[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被固定的磁化固定层，并且通过通电流来改变存储层的磁化方向。本发明还涉及一种具有该存储元件的存储装置。

背景技术

在诸如计算机等的信息装置中，高速运行的高密度DRAM已被广泛地用作随机存储器。

然而，DRAM是一种易失性存储器，掉电时，其中的信息被擦除，因此，期望一种信息不会被擦除的非易失性存储器。

此外，通过磁性材料的磁化来记录信息的磁性随机存储器(MRAM)作为一种备选的非易失性存储器引起了人们的关注，并因此得到了发展。

MRAM使得电流分别流过两种基本上互相垂直的地址配线(字线和位线)，并且通过利用由每条地址配线产生的电流磁场，将存储装置的位于地址配线的交叉部处的磁性存储元件的磁性层的磁化方向反转，从而进行信息记录。

图6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和栅电极101分别形成于诸如硅基体的半导体基体110上的元件分离层102所分离的部分中。

另外，沿着图中前后方向延伸的字线105设置在栅电极101的上侧。

漏区108被形成为图中左、右选择晶体管所共用，且配线109连接到漏区108。

此外，磁性存储元件103设置在字线105和位线106之间，位线106设置在字线105上侧，且在左右方向上延伸，每个磁性存储元件103都具有磁化方向反转的存储层。例如，这些磁性存储元件103由磁性隧道结元件(MTJ元件)构造而成。

另外，磁性存储元件103通过水平旁路线111和垂直接触层104电连接到源区107。

当使电流流过字线105和位线106时，电流磁场被施加到磁性存储元件103上，从而磁性存储元件103的存储层的磁化方向被反转，因此可以进行信息记录。

此外，对于诸如MRAM的磁存储器，为了稳定的保持所记录的信息，记录信息的磁性层(存储层)需要具有恒定的矫顽力。

另一方面，为了改写所记录的信息，需要使一定量的电流流过地址配线。

然而，随着组成MRAM的元件的尺寸小型化，地址配线变得很细，难以流过足够的电流。

因此，作为一种在相对小的电流下能够实现磁化方向反转的构造，具有采用自旋注入而磁化反转的构造的存储器已引起关注(例如，参考日本未审查专利申请公开第2003-17782号和第2008-227388号；以及美国专利第6256223号的说明书；Phys.Rev.B，54，9353(1996)；以及J.Magn.Mat.，159，L1(1996))。

自旋注入磁化反转意味着穿过磁性材料的自旋极化电子被注入到其他磁性材料中，从而在其他磁性材料中引起磁化反转。

例如，当使电流沿着垂直于膜表面的方向流到巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)时，该元件的至少部分磁性层的磁化方向可被反转。

此外，自旋注入磁化反转的优点在于，即使当元件变得很微小时，也可在不增加电流的情况下实现磁化反转。

具有采用上述自旋注入磁化反转构造的存储装置的示意图如图7和图8所示。图7示出了透视图，图8示出了横截面图。

在诸如硅基体的半导体基体60上、由元件分离层52分离的部分中，分别形成组成选择晶体管的漏区58、源区57和栅电极51，选择晶体管用于选择每个存储单元。其中，栅电极51也作为沿着图7中前后方向延伸的字线。

漏区58被形成为图7中的左、右选择晶体管共用，并且配线59连接到漏区58。

具有磁化方向通过自旋注入被反转的存储层的存储元件53被设置在源区57和位线56之间，位线56设置在源区57的上侧，且沿着图7中的左右方向延伸。

该存储元件53例如由磁隧道结元件(MTJ)构造而成。该存储元件53具有两个磁性层61和62，在这两个磁性层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可变的磁化自由层，即存储层。

另外，存储元件53通过上、下接触层54分别连接到每条位线56和源区57。以这种方式，当使电流流到存储元件53时，可通过自旋注入来反转存储层的磁化方向。

在存储装置具有采用自旋注入磁化反转的构造的情况下，可使得装置的结构与图6中所示通常的MRAM相比更为简单，从而其具有使高密度化成为可能的特性。