[發明專利]存儲元件和存儲器件

有效

• 申請號: 201110253669.8
• 申請日: 2011-08-30
• 公開（公告）號: CN102403038A
• 公開（公告）日: 2012-04-04
• 發明（設計）人: 山根一陽;細見政功;大森廣之;別所和宏;肥后豐;內田裕行;淺山徹哉
• 申請（專利權）人: 索尼公司
• 主分類號: G11C16/06
• 分類號: G11C16/06;H01L43/08;H01L43/10
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;吳孟秋

技術領域

本發明涉及一種存儲元件以及具有該存儲元件的存儲器件，其中，該存儲元件包括存儲鐵磁層的磁化狀態作為信息的存儲層以及磁化方向固定且通過使電流流動來改變存儲層的磁化方向的磁化固定層。

背景技術

在諸如電腦的信息設備中，高速運行的高密度DRAM已被廣泛用作隨機存取存儲器。

然而，DRAM是當斷開電源時信息被檫除的易失性存儲器，從而期望信息不被檫除的非易失性存儲器。

此外，作為非易失性存儲器的候選，通過磁性材料的磁化來記錄信息的磁性的隨機存取存儲器(MRAM)已引起關注并因此而被開發。

MRAM使電流分別流向基本上相互垂直的兩種地址配線(字線和位線)，利用每種地址配線產生的電流磁場使位于磁性存儲元件的地址配線的交叉點的磁性存儲元件的磁性層的磁化反向，從而執行信息的記錄。

圖10示出了常見MRAM的示意圖(透視圖)。

構成選擇每個存儲單元的選擇晶體管的漏區108、源區107以及柵極101分別形成在由半導體襯底110(諸如硅襯底)的元件分離層102分離的部分。

此外，沿附圖中的前后方向延伸的字線105設置在柵極101的上側。

漏區108通常形成了附圖中的左右選擇晶體管，配線109連接至漏區108。

此外，磁性存儲元件103設置在字線105和相對于字線105設置在上側并沿附圖中的左右方向延伸的位線106之間，每個磁性存儲元件具有磁化方向反轉的存儲層。例如，通過磁性隧道結元件(MTJ元件)配置這些磁性存儲元件103。

此外，磁性存儲元件103通過水平旁通管線111和垂直接觸層104電連接至源區107。

當使電流流向字線105和位線106時，電流磁場施加至磁性存儲元件103，從而使磁性存儲元件103的存儲層的磁化方向反向，因此可執行信息的記錄。

此外，針對諸如MRAM的磁性元件，記錄信息的磁性層(存儲層)必須具有恒定的抗磁力，以便穩定保持記錄信息。

另一方面，需要使一定數量的電流流向地址配線以便重寫記錄信息。

然而，隨著構成MRAM的元件的微型化，地址配線變得越來越細，從而難以使足夠的電流流動。

因此，作為能夠利用相對較小的電流來實現磁化反向的配置，具有利用自旋注入磁化反向的配置的存儲器已引起關注(例如，參照日本未審查專利申請公開2003-17782和2008-227388，美國專利第6,256,223號的說明書，《物理評論(Phys.Rev.)B》，54.9353(1996)以及《磁學與磁性材料雜志(J.Magn.Mat.)》159，L1(1996))。

使用自旋注入的磁化反向指將自旋極化電子在通過磁性材料之后注入其他磁性材料，從而在其他磁性材料中引起磁性反向。

例如，在使電流沿垂直于膜面的方向流向巨磁阻效應元件(GMR元件)或磁性隧道結元件(MTJ元件)時，可以使該元件的磁性層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優點在于即使元件變得很微小，可實現磁化反向而不增加電流。

圖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儲器件的示意圖。圖11示出透視圖，圖12示出截面圖。

構成選擇每個存儲單元的選擇晶體管的漏區58、源區57以及柵極51分別形成在由半導體襯底60(諸如硅襯底)的元件分離層52分離的部分。其中，柵極51同時也具有沿圖11中的前后方向延伸的字線的功能。

漏區58通常形成圖11中的左右選擇晶體管，配線59連接至漏區58。

具有通過自旋注入使磁化方向反向的存儲層的磁性存儲元件53設置在源區57和設置在源區57上側并沿圖11中的左右方向延伸的位線56之間。

例如，通過磁性隧道結元件(MTJ元件)配置該磁性存儲元件53。磁性存儲元件53具有兩層磁性層61和62。在這兩層磁性層61和62中，一側磁性層設置為磁化方向固定的磁化固定層，另一側磁性層設置為磁化方向改變的磁化自由層，即存儲層。

此外，磁性存儲元件53分別通過上和下接觸層54連接至每條位線56和源區57。以這種方式，在使電流流向存儲元件53時，通過自旋注入使存儲層的磁化方向反向。

在具有利用該自旋注入磁化反向的配置的存儲器件的情況中，可使該器件的結構與圖10中所示的通用MRAM相比更簡單，因此其特性在于高致密化變為可能。