CN104662686A

CN104662686A - 存储元件、存储装置和磁头

Info

Publication number: CN104662686A
Application number: CN201380049184.4A
Authority: CN
Inventors: 山根一阳; 细见政功; 大森广之; 别所和宏; 肥后丰; 浅山徹哉; 内田裕行
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2015-05-27
Also published as: US20160240217A1; US20200279578A1; JP2014072392A; US20200035263A1; US20210174826A1; US10475474B2; US9343657B2; EP2901507B1; JP6244617B2; EP2901507A1; US9997179B2; US10692521B2; US20150228889A1; US20180286437A1; US11527261B2; US10971175B2; WO2014049935A1

Abstract

提供了一种存储元件，包括分层结构，该分层结构包括：存储层，具有垂直于所述存储层的表面的磁化，并且对应于信息改变其磁化方向；钉扎磁化层，具有垂直于钉扎磁化层的表面的磁化，并且用作用于存储在存储层中的信息的标准；以及绝缘层，由非磁性材料组成并且被设置在存储层与钉扎磁化层之间。

Description

存储元件、存储装置和磁头

技术领域

本公开涉及包括多个磁性层并且使用自旋扭矩磁化反转(spin torquemagnetization reversal)记录数据的存储元件和存储装置。

本公开还涉及检测来自磁性记录介质的磁性信号的磁头。

本公开包括于2012年9月28日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2012-217702所公开的主题，其全部内容通过引用结合于此。

引用列表

专利文献

PTL 1：JP 2003-17782A

PTL 2：USP 6,256,223

PTL 3：JP 2008-227388A

非专利文献

NPL 1：Phys.Rev.B,54,9353(1996)

NPL 2：J.Magn.Mat.,159,L1(1996)

NPL 3：Nature Materials.,5,210(2006)

NPL 4：Phys.Rev.Lett.,67,3598(1991)

背景技术

随着从移动终端到大型服务器的各种信息设备的迅速发展，已经探索用于配置这样的设备的类似存储器和逻辑元件的组件的更高的性能，如更高的集成度、更高的速度以及减少电力消耗。

具体地，在半导体非易失性存储器中已经取得显著的提升，利用瞬时存储器作为大容量文件存储器变得越来越广泛并且取代了硬盘驱动器的位置。

同时，还提升了非易失性半导体存储器的发展以便代替目前通常用于代码存储器(code storage)以及用于工作存储器(working memory)的非瞬时存储器、DRAM等。FeRAM(铁电随机存取存储器)、MRAM(磁性随机存取存储器)以及PCRAM(相变RAM)可给出作为这样的非易失性半导体存储器的实例。这些中的一些已被商业化。

在这样的非易失存储器中，MRAM利用磁体的磁化(magnetization)方向存储数据并且因此能够高速重写并且几乎无限次地重写(10¹⁵次或更多)。MRAM已用于如工业自动化和飞机的领域中。

由于其高速操作和可靠性，未来极有可能使用MRAM作为代码存储器和工作存储器。

然而，减少电力消耗和增加容量仍然是MRAM的问题。这些是由于MRAM的记录原理导致的本质问题，就是说，磁性使用从配线产生的电流磁场进行磁化反转的布置。

作为解决上述问题的方法，正在研究不依赖于电流磁场的记录方法(即，磁性反转)。与自旋扭矩磁化反转有关的研究尤其活跃(例如，参见PTL1、PTL2、PTL3、NPL1和NPL2)。

以与MRAM相同的方式，在许多情况下，使用MTJ(磁性隧道结)配置使用自旋扭矩磁化反转的存储元件。

这样的结构在已通过固定在特定方向上的磁性层的自旋极化电子进入自由磁性层时，使用施加到自由磁性层(其磁化方向没有被固定)的扭矩(也被称为“自旋转移扭矩”)在以给定的阈值以上电流的流过时自由磁性层反转。0/1的重写通过改变电流的极性实现。

用于这样的反转的电流的绝对量对于约0.1毫米的大小的元件是1mA或以下。因为这样的电流量与元件容积成比例减小，所以小型化(scaling)是可能的。另外，因为不需要用于生成MRAM所需的记录电流磁场的字线(word line)，所以还有另一优势，即电解槽结构变得简单化。

在下文中，使用自旋扭矩磁化反转的MRAM被称作STT-MRAM(基于自旋扭矩转移的磁性随机存取存储器)。应注意，自旋扭矩磁化反转有时还被称作“自旋注入磁化反转(spin injection magnetization reversal)”。

对于STT-MRAM有极大期望，其作为非易失存储器能够减少电力消耗并增加容量，同时保持MRAM的优势，即，高速并且能够进行几乎无限次的改写。

当MTJ构造被应用于作为STT-MRAM的存储元件的构造时，作为一个实例，使用基底层、钉扎磁化层(pinned magnetization layer，固定磁化层)、中间层(绝缘层)、存储层、盖帽层(cap layer)构造。

应用MTJ构造的优点是可以确保大的磁阻变化率，这增加了读取信号。

在此，因为STT-MRAM是非易失存储器，所以需要稳定地存储通过电流所写入的信息。就是说，需要确保存储层的磁化中对于热波动的稳定性(也被称作“热稳定性”)。

如果不能确保存储层的热稳定性，会有以下情况，即，由于热(即，运行环境中的温度)导致反方向的磁化再反转，从而产生写入错误。

如上所述，与现有的MRAM相比，STT-MRAM存储元件对于小型化来说是有利的，或者换言之，具有以下优势，即可以减少存储层的体积。然而，当体积减少时，如果其他特性仍然相同，那么会存在热稳定性下降的趋势。

因为存储元件的体积变得显著减小，所以如果STT-MRAM的容量增加，那么保证热稳定性是一个重要的问题。

因此，热稳定性对于STT-MRAM中的存储元件是极度重要的特性并且需要使用即使在减少体积时仍能确保热稳定性的设计。

在此，重要的是，注意到了存储元件中的电流限于能够在选择晶体管(即，用于选择存储元件的晶体管，在该存储元件中电流流出构成每个存储单元的存储元件)中流动的电流的大小(即，选择晶体管的饱和电流)。换言之，需要使用选择晶体管的饱和电流或低于饱和电流的电流进行执行至存储元件的写入。

因为已知晶体管的饱和电流随着晶体管的小型化而降低，为了使STT-MRAM能够小型化，要求改善自旋转移的效率以便减少提供给存储元件的电流。

同样，如果隧道绝缘层被用在中间层中作为MTJ结构，故为了防止隧道绝缘层的介电击穿(dielectric breakdown)，对于提供给存储元件的电流量有限制。换言之，从保持存储元件的重复写入的可靠性的观点来看，同样需要抑制自旋扭矩磁化反转所需要的电流。

以这种方式，在STT-MRAM存储元件中，要求将自旋扭矩磁化反转所需要的反转电流减少到晶体管的饱和电流和针对作为隧道势垒(tunnelbarrier)的绝缘层(中间层)出现的击穿电流或更低。

就是说，对于STT-MRAM存储元件，要求确保如先前描述的热稳定性并且减少反转电流。

为了实现减少反转电流和保持热稳定性两者，注意力已被聚焦在使用垂直磁化膜作为存储层的构造上。

已提出了例如根据NPL3，在存储层中使用如Co/Ni的多层膜的垂直磁化膜，使得既可以减少反转电流又可以确保热稳定性。

存在许多类型的具有垂直磁各向异性的磁性材料，如稀土-过渡金属合金(如TbCoFe)、金属多层膜(如Co/Pd多层膜)、有序合金(如FePt)、以及氧化物和磁性金属之间的界面各向异性(interface anisotropy)的使用(如Co/MgO)。然而，考虑到实现提供STT-MRAM中的大的读取信号的磁阻的高变化率的隧道结构造的使用，并且同样考虑到耐热性和容易制造，期望使用界面各向异性的材料，即，其中将包括Co或Fe的磁性材料层压在Mg上作为隧道势垒的构造。

同时，同样期望在钉扎磁化层中使用具有界面磁各向异性的垂直磁化磁性材料。具体地，为了提供大的读取信号，希望将包括Co或Fe的磁性材料直接层压在MgO之下作为隧道势垒。

为了确保热稳定性，使用所谓的“层压铁磁钉扎结构(laminatedferri-pinned construction)”作为钉扎磁化层的构造。就是说，钉扎磁化层是由非磁性层和至少两个铁磁性层组成的至少三个层的层叠结构。一般说来，层压铁磁钉扎结构将通常使用两个铁磁性层和非磁性层(Ru)组成的层叠结构。

通过使用层压铁磁钉扎结构作为钉扎磁化层，可以减少由于从钉扎磁化层漏出的磁场导致的存储层上的偏离并且由此改进热稳定性。

发明内容

技术问题

在此，如上所述，对于STT-MRAM存储元件来说，重要的是改进热稳定性以减少元件尺寸(并且依次增加存储容量)。

确保热稳定性同样有助于存储装置的稳定运行。

期望进一步改善STT-MRAM存储元件的热稳定性以便使存储元件的更进一步地小型化、促进存储装置的存储容量的增加以及稳定存储装置的运行。

问题的解决方案

根据本技术的第一实施方式，提供一种包括分层结构的存储元件，该存储元件包括：存储层，具有垂直于存储层的表面的磁化，并且对应于信息改变其磁化方向；钉扎磁化层，具有垂直于钉扎磁化层的表面的磁化，并且用作用于存储在存储层中的信息的标准；以及绝缘层，由非磁性材料组成并且被设置在存储层与钉扎磁化层之间。通过在分层结构的层压方向上注入自旋极化电子改变存储层的磁化方向来执行存储层中的信息的记录，钉扎磁化层具有由非磁性层和至少两个铁磁性层组成的层压铁磁钉扎结构，使用CoFeB磁性层配置钉扎磁化层中的与绝缘层接触的磁性材料，钉扎磁化层中的不与绝缘层接触的磁性材料是使用Pt族金属元素和铁磁性3d过渡金属元素中的每一个的至少一种合金和层压结构中的一个，铁磁性3d过渡金属元素是3d过渡金属元素之中的铁磁性元素，并且Pt族金属元素的原子浓度低于铁磁性3d过渡金属元素的原子浓度。

本公开通过使用层压铁磁钉扎结构改善钉扎磁化层的特性来改善热稳定性。

在此，在STT-MRAM(基于自旋扭矩转移的磁性随机存取存储器)中，为了改善热稳定性，使用层压铁磁钉扎结构的钉扎磁化层需要的特性是高的层压铁磁耦合强度(laminated ferri coupling strength)。作为通过本发明人的详尽研究的结果，证实了其中作为界面磁各向异性的源极的垂直各向异性材料被布置在作为隧道势垒的绝缘层之下的结构中，改善了钉扎磁化层的层压铁磁耦合强度，在构成钉扎磁化层并且是使用Pt族金属元素和铁磁性3d过渡金属元素中的每一个的至少一种合金和层压结构中的一个的磁性材料中，有效地使Pt族金属元素的原子浓度低于铁磁性3d过渡金属元素的原子浓度，该铁磁性3d过渡金属元素是3d过渡金属元素之中的铁磁性元素。

因此，根据上述的本公开的实施方式，可以增加钉扎磁化层的层压铁磁耦合强度并且改善热稳定性。

发明的有益效果

根据本公开的上述实施方式，可以更进一步改善STT-MRAM存储元件的热稳定性，以便更进一步使存储元件小型化，并且促进存储装置的存储容量的增加。同样，通过改善热稳定性，可以稳定存储装置的操作。

根据本公开的实施方式的磁头使用与根据本公开的实施方式的存储元件相同的构造，可以实现具有优良的热稳定性的高度可靠的磁头。

附图说明

[图1]图1是根据本公开的实施方式的存储装置的示意性透视图。

[图2]图2是根据实施方式的存储装置的截面图。

[图3]图3是根据实施方式的存储装置的平面图。

[图4]图4是示出根据实施方式的存储元件的结构的概要的视图(截面图)。

[图5]图5是示出在实验1中所使用的样本的结构的视图(截面图)。

[图6]图6是示出从实验1中的各种样本的VSM测量结果求出Kut(各向异性能(anisotropic energy))的示图。

[图7]图7是示出在实验2中所使用的存储元件样本的结构的视图(截面图)。

[图8]图8是对说明从实验2中的各种样本的克尔(Kerr)测量结果求出的H耦合(Hcoupling)有用的示图。

[图9]图9是对说明MR-H波形的类型有用的示图。

[图10]图10是示出在实验3中所使用的存储元件样本的结构的视图(截面图)。

[图11]图11是示出作为变形例的存储元件的结构的视图(截面图)。

[图12]图12是示出将根据本实施方式的存储元件(磁电阻效应元件)应用于复合型磁头(composite magnetic head)的实例的视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图对本公开的优选实施例进行详细说明。应注意，在本说明书和附图中，具有相同功能和结构的结构元件采用相同的附图标记，并不再对这些结构元件进行重复说明。

按照以下指出的顺序描述本公开的实施方式。

1.根据实施方式的存储装置的总体构造

2.根据实施方式的存储元件的概要

3.实施例和实验结果

4.变形例

1.根据实施方式的存储装置的总体构造

首先，将描述存储装置的总体构造。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中所示，根据本实施方式的存储装置具有存储元件3，该存储元件使用被布置在两种类型的彼此垂直的地址线(例如，字线与位线)的交叉点附近的能够保持磁化状态中的信息的STT-MRAM(基于自旋转移扭矩的磁性随机存取存储器)。

就是说，构成用于选择存储元件3的选择晶体管的漏极区域8、源极区域7和栅电极1形成在通过元件分离层2所分离的半导体基板10(如硅基板)的部分上。在这样的部分以外，各个栅电极1同样用作在附图中的前后方向上延伸的一个地址线(字线)。

各漏极区域8形成为由在图1中的右选择晶体管和左选择晶体管共用，并且配线9连接至这样的漏极区域8。

具有存储层的存储元件3被布置在源极区域7与被布置在存储元件3上方并且在图1中的左右方向上延伸的位线6之间，该存储层的磁化方向根据自旋扭矩磁化反转而被反转。存储元件3使用磁性隧道结元件(MTJ元件)构成。

如图2中所示，存储元件3具有两个磁性层12、14。在两个磁性层12、14中，一个磁性层被设置为钉扎磁化层12，其磁化方向M12被固定并且另一个磁性层被设置为自由磁性层，即，存储层14，其磁化方向M14是可变的。

存储元件3还分别经由上部连接层和下部连接层4连接至位线6和源极区域7。

通过这样做，由两种类型的地址线1和6供应电流并且使得电流在上下方向(层压方向)上流入存储元件3中，这使得可以根据自旋扭矩磁化反转来使存储层14的磁化方向M14反转。

如图3中所示，存储装置通过在以矩阵形式垂直放置的大量的第一配线(字线)和第二配线(位线)的各个交叉点处布置存储元件3来配置。

在从上方观察时，存储元件3是圆形形状并且具有在图2中示出的截面构造。

如图2中所示，每个存储元件3包括钉扎磁化层12和存储层14。

各个存储元件3构成存储装置的存储单元。

使用这个存储装置，需要利用等于或低于选择晶体管的饱和电流的电流进行写入。因为已知晶体管的饱和电流与小型化一起减小，所以为了使存储装置小型化，优选地是增加自旋转移的效率并且减少存储元件3中流动的电流。

还需要确保磁阻的高变化率以增加读取信号。为了这样做，使用先前描述的MTJ构造是有效的，即，其中使用两个磁性层12、14之间的中间层是隧道绝缘层(隧道隔离层)的存储元件3配置。

如果隧道绝缘层以这种方法被用作中间层，则限制被强加于存储元件3中流动的电流量以防止隧道绝缘层的介电击穿。就是说，同样从确保存储元件的重复写入的可靠性的观点看，优选抑制自旋扭矩磁化反转所需要的电流。应注意，自旋扭矩磁化反转所需要的电流还被称作“反转电流”、“存储电流”等。

同样，因为根据本实施方式的存储装置是非易失存储器，所以需要使用电流稳定地存储已被写入的信息。就是说，需要确保存储层14的磁化中相对热波动的稳定性(热稳定性)。

如果不能确保存储层14的热稳定性，会有以下情况：即由于热(即，运行环境中的温度)而导致反方向的磁化再反转，从而产生存储错误。

与现有的MRAM相比，本存储装置的存储元件3(STT-MRAM)对于小型化是有利的，就是说，可以减少体积。当体积减少时，如果其他特性仍然相同，那么会存在热稳定性下降的趋势。

因为各个存储元件3的体积随着STT-MRAM的容量的提高变得显著减小，故保证热稳定性是一个重要的问题。

因此，热稳定性对于STT-MRAM中的存储元件3是极其重要的特性，并且需要使用即使在减少体积时仍能确保热稳定性的设计。

2.根据实施方式的存储元件的概要

接下来，将参考图4描述根据本实施方式的存储元件3的结构的概要。

如图4中所示，存储元件3具有按以下顺序层压在基底层11上的钉扎磁化层(还被称作“参考层”)12，其磁化方向M12是固定的；中间层(非磁性层：隧道绝缘层)13；存储层(自由磁化层)14，其磁化方向M14是可变的；以及间隙层15。

存储层14具有垂直于膜表面的磁化M14并且其磁化的方向与信息相对应地改变。

钉扎磁化层12具有垂直于膜层的磁化M12并且用作用于存储在存储层14上的信息的标准。钉扎磁化层12的磁化方向M12通过高矫磁力(coercivity)等钉扎。

中间层13是非磁性材料并且被设置在存储层14与钉扎磁化层12之间。

通过注入在包括存储层14、中间层13和钉扎磁化层12的分层结构的层压方向上自旋极化的电子，存储层14的磁化的方向改变，从而在存储层14中记录信息。

接下来，将简要描述自旋扭矩磁化反转。

电子具有两种类型的自旋角动量(spin angular momentum)。假定这样的类型在这里被限定为“向上的”和“向下的”。在非磁性材料中，两种类型的数量相等，而在铁磁性材料内部，两种类型的数目有差异。考虑在构成STT-MRAM的铁磁性材料的两个层的钉扎磁化层12和存储层14中的相应的磁矩(magnetic moment)在相反的方向(即，反向平行)上的情况下，使得电子从钉扎磁化层12移动到存储层14情况。

钉扎磁化层12是由于高矫磁力使磁矩的方向被固定的钉扎磁性层。

通过钉扎磁化层12的电子是自旋极化的，即，向上的类型和向下的类型的相应的数量之间产生了差异。如果作为非磁性层的中间层13的厚度被制成足够薄，那么在标准的非磁性材料中电子将由于通过钉扎磁化层12是适度的和未极化的状态(其中向上的类型和向下的类型的数量是相等的)而在自旋极化之前到达另一磁性材料，即存储层14。

因为自旋极化的标志在存储层14中是相反的，所以为了减少系统能量，一些电子被反转，即，改变自旋角动量的方向。这时，因为需要保持系统的总角动量，所以与由改变电子的方向所引起的角动量改变的总数相等的反应力同样被施加到存储层14的磁矩。

如果电流低，即每单位时间通过的电子的数量低，那么因为方向改变的电子的总数也低，所以存储层14的磁矩产生的角动量的改变同样小。然而，如果电流增加，那么每单位时间可以施加大的角动量的改变。

随时间变化的角动量是扭矩，并且如果扭矩超过给定的阈值，则存储层14的磁矩的运动开始，并且由于单轴各向异性，磁矩在旋转180度的位置处变得稳定。就是说，发生从相反的方向(反向平行)到相同方向(平行)反转。

当磁化处于相同的方向上时，如果电流在相反方向上流动从而将电子从存储层14发送到钉扎磁化层12，那么这时候通过钉扎磁化层12反射的自旋反转的电子将被提供关于进入存储层14的扭矩，使得可以将磁矩反转到相反的方向。然而，当这样做时，引起反转所需的电流量大于当从相反的方向反转到相同的方向时。

尽管难以直观地理解从相同的方向到相反的方向的磁矩的反转，但考虑钉扎磁化层12的磁矩由于钉扎磁化层12被固定而没有被反转，并且因此存储层14被反转以保存整个系统的角动量。

以这种方法，0/1的记录通过使与相应的极性相对应并且具有等于或高于阈值的量的电流在从钉扎磁化层12到存储层14的方向上或在相反方向上流动来实现。

同时，以与现有的MRAM同样的方式，使用磁电阻效应实现信息的读取。就是说，以与上述记录同样的方法，使得电流在垂直于膜表面的方向上流动。利用元件所以表现出的磁阻根据存储层14的磁矩是否在与钉扎磁化层12的磁矩处于相同的方向上、或者处于相反的方向上而改变的现象。

用作钉扎磁化层12与存储层14之间的中间层13的材料可以是金属或者可以是绝缘体。然而，存在以下情况，其中绝缘体被用作中间层以获得更高的读取信号(或电阻的变化率)并且使得能够利用更小的电流进行记录。这样的元件被称作磁性隧道结(MTJ)。

然而，当通过自旋扭矩磁化反转使磁性层的磁化方向反转时，需要的电流的阈值Ic根据磁性层的易磁化轴是否处于平面内的方向或垂直方向而不同。

如果平面内磁α化类型STT-MRAM的反转电流被表示为“Ic_para”，

那么，平行->反向平行：Ic_para＝(A×α×Ms×V/g(0)/P)(Hk+2piMs)

反向平行->平行：Ic_para＝-(A×α×Ms×V/g(pi)/P)(Hk+2piMs)

同时，如果垂直磁化类型STT-MRAM的反转电流被表示为“Ic_perp”，

平行->反向平行：Ic_perp＝(A×α×Ms×V/g(0)/P)(Hk-4piMs)

反向平行->平行：-(A×α×Ms×V/g(pi)/P)(Hk-4piMs)

其中A是恒定值，α是阻尼常数，Ms是饱和磁化，V是元件容量，g(0)P、g(pi)P是与当磁性平行或反向平行时自旋扭矩被转移到另一个磁性层的效率相对应的系数，并且Hk是磁各向异性(参见NPL 3)。

在以上等式中，通过比较垂直磁化类型的(Hk-4piMs)与平面内磁化类型(Hk+2piMs)，可以理解垂直磁化类型适于减少记录电流。

应注意，当使用具有下面描述的热稳定性的指数的Δ的关系表示时，反转电流Ic通过以下等式1表示。

[数学式1]

Ic = (\frac{4 e k_{B} T}{h}) (\frac{αΔ}{η})

(等式1)

其中e是电子的电荷，η是自旋注入效率，具有横杆的h是转换普朗克常数，α是阻尼常数，k_B是玻耳兹曼常数，并且T是温度。

在此，为了能够用作存储器，需要保留写入存储层14中的信息。保留信息的能力是从热稳定性的指数Δ(＝KV/k_BT)的值确定的。Δ由以下等式2表示。

[数学式2]

Δ = \frac{KV}{k_{B} T} = \frac{MsVHk}{2 k_{B} T}

(等式2)

在此，K是各向异性能，Hk是有效各向异性磁场，kB是玻耳兹曼常数，T是温度，Ms是饱和磁化，并且V是存储层的容量。

有效各向异性磁场Hk受磁性形状各向异性、磁感应各向异性、晶体磁各向异性等的影响，并且如果假定是具有单个磁区的一致旋转模型(coherent rotation model)，那么有效各向异性磁场Hk等于矫磁力。

在许多情况下，热稳定性Δ的指数Δ与电流阈值Ic是制约关系。这意味着为了保持存储器特性，有利地设定两个值通常是有问题的。

实际上，对于存储层14的厚度是约2nm并且平坦图案具有约100nm的直径，例如，圆形TMR元件，改变存储层14的磁化的电流的阈值是约一百至几百微安培。

相反地，在通过电流磁场对磁化进行反转的标准MRAM中，需要几毫安或更大的写入电流。

因此，因为写入电流的阈值对于STT-MRAM是如上所述的足够小，所以这同样有效地减少了集成电路的电力消耗。

同样，因为不需要用于生成电流磁场的配线的标准MRAM，所以与标准的MRAM相比在集成密度方面同样是有利的。

在此，如果实现自旋扭矩磁化反转，那么因为电流被直接施加到存储元件3以执行信息写入(记录)，所以存储单元通过将存储元件3连接至选择晶体管来配置，从而选择执行写入的存储单元。

在这种情况下，存储元件3的电流是由能够在选择晶体管中流动的电流的量限制的(就是说，选择晶体管的饱和电流)。

期望使用如上所述的垂直磁化以减少记录电流。因为垂直磁化膜通常同样能够具有比平面内磁化膜更高的磁各向异性，这对于保持上述Δ的高位值同样是更可取的。

尽管存在具有垂直各向异性的各种类型的磁性材料，如稀土过渡金属合金(类似TbCoFe)、金属多层膜(类似Co/Pd多层膜)、有序合金(类似FePt)以及氧化物和磁性金属之间的界面各向异性的使用(类似Co/MgO)，但因为稀土过渡金属合金在由于热导致扩散和结晶时损失他们的垂直各向异性，所以这样的合金不适合作为STT-MRAM材料。同样已知金属多层膜由于热而扩散，使得垂直各向异性劣化，并且因为这样的垂直各向异性是由面心立方(111)方位表示的，所以难以实现MgO需要的的(001)方位和/或布置为邻近于MgO的Fe、CoFe、CoFeB的高度极化层。L10有序合金在高温下是稳定并且表现出具有(001)方位的垂直各向异性，这意味着上述问题不会出现，但需要或者通过在制造过程中加热至500摄氏温度或以上的足够高的温度或者通过在制造之后在500摄氏温度或以上的高温度下进行热处理，这具有引起如隧道势垒的层压膜的其他部分中的不希望的扩散并且增加界面粗糙的风险。

相反地，使用界面磁各向异性的材料，即其中Co类型或Fe类型材料被层压在MgO之上的材料，该材料是不容易受到的任何上述问题的影响的隧道势垒并且因此有望作为STT-MRAM的存储层材料。

同时，期望在固定的磁化层12中使用具有界面磁各向异性的垂直磁化磁性材料。具体地，为了提供大的读取信号，期望包括Co或Fe的磁性材料层压在MgO下面，作为隧道势垒。

在本实施方式中，存储层14是CoFeB垂直磁化膜。

另外，考虑到选择晶体管的饱和电流值，利用由绝缘体制成的隧道绝缘层将存储层14和钉扎磁化层12之间的中间层13配置为磁性隧道结(MTJ)元件。

通过使用隧道绝缘层配置磁性隧道结(MTJ)元件，与巨大的磁电阻效应(GMR)元件是使用非磁性的导电层构成的情况相比，可以增加磁阻的变化率(MR比率)并且可以增加读取信号强度。

具体地，通过使用氧化镁作为隧道绝缘层的中间层13的材料，可以增加磁阻的变化率(MR比率)。

自旋转移的效率通常取决于MR比率，并且MR比率越高，自旋转移的效率越高，使得可以减少磁化反转电流密度。

因此，通过使用如上所述的存储层14同时使用氧化镁作为隧道绝缘层的材料，可以减少使用自旋扭矩磁化反转的写入阈值电流，并且因此可以利用小的电流执行信息的写入(记录)。还可以增加读取信号强度。

通过这样做，可以保持MR比率(TMR比率)并减少使用自旋扭矩磁化反转的写入阈值电流，使得可以利用小的电流进行信息写入(记录)。同样可以增加读取信号强度。

如果隧道绝缘层以这种方法由氧化镁(MgO)膜形成，更期望使MgO结晶化并且保持结晶配向在(001)方向上。

注意，在本实施方式中，除了存储层14与钉扎磁化层12之间的中间层由先前描述的氧化镁制成的结构以外，同样可以使用利用各种绝缘体、电介质和半导体(如氧化铝、氮化铝、SiO₂、Bi₂O₃、MgF₂、CaF、SrTiO₂、AlLaO₃以及Al-N-O)的结构。

从利用自旋扭矩磁化反转获得使存储层14的磁化方向反转所需要的电流密度的观点来看，希望将隧道绝缘层的面电阻控制到约几十欧姆平方微米或更小。

同样，为了将由MgO膜制成的隧道绝缘层的面电阻设定在以上指出的范围中，希望将MgO膜的厚度设定在1.5nm以下。

在根据本实施方式的存储元件3中，盖帽层15被布置为邻近于存储层14。

在此，在存储元件3中，尽管可以使用单层结构作为磁化层12的结构，但有效的是使用由两个以上的铁磁性层和非磁性层组成的层压铁磁钉扎结构。通过利用层压铁磁钉扎结构作为钉扎磁化层12，可以容易地抵消热稳定性相对于信息写入方向的不对称，并且改善相对于自旋扭矩的稳定性。

因此，在本实施方式中，假设钉扎磁化层12是层压铁磁钉扎结构。就是说，层压铁磁钉扎结构由非磁性层和至少两个铁磁性层组成。

为了改善热稳定性，钉扎磁化层12所需要的特性是当在结构中使用的磁性层是相同的时层压铁磁耦合强度高。

作为本发明人的广泛研究的结果，证实了增加用作界面磁各向异性的源极的垂直各向异性材料被布置在隧道势垒绝缘层下方的结构中的钉扎磁化层12的层压铁磁耦合强度，重要的是，增加构成钉扎磁化层12的至少两个磁性膜的磁各向异性能，并且尤其是在不接触隧道势垒绝缘层的磁性层中使用具有大的各向异性能的Pt族金属元素和作为3d过渡金属元素之中的铁磁性3d过渡金属元素中的至少一种合金和层压结构。在这时，发现通过将Pt族金属元素的原子浓度设定为低于铁磁性3d过渡金属元素，增加了层压铁磁耦合强度。

针对上述原因，在根据本实施方式的存储元件3中，钉扎磁化层12被配置如下。

即，假设根据本实施方式的钉扎磁化层12具有由非磁性层和至少两个铁磁性层组成的层压铁磁钉扎结构，那么在钉扎磁化层中与记录层接触的磁性材料由CoFeB磁性层组成，钉扎磁化层中的不与绝缘层接触的磁性材料由使用Pt族金属元素和铁磁性3d过渡金属元素中的每一个的至少一种合金和层压结构组成，该铁磁性3d过渡金属元素是3d过渡金属元素之中的铁磁性元素，并且Pt族金属元素的原子浓度低于铁磁性3d过渡金属元素。

通过利用这个结构，可以增加钉扎磁化层12的铁磁性耦合强度并且进一步改善热稳定性(即，保持信息的能力)。通过改善终端稳定性，可以进一步小型化存储元件3并且促进存储装置的增加的存储容量。

同样，通过改善热稳定性，可以抑制操作误差并且获得存储元件3的足够的操作余量(margin)，从而使得存储元件3可以稳定地操作。

因此，可以实现操作稳定性并且具有高可靠性的存储装置。

利用根据本实施方式的存储元件3，因为存储层14是垂直磁化膜，所以可以减少使存储层14的磁化方向M14反转所需要的写入电流。

通过以这种方法减少写入电流，可以减少当在存储元件3中进行写入时的电力消耗。

在此，如图4中所示，可以根据本实施方式制造存储元件3，通过首先在真空器件内连续形成基底层11至金属盖帽层15并且然后通过如蚀刻的机械加工形成存储元件3的图案。

因此，当制造存储装置时存在优势，即可以使用典型的半导体MOS形成工艺。就是说，根据本实施方式的存储装置可以用作通用存储器。

应注意，在根据本实施方式的存储元件3中，同样可以将无磁性元件添加到存储层14。

通过添加不同类型的元素，获得如通过防止扩散改善耐热性的效果、增加磁电阻效应以及伴随平稳的介电击穿电压的改善的效果。作为添加元素的材料，可以使用B、C、N、O、F、Li、Mg、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ge、Nb、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、Ir、Pt、Au、Zr、Hf、W、Mo、Re和Os或其合金和氧化物。

作为存储层14，同样可以直接层压不同组合物的另一个铁磁性层。可替换地，同样可以层压铁磁性层和软磁性层或者层压在中间具有软磁性层或非磁性层的多个铁磁性层。即使当以这种方法进行层压时依然可以实现本公开的效果。

具体地，当使用多个铁磁性层与中间的非磁性层一起层压的结构时，因为可以调整铁磁性层之间的相互作用的强度，所以借此获得以下效果，即可以抑制磁化反转电流变大。在此情况下，可以使用Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo和Nb或者其合金作为一个或多个非磁性层的材料。

期望钉扎磁化层12和存储层14的相应的厚度在0.5nm至30nm的范围中。

期望存储元件3的尺寸减少使得存储层14的磁化方向能够利用小的电流而很容易地反转。

作为一个实例，期望存储元件3的面积在0.01平方微米以下。

作为存储元件3的剩余结构，可以使用根据自旋扭矩磁化反转记录信息的现有的存储元件的已知的结构。

作为一个实例，可以使用Co、CoFe、CoFeB等作为构成层压铁磁钉扎结构的钉扎磁化层12的铁磁性层的材料。同样，作为非磁性层的材料，可以使用Ru、Re、Ir、Os等。

如FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO和Fe₂O₃的磁性材料可以给定为反铁磁性层的材料的实例。

可以将如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Ta、Hf、Ir、W、Mo和Nb的无磁性元件添加到这样的磁性材料以调整磁特性和/或调整作为物质的如晶体结构、结晶性、和稳定性的各种其他特性。

存储元件3的膜结构(分层结构)可以是存储层14布置在钉扎磁化层12的下面的任何结构。

3.实施例和实验结果

实验1

在此，样本被制作用于根据本实施方式的存储元件3并且研究磁性特性。

注意，尽管如图1中所示，物理存储器设备除存储元件3之外包括用于切换的半导体电路等，这里进行的研究利用其上仅形成CoPt垂直磁化膜的晶片以便研究钉扎磁化层12的垂直磁化膜的磁性特性。

对于这样的样本，具有300nm厚度的热氧化膜形成在具有0.725mm的厚度的硅基板上并且然后在顶部形成在图5中示出的层压结构。

更具体地

-基底层11：由10nm厚的Ta膜和25nm厚的Ru膜组成的层压膜

-钉扎磁化层12中的垂直磁化膜：2nm厚的CoPt膜

注意，在这个实验中，如附图所示，3nm的Ru膜和3nm的Ta层膜被层压形成为钉扎磁化层12中的垂直磁化膜上的保护层。

同样，在这个实验中，CoPt膜的组合物在Pt＝0至52原子％的范围中改变。应注意，表达式Pt＝0原子％指的是Pt：5nm/Co：2nm的层压结构。当以这种方式使用Pt：5nm/Co：2nm时，因为Co和Pt不是混合的，所以Pt被处理为基底，导致Pt＝0原子％。

在所有如上所述的膜被沉积之后，这个实验的样本经历350摄氏温度下的热处理。

在这个实验中，使用振动探针式磁强计(VSM)测量磁特性。

对于如上所述的通过变化CoPt组合物产生的各种样本，由VSM测量结果计算的Kut(各向异性能乘以CoPt层压厚度)在图6中示出。在此，Kut是通过测量样本的膜表面的平面内方向上的饱和磁化和在垂直于膜表面的方向上的饱和磁化Ms所需要的外加磁场(Hk)而求出的。

如图6中所示，Pt原子％是0至38％的范围中的Kut基本上持续以0.6尔格/cc而保持不变或具有稍微降低的倾向，但是当Pt原子％超过40％时，观察到在约0.1尔格/cc的Kut中的相对大的降低。从这样的结果，可以确认当Pt原子％接近40％时发生CoPt的Kut的大的改变。同样建立Pt原子％超过50％的样本的Kut是0.3尔格/cc以下，这是到Pt原子％是0至38％的样本的一半或更少的大的下降。

从这样的结果，可以说明期望构成垂直磁化膜的Pt族金属元素的原子浓度是40％以下以实现稳定性以及钉扎磁化层的足够的层压铁磁耦合强度。

实验2

下面，构成根据本实施方式的存储元件3的整个结构的样本并且研究其特性。

在实验2中，这里进行的研究使用在其上仅形成存储元件3的晶片以研究钉扎磁化层12的磁化反转特性。

更具体地，具有300nm厚度的热氧化膜形成在具有0.725mm的厚度的硅基板上，然后使用在图7中示出的结构在顶部上形成存储元件3。

如图7中所示，构成钉扎磁化层12的各个层的材料和厚度的选择如下所示。

-钉扎磁化层12：CoPt的层压膜：2nm/Ru：0.8nm/CoFeB：2nm

同样，在这个实验中，CoPt的组合物在Pt＝0至52原子％的范围中改变。应注意，在这种情况下表达式Pt＝0原子％同样指的是Pt：5nm/Co：2nm的层压结构。

除了钉扎磁化层12以外各个层的材料和厚度的选择如下所示。

-基底层11：10nm厚的Ta膜和25nm厚的Ru膜的层压膜

-中间层(隧道绝缘层)13：0.9nm厚的氧化镁膜

-存储层14：CoFeB：1.5nm

-盖帽膜15：Ta：3nm/Ru：3nm/Ta：3nm的层压膜：

在所有如上所述的膜被沉积之后，这个实验的样本经历在350度下的热处理。

钉扎磁化层12和存储层14的CoFeB合金的组合物设定在CoFe80％(Co30％-Fe70％)-B20％(全部原子％)。

由氧化镁(MgO)膜组成的中间层13使用RF磁控溅射沉积并且另一个膜使用直流磁控管溅射沉积。

在这个实验中，磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)被应用于测量磁特性。

现在将参考图8描述通过如上所述变化CoPt族合物产生的各个样本的从测量刻尔效应的结果发现的H耦合。

在图8中，图8A表示用于相应的样本的H耦合。在此，如在图8B中示出的，H耦合被限定在层压铁磁耦合断开的磁场(3kOe)处。

如图8A所示，H耦合与如在图6中示出的Kut表现相同的关于依赖于Pt原子％的趋势，当Pt原子％接近40％时H耦合的量存在改变点。更详细地，尽管直至Pt原子％是42％H耦合保持在某个水平，但对于Pt原子％是52％的样本H耦合基本失去。因此，从这个实验的结果，可以说获得特定水平的H耦合，Pt原子％需要至少低于Co的原子％，并且更加期望地，如果Pt原子％低于40％，可以实现大的H耦合，即，更稳定的层压铁磁耦合强度。

实际上，当具有50nm直径Φ的元件被处理并研究电特性时，尽管当具有任何CoPt组合物的样本的面电阻在10欧姆平方微米附近时获得10％以上的电阻改变，对于具有52％的Pt原子％的样本，不会获得层压铁类型MTJ的预期的MR曲线，并且代替该结果的是接近矫顽力差异类型MTJ的期望的MR曲线。

同样，在这个实验中，如以下表1所示，对于具有在图7中示出的结构的存储元件3中的Pt原子％分别设定在0％(实施例1)、19.5％(实施例2)、28％(实施例3)、32.5％(实施例4)、37％(实施例5)、以及42％(比较例1)的六个样本，发现MR-H波形类型、当施加2.0kOe外加磁场时TMR的下降、热稳定性的指数Δ以及反转电流密度Jc0(MA/cm²)。

应注意，Δ和Jc0是通过测量脉冲宽度与存储层磁化反转电流的相关性而发现的。

表1

在此，将参考图9描述表1中的“MR-H波形类型”。

在图9中，图9A示出类型1、类型2和类型3作为MR-H波形类型。在图9B中，示出类型4作为MR-H波形类型。

MRH曲线是通过在施加外加磁场至存储元件样本的同时测量电阻的改变产生的，并且MR(TMR)是通过除以在低电阻状态下电阻(高电阻状态中的电阻-低电阻状态下的电阻)并且将结果乘以100求得的。

在图9A中示出的作为类型1的MR-H曲线中，当施加的外加磁场在正的或负的3.0kOe的范围中时保持完美的矩形波形，并且因此是理想的MR-H曲线。

另一方面，对于类型2和类型3两者，当施加的外加磁场在正的2.0kOe附近时观察到矩形降低，即，MR下降。以更精确的术语来说，尽管对于类型2和类型3两者在2.0kOe附近观察层压铁磁耦合强度的劣化，因为当施加3.0kOe时MR保持明显大于零的值，层压铁磁耦合强度依然相当高。如附图所示，当施加2.0kOe至3.0kOe时下降的程度类型3大于类型2，并且因此类型2具有比类型3更有利的层压铁磁耦合强度。

与类型1至类型3不同，对于在图9B中示出的类型4，当施加磁场在2.0kOe附近时MR下降至零。这与钉扎磁化层12中的CoFeB相对应，该CoFeB在2.0kOe附近完全反转。就是说，这与钉扎磁化层12的层压铁磁钉扎结构的破损相对应。

如从这样的结果可以理解，因为层压铁磁耦合弱，所以从保持热稳定性并减少电力消耗的角度来看不期望类型4。

从以上给定的表1中的结果，可以理解如果CoPt的Pt原子浓度改变，那么MR-H波形的类型改变。更具体地，可以理解在具有很少的Pt的组合物中层压铁磁耦合强度强并且随着Pt增加变弱。

从表1的结果，可以理解MR-H波形的类型3和类型4之间的分界存在于37％的Pt原子％(实施例5)和42％的Pt原子％(比较例1)之间，并且还出现了10和100之间的TMR的下降的大的差异。同样从这样的结果，可以理解从保持层压铁磁耦合强度的角度里来看期望的Pt原子浓度是先前描述的40原子％或以下。

同样，从表1的结果，可以确定当Pt在如实施例1至实施例5的0原子％至37原子％的范围中(即，类型1至类型3样本)时，不会观察到△和Jc0的特征的大的差异。相反地，对于如其中Pt＝42原子％并且获得类型4波形的比较例1的样本，△稍微降低而Jc0增加约百分之50。从这样的结果，可以理解MR-H波形(具体地，层压铁磁耦合强度)和自旋注入磁化反转特征之间存在大的相关性。自旋注入磁化反转特征的差异的原因被认为如下。当自旋极化的电流注入到存储元件中时，如果层压铁磁耦合强度弱，那么磁化不仅在存储层14而且在钉扎磁化层12中将会波动。

应注意，尽管省去结果的详细说明，但确定即使当由CoPd、FePt、和FePd(即，在3d过渡金属元件以外的铁磁性元件的铁磁性3d过渡金属元素和Pt族金属元素的组合)形成不与中间层13(隧道势垒绝缘层)接触的钉扎磁化层12中的垂直磁化膜时，获得与上述实验完全相同的趋向。

应注意，除了Co和Fe以外，Ni也可以给定作为如上所述的铁磁性3d过渡金属元素的实例。

实验3

尽管已描述了对于具有CoPt/Ru/CoFeB结构的钉扎磁化层12的实验结果，但同样产生旨在更进一步地增加层压铁磁耦合强度的CoPt/Ru/CoPt/CoFeB的层叠结构的样本并且对其进行测试。

图10示出实验3中使用的存储元件样本的分层结构。如附图所示，这样的样本与在图7中示出的样本相同，按从下部的顺序布置基底层11、钉扎磁化层12、中间层13、存储层14和金属盖帽层15。

在这个实验中，产生钉扎磁化层12的分层结构设定在CoPt：2nm、Ru：0.8nm、CoPt：x nm、CoFeB：(2-x)nm的样本并且研究这样的样本的特性。

应注意，在这个实验中同样，研究使用在其上仅形成具有在图10中示出的结构的存储元件3的晶片进行。

更具体地，具有300nm的厚度的热氧化膜形成在具有0.725mm的厚度的硅基板上并且然后在顶部上形成具有在图10中示出的结构的存储元件3。

在这个实验中，除了钉扎磁化层12以外的膜结构(即，基底层11、中间层13、存储层14和盖帽层15的膜结构)与先前描述的实验2中的相同。

在这个实验中，CoPt的组合物钉扎在Pt＝42原子％并且在其中以上给定的x(nm)是x＝0、x＝0.5和x＝1.0的情况下分别产生样本。

在此，x＝0.5的样本被设定为“实施例6”并且x＝1.0的样本被设定为“实施例7”。因为x＝0的样本与先前描述的比较例1相同，所以这样的样本在这个实验中同样表示为“比较例1”。

应注意，在这种情况下同样，Pt＝0原子％指的是Pt：5nm/Co：2nm的层叠结构。

对于上述实施例6、实施例7、和比较例1的样本，以与先前的表1中相同的方法发现MR-H波形类型、当施加2.0kOe外加磁场时TMR的下降、热稳定性的指数Δ以及反转电流密度Jc0(MA/cm²)。

结果在以下表2中示出。

表2

从表2中的结果，对于具有CoPt/Ru/CoFeB结构的实施方式6和实施方式7的样本，可以理解不管Pt是否设置在42原子％，MR-H波形类型是类型1并且当施加2.0kOe的外加磁场时TMR的下降是0。

从这样的结果，可以理解通过使用CoPt/Ru/CoPt/CoFeB结构(即，钉扎磁化层12中的非磁性层的上表面和下表面两者均接触使用每个Pt族金属元素和铁磁性3d过渡金属元素的至少一种铁磁性材料的结构)，即使Pt原子浓度是对于CoPt/Ru/CoFeB结构(比较示例1)不能确保层压铁磁耦合强度的Pt原子浓度也可以确保层压铁磁耦合强度。换言之，通过使用具有CoPt/Ru/CoPt/CoFeB结构的钉扎磁化层12中的上表面和下表面两者均接触使用Pt族金属元素的和铁磁性3d过渡金属元素中的每一个的至少一种磁性材料的结构，层压铁磁耦合强度与仅具有CoPt/Ru/CoFe结构的钉扎磁化层12非磁性层的下表面接触使用每个Pt族金属元素和铁磁性3d过渡金属元素中的至少一种磁性材料的结构的情况相比得到改善。

当以这种方法使用CoPt/Ru/CoPt/CoFeB结构时层压铁磁耦合强度的改善是由于称为这样的结构内的CoPt/CoFeB/MgO隧道势垒的结构的存在。就是说，尽管在CoPt/Ru/CoFe结构用于先前的实验2的情况下CoFeB是仅使用界面磁各向异性垂直磁化的，但通过使用CoPt/CoFeB结构，正铁磁耦合强度本身具有基于CoPt的晶体磁各向异性使用垂直各向异性的能力而变得更强。

通过在磁性层中直接在MgO势垒下面引入具有大的阻尼常数的材料(Pt)，即作为钉扎磁化层12，存在增加针对自旋注入的稳定性并且增加自旋扭矩抗力的优势。

从以上表2中的结果，从Δ与Jc0之间的关系可以确认减少Jc0的效果是由于将高阻尼常数的Pt添加到钉扎磁化层12中而获得的。

在此，即使利用CoPt/Ru/CoPt/CoFeB结构，需要使CoPt中的Pt的原子％低于Co，并且更加优选地通过将Pt原子设定在40％以下，以与CoPt/Ru/CoFeB结构同样的方式实现更大的H耦合和更稳定的层压铁磁耦合强度。

4.变形例

尽管以上已经描述了本公开的实施方式，但本公开不限于上述实施例。

作为一个实例，根据本公开的实施方式的存储元件的结构已描述为如TMR元件的磁电阻效应元件结构，这样的磁电阻效应元件作为TMR元件不限于上述存储装置并且还可以应用于各种电子设备，电气设备等，诸如磁头、配备有这样的磁头的硬盘驱动和集成电路片，以及应用于个人计算机、移动终端、移动电话和磁性传感器设备。

作为一个实例，图12A和图12B示出使用上述存储元件3的结构的磁电阻效应元件101应用到复合型磁头100的情况的实例。应注意，图12A是已经局部切除的复合型磁头100的透视图，以便示出内部结构并且图12B是复合型磁头100的截面图。

复合型磁头100是用在硬盘装置等中的磁头，并且具有形成在基板122上的根据本公开的实施方式的磁电阻效应类型磁头并且具有感应磁头，形成为层压在磁电阻效应类型磁头上。此处，磁电阻效应类型磁头操作为再生磁头并且感应磁头被操作为记录磁头。就是说，通过结合再生磁头和记录磁头来配置复合型磁头100。

设置在复合型磁头100中磁电阻效应类型磁头是所谓的“屏蔽类型MR头”并且包括形成在基板122上的第一磁屏蔽125，其中间具有绝缘层123，磁电阻效应类型磁性元件101形成在第一磁屏蔽125上，其中间具有绝缘层123，并且第二磁屏蔽127形成在磁电阻效应类型磁性元件101上，其中间具有绝缘层123。绝缘层123由如Al₂O₃或SiO₂的绝缘材料制成。

第一磁屏蔽125磁性屏蔽磁电阻效应类型磁性元件101的下层侧并且由如Ni-Fe的软磁性材料组成。磁电阻效应类型磁性元件101形成在第一磁屏蔽125上，其中间具有绝缘层123。

磁电阻效应类型磁性元件101在磁电阻效应类型磁头中起到磁性敏感装置的功能，检测来自磁性记录介质的磁性信号。磁电阻效应类型磁性元件101具有与先前描述的存储元件3相同的膜结构(分层结构)。

磁电阻效应类型磁性元件101形成为大致的矩形形状，并且一侧表面暴露于磁性记录介质的相对表面。偏压层128、129被布置在磁电阻效应类型磁性元件101的两端处。同样形成被连接到偏压层128、129的连接端子130、131。感应电流通过连接端子130、131提供给磁电阻效应类型磁性元件101。

此外，第二磁屏蔽127被设置在偏压层128、129上，其中间具有绝缘层123。

形成为层压在如上所述的磁电阻效应类型磁头上的感应磁头包括磁芯，由第二磁屏蔽127和上部芯132构成，并且形成薄膜线圈133以缠绕在这样的磁芯周围。

上部芯132与第二磁屏蔽127一起形成闭合磁路，形成感应磁头的磁芯，并且由如Ni-Fe的软磁性材料制成。在此，第二磁屏蔽127和上部芯132的前端部分暴露于磁性记录介质的相对表面，并且在其后端部分处第二磁屏蔽127和上部芯132彼此接触。在此，形成第二磁屏蔽127和上部芯132的前端部，使得在磁性记录介质相对表面处设置第二磁屏蔽127与上部芯132之间的特定间隙g。

就是说，在复合型磁头100中，第二磁屏蔽127不仅磁性屏蔽磁电阻效应元件126的上层侧而且用作感应磁头的磁芯，使得感应磁头的磁芯由第二磁屏蔽127和上部芯132构成。间隙g形成感应磁头的记录磁隙。

嵌入绝缘层123中的薄膜线圈133形成在第二磁屏蔽127上。此处，薄膜线圈133形成为缠绕在由第二磁屏蔽127和上部芯132制成的磁芯的周围。尽管未示出，但薄膜线圈133的两端部分暴露于外侧，并且形成在薄膜线圈133的两端处的端子形成感应磁头的外部连接端子。就是说，当在磁性记录介质上记录磁性信号时，记录电流从这样的外部连接端子提供给薄膜线圈133。

如上所述，层压结构作为根据本公开的实施方式的存储元件能够用作磁性记录介质的再现磁头，即，作为检测来自磁性记录介质的磁性信号的磁性敏感元件。

通过将层压结构作为根据本公开的实施方式的存储元件应用到磁头，可以实现具有优良的热稳定性的高度可靠的磁头。

尽管已举例描述了由基底层11、钉扎磁化层12、中间层13、存储层14和盖帽层15组成的存储元件3的结构，但作为根据本公开的实施方式的存储元件(和磁头)，其同样可以使用以下结构作为存储元件3#，即钉扎磁化层12被划分并且被布置在存储层14的底部和顶部两者上，如在图11中示出的在基底层11-下部钉扎磁化层12L-下部中间层13L-存储层14-上部中间层13U-上部钉扎磁化层12U-盖帽层15的结构。

下部钉扎磁化层12L的磁化方向M12和上部钉扎磁化层12U的磁化方向均在图11中示出，磁化方向M12L和M12U在示出的实例中是相反的。

同样在此情况下，下部中间层13L和上部中间层13U以与中间层13同样的方式由MgO等的氧化膜组成。

即使利用钉扎磁化层12被划分并且以这种方法布置在顶部和底部上的结构，对于上部和下部钉扎磁化层12来说，通过使用与先前描述的钉扎磁化层12相同的结构，即“由非磁性层和至少两个铁磁性层组成的层压铁磁钉扎结构，在使用CoFeB磁性层配置所述钉扎磁化层中的与所述绝缘层接触的磁性材料的情况下，钉扎磁化层中的不与绝缘层接触的磁性材料是使用Pt族金属元素和铁磁性3d过渡元素中的至少一个的至少一种合金或的层压结构，并且Pt族金属元素的原子浓度低于铁磁性3d过渡元素”，也可以以同样的方式获得改善热稳定性的效果。

同样，尽管已经作为例子在以上说明中描述了存储层14和钉扎磁化层12的CoFeB组合物是相同的情况，但这种组合物可具有不脱离本公开范围的范围内的各种其他结构。

尽管钉扎磁化层12中的CoFeB在上述说明中是单层的，但可以在其中耦合磁场没有显著下降的范围中添加元素和氧化物。

在此，Ta、Hf、Nb、Zr、Cr、Ti、V和W可以给定为添加的元素的实例并且MgO、AlO和SiO2可以给定为氧化物的实例。

基底层11和盖帽层15可以是单个材料或者可以是多个材料的层叠结构。

本公开也可以应用于所谓的“顶部层压铁类型STT-MRAM”并且在此情况下，如果CoPt组合物在本公开范围内，那么可以以同样的方式获得改善热稳定性的效果。

另外，本技术还可以被配置如下。

(1)一种存储元件，包括：

分层结构，包括：

存储层，具有垂直于所述存储层的表面的磁化，并且对应于信息改变所述存储层的磁化方向；

钉扎磁化层，具有垂直于所述钉扎磁化层的表面的磁化，并且用作用于存储在所述存储层中的信息的标准；以及

绝缘层，由非磁性材料组成并且被设置在所述存储层与所述钉扎磁化层之间，

其中，通过在所述分层结构的层压方向上注入自旋极化电子改变所述存储层的磁化方向来执行所述存储层中的信息的记录，

其中，所述钉扎磁化层具有由非磁性层和至少两个铁磁性层组成的层压铁磁钉扎结构，

其中，使用CoFeB磁性层配置所述钉扎磁化层中的与所述绝缘层接触的磁性材料，并且

其中，所述钉扎磁化层中的不与所述绝缘层接触的磁性材料是使用Pt族金属元素和铁磁性3d过渡金属元素中的每一个的至少一种的合金和层压结构中的一个，所述铁磁性3d过渡金属元素是3d过渡金属元素中的铁磁性元素，并且所述Pt族金属元素的原子浓度低于所述铁磁性3d过渡金属元素的原子浓度。

(2)根据(1)所述的存储元件，

其中，在使用Pt族金属元素和铁磁性3d过渡金属元素中的每一个的至少一种磁性材料中，Pt族金属元素的原子浓度是40％以下。

(3)根据(1)或(2)所述的存储元件，

其中，Pt和Pd中的至少一个被用作Pt族金属元素。

(4)根据(1)至(3)中任一项所述的存储元件，

其中，Co和Fe中的至少一个被用作铁磁性3d过渡金属元素。

(5)根据(1)至(4)中任一项所述的存储元件，

其中，钉扎磁化层中的非磁性层的上表面和下表面两者与磁性材料接触，该磁性材料使用Pt族金属元素和铁磁性3d过渡金属元素中的每一个的至少一种。

参考标号列表

1 栅电极

2 元件分离层

3、3# 存储元件

4 接触层

6 位线

7 源极区域

8 漏极区域

9 配线

10 半导体基板

11 基底层

12 钉扎磁化层

12L 下部钉扎磁化层

12U 上部钉扎磁化层

13 中间层

13L 下部中间层

13U 上部中间层

14 存储层

15 盖帽层

Claims

1.一种存储元件，包括：

分层结构，包括：

2.根据权利要求1所述的存储元件，

其中，在使用所述Pt族金属元素和所述铁磁性3d过渡金属元素中的每一个中的至少一种的磁性材料中，所述Pt族金属元素的原子浓度为40％以下。

3.根据权利要求1所述的存储元件，

其中，Pt和Pd中的至少一个被用作所述Pt族金属元素。

4.根据权利要求1所述的存储元件，

其中，Co和Fe中的至少一个被用作所述铁磁性3d过渡金属元素。

5.根据权利要求1所述的存储元件，

其中，所述钉扎磁化层中的所述非磁性层的上表面和下表面均与所述磁性材料接触，所述磁性材料使用所述Pt族金属元素和所述铁磁性3d过渡金属元素中的每一个的至少一种。

6.一种存储装置，包括：

存储元件，被配置为利用磁性材料的磁化状态来保持信息；以及

彼此相交的两种类型的配线，

其中，所述存储元件具有分层结构，所述分层结构包括：

其中，所述钉扎磁化层中的不与所述绝缘层接触的磁性材料是使用Pt族金属元素和铁磁性3d过渡金属元素中的每一个的至少一种的合金和层压结构中的一个，所述铁磁性3d过渡金属元素是3d过渡金属元素中的铁磁性元素，并且所述Pt族金属元素的原子浓度低于所述铁磁性3d过渡金属元素的原子浓度，

其中，所述存储元件被布置在所述两种类型的配线之间，并且

其中，经由所述两种类型的配线，所述层压方向上的电流在所述存储元件中流动并且所述自旋极化电子被注入。

7.一种磁头，包括：

分层结构，包括：

其中，所述钉扎磁化层具有由至少两个铁磁性层和非磁性层组成的层压铁磁钉扎结构，