[发明专利]存储元件和存储器

说明书

相关申请交叉参考

本发明包含于2006年5月12日向日本专利局提交的第JP2006-134435号日本专利申请有关的主题，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，该存储元件由存储层和磁化固定层构成，其中，存储层可以存储铁磁性层的磁化状态作为信息，磁化固定层具有固定的磁化方向，在该存储元件中，使电流沿垂直于膜表面的方向流动，以注入自旋极化电子，从而改变存储层的磁化方向；本发明还涉及一种包括存储元件的存储器，该存储器适合用作非易失性存储器(non-volatile memory)。

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是易失性存储器(其中，在电源断开时信息会被删除)，所以需要不会删除信息的非易失性存储器。

例如，根据Nikkei Electronics(2001年2月12日(164～171页))，被构造成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，并已发展成为潜在的非易失性存储器。

在MRAM中，使电流分别流入彼此几乎垂直的两种地址线(字线(word line)和位线(bit line))中，以基于由每个地址线所产生的电流磁场，使在地址线交叉点中的磁性存储元件的磁性层的磁化反向，从而记录信息。

图1示出了一般MRAM的示意图(透视图)。

在由半导体基板110(诸如硅基板)的元件绝缘层102绝缘的区域中，分别形成有漏极区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。

沿图中纵向延伸的字线105设置在栅电极101上方。

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

均具有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与位线106之间，其中，位线置于字线105上方并沿图中的横向延伸。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通过沿水平方向的旁路线111和沿垂直方向的接触层104电连接至源极区107。

使电流分别流入字线105和位线106中，以将电流磁场施加至磁性存储元件103，从而可以使磁性存储元件103的存储层的磁化方向反向，以记录信息。

为了使诸如MRAM的磁性存储器能够稳定地保持所记录的信息，用于记录信息的磁性层(存储层)优选地具有一定的抗磁力(coercive force)。

另一方面，为了重写所记录的信息，优选地使一定量的电流流入地址线中。

然而，由于形成MRAM的元件的尺寸不断减小，因而地址线变细，因此可能无法使足量的电流流入线中。

在这些情况下，被设置成利用自旋注入来进行磁化反向的存储器已引起了关注，这是由于这些存储器被设置成可利用较少量电流来进行磁化反向，例如，第2003-17782号日本专利申请出版物、第6256223号美国专利、非专利文献Phys.Rev.B54.9353(1996)、和非专利文献J.Magn.Mat.159.L1(1996)中所公开的。

在通过自旋注入而进行的磁化反向中，经过磁性材料而被自旋偏极化的电子被注入另一磁性材料中，以在其它磁性材料中进行磁化反向。

例如，使电流沿垂直于元件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)，从而可以使元件的至少一些磁性层的磁化方向反向。

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，仍然可以在不增加电流量的情况下进行磁化反向。

图2和图3示出了被构造成利用通过自旋注入进行磁化反向的上述存储器的示意图。图2是透视图，而图3是剖视图。

在由半导体基板60(诸如硅基板)的元件绝缘层52绝缘的区域中，分别形成有漏极区58、源极区57、和栅电极51，它们构成用于选择各个存储器单元的选择晶体管。其中，栅电极51还作为沿图2中的纵向延伸的字线。

在图2中，漏极区58为左和右选择晶体管所共用，并且配线59连接至漏极区58。

均具有通过自旋注入使磁化方向反向的存储层的存储元件53被置于源极区57与位线56之间，其中，位线置于源极区57上方并且沿图2中的横向延伸。

例如，存储元件53由磁隧道结元件(MTJ元件)构成。图中的附图标号61和62表示磁性层。两个磁性层61和62中的一个是磁化方向固定的磁化固定层，而另一个为磁化方向改变的磁化自由层，具体地说就是存储层。