[发明专利]磁阻元件以及磁性存储器

说明书

相关技术的交叉引用

本发明基于并且要求2007年9月26日提交的在先日本专利申请No.2007-250283的优先权，其所有内容在此通过引用被并入。

技术领域

本发明涉及一种磁电阻元件(magnetoresistive element)以及磁性存储器(magnetic memory)，例如涉及一种能够通过在双方向上提供电流来记录信息的磁电阻元件以及使用了它的磁性存储器。

背景技术

磁电阻(magnetoresistive)效应被应用在作为磁性存储装置的硬盘驱动器(HDD：Hard Disk Drive)中，现在正实用化。在装载在HDD中的磁头中应用GMR(Giant Magnetoresistive：巨磁电阻)效应、或TMR(Tunneling Magnetoresistive：隧道磁电阻)效应，这些都是利用通过使两个磁性层的磁化方向互成角度而产生的电阻变化，来检测来自磁性介质的磁场。

近年来，为了利用GMR元件或TMR元件来实现磁性随机存取存储器(MRAM：Magnetic Random Access Memory)，提出了各种技术。作为其中一例，列举如下的方式：根据MTJ(Magnetic TunnelJunction：磁性隧道结)元件的磁化状态记录“1”、“0”信息，根据由TMR效果引起的电阻变化读出该信息。在该方式的MRAM中，也面向实用化而提出了各种技术。例如，存在利用通过电流产生的磁场来使磁性层的磁化方向反转的磁场写入方式。通过电流产生的磁场在电流较大的情况下当然能够产生较大的磁场，但是越推进微型化、流过配线的电流也越受限制。如果利用使配线与磁性层的距离接近、或者使产生的磁场集中的偏转构造，则可提高通过电流产生的磁场的效率，可降低为了使磁性层的磁化反转而所需的电流值。但是，由于微型化，磁性层的磁化反转所需的磁场增大，因此难以实现低电流化和微型化的并存。

磁性层的磁化反转所需的磁场由于微型化而增大是因为需要用于克服热扰动的磁能。为了增大磁能，只要增大磁各向异性能量密度和磁性层的体积中的任一个即可，但是由于微型化而导致体积减小，因此通常增大形状磁各向异性能量或结晶磁各向异性能量、即增大磁各向异性能量密度。但是，如上所述，由于具有磁性层的磁能的增大使反转磁场增大，因此很难使低电流化和微型化并存。

近年来，理论上预测出利用自旋极化电流的磁化反转，通过实验也得到证实，提出了利用自旋极化电流的MRAM。根据该方式，仅使自旋极化电流流过磁性层就能够实现磁性层的磁化反转，如果磁性层的体积较小则注入较少的自旋极化电子就能够实现，因此期待能够使微型化、低电流化并存。并且，由于不利用通过电流产生的磁场，因此具有不需要使磁场增加的偏转构造、可缩小单元面积的优点。但是，当然地，在自旋极化电流中的磁化反转方式中，热扰动的问题也随着微型化而变得明显。

如上所述，为了确保抗热扰动能力，需要增加磁各向异性能量密度。在到目前为止主要研究的面内磁化型的结构中，通常利用形状磁各向异性。在这种情况下，由于利用形状来确保磁各向异性，因此存在如下问题：反转电流成为形状敏感，随着微型化，反转电流分散增加。为了利用形状磁各向异性来增加磁各向异性能量密度，考虑使MTJ元件的纵横比(aspect ratio)增大、增加磁性层的膜厚、增加磁性层的饱和磁化。

MTJ元件的纵横比的增大使单元面积增大，不适合大容量化。磁性体的膜厚、饱和磁化的增加导致使利用自旋极化电流的磁化反转所需的电流值增加，不理想。在面内磁化型的结构中利用结晶磁各向异性而不利用形状磁各向异性的情况下、在使用了具有较大的结晶磁各向异性能量密度的材料(例如，在硬盘介质中使用的Co-Cr合金材料)的情况下，导致结晶轴在面内较大地分散，因此导致降低MR(Magnetoresistive：磁电阻)，或者引起不相干的进动，结果导致增加反转电流。