具有低写入错误率的自旋转移力矩磁存储元件

摘要

一种存储元件，包括：磁化固定层和磁化自由层。所述磁化固定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。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。

说明书

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

PTL1：日本专利申请公开第2003-17782号

PTL2：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]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]图2为根据实施方式的存储器的剖视图。

[图3]图3为根据实施方式的存储器的平面图。

[图4]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]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]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]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]图7为其中绘示了磁耦合能量的范围的示图。

[图8]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]图9为其中绘示了磁能的范围的示图。

[图10]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]图11A为其应用了该实施方式的磁头的说明性透视图。

[图11B]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(m1xm2) 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。

$\frac{\eta (I-I_{c0})t_s}{e}=\left(\frac{M_{s}V}{{\mu }_B}\right)\ln \left(\frac{\pi }{2}\sqrt{\frac{\Delta }{E}}\right)$

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μ_B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、以及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并且在 磁化M2方向与参考线32之间的角度被定义为

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。

ε＝Δ_１sin²θ₁+Δ₂sin²θ₂-Δ_ex(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 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)2x10^-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 度被定义为并且在第二磁化M2的方向与参考线之间的角度被定义为

(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：

ε＝Δ_１sin²θ₁+Δ₂sin²θ₂-Δ_ex(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Δ_ex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(Δ_ex) <abs(2x(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

(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：

ε＝Δ_１sin²θ₁+Δ₂sin²θ₂-Δ_ex(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Δ_ex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(Δ_ex)<abs(2 x(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并且在第二磁化M2的方向与参 考线之间的角度被定义为

(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＝Δ_１sin²θ₁+Δ₂sin²θ₂-Δ_ex(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Δ_ex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(Δ_ex)<abs(2x(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JP2011-261853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