[发明专利]基于自旋滤波器效应的自旋晶体管和利用自旋晶体管的非易失存储器

说明书

本申请是申请人科学技术振兴机构于2003年7月25日提交的发明名称为“基于自旋滤波器效应的自旋晶体管和利用自旋晶体管的非易失存储器”的中国专利申请No.03822480.1的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种新型晶体管。更具体地说，本发明涉及一种具有取决于载流子自旋方向的输出特性的晶体管和利用所述种晶体管的非易失存储器电路(非易失存储器)。

背景技术

从工作速度和集成度的观点看来，DRAM(动态随机存取存储器)已主要用作以微电脑为代表的电子设备用的半导体存储器。在DRAM中，由于保持存储器要消耗能量和断电时所存储的内容丢失的问题，难以满足近年来节能和移动设备的要求。为了满足这样的要求，重要的是一种除高速、高集成度和低功耗外，还具有非易失特性的新型存储器。

作为一种可以实现工作速度和集成度等于DRAM的并具有非易失特性的下一代存储器，注意力集中在MRAM(磁阻随机存取存储器)上。MRAM按照铁磁物质的磁化方向存储信息并通过自旋阀装置的巨磁阻效应或磁隧道结(MTJ)的隧道磁阻(TMR)效应在电气上按照其磁化方向读取信息。使用铁磁物质的MRAM可以在不消耗能量的情况下以非易失方式保存信息。

图17(A)和17(B)是表示利用MTJ的MRAM的典型单元结构的简图。如图17(A)所示，在所述MRAM中，一位存储单元由一个MTJ和一个MOS(金属氧化物半导体)晶体管构成。所述MOS晶体管的栅极连接到读出字线，其源极接地，其漏极连接到MTJ的一端，而MTJ的另一端连接到位线。

如图17(B)所示，MTJ具有隧道结结构，后者具有插入两个铁磁电极之间的薄的绝缘膜，并且所述MTJ具有TMR效应，其中隧道电阻按照两个铁磁电极的相对磁化方向而不同。具体地说，当两个铁磁电极具有平行的磁化时和当它们具有反平行磁化时TMR的变化速率称为TMR比率，用以计算TMR的效应。

MRAM采用以下方法来存储信息：利用由流入位线和与其正交的重写字线(未示出)的电流感生的合成磁场，使MTJ的磁化状态，也就是说，两个铁磁电极的相对磁化方向可以是平行磁化或是反平行磁化。

为了读出存储在指定单元的存储信息，向连接所述单元的指定读出字线施加一个电压，以便使MOS晶体管导通，读出电流(以下称为″驱动电流″)从连接所述单元的指定位线流到MTJ，而把基于TMR效应的MTJ的电压降作为输出电压检测出来，以便读出所述存储的信息。

发明内容

利用MTJ的MRAM使用铁磁物质，以便具有非易失、低功耗和高速的特性。所述单元的结构已被简化，以便适用于高密度集成。MRAM预期作为下一代非易失存储器。为了实现这一点，需要解决以下问题。

(1)MTJ具有与平行磁化和反平行磁化状态对应的二进制电阻值。MRAM使驱动电流流到MTJ，以便以输出电压的形式检测所述电阻值。为了获得高的输出电压，必须调整MTJ绝缘膜的厚度以便优化所述隧道电阻。因为TMR比率取决于所述绝缘膜的厚度，所以隧道电阻的优化受到限制。

(2)为了精确地读出存储器的信息内容，所述TMR比率必须大，以便增大平行磁化和反平行磁化两个磁化状态的输出电压比率。为了实现高的TMR比率，必须使用具有大的自旋偏振率的铁磁物质来优化形成方法、材料和绝缘层的膜厚。

(3)在利用MTJ的MRAM中，施加在MTJ上的偏置必须大，以便提高工作速度。MTJ在原理上具有不可避免的问题，当铁磁电极之间引起的电压降增大时，TMR比率降低。基于TMR的输出电压的改变速率随着在MTJ中引起的电压降增大而降低。所述现象是TMR效应本身造成的。只要磁化状态只根据TMR效应读出，这是难以避免的。

总结上述问题，为了在MTJ中以高的灵敏度检测存储信息，必须调整MTJ的阻抗(结电阻)，以便优化输出电压的振幅。另外，所述TMR比率必须大，以便增大平行磁化和反平行磁化两个磁化状态输出信号的比率。为使TMR比率不会由于偏置而减少，TMR比率的偏置电阻是必不可少的。

若输出信号可以不管存储装置的特性而通过存储装置以外的外围电路自由设计，则上述所有问题都可以解决。

本发明的一个目的是提供一种非易失存储器，它按照磁化状态把信息存储在包括在晶体管中的铁磁物质中，并利用所述晶体管的取决于载流子的自旋方向的输出特性来读取所述信息。