成经由磁阻元件MTJ的从读出放大器S/A到接地点Vss的电流路径。
而且，当提供从读出放大器S/A到磁阻元件MTJ的读取电流Iread时，例如，读出放大器S/A的输入电势Vin根据存储在磁阻元件MTJ中的数据(阻值)而改变。因此，将该电势与参考电势Vref比较以检测数据值。
需要注意的是，为了避免在读取过程中的干扰，将读取电流Iread的值设为比自旋注入电流Is的值小。
图18示出了应用于图17的磁随机存取存储器的存储单元的装置结构的一个实例。
上部位线BLu/写入辅助线AL具有磁轭结构并且位于磁阻元件MTJ上。
上部位线BLu/写入辅助线AL由以永久磁体构成的主体18a、以及位于主体18a的顶部和侧面的高磁导率的磁性材料18b构成。高磁导率的磁性材料18b可以是角状型以便从主体18a的下侧向下突出。
在这种结构中，当由无定形金属、微晶金属等等制成的中间层位于磁阻元件MTJ和接触层16或者下电极15之间时，能够进一步减少切换磁场(反转磁场)的值。
图19示出了图13的装置结构中下电极由永久磁体构成的一个实例。
下电极15(AL永久磁体)具有磁轭结构并且位于磁阻元件MTJ之下。
下电极15(AL永久磁体)由以永久磁体构成的主体19a、以及位于主体19a的下面和侧面的高磁导率的磁性材料19b。高磁导率的磁性材料19b可以是角状型以便从主体19a的顶部向上突出。
在这种结构中，当由无定形金属、微晶金属等等制成的中间层位于磁阻元件MTJ和接触层16或者下电极15之间时，能够进一步减少切换磁场(反转磁场)的值。
C.结论
根据第四实施例，通过自旋注入磁化反转方法，在写入的过程中，使用不易磁化方向的辅助磁场来辅助磁化反转。因此，能够减小自旋注入电流。
而且，由于通过永久磁体产生辅助磁场，所以不需要任何用于产生辅助电流的驱动器/消能器。而且，当上部位线BLu/写入辅助线或者下电极由永久磁体构成时，能够减少在存储单元阵列中的导线数目。
(5)第五实施例
第五实施例的特征在于磁阻元件是边缘结(edge junction)型的。
图20示出了第五实施例中的磁随机存取存储器的装置结构的一个实例。
磁阻元件MTJ是边缘结型隧道磁阻元件，并且隧道势垒层形成在磁固定层的侧面(粗线部分)。因此，在磁固定层和隧道势垒层之间的结区域能够由磁固定层的厚度来限定，并且能够降低元件之间的特性的波动。
在写入期间，用于反向自旋注入磁化的自旋注入电流Is通过磁阻元件MTJ。
例如，当自旋注入电流Is从上部位线BLu流到下部位线BLd时，磁记录层的磁化方向变成与磁固定层的磁化方向一致(平行状态)。当自旋注入电流Is从下部位线BLd流向上部位线BLu时，磁记录层的磁化方向变成与磁固定层的磁化方向相反(非平行状态)。
在写入期间，具有根据写入数据值的方向的辅助电流Ia通过字线WL。辅助电流Ia沿磁阻元件MTJ的磁记录层的不易磁化方向产生辅助磁场Ha。
第五实施例能够结合第一到第四实施例来实现与这些实施例的效果相同的效果。
3.磁化反转过程。
下面描述使用本发明实例的系统写入数据的方法(磁化反转过程)。
图21示出了在本发明实例中的流程或者磁化反转过程。图22示出了用于实现图21过程的自旋注入电流和辅助电流(辅助磁场)的信号波形。
首先，产生辅助磁场Ha，并且将方向根据写入数据的值变化的自旋注入电流Is施加到磁阻元件(步骤ST1和ST2)。这里，产生辅助磁场Ha的点可以是如图22(a)所示的在通过自旋注入电流Is之前的点(时间t1)、如图22(b)所示的与电流通过同时发生的点(时间t2)、或者如图22(c)所示的在通过电流之后的点(时间t3)。
自旋注入电流Is产生自旋极化电子，由于自旋极化电子使得自旋转矩作用于磁记录层，并且启动磁记录层的磁化反转。辅助磁场Ha辅助磁化反转。
在本发明的实例中，由于辅助磁场Ha的主要目的是减少自旋注入电流Is的值，所以沿磁阻元件的不易磁化方向产生辅助磁场Ha。
需要注意的是，例如，如日本专利申请2005-21877的发明所公开的，易磁化方向的辅助磁场是为了在磁化反转过程中抑制热波动而产生的。这能够结合本发明的实例来使用。
接着，在取消辅助磁场Ha之后，断开自旋注入电流Is(步骤ST3和ST4)。为了使辅助磁场Ha沿着磁阻元件的不易磁化方向作用，断开辅助电流Ia的点(时间t4)能够设置在断开自旋注入电流Is的点(时间t5)之前以便加速写入(磁化反转)。
4.磁阻元件
对于本发明实例中的材料、结构和形状不作任何特殊限定。它们根据隧道势垒的破坏、由磁阻元件的温度升高所导致的热干扰来确定。
例如，磁阻元件可以具有合成反铁磁(SAF)结构。此外，可以使用在日本专利申请2005-21877中所公开的材料和结构。
需要注意的是，位于磁阻元件正下或正上方的无定形金属或者微晶金属能够从以下选择：
■一种合金，其包含从由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W构成的组中选择的至少一种元素以及从由Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Re、Au和Al构成的组中所选择的至少一种元素
■一种合金，其包含从由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W构成的组中选择的至少一种元素以及从由Fe、Ni、Cr和Cu构成的组中所选择的至少一种元素；
■一种合金，其包含从由Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu构成的组中所选择的至少一种元素以及从由Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Re、Au和Al构成的组中所选择的至少一种元素；
■从由氧化铟钛(indum-titan-oxide)、氧化铟锌、氧化铝以及氮化铝构成的组中所选择的一种。
5.实验实例
下面描述在具体执行本发明的实例的情况下的实验实例。需要注意的是，在以下描述中，在材料之后的括号内的数值表示材料的厚度。
(1)第一实验实例
图23示出了在第一实验实例中的装置结构。
下电极15由Ta(50nm)/Ru(10um)的叠层构成。磁阻元件MTJ形成于下电极15上。
磁阻元件MTJ的反铁磁性层由PtMn(20nm)构成。磁固定层由Co90Fe10(5nm)构成。隧道势垒层由AlOx(1.9nm)构成。磁记录层由Co90Fe10(2.0nm)构成。而且，接触层由Ta(150nm)构成。
这些材料通过例如溅射工艺来依次形成。
更具体的是，通过重复两次利用溅射工艺形成厚度为0.5nm的Al的工艺、并且使用纯氧气自然氧化原位的材料，来使得隧道势垒层由AlOx(1.0nm)构成。
当在完成该装置后使用部分透射电子显微镜(TEM)检查AlOx的厚度时，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。这估计是由在形成AlOx(1.0nm)之后的自然氧化而导致的。
对于磁阻元件MTJ的隧道结，使用电子束(EB)引入装置将图形转移到限定结区域的部分，并且使用KrF步进装置将所述图形转移到另一个部分。然后，使用Ar离子蚀刻来分离该结以形成隧道结。
上部位线BLu/写入辅助线AL经由接触层16形成于磁阻元件MTJ上。
接触层16由Ta/Ru叠层构成，上部位线BLu/写入辅助线AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)构成。
接触层16的顶部涂覆有SiO2，并且此后所述顶部通过进行回蚀刻而从SiO2暴露。
上部位线BLu/写入辅助线AL通过利用溅射工艺形成Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)的叠层而形成，并且此后通过反应离子蚀刻(RIE)工艺蚀刻该叠层。
当沿磁记录层的纵向轴方向施加磁场时，通过在大约280℃下对磁阻元件MTJ的磁记录层退火大约十小时，而将单轴各向异性施加到所述磁记录层。
对于该样品，检验磁化反转所需要的自旋注入电流的值。
首先，确定易磁化方向的磁场Hx和不易磁化方向的磁场Hy的值，并且将其作为辅助磁场施加到磁阻元件MTJ。接着，将脉冲电压施加到磁阻元件MTJ以通过自旋注入电流。而且，在这种情况下，通过直流电四终端工艺来测量磁阻元件MTJ的阻值。
重复执行上述步骤，并且获得自旋注入电流和辅助磁场之间的关系。因此，可以发现，磁化反转所需要的自旋注入电流的值在没有施加不易磁化方向的磁场Hy的情况下(Hy＝0)为3.5mA，而磁化反转所需要的自旋注入电流的值在施加不易磁化方向的磁场的情况下(Hy＝20Oe)为1.5mA。
如上所述，通过使用不易磁化方向的磁场Hy作为在自旋注入磁化反转过程中的磁化反转的辅助手段，可以使用比以前小的自旋注入电流来实现磁化反转。
(2)第二实验实例
图24示出了在第二实验实例中的装置结构。
下电极15由无定形TiAl(10nm)/Ta(50nm)/Ru(10um)的叠层构成。磁阻元件MTJ形成于下电极15上。
磁阻元件MTJ的反铁磁性层由PtMn(20nm)构成。磁固定层由C090Fe10(5nm)构成。隧道势垒层由AlOx(1.0nm)构成。磁记录层由Co90Fe10(2.0nm)构成。而且，接触层由Ta(150nm)/无定形TiAl(10nm)构成。
这些材料通过例如溅射工艺依次形成。
更具体的是，通过重复两次利用溅射工艺形成厚度为0.5nm的Al的工艺、并且使用纯氧气自然氧化原位的材料，来使得隧道势垒层由AlOx(1.0nm)构成。
当在完成该装置后使用部分透射电子显微镜(TEM)检查AlOx的厚度时，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。这估计是由在形成AlOx(1.0nm)之后的自然氧化而导致的。
对于磁阻元件MTJ的隧道结，使用电子束(EB)引入装置将图形转移到限定结区域的部分，并且使用KrF步进装置将所述图形转移到另一个部分。然后，使用Ar离子蚀刻来分离该结以形成隧道结。
上部位线BLu/写入辅助线AL经由接触层16形成于磁阻元件MTJ上。
接触层16由Ta/Ru叠层构成，上部位线BLu/写入辅助线AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)构成，并且具有磁轭结构，其顶部和侧面涂覆有高磁导率的磁性材料(NiFe)。
当沿磁记录层的纵向轴方向施加磁场时，通过例如在大约280℃下对磁阻元件MTJ的磁记录层退火大约十个小时，而将单轴各向异性施加到所述磁记录层。
对于该样品，检验磁化反转所需要的自旋注入电流的值。
首先，确定易磁化方向的磁场Hx的值和不易磁化方向的磁场Hy的值，并且将其作为辅助磁场施加到磁阻元件MTJ。接着，将脉冲电压施加到磁阻元件MTJ以通过自旋注入电流。而且，在这种情况下，通过直流电四终端工艺来测量磁阻元件MTJ的阻值。
重复执行上述步骤，并且获得自旋注入电流的路径和该电流的值之间的关系。因此，可以发现，磁化反转所需要的自旋注入电流的值在下电极15的终端a和上部位线BLu/写入辅助线AL的终端d之间施加脉冲电压的情况下为3.7mA，而磁化反转所需要的自旋注入电流的值在下电极15的终端a和上部位线BLu/写入辅助线AL的终端c之间施加脉冲电压的情况下为3.1mA。
这意味着，在磁阻元件MTJ的附近，为了减小自旋注入电流，优选将磁阻元件MTJ的位置旋转180度。
这是因为下电极15位于磁阻元件MTJ之下，并且上部位线BLu/写入辅助线AL位于磁阻元件MTJ上。也即，在自旋注入电流的路径仅仅恒定指向一个方向的情况下，由于电流流过下电极15和上部位线BLu/写入辅助线AL所引起的磁场相互抵消。另一方面，在自旋注入电流的路径在磁阻元件MTJ的位置处旋转180度的情况下，由于电流流过下电极15和上部位线BLu/写入辅助线AL所引起的磁场相互增强。
如上所述，在自旋注入电流(辅助电流)的路径在磁阻元件MTJ位置处旋转180度的情况下，而不是在该路径在磁阻元件MTJ附近仅仅恒定指向一个方向的情况下，能够减小自旋注入电流。
注意，如图7所示，在流过自旋注入电流Is的路径根据流过该电流Is的方向(电流路径在磁阻元件MTJ的位置处旋转180度的情况和电流路径未旋转的情况)而改变的情况下，在180度旋转电流路径处的磁化反转所需要的自旋注入电流的值变得比在未旋转的电流路径处的小。
另一方面，通常，在磁阻元件MTJ的磁记录层的磁化从不平行于磁固定层变为平行的情况中比在平行磁化变为非平行磁化的情况中需要的自旋注入电流的值小。因此，考虑到无论流动方向如何自旋注入电流Is都代表相同的值，因此优选将磁阻元件MTJ构成为180度旋转电流路径从平行路径改变为非平行路径，并且不旋转的电流路径从非平行路径改变为平行路径。
因此，可以减小磁化反转所需要的自旋注入电流的值。例如，如图23到27所示，磁阻元件MTJ的结构可以应用于图7的实例中，在该结构中磁固定层位于下方而磁记录层位于上方。
(3)第三实验实例
图25示出了在第三实验实例的装置结构。
下电极15由Cu制成并且具有磁轭结构，其下面和侧面涂敷有高磁导率的磁性材料(NiFe)。磁阻元件MTJ形成于下电极15上。
磁阻元件MTJ的反铁磁性层由PtMn(20nm)构成。磁固定层由C090Fe10(5nm)构成。隧道势垒层由AlOx(1.0nm)构成。磁记录层由C090Fe10(2.0nm)构成。而且，接触层由Ta(150nm)/无定形TiAl(10nm)构成。
这些材料通过例如溅射工艺来依次形成。
更具体的是，通过重复两次使用溅射工艺形成厚度为0.5nm的Al的工艺、并且使用纯氧气自然氧化原位的材料，来使得隧道势垒层由AlOx(1.0nm)构成。
当在完成该装置后使用部分透射电子显微镜(TEM)检查AlOx的厚度时，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。这估计是由在形成AlOx(1.0nm)之后的自然氧化而导致的。
对于磁阻元件MTJ的隧道结，使用电子束(EB)引入装置将图形转移到限定结区域的部分，并且使用KrF步进装置将所述图形转移到另一个部分。然后，使用Ar离子蚀刻来分离该结以形成隧道结。
上部位线BLu/写入辅助线AL经由接触层16形成于磁阻元件MTJ上。
接触层16由Ta/Ru叠层构成，上部位线BLu/写入辅助线AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)的叠层构成，并且具有磁轭结构，其顶部和侧面涂敷有高磁导率的磁性材料(NiFe)。
当沿磁记录层的纵向轴方向施加磁场时，通过例如在大约280℃下对磁阻元件MTJ的磁记录层退火大约十个小时，而将单轴各向异性施加到所述磁记录层。
对于该样品，检验磁化反转所需要的自旋注入电流的值。
首先，确定易磁化方向的磁场Hx的值和不易磁化方向的磁场Hy的值，并且将其作为辅助磁场施加到磁阻元件MTJ。接着，将脉冲电压施加到磁阻元件MTJ以通过自旋注入电流。而且，在这种情况下，通过直流电四终端工艺来测量磁阻元件MTJ的阻值。
重复执行上述步骤，并且获得自旋注入电流的路径和值之间的关系。因此，可以发现，磁化反转所需要的自旋注入电流的值在下电极15的终端a和上部位线BLu/写入辅助线AL的终端c之间施加脉冲电压的情况下为2.9mA。这表明与该路径与第二实验实例的自旋注入电流(辅助电流)的路径相同相比，自旋注入电流的值从3.1mA下降为2.9mA。
这是因为不同于第二使用实例的是，下电极15在第三实验实例中也具有磁轭结构。也即，当将下电极15和上部位线BLu/写入辅助线AL都形成到磁轭结构中时，能够将辅助磁场有效施加到磁阻元件MTJ。
如上所述，关于自旋注入电流的减少，优选将下电极15和上部位线BLu/写入辅助线AL都形成到磁轭结构中。
(4)第四实验实例
图26示出了在第四实验实例的装置结构。
下电极15由无定形TiAl(10nm)/Ta(50nm)/Ru(10um)的叠层构成。磁阻元件MTJ形成于下电极15上。
磁阻元件MTJ的反铁磁性层由PtMn(20nm)构成。磁固定层由Co90Fe10(5nm)构成。隧道势垒层由AlOx(1.0nm)构成。磁记录层由以Co90Fe10(2.0nm)/Ru(0.5nm)/Co90Fe10(2.0nm)制成的合成反铁磁性(SAF)结构构成。而且，接触层由Ta(150nm)/无定形TiAl(10nm)的叠层构成。
这些材料通过例如溅射工艺来依次形成。
更具体的是，通过重复两次使用溅射工艺形成厚度为0.5nm的Al的工艺、并且使用纯氧气自然氧化原位的材料，来使得隧道势垒层由AlOx(1.0nm)构成。
这里，SAF结构的两个铁磁性层Co90Fe10的厚度彼此相等，且构成具有均匀磁化的结构，但是通过例如改变厚度、材料等，所述磁化可以相互变化。
当在完成该装置后使用部分透射电子显微镜(TEM)检查AlOx的厚度时，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。这估计是由在形成AlOx(1.0nm)之后的自然氧化而导致的。
对于磁阻元件MTJ的隧道结，使用电子束(EB)引入装置将图形转移到限定结区域的部分，并且使用KrF步进装置将所述图形转移到另一个部分。然后，使用Ar离子蚀刻来分离该结以形成隧道结。
上部位线BLu/写入辅助线AL经由接触层16形成于磁阻元件MTJ上。
接触层16由Ta/Ru叠层构成，上部位线BLu/写入辅助线AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)的叠层构成，并且具有磁轭结构，其顶部和侧面涂敷有高磁导率的磁性材料(NiFe)。
当沿磁记录层的纵向轴方向施加磁场时，通过例如在大约280℃下对磁阻元件MTJ的磁记录层退火大约十个小时，而将单轴各向异性施加到所述磁记录层。
对于该样品，检验磁化反转所需要的自旋注入电流的值。
首先，确定易磁化方向的磁场Hx的值和不易磁化方向的磁场Hy的值，并且将其作为辅助磁场施加到磁阻元件MTJ。接着，将脉冲电压施加到磁阻元件MTJ以通过自旋注入电流。而且，在这种情况下，通过直流电四终端工艺来测量磁阻元件MTJ的阻值。
重复执行上述步骤，并且获得自旋注入电流的路径和该电流的值之间的关系。因此，可以发现，磁化反转所需要的自旋注入电流的值在下电极15的终端a和上部位线BLu/写入辅助线AL的终端d之间施加脉冲电压的情况下为3.9mA，而磁化反转所需要的自旋注入电流的值在下电极15的终端a和上部位线BLu/写入辅助线AL的终端c之间施加脉冲电压的情况下为3.4mA。这意味着，即使在磁阻元件MTJ的磁记录层中采用了SAF结构的情况下，当自旋注入电流(辅助电流)的路径在磁阻元件MTJ的位置处旋转180度时，能够减小自旋注入电流的值。
如上所述，即使采用SAF结构，也能够在磁阻元件MTJ的位置处将自旋注入电流(辅助电路)的路径旋转180度的情况下，而不是在磁阻元件MTJ附近该路径仅仅恒定指向一个方向的情况下，减小自旋注入电流。
此外，在第四实验实例中，上部位线BLu/写入辅助线AL具有磁轭结构，但是考虑到从未选单元上的上部位线BLu/写入辅助线AL中所产生的磁场的影响，从下电极15施加到磁阻元件的磁场优选设置为比从上部位线BLu/写入辅助线AL施加到磁阻元件的磁场大。
这是因为当仅仅将下电极15构成到如例如图13所示的磁轭结构中时，能够有效地将辅助磁场施加到仅仅选定的磁阻元件。因此，通过磁场的辅助手段能够减小自旋注入电流，并且能够避免写入干扰的问题。
(5)第五实验实例
图27到29示出了在第五实验实例的装置结构。
下电极15由Cu制成并且具有磁轭结构，其下面和侧面涂敷有高磁导率的磁性材料(NiFe)。磁阻元件MTJ形成于下电极15上。
磁阻元件MTJ的反铁磁性层由PtMn(20nm)构成。磁固定层由Co90Fe10(5nm)构成。隧道势垒层由AlOx(1.0nm)构成。磁记录层由Co90Fe10(2.0nm)构成。而且，接触层由Ta(150nm)/无定形TiAl(10nm)构成。
这些材料通过例如溅射工艺来依次形成。
更具体的是，通过重复两次使用溅射工艺形成厚度为0.5nm的Al的工艺、并且使用纯氧气自然氧化原位的材料，来使得隧道势垒层由AlOx(1.0nm)构成。
当在完成该装置后使用部分透射电子显微镜(TEM)检查AlOx的厚度时，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。这估计是由在形成AlOx(1.0nm)之后的自然氧化而导致的。
对于磁阻元件MTJ的隧道结，使用电子束(EB)引入装置将图形转移到限定结区域的部分，并且使用KrF步进装置将所述图形转移到另一个部分。因此，使用Ar离子蚀刻来分离该结以形成隧道结。
磁阻元件MTJ的平面形状是图28所示的十字形状，或者是图29所示的豆形(或C形)。
上部位线BLu/写入辅助线AL经由接触层16形成于磁阻元件MTJ上。
接触层16由Ta/Ru叠层构成，上部位线BLu/写入辅助线AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)的叠层构成，并且具有磁轭结构，其顶部和侧面涂敷有高磁导率的磁性材料(NiFe)。
当沿磁记录层的纵向轴方向施加磁场时，通过例如在大约280℃下对磁阻元件MTJ的磁记录层退火大约十个小时，而将单轴各向异性施加到所述磁记录层。
对于该样品，当检验磁化反转所需的自旋注入电流的值时，能够获得与第三实验实例相同的结果。也即，当将下电极15和上部位线BLu/写入辅助线AL构成到磁轭结构中、并且自旋注入电流(辅助电流)的路径在磁阻元件MTJ的位置处旋转180度时，能够减小自旋注入电流。
而且，根据第五实验实例，当磁阻元件MTJ的平面形状形成为十字形状或者豆形时，能够改善抗外部磁场的稳定性和抗热干扰能力。
注意，此外，当磁阻元件的平面形状形成为平行四边形、梯形、作为十字形状的变形的螺旋形状、结合两个或者多个C形而得到的形状等等时，能够确定具有类似效果。
而且，磁阻元件MTJ的平面形状，也应用于除第五实验实例以外的实验实例中。
3.其它
根据本发明的实例，能够通过新的系统和写入方法来实现自旋注入电流的减少。
本领域技术人员容易想到其它优点和修改。因此本发明在其广泛的方面不限于特定的细节和这里所述和所示的具体实施例。因此，在不脱离由所附权利要求书和其等同物限定的本发明总构思的精神和范围的情况下可以作出各种修改。
Claims (25)
1.一种自旋注入磁随机存取存储器，包括：
磁阻元件；
写入电路，其通过使用由自旋注入电流产生的自旋极化电子来对磁阻元件进行写入；以及
写入辅助电路，其在写入期间将在所述磁阻元件的不易磁化方向上的磁场施加到所述磁阻元件。
2.如权利要求1所述的存储器，其中所述写入辅助电路包括：写入辅助线，其是用于产生磁场的辅助电流的路径；以及驱动器/消能器，其控制所述辅助电流的产生/断开。
3.如权利要求2所述的存储器，其中所述写入辅助线与作为所述自旋注入电流的路径的位线不同。
4.如权利要求2所述的存储器，其中所述写入辅助线还充当作为所述自旋注入电流的路径的位线。
5.如权利要求1所述的存储器，其中所述写入辅助电路包括：写入辅助线，其是用于产生磁场的辅助电流的路径、并且还充当作为所述自旋注入电流的路径的位线。
6.如权利要求5所述的存储器，其中所述写入辅助电流与所述自旋注入电流不同。
7.如权利要求5所述的存储器，其中所述自旋注入电流用作所述辅助电流、并且在所述磁阻元件的位置处旋转180度。
8.如权利要求7所述的存储器，其中所述磁阻元件位于具有磁轭结构的下电极上，并且从所述下电极对所述磁阻元件施加磁场。
9.如权利要求2所述的存储器，其中所述辅助电流在断开所述自旋注入电流之前被断开。
10.如权利要求5所述的存储器，其中所述辅助电流在断开所述自旋注入电流之前被断开。
11.如权利要求1所述的存储器，其中所述写入辅助电路包括充当永久磁体的写入辅助线。
12.如权利要求11所述的存储器，其中所述写入辅助线与作为所述自旋注入电流的路径的位线不同。
13.如权利要求11所述的存储器，其中所述写入辅助线还充当作为所述自旋注入电流的路径的位线。
14.如权利要求11所述的存储器，其中所述写入辅助线还充当所述磁阻元件的下电极。
15.如权利要求2所述的存储器，其中所述写入辅助线具有磁轭结构。
16.如权利要求5所述的存储器，其中所述写入辅助线具有磁轭结构。
17.如权利要求11所述的存储器，其中所述写入辅助线具有磁轭结构。
18.如权利要求1所述的存储器，其中无论写入数据的值是多少，所述磁场的方向都是相同的。
19.如权利要求1所述的存储器，其中所述磁场的方向随写入数据的值变化。
20.如权利要求1所述的存储器，其中所述磁阻元件的平面形状是十字形或者豆形。
21.如权利要求1所述的存储器，其中由无定形金属或者微晶金属构成的中间层位于所述磁阻元件的正下方或者正上方。
22.如权利要求21所述的存储器，其中所述无定形金属或者微晶金属是选自于如下的合金：一种合金，其包含选自于Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的至少一种元素和选自于Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Re、Au和Al中的至少一种元素；一种合金，其包含选自于Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的至少一种元素和选自于Fe、Ni、Cr和Cu中的至少一种元素；以及一种合金，其包含选自于Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的至少一种元素和选自于Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Re、Au和Al中的至少一种元素。
23.如权利要求1所述的存储器，其中由氧化铟钛、氧化铟锌、氧化铝以及氮化铝构成的中间层位于所述磁阻元件的正下方或者正上方。
24.一种写入方法，包括：
使得自旋注入电流流过磁阻元件；以及
在使用所述自旋注入电流将数据写入所述磁阻元件时，将在所述磁阻元件的不易磁化方向上的磁场施加到所述磁阻元件。
25.如权利要求24所述的写入方法，其中在断开所述自旋注入电流前断开用于产生磁场的辅助电流。
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