CN102385909B - 存储元件和存储装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种存储元件和包含该存储元件的存储装置，所述存储元件包括：存储层，其配置为基于磁性材料的磁化状态而保持信息；磁化固定层；和非磁性中间层。所述存储层包括：垂直磁化层，其磁化方向处于垂直于膜面的方向；非磁性层；和强磁性层，其沿膜面内方向具有易磁化轴，并且该强磁性层的磁化方向相对于垂直于膜面的方向倾斜处于15度～45度范围内的角度，通过垂直磁化层隔着非磁性层与强磁性层的堆叠，并且在垂直磁化层和强磁性层之间进行磁耦合，从而构成所述存储层。本发明通过在存储元件的存储层中的强磁性层的磁化和垂直磁化层的磁化的方向的反转，可缩短将信息记录在存储元件中所必需的反转时间，还可减小该反转时间的差异。
Description
相关申请的交叉引用
本申请包含与2010年6月23日向日本专利局提交的日本专利申请JP2010-142680中公开的相关主题并要求其优先权，将其全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及一种存储元件，以及一种包含存储元件的存储装置(存储器)。
背景技术
在诸如计算机的信息设备中，DRAM被广泛用作随机存取存储器，DRAM以高速运行并具有高密度。
然而，DRAM为易失性存储器，其中，当切断电源时信息丢失，因此期望得到一种信息不会丢失的非易失性存储器。
作为非易失性存储器的候选，基于磁性材料的磁化而记录信息的磁随机存取存储器(MRAM)引人注目，并且MRAM的发展正在继续。
在MRAM中进行记录的方法包括通过电流磁场将磁化反转的方法，以及将自旋极化电子直接注入记录层中从而引起磁化反转的方法(例如参见日本专利特开2004-193595号公报)。
在这些方法中，自旋注入磁化反转引人注目，其可随着元件的尺寸变得更小而使记录电流减小。
而且，为使元件微型化，人们已经研究了使用垂直磁化膜的方法，其中，磁性材料的磁化方向朝向垂直方向(例如参见日本专利特开2009-81215号公报)。
而且，一篇非专利文献公开了使用垂直磁化膜的自旋注入磁化反转元件的反转时间的表达式(参见R.H.Kochetal，Phys.Rev.Lett.92，088302(2004))。
然而，根据该非专利文献中所示的反转时间的表达式，使用垂直磁化膜的自旋注入磁化反转元件的磁化反转时间可能比未使用垂直磁化膜的自旋注入磁化反转元件的磁化反转时间长。
发明内容
本发明目的是提供一种可采用小电流以高速操作的存储元件，以及一种包含所述存储元件的存储装置。
根据本发明的实施方式，提供了一种存储元件，该存储元件包括存储层，该存储层配置为基于磁性材料的磁化状态而保持信息，并且所述存储层包括：垂直磁化层，其磁化方向处于垂直于膜面的方向；非磁性层；和强磁性层，其沿膜面内方向具有易磁化轴，并且该强磁性层的磁化方向相对于垂直于膜面的方向倾斜处于15度～45度范围内的角度。通过垂直磁化层隔着非磁性层与强磁性层的堆叠，并且在垂直磁化层和强磁性层之间进行磁耦合，从而构成存储层。
而且，存储元件还包括：磁化固定层，其配置为具有固定在垂直于膜面的方向的磁化方向；和非磁性中间层，其配置为设置在存储层和磁化固定层之间。在该存储元件中，通过沿各层的堆叠方向施加电流来记录信息。
根据本发明的另一实施方式，提供了一种存储装置，该存储装置包括存储元件和布线，该布线用于将沿构成存储元件的各层的堆叠方向而施加的电流供给存储元件。该存储元件的配置与根据本发明的上述实施方式的存储元件的配置相同。
根据本发明的上述实施方式的存储元件包括垂直磁化层、非磁性层和强磁性层，该强磁性层沿膜面内方向具有易磁化轴，并且所述强磁性层的磁化方向相对于垂直于膜面的方向倾斜处于15度～45度范围内的角度。而且，通过在隔着非磁性层而堆叠的垂直磁化层和强磁性层之间进行磁耦合，从而构成存储层。
由于存储层的强磁性层的磁化方向相对于垂直于膜面的方向倾斜，因此，当将沿垂直于膜面的方向(各层的堆叠方向)的电流施加给存储元件并且开始自旋注入时，强磁性层的磁化的旋进幅度立即开始增加。这样，相比于磁化方向未倾斜的配置，可在更短的时间内使强磁性层的磁化方向反转，该强磁性层的磁化方向相对于垂直于膜面的方向倾斜。
因此，通过在存储层中的强磁性层的磁化和垂直磁化层的磁化的各方向的反转，可缩短记录信息所必需的反转时间，还可减小该反转时间的差异。
而且，由于强磁性层的磁化方向与垂直于膜面的方向的倾角处于15度～45度的范围内，故可缩短反转时间，并且即使采用小电流量，仍可使得信息记录中的错误发生率保持为低。于是，即使采用小电流量，仍可稳定地记录信息。
根据本发明的上述实施方式的存储装置的配置，通过将电流经由布线供给存储元件，可将信息记录在存储元件中，该布线将沿存储元件的各层的堆叠方向而施加的电流供给存储元件。而且，由于该存储元件的配置与根据本发明的上述实施方式的存储元件的配置相同，因此，可缩短将信息记录在存储元件中所必需的存储层的磁化的反转时间，还可减小该反转时间的差异。
根据本发明的上述实施方式，通过在存储元件的存储层中的强磁性层的磁化和垂直磁化层的磁化的方向的反转，可缩短将信息记录在存储元件中所必需的反转时间，还可减小该反转时间的差异。
这可减小信息记录的电流量，并且可在短时间内记录信息。
因此，本发明的实施方式可实现采用小电流以高速操作的存储装置。
附图说明
图1是用于示意性地图示根据本发明的实施方式的存储元件的存储层的磁化状态的图；
图2A和图2B是用于示意性地图示在垂直磁化层与强磁性层磁耦合的情况下的各层的磁化布置的图；
图3是用于示意性地图示应用本发明的实施方式的存储元件的电阻与外部磁场的相互关系的图；
图4A和图4B是用于图示在自旋注入磁化反转操作中的磁化的运动轨迹的图；
图5A和图5B是用于分别图示图4A和图4B中的磁化的垂直分量的时间变化的图；
图6是构成本发明的第一实施方式的存储装置的存储元件的示意配置图(截面图)；
图7是本发明的第一实施方式的存储装置(存储器)的示意配置图(平面图)；
图8是比较例的存储元件的截面图；
图9是用于图示施加给存储元件的各样品的磁场大小与MR比之间的关系的图；
图10是用于图示错误发生率的对数值与记录电压的相互关系的图；并且
图11是用于图示倾角θ和记录的错误率变为10-6以下时的记录电压之间的关系的图。
具体实施方式
下面，说明实施本发明的最佳方式(下文中称为实施方式)。
按照下列顺序进行说明：
1.本发明的概述
2.第一实施方式
3.实验例
<1.本发明的概述>
首先，在描述本发明的具体实施方式之前，说明本发明的概述。
本发明人已进行过很多研究，以通过采用小电流实现存储元件的高速操作。
结果，本发明人发现，通过以垂直磁化为主的垂直磁化层隔着非磁性层而与以膜面内磁化为主的面内磁化层磁耦合，以构成存储元件的存储层，并且面内磁化层的磁化通过与垂直磁化层的磁相互作用而向垂直方向倾斜。
如以后详述，通过采用该配置，面内磁化层的磁化向量大致向垂直磁化倾斜特定角度，并且描绘出圆锥形，于是，可在记录操作中通过自旋注入磁化反转以实现沿自旋操作的轨迹的磁化配置。这可缩短反转时间，并减小反转时间的差异。
图1示意性地图示了根据本发明的实施方式的存储元件的存储层的磁化状态。
图1所示的存储层10基于磁性材料的磁化状态而保持信息，并且具有由三层构成的合成结构，该三层即垂直磁化层1、垂直磁化层1上形成的非磁性层2以及非磁性层2上形成的强磁性层3。在垂直磁化层1中，磁化向量M1处于沿垂直于膜面的方向(垂直方向)。强磁性层3沿膜面内方向(水平方向)具有易磁化轴。
强磁性层3的磁化向量M3朝向相对于轴4倾斜倾角θ的方向5，轴4表示与膜面垂直的方向。
在图中，数字6表示由强磁性层3的磁化向量M3的尖端所描绘的轨迹。
因为强磁性层3沿膜面内方向(水平方向)具有易磁化轴，因此，如果强磁性层3沿水平方向的尺寸充分大于其膜厚，那么在仅有强磁性层3的情况下，磁化向量M3为沿膜面内方向(水平方向)。这是因为由强磁性层3的饱和磁通密度和存储元件的形状引起的去磁场效应。
相比之下，在图1的结构中，由于来自垂直磁化层1的耦合磁场而发生的垂直磁化层1和强磁性层3之间的磁耦合，故强磁性层3的磁化向量M3从膜面内方向朝向垂直于膜面的方向竖立。此时，如果耦合磁场充分大，则强磁性层3的磁化向量M3朝向完全垂直于膜面的方向。
垂直磁化层1与强磁性层3之间隔着非磁性层2的磁耦合可以是强磁耦合或者反强磁耦合。
图2A和图2B示意性地图示了垂直磁化层1和沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层3为强磁耦合或反强磁耦合的情况下的磁化布置。图2A对应于强磁耦合的情况，而图2B对应于反强磁耦合的情况。
在图2A和图2B中，不仅图示了图1中所示的存储层10，还图示了在存储层10上方的例如隧道磁性层的非磁性中间层7和其中磁化向量M8的方向固定的磁化固定层8。在磁化固定层8中，其磁化向量M8处于沿垂直于膜面的方向(向下方向)。
在图2A中，因为垂直磁化层1与强磁性层3强磁耦合，故垂直磁化层1的磁化向量M1和强磁性层3的磁化向量M3每个都朝向上侧。
在图2B中，因为垂直磁化层1与强磁性层3反强磁耦合，故垂直磁化层1的磁化向量M1朝向上侧，而强磁性层3的磁化向量M3朝向下侧。即，磁化向量M1和磁化向量M3朝向彼此相对侧。
可使用呈现软磁性的NiFe合金、CoFeB合金或CoFe合金、或者通过将适当添加剂加入任何这些合金中而得到的材料，以作为沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层3的材料。
可使用TbFeCo合金、GdFeCo合金、CoPt合金、FePt合金、由Co和诸如Pd或Pt的贵金属制成的多层膜、或者通过将适当添加剂加入任何这些材料中而得到的材料，以作为垂直磁化层1和磁化固定层8的材料。当将任何这些材料用作磁化固定层8时，优选的是通过将磁化固定层8的矫顽力设定为充分大于存储层10的矫顽力，或者将磁化固定层8的体积设置为充分大于存储层10的体积，或者将磁化固定层8的磁阻尼常数设置为充分大于存储层10的磁阻尼常数，从而在记录操作中抑制磁化运动。
对于作为非磁性层的中间层7的材料，优选的是使用呈现大的磁阻变化率(MR比)以读出磁化状态的材料，例如，如MgO或Al2O3等氧化物是合适的。
可将非磁性导体用作非磁性层2的材料。具体来说，优选的是具有小电阻并且易于控制磁耦合的材料，并且优选地使用例如Cr、Cu、Ru、Re或Os等的金属非磁性材料。
基于如下的定义，即在强磁耦合的情况下，垂直磁化层1的磁化向量M1的方向的角度为0度，而在反强磁耦合的情况下，与垂直磁化层1的磁化向量M1的方向相反的方向的角度为0度，那么，垂直磁化层1的磁化向量M1的方向和强磁性层3的磁化向量M3的方向之间形成的角度优选地介于15度～45度的范围中。
如果角度小于15度，那么，在存储层10中，垂直磁化层1的磁化向量M1和强磁性层3的磁化向量M3的方向的反转时间的缩短效果不充分。
如果角度大于45度，那么，在存储层10中，垂直磁化层1的磁化向量M1和强磁性层3的磁化向量M3的方向难以反转。
强磁性层3的磁化向量M3的方向相对于垂直于膜面的方向的倾角可根据例如垂直磁化层1和强磁性层3之间的非磁性层2的厚度而变化。
图3示意性地图示了采用了本发明的实施方式的存储元件的电阻(R)与外部磁场(H)的相互关系。
如图3所示，在不存在外部磁场时的两个记录状态的电阻差被定义为ΔR1，而在电阻饱和后的两个记录状态的电阻差被定义为ΔR2。
在此情况中，类似于图1中的强磁性层3，强磁性层的易磁化轴为沿膜面内方向，该强磁性层的磁化方向和垂直于膜面的方向之间在稳态下形成的角度θ估计为cosθ＝ΔR1/ΔR2。
而且，如果对应于MR曲线的各个饱和点的磁场的差值被定义为2Hs，那么，该强磁性层的有效退磁场Hd估计为Hd＝Hs·ΔR1/(ΔR2-ΔR1)。
通过使用垂直磁异向性磁场(HkP)、饱和磁通密度(4πMsP)、元件面积(SP)和元件厚度(tP)，将用于存储层的垂直磁化层的记录的保持能量表示为HkP·4πMsP·SP·tP/2。
通过使用饱和磁通密度(4πMsI)、元件面积(SI)和元件厚度(tI)，将沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层的磁化朝向完全垂直于膜面的方向所必需的能量表示为(4πMsI)2·SI·tI/2。
为使垂直磁化层的磁化保持在垂直于膜面的方向，该垂直磁化层与沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层磁耦合，那么，垂直磁化层的记录的保持能量必须等于或大于使得沿膜面内方向的磁化朝向垂直于膜面的方向竖立的能量。
此外，当沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层的磁化被自旋注入转矩反转时，还必须将垂直磁化层的磁化方向反转。因此，垂直磁化层的记录的保持能量必须等于或小于使得沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层的磁化朝向垂直方向竖立的能量的两倍。
通常，垂直磁化层和强磁性层具有几乎相同的平面图形。因此，这两层在它们的膜面方向上的尺寸和面积几乎彼此相同。
在此情况中，存储元件的有利操作的条件是，在存储层中，垂直磁化层的垂直磁异向性(magneticanisotropy)、饱和磁通密度和厚度的乘积处于强磁性层的饱和磁通密度的平方与强磁性层的厚度的乘积的一倍～两倍的范围内，该强磁性层沿膜面内方向具有易磁化轴。
若满足该条件，则可实现记录的稳定的保持特性以及没有错误发生的有利记录的执行。
下面，说明根据本发明的实施方式的存储元件的操作。
在本发明的实施方式的存储元件中，将电流施加给存储元件，并且通过自旋注入磁化反转而将存储层的磁化方向(即，垂直磁化层的磁化方向和沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层的磁化方向)反转，从而记录信息。
图4A图示了在自旋注入磁化反转操作中，作为单层的垂直磁化层的磁化的运动轨迹。图4B图示了沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层的磁化的运动轨迹，该强磁性层被包含在根据本发明的实施方式的存储元件的存储层中。
在图4A和图4B中，在球面空间中图示了磁化方向的箭头104和磁化的运动轨迹105，在所述球面空间中，图示了表示垂直于膜面的向上方向的轴101、表示垂直于膜面的向下方向的轴102和表示膜面内的轨迹103。图4B中的数字105表示在稳态下由强磁性层的磁化向量的尖端所描绘的轨迹，该强磁性层沿膜面内方向具有易磁化轴，所述强磁性层被包含在本发明的实施方式的存储元件的存储层中。该轨迹105相当于图1中的轨迹5。
图4A和图4B各自图示了磁化方向从向上方向反转至向下方向的情况下的轨迹。
图5A和图5B是将图4A和图4B中所示的磁化的轨迹分别表示成磁化的垂直分量的时间变化的图。在图5A和图5B中，横轴表示时间，而纵轴表示磁化的垂直分量。竖直向上的状态对应于1，而竖直向下的状态对应于-1。而且，由箭头110表示施加记录用电流的时段。
从图4A中显而易见，在作为单层的垂直磁化层中，在记录操作前，磁化基本上是向上方向。一旦将电流施加给元件时，自旋转矩工作，并且磁化的旋进(precession)的幅度增加。然后，当磁化向量越过膜面的轨迹103时，将旋进的旋转方向反转，于是磁化向量朝向相反方向。
当磁化方向接近垂直于膜面的方向时，自旋转矩小，因此旋进随时间的变化小。于是，如图5A所示，可以看到即使开始施加电流后磁化仍几乎不变的区域。
该区域的长度随着每个记录操作而变化。因此，在直到磁化方向的反转完成前的时间内出现差异，并且充分长的记录时间是必需的，从而确保将磁化反转。
相比之下，如图4B所示，沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层的磁化朝向相对于垂直于膜面的轴101倾斜的方向，该强磁性层被包含在本发明的实施方式的存储元件的存储层中。于是，该强磁性层的磁化与开始施加记录电流同时地承受某种程度的自旋转矩，并且立即开始旋进的幅度的增加。
这可实现高速反转和反转时间的差异的减小，于是可缩短记录电流的施加时间。
如图5B所示，在施加电流的时段110的前半段内，将磁化方向反转，于是，与图5A中的作为单层的垂直磁化层的情况相比，可大大缩短反转所必需的时间。
<2.第一实施方式>
下面，说明本发明的具体实施方式。
图6是被包含在根据本发明的第一实施方式的存储装置中的存储元件的示意配置图(截面图)。
在如图6所示的存储元件20中，从下侧以下列顺序堆叠各层：基体层11、垂直磁化层12、高极化率层13、隧道绝缘层14、沿膜面内方向(图中的水平方向)具有易磁化轴的强磁性层15、非磁性层16、垂直磁化层17和保护层18。
垂直磁化层12、17具有沿垂直于膜面的方向的磁化向量M12、M17。
设置高极化率层13，以便提高构成存储元件20的磁阻效应元件的MR比(磁阻效应比)。
磁化固定层21由垂直磁化层12和高极化率层13构成，并且垂直磁化层12的磁化向量M12的方向固定在向上方向。垂直磁化层12和高极化率层13彼此直接接触，并且用作一个磁性元件。
存储层22由强磁性层15、非磁性层16和垂直磁化层17构成，存储层22基于磁性材料的磁化状态而保持信息。
在磁化固定层21和存储层22之间的中间层为隧道绝缘层14，因此，磁阻变化比(MR比)被增大以读出磁化状态。
和图2A和图2B不同的是，在该存储元件20中，将磁化固定层21和存储层22之间的纵向位置关系反转。即，磁化固定层21设置在存储层22下面。
在沿膜面内方向(图中的水平方向)具有易磁化轴的强磁性层15中，由于隔着非磁性层16而与垂直磁化层17的磁耦合，故磁化向量M15的方向相对于垂直于膜面的方向(垂直方向)倾斜。
强磁性层15的磁化向量M15的方向相对于垂直于膜面的方向的倾角可例如随着上述的非磁性层16的膜厚而变化。
而且，在本实施方式的存储元件20中，强磁性层15的磁化向量M15的方向相对于垂直于膜面的方向的倾角处于15度～45度的范围内。
当将沿垂直于膜面的方向(存储元件20的各层的堆叠方向，即垂直方向)的电流施加给存储元件20时，在存储层22中，强磁性层15的磁化向量M15和垂直磁化层17的磁化向量M17的方向由于自旋注入磁化反转而被反转。从而，可将信息记录在存储层22中。
因为强磁性层15的磁化向量M15的方向相对于垂直于膜面的方向(垂直方向)倾斜，故通过自z旋注入磁化反转而将强磁性层15的磁化向量M15的方向反转所必需的时间可被缩短。
对于垂直磁化层12和垂直磁化层17，可使用上述材料，即使用TbFeCo合金、GdFeCo合金、CoPt合金、FePt合金、由Co和诸如Pd或Pt的贵金属制成的多层膜、或通过将适当添加剂加入任何这些材料中而得到的材料。
对于存储层22的强磁性层15，可使用上述材料，即使用NiFe合金、CoFeB合金、CoFe合金、或通过将适当添加剂加入任何这些合金中而得到的材料。
对于存储层22的非磁性层16，可使用诸如Cr、Cu、Ru、Re和Os的上述金属非磁性材料。
对于隧道绝缘层14，可使用诸如MgO和Al2O3的上述氧化物。
而且，更优选的是，在存储层22中，垂直磁化层17的垂直磁异向性、饱和磁通密度和厚度的乘积处于强磁性层15的饱和磁通密度的平方和强磁性层15的厚度的乘积的一倍～两倍的范围内，该强磁性层15沿膜面内方向具有易磁化轴。
在图6的状态下，强磁性层15的磁化向量M15和垂直磁化层17的磁化向量M17都处于向下方向，并且将这些层类似于图2B被反强磁耦合。
在本发明的实施方式的存储元件中，类似于图2B，沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层和垂直磁化层可反强磁耦合。
图7是本发明的第一实施方式的使用图6所示的存储元件20的存储装置(存储器)的示意配置图(平面图)。
如图7所示，通过将存储元件20布置在以矩阵形式正交地布置的大量第一布线(例如位线)31和大量第二布线(例如字线)32的各个交点处，从而构成该存储装置(存储器)30。
存储元件20将圆形作为其平面形状，并且具有图6所示的截面结构。
而且，如图6所示，存储元件20具有存储层22，通过堆叠沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层15、非磁性层16和垂直磁化层17，从而形成存储层22。
每个存储元件20形成存储装置30的存储单元。
虽然未图示，然而第一布线31和第二布线32各自与存储元件20电连接，并且，沿存储元件20的各层的堆叠方向(垂直方向)的电流可经由这些布线31、32而施加给存储元件20。
通过将该电流施加给存储元件20，在存储层22中，强磁性层15的磁化向量M15和垂直磁化层17的磁化向量M17的方向可被反转，于是可记录信息。具体来说，通过改变施加给存储元件20的电流的极性(电流方向)，通过在存储层22中的强磁性层15的磁化向量M15和垂直磁化层17的磁化向量M17的方向的反转，从而记录信息。
在本实施方式的存储元件20的配置中，通过堆叠垂直磁化层17、非磁性层16和沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层15，从而构成存储层22，并且使垂直磁化层17和强磁性层15磁耦合。由于该磁耦合，强磁性层15的磁化向量M15的方向相对于垂直于膜面的方向(垂直方向)倾斜。
由于强磁性层15的磁化向量M15的方向相对于垂直于膜面的方向(垂直方向)倾斜，因此，当沿垂直于膜面的方向(各层的堆叠方向)的电流施加给存储元件20并开始自旋注入时，立即开始强磁性层15的磁化向量M15的旋进幅度的增加。这样，相比于强磁性层的磁化方向未倾斜(沿垂直方向)的配置，可在更短的时间内，使得存储层22中的垂直磁化层17的磁化向量M17和强磁性层15的磁化向量M15的各方向反转。
因此，通过在存储层22中的强磁性层15的磁化向量M15和垂直磁化层17的磁化向量M17的各方向的反转，可缩短记录信息所必需的反转时间，还可减小该反转时间的差异。
这可降低信息记录的电流量，并且可在短时间内将信息记录在存储元件20中。
而且，由于强磁性层15的磁化向量M15的方向与垂直于膜面的方向的倾角处于15度～45度的范围内，故可缩短反转时间，并且即使采用小电流量，信息记录的错误的发生率仍可保持为低。于是，即使采用小电流量，仍可稳定地记录信息。
而且，在本实施方式的存储装置30的配置中，存储单元由具有上述配置的存储元件20构成。因此，可减小信息记录的电流量，并且可在短时间内记录信息。而且，即使采用小电流量，仍可稳定地记录信息。
因此，可实现采用小电流以高速操作的存储装置30，并且还可提高存储装置30的操作的可靠性。
<3.实验例>
实际制造了本发明的实施方式的存储元件，并且考察了该存储元件的特性。
(比较例)
制造了针对本发明的实施方式的比较例的存储元件。图8是该比较例的存储元件的截面图。
通过从图6的存储元件20中构成存储层的垂直磁化层和强磁性层之间去除非磁性层，从而得到图8所示的存储元件60的配置。
具体来说，通过从下侧以下列顺序来堆叠各层而构成存储元件60，所述各层即：基体层51、垂直磁化层52、高极化率层53、隧道绝缘层54、沿膜面内方向具有易磁化轴的强磁性层55、垂直磁化层56和保护层57。
垂直磁化层52、56具有沿垂直于膜面的方向的磁化向量M52、M56。
磁化固定层61由垂直磁化层52和高极化率层53构成，并且垂直磁化层52的磁化向量M52的方向固定在向上方向。垂直磁化层52和高极化率层53彼此直接接触，于是用作一个磁性元件。
存储层62由强磁性层55和垂直磁化层56构成。
在存储层62中，强磁性层55的磁化向量M55和垂直磁化层56的磁化向量M56都沿垂直于膜面的方向，并且沿向下方向。
形成厚度为5nm的Ta层以作为基体层51。在基体层51上，形成厚度为15nm的非晶态TbFeCo层以作为磁化固定层61的垂直磁化层52。在垂直磁化层52上，形成厚度为1nm的CoFeB层，以作为磁化固定层61的高极化率层53。由于TbFeCo为亚铁磁(ferrimagnetic)材料，故以如下方式作出调整，即，将TbFeCo层中的Tb的量设定为相对于磁化消失的补偿组分更大，以便抵消高极化率层53的CoFeB层的磁化。从而，减小来自于磁化固定层61的漏磁场，以防止存储层62受到磁影响。
接下来，形成厚度为0.8nm的MgO层以作为隧道绝缘层54。在隧道绝缘层54上，形成厚度为0.5nm的CoFe层以作为存储层62的强磁性层55，并且形成厚度为1.5nm的FePt层以作为存储层62的垂直磁化层56。
而且，形成厚度为5nm的Ta层以作为保护层57。此后，将各堆叠层图形化为直径为50nm的圆形的平面图形，从而制造存储元件60。
(实施例)
以下列方式制造具备图6所示的配置的存储元件20。
形成厚度为5nm的Ta层以作为基体层11。在基体层11上，形成厚度为15nm的非晶态TbFeCo层以作为磁化固定层21的垂直磁化层12。在垂直磁化层12上，形成厚度为1nm的CoFeB层以作为磁化固定层21的高极化率层13。由于TbFeCo为亚铁磁材料，故以如下方式作出调整，即，将在TbFeCo层中的Tb的量设定为相对于磁化消失的补偿组分更大，从而抵消高极化率层13的CoFeB层的磁化。从而，减小来自于磁化固定层21的漏磁场，以防止存储层22受到磁影响。
接下来，形成厚度为0.8nm的MgO层以作为隧道绝缘层14。
在隧道绝缘层14上，形成厚度为0.5nm的CoFe层以作为存储层22的强磁性层15，并且形成Ru层以作为存储层22的非磁性层16。此外，形成厚度为2nm的FePt层以作为存储层22的垂直磁化层17。
而且，形成厚度为5nm的Ta层以作为保护层18。此后，将各堆叠层图形化为直径为50nm的圆形的平面图形，从而制造存储元件20的各样品。
具体来说，存储元件20与比较例的存储元件60的区别在于存储元件20存在非磁性层16的Ru层，以及垂直磁化层56和垂直磁化层17的膜厚。
以如下方式制造存储元件20的各样品，即，存储层22的非磁性层16的Ru层的厚度t被分别设定为0.2nm、0.25nm、0.3nm和0.35nm，并且将这些样品定义为样品1、样品2、样品3和样品4。如果存储层22的非磁性层16的Ru层的厚度t以该方式变化，那么，可改变垂直磁化层17和强磁性层15之间的磁耦合强度。
关于存储元件20的样品1～样品4，通过改变施加给存储元件20的磁场的大小来测定MR比(磁阻比)。作为测定结果，图9以重叠的方式图示了各样品的MR比和磁场之间的相互关系。
从图9中显而易见，如果非磁性层16的Ru层的厚度变化，那么层间耦合的强度变化，并且强磁性层15的磁化向量M15相对于垂直于膜面的方向的倾角变化。
表1一起图示了关于各样品的下列参数：Ru层的厚度、在零磁场状态下的MR比、以及从零磁场状态下的MR变化率和饱和状态下的MR变化率中得到的磁化的倾角。
[表1]
| Ru膜厚 | MR比 | 磁化的倾角 | |
| 样品1 | 0.2nm | 86％ | 5°以下 |
| 样品2 | 0.25nm | 81％ | 20° |
| 样品3 | 0.3nm | 65％ | 40° |
| 样品4 | 0.35nm | 56％ | 50° |
而且，关于比较例的存储元件以及存储元件的样品1～样品3，通过将脉宽为20nm的脉冲电流施加给存储元件以进行记录，以便检验错误发生率。
结果，图10图示了错误发生率的对数值与记录电压(VP)的相互关系。在图中，S0表示比较例的结果。S1、S2和S3分别表示样品1、样品2和样品3的结果。
在样品4中，未发现磁化的充分反转。从该结果判断得出，50度作为强磁性层15的磁化向量M15的方向的倾角将会过大。
从图10中显而易见，在样品2(S2)和样品3(S3)中，反转所必需的电压小于比较例(S0)中的电压，并且随着记录电压的提高，错误率的降低程度更大。
对于另一实验，类似于样品1～样品4，通过改变在存储元件20中的存储层22的非磁性层16的Ru层的厚度，从而制造图6中的存储元件20的各样品。
接下来，通过改变施加给存储元件20的磁场的大小来测定MR比(磁阻比)，并且计算存储层22的强磁性层15的磁化向量M15与垂直于膜面的方向的倾角θ。而且，通过将脉宽为20nm的脉冲电流施加给存储元件20来进行记录，并且通过改变记录电压来检验各样品的错误发生率。
接下来，从这些各样品中，获得记录的错误率变为10-6以下的记录电压VR。而且，还从比较例的存储元件中，类似地获得记录的错误率变为10-6以下的记录电压VR。
因此，图11图示了倾角θ(°)和记录的错误率变为10-6以下的记录电压VR之间的关系。在图11中，由水平线表示比较例的存储元件的结果。
从图11中可见，当强磁性层15的磁化向量M15的倾角θ处于15度～45度的范围内时，得到小于比较例的值的记录电压值，并且在该范围内的倾角对于降低记录电压有效。
在上述实施方式和实验例中，采用圆形作为存储元件20的平面图形。然而，在本发明的实施方式中，可采用另一形状作为存储元件的平面图形。还可采用例如椭圆形、纺锤形和矩形。
在本发明的实施方式的存储元件中，磁化固定层和存储层之间的纵向位置关系，以及在存储层中的垂直磁化层和强磁性层之间的纵向位置关系可以是任意关系，并且不限于图中所示的位置关系。
在图7的存储装置30的平面图中，将作为存储单元的存储元件20布置在第一布线31和第二布线32的交点附近。
然而，在本发明的实施方式中，存储元件的位置不限于各个布线的交点附近，并且，只要存储元件与各个布线电连接，并且可将沿堆叠方向的电流从各个布线施加给存储元件，则该存储元件可具有另一配置。
而且，选择用晶体管可连接于每个存储单元的存储元件。例如，还可采用下列配置。具体来说，MOS晶体管的栅极连接于一个布线，而存储元件经由插塞层等而电连接于MOS晶体管的源极/漏极区域。而且，其它布线电连接于存储元件上。
本发明不局限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的情况下可采用其它各种配置。
Claims (6)
1.一种存储元件，其包括：
存储层，其配置为基于磁性材料的磁化状态而保持信息，并且该存储层包括：垂直磁化层，其磁化方向处于垂直于膜面的方向；非磁性层；和强磁性层，其沿膜面内方向具有易磁化轴，并且该强磁性层的磁化方向相对于垂直于所述膜面的方向倾斜处于15度～45度范围内的角度，通过所述垂直磁化层隔着所述非磁性层与所述强磁性层的堆叠，并且在所述垂直磁化层和所述强磁性层之间进行磁耦合，从而构成所述存储层；
磁化固定层，其配置为具有固定在垂直于所述膜面的方向的磁化方向；和
非磁性中间层，其配置为设置在所述存储层和所述磁化固定层之间，其中，
通过沿所述各层的堆叠方向施加电流来记录信息。
2.如权利要求1所述的存储元件，其中，所述存储层的所述垂直磁化层的垂直磁异向性、饱和磁通密度和厚度的乘积处于所述存储层的所述强磁性层的饱和磁通密度的平方和所述强磁性层的厚度的乘积的一倍～两倍的范围内。
3.如权利要求1或2所述的存储元件，其中，所述非磁性中间层为隧道绝缘层。
4.一种存储装置，其包括：
存储元件，其通过沿构成该存储元件的各层的堆叠方向施加电流来记录信息；和
布线，其用于将沿构成所述存储元件的各层的堆叠方向而施加的电流供给所述存储元件，其中，
所述存储元件包括：
存储层，其基于磁性材料的磁化状态而保持信息，并且该存储层包括：垂直磁化层，其磁化方向处于垂直于膜面的方向；非磁性层；和强磁性层，其沿膜面内方向具有易磁化轴，并且该强磁性层的磁化方向相对于垂直于所述膜面的方向倾斜处于15度～45度范围内的角度，通过所述垂直磁化层隔着所述非磁性层与所述强磁性层的堆叠，并且在所述垂直磁化层和所述强磁性层之间进行磁耦合，从而构成所述存储层；
磁化固定层，其具有固定在垂直于所述膜面的方向的磁化方向；和
非磁性中间层，其设置在所述存储层和所述磁化固定层之间。
5.如权利要求4所述的存储装置，其中，所述存储元件的存储层的垂直磁化层的垂直磁异向性、饱和磁通密度和厚度的乘积处于所述存储层的强磁性层的饱和磁通密度的平方和所述强磁性层的厚度的乘积的一倍～两倍的范围内。
6.如权利要求4或5所述的存储装置，其中，所述存储元件的非磁性中间层为隧道绝缘层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |