[发明专利]存储元件及存储器

说明书

技术领域

本发明涉及通过注入自旋极化电子改变存储层的磁化方向的 存储元件，以及具有该存储元件并适于应用于非易失性存储器的存 储器。

背景技术

在诸如计算机的信息装置中，具有高操作速度和高密度的 DRAM作为随机存取存储器而得到广泛应用。

然而，由于DRAM是断电后其信息会丢失的易失性存储器， 因此人们期望一种其信息不会丢失的非易失性存储器。

此外，通过磁性物质的磁化来记录信息的磁性随机存取存储器 (MRAM)作为非易失存储器的候选引起了人们的关注，并正在进 行开发。

在MRAM中，通过将电流施加到两种几乎相互垂直的地址线 (字线和位线)，并通过由各地址线生成的电流磁场反转位于地址 线的交点处的磁性存储元件的磁层的磁化方向，来进行信息的记 录。

图10示出了一般的MRAM的示意图(透视图)。

构成用于选择各存储单元的选择晶体管的漏区108、源区107 及栅极101形成在由诸如硅基板的半导体基底110的元件分离层 102所分离的部分中。

此外，在图中前后延伸的字线105设置在栅极101的上方。

漏区108形成为被图中的左右选择晶体管所共用，配线109连 接到漏区108。

此外，具有其磁化方向反转的存储层的磁性存储元件103设置 在字线105和位线106之间，其中位线106设置在字线105的上方， 并在图中左右延伸。例如，磁性存储元件103由磁性隧道结元件 (MTJ元件)形成。

此外，磁性存储元件103经由水平旁路线111和竖直接触层104 电连接到源区107。

通过将电流施加到字线105和位线106的每一个来将电流磁场 加到磁性存储元件103，从而反转磁性存储元件的存储层的磁化方 向，由此来记录信息。

然而，在诸如MRAM的磁性存储器中，为了稳定保持记录信 息，需要使记录信息的磁层(存储层)具有固定的矫顽力。

另一方面，为了重写记录信息，需要将一定量的电流施加到地 址线上。

然而，由于随着形成MRAM的元件的小型化，地址线变细， 因此不可能施加足够的电流。

因此，具有利用自旋转移导致的磁化反转的构造的存储器作为 能以较小的电流而实现磁化反转的构造已引起人们的关注(例如， 见专利文献1和2，非专利文献1和2)。

由自旋转移导致的磁化反转是指穿过磁性物质的内部的自旋 极化电子注入另一磁性物质以使另一磁性物质的磁化反转。

例如，通过以与层表面垂直的方向将电流施加到巨型磁阻效应 元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)上，能够反转 该元件至少部分磁层的磁化方向。

此外，由自旋转移导致的磁化反转的优点在于即使元件变得小 型化也不需增大电流就能实现磁化反转。

图8和图9示出了具有利用上述由自旋转移导致的磁化反转的 构造的存储器的示意图。图8是透视图，图9是截面图。

构成用于选择各存储单元的选择晶体管的漏区58、源区57及 栅极51形成在由诸如硅基板的半导体基底60的元件分离层52所 分离的部分中。其中，栅极51也用作图8中前后延伸的字线。

漏区58形成为由图8中的左右选择晶体管共用，且配线59连 接到漏区58。

此外，具有由自旋转移而反转了磁化方向的存储层的存储元件 53设置在源区57和位线56之间，其中位线56设置在源区57的上 方，并在图8中左右延伸。

例如，存储元件53由磁性隧道结元件(MTJ元件)形成。在 图中，61和62表示磁层。假设两磁层61和62之一是其磁化方向 固定的磁化固定层，而另一磁层是其磁化方向变化的自由磁化层， 即存储层。

此外，存储元件53分别经由上下接触层54连接到位线56和 源区57。因此，通过将电流施加到存储元件53，通过自旋转移能 够反转存储层的磁化方向。

与图10所示的一般MRAM相比，具有利用由自旋转移导致的 磁化反转的构造的存储器也具有其器件结构能够简化的特点。

此外，由于采用由自旋转移导致的磁化反转，与由外部磁场进 行磁化反转的一般MRAM相比，其优点在于即使当元件小型化时 其写入电流也不会增大。