CN102298961B

CN102298961B - 存储装置

Info

Publication number: CN102298961B
Application number: CN201110144813.4A
Authority: CN
Inventors: 肥后丰; 细见政功; 大森广之; 别所和宏; 山根一阳; 内田裕行
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: TWI505269B; TW201209818A; US8547731B2; JP2012004222A; US20110305077A1; JP5644198B2; CN102298961A; KR20110136707A

Abstract

本发明涉及一种基于自旋转矩磁化反转将信息存储在存储元件中的存储装置。所述存储装置包括存储元件，所述存储元件包括：存储层，其用于根据磁性材料的磁化状态保存信息；固定磁化层，其隔着非磁性层设置在所述存储层上，所述固定磁化层的磁化方向固定在与膜表面平行的方向上；和磁性层，其隔着非磁性层设置在所述存储层的与所述固定磁化层相对的一侧上，所述磁性层的磁化方向垂直于所述膜方向。所述存储装置还包括布线，通过所述布线使电流在所述存储元件的各层的层叠方向上流经所述存储元件。所述存储装置具有写入操作的高可靠性且能够进行高速操作。

Description

存储装置

相关申请的交叉参考

本申请包含与2010年6月15日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2010-136163的公开内容相关的主题，在这里将该在先申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种基于自旋转矩磁化反转(spintorquemagnetizationreversal)将信息存储在存储元件中的存储装置。

背景技术

随着从移动终端到大容量服务器等各种信息设备的快速发展，要求构成这些信息设备的诸如存储器或逻辑元件等元件具有更高的性能，诸如有效提高集成度、加快速度(speed-up)或降低功耗等。

尤其是，半导体非易失性存储器得到显著发展，闪速存储器(flashmemory)作为大容量文件存储器受到普及，以至于闪速存储器取代了硬盘驱动器。

另一方面，由于期望将半导体非易失性存储器推广到代码存储器(codememory)和工作存储器(workingmemory)以便使用半导体非易失存储器取代目前通常使用的NOR(或非)闪速存储器和DRAM(动态随机存取存储器)等，半导体非易失性存储器正得到发展。例如，提出了作为半导体非易失性存储器的铁电随机存取存储器(FerroelectricRandomAccessMemory，FeRAM)、磁性随机存取存储器(MagneticRandomAccessMemory，MRAM)和相变随机存取存储器(Phase-ChangeRAM，PCRAM)等。部分上述半导体非易失性存储器已经投入实际应用。

由于这些非易失性存储器中的MRAM基于磁性材料的磁化方向来存储数据，所以MRAM能够进行高速重写和几乎无限次(10¹⁵次以上)的重写。因而，在工业自动化、航天等领域中已经使用MRAM。

由于MRAM可进行高速操作且具有高可靠性，因此预计MRAM将会推广到代码存储器和工作存储器。

然而，MRAM在降低功耗和大容量提升方面还存在问题。

这些问题是MRAM的记录原理所导致的本质问题，即，这些问题是如下记录方式所导致的本质问题：通过由布线产生的电流磁场来实现磁化反转。

作为一种解决上述问题的方法，不依赖于电流磁场的记录(即，磁化反转)方式正在进行研究。尤其是，自旋转矩磁化反转有关的研究正积极进行。例如，美国专利No.5,695,864和日本公开专利申请No.2003-17782披露了这类研究。

与MRAM的情况类似，利用自旋转矩磁化反转的存储元件是由磁性隧道结(MagneticTunnelJunction，MTJ)构成。

此外，在自旋转矩磁化反转类的存储元件中，当穿过被固定在某个方向上的磁化层的自旋极化电子试图进入另一自由磁性层(其方向不固定)时，转矩施加到该另一自由磁性层。在这种情况下，当等于或大于某一阈值的电流流经存储元件时，自由磁性层的磁化方向反转。

通过改变流经存储元件的电流的极性来进行“0”或“1”的重写。

在约为0.1μm级别的存储元件的情况下，用于使自由磁性层的磁性反转的电流的绝对值等于或小于1mA。此外，由于该电流值随着存储元件的体积成比例地减小，因此能够进行缩放。

除此之外，由于不再需要过去的用于产生MRAM所需的记录电流磁场的字线，因此还可获得如下优点：单元结构(cellstructure)变得简单。

在下文中，将利用自旋转矩磁化反转的MRAM称作“自旋转矩-磁性随机存取存储器”(SpinTorque-MagneticRandomAccessMemory，ST-MRAM)。

对作为非易失存储器的如下ST-MRAM寄予厚望：该ST-MRAM在保留MRAM的高速操作和无限次重写等优点的同时，能够降低功耗和增加容量。

在ST-MRAM中，使磁化发生反转的自旋转矩随着磁化方向而改变大小。

在普通ST-MRAM存储元件的结构中，存在自旋转矩变为零的磁化角度。

当处于初始状态的磁化角度与上述磁化角度一致时，磁化反转所需时段变得十分长。因此，可能会导致不能在写入时段内完成磁化反转的情况。

当不能在写入时段内完成磁化反转时，写入操作失败(写入错误)，因此不能进行正常的写入操作。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，且提供一种可在短时段内进行写入操作而不产生任何错误的存储装置。

为达到上述目的，本发明的实施例提供一种存储装置，所述存储装置包括存储元件。所述存储元件包括：存储层，其用于根据磁性材料的磁化状态保存信息，固定磁化层，其隔着非磁性层设置在所述存储层上，所述固定磁化层的磁化方向固定成与膜表面平行的方向，和磁性层，其隔着非磁性层设置在所述存储层的与所述固定磁化层相对的一侧上，所述磁性层的磁化方向是垂直于所述膜表面的方向。所述存储装置还包括布线，通过所述布线使电流在所述存储元件的各层的层叠方向上流经所述存储元件。

在本发明实施例的存储装置的结构中，磁化方向垂直于所述膜表面的所述磁化层隔着非磁性层设置在所述存储层的与所述固定磁化层相对的一侧，所述固定磁化层的磁化方向固定在与所述膜表面平行的方向上。

由于所述存储层的磁化方向大致平行于所述膜表面，所以磁化方向垂直于所述膜表面的所述磁化层的磁化方向与磁化方向大致平行于所述膜表面的所述存储层的磁化方向之间的相对角度大约为90°。

由此，能够抑制磁化反转所需时段由于存储层和固定磁化层的磁化方向变得大致平行或反相平行的原因而出现的发散。因此，存储层的磁化方向能够在预定的有限的时段内反转，从而能够将信息写入存储元件。

如上所述，根据本发明，由于所述存储层的磁化方向可在预定的时段内反转，从而将信息写入到存储元件，因此可减少写入错误，并能够在较短时段内进行写入操作。

由于能够减少写入错误，所以能够增强写入操作的可靠性。

由于能够在较短时段内进行写入操作，因此能够加速操作。

因此，根据本发明，能够实现具有写入操作的高可靠性且进行高速操作的存储装置。

附图说明

图1是说明构成本发明实施例的存储装置的存储元件的示意性结构的剖面图；

图2是表示在将自旋极化强度作为参数的情况下磁化角度与反转时段之间关系的图表；

图3是说明本发明实施例的存储装置的示意性结构的俯视图；及

图4是说明现有ST-MRAM的示意性结构的剖面图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细说明本发明的实施例。

应注意，下文将根据以下顺序进行说明。

1.本发明的概要

2.实施例

1.本发明的概要

在具体说明本发明的实施例之前，首先对本发明进行概述。

图4是表示现有ST-MRAM的示意性结构的剖面图。

如图4所示，固定磁化层(也称为基准层)52、非磁性层(中间层)53、自由磁化层(存储层)54和保护层55依次层叠在基体层51上，从而构成存储元件，其中，固定磁化层52的磁化M52的方向是固定的，自由磁化层54的磁化M54的方向适于反转。

在固定磁化层52、非磁性层53、自由磁化层54和保护层55中，固定磁化层52的磁化M52的方向被高磁性矫顽力等固定。

在图4所示的ST-MRAM(存储元件)中，根据具有单轴各向异性(uniaxialanisotropy)的存储层54的磁化(磁矩)M54的方向来存储信息。

使电流在与存储元件中的每个层的膜表面相垂直的方向(即多个层层叠的方向)上流动，从而在充当存储层54的自由磁化层中引起自旋转矩磁化反转，因而将信息写入存储元件。

这里，将简要说明自旋转矩磁化反转。

电子具有两种自旋角动量。暂时将这两种自旋角动量分别定义为向上自旋角动量和向下自旋角动量。

在非磁性材料的内部，所有具有向上自旋角动量的电子的数量和所有具有向下自旋角动量的电子的数量相同。另一方面，在铁磁性材料的内部，所有具有向上自旋角动量的电子的数量和所有具有向下自旋角动量的电子的数量之间存在差别。

首先，考虑如下情况：在隔着非磁性层(中间层)53层叠的两个铁磁性材料层(固定磁化层52和自由磁化层54)中，各个磁化M52和M54的方向保持为反平行(antiparallel)状态，且电子从固定磁化层52移动到自由磁化层(存储层)54。

穿过固定磁化层52的电子产生自旋极化(spinpolarization)，即所有具有向上自旋角动量的电子的数量和所有具有向下自旋角动量的电子的数量之间产生差别。

如果非磁性层53的厚度足够小，则自旋极化在普通非磁性材料中被消弱而使电子处于非极化(所有具有向上自旋角动量的电子的数量和所有具有向下自旋角动量的电子的数量相同)状态之前，电子到达另一磁性材料，即到达自由磁化层(存储层)54。

并且，由于两个铁磁性材料层(固定磁化层52和自由磁化层54)中的自旋极化的角度的符号互为相反，所以部分电子被反转，即，该部分电子的自旋角动量的方向发生变化以便减少系统能量。此时，由于需要保持系统的整个角动量，所以与自旋角动量的方向发生变化的电子所引起的角动量变化的总和相等的反作用施加到自由磁化层(存储层)54的磁化M54。

当电流量(即，单位时间内穿过固定磁化层52的电子数)为小时，自旋角动量方向发生变化的电子的总数也为小。因此，在自由磁化层(存储层)54的磁化M54中产生的角动量变化也为小。然而，当电流增加时，能够在单位时间内使自由磁化层54的磁化M54产生较大的角动量变化。

角动量的变化表现为转矩形式。当转矩超过某一阈值时，自由磁化层(存储层)54的磁化M54开始旋进运动(precessionalmotion)，并且当自由磁化层54的磁化M54由于自由磁化层(存储层)54的单轴各向异性的原因而旋转180°时，自由磁化层(存储层)54的磁化M54变稳定。也就是说，产生从反平行状态到平行状态的反转。

另一方面，当两个铁磁性材料层52和54的磁化M52和M54保持在平行状态时，使电流在与如下方向相反的方向上流动：在该方向上，电子从自由磁化层(存储层)54发送到固定磁化层52，由此，固定磁化层52此时反射电子。

而且，当被固定磁化层52反射而使其自旋方向发生反转的电子进入自由磁化层54时，转矩施加到自由磁化层54的磁化M54，从而使自由磁化层(存储层)54的磁化M54的方向反转。由此，能够将铁磁性材料52和54的磁化M52和M54反转到反平行状态。

然而，此时产生反转所需的电流量大于从反平行状态到平行状态的磁化反转所需的电流量。

虽然难以直观地理解从平行状态到反平行状态的磁化反转，但可通过下述方法理解从平行状态到反平行状态的磁化反转：由于固定磁化层52的磁化M52是固定的，因此不可能使其磁化反转，但为了保持整个系统的角动量，需要使自由磁化层54的磁化M54的方向反转。

如上所述，使等于或大于某一阈值且具有对应极性的电流在从固定磁化层(基准层)52到自由磁化层(存储层)54的方向上或反方向上流动，从而在存储元件中记录“0”或“1”信息。

与现有MRAM的情况类似，通过使用磁致电阻(magnetoresistance)效应来进行读出信息的操作。

也就是说，与上述记录信息的操作的情况相类似，使电流在与各个层的膜表面相垂直的方向上流动。此外，利用如下现象：存储元件所表现出的电阻随着自由磁化层(存储层)54的磁化M54的方向平行于或反平行于固定磁化层(基准层)52的磁化M52的方向而发生变化。

这里，非磁性层(中间层)53中所使用的材料可以是金属或绝缘体。然而，如果非磁性层53使用绝缘体，则获得较高的读取信号(电阻变化率)，由此能够通过使用较低电流将信息记录在存储元件中。将这种情况下的元件称为磁性隧道结(MagneticTunnelJunction(MTJ))元件。

上述自旋转矩的大小随着自由磁化层(记录层)54的磁化M54和固定磁化层(表面层)52的磁化M52之间角度发生变化。

如果将m1作为代表磁化M54的方向的单位向量，并将m2作为代表磁化M52的方向的单位向量，则自旋转矩的大小与m1×(m1×m2)成正比，其中，符号“×”表示向量的交叉乘积(crossproduct)。

通常，将固定磁化层52的磁化M52固定到存储层54的易磁化轴的方向上。存储层54的磁化M54具有向存储层54自身的易磁化轴的方向倾斜的趋势。此时，单位向量m1和m2形成0°或180°的角。由此，根据自旋转矩的上述说明，自旋转矩完全不发挥作用。

实际上，由于热扰动(thermalperturbation)的原因，存储层54的磁化M54随机分布在易磁化轴周围。因此，当固定磁化层52的磁化M52和存储层54的磁化M54之间的角度不是0°或180°时，自旋转矩发挥作用，从而能够引起磁化反转。

磁化反转所需的时段ts可由表达式(1)表示：

ts＝τln(π/2θ)/(I/Ic0-1)…(1)

其中，θ是单位向量m1和m2之间的角度，τ是存储层54的材料等所决定的时间参数，通常为几纳秒，I是流经MTJ的电流，Ic0是启动旋进运动所需的电流。

从表达式(1)可以看出，随着θ接近零，ts发散到无限大。

这里，假设τ＝1ns，I/Ic0＝1.2，及写入时段为10ns。此时，当θ等于或小于1.7°时，关系ts＞20ns成立，因此磁化反转在写入时段内没有结束，即产生了写入错误。

尽管这取决于ST-MRAM的用途，但是，由于写入差错率需要在10^-10～10^-15的值范围内，所以不能忽略关系θ＜1.7°成立的可能性。

为有效地降低写入差错率，可增大流经MTJ的电流I。然而，在不利的方面上，当增大电流I时，会产生诸如消耗的电流增加及元件的绝缘击穿等其它问题。因此，电流的增大存在限制。

鉴于上述原因，在本发明中，为了降低上述写入差错率，通过将如下自旋极化层添加到普通MTJ元件中来构成存储元件：该自旋极化层的磁化的方向(层叠方向或垂直方向)与存储元件的各个磁性层的膜表面相垂直。

也就是说，自旋极化层布置在自由磁化层(存储层)的与固定磁化层(基准层)相对的一侧上。此外，在自旋极化层和自由磁化层之间还设置非磁性层。

由此，能够避免自旋转矩不发挥作用的现象，甚至在任何磁化角度的情况下，都能够在有限时段内产生磁化反转。

2.实施例

接着，将说明本发明的具体实施例。

图1是说明构成本发明实施例的存储装置的存储元件的示意性结构的剖面图。

在图1所示的存储元件10中，固定磁化层(也称为“基准层”)12、非磁性层(也称为“中间层”)13和自由磁化层(存储层)14依次层叠在基体层11上，固定磁化层12的磁化M12的方向是固定的，自由磁化层14的磁化M14的方向适于反转。

在固定磁化层12中，磁化M12的方向形成为与固定磁化层12的膜表面平行的方向(图1中的向右方向)。

上述存储元件10的结构与图4所示的现有ST-MRAM的结构相同。

注意，尽管未图示，但为了将固定磁化层12的磁化M12的方向固定，可在基体层11和固定磁化层12之间设置由抗铁磁性材料制成的抗铁磁性层。

此外，与图4所示的现有ST-MRAM的MTJ结构不同的是，在本实施例的存储元件10中，上述自旋极化层16隔着非磁性层15设置在存储层14上。在自旋极化层16上层叠保护层17。

与其它磁性层(固定磁化层12和自由磁化层14)不同的是，自旋极化层16的磁矩(磁化)M16处于与存储元件10中的各个层的膜表面(包括自旋极化层16的膜表面)相垂直的方向(各个层的层叠方向或垂直方向)上。

此外，在本实施例中，如图1所示，将自旋极化层16的磁矩(磁化)M16固定为向上。

注意，在本发明中，也可采用如下结构：自旋极化层16的磁矩(磁化)M16形成为向下。

将构成垂直磁化膜的磁性材料用作自旋极化层16的材料。例如，TePt、CoPt、TbFeCo、GdFeCo、CoPd、MnBi、MnGa、PtMnSb、Cu-Cr系材料可作为这类材料。此外，还能够使用除这些材料之外的构成垂直磁化膜的磁性材料。

由于使用构成垂直磁化膜的磁性材料的原因，即使没有通过使用抗铁磁性材料等将磁化固定到垂直方向，也能形成自旋极化层16。

注意，在不使用构成垂直磁化膜的磁性材料的情况下，为了制造在膜表面方向上形成磁化的磁性材料的自旋极化层，需要通过使用抗铁磁性材料等将磁化固定到垂直方向。因此，除了图1所示的结构，还可在自旋极化层上形成有抗铁磁性层。

存储层14和自旋极化层16之间的非磁性层15可使用诸如Ru之类的在磁阻效应元件的磁性层之间使用的非磁性金属。

注意，固定磁化层12和存储层14之间的非磁性层(中间层)13可使用构成隧道绝缘膜的绝缘材料(诸如，各种氧化物)或使用在磁阻效应元件的磁化层之间所使用的非磁性金属。

如果将上述绝缘材料用作非磁性层(中间层)13的材料，则能够获得较高的读取信号(电阻的变化率)，因此，能够使用较低的电流将信息记录在存储元件中。

固定磁化层12和存储层14能够使用现有ST-MRAM的MTJ中所使用的各种磁性材料。

例如，固定磁化层12可使用CoFe，存储层14可使用CoFeB。

在本实施例的存储元件10中，自旋极化层16隔着非磁性层15设置在存储层14上。因此，如上所述，能够避免自旋转矩不发挥作用的现象。由此，即使在任何磁化角度的情况下，都可以在有限的时段内使磁化反转。

这里，类似于图4所示的现有ST-MRAM的MTJ的情况，将讨论本实施例的存储元件10有关的磁化间的角度与磁化反转所需时段之间的关系。

将m3作为表示自旋极化层16的磁化M16的方向的单位向量。

作用于存储层14的磁化M14的自旋转矩的大小是源自固定磁化层12的自旋转矩与源自自旋极化层16的自旋转矩的和。

也就是说，作用于存储层14的磁化M14的自旋转矩的大小正比于A·m1×(m1×m2)+B·m1×(m1×m3)，其中，符号“×”表示向量的交叉乘积，常数A和B是分别表示自旋转矩的贡献率。

类似于现有ST-MRAM的MTJ的情况，固定磁化层12的磁化M12固定在存储层14的易磁化轴的方向上。

当存储层14的磁化M14处于存储层14自身的易磁化轴上时，单位向量m1和m2形成0°或180°的角。因此，固定磁化层12产生的自旋转矩完全不发挥作用。

然而，此时，由于单位向量m3和m1以直角彼此交叉，所以能够理解B·m1×(m1×m3)不为零，因此，自旋极化层16产生的自旋转矩发挥作用。

如上所述，可以理解，在本实施例的存储元件中，即使当现有MTJ的自旋转矩变为零时，自旋转矩仍发挥作用，并促进磁化反转。

在现有MTJ中，当单位向量m1和m2之间的角度为θ时，反转所需时段ts表示为ts＝τln(π/2θ)/(I/Ic0-1)(参考表达式(1))。

在本实施例的设有三层磁性层的结构中，不会得到这类解析式。

接着，为了检验通过设置自旋极化层16而获得的效果，进行了计算机模拟。

通过使用不存在磁化空间分布的所谓微自旋模型(micro-spinmodel)，在各种磁化角度下计算磁化运动的时间演化。对于分别表示自旋转矩的贡献率的常数A和B，A固定成1.0，B以0.2为间隔从-0.8变化到0.8，计算各个自旋极化强度(B/A)的值。此外，磁化角度设定在-20°～20°的范围内，写入时段设定为20ns。

图2所示的计算结果表示自旋极化强度有关的磁化角度和反转时段之间关系。

在图2中，中心自旋极化强度为零的曲线对应于现有MTJ。在这种情况下，可以理解，该曲线在磁化角度为零处中断。这表示反转时段等于或大于20ns。当磁化角度落入中断区域时，写入操作失败。

尽管中断区域的范围在±2°的狭窄范围内，但由于上述原因，写入差错率需要在10^-10～10^-15范围内，不能忽略大约±2°的狭窄范围的值。

此外，写入时段随着磁化角度从零增加而单调减少。这是因为：在写入时段的表达式(1)ts＝τln(π/2θ)/(I/Ic0-1)中，对数部分是磁化角度的单调递减函数。

接下来，检查自旋极化强度分别为±0.2和±0.4的情况。

在这些情况下，即使当磁化角度为零时，自旋转矩也可基于自旋极化层16的作用而发挥作用。因此，当自旋极化强度为±0.2时，反转时段为有限的13ns，当自旋极化强度为±0.4时，反转时段为有限的10ns。同时，可以理解，反转时段随着自旋极化强度变大而缩短。

当磁化角度为零时，获得最稳定的状态，即，存储层14的磁化M14位于存储层14自身的易磁化轴上。

尽管存储层14的磁化M14的方向受到热扰动，但存储层14的磁化M14位于最稳定点附近的概率比较高。因此，反转时段在磁化角度为零处变短的事实较大降低了写入差错率。

另一方面，应当理解，与现有MTJ的情况相类似，磁化角度不为零的部分的反转时段增加。具体地，自旋极化强度为±0.2时的曲线在靠近±2.5°的点处中断，自旋极化强度为±0.4时的曲线在靠近±5°的点处中断，这些中断表示反转时段等于或大于20ns。可以将这种情况视为是现有MTJ的反转时段的曲线向右和向左偏移的情况。由于这些反转时段所偏离的角度均远离易磁化轴，所以磁化出现在这些反转时段所偏离角度附近的可能性小于磁化角度为零的可能性。也就是说，尽管该情况并不与所关注的现有MTJ一样严重，但该情况仍然会阻碍获得10^-10～10^-15的差错率。

另外，检查自旋极化强度分别为±0.6和±0.8的情况。

在这种情况下，当自旋极化强度为±0.6时，反转时段在磁化角度为零的位置8ns，当自旋极化强度为±0.8时，反转时段在磁化角度为零的位置为6ns。

此外，当自旋极化强度为±0.6时，反转时段在±8°的磁化角度附近达到峰值，当自旋极化强度为±0.8时，反转时段在±11°的磁化角度附近达到峰值。

然而，通过与自旋极化强度的绝对值等于或小于0.4的情况相比较，发现存在显著区别。该显著区别在于各个曲线是连续的且不中断。这意味着，在任何磁化角度下，反转时段都不大于20ns。因此，在写入时段为20ns的情况下，完全不会产生写入错误。

应理解的是，当以上述方式实现适当的自旋极化强度时，甚至可获得非常小的10^-10～10^-15的写入差错率。

接下来，图3是表示本发明实施例中使用图1所示存储元件10的存储装置示意性结构的俯视图。

如图3所示，存储装置30具有如下结构：多个存储元件10分别布置在多个第一布线(例如位线)31和多个第二布线(例如字线)32之间的交叉点上。在这种情况下，多个第一布线31和多个第二布线32布置成为以直角相互交叉。

存储元件10的平面形状是椭圆形，而且，存储元件10还具有图1所示的剖面结构。

此外，如图1所示，存储元件10具有固定磁化层12、存储层(自由磁化层)14和自旋极化层16。

此外，存储装置30的多个存储单元分别是由存储元件10构成。

虽然未图示，但第一布线31和第二布线32电连接到对应的一个存储元件10，电流能够在对应的一个存储元件10中的各个层的层叠方向(垂直方向)上流经该对应存储元件10。

此外，电流流经对应一个存储元件10，从而使存储层14的极化方向反转，因此能够将信息记录在存储元件中。具体地，与现有ST-MRAM的情况相类似，通过改变流经存储元件10的电流的极性(电流方向)来反转存储层14的磁化方向，因此将信息记录在存储元件中。

根据本实施例，在构成存储装置30的存储单元的各个存储元件10中，具有向上磁化M16的自旋极化层16隔着非磁性层15设置在存储层14的与固定磁化层(基准层)12相对的一侧上。

自旋极化层16的磁化M16的方向向上，并且垂直于存储层14的面内方向，即垂直于存储层14的磁化M14的方向。因此，能够将存储层14的磁化M14的方向从存储层14的易磁化轴的方向移开。

由此，可以避免如下现象：自旋转矩对存储层14的磁化M14不产生作用。

也就是说，即使当存储层14的磁化M14的方向与固定磁化层12的磁化M12的方向之间的角度为0°、180°或接近0°或180°的角时，存储层14的磁化M14的方向也可在预定的有限时段内反转，从而能够将信息记录在存储元件中。

因此，根据本发明的该实施例，由于存储层的磁化方向在预定时段内反转，从而将信息记录在存储元件中，因此能够减少写入错误，且能够在更短的时段内进行写入操作。

由于能够减少写入错误，因此能够增强写入操作的可靠性。

此外，由于能够在更短的时段内进行写入操作，所以能够加速操作。

也就是说，本发明能够实现具有高写入操作可靠性且高速进行操作的存储装置。

在上述实施例中，自由磁化层(存储层)14和固定磁化层(基准层)12是由单个磁性层形成。

在本发明中，自由磁化层14和固定磁化层12中的至少一个层还可以是由多个磁性层形成。例如，还可使用下述结构：在该结构中，多个相互具有不同成分的磁性层直接层叠，或多个磁性层隔着非磁性层以彼此抗铁磁性地耦合的方式相互层叠。

此外，固定磁化层(基准层)12、非磁性层13、自由磁性层(存储层)14、非磁性层15和自旋极化层16从下部层侧顺序布置。然而，在本发明中，也能够采用将这些层12～16以颠倒顺序向下布置的结构。

当以如上述实施例的方式将固定磁化层(基准层)12布置在下部层侧上时，将诸如抗铁磁性层等较厚的层(未图示)布置在下部层侧上。因此，与将固定磁化层12布置在上部层侧的结构相比，上述结构获得如下优点：能够容易进行用于对存储元件进行图案化的蚀刻步骤。

本领域技术人员应当理解，依据设计要求和其它因素，可以在本发明所附的权利要求或其等同物的范围内进行各种修改、组合、次组合及改变。

Claims

1.一种存储装置，其包括：

存储元件，其包括：

存储层，其用于根据磁性材料的磁化状态保存信息，

固定磁化层，其隔着非磁性层设置在所述存储层上，所述固定磁化层的磁化方向固定成与膜表面平行的方向，和

磁性层，其隔着非磁性层设置在所述存储层的与所述固定磁化层相对的一侧上，所述磁性层的磁化方向是垂直于所述膜表面的方向；以及

布线，通过所述布线使电流在所述存储元件的各层的层叠方向上流经所述存储元件，

其中，磁化方向垂直于所述膜表面的所述磁性层的自旋转矩的大小足以使得所述存储层的磁化方向在任何角度下均能够在预定时段内反转。

2.根据权利要求1所述的存储装置，其中，磁化方向垂直于所述膜表面的所述磁性层是由构成垂直磁化膜的材料制成。

3.根据权利要求1所述的存储装置，其中，所述固定磁化层和所述存储层之间的所述非磁性层是绝缘层。