移位寄存器存储器及其驱动方法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210332585.8	申请日：	2012.09.10
公开号：	CN103310847A	公开日：	2013.09.18
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	专利权的转移IPC(主分类):G11C 19/34登记生效日:20170801变更事项:专利权人变更前权利人:株式会社东芝变更后权利人:东芝存储器株式会社变更事项:地址变更前权利人:日本东京都变更后权利人:日本东京都\|\|\|授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G11C 19/34申请日:20120910\|\|\|公开
IPC分类号：	G11C19/34	主分类号：	G11C19/34
申请人：	株式会社东芝
发明人：	福住嘉晃; 青地英明
地址：	日本东京都
优先权：	2012.03.13 JP 056242/2012
专利代理机构：	北京市中咨律师事务所 11247	代理人：	杨晓光;于静
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内容摘要

本发明涉及移位寄存器存储器及其驱动方法。根据本实施例的移位寄存器存储器包括磁柱，该磁柱包括多个磁性层和在彼此邻近的磁性层之间提供的非磁性层。应力施加部分向磁柱施加应力。磁场施加部分向磁柱施加静磁场。应力施加部分向磁柱施加应力，以便将磁性层的磁化状态沿磁性层的层叠方向转移。

权利要求书

权利要求书
1.   一种移位寄存器存储器包括：
磁柱，包括多个磁性层和在彼此邻近的所述磁性层之间提供的非磁性层；
应力施加部分，被配置为向所述磁柱施加应力，而所述磁性层的磁化状态被沿所述磁性层的层叠方向转移；以及
磁场施加部分，向所述磁柱施加静磁场。

2.   根据权利要求1的存储器，还包括在所述磁柱的一端上提供的感应元件，所述感应元件检测在所述磁柱中转移的所述磁化状态。

3.   根据权利要求1的存储器，其中通过向所述磁柱施加所述应力旋转在所述磁柱中的所述磁性层的易磁化方向。

4.   根据权利要求2的存储器，其中通过向所述磁柱施加所述应力旋转在所述磁柱中的所述磁性层的易磁化方向。

5.   根据权利要求1的存储器，其中通过使用环绕所述磁柱提供的铁电膜形成所述应力施加部分。

6.   根据权利要求2的存储器，其中通过使用环绕所述磁柱提供的铁电膜形成所述应力施加部分。

7.   根据权利要求3的存储器，其中通过使用环绕所述磁柱提供的铁电膜形成所述应力施加部分。

8.   根据权利要求2的存储器，其中所述感应元件是磁隧道结元件。

9.   根据权利要求1的存储器，其中
设置多个所述磁柱，
环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及
所述应力施加部分通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力。

10.   根据权利要求2的存储器，其中
设置多个所述磁柱，
环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及
所述应力施加部分通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力。

11.   根据权利要求3的存储器，其中
设置多个所述磁柱，
环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及
所述应力施加部分通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力。

12.   根据权利要求5的存储器，其中
设置多个所述磁柱，
环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及
所述应力施加部分通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力。

13.   根据权利要求9的存储器，其中
所述磁场施加部分是填充在所述邻近磁柱之间的永磁体或者铁磁材料。

14.   根据权利要求1的存储器，其中还包括在所述磁柱和所述应力施加部分之间提供的扩散抑制膜，所述扩散抑制膜抑制所述磁性层的材料和所述应力施加部分的材料的扩散。

15.   根据权利要求1的存储器，其中
设置在第一方向上的所述磁柱构成柱列，以及
彼此邻近的多个所述柱列中的所述磁柱的位置移位所述磁柱的总宽度和在所述第一方向上彼此邻近的两个磁柱之间的间隔的半栅距。

16.   根据权利要求1的存储器，其中
以矩阵形式二维设置所述磁柱。

17.   一种驱动移位寄存器存储器的方法，所述移位寄存器存储器包括：磁柱，包括多个磁性层和在彼此邻近的所述磁性层之间提供的多个非磁性层；应力施加部分，向所述磁柱施加应力；以及磁场施加部分，向所述磁柱施加静磁场，
所述方法包括：
通过向所述磁柱施加所述应力，将所述磁性层的所述磁化状态沿所述磁性层的层叠方向转移。

18.   根据权利要求17的方法，其中通过向所述磁柱施加所述应力产生的反磁致伸缩效应旋转在所述磁柱中的所述磁性层的易磁化方向，来实施所述磁性层的所述磁化状态的所述转移。

19.   根据权利要求17的方法，其中
设置所述磁柱，
环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及
通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力，实施所述磁性层的所述磁化状态的所述转移。

20.   根据权利要求18的方法，其中
设置所述磁柱，
环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及
通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力，实施所述磁性层的所述磁化状态的所述转移。

说明书

说明书移位寄存器存储器及其驱动方法
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2012年3月13日提交的在先的日本专利申请No.2012‑056242的优先权，在此引入其整个内容作为参考。
技术领域
本发明的实施例涉及移位寄存器存储器及其驱动方法。
背景技术
移位寄存器存储器被提出作为一种实现大容量存储器的方法。移位寄存器存储器包括磁柱，每一个都通过多个铁磁耦合的磁性层配置，并且根据磁性层的磁化方向存储数据。通过向磁柱施加旋转磁场，在磁柱中的数据可以依次转移到传感器或者线中。
然而，如果存储器尺寸减小并且每个磁柱的直径减小，就要求提高旋转磁场以便维持其数据保持。在此情况下，不利地需要极高电流以产生反转磁场。
发明内容
本发明的实施例提供一种移位寄存器存储器，即使在存储器尺寸减小的情况下也能将电流消耗抑制得很低。
根据本发明的移位寄存器存储器包括磁柱，包括多个磁性层和在彼此邻近的磁性层之间提供的非磁性层。应力施加部分向所述磁柱施加应力。磁场施加部分向所述磁柱施加静磁场。应力施加部分向磁柱施加应力，以便将磁性层的磁化状态沿磁性层的层叠方向转移。
本发明的实施例提供一种移位寄存器存储器，即使在存储器尺寸减小的情况下也能将电流消耗抑制得很低。
附图说明
图1示出了根据第一实施例的磁柱10的配置；
图2示出了磁柱10、扩散防止膜40以及应力施加膜50的配置；
图3是多个磁柱10的示范性几何结构的透视图；
图4A到4E是示出了向每个磁柱10施加的应力和磁性层20的易磁化方向之间的关系的示意图；
图5是示出了用于转移磁柱10中的磁矩的操作的示意图；
图6是示出了应力施加方法的示意图；
图7是示出了根据第一实施例的移位寄存器存储器的配置的框图；
图8是示出了根据第一实施例的移位寄存器存储器的版图的平面图；
图9是示出了通过根据第一实施例的移位寄存器存储器执行的操作的流程图；
图10是示出了根据第二实施例的移位寄存器存储器的版图的平面图；
图11是示出了通过根据第二实施例的移位寄存器存储器执行的操作的流程图；以及
图12是示出了根据第三实施例的移位寄存器存储器的配置的透视图。
具体实施方式
下面将参考附图说明实施例，本发明不限于所述实施例。
（第一实施例）
图1示出了根据第一实施例的磁柱10的配置。磁柱10，包括多个磁性层20和多个非磁性层30并且通过交替层叠磁性层20和非磁性层30形成。使用如Ni膜的具有反磁致伸缩效应的材料形成每个磁性层20。使用如Ru膜的无磁导电膜形成每个非磁性层30。
形成的每个磁性层20都足够小以包括单个磁畴。从而每个磁性层20具有单一磁化状态（磁矩）。
彼此邻近的两个磁性层20是反铁磁耦合（所谓的SAF（合成反铁磁体）耦合）并且具有通过稳定状态的偶极子场而具有反平行磁矩。彼此邻近的两个磁性层20可以储存分别与磁矩的方向成比例的二元状态（数据“0”或者数据“1”）。通过包括许多磁性层20，磁柱10可以储存大量比特数据。
图2示出了磁柱10、扩散防止膜40以及应力施加膜50的配置。提供应力施加膜50以环绕磁柱10以便能够向磁柱10施加应力。使用例如，如AlN的铁电材料形成应力施加膜50。在磁柱10和应力施加膜50之间提供扩散防止膜40以便磁柱10的材料和应力施加膜50的材料不互相扩散。使用例如SiO2，SiN或者Al2O3或者诸如TiN、Ta或TaN的金属或金属化合物形成扩散防止膜40。
在磁柱10的下端上提供STT‑MTJ（自旋转移扭矩型磁隧道结）元件。例如，作为磁柱10的最下层提供一个无磁性层30并且在非磁性层30之下提供构成MTJ元件的铁磁层、非磁性绝缘膜以及铁磁层。MTJ元件用作检测磁柱10中转移的磁化状态（数据）的感应元件。例如，在磁柱10中磁化状态在MTJ元件的方向上依次转移，并且MTJ元件检测磁化状态。
STT‑MTJ元件具有由两个铁磁层和夹在磁性层之间的非磁性绝缘膜构成的叠层结构，并且根据源于自旋极化隧穿效应的磁阻的改变存储数字数据。根据两个铁磁层的磁化设置，STT‑MTJ元件可以被制造成低电阻状态或者高电阻状态。当两个铁磁层的磁化设置是平行态（P态），MTJ元件在低电阻态。当两个铁磁层的磁化设置是反平行态（AP态），MTJ元件在高电阻态。
图3是示出了多个磁柱10的示范性几何结构的透视图。磁柱10以矩阵形式二维设置。磁柱10在列方向上排列并且构成多个列。在第一实施例中，在行方向邻近的磁柱10的列被设置为在列方向上以半栅距（half‑pitch）错开。后面描述磁柱10的平面版图。
环绕应力施加膜50提供隔层介电膜ILD并且填充在磁柱10之间。通过在磁柱10之间填充隔层介电膜ILD，应力施加膜50的膨胀或者收缩可作为应力施加到每个磁柱10。
当应力施加膜50向每个磁柱10施加应力时，磁柱10中的各磁性层20的磁各向异性的方向被改变。换句话说，当应力施加膜50向磁柱10施加应力时，磁柱10中的各磁性层20的易磁化方向（磁矩容易取向的方向）被改变。
图4A到4E是示出了向每个磁柱10施加的应力和磁性层20的易磁化方向之间的关系的示意图
根据第一实施例的移位寄存器存储器通过向磁柱10施加在固定方向上的静磁场和改变向磁柱10施加的应力的方向控制磁性层20的易磁化方向。由此，移位寄存器存储器将一个特定磁性层20的磁化状态（磁矩）移动到在磁柱10中的与该特定磁性层20邻近的下一磁性层20。
根据常规技术，通过旋转向磁柱施加的磁场（即，使用旋转磁场）转移每个磁性层的磁化状态。
根据第一实施例，通过比较，在每个磁柱10中，通过固定磁场并且改变向磁柱10施加的应力的方向转移每个磁性层20的磁化状态。通过在存储器芯片的内部或者外部设置永磁体，可以向磁柱10施加来自磁场施加部分的静磁场。可选地，可以通过使用磁性绝缘膜（例如，氧化铁膜）或者用作磁场施加部分的隔层介质膜ILD的永磁体向磁柱10施加静磁场。在此备选中，在邻近的磁柱10之间填充磁性绝缘膜（或者永磁体）。虽然电磁体可以用作磁场施加部分，但是优选使用磁性绝缘膜或者永磁体以便抑制电流消耗。
例如，如图4A到4E中所示，向磁柱10施加静态磁场以便基本正交于晶体磁各向异性的方向Dcma。Dsmf表示静磁场的方向。Dst表示从应力施加膜50向磁柱10施加的应力的方向。Dsma表示在晶体磁各向异性（Dcma）和通过应力产生的由反磁致伸缩效应引起的各向异性之间的合成磁各向异性的方向。合成磁各向异性的方向Dsma表示当向具有确定晶体磁各向异性的磁性层20施加应力时的实际易磁化方向。
如图4A所示，当应力施加膜50没有向磁柱10施加应力时，合成磁各向异性的方向Dsma基本与晶体磁各向异性的方向Dcma匹配。
如图4B中所示，当应力施加膜50从关于晶体磁各向异性的方向Dcma和静磁场的方向Dsmf倾斜的一个方向向磁柱10施加应力时，合成磁各向异性的方向Dsma被旋转为更接近应力施加的方向Dst。
如图4C所示，当应力施加膜50从关于晶体磁各向异性的方向Dcma和静磁场的方向Dsmf倾斜的两个方向施加应力时，合成磁各向异性的方向Dsma被旋转为基本正交于晶体磁各向异性的方向Dcma。
如图4D中所示，当应力施加膜50从关于晶体磁各向异性的方向Dcma和静磁场的方向Dsmf倾斜的另一方向施加应力时，合成磁各向异性的方向Dsma被旋转为更接近应力施加的方向Dst。
另外，如图4E所示，当应力施加膜50停止向磁柱10施加应力时，合成磁场的方向Dsma再次匹配晶体磁各向异性的方向Dcma。即，合成磁各向异性的方向Dsma关于晶体磁各向异性的方向Dcma被旋转了一半。
通过再次重复图4A到4E中示出的操作，磁性层20的合成磁各向异性的方向（即，易磁化方向）Dsma可以关于静磁场的方向Dsmf完全旋转一次。
以该方式，应力施加膜50可以通过由向磁柱10施加应力产生的反磁致伸缩效应旋转在磁柱10中的每个磁性层20的易磁化方向。即，根据第一实施例，即使静磁场的方向Dsmf被固定，也有可能通过向磁柱10施加应力而关于静磁场旋转每个磁性层20的磁各向异性的方向（易磁化方向）。
图5是示出了用于转移磁柱10中的磁矩的操作的示意图。在图5的顶部示出了合成磁场的方向Dsma和应力施加的方向Dst。在合成磁场的方向Dsma和应力施加的方向Dst之下示出了在磁柱10中的磁性层20的磁矩的方向。以在一个圆圈中示出的两个磁矩的箭头分别指示两个邻近磁性层20的磁矩的方向。因为成对的磁性层20是反铁磁耦合，通过基本在相对方向上取向，磁性层20是稳定的。
例如，假设轮廓箭头指示上磁性层20U并且黑箭头指示下磁性层20L。在此情况下，就数据D0来说，上磁性层20U具有沿右侧方向的磁矩并且下磁性层20L具有沿左侧方向的磁矩。另一方面，就数据D1来说，上磁性层20U具有沿左侧方向的磁矩并且下磁性层20L具有沿右侧方向的磁矩。另外，就数据D2来说，类似于数据D0，上磁性层20U具有沿右侧方向的磁矩并且下磁性层20L具有沿左侧方向的磁矩。数据D2逻辑上与数据D0相同。
以在稳定的磁状态保持数据D0、D1和D2本身。然而，在逻辑上相反的数据之间存在具有在中间态的磁矩Dmid的磁性层20mid。因此，至少反铁磁耦合的成对的磁性层20和具有磁矩Dmid的磁性层20mid存储一个比特的数据。即，至少三个连续的磁性层20存储一个比特的数据。当然，四个或更多的连续磁性层20可以存储一个比特的数据。
在时间t0处，如图5所示，没有施加应力。因此，合成磁各向异性的方向Dsma基本匹配晶体磁各向异性的方向Dcma。
在时间t1处，当从关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜的方向Dst施加应力时，合成磁各向异性的方向Dsma同样被旋转到与应力施加的方向Dst相同的方向。如图5示出的在时间t1的列所示，由此每个磁性层20的磁矩根据合成磁各向异性的方向（易磁化方向）Dsma旋转。
在时间t2处，当应力施加的方向Dst被进一步旋转时，合成磁各向异性的方向Dsma同样被旋转到与应力施加的方向Dst相同的方向。如图5示出的在时间t2的列所示，由此每个磁性层20的磁矩根据合成磁各向异性的方向（易磁化方向）Dsma旋转。
在时间t3处，当应力施加的方向Dst旋转一半时，反铁磁耦合的成对的磁性层20的磁矩反转。
另外，在时间t4到时间t6处，当应力施加的方向Dst旋转一半时，反铁磁耦合的成对的磁性层20的磁矩进一步反转。因此，作为从时间t0到时间t6的操作的结果，成对的磁性层20的磁矩完全旋转一次。此时，与成对的磁性层20的磁矩一样多地移位磁性层20的磁矩。即，通过完全旋转应力施加方向Dst一次，与成对的磁性层20一样多地转移数据D0到数据D2。这可以通过比较图5中的在时间t0处的磁柱10中的数据D0到数据D2的位置与在时间t6处的磁柱10中的数据D0到数据D2的位置容易地理解。
以该方式，根据第一实施例的移位寄存器存储器可通过旋转应力施加的方向Dst而在磁性层20的层叠方向上依次转移磁柱10中的数据D0到数据D2。
可以基于晶体磁各向异性的方向Dcma施加应力。例如，在时间t1处可以关于晶体磁各向异性的方向Dcma以60度角、在时间t2处关于晶体磁各向异性的方向Dcma以120度角，在时间t4处关于晶体磁各向异性的方向Dcma以60度角（240度）并且在时间t5处关于晶体磁各向异性的方向Dcma以120度角（300度）施加应力。即，虽然应力施加的方向Dst可以从晶体磁各向异性的方向Dcma连续旋转，但是离散地旋转应力施加的方向Dst实际上已足够。即使应力施加的方向Dst被离散地旋转，也足以能够旋转每个磁性层20的磁矩。
图6是示出了应力施加方法的示意图。应力施加驱动器80向邻近磁柱10给出电压差。从而向应力施加膜（例如，铁电膜）50施加电场。作为结果，应力施加膜50膨胀或者收缩，并且在图6示出的方向上向各磁柱10施加应力。通过改变向其给出电压差的磁柱10，可以改变应力施加的方向Dst。例如，如图6中所示，当邻近的列中的磁柱10半栅距错开时，应力施加的方向Dst可以关于晶体磁各向异性的方向Dcma的60度（240度），90度（270度）和120度（300度）的角与晶体磁各向异性的方向Dcma相交。
图7是根据第一实施例示出的移位寄存器存储器的配置框图。根据第一实施例的移位寄存器存储器包括柱阵列PA、命令/地址接收器CAR、命令控制器COMCNT、数据缓冲器DQB以及输入/输出部分I/O。
柱阵列PA包括在半导体衬底之上以矩阵形式二维设置的磁柱10。每个磁柱10都通过晶体管11与位线BL连接并且与柱线A1到C3中的一个直接连接。晶体管11的栅极与字线WL连接。即，磁柱10的一端通过晶体管11与位线BL连接并且其另一端与柱线A1到C3中的任意一个连接。
移位寄存器存储器还包括感应放大器SA、写入驱动器WD、列解码器CD、行解码器RD、应力施加驱动器SAD、主控制器MCNT以及写入/读出页缓冲器WRB。
每个感应放大器SA都通过对应的位线BL或者柱线A1到C3中的一个与磁柱10连接，并且检测存在于每个磁柱10的下端上的MTJ元件中存储的数据。写入驱动WD通过位线BL或者柱线A1到C3中的一个与磁柱10连接并且向每个磁柱10写入数据。
命令/地址接收器CAR接收命令、地址以及时钟用于确定移位寄存器存储器执行的整个操作。命令/地址接收器CAR接收库（bank）地址、列地址、行地址以及类似的地址。柱阵列PA可以响应于这些命令分别执行不同的操作。
命令控制器COMCNT接收指示各种操作的命令例如读出操作和写入操作，并且分别响应于那些命令控制主控制器MCNT。
主控制器MCNT控制整个存储器以将从数据缓冲器DQB接收的数据转移到写入驱动器WD以便响应于地址向柱阵列PA写入数据或者将响应于地址从柱阵列PA读出的数据转移到数据缓冲器DQB。
列解码器CD选择位线BL或者在响应于列地址的特定列中的柱线A1到C3中的一个。行解码器RD选择响应于行地址的字线WL中的一个。
应力施加驱动器SAD向柱线A1到C3中的一个施加电压以便向一个预定的磁柱10施加应力。
写入/读出页缓冲器WRB临时存储通过输入/输出部分I/O和数据缓冲器DQB输入的写入数据，或者临时存储从磁柱10读出的数据。
数据缓冲器DQB通过输入/输出部分I/O临时保持读出数据以便向外部输出读出数据，或者通过输入/输出部分I/O临时保持从外部输入的写入数据以便向内部转移写入数据。
图8是根据第一实施例的移位寄存器存储器的版图的平面图。多个字线WL在行方向上延伸。多个位线BL在与行方向正交的列方向上延伸。
互相绝缘的多个有源区域AA以阵列二维设置。在列方向上排列的有源区域AA构成有源区域列。在列方向上，在行方向上邻近的多个有源区域列在列方向上错开有源区域AA的总宽度和两个邻近有源区域AA之间的间隔的半栅距。每个有源区域AA布图成T形，并且在有源区域AA中提供两个基元晶体管CT。因此，彼此邻近的两个字线WL对应于每个有源区域AA。
在一个有源区域AA中提供的两个基元晶体管CT的每一个的一端（例如，漏极）通常通过位线接触BLC连接到一个位线BL。在有源区域AA中提供的两个基元晶体管CT的每一个的另一端（例如，源极）通过接触120连接到存在于每个磁柱10的下端上的MTJ元件。
磁柱10中的每一个通过接触100与柱线A1到A3、B1到B3或者C1到C3中的一个连接。磁柱10在列方向上排列。在列方向上，邻近的磁柱10的列在列方向上错开磁柱10的总宽度和彼此邻近的两个磁柱10之间的间隔的半栅距。通过该配置，磁柱10被设置为在平面版图中形成三角栅格，如图6所示。换句话说，六个磁柱10被设置成环绕一个磁柱10。
提供在列方向上通过虚线示出的柱线A1到A3、B1到B3或者C1到C3以分别对应在列方向上安排的多个接触100（接触列）。柱线A1到A3、B1到B3或者C1到C3被分别连接到对应接触列中的接触100。
对于在行方向中排列的磁柱10，接触100的连接位置相同。然而，对于在列方向上排列的磁柱10，接触100的连接位置在行方向上错开。例如，分别在列方向上连续邻近的三个磁柱10和在行方向上连续邻近的三个柱线A1到A3之间的交叉位置处设置接触100。类似地，分别在列方向上连续邻近的三个磁柱10和在行方向上连续邻近的三个柱线B1到B3之间的交叉位置处设置接触100。另外，分别在列方向上连续邻近的三个磁柱10和在行方向上连续邻近的三个柱线C1到C3之间的交叉位置处设置接触100。从而，在列方向上连续邻近的三个磁柱10分别连接到柱线A1到A3、B1到B3或者C1到C3。
图9是示出根据第一实施例的通过移位寄存器存储器执行的操作的流程图。图9使出了用于转移磁柱10t的磁化状态的操作。另外，假设磁柱10t的晶体磁各向异性的方向Dcma与列方向相同。
首先，关闭所有的基元晶体管CT，并且将所有柱线A1到A3、B1到B3和C1到C3设置为浮置状态（S10）。在此状态，每个磁柱10的易磁化方向（合成磁各向异性的方向Dsma）与晶体磁各向异性的方向Dcma相同。
下一步，向柱线C3施加接地电压（例如，0V）（S20）。
向柱线B2和A3施加应变电压Vstrain（S30）。正电压或者负电压都可以用作Vstrain。从而，磁柱10st_1、10st_2和10t中每个的应力施加膜50从关于列方向倾斜60度的方向向磁柱10t施加应力。虽然此时拉伸应力或者压缩应力都可以用作应力，但是优选使用压缩应力。这旨在即使应力施加膜50没有足够近的附接于磁柱10，也能避免分离每个应力施加膜50和对应磁柱10之间的界面。
此时，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约45度，类似于图4B示出的状态。
下一步，向柱线B3和A2施加应变电压Vstrain并且保持柱线B2和A3的应变电压Vstrain（S40）。从而，磁柱10st_1、10st_2、10st_3、10st_4和10t中每一个的应力施加膜50从关于列方向倾斜60度或120度的方向向磁柱10t施加应力。
此时，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约90度，类似于图4C示出的状态。
停止向柱线B2和A3施加应变电压Vstrain而保持柱线B3和A2的应变电压Vstrain（S50）。磁柱10st_3、10st_4和10t中每一个的应力施加膜50从关于列方向倾斜120度的方向向磁柱10t施加应力。
此时，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约135度，类似于图4D示出的状态。
停止向柱线B3和A2施加应变电压Vstrain（S60）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma反转约180度，类似于图4E示出的状态。
下一步，再次向柱线B2和A3施加应变电压Vstrain（S70）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约45度。
然后，向柱线B3和A2施加应变电压Vstrain而保持柱线B2和A3的应变电压Vstrain（S80）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma成约90度。
然后，停止向柱线B2和A3施加应变电压Vstrain而保持柱线B3和A2的应变电压Vstrain（S90）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约135度。
下一步，停止向柱线B3和A2施加的应变电压Vstrain（S100）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma旋转约360度。即，通过步骤S10到S100，磁柱10t的每个磁性层20的磁化方向同样完全旋转一次。从而，在磁柱10t中的数据转移到MTJ元件。可选地，存储在MTJ元件中的数据可以转移到磁柱10t中。
通过驱动对应于连接到磁柱10t的基元晶体管CT的字线WL进行用于读出转移到MTJ元件的数据或者从MTJ元件写入数据的读出或写入操作。从而基元晶体管CT与MTJ元件电连接，MTJ元件在磁柱10t的下端，在一个位线BL和柱线C3之间。作为结果，感应放大器SA可以通过位线BL或者柱线C3检测在MTJ元件中的数据。可选地，写入驱动器WD可以通过位线BL或者柱线C3向磁柱10t写入数据。
根据第一实施例的移位寄存器存储器可以通过向磁柱10施加的应力沿着磁柱10转移磁化信息而不提供每个比特或者每个移位的控制电极。即使包括在每个磁柱10中的比特的数目增加，也可以确保移位比特。因此，根据第一实施例的移位寄存器存储器的每个比特单元的造价低并且可靠性高。
在第一实施例中，因为通过使用向每个磁柱10施加的应力转移磁化信息，所以使用在固定方向上的静磁场已经足够。即，根据第一实施例，不需要为每个磁柱10单独产生电流感应磁场。只要使用固定磁体产生静磁场，就不需要消耗用于产生磁场的电流。另外，因为应力施加膜50原理上是电压驱动元件，所以与产生旋转磁场所需的电流相比较，电流消耗极低。因此，即使磁柱10缩小，根据第一实施例的移位寄存器存储器也可以将电流消耗抑制到很低。
在每个磁柱10中，处于相同磁化状态的磁性层20的连续对的数目可以用作数据。例如，可以如下定义。三对磁性层20连续并且磁化状态相同（三移位连续性）的情况是数据“00”，四对连续并且磁化状态相同（四移位连续性）的情况是数据“01”。五对连续并且磁化状态相同（五移位连续性）的情况是数据“10”，以及六对连续并且磁化状态相同（六移位连续性）的情况是数据“11”。
（第二实施例）
图10是示出了根据第二实施例的移位寄存器存储器的版图的平面图。在第二实施例中，磁柱10的直径比根据第一实施例的磁柱10的直径小。因此，每个磁柱10都通过带电极90与接触100连接。磁柱10以矩阵形式二维设置。从而，磁柱10的邻近的列在行和列方向上没有错开而是均匀的。另外，在每个磁柱10的下端上存在的MTJ元件与基元晶体管CT的另一端直接连接没有通过接触120。
磁柱10与带电极90一对一对应。每个磁柱10与柱线A1到A4、B1到B4、C1到C4或者D1到D4中的一个通过带电极90和接触100电连接。
提供在列方向上通过虚线指示的柱线A1到A4、B1到B4、C1到C4或者D1到D4以分别与其每一个都通过多个接触100配置的列对应。柱线A1到A4、B1到B4、C1到C4或者D1到D4被分别连接到在对应的列中的接触100。
对于在行方向上排列的多个带电极90，接触100相对于带电极90的位置是相同的。然而，对于在列方向上排列的多个带电极90，接触100相对于带电极90的位置在行方向上是错开的。例如，第四接触100分别被设置在在列方向上连续邻近的第四带电极90和在行方向上连续邻近的第四柱线A1到A4之间的交叉位置处。类似地，接触100分别被设置在在列方向上连续邻近的第四带电极90和在行方向上连续邻近的第四柱线B1到B4之间的交叉位置处。另外，接触100分别被设置在在列方向上连续邻近的第四带电极90和在行方向上连续邻近的第四柱线C1到C4之间的交叉位置处。接触100分别被设置在在列方向上连续邻近的第四带电极90和在行方向上连续邻近的第四柱线D1到D4之间的交叉位置处。因此，在列方向上连续邻近的第四磁柱10分别与彼此不同的柱线A1到A4、B1到B4、C1到C4或者D1到D4连接。
如果每个磁柱10的直径都是大的，并且分别对应于磁柱10的柱线A1到A4、B1到B4、C1到C4以及D1到D4可以直接与接触100连接，类似于第一实施例，可以消除带电极90。
根据第二实施例的存储器的其它配置与对应的根据第一实施例的存储器相同。
图11是示出通过根据第二实施例的移位寄存器存储器执行的操作的流程图。图11示出了用于转移图10中示出的磁柱10t的磁化状态的操作。另外，假设磁柱10t的晶体磁各向异性的方向Dcma与列方向相同。
首先，关断所有的基元晶体管CT，并且将所有的柱线A1到A4、B1到B4、C1到C4和D1到D4设置为浮置状态（S11）。在此状态下，每个磁柱10的易磁化方向（合成磁各向异性的方向Dsma）与晶体磁各向异性的方向Dcma相同。
下一步，向柱线B3施加接地电压（例如，0V）（S21）。
向柱线A2和C4施加应变电压Vstrain（S31）。正电压或者负电压都可以用作Vstrain。每个磁柱10st_1、10st_2和10t的应力施加膜50从关于列方向倾斜45度的方向向磁柱10t施加应力。此时拉伸应力或者压缩应力都可以用作应力。
此时，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约40度。
下一步，向柱线A3和C3施加应变电压Vstrain而保持柱线A2和C4的应变电压Vstrain（S41）。从而，磁柱10st_1、10st_2、10st_3、10st_4和10t中每一个的应力施加膜50从关于列方向倾斜70度的方向向磁柱10t施加应力。
此时，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约65度。
随后，停止向柱线A2和C4施加应变电压Vstrain而保持柱线A3和C3的应变电压Vstrain（S51）。磁柱10st_3、10st_4和10t中每一个的应力施加膜50从关于列方向倾斜90度的方向向磁柱10t施加应力。
此时，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约90度。
下一步，向柱线A4和C2施加应变电压Vstrain而保持柱线A3和C3的应变电压Vstrain（S61）。从而，磁柱10st_3到10st_6和10t中每一个的应力施加膜50从关于列方向倾斜110度的方向向磁柱10t施加应力。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma成约115度。
随后，停止向柱线A3和C3施加应变电压Vstrain而保持柱线A4和C2的应变电压Vstrain（S71）。从而，磁柱10st_5、10st_6和10t中每一个的应力施加膜50从关于列方向倾斜135度的方向向磁柱10t施加应力。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约140度。
接下来，停止向柱线A4和C2施加应变电压Vstrain（S81）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma反转约180度。
然后，再次向柱线A2和C4施加应变电压Vstrain（S91）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约40度。
下一步，向柱线A3和C3施加应变电压Vstrain而保持柱线A2和C4的应变电压Vstrain（S101）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma倾斜约65度。
随后，停止向柱线A2和C4施加应变电压Vstrain而保持柱线A3和C3的应变电压Vstrain（S111）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma再次倾斜约90度。
然后向柱线A4和C2施加应变电压Vstrain而保持柱线A3和C3的应变电压Vstrain（S121）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma再次倾斜约115度。
下一步，停止向柱线A3和C3施加应变电压Vstrain（S131）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma再次倾斜约140度。
随后，停止向柱线A4和C2施加应变电压Vstrain（S141）。从而，磁柱10t的每个磁性层20的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向Dcma旋转约360度。即，通过步骤S11到S141，磁柱10t的每个磁性层20的磁化方向同样旋转360度。从而，在磁柱10t中的数据转移到MTJ元件。可选地，存储在MTJ元件中的数据可以转移到磁柱10t。
读出转移到MTJ元件的数据或者从MTJ元件写入数据的读出或写入操作与根据第一实施例的相同并且因此不再在这里描述。
（第三实施例）
图12是示出根据第三实施例的移位寄存器存储器配置的透视图。在第三实施例中，在隔层介质膜ILD中形成的孔中提供每个磁柱10。在磁柱10和孔130的内壁之间存在空隙。形成磁柱10的上端以便沿着孔130的开口晃动。因此，通过作为支点的下端15，磁柱10可以像陀螺一样枢转地旋转。
用于向磁柱10施加静磁场的磁体140分别设置在空130的两个侧表面。永磁体或者电磁体都可以用作各磁体140。另外，在孔130的开口中提供电极150。接地电压施加到磁柱10的支点15。因此，当以箭头A1的次序向电极150施加电压时，通过与在磁柱10和每一个电极150之间的电压差操作磁柱10沿孔130的开口晃动。从而，磁柱10以与箭头A1的方向相反的箭头A2的方向旋转。
以该方式，根据第三实施例，磁柱10本身关于孔13中的静磁场物理旋转（在支点15上旋转）。因此，可以关于静磁场旋转每个磁性层20的易磁化方向。
根据第三实施例，不必向磁柱10施加应力。因此，不必提供应力施加膜50，从而在制备工艺中可以将处理温度抑制得低。作为结果，设计外围电路的灵活性增加并且可以加速移位寄存器存储器。可以通过使用制造MEMS（微机电系统）的方法容易地制造根据第三实施例的移位寄存器存储器。
虽然描述了确定的实施例，这些实施例仅作为实例出现并且没有旨在限制本发明的范围。实际上，这里描述的新的方法和系统可以以不同的其它形式实施；另外，可以在不脱离本发明的精神下进行这里描述的方法和系统的形式上的各种省略、替代和变化。附加权利要求及其等价物旨在覆盖落入本发明的领域和范围内的这样的形式或者修改。

资源描述

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1、(10)申请公布号 CN 103310847 A (43)申请公布日 2013.09.18 CN 103310847 A *CN103310847A* (21)申请号 201210332585.8 (22)申请日 2012.09.10 056242/2012 2012.03.13 JP G11C 19/34(2006.01) (71)申请人株式会社东芝地址日本东京都 (72)发明人福住嘉晃青地英明 (74)专利代理机构北京市中咨律师事务所 11247 代理人杨晓光于静 (54) 发明名称移位寄存器存储器及其驱动方法 (57) 摘要本发明涉及移位寄存器存储器及其驱动方法。。

2、根据本实施例的移位寄存器存储器包括磁柱，该磁柱包括多个磁性层和在彼此邻近的磁性层之间提供的非磁性层。应力施加部分向磁柱施加应力。磁场施加部分向磁柱施加静磁场。应力施加部分向磁柱施加应力，以便将磁性层的磁化状态沿磁性层的层叠方向转移。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页说明书 10 页附图 11 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书2页说明书10页附图11页 (10)申请公布号 CN 103310847 A CN 103310847 A *CN103310847A* 1/2 页 2 1. 一种移位寄存器存储器。

3、包括：磁柱，包括多个磁性层和在彼此邻近的所述磁性层之间提供的非磁性层；应力施加部分，被配置为向所述磁柱施加应力，而所述磁性层的磁化状态被沿所述磁性层的层叠方向转移；以及磁场施加部分，向所述磁柱施加静磁场。 2. 根据权利要求 1 的存储器，还包括在所述磁柱的一端上提供的感应元件，所述感应元件检测在所述磁柱中转移的所述磁化状态。 3. 根据权利要求 1 的存储器，其中通过向所述磁柱施加所述应力旋转在所述磁柱中的所述磁性层的易磁化方向。 4. 根据权利要求 2 的存储器，其中通过向所述磁柱施加所述应力旋转在所述磁柱中的所述磁性层的易磁化方向。 5. 根据权利要。

4、求 1 的存储器，其中通过使用环绕所述磁柱提供的铁电膜形成所述应力施加部分。 6. 根据权利要求 2 的存储器，其中通过使用环绕所述磁柱提供的铁电膜形成所述应力施加部分。 7. 根据权利要求 3 的存储器，其中通过使用环绕所述磁柱提供的铁电膜形成所述应力施加部分。 8. 根据权利要求 2 的存储器，其中所述感应元件是磁隧道结元件。 9. 根据权利要求 1 的存储器，其中设置多个所述磁柱，环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及所述应力施加部分通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力。 10. 根据权利要求 2 的存储器，其中设置多个所述磁柱，环绕。

5、所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及所述应力施加部分通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力。 11. 根据权利要求 3 的存储器，其中设置多个所述磁柱，环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及所述应力施加部分通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力。 12. 根据权利要求 5 的存储器，其中设置多个所述磁柱，环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及所述应力施加部分通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力。 13. 根据权利要求 9 的存储器，其中所述磁场施加部分是填充在所述邻近磁柱之间的永磁体或者铁磁材料。 1。

6、4. 根据权利要求 1 的存储器，其中还包括在所述磁柱和所述应力施加部分之间提供的扩散抑制膜，所述扩散抑制膜抑制所述磁性层的材料和所述应力施加部分的材料的扩散。权利要求书 CN 103310847 A 2 2/2 页 3 15. 根据权利要求 1 的存储器，其中设置在第一方向上的所述磁柱构成柱列，以及彼此邻近的多个所述柱列中的所述磁柱的位置移位所述磁柱的总宽度和在所述第一方向上彼此邻近的两个磁柱之间的间隔的半栅距。 16. 根据权利要求 1 的存储器，其中以矩阵形式二维设置所述磁柱。 17. 一种驱动移位寄存器存储器的方法，所述移位寄存器存储器包括：磁柱，。

7、包括多个磁性层和在彼此邻近的所述磁性层之间提供的多个非磁性层；应力施加部分，向所述磁柱施加应力；以及磁场施加部分，向所述磁柱施加静磁场，所述方法包括：通过向所述磁柱施加所述应力，将所述磁性层的所述磁化状态沿所述磁性层的层叠方向转移。 18. 根据权利要求 17 的方法，其中通过向所述磁柱施加所述应力产生的反磁致伸缩效应旋转在所述磁柱中的所述磁性层的易磁化方向，来实施所述磁性层的所述磁化状态的所述转移。 19. 根据权利要求 17 的方法，其中设置所述磁柱，环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述。

8、应力，实施所述磁性层的所述磁化状态的所述转移。 20. 根据权利要求 18 的方法，其中设置所述磁柱，环绕所述磁柱分别提供所述应力施加部分，以及通过向所述磁柱施加电压而产生的电场向所述磁柱施加所述应力，实施所述磁性层的所述磁化状态的所述转移。权利要求书 CN 103310847 A 3 1/10 页 4 移位寄存器存储器及其驱动方法 0001 相关申请的交叉引用 0002 本申请基于并要求2012年3月13日提交的在先的日本专利申请No.2012-056242 的优先权，在此引入其整个内容作为参考。技术领域 0003 本发明的实施例涉及移位寄存器存储器及其驱动方。

9、法。背景技术 0004 移位寄存器存储器被提出作为一种实现大容量存储器的方法。移位寄存器存储器包括磁柱，每一个都通过多个铁磁耦合的磁性层配置，并且根据磁性层的磁化方向存储数据。通过向磁柱施加旋转磁场，在磁柱中的数据可以依次转移到传感器或者线中。 0005 然而，如果存储器尺寸减小并且每个磁柱的直径减小，就要求提高旋转磁场以便维持其数据保持。在此情况下，不利地需要极高电流以产生反转磁场。发明内容 0006 本发明的实施例提供一种移位寄存器存储器，即使在存储器尺寸减小的情况下也能将电流消耗抑制得很低。 0007 根据本发明的移位寄存器存储器包括磁柱，包括多个磁性层和在。

10、彼此邻近的磁性层之间提供的非磁性层。应力施加部分向所述磁柱施加应力。磁场施加部分向所述磁柱施加静磁场。应力施加部分向磁柱施加应力，以便将磁性层的磁化状态沿磁性层的层叠方向转移。 0008 本发明的实施例提供一种移位寄存器存储器，即使在存储器尺寸减小的情况下也能将电流消耗抑制得很低。附图说明 0009 图 1 示出了根据第一实施例的磁柱 10 的配置； 0010 图 2 示出了磁柱 10、扩散防止膜 40 以及应力施加膜 50 的配置； 0011 图 3 是多个磁柱 10 的示范性几何结构的透视图； 0012 图 4A 到 4E 是示出了向每个磁柱 10 施加的应力和磁性层。

11、 20 的易磁化方向之间的关系的示意图； 0013 图 5 是示出了用于转移磁柱 10 中的磁矩的操作的示意图； 0014 图 6 是示出了应力施加方法的示意图； 0015 图 7 是示出了根据第一实施例的移位寄存器存储器的配置的框图； 0016 图 8 是示出了根据第一实施例的移位寄存器存储器的版图的平面图； 0017 图 9 是示出了通过根据第一实施例的移位寄存器存储器执行的操作的流程图； 0018 图 10 是示出了根据第二实施例的移位寄存器存储器的版图的平面图；说明书 CN 103310847 A 4 2/10 页 5 0019 图 11 是示出了通过根据第二实施。

12、例的移位寄存器存储器执行的操作的流程图；以及 0020 图 12 是示出了根据第三实施例的移位寄存器存储器的配置的透视图。具体实施方式 0021 下面将参考附图说明实施例，本发明不限于所述实施例。 0022 （第一实施例） 0023 图 1 示出了根据第一实施例的磁柱 10 的配置。磁柱 10，包括多个磁性层 20 和多个非磁性层 30 并且通过交替层叠磁性层 20 和非磁性层 30 形成。使用如 Ni 膜的具有反磁致伸缩效应的材料形成每个磁性层 20。使用如 Ru 膜的无磁导电膜形成每个非磁性层 30。 0024 形成的每个磁性层 20 都足够小以包括单个磁畴。从而每个磁性层。

13、20 具有单一磁化状态（磁矩）。 0025 彼此邻近的两个磁性层 20 是反铁磁耦合（所谓的 SAF（合成反铁磁体）耦合）并且具有通过稳定状态的偶极子场而具有反平行磁矩。彼此邻近的两个磁性层 20 可以储存分别与磁矩的方向成比例的二元状态（数据 “0” 或者数据 “1” ）。通过包括许多磁性层 20，磁柱 10 可以储存大量比特数据。 0026 图 2 示出了磁柱 10、扩散防止膜 40 以及应力施加膜 50 的配置。提供应力施加膜 50 以环绕磁柱 10 以便能够向磁柱 10 施加应力。使用例如，如 AlN 的铁电材料形成应力施加膜 50。在磁柱 10 和应力施。

14、加膜 50 之间提供扩散防止膜 40 以便磁柱 10 的材料和应力施加膜 50 的材料不互相扩散。使用例如 SiO2， SiN 或者 Al2O3或者诸如 TiN、 Ta 或 TaN 的金属或金属化合物形成扩散防止膜 40。 0027 在磁柱 10 的下端上提供 STT-MTJ（自旋转移扭矩型磁隧道结）元件。例如，作为磁柱 10 的最下层提供一个无磁性层 30 并且在非磁性层 30 之下提供构成 MTJ 元件的铁磁层、非磁性绝缘膜以及铁磁层。MTJ 元件用作检测磁柱 10 中转移的磁化状态（数据）的感应元件。例如，在磁柱 10 中磁化状态在 MTJ 元件的方向上依次转移，。

15、并且 MTJ 元件检测磁化状态。 0028 STT-MTJ 元件具有由两个铁磁层和夹在磁性层之间的非磁性绝缘膜构成的叠层结构，并且根据源于自旋极化隧穿效应的磁阻的改变存储数字数据。根据两个铁磁层的磁化设置， STT-MTJ 元件可以被制造成低电阻状态或者高电阻状态。当两个铁磁层的磁化设置是平行态（P 态）， MTJ 元件在低电阻态。当两个铁磁层的磁化设置是反平行态（AP 态）， MTJ 元件在高电阻态。 0029 图 3 是示出了多个磁柱 10 的示范性几何结构的透视图。磁柱 10 以矩阵形式二维设置。磁柱 10 在列方向上排列并且构成多个列。在第一实施例中，在行方向邻近。

16、的磁柱 10 的列被设置为在列方向上以半栅距（half-pitch）错开。后面描述磁柱 10 的平面版图。 0030 环绕应力施加膜 50 提供隔层介电膜 ILD 并且填充在磁柱 10 之间。通过在磁柱 10 之间填充隔层介电膜 ILD，应力施加膜 50 的膨胀或者收缩可作为应力施加到每个磁柱 10。 0031 当应力施加膜 50 向每个磁柱 10 施加应力时，磁柱 10 中的各磁性层 20 的磁各向异性的方向被改变。换句话说，当应力施加膜 50 向磁柱 10 施加应力时，磁柱 10 中的各磁性层 20 的易磁化方向（磁矩容易取向的方向）被改变。说明书 CN 1033。

17、10847 A 5 3/10 页 6 0032 图 4A 到 4E 是示出了向每个磁柱 10 施加的应力和磁性层 20 的易磁化方向之间的关系的示意图 0033 根据第一实施例的移位寄存器存储器通过向磁柱 10 施加在固定方向上的静磁场和改变向磁柱 10 施加的应力的方向控制磁性层 20 的易磁化方向。由此，移位寄存器存储器将一个特定磁性层 20 的磁化状态（磁矩）移动到在磁柱 10 中的与该特定磁性层 20 邻近的下一磁性层 20。 0034 根据常规技术，通过旋转向磁柱施加的磁场（即，使用旋转磁场）转移每个磁性层的磁化状态。 0035 根据第一实施例，通过比较，。

18、在每个磁柱 10 中，通过固定磁场并且改变向磁柱 10 施加的应力的方向转移每个磁性层 20 的磁化状态。通过在存储器芯片的内部或者外部设置永磁体，可以向磁柱 10 施加来自磁场施加部分的静磁场。可选地，可以通过使用磁性绝缘膜（例如，氧化铁膜）或者用作磁场施加部分的隔层介质膜 ILD 的永磁体向磁柱 10 施加静磁场。在此备选中，在邻近的磁柱 10 之间填充磁性绝缘膜（或者永磁体）。虽然电磁体可以用作磁场施加部分，但是优选使用磁性绝缘膜或者永磁体以便抑制电流消耗。 0036 例如，如图 4A 到 4E 中所示，向磁柱 10 施加静态磁场以便基本正交于晶体磁各向。

19、异性的方向 Dcma。Dsmf 表示静磁场的方向。Dst 表示从应力施加膜 50 向磁柱 10 施加的应力的方向。Dsma 表示在晶体磁各向异性（Dcma）和通过应力产生的由反磁致伸缩效应引起的各向异性之间的合成磁各向异性的方向。合成磁各向异性的方向 Dsma 表示当向具有确定晶体磁各向异性的磁性层 20 施加应力时的实际易磁化方向。 0037 如图 4A 所示，当应力施加膜 50 没有向磁柱 10 施加应力时，合成磁各向异性的方向 Dsma 基本与晶体磁各向异性的方向 Dcma 匹配。 0038 如图 4B 中所示，当应力施加膜 50 从关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 。

20、和静磁场的方向 Dsmf 倾斜的一个方向向磁柱 10 施加应力时，合成磁各向异性的方向 Dsma 被旋转为更接近应力施加的方向 Dst。 0039 如图 4C 所示，当应力施加膜 50 从关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 和静磁场的方向 Dsmf 倾斜的两个方向施加应力时，合成磁各向异性的方向 Dsma 被旋转为基本正交于晶体磁各向异性的方向 Dcma。 0040 如图 4D 中所示，当应力施加膜 50 从关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 和静磁场的方向 Dsmf 倾斜的另一方向施加应力时，合成磁各向异性的方向 Dsma 被旋转为更接近应力施加的方向 Dst。 004。

21、1 另外，如图 4E 所示，当应力施加膜 50 停止向磁柱 10 施加应力时，合成磁场的方向 Dsma 再次匹配晶体磁各向异性的方向 Dcma。即，合成磁各向异性的方向 Dsma 关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 被旋转了一半。 0042 通过再次重复图 4A 到 4E 中示出的操作，磁性层 20 的合成磁各向异性的方向（即，易磁化方向） Dsma 可以关于静磁场的方向 Dsmf 完全旋转一次。 0043 以该方式，应力施加膜 50 可以通过由向磁柱 10 施加应力产生的反磁致伸缩效应旋转在磁柱 10 中的每个磁性层 20 的易磁化方向。即，根据第一实施例，即使静磁场。

22、的方向 Dsmf 被固定，也有可能通过向磁柱 10 施加应力而关于静磁场旋转每个磁性层 20 的磁各向异性的方向（易磁化方向）。说明书 CN 103310847 A 6 4/10 页 7 0044 图 5 是示出了用于转移磁柱 10 中的磁矩的操作的示意图。在图 5 的顶部示出了合成磁场的方向 Dsma 和应力施加的方向 Dst。在合成磁场的方向 Dsma 和应力施加的方向 Dst 之下示出了在磁柱 10 中的磁性层 20 的磁矩的方向。以在一个圆圈中示出的两个磁矩的箭头分别指示两个邻近磁性层 20 的磁矩的方向。因为成对的磁性层 20 是反铁磁耦合，通过基本在相对方向上取。

23、向，磁性层 20 是稳定的。 0045 例如，假设轮廓箭头指示上磁性层 20U 并且黑箭头指示下磁性层 20L。在此情况下，就数据 D0 来说，上磁性层 20U 具有沿右侧方向的磁矩并且下磁性层 20L 具有沿左侧方向的磁矩。另一方面，就数据 D1 来说，上磁性层 20U 具有沿左侧方向的磁矩并且下磁性层 20L 具有沿右侧方向的磁矩。另外，就数据 D2 来说，类似于数据 D0，上磁性层 20U 具有沿右侧方向的磁矩并且下磁性层 20L 具有沿左侧方向的磁矩。数据 D2 逻辑上与数据 D0 相同。 0046 以在稳定的磁状态保持数据 D0、 D1 和 D2 本身。然而，。

24、在逻辑上相反的数据之间存在具有在中间态的磁矩Dmid的磁性层20mid。因此，至少反铁磁耦合的成对的磁性层20和具有磁矩 Dmid 的磁性层 20mid 存储一个比特的数据。即，至少三个连续的磁性层 20 存储一个比特的数据。当然，四个或更多的连续磁性层 20 可以存储一个比特的数据。 0047 在时间 t0 处，如图 5 所示，没有施加应力。因此，合成磁各向异性的方向 Dsma 基本匹配晶体磁各向异性的方向 Dcma。 0048 在时间 t1 处，当从关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 倾斜的方向 Dst 施加应力时，合成磁各向异性的方向 Dsma 同样被旋转到与。

25、应力施加的方向 Dst 相同的方向。如图 5 示出的在时间t1的列所示，由此每个磁性层20的磁矩根据合成磁各向异性的方向（易磁化方向） Dsma 旋转。 0049 在时间 t2 处，当应力施加的方向 Dst 被进一步旋转时，合成磁各向异性的方向 Dsma 同样被旋转到与应力施加的方向 Dst 相同的方向。如图 5 示出的在时间 t2 的列所示，由此每个磁性层 20 的磁矩根据合成磁各向异性的方向（易磁化方向） Dsma 旋转。 0050 在时间 t3 处，当应力施加的方向 Dst 旋转一半时，反铁磁耦合的成对的磁性层 20 的磁矩反转。 0051 另外，在时间 t4 到时。

26、间 t6 处，当应力施加的方向 Dst 旋转一半时，反铁磁耦合的成对的磁性层 20 的磁矩进一步反转。因此，作为从时间 t0 到时间 t6 的操作的结果，成对的磁性层 20 的磁矩完全旋转一次。此时，与成对的磁性层 20 的磁矩一样多地移位磁性层 20 的磁矩。即，通过完全旋转应力施加方向 Dst 一次，与成对的磁性层 20 一样多地转移数据 D0 到数据 D2。这可以通过比较图 5 中的在时间 t0 处的磁柱 10 中的数据 D0 到数据 D2 的位置与在时间 t6 处的磁柱 10 中的数据 D0 到数据 D2 的位置容易地理解。 0052 以该方式，根据第一实施例的移。

27、位寄存器存储器可通过旋转应力施加的方向 Dst 而在磁性层 20 的层叠方向上依次转移磁柱 10 中的数据 D0 到数据 D2。 0053 可以基于晶体磁各向异性的方向 Dcma 施加应力。例如，在时间 t1 处可以关于晶体磁各向异性的方向Dcma以60度角、在时间t2处关于晶体磁各向异性的方向Dcma以120 度角，在时间 t4 处关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 以 60 度角（240 度）并且在时间 t5 处关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 以 120 度角（300 度）施加应力。即，虽然应力施加的方向 Dst 可以从晶体磁各向异性的方向 Dcma 连续旋转，但。

28、是离散地旋转应力施加的方向 Dst 实际上已足够。即使应力施加的方向 Dst 被离散地旋转，也足以能够旋转每个磁性层 20 的磁说明书 CN 103310847 A 7 5/10 页 8 矩。 0054 图 6 是示出了应力施加方法的示意图。应力施加驱动器 80 向邻近磁柱 10 给出电压差。从而向应力施加膜（例如，铁电膜） 50 施加电场。作为结果，应力施加膜 50 膨胀或者收缩，并且在图 6 示出的方向上向各磁柱 10 施加应力。通过改变向其给出电压差的磁柱 10，可以改变应力施加的方向 Dst。例如，如图 6 中所示，当邻近的列中的磁柱 10 半栅距错开时，。

29、应力施加的方向 Dst 可以关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 的 60 度（240 度）， 90 度（270 度）和 120 度（300 度）的角与晶体磁各向异性的方向 Dcma 相交。 0055 图 7 是根据第一实施例示出的移位寄存器存储器的配置框图。根据第一实施例的移位寄存器存储器包括柱阵列 PA、命令 / 地址接收器 CAR、命令控制器 COMCNT、数据缓冲器 DQB 以及输入 / 输出部分 I/O。 0056 柱阵列PA包括在半导体衬底之上以矩阵形式二维设置的磁柱10。每个磁柱10都通过晶体管 11 与位线 BL 连接并且与柱线 A1 到 C3 中的一个。

30、直接连接。晶体管 11 的栅极与字线 WL 连接。即，磁柱 10 的一端通过晶体管 11 与位线 BL 连接并且其另一端与柱线 A1 到 C3 中的任意一个连接。 0057 移位寄存器存储器还包括感应放大器 SA、写入驱动器 WD、列解码器 CD、行解码器 RD、应力施加驱动器 SAD、主控制器 MCNT 以及写入 / 读出页缓冲器 WRB。 0058 每个感应放大器 SA 都通过对应的位线 BL 或者柱线 A1 到 C3 中的一个与磁柱 10 连接，并且检测存在于每个磁柱 10 的下端上的 MTJ 元件中存储的数据。写入驱动 WD 通过位线 BL 或者柱线 A1 到 C3 。

31、中的一个与磁柱 10 连接并且向每个磁柱 10 写入数据。 0059 命令 / 地址接收器 CAR 接收命令、地址以及时钟用于确定移位寄存器存储器执行的整个操作。命令 / 地址接收器 CAR 接收库（bank）地址、列地址、行地址以及类似的地址。柱阵列 PA 可以响应于这些命令分别执行不同的操作。 0060 命令控制器 COMCNT 接收指示各种操作的命令例如读出操作和写入操作，并且分别响应于那些命令控制主控制器 MCNT。 0061 主控制器 MCNT 控制整个存储器以将从数据缓冲器 DQB 接收的数据转移到写入驱动器 WD 以便响应于地址向柱阵列 PA 写入数据或者将响。

32、应于地址从柱阵列 PA 读出的数据转移到数据缓冲器 DQB。 0062 列解码器 CD 选择位线 BL 或者在响应于列地址的特定列中的柱线 A1 到 C3 中的一个。行解码器 RD 选择响应于行地址的字线 WL 中的一个。 0063 应力施加驱动器SAD向柱线A1到C3中的一个施加电压以便向一个预定的磁柱10 施加应力。 0064 写入 / 读出页缓冲器 WRB 临时存储通过输入 / 输出部分 I/O 和数据缓冲器 DQB 输入的写入数据，或者临时存储从磁柱 10 读出的数据。 0065 数据缓冲器 DQB 通过输入 / 输出部分 I/O 临时保持读出数据以便向外部输出读出数据，或。

33、者通过输入 / 输出部分 I/O 临时保持从外部输入的写入数据以便向内部转移写入数据。 0066 图 8 是根据第一实施例的移位寄存器存储器的版图的平面图。多个字线 WL 在行方向上延伸。多个位线 BL 在与行方向正交的列方向上延伸。 0067 互相绝缘的多个有源区域 AA 以阵列二维设置。在列方向上排列的有源区域 AA 构说明书 CN 103310847 A 8 6/10 页 9 成有源区域列。在列方向上，在行方向上邻近的多个有源区域列在列方向上错开有源区域 AA 的总宽度和两个邻近有源区域 AA 之间的间隔的半栅距。每个有源区域 AA 布图成 T 形，并且在有源区域 AA 中。

34、提供两个基元晶体管 CT。因此，彼此邻近的两个字线 WL 对应于每个有源区域 AA。 0068 在一个有源区域 AA 中提供的两个基元晶体管 CT 的每一个的一端（例如，漏极）通常通过位线接触 BLC 连接到一个位线 BL。在有源区域 AA 中提供的两个基元晶体管 CT 的每一个的另一端（例如，源极）通过接触 120 连接到存在于每个磁柱 10 的下端上的 MTJ 元件。 0069 磁柱 10 中的每一个通过接触 100 与柱线 A1 到 A3、 B1 到 B3 或者 C1 到 C3 中的一个连接。磁柱 10 在列方向上排列。在列方向上，邻近的磁柱 10 的列在列方向上。

35、错开磁柱 10 的总宽度和彼此邻近的两个磁柱 10 之间的间隔的半栅距。通过该配置，磁柱 10 被设置为在平面版图中形成三角栅格，如图 6 所示。换句话说，六个磁柱 10 被设置成环绕一个磁柱 10。 0070 提供在列方向上通过虚线示出的柱线 A1 到 A3、 B1 到 B3 或者 C1 到 C3 以分别对应在列方向上安排的多个接触 100 （接触列）。柱线 A1 到 A3、 B1 到 B3 或者 C1 到 C3 被分别连接到对应接触列中的接触 100。 0071 对于在行方向中排列的磁柱10，接触100的连接位置相同。然而，对于在列方向上排列的磁柱 10，接触 1。

36、00 的连接位置在行方向上错开。例如，分别在列方向上连续邻近的三个磁柱 10 和在行方向上连续邻近的三个柱线 A1 到 A3 之间的交叉位置处设置接触 100。类似地，分别在列方向上连续邻近的三个磁柱 10 和在行方向上连续邻近的三个柱线 B1 到 B3 之间的交叉位置处设置接触 100。另外，分别在列方向上连续邻近的三个磁柱 10 和在行方向上连续邻近的三个柱线C1到C3之间的交叉位置处设置接触100。从而，在列方向上连续邻近的三个磁柱 10 分别连接到柱线 A1 到 A3、 B1 到 B3 或者 C1 到 C3。 0072 图 9 是示出根据第一实施例的通过移位寄存器存储。

37、器执行的操作的流程图。图 9 使出了用于转移磁柱 10t 的磁化状态的操作。另外，假设磁柱 10t 的晶体磁各向异性的方向 Dcma 与列方向相同。 0073 首先，关闭所有的基元晶体管 CT，并且将所有柱线 A1 到 A3、 B1 到 B3 和 C1 到 C3 设置为浮置状态（S10）。在此状态，每个磁柱 10 的易磁化方向（合成磁各向异性的方向 Dsma）与晶体磁各向异性的方向 Dcma 相同。 0074 下一步，向柱线 C3 施加接地电压（例如， 0V）（S20）。 0075 向柱线 B2 和 A3 施加应变电压 Vstrain（S30）。正电压或者负电压都。

38、可以用作 Vstrain。从而，磁柱 10st_1、 10st_2 和 10t 中每个的应力施加膜 50 从关于列方向倾斜 60 度的方向向磁柱 10t 施加应力。虽然此时拉伸应力或者压缩应力都可以用作应力，但是优选使用压缩应力。这旨在即使应力施加膜50没有足够近的附接于磁柱10，也能避免分离每个应力施加膜 50 和对应磁柱 10 之间的界面。 0076 此时，磁柱 10t 的每个磁性层 20 的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 倾斜约 45 度，类似于图 4B 示出的状态。 0077 下一步，向柱线 B3 和 A2 施加应变电压 Vstrain 并且保持柱线 B。

39、2 和 A3 的应变电压 Vstrain （S40）。从而，磁柱 10st_1、 10st_2、 10st_3、 10st_4 和 10t 中每一个的应力施加膜 50 从关于列方向倾斜 60 度或 120 度的方向向磁柱 10t 施加应力。说明书 CN 103310847 A 9 7/10 页 10 0078 此时，磁柱 10t 的每个磁性层 20 的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 倾斜约 90 度，类似于图 4C 示出的状态。 0079 停止向柱线 B2 和 A3 施加应变电压 Vstrain 而保持柱线 B3 和 A2 的应变电压 Vstrain （S50）。

40、。磁柱 10st_3、 10st_4 和 10t 中每一个的应力施加膜 50 从关于列方向倾斜 120 度的方向向磁柱 10t 施加应力。 0080 此时，磁柱 10t 的每个磁性层 20 的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 倾斜约 135 度，类似于图 4D 示出的状态。 0081 停止向柱线 B3 和 A2 施加应变电压 Vstrain（S60）。从而，磁柱 10t 的每个磁性层 20 的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 反转约 180 度，类似于图 4E 示出的状态。 0082 下一步，再次向柱线 B2 和 A3 施加应变电压 Vstrain（S。

41、70）。从而，磁柱 10t 的每个磁性层 20 的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 倾斜约 45 度。 0083 然后，向柱线 B3 和 A2 施加应变电压 Vstrain 而保持柱线 B2 和 A3 的应变电压 Vstrain（S80）。从而，磁柱 10t 的每个磁性层 20 的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 成约 90 度。 0084 然后，停止向柱线 B2 和 A3 施加应变电压 Vstrain 而保持柱线 B3 和 A2 的应变电压 Vstrain（S90）。从而，磁柱 10t 的每个磁性层 20 的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向。

42、Dcma 倾斜约 135 度。 0085 下一步，停止向柱线 B3 和 A2 施加的应变电压 Vstrain（S100）。从而，磁柱 10t 的每个磁性层 20 的易磁化方向关于晶体磁各向异性的方向 Dcma 旋转约 360 度。即，通过步骤 S10 到 S100，磁柱 10t 的每个磁性层 20 的磁化方向同样完全旋转一次。从而，在磁柱 10t 中的数据转移到 MTJ 元件。可选地，存储在 MTJ 元件中的数据可以转移到磁柱 10t 中。 0086 通过驱动对应于连接到磁柱 10t 的基元晶体管 CT 的字线 WL 进行用于读出转移到 MTJ 元件的数据或者从 MTJ 元件写。

43、入数据的读出或写入操作。从而基元晶体管 CT 与 MTJ 元件电连接， MTJ 元件在磁柱 10t 的下端，在一个位线 BL 和柱线 C3 之间。作为结果，感应放大器 SA 可以通过位线 BL 或者柱线 C3 检测在 MTJ 元件中的数据。可选地，写入驱动器 WD 可以通过位线 BL 或者柱线 C3 向磁柱 10t 写入数据。 0087 根据第一实施例的移位寄存器存储器可以通过向磁柱 10 施加的应力沿着磁柱 10 转移磁化信息而不提供每个比特或者每个移位的控制电极。即使包括在每个磁柱 10 中的比特的数目增加，也可以确保移位比特。因此，根据第一实施例的移位寄存器存储器的每。

44、个比特单元的造价低并且可靠性高。 0088 在第一实施例中，因为通过使用向每个磁柱 10 施加的应力转移磁化信息，所以使用在固定方向上的静磁场已经足够。即，根据第一实施例，不需要为每个磁柱 10 单独产生电流感应磁场。只要使用固定磁体产生静磁场，就不需要消耗用于产生磁场的电流。另外，因为应力施加膜 50 原理上是电压驱动元件，所以与产生旋转磁场所需的电流相比较，电流消耗极低。因此，即使磁柱 10 缩小，根据第一实施例的移位寄存器存储器也可以将电流消耗抑制到很低。 0089 在每个磁柱10中，处于相同磁化状态的磁性层20的连续对的数目可以用作数据。例如，可以如。

45、下定义。三对磁性层 20 连续并且磁化状态相同（三移位连续性）的情况是数据说明书 CN 103310847 A 10 8/10 页 11 “00” ，四对连续并且磁化状态相同（四移位连续性）的情况是数据 “01” 。五对连续并且磁化状态相同（五移位连续性）的情况是数据 “10” ，以及六对连续并且磁化状态相同（六移位连续性）的情况是数据 “11” 。 0090 （第二实施例） 0091 图 10 是示出了根据第二实施例的移位寄存器存储器的版图的平面图。在第二实施例中，磁柱 10 的直径比根据第一实施例的磁柱 10 的直径小。因此，每个磁柱 10 都通过带电。

46、极 90 与接触 100 连接。磁柱 10 以矩阵形式二维设置。从而，磁柱 10 的邻近的列在行和列方向上没有错开而是均匀的。另外，在每个磁柱 10 的下端上存在的 MTJ 元件与基元晶体管 CT 的另一端直接连接没有通过接触 120。 0092 磁柱 10 与带电极 90 一对一对应。每个磁柱 10 与柱线 A1 到 A4、 B1 到 B4、 C1 到 C4 或者 D1 到 D4 中的一个通过带电极 90 和接触 100 电连接。 0093 提供在列方向上通过虚线指示的柱线 A1 到 A4、 B1 到 B4、 C1 到 C4 或者 D1 到 D4 以分别与其每一个都通过多个接触 1。

47、00 配置的列对应。柱线 A1 到 A4、 B1 到 B4、 C1 到 C4 或者 D1 到 D4 被分别连接到在对应的列中的接触 100。 0094 对于在行方向上排列的多个带电极 90，接触 100 相对于带电极 90 的位置是相同的。然而，对于在列方向上排列的多个带电极 90，接触 100 相对于带电极 90 的位置在行方向上是错开的。例如，第四接触 100 分别被设置在在列方向上连续邻近的第四带电极 90 和在行方向上连续邻近的第四柱线 A1 到 A4 之间的交叉位置处。类似地，接触 100 分别被设置在在列方向上连续邻近的第四带电极 90 和在行方向上连续邻近的第四。

48、柱线 B1 到 B4 之间的交叉位置处。另外，接触 100 分别被设置在在列方向上连续邻近的第四带电极 90 和在行方向上连续邻近的第四柱线 C1 到 C4 之间的交叉位置处。接触 100 分别被设置在在列方向上连续邻近的第四带电极 90 和在行方向上连续邻近的第四柱线 D1 到 D4 之间的交叉位置处。因此，在列方向上连续邻近的第四磁柱 10 分别与彼此不同的柱线 A1 到 A4、 B1 到 B4、 C1 到 C4 或者 D1 到 D4 连接。 0095 如果每个磁柱 10 的直径都是大的，并且分别对应于磁柱 10 的柱线 A1 到 A4、 B1 到 B4、 C1 到 C4 以。

49、及 D1 到 D4 可以直接与接触 100 连接，类似于第一实施例，可以消除带电极 90。 0096 根据第二实施例的存储器的其它配置与对应的根据第一实施例的存储器相同。 0097 图 11 是示出通过根据第二实施例的移位寄存器存储器执行的操作的流程图。图 11 示出了用于转移图 10 中示出的磁柱 10t 的磁化状态的操作。另外，假设磁柱 10t 的晶体磁各向异性的方向 Dcma 与列方向相同。 0098 首先，关断所有的基元晶体管 CT，并且将所有的柱线 A1 到 A4、 B1 到 B4、 C1 到 C4 和 D1 到 D4 设置为浮置状态（S11）。在此状态下，每个磁柱 10 的易磁化方向（合成磁各向异性的方向 Dsma）与晶体磁各向异性的方向 Dcma 相同。 0099 下一步，向柱线 B3 施加接地电压（例如， 0V）（S21）。 0100 向柱线。

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