CN103988293A - 存储元件和存储装置 - Google Patents

Abstract

【问题】提供一种能够在短时间内执行写操作而不产生写入错误的存储元件和存储装置。【解决方案】该存储元件被配置为具有层状结构，该层状结构包括：存储层，其磁化方向根据信息而变化；磁化固定层，其磁化方向是固定的；以及中间层，设置在存储层与磁化固定层之间、由非磁性体产生。磁化固定层分层为在其间具有耦合层的至少两个铁磁层，该两个铁磁层经由耦合层磁耦合。该两个铁磁层的磁化方向从膜表面的垂直方向倾斜。通过这种配置，可以有效地抑制存储层的磁化方向与固定磁化层的磁化方向变得粗略平行或反平行所产生的磁化反转时间的分散，并且可以减少写入错误以及支持短时间的写入。

Description

存储元件和存储装置

技术领域

本发明涉及通过使用自旋扭矩磁化反转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，人们追求有关组成这种信息设备的存储器、逻辑以及其他元件的诸如高集成化、高速度以及低功耗等越来越高的性能。

具体地，在半导体非易失性存储器方面已经取得显著进步，并且作为大容量文件存储器的闪存已经得到广泛的应用，似乎它们能够取代硬盘。

同时，考虑到还将开发扩展至代码存储和工作存储器，已经开始开发半导体非易失性存储器来取代目前通常使用的NOR闪存存储器、DRAM等。半导体非易失性存储器的实施例包括FeRAM(铁电随机存取存储器)MRAM(磁性随机存取存储器)、PCRAM(相变RAM)等。已经实现其中的一些。

在这些非易失性存储器中，MRAM能够高速重写以及它们通过利用磁性材料的磁化方向执行数据存储从而也能够几乎无限次(10¹⁵次以上)的重写。MRAM已经应用于工业自动化、航天等领域中。

对于高速操作和可靠性，今后期望在代码存储和工作存储器方面开发MRAM。

然而，MRAM在实现低功耗和大容量方面仍存在问题。

这可能是由MRAM的记录原理产生的严重问题，即，通过由配线产生的电流磁场反转磁化的方法。

当前研究下解决这种问题的方法的一种实例是记录方法不再取决于电流电场(即，磁化反转)。在这些研究中，已经积极开展了有关自旋扭矩磁化反转的研究(例如，参见专利文献1和2)。

使用自旋扭矩磁化反转的存储元件可由与MRAM中相同的MTJ(磁隧道结)配置。

这利用了以下事实，当穿过被固定至特定方向的磁性层的自旋极化电子进入另一磁性自由层(没有固定方向)时，自旋极化电子对磁性自由层施加自旋扭矩。当流入特定阀值以上的电流时，自由磁性层(存储层)将其磁化方向反转。

通过改变允许流入存储元件的电流极性进行0/1的重写。

用于自由磁性层的磁化方向反转的电流的绝对值在0.1μm-级(scale)存储元件中通常为1mA以下。而且，随着该电流值与存储元件的体积成比例地减少，可以缩放比例。

而且，因为其消除了用于产生写电流磁场的字线的需要，所以其可具有能够简化单元结构的优点。

下面，使用自旋扭矩磁化反转的MRAM被称之为“STT-MRAM(自旋转移扭矩磁性随机存取存储器)”。

非常希望作为非易失性存储器的STT-MRAM能够实现低功耗和大容量的同时保持MRAM具有的高速度和几乎无限次重写的优点。

专利文献1：日本专利申请特开第2003-17782号

专利文献2：美国专利第5,695,864号

发明内容

本发明解决的问题

在STT-MRAM中，引起磁化反转的自旋扭矩的大小将根据磁化方向而变化。

在STT-RAM中的存储元件的通常结构中，存在自旋扭矩为零的磁化角。

当初始状态下的磁化角与该角一致时，磁化反转所需的时间将变得非常长。因此，存在磁化反转未能在写时间内完成的一些情况。

如果未在写时间内完成反转，则该写操作将产生故障(写入错误)，其中，不能执行正常写操作。

本公开的目的是提供一种能够有效防止错误产生并且在短时间内执行写操作的存储元件和存储装置。

解决此问题的手段

为了解决上述所述问题，根据本公开的存储元件配置如下。

即，根据本公开的存储元件包括层状结构。层状结构至少包括：存储层，存储层具有根据信息而变化的磁化方向；磁化固定层，磁化固定层具有固定的磁化方向；以及中间层，中间层包含非磁性材料、设置在存储层与磁化固定层之间。通过使电流流入其层压方向的层状结构引起存储层的磁化方向变化来记录信息。

磁化固定层具有在其间插入耦合层层压的两个铁磁层，插入耦合层磁耦合铁磁层，铁磁层具有从垂直于膜表面的方向倾斜的磁化方向。

此外，根据本公开的存储装置包括：根据本公开的存储元件；以及配线部分，配线部分用于将流入层压方向的电流供应至存储元件；以及电流供应控制部分，电流供应控制部分用于控制经由配线部分向存储元件供应的电流。

如上所述，在根据本公开的存储元件中，形成磁化固定层的铁磁层的磁化方向从垂直于膜表面的方向倾斜。从而可以有效防止磁化反转时间因存储层和磁化固定层的磁化方向变得大致平行或者反平行而发散。即，可以通过在预定的有限时间内使存储层的磁化方向反转来执行信息的写入。

此外，根据本公开的存储装置允许电流通过配线部分在层压方向上流入存储元件，并且由此能够通过使存储层的磁化方向反转而执行信息的写入。

本发明的效果

根据本公开，因为可以通过在预定时间内使存储层的磁化方向反转来执行信息的写入，所以能够减少写入错误并且可以在较短时间内执行写操作。

因为能够减少写入错误，所以能够提高写操作的可靠性。

此外，因为可以在较短时间内执行写操作，所以能够实现高速操作。

因此，根据本公开，可以实现在写操作方面高度可靠并且以高速操作的存储元件和存储装置。

附图说明

图1是实施方式的存储装置的示意性透视图。

图2是实施方式的存储装置的截面图。

图3是实施方式的存储装置的平面图。

图4是过去STT-MRAM的示意性配置的说明图(截面图)，其中，磁化方向垂直于膜表面。

图5是作为第一实施方式的存储元件的示意图(截面图)。

图6是详细示出了第一实施方式的磁化固定层的配置的图。

图7是绘制磁耦合能的范围的图。

图8是第二实施方式的存储元件的示意图(截面图)。

图9是详细示出了第二实施方式的磁化固定层的配置的图。

图10是示出了在特定电流时激励能与反转时间之间的关系的图。

图11是示出了应用于复合型磁头的实施方式的存储元件(磁阻元件)的应用实例的图。

具体实施方式

实施本发明的模式

在下文中，将按照下列顺序描述本公开的一些实施方式。

【1.实施方式的存储装置的示意性配置】

【2.实施方式的存储装置的概述】

【3.第一实施方式(具体配置例1)】

【4.第二实施方式(具体配置例2)】

【5.仿真结果】

【6.变形例】

【1.实施方式的存储装置的示意性配置】

首先，将描述存储装置的示意性配置。

图1至图3中示出了存储装置的示意图。图1是透视图；图2是截面图；以及图3是平面图。

如图1所示，实施方式的存储装置包括由STT-MRAM(自旋转移扭矩磁性随机存取存储器)制成的存储元件3，存储装置通过磁化状态能够保存信息，且设置在两种类型地址配线(例如，字线和位线)的各个交叉点。

即，对于通过诸如硅基板等半导体基板10的元件分离层2分离的部分，存在形成制成用于选择各个存储元件3的各选择晶体管的漏极区8、源极区7以及栅电极1。如上，栅电极1还用作在图中前后方向上延伸的地址配线(字线)中的一种。

漏极区8共同形成在图1的右侧和左侧的选择晶体管中。配线9连接到该漏极区8。

此外，在各个源极区7与图1中自右至左延伸的位线6之间，设置包括具有通过自旋扭矩磁化反转所反转的磁化方向的存储层的存储元件3。例如，存储元件3可由磁隧道结元件(MTJ元件)制成。

如图2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，一种磁性层将是具有磁化M12的固定方向的磁化固定层12。另一磁性层将是磁化自由层，即，能够改变磁化M14的方向的存储层14。

此外，存储元件3经由该存储元件上下的相应接触层4连接到位线6和源极区7。

这将允许电流经由两种类型的地址配线1和6在垂直方向(层压方向)流到存储元件3，因此，通过自旋扭矩磁化反转能够使存储层14的磁化M14的方向反转。

如图3所示，存储装置由设置在大量的第一配线(字线)1和第二配线(位线)6的相应交叉点的存储元件3制成。

存储元件3可具有圆平面形状并且具有如图2所示的截面配置。

此外，存储元件3包括磁化固定层12和存储层14。

利用每个存储元件3，形成存储装置的存储单元。

在该存储装置中，应当以小于或者等于选择晶体管的饱和电流的电流执行写入。因为已知晶体管的饱和电流随着微型化而更低，所以利于提高自旋转移效率并且减少流经存储元件3的电流，从而使存储装置微型化。

此外，为了产生较大的读出信号，应确保高磁阻变化率，并且为此，采用上述所述MTJ结构比较有效，即，采用存储元件3的配置，其中，隧道绝缘层(隧道势垒层)设置为磁性层12与14的两层之间的中间层。

因此，当采用隧道绝缘层作为中间层时，会限制流经存储元件3的电流，因此，防止隧道绝缘层被破坏。因此，利于减少自旋扭矩磁化反转所需的电流，并且由此还确保存储元件3在重复写入时的可靠性。顺便提及，自旋扭矩磁化反转所需的电流还可被称为反向电流、存储电流等。

此外，因为本实施方式的存储装置是非易失性存储设备，所以需要稳定存储通过电流写入的信息。换言之，应确保相对存储层14的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。

如果不能确保存储层14的热稳定性，已经反转的磁化方向由于热(操作环境下的温度)可再反转并且可产生保存(retention)错误。

与过去的MRAM相比较，存储装置中的存储元件3(STT-MRAM)可具有缩放的优点，即，可减少其体积。然而，假设其他特征相同，则元件较小的体积将导致更低的热稳定性。

当实现STT-MRAM的大容量时，将进一步减少存储元件3的体积，因此，确保热稳定性可能成为主要的问题。

因此，对于STT-RAM中的存储元件3，热稳定性可能是重要特征，并且元件应被设计为使得能够在确保热稳定性的同时减少其体积。

【2.实施方式的存储装置概述】

接着，将描述实施方式中存储元件3的配置的概述。

首先，参考图4的截面图，将描述具有过去STT-MRAM的存储元件3'的示意性配置，其中，磁化方向垂直于膜表面。

应当注意的是，从下面描述可以理解，在根据本实施方式的存储元件3中，磁化固定层12的磁化M12的方向不垂直于膜表面。然而，在参考图4的示图中，为方便起见将使用参考标号“12”来表示包含在过去的存储元件3'中的磁化固定层。

如图4所示，存储元件3'包括：基层11、按顺序在基层11上层压的具有第一磁化M12的方向的磁化固定层(也被称之为参考层)12、中间层(非磁性层：隧道绝缘层)13、具有可变磁化M14的方向的存储层(磁化自由层)14、以及保护层15。

其中，磁化固定层12因高矫顽力等而具有固定的磁化M12的方向。在根据附图的说明中，将磁化方向固定至垂直于膜表面的方向。

存储元件3'通过具有单轴各向异性的存储层14的磁化(磁矩)M14的方向可存储信息。

通过使电流以垂直于存储元件3'的各层的膜表面的方向(即，各层的层压方向)流动以引起存储层14中的自旋扭矩磁化反转，可执行对存储元件3'的信息写入。

现在，将简要描述自旋扭矩磁化反转。

电子具有两个自旋角动量。可初步定义为自旋向上和自旋向下。

非磁性材料在其内部可具有相同数目的自旋向上电子和自旋向下电子。另一方面，铁磁性材料在内部的自旋向上电子与自旋向下电子的数目方面具有差异。

首先，假定插入中间层13层压的两层铁磁材料(磁化固定层12和存储层14)具有反平行状态下的磁化的M12和M14的方向，并且一些电子从磁化固定层12移动至存储层14的情况。

在穿过磁化固定层12的电子中，将存在自旋极化，即，自旋向上电子与自旋向下电子之间的数目差。

如果作为隧道绝缘层的中间层13足够薄，则在自旋极化缓和并且进入如正常非磁性材料的非极化状态(相同数目的自旋向上和自旋向下)之前，电子可到达另一铁磁性材料，即，存储层(磁化自由层)14。

然后，因为两层铁磁性材料(磁化固定层12和存储层14)具有带彼此相反符号的自旋极化度，一些电子将反转，即，其将改变自旋角动量的方向，以减少系统能量。此时，因为必须保存(conservation，保持)系统的总角动量，所以等于根据改变方向的电子的角动量的变化总和的反作用将提供给存储层14的磁化M14。

在电流量，即，每单位时间内穿过的电子数目较小的情况下，改变方向的电子的总数目较小并且对存储层14的磁化M14发生的角动量的结果变化较小。然而，如果电流增加，则每单位时间内角动量可给出较大的变化。

角动量中的时间变化为扭矩，并且当扭矩超过特定阀值时，存储层14的磁化M14的岁差运动(precession)开始。在转动180度之后，磁化M14因存储层14的单轴各向异性而变得稳定。即，发生从反平行状态至平行状态的反转。

另一方面，在两层12和14具有其平行状态下的磁化M12和M14的情况下，当允许电流以反方向流动使得电子从存储层14被发送至磁化固定层12时，电子将被磁化固定层12反射。

然后，具有自旋反转方向的反射电子在其进入存储层14时将施加扭矩。从而使得存储层14的磁化M14的方向反转，并且使得磁化M12和M14的方向相对于彼此反转以进入反平行状态。

然而，此时引起反转所需的电流量将大于从反平行状态至平行状态的反转情况。

因为很难从直觉上理解从平行状态至反平行状态的反转，所以可以视为尽管因为磁化12固定而使磁化固定层12的磁化12不能反转，所以为保存整个系统的角动量，存储层14的磁化M14的方向应反转。

同样，通过允许特定阀值以上的电流以从磁化固定层(参考层)12至存储层14的方向或者反方向流动执行0/1信息的记录。针对各个电流的阀值对应于其极性。

如过去的MRAM一样，通过使用磁阻效果可执行信息的读出。

即，如上述的信息记录的情况一样，允许电流以垂直于各层的膜表面的方向(各层的层压方向)流动。然后，其利用了存储元件3'的电阻根据存储层14的磁化M14的方向是否相对于磁化固定层(参考层12)的磁化M12的方向平行或者反平行而改变的现象。

作为隧道绝缘层的中间层13所使用的材料可以是金属或者可以是绝缘材料。然而，可提供较大读出信号(电阻改变率)和可支持较低电流记录的一种是使用绝缘材料作为中间层13。该情况的元件被称之为铁磁隧道结(磁隧道结：MTJ)元件。

以上所述自旋扭矩具有根据形成在存储层14的磁化M14与磁化固定层(参考层)12的磁化M12之间角变化的大小。

如果指示磁化M14的方向的单位矢量为m1并且指示磁化M12的方向的单位矢量为m2，则自旋扭矩的大小将与m1×(m1×m2)成比例。此处符号“×”指矢量积。

通常，磁化固定层12的磁化M12固定在存储层14的易磁化轴上。存储层14的磁化M14趋向于沿着其易磁化轴的方向。此时，m1与m2将形成0度(平行)或者180度(反平行)的角。

图4示出了在m1与m2形成0度角的情况下磁化M12和M14的方向。

在由m1与m2形成的角为0度或者180度的情况下，如果其遵循自旋扭矩的上述所述公式，则设定自旋扭矩不起作用。

然而，实际上，由于热波动，存储层14的磁化M14围绕易磁化轴随机分布。因此，当磁化M14相对于磁化固定层12的磁化M12的角偏离0度或者180度时，其可使自旋扭矩起作用并且引起磁化反转。

磁性材料具有与其磁化方向相关联的磁能。对应于最低磁能的方向为易磁化轴。

如果没有热波动，则使磁能最小化的力(扭矩)将起作用并且致使磁化指向易磁化轴的方向。

另一方面，在磁化方向因热波动而偏离易磁化轴的情况下，磁能变得大于磁化在易磁化轴上的情况。磁能之差被称之为“激励能E”。当磁化方向进一步偏离易磁化轴并且致使激励能E超过特定阀值时，发生磁化反转。

阀值被称之为“Δ(德尔塔)”。

上述所述Δ可以被视为致使磁化反转所需的能量。激励能E和Δ的单位是焦耳(J)，但是在下文中，激励能E和Δ将除以热能(波尔兹曼常数与绝对温度的乘积)以用作无量纲量。因为以这种方式表达的Δ可被视为指示磁化相对热能的稳定性的指标，所以，Δ还可以被称之为“热稳定性的指标”。

通过使用存储层14的磁化M14的激励能E和热稳定性的指标Δ，存储层14中的电流I流动与通过电流I使自旋扭矩磁化反转所需的时间(反转时间)ts满足下列公式。

【公式1】

$\frac{\mathrm{\η}\left(I-I_{c0}\right)t_s}{e}=\left(\frac{M_{S}V}{\mathrm{\μB}}\right)\ln \left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}}{E}}\right)$      (公式1）

在该公式中，Ic0是用于引起自选扭矩磁化反转的阀值电流；η是自旋极化率；e是电子的电荷；Ms是磁化M14的饱和磁化；V是存储层14的体积；并且μB是玻尔磁子。

公式的左侧对应于将被注入到存储层14中的自旋的数目。公式的右侧对应于存储层14中存在的自旋数目。应当注意的是，自旋数目由对数来衡量(scaled)。作为激励能E，使用对应于电流流动时此时磁化方向的值。

从公式1可以看出，当激励能E接近零时，反转时间ts无限大的发散。如上所述，当几乎没有热波动时，因为磁化M14将沿着易磁化轴的方向，其中，E＝0，所以反转时间的发散(expansion)可能是一个问题。

此处，将描述存在热波动情况下的激励能E。由于热波动，激励能E将是有限值。在存储层由单一铁磁层制成的情况下，通过1-exp(-X)给出了激励能E小于特定值X的概率。

此处，“exp”是指数函数。从公式1中，以X表示特定电流I流动时反转时间ts反转时所需的激励能。然后，当电流I在时间ts流动时，在1-exp(-X)的概率，将不发生磁化反转。即，写入错误率变成1-exp(-X)。因此，激励能E限定(bound)为与写入错误率紧密相关。

为了防止该反转时间的发散，本公开具有利用在其间插入耦合层而层压的两个铁磁层配置的磁化固定层。在其间插入耦合层的两个相邻铁磁层磁耦合。

根据本公开的该配置，通过在形成磁化固定层的铁磁层之间磁耦合，磁化固定层的磁化方向可以从垂直于膜表面的方向倾斜。这使得可以防止磁化反转所需的时间发散，该发散可能是因为存储层和磁化固定层的磁化方向大致平行或者反平行。

因此，可以通过在预定有限时间内使存储层的磁化方向反转来执行信息的写入。

【3.第一实施方式(具体配置例1)】

在下文中，将描述本公开的一些具体的实施方式。

实施方式包括第一配置例(第一实施方式)和第二配置例(第二实施方式)作为具体配置例。

图5示出了作为第一实施方式的存储元件3的示意图(截面图)。

应当注意的是，将以相同参考符号表示已在上面所描述的相同部分并且将省去其描述。

在图5中，第一实施方式的存储元件3包括：基层11、以及按顺序在基层11上层压的磁化固定层(参考层)12、中间层(非磁性层：隧道绝缘层)13、具有可变磁化M14的方向的存储层(磁化自由层)14、以及保护层15。

存储层14在垂直于膜表面的方向(在该情况下附图的向上方向)上具有易磁化轴。存储层14的磁化M14指向垂直于膜表面的方向。

目前所描述的配置类似于存储元件3'的配置。

而且，在本实施方式的存储元件3中，磁化固定层12由具有被层压的多个铁磁层和耦合层的多层膜制成。具体地，在这种情况下，磁化固定层12由具有附图中所示的铁磁层12a、耦合层12b以及铁磁层12c的三层结构制成。在该配置中，铁磁层12a的磁化M1和铁磁层12c的磁化M2磁耦合且将耦合层12b插入其间。作为耦合层12b，可以使用诸如Ta和Ru等非磁性金属。

可以用作磁化固定层12与存储层14之间的中间层13的材料可以是用于形成隧道绝缘膜(各种氧化物等)的绝缘材料或者磁阻元件的各磁性层之间使用的非磁性金属。

如上所述，用作中间层13的材料的绝缘材料，可以提供更大的读出信号(电阻变化率)并且支持利用低电流进行记录。

对于磁化固定层12和存储层14，可以使用如同过去STT-MRAM的MTJ中使用的各种磁性材料。

例如，CoFe或者CoFeB可用作磁化固定层12和存储层14。

此外，可以使用诸如NiFe、Te Pt、CoPt、TbFeCo、GdFeCo、CoPd、MnBi、MnGa、PtMnSb以及Co-Cr材料等材料。此外，还可使用除这些之外的磁性材料。

通过使用磁阻效果可执行信息的读出。

即，如上述的信息记录的情况一样，允许电流在垂直于各层的膜表面的方向(各层的层压方向)流动。然后，利用存储元件的电阻根据由磁化固定层12的磁化M12和存储层14的磁化M14形成的相对角变化的现象，磁化固定层12和存储层14彼此相邻且插入有中间层13。

图6更详细地示出了本实施例中磁化固定层12的配置。

具体地，图6A是磁化固定层12的透视图。图6B是磁化固定层12的俯视图。为简便起见，此处，省去耦合层12b。

在本实施方式的存储元件3中，磁化固定层12可以是圆柱形状。然而，椭圆形状、矩形形状以及其他形状也是可行的。此处，为了描述磁化M1和M2的方向，将定义下列角θ1、θ2、以及

首先，在图6A的透视图中，示出了在对其垂直的方向上穿透磁化固定层12的垂直轴aV。垂直轴aV对应于存储层14的易磁化轴。由磁化M1与垂直轴aV形成的角被定义为θ1。由磁化M2与垂直轴aV形成的角被定义为θ2。

此外，在图6B的俯视图中，示出了穿过铁磁层12a和12c的中心的参考线aH。铁磁层12a和12c的截面形状基本是圆形，可任意选择参考线aH的方向。如果假定磁化M1和M2投影到膜表面上，则由磁化M1与参考线aH形成的角被定义为并且由磁化M2与参考线aH形成的角被定义为

如上所述，磁性材料具有与其磁化方向相关联的磁能。为了描述磁能将定义下列值。

即，通过从磁化M1指向膜表面内(θ1＝90度)的状态下的磁能减去磁化M1垂直指向膜表面(θ1＝0度)状态下的磁能计算的能差被定义为Δ1。

通过从磁化M2指向膜表面内(θ2＝90度)的状态下的磁能减去磁化M2垂直指向膜表面(θ2＝0度)状态下的磁能计算的能差被定义为Δ2。

而且，磁化M1和磁化M2的磁耦合能的强度被定义为Δex。

Δ1、Δ2以及Δex的单位为焦耳(J)，但是以与用于激励能E和热稳定性的指标Δ相同的方式，将除以热能(波尔兹曼常数与绝对温度的乘积)作为无量钢量。

在过去的存储元件3'中，沿着存储层14的易磁化轴固定磁化固定层12的磁化方向(见图4中的磁化M12)。这将致使磁化固定层12与存储层14的磁化方向处于同一方向，并且将导致反转时间增加。

然而，作为执行各种检查的结果，发现对于根据图5中所示的实施方式的磁化固定层12的配置，磁化M1和M2相对于存储层14的易磁化轴(即，垂直轴aV)的角还可以是除了平行(0度)或者反平行(180度)之外的一些角度。换言之，磁化M1和M2的方向可以是倾斜方向。

在这种情况下，因为磁化固定层12的磁化M12和存储层14的磁化M14的方向形成有限角度，所以自旋扭矩将不变为零，并且因此可以抑制反转时间的增加，这是可期待的。

此处，作为执行有关磁化方向彼此倾斜的条件的各种检查的结果，揭示以下发现。

首先，将假定磁化M1和磁化M2的磁耦合能Δex的强度为零的情况，即，磁化M1和磁化M2中的每个独立移动的情况。

从定义中可以看出，在Δ1为正的情况下，磁化M1的易磁化轴垂直于膜表面，并且磁化M1指向垂直于膜表面的方向。相反，在Δ1为负的情况下，磁化M1的易磁化轴位于膜表面内，并且磁化M1指向膜表面内。在这种情况下，因为铁磁层12a相对于绕垂直轴的旋转是各向同性的，所以值可以是任意值。

同样，在Δ2为正的情况下，磁化M2的易磁化轴垂直于膜表面，并且磁化M2指向垂直于膜表面的方向。相反，在Δ2为负的情况下，磁化M2的易磁化轴位于膜表面内，并且磁化M2指向膜表面内。在这种情况下，因为铁磁层12c相对于绕垂直轴的旋转是各向同性的，所以值可以是任意值。

接着，将假定磁化M1和磁化M2的磁耦合能Δex的强度不为零的情况，其中，作为本公开的原始情况下的磁化M1和磁化M2中的每一个彼此结合移动，

从定义中可以看出，在Δex为正的情况下，磁化M1和M2的方向试图变为平行。相反，在Δex为负的情况下，磁化M1和M2的方向试图变为反平行。前者可被称之为“铁磁耦合”并且后者可被称之为“反铁磁耦合”。

在下面讨论中，为便于说明，将考虑Δex为正的情况。然而，相同讨论在Δex为负的情况下成立。

顺便提及，如果Δex为负，则显示如果Δex为负，则显示

在Δ1和Δ2均为正的情况下，磁化角将平行于垂直轴，无需考虑Δex的量级。这与参考图4所描述的具有磁化固定层12的存储层3'中的情况相同，并且反转时间的增加是不可避免的。

另一方面，在Δ1和Δ2均为负的情况下，磁化角将位于膜表面内，无需考虑Δex量级，这将导致由铁磁层12c的磁化M2与存储层14的磁化M14形成的相对角度恒定为90度，无需考虑值。因此，由磁阻效果产生的电阻变化将不发生，并且因此，不能够读出信息。这将不能用作组成STT-MRAM的存储元件。

因此，如上所述，在根据本公开的存储元件中，Δ1和Δ2被假定为具有不同的符号。

同样，在Δ1和Δ2具有不同符号的情况下，一个铁磁层的磁化将具有垂直于膜表面的磁化轴，并且另一铁磁层的磁化将具有位于膜表面内的易磁化轴。通过在Δex情况下将具有彼此竞争方向的两种磁化耦合，可以将磁化倾斜到斜方向上。

然而，应当注意的是，存在Δex的上限。如果Δex具有无限量级，则磁化M1和M2应彼此平行，并且在该情况下，全体的易磁化轴将根据Δ1与Δ2的量级关系变得垂直于膜表面或者位于膜表面内。即使在Δex不是无限大的情况下，当Δex大于或者等于特定值时，磁化M1与M2将彼此平行。

鉴于此，为了找出Δex的上限，相对于Δ1与Δ2的各种组合计算作为使磁化M1和M2平行的上限的值Δex_max。

图7示出了结果中的一个实例。

在图7中，Δ2被固定至-40并且Δ1从0至100改变。白色圆圈指示通过计算求出的Δex的上限。当Δex小于该值时，磁化M1和M2可以是倾斜的方向。根据Δ1+Δ2是否小于或者大于零，Δex_max的Δ1依存性可不同。曲线C41是Δ1+Δ2小于零的情况下Δex_max的Δ1依存性。曲线C42是Δ1+Δ2大于零的情况下Δex_max的Δ1依存性。

通过探索适合这些曲线的公式，曲线C41和C42均通过以下公式揭示：

Δex_max＝abs(2×Δ1×Δ2/(Δ1+Δ2))...(公式2)。

此处，abs是返回绝对值的函数。尽管此处考虑Δex为正的情况，然而，同一公式适用于Δex为负的情况。

总之，从上述公式2可以看出，使磁化M1和磁化M2变为倾斜方向的条件如下：

abs(Δex)<abs(2×Δ1×Δ2/(Δ1+Δ2))...(公式3)。

如上，揭示了使磁化M1和磁化M2为倾斜方向的条件。当提供满足该条件的Δ1、Δ2以及Δex时，可以实现将其磁化从存储层14的易磁化轴倾斜至倾斜方向的磁化固定层12。

换言之，本实施方式中的磁化固定层12被配置为具有不同符号的Δ1和Δ2以及还具有满足上述公式3的条件的Δ1、Δ2以及Δex。

根据如上所述的第一实施方式，组成存储装置的存储单元的各个存储元件3中的磁化固定层12具有铁磁层12a、耦合层12b以及铁磁层12c的层压结构。

通过制成层压结构，铁磁层12a的磁化M1和铁磁层12c的磁化M2可具有从垂直于膜表面的方向倾斜的方向。

这可避免磁化M1和磁化M2的自旋扭矩不起作用的现象。

因此，可以通过在预定有限时间内使磁化M1和磁化M2的方向反转来记录信息。

因此，在本实施方式中，因为可以通过在预定时间内使存储层的磁化方向反转来执行信息的写入，所以能够减少写入错误并且可以在较短时间内执行写操作。

因为能够减少写入错误，所以能够提高写操作的可靠性。

此外，因为可以在较短时间内执行写操作，所以能够实现高速操作。

因此，可以实现在写操作方面高度可靠并且高速操作的存储元件和存储装置。

【4.第二实施方式(具体配置例2)】

下面，将描述第二实施方式。

图8是第二实施方式中存储元件20的示意图(截面图)。

第二实施方式的存储元件20不同于上述图5中所示的第一实施方式的存储元件3，不同在于以磁化固定层21取代了磁化固定层12。

存储元件20的磁化固定层21由按顺序层压的反铁磁层21p、铁磁层12a、耦合层12b以及铁磁层12c的四层结构制成。

反铁磁层21p被设置为用于将磁化方向固定在磁化固定层21的膜表面内。附图中的方向矢量Mp示出了磁化将被固定的方向，并且方向位于膜表面内。

如上所述，磁化M1和磁化M2的磁耦合能的强度为Δex。同样，磁化M1与反铁磁层21p的磁耦合能的强度为Δpin。Δpin通过除以热能(玻尔兹曼常数与绝对温度的乘积)也可用作无量钢量。

图9更为详细地示出了磁化固定层21的配置。图9A是磁化固定层21的透视图。图9B是磁化固定层21的俯视图。为简便起见，如同图6中的情况一样，此处，将省去耦合层12b。

类似于磁化固定层12，磁化固定层21的形状可以为圆柱形状。然而，椭圆形状、矩形形状以及其他形状也是可行的。

此处，为了描述磁化M1和磁化M2的方向，将定义下列角θ1、θ2、以及在图9A的透视图中，示出了在其垂直方向上穿透磁化固定层21的垂直轴aV。垂直轴aV对应于存储层14的易磁化轴。由磁化M1与垂直轴aV形成的角被定义为θ1。由磁化M2与垂直轴aV形成的角被定义为θ2。

此外，在图9A和图9B中，示出了经过铁磁层21a和铁磁层21c的中心的参考线aH。选择对应于方向矢量Mp的线作为参考线aH。如果假定将磁化M1和磁化M2投影到膜表面上，则由磁化M1与参考线aH形成的角被定义为并且由磁化M2与参考线aH形成的角被定义为

在上述所述第一实施方式中，磁化固定层12的磁化M1和磁化M2相对于垂直轴aV的角θ1和角θ2是固定的，但是，绕垂直轴aV的角和是不固定的。

现在，图9A中的透视图示出的虚线环指示磁化M1和磁化M2的相应轨迹。磁化M1和M2可以被定向在虚线上的任一方向(前提是如果Δex为正，则其满足条件如果Δex为负，则其满足条件度)。

在第二实施方式中，通过反铁磁层21p固定磁化固定层21的磁化M1和磁化M2绕垂直轴aV的角和角

在图9B中，绕垂直轴aV的角和角是相对于指示固定磁化的方向的方向矢量Mp的角。然后，因为磁化M1通过反铁磁层21p被固定在方向矢量Mp的方向，所以其示出了因为磁化M2经由耦合层12b磁耦合磁化M1，所以如果Δex为正，则其示出并且如果Δex为负，则其示出

同样，第二实施方式的存储元件20使得其可以在特定方向上固定磁化固定层21的磁化M1和磁化M2绕垂直轴aV的角(膜表面内的角)。

通过固定磁化M1和磁化M2绕垂直轴aV的角，可以使反向电流的量级降低。即，可以减少用于引起自选扭矩磁化反转的阀值电流的值(图1中的Ico)。

【5.仿真结果】

为了揭示上述所述各个实施方式中存储元件(3和20)的效果而进行仿真(simulation)。

图10示出了在特定电流时激励能E与反转时间ts之间的关系。横轴表示为公式1中的ln[(π/2)(Δ/E)^1/2]。此外，存储层14的Δ为60。

作为激励能E，使用基于在使电流流入存储元件中时的磁化方向计算的值。由于热波动，磁化方向可偏离平衡状态。较大的激励能E(图10中的左侧)指示其较大的移位。

在过去的存储元件3'中，将以上述公式1表达激励能E与反转时间ts之间的关系。曲线C1示出了有关过去存储元件3'的仿真结果。如果横轴以激励能E的对数来衡量，则曲线C1变得几乎为线性。可以看出激励能E越大，用于反转的时间变得越短。

现在，假定电流的供应时间为20ns的情况。然后，与曲线C1的交点为点P3。该点处的横轴的值为约11.5。由此计算激励能E，并且如果还计算写入错误率，则写入错误率变为1.5×10^-8。

因为随机存取存储器所需的写次数数目为约10¹⁵次，所以不可忽略写入错误率的值。在另一电流的供应时间内，随着点P3的位置改变，写入错误率将据此而变化。

这样，在过去的存储元件3'中，写入错误率将根据电流的供应时间而变化。电流的供应时间越短，写入错误率将变得越大。

相反，在使用根据本公开的实施方式的存储元件的情况下，以曲线C2指示激励能E与反转时间ts之间的关系。

应当注意的是，曲线C2示出了有关使用第二实施方式的存储元件20的情况的计算的实例。在这种情况下，铁磁层12c的磁化M2方向被假定为从垂直轴倾斜5度。

参考曲线C2，不同与过去存储元件3'的曲线C1，可以看出，在激励能E降低时反转时间增加在约10ns处停止。这是因为由于即使在激励能E为零(在图10的横轴正的无限大)时磁化M2的方向也从存储层14的磁化M14方向(垂直轴)倾斜。所以有限的自旋扭矩将起作用。

在由图10中曲线C2示出的计算实例中，当横轴的值约为5以上时，反转时间ts约为10ns并且基本为常数。这就是指在使电流流动时无论存储层14的磁化M14定位向在哪一方向，反转时间ts也不可能超过10ns。

这样，在本实施方式的存储元件中，无论使电流流动时的磁化方向如何，可确定反转时间ts的上限(如在图10中计算的实例中为10ns)，因此，当电流的供应时间大于或者等于该上限值时，在不产生写入错误的情况下可执行写操作。

还是就本观点而言，可以看出本实施方式的存储元件与过去存储元件3'相比，可以实现在更短时间内进行写操作，而不产生写入错误。

应当注意的是，尽管图10示出了有关使用第二实施方式的存储元件20的情况的仿真结果，然而，在使用第一实施方式的存储元件3的情况下也可获得大致相同的结果。

【6.变形例】

如上所述，示出了根据本公开的一些实施方式。然而，本公开并不局限于上述示出的具体实例。

例如，在到目前为止的描述中，示出了应用于存储元件3或者20的磁化固定层12中铁磁层和耦合层的层压结构，以及铁磁层12a、耦合层12b以及铁磁层12c的三层结构的一些情况。然而，除了三层结构之外的任意层数均可适用于层压结构。

此外，在到目前为止的描述中，作为有关整个存储元件的层压结构，采用按顺序从下层侧设置的至少磁化固定层12(21)、中间层13以及存储层14的层压结构。然而，在本公开的存储元件中，相反顺序的各层的布置也是可行的。

此外，尽管根据本公开的存储元件3或者存储元件20的结构被配置为诸如TMR元件等磁阻元件，然而，作为TMR元件的磁阻元件可适用于除上述所述存储装置之外的各种装置。其可适用于磁头以及配备有磁头的硬盘驱动器、集成电路芯片、以及各种电子装置和诸如个人计算机、移动终端、移动电话与磁传感器装置等电子装置。

例如，图11A和图11B示出了具有上述所述存储元件3或者存储元件20的结构的磁阻元件101适用于复合型磁头100的情况。应当注意的是，图11A是以将其部分切除使得其内部结构可被理解的形式示出了复合型磁头100的透视图。图11B是复合型磁头100的截面图。

复合型磁头100是硬盘装置等中使用的磁头。复合型磁头100由根据形成在基板122上的本公开的磁阻磁头以及通过在磁阻磁头上层压形成的感应磁头制成。此处，磁阻磁头操作为再生磁头并且感应磁头操作为记录磁头。即，通过组合再生磁头和记录磁头配置复合型磁头100。

安装在复合型磁头100上的磁阻磁头是所谓的屏蔽MR磁头，并且包括：第一磁屏蔽125，第一磁屏蔽125与插入在基板122与第一磁屏蔽125之间的绝缘层123形成在基板122上；磁阻元件101，磁阻元件101与插入在第一磁屏蔽125与磁阻元件101之间的插绝缘123形成在第一磁屏蔽125上；以及第二磁屏蔽127，第二磁屏蔽127与插入在磁阻元件101与第二磁屏蔽127之间的绝缘层123形成在磁阻元件101上。绝缘层123可以由诸如Al₂O₃和SiO₂等绝缘材料制成。

第一磁屏蔽125被设置为用于磁屏蔽相对于磁阻元件101下层。第一磁屏蔽125可以由诸如Ni-Fe等软磁性材料制成。在该第一磁屏蔽125上，插入绝缘层123形成磁阻元件101。

该磁阻磁头中磁阻元件101将用作用于从磁记录介质中检测磁信号的磁阻元件。磁阻元件101可具有与上述所述存储元件3或者20大致相同的膜结构(层状结构)。

磁阻元件101可形成大致的矩形形状，并且其一侧面暴露于面向表面的磁记录介质。此外，偏压层128和129设置在磁阻元件101的两端上。此外，形成连接到相应偏压层128和129的连接端130和131。通过连接端130和131可将感测电流提供给磁阻元件101。

此外，在偏压层128和129上方，插入绝缘层123来设置第二磁屏蔽127的层。

通过在该磁阻磁头上层压形成的感应磁头包括：磁芯和薄膜线圈133。磁芯由第二磁屏蔽127和上部芯132制成。薄膜线圈133由绕磁芯的绕组形成。

上部芯132与第二磁屏蔽122形成闭合磁路以用作该感应磁头的磁芯。上部芯132由诸如Ni-Fe等软磁性材料制成。此处，第二磁屏蔽127和上部芯132被形成使得前端部分暴露于面向表面的磁记录介质，因此，第二磁屏蔽127和上部芯132在后端部分彼此接触。第二磁屏蔽127和上部芯132的前端部分被形成使得在面向表面的磁记录介质中，第二磁屏蔽127与上部芯132以预定间隙g彼此间隔开。

即，在复合型磁头100中，除相对于磁阻元件101的磁屏蔽上层之外，第二磁屏蔽127还将用作感应磁头的磁芯。感应磁头的磁芯由第二磁屏蔽127和上部芯132制成。此外，间隙g为感应磁头的磁记录间隙。

此外，在第二磁屏蔽127上方，薄膜线圈133被形成嵌入在绝缘层123中。此处，薄膜线圈133是由绕由第二磁屏蔽127和上部芯132制成的磁芯的绕组形成。尽管附图中未示出，但薄膜线圈133的两端暴露于外部。形成在薄膜线圈133的两端的端子为感应磁头的外部连接端。即，在将磁信号记录到磁记录介质中时，记录电流将从外部连接端被提供给薄膜线圈132。

如上所述，作为本公开的存储元件的层压结构可应用于磁记录介质的再生磁头，即，用于从磁记录介质检测磁信号的感磁元件。

此外，本公开可采用下列配置。

(1)一种存储元件，包括：

层状结构，至少包括：

存储层，具有根据信息变化的磁化方向；

磁化固定层，具有固定的磁化方向，所述磁化固定层具有在两个铁磁层之间插入耦合层层压的所述两个铁磁层，插入所述耦合层来磁耦合所述铁磁层，所述铁磁层具有从垂直于膜表面的方向倾斜的磁化方向；以及

中间层，包含非磁性材料、设置在所述存储层与所述磁化固定层之间；

其中，通过允许电流在所述层状结构的层压方向流入所述层状结构引起所述存储层的所述磁化方向变化来执行所述信息的记录。

(2)根据(1)所述的存储元件，其中：

所述磁化固定层具有按顺序层压的第一铁磁层、所述耦合层和第二铁磁层；

所述第一铁磁层具有第一磁能，所述第一磁能被定义为具有通过从所述第一铁磁层的磁化位于所述第一铁磁层的膜表面内的状态下的磁能减去所述第一铁磁层的磁化垂直于所述第一铁磁层的膜表面的状态下的磁能计算的值；

所述第二铁磁层具有第二磁能，所述第二磁能被定义为具有通过从所述第二铁磁层的磁化位于所述第二铁磁层的膜表面内的状态下的磁能减去所述第二铁磁层的磁化垂直于所述第二铁磁层的膜表内的状态下的磁能计算的值；以及

所述第一磁能和所述第二磁能具有带不同符号的值。

(3)根据(2)所述的存储元件，其中：

插入所述耦合层的所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的磁耦合能被定义为层间磁耦合能；以及

所述层间磁耦合能的绝对值小于通过将所述第一磁能与所述第二磁能的积除以所述第一磁能和所述第二磁能的和计算的值的两倍的绝对值。

(4)根据(1)所述的存储元件，其中：

所述磁化固定层进一步包括反铁磁层。

(5)根据(4)所述的存储元件，其中：

所述磁化固定层具有按顺序层压的所述反铁磁层，第一铁磁层、所述耦合层和第二铁磁层。

所述第一铁磁层具有第一磁能，所述第一磁能被定义为具有通过从所述第一铁磁层的磁化位于所述第一铁磁层的膜表面内的状态下的磁能减去所述第一铁磁层的磁化垂直于所述第一铁磁层的膜表面的状态下的磁能计算的值；

所述第二铁磁层具有第二磁能，所述第二磁能被定义为具有通过从所述第二铁磁层的磁化位于所述第二铁磁层的膜表面内的状态下的磁能减去所述第二铁磁层的磁化垂直于所述第二铁磁层的膜表面内的状态下的磁能计算的值；并且

所述第一磁能和所述第二磁能具有带不同符号的值。

(6)根据(5)所述的存储元件，其中：

所述反铁磁层的磁化和所述第一铁磁层的磁化是磁耦合的，并且所述膜表面内的所述第一铁磁层的磁化方向是固定的。

(7)一种存储装置，包括：

存储元件，具有层状结构，所述层状结构至少包括：

存储层，具有根据信息变化的磁化方向；

磁化固定层，具有固定的磁化方向，所述磁化固定层具有在两个铁磁层之间插入耦合层层压的所述两个铁磁层，插入所述耦合层来磁耦合所述铁磁层，所述铁磁层具有从垂直于膜表面的方向倾斜的磁化方向；以及

中间层，包含非磁性材料、设置在所述存储层与所述磁化固定层之间；

其中，通过允许电流在所述层状结构的层压方向流入所述层状结构引起所述存储层的所述磁化方向变化来执行所述信息的记录

配线部分，用于供应在所述层压方向流至所述存储元件的电流；以及

电流供应控制部分，用于控制经由所述配线部分向所述存储元件供应的所述电流。

参考符号说明

1     栅电极

2     元件分离层

3、20 存储元件

4     接触层

6     位线

7     源极区

8     漏极区

9     配线

10    半导体基板

11    基层

12、21 磁化固定层

12a、12c 铁磁层

12b   耦合层

13    中间层

14    存储层

15    保护层

21p   反铁磁层

Claims (7)

1.一种存储元件，包括：

层状结构，至少包括：

存储层，具有根据信息变化的磁化方向，

磁化固定层，具有固定的磁化方向，所述磁化固定层具有其间插入耦合层而层压的两个铁磁层，插入所述耦合层来磁耦合所述铁磁层，所述铁磁层具有从垂直于膜表面的方向倾斜的磁化方向；以及

中间层，包含非磁性材料、设置在所述存储层与所述磁化固定层之间，

其中，通过允许电流在所述层状结构中在所述层状结构的层压方向流动而引起所述存储层的磁化方向变化来执行所述信息的记录。

2.根据权利要求1所述的存储元件，其中：

所述磁化固定层具有按顺序层压的第一铁磁层、所述耦合层和第二铁磁层，

所述第一铁磁层具有第一磁能，所述第一磁能被定义为具有通过从所述第一铁磁层的磁化位于所述第一铁磁层的膜表面内的状态下的磁能减去所述第一铁磁层的磁化垂直于所述第一铁磁层的膜表面的状态下的磁能计算的值，

所述第二铁磁层具有第二磁能，所述第二磁能被定义为具有通过从所述第二铁磁层的磁化位于所述第二铁磁层的膜表面内的状态下的磁能减去所述第二铁磁层的磁化垂直于所述第二铁磁层的膜表内的状态下的磁能计算的值，以及

所述第一磁能和所述第二磁能具有带不同符号的值。

3.根据权利要求2所述的存储元件，其中：

插入所述耦合层的所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的磁耦合能被定义为层间磁耦合能，以及

所述层间磁耦合能的绝对值小于通过将所述第一磁能与所述第二磁能的积除以所述第一磁能与所述第二磁能的和计算的值的两倍的绝对值。

4.根据权利要求1所述的存储元件，其中：

所述磁化固定层进一步包括反铁磁层。

5.根据权利要求4所述的存储元件，其中：

所述磁化固定层具有按顺序层压的所述反铁磁层、第一铁磁层、所述耦合层和第二铁磁层，

所述第一铁磁层具有第一磁能，所述第一磁能被定义为具有通过从所述第一铁磁层的磁化位于所述第一铁磁层的膜表面内的状态下的磁能减去所述第一铁磁层的磁化垂直于所述第一铁磁层的膜表面的状态下的磁能计算的值，

所述第二铁磁层具有第二磁能，所述第二磁能被定义为具有通过从所述第二铁磁层的磁化位于所述第二铁磁层的膜表面内的状态下的磁能减去所述第二铁磁层的磁化垂直于所述第二铁磁层的膜表面内的状态下的磁能计算的值，以及

所述第一磁能和所述第二磁能具有带不同符号的值。

6.根据权利要求5所述的存储元件，其中：

所述反铁磁层的磁化和所述第一铁磁层的磁化是磁耦合的，并且所述第一铁磁层的膜表面内的磁化方向是固定的。

7.一种存储装置，包括：

存储元件，具有层状结构，所述层状结构至少包括：

存储层，具有根据信息变化的磁化方向，

磁化固定层，具有固定的磁化方向，所述磁化固定层具有其间插入耦合层而层压的两个铁磁层，插入所述耦合层来磁耦合所述铁磁层，所述铁磁层具有从垂直于膜表面的方向倾斜的磁化方向，以及

中间层，包含非磁性材料、设置在所述存储层与所述磁化固定层之间，

其中，通过允许电流在所述层状结构中在所述层状结构的层压方向流动而引起所述存储层的磁化方向变化来执行所述信息的记录；

配线部分，用于向所述存储元件供应在所述层压方向流动的电流；以及

电流供应控制部分，用于控制经由所述配线部分向所述存储元件供应的所述电流。