[發明專利]自旋存儲器和自旋場效應晶體管

有效

• 申請號: 200710153622.8
• 申請日: 2007-09-07
• 公開（公告）號: CN101140944A
• 公開（公告）日: 2008-03-12
• 發明（設計）人: 井口智明;齊藤好昭;杉山英行
• 申請（專利權）人: 株式會社東芝
• 主分類號: H01L27/22
• 分類號: H01L27/22;H01L29/66;H01L29/772;G11C11/15;G11C11/16
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 王以平

技術領域

本發明涉及使用磁阻元件的自旋存儲器和自旋FET(場效應晶體管)。

背景技術

近些年來，人們積極地嘗試著將磁阻元件應用到MRAM(磁隨機存取存儲器)上。

最近，能夠得到大于或等于230％的磁阻變化率并且能夠限制當施加電壓增大時磁阻變化率的減小，從而增強MRAM的實用性。在TMR(隧穿磁阻)元件被用作MRAM的存儲元件的情況下，夾著隧道勢壘層(tunnel?barrier?layer)的一層鐵磁層(ferromagnetic?layer)被定義為磁性固定層(magnetic?pinned?layer)，而另一層鐵磁層被定義為磁性自由層(magnetic?layer)。使用這些鐵磁單隧道結或者鐵磁雙隧道結的存儲元件具有一種潛力，即在非易失特性中，讀寫時間可快至10納秒或更小，并且寫入/擦除次數大于或等于10¹⁵次。

在磁場寫入系統(magnetic?field?write?system)MRAM的情況下，在對磁性自由層寫入時，磁性自由層的磁化反轉(inversion?ofmagnetization)只在因電流脈沖所產生的磁場中進行。因此，出現了這樣的問題，即電源功耗更大；當實現大容量時，布線所允許的電流密度受到限制，使其不能實現大容量，并且用于供給電流的驅動器的面積也變大了。

為了解決上述問題，已經提出了一種MRAM，其在寫入線的外圍配備有由高磁導率磁性材料制成的薄膜。在配備有由這種高磁導率磁材料制成的薄膜的寫入線中，有效地產生了磁場，從而使得能夠減小向磁性自由層寫入信息所需的電流值。然而，在這種情況下，還是難以將寫電流限制為小于或等于1mA。

為了解決這些問題，提出了一種使用自旋注入磁化反轉技術的寫入方法(例如參照USP?6,256,223)。在這種自旋注入磁化反轉技術中，磁性自由層的磁化通過將自旋極化電流注入到存儲元件的磁性自由層中而被反轉。寫入所需的電流由于磁性自由層的尺寸減小而減少了，因此，該技術有望成為一種MRAM寫入技術。

然而，傳統TMR元件的自旋注入寫入所需的電流密度高達8×10⁶A/cm²量級，因此，對隧道勢壘的破壞或者外圍電路的大尺寸就成為了問題(參照Yiming?Huai?et.al.，Appl.，Phys.Lett.84(2004)3118))。因此，為了實現穩定的寫入同時不會發生TMR元件破壞就需要減小寫入電流。另外，這是一種必要的技術，因為當將該技術應用到MRAM上時寫入電流的減少會使得功耗減小。

用這種方式，在傳統磁阻元件中，自旋注入寫入所需的電流密度高達8×10⁶A/cm²量級，因此，對隧道勢壘的破壞或者外圍電路的大尺寸就成為了問題。

發明內容

(1)根據本發明所述的自旋存儲器包括磁阻元件，其具有：磁化方向被固定的第一鐵磁層；磁化方向變化的第二鐵磁層；在第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的第一非磁性層；下電極和上電極，其延展方向與第二鐵磁層的難磁化軸的夾角在45度到90度之間并且兩者在長度方向上的一個端部之間夾著磁阻元件；被連接到下電極在長度方向上的另一個端部的開關元件；以及被連接到上電極在長度方向上的另一個端部的位線，其中，通過將自旋極化電子供給到第二鐵磁層并將磁場從下電極和上電極施加到第二鐵磁層上來進行寫入。

(2)根據本發明所述的自旋FET包括：磁化方向被固定的第一鐵磁層；磁化方向變化的第二鐵磁層；第一鐵磁層和第二鐵磁層之間的溝道；隔著柵絕緣層形成于溝道上的柵電極；第一導線，其延展方向與第二鐵磁層的難磁化軸的夾角在45度到90度之間，并且其在長度方向上的一個端部被連接到第一鐵磁層和第二鐵磁層中的一層上；以及第二導線，其被連接到第一導線在長度方向上的另一個端部，其中，通過將自旋極化電子供給到第二鐵磁層并將磁場從第一導線施加到第二鐵磁層上來進行寫入。