專利名稱：存儲器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有存儲設備的存儲器。
背景技術：
現有技術中，使用存儲器的系統通常使用即使在電源被切斷后也能保持信息的只 讀存儲器(ROM)和當電源被切斷時易失信息但能重復地執行快速和無限次的記錄和讀出 的隨機存取存儲器(RAM)。在現有技術中，這些存儲器被劃分為諸如閃存的ROM和諸如動態隨機存取存儲器 (DRAM)和靜態隨機存取存儲器(SRAM)的RAM兩種類型，并且分別具有唯一的結構。近來，已出現了諸如磁性隨機存取存儲器(MRAM)和鐵磁性隨機存取存儲器 (FeRAM)的所謂的非易失性RAM的存儲器。非易失性RAM具有與RAM等同的快速重復寫入和隨機存取讀出的性能，并且即使 在電源被切斷后，也不會丟失信息。可以認為，使用非易失性RAM，現有技術中使用ROM和RAM的系統能夠被簡化，結 果，可以降低其價格。在這種情況下，已經被放置在ROM中的諸如序列號和網絡ID的系統的唯一信息以 及用于通信等的加密密鑰被存儲在可改寫RAM區域中。此外，作為一種新的非易失性RAM，已經提出了一種旋轉注入型存儲器件的結 構，在該結構中，通過旋轉注入來反轉隧道磁阻效應器件的鐵磁層的磁化方向(例如，見 JP-A-2003-17782 和 NIKKEI ELECTRONICS, Feb. 12,2001 issue, pp.164-171)。在所述結構的情況下，像上面所描述的MRAM —樣，非易失性RAM具有與RAM等同 的快速重復寫入和隨機存取讀出的性能，并且即使在電源被切換后，也不會丟失信息。因此，甚至使用旋轉注入型存儲器件，就可以像上面所描述的MRAM的情況一樣簡 化現有技術中使用ROM和RAM的系統。
發明內容
當前，期望能夠用作RAM的非易失性存儲器包括例如上述的FeRAM和MRAM。在通常使用條件下，即使在電源被切換后，也能保持在FeRAM和MRAM中所寫入的 fn息o但是，在FeRAM和MRAM被用作代替ROM的情況下，信息被置于信息可被改寫的RAM 區域中。因此，存在一定的可能性，即，由于程序缺陷、外來噪聲等引起數據改變，并且存在 可能丟失用于激活系統的必不可少的信息的危險。
眾所周知，存在由于芯片焊接時的加熱等引起從FeRAM丟失信息或由于強外部磁 場從MRAM丟失信息的可能性。因此，不可能容易地同時執行幾乎不丟失信息的完全的ROM的功能和自由讀出和 寫入的RAM的功能。而且，此外，在沒有改變就用旋轉注入型存儲設備代替ROM的情況下，存在像使用 FeRAM和MRAM的情況一樣的丟失信息的可能性。因此，期望提供一種能夠使用具有相同結構的存儲設備實現ROM和RAM兩者的存 儲器。本發明實施例的存儲器包括一個存儲設備，該存儲設備包括隧道磁阻效應器件， 該隧道磁阻效應器件包含了 磁化自由層，其中，磁化方向能夠被反轉；隧道阻擋層，包括 絕緣材料；以及磁化固定層，相對于磁化自由層介由隧道阻擋層進行設置，具有固定的磁化 方向。此外，存儲器包括具有所述結構的多個存儲設備，以及使用存儲設備的磁化自由 層的磁化方向記錄信息的隨機存取存儲區以及根據存儲設備的隧道阻擋層是否存在擊穿 來記錄信息的只讀存儲區。根據本發明實施例的存儲器的結構，包括了使用存儲設備的磁化自由層的磁化方 向記錄信息的隨機存取存儲區以及根據存儲設備的隧道阻擋層是否存在擊穿來記錄信息 的只讀存儲區。在隨機存取存儲區的存儲設備中，根據磁化自由層的磁化方向示出高電阻的第一 電阻狀態和低電阻的第二電阻狀態的其中一個。在只讀存儲區的存儲設備中，如果隧道阻 擋層沒有被擊穿，則示出第一電阻狀態或第二電阻狀態。另一方面，如果隧道阻擋層已經被 擊穿，則示出比第二電阻狀態充分低的電阻的第三電阻狀態。此外，通過檢測上述三種電阻狀態，能夠讀出記錄的信息的內容。因此，使用具有 相同結構的存儲設備，能夠實現隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)兩者。根據本發明的上述實施例，能夠使用具有相同結構的存儲設備實現隨機存取存儲 器(RAM)和只讀存儲器(ROM)兩者。因此，能夠通過一個芯片代替現有技術中被分開制造 的ROM芯片和RAM芯片。由于能夠使用具有相同結構的存儲設備實現RAM和ROM兩者，所以能夠減少電路 部分的類型并降低制造成本。此外，由于能夠通過一個芯片來形成現有技術中通過ROM芯片和RAM芯片兩個獨 立的芯片形成的電路，所以能夠實現存儲器電路結構的簡化和存儲器尺寸的減小。
圖1是本發明的一個實施例的存儲器的示意性結構圖(存儲單元的截面圖)。圖2是圖1中的存儲設備的示意性截面圖。圖3示出了存儲設備的施加電壓與設備電阻之間的關系。圖4示出了隨著施加的電壓的升高存儲設備的設備電阻的改變。圖5是本發明的一個實施例的存儲器的電路結構的示意性結構圖。
具體實施例方式將說明用于實現發明的優選實施例(下文中，被稱作“實施例”)。將以下面的順序進行說明。1.發明的概要2. 一個實施例的存儲器的存儲設備的結構3.存儲設備的實驗實例4. 一個實施例的存儲器的電路結構5.變形實例<1.發明的概要〉 在說明發明的特定實施例之前，將說明發明的概要。在發明的實施例中，使用包括隧道磁阻效應(tunnel magneticresistance effect)器件的多個存儲設備形成存儲器(存儲設備)。此外，形成存儲器的多個存儲設備被劃分為隨機存取存儲器(RAM)區和只讀存儲 器(ROM)區。在隨機存取存儲器(RAM)區中，使用包括隧道磁阻效應器件的存儲設備的磁化自 由層的磁化方向來記錄信息。在只讀存儲器(ROM)區中，根據包括隧道磁阻效應器件的存 儲設備的隧道電阻層(tunnel insulating layer)是否存在擊穿來記錄信息。在隨機存取存儲器(RAM)區中，由于使用存儲設備的磁化自由層的磁化方向來記 錄信息，所以磁化自由層作為存儲層。在只讀存儲器(ROM)區中，由于根據存儲設備的隧道電阻層中是否存在擊穿來記 錄信息，因此，存儲設備的磁化自由層的磁化方向為任意的，磁化自由層并不用作用于將信 息分類的存儲層。當在隨機存取存儲器(RAM)區中的存儲設備中記錄信息時，通過旋轉注入提供具 有反轉磁化自由層的磁化方向的量值的電流，或者將具有反轉磁化方向的量值的外部磁場 施加于磁化自由層。其中，通過在存儲設備的磁化自由層附近設置用于施加磁場的配線并 使電流在配線中流動從而產生電流磁場，能夠容易地施加外部磁場。隨后，在記錄信息時，存儲設備的電阻在高電阻的第一電阻狀態與低電阻的第二 電阻狀態之間變化。如在上述專利文獻1和非專利文獻1等中所述，在隧道磁阻效應器件 中，這兩種電阻狀態能夠可逆地改變，而不會引起材料疲勞，即，設備的破壞。因此，用于本發明的存儲器的包括隧道磁阻效應器件的存儲設備具有耐重復記錄 (in resistance to repeated recording)(這在將該設備用作RAM時是必要的)的優勢。當在只讀存儲器(RAM)區中的存儲設備中記錄信息時，通過向存儲設備施加比隧 道阻擋層的擊穿耐受電壓(breakdownwithstand voltage)更高的電壓來擊穿隧道阻擋層。 對于電壓的施加，提供了包括連接在存儲設備之上和之下的配線等的電壓供給單元。以這種方式，通過擊穿隧道阻擋層來記錄信息。由于隧道阻擋層的擊穿為不可逆 變化，所以信息很難丟失。即，其中已經通過擊穿記錄了信息的存儲設備可以用作只讀存儲 器_)。此外，為了讀出在存儲設備中所記錄的信息，通過將用于讀出的電壓施加至存儲 設備來檢測設備的電阻。在隨機存取存儲器(RAM)區的存儲設備中，使用傳感放大器等來確定是高電阻的第一電阻狀態還是低電阻的第二電阻狀態。在只讀存儲器(ROM)區的存儲 設備中，使用傳感放大器等來確定是否為第一電阻狀態或第二電阻狀態，或者其中隧道阻 擋層已經被擊穿的第三電阻狀態。需要注意，在存儲設備具有其中通過旋轉注入來反轉磁化自由層的磁化方向的結 構的情況下，用于讀出的電壓被設定為比用于提供具有反轉磁化方向的量值的電流的電壓 (寫入電壓)更低的電壓。在用于本發明實施例的存儲器的存儲設備中，可以將用于隧道磁阻效應器件的已 知的材料用作磁化自由層、隧道絕緣層、磁化固定層(magnetization fixed layer)、反鐵 磁層等的各個層的材料。此外，在存儲設備具有其中通過旋轉注入反轉磁化自由層的磁化方向的結構的情 況下，對于隨機存取存儲器(RAM)區中的存儲設備，設置了將電流施加至用于記錄信息的 存儲設備的電流供給單元。例如，電流供給單元可以包括連接在存儲設備之上和之下的配 線等。在本發明實施例的存儲器中，能夠使用具有相同結構的存儲設備來實現隨機存取 存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。因此，能夠實現其中隨機存取存儲器(RAM)區中的存儲設備和只讀存儲器(ROM) 區中的存儲設備設置在同一芯片中的結構。因此，能夠通過一個芯片取代在現有技術中被 分開制造的ROM芯片和RAM芯片。此外，由于能夠使用具有相同結構的存儲設備來實現RAM和R0M，所以能夠減少電 路部分的類型和降低制造成本。此外，由于能夠由一個芯片來形成在現有技術中通過ROM芯片和RAM芯片的兩個 獨立芯片而形成的電路，所以能夠實現電路結構的簡化和存儲器尺寸的減小。需要注意，可以在制造中預先確定或在使用中通過用戶設定ROM與RAM區之間的 區別。例如，在用戶在使用中設定該區別的情況下，提供了從外部輸入信息至具有多個 存儲設備的存儲芯片的輸入單元。此外，當實際使用時，對它進行操作，使得多個存儲設備 中的某些存儲設備可以被分配給RAM區，而其它存儲設備可以被分配給ROM區。在這點上， 可以為輸入單元設置顯示輸入至輸入單元的信息的顯示單元(例如，使用液晶或LED的顯 不器)O<2. 一個實施例的存儲器的存儲設備的結構〉接下來，將說明本發明的特定實施例。圖1是本發明一個實施例的存儲器的示意性結構圖(存儲單元的截面圖)。如圖1中所示，在諸如硅襯底的半導體基底10上，分別設置形成用于選擇每個存 儲單元的選擇晶體管的源極區4、漏極區5及柵電極7。其中，柵極7也用作在與紙面垂直 的方向上延伸的一個地址配線(例如，字線)。配線6經由接觸層(contact layer) 2連接至漏極區5。此外，存儲設備1設置在源極區4與設置在圖中的上部并在水平方向上延伸的其 它地址配線(例如，位線)3之間。存儲設備1包括隧道磁阻效應器件，該隧道磁阻效應器 件具有包括鐵磁層的磁化自由層(存儲層)，在該鐵磁層中，通過旋轉注入反轉磁化方向。
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此外，存儲設備1設置在兩條地址配線3、7交叉點附近。存儲設備1分別經由上部和下部接觸層2被連接至位線3和源區4。因此，電流能夠被以從地址配線3經由選擇晶體管到達配線6的路徑提供給存儲 設備1，電流在存儲設備1中垂直(在存儲設備1的堆疊方向上)流動，因此，能夠通過旋轉 注入來反轉存儲層的磁化方向。即，地址配線3和配線6為上述用于將電流提供至存儲設 備1的電流供給單元。在實施例的存儲器中，具體地，存儲器包括多個圖1中所示的存儲設備1。此外，將 形成存儲器的具有相同結構的多個存儲設備1劃分成隨機存取存儲器(RAM)區和只讀存儲 器(ROM)區。在隨機存取存儲器(RAM)區中，使用包括隧道磁阻效應器件的存儲設備1的磁化 自由層的磁化方向來記錄信息。在只讀存儲器(ROM)區中，根據包括隧道磁阻效應設備的存儲設備1的隧道絕緣 層是否存在擊穿來記錄信息。將結合存儲設備1的詳細結構(將在隨后描述)來說明在存儲設備1的各個區中 的信息記錄的細節。此外，圖2是本實施例的存儲器的存儲設備1的示意性截面圖。如圖2中所示，在存儲設備1中，在磁化自由層18下面設置磁化固定層13，在該磁 化自由層中通過旋轉注入反轉磁化Ml的方向。在磁化固定層13下方，設置反鐵磁層12，并 且通過反鐵磁層12固定磁化固定層13的磁化方向。在磁化自由層18與下部的磁化固定層13之間，設置隧道阻擋層(隧道絕緣 層)17。此外，在反鐵磁層12的下方形成基層(foundation layer) 11，并且在磁化自由層 18上形成覆蓋層(cap layer) 19。S卩，圖2中所示的存儲設備1由包括磁化自由層18、隧道阻擋層(隧道絕緣層)17 以及磁化固定層13的隧道磁阻效應器件(TMR設備)形成。此外，磁化固定層13具有堆疊的反鐵磁結構。具體地，磁化固定層13具有這樣的結構，該結構中，兩個鐵磁層14、16堆疊并經由 非磁性層15被反鐵磁性連接。磁化固定層13的各個鐵磁層14、16具有堆疊的反鐵磁結構，因此，鐵磁層14的磁 化M14指向右方，而鐵磁層16的磁化M16指向左方，兩者彼此相反。因此，從磁化固定層13 的各個鐵磁層14、16所泄露的磁通量彼此抵消。包含Fe、Ni、Co的一種、兩種或多種的金屬合金材料可以用于形成磁化固定層13 的鐵磁層14、16。此外，在這些磁性層的金屬合金中，可以包含諸如Nb和&的過渡金屬元 素、諸如B和C的輕元素(light element)以及諸如Gd、Tb和Y的稀土元素，另外，可以使 用它們的氧化物或氮化物。作為用于磁化固定層13的非磁性層15的材料，可以使用Ru、Cu、Rh、Cr等的在磁 性層之間產生反鐵磁層間耦合的材料。作為磁化自由層18的材料，可以使用Fe、Ni、Co等的一種、兩種或多種的鐵磁材料 的金屬合金材料。此外，在磁性金屬合金中，可以包含諸如Nb和&的過渡金屬元素、諸如
7B和C的輕元素、以及諸如Gd、Tb和Y的稀土元素，另外，可以使用它們的氧化物或氮化物。作為隧道阻擋層17的材料，可以使用A1203、MgO、HfO、SiO、Si02、SiN等材料或它 們的混合物。作為反鐵磁層12的材料，可以使用諸如PtMn、RhMn、RuMn、FeMn、IrMn等的Mn化 合物。作為基層11和覆蓋層19的材料，不進行具體限定，但是通常可以使用Ta、Cr、Ti、 W、Al、Cu、TiN、或CuN等的金屬或金屬氮化物的導體。可以通過在真空設備中連續形成從基層11至覆蓋層19并隨后進行諸如蝕刻的處 理以形成存儲設備1的圖案來制造本實施例的存儲設備1。在本實施例的上述存儲器中，存儲器包括具有圖1和圖2中所示的結構的多個存 儲設備1。此外，如上所述，形成存儲器的具有相同結構的多個存儲設備1被劃分成隨機存 取存儲器(RAM)區和只讀存儲器(ROM)區。在隨機存取存儲器(RAM)區中，使用包括隧道磁阻效應器件的存儲設備1中的磁 化自由層18的磁化Ml的方向來記錄信息。當在隨機存取存儲器(RAM)區的存儲設備1中記錄信息時，通過旋轉注入向存儲 設備1提供具有反轉磁化自由層18的磁化Ml的方向的量值的電流。隨后，在記錄信息時， 存儲設備1的電阻在高電阻的第一電阻狀態與低電阻的第二電阻狀態之間變化。具體地， 當磁化固定層13的磁化自由層18附近的鐵磁層16的磁化M16的方向與磁化自由層18的 磁化Ml的方向反向平行時，電阻變成高電阻的第一電阻狀態，而當兩方向平行時，電阻變 為低電阻的第二電阻狀態。在只讀存儲器(ROM)區中，在包括隧道磁阻效應器件的存儲設備1中，根據在其隧 道阻擋層17是否存在擊穿來記錄信息。當在只讀存儲器(ROM)區的存儲設備1中記錄信息時，提供比存儲設備1的隧道 阻擋層17的擊穿耐受電壓(breakdownwithstand voltage)更高的電壓。因此，隧道阻擋 層17被擊穿，存儲設備1的電阻狀態變為比低電阻的第二電阻更低的低電阻的第三電阻狀 態，并且記錄信息。為了提供比存儲設備1的隧道阻擋層17的擊穿耐受電壓更高的電壓， 通過連接在存儲設備1之上和之下的配線(圖1中的地址配線3、7)來提供電壓。S卩，這些 地址配線3、7為上述的電壓供給單元(提供用于在存儲設備1中引起擊穿的電壓)。需要注意，當使用作為被提供至IC芯片的電源電壓的1. 8V 3. 3V的電源電壓 (通常地使用)時，調整隧道阻擋層17的厚度，使得設備電阻與面積的乘積可以為能夠以所 述電壓進行旋轉注入記錄的5 Q ym2 30Q ym2。滿足所述條件的隧道阻擋層17的 厚度近似為0. 7nm 1. 2nm。在所述厚度范圍內的隧道阻擋層17的擊穿耐受電壓約為1. 5V 2. 5V。此外，當將存儲設備1用于(該設備在產品壽命期間內不應該被破壞的)RAM應用 時，需要在低于擊穿耐受電壓的寫入電壓下使用該設備，使得該設備不會由于寫入時電壓 的施加而被擊穿或發生故障。另一方面，當將設備1用于ROM應用時，需要僅執行一次寫入，并且以比擊穿耐受 電壓更高的電壓來執行寫入，從而破壞隧道阻擋層17，并且產生具有比通常的低電阻狀態 更小的小電阻的第三電阻狀態。
已經引起擊穿的隧道阻擋層17是不可逆的，并且這種狀態的電阻不會由于時間 改變而改變。因此，第三電阻狀態是永久的，并且所述設備可以用作用于僅能改寫一次的 ROM的設備。<3.存儲設備的實驗實例>這里，實際制造具有圖2中所示結構的存儲設備1。具體地，在具有圖2中所示結構的存儲設備1中，如以下膜結構中所示來選擇各個 層的材料和厚度。即，基層11為厚度為3nm的Ta膜，反鐵磁層12為厚度為20nm的PtMn 膜，形成磁化固定層13的鐵磁層14為厚度為2nm的CoFe膜，非磁性層15為厚度為0. 8nm 的Ru膜，鐵磁層16為厚度為4nm的CoFeB膜。此外，隧道阻擋層17為厚度為0. 9nm的氧 化鎂膜，磁化自由層18為厚度為2nm的CoFeB膜，覆蓋層19為厚度為5nm的Ta膜。此外， 在基層11與反鐵磁層12之間設置厚度為50nm的Cu膜(未示出)(作為將在隨后被描述 的字線)。需要注意，磁化自由層18和鐵磁層16的CoFeB膜的成分為Co40Fe20B (原子百 分比)，反鐵磁層12的PtMn膜的成分為Pt50Mn50 (原子百分比)，而鐵磁層14的CoFe膜 的成分為Co90Fel0 (原子百分比)。以這種方式，形成存儲設備1的各個層。膜結構Ta(3nm) /Cu (50nm) /PtMn (20nm) /CoFe (2nm) /Ru (0. 8nm) /CoFeB (4nm) / MgO(0. 9nm)/CoFeB(2nm)/Ta(5nm)。使用DC磁控濺射形成除了包括氧化鎂膜的隧道阻擋層17之外的各個層。使用RF磁控濺射形成包括氧化鎂(MgO)膜的隧道阻擋層17。隨后，通過濺射在真空設備中連續形成存儲設備1的各個層。隨后，在熱處理爐中以lOkOe在360°C下執行兩小時熱處理，執行反鐵磁層12的 PtMn 膜的有序化熱處理(ordering heattreatment)。接下來，通過光刻法(photolithography)掩蔽字線部，隨后，使用Ar等離子在除 了字線之外的部分的堆疊的膜上執行選擇性蝕刻，從而形成字線(下部電極)。在這點上， 除了字線部之外的部分被蝕刻至基板的5nm的深度。隨后，使用電子束繪圖系統形成存儲設備1的圖案的掩模，隨后，在堆疊的膜上執 行選擇性蝕刻，從而形成存儲設備1。除了存儲設備1之外的部分被蝕刻至恰好在字線的 Cu層上方。在這點上，存儲設備1的圖案具有80nm的短軸X240nm的長軸的橢圓形狀。接下來，通過濺射A1203使除了存儲設備1部分之外的部分絕緣。隨后，使用光刻法，形成作為上部電極的位線和測量墊片。以這種方式，制成了操作實例(working example) 1的存儲設備1的樣本。關于操作實例1的樣本的一個存儲設備1，測量了在施加至存儲設備1的電壓 從-IV變化至+1V時的存儲設備1的電阻。作為測量結果，圖3示出了施加至存儲設備1的電壓與存儲設備1的設備電阻之 間的關系。如圖3所示，能夠通過改變包括隧道磁阻效應器件的存儲設備1中所流動的電流 方向由旋轉注入磁化反轉效應來改變磁化自由層(存儲層)18的磁化Ml的方向。因此，磁 化自由層(存儲層)18的磁化Ml的方向能夠變為關于磁化固定層13的鐵磁層16的磁化 M16的方向平行或反平行。眾所周知，存儲設備1的電阻隨著磁化自由層(存儲層)18的磁
9化Ml的方向的改變通過磁阻效應而改變。接下來，當施加的脈沖電壓升高而高于作為RAM的操作電壓范圍時，執行向操作 實例1的樣本的幾個存儲設備1的每一個施加電壓脈沖的測量以及隨后的設備電阻的測 量。需要注意，在測量前，存儲設備1的電阻被設定為高電阻狀態。作為測量結果，幾個存儲設備1的設備電阻的改變是重疊的，并在圖4中示出。如圖4中所示，在施加的脈沖電壓很低的區域中，示出了作為初始狀態的高電阻 的第一電阻狀態R1。隨著施加電壓升高，通過旋轉注入引起了磁化反轉，狀態變為低電阻的 第二電阻狀態R2。隨著施加電壓的進一步升高，隧道阻擋層17擊穿，設備電阻進一步從低 電阻的第二電阻狀態R2變得更低，并且狀態變為阻擋層導電的狀態的第三電阻狀態R3。使用存儲設備1的三種電阻狀態(第一電阻狀態R1、第二電阻狀態R2、第三電阻 狀態R3)，ROM和RAM可以被混在圖2中具有幾個存儲設備1的存儲器中。<4. 一個存儲器實施例的電路結構>接下來，將說明本實施例的存儲器的電路結構。圖5是本實施例(本發明一個實施例的存儲器)的電路結構的示意性結構圖。如圖5中所示，單元選擇晶體管22串聯連接至存儲設備21 (對應于圖2中的存儲 設備1)，并且這些存儲設備21和單元選擇晶體管22形成每個存儲單元。以矩陣形式設置多個存儲單元，并且存儲單元的單元選擇晶體管22連接至相對 于每行的橫向配線。在橫向配線的下游處，連接了用于區分存儲設備21的電阻狀態的傳感放大器28。 能夠可變換地產生兩個電壓的閾值發生電路23連接至傳感放大器28。在圖中的左下方，設置了能夠同樣可變換地產生兩個電壓的寫入電壓發生電路 24。在圖中的左上方，設置了確定輸入地址數據并產生作為區域選擇信號S1的ROM 區選擇信號和RAM區選擇信號的功能選擇地址解碼器(function selection address decoder)25。此外，為每行的存儲單元被連接至其上的橫向配線設置行地址解碼器26。在每列的存儲單元中，將縱向配線設置成與存儲單元的單元選擇晶體管22的柵 極連接。此外，縱向配線連接至列地址解碼器27。當輸入預先設定的用作ROM的地址范圍作為地址數據時，功能選擇地址解碼器25 啟動ROM區選擇信號。ROM區選擇信號被輸入至閾值發生電路23和寫入電壓發生電路24。類似地，當輸入預先設定的用作RAM的地址范圍作為地址數據時，功能選擇地址 解碼器25啟動RAM區選擇信號。RAM區選擇信號被輸入至閾值發生電路23和寫入電壓發 生電路24。此外，閾值發生電路23和寫入電壓發生電路24使用ROM區選擇信號或RAM區選 擇信號確定是否已經選擇了 ROM區或RAM區，并且響應所選擇的區域控制將要產生的電壓。閾值發生電路23產生閾值電壓。使用該閾值電壓，在傳感放大器28中能夠區分 電阻。在RAM區中，閾值電壓被設定為分別在存儲設備21的第一電阻狀態R1和第二電 阻狀態R2中所產生的傳感放大器28的輸入電壓之間的第一閾值電壓。此外，在ROM區中，閾值電壓被設定為分別在存儲設備21的第三電阻狀態R3和第二電阻狀態R2中所產生的 傳感放大器28的輸入電壓之間的第二閾值電壓。當信息被記錄在RAM區中的存儲設備21中時，寫入電壓發生電路24產生比隧道 阻擋層17的擊穿電壓低的第一寫入電壓作為寫入電壓。另一方面，當信息被記錄在ROM區中的存儲設備21中時，寫入電壓發生電路24產 生比隧道阻擋層17的擊穿電壓高的第二寫入電壓。此外，在讀出時，寫入電壓發生電路24產生充分低于第一寫入電壓的電壓，使得 不執行寫入。在該實施例中，對于RAM區和ROM區來說，連接至存儲設備21和單元選擇晶體管 22的電壓發生電路24和傳感放大器28是同樣的電路。因此，在電路設計和晶片制造中，不 需要相對于存儲設備21的部分區分RAM區和ROM區。為了 RAM區和ROM區的分段(segmentation)，僅需要改變在寫入電壓發生電路24 中產生的寫入電壓和在閾值發生電路23中所產生的閾值電壓的各個電壓的設定，并在操 作時輸入至傳感放大器28。例如，通常，設置用于RAM操作的第一寫入電壓和第一閾值電壓。隨后，當訪問期 望被用作ROM區的地址時，僅改變地址解碼器電路以從功能選擇地址解碼器25產生作為區 域選擇信號S1的ROM區域選擇信號。隨后，使用ROM區選擇信號，可將第二寫入電壓提供 至寫入電壓發生電路24，并且可將第二閾值電壓提供至傳感放大器28。根據本實施例的上述存儲器，在隨機存取存儲器(RAM)區中，存儲設備1的磁化自 由層18的磁化Ml的方向被反轉，從而信息被記錄。此外，在只讀存儲器(ROM)區中，提供 高于存儲設備1的隧道阻擋層17的擊穿耐受電壓的電壓以將隧道阻擋層17擊穿而進入第 三電阻狀態R3，從而記錄被信息。因此，可以使用圖2中所示的存儲設備1作為隨機存取存儲器(RAM)或只讀存儲 器_)。以這種方式，使用具有相同結構的存儲設備1，可以實現隨機存取存儲器(RAM)和 只讀存儲器(ROM)。因此，能夠通過一個芯片來代替在現有技術中被分開制造的ROM芯片和 RAM芯片。此外，由于能夠使用具有相同結構的存儲設備1實現RAM和R0M，所以能夠減少電 路部分的類型并降低制造成本。此外，由于能夠通過一個芯片來形成通過ROM芯片和RAM芯片的兩個獨立芯片形 成的電路，所以能夠實現存儲器電路結構的簡化及存儲器尺寸的減小。<5.變形實例>在上述實施例中，存儲設備1的磁化固定層13具有非磁性層15被夾在兩個鐵磁 層14、16之間的堆疊的反鐵磁結構。在本發明的實施例中，磁化固定層可以僅包括一層鐵磁層，或者磁化固定層可以 具有包括三層或以上的鐵磁層的堆疊的反鐵磁結構。在上述實施例中，對于存儲設備1，通過旋轉注入法反轉磁化自由層18的磁化Ml 的方向。本發明的實施例包括如下情況，S卩，像在現有技術中的MRAM—樣，對于包括隧道磁阻效應器件的存儲設備，通過將外部磁場施加至磁化自由層來反轉磁化自由層的磁化方 向。在這種情況下，擊穿在ROM區中的存儲設備的隧道絕緣層的電壓通過連接至存儲設備 的配線(用于檢測電阻值并讀出所記錄的信息的內容的讀出配線或其它配線)而施加至存 儲設備。此外，作為發明的另一個實施例的存儲器，可以采用下面的結構。首先，形成多個存儲設備，并且制備對ROM區和RAM區進行完全不區分的芯片。對于芯片，設置外部輸入信息的輸入單元。當實際使用芯片時，對于輸入至輸入單元的信息的內容，例如，提供用作ROM區的 區域信號作為外部信號。因此，對芯片進行操作，使得多個存儲設備的某些存儲設備可以被 分配給RAM區，而其它存儲設備可以被分配給ROM區。以這種方式，ROM區和RAM區都能置于該芯片中。此外，在該結構的情況下，與在現有技術中具有RAM芯片和ROM芯片的結構相比， 能夠減少存儲設備的類型和電路部分，并且能夠減少用于制造的掩模的類型。因此，能夠降 低材料成本和制造成本。發明的實施例不限于上述實施例，在不脫離本發明的范圍內可以采用其他各種結 構。
權利要求
一種存儲器，包括多個存儲設備，每個存儲設備都包括隧道磁阻效應器件，所述隧道磁阻效應器件包含磁化自由層，其中，磁化方向能夠反轉，隧道阻擋層，包括絕緣材料，以及磁化固定層，相對于所述磁化自由層介由所述隧道阻擋層進行設置，具有固定的磁化方向；隨機存取存儲區，其中，使用所述存儲設備的所述磁化自由層的所述磁化方向來記錄信息；以及只讀存儲區，其中，根據所述存儲設備的所述隧道阻擋層是否存在擊穿來記錄信息。
2.根據權利要求1所述的存儲器，其中，在所述隨機存取存儲區中的所述存儲設備和 在所述只讀存儲區中的所述存儲設備被配置在同一芯片中。
3.根據權利要求1所述的存儲器，進一步包括電壓供給單元，通過向所述只讀存儲區 中的所述存儲設備施加比所述隧道阻擋層的擊穿耐受電壓高的電壓來供給用于引起擊穿 的電壓。
4.根據權利要求1所述的存儲器，進一步包括電流供給單元，通過旋轉注入將電流提 供至所述隨機存取存儲區中的所述存儲設備，用于通過反轉所述磁化自由層的所述磁化方 向來記錄信息。
5.根據權利要求1所述的存儲器，進一步包括從外部輸入信息的輸入單元，其中，響應 于輸入至所述輸入單元的信息的內容，所述多個存儲設備的一部分存儲設備被分配給所述 隨機存取存儲區，而其它存儲設備被分配給所述只讀存儲區。
全文摘要
一種存儲器，包括多個存儲設備，每個存儲設備都包括隧道磁阻效應器件，該隧道磁阻效應器件包含磁化自由層，其中，磁化方向能夠被反轉；隧道阻擋層，包括絕緣材料；以及磁化固定層，相對于所述磁化自由層介由所述隧道阻擋層進行設置，具有固定的磁化方向。該存儲器還包括隨機存取存儲區，其中，使用存儲設備的磁化自由層的磁化方向來記錄信息；以及只讀存儲區，其中，根據存儲設備的隧道阻擋層是否存在擊穿來記錄信息。
文檔編號H01L43/12GK101930988SQ20101020732
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月18日 優先權日2009年6月25日
發明者五十嵐實, 別所和宏, 大森廣之, 大石雄紀, 山元哲也, 山根一陽, 楠真一郎, 細見政功, 肥后豐, 鹿野博司 申請人:索尼公司