[发明专利]具有自旋相关转移特性的隧道晶体管及使用了它的非易失性存储器

说明书

本申请是原案申请号为200480008988.0的发明专利申请(国际申请号：PCT/JP2004/004512，申请日：2004年3月30日，发明名称：具有自旋相关转移特性的隧道晶体管及使用了它的非易失性存储器)的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种新型晶体管，更详细地说，涉及一种具有自旋相关转移特性的晶体管及使用了它的非易失性存储电路(非易失性存储器)。

背景技术

近年来高度信息化社会的发展令人注目，特别是在最近，以“便携式设备”作为媒介正急剧地扩展。虽然正在认识到“便携式设备”这种大的需求能够成为今后半导体工业的需要，但与此相对应，除了半导体集成电路的高速化、低功耗化、大容量化之类如现有那样的高性能化以外，还产生了满足信息的非易失这种新的要求的必要性。针对这种要求，作为非易失高密度记录，正集中注意一种融合了优越的铁磁性体存储技术和半导体集成电子学技术的新型存储器件(例如，参照非专利文献1)。这种器件被称为磁随机存取存储器(magnetoresistive random accessmemory；以下称为“MRAM”)，将具有用铁磁性电极夹持薄的绝缘性的隧道势垒的结构的铁磁性隧道结(magnetic tunnel junction；以下称为“MTJ”)用作这种存储元件。

由于在MTJ中具有隧道电阻随铁磁性电极间的相对的磁化方向而异的隧道磁阻(tunneling magnetoresistance；以下称为“TMR”)效应，所以如果应用这种效应，用电学方式检测出铁磁性体的磁化状态就成为可能。因此，因MTJ的存在而将铁磁性体的信息的非易失存储技术理想地纳入半导体集成电子学成为可能。

以下，参照图8说明现有技术的一例。如图8所示，在MRAM的存储单元100中，主要采用由1个MTJ101和1个MOS晶体管103构成1位存储单元的方法。MTJ101是由第1铁磁性电极105、第2铁磁性电极107和用设置于两者之间的绝缘体形成的隧道势垒108构成的隧道结。

将MOS晶体管103的源(S)接地(GND)，用栓PL等将漏(D)与MTJ101的一个铁磁性电极107连接。MTJ101的另一铁磁性电极105与位线BL连接，改写用字线111在MTJ101的正上方或正下方与MTJ101及其它布线交叉和在用绝缘膜115进行了电绝缘的状态下与位线BL交叉地配置。读出用字线WL与MOS晶体管103的栅电极G连接。

在铁磁性体中，由于能够非易失地保持磁化的方向，故在MTJ中通过使铁磁性电极间的相对的磁化状态进行平行磁化或逆平行磁化，可非易失地存储2值的信息。另外，在MTJ中，在2个铁磁性电极间的相对的磁化状态下，隧道电阻因TMR效应而异。因而，如果采用与平行磁化、逆平行磁化的磁化状态对应的隧道电阻，则可用电学方式检测MTJ内的磁化状态。

信息的改写通过改变MTJ101中的2个铁磁性电极105、107的矫顽力，或固定一个铁磁性电极的磁化方向，而使矫顽力小的铁磁性电极或磁化方向不固定的铁磁性电极发生磁化反转来进行。以下，将进行磁化反转的铁磁性体称为自由层，将不进行磁化反转的铁磁性体称为钉住层。具体地说，电流分别流过在选择存储单元上交叉的位线BL和改写用字线111，由各电流感生的磁场的合成磁场仅仅使被选择了的存储单元100内的MTJ101的磁化状态变为平行磁化或逆平行磁化。此时，像具有与所选择的单元相同的位线BL或改写用字线111的非选择存储单元不进行磁化反转那样，预先设定流过各自的布线的电流值，使得采用仅仅来自一方布线的磁场不至使非选择存储单元的MTJ101进行磁化反转。

信息的读出是通过对与选择单元连接的读出用的字线WL施加电压使MOS晶体管103导通之后经位线BL使读出用的驱动电流流到MTJ101而进行的。在MTJ101中，由于隧道电阻随由TMR效应造成的平行磁化或逆平行磁化的磁化状态而异，故如果检测出读出用的驱动电流造成的MTJ101中的电压降(以下，称为“输出电压”)，则可判定磁化状态。以下列举与上述技术相关的文献例。

1)K.Inomata，“磁RAM技术的现在和未来”，IEICE Trans.Electron.Vol.E84-C，pp740-746，2001.

2)H.Ohno，D.Chiba，F.Matsukura，T.Omiya，E.Abe，T.Dietl，Y.Ohno和K.Otani，“铁磁性的电场控制”，Nature 408(2000)944.(后述)