CN101226769B

CN101226769B - 存储元件和存储器

Info

Publication number: CN101226769B
Application number: CN2008100041491A
Authority: CN
Inventors: 山根一阳; 五十岚实; 细见政功; 大森广之; 山元哲也; 肥后丰; 大石雄纪; 鹿野博司
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2008-01-18
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2028-01-18
Also published as: JP4380707B2; CN101226769A; JP2008177421A; US20080180992A1; US7633796B2

Abstract

本发明提供了一种存储元件和存储器，其中，该存储元件包括：用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息的存储层；以及磁化方向固定的磁化固定层，其中，通过非磁性层相对于存储层来放置磁化固定层。通过沿层压方向施加电流来改变存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中。在磁化固定层中或在磁化固定层与存储层相对的相对侧上形成分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化的多个磁化区域。

Description

存储元件和存储器

相关技术的交叉参考

本发明包含于2007年1月19日向日本专利局提交的第2007-010549号日本专利申请的主题，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以及一种包括这种存储元件的存储器，其中，该存储元件由用于存储磁性材料的磁化(magnetization，磁化强度)状态作为信息的存储层和磁化方向固定并通过施加电流来改变存储层的磁化方向的磁化固定层构成，本发明适用于非易失性存储器。

背景技术

随着信息通信设备，尤其是诸如移动电话的个人小型设备的广泛普及，要求构成信息通信设备的元件(诸如，存储器和逻辑元件)的性能更高，例如，集成度的增加、速度的增加、以及功耗降低。

具体地，认为非易失性存储器是使设备功能更高必不可少的部件。

半导体闪存、FeRAM(铁电非易失性存储器)等作为非易失性存储器而在市场上可买到，并且为了能够使非易失性存储器的性能更高，正在进行着积极的研究和开发，

近来，作为使用磁性材料的新非易失性存储器，利用隧道磁阻效应的MRAM(磁性随机存取存储器)的开发和发展是很显著的，并且MRAM受到了显著关注(例如，参看J.Nahas等人的IEEE/ISSCC2004Visulas Supplement的22页)。

MRAM具有用于记录信息的小型存储元件被规则排列并且设置配线(例如，字线和位线)来寻址每个存储元件的结构。

每个磁性存储元件被配置为具有能够记录作为铁磁材料的磁化方向的信息的存储层。

然后，采用使用了由上述存储层、隧道绝缘层(非磁性隔离膜(spacer film))、和磁化方向固定的磁化固定层构成的所谓磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的结构作为磁性存储元件的结构。例如，可以通过设置反铁磁层来固定磁化固定层的磁化方向。

在这种结构中，相对于流过隧道绝缘膜的隧道电流的阻抗值响应于由存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向所形成的角度，隧道磁阻效应会发生改变，从而可以利用这个隧道磁阻效应来写(记录)信息。当存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向彼此逆平行时，该阻抗值变为最大值，而当它们彼此平行时，该阻抗值变为最小值。

在具有上述结构的磁性存储元件中，可以通过基于通过向字线和位线施加电流而生成的合成电流磁场来控制磁性存储元件的存储层的磁化方向，从而将信息写(记录)到磁性存储元件中。通常，分别响应于信息“0”和信息“1”将当时的磁化方向(磁化状态)的差异存储到磁性存储元件中。

然后，使用星状特征(asteroid characteristics)的方法(例如，参看第Hei-10-116490号日本未审查专利公开)和使用开关特性的方法(例如，参看第2003/0072174号未审查美国专利申请公开的说明书)可用作将信息记录(写)到存储元件中的方法。

另一方面，当从磁性存储元件中读取所记录的信息时，通过使用诸如晶体管的器件来选择存储单元，并通过使用磁性存储元件的隧道磁阻效应检测存储层的磁化差异作为电压信号的差异，从而可以检测所记录的信息。

当将该MRAM与另外的非易失性存储器进行比较时，该MRAM的优点在于，由于通过反转由铁磁材料形成的存储层的磁化方向来重写信息“0”和信息“1”，所以可以进行高速且几乎无限次(＞10¹⁵次)的重写。

然而，在MRAM中，要生成很大的电流磁场才能重写所记录的信息，并且要将很大(例如，几毫安至几十毫安)的电流施加至地址配线，从而使功耗增大。

同样，由于MRAM需要写地址配线和读地址配线，所以很难在结构上使存储单元小型化。

此外，由于随着元件小型化而使地址配线变细，所以出现了以下问题，难以施加足够的电流以及抗磁力增大，使所需的电流磁场增大并且从而使功耗增大。

因此，很难使元件小型化。

因此，作为用于解决这些问题的方法，已对能够与电流磁场无关地来记录信息的结构进行了研究。具体地，具有使用基于自旋转移的磁化反转的结构的存储器作为可以用较少量的电流来使磁化发生反转的结构受到了显著的关注(例如，参看第5695864号的美国专利的说明书)。

诸如，基于自旋转移的磁化反转能够通过将使电子通过磁性材料而自旋极化的这些电子注入到磁性材料中来使另一种磁性材料的磁化反转(例如，参看第2003-17782号日本未审查专利申请公开)。

更具体地，基于自旋转移的磁化反转是以下现象：当通过磁化方向固定的磁性层(磁化固定层)的自旋极化电子进入磁化方向不固定的另一个磁性层(磁化自由层)时，转矩(torque)被施加给该磁性层的磁化。然后，通过施加大于某个阈值的电流，可以反转磁性层(磁化自由层)的磁化方向。

例如，当沿与每个均具有磁化固定层和磁化自由层的巨磁阻效应元件(GMR元件)或磁性隧道结元件(MTJ元件)的膜平面垂直的方向施加电流时，可以反转这些元件的至少一部分磁性层的磁化方向。

因而，通过构造包括磁化固定层和磁化自由层的存储元件以及通过改变施加至存储元件的电流的极性，使存储层的磁化方向反转，从而重写信息“0”和信息“1”。

相对于读取所记录的信息，通过构造存储元件以在磁化固定层和磁化自由层(存储层)之间设置隧道绝缘层，可以通过使用如MRAM中一样的隧道磁阻效应来从存储元件中读出所记录的信息。

此外，基于自旋转移的磁化反转具有即使微型化元件仍能够在不增大电流的情况下实现磁化反转的优点。

例如，在约0.1μm大小的存储元件中，为反转磁化而施加至存储元件的电流的绝对值为1mA以下。另外，电流的绝对值与存储元件的体积成比例地减小，从缩放比例的角度来说，这是有利的。

此外，由于MRAM中所需的用于进行记录的字线变得并不必需，所以存在使存储单元的结构简化的优点。

下文中，使用自旋转移的存储元件将被称为“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将被称为“自旋注入电流”。

目前，非常期望SpRAM成为可以在保持能够高速操作和接近无限次重写的MRAM的优点的同时还能降低功耗并增大容量的非易失性存储器。

附图中的图1是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。

虽然诸如二极管或MOS晶体管的适当器件可以用于电选择存储单元以从存储单元中读取信息，但是图1中所示的存储单元使用的是MOS晶体管。

首先，将描述构成SpRAM的存储单元的存储元件101的结构。

如图1所示，通过非磁性层113放置铁磁层112和114，从而使铁磁层112和114以反铁磁性耦合的方式耦合。此外，放置在下层侧上的铁磁层112与反铁磁层111接触，并且通过铁磁层112和反铁磁层111之间的交互作用来使铁磁层112具有很强的单向磁性各向异性。然后，这四个层111、112、113、和114构成了磁化固定层102。即，磁化固定层102包括两个铁磁层112和114。

以能够相对容易地旋转成铁磁层116的磁化M1的方向的方式来配置铁磁层116，并且这个铁磁层116构成了存储层(磁化自由层)103。

在磁化固定层102的铁磁层114和116之间，即，在磁化固定层102和存储层(磁化自由层)103之间，形成隧道绝缘层115。这个隧道绝缘层115起到使在上下的磁性层116和114之间的磁性耦合断开和使隧道电流流动的作用。因此，由磁性层的磁化方向固定的磁化固定层102、隧道绝缘层115、和磁化方向可以被改变的存储层(磁化自由层)103构成TMR(隧道磁阻效应)元件。

然后，上述的各个层111至116、底层膜110、和外涂层117构成了包括TMR元件的存储元件101。

同样，在硅基板120中形成选择MOS晶体管121，以及在该选择MOS晶体管121的一个扩散层123上形成连接插头107。存储元件101的底层膜110连接到连接插头107上。虽然未示出，但是选择MOS晶体管121的另一个扩散层122通过连接插头连接至读出线。选择MOS晶体管121的栅极106连接至选择信号线。

存储元件101的外涂层117连接至形成在外涂层117上的位线(BL)105。

在稳定状态下，由于通过非磁性层113的强铁磁性耦合，铁磁层112的磁化M11和铁磁层114的磁化M12处于几乎完全逆平行的状态。

由于通常铁磁层112和114被配置为具有相等的饱和磁化膜厚度积，所以极性磁场的泄漏分量小到可以忽略。

然后，根据存储层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的方向在隧道绝缘层115上处于平行还是逆平行状态的状态，由这些层114、115和116构成的TMR元件的阻抗值发生改变。当两个磁化M1、M12处于平行状态时，阻抗值减小。当磁化M1、M12处于逆平行状态时，阻抗值增大。由于TMR元件(114、115、116)的阻抗值改变，所以整个存储元件101的阻抗值也改变。通过利用这种现象，可以将信息记录到存储单元中或从存储单元中读取信息。更具体地，通过将阻抗值低的状态分配给信息“0”以及将阻抗值高的状态分配给信息“1”，可以将二进制(1位)信息记录到存储单元中。

应注意，由于在读出所记录的信息时，磁化固定层102中在存储层103一侧上的铁磁层114成为存储层103的磁化M1的方向的基准，所以将该铁磁层114称为“基准层”。

为了重写存储在存储单元中的信息或从存储单元中读取信息，应将自旋注入电流Iz施加至存储元件101。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方向。

因此，可以通过改变存储元件101的存储层103的磁化M1的方向来重写存储在在存储单元中的信息。

同时，提出了一种不仅向存储元件施加自旋注入电流Iz而且还向存储元件施加偏流磁场以反转存储元件的存储层的磁化方向的SpRAM结构(参看第2005-277147号日本未审查专利申请公开)。

更具体地，在图1所示的结构中，通过位线105向存储元件101施加自旋注入电流Iz，并且还向存储元件101的存储层103施加通过流过位线105的电流(等于自旋注入电流Iz)而生成的偏流磁场Hx(未示出)。

从而，能够有效改变存储层103的磁化M1的方向。

下文中，将纵轴表示自旋注入电流Iz和横轴表示偏流磁场Hx以及表达存储单元的状态的状态图称为“相位图”。应注意，当自旋注入电流Iz和生成偏流磁场Hx的偏流是由脉冲电流形成时，使用脉冲电流的峰值得到相位图。

发明内容

在具有图1所示结构的存储元件101中，作用于存储层(磁化层自由)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，其中，M_ref是基准层(铁磁层)114的磁化(＝M12)。

在起始状态下，由于存储层(磁化自由层)103的磁化M_free和基准层(铁磁层)114的磁化M_ref被设为处于逆平行状态，所以开始对磁化起作用的自旋转矩极其小。

由于自旋转矩如上所述是很小的，所以磁化反转电流增大。

通常的相位图包括磁滞区域、存储单元被设为低阻抗状态的区域(0状态区域)(即，与起始磁化状态无关的0状态)、存储单元被设为高阻抗状态的区域(1状态区域)(即，与起始磁化状态无关的1状态)、以及上述三个区域处于混合状态的不稳定操作区域。

为了使SpRAM能够用作具有有效容限(操作容限)的存储器，三个区域(磁滞区域、0状态区域、和1状态区域)必须足够宽且独立存在。

磁滞区域也可以称为“双稳定操作区域”。同样，0状态区域和1状态区域也可以称为“单稳定操作区域”。

此处，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选为1ns(毫微秒)的情况。

图2所示的相位图是示出了纵轴表示自旋注入电流Iz的脉冲峰值和横轴表示偏流磁场Hx的脉冲峰值的存储单元状态的状态图。

在该相位图中，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)彼此分隔，并因此，SpRAM能够稳定操作。

如图2所示，三个状态80、81、82处于混合状态的不稳定操作区域83存在于图2中的右上端部(第一象限)和左上端部(第三象限)。

当如上所述存在不稳定操作区域83时，设定当执行磁化反转操作时的自旋注入电流Iz和偏流磁场Hx，以便覆盖不稳定操作区域83。

然而，在图2所示的相位图中，由于双稳定操作区域80宽范围地存在，所以除非自旋注入电流Iz和偏流磁场Hx增大，否则不覆盖单稳定操作区域81和82。因此，如本文之前所述，应了解，应增大磁化反转电流。

需要提供一种能够用少量电流来记录信息的存储元件、以及一种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用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息的存储层、和磁化方向固定的磁化固定层，其中，磁化固定层通过一非磁性层相对于存储层放置。通过沿层压方向施加电流来改变存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中，以及在磁化固定层中或在磁化固定层与存储层相对的相对侧上形成分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化的多个磁化区域。

根据本发明实施例的存储器包括：存储元件，包括用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息的存储层，通过沿层压方向施加电流来改变存储层的磁化方向，从而将信息记录到存储层中；以及配线，用于提供沿该存储元件的层压方向流动的电流。该存储层具有根据本发明实施例的上述存储元件的结构。

根据存储元件的实施例，存储元件包括用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息的存储层、和通过非磁性层相对于存储层放置的磁化固定层。沿层压方向施加电流来改变存储层的磁化方向，以便通过使电流沿层压方向流动以通过自旋注入改变存储层的磁化方向来将信息记录到存储中，所以可以将信息记录到存储元件中。

然后，由于在磁化固定层中或在磁化固定层与存储层相对的相对侧上形成了分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化的多个磁化区域，所以具有不同方向的两个自旋转矩从这些磁化区域开始作用于存储层的磁化。因此，可以利用少量电流来反转存储层的磁化方向。同样，可以稳定执行转换，从而能够不考虑自旋注入电流的脉冲宽度就改变磁化方向。

根据本发明的存储器实施例，该存储器包括：存储元件其包括用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息的存储层，通过沿层压方向施加电流来改变存储层的磁化方向，从而将信息记录在存储层中；以及配线，用于提供沿该存储元件的层压方向流动的电流。存储元件具有根据本发明实施例的存储元件的结构，因此，通过使电流沿存储元件的层压方向流过配线，可以利用自旋注入来将信息记录到存储器中。

同样，可以用少量电流来记录信息，并且可以不考虑自旋注入电流的脉冲宽度来稳定记录信息。

根据本发明的上述实施例，可以用少量电流来反转存储层的磁化方向以记录信息。

因此，通过减少记录信息所需的电能，能够得到消耗更少电能的存储器。

同样，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，所以可以加宽相对于自旋注入电流的脉冲宽度的容限。

因此，能够得到可以稳定记录信息的高可靠存储元件。

同样，由于相对于脉冲宽度的容限加宽，即使存储单元的特性曲线轻微波动，仍可以稳定操作存储器。因此，甚至是包括大量存储单元的大容量存储也器可以稳定操作。

即，根据本发明的实施例，可以获得能够被稳定操作的具有大存储容量的存储器。

附图说明

图1是根据现有技术的使用自旋转移的存储器的存储单元的示意截面图。

图2是图1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结构图(截面图)。

图4是示出了施加至图3、图5、图6和图7所示的存储层的自旋转矩的示图。

图5是示出了根据本发明的另一个实施例的存储元件的结构图(截面图)。

图6是示出了根据本发明的另一个实施例的存储元件的结构图(截面图)。

图7是示出了根据本发明的另一个实施例的存储元件的结构图(截面图)。

具体实施方式

在描述本发明的具体实施例之前，将首先描述本发明的概要。

使用自旋转移的存储器(SpRAM)具有足够大的各向异性，以使存储层(即，磁化自由层)的磁化可以相对于热波动变得稳定。

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，热稳定性指数。

通过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)给出热稳定性参数(Δ)。

在现有技术的SpRAM中，由于所形成的构成磁化固定层的铁磁层很薄，所以饱和磁场Hs增大。饱和磁场Hs可以表示为2J/(Ms·d)，其中，J表示的反铁磁耦合的磁化固定层(反铁磁性耦合多个铁磁层)的反铁磁性耦合的大小，以及Ms表示磁化固定层中的每个铁磁层的饱和磁化。

当饱和磁场Hs很大时，必须增大用于反转存储层的磁化方向的电流，即，磁化反转电流。

此外，在使用自旋转移的存储器(SpRAM)中，不仅需要使热稳定性指数(热稳定性参数)Δ保持高于某个程度，而且还需要同时减小磁化反转电流。

然后，在多种研究后，本申请的发明人发现，通过在磁化固定层中或存在于磁化固定层与存储层相对的相对侧上的层中形成多个磁化区域(分别具有沿层压方向的磁化分量并具有沿互不相同方向的磁化)，可以减小磁化反转电流，并可以同时获得足够的热稳定性，从而可以形成稳定存储器。

然后，本申请的发明人发现，作为在磁化固定层的铁磁层中形成分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化的多个磁化区域的方法，将具有沿层压方向的磁化分量并处于粒子或层状态的磁性材料插入磁化固定层的铁磁层中的方法是有效的。

通过在磁化固定层的铁磁层中形成分别具有沿层压方向的磁化分量并具有沿互不相同方向的磁化的磁化区域，具有不同方向的两个自旋转矩将从这些磁化区域开始对存储层起作用。

由于可以用这两个自旋转矩来轻松反转存储层的磁化方向，所以可以使用少量电流来反转存储层的磁化方向。同样，可以不考虑自旋注入电流的脉冲宽度就执行稳定转换来改变磁化方向。

接下来将描述本发明的具体实施例。

图3是示出了根据本发明实施例的存储元件的示意结构图(截面图)。

如图3所示，该存储元件1由TMR(隧道磁阻效应)元件构成。

由于通过非磁性层13放置铁磁层12和14，所以它们彼此反铁磁性耦合。另外，铁磁层12被放置成与反铁磁层11接触，并且通过在这些层12和11之间起作用的交互作用，使铁磁层12具有了强单向磁性各向异性。这四个层11、12、13、和14构成了磁化固定层2。即，磁化固定层2包括两层形式的铁磁层12和14。

以使其磁化M1的方向可以相对容易旋转的方式来配置铁磁层16。存储层(磁化自由层)3由铁磁层16构成。

在铁磁层14和铁磁层16之间，即，在磁化固定层2和存储层(磁化自由层)3之间，形成隧道绝缘层15。该隧道绝缘层15起到使上和下磁性层16和14之间的磁性耦合断开的作用以及施加隧道电流的作用。因此，TMR(隧道磁阻效应)元件由磁性层的磁化方向固定的磁化固定层2、隧道绝缘层15、和磁化方向可以改变的存储层(磁化自由层)3构成。

然后，上述的各个层11至16、底层膜10、和外涂层17构成了由TMR元件形成的存储元件1。

利用通过非磁性层13的强反铁磁性耦合来将铁磁层12的磁化和铁磁层14的磁化设为逆平行。

然后，根据存储层3的铁磁层16的磁化M1的方向和磁化固定层2的铁磁层14的磁化的方向处于平行还是逆平行状态的状态，改变由这些层14、15和16组成的TMR元件的阻抗值。当两个磁化处于平行状态时，阻抗值减小。当两个磁化处于逆平行状态时，阻抗值增大。由于TMR元件(14、15、16)的阻抗值改变，所以整个存储元件1的阻抗值也改变。通过利用这种现象，可以记录信息并可以读出所记录的信息。更具体地，通过将阻抗值低的状态分配给信息“0”和将阻抗值高的状态分配给信息“1”，可以记录二进制(1位)信息。

应注意，由于当从存储器中读出信息时，磁化固定层2中最接近存储层3的铁磁层14成为存储层3的磁化M1的方向的基准，所以将铁磁层14称为“基准层”。

为了重写存储在存储单元中的信息或从存储单元中读取所记录的信息，必须沿存储元件1的层压方向施加自旋注入电流Iz。

通过改变自旋注入电流Iz的极性，可以自上向下或自下向上地改变流过存储单元1的自旋注入电流Iz的方向。

因此，可以通过改变存储元件1的存储层3的磁化M1的方向来重写存储在存储单元中的信息。

应注意，根据本发明实施例的存储元件1还可以被配置为被连接至形成在硅基板上的选择MOS晶体管，从而能够与图1所示的现有技术的存储元件101一样地读取存储单元。

同样，存储元件1可以连接至配线，以通过该配线沿存储元件1的层压方向来施加自旋注入电流Iz。

具体地，在根据本发明的这个实施例的存储元件1中，具有垂直磁性各向异性的铁磁材料21以粒子状态分布在磁化固定层2的铁磁层14中。

因此，除了沿铁磁层14的膜平面方向的磁化(未示出)外，在铁磁层14中生成具有沿层压方向(图3的垂直方向)的磁化分量的磁化M21a和M21b。在图3中，磁化M21a指向上以及磁化M21b指向下，并且它们指向基本相反的方向。

可以通过沿层压方向施加磁场以及通过减小所施加的被最终消磁的磁场的大小来获得以上的向上和向下的磁化M21a和M21b。

在随机生成向上磁化M21a和向下磁化M21b的同时，分布在铁磁层14中的整个粒子状态的铁磁材料21的所有磁化都消失了(变为0)。

此时，还要沿层压方向向铁磁层12、14、和16施加磁场。然而，由于这些铁磁层12、14、和16的磁化通过膜平面方向上的形状各向异性和在层压方向上起作用的反磁场而牢固地固定在膜平面方向上，所以当停止沿层压方向施加磁场时，这些磁化方向指向膜平面方向。

由于生成了具有沿层压方向的磁化分量的磁化M21a和M21b，所以在起始状态下，上述存储层3的磁化M1与这些磁化M21a和M21b的向量三重积M_free×M_free×M_ref可以增大。

因此，向正好在铁磁材料21的磁化M21a和M21b上的存储层3的磁化M1的极其窄的区域施加很大的自旋转矩。

由于存储层3的整个层具有沿相同方向的磁化M1，所以磁畴(magnetic domain)没有边界，并且可以和图3一样通过一个大箭头来表示磁化M1。

此处，如果将存储层3看作被分为小区，则应注意，所分割的每个区都具有磁化M1。然后，可以解释为，聚集沿相同方向分别具有磁化M1的大量区域来构成存储层3。

由于在磁化固定层2的铁磁层14内的铁磁材料21，具有沿层压方向和沿互不相同方向的磁化分量的磁化M21a和M21b对构成存储层3的各个区域起作用。

因此，在构成存储层3的小区域中，沿互不相同方向的自旋转矩Ta和Tb如图4所示对磁化M1起作用。

由于这些自旋转矩Ta和Tb的作用，在构成存储层3的每个小区域中，可以轻松反转磁化M1的方向。

因此，在整个存储层3中，可以轻松反转磁化M1的方向。

在本发明的这个实施例中，在磁化固定层2的铁磁层15中生成具有沿层压方向的磁化分量的磁化M21a和M21b的同时，可以与如图1所示的存储元件101中一样，通过自旋注入电流Iz的方向(极性)来控制存储层3的磁化M1的方向。

在本发明的这个实施例中，可以将与现有技术的存储元件的材料类似的材料用作构成存储元件1的各个层的材料。

例如，可以将PtMn用作反铁磁层11的材料。

可以将诸如CoFe的铁磁材料用作磁化固定层2的铁磁层12和14的材料。

例如，可以将Ru、Ta、Cr、Cu等用作非磁性层13的材料。

例如，可以将MgO用作隧道绝缘层15的材料。

可以将诸如CoFeB的铁磁材料用作存储层3的铁磁层16的材料。

可以将诸如FePt、CoPt、FeTbCo、CoPd、和Co-Cr基材料的铁磁材料用作分布在铁磁层14中的铁磁材料21的材料。

然后，例如，按照那个顺序来沉积铁磁层12(由1至2个原子层形成的铁磁材料层)、和铁磁层14，并通过热处理来对该层压膜进行处理，从而可以制造使铁磁材料21分散在粒子状的铁磁层14中的结构。

根据本发明上述实施例的存储元件1的结构，由于粒子状态的铁磁材料21分散在磁化固定层2的铁磁层14中，所以在铁磁层14中形成了分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化M21a和M21b的磁化区域。这些磁化区域使互不相同方向的大自旋转矩Ta和Tb对存储层3的磁化M1起作用。

因此，由于可以轻松反转存储层3的磁化M1的方向，所以可以利用相对少量电流的自旋注入电流Iz来反转存储层3的磁化M1的方向。

因此，可以减小记录信息必需的自旋注入电流Iz，从而可以降低功耗。

例如，在具有热稳定性指数Δ等于60(Δ＝60)的结构的存储元件1中，即使所选择的自旋注入电流Iz的脉冲宽度短到1ns(毫微秒)，仍可以用0.3mA以下的少量电流来反转磁化。

另一方面，在具有图1所示的现有技术结构的存储元件1中，如果热稳定性指数Δ等于60(Δ＝60)，那么为了以1ns的脉冲宽度来反转磁化，需要使电流量为2mA以上。

同样，根据本发明实施例的存储元件1，由于可以使沿相不相同方向的大转矩Ta和Tb作用于存储层3的磁化M1，所以可以不考虑自旋注入电流Iz的脉冲宽度来执行稳定转换。

因此，可以稳定记录信息，并且可以得到高可靠的存储元件1。

同样，由于自旋注入电流Iz相对于脉冲宽度的容限扩大，所以即使每个存储单元的特性曲线轻微波动，仍可以稳定操作存储元件1，并且可以稳定操作甚至包括大量存储单元的大容量存储器。

因此，通过将大存储容量的存储器配置为包括由图3所示的存储元件1形成的大量存储单元，可以得到消耗更少电能并且可以稳定操作的大存储容量的存储器。

接着，图5是根据本发明的另一个实施例的存储元件的示意结构图(截面图)。

如图5所示，根据本发明的这个实施例的存储元件20具有在磁化固定层2中的铁磁层14中插入作为具有沿层压方向(图5的垂直方向)的磁化分量的铁磁层的垂直磁化层22的结构。

按磁畴来分隔垂直磁化层22，并且在磁畴中交替形成了具有向上磁化M22a的磁化区域和具有向下磁化M22b的磁化区域。

可以通过沿层压方向施加磁场并通过逐渐减小所施加的被最终消磁的磁场的大小来获得分别具有向上和向下磁化M22a和M22b的垂直磁化层22的磁化区域。

该结构的其余部分类似于本发明之前实施例的存储元件1的结构。因此，在图5中，用同一参考标号来表示与图3相同的元件和部件并将省略对其重复描述。

由于在垂直磁化层22中形成了具有磁化M22a和M22b(具有沿层压方向的磁化分量)的磁化区域，所以在起始状态下，可以增大上述存储层3的磁化M1与磁化M22和M22b的向量三重积M_free×M_free×M_ref。

因此，向正好在垂直磁化层22的磁化M22a和M22b上的存储层3的磁化M1的极其窄的区域施加很大的自旋转矩。

由于在磁化固定层2的铁磁层14内的垂直磁化层22，所以沿互不相同方向并具有沿层压方向的磁化分量的磁化M22a和M22b对构成存储层3的各个区域起作用。

因此，与本发明之前实施例的存储元件1一样，向构成存储层3的小区域中的磁化M1施加图4所示的自旋转矩。

如图4所示，沿互不相同方向的自旋转矩Ta和Tb作用于磁化M1。

由于自旋转矩Ta和Tb的作用，可以在构成存储层3的每个小区域中轻松反转磁化M1的方向。

因此，在整个存储层3中，可以轻松反转磁化M1的方向。

同样，在本发明的这个实施例中，在磁化固定层2的铁磁层14中生成具有沿层压方向的磁化M22a和M22b的同时，可以如图1所示的存储元件101中一样，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。

可以将诸如FePt、CoPt、FeTbCo、CoPd和Co-Cr基材料的铁磁材料用作垂直磁化层22的材料。

根据本发明的这个实施例的存储元件20的上述结构，在磁化固定层2中的铁磁层14中插入作为具有沿层压方向的磁化分量的铁磁层的垂直磁化层22，并且具有向上磁化M22a的磁化区域和具有向下磁化M22b的磁化区域，即，磁化方向互不相同的多个磁化区域形成在这个垂直磁化层22中。

由于这些磁化区域，与本发明之实施例的存储元件1一样，可以使沿互不相同方向的大自旋转矩Ta和Tb对存储层3的磁化M1起作用。

因此，由于可以轻松反转存储层3的磁化M1的方向，所以可以用相对少量电流的自旋注入电流Iz来反转存储层3的磁化M1的方向。

因此，可以减小在记录信息过程中所需的自旋注入电流Iz，从而可以降低功耗。

同样，根据本发明实施例的存储元件20，由于可以使沿互不相同方向的大自旋转矩Ta和Tb对存储层3的磁化M1起作用，所以可以不考虑自旋注入电流Iz的脉冲宽度来执行稳定转换。

因此，可以稳定记录信息，并且可以获得高可靠的存储元件1。

同样，由于自旋注入电流Iz相对于脉冲宽度的容限加宽，所以即使每个存储单元的特性曲线轻微波动，仍可以稳定操作存储元件20，并能够稳定操作甚至具有大量存储单元的大容量存储器。

因此，通过采用具有由图5所示的存储元件20形成的大量存储单元的结构，可以得到消耗更少电能并可以稳定操作的大容量存储器。

图6是示出了根据本发明的另一个实施例的存储元件的示意结构图(截面图)。

如图6所示，特别地，根据本发明的这个实施例的存储元件30具有在磁化固定层2中的反铁磁层11的下层中形成作为具有沿层压方向的磁化分量的铁磁层的垂直磁化层23的结构。

铁磁层23被设置在下层10和反铁磁层11之间并被磁畴所分割，并且在各个磁畴中交替形成具有向上磁化M23a的磁化区域和具有向下磁化M23b的磁化区域。

可以通过沿层压方向施加磁场并通过逐渐减小所施加的被最终消磁的磁场的大小来获得垂直磁化层23中具有向上磁化M23a和M23b的磁化区域。

另一方面，在磁化固定层2的铁磁层14上没有形成具有沿层压方向的磁化分量的磁化区域。

该结构的其余部分与本发明之前实施例的存储元件1和20的其余部分类似。在图6中，用同一参考标号来表示与图3和图5相同的元件和部件，并省略对其的重复描述。

在本发明的这个实施例中，垂直磁化层23存在于磁化固定层2的反铁磁层11的下层中，以及几个层11至14存在于存储层3和垂直磁化层23之间。只要存储层3和垂直磁化层23之间的各个层11至14的总厚度落在电子的自旋极化可以被保持的距离中，就可以得到与通过图3和图5所示的之前实施例的存储元件1和20所得到的效果类似的效果。

然后，由于在垂直磁化层中形成具有磁化M23a和M23b(具有沿层压方向的磁化分量)的磁化区域，所以可以在初始状态下增大上述存储层3的磁化M1与磁化M23a和M23b的向量三重积M_free×M_free×M_ref。

因此，向正好在垂直磁化层23的磁化M23a和M23b上的存储层3的磁化M1的极其窄的区域施加很大的转矩。

由于位于磁化固定层2下的垂直磁化层23，沿互不相同方向并具有沿层压方向的磁化分量的磁化M23a和M23b作用于构成存储层3的各个区域。

因此，与之前实施例的存储元件1一样，向构成存储层3的每个小区域中的磁化M1施加图4所示的自旋转矩。

如图4所示，沿互不相同方向的自旋转矩Ta和Tb作用于磁化M1。

因此，在整个存储层3中，可以轻松反转磁化M1的方向。

同样，在该实施例中，与在图1所示的存储元件101中一样，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。

可以将诸如FePt、CoPt、FeTbCo、CoPd、和Co-C基r材料的铁磁材料用作垂直磁化层23的材料。

根据本发明的这个实施例的存储元件30的上述结构，在磁化固定层2(反铁磁层11)和在磁化固定层2下面的底层膜10之间形成垂直磁化层23作为具有沿层压方向的磁化分量的铁磁层。在该垂直磁化层23中形成具有向上磁化M23a的磁化区域和具有向下磁化M23b的磁化区域，即，磁化方向互不相同的多个磁化区域。

与本发明之前实施例的存储元件1和20一样，这些磁化区域使沿互不相同方向的大自旋转矩作用于存储层3的磁化M1。

因此，由于可以轻松反转存储层3的磁化M1的方向，所以可以利用少量电流的自旋注入电流Iz来反转存储层3的磁化M1的方向。

因此，可以减小在记录信息的过程中所需的自旋注入电流Iz，从而可以降低功耗。

同样，根据本发明实施例的存储元件30，由于可以使沿互不相同方向的大自旋转矩Ta和Tb作用于存储层3的磁化M1，所以可以不考虑自旋注入电流Iz的脉冲宽度来执行稳定转换。

因此，可以稳定记录信息，并且可以获得高可靠的存储元件30。

同样，由于自旋注入电流Iz相对于脉冲宽度的容限加宽，所以即使存储单元的特性曲线在存储单元中轻微波动，仍可以稳定操作存储元件30，并且可以稳定操作甚至具有大量存储单元的大容量存储器。

因此，通过采用具有由图6所示的存储元件30形成的大量存储单元的结构，可以得到消耗更少电能并能够稳定操作的大容量存储器。

应注意，虽然在本发明的上述各个实施例中，通过反铁磁层11固定磁化固定层2的铁磁层的磁化方向，但是本发明也可以应用于在没有设置反铁磁层的情况下固定磁化固定层的磁化方向的结构、以及通过层压硬磁性层和铁磁层来固定磁化固定层的磁化方向的结构。

接下来将描述在上述各个变型结构之中，对图6所示的实施例的结构进行修改并且在不设置反铁磁层的情况下固定磁化固定层的磁化方向的情况。

图7是示出了根据本发明的另一个实施例的存储元件的示意结构图(示意截面图)。

图7所示的存储元件40具有被图6所示的存储元件30中去除反铁磁层11的结构，其中，在磁化固定层2下的铁磁层12和底层膜10之间设置垂直磁化层23。

该存储元件40可以实现与通过图6所示的存储元件30实现的效果类似的效果。

应注意，取代垂直磁化层23，可以在图6和图7所示的存储元件30和40中设置与图3所示的存储元件1类似的粒子状铁磁材料21。本发明的实施例包括这种结构。

尽管在本发明的上述各个实施例中分别形成了向上磁化M21a、M22a、M23a和向下磁化M21b、M22b、M23b(即，具有沿存储元件1的各个层的层压方向(与膜平面方向垂直的方向)的磁化的磁化区域)，但是本发明并不限于此，并且可以形成磁化相对于膜平面方向倾斜的磁化区域。在这种情况下，可以沿斜向上的方向和沿斜向下的方向来设定磁化方向，以便沿层压方向的磁化分量可以是沿互不相同方向的向上磁化分量和向下磁化分量。

根据本发明的上述各个实施例，由于磁化固定层2形成在存储层3下，所以在存储层3的下层侧上设置在铁磁层13中具有沿层压方向的磁化分量的磁化区域。

另一方面，可以配置磁化固定层形成在存储层的上层中，并且在存储层的上层侧(与磁化固定层的存储层相反的一侧)上设置磁化区域。

同样，可以配置磁化固定层形成在存储层上和下，并且在存储层在两个磁化固定层或其中一个磁化固定层中的相对侧上设置磁化区域。

虽然在本发明的上述各个实施例中，磁化固定层2由通过非磁性层13以两个层形式的铁磁层12和14构成，但是根据本发明，磁化固定层可以由单个或三个以上的铁磁层构成。然后，可以在单个铁磁层中或在三个以上铁磁层的一个或多个层中形成具有沿层压方向的磁化分量的磁化区域。

虽然在本发明的上述各个实施例中，存储层3由单个铁磁层16构成，但是根据本发明，存储层可以由铁磁性耦合或反铁磁性耦合的多个铁磁层构成。可以考虑通过非磁性层层压多个铁磁层的结构或直接层压多个铁磁层的结构(在这种结构的情况下，相邻的铁磁层的材料或成分不同)。

应注意，根据本发明的实施例，可以通过设置非磁性中间层代替本发明的上述各个实施例的隧道绝缘层来形成具有GMR元件结构的存储元件。

如果存储元件具有与本发明的上述各个实施例中一样的TMR元件，则可以维持大MR比。

本发明不限于上述各个实施例，并且在不脱离本发明精神的情况下，可以具有各种其他结构。

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

1. 一种存储元件，包括：

存储层，用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息；以及

磁化方向固定的磁化固定层，其中，所述磁化固定层通过一非磁性层相对于所述存储层放置，

其中，通过沿层压方向施加电流来改变所述存储层的磁化方向，从而将所述信息记录在所述存储层中，以及

其中，在所述磁化固定层中或在所述磁化固定层与所述存储层相对的相对侧上形成分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化的多个磁化区域。

2. 根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁化区域以粒子状态分散在所述磁化固定层中。

3. 根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁化区域以层状形成在所述磁化固定层中并按磁畴分割。

4. 根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁化区域以粒子状态分散在所述磁化固定层与所述存储层相对的所述相对侧上。

5. 根据权利要求1所述的存储元件，其中，所述磁化区域以层状形成在所述磁化固定层与所述存储层相对的所述相对侧上并按磁畴分割。

6. 一种存储器，包括：

存储元件，包括用于根据磁性材料的磁化状态来保存信息的存储层、和磁化方向固定并通过一非磁性层相对于所述存储层放置的磁化固定层，通过沿层压方向施加电流来改变所述存储层的所述磁化方向，从而将所述信息记录到所述存储层中；以及

配线，用于提供沿所述存储元件的所述层压方向流动的电流，

其中，所述存储元件具有多个磁化区域，所述多个磁化

区域分别具有沿层压方向的磁化分量和具有沿互不相同方向的磁化，并且所述多个磁化区域形成在所述磁化固定层中或形成在所述磁化固定层与所述存储层相对的相对侧上。