自旋注入磁隨機存取存儲器的製作方法
2024-01-28 18:05:15
專利名稱：自旋注入磁隨機存取存儲器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種自旋注入磁隨機存取存儲器，其使用自旋極化電子執行磁化反轉。
背景技術：
近年來，已經作出許多努力來將採用隧道磁阻(TMR)效應的磁阻元件施加到磁隨機存取存儲器(MRAM)。
近年來，已經獲得這樣的磁阻元件，它的表示磁阻變化率的磁阻(MR)比率為大於等於230％，並且MR比率對電壓的依賴性已經被抑制。這增加了將磁隨機存取存儲器應用於實際的可能性。
當磁阻元件用作磁隨機存取存儲器的存儲元件時，將其間夾有隧道勢壘層的兩個鐵磁性層中的一個用作磁化方向固定的磁固定層，另一個用作磁化方向變化的磁自由層。
使用這種鐵磁性單或雙隧道結的磁阻元件具有以下特性它可以以非易失性的方式存儲數據，寫入/讀取時間快達10ns或更快，寫入次數大於等於1015倍。
但是，在採用由一個電晶體和一個磁阻元件構成存儲單元的系統的情況下，存在的問題是，存儲單元的尺寸不能減小到沒有動態隨機存取存儲器(DRAM)大。
為了解決該問題，提出了二極體型系統，其中在位線和字線之間串聯連接磁阻元件和二極體；簡單的陣列型系統，其中在位線和字線之間僅設置磁阻元件，等等。
但是，在所有情況下，都是在對磁記錄層寫入(磁化反轉)期間使用由電流脈衝所產生的唯一磁場(電流磁場)。這會導致新問題，即增加了在寫入時間方面的功耗，由於電線的可容許電流密度的限制導致存儲容量不能擴大，以及產生電流脈衝的驅動器/消能器(sinker)的區域擴大。
因此，提出一種結構，其中由高磁導率磁性材料(磁軛材料)構成的薄膜圍繞作為電流脈衝的路徑的寫入線形成。
根據這種結構，由於高磁導率磁性材料高效地將磁場施加到磁阻元件，所以能夠降低寫入所需的電流值。但是不能將寫入電流值降低到小於等於1mA。
作為一次性解決這些問題的技術，提出一種藉助自旋注入磁化反轉工藝的寫入方法(參見例如美國專利申請6,256,223)。
在這種自旋注入磁化反轉工藝中，將自旋極化電子(自旋注入電流)注入到存儲元件的磁記錄層中以使得磁記錄層的磁化反轉。由於寫入所需的自旋注入電流的電流值隨著磁記錄層的小型化而降低，因此對於將該工藝用作對磁隨機存取存儲器的寫入方法具有很大的可能性。
但是，在該方法中，為了執行寫入(磁化反轉)，需要大約8×106A/cm2的自旋注入電流的電流密度。因此，當隨著磁阻元件的小型化而將隧道勢壘層設置為較薄時，對該層的破壞變成問題(參見例如Yiming Huai等，Appl.Phys.Lett.84(2004)3118以及第49屆MMM會議ES-08，HA-05，以及HA-12。)因此，為了實現穩定的寫入操作而不引起這些破壞，需要減少自旋注入電流。
而且，當在自旋注入磁化反轉工藝中實現自旋注入電流的減少時，該工藝能夠節省磁隨機存取存儲器的功耗。因此，有必要降低自旋注入電流。
發明內容
根據本發明一個方面的一種自旋注入磁隨機存取存儲器包括磁阻元件、寫入單元，其使用由自旋注入電流所產生的自旋極化電子來將數據寫入磁阻元件、並且在寫入期間將磁阻元件的不易磁化方向的磁場施加到磁阻元件。
根據本發明一個方面的寫入方法，包括在使得自旋注入電流流過磁阻元件以對磁阻元件執行寫入時，沿磁阻元件的不易磁化方向將磁場施加到磁阻元件。
圖1是本發明一個實例的原理的示意圖；圖2是本發明一個實例的原理的示意圖；圖3是示出了第一實施例的磁隨機存取存儲器的電路圖；圖4是示出了第一實施例的裝置結構的第一實例的截面圖；圖5是示出了第一實施例的裝置結構的第二實例的截面圖；圖6是示出了第二實施例中磁隨機存取存儲器的第一實例的電路框圖；圖7是示出了第二實施例中磁隨機存取存儲器的第二實例的電路框圖；圖8是示出了第二實施例的裝置結構的第一實例的截面圖；圖9是示出了第二實施例的裝置結構的第二實例的截面圖；圖10是示出了第三實施例的磁隨機存取存儲器的電路圖；圖11是示出了第三實施例的裝置結構的第一實例的截面圖；圖12是示出了第三實施例的裝置結構的第二實例的截面圖；圖13是示出了第三實施例的裝置結構的第三實例的截面圖；圖14是示出了第三實施例的裝置結構的第四實例的截面圖；圖15是示出了第四實施例中磁隨機存取存儲器的電路框圖；圖16是示出了圖15的存儲單元的裝置結構的一個實例的截面圖；
圖17是示出了第四實施例中磁隨機存取存儲器的電路框圖；圖18是示出了圖17的存儲單元的裝置結構的一個實例的截面圖；圖19是示出了圖13的裝置結構的修改的截面圖；圖20是示出了第五實施例的裝置結構的一個實例的截面圖；圖21是示出了磁化反轉過程的流程圖；圖22是示出了自旋注入電流和輔助電流的提供/斷開時序的框圖；圖23是示出了第一實驗實例的裝置結構的截面圖；圖24是示出了第二實驗實例的裝置結構的截面圖；圖25是示出了第三實驗實例的裝置結構的截面圖；圖26是示出了第四實驗實例的裝置結構的截面圖；圖27是示出了第五實驗實例的裝置結構的截面圖；圖28是示出了第五實驗實例的磁阻元件平面形狀的圖；以及圖29是示出了第五實驗實例的磁阻元件的平面形狀的圖。
具體實施例方式
以下參考附圖描述本發明一個方面的自旋注入磁隨機存取存儲器。
1.概述在本發明的一個實例中，在通過自旋注入磁化反轉方法寫入期間，自旋注入電流通過磁阻元件，並且產生輔助磁場以輔助磁記錄層的磁化反轉，從而執行具有較小自旋注入電流的磁記錄層的磁化反轉。
沿不易磁化的方向將輔助磁場施加到磁阻元件。沿不易磁化的方向將輔助磁場施加到磁阻元件的原因如下圖1和2各示出了在將易磁化方向的磁場Hx和不易磁化方向的磁場Hy施加到磁阻元件MTJ時，磁記錄層的磁化反轉所需的能量。
因此，可以發現，當不易磁化方向的磁場Hy為0時所述能量最高，並且當不易磁化方向的磁場Hy值增加時所述能量逐漸減少。
因此，即使在自旋注入磁化反轉方法中，磁記錄層的磁化方向被反轉。當流過自旋注入電流並且在寫入期間產生不易磁化方向的磁場Hy時，能夠使用比以前小的自旋注入電流執行磁化反轉。
如上所述，在本發明的實例中，當在寫入期間通過自旋注入磁化反轉方法產生磁記錄層的不易磁化方向的輔助磁場時，有可能減少自旋注入電流。
2.實施例接著，以下描述認為是最優選的幾個實施例。
(1)第一實施例第一實施例是自旋注入電流的路徑完全與輔助電流的路徑分離的實例。
A.電路方框3是示出第一實施例中磁隨機存取存儲器主要部分的電路框圖。
磁阻元件MTJ構成存儲單元陣列10的部分。
磁阻元件MTJ的一端連接到上部位線BLu，其另一端經由作為選擇開關的N-溝道MOS電晶體Tr連接到下部位線BLd。上部位線BLu和下部位線BLd都以相同的方向延伸，在本實例中該方向是磁阻元件MTJ的不易磁化方向(縱向)。
上部位線BLu的一端連接到CMOS型驅動器/消能器DS1。該驅動器/消能器DS1由在電源終端Vdd和Vss之間串聯連接的P溝道MOS電晶體P1和N溝道MOS電晶體N1構成。
上部位線BLu的另一端經由用作選擇開關的N溝道MOS電晶體CSW連接到讀出放大器S/A。
下部位線BLd的一端連接到CMOS型驅動器/消能器DS2。該驅動器/消能器DS2由在電源終端Vdd和Vss之間串聯連接的P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N2構成。
N溝道MOS電晶體Tr的柵極連接到字線WL。字線WL沿磁阻元件MTJ的易磁化方向(橫向)延伸，字線的一端連接到字線驅動器WD。
而且，在磁阻元件MTJ的附近放置沿易磁化方向延伸的寫入輔助線AL。
寫入輔助線AL的一端連接到由P溝道MOS電晶體P3構成的驅動器D1，該線另一端連接到由N溝道MOS電晶體N3構成的消能器S1。
B.工作過程將描述圖3的磁隨機存取存儲器的工作過程。
在寫入操作中，通過字線驅動器WD將字線WL的電平設置為「高(H)」，接通N溝道MOS電晶體Tr。
當「1」被寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「低(L)」，並且將控制信號C和D的電平設為「H」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P1和N溝道MOS電晶體N2被接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器/消能器DS1到驅動器/消能器DS2的方向流動通過磁阻元件MTJ。
與此同時，將控制信號E的電平設為「L」，將控制信號F的電平設為「H」，並且輔助電流Ia通過寫入輔助線AL從驅動器D1流動到消能器S1。該輔助電流Ia沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向生成輔助磁場。
當「0」被寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「H」，並且將控制信號C和D的電平設為「L」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N1被接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器/消能器DS2到驅動器/消能器DS1的方向流動通過磁阻元件MTJ。
與此同時，將控制信號E的電平設為「L」，將控制信號F的電平設為「H」，並且輔助電流Ia從驅動器D1通過寫入輔助線AL流向消能器S1。該輔助電流Ia沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向生成輔助磁場。
這裡，在本實例中，由於輔助磁場的方向不必根據寫入數據的值而改變，因此輔助電流Ia的方向可以保持恆定。因此，可以減少驅動器D1和消能器S1所需的區域。
需要注意的是，可以將控制信號A、B、C和D的電平設為「L」以便在通過自旋注入電流Is以寫入數據之前預先對上部位線BLu和下部位線BLd充電。
類似，可以將控制信號E和F設為「L」以便在通過輔助電流Ia之前預先對寫入輔助線AL充電。
而且，在斷開自旋注入電流Is以完成寫入之後，可以將控制信號A、B、C和D的電平設為「H」以將上部位線BLu和下部位線BLd固定到接地電勢Vss。
類似，在斷開輔助電流Ia之後，可以將控制信號E和F的電平設為「H」以將寫入輔助線AL固定到接地電勢Vss。
下面將在磁化反轉過程中描述自旋注入電流Is和輔助電流Ia的提供/斷開時序之間的關係。
在讀取操作中，將字線WL的電平經由字線驅動器WD設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體Tr。將選擇信號CSLj設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體CSW。
將控制信號A、C和D的電平設為「H」，並且將控制信號B的電平設為「L」，以形成經由磁阻元件MTJ的從讀出放大器S/A到接地點Vss的電流路徑。
而且，例如，當提供從讀出放大器S/A到磁阻元件MTJ的讀取電流Iread時，讀出放大器S/A的輸入電勢Vin根據存儲在磁阻元件MTJ中的數據(阻值)而改變。因此，將該電勢與參考電勢Vref比較以檢測數據值。
需要注意的是，為了避免在讀取過程中的幹擾，將讀取電流Iread的值設為比自旋注入電流Is的值小。
C.裝置結構下面描述存儲單元的裝置結構的實例。
圖4示出了該裝置結構的第一實例。
該結構是1Tr-1MTJ，其中存儲單元由一個電晶體和一個磁阻元件構成。
N溝道MOS電晶體Tr作為選擇開關位於半導體襯底11的表面區域。N溝道MOS電晶體Tr由源極/漏極擴散層12構成，並且柵極電極(字線)WL位於這些層之間的溝道上。
源極/漏極擴散層12中的一個經由中間層13連接到下部位線BLd。其它源極/漏極擴散層12經由中間層14連接到下電極15。
磁阻元件MTJ位於下電極15上。
對於磁阻元件MTJ的形狀、結構等沒有任何特別的限制，但是磁阻元件MTJ優選具有作為磁固定層的單方向各向異性和作為磁記錄層的單軸各向異性。
磁阻元件MTJ的整個厚度優選設置為在0.1nm到100nm範圍內的值。
需要防止構成磁阻元件MTJ的鐵磁層(磁固定層、磁記錄層等等)是超順磁性的。為此，該層的厚度優選設置為大於等於0.4nm的值。
寫入輔助線AL位於磁阻元件MTJ之下。在寫入輔助線AL中，輔助電流Ia例如從圖紙的後面朝向前面流動。因此，將圖中向左的輔助磁場Ha施加到磁阻元件MTJ。
上部位線BLu經由接觸層16位於磁阻元件MTJ上。自旋注入電流Is沿著從下部位線BLd朝向上部位線BLu或者從上部位線BLu朝向下部位線BLd的方向流動通過磁阻元件MTJ。
在這種結構中，當由無定形金屬、微晶金屬等等製成的中間層位於磁阻元件MTJ和接觸層16或者下電極15之間時，能夠進一步減少切換磁場(反轉磁場)的值。
圖5示出了該裝置結構的第二實例。
第二實例的特徵與第一實例的特徵的不同在於，寫入輔助線AL具有所謂的磁軛結構。其它方面與第一實例相同。
寫入輔助線AL由以諸如金屬或者合金的導電材料製成的主體17a、以及位於主體17a的下表面和側面的高磁導率的磁性材料(磁軛材料)17b構成。高磁導率的磁性材料17b可以是角狀型以便從主體17a的頂部向上突出。
在第一和第二實例中，已經描述了1Tr-1MTJ結構，其中存儲單元由一個電晶體和一個磁阻元件構成，但是本發明的實例可用於另一種結構，例如堆疊磁阻元件MTJ的三維結構。
D.結論根據第一實施例，在通過自旋注入磁化反轉方法寫入的過程中，能夠使用不易磁化方向的輔助磁場來輔助磁化反轉以便減小自旋注入電流。
(2)第二實施例第二實施例是自旋注入電流的路徑與輔助電流的路徑部分一致的實例。
A.電路方框6是示出第二實施例中磁隨機存取存儲器主要部分的第一實例的電路框圖。
磁阻元件MTJ構成存儲單元陣列10的一部分。
磁阻元件MTJ的一端連接到上部位線BLu/寫入輔助線AL，其另一端經由作為選擇開關的N溝道MOS電晶體Tr連接到下部位線BLd。
上部位線BLu/寫入輔助線AL和下部位線BLd都以相同的方向延伸，在本實施例中該方向是磁阻元件MTJ的易磁化方向(縱向)。
上部位線BLu/寫入輔助線AL的一端連接到CMOS型驅動器/消能器DS1和DS3。
該驅動器/消能器DS1由在電源終端Vdd，和Vss之間串聯連接的P溝道MOS電晶體P1和N溝道MOS電晶體N1構成，該驅動器/消能器DS3由在電源終端Vdd和Vss之間串聯連接的P溝道MOS電晶體P4和N溝道MOS電晶體N4構成。
上部位線BLu/寫入輔助線AL的另一端連接到CMOS型驅動器/消能器DS4。該驅動器/消能器DS4由在電源終端Vdd和Vss之間串聯連接的P溝道MOS電晶體P5和N溝道MOS電晶體N5構成。
而且，上部位線BLu/寫入輔助線AL的另一端經由作為選擇開關的N溝道MOS電晶體CSW連接到讀出放大器S/A。
下部位線BLd的一端連接到CMOS型驅動器/消能器DS2。該驅動器/消能器DS2由在電源終端Vdd和Vss之間串聯連接的P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N2構成。
N溝道MOS電晶體Tr的柵極連接到字線WL。字線WL沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向(橫向)延伸，字線的一端連接到字線驅動器WD。
圖7是示出第二實施例中磁隨機存取存儲器的主要部分的第二實例的電路框圖。
磁阻元件MTJ構成存儲單元陣列10的一部分。
磁阻元件MTJ的一端連接到上部位線BLu/寫入輔助線AL，其另一端經由作為選擇開關的N溝道MOS電晶體Tr連接到下部位線BLd。
上部位線BLu/寫入輔助線AL和下部位線BLd都以相同的方向延伸，在本實施例中該方向是磁阻元件MTJ的易磁化方向(縱向)。
上部位線BLu/寫入輔助線AL的一端連接到驅動器D2。該驅動器D2由在電源終端Vdd和上部位線BLu/寫入輔助線AL之間並聯連接的P溝道MOS電晶體P6和P7構成。
上部位線BLu/寫入輔助線AL的另一端連接到消能器S2。該消能器S2由在上部位線BLu/寫入輔助線AL和電源終端Vss之間並聯連接的N溝道MOS電晶體N6和N7構成。
而且，上部位線BLu/寫入輔助線AL的另一端經由作為選擇開關的N溝道MOS電晶體CSW連接到讀出放大器S/A。
下部位線BLd的一端連接到CMOS型驅動器/消能器DS2。該驅動器/消能器DS2由在電源終端Vdd和Vss之間串聯連接的P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N2構成。
N溝道MOS電晶體Tr的柵極連接到字線WL。字線WL沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向(橫向)延伸，字線的一端連接到字線驅動器WD。
由於在第二實施例中上部位線BLu也用作寫入輔助線AL，因此與第一實施例相比，能夠減少與寫入輔助線AL一樣多的導線的數目。
B.操作過程下面描述圖6的磁隨機存取存儲器的工作過程。
在寫入操作中，通過字線驅動器WD將字線WL的電平設置為「H」，接通N溝道MOS電晶體Tr。
當將「1」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「L」，並且將控制信號C和D的電平設為「H」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P1和N溝道MOS電晶體N2被接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器/消能器DS1到驅動器/消能器DS2的方向流動通過磁阻元件MTJ。
與此同時，將控制信號G和H的電平設為「L」，將控制信號I和J的電平設為「H」，以通過上部位線BLu/寫入輔助線AL將來自驅動器/消能器DS3的輔助電流Ia流通到驅動器/消能器DS4。該輔助電流Ia生成磁阻元件MTJ的不易磁化方向的輔助磁場。
當將「0」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「H」，並且將控制信號C和D的電平設為「L」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N1被接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器/消能器DS2到驅動器/消能器DS1的方向流動通過磁阻元件MTJ。
與此同時，將控制信號G和H的電平設為「H」，將控制信號I和J的電平設為「L」以通過上部位線BLu/寫入輔助線AL將來自驅動器/消能器DS4的輔助電流Ia流通到驅動器/消能器DS3。該輔助電流Ia生成磁阻元件MTJ的不易磁化方向的輔助磁場。
這裡，在本實例中，為了根據寫入數據的值改變輔助磁場的方向，將用於生成輔助電流Ia的驅動器/消能器DS3和DS4設置到上部位線BLu/寫入輔助線AL的相對端。
輔助電流Ia的值可以與自旋注入電流Is的值相等或者不同。
需要注意的是，可以將控制信號A、B、C、D、E、F、G、和H的電平設為「L」，以便在流通自旋注入電流Is以寫入數據之前預先對上部位線BLu/寫入輔助線AL和下部位線BLd充電。
而且，在斷開自旋注入電流Is以完成寫入之後，可以將控制信號A、B、C、D、E、F、G、和H的電平設為「H」，以將上部位線BLu/寫入輔助線AL和下部位線BLd固定到接地電勢Vss。
下面通過磁化反轉過程描述自旋注入電流Is和輔助電流Ia的提供/斷開時序之間的關係。
在讀取操作中，將字線WL的電平由字線驅動器WD設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體Tr。將選擇信號CSLi設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體CSW。
將控制信號A、C、D、G和I的電平設為「H」，並且將控制信號B、H、和J的電平設為「L」，以形成經由磁阻元件MTJ的從讀出放大器S/A到接地點Vss的電流路徑。
而且，例如，當提供從讀出放大器S/A到磁阻元件MTJ的讀取電流Iread時，讀出放大器S/A的輸入電勢Vin根據存儲在磁阻元件MTJ中的數據(阻值)而改變。因此，將該電勢與參考電勢Vref比較以檢測數據值。
下面描述圖7的磁隨機存取存儲器的工作過程。
在寫入操作中，通過字線驅動器WD將字線WL的電平設置為「H」，接通N溝道MOS電晶體Tr。
當將「1」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號K和M的電平設為「L」，並且將控制信號C和D的電平設為「H」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P6和N溝道MOS電晶體N2接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器DS2到驅動器/消能器DS2的方向流動通過磁阻元件MTJ。
與此同時，將控制信號L的電平設為「L」，將控制信號N的電平設為「H」，以通過上部位線BLu/寫入輔助線AL將輔助電流Ia從驅動器D2流通到消能器S2。該輔助電流Ia生成磁阻元件MTJ的不易磁化方向的輔助磁場。
當將「0」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號K和M的電平設為「H」，並且將控制信號C和D的電平設為「L」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N6接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器/消能器DS2到消能器S2的方向流動通過磁阻元件MTJ。
與此同時，將控制信號L的電平設為「L」，將控制信號N的電平設為「H」，以通過上部位線BLu/寫入輔助線AL將輔助電流Ia從驅動器D2流通到消能器S2。該輔助電流Ia生成磁阻元件MTJ的不易磁化方向的輔助磁場。
這裡，在本實例中，由於輔助磁場的方向不必根據寫入數據的值而改變，因此輔助電流Ia的方向可以保持恆定。因此，可以減少驅動器D2和消能器S2所需的區域。
輔助電流Ia的值可以與自旋注入電流Is的值相等或者不同。
需要注意的是，可以將控制信號C、D、K、L、M、和N的電平設為「L」，以便在流通自旋注入電流Is以寫入數據之前預先對上部位線BLu/寫入輔助線AL和下部位線BLd充電。
而且，在斷開自旋注入電流Is以完成寫入之後，可以將控制信號C、D、K、L、M、和N的電平設為「H」，以將上部位線BLu/寫入輔助線AL和下部位線BLd固定到接地電勢Vss。
下面通過磁化反轉過程描述自旋注入電流Is和輔助電流Ia的提供/斷開時序之間的關係。
在讀取操作中，將字線WL的電平經由字線驅動器WD設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體Tr。將選擇信號CSLj設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體CSW。
將控制信號C、D、K、和L的電平設為「H」，並且將控制信號M和N的電平設為「L」，以形成經由磁阻元件MTJ的從讀出放大器S/A到接地點Vss的電流路徑。
而且，例如，當提供從讀出放大器S/A到磁阻元件MTJ的讀取電流Iread時，讀出放大器S/A的輸入電勢Vin根據存儲在磁阻元件MTJ中的數據(阻值)而改變。因此，將該電勢與參考電勢Vref比較以檢測數據值。
需要注意的是，為了避免在讀取過程中的幹擾，將讀取電流Iread的值設為比自旋注入電流Is的值小。
C.裝置結構下面描述存儲單元的裝置結構的實例。
圖8示出了該裝置結構的第一實例。
該結構是1Tr-1MTJ結構，其中存儲單元由一個電晶體和一個磁阻元件構成。
N溝道MOS電晶體Tr作為選擇開關位於半導體襯底11的表面區域。N溝道MOS電晶體Tr由源極/漏極擴散層12構成，並且柵極電極(字線)WL位於這些層之間的溝道上。
源極/漏極擴散層12中的一個經由中間層13連接到下部位線BLd。其它源極/漏極擴散層12經由中間層14連接到下電極15。
磁阻元件MTJ位於下電極15上。
對於磁阻元件MTJ的形狀、結構等等沒有任何特別的限制，但是磁阻元件MTJ優選具有作為磁固定層的單方向各向異性和作為磁記錄層的單軸各向異性。
磁阻元件MTJ的整個厚度優選設置為在0.1nm到100nm範圍內的值。
需要防止構成磁阻元件MTJ的鐵磁層(磁固定層、磁記錄層等等)是超順磁性的。為此，該層的厚度優選設置為大於等於0.4nm的值。
上部位線BLu/寫入輔助線AL經由接觸層16位於磁阻元件MTJ上。在磁阻元件MTJ中，自旋注入電流Is沿著從下部位線BLd朝向上部位線BLu/寫入輔助線AL或者從上部位線BLu/寫入輔助線AL朝向下部位線BLd的方向流動。
而且，在上部位線BLu/寫入輔助線AL中，輔助電流Ia例如在圖中向左或向右流動。因此，沿垂直穿過圖的方向將輔助磁場Ha施加到磁阻元件MTJ。
在這種結構中，當由無定形金屬、微晶金屬等等製成的中間層位於磁阻元件MTJ和接觸層16或者下電極15之間時，能夠進一步減少切換磁場(反轉磁場)的值。
圖9示出了該裝置結構的第二實例。
第二實例的特徵與第一實例的特徵的不同在於，上部位線BLu/寫入輔助線AL具有所謂的磁軛結構。其它方面與第一實例相同。
上部位線BLu/寫入輔助線AL由以諸如金屬或者合金的導電材料製成的主體18a、以及位於主體18a的頂部和側面的高磁導率的磁性材料(磁軛材料)18b構成。高磁導率的磁性材料18b可以是角狀型以便從主體18a的下側向下突出。
在第一和第二實例中，已經描述了1Tr-1MTJ結構，其中存儲單元由一個電晶體和一個磁阻元件構成，但是本發明的實例可用於另一種結構，例如堆疊磁阻元件MTJ的三維結構。
D.結論根據第二實施例，以與第一實施例相同的方式能夠實現減少自旋注入電流的效果。此外，由於上部位線BLu也用作寫入輔助線AL，因此能夠減小存儲單元中的導線的數目，並降低成本。
(3)第三實施例第三實施例是自旋注入電流的路徑與輔助電流的路徑完全一致的實例。
在第三實施例中，提出了兩種情況，一種情況是自旋注入電流本身也用作輔助電流；另一種情況是自旋注入電流的工作與輔助電流的工作不同。以下將要描述前一自旋注入電流產生輔助磁場的情況。
A.電路方框10是示出第三實施例中磁隨機存取存儲器的主要部分的電路框圖。
磁阻元件MTJ構成存儲單元陣列10的一部分。
磁阻元件MTJ的一端連接到上部位線BLu/寫入輔助線AL，其另一端經由作為選擇開關的N溝道MOS電晶體Tr連接到下部位線BLd。
上部位線BLu/寫入輔助線AL和下部位線BLd都以相同的方向延伸，在本實施例中該方向是磁阻元件MTJ的易磁化方向(縱向)。
上部位線BLu/寫入輔助線AL的一端連接到CMOS型驅動器/消能器DS1。
該驅動器/消能器DS1由在電源終端Vdd和Vss之間串聯連接的P溝道MOS電晶體P1和N溝道MOS電晶體N1構成。
上部位線BLu/寫入輔助線AL的另一端經由用作選擇開關的N溝道MOS電晶體CSW連接到讀出放大器S/A。
下部位線BLd的一端連接到CMOS型驅動器/消能器DS2。該驅動器/消能器DS2由在電源終端Vdd和Vss之間串聯連接的P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N2構成。
N溝道MOS電晶體Tr的柵極連接到字線WL。字線WL沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向(橫向)延伸，字線的一端連接到字線驅動器WD。
由於在第三實施例中，上部位線BLu也以與第二實施例相同的方式用作寫入輔助線AL，因此，能夠減少在存儲單元中的與寫入輔助線AL一樣多的導線的數目。
而且，當使用由自旋注入電流Is所產生的磁場作為輔助磁場時，不需要用於產生輔助電流Ia的驅動器/消能器。因此，能夠減小存儲單元陣列的周邊電路的區域。
需要注意的是，在自旋注入電流的操作與輔助電流的操作不同的情況下，具有與驅動器/消能器DS1的構成相同的驅動器/消能器可以連接到上部位線BLu/寫入輔助線AL，並且具有與驅動器/消能器DS2的構成相同的驅動器/消能器可以連接到下部位線BLd，以通過這些驅動器/消能器控制輔助電流的提供/斷開。
B.工作過程下面描述圖10的磁隨機存取存儲器的工作過程。
在寫入操作中，通過字線驅動器WD將字線WL的電平設置為「H」，接通N溝道MOS電晶體Tr。
當將「1」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「L」，並且將控制信號C和D的電平設為「H」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P1和N溝道MOS電晶體N2接通，因此自旋注入電流Is/輔助電流Ia沿著從驅動器/消能器DS1到驅動器/消能器DS2的方向流動通過磁阻元件MTJ。
將自旋極化電子注入到磁阻元件MTJ中，並且通過該自旋注入電流Is/輔助電流Ia沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向產生輔助磁場。
當將「0」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「H」，並且將控制信號C和D的電平設為「L」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N1接通，因此自旋注入電流Is/輔助電流Ia沿著從驅動器/消能器DS2到驅動器/消能器DS1的方向流動通過磁阻元件MTJ。
將自旋極化電子注入到磁阻元件MTJ中，並且通過該自旋注入電流Is/輔助電流Ia沿磁阻元件MTJ的不易磁化方向產生輔助磁場。
需要注意的是，可以將控制信號A、B、C和D的電平設為「L」，以便在流通自旋注入電流Is/輔助電流Ia以寫入數據之前，預先對上部位線BLu/寫入輔助線AL和下部位線BLd充電。
而且，在斷開自旋注入電流Is/輔助電流Ia以完成寫入之後，可以將控制信號A、B、C和D的電平設為「H」，以將上部位線BLu/寫入輔助線AL和下部位線BLd固定到接地電勢Vss。
在讀取操作中，將字線WL的電平經由字線驅動器WD設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體Tr。將選擇信號CSLj設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體CSW。
將控制信號A、C和D的電平設為「H」，並且將控制信號B的電平設為「L」，以形成經由磁阻元件MTJ的從讀出放大器S/A到接地點Vss的電流路徑。
而且，當提供從讀出放大器S/A到磁阻元件MTJ的讀取電流Iread時，例如，讀出放大器S/A的輸入電勢Vin根據存儲在磁阻元件MTJ中的數據(阻值)而改變。因此，將該電勢與參考電勢Vref比較以檢測數據值。
需要注意的是，為了避免在讀取過程中的幹擾，將讀取電流Iread的值設為比自旋注入電流Is/輔助電流Ia的值小。
C.裝置結構下面描述存儲單元的裝置結構的實例。
圖11示出了該裝置結構的第一實例。
該結構是1Tr-1MTJ，其中存儲單元由一個電晶體和一個磁阻元件構成。
N溝道MOS電晶體Tr作為選擇開關位於半導體襯底11的表面區域。N溝道MOS電晶體Tr由源極/漏極擴散層12構成，並且柵極電極(字線)WL位於這些層之間的溝道上。
源極/漏極擴散層12中的一個經由中間層13連接到下部位線BLd。其它源極/漏極擴散層12經由中間層14連接到下電極15。
磁阻元件MTJ位於下電極15上。
對於磁阻元件MTJ的形狀、結構等等沒有任何特別的限制，但是磁阻元件MTJ優選具有作為磁固定層的單方向各向異性和作為磁記錄層的單軸各向異性。
磁阻元件MTJ的整個厚度優選設置為在0.1nm到100nm範圍內的值。
需要防止構成磁阻元件MTJ的鐵磁層(磁固定層、磁記錄層等等)是超順磁性的。為此，該層的厚度優選設置為大於等於0.4nm的值。
上部位線BLu/寫入輔助線AL經由接觸層16位於磁阻元件MTJ上。
在磁阻元件MTJ中，自旋注入電流Is/輔助電流Ia例如沿著從下部位線BLd朝向上部位線BLu/寫入輔助線AL或者從上部位線BLu/寫入輔助線AL朝向下部位線BLd的方向流動。
因此，沿垂直穿過該圖的方向將輔助磁場Ha施加到磁阻元件MTJ。
在這種結構中，當由無定形金屬、微晶金屬等製成的中間層位於磁阻元件MTJ和接觸層16或者下電極15之間時，能夠進一步減少切換磁場(反轉磁場)的值。
圖12示出了該裝置結構的第二實例。
第二實例的特徵與第一實例的特徵的不同在於，上部位線BLu/寫入輔助線AL具有所謂的磁軛結構。其它方面與第一實例相同。
上部位線BLu/寫入輔助線AL由以諸如金屬或者合金的導電材料製成的主體18a、以及位於主體18a的頂部和側面的高磁導率的磁性材料(磁軛材料)18b構成。高磁導率的磁性材料18b可以是角狀型以便從主體18a的下側向下突出。
圖13示出了該裝置結構的第三實例。
第三實例的特徵與第一實例的特徵的不同在於，下電極15(AL)具有所謂的磁軛結構並且用作寫入輔助線。其它方面與第一實例相同。
下電極15(AL)由以諸如金屬或者合金的導電材料製成的主體19a、以及位於主體19a的底部和側面的高磁導率的磁性材料(磁軛材料)19b。高磁導率的磁性材料19b可以是角狀型以便從主體19a的頂部向上突出。
根據第三實例，與第一和第二實例不同，有可能實現抑制寫入幹擾的效果。
即，高磁導率磁性材料19b應用於單獨位於磁阻元件MTJ正下方的下電極15(AL)。因此，從下電極15(AL)施加到到磁阻元件MTJ的磁場比從上部位線BLu/寫入輔助線AL施加到磁阻元件MTJ的磁場大。例如，不像第二實例那樣高磁導率磁性材料19b應用於上部位線BLu/寫入輔助線AL，輔助磁場Ha僅僅有效地施加到所選擇的磁阻元件MTJ。
圖14示出了該裝置結構的第四實例。
第四實例是第二和第三實例的結合，其特徵在於，上部位線BLu/寫入輔助線AL和下電極15(AL)具有所謂的磁軛結構。其它方面與第一實施例相同。
上部位線BLu/寫入輔助線AL由以諸如金屬或者合金的導電材料製成的主體18a、以及位於主體18a的頂部和側面的高磁導率的磁性材料(磁軛材料)18b構成。高磁導率的磁性材料18b可以是角狀型以便從主體18a的下側向下突出。
下電極15(AL)由以諸如金屬或者合金的導電材料製成的主體19a、以及位於主體19a的下面和側面的高磁導率的磁性材料(磁軛材料)19b構成。高磁導率的磁性材料19b可以是角狀型以便從主體19a的頂部向上突出。
在第一到第四實例中，已經描述了1Tr-1MTJ結構，其中存儲單元由一個電晶體和一個磁阻元件構成，但是本發明的實例可用於另一種結構，例如堆疊磁阻元件MTJ的三維結構。
D.結論根據第三實施例，能夠實現減少自旋注入電流的效果和減小存儲單元陣列中的導線的數目的效果。此外，由於通過自旋注入電流產生了輔助磁場，因此能夠降低作為存儲單元陣列的周邊電路的驅動器/消能器的區域。
(4)第四實施例第四實施例是使用永久磁體產生輔助磁場的實例。
A.第一實例圖15是示出第四實施例的磁隨機存取存儲器的第一實例的電路框圖。
第一實例的特徵在於，第一實施例的寫入輔助線AL由永久磁體構成，其它方面與第一實施例相同。
寫入輔助線AL位於磁阻元件MTJ的附近，並且沿易磁化方向延伸。由於寫入輔助線AL是永久磁體，因此任何輔助電流不必通過該線。因而，寫入輔助線AL沒有連接到任何用於產生輔助電流的驅動器/消能器。
在寫入操作中，通過字線驅動器WD將字線WL的電平設置為「H」，接通N溝道MOS電晶體Tr。
當將「1」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「L」，並且將控制信號C和D的電平設為「H」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P1和N溝道MOS電晶體N2接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器/消能器DS1到驅動器/消能器DS2的方向流動通過磁阻元件MTJ。
當將「0」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「H」，並且將控制信號C和D的電平設為「L」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N1接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器/消能器DS2到驅動器/消能器DS1的方向流動通過磁阻元件MTJ。
在包括寫入時序的通常時序中，不易磁化方向的輔助磁場經由作為永久磁體的寫入輔助線AL施加於磁阻元件MTJ。
在讀取操作中，將字線WL的電平經由字線驅動器WD設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體Tr。將選擇信號CSLj設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體CSW。
將控制信號A、C和D的電平設為「H」，並且將控制信號B的電平設為「L」，以形成經由磁阻元件MTJ的從讀出放大器S/A到接地點Vss的電流路徑。
而且，當提供從讀出放大器S/A到磁阻元件MTJ的讀取電流Iread時，例如，讀出放大器S/A的輸入電勢Vin根據存儲在磁阻元件MTJ中的數據(阻值)而改變。因此，將該電勢與參考電勢Vref比較以檢測數據值。
需要注意的是，為了避免在讀取過程中的幹擾，將讀取電流Iread的值設為比自旋注入電流Is的值小。
圖16示出了應用於圖15的磁隨機存取存儲器的存儲單元的裝置結構的一個實例。
寫入輔助線AL具有磁軛結構並且位於磁阻元件MTJ之下。
寫入輔助線AL由以永久磁體構成的主體17a、以及位於主體17a的下面和側面的高磁導率的磁性材料17b。高磁導率的磁性材料17b可以是角狀型以便從主體17a的頂部向上突出。
在這種結構中，當由無定形金屬、微晶金屬等等製成的中間層位於磁阻元件MTJ和接觸層16或者下電極15之間時，能夠進一步減少切換磁場(反轉磁場)的值。
B.第二實例圖17是示出了第四實施例的磁隨機存取存儲器的主要部分的第二實例的電路框圖。
第二實例的特徵在於，第二和第三實施例的寫入輔助線由永久磁體構成，其它方面與第二和第三實施例相同。
上部位線BLu/寫入輔助線AL位於磁阻元件MTJ的附近，並且沿易磁化方向延伸。由於上部位線BLu/寫入輔助線AL是永久磁體，因此任何輔助電流不必通過該線。因而，上部位線BLu/寫入輔助線AL沒有連接到任何用於產生輔助電流的驅動器/消能器。
在寫入操作中，通過字線驅動器WD將字線WL的電平設置為「H」，接通N溝道MOS電晶體Tr。
當將「1」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「L」，並且將控制信號C和D的電平設為「H」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P1和N溝道MOS電晶體N2接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器/消能器DS1到驅動器/消能器DS2的方向流動通過磁阻元件MTJ。
當將「0」寫入磁阻元件MTJ時，將控制信號A和B的電平設為「H」，並且將控制信號C和D的電平設為「L」。在這種情況下，由於P溝道MOS電晶體P2和N溝道MOS電晶體N1接通，因此自旋注入電流Is沿著從驅動器/消能器DS2到驅動器/消能器DS1的方向流動通過磁阻元件MTJ。
在包括寫入時序的通常時序中，不易磁化方向的輔助磁場經由作為永久磁體的上部位線BLu/寫入輔助線AL施加於磁阻元件MTJ。
在讀取操作中，將字線WL的電平經由字線驅動器WD設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體Tr。將選擇信號CSLj設為「H」，並且接通N溝道MOS電晶體CSW。
將控制信號A、C和D的電平設為「H」，並且將控制信號B的電平設為「L」以形成經由磁阻元件MTJ的從讀出放大器S/A到接地點Vss的電流路徑。
而且，當提供從讀出放大器S/A到磁阻元件MTJ的讀取電流Iread時，例如，讀出放大器S/A的輸入電勢Vin根據存儲在磁阻元件MTJ中的數據(阻值)而改變。因此，將該電勢與參考電勢Vref比較以檢測數據值。
需要注意的是，為了避免在讀取過程中的幹擾，將讀取電流Iread的值設為比自旋注入電流Is的值小。
圖18示出了應用於圖17的磁隨機存取存儲器的存儲單元的裝置結構的一個實例。
上部位線BLu/寫入輔助線AL具有磁軛結構並且位於磁阻元件MTJ上。
上部位線BLu/寫入輔助線AL由以永久磁體構成的主體18a、以及位於主體18a的頂部和側面的高磁導率的磁性材料18b構成。高磁導率的磁性材料18b可以是角狀型以便從主體18a的下側向下突出。
在這種結構中，當由無定形金屬、微晶金屬等等製成的中間層位於磁阻元件MTJ和接觸層16或者下電極15之間時，能夠進一步減少切換磁場(反轉磁場)的值。
圖19示出了圖13的裝置結構中下電極由永久磁體構成的一個實例。
下電極15(AL永久磁體)具有磁軛結構並且位於磁阻元件MTJ之下。
下電極15(AL永久磁體)由以永久磁體構成的主體19a、以及位於主體19a的下面和側面的高磁導率的磁性材料19b。高磁導率的磁性材料19b可以是角狀型以便從主體19a的頂部向上突出。
在這種結構中，當由無定形金屬、微晶金屬等等製成的中間層位於磁阻元件MTJ和接觸層16或者下電極15之間時，能夠進一步減少切換磁場(反轉磁場)的值。
C.結論根據第四實施例，通過自旋注入磁化反轉方法，在寫入的過程中，使用不易磁化方向的輔助磁場來輔助磁化反轉。因此，能夠減小自旋注入電流。
而且，由於通過永久磁體產生輔助磁場，所以不需要任何用於產生輔助電流的驅動器/消能器。而且，當上部位線BLu/寫入輔助線或者下電極由永久磁體構成時，能夠減少在存儲單元陣列中的導線數目。
(5)第五實施例第五實施例的特徵在於磁阻元件是邊緣結(edge junction)型的。
圖20示出了第五實施例中的磁隨機存取存儲器的裝置結構的一個實例。
磁阻元件MTJ是邊緣結型隧道磁阻元件，並且隧道勢壘層形成在磁固定層的側面(粗線部分)。因此，在磁固定層和隧道勢壘層之間的結區域能夠由磁固定層的厚度來限定，並且能夠降低元件之間的特性的波動。
在寫入期間，用於反向自旋注入磁化的自旋注入電流Is通過磁阻元件MTJ。
例如，當自旋注入電流Is從上部位線BLu流到下部位線BLd時，磁記錄層的磁化方向變成與磁固定層的磁化方向一致(平行狀態)。當自旋注入電流Is從下部位線BLd流向上部位線BLu時，磁記錄層的磁化方向變成與磁固定層的磁化方向相反(非平行狀態)。
在寫入期間，具有根據寫入數據值的方向的輔助電流Ia通過字線WL。輔助電流Ia沿磁阻元件MTJ的磁記錄層的不易磁化方向產生輔助磁場Ha。
第五實施例能夠結合第一到第四實施例來實現與這些實施例的效果相同的效果。
3.磁化反轉過程。
下面描述使用本發明實例的系統寫入數據的方法(磁化反轉過程)。
圖21示出了在本發明實例中的流程或者磁化反轉過程。圖22示出了用於實現圖21過程的自旋注入電流和輔助電流(輔助磁場)的信號波形。
首先，產生輔助磁場Ha，並且將方向根據寫入數據的值變化的自旋注入電流Is施加到磁阻元件(步驟ST1和ST2)。這裡，產生輔助磁場Ha的點可以是如圖22(a)所示的在通過自旋注入電流Is之前的點(時間t1)、如圖22(b)所示的與電流通過同時發生的點(時間t2)、或者如圖22(c)所示的在通過電流之後的點(時間t3)。
自旋注入電流Is產生自旋極化電子，由於自旋極化電子使得自旋轉矩作用於磁記錄層，並且啟動磁記錄層的磁化反轉。輔助磁場Ha輔助磁化反轉。
在本發明的實例中，由於輔助磁場Ha的主要目的是減少自旋注入電流Is的值，所以沿磁阻元件的不易磁化方向產生輔助磁場Ha。
需要注意的是，例如，如日本專利申請2005-21877的發明所公開的，易磁化方向的輔助磁場是為了在磁化反轉過程中抑制熱波動而產生的。這能夠結合本發明的實例來使用。
接著，在取消輔助磁場Ha之後，斷開自旋注入電流Is(步驟ST3和ST4)。為了使輔助磁場Ha沿著磁阻元件的不易磁化方向作用，斷開輔助電流Ia的點(時間t4)能夠設置在斷開自旋注入電流Is的點(時間t5)之前以便加速寫入(磁化反轉)。
4.磁阻元件對於本發明實例中的材料、結構和形狀不作任何特殊限定。它們根據隧道勢壘的破壞、由磁阻元件的溫度升高所導致的熱幹擾來確定。
例如，磁阻元件可以具有合成反鐵磁(SAF)結構。此外，可以使用在日本專利申請2005-21877中所公開的材料和結構。
需要注意的是，位於磁阻元件正下或正上方的無定形金屬或者微晶金屬能夠從以下選擇■一種合金，其包含從由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W構成的組中選擇的至少一種元素以及從由Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Re、Au和Al構成的組中所選擇的至少一種元素■一種合金，其包含從由Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W構成的組中選擇的至少一種元素以及從由Fe、Ni、Cr和Cu構成的組中所選擇的至少一種元素；■一種合金，其包含從由Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu構成的組中所選擇的至少一種元素以及從由Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Re、Au和Al構成的組中所選擇的至少一種元素；■從由氧化銦鈦(indum-titan-oxide)、氧化銦鋅、氧化鋁以及氮化鋁構成的組中所選擇的一種。
5.實驗實例下面描述在具體執行本發明的實例的情況下的實驗實例。需要注意的是，在以下描述中，在材料之後的括號內的數值表示材料的厚度。
(1)第一實驗實例圖23示出了在第一實驗實例中的裝置結構。
下電極15由Ta(50nm)/Ru(10um)的疊層構成。磁阻元件MTJ形成於下電極15上。
磁阻元件MTJ的反鐵磁性層由PtMn(20nm)構成。磁固定層由Co90Fe10(5nm)構成。隧道勢壘層由AlOx(1.9nm)構成。磁記錄層由Co90Fe10(2.0nm)構成。而且，接觸層由Ta(150nm)構成。
這些材料通過例如濺射工藝來依次形成。
更具體的是，通過重複兩次利用濺射工藝形成厚度為0.5nm的Al的工藝、並且使用純氧氣自然氧化原位的材料，來使得隧道勢壘層由AlOx(1.0nm)構成。
當在完成該裝置後使用部分透射電子顯微鏡(TEM)檢查AlOx的厚度時，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。這估計是由在形成AlOx(1.0nm)之後的自然氧化而導致的。
對於磁阻元件MTJ的隧道結，使用電子束(EB)引入裝置將圖形轉移到限定結區域的部分，並且使用KrF步進裝置將所述圖形轉移到另一個部分。然後，使用Ar離子蝕刻來分離該結以形成隧道結。
上部位線BLu/寫入輔助線AL經由接觸層16形成於磁阻元件MTJ上。
接觸層16由Ta/Ru疊層構成，上部位線BLu/寫入輔助線AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)構成。
接觸層16的頂部塗覆有SiO2，並且此後所述頂部通過進行回蝕刻而從SiO2暴露。
上部位線BLu/寫入輔助線AL通過利用濺射工藝形成Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)的疊層而形成，並且此後通過反應離子蝕刻(RIE)工藝蝕刻該疊層。
當沿磁記錄層的縱向軸方向施加磁場時，通過在大約280℃下對磁阻元件MTJ的磁記錄層退火大約十小時，而將單軸各向異性施加到所述磁記錄層。
對於該樣品，檢驗磁化反轉所需要的自旋注入電流的值。
首先，確定易磁化方向的磁場Hx和不易磁化方向的磁場Hy的值，並且將其作為輔助磁場施加到磁阻元件MTJ。接著，將脈衝電壓施加到磁阻元件MTJ以通過自旋注入電流。而且，在這種情況下，通過直流電四終端工藝來測量磁阻元件MTJ的阻值。
重複執行上述步驟，並且獲得自旋注入電流和輔助磁場之間的關係。因此，可以發現，磁化反轉所需要的自旋注入電流的值在沒有施加不易磁化方向的磁場Hy的情況下(Hy＝0)為3.5mA，而磁化反轉所需要的自旋注入電流的值在施加不易磁化方向的磁場的情況下(Hy＝20Oe)為1.5mA。
如上所述，通過使用不易磁化方向的磁場Hy作為在自旋注入磁化反轉過程中的磁化反轉的輔助手段，可以使用比以前小的自旋注入電流來實現磁化反轉。
(2)第二實驗實例圖24示出了在第二實驗實例中的裝置結構。
下電極15由無定形TiAl(10nm)/Ta(50nm)/Ru(10um)的疊層構成。磁阻元件MTJ形成於下電極15上。
磁阻元件MTJ的反鐵磁性層由PtMn(20nm)構成。磁固定層由C090Fe10(5nm)構成。隧道勢壘層由AlOx(1.0nm)構成。磁記錄層由Co90Fe10(2.0nm)構成。而且，接觸層由Ta(150nm)/無定形TiAl(10nm)構成。
這些材料通過例如濺射工藝依次形成。
更具體的是，通過重複兩次利用濺射工藝形成厚度為0.5nm的Al的工藝、並且使用純氧氣自然氧化原位的材料，來使得隧道勢壘層由AlOx(1.0nm)構成。
當在完成該裝置後使用部分透射電子顯微鏡(TEM)檢查AlOx的厚度時，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。這估計是由在形成AlOx(1.0nm)之後的自然氧化而導致的。
對於磁阻元件MTJ的隧道結，使用電子束(EB)引入裝置將圖形轉移到限定結區域的部分，並且使用KrF步進裝置將所述圖形轉移到另一個部分。然後，使用Ar離子蝕刻來分離該結以形成隧道結。
上部位線BLu/寫入輔助線AL經由接觸層16形成於磁阻元件MTJ上。
接觸層16由Ta/Ru疊層構成，上部位線BLu/寫入輔助線AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)構成，並且具有磁軛結構，其頂部和側面塗覆有高磁導率的磁性材料(NiFe)。
當沿磁記錄層的縱向軸方向施加磁場時，通過例如在大約280℃下對磁阻元件MTJ的磁記錄層退火大約十個小時，而將單軸各向異性施加到所述磁記錄層。
對於該樣品，檢驗磁化反轉所需要的自旋注入電流的值。
首先，確定易磁化方向的磁場Hx的值和不易磁化方向的磁場Hy的值，並且將其作為輔助磁場施加到磁阻元件MTJ。接著，將脈衝電壓施加到磁阻元件MTJ以通過自旋注入電流。而且，在這種情況下，通過直流電四終端工藝來測量磁阻元件MTJ的阻值。
重複執行上述步驟，並且獲得自旋注入電流的路徑和該電流的值之間的關係。因此，可以發現，磁化反轉所需要的自旋注入電流的值在下電極15的終端a和上部位線BLu/寫入輔助線AL的終端d之間施加脈衝電壓的情況下為3.7mA，而磁化反轉所需要的自旋注入電流的值在下電極15的終端a和上部位線BLu/寫入輔助線AL的終端c之間施加脈衝電壓的情況下為3.1mA。
這意味著，在磁阻元件MTJ的附近，為了減小自旋注入電流，優選將磁阻元件MTJ的位置旋轉180度。
這是因為下電極15位於磁阻元件MTJ之下，並且上部位線BLu/寫入輔助線AL位於磁阻元件MTJ上。也即，在自旋注入電流的路徑僅僅恆定指向一個方向的情況下，由於電流流過下電極15和上部位線BLu/寫入輔助線AL所引起的磁場相互抵消。另一方面，在自旋注入電流的路徑在磁阻元件MTJ的位置處旋轉180度的情況下，由於電流流過下電極15和上部位線BLu/寫入輔助線AL所引起的磁場相互增強。
如上所述，在自旋注入電流(輔助電流)的路徑在磁阻元件MTJ位置處旋轉180度的情況下，而不是在該路徑在磁阻元件MTJ附近僅僅恆定指向一個方向的情況下，能夠減小自旋注入電流。
注意，如圖7所示，在流過自旋注入電流Is的路徑根據流過該電流Is的方向(電流路徑在磁阻元件MTJ的位置處旋轉180度的情況和電流路徑未旋轉的情況)而改變的情況下，在180度旋轉電流路徑處的磁化反轉所需要的自旋注入電流的值變得比在未旋轉的電流路徑處的小。
另一方面，通常，在磁阻元件MTJ的磁記錄層的磁化從不平行於磁固定層變為平行的情況中比在平行磁化變為非平行磁化的情況中需要的自旋注入電流的值小。因此，考慮到無論流動方向如何自旋注入電流Is都代表相同的值，因此優選將磁阻元件MTJ構成為180度旋轉電流路徑從平行路徑改變為非平行路徑，並且不旋轉的電流路徑從非平行路徑改變為平行路徑。
因此，可以減小磁化反轉所需要的自旋注入電流的值。例如，如圖23到27所示，磁阻元件MTJ的結構可以應用於圖7的實例中，在該結構中磁固定層位於下方而磁記錄層位於上方。
(3)第三實驗實例圖25示出了在第三實驗實例的裝置結構。
下電極15由Cu製成並且具有磁軛結構，其下面和側面塗敷有高磁導率的磁性材料(NiFe)。磁阻元件MTJ形成於下電極15上。
磁阻元件MTJ的反鐵磁性層由PtMn(20nm)構成。磁固定層由C090Fe10(5nm)構成。隧道勢壘層由AlOx(1.0nm)構成。磁記錄層由C090Fe10(2.0nm)構成。而且，接觸層由Ta(150nm)/無定形TiAl(10nm)構成。
這些材料通過例如濺射工藝來依次形成。
更具體的是，通過重複兩次使用濺射工藝形成厚度為0.5nm的Al的工藝、並且使用純氧氣自然氧化原位的材料，來使得隧道勢壘層由AlOx(1.0nm)構成。
當在完成該裝置後使用部分透射電子顯微鏡(TEM)檢查AlOx的厚度時，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。這估計是由在形成AlOx(1.0nm)之後的自然氧化而導致的。
對於磁阻元件MTJ的隧道結，使用電子束(EB)引入裝置將圖形轉移到限定結區域的部分，並且使用KrF步進裝置將所述圖形轉移到另一個部分。然後，使用Ar離子蝕刻來分離該結以形成隧道結。
上部位線BLu/寫入輔助線AL經由接觸層16形成於磁阻元件MTJ上。
接觸層16由Ta/Ru疊層構成，上部位線BLu/寫入輔助線AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)的疊層構成，並且具有磁軛結構，其頂部和側面塗敷有高磁導率的磁性材料(NiFe)。
當沿磁記錄層的縱向軸方向施加磁場時，通過例如在大約280℃下對磁阻元件MTJ的磁記錄層退火大約十個小時，而將單軸各向異性施加到所述磁記錄層。
對於該樣品，檢驗磁化反轉所需要的自旋注入電流的值。
首先，確定易磁化方向的磁場Hx的值和不易磁化方向的磁場Hy的值，並且將其作為輔助磁場施加到磁阻元件MTJ。接著，將脈衝電壓施加到磁阻元件MTJ以通過自旋注入電流。而且，在這種情況下，通過直流電四終端工藝來測量磁阻元件MTJ的阻值。
重複執行上述步驟，並且獲得自旋注入電流的路徑和值之間的關係。因此，可以發現，磁化反轉所需要的自旋注入電流的值在下電極15的終端a和上部位線BLu/寫入輔助線AL的終端c之間施加脈衝電壓的情況下為2.9mA。這表明與該路徑與第二實驗實例的自旋注入電流(輔助電流)的路徑相同相比，自旋注入電流的值從3.1mA下降為2.9mA。
這是因為不同於第二使用實例的是，下電極15在第三實驗實例中也具有磁軛結構。也即，當將下電極15和上部位線BLu/寫入輔助線AL都形成到磁軛結構中時，能夠將輔助磁場有效施加到磁阻元件MTJ。
如上所述，關於自旋注入電流的減少，優選將下電極15和上部位線BLu/寫入輔助線AL都形成到磁軛結構中。
(4)第四實驗實例圖26示出了在第四實驗實例的裝置結構。
下電極15由無定形TiAl(10nm)/Ta(50nm)/Ru(10um)的疊層構成。磁阻元件MTJ形成於下電極15上。
磁阻元件MTJ的反鐵磁性層由PtMn(20nm)構成。磁固定層由Co90Fe10(5nm)構成。隧道勢壘層由AlOx(1.0nm)構成。磁記錄層由以Co90Fe10(2.0nm)/Ru(0.5nm)/Co90Fe10(2.0nm)製成的合成反鐵磁性(SAF)結構構成。而且，接觸層由Ta(150nm)/無定形TiAl(10nm)的疊層構成。
這些材料通過例如濺射工藝來依次形成。
更具體的是，通過重複兩次使用濺射工藝形成厚度為0.5nm的Al的工藝、並且使用純氧氣自然氧化原位的材料，來使得隧道勢壘層由AlOx(1.0nm)構成。
這裡，SAF結構的兩個鐵磁性層Co90Fe10的厚度彼此相等，且構成具有均勻磁化的結構，但是通過例如改變厚度、材料等，所述磁化可以相互變化。
當在完成該裝置後使用部分透射電子顯微鏡(TEM)檢查AlOx的厚度時，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。這估計是由在形成AlOx(1.0nm)之後的自然氧化而導致的。
對於磁阻元件MTJ的隧道結，使用電子束(EB)引入裝置將圖形轉移到限定結區域的部分，並且使用KrF步進裝置將所述圖形轉移到另一個部分。然後，使用Ar離子蝕刻來分離該結以形成隧道結。
上部位線BLu/寫入輔助線AL經由接觸層16形成於磁阻元件MTJ上。
接觸層16由Ta/Ru疊層構成，上部位線BLu/寫入輔助線AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)的疊層構成，並且具有磁軛結構，其頂部和側面塗敷有高磁導率的磁性材料(NiFe)。
當沿磁記錄層的縱向軸方向施加磁場時，通過例如在大約280℃下對磁阻元件MTJ的磁記錄層退火大約十個小時，而將單軸各向異性施加到所述磁記錄層。
對於該樣品，檢驗磁化反轉所需要的自旋注入電流的值。
首先，確定易磁化方向的磁場Hx的值和不易磁化方向的磁場Hy的值，並且將其作為輔助磁場施加到磁阻元件MTJ。接著，將脈衝電壓施加到磁阻元件MTJ以通過自旋注入電流。而且，在這種情況下，通過直流電四終端工藝來測量磁阻元件MTJ的阻值。
重複執行上述步驟，並且獲得自旋注入電流的路徑和該電流的值之間的關係。因此，可以發現，磁化反轉所需要的自旋注入電流的值在下電極15的終端a和上部位線BLu/寫入輔助線AL的終端d之間施加脈衝電壓的情況下為3.9mA，而磁化反轉所需要的自旋注入電流的值在下電極15的終端a和上部位線BLu/寫入輔助線AL的終端c之間施加脈衝電壓的情況下為3.4mA。這意味著，即使在磁阻元件MTJ的磁記錄層中採用了SAF結構的情況下，當自旋注入電流(輔助電流)的路徑在磁阻元件MTJ的位置處旋轉180度時，能夠減小自旋注入電流的值。
如上所述，即使採用SAF結構，也能夠在磁阻元件MTJ的位置處將自旋注入電流(輔助電路)的路徑旋轉180度的情況下，而不是在磁阻元件MTJ附近該路徑僅僅恆定指向一個方向的情況下，減小自旋注入電流。
此外，在第四實驗實例中，上部位線BLu/寫入輔助線AL具有磁軛結構，但是考慮到從未選單元上的上部位線BLu/寫入輔助線AL中所產生的磁場的影響，從下電極15施加到磁阻元件的磁場優選設置為比從上部位線BLu/寫入輔助線AL施加到磁阻元件的磁場大。
這是因為當僅僅將下電極15構成到如例如圖13所示的磁軛結構中時，能夠有效地將輔助磁場施加到僅僅選定的磁阻元件。因此，通過磁場的輔助手段能夠減小自旋注入電流，並且能夠避免寫入幹擾的問題。
(5)第五實驗實例圖27到29示出了在第五實驗實例的裝置結構。
下電極15由Cu製成並且具有磁軛結構，其下面和側面塗敷有高磁導率的磁性材料(NiFe)。磁阻元件MTJ形成於下電極15上。
磁阻元件MTJ的反鐵磁性層由PtMn(20nm)構成。磁固定層由Co90Fe10(5nm)構成。隧道勢壘層由AlOx(1.0nm)構成。磁記錄層由Co90Fe10(2.0nm)構成。而且，接觸層由Ta(150nm)/無定形TiAl(10nm)構成。
這些材料通過例如濺射工藝來依次形成。
更具體的是，通過重複兩次使用濺射工藝形成厚度為0.5nm的Al的工藝、並且使用純氧氣自然氧化原位的材料，來使得隧道勢壘層由AlOx(1.0nm)構成。
當在完成該裝置後使用部分透射電子顯微鏡(TEM)檢查AlOx的厚度時，AlOx的厚度增加了1.0nm到1.2nm。這估計是由在形成AlOx(1.0nm)之後的自然氧化而導致的。
對於磁阻元件MTJ的隧道結，使用電子束(EB)引入裝置將圖形轉移到限定結區域的部分，並且使用KrF步進裝置將所述圖形轉移到另一個部分。因此，使用Ar離子蝕刻來分離該結以形成隧道結。
磁阻元件MTJ的平面形狀是圖28所示的十字形狀，或者是圖29所示的豆形(或C形)。
上部位線BLu/寫入輔助線AL經由接觸層16形成於磁阻元件MTJ上。
接觸層16由Ta/Ru疊層構成，上部位線BLu/寫入輔助線AL由Ti(15nm)/Al(300nm)/Ti(15nm)的疊層構成，並且具有磁軛結構，其頂部和側面塗敷有高磁導率的磁性材料(NiFe)。
當沿磁記錄層的縱向軸方向施加磁場時，通過例如在大約280℃下對磁阻元件MTJ的磁記錄層退火大約十個小時，而將單軸各向異性施加到所述磁記錄層。
對於該樣品，當檢驗磁化反轉所需的自旋注入電流的值時，能夠獲得與第三實驗實例相同的結果。也即，當將下電極15和上部位線BLu/寫入輔助線AL構成到磁軛結構中、並且自旋注入電流(輔助電流)的路徑在磁阻元件MTJ的位置處旋轉180度時，能夠減小自旋注入電流。
而且，根據第五實驗實例，當磁阻元件MTJ的平面形狀形成為十字形狀或者豆形時，能夠改善抗外部磁場的穩定性和抗熱幹擾能力。
注意，此外，當磁阻元件的平面形狀形成為平行四邊形、梯形、作為十字形狀的變形的螺旋形狀、結合兩個或者多個C形而得到的形狀等等時，能夠確定具有類似效果。
而且，磁阻元件MTJ的平面形狀，也應用於除第五實驗實例以外的實驗實例中。
3.其它根據本發明的實例，能夠通過新的系統和寫入方法來實現自旋注入電流的減少。
本領域技術人員容易想到其它優點和修改。因此本發明在其廣泛的方面不限於特定的細節和這裡所述和所示的具體實施例。因此，在不脫離由所附權利要求書和其等同物限定的本發明總構思的精神和範圍的情況下可以作出各種修改。
權利要求
1.一種自旋注入磁隨機存取存儲器，包括磁阻元件；寫入電路，其通過使用由自旋注入電流產生的自旋極化電子來對磁阻元件進行寫入；以及寫入輔助電路，其在寫入期間將在所述磁阻元件的不易磁化方向上的磁場施加到所述磁阻元件。
2.如權利要求1所述的存儲器，其中所述寫入輔助電路包括寫入輔助線，其是用於產生磁場的輔助電流的路徑；以及驅動器/消能器，其控制所述輔助電流的產生/斷開。
3.如權利要求2所述的存儲器，其中所述寫入輔助線與作為所述自旋注入電流的路徑的位線不同。
4.如權利要求2所述的存儲器，其中所述寫入輔助線還充當作為所述自旋注入電流的路徑的位線。
5.如權利要求1所述的存儲器，其中所述寫入輔助電路包括寫入輔助線，其是用於產生磁場的輔助電流的路徑、並且還充當作為所述自旋注入電流的路徑的位線。
6.如權利要求5所述的存儲器，其中所述寫入輔助電流與所述自旋注入電流不同。
7.如權利要求5所述的存儲器，其中所述自旋注入電流用作所述輔助電流、並且在所述磁阻元件的位置處旋轉180度。
8.如權利要求7所述的存儲器，其中所述磁阻元件位於具有磁軛結構的下電極上，並且從所述下電極對所述磁阻元件施加磁場。
9.如權利要求2所述的存儲器，其中所述輔助電流在斷開所述自旋注入電流之前被斷開。
10.如權利要求5所述的存儲器，其中所述輔助電流在斷開所述自旋注入電流之前被斷開。
11.如權利要求1所述的存儲器，其中所述寫入輔助電路包括充當永久磁體的寫入輔助線。
12.如權利要求11所述的存儲器，其中所述寫入輔助線與作為所述自旋注入電流的路徑的位線不同。
13.如權利要求11所述的存儲器，其中所述寫入輔助線還充當作為所述自旋注入電流的路徑的位線。
14.如權利要求11所述的存儲器，其中所述寫入輔助線還充當所述磁阻元件的下電極。
15.如權利要求2所述的存儲器，其中所述寫入輔助線具有磁軛結構。
16.如權利要求5所述的存儲器，其中所述寫入輔助線具有磁軛結構。
17.如權利要求11所述的存儲器，其中所述寫入輔助線具有磁軛結構。
18.如權利要求1所述的存儲器，其中無論寫入數據的值是多少，所述磁場的方向都是相同的。
19.如權利要求1所述的存儲器，其中所述磁場的方向隨寫入數據的值變化。
20.如權利要求1所述的存儲器，其中所述磁阻元件的平面形狀是十字形或者豆形。
21.如權利要求1所述的存儲器，其中由無定形金屬或者微晶金屬構成的中間層位於所述磁阻元件的正下方或者正上方。
22.如權利要求21所述的存儲器，其中所述無定形金屬或者微晶金屬是選自於如下的合金一種合金，其包含選自於Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的至少一種元素和選自於Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Re、Au和Al中的至少一種元素；一種合金，其包含選自於Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W中的至少一種元素和選自於Fe、Ni、Cr和Cu中的至少一種元素；以及一種合金，其包含選自於Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的至少一種元素和選自於Pt、Pd、Ru、Rh、Ir、Os、Re、Au和Al中的至少一種元素。
23.如權利要求1所述的存儲器，其中由氧化銦鈦、氧化銦鋅、氧化鋁以及氮化鋁構成的中間層位於所述磁阻元件的正下方或者正上方。
24.一種寫入方法，包括使得自旋注入電流流過磁阻元件；以及在使用所述自旋注入電流將數據寫入所述磁阻元件時，將在所述磁阻元件的不易磁化方向上的磁場施加到所述磁阻元件。
25.如權利要求24所述的寫入方法，其中在斷開所述自旋注入電流前斷開用於產生磁場的輔助電流。
全文摘要
根據本發明一個方面的一種自旋注入磁隨機存取存儲器包括磁阻元件、寫入單元，其使用由自旋注入電流所產生的自旋極化電子來將數據寫入磁阻元件，並且在寫入期間將磁阻元件的不易磁化方向的磁場施加到磁阻元件。
文檔編號G11C11/16GK1956207SQ200610135539
公開日2007年5月2日 申請日期2006年10月18日 優先權日2005年10月28日
發明者井口智明, 齊藤好昭, 杉山英行 申請人:株式會社東芝