[发明专利]自旋存储器和自旋晶体管

说明书

技术领域

在此记载的本实施方式涉及自旋存储器(spin memory)和自旋晶体管(spin transistor)。

背景技术

近年，兴起将利用隧道磁阻(tunnel Magneto-Resistance)效应的磁阻效应元件应用于磁随机存取存储器的尝试。

通常，在将磁阻效应元件用作磁随机存取存储器的存储器元件的情况下，具有铁磁性单隧道结(ferromagnetism single tunnel junctions)或者铁磁性双隧道结(ferromagnetism double tunnel junctions)。铁磁性单隧道结具有如下结构：使夹着隧道势垒层的2个铁磁性层中的一个为磁化方向固定的磁固定层(磁参照层)，使另一个为磁化方向变化的磁记录层。铁磁性双隧道结具有第1磁参照层/第1隧道势垒层/磁记录层/第2隧道势垒层/第2磁参照层的层叠结构。下面，还将铁磁性单隧道结或者铁磁性双隧道结简称为MTJ。具有这样的MTJ的存储器元件具有如下特征：能非易失地存储数据，并且写入时间或者读出时间快至10ns以下，擦写次数也为10¹⁵次以上。

作为对该磁阻效应元件的写入方式，提出了自旋注入磁化反转法(例如，参照美国专利第6,256,223号说明书)。在自旋注入磁化反转法中，通过将自旋极化电子(自旋注入电流)注入存储器元件的磁记录层来使磁记录层的磁化发生反转。写入所需的自旋注入电流的电流值随着磁记录层的微细化而减少，因此对磁随机存取存储器的写入方法有较大期待。

然而，为了进行该自旋注入磁化反转的磁化写入，需要在磁阻效应元件中流通双方向的电流，因此无法应用将磁阻效应元件和二极管串联连接在位线与字线之间的二极管型结构(diode type architecture)(所谓的交叉点型结构(cross-point type architecture))。由此，必须采用1个存储器单元至少由1个晶体管和1个磁阻效应元件构成的结构，存在无法使单元尺寸小到动态随机存取存储器(DRAM)以下的问题。

另外，作为自旋注入磁化反转方式的存储器元件，已知在源极电极和漏极电极中的至少一方具有MTJ的自旋晶体管(以下，也称为自旋MOS晶体管)(例如，参照日本特开2008-66596号公报)。在该自旋晶体管中，在写入时也需要双方向的电流，因此需要对自旋晶体管的源极电极和漏极电极分别连接切换电流的方向的切换晶体管。因此，与进行基于自旋注入磁化反转的磁化写入的磁阻效应元件相同，产生整体电路面积增大的问题。

如以上说明的那样，在以往的自旋注入磁化反转型的自旋存储器、自旋晶体管中，在写入时需要双方向的电流，因此存在无法缩小整体电路面积的问题。

发明内容

本实施方式的自旋存储器的特征在于，

具备：包括铁磁性层叠膜的存储器单元，所述铁磁性层叠膜具有由第1铁磁性层、第1非磁性层、第2铁磁性层、第2非磁性层以及第3铁磁性层按该顺序或者相反顺序层叠而成的层叠结构，上述第3铁磁性层和上述第2铁磁性层经由上述第2非磁性层而反铁磁性地交换耦合，

在上述铁磁性层叠膜中，流通从上述第1铁磁性层向上述第3铁磁性层的单一方向的电流，根据上述电流的大小对上述第1铁磁性层进行不同磁化状态的写入，并且进行从上述第1铁磁性层的读出。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式的自旋存储器的示意图。

图2是说明对第1实施方式的自旋存储器的低电阻状态的写入方法的剖视图。

图3是说明对第1实施方式的自旋存储器的高电阻状态的写入方法的剖视图。

图4是说明对第1实施方式的自旋存储器的高电阻状态的写入方法的剖视图。

图5是表示第1实施方式的自旋存储器的电路结构的一个具体例的电路图。

图6是表示第1实施方式的自旋存储器的写入电路和读出电路的一个具体例的电路图。

图7是表示第2实施方式的自旋晶体管的剖视图。

图8是表示第2实施方式的第1变形例的自旋晶体管的剖视图。

图9是表示第2实施方式的第2变形例的自旋晶体管的剖视图。

图10是表示第2实施方式的第3变形例的自旋晶体管的剖视图。

图11是表示第2实施方式的第4变形例的自旋晶体管的剖视图。

图12是表示第2实施方式的第5变形例的自旋晶体管的剖视图。

图13是表示第3实施方式的自旋晶体管的剖视图。

图14是表示第3实施方式的一个变形例的自旋晶体管的剖视图。

具体实施方式