CN100550458C - 存储元件和存储器 - Google Patents

Abstract

一种存储元件，其包括：存储层，基于磁性材料的磁化状态来存储信息；以及磁化方向固定的磁化固定层，并且在存储层和磁化固定层之间设置有非磁性层。通过沿堆叠方向施加电流以改变存储层的磁化方向来将信息记录在存储层中。磁化固定层包括多个铁磁层，在多个铁磁层之间堆叠有非磁性层，并且磁化固定层包括具有沿堆叠方向的磁化分量和沿各自相反方向的磁化的磁化区域。这些磁化区域形成在多个铁磁层之中最接近存储层放置的至少一个铁磁层的两端处。

Description

存储元件和存储器

相关申请的交叉参考

本发明包含于2006年11月2日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2006-299525的主题，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种存储元件，其包括：将磁性材料的磁化状态作为信息进行存储的存储层；以及磁化固定层，其磁化方向固定，其中，可以通过施加电流来改变存储层的磁化方向。本发明还涉及一种包括这种存储元件的存储器，并且本发明可很好地应用于非易失性存储器。

背景技术

执行信息通信的装置，尤其是诸如个人数字助理的小型用户设备已得到了广泛的使用，并且构成这种设备的诸如存储器和逻辑电路需要改进的性能，诸如更高集成化、更快操作、以及更低耗电量。

特别，非易失性存储器可以是用于提高设备性能的必需元件。

在非易失性存储器的领域中，随着研究和开发也旨在实现更高性能，诸如半导体闪存和FeRAM(铁电随机存取存储器)的各种技术已实现商业化。

作为使用磁性材料的新型非易失性存储器，非常关注使用隧道磁阻效应的MRAM(磁性随机存取存储器)领域。近年来，这种技术已得到快速发展(例如，见J.Nahas等人的IEEE/ISSCC 2004Visulas Supplement的第22页)。

MRAM包括规则排列的用于记录信息的小型存储元件、和诸如字线和位线的配线，以便可以寻址每个元件。

各个磁性存储元件均包括存储信息作为铁磁性材料的磁化方向的存储层。

每个磁性存储元件均使用包括上述存储层、隧道绝缘膜(非磁性隔离膜)、和磁化方向固定的磁化固定层的磁性隧道结(MTJ)。例如，可以通过设置反铁磁层来固定该磁化固定层的磁化方向。

具有了这种结构，由于产生了“隧道磁阻效应”，所以可以使用该隧道磁阻效应来写入(记录)信息，通过“隧道磁阻效应”，对在隧道绝缘膜中流动的隧道电流的阻抗基于在存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向之间的角度而改变。当存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向逆平行时，这个阻抗的值最大，而当存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向平行时，这个阻抗的值最小。

对于具有该结构的磁性存储元件来说，可以通过使用合成电流磁场(通过将电流均施加于字线和位线生成)控制在磁性存储元件中的存储层的磁化方向来将信息记录(写入)到磁性存储元件中。在一般结构中，对应于“0”信息和“1”信息来存储不同的磁化方向(或“磁化状态”)。

例如，第H10-116490号日本未审查专利申请公开披露了一种使用星状特征(asteroid characteristics)来将信息记录(写入)到存储元件中的方法，以及例如，第2003/0072174号美国专利申请公开披露了一种使用开关特征将信息记录(写入)到存储元件中的方法。

另一方面，可以通过经由诸如晶体管的元件选择存储单元、以及使用磁性存储元件的隧道磁阻效应检测存储层的磁化方向的任何差作为电压信号来读取所记录的信息，从而检测所记录的信息。

与其他非易失性存储器相比，MRAM的主要特征在于，由于是通过反转由铁磁材料形成的存储层的磁化方向来重写“0”信息和“1”信息的，所以可以高速且几乎无限地(即，超过10¹⁵倍)来重写信息。

然而，由于可能需要产生较大的电流磁场来重写MRAM中所记录的信息，所以需要向地址线施加大电流(例如，从几mA到几十mA)。这就导致功耗更高。

同样，由于在MRAM中可能需要写地址线和读地址线，所以很难使存储单元的结构小型化。同样，当使元件小型化时，地址线更细，这就难以提供足够的电流，并且因为所需的电流磁场由于矫顽力的增大而增大，所以功耗增大。

因此，难以使MRAM中的元件小型化。

已对不使用电流磁场记录信息的结构进行了研究。在这些结构中，例如，第5,695,864号美国专利披露了使用通过自旋转移进行磁化反转以能够使用较小电流来使磁化反转的存储器。

第2003-17782号日本未审查专利申请公开披露了通过自旋转移进行的磁化反转，其中，将已通过磁性材料的自旋极化电子注入到另一种磁性材料中，从而使这另一种磁性材料中的磁化反转。

即，当将已通过磁化方向固定的磁性层(即，“磁化固定层”)的自旋极化电子注入到磁化方向不固定的另一个磁性层(即，“自由磁化层”)时，转矩(torque)被施加给自由磁化层的磁化。一旦施加等于或大于给定阈值的电流，就可以使磁性层(即，自由磁化层)的磁化方向发生反转。

例如，通过沿与膜表面垂直的方向向具有自由磁化层和磁化固定层的巨磁阻元件(GMR元件)和/或磁性隧道结元件(MTJ元件)施加电流，将可能使至少一些元件的磁化方向反转。

以此方式，通过形成具有磁化固定层和自由磁化层(存储层)的存储元件并改变流向存储元件的电流的极性，使存储层的磁化方向发生了改变，从而在“0”信息和“1”信息之间进行转换(重写)。

以与MRAM中通过在磁化固定层和自由磁化层(存储层)之间提供隧道绝缘层相同的方式，使用隧道磁阻效应可以读取所记录的信息。

通过自旋转移进行磁化反转的优点在于，即使元件小型化，仍能够不增大电流就实现磁化反转。

例如，对于大约0.1μm大小的存储元件来说，施加至存储元件来实现磁化反转的电流的绝对值小于或等于1mA，并且电流的绝对值也与存储元件的体积成比例减小，这有利于进行调节。

另外，由于在MRAM中所需的用于记录的字线可能并不是必需的，所以，另一个优点是简化了存储单元的结构。

下文中，使用自旋转移的存储元件称为“SpRAM”(自旋转移随机存取存储器)，以及引起自旋转移的自旋极化电子流称为“自旋注入电流”。

更大的期待在于作为非易失性存储器的SpRAM能够具有更低的功耗和更大的容量，同时还能够保持MRAM的高速和可无限次重写的优点。

图1示出了根据现有技术的使用自旋转移的存储器(SpRAM)的存储单元的示意截面图。

为了读取记录在存储单元中的信息，二极管、MOS晶体管等用于电选择存储单元。图1中所示的存储单元使用MOS晶体管。

首先，将描述形成SpRAM的存储元件101的结构。

通过将非磁性层113放置在铁磁层112和铁磁层114之间来使铁磁层112和铁磁层114反铁磁性耦合。另外，设置下层铁磁层112与反铁磁层111接触，并且由于在这些层之间产生的交换相互作用，使铁磁层112具有很强的单向磁性各向异性。磁化固定层102由四个层111、112、113、和114构成。即，磁化固定层102包括两个铁磁层112、114。

形成铁磁层116以能够相对容易地旋转其磁化方向M1。这个铁磁层116形成存储层(自由磁化层)103。在磁化固定层102的铁磁层114和铁磁层116之间，即，在磁化固定层102和存储层(自由磁化层)103之间形成隧道绝缘层115。隧道绝缘层115破坏了在其上下的磁性层116和磁性层114之间的磁性耦合，并还传送隧道电流。以此方式，形成了TMR(隧道磁阻效应)元件，其包括作为具有固定磁化方向的磁性层的磁化固定层102、隧道绝缘层115、和磁化方向可以改变的存储层(自由磁化层)103。

另外，上述的层111至116、基膜(base film)110、和顶部涂层117构成了包括TMR元件的存储元件101。

在硅基板120中形成选择MOS晶体管121，以及在选择MOS晶体管121的扩散层123上形成连接插头107。存储元件101的基膜110连接至该连接插头107。虽然未示出，但是选择MOS晶体管121的另一扩散层122通过连接插头连接至读出线。选择MOS晶体管的栅极106连接至选择信号线。

存储元件101的顶部涂层117连接至置于其上的位线(BL)105。

在正常状态下，由于通过非磁性层113的强反铁磁性耦合，铁磁层112的磁化M11和铁磁层114的磁化M12几乎完全逆平行。

由于构造铁磁层112和铁磁层114以使得膜厚度和饱和磁化的积相等，所以极性磁场的泄漏分量很小以至于可以忽略。

包括层114、115、116的TMR元件的阻抗基于隧道绝缘层115的两个侧面上的存储层103的铁磁层116的磁化M1的方向和磁化固定层102的铁磁层114的磁化M12的方向是平行的还是逆平行的而改变。当磁化M1、M12平行时，阻抗减小，而当磁化M1、M12逆平行时，阻抗增大。如果TMR元件(层114、115、116)的阻抗改变，则整个存储元件101的阻抗也改变。通过使用这种改变，可以既记录信息又读取所记录的信息。即，例如，通过将低阻抗状态指定为“0”信息和将高阻抗状态指定为“1”信息，可以记录二进制信息(中的一位)。

应注意，由于磁化固定层102中的所有层之中最接近存储层103的铁磁层114在读取所记录的信息过程中会用作存储层103的磁化M1的方向的基准，所以该铁磁层114也被称为“基准层”。为了重写存储单元的信息或读取已记录在存储单元中的信息，必须提供自旋注入电流Iz。该自旋注入电流Iz通过存储元件101、扩散层123、和位线105。

通过改变自旋注入电流Iz的极性，可以改变自上向下或自下向上流过存储元件101的自旋注入电流Iz。通过这样做，可以改变存储元件101的存储层103的磁化M1的方向，从而重写在存储单元中的信息。

第2005-277147号日本未审查专利申请公开中披露了一种SpRAM，其中，通过向存储元件施加自旋注入电流并且还向存储元件施加偏流磁场于来反转存储元件的存储层的磁化方向。

更具体地，对图1中所示的结构，例如，经由位线105向存储元件101施加自旋注入电流Iz，并且还将由流过位线105的电流(等于自旋注入电流Iz)引起的偏流磁场Hx(未示出)施加至存储元件101的存储层103。通过这样做，可以有效改变存储层103的磁化M1的方向。

下文中，将使用纵轴上的自旋注入电流Iz和横轴上的偏流磁场Hx来表示存储单元的状态的图称为“相位图”。应注意，在自旋注入电流Iz和引起偏流磁场Hx的偏流是脉冲电流的情况下，使用脉冲电流的峰值得到相位图。

发明内容

对于图1所示的存储元件101，作用于存储层(自由磁化层)103的磁化M_free(＝M1)的自旋转矩的大小与向量三重积M_free×M_free×M_ref成比例。此处，M_ref是基准层(铁磁层)114的磁化(＝M12)。

由于在起始状态下，存储层(自由磁化层)103的磁化M_free和基准层(铁磁层)114的磁化M_ref逆平行，所以开始起作用的自旋转矩极其小。由于自旋转矩很小，所以磁化反转电流增大。

典型相位图包括磁滞区域、存储单元处于低阻抗状态的区域(“0”状态区域)(即，与起始磁化状态无关的“0”状态)、存储单元处于高阻抗状态的区域(“1”状态区域)(即，与起始磁化状态无关的“1”状态)、以及混合了上述三个区域的不稳定操作区域。

对于作为具有足够的用于实际使用的操作范围的存储器的SpRAM来说，需要使三个区域(磁滞区域、“0”状态区域、和“1”状态区域)分隔足够宽。磁滞区域也可以称为“双稳定操作区域”。“0”状态区域和“1”状态区域也可以称为“单稳定操作区域”。

图2示出了对图1所示的存储元件101进行测量得到的相位图的一个实例。图2示出了将自旋注入电流Iz的电流脉冲的脉冲宽度设为1ns(毫微秒)的情况。图2中所示的相位图是使用纵轴上的自旋注入电流Iz和横轴上的偏流磁场Hx示出了存储单元的状态的状态图。

通过使在该相位图中的双稳定操作区域(磁滞区域80)和单稳定操作区域(“0”状态区域81和“1”状态区域82)分隔，使稳定操作变得可能。如图2所示，混合了三个状态80、81、82的不稳定操作区域83出现在右上部(第一象限)和左上部(第三象限)。当存在这些不稳定操作区域83时，设定在磁化反转操作期间所使用的自旋注入电流Iz和偏流磁场Hx以避免不稳定操作区域83。

然而，由于在图2所示的相位图中，双稳定操作区域80出现在很宽的范围上，所以除非自旋注入电流Iz和偏流磁场Hx增大，否则不会到达单稳定操作区域81、82。如上所述，这是指仍必须增大磁化反转电流。

针对上述问题提出了本发明，本发明提供了一种可以使用小电流来稳定记录信息的存储元件、以及包括这种存储元件的存储器。

根据本发明实施例的存储元件包括：存储层，基于磁性材料的磁化状态来存储信息；以及磁化方向固定的磁化固定层，并且在存储层和磁化固定层之间设置有非磁性层。在存储元件中，通过沿堆叠方向施加电流以改变存储层的磁化方向来将信息记录在存储层中。磁化固定层包括多个铁磁层，在这些铁磁层之间堆叠有非磁性层的。磁化固定层包括具有沿堆叠方向的磁化分量和沿互不相同的方向的磁化的磁化区域。这些区域形成在多个铁磁层中最接近存储层放置的至少一个铁磁层的两端处。

根据本发明的实施例的存储器包括存储元件和配线。存储元件具有基于磁性材料的磁化状态来存储信息的存储层，其中，通过沿堆叠方向施加电流以改变存储层的磁化方向来将信息记录在存储层中。配线提供沿存储元件的堆叠方向流动的电流。形成存储元件作为根据本发明的上述实施例的存储元件。

根据本发明实施例的存储元件包括基于磁性材料的磁化状态来存储信息的存储层。在磁化固定层和存储层之间设置有非磁性层，并且通过沿堆叠方向施加电流，改变了存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中。因此，使用通过沿堆叠方向施加电流而获得的自旋注入，可以改变存储层的磁化方向，从而记录信息。

同样，由于磁化固定层是由器件堆叠有非磁性层的多个铁磁层组成的，或者换句话说，由于磁化固定层具有“多个铁磁层结构”，所以堆叠的铁磁层的磁化方向是各不相同的，反向磁场相互抵消，并且可以降低从磁化固定层漏到存储层的磁场的强度。

另外，磁化固定层包括具有沿堆叠方向的磁化分量和沿互不相同的方向的磁化的磁化区域。这些区域形成在多个铁磁层之中最接近(即，多个铁磁层结构之中)存储层放置的至少一个铁磁层的两端处。因而，具有不同方向的两个自旋转矩从在(磁化固定层的)铁磁层的两端处的磁化区域开始对存储层起作用。因此，可以使用小电流来使存储层的磁化方向反转。还可以稳定执行用于不考虑自旋注入电流的脉冲宽度来改变磁化方向的转换。

根据本发明实施例的存储器包括存储元件和配线。存储元件具有基于磁性材料的磁化状态来存储信息的存储层，其中，通过沿堆叠方向施加电流以改变存储层的磁化方向来将信息记录在存储层中。配线提供沿存储元件的堆叠方向流动的电流。形成存储元件作为根据本发明的上述实施例的存储元件。因此，可以通过经由配线、沿存储元件的堆叠方向施加电流获得的自旋注入来记录信息。

此外，可以使用小电流来记录信息，并且可以不考虑自旋注入电流的脉冲宽来稳定记录信息。

根据本发明的上述实施例，可以反转存储层的磁化方向，从而使用小电流来记录信息。

因此，可以降低用于记录信息的电能并获得具有低功耗的存储器。

由于可以不考虑自旋注入电流的脉冲宽度来稳定执行转换，所以增大了自旋注入电流的脉冲宽度的范围。因此，可以获得能够稳定记录信息的高度可靠存储元件。

由于存在较宽范围的脉冲宽度，所以即使在存储单元之间的特征曲线中存在轻微波动，仍可以进行稳定操作，从而甚至可以对具有大量存储单元的大容量存储器进行稳定操作。

即，根据本发明的实施例，可以获得具有稳定操作的大容量存储器。

附图说明

图1是根据现有技术的使用自旋转移的存储器中的存储单元的示意性截面图。

图2是图1中所示的存储元件的相位图。

图3是根据本发明实施例的存储元件的示意图(截面图)。

图4是示出了施加至图3中所示的存储层的磁化的自旋转矩的示图。

图5是图3中所示的存储元件的相位图。

图6是根据本发明的另一个实施例的存储元件的示意图(截面图)。

图7是根据本发明的又一个实施例的存储元件的示意图(截面图)。

图8是示出了包括三个铁磁层的磁化固定层的示意性截面图。

具体实施方式

首先，在描述本发明的具体实施例之前，将概括描述本发明。使用自旋转移的存储器(即，SpRAM)具有足够大的各向异性，以使得存储层(即，自由磁化层)的磁化相对于热波动很稳定。

通常，可以通过热稳定性参数(Δ)来表示存储层的磁化相对于上述热波动的稳定程度，即，热稳定性指标。

给出参数(Δ)为Δ＝KuV/k_BT(Ku：各向异性能量，V：存储层的体积，k_B：玻尔兹曼常数，T：绝对温度)。

由于在典型SpRAM中形成薄的构成了磁化固定层的铁磁层，所以饱和磁场Hs很大。饱和磁场Hs可以表示为2J/(Ms·d)，其中，J是反铁磁性耦合多个铁磁层的磁化固定层中的反铁磁性耦合的大小，以及Ms是磁化固定层中各个铁磁层的饱和磁化。当饱和磁场Hs很大时，可能必须增大用于反转存储层的磁化方向的电流，或者换句话说，增大“磁化反转电流”。

对于使用自旋转移的存储器(SpRAM)，可能需要使热稳定性指标(热稳定性参数)Δ达到某一程度并减少磁化反转电流。

在各项研究中，本申请的发明人发现了以下问题。提供磁化固定层，其中，使用堆叠在铁磁层之间的非磁性层来堆叠上述的多个铁磁层，以使得多个铁磁层反铁磁性耦合。在磁化固定层中，磁化区域(具有沿堆叠方向的磁化分量和沿各自不同的磁化方向的磁化)形成在至少在最接近存储层的铁磁层的两端处。因此，可以减小磁化反转电流，并且还可以达到足够的热稳定性，从而形成稳定存储器。

发明人发现，为了将具有沿堆叠方向的磁化分量和沿互不相同的磁化方向的磁化区域形成在磁化固定层中的铁磁层的两端处，有效的方式是形成一个或多个较厚的铁磁层(例如，远比存储层的铁磁层厚)。

在磁化固定层的铁磁层之中，优选地，最接近存储层的铁磁层的厚度至少为2nm。更优选地，磁化固定层中的每个铁磁层的厚度至少为2nm。

通过在磁化固定层中的铁磁层的两端形成具有沿堆叠方向的磁化分量和沿各自不同的磁化方向的磁化区域，具有不同方向的两个自旋转矩将从铁磁层的两个端处的铁磁性区域开始在存储层的两端处起作用。

由于这两个自旋转矩可以轻松反转存储层的磁化方向，所以可以使用小电流来反转存储层的磁化方向。还可以不考虑自旋注入电流的脉冲宽度来执行用于改变磁化方向的转换。

接下来将描述本发明的具体实施例。

图3示出了作为本发明的一个实施例的存储元件的示意图(截面图)。该存储元件1由TMR(隧道磁阻效应)元件构成。

通过将非磁性层13放置在铁磁层14和铁磁层12之间，使铁磁层12、14反铁磁性耦合。另外，放置铁磁层12与反铁磁层11接触，并且由于在这些层之间起作用的交换相互作用，铁磁层12具有了强单向磁性各向异性。磁化固定层2由这四个层11、12、13、和14构成。即，磁化固定层2包括两个铁磁层12、14。

形成铁磁层16以使起磁化M1的方向相对容易旋转。铁磁层16构成存储层(自由磁化层)3。在铁磁层14和铁磁层16之间，即，在磁化固定层2和存储层(自由磁化层)3之间形成隧道绝缘层15。隧道绝缘层15破坏了在其上下的磁性层16和14之间的磁性耦合并传送隧道电流。以此方式，提供一种TMR(隧道磁阻效应)元件，其包括作为具有固定磁化方向的磁性层的磁化固定层2、隧道绝缘层15、和磁化方向可以改变的存储层(自由磁化层)3。

由于通过非磁性层13的强反铁磁性耦合，铁磁层12的磁化M11和铁磁层14的磁化M12逆平行。包括层14、15、16的TMR元件的阻抗基于隧道绝缘层15的两个侧面上的存储层3的铁磁层16的磁化M1的方向和磁化固定层的铁磁层14的磁化M12的方向是平行还是逆平行而改变。当两个磁化M1、M12平行时，阻抗减小，而当磁化M1、M12逆平行时，阻抗增大。如果TMR元件(层14、15、16)的阻抗改变，则整个存储元件1的阻抗也会改变。通过使用这种改变，可以记录信息并读取所记录的信息。即，例如，通过将低电阻状态指定为“0”信息和将高阻抗状态指定为“1”信息，可以记录二进制信息(中的一位)。

应注意，由于当读取所记录的信息时，磁化固定层2中的这些层中最接近存储层3的铁磁层14用作存储层3的磁化M1的方向的基准，所以还将铁磁层14称为“基准层”。

为了将信息重写到存储单元中或读取已记录在存储单元中的信息，必须沿存储元件1的堆叠方向提供自旋注入电流Iz。

通过改变自旋注入电流Iz的极性，可以改变自上向下或自下向上流过存储单元1的自旋注入电流Iz。

通过这样做，可以改变存储元件1的存储层3的磁化M1的方向，从而将信息重写到存储单元中。

应注意，以与根据图1中所示的现有技术的存储元件101相同的方式，可以形成根据本发明的存储元件1来将其连接至形成在硅基板中的选择MOS晶体管，以能够从存储单元中读取信息。

此外，存储元件1连接至配线，以可以通过配线沿存储单元1的堆叠方向施加自旋注入电流Iz。

根据本发明的存储元件1的一个特征在于，与存储层3的铁磁层16相比，磁化固定层2的两个铁磁层12、14足够厚。

因此，如图3所示，除了指向膜平面的磁化M11、M12之外，在磁化固定层2的两个铁磁层12、14的两端处都生成了具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化M11a、M12a和M11b、M12b。

图3左侧的磁化M11a和磁化M12a都是向下的，而图3右侧的磁化M11b和磁化M12b都是向上的，并且以上的四个磁化基本上都是相反方向。

优选地，铁磁层12、14的厚度d为2nm以上。

通过生成上述具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化M11a、M12a和M11b、M12b，可以增大起始状态下的上述存储层3的磁化M1和向量三重积M_free×M_free×M_ref。特别地，可以通过铁磁层(基准层)14的磁化M12a和M12b来增大这个结果，磁化固定层2的铁磁层12、14中的铁磁层14最接近存储层3。

因此，极大的自旋转矩施加在直接在铁磁层14的磁化M12a、M12b上的存储层3的磁化M1的极其窄的区域上。

图4示出了施加至图3中所示的存储元件1中的存储层3的磁化M1的自旋转矩的状态。

如图3所示，在相反方向上的自旋转矩Ta、Tb从磁化M12a、M12b开始对存储层3的磁化M1起作用。这在旋转单独移动的存储层3的磁化M1时很有利。通过这样做，可以轻松反转存储层3的磁化M1的方向。

例如，如果铁磁层12、14的反铁磁性耦合J为约1erg/cm²以及存储层3(16)的饱和磁化Ms为约1200emu/cc，则饱和磁场的强度将下降到等于或小于8kOe。此处，表达“饱和磁场”指为了使存储层3的磁化M1的方向与磁化固定层2中最接近存储层3放置的铁磁层14的磁化M12的方向平行而施加的饱和磁场。

应注意，根据构成铁磁层12、14的铁磁性材料，存在即使厚度d小于2nm仍会生成沿堆叠方向的磁化分量的情况。

根据本实施例，在磁化固定层2的铁磁层12、14中生成具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化M11a、M12a和M11b、M12b。然而，以与图1中所示的存储元件101相同的方式，可以基于自旋注入电流Iz的方向(极性)来控制存储层3的磁化M1的方向。

应注意，虽然图3左侧的磁化M11a和磁化M12a和右侧的磁化M11b和磁化M12b之间的角度几乎为180°，但是可以通过铁磁层12、14的厚度和饱和磁化的强度来控制角度。

即使该角度并不如图3所示接近180°，仍可以通过将具有不同方向的自旋转矩施加至存储层3的磁化M1来轻松反转存储层3的磁化M1的方向。

在本实施例中，可以使用与常用存储元件一样的材料作为构成存储元件1的各个层的材料。

作为一个实例，可以将PtMn用作反铁磁层11的材料。

可以将诸如CoFe的铁磁性材料用作磁化固定层2的铁磁层12、14的材料。

作为实例，可以将Ru、Ta、Cr、Cu等用作非磁性层13的材料。

作为一个实例，可以将MgO用作隧道绝缘层15的材料。

可以将诸如CoFeB的铁磁性材料用作存储层3的铁磁层16的材料。

图5示出了根据本实施例的已对存储元件1进行测量的相位图的一个实例。自旋注入电流Iz的电流脉冲的脉冲宽度设为1ns(毫微秒)。

图5中所示的相位图是使用纵轴的自旋注入电流Iz的脉冲峰值和横轴的偏流磁场Hx的脉冲峰值示出了存储单元的状态的状态图。应注意，虽然没有形成图3所示的存储元件1来施加偏流磁场Hx，但是使用了向存储元件1施加偏流磁场Hx的结构来生成这个相位图。

如图5所示，不稳定操作区域83出现在右上方和左下方处。然而，由于双稳定操作区域80和单稳定操作区域81、82是明显分开的，所以可以通过设定自旋注入电流Iz的方向和大小以及偏流磁场Hx来实现稳定操作，从而避免不稳定操作区域83。

另外，由于即使偏流磁场Hx＝0，双稳定操作区域80和单稳定操作区域81、82是也明显分隔开的，所以可以在不施加偏流磁场Hx的情况下稳定进行磁化反转。

根据本实施例的上述存储元件1，磁化固定层2的铁磁层12、14非常厚。因此，在铁磁层12、14的两端具有沿堆叠方向的磁化分量，从而生成了方向相反的磁化M11a、M12a和M11b、M12b。因此，可以使具有相反方向的大自旋转矩Ta、Tb对存储层3的磁化M1的两端起作用。

由于可以以此方式轻松反转存储层3的磁化M1的方向，所以可以使用较小的自旋注入电流Iz来反转磁化M1的方向。

通过这样做，可以减小用于记录信息的自旋注入电流Iz，从而降低功耗。

例如，对于构造以使热稳定性指标Δ＝60存储元件1，即使自旋注入电流Iz的脉冲宽度相对大于1ns(毫微秒)，仍可以使用小于等于0.3mA的小电流来进行磁化反转。

另一方面，对于具有图1所示结构的根据现有技术的存储元件101，如果构造元件以使热稳定性指标Δ为60，则可能需要大于或等于2mA的电流，以使得用脉冲宽度1ns来反转磁化。

使用根据本实施例的存储元件1，由于具有相反方向的大自旋转矩Ta、Tb可以对存储层3的磁化M1的两端起作用，所以可以不考虑自旋注入电流Iz的脉冲宽度来稳定进行转换。

从而，可以获得能够稳定记录信息的高可靠存储元件1。

由于自旋注入电流Iz的脉冲宽度具有较宽范围，所以即使存储单元之间的特征曲线具有轻微波动，仍可以进行稳定操作，以便能够对具有大量存储单元的大容量存储器进行稳定操作。

因此，通过构造具有大量存储单元(每个均包括图3中所示的存储元件1)的存储器，可以获得具有低功耗并稳定操作的大容量存储器。

同样，如图5中的相位图所示，即使没有施加偏流磁场Hx，仍可以稳定反转磁化。

因此，与施加了偏流磁场Hx的结构相比，由于可以简化包括存储元件1的存储单元的结构，所以可以使存储单元小型化，这可以使存储器小型化和/或增大存储容量。

由于磁化固定层2形成在根据上述本实施例的存储单元1中的存储层3之下，所以具有沿基准层14的堆叠方向的磁化分量的磁化区域将放置存储层3之下。然而，也可以使用磁化固定层形成在存储层之上以及磁化区域放置在存储层之上的结构。

接着，图6示出了根据本发明的另一个实施例的存储元件的示意图(截面图)。

除了上述实施例的存储元件1的结构外，根据本实施例的存储元件20还包括在存储层3(16)和保护层17之间(即，在存储层3(16)之上)的另一个磁化固定层4，并且还包括在存储层3和磁化固定层4之间的隧道绝缘层25。即，存储元件20具有“双隧道”结构。

在存储层3(16)之上的磁化固定层4以从上开始的顺序包括反铁磁层21、铁磁层22、非磁性层23、和铁磁层24。

以与下层磁化固定层2相同的方式，所形成的上层磁化固定层4的两个铁磁层22、24远比存储层3的铁磁层16厚，以在铁磁层22、24中生成具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化M21a、M22a和M21b、M22b。

上层磁化固定层4的铁磁层24的磁化M22的方向是向右的，这与下层磁化固定层2的铁磁层(基准层)14的磁化M12的方向相反。上层铁磁层4的铁磁层24也是基准层。

在上层磁化固定层4中，磁化循环是逆时针方向的，以及在下层磁化固定层2中，磁化循环是逆时针方向的，因此，这些循环的方向相同。

以与下层磁化固定层2的铁磁层(基准层)14相同的方式，可以从上层磁化固定层4的铁磁层(基准层)24向存储层3的两端施加沿相反方向的大自旋转矩。

具体地，在下层磁化固定层2的铁磁层(基准层)14和上层磁化固定层4的铁磁层(基准层)24中，在图6中的左端的磁化M12a、M22a都向下，而右端的磁化M12b、M22b都向上。因此，将沿相同方向的自旋转矩从铁磁层(基准层)14、24施加至存储层3的左端和右端。

因此，从下层磁化层(基准层)14和上层磁化层(基准层)24向将存储层3的两端施加沿相同方向增强的大自旋转矩。因此，与上述实施例的存储元件1相比，可更加轻松反转存储层3的磁化M1的方向。

根据具有本实施例的上述结构的存储元件20，以与之前所述的实施例的存储元件1相同的方式，大自旋转矩可以对存储层3的磁化M1的两端都起作用。

因此，由于可以轻松反转存储层3的磁化M1的方向，所以可以用很小的自旋注入电流Iz反转存储层3的磁化M1。因此，可以减小用于记录信息的自旋注入电流Iz并降低功耗。

由于可以不考虑自旋注入电流Iz的脉冲宽度来稳定进行转换，所以对于自旋注入电流Iz，脉冲宽度具有很宽的范围，因此，即使存储单元之间的特征曲线出现轻微波动，仍可以进行稳定操作。因此，甚至可以对具有大量存储单元的大容量存储器进行稳定操作。

因此，通过构造具有大量存储单元(每个均包括图6中所示的存储元件20)的存储器，可以获得具有低功耗和稳定操作的大容量存储器。

具体地，在本实施例的存储元件20中，可以从下层磁化固定层2的铁磁层(基准层)14和上层磁化固定层4的铁磁层(基准层)24向存储层3的两端施加大自旋转矩。因此，与之前所述的实施例的存储元件1相比，可以更轻松反转存储层3的磁化。

从而，与之前所述的实施例的存储元件1相比，还可以减小自旋注入电流Iz。

应注意，如果通过设置非磁性中间层来代替隧道绝缘层25，将图6所示的存储元件20的结构的上部份变为GMR元件，可以获得除了MR比之外的相同效果。

使用该结构，由于可以自由选择上层磁化固定层4的铁磁层24的磁化M22的方向，所以也可以省略反铁磁层21。

接着，图7示出了作为本发明的又一个实施例的存储元件的示意图(截面图)。

虽然上层磁化固定层4具有与图6中所示的存储元件20相同的结构，但是与图1所示的存储元件101一样，本实施例的存储元件30包括由铁磁层12、14构成的下层磁化固定层2。

根据本实施例的存储元件30，以与之前所述的实施例的存储元件1相同的方式，可以从上层磁化固定层4向存储层3的两端施加具有相反方向的自旋转矩。因此，可以轻松反转存储层3的磁化M1的方向。

因此，可以使用很小的自旋注入电流Iz来反转存储层3的磁化M1的方向。因此，可以减小用于记录信息的自旋注入电流Iz，从而使功耗降低。还可以不考自旋注入电流Iz的脉冲宽度来稳定进行转换。

根据本实施例的存储元件30，以与图1中的存储元件101相同的方式，通过形成薄的铁磁层12、14来构造下层磁化固定层2，从而不生成沿堆叠方向的磁化分量。因此，通过适当选择下层磁化固定层2的层12、13、14的材料和厚度，可以最优化MR比(即，磁阻改变速率)。

因此，可以将存储元件30分成使MR比最优化的下层磁化固定层2和使磁化反转电流最优化的上层磁化固定层4。从而，通过分别控制磁化固定层2、4的结构，可以最优化MR比和磁化反转电流。

因此，可以将下层磁化固定层2的层12、13、14的材料和磁化层13的厚度设为与上层磁化固定层4不同，以最优化MR比和磁化反转电流。另外，虽然在图7中所示的存储元件30中，下层磁化固定层2由两个铁磁层12、14(即，与上层磁化固定层4相同数量的铁磁层)构成，但是磁化固定层2可以具有与磁化固定层4不同数量的铁磁层。

应注意，即使通过设置非磁性层代替上层隧道绝缘层25来使图7中所示的存储元件30的结构变为GMR元件，仍可以获得除了MR比外的相同效果。

使用该结构，由于可以任意选择上层磁化固定层4的铁磁层24的磁化M22的方向，所以也可以省略反铁磁层21。

同样，即使通过设置非磁性中间层代替下隧道绝缘层15来使图7中所示的存储元件30的结构的下面部分变为GMR元件，仍可以获得除了MR比之外的相同效果。

然而，为了得到适当的MR比，将隧道绝缘层用作下中间层和上中间层中的至少一个。

另外，图7所示的存储元件30包括根据本实施例构造的上层磁化固定层4。然而，也可以根据本实施例构造下层磁化固定层，以获得在上层磁化固定层中不生成沿堆叠方向的磁化分量的结构，即，使用与图7中所示结构相反的垂直平面结构。

在上述实施例中，磁化固定层2、4分别由其间堆叠有非磁性层13的两个铁磁层12、14和其间堆叠有非磁性层23的两个铁磁层22、24构成。然而，根据本发明实施例的磁化固定层可以由其间堆叠有非磁性层的三个或三个以上铁磁层形成。

图8示出了在磁化固定层由三个铁磁层构成时的磁化状态的示意性截面图。

如图8所示，磁化固定层35由其间堆叠有非磁性层34的三个铁磁层31、32、33形成。通过将中间的铁磁层32的厚度设为约等于下铁磁层31和上层铁磁层33的厚度的两倍，可以几乎完全清楚整个磁化固定层35的泄漏磁场。

在最下面的铁磁层31中，除了向右的磁化M31外，在两端处还生成了具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化M31a和M31b。

在最上面的铁磁层33中，除了向右的磁化M33外，在两端处还生成具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化M33c和M33d。

在中间铁磁层32中，除了向左的磁化M32外，在两端处还生成了具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化M32a、M32b、M32c、M32d。这些磁化对应于下铁磁层31的磁化M31a、M31b和上层铁磁层33的磁化M33c、M33d，并具有沿具有与在其他铁磁层中的磁化相同定向的堆叠方向的磁化分量。

这种磁化在磁化固定层35的上半部形成顺时针方向的磁场循环，而在磁化固定层35的下半部形成逆时针方向的磁场循环。

例如，在存储层放置在铁磁层33上的情况下，将向上的大自旋转矩施加至存储层的磁化的左端，而向下的大自旋转矩施加至右端。

应注意，在在磁化固定层中包括两个铁磁层情况下，两个铁磁层必需很厚以基本上消除泄漏磁场。然而，对于所有层，厚度d可以不相等，并且可以通过使铁磁层最接近比其他铁磁层稍薄的存储层来减小泄漏磁场。

另一方面，如果在磁化固定层中有三个或三个以上铁磁层，则即使在远离存储层的铁磁层中没有生成沿堆叠方向的磁化分量，仍可以获得根据本发明实施例的效果。

例如，作为对图8所示的三层结构的变型，可以形成薄的下铁磁层31，以在下面循环中不会生成沿堆叠方向的磁化分量。

即，如果在磁化固定层中的多个铁磁层中至少最接近存储层的铁磁层中(即，在基准层中)生成沿堆叠方向的磁化分量，则可以获得根据本发明实施例的效果。

可以通过调节三个或三个以上铁磁层之间的总体平衡来减小泄漏磁场。

虽然在上述实施例中存储层3由一个铁磁层16形成，但是根据本发明的实施例，存储层可以由铁磁性耦合或反铁磁性耦合的多个铁磁层形成。可以提供非磁性层堆叠在多个铁磁层之间的结构和直接堆叠多个铁磁层(在这种情况下，邻近的铁磁层具有不同的材料或成分)的结构。

同样，在上述实施例中，通过反铁磁层11、21固定了磁化固定层2、4的铁磁层的磁化方向。然而，根据本发明的实施例，也可以使用不设置反铁磁层来固定磁化固定层的磁化方向的结构或通过堆叠硬磁性层和铁磁层来固定磁化固定层的磁化方向的结构。

应注意，在上述实施例中，通过形成磁化固定层的厚铁磁层，随时在铁磁层中形成具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化区域。

可以相信，使用与上述那些结构不同的结构，可以获得根据本发明实施例的效果(即，使用小电流记录信息的能力)。

例如，可以使用通过由设置在磁化固定层外部的磁场施加装置(例如，硬磁性层)施加的磁场，在磁化固定层的铁磁层中形成具有沿堆叠方向的磁化区域的结构。

作为另一个实例，可以使用驱动存储元件以在信息记录处理期间在磁化固定层的铁磁层中形成具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化区域，以及在其他处理(例如，读取处理)期间或在存储所记录的信息的同时不形成具有沿堆叠方向的磁化分量的磁化区域。

本发明的实施例并不限于上述实施例，并且在不背离本发明的精神的情况下可以进行各种修改。

本领域的技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以有多种修改、组合、子组合和改进，均应包含在本发明的权利要求或等同物的范围之内。

Claims (5)

1.一种存储元件，包括：

存储层，基于磁性材料的磁化状态来存储信息；以及

磁化固定层，其磁化方向固定，并且在所述存储层和所述磁化固定层之间设置有非磁性层，其中，

通过沿堆叠方向施加电流以改变所述存储层的磁化方向来将信息记录在所述存储层中，

所述磁化固定层包括多个铁磁层，在所述多个铁磁层之间堆叠有非磁性层，以及

所述磁化固定层包括具有沿所述堆叠方向的磁化分量和沿互不相同的方向的磁化的磁化区域，所述磁化区域形成在所述多个铁磁层中最接近所述存储层放置的至少一个铁磁层的两端处。

2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，

形成所述磁化固定层的每个铁磁层具有至少2nm的厚度。

3.根据权利要求1所述的存储元件，其中，

所述磁化固定层的饱和磁场的大小等于或小于8kOe，所述饱和磁场被施加以使得所述存储层的磁化方向与所述多个铁磁层之中最接近所述存储层放置的所述铁磁层的磁化方向平行。

4.根据权利要求1所述的存储元件，其中，

所述磁化固定层包括设置在所述存储层之下的下层磁化固定层和设置在所述存储层之上的上层磁化固定层，并且，所述下层磁化固定层和所述上层磁化固定层中的至少一个中包括具有所述磁化区域的至少一个铁磁层。

5.一种存储器，包括：

存储元件，包括：基于磁性材料的磁化状态存储信息的存储层；以及磁化固定层，其磁化方向固定，并且在其与所述存储层之间设置有非磁性层，其中，通过沿堆叠方向施加电流改变所述存储层的磁化方向来将信息记录在所述存储层中；以及

配线，提供沿所述存储元件的所述堆叠方向流动的电流，其中，

所述存储元件的所述磁化固定层包括多个铁磁层，在这些铁磁层之间堆叠有非磁性层，以及

所述磁化固定层包括具有沿所述堆叠方向的磁化分量和沿互不相同的方向的磁化的磁化区域，所述磁化区域形成在所述多个铁磁层中最接近所述存储层放置的至少一个铁磁层的两端处。

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