分层结构和存储装置

摘要

本发明公开了分层结构和存储装置。一种分层结构包括：存储层，具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向配置为通过在所述分层结构的层压方向上施加电流而根据信息而被改变；磁化固定层，具有与所述存储层的磁化方向平行或非平行的磁化，并且包括包含多个铁磁层以及一个或多个非磁层的层压铁钉合结构，所述层压铁钉合结构还包含形成在所述多个铁磁层的第一铁磁层上的反铁磁材料，并且所述反铁磁材料位于所述第一铁磁层与所述非磁层之间；以及隧道绝缘层，位于所述存储层和所述磁化固定层之间。

权利要求

1.一种分层结构，包括：

存储层，具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向配置为通过在所述分层结构的层压方向上施加电流而根据信息而被改变；

第一磁化固定层，具有与所述存储层的磁化方向平行或非平行的磁化，并且包括包含非磁层以及至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，所述层压铁钉合结构还包含形成在所述至少两个铁磁层的第一铁磁层上的反铁磁材料，并且所述反铁磁材料位于所述第一铁磁层与所述非磁层之间；

第一隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第一磁化固定层之间；

第二磁化固定层，具有成为所述存储层中所存储的信息的基础的、与膜面垂直的磁化，具有包括非磁层和至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，并且包括形成在所述第二磁化固定层的所述至少两个铁磁层中的任一者上的反铁磁氧化层，所述第二磁化固定层设置在所述存储层的与所述第一磁化固定层相反的一侧，以及第二隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第二磁化固定层之间。

2.根据权利要求1所述的分层结构，其中，

所述第一隧道绝缘层和所述第二隧道绝缘层包括MgO。

3.根据权利要求1所述的分层结构，其中，

反铁磁材料包括反铁磁氧化物。

4.根据权利要求1所述的分层结构，其中，

所述至少两个铁磁层中的至少一个包括Co-Fe-B。

5.一种存储装置，包括：

存储元件，被配置为至少部分地基于磁材料的磁化状态存储信息，所述磁材料包括：存储层，具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向配置为通过在分层结构的层压方向上施加电流而根据信息而被改变，所述存储层包括Co、Fe和B；

第一磁化固定层，具有与所述存储层的磁化方向平行或非平行的磁化，并且包括非磁层以及至少两个铁磁层，以及包括形成在所述至少两个铁磁层的第一铁磁层上的包含反铁磁材料的层，并且所述包含反铁磁材料的层位于所述第一铁磁层与所述非磁层之间；

包括MgO的第一隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第一磁化固定层之间；

第二磁化固定层，具有成为所述存储层中所存储的信息的基础的、与膜面垂直的磁化，具有包括非磁层和至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，并且包括形成在所述第二磁化固定层的所述至少两个铁磁层中的任一者上的反铁磁氧化层，所述第二磁化固定层设置在所述存储层的与所述第一磁化固定层相反的一侧；以及第二隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第二磁化固定层之间。

6.根据权利要求5所述的存储装置，其中，

所述包含反铁磁材料的层包括Ru。

7.根据权利要求6所述的存储装置，其中，

所述第一铁磁层包括Co、Fe和B。

8.根据权利要求6所述的存储装置，其中，

所述第一铁磁层包括Co和Pt。

9.一种存储装置，包括：

存储元件，被配置为至少部分地基于磁材料的磁化状态存储信息，所述磁材料包括：存储层，具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向通过在分层结构的层压方向上施加电流而根据信息而被改变，从而在所述存储层中记录所述信息；

第一磁化固定层，具有与所述存储层的磁化方向平行或非平行的磁化，并且包括包含非磁层以及至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，所述层压铁钉合结构还包含形成在所述至少两个铁磁层的第一铁磁层上的反铁磁材料，其中与未在所述至少两个铁磁层的第一铁磁层上形成反铁磁材料相比，所述反铁磁材料提供所述铁钉合结构的增加的层压铁耦合；

第一隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第一磁化固定层之间；

第二磁化固定层，具有成为所述存储层中所存储的信息的基础的、与膜面垂直的磁化，具有包括非磁层和至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，并且包括形成在所述第二磁化固定层的所述至少两个铁磁层中的任一者上的反铁磁氧化层，所述第二磁化固定层设置在所述存储层的与所述第一磁化固定层相反的一侧，以及第二隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第二磁化固定层之间。

说明书

分层结构和存储装置

[0001] 本发明专利申请为2012年11月26日向国家知识产权局提交的，申请号为201210488960.8，发明名称为“存储元件和存储装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

[0002] 本公开涉及具有多个磁层(magnetic layer)并利用自旋扭矩磁化反转(spin torque magnetization switching)进行记录的存储元件和存储装置。

背景技术

[0003] 随着从移动终端到大容量服务器的各种信息装置的快速发展，在诸如构成这些装置的存储元件和逻辑元件之类的元件中不断追求更高的性能提高，例如，更高的集成度、更快的速度和更低的功耗。尤其是，半导体非易失性存储器已取得显著进步，作为大容量文件存储器，闪存普及的速率使得硬盘驱动器被闪存所取代。同时，已进行了将FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM(磁随机存取存储器)、PCRAM(相变随机存取存储器)等开发成为当前通用的或非门闪存、DRAM等的替代，从而将它们用于代码存储或作为工作存储器。这些中的一部分已经投入实际运用。

[0004] 在它们当中，MRAM利用磁材料的磁化方向执行数据存储以使得可进行高速地、几乎无限制次数(1015次以上)的重写，因此，已经被用在诸如工业自动化和航空器之类的领域中。由于高速操作和可靠性，在不久的将来期望将MRAM用于代码存储或工作存储器。然而，MRAM存在与降低功耗、增加容量相关的挑战。这是由MRAM的记录原理(即，利用从互连件生成的电流磁场来对磁化进行反转)导致的基本问题。

[0005] 作为解决该问题的一个方法，不使用电流磁场的记录方法，即，磁化反转方法，正在审查中。具体地，已对自旋扭矩磁化反转进行了积极研究(例如，参见日本未实审专利申请公报No.2003-017782和No.2008-227388、美国专利No.6,256,223、Physical Review B,54,9353(1996),Journal of Magnetism and Magnetic Materials,159,L1(1996))。

[0006] 类似于MRAM，使用自旋扭矩磁化反转的存储元件通常包括MTJ(磁隧道结)。

[0007] 该配置使用这样的现象：其中，当经过被固定在任意方向上的磁层的自旋极化电子进入另一自由(方向未被固定)磁层时，扭矩(其也被称为自旋转移扭矩)被施加给磁层，并且当具有预定阈值以上的电流流动时该自由磁层被反转。0/1的重写是通过改变电流的极性来执行的。

[0008] 在具有大约0.1μm的尺寸的存储元件的情况中，用于反转的电流的绝对值为1mA或更小。另外，由于该电流值与该元件的体积成比例地下降，因此可以进行缩放。另外，由于不需要MRAM中生成记录电流磁场所必要的字线，因此优点在于单元结构变得简单。

[0009] 下面，将利用自旋扭矩磁化反转的MRAM成为自旋扭矩磁随机存取存储器(Spin Torque-Magnetic Random Access Memory,ST-MRAM)。自旋扭矩磁化反转也被称为自旋注入磁化反转。对作为如下非易失性存储器的ST-MRAM寄予厚望：该非易失性存储器能够实现更低功耗和更大容量，同时维持MRAM的可执行高速、几乎无限制的重写的优点。

发明内容

[0010] 在MRAM中，将写互连件(字线和位线)与存储元件分开地布置，并且经由通过向写互连件施加电流而生成的电流磁场来写入(记录)信息。因此，写入所需要的电流可以充分地流经写互连件。

[0011] 另一方面，在ST-MRAM中，要求流入存储单元的电流包括自旋扭矩磁化反转以便反转存储层的磁化方向。

[0012] 通过以这种方式直接向存储元件施加电流来写入(记录)信息。为了选择要进行写入的存储单元，存储元件被连接到选择晶体管以构成存储单元。在此情况中，流入存储元件的电流受到可以流入选择晶体管的电流量的限制，即，受到选择晶体管的饱和电流的限制。

[0013] 因此，需要以等于或小于选择晶体管的饱和电流的电流来执行写入，并且已知晶体管的饱和电流随着小型化而减小。为了使ST-MRAM小型化，需要提高自旋转移效率并且减小流入存储元件的电流。

[0014] 另外，需要确保高的磁阻改变率以放大读出信号。为了实现此，有效的是，采用上述MTJ结构，即，以如下方式来配置存储元件：将与存储层相接触的中间层用作隧道绝缘层(隧道势垒层)。

[0015] 在隧道势垒层被用作中间层的情况中，流入存储元件的电流量被限制以防止发生隧道绝缘层的绝缘击穿。即，从确保存储元件的重复写入的可靠性的角度来说，必须限制自旋扭矩磁化反转所需的电流。

[0016] 自旋扭矩磁化反转所需的电流也被称为反转电流、存储电流等。

[0017] 此外，由于ST-MRAM是非易失性存储器，因此需要稳定地存储通过电流写入的信息。即，需要确保相对于存储层的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。

[0018] 在存储层的热稳定性未得到确保的情况下，经反转的磁化方向可能由于热(操作环境中的温度)而再次被反转，从而导致写入错误。

[0019] 与相关技术中的MRAM相比，ST-MRAM中的存储元件在规模方面是有利的，即，有利点在于，如上所述从记录电流值方面来讲，存储层的体积可以较小。然而，由于体积较小，在其它特性相同的情况下，热稳定性可能恶化。

[0020] 随着ST-MRAM的容量继续增大，存储元件的体积变得更小，使得确保热稳定性变得重要。

[0021] 因此，在ST-MRAM的存储元件中，热稳定性是非常重要的特性，并且需要按照即使当体积减小时也确保其热稳定性的方式来设计存储元件。

[0022] 换言之，为了提供作为非易失性存储器的ST-MRAM，自旋扭矩磁化反转所需的反转电流被减小以便不超过晶体管的饱和电流或者不击穿隧道势垒层。而且，需要确保热稳定性以保持所写入的信息。

[0023] 希望提供作为ST-MRAM的、能够充分确保作为信息保持能力的热稳定性的存储元件。

[0024] 根据本公开的一个方面，提供了一种分层结构，包括：

[0025] 存储层，具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向配置为通过在所述分层结构的层压方向上施加电流而根据信息而被改变；

[0026] 第一磁化固定层，具有与所述存储层的磁化方向平行或非平行的磁化，并且包括包含非磁层以及至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，所述层压铁钉合结构还包含形成在所述多个铁磁层的第一铁磁层上的反铁磁材料，并且所述反铁磁材料位于所述第一铁磁层与所述非磁层之间；以及

[0027] 第一隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第一磁化固定层之间；

[0028] 第二磁化固定层，具有成为所述存储层中所存储的信息的基础的、与膜面垂直的磁化，具有包括非磁层和至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，并且包括形成在所述第二磁化固定层的所述至少两个铁磁层中的任一者上的反铁磁氧化层，所述第二磁化固定层设置在所述存储层的与所述第一磁化固定层相反的一侧，以及。

[0029] 第二隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第二磁化固定层之间。

[0030] 根据本公开的另一个方面，提供了一种存储装置，包括：

[0031] 存储元件，被配置为至少部分地基于磁材料的磁化状态存储信息，所述磁材料包括：存储层，具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向配置为通过在分层结构的层压方向上施加电流而根据信息而被改变，所述存储层包括Co、Fe和B；第一磁化固定层，具有与所述存储层的磁化方向平行或非平行的磁化，并且包括非磁层以及至少两个铁磁层，以及包括形成在所述多个铁磁层的第一铁磁层上的包含反铁磁材料的层，并且所述包含反铁磁材料的层位于所述第一铁磁层与所述非磁层之间；以及包括MgO的第一隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第一磁化固定层之间；第二磁化固定层，具有成为所述存储层中所存储的信息的基础的、与膜面垂直的磁化，具有包括非磁层和至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，并且包括形成在所述第二磁化固定层的所述至少两个铁磁层中的任一者上的反铁磁氧化层，所述第二磁化固定层设置在所述存储层的与所述第一磁化固定层相反的一侧，以及第二隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第二磁化固定层之间。

[0032] 根据本公开的另一个方面，提供了一种存储装置，包括：

[0033] 存储元件，被配置为至少部分地基于磁材料的磁化状态存储信息，所述磁材料包括：存储层，具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向通过在分层结构的层压方向上施加电流而根据信息而被改变，从而在所述存储层中记录所述信息；第一磁化固定层，具有与所述存储层的磁化方向平行或非平行的磁化，并且包括包含非磁层以及至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，所述层压铁钉合结构还包含形成在所述多个铁磁层的第一铁磁层上的反铁磁材料，其中与未在所述多个铁磁层的第一铁磁层上形成反铁磁材料相比，，所述反铁磁材料提供所述铁钉合结构的增加的层压铁耦合；以及第一隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第一磁化固定层之间；以及第二磁化固定层，具有成为所述存储层中所存储的信息的基础的、与膜面垂直的磁化，具有包括非磁层和至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，并且包括形成在所述第二磁化固定层的所述至少两个铁磁层中的任一者上的反铁磁氧化层，所述第二磁化固定层设置在所述存储层的与所述第一磁化固定层相反的一侧，以及第二隧道绝缘层，位于所述存储层和所述第二磁化固定层之间。

[0034] 因此，可以消除操作错误，并且可以充分地提供存储元件的操作裕量。因此，能够实现高可靠性的、稳定操作的存储器。

[0035] 还能够减小写入电流并且减小写入存储元件时的功耗。

[0036] 结果，能够减小整个存储装置的功耗。

[0037] 从如图所示的本发明的最佳模式实施例的以下详细描述中，将更清楚本公开的这些以及其它目的、特征和优点。

附图说明

[0038] 图1是根据本公开实施例的存储装置的说明图；

[0039] 图2是根据实施例的存储装置的剖面图；

[0040] 图3的(A)至(E)是根据实施例的存储元件的配置的说明图；

[0041] 图4是示出各个实验样本的存储元件的说明图；

[0042] 图5的(A)和(B)是示出实验中的样本1和2的磁光克尔效应的测量结果的示图；

[0043] 图6是示出实验样本中的层压铁耦合的磁场测量结果的示图；

[0044] 图7的(A)和(B)是本实施例在磁头中的应用的说明图。

具体实施方式

[0045] 将按以下顺序描述本公开的实施例。

[0046] <1.根据实施例的存储装置的配置>

[0047] <2.根据实施例的存储元件的一般描述>

[0048] <3.实施例的具体配置>

[0049] <4.实验>

[0050] <5.替代方式>

[0051] <1.根据实施例的存储装置的配置>

[0052] 首先，将描述根据本公开实施例的存储装置的配置。

[0053] 图1和图2各自示出了根据实施例的存储装置示意图。图1是透视图，图2是剖面图。

[0054] 如图1所示，在根据本实施例的存储装置中，包括能够保持取决于磁化状态的信息的ST-MRAM的存储元件3被布置在彼此垂直的两种地址互连件(例如，字线和位线)的交点附近。

[0055] 换言之，漏极区域8、源极区域7和栅电极1构成用于选择各个存储装置的选择晶体管，并被形成在诸如硅衬底之类的半导体衬底10中被元件隔离层2隔离开的各部分处。在它们当中，栅电极1也用作在图1的前后方向上延伸的地址互连件(字线)。

[0056] 漏极区域8与图1中的左右选择晶体管共同被形成，并且互连件9被连接到漏极区域8。

[0057] 具有储存层的存储元件3被布置在源极区域7和位线6之间，该存储层通过自旋扭矩磁化反转来反转磁化方向，该位线6被布置在上侧并在图1的左右方向上延伸。存储元件3例如由磁隧道结元件(MTJ元件)构成。

[0058] 如图2所示，存储元件3具有两个磁层15和17。在这两个磁层15和17中，一个磁层被设为磁化固定层15(其中，磁化M15的方向被固定)，并且另一磁层被设为磁化自由层(其中，磁化M17的方向是变化的)，即，存储层17。

[0059] 另外，存储元件3分别通过上下接触层4被连接到每条位线6和源极区域7。

[0060] 以这种方式，当垂直方向的电流通过两种类型的地址互连件1和6被施加给存储元件3时，存储层17的磁化M17的方向可以通过自旋扭矩磁化反转被反转。

[0061] 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的电流来执行写入，并且已知晶体管的饱和电流随着小型化而减小。为了使该存储装置小型化，希望提高自旋转移效率并减小流入存储元件3的电流。

[0062] 另外，需要确保高的磁阻改变率以放大读出信号。为了实现此，有效的是，采用上述MTJ结构，即，以如下方式来配置存储元件3：将中间层用作两个磁层15和17之间的隧道绝缘层(隧道势垒层)。

[0063] 在隧道绝缘层被用作中间层的情况中，流入存储元件3的电流量被限制以防止发生隧道绝缘层的绝缘击穿。即，从确保存储元件的重复写入的可靠性的角度来说，希望限制自旋扭矩磁化反转所需的电流。自旋扭矩磁化反转所需的电流也被称为反转电流、存储电流等。

[0064] 此外，由于该存储装置是非易失性存储器，因此需要稳定地存储通过电流写入的信息。即，需要确保相对于存储层的磁化中的热波动的稳定性(热稳定性)。

[0065] 在存储层的热稳定性未得到确保的情况下，经反转的磁化方向可能由于热(操作环境中的温度)而再次被反转，从而导致写入错误。

[0066] 与相关技术中的MRAM相比，该存储装置中的存储元件3(ST-MRAM)在规模方面是有利的，即，有利点在于存储层的体积可以较小。然而，由于体积较小，在其它特性相同的情况下，热稳定性可能恶化。

[0067] 随着ST-MRAM的容量继续增大，存储元件3的体积变得更小，使得确保热稳定性变得重要。

[0068] 因此，在ST-MRAM的存储元件3中，热稳定性是非常重要的特性，并且需要按照即使当体积减小时也确保其热稳定性的方式来设计存储元件。

[0069] <2.根据实施例的存储元件的一般描述>

[0070] 随后，将描述根据本实施例的存储元件3的一般性描述。

[0071] 根据本实施例的存储元件3通过借助于上面提到的自旋扭矩磁化反转来反转存储层的磁化方向，来记录信息。

[0072] 存储层由包括铁磁层的磁材料构成，并且保持取决于磁材料的磁化状态(磁化方向)的信息。

[0073] 存储元件3具有例如如图3(A)所示的分层结构，并且包括作为至少两个铁磁层的存储层17和磁化固定层15、以及被布置在这两个磁层之间的中间层16。

[0074] 如图3(B)所示，存储元件3可以包括作为至少两个铁磁层的磁化固定层15U和15L、存储层17、以及布置在这三个磁层之间的中间层16U和16L。

[0075] 存储层17具有与膜面(film face)垂直的磁化，在该膜面中磁化方向与该信息相对应地变化。

[0076] 磁化固定层15具有与膜面垂直的磁化，其成为存储在存储层17中的信息的基础。

[0077] 中间层16由非磁性材料形成并被设置在存储层17与磁化固定层15之间。

[0078] 通过在具有存储层17、中间层16和磁化固定层15的分层结构的层压方向上注入自旋极化离子，存储层17的磁化方向被改变，从而将信息存储在存储层17中。

[0079] 这里，将简要描述自旋扭矩磁化反转。

[0080] 对于电子，存在两种可能的自旋角动量的值。自旋的状态暂时被定义为向上和向下。向上自旋电子和向下自旋电子的数目在非磁性材料中是相同的。但是，向上自旋电子和向下自旋电子的数目在铁磁材料中不同。在ST-MRAM的两个铁磁层中，即，磁化固定层15和存储层17中，将描述每层的磁矩(magnetic moment)的方向处于反方向上并且电子从磁化固定层15移动到存储层17的情况。

[0081] 磁化固定层15是通过高的矫顽力使磁矩的方向固定的固定磁层。

[0082] 通过磁化固定层15的电子被自旋极化，即，向上自旋电子和向下自旋电子的数目不同。当作为非磁性层的中间层16的厚度被制作得充分薄时，在由于通过磁化固定层15而减弱自旋极化并且电子在非极化材料中变成共同的非极化状态(向上自旋电子和向下自旋电子的数目相同)之前，电子抵达另一磁材料，即，存储层17。

[0083] 存储层17中的自旋极化的符号被逆转以使得电子的一部分被反转用于降低系统能量，即，自旋角动量的方向被改变。此时，需要保持系统的整体角动量，以使得与方向改变了的电子引起的总角动量变化相当的反作用也被施加给存储层17的磁矩。

[0084] 在电流(即，每单位时间通过的电子数目)较小的情况中，方向改变了的电子的总数变小，从而使得存储层17的磁矩中发生的角动量的变化变小，但是当电流增大时，能够在单位时间内对角动量进行大的改变。

[0085] 角动量随时间的变化就是扭矩，并且当扭矩超过阈值时，存储层17的磁矩开始进动(precession)，并且由于其单轴各向异性将是稳定的因此旋转180度。即，发生从反方向向同方向的反转。

[0086] 当磁化方向为相同方向并且使得电子反向地从存储层17流向磁化固定层15时，电子然后在磁化固定层15被反射。当被反射并且被自旋反转的电子进入存储层17时，扭矩被施加并且磁矩被反转为反方向。然而，此时，引起反转所需的电流量大于从反方向反转为同方向的情况。

[0087] 磁矩从相同方向向相反方向的反转难以从直观上来理解，但是可以认为磁化固定层15是固定的以使得磁矩不被反转，并且存储层17被反转以用于保持整个系统的角动量。因此，通过从磁化固定层15向存储层17或者在其反方向上施加与每个极性相对应的、具有预定阈值以上的电流来执行0/1的记录。

[0088] 通过利用与相关技术中的MRAM类似地磁阻效应来执行信息的读取。即，与上述记录的情况一样，在与膜面垂直的方向上施加电流。然后，利用这样的现象：其中，该元件所示出的电阻取决于存储层17的磁矩是与磁化固定层15的磁矩同向还是反向而变化。

[0089] 用于磁化固定层15与存储层17之间的中间层16的材料可以是金属材料或绝缘材料，但是，可将绝缘材料用于中间层以获得相对高的读出信号(电阻改变率)并且通过相对低的电流来实现记录。此时的元件被称为铁磁隧道结(磁隧道结：MTJ)元件。

[0090] 取决于磁层的磁化的容易轴是平面内方向还是垂直方向，通过自旋扭矩磁化反转来逆转磁层的磁化方向所需要的电流的阈值Ic是不同的。

[0091] 虽然根据本实施例的存储元件具有垂直磁化，但是在相关技术的具有平面内磁化的存储元件中，用于反转磁层的磁化方向的反转电流用Ic_para表示。当该方向从同向被反转为反向时，下式成立：

[0092] Ic_para＝(A·α·Ms·V/g(0)/P)(Hk+2πMs。

[0093] 当该方向从反向被反转为同向时，下式成立：

[0094] Ic_para＝-(A·α·Ms·V/g(π)/P)(Hk+2πMs)。

[0095] 同向和反向表示以磁化固定层的磁化方向为基准的存储层的磁化方向，并且也分别被称为平行方向和非平行方向。

[0096] 另一方面，在根据本实施例的具有垂直磁化的存储元件中，反转电流用Ic_perp表示。当方向从同向被反转为反向时，下式成立：

[0097] Ic_perp＝(A·α·Ms·V/g(0)/P)(Hk-4πMs。

[0098] 当方向从反向被反转为同向时，下式成立：

[0099] Ic_perp＝-(A·α·Ms·V/g(π)/P)(Hk-4πMs)。

[0100] 其中A表示常数，α表示阻尼系数，Ms表示饱和磁化量，V表示元件体积，P表示自旋极化度，g(0)和g(π)分别表示与在同方向和反方向中传送到另一磁层的自旋扭矩的效率相对应的系数，并且Hk表示磁各向异性。

[0101] 在各个式子中，当将垂直磁化类型中的项(Hk-4πMs)与平面内磁化类型中的项(Hk+2πMs)相比较时，可以明白，垂直磁化类型适合于减小记录电流。

[0102] 这里，反转电流Ic0和热稳定性指数Δ之间的关系用下面的[式1]来表示。

[0103]

[0104] 其中，e表示电子电荷，η表示自旋注入效率，带杠的h表示减小的普朗克(Planck)常量，α表示阻尼系数，kB表示玻尔兹曼(Boltzmann)常量，并且T表示温度。

[0105] 根据本实施例，存储元件包括能够保持取决于磁化状态的信息的磁层(存储层17)和磁化方向被固定的磁化固定层15。

[0106] 存储元件必须保持所写入信息以便起到存储器的作用。保持信息的能力的指数是热稳定性指数Δ(＝KV/kBT)。Δ用(式2)来表示。

[0107]

[0108] 其中，Hk表示有效的各向异性磁场，kB表示玻尔兹曼常量，T表示温度，Ms表示饱和磁化量，V表示存储层的体积，并且K表示各向异性能量。

[0109] 有效的各向异性磁场Hk受形状磁各向异性、所感应的磁各向异性、晶体磁各向异性等的影响。假设单个域连贯旋转模型的场合，则Hk将等于矫顽力。

[0110] 热稳定性指数Δ和电流的阈值Ic通常具有折中的关系。因此，为了维持存储器特性，折中经常成为问题。

[0111] 在实际中，在例如具有2nm厚度的存储层17以及100nm直径的平面图案的圆形TMR元件中，用以改变存储层的磁化状态的电流的值约为一百至数百μA。

[0112] 相比之下，在相关技术的用于使用电流磁场反转磁化的MRAM中，写电流超过几mA。

[0113] 因此，在ST-MRAM中，写电流的阈值变得充分低，如上所述。可以有效地降低集成电路的功耗。

[0114] 另外，由于不再需要相关技术中的用于生成一般在MRAM中使用的电流磁场的互连件，因此在集成度方面，ST-MRAM相比于相关技术的MRAM是有利的。

[0115] 当自旋扭矩磁化反转被包括时，电流被直接施加到存储元件中以写入(记录)信息。为了选择进行写入的存储单元，存储元件被连接到选择晶体管以构成存储单元。

[0116] 在此情况中，流入存储元件的电流受到能够流入选择晶体管的电流量的限制，即，受到选择晶体管的饱和电流的限制。

[0117] 为了减小记录电流，最好使用垂直磁化，如上所述。此外，垂直磁化一般能够提供比平面内磁化类型更高的磁各向异性，并且因此，在使Δ保持更大方面是更可取的。

[0118] 具有垂直各向异性的磁材料的示例包括稀土类(即，过度金属合金(诸如TbCoFe))、金属多层膜(诸如Co/Pd多层膜)、有序合金(诸如FePt)，那些利用氧化物与磁性金属(Co/MgO)之间的界面磁各向异性的材料等。当稀土类(即，过度金属合金)通过加热而扩散并且结晶时，垂直磁各向异性消失，并且因此，稀土类(即，过度金属合金)作为ST-MRAM材料是不可取的。

[0119] 已知金属多层膜在被加热时也会扩散，并且垂直磁各向异性劣化。由于在金属多层膜具有面心立方(111)朝向时会显现出垂直磁各向异性，因此可能难以实现高极化度层所需的(001)朝向，高极化度层包括MgO，以及与MgO相邻布置的Fe,CoFe和CoFeB。L10有序合金即使在高温时也是稳定的并且在(001)朝向上表现出垂直磁各向异性。因此，不会引起上面提到的问题。然而，L10有序合金在生产期间必须以500℃以上的十分高的温度被加热，或者在生产之后应当通过以500℃以上的高温被加热来规则地排列原子。其可能在诸如隧道势垒之类的层压薄膜的其它部分中引起不希望的扩散或界面粗糙度的增加。

[0120] 相比之下，利用界面磁各向异性的材料，即，包括作为隧道势垒的MgO以及层压在其上的Co和Fe材料的材料几乎不会引起任何上述问题，并且因此非常有望作为ST-MRAM的存储层材料。

[0121] 另一方面，具有界面磁各向异性的垂直磁化磁材料有望被用于磁化固定层15。具体地，在作为隧道势垒的中间层(例如，MgO层)之下包括有Co或Fe的磁化固定层15有望提供高的读出信号。磁化固定层15可以是单层或者可以是包括至少两个铁磁层以及非磁层的层压铁钉合结构。通常，使用包括至少两个铁磁层以及非磁层(Ru)的层压铁钉闩结构。

[0122] 具有层压铁钉合结构的磁化固定层15的优点包括：可以容易地消除信息写入方向上的热稳定性的不对称性并且可以提高自旋扭矩的稳定性。

[0123] 磁化固定层15所需要的特征包括当相同磁层被形成时层压铁耦合的高强度。

[0124] 发明人进行的研究揭示出，为了利用获得由具有垂直磁各向异性的材料形成的层压铁耦合的高强度，向磁化固定层15的铁磁层中插入反铁磁氧化层是重要的。

[0125] 具体地，磁化固定层15具有垂直磁化薄膜的铁磁层/非磁层/垂直磁化薄膜的铁磁层这样的层压铁钉合结构。然后，反铁磁氧化层被形成在这些铁磁层中的任一者上。

[0126] 例如，磁化固定层15具有垂直磁化膜/非磁层/反铁磁氧化层/具有产生于界面磁各向异性的垂直磁各向异性的材料(即Co-Fe-B)的机构。

[0127] 替代地，磁化固定层15具有反铁磁氧化层/垂直磁化膜/非磁层/具有产生于界面磁各向异性的垂直磁各向异性的材料(即Co-Fe-B)的机构。

[0128] 这些增加了层压铁耦合的强度。

[0129] 在本实施例中，存储层17是Co-Fe-B的垂直磁化薄膜。

[0130] 考虑到选择晶体管的饱和电流值，作为存储层17与磁化固定层15之间的非磁中间层16，使用包括绝缘材料的隧道绝缘层来配置磁隧道结(MTJ)元件。

[0131] 磁隧道结(MTJ)元件是利用隧道绝缘层被配置的，与利用非磁导电层配置巨大磁阻效应(GMR)元件的情况相比使得能够具有高的磁阻变化率(MR率)，并且因此能够增加读出信号强度。

[0132] 具体地，当氧化镁(MgO)被用作作为隧道绝缘层的中间层16的材料时，能够使磁阻变化率(MR率)较高。

[0133] 另外，一般地，自旋转移效率取决于MR率，并且由于MR率较高，因此自旋转移效率被提高，因此能够减小磁化反转电流密度。

[0134] 因此，当氧化镁被用作隧道绝缘层材料并且存储层17被使用时，能够通过自旋扭矩磁化反转来减小写阈值电流，并且因此能够以小的电流执行信息的写入(记录)。另外，能够增加读出信号强度。

[0135] 以这种方式，能够通过确保MR率(TMR率)来经由自旋扭矩磁化反转减小写阈值电流，并且能够以小的电流执行信息的写入(记录)。另外，能够增加读出信号强度。

[0136] 如上所述，在隧道绝缘层由氧化镁(MgO)膜形成的情况中，希望将MgO膜晶体化并且使晶体朝向维持在(001)向。

[0137] 在本实施例中，除了由氧化镁构成的配置，例如还可以利用各种绝缘材料、诱电材料和半导体(诸如氧化铝,氮化铝,SiO2,Bi2O3,MgF2,CaF,SrTiO2,AlLaO3和Al-N-O)来构成布置在存储层17与磁化固定层15之间的中间层16(隧道绝缘层)。

[0138] 从获得通过自旋扭矩磁化反转来反转存储层17的磁化方向所需的电流密度的角度来看，必须将隧道绝缘层的面积电阻值控制为数十Ωμm2以下。

[0139] 在包括MgO膜的隧道绝缘层中，MgO膜的厚度必须被设为1.5nm以下以使得面积电阻值在上述范围内。

[0140] 覆盖层18与存储层17相邻地被布置。覆盖层18包括例如Ta或Ru，并且覆盖层18的与存储层17相接触的界面可以包括氧化物。作为覆盖层18的氧化物，例如可以使用MgO,氧化铝,TiO2,SiO2,Bi2O3,SrTiO2,AlLaO3和Al-N-O。

[0141] 另外，希望使存储元件3的大小较小以便容易以小的电流来反转存储层17的磁化方向。

[0142] 因此，存储元件3的面积希望被设为0.01μm2以下。

[0143] 另外，非磁元件可被添加到存储层17。

[0144] 当异种(heterogeneous)元素被添加时，获得了如下效果：例如，由于防止了扩散而带来的热阻性的提高或磁阻效应的增加、以及伴随着平面化的介电强度电压的增大。作为所添加的这种元素的材料，可以使用B,C,N,O,F,Mg,Si,P,Ti,V,Cr,Mn,Ni,Cu,Ge,Nb,Ru,Rh,Pd,Ag,Ta,Ir,Pt,Au,Zr,Hf,W,Mo,Re,Os或者其合金或氧化物。

[0145] 另外，作为存储层17，可以直接层压具有不同构成的铁磁层。另外，铁磁层和软磁层可被层压在一起，或者多个铁磁层可以以软磁层或非磁层介于其间地被层压在一起。在以这种方式层压的情况中，能够获得根据本公开实施例的效果。

[0146] 具体地，在以非磁层介于其间地层压多个铁磁层的情况中，能够调节铁磁层之间的相互作用强度，因此获得了能够控制磁化反转电流不增大的效果。在此情况中作为非磁层的材料，可以使用Ru,Os,Re,Ir,Au,Ag,Cu,Al,Bi,Si,B,C,Cr,Ta,Pd,Pt,Zr,Hf,W,Mo,Nb或其合金。

[0147] 希望磁化固定层15和存储层17的每个的膜厚度为0.5nm至30nm。

[0148] 存储元件的其它配置可以与相关技术中通过自旋扭矩磁化反转来记录信息的存储元件的配置相同。

[0149] 可以以如下方式来配置磁化固定层15：仅通过铁磁层或者通过使用反铁磁层和铁磁层的反铁磁耦合来固定磁化方向。

[0150] 作为构成具有层压铁钉合结构的磁化固定层15的铁磁层材料，可以使用Co,CoFe,CoPt,CoFeB等。另外，作为非磁层的材料，可以使用Ru,Cr,Re,Ir,Os等。

[0151] 作为反铁磁层材料，可以以诸如FeMn alloy,PtMn alloy,PtCrMn alloy,NiMn alloy,IrMn alloy,NiO和Fe2O3之类的磁材料为例。

[0152] 另外，可以通过向上述磁材料添加诸如Ag,Cu,Au,Al,Si,Bi,Ta,B,C,O,N,Pd,Pt,Zr,Ta,Hf,Ir,W,Mo和Nb之类的非磁元素来调节磁特性，或者除此之外，还可以调节结晶结构或者诸如结晶性质和物质稳定性之类的各种物理性质。

[0153] 另外，与存储元件3的膜配置有关地，如果存储层17可被布置在磁化固定层15的下侧则不会出现问题。换言之，存储层17和磁化固定层15的位置被反转为不同于图3(A)的。

[0154] <3.实施例的具体配置>

[0155] 接下来，将描述本实施例的具体配置。

[0156] 该存储装置包括存储元件3，存储元件3可以保持取决于磁化状态的信息，被布置在彼此垂直的两种地址互连件1和6(例如，字线和位线)的交点附近，如图1和图2所示。

[0157] 当垂直方向上的电流通过两种类型的地址互连件1和6被施加给存储元件3时，可以通过自旋扭矩磁化反转来反转存储层17的磁化方向。

[0158] 图3的(A)和(B)各自示出了根据本实施例的存储元件3(ST-MRAM)的分层结构的示例。

[0159] 在具有图3(A)所示的结构的存储元件3中，底层14、磁化固定层15、中间层16、存储层17和覆盖层18从底部起按此顺序被层压在一起。

[0160] 在此情况中，磁化固定层15被布置在存储层17之下，其中磁化M17的方向通过自旋注入被反转。

[0161] 关于自旋注入存储器，“0”和“1”的信息是通过存储层17的磁化M17与磁化固定层15的磁化M15之间的相对角度来定义的。

[0162] 用作隧道势垒层(隧道绝缘层)的中间层16被设置在存储层17与磁化固定层15之间，并且MTJ元件由存储层17和磁化固定层15构成。

[0163] 存储层17由具有如下磁矩的铁磁材料组成：在该磁矩中，磁化M17的方向在与膜面垂直的方向上自由地改变。磁化固定层15由具有如下磁矩的铁磁材料组成：在该磁矩中，磁化M15的方向在与膜面垂直的方向上固定。

[0164] 通过具有单轴各向异性的存储层17的磁化方向来存储信息。通过在与膜面垂直的方向上施加电流并且包括自旋扭矩磁化反转来进行写入。因此，磁化固定层15被布置在存储层17(在该层中，磁化方向通过自旋注入被反转)之下，并且用作存储层17中的所存储信息(磁化方向)的基础。

[0165] 在本实施例中，Co-Fe-B被用于存储层17和磁化固定层15。

[0166] 应当注意，除了Co-Fe-B磁层之外，存储层17还可以包括非磁层。该非磁层例如包括Ta,V,Nb,Cr,W,Mo,Ti,Zr和Hf。

[0167] 由于磁化固定层15是信息的基础，因此磁化方向不应当因记录或读出而被改变。然而，磁化固定层15不必被固定在特定方向，并且与存储层17相比，仅需要通过增加矫顽力、膜厚度或磁阻尼系数而变得难以移动。

[0168] 中间层16例如由氧化镁(MgO)层形成。在此情况中，能够使磁阻变化率(MR率)较高。

[0169] 当如此使得MR率较高时，自旋注入效率得到提高，因此能够减小反转存储层17的磁化M17的方向所需的电流密度。

[0170] 例如可以利用诸如氧化铝,氮化铝,SiO2,Bi2O3,MgF2,CaF,SrTiO2,AlLaO3和Al-N-O以及氧化镁之类的各种绝缘材料、介电材料和半导体来构成中间层16。

[0171] 作为底层14和覆盖层18，可以使用诸如Ta,Ti,W和Ru之类的多种金属以及诸如TiN之类的导电氮化物。在底层14和覆盖层18中，可以使用单层或者可以层压包括不同材料的多层。

[0172] 接下来，图3(B)示出了根据本实施例的双重分层结构。

[0173] 在该存储元件3中，底层14、下侧磁化固定层15L、下侧中间层16L、存储层17、上侧中间层16U、上侧磁化固定层15U和覆盖层18从底部起以此顺序被层压。

[0174] 换言之，存储层17经由中间层16U和16L被夹在磁化固定层15U和15L之间。

[0175] 在这样的双重结构中，磁化固定层15U和15L的磁化方向必须不被改变(上侧磁化固定层15U的磁化M15U和下侧磁化固定层15L的磁化M15L反向地被定向)。

[0176] 根据图3(A)和(B)所示的上述实施例，存储元件3的存储层17以如下方式被配置：存储层17接收的有效反磁性场的大小小于存储层17的饱和磁化量Ms。

[0177] 换言之，通过选择存储层17的铁磁材料Co-Fe-B构成，来将存储层17接收的有效反磁性场降低为小于存储层17的饱和磁化量Ms。

[0178] 可以通过在真空装置中连续形成底层14至覆盖层18并且然后通过借助于诸如后续蚀刻之类的工艺形成存储元件3的图案来制造本实施例的存储元件3。

[0179] 图3(A)所示的存储元件3具有这样的层压铁钉合结构：其中，磁化固定层15具有非磁层和至少两个铁磁层。

[0180] 此外，图3(B)所示的存储元件3具有这样的层压铁钉合结构：其中，磁化固定层15U和15L中的至少一个具有非磁层和至少两个铁磁层。

[0181] 在图3(A)和(B)的两个示例中，在磁化固定层15的铁磁层上形成反铁磁氧化层。

[0182] 包括Co-O的层被插入作为反铁磁氧化层。该Co-O可以通过直接溅射形成，或者可以通过使包括在铁磁层中的Co氧化来获得。

[0183] 图3的(C)至(E)示出了根据本实施例的磁化固定层15的配置示例，即，插入了包括Co-O的反铁磁氧化层的层压铁钉合结构的示例。

[0184] 图3(C)示出了这样的磁化固定层15的示例：其中，铁磁层15c、非磁层15b、反铁磁氧化层15d和铁磁层15a从底部起以此顺序被层压在一起。

[0185] 图3(D)示出了这样的磁化固定层15的示例：其中，铁磁层15c、反铁磁氧化层15d、非磁层15b和铁磁层15a从底部起以此顺序被层压在一起。

[0186] 图3(E)示出了这样的磁化固定层15的示例：其中，反铁磁氧化层15d、铁磁层15c、非磁层15b和铁磁层15a从底部起以此顺序被层压在一起。

[0187] 在图3(C)至(E)的任一示例中，与中间层16接触的铁磁层15a例如是Co-Fe-B磁层。与底层14接触的铁磁层15c例如由CoPt形成。

[0188] 在图3(C)的示例中，例如，反铁磁氧化层15d(Co-O)可以在非磁层15b被层压之后通过溅射来形成，或者可以在铁磁层15a被形成时通过在界面处氧化铁磁层15a中包括的Co来形成。

[0189] 此外，在图3(D)的示例中，反铁磁氧化层15d可以在非磁层15c被层压之后通过溅射来形成，或者可以在铁磁层15c被形成时通过氧化铁磁层15c的表面中包括的Co来形成。

[0190] 此外，在图3(E)的示例中，反铁磁氧化层15d可以在非磁层15c被层压之前通过溅射来形成，或者可以在铁磁层15c被形成时通过在界面处氧化铁磁层15c中包括的Co来形成。

[0191] 应注意，在分层结构是图3(B)所示的双重结构并且下侧磁化固定层15L具有层压铁钉合结构的情况中，磁化固定层15与图3(C)至(E)所示的相同。在上侧磁化固定层15U具有层压铁钉合结构的情况中，只需要将图3(C)至(E)所示的分层结构上下倒转。

[0192] 由于磁化固定层15具有包括两个铁磁层15a和15c以及非磁层15b的层压铁钉合结构并且反铁磁氧化层15d被形成在任意铁磁层(15a或15b)上，如图3(C)至(E)所示，因此增加了层压铁耦合的强度。此外，与中间层16接触的铁磁层15a由具有产生于界面磁各向异性的垂直磁各向异性的材料(即，Co-Fe-B)形成。而且这也有助于增强效果。因此，由于层压铁耦合的强度被增大，因此可以构成具有低的非对称热稳定性的存储元件3。

[0193] 根据上述实施例，由于存储元件3的存储层17是垂直磁化膜，因此可以减小反转存储层17的磁化M17方向所需的写电流。

[0194] 具体地，由于磁化固定层15具有层压铁钉合结构(包括两个铁磁层15a和15c、非磁层15b和反铁磁层15d)，并且铁磁层15a是具有产生于界面磁各向异性的垂直磁各向异性的材料(即，Co-Fe-B)的垂直磁化膜，因此可以配置成具有高强度的层压铁耦合以及低非对称的热稳定性的存储元件3。

[0195] 因此，由于可以有效地确保作为信息保持能力的热稳定性，因此能够构成具有均匀特性的存储元件。

[0196] 以这种方式，可以消除操作错误，并且可以充分地获得存储元件3的操作裕量，以使得能够稳定地操作存储元件3。

[0197] 因此，能够以高可靠性实现稳定操作的存储器。

[0198] 还能够减小写电流并且降低写入存储元件3时的功耗。

[0199] 结果，能够降低在其中通过本实施例的存储元件3来构成存储单元的整个存储装置的功耗。

[0200] 因此，对于包括存储元件3(其能够实现优异的信息保持能力并且以高可靠性稳定地操作的存储器)的存储器，能够降低功耗。

[0201] 另外，包括图3所示的存储元件3并且具有图1所示的配置的存储装置具有这样的优点：当制造该存储装置时可以应用一般的半导体MOS成形工艺。因此，能够使本实施例的存储器适于作为通用存储器。

[0202] <4.实验>

[0203] 这里，关于根据图3所示的本实施例的存储元件3的配置，已制造了样本并且然后对其特性进行了检查。

[0204] 在实际的存储装置中，如图1所示，除了存储元件3之外还存在用于反转的半导体电路等，但是，在这里，出于调查磁化固定层15的磁化反转特性的目的，对仅形成有磁化固定层的晶片进行了检查。

[0205] 300nm厚的热氧化膜被形成在0.725nm厚的硅衬底上。在其上形成具有图3(A)所示配置的存储元件3的样本1至4。

[0206] 图4示出了样本1至4的材料和膜厚度。应注意，样本1对应于比较示例，样本2至4对应于本实施例。

[0207] 包括比较示例在内的所有样本1至4在以下方面具有相同配置。

[0208] 底层14：10nm膜厚的Ta膜和25nm膜厚的Ru膜的层压膜

[0209] 中间层(隧道绝缘层)16：0.9nm膜厚的氧化镁膜

[0210] 存储层17：1.5nm膜厚的CoFeB层

[0211] 覆盖层18：3nm膜厚的Ta、3nm膜厚的Ru和3nm膜厚的Ta的层压结构[0212] 在样本1至4中，磁化固定层15如下这样被配置。

[0213] 形成了层压铁钉合结构的铁磁层15c、非磁层15b和铁磁层15a在样本1至4中具有相同配置。

[0214] 铁磁层15c：2nm膜厚的CoPt

[0215] 非磁层15b：0.8nm膜厚的单层Ru

[0216] 铁磁层15a：2nm膜厚的CoFeB

[0217] 在作为比较示例的样本1中，反铁磁氧化层15d未被设置。

[0218] 样本2对应于图3(C)的配置，并且0.1nm膜厚的Co-O被设置在非磁层15b侧的铁磁层15a上以形成反铁磁氧化层15d。

[0219] 样本3对应于图3(D)的配置，并且0.1nm膜厚的Co-O被设置在非磁层15b侧的铁磁层15c上以形成反铁磁氧化层15d。

[0220] 样本4对应于图3(E)的配置，并且0.1nm膜厚的Co-O被设置在底层14侧的铁磁层15c上以形成反铁磁氧化层15d。

[0221] 在每个样本中，磁化固定层15(铁磁层15a)和存储层17的每个中的Co-Fe-B合金的构成为(Co30％-Fe70％)80％-B20％(它们都为原子的百分比)。

[0222] 中间层16的氧化镁(MgO)膜和磁化固定层15的Co-O(反铁磁氧化层15d)是利用RF磁控溅射法形成的。其它层是利用DC磁控溅射法形成的。

[0223] 图5的(A)和(B)分别示出了作为比较示例的样本1的磁光克尔(Kerr)效应的测量结果，和本实施例的样本2的磁光克尔效应的测量结果。

[0224] 比较示例(样本1)中的层压铁耦合的磁场Hcoupling为3kOe。另一方面，本实施例(样本2)中的层压铁耦合的磁场Hcoupling为3.8kOe。

[0225] 层压铁耦合的磁场Hcoupling被定义为其中层压铁耦合崩塌的磁场，如图所示。

[0226] 图6示出了样本1至4中的层压铁耦合的磁场Hcoupling的每个。

[0227] 图6揭示出了：与比较示例中的样本1相比，在Co-O被插入磁化固定层15中的样本2至4中层压铁耦合的磁场Hcoupling增大了约1kOe。

[0228] 通过比较上述图5的(A)和(B)可以确认，根据本实施例的层压铁耦合的磁场Hcoupling被增大。

[0229] 在样本2至4中，作为反铁磁氧化层15d的Co-O被插入非磁层15b(Ru)上下界面中或者磁化固定层15的铁磁层15c(CoPt层)与底层14之间的界面中。在这些情况的任一个中，层压铁耦合的磁场Hcoupling被增大。

[0230] 因此，认为即使Co-O被插入磁化固定层15的任意铁磁层(CoPt或CoFeB)中，层压铁耦合的磁场Hcoupling都被增大。

[0231] 考虑如下这样的通过插入Co-O来增大层压铁耦合的磁场Hcoupling的机构。

[0232] 一般地，Co-O被认为是反铁磁材料。例如，在Co与Co-O之间的界面上引起反铁磁耦合。即，在此实施例中，同样，在插入了Co-O的磁层附近引起了Co与Co-O之间的反铁磁耦合。这部分地增大了垂直磁各向异性。

[0233] 因此，认为形成磁化固定层15的铁磁层的垂直磁各向异性被增强，这使得通过Ru的层压铁耦合的磁场Hcoupling增大。

[0234] 如果Co-O的膜厚度太薄，则反铁磁耦合效果被减弱，并且如果Co-O的膜厚度太厚，则膜的电阻将增加。因此，优选地Co-O的膜厚度在0.05至0.3nm范围内。

[0235] 在实验中，尽管从Co-O靶直接溅射得到的膜被用于Co-O，但是还可以利用Ar+氧气对Co层进行成膜，或者薄Co膜可被形成并且然后被氧化。

[0236] <5.替代方式>

[0237] 虽然已描述了根据本公开的实施例，但是应当明白，本公开不限于上述实施例所示的存储元件3的分层结构，而是可以采用多种多样的分层结构。

[0238] 例如，虽然磁化固定层15和存储层17中的Co-Fe-B的构成在本实施例中是相同的，但是应当明白，本公开不限于此，而是可以在不脱离本公开的范围和精神的情况下采用各种结构。

[0239] 此外，虽然磁化固定层15中的铁磁层15a(Co-Fe-B层)在本实施例中为单层的，然而，除非耦合磁场显著降低，否则还可以向铁磁层15a添加元素或氧化物。

[0240] 所添加的元素的示例包括Ta,Hf,Nb,Zr,Cr,Ti,V和W。所添加的氧化物的示例包括MgO,Al-O,SiO2。

[0241] 此外，底层14和覆盖层18可以由单种材料形成或者可以具有层压多种材料的配置。

[0242] 此外，Co-O被描述为将被插入磁化固定层15的层压铁钉合结构内的反铁磁氧化材料，然而还可将Ni-O,Cr2O3,VO2用于反铁磁氧化层15d。

[0243] 根据本公开实施例的存储元件3具有诸如隧道磁电阻(TunnelingMagneto Resistance,TMR)元件之类的磁阻效应元件的配置。作为TMR元件的磁阻效应元件可被应用于包括磁头、配备有磁头的硬盘驱动器、集成电路芯片、个人计算机、便携终端、移动电话和磁传感器设备以及上述存储装置在内的多种电子装置、电子装备等，

[0244] 作为一个示例，图7的(A)和(B)各自示出了将具有存储元件3的配置的磁阻效应元件101应用于复合型磁头100。图7(A)是通过切开复合型磁头100的一些部分而示出的透视图，以用于分辨内部配置。图7(B)是复合型磁头100的剖面图。

[0245] 复合型磁头100是用于硬盘装置等的磁头。在衬底122上，形成根据本公开实施例的磁阻效应磁头。在该磁阻效应磁头上，层压感应磁头，因此形成了复合型磁头100。磁阻效应磁头用作再现头，并且感应磁头用作记录头。换言之，复合型磁头100是通过组合再现头与记录头而构成的。

[0246] 安装在复合型磁头100上的磁阻效应磁头是所谓的屏蔽型MR头，并且包括经由绝缘层123被形成在衬底122上的第一磁屏(magnetic shield)125、经由绝缘层123被形成在第一磁屏125上的磁阻效应元件101、以及经由绝缘层123被形成在磁阻效应元件101上的第二磁屏127。绝缘层123包括诸如Al2O3和SiO2之类的绝缘材料。

[0247] 第一磁屏125用于磁屏蔽磁阻效应元件101的下侧，并且包括诸如Ni-Fe之类的软磁材料。在第一磁屏125上，经由绝缘层123形成磁阻效应元件101。

[0248] 磁阻效应元件101用作从磁阻效应磁头中的磁记录介质检测磁信号的磁敏元件。磁阻效应元件101可以具有与上述存储元件3类似的膜配置。

[0249] 磁阻效应元件101以几乎矩形的形状被形成，并且其一侧朝向磁记录介质的相对面。在磁阻效应元件101的两端，布置了偏置层128和129。此外，形成有连接到偏置层128和129的连接端子130和131。传感电流通过连接端子130和131被提供给磁阻效应元件101。

[0250] 在偏置层128和129之上，经由绝缘层123布置有第二磁屏127。

[0251] 被层压并形成在上述磁阻效应磁头上的感应磁头包括含有第二磁屏127和上层核心132的磁心，并且薄膜线圈133将围绕着该磁心。

[0252] 上层核心132与第二磁屏127一起形成闭合磁路，将成为感应磁头的磁心，并且包括诸如Ni-Fe之类的软磁材料。第二磁屏127和上层核心132被形成为使得第二磁屏127和上层核心132的前端部分朝向磁记录介质的相对面，并且第二磁屏127和上层核心132在其后端部分彼此相接触。第二磁屏127和上层核心132的前端部分被形成在磁记录介质的相对面处，以使得第二磁屏127和上层核心132被间隔开预定间隙g。

[0253] 换言之，在复合型磁头100中，第二磁屏127不仅磁屏蔽磁阻效应元件101的上侧，而且用作感应磁头的磁心。第二磁屏127和上层核心132构成感应磁头的磁心。间隙g是感应磁头的记录磁间隙。

[0254] 另外，在第二磁屏127之上，形成有埋藏在绝缘层123中的薄膜线圈133。薄膜线圈133被形成为绕在包括第二磁屏127和上层核心132的磁心周围。薄膜线圈133的两端(未示出)暴露在外面，并且形成在薄膜线圈133两端上的端子将成为感应磁头的连接端子。换言之，当磁信号被记录在磁记录介质上时，将从外部连接端子向薄膜线圈133提供记录电流。

[0255] 如上所述的复合型磁头100被配备有作为再现头的磁阻效应磁头。该磁阻效应磁头被配置有作为从磁记录介质检测磁信号的磁敏元件的、应用了根据本公开的技术的磁阻效应元件101。由于如上所述应用了根据本公开的技术的磁阻效应元件101表现出优异的性质，因此磁阻效应磁头可以获得更高记录密度的磁记录。

[0256] 本公开还可以具有以下配置。

[0257] (1)一种存储元件，包括：

[0258] 分层结构，该分层结构包括：

[0259] 存储层，其具有与膜面垂直的磁化，其中，该磁化的方向取决于信息而改变，该磁化的方向通过在所述分层结构的层压方向上施加电流而被改变，从而将所述信息记录在所述存储层中，

[0260] 磁化固定层，其具有与膜面垂直的磁化(成为所述存储层中所存储的信息的基础)，具有包括非磁层和至少两个铁磁层的层压铁钉合结构，并且包括形成在至少两个铁磁层中的任一者上的反铁磁氧化层，以及

[0261] 中间层，其由非磁材料形成，并且被设置在所述存储层和所述磁化固定层之间。

[0262] (2)根据上面的(1)所述的存储元件，其中，

[0263] 在所述磁化固定层的铁磁层中，与所述中间层相接触的一个铁磁层包括作为磁材料的Co-Fe-B。

[0264] (3)根据上面的(1)或(2)所述的存储元件，其中，

[0265] 该反铁磁氧化层是Co-O层。

[0266] 本公开包含与2011年12月1日向日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2011-263508中公开的主题有关的主题，该申请的全部内容通过引用被结合于此。

[0267] 本领域的技术人员应当明白，可以根据设计要求和其它因素进行各种修改、组合、子组合和变更，只要它们在所附权利要求或其等同含义的范围之内。