CN103137851B - 存储元件和存储装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及存储元件和存储装置，其中，该存储元件具有分层构造，包括：存储层，其中磁化方向对应于信息而改变，通过在分层构造的层叠方向上施加电流来改变磁化方向，从而将信息记录在存储层中；磁化固定层，其中磁化方向固定；中间层，由非磁性材料形成并且设置在存储层和磁化固定层之间；以及垂直磁性各向异性诱导层；该存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层。

Description

存储元件和存储装置

技术领域

本技术涉及具有多个磁性层并且使用自旋扭矩磁化转换来进行记录的存储元件和存储装置。

背景技术

随着从移动终端到大容量服务器的各种信息设备的快速发展，诸如更高的集成度、速度的增加以及更低的功耗的更进一步的高性能的改进在构成设备的诸如存储元件和逻辑元件的元件中被追求。

特别地，半导体非易失性存储器取得了显著的进步，并且作为大容量文件存储器的闪存以硬盘驱动器被闪存所取代的速率被推广。

同时，为了将半导体非易失性存储器用作代码存储或工作存储器，作为当前通常使用的NOR闪存、DRAM等的替代的半导体非易失性存储器的发展取得了进步。示例包括FeRAM（铁电随机存取存储器）、MRAM（磁性随机存取存储器）、PCRAM（相变随机存取存储器）等。这些的一部分已经在实际使用了。

在这些非易失性存储器中，MRAM使用磁性材料的磁化方向来进行数据存储使得可以实现高速度和几乎无限（10¹⁵次以上）的重写，并且因此MRAM已经被用于诸如工业自动化和飞机的领域。

由于高速操作和可靠性，MRAM被期待于在不久的将来扩展至代码存储器或工作存储器。

然而，MRAM具有关于降低功耗和增加容量的挑战。

这是由MRAM记录原理，即，使用从配线部产生的电流磁场来转换磁化的方法导致的基本问题。

作为解决该问题的方法，不使用电流磁场的记录方法（即，磁化转换方法）正在审查中。特别地，对自旋扭矩磁化转换的研究已在积极地进行（例如，参见日本未审查专利申请公开第2003-17782号和美国专利第5,695,864号）

与MRAM相似，使用自旋扭矩磁化转换的存储元件包括MTJ（磁性隧道结）。

这使用了一种现象，其中当通过以任意方向固定的磁性层的自旋极化电子进入另一自由（方向不固定）磁性层时，扭矩被施加至磁性层，并且当具有预定阈值以上的电流流动时，自由磁性层（存储层）被转换。0/1的重写通过改变电流的极性来执行。

在存储元件的大小程度约为0.1μm的条件下，用于自由磁性层转换的电流的绝对值为1mA以下。此外，因为该电流值与存储元件的体积成比例减少，所以能够按比例缩放。

此外，因为不需要MRAM中记录电流磁场的产生所需要的字线，所以有着单元构造变得简单的优点。

在下文中，利用自旋扭矩磁化转换的MRAM将被称为自旋转移扭矩-磁性随机存取存储器（STT-MRAM）。

作为能够在保持MRAM的可以进行高速度和几乎无限的重写的优点的同时实现更低的功耗和更大的容量的非易失存储器被寄予很大的希望。

发明内容

在STT-MRAM中，引发的磁化转换的自旋扭矩根据磁化方向改变它的大小。

在STT-MRAM存储元件的典型构造中，存在自旋扭矩变成零的磁化角。

当在初始状态的磁化角与扭矩变成零的极化角一致时，转换磁化方向会花费相当大量的时间。因此，在写入时间内磁化转换可能无法完成。

如果转换没有在写入时间内完成，则写入操作可能导致失败（写入错误）并且将不被正确地执行。

希望提供一种有效地抑制错误发生并且在短时间内执行写入操作的存储元件和存储装置。

根据本技术的实施方式，一种存储装置按照以下描述来构造。

换言之，存储器装置具有分层构造，包括：

存储层，其中磁化方向对应于信息而改变，

磁化固定层，其中磁化方向固定，

中间层，由非磁性材料形成并且设置在存储层和磁化固定层之间，以及

垂直磁性各向异性诱导层，

其中，通过在分层构造的层叠方向上施加电流来改变存储层的磁化方向，从而记录信息。

存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层，第一铁磁性层与中间层接触，第三铁磁性层与垂直磁性各向异性诱导层接触，隔着结合层相邻的这些铁磁性层隔着结合层磁性地结合（耦合），使得铁磁性层的磁化方向从垂直于膜面的方向倾斜。

根据本技术的实施方式的存储装置包括向存储装置供给在层叠方向上流动的电流的配线部，以及控制经由配线部向存储装置的电流供给的电流供给控制部。

在根据本发明的实施方式的存储装置中，存储层具有三个铁磁性层隔着结合层层叠的构造。两个相邻的铁磁性层隔着插入在它们之间的结合层而磁性结合。在这些铁磁性层中，在与垂直磁性各向异性诱导层接触的铁磁性层内，垂直磁性各向异性由垂直磁性各向异性诱导层来诱导（引发），以使得易磁化轴可以垂直于膜面。相似地，在这些铁磁性层中，在与中间层接触的铁磁性层中，垂直磁性各向异性由中间层诱导，以使得易磁化轴可以垂直于膜面。

在本技术中，构成存储层的铁磁性层的磁化方向从垂直于膜面的方向倾斜。这可以有效地抑制由存储层的磁化方向和磁化固定层的磁化方向接近平行或反平行这一事实引起的磁化转换时间的发散。换言之，存储层的磁化方向可以在预定有限的时间内转换从而写入信息。

根据本技术的实施方式的存储装置，电流可以在层叠方向上通过配线部流至存储元件，并且通过存储层的磁化转换，信息可以被记录。

根据本技术，通过在预定的时间内转换存储层的磁化方向，可以写入信息，由此可以减少写入错误并且可以在更短的时间内进行写入操作。

因为写入错误可以减少，所以写入操作可以具有增加的可靠性。

此外，写入操作可以在更短的时间内进行，由此实现高速操作。

因此，本技术能够实现可以高速操作的写入操作具有高可靠性的存储元件和存储装置。

如附图中所示，本技术的这些和其他的目标、特征和优点将根据以下对其最优模式的实施方式的具体描述变得更加明显。

附图说明

图1是根据实施方式的存储装置的示意性透视图；

图2是根据实施方式的存储装置的截面图；

图3是根据实施方式的存储装置的平面图；

图4是用于示出在磁化方向垂直于膜面的现有技术中的STT-MRAM存储元件的示意性构造的截面图；

图5是根据实施方式的存储元件的示意性构造截面图；

图6A和图6B是根据实施方式的存储层的示意性构造透视图和平面图；

图7是在平衡状态下在铁磁性层间的磁性结合能与磁化角度之间的关系的曲线图。

图8是在铁磁性层的磁能与铁磁性层间的最大磁性结合能之间的关系的曲线图。

图9是在铁磁性层间的磁性结合能与热稳定指数之间的关系的曲线图。

图10是在激励能量、写入错误率和转换时间之间的关系的曲线图。

图11A和图11B各自示出了根据实施方式的存储元件（磁阻效应元件）对复合型磁头的应用。

具体实施方式

本技术的实施方式将依照以下顺序描述。

<1.根据实施方式的存储装置的示意性构造>

<2.根据实施方式的存储元件的总体描述>

<3.根据实施方式的存储元件的具体构造>

<4.模拟结果>

<5.变形例>

<1.根据实施方式的存储装置的示意性构造>

首先将描述存储装置的示意性构造。

图1、图2和图3各自示出了存储装置的示意性示图。图1是透视图，图2是截面图以及图3是平面图。

如图1中所示，在根据实施方式的存储器装置中，存储元件3包括自旋转移扭矩-磁性随机存取存储器（STT-MRAM），该STT-MRAM可以根据被布置在两种彼此垂直的地址配线（例如，字线和位线）交点附近的磁化状态来保持信息。

换言之，构成用于选择各个存储元件3的选择晶体管的漏区8、源区7和栅区1形成在诸如硅基板的半导体基板中的由元件隔离层2隔离的部分中。它们中，栅极也起到图1中前后方向延伸的地址配线（字线）的作用。

漏极8通常通过图1中的右选择晶体管和左选择晶体管形成，并且配线9连接至漏区8。

具有通过自旋扭矩磁化转换来转换磁化方向的存储层的存储元件3被布置在源区7与位线6之间，该位线6被布置在上侧并且在图1中的左右方向上延伸。存储元件3例如由磁性隧道结元件（MTJ元件）构成。

如图2中所示，存储元件3具有两个磁性层12和14。在两个磁性层12和14中，一个磁性层被设定为磁化M12的方向固定的磁化固定层12，并且另一侧的磁性层被设定为磁化M14的方向变化的自由磁化层，即存储层14。

此外，存储元件3通过上和下接触层4分别连接至每个位线6和源区7。

以这种方式，当在垂直方向上（在层叠方向上）的电流通过两种地址配线1和6被施加于存储元件3时，存储层14的磁化M14的方向可以通过自旋扭曲磁化转换来转换。

如图3中所示，存储装置通过将存储元件3布置在按照矩阵垂直布置的多个第一配线（字线）1和第二配线（位线）6的交点处来构造。

存储元件3具有平面圆形的形状以及图2中所示的截面。

同样，存储元件3具有磁化固定层12和存储层14。

每个存储元件3构成存储装置的存储单元。

在这样的存储装置中，需要以等于或小于选择晶体管的饱和电流来执行写入，并且已知的是晶体管的饱和电流随着小型化而减小。为了使存储装置小型化，希望改善自旋变化效率并且减少流向存储元件3的电流。

此外，需要保证高磁阻变化率以放大读出信号。为了实现它，采用上述的MTJ结构、即按照在两个磁性层12和14之间布置作为隧道绝缘层（隧道势垒层）的中间层的方法来构造存储元件3是有效的。

在隧道绝缘层用作中间层的情况下，流向存储元件3的电流量被限制从而防止发生隧道绝缘层的绝缘击穿。即，从对于存储元件3的重复写入保证可靠性的观点来看，自旋扭矩磁化转换所需的电流需要被限制。自旋扭矩磁化转换所需的电流也被称为转换电流、存储电流等。

因为根据实施方式的存储装置是非易失性存储器，所以需要稳定地存储由电流写入的信息。即，需要保证对于在存储层14的磁化中的热起伏的稳定性（热稳定性）。

在不能保证存储层14的热稳定性的条件下，转换过的磁化方向可以由于热（在操作环境中的温度）而被再次转换，这会导致保持错误。

在存储装置中的存储元件3（STT-MRAM）相比于在现有技术中的MRAM的优点在于尺寸，即，优点在于体积可以很小。然而，因为体积很小，所以只要其他特性相同，热稳定性就可能劣化。

随着STT-MRAM的容量增加在继续，存储元件3的体积变得更小，使得保持热稳定性是重要的。

因此，在STT-MRAM的存储元件3中，热稳定性是相当重要的特性，并且需要按照即使当体积减小时仍可确保其热稳定性的方法来设计存储器。

<2.关于根据实施方式的存储元件的总体描述>

然后，将描述关于根据实施方式的存储元件的总体描述。

首先，参考图4的截面图，将描述现有技术中的STT-MRAM中的存储元件3'，其中存储层的磁化方向（在平衡状态下的磁化方向）垂直于膜面。

如从以下描述中将变得显而易见的，在根据本技术的实施方式的存储元件3中，存储层14的磁化M14的方向（在平衡状态下的磁化M14的方向）将不垂直于膜面。在参考图4的描述中，存储元件3'的存储层“14”将为了方便而被使用。

如图4中所示，在存储元件3'中，磁化M12的方向固定的磁化固定层（也称作参考层）12、中间层（非磁性层；隧道绝缘层）13、磁化M14的方向可变的存储层（自由磁化层）14以及盖层15按照所述的顺序层叠在底层11上。

在这些中，在磁化固定层12中，磁化M12的方向由高矫顽力等固定。在这种情况下，磁化固定层12的磁化方向固定在垂直于膜面的方向上。

在存储元件3′中，信息由具有单轴各向异性的存储层14的磁化M14的方向来存储。

通过在垂直于存储元件3'的各层的膜面的方向（换言之，各层的层叠方向）上施加电流从而在存储层14中引起自旋扭矩磁化转换。

这里将简短地描述自旋扭矩磁化转换。

对于电子，有两种可能的自旋角动量的值。自旋的状态被暂时定义为上和下。在非磁性材料中，上自旋角动量电子和下自旋角动量电子的数量是相同的。但是在铁磁性材料中，上自旋电子和下自旋电子的数量是不同的。

首先，在隔着中间层13层叠的两个铁磁性层中（磁化固定层12和存储层14），将考虑磁化M12和M14的方向是反平行的并且电子从磁化固定层12移动至存储层14的情况。

通过磁化固定层12的电子自旋极化，即，上自旋和下自旋的电子的数量不同。

当作为隧道势垒层的中间层13的厚度被制造为足够薄时，在自旋极化被缓和并且电子成为普通的在非极化材料中的非极化状态（上自旋和下自旋电子的数量相同）之前，电子到达其他磁性材料，即存储层（自由磁化层）14。

在两个铁磁性层（磁化固定层12和存储层14）中的自旋极化的符号相反，使得部分的电子为了降低系统能量而被转换，即，自旋角动量的方向被改变。在这时，系统的整体角动量需要守恒使得反作用被施加至存储层14的磁化M14，该反作用等于由改变方向的电子所改变的总角动量。

在电流（即，每单位时间通过的电子的数量）较小时，被改变了方向的电子的总数量变少，使得发生在存储层14的磁化M14中的角动量的改变变小，但当电流增加时，可以在单位时间内在角动量中施加大的变化。

与角动量随时间一起变化的是扭矩，并且当扭矩超过阈值时，存储层14的磁化M14开始进动，并且由于存储层14的单轴各向异性旋转180度而变得稳定。即，发生了从反平行状态到平行状态的转换。

在另一方面，当两个铁磁性层的磁化M12和M14的方向平行并且使得电子从存储层14反向流动到磁化固定层12时，电子随后在磁化固定层12被反射。

当被反射并且被自旋转换的电子进入存储层14时，扭矩被施加并且存储层14的磁化M14的方向被转换，使得可以将磁化M12和M14转换至反平行状态。

然而，在这时，引起转换所需的电流量大于从反平行状态转换到平行状态的情况下所需的电流量。

从平行状态到反平行状态的转换难以直观地理解，但是可以认为磁化固定层12的磁化M12是固定的从而不转换磁力矩，而转换存储层14用以使整个系统的角动量守恒。

如上所述，对0/1的记录通过从磁化固定层（参考层）12向存储层14或按照与其相反的方向施加具有预定阈值以上的相应于各个极性的电流来执行。

信息的读取通过使用与现有技术中MRAM相似的磁阻效应来执行。即，与以上描述的记录的情况一样，在垂直于膜面的方向上（在各层的层叠方向上）施加电流。然后，利用了这样一种现象，其中由存储元件3所呈现的电阻依赖于存储层14的磁化M14的方向是与磁化固定层（参考层）12的磁化M12的方向平行还是反平行而变化。

用于中间层13（作为隧道绝缘层）的材料可以是金属材料或绝缘材料，但是绝缘材料可以用于中间层13以获得较高的读出信号（电阻改变率）并且从而通过较低的电流实现记录。此时的元件称为铁磁性隧道结（磁性隧道结：MTJ）元件。

上述自旋扭矩通过存储层14的磁化M14的方向和磁化固定层（参考层）12的磁化M12的方向之间的角度而改变。

当表示磁化M14的方向的单位向量被指定为m1并且表示磁化M12的方向的单位向量被指定为m2时，自旋扭矩的大小与m1×（m1×m2）成比例。在这里“×”的意思是向量的叉积。

通常，磁化固定层12的磁化M12固定到存储层14的易磁化轴。存储层14的磁化M14具有导向为存储层14自身的易磁化轴的倾向。在这种情况下，m1和m2呈0度（平行）或180度（反平行）。

图4示出了当m1和m2呈0度时的磁化M14的方向和磁化M12的方向。

因此，当m1和m2呈0度或180度时，根据上述自旋扭矩等式，自旋扭矩将完全不起作用。

然而，在实践中，由于热起伏，存储层14的磁化M14随机分布在存储层14的易磁化层周围，所以一旦存储层14的磁化M14与存储层12的磁化M12之间的角度偏离0度或180度时，自旋扭矩起作用从而引起磁化转换。

磁性材料具有沿着磁化方向的磁能。在最低磁能的方向上存在易磁化轴。

当没有热起伏时，磁化通过用于使磁能最小的力（扭矩）来导向至易磁化轴。

在另一方面，相比于当磁化在易磁化轴上时，当磁化方向由于热起伏而离开易磁化轴时磁能变得更高。这种差异称为激励能量E。随着磁化方向进一步远离易磁化轴并且激励能量E超过预定的阈值时，发生磁化转换。

阈值被称为Δ。

Δ被认为是转换磁化所需要的能量。虽然激励能量E和阈值Δ以焦耳（J）为单位，但是这些在下文中当做被热能量（玻尔兹曼常数与绝对温度的乘积）除的无量纲的量来处理。因此，因为Δ被认为是磁化稳定指数，所以Δ可以被称为热稳定指数。

使用存储层14的磁化M14的激励能量E以及热稳定指数Δ，由电流I引起的自旋扭矩磁化转换所需的流经存储层14的电流I和时间（转换时间）t_s由下式表示：

$\frac{\mathrm{\&eta;}(I-I_{c0})t_s}{e}=\left(\frac{M_{s}V}{\mathrm{\&mu;B}}\right)\mathrm{In}\left(\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\sqrt{\frac{\mathrm{\&Delta;}}{E}}\right)$

[式1]

其中，I_c0表示自旋扭矩磁化转换所需的阈值电流，η表示电流I的自旋极化率，e表示电子电荷，M_s表示磁化M14的饱和磁化，V表示存储层的体积并且μB表示波尔（Bohr）磁子。

左手侧对应于注入进存储层14的自旋的数量。右手侧对应于在存储层14之中的自旋的个数。就这点而言，数量由对数项来标度。激励能量E在施加电流的时候具有磁化的方向。

使用以上[式1]，当预定量的电流I流动时，将描述转换时间t_s。激励能量E越高，右手侧越小。（应注意E不会超过Δ）所以，转换时间t_s也变短了。

相反地，当激励能量E接近于零时，右手侧无限地发散，并且转换时间t_s也无限地发散。当没有热起伏时，激励能量E变为零，并且因此转换时间ts发散。

这里，当有热起伏时，将描述激励能量E。通过热起伏，激励能量E变成有限值。在存储层14用单一的铁磁性层构成的情况下，激励能量E变得小于预定值X的概率被给出为1-exp(-X)。

从[式1]中，当预定的电流I流动时在转换时间t_s内的转换所需的激励能量E被认为是X。然后，当预定的电流I仅流动了时间t_s时，磁化转换不会发生的概率为1-exp(-X)。换言之，写入错误率为1-exp(-X)。

如上所述，激励能量E与写入错误率密切相关。

根据本技术，为了抑制上述转换时间的发散，存储层14具有三个铁磁性层隔着两个结合层来层叠的构造。两个临近的铁磁性层通过它们之间的结合层来磁性结合。

通过本技术的构造，在存储层的铁磁性层之间的磁性结合可以将铁磁性层的磁化方向从垂直于膜面的方向倾斜。这可以抑制使磁化转换为几乎平行于或反平行于存储层和磁化固定层的磁化方向所需时间的发散。

这允许了在预定有限的时间内通过转换存储层的磁化方向来写入信息。

<3.根据实施方式的存储元件的具体构造>

本技术的具体实施方式将在以下描述。

图5示出了根据实施方式的存储元件3的示意性构造图（截面图）。

在以下描述中，省略了与已经通过附加相同的符号而描述的部分相同的部分的描述。

如图5中所示，在根据实施方式的存储元件3中，磁化M12的方向固定的磁化固定层（参考层）12、中间层（非磁性层；隧道绝缘层）13、磁化M14的方向可变的存储层（自由磁化层）14以及盖层15按照所述的顺序层叠在底层11上。

如上所述，在磁化固定层12中，磁化M12的方向固定在垂直于膜面的方向上（图5中向上）。

根据实施方式的存储元件3与之前的存储元件3'的不同在于存储层14的构造被改变为具有包括铁磁性层和结合层的多层构造。

具体地，存储层14具有五层的构造，其中铁磁性层14a、结合层14b、强氧化层14c、结合层14d和铁磁性层14e按照所述的顺序层叠。

在实施方式中，盖层15由垂直磁性各向异性诱导层构成。具体地，盖层15由氧化物（更具体地，MgO）构成以对于布置在它下面的铁磁性层起到垂直磁性各向异性诱导层的作用。

在实施方式中，虽然垂直磁性各向异性诱导层和盖层被构造为同一层，需要理解的是这些层可以被构造为分开的层。

在下文中，盖层15和“垂直磁性各向异性诱导层”可互换地使用。

在实施方式中，中间层13也由垂直磁性各向异性诱导层构成。具体地，中间层13也由氧化物（更具体地，MgO）构成，以对于布置在它上面的铁磁性层起到垂直磁性各向异性诱导层的作用。

在这种情况下，在与结合层14d和铁磁性层14e之间的界面相对的界面处，位于最上侧的铁磁性层14e与作为垂直磁性各向异性诱导层的盖层15接触。

在与结合层14b和铁磁性层14a之间的界面相对的界面，位于最低侧的铁磁性层14a与作为垂直磁性各向异性诱导层的中间层13接触。

此外，隔着结合层14b，位于最低侧的铁磁性层14a的磁化M1与铁磁性层14c的磁化M2被磁性地结合。相似地，隔着结合层14d，磁化层14c的磁化M2与铁磁性层14e的磁化M3被磁性地结合。

在结合层14b和14d中，可以使用诸如Ta、Ru等的非磁性金属。

在存储层14的各铁磁性层之中，在近几年引起关注的具有垂直磁性各向异性的CoFeB层被用于层14a和14e。

当CoFeB层在至少一个界面处与氧化物接触时，垂直磁性各向异性被氧化物引发使得CoFeB层的易磁化轴垂直于膜面。

根据上述存储元件3的构造，铁磁性层14a与中间层13接触并且铁磁性层14e与盖层15接触，由此对这些铁磁性层14a和14e诱导垂直磁性各向异性。

通过使用作为中间层13的材料的氧化物材料，可以提供较高的读出信号（电阻改变率），并且如以上描述的能够以较低的电流进行记录。

在存储层14的各个铁磁性层之中，用于现有技术中STT-MRAM的存储元件的多种磁性材料可以用于中间铁磁性层14c。

例如，CoFeB也可以类似地用于铁磁性层14a和14e。

因为铁磁性层14c在两个界面与结合层14b和14d接触，所以没有诱发垂直磁性各向异性。在这种情况下，在垂直于膜面的方向上提供了退磁场，并且铁磁性层14c的磁化M2在膜面方向上更稳定。

用于现有技术中STT-MRAM的MTJ的多种磁性材料可以用于磁化固定层12。例如可以使用基于FePt、CoPt、TbFeCo、GdFeCo、CoPd、MnBi、MnGa、PtMnSb、CoFeB、Co-Cr的材料等。也可以使用除这些材料以外的磁性材料。

在现有技术中，通过使用类似于存储元件3'的磁阻效应来执行信息的读出。即，与以上描述的信息的记录一样，电流在垂直于膜面的方向上（在各层的层叠方向上）被施加。然后，使用了由存储元件3表示的电阻根据磁化固定层12的磁化M12的方向与存储层14的磁化M14的方向的相对角度而变化的现象。

图6A和图6B是为了更详细地示出存储层14的构造的透视图和平面图。

图6A是存储层14的透视图，并且图6B是存储层14的平面图。在图6A和图6B中，结合层14b和14d为了方便的原因被省略。

在根据实施方式的存储元件3中，存储层14具有圆柱的形状。为了描述磁化M1、M2和M3的方向，定义了角度θ1、θ2、θ3、 和

在图6A的透视图中，示出了在垂直方向上穿过存储层14的垂直轴aV。角度θ1由磁化M1和垂直轴aV形成，θ2由磁化M2和垂直轴aV形成，并且θ3由磁化M3和垂直轴aV形成。

在图6的平面图中，示出了穿过铁磁性层14a、14c和14e的中心的参考线aH。铁磁性层14a、14c和14e的截面形状为圆形，参考线aH的方向被任意地选择。当磁化M1、M2和M3投射在膜面上时，角度 由参考线aH和磁化M1形成，角度 由参考线aH和磁化M2形成，并且角度 由参考线aH和磁化M3形成。

如上所述，磁性材料具有跟随磁化方向的磁能。

为了描述磁能，定义了以下值。

换言之，通过从在磁化M1指向面方向（θ1=90度）时的磁能中减去在磁化M1指向垂直方向（θ1=0度）时的磁能，提供了能量差Δ1。

通过从在磁化M2指向面方向（θ2=90度）时的磁能中减去在磁化M2指向垂直方向（θ2=0度）时的磁能，提供了能量差Δ2。

通过从在磁化M3指向面方向（θ3=90度）时的磁能中减去在磁化M3指向垂直方向（θ3=0度）时的磁能，提供了能量差Δ3。

磁化M1和磁化M2的磁性结合能强度定义为Δ12，并且磁化M2和磁化M3的磁性结合能强度定义为Δ23。

虽然Δ1、Δ2、Δ3、Δ12、Δ23的单位为焦耳（J），但是类似于如上所述的激励能量E和阈值Δ，这些在下文中当作被热能（玻尔兹曼常数与绝对温度的乘积）除的无量纲的量来处理。

遵循定义，在根据实施方式的存储层14中，Δ1是正符号，Δ2是负符号并且Δ3是正符号。Δ12和Δ23不为零时可以具有任一符号。

然后，存储层14的磁能ε可以由以下[式2]表示：

ε＝Δ₁sin²θ₁+Δ₂sin²θ₂+Δ₃sin²θ₃

-Δ₁₂(cosθ₁cosθ₂+sinθ₁sinθ₂cos(φ₁-φ₂))

-Δ₂₃(cosθ₂cosθ₃+sinθ₂sinθ₃cos(φ₂-φ₃))

[式2]

存储层14的激励能量E由E=ε-εmin来表示，εmin的意思是磁能ε的最小值。

类似于现有技术中的存储层14的情况，当没有热起伏时，磁化M1、M2和M3改变它们的方向使得激励能量变为零，即，磁能ε变为εmin（该状态在本文中称为“平衡态”）。

在现有技术中，当存储层14由单独的CofeB层构成时，垂直磁性各向异性被诱发，使得磁化方向变得垂直于膜面。存储层14的磁化与磁化固定层12的磁化的相对角变为平行（0度）或反平行（180度）。因此自旋扭矩不起作用并且转换时间可能非预期地增加。

相反，作为深入研究的结果，发现在根据本技术的实施方式的存储层14的构造中，当激励能量变为0（即，在平衡态中）时，磁化M1、M2和M3的角度可以向磁化固定层12的磁化M12的方向（垂直轴）既不平行也不反平行地倾斜。发现有限的自旋扭矩起作用，并且在这种情况下转换时间的增加被抑制。

作为使用[式2]对磁化方向倾斜条件深入研究的结果，发现以下：

为了方便的原因，在以下描述中，Δ1和Δ3被定义为具有相同的值Δ1/2，使得两者的和变为Δ1。而且，Δ12和Δ23被新定义为具有相同的值Δex。

首先，考虑磁化M1和磁化M2的磁性结合能强度以及磁化M2和磁化M3的磁性结合能强度Δex都为0，即磁化M1、M2和M3彼此独立地移动的情况。

因为Δ1和Δ3为正，磁化M1和M3的易磁化轴变得垂直于膜面，并且，在平衡态中磁化M1和M3面向垂直于膜面。另一方面，因为Δ2为负，所以磁化M2的易磁化轴变得在膜面内，并且在平衡态中磁化M2面向于膜面。在这种情况下，铁磁性层14c对于围绕垂直轴aV的旋转是各向同性的，并且 可以具有任意值。

随后，考虑根据本技术磁化M1和磁化M2的磁性结合能强度以及磁化M2和磁化M3的磁性结合能强度Δex都不为0，即磁化M1、M2和M3彼此相结合地移动的情况。

通过定义，当Δex为正时，磁化M1与磁化M2，以及磁化M2与磁化M3试图平行。另一方面，当Δex为负时，磁化M1与磁化M2，以及磁化M2与磁化M3试图反平行。前者可以称为铁磁性结合，而后者可以称为反铁磁性结合。

为了方便，在以下描述中将考虑当Δex为正时的情况。然而，当Δex为负时相同的考虑应是正确的。

现在，Δ1（和Δ3）与Δ2具有不同的符号，在两个相邻的铁磁性层中，一个铁磁性层的磁化具有垂直于膜面的易磁化轴，而另一个铁磁性层的磁化具有在膜面内的易磁化轴。

这两个具有彼此竞争的方向的磁化以Δex的强度结合。

如果Δ1和Δ3还有Δ2都为正，则磁化角不取决于Δex的大小而变为与垂直角aV平行。所以类似于如图4所示的具有存储层14的存储元件3'，转换时间的增加是不可避免的。

另一方面，如果Δ1和Δ3还有Δ2都为负，则磁化角度不取决于Δex的大小而变为在膜面内。所以，铁磁性层14a的磁化M1与磁化固定层12的磁化M2的相对角度变为恒定的90度。因为不会发生由于磁阻效应而引起的阻抗变化并且不能读出信息，所以其不可能用作STT-MRAM的存储元件。

如由此理解的那样，在实施方式的存储元件3中，Δ2的符号应当与Δ1和Δ3的符号不同。

图7是当Δ1固定为100并且Δ2固定为-30时，结合强度Δex与稳定状态下的磁化方向之间关系的曲线图。

曲线C41对应于磁化M1和磁化M3以及从垂直轴aV开始的角度θ1和θ3，曲线C42对应于磁化M2以及从垂直轴aV开始的角度θ2。

如图7中所示，当Δex大于0并且小于Δexmax时，θ1、θ2和θ3大于0。在该区域中，磁化M1、M2和M3从垂直轴aV倾斜。

一旦Δex等于或大于Δexmax时，使磁化排成行的力太高，从而变成磁化M1、M2和M3平行于垂直轴aV。

随后，为了确定Δexmax的上限，对于多种Δ1和Δ2组合的磁化M1、M2和M3变为平行的上限Δexmax使用之前的[式2]来计算。

图8示出了结果的示例。

在图8中，Δ2固定为-50，并且Δ1从70变化到180。白圈P51是Δex的上限Δexmax。当Δex比该值小时，磁化M1、M2和M3可以倾斜。

通过寻找可以适合多个白圈P51的式，下式被发现是适合的。

Δexmax=abs(Δ1×Δ2/(Δ1+Δ2)) [式3]

其中，abs是返回绝对值的函数。

曲线C52通过以式3绘图得到。

现在，仅考虑当Δex为正时的情况。然而，当Δex为负时相同的公式也应是正确的。

最后，磁化M1、M2和M3倾斜的条件从以上[式3]导出，为以下：

abs(Δex)<abs(Δ1×Δ2/(Δ1+Δ2)) [式4]

同时，当存储层14具有三层的构造：铁磁性层/结合层/铁磁性层时，通过类似于上述技术的技术，本发明人导出了这些铁磁性层的磁化方向变得倾斜于垂直轴aV的条件。

结果，用于倾斜磁化的Δex的范围被导出为：

abs(Δex)<abs(2×Δ1×Δ2/(Δ1+Δ2))

从该结果中，可以得出相比于三层的构造：铁磁性层/结合层/铁磁性层，当根据本技术的实施方式的存储层14具有五层的构造：铁磁性层/结合层/铁磁性层/结合层/铁磁性层时，所需的Δex可以更低。

这里因为Δex的大小取决于结合层的材料和厚度而被限制，所以较低的Δex是理想的。因此，根据本技术的实施方式的具有五层构造的存储层14对于倾斜磁化来说可以是所期望的。

由于以上，倾斜磁化M1和磁化M2的条件变得显而易见。当Δ1、Δ2、Δ3、Δex（Δ12、Δ23）满足条件时，可以提供在平衡状态下具有倾斜的磁化方向的存储层14。

这就是说，根据本技术的实施方式的存储层14被构造为使得Δ2具有与Δ1和Δ3的符号不同的符号，并且Δ1、Δ2、Δ3和Δex满足[式4]的条件。

同时，通过从之前的[式2]中所示的磁能中减去在平衡状态下的磁能，提供了存储层14的激励能量E。此外，用于转换磁化M1方向和磁化M2方向的激励能量E为热稳定指数Δ。

当提供了上述Δ1、Δ2、Δ3和Δex时，激励能量E和热稳定指数Δ被唯一地确定。

图9是在存储层中的铁磁性层间的磁性结合能（Δex）与热稳定指数Δ之间的关系的曲线图。

在图9中，曲线C61示出了Δex的强度和热稳定指数Δ之间的关系。

为了提供图9中所示的结果，与图7中的情况一样，Δ1被固定为100并且Δ2被固定为-20。

如果Δex=0，则Δ等于Δ1。当Δex等于或大于Δexmax时，Δ等于Δ1+Δ2。

热稳定指数Δ是用于示出存储元件3对于热起伏的抵抗力的指数。当其用作非易失性存储器时，在操作保证时间中信息不应当丢失。其表示热稳定性指数Δ应当大于预定值。下限约在40到70内，但是其可以根据存储器容量和操作保证时间而变化。

随着Δ增加，耐热性增加。同时，写入能量也增加。所以，多于所需的增加是浪费的。

现在，热稳定指数Δ的设计值被定义为Δ0。

然后，如图9中所示，通过调整Δex来提供Δ=Δ0的条件为Δ1+Δ2<Δ0<Δ1。

对于相同的热稳定指数Δ，存储层14的三层构造：铁磁性层/结合层/铁磁性层的Δex和根据本技术的实施方式的五层构造的Δex被计算出。在本情况下，Δ1=200，Δ2=-300。

那么，在三层构造中，Δex为240。

另一方面，在根据本技术的实施方式的五层构造中，Δex为120。

因此，根据本技术，可以通过一半的Δex来得到相同的Δ从而当Δex的大小被限制时，这是所需的。

<4.模拟结果>

随后，关于根据实施方式的存储元件3与在现有技术中的存储元件3'模拟了自旋注入磁化转换以进行比较。

图10是在预定电流的激励能量E与转换时间ts之间的关系的曲线图。

根据[式1]，横坐标轴为ln[(π/2)(Δ/E)^1/2]。存储层的Δ为60。

在施加电流的时候在磁化方向上计算激励能量E。通过热起伏，磁化方向偏离于平衡状态。这表示激励能量E越高（接近图10中曲线图的左侧），偏离越大。

在现有技术中的存储元件3′中，在激励能量E和转换时间ts之间的关系由[式1]表示。

在图10中的曲线C72表示模拟结果。

当横坐标轴对数地标度为激励能量E时，曲线C72变得几乎为直线。发现激励能量E越大，转换时间越短。

另一方面，在根据实施方式的存储元件3中的激励能量E与转换时间ts之间的关系由图10中的曲线C71表示。

与现有技术中的存储元件3'的曲线C72不同，当激励能量E减小时，可以确定转换时间ts的增加在约为8.2ns处停止。这是因为即使激励能量为0（在图10中横坐标轴的正无穷处），磁化M1方向也从垂直轴aV倾斜使得有限的自旋扭矩起作用。

在如图10的曲线C71中所示的计算样本中，转换时间最大为8.2ns。这意味着在施加电流的时候，即使在存储层14的任何磁化方向上，转换时间也不会超过8.2ns。换言之，在8.2ns的电流供应时间（注入时间）内，写入可以被执行而不产生写入错误。

另一方面，在现有技术的存储元件3'的曲线C72中，转换时间ts不具有最大值并且随着激励能量E减小而增大。在8.2ns的电流供应时间时（在此时可在根据实施方式的存储元件3中执行写入而不产生写入错误），曲线经过点P73。在该点，写入错误被确定为4.6×10^-3。因此，在现有技术的存储元件3'中，在不产生写入错误的前提下，无法执行写入。

如从上述对比中可了解的，根据即使激励能量E很小、转换时间ts也在预定值内的实施方式的存储元件3对于减少写入错误率是所期望的。

同时，根据实施方式的存储元件3可以在比现有技术中的存储元件3'更短的时间内写入。

依照根据实施方式的存储元件3，写入错误可以被有效地减少从而可以改善写入操作的可靠性。

此外，写入操作可以在更短的时间内执行从而可以增加速度。

总之，可以提供在写入操作中具有高可靠性并且以高速操作的存储元件和存储装置。

<5.变形例>

虽然已经描述了根据本技术的实施方式，但是应理解的是本技术不限于上述示意性实施方式。

例如，虽然存储元件具有磁化固定层12、中间层13、存储层14和盖层15（垂直磁性各向异性诱导层）按照所述的顺序层叠在底层上的构造，但是在根据本技术的实施方式的存储元件中的磁化固定层12、中间层13和存储层14也可以上下颠倒地层叠。

根据本技术的实施方式的存储元件3具有诸如TMR元件的磁阻效应元件的构造。作为TMR元件的磁阻效应元件可以用于包括磁头、安装有磁头的硬盘驱动、集成电路芯片、个人计算机、可便携式终端、移动电话和磁性传感器装置还有上述存储装置的各种电子设备、电器等。

例如，图11A和图11B各自示出了具有存储元件3的磁阻效应元件101对于复合型磁头100的应用。图11A是通过切开复合型磁头100的一些部分来示出的用于辨别内部构造的透视图。图11B是复合型磁头100的截面图。

复合型磁头100是用于硬盘设备等的磁头。在基板122上，形成了根据本技术的实施方式的磁阻效应的磁头。在磁阻效应的磁头上，层叠了感应磁头并因此形成了复合型磁头100。磁阻效应磁头起到再生磁头的作用，并且感应磁头起到记录磁头的作用。换言之，复合型磁头100通过结合再生磁头和记录磁头来构造。

安置在复合型磁头100上的磁阻效应磁头是所谓的屏蔽MR头，并且包括隔着绝缘层123形成在基板122上的第一磁性屏蔽125、隔着绝缘层123形成在第一磁性屏蔽125上的磁阻效应元件101以及通过绝缘层123形成在磁阻效应元件上的第二磁性屏蔽127。绝缘层123包括诸如Al₂O₃和SiO₂的绝缘材料。

第一磁性屏蔽125用于磁性屏蔽磁阻效应元件101的下侧，并且包括诸如Ni-Fe的软磁性材料。在第一磁性屏蔽125上，隔着绝缘层123形成磁阻效应元件101。

磁阻效应元件101起到用于检测来自磁阻效应磁头中磁性记录介质的磁性信号的磁阻元件的作用。磁阻效应元件101可以具有与上述存储元件3相似的膜构造（层结构）。

磁阻效应元件101以大致矩形的形状形成，并且具有暴露于磁性记录介质的相对表面的一侧。在磁阻效应元件101的两端，设置了偏置层128和129。同样，形成了连接至偏置层128和129的连接端子130和131。感应电流通过连接端子130和131供应至磁阻效应元件101。

在偏置层128和129之上，隔着绝缘层123布置第二磁性屏蔽127。

层叠并形成在上述磁阻效应磁头上的感应磁头包括磁芯和缠绕在磁芯周围的薄膜线圈133，该磁芯包括第二磁性屏蔽127和上层芯132。

上层芯132与第二磁性屏蔽127一起形成闭合磁路，以成为感应磁头的磁芯，并且包括诸如Ni-Fe的软磁性材料。第二磁性屏蔽127和上层芯132形成为使得第二磁性屏蔽127和上层芯132的前端部分暴露于磁性记录介质的相对表面，并且第二磁性屏蔽127和上层芯132在它们的后端部分彼此接触。第二磁性屏蔽127和上层芯132的前端部分在磁性记录介质的相对表面形成，以使得第二磁性屏蔽127和上层芯132以预定的间隙g间隔开。

换言之，在复合型磁头100中，第二磁性屏蔽127不仅磁性地屏蔽磁阻效应元件101的上侧，而且还起到感应磁头的磁芯的作用。第二磁性屏蔽127和上层芯132构成感应磁头的磁芯。间隙g为感应磁头的记录磁性间隙。

此外，在第二磁性屏蔽127上，形成埋设在绝缘层123中的薄膜线圈133。薄膜线圈133形成为缠绕在包括第二磁性屏蔽127和上层芯132的磁芯周围。薄膜线圈133的两端（未示出）暴露在外，并且形成在薄膜线圈133的两端上的端子将是感应磁头的外部连接端子。换言之，当在磁性记录介质上记录磁性信号时，记录电流将从外部连接端子被提供至薄膜线圈133。

如上所述，根据本技术的实施方式的存储元件的层叠构造可以应用于在磁性记录介质中的再生磁头，即，用于从磁性记录介质中检测磁性信号的磁阻元件。

本技术可以具有以下构造。

（1）一种具有分层构造的存储元件，包括：

存储层，其中磁化方向对应于信息而改变；通过在分层构造的层叠方向上施加电流来改变磁化方向从而将信息记录在存储层中，

磁化固定层，其中磁化方向固定，

中间层，由非磁性材料形成并且设置在存储层和磁化固定层之间，以及

垂直磁性各向异性诱导层，

存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层，第一铁磁性层与中间层接触，第三铁磁性层与垂直磁性各向异性诱导层接触，隔着结合层相邻的这些铁磁性层隔着结合层磁性地结合，使得铁磁性层的磁化方向从垂直于膜面的方向倾斜。

根据以上（1）所述的存储元件，其中，

第一铁磁性层的易磁化轴垂直于膜面，

第二铁磁性层的易磁化轴在膜面内，

第三铁磁性层的易磁化轴垂直于膜面。

（3）根据以上（1）或（2）所述的存储元件，其中，

中间层和垂直磁性各向异性诱导层由氧化物构成。

（4）根据以上（1）至（3）中的任一项所述的存储元件，其中，

第一铁磁性层的第一磁能通过从当第一铁磁性层的磁化在膜面内时的磁能中减去当第一铁磁性层的磁化垂直于膜面时的磁能来定义，

第二铁磁性层的第二磁能通过从当第二铁磁性层的磁化在膜面内时的磁能中减去当第二铁磁性层的磁化垂直于膜面时的磁能来定义，

第三铁磁性层的第三磁能通过从当第三铁磁性层的磁化在膜面内时的磁能中减去当第三铁磁性层的磁化垂直于膜面时的磁能来定义，

第二磁能的符号不同于第一磁能和第三磁能的符号。

（5）根据以上（4）所述的存储元件，其中，

在隔着第一结合层的第一铁磁性层与第二铁磁性层之间的磁性结合能被定义为第一层间磁性结合能，

在隔着第二结合层的第二铁磁性层与第三铁磁性层之间的磁性结合能被定义为第二层间磁性结合能，

第一层间磁性结合能的绝对值小于通过将第一磁能和第二磁能之积除以第一磁能和第二磁能之和得到的绝对值，并且

第二层间磁性结合能的绝对值小于通过将第二磁能和第三磁能之积除以第二磁能和第三磁能之和得到的绝对值。

（6）一种存储装置，包括：

存储元件，具有分层构造，包括：

存储层，其中磁化方向对应于信息而改变；通过在分层构造的层叠方向上施加电流来改变磁化方向从而将信息记录在存储层中，

磁化固定层，其中磁化方向固定，

中间层，由非磁性材料形成并且设置在存储层和磁化固定层之间，以及

垂直磁性各向异性诱导层，

存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层，第一铁磁性层与中间层接触，第三铁磁性层与垂直磁性各向异性诱导层接触，隔着结合层相邻的这些铁磁性层隔着结合层磁性地结合，使得铁磁性层的磁化方向从垂直于膜面的方向倾斜，

存储装置还包括：

配线部，向存储元件供给在层叠方向上流动的电流，以及

电流供给控制器，控制经由配线部向存储元件的电流供给。

本技术包含的主题涉及于2011年11月30日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2011-261521中公开的主题，将其全部内容通过引用结合于此。

本领域的普通技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变形，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围之内。

Claims (7)

1.一种具有分层构造的存储元件，包括：

存储层，其中磁化方向对应于信息而改变；通过在所述分层构造的层叠方向上施加电流来改变所述磁化方向从而将所述信息记录在所述存储层中，

磁化固定层，其中磁化方向固定，

中间层，由非磁性材料形成并且设置在所述存储层和所述磁化固定层之间，以及

垂直磁性各向异性诱导层，

所述存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层，所述第一铁磁性层与所述中间层接触，所述第三铁磁性层与所述垂直磁性各向异性诱导层接触，隔着所述结合层相邻的这些铁磁性层隔着所述结合层磁性地结合，使得所述第一铁磁性层、所述第二铁磁性层和所述第三铁磁性层的磁化方向均从垂直于膜面的方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的存储元件，其中，

所述第一铁磁性层的易磁化轴垂直于膜面，

所述第二铁磁性层的易磁化轴在所述膜面内，

所述第三铁磁性层的易磁化轴垂直于所述膜面。

3.根据权利要求1所述的存储元件，其中，

所述中间层和所述垂直磁性各向异性诱导层由氧化物构成。

4.根据权利要求1所述的存储元件，其中，

所述第一铁磁性层的第一磁能通过从当所述第一铁磁性层的磁化在所述膜面内时的磁能中减去当所述第一铁磁性层的磁化垂直于所述膜面时的磁能来定义，

所述第二铁磁性层的第二磁能通过从当所述第二铁磁性层的磁化在所述膜面内时的磁能中减去当所述第二铁磁性层的磁化垂直于所述膜面时的磁能来定义，

所述第三铁磁性层的第三磁能通过从当所述第三铁磁性层的磁化在所述膜面内时的磁能中减去当所述第三铁磁性层的磁化垂直于所述膜面时的磁能来定义，

所述第二磁能的符号不同于所述第一磁能和所述第三磁能的符号。

5.根据权利要求4所述的存储元件，其中，

在隔着所述第一结合层的所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的磁性结合能被定义为第一层间磁性结合能，

在隔着所述第二结合层的所述第二铁磁性层与所述第三铁磁性层之间的磁性结合能被定义为第二层间磁性结合能，

所述第一层间磁性结合能的绝对值小于通过将所述第一磁能和所述第二磁能之积除以所述第一磁能和所述第二磁能之和得到的绝对值，并且

所述第二层间磁性结合能的绝对值小于通过将所述第二磁能和所述第三磁能之积除以所述第二磁能和所述第三磁能之和得到的绝对值。

6.根据权利要求1所述的存储元件，其中，

所述中间层是隧道绝缘层。

7.一种存储装置，包括：

存储元件，具有分层构造，包括：

存储层，其中磁化方向对应于信息而改变；通过在所述分层构造的层叠方向上施加电流来改变所述磁化方向从而将所述信息记录在所述存储层中，

磁化固定层，其中磁化方向固定，

中间层，由非磁性材料形成并且设置在所述存储层和所述磁化固定层之间，以及

垂直磁性各向异性诱导层，

所述存储层包括依次层叠的第一铁磁性层、第一结合层、第二铁磁性层、第二结合层和第三铁磁性层，所述第一铁磁性层与所述中间层接触，所述第三铁磁性层与所述垂直磁性各向异性诱导层接触，隔着所述结合层相邻的这些铁磁性层隔着所述结合层磁性地结合，使得所述第一铁磁性层、所述第二铁磁性层和所述第三铁磁性层的磁化方向均从垂直于膜面的方向倾斜，

所述存储装置还包括：

配线部，向所述存储元件供给在所述层叠方向上流动的电流，以及

电流供给控制器，控制经由所述配线部向所述存储元件的电流供给。