[发明专利]存储元件和存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及包括将铁磁层的磁化状态存储为信息的存储层和磁化方向固定的磁化固定层、并通过流入电流改变存储层的磁化方向的存储元件，以及具有该存储元件的存储装置。

背景技术

在诸如计算机的信息设备中，以高速操作的高密度DRAM已经被广泛用作随机存取存储器。

但是，DRAM为当电源切断时信息被擦除的易失性存储器，从而，期望信息不会被擦除的非易失性存储器。

另外，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随机存取存储器(MRAM)已经受到广泛关注，因此已经进行了开发。

MRAM使电流分别流入彼此基本垂直的两种地址配线(字线和位线)，并且通过使用通过每个地址配线所生成的电流磁场反转存储装置中位于地址配线交叉部处的磁性存储元件的磁性层的磁化，从而执行信息的记录。

图8中示出了通用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极区108、源极区107及栅电极101分别形成在通过诸如硅基板的半导体基板110的元件分离层102所分离的部分处。

另外，图中在前后方向上延伸的字线105设置在栅电极101的上侧。

在图中，漏极区108形成为对于左和右选择晶体管所共用，并且配线109连接至漏极区108。

另外，每个都具有磁化方向被反转的存储层的磁性存储元件103都设置在字线105与被设置在相对于字线105的上侧并在左右方向上延伸的位线106之间。例如，这些磁性存储元件103由磁性隧道结元件(MTJ元件)构成。

另外，磁性存储元件103通过水平旁路111和垂直接触层104而电连接至源极区107。

当使电流流入字线105和位线106时，将电流磁场施加至磁性存储元件103，从而磁性存储元件103的存储层的磁化方向被反转，因此，能够执行信息的记录。

另外，关于诸如MRAM的磁性存储器，为了稳定保持所记录的信息，记录有信息的磁性层(存储层)需要具有恒定矫顽力。

另一方面，为了重写记录信息，需要使一定量的电流流入地址配线。

但是，随着构成MRAM的元件的小型化，地址配线变细，使得难以流经充分的电流。

因此，作为能够通过较小的电流实现磁化反转的结构，具有利用通过自旋注入的磁化反转的结构的存储器已经引起关注(例如，参见日本未审查专利申请公开第2003-17782和2008-227388号，及美国专利第6256223号，PHYs.Rev.B，54.9353(1996)and J.Magn.Mat.，159，L1(1996)的说明书)。

通过自旋注入的磁化反转指的是，通过磁性材料后的自旋极化的电子被注入其他磁性材料，从而在其他磁性材料中引起磁化反转。

例如，当使电流在垂直于薄膜面的方向上流入巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)时，该元件的至少一部分磁性层的磁化方向可以被反转。

另外，通过自旋注入的磁化反转具有这样的优点，即，即使当元件变得很小时，也能在不增大电流的条件下实现磁化反转。

图9和图10中示出了具有利用通过上述自旋注入的磁化反转的结构的存储装置的示意图。图9示出了透视图，并且图10示出了截面图。

构成用于选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区58、源极区57及栅电极51被分别形成在诸如硅基板的半导体基板60中通过元件绝缘层52所分隔的部分处。它们之中，栅电极51也用作图9中在前后方向上延伸的字线。

图9中，漏极区58形成为对于左和右选择晶体管所共用，并且配线59连接至漏极区58。

图9中，具有通过自旋注入反转了磁化方向的存储层的存储元件53设置在源极区57与被设置在源极区57的上侧并在左右方向上延伸的位线56之间。

该存储元件53例如由磁性隧道结元件(MTJ元件)构成。存储元件53具有两个磁性层61和62。在两个磁性层61和62中，一侧的磁性层被设定为磁化方向固定的磁化固定层，并且另一侧的磁性层被设定为磁化方向变化的磁化自由层，即，存储层。

另外，存储元件53通过上和下接触层54分别连接至每个位线56和源极区57。由此，当使电流流入存储元件53时，存储层的磁化方向可以通过自旋注入而反转。

在具有利用通过该自旋注入的磁性反转的结构的存储装置的情况下，与图8中所示的通用MRAM相比，能够使装置结构简单，因此，其具有可以高密度化的特性。