磁存儲器的制造方法
磁存儲器的制造方法
【專利摘要】一種磁存儲器，包括：基層；磁化自由層；勢壘層；以及磁化參考層。覆蓋基層的磁化自由層具有可反轉的磁化并被大致均勻地磁化。覆蓋磁化自由層的勢壘層由不同于基層的材料的材料組成。磁化參考層被布置在勢壘層上并具有固定磁化。當磁化自由層的磁化反轉時，使第一寫入電流在不經(jīng)過磁化參考層的情況下在面內(nèi)方向上從磁化自由層的一端流至另一端。
【專利說明】磁存儲器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁存儲器且更具體地涉及一種利用自旋軌道相互作用的磁存儲器。
【背景技術】
[0002]已經(jīng)積極地進行了針對使用磁隧道結(MTJ)的磁存儲器的研究和開發(fā)。磁存儲器具有優(yōu)越的特性，諸如高速寫入、無限次重寫以及非易失性。因此，期望磁存儲器不僅能應用于單片存儲器，而且也能應用于微型計算機等的嵌入式存儲器。對于磁存儲器來說，以磁隨機存取存儲器(MRAM)為例。
[0003]對于MRAM的典型存儲單元來說，日本專利公布JP特開平10-4227A (專利文獻1:對應于美國專利N0.US5, 650, 958)中公開了可控制磁響應的磁隧道結(MTJ)。這種磁隧道結包括第一電極、第二電極以及絕緣隧道層。第一電極包括襯底、釘扎鐵磁層(磁化參考層)以及反鐵磁層。釘扎鐵磁層形成在襯底上且是平坦的。反鐵磁層鄰近地接觸釘扎鐵磁層，將釘扎鐵磁層的磁化方向釘扎在優(yōu)選方向上，并在外加磁場的存在下防止磁化方向旋轉。第二電極包括平坦的自由鐵磁層(磁化自由層)，其磁化方向能在外加磁場的存在下自由地旋轉。絕緣隧道層(勢壘層)被布置在釘扎鐵磁層和自由鐵磁層之間并允許隧道電流在垂直于釘扎鐵磁層和自由鐵磁層的方向上流動。絕緣隧道層具有側部周邊，以便釘扎鐵磁層或自由鐵磁層不延伸超過側部周邊。釘扎鐵磁層和自由鐵磁層不與絕緣隧道層重疊且保持在其間具有間隔的相應平面中。
[0004]這種存儲單元將一位數(shù)據(jù)存儲為磁化自由層的自發(fā)磁化的方向。例如，磁化自由層的自發(fā)磁化方向和磁化參考層的磁化方向平行的狀態(tài)可對應于“0”狀態(tài)，且它們反平行的狀態(tài)可對應于“ I ”狀態(tài)?；诖抛栊?，通過檢測存儲單元的電阻變化來執(zhí)行從存儲單元的數(shù)據(jù)讀取。當電流在垂直于磁隧道結的膜表面的方向上流動來檢測電阻時，例如，在“0”狀態(tài)下電阻較低且在“I”狀態(tài)下電阻較高。因此，例如，通過以介于低電阻和高電阻中間的值提供參考電阻并將其與數(shù)據(jù)的電阻進行比較，就能確定數(shù)據(jù)的狀態(tài)。
[0005]通過使寫入電流流過布置在存儲單元陣列中的布線線路并施加由寫入電流產(chǎn)生的電流感應磁場，來對存儲單元執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。例如，使寫入電流在布置為在MTJ上和下彼此垂直的字線和位線中流動，并通過使用由兩個電流產(chǎn)生的組合磁場來反轉磁化自由層的磁化。這種方法被稱為雙軸寫入方法。在這種寫入方法中，僅在所選字線和所選位線交叉的位置處的存儲單元中，磁化被反轉。
[0006]即使在僅有一條用于寫入的布線線路的情況下也能執(zhí)行對存儲單元的數(shù)據(jù)寫入。例如，位線被布置在MTJ下且通過由位線電流感應的磁場來反轉磁化自由層的磁化。這種方法被稱為單軸寫入方法。此處，在這種寫入方法中，需要通過存儲單元中的開關選擇要被寫入的存儲單元。例如，日本專利N0.JP3888463B (專利文獻2:對應于美國專利N0.US7, 184，30IB)公開了一種存儲單元和一種磁隨機存取存儲器。這種存儲單元包括第一晶體管和磁阻元件。第一晶體管包括第一柵極、作為第一柵極之外的一個端子的第一端子以及作為另一端子的第二端子。磁阻元件(MTJ)具有其磁化方向基于要被存儲的數(shù)據(jù)而反轉的自發(fā)磁化，且包括作為一個端子的第三端子以及作為另一端子的第四端子。第一端子連接至第一位線。第二端子連接至第二位線。第一柵極連接至第一字線。第三端子連接至第二字線。第四端子連接至第二端子。此外，存儲單元可包括提供在第一晶體管和第二位線之間的第二晶體管，且第二晶體管包括第二柵極、作為除第二柵極之外的一個端子的第五端子以及作為另一端子的第六端子。此處，第五端子連接至第二位線。第六端子連接至第二端子。第二柵極連接至第一字線。第三端子連接至接地而不是連接至第二字線。即，公開了采用兩個晶體管和一個MTJ的具有2Tr-lMTJ型構造的存儲單元。
[0007]對于采用除用于對存儲單元進行數(shù)據(jù)寫入的電流感應磁場之外的原理的方法來說，提出一種采用自旋軌道相互作用的磁化反轉方法。例如，日本專利公布N0.JP2009-239135A (專利文獻3)公開了一種磁存儲單元、使用其的磁存儲器件以及磁存儲方法。這種磁存儲單元具有其磁化狀態(tài)被固定的第一磁層(磁化參考層)作為參考層、其磁化狀態(tài)可變的第二磁層(磁化自由層)作為數(shù)據(jù)存儲層，以及夾持在第一磁層和第二磁層之間的隧道勢壘層(勢壘層)。在這種存儲單元中，當?shù)诙艑拥拇呕癄顟B(tài)改變時，控制第二磁層的自旋軌道相互作用。用于施加電壓以控制自旋軌道相互作用的自旋軌道相互作用控制電極可提供在第二磁層中。即，公開了一種存儲單元的構造，其中控制自旋軌道相互作用的電極在磁化自由層的側向上被布置在兩端，且基于自旋軌道相互作用，通過在垂直于側向的向上/向下方向上流動的較小電流使磁層中的磁疇壁移動。非專利文獻I (PhysicalRev.(物理評論)B，第77卷，214429 (2008))以及非專利文獻2 (Nature Mat.(自然材料學)第9卷，p230 (2010))中也公開了一種有效磁場和基于自旋軌道相互作用的磁疇壁運動。
[0008]對于相關技術來說，日本專利公布N0.JP2008-166689A (專利文獻4:對應于美國專利N0.US7, 608, 901B)公開了一種使用漏磁場的自旋晶體管。這種使用漏磁場的自旋晶體管包括半導體襯底部、第一電極和第二電極、源極和漏極以及柵極。半導體襯底部具有溝道層。第一和第二電極沿溝道的縱向以預定間隔分離地布置在襯底部上。源極和漏極由以預定間隔分離地布置并沿第一和第二電極之間的溝道的縱向被磁化的鐵磁體組成。柵極形成在源極和漏極之間的襯底部上并調整穿過溝道的電子的自旋方向。穿過溝道層的電子的自旋通過源極下部的源極的漏磁場而被一致化并通過漏極下部的漏極的漏磁場被篩選。
[0009]此外，日本專利公布N0.JP2007-81359A (專利文獻5:對應于美國專利N0.US7, 307，299B)公開了一種使用自旋軌道耦合感應磁場的自旋晶體管。這種自旋晶體管包括襯底部、源極和漏極以及柵極。溝道形成在襯底部中。源極和漏極分離地布置在襯底部上并由其磁化方向相同的鐵磁材料組成。柵極形成在襯底部上并調整穿過溝道的電子的自旋方向。源極和漏極的磁化方向垂直于溝道的縱向。
[0010]而且，國際公布N0.W02007/111319A (專利文獻6)公開了一種使用自旋注入寫入方法的MRAM。這種MRAM包括第一磁阻元件和讀取電路。第一磁阻元件包括依次層疊的第一固定鐵磁層(磁化參考層)、第一非磁層(勢魚層)以及第一自由鐵磁層(磁化自由層)。在第一磁阻元件中，可以作為通過使用自旋注入進行改變的第一自由鐵磁層的磁化方向寫入數(shù)據(jù)。在讀取操作中，讀取電路基于第一磁阻元件的阻值讀取第一磁阻元件的數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^使讀取電流在第一固定鐵磁層和第一自由鐵磁層之間流動來獲取該阻值。通過施加讀取電流并多次讀取數(shù)據(jù)，讀取電路基于之前的讀取數(shù)據(jù)在多次中的第二次和后續(xù)次確定一個讀取數(shù)據(jù)并確定讀取電流的施加方向，以使得自由鐵磁層的磁化不被反轉。
[0011]引用文獻列表
[0012]專利文獻
[0013][PTLI] JP 特開平 10-4227A
[0014][PTL2]JP3888463B
[0015][PTL3]JP2009-239135A
[0016][PTL4]JP2008-166689A
[0017][PTL5]JP2007-81359A
[0018][PTL6]W02007/111319A
[0019]非專利文獻
[0020][NPLI]K.0bata等人，“Rashba自旋軌道系統(tǒng)中的電流感應磁疇壁運動”，PhysicalRev.(物理評論)B，第 77 卷，214429 (2008)。
[0021][NPL2] 1.M.Miron等人，“由鐵磁金屬層中的Rashba效應感應的電流驅動自旋轉矩”，Nature Mat.(自然材料學)第9卷，p230 (2010)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0022]在使用布線線路的電流感應磁場的上述雙軸寫入方法(專利文獻I)和單軸寫入方法(專利文獻2)中，存在的問題是用于數(shù)據(jù)寫入的所需電流較大?；诎才喽桑稍诰哂袑挾萕和厚度T的布線線路中流動的電流I產(chǎn)生并正好位于布線線路下的磁場H由H=I/(2 (W+T))表示。例如，在布線線路具有寬度W=IOOnm和厚度T=IOOnm的情況下，其對應于產(chǎn)生310e/mA的磁場H。考慮到抵擋熱擾動的保持能力，取決于元件的小型化，反轉磁化自由層所需的磁場傾向于增大。因此，需要具有幾個毫安級的寫入電流。較大的寫入電流致使電功耗增大。此外，在雙軸寫入方法的情況下，這使得由于形成在單元陣列外部的單元選擇晶體管的面積增大而致使單元占用率降低。在單軸寫入方法的情況下，這使得由于形成在單元陣列內(nèi)部的單元選擇晶體管的面積增大而致使單元陣列的面積增大。以此方式，較大的寫入電流致使器件規(guī)格的劣化。
[0023]另一方面，在使用由自旋軌道相互作用產(chǎn)生的磁疇壁運動的磁化反轉方法(專利文獻3)中，存在的問題是如何引入磁疇壁。
[0024]本發(fā)明的磁存儲器包括:基層；磁化自由層；勢壘層；以及磁化參考層。覆蓋基層的磁化自由層具有可反轉的磁化且被大致均勻地磁化。覆蓋磁化自由層的勢壘層由不同于基層材料的材料組成。磁化參考層被布置在勢壘層上并具有固定磁化。當磁化自由層的磁化反轉時，使第一寫入電流在不通過磁化參考層的情況下在面內(nèi)方向上從磁化自由層的一端流至另一端。
[0025]本發(fā)明的磁存儲器具有磁化自由層的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造。即，在磁化自由層中，打破空間對稱。在這種情況下，當使第一寫入電流在磁化自由層中的面內(nèi)方向上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場會在第一寫入電流的方向與打破空間對稱的方向的叉積的方向上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層的磁化的電子。因此，通過至少使用Rashba磁場，可反轉被大致均勻地磁化的磁化自由層的磁化。因此，數(shù)據(jù)可被寫入磁化自由層中。產(chǎn)生Rashba磁場的第一寫入電流與常規(guī)寫入電流相比非常小。即，可使寫入電流較小。此外，磁化自由層被大致均勻地磁化且因此無需引入磁疇壁。因此無需初始化步驟。
[0026]根據(jù)本發(fā)明，可提供其中無需引入磁疇壁且寫入電流較小的磁存儲器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]結合附圖，從實施例(示例)的說明將使本發(fā)明的上述和其他目的、優(yōu)點和特征變得更加顯而易見，其中:
[0028]圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0029]圖1B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0030]圖1C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0031]圖2A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0032]圖2B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0033]圖2C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0034]圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0035]圖3B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0036]圖3C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0037]圖4是示出數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值的輪廓的曲線圖；
[0038]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；
[0039]圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的寫入操作的流程圖；
[0040]圖7A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的布局構造的局部截面圖；
[0041]圖7B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的布局構造的局部截面圖；
[0042]圖8A是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0043]圖8B是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0044]圖8C是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0045]圖9A是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0046]圖9B是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0047]圖1OA是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0048]圖1OB是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0049]圖1lA是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0050]圖1lB是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0051]圖1lC是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0052]圖12A是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0053]圖12B是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0054]圖12C是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0055]圖13A是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0056]圖13B是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0057]圖13C是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0058]圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；
[0059]圖15A是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0060]圖15B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；[0061]圖15C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0062]圖16A是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0063]圖16B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0064]圖16C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0065]圖17A是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0066]圖17B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0067]圖17C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0068]圖18A是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁化自由層的構造示例的平面圖；
[0069]圖18B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁化自由層的構造示例的平面圖；
[0070]圖18C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁化自由層的構造示例的平面圖；
[0071]圖18D是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁化自由層的構造示例的平面圖；
[0072]圖19A是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0073]圖19B是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0074]圖20A是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0075]圖20B是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0076]圖21A是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0077]圖21B是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0078]圖22是示出數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值的輪廓的曲線圖；
[0079]圖23A是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0080]圖23B是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0081]圖24是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0082]圖25是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0083]圖26是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；
[0084]圖27A是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0085]圖27B是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0086]圖28是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0087]圖29是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0088]圖30是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0089]圖31是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0090]圖32是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0091]圖33是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；
[0092]圖34是示出根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0093]圖35A是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0094]圖35B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0095]圖36A是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0096]圖36B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0097]圖37A是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0098]圖37B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0099]圖38是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；以及[0100]圖39是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的變型例的局部側視圖。
【具體實施方式】
[0101]以下將參考【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的實施例的磁存儲器。
[0102](第一實施例)
[0103]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器。
[0104]在本實施例中，在雙軸寫入方法中，通過不使用采用兩個布線線路的電流感應磁場而是使用采用單一布線線路的電流感應磁場以及使用基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場:下文進行說明)來降低寫入電流。
[0105]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖1A至IC是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖以及平面圖。磁存儲元件9包括基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層1、上電極11以及下電極5a和5b o
[0106]基層4被布置為與襯底(未示出)的表面(xy平面)平行。磁化自由層3被布置在基層4的上側(+z側)上，以致基層4被磁化自由層3覆蓋。勢壘層2被布置在磁化自由層3的上側(+z側)上，以致磁化自由層3被勢壘層2覆蓋。磁化參考層I被布置在勢壘層2的上側(+z側)上。勢壘層2的所有上表面不必都被磁化參考層I覆蓋。磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I構成MTJ (磁隧道結)7。磁存儲元件9通過使用MTJ7的磁化自由層3的磁化方向來存儲數(shù)據(jù)。
[0107]上電極11連接至磁化參考層I。上電極11是用于在磁化自由層3附近產(chǎn)生電流感應磁場的寫入電流的布線線路，且以位線為例。下電極5a連接至一側(-X側)端部的下偵儀-Z側)，且下電極5b連接至另一側(+X側)端部的下側(-Z側)。下電極5a和5b分別連接至選擇晶體管Tr (下文說明)，且可將電流通過基層4從下電極5a和5b中的一個向另一個施加至磁化自由層3。
[0108]基層4由不同于勢壘層2的材料的材料組成，以使要在磁化自由層3中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。此外，因為基層4被布置在磁化自由層3和下電極5a和5b之間，因此基層4優(yōu)選為導電膜，以致電流能容易地穿過基層4。但是，基層4優(yōu)選由可防止寫入電流選擇性流過基層4而不流過磁化自由層3的材料組成?；鶎?以Ta膜、Pt膜及其疊層膜為例。
[0109]磁化自由層3是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取+X方向的磁化狀態(tài)以及-X方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3被大致均勻地磁化。即，在磁化自由層中基本上不存在磁疇壁。磁化自由層3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。磁化自由層3優(yōu)選非常薄，以致要產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。例如,磁化自由層3優(yōu)選具有從約0.5nm至約1.5nm的膜厚。在小于0.5nm的膜厚的情況下，難以控制膜形成。與常用MTJ中的磁化自由層(或自由層)的幾個nm (例如約5nm)相比，該膜厚較薄且為零點幾個nm。
[0110]勢壘層2由不同于基層4的材料的材料組成，以致要在磁化自由層3中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。此外，勢壘層2由非磁膜形成，因為勢壘層2被提供作為MTJ7中的隧道勢壘層。勢壘層2以諸如Al2O3膜和MgO膜的絕緣膜為例。相對于磁化自由層3的上述示例性膜厚，勢壘層2優(yōu)選具有例如從約1.0nm至約2.0nm的膜厚。即，該膜厚類似于磁化自由層3的膜厚。
[0111]磁化參考層I是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-X方向。磁化參考層I以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。
[0112]磁存儲元件9具有磁化自由層3的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造。在本附圖的示例中，基層4接合至磁化自由層3的下側(-Z側)的邊界，且由不同于基層4的材料的材料組成的勢壘層2接合至磁化自由層3的上側(+z側)的邊界。即，在磁化自由層3中，空間對稱相對于z方向被打破。在這種情況下，當使電流在磁化自由層3中的面內(nèi)方向(例如X方向)上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場在電流的方向(X方向)和空間對稱被打破的方向(Z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。這種有效磁場被稱為Rashba磁場。在本實施例中，通過使用這種Rashba磁場以及使用基于上電極11的電流感應磁場，對MTJ7寫入數(shù)據(jù)，即執(zhí)行反轉磁化自由層3的磁化。
[0113]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-X方向。此外，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為-X方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為+X方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“I”。
[0114]將說明對磁存儲元件9的數(shù)據(jù)寫入。
[0115]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖2A至2C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖以及平面圖。圖2A至2C示出當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0116]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Iwe在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。同時,使寫入電流Iwb在+y方向上在上電極11中流動。此時，如上所述，磁化自由層3的下側(-Z側)處的邊界接合至基層4，且上側(+z方向)處的邊界接合至勢壘層2。因此，磁化自由層3的兩側處的邊界具有不同結構。S卩，在磁化自由層3中，空間對稱相對于z方向被打破。因此，當使寫入電流Iwc在-X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc (Rashba磁場)在寫入電流Iwc的方向(X方向)和空間對稱被打破的方向(z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。例如，在基層4、磁化自由層3以及勢壘層2是Ta、CoFeB以及MgO且使寫入電流Iwc在_x方向上流動的情況下,在_y方向上產(chǎn)生磁場Hlffc (Rashba磁場)(以下稱為第一不例)。在基層4、磁化自由層3以及勢魚層2是Pt、Co以及AlOx且使寫入電流Iwc在-X方向上流動的情況下,在+y方向上產(chǎn)生磁場HIWC(Rashba磁場)(以下稱為第二示例)。以此方式，方向是_y方向還是+y方向取決于材料。本附圖的不例不出在-y方向上產(chǎn)生磁場HIWC(Rashba磁場)。磁場Hiwc作用于+x方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以使磁化Ml轉變成_y方向。此外,通過上電極11中的寫入電流Iwb在磁化自由層3附近感應磁場Hiwb。磁場Hiwb作用于+X方向上的磁化自由層3的磁化Ml,以使磁化Ml轉變成-X方向。通過這兩個磁場的作用，+X方向上的磁化自由層3的磁化Ml轉變成-X方向，如箭頭Rl所示。即，從圖2A至2C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖3A至3C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0117]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖3A至3C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖以及平面圖。圖3A至3C示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作的情況。
[0118]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Iw。在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。同時，使寫入電流Ito在_y方向上在上電極11中流動。此時，如上所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Ik在磁化自由層3的平面中在-X方向上流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc (Rashba磁場)在_y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hik作用于-X方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以便使磁化Ml轉變成_y方向。此外，通過上電極11中的寫入電流Iwb在磁化自由層3附近感應磁場Hiwb。磁場Hiwb作用于-X方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以便使磁化Ml轉變?yōu)?X方向。通過這兩個磁場的作用，-X方向上的磁化自由層3的磁化Ml轉變成+X方向，如箭頭R2中所示。即，從圖3A至3C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖2A至2C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0119]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。此外，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，-X方向以及+X方向都可用作用于使寫入電流Iwe流動的方向。
[0120]以下將說明從磁存儲元件9讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取方法與用于包括磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I的MTJ7的常用讀取方法相同。例如，使具有恒定電流值的讀取電流在上電極11和下電極5a之間，即在MTJ7中流動。隨后，通過將參考電壓與由讀取電流產(chǎn)生的在上電極11和下電極5a之間的電壓進行比較，讀取MTJ7的磁阻值，即作為磁化自由層3的磁化方向的數(shù)據(jù)。
[0121]這里，將說明在將數(shù)據(jù)寫入磁存儲元件9的情況下的反轉閾值(需要反轉的電流)。圖4是示出數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值的輪廓的曲線圖(星狀曲線)。垂直軸表示寫入電流Iwe(在磁存儲元件9中流動的電流)，且水平軸表示寫入電流Iwb (在上電極11中流動的電流)。本附圖示出出現(xiàn)在星狀曲線A上和外部的數(shù)據(jù)寫入。這里，在本附圖中，垂直軸比原始狀態(tài)延長約IO2倍。即，寫入電流Ik比寫入電流Iwb小約IO2倍。這是因為對于每個寫入電流Iwc=L OX 1012A/m2，基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場)高達kOe級。
[0122]例如，當對應于第一和第四象限中一個的電流從數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)施加時，該狀態(tài)變成數(shù)據(jù)“I”(執(zhí)行覆寫入)。當對應于第二和第三象限中一個的電流從數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)施加時，該狀態(tài)變成數(shù)據(jù)“0”(執(zhí)行重寫入)。正和負方向都可用作施加至磁化自由層3的電流(寫入電流Iwc)的方向。此時，假設電流接近Y軸，即寫入電流Iwc增大且寫入電流Ito明顯降低。如上所述，寫入電流Ik比寫入電流Iwb小約IO2倍。因此，認為寫入電流Iwc增大的影響遠小于寫入電流Iwb的降低的影響。即，因為寫入電流Iwb的降低影響非常大，因此，寫入電流的總量能夠非常小。因此，優(yōu)選寫入電流Ik和Iwb具有位于盡可能接近垂直軸在星狀曲線A上或外部的值。
[0123]順便提及，磁化自由層3的平面形狀不僅可以是如圖1C中所示的矩形，而且還可以是橢圓形、卵圓形以及矩形、橢圓形和卵圓形中每一個的一部分在它們的縱軸方向上凹陷的形狀。在這點上，磁化自由層3的磁化方向不完全指向相同的一個方向。但是，因為在磁化自由層3中沒有明顯的磁疇壁，因此本實施例被描述為磁化自由層3是被均勻磁化的。
[0124]此外，在上述說明中，假設磁化自由層3的磁各向異性的方向平行于上電極11的電流感應磁場Hito的方向(X方向)。但是，本實施例不限于該示例?？杉僭O磁化自由層3的磁各向異性的方向平行于Rashba磁場Hik的方向(y方向)。在這種情況下，通過使用在磁化自由層3中流動的寫入電流Iwe的極化特性，可控制數(shù)據(jù)“0”和“ I ”的寫入。
[0125]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50包括存儲單元陣列59、X選擇器51、Y選擇器52、位線選擇器53、Y電流源電路54以及位線電流源電路55。這些元件并不限于上述元件，只要這些元件具有類似于下述功能的功能。
[0126]存儲單元陣列59包括多個存儲單元10、多個位線11、多個第一寫入線12、多個第二寫入線13以及多個字線14。字線14在一端連接至X選擇器51，并向X方向延伸。位線11在一端連接至位線選擇器53，在另一端連接至位線電流源電路55，并向y方向延伸。第一寫入線12在一端連接至Y電流源電路54,并向y方向延伸。第二寫入線13在一端連接至Y選擇器52，并向y方向延伸。多個存儲單元10與多個字線14和多個位線11之間的交點相對應地以矩陣形排列。存儲單元10包括兩個選擇晶體管Tr以及磁存儲元件9。其中一個選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第一寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極5a，且在柵極處連接至字線14。另一選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第二寫入線13，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極5b，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。
[0127]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X選擇器51從多個字線14中選擇一個選擇字線14。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，Y選擇器52從多個第二寫入線13中選擇一個選擇第二寫入線13。當執(zhí)行寫入操作時，位線選擇器53從多個位線11中選擇一個選擇位線11。當執(zhí)行寫入操作時，Y電流源電路54從多個第一寫入線12中選擇一個選擇第一寫入線12并供應或拉取寫入電流Iw。。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，位線電流源電路55從多個位線11中選擇一個選擇位線11 (與位線選擇器53的選擇位線11相同)，供應或拉取寫入電流I?并供應或拉取讀取電流IK。由選擇位線11中流動的寫入電流I?產(chǎn)生的磁場施加至連接到選擇位線11的存儲單元10，且除寫入目標存儲單元10之外的存儲單元10都處于半選擇狀態(tài)(半選擇單元)。X選擇器51、Y選擇器52、位線選擇器53、Y電流源電路54以及位線電流源電路55應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0128]這種磁存儲器可用于單個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0129]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的操作。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的寫入操作的流程圖。在寫入操作中，首先，X選擇器51選擇一個選擇字線14(S01)。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器52選擇一個選擇第二寫入線13。而且，位線選擇器53選擇一個選擇位線11。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元10 (S02)。隨后，Y電流源電路54選擇一個選擇第一寫入線12，并對寫入單元10執(zhí)行供應或拉取寫入電流Iwe(S03)。此時，電流路徑是Y電流源電路54-選擇第一寫入線12-寫入單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器52。因此，寫入電流Iwc施加至寫入單元10的磁化自由層3，且有效磁場Hiwc施加至磁化自由層3。同時，位線電流源電路55對選擇位線11執(zhí)行供應或拉取寫入電流Im(S04)。此時，電流路徑是位線電流源電路55-選擇位線11-位線選擇器53。因此，電流感應磁場Hito施加至寫入單元10的磁化自由層3。因此，所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化可被反轉。這里，執(zhí)行步驟S03和S04使得它們在時間上彼此重疊。在這種情況下，執(zhí)行步驟S03和S04的順序不限于上述順序。
[0130]在本實施例中，通過使用基于自旋軌道相互作用的電流磁場轉換效率高的事實，將寫入操作點設定為接近于圖4中表示的垂直軸(接近于寫入電流Ik的軸)的點。因此，可降低使得要在位線11中流動的寫入電流I?。因此，可降低被排列到與寫入單元10相同的位線11的半選擇單元被意外反轉(半選擇干擾)的風險。在本電路構造中，X方向上的存儲單元10都不存在半選擇問題。
[0131]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器52選擇一個選擇第二寫入線13。此外，位線電流源電路55選擇一個選擇位線11。根據(jù)上述操作，選擇了要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。位線電流源電路55執(zhí)行供應或拉取讀取電流IK。此時，電流路徑是位線電流源電路55-選擇位線11-讀取單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器52。因此，讀取電流在讀取單元10的MTJ7中流動。因此，例如，通過使用連接至Y選擇器52等的讀出放大器(此處未示出)檢測MTJ7的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0132]圖7A和7B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的布局構造的局部截面圖。磁存儲元件9 (包括MTJ7)形成在Vl層上。磁存儲元件9的下電極5a和5b通過Ml層的布線線路72以及接觸62分別連接至形成在表面區(qū)域上的選擇晶體管Tr的源極和漏極中的一個。選擇晶體管Tr的柵極連接至字線14。此外，選擇晶體管Tr的源極和漏極中的另一個通過接觸61、M1層的布線線路71以及Vl層的通孔63分別連接至第一寫入線12或第二寫入線13。在本附圖所示的情況下，磁存儲元件9的磁化參考層I通過接觸64連接至作為上電極的位線11。
[0133]如上所述，本發(fā)明的磁存儲器具有磁化自由層3的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造(一側是勢壘層2，而另一側是基層4)。即，在磁化自由層3中，打破了空間對稱。在這種情況下，當使寫入電流Iwc在磁化自由層3中的面內(nèi)方向上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場(Rashba磁場)Hlffc在寫入電流Iwc的方向(x方向)和空間對稱被打破的方向(z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。因此,通過使用Rashba磁場Hiwc和由上電極(位線)11的寫入電流Iwb感應的磁場Hiwb,可反轉被大致均勻地磁化(不存在實質上的磁疇壁)的磁化自由層3的磁化。SP，數(shù)據(jù)可被寫入磁化自由層3中。此時，通過同時使用寫入電流Iwc和寫入電流Ito，寫入電流Iwb可較小。這里，因為基于自旋軌道相互作用的電流磁場轉換效率高，因此與常規(guī)寫入電流相比，寫入電流11非常小。即，寫入電流的總量可較小。此外，磁化自由層3被大致均勻地磁化且因此無需引入磁疇壁。因此無需初始化步驟。
[0134](第二實施例)
[0135]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲器。
[0136]本實施例與第一實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中具有垂直磁各向異性，而它們在第一實施例中具有面內(nèi)磁各向異性。將在下文主要說明不同于第一實施例的不同點。
[0137]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲器的磁存儲元件。圖8A至SC是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖和平面圖。磁存儲元件9a包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11、下電極5a和5b。
[0138]如上所述，不同于第一實施例，磁化參考層I和磁化自由層3具有垂直磁各向異性。即，磁化自由層3由具有垂直各向異性的鐵磁膜組成。磁化自由層3具有可反轉的磁化M2。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取具有-Z方向的磁化狀態(tài)以及具有+z方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜以及CoFeB膜為例。同時，磁化參考層I也由具有垂直磁各向異性的鐵磁膜組成。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為+z方向。磁化參考層I以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜和CoFeB膜為例。
[0139]上電極11通過布線線路Ila連接至磁化參考層I。上電極11是用于在磁化自由層3附近產(chǎn)生電流感應磁場的寫入電流的布線線路并以位線為例。在本實施例中，因為磁化自由層3具有垂直磁各向異性，因此由上電極11中流動的寫入電流產(chǎn)生的磁場需要Z方向分量。因此，布置上電極11以使其相對于磁化自由層3向y方向或X方向移位。在本附圖的構造中，設置上電極11以使其偏移至+y方向并延伸至X方向。布置上電極11以使其向X方向移位并向y方向延伸。
[0140]磁化參考層1、磁化自由層3以及上電極11的其他組成部分，除上述之外的構造及其效果都類似于第一實施例。
[0141]將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為+z方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為+z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為-Z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0142]將說明對磁存儲元件9a的數(shù)據(jù)寫入。
[0143]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖9A和9B是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖9A和9B示出當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0144]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9a，首先，使寫入電流Iwe在_x方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。同時,使寫入電流Iwb在_x方向上在上電極11中流動。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Iw。在-X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc (Rashba磁場)在_y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hik作用于-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成_y方向。此外，通過上電極11中的寫入電流Iwb在磁化自由層3附近感應磁場Hiwb。磁場Hiwb作用于-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化Ml轉變成+z方向。通過這兩個磁場的作用，-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成+z方向，如箭頭R3所示。S卩，從圖9A和9B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖1OA和IOB中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0145]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖1OA和IOB是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖1OA和IOB示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作的情況。
[0146]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9a，首先，使寫入電流Iw。在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。同時,使寫入電流Iwb在+x方向上在上電極11中流動。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Iw。在磁化自由層3的平面中在-X方向上流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hik (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc作用于+z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以便使磁化M2轉變成-y方向。此外，通過上電極11中的寫入電流I?在磁化自由層3附近感應磁場Hito。磁場Hito作用于+z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以便使磁化Ml轉變?yōu)?Z方向。通過這兩個磁場的作用，+z方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成-Z方向，如箭頭R4中所示。S卩，從圖1OA和IOB中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖9A和9B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0147]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。此外，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，-X方向以及+X方向都可用作用于使寫入電流Iwe流動的方向。
[0148]從磁存儲元件9a的數(shù)據(jù)讀取與第一實施例相同。此外，數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值(圖4)，磁存儲器的構造(圖5)，示出磁存儲器的寫入操作的流程圖(圖6)以及磁存儲器的布局(圖7A和7B)以及它們的效果都與第一實施例相同。
[0149]在本實施例，可獲得與第一實施例相同的效果。此外，通過使用具有垂直磁各向異性的材料，可使反轉磁化所需的寫入電流更小。
[0150](第三實施例)
[0151]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲單元。
[0152]在本實施例中，在單軸寫入方法中，通過不使用由單布線線路產(chǎn)生的電流感應磁場而是主要使用基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場:下文說明)來降低寫入電流。即，本實施例與第一實施例的不同點在于由上電極(位線)中流動的電流產(chǎn)生的電流感應磁場不用于數(shù)據(jù)寫入。將在下文主要說明與第一實施例的不同點。
[0153]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖1lA至IlC是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖和平面圖。磁存儲兀件9b包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11和下電極5a和5b o[0154]磁化自由層3由具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜組成。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取具有+y方向的磁化狀態(tài)以及具有_y方向的磁化狀態(tài)。易磁化軸是y方向。使易磁化軸為y方向的方法是使用形狀各向異性的方法，其為使磁化自由層3的縱軸為y方向的方法；使用晶體磁各向異性的方法；以及使用應力感應磁各向異性的方法。這里，無需使易磁化軸的方向準確地為y方向。例如，易磁化軸的方向可在面內(nèi)方向上相對于y軸具有45度角。磁化參考層I由具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜組成。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-y方向。上電極11形成并布置在磁化自由層3附近，以便不產(chǎn)生影響磁化自由層3的磁化的電流感應磁場。
[0155]磁化參考層1、磁化自由層3以及上電極11的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第一實施例。
[0156]將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-y方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化Ml為_y方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。假設當MTJ的磁化自由層3的磁化Ml為+y方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0157]將說明對磁存儲元件9b的數(shù)據(jù)寫入。
[0158]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖12A至12C是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖和平面圖。圖12A至12C示出當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9b中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0159]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件％，首先，使寫入電流Iwa在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwa (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwci作用于+y方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以使磁化Ml轉變成_y方向。通過這個磁場Hiki的作用，+y方向上的磁化自由層3的磁化Ml轉變成-y方向。S卩，從圖12A至12C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖13A至13C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0160]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖13A至13C是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖和平面圖。圖13A至13C示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“ I ”的寫入操作的情況。
[0161]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件％，首先，使寫入電流Ik2在+x方向上從下電極5a穿過磁化自由層3流至下電極5b。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hik2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc2作用于_y方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以便使磁化Ml轉變成+y方向。通過這個磁場Hik2的作用，-y方向上的磁化自由層3的磁化Ml轉變成+y方向。S卩，從圖13A至13C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖12A至12C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。[0162]在上述寫入中，磁化自由層3的膜厚的方向(z方向)的向量與寫入電流Iwa和Iwc2的方向(x方向)的向量的叉積具有平行于磁化自由層3的磁化Ml的方向(y方向)的分量。順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。
[0163]從磁存儲元件9b的數(shù)據(jù)讀取與第一實施例相同。此外，數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值(圖4)以及它們的效果都與第一實施例相同。
[0164]圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50a包括存儲單元陣列59、X選擇器51、Y電流源電路54、Y選擇器以及電源電路56和GND (接地端)57。這些元件并不限于上述元件，只要這些元件具有類似于下述功能的功倉泛。
[0165]存儲單元陣列59包括多個存儲單元10、多個位線11、多個第一寫入線12、多個第二寫入線13以及多個字線14。字線14在一端連接至X選擇器51并向X方向延伸。位線11在一端連接至GND (接地端)57，并向y方向延伸。第一寫入線12在一端連接至Y電流源電路54并向y方向延伸。第二寫入線13在一端連接至Y選擇器和電源電路56并向y方向延伸。多個存儲單元10與多個字線14和多個位線11之間的交點相對應地以矩陣形排列。存儲單元10包括兩個選擇晶體管Tr以及磁存儲元件％。其中一個選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第一寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9b的下電極5a，且在柵極處連接至字線14。另一選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第二寫入線13，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9b的下電極5b，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9b的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。
[0166]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X選擇器51從多個字線14中選擇一個選擇字線14。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，Y選擇器和電源電路56從多個第二寫入線13中選擇一個選擇第二寫入線13，供應寫入電流IK1，以及供應或拉取讀取電流IK。當執(zhí)行寫入操作時，Y電流源電路54從多個第一寫入線12中選擇一個選擇第一寫入線12并供應寫入電流Iffc2O X選擇器51、Y電流源電路54以及Y選擇器和電源電路56 (以及GND (接地端)57)應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0167]這種磁存儲器可用于單個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0168]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲器的操作。在寫入操作中，首先，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器和電源電路56選擇一個選擇第二寫入線13。此外，Y電流源電路54選擇一個選擇第一寫入線12。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元
10。隨后，Y選擇器和電源電路56執(zhí)行為寫入單元10供應寫入電流Iwa，或Y電流源電路54執(zhí)行為寫入單元10供應寫入電流IK2。在這些情況下，電流路徑是Y選擇器和電源電路56-選擇第二寫入線13-寫入單元10-選擇第一寫入線12-Y電流源電路54。因此，寫入電流Iwci或寫入電流Iwc2施加至寫入單元10的磁化自由層3，且有效磁場Hiwci或有效磁場Hiwc2施加至磁化自由層3。因此，所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化可被反轉。
[0169]在本實施例中，通過使用基于自旋軌道相互作用的電流磁場轉換效率高的事實，將寫入操作點設定在圖4中表示的垂直軸(在寫入電流Ik的軸上)上的點。因此，可取消使得在位線11中流動的寫入電流I?。因此，因為不存在半選擇單元，因此可消除半選擇干擾的風險。在本電路構造中，X方向上的存儲單元10都不存在半選擇問題。
[0170]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器和電源電路56選擇一個選擇第二寫入線13。根據(jù)上述操作，選擇了要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。Y選擇器和電源電路56執(zhí)行供應或拉取讀取電流Ικ。此時，電流路徑是Y選擇器和電源電路56-選擇位線Il-GND (接地端)57。因此，讀取電流在讀取單元10的MTJ7中流動。因此，例如，通過使用連接至Y選擇器和電源電路56等的讀出放大器(此處未示出)可檢測MTJ7的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0171]磁存儲器的布局(圖7Α和7Β)與第一實施例相同。
[0172]在本實施例，可獲得與第一實施例類似的效果。此外，因為不使用由位線中流動的電流感應的磁場，因此對于位線中流動的電流量來說，寫入電流可進一步降低。
[0173](第四實施例)
[0174]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲單元。
[0175]本實施例與第三實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中具有垂直磁各向異性，而它們在第三實施例中具有面內(nèi)磁各向異性。將在下文主要說明與第三實施例的不同點。
[0176]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖15Α至15C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖和平面圖。磁存儲兀件9c包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11、下電極5a和5b。
[0177]如上所述，不同于第三實施例，磁化參考層I和磁化自由層3具有垂直磁各向異性。即，磁化自由層3由具有垂直各向異性的鐵磁膜組成。磁化自由層3具有可反轉的磁化M2。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取具有-Z方向的磁化狀態(tài)以及具有+z方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜以及CoFeB膜為例。
[0178]在磁化自由層3中，基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場)為面內(nèi)方向(X方向或y方向)。因此，不能僅通過有效磁場而直接在垂直方向(z方向)上反轉磁化自由層3的磁化M2。因此，在本實施例中，關于磁化自由層3中流動的寫入電流(Ικ)，使垂直于流動方向的截面中的電流分布不均勻。這致使在垂直方向(ζ方向)上的電流感應磁場(Hltl:下文說明)的產(chǎn)生。隨后，通過這種磁場和有效磁場(Hiwc)的組合而執(zhí)行寫入。因此，磁化自由層3在xy平面圖(圖15C)中具有非對稱突起部Dl。
[0179]磁化參考層I由具有垂直磁各向異性的鐵磁膜組成。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為+ζ方向。磁化參考層I以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜和CoFeB膜為例。
[0180]磁化參考層1、磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第三實施例。
[0181]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為+Z方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為+ζ方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為-Z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0182]將說明對磁存儲元件9c的數(shù)據(jù)寫入。
[0183]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖16A至16C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖和平面圖。圖16A至16C示出當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9c中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0184]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9c，首先，使寫入電流Iwa在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwa (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwci作用于-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成-y方向。此外，因為磁化自由層3的突起部Dl，因此磁化自由層3中流動的寫入電流Iwa是不均勻的，且因此，降低了突起部Dl處的電流密度。即，施加至突起部Dl的+z方向上的電流感應磁場Hltl強于施加至其他區(qū)域的磁場。因此，由于電流感應磁場Hltl，突起部Dl變成反轉形成核心的起點。通過將在突起部Dl處由于電流感應磁場Hltl造成的反轉形成核心與有效磁場Hiwci組合,-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成+z方向。即，從圖16A至16C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖17A至17C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0185]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖17A至17C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖和平面圖。圖17A至17C示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9c中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作的情況。
[0186]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9c，首先，使寫入電流Iwe2在+X方向上從下電極5a穿過磁化自由層3流至下電極5b。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，磁場Hiwc2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc2作用于+z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以便使磁化M2轉變成+y方向。此外，因為磁化自由層3的突起部Dl，因此磁化自由層3中流動的寫入電流Iwc2是不均勻的，且因此，降低了突起部Dl處的電流密度。即，施加至突起部Dl的-Z方向上的電流感應磁場Hltl強于施加至其他區(qū)域的磁場。因此，由于電流感應磁場Hltl，突起部Dl變成反轉形成核心的起點。通過將在突起部Dl處由于電流感應磁場Hltl造成的反轉形成核心與有效磁場Hiwc2組合，+z方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成-Z方向。S卩，從圖17A至17C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖16A至16C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0187]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作。
[0188]在本實施例中，作為用于獲取非均勻電流分布的磁化自由層3的另一構造，可采用圖18A至18D中所示的構造。圖18A至18B示出其中下電極5a和5b相對于磁化自由層3的縱向(電流流動方向)非對稱布置的方法。例如，在圖18A中，下電極5a和5b在磁化自由層3外部的一個方向上延伸。在圖18B中，下電極5a和5b布置在磁化自由層3中的偏離位置。在圖18C中，磁化自由層3具備具有凹形的構造。在圖18D中，可預計在磁化自由層3的一部分中提供容易產(chǎn)生反轉核的區(qū)域3p的構造具有相同的效果。例如，區(qū)域3p是執(zhí)行蝕刻、執(zhí)行離子注入并放置臺階(st印)的區(qū)域。此外，通過延長單元周圍的上電極11和下電極5a和5b并通過其中流動的電流感應磁場，可將垂直磁場施加至磁化自由層3。
[0189]從磁存儲元件9c的數(shù)據(jù)讀取與第三實施例相同。此外，數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值(圖4)，磁存儲器的構造(圖14)，磁存儲器的布局(圖7A和7B)以及它們的效果都與第三實施例相同。
[0190]在本實施例，可獲得類似于第三實施例相同的效果。此外，通過使用具有垂直磁各向異性的材料，可使反轉磁化所需的寫入電流更小。
[0191](第五實施例)
[0192]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲單元。
[0193]本實施例與第三實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中在相對于xy平面傾斜方向上具有磁各向異性，而它們在第三實施例中具有面內(nèi)磁各向異性。將在下文主要說明與第三實施例的不同點。
[0194]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖19A至19C是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖和平面圖。磁存儲元件9d包括基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層1、上電極11以及下電極5a和5b ο
[0195]如上所述，不同于第三實施例，磁化參考層I和磁化自由層3在相對于xy平面傾斜的方向上具有磁各向異性。即，磁化自由層3是在面內(nèi)和垂直之間的中間方向上具有磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化M3。在本附圖的示例中，磁化自由層3的易磁化軸在yz平面中傾斜且磁化自由層3可取-ζ和-y方向的組合方向上的磁化狀態(tài)以及+ζ和+y方向的組合方向上的磁化狀態(tài)。作為在yz平面中傾斜磁化自由層3的易磁化軸的方法，可使用利用晶體磁各向異性或應力磁各向異性的方法。此外，可使用交替層疊具有垂直磁各向異性的材料和具有面內(nèi)磁各向異性的材料的另一方法。具有垂直磁各向異性的材料以Co/Pt、Co/N1、CoPt, CoCrPt, CoTa和FePt為例。具有面內(nèi)磁各向異性的材料以 NiFeB, CoFeB 和 CoFe 為例。
[0196]磁化參考層I也是在面內(nèi)和垂直之間的中間方向上具有磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為在yz平面中傾斜的-ζ和_y方向的組合方向。也通過使用與磁化自由層3相同的方法和材料形成磁化參考層I。
[0197]磁化參考層I和磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第三實施例。
[0198]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-ζ和-y方向的組合方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為-ζ和_y方向的組合方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為+ζ和+y方向的組合方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I”。[0199]將說明對磁存儲元件9d的數(shù)據(jù)寫入。
[0200]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9d中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖20A至20B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖20A至20B示出當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9c中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0201]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9d，首先，使寫入電流Iwa在-x方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwa (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwci作用于+z和+y方向的組合方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成_y方向。因此，+z和+y方向的組合方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成-Z和-y方向的組合方向，如箭頭R5所示。S卩，從圖20A至20B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖21A至21B中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0202]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9d中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖21A至21B是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖21A至21B示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9d中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作的情況。
[0203]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9d，首先，使寫入電流Ik2在+X方向上從下電極5a穿過磁化自由層3流至下電極5b。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hik2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc2作用于-Z和_y方向的組合方向上的磁化自由層3的磁化M2，以便使磁化M2轉變成+y方向。因此，_z和-y方向的組合方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成+z和+y方向的組合方向。即，從圖21A至21B中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖20A至20B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0204]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9d中時將要寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作。
[0205]從磁存儲元件9d的數(shù)據(jù)讀取與第三實施例相同。
[0206]此處將說明在對磁存儲元件9d進行數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值(反轉所需的電流)。圖22是示出數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值的輪廓的曲線圖(星狀曲線)。垂直軸表示磁化自由層3中流動的電流，且水平軸表示z方向上的外部磁場。此處，垂直軸的磁化自由層3中流動的電流是各個寫入電流Iwa和Iwc2，其可被視為(y方向的)有效磁場Hiwci和Hiwc2。此外，在本發(fā)明中不使用水平軸的z方向上的外部磁場，且因此基本為零(O)。本附圖示出出現(xiàn)在星狀曲線上和外部的數(shù)據(jù)寫入。此處，如本附圖中所示，如果磁化自由層3的易磁化軸和由磁化自由層3中流動的電流(Iwci和Iwc2)產(chǎn)生的有效磁場(Hiwci和Hiwc2)的方向不平行，則可通過磁化自由層3中流動的正和負電流反轉磁化自由層3的磁化。
[0207]磁存儲器的構造(圖14)，磁存儲器的布局(圖7A和7B)以及它們的效果都與第三實施例相同。
[0208]在本實施例中，可獲得類似于第三實施例的效果。[0209](第六實施例)
[0210]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲單元。
[0211]在本實施例中，在使用具有垂直磁各向異性的材料作為磁化自由層的自旋轉矩寫入方法中，通過使用基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場:下文說明)作為輔助磁場來降低寫入電流。
[0212]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖23A至23B是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的構造的正視圖和平面圖。磁存儲元件9包括基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層1、上電極11以及下電極5。
[0213]基層4被布置為平行于襯底(未示出)的表面(xy平面)。磁化自由層3被布置在基層4的上側(+ζ側)上，以致基層4被磁化自由層3覆蓋。勢壘層2被布置在磁化自由層3的上側(+ζ側)上，以致磁化自由層3被勢壘層2覆蓋。磁化參考層I被布置在勢壘層2的+X側的端部的上側(+ζ側)上?；鶎?、磁化自由層3以及勢壘層2中的每一個都具有沿X方向延伸超出磁化參考層I的形狀。磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I構成MTJ(磁隧道結)7。磁存儲元件9通過使用MTJ7的磁化自由層3的磁化方向來存儲數(shù)據(jù)。
[0214]上電極11連接至磁化參考層I的+X側的端部的上側(+ζ側)。上電極11以位線為例。下電極5連接至基層4的-X側的端部的下側(-ζ側)。即，下電極5沒有直接連接在磁化參考層I下方，而是連接至基層4 (磁化自由層3和勢壘層2)的延伸部。這使得寫入電流(下文說明)不僅在ζ方向而且也在xy平面的面內(nèi)方向上流過磁化自由層3，肯定確實產(chǎn)生Rashba磁場。此處，端部可總體上接近末端，且無需嚴格地處于末端。此外，下電極5連接至選擇晶體管(下文說明)。電流可在磁化自由層3中從上電極11和下電極5中的一個施加至另一個。
[0215]基層4由不同于勢壘層2的材料的材料組成，以使磁化自由層3中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。此外，因為基層4被布置在下電極5和磁化自由層3之間，因此基層4優(yōu)選為導電膜，以致電流能容易地穿過基層4。但是，基層4優(yōu)選由可防止寫入電流選擇性流過基層4而未流過磁化自由層3的材料組成。基層4以Ta膜、Pt膜及其疊層膜為例。
[0216]磁化自由層3是具有垂直磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取+ζ方向的磁化狀態(tài)以及-ζ方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3被大致均勻地磁化。即，在磁化自由層3中基本上不存在磁疇壁。磁化自由層3以CtjCrPt膜、Co/Pt膜、Co/Ni膜、Fe/Pt膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。磁化自由層3優(yōu)選非常薄，以致使得要產(chǎn)生Rashba磁場。例如,磁化自由層3優(yōu)選具有從約0.5nm至約1.5nm的膜厚。在小于0.5nm的膜厚的情況下，難以控制薄膜形成。與常用MTJ中的磁化自由層(或自由層)的幾個nm (例如約5nm)相比,該膜厚較薄且為零點幾個nm。此夕卜,磁化自由層3的xy平面形狀大于磁化參考層I的xy平面形狀(因為磁化自由層3、基層4以及勢壘層2的延伸部)。因此，由磁化參考層I供應或拉取到磁化參考層I中的寫入電流(下文說明)不僅通過磁化自由層3而且還確實在磁化自由層3的xy平面內(nèi)部在面內(nèi)方向上移動,且確實產(chǎn)生Rashba磁場。
[0217]勢壘層2由不同于基層4的材料的材料組成，以致使得要在磁化自由層3中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。此外，勢壘層2由非磁膜形成，因為勢壘層2被提供作為MTJ7中的隧道勢壘層。勢壘層2以諸如Al2O3膜和MgO膜的絕緣膜為例。相對于磁化自由層3的上述示例性膜厚，勢壘層2優(yōu)選具有例如從約1.0nm至約2.0nm的膜厚。即，該膜厚類似于磁化自由層3的膜厚。
[0218]磁化參考層I是具有垂直磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為+z方向。磁化參考層I以CoCrPt膜、Co/Pt膜、Co/Ni膜、Fe/Pt膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。磁化參考層I也被認為是形成在與磁化自由層3的一側(+X側)處的端部對應的勢壘層2的端部(+X側端部)的上側(+z側)。
[0219]磁存儲元件9具有磁化自由層3的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造。在本附圖的示例中，基層4接合至磁化自由層3的下側(-Z側)的邊界，且由不同于基層4的材料的材料組成的勢壘層2接合至磁化自由層3的上側(+z側)的邊界。即，在磁化自由層3中，空間對稱相對于z方向被打破。在這種情況下，當使電流在磁化自由層3中的面內(nèi)方向(例如X方向)上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場在電流的方向(X方向)和空間對稱被打破的方向(Z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。這種有效磁場被稱為Rashba磁場且已知其對于每1.0X 1012A/m2電流高達kOe級。在本實施例中，通過使用這種Rashba磁場以輔助使用磁化參考層I的自旋注入磁化反轉，對MTJ7寫入數(shù)據(jù)，即執(zhí)行反轉磁化自由層3的磁化。
[0220]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為+z方向。此外，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為+z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為-Z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0221]將說明對磁存儲元件9的數(shù)據(jù)寫入。
[0222]首先，將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖24是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖24示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“I”的操作的情況。
[0223]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Iwa從上電極11穿過磁化參考層I和磁化自由層3流至下電極5。此時，如上所述，磁化自由層3的下側(-Z側)處的邊界接合至基層4，且上側(+z方向)處的邊界接合至勢壘層2。因此，磁化自由層3的兩側處的邊界具有不同的結構。即，在磁化自由層3中，空間對稱相對于z方向被打破。因此，當使寫入電流Iwcl工在-x方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hlffci (Rashba磁場)在寫入電流Iwa的方向(x方向)和空間對稱被打破的方向(z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。例如，在基層4、磁化自由層3以及勢壘層2是Ta、CoFeB以及MgO且使寫入電流Iwa在_x方向上流動的情況下，在_y方向上產(chǎn)生磁場Hiwci (Rashba磁場)(以下稱為第一示例)。在基層4、磁化自由層3以及勢壘層2是Pt、Co以及AlOx且使寫入電流Iwa在-X方向上流動的情況下，在+y方向上產(chǎn)生磁場Hiki (Rashba磁場)(以下稱為第二示例)。以此方式，方向是-y方向還是+y方向取決于材料。本附圖的示例示出在-y方向上產(chǎn)生磁場HIwa(Rashba磁場)。磁場Hiwa作用于+z方向上的磁化自由層3的磁化Ml,以使磁化Ml轉變成_y方向。此外，當寫入電流Iwa從磁化參考層I流至磁化自由層3時，傳導電子從磁化自由層3流至磁化參考層I。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化Ml相對于磁化參考層I的磁化MO從平行轉變成反平行。即，發(fā)生從+ζ方向至-ζ方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hlffci輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Iwa使磁化自由層3的磁化Ml從+ζ方向反轉為-ζ方向。即，從圖24中所示的數(shù)據(jù)“O”的狀態(tài)至如下文說明的圖25中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0224]以下，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”的情況。圖25是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖25示出當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“O”的操作的情況。
[0225]為了將數(shù)據(jù)“O”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Ik2從下電極5穿過磁化自由層3和磁化參考層I流至上電極11。此時，如上所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Ik2在+X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc2(Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hik2作用于-ζ方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以使磁化Ml轉變成+y方向。此外，當寫入電流Ik2從磁化自由層3流至磁化參考層I時，傳導電子從磁化參考層I流至磁化自由層3。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化Ml相對于磁化參考層I的磁化MO從反平行轉變成平行。即，發(fā)生從-ζ方向至+ζ方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hiwc2輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Ik2使磁化自由層3的-ζ方向上的磁化Ml反轉為+ζ方向。S卩，從圖25中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至圖24中所示的數(shù)據(jù)“O”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0226]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”且當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作。
[0227]以下將說明從磁存儲元件9讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取方法與用于包括磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I的MTJ7的常用讀取方法相同。例如，使具有恒定電流值的讀取電流在上電極11和下電極5之間，即在MTJ7中流動。隨后，通過將參考電壓與由讀取電流在上電極11和下電極5之間產(chǎn)生的電壓進行比較，讀取MTJ7的磁阻值，即作為磁化自由層3的磁化方向的數(shù)據(jù)。
[0228]順便提及，磁化自由層3的平面形狀不僅可以是如圖23B中所示的矩形，而且還可以是橢圓形、卵圓形以及矩形、橢圓形和卵圓形中每一個的一部分在它們的縱軸方向上凹陷的形狀。在這點上，磁化自由層3的磁化方向不完全指向相同的一個方向。但是，因為在磁化自由層3中沒有明顯的磁疇壁，因此本實施例被描述為磁化自由層3是被均勻磁化的。
[0229]圖26是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50包括存儲單元陣列51、電流源電路52、X解碼器53以及Y解碼器54。這些元件不限于上述元件，只要這些元件具有類似于下文說明的功能的功能。
[0230]存儲單元陣列51包括多個存儲單元10、多個位線11、多個寫入線12以及多個字線14。字線14在一端連接至Y解碼器54并向y方向延伸。位線11在一端連接至X解碼器53并向X方向延伸。寫入線12在一端連接至X解碼器53并向X方向延伸。存儲單元10包括選擇晶體管Tr以及磁存儲元件9。選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極5，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。[0231]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X解碼器53從多個位線11和多個寫入線12中選擇一個選擇位線11和一個選擇寫入線12的組合。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，Y解碼器54從多個字線14中選擇一個選擇字線14。當執(zhí)行寫入操作時，電流源電路52供應或拉取寫入電流I?，且當執(zhí)行讀取操作時供應或拉取讀取電流IK。X解碼器53、Y解碼器54以及電流源電路52應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0232]這種磁存儲器可用于單個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0233]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲器的操作。在寫入操作中，首先，Y解碼器54選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，X解碼器53選擇一個選擇位線11和一個寫入線12的組合。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元10。隨后，電流源電路52對寫入單元10執(zhí)行供應或拉取寫入電流Iwa或IK2。此時，電流路徑是(電流源電路52-) X解碼器53-選擇位線11-寫入單元10-選擇寫入線12-X解碼器53。因此，通過由于寫入單元10的磁化參考層I的自旋轉矩導致的磁化反轉的作用以及由于將寫入電流Iwa或Iwc2施加至磁化自由層3導致的有效磁場Hiwci或Hiwc2的作用，可反轉所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化。
[0234]在本實施例中，寫入電流(Iwa或Iwc2)不僅在垂直于MT J7的方向上流動，而且還在磁化自由層3的xy平面的面內(nèi)方向上流動。因此，寫入電流不僅可適用于基于自旋轉矩的磁化反轉作用，而且還適用于基于自旋軌道相互作用的電流磁場轉換。因此，自旋軌道相互作用可用于輔助磁化反轉，且因此，可降低寫入電流。順便提及，在上述電路構造中，X方向上的存儲單元都不存在半選擇問題。
[0235]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，Y解碼器54選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，X解碼器53選擇一個選擇位線11和一個選擇寫入線12。根據(jù)上述操作，選擇要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。電流源電路52對讀取單元10執(zhí)行供應或拉取讀取電流IK。此時，電流路徑是(電流源電路52-)X解碼器53-選擇位線11-讀取單元10-選擇寫入線12-X解碼器53。因此，讀取電流在讀取單元10的MTJ7中流動。因此，例如，通過使用連接至X解碼器53等的讀出放大器(此處未示出)，檢測MTJ7的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0236]如上所述，本發(fā)明的磁存儲器具有磁化自由層3的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造(一側是勢壘層2，而另一側是基層4)。即，在磁化自由層3中，打破了空間對稱。在這種情況下，當使寫入電流Iwc在磁化自由層3中的面內(nèi)方向上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場(Rashba磁場)HIWC在寫入電流Iwc的方向(x方向)和空間對稱被打破的方向(z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。因此，通過使用Rashba磁場Hiwc和由于從磁化參考層I和磁化自由層3中的一個流向另一個的傳導電子造成的自旋轉矩磁化反轉作用，可反轉被大致均勻地磁化(不存在實質上的磁疇壁)的磁化自由層3的磁化。即，數(shù)據(jù)可被寫入磁化自由層3中。此時，通過同時使用Rashba磁場Hnc和自旋轉矩磁化反轉作用，寫入電流Iwb可較小。此外,磁化自由層3被大致均勻地磁化且因此無需引入磁疇壁。因此無需初始化步驟。
[0237](第七實施例)
[0238]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲單元。[0239]本實施例與第六實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中具有面內(nèi)磁各向異性，而它們在第六實施例中具有垂直磁各向異性。將在下文主要說明不同于第六實施例的不同點。
[0240]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖27A至27C是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的構造的正視圖和平面圖。磁存儲元件9a包括基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層1、上電極11和下電極5。
[0241]如上所述，不同于第六實施例，磁化參考層I和磁化自由層3具有面內(nèi)磁各向異性。即，磁化自由層3是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化M2。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取-X方向的磁化狀態(tài)以及+X方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。另一方面，磁化參考層I是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-X方向。磁化參考層I以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。
[0242]磁化參考層1、磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第六實施例。
[0243]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-X方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為-X方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化M2為+X方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0244]將說明對磁存儲元件9a的數(shù)據(jù)寫入。
[0245]首先，將說明當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖28是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖28示出當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作的情況。
[0246]為了將數(shù)據(jù)“ I ”寫入磁存儲元件9a，首先，使寫入電流Iwa從上電極11穿過磁化參考層I和磁化自由層3流至下電極5。此時，如第六實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流工在方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwci (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwa作用于-X方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成-y方向。此外，當寫入電流Iwa從磁化參考層I流至磁化自由層3時，傳導電子從磁化自由層3流至磁化參考層I。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化M2相對于磁化參考層I的磁化MO從平行轉變成反平行。即，發(fā)生從-X方向至+X方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hiki輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Iwa使磁化自由層3的-X方向上的磁化M2反轉為+X方向。即，從圖28中所示的數(shù)據(jù)“O`”的狀態(tài)至如下文說明的圖29中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0247]以下，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”的情況。圖29是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖29示出當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“O”的操作的情況。
[0248]為了將數(shù)據(jù)“O”寫入磁存儲元件9a，首先，使寫入電流Ik2從下電極5穿過磁化自由層3和磁化參考層I流至上電極11。此時，如第六實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流1[在+1方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc2作用于+X方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成+y方向。此外，當寫入電流Iwc2從磁化自由層3流至磁化參考層I時，傳導電子從磁化參考層I流至磁化自由層3。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化M2相對于磁化參考層I的磁化MO從反平行轉變成平行。即，發(fā)生從+X方向至-X方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hik2輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Ik2使磁化自由層3的+X方向上的磁化M2反轉為-X方向。S卩，從圖29中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至圖28中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0249]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。
[0250]從磁存儲元件9a的數(shù)據(jù)讀取與第六實施例相同。此外，磁存儲器的構造(圖26)、寫入和讀取磁存儲器的操作以及它們的效果都與第六實施例相同。
[0251 ] 在本實施例中，可獲得與第六實施例相同的效果。
[0252](第八實施例)
[0253]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲單元。
[0254]本實施例與第六實施例的不同點在于基層4、磁化自由層3以及勢壘層2在本發(fā)明中具有在X軸方向上延伸至磁化參考層I的兩側的形狀，而它們在第六實施例中具有僅延伸至磁化參考層I的一側的形狀。將在下文主要說明與第六實施例不同的不同點。
[0255]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖30是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的構造的正視圖。磁存儲元件％包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11和下電極5a和5b。
[0256]如上所述，不同于第六實施例，基層4、磁化自由層3和勢壘層2具有在X軸方向上延伸至磁化參考層I的兩側(+X側和-X側)的形狀。因此，下電極5a和5b連接至兩個延伸的端部。即，下電極5a連接至-X側的延伸部。下電極5b連接至+X側的延伸部。下電極5a和5b中的每一個都連接至選擇晶體管Tr。在本實施例中，將使另外一個寫入電流從下電極5a和5b中的一個流至另一個。
[0257]根據(jù)這種形狀，可通過使用從下電極5a和5b中的一個經(jīng)過選擇晶體管Tr流至另一個的寫入電流控制有效磁場(Rashba磁場)，同時可通過使用從上電極11與任一或兩個下電極5a和5b中的一方流至另一方的寫入電流控制自旋轉矩。即，在本發(fā)明中，可獨立于自旋轉矩來控制有效磁場。
[0258]基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層I以及下電極5a和5b的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第六實施例。
[0259]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為+z方向。此外，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為+z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為-Z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“I”。[0260]將說明對磁存儲元件9b的數(shù)據(jù)寫入。
[0261]首先，將說明當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖31是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖31示出當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9b中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作的情況。
[0262]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件％，首先，使寫入電流Iwa從上電極11穿過磁化參考層I和磁化自由層3流至下電極5a。同時，使寫入電流Iwki從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。此時，如第六實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Iwei在-X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwki (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwei作用于+ζ方向上的磁化自由層3的磁化Ml,以使磁化Ml轉變成_y方向。此外，當寫入電流Iwa從磁化參考層I流至磁化自由層3時，傳導電子從磁化自由層3流至磁化參考層I。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化Ml相對于磁化參考層I的磁化MO從平行轉變成反平行。即，發(fā)生從+ζ方向至-ζ方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hiwki輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Iwa使磁化自由層3的在+ζ方向上的磁化Ml反轉為-ζ方向。S卩，從圖31中所示的數(shù)據(jù)“O”的狀態(tài)至如下文說明的圖32中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0263]以下，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”的情況。圖32是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖32示出當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件％中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“O”的操作的情況。
[0264]為了將數(shù)據(jù)“O”寫入磁存儲元件9b來說，首先，使寫入電流Ik2從下電極5a穿過磁化自由層3和磁化參考層I流至上電極11。同時，使寫入電流Iwk2從下電極5a穿過磁化自由層3流至下電極5b。此時，如第六實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Iwk2在-X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwe2(Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwk2作用于-ζ方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以使磁化Ml轉變成+y方向。此外，當寫入電流Ik2從磁化自由層3流至磁化參考層I時，傳導電子從磁化參考層I流至磁化自由層3。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化Ml相對于磁化參考層I的磁化MO從反平行轉變成平行。即，發(fā)生從-ζ方向至+ζ方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hiwe2輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Ik2使磁化自由層3的-ζ方向上的磁化Ml反轉為+ζ方向。S卩，從圖32中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至圖31中所示的數(shù)據(jù)“O”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0265]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。
[0266]從磁存儲元件9b的數(shù)據(jù)讀取與第六實施例相同。
[0267]圖33是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50a包括存儲單元陣列51、X選擇器55、Y選擇器56、Y電流源電路57、位線選擇器58以及位線電流源電路59。這些元件不限于上述元件，只要這些元件具有類似于下述功能的功能。順便提及，本附圖的X和I方向可能與圖30至32中的那些方向相反。[0268]存儲單元陣列51包括多個存儲單元10、多個位線11、多個第一寫入線12、多個第二寫入線13以及多個字線14。字線14在一端連接至X選擇器55并向X方向延伸。位線11在一端連接至位線選擇器58并向y方向延伸。第一寫入線12在一端連接至Y電流源電路57并向y方向延伸。第二寫入線13在一端連接至Y選擇器56并向y方向延伸。存儲單元10包括一對選擇晶體管Tr以及磁存儲元件％。其中一個選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第一寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9b的下電極5b，且在柵極處連接至字線14。另一選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第二寫入線13，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極5a，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9b的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。
[0269]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X選擇器55從多個字線14中選擇一個選擇字線
14。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，Y選擇器56從多個第二寫入線13中選擇一個選擇第二寫入線13。當執(zhí)行寫入操作時，Y電流源電路57供應或拉取寫入電流IWK。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，位線選擇器58從多個位線11中選擇一個選擇位線11。通過位線選擇器58，當執(zhí)行寫入操作時，位線電流源電路59供應或拉取寫入電流Iw。，且在執(zhí)行讀取操作時，供應或拉取讀取電流IK。X選擇器55、Y選擇器56、Y電流源電路57、位線選擇器58以及位線電流源電路59應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0270]這種磁存儲器可用于單個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0271]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲器的操作。在寫入操作中，首先，X選擇器55選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器56選擇一個選擇第二寫入線13。而且，位線選擇器58選擇一個選擇位線11。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元10。隨后，Y電流源電路57選擇對應于寫入單元10的一個選擇第一寫入線12，并對寫入單元10執(zhí)行供應或拉取寫入電流Iwki或IWK2。此時，電流路徑是(Y電流源電路57-)選擇第一寫入線12-寫入單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器56。同時，位線電流源電路59通過位線選擇器58執(zhí)行供應或拉取寫入電流Iwa或IK2。此時，電流路徑是(位線電流源電路59-位線選擇器58-)選擇位線11-寫入單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器56。因此，通過由于寫入單元10的磁化參考層I的自旋轉矩導致的磁化反轉作用以及由于將寫入電流Iwa或Ik2施加至磁化自由層3導致的有效磁場Hiwei或Hiwk2的作用，可反轉所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化。
[0272]在本實施例中，可分別控制基于自旋轉矩而呈現(xiàn)磁化反轉作用的寫入電流Iwa或Iffc2以及呈現(xiàn)自旋軌道相互作用的寫入電流Iwri或IWR2。因此，通過將寫入電流Iwki或Iwe2控制為適當值，可進一步降低寫入電流Iwa或IK2。
[0273]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，X選擇器55選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器56選擇一個選擇第二寫入線13。此外，位線選擇器58選擇一個選擇位線11。根據(jù)上述操作，選擇了要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。隨后，位線電流源電路59通過位線選擇器58執(zhí)行供應或拉取讀取電流IK。此時，電流路徑是(位線電流源電路59-位線選擇器58-)選擇位線11-讀取單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器56。因此，讀取電流在讀取單元10的MTJ7中流動。因此，例如，通過使用連接至Y選擇器56等的讀出放大器(此處未示出)可檢測MTJ7的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0274]在本實施例中，可獲得與第六實施例相同的效果。此外，在本實施例中，通過分別控制基于自旋轉矩而呈現(xiàn)磁化反轉作用的寫入電流以及呈現(xiàn)自旋軌道相互作用的寫入電流，可進一步降低寫入電流的總量。
[0275](第九實施例)
[0276]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的磁存儲單元。
[0277]本實施例與第八實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中具有面內(nèi)磁各向異性，而它們在第八實施例中具有垂直磁各向異性。將在下文主要說明與第八實施例的不同點。
[0278]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖34是示出根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的磁存儲元件的構造的正視圖。磁存儲元件9c包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11和下電極5a和5b。
[0279]如上所述，不同于第六實施例，磁化參考層I和磁化自由層3具有面內(nèi)磁各向異性。即，磁化自由層3是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化M2。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取-X方向的磁化狀態(tài)以及+X方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。另一方面，磁化參考層I是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-X方向。磁化參考層I以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。
[0280]磁化參考層1、磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第六實施例。
[0281]磁化參考層1、磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第六實施例。
[0282]此外，從磁存儲器的磁存儲元件讀取數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)寫入磁存儲器的磁存儲元件，磁存儲器的構造(圖33)，寫入和讀取磁存儲器的操作及其效果都與第八實施例相同。
[0283]在本實施例中，可獲得與第八實施例相同的效果。
[0284]根據(jù)本發(fā)明，可提供一種磁存儲器，其中無需引入磁疇壁且寫入電流較小。
[0285](第十實施例)
[0286]在本實施例中，通過使用來自磁寫入部的漏磁場執(zhí)行磁隧道結(MJT)的磁化自由層的磁化的反轉，以及通過使用基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場:下文說明)產(chǎn)生磁寫入部的漏磁場。因此可降低寫入電流。
[0287]首先，將說明根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖35A至35B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的正視圖和側視圖。磁存儲元件9包括磁隧道結部21、磁寫入部22、上電極11和下電極8a和Sb。
[0288]磁隧道結21通過使用磁化方向來存儲數(shù)據(jù)。磁隧道結部21包括磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。勢壘層2被布置在磁化自由層3上。磁化參考層I被布置在勢壘層2上并具有固定的磁化MO。磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I構成MTJ (磁隧道結)21。磁隧道結部21通過利用磁化自由層3的磁化Ml的方向與磁化參考層I的磁化MO的方向之間的相對關系來存儲數(shù)據(jù)。磁化自由層3的磁化Ml通過磁寫入部22的漏磁場而改變。將在下文說明詳細情況。
[0289]磁寫入部22被布置在磁隧道結部21附近。磁寫入部22產(chǎn)生呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化反轉的漏磁場。磁寫入部22包括籽晶層7、磁化寫入層6以及蓋層5。籽晶層7被布置為與襯底(未示出)的表面(xy平面)平行。磁化寫入層6被布置在籽晶層7的上側(+z側)，以致籽晶層7被磁化寫入層6覆蓋。蓋層5被布置在磁化寫入層6的上側(+z側)，以致磁化寫入層6被蓋層5覆蓋。此處，磁寫入部22可包括作為被布置在磁寫入部22的上偵儀+z側)上的磁隧道結部21的基底的基層4?；鶎?被布置在蓋層5的上側(+z側)，以致蓋層5被基層4覆蓋。
[0290]順便提及，在磁隧道結部21中，磁化自由層3和磁化參考層I之間的上側和下側的布置關系可以相反。此外，磁寫入部22和磁隧道結部21之間的上側和下側的布置關系可以相反。
[0291]上電極11連接至磁化參考層I。上電極11以位線為例。下電極8a連接至籽晶層7的一側(-X側)末端的下側(-Z側)，且下電極Sb連接至籽晶層7另一側(+X側)末端的下偵儀-Z側)。下電極8a和Sb分別連接至選擇晶體管Tr (未示出)，且可將電流通過籽晶層7從下電極8a和8b中的一個向另一個而施加至磁化寫入層6。
[0292]籽晶層7由不同于蓋層5的材料的材料組成(或具有不同于蓋層5的厚度的厚度)，以致使Rashba磁場(下文說明)產(chǎn)生在磁化寫入層6中。此外，因為籽晶層7被布置在磁化寫入層6和下電極8a和Sb之間，因此籽晶層7由導電膜(例如金屬膜)組成，以致電流可容易地穿過。但是，籽晶層7優(yōu)選由可防止寫入電流不流過磁化寫入層6而選擇性流過籽晶層7的材料組成。籽晶層7以Ta膜、Pt膜、Cr膜、Ti膜及其疊層膜為例。如果籽晶層7足夠薄，則籽晶層7可以是非導電膜(例如絕緣膜)，這是因為電流可流動而沒有任何問題。
[0293]磁化寫入層6是具有垂直磁各向異性的鐵磁膜。磁化寫入層6具有大致均勻地磁化M2，其方向可通過Rashba磁場改變。在本附圖的示例中，磁化寫入層6具有大致+z方向的磁化方向，且可改變磁化方向以便具有土y方向的分量。磁化寫入層6被大致均勻地磁化。即，在磁化寫入層6中基本上不存在磁疇壁。磁化寫入層6以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜、CoFeB膜、FePt膜、CoPt系合金膜為例。磁化寫入層6優(yōu)選非常薄，以致使得要產(chǎn)生Rashba磁場。例如,磁化寫入層6優(yōu)選具有從約0.5nm至約1.5nm的膜厚。在小于0.5nm的膜厚的情況下，難以控制薄膜形成。與常用MTJ中的磁化自由層(或自由層)的幾個nm (例如約5nm)相比,該膜厚較薄且為零點幾個nm。或者,該膜厚類似于常規(guī)MTJ中勢壘層的膜厚。
[0294]蓋層5由不同于籽晶層7的材料的材料組成(或具有不同于籽晶層7的厚度的厚度)，以致使磁化寫入層6中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。當籽晶層7是導電膜(例如金屬膜)時，蓋層5優(yōu)選是非導電膜(例如絕緣膜)。蓋層5以Al2O3膜、MgO膜以及其他氧化物為例。當籽晶層7是非導電膜時，蓋層5優(yōu)選是導電膜。
[0295]磁化自由層3是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取+y方向的磁化狀態(tài)以及-y方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜、NiFeCo膜及其疊層膜為例。使磁化自由層3的易磁化軸成為I方向的方法是使用形狀各向異性的方法，其是一種使磁化自由層3的縱軸成為y方向的方法；使用晶體磁各向異性的方法；以及使用應力感應磁各向異性的方法。此處，易磁化軸的方向無需準確地為y方向。例如，易磁化軸的方向具有在面內(nèi)方向上相對于y軸45度的角度。
[0296]磁化參考層I是由具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜組成。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-y方向。對于磁化參考層I的材料來說，使用類似于磁化自由層3的材料。此外，通過使用諸如PtMn膜、IrMn膜、FeMn膜、NiO膜的反鐵磁材料，使磁化固定。而且，對于磁化參考層I來說，可使用合成鐵磁結構，其中通過Ru膜等層疊諸如CoFe膜的磁層。這種合成鐵磁結構用于降低來自磁化參考層I的漏磁場。磁化參考層I以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜、NiFeCo膜及其疊層膜為例。
[0297]磁化自由層3的基層4以Ta膜為例。但是，不是必須提供基層4。此外，如果需要，則金屬膜可被提供在上電極11和磁隧道結部21之間。
[0298]磁存儲元件9具有磁化寫入層6的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造。在本附圖的示例中，籽晶層7接合至磁化寫入層6的下側(-ζ側)的邊界，且由不同于籽晶層7的材料的材料組成的蓋層5接合至磁化寫入層6的上側(+ζ側)的邊界。即，在磁化寫入層6中，空間對稱相對于ζ方向被打破。在這種情況下，當使電流在磁化寫入層6中的面內(nèi)方向(例如X方向)上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場在電流的方向(X方向)和空間對稱被打破的方向(Z方向)的叉積的方向(y方向)上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化寫入層6的磁化的電子。這種有效磁場被稱為Rashba磁場。
[0299]在本實施例中，通過使用這種Rashba磁場,使磁化寫入層6的磁化方向可變且使磁化自由層3的磁化可反轉。即，對磁隧道結部21執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。因此，磁化寫入層6中流動的電流是寫入電流?？赏ㄟ^使用用于籽晶層7和蓋層5中的一種的氧化物來提高產(chǎn)生有效磁場的這種效果。例如，眾所周知的是，在籽晶層7的構造中，磁化寫入層6和蓋層5=Pt膜、Co膜和AlOx膜，對于每108A/cm2寫入電流，基于自旋軌道相互作用的有效磁場高達kOe級。因此可降低寫入電流。
[0300]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-y方向。此外，假設當磁隧道結部21的磁化自由層3的磁化Ml為-y方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當磁化自由層3的磁化Ml為+y方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0301]將說明對磁存儲元件9的數(shù)據(jù)寫入。
[0302]首先，將說明將數(shù)據(jù)“ I ”寫入磁存儲元件9中的情況。圖36A和36B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖36A和36B示出在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作之后的情況。
[0303]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Iwa在-X方向上從下電極Sb穿過磁化寫入層6流至下電極8a。此時，如上所述，磁化寫入層6的下側(-ζ側)處的邊界接合至籽晶層7，且上側(+ζ方向)處的邊界接合至蓋層5。因此，磁化寫入層6的兩側處的邊界具有不同結構。即，在磁化寫入層6中，空間對稱相對于ζ方向被打破。因此，當使寫入電流Iwa在-X方向上在磁化寫入層6的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwci (Rashba磁場)在寫入電流Iwci的方向(x方向)和空間對稱被打破的方向(ζ方向)的叉積的方向(y方向)上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化寫入層6的磁化的電子。例如，在籽晶層7、磁化寫入層6以及蓋層5是Pt、Co和AlOx且使寫入電流Iwa在-X方向上流動的情況下，在+y方向上產(chǎn)生磁場Hiwa (Rashba磁場)。但是,方向是_y方向還是+y方向取決于材料。本附圖的不例不出在-y方向上產(chǎn)生磁場Hiwa (Rashba磁場)。磁場Hiwa作用于+z方向上的磁化寫入層6的磁化M2，以使磁化M2轉變成_y方向。因此，磁化寫入層6的在+z方向上的磁化M2向-y方向傾斜(具有_y方向的分量)。因此在磁化寫入層6的_y方向上的側面產(chǎn)生磁極(+)。通過基于此磁極的漏磁場Hu，即通過此磁極和磁化自由層3的磁化Ml之間的靜態(tài)磁耦合，可反轉具有y方向上的易磁化軸的磁化自由層3的磁化Ml。以此方式，執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入，如圖36A和36B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)。
[0304]以下，將說明將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9中的情況。圖37A和37B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖37A和37B示出在磁存儲元件9中執(zhí)行數(shù)據(jù)“0”的寫入操作之后的情況。
[0305]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Ik2在+X方向上從下電極Sb穿過磁化寫入層6流至下電極8a。此時，如上所述(本附圖示出在_y方向上產(chǎn)生磁場Hiwa的不例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hik2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化寫入層6的磁化的電子。磁場Hik2作用于+z方向上的磁化寫入層6的磁化M2，以使磁化M2轉變成+y方向。因此,磁化寫入層6的在+z方向上的磁化M2向+y方向傾斜(具有+y方向的分量)。因此在磁化寫入層6的+y方向上的側面產(chǎn)生磁極(+ )。通過基于此磁極的漏磁場氏2，即通過此磁極和磁化自由層3的磁化Ml之間的靜態(tài)磁耦合，可反轉具有y方向上的易磁化軸的磁化自由層3的磁化Ml。以此方式，執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入，如圖37A和37B中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)。
[0306]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。此外，電流Ik的方向和磁化M2的傾斜方向之間的關系取決于籽晶層7的材料和蓋層5的材料的選擇。
[0307]以下將說明從磁存儲元件9讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取方法與用于包括磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I的磁隧道結部21 (MTJ)的常用讀取方法相同。例如，使具有恒定電流值的讀取電流在上電極11和下電極8a之間，即在磁隧道結部21中流動。隨后，通過將參考電壓與由讀取電流在上電極11和下電極8a之間產(chǎn)生的電壓進行比較，讀取磁隧道結部21的磁阻值，即作為磁化自由層3的磁化方向的數(shù)據(jù)。
[0308]順便提及，磁化寫入層6的平面形狀不僅可以是矩形，而且還可以是橢圓形、卵圓形以及矩形、橢圓形和卵圓形中每一個的一部分在它們的縱軸方向上凹陷的形狀。在這點上，磁化寫入層6的磁化方向不完全指向相同的一個方向。但是，因為在磁化寫入層6中沒有明顯的磁疇壁，因此本實施例被描述為磁化寫入層6是被均勻磁化的。
[0309]圖38是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50包括存儲單元陣列59、X選擇器51、Y電流源電路54、Y選擇器和電源電路56以及GND (接地端)57。這些元件不限于上述元件,只要這些元件具有類似于下述功能的功能。
[0310]存儲單元陣列59包括多個存儲單元10、多個位線11、多個第一寫入線12、多個第二寫入線13以及多個字線14。字線14在一端連接至X選擇器51并向X方向延伸。位線11在一端連接至GND (接地端)57，并向y方向延伸。第一寫入線12在一端連接至Y電流源電路54并向y方向延伸。第二寫入線13在一端連接至Y選擇器和電源電路56并向y方向延伸。多個存儲單元10與多個字線14和多個位線11之間的交點相對應地以矩陣形排列。存儲單元10包括兩個選擇晶體管Tr以及磁存儲元件9。其中一個選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第一寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極8a，且在柵極處連接至字線14。另一選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第二寫入線13，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極Sb，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。
[0311]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X選擇器51從多個字線14中選擇一個選擇字線
14。當執(zhí)行寫入操作時，Y選擇器和電源電路56從多個第二寫入線13中選擇一個選擇第二寫入線13，執(zhí)行供應寫入電流Iwa，并且在執(zhí)行讀取操作時，執(zhí)行供應或拉取讀取電流Ικ。當執(zhí)行寫入操作時，Y電流源電路54從多個第一寫入線12中選擇一個選擇第一寫入線12并供應寫入電流ΙΚ2。X選擇器51、Υ電流源電路54、Υ選擇器和電源電路56 (以及GND (接地端)57)應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0312]這種磁存儲器可用于單 個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0313]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲器的操作。在寫入操作中，首先，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器和電源電路56選擇一個選擇第二寫入線13。此外，Y電流源電路54選擇一個選擇第一寫入線11。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元
10。隨后，Y選擇器和電源電路56執(zhí)行為寫入單元10供應寫入電流ΙΚ1。或Y電流源電路54執(zhí)行為寫入單元10供應寫入電流ΙΚ2。此時，電流路徑是Y選擇器和電源電路56-選擇第二寫入線13-寫入單元10-選擇第一寫入線12-Υ電流源電路54。因此，寫入電流Iwa或寫入電流Ik2施加至寫入單元10的磁化寫入層6，且有效磁場Hiki或有效磁場Hik2施加至磁化寫入層6。隨后，基于這些，所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化可通過磁化寫入層6的漏磁場Hu或凡2而被反轉。在本電路構造中，不存在半選擇問題。
[0314]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器和電源電路56選擇一個選擇第二寫入線13。根據(jù)上述操作，選擇了要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。Y選擇器和電源電路56執(zhí)行供應或拉取讀取電流Ικ。此時，電流路徑是Y選擇器和電源電路56-選擇第二寫入線13-讀取單元10-選擇位線Il-GND _地端)。因此，讀取電流在讀取單元10的磁隧道結部21中流動。因此，例如，通過使用連接至Y選擇器和電源電路56等的讀出放大器(此處未示出)可檢測磁隧道結21的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0315]將說明根據(jù)本實施例的磁存儲元件的變型示例。圖39是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的一個變型示例的局部側視圖。本附圖僅示出磁存儲元件9中的磁寫入部22。磁寫入部22包括多個磁寫入部22-1，…，22-(η-1)，22-η (η是自然數(shù))。各個磁寫入部22-1 (i=l至η)都包括籽晶層7、磁化寫入層6以及蓋層5。以此方式，因為磁寫入部22具有其中籽晶層、磁化寫入層和蓋層多次層疊的構造，因此增加了磁寫入部22的磁矩。因此，增加了在Rashba磁場工作時的漏磁場的總量。因此，可容易地反轉磁化自由層3。
[0316]本發(fā)明的原理，即基于自旋軌道相互作用的磁化寫入層6的磁化改變用于磁化自由層3的磁化反轉，不僅應用于上述單軸寫入方法，而且還應用于雙軸寫入方法以及作為輔助磁場用于自旋注入寫入方法。例如，通過在MTJ上方和下方提供兩個磁寫入部22，可實現(xiàn)具有低電流的雙軸寫入方法。此外，磁化寫入層6和磁化自由層3之間的耦合不限于上述靜態(tài)磁耦合，而且例如也可使用鐵磁耦合。
[0317]根據(jù)本發(fā)明，可提供其中無需引入磁疇壁且寫入電流較小的磁存儲器。
[0318]第六至第九實施例的構造可描述如下。但是，第六至第九實施例不限于下述示例。
[0319](I) 一種磁存儲器,包括:
[0320]基層；
[0321]覆蓋基層的磁化自由層，構造為具有可反轉的磁化并被大致均勻地磁化；
[0322]覆蓋磁化自由層的勢壘層，構造為由與基層的材料不同的材料組成；以及
[0323]磁化參考層，構造為布置在與磁化自由層的一端相對應的勢壘層的一端上并具有固定磁化，
[0324]其中，當磁化自由層的磁化反轉時，使第一寫入電流在面內(nèi)方向上從磁化自由層的一端經(jīng)過磁化參考層流至另一端。
[0325](2)根據(jù)上述(I)的磁存儲器，還包括:
[0326]第一電極，構造為布置在與磁化自由層的另一端相對應的基層的一端，
[0327]其中，第一寫入電流在面內(nèi)方向上從磁化參考層和第一電極中的一個經(jīng)過磁化自由層流至另一個。
[0328]( 3 )根據(jù)上述(2 )的磁存儲器，其中，磁化參考層和磁化自由層具有垂直磁各向異性。
[0329](4)根據(jù)上述(2)的磁存儲器，其中，磁化參考層和磁化自由層具有面內(nèi)磁各向異性，
[0330]其中，磁化自由層的膜厚方向上的向量和第一寫入電流的方向上的向量的叉積具有與磁化自由層的磁化方向平行的分量。
[0331](5)根據(jù)上述(I)的磁存儲器，還包括:
[0332]第一和第二電極，構造為布置在與磁化自由層的一端和另一端相對應的基層的一端和另一端，
[0333]其中，當磁化自由層的磁化反轉時，除第一寫入電流之外，還使第二寫入電流從第一和第二電極中的一個流至另一個。
[0334](6)根據(jù)上述(5)的磁存儲器，其中，磁化參考層和磁化自由層具有垂直磁各向異性。
[0335](7)根據(jù)上述(5)的磁存儲器，其中，磁化參考層和磁化自由層具有面內(nèi)磁各向異性，
[0336]其中，磁化自由層的膜厚方向上的向量和第一寫入電流的方向上的向量的叉積具有與磁化自由層的磁化方向平行的分量。
[0337]第十實施例的構造可如下描述。但是，第十實施例不限于以下示例。
[0338](I) 一種磁存儲器,包括:[0339]磁隧道結部；以及
[0340]構造為布置在磁隧道結部附近的磁寫入部，
[0341]其中，磁隧道結部包括:
[0342]構造為具有可反轉地磁化地磁化自由層，
[0343]構造為布置在磁化自由層上的勢壘層，以及
[0344]構造為布置在勢壘層上并具有固定磁化的磁化參考層，
[0345]其中，磁寫入部包括:
[0346]籽晶層，
[0347]覆蓋籽晶層的磁化寫入層，構造為被大致均勻地磁化，以及
[0348]覆蓋磁化寫入層的蓋層，構造為由不同于籽晶層的材料的材料組
[0349]成，
[0350]其中，當磁化自由層的磁化反轉時，使寫入電流在面內(nèi)方向上從
[0351]磁化寫入層的一端流至另一端。
[0352](2)根據(jù)上述(I)的磁存儲器，還包括:
[0353]構造為布置在籽晶層的兩端的第一和第二電極，
[0354]其中，寫入電流從第一和第二電極中的一個流至另一個。
[0355]( 3 )根據(jù)上述(I)或(2 )的磁存儲器，其中，磁化自由層和磁
[0356]化參考層具有面內(nèi)磁各向異性，并且
[0357]其中，磁化寫入層具有垂直磁各向異性。
[0358](4)根據(jù)上述(3)的磁存儲器，其中，磁化自由層和磁化寫入
[0359]層磁化耦合，并且
[0360]其中，通過來自磁化寫入層的漏磁場使磁化自由層的磁化可反轉。
[0361](5)根據(jù)上述(I)至(4)中一個的磁存儲器，
[0362]其中，籽晶層和蓋層中的一個包括金屬材料且另一個包括氧化物。
[0363](6)根據(jù)上述(I)至(5)中一個的磁存儲器，
[0364]其中，在磁寫入部中，籽晶層、磁化寫入層以及蓋層都層疊多次。
[0365]這種磁存儲器以磁隨機存取存儲器(MRAM)為例，且不僅可用于單個存儲器(MRAM)，而且還可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲部和邏輯部(未示出)的半導體器件)等等。
[0366]雖然上文已經(jīng)結合本發(fā)明的若干實施例對本發(fā)明進行了說明，但是對于本領域技術人員來說顯而易見的是提供上述實施例僅用于說明本發(fā)明，且不應解釋為對隨附權利要求的限制。
[0367]本發(fā)明不限于上述各個實施例。顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對上述各個實施例進行變型和改變。此外，如果不存在技術上的矛盾，則上述各個實施例中所述的技術可應用至其他實施例。
[0368]本申請基于2011年3月22日提交的日本專利申請N0.2011_061930、2011年3月22日提交的日本專利申請N0.2011-061939以及2011年3月30日提交的日本專利申請N0.2011-076361，并要求這些申請的優(yōu)先權，上述申請的內(nèi)容通過弓I用整體并入本文。
【權利要求】
1.一種磁存儲器，包括: 基層; 覆蓋所述基層的磁化自由層，所述磁化自由層被構造為具有可反轉的磁化并被大致均勻地磁化； 覆蓋所述磁化自由層的勢壘層，所述勢壘層被構造為由與所述基層的材料不同的材料組成；以及 磁化參考層，所述磁化參考層被構造為布置在所述勢壘層上并具有固定磁化， 其中，當所述磁化自由層的磁化反轉時，使第一寫入電流在不經(jīng)過所述磁化參考層的情況下在面內(nèi)方向上從所述磁化自由層的一端流至另一端。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，還包括: 第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極被構造為布置在所述基層的兩端， 其中，所述第一寫入電流從所述第一電極和所述第二電極中的一個流至所述第一電極和所述第二電極中的另一個。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，還包括: 被構造為布置在所述磁化自由層附近的布線線路， 其中，當所述磁化自由層的磁化反轉時，進而，通過使用所述布線線路中流動的第二寫入電流在所述磁化自由層附近產(chǎn)生電流感應磁場。
4.根據(jù)權利要求3所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有垂直磁各向異性，并且 其中，所述布線線路被布置在從所述磁化自由層上方的位置移位的位置處。
5.根據(jù)權利要求3所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有面內(nèi)磁各向異性，并且 其中，所述布線線路布置在所述磁化自由層上方的位置處。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有面內(nèi)磁各向異性，并且 其中，所述磁化自由層的膜厚方向上的向量和所述第一寫入電流的流動方向上的向量的叉積具有與所述磁化自由層的磁化方向平行的分量。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有垂直磁各向異性，并且 其中，所述磁化自由層具有使得所述第一寫入電流在所述磁化自由層中不均勻分布的形狀。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有垂直磁各向異性，并且 其中，所述磁化自由層具有反轉核容易出現(xiàn)在所述磁化自由層的一部分中的區(qū)域。
9.根據(jù)權利要求2所述的磁存儲器，其中，所述第一電極和所述第二電極相對于所述磁化自由層不對稱。
10.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，其中，在所述磁化自由層中，易磁化軸相對于所述磁化自由層的膜表面指向垂直和面內(nèi)之間。
11.根據(jù)權利要求10所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層是層疊了垂直各向異性材料膜和面內(nèi)各向異性材料膜的疊層膜。
【文檔編號】H01L29/82GK103460374SQ201180069469
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年10月14日 優(yōu)先權日:2011年3月22日
【發(fā)明者】鈴木哲廣 申請人:瑞薩電子株式會社
【專利摘要】一種磁存儲器，包括：基層；磁化自由層；勢壘層；以及磁化參考層。覆蓋基層的磁化自由層具有可反轉的磁化并被大致均勻地磁化。覆蓋磁化自由層的勢壘層由不同于基層的材料的材料組成。磁化參考層被布置在勢壘層上并具有固定磁化。當磁化自由層的磁化反轉時，使第一寫入電流在不經(jīng)過磁化參考層的情況下在面內(nèi)方向上從磁化自由層的一端流至另一端。
【專利說明】磁存儲器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁存儲器且更具體地涉及一種利用自旋軌道相互作用的磁存儲器。
【背景技術】
[0002]已經(jīng)積極地進行了針對使用磁隧道結(MTJ)的磁存儲器的研究和開發(fā)。磁存儲器具有優(yōu)越的特性，諸如高速寫入、無限次重寫以及非易失性。因此，期望磁存儲器不僅能應用于單片存儲器，而且也能應用于微型計算機等的嵌入式存儲器。對于磁存儲器來說，以磁隨機存取存儲器(MRAM)為例。
[0003]對于MRAM的典型存儲單元來說，日本專利公布JP特開平10-4227A (專利文獻1:對應于美國專利N0.US5, 650, 958)中公開了可控制磁響應的磁隧道結(MTJ)。這種磁隧道結包括第一電極、第二電極以及絕緣隧道層。第一電極包括襯底、釘扎鐵磁層(磁化參考層)以及反鐵磁層。釘扎鐵磁層形成在襯底上且是平坦的。反鐵磁層鄰近地接觸釘扎鐵磁層，將釘扎鐵磁層的磁化方向釘扎在優(yōu)選方向上，并在外加磁場的存在下防止磁化方向旋轉。第二電極包括平坦的自由鐵磁層(磁化自由層)，其磁化方向能在外加磁場的存在下自由地旋轉。絕緣隧道層(勢壘層)被布置在釘扎鐵磁層和自由鐵磁層之間并允許隧道電流在垂直于釘扎鐵磁層和自由鐵磁層的方向上流動。絕緣隧道層具有側部周邊，以便釘扎鐵磁層或自由鐵磁層不延伸超過側部周邊。釘扎鐵磁層和自由鐵磁層不與絕緣隧道層重疊且保持在其間具有間隔的相應平面中。
[0004]這種存儲單元將一位數(shù)據(jù)存儲為磁化自由層的自發(fā)磁化的方向。例如，磁化自由層的自發(fā)磁化方向和磁化參考層的磁化方向平行的狀態(tài)可對應于“0”狀態(tài)，且它們反平行的狀態(tài)可對應于“ I ”狀態(tài)?；诖抛栊?，通過檢測存儲單元的電阻變化來執(zhí)行從存儲單元的數(shù)據(jù)讀取。當電流在垂直于磁隧道結的膜表面的方向上流動來檢測電阻時，例如，在“0”狀態(tài)下電阻較低且在“I”狀態(tài)下電阻較高。因此，例如，通過以介于低電阻和高電阻中間的值提供參考電阻并將其與數(shù)據(jù)的電阻進行比較，就能確定數(shù)據(jù)的狀態(tài)。
[0005]通過使寫入電流流過布置在存儲單元陣列中的布線線路并施加由寫入電流產(chǎn)生的電流感應磁場，來對存儲單元執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。例如，使寫入電流在布置為在MTJ上和下彼此垂直的字線和位線中流動，并通過使用由兩個電流產(chǎn)生的組合磁場來反轉磁化自由層的磁化。這種方法被稱為雙軸寫入方法。在這種寫入方法中，僅在所選字線和所選位線交叉的位置處的存儲單元中，磁化被反轉。
[0006]即使在僅有一條用于寫入的布線線路的情況下也能執(zhí)行對存儲單元的數(shù)據(jù)寫入。例如，位線被布置在MTJ下且通過由位線電流感應的磁場來反轉磁化自由層的磁化。這種方法被稱為單軸寫入方法。此處，在這種寫入方法中，需要通過存儲單元中的開關選擇要被寫入的存儲單元。例如，日本專利N0.JP3888463B (專利文獻2:對應于美國專利N0.US7, 184，30IB)公開了一種存儲單元和一種磁隨機存取存儲器。這種存儲單元包括第一晶體管和磁阻元件。第一晶體管包括第一柵極、作為第一柵極之外的一個端子的第一端子以及作為另一端子的第二端子。磁阻元件(MTJ)具有其磁化方向基于要被存儲的數(shù)據(jù)而反轉的自發(fā)磁化，且包括作為一個端子的第三端子以及作為另一端子的第四端子。第一端子連接至第一位線。第二端子連接至第二位線。第一柵極連接至第一字線。第三端子連接至第二字線。第四端子連接至第二端子。此外，存儲單元可包括提供在第一晶體管和第二位線之間的第二晶體管，且第二晶體管包括第二柵極、作為除第二柵極之外的一個端子的第五端子以及作為另一端子的第六端子。此處，第五端子連接至第二位線。第六端子連接至第二端子。第二柵極連接至第一字線。第三端子連接至接地而不是連接至第二字線。即，公開了采用兩個晶體管和一個MTJ的具有2Tr-lMTJ型構造的存儲單元。
[0007]對于采用除用于對存儲單元進行數(shù)據(jù)寫入的電流感應磁場之外的原理的方法來說，提出一種采用自旋軌道相互作用的磁化反轉方法。例如，日本專利公布N0.JP2009-239135A (專利文獻3)公開了一種磁存儲單元、使用其的磁存儲器件以及磁存儲方法。這種磁存儲單元具有其磁化狀態(tài)被固定的第一磁層(磁化參考層)作為參考層、其磁化狀態(tài)可變的第二磁層(磁化自由層)作為數(shù)據(jù)存儲層，以及夾持在第一磁層和第二磁層之間的隧道勢壘層(勢壘層)。在這種存儲單元中，當?shù)诙艑拥拇呕癄顟B(tài)改變時，控制第二磁層的自旋軌道相互作用。用于施加電壓以控制自旋軌道相互作用的自旋軌道相互作用控制電極可提供在第二磁層中。即，公開了一種存儲單元的構造，其中控制自旋軌道相互作用的電極在磁化自由層的側向上被布置在兩端，且基于自旋軌道相互作用，通過在垂直于側向的向上/向下方向上流動的較小電流使磁層中的磁疇壁移動。非專利文獻I (PhysicalRev.(物理評論)B，第77卷，214429 (2008))以及非專利文獻2 (Nature Mat.(自然材料學)第9卷，p230 (2010))中也公開了一種有效磁場和基于自旋軌道相互作用的磁疇壁運動。
[0008]對于相關技術來說，日本專利公布N0.JP2008-166689A (專利文獻4:對應于美國專利N0.US7, 608, 901B)公開了一種使用漏磁場的自旋晶體管。這種使用漏磁場的自旋晶體管包括半導體襯底部、第一電極和第二電極、源極和漏極以及柵極。半導體襯底部具有溝道層。第一和第二電極沿溝道的縱向以預定間隔分離地布置在襯底部上。源極和漏極由以預定間隔分離地布置并沿第一和第二電極之間的溝道的縱向被磁化的鐵磁體組成。柵極形成在源極和漏極之間的襯底部上并調整穿過溝道的電子的自旋方向。穿過溝道層的電子的自旋通過源極下部的源極的漏磁場而被一致化并通過漏極下部的漏極的漏磁場被篩選。
[0009]此外，日本專利公布N0.JP2007-81359A (專利文獻5:對應于美國專利N0.US7, 307，299B)公開了一種使用自旋軌道耦合感應磁場的自旋晶體管。這種自旋晶體管包括襯底部、源極和漏極以及柵極。溝道形成在襯底部中。源極和漏極分離地布置在襯底部上并由其磁化方向相同的鐵磁材料組成。柵極形成在襯底部上并調整穿過溝道的電子的自旋方向。源極和漏極的磁化方向垂直于溝道的縱向。
[0010]而且，國際公布N0.W02007/111319A (專利文獻6)公開了一種使用自旋注入寫入方法的MRAM。這種MRAM包括第一磁阻元件和讀取電路。第一磁阻元件包括依次層疊的第一固定鐵磁層(磁化參考層)、第一非磁層(勢魚層)以及第一自由鐵磁層(磁化自由層)。在第一磁阻元件中，可以作為通過使用自旋注入進行改變的第一自由鐵磁層的磁化方向寫入數(shù)據(jù)。在讀取操作中，讀取電路基于第一磁阻元件的阻值讀取第一磁阻元件的數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^使讀取電流在第一固定鐵磁層和第一自由鐵磁層之間流動來獲取該阻值。通過施加讀取電流并多次讀取數(shù)據(jù)，讀取電路基于之前的讀取數(shù)據(jù)在多次中的第二次和后續(xù)次確定一個讀取數(shù)據(jù)并確定讀取電流的施加方向，以使得自由鐵磁層的磁化不被反轉。
[0011]引用文獻列表
[0012]專利文獻
[0013][PTLI] JP 特開平 10-4227A
[0014][PTL2]JP3888463B
[0015][PTL3]JP2009-239135A
[0016][PTL4]JP2008-166689A
[0017][PTL5]JP2007-81359A
[0018][PTL6]W02007/111319A
[0019]非專利文獻
[0020][NPLI]K.0bata等人，“Rashba自旋軌道系統(tǒng)中的電流感應磁疇壁運動”，PhysicalRev.(物理評論)B，第 77 卷，214429 (2008)。
[0021][NPL2] 1.M.Miron等人，“由鐵磁金屬層中的Rashba效應感應的電流驅動自旋轉矩”，Nature Mat.(自然材料學)第9卷，p230 (2010)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0022]在使用布線線路的電流感應磁場的上述雙軸寫入方法(專利文獻I)和單軸寫入方法(專利文獻2)中，存在的問題是用于數(shù)據(jù)寫入的所需電流較大?；诎才喽桑稍诰哂袑挾萕和厚度T的布線線路中流動的電流I產(chǎn)生并正好位于布線線路下的磁場H由H=I/(2 (W+T))表示。例如，在布線線路具有寬度W=IOOnm和厚度T=IOOnm的情況下，其對應于產(chǎn)生310e/mA的磁場H。考慮到抵擋熱擾動的保持能力，取決于元件的小型化，反轉磁化自由層所需的磁場傾向于增大。因此，需要具有幾個毫安級的寫入電流。較大的寫入電流致使電功耗增大。此外，在雙軸寫入方法的情況下，這使得由于形成在單元陣列外部的單元選擇晶體管的面積增大而致使單元占用率降低。在單軸寫入方法的情況下，這使得由于形成在單元陣列內(nèi)部的單元選擇晶體管的面積增大而致使單元陣列的面積增大。以此方式，較大的寫入電流致使器件規(guī)格的劣化。
[0023]另一方面，在使用由自旋軌道相互作用產(chǎn)生的磁疇壁運動的磁化反轉方法(專利文獻3)中，存在的問題是如何引入磁疇壁。
[0024]本發(fā)明的磁存儲器包括:基層；磁化自由層；勢壘層；以及磁化參考層。覆蓋基層的磁化自由層具有可反轉的磁化且被大致均勻地磁化。覆蓋磁化自由層的勢壘層由不同于基層材料的材料組成。磁化參考層被布置在勢壘層上并具有固定磁化。當磁化自由層的磁化反轉時，使第一寫入電流在不通過磁化參考層的情況下在面內(nèi)方向上從磁化自由層的一端流至另一端。
[0025]本發(fā)明的磁存儲器具有磁化自由層的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造。即，在磁化自由層中，打破空間對稱。在這種情況下，當使第一寫入電流在磁化自由層中的面內(nèi)方向上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場會在第一寫入電流的方向與打破空間對稱的方向的叉積的方向上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層的磁化的電子。因此，通過至少使用Rashba磁場，可反轉被大致均勻地磁化的磁化自由層的磁化。因此，數(shù)據(jù)可被寫入磁化自由層中。產(chǎn)生Rashba磁場的第一寫入電流與常規(guī)寫入電流相比非常小。即，可使寫入電流較小。此外，磁化自由層被大致均勻地磁化且因此無需引入磁疇壁。因此無需初始化步驟。
[0026]根據(jù)本發(fā)明，可提供其中無需引入磁疇壁且寫入電流較小的磁存儲器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]結合附圖，從實施例(示例)的說明將使本發(fā)明的上述和其他目的、優(yōu)點和特征變得更加顯而易見，其中:
[0028]圖1A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0029]圖1B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0030]圖1C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0031]圖2A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0032]圖2B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0033]圖2C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0034]圖3A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0035]圖3B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0036]圖3C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0037]圖4是示出數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值的輪廓的曲線圖；
[0038]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；
[0039]圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的寫入操作的流程圖；
[0040]圖7A是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的布局構造的局部截面圖；
[0041]圖7B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的布局構造的局部截面圖；
[0042]圖8A是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0043]圖8B是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0044]圖8C是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0045]圖9A是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0046]圖9B是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0047]圖1OA是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0048]圖1OB是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0049]圖1lA是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0050]圖1lB是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0051]圖1lC是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0052]圖12A是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0053]圖12B是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0054]圖12C是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0055]圖13A是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0056]圖13B是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0057]圖13C是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0058]圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；
[0059]圖15A是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0060]圖15B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；[0061]圖15C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0062]圖16A是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0063]圖16B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0064]圖16C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0065]圖17A是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0066]圖17B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0067]圖17C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的平面圖；
[0068]圖18A是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁化自由層的構造示例的平面圖；
[0069]圖18B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁化自由層的構造示例的平面圖；
[0070]圖18C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁化自由層的構造示例的平面圖；
[0071]圖18D是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁化自由層的構造示例的平面圖；
[0072]圖19A是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0073]圖19B是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0074]圖20A是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0075]圖20B是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0076]圖21A是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0077]圖21B是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0078]圖22是示出數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值的輪廓的曲線圖；
[0079]圖23A是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0080]圖23B是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0081]圖24是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0082]圖25是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0083]圖26是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；
[0084]圖27A是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0085]圖27B是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的構造的平面圖；
[0086]圖28是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0087]圖29是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0088]圖30是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0089]圖31是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0090]圖32是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0091]圖33是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；
[0092]圖34是示出根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0093]圖35A是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的正視圖；
[0094]圖35B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的側視圖；
[0095]圖36A是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0096]圖36B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0097]圖37A是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖；
[0098]圖37B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的側視圖；
[0099]圖38是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲器的構造的示例的框圖；以及[0100]圖39是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的變型例的局部側視圖。
【具體實施方式】
[0101]以下將參考【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的實施例的磁存儲器。
[0102](第一實施例)
[0103]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器。
[0104]在本實施例中，在雙軸寫入方法中，通過不使用采用兩個布線線路的電流感應磁場而是使用采用單一布線線路的電流感應磁場以及使用基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場:下文進行說明)來降低寫入電流。
[0105]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖1A至IC是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖以及平面圖。磁存儲元件9包括基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層1、上電極11以及下電極5a和5b o
[0106]基層4被布置為與襯底(未示出)的表面(xy平面)平行。磁化自由層3被布置在基層4的上側(+z側)上，以致基層4被磁化自由層3覆蓋。勢壘層2被布置在磁化自由層3的上側(+z側)上，以致磁化自由層3被勢壘層2覆蓋。磁化參考層I被布置在勢壘層2的上側(+z側)上。勢壘層2的所有上表面不必都被磁化參考層I覆蓋。磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I構成MTJ (磁隧道結)7。磁存儲元件9通過使用MTJ7的磁化自由層3的磁化方向來存儲數(shù)據(jù)。
[0107]上電極11連接至磁化參考層I。上電極11是用于在磁化自由層3附近產(chǎn)生電流感應磁場的寫入電流的布線線路，且以位線為例。下電極5a連接至一側(-X側)端部的下偵儀-Z側)，且下電極5b連接至另一側(+X側)端部的下側(-Z側)。下電極5a和5b分別連接至選擇晶體管Tr (下文說明)，且可將電流通過基層4從下電極5a和5b中的一個向另一個施加至磁化自由層3。
[0108]基層4由不同于勢壘層2的材料的材料組成，以使要在磁化自由層3中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。此外，因為基層4被布置在磁化自由層3和下電極5a和5b之間，因此基層4優(yōu)選為導電膜，以致電流能容易地穿過基層4。但是，基層4優(yōu)選由可防止寫入電流選擇性流過基層4而不流過磁化自由層3的材料組成?；鶎?以Ta膜、Pt膜及其疊層膜為例。
[0109]磁化自由層3是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取+X方向的磁化狀態(tài)以及-X方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3被大致均勻地磁化。即，在磁化自由層中基本上不存在磁疇壁。磁化自由層3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。磁化自由層3優(yōu)選非常薄，以致要產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。例如,磁化自由層3優(yōu)選具有從約0.5nm至約1.5nm的膜厚。在小于0.5nm的膜厚的情況下，難以控制膜形成。與常用MTJ中的磁化自由層(或自由層)的幾個nm (例如約5nm)相比，該膜厚較薄且為零點幾個nm。
[0110]勢壘層2由不同于基層4的材料的材料組成，以致要在磁化自由層3中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。此外，勢壘層2由非磁膜形成，因為勢壘層2被提供作為MTJ7中的隧道勢壘層。勢壘層2以諸如Al2O3膜和MgO膜的絕緣膜為例。相對于磁化自由層3的上述示例性膜厚，勢壘層2優(yōu)選具有例如從約1.0nm至約2.0nm的膜厚。即，該膜厚類似于磁化自由層3的膜厚。
[0111]磁化參考層I是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-X方向。磁化參考層I以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。
[0112]磁存儲元件9具有磁化自由層3的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造。在本附圖的示例中，基層4接合至磁化自由層3的下側(-Z側)的邊界，且由不同于基層4的材料的材料組成的勢壘層2接合至磁化自由層3的上側(+z側)的邊界。即，在磁化自由層3中，空間對稱相對于z方向被打破。在這種情況下，當使電流在磁化自由層3中的面內(nèi)方向(例如X方向)上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場在電流的方向(X方向)和空間對稱被打破的方向(Z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。這種有效磁場被稱為Rashba磁場。在本實施例中，通過使用這種Rashba磁場以及使用基于上電極11的電流感應磁場，對MTJ7寫入數(shù)據(jù)，即執(zhí)行反轉磁化自由層3的磁化。
[0113]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-X方向。此外，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為-X方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為+X方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“I”。
[0114]將說明對磁存儲元件9的數(shù)據(jù)寫入。
[0115]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖2A至2C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖以及平面圖。圖2A至2C示出當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0116]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Iwe在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。同時,使寫入電流Iwb在+y方向上在上電極11中流動。此時，如上所述，磁化自由層3的下側(-Z側)處的邊界接合至基層4，且上側(+z方向)處的邊界接合至勢壘層2。因此，磁化自由層3的兩側處的邊界具有不同結構。S卩，在磁化自由層3中，空間對稱相對于z方向被打破。因此，當使寫入電流Iwc在-X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc (Rashba磁場)在寫入電流Iwc的方向(X方向)和空間對稱被打破的方向(z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。例如，在基層4、磁化自由層3以及勢壘層2是Ta、CoFeB以及MgO且使寫入電流Iwc在_x方向上流動的情況下,在_y方向上產(chǎn)生磁場Hlffc (Rashba磁場)(以下稱為第一不例)。在基層4、磁化自由層3以及勢魚層2是Pt、Co以及AlOx且使寫入電流Iwc在-X方向上流動的情況下,在+y方向上產(chǎn)生磁場HIWC(Rashba磁場)(以下稱為第二示例)。以此方式，方向是_y方向還是+y方向取決于材料。本附圖的不例不出在-y方向上產(chǎn)生磁場HIWC(Rashba磁場)。磁場Hiwc作用于+x方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以使磁化Ml轉變成_y方向。此外,通過上電極11中的寫入電流Iwb在磁化自由層3附近感應磁場Hiwb。磁場Hiwb作用于+X方向上的磁化自由層3的磁化Ml,以使磁化Ml轉變成-X方向。通過這兩個磁場的作用，+X方向上的磁化自由層3的磁化Ml轉變成-X方向，如箭頭Rl所示。即，從圖2A至2C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖3A至3C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0117]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖3A至3C是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖以及平面圖。圖3A至3C示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作的情況。
[0118]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Iw。在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。同時，使寫入電流Ito在_y方向上在上電極11中流動。此時，如上所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Ik在磁化自由層3的平面中在-X方向上流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc (Rashba磁場)在_y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hik作用于-X方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以便使磁化Ml轉變成_y方向。此外，通過上電極11中的寫入電流Iwb在磁化自由層3附近感應磁場Hiwb。磁場Hiwb作用于-X方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以便使磁化Ml轉變?yōu)?X方向。通過這兩個磁場的作用，-X方向上的磁化自由層3的磁化Ml轉變成+X方向，如箭頭R2中所示。即，從圖3A至3C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖2A至2C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0119]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。此外，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，-X方向以及+X方向都可用作用于使寫入電流Iwe流動的方向。
[0120]以下將說明從磁存儲元件9讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取方法與用于包括磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I的MTJ7的常用讀取方法相同。例如，使具有恒定電流值的讀取電流在上電極11和下電極5a之間，即在MTJ7中流動。隨后，通過將參考電壓與由讀取電流產(chǎn)生的在上電極11和下電極5a之間的電壓進行比較，讀取MTJ7的磁阻值，即作為磁化自由層3的磁化方向的數(shù)據(jù)。
[0121]這里，將說明在將數(shù)據(jù)寫入磁存儲元件9的情況下的反轉閾值(需要反轉的電流)。圖4是示出數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值的輪廓的曲線圖(星狀曲線)。垂直軸表示寫入電流Iwe(在磁存儲元件9中流動的電流)，且水平軸表示寫入電流Iwb (在上電極11中流動的電流)。本附圖示出出現(xiàn)在星狀曲線A上和外部的數(shù)據(jù)寫入。這里，在本附圖中，垂直軸比原始狀態(tài)延長約IO2倍。即，寫入電流Ik比寫入電流Iwb小約IO2倍。這是因為對于每個寫入電流Iwc=L OX 1012A/m2，基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場)高達kOe級。
[0122]例如，當對應于第一和第四象限中一個的電流從數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)施加時，該狀態(tài)變成數(shù)據(jù)“I”(執(zhí)行覆寫入)。當對應于第二和第三象限中一個的電流從數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)施加時，該狀態(tài)變成數(shù)據(jù)“0”(執(zhí)行重寫入)。正和負方向都可用作施加至磁化自由層3的電流(寫入電流Iwc)的方向。此時，假設電流接近Y軸，即寫入電流Iwc增大且寫入電流Ito明顯降低。如上所述，寫入電流Ik比寫入電流Iwb小約IO2倍。因此，認為寫入電流Iwc增大的影響遠小于寫入電流Iwb的降低的影響。即，因為寫入電流Iwb的降低影響非常大，因此，寫入電流的總量能夠非常小。因此，優(yōu)選寫入電流Ik和Iwb具有位于盡可能接近垂直軸在星狀曲線A上或外部的值。
[0123]順便提及，磁化自由層3的平面形狀不僅可以是如圖1C中所示的矩形，而且還可以是橢圓形、卵圓形以及矩形、橢圓形和卵圓形中每一個的一部分在它們的縱軸方向上凹陷的形狀。在這點上，磁化自由層3的磁化方向不完全指向相同的一個方向。但是，因為在磁化自由層3中沒有明顯的磁疇壁，因此本實施例被描述為磁化自由層3是被均勻磁化的。
[0124]此外，在上述說明中，假設磁化自由層3的磁各向異性的方向平行于上電極11的電流感應磁場Hito的方向(X方向)。但是，本實施例不限于該示例?？杉僭O磁化自由層3的磁各向異性的方向平行于Rashba磁場Hik的方向(y方向)。在這種情況下，通過使用在磁化自由層3中流動的寫入電流Iwe的極化特性，可控制數(shù)據(jù)“0”和“ I ”的寫入。
[0125]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50包括存儲單元陣列59、X選擇器51、Y選擇器52、位線選擇器53、Y電流源電路54以及位線電流源電路55。這些元件并不限于上述元件，只要這些元件具有類似于下述功能的功能。
[0126]存儲單元陣列59包括多個存儲單元10、多個位線11、多個第一寫入線12、多個第二寫入線13以及多個字線14。字線14在一端連接至X選擇器51，并向X方向延伸。位線11在一端連接至位線選擇器53，在另一端連接至位線電流源電路55，并向y方向延伸。第一寫入線12在一端連接至Y電流源電路54,并向y方向延伸。第二寫入線13在一端連接至Y選擇器52，并向y方向延伸。多個存儲單元10與多個字線14和多個位線11之間的交點相對應地以矩陣形排列。存儲單元10包括兩個選擇晶體管Tr以及磁存儲元件9。其中一個選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第一寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極5a，且在柵極處連接至字線14。另一選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第二寫入線13，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極5b，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。
[0127]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X選擇器51從多個字線14中選擇一個選擇字線14。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，Y選擇器52從多個第二寫入線13中選擇一個選擇第二寫入線13。當執(zhí)行寫入操作時，位線選擇器53從多個位線11中選擇一個選擇位線11。當執(zhí)行寫入操作時，Y電流源電路54從多個第一寫入線12中選擇一個選擇第一寫入線12并供應或拉取寫入電流Iw。。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，位線電流源電路55從多個位線11中選擇一個選擇位線11 (與位線選擇器53的選擇位線11相同)，供應或拉取寫入電流I?并供應或拉取讀取電流IK。由選擇位線11中流動的寫入電流I?產(chǎn)生的磁場施加至連接到選擇位線11的存儲單元10，且除寫入目標存儲單元10之外的存儲單元10都處于半選擇狀態(tài)(半選擇單元)。X選擇器51、Y選擇器52、位線選擇器53、Y電流源電路54以及位線電流源電路55應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0128]這種磁存儲器可用于單個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0129]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的操作。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的寫入操作的流程圖。在寫入操作中，首先，X選擇器51選擇一個選擇字線14(S01)。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器52選擇一個選擇第二寫入線13。而且，位線選擇器53選擇一個選擇位線11。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元10 (S02)。隨后，Y電流源電路54選擇一個選擇第一寫入線12，并對寫入單元10執(zhí)行供應或拉取寫入電流Iwe(S03)。此時，電流路徑是Y電流源電路54-選擇第一寫入線12-寫入單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器52。因此，寫入電流Iwc施加至寫入單元10的磁化自由層3，且有效磁場Hiwc施加至磁化自由層3。同時，位線電流源電路55對選擇位線11執(zhí)行供應或拉取寫入電流Im(S04)。此時，電流路徑是位線電流源電路55-選擇位線11-位線選擇器53。因此，電流感應磁場Hito施加至寫入單元10的磁化自由層3。因此，所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化可被反轉。這里，執(zhí)行步驟S03和S04使得它們在時間上彼此重疊。在這種情況下，執(zhí)行步驟S03和S04的順序不限于上述順序。
[0130]在本實施例中，通過使用基于自旋軌道相互作用的電流磁場轉換效率高的事實，將寫入操作點設定為接近于圖4中表示的垂直軸(接近于寫入電流Ik的軸)的點。因此，可降低使得要在位線11中流動的寫入電流I?。因此，可降低被排列到與寫入單元10相同的位線11的半選擇單元被意外反轉(半選擇干擾)的風險。在本電路構造中，X方向上的存儲單元10都不存在半選擇問題。
[0131]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器52選擇一個選擇第二寫入線13。此外，位線電流源電路55選擇一個選擇位線11。根據(jù)上述操作，選擇了要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。位線電流源電路55執(zhí)行供應或拉取讀取電流IK。此時，電流路徑是位線電流源電路55-選擇位線11-讀取單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器52。因此，讀取電流在讀取單元10的MTJ7中流動。因此，例如，通過使用連接至Y選擇器52等的讀出放大器(此處未示出)檢測MTJ7的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0132]圖7A和7B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的布局構造的局部截面圖。磁存儲元件9 (包括MTJ7)形成在Vl層上。磁存儲元件9的下電極5a和5b通過Ml層的布線線路72以及接觸62分別連接至形成在表面區(qū)域上的選擇晶體管Tr的源極和漏極中的一個。選擇晶體管Tr的柵極連接至字線14。此外，選擇晶體管Tr的源極和漏極中的另一個通過接觸61、M1層的布線線路71以及Vl層的通孔63分別連接至第一寫入線12或第二寫入線13。在本附圖所示的情況下，磁存儲元件9的磁化參考層I通過接觸64連接至作為上電極的位線11。
[0133]如上所述，本發(fā)明的磁存儲器具有磁化自由層3的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造(一側是勢壘層2，而另一側是基層4)。即，在磁化自由層3中，打破了空間對稱。在這種情況下，當使寫入電流Iwc在磁化自由層3中的面內(nèi)方向上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場(Rashba磁場)Hlffc在寫入電流Iwc的方向(x方向)和空間對稱被打破的方向(z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。因此,通過使用Rashba磁場Hiwc和由上電極(位線)11的寫入電流Iwb感應的磁場Hiwb,可反轉被大致均勻地磁化(不存在實質上的磁疇壁)的磁化自由層3的磁化。SP，數(shù)據(jù)可被寫入磁化自由層3中。此時，通過同時使用寫入電流Iwc和寫入電流Ito，寫入電流Iwb可較小。這里，因為基于自旋軌道相互作用的電流磁場轉換效率高，因此與常規(guī)寫入電流相比，寫入電流11非常小。即，寫入電流的總量可較小。此外，磁化自由層3被大致均勻地磁化且因此無需引入磁疇壁。因此無需初始化步驟。
[0134](第二實施例)
[0135]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲器。
[0136]本實施例與第一實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中具有垂直磁各向異性，而它們在第一實施例中具有面內(nèi)磁各向異性。將在下文主要說明不同于第一實施例的不同點。
[0137]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲器的磁存儲元件。圖8A至SC是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖和平面圖。磁存儲元件9a包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11、下電極5a和5b。
[0138]如上所述，不同于第一實施例，磁化參考層I和磁化自由層3具有垂直磁各向異性。即，磁化自由層3由具有垂直各向異性的鐵磁膜組成。磁化自由層3具有可反轉的磁化M2。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取具有-Z方向的磁化狀態(tài)以及具有+z方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜以及CoFeB膜為例。同時，磁化參考層I也由具有垂直磁各向異性的鐵磁膜組成。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為+z方向。磁化參考層I以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜和CoFeB膜為例。
[0139]上電極11通過布線線路Ila連接至磁化參考層I。上電極11是用于在磁化自由層3附近產(chǎn)生電流感應磁場的寫入電流的布線線路并以位線為例。在本實施例中，因為磁化自由層3具有垂直磁各向異性，因此由上電極11中流動的寫入電流產(chǎn)生的磁場需要Z方向分量。因此，布置上電極11以使其相對于磁化自由層3向y方向或X方向移位。在本附圖的構造中，設置上電極11以使其偏移至+y方向并延伸至X方向。布置上電極11以使其向X方向移位并向y方向延伸。
[0140]磁化參考層1、磁化自由層3以及上電極11的其他組成部分，除上述之外的構造及其效果都類似于第一實施例。
[0141]將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為+z方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為+z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為-Z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0142]將說明對磁存儲元件9a的數(shù)據(jù)寫入。
[0143]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖9A和9B是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖9A和9B示出當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0144]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9a，首先，使寫入電流Iwe在_x方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。同時,使寫入電流Iwb在_x方向上在上電極11中流動。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Iw。在-X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc (Rashba磁場)在_y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hik作用于-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成_y方向。此外，通過上電極11中的寫入電流Iwb在磁化自由層3附近感應磁場Hiwb。磁場Hiwb作用于-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化Ml轉變成+z方向。通過這兩個磁場的作用，-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成+z方向，如箭頭R3所示。S卩，從圖9A和9B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖1OA和IOB中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0145]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖1OA和IOB是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖1OA和IOB示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作的情況。
[0146]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9a，首先，使寫入電流Iw。在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。同時,使寫入電流Iwb在+x方向上在上電極11中流動。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Iw。在磁化自由層3的平面中在-X方向上流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hik (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc作用于+z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以便使磁化M2轉變成-y方向。此外，通過上電極11中的寫入電流I?在磁化自由層3附近感應磁場Hito。磁場Hito作用于+z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以便使磁化Ml轉變?yōu)?Z方向。通過這兩個磁場的作用，+z方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成-Z方向，如箭頭R4中所示。S卩，從圖1OA和IOB中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖9A和9B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0147]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。此外，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，-X方向以及+X方向都可用作用于使寫入電流Iwe流動的方向。
[0148]從磁存儲元件9a的數(shù)據(jù)讀取與第一實施例相同。此外，數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值(圖4)，磁存儲器的構造(圖5)，示出磁存儲器的寫入操作的流程圖(圖6)以及磁存儲器的布局(圖7A和7B)以及它們的效果都與第一實施例相同。
[0149]在本實施例，可獲得與第一實施例相同的效果。此外，通過使用具有垂直磁各向異性的材料，可使反轉磁化所需的寫入電流更小。
[0150](第三實施例)
[0151]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲單元。
[0152]在本實施例中，在單軸寫入方法中，通過不使用由單布線線路產(chǎn)生的電流感應磁場而是主要使用基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場:下文說明)來降低寫入電流。即，本實施例與第一實施例的不同點在于由上電極(位線)中流動的電流產(chǎn)生的電流感應磁場不用于數(shù)據(jù)寫入。將在下文主要說明與第一實施例的不同點。
[0153]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖1lA至IlC是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖和平面圖。磁存儲兀件9b包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11和下電極5a和5b o[0154]磁化自由層3由具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜組成。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取具有+y方向的磁化狀態(tài)以及具有_y方向的磁化狀態(tài)。易磁化軸是y方向。使易磁化軸為y方向的方法是使用形狀各向異性的方法，其為使磁化自由層3的縱軸為y方向的方法；使用晶體磁各向異性的方法；以及使用應力感應磁各向異性的方法。這里，無需使易磁化軸的方向準確地為y方向。例如，易磁化軸的方向可在面內(nèi)方向上相對于y軸具有45度角。磁化參考層I由具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜組成。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-y方向。上電極11形成并布置在磁化自由層3附近，以便不產(chǎn)生影響磁化自由層3的磁化的電流感應磁場。
[0155]磁化參考層1、磁化自由層3以及上電極11的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第一實施例。
[0156]將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-y方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化Ml為_y方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。假設當MTJ的磁化自由層3的磁化Ml為+y方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0157]將說明對磁存儲元件9b的數(shù)據(jù)寫入。
[0158]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖12A至12C是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖和平面圖。圖12A至12C示出當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9b中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0159]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件％，首先，使寫入電流Iwa在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwa (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwci作用于+y方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以使磁化Ml轉變成_y方向。通過這個磁場Hiki的作用，+y方向上的磁化自由層3的磁化Ml轉變成-y方向。S卩，從圖12A至12C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖13A至13C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0160]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖13A至13C是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖和平面圖。圖13A至13C示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“ I ”的寫入操作的情況。
[0161]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件％，首先，使寫入電流Ik2在+x方向上從下電極5a穿過磁化自由層3流至下電極5b。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hik2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc2作用于_y方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以便使磁化Ml轉變成+y方向。通過這個磁場Hik2的作用，-y方向上的磁化自由層3的磁化Ml轉變成+y方向。S卩，從圖13A至13C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖12A至12C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。[0162]在上述寫入中，磁化自由層3的膜厚的方向(z方向)的向量與寫入電流Iwa和Iwc2的方向(x方向)的向量的叉積具有平行于磁化自由層3的磁化Ml的方向(y方向)的分量。順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。
[0163]從磁存儲元件9b的數(shù)據(jù)讀取與第一實施例相同。此外，數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值(圖4)以及它們的效果都與第一實施例相同。
[0164]圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50a包括存儲單元陣列59、X選擇器51、Y電流源電路54、Y選擇器以及電源電路56和GND (接地端)57。這些元件并不限于上述元件，只要這些元件具有類似于下述功能的功倉泛。
[0165]存儲單元陣列59包括多個存儲單元10、多個位線11、多個第一寫入線12、多個第二寫入線13以及多個字線14。字線14在一端連接至X選擇器51并向X方向延伸。位線11在一端連接至GND (接地端)57，并向y方向延伸。第一寫入線12在一端連接至Y電流源電路54并向y方向延伸。第二寫入線13在一端連接至Y選擇器和電源電路56并向y方向延伸。多個存儲單元10與多個字線14和多個位線11之間的交點相對應地以矩陣形排列。存儲單元10包括兩個選擇晶體管Tr以及磁存儲元件％。其中一個選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第一寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9b的下電極5a，且在柵極處連接至字線14。另一選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第二寫入線13，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9b的下電極5b，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9b的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。
[0166]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X選擇器51從多個字線14中選擇一個選擇字線14。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，Y選擇器和電源電路56從多個第二寫入線13中選擇一個選擇第二寫入線13，供應寫入電流IK1，以及供應或拉取讀取電流IK。當執(zhí)行寫入操作時，Y電流源電路54從多個第一寫入線12中選擇一個選擇第一寫入線12并供應寫入電流Iffc2O X選擇器51、Y電流源電路54以及Y選擇器和電源電路56 (以及GND (接地端)57)應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0167]這種磁存儲器可用于單個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0168]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的磁存儲器的操作。在寫入操作中，首先，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器和電源電路56選擇一個選擇第二寫入線13。此外，Y電流源電路54選擇一個選擇第一寫入線12。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元
10。隨后，Y選擇器和電源電路56執(zhí)行為寫入單元10供應寫入電流Iwa，或Y電流源電路54執(zhí)行為寫入單元10供應寫入電流IK2。在這些情況下，電流路徑是Y選擇器和電源電路56-選擇第二寫入線13-寫入單元10-選擇第一寫入線12-Y電流源電路54。因此，寫入電流Iwci或寫入電流Iwc2施加至寫入單元10的磁化自由層3，且有效磁場Hiwci或有效磁場Hiwc2施加至磁化自由層3。因此，所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化可被反轉。
[0169]在本實施例中，通過使用基于自旋軌道相互作用的電流磁場轉換效率高的事實，將寫入操作點設定在圖4中表示的垂直軸(在寫入電流Ik的軸上)上的點。因此，可取消使得在位線11中流動的寫入電流I?。因此，因為不存在半選擇單元，因此可消除半選擇干擾的風險。在本電路構造中，X方向上的存儲單元10都不存在半選擇問題。
[0170]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器和電源電路56選擇一個選擇第二寫入線13。根據(jù)上述操作，選擇了要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。Y選擇器和電源電路56執(zhí)行供應或拉取讀取電流Ικ。此時，電流路徑是Y選擇器和電源電路56-選擇位線Il-GND (接地端)57。因此，讀取電流在讀取單元10的MTJ7中流動。因此，例如，通過使用連接至Y選擇器和電源電路56等的讀出放大器(此處未示出)可檢測MTJ7的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0171]磁存儲器的布局(圖7Α和7Β)與第一實施例相同。
[0172]在本實施例，可獲得與第一實施例類似的效果。此外，因為不使用由位線中流動的電流感應的磁場，因此對于位線中流動的電流量來說，寫入電流可進一步降低。
[0173](第四實施例)
[0174]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲單元。
[0175]本實施例與第三實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中具有垂直磁各向異性，而它們在第三實施例中具有面內(nèi)磁各向異性。將在下文主要說明與第三實施例的不同點。
[0176]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖15Α至15C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖和平面圖。磁存儲兀件9c包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11、下電極5a和5b。
[0177]如上所述，不同于第三實施例，磁化參考層I和磁化自由層3具有垂直磁各向異性。即，磁化自由層3由具有垂直各向異性的鐵磁膜組成。磁化自由層3具有可反轉的磁化M2。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取具有-Z方向的磁化狀態(tài)以及具有+z方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜以及CoFeB膜為例。
[0178]在磁化自由層3中，基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場)為面內(nèi)方向(X方向或y方向)。因此，不能僅通過有效磁場而直接在垂直方向(z方向)上反轉磁化自由層3的磁化M2。因此，在本實施例中，關于磁化自由層3中流動的寫入電流(Ικ)，使垂直于流動方向的截面中的電流分布不均勻。這致使在垂直方向(ζ方向)上的電流感應磁場(Hltl:下文說明)的產(chǎn)生。隨后，通過這種磁場和有效磁場(Hiwc)的組合而執(zhí)行寫入。因此，磁化自由層3在xy平面圖(圖15C)中具有非對稱突起部Dl。
[0179]磁化參考層I由具有垂直磁各向異性的鐵磁膜組成。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為+ζ方向。磁化參考層I以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜和CoFeB膜為例。
[0180]磁化參考層1、磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第三實施例。
[0181]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為+Z方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為+ζ方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為-Z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0182]將說明對磁存儲元件9c的數(shù)據(jù)寫入。
[0183]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖16A至16C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖和平面圖。圖16A至16C示出當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9c中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0184]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9c，首先，使寫入電流Iwa在-X方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwa (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwci作用于-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成-y方向。此外，因為磁化自由層3的突起部Dl，因此磁化自由層3中流動的寫入電流Iwa是不均勻的，且因此，降低了突起部Dl處的電流密度。即，施加至突起部Dl的+z方向上的電流感應磁場Hltl強于施加至其他區(qū)域的磁場。因此，由于電流感應磁場Hltl，突起部Dl變成反轉形成核心的起點。通過將在突起部Dl處由于電流感應磁場Hltl造成的反轉形成核心與有效磁場Hiwci組合,-Z方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成+z方向。即，從圖16A至16C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖17A至17C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0185]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖17A至17C是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖、側視圖和平面圖。圖17A至17C示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9c中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作的情況。
[0186]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9c，首先，使寫入電流Iwe2在+X方向上從下電極5a穿過磁化自由層3流至下電極5b。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，磁場Hiwc2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc2作用于+z方向上的磁化自由層3的磁化M2，以便使磁化M2轉變成+y方向。此外，因為磁化自由層3的突起部Dl，因此磁化自由層3中流動的寫入電流Iwc2是不均勻的，且因此，降低了突起部Dl處的電流密度。即，施加至突起部Dl的-Z方向上的電流感應磁場Hltl強于施加至其他區(qū)域的磁場。因此，由于電流感應磁場Hltl，突起部Dl變成反轉形成核心的起點。通過將在突起部Dl處由于電流感應磁場Hltl造成的反轉形成核心與有效磁場Hiwc2組合，+z方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成-Z方向。S卩，從圖17A至17C中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖16A至16C中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0187]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作。
[0188]在本實施例中，作為用于獲取非均勻電流分布的磁化自由層3的另一構造，可采用圖18A至18D中所示的構造。圖18A至18B示出其中下電極5a和5b相對于磁化自由層3的縱向(電流流動方向)非對稱布置的方法。例如，在圖18A中，下電極5a和5b在磁化自由層3外部的一個方向上延伸。在圖18B中，下電極5a和5b布置在磁化自由層3中的偏離位置。在圖18C中，磁化自由層3具備具有凹形的構造。在圖18D中，可預計在磁化自由層3的一部分中提供容易產(chǎn)生反轉核的區(qū)域3p的構造具有相同的效果。例如，區(qū)域3p是執(zhí)行蝕刻、執(zhí)行離子注入并放置臺階(st印)的區(qū)域。此外，通過延長單元周圍的上電極11和下電極5a和5b并通過其中流動的電流感應磁場，可將垂直磁場施加至磁化自由層3。
[0189]從磁存儲元件9c的數(shù)據(jù)讀取與第三實施例相同。此外，數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值(圖4)，磁存儲器的構造(圖14)，磁存儲器的布局(圖7A和7B)以及它們的效果都與第三實施例相同。
[0190]在本實施例，可獲得類似于第三實施例相同的效果。此外，通過使用具有垂直磁各向異性的材料，可使反轉磁化所需的寫入電流更小。
[0191](第五實施例)
[0192]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲單元。
[0193]本實施例與第三實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中在相對于xy平面傾斜方向上具有磁各向異性，而它們在第三實施例中具有面內(nèi)磁各向異性。將在下文主要說明與第三實施例的不同點。
[0194]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖19A至19C是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的構造的正視圖、側視圖和平面圖。磁存儲元件9d包括基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層1、上電極11以及下電極5a和5b ο
[0195]如上所述，不同于第三實施例，磁化參考層I和磁化自由層3在相對于xy平面傾斜的方向上具有磁各向異性。即，磁化自由層3是在面內(nèi)和垂直之間的中間方向上具有磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化M3。在本附圖的示例中，磁化自由層3的易磁化軸在yz平面中傾斜且磁化自由層3可取-ζ和-y方向的組合方向上的磁化狀態(tài)以及+ζ和+y方向的組合方向上的磁化狀態(tài)。作為在yz平面中傾斜磁化自由層3的易磁化軸的方法，可使用利用晶體磁各向異性或應力磁各向異性的方法。此外，可使用交替層疊具有垂直磁各向異性的材料和具有面內(nèi)磁各向異性的材料的另一方法。具有垂直磁各向異性的材料以Co/Pt、Co/N1、CoPt, CoCrPt, CoTa和FePt為例。具有面內(nèi)磁各向異性的材料以 NiFeB, CoFeB 和 CoFe 為例。
[0196]磁化參考層I也是在面內(nèi)和垂直之間的中間方向上具有磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為在yz平面中傾斜的-ζ和_y方向的組合方向。也通過使用與磁化自由層3相同的方法和材料形成磁化參考層I。
[0197]磁化參考層I和磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第三實施例。
[0198]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-ζ和-y方向的組合方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為-ζ和_y方向的組合方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為+ζ和+y方向的組合方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I”。[0199]將說明對磁存儲元件9d的數(shù)據(jù)寫入。
[0200]首先，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9d中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”的情況。圖20A至20B是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖20A至20B示出當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9c中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“0”的操作的情況。
[0201]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9d，首先，使寫入電流Iwa在-x方向上從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwa (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwci作用于+z和+y方向的組合方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成_y方向。因此，+z和+y方向的組合方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成-Z和-y方向的組合方向，如箭頭R5所示。S卩，從圖20A至20B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至如下文說明的圖21A至21B中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0202]以下將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9d中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖21A至21B是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖21A至21B示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9d中時正在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作的情況。
[0203]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9d，首先，使寫入電流Ik2在+X方向上從下電極5a穿過磁化自由層3流至下電極5b。此時，如第一實施例中所述(本附圖示出第一示例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hik2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc2作用于-Z和_y方向的組合方向上的磁化自由層3的磁化M2，以便使磁化M2轉變成+y方向。因此，_z和-y方向的組合方向上的磁化自由層3的磁化M2轉變成+z和+y方向的組合方向。即，從圖21A至21B中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)至圖20A至20B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0204]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9c中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9d中時將要寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作。
[0205]從磁存儲元件9d的數(shù)據(jù)讀取與第三實施例相同。
[0206]此處將說明在對磁存儲元件9d進行數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值(反轉所需的電流)。圖22是示出數(shù)據(jù)寫入中的反轉閾值的輪廓的曲線圖(星狀曲線)。垂直軸表示磁化自由層3中流動的電流，且水平軸表示z方向上的外部磁場。此處，垂直軸的磁化自由層3中流動的電流是各個寫入電流Iwa和Iwc2，其可被視為(y方向的)有效磁場Hiwci和Hiwc2。此外，在本發(fā)明中不使用水平軸的z方向上的外部磁場，且因此基本為零(O)。本附圖示出出現(xiàn)在星狀曲線上和外部的數(shù)據(jù)寫入。此處，如本附圖中所示，如果磁化自由層3的易磁化軸和由磁化自由層3中流動的電流(Iwci和Iwc2)產(chǎn)生的有效磁場(Hiwci和Hiwc2)的方向不平行，則可通過磁化自由層3中流動的正和負電流反轉磁化自由層3的磁化。
[0207]磁存儲器的構造(圖14)，磁存儲器的布局(圖7A和7B)以及它們的效果都與第三實施例相同。
[0208]在本實施例中，可獲得類似于第三實施例的效果。[0209](第六實施例)
[0210]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲單元。
[0211]在本實施例中，在使用具有垂直磁各向異性的材料作為磁化自由層的自旋轉矩寫入方法中，通過使用基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場:下文說明)作為輔助磁場來降低寫入電流。
[0212]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖23A至23B是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的構造的正視圖和平面圖。磁存儲元件9包括基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層1、上電極11以及下電極5。
[0213]基層4被布置為平行于襯底(未示出)的表面(xy平面)。磁化自由層3被布置在基層4的上側(+ζ側)上，以致基層4被磁化自由層3覆蓋。勢壘層2被布置在磁化自由層3的上側(+ζ側)上，以致磁化自由層3被勢壘層2覆蓋。磁化參考層I被布置在勢壘層2的+X側的端部的上側(+ζ側)上?；鶎?、磁化自由層3以及勢壘層2中的每一個都具有沿X方向延伸超出磁化參考層I的形狀。磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I構成MTJ(磁隧道結)7。磁存儲元件9通過使用MTJ7的磁化自由層3的磁化方向來存儲數(shù)據(jù)。
[0214]上電極11連接至磁化參考層I的+X側的端部的上側(+ζ側)。上電極11以位線為例。下電極5連接至基層4的-X側的端部的下側(-ζ側)。即，下電極5沒有直接連接在磁化參考層I下方，而是連接至基層4 (磁化自由層3和勢壘層2)的延伸部。這使得寫入電流(下文說明)不僅在ζ方向而且也在xy平面的面內(nèi)方向上流過磁化自由層3，肯定確實產(chǎn)生Rashba磁場。此處，端部可總體上接近末端，且無需嚴格地處于末端。此外，下電極5連接至選擇晶體管(下文說明)。電流可在磁化自由層3中從上電極11和下電極5中的一個施加至另一個。
[0215]基層4由不同于勢壘層2的材料的材料組成，以使磁化自由層3中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。此外，因為基層4被布置在下電極5和磁化自由層3之間，因此基層4優(yōu)選為導電膜，以致電流能容易地穿過基層4。但是，基層4優(yōu)選由可防止寫入電流選擇性流過基層4而未流過磁化自由層3的材料組成。基層4以Ta膜、Pt膜及其疊層膜為例。
[0216]磁化自由層3是具有垂直磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取+ζ方向的磁化狀態(tài)以及-ζ方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3被大致均勻地磁化。即，在磁化自由層3中基本上不存在磁疇壁。磁化自由層3以CtjCrPt膜、Co/Pt膜、Co/Ni膜、Fe/Pt膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。磁化自由層3優(yōu)選非常薄，以致使得要產(chǎn)生Rashba磁場。例如,磁化自由層3優(yōu)選具有從約0.5nm至約1.5nm的膜厚。在小于0.5nm的膜厚的情況下，難以控制薄膜形成。與常用MTJ中的磁化自由層(或自由層)的幾個nm (例如約5nm)相比,該膜厚較薄且為零點幾個nm。此夕卜,磁化自由層3的xy平面形狀大于磁化參考層I的xy平面形狀(因為磁化自由層3、基層4以及勢壘層2的延伸部)。因此，由磁化參考層I供應或拉取到磁化參考層I中的寫入電流(下文說明)不僅通過磁化自由層3而且還確實在磁化自由層3的xy平面內(nèi)部在面內(nèi)方向上移動,且確實產(chǎn)生Rashba磁場。
[0217]勢壘層2由不同于基層4的材料的材料組成，以致使得要在磁化自由層3中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。此外，勢壘層2由非磁膜形成，因為勢壘層2被提供作為MTJ7中的隧道勢壘層。勢壘層2以諸如Al2O3膜和MgO膜的絕緣膜為例。相對于磁化自由層3的上述示例性膜厚，勢壘層2優(yōu)選具有例如從約1.0nm至約2.0nm的膜厚。即，該膜厚類似于磁化自由層3的膜厚。
[0218]磁化參考層I是具有垂直磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為+z方向。磁化參考層I以CoCrPt膜、Co/Pt膜、Co/Ni膜、Fe/Pt膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。磁化參考層I也被認為是形成在與磁化自由層3的一側(+X側)處的端部對應的勢壘層2的端部(+X側端部)的上側(+z側)。
[0219]磁存儲元件9具有磁化自由層3的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造。在本附圖的示例中，基層4接合至磁化自由層3的下側(-Z側)的邊界，且由不同于基層4的材料的材料組成的勢壘層2接合至磁化自由層3的上側(+z側)的邊界。即，在磁化自由層3中，空間對稱相對于z方向被打破。在這種情況下，當使電流在磁化自由層3中的面內(nèi)方向(例如X方向)上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場在電流的方向(X方向)和空間對稱被打破的方向(Z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。這種有效磁場被稱為Rashba磁場且已知其對于每1.0X 1012A/m2電流高達kOe級。在本實施例中，通過使用這種Rashba磁場以輔助使用磁化參考層I的自旋注入磁化反轉，對MTJ7寫入數(shù)據(jù)，即執(zhí)行反轉磁化自由層3的磁化。
[0220]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為+z方向。此外，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為+z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為-Z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0221]將說明對磁存儲元件9的數(shù)據(jù)寫入。
[0222]首先，將說明當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖24是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖24示出當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“I”的操作的情況。
[0223]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Iwa從上電極11穿過磁化參考層I和磁化自由層3流至下電極5。此時，如上所述，磁化自由層3的下側(-Z側)處的邊界接合至基層4，且上側(+z方向)處的邊界接合至勢壘層2。因此，磁化自由層3的兩側處的邊界具有不同的結構。即，在磁化自由層3中，空間對稱相對于z方向被打破。因此，當使寫入電流Iwcl工在-x方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hlffci (Rashba磁場)在寫入電流Iwa的方向(x方向)和空間對稱被打破的方向(z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。例如，在基層4、磁化自由層3以及勢壘層2是Ta、CoFeB以及MgO且使寫入電流Iwa在_x方向上流動的情況下，在_y方向上產(chǎn)生磁場Hiwci (Rashba磁場)(以下稱為第一示例)。在基層4、磁化自由層3以及勢壘層2是Pt、Co以及AlOx且使寫入電流Iwa在-X方向上流動的情況下，在+y方向上產(chǎn)生磁場Hiki (Rashba磁場)(以下稱為第二示例)。以此方式，方向是-y方向還是+y方向取決于材料。本附圖的示例示出在-y方向上產(chǎn)生磁場HIwa(Rashba磁場)。磁場Hiwa作用于+z方向上的磁化自由層3的磁化Ml,以使磁化Ml轉變成_y方向。此外，當寫入電流Iwa從磁化參考層I流至磁化自由層3時，傳導電子從磁化自由層3流至磁化參考層I。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化Ml相對于磁化參考層I的磁化MO從平行轉變成反平行。即，發(fā)生從+ζ方向至-ζ方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hlffci輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Iwa使磁化自由層3的磁化Ml從+ζ方向反轉為-ζ方向。即，從圖24中所示的數(shù)據(jù)“O”的狀態(tài)至如下文說明的圖25中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0224]以下，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”的情況。圖25是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖25示出當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“O”的操作的情況。
[0225]為了將數(shù)據(jù)“O”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Ik2從下電極5穿過磁化自由層3和磁化參考層I流至上電極11。此時，如上所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Ik2在+X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc2(Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hik2作用于-ζ方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以使磁化Ml轉變成+y方向。此外，當寫入電流Ik2從磁化自由層3流至磁化參考層I時，傳導電子從磁化參考層I流至磁化自由層3。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化Ml相對于磁化參考層I的磁化MO從反平行轉變成平行。即，發(fā)生從-ζ方向至+ζ方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hiwc2輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Ik2使磁化自由層3的-ζ方向上的磁化Ml反轉為+ζ方向。S卩，從圖25中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至圖24中所示的數(shù)據(jù)“O”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0226]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”且當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作。
[0227]以下將說明從磁存儲元件9讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取方法與用于包括磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I的MTJ7的常用讀取方法相同。例如，使具有恒定電流值的讀取電流在上電極11和下電極5之間，即在MTJ7中流動。隨后，通過將參考電壓與由讀取電流在上電極11和下電極5之間產(chǎn)生的電壓進行比較，讀取MTJ7的磁阻值，即作為磁化自由層3的磁化方向的數(shù)據(jù)。
[0228]順便提及，磁化自由層3的平面形狀不僅可以是如圖23B中所示的矩形，而且還可以是橢圓形、卵圓形以及矩形、橢圓形和卵圓形中每一個的一部分在它們的縱軸方向上凹陷的形狀。在這點上，磁化自由層3的磁化方向不完全指向相同的一個方向。但是，因為在磁化自由層3中沒有明顯的磁疇壁，因此本實施例被描述為磁化自由層3是被均勻磁化的。
[0229]圖26是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50包括存儲單元陣列51、電流源電路52、X解碼器53以及Y解碼器54。這些元件不限于上述元件，只要這些元件具有類似于下文說明的功能的功能。
[0230]存儲單元陣列51包括多個存儲單元10、多個位線11、多個寫入線12以及多個字線14。字線14在一端連接至Y解碼器54并向y方向延伸。位線11在一端連接至X解碼器53并向X方向延伸。寫入線12在一端連接至X解碼器53并向X方向延伸。存儲單元10包括選擇晶體管Tr以及磁存儲元件9。選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極5，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。[0231]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X解碼器53從多個位線11和多個寫入線12中選擇一個選擇位線11和一個選擇寫入線12的組合。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，Y解碼器54從多個字線14中選擇一個選擇字線14。當執(zhí)行寫入操作時，電流源電路52供應或拉取寫入電流I?，且當執(zhí)行讀取操作時供應或拉取讀取電流IK。X解碼器53、Y解碼器54以及電流源電路52應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0232]這種磁存儲器可用于單個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0233]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的磁存儲器的操作。在寫入操作中，首先，Y解碼器54選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，X解碼器53選擇一個選擇位線11和一個寫入線12的組合。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元10。隨后，電流源電路52對寫入單元10執(zhí)行供應或拉取寫入電流Iwa或IK2。此時，電流路徑是(電流源電路52-) X解碼器53-選擇位線11-寫入單元10-選擇寫入線12-X解碼器53。因此，通過由于寫入單元10的磁化參考層I的自旋轉矩導致的磁化反轉的作用以及由于將寫入電流Iwa或Iwc2施加至磁化自由層3導致的有效磁場Hiwci或Hiwc2的作用，可反轉所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化。
[0234]在本實施例中，寫入電流(Iwa或Iwc2)不僅在垂直于MT J7的方向上流動，而且還在磁化自由層3的xy平面的面內(nèi)方向上流動。因此，寫入電流不僅可適用于基于自旋轉矩的磁化反轉作用，而且還適用于基于自旋軌道相互作用的電流磁場轉換。因此，自旋軌道相互作用可用于輔助磁化反轉，且因此，可降低寫入電流。順便提及，在上述電路構造中，X方向上的存儲單元都不存在半選擇問題。
[0235]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，Y解碼器54選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，X解碼器53選擇一個選擇位線11和一個選擇寫入線12。根據(jù)上述操作，選擇要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。電流源電路52對讀取單元10執(zhí)行供應或拉取讀取電流IK。此時，電流路徑是(電流源電路52-)X解碼器53-選擇位線11-讀取單元10-選擇寫入線12-X解碼器53。因此，讀取電流在讀取單元10的MTJ7中流動。因此，例如，通過使用連接至X解碼器53等的讀出放大器(此處未示出)，檢測MTJ7的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0236]如上所述，本發(fā)明的磁存儲器具有磁化自由層3的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造(一側是勢壘層2，而另一側是基層4)。即，在磁化自由層3中，打破了空間對稱。在這種情況下，當使寫入電流Iwc在磁化自由層3中的面內(nèi)方向上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場(Rashba磁場)HIWC在寫入電流Iwc的方向(x方向)和空間對稱被打破的方向(z方向)的叉積的方向(y方向)上被施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。因此，通過使用Rashba磁場Hiwc和由于從磁化參考層I和磁化自由層3中的一個流向另一個的傳導電子造成的自旋轉矩磁化反轉作用，可反轉被大致均勻地磁化(不存在實質上的磁疇壁)的磁化自由層3的磁化。即，數(shù)據(jù)可被寫入磁化自由層3中。此時，通過同時使用Rashba磁場Hnc和自旋轉矩磁化反轉作用，寫入電流Iwb可較小。此外,磁化自由層3被大致均勻地磁化且因此無需引入磁疇壁。因此無需初始化步驟。
[0237](第七實施例)
[0238]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲單元。[0239]本實施例與第六實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中具有面內(nèi)磁各向異性，而它們在第六實施例中具有垂直磁各向異性。將在下文主要說明不同于第六實施例的不同點。
[0240]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖27A至27C是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的構造的正視圖和平面圖。磁存儲元件9a包括基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層1、上電極11和下電極5。
[0241]如上所述，不同于第六實施例，磁化參考層I和磁化自由層3具有面內(nèi)磁各向異性。即，磁化自由層3是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化M2。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取-X方向的磁化狀態(tài)以及+X方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。另一方面，磁化參考層I是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-X方向。磁化參考層I以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。
[0242]磁化參考層1、磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第六實施例。
[0243]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-X方向。此外，假設當MTJ的磁化自由層3的磁化M2為-X方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化M2為+X方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化M2反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0244]將說明對磁存儲元件9a的數(shù)據(jù)寫入。
[0245]首先，將說明當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖28是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖28示出當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作的情況。
[0246]為了將數(shù)據(jù)“ I ”寫入磁存儲元件9a，首先，使寫入電流Iwa從上電極11穿過磁化參考層I和磁化自由層3流至下電極5。此時，如第六實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流工在方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwci (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwa作用于-X方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成-y方向。此外，當寫入電流Iwa從磁化參考層I流至磁化自由層3時，傳導電子從磁化自由層3流至磁化參考層I。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化M2相對于磁化參考層I的磁化MO從平行轉變成反平行。即，發(fā)生從-X方向至+X方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hiki輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Iwa使磁化自由層3的-X方向上的磁化M2反轉為+X方向。即，從圖28中所示的數(shù)據(jù)“O`”的狀態(tài)至如下文說明的圖29中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0247]以下，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”的情況。圖29是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖29示出當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9a中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“O”的操作的情況。
[0248]為了將數(shù)據(jù)“O”寫入磁存儲元件9a，首先，使寫入電流Ik2從下電極5穿過磁化自由層3和磁化參考層I流至上電極11。此時，如第六實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流1[在+1方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwc2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwc2作用于+X方向上的磁化自由層3的磁化M2，以使磁化M2轉變成+y方向。此外，當寫入電流Iwc2從磁化自由層3流至磁化參考層I時，傳導電子從磁化參考層I流至磁化自由層3。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化M2相對于磁化參考層I的磁化MO從反平行轉變成平行。即，發(fā)生從+X方向至-X方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hik2輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Ik2使磁化自由層3的+X方向上的磁化M2反轉為-X方向。S卩，從圖29中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至圖28中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0249]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9a中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。
[0250]從磁存儲元件9a的數(shù)據(jù)讀取與第六實施例相同。此外，磁存儲器的構造(圖26)、寫入和讀取磁存儲器的操作以及它們的效果都與第六實施例相同。
[0251 ] 在本實施例中，可獲得與第六實施例相同的效果。
[0252](第八實施例)
[0253]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲單元。
[0254]本實施例與第六實施例的不同點在于基層4、磁化自由層3以及勢壘層2在本發(fā)明中具有在X軸方向上延伸至磁化參考層I的兩側的形狀，而它們在第六實施例中具有僅延伸至磁化參考層I的一側的形狀。將在下文主要說明與第六實施例不同的不同點。
[0255]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖30是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的構造的正視圖。磁存儲元件％包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11和下電極5a和5b。
[0256]如上所述，不同于第六實施例，基層4、磁化自由層3和勢壘層2具有在X軸方向上延伸至磁化參考層I的兩側(+X側和-X側)的形狀。因此，下電極5a和5b連接至兩個延伸的端部。即，下電極5a連接至-X側的延伸部。下電極5b連接至+X側的延伸部。下電極5a和5b中的每一個都連接至選擇晶體管Tr。在本實施例中，將使另外一個寫入電流從下電極5a和5b中的一個流至另一個。
[0257]根據(jù)這種形狀，可通過使用從下電極5a和5b中的一個經(jīng)過選擇晶體管Tr流至另一個的寫入電流控制有效磁場(Rashba磁場)，同時可通過使用從上電極11與任一或兩個下電極5a和5b中的一方流至另一方的寫入電流控制自旋轉矩。即，在本發(fā)明中，可獨立于自旋轉矩來控制有效磁場。
[0258]基層4、磁化自由層3、勢壘層2、磁化參考層I以及下電極5a和5b的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第六實施例。
[0259]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為+z方向。此外，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為+z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當MTJ7的磁化自由層3的磁化Ml為-Z方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“I”。[0260]將說明對磁存儲元件9b的數(shù)據(jù)寫入。
[0261]首先，將說明當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的情況。圖31是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖31示出當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9b中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“ I ”的操作的情況。
[0262]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件％，首先，使寫入電流Iwa從上電極11穿過磁化參考層I和磁化自由層3流至下電極5a。同時，使寫入電流Iwki從下電極5b穿過磁化自由層3流至下電極5a。此時，如第六實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Iwei在-X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwki (Rashba磁場)在-y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwei作用于+ζ方向上的磁化自由層3的磁化Ml,以使磁化Ml轉變成_y方向。此外，當寫入電流Iwa從磁化參考層I流至磁化自由層3時，傳導電子從磁化自由層3流至磁化參考層I。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化Ml相對于磁化參考層I的磁化MO從平行轉變成反平行。即，發(fā)生從+ζ方向至-ζ方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hiwki輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Iwa使磁化自由層3的在+ζ方向上的磁化Ml反轉為-ζ方向。S卩，從圖31中所示的數(shù)據(jù)“O”的狀態(tài)至如下文說明的圖32中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0263]以下，將說明當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”的情況。圖32是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖。圖32示出當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件％中時正在執(zhí)行寫入數(shù)據(jù)“O”的操作的情況。
[0264]為了將數(shù)據(jù)“O”寫入磁存儲元件9b來說，首先，使寫入電流Ik2從下電極5a穿過磁化自由層3和磁化參考層I流至上電極11。同時，使寫入電流Iwk2從下電極5a穿過磁化自由層3流至下電極5b。此時，如第六實施例中所述(本附圖示出第一示例)，當使寫入電流Iwk2在-X方向上在磁化自由層3的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwe2(Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化的電子。磁場Hiwk2作用于-ζ方向上的磁化自由層3的磁化Ml，以使磁化Ml轉變成+y方向。此外，當寫入電流Ik2從磁化自由層3流至磁化參考層I時，傳導電子從磁化參考層I流至磁化自由層3。因此，由于自旋轉矩，因此磁化自由層3的磁化Ml相對于磁化參考層I的磁化MO從反平行轉變成平行。即，發(fā)生從-ζ方向至+ζ方向的轉變。此時，因為Rashba磁場Hiwe2輔助上述轉變，因此低于常規(guī)寫入電流的寫入電流Ik2使磁化自由層3的-ζ方向上的磁化Ml反轉為+ζ方向。S卩，從圖32中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)至圖31中所示的數(shù)據(jù)“O”的狀態(tài)執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。
[0265]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“O”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“O”且當數(shù)據(jù)“ I ”存儲在磁存儲元件9b中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。
[0266]從磁存儲元件9b的數(shù)據(jù)讀取與第六實施例相同。
[0267]圖33是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50a包括存儲單元陣列51、X選擇器55、Y選擇器56、Y電流源電路57、位線選擇器58以及位線電流源電路59。這些元件不限于上述元件，只要這些元件具有類似于下述功能的功能。順便提及，本附圖的X和I方向可能與圖30至32中的那些方向相反。[0268]存儲單元陣列51包括多個存儲單元10、多個位線11、多個第一寫入線12、多個第二寫入線13以及多個字線14。字線14在一端連接至X選擇器55并向X方向延伸。位線11在一端連接至位線選擇器58并向y方向延伸。第一寫入線12在一端連接至Y電流源電路57并向y方向延伸。第二寫入線13在一端連接至Y選擇器56并向y方向延伸。存儲單元10包括一對選擇晶體管Tr以及磁存儲元件％。其中一個選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第一寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9b的下電極5b，且在柵極處連接至字線14。另一選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第二寫入線13，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極5a，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9b的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。
[0269]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X選擇器55從多個字線14中選擇一個選擇字線
14。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，Y選擇器56從多個第二寫入線13中選擇一個選擇第二寫入線13。當執(zhí)行寫入操作時，Y電流源電路57供應或拉取寫入電流IWK。當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，位線選擇器58從多個位線11中選擇一個選擇位線11。通過位線選擇器58，當執(zhí)行寫入操作時，位線電流源電路59供應或拉取寫入電流Iw。，且在執(zhí)行讀取操作時，供應或拉取讀取電流IK。X選擇器55、Y選擇器56、Y電流源電路57、位線選擇器58以及位線電流源電路59應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0270]這種磁存儲器可用于單個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0271]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的磁存儲器的操作。在寫入操作中，首先，X選擇器55選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器56選擇一個選擇第二寫入線13。而且，位線選擇器58選擇一個選擇位線11。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元10。隨后，Y電流源電路57選擇對應于寫入單元10的一個選擇第一寫入線12，并對寫入單元10執(zhí)行供應或拉取寫入電流Iwki或IWK2。此時，電流路徑是(Y電流源電路57-)選擇第一寫入線12-寫入單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器56。同時，位線電流源電路59通過位線選擇器58執(zhí)行供應或拉取寫入電流Iwa或IK2。此時，電流路徑是(位線電流源電路59-位線選擇器58-)選擇位線11-寫入單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器56。因此，通過由于寫入單元10的磁化參考層I的自旋轉矩導致的磁化反轉作用以及由于將寫入電流Iwa或Ik2施加至磁化自由層3導致的有效磁場Hiwei或Hiwk2的作用，可反轉所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化。
[0272]在本實施例中，可分別控制基于自旋轉矩而呈現(xiàn)磁化反轉作用的寫入電流Iwa或Iffc2以及呈現(xiàn)自旋軌道相互作用的寫入電流Iwri或IWR2。因此，通過將寫入電流Iwki或Iwe2控制為適當值，可進一步降低寫入電流Iwa或IK2。
[0273]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，X選擇器55選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器56選擇一個選擇第二寫入線13。此外，位線選擇器58選擇一個選擇位線11。根據(jù)上述操作，選擇了要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。隨后，位線電流源電路59通過位線選擇器58執(zhí)行供應或拉取讀取電流IK。此時，電流路徑是(位線電流源電路59-位線選擇器58-)選擇位線11-讀取單元10-選擇第二寫入線13-Y選擇器56。因此，讀取電流在讀取單元10的MTJ7中流動。因此，例如，通過使用連接至Y選擇器56等的讀出放大器(此處未示出)可檢測MTJ7的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0274]在本實施例中，可獲得與第六實施例相同的效果。此外，在本實施例中，通過分別控制基于自旋轉矩而呈現(xiàn)磁化反轉作用的寫入電流以及呈現(xiàn)自旋軌道相互作用的寫入電流，可進一步降低寫入電流的總量。
[0275](第九實施例)
[0276]將參考【專利附圖】
【附圖說明】根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的磁存儲單元。
[0277]本實施例與第八實施例的不同點在于磁化參考層I和磁化自由層3在本發(fā)明中具有面內(nèi)磁各向異性，而它們在第八實施例中具有垂直磁各向異性。將在下文主要說明與第八實施例的不同點。
[0278]首先將說明根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖34是示出根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的磁存儲元件的構造的正視圖。磁存儲元件9c包括基層4、磁化自由層3、勢魚層2、磁化參考層1、上電極11和下電極5a和5b。
[0279]如上所述，不同于第六實施例，磁化參考層I和磁化自由層3具有面內(nèi)磁各向異性。即，磁化自由層3是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化M2。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取-X方向的磁化狀態(tài)以及+X方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。另一方面，磁化參考層I是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-X方向。磁化參考層I以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其疊層膜為例。
[0280]磁化參考層1、磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第六實施例。
[0281]磁化參考層1、磁化自由層3的其他組成部分，除上述之外的構造及其作用都類似于第六實施例。
[0282]此外，從磁存儲器的磁存儲元件讀取數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)寫入磁存儲器的磁存儲元件，磁存儲器的構造(圖33)，寫入和讀取磁存儲器的操作及其效果都與第八實施例相同。
[0283]在本實施例中，可獲得與第八實施例相同的效果。
[0284]根據(jù)本發(fā)明，可提供一種磁存儲器，其中無需引入磁疇壁且寫入電流較小。
[0285](第十實施例)
[0286]在本實施例中，通過使用來自磁寫入部的漏磁場執(zhí)行磁隧道結(MJT)的磁化自由層的磁化的反轉，以及通過使用基于自旋軌道相互作用的有效磁場(Rashba磁場:下文說明)產(chǎn)生磁寫入部的漏磁場。因此可降低寫入電流。
[0287]首先，將說明根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲器的磁存儲元件的構造。圖35A至35B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的正視圖和側視圖。磁存儲元件9包括磁隧道結部21、磁寫入部22、上電極11和下電極8a和Sb。
[0288]磁隧道結21通過使用磁化方向來存儲數(shù)據(jù)。磁隧道結部21包括磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。勢壘層2被布置在磁化自由層3上。磁化參考層I被布置在勢壘層2上并具有固定的磁化MO。磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I構成MTJ (磁隧道結)21。磁隧道結部21通過利用磁化自由層3的磁化Ml的方向與磁化參考層I的磁化MO的方向之間的相對關系來存儲數(shù)據(jù)。磁化自由層3的磁化Ml通過磁寫入部22的漏磁場而改變。將在下文說明詳細情況。
[0289]磁寫入部22被布置在磁隧道結部21附近。磁寫入部22產(chǎn)生呈現(xiàn)磁化自由層3的磁化反轉的漏磁場。磁寫入部22包括籽晶層7、磁化寫入層6以及蓋層5。籽晶層7被布置為與襯底(未示出)的表面(xy平面)平行。磁化寫入層6被布置在籽晶層7的上側(+z側)，以致籽晶層7被磁化寫入層6覆蓋。蓋層5被布置在磁化寫入層6的上側(+z側)，以致磁化寫入層6被蓋層5覆蓋。此處，磁寫入部22可包括作為被布置在磁寫入部22的上偵儀+z側)上的磁隧道結部21的基底的基層4?；鶎?被布置在蓋層5的上側(+z側)，以致蓋層5被基層4覆蓋。
[0290]順便提及，在磁隧道結部21中，磁化自由層3和磁化參考層I之間的上側和下側的布置關系可以相反。此外，磁寫入部22和磁隧道結部21之間的上側和下側的布置關系可以相反。
[0291]上電極11連接至磁化參考層I。上電極11以位線為例。下電極8a連接至籽晶層7的一側(-X側)末端的下側(-Z側)，且下電極Sb連接至籽晶層7另一側(+X側)末端的下偵儀-Z側)。下電極8a和Sb分別連接至選擇晶體管Tr (未示出)，且可將電流通過籽晶層7從下電極8a和8b中的一個向另一個而施加至磁化寫入層6。
[0292]籽晶層7由不同于蓋層5的材料的材料組成(或具有不同于蓋層5的厚度的厚度)，以致使Rashba磁場(下文說明)產(chǎn)生在磁化寫入層6中。此外，因為籽晶層7被布置在磁化寫入層6和下電極8a和Sb之間，因此籽晶層7由導電膜(例如金屬膜)組成，以致電流可容易地穿過。但是，籽晶層7優(yōu)選由可防止寫入電流不流過磁化寫入層6而選擇性流過籽晶層7的材料組成。籽晶層7以Ta膜、Pt膜、Cr膜、Ti膜及其疊層膜為例。如果籽晶層7足夠薄，則籽晶層7可以是非導電膜(例如絕緣膜)，這是因為電流可流動而沒有任何問題。
[0293]磁化寫入層6是具有垂直磁各向異性的鐵磁膜。磁化寫入層6具有大致均勻地磁化M2，其方向可通過Rashba磁場改變。在本附圖的示例中，磁化寫入層6具有大致+z方向的磁化方向，且可改變磁化方向以便具有土y方向的分量。磁化寫入層6被大致均勻地磁化。即，在磁化寫入層6中基本上不存在磁疇壁。磁化寫入層6以Co膜、Co/Ni疊層膜、Co/Pt疊層膜、CoFeB膜、FePt膜、CoPt系合金膜為例。磁化寫入層6優(yōu)選非常薄，以致使得要產(chǎn)生Rashba磁場。例如,磁化寫入層6優(yōu)選具有從約0.5nm至約1.5nm的膜厚。在小于0.5nm的膜厚的情況下，難以控制薄膜形成。與常用MTJ中的磁化自由層(或自由層)的幾個nm (例如約5nm)相比,該膜厚較薄且為零點幾個nm。或者,該膜厚類似于常規(guī)MTJ中勢壘層的膜厚。
[0294]蓋層5由不同于籽晶層7的材料的材料組成(或具有不同于籽晶層7的厚度的厚度)，以致使磁化寫入層6中產(chǎn)生Rashba磁場(下文說明)。當籽晶層7是導電膜(例如金屬膜)時，蓋層5優(yōu)選是非導電膜(例如絕緣膜)。蓋層5以Al2O3膜、MgO膜以及其他氧化物為例。當籽晶層7是非導電膜時，蓋層5優(yōu)選是導電膜。
[0295]磁化自由層3是具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜。磁化自由層3具有可反轉的磁化Ml。在本附圖的示例中，磁化自由層3可取+y方向的磁化狀態(tài)以及-y方向的磁化狀態(tài)。磁化自由層3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜、NiFeCo膜及其疊層膜為例。使磁化自由層3的易磁化軸成為I方向的方法是使用形狀各向異性的方法，其是一種使磁化自由層3的縱軸成為y方向的方法；使用晶體磁各向異性的方法；以及使用應力感應磁各向異性的方法。此處，易磁化軸的方向無需準確地為y方向。例如，易磁化軸的方向具有在面內(nèi)方向上相對于y軸45度的角度。
[0296]磁化參考層I是由具有面內(nèi)磁各向異性的鐵磁膜組成。在磁化參考層I中，磁化MO是固定的。在本附圖的示例中，磁化MO固定為-y方向。對于磁化參考層I的材料來說，使用類似于磁化自由層3的材料。此外，通過使用諸如PtMn膜、IrMn膜、FeMn膜、NiO膜的反鐵磁材料，使磁化固定。而且，對于磁化參考層I來說，可使用合成鐵磁結構，其中通過Ru膜等層疊諸如CoFe膜的磁層。這種合成鐵磁結構用于降低來自磁化參考層I的漏磁場。磁化參考層I以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜、NiFeCo膜及其疊層膜為例。
[0297]磁化自由層3的基層4以Ta膜為例。但是，不是必須提供基層4。此外，如果需要，則金屬膜可被提供在上電極11和磁隧道結部21之間。
[0298]磁存儲元件9具有磁化寫入層6的上側邊界和下側邊界彼此不同的構造。在本附圖的示例中，籽晶層7接合至磁化寫入層6的下側(-ζ側)的邊界，且由不同于籽晶層7的材料的材料組成的蓋層5接合至磁化寫入層6的上側(+ζ側)的邊界。即，在磁化寫入層6中，空間對稱相對于ζ方向被打破。在這種情況下，當使電流在磁化寫入層6中的面內(nèi)方向(例如X方向)上流動時，基于自旋軌道相互作用，有效磁場在電流的方向(X方向)和空間對稱被打破的方向(Z方向)的叉積的方向(y方向)上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化寫入層6的磁化的電子。這種有效磁場被稱為Rashba磁場。
[0299]在本實施例中，通過使用這種Rashba磁場,使磁化寫入層6的磁化方向可變且使磁化自由層3的磁化可反轉。即，對磁隧道結部21執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入。因此，磁化寫入層6中流動的電流是寫入電流?？赏ㄟ^使用用于籽晶層7和蓋層5中的一種的氧化物來提高產(chǎn)生有效磁場的這種效果。例如，眾所周知的是，在籽晶層7的構造中，磁化寫入層6和蓋層5=Pt膜、Co膜和AlOx膜，對于每108A/cm2寫入電流，基于自旋軌道相互作用的有效磁場高達kOe級。因此可降低寫入電流。
[0300]以下將說明根據(jù)本實施例的磁存儲器的磁存儲元件的數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入。這里，出于說明的目的，假設磁化參考層I的磁化MO固定為-y方向。此外，假設當磁隧道結部21的磁化自由層3的磁化Ml為-y方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml平行(低電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“O”。而且，假設當磁化自由層3的磁化Ml為+y方向時，即磁化參考層I的磁化MO和磁化自由層3的磁化Ml反平行(高電阻)時，存儲數(shù)據(jù)“ I ”。
[0301]將說明對磁存儲元件9的數(shù)據(jù)寫入。
[0302]首先，將說明將數(shù)據(jù)“ I ”寫入磁存儲元件9中的情況。圖36A和36B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖36A和36B示出在執(zhí)行數(shù)據(jù)“I”的寫入操作之后的情況。
[0303]為了將數(shù)據(jù)“I”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Iwa在-X方向上從下電極Sb穿過磁化寫入層6流至下電極8a。此時，如上所述，磁化寫入層6的下側(-ζ側)處的邊界接合至籽晶層7，且上側(+ζ方向)處的邊界接合至蓋層5。因此，磁化寫入層6的兩側處的邊界具有不同結構。即，在磁化寫入層6中，空間對稱相對于ζ方向被打破。因此，當使寫入電流Iwa在-X方向上在磁化寫入層6的平面內(nèi)流動時，由于自旋軌道相互作用，磁場Hiwci (Rashba磁場)在寫入電流Iwci的方向(x方向)和空間對稱被打破的方向(ζ方向)的叉積的方向(y方向)上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化寫入層6的磁化的電子。例如，在籽晶層7、磁化寫入層6以及蓋層5是Pt、Co和AlOx且使寫入電流Iwa在-X方向上流動的情況下，在+y方向上產(chǎn)生磁場Hiwa (Rashba磁場)。但是,方向是_y方向還是+y方向取決于材料。本附圖的不例不出在-y方向上產(chǎn)生磁場Hiwa (Rashba磁場)。磁場Hiwa作用于+z方向上的磁化寫入層6的磁化M2，以使磁化M2轉變成_y方向。因此，磁化寫入層6的在+z方向上的磁化M2向-y方向傾斜(具有_y方向的分量)。因此在磁化寫入層6的_y方向上的側面產(chǎn)生磁極(+)。通過基于此磁極的漏磁場Hu，即通過此磁極和磁化自由層3的磁化Ml之間的靜態(tài)磁耦合，可反轉具有y方向上的易磁化軸的磁化自由層3的磁化Ml。以此方式，執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入，如圖36A和36B中所示的數(shù)據(jù)“I”的狀態(tài)。
[0304]以下，將說明將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9中的情況。圖37A和37B是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的數(shù)據(jù)寫入方法的正視圖和側視圖。圖37A和37B示出在磁存儲元件9中執(zhí)行數(shù)據(jù)“0”的寫入操作之后的情況。
[0305]為了將數(shù)據(jù)“0”寫入磁存儲元件9，首先，使寫入電流Ik2在+X方向上從下電極Sb穿過磁化寫入層6流至下電極8a。此時，如上所述(本附圖示出在_y方向上產(chǎn)生磁場Hiwa的不例)，由于自旋軌道相互作用，磁場Hik2 (Rashba磁場)在+y方向上施加至局域電子。局域電子是呈現(xiàn)磁化寫入層6的磁化的電子。磁場Hik2作用于+z方向上的磁化寫入層6的磁化M2，以使磁化M2轉變成+y方向。因此,磁化寫入層6的在+z方向上的磁化M2向+y方向傾斜(具有+y方向的分量)。因此在磁化寫入層6的+y方向上的側面產(chǎn)生磁極(+ )。通過基于此磁極的漏磁場氏2，即通過此磁極和磁化自由層3的磁化Ml之間的靜態(tài)磁耦合，可反轉具有y方向上的易磁化軸的磁化自由層3的磁化Ml。以此方式，執(zhí)行數(shù)據(jù)寫入，如圖37A和37B中所示的數(shù)據(jù)“0”的狀態(tài)。
[0306]順便提及，如從上述數(shù)據(jù)寫入方法中容易地理解，可執(zhí)行覆寫入操作，覆寫入操作是當數(shù)據(jù)“0”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“0”且當數(shù)據(jù)“I”存儲在磁存儲元件9中時將要寫入數(shù)據(jù)“I”的操作。此外，電流Ik的方向和磁化M2的傾斜方向之間的關系取決于籽晶層7的材料和蓋層5的材料的選擇。
[0307]以下將說明從磁存儲元件9讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀取方法與用于包括磁化自由層3、勢壘層2以及磁化參考層I的磁隧道結部21 (MTJ)的常用讀取方法相同。例如，使具有恒定電流值的讀取電流在上電極11和下電極8a之間，即在磁隧道結部21中流動。隨后，通過將參考電壓與由讀取電流在上電極11和下電極8a之間產(chǎn)生的電壓進行比較，讀取磁隧道結部21的磁阻值，即作為磁化自由層3的磁化方向的數(shù)據(jù)。
[0308]順便提及，磁化寫入層6的平面形狀不僅可以是矩形，而且還可以是橢圓形、卵圓形以及矩形、橢圓形和卵圓形中每一個的一部分在它們的縱軸方向上凹陷的形狀。在這點上，磁化寫入層6的磁化方向不完全指向相同的一個方向。但是，因為在磁化寫入層6中沒有明顯的磁疇壁，因此本實施例被描述為磁化寫入層6是被均勻磁化的。
[0309]圖38是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲器的構造的一個示例的框圖。磁存儲器50包括存儲單元陣列59、X選擇器51、Y電流源電路54、Y選擇器和電源電路56以及GND (接地端)57。這些元件不限于上述元件,只要這些元件具有類似于下述功能的功能。
[0310]存儲單元陣列59包括多個存儲單元10、多個位線11、多個第一寫入線12、多個第二寫入線13以及多個字線14。字線14在一端連接至X選擇器51并向X方向延伸。位線11在一端連接至GND (接地端)57，并向y方向延伸。第一寫入線12在一端連接至Y電流源電路54并向y方向延伸。第二寫入線13在一端連接至Y選擇器和電源電路56并向y方向延伸。多個存儲單元10與多個字線14和多個位線11之間的交點相對應地以矩陣形排列。存儲單元10包括兩個選擇晶體管Tr以及磁存儲元件9。其中一個選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第一寫入線12，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極8a，且在柵極處連接至字線14。另一選擇晶體管Tr在源極和漏極中的一個處連接至第二寫入線13，在源極和漏極中的另一個處連接至磁存儲元件9的下電極Sb，且在柵極處連接至字線14。磁存儲元件9的磁化參考層I連接至作為上電極的位線11。
[0311]當執(zhí)行寫入操作和讀取操作時，X選擇器51從多個字線14中選擇一個選擇字線
14。當執(zhí)行寫入操作時，Y選擇器和電源電路56從多個第二寫入線13中選擇一個選擇第二寫入線13，執(zhí)行供應寫入電流Iwa，并且在執(zhí)行讀取操作時，執(zhí)行供應或拉取讀取電流Ικ。當執(zhí)行寫入操作時，Y電流源電路54從多個第一寫入線12中選擇一個選擇第一寫入線12并供應寫入電流ΙΚ2。X選擇器51、Υ電流源電路54、Υ選擇器和電源電路56 (以及GND (接地端)57)應該是將寫入電流施加至寫入目標存儲單元10的寫入電流控制電路。
[0312]這種磁存儲器可用于單 個存儲器(MRAM)，或可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲器部和邏輯部(未示出)的半導體器件)中的存儲器部。
[0313]以下將說明根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲器的操作。在寫入操作中，首先，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器和電源電路56選擇一個選擇第二寫入線13。此外，Y電流源電路54選擇一個選擇第一寫入線11。因此，選擇要對其寫入數(shù)據(jù)的寫入單元10作為目標存儲單元
10。隨后，Y選擇器和電源電路56執(zhí)行為寫入單元10供應寫入電流ΙΚ1。或Y電流源電路54執(zhí)行為寫入單元10供應寫入電流ΙΚ2。此時，電流路徑是Y選擇器和電源電路56-選擇第二寫入線13-寫入單元10-選擇第一寫入線12-Υ電流源電路54。因此，寫入電流Iwa或寫入電流Ik2施加至寫入單元10的磁化寫入層6，且有效磁場Hiki或有效磁場Hik2施加至磁化寫入層6。隨后，基于這些，所選寫入單元10的磁化自由層3的磁化可通過磁化寫入層6的漏磁場Hu或凡2而被反轉。在本電路構造中，不存在半選擇問題。
[0314]以下將說明磁存儲單元的讀取操作。在讀取操作中，X選擇器51選擇一個選擇字線14。因此，在柵極處連接至選擇字線14的選擇晶體管Tr導通。隨后，Y選擇器和電源電路56選擇一個選擇第二寫入線13。根據(jù)上述操作，選擇了要從其讀取數(shù)據(jù)的讀取單元10作為目標存儲單元10。Y選擇器和電源電路56執(zhí)行供應或拉取讀取電流Ικ。此時，電流路徑是Y選擇器和電源電路56-選擇第二寫入線13-讀取單元10-選擇位線Il-GND _地端)。因此，讀取電流在讀取單元10的磁隧道結部21中流動。因此，例如，通過使用連接至Y選擇器和電源電路56等的讀出放大器(此處未示出)可檢測磁隧道結21的電阻并讀取數(shù)據(jù)。
[0315]將說明根據(jù)本實施例的磁存儲元件的變型示例。圖39是示出根據(jù)本發(fā)明的第十實施例的磁存儲元件的構造的一個變型示例的局部側視圖。本附圖僅示出磁存儲元件9中的磁寫入部22。磁寫入部22包括多個磁寫入部22-1，…，22-(η-1)，22-η (η是自然數(shù))。各個磁寫入部22-1 (i=l至η)都包括籽晶層7、磁化寫入層6以及蓋層5。以此方式，因為磁寫入部22具有其中籽晶層、磁化寫入層和蓋層多次層疊的構造，因此增加了磁寫入部22的磁矩。因此，增加了在Rashba磁場工作時的漏磁場的總量。因此，可容易地反轉磁化自由層3。
[0316]本發(fā)明的原理，即基于自旋軌道相互作用的磁化寫入層6的磁化改變用于磁化自由層3的磁化反轉，不僅應用于上述單軸寫入方法，而且還應用于雙軸寫入方法以及作為輔助磁場用于自旋注入寫入方法。例如，通過在MTJ上方和下方提供兩個磁寫入部22，可實現(xiàn)具有低電流的雙軸寫入方法。此外，磁化寫入層6和磁化自由層3之間的耦合不限于上述靜態(tài)磁耦合，而且例如也可使用鐵磁耦合。
[0317]根據(jù)本發(fā)明，可提供其中無需引入磁疇壁且寫入電流較小的磁存儲器。
[0318]第六至第九實施例的構造可描述如下。但是，第六至第九實施例不限于下述示例。
[0319](I) 一種磁存儲器,包括:
[0320]基層；
[0321]覆蓋基層的磁化自由層，構造為具有可反轉的磁化并被大致均勻地磁化；
[0322]覆蓋磁化自由層的勢壘層，構造為由與基層的材料不同的材料組成；以及
[0323]磁化參考層，構造為布置在與磁化自由層的一端相對應的勢壘層的一端上并具有固定磁化，
[0324]其中，當磁化自由層的磁化反轉時，使第一寫入電流在面內(nèi)方向上從磁化自由層的一端經(jīng)過磁化參考層流至另一端。
[0325](2)根據(jù)上述(I)的磁存儲器，還包括:
[0326]第一電極，構造為布置在與磁化自由層的另一端相對應的基層的一端，
[0327]其中，第一寫入電流在面內(nèi)方向上從磁化參考層和第一電極中的一個經(jīng)過磁化自由層流至另一個。
[0328]( 3 )根據(jù)上述(2 )的磁存儲器，其中，磁化參考層和磁化自由層具有垂直磁各向異性。
[0329](4)根據(jù)上述(2)的磁存儲器，其中，磁化參考層和磁化自由層具有面內(nèi)磁各向異性，
[0330]其中，磁化自由層的膜厚方向上的向量和第一寫入電流的方向上的向量的叉積具有與磁化自由層的磁化方向平行的分量。
[0331](5)根據(jù)上述(I)的磁存儲器，還包括:
[0332]第一和第二電極，構造為布置在與磁化自由層的一端和另一端相對應的基層的一端和另一端，
[0333]其中，當磁化自由層的磁化反轉時，除第一寫入電流之外，還使第二寫入電流從第一和第二電極中的一個流至另一個。
[0334](6)根據(jù)上述(5)的磁存儲器，其中，磁化參考層和磁化自由層具有垂直磁各向異性。
[0335](7)根據(jù)上述(5)的磁存儲器，其中，磁化參考層和磁化自由層具有面內(nèi)磁各向異性，
[0336]其中，磁化自由層的膜厚方向上的向量和第一寫入電流的方向上的向量的叉積具有與磁化自由層的磁化方向平行的分量。
[0337]第十實施例的構造可如下描述。但是，第十實施例不限于以下示例。
[0338](I) 一種磁存儲器,包括:[0339]磁隧道結部；以及
[0340]構造為布置在磁隧道結部附近的磁寫入部，
[0341]其中，磁隧道結部包括:
[0342]構造為具有可反轉地磁化地磁化自由層，
[0343]構造為布置在磁化自由層上的勢壘層，以及
[0344]構造為布置在勢壘層上并具有固定磁化的磁化參考層，
[0345]其中，磁寫入部包括:
[0346]籽晶層，
[0347]覆蓋籽晶層的磁化寫入層，構造為被大致均勻地磁化，以及
[0348]覆蓋磁化寫入層的蓋層，構造為由不同于籽晶層的材料的材料組
[0349]成，
[0350]其中，當磁化自由層的磁化反轉時，使寫入電流在面內(nèi)方向上從
[0351]磁化寫入層的一端流至另一端。
[0352](2)根據(jù)上述(I)的磁存儲器，還包括:
[0353]構造為布置在籽晶層的兩端的第一和第二電極，
[0354]其中，寫入電流從第一和第二電極中的一個流至另一個。
[0355]( 3 )根據(jù)上述(I)或(2 )的磁存儲器，其中，磁化自由層和磁
[0356]化參考層具有面內(nèi)磁各向異性，并且
[0357]其中，磁化寫入層具有垂直磁各向異性。
[0358](4)根據(jù)上述(3)的磁存儲器，其中，磁化自由層和磁化寫入
[0359]層磁化耦合，并且
[0360]其中，通過來自磁化寫入層的漏磁場使磁化自由層的磁化可反轉。
[0361](5)根據(jù)上述(I)至(4)中一個的磁存儲器，
[0362]其中，籽晶層和蓋層中的一個包括金屬材料且另一個包括氧化物。
[0363](6)根據(jù)上述(I)至(5)中一個的磁存儲器，
[0364]其中，在磁寫入部中，籽晶層、磁化寫入層以及蓋層都層疊多次。
[0365]這種磁存儲器以磁隨機存取存儲器(MRAM)為例，且不僅可用于單個存儲器(MRAM)，而且還可用于存儲器嵌入式微型計算機(包括存儲部和邏輯部(未示出)的半導體器件)等等。
[0366]雖然上文已經(jīng)結合本發(fā)明的若干實施例對本發(fā)明進行了說明，但是對于本領域技術人員來說顯而易見的是提供上述實施例僅用于說明本發(fā)明，且不應解釋為對隨附權利要求的限制。
[0367]本發(fā)明不限于上述各個實施例。顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對上述各個實施例進行變型和改變。此外，如果不存在技術上的矛盾，則上述各個實施例中所述的技術可應用至其他實施例。
[0368]本申請基于2011年3月22日提交的日本專利申請N0.2011_061930、2011年3月22日提交的日本專利申請N0.2011-061939以及2011年3月30日提交的日本專利申請N0.2011-076361，并要求這些申請的優(yōu)先權，上述申請的內(nèi)容通過弓I用整體并入本文。
【權利要求】
1.一種磁存儲器，包括: 基層; 覆蓋所述基層的磁化自由層，所述磁化自由層被構造為具有可反轉的磁化并被大致均勻地磁化； 覆蓋所述磁化自由層的勢壘層，所述勢壘層被構造為由與所述基層的材料不同的材料組成；以及 磁化參考層，所述磁化參考層被構造為布置在所述勢壘層上并具有固定磁化， 其中，當所述磁化自由層的磁化反轉時，使第一寫入電流在不經(jīng)過所述磁化參考層的情況下在面內(nèi)方向上從所述磁化自由層的一端流至另一端。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，還包括: 第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極被構造為布置在所述基層的兩端， 其中，所述第一寫入電流從所述第一電極和所述第二電極中的一個流至所述第一電極和所述第二電極中的另一個。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，還包括: 被構造為布置在所述磁化自由層附近的布線線路， 其中，當所述磁化自由層的磁化反轉時，進而，通過使用所述布線線路中流動的第二寫入電流在所述磁化自由層附近產(chǎn)生電流感應磁場。
4.根據(jù)權利要求3所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有垂直磁各向異性，并且 其中，所述布線線路被布置在從所述磁化自由層上方的位置移位的位置處。
5.根據(jù)權利要求3所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有面內(nèi)磁各向異性，并且 其中，所述布線線路布置在所述磁化自由層上方的位置處。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有面內(nèi)磁各向異性，并且 其中，所述磁化自由層的膜厚方向上的向量和所述第一寫入電流的流動方向上的向量的叉積具有與所述磁化自由層的磁化方向平行的分量。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有垂直磁各向異性，并且 其中，所述磁化自由層具有使得所述第一寫入電流在所述磁化自由層中不均勻分布的形狀。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層具有垂直磁各向異性，并且 其中，所述磁化自由層具有反轉核容易出現(xiàn)在所述磁化自由層的一部分中的區(qū)域。
9.根據(jù)權利要求2所述的磁存儲器，其中，所述第一電極和所述第二電極相對于所述磁化自由層不對稱。
10.根據(jù)權利要求1或2所述的磁存儲器，其中，在所述磁化自由層中，易磁化軸相對于所述磁化自由層的膜表面指向垂直和面內(nèi)之間。
11.根據(jù)權利要求10所述的磁存儲器，其中，所述磁化自由層是層疊了垂直各向異性材料膜和面內(nèi)各向異性材料膜的疊層膜。
【文檔編號】H01L29/82GK103460374SQ201180069469
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年10月14日 優(yōu)先權日:2011年3月22日
【發(fā)明者】鈴木哲廣 申請人:瑞薩電子株式會社
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