磁阻效应元件和磁性随机存取存储器
阅读：672发布：2020-05-11
专利汇可以提供磁阻效应元件和磁性随机存取存储器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 磁阻效应 元件和 磁性 随机存取 存储器 。所述磁阻效应元件包括：第一 铁 磁层 ，具有垂直于膜平面的不可变磁化；第二铁磁层，具有垂直于膜平面的可变磁化；第一非磁性层，插在第一铁磁层和第二铁磁层之间；第三铁磁层，设置在第二铁磁层的与第一非磁性层相反的一侧，并且具有平行于膜平面的可变磁化；以及第二非磁化层，插在第二铁磁层和第三铁磁层之间，通过使 电流 在垂直于第一铁磁层和第三铁磁层之间的膜平面的方向上流动，将自旋极化 电子 注入到第二铁磁层，通过将自旋极化电子从第二铁磁层经由第二非磁性层注入到第三铁磁层，在第三铁磁层的磁化中感应出进动运动，以及向第二铁磁层施加 频率 与进动运动相对应的 微波 磁场 。，下面是磁阻效应元件和磁性随机存取存储器专利的具体信息内容。
1.一种磁阻效应元件，包括：
第一铁磁层，具有垂直于膜平面的不可变磁化；
第二铁磁层，具有垂直于膜平面的可变磁化；
第一非磁性层，插在第一铁磁层和第二铁磁层之间；
第三铁磁层，设置在第二铁磁层的与第一非磁性层相反的一侧，并且具有平行于膜平面的可变磁化；以及
第二非磁性层，插在第二铁磁层和第三铁磁层之间，
通过使电流在垂直于第一铁磁层和第三铁磁层之间的膜平面的方向上流动，将自旋极化电子注入到第二铁磁层，通过将自旋极化电子从第二铁磁层经由第二非磁性层注入到第三铁磁层，在第三铁磁层的磁化中感应出在膜平面中旋转的进动运动，向第二铁磁层施加由于该进动运动产生的、具有与所述进动运动相对应的频率并且辅助所述第二铁磁层的磁化反转的微波磁场。
2.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第二非磁性层是包含选自包括Cu、Au和Ag的组中的至少一种元素的合金。
3.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第二非磁性层是包含选自包括Mg、Al、Ti和Hf的组中的至少一种元素的氧化物。
4.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第三铁磁层具有包括第三非磁性层和第一、第二铁磁膜的层叠结构，所述第三非磁性层插在第一和第二铁磁膜之间，第一和第二铁磁膜中的每一个具有平行于膜平面的磁化方向并且相互反铁磁地耦合。
5.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第二铁磁层由具有L10晶体结构的磁性材料形成，所述磁性材料包含选自包括Fe、Co和Ni的组中的至少一种元素以及选自包括Pt和Pd的组中的至少一种元素。
6.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第二铁磁层由具有六边形晶体结构的磁性材料形成，所述磁性材料包含选自包括Fe、 Co和Ni的组中的至少一种元素以及选自包括Cr、Ta、Pt和Pd的组中的至少一种元素。
7.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第二铁磁层具有层叠结构，所述层叠结构包括合金和具有L10晶体结构的磁性材料，所述合金包含选自包括Fe、Co、Ni和Mn的组中的至少一种元素，所述磁性材料包含选自包括Fe、Co和Ni的组中的至少一种元素以及选自包括Pt和Pd的组中的至少一种元素。
8.根据权利要求1所述的元件，其中，所述第二铁磁层具有层叠结构，所述层叠结构包括合金和具有六边形晶体结构的磁性材料，所述合金包含选自包括Fe、Co、Ni和Mn的组中的至少一种元素，所述磁性材料包含选自包括Fe、Co和Ni的组中的至少一种元素以及选自包括Cr、Ta、Pt和Pd的组中的至少一种元素。
9.根据权利要求1所述的元件，其中，所述微波磁场的频率相对于第二铁磁层的磁共振频率在62％～150％预定范围内。
10.根据权利要求1所述的元件，其中，通过使电流流入第一铁磁层来产生自旋极化电子。
11.一种磁性随机存取存储器，包括：
根据权利要求1的磁阻效应元件；
第一导线，其与第一铁磁层电连接；以及
第二导线，其与第三铁磁层电连接。
12.根据权利要求11所述的存储器，还包括：
选择晶体管，其源极和漏极之一电连接到第一铁磁层和第三铁磁层之一，而其源极和漏极中的另一个电连接到第一和第二导线。
磁阻效应元件和磁性随机存取存储器
技术领域
背景技术
[0002] 各种类型的固态磁性存储器已被开发。近年来，提出了包括每一个表现出巨磁阻(GMR，giant magnetoresistive)效应的磁阻效应元件的磁性随机存取存储器(MRAM)；具体地，使用每一个表现出隧道磁阻(TMR，tunnel magnetoresistive)效应的铁磁隧道结的磁性随机存取存储器引起了关注。
[0003] 铁磁隧道结的MTJ(磁隧道结，Magnetic Tunnel Junction)元件由包括第一铁磁层、绝缘层和第二铁磁层的三层膜形成。在读取时，电流隧穿绝缘层而流过。此时的结电阻值根据第一铁磁层的磁化和第二铁磁层的磁化之间的相对角度的余弦而变化。因此，当第一铁磁层和第二铁磁层的磁化方向相互平行(方向相同)时，结电阻值变得最小，而当第一铁磁层和第二铁磁层的磁化方向相互反平行(彼此方向相反)时，结电阻值变得最大。将此称为TMR效应。在室温下，由于TMR效应导致的电阻值的变化有时变得大于300％。
[0004] 在包括铁磁隧道结的MTJ元件作为存储单元的磁性存储器件中，将每个存储单元中的至少一个铁磁层当作参考层，并且该铁磁层的磁化方向是固定的，而将另一个铁磁层设定为记录层。在这样的单元中，通过使二进制信息“0”和“1”与参考层和记录层之间的平行磁化布置和反平行磁化布置相关联，来记录信息。传统地，根据下述技术在这样的单元上执行记录信息的写入：利用通过向与所述单元分离地设置的写入导线施加电流而产生的磁场，使记录层的磁化反转(在下文中，将该技术称作电流场写入技术)。但是，通过电流场写入技术来进行写入所需的电流量随着存储单元变小而变大。于是，获得大的存储容量变得困难。近年来，已经提出了用于代替电流场写入技术的技术(例如请参见美国专利No.6,256,223)。通过该技术，利用通过直接向每一个MTJ元件施加电流而从参考层注入的自旋扭矩来反转记录层的磁化(在下文中，将该技术称作自旋扭矩写入技术)。利用自旋扭矩写入技术来进行写入所需的电流量特有地随着存储单元尺寸上变小而变小，从而可以容易地获得大的存储容量。通过向铁磁隧道结施加电流并且检测由TMR效应引起的电阻变化，来执行从存储单元读取信息。这样的存储单元被大量地布置，以便形成磁性存储器。通过为各个单元布置开关晶体管来形成实际的结构，例如如同在DRAM中，以便能够选择所需的单元，然后将外围电路并入该结构中。
[0005] 为了实现大容量存储器，需要通过使MTJ元件尺寸上较小来增加单元在芯片中占用的空间，并且减少进行写入所需的电流量。例如，为了实现几千兆比特或者更大的大容量2
存储器，写入电流密度应当小于1MA/cm。如上所述，自旋扭矩写入技术在实现大容量存储
2
器方面是有利的。但是，进行写入所需的电流密度据说是在3MA/cm 左右，因而，写入电流量的减少是不够的。
存储器，写入电流密度应当小于1MA/cm。如上所述，自旋扭矩写入技术在实现大容量存储
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器方面是有利的。但是，进行写入所需的电流密度据说是在3MA/cm 左右，因而，写入电流量的减少是不够的。
发明内容
[0006] 本发明是考虑到这些情况而做出的，本发明的目的是提供一种磁阻效应元件和一种磁性随机存取存储器，其能够使进行写入所需的电流最小化、进行高速写入并且具有大容量。
[0007] 根据本发明第一方面的磁阻效应元件包括：第一铁磁层，具有垂直于膜平面的不可变磁化；第二铁磁层，具有垂直于膜平面的可变磁化；第一非磁性层，插在第一铁磁层和第二铁磁层之间；第三铁磁层，设置在第二铁磁层的与第一非磁性层相反的一侧，并且具有平行于膜平面的可变磁化；以及第二非磁性层，插在第二铁磁层和第三铁磁层之间，通过使电流在垂直于第一铁磁层和第三铁磁层之间的膜平面的方向上流动，将自旋极化电子注入到第二铁磁层中，通过将自旋极化电子从第二铁磁层经由第二非磁性层注入到第三铁磁层中，在第三铁磁层的磁化中感应出进动运动，向第二铁磁层施加频率与所述进动运动相对应的微波磁场。
[0009] 图1是按照本发明第一实施例的磁阻效应元件的横断面图；
[0010] 图2是用于解释按照第一实施例的磁阻效应元件的操作的透视图；
[0012] 图4A和4B示出了在磁性记录层上进行自旋注入写入的情况下观察到的磁化分量的磁化相关性；
[0013] 图5示出了电流密度和进动运动频率之间的关系；
[0014] 图6示出了在设置了磁化振荡层的情况下观察到的磁化反转特性和在没有设置磁化振荡层的情况下观察到的磁化反转特性；
[0015] 图7示出了微波磁场和磁化反转时间之间的关系；
[0016] 图8是按照本发明第二实施例的磁阻效应元件的横断面图；
[0017] 图9是按照本发明第三实施例的磁阻效应元件的横断面图；以及[0018] 图10是按照本发明第四实施例的磁性随机存取存储器的电路图。
具体实施方式
[0019] 以下参照附图，对本发明的实施例进行说明。
[0020] (第一实施例)
[0021] 图1示出了按照本发明第一实施例的磁阻效应元件1。该实施例的磁阻效应元件包括不可变磁化层(参考磁化层)2、隧道阻挡层4、磁性记录层6、间隔层8以及磁化振荡层10。不可变磁化层2包括铁磁层，该铁磁层具有基本上垂直于膜平面并且在向磁阻效应元件1施加电流之前和之后不可变的磁化方向。隧道阻挡层4由包含从Mg、Al、Ti、Hf等的组中选择的元素的氧化物形成，可以通过隧穿电子而从该层获得所需的磁阻效应变化。更具体地，可将氧化镁、氧化铝等用作隧道阻挡层4。磁性记录层6包括铁磁层，该铁磁层具有基本上垂直于膜平面并且在向磁阻效应元件1施加电流之前和之后可变的磁化方向。间隔层8包括非磁性层。磁化振荡层10包括铁磁层，该铁磁层具有基本上平行于膜平面并且可变的磁化方向。
[0022] 在该实施例的磁阻效应元件中，磁性记录层6应当由具有足够大的垂直磁各向异性的磁性材料形成。因此，磁性记录层6最佳的磁性材料应当是有序合金，其包含从Fe、Co和Ni的组中选择的一种或多种元素以及从Pt、Pd的组中选择的一种或多种元素，并且具有L10晶体结构。例如，可以将FePd、CoPt等用于磁性记录层6。或者，磁性记录层6可以由这样的合金形成，该合金包含从Fe、Co和Ni的组中选择的一种或多种元素以及从Cr、Pt、Pd和Ta的组中选择的一种或多种元素，并且具有六边形晶体结构。例如，可使用Co-Cr合金(“-”表示对象材料为合金)、或Co-Cr-Pt、Co-Cr-Pd、Co-Cr-Ta等，其是通过向Co-Cr合金中添加Pt、Pd、Ta等形成的。代替Co或除了Co以外，还可以使用Fe或Ni。
[0023] 现在参照图2，描述该实施例的磁阻效应元件1的操作。当向该实施例的磁阻效应元件1施加电流时，自旋极化电子从不可变磁化层2经由隧道阻挡层4流入磁性记录层6，并且磁性记录层6的磁化状态被确定(自旋注入写入)。例如，在不可变磁化层2的磁化方向与磁性记录层6的磁化方向反平行的情况下，电子从不可变磁化层2流向磁化振荡层10，以便反转磁性记录层6的磁化。然后，在不可变磁化层2的磁化方向上极化的电子从不可变磁化层2流入磁性记录层6和磁化振荡层10。在不可变磁化层2的磁化方向与磁性记录层6的磁化方向平行的情况下，电子从磁化振荡层10流向不可变磁化层2，以便反转磁性记录层6的磁化。然后，在与不可变磁化层2的磁化方向相同的方向上自旋极化的电子经过不可变磁化层2，但在不同方向上自旋极化的电子被不可变磁化层2反射并流入磁性记录层6和磁化振荡层10。以任何一种方式，在垂直于膜平面的方向上自旋极化的电子同时从磁性记录层6经由间隔层8流入磁化振荡层10。当使在垂直于与膜平面平行的磁化的方向上自旋极化的电流在磁化振荡层10中流动时，平行于膜平面的磁化在膜平面中具有固有频率在GHz数量级的进动运动或旋转。由平行于磁化振荡层10的膜平面的磁化，向磁性记录层6恒定地施加方向平行于膜平面的磁场。因此，在通过自磁性记录层6的自旋注入使平行于磁化振荡层10的膜平面的磁化旋转的情况下，在磁性记录层6中感应出频率在GHz数量级的、在平面内(in-plane)方向上旋转的微波磁场。这里，微波磁场可以是频率在300MHz-3THz范围内的磁场。
[0024] 一般来说，磁性材料具有与微波磁场共振的固有共振频率，其取决于各向异性能量或饱和磁化。当相对于垂直磁化在与膜平面平行的方向上感应出对应于共振频率的微波磁场时，产生共振现象，并且垂直于膜平面的磁化迅速地向平行于膜平面的方向倾斜，以便开始进动运动。这里，由于微波磁场的影响，垂直于膜平面的磁化的垂直磁各向异性有效地变得比原始的磁各向异性小得多。因为当在以上述方式在磁阻效应元件中进行自旋注入写入的同时感应出微波磁场，所以自旋注入写入变得更容易，并且可以使反转所需的电流值足够小。当磁性记录层的磁化被反转时在磁性记录层中感应出的进动运动的频率由下式确定：
[0025]
[0026] 这里，γ表示回转磁常数(γ＝1.76×107Hz/Oe)，Ms表示饱和磁化，Ku表示磁各向异性常数。上述等式相当于一般铁磁共振的共振条件。图3示出了根据上述等式进3
行计算的结果，以便确定在Ms为700emu/cm 的磁性记录层中共振频率与Ku的相关性。从
3 3
图3中可知，在将Ms为700emu/cm、Ku为3.6Merg/cm 的材料用作磁性记录层的情况下，该磁性记录层具有4.1GHz的磁共振频率。图4A示出了垂直于膜平面的方向上的磁化分量
3
Mz和平行于膜平面的方向上的磁化分量Mx的时间相关性，其中在Ms为700emu/cm、Ku为
3
3.6Merg/cm(通过微磁仿真而计算出)并且具有垂直于膜平面的方向上的磁化的磁性记录层上进行自旋注入写入。从图4A中可以看出，在平行于膜平面的方向上的分量Mx中存在明显振荡现象。图4B示出了对平行于膜平面的方向上的分量Mx的时间相关性进行频率分析的结果。从图4B中可以看出，由该实施例的磁性记录层6中的自旋注入写入感应出的平面内方向进动运动的固有频率约为4GHz，其与通过微磁仿真进行分析计算的结果相符。基
3 3
于上述结果，可以预测：可以通过在Ms为700emu/cm、Ku为3.6Merg/cm 的磁性记录层6中感应出频率约为4GHz的微波磁场，使自旋注入反转电流较小。
行计算的结果，以便确定在Ms为700emu/cm 的磁性记录层中共振频率与Ku的相关性。从
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图3中可知，在将Ms为700emu/cm、Ku为3.6Merg/cm 的材料用作磁性记录层的情况下，该磁性记录层具有4.1GHz的磁共振频率。图4A示出了垂直于膜平面的方向上的磁化分量
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Mz和平行于膜平面的方向上的磁化分量Mx的时间相关性，其中在Ms为700emu/cm、Ku为
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于上述结果，可以预测：可以通过在Ms为700emu/cm、Ku为3.6Merg/cm 的磁性记录层6中感应出频率约为4GHz的微波磁场，使自旋注入反转电流较小。
[0027] 在该实施例中，将磁化振荡层10用作微波磁场的源，所述磁化振荡层10具有平行于膜平面的可变磁化方向并且当施加写入电流并且从磁性记录层6进行自旋注入时具有磁化振荡。现在描述在从磁性记录层6到磁化振荡层10上进行自旋注入的情况下振荡的条件。利用通过LLG(Landau-Lifshitz-Gilbert)等式获得的下式来表达当从磁性记录层6到磁化振荡层10上进行自旋注入时所引起的振荡频率fi：
[0028]
[0029] 假定：
[0030]
[0031] 这里，γ表示回转磁常数，α表示阻尼常数，P表示极化，Ms表示饱和磁化，t表示磁化振荡层10的膜厚度，J表示磁化振荡层10中的电流密度， 表示通过将普朗克常数除以2π获得的狄拉克常数，e表示元电荷，θ表示在振荡条件下，磁化振荡层10的磁化相对于磁性记录层6的磁化的相对角度。
[0032] 制备包括具有垂直于膜平面的磁化的铁磁层、非磁性层和具有平行于膜平面的磁化的磁化振荡层的层叠膜，并且使自旋极化电子从铁磁层经由非磁性层流入磁化振荡层。图5示出了具有平行于膜平面的磁化的磁化振荡层的振荡频率的电流密度相关性。这里，
3
磁化振荡层由具有磁特性的材料制成，用700emu/cm 的Ms、0.005的α和0.8的P来表示所述磁特性。磁化振荡层的膜厚度为1nm。从图5中可以看出，通过施加电流密度J约为
2
0.7MA/cm 的电流来引起4GHz的振荡。基于上述结果，预测：由于微波磁场引起的辅助效应而使反转电流减小，所述微波磁场是通过提供磁化振荡层和插在磁化振荡层和磁性记录
3
层6之间的非磁性层而感应出的，所述磁化振荡层的Ms为700emu/cm、α为0.005、P为
3
0.8和t为1nm并且具有平行于膜平面的磁化，所述磁性记录层6具有用700emu/cm 的Ms、
3
3.6Merg/cm 的Ku来表示的磁特性。此外，如图5中所示，由于振荡频率随流入磁化振荡层的电流而变，所以可以在信息读取时减少错误的写入。
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磁化振荡层由具有磁特性的材料制成，用700emu/cm 的Ms、0.005的α和0.8的P来表示所述磁特性。磁化振荡层的膜厚度为1nm。从图5中可以看出，通过施加电流密度J约为
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0.7MA/cm 的电流来引起4GHz的振荡。基于上述结果，预测：由于微波磁场引起的辅助效应而使反转电流减小，所述微波磁场是通过提供磁化振荡层和插在磁化振荡层和磁性记录
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层6之间的非磁性层而感应出的，所述磁化振荡层的Ms为700emu/cm、α为0.005、P为
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0.8和t为1nm并且具有平行于膜平面的磁化，所述磁性记录层6具有用700emu/cm 的Ms、
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3.6Merg/cm 的Ku来表示的磁特性。此外，如图5中所示，由于振荡频率随流入磁化振荡层的电流而变，所以可以在信息读取时减少错误的写入。
[0033] 在使用自旋注入写入技术的磁性存储器中，通常需要施加小于写入电流的电流，即使在信息读取时也不例外，以便测量电阻。因为此时从不可变磁化层2到磁性记录层上进行自旋注入，所以可能会进行错误的写入。但是，在该实施例中，可以通过使磁化振荡层10只有利用写入时所用的电流值产生的振荡频率才等于磁性记录层的磁共振频率，来减少读取时的错误写入。例如，在使用磁性记录层6和磁化振荡层10并且在读取时流动的电流
2
的电流密度为0.2MA/cm 的情况下，磁化振荡层10的振荡频率变成约为1GHz，这与磁性记录层6的4GHz的磁共振频率相差较远。从而，不产生微波磁场的辅助效应，并且不在读取时进行错误的写入。
2
的电流密度为0.2MA/cm 的情况下，磁化振荡层10的振荡频率变成约为1GHz，这与磁性记录层6的4GHz的磁共振频率相差较远。从而，不产生微波磁场的辅助效应，并且不在读取时进行错误的写入。
[0034] 在磁化振荡层与磁性记录层相邻的情况下，以及在不存在磁化振荡层的情况下，通过微磁仿真来计算自旋注入反转电流值，其中所述磁化振荡层具有随着来自磁性记录层的自旋注入振荡的磁化并且具有平行于膜平面的磁化方向，所述磁性记录层6具有用3 3
700emu/cm 的Ms、3.6Merg/cm 的Ku来表示的磁特性并且具有垂直于膜平面的磁化方向，或者具有4GHz的固有频率。图6示出了反转电流值之间的比较结果。在仿真中，将磁化振荡层的膜平面中的旋转运动的频率调整为约4GHz。此外，进行距离调整，以便使在平行于膜平面的方向上感应出的磁场约为100Oe。从图6中可以看出，可以通过从磁化振荡层向磁性记录层施加约为4GHz的微波而使自旋注入写入所需的反转电流值几乎减半。图7示出了磁化反转时间的频率相关性，其是通过调整在具有平行于膜平面的磁化方向的磁化振荡层中的磁化的旋转运动的频率，以及改变在具有垂直于膜平面的磁化方向的磁性记录层中感应出的微波磁场的频率而获得的。在磁性记录层的磁化的垂直方向分量Mz为“0”的情况下获得图7中所示的频率相关性。从图7显而易见的是，使磁化反转所需的时间在磁性记录层的固有频率为4GHz的情况下几乎减半。从图7中可以看出，只要微波磁场的频率在
2.5GHz-6.0GHz范围内，磁化反转时间就变得较短，并且存在微波磁场的辅助效应。这意味着，只要微波磁场的频率相对于磁性记录层4GHz的固有频率在62％(＝2.5/4)到150％(＝6.0/4)的范围内，就存在辅助效应。
700emu/cm 的Ms、3.6Merg/cm 的Ku来表示的磁特性并且具有垂直于膜平面的磁化方向，或者具有4GHz的固有频率。图6示出了反转电流值之间的比较结果。在仿真中，将磁化振荡层的膜平面中的旋转运动的频率调整为约4GHz。此外，进行距离调整，以便使在平行于膜平面的方向上感应出的磁场约为100Oe。从图6中可以看出，可以通过从磁化振荡层向磁性记录层施加约为4GHz的微波而使自旋注入写入所需的反转电流值几乎减半。图7示出了磁化反转时间的频率相关性，其是通过调整在具有平行于膜平面的磁化方向的磁化振荡层中的磁化的旋转运动的频率，以及改变在具有垂直于膜平面的磁化方向的磁性记录层中感应出的微波磁场的频率而获得的。在磁性记录层的磁化的垂直方向分量Mz为“0”的情况下获得图7中所示的频率相关性。从图7显而易见的是，使磁化反转所需的时间在磁性记录层的固有频率为4GHz的情况下几乎减半。从图7中可以看出，只要微波磁场的频率在
2.5GHz-6.0GHz范围内，磁化反转时间就变得较短，并且存在微波磁场的辅助效应。这意味着，只要微波磁场的频率相对于磁性记录层4GHz的固有频率在62％(＝2.5/4)到150％(＝6.0/4)的范围内，就存在辅助效应。
[0035] 在按照该实施例的磁阻效应元件中，需要通过来自磁性记录层6的自旋注入，有效地使磁化振荡层10具有在平行于膜平面的方向上的进动运动。因此，应当利用不会使磁性记录层6的自旋信息发生任何改变的材料来形成插在磁性记录层6和磁化振荡层10之间的非磁性间隔层8。最好，间隔层8被利用包含选自Cu、Au和Ag的组中的至少一种元素的合金来形成，这些元素在巨型磁阻元件中被用作间隔层。也可使用诸如Cu-Au的合金。在利用包含选自Mg、Al、Ti和Hf(这些元素在隧道磁阻元件中被用作隧道阻挡层)的组中的一种元素的氧化物来形成间隔层8的情况下，可以有效地导致磁化振荡层中的磁化反转。
[0036] 如上所述，根据该实施例，可以使得导致磁化反转所需的电流值和导致反转所需的时间小于在进行传统的自旋注入写入的情况下所需的电流值和时间。因此，可以使写入电流尽可能地小，并且可以进行高速写入。而且，可以形成尺寸较小的磁阻效应元件，因为利用了自旋扭矩写入技术。
[0037] (第二实施例)
[0038] 图8示出了根据本发明第二实施例的磁阻效应元件。除了磁化振荡层10具有铁磁地耦合的铁磁层10a和10c以及插在10a和10c之间的非磁性层10b的层叠结构(而不是具有平行于膜平面的磁化方向的单层铁磁层)之外，该实施例的磁阻效应元件1与图1中所示的第一实施例的磁阻效应元件1相同。铁磁层10a和10c中的每一个的磁化方向平行于膜平面。
[0039] 如果在由单层铁磁膜形成的磁化振荡层中，以圆形、正方形或以每个角是圆的类似正方形的形状形成具有平行于膜平面的磁化的磁性材料，则可能会形成回流域(reflux domain)结构。该回流域结构可能会阻碍平行于膜平面的磁化的旋转运动。为了解决该问题，在该实施例中使用包括铁磁层10a、非磁性层10b和铁磁层10c的层叠膜。利用这样的层叠结构，可以应用将平行于膜平面的磁化以相对方式改变180度的各向异性，从而产生不形成回流域的稳定的微波磁场。
[0040] 如同第一实施例的磁阻效应元件，该实施例的磁阻效应元件不仅能够使写入电流最小化，而且还能够进行高速写入。此外，由于使用了自旋扭矩写入技术，所以可以使该实施例的磁阻效应元件较小。
[0041] (第三实施例)
[0042] 图9示出了按照本发明第三实施例的磁阻效应元件。该实施例的磁阻效应元件1与图1中所示的第一实施例的磁阻效应元件1的不同之处在于：用有序合金层6a或合金层6a和合金层6b的层叠结构来代替磁性记录层6。所述有序合金层6a具有包含选自Fe、Co、Ni的组中的至少一种元素以及选自Pt、Pd的组中的至少一种元素的L10晶体结构。所述合金层6a由具有六边形晶体结构的合金形成，所述合金包含选自Fe、Co和Ni的组中的至少一种元素以及选自Cr、Ta、Pt、Pd的组中的至少一种元素并且具有在基本上垂直于膜平面的方向上的磁各向异性。所述合金层6b包含选自Fe、Co、Ni、Mn组中的至少一种元素。
具有L10晶体结构的有序合金的材料和具有六边形晶体结构的合金的材料可以与第一实施例中所用的材料相同。合金层6b的示例性材料包括Co-Fe-B和Fe合金。此外，可以添加Mn，以便调整饱和磁化。这里，合金层6a和6b可彼此交换耦合，以便任何一个合金层的磁化指向基本上垂直于膜平面的方向。利用这样的层叠结构，可以形成具有足够大的垂直磁各向异性的磁性记录层。
具有L10晶体结构的有序合金的材料和具有六边形晶体结构的合金的材料可以与第一实施例中所用的材料相同。合金层6b的示例性材料包括Co-Fe-B和Fe合金。此外，可以添加Mn，以便调整饱和磁化。这里，合金层6a和6b可彼此交换耦合，以便任何一个合金层的磁化指向基本上垂直于膜平面的方向。利用这样的层叠结构，可以形成具有足够大的垂直磁各向异性的磁性记录层。
[0043] 如同第一实施例的磁阻效应元件，该实施例的磁阻效应元件不仅能够使写入电流最小化，而且还能够进行高速写入。此外，由于使用了自旋扭矩写入技术，所以可以使该实施例的磁阻效应元件较小。
[0044] (第四实施例)
[0045] 图10示出了按照本发明第四实施例的磁性随机存取存储器(MRAM)。该实施例的MRAM包括具有按照矩阵样式排列的存储单元MC的存储单元阵列30。所述存储单元MC中的每一个具有MTJ元件1，所述MTJ元件1是第一至第三实施例的磁阻效应元件之一。
[0046] 在存储单元阵列30中，沿着列的延伸方向布置位线对BL和/BL。在存储单元阵列30中，还沿着行的延伸方向布置字线WL。
[0047] 在位线BL和字线WL之间的交叉部分处布置存储单元MC。存储单元MC中的每一个包括MTJ元件1和选择晶体管31。MTJ元件的一端与对应的位线BL相连接。MTJ元件1的另一端与选择晶体管31的漏极端相连接。选择晶体管31的栅极端与对应的字线WL相连接。选择晶体管31的源极端子与对应的位线/BL相连接。
[0048] 行解码器32与字线WL相连接。写入电路34和读取电路35与位线对BL和/BL相连接。列解码器33与写入电路34和读取电路35相连接。通过行解码器32和列解码器33来选择存储单元MC中的每一个。
[0049] 按照下述方式来进行到存储单元MC的数据写入。首先，为了选择要在其上进行数据写入的存储单元MC，激活与存储单元MC相连接的字线WL。此时，选择晶体管31被接通。
[0050] 然后，向MTJ元件1供应双向写入电流Iw。更具体地讲，在将写入电流Iw从左手侧向右手侧供应至MTJ元件1的情况下，写入电路34向位线BL施加正电位，并且向位线/BL施加地电位。在将写入电流Iw从右手侧向左手侧供应至MTJ元件1的情况下，写入电路34向位线/BL施加正电位，并且向位线BL施加地电位。按照这种方式，将数据“0”或数据“1”写入存储单元MC。
[0051] 按照下述方式进行从存储单元MC的数据读取。首先，选择存储单元MC之一。读取电路35供应从右手侧流向左手侧至MTJ元件1的读取电流Ir。基于所述读取电流Ir，读取电路35检测MTJ元件1的电阻值。按照这种方式，可以读出存储在MTJ元件1中的信息。
[0052] 如上所述，根据该实施例，可以利用MTJ元件1来形成MRAM，所述MTJ元件1是按照第一至第三实施例之一的磁阻效应元件。通过使用其是按照第一至第三实施例中的一个实施例的磁阻效应元件的MTJ元件1，可以形成尺寸较小的器件，并且可以使写入电流最小化。此外，可以进行高速写入。
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