存储系统和存储器件的制作方法

本申请为国际申请日为2013年3月6日、国际申请号为pct/jp2013/001377、发明名称为“存储设备和存储器件”的中国国家阶段申请的分案申请，该中国国家阶段申请的进入国家阶段日为2014年11月7日、申请号为201380024338.4、发明名称为“存储设备和存储器件”。

本发明涉及存储系统和存储器件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开号2004-193595

专利文献2：日本专利申请公开号2009-81215

非专利文献

非专利文献：r.h.koch等人，phys.rev.lett.92,088302(2004)

背景技术：

在诸如计算机的信息处理器中，广泛使用以高速操作的具有高密度的dram(动态随机存取存储器)。

然而，dram是其中信息在电源关闭时被擦除的易失性存储器。因此，需要其中信息不被擦除的非易失性存储器。

作为非易失性存储器的候选，其中信息通过磁体的磁化来记录的磁阻随机存取存储器(mram)受到关注并正在发展。

记录到mram的方法包括通过电流磁化来反转(reverse)磁化的方法，或将自旋极化电子直接注入到记录层的反转磁化的方法(例如，参见专利文献1)。

作为所述方法，自旋注入磁化反转受到关注，因为随着装置尺寸变得更小，记录电流可减小。

此外，为了使装置小型化，研究了使用其中磁体的磁化方向指向垂直方向的垂直磁化膜的方法(例如，参见专利文献2)。

非专利文献1公开了使用垂直磁化膜的自旋注入磁化反转元件的反转时间等式。

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，通过非专利文献1中示出的反转时间等式，与不使用垂直磁化膜的自旋注入磁化反转元件相比，使用垂直磁化膜的自旋注入磁化反转元件可能延长磁化反转时间。

本技术的目的是要解决使用垂直磁化膜的情况下的问题，并提供能够利用较少电流在高速下操作的存储设备。

此外，在能够利用较少电流在高速下操作的存储设备中，另一个目的是抑制所读出信号的振幅的降低。

用于解决问题的手段

为了解决上述问题，根据本技术，存储设备被如下配置：

根据本技术的存储设备包括：存储装置，具有层状结构、至少包括其中磁化方向对应于信息而改变的存储层、其中磁化方向被固定的磁化固定层以及由非磁体制成的布置在存储层与磁化固定层之间的中间层；电流，能够在层状结构的层压方向上流动。

存储设备还包括：配线，用于为存储装置供应流向层压方向的电流；以及存储控制单元，用于通过以下方式来存储信息：在经由配线使预定电平的待机电流流到存储装置以使存储层的磁化方向从垂直于膜表面的方向倾斜的状态下，经由配线使高于待机电流的记录电流流动以改变存储层的磁化方向。

根据本技术，存储装置被如下配置：

存储装置，包括：

层状结构，至少包括其中磁化方向对应于信息而改变的存储层，其中磁化方向被固定的磁化固定层以及由非磁体制成的布置在存储层与磁化固定层之间的中间层；电流，能够在层状结构的层压方向上流动；

在存储层中，

第一铁磁层、连接层和第二铁磁层按照该顺序层压，

第一铁磁层经由连接层磁性连接到第二铁磁层，

第一铁磁层与中间层接触，

第二铁磁层与覆盖层(caplayer)接触，

第一铁磁层和第二铁磁层中的一个是面内磁化占主导地位的面内磁化层，且另一个是垂直磁化占主导地位的垂直磁化层，且

经由连接层的第一铁磁层和第二铁磁层之间的连接强度被设定为使得第一铁磁层和第二铁磁层两者的磁化方向在其中层压方向上没有电流流动到存储器件的平衡状态下指向垂直于膜表面的方向，并且存储层的磁化方向在其中低于记录电流的待机电流流到存储器件的待机状态下从垂直于膜表面的方向倾斜。

通过根据本技术的存储设备，通过以下方式来存储信息：使待机电流动以使存储层的铁磁层的磁化方向从垂直于膜表面的方向倾斜并使记录电流流动以改变存储层的磁化方向。

因为在记录之前存储层的磁化方向从垂直方向倾斜，所以与记录电流在磁化方向不倾斜的状态下流动的传统配置相比，可缩短反转磁化并记录信息的反转时间。同时，在记录电流在磁化方向不倾斜的状态下流动的传统配置中产生的反转时间的变化可减小。

通过根据本技术的存储设备，存储层的磁化方向可在没有电流流经存储器件的平衡状态下指向垂直于膜表面的方向。如果存储层的磁化方向在平衡状态下从垂直于膜表面的方向倾斜，则读出信号的振幅可降低。然而，根据本技术，可有效地抑制读出信号的振幅的降低。

通过根据本技术的存储装置，存储层的磁化方向在平衡状态下指向垂直于膜表面的方向，通过使待机电流流动，存储层的磁化方向从垂直于膜表面的方向倾斜。

本发明的效果

如上所述，根据本技术，与仅采用垂直磁化膜的传统配置相比，可缩短反转磁化和记录信息的反转时间，并且反转时间的变化可减小。以此方式，信息记录时的电流量可减少，且信息可在短时间内被记录。因此，可提供能够利用较少电流在高速下操作的存储设备。

此外，在能够利用较少电流在高速下操作的存储设备中，可抑制读出信号的振幅的降低。

根据本技术的存储装置，存储层的磁化方向在平衡状态下指向垂直于膜表面的方向，且通过使待机电流流动，存储层的磁化方向从垂直于膜表面的方向倾斜。

附图说明

[图1]实施方式的存储设备的示意性立体图。

[图2]实施方式的存储设备的截面图。

[图3]实施方式的存储设备的平面图。

[图4]关于其中磁化方向垂直于膜表面的现有技术的存储装置(stt-mram)的示意性配置的说明图(截面图)。

[图5]现有技术的存储器件的示意性配置(截面图)。

[图6]现有技术的存储器件的存储层的示意性配置(立体图)。

[图7]根据第一实施方式的存储器件的说明图。

[图8]在存储器件的层压方向上流动的电流与磁化mi和磁化mp的垂直分量(mz)的时间变化之间的概念图。

[图9]示出根据第一实施方式的存储设备的整体配置的框图。

[图10]根据实施方式用于驱动位线(bitline)的步骤的说明图。

[图11]根据第二实施方式的存储器件的说明图。

[图12]示出现有技术中的存储器件的磁化和根据实施方式的存储器件的存储层的磁化(磁化mi)的垂直分量的时间变化的示图。

[图13]缩短记录时间的过程的说明图。

[图14]示出根据实施方式的存储器件(磁阻效应器件)应用到组合磁头(combinedmagnetichead)的视图。

具体实施方式

将按照下列顺序描述本技术的实施方式。

<1.根据实施方式的存储设备的示意性配置>

<2.现有技术和相关技术的存储器件>

<3.根据实施方式的存储器件的概要>

<4.第一实施方式>

<5.第二实施方式>

<6.模拟结果>

<7.缩短记录时间的过程>

<8.可替代实施方式>

<1.根据实施方式的存储设备的示意性配置>

首先，将描述根据实施方式的存储设备的示意性配置。

根据实施方式的存储设备的示意图被示于图1、图2和图3中。图1是示意性立体图，图2是截面图，且图3是平面图。未示出根据实施方式的存储设备的外围电路。

如图1所示，在根据实施方式的存储设备中，布置了存储器件3(stt-mram，自旋转移扭矩-磁性随机存取存储器)，其能够在磁化状态下在两种类型的彼此正交的地址配线(例如字线和位线)的交点处保持信息。

换言之，配置用于选择存储器件3的选择晶体管的漏极区8、源极区7和栅电极1形成于半导体衬底10(诸如硅衬底)上由器件分离层2分离的区域上。其中，栅电极1还用作在图1中的前后方向上延伸的地址配线(字线)。

漏极区8共同形成在图1的左和右选择晶体管。配线9连接到漏极区8。

在源极区7和布置在图1中的上侧且在左和右方向上延伸的位线6之间，布置了具有其中磁化方向通过自旋扭矩磁化反转来反转的存储层的存储器件3。存储器件3例如由磁隧道结器件(mtj器件)配置。

如图2所示，每个存储器件3具有两个磁性层12、14。对于两个磁性层12、14，一个磁性层是其中磁化m12的方向是固定的磁化固定层12，且另一个磁性层是自由磁化层，即，其中磁化m14的方向改变的存储层14。

每个存储器件3经由上下接触层4中的每一个连接到每个位线6和源极区7。

以此方式，电流在上下方向(层压方向)上通过两种类型的地址配线1、6流到存储器件3。通过自旋扭矩磁化反转，存储层14的磁化m14的方向可被反转。

如图3所示，存储设备由在多个第一配线(字线)1和第二配线(位线)6(在矩阵中布置成彼此正交)的交叉点处的存储器件3配置。

每个存储器件3具有圆形平面形状和图2中所示的截面结构。

此外，每个存储器件包括磁化固定层12和存储层14，如图2所示。

因此，各个存储器件3配置存储设备的存储单元。

在此，在这种存储设备中，应在低于选择晶体管的饱和电流的电流下进行写入。已知因为随着随着器件尺寸变小电流可减小，所以晶体管的饱和电流降低。为了减小存储设备，期望提高自旋转移有效性以减少流过存储器件3的电流。

为了增加读出信号，大磁阻变化率是必要的。因此有效的是使用上述mtj结构，即，存储器件3，其包括作为两个磁性层12和14之间的中间层的隧道绝缘层(隧道阻挡层)。

以此方式，当隧道绝缘层用作中间层时，流经存储器件3的电流的量被限制，以防止隧道绝缘层的绝缘击穿。换言之，在确保存储器件3的重复写入的可靠性的方面，期望抑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可被称作反转电流或记录电流。

此外，因为根据实施方式的存储设备是非易失性存储设备，所以由电流写入的信息应被稳定地存储。换言之，应确保存储层14的磁化的热波动的稳定性(热稳定性)。

如果存储层14的热稳定性无法确保，则反转磁化的方向可能通过热(操作环境下的温度)而被重新反转，这可能导致保持误差。

本存储设备中的存储器件3(stt-mram)可在定标(scaling)时是有利的，即，与传统mram相比可具有较小体积。然而，当体积减小时，热稳定性倾向于降低，只要其它性质是相同的即可。

当促进stt-mram的容量增加时，存储器件3具有较小体积。因此，热稳定性成为重要问题。

因此，期望存储器件3(stt-mram)被设计为具有足够的热稳定性，即使体积可减小，因为热稳定性是非常重要的特性。

<2.现有技术和相关技术的存储器件>

在描述根据实施方式的存储器件3之前，参考图4的截面图，描述了现有技术中的其中存储层的磁化方向(平衡状态下的磁化方向)垂直于膜表面的存储器件3’(stt-mram)的示意性配置。

如后面所示，根据本实施方式的存储器件3的存储层14的配置不同于传统存储器件的存储层。在参考图4的描述中，为了方便，现有技术中的存储器件3’的存储层“14”用作存储层的符号。

如图4所示，现有技术中的存储器件3’包括底层11、其中磁化m12的方向是固定的磁化固定层(也被称为参考层)12、中间层(非磁性层：隧道绝缘层)13、其中磁化m14的方向是可变的存储层(自由磁化层)14和覆盖层15，这些层按照如上顺序层压。

其中，在磁化固定层12中，磁化m12的方向由高矫顽力(coerciveforce)等固定。在这种情况下，磁化固定层12的磁化方向被固定在垂直于膜表面的方向上。

在存储器件3’中，信息通过具有单轴各向异性的存储层14的磁化方向(磁矩)m14来存储。

通过使电流流向垂直于存储器件3’中的各个层的膜表面的方向(即，各个层的层压方向)来使信息写入存储器件3’以引起自旋扭矩磁化反转。

在此，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。它们被定义为向上自旋角动量和向下自旋角动量。

在非磁性体内，具有向上自旋角动量的电子和具有向下自旋角动量的电子的数量相同。相反，在铁磁体中，它们的数量不同。

首先，考虑下面的情况。磁化m12和磁化m14的方向在经由中间层13层压的两个铁磁层(磁化固定层12和存储层14)中是不平行的，且电子被从磁化固定层12移动到存储层14。

通过磁化固定层12的电子被自旋极化，即具有向上自旋角动量的电子和具有向下自旋角动量的电子的数量不同。

当用作隧道绝缘层的中间层13足够薄时，电子到达另一磁性体，即，自旋极化之前的存储层(自由磁化层)14被放松(relax)到非极化状态(具有向上自旋角动量的电子和具有向下自旋角动量的电子的数量相同)。

两个铁磁体的自旋极化(磁化层12和存储层14)的符号被反转。为了减少系统中的能量，电子的一部分被反转，即自旋角动量改变。在这种情况下，系统的总角动量应被保存。等价于通过旋转电子的总角动量变化的反作用(counteraction)被提供到存储层14的磁化m14。

当电流量(即单位时间通过的电子数量)较小时，所接通的电子的总数较小，且在存储层14的磁化m14上产生的角动量变化也较小。当电流的量增加时，可在单位时间内提供很多角动量变化。

角动量的时间变化是扭矩。一旦扭矩超过特定阈值，存储层14的磁化m14开始旋进(precession)运动并在通过存储层14的单轴各向异性的180度自旋之后变稳定。换言之，发生从非平行状态到平行状态的反转。

另一方面，当存储层14的磁化m14和铁磁体12的磁化m12处于平行状态且电流在其中电子从存储层14流到磁化固定层12的方向上反向地流动时，电子在磁化固定层12上被依次反射。

被反射的自旋方向反转的电子在进入存储层14时增加扭矩，从而存储层14的磁化m14的方向被反转，因此，磁化m12和磁化m14可被反转为非平行状态。

需注意，与从非平行状到平行状态相比，从平行状态向非平行状态的反转所需的电流的量增加。

关于从平行状态向非平行状态的反转，直观的理解很困难。可认为，磁化固定层12的磁化m12被固定且不可反转，磁化固定层14的磁化m14被反转以保存整个系统中的角动量。

以此方式，0/1信息可通过以下方式记录：使在特定阈值以上的对应于每个极性的电流从磁化固定层(参考层)12流到存储层14，或反之亦然。

使用类似于传统mram的情况的磁阻效应读出信息。

换言之，类似于如前所述的记录信息的情况，电流在垂直于各个层的膜表面的方向(即，各个层的层压方向)上流动。利用如下一种现象：不论存储层14的磁化m14的方向平行还是不平行于磁化固定层(参考层)12的磁化m12的方向，由存储器件3’所示的电阻都改变。

用于作为隧道绝缘层的中间层13的材料可以是金属或绝缘体。当绝缘体用于中间层13中时，提供较高的读出信号(电阻变化)且可以较小电流进行记录。这种器件被称为磁隧道结装置(mtj装置)。

上述自旋扭矩的幅度通过存储层14的磁化m14与磁化固定层(参考层)12的磁化m12的之间的角度而改变。

“m1”代表表示磁化m14的方向的单位矢量且“m2”代表表示磁化m12的方向的单位矢量。自旋扭矩的幅度od与m1×(m1×m2)成比例，其中，“×”表示向量的叉积(crossproduct)。

一般情况下，磁化固定层12的磁化m12被固定到存储层14的磁化容易轴方向。存储层14的磁化m14趋向于指向存储层14本身的磁化容易轴方向。在这种情况下，m1和m2成0度(平行)或180度(非平行)的角度。

图4示出了m1和m2之间的角度是0度时的磁化m12和磁化m14的方向。

以此方式，当m1和m2之间的角度为0度或180度时，根据上述自旋扭矩等式，自旋扭矩不会完全工作。

然而，在实践中，当存储层14的磁化m14和磁化固定层12的磁化m12之间的角度远离0度或180度时，自旋扭矩作用于引起磁化反转，这是由于存储层14的磁化m14由于热波动随机分布在磁化容易轴方向周围。

引起磁化反转的时间(反转时间)取决于磁化m14和磁化容易轴方向之间的距离。磁化m14和的易磁化容易轴之间的距离越长，磁化反转越快。

如上所述，存储层14的磁化m14与磁化容易轴之间的角度由于热波动而随机分布，反转时间将有很大变化。

为了更快自旋，即使磁化m14位于靠近(角度)磁化容易轴，流过大电流对于此是必要的。

为此，本发明人已认真地进行研究以利用较小电流在高速下操作存储器件。

其结果是，存储层14由垂直磁化占主导地位的垂直磁化层配置，垂直磁化层经由连接层磁性连接到面内磁化占主导地位的面内磁化层，由此发现，这两个磁化通过面内磁化层的磁化和垂直磁化层的磁化之间的磁化相互作用从垂直于膜表面的方向倾斜(例如参见参考文献1和2)。

因为存储层14的磁化方向从垂直方向倾斜，与存储层14的磁化方向指向垂直于膜表面的方向的常规反转时间相比，反转时间可被缩短。需要反转时间来流动记录电流(反转电流)，以反转磁化并记录信息。此外，可避免传统配置的反转时间的变化。以此方式，可减少信息记录时的电流量，且可在短时间内记录信息，这可提供能够利用较小电流在高速下操作的的存储设备。

具有从垂直于膜表面的方向倾斜的磁化方向的铁磁层在下文中被称为“倾斜磁化层”。

参考文献1：日本专利申请号2011-261522

参考文献2：日本专利申请号2011-261853

倾斜磁化层的磁性材料可以是co-fe-b。

一般情况下，与膜面积相比，用于存储层等的铁磁层具有非常薄的膜厚度。在这种情况下，当铁磁层的磁化指向垂直于膜表面的方向时，提供较大的反磁场(diamagneticfield)。通过反磁场和磁化之间的相互作用，反磁场能量(以下称为ed)增加使得磁化不能在平衡状态下稳定地指向垂直方向并指向面内方向。

需注意，铁磁层可具有取决于材料和界面状态的垂直磁各向异性。在这种情况下，由垂直磁各向异性引起的垂直磁各向异性能量(在下文中称为ea)作用在铁磁层上。当铁磁层的磁化指向垂直于膜表面的方向时，反磁场能量变为净ed-ea。

当反磁场能量变为负的时，即，ed<ea，磁化可以是稳定的且指向垂直方向。在下文中，铁磁层被称为“垂直磁化占主导地位的垂直磁化层”。

相反，当反磁场能量变为正时，即，ed>ea，磁化不能是稳定的且指向垂直方向。在下文中，铁磁层被称为“面内磁化占主导地位的面内磁化层”。

使用co-fe-b的铁磁层一般是面内磁化层占主导地位的面内磁化。

然而，如果条件满足，co-fe-b可以是垂直磁化占主导地位的垂直磁化层。

具体而言，当co-fe-b的组成和膜厚度在一定范围内且co-fe-b膜与氧化物膜(例如mgo膜)接触时，co-fe-b膜变为垂直磁化占主导地位的垂直磁化层(例如，参见日本专利申请号2010-200983)。

用于提供垂直磁化的垂直磁各向异性被认为源于mgo与co-fe-b之间的界面处的界面各向异性。

当co-fe-b膜的两个界面与mgo膜(即mgo/co-fe-b/mgo)接触时，垂直磁各向异性将增加(例如，参见日本专利申请号2010-201526)。

因此，使用co-fe-b的铁磁层可以是面内磁化占主导地位的面内磁化层或垂直磁化占主导地位的垂直磁化层，并因此希望提供上述倾斜磁化层。

参考图5的截面图，将描述使用倾斜磁化层的现有技术的存储器件3”(stt-mram)的示意性配置。

虽然现有技术的存储器件3”的存储层14的配置不同于本实施方式的配置。但是，在此，为了方便也使用符号“14”。

在图5中，存储器件3”包括底层11、其中磁化m12的方向被固定的磁化固定层(参考层)12、中间层(非磁性层：隧道绝缘层)13、其中磁化m14的方向是可变的存储层(自由磁化层)14和覆盖层15，这些层按照该顺序层压。

如上所述，磁化m12的方向固定在垂直于膜表面的方向(图中向上)上。

存储器件3”具有为多层结构(其包括铁磁层和连接层)的存储层14。

具体而言，在这种情况下，存储层14具有三层结构，其中铁磁层14i、连接层14c和铁磁层14p按照该顺序层压。

铁磁层14i是面内磁化占主导地位的面内磁化层。

铁磁层14p是垂直磁化占主导地位的垂直磁化层。

铁磁层14i与中间层13接触，且铁磁层14p与覆盖层15接触。

在上述配置中，铁磁层14i的磁化mi经由连接层14c磁性连接到铁磁层14p的磁化mp。

使用类似于存储器件3’的情况的磁阻效应读出信息。

换言之，电流在垂直于各个层的膜表面的方向(即，各个层的层压方向)上流动，类似于如前所述的信息被记录的情况。利用如下现象：由存储器件3”所示的电阻根据磁化固定层12的磁化m12与铁磁层14i的磁化mi之间的相对角度而变化。

在图5所示的现有技术的存储器件3”的情况下，因为磁化mi从垂直方向倾斜，磁化mi的相对角度增大且读出信号的振幅比使用垂直磁化膜的现有技术中的存储器件3'中的读出信号的振幅小。

图6示出在图5中所示的现有技术的存储器件3”的存储层14的配置的进一步细节。

为了方便，连接层14c被省略。

首先，存储器件3”的存储层14是圆柱形。

在这里，为了描述磁化mi和磁化mp的方向，角度θ1和θ2的定义如下：换言之，在垂直方向上穿透存储层14的轴被定义为垂直轴av。磁化mi与垂直轴av之间的角被定义为θ1。磁化mp和垂直轴av之间的角被定义为θ2。

如上所述，磁化mi面内磁化占主导地位且磁化mp垂直磁化占主导地位。

因此，当磁化方向通过经由连接层14c连接从垂直轴av倾斜时，角度θ1将大于角度θ2。换言之，磁化mi从垂直轴av很大地倾斜。

磁化固定层12的磁化m12与铁磁层14i的磁化mi之间的相对角越大，自旋扭矩越大。通过现有技术中的存储层14的上述配置，磁化可以更高速度反转。

然而，磁化mi从垂直轴av的倾斜导致读出信号的振幅减小的副作用。

可从迄今的描述理解，读出信号的振幅等于平行状态下的存储器件与不平行状态下的存储器件的电阻值之间的差。

在现有技术中的存储器件3’中，磁化m12和磁化mi之间的角度在平行状态下是约0度，且磁化m12和磁化mi之间的角度在非平行状态下是约180度。与此相反，在现有技术的存储器件3”中，磁化mi从垂直轴av倾斜，如上所述。因此，磁化m12和磁化mi之间的角度超过0度。其结果是，现有技术中的平行状态下的电阻值大于现有技术中的存储器件3’的电阻值。此外，在非平行状态下，磁化mi从垂直轴av倾斜。因此，磁化m12和磁化mi之间的角度小于180度。其结果是，在现有技术中的非平行状态下的电阻值比现有技术中的存储器件3’的电阻值小。

因此，现有技术的存储器件3”在平行状态和非平行状态下的电阻值之间的差比现有技术中的存储器件3’的小。这表明，现有技术中的读出信号的振幅比传统的振幅小。

鉴于现有技术的问题，根据本实施方式，存储层的磁化在其中没有电流流经存储器件的平衡状态下指向垂直方向。在记录时，在记录电流流动之前，比记录电流小的电流流经存储器件以将存储层改变到待机状态。换言之，存储层的磁化方向从垂直方向改变到倾斜方向。

以此方式，可提供高速的磁化反转和大的读出信号。

<4.第一实施方式>

在下文中，将描述本技术的具体实施方式。

图7是根据第一实施方式的存储器件3的说明图。

在图7中，图7的a示出了第一实施方式中的存储器件3的示意性配置(截面图)。

在下面的描述中，已经描述的组件用相同的标号表示，因此其详细描述将在下文中省略。

在图7的a中，存储器件3包括底层11、磁化固定层12、中间层13、存储层14和覆盖层15，其类似于现有技术的存储器件3”的那些层被层压。存储器件3的存储层14具有铁磁层14i、连接层14c和铁磁层14p，其类似于现有技术中的那些层被层压。

在本实施方式中，co-fe-b用于铁磁层14i和连接层14c。

然而，根据本实施方式的存储器件3与存储器件3”的不同在于存储层14被配置为使得磁化mi和mp在其中没有电流流经存储器件3的平衡状态下指向垂直方向。

这可通过增加经由连接层14c的铁磁层14i(面内磁化层)的磁化和铁磁层14p(垂直磁化膜)的磁化之间的磁相互作用的强度(在下文中称为连接强度)来实现。换言之，在根据本实施方式的存储器件3中，铁磁层14i和铁磁层14p之间的连接强度被设定为使得磁化mi和mp在平衡状态下指向垂直方向。铁磁层14i与铁磁层14p之间的连接强度可通过连接层14c的膜厚度来调整。

磁化mi和mp的方向取决于连接强度。当连接强度超过特定阈值时，磁化mi和mp的方向在相同方向上匹配。两者的方向可以是在面内方向或垂直方向。通过增加垂直磁化占主导地位的垂直磁化层的垂直磁各向异性，可以将两个磁化导向垂直方向。

以此方式，通过将平衡状态下的连接强度增加到阈值以上，两个磁化可指向垂直方向。

这允许使读出信号的振幅增加到现有技术中的使用垂直磁化膜的存储器件3’的相似水平。

图7的b示意性示出了待机电流is流经存储器件3以将存储器件3的状态改变为待机状态。

如图7的b所示，待机电流is在存储器件的层压方向上流动。当待机电流is流过时，在存储器件3中产生焦耳热且存储层14的温度上升。连接强度取决于温度。随着温度增加，连接强度趋向于降低。

此时，当待机状态下的连接强度低于阈值时，磁化mi和mp的方向从垂直方向改变到倾斜方向。

根据本实施方式，存储器件3改变到待机状态，且记录电流流动以存储信息。如上所述，存储层14在待机状态下具有倾斜的磁化。记录电流在待机状态下流动以存储信息，从而以高速反转磁化，类似于现有技术中的存储器件3”。

另一方面，根据实施方式，因为磁化mp和mi在平衡状态下指向垂直方向，所以读出信号的振幅将不会降低，这不同于现有技术。

将描述用于存储器件3的每个层压膜的材料的实例。关于已经描述的现有技术中的存储器件3”的组件的描述将在下文中被省略。

对于连接层14c，可使用非磁性金属，诸如ta、ru等。

对于磁化固定层12和存储层14之间的中间层(非磁性层)13，可使用用于形成隧道绝缘层的绝缘材料(多种氧化物等)或磁阻效应器件的磁性层之间的非磁性金属。

当绝缘材料用于中间层13时，提供较高的读出信号(电阻变化)且可以较小的电流进行记录，如上所述。

在第一实施方式中，为了提供作为垂直磁化占主导地位的垂直磁化层的铁磁层14p，诸如mgo的氧化物可用于覆盖层15。虽然未示出，通过在覆盖层15中的mgo层上层压非磁性金属(诸如ta、ru等)，导电率理想地提高。

对于磁化固定层12，可使用用于传统stt-mram的存储器件中的各种磁性材料。

例如，可使用基于nife、tept、copt、tbfeco、gdfeco、copd、mnbi、mnga、ptmnsb、co-fe-b、co-cr的材料等。除了这些材料，还可使用磁性材料。

参考图8，将具体描述从平衡状态到待机状态和到记录状态的变化。

图8是在存储器件3的层压方向上流动的电流与磁化mi和磁化mp的垂直分量(mz)的时间变化之间的概念图。

在时域t1中，存储层14处于平衡状态下，且磁化mi和磁化mp的垂直分量mz是“1”，即在垂直方向上。

在记录操作之前，待机电流is从时域t1的结束点流到存储器件3以改变到待机状态。然后，随着存储器件3的温度增加，连接强度减小，且磁化mi和mp的垂直分量从“1”(时域t2)降低。此后，存储器件3的温度不变。磁化mi和mp的方向通过在该时间(时域t3)的连接强度来确定。换言之，稳定状态可被设置为待机状态。

以此方式，在提供稳定的待机状态之后(即，在时域t3内的任何时刻)，记录电流流动以进行实际记录。

图9是示出根据实施方式的存储器件的整体配置的框图，其包括存储器件3处于待机状态且信息随后如上所述的被存储的配置。

如图3所示，根据实施方式的存储设备由位于字线1和位线6(在矩阵中布置成相互正交)的交点处的存储器件3来配置。

在图9中，为了方便，符号1a、1b、1c、1d...从图9的上方添加到多个字线1且符号6a、6b、6c、6d...从图9的左侧添加到多个位线6。

根据实施方式的存储设备包括用于驱动字线1的字线驱动电路51、用于根据输入数据驱动位线6的位线驱动电路52以及控制单元50。

控制单元50通过字线驱动电路51控制字线1的驱动时序，并且还通过位线驱动电路52控制位线6的驱动时序。具体而言，当一条字线1由字线驱动电路51驱动(选择)时，位线6根据通过位线驱动电路52的输入数据来驱动。这样的控制通过改变所选择的字线1被依次执行。以此方式，数据可被存储在期望的存储器件3上。

此时，控制单元50控制使得图10中所示的待机电流对应于数据记录从位线驱动电路52流到每个位线6。具体而言，在记录电流iw流动之前，位线驱动电路52被控制以使待机电流is流动。如从图10显而易见的，待机电流is低于记录电流iw(由绝对值比较)。

虽然仅一个极性(正极性)在图10中被示为待机电流is和记录电流iw的极性，可通过改变流经存储器件的电流的方向来记录0/1，如上所述。例如，当图10中所示的极性对应于配线数据“1”时，具有与图10相反极性的电流流动以写入数据“0”。

当待机电流is的供应周期(从待机电流is开始流动到记录电流iw开始流动的周期)在图10中被示为“ts”时，期望确保在待机电流is开始馈入之后用于保持存储器件3的温度为恒定并稳定磁化mi和mp的方向的周期，如从图8中所理解的。

需注意，这并不是否认在磁化mi和mp的方向稳定之前，开始馈入记录电流iw。可以在待机状态稳定之前，使记录电流iw流动以开始记录操作(图8中所示的时域t2内的任何时刻)。

<5.第二实施方式>

随后，参考图11，将描述根据第二实施方式的存储器件20。

在图11中，图11的a是存储器件20的示意性配置图(截面图)。图11的a示出了在存储器件20的平衡状态下的磁化mi和mp以及磁化固定层12的磁化m12。

根据第二实施方式的存储器件20与根据第一实施方式的存储器件3的不同之处在于存储层14的顺序不同。具体而言，铁磁层14p、连接层14c和铁磁层14i按照该顺序层压。在这种情况下，铁磁层14p与中间层13接触，且铁磁层14i与覆盖层15接触。

为了提供作为垂直磁化占主导地位的垂直磁化层的铁磁层14p，诸如mgo的氧化物可用于中间层13。

在具有上述配置的存储器件20中，自旋扭矩通过存储层12的磁化m12与铁磁层14p的磁化mp之间的相对角度来确定。

图11的b示出了当待机电流is流到存储器件20到待机状态时的铁磁层14i的磁化mi和铁磁层14p的磁化mp。

在存储器件20中，角度θ2(磁化mp与垂直轴av之间的角度)小于角度θ1(磁化mi与垂直轴av之间的角度)。因此，存储器件20中的自旋扭矩小于根据第一实施方式的存储器件3的自旋扭矩。然而，与现有技术中的存储器件3’相比，存储层14的磁化(待机状态下的磁化)的方向倾斜，从而允许在记录操作时以更高速度的磁化反转。

为了进行确认，根据第二实施方式的存储设备包括存储器件20，代替具有之前图9中所示的配置的存储设备的存储器件3。

而且，在存储设备可利用较小电流在高速下操作的同时，根据第二实施方式的包括上述存储器件20的存储设备可防止读出信号的振幅减小。

<6.模拟结果>

为了证明根据上述各实施方式的存储器件(3，20)的有效性，磁化反转通过宏自旋(macrospin)模型来模拟。

图12示出了关于在电流流动时磁化的垂直分量(mz)的时间变化的模拟结果。

图12的a示出了关于现有技术中的存储器件3’的模拟结果，且图12的b示出了关于根据实施方式的存储器件的模拟结果。在图12的b中，作为“根据实施方式的存储器件”，使用根据第二实施方式的存储器件20。

在图12的a和图12的b中，水平轴表示在电流流动之后流逝的时间，且纵轴表示磁化的垂直分量mz。向上方向是1，且向下方向是-1。电流流动时间(也被称为电流供应时间)是20ns。原始时间点是记录电流在待机状态下开始流到存储层14的时候。

在现有技术中的存储器件3’中，存储层14的磁化m14在平衡状态下指向垂直方向。在自旋扭矩不起作用时，通过从垂直轴av倾斜0.01度来进行计算。

在图12的b中所示的计算实例中，存储层14的磁化m14在待机状态下指向偏离垂直方向29度的方向，且铁磁层14i的磁化mi在待机状态下指向偏离垂直方向73度的方向。

在现有技术中的存储器件3’中，用于磁化m14的方向几乎在垂直于膜表面的方向上，自旋扭矩变小，且磁化运动的变化相对于时间变化变小。因此，如图12的a的时域t11所示，存在其中磁化方向几乎不改变(即使电流流动)的时域。

在此，时域t11的长度根据磁化的初始角度在每次记录操作时改变。因此，磁化反转的时间不同，且需要足够长的记录时间以确定地反转磁化。

在时域t11之后，磁化m14的方向迅速改变以引起磁化反转(时域t12)。在其中电流供应继续的时域t13之后，电流在时域中t14变为零。

与此相反，在根据实施方式的存储器件中，铁磁层14p的磁化mp在待机状态下从垂直于膜表面的方向倾斜。因此，一旦记录电流流动以迅速开始反转操作(时域t15)，铁磁层14p的磁化mp经历某些自旋扭矩。此时，在铁磁层14i的磁化mi磁性连接到磁化mp时，反转运动与磁化mp的运动同步地开始。

因此，根据实施方式的存储器件，可以高速地磁化反转。

在实施方式的存储器件的情况下，不存在其中磁化运动的变化很小的时域(如图12的a中所示的时域t11)。这意味着实施方式中的存储器件不仅可缩短流动记录电流的时间，并且可减小反转时间的变化。

在此，在其中电流供应继续的时域t16期间，由于温度增加和自旋扭矩的影响，磁化mp和磁化mi的方向都偏离垂直方向。

通过图12的b的计算，磁化mp的角度是156度且磁化mi的角度是112度。

当电流在时域t17中变为零时，连接强度恢复到初始幅度且其变化到指向垂直方向的平衡状态。

从结果中，也示出了实施方式的存储器件可防止在可利用较小电流进行高速写入时读出信号的振幅减小，因为存储层14的磁化m14在平衡状态下指向垂直方向。

尽管在图12的模拟中，存储器件20用作根据实施方式的存储器件，当与现有技术中的存储器件3’或相关技术中的存储器件3”相比，当使用第一实施方式中的存储器件3时，可提供改善效果。

<7.缩短记录时间的过程>

如从描述中所理解的，在记录操作之前，实施方式的存储器件将存储器件的状态改变到待机状态。尽管记录操作本身所需的时间缩短，但将需要改变为待机状态的时间。为了缩短时间，可采用用于在多个存储器件中进行记录操作的过程，如后面所描述的。

图13是用于缩短记录时间的过程的说明图。

在图13中，模拟通过存储器件3a、3b、3c和3d按照该顺序进行的连续记录，且示出要被供应到存储器件3a至3d的电流波形。在这里，存储器件3a至3d是连续位于字线1上的存储器件3。

条件如下：存储器件3a至3d位于其上的字线1是high，且电流能够流经存储器件3。

在字线1被选择且电流能够流经存储器件3a至3d的情况下，具有图13所示波形的电流被供应至各个位线6。

具体而言，电流被供应至各个位线6，从而使电流iw流到待记录的存储器件3的周期(tw)与待机电流is流到待记录的存储器件3的周期(ts)重叠。

在此，如果四个存储器件3(即存储器件3a至3d)独立地进行记录操作，这需要4×(ts+tw)的时间。然而，图13中所示的管线(pipeline)方法中的记录可将所需的时间缩短到ts+4×tw。

以此方式，在记录操作之前改变到待机状态所需的架空(overhead)周期可通过其中待机电流流动的周期和记录电流流动的周期重叠的连续记录减少。

管线方法中的上述记录可通过之前图9中所示的控制单元50(其生成时序信号并将其供应至位线驱动电路52)来实现。时序信号用于使其中记录电流iw流到待记录的存储器件3的周期与其中待机电流流到待记录的存储器件3的周期重叠，如上所述。

尽管图13示出了使用存储器件3的情况，管线方法中的记录也可使用存储器件20来进行以缩短记录时间。

<8.可替代实施方式>

虽然在此参考示例实施方式描述了本技术，但应理解，本技术不限于此。

例如，虽然作为用于为co-fe-b膜提供垂直磁各向异性的材料，引用了诸如mgo的氧化物，但是也可使用除氧化物之外的各种材料。

连接层14c的材料不限于ta和ru，且可使得在铁磁层(例如zr、v、cr、nb、mo、w和mg)之间可产生磁连接。

底层11或覆盖层15可以是单一材料或多种材料的层压结构。

磁化固定层12可以是单层结构或层压feripin结构(其包括铁磁层和非磁层两层)。此外，反铁磁膜可被添加到feripin结构的膜。

在本技术中，存储器件的膜结构可使得存储层布置在磁化固定层的上侧或下侧。

此外，可采用其中磁化层布置在存储层的上部和下部的所谓的双重结构。

根据本技术的存储器件3、20分别由诸如tmr器件的磁阻效应器件来配置。诸如tmr器件的磁阻效应器件可不仅适用于上述存储设备，而且还适用于包括磁头、磁头安装至其的硬盘驱动器、集成电路芯片的各种电子装置和电气装置以及包括个人计算机、移动终端、移动电话和磁传感器装置的各种电子装置和电气装置。

作为实例，图14的a和图14的b示出了上述存储器件3、20的应用，即磁阻效应器件101到组合磁头100。图14的a是示出部分地被切除以示出内部结构的立体图。图14的b是组合磁头100的截面图。

组合磁头100是用于硬盘设备等的磁头，并包括衬底122、形成在衬底122上的根据本技术的磁阻效应磁头、层压在磁阻效应磁头上的感应磁头。磁阻效应磁头用作重放磁头(playbackhead)，并且感应磁头用作记录头。换言之，组合磁头100通过组合重放磁头和记录磁头来配置。

安装在组合磁头100上的磁阻效应磁头是所谓的mr磁头，并包括经由衬底122上的绝缘层123形成的第一磁屏蔽125、经由第一磁屏蔽件125上的绝缘层123形成的磁阻效应器件101以及经由磁阻效应器件101上的绝缘层123形成的第二磁屏蔽127。绝缘层123由诸如al2o3和sio2的绝缘材料组成。

第一磁屏蔽125用于磁屏蔽磁阻效应器件101的下层，并由诸如ni-fe的软磁性材料组成。在第一磁屏蔽125上，磁阻效应器件101经由绝缘层123形成。

磁阻效应器件101用作用于从磁阻效应磁头中的磁记录介质检测磁信号的磁感器件。磁阻效应器件101具有类似于上述存储器件3、20的膜配置(层状结构)。

磁阻效应器件101形成为大致矩形的形状，使得一个侧面暴露于磁记录介质的相对面。在磁阻效应器件101的两端上，布置偏置层128、129。连接端子130、131形成为连接到偏置层128、129。经由连接端子130、131，感应电流供应到磁阻效应器件101。

在偏置层128、129的上部，经由绝缘层123布置第二磁屏蔽层127。

层压在磁阻效应磁头上的上述感应磁头包括由第二磁屏蔽件127和上层芯132组成的磁芯以及形成为缠绕磁芯的薄膜线圈133。

上层芯132与第二磁屏蔽122一起形成闭合磁路以成为感应磁头的磁芯，且由软磁材料(诸如ni-fe)组成。第二磁屏蔽127和上层芯132形成为使得其前端暴露于磁记录介质的相对面且其后端与第二磁屏蔽127和上层芯132接触。第二磁屏蔽件127和上层芯132的前端形成于磁记录介质的相对面，从而使第二磁屏蔽127和上层芯132间隔开预定间隙g。

换言之，在组合磁头100中，第二磁屏蔽127不仅磁屏蔽磁阻效应器件126的上层，而且也用作感应磁头的磁芯。感应磁头的磁芯由第二磁屏蔽127和上层芯132组成。间隙g将是用于在感应磁头中进行记录的磁隙。

在第二磁屏蔽127上，形成埋入绝缘层123的薄膜线圈133。薄膜线圈133形成为缠绕包括第二磁屏127和上层芯132的磁芯。虽然未示出，但是薄膜线圈133的两端也都暴露在外。形成于薄膜线圈133的两端上的端子将是感应磁头的外部连接端子。换言之，当将磁信号记录到磁记录介质时，记录电流从外部连接端子供应到薄膜线圈132。

如上所述，作为根据本技术的存储器件的层压结构可应用为磁记录介质的重放磁头，即，用于从磁记录介质检测磁信号的磁感器件。

根据本技术，用于存储设备中的存储器件不限于图示的配置，即，第一铁磁层、连接层和第二铁磁层按照该顺序层压，第一铁磁层和第二第一铁磁层中的一个是面内磁化占主导地位的面内磁化层，而另一个是垂直磁化占主导地位的垂直磁化层。

如通过上面的描述所理解的，在具有这种配置的存储器件中，根据经由连接层的第一铁磁层和第二铁磁层之间的连接强度的设定，存储层的磁化在平衡状态下指向垂直方向且待机电流流动，存储层的磁化方向从垂直方向倾斜。用于根据本技术的存储设备中的存储器件不限于此，只要存储器件具有以下配置即可。换言之，存储器件具有层状结构，该层状结构至少包括其中磁化方向对应于信息改变的存储层、其中磁化方向被固定的磁化固定层以及由非磁体制成的布置在存储层和磁化固定层之间的中间层；电流，能够在层状结构的层压方向上流动；存储层的磁化在平衡状态下指向垂直方向，并且存储层的磁化方向通过使待机电流流动从垂直方向改变到倾斜方向。

本技术可具有以下配置。

(1)一种存储设备，包括：

存储器件，具有：

层状结构，至少包括其中磁化方向对应于信息改变的存储层、其中磁化方向被固定的磁化固定层以及由非磁体制成的布置在存储层和磁化固定层之间的中间层；电流，能够在层状结构的层压方向上流动；

配线，用于为存储器件供应流向层压方向的电流；以及

存储控制单元，用于通过以下方式来存储信息：经由配线使预定电平(predeterminedlevel)的待机电流流到存储器件以使存储层的磁化方向从垂直于膜表面的方向倾斜并经由配线使高于待机电流的记录电流流动以改变存储层的磁化方向。

(2)根据上述(1)所述的存储设备，其中，

布置多个存储器件，且存储控制单元控制经由配线对存储器件的电流供应，使得记录电流流到待记录的存储器件的周期和使待机电流流到待记录的存储器件的周期重叠。

(3)根据上述(1)或(2)所述的存储设备，其中，

存储器件具有覆盖层，且

在存储层中，

第一铁磁层、连接层和第二铁磁层按照该顺序层压，

第一铁磁层经由连接层磁性连接到第二铁磁层，

第一铁磁层与中间层接触，

第二铁磁层与覆盖层接触，

第一铁磁层和第二铁磁层中的一个是面内磁化占主导地位的面内磁化层，且

另一个是垂直磁化占主导地位的垂直磁化层。

(4)根据上述(3)所述的存储设备，其中，

在存储层中，经由连接层的第一铁磁层和第二铁磁层之间的连接强度被设定为使得第一铁磁层和第二铁磁层两者的磁化方向在其中没有电流在层压方向上流到存储器件的平衡状态下指向垂直于膜表面的方向。

(5)根据上述(4)所述的存储设备，其中，

第一铁磁层是面内磁化层，且第二铁磁层是垂直磁化层。

(6)根据上述(5)所述的存储设备，其中，

当待机电流流动时，第一铁磁层的磁化与垂直于膜表面的方向之间的角度大于第二铁磁层的磁化与垂直于膜表面的方向之间的角度。

(7)根据上述(4)所述的存储设备，其中，

第一铁磁层是垂直磁化层，且第二铁磁层是面内磁化层。

(8)根据上述(7)所述的存储设备，其中，

在待机电流流动时，第一铁磁层的磁化与垂直于膜表面的方向之间的角度小于第二铁磁层的磁化与垂直于膜表面的方向之间的角度。

(9)根据(1)至(8)中任一项所述的存储设备，其中，

中间层是隧道绝缘层。

(10)根据(3)至(9)中任一项所述的存储设备，其中，

覆盖层包括氧化物层。

(11)根据上述(3)至(10)中任一项所述的存储设备，其中，

第一铁磁层和所述第二铁磁层包括co-fe-b层。

[符号说明]

1栅电极、2器件分离层、3、20存储器件、4接触层、6位线、7源极区、8漏极区、9配线、10半导体衬底、11底层、12磁化固定层、13中间层、14存储层、14i、14p铁磁层、14c连接层、15覆盖层(垂直磁各向异性层)。