本发明涉及》兹阻效应元件以及磁随机存取存储器。

以往以来，提出了各种类型的固体磁存储器。近年来，提出了使 用了呈现巨磁阻（GMR: Giant Magneto Resistive )效应的磁P且元件 的磁随机存取存储器（MRAM: Magnetic Random Access Memory )， 特别是4吏用了呈现隧道磁阻（TMR: Tunneling Magneto Resistive ) 效应的强磁性隧道接合的磁随机存取存储器得到了瞩目。
强磁性隧道接合的MTJ ( Magnetic Tunnel Junction, ^兹隧道结） 元件主要由第1强磁性层/绝缘层/第2强磁性层这3层膜构成。于是， 在读出时，使绝缘层产生隧道而流过电流。在该情况下，接合电阻值 根据第1以及第2强磁性层的磁化的相对角的余弦而变化。因此，接 合电阻值在第1以及第2强磁性层的磁化平行时成为极小值，在反平 行时成为极大值。将其称为上述的TMR效应。由于该TMR效应引 起的电阻值的变化有时在室温下超过300 % 。
在将强磁性隧道接合作为存储单元包括的磁存储元件中，将至少 l个强磁性层视为基准层（或者固定层、参照层、管脚（pin)层）， 固定其磁化方向（或者不变），将其他强磁性层视为记录层（或者磁 记录层、自由层、可变层），可以反转其磁化方向（或者可变）。在 该单元中，针对基准层与记录层的磁化的配置平行或反平行，使2进制信息"0"、 "1"相对应，从而存储信息。在写入记录信息时，利用相
对该单元另外设置的写入布线中流过电流而发生的磁场，反转存储层 的磁化。另外，通过对元件直接进行通电，利用从基准层注入的自旋
扭矩（spin torque)反转存储层的磁化。在强磁性隧道接合中流过电 流，并对通过TMR效应引起的电阻变化进行检测，从而进行读出。 通过配置多个这样的存储单元，构成磁存储器。对于实际的结构，构 成为例如与DRAM同样地对各个单元配置开关晶体管，以可以选择 任意的单元，并组入外围电路。
作为利用了上述的自旋扭矩的磁存储元件，公知磁化朝向膜面方 向的面内磁化型的元件。但是，在面内磁化型的磁存储元件中，在采 用使用了硬盘介质中使用的Co-Cr类合金的面内介质的情况下，由 于晶轴在膜面内旋转，所以膜面方向的磁各向异性较大地分散，所以 在大容量存储器中，在元件间的特性中产生偏差，而不是优选的。
另一方面，提出使用了具有垂直磁化的磁记录层的磁存储元件 (例如参照日本特开2002- 261352号公报）。如果使用具有垂直磁 化的材料，则晶轴沿着与膜面垂直的方向，所以即使晶体粒在膜面内 旋转，也不会在与面垂直的方向的磁各向异性中产生偏差。因此，通 过使用垂直磁化型的磁阻效应元件，具有可以实现特性中偏差少的存 储器的优势。
但是，作为使用垂直磁化膜时的问题点，可以举出存在多磁区状 态。 一般，垂直磁化膜由于具有大的磁各向异性，所以磁壁宽度变窄。 另外，磁化朝向相对膜面垂直的方向，所以由磁区的形成引起的静磁 能量的增益较大。通过这些性质，在使用了垂直磁化膜的磁阻效应元 件中，多磁区状态易于作为稳定状态而残留，发生中间值状态等成为 课题。
进而，为了实现大容量存储器，需要对元件进行微细化，并提高 芯片内的单元占有度，但一般存储单元的抗热扰动性是由元件所具有
的磁各向异性和元件体积来决定的，所以如果对元件进行微细化，则 抗热扰动性变小，存在无法得到充分的记录保持特性的问题。如果如上所述存在多磁区状态，则还具有该多磁区状态成为准稳定状态而实 效的抗热扰动性降低等进一步显著化这样的问题。

本发明的第l磁阻效应元件具备：具有相对膜面垂直且不变的磁 化的基准层；具有相对膜面垂直且可变的磁化的记录层；以及设置在 上述基准层以及上述记录层之间的非磁性层，其中，
在将上述记录层的磁性材料的饱和磁化设为Ms，将磁各向异性 常数设为Ku，将交换刚度系数设为A，将上述记录层的膜厚设为t， 将上述磁阻效应元件的元件直径设为D，将真空的导磁率设为n。，将 Na设为反磁场系数时，上述元件直径D满足以下的条件式（i)、 （ii)。
formula see original document page 7本发明的第2磁阻效应元件具备：具有相对膜面垂直且不变的磁 化的基准层；具有相对膜面垂直且可变的磁化的记录层；以及设置在 上述基准层以及上述记录层之间的非磁性层，其中，
在将上述记录层的磁性材料的饱和磁化设为Ms，将磁各向异性 常数设为Ku，将交换刚度系数设为A，将上述记录层的膜厚设为t， 将上述磁阻效应元件的元件直径设为D，将真空的导磁率设为n。，将 Na设为反磁场系数时，上述元件直径D满足以下的条件式（iii)、 (iv)。
formula see original document page 7本发明的第l磁随机存取存储器具备：存储单元阵列，具有多个将本发明的上述第l磁阻效应元件作为存储元件包括的存储单元；以 及电流供给电路，对上述存储单元供给电流。
本发明的第2磁随机存取存储器具备：存储单元阵列，具有多个 将本发明的上述第2磁阻效应元件作为存储元件包括的存储单元；以 及电流供给电路，对上述存储单元供给电流。
附图说明
图1A、 1B是示出磁阻效应元件中的记录层的磁区状态的图。 图2是示出将单磁区临界直径设为80nm所需的磁各向异性能量
Ku与饱和》兹化Ms之间的关系的图。
图3A、 3B是示出二磁区状态的磁化反转过程中的能量的磁化方
向依赖性和单磁区状态的磁化反转过程中的能量的磁化方向依赖性的图。
图4是示出单磁区困难轴状态的能量密度、单磁区容易轴状态的 能量密度、以及二磁区状态的能量密度的元件直径依赖性的图。
图5是示出将单磁区反转临界直径设为65nm所需的磁各向异性 能量Ku与饱和磁化Ms之间的关系的图。
图6是示出将磁性合金用作磁阻效应元件的记录层的结构例子 的剖面图。
图7是示出将磁性合金的层叠结构用作磁阻效应元件的记录层 的结构例子的剖面图。
图8A、 8B是示出将磁性合金的层叠结构用作磁阻效应元件的记
录层而试作的元件的电阻的磁依赖性的图。
图9是示出作为磁阻效应元件的记录层使用人工晶格结构的结 构例子的剖面图。
图10是示出使用了磁阻效应元件的MRAM中的存储单元的结 构的剖面图。
图11是示出使用了磁阻效应元件的MRAM的结构的电路图。具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在说明时，在全 部附图中，对共同部分附加共同的参照标号。
首先，对本发明的实施方式的磁阻效应元件进行说明。本发明的 实施方式的特征在于，使用构成记录层的材料所具有的磁各向异性常
数Ku、饱和磁化Ms、交换刚度系数（exchange stiffness coefficient) A、记录层的膜厚t，导出记录层的单磁区临界直径Ds^乂及单磁区反 转临界直径Ds，据此来决定最佳的元件直径D。此处，在从膜面上方 观察时，包括记录层的磁阻效应元件具有大致圆形形状。元件直径D 是指，从膜面上方观察时的磁阻效应元件的直径、即记录层的直径。 另外，在以后所示的磁阻效应元件中，记录保持状态的磁化基本上是 相对膜面垂直的方向。
(1)单磁区临界直径DsA 首先，对记录层的单磁区临界直径08*进行叙述。此处，单磁区 临界直径Ds4皮定义成在记录保持状态下单磁区状态为唯一的稳定解 的临界直径。
图1A、图1B是示出记录保持状态的磁阻效应元件中的记录层 的磁区状态的图。为了导出单磁区临界直径Ds、取得单磁区状态（参 照图1A)的能量Es和二磁区状态（参照图1B)的能量Ed之差，而 求出Es总是小于Ed的临界直径即可。 一般，磁性体的能量是通过材 料所具有的磁各向异性能量、静磁能量、磁壁能量之和来表示的。首
先，磁各向异性能量是通过KuV来表示的，其中将磁性体的体积设 为V。在单磁区状态和二磁区状态下，各自的全磁化与材料所具有的 一轴性的各向异性轴平行，所以具有同一磁各向异性能量。接下来， 静磁能量是通过反映出磁性体的形状的反磁场系数Na、和饱和磁化 Ms的平方与磁性体的体积V之积来表示的。反磁场系数Na可以通 过将磁性体的圆柱状形状近似成旋转椭圆体来解析地计算出。此时， 近似中使用的旋转椭圆体的长轴方向直径与元件直径D相同，短轴方 向直径通过（3/2) t来表示，其中将磁性体膜厚设为t。短轴方向直径的系数3/2是用于使所近似的旋转椭圆体的体积与圆柱状的磁性体 体积成为相同的校正系数。通过使用以上叙述的旋转椭圃体进行近 似，磁性体的反磁场系数用以下的式（1)来表示。
formula see original document page 10最后，磁壁能量是通过4 (AKu) G'5S来表示的，其中将磁壁的 面积设为S。此处，A为交换刚度系数。在晶轴与磁化方向一致的情 况下，磁各向异性能量KuV成为0。 Es和Ea如下表示。首先，单磁 区状态的能量Es由于不存在磁壁，所以仅通过静磁能量来表示，即如 以下的式（2)所示。
formula see original document page 102) 2^0
此处，Ji。为真空导磁率。
接下来，二磁区状态的能量Ed如以下的式（3)所示。formula see original document page 103) 2 2〃0
在式（3)中，第一项表示静磁能量，第二项表示磁壁能量。V 为元件的体积，S为相对于在反磁场系数的计算中使用的旋转椭圆体 的旋转轴平行且通过中心的剖面的面积。 一般在二磁区状态下，在二 个磁区的体积相同的情况下，静磁能量变得最小，成为稳定状态。式 (3)的第一项相对式（2)成为一半的理由在于，由于形成二个具有 相同体积的磁区，所以反磁场的影响成为一半。
单磁区临界直径Ds头是使能量Es与Ed相等的直径，所以通过连 立并求解式（1)与式（2),单磁区临界直径DsA如式（4)所示。
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"，风…u) 在本发明的第1实施方式中，根据具有垂直磁化的材料的磁各向
异性常数Ku、饱和磁化Ms和交换刚度系数A,利用式（4)导出单 磁区临界直径Ds、对磁阻效应元件进行微细加工，以具有小于DsA 的直径，从而可以形成不发生中间值状态的垂直磁化型的磁阻效应元件。
另外，第2实施方式是使用了具有如下那样的材料参数的磁性材 料的磁阻效应元件：对应于从磁阻效应元件的加工精度等观点决定的 元件直径，将使单磁区临界直径Ds"匕元件直径大的Ku、 Ms和A作 为材料参数。在图2中作为例子，示出将单磁区临界直径Ds^设为 80nm所需的磁各向异性常数Ku以及饱和磁化Ms。此时，交换刚度 系数A设为5xl(T7erg/cm、记录层的膜厚t设为2nm而进行计算。
另外，在图2中， 一起示出作为垂直条件的Ku-2;rMs2。其是 为了保持相对膜面垂直的方向的磁化而所需的条件，磁各向异性常数 Ku相对右边更大即可。从式（4)可知，通过增大磁各向异性常数 Ku、增大交换结合（增大交换刚度系数A)、或者减小饱和磁化Ms, 单磁区临界直径DsA增大。另一方面为了满足垂直条件，相对图2中 的线增大Ku、或者减小Ms即可。
根据这些条件，可以保持垂直方向的磁化、同时可以将单磁区临 界直径DsM呆持在80nm以上的材料参数Ku以及Ms包含在图2的斜 线部的范围内即可。换言之，在使用具有包含在该斜线部中的Ku以 及Ms的材料来制成磁阻效应元件的情况下，通过微细加工成小于 80nm的直径，保证在磁记录状态下单磁区状态成为唯一的稳定解， 不发生中间值状态。
(2)单磁区反转临界直径Ds
接下来，对记录层的单磁区反转临界直径Ds进行叙述。此处， 单磁区反转临界直径Ds被定义成在记录保持状态下单磁区状态为唯 一的稳定解，进而即使在磁化反转过程中也总是保持单磁区状态的临 界直径。图3A示出在磁场反转过程中经由二磁区状态时的系统所具 有的能量相对Z方向磁化Mz的依赖性。Z方向磁化Mz为-1以及 + 1时分别对应于记录信息0以及1。在磁场反转过程中经由二磁区 状态的情况下，当Z方向磁化Mz从-l变化成+ 1时，以一方的磁 区倾斜的状态取得能量最大值，在Z方向磁化Mz为零的情况下具有 能量的极小值。此时，记录层成为二磁区状态而具有能量Ed， 二个磁区具有相互反平行的朝向。
另一方面，图3B示出在磁化反转过程中总是具有单磁区状态时 的系统所具有的能量相对Z方向磁化Mz的依赖性。在该情况下当Z 方向磁化Mz从-l变化成+ 1时，在Z方向磁化Mz为零的情况下能 量取得最大值。此时，记录层的磁化为单磁区状态且朝向困难轴方向 (hard-axis direction)，并具有能量Eh。因此，为了在磁化反转过 程中总是保持单磁区状态，取得在单磁区状态下磁化朝向困难轴时的 能量Eh与多磁区（二磁区）状态的能量Ed之差，求出Eh总是小于 Ed的临界直径即可。其原因为，如果Eh小于形成磁区时的能量的极 小点即Ed，则保证即使在磁化反转中也总是保持单磁区状态。在使用 了的旋转椭圆体模型的情况下，利用记述单磁区状态的能量的Stoner -Worlfarth模型用以下的式（5)来表示Eh。
在式（5)中第一项表示磁化朝向困难轴方向时的磁各向异性能 量，第二项表示磁化朝向困难轴方向时的静磁能量。Ed的记迷与上述 同样而通过以下的式（6)表示。
+ …（6)
单磁区反转临界直径Ds是使能量Eh与Ed相等的直径，所以通 过连立并求解式（5)与式（6)，单磁区反转临界直径Ds如式（7) 所示。
此处，使用图4示出单磁区反转临界直径Ds与单磁区临界直径 Ds头对磁阻效应元件带来的影响。图4示出使用磁各向异性常数101 = 3xl06erg/cc、饱和磁化Ms = 500emu/cc、交换刚度系数A = lxi(T 6erg/cm、记录层的膜厚t - 2nm的材料参数计算出的、单磁区困难轴 状态（磁化与困难轴（hard axis)平行）的能量密度、单磁区容易轴状态（磁化与容易轴（easy axis)平行）的能量密度、以及二磁区状 态的能量密度的元件直径依赖性。
如果减小元件直径，则首先在单磁区临界直径DsA中，单磁区容 易轴状态的能量密度曲线与二磁区状态的能量密度曲线交叉，在小于 单磁区临界直径DsA的元件直径中，单磁区容易轴状态的能量总是低。 其表示在具有小于单磁区临界直径05*的元件直径的磁阻效应元件 中，在记录保持状态下无法将二磁区状态取成稳定状态，而保证不存 在中间值状态。
进而，如果减小元件直径，则单磁区困难轴状态的能量密度曲线 与二磁区状态的能量密度曲线在单磁区反转临界直径Ds处交叉，在 小于Ds的元件直径中单磁区困难轴状态的能量总是比二磁区状态的 能量低。其表示在小于单磁区反转临界直径Ds的元件直径中，即使 在磁化反转途中也总是保持单磁区状态，同时进行磁化反转。
如上所述，根据Stoner - Wohlfarth模型，在引起单磁区状态的 反转的情况下，在磁化朝向困难轴的状态下能量变得最高，提供KuV 的势垒（energy barrier)。该势垒相当于在磁各向异性常数Ku被决 定时理论上预测的最大势垒，而对磁阻效应元件提供充分的抗热扰动 性。因此，在具有小于单磁区反转临界直径Ds的元件直径的磁阻效 应元件中，保证在记录状态下不存在中间值状态，并且保证具有根据 材料预测的最大抗热扰动性。
在本发明的第3实施方式中，根据具有垂直磁化的材料的磁各向 异性常数Ku、饱和磁化Ms和交换刚度系数A，利用式（7)导出单 磁区反转临界直径Ds,进行微细加工，以具有Ds以下的直径。由此， 不发生中间值状态，而可以形成具有充分的抗热扰动性的垂直磁化型 的磁阻效应元件。
另夕卜，第4实施方式是使用了具有如下那样的材料参数的磁性材 料的磁阻效应元件：对应于从磁阻效应元件的加工精度等观点决定的 元件直径，将使单磁区反转临界直径Ds比元件直径大的Ku、 Ms和 A作为材料参数。在图5中作为例子，示出将单磁区反转临界直径Ds设为65nm 所需的磁各向异性常数Ku以及饱和磁化Ms。此时，交换刚度系数A 设为5xl(T7erg/cm、记录层的膜厚t设为2nm而进行计算。另外，在 图5中， 一起示出作为上述的垂直条件的Ku-2ttMs2。从式（7)可 知，通过减小Ku、或者增大交换结合（增大交换刚度系数A)、或 者增大Ms，单磁区反转临界直径Ds增大。另一方面为了满足垂直条 件，相对图5中的垂直条件增大Ku、或者减小Ms即可。根据这些条 件，可以保持垂直方向的磁化、同时可以将单磁区反转临界直径Ds 保持在65nm以上的材料参数Ku以及Ms包含在图5的斜线部的范 围内即可。换言之，在使用具有包含在该斜线部中的Ku以及Ms的 材料来制成磁阻效应元件的情况下，通过微细加工成小于65nm，保 证在磁记录状态下单磁区状态成为唯一的稳定解，不发生中间值状 态，而可以具有充分的抗热扰动性。
(3 )合金磁记录层
图6示出将磁性合金用作磁阻效应元件的记录层的结构例子。磁 阻效应元件10由基准层11、非磁性层12、以及记录层13构成。在 基准层11上形成有非磁性层12,在该非磁性层12上形成有记录层 13。
在该结构中，记录层13由Fe、 Co、 Ni中的1个以上的元素和 Pt、 Pd中的l个以上的元素构成，由沿着膜面垂直方向具有磁化的合 金构成。例如，在使用L10型的规则合金FePd的情况下，磁各向异 性常数Ku为2.0xl06erg/cc，饱和磁化Ms为500emu/cc，交换刚度系 数A为5xl0_7erg/cm左右，记录层的膜厚t为2nm。根据该材料参 数利用式（4)和式（7)计算的单磁区临界直径Ds^乂及单磁区反转 临界直径Ds在记录层13的膜厚为3nm的情况下，分别为83nm以及 42nm。因此，通过将磁阻效应元件10的元件直径i殳为小于83nm， 可以抑制中间值状态。另外，通过将元件直径设为小于"nm,可以 实现材料所具有的最大的抗热扰动性。
对于改变了记录层的膜厚的情况，也可以通过利用式（4)和式(7)计算出单磁区临界直径Ds^乂及单磁区反转临界直径Ds，并将 元件直径设定成各个值以下，而制成理想的磁阻效应元件。在使用 L10型的规则合金FePt的情况下，磁各向异性常数Ku为 8.0xl06erg/cc，饱和磁化Ms为1000emu/cc，交换刚度系数A为5x10 "erg/cm左右。根据该材料参数利用式（4)和式（7)计算的单磁区 临界直径Ds^乂及单磁区反转临界直径Ds在记录层13的膜厚为3nm 的情况下，分别为44.5nm以及18nm。因此，通过将磁阻效应元件 10的元件直径i殳为小于44.5nm，可以抑制中间值状态。另外，通过 将元件直径设为小于18nm，可以实现材料所具有的最大的抗热扰动 性。
(4)合金层叠磁记录层
图7示出将磁性合金的层叠结构用作磁阻效应元件的记录层的 结构例子。磁阻效应元件20由基准层ll、非磁性层12、以及记录层 21构成。在基准层11上形成有非磁性层12，在该非磁性层12上形 成有记录层21。记录层21由形成在非磁性层12上的磁性层21A和 形成在该磁性层21A上的磁性层21B的层叠结构形成。
在该结构中，磁性层21B由包含Fe、 Co、 Ni中的1个以上的元 素和Pt、 Pd中的1个以上的元素，并沿着膜面垂直方向具有磁化的 合金构成。另外，磁性层21A由包含Fe、 Co、 Ni、 B中的一个以上 的元素的合金构成。例如，在将L10型的规则合金FePd或FePt用作 图7中的磁性层21B,并将CoFeB合金或Fe用作磁性层21A的情况 下，磁各向异性常数Ku为1.8xl06erg/cc左右，饱和磁化Ms为 500emu/cc，交换刚度系数A为5xl0_7erg/cm左右。根据该材料参数 利用式（4)和式（7)计算的单磁区临界直径Dsw以及单磁区反转临 界直径Ds在磁性层21A与磁性层21B的膜厚之和为3nm的情况下， 分别为79nm以及46nm。因此，通过将磁阻效应元件20的元件直径 设为小于79nm，可以抑制中间值状态。另外，通过将元件直径设为 小于46nm，可以实现材料所具有的最大抗热扰动性。
图8A、图8B示出试作出将FePt合金用作磁性层21B，并将Fe用作磁性层21A的磁阻效应元件时的电阻的磁场依赖性。图8A示出 元件直径60nm的情况，图8B示出元件直径95nm的情况。首先，在 元件直径为60nm的情况下，通过从高电阻状态（反平行磁化状态） 开始沿着负的方向施加磁场而变化成低电阻状态（平行磁化状态）。 之后，通过沿着正的方向施加磁场，再次变化成高电阻状态。各自的 电阻变化极其剧烈，表示在元件直径为60nm的情况下仅在平行状态 和反平行状态这二种状态下存在稳定状态。
另一方面，在元件直径为95nm的情况下，如图8B所示，在从 高电阻状态开始沿着负的方向施加磁场而成为低电阻状态时，呈现阶 梯状的电阻变化。图8B的虛线示出在沿着负的方向施加磁场而呈现 阶梯的磁场下、暂且中止磁场施加、并再次沿着正方向施加磁场时的 电阻的磁场依赖性。此时，在电阻恰好为高电阻状态（反平行磁化状 态）与低电阻状态（平行磁化状态）的大致中间值时存在稳定的区域。 其表示在元件直径为95nm的情况下，二磁区状态作为稳定状态而存 在。此处证实了如上所述，本系统中的单磁区临界直径DsA为79nm， 所以在元件直径为60nm的情况下，由于是Ds"乂下，所以仅单磁区 状态为稳定状态，在元件直径为95nm的情况下，由于是DsA以上， 所以二磁区状态作为稳定状态而存在。
对于分别改变了磁性层21A和磁性层21B的膜厚的情况，也可 以通过利用式（4)和式（7)计算出单磁区临界直径Ds^乂及单磁区 反转临界直径Ds，并将元件直径设定成各个值以下，而制成理想的磁 阻效应元件。
(5)人工晶格磁记录层
图9示出作为磁阻效应元件的记录层使用人工晶格结构的结构 例子。磁阻效应元件30由基准层11、非磁性层12、以及记录层31 构成。在基准层11上形成有非磁性层12，在该非磁性层12上形成有 记录层31。记录层31由形成在非磁性层12上的合金层31A和形成 在该合金层31A上的合金层31B的层叠结构形成。
在该结构中记录层31由包含Fe、 Co、 Ni中的l个以上的元素的合金层（磁性材料层）31A、与包含Pt、 Pd、 Ir、 Rh、 Ru、 Os、 Re、 Au、 Cu中的l个以上的元素的合金层（非磁性材料层）31B至 少交替层叠一次的结构构成，具有膜面垂直方向的磁化。此时，通过 调整合金层31A与合金层31B的膜厚比，可以调整磁能量密度、饱和 磁化，但一般的磁各向异性常数Ku为1.8xl0、rg/cc左右，饱和磁化 Ms为400emu/cc，交换刚度系数A为5xl(T7erg/cm左右。根据该材 料参数利用式（4)和式（7)计算的单磁区临界直径DsA为118nm， 单磁区反转临界直径Ds为38nm。因此，通过将磁阻效应元件30的 元件直径设为118nm以下，可以抑制中间值状态。另外，从抗热扰动 性的观点来看，优选设为小于38nm。即，通过将元件直径设为小于 38nm,可以实现材料所具有的最大的抗热扰动性。另外，作为合金层 31A,进而还可以包含B,例如可以4吏用包含Co、 Fe和B的合金等。 (6 )磁随机存取存储器
对使用了本发明的实施方式的磁阻效应元件的磁随机存取存储 器(MRAM: magnetoresistive random access memory)进行说明。 此处，对使用了实施方式的磁阻效应元件10 (或者20、 30)的自旋 注入写入型的MRAM进行叙述。
图10是示出本发明的实施方式的MRAM中的存储单元的结构 的剖面图。存储单元具有磁阻效应元件（MTJ元件）10和选择晶体 管40。如图10所示，在p型半导体衬底41的表面区域，设置有元件 分离绝缘层42,未设置该元件分离绝缘层42的半导体衬底41的表面 区域成为形成元件的元件区域（active area)。元件分离绝缘层42例 如由STI (Shallow Trench Isolation,浅槽隔离)构成。作为STI， 例如使用氧化硅。
在半导体衬底41的元件区域，形成有所隔离的源区域43S以及 漏区域43D。该源区域43S以及漏区域43D分别由在半导体衬底41 内导入高浓度的N +型杂质而形成的N +型扩散区域构成。在源区域 43S与漏区域43D之间的半导体衬底41上，形成有栅绝缘膜44。在 该栅绝缘膜44上，形成有栅电极45。该栅电极45作为字线WL发挥功能。这样，在半导体衬底41上，设置有选择晶体管40。
在源区域43S上，隔着触头（contact) 46形成有布线层47。布 线层47作为位线/BL发挥功能。在漏区域43D上，隔着触头48形成 有引出线49。
在引出线49上，设置有夹在下部电极50以及上部电极51之间 的MTJ元件IO。在上部电极51上，形成有布线层52。布线层52作 为位线BL发挥功能。另外，在半导体衬底41与布线层52之间，充 满例如由氧化硅构成的层间绝缘膜53 。
接下来，对本发明的实施方式的MRAM的电路结构及其动作进 行说明。
图11是示出本发明的实施方式的MRAM的结构的电路图。 MRAM具备存储单元阵列60，该存储单元阵列60具有矩阵状地排列 的多个存储单元MC。在存储单元阵列60中，分别沿着列（column) 方向配设有多个位线对BL、 /BL。另外，在存储单元阵列60中，分 别沿着行（row)方向配设有多个字线WL。
在位线BL与字线WL之间的交叉部分，配置有存储单元MC。 各存储单元MC具备MTJ元件10以及例如由n沟道MOS晶体管构 成的选择晶体管40。 MTJ元件10的一端与位线BL连接。MTJ元件 10的另一端与选择晶体管40的漏极连接。选择晶体管40的栅极与字 线WL连接。进而，选择晶体管40的源极与位线/BL连接。
在字线WL上，连接有行解码器61。在位线对BL、 /BL上，连 接有作为电流供给电路的写入电路62以及读出电路63。在写入电路 62以及读出电路63上，连接有列解码器64。利用行解码器61以及 列解码器64来选择各存储单元MC。
如下所述向存储单元MC写入数据。首先，为了选择进行数据 写入的存储单元MC，与该存储单元MC连接的字线WL被激活。由 此，选择晶体管40导通。
此处，向MTJ元件10，根据写入数据，供给双向的写入电流Iw。 具体而言，在对MTJ元件10从位线BL向位线/BL供给写入电流Iw的情况下，写入电路62对位线BL施加正的电压，对位线/BL施加接 地电压。另外，在对MTJ元件10从位线/BL向位线BL供给写入电 流Iw的情况下，写入电路62对位线/BL施加正的电压，对位线BL 施加接地电压。这样，可以向存储单元MC写入数据"0"或数据"1"。
接下来，如下所述从存储单元MC读出数据。首先，所选择的 存储单元MC的选择晶体管40导通。读出电路63对MTJ元件10例 如从位线/BL向位线BL供给读出电流Ir。然后，读出电路63根据该 读出电流Ir,对MTJ元件10的电阻值进行检测。这样，可以根据所 检测出的MTJ元件10的电阻值读出存储在MTJ元件10中的数据。 另外，对使用了磁阻效应元件10的情况进行了说明，但使用了磁阻 效应元件20或30时的结构以及动作也相同。
另外，在上述的各实施方式中，示出了在磁阻效应元件中，基准 层配置在下方，记录层配置在上方的情况，但也可以将基准层配置在 上方，将记录层配置在下方。即，也可以构成为将基准层与记录层上 下反转。
如上所述根据本发明的实施方式，可以提供抗热扰动性提高，并 且可以抑制发生中间值状态的磁阻效应元件、以及使用了该磁阻效应 元件的磁随机存取存储器。另外，可以提供即使对存储单元进行了微 细化也可以保持位信息的高的抗热扰动性且并实现大容量化的磁阻 效应元件、以及使用了该磁阻效应元件的磁随机存取存储器。
另外，上述的各实施方式不仅可以分别单独实施，而且还可以适 当组合来实施。进而，在上述的各实施方式中包含有各个阶段的发明， 通过适当组合在各实施方式中公开的多个结构要素，还可以提取各个 阶段的发明。
本领域的普通技术人员可以很容易地想到其他的优点和修改。因 此，在更宽的范围内，本发明并不限定于在此示出和说明的具体细节 和典型的实施例。因此，在不脱离所附权利要求书和其等同物所限定 的一般发明的概念的精神和范围的情况下，可以做各种变型。