具体实施方式

本实施方式的磁性存储器具备：第1配线；第2配线；第1开关元件，设置在所述第1配线与所述第2配线之间；第1磁性部件，设置在所述第1开关元件与所述第2配线之间且沿着第1方向延伸；第3配线，设置在所述第1磁性部件与所述第2配线之间；第1磁阻元件，设置在所述第3配线与所述第2配线之间；以及第2开关元件，设置在所述第1磁阻元件与所述第2配线之间。

(第1实施方式)

图1表示第1实施方式的磁性存储器。第1实施方式的磁性存储器具备阵列状地配置的多个(在图1中为4个)存储器单元10₁₁、10₁₂、10₂₁、10₂₂、位线(第1配线)BL₁、BL₂、数据线(第2配线)DL₁、DL₂、源极线(第3配线)SL₁、SL₂、以及控制电路101、102、103。存储器单元10_ij(i，j＝1，2)分别具有第1至第3端子，第1端子11a_ij电连接于数据线DL_i，第2端子11b_ij电连接于位线BL_i，第3端子11c_ij电连接于源极线SL_j。另外，数据线DL₁、DL₂电连接于控制电路101，源极线SL₁、SL₂电连接于控制电路102，位线BL₁、BL₂电连接于控制电路103。此外，在图1中，利用3个控制电路来控制数据线、源极线、位线，但也可以利用1个控制电路来控制。

另外，在本说明书中，所谓“A电连接于B”，是指A与B既可以直接连接，也可以经由导电体而间接地连接。此外，在图1中，磁性存储器具备4个存储器单元，但在将m、n分别设为自然数的情况下也可以具备m×n的阵列状地配置的存储器单元。在该情况下，磁性存储器具备m个数据线DL₁～DL_m、m个位线BL₁～BL_m、及n个源极线SL₁～SL_n。

各存储器单元10_ij(i，j＝1，2)具备磁性部件12_ij、磁阻元件14_ij、具有2端子的开关元件16_ij、及具有2端子的开关元件18_ij。

磁性部件12_ij(i，j＝1，2)由沿着z方向(在图1中为上下方向)延伸的垂直磁性材料构成。磁性部件12_ij(i，j＝1，2)为一端经由第3端子11c_ij而电连接于源极线SL_j，另一端经由开关元件18_ij的一端子而电连接于位线BL_i。此外，优选为，磁性部件12_ij(i，j＝1，2)的一端以经由第3端子11c_ij而与源极线SL_j相接的方式配置。数据线DL₁、DL₂及位线BL₁、BL₂分别沿着x方向(在图1中为左右方向)延伸，源极线SL₁、SL₂沿着分别与z方向及x方向正交的y方向延伸。

磁阻元件14_ij(i，j＝1，2)是将写入至磁性部件12_ij的信息(磁化方向)读出的元件，例如使用MTJ(Magnetic Tunnel Junction)元件。以下，将磁阻元件14_ij(i，j＝1，2)设为MTJ元件进行说明。MTJ元件14_ij(i，j＝1，2)为第1端子电连接于源极线SL_j，第2端子电连接于开关元件16_ij的一端子。

开关元件16_ij(i，j＝1，2)的另一端子经由第1端子11a_ij而电连接于数据线DL_i，开关元件18_ij(i，j＝1，2)的另一端子经由第2端子11b_ij而电连接于位线BL_i。

接下来，参照图2对存储器单元10_ij(i，j＝1，2)的详细构造进行说明。图2是沿着数据线DL₁切断的磁性存储器的剖视图。

磁性部件12_ij(i，j＝1，2)具有沿着z方向延伸的例如筒状的形状，且具备第1端部12a_ij及第2端部12b_ij。磁性部件12_ij(i，j＝1，2)以x-y平面切断的截面例如具有圆环形状，但并不限定于该形状。另外，所述截面的外周形状也可以为圆、椭圆、或多边形。

磁性部件12_ij(i，j＝1，2)例如由包含钴、镍等的多层膜构成。作为磁性部件12_ij(i，j＝1，2)的材料，除了钴、镍以外，还可以使用包含从铁、钴、铂、钯、镁、及稀土类元素选择的元素的合金。

磁性部件12_ij(i，j＝1，2)具备沿着z方向排列的多个区域12c_ij，这些区域12c_ij由排列在磁性部件12_ij的外表面的窄缩部12d_ij分离。另外，这些区域12c_ij(i，j＝1，2)具有至少1个磁区。各磁性部件12_ij(i，j＝1，2)当对第1端部12a_ij与第2端部12b_ij之间供给驱动电流(移位电流)时，磁性部件12_ij的磁壁沿着z方向移动，在不供给驱动电流的状态中磁壁停止在窄缩部12d_ij。磁性部件12_ij(i，j＝1，2)的第1端部12a_ij电连接于源极线SL_ij，优选为与源极线SL_ij相接。

MTJ元件14_ij(i，j＝1，2)具备磁化方向可变的自由层14a_ij、磁化方向固定的固定层14b_ij、及设置在自由层14a_ij与固定层14b_ij之间的非磁性绝缘层(隧道势垒层)14c_ij。该MTJ元件14_ij(i，j＝1，2)的自由层14a_ij电连接于磁性部件12_ij的第1端部12a_ij，固定层14b_ij电连接于开关元件16_ij的一端子。此外，优选为，MTJ元件14_ij(i，j＝1，2)的自由层14a_ij以与源极线SL_j相接的方式配置。也就是说，优选为，MTJ元件14_ij(i，j＝1，2)的自由层14a_ij以与源极线SL_j的一面(在图2中为下表面)相接的方式配置。开关元件16_ij(i，j＝1，2)的另一端子电连接于数据线DL_i。另外，可以代替MTJ元件而使用将MTJ元件的非磁性绝缘层置换为非磁性金属层的磁阻元件。

另外，磁性部件12_ij(i，j＝1，2)的第2端部12b_ij经由以与第2端部12b_ij的内表面相接的方式配置的非磁性的导电体17_ij而电连接于磁性部件19_ij的一端。也就是说，磁性部件19_ij(i，j＝1，2)的一端以进入至磁性部件12_ij的第2端部12b_ij的内侧的方式配置。磁性部件19_ij的另一端电连接于开关元件18_ij的一端子。磁性部件19_ij(i，j＝1，2)例如由软磁性材料构成。

开关元件18_ij(i，j＝1，2)的另一端子电连接于位线BL_i。在磁性部件19₁₁的x轴方向的一侧部(在图2中为左侧)配置场线(以下，也称为FL(Field Line))20₁，在另一侧部(右侧)配置场线20₂。另外，在磁性部件19₁₂的x轴方向的一侧部(在图2中为左侧)配置场线20₂，在另一侧部(右侧)配置场线20₃。也就是说，场线20₂配置在磁性部件19₁₁与磁性部件19₁₂之间。场线20₁、20₂、20₃分别沿着y方向延伸。

磁性部件19₁₁、19₁₂像在下述写入方法中所说明的一样，利用在场线流通写入电流时产生的磁场写入信息(磁化方向)，对所对应的磁性部件12_ij(i＝1，j＝1，2)的第1端部12a_ij与第2端部12b_ij之间供给驱动电流(移位电流)，由此，将写入的信息移动至磁性部件12_ij的第1端部12a_ij。此时，通过利用MTJ元件14_ij的自由层14a_ij侦测来自第1端部12a_ij(i＝1，j＝1，2)的漏磁场来进行信息的读出。

开关元件16_ij(i，j＝1，2)及开关元件18_ij(i，j＝1，2)例如也可以为2端子开关元件。在施加至2端子间的电压为阈值以下的情况下，开关元件16_ij、18_ij(i，j＝1，2)为“高电阻”状态，例如电非导通。在施加至2端子间的电压超过阈值的情况下，开关元件16_ij，18_ij(i，j＝1，2)为“低电阻”状态，例如变为电导通状态。开关元件16_ij，18_ij(i，j＝1，2)在接通状态中，在保持电流值以上的电流持续流通的情况下维持接通状态。开关元件16_ij，18_ij(i，j＝1，2)无论电压为哪种极性均具有该功能。该开关元件16_ij，18_ij(i，j＝1，2)包含选自由Te、Se及S所组成的群的至少1种以上的硫属元素。或者，也可以含有作为包含所述硫属元素的化合物的硫属化物。该开关元件除此以外，还可以包含选自由B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、As、P、Sb所组成的群的至少1种以上的元素。

(动作)

接下来，参照图2至图6对第1实施方式的磁性存储器的动作进行说明。

(写入动作)

首先，对写入动作进行说明。取对存储器单元10₁₁进行数据写入的情况为例进行说明。在场线20₁与20₂流通相互反向的电流，利用这些电流产生磁场，控制磁性部件19₁₁的磁化。进而，利用磁性部件19₁₁的磁化，经由导电体17₁₁而控制最接近磁性部件12₁₁的端部12b₁₁的区域12c₁₁的磁化，进行信息(磁化方向)的写入。此外，在场线20₁～20₃流通电流的控制既可以利用图1所示的控制电路101、102、103的任一者来进行，也可以利用未图示的其它控制电路来进行。

接下来，使用控制电路102、103，使开关元件18₁₁为接通状态，在位线BL₁与源极线SL₁之间流通移位电流，使写入至区域12c₁₁的信息依次向磁性部件12₁₁的端部12a₁₁侧移动。

此外，在移位动作时，将对源极线SL₁施加接地电压Vss的情况下的电压条件示于图3，将对源极线SL₁施加负电压Vnn的情况下的电压条件示于图4。此外，图3及图4表示磁壁向电流流通的方向移动的情况。在图3所示的情况下，利用控制电路103对位线BL₁施加移位电压Vshift，利用控制电路102对源极线SL₁施加接地电压Vss。此时，对未连接存储器单元10₁₁的配线，例如位线BL₂、源极线SL₂、数据线DL₁、DL₂施加移位电压Vshift与接地电压Vss之间的中间电压Vmid。另外，在图4所示的情况下，利用控制电路103对位线BL₁施加移位电压Vshift，利用控制电路102对源极线SL₁施加负电压Vnn，对未连接存储器单元10₁₁的配线，例如位线BL₂、源极线SL₂、数据线DL₁、DL₂利用控制电路101、102、103施加接地电压Vss。在任一情况下，移位电流均从位线BL₁经由开关元件18₁₁、磁性部件19₁₁、导电体17₁₁、磁性部件12₁₁流通于源极线SL₁，不在磁性部件12₁₂、磁性部件12₂₁、磁性部件12₂₂、开关元件18₁₂、18₂₁、18₂₂流通。另外，也不在MTJ元件14₁₁、14₁₂、14₂₁、14₂₂、开关元件16₁₁、16₁₂、16₂₁、16₂₂流通。

(读出动作)

接下来，取从存储器单元10₁₁读出数据的情况为例对读出动作进行说明。首先，利用控制电路101与控制电路102使开关元件16₁₁为接通状态。将利用控制电路101对源极线SL₁施加接地电压Vss的情况下的电压条件示于图5，将对源极线SL₁施加负电压Vnn的情况下的电压条件示于图6。在图5所示的情况下，利用控制电路101对数据线DL₁施加读出电压Vread，利用控制电路102对源极线SL₁施加接地电压Vss。此时，对未连接MTJ元件14₁₁的配线，例如位线BL₁、BL₂、源极线SL₂、数据线DL₂利用控制电路101、102、103施加读出电压Vread与接地电压Vss之间的中间电压Vmid。另外，在图6所示的情况下，利用控制电路101对数据线DL₁施加读出电压Vread，利用控制电路102对源极线SL₁施加负电压Vnn，对未连接存储器单元10₁₁的配线，例如位线BL₁、BL₂、源极线SL₂、数据线DL₂利用控制电路101、102、103施加接地电压Vss。在任一情况下，读出电流均从数据线DL₁经由开关元件16₁₁、MTJ元件14₁₁流通于源极线SL₁，不于MTJ元件14₁₂、14₂₁、14₂₂、开关元件16₁₂、16₂₁、16₂₂流通。另外，也不于磁性部件12₁₁、12₁₂、12₂₁、12₂₂、开关元件18₁₁、18₁₂、18₂₁、18₂₂流通。此外，MTJ元件14₁₁的自由层响应于来自最接近MTJ元件14₁₁的磁性部件12₁₁的区域12c₁₁的漏磁场，具有与该漏磁场对应的磁化方向。因此，所读出的信息对应于储存在最接近MTJ元件14₁₁的磁性部件12₁₁的区域12c₁₁的信息。

此外，在本实施方式中，对磁壁向电流流通的方向移动的情况进行了说明，但也可以为磁壁向与电流流通的方向相反方向移动的情况。磁壁的移动方向能够通过磁性部件的材料、积层在磁性部件的导电部件的材料或位置、制造条件来控制。当在磁性部件积层导电部件的情况下，作为导电部件的材料，例如可使用Pt、W、Ta等，但并不限定于这些。能够利用基于导电部件的材料的SOT(Spin Orbit Torque，自旋轨道矩)效果来控制磁壁的移动。

像以上所说明的一样，在本实施方式的磁性存储器中，由于磁壁移动的移位电流的路径与读出的电流路径分离，所以能够避免由读出电流所致的误移位，也就是说能够避免读出干扰。由此，能够扩大基于电流不均分布的动作范围。关于该动作范围的扩展参照以下的比较例进行说明。

(比较例)

接下来，将表示比较例的磁性存储器的构成的示意图示于图7A，将该比较例的磁性存储器的电流分布示于图7B。该比较例的磁性存储器如图7A所示，具备在2个端子11a、11b之间设置着磁性部件12、MTJ元件14、及开关元件16的存储器单元10。MTJ元件14具有以下构成：配置在磁性部件12与开关元件16之间，在开关元件16电连接着端子11a，在磁性部件12电连接着端子11b。

在该比较例的磁性存储器中，读出动作及磁壁的移位动作通过在端子11a与端子11b之间流通读出电流Iread及移位电流Ishift来进行。

这样构成的磁性存储器具有图7B所示的电流分布。设定为开关元件16的保持电流Ihold，也就是说开关元件16维持接通状态的电流小于磁性存储器的读出电流Iread，用来使磁性部件12的磁壁移位的阈值电流Ic大于读出电流Iread，使磁壁移位的移位电流Ishift大于阈值电流Ic，小于MTJ元件14的隧道势垒破坏的电流Ibd。也就是说，在比较例的磁性存储器中，需要在开关元件16的保持电流Ihold与MTJ元件的破坏电流Ibd之间配置读出电流Iread及移位电流Ishift的电流分布。

相对于此，本实施方式的磁性存储器具有图8A所示的具备3端子的构成。也就是说，具备在端子11a与端子11b之间设置着开关元件16、MTJ元件14、磁性部件12、及开关元件18，进而在MTJ元件14与磁性部件12之间设置着端子11c的存储器单元10。在该图8A所示的磁性存储器中，读出动作通过在端子11a与端子11c之间流通读出电流Iread来进行，移位动作通过在端子11b与端子11c之间流通移位电流Ishift来进行。

图8A所示的磁性存储器由于移位电流的路径与读出电流的路径分离，所以移位电流Ishift只要具有图8B所示的电流分布即可，读出电流Iread只要具有图8C所示的电流分布即可。也就是说，移位电流Ishift只要大于开关元件18的保持电流Ihold及移位阈值电流Ic即可，读出电流Iread只要大于开关元件16的保持电流Ihold且小于MTJ元件14的破坏电流Ibd即可。因此，本实施方式的磁性存储器与比较例的磁性存储器相比，能够扩大动作范围。

像以上所说明的一样，根据本实施方式，由于移位电流的路径与读出电流的路径分离，所以能够扩大动作范围。另外，能够抑制产生由读出电流所致的误移位(readdisturb)。由于移位电流不流通于MTJ元件，所以能够消除MTJ元件的电阻变化(MR)对移位电流的脉冲形状的影响。另外，由于移位电流不在MTJ元件中流通，所以MTJ元件的电压应力消失，能够提高耐久性。由于MTJ元件与磁性部件不直接连接，所以能够使MTJ元件的实效的MR变大。由于能够扩大动作范围，所以能够使读出电流变大，从而容易维持开关元件的接通状态。

(第2实施方式)

接下来，对第2实施方式进行说明。该第2实施方式为第1实施方式的磁性存储器的制造方法，将其制造工序示于图9至图17。

首先，在硅基板200上形成包括例如氧化铝的金属层300，或在硅基板200贴合包括铝的基板300(图9)。继而，对金属层300施加阳极氧化处理。该阳极氧化处理通过将所述金属层300或硅基板200设为阳极，在电解质溶液(例如，硫酸、草酸、磷酸的任一者或这些的混合物)中通电来进行。此时，金属层(铝)被氧化而成为金属离子从而溶解。该金属离子与液体中的氧键结而成为金属氧化物(氧化铝)，残留在金属层300的表面而生长。此时，通过溶解与生长同时进行，在金属层300的铝表面制作由氧化铝包围的微细的孔302。在该孔302的制作时，周期性地施加与孔制作中所施加的第1电压不同的第2电压。在施加该第2电压的期间，形成图2所示的x方向、y方向上的尺寸(直径)较小的部分302a。此外，形成着孔302的区域附近从铝变化为氧化铝300A(图10)。

继而，如图11所示，以覆盖孔302的内表面的方式形成磁性层304。该磁性层304成为图2所示的磁性部件12₁₁、12₁₂。然后，如图12所示，以残留孔302的上部而埋入于孔302的方式形成非磁性的绝缘膜(例如氧化硅膜)306。

接下来，如图13所示，以覆盖孔302的侧面的方式形成非磁性的导电体层308。该导电体层308成为图2所示的导电体层17₁₁、17₁₂。继而，以埋入于孔302并且覆盖氧化铝300A的上表面的方式形成非磁性的绝缘膜(例如氧化硅膜)310。使用光刻技术在绝缘膜310形成使绝缘膜306的上表面及导电体层308的内侧面露出的开口，利用磁性部件(例如软磁性部件)319埋入于该开口。该磁性部件319成为图2所示的磁性部件19₁₁、19₁₂的一部分。然后，在绝缘膜310上，形成配线320₁、320₂、302₃。这些配线320₁、320₂、302₃分别成为图2所示的场线20₁、20₂、20₃(图14)。

接下来，以覆盖配线320₁、320₂、302₃的方式形成非磁性的绝缘膜(例如氧化硅膜)322(图15)。使用光刻技术在绝缘膜322形成使磁性部件319的上表面露出的开口，利用磁性部件(例如软磁性部件)324埋入于该开口。磁性部件324成为图2所示的磁性部件19₁₁、19₁₂的剩余的一部分。继而，以覆盖磁性部件324的方式在绝缘膜322上形成非磁性的绝缘膜(例如氧化硅膜)332。使用光刻技术在绝缘膜332形成使磁性部件324的上表面露出的开口。以埋入于该开口的方式形成开关元件330₁、330₂。这些开关元件330₁、330₂成为图2所示的开关元件18₁₁、18₁₂。然后，在绝缘膜332上形成电连接于开关元件330₁、330₂的配线340(图15)。该配线340成为图2所示的位线BL₁。继而，以覆盖配线340的方式形成未图示的非磁性的绝缘膜(例如氧化硅膜)，将该绝缘膜使用CMP(Chemical Mechanical Polishing，化学机械抛光)平坦化，使配线340的表面露出。

接下来，将包含图1所示的控制电路101、102、103等的CMOS(complementary metaloxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)电路形成在另一基板400，将形成着该CMOS电路的基板400翻转，如图16所示贴合在形成着磁性层304、磁性部件324、开关元件330₁、330₂、及配线340等的基板。也就是说，以基板400的形成着CMOS电路等的面与形成着配线340的面对向的方式贴合。此外，图16所示的配线340、320₁、320₂、320₃电连接于CMOS电路。

接下来，使用例如CMP，对硅基板200从背面侧研磨而使氧化铝300A的面露出。此时，磁性层304的端部也露出。继而，在氧化铝露出的面上，形成电连接于磁性层304的配线500₁、500₂。这些配线500₁、500₂成为图2所示的源极线SL₁、SL₂。然后，以覆盖配线500₁、500₂的方式，形成非磁性的绝缘膜(例如氧化硅膜)502。例如，使用CMP将绝缘膜502平坦化，使配线500₁、500₂的表面露出。形成分别电连接于表面露出的配线500₁、500₂的MTJ元件516₁、516₂。MTJ元件516_i(i＝1，2)具备磁化方向固定的固定层514、形成在固定层514与配线500_i之间且磁化方向可变的自由层510、以及形成在固定层514与自由层510之间的非磁性绝缘层(隧道势垒层)512。

接下来，如图17所示，以覆盖MTJ元件516₁、516₂的方式形成非磁性的绝缘膜(例如氧化硅膜)520。继而，使用光刻技术在绝缘膜520形成使MTJ元件516₁、516₂的各自的固定层514的上表面露出的开口，在这些开口形成分别电连接于固定层514的开关元件524₁、524₂。这些开关元件524₁、524₂成为图2所示的开关元件16₁₁、16₁₂。然后，形成电连接于这些开关元件524₁、524₂的配线530。该配线530成为图2所示的数据线DL₁。继而，以覆盖配线530的方式形成未图示的非磁性的绝缘膜(例如氧化硅膜)，将该绝缘膜使用CMP平坦化。此外，MTJ元件516₁、516₂及配线530、配线500₁、配线500₂等与形成在基板400的CMOS电路，经由埋入在形成于氧化铝300A的微细的孔(例如图10所示的孔302)中的通孔而电连接。埋入有该通孔的孔是在图11所示的工序中未形成磁性层304的孔。此外，也可以在该孔形成磁性层。该磁性层成为虚设磁性层。

像以上所说明的一样，制造第1实施方式的磁性存储器。

利用该第2实施方式制造出的磁性存储器的存储器单元像第1实施方式中所说明的一样，由于使磁壁移动的移位电流的路径与读出的电流路径分离，所以能够避免由读出电流所致的误移位，也就是说能够避免读出干扰。由此，能够扩大基于电流不均分布的动作范围。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为示例而提出的，并不旨在限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，能够在不脱离发明主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变化包含在发明的范围或主旨中，同样地包含在权利要求书中所记载的发明与其均等的范围中。