磁存储器以及写该磁存储器的方法

专利名称：磁存储器以及写该磁存储器的方法
技术领域：
本发明涉及一种磁存储器以及一种在该磁存储器上写入数据的方法。
背景技术：
相关技术的磁记录介质起磁盘或文件存储器的作用。磁记录介质的数据临时加载在计算机主机的半导体存储器(DRAM或SRAM)中。这些数据在稍后使用。半导体存储器，特别是DRAM，具有许多优良的特性，但却有消耗大量能量以保持存储内容的缺点。
最近，避免保持存储内容这一需要的闪存和FRAM(铁电随机存取存储器)发展起来了，并进行了闪存和FRAM的商品化。然而，这两种存储设备都有重写操作次数有限这一缺点。
固态磁存储器(MRAM)在不需要依靠电源来保持存储内容和重写操作次数基本上没有限制这些方面胜过上述的存储器。固态磁存储器(MRAM)由存储单元的集合构成，每个单元对应1比特，这与DRAM相同。每个单元由一个开关元件，例如MOS(金属氧化物半导体)晶体管，和一个磁元件，例如磁隧道结元件组成。通过使用外界磁场来倒转磁元件的磁化方向的方法将数据写入每个相关的单元中。详细的方法是，在磁元件的附近提供了两条相交成直角的导线并通过产生流经该导线的电流来对磁元件施加外界磁场。使用这两条导线使其交叉处附近的磁元件能够选择倒转磁化方向。
除了这项技术，还有在绝缘体中形成的微孔中形成金属的技术，从而控制电流的方向性，正如在“E.B Myers et al.Current-InducedSwitching of Domains in Magnetic Multilayer Devices，SCIENCE Vol.285，6 August，1999”中所公开的。该技术是在铜/钴/铜/钴多层薄膜中的铜和钴之间插入一层过氮化硅，并在过氮化硅层中形成碗状的微孔(每个孔直径为5至10纳米)，从而给予在微孔中流经铜的电流预定的各向异性。
关于相关技术的固态磁存储器，磁元件的磁化是通过施加由流经导线的电流产生的电磁场来控制的。然而，就这种写入方法来说，必须产生流经导线的某个数量的电流以产生预定的反向磁场。因此，相关技术的固态磁存储器遇到了存储器消耗的电流量增加这一问题。
而且，如果存储器的集成度增加并且存储单元之间的间隔减小，就会引起所需单元附近的单元的磁化以及所需单元的磁化被倒转这一“串扰”现象出现的频率增加。这是因为流经导线的电流引起的外界磁场有一定的范围，难以将外界磁场局限在单一的所需单元之内。
如上所述，磁存储器在写入数据时需要大量的电流并且由于集成度的增加在写入操作时存储单元之间会出现“串扰”现象。

发明内容
构思本发明是为了解决上述的难题，本发明的目的是提供一种能够用小电流实现写入操作并且不产生串扰的磁存储器，以及一种在其上写入数据的方法。
为了实现这一目的，依照本发明的第一方面，提供了一种磁存储器，包括一个配置用于自旋极化构成写入电流的电子的自旋极化单元；一个配置用于将构成写入电流的电子转换成热电子的热电子生成单元；以及一个由经过自旋极化单元自旋极化并经过热电子生成单元转换成热电子的写入电流进行磁化倒转处理的磁层。
因此，依照本发明的第一方面，提供了一种能够用小电流写入数据并且不产生串扰的磁存储器。
而且，依照本发明的第二方面，提供了一种在磁存储器上写入数据的方法，包括自旋极化构成写入电流的电子；将构成写入电流的电子转换成热电子；以及由热电子倒转磁层的磁化方向。
因此，依照本发明的第二方面，提供了一种能够在磁存储器上用小电流写入数据并且不产生串扰的写入数据的方法。
而且，依照本发明的第三方面，提供了一种磁存储器，包括一个第一电极；一个在第一电极上形成的第一磁层；一个在第一磁层上形成的第一非磁层；一个在第一非磁层上形成的第二磁层；一个在第二磁层上形成的第一绝缘薄膜；一个在第一绝缘薄膜上形成的第一层；一个在第一层上形成的第二非磁层；以及一个在第二非磁层上形成的第二电极。
此外，此处使用的术语“隧道绝缘薄膜”指的是当通过施加电压产生垂直于薄膜表面的电流时电压和电流特性呈现非线性的薄膜。当没有出现隧道现象时，电压/电流特性成线性关系，从而获得所谓的电压和电流特性呈线性关系的“欧姆特性”。相反，依照本实施例，使用电压/电流特性呈非线性的隧道绝缘薄膜能够产生热电子。


下述参照附图的详细描述，将使本发明的这些和其它目的和优势变得更明显，附图包括图1是表示依照本发明第一实施例的磁存储器的单元部分的示意图；图2是描述自旋喷射原理的概念透视图；图3是表示在本发明者构思本发明的过程中讨论的自旋喷射结构的示意图；图4是表示进一步体现图1所示结构的例子的截面示意图；图5A是表示图4所示特例中的电子流的概念截面图；图5B是表示当通过对特例的结构施加电压V产生写入电流时获得的能量图；
图6是表示有点接触的热电子生成单元的截面示意图；图7是表示有肖特基结的热电子生成单元的截面示意图；图8A和8B是表示在金(Au)和铁(Fe)中沿着[100]方向传播的电子能带的曲线图；图9是表示第一实施例的磁存储器部分的截面示意图；图10是表示电流的微分电阻变化的曲线图；图11是表示依照本发明第二实施例的磁存储器部分的截面示意图；图12是表示与本发明第二实施例的磁存储器有关的通过在正反方向改变电流方向产生的微分电阻dV/dI变化的测量结果的曲线图；图13是表示依照本发明第三实施例的磁存储器部分的截面示意图；图14是表示依照本发明第四实施例的磁存储器部分的截面示意图；图15是表示第五实施例的磁存储器矩阵配置的概念透视图；图16是表示第五实施例的磁存储器矩阵配置的另一特例的概念透视图；以及图17是表示依照本发明第五实施例的磁存储器主要部分的截面结构的概念透视图。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。
图1是表示依照本发明第一实施例的磁存储器的单元部分的截面示意图。该图表示了包括在一个存储单元中的磁元件部分；也就是，一个包括自旋极化单元S的基本结构，一个热电子生成单元H，和一个磁层F。在这个实施例中，在箭头方向(或与此相反的方向)上产生写入电流I，从而能够在预定方向倒转磁层F的磁化方向M。特别地，通过自旋极化单元S在预定方向极化写入电流I的自旋。将写入电流I通过热电子生成单元H转换成高能热电子。通过“自旋喷射(spininjection)”将极化方向写入磁层F。这样，在不提供外界磁场的条件下，通过使用小的写入电流可以将预定方向的极化写入磁层F。
首先，解释一下用于本发明磁存储器的术语“自旋喷射”。在“J.Magn.Magn.Mater.159，L1(1996)”中描述了自旋喷射。
图2是描述自旋喷射原理的概念截面图。例如，如图所示，产生一个垂直于由非磁层N、磁层F和非磁层N组成的多层成分的薄膜表面的自旋极化电流I′。这样，通过自旋极化的电子可以倒转磁层F的磁化方向M。这是因为自旋极化的电子在自旋方向上有角动量，该角动量对磁层F的磁化方向施加旋转力(转矩)。
在图2所示的结构中，用于自旋磁层F的磁化方向M的力的大小由(1)写入电流的大小、(2)写入电流的自旋极化度和(3)在非磁层N和磁层F之间的界面上获得的电子反射率的自旋相关性来决定。而且，磁化方向M的旋转方向由写入电流的方向决定。特别地，当产生的电流只有一个大小和一个自旋极化度时，在界面上获得的电子反射率的自旋相关性(3)越大，旋转力越大，从而按照电流的方向改变了旋转方向。
图3是表示在本发明者构思本发明的过程中讨论的自旋喷射结构的截面示意图。特别地，该图表示了磁元件部分，其中非磁层N、磁层F1、非磁层N和磁层F2按这个顺序层叠在一起。
磁层F1是一层有大矫磁力的厚磁层，其磁化方向是固定的，从而产生自旋极化电流。磁层F2是一层有小矫磁力的薄磁层。通过磁层F1自旋极化的电流J流经磁层F2之后，可以旋转磁化方向M。
再观察本发明者提出的图3所示自旋喷射结构，其揭示了当磁物质例如钴(Co)用作磁层F1、F2的材料，非磁物质例如铜(Cu)用作非磁层N的材料时，倒转磁层F2的磁化方向需要相当大的电流密度，与大约108A/cm2类似。
需要如此大的电流密度的主要原因是考虑到在磁层(F1、F2)与非磁层N的界面处获得的电子反射率的自旋相关性很小。特别地，考虑到材料或结构，必须增加界面反射率的自旋相关性。
界面反射率的自旋相关性按照电子的传播方向和动能(或速度)而变化。图3所示的比较例子的结构中，导电电子位于费密面之上；也就是，具有费密能量的将在不同方向(如细箭头表示)上传播的电子产生了导电性。因此，界面反射率的强度是导电电子的平均数。
相反，关于本发明实施例的结构，由于按照图1所示的方法提供了热电子生成单元H，电子(热电子)传播方向可以对准垂直于界面的方向。这样，可以提高界面反射率的自旋相关性。
图4是表示进一步体现图1所示结构的例子的截面示意图。该特例的结构为按如下顺序层叠非磁层N、磁层(自旋极化单元)S、隧道绝缘薄膜(热电子生成单元)H、非磁层N、磁层F和非磁层N。
磁层S是一层有矫磁力的厚磁层。该磁层的磁化方向M是固定的。该磁层S起自旋极化电流电子的作用。隧道绝缘薄膜H是一层薄的绝缘薄膜。当写入电流通过隧道环流经该薄膜时，产生热电子。磁层F是一层有小矫磁力的薄磁层。
通过磁层S自旋极化电流的电子。当电流流经隧道绝缘薄膜H时，产生热电子。由于电流流经磁层F，可以旋转磁化方向M。
图5A是表示图4所示特例中的电子流的概念截面图。图5B是表示当通过对特例的结构施加电压V产生写入电流时的能量图。
由于施加了电压V，穿过隧道绝缘薄膜H的电子在此刻的能量比费密能量EF高(V)；也就是，电子变成了热电子。通过产生这种热电子，电子的动能增加了，从而增加了界面反射率的自旋相关性。
而且，穿过隧道绝缘薄膜H的电子的透射率高于倾斜地穿过隧道绝缘薄膜H的电子的透射率。因此，穿过隧道薄膜的电子(例如，热电子)在基本上垂直于隧道绝缘薄膜H表面的方向上传播，并以垂直于非磁层N和磁层F之间界面的方向进入。因而，可以增加界面反射率的自旋相关性。
通过提供隧道绝缘薄膜H并施加适当电压，增加了电子的能量。电子的传播方向可以对准垂直于界面的方向。因而，可以增加界面反射率的自旋相关性，并可以通过喷射小量电流来感应磁层F的磁化方向倒转。
在本实施例中，通过产生热电子可以提高电子的自旋极化率。特别地，如果是非热电子的正常的导电电子，自旋极化率由导体的材料决定。例如，如果是铁(Fe)，自旋极化率约为40％。如果是钴(Co)，可以得到大约35％的自旋极化率。如果是镍(Ni)，可以得到大约23％的自旋极化率。
如果是热电子，通过利用“自旋反转现象(spin flip phenomenon)”可以获得比单一磁层材料高得多的自旋极化率。例如，当产生热电子穿过适当厚度的磁层(自旋极化单元)S，被自旋极化约10％的电流也可以通过自旋反转现象获得。因而，被自旋极化约100％的电流可以喷射进磁层F。因此，与图3所举例的结构相比，磁层F的磁化方向可以用相当小的写入电流来倒转。
本发明中所用的隧道绝缘薄膜H可以是一种能在接收到预定电压时使写入电流在厚度的方向上穿过绝缘薄膜的绝缘薄膜。该隧道绝缘薄膜不需要是完全均匀和连续的薄膜。
也可以采用所称的点接触来作为热电子生成单元H。
图6是表示有点接触的热电子生成单元的截面示意图。在本实施例中，在绝缘薄膜中开有微孔。在绝缘薄膜的两侧提供的导体层通过微孔连接在一起，从而形成电接触C。通过产生经过点接触C流经绝缘薄膜的写入电流来产生热电子，其中在垂直于薄膜表面方向传播的电子可以被喷射进磁层。
这些点接触在薄的电介质中通过使用细直径电子束能够形成细小的孔(0维的孔)和细线(例如，一维的孔)。通过在孔中形成金属(或半导体)可以形成点接触。此时得到的孔的直径(如果是一维孔则是宽度)设置为，例如，大约5埃。与更宽的孔相比，这种结构能使阻抗增加。对这些孔施加几个伏特或更少，例如，一个伏特，穿过孔的电子的能量状态达到量子化状态，从而产生热电子。
图6所示的二维结构的点接触和产生点接触的方法和用于产生点接触的材料可以参考先前提过的在“E.B.Myers et al.Currnet-Induced Switching of Domains in Magnetic MultilayerDevices，SCIENCE Vol.285，6 AUGUST，1999”。如前所述，图6所示的点接触之间的巨大差异是孔的大小。
也可以使用所称的“肖特基结(Schottky junction)”来作为热电子生成单元H。
图7是表示有肖特基结的热电子生成单元的截面示意图。在本实施例中，半导体层SC与金属层ME接触，其中在接触部分形成肖特基结。这种肖特基结有预定的肖特基势垒。因而，通过施加预定电压产生流经肖特基结的写入电流，从而获得穿过肖特基势垒的热电子。
到此为止，描述了本发明的热电子生成单元H的结构和操作。
现在将描述在本发明的磁存储器中晶体取向的工作效应。特别地，本发明通过在预定方向上定向构成磁存储器的各个层的晶体方向使自旋喷射进一步有效。
例如，在如图4、5A和5B所示的特例中，当磁层S、非磁层N和磁层F的晶体取向确定为一个预定的方向时，可以产生沿着特定晶体取向传播的电子。在铁(Fe)用作磁层S和F而金(Au)用作非磁层N的情况下对此进行详细解释。
图8A和8B是表示沿着晶体方向[100]穿过金(Au)和铁(Fe)传播的电子能带的曲线图。在此，纵轴表示电子能量，横轴表示沿着布里渊区的Δ线的电子频率。
在此，带状结构通常用于表示称为“布里渊区”的频率间隔。在Fe和Au的晶体中沿着[100]方向传播的电子的状态在布里渊区中用Δ线上的点表示。根据波动函数的对称性，电子的状态是相互不同的。在一般情况下，通过使用群论的不可削减表示法，用符号例如Δ1和Δ2来描述该状态。布里渊区的起始点叫做Г(伽玛)点。通过使用群论将Г点的状态描述为Г12、Г25。
如图8A所示，在[100]方向通过Au传播的电子带在费密能级附近有Δ1对称性。如图8B所示，Fe带比较复杂。上自旋带在费密能级的更高位置有Δ1对称性。下自旋带有Δ2、Δ2′和Δ5对称性。电子可以在有相同对称性的带间传播而不进行反射。沿着[100]方向传播的能级高于费密能级的上自旋电子可以穿过Au和Fe之间的界面。
电子不能在有不同对称性的带间传播。因而，沿着[100]方向传播的下自旋电子在Au和Fe之间的界面处经受强烈的反射。
特别地，由Au形成非磁层N，由Fe形成磁层S和F。磁层的晶体被定向，从而在[100]方向引起写入电流。这样，在Au和Fe之间的界面出现了上自旋电子的反射率和下自旋电子的反射率之间的巨大差异。特别地，出现了有强烈自旋相关性的界面反射。如图1至5B所示，在界面电子反射率的自旋相关性越大，作用在磁层F的磁化方向M上的旋转力越大。因此，由于选择了各个层的材料并确定了材料晶体的方向，可以对磁层F的磁化方向M施加巨大的旋转力。而且，通过写入电流可以倒转磁化方向。
即使当使用诸如银(Ag)、铂(Pt)、铜(Cu)或铝(Al)代替Au作为非磁层N的材料时，也可以得到相同的效果。
在更高的费密能级，下自旋电子可以穿过铬(Cr)和铁(Fe)之间的界面。然而，上自旋电子被强烈地反射。在这种情况下，上下自旋电子的透射率与在Au和Fe之间的界面得到的数值相反。依然可以得到有高自旋相关性的界面反射。
锰(Mn)也有与铬(Cr)相似的带状结构。因此，即使当用Mn代替Cr时，也可以得到相同的效果。
(实施例)现在将参照实施例详细描述本发明。
(第一实施例)图9是表示第一实施例的磁存储器部分的截面示意图。下面将按照制造过程描述该存储器的结构。
通过使用多室分子束外延(MBE)系统准备好了实施例。极限真空约为1×10-8帕斯卡。
首先，在第一室中加热无杂质的砷化镓(001)衬底11至350℃以消除氧化物表面膜之后，形成厚度为100纳米的Ag(001)定向薄膜，并且该薄膜作为下电极12。然后，通过在下电极12上外延生长形成所有定向在
方向上的铁薄膜13(厚度10纳米)、金薄膜14(厚度7纳米)、铁薄膜15(厚度1.5纳米)、铝薄膜(厚度0.1纳米)。
接着，将多层薄膜引入MBE的第二室，顶部A1层在约10-1帕斯卡的纯氧中自然氧化，从而形成AlOx绝缘薄膜16。
将多层薄膜再次返回MBE的第一室，从而在绝缘薄膜16上层叠铝膜(厚度为10纳米)17、金膜(厚度为50纳米)18。在多层薄膜中的铁层13和15处于磁性非键合状态。这两层多层薄膜显示出单轴的各向异性，而[110]方向被作为易磁化轴。
通过使用电子束光刻法和离子铣削技术，将多层薄膜处理成直径为100纳米的柱形结构。最后，通过聚酰亚胺平滑多层薄膜。通过光刻法和活性离子蚀刻技术形成上电极Au(厚度为100纳米)，从而完成图9所示的结构。
通过检测柱状结构的垂直于平面的电流磁致电阻效应(CPP.MR)，来执行磁化方向的倒转与测量。特别地，在上下电极11、19之间产生电流，从而测量与下铁层13的磁化方向倒转有关的上下电极之间阻抗的变化。
首先，在平面上在[110]方向上施加1000Oe(奥斯特)的磁场，从而恢复0Oe的磁场。上下铁层13、15有大约100Oe的矫磁力。因此，在这种状况下，上铁层13和下铁层15的磁化方向保持相互平行。通过使用锁定放大器来测量微分电阻dV/dI的变化，可以获得阻抗的变化。
图10是表示电流的微分电阻变化的曲线图。当下电极变为正极且电流逐渐增加时，观察到在大约0.7mA处微分电阻阶跃式增加。该步骤表示了从铁层13和15的磁化方向相互平行的状态转到薄铁层15的磁化方向倒转的磁化方向倒转平行状态中的磁阻增加。影响铁层15磁化方向倒转所需要的0.7mA的电流转换成电流密度约为1×107A/cm2。
(比较例)通过MBE、电子束光刻法和光刻法技术，制造一个除了不提供AlOx绝缘薄膜16以外其它与图9所示结构相似的第一实施例的比较例。
按照与第一实施例中采用的相同方法，观察到比较例中元件的磁化方向倒转，从而决定影响磁化方向倒转所需要的电流和电流密度。这样，确定影响磁化方向倒转所需要的电流为10.4mA，确定电流密度约为1.4×108A/cm2。
换句话说，可以发现第一实施例的元件能以比较例中所需电流的十分之一或更小的写入电流来进行磁化方向倒转。
(第二实施例)图11是表示依照本发明第二实施例的磁存储器部分的截面示意图。第二实施例与图9所示的结构之间的差异在于在下电极(Ag)12和下侧铁层13之间也插入AlOx绝缘薄膜16。
关于本例的结构，通过在正反方向改变电流方向，来测量微分电阻dV/dI的变化，从而获得图12所示的结果。
首先，当在正方向(例如，假定下电极12为正电压的方向)产生电流时，观察到在大约1.2mA处微分电阻阶跃式增加。特别地，在1.2mA处上层薄铁层15的磁化方向被倒转，上层15和下层13的磁化方向从平行状态变为反向平行状态。接着，即使当产生的电流减小至0(零)，依然保持反向平行的状态。然而，当电流在反方向增加时，观察到在大约0.9mA处微分电阻阶跃式减小。铁层13和铁层15的磁化方向又回到平行状态。
(第三实施例)图13是表示依照本发明第三实施例的磁存储器部分的截面示意图。
特别地，本例的磁存储器有两层绝缘薄膜16，这与第二实施例相同。在本例中，通过介电层16代替铝层17，在薄铁层15上形成厚铁层(厚度为10纳米)13。铁层15、介电层16和上铁层13组成所称的“磁隧道结(magnetic tunnel junction)”。
即使在本例中，在正反两个方向都改变电流的方向，从而测量微分电阻dV/dI的变化，这与第二实施例相同。当在正方向(例如，假定下电极12为正电压)产生电流时，观察到在大约1.0mA处微分电阻阶跃式增加。特别地，薄铁层(1.5nm)15的磁化方向被倒转为与上层厚铁层(10nm)13和下层厚铁层(10nm)13的磁化方向反向平行。接着，即使当电流减小至零，依然保持反向平行的状态。当电流在反方向增加时，观察到在大约1.4mA处微分电阻阶跃式减小。铁层13和铁层15和铁层13的磁化方向又回到平行状态。
(第四实施例)图14是表示依照本发明第四实施例的磁存储器部分的截面示意图。
特别地，本例的磁存储器也有两层绝缘薄膜16，这与第二和第三实施例相同。在本例中，在薄铁层15的上下侧上提供厚铁层13、13。在本例中，在下铁层13和薄铁层15之间插入的金层22作为第三电极，从而形成所称的“三端型”结构。
在电极1和2之间产生正反方向的电流。通过测量电极2、3之间磁隧道结的微分电阻，可以观察到薄铁层15的磁化方向倒转。当在电极1、2之间的正方向产生电流时，观察到在大约1.0mA处磁化方向倒转，这与第三实施例相同。隧道结的磁化方向变为反向平行状态。当电流在反方向连续增加时，观察到在大约1.6mA处隧道结的磁化方向又回到平行状态。
(第五实施例)接着，先前提过的有自旋喷射型写入结构的磁存储器的特例将作为本发明第五实施例来描述。通过使用图1至14所描述的自旋喷射结构可以具体化磁存储器，例如有排列成矩阵形式的存储单元的磁随机存取存储器。
图15是表示实施例的磁存储器矩阵配置的概念透视图。
该图表示存储单元排列成阵列形式的实施例的电路配置。为了在阵列中选择一比特，提供了列译码器350和行译码器351。激活并通过位线334和字线322唯一地选择开关晶体管330。通过读出放大器352来检测这样选择的开关晶体管，从而读出记录在由磁致电阻效应元件321构成的磁记录层上的比特信息。
如在前述的图1至14中提到的，磁致电阻效应元件321有自旋极化单元S和热电子生成单元H。通过自旋极化热电子来倒转磁层的磁化方向，从而进行写入操作。
在写入比特信息的时候，通过预定位线334和字线322来激活预定的开关晶体管330。产生写入电流以流入与该晶体管相连接的磁致电阻效应元件321。
图16是表示实施例的磁存储器矩阵配置的另一特例的概念透视图。特别地，在本例中，通过译码器360、361来选择排列成矩阵形式的位线322和字线334。每个存储单元都有磁致电阻效应元件321和二极管D相互串联这样的结构。在此，二极管D的作用在于阻止感应电流和写入电流倒转流进存储单元而不是选择的磁致电阻效应元件321。
图17是表示依照本发明实施例的磁存储器主要部分的截面结构的概念透视图。
在该图中表示的结构对应于包含在图15所示的磁存储器中的一个存储单元。换句话说，该结构是对应作为随机存取存储器工作的磁存储器的一比特的一个存储单元。该存储单元有一个存储元件区311和一个地址选择晶体管区312。
存储元件区311有磁致电阻效应元件321和一对连接到其上的导线322、324。如图1至14中的相关描述，磁致电阻效应元件321有热电子生成单元H和自旋极化单元S。通过使用自旋极化的热电子来倒转磁层的磁化方向可以实现写入操作。
选择晶体管区312有一个通过通孔326连接到其上的晶体管330和一个嵌入导线328。该晶体管330按照施加给门电路332的电压来执行开关操作，从而控制磁致电阻效应元件321和导线334之间电流通路的开通与关闭。
当读比特信息时，通过导线322、包括磁记录层的磁致电阻效应元件321和下电极324产生感应电流，并测量磁致电阻效应元件321的阻抗或阻抗变化。
当写比特信息时，采用同样的方法，通过导线322、包括磁记录层的磁致电阻效应元件321和下电极324产生写入电流，并适当地倒转磁记录层(磁层F)的磁化方向。
由于通过如图1至14的相关描述所提到的热电子来进行自旋喷射写入，可以显著地减小写入电流。因此，减少了存储器所消耗的功率，有高密度的磁存储器的商品化变得可行。
通过参照特殊实施例描述了本发明。然而，本发明并不局限于这些特殊实施例。例如，对该技术熟悉的人可以在已知范围中进行适当选择以未更改或适当更改的形式，选用已知的GMR元件中的自旋球形薄膜的结构为本发明的自旋球形晶体管，即通过选择如下之一修改磁存储器的特定结构、构成该结构的磁致电阻效应元件、交换元件的特定结构、交换元件的布局关系和连接关系、电极的形状和材料、外围电路和绝缘结构。这些结构也包含在本发明的范围中。使用相同的方法来执行本发明，可以得到相似的结果。
因此，先前提到的热电子生成单元和自旋极化单元被加到已知的GMR元件和TMR元件中这一结构也在本发明的范围中。
此外，可由对技术熟悉的人基于本发明实施例所描述的磁存储器及其写入方法经过适当的设计变化来实现的所有磁存储器设备和将数据写入该存储器设备的方法也在本发明的范围中。
如详细描述过的，通过使用热电子(热孔)代替传统的导电电子作为电流载体，提高了由自旋喷射产生的磁化方向倒转的效率，从而能够以更小的电流(密度)来实现磁膜的磁化方向倒转。
本方法适用于将数据写入通过集成磁隧道结、GMR元件、自旋球形晶体管和MOS晶体管形成的MRAM单元，从而能够制造高集成度的MRAM并产生巨大的工业价值。
权利要求
1.一种磁存储器，包含一个配置用于自旋极化构成写入电流的电子的自旋极化单元；一个配置用于将所述电子转换成热电子的热电子生成单元；以及一个磁化方向被热电子倒转的磁层。
2.依照权利要求1的一个磁存储器，其中对所述热电子生成单元施加电压所产生的电流的响应特性为非线性。
3.依照权利要求1的一个磁存储器，其中所述热电子生成单元包括一层绝缘薄膜，其能使写入电流在施加电压时在绝缘薄膜厚度的方向上通过该绝缘薄膜。
4.依照权利要求1的一个磁存储器，其中所述热电子生成单元包括两层导电层和一层在所述两层导电层之间形成的绝缘薄膜；以及所述绝缘薄膜包括一个导电区。
5.依照权利要求1的一个磁存储器，其中所述热电子生成单元包括一个肖特基结。
6.依照权利要求1的一个磁存储器，进一步包含一个磁层，其中第一晶轴线对准垂直于一层薄膜表面的方向；以及一个非磁层，层叠在所述磁层上并且其中第二晶轴线对准垂直于所述薄膜表面的方向，其中在能级高于费密能级的电子沿着磁层中第一晶轴线方向传播时获得的上自旋带的对称性和下自旋带的对称性之一，并不出现在位于能级高于沿着非磁层中第二晶轴线方向传播的电子的费密能级的电子带中。
7.依照权利要求1的一个磁存储器，其中所述自旋极化单元是一个磁化方向基本上固定在一个方向的磁层。
8.一种将数据写入一个磁存储器中的方法，包含自旋极化构成写入电流的电子；将所述电子转换成热电子；以及通过所述热电子倒转磁层的磁化方向。
9.一种磁存储器，包含一个第一电极；一个在所述第一电极上形成的第一磁层；一个在所述第一磁层上形成的第一非磁层；一个在所述第一非磁层上形成的第二磁层；一个在所述第二磁层上形成的第一绝缘薄膜；一个在所述第一绝缘薄膜上形成的第一层；一个在所述第一层上形成的第二非磁层；以及一个在所述第二非磁层上形成的第二电极。
10.依照权利要求9的一个磁存储器，其中所述第一层是一个非磁层。
11.依照权利要求9的一个磁存储器，进一步包含一层在所述第一电极和所述第一磁层之间形成的第二绝缘薄膜，其中所述第一层是一个非磁层。
12.依照权利要求9的一个磁存储器，进一步包含一层在所述第一电极和所述第一磁层之间形成的第二绝缘薄膜，其中所述第一层是一个磁层。
13.依照权利要求9的一个磁存储器，进一步包含一层在所述第一电极和所述第一磁层之间形成的第二绝缘薄膜，其中所述第一层是一个磁层；以及所述第一非磁层是一个第三电极。
全文摘要
一种磁存储器包括一个配置用于自旋极化构成写入电流的电子的自旋极化单元；一个配置用于将构成写入电流的电子转换成热电子的热电子生成单元；以及一个由经过自旋极化单元自旋极化并经过热电子生成单元转换成热电子的写入电流进行磁化方向倒转处理的磁层。
文档编号H01L43/08GK1542843SQ20041003129
公开日2004年11月3日 申请日期2004年3月26日 优先权日2003年3月28日
发明者佐藤利江, 水岛公一, 一 申请人:株式会社东芝