專利名稱：磁存儲器以及寫該磁存儲器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁存儲器以及一種在該磁存儲器上寫入數(shù)據的方法。
背景技術：
相關技術的磁記錄介質起磁盤或文件存儲器的作用。磁記錄介質的數(shù)據臨時加載在計算機主機的半導體存儲器(DRAM或SRAM)中。這些數(shù)據在稍后使用。半導體存儲器，特別是DRAM，具有許多優(yōu)良的特性，但卻有消耗大量能量以保持存儲內容的缺點。
最近，避免保持存儲內容這一需要的閃存和FRAM(鐵電隨機存取存儲器)發(fā)展起來了，并進行了閃存和FRAM的商品化。然而，這兩種存儲設備都有重寫操作次數(shù)有限這一缺點。
固態(tài)磁存儲器(MRAM)在不需要依靠電源來保持存儲內容和重寫操作次數(shù)基本上沒有限制這些方面勝過上述的存儲器。固態(tài)磁存儲器(MRAM)由存儲單元的集合構成，每個單元對應1比特，這與DRAM相同。每個單元由一個開關元件，例如MOS(金屬氧化物半導體)晶體管，和一個磁元件，例如磁隧道結元件組成。通過使用外界磁場來倒轉磁元件的磁化方向的方法將數(shù)據寫入每個相關的單元中。詳細的方法是，在磁元件的附近提供了兩條相交成直角的導線并通過產生流經該導線的電流來對磁元件施加外界磁場。使用這兩條導線使其交叉處附近的磁元件能夠選擇倒轉磁化方向。
除了這項技術，還有在絕緣體中形成的微孔中形成金屬的技術，從而控制電流的方向性，正如在“E.B Myers et al.Current-InducedSwitching of Domains in Magnetic Multilayer Devices，SCIENCE Vol.285，6 August，1999”中所公開的。該技術是在銅/鈷/銅/鈷多層薄膜中的銅和鈷之間插入一層過氮化硅，并在過氮化硅層中形成碗狀的微孔(每個孔直徑為5至10納米)，從而給予在微孔中流經銅的電流預定的各向異性。
關于相關技術的固態(tài)磁存儲器，磁元件的磁化是通過施加由流經導線的電流產生的電磁場來控制的。然而，就這種寫入方法來說，必須產生流經導線的某個數(shù)量的電流以產生預定的反向磁場。因此，相關技術的固態(tài)磁存儲器遇到了存儲器消耗的電流量增加這一問題。
而且，如果存儲器的集成度增加并且存儲單元之間的間隔減小，就會引起所需單元附近的單元的磁化以及所需單元的磁化被倒轉這一“串擾”現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率增加。這是因為流經導線的電流引起的外界磁場有一定的范圍，難以將外界磁場局限在單一的所需單元之內。
如上所述，磁存儲器在寫入數(shù)據時需要大量的電流并且由于集成度的增加在寫入操作時存儲單元之間會出現(xiàn)“串擾”現(xiàn)象。

發(fā)明內容
構思本發(fā)明是為了解決上述的難題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠用小電流實現(xiàn)寫入操作并且不產生串擾的磁存儲器，以及一種在其上寫入數(shù)據的方法。
為了實現(xiàn)這一目的，依照本發(fā)明的第一方面，提供了一種磁存儲器，包括一個配置用于自旋極化構成寫入電流的電子的自旋極化單元；一個配置用于將構成寫入電流的電子轉換成熱電子的熱電子生成單元；以及一個由經過自旋極化單元自旋極化并經過熱電子生成單元轉換成熱電子的寫入電流進行磁化倒轉處理的磁層。
因此，依照本發(fā)明的第一方面，提供了一種能夠用小電流寫入數(shù)據并且不產生串擾的磁存儲器。
而且，依照本發(fā)明的第二方面，提供了一種在磁存儲器上寫入數(shù)據的方法，包括自旋極化構成寫入電流的電子；將構成寫入電流的電子轉換成熱電子；以及由熱電子倒轉磁層的磁化方向。
因此，依照本發(fā)明的第二方面，提供了一種能夠在磁存儲器上用小電流寫入數(shù)據并且不產生串擾的寫入數(shù)據的方法。
而且，依照本發(fā)明的第三方面，提供了一種磁存儲器，包括一個第一電極；一個在第一電極上形成的第一磁層；一個在第一磁層上形成的第一非磁層；一個在第一非磁層上形成的第二磁層；一個在第二磁層上形成的第一絕緣薄膜；一個在第一絕緣薄膜上形成的第一層；一個在第一層上形成的第二非磁層；以及一個在第二非磁層上形成的第二電極。
此外，此處使用的術語“隧道絕緣薄膜”指的是當通過施加電壓產生垂直于薄膜表面的電流時電壓和電流特性呈現(xiàn)非線性的薄膜。當沒有出現(xiàn)隧道現(xiàn)象時，電壓/電流特性成線性關系，從而獲得所謂的電壓和電流特性呈線性關系的“歐姆特性”。相反，依照本實施例，使用電壓/電流特性呈非線性的隧道絕緣薄膜能夠產生熱電子。


下述參照附圖的詳細描述，將使本發(fā)明的這些和其它目的和優(yōu)勢變得更明顯，附圖包括圖1是表示依照本發(fā)明第一實施例的磁存儲器的單元部分的示意圖；圖2是描述自旋噴射原理的概念透視圖；圖3是表示在本發(fā)明者構思本發(fā)明的過程中討論的自旋噴射結構的示意圖；圖4是表示進一步體現(xiàn)圖1所示結構的例子的截面示意圖；圖5A是表示圖4所示特例中的電子流的概念截面圖；圖5B是表示當通過對特例的結構施加電壓V產生寫入電流時獲得的能量圖；
圖6是表示有點接觸的熱電子生成單元的截面示意圖；圖7是表示有肖特基結的熱電子生成單元的截面示意圖；圖8A和8B是表示在金(Au)和鐵(Fe)中沿著[100]方向傳播的電子能帶的曲線圖；圖9是表示第一實施例的磁存儲器部分的截面示意圖；圖10是表示電流的微分電阻變化的曲線圖；圖11是表示依照本發(fā)明第二實施例的磁存儲器部分的截面示意圖；圖12是表示與本發(fā)明第二實施例的磁存儲器有關的通過在正反方向改變電流方向產生的微分電阻dV/dI變化的測量結果的曲線圖；圖13是表示依照本發(fā)明第三實施例的磁存儲器部分的截面示意圖；圖14是表示依照本發(fā)明第四實施例的磁存儲器部分的截面示意圖；圖15是表示第五實施例的磁存儲器矩陣配置的概念透視圖；圖16是表示第五實施例的磁存儲器矩陣配置的另一特例的概念透視圖；以及圖17是表示依照本發(fā)明第五實施例的磁存儲器主要部分的截面結構的概念透視圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。
圖1是表示依照本發(fā)明第一實施例的磁存儲器的單元部分的截面示意圖。該圖表示了包括在一個存儲單元中的磁元件部分；也就是，一個包括自旋極化單元S的基本結構，一個熱電子生成單元H，和一個磁層F。在這個實施例中，在箭頭方向(或與此相反的方向)上產生寫入電流I，從而能夠在預定方向倒轉磁層F的磁化方向M。特別地，通過自旋極化單元S在預定方向極化寫入電流I的自旋。將寫入電流I通過熱電子生成單元H轉換成高能熱電子。通過“自旋噴射(spininjection)”將極化方向寫入磁層F。這樣，在不提供外界磁場的條件下，通過使用小的寫入電流可以將預定方向的極化寫入磁層F。
首先，解釋一下用于本發(fā)明磁存儲器的術語“自旋噴射”。在“J.Magn.Magn.Mater.159，L1(1996)”中描述了自旋噴射。
圖2是描述自旋噴射原理的概念截面圖。例如，如圖所示，產生一個垂直于由非磁層N、磁層F和非磁層N組成的多層成分的薄膜表面的自旋極化電流I′。這樣，通過自旋極化的電子可以倒轉磁層F的磁化方向M。這是因為自旋極化的電子在自旋方向上有角動量，該角動量對磁層F的磁化方向施加旋轉力(轉矩)。
在圖2所示的結構中，用于自旋磁層F的磁化方向M的力的大小由(1)寫入電流的大小、(2)寫入電流的自旋極化度和(3)在非磁層N和磁層F之間的界面上獲得的電子反射率的自旋相關性來決定。而且，磁化方向M的旋轉方向由寫入電流的方向決定。特別地，當產生的電流只有一個大小和一個自旋極化度時，在界面上獲得的電子反射率的自旋相關性(3)越大，旋轉力越大，從而按照電流的方向改變了旋轉方向。
圖3是表示在本發(fā)明者構思本發(fā)明的過程中討論的自旋噴射結構的截面示意圖。特別地，該圖表示了磁元件部分，其中非磁層N、磁層F1、非磁層N和磁層F2按這個順序層疊在一起。
磁層F1是一層有大矯磁力的厚磁層，其磁化方向是固定的，從而產生自旋極化電流。磁層F2是一層有小矯磁力的薄磁層。通過磁層F1自旋極化的電流J流經磁層F2之后，可以旋轉磁化方向M。
再觀察本發(fā)明者提出的圖3所示自旋噴射結構，其揭示了當磁物質例如鈷(Co)用作磁層F1、F2的材料，非磁物質例如銅(Cu)用作非磁層N的材料時，倒轉磁層F2的磁化方向需要相當大的電流密度，與大約108A/cm2類似。
需要如此大的電流密度的主要原因是考慮到在磁層(F1、F2)與非磁層N的界面處獲得的電子反射率的自旋相關性很小。特別地，考慮到材料或結構，必須增加界面反射率的自旋相關性。
界面反射率的自旋相關性按照電子的傳播方向和動能(或速度)而變化。圖3所示的比較例子的結構中，導電電子位于費密面之上；也就是，具有費密能量的將在不同方向(如細箭頭表示)上傳播的電子產生了導電性。因此，界面反射率的強度是導電電子的平均數(shù)。
相反，關于本發(fā)明實施例的結構，由于按照圖1所示的方法提供了熱電子生成單元H，電子(熱電子)傳播方向可以對準垂直于界面的方向。這樣，可以提高界面反射率的自旋相關性。
圖4是表示進一步體現(xiàn)圖1所示結構的例子的截面示意圖。該特例的結構為按如下順序層疊非磁層N、磁層(自旋極化單元)S、隧道絕緣薄膜(熱電子生成單元)H、非磁層N、磁層F和非磁層N。
磁層S是一層有矯磁力的厚磁層。該磁層的磁化方向M是固定的。該磁層S起自旋極化電流電子的作用。隧道絕緣薄膜H是一層薄的絕緣薄膜。當寫入電流通過隧道環(huán)流經該薄膜時，產生熱電子。磁層F是一層有小矯磁力的薄磁層。
通過磁層S自旋極化電流的電子。當電流流經隧道絕緣薄膜H時，產生熱電子。由于電流流經磁層F，可以旋轉磁化方向M。
圖5A是表示圖4所示特例中的電子流的概念截面圖。圖5B是表示當通過對特例的結構施加電壓V產生寫入電流時的能量圖。
由于施加了電壓V，穿過隧道絕緣薄膜H的電子在此刻的能量比費密能量EF高(V)；也就是，電子變成了熱電子。通過產生這種熱電子，電子的動能增加了，從而增加了界面反射率的自旋相關性。
而且，穿過隧道絕緣薄膜H的電子的透射率高于傾斜地穿過隧道絕緣薄膜H的電子的透射率。因此，穿過隧道薄膜的電子(例如，熱電子)在基本上垂直于隧道絕緣薄膜H表面的方向上傳播，并以垂直于非磁層N和磁層F之間界面的方向進入。因而，可以增加界面反射率的自旋相關性。
通過提供隧道絕緣薄膜H并施加適當電壓，增加了電子的能量。電子的傳播方向可以對準垂直于界面的方向。因而，可以增加界面反射率的自旋相關性，并可以通過噴射小量電流來感應磁層F的磁化方向倒轉。
在本實施例中，通過產生熱電子可以提高電子的自旋極化率。特別地，如果是非熱電子的正常的導電電子，自旋極化率由導體的材料決定。例如，如果是鐵(Fe)，自旋極化率約為40％。如果是鈷(Co)，可以得到大約35％的自旋極化率。如果是鎳(Ni)，可以得到大約23％的自旋極化率。
如果是熱電子，通過利用“自旋反轉現(xiàn)象(spin flip phenomenon)”可以獲得比單一磁層材料高得多的自旋極化率。例如，當產生熱電子穿過適當厚度的磁層(自旋極化單元)S，被自旋極化約10％的電流也可以通過自旋反轉現(xiàn)象獲得。因而，被自旋極化約100％的電流可以噴射進磁層F。因此，與圖3所舉例的結構相比，磁層F的磁化方向可以用相當小的寫入電流來倒轉。
本發(fā)明中所用的隧道絕緣薄膜H可以是一種能在接收到預定電壓時使寫入電流在厚度的方向上穿過絕緣薄膜的絕緣薄膜。該隧道絕緣薄膜不需要是完全均勻和連續(xù)的薄膜。
也可以采用所稱的點接觸來作為熱電子生成單元H。
圖6是表示有點接觸的熱電子生成單元的截面示意圖。在本實施例中，在絕緣薄膜中開有微孔。在絕緣薄膜的兩側提供的導體層通過微孔連接在一起，從而形成電接觸C。通過產生經過點接觸C流經絕緣薄膜的寫入電流來產生熱電子，其中在垂直于薄膜表面方向傳播的電子可以被噴射進磁層。
這些點接觸在薄的電介質中通過使用細直徑電子束能夠形成細小的孔(0維的孔)和細線(例如，一維的孔)。通過在孔中形成金屬(或半導體)可以形成點接觸。此時得到的孔的直徑(如果是一維孔則是寬度)設置為，例如，大約5埃。與更寬的孔相比，這種結構能使阻抗增加。對這些孔施加幾個伏特或更少，例如，一個伏特，穿過孔的電子的能量狀態(tài)達到量子化狀態(tài)，從而產生熱電子。
圖6所示的二維結構的點接觸和產生點接觸的方法和用于產生點接觸的材料可以參考先前提過的在“E.B.Myers et al.Currnet-Induced Switching of Domains in Magnetic MultilayerDevices，SCIENCE Vol.285，6 AUGUST，1999”。如前所述，圖6所示的點接觸之間的巨大差異是孔的大小。
也可以使用所稱的“肖特基結(Schottky junction)”來作為熱電子生成單元H。
圖7是表示有肖特基結的熱電子生成單元的截面示意圖。在本實施例中，半導體層SC與金屬層ME接觸，其中在接觸部分形成肖特基結。這種肖特基結有預定的肖特基勢壘。因而，通過施加預定電壓產生流經肖特基結的寫入電流，從而獲得穿過肖特基勢壘的熱電子。
到此為止，描述了本發(fā)明的熱電子生成單元H的結構和操作。
現(xiàn)在將描述在本發(fā)明的磁存儲器中晶體取向的工作效應。特別地，本發(fā)明通過在預定方向上定向構成磁存儲器的各個層的晶體方向使自旋噴射進一步有效。
例如，在如圖4、5A和5B所示的特例中，當磁層S、非磁層N和磁層F的晶體取向確定為一個預定的方向時，可以產生沿著特定晶體取向傳播的電子。在鐵(Fe)用作磁層S和F而金(Au)用作非磁層N的情況下對此進行詳細解釋。
圖8A和8B是表示沿著晶體方向[100]穿過金(Au)和鐵(Fe)傳播的電子能帶的曲線圖。在此，縱軸表示電子能量，橫軸表示沿著布里淵區(qū)的Δ線的電子頻率。
在此，帶狀結構通常用于表示稱為“布里淵區(qū)”的頻率間隔。在Fe和Au的晶體中沿著[100]方向傳播的電子的狀態(tài)在布里淵區(qū)中用Δ線上的點表示。根據波動函數(shù)的對稱性，電子的狀態(tài)是相互不同的。在一般情況下，通過使用群論的不可削減表示法，用符號例如Δ1和Δ2來描述該狀態(tài)。布里淵區(qū)的起始點叫做Г(伽瑪)點。通過使用群論將Г點的狀態(tài)描述為Г12、Г25。
如圖8A所示，在[100]方向通過Au傳播的電子帶在費密能級附近有Δ1對稱性。如圖8B所示，F(xiàn)e帶比較復雜。上自旋帶在費密能級的更高位置有Δ1對稱性。下自旋帶有Δ2、Δ2′和Δ5對稱性。電子可以在有相同對稱性的帶間傳播而不進行反射。沿著[100]方向傳播的能級高于費密能級的上自旋電子可以穿過Au和Fe之間的界面。
電子不能在有不同對稱性的帶間傳播。因而，沿著[100]方向傳播的下自旋電子在Au和Fe之間的界面處經受強烈的反射。
特別地，由Au形成非磁層N，由Fe形成磁層S和F。磁層的晶體被定向，從而在[100]方向引起寫入電流。這樣，在Au和Fe之間的界面出現(xiàn)了上自旋電子的反射率和下自旋電子的反射率之間的巨大差異。特別地，出現(xiàn)了有強烈自旋相關性的界面反射。如圖1至5B所示，在界面電子反射率的自旋相關性越大，作用在磁層F的磁化方向M上的旋轉力越大。因此，由于選擇了各個層的材料并確定了材料晶體的方向，可以對磁層F的磁化方向M施加巨大的旋轉力。而且，通過寫入電流可以倒轉磁化方向。
即使當使用諸如銀(Ag)、鉑(Pt)、銅(Cu)或鋁(Al)代替Au作為非磁層N的材料時，也可以得到相同的效果。
在更高的費密能級，下自旋電子可以穿過鉻(Cr)和鐵(Fe)之間的界面。然而，上自旋電子被強烈地反射。在這種情況下，上下自旋電子的透射率與在Au和Fe之間的界面得到的數(shù)值相反。依然可以得到有高自旋相關性的界面反射。
錳(Mn)也有與鉻(Cr)相似的帶狀結構。因此，即使當用Mn代替Cr時，也可以得到相同的效果。
(實施例)現(xiàn)在將參照實施例詳細描述本發(fā)明。
(第一實施例)圖9是表示第一實施例的磁存儲器部分的截面示意圖。下面將按照制造過程描述該存儲器的結構。
通過使用多室分子束外延(MBE)系統(tǒng)準備好了實施例。極限真空約為1×10-8帕斯卡。
首先，在第一室中加熱無雜質的砷化鎵(001)襯底11至350℃以消除氧化物表面膜之后，形成厚度為100納米的Ag(001)定向薄膜，并且該薄膜作為下電極12。然后，通過在下電極12上外延生長形成所有定向在
方向上的鐵薄膜13(厚度10納米)、金薄膜14(厚度7納米)、鐵薄膜15(厚度1.5納米)、鋁薄膜(厚度0.1納米)。
接著，將多層薄膜引入MBE的第二室，頂部A1層在約10-1帕斯卡的純氧中自然氧化，從而形成AlOx絕緣薄膜16。
將多層薄膜再次返回MBE的第一室，從而在絕緣薄膜16上層疊鋁膜(厚度為10納米)17、金膜(厚度為50納米)18。在多層薄膜中的鐵層13和15處于磁性非鍵合狀態(tài)。這兩層多層薄膜顯示出單軸的各向異性，而[110]方向被作為易磁化軸。
通過使用電子束光刻法和離子銑削技術，將多層薄膜處理成直徑為100納米的柱形結構。最后，通過聚酰亞胺平滑多層薄膜。通過光刻法和活性離子蝕刻技術形成上電極Au(厚度為100納米)，從而完成圖9所示的結構。
通過檢測柱狀結構的垂直于平面的電流磁致電阻效應(CPP.MR)，來執(zhí)行磁化方向的倒轉與測量。特別地，在上下電極11、19之間產生電流，從而測量與下鐵層13的磁化方向倒轉有關的上下電極之間阻抗的變化。
首先，在平面上在[110]方向上施加1000Oe(奧斯特)的磁場，從而恢復0Oe的磁場。上下鐵層13、15有大約100Oe的矯磁力。因此，在這種狀況下，上鐵層13和下鐵層15的磁化方向保持相互平行。通過使用鎖定放大器來測量微分電阻dV/dI的變化，可以獲得阻抗的變化。
圖10是表示電流的微分電阻變化的曲線圖。當下電極變?yōu)檎龢O且電流逐漸增加時，觀察到在大約0.7mA處微分電阻階躍式增加。該步驟表示了從鐵層13和15的磁化方向相互平行的狀態(tài)轉到薄鐵層15的磁化方向倒轉的磁化方向倒轉平行狀態(tài)中的磁阻增加。影響鐵層15磁化方向倒轉所需要的0.7mA的電流轉換成電流密度約為1×107A/cm2。
(比較例)通過MBE、電子束光刻法和光刻法技術，制造一個除了不提供AlOx絕緣薄膜16以外其它與圖9所示結構相似的第一實施例的比較例。
按照與第一實施例中采用的相同方法，觀察到比較例中元件的磁化方向倒轉，從而決定影響磁化方向倒轉所需要的電流和電流密度。這樣，確定影響磁化方向倒轉所需要的電流為10.4mA，確定電流密度約為1.4×108A/cm2。
換句話說，可以發(fā)現(xiàn)第一實施例的元件能以比較例中所需電流的十分之一或更小的寫入電流來進行磁化方向倒轉。
(第二實施例)圖11是表示依照本發(fā)明第二實施例的磁存儲器部分的截面示意圖。第二實施例與圖9所示的結構之間的差異在于在下電極(Ag)12和下側鐵層13之間也插入AlOx絕緣薄膜16。
關于本例的結構，通過在正反方向改變電流方向，來測量微分電阻dV/dI的變化，從而獲得圖12所示的結果。
首先，當在正方向(例如，假定下電極12為正電壓的方向)產生電流時，觀察到在大約1.2mA處微分電阻階躍式增加。特別地，在1.2mA處上層薄鐵層15的磁化方向被倒轉，上層15和下層13的磁化方向從平行狀態(tài)變?yōu)榉聪蚱叫袪顟B(tài)。接著，即使當產生的電流減小至0(零)，依然保持反向平行的狀態(tài)。然而，當電流在反方向增加時，觀察到在大約0.9mA處微分電阻階躍式減小。鐵層13和鐵層15的磁化方向又回到平行狀態(tài)。
(第三實施例)圖13是表示依照本發(fā)明第三實施例的磁存儲器部分的截面示意圖。
特別地，本例的磁存儲器有兩層絕緣薄膜16，這與第二實施例相同。在本例中，通過介電層16代替鋁層17，在薄鐵層15上形成厚鐵層(厚度為10納米)13。鐵層15、介電層16和上鐵層13組成所稱的“磁隧道結(magnetic tunnel junction)”。
即使在本例中，在正反兩個方向都改變電流的方向，從而測量微分電阻dV/dI的變化，這與第二實施例相同。當在正方向(例如，假定下電極12為正電壓)產生電流時，觀察到在大約1.0mA處微分電阻階躍式增加。特別地，薄鐵層(1.5nm)15的磁化方向被倒轉為與上層厚鐵層(10nm)13和下層厚鐵層(10nm)13的磁化方向反向平行。接著，即使當電流減小至零，依然保持反向平行的狀態(tài)。當電流在反方向增加時，觀察到在大約1.4mA處微分電阻階躍式減小。鐵層13和鐵層15和鐵層13的磁化方向又回到平行狀態(tài)。
(第四實施例)圖14是表示依照本發(fā)明第四實施例的磁存儲器部分的截面示意圖。
特別地，本例的磁存儲器也有兩層絕緣薄膜16，這與第二和第三實施例相同。在本例中，在薄鐵層15的上下側上提供厚鐵層13、13。在本例中，在下鐵層13和薄鐵層15之間插入的金層22作為第三電極，從而形成所稱的“三端型”結構。
在電極1和2之間產生正反方向的電流。通過測量電極2、3之間磁隧道結的微分電阻，可以觀察到薄鐵層15的磁化方向倒轉。當在電極1、2之間的正方向產生電流時，觀察到在大約1.0mA處磁化方向倒轉，這與第三實施例相同。隧道結的磁化方向變?yōu)榉聪蚱叫袪顟B(tài)。當電流在反方向連續(xù)增加時，觀察到在大約1.6mA處隧道結的磁化方向又回到平行狀態(tài)。
(第五實施例)接著，先前提過的有自旋噴射型寫入結構的磁存儲器的特例將作為本發(fā)明第五實施例來描述。通過使用圖1至14所描述的自旋噴射結構可以具體化磁存儲器，例如有排列成矩陣形式的存儲單元的磁隨機存取存儲器。
圖15是表示實施例的磁存儲器矩陣配置的概念透視圖。
該圖表示存儲單元排列成陣列形式的實施例的電路配置。為了在陣列中選擇一比特，提供了列譯碼器350和行譯碼器351。激活并通過位線334和字線322唯一地選擇開關晶體管330。通過讀出放大器352來檢測這樣選擇的開關晶體管，從而讀出記錄在由磁致電阻效應元件321構成的磁記錄層上的比特信息。
如在前述的圖1至14中提到的，磁致電阻效應元件321有自旋極化單元S和熱電子生成單元H。通過自旋極化熱電子來倒轉磁層的磁化方向，從而進行寫入操作。
在寫入比特信息的時候，通過預定位線334和字線322來激活預定的開關晶體管330。產生寫入電流以流入與該晶體管相連接的磁致電阻效應元件321。
圖16是表示實施例的磁存儲器矩陣配置的另一特例的概念透視圖。特別地，在本例中，通過譯碼器360、361來選擇排列成矩陣形式的位線322和字線334。每個存儲單元都有磁致電阻效應元件321和二極管D相互串聯(lián)這樣的結構。在此，二極管D的作用在于阻止感應電流和寫入電流倒轉流進存儲單元而不是選擇的磁致電阻效應元件321。
圖17是表示依照本發(fā)明實施例的磁存儲器主要部分的截面結構的概念透視圖。
在該圖中表示的結構對應于包含在圖15所示的磁存儲器中的一個存儲單元。換句話說，該結構是對應作為隨機存取存儲器工作的磁存儲器的一比特的一個存儲單元。該存儲單元有一個存儲元件區(qū)311和一個地址選擇晶體管區(qū)312。
存儲元件區(qū)311有磁致電阻效應元件321和一對連接到其上的導線322、324。如圖1至14中的相關描述，磁致電阻效應元件321有熱電子生成單元H和自旋極化單元S。通過使用自旋極化的熱電子來倒轉磁層的磁化方向可以實現(xiàn)寫入操作。
選擇晶體管區(qū)312有一個通過通孔326連接到其上的晶體管330和一個嵌入導線328。該晶體管330按照施加給門電路332的電壓來執(zhí)行開關操作，從而控制磁致電阻效應元件321和導線334之間電流通路的開通與關閉。
當讀比特信息時，通過導線322、包括磁記錄層的磁致電阻效應元件321和下電極324產生感應電流，并測量磁致電阻效應元件321的阻抗或阻抗變化。
當寫比特信息時，采用同樣的方法，通過導線322、包括磁記錄層的磁致電阻效應元件321和下電極324產生寫入電流，并適當?shù)氐罐D磁記錄層(磁層F)的磁化方向。
由于通過如圖1至14的相關描述所提到的熱電子來進行自旋噴射寫入，可以顯著地減小寫入電流。因此，減少了存儲器所消耗的功率，有高密度的磁存儲器的商品化變得可行。
通過參照特殊實施例描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明并不局限于這些特殊實施例。例如，對該技術熟悉的人可以在已知范圍中進行適當選擇以未更改或適當更改的形式，選用已知的GMR元件中的自旋球形薄膜的結構為本發(fā)明的自旋球形晶體管，即通過選擇如下之一修改磁存儲器的特定結構、構成該結構的磁致電阻效應元件、交換元件的特定結構、交換元件的布局關系和連接關系、電極的形狀和材料、外圍電路和絕緣結構。這些結構也包含在本發(fā)明的范圍中。使用相同的方法來執(zhí)行本發(fā)明，可以得到相似的結果。
因此，先前提到的熱電子生成單元和自旋極化單元被加到已知的GMR元件和TMR元件中這一結構也在本發(fā)明的范圍中。
此外，可由對技術熟悉的人基于本發(fā)明實施例所描述的磁存儲器及其寫入方法經過適當?shù)脑O計變化來實現(xiàn)的所有磁存儲器設備和將數(shù)據寫入該存儲器設備的方法也在本發(fā)明的范圍中。
如詳細描述過的，通過使用熱電子(熱孔)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導電電子作為電流載體，提高了由自旋噴射產生的磁化方向倒轉的效率，從而能夠以更小的電流(密度)來實現(xiàn)磁膜的磁化方向倒轉。
本方法適用于將數(shù)據寫入通過集成磁隧道結、GMR元件、自旋球形晶體管和MOS晶體管形成的MRAM單元，從而能夠制造高集成度的MRAM并產生巨大的工業(yè)價值。
權利要求
1.一種磁存儲器，包含一個配置用于自旋極化構成寫入電流的電子的自旋極化單元；一個配置用于將所述電子轉換成熱電子的熱電子生成單元；以及一個磁化方向被熱電子倒轉的磁層。
2.依照權利要求1的一個磁存儲器，其中對所述熱電子生成單元施加電壓所產生的電流的響應特性為非線性。
3.依照權利要求1的一個磁存儲器，其中所述熱電子生成單元包括一層絕緣薄膜，其能使寫入電流在施加電壓時在絕緣薄膜厚度的方向上通過該絕緣薄膜。
4.依照權利要求1的一個磁存儲器，其中所述熱電子生成單元包括兩層導電層和一層在所述兩層導電層之間形成的絕緣薄膜；以及所述絕緣薄膜包括一個導電區(qū)。
5.依照權利要求1的一個磁存儲器，其中所述熱電子生成單元包括一個肖特基結。
6.依照權利要求1的一個磁存儲器，進一步包含一個磁層，其中第一晶軸線對準垂直于一層薄膜表面的方向；以及一個非磁層，層疊在所述磁層上并且其中第二晶軸線對準垂直于所述薄膜表面的方向，其中在能級高于費密能級的電子沿著磁層中第一晶軸線方向傳播時獲得的上自旋帶的對稱性和下自旋帶的對稱性之一，并不出現(xiàn)在位于能級高于沿著非磁層中第二晶軸線方向傳播的電子的費密能級的電子帶中。
7.依照權利要求1的一個磁存儲器，其中所述自旋極化單元是一個磁化方向基本上固定在一個方向的磁層。
8.一種將數(shù)據寫入一個磁存儲器中的方法，包含自旋極化構成寫入電流的電子；將所述電子轉換成熱電子；以及通過所述熱電子倒轉磁層的磁化方向。
9.一種磁存儲器，包含一個第一電極；一個在所述第一電極上形成的第一磁層；一個在所述第一磁層上形成的第一非磁層；一個在所述第一非磁層上形成的第二磁層；一個在所述第二磁層上形成的第一絕緣薄膜；一個在所述第一絕緣薄膜上形成的第一層；一個在所述第一層上形成的第二非磁層；以及一個在所述第二非磁層上形成的第二電極。
10.依照權利要求9的一個磁存儲器，其中所述第一層是一個非磁層。
11.依照權利要求9的一個磁存儲器，進一步包含一層在所述第一電極和所述第一磁層之間形成的第二絕緣薄膜，其中所述第一層是一個非磁層。
12.依照權利要求9的一個磁存儲器，進一步包含一層在所述第一電極和所述第一磁層之間形成的第二絕緣薄膜，其中所述第一層是一個磁層。
13.依照權利要求9的一個磁存儲器，進一步包含一層在所述第一電極和所述第一磁層之間形成的第二絕緣薄膜，其中所述第一層是一個磁層；以及所述第一非磁層是一個第三電極。
全文摘要
一種磁存儲器包括一個配置用于自旋極化構成寫入電流的電子的自旋極化單元；一個配置用于將構成寫入電流的電子轉換成熱電子的熱電子生成單元；以及一個由經過自旋極化單元自旋極化并經過熱電子生成單元轉換成熱電子的寫入電流進行磁化方向倒轉處理的磁層。
文檔編號H01L43/08GK1542843SQ20041003129
公開日2004年11月3日 申請日期2004年3月26日 優(yōu)先權日2003年3月28日
發(fā)明者佐藤利江, 水島公一, 一 申請人:株式會社東芝