专利名称：使用转矩的非易失性磁存储单元和使用它的随机存取磁存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有开关功能和转矩磁化反转功能的高输出非易失性磁存储单元和使用这种存储单元的随机存取磁存储器。
背景技术：
如图6所示，现有的非易失性磁存储器由在MOSFET上形成了隧道型磁阻效应元件的单元构成。开关利用MOSFET，使用通过对位线和字线通电而产生的电流感应的空间磁场把信息写入到隧道型磁阻效应元件(文献T.Miyazaki and N.Tezuka，J.Magn.Magn.Mater.139，L231(1995))的自由层上，再利用输出电压读出信息。
T.Miyazaki and N.Tezuka，J.Magn.Magn.Mater.139，L231(1995)按照现有方式的非易失性磁存储器，利用流过位线和字线的电流所产生的空间磁场进行隧道型磁阻效应元件的自由层的磁化反转，从而进行信息的写入。因此，要感应足以引起磁化反转的磁场，需要非常大的功率，很难使该功率减小下来。为了消除该困难而实现非易失性磁存储器中的超低耗电，重要的是不用电流感应的空间磁场来实现自由层的磁化反转。
发明内容
为解决上述的课题，本发明的目的在于提供一种由C-MOSFET、转矩磁化反转层和隧道型磁阻效应元件构成的非易失性磁存储单元以及使用该存储单元的随机存取磁存储器。
为实现上述目的，按照本发明，在具备由自由层、绝缘阻挡层和固定层构成的隧道型磁阻效应膜和用来进行所述自由层的磁化信息的电写入读出的字线和位线的磁存储单元中，由转矩使自由层的磁化方向旋转的转矩磁化反转层邻接隧道型磁阻效应膜而形成，隧道型磁阻效应膜经转矩磁化反转层电连接到由漏极、源极、栅极、n型半导体和p型半导体构成的MOSFET的漏极。
隧道型磁阻效应膜设置有通过交换耦合来固定自由层的磁化方向的反强磁性层。
另外，位线邻接上述隧道型磁阻效应膜，字线邻接MOSFET的源极。
MOSFET通过沿膜面垂直方向n-p-n接合而构成，把栅极配置在p型半导体的周围，字线邻接配置在远离n型半导体中的转矩磁化反转层的位置上的n型半导体，位线邻接隧道型磁阻效应膜。
转矩磁化反转层由强磁性层与非磁性层的叠层膜构成。
另外，强磁性层、自由层和固定层中的至少一层由两层或其以上的叠层膜构成。
强磁性层、自由层和固定层包含Co、Fe、Ni的任一种元素，MOSFET含Si。
作为随机存取磁存储器，有多条位线、字线和多个电连接到位线、字线上而形成的叠层体，该叠层体具有MOSFET、转矩磁化反转层、隧道型磁阻效应膜叠层起来的结构。MOSFET具有漏极、源极、栅极、n型半导体和p型半导体，转矩磁化反转层具有第一强磁性层和非磁性层，上述隧道型磁阻效应膜具有第二强磁性层、绝缘阻挡层、第三强磁性层和反强磁性层，上述位线邻接上述隧道型磁阻效应膜，上述字线邻接上述MOSFET的源极。
如上面所说明的那样，按照本发明，由于能够用设置了转矩磁化反转层的非易失性磁存储单元实现不用电流磁场的磁化反转，所以，可以实现耗电极小的非易失性磁存储器单元，通过装载该非易失性磁存储单元就能够实现耗电极小的随机存取磁存储器。
图1是本发明的非易失性磁存储单元的第一构成例的示图。
图2是本发明的非易失性磁存储单元的第二构成例的示图。
图3是本发明的非易失性磁存储单元的第三构成例的示图。
图4是本发明的非易失性磁存储单元的第四构成例的示图。
图5是本发明的非易失性磁存储单元的阻抗-电流特性的代表性数据的示图。
图6是现有的非易失性磁存储单元的代表性构成例的示图。
图7是配置了本发明的非易失性磁存储单元的随机存取磁存储器的示图。
具体实施例方式
下面用图1～图5和图7详细说明本发明的实施方式。
图1中示出了本发明的存储单元之一例的截面构成图。C-MOSFET11由两个n型半导体12、13和一个p型半导体14构成。n型半导体12上电连接有源极21，该源极21与构成磁存储器的字线电连接。n型半导体13上电连接有漏极22。23是栅极，利用该栅极23的on/off控制源极21和漏极22间的电流的on/off。这里，用含Si的半导体作为上述n型半导体和p型半导体。
该C-MOSFET11上配置有转矩磁化反转层31，电连接电极配线42。转矩磁化反转层31由强磁性层(第一强磁性层)311和非强磁性层312形成。在此，强磁性层311采用CoFe，非强磁性层312采用Cu，它们的膜厚都作成3nm。这里，强磁性层除CoFe之外，也可以形成为NiFe或CoFe/NiFe，Ni的两层以上的叠层膜。上述非磁性层除Cu之外，也可以是含有Au、Cr、Ag、Ru、Al、Pt的至少一种。
在该转矩磁化反转层31上形成有隧道型磁阻效应元件32，隧道型磁阻效应元件32由自由层(第二强磁性层)321和形成在其上的隧道阻挡层322和固定层(第三强磁性层)323构成。这里，用CoFe作为自由层，用作为Al的氧化膜的Al2O3作为绝缘阻挡层322，用CoFe作为固定层323。其膜厚分别作成3nm、2nm、3nm。这里，自由层321和固定层除用CoFe之外，也可以用NiFe或CoFe/NiFe的两层以上的叠层膜。除用Al的氧化膜作为绝缘阻挡层322之外，也可以使用Hf、Ta、Mg、Ti的氧化膜。除用CoFe作为固定层323之外，也可以用由CoFe/Ru/CoFe构成的多层膜。位线212形成在隧道型磁阻效应元件32上，并与其电连接。
图5表示出这样作成的存储单元1的基本的电气特性，由此可知其伴随磁滞的阻抗-电流特性。该磁滞是因为从转矩磁化反转层31流来的旋转电流使自由层321的CoFe的磁化方向变化而产生的。这里，高阻抗状态下，自由层321的磁化方向与固定层323的磁化方向反平行配置。相反，在低阻抗状态下，两者平行配置。在此，为了使自由层321的磁化方向变化，就必须流过图5所示的Ic1或Ic2电流。该值大体为电流密度1×107A/cm2。这里，所制作的隧道型磁阻效应元件32和转矩磁化反转层31的大小为50nm×50nm。因此，磁化反转所必要的电流绝对值约为0.25mA，该值与现有的使用电流感应的非易失性存储器相比，电流值约低2～3个数量级。
在本实施例中，按20μA的读取电流，加在隧道型磁阻效应膜上的电压是200mV。在V＝200mV时，隧道型磁阻效应元件的磁阻比是30％，所以，输出信号为约600mV。
另外，制成了把多个这种非易失性磁存储单元作成多个叠层体而装载起来的随机存取磁存储器。在该叠层体中，转矩磁化反转层的强磁性层为第一磁性层，隧道型磁阻效应膜的自由层和固定层分别为第二和第三强磁性层。图7示出了所作成的随机存取磁存储器的构成。各存储单元包含有图7所示的位线、字线，构成为电连接的叠层体。总之，可以确认与现有的电流驱动型的非易失性随机存取存储器相比，能够以极低的电流，即低2～3个数量级的电流来驱动。
图2是在图1的结构中设置了使固定层323的磁化方向固定在一个方向上的反强磁性层324的存储单元1的截面构成图。在本实施例中，用PtMn作为反强磁性层324，其膜厚为12nm。此外，也可以用IrMn或FeMn。这样就能够稳定实现固定层323与自由层321的磁化方向的反平行·平行配置，所以，能够提高隧道型磁阻效应膜32的输出。在本实施例中，还表示出了如图5所示的具有磁滞的阻抗-电流特性，在本实施例中，隧道型磁阻效应膜32的输出是50％，得到了比实施例1的情况下输出更高的存储单元。
另外，制成了把多个这种非易失性磁存储单元作成多个叠层体而装载起来的随机存取磁存储器。在该叠层体中，转矩磁化反转层的强磁性层为第一磁性层，隧道型磁阻效应膜的自由层和固定层分别为第二和第三强磁性层。图7示出了所作成的随机存取磁存储器的构成。各存储单元包含有图7所示的位线、字线，构成为电连接的叠层体。总之，可以确认与现有的电流驱动型的非易失性随机存取存储器相比，能够以极低的电流，即低2～3个数量级的电流来驱动。
图3是本发明的存储单元1的其他实施例的截面构成图。在本实施例中，C-MOSFET11是对基体把兼作源极的n型半导体131、p型半导体141和兼作漏极的n型半导体121按该顺序叠层而成。另外，配置有不与p型半导体141的侧壁直接相接的栅极23。将转矩磁化反转层31和隧道型磁阻效应膜32以与实施例1同样的材料·膜厚、按同样的顺序叠层在n型半导体121上。
在本实施例中，把n型半导体121兼作的漏极和n型半导体131兼作的源极沿垂直方向叠层起来，并把栅极配置在侧壁上，这样就能够缩小存储单元的面积，就能够实现4F2的非易失性磁存储单元。本实施例中的隧道型磁阻效应膜32的输出是20％。
在本实施例中，处于远离转矩磁化反转层31的位置上的n型半导体131邻接字线，而隧道型磁阻效应膜邻接位线。
另外，制成了把多个这种非易失性磁存储单元作成多个叠层体而装载起来的随机存取磁存储器。在该叠层体中，转矩磁化反转层的强磁性层为第一磁性层，隧道型磁阻效应膜的自由层和固定层分别为第二和第三强磁性层。图7示出了所作成的随机存取磁存储器的构成。各存储单元包含有图7所示的位线、字线，构成为电连接的叠层体。总之，可以确认与现有的电流驱动型的非易失性随机存取存储器相比，能够以极低的电流，即低2～3个数量级的电流来驱动。
图4是在图3的结构中设置了使固定层323的磁化方向固定在一个方向上的反强磁性层324的存储单元1的截面构成图。在本实施例中，用PtMn作为反强磁性层324，其膜厚与实施例2一样，为12nm。此外，也可以用IrMn或FeMn。这样就能够稳定实现固定层323与自由层321的磁化方向的反平行·平行配置，所以，能够提高隧道型磁阻效应膜32的输出。
在本实施例中，处于远离转矩磁化反转层31的位置上的n型半导体131邻接字线，而隧道型磁阻效应膜邻接位线。
在本实施例中，还表示出了如图5所示的具有磁滞的阻抗-电流特性，在本实施例中，隧道型磁阻效应膜32的输出是30％，得到了比实施例3的情况下输出更高的存储单元。
另外，制成了把多个这种非易失性磁存储单元作成多个叠层体而装载起来的随机存取磁存储器。在该叠层体中，转矩磁化反转层的强磁性层为第一磁性层，隧道型磁阻效应膜的自由层和固定层分别为第二和第三强磁性层。图7示出了所作成的随机存取磁存储器的构成。各存储单元包含有图7所示的位线、字线，构成为电连接的叠层体。总之，可以确认与现有的电流驱动型的非易失性随机存取存储器相比，能够以极低的电流，即低2～3个数量级的电流来驱动。
权利要求
1.一种非易失性磁存储单元，其特征在于，在具备具有自由层、绝缘阻挡层和固定层的隧道型磁阻效应膜，和用于进行所述自由层的磁化信息的写入和读出的字线和位线的磁存储单元中，由转矩使所述自由层的磁化方向旋转的转矩磁化反转层邻接所述隧道型磁阻效应膜而形成，所述隧道型磁阻效应膜经所述转矩磁化反转层电连接到由漏极、源极、栅极、n型半导体和p型半导体构成的MOSFET的漏极。
2.根据权利要求1所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述隧道型磁阻效应膜具有通过交换耦合来固定该自由层的磁化方向的反强磁性层。
3.根据权利要求1所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述位线邻接所述隧道型磁阻效应膜，所述字线邻接所述MOSFET的源极。
4.根据权利要求2所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述位线邻接所述隧道型磁阻效应膜，所述字线邻接所述MOSFET的源极。
5.根据权利要求1所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述MOSFET通过沿膜面垂直方向的n-p-n接合而构成，所述栅极被配置在p型半导体的周围，所述字线邻接配置在远离所述n型半导体中的转矩磁化反转层的位置上的n型半导体，所述位线邻接所述隧道型磁阻效应膜。
6.根据权利要求2所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述MOSFET通过沿膜面垂直方向的n-p-n接合而构成，所述栅极被配置在p型半导体的周围，所述字线邻接配置在远离所述n型半导体中的转矩磁化反转层的位置上的n型半导体，所述位线邻接所述隧道型磁阻效应膜。
7.根据权利要求1所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述转矩磁化反转层由强磁性层与非磁性层的叠层膜构成。
8.根据权利要求2所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述转矩磁化反转层由强磁性层与非磁性层的叠层膜构成。
9.根据权利要求1所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述强磁性层、自由层和固定层中的至少一层由两层或其以上的叠层膜构成。
10.根据权利要求2所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述强磁性层、自由层和固定层中的至少一层由两层或其以上的叠层膜构成。
11.根据权利要求1所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述强磁性层、自由层和固定层包含Co、Fe、Ni的任一种元素。
12.根据权利要求2所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述强磁性层、自由层和固定层包含Co、Fe、Ni的任一种元素。
13.根据权利要求1所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述非磁性层含有Cu、Au、Cr、Ag、Ru、Al、Pt的至少一种。
14.根据权利要求2所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述非磁性层含有Cu、Au、Cr、Ag、Ru、Al、Pt的至少一种。
15.根据权利要求1所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述MOSFET含Si。
16.根据权利要求2所述的非易失性磁存储单元，其特征在于，所述MOSFET含Si。
17.一种随机存取磁存储器，其特征在于，有多条位线、字线和多个电连接到位线、字线上形成的叠层体，所述多个叠层体具有MOSFET、转矩磁化反转层和隧道型磁阻效应膜叠层起来的结构；所述MOSFET具有漏极、源极、栅极、n型半导体和p型半导体；所述转矩磁化反转层具有第一强磁性层和非磁性层；所述隧道型磁阻效应膜具有第二强磁性层、绝缘阻挡层和第三强磁性层；所述位线邻接所述隧道型磁阻效应膜，所述字线邻接所述MOSFET的源极。
18.根据权利要求17所述的随机存取磁存储器，其特征在于，所述隧道型磁阻效应膜具有通过交换耦合来固定第二强磁性层的磁化方向的反强磁性层。
19.根据权利要求17所述的随机存取磁存储器，其特征在于，所述MOSFET通过沿膜面垂直方向的n-p-n接合而构成，所述栅极配置在p型半导体的周围。
20.根据权利要求18所述的随机存取磁存储器，其特征在于，所述MOSFET通过沿膜面垂直方向的n-p-n接合而构成，所述栅极配置在p型半导体的周围。
全文摘要
本发明的课题是提供一种在非易失性磁存储器中具有转矩磁化反转功能的超低耗电的高集成存储单元，以及使用这种存储单元的随机存取存储器，本发明的技术解决手段是，在C－MOSFET上具有转矩磁化反转层和隧道型磁阻效应膜。按照本发明可以实现耗电极小的非易失性磁存储器单元，通过装载该非易失性磁存储单元就能够实现耗电极小的随机存取磁存储器。
文档编号G11C11/15GK1606093SQ20041007404
公开日2005年4月13日 申请日期2004年8月31日 优先权日2003年10月10日
发明者早川纯, 松冈秀行 申请人:株式会社日立制作所