CN106935256B - 自旋力矩磁随机存取存储器元件与磁阻效应型磁头 - Google Patents

自旋力矩磁随机存取存储器元件与磁阻效应型磁头 Download PDF

Info

Publication number
CN106935256B
CN106935256B CN201611001813.8A CN201611001813A CN106935256B CN 106935256 B CN106935256 B CN 106935256B CN 201611001813 A CN201611001813 A CN 201611001813A CN 106935256 B CN106935256 B CN 106935256B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetization
layer
magnetic
ferromagnetic
memory element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201611001813.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106935256A (zh
Inventor
肥后丰
细见政功
大森广之
别所和宏
浅山徹哉
山根一阳
内田裕行
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Publication of CN106935256A publication Critical patent/CN106935256A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106935256B publication Critical patent/CN106935256B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1659—Cell access
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
    • G11C11/5607—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using magnetic storage elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/329—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetisation of the free layer is switched by a spin-polarised current, e.g. spin torque effect

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及自旋力矩磁随机存取存储器元件与磁阻效应型磁头。该自旋力矩磁随机存取存储器元件，包括：磁化固定层，该磁化固定层的固定磁化在相对于该磁化固定层的膜表面的垂直方向上；磁化自由层，包括与形成在在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起的多个铁磁层，从而磁耦合该铁磁层；以及非磁性层，该非磁性层是隧道绝缘层并且形成在该磁化固定层与该磁化自由层之间。

Description

自旋力矩磁随机存取存储器元件与磁阻效应型磁头
本申请是于2014年5月23日(国际申请日为2012年11月19日)提交的申请号为2012800579117(国际申请号为PCT/JP2012/007416)，发明创造名称为“具有低写入错误率的自旋转移力矩磁存储元件”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本技术涉及具有多个磁性层并且在使用自旋力矩磁化反转的同时执行记录的存储元件和存储器。
背景技术
诸如移动终端和大容量存储服务器的各种信息装置已经取得了快速的发展。因此，人们希望存储器和组成这些装置的逻辑元件的元件具有更高的性能，诸如高度集成、高速处理以及低功耗。具体地，非易失性半导体存储器已经取得了大幅进步，并且已经散布用作大容量存储文件存储器的闪速存储器，以便驱除硬盘驱动器。相反，已经研制了铁电随机存取存储器(FeRAM)、磁随机存取存储器(MRAM)、相变随机存取存储器(PCRAM)等，以便代替现在常用的NOR闪速存储器、动态随机存取存储器(DRAM)等，同时被视为用于代码存储器并且进一步作为工作存储器进行研制。这些研制的RAM中的一部分已经投入实际应用中。
在这些RAM之中的MRAM基于磁性物质的磁化方向执行数据记录，以便可高速重写大致无限次数(1015次或以上)。因此，MRAM已经用于工业自动化、飞机等领域中。由于MRAM的高速操作和可靠性，所以人们希望将MRAM研制为代码存储器或工作存储器。然而，由于低功耗以及大储存容量，故MRAM在实际使用中存在问题。MRAM的记录原理(即，其中由电线的电流引起的磁场反转磁化方向的记录方法)导致这些问题。
作为解决这些问题的一种方法，已经分析了不根据电流的磁场进行记录的方法，即，磁化反转方法。尤其，已经积极地研究了自旋力矩磁化反转(例如，参照专利文献(PTL)1和2)。
通过与MRAM相同的方式，使用自旋力矩磁化反转的存储元件通常由磁性隧道结(MTJ)和隧道型磁阻(TMR)元件构造。在这个结构中，利用以下现象：在一个方向穿过磁化固定的磁性层的自旋极化电子在进入该自由磁性层(也称为自旋转移力矩)时为另一个自由磁性层(其磁化未固定)提供力矩。在具有等于或大于阈值的值的电流流动时，该自由磁化层的磁化方向反转。通过改变电流的极性来重写0和1。
在存储元件具有大约0.1μm的尺寸时，用于反转磁化的电流的绝对值等于或小于1mA。
进一步地，因为该电流值随着元件体积减小而减小，故可以进行尺寸调整。而且，因为未使用字线(word wire)来引起用于在MRAM中进行记录的电流的磁场，故具有简化单元结构的优点。
在下文中，使用自旋力矩磁化反转的MRAM被称为自旋力矩磁随机存取存储器(ST-MRAM)。自旋力矩磁化反转也被称为自旋注入磁化反转。该ST-MRAM被极大地预期作为非易失性存储器，其中，能够具有低功耗和大储存容量，同时保持以高速进行操作并且可被重写大致无限次数MRAM的优点。
引用列表
专利文献
PTL 1：日本专利申请公开第2003-17782号
PTL 2：美国专利第5,695,864号
发明内容
然而，在ST-MRAM中产生磁化反转的自旋力矩的强度随着磁化方向而改变。在具有正常的ST-MRAM的存储元件的结构中，存在自旋力矩等于零的磁化角度。
当在初始状态中设置的ST-MRAM中的磁化角度与该磁化角度一致时，大幅延长磁化反转所需要的时间。因此，有时在写入时间段内未完成磁化反转。
在写入时间段内未完成反转时，该写入操作失败(写入错误)，并且不能执行正常的写入操作。
鉴于上述情况，可以提供一种存储元件和一种存储器，其能够在没有产生任何写入错误的情况下，在短时间内执行写入操作。
在实施方式中，一种自旋力矩磁随机存取存储器元件，包括：磁化固定层，所述磁化固定层的固定磁化在相对于所述磁化固定层的膜表面的垂直方向上；磁化自由层，包括与形成在在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起的多个铁磁层，从而磁耦合所述铁磁层；以及非磁性层，所述非磁性层是隧道绝缘层并且形成在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间。
在另一实施方式中，一种磁阻效应型磁头，包括：第一磁屏蔽，经由绝缘层形成在基板上；磁感测元件，所述磁感测元件包括：磁化固定层；磁化自由层，所述磁化自由层包括与形成在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起的多个铁磁层；以及非磁性的中间层，所述非磁性的中间层为隧道绝缘层并且形成在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间；以及第二磁屏蔽，经由所述绝缘层形成在所述磁感测元件上。
在另一实施方式中，一种存储元件包括：磁化固定层以及磁化自由层。磁化固定层包括多个铁磁层，所述多个铁磁层与在每对相邻的铁磁层之间形成的耦合层层压在一起。铁磁层的磁化方向相对于磁化固定层的磁化方向倾斜。
在另一个实施方式中，提供了一种将信息写入存储元件中的方法，所述存储元件包括磁化固定层以及磁化自由层，所述磁化自由层包括多个铁磁层，所述多个铁磁层与在每对相邻的铁磁层之间形成的耦合层层压在一起。所述方法包括：在所述磁化固定层的磁化方向上施加电流，以在所述磁化自由层中产生自旋力矩磁化反转。所述铁磁层的磁化方向相对于所述磁化固定层的磁化方向倾斜。
在另一个实施方式中，一种自旋力矩磁随机存取存储器元件包括：磁化固定层，在相对于磁化固定层的膜表面的垂直方向上具有固定磁化；磁化自由层，包括多个铁磁层，所述多个铁磁层与形成在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起，从而与铁磁层磁耦合；以及非磁性层，形成在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间。所述铁磁层的磁化方向相对于垂直方向倾斜。
在另一个实施方式中，一种磁阻效应型磁头包括：第一磁屏蔽，经由绝缘层形成在基板上；磁感测元件，包括磁化固定层和磁化自由层，所述磁化自由层包括多个铁磁层，所述多个铁磁层与形成在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起；以及第二磁屏蔽，经由绝缘层形成在所述磁感测元件上。所述铁磁层的磁化方向相对于所述磁化固定层的磁化方向倾斜。
在根据本技术的第一实施方式的存储元件中，虽然在存储层和磁化固定层的磁化方向这两者彼此大致平行或反平行时，磁化反转所需的时间段分散，但在构成存储层的铁磁层之间的磁耦合可抑制该分散。因此，通过在预定的有限时间段内，反转存储层的磁化方向可执行信息写入。
进一步地，可减小用于反转存储层的磁化方向的写入电流的值。
此外，由于在垂直磁化膜中保持强劲的异向性磁能，故可充分地保持存储层的热稳定性。
进一步地，在根据本技术的第二实施方式的存储器中，电流经由这两种电线在层压方向上流过存储元件，并且发生自旋转移。因此，通过电流经由这两种电线在层压方向流过存储元件，根据自旋力矩磁化反转可执行信息记录。
进一步地，因为可充分地保持存储元件的热稳定性，故可稳定地保持存储元件中所记录的信息，并且在存储器中可实现尺寸减小、可靠性改进以及低功耗。
如上所述，根据本技术，因为在预定的时间段内反转存储层的磁化方向的同时可执行信息写入，故可减少写入错误，并且可在更短的时间内执行写入操作。
进一步地，因为可减少写入错误，故可提高写入操作的可靠性。此外，由于可在更短的时间内执行写入操作，故可提高操作速度。
因此，根据本技术，可实现在写入操作中具有高可靠性并且以高速操作的存储器。
附图说明
图1为根据本技术实施方式的存储器的示意性透视图。
图2为根据实施方式的存储器的剖视图。
图3为根据实施方式的存储器的平面图。
图4为具有包括在与薄膜表面垂直的方向上磁化的磁性物质的存储层的存储元件的示意性结构图(剖视图)。
图5为根据实施方式的存储元件的示意性结构图(剖视图)。
图6A为根据实施方式的存储层的示意性结构图(透视图)。
图6B为根据本实施方式的存储层的示意性结构图(顶视图)。
图7为其中绘示了磁耦合能量的范围的示图。
图8为其中绘示了在磁耦合能量与热稳定性的指数(index)之间的关系的示图。
图9为其中绘示了磁能的范围的示图。
图10为其中绘示了在激发能与反转时间之间的关系的示图。
图11A为其应用了该实施方式的磁头的说明性透视图。
图11B为磁头的说明性剖视图。
具体实施方式
在下文中，将按照以下顺序描述本技术的实施方式。
<1、根据该实施方式的存储器的示意性结构>
<2、根据该实施方式的存储元件的概述>
<3、根据该实施方式的具体结构>
<4、变形例>
<1、根据该实施方式的存储器的示意性结构>
首先，将描述存储器的示意性结构。在图1、图2以及图3中示出了存储器的示意图。图1为透视图，图2为剖视图并且图3为平面图。
如图1中所示，在存储器中，具有ST-MRAM的存储元件3位于彼此垂直延伸的两种地址线(例如，字线和位线)的每个交叉点附近。ST-MRAM能够保持由磁性状态表示的信息。更具体而言，在由半导体主体10(例如，硅基板)的元件隔离层2隔离的部分中形成构成用于选择每个存储单元的选择晶体管的漏极区域8、源极区域7以及栅极电极1。栅极电极1在图1中也用作在前后方向上延伸的一个地址线(字线)。
漏极区域8被形成为由位于图1中的左侧和右侧的两个选择晶体管共有。电线9连接至该漏极区域8。
在图1中，具有存储层的存储元件3位于源极区域7与字线6之间，字线位于上侧上并且在横向方向上延伸。存储层的磁化方向由自旋力矩磁化反转来反转。存储元件3例如由磁性隧道结元件(MTJ元件)形成。
如在图2中所示，存储元件3具有两个磁性层12和14。这些磁性层12和14中的一个是磁化固定层12，其中磁化M12的方向是固定的；并且另一个磁性层是存储层14，即，自由磁化层，其中磁化M14的方向在该自由磁化层内是可改变的。
进一步地，存储元件3经由相应的上部和下部的接触层4连接至字线6和源极区域7。
因此，当电流在垂直方向上经由两种地址线1和6流过存储元件3时，存储层14的磁化M14的方向可通过自旋力矩磁化反转进行反转。
如在图3中所示，在存储器中，大量的第一电线(例如，位线)1和大量的第二电线(例如，字线)6被配置为在矩阵形状中彼此垂直，并且存储元件3位于电线1和6的交叉点上。
每个存储元件3在其平面内形成为圆形并且具有在图2中所示的横截面结构。
进一步地，如图2中所示，存储元件3具有一个磁化固定层12和一个存储层(自由磁化层)14。
每个存储元件3形成存储器的一个存储单元。
在上述存储器中，需要通过具有等于或小于选择晶体管的饱和电流的量的电流执行写入操作。众所周知，随着晶体管尺寸的减小，晶体管的饱和电流减少。因此，为了减小存储器的尺寸，期望提高自旋转移的效率以减少流过存储元件3的电流。
进一步地，为了增加读出信号的电平，应确保大幅磁阻变化率。因此，如上所述，采用MTJ结构是有效的。更具体而言，存储元件3具有位于磁性层12与14之间的隧道绝缘层(隧道阻挡层)的中间层是有效的。
在如上所述隧道绝缘层用作中间层时，限制流过存储元件3的电流的量，以防止隧道绝缘层接收介电击穿。即，由于确保重复写入存储元件3的可靠性，故期望的是抑制自旋力矩磁化反转所需要的电流。自旋力矩磁化反转所需要的电流有时被称为反转电流(reversing current)或存储电流。
进一步地，因为存储器是非易失性存储器，故需要稳定地存储由电流写入的信息。换言之，需要确保存储层的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。
假设不能确保存储层的热稳定性，由于热量(在操作环境中的温度)，所以反磁化的方向有时再次反转，并且不期望地产生保持错误(holding error)。
与过去的MRAM相比，在该存储器中的存储元件(ST-MRAM)3具有尺寸上的优势。即，能够减小元件3的体积。然而，如果其他特征不改变，则体积减小造成热稳定性退化。
因为ST-MRAM的存储容量的增大进一步减小了存储元件3的体积，故确保热稳定性是重要的。
因此，ST-RAM的存储元件3中的热稳定性是非常重要的特性，并且期望的是即使元件3的体积减小，元件3也被设计使得确保该热稳定性。
<2、根据该实施方式的存储元件的概述>
接下来，将描述根据该实施方式的存储元件的概要。
在图4中示出了其中磁化方向与元件的薄膜表面垂直的ST-MRAM的存储元件的示意性结构图(剖视图)。
如图4中所示，存储元件具有按照此顺序层压的位于基础层11上的磁化固定层(也被称为参考层)12，其中磁化M12的方向是固定的；中间层(非磁性层)13；存储层(自由磁化层)14，其中磁化M14的方向是可改变的；以及覆盖层15。
在这些层的层12中，磁化M12的方向由高矫顽力等固定，以垂直于层12的膜表面。
在图4中所示的存储元件中，执行由具有单轴异向性的存储层14的磁化(磁矩)M14的方向表示的信息进行存储。
通过在与存储元件的层的膜表面垂直的方向(即，层的层压方向)施加电流来将信息写入存储元件中，以在变成存储层14的自由磁化层中造成自旋力矩磁化反转。
此处，将简要描述自旋力矩磁化反转。
电子具有两种自旋角动量中的一个，并且这些自旋角动量临时称为上部自旋角动量和下部自旋角动量。
在非磁性物质的内部，具有上部自旋角动量的电子的数量等于具有下部自旋角动量的电子的数量。在铁磁物质内部，这些数量彼此不同。
首先，考虑以下情况：在磁化M12和M14的方向在经由中间层(非磁性层)13彼此层压的两个铁磁物质层(磁化固定层12和自由磁化层14)中彼此反平行时，电子从磁化固定层12移动到存储层(自由磁化层)14。
使穿过磁化固定层12的电子的自旋被极化。即，具有上部自旋角动量的电子的数量与具有下部自旋角动量的电子的数量不同。
当非磁性层13的厚度足够薄时，电子到达另一个磁性物质，在自旋极化之前照亮存储层(自由磁化层)14，以便设置在正常非磁性物质的非极化状态(具有上部自旋角动量的电子的数量等于具有下部自旋角动量的电子的数量)中。
然后，因为在两个铁磁物质层(磁化固定层12和自由磁化层14)中的自旋极化电平的符号彼此不同，故在一部分电子中的自旋被反转，以减少在该系统中能量。即，自旋角动量的方向改变。此时，因为应保留在系统中的整个角动量，故将等于由电子(其自旋方向改变)造成的角动量的变化的总和的反应提供给存储层(自由磁化层)14的磁化M14。
当电流量(即，每单位时间通过的电子的数量)较小时，其自旋方向改变的电子的数量也较小。因此，在存储层(自由磁化层)14的磁化M14中造成的角动量的变化也较小。相反，当电流量增大时，在一个单位时间内可提供角动量的大幅改变。
角动量上的时间改变是力矩。当该力矩超过阈值时，由于在旋转轴旋转180度时存储层(自由磁化层)14的单轴异向性，故存储层(自由磁化层)14的磁化M14开始旋进并且稳定。换言之，造成从反平行状态反转成平行状态。
相反，在其中这两个铁磁物质层12和14的磁化M12和M14的方向彼此平行的情况下，电流反向流动，以便将电子从存储层(自由磁化层)14中发送给磁化固定层12时，电子被磁化固定层12反射。
然后，当被反射以便反转电子的自旋方向的电子进入自由磁化层14时，电子提供力矩，以便反转存储层(自由磁化层)14的磁化M14的方向。因此，磁化M12和M14可改变为反平行状态。
在这种情况下，造成这种反转所需要的电流量大于造成从反平行状态改变成平行状态所需要的电流量。
难以凭直觉识别从平行状态到反平行状态的改变。然而，人们认为，因为磁化M12是固定的，故难以反转磁化固定层12的磁化M12的方向，但是反转自由磁化层14的磁化M14的方向，以保留整个系统的角动量。
如上所述，由在从磁化固定层(参考层)12到存储层(自由磁化层)14的一个方向或者在值等于或高于与电流的极性相对应的阈值时的相反方向流动的电流执行均为0和1的信息的记录。
通过与在过去的MRAM中相同的方式使用磁阻效应来执行信息读出。
更具体而言，通过与上述信息记录的情况相同的方式，电流在与每层的膜表面垂直的方向(每层的层压方向)上流动。然后，因为在存储层(自由磁化层)14的磁化M14的方向与磁化固定层(参考层)12的磁化M12的方向平行时由存储元件表示的电阻与在磁化M14的方向与磁化M12的方向反平行时的电阻不同，故利用该现象。
用于中间层(非磁性层)13的材料可以是金属或绝缘体。然而，当绝缘体被用于非磁性层13时，可获得更高级别(电阻的更高的变化率)的读出信号，并且可使用较低值的电流来执行记录。使用绝缘体的该元件称为磁性隧道结(MTJ)元件。
上述自旋力矩的强度随着在存储层(自由磁化层)14的磁化M14与磁化固定层(参考层)12的磁化M12之间的角度变化。
当指示磁化M14的方向的单位向量被表示为m1时，同时指示磁化M12的方向的单位向量被表示为m2时，自旋力矩的强度与m1x(m1x m2)成比例。此处，“x”表示向量的外积。
磁化固定层12的磁化M12通常被固定为存储层14的易磁化轴的方向。存储层14的磁化M14易于被定向于存储层14本身的易磁化轴的方向。此时，向量m1和m2构成0或180度的角度。因此，根据上述自旋力矩等式，自旋力矩根本不起作用。
在实际情况下，由于热波动，故存储层14的磁化M14被随机分布在易磁化轴周围。当磁化M14的方向到磁化固定层12的磁化M12的方向远离0度或180度的角度移动时，自旋力矩起作用并且可造成磁化反转。
磁性物质具有与其磁化方向相对应的强度的磁能。最多减少磁能的方向是易磁化轴。当未造成热波动时，磁化由尽可能减少磁能的力量(力矩)被定向于易磁化轴。相反，当与在磁化被定向于易磁化轴时设置的磁能相比，在磁化方向由于热波动从而远离易磁化轴时，磁能变大。该差异被称为激发能E。然后，当磁化方向进一步远离易磁化轴使得激发能E超过某个阈值时，造成磁化反转。该阈值由Δ表示。可将阈值Δ视为反转磁化所需要的能量。虽然激发能E和阈值Δ由单位焦耳(J)表示，但是在下文中使用通过由热能除以这些从而获得的无因次量(玻尔兹曼常数和绝对温度的乘积)。在这种情况下，因为可将阈值Δ视为指示热能的磁化的稳定性的指数，故阈值Δ有时称为热稳定性的指数。
当使用存储层14的磁化M14的激发能E和热稳定性的指数Δ时，施加于存储层14的电流I以及由该电流I造成的自旋力矩磁化反转所需要的时间段(反转时间)ts满足以下等式1。
Figure BDA0001151933110000121
此处，Ic0表示造成自旋力矩磁化反转所需要的阈值电流，eta表示电流I的自旋极化率，e表示电子的电荷，Ms表示磁化M14的饱和磁化，V表示存储层14的容量，并且μB表示玻尔磁子。
等式1的左边与注入存储层14内的电子数量相对应。等式1的右边与存在于存储层14内的电子数量相对应。通过对数项调整这些数量的比例。激发能E的值与在施加电流时的磁化方向相对应。
如从该等式1中发现，反转时间ts无限分散，而激发能E接近零。如上所述，在未造成热波动时，磁化M14被定向于与能量E为零相对应的易磁化轴，并且反转时间的分散是个问题。
因此，在该技术中，为了抑制上述反转时间的分散，存储层被配置为具有经由耦合层层压的至少两个或多个铁磁层。彼此相邻的两个铁磁层经由在其间插入的耦合层彼此磁耦合。
在上述根据本技术实施方式的存储器的结构中，因为存储层和磁化固定层的磁化方向通过在构成存储层的铁磁层之间的磁耦合彼此大致平行或反平行，故可抑制用于磁化反转所需要的时间段的分散，并且通过反转存储层的磁化方向，可以在预定的有限时间段内写入信息。
<3、根据该实施方式的具体结构>
接下来，将具体地描述根据本技术的实施方式。
图5为根据本技术实施方式的构成存储器的存储元件的示意性结构图(剖视图)。
在图5中所示的存储元件20具有位于基础层21上的磁化固定层(也称为参考层)22，该磁化固定层22中的磁化M22方向是固定的；中间层(非磁性层)23、磁化方向可改变的存储层(自由磁化层)24以及覆盖层25，并按照该顺序层压这些层。
在磁化固定层22中，磁化M22被固定为被定向于与磁化固定层22的膜表面垂直的方向(在图5中的上部的方向)。
上述结构与在图4中所示的ST-MRAM的结构相同。
由反铁磁物质形成的反铁磁层(anti-ferromagnetic layer)(未示出)可位于基础层21与磁化固定层22之间，以固定磁化固定层22的磁化M22方向。
进一步地，根据该实施方式的存储元件20与在图4中所示的ST-MRAM的MTJ的结构的不同之处在于存储层24包括多层膜，其中多个铁磁层和耦合层层压在彼此之上。在图5中，存储层24包括三层结构，该三层结构具有按照以下顺序定位的铁磁层24a、耦合层24b以及铁磁层24c。
铁磁层24a的磁化M1和铁磁层24c的磁化M2经由耦合层24b彼此磁耦合。非磁性金属(例如，Ta和Ru)可用作耦合层24b的材料。
作为位于磁化固定层22与存储层24之间的中间层(非磁性层)23的材料，可使用用于形成隧道绝缘膜的绝缘材料(各种氧化物)或者用于位于磁阻效应元件的磁性层之间的层的非磁性金属。
当绝缘材料被用作该中间层(非磁性层)23的材料时，如上所述，可获得更高级别(电阻的更高的改变率)的读出信号，并且可使用较低的值的电流来执行记录。
作为磁化固定层22和存储层24的材料，可以使用用于过去的ST-MRAM的MTJ的各种磁性材料。
例如，CoFe可被用于磁化固定层22并且CoFeB可被用于存储层24。
进一步地，可使用NiFe、TePt、CoPt、TbFeCo、GdFeCo、CoPd、MnBi、MnGa、PtMnSb以及Co-Cr族的材料。此外，可使用除了这些材料以外的磁性材料。
以如在图4中所示的存储元件3中相同的方式，通过使用磁阻效应执行信息读出。
更具体而言，以与上述信息记录相同的方式，电流在与每层的膜表面垂直的方向(每层的层压方向)上流动。然后，利用以下现象：随着在磁化固定层22的磁化M22方向与铁磁层24a的磁化M1方向之间的相对角的改变来改变由存储元件所指示的电阻。
在图6A的透视图以及图6B的顶视图中，进一步详细地示出了存储层24的结构。为了简化，在图6A和图6B中省略了中间层24b。在根据该实施方式的存储元件20中，存储层24形成为柱形。为了描述磁化M1和M2的方向，如下定义角度θ1、θ2、
Figure BDA0001151933110000141
以及
Figure BDA0001151933110000142
在透视图中示出了沿着垂直方向穿过存储层24的垂直轴31。在磁化M1方向与垂直轴31之间的角度被定义为θ1，并且在磁化M2方向与垂直轴31之间的角度被定义为θ2。进一步地，在顶视图中示出了穿过存储层24a或24c的中心的参考线32。因为存储层24a和24c通常在横截面中形成为圆形，故可任意地选择参考线32的方向。当磁化M1和M2分别投射在存储层24a和24c的膜表面上时，在磁化M1方向与参考线32之间的角度被定义为
Figure BDA0001151933110000143
并且在磁化M2方向与参考线32之间的角度被定义为
Figure BDA0001151933110000144
如上所述，磁性物质具有与其磁化方向相对应的强度的磁能。为了描述磁能，定义以下值。通过从在磁化M1被定向于表面内方向(θ1＝90度)时的磁能的强度中减去在磁化M1被定向于垂直方向(θ1＝0度)时的磁能的强度所获得的能差由Δ1表示。进一步地，通过从在磁化M2被定向于表面内方向(θ2＝90度)时的磁能的强度中减去在磁化M2被定向于垂直方向(θ2＝0度)时的磁能的强度所获得的能差由Δ2表示。此外，在磁化M1与M2之间的磁耦合能量的强度由Δex表示。差值Δ1和Δ2以及强度Δex由单位焦耳(J)表示。然而，通过与上述热能E和热稳定性的指数Δ相同的方式，使用通过由热能除差值和强度从而获得的无因次量(玻尔兹曼常数和绝对温度的乘积)。
在这种情况下，存储层24的磁能ε由以下等式2表示。
∈＝Δ1sin2θ1+Δ2sin2θ2-Δex(cosθ1cosθ2+sinθ1sinθ2cos(φ1-φ2))
存储层24的激发能E由等式E＝ε-(ε)min表示。此处，(ε)min表示磁能ε的最小值。通过与在图4中的存储层14的情况相同的方式，在未造成热波动时，激发能E变成0。即，磁化M1和M2的方向改变，使得磁能ε变成(ε)min(该状态称为平衡态)。在存储层14的情况下，当激发能E达到0时，在存储层14的磁化M14的方向与磁化固定层12的磁化M12的方向之间的相对角为0度(平行)或180度(反平行)。因此，存在以下问题：反转时间增大，而自旋力矩不起作用。然而，本技术的发明人进行各种检查并且认识到，在激发能E达到0时，磁化M1和M2的方向可能与磁化固定层22(垂直轴)的磁化M22方向构成0度(平行)或180度(反平行)。即，磁化M1和M2可相对于磁化M22倾斜。此时，因为有限的自旋力矩起作用，故会希望抑制反转时间的增大。
此处，在使用等式2时，发明人对磁化M1和M2相对于磁化M22倾斜的条件进行各种检查。结果，找出的条件如下。考虑在磁化M1和M2之间的磁耦合能量的强度Δex等于零并且磁化M1和M2分别移动的情况。根据该定义，当差值Δ1为正数时，磁化M1的易磁化轴变成与铁磁层24a的膜表面垂直，并且在平衡态中的磁化M1被定向于与膜表面垂直的方向。相反，当差值Δ1为负数时，磁化M1的易磁化轴位于膜表面内，并且在平衡态中的磁化M1被定向于在铁磁层24a的膜表面内的表面内方向。此时，因为铁磁层24a相对于关于垂直轴的旋转具有同向性，故
Figure BDA0001151933110000152
的值为任意数。通过相同的方式，当差值Δ2为正数时，磁化M2的易磁化轴变成与膜表面垂直，并且在平衡态中的磁化M2被定向于与铁磁层24c的膜表面垂直的方向。相反，在差值Δ2为负数时，磁化M2的易磁化轴位于铁磁层24c的薄膜表面内，并且在平衡态中的磁化M2被定向于在薄膜表面内的表面内方向。此时，由于铁磁层24c相对于关于垂直轴的旋转具有各向同性，故
Figure BDA0001151933110000151
的值为任意数。
接下来，考虑在该技术中独创的情况，其中，在磁化M1和M2之间的磁耦合能量的强度Δex与零不同，同时磁化M1和M2彼此耦合并且移动。根据该定义，在强度Δex为正时，磁化M1和M2的方向移动为平行，这有时被称为铁磁耦合。相反，当强度Δex为负时，磁化M1和M2的方向移动为反平行，这有时被称为反铁磁耦合。为了在下文中简化描述，虽然仅仅考虑强度Δex为正的情况，但是在其中强度Δex为负的情况下可进行相同的讨论。
在差值Δ1和Δ2共同为正时，在平衡态中的磁化M1和M2的方向变成与垂直轴平行，与强度Δex无关。这与在图4中所示的存储元件3中一样，并且不可避免地增大反转时间。相反，在差值Δ1和Δ2共同为负时，在平衡态中的磁化M1和M2分别被定向于在膜表面中的表面内方向，与强度Δex无关。此时，与
Figure BDA0001151933110000161
的值无关，在磁化固定层22的磁化M22方向与铁磁层24a的磁化M1方向之间的相对角恒定地变成90度。因此，磁阻效应不造成电阻发生任何变化，并且不能读出任何信息。在这种情况下，差值Δ1和Δ2的符号相同的存储元件不能用作构成ST-MRAM的存储元件。如上所述，根据本技术实施方式的在存储元件20中的差值Δ1和Δ2的符号应彼此不同。
如上所述，当差值Δ1和Δ2的符号彼此不同时，一个铁磁层的磁化的易磁化轴与膜表面垂直，而其他铁磁层的磁化的易磁化轴位于膜表面内。由于以能量强度Δex耦合，故方向彼此冲突的这两个磁化可相对于垂直方向倾斜。能量强度Δex具有上限。假设强度Δex无限大，磁化M1和M2应彼此平行。在这种情况下，根据在差值Δ1和Δ2之间的幅度相关性，易磁化轴的总数涉及与膜表面垂直或者位于膜表面内。即使强度Δex无限大，当强度Δex大于某个强度时，磁化M1和M2也不期望地彼此平行。
因此，在使用等式2的差值Δ1和Δ2的各种组合的情况下，为了确定强度Δex的上限，本技术的发明人计算上限Δexmax，磁化M1和M2在该上限处彼此平行。在图7中示出了一个实例。在图7中，差值Δ2固定为差值-40，并且差值Δ1的范围从0变成100。白色圆圈表示通过计算确定的强度Δex的上限。在强度Δex小于相应的上限时，磁化M1和M2可相对于垂直方向共同倾斜。在值Δ1+Δ2小于零的情况下的限制Δexmax对差值Δ1的依赖性与在值Δ1+Δ2大于零的情况下的依赖性不同。曲线C41表示在值Δ1+Δ2小于零时的强度Δexmax对Δ1的依赖性。相反，曲线C42表示在值Δ1+Δ2大于零时的强度Δexmax对Δ1的依赖性。发明人试图找出充分地表示这些曲线的等式，并且认识到，曲线C41和C42由以下等式表示。
Δexmax＝abs(2x(Δ1)x(Δ2)/((Δ1)+(Δ2)))
此处，abs表示变成绝对值的函数。现在，在该等式中，仅仅考虑在强度Δex为正的情况。然而，通过相同的方式，在其中强度Δex为负的情况下获得该等式。结果，磁化M1和M2相对于垂直方向共同倾斜的条件如下。
abs(Δex)<abs(2x(Δ1)x(Δ2)/((Δ1)+(Δ2)))
如上所述，在本技术中，找出磁化M1和M2相对于垂直方向共同倾斜的条件。在提供满足该条件的差值Δ1和Δ2和强度Δex时，获得磁化M1和M2相对于垂直轴倾斜的平衡态。然后，通过从由等式2表示的磁能的值中减去在平衡态中的磁能的值所获得的值来表示根据本技术实施方式的存储元件20的激发能E。而且，反转磁化M1和M2方向所需要的激发能E是热稳定性的指数Δ。因此，当给定差值Δ1和Δ2和强度Δex时，唯一地确定激发能E和热稳定性的指数Δ。
在图8中示出了热稳定性的指数Δ对强度Δex的依赖性。在图8中，满足关系Δ1>0>Δ2。然而，还允许关系Δ2>0>Δ1。在这种情况下，在图8中的差值Δ1和Δ2彼此改变。在强度Δex为零时，指数Δ等于差值Δ1。虽然指数Δ随着强度Δex的增大而减小，但是在值Δ1+Δ2小于零的情况下的依赖性与在值Δ1+Δ2大于零的情况下的依赖性不同。曲线C51与值Δ1+Δ2小于零相对应，而曲线C52与值Δ1+Δ2大于零相对应。在值Δ1+Δ2小于零时，差值Δ会聚为零，而强度Δex接近限制Δexmax。相反，在值Δ1+Δ2大于零时，指数Δ会聚成值Δ1+Δ2，同时强度Δex接近限制Δexmax。
热稳定性的指数Δ表示指示对存储元件20的热波动的容忍的指数。当存储元件20被用作非易失性存储器时，需要在保证的操作时间段内保持信息。这表示热稳定性的指数Δ应高于某个常数值。虽然指数Δ的下限随着存储器容量以及保证的操作时间段而变化，但是该下限大约在从40到70的范围内。随着指数Δ增大，耐热性增强。然而，因为进行写入所需要的能量也增大，故不需要不必要地增大指数Δ。
现在，热稳定性的指数Δ的设计值由Δ0表示。在这种情况下，根据图8，通过调整强度Δex来获得指数Δ＝Δ0的条件用于满足关系Δ1+Δ2<Δ0<Δ1。图8示出了关系Δ1>0>Δ2的情况。然而，在还考虑关系Δ2>0>Δ1的情况时，应满足差值Δ1和Δ2的条件是关系Δ1+Δ2<Δ0<max(Δ1,Δ2)。在此处，max表示用于从差值Δ1和Δ2中选择最大值的函数。
在图9中绘制差值Δ1和Δ2应满足的条件。此处，热稳定性的指数Δ的设计值由Δ0表示。直线L61表示关系Δ1+Δ2＝Δ0，直线L62表示差值Δ1＝Δ0，并且直线L63表示差值Δ2＝Δ0。
位于线路L61的下侧并且位于线路L62的右侧的区域D64以及位于线路L61的下侧并且位于线路L63的上侧的区域D65是满足关系Δ1+Δ2<Δ0<max(Δ1,Δ2)的条件的差值Δ1和Δ2的范围。
当差值Δ1和Δ2共同位于区域D64或D65中时，可调整强度Δex，使得热稳定性的指数Δ等于设计值Δ0，并且在此时，磁化M1和M2的方向可相对于垂直轴倾斜。虽然在上文中已经描述了差值Δ1和Δ2的符号应彼此不同的条件，但是在差值Δ1和Δ2共同位于区域D64或D65中时，自动地满足该条件。
接下来，在使用根据本技术实施方式的存储元件20的情况下，进行关于自旋注入磁化反转(自旋力矩传输)的模拟，而为了执行比较，在使用在图4中所示的存储元件3的情况下进行模拟。
图10示出了在用于某个电流的激发能E与反转时间ts之间的关系。在对数标度上，标绘水平轴的激发能E。此处，在施加电流时从磁化方向计算的值被用作激发能E。由于热波动，故磁化方向从平衡态中转移。这表示在激发能E增大(移动到图10中的右边)时，该转移变大。
如上所述，在存储元件3中的激发能E与反转时间ts之间的关系由等式1表示。在磁化被完全地设置在平衡态中时，需要无限的反转时间。然而，在实际应用中，因为热波动造成激发能E的值等于或大于0，故在有限的时间段内可反转磁化。该趋势由曲线C71表示。当在对数标度上指示水平轴的激发能E时，曲线C71大致为直线。将认识到的是，随着激发能E增大，在更短的时间内反转磁化。
现在，假设电流应用时间为20纳秒。在这种情况下，如点P73所示，如果激发能E的对数值等于-20，则可仅仅在20纳秒内执行反转。激发能E不固定为某个常数值，但是由于热波动，故一直改变。当激发能E的对数值等于或高于-20时，可在20纳秒内执行反转。相反，当激发能E的对数值等于或低于-20时，不会在20纳秒内执行反转。即，造成写入错误。如上所述，在存储元件3中，当磁化角度在应用电流时被改变时，反转所需要的时间段改变。因此，由于反转时间发生变化的影响，故写入操作有时成功并且有时失败。
相反，在使用根据本技术实施方式的存储元件20的情况下，在激发能E与反转时间ts之间的关系由曲线C72表示。该线C72与用于在图4中所示的存储元件3的曲线C71不同，并且线路C72表示即使在激发能E减小时反转时间ts也不增大。原因在于，因为即使在激发能E等于(在图10中所示的对数标度上的负的无穷值)时，磁化M1和M2的方向也相对于垂直轴倾斜，故有限自旋力矩在磁化M1和M2上起作用。
在由图10中所示的曲线C72所表示的计算实例中，当激发能E的对数值大致等于或低于零时，反转时间ts恒定地为10纳秒。当激发能E的对数值大致等于或高于零时，反转时间ts进一步缩短。这表示即使在施加电流时磁化M1和M2被定向于任何方向时，反转时间ts不超过10纳秒。如上所述，在根据本技术实施方式的存储元件20中，确定反转时间ts的上限(在图10中所示的计算实例中，10纳秒)，而不考虑在施加电流时设置的磁化M1和M2的方向。因此，当电流施加时间被设定为等于或大于该上限时可在不造成任何写入错误的情况下执行写入。
此处，将补充激发能E的物理意义。如上所述，由于热波动，故激发能E的值是有限的。如在存储层通过与在图4中所示的存储元件3中相同的方式由单个铁磁层构成的情况下，激发能E变成小于值X的概率由1-exp(-X)给出。(在存储层通过与在根据本技术实施方式的存储元件20中相同的方式由多个铁磁层构成时，未提供该严格的等式，但是趋势几乎相同)。在图10中所示的计算实例中，与20纳秒的反转时间ts相对应的激发能E的对数值是-20。因此，当激发能E的对数值低于-20时，未写入20纳秒的电流应用时间。使用等式1-exp(-X)将激发能E的对数值低于-20的概率计算为1-exp(-exp(-20))＝(几乎等于)2x 10-9。因此，激发能E和写入错误率彼此密切相关。甚至当激发能E小时，重要的是为了减小写入错误率而缩短反转时间ts。考虑到这一点，为了减小写入错误率，负即使当激发能E小到任何程度时，将反转时间ts放置于常数值的本技术的实施方式是适用的。
通过使用存储元件20代替在图1、图2以及图3中所示的存储器中的存储元件3，获得在图5中所示使用存储元件20的存储器。
如在图中所示，在该存储器中，大量的第一电线(例如，位线)1与具有矩阵形状的大量的第二电线(例如，字线)6垂直延伸，并且存储元件20位于第一电线1和第二电线6的每个交叉点处。
存储元件20在平面内形成为圆形，并且具有在图5中所示的横截面结构。
进一步地，如在图5中所示，存储元件20具有磁化固定层22和存储层(自由磁化层)24。
每个存储器元件20形成存储器的一个存储单元。
第一电线1和第二电线6中的每一个与对应的存储元件20电连接，使得电流可经由在每层存储元件20的层压方向(垂直方向)中的这些电线1和6而流过存储元件20。
然后，当电流流过存储元件20时，反转存储层24的磁化方向。因此，可执行信息记录。更具体而言，如与在图4中所示的ST-MRAM中相同的方式，通过改变流过存储元件20的电流的极性(电流的方向)来反转存储层24的磁化方向，并且执行信息记录。
在上述实施方式中，在构成存储器的一个存储单元的每个存储元件20中，存储层24具有铁磁层24a、耦合层24b以及铁磁层24c的层压结构。
因为该层压结构，故铁磁层24a的磁化M1和铁磁层24c的磁化M2可具有相对于与膜表面垂直的轴倾斜的方向。
因此，可避免任何自旋力矩都不在磁化M1和M2上起作用的现象。
即，通过在预定的有限时间段内，可反转磁化M1和M2方向来执行信息记录。
因此，在该实施方式中，因为通过在预定的时间段内反转存储层的磁化方向可执行信息写入，故可减少写入错误，并且可在更短的时间内执行写入操作。进一步地，因为可减少写入错误，故可提高写入操作的可靠性。此外，因为可在更短的时间内执行写入操作，故可高速地执行操作。即，可获得在高速执行操作的同时具有写入操作的高可靠性的存储器。
在上述实施方式中，存储层(自由磁化层)24具有铁磁层24a、耦合层24b以及铁磁层24c的三层结构。然而，在本技术中，可使用具有除了三层结构以外的任何层数的层压结构。
进一步地，在上述实施方式中，按照这种顺序从下层侧中定位磁化固定层(参考层)22、中间层(非磁性层)23以及存储层(自由磁化层)24。然而，在本技术中，可允许在垂直方向按照颠倒的顺序定位这些层的设置。在磁化固定层22与上述实施方式一样位于下层侧上时，诸如反铁磁层(未示出)的相对厚的层位于下层侧上。因此，与其中层22位于上层侧上的结构相比，有利的是可容易地执行用于图案化存储元件的蚀刻。
本技术不仅仅限于上述实施方式，并且在不背离本技术的主旨的情况下，可进行各种变形。
<4、变形例>
根据本技术实施方式的存储元件3或存储元件20的结构被用于诸如TMR元件的磁阻效应元件。然而，用作TMR元件的磁阻效应元件可不仅应用于上述存储器，而且还应用于磁头、装备有该磁头的硬盘驱动器、集成电路芯片、个人电脑、便携式终端、蜂窝电话、各种电子设备(例如，磁传感器装置、电子商品)等。
作为实例，在图11A和图11B中示出了磁阻效应元件101，该元件具有存储元件3或20的结构并且被应用于组合式磁头100。图11A为组合式磁头100的透视图，该组合式磁头的零件破裂，从而露出头部100的内部结构，并且图11B为组合式磁头100的剖视图。
组合式磁头100是被用于硬盘装置等的磁头。头部100具有形成在基板122上的应用了本技术的磁阻效应型磁头，并且还具有电感式磁头，形成该电感式磁头，以便层压在磁阻效应型磁头上。此处，磁阻效应型磁头作为用于进行再现的头部进行操作，并且电感式磁头作为用于记录的头部进行操作。即，该组合式磁头100具有用于进行再现的头部和用于记录的头部的组合。
在组合式磁头100上装载的磁阻效应型磁头是所谓的屏蔽式MR头，并且具有经由绝缘层123形成在基板122上的第一磁屏蔽125、经由绝缘层123形成在第一磁屏蔽125上的磁阻效应元件101以及经由绝缘层123形成在磁阻效应元件101上的第二磁屏蔽127。绝缘层123由绝缘材料(例如，Al2O3或SiO2)形成。
第一磁屏蔽125对磁阻效应元件101的下层侧进行磁屏蔽并且由诸如Ni-Fe的软磁材料形成。在该第一磁屏蔽125上，经由绝缘层123形成磁阻效应元件101。
磁阻效应元件101在磁阻效应型磁头中起到从磁记录介质检测磁信号的磁感测元件。该磁阻效应元件101具有与上述存储元件3或20的膜结构相同的膜结构。
该磁阻效应元件101大致形成为矩形，并且具有暴露于面向磁记录介质的表面的侧面。偏置层128和129位于该磁阻效应元件101的两端。进一步地，形成分别与偏置层128和129连接的连接端130和131。通过连接端130和131将感测电流提供给磁阻效应元件101。
此外，第二磁屏蔽127经由绝缘层123位于偏置层128和129的上部部分上。
被层压并形成在具有磁芯的的磁阻效应型磁头上的电感式磁头包括第二磁屏蔽127和上层芯132的磁芯以及薄膜线圈133，形成使得圈缠绕在磁芯周围。
上层芯132与第二磁屏蔽127共同形成闭合磁路，并且被用作该电感式磁头的磁芯。该芯132由诸如Ni-Fe的软磁材料形成。此处，形成第二磁屏蔽127和上层芯132，使得具有暴露于面向磁记录介质的表面中的前端部分，并且在其后端部分中彼此相邻。此处，形成第二磁屏蔽127和上层芯132的前端部分，以便层127和芯132在面向磁记录介质的表面上彼此远离预定的间隙g。即，在组合式磁头100中，第二磁屏蔽127对磁阻效应元件101的上层侧进行磁屏蔽，并且还用作电感式磁头的磁芯。电感式磁头的该磁芯由第二磁屏蔽127和上层核心132形成。间隙g表示电感式磁头的记录磁隙。
进一步地，在第二磁屏蔽127上形成埋入至绝缘层123中的薄膜线圈133。此处，形成薄膜线圈133，使得缠绕在由第二磁屏蔽127和上层芯132构成的磁芯周围。该薄膜线圈133的两端部分(未显示)暴露在外面，以在线圈133的两端上形成电感式磁头的外部连接端。即，当在磁记录介质上记录磁信号时，将记录电流从外部连接端提供给薄膜线圈133。
如上所述的组合型磁头121装备有作为用于再现的头部的磁阻效应型磁头，并且该磁阻效应型磁头具有应用本技术的磁阻效应元件101，作为用于检测磁记录介质的磁信号的磁感测元件。因为应用本技术的磁阻效应元件101如上所述具有非常优越的特征，故该磁阻效应型磁头可处理在磁记录中进一步提高记录密度。
本技术可采用以下结构。
(1)一种存储元件，包括：磁化固定层；以及磁化自由层，包括与形成在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起的多个铁磁层，其中，所述铁磁层的磁化方向相对于所述磁化固定层的磁化方向倾斜。
(2)根据(1)所述的磁存储元件，进一步包括形成在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间的非磁性中间层。
(3)根据(2)所述的磁存储元件，其中，所述中间层由绝缘材料形成并且是隧道绝缘层。
(4)根据(1)所述的磁存储元件，其中，所述磁化固定层的磁化方向是在垂直于所述磁化固定层的膜表面的方向上。
(5)根据(1)所述的磁存储元件，进一步包括基础层以及形成在所述基础层与所述磁化固定层之间的反铁磁层。
(6)根据(1)所述的磁存储元件，其中，所述磁化自由层以所述耦合层中的一个形成于其间的方式包括第一铁磁层和第二铁磁层，其中，垂直轴在垂直于所述磁化自由层的膜表面的方向上延伸通过所述磁化自由层，其中，在所述第一铁磁层的磁化方向与垂直轴之间的角度为θ1，并且其中，在所述第二铁磁层的磁化方向与垂直轴之间的角度被定义为θ2。
(7)根据(6)所述的磁存储元件，其中，参考线在顶视图中穿过所述第一铁磁层和第二铁磁层的中心，并且其中，当所述第一铁磁层的第一磁化M1和所述第二铁磁层的第二磁化M2分别投射在所述第一铁磁层和第二铁磁层的膜表面上时，在所述第一磁化M1的方向与参考线之间的角度被定义为
Figure BDA0001151933110000251
并且在第二磁化M2的方向与参考线之间的角度被定义为
Figure BDA0001151933110000252
(8)根据(7)所述的磁存储元件，其中，所述存储层24的磁能ε由以下等式2表示：
∈＝Δ1sin2θ1+Δ2 sin2θ2-Δex(cosθ1 cosθ2+sinθ1 sinθ2 cos(φ1-φ2))
其中，通过从在所述第一磁化M1被定向于表面内方向(θ1＝90度)时的磁能的强度减去在所述第一磁化M1被定向于垂直方向(θ1＝0度)时的磁能的强度所获得的第一能差由Δ1表示，其中，从在所述第二磁化M2被定向于表面内方向(θ2＝90度)时的磁能的强度中减去在所述第二磁化M2被定向于垂直方向(θ2＝0度)时的磁能的强度所获得的第二能差由Δ2表示，并且其中，在所述第一磁化M1与所述第二磁化M2之间的磁耦合能量的强度由Δex表示。
(9)根据(8)所述的磁存储元件，其中，应用以下条件中的一个：(a)如果所述第一能差Δ1为正，则所述第二能差Δ2为负；并且(b)如果所述第一能差Δ1为负，则所述第二能差Δ2为正。
(10)根据(8)所述的磁存储元件，其中，满足以下条件：abs(Δex)＜abs(2 x(Δ1)x(Δ2)/((Δ1)+(Δ2)))。
(11)根据(1)所述的磁存储元件，其中，所述磁化自由层包括具有第一磁化M1的第一铁磁层、具有第二磁化M2的第二铁磁层以及形成在其间的所述耦合层中的一个，并且其中，所述第一铁磁层的第一磁化方向相对于所述第二铁磁层的第二磁化方向倾斜。
本技术还可采用以下结构。
(12)一种将信息写入存储元件的方法，所述存储元件包括磁化固定层和磁化自由层，并且所述磁化自由层包括多个铁磁层，所述铁磁层与在形成在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起，所述方法包括：在所述磁化固定层的磁化方向上施加电流，以在所述磁化自由层中造成自旋力矩磁化反转，其中，所述铁磁层的磁化方向相对于所述磁化固定层的磁化方向倾斜。
(13)根据(12)所述的方法，其中，所述存储元件进一步包括形成在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间的非磁性中间层。
(14)根据(13)所述的方法，其中，所述中间层由绝缘材料形成并且是隧道绝缘层。
(15)根据(12)所述的方法，其中，所述磁化固定层的固定磁化在相对于所述磁化固定层的膜表面的垂直方向上。
(16)根据(12)所述的方法，进一步包括基础层以及形成在所述基础层与所述磁化固定层之间的反铁磁层。
(17)根据(12)所述的方法，其中，所述磁化自由层包括第一铁磁层和第二铁磁层，所述磁化自由层具有形成在所述第一铁磁层和第二铁磁层之间的所述耦合层中的一个，其中，垂直轴在垂直于所述磁化自由层的膜表面的方向上延伸通过所述磁化自由层，其中，在所述第一铁磁层的磁化方向与所述垂直轴之间的角度为θ1，并且其中，在所述第二铁磁层的磁化方向与所述垂直轴之间的角度被定义为θ2。
(18)根据(17)所述的方法，其中，参考线在顶视图中穿过所述第一铁磁层和第二铁磁层的中心，并且其中，当所述第一铁磁层的第一磁化M1和所述第二铁磁层的第二磁化M2分别投射至所述第一铁磁层和第二铁磁层的膜表面上时，所述第一磁化M1的方向与参考线之间的角度被定义为
Figure BDA0001151933110000262
并且在所述第二磁化M2的方向与参考线之间的角度被定义为
Figure BDA0001151933110000261
(19)根据(18)所述的方法，其中，存储层24的磁能ε由以下等式2表示：
∈＝Δ1sin2θ1+Δ2sin2θ2-Δex(cosθ1cosθ2+sinθ1sinθ2cos(φ1-φ2))
其中，通过从在所述第一磁化M1被定向于表面内方向(θ1＝90度)时的磁能的强度中减去在所述第一磁化M1被定向于垂直方向(θ1＝0度)时的磁能的强度所获得的第一能差由Δ1表示，其中，通过从在所述第二磁化M2被定向于表面内方向(θ2＝90度)时的磁能的强度中减去在所述第二磁化M2被定向于垂直方向(θ2＝0度)时的磁能的强度所获得的第二能差由Δ2表示，并且其中，在所述第一磁化M1与所述第二磁化M2之间的磁耦合能量的强度由Δex表示。
(20)根据(19)所述的方法，其中，应用以下条件中的一个：(a)如果所述第一能差Δ1为正，则所述第二能差Δ2为负；并且(b)如果所述第一能差Δ1为负，则所述第二能差Δ2为正。
(21)根据(19)所述的方法，其中，满足以下条件：abs(Δex)<abs(2x(Δ1)x(Δ2)/((Δ1)+(Δ2)))。
(22)根据(12)所述的方法，其中，所述磁化自由层包括具有第一磁化M1的第一铁磁层和具有第二磁化M2的第二铁磁层以及形成在其间的一个耦合层，并且其中，所述第一铁磁层的第一磁化方向相对于所述第二铁磁层的第二磁化方向倾斜。
本技术还可采用以下结构。
(23)一种自旋力矩磁随机存取存储器元件，包括：磁化固定层，所述磁化固定层的固定磁化在相对于所述磁化固定层的膜表面的垂直方向上；磁化自由层，包括多个铁磁层，所述铁磁层与形成在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起，从而与铁磁层磁耦合；以及非磁性层，形成在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间，其中，所述铁磁层的磁化方向相对于垂直方向倾斜。
(24)根据(23)所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，所述非磁性层由绝缘材料形成并且是隧道绝缘层。
(25)根据(24)所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，所述磁化固定层的磁化方向是在与所述磁化固定层的膜表面垂直的方向上。
(26)根据(23)所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，进一步包括基础层以及形成在所述基础层与所述磁化固定层之间的反铁磁层。
(27)根据(23)所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，所述磁化自由层包括第一铁磁层和第二铁磁层，以及形成在所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间的一个耦合层，其中，垂直轴通过所述磁化自由层在与所述磁化自由层的膜表面垂直的方向上延伸，其中，在所述第一铁磁层的磁化方向与垂直轴之间的角度为θ1，并且其中，在所述第二铁磁层的磁化方向与垂直轴之间的角度被为θ2。
(28)根据(27)所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，参考线在顶视图中穿过所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的中心，并且其中，在所述第一铁磁层的第一磁化M1和所述第二铁磁层的第二磁化M2分别投射到所述第一铁磁层和第二铁磁层的膜表面上时，在第一磁化M1的方向与参考线之间的角度被定义为
Figure BDA0001151933110000281
并且在第二磁化M2的方向与参考线之间的角度被定义为
Figure BDA0001151933110000282
(29)根据(28)所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，存储层24的磁能ε由以下等式2表示：
ε＝Δ1sin2θ1+Δ2sin2θ2-Δex(cosθ1cos θ2+sinθ1sinθ2cos(φ1-φ2))
其中，通过从在所述第一磁化M1被定向于表面内方向(θ1＝90度)时的磁能的强度中减去在所述第一磁化M1被定向于垂直方向(θ1＝0度)时的磁能的强度所获得的第一能差由Δ1表示，其中，通过从在所述第二磁化M2被定向于表面内方向(θ2＝90度)时的磁能的强度中减去在所述第二磁化M2被定向于垂直方向(θ2＝0度)时的磁能的强度所获得的第二能差由Δ2表示，并且其中，在所述第一磁化M1与所述第二磁化M2之间的磁耦合能量的强度由Δex表示。
(30)根据(23)所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，应用以下条件中的一个：(a)如果所述第一能差Δ1为正，则所述第二能差Δ2为负；以及(b)如果所述第一能差Δ1为负，则所述第二能差Δ2为正。
(31)根据(29)所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，满足以下条件：abs(Δex)＜abs(2 x(Δ1)x(Δ2)/((Δ1)+(Δ2)))。
(32)根据(23)所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，所述磁化自由层包括具有第一磁化M1的第一铁磁层、具有第二磁化M2的第二铁磁层以及形成在其间的一个耦合层，并且其中，所述第一铁磁层的第一磁化方向相对于所述第二铁磁层的第二磁化方向倾斜。
本技术还可采用以下结构。
(33)一种磁阻效应型磁头，包括：第一磁屏蔽，经由绝缘层形成在基板上；磁感测元件，包括磁化固定层以及磁化自由层，所述磁化自由层包括多个铁磁层，所述铁磁层与形成在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起；以及第二磁屏蔽，经由绝缘层形成在所述磁感测元件上，其中，所述铁磁层的磁化方向相对于所述磁化固定层的磁化方向倾斜。
(34)根据(33)所述的磁阻效应型磁头，其中，所述磁感测元件形成为近似的矩形形状并且具有暴露于面向磁记录介质的表面的侧面。
(35)根据(33)所述的磁阻效应型磁头，进一步包括偏置层，所述偏置层形成在所述磁感测元件的两端上。
(36)根据(35)所述的磁阻效应型磁头，进一步包括分别与偏置层连接的连接端，并且所述连接端被配置为将感测电流传输给所述磁感测元件。
本技术还可采用以下结构。
(1)一种存储元件，具有层结构，所述层结构包括：存储层，其中，磁化方向根据信息而变化；中间层，作为非磁性物质；以及磁化固定层，经由中间层位于存储层上，其中，固定磁化方向，其中，所述存储层被配置为经由耦合层在彼此之上层压至少两个铁磁层，这两个铁磁层通过耦合层彼此磁耦合，这两个铁磁层的磁化方向相对于与铁磁层的膜表面垂直的方向倾斜，并且由于电流在层结构的层压方向流动，所以记录层的磁化状态改变，以在存储层上执行信息记录。
(2)根据(1)所述的存储元件，其中，一个铁磁层被配置为具有通过从磁化在膜表面中被定向于表面内方向的铁磁层的磁能的值中减去磁化方向与铁磁层的膜表面垂直的铁磁层的磁能的值而获得的值的磁能，另一个铁磁层被配置为具有通过从磁化在另一个铁磁层的膜表面中被定向于表面内方向的另一个铁磁层的磁能的值中减去磁化方向与另一个铁磁层的膜表面垂直的另一个铁磁层的磁能的值从而获得的值的磁能，并且在铁磁层的磁能中的值的符号彼此不同。
(3)根据(2)所述的存储元件，其中，所述两个铁磁层经由耦合层以预定值的磁能彼此耦合，并且磁能的预定值的绝对值小于通过使一个铁磁层的磁能的值与另一个铁磁层的磁能的值的总和除以一个铁磁层的磁能的值与另一个铁磁层的磁能的值的乘积所获得的值翻倍从而获得的值的绝对值。
(4)根据(2)或(3)所述的存储元件，其中，在通过将一个铁磁层的磁能的值加入另一个铁磁层的磁能的值中所获得的值与位于一个铁磁层的磁能的值与另一个铁磁层的磁能的值之间的最大值之间，设置热稳定性的指数的值。
(5)根据(2)至(4)中任一项所述的存储元件，其中，热稳定性的指数的值等于或大于40。
本公开所包含的主题与于2011年11月30日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2011-261853中所公开的主题相关，通过引用将其全部内容结合与本文中。
参考符号列表
1 栅极电极
2 元件隔离层
3、20 存储元件
4 接触层
6 位线
7 源极区域
8 漏极区域
9 电线
10 半导体基板
11、21 基础层
12、22 磁化固定层
13、23 中间层
14、24 存储层
15、25 覆盖层
100 组合型磁头
122 基板
123 绝缘层
125 第一磁屏蔽
127 第二磁屏蔽
128、129 偏置层
130、131 连接端
132 上部芯
133 薄膜线圈。

Claims (20)

1.一种自旋力矩磁随机存取存储器元件，包括：
磁化固定层，所述磁化固定层的固定磁化在相对于所述磁化固定层的膜表面的垂直方向上；
磁化自由层，包括与形成在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起的多个铁磁层，从而磁耦合所述铁磁层；以及
非磁性层，所述非磁性层是隧道绝缘层并且形成在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间，
其中，所述磁化自由层以所述耦合层中的一个形成于其间的方式包括第一铁磁层和第二铁磁层，并且
其中，所述第一铁磁层的第一磁化方向相对于所述第二铁磁层的第二磁化方向倾斜。
2.根据权利要求1所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，所述铁磁层的磁化方向相对于所述磁化固定层的磁化方向倾斜。
3.根据权利要求1所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，所述磁化固定层的磁化方向是在垂直于所述磁化固定层的膜表面的方向上。
4.根据权利要求1所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，进一步包括基础层以及形成在所述基础层与所述磁化固定层之间的反铁磁层。
5.根据权利要求1所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，垂直轴在垂直于所述磁化自由层的膜表面的方向上延伸通过所述磁化自由层，其中，所述第一铁磁层的磁化的方向与所述垂直轴之间的角度为θ1，并且其中，所述第二铁磁层的磁化的方向与所述垂直轴之间的角度被定义为θ2。
6.根据权利要求5所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，参考线在顶视图中穿过所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的中心，并且其中，当所述第一铁磁层的第一磁化M1和所述第二铁磁层的第二磁化M2分别投射至所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的膜表面上时，所述第一磁化M1的方向与所述参考线之间的角度被定义为
Figure FDA0002468568840000021
并且所述第二磁化M2的方向与所述参考线之间的角度被定义为
Figure FDA0002468568840000022
7.根据权利要求6所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，
其中，所述磁化自由层的磁能ε由以下等式表示：
∈＝Δ1sin2θ1+Δ2sin2θ2-Δex(cosθ1cosθ2+sinθ1sinθ2cos(φ1-φ2))，
其中，通过从在所述第一磁化M1被定向于表面内方向(θ1＝90度)时的所述磁能的强度中减去在所述第一磁化M1被定向于所述垂直方向(θ1＝0度)时的所述磁能的强度而获得的第一能差由Δ1表示，
其中，通过从在所述第二磁化M2被定向于表面内方向(θ2＝90度)时的所述磁能的强度中减去在所述第二磁化M2被定向于所述垂直方向(θ2＝0度)时的所述磁能的强度而获得的第二能差由Δ2表示，以及
其中，所述第一磁化M1与所述第二磁化M2之间的磁耦合能量的强度由Δex表示。
8.根据权利要求7所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，应用以下条件中的一个：(a)如果所述第一能差Δ1为正，则所述第二能差Δ2为负；以及(b)如果所述第一能差Δ1为负，则所述第二能差Δ2为正。
9.根据权利要求7所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，满足以下条件：abs(Δex)<abs(2x(Δ1)x(Δ2)/((Δ1)+(Δ2)))。
10.根据权利要求1所述的自旋力矩磁随机存取存储器元件，其中，所述磁化自由层包括：形成在所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间的所述耦合层中的一个、具有第一磁化M1的所述第一铁磁层以及具有第二磁化M2的所述第二铁磁层。
11.一种磁阻效应型磁头，包括：
第一磁屏蔽，经由绝缘层形成在基板上；
磁感测元件，所述磁感测元件包括：磁化固定层；磁化自由层，所述磁化自由层包括与形成在每对相邻的铁磁层之间的耦合层层压在一起的多个铁磁层；以及非磁性的中间层，所述非磁性的中间层为隧道绝缘层并且形成在所述磁化固定层与所述磁化自由层之间；以及
第二磁屏蔽，经由所述绝缘层形成在所述磁感测元件上，
其中，所述磁化自由层以所述耦合层中的一个形成于其间的方式包括第一铁磁层和第二铁磁层，并且
其中，所述第一铁磁层的第一磁化方向相对于所述第二铁磁层的第二磁化方向倾斜。
12.根据权利要求11所述的磁阻效应型磁头，其中，所述铁磁层的磁化方向相对于所述磁化固定层的磁化方向倾斜。
13.根据权利要求11所述的磁阻效应型磁头，其中，所述磁化固定层的磁化方向是在垂直于所述磁化固定层的膜表面的方向上。
14.根据权利要求11所述的磁阻效应型磁头，进一步包括基础层以及形成在所述基础层与所述磁化固定层之间的反铁磁层。
15.根据权利要求11所述的磁阻效应型磁头，其中，垂直轴在垂直于所述磁化自由层的膜表面的方向上延伸通过所述磁化自由层，其中，所述第一铁磁层的磁化的方向与所述垂直轴之间的角度为θ1，并且其中，所述第二铁磁层的磁化的方向与所述垂直轴之间的角度被定义为θ2。
16.根据权利要求15所述的磁阻效应型磁头，其中，参考线在顶视图中穿过所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的中心，并且其中，当所述第一铁磁层的第一磁化M1和所述第二铁磁层的第二磁化M2分别投射至所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的膜表面上时，所述第一磁化M1的方向与所述参考线之间的角度被定义为
Figure FDA0002468568840000041
并且所述第二磁化M2的方向与所述参考线之间的角度被定义为
Figure FDA0002468568840000042
17.根据权利要求16所述的磁阻效应型磁头，
其中，所述磁化自由层的磁能ε由以下等式表示：
∈＝Δ1sin2θ1+Δ2sin2θ2-Δex(cosθ1cosθ2+sinθ1sinθ2cos(φ1-φ2))，
其中，通过从在所述第一磁化M1被定向于表面内方向(θ1＝90度)时的所述磁能的强度中减去在所述第一磁化M1被定向于垂直方向(θ1＝0度)时的所述磁能的强度而获得的第一能差由Δ1表示，
其中，通过从在所述第二磁化M2被定向于表面内方向(θ2＝90度)时的所述磁能的强度中减去在所述第二磁化M2被定向于所述垂直方向(θ2＝0度)时的所述磁能的强度而获得的第二能差由Δ2表示，以及
其中，所述第一磁化M1与所述第二磁化M2之间的磁耦合能量的强度由Δex表示。
18.根据权利要求17所述的磁阻效应型磁头，其中，应用以下条件中的一个：(a)如果所述第一能差Δ1为正，则所述第二能差Δ2为负；以及(b)如果所述第一能差Δ1为负，则所述第二能差Δ2为正。
19.根据权利要求17所述的磁阻效应型磁头，其中，满足以下条件：abs(Δex)<abs(2x(Δ1)x(Δ2)/((Δ1)+(Δ2)))。
20.根据权利要求11所述的磁阻效应型磁头，其中，所述磁化自由层包括：形成在所述第一铁磁层与所述第二铁磁层之间的所述耦合层中的一个、具有第一磁化M1的所述第一铁磁层以及具有第二磁化M2的所述第二铁磁层。
CN201611001813.8A 2011-11-30 2012-11-19 自旋力矩磁随机存取存储器元件与磁阻效应型磁头 Active CN106935256B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011261853A JP5987302B2 (ja) 2011-11-30 2011-11-30 記憶素子、記憶装置
JP2011-261853 2011-11-30
CN201280057911.7A CN103959407B (zh) 2011-11-30 2012-11-19 具有低写入错误率的自旋转移力矩磁存储元件

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280057911.7A Division CN103959407B (zh) 2011-11-30 2012-11-19 具有低写入错误率的自旋转移力矩磁存储元件

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106935256A CN106935256A (zh) 2017-07-07
CN106935256B true CN106935256B (zh) 2020-09-25

Family

ID=47520216

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201611001813.8A Active CN106935256B (zh) 2011-11-30 2012-11-19 自旋力矩磁随机存取存储器元件与磁阻效应型磁头
CN201280057911.7A Active CN103959407B (zh) 2011-11-30 2012-11-19 具有低写入错误率的自旋转移力矩磁存储元件

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201280057911.7A Active CN103959407B (zh) 2011-11-30 2012-11-19 具有低写入错误率的自旋转移力矩磁存储元件

Country Status (7)

Country Link
US (2) US9437267B2 (zh)
EP (1) EP2786384B1 (zh)
JP (1) JP5987302B2 (zh)
KR (1) KR102060744B1 (zh)
CN (2) CN106935256B (zh)
TW (1) TWI566418B (zh)
WO (1) WO2013080482A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6746978B2 (ja) * 2016-03-15 2020-08-26 富士電機株式会社 半導体装置
US9734885B1 (en) 2016-10-12 2017-08-15 International Business Machines Corporation Thermal-aware memory
US10121961B2 (en) 2017-02-01 2018-11-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic devices including magnetic junctions having tilted easy axes and enhanced damping programmable using spin orbit torque
JP6462960B1 (ja) * 2018-02-01 2019-01-30 Tdk株式会社 データの書き込み方法及び磁気メモリ
CN110838489A (zh) * 2018-08-17 2020-02-25 湖北华磁电子科技有限公司 一种具有多个磁化方向的磁存储元件和存储装置

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5695864A (en) 1995-09-28 1997-12-09 International Business Machines Corporation Electronic device using magnetic components
US5898548A (en) 1997-10-24 1999-04-27 International Business Machines Corporation Shielded magnetic tunnel junction magnetoresistive read head
KR100722334B1 (ko) * 1999-03-01 2007-05-28 후지쯔 가부시끼가이샤 자기 센서 및 강자성 터널 접합 소자
JP3623418B2 (ja) * 1999-12-06 2005-02-23 アルプス電気株式会社 スピンバルブ型磁気抵抗効果素子及びそれを備えた薄膜磁気へッドとそれらの製造方法
US6639762B2 (en) * 2000-01-24 2003-10-28 Alps Electric Co., Ltd. Spin valve thin-film magnetic device having free magnetic layer in ferrimagnetic state and manufacturing method therefor
US6721146B2 (en) * 2001-03-14 2004-04-13 International Business Machines Corporation Magnetic recording GMR read back sensor and method of manufacturing
JP2003017782A (ja) 2001-07-04 2003-01-17 Rikogaku Shinkokai キャリヤスピン注入磁化反転型磁気抵抗効果膜と該膜を用いた不揮発性メモリー素子及び該素子を用いたメモリー装置
US7911832B2 (en) * 2003-08-19 2011-03-22 New York University High speed low power magnetic devices based on current induced spin-momentum transfer
US6992359B2 (en) * 2004-02-26 2006-01-31 Grandis, Inc. Spin transfer magnetic element with free layers having high perpendicular anisotropy and in-plane equilibrium magnetization
JP2005294376A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Toshiba Corp 磁気記録素子及び磁気メモリ
US7813164B2 (en) * 2004-08-26 2010-10-12 Nec Corporation Magneto resistance element and magnetic random access memory
FR2904724B1 (fr) * 2006-08-03 2011-03-04 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique en couches minces a forte polarisation en spin perpendiculaire au plan des couches, jonction tunnel magnetique et vanne de spin mettant en oeuvre un tel dispositif
JP4455558B2 (ja) * 2006-09-08 2010-04-21 株式会社東芝 スピンｍｏｓｆｅｔ
US7486552B2 (en) 2007-05-21 2009-02-03 Grandis, Inc. Method and system for providing a spin transfer device with improved switching characteristics
US8159872B2 (en) * 2008-02-19 2012-04-17 Nec Corporation Magnetic random access memory
US8098464B2 (en) * 2008-02-19 2012-01-17 Tdk Corporation CPP-type magneto resistance element having a pair of free layers and spacer layer sandwiched therebetween
US8149615B2 (en) * 2008-02-19 2012-04-03 Nec Corporation Magnetic random access memory
JP4985522B2 (ja) * 2008-03-28 2012-07-25 Ｔｄｋ株式会社 磁界測定方法及び磁気センサ
KR101178767B1 (ko) * 2008-10-30 2012-09-07 한국과학기술연구원 이중 자기 이방성 자유층을 갖는 자기 터널 접합 구조
FR2946183B1 (fr) * 2009-05-27 2011-12-23 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique a polarisation de spin.
US8159866B2 (en) * 2009-10-30 2012-04-17 Grandis, Inc. Method and system for providing dual magnetic tunneling junctions usable in spin transfer torque magnetic memories
JP5655391B2 (ja) * 2010-06-23 2015-01-21 ソニー株式会社 記憶素子及び記憶装置
US8399941B2 (en) * 2010-11-05 2013-03-19 Grandis, Inc. Magnetic junction elements having an easy cone anisotropy and a magnetic memory using such magnetic junction elements
US8432009B2 (en) * 2010-12-31 2013-04-30 Grandis, Inc. Method and system for providing magnetic layers having insertion layers for use in spin transfer torque memories
US8441763B2 (en) * 2011-02-22 2013-05-14 Tdk Corporation Magneto-resistive effect element having spacer layer with thin central portion
CN102226836A (zh) * 2011-04-06 2011-10-26 江苏多维科技有限公司 单一芯片桥式磁场传感器及其制备方法
JP2013015300A (ja) 2011-07-06 2013-01-24 Panasonic Corp 住宅システム及び温度制御装置
JP5982794B2 (ja) * 2011-11-30 2016-08-31 ソニー株式会社 記憶素子、記憶装置
JP5982795B2 (ja) * 2011-11-30 2016-08-31 ソニー株式会社 記憶素子、記憶装置
JP5862242B2 (ja) * 2011-11-30 2016-02-16 ソニー株式会社 記憶素子、記憶装置
US8816456B2 (en) * 2011-12-21 2014-08-26 Agency For Science, Technology And Research Magnetoresistive device and a method of forming the same
KR102114285B1 (ko) * 2013-04-09 2020-05-22 에스케이하이닉스 주식회사 반도체 장치 및 이 반도체 장치를 포함하는 마이크로프로세서, 프로세서, 시스템, 데이터 저장 시스템 및 메모리 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
WO2013080482A1 (en) 2013-06-06
US9437267B2 (en) 2016-09-06
US20140328119A1 (en) 2014-11-06
JP5987302B2 (ja) 2016-09-07
EP2786384B1 (en) 2021-01-06
TW201336089A (zh) 2013-09-01
CN103959407A (zh) 2014-07-30
US20160118576A1 (en) 2016-04-28
TWI566418B (zh) 2017-01-11
US9875779B2 (en) 2018-01-23
KR102060744B1 (ko) 2019-12-30
CN106935256A (zh) 2017-07-07
EP2786384A1 (en) 2014-10-08
KR20140098752A (ko) 2014-08-08
CN103959407B (zh) 2016-12-14
JP2013115318A (ja) 2013-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5644198B2 (ja) 記憶装置
CN106887247B (zh) 信息存储元件和存储装置
US11776605B2 (en) Storage element and storage apparatus
JP5982794B2 (ja) 記憶素子、記憶装置
CN106935256B (zh) 自旋力矩磁随机存取存储器元件与磁阻效应型磁头
CN110366756B (zh) 磁存储器、半导体装置、电子设备和读取磁存储器的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant