CN102332297A - 磁性存储元件和磁性存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁性存储元件和包括该磁性存储元件的磁性存储器。所述磁性存储元件包括：基准层，其磁化方向固定为预定方向；记录层，其磁化方向由于对应于记录信息的方向上的自旋注入而变化；中间层，其将所述记录层与所述基准层隔开；以及热发生器，其用于加热所述记录层，其中，所述记录层的材料是在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％的磁性材料。本发明能够在不降低信息保持性的情况下减小自旋注入引起磁化反转所需的电流。

Description

磁性存储元件和磁性存储器
相关申请的交叉参考
本申请包含与2010年6月30日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-150179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
本发明涉及通过自旋注入磁化反转(spin injection magnetizationreversal)进行信息记录的非易失性磁性存储元件和磁性存储器。
背景技术
动态随机存取存储器(DRAM)是能够高速运行的高密度记录存储器，其广泛用作如计算机等各种信息装置中的随机存取存储器。然而，DRAM是在断电时将会丢失信息的易失性存储器。因此，期望将一种与DRAM具有相当性能且不会丢失信息的非易失性存储器投入到实际应用中。作为非易失性存储器的一种选择，基于磁性材料的磁化来记录信息的磁性随机存取存储器(MRAM)受到关注且得到快速发展。
MRAM的记录方法包括：通过电流磁场来反转磁化的方法；及通过向记录层直接注入自旋极化的电子而引起磁化反转的自旋注入磁化反转方法(如日本专利公开公报No.2004-193595所述)。该方法受到关注的原因在于能够使记录电流随元件尺寸的减小而减小。
然而，在利用上述自旋注入磁化反转方法的磁性存储器中，如果减小元件尺寸，则记录信息会由于热波动而发生变化，从而记录保持能力出现问题。为了避免热波动所引起的信息保持特性降低的问题，需要采取诸如增大记录层的膜厚度之类的解决措施。
自旋注入引起磁化反转所需的电流Ic通常是由下述表达式(1)(参见J.C.Slonzewski，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，第159(1996)L1卷)表示。
Ic＝α·e·γ·Ms·V·Heff/(g·μB) …(1)
在该表达式中，α表示阻尼常数，e表示电子的电荷，γ表示陀螺仪常数(gyro constant)，Ms表示其磁化发生旋转的磁性层的饱和磁化强度。此外，Heff表示作用于磁性层的有效磁场(例如，基于磁性各向异性的各向异性磁场(Ha)和外部磁场)，V表示磁性层的体积，g表示自旋注入效率，μB表示玻尔磁子(Bohr magneton)。
从表达式(1)可见，增大磁性层的体积V会出现使自旋注入磁化反转所需的电流Ic增大及导致功耗增加的问题。而且，功耗的增加导致驱动晶体管的尺寸增大，由此难以提高磁性存储器的记录密度。
发明内容
因此，期望本发明能够在不降低信息保持特性的情况下减小自旋注入进行磁化反转时所需的电流。
根据本发明的实施例，提供一种磁性存储元件，其包括：基准层，其磁化方向固定为预定方向；记录层，其磁化方向由于对应于记录信息的方向上的自旋注入而变化；中间层，其将所述记录层与所述基准层隔开；以及热发生器，其用于加热所述记录层，其中，所述记录层的材料是在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％的磁性材料。
根据本发明的另一实施例，提供一种磁性存储器，其包括具有上述结构的磁性存储元件。具体地，该磁性存储器包括磁性存储元件，所述磁性存储元件包括：基准层，其磁化方向固定为预定方向；记录层，其磁化方向由于对应于记录信息的方向上的自旋注入而变化；中间层，其将所述记录层与所述基准层隔开；以及热发生器，其用于加热所述记录层。而且，所述磁性存储器包括彼此交叉的两种配线，并且所述磁性存储元件布置在所述两种配线的交叉点附近且在所述两种配线之间。另外，所述记录层的材料是在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％的磁性材料。
如上所述，在本发明实施例的磁性存储元件和磁性存储器中，设有用于使所述记录层变热的热发生器，并且使用磁化强度的温度特性具有特定范围的材料作为所述记录层才材料。具体地，使用具有如下温度特性的材料，记录层材料的磁化强度在150℃时等于或高于室温时磁化强度的50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温下的磁化强度的10％～80％。
采用这种结构，能够减小磁性存储元件中自旋注入引起磁化反转所需的电流。在此情况下，能够通过小电流重写信息，同时具有抗热波动等的稳定的信息保持性。
根据本发明实施例的磁性存储元件和磁性存储器，能够在不降低信息保持性的情况下减小自旋注入引起磁化反转所需的电流。
附图说明
图1是本发明实施例的磁性存储器的结构的示意性立体图；
图2是本发明实施例的磁性存储元件的结构的示意性剖面图；
图3是本发明实施例的磁性存储元件的变化例的结构的示意性剖面图；
图4是本发明实施例的磁性存储元件的另一变化例的结构的示意性剖面图；
图5是本发明实施例的磁性存储元件的又一变化例的结构的示意性剖面图；
图6是本发明实施例的磁性存储元件的再一变化例的结构的示意性剖面图；
图7是表示磁性存储元件的样例1～7中的记录层的磁化强度的温度特性的图；及
图8是表示磁性存储元件的样例1～7中的每个元件结构下的自旋注入磁化反转电流密度Jc的图。
具体实施方式
下面参照附图说明实现本发明的最佳方式的示例。按如下顺序进行说明。
1.本发明的第一实施例(磁性存储器的实施例)
2.本发明的第二实施例(磁性存储元件的实施例)
3.本发明的第二实施例的变化例
4.工作示例和对比示例
1.本发明的第一实施例(磁性存储器的实施例)
首先，参照图1说明作为本发明的第一实施例的磁性存储器的实施例。如图1所示，磁性存储器10包括两种彼此交叉的地址配线(例如字线和位线)，通过在这两种配线的交叉点附近且在所述配线之间布置磁性存储元件3而形成磁性存储器10。可将后文所述的实施例或变化例的磁性存储元件用作磁性存储元件3。
在此情况下，在例如由Si构成的半导体基板11中的由元件隔离层2所隔离的区域中，形成有漏极区域8、源极区域7和栅极电极1。这些部件构成了用于选择相应磁性存储元件3的选择晶体管。栅极电极1还用作一种地址配线(例如，字线)，其沿着图中的前后方向延伸。漏极区域8形成为被图中左右两侧的选择晶体管所共用。配线9连接到漏极区域8。
磁性存储元件3布置在源极区域7和另一条地址配线(例如，位线)6之间，地址配线(例如，位线)6布置在上侧且沿着图中的水平方向延伸。磁性存储元件3包括记录层和用于加热该记录层的热发生器，该记录层是由铁磁性层构成，通过自旋注入来反转该记录层的磁化方向。如后文的磁性存储元件的实施例所述，该记录层是由如下材料构成：该材料在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，并且在150℃～200℃温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％。
磁性存储元件3布置在栅极电极1和配线6的交叉点附近，栅极电极1和配线6用作两种地址配线，磁性存储元件3经上接触层4和下接触层4连接到这两种地址配线。由此，能够通过这两种配线(即，栅极电极1和配线6)在垂直方向上向磁性存储元件3施加电流，并能够通过对应于信息的自旋注入来反转记录层的磁化方向。
存在有包含记录层和热发生器的磁性存储元件3的上述结构能够使磁性存储器10在信息记录时有效降低记录层的磁化强度，能够通过小电流来重写信息，并同时保留了抗热波动等稳定的信息保持特性。
2.本发明的第二实施例(磁性存储元件的实施例)
下面参照图2说明本发明实施例的磁性存储元件的一个示例。如图2所示，在磁性存储元件30中，在基板21上依次形成基体层22和反铁磁性层23，基板21例如是由热氧化硅构成，基体层22例如是由Ta构成且还用作一个电极，反铁磁性层23例如是由PtMn构成。而且，由诸如CoFe或CoFeB之类的铁磁性材料构成的基准层24堆叠在反铁磁性层23上，基准层24的磁化方向是固定的。在基准层24上依次形成由例如Ru构成的非磁性层25和诸如CoFe或CoFeB之类的铁磁性材料构成的基准层26。在此情况下，基准层24和基准层26隔着非磁性层25彼此耦合，使得基准层24和基准层26的磁化方向彼此反向平行，于是形成了合成的亚铁磁性结构。然而，该结构不限于此。
记录层28隔着由非磁性材料构成的中间层27形成在基准层26上，记录层28的磁化方向由于自旋注入而发生变化。优选地，例如使用诸如Cu之类的具有小自旋散射(spin scattering)的金属材料或者诸如Al2O3或MgO之类的陶瓷材料作为中间层27的材料。尤其优选使用MgO等，这是因为读取时可获得较大信号作为再生信号。后文会说明记录层28的材料。
在磁性存储元件30中，例如由耐热层形成的热发生器33形成在由铁磁性层构成的记录层28上，该耐热层例如是由Ti构成。而且，由例如Ta构成的覆盖层29形成在热发生器33上，从而构成多层结构部20。多层结构部20的平面形状例如可以是如图1所示的椭圆形。然而，也可以采用其它的平面形状，没有具体限制。多层结构部20的外围掩埋在由非磁性材料构成的填充层31中，多层结构部20的表面与覆盖层29齐平。在覆盖层29和填充层31上形成用于向磁性存储元件30施加电流的电极层32。在图2及后文所述的图3～图6中，箭头示意表示铁磁性层的磁化方向。
在磁性存储元件30中，在基体层22和电极层32之间施加电压，从而在磁性存储元件30的膜平面的垂直方向上施加电流以实现自旋注入，由此改变记录层28和基准层26的磁化方向之间的相对角度。因此，在通过施加电流而进行的自旋注入中，由于施加电流而产生焦耳热，所以即使当不设置热发生器33时也存在热量产生的影响。但是，如果使用与相关技术相同的材料作为记录层28的磁性材料，则普通元件结构中产生的焦耳热对自旋注入电流的减小的贡献率可以忽略不计。相比之下，可通过如下方式实现自旋注入电流的减小，即，将磁特性与温度的关系落入特定范围内的磁性材料用作记录层28的材料，并且设置热发生器33以积极利用热量产生效应。
具体地，在本实施例中，使用具有如下性质的磁性材料作为记录层28，即，该材料在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％。由于使用这样的磁性材料，所以在施加自旋注入磁化反转所需的电流时，充分降低了记录层28的磁化强度，从而降低了记录电流。
如果使用具有如下性质的磁性材料作为记录层28的材料，即该材料在温度高于200℃时的磁化强度降低到在室温时的磁化强度的80％以下，则在施加自旋注入磁化反转所需的电流时不会充分降低磁化强度，不会出现大大减小记录电流的效果。相反，如果记录层28在温度低于150℃时的磁化强度降低到小于在室温时的磁化强度的50％，则尽管能实现减小记录电流的效果，但会出现信息保持性的问题。因为自旋注入型磁性存储元件30是非易失性存储器，所以应该能够在一定温度范围内保持所记录的信息例如十年。尽管温度范围随使用目的而变化，但通常温度范围的上限为大约90℃～120℃。于是，使用这些温度作为上限进行信息保持测试。结果发现：如果使用磁化强度在温度低于150℃时降低到小于室温时的磁化强度的50％作为记录层28的材料时，则没有充分降低信息保持差错的出现率。
如果记录层28在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度低于室温时的磁化强度的10％，则能够通过小电流产生磁化反转。但是，如果使用磁化强度极低的材料作为记录层28，则会频繁出现回跳(backhopping)，且难以稳定控制记录层28的磁化状态(例如参见“Journal ofApplied Physics 105，07D126(2009)”)。
因此，在本实施例中，使用具有如下性质的磁性材料作为记录层28，即，该材料在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％。这样的温度特性是优选的，这是因为，使用通过将Co和Fe中的至少一种元素与非磁性元素和氧化物中的至少一者进行组合所得到的材料，能够容易实现这类磁性材料。非磁性元素的示例包括Ta、Zr和V。氧化物的示例包括SiO2、MgO和Al-O(铝氧化物)。用作基体的磁性材料的示例包括CoFe、CoFeB以及包含这些物质的合金。
优选地，使用诸如Ti层之类的耐热率高的材料层作为热发生器33。如果使用这样的耐热材料作为热发生器33，则在施加电流时会在一定范围内产生热量。另外，该结构简单且易于制造。
用作基准层24和26以及记录层28的磁性层可以是水平磁化膜也可以是垂直磁化膜。然而，当基准层24和26是水平磁化膜时，也采用水平磁化膜作为记录层28。相反，当基准层24和26时垂直磁化膜时，优选地也采用垂直磁化膜作为记录层28。如上所述，优选地，基准层24和26的磁化方向与记录层28的磁化方向彼此平行或反向平行。
对于构成多层结构部20的除记录层28和热发生器33之外的其它各层的材料，除了可以使用上述材料之外，也可以使用与相关技术的自旋型磁性存储元件相同的材料。各层的膜厚度也是如此，并且制造方法也没有具体限制。而且，这同样适用于基板21、填充层31和电极层32，它们的材料和构造没有具体限制。
3.本发明第二实施例的变化例
(3-1)第一变化例
下面参照图3说明第二实施例的磁性存储元件的第一变化例。如图3所示，在磁性存储元件50中，热发生器53形成在基板41上。在热发生器53上依次形成基体层42、反铁磁性层43、基准层44、非磁性层45、基准层46、由非磁性层构成的中间层47、记录层48和覆盖层49。热发生器53例如是由耐热层形成。热发生器53至覆盖层49中的各层的平面形状例如形成为椭圆形，从而构成多层结构部40。而且，在多层结构部40周围形成填充层51，在覆盖层49和填充层51上形成有电极层52。在该示例中，也使用具有如下性质的磁性材料作为记录层48的材料，即该材料在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％。构成多层结构部40的除热发生器53之外的其它各层的材料和膜厚度可以与相关技术的自旋注入型磁性存储元件中的相同，制造方法也没有具体限制。这同样适用于基板41、填充层51和电极层52，它们的材料和构造没有具体限制。
在图2和图3所示的示例中，基准层24和26布置成比记录层28离基板21更近，基准层44和46布置成比记录层48离基板41更近。然而，该结构不限于此。例如，通过颠倒的结构也可以实现相同的特性，即，记录层28和48布置成分别离基板21和41更近，而基准层24、26和基准层44、46布置成分别离上侧的电极层32和52更近。
(3-2)第二变化例
下面参照图4说明第二实施例的磁性存储元件的第二变化例。在图4所示的示例中，磁性存储元件90具有所谓的双结构，其中，基准层66隔着由非磁性层构成的中间层67形成在记录层68下方，基准层76隔着由非磁性层构成的中间层77形成在记录层68上方。在磁性存储元件90中，在基板61上依次形成基体层62、反铁磁性层63、基准层64、非磁性层65、基准层66、由非磁性层构成的中间层67和记录层68。而且，在记录层68上依次形成由非磁性层构成的中间层77、基准层76、非磁性层75、基准层74、非磁性层85、基准层84和反铁磁性层83。在反铁磁性层83上形成例如由耐热层构成的热发生器93。另外，在热发生器93上形成有覆盖层89，从而构成了多层结构部60。在多层结构部60周围形成填充层91，在覆盖层89和填充层91上形成有电极层92。在该示例中，也使用具有如下性质的磁性材料作为记录层68的材料，即，该材料在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％。构成多层结构部60的除热发生器93之外的其它各层的材料和膜厚度可以与相关技术的自旋注入型磁性存储元件中的相同，制造方法也没有具体限制。这同样适用于基板61、填充层91和电极层92，它们的材料和构造没有具体限制。
(3-3)第三变化例
下面参照图5说明第二实施例的磁性存储元件的第三变化例。在图5所示的示例中，类似于第二变化例，磁性存储元件130也具有双结构，其中，基准层106隔着由非磁性层构成的中间层107形成于记录层108下方，基准层116隔着由非磁性层构成的中间层117形成于记录层108上方。然而，热发生器133设于基板101和基体层102之间。在该磁性存储元件130中，在基板101上依次形成例如由耐热层构成的热发生器133、基体层102、反铁磁性层103、基准层104、非磁性层105、基准层106、由非磁性层构成的中间层107和记录层108。而且，在记录层108上依次形成由非磁性层构成的中间层117、基准层116、非磁性层115、基准层114、非磁性层125、基准层124和反铁磁性层123。另外，在反铁磁性层123上形成有覆盖层129，从而构成了多层结构部100。在多层结构部100周围形成填充层131，在覆盖层129和填充层131上形成有电极层132。在该示例中，也使用具有如下性质的磁性材料作为记录层108的材料，即该材料在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％。构成多层结构部100的除热发生器113之外的其它各层的材料和膜厚度可以与相关技术的自旋注入型磁性存储元件中的相同，制造方法也没有具体限制。这同样适用于基板101、填充层131和电极层132，它们的材料和构造没有具体限制。
(3-4)第四变化例
下面参照图6说明第二实施例的磁性存储元件的第四变化例。在该示例中，如图6所示，类似于图2和图3所示的示例，基准层144和146设于记录层148的同一侧。然而，在该示例中，热发生器153设在填充层151上，但与多层结构部140分开。在该磁性存储元件150中，在基板141上依次形成基体层142、反铁磁性层143、基准层144、非磁性层145、基准层146、由非磁性层构成的中间层147、记录层148和覆盖层149。基体层142至覆盖层149中的各层的平面形状例如形成为椭圆形，从而构成了多层结构部140。而且，在多层结构部140周围形成填充层151，在覆盖层149和填充层151上形成电极层152。而且，在填充层151上的靠近多层结构部140的位置处，热发生器153例如形成在靠近电极层152的位置处。热发生器153例如是由耐热层构成。在该示例中，也使用具有如下性质的磁性材料作为记录层148的材料，即，该材料在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％。构成多层结构部140的除热发生器153之外的其它各层的材料和膜厚度可以与相关技术的自旋注入型的磁性存储元件中的相同，制造方法也没有具体限制。这同样适用于基板141、填充层151和电极层152，它们的材料和构造没有具体限制。
在上述第二实施例的第二变化例的磁性存储元件90和第二实施例的第三变化例的磁性存储元件130中，作为基准层的结构，两个磁性材料层和一个非磁性材料层布置在下部(基板侧)，三个磁性材料层和两个非磁性材料层布置在上部(与基板相对的一侧)。然而，该结构不限于此。下部和上部可以互换，也可以采用一个磁性材料层作为基准层。而且，磁性材料层的组合和个数没有具体限制。例如，上部和下部的磁性材料层的个数可以分别是一个和两个，或者分别是三个和四个。
在图2～图6所示的上述所有磁性存储元件30、50、90、130和150中，热发生器设置在多层结构部中或设置在多层结构部周围的填充层上。在任一示例中，热发生器产生的热量到达记录层，且与未设有热发生器的情况相比，增加了每单位电流产生的热量。因此，与未设有热发生器的情况相比，记录层的温升更高。因而，在自旋注入中，与室温时的磁化强度相比，磁化强度降低。因此，例如即使在增大记录层的体积以增强信息保持特性时，仍能避免自旋注入磁化反转电流的增加。由此，就能够在不降低信息保持稳定性的情况下提供具有减小了的自旋注入磁化反转电流的磁性存储元件和磁性存储器。与图6所示的示例相比，在如图2～图5所示的热发生器设置在多层结构部中的元件结构的情况下，记录层和作为散热器的上/下电极之间的距离更长，记录层的温升更高。具体地，在如图6所示的热发生器153设置在填充层151上的第四变化例的情况下，虽然记录层146的温升比在其它示例中的温升小，但仍足以实现由温升所致的上述效果。
4.工作示例和对比示例
下面说明本发明的工作示例和对比示例。首先，为了证实本发明实施例的有益效果，制造由下表1所示的磁性材料构成的记录层，并评估其磁化强度的温度特性。表1所述的样例1～样例7示出了构成记录层的材料和各材料的总的膜厚度(单位：nm)。
[表1]
  样例序号   基体磁性材料   非磁性层   氧化物   备注
  #1   CoFeB：2.5   -   -   对比示例
  #2   CoFeB：3   Ta：0.4   -   工作示例
  #3   CoFeB：3   Zr：0.3   SiO2：0.3   工作示例
  #4   CoFeB：4   Ta：0.5   MgO：0.8   工作示例
  #5   CoFeB：4   V：0.7   Al-O：0.3   工作示例
  #6   CoFeB：4   V：0.5   -   对比示例
  #7   CoFeB：4   Ta：0.5   SiO2：0.8   对比示例
样例1～样例7中的用作基体磁性材料的CoFeB的组分如下：Co的原子比例为40％，Fe的原子比例为40％，B的原子比例为20％。然而，本发明实施例所使用的记录层不限于该组分比例的材料。通过堆叠基体磁性材料和非磁性层和/或氧化物来构成样例2～样例7。各样例的多层结构如下所述。具体地，对于各样例，说明了基体磁性材料、非磁性层和氧化物有关的堆叠层的膜厚度和个数，及从基板侧(即中间层侧)开始的多层结构。多层结构中的括号中的数值表示膜厚度，其单位为纳米(nm)。
[样例2：CoFeB(1nm)×3层，Ta(0.2nm)×2层]
CoFeB(1)/Ta(0.2)/CoFeB(1)/Ta(0.2)/CoFeB(1)
[样例3：CoFeB(1nm)×3层，Zr(0.15nm)×2层，SiO2(0.15nm)×2层]
CoFeB(1)/SiO2(0.15)/Zr(0.15)/CoFeB(1)/Zr(0.15)/SiO2(0.15)/CoFeB(1)
[样例4：CoFeB(1nm)×4层，Ta(0.25nm)×2层，MgO(0.2nm)×1层，MgO(0.3nm)×2层]
CoFeB(1)/MgO(0.2)/CoFeB(1)/Ta(0.25)/MgO(0.3)/CoFeB(1)/MgO(0.3)/Ta(0.25)/CoFeB(1)
[样例5：CoFeB(1nm)×4层，V(0.3nm)×1层，V(0.2nm)×2层，Al-O(0.15nm)×2层]
CoFeB(1)/Al-O(0.15)/CoFeB(1)/V(0.2)/Al-O(0.15)/V(0.2)/CoFeB(1)/V(0.3)/CoFeB(1)
[样例6：CoFeB(1nm)×4层，V(0.2nm)×1层，V(0.15nm)×2层]
CoFeB(1)/V(0.15)/CoFeB(1)/V(0.2)/CoFeB(1)/V(0.15)/CoFeB(1)
[样例7：CoFeB(1nm)×4层，Ta(0.25nm)×2层，SiO2(0.4nm)×1层，SiO2(0.2nm)×2层]
CoFeB(1)/SiO2(0.2)/Ta(0.25)/CoFeB(1)/SiO2(0.4)/CoFeB(1)/Ta(0.25)/SiO2(0.2)/CoFeB(1)
图7示出了样例1～样例7中记录层的磁化强度Mst的温度特性。在样例2～样例5的记录层中，150℃时的磁化强度为室温时磁化强度的至少50％，并且在150℃～200℃温度范围内的磁化强度为在室温时的磁化强度的10％～80％。于是，样例2～样例5的记录层对应于本发明的工作示例。另外，样例1、样例6和样例7中的记录层对应于对比示例。
接着，为了证实本发明实施例的有益效果，对未设有热发生器的情况和设有热发生器的情况之间的差异进行研究。为此，使用表1所示的样例1～样例7的记录层的磁性层材料。作为磁性存储元件的结构示例，采用上述图2、图3和图6的结构作为“具有热发生器”的结构，采用省去图2中的热发生器的结构作为“未设有热发生器”的结构。基于这些结构示例来评估自旋注入磁化反转特性。各部件的材料和结构如下：
基板：热氧化Si基板
基体层：Ta，厚度为5nm
反铁磁性层：PtMn，厚度为30nm
基准层(下部层)：CoFe，厚度为2nm
非磁性层：Ru，厚度为0.8nm
基准层(上部层)：CoFeB，厚度为2nm
中间层：MgO，厚度为1.0nm
记录层：表1中样例1～样例7的结构
覆盖层：Ta，厚度为5nm
电极层：Al-Cu，厚度为100nm
填充层：SiO2，厚度为10～100nm
使用膜厚度为80nm的具有低热传导率的金属Ti作为热发生器。在使用如Ti等的具有低热传导率的金属时，可产生大量的热。磁性存储元件的多层结构部的形状设置成椭圆形，其短轴为100nm，长轴为200nm。
Jc＝Ic/A
(A：磁性存储元件的面积(＝膜平面的垂直方向上的横截面的面积))
即，可以通过上述表达式(1)得出下面的表达式(2)。
Jc＝α·e·γ·Ms·V·Heff/(g·μB·A)…(2)
在表达式(2)中，α表示阻尼常数，e表示电子的电荷，γ表示陀螺仪常数(gyro constant)，Ms表示磁化发生旋转的磁性层的饱和磁化强度。Heff表示作用在磁性层上的有效磁场(如基于磁性各向异性的各向异性磁场(Ha)和外部磁场)，V表示磁性层的体积，g表示自旋注入效率，μB表示玻尔磁子(Bohr magneton)。
在图8中，“未设有热发生器”对应于通过省略图2所示元件结构中的热发生器33而获得的元件结构。“在记录层上设有热发生器”对应于图2所示的元件结构。“在基准层下方设有热发生器”对应于图3所示的元件结构。“在填充层附近设有热发生器”对应于图6所示的元件结构。
图8的结果表明在样例2～样例5(对应于本发明的工作示例)能够将自旋注入磁化反转电流Jc抑制在4.0mA/cm2以下。在样例2～样例5中，降低了自旋注入的磁化强度，从而能够减小自旋注入磁化反转电流。这表明，与热发生器设置在填充层上的情况相比，在热发生器设置在多层结构部中的元件结构减小了自旋注入电流。而且，这还表明，在热发生器设置在记录层上的元件结构中，最大程度地降低了自旋注入磁化反转电流密度Jc。
调整样例1～样例7中所使用的记录层的材料，使得热稳定系数Δ落入50～55的范围。没有发现样例1的记录层的自旋注入磁化反转电流密度Jc具有随元件结构发生较大变化的特性。相比之下，在样例2～样例7的记录层中，与不具有热发生器的元件结构相比，具有热发生器的元件结构中的自旋注入磁化反转电流密度Jc降低了至少10％，从而证实了本发明实施例的有益效果。
作为另一试验，对于样例1～样例7，测量回跳发生率和120℃环境下的信息保持率。下面的表2示出了试验结果。
[表2]
Figure BSA00000525961900141
根据图8的结果可知，样例6和样例7也能够降低自旋注入磁化反转电流密度Jc。但是，从表2可以看出，样例6和样例7降低了信息保持率，且增大了回跳发生率。即，在样例6和样例7中，磁化反转状态的可控性变差。鉴于上述结果和图7所示的温度特性有关的结果，可以看出，优选地，记录层的磁性材料具有下述温度特性。具体地，优选使用具有如下性质的磁性材料作为记录层的材料，即，该材料在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％。使用具有这种温度特性的磁性材料作为记录层，即使膜厚度增加到一定程度，仍能够通过来自热发生器的热量来降低自旋注入的磁化强度，由此抑制自旋注入磁化反转电流Ic的增大，并保证信息保持性。能够实现这种温度特性的记录层材料不限于上述样例2～样例5中所述的材料和结构。应当理解，可以适当地改变基体磁性材料的材料和组分比率、非磁性材料和氧化物的材料和膜厚度、堆叠层的个数和多层结构，只要采用具有上述磁化强度的温度特性的材料，就可以实现同样的有益效果。
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 (7)

1.一种磁性存储元件，其包括：
基准层，其磁化方向固定为预定方向；
记录层，其磁化方向由于对应于记录信息的方向上的自旋注入而改变；
中间层，其将所述记录层与所述基准层隔开；以及
热发生器，其用于加热所述记录层，
其中，所述记录层的材料是在150℃时的磁化强度是在室温时的磁化强度的至少50％，且在150℃～200℃的温度范围内的磁化强度是在室温时的磁化强度的10％～80％的磁性材料。
2.如权利要求1所述的磁性存储元件，其中，通过将Co和Fe中的至少一种元素与非磁性元素和氧化物中的至少一种进行组合来获得所述记录层的所述材料。
3.如权利要求1或2所述的磁性存储元件，其中，所述热发生器是堆叠在多层结构中的耐热层，所述多层结构包括所述基准层、所述中间层和所述记录层。
4.如权利要求1或2所述的磁性存储元件，其中，所述热发生器堆叠在所述记录层的存在有所述中间层的一侧的相对侧上。
5.如权利要求1或2所述的磁性存储元件，其中，所述热发生器堆叠在所述基准层的存在有所述中间层的一侧的相对侧上。
6.如权利要求1或2所述的磁性存储元件，其中，所述热发生器设置在掩埋有多层结构的填充层上，所述多层结构包括所述基准层、所述中间层和所述记录层。
7.一种磁性存储器，其包括：
磁性存储元件，其是权利要求1～6中任一权利要求所述的磁性存储元件；以及
彼此交叉的两种配线，
其中，所述磁性存储元件布置在所述两种配线的交叉点附近且布置在所述两种配线之间。
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