自旋注入磁隨機存取存儲器及寫入方法

2024-01-28 18:07:15

專利名稱：：自旋注入磁隨機存取存儲器及寫入方法
技術領域：
：本發明涉及通過自旋極化電子來進行磁化反轉的自旋注入磁隨機存取存儲器。
背景技術：
：除了磁頭和例如磁傳感器的檢測元件外，已經研究了使用磁膜的磁電阻元件在固態磁存儲器-磁隨機存取存儲器(MRAM)中用作存儲元件。磁電阻元件具有夾層結構，其包括例如兩層磁金屬層和排列在其間的電介層。在具有夾層結構的磁電阻元件中，因為兩層磁金屬層的磁化狀態根據數據而不同，所以使用隧道磁電阻(TMR)效應可以讀出數據。最近，對於表示磁電阻波動速率的MR比(磁電阻比)，獲得室溫下MR比大於20％的磁電阻元件，並且磁隨機存取存儲器的研究和開發十分活躍。使用TMR效應的磁電阻元件可以如下實現在作為磁金屬層的鐵磁體上形成厚度從0.6納米至2.0納米範圍的Al(鋁)層，Al層的表面暴露於氧氣輝光放電或氧氣下，形成由Al2O3組成的隧道勢壘層，並且進一步形成作為磁金屬層的鐵磁體。還使用MgO(氧化鎂)代替Al2O3作為隧道勢壘層。建議鐵磁單隧道結元件作為使用TMR效應的磁電阻元件的另一種結構。舉例來說，在鐵磁單隧道結元件中，在磁化狀態由反鐵磁性層固定的磁性固定層中形成兩層鐵磁性層中的一層。此外，還建議了具有通過分散在電介體中的磁性顆粒的鐵磁隧道結和在連續膜中形成鐵磁體的鐵磁雙隧道結元件的磁電阻元件。因為MR比從20％至230％變化，並且甚至增加施加到磁電阻元件上的電壓時也會抑制MR比降低，所以已經認為這些磁電阻元件具有巨大的潛在應用。在使用磁電阻元件的磁隨機存取存儲器中，讀出時間快達不大於10納秒並且可擦寫次數(rewritableendurance)高達至少1015次。但是，使用脈衝電流產生的磁場在磁性記錄層中進行數據寫入(磁化反轉)。因此，施加到字線和位線上的脈衝電流的電流密度增加，導致電力消耗增加、難於實現大存儲容量，以及產生脈衝電流的驅動器面積增加等新的問題。因此，建議了一種軛線技術，其中具有高磁導率的磁性材料(軛材料)提供在寫入線周圍，以高效地給磁電阻元件賦予磁場。根據該技術，可以降低在數據寫入期間產生的脈衝電流的電流密度。但是，所述脈衝電流仍不會降低至磁隨機存取存儲器實際使用所需的值，即不大於1mA的值。建議了通過自旋注入的寫入方法作為一種解決這些問題的技術。自旋注入寫入方法具有通過將自旋極化的電子注入到磁電阻元件的磁性記錄層中進行磁性記錄層磁化反轉的特徵。當通過自旋極化的電子進行磁化反轉時，因為與通過磁場進行磁化反轉的情況相比可以降低脈衝電流的密度，所以自旋注入寫入方法有利於電力消耗降低、存儲容量增大、驅動器面積降低等。在此情況下，為了脈衝電流不會產生環磁場，因為需要降低磁電阻元件的尺寸，所以集成磁電阻元件是方便的。為了實現自旋注入寫入方法，第一，當磁電阻元件的尺寸等於或者小於0.1×0.1μm2時，需要保證熱穩定性(熱波動電阻)。第二，需要降低磁電阻元件尺寸的波動。第三，需要降低自旋注入磁化反轉所需的脈衝電流的電流密度。目前，自旋注入磁化反轉所需的脈衝電流的電流密度約為107A/cm2，但是為了防止隧道勢壘擊穿問題等，需要進一步降低該電流密度。在使用巨磁電阻(GMR)效應的磁電阻元件中，通過採用所謂的雙釘扎結構，脈衝電流的電流密度可以降低至106A/cm2的程度。例如，在使用Cu/Co90Fe10、Ru/Co90Fe10作為自旋反射膜的情況中，自旋注入磁化反轉所需的脈衝電流的電流密度分別變成為約8×106A/cm2和約2×106A/cm2。但是，這些值仍不足以實現磁隨機存取存儲器。為了解決例如隧道勢壘擊穿和由於磁電阻元件溫度升高而引起的熱幹擾的問題，需要進行可以實現電流密度進一步降低的新結構和寫入方法的研究和開發。
發明內容根據本發明一個方面的自旋注入磁隨機存取存儲器包括磁電阻元件，該磁電阻元件具有其磁化方向固定的磁性固定層、其磁化方向可以通過注入自旋極化電子改變的磁性記錄層、和提供在磁性固定層和磁性記錄層之間的隧道勢壘層；位線，該位線使自旋注入電流通過磁電阻元件，自旋注入電流用於產生自旋極化的電子；寫入字線，輔助電流通過該寫入字線，輔助電流用於沿著磁電阻元件的易磁化軸方向產生輔助磁場；被連接到位線的第一驅動器/吸收器(sinker)；被連接到寫入字線的第二驅動器/吸收器；第一解碼器，該第一解碼器控制第一驅動器/吸收器，以根據磁電阻元件中的寫入數據中寫入數據的值來確定自旋注入電流的取向，同時確定自旋注入電流截止的計時；以及第二解碼器，該第二解碼器控制驅動器/吸收器，以根據數據寫入期間寫入數據的值來確定自旋注入電流的取向，同時使得輔助電流的截止計時遲於自旋注入電流截止的計時。圖1表示磁電阻元件的熱幹擾；圖2表示自旋注入寫入期間磁電阻元件的溫度升高；圖3是表示基本結構第一實施方案的示意圖；圖4是表示基本結構第一實施方案的示意圖；圖5是表示基本結構第一實施方案的示意圖；圖6是表示基本結構第一實施方案的示意圖；圖7是表示基本結構第二實施方案的示意圖；圖8是表示基本結構第二實施方案的示意圖；圖9是表示基本結構第二實施方案的示意圖；圖10是表示基本結構第二實施方案的示意圖；圖11是表示磁電阻元件第一實施方案的示意圖；圖12是表示磁電阻元件第二實施方案的示意圖；圖13是表示磁電阻元件第三實施方案的示意圖；圖14是表示磁電阻元件第四實施方案的示意圖；圖15是表示磁電阻元件第五實施方案的示意圖；圖16是表示磁電阻元件第五實施方案的示意圖；圖17是表示磁電阻元件第五實施方案的示意圖；圖18是表示磁電阻元件第五實施方案的示意圖；圖19表示根據本發明實施例的寫入方法的流程圖；圖20是表示自旋注入電流和輔助磁場開/關計時的波形圖；圖21是表示根據本發明實施方案的磁隨機存取存儲器外圍電路的電路圖；圖22是表示用於圖21存儲器的信號波形的波形圖；圖23表示解碼器的實例；圖24表示該解碼器的該實例；圖25表示該解碼器的該實例；圖26表示該解碼器的該實例；圖27表示該解碼器的該實例；圖28表示有源信號RWL的產生電路的實例；圖29表示有源信號E2W的產生電路的實例；圖30表示有源信號W2E的產生電路的實例；圖31表示有源信號N2S的產生電路的實例；圖32表示有源信號S2N的產生電路的實例；圖33表示確定有源信號計時的電路的實例；圖34表示確定有源信號計時的電路的實例；圖35是表示從圖33和34的電路中輸出的信號的波形圖；圖36表示延遲電路的實例；圖37表示該延遲電路的該實例；圖38是表示基本結構第一實施方案的修改的示意圖；圖39是表示基本結構第一實施方案的修改的示意圖；圖40是表示基本結構第一實施方案的修改的示意圖；圖41是表示基本結構第一實施方案的修改的示意圖；圖42是表示基本結構第二實施方案的修改的示意圖；圖43是表示基本結構第二實施方案的修改的示意圖；圖44是表示基本結構第二實施方案的修改的示意圖；圖45是表示基本結構第二實施方案的修改的示意圖；圖46表示磁電阻元件的熱幹擾；圖47表示磁電阻元件的熱幹擾；圖48表示磁電阻元件的熱幹擾；以及圖49表示磁電阻元件的熱幹擾。具體實施例方式下面將參照附圖詳細地說明本發明一個方面的自旋注入磁隨機存取存儲器。1.結構和寫入方法(1)熱幹擾圖1表示傳統磁電阻元件的熱幹擾。假設使用脈衝寬度為50ns的脈衝電流(自旋極化電子)進行自旋注入的磁化反轉。當通過向磁電阻元件MTJ上施加脈衝電流進行磁化反轉(開關)時，在每次寫入時產生開關所需的脈衝電流電流密度(相應於脈衝電壓)的波動以及開關後磁電阻波動率(相應於結電阻)中的波動。認為該波動是由在開關期間施加到磁電阻元件MTJ上的脈衝電流引起的。即，脈衝電流引起磁電阻元件MTJ的溫度上升。相信磁電阻元件MTJ的溫度上升在開關期間對磁性記錄層(自由層)有一些影響。圖2表示當用脈衝寬度為50ns的脈衝電流進行磁化反轉時磁電阻元件的溫度上升。當向磁電阻元件供應脈衝電流時，磁電阻元件的溫度以恆定的速率增加。溫度增加到130℃。在截止脈衝電流後，充分冷卻磁電阻元件需要數十納秒。例如，在實施方案中，充分冷卻磁電阻元件花費至少50納秒。(2)基本結構在本發明的實施方案中，使用沿著磁電阻元件易磁化軸方向的磁場輔助自旋注入磁隨機存取存儲器的磁化反轉(開關)，通過自旋極化的電子進行該磁化反轉。也就是說，在自旋注入磁化反轉方法中，儘管因為通過鼓勵電子自旋先行進行磁化反轉，記錄層受熱波動很大的影響，輔助磁場抑制記錄層中電子自旋的熱幹擾，直到由於自旋極化的電子而升高的磁電阻元件溫度充分地降低。因而，當在使用自旋極化的電子進行磁化反轉期間施加輔助磁場時，抑制電子自旋先行，以降低磁電阻元件特性由於熱幹擾的波動。此外，輔助磁場降低了用於自旋注入磁化反轉的脈衝電流的電流密度，這就防止了例如隧道勢壘擊穿的問題。沿著磁電阻元件易磁化軸方向的輔助磁場不會主要進行磁化反轉，但是在開關期間抑制了自由層中電子自旋的熱幹擾，以至於不大於1mA的輔助電流足以產生輔助磁場。(i)第一實施方案圖3至6表示基本結構的第一實施方案。存儲單元包括一個MOS電晶體Tr和一個磁電阻元件MTJ。磁電阻元件MTJ的一端與位線BLu連接，並且另一端通過選擇元件-MOS電晶體TR與位線BLd連接。兩根位線BLu和BLd彼此相交排列。在實施方案中，位線BLu在磁電阻元件MTJ的難磁化軸方向上延伸，並且位線BLd在磁電阻元件MTJ的易磁化軸方向上延伸。但是，相反也是正確的。兩根位線BLu和BLd彼此平行排列。在數據寫入期間向磁電阻元件MTJ供應產生自旋注入磁化反轉的自旋注入電流(脈衝電流)Is。舉例來說，當從位線BLu向位線BLd供應自旋注入電流Is時，記錄層的磁化方向取向成與固定層(受釘扎層)的方向相同(平行狀態)。當從位線BLd向位線BLu供應自旋注入電流Is時，記錄層的磁化方向與固定層的方向相反(反平行狀態)。此時，在本實施方案中，在磁電阻元件MTJ附近排列沿著難磁化軸方向延伸的寫入字線WWL。在數據寫入期間輔助電流(脈衝電流)Ia通過寫入字線WWL，並且輔助電流(脈衝電流)Ia具有根據寫入數據值確定的取向。輔助電流Ia在易磁化軸方向上產生輔助磁場H，其中輔助磁場H抑制了磁電阻元件MTJ的記錄層中電子自旋的熱幹擾。參考圖3，在磁電阻元件MTJ上方排列寫入字線WWL，並且寫入字線WWL沿著與位線BLu相同的方向延伸。參考圖4，在磁電阻元件MTJ上方排列寫入字線WWL，並且寫入字線WWL沿著與位線BLu交叉的方向延伸。參考圖5，在磁電阻元件MTJ下方排列寫入字線WWL，並且寫入字線WWL沿著與位線BLu相同的方向延伸。參考圖6，在磁電阻元件MTJ下方排列寫入字線WWL，並且寫入字線WWL沿著與位線BLu交叉的方向延伸。如上所述，甚至在自旋注入電流Is截止後數十納秒，磁電阻元件MTJ的溫度也保持在高水平下。因為為了抑制記錄層中電子自旋熱幹擾，使用輔助磁場H，在自旋注入電流Is截止後輔助電流Ia繼續流通數十納秒。設置通過輔助電流Ia的計時與通過自旋注入電流Is的計時相同，或者通過輔助電流Ia的計時可以早於或遲於通過自旋注入電流Is的計時。(ii)第二實施方案圖7至10表示基本結構的第二實施方案。與第一實施方案相同，存儲單元包括一個MOS電晶體Tr和一個磁電阻元件MTJ。第二實施方案因為磁電阻元件MTJ是邊緣型隧道磁電阻元件而與第一實施方案不同。在正常磁電阻元件中如圖3至7所示的固定層上表面形成隧道勢壘層同時，在邊緣型隧道磁電阻元件中固定層的側面(板線部分)上形成隧道勢壘層。因此，通過固定層的厚度可以確定固定層和隧道勢壘層之間的結面積，從而允許降低元件之間特性的波動。與第一實施方案相同，在數據寫入期間向磁電阻元件MTJ供應產生自旋注入磁化反轉的自旋注入電流Is。舉例來說，當從位線BLu向位線BLd供應自旋注入電流Is時，記錄層的磁化方向與固定層的方向相同(平行狀態)。當從位線BLd向位線BLu供應自旋注入電流Is時，記錄層的磁化方向與固定層的方向相反(反平行狀態)。在數據寫入期間，輔助電流Ia通過寫入字線WWL，並且輔助電流(脈衝電流)Ia具有根據寫入數據值確定的取向。輔助電流Ia在易磁化軸方向上產生輔助磁場H，並且輔助磁場H抑制了磁電阻元件MTJ的記錄層中電子自旋的熱幹擾。參考圖7，在磁電阻元件MTJ上方排列寫入字線WWL，並且寫入字線WWL沿著與位線BLu相同的方向延伸。參考圖8，在磁電阻元件MTJ上方排列寫入字線WWL，並且寫入字線WWL沿著與位線BLu交叉的方向延伸。參考圖9，在磁電阻元件MTJ下方排列寫入字線WWL，並且寫入字線WWL沿著與位線BLu相同的方向延伸。參考圖10，在磁電阻元件MTJ下方排列寫入字線WWL，並且寫入字線WWL沿著與位線BLu交叉的方向延伸。與第一實施方案相同，設置通過輔助電流Ia的計時與通過自旋注入電流Is的計時相同，或者通過輔助電流Ia的計時可以早於或遲於通過自旋注入電流Is的計時。與第一實施方案相同，在從自旋注入電流Is截止開始經過數十納秒時設置輔助電流Ia截止的計時。(3)磁電阻元件的結構為了通過解決例如隧道勢壘層擊穿和磁電阻元件溫度上升引起的熱幹擾的問題實現大容量的自旋注入磁隨機存取存儲器，還需要研究磁電阻元件的結構。需要給磁電阻元件提供自旋注入磁化反轉並且可以在低電流密度下進行磁化反轉。下面將說明一些實施方案。(i)第一實施方案圖11表示磁電阻元件的第一實施方案。在第一實施方案中，磁電阻元件包括反鐵磁性層3、第一磁性固定層4、隧道勢壘層5、磁性記錄層6、非磁性金屬層7、第二磁性固定層8和反鐵磁性層9。磁性記錄層6通過隧道勢壘層5排列在第一磁性固定層4上。第二磁性固定層8通過非磁性金屬層7排列在磁性記錄層6上。在第一磁性固定層4中，通過第一磁性固定層4和反鐵磁性層3之間的交換相互結合固定磁化狀態。在第二磁性固定層8中，通過第二磁性固定層8和反鐵磁性層9之間的交換相互結合固定磁化狀態。設置第一磁性固定層4的磁化方向在第二磁性固定層8磁化方向的相反方向上。磁電阻元件排列在作為電極的基底層2上，並且電極層10排列在反鐵磁性層9上。當自旋注入電流從電極層10流向基底層2時，自旋極化的電子從第一磁性固定層4注入磁性記錄層6，並且磁性記錄層6的磁化方向變成與第一磁性固定層4相同的方向(平行狀態)。當自旋注入電流從基底層2流向電極層10時，自旋極化的電子從第二磁性固定層8注入磁性記錄層6，並且磁性記錄層6的磁化方向變成與第二磁性固定層8相同的方向(反平行狀態)。在自旋注入磁化反轉方法中，為了高效地進行磁化反轉，通過增強自旋反射比的材料組合形成非磁性金屬層7和第二磁性固定層8。舉例來說，在第二磁性固定層8由包括Co(例如富Co)的鐵磁性材料組成時，非磁性金屬層7由選自Zr、Hf、Rh、Ag、Cu和Au組，優選Zr、Hf、Rh和Ag組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。另外，在第二磁性固定層8由包括Fe(例如富Fe)的鐵磁性材料組成時，非磁性金屬層7由選自Rh、Pt、Ir、Al、Ga、Cu和Au組，優選Rh、Pt、Ir、Al和Ga組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。在第二磁性固定層8由包括Ni(例如富Ni)的鐵磁性材料組成時，非磁性金屬層7由選自Zr、Hf、Au、Ag和Cu組，優選Zr、Hf、Au和Ag組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。根據上述結構，第二磁性固定層8反射在與第二磁性固定層8的磁化方向(電子自旋的取向)相反的方向上自旋極化的電子。因此，適當選擇用於非磁性金屬層7的材料能夠高效地反射在與第二磁性固定層8的磁化方向相反的方向上自旋極化的電子，以反轉磁性記錄層6的磁化狀態。需要第一磁性固定層4和第二磁性固定層8的磁矩方向總是彼此相差約180度。因此，舉例來說，可以分別向第一磁性固定層4和第二磁性固定層8上添加具有不同奈耳溫度TN的反鐵磁性層3和9，並且當溫度介於確定磁化方向的退火過程中冷卻期間的奈耳溫度TN之間時，磁場方向可以反轉180度。(ii)第二實施方案圖12表示磁電阻元件的第二實施方案。第二實施方案是第一實施方案的一個修改方案，並且第二實施方案在第二磁性固定層的結構方面與第一實施方案不同。在第二實施方案中，磁電阻元件包括反鐵磁性層3、第一磁性固定層4、隧道勢壘層5、磁性記錄層6、非磁性金屬層7、第二磁性固定層8SAF和反鐵磁性層9。磁性記錄層6通過隧道勢壘層5排列在第一磁性固定層4上。第二磁性固定層8SAF通過非磁性金屬層7排列在磁性記錄層6上。在第一磁性固定層4中，通過第一磁性固定層4和反鐵磁性層3之間的交換相互結合固定磁化狀態。第二磁性固定層8SAF具有SAF(合成的反鐵磁性)結構，並且固定第二磁性固定層8SAF的磁化狀態。採用SAF結構可以設置位於第二磁性固定層8SAF隧道勢壘層5側的第一磁性固定層4和鐵磁性層的磁化方向在相互相反的方向上成180度角，甚至不需使用第一實施方案的結構所需的退火過程。在第二實施方案中，當在反轉第一磁性固定層4和磁性記錄層6之間的磁矩(磁化)從反平行狀態到平行狀態中，電子從第一磁性固定層4注入磁性記錄層6時，在第一磁性固定層4中自旋極化的電子通過隧道勢壘層5，以向磁性記錄層6賦予自旋轉矩。自旋極化的電子從磁性記錄層6通過非磁性金屬層7到達第二磁性固定層8SAF。但是，自旋極化的電子在第二磁性固定層8SAF上被反射，並且作為反射的自旋電子的自旋極化的電子再次給磁性記錄層6賦予自旋轉矩。因此，當第一磁性固定層4和磁性記錄層6之間的磁矩處於反平行狀態時，磁性記錄層6的磁矩被反轉，並且第一磁性固定層4和磁性記錄層6之間的磁矩變成平行狀態。當在反轉第一磁性固定層4和磁性記錄層6之間的磁矩從平行狀態到反平行狀態中，電子從第二磁性固定層8SAF注入磁性記錄層6時，在第二磁性固定層8SAF中自旋極化的電子通過非磁性金屬層7，以向磁性記錄層6賦予自旋轉矩。自旋極化的電子趨向於從磁性記錄層6通過隧道勢壘層5流向第一磁性固定層4。但是，因為當電子通過隧道勢壘層5時，隧道效應概率在第一磁性固定層4磁矩的相反方向上具有自旋的電子中降低，所以電子被反射，並且作為反射的自旋電子的電子再次給磁性記錄層6賦予自旋轉矩。因此，當第一磁性固定層4和磁性記錄層6之間的磁矩處於平行狀態時，磁性記錄層6的磁矩被反轉，並且第一磁性固定層4和磁性記錄層6之間的磁矩變成反平行狀態。因此，通過改變自旋注入電流的流過方向可以反轉磁性記錄層6的磁化方向，從而可以通過自旋注入進行「0」和「1」的寫入。在第二磁性固定層8SAF由包括Co(例如富Co)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Zr、Hf、Rh、Ag、Cu和Au組，優選Zr、Hf、Rh和Ag組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。在第二磁性固定層8SAF由包括Fe(例如富Fe)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Rh、Pt、Ir、Al、Ga、Cu和Au組，優選Rh、Pt、Ir、Al和Ga組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。此外，在第二磁性固定層8SAF由包括Ni(例如富Ni)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Zr、Hf、Au、Ag和Cu組，優選Zr、Hf、Au和Ag組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。(iii)第三實施方案圖13表示磁電阻元件的第三實施方案。在第三實施方案中，磁電阻元件包括反鐵磁性層3、第一磁性固定層4、隧道勢壘層5、磁性記錄層6、非磁性金屬層7、第二磁性固定層8和反鐵磁性層9。磁性記錄層6通過隧道勢壘層5排列在第一磁性固定層4上。第二磁性固定層8通過非磁性金屬層7排列在磁性記錄層6上。在第一磁性固定層4中，通過第一磁性固定層4和反鐵磁性層3之間的交換相互結合固定磁化狀態。在第二磁性固定層8中，通過第二磁性固定層8和反鐵磁性層9之間的交換相互結合固定磁化狀態。設置第一磁性固定層4的磁化方向在與第二磁性固定層8的磁化方向相同的方向上。磁電阻元件排列在基底層2上，並且電極層10排列在反鐵磁性層9上。在這種結構中，當自旋注入電流從電極層10流向基底層2時，電子從第一磁性固定層4注入磁性記錄層6，並且第一磁性固定層4中在與第一磁性固定層4磁矩相同的方向上自旋極化的電子通過隧道勢壘層5賦予磁性記錄層6自旋轉矩(平行狀態)。此外，電子通過磁性記錄層6和非磁性金屬層7注入第二磁性固定層8。當選擇用於非磁性金屬層7的材料時，在與第二磁性固定層8的磁矩相同的方向上具有自旋的電子在第二磁性固定層8上被反射，並且再次作為反射的自旋電子注入磁性記錄層6，從而允許磁性記錄層6的磁化方向沿著與第一磁性固定層4磁化方向相同的方向取向(平行狀態)。當自旋注入電流從基底層2流向電極層10時，電子從第二磁性固定層8通過非磁性金屬層7注入磁性記錄層6。當選擇用於非磁性金屬層7的材料時，在第二磁性固定層8中自旋極化的電子流過非磁性金屬層7中，在與第二磁性固定層8的磁矩相反的方向上具有自旋的電子是主要的，並且自旋極化的電子賦予磁性記錄層6自旋轉矩。此外，電子趨向於從磁性記錄層6通過隧道勢壘層5流向第一磁性固定層4。但是，因為當電子通過隧道勢壘層5時，隧道效應概率在第一磁性固定層4磁矩的相反方向上具有自旋的電子中降低，所以電子被反射，並且作為反射的自旋電子的電子再次給磁性記錄層6賦予自旋轉矩。因此，磁性記錄層6的磁化方向在與第一磁性固定層4的磁化方向相反的方向上取向(反平行狀態)。在自旋注入磁化反轉方法中，為了高效地進行磁化反轉，通過增強自旋反射比的材料組合形成非磁性金屬層7和第二磁性固定層8。在第二磁性固定層8由包括Co(例如富Co)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Cr、Ir、Os、Ru和Re組，優選Cr、Ir和Os組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。在第二磁性固定層8由包括Fe(例如富Fe)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Mn、Cr、V、Mo、Re、Ru、Os、W和Ti組，優選Mn、Cr、V、Mo和Re組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。此外，在第二磁性固定層8由包括Ni(例如富Ni)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Rh、Ru、Ir、Os、Cr、Re、W、Nb、V、Ta和Mo組，優選Rh、Ru、Ir和Os組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。根據上述結構，第二磁性固定層8反射在與第二磁性固定層8的磁化方向(電子自旋的取向)相反的方向上自旋極化的電子。因此，適當選擇用於非磁性金屬層7的材料能夠高效地反射在與第二磁性固定層8的磁化方向相反的方向上自旋極化的電子，以反轉磁性記錄層6的磁化狀態。在第三實施方案中，因為第一磁性固定層4和第二磁性固定層8的磁矩方向在相同的方向上取向，所以不需要第一實施方案的退火過程。(iv)第四實施方案圖14表示磁電阻元件的第四實施方案。第四實施方案是第三實施方案的一個修改方案，並且第四實施方案在第一和第二磁性固定層分別具有SAF(合成的反鐵磁性)結構方面與第三實施方案不同。在第四實施方案中，磁電阻元件包括反鐵磁性層3、第一磁性固定層4SAFSAF、隧道勢壘層5、磁性記錄層6、非磁性金屬層7、第二磁性固定層8SAF和反鐵磁性層9。磁性記錄層6通過隧道勢壘層5排列在第一磁性固定層4SAF上。第二磁性固定層8SAF通過非磁性金屬層7排列在磁性記錄層6上。第一磁性固定層4SAF具有SAF結構，並且固定第一磁性固定層4SAF的磁化狀態。相似地，第二磁性固定層8SAF具有SAF結構，並且固定第二磁性固定層8SAF的磁化狀態。在第四實施方案中，按照與第三實施方案相似的方式進行寫入。也就是說，當在反轉第一磁性固定層4SAF和磁性記錄層6之間的磁矩(磁化)從反平行狀態到平行狀態中，電子從第一磁性固定層4注入磁性記錄層6時，在第一磁性固定層4SAF中自旋極化的電子通過隧道勢壘層5，以向磁性記錄層6賦予自旋轉矩。自旋極化的電子從磁性記錄層6通過非磁性金屬層7到達第二磁性固定層8SAF。但是，自旋極化的電子在第二磁性固定層8SAF上被反射，並且作為反射的自旋電子的自旋極化的電子再次給磁性記錄層6賦予自旋轉矩。因此，當第一磁性固定層4SAF和磁性記錄層6之間的磁矩(磁化)處於反平行狀態時，磁性記錄層6的磁矩被反轉，並且第一磁性固定層4SAF和磁性記錄層6之間的磁矩變成平行狀態。當在反轉第一磁性固定層4SAF和磁性記錄層6之間的磁矩(磁化)從平行狀態到反平行狀態中，電子從第二磁性固定層8SAF注入磁性記錄層6時，在第二磁性固定層8SAF中自旋極化的電子通過非磁性金屬層7，以向磁性記錄層6賦予自旋轉矩。自旋極化的電子趨向於從磁性記錄層6通過隧道勢壘層5流向第一磁性固定層4SAF。但是，因為當電子通過隧道勢壘層5時，隧道效應概率在第一磁性固定層4SAF磁矩的相反方向上具有自旋的電子中降低，所以電子被反射，並且作為反射的自旋電子的電子再次給磁性記錄層6賦予自旋轉矩。因此，當第一磁性固定層4SAF和磁性記錄層6之間的磁矩處於平行狀態時，磁性記錄層6的磁矩被反轉，並且第一磁性固定層4SAF和磁性記錄層6之間的磁矩變成反平行狀態。因此，通過改變自旋注入電流相對於磁電阻元件的流過方向可以反轉磁化，從而可以通過自旋注入進行「0」和「1」的寫入。在第一和第二磁性固定層4SAF和8SAF由包括Co(例如富Co)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Cr、Ir、Os、Ru和Re組，優選Cr、Ir和Os組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。在第一和第二磁性固定層4SAF和8SAF由包括Fe(例如富Fe)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Mn、Cr、V、Mo、Re、Ru、Os、W和Ti組，優選Mn、Cr、V、Mo和Re組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。在第一和第二磁性固定層4SAF和8SAF由包括Ni(例如富Ni)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Rh、Ru、Ir、Os、Cr、Re、W、Nb、V、Ta和Mo組，優選Rh、Ru、Ir和Os組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。(v)第五實施方案圖15至18是磁電阻元件的第五實施方案。第五實施方案是第一至第四實施方案的一個改進方案，並且第五實施方案特徵在於當與第一至第四實施方案比較時磁性記錄層通過多個陣列形狀的柱狀層形成。圖15是圖11中所示的第一實施方案的改進；圖16是圖12中所示的第二實施方案的改進；圖17是圖13中所示的第三實施方案的改進；並且圖18是圖14中所示的第四實施方案的改進。通過一組多個陣列形狀的柱狀層(鐵磁體)形成磁性記錄層6。在每個柱形層中磁化方向可以改變。通過絕緣體11(或者電介體)分隔柱形層。隧道勢壘層5排列在第一磁性固定層4或4SAF和磁性記錄層6之間。在圖15和16所示結構的情況中，為了增強自旋反射比，通過下面的材料組合形成非磁性金屬層7和第二磁性固定層8或8SAF。另外，在第二磁性固定層8或8SAF由包括Co(例如富Co)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Zr、Hf、Rh、Ag、Cu和Au組，優選Zr、Hf、Rh和Ag組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。在第二磁性固定層8或8SAF由包括Fe(例如富Fe)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Rh、Pt、Ir、Al、Ga、Cu和Au組，優選Rh、Pt、Ir、Al和Ga組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。此外，在第二磁性固定層8或8SAF由包括Ni(例如富Ni)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Zr、Hf、Au、Ag和Cu組，優選Zr、Hf、Au和Ag組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。在圖17和18所示結構的情況中，為了增強自旋反射比，通過下面的材料組合形成非磁性金屬層7和第二磁性固定層8或8SAF。在第二磁性固定層8或8SAF由包括Co(例如富Co)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Cr、Ir、Os、Ru和Re組，優選Cr、Ir和Os組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。在第二磁性固定層8或8SAF由包括Fe(例如富Fe)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Mn、Cr、V、Mo、Re、Ru、Os、W和Ti組，優選Mn、Cr、V、Mo和Re組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。在第二磁性固定層8或8SAF由包括Ni(例如富Ni)的鐵磁性材料組成的情況中，非磁性金屬層7由選自Rh、Ru、Ir、Os、Cr、Re、W、Nb、V、Ta和Mo組，優選Rh、Ru、Ir和Os組中的至少一種金屬，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。因此，根據磁性記錄層6由多個柱形層形成的磁電阻元件，當與第一至第四實施方案比較時，鐵磁隧道結的有效結面積降低。因而，即使在數據寫入期間流過自旋注入電流，也幾乎不會產生由於自旋注入電流引起的環磁場，這就允許在磁性記錄層中穩定地進行磁化反轉。當磁電阻元件的尺寸較大時，第五實施方案是有效的。具體地說，當柱形層由圓柱形成時，優選柱形層的直徑設置在1至100納米的範圍內。當柱形層的直徑小於1納米時，柱形結構的鐵磁體變成超順磁。當柱形層的直徑大於100納米時，由於周期性磁疇結構的穩定，幾乎不能進行穩定的磁化反轉並且MR比也降低。(vi)總結如上所述，在自旋注入寫入方法中，當磁性記錄層6包含Ni-Co、Ni-Fe、Co-Fe、或Co-Fe-Ni時，非磁性金屬層7由選自Au、Zr、Hf、Rh、Pt、Ir、Al和Ga組，或者包括其中至少一種金屬的合金組成。因此，可以降低自旋注入電流Is。當使用第一至第四實施方案的磁電阻元件作為圖3至10所示的自旋注入磁隨機存取存儲器的存儲單元時，電流密度在磁化反轉期間降低，從而允許解決例如隧道勢壘層擊穿和熱幹擾的問題。在此情況下，為了在磁化反轉期間穩定第一和第二磁性固定層4或4SAF及8或8SAF的磁化狀態，第一和第二磁性固定層4或4SAF及8或8SAF的體積儘可能增大。參考SAF結構，可以對第一和第二磁性固定層之一或兩者使用SAF結構。(4)寫入方法下面將描述使用根據本發明實施方案的結構的數據寫入方法(磁化反轉過程)。圖19表示根據本發明實施例的磁化反轉過程的流程圖。圖20表示用於實現圖19的過程的自旋注入電流和輔助磁場(輔助電流)的信號波形。首先，向磁電阻元件供給具有根據寫入數據的值取向的自旋注入電流Is(步驟ST1，時間t1)。產生由自旋注入電流Is自旋極化的電子，並且自旋轉矩通過自旋極化的電子對磁性記錄層起作用，開始磁化反轉。當自旋注入電流Is通過磁電阻元件時，因為磁電阻元件的溫度逐漸上升(參見圖2)，在自旋注入電流Ia通過計時的同時，或者在自旋注入電流Ia通過後，輔助電流Is通過寫入字線WWL，產生輔助磁場H(步驟ST2，時間t2)。輔助磁場H在磁電阻元件的易磁化軸方向上產生，這就抑制了磁性自由層中由於磁電阻元件的溫度上升引起的電子自旋熱幹擾。輔助電流Ia通過字線WWL，產生輔助磁場H的計時可以早於自旋注入電流Ia通過的計時。然後，自旋注入電流Is截止(步驟ST3，時間t3)。在此情況下，從圖2中可以看出，磁電阻元件具有足以產生電子自旋熱幹擾直至從自旋注入電流Is截止後數十納秒的高溫。因此，直到數十納秒後，甚至在自旋注入電流Is截止後，也連續提供輔助電流Ia。在磁電阻元件的溫度充分下降時，停止輔助電流Ia，截止輔助磁場H(步驟ST4，時間t4)。因此，根據本發明實施方案的磁化反轉方法，在電流截止計時中，因為用於產生輔助磁場的脈衝電流遲於用於自旋注入寫入的脈衝電流時，可以有效地防止由於磁電阻元件溫度上升引起的磁性記錄層中電子自旋的熱幹擾。實施例下面將說明優選的實施例。(1)電路實施例圖21示意性地表示了用來實現自旋注入磁化反轉的磁隨機存取存儲器的外圍電路。在圖21中使用的信號中，b***應該意指邏輯***被反轉的反轉信號(***是任何信號)。此外，i應該意指多行中的第i行，並且j應該意指多列中的第j列。磁電阻元件MTJ的一端通過接觸部件CNT與上位線BLu連接。磁電阻元件MTJ的另一端通過作為下電極的基底層2和作為選擇開關的MOS電晶體Tr與下位線BLd連接。來自讀出字線的行選擇信號RWLi被輸入到N-溝道MOS電晶體Tr的柵極。上位線BLu和下位線BLd都在相同的方向上延伸。即，在本實施方案中，上位線BLu和下位線BLd都在列方向上延伸。上位線BLu的一端與CMOS型驅動器/吸收器DS1連接。向構成驅動器/吸收器DS1的P-溝道MOS電晶體的柵極輸入驅動信號bN2Sj，並且向構成驅動器/吸收器DS1的N-溝道MOS電晶體的柵極輸入合成信號N2Sj。下位線BLu的一端與CMOS型驅動器/吸收器DS2連接。向構成驅動器/吸收器DS2的P-溝道MOS電晶體的柵極輸入驅動信號bS2Nj，並且向構成驅動器/吸收器DS2的N-溝道MOS電晶體的柵極輸入合成信號N2Sj。舉例來說，行選擇信號RWLi設置為「H」，驅動信號bN2Sj和合成信號S2Nj設置為「L」，並且驅動信號bS2Nj和合成信號S2Nj設置為「H」，這就使自旋注入電流Is從驅動器/吸收器DS1流向驅動器/吸收器DS2。另一方面，行選擇信號RWLi設置為「H」，驅動信號bN2Sj和合成信號S2Nj設置為「H」，並且驅動信號bS2Nj和合成信號N2Sj設置為「L」，這就使自旋注入電流Is從驅動器/吸收器DS2流向驅動器/吸收器DS1。在行方向上延伸的寫入字線WWL排列在磁電阻元件MTJ附近。寫入字線WWL的一端與CMOS型驅動器/吸收器DS3連接。向構成驅動器/吸收器DS3的P-溝道MOS電晶體的柵極輸入驅動信號bE2Wi，並且向構成驅動器/吸收器DS3的N-溝道MOS電晶體的柵極輸入合成信號W2Ei。寫入字線WWL的另一端與CMOS型驅動器/吸收器DS4連接。向構成驅動器/吸收器DS4的P-溝道MOS電晶體的柵極輸入驅動信號bW2Ei，並且向構成驅動器/吸收器DS4的N-溝道MOS電晶體的柵極輸入合成信號E2Wi。舉例來說，驅動信號bE2Wi和合成信號E2Wi設置為「L」，並且驅動信號bW2Ei和合成信號E2Wi設置為「H」，這就使輔助電流Ia從驅動器/吸收器DS3流向驅動器/吸收器DS4。另一方面，驅動信號bE2Wi和合成信號W2Ei設置為「H」，並且驅動信號bW2Ei和合成信號E2Wi設置為「L」，這就使輔助電流Ia從驅動器/吸收器DS4流向驅動器/吸收器DS3。上位線BLu的另一端通過作為列選擇開關的N-溝道MOS電晶體CSW與讀出放大器S/A的正側輸入端連接。讀出放大器S/A例如包括差動放大器。向MOS電晶體CSW的柵極輸入列選擇信號CSLj。向讀出放大器S/A的負側輸入端輸入參考電勢REF。參考電勢REF成為確定來自磁電阻元件MTJ的讀出數據值的參考。讀出放大器S/A的輸出信號變成磁電阻元件MTJ的讀出數據ROUT。(2)信號計時波形圖22表示用於圖21的磁隨機存取存儲器的驅動信號和合成信號的波形。圖22的信號計時波形是產生圖21所示的自旋注入電流Is和輔助電流Ia的一個實例。首先，在時間t1，設置合成信號E2Wi為「H」並且設置驅動信號bE2Wi為「L」，這就使輔助電流Ia通過寫入字線WWL從驅動器/吸收器DS3流向驅動器/吸收器DS4。在時間t2設置讀出選擇信號RWLi為「H」。然後，在時間t3設置合成信號N2Sj為「H」並且設置驅動信號bN2Sj為「L」，這就使自旋注入電流Is從驅動器/吸收器DS1流向驅動器/吸收器DS2。此後，在時間t4設置合成信號N2Sj為「L」、設置驅動信號bN2Sj為「H」，並且截止自旋注入電流Is。然後，在時間t5設置讀出選擇信號RWLi為「L」。在從自旋注入電流Is截止數十納秒後的時間t6，設置合成信號E2Wi為「L」、設置驅動信號bE2Wi為「H」、截止輔助電流Ia，並且取消輔助磁場H。在本實施例的信號計時波形中，在自旋注入電流Is通過前，通過輔助電流Ia，產生輔助磁場H。但是，如上所述，可以在自旋注入電流Is通過的同時或者自旋注入電流Is通過後產生輔助磁場H。(3)解碼器下面將說明控制圖21的驅動器/吸收器DS1、DS2、DS3和DS4的解碼器的實施例。在磁電阻元件中寫入數據期間，解碼器控制驅動器/吸收器，根據寫入數據的值確定自旋注入電流Is和輔助電流Ia的取向。解碼器還控制驅動器/吸收器，確定自旋注入電流Is和輔助電流Ia供應/截止的計時。圖23表示產生讀出選擇信號RWLi的解碼器實施例。在本實施例中，解碼器包括AND門電路。當有源信號RWL和行地址信號設置在「H」時，讀出選擇信號RWLi變成「H」。圖24表示產生驅動信號bE2Wi和合成信號E2Wi的解碼器實施例。在本實施例中，解碼器包括AND門電路。當有源信號E2W和行地址信號均設置在「H」時，驅動信號bE2Wi變成「L」並且合成信號E2Wi變成「H」。圖25表示產生驅動信號bW2Ei和合成信號W2Ei的解碼器實施例。在本實施例中，解碼器包括AND門電路。當有源信號W2E和行地址信號均設置在「H」時，驅動信號bW2Ei和合成信號W2Ei均變成「H」。圖26表示產生驅動信號bN2Sj和合成信號N2Sj的解碼器實施例。在本實施例中，解碼器包括AND門電路。當有源信號N2S和列地址信號均設置在「H」時，驅動信號bN2Sj變成「L」並且合成信號N2Sj變成「H」。圖27表示產生驅動信號bS2Nj和合成信號S2Nj的解碼器實施例。在本實施例中，解碼器包括AND門電路。當有源信號S2N和列地址信號均設置在「H」時，驅動信號bS2Nj變成「L」並且合成信號S2Nj變成「H」。圖28至32表示產生有源信號RWL、E2W、W2E、N2S和S2N的電路。信號A、B、C、D、E和F確定分別輸出信號RWL、E2W、W2E、N2S和S2N的計時。在圖29至32中，DATA1是當寫入數據是「1」時變成「H」的信號，並且DATA0是當寫入數據是「0」時變成「H」的信號。因此，根據寫入數據的值來確定自旋注入電流Is和輔助電流Ia的取向。在本實施例中，設置輔助電流Ia通過的計時在自旋注入電流Is通過前。但是，可以設置輔助電流Ia通過的計時在自旋注入電流Is通過的同時或者自旋注入電流Is通過後。圖33和34表示基於寫入信號WRITE產生信號A、B、C、D、E和F的延遲電路1至6。圖35表示圖33和34的延遲電路1至6的操作波形。圖36和37表示延遲電路1至6的的實例。圖36的實例是延遲電路由串聯連接的多個反相器形成的反相器型。延遲時間通過反相器的數量控制。實施例37的實例是延遲電路由電阻R和電容C形成的RC型。延遲時間可以通過電阻R的電阻值和電容C的電容值來控制。3.修改下面將說明根據本發明實施方案的基本結構(參見圖3至10)的修改方案。(1)第一修改方案圖38至45表示根據本發明實施方案的基本結構的修改方案。修改方案具有所謂軛線結構，其中為了高效地向磁電阻元件MTJ賦予輔助磁場H，在寫入字線WWL周圍排列由軟磁材料(軛材料)組成的磁性層12。根據該軛線結構，可以進一步降低用來產生輔助磁場H的輔助電流Ia。具體地說，輔助電流Ia可以設置產不大於0.5mA的值。圖38至45中所示的結構分別相應於圖3至10中所示的基本結構。(2)第二修改方案參考磁電阻元件，進行下面的修改。在圖11至18所示的磁電阻元件中，反鐵磁性層3或9可以由例如Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、Ir-Mn、NiO和Fe2O3的材料組成。第一和第二磁性固定層4或4SAF及8或8SAF可以由具有單方向各向異性的材料組成，並且磁性記錄層6可以由具有單軸向各向異性的材料組成。構成第一和第二磁性固定層4或4SAF及8或8SAF的鐵磁性層和磁記錄層6的厚度設置在0.1納米至100納米的範圍內。為了保證鐵磁體不會變成超順磁，優選鐵磁性層的厚度不小於0.4納米。在圖15至18所示的磁電阻元件中，作為由電介體分開的鐵磁性顆粒的柱形層可以由Co、Fe、或Ni、或者其合金，或者選自Co-Pt、Co-Fe-Pt、Fe-Pt、Co-Fe-Cr-Pt和Co-Cr-Pt組中的至少一種金屬組成。在圖11至18所示的磁電阻元件的磁性記錄層6中，通過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，可以調節物理性質，例如磁性質、結晶度、機械性質和化學性質。4.實驗實施例然後，將說明實驗實施例。(1)第一實驗實施例第一實驗實施例是包括圖6的基本結構和圖21至37的電路的自旋注入磁隨機存取存儲器。使用磁性固定層具有如圖12或14所示的SAF結構的磁電阻元件作為第一實驗實施例的磁電阻元件。生產第一實驗實施例的程序如下首先，在半導體襯底上形成MOS電晶體和寫入字線WWL。然後，形成磁性固定層具有如圖12或14所示的SAF結構的磁電阻元件。在圖12的磁電阻元件(樣品1a)的情形中，形成Ta/Cu/Ta疊層作為基底層(電極層)2。在基底層2上形成由Ru(5納米)/PtMn(20納米)組成的反鐵磁性層3。在該反鐵磁性層3上順序形成由Co75Fe25(5納米)組成的第一磁性固定層4、由AlOx(1.4納米)組成的隧道勢壘層5和由Co90Fe10(3納米)組成的磁性記錄層6。在磁性記錄層6上形成由Cu(5納米)組成的非磁性金屬層7。在該非磁性金屬層7上形成由Co75Fe25(5納米)/Ru(0.9納米)/Co75Fe25(5納米)組成的第二磁性固定層8SAF。在該第二磁性固定層8SAF上形成由PtMn(20納米)/Ru(5納米)組成的反鐵磁性層9。然後，在該反鐵磁性層9上形成由Ta(150納米)組成的電極層10。在圖14的磁電阻元件(樣品1b)的情形中，形成Ta/Cu/Ta疊層作為基底層(電極層)2。在基底層2上形成由Ru(5納米)/PtMn(20納米)組成的反鐵磁性層3。在該反鐵磁性層3上形成由Co75Fe25(5納米)/Ru(0.9納米)/Co75Fe25(5納米)組成的第一磁性固定層4SAF。在該第一磁性固定層4SAF上順序形成由AlOx(1.4納米)組成的隧道勢壘層5和由Co90Fe10(3納米)組成的磁性記錄層6。在磁性記錄層6上形成由Cu(5納米)組成的非磁性金屬層7。在該非磁性金屬層7上形成由Co75Fe25(5納米)/Ru(0.9納米)/Co75Fe25(5納米)組成的第二磁性固定層8SAF。在該第二磁性固定層8SAF上形成由PtMn(20納米)/Ru(5納米)組成的反鐵磁性層9。然後，在該反鐵磁性層9上形成由Ta(150納米)組成的電極層10。此時，舉例來說，在形成了0.6納米厚的Al後，通過重複該過程兩次可以產生由1.4納米厚的AlOx組成的隧道勢壘層5，該過程是指Al被純氧氣自然地原位氧化。用TEM(透射電子顯微鏡)觀察通過上述方法生產的AlOx厚度上的橫截面，證實由於氧化AlOx的厚度變成1.4納米，同時Al層的總厚度為1.2(＝0.6+0.6納米)。使用EB(電子束)成像設備可以在定義了結面積的部分上形成隧道結，並且使用KrF步進設備可以在其它部分上形成隧道結。結面積為0.1×0.15μm2。在形成了結隔離後，形成由35納米厚的SiOx組成的保護層，並且形成由Ta/Ru組成的電極。然後，在通過背部刻蝕曝光接觸層後，進行接觸清洗，形成由Ti(15納米)/Al(300納米)/Ti(15納米)組成的上電極。然後，在280℃下進行退火10小時，同時在磁性層的主軸上施加磁場，以給磁電阻元件賦予單軸向各向異性。圖46表示根據第一實驗實施例(樣品1a)的磁電阻元件的熱幹擾，並且圖47表示根據第一實驗實施例(樣品1b)的磁電阻元件的熱幹擾，當獲得圖46和47中所示的結果時，為了使先有技術(圖1)與本發明之間的作用差異更加明顯，基本上採用與先有技術中相同的條件。即，自旋注入寫入時間設置為50納秒，輔助電流設置為0.4mA，並且自旋注入電流截止和輔助電流截止之間的延遲時間設置為20納秒。從這些圖中可以看出在第一實驗實施例的樣品1a和1b中，脈衝電流的電流密度(相應於脈衝電壓)的波動和開關後磁電阻波動狀態(相應於結電阻)的波動降低很大。在磁化反轉(開關)中，需要降低脈衝電流的電流密度的波動和開關後磁電阻波動狀態的波動。不管輔助磁場產生的計時如何，都以相同的方式獲得這些結果，即輔助磁場產生的計時與自旋注入電流通過的計時無關。因此，該結果有助於大容量磁隨機存取存儲器的實際使用。(2)第二實驗實施例第二實驗實施例是包括圖41的基本結構和圖21至37的電路的自旋注入磁隨機存取存儲器。使用磁性固定層具有如圖12或14所示的SAF結構的磁電阻元件作為第一實驗實施例的磁電阻元件。生產第一實驗實施例的程序如下首先，在半導體襯底上形成具有軛結構的MOS電晶體和寫入字線WWL。然後，形成磁性固定層具有如圖12或14所示的SAF結構的磁電阻元件。例如，在圖12的磁電阻元件(樣品2a)中，形成Ta/Cu/Ta疊層作為基底層(電極層)2。在基底層2上形成由Ru(5納米)/PtMn(20納米)組成的反鐵磁性層3。在該反鐵磁性層3上順序形成由Co65Fe35(5納米)組成的第一磁性固定層4、由MgO(0.9納米)組成的隧道勢壘層5和由(Co65Fe35)80B20(3.5納米)組成的磁性記錄層6。在磁性記錄層6上形成由Rh(5納米)組成的非磁性金屬層7。在該非磁性金屬層7上形成由Co75Fe25(5納米)/Ru(0.9納米)/Co75Fe25(5納米)組成的第二磁性固定層8SAF。在該第二磁性固定層8SAF上形成由PtMn(20納米)/Ru(5納米)組成的反鐵磁性層9。然後，在該反鐵磁性層9上形成由Ta(150納米)組成的電極層10。在圖14的磁電阻元件(樣品2b)的情形中，形成Ta/Cu/Ta疊層作為基底層(電極層)2。在基底層2上形成由Ru(5納米)/PtMn(20納米)組成的反鐵磁性層3。在該反鐵磁性層3上形成由Co75Fe25(5納米)/Ru(0.9納米)/Co75Fe25(5納米)組成的第一磁性固定層4SAF。在該第一磁性固定層4SAF上順序形成由MgO(0.9納米)組成的隧道勢壘層5和由(Co65Fe35)80B20(3.5納米)組成的磁性記錄層6。在磁性記錄層6上形成由Rh(5納米)組成的非磁性金屬層7。在該非磁性金屬層7上形成由Co75Fe25(5納米)/Ru(0.9納米)/Co75Fe25(5納米)組成的第二磁性固定層8SAF。在該第二磁性固定層8SAF上形成由PtMn(20納米)/Ru(5納米)組成的反鐵磁性層9。然後，在該反鐵磁性層9上形成由Ta(150納米)組成的電極層10。此時，舉例來說，在通過RF直接濺射形成Mg後，通過進行等離子體氧化3秒鐘可以產生由0.9納米厚的MgO組成的隧道勢壘層5。按照與第一實驗實施例相同的方式賦予磁電阻元件單軸向各向異性。圖48表示根據第二實驗實施例(樣品2a)的磁電阻元件的熱幹擾，並且圖49表示根據第二實驗實施例(樣品2b)的磁電阻元件的熱幹擾，當獲得圖48和49中所示的結果時，為了使先有技術(圖1)與本發明之間的作用差異更加明顯，基本上採用與先有技術中相同的條件。即，自旋注入寫入時間設置為50納秒，輔助電流設置為0.2mA，並且自旋注入電流截止和輔助電流截止之間的延遲時間設置為20納秒。從這些圖中可以看出在第二實驗實施例的樣品2a和2b中，脈衝電流的電流密度(相應於脈衝電壓)的波動和開關後磁電阻波動率(相應於結電阻)的波動降低很大。在磁化反轉(開關)中，需要降低脈衝電流的電流密度的波動和開關後磁電阻波動率的波動。不管輔助磁場產生的計時如何，都以相同的方式獲得這些結果，即輔助磁場產生的計時與自旋注入電流通過的計時無關。因此，該結果有助於大容量磁隨機存取存儲器的實際使用。5.其它如上所述，根據本發明，在自旋注入磁隨機存取存儲器中，通過新的結構和寫入方法可以解決例如隧道勢壘擊穿和由於磁電阻元件溫度上升引起的熱幹擾的問題。本領域技術人員容易理解其它的優點和修改。因此，本發明在更廣義的方面上不局限於本文中表示和說明的具體細節和代表性的實施例。因此，可以做出各種修改而不會背離由附加權利要求及其等價物定義的本發明一般概念的精神和範圍。權利要求1.一種自旋注入磁隨機存取存儲器，包括磁電阻元件，該磁電阻元件具有其磁化方向固定的磁性固定層、其磁化方向可以通過注入自旋極化電子改變的磁性記錄層、和提供在磁性固定層和磁性記錄層之間的隧道勢壘層；位線，該位線使自旋注入電流通過磁電阻元件，自旋注入電流用於產生自旋極化的電子；寫入字線，輔助電流通過該寫入字線，輔助電流用於沿著磁電阻元件的易磁化軸方向產生輔助磁場；被連接到位線的第一驅動器/吸收器；被連接到寫入字線的第二驅動器/吸收器；第一解碼器，該第一解碼器控制第一驅動器/吸收器，以根據磁電阻元件中的寫入數據中寫入數據的值來確定自旋注入電流的取向，同時確定自旋注入電流截止的計時；以及第二解碼器，該第二解碼器控制驅動器/吸收器，以根據數據寫入期間寫入數據的值來確定自旋注入電流的取向，同時使得輔助電流的截止計時遲於自旋注入電流截止的計時。2.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述位線和所述寫入字線彼此交叉而延伸。3.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述位線和所述寫入字線彼此平行而延伸。4.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述輔助電流在從自旋注入電流截止開始經過至少50納秒時截止。5.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述輔助電流不大於1mA。6.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述磁電阻元件具有位於磁性記錄層與隧道勢壘層相反的一側上的另一個磁性固定層，該另一個磁性固定層具有與所述磁性固定層的磁化方向相反方向的磁化。7.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述磁電阻元件具有位於磁性記錄層與隧道勢壘層相反的一側上的另一個磁性固定層，該另一個磁性固定層具有與所述磁性固定層的磁化方向相同方向的磁化。8.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述磁性記錄層由多個柱狀層形成，多個柱狀層由絕緣體或電介體隔開。9.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述位線和所述寫入字線都具有軛形布線結構。10.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述磁電阻元件排列在半導體襯底上方，並且所述寫入字線排列在磁電阻元件下方。11.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述磁電阻元件排列在半導體襯底上方，並且所述寫入字線排列在磁電阻元件上方。12.根據權利要求1的自旋注入磁隨機存取存儲器，其中所述磁電阻元件的一端被連接到所述位線，並且另一端被連接到讀出選擇開關。13.一種寫入方法，包括使自旋注入電流通過磁電阻元件；使得磁電阻元件中的磁性記錄層的磁化方向可以通過產生自旋極化電子而改變；截止自旋注入電流；以及在自旋注入電流截止後沿著磁電阻元件的易磁化軸方向將輔助磁場施加到磁性記錄層，施加恆定的期間。14.根據權利要求13的寫入方法，其中通過自旋極化電子來進行磁化反轉。15.根據權利要求13的寫入方法，其中僅僅通過輔助磁場不進行磁化反轉。16.根據權利要求13的寫入方法，其中所述輔助磁場由不同於自旋注入電流的輔助電流產生。17.根據權利要求16的寫入方法，其中所述輔助電流的路徑不同於自旋注入電流的路徑。18.根據權利要求13的寫入方法，其中所述恆定期間不低於50納秒。19.根據權利要求13的寫入方法，其中所述輔助磁場在自旋注入電流通過磁電阻元件之前或同時產生。20.根據權利要求13的寫入方法，其中所述輔助磁場在自旋注入電流通過磁電阻元件同時或之後產生。全文摘要根據本發明的一種自旋注入磁隨機存取存儲器，包括磁電阻元件，該磁電阻元件具有其磁化方向固定的磁性固定層、其磁化方向可以通過注入自旋極化電子改變的磁性記錄層、和提供在磁性固定層和磁性記錄層之間的隧道勢壘層；位線，該位線使自旋注入電流通過磁電阻元件，自旋注入電流用於產生自旋極化的電子；寫入字線，輔助電流通過該寫入字線，輔助電流用於沿著磁電阻元件的易磁化軸方向產生輔助磁場；以及驅動器/吸收器，該驅動器/吸收器確定自旋注入電流的方向和輔助電流的方向。文檔編號H01L43/00GK1811984SQ20061000243公開日2006年8月2日申請日期2006年1月27日優先權日2005年1月28日發明者齊藤好昭,杉山英行,井口智明,巖田佳久申請人:株式會社東芝