[发明专利]存储元件和存储器

说明书

相关申请的交叉参考

本发明包含于2006年4月17日向日本专利局提交的日本专利 申请JP 2006-113538号的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种存储元件，其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的磁化固定层。更具体地，本发明 涉及一种存储元件，其中，使电流能够以垂直于膜表面的方向流动 来注入自旋极化电子(spin-polarized electron)，以改变存储层的磁 化方向；并且还涉及一种存储器，其包括适用于非易失性存储器的 存储元件。

背景技术

高速和高密度的DRAM已广泛用作诸如计算机的信息设备中 的随机存取存储器。

然而，由于DRAM是在电源断开时会删除信息的易失性存储 器，所以需要在电源断开时能够保持信息的非易失性存储器。

例如，Nikkei电子(2001年2月12日(164～171页))公开 通过磁性材料的磁化来记录信息的磁性随机存取存储器(MRAM) 已引起关注并已逐步发展成为潜在的非易失性存储器。

在MRAM中，记录信息以使电流能够分别流入彼此几乎垂直 的两种地址配线(字线(word line)和位线(bit line))中，以基于 由每个地址配线所产生的电流磁场，使在地址配线的交叉点中的磁 性存储元件的磁性层的磁化反向。

图1示出了典型MRAM的示意图(斜视图)。

在由诸如硅衬底的半导体衬底110的元件隔离层102隔离的区 域中，分别形成漏极区108、源极区107、和栅电极101，它们构成 用于选择各个存储单元的选择晶体管。

在栅电极101上设置沿图中的纵向延伸的字线105。

同样，在图中的左和右选择晶体管上形成漏极区108，并且将 配线109连接至漏极区108。

每个均具有其中使磁化方向反向的存储层的磁性存储元件103 被置于字线105和位线106之间，位线106置于字线105上并且沿 图中的横向延伸。例如，磁性存储元件103由磁隧道结元件(MTJ 元件)形成。

另外，磁性存储元件103通过水平方向的旁路线111和垂直方 向的接触层104电连接至源极区107。

使电流分别流入字线105和位线106中来将电流磁场施加至磁 性存储元件103，以反向磁性存储元件103的存储层的磁化方向来 记录信息。

为了使诸如MRAM的磁性存储器能够稳定保持所记录的信 息，用以记录信息的磁性层(存储层)优选地可具有一定的抗磁力 (coercive force)。

另一方面，为了重写所记录的信息，可以优选地使一定量的电 流流入地址配线中。

然而，由于形成MRAM的元件的尺寸不断减小，因而地址配 线变细，因此可能无法使充足量的电流流入配线。

例如，第2003-17782号日本专利申请公开、第6256223号美国 专利、Phys.Rev.B 54.9353(1996)、和J.Magn.Mat.159.L1(1996) 分别公开了多种被配置为采用通过自旋注入进行磁化反向的存储 器，由于这些存储器能够使用较少量的电流来进行反向，因而已引 起了关注。

在通过自旋注入进行的磁化反向中，通过流过磁性材料而被自 旋极化的电子被注入另一磁性材料中，从而在其他磁性材料中磁化 反向。

例如，使电流以垂直于元件的膜表面的方向流入巨磁阻元件 (GMR元件)或磁隧道结元件(MTJ元件)，以反向元件的至少一 些磁性层的磁化方向。

通过自旋注入进行磁化反向的优势在于，即使元件的尺寸减 小，仍然可以反向磁化，而不增加电流量。

图8和图9示出了经配置用于利用通过自旋注入进行上述磁化 反向的存储器的示意图；图8是斜视图，以及图9是截面图。

在通过诸如硅衬底的半导体衬底60的元件隔离层52隔离的区 域中，分别形成漏极区58、源极区57、和栅电极51，它们形成了 用于选择各个存储单元的选择晶体管。另外，栅电极51还作为沿 图8中的纵向延伸的字线。

同样，在图8中的左和右选择晶体管上均形成漏极区58，并且 配线59连接至漏极区58。