[发明专利]存储元件和存储器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种存储元件以及具有该存储元件的存储器件，其中，该存储元件包括存储铁磁层的磁化状态作为信息的存储层以及磁化方向固定且通过使电流流动来改变存储层的磁化方向的磁化固定层。

背景技术

在诸如电脑的信息设备中，高速运行的高密度DRAM已被广泛用作随机存取存储器。

然而，DRAM是当断开电源时信息被檫除的易失性存储器，从而期望信息不被檫除的非易失性存储器。

此外，作为非易失性存储器的候选，通过磁性材料的磁化来记录信息的磁性的随机存取存储器(MRAM)已引起关注并因此而被开发。

MRAM使电流分别流向基本上相互垂直的两种地址配线(字线和位线)，利用每种地址配线产生的电流磁场使位于磁性存储元件的地址配线的交叉点的磁性存储元件的磁性层的磁化反向，从而执行信息的记录。

图10示出了常见MRAM的示意图(透视图)。

构成选择每个存储单元的选择晶体管的漏区108、源区107以及栅极101分别形成在由半导体衬底110(诸如硅衬底)的元件分离层102分离的部分。

此外，沿附图中的前后方向延伸的字线105设置在栅极101的上侧。

漏区108通常形成了附图中的左右选择晶体管，配线109连接至漏区108。

此外，磁性存储元件103设置在字线105和相对于字线105设置在上侧并沿附图中的左右方向延伸的位线106之间，每个磁性存储元件具有磁化方向反转的存储层。例如，通过磁性隧道结元件(MTJ元件)配置这些磁性存储元件103。

此外，磁性存储元件103通过水平旁通管线111和垂直接触层104电连接至源区107。

当使电流流向字线105和位线106时，电流磁场施加至磁性存储元件103，从而使磁性存储元件103的存储层的磁化方向反向，因此可执行信息的记录。

此外，针对诸如MRAM的磁性元件，记录信息的磁性层(存储层)必须具有恒定的抗磁力，以便稳定保持记录信息。

另一方面，需要使一定数量的电流流向地址配线以便重写记录信息。

然而，随着构成MRAM的元件的微型化，地址配线变得越来越细，从而难以使足够的电流流动。

因此，作为能够利用相对较小的电流来实现磁化反向的配置，具有利用自旋注入磁化反向的配置的存储器已引起关注(例如，参照日本未审查专利申请公开2003-17782和2008-227388，美国专利第6,256,223号的说明书，《物理评论(Phys.Rev.)B》，54.9353(1996)以及《磁学与磁性材料杂志(J.Magn.Mat.)》159，L1(1996))。

使用自旋注入的磁化反向指将自旋极化电子在通过磁性材料之后注入其他磁性材料，从而在其他磁性材料中引起磁性反向。

例如，在使电流沿垂直于膜面的方向流向巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)时，可以使该元件的磁性层的至少一部分的磁化方向反向。

此外，使用自旋注入的磁化反向的优点在于即使元件变得很微小，可实现磁化反向而不增加电流。

图11和12示出了具有利用上述自旋注入的磁化反向的配置的存储器件的示意图。图11示出透视图，图12示出截面图。

构成选择每个存储单元的选择晶体管的漏区58、源区57以及栅极51分别形成在由半导体衬底60(诸如硅衬底)的元件分离层52分离的部分。其中，栅极51同时也具有沿图11中的前后方向延伸的字线的功能。

漏区58通常形成图11中的左右选择晶体管，配线59连接至漏区58。

具有通过自旋注入使磁化方向反向的存储层的磁性存储元件53设置在源区57和设置在源区57上侧并沿图11中的左右方向延伸的位线56之间。

例如，通过磁性隧道结元件(MTJ元件)配置该磁性存储元件53。磁性存储元件53具有两层磁性层61和62。在这两层磁性层61和62中，一侧磁性层设置为磁化方向固定的磁化固定层，另一侧磁性层设置为磁化方向改变的磁化自由层，即存储层。

此外，磁性存储元件53分别通过上和下接触层54连接至每条位线56和源区57。以这种方式，在使电流流向存储元件53时，通过自旋注入使存储层的磁化方向反向。

在具有利用该自旋注入磁化反向的配置的存储器件的情况中，可使该器件的结构与图10中所示的通用MRAM相比更简单，因此其特性在于高致密化变为可能。