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CN103460374B - 磁存储器 - Google Patents

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CN103460374B CN201180069469.5A CN201180069469A CN103460374B CN 103460374 B CN103460374 B CN 103460374B CN 201180069469 A CN201180069469 A CN 201180069469A CN 103460374 B CN103460374 B CN 103460374B
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Abstract

一种磁存储器，包括：基层；磁化自由层；势垒层；以及磁化参考层。覆盖基层的磁化自由层具有可反转的磁化并被大致均匀地磁化。覆盖磁化自由层的势垒层由不同于基层的材料组成。磁化参考层被布置在势垒层上并具有固定磁化。当磁化自由层的磁化反转时，使第一写入电流在不经过磁化参考层的情况下在面内方向上从磁化自由层的一端流至另一端。

Description

磁存储器
技术领域
本发明涉及一种磁存储器且更具体地涉及一种利用自旋轨道相互作用的磁存储器。
背景技术
已经积极地进行了针对使用磁隧道结（MTJ）的磁存储器的研究和开发。磁存储器具有优越的特性，诸如高速写入、无限次重写以及非易失性。因此，期望磁存储器不仅能应用于单片存储器，而且也能应用于微型计算机等的嵌入式存储器。对于磁存储器来说，以磁随机存取存储器（MRAM）为例。
对于MRAM的典型存储单元来说，日本专利公布JP特开平10-4227A（专利文献1：对应于美国专利No.US5,650,958）中公开了可控制磁响应的磁隧道结（MTJ）。这种磁隧道结包括第一电极、第二电极以及绝缘隧道层。第一电极包括衬底、钉扎铁磁层（磁化参考层）以及反铁磁层。钉扎铁磁层形成在衬底上且是平坦的。反铁磁层邻近地接触钉扎铁磁层，将钉扎铁磁层的磁化方向钉扎在优选方向上，并在外加磁场的存在下防止磁化方向旋转。第二电极包括平坦的自由铁磁层（磁化自由层），其磁化方向能在外加磁场的存在下自由地旋转。绝缘隧道层（势垒层）被布置在钉扎铁磁层和自由铁磁层之间并允许隧道电流在垂直于钉扎铁磁层和自由铁磁层的方向上流动。绝缘隧道层具有侧部周边，以便钉扎铁磁层或自由铁磁层不延伸超过侧部周边。钉扎铁磁层和自由铁磁层不与绝缘隧道层重叠且保持在其间具有间隔的相应平面中。
这种存储单元将一位数据存储为磁化自由层的自发磁化的方向。例如，磁化自由层的自发磁化方向和磁化参考层的磁化方向平行的状态可对应于“0”状态，且它们反平行的状态可对应于“1”状态。基于磁阻效应，通过检测存储单元的电阻变化来执行从存储单元的数据读取。当电流在垂直于磁隧道结的膜表面的方向上流动来检测电阻时，例如，在“0”状态下电阻较低且在“1”状态下电阻较高。因此，例如，通过以介于低电阻和高电阻中间的值提供参考电阻并将其与数据的电阻进行比较，就能确定数据的状态。
通过使写入电流流过布置在存储单元阵列中的布线线路并施加由写入电流产生的电流感应磁场，来对存储单元执行数据写入。例如，使写入电流在布置为在MTJ上和下彼此垂直的字线和位线中流动，并通过使用由两个电流产生的组合磁场来反转磁化自由层的磁化。这种方法被称为双轴写入方法。在这种写入方法中，仅在所选字线和所选位线交叉的位置处的存储单元中，磁化被反转。
即使在仅有一条用于写入的布线线路的情况下也能执行对存储单元的数据写入。例如，位线被布置在MTJ下且通过由位线电流感应的磁场来反转磁化自由层的磁化。这种方法被称为单轴写入方法。此处，在这种写入方法中，需要通过存储单元中的开关选择要被写入的存储单元。例如，日本专利No.JP3888463B（专利文献2：对应于美国专利No.US7,184,301B）公开了一种存储单元和一种磁随机存取存储器。这种存储单元包括第一晶体管和磁阻元件。第一晶体管包括第一栅极、作为第一栅极之外的一个端子的第一端子以及作为另一端子的第二端子。磁阻元件（MTJ）具有其磁化方向基于要被存储的数据而反转的自发磁化，且包括作为一个端子的第三端子以及作为另一端子的第四端子。第一端子连接至第一位线。第二端子连接至第二位线。第一栅极连接至第一字线。第三端子连接至第二字线。第四端子连接至第二端子。此外，存储单元可包括提供在第一晶体管和第二位线之间的第二晶体管，且第二晶体管包括第二栅极、作为除第二栅极之外的一个端子的第五端子以及作为另一端子的第六端子。此处，第五端子连接至第二位线。第六端子连接至第二端子。第二栅极连接至第一字线。第三端子连接至接地而不是连接至第二字线。即，公开了采用两个晶体管和一个MTJ的具有2Tr-1MTJ型构造的存储单元。
对于采用除用于对存储单元进行数据写入的电流感应磁场之外的原理的方法来说，提出一种采用自旋轨道相互作用的磁化反转方法。例如，日本专利公布No.JP2009-239135A（专利文献3）公开了一种磁存储单元、使用其的磁存储器件以及磁存储方法。这种磁存储单元具有其磁化状态被固定的第一磁层（磁化参考层）作为参考层、其磁化状态可变的第二磁层（磁化自由层）作为数据存储层，以及夹持在第一磁层和第二磁层之间的隧道势垒层（势垒层）。在这种存储单元中，当第二磁层的磁化状态改变时，控制第二磁层的自旋轨道相互作用。用于施加电压以控制自旋轨道相互作用的自旋轨道相互作用控制电极可提供在第二磁层中。即，公开了一种存储单元的构造，其中控制自旋轨道相互作用的电极在磁化自由层的侧向上被布置在两端，且基于自旋轨道相互作用，通过在垂直于侧向的向上/向下方向上流动的较小电流使磁层中的磁畴壁移动。非专利文献1（PhysicalRev.（物理评论）B，第77卷，214429（2008））以及非专利文献2（NatureMat.（自然材料学）第9卷，p230（2010））中也公开了一种有效磁场和基于自旋轨道相互作用的磁畴壁运动。
对于相关技术来说，日本专利公布No.JP2008-166689A（专利文献4：对应于美国专利No.US7,608,901B）公开了一种使用漏磁场的自旋晶体管。这种使用漏磁场的自旋晶体管包括半导体衬底部、第一电极和第二电极、源极和漏极以及栅极。半导体衬底部具有沟道层。第一和第二电极沿沟道的纵向以预定间隔分离地布置在衬底部上。源极和漏极由以预定间隔分离地布置并沿第一和第二电极之间的沟道的纵向被磁化的铁磁体组成。栅极形成在源极和漏极之间的衬底部上并调整穿过沟道的电子的自旋方向。穿过沟道层的电子的自旋通过源极下部的源极的漏磁场而被一致化并通过漏极下部的漏极的漏磁场被筛选。
此外，日本专利公布No.JP2007-81359A（专利文献5：对应于美国专利No.US7,307,299B）公开了一种使用自旋轨道耦合感应磁场的自旋晶体管。这种自旋晶体管包括衬底部、源极和漏极以及栅极。沟道形成在衬底部中。源极和漏极分离地布置在衬底部上并由其磁化方向相同的铁磁材料组成。栅极形成在衬底部上并调整穿过沟道的电子的自旋方向。源极和漏极的磁化方向垂直于沟道的纵向。
而且，国际公布No.WO2007/111319A（专利文献6）公开了一种使用自旋注入写入方法的MRAM。这种MRAM包括第一磁阻元件和读取电路。第一磁阻元件包括依次层叠的第一固定铁磁层（磁化参考层）、第一非磁层（势垒层）以及第一自由铁磁层（磁化自由层）。在第一磁阻元件中，可以作为通过使用自旋注入进行改变的第一自由铁磁层的磁化方向写入数据。在读取操作中，读取电路基于第一磁阻元件的阻值读取第一磁阻元件的数据。可通过使读取电流在第一固定铁磁层和第一自由铁磁层之间流动来获取该阻值。通过施加读取电流并多次读取数据，读取电路基于之前的读取数据在多次中的第二次和后续次确定一个读取数据并确定读取电流的施加方向，以使得自由铁磁层的磁化不被反转。
引用文献列表
专利文献
[PTL1]JP特开平10-4227A
[PTL2]JP3888463B
[PTL3]JP2009-239135A
[PTL4]JP2008-166689A
[PTL5]JP2007-81359A
[PTL6]WO2007/111319A
非专利文献
[NPL1]K.Obata等人，“Rashba自旋轨道系统中的电流感应磁畴壁运动”，PhysicalRev.（物理评论）B，第77卷，214429（2008）。
[NPL2]I.M.Miron等人，“由铁磁金属层中的Rashba效应感应的电流驱动自旋转矩”，NatureMat.（自然材料学）第9卷，p230（2010）。发明内容
在使用布线线路的电流感应磁场的上述双轴写入方法（专利文献1）和单轴写入方法（专利文献2）中，存在的问题是用于数据写入的所需电流较大。基于安培定律，由在具有宽度W和厚度T的布线线路中流动的电流I产生并正好位于布线线路下的磁场H由H=I/(2(W+T))表示。例如，在布线线路具有宽度W=100nm和厚度T=100nm的情况下，其对应于产生31Oe/mA的磁场H。考虑到抵挡热扰动的保持能力，取决于元件的小型化，反转磁化自由层所需的磁场倾向于增大。因此，需要具有几个毫安级的写入电流。较大的写入电流致使电功耗增大。此外，在双轴写入方法的情况下，这使得由于形成在单元阵列外部的单元选择晶体管的面积增大而致使单元占用率降低。在单轴写入方法的情况下，这使得由于形成在单元阵列内部的单元选择晶体管的面积增大而致使单元阵列的面积增大。以此方式，较大的写入电流致使器件规格的劣化。
另一方面，在使用由自旋轨道相互作用产生的磁畴壁运动的磁化反转方法（专利文献3）中，存在的问题是如何引入磁畴壁。
本发明的磁存储器包括：基层；磁化自由层；势垒层；以及磁化参考层。覆盖基层的磁化自由层具有可反转的磁化且被大致均匀地磁化。覆盖磁化自由层的势垒层由不同于基层材料的材料组成。磁化参考层被布置在势垒层上并具有固定磁化。当磁化自由层的磁化反转时，使第一写入电流在不通过磁化参考层的情况下在面内方向上从磁化自由层的一端流至另一端。
本发明的磁存储器具有磁化自由层的上侧边界和下侧边界彼此不同的构造。即，在磁化自由层中，打破空间对称。在这种情况下，当使第一写入电流在磁化自由层中的面内方向上流动时，基于自旋轨道相互作用，有效磁场会在第一写入电流的方向与打破空间对称的方向的叉积的方向上被施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层的磁化的电子。因此，通过至少使用Rashba磁场，可反转被大致均匀地磁化的磁化自由层的磁化。因此，数据可被写入磁化自由层中。产生Rashba磁场的第一写入电流与常规写入电流相比非常小。即，可使写入电流较小。此外，磁化自由层被大致均匀地磁化且因此无需引入磁畴壁。因此无需初始化步骤。
根据本发明，可提供其中无需引入磁畴壁且写入电流较小的磁存储器。
附图说明
结合附图，从实施例（示例）的说明将使本发明的上述和其他目的、优点和特征变得更加显而易见，其中：
图1A是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图1B是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的构造的侧视图；
图1C是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的构造的平面图；
图2A是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图2B是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图2C是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的数据写入方法的平面图；
图3A是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图3B是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图3C是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的数据写入方法的平面图；
图4是示出数据写入中的反转阈值的轮廓的曲线图；
图5是示出根据本发明的第一实施例的磁存储器的构造的示例的框图；
图6是示出根据本发明的第一实施例的磁存储器的写入操作的流程图；
图7A是示出根据本发明的第一实施例的磁存储器的布局构造的局部截面图；
图7B是示出根据本发明的第一实施例的磁存储器的布局构造的局部截面图；
图8A是示出根据本发明的第二实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图8B是示出根据本发明的第二实施例的磁存储元件的构造的侧视图；
图8C是示出根据本发明的第二实施例的磁存储元件的构造的平面图；
图9A是示出根据本发明的第二实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图9B是示出根据本发明的第二实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图10A是示出根据本发明的第二实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图10B是示出根据本发明的第二实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图11A是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图11B是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的构造的侧视图；
图11C是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的构造的平面图；
图12A是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图12B是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图12C是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的数据写入方法的平面图；
图13A是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图13B是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图13C是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的数据写入方法的平面图；
图14是示出根据本发明的第三实施例的磁存储器的构造的示例的框图；
图15A是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图15B是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的构造的侧视图；
图15C是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的构造的平面图；
图16A是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图16B是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图16C是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的数据写入方法的平面图；
图17A是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图17B是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图17C是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的数据写入方法的平面图；
图18A是示出根据本发明的第四实施例的磁化自由层的构造示例的平面图；
图18B是示出根据本发明的第四实施例的磁化自由层的构造示例的平面图；
图18C是示出根据本发明的第四实施例的磁化自由层的构造示例的平面图；
图18D是示出根据本发明的第四实施例的磁化自由层的构造示例的平面图；
图19A是示出根据本发明的第五实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图19B是示出根据本发明的第五实施例的磁存储元件的构造的侧视图；
图20A是示出根据本发明的第五实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图20B是示出根据本发明的第五实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图21A是示出根据本发明的第五实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图21B是示出根据本发明的第五实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图22是示出数据写入中的反转阈值的轮廓的曲线图；
图23A是示出根据本发明的第六实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图23B是示出根据本发明的第六实施例的磁存储元件的构造的平面图；
图24是示出根据本发明的第六实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图25是示出根据本发明的第六实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图26是示出根据本发明的第六实施例的磁存储器的构造的示例的框图；
图27A是示出根据本发明的第七实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图27B是示出根据本发明的第七实施例的磁存储元件的构造的平面图；
图28是示出根据本发明的第七实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图29是示出根据本发明的第七实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图30是示出根据本发明的第八实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图31是示出根据本发明的第八实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图32是示出根据本发明的第八实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图33是示出根据本发明的第八实施例的磁存储器的构造的示例的框图；
图34是示出根据本发明的第九实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图35A是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的构造的正视图；
图35B是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的构造的侧视图；
图36A是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图36B是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图37A是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图；
图37B是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的数据写入方法的侧视图；
图38是示出根据本发明的第十实施例的磁存储器的构造的示例的框图；以及
图39是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的构造的变型例的局部侧视图。
具体实施方式
以下将参考附图说明本发明的实施例的磁存储器。
（第一实施例）
将参考附图说明根据本发明的第一实施例的磁存储器。
在本实施例中，在双轴写入方法中，通过不使用采用两个布线线路的电流感应磁场而是使用采用单一布线线路的电流感应磁场以及使用基于自旋轨道相互作用的有效磁场（Rashba磁场：下文进行说明）来降低写入电流。
首先将说明根据本发明的第一实施例的磁存储器的磁存储元件的构造。图1A至1C是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的构造的正视图、侧视图以及平面图。磁存储元件9包括基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1、上电极11以及下电极5a和5b。
基层4被布置为与衬底（未示出）的表面（xy平面）平行。磁化自由层3被布置在基层4的上侧（+z侧）上，以致基层4被磁化自由层3覆盖。势垒层2被布置在磁化自由层3的上侧（+z侧）上，以致磁化自由层3被势垒层2覆盖。磁化参考层1被布置在势垒层2的上侧（+z侧）上。势垒层2的所有上表面不必都被磁化参考层1覆盖。磁化自由层3、势垒层2以及磁化参考层1构成MTJ（磁隧道结）7。磁存储元件9通过使用MTJ7的磁化自由层3的磁化方向来存储数据。
上电极11连接至磁化参考层1。上电极11是用于在磁化自由层3附近产生电流感应磁场的写入电流的布线线路，且以位线为例。下电极5a连接至一侧（-x侧）端部的下侧（-z侧），且下电极5b连接至另一侧（+x侧）端部的下侧（-z侧）。下电极5a和5b分别连接至选择晶体管Tr（下文说明），且可将电流通过基层4从下电极5a和5b中的一个向另一个施加至磁化自由层3。
基层4由不同于势垒层2的材料的材料组成，以使要在磁化自由层3中产生Rashba磁场（下文说明）。此外，因为基层4被布置在磁化自由层3和下电极5a和5b之间，因此基层4优选为导电膜，以致电流能容易地穿过基层4。但是，基层4优选由可防止写入电流选择性流过基层4而不流过磁化自由层3的材料组成。基层4以Ta膜、Pt膜及其叠层膜为例。
磁化自由层3是具有面内磁各向异性的铁磁膜。磁化自由层3具有可反转的磁化M1。在本附图的示例中，磁化自由层3可取+x方向的磁化状态以及-x方向的磁化状态。磁化自由层3被大致均匀地磁化。即，在磁化自由层中基本上不存在磁畴壁。磁化自由层3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其叠层膜为例。磁化自由层3优选非常薄，以致要产生Rashba磁场（下文说明）。例如，磁化自由层3优选具有从约0.5nm至约1.5nm的膜厚。在小于0.5nm的膜厚的情况下，难以控制膜形成。与常用MTJ中的磁化自由层（或自由层）的几个nm（例如约5nm）相比，该膜厚较薄且为零点几个nm。
势垒层2由不同于基层4的材料的材料组成，以致要在磁化自由层3中产生Rashba磁场（下文说明）。此外，势垒层2由非磁膜形成，因为势垒层2被提供作为MTJ7中的隧道势垒层。势垒层2以诸如Al2O3膜和MgO膜的绝缘膜为例。相对于磁化自由层3的上述示例性膜厚，势垒层2优选具有例如从约1.0nm至约2.0nm的膜厚。即，该膜厚类似于磁化自由层3的膜厚。
磁化参考层1是具有面内磁各向异性的铁磁膜。在磁化参考层1中，磁化M0是固定的。在本附图的示例中，磁化M0固定为-x方向。磁化参考层1以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其叠层膜为例。
磁存储元件9具有磁化自由层3的上侧边界和下侧边界彼此不同的构造。在本附图的示例中，基层4接合至磁化自由层3的下侧（-z侧）的边界，且由不同于基层4的材料的材料组成的势垒层2接合至磁化自由层3的上侧（+z侧）的边界。即，在磁化自由层3中，空间对称相对于z方向被打破。在这种情况下，当使电流在磁化自由层3中的面内方向（例如x方向）上流动时，基于自旋轨道相互作用，有效磁场在电流的方向（x方向）和空间对称被打破的方向（z方向）的叉积的方向（y方向）上被施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。这种有效磁场被称为Rashba磁场。在本实施例中，通过使用这种Rashba磁场以及使用基于上电极11的电流感应磁场，对MTJ7写入数据，即执行反转磁化自由层3的磁化。
以下将说明根据本实施例的磁存储器的磁存储元件的数据读取和数据写入。这里，出于说明的目的，假设磁化参考层1的磁化M0固定为-x方向。此外，假设当MTJ7的磁化自由层3的磁化M1为-x方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1平行（低电阻）时，存储数据“0”。而且，假设当MTJ7的磁化自由层3的磁化M1为+x方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1反平行（高电阻）时，存储数据“1”。
将说明对磁存储元件9的数据写入。
首先，将说明当数据“1”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“0”的情况。图2A至2C是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图、侧视图以及平面图。图2A至2C示出当数据“1”存储在磁存储元件9中时正在执行写入数据“0”的操作的情况。
为了将数据“0”写入磁存储元件9，首先，使写入电流IWC在-x方向上从下电极5b穿过磁化自由层3流至下电极5a。同时，使写入电流IWB在+y方向上在上电极11中流动。此时，如上所述，磁化自由层3的下侧（-z侧）处的边界接合至基层4，且上侧（+z方向）处的边界接合至势垒层2。因此，磁化自由层3的两侧处的边界具有不同结构。即，在磁化自由层3中，空间对称相对于z方向被打破。因此，当使写入电流IWC在-x方向上在磁化自由层3的平面内流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC（Rashba磁场）在写入电流IWC的方向（x方向）和空间对称被打破的方向（z方向）的叉积的方向（y方向）上被施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。例如，在基层4、磁化自由层3以及势垒层2是Ta、CoFeB以及MgO且使写入电流IWC在-x方向上流动的情况下，在-y方向上产生磁场HIWC（Rashba磁场）（以下称为第一示例）。在基层4、磁化自由层3以及势垒层2是Pt、Co以及AlOx且使写入电流IWC在-x方向上流动的情况下，在+y方向上产生磁场HIWC（Rashba磁场）（以下称为第二示例）。以此方式，方向是-y方向还是+y方向取决于材料。本附图的示例示出在-y方向上产生磁场HIWC（Rashba磁场）。磁场HIWC作用于+x方向上的磁化自由层3的磁化M1，以使磁化M1转变成-y方向。此外，通过上电极11中的写入电流IWB在磁化自由层3附近感应磁场HIWB。磁场HIWB作用于+x方向上的磁化自由层3的磁化M1，以使磁化M1转变成-x方向。通过这两个磁场的作用，+x方向上的磁化自由层3的磁化M1转变成-x方向，如箭头R1所示。即，从图2A至2C中所示的数据“1”的状态至如下文说明的图3A至3C中所示的数据“0”的状态执行数据写入。
以下将说明当数据“0”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“1”的情况。图3A至3C是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图、侧视图以及平面图。图3A至3C示出当数据“0”存储在磁存储元件9中时正在执行数据“1”的写入操作的情况。
为了将数据“1”写入磁存储元件9，首先，使写入电流IWC在-x方向上从下电极5b穿过磁化自由层3流至下电极5a。同时，使写入电流IWB在-y方向上在上电极11中流动。此时，如上所述（本附图示出第一示例），当使写入电流IWC在磁化自由层3的平面中在-x方向上流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC（Rashba磁场）在-y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC作用于-x方向上的磁化自由层3的磁化M1，以便使磁化M1转变成-y方向。此外，通过上电极11中的写入电流IWB在磁化自由层3附近感应磁场HIWB。磁场HIWB作用于-x方向上的磁化自由层3的磁化M1，以便使磁化M1转变为+x方向。通过这两个磁场的作用，-x方向上的磁化自由层3的磁化M1转变成+x方向，如箭头R2中所示。即，从图3A至3C中所示的数据“0”的状态至图2A至2C中所示的数据“1”的状态执行数据写入。
顺便提及，如从上述数据写入方法中容易地理解，可执行覆写入操作，覆写入操作是当数据“0”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“0”且当数据“1”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“1”的操作。此外，如从上述数据写入方法中容易地理解，-x方向以及+x方向都可用作用于使写入电流IWC流动的方向。
以下将说明从磁存储元件9读取数据。数据读取方法与用于包括磁化自由层3、势垒层2以及磁化参考层1的MTJ7的常用读取方法相同。例如，使具有恒定电流值的读取电流在上电极11和下电极5a之间，即在MTJ7中流动。随后，通过将参考电压与由读取电流产生的在上电极11和下电极5a之间的电压进行比较，读取MTJ7的磁阻值，即作为磁化自由层3的磁化方向的数据。
这里，将说明在将数据写入磁存储元件9的情况下的反转阈值（需要反转的电流）。图4是示出数据写入中的反转阈值的轮廓的曲线图（星状曲线）。垂直轴表示写入电流IWC（在磁存储元件9中流动的电流），且水平轴表示写入电流IWB（在上电极11中流动的电流）。本附图示出出现在星状曲线A上和外部的数据写入。这里，在本附图中，垂直轴比原始状态延长约102倍。即，写入电流IWC比写入电流IWB小约102倍。这是因为对于每个写入电流IWC=1.0×1012A/m2，基于自旋轨道相互作用的有效磁场（Rashba磁场）高达kOe级。
例如，当对应于第一和第四象限中一个的电流从数据“1”的状态施加时，该状态变成数据“1”（执行覆写入）。当对应于第二和第三象限中一个的电流从数据“1”的状态施加时，该状态变成数据“0”（执行重写入）。正和负方向都可用作施加至磁化自由层3的电流（写入电流IWC）的方向。此时，假设电流接近Y轴，即写入电流IWC增大且写入电流IWB明显降低。如上所述，写入电流IWC比写入电流IWB小约102倍。因此，认为写入电流IWC增大的影响远小于写入电流IWB的降低的影响。即，因为写入电流IWB的降低影响非常大，因此，写入电流的总量能够非常小。因此，优选写入电流IWC和IWB具有位于尽可能接近垂直轴在星状曲线A上或外部的值。
顺便提及，磁化自由层3的平面形状不仅可以是如图1C中所示的矩形，而且还可以是椭圆形、卵圆形以及矩形、椭圆形和卵圆形中每一个的一部分在它们的纵轴方向上凹陷的形状。在这点上，磁化自由层3的磁化方向不完全指向相同的一个方向。但是，因为在磁化自由层3中没有明显的磁畴壁，因此本实施例被描述为磁化自由层3是被均匀磁化的。
此外，在上述说明中，假设磁化自由层3的磁各向异性的方向平行于上电极11的电流感应磁场HIWB的方向（x方向）。但是，本实施例不限于该示例。可假设磁化自由层3的磁各向异性的方向平行于Rashba磁场HIWC的方向（y方向）。在这种情况下，通过使用在磁化自由层3中流动的写入电流IWC的极化特性，可控制数据“0”和“1”的写入。
图5是示出根据本发明的第一实施例的磁存储器的构造的一个示例的框图。磁存储器50包括存储单元阵列59、X选择器51、Y选择器52、位线选择器53、Y电流源电路54以及位线电流源电路55。这些元件并不限于上述元件，只要这些元件具有类似于下述功能的功能。
存储单元阵列59包括多个存储单元10、多个位线11、多个第一写入线12、多个第二写入线13以及多个字线14。字线14在一端连接至X选择器51，并向x方向延伸。位线11在一端连接至位线选择器53，在另一端连接至位线电流源电路55，并向y方向延伸。第一写入线12在一端连接至Y电流源电路54，并向y方向延伸。第二写入线13在一端连接至Y选择器52，并向y方向延伸。多个存储单元10与多个字线14和多个位线11之间的交点相对应地以矩阵形排列。存储单元10包括两个选择晶体管Tr以及磁存储元件9。其中一个选择晶体管Tr在源极和漏极中的一个处连接至第一写入线12，在源极和漏极中的另一个处连接至磁存储元件9的下电极5a，且在栅极处连接至字线14。另一选择晶体管Tr在源极和漏极中的一个处连接至第二写入线13，在源极和漏极中的另一个处连接至磁存储元件9的下电极5b，且在栅极处连接至字线14。磁存储元件9的磁化参考层1连接至作为上电极的位线11。
当执行写入操作和读取操作时，X选择器51从多个字线14中选择一个选择字线14。当执行写入操作和读取操作时，Y选择器52从多个第二写入线13中选择一个选择第二写入线13。当执行写入操作时，位线选择器53从多个位线11中选择一个选择位线11。当执行写入操作时，Y电流源电路54从多个第一写入线12中选择一个选择第一写入线12并供应或拉取写入电流IWC。当执行写入操作和读取操作时，位线电流源电路55从多个位线11中选择一个选择位线11（与位线选择器53的选择位线11相同），供应或拉取写入电流IWB并供应或拉取读取电流IR。由选择位线11中流动的写入电流IWB产生的磁场施加至连接到选择位线11的存储单元10，且除写入目标存储单元10之外的存储单元10都处于半选择状态（半选择单元）。X选择器51、Y选择器52、位线选择器53、Y电流源电路54以及位线电流源电路55应该是将写入电流施加至写入目标存储单元10的写入电流控制电路。
这种磁存储器可用于单个存储器（MRAM），或可用于存储器嵌入式微型计算机（包括存储器部和逻辑部（未示出）的半导体器件）中的存储器部。
以下将说明根据本发明的第一实施例的磁存储器的操作。图6是示出根据本发明的第一实施例的磁存储器的写入操作的流程图。在写入操作中，首先，X选择器51选择一个选择字线14（S01）。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，Y选择器52选择一个选择第二写入线13。而且，位线选择器53选择一个选择位线11。因此，选择要对其写入数据的写入单元10作为目标存储单元10（S02）。随后，Y电流源电路54选择一个选择第一写入线12，并对写入单元10执行供应或拉取写入电流IWC（S03）。此时，电流路径是Y电流源电路54-选择第一写入线12-写入单元10-选择第二写入线13-Y选择器52。因此，写入电流IWC施加至写入单元10的磁化自由层3，且有效磁场HIWC施加至磁化自由层3。同时，位线电流源电路55对选择位线11执行供应或拉取写入电流IWB（S04）。此时，电流路径是位线电流源电路55-选择位线11-位线选择器53。因此，电流感应磁场HIWB施加至写入单元10的磁化自由层3。因此，所选写入单元10的磁化自由层3的磁化可被反转。这里，执行步骤S03和S04使得它们在时间上彼此重叠。在这种情况下，执行步骤S03和S04的顺序不限于上述顺序。
在本实施例中，通过使用基于自旋轨道相互作用的电流磁场转换效率高的事实，将写入操作点设定为接近于图4中表示的垂直轴（接近于写入电流IWC的轴）的点。因此，可降低使得要在位线11中流动的写入电流IWB。因此，可降低被排列到与写入单元10相同的位线11的半选择单元被意外反转（半选择干扰）的风险。在本电路构造中，X方向上的存储单元10都不存在半选择问题。
以下将说明磁存储单元的读取操作。在读取操作中，X选择器51选择一个选择字线14。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，Y选择器52选择一个选择第二写入线13。此外，位线电流源电路55选择一个选择位线11。根据上述操作，选择了要从其读取数据的读取单元10作为目标存储单元10。位线电流源电路55执行供应或拉取读取电流IR。此时，电流路径是位线电流源电路55-选择位线11-读取单元10-选择第二写入线13-Y选择器52。因此，读取电流在读取单元10的MTJ7中流动。因此，例如，通过使用连接至Y选择器52等的读出放大器（此处未示出）检测MTJ7的电阻并读取数据。
图7A和7B是示出根据本发明的第一实施例的磁存储器的布局构造的局部截面图。磁存储元件9（包括MTJ7）形成在V1层上。磁存储元件9的下电极5a和5b通过M1层的布线线路72以及接触62分别连接至形成在表面区域上的选择晶体管Tr的源极和漏极中的一个。选择晶体管Tr的栅极连接至字线14。此外，选择晶体管Tr的源极和漏极中的另一个通过接触61、M1层的布线线路71以及V1层的通孔63分别连接至第一写入线12或第二写入线13。在本附图所示的情况下，磁存储元件9的磁化参考层1通过接触64连接至作为上电极的位线11。
如上所述，本发明的磁存储器具有磁化自由层3的上侧边界和下侧边界彼此不同的构造（一侧是势垒层2，而另一侧是基层4）。即，在磁化自由层3中，打破了空间对称。在这种情况下，当使写入电流IWC在磁化自由层3中的面内方向上流动时，基于自旋轨道相互作用，有效磁场（Rashba磁场）HIWC在写入电流IWC的方向（x方向）和空间对称被打破的方向（z方向）的叉积的方向（y方向）上被施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。因此，通过使用Rashba磁场HIWC和由上电极（位线）11的写入电流IWB感应的磁场HIWB，可反转被大致均匀地磁化（不存在实质上的磁畴壁）的磁化自由层3的磁化。即，数据可被写入磁化自由层3中。此时，通过同时使用写入电流IWC和写入电流IWB，写入电流IWB可较小。这里，因为基于自旋轨道相互作用的电流磁场转换效率高，因此与常规写入电流相比，写入电流IWC非常小。即，写入电流的总量可较小。此外，磁化自由层3被大致均匀地磁化且因此无需引入磁畴壁。因此无需初始化步骤。
（第二实施例）
将参考附图说明根据本发明的第二实施例的磁存储器。
本实施例与第一实施例的不同点在于磁化参考层1和磁化自由层3在本发明中具有垂直磁各向异性，而它们在第一实施例中具有面内磁各向异性。将在下文主要说明不同于第一实施例的不同点。
首先将说明根据本发明的第二实施例的磁存储器的磁存储元件。图8A至8C是示出根据本发明的第二实施例的磁存储元件的构造的正视图、侧视图和平面图。磁存储元件9a包括基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1、上电极11、下电极5a和5b。
如上所述，不同于第一实施例，磁化参考层1和磁化自由层3具有垂直磁各向异性。即，磁化自由层3由具有垂直各向异性的铁磁膜组成。磁化自由层3具有可反转的磁化M2。在本附图的示例中，磁化自由层3可取具有-z方向的磁化状态以及具有+z方向的磁化状态。磁化自由层3以Co膜、Co/Ni叠层膜、Co/Pt叠层膜以及CoFeB膜为例。同时，磁化参考层1也由具有垂直磁各向异性的铁磁膜组成。在磁化参考层1中，磁化M0是固定的。在本附图的示例中，磁化M0固定为+z方向。磁化参考层1以Co膜、Co/Ni叠层膜、Co/Pt叠层膜和CoFeB膜为例。
上电极11通过布线线路11a连接至磁化参考层1。上电极11是用于在磁化自由层3附近产生电流感应磁场的写入电流的布线线路并以位线为例。在本实施例中，因为磁化自由层3具有垂直磁各向异性，因此由上电极11中流动的写入电流产生的磁场需要Z方向分量。因此，布置上电极11以使其相对于磁化自由层3向y方向或x方向移位。在本附图的构造中，设置上电极11以使其偏移至+y方向并延伸至x方向。布置上电极11以使其向x方向移位并向y方向延伸。
磁化参考层1、磁化自由层3以及上电极11的其他组成部分，除上述之外的构造及其效果都类似于第一实施例。
将说明根据本实施例的磁存储器的磁存储元件的数据写入。这里，出于说明的目的，假设磁化参考层1的磁化M0固定为+z方向。此外，假设当MTJ的磁化自由层3的磁化M2为+z方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M2平行（低电阻）时，存储数据“0”。假设当MTJ的磁化自由层3的磁化M2为-z方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M2反平行（高电阻）时，存储数据“1”。
将说明对磁存储元件9a的数据写入。
首先，将说明当数据“1”存储在磁存储元件9a中时将要写入数据“0”的情况。图9A和9B是示出根据本发明的第二实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图和侧视图。图9A和9B示出当数据“1”存储在磁存储元件9a中时正在执行写入数据“0”的操作的情况。
为了将数据“0”写入磁存储元件9a，首先，使写入电流IWC在-x方向上从下电极5b穿过磁化自由层3流至下电极5a。同时，使写入电流IWB在-x方向上在上电极11中流动。此时，如第一实施例中所述（本附图示出第一示例），当使写入电流IWC在-x方向上在磁化自由层3的平面内流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC（Rashba磁场）在-y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC作用于-z方向上的磁化自由层3的磁化M2，以使磁化M2转变成-y方向。此外，通过上电极11中的写入电流IWB在磁化自由层3附近感应磁场HIWB。磁场HIWB作用于-z方向上的磁化自由层3的磁化M2，以使磁化M1转变成+z方向。通过这两个磁场的作用，-z方向上的磁化自由层3的磁化M2转变成+z方向，如箭头R3所示。即，从图9A和9B中所示的数据“1”的状态至如下文说明的图10A和10B中所示的数据“0”的状态执行数据写入。
以下将说明当数据“0”存储在磁存储元件9a中时将要写入数据“1”的情况。图10A和10B是示出根据本发明的第一实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图和侧视图。图10A和10B示出当数据“0”存储在磁存储元件9a中时正在执行数据“1”的写入操作的情况。
为了将数据“1”写入磁存储元件9a，首先，使写入电流IWC在-x方向上从下电极5b穿过磁化自由层3流至下电极5a。同时，使写入电流IWB在+x方向上在上电极11中流动。此时，如第一实施例中所述（本附图示出第一示例），当使写入电流IWC在磁化自由层3的平面中在-x方向上流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC（Rashba磁场）在-y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC作用于+z方向上的磁化自由层3的磁化M2，以便使磁化M2转变成-y方向。此外，通过上电极11中的写入电流IWB在磁化自由层3附近感应磁场HIWB。磁场HIWB作用于+z方向上的磁化自由层3的磁化M2，以便使磁化M1转变为-z方向。通过这两个磁场的作用，+z方向上的磁化自由层3的磁化M2转变成-z方向，如箭头R4中所示。即，从图10A和10B中所示的数据“0”的状态至图9A和9B中所示的数据“1”的状态执行数据写入。
顺便提及，如从上述数据写入方法中容易地理解，可执行覆写入操作，覆写入操作是当数据“0”存储在磁存储元件9a中时将要写入数据“0”且当数据“1”存储在磁存储元件9a中时将要写入数据“1”的操作。此外，如从上述数据写入方法中容易地理解，-x方向以及+x方向都可用作用于使写入电流IWC流动的方向。
从磁存储元件9a的数据读取与第一实施例相同。此外，数据写入中的反转阈值（图4），磁存储器的构造（图5），示出磁存储器的写入操作的流程图（图6）以及磁存储器的布局（图7A和7B）以及它们的效果都与第一实施例相同。
在本实施例，可获得与第一实施例相同的效果。此外，通过使用具有垂直磁各向异性的材料，可使反转磁化所需的写入电流更小。
（第三实施例）
将参考附图说明根据本发明的第三实施例的磁存储单元。
在本实施例中，在单轴写入方法中，通过不使用由单布线线路产生的电流感应磁场而是主要使用基于自旋轨道相互作用的有效磁场（Rashba磁场：下文说明）来降低写入电流。即，本实施例与第一实施例的不同点在于由上电极（位线）中流动的电流产生的电流感应磁场不用于数据写入。将在下文主要说明与第一实施例的不同点。
首先将说明根据本发明的第三实施例的磁存储器的磁存储元件的构造。图11A至11C是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的构造的正视图、侧视图和平面图。磁存储元件9b包括基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1、上电极11和下电极5a和5b。
磁化自由层3由具有面内磁各向异性的铁磁膜组成。磁化自由层3具有可反转的磁化M1。在本附图的示例中，磁化自由层3可取具有+y方向的磁化状态以及具有-y方向的磁化状态。易磁化轴是y方向。使易磁化轴为y方向的方法是使用形状各向异性的方法，其为使磁化自由层3的纵轴为y方向的方法；使用晶体磁各向异性的方法；以及使用应力感应磁各向异性的方法。这里，无需使易磁化轴的方向准确地为y方向。例如，易磁化轴的方向可在面内方向上相对于y轴具有45度角。磁化参考层1由具有面内磁各向异性的铁磁膜组成。在磁化参考层1中，磁化M0是固定的。在本附图的示例中，磁化M0固定为-y方向。上电极11形成并布置在磁化自由层3附近，以便不产生影响磁化自由层3的磁化的电流感应磁场。
磁化参考层1、磁化自由层3以及上电极11的其他组成部分，除上述之外的构造及其作用都类似于第一实施例。
将说明根据本实施例的磁存储器的磁存储元件的数据写入。这里，出于说明的目的，假设磁化参考层1的磁化M0固定为-y方向。此外，假设当MTJ的磁化自由层3的磁化M1为-y方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1平行（低电阻）时，存储数据“0”。假设当MTJ的磁化自由层3的磁化M1为+y方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1反平行（高电阻）时，存储数据“1”。
将说明对磁存储元件9b的数据写入。
首先，将说明当数据“1”存储在磁存储元件9b中时将要写入数据“0”的情况。图12A至12C是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图、侧视图和平面图。图12A至12C示出当数据“1”存储在磁存储元件9b中时正在执行写入数据“0”的操作的情况。
为了将数据“0”写入磁存储元件9b，首先，使写入电流IWC1在-x方向上从下电极5b穿过磁化自由层3流至下电极5a。此时，如第一实施例中所述（本附图示出第一示例），由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC1（Rashba磁场）在-y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC1作用于+y方向上的磁化自由层3的磁化M1，以使磁化M1转变成-y方向。通过这个磁场HIWC1的作用，+y方向上的磁化自由层3的磁化M1转变成-y方向。即，从图12A至12C中所示的数据“1”的状态至如下文说明的图13A至13C中所示的数据“0”的状态执行数据写入。
以下将说明当数据“0”存储在磁存储元件9b中时将要写入数据“1”的情况。图13A至13C是示出根据本发明的第三实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图、侧视图和平面图。图13A至13C示出当数据“0”存储在磁存储元件9a中时正在执行数据“1”的写入操作的情况。
为了将数据“1”写入磁存储元件9b，首先，使写入电流IWC2在+x方向上从下电极5a穿过磁化自由层3流至下电极5b。此时，如第一实施例中所述（本附图示出第一示例），由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC2（Rashba磁场）在+y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC2作用于-y方向上的磁化自由层3的磁化M1，以便使磁化M1转变成+y方向。通过这个磁场HIWC2的作用，-y方向上的磁化自由层3的磁化M1转变成+y方向。即，从图13A至13C中所示的数据“0”的状态至图12A至12C中所示的数据“1”的状态执行数据写入。
在上述写入中，磁化自由层3的膜厚的方向（z方向）的向量与写入电流IWC1和IWC2的方向（x方向）的向量的叉积具有平行于磁化自由层3的磁化M1的方向（y方向）的分量。顺便提及，如从上述数据写入方法中容易地理解，可执行覆写入操作，覆写入操作是当数据“0”存储在磁存储元件9b中时将要写入数据“0”且当数据“1”存储在磁存储元件9b中时将要写入数据“1”的操作。
从磁存储元件9b的数据读取与第一实施例相同。此外，数据写入中的反转阈值（图4）以及它们的效果都与第一实施例相同。
图14是示出根据本发明的第三实施例的磁存储器的构造的一个示例的框图。磁存储器50a包括存储单元阵列59、X选择器51、Y电流源电路54、Y选择器以及电源电路56和GND（接地端）57。这些元件并不限于上述元件，只要这些元件具有类似于下述功能的功能。
存储单元阵列59包括多个存储单元10、多个位线11、多个第一写入线12、多个第二写入线13以及多个字线14。字线14在一端连接至X选择器51并向x方向延伸。位线11在一端连接至GND（接地端）57，并向y方向延伸。第一写入线12在一端连接至Y电流源电路54并向y方向延伸。第二写入线13在一端连接至Y选择器和电源电路56并向y方向延伸。多个存储单元10与多个字线14和多个位线11之间的交点相对应地以矩阵形排列。存储单元10包括两个选择晶体管Tr以及磁存储元件9b。其中一个选择晶体管Tr在源极和漏极中的一个处连接至第一写入线12，在源极和漏极中的另一个处连接至磁存储元件9b的下电极5a，且在栅极处连接至字线14。另一选择晶体管Tr在源极和漏极中的一个处连接至第二写入线13，在源极和漏极中的另一个处连接至磁存储元件9b的下电极5b，且在栅极处连接至字线14。磁存储元件9b的磁化参考层1连接至作为上电极的位线11。
当执行写入操作和读取操作时，X选择器51从多个字线14中选择一个选择字线14。当执行写入操作和读取操作时，Y选择器和电源电路56从多个第二写入线13中选择一个选择第二写入线13，供应写入电流IWC1，以及供应或拉取读取电流IR。当执行写入操作时，Y电流源电路54从多个第一写入线12中选择一个选择第一写入线12并供应写入电流IWC2。X选择器51、Y电流源电路54以及Y选择器和电源电路56（以及GND（接地端）57）应该是将写入电流施加至写入目标存储单元10的写入电流控制电路。
这种磁存储器可用于单个存储器（MRAM），或可用于存储器嵌入式微型计算机（包括存储器部和逻辑部（未示出）的半导体器件）中的存储器部。
以下将说明根据本发明的第三实施例的磁存储器的操作。在写入操作中，首先，X选择器51选择一个选择字线14。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，Y选择器和电源电路56选择一个选择第二写入线13。此外，Y电流源电路54选择一个选择第一写入线12。因此，选择要对其写入数据的写入单元10作为目标存储单元10。随后，Y选择器和电源电路56执行为写入单元10供应写入电流IWC1，或Y电流源电路54执行为写入单元10供应写入电流IWC2。在这些情况下，电流路径是Y选择器和电源电路56-选择第二写入线13-写入单元10-选择第一写入线12-Y电流源电路54。因此，写入电流IWC1或写入电流IWC2施加至写入单元10的磁化自由层3，且有效磁场HIWC1或有效磁场HIWC2施加至磁化自由层3。因此，所选写入单元10的磁化自由层3的磁化可被反转。
在本实施例中，通过使用基于自旋轨道相互作用的电流磁场转换效率高的事实，将写入操作点设定在图4中表示的垂直轴（在写入电流IWC的轴上）上的点。因此，可取消使得在位线11中流动的写入电流IWB。因此，因为不存在半选择单元，因此可消除半选择干扰的风险。在本电路构造中，X方向上的存储单元10都不存在半选择问题。
以下将说明磁存储单元的读取操作。在读取操作中，X选择器51选择一个选择字线14。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，Y选择器和电源电路56选择一个选择第二写入线13。根据上述操作，选择了要从其读取数据的读取单元10作为目标存储单元10。Y选择器和电源电路56执行供应或拉取读取电流IR。此时，电流路径是Y选择器和电源电路56-选择位线11-GND（接地端）57。因此，读取电流在读取单元10的MTJ7中流动。因此，例如，通过使用连接至Y选择器和电源电路56等的读出放大器（此处未示出）可检测MTJ7的电阻并读取数据。
磁存储器的布局（图7A和7B）与第一实施例相同。
在本实施例，可获得与第一实施例类似的效果。此外，因为不使用由位线中流动的电流感应的磁场，因此对于位线中流动的电流量来说，写入电流可进一步降低。
（第四实施例）
将参考附图说明根据本发明的第四实施例的磁存储单元。
本实施例与第三实施例的不同点在于磁化参考层1和磁化自由层3在本发明中具有垂直磁各向异性，而它们在第三实施例中具有面内磁各向异性。将在下文主要说明与第三实施例的不同点。
首先将说明根据本发明的第四实施例的磁存储器的磁存储元件的构造。图15A至15C是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的构造的正视图、侧视图和平面图。磁存储元件9c包括基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1、上电极11、下电极5a和5b。
如上所述，不同于第三实施例，磁化参考层1和磁化自由层3具有垂直磁各向异性。即，磁化自由层3由具有垂直各向异性的铁磁膜组成。磁化自由层3具有可反转的磁化M2。在本附图的示例中，磁化自由层3可取具有-z方向的磁化状态以及具有+z方向的磁化状态。磁化自由层3以Co膜、Co/Ni叠层膜、Co/Pt叠层膜以及CoFeB膜为例。
在磁化自由层3中，基于自旋轨道相互作用的有效磁场（Rashba磁场）为面内方向（x方向或y方向）。因此，不能仅通过有效磁场而直接在垂直方向（z方向）上反转磁化自由层3的磁化M2。因此，在本实施例中，关于磁化自由层3中流动的写入电流（IWC），使垂直于流动方向的截面中的电流分布不均匀。这致使在垂直方向（z方向）上的电流感应磁场（H10：下文说明）的产生。随后，通过这种磁场和有效磁场（HIWC）的组合而执行写入。因此，磁化自由层3在xy平面图（图15C）中具有非对称突起部D1。
磁化参考层1由具有垂直磁各向异性的铁磁膜组成。在磁化参考层1中，磁化M0是固定的。在本附图的示例中，磁化M0固定为+z方向。磁化参考层1以Co膜、Co/Ni叠层膜、Co/Pt叠层膜和CoFeB膜为例。
磁化参考层1、磁化自由层3的其他组成部分，除上述之外的构造及其作用都类似于第三实施例。
以下将说明根据本实施例的磁存储器的磁存储元件的数据写入。这里，出于说明的目的，假设磁化参考层1的磁化M0固定为+z方向。此外，假设当MTJ的磁化自由层3的磁化M2为+z方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M2平行（低电阻）时，存储数据“0”。假设当MTJ的磁化自由层3的磁化M2为-z方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M2反平行（高电阻）时，存储数据“1”。
将说明对磁存储元件9c的数据写入。
首先，将说明当数据“1”存储在磁存储元件9c中时将要写入数据“0”的情况。图16A至16C是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图、侧视图和平面图。图16A至16C示出当数据“1”存储在磁存储元件9c中时正在执行写入数据“0”的操作的情况。
为了将数据“0”写入磁存储元件9c，首先，使写入电流IWC1在-x方向上从下电极5b穿过磁化自由层3流至下电极5a。此时，如第一实施例中所述（本附图示出第一示例），由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC1（Rashba磁场）在-y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC1作用于-z方向上的磁化自由层3的磁化M2，以使磁化M2转变成-y方向。此外，因为磁化自由层3的突起部D1，因此磁化自由层3中流动的写入电流IWC1是不均匀的，且因此，降低了突起部D1处的电流密度。即，施加至突起部D1的+z方向上的电流感应磁场H10强于施加至其他区域的磁场。因此，由于电流感应磁场H10，突起部D1变成反转形成核心的起点。通过将在突起部D1处由于电流感应磁场H10造成的反转形成核心与有效磁场HIWC1组合，-z方向上的磁化自由层3的磁化M2转变成+z方向。即，从图16A至16C中所示的数据“1”的状态至如下文说明的图17A至17C中所示的数据“0”的状态执行数据写入。
以下将说明当数据“0”存储在磁存储元件9c中时将要写入数据“1”的情况。图17A至17C是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图、侧视图和平面图。图17A至17C示出当数据“0”存储在磁存储元件9c中时正在执行数据“1”的写入操作的情况。
为了将数据“1”写入磁存储元件9c，首先，使写入电流IWC2在+x方向上从下电极5a穿过磁化自由层3流至下电极5b。此时，如第一实施例中所述（本附图示出第一示例），磁场HIWC2（Rashba磁场）在+y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC2作用于+z方向上的磁化自由层3的磁化M2，以便使磁化M2转变成+y方向。此外，因为磁化自由层3的突起部D1，因此磁化自由层3中流动的写入电流IWC2是不均匀的，且因此，降低了突起部D1处的电流密度。即，施加至突起部D1的-z方向上的电流感应磁场H10强于施加至其他区域的磁场。因此，由于电流感应磁场H10，突起部D1变成反转形成核心的起点。通过将在突起部D1处由于电流感应磁场H10造成的反转形成核心与有效磁场HIWC2组合，+z方向上的磁化自由层3的磁化M2转变成-z方向。即，从图17A至17C中所示的数据“0”的状态至图16A至16C中所示的数据“1”的状态执行数据写入。
顺便提及，如从上述数据写入方法中容易地理解，可执行覆写入操作，覆写入操作是当数据“0”存储在磁存储元件9c中时将要写入数据“0”且当数据“1”存储在磁存储元件9c中时将要写入数据“1”的操作。
在本实施例中，作为用于获取非均匀电流分布的磁化自由层3的另一构造，可采用图18A至18D中所示的构造。图18A至18B示出其中下电极5a和5b相对于磁化自由层3的纵向（电流流动方向）非对称布置的方法。例如，在图18A中，下电极5a和5b在磁化自由层3外部的一个方向上延伸。在图18B中，下电极5a和5b布置在磁化自由层3中的偏离位置。在图18C中，磁化自由层3具备具有凹形的构造。在图18D中，可预计在磁化自由层3的一部分中提供容易产生反转核的区域3p的构造具有相同的效果。例如，区域3p是执行蚀刻、执行离子注入并放置台阶（step）的区域。此外，通过延长单元周围的上电极11和下电极5a和5b并通过其中流动的电流感应磁场，可将垂直磁场施加至磁化自由层3。
从磁存储元件9c的数据读取与第三实施例相同。此外，数据写入中的反转阈值（图4），磁存储器的构造（图14），磁存储器的布局（图7A和7B）以及它们的效果都与第三实施例相同。
在本实施例，可获得类似于第三实施例相同的效果。此外，通过使用具有垂直磁各向异性的材料，可使反转磁化所需的写入电流更小。
（第五实施例）
将参考附图说明根据本发明的第五实施例的磁存储单元。
本实施例与第三实施例的不同点在于磁化参考层1和磁化自由层3在本发明中在相对于xy平面倾斜方向上具有磁各向异性，而它们在第三实施例中具有面内磁各向异性。将在下文主要说明与第三实施例的不同点。
首先将说明根据本发明的第五实施例的磁存储器的磁存储元件的构造。图19A至19C是示出根据本发明的第五实施例的磁存储元件的构造的正视图、侧视图和平面图。磁存储元件9d包括基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1、上电极11以及下电极5a和5b。
如上所述，不同于第三实施例，磁化参考层1和磁化自由层3在相对于xy平面倾斜的方向上具有磁各向异性。即，磁化自由层3是在面内和垂直之间的中间方向上具有磁各向异性的铁磁膜。磁化自由层3具有可反转的磁化M3。在本附图的示例中，磁化自由层3的易磁化轴在yz平面中倾斜且磁化自由层3可取-z和-y方向的组合方向上的磁化状态以及+z和+y方向的组合方向上的磁化状态。作为在yz平面中倾斜磁化自由层3的易磁化轴的方法，可使用利用晶体磁各向异性或应力磁各向异性的方法。此外，可使用交替层叠具有垂直磁各向异性的材料和具有面内磁各向异性的材料的另一方法。具有垂直磁各向异性的材料以Co/Pt、Co/Ni、CoPt、CoCrPt、CoTa和FePt为例。具有面内磁各向异性的材料以NiFeB、CoFeB和CoFe为例。
磁化参考层1也是在面内和垂直之间的中间方向上具有磁各向异性的铁磁膜。在磁化参考层1中，磁化M0是固定的。在本附图的示例中，磁化M0固定为在yz平面中倾斜的-z和-y方向的组合方向。也通过使用与磁化自由层3相同的方法和材料形成磁化参考层1。
磁化参考层1和磁化自由层3的其他组成部分，除上述之外的构造及其作用都类似于第三实施例。
以下将说明根据本实施例的磁存储器的磁存储元件的数据写入。这里，出于说明的目的，假设磁化参考层1的磁化M0固定为-z和-y方向的组合方向。此外，假设当MTJ的磁化自由层3的磁化M2为-z和-y方向的组合方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M2平行（低电阻）时，存储数据“0”。假设当MTJ的磁化自由层3的磁化M2为+z和+y方向的组合方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M2反平行（高电阻）时，存储数据“1”。
将说明对磁存储元件9d的数据写入。
首先，将说明当数据“1”存储在磁存储元件9d中时将要写入数据“0”的情况。图20A至20B是示出根据本发明的第四实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图和侧视图。图20A至20B示出当数据“1”存储在磁存储元件9c中时正在执行写入数据“0”的操作的情况。
为了将数据“0”写入磁存储元件9d，首先，使写入电流IWC1在-x方向上从下电极5b穿过磁化自由层3流至下电极5a。此时，如第一实施例中所述（本附图示出第一示例），由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC1（Rashba磁场）在-y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC1作用于+z和+y方向的组合方向上的磁化自由层3的磁化M2，以使磁化M2转变成-y方向。因此，+z和+y方向的组合方向上的磁化自由层3的磁化M2转变成-z和-y方向的组合方向，如箭头R5所示。即，从图20A至20B中所示的数据“1”的状态至如下文说明的图21A至21B中所示的数据“0”的状态执行数据写入。
以下将说明当数据“0”存储在磁存储元件9d中时将要写入数据“1”的情况。图21A至21B是示出根据本发明的第五实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图和侧视图。图21A至21B示出当数据“0”存储在磁存储元件9d中时正在执行数据“1”的写入操作的情况。
为了将数据“1”写入磁存储元件9d，首先，使写入电流IWC2在+x方向上从下电极5a穿过磁化自由层3流至下电极5b。此时，如第一实施例中所述（本附图示出第一示例），由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC2（Rashba磁场）在+y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC2作用于-z和-y方向的组合方向上的磁化自由层3的磁化M2，以便使磁化M2转变成+y方向。因此，-z和-y方向的组合方向上的磁化自由层3的磁化M2转变成+z和+y方向的组合方向。即，从图21A至21B中所示的数据“0”的状态至图20A至20B中所示的数据“1”的状态执行数据写入。
顺便提及，如从上述数据写入方法中容易地理解，可执行覆写入操作，覆写入操作是当数据“0”存储在磁存储元件9c中时将要写入数据“0”且当数据“1”存储在磁存储元件9d中时将要写入数据“1”的操作。
从磁存储元件9d的数据读取与第三实施例相同。
此处将说明在对磁存储元件9d进行数据写入中的反转阈值（反转所需的电流）。图22是示出数据写入中的反转阈值的轮廓的曲线图（星状曲线）。垂直轴表示磁化自由层3中流动的电流，且水平轴表示z方向上的外部磁场。此处，垂直轴的磁化自由层3中流动的电流是各个写入电流IWC1和IWC2，其可被视为（y方向的）有效磁场HIWC1和HIWC2。此外，在本发明中不使用水平轴的z方向上的外部磁场，且因此基本为零（0）。本附图示出出现在星状曲线上和外部的数据写入。此处，如本附图中所示，如果磁化自由层3的易磁化轴和由磁化自由层3中流动的电流（IWC1和IWC2）产生的有效磁场（HIWC1和HIWC2）的方向不平行，则可通过磁化自由层3中流动的正和负电流反转磁化自由层3的磁化。
磁存储器的构造（图14），磁存储器的布局（图7A和7B）以及它们的效果都与第三实施例相同。
在本实施例中，可获得类似于第三实施例的效果。
（第六实施例）
将参考附图说明根据本发明的第六实施例的磁存储单元。
在本实施例中，在使用具有垂直磁各向异性的材料作为磁化自由层的自旋转矩写入方法中，通过使用基于自旋轨道相互作用的有效磁场（Rashba磁场：下文说明）作为辅助磁场来降低写入电流。
首先将说明根据本发明的第六实施例的磁存储器的磁存储元件的构造。图23A至23B是示出根据本发明的第六实施例的磁存储元件的构造的正视图和平面图。磁存储元件9包括基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1、上电极11以及下电极5。
基层4被布置为平行于衬底（未示出）的表面（xy平面）。磁化自由层3被布置在基层4的上侧（+z侧）上，以致基层4被磁化自由层3覆盖。势垒层2被布置在磁化自由层3的上侧（+z侧）上，以致磁化自由层3被势垒层2覆盖。磁化参考层1被布置在势垒层2的+x侧的端部的上侧（+z侧）上。基层4、磁化自由层3以及势垒层2中的每一个都具有沿x方向延伸超出磁化参考层1的形状。磁化自由层3、势垒层2以及磁化参考层1构成MTJ（磁隧道结）7。磁存储元件9通过使用MTJ7的磁化自由层3的磁化方向来存储数据。
上电极11连接至磁化参考层1的+x侧的端部的上侧（+z侧）。上电极11以位线为例。下电极5连接至基层4的-x侧的端部的下侧（-z侧）。即，下电极5没有直接连接在磁化参考层1下方，而是连接至基层4（磁化自由层3和势垒层2）的延伸部。这使得写入电流（下文说明）不仅在z方向而且也在xy平面的面内方向上流过磁化自由层3，肯定确实产生Rashba磁场。此处，端部可总体上接近末端，且无需严格地处于末端。此外，下电极5连接至选择晶体管（下文说明）。电流可在磁化自由层3中从上电极11和下电极5中的一个施加至另一个。
基层4由不同于势垒层2的材料的材料组成，以使磁化自由层3中产生Rashba磁场（下文说明）。此外，因为基层4被布置在下电极5和磁化自由层3之间，因此基层4优选为导电膜，以致电流能容易地穿过基层4。但是，基层4优选由可防止写入电流选择性流过基层4而未流过磁化自由层3的材料组成。基层4以Ta膜、Pt膜及其叠层膜为例。
磁化自由层3是具有垂直磁各向异性的铁磁膜。磁化自由层3具有可反转的磁化M1。在本附图的示例中，磁化自由层3可取+z方向的磁化状态以及-z方向的磁化状态。磁化自由层3被大致均匀地磁化。即，在磁化自由层3中基本上不存在磁畴壁。磁化自由层3以CoCrPt膜、Co/Pt膜、Co/Ni膜、Fe/Pt膜、CoFeB膜及其叠层膜为例。磁化自由层3优选非常薄，以致使得要产生Rashba磁场。例如，磁化自由层3优选具有从约0.5nm至约1.5nm的膜厚。在小于0.5nm的膜厚的情况下，难以控制薄膜形成。与常用MTJ中的磁化自由层（或自由层）的几个nm（例如约5nm）相比，该膜厚较薄且为零点几个nm。此外，磁化自由层3的xy平面形状大于磁化参考层1的xy平面形状（因为磁化自由层3、基层4以及势垒层2的延伸部）。因此，由磁化参考层1供应或拉取到磁化参考层1中的写入电流（下文说明）不仅通过磁化自由层3而且还确实在磁化自由层3的xy平面内部在面内方向上移动，且确实产生Rashba磁场。
势垒层2由不同于基层4的材料的材料组成，以致使得要在磁化自由层3中产生Rashba磁场（下文说明）。此外，势垒层2由非磁膜形成，因为势垒层2被提供作为MTJ7中的隧道势垒层。势垒层2以诸如Al2O3膜和MgO膜的绝缘膜为例。相对于磁化自由层3的上述示例性膜厚，势垒层2优选具有例如从约1.0nm至约2.0nm的膜厚。即，该膜厚类似于磁化自由层3的膜厚。
磁化参考层1是具有垂直磁各向异性的铁磁膜。在磁化参考层1中，磁化M0是固定的。在本附图的示例中，磁化M0固定为+z方向。磁化参考层1以CoCrPt膜、Co/Pt膜、Co/Ni膜、Fe/Pt膜、CoFeB膜及其叠层膜为例。磁化参考层1也被认为是形成在与磁化自由层3的一侧（+x侧）处的端部对应的势垒层2的端部（+x侧端部）的上侧（+z侧）。
磁存储元件9具有磁化自由层3的上侧边界和下侧边界彼此不同的构造。在本附图的示例中，基层4接合至磁化自由层3的下侧（-z侧）的边界，且由不同于基层4的材料的材料组成的势垒层2接合至磁化自由层3的上侧（+z侧）的边界。即，在磁化自由层3中，空间对称相对于z方向被打破。在这种情况下，当使电流在磁化自由层3中的面内方向（例如x方向）上流动时，基于自旋轨道相互作用，有效磁场在电流的方向（x方向）和空间对称被打破的方向（z方向）的叉积的方向（y方向）上被施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。这种有效磁场被称为Rashba磁场且已知其对于每1.0×1012A/m2电流高达kOe级。在本实施例中，通过使用这种Rashba磁场以辅助使用磁化参考层1的自旋注入磁化反转，对MTJ7写入数据，即执行反转磁化自由层3的磁化。
以下将说明根据本实施例的磁存储器的磁存储元件的数据读取和数据写入。这里，出于说明的目的，假设磁化参考层1的磁化M0固定为+z方向。此外，假设当MTJ7的磁化自由层3的磁化M1为+z方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1平行（低电阻）时，存储数据“0”。而且，假设当MTJ7的磁化自由层3的磁化M1为-z方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1反平行（高电阻）时，存储数据“1”。
将说明对磁存储元件9的数据写入。
首先，将说明当数据“0”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“1”的情况。图24是示出根据本发明的第六实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图。图24示出当数据“0”存储在磁存储元件9中时正在执行写入数据“1”的操作的情况。
为了将数据“1”写入磁存储元件9，首先，使写入电流IWC1从上电极11穿过磁化参考层1和磁化自由层3流至下电极5。此时，如上所述，磁化自由层3的下侧（-z侧）处的边界接合至基层4，且上侧（+z方向）处的边界接合至势垒层2。因此，磁化自由层3的两侧处的边界具有不同的结构。即，在磁化自由层3中，空间对称相对于z方向被打破。因此，当使写入电流IWC1在-x方向上在磁化自由层3的平面内流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC1（Rashba磁场）在写入电流IWC1的方向（x方向）和空间对称被打破的方向（z方向）的叉积的方向（y方向）上被施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。例如，在基层4、磁化自由层3以及势垒层2是Ta、CoFeB以及MgO且使写入电流IWC1在-x方向上流动的情况下，在-y方向上产生磁场HIWC1（Rashba磁场）（以下称为第一示例）。在基层4、磁化自由层3以及势垒层2是Pt、Co以及AlOx且使写入电流IWC1在-x方向上流动的情况下，在+y方向上产生磁场HIWC1（Rashba磁场）（以下称为第二示例）。以此方式，方向是-y方向还是+y方向取决于材料。本附图的示例示出在-y方向上产生磁场HIWC1（Rashba磁场）。磁场HIWC1作用于+z方向上的磁化自由层3的磁化M1，以使磁化M1转变成-y方向。此外，当写入电流IWC1从磁化参考层1流至磁化自由层3时，传导电子从磁化自由层3流至磁化参考层1。因此，由于自旋转矩，因此磁化自由层3的磁化M1相对于磁化参考层1的磁化M0从平行转变成反平行。即，发生从+z方向至-z方向的转变。此时，因为Rashba磁场HIWC1辅助上述转变，因此低于常规写入电流的写入电流IWC1使磁化自由层3的磁化M1从+z方向反转为-z方向。即，从图24中所示的数据“0”的状态至如下文说明的图25中所示的数据“1”的状态执行数据写入。
以下，将说明当数据“1”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“0”的情况。图25是示出根据本发明的第六实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图。图25示出当数据“1”存储在磁存储元件9中时正在执行写入数据“0”的操作的情况。
为了将数据“0”写入磁存储元件9，首先，使写入电流IWC2从下电极5穿过磁化自由层3和磁化参考层1流至上电极11。此时，如上所述（本附图示出第一示例），当使写入电流IWC2在+x方向上在磁化自由层3的平面内流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC2（Rashba磁场）在+y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC2作用于-z方向上的磁化自由层3的磁化M1，以使磁化M1转变成+y方向。此外，当写入电流IWC2从磁化自由层3流至磁化参考层1时，传导电子从磁化参考层1流至磁化自由层3。因此，由于自旋转矩，因此磁化自由层3的磁化M1相对于磁化参考层1的磁化M0从反平行转变成平行。即，发生从-z方向至+z方向的转变。此时，因为Rashba磁场HIWC2辅助上述转变，因此低于常规写入电流的写入电流IWC2使磁化自由层3的-z方向上的磁化M1反转为+z方向。即，从图25中所示的数据“1”的状态至图24中所示的数据“0”的状态执行数据写入。
顺便提及，如从上述数据写入方法中容易地理解，可执行覆写入操作，覆写入操作是当数据“0”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“0”且当数据“1”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“1”的操作。
以下将说明从磁存储元件9读取数据。数据读取方法与用于包括磁化自由层3、势垒层2以及磁化参考层1的MTJ7的常用读取方法相同。例如，使具有恒定电流值的读取电流在上电极11和下电极5之间，即在MTJ7中流动。随后，通过将参考电压与由读取电流在上电极11和下电极5之间产生的电压进行比较，读取MTJ7的磁阻值，即作为磁化自由层3的磁化方向的数据。
顺便提及，磁化自由层3的平面形状不仅可以是如图23B中所示的矩形，而且还可以是椭圆形、卵圆形以及矩形、椭圆形和卵圆形中每一个的一部分在它们的纵轴方向上凹陷的形状。在这点上，磁化自由层3的磁化方向不完全指向相同的一个方向。但是，因为在磁化自由层3中没有明显的磁畴壁，因此本实施例被描述为磁化自由层3是被均匀磁化的。
图26是示出根据本发明的第六实施例的磁存储器的构造的一个示例的框图。磁存储器50包括存储单元阵列51、电流源电路52、X解码器53以及Y解码器54。这些元件不限于上述元件，只要这些元件具有类似于下文说明的功能的功能。
存储单元阵列51包括多个存储单元10、多个位线11、多个写入线12以及多个字线14。字线14在一端连接至Y解码器54并向y方向延伸。位线11在一端连接至X解码器53并向x方向延伸。写入线12在一端连接至X解码器53并向x方向延伸。存储单元10包括选择晶体管Tr以及磁存储元件9。选择晶体管Tr在源极和漏极中的一个处连接至写入线12，在源极和漏极中的另一个处连接至磁存储元件9的下电极5，且在栅极处连接至字线14。磁存储元件9的磁化参考层1连接至作为上电极的位线11。
当执行写入操作和读取操作时，X解码器53从多个位线11和多个写入线12中选择一个选择位线11和一个选择写入线12的组合。当执行写入操作和读取操作时，Y解码器54从多个字线14中选择一个选择字线14。当执行写入操作时，电流源电路52供应或拉取写入电流IWB，且当执行读取操作时供应或拉取读取电流IR。X解码器53、Y解码器54以及电流源电路52应该是将写入电流施加至写入目标存储单元10的写入电流控制电路。
这种磁存储器可用于单个存储器（MRAM），或可用于存储器嵌入式微型计算机（包括存储器部和逻辑部（未示出）的半导体器件）中的存储器部。
以下将说明根据本发明的第六实施例的磁存储器的操作。在写入操作中，首先，Y解码器54选择一个选择字线14。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，X解码器53选择一个选择位线11和一个写入线12的组合。因此，选择要对其写入数据的写入单元10作为目标存储单元10。随后，电流源电路52对写入单元10执行供应或拉取写入电流IWC1或IWC2。此时，电流路径是（电流源电路52-）X解码器53-选择位线11-写入单元10-选择写入线12-X解码器53。因此，通过由于写入单元10的磁化参考层1的自旋转矩导致的磁化反转的作用以及由于将写入电流IWC1或IWC2施加至磁化自由层3导致的有效磁场HIWC1或HIWC2的作用，可反转所选写入单元10的磁化自由层3的磁化。
在本实施例中，写入电流（IWC1或IWC2）不仅在垂直于MTJ7的方向上流动，而且还在磁化自由层3的xy平面的面内方向上流动。因此，写入电流不仅可适用于基于自旋转矩的磁化反转作用，而且还适用于基于自旋轨道相互作用的电流磁场转换。因此，自旋轨道相互作用可用于辅助磁化反转，且因此，可降低写入电流。顺便提及，在上述电路构造中，X方向上的存储单元都不存在半选择问题。
以下将说明磁存储单元的读取操作。在读取操作中，Y解码器54选择一个选择字线14。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，X解码器53选择一个选择位线11和一个选择写入线12。根据上述操作，选择要从其读取数据的读取单元10作为目标存储单元10。电流源电路52对读取单元10执行供应或拉取读取电流IR。此时，电流路径是（电流源电路52-）X解码器53-选择位线11-读取单元10-选择写入线12-X解码器53。因此，读取电流在读取单元10的MTJ7中流动。因此，例如，通过使用连接至X解码器53等的读出放大器（此处未示出），检测MTJ7的电阻并读取数据。
如上所述，本发明的磁存储器具有磁化自由层3的上侧边界和下侧边界彼此不同的构造（一侧是势垒层2，而另一侧是基层4）。即，在磁化自由层3中，打破了空间对称。在这种情况下，当使写入电流IWC在磁化自由层3中的面内方向上流动时，基于自旋轨道相互作用，有效磁场（Rashba磁场）HIWC在写入电流IWC的方向（x方向）和空间对称被打破的方向（z方向）的叉积的方向（y方向）上被施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。因此，通过使用Rashba磁场HIWC和由于从磁化参考层1和磁化自由层3中的一个流向另一个的传导电子造成的自旋转矩磁化反转作用，可反转被大致均匀地磁化（不存在实质上的磁畴壁）的磁化自由层3的磁化。即，数据可被写入磁化自由层3中。此时，通过同时使用Rashba磁场HIWC和自旋转矩磁化反转作用，写入电流IWB可较小。此外，磁化自由层3被大致均匀地磁化且因此无需引入磁畴壁。因此无需初始化步骤。
（第七实施例）
将参考附图说明根据本发明的第七实施例的磁存储单元。
本实施例与第六实施例的不同点在于磁化参考层1和磁化自由层3在本发明中具有面内磁各向异性，而它们在第六实施例中具有垂直磁各向异性。将在下文主要说明不同于第六实施例的不同点。
首先将说明根据本发明的第七实施例的磁存储器的磁存储元件的构造。图27A至27C是示出根据本发明的第七实施例的磁存储元件的构造的正视图和平面图。磁存储元件9a包括基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1、上电极11和下电极5。
如上所述，不同于第六实施例，磁化参考层1和磁化自由层3具有面内磁各向异性。即，磁化自由层3是具有面内磁各向异性的铁磁膜。磁化自由层3具有可反转的磁化M2。在本附图的示例中，磁化自由层3可取-x方向的磁化状态以及+x方向的磁化状态。磁化自由层3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其叠层膜为例。另一方面，磁化参考层1是具有面内磁各向异性的铁磁膜。在磁化参考层1中，磁化M0是固定的。在本附图的示例中，磁化M0固定为-x方向。磁化参考层1以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其叠层膜为例。
磁化参考层1、磁化自由层3的其他组成部分，除上述之外的构造及其作用都类似于第六实施例。
以下将说明根据本实施例的磁存储器的磁存储元件的数据读取和数据写入。这里，出于说明的目的，假设磁化参考层1的磁化M0固定为-x方向。此外，假设当MTJ的磁化自由层3的磁化M2为-x方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M2平行（低电阻）时，存储数据“0”。而且，假设当MTJ7的磁化自由层3的磁化M2为+x方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M2反平行（高电阻）时，存储数据“1”。
将说明对磁存储元件9a的数据写入。
首先，将说明当数据“0”存储在磁存储元件9a中时将要写入数据“1”的情况。图28是示出根据本发明的第七实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图。图28示出当数据“0”存储在磁存储元件9a中时正在执行写入数据“1”的操作的情况。
为了将数据“1”写入磁存储元件9a，首先，使写入电流IWC1从上电极11穿过磁化参考层1和磁化自由层3流至下电极5。此时，如第六实施例中所述（本附图示出第一示例），当使写入电流IWC1在-x方向上在磁化自由层3的平面内流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC1（Rashba磁场）在-y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC1作用于-x方向上的磁化自由层3的磁化M2，以使磁化M2转变成-y方向。此外，当写入电流IWC1从磁化参考层1流至磁化自由层3时，传导电子从磁化自由层3流至磁化参考层1。因此，由于自旋转矩，因此磁化自由层3的磁化M2相对于磁化参考层1的磁化M0从平行转变成反平行。即，发生从-x方向至+x方向的转变。此时，因为Rashba磁场HIWC1辅助上述转变，因此低于常规写入电流的写入电流IWC1使磁化自由层3的-x方向上的磁化M2反转为+x方向。即，从图28中所示的数据“0”的状态至如下文说明的图29中所示的数据“1”的状态执行数据写入。
以下，将说明当数据“1”存储在磁存储元件9a中时将要写入数据“0”的情况。图29是示出根据本发明的第七实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图。图29示出当数据“1”存储在磁存储元件9a中时正在执行写入数据“0”的操作的情况。
为了将数据“0”写入磁存储元件9a，首先，使写入电流IWC2从下电极5穿过磁化自由层3和磁化参考层1流至上电极11。此时，如第六实施例中所述（本附图示出第一示例），当使写入电流IWC2在+x方向上在磁化自由层3的平面内流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC2（Rashba磁场）在+y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWC2作用于+x方向上的磁化自由层3的磁化M2，以使磁化M2转变成+y方向。此外，当写入电流IWC2从磁化自由层3流至磁化参考层1时，传导电子从磁化参考层1流至磁化自由层3。因此，由于自旋转矩，因此磁化自由层3的磁化M2相对于磁化参考层1的磁化M0从反平行转变成平行。即，发生从+x方向至-x方向的转变。此时，因为Rashba磁场HIWC2辅助上述转变，因此低于常规写入电流的写入电流IWC2使磁化自由层3的+x方向上的磁化M2反转为-x方向。即，从图29中所示的数据“1”的状态至图28中所示的数据“0”的状态执行数据写入。
顺便提及，如从上述数据写入方法中容易地理解，可执行覆写入操作，覆写入操作是当数据“0”存储在磁存储元件9a中时将要写入数据“0”且当数据“1”存储在磁存储元件9a中时将要写入数据“1”的操作。
从磁存储元件9a的数据读取与第六实施例相同。此外，磁存储器的构造（图26）、写入和读取磁存储器的操作以及它们的效果都与第六实施例相同。
在本实施例中，可获得与第六实施例相同的效果。
（第八实施例）
将参考附图说明根据本发明的第八实施例的磁存储单元。
本实施例与第六实施例的不同点在于基层4、磁化自由层3以及势垒层2在本发明中具有在x轴方向上延伸至磁化参考层1的两侧的形状，而它们在第六实施例中具有仅延伸至磁化参考层1的一侧的形状。将在下文主要说明与第六实施例不同的不同点。
首先将说明根据本发明的第八实施例的磁存储器的磁存储元件的构造。图30是示出根据本发明的第八实施例的磁存储元件的构造的正视图。磁存储元件9b包括基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1、上电极11和下电极5a和5b。
如上所述，不同于第六实施例，基层4、磁化自由层3和势垒层2具有在x轴方向上延伸至磁化参考层1的两侧（+x侧和-x侧）的形状。因此，下电极5a和5b连接至两个延伸的端部。即，下电极5a连接至-x侧的延伸部。下电极5b连接至+x侧的延伸部。下电极5a和5b中的每一个都连接至选择晶体管Tr。在本实施例中，将使另外一个写入电流从下电极5a和5b中的一个流至另一个。
根据这种形状，可通过使用从下电极5a和5b中的一个经过选择晶体管Tr流至另一个的写入电流控制有效磁场（Rashba磁场），同时可通过使用从上电极11与任一或两个下电极5a和5b中的一方流至另一方的写入电流控制自旋转矩。即，在本发明中，可独立于自旋转矩来控制有效磁场。
基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1以及下电极5a和5b的其他组成部分，除上述之外的构造及其作用都类似于第六实施例。
以下将说明根据本实施例的磁存储器的磁存储元件的数据读取和数据写入。这里，出于说明的目的，假设磁化参考层1的磁化M0固定为+z方向。此外，假设当MTJ7的磁化自由层3的磁化M1为+z方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1平行（低电阻）时，存储数据“0”。而且，假设当MTJ7的磁化自由层3的磁化M1为-z方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1反平行（高电阻）时，存储数据“1”。
将说明对磁存储元件9b的数据写入。
首先，将说明当数据“0”存储在磁存储元件9b中时将要写入数据“1”的情况。图31是示出根据本发明的第八实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图。图31示出当数据“0”存储在磁存储元件9b中时正在执行写入数据“1”的操作的情况。
为了将数据“1”写入磁存储元件9b，首先，使写入电流IWC1从上电极11穿过磁化参考层1和磁化自由层3流至下电极5a。同时，使写入电流IWR1从下电极5b穿过磁化自由层3流至下电极5a。此时，如第六实施例中所述（本附图示出第一示例），当使写入电流IWR1在-x方向上在磁化自由层3的平面内流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWR1（Rashba磁场）在-y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWR1作用于+z方向上的磁化自由层3的磁化M1，以使磁化M1转变成-y方向。此外，当写入电流IWC1从磁化参考层1流至磁化自由层3时，传导电子从磁化自由层3流至磁化参考层1。因此，由于自旋转矩，因此磁化自由层3的磁化M1相对于磁化参考层1的磁化M0从平行转变成反平行。即，发生从+z方向至-z方向的转变。此时，因为Rashba磁场HIWR1辅助上述转变，因此低于常规写入电流的写入电流IWC1使磁化自由层3的在+z方向上的磁化M1反转为-z方向。即，从图31中所示的数据“0”的状态至如下文说明的图32中所示的数据“1”的状态执行数据写入。
以下，将说明当数据“1”存储在磁存储元件9b中时将要写入数据“0”的情况。图32是示出根据本发明的第八实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图。图32示出当数据“1”存储在磁存储元件9b中时正在执行写入数据“0”的操作的情况。
为了将数据“0”写入磁存储元件9b来说，首先，使写入电流IWC2从下电极5a穿过磁化自由层3和磁化参考层1流至上电极11。同时，使写入电流IWR2从下电极5a穿过磁化自由层3流至下电极5b。此时，如第六实施例中所述（本附图示出第一示例），当使写入电流IWR2在-x方向上在磁化自由层3的平面内流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWR2（Rashba磁场）在+y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化自由层3的磁化的电子。磁场HIWR2作用于-z方向上的磁化自由层3的磁化M1，以使磁化M1转变成+y方向。此外，当写入电流IWC2从磁化自由层3流至磁化参考层1时，传导电子从磁化参考层1流至磁化自由层3。因此，由于自旋转矩，因此磁化自由层3的磁化M1相对于磁化参考层1的磁化M0从反平行转变成平行。即，发生从-z方向至+z方向的转变。此时，因为Rashba磁场HIWR2辅助上述转变，因此低于常规写入电流的写入电流IWC2使磁化自由层3的-z方向上的磁化M1反转为+z方向。即，从图32中所示的数据“1”的状态至图31中所示的数据“0”的状态执行数据写入。
顺便提及，如从上述数据写入方法中容易地理解，可执行覆写入操作，覆写入操作是当数据“0”存储在磁存储元件9b中时将要写入数据“0”且当数据“1”存储在磁存储元件9b中时将要写入数据“1”的操作。
从磁存储元件9b的数据读取与第六实施例相同。
图33是示出根据本发明的第八实施例的磁存储器的构造的一个示例的框图。磁存储器50a包括存储单元阵列51、X选择器55、Y选择器56、Y电流源电路57、位线选择器58以及位线电流源电路59。这些元件不限于上述元件，只要这些元件具有类似于下述功能的功能。顺便提及，本附图的x和y方向可能与图30至32中的那些方向相反。
存储单元阵列51包括多个存储单元10、多个位线11、多个第一写入线12、多个第二写入线13以及多个字线14。字线14在一端连接至X选择器55并向x方向延伸。位线11在一端连接至位线选择器58并向y方向延伸。第一写入线12在一端连接至Y电流源电路57并向y方向延伸。第二写入线13在一端连接至Y选择器56并向y方向延伸。存储单元10包括一对选择晶体管Tr以及磁存储元件9b。其中一个选择晶体管Tr在源极和漏极中的一个处连接至第一写入线12，在源极和漏极中的另一个处连接至磁存储元件9b的下电极5b，且在栅极处连接至字线14。另一选择晶体管Tr在源极和漏极中的一个处连接至第二写入线13，在源极和漏极中的另一个处连接至磁存储元件9的下电极5a，且在栅极处连接至字线14。磁存储元件9b的磁化参考层1连接至作为上电极的位线11。
当执行写入操作和读取操作时，X选择器55从多个字线14中选择一个选择字线14。当执行写入操作和读取操作时，Y选择器56从多个第二写入线13中选择一个选择第二写入线13。当执行写入操作时，Y电流源电路57供应或拉取写入电流IWR。当执行写入操作和读取操作时，位线选择器58从多个位线11中选择一个选择位线11。通过位线选择器58，当执行写入操作时，位线电流源电路59供应或拉取写入电流IWC，且在执行读取操作时，供应或拉取读取电流IR。X选择器55、Y选择器56、Y电流源电路57、位线选择器58以及位线电流源电路59应该是将写入电流施加至写入目标存储单元10的写入电流控制电路。
这种磁存储器可用于单个存储器（MRAM），或可用于存储器嵌入式微型计算机（包括存储器部和逻辑部（未示出）的半导体器件）中的存储器部。
以下将说明根据本发明的第八实施例的磁存储器的操作。在写入操作中，首先，X选择器55选择一个选择字线14。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，Y选择器56选择一个选择第二写入线13。而且，位线选择器58选择一个选择位线11。因此，选择要对其写入数据的写入单元10作为目标存储单元10。随后，Y电流源电路57选择对应于写入单元10的一个选择第一写入线12，并对写入单元10执行供应或拉取写入电流IWR1或IWR2。此时，电流路径是（Y电流源电路57-）选择第一写入线12-写入单元10-选择第二写入线13-Y选择器56。同时，位线电流源电路59通过位线选择器58执行供应或拉取写入电流IWC1或IWC2。此时，电流路径是（位线电流源电路59-位线选择器58-）选择位线11-写入单元10-选择第二写入线13-Y选择器56。因此，通过由于写入单元10的磁化参考层1的自旋转矩导致的磁化反转作用以及由于将写入电流IWC1或IWC2施加至磁化自由层3导致的有效磁场HIWR1或HIWR2的作用，可反转所选写入单元10的磁化自由层3的磁化。
在本实施例中，可分别控制基于自旋转矩而呈现磁化反转作用的写入电流IWC1或IWC2以及呈现自旋轨道相互作用的写入电流IWR1或IWR2。因此，通过将写入电流IWR1或IWR2控制为适当值，可进一步降低写入电流IWC1或IWC2。
以下将说明磁存储单元的读取操作。在读取操作中，X选择器55选择一个选择字线14。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，Y选择器56选择一个选择第二写入线13。此外，位线选择器58选择一个选择位线11。根据上述操作，选择了要从其读取数据的读取单元10作为目标存储单元10。随后，位线电流源电路59通过位线选择器58执行供应或拉取读取电流IR。此时，电流路径是（位线电流源电路59-位线选择器58-）选择位线11-读取单元10-选择第二写入线13-Y选择器56。因此，读取电流在读取单元10的MTJ7中流动。因此，例如，通过使用连接至Y选择器56等的读出放大器（此处未示出）可检测MTJ7的电阻并读取数据。
在本实施例中，可获得与第六实施例相同的效果。此外，在本实施例中，通过分别控制基于自旋转矩而呈现磁化反转作用的写入电流以及呈现自旋轨道相互作用的写入电流，可进一步降低写入电流的总量。
（第九实施例）
将参考附图说明根据本发明的第九实施例的磁存储单元。
本实施例与第八实施例的不同点在于磁化参考层1和磁化自由层3在本发明中具有面内磁各向异性，而它们在第八实施例中具有垂直磁各向异性。将在下文主要说明与第八实施例的不同点。
首先将说明根据本发明的第九实施例的磁存储器的磁存储元件的构造。图34是示出根据本发明的第九实施例的磁存储元件的构造的正视图。磁存储元件9c包括基层4、磁化自由层3、势垒层2、磁化参考层1、上电极11和下电极5a和5b。
如上所述，不同于第六实施例，磁化参考层1和磁化自由层3具有面内磁各向异性。即，磁化自由层3是具有面内磁各向异性的铁磁膜。磁化自由层3具有可反转的磁化M2。在本附图的示例中，磁化自由层3可取-x方向的磁化状态以及+x方向的磁化状态。磁化自由层3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其叠层膜为例。另一方面，磁化参考层1是具有面内磁各向异性的铁磁膜。在磁化参考层1中，磁化M0是固定的。在本附图的示例中，磁化M0固定为-x方向。磁化参考层1以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜及其叠层膜为例。
磁化参考层1、磁化自由层3的其他组成部分，除上述之外的构造及其作用都类似于第六实施例。
磁化参考层1、磁化自由层3的其他组成部分，除上述之外的构造及其作用都类似于第六实施例。
此外，从磁存储器的磁存储元件读取数据以及将数据写入磁存储器的磁存储元件，磁存储器的构造（图33），写入和读取磁存储器的操作及其效果都与第八实施例相同。
在本实施例中，可获得与第八实施例相同的效果。
根据本发明，可提供一种磁存储器，其中无需引入磁畴壁且写入电流较小。
（第十实施例）
在本实施例中，通过使用来自磁写入部的漏磁场执行磁隧道结（MJT）的磁化自由层的磁化的反转，以及通过使用基于自旋轨道相互作用的有效磁场（Rashba磁场：下文说明）产生磁写入部的漏磁场。因此可降低写入电流。
首先，将说明根据本发明的第十实施例的磁存储器的磁存储元件的构造。图35A至35B是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的构造的正视图和侧视图。磁存储元件9包括磁隧道结部21、磁写入部22、上电极11和下电极8a和8b。
磁隧道结21通过使用磁化方向来存储数据。磁隧道结部21包括磁化自由层3、势垒层2以及磁化参考层1。磁化自由层3具有可反转的磁化M1。势垒层2被布置在磁化自由层3上。磁化参考层1被布置在势垒层2上并具有固定的磁化M0。磁化自由层3、势垒层2以及磁化参考层1构成MTJ（磁隧道结）21。磁隧道结部21通过利用磁化自由层3的磁化M1的方向与磁化参考层1的磁化M0的方向之间的相对关系来存储数据。磁化自由层3的磁化M1通过磁写入部22的漏磁场而改变。将在下文说明详细情况。
磁写入部22被布置在磁隧道结部21附近。磁写入部22产生呈现磁化自由层3的磁化反转的漏磁场。磁写入部22包括籽晶层7、磁化写入层6以及盖层5。籽晶层7被布置为与衬底（未示出）的表面（xy平面）平行。磁化写入层6被布置在籽晶层7的上侧（+z侧），以致籽晶层7被磁化写入层6覆盖。盖层5被布置在磁化写入层6的上侧（+z侧），以致磁化写入层6被盖层5覆盖。此处，磁写入部22可包括作为被布置在磁写入部22的上侧（+z侧）上的磁隧道结部21的基底的基层4。基层4被布置在盖层5的上侧（+z侧），以致盖层5被基层4覆盖。
顺便提及，在磁隧道结部21中，磁化自由层3和磁化参考层1之间的上侧和下侧的布置关系可以相反。此外，磁写入部22和磁隧道结部21之间的上侧和下侧的布置关系可以相反。
上电极11连接至磁化参考层1。上电极11以位线为例。下电极8a连接至籽晶层7的一侧（-x侧）末端的下侧（-z侧），且下电极8b连接至籽晶层7另一侧（+x侧）末端的下侧（-z侧）。下电极8a和8b分别连接至选择晶体管Tr（未示出），且可将电流通过籽晶层7从下电极8a和8b中的一个向另一个而施加至磁化写入层6。
籽晶层7由不同于盖层5的材料的材料组成（或具有不同于盖层5的厚度的厚度），以致使Rashba磁场（下文说明）产生在磁化写入层6中。此外，因为籽晶层7被布置在磁化写入层6和下电极8a和8b之间，因此籽晶层7由导电膜（例如金属膜）组成，以致电流可容易地穿过。但是，籽晶层7优选由可防止写入电流不流过磁化写入层6而选择性流过籽晶层7的材料组成。籽晶层7以Ta膜、Pt膜、Cr膜、Ti膜及其叠层膜为例。如果籽晶层7足够薄，则籽晶层7可以是非导电膜（例如绝缘膜），这是因为电流可流动而没有任何问题。
磁化写入层6是具有垂直磁各向异性的铁磁膜。磁化写入层6具有大致均匀地磁化M2，其方向可通过Rashba磁场改变。在本附图的示例中，磁化写入层6具有大致+z方向的磁化方向，且可改变磁化方向以便具有±y方向的分量。磁化写入层6被大致均匀地磁化。即，在磁化写入层6中基本上不存在磁畴壁。磁化写入层6以Co膜、Co/Ni叠层膜、Co/Pt叠层膜、CoFeB膜、FePt膜、CoPt系合金膜为例。磁化写入层6优选非常薄，以致使得要产生Rashba磁场。例如，磁化写入层6优选具有从约0.5nm至约1.5nm的膜厚。在小于0.5nm的膜厚的情况下，难以控制薄膜形成。与常用MTJ中的磁化自由层（或自由层）的几个nm（例如约5nm）相比，该膜厚较薄且为零点几个nm。或者，该膜厚类似于常规MTJ中势垒层的膜厚。
盖层5由不同于籽晶层7的材料的材料组成（或具有不同于籽晶层7的厚度的厚度），以致使磁化写入层6中产生Rashba磁场（下文说明）。当籽晶层7是导电膜（例如金属膜）时，盖层5优选是非导电膜（例如绝缘膜）。盖层5以Al2O3膜、MgO膜以及其他氧化物为例。当籽晶层7是非导电膜时，盖层5优选是导电膜。
磁化自由层3是具有面内磁各向异性的铁磁膜。磁化自由层3具有可反转的磁化M1。在本附图的示例中，磁化自由层3可取+y方向的磁化状态以及-y方向的磁化状态。磁化自由层3以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜、NiFeCo膜及其叠层膜为例。使磁化自由层3的易磁化轴成为y方向的方法是使用形状各向异性的方法，其是一种使磁化自由层3的纵轴成为y方向的方法；使用晶体磁各向异性的方法；以及使用应力感应磁各向异性的方法。此处，易磁化轴的方向无需准确地为y方向。例如，易磁化轴的方向具有在面内方向上相对于y轴45度的角度。
磁化参考层1是由具有面内磁各向异性的铁磁膜组成。在磁化参考层1中，磁化M0是固定的。在本附图的示例中，磁化M0固定为-y方向。对于磁化参考层1的材料来说，使用类似于磁化自由层3的材料。此外，通过使用诸如PtMn膜、IrMn膜、FeMn膜、NiO膜的反铁磁材料，使磁化固定。而且，对于磁化参考层1来说，可使用合成铁磁结构，其中通过Ru膜等层叠诸如CoFe膜的磁层。这种合成铁磁结构用于降低来自磁化参考层1的漏磁场。磁化参考层1以NiFe膜、CoFe膜、CoFeB膜、NiFeCo膜及其叠层膜为例。
磁化自由层3的基层4以Ta膜为例。但是，不是必须提供基层4。此外，如果需要，则金属膜可被提供在上电极11和磁隧道结部21之间。
磁存储元件9具有磁化写入层6的上侧边界和下侧边界彼此不同的构造。在本附图的示例中，籽晶层7接合至磁化写入层6的下侧（-z侧）的边界，且由不同于籽晶层7的材料的材料组成的盖层5接合至磁化写入层6的上侧（+z侧）的边界。即，在磁化写入层6中，空间对称相对于z方向被打破。在这种情况下，当使电流在磁化写入层6中的面内方向（例如x方向）上流动时，基于自旋轨道相互作用，有效磁场在电流的方向（x方向）和空间对称被打破的方向（z方向）的叉积的方向（y方向）上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化写入层6的磁化的电子。这种有效磁场被称为Rashba磁场。
在本实施例中，通过使用这种Rashba磁场，使磁化写入层6的磁化方向可变且使磁化自由层3的磁化可反转。即，对磁隧道结部21执行数据写入。因此，磁化写入层6中流动的电流是写入电流。可通过使用用于籽晶层7和盖层5中的一种的氧化物来提高产生有效磁场的这种效果。例如，众所周知的是，在籽晶层7的构造中，磁化写入层6和盖层5=Pt膜、Co膜和AlOx膜，对于每108A/cm2写入电流，基于自旋轨道相互作用的有效磁场高达kOe级。因此可降低写入电流。
以下将说明根据本实施例的磁存储器的磁存储元件的数据读取和数据写入。这里，出于说明的目的，假设磁化参考层1的磁化M0固定为-y方向。此外，假设当磁隧道结部21的磁化自由层3的磁化M1为-y方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1平行（低电阻）时，存储数据“0”。而且，假设当磁化自由层3的磁化M1为+y方向时，即磁化参考层1的磁化M0和磁化自由层3的磁化M1反平行（高电阻）时，存储数据“1”。
将说明对磁存储元件9的数据写入。
首先，将说明将数据“1”写入磁存储元件9中的情况。图36A和36B是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图和侧视图。图36A和36B示出在执行数据“1”的写入操作之后的情况。
为了将数据“1”写入磁存储元件9，首先，使写入电流IWC1在-x方向上从下电极8b穿过磁化写入层6流至下电极8a。此时，如上所述，磁化写入层6的下侧（-z侧）处的边界接合至籽晶层7，且上侧（+z方向）处的边界接合至盖层5。因此，磁化写入层6的两侧处的边界具有不同结构。即，在磁化写入层6中，空间对称相对于z方向被打破。因此，当使写入电流IWC1在-x方向上在磁化写入层6的平面内流动时，由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC1（Rashba磁场）在写入电流IWC1的方向（x方向）和空间对称被打破的方向（z方向）的叉积的方向（y方向）上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化写入层6的磁化的电子。例如，在籽晶层7、磁化写入层6以及盖层5是Pt、Co和AlOx且使写入电流IWC1在-x方向上流动的情况下，在+y方向上产生磁场HIWC1（Rashba磁场）。但是，方向是-y方向还是+y方向取决于材料。本附图的示例示出在-y方向上产生磁场HIWC1（Rashba磁场）。磁场HIWC1作用于+z方向上的磁化写入层6的磁化M2，以使磁化M2转变成-y方向。因此，磁化写入层6的在+z方向上的磁化M2向-y方向倾斜（具有-y方向的分量）。因此在磁化写入层6的-y方向上的侧面产生磁极（+）。通过基于此磁极的漏磁场HL1，即通过此磁极和磁化自由层3的磁化M1之间的静态磁耦合，可反转具有y方向上的易磁化轴的磁化自由层3的磁化M1。以此方式，执行数据写入，如图36A和36B中所示的数据“1”的状态。
以下，将说明将数据“0”写入磁存储元件9中的情况。图37A和37B是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的数据写入方法的正视图和侧视图。图37A和37B示出在磁存储元件9中执行数据“0”的写入操作之后的情况。
为了将数据“0”写入磁存储元件9，首先，使写入电流IWC2在+x方向上从下电极8b穿过磁化写入层6流至下电极8a。此时，如上所述（本附图示出在-y方向上产生磁场HIWC1的示例），由于自旋轨道相互作用，磁场HIWC2（Rashba磁场）在+y方向上施加至局域电子。局域电子是呈现磁化写入层6的磁化的电子。磁场HIWC2作用于+z方向上的磁化写入层6的磁化M2，以使磁化M2转变成+y方向。因此，磁化写入层6的在+z方向上的磁化M2向+y方向倾斜（具有+y方向的分量）。因此在磁化写入层6的+y方向上的侧面产生磁极（+）。通过基于此磁极的漏磁场HL2，即通过此磁极和磁化自由层3的磁化M1之间的静态磁耦合，可反转具有y方向上的易磁化轴的磁化自由层3的磁化M1。以此方式，执行数据写入，如图37A和37B中所示的数据“0”的状态。
顺便提及，如从上述数据写入方法中容易地理解，可执行覆写入操作，覆写入操作是当数据“0”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“0”且当数据“1”存储在磁存储元件9中时将要写入数据“1”的操作。此外，电流IWC的方向和磁化M2的倾斜方向之间的关系取决于籽晶层7的材料和盖层5的材料的选择。
以下将说明从磁存储元件9读取数据。数据读取方法与用于包括磁化自由层3、势垒层2以及磁化参考层1的磁隧道结部21（MTJ）的常用读取方法相同。例如，使具有恒定电流值的读取电流在上电极11和下电极8a之间，即在磁隧道结部21中流动。随后，通过将参考电压与由读取电流在上电极11和下电极8a之间产生的电压进行比较，读取磁隧道结部21的磁阻值，即作为磁化自由层3的磁化方向的数据。
顺便提及，磁化写入层6的平面形状不仅可以是矩形，而且还可以是椭圆形、卵圆形以及矩形、椭圆形和卵圆形中每一个的一部分在它们的纵轴方向上凹陷的形状。在这点上，磁化写入层6的磁化方向不完全指向相同的一个方向。但是，因为在磁化写入层6中没有明显的磁畴壁，因此本实施例被描述为磁化写入层6是被均匀磁化的。
图38是示出根据本发明的第十实施例的磁存储器的构造的一个示例的框图。磁存储器50包括存储单元阵列59、X选择器51、Y电流源电路54、Y选择器和电源电路56以及GND（接地端）57。这些元件不限于上述元件，只要这些元件具有类似于下述功能的功能。
存储单元阵列59包括多个存储单元10、多个位线11、多个第一写入线12、多个第二写入线13以及多个字线14。字线14在一端连接至X选择器51并向x方向延伸。位线11在一端连接至GND（接地端）57，并向y方向延伸。第一写入线12在一端连接至Y电流源电路54并向y方向延伸。第二写入线13在一端连接至Y选择器和电源电路56并向y方向延伸。多个存储单元10与多个字线14和多个位线11之间的交点相对应地以矩阵形排列。存储单元10包括两个选择晶体管Tr以及磁存储元件9。其中一个选择晶体管Tr在源极和漏极中的一个处连接至第一写入线12，在源极和漏极中的另一个处连接至磁存储元件9的下电极8a，且在栅极处连接至字线14。另一选择晶体管Tr在源极和漏极中的一个处连接至第二写入线13，在源极和漏极中的另一个处连接至磁存储元件9的下电极8b，且在栅极处连接至字线14。磁存储元件9的磁化参考层1连接至作为上电极的位线11。
当执行写入操作和读取操作时，X选择器51从多个字线14中选择一个选择字线14。当执行写入操作时，Y选择器和电源电路56从多个第二写入线13中选择一个选择第二写入线13，执行供应写入电流IWC1，并且在执行读取操作时，执行供应或拉取读取电流IR。当执行写入操作时，Y电流源电路54从多个第一写入线12中选择一个选择第一写入线12并供应写入电流IWC2。X选择器51、Y电流源电路54、Y选择器和电源电路56（以及GND（接地端）57）应该是将写入电流施加至写入目标存储单元10的写入电流控制电路。
这种磁存储器可用于单个存储器（MRAM），或可用于存储器嵌入式微型计算机（包括存储器部和逻辑部（未示出）的半导体器件）中的存储器部。
以下将说明根据本发明的第十实施例的磁存储器的操作。在写入操作中，首先，X选择器51选择一个选择字线14。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，Y选择器和电源电路56选择一个选择第二写入线13。此外，Y电流源电路54选择一个选择第一写入线11。因此，选择要对其写入数据的写入单元10作为目标存储单元10。随后，Y选择器和电源电路56执行为写入单元10供应写入电流IWC1。或Y电流源电路54执行为写入单元10供应写入电流IWC2。此时，电流路径是Y选择器和电源电路56-选择第二写入线13-写入单元10-选择第一写入线12-Y电流源电路54。因此，写入电流IWC1或写入电流IWC2施加至写入单元10的磁化写入层6，且有效磁场HIWC1或有效磁场HIWC2施加至磁化写入层6。随后，基于这些，所选写入单元10的磁化自由层3的磁化可通过磁化写入层6的漏磁场HL1或HL2而被反转。在本电路构造中，不存在半选择问题。
以下将说明磁存储单元的读取操作。在读取操作中，X选择器51选择一个选择字线14。因此，在栅极处连接至选择字线14的选择晶体管Tr导通。随后，Y选择器和电源电路56选择一个选择第二写入线13。根据上述操作，选择了要从其读取数据的读取单元10作为目标存储单元10。Y选择器和电源电路56执行供应或拉取读取电流IR。此时，电流路径是Y选择器和电源电路56-选择第二写入线13-读取单元10-选择位线11-GND（接地端）。因此，读取电流在读取单元10的磁隧道结部21中流动。因此，例如，通过使用连接至Y选择器和电源电路56等的读出放大器（此处未示出）可检测磁隧道结21的电阻并读取数据。
将说明根据本实施例的磁存储元件的变型示例。图39是示出根据本发明的第十实施例的磁存储元件的构造的一个变型示例的局部侧视图。本附图仅示出磁存储元件9中的磁写入部22。磁写入部22包括多个磁写入部22-1，…，22-(n-1)，22-n（n是自然数）。各个磁写入部22-i（i=1至n）都包括籽晶层7、磁化写入层6以及盖层5。以此方式，因为磁写入部22具有其中籽晶层、磁化写入层和盖层多次层叠的构造，因此增加了磁写入部22的磁矩。因此，增加了在Rashba磁场工作时的漏磁场的总量。因此，可容易地反转磁化自由层3。
本发明的原理，即基于自旋轨道相互作用的磁化写入层6的磁化改变用于磁化自由层3的磁化反转，不仅应用于上述单轴写入方法，而且还应用于双轴写入方法以及作为辅助磁场用于自旋注入写入方法。例如，通过在MTJ上方和下方提供两个磁写入部22，可实现具有低电流的双轴写入方法。此外，磁化写入层6和磁化自由层3之间的耦合不限于上述静态磁耦合，而且例如也可使用铁磁耦合。
根据本发明，可提供其中无需引入磁畴壁且写入电流较小的磁存储器。
第六至第九实施例的构造可描述如下。但是，第六至第九实施例不限于下述示例。
（1）一种磁存储器，包括：
基层；
覆盖基层的磁化自由层，构造为具有可反转的磁化并被大致均匀地磁化；
覆盖磁化自由层的势垒层，构造为由与基层的材料不同的材料组成；以及
磁化参考层，构造为布置在与磁化自由层的一端相对应的势垒层的一端上并具有固定磁化，
其中，当磁化自由层的磁化反转时，使第一写入电流在面内方向上从磁化自由层的一端经过磁化参考层流至另一端。
（2）根据上述（1）的磁存储器，还包括：
第一电极，构造为布置在与磁化自由层的另一端相对应的基层的一端，
其中，第一写入电流在面内方向上从磁化参考层和第一电极中的一个经过磁化自由层流至另一个。
（3）根据上述（2）的磁存储器，其中，磁化参考层和磁化自由层具有垂直磁各向异性。
（4）根据上述（2）的磁存储器，其中，磁化参考层和磁化自由层具有面内磁各向异性，
其中，磁化自由层的膜厚方向上的向量和第一写入电流的方向上的向量的叉积具有与磁化自由层的磁化方向平行的分量。
（5）根据上述（1）的磁存储器，还包括：
第一和第二电极，构造为布置在与磁化自由层的一端和另一端相对应的基层的一端和另一端，
其中，当磁化自由层的磁化反转时，除第一写入电流之外，还使第二写入电流从第一和第二电极中的一个流至另一个。
（6）根据上述（5）的磁存储器，其中，磁化参考层和磁化自由层具有垂直磁各向异性。
（7）根据上述（5）的磁存储器，其中，磁化参考层和磁化自由层具有面内磁各向异性，
其中，磁化自由层的膜厚方向上的向量和第一写入电流的方向上的向量的叉积具有与磁化自由层的磁化方向平行的分量。
第十实施例的构造可如下描述。但是，第十实施例不限于以下示例。
（1）一种磁存储器，包括：
磁隧道结部；以及
构造为布置在磁隧道结部附近的磁写入部，
其中，磁隧道结部包括：
构造为具有可反转地磁化地磁化自由层，
构造为布置在磁化自由层上的势垒层，以及
构造为布置在势垒层上并具有固定磁化的磁化参考层，
其中，磁写入部包括：
籽晶层，
覆盖籽晶层的磁化写入层，构造为被大致均匀地磁化，以及
覆盖磁化写入层的盖层，构造为由不同于籽晶层的材料的材料组成，
其中，当磁化自由层的磁化反转时，使写入电流在面内方向上从
磁化写入层的一端流至另一端。
（2）根据上述（1）的磁存储器，还包括：
构造为布置在籽晶层的两端的第一和第二电极，
其中，写入电流从第一和第二电极中的一个流至另一个。
（3）根据上述（1）或（2）的磁存储器，其中，磁化自由层和磁
化参考层具有面内磁各向异性，并且
其中，磁化写入层具有垂直磁各向异性。
（4）根据上述（3）的磁存储器，其中，磁化自由层和磁化写入
层磁化耦合，并且
其中，通过来自磁化写入层的漏磁场使磁化自由层的磁化可反转。
（5）根据上述（1）至（4）中一个的磁存储器，
其中，籽晶层和盖层中的一个包括金属材料且另一个包括氧化物。
（6）根据上述（1）至（5）中一个的磁存储器，
其中，在磁写入部中，籽晶层、磁化写入层以及盖层都层叠多次。
这种磁存储器以磁随机存取存储器（MRAM）为例，且不仅可用于单个存储器（MRAM），而且还可用于存储器嵌入式微型计算机（包括存储部和逻辑部（未示出）的半导体器件）等等。
虽然上文已经结合本发明的若干实施例对本发明进行了说明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是提供上述实施例仅用于说明本发明，且不应解释为对随附权利要求的限制。
本发明不限于上述各个实施例。显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对上述各个实施例进行变型和改变。此外，如果不存在技术上的矛盾，则上述各个实施例中所述的技术可应用至其他实施例。
本申请基于2011年3月22日提交的日本专利申请No.2011-061930、2011年3月22日提交的日本专利申请No.2011-061939以及2011年3月30日提交的日本专利申请No.2011-076361，并要求这些申请的优先权，上述申请的内容通过引用整体并入本文。

Claims (7)

1.一种磁存储器，包括：
基层；
覆盖所述基层的磁化自由层，所述磁化自由层被构造为具有可反转的磁化并被大致均匀地磁化；
覆盖所述磁化自由层的势垒层，所述势垒层被构造为由与所述基层的材料不同的材料组成；以及
磁化参考层，所述磁化参考层被构造为布置在所述势垒层上并具有固定磁化，
其中，当所述磁化自由层的磁化反转时，使第一写入电流在不经过所述磁化参考层的情况下在面内方向上从所述磁化自由层的一端流至另一端，
其中，所述磁化自由层具有面内磁各向异性，并且
其中，所述磁化自由层的膜厚方向上的向量和所述第一写入电流的流动方向上的向量的叉积具有与所述磁化自由层的磁化方向平行的分量。
2.一种磁存储器，包括：
基层；
覆盖所述基层的磁化自由层，所述磁化自由层被构造为具有可反转的磁化并被大致均匀地磁化；
覆盖所述磁化自由层的势垒层，所述势垒层被构造为由与所述基层的材料不同的材料组成；
磁化参考层，所述磁化参考层被构造为布置在所述势垒层上并具有固定磁化；以及
被构造为布置在所述磁化自由层附近的布线线路，
其中，当所述磁化自由层的磁化反转时，使第一写入电流在不经过所述磁化参考层的情况下在面内方向上从所述磁化自由层的一端流至另一端，
其中，当所述磁化自由层的磁化反转时，进而，通过使用所述布线线路中流动的第二写入电流在所述磁化自由层附近产生电流感应磁场，
其中，所述磁化自由层具有面内磁各向异性，并且
其中，所述布线线路布置在所述磁化自由层上方的位置处。
3.一种磁存储器，包括：
基层；
覆盖所述基层的磁化自由层，所述磁化自由层被构造为具有可反转的磁化并被大致均匀地磁化；
覆盖所述磁化自由层的势垒层，所述势垒层被构造为由与所述基层的材料不同的材料组成；以及
磁化参考层，所述磁化参考层被构造为布置在所述势垒层上并具有固定磁化，
其中，当所述磁化自由层的磁化反转时，使第一写入电流在不经过所述磁化参考层的情况下在面内方向上从所述磁化自由层的一端流至另一端，
其中，所述磁化自由层具有垂直磁各向异性，并且
其中，所述磁化自由层具有使得所述第一写入电流在所述磁化自由层中不均匀分布的形状。
4.一种磁存储器，包括：
基层；
覆盖所述基层的磁化自由层，所述磁化自由层被构造为具有可反转的磁化并被大致均匀地磁化；
覆盖所述磁化自由层的势垒层，所述势垒层被构造为由与所述基层的材料不同的材料组成；以及
磁化参考层，所述磁化参考层被构造为布置在所述势垒层上并具有固定磁化，
其中，当所述磁化自由层的磁化反转时，使第一写入电流在不经过所述磁化参考层的情况下在面内方向上从所述磁化自由层的一端流至另一端，
其中，所述磁化自由层具有垂直磁各向异性，并且
其中，所述磁化自由层具有反转核容易出现在所述磁化自由层的一部分中的区域。
5.一种磁存储器，包括：
基层；
覆盖所述基层的磁化自由层，所述磁化自由层被构造为具有可反转的磁化并被大致均匀地磁化；
覆盖所述磁化自由层的势垒层，所述势垒层被构造为由与所述基层的材料不同的材料组成；
磁化参考层，所述磁化参考层被构造为布置在所述势垒层上并具有固定磁化；以及
第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极被构造为布置在所述基层的两端，
其中，当所述磁化自由层的磁化反转时，使第一写入电流在不经过所述磁化参考层的情况下在面内方向上从所述磁化自由层的一端流至另一端，
其中，所述第一写入电流从所述第一电极和所述第二电极中的一个流至所述第一电极和所述第二电极中的另一个，并且
其中，所述第一电极和所述第二电极相对于所述磁化自由层不对称。
6.一种磁存储器，包括：
基层；
覆盖所述基层的磁化自由层，所述磁化自由层被构造为具有可反转的磁化并被大致均匀地磁化；
覆盖所述磁化自由层的势垒层，所述势垒层被构造为由与所述基层的材料不同的材料组成；以及
磁化参考层，所述磁化参考层被构造为布置在所述势垒层上并具有固定磁化，
其中，当所述磁化自由层的磁化反转时，使第一写入电流在不经过所述磁化参考层的情况下在面内方向上从所述磁化自由层的一端流至另一端，并且
其中，在所述磁化自由层中，易磁化轴相对于所述磁化自由层的膜表面指向垂直和面内之间。
7.根据权利要求6所述的磁存储器，其中，所述磁化自由层是层叠了垂直各向异性材料膜和面内各向异性材料膜的叠层膜。
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