专利名称：具有双重自旋转矩基准层的磁性随机存取存储器的制作方法
具有双重自旋转矩基准层的磁性随机存取存储器
背景技术：
磁性随机存取存储器(MRAM)或自旋转矩RAM(STRAM)是一种非易失固态数据存储技术，这种技术具有远大的前途，但在获得有竞争力的存储密度级方面提出挑战。提供以上讨论仅用作一般的背景信息，并且不旨在用来帮助确定所要求保护的主题的范 围。舰披露了可适用于自旋转矩随机存取存储器(ST-RAM)的磁性数据存储单元。磁性单元包括第一和第二固定磁性层以及位于这两个固定磁性层之间的自由磁性层。磁性单元还包括配置成提供通过磁性层的自旋极化电流的接线端。第一固定磁性层具有基本平行于自由磁性层的易磁化轴的磁化方向，而第二固定磁性层具有基本垂直于自由磁性层的易磁化轴的磁化方向。双重固定磁性层在对自由磁性层写入时提供增强的自旋转矩，由此减小需要的电流并减小磁性数据存储单元的形体尺寸，并增加磁性自旋转矩数据存储的数据存储密度。本文的概述和摘要提供对所选实施例某些方面的示例性介绍，并且不应理解成定义对所要求的主题事项的范围作何解释的任何限定或暗示。附图简述
图1示出根据一解说性示例的磁性数据存储单元的立体图，其示出具有图示磁化方向的单元的磁性层的分解图。图2示出根据一解说性示例的磁性数据存储单元的侧面图，其具有作用于单元的磁化方向和自旋转矩的示意性表示。图3示出根据一解说性示例的作用于单元内的多个自旋转矩的叠加因变于磁化方向之间的夹角的图示。图4示出根据一解说性示例的针对不同磁性单元磁阻因变于电流的比较性图示。图5示出根据另一解说性示例的磁性数据存储单元的立体图，其示出具有多个磁化方向的单元的磁性层的分解图。图6示出根据另一解说性示例的磁性数据存储单元的立体图，其示出具有多个磁化方向的单元的磁性层的分解图。图7示出根据另一解说性示例的包含磁性数据存储单元的数据存储系统。图8示出根据一解说性示例的与磁性数据存储单元关联的方法。具体描述图1示出根据一解说性示例的磁性数据存储单元100的立体图，其示出具有图示磁化方向的单元的磁性层121、122、123的分解图。在一解说性实施例中，例如磁性单元100 的许多磁性数据存储单元可一起包含在数据存储设备或其它数据存储系统中，并配置成用于存储数据。在该解说性实施例中，又称为基准层并具有互补磁化方向的双重固定磁性层 121、123在对自由磁性层122写入时通过切换自由磁性层122的磁化方向来提供增强的自旋转矩，如下文中进一步描述的那样。
相对于仅具有单个固定磁性层的磁性单元而言，由双重固定磁性层121、123提供的增强的自旋转矩能够使用较低电流来切换自由磁性层122。相对于仅具有单个固定磁性层的磁性单元而言，该较低电流允许减小磁性数据存储单元100的形体尺寸，并由此使包含该磁性数据存储单元的磁性自旋转矩数据存储中具有增大的数据存储密度。具体地说， 具有单个固定基准层的磁性单元可能需要比集成的场效应晶体管(FET)的典型集成电路所能提供的更大的电流，同时相对而言，具有互补磁化方向的双重固定磁性层的磁性单元可通过处于集成电路的正常电流容量内的较低电流而工作。这些方面将在下文中作进一步描述。单元100的磁性层包括第一固定磁性层121、第二固定磁性层123以及位于第一和第二固定磁性层121、123之间的自由磁性层122。磁性层121、123是固定的，因为其磁化各自保持在相应的固定方向，同时磁性层122是自由的，因为其磁化保持自由以在沿其易磁化轴的两个相反方向中的任一方向对准，如下文中进一步描述的那样。“磁化”可理解为在适用的情况下指示磁化方向。磁性单元100还包括配置成提供流过磁性层121、122、123的叠层的自旋极化电流的接线端111、113。接线端111、113连接于节点115，该节点115可连接于额外的信号线(图1未示出)。磁性层的分解图示出固定磁性层121的磁化方向141， 其指示磁性层121的固定磁化方向；固定磁性层123的磁化方 向143，其指示磁性层123的固定磁化方向；以及自由磁性层122的磁化方向142，其指示磁性层122的易磁化轴。磁性层121的磁化具有正交取向，有时也称为平面外或垂直取向，其磁化大致垂直于该层的平坦、延伸的圆形表面而取向。磁性层123的磁化具有直径取向，有时也称为面内取向，并且大致平行于层的平坦表面而取向。本领域内技术人员将发现，包括“大致正交” 和“大致平行”的这些表述被简化并且不作为每个层内的磁化的完整表述或指示恰好正交或恰好平行，但有益于辨认磁化的大致取向，如本领域内技术人员在考虑磁化方向的相对取向时所能理解的那样。固定磁性层的磁化方向141、143各自以实线表示，仅在其一端具有箭头，这表示这些磁性层的磁化方向是固定的，而自由磁性层的磁化方向142表示为在其两端都具有箭头的虚线，这表示该磁化方向指示易磁化轴，并且该层的磁化可以基本相等的稳定性与易磁化轴的任一极对准。理想地，这将具有相等的稳定性或落在相等稳定性的公称制造公差内，因此如果自由磁性层的磁化方向在存在环境影响时中断并使之继续，则磁化方向将以相等可能性返回到与易磁化轴共线的任一方向。在图1的示例性实施例中，自由磁性层122的易磁化轴设定在垂直方向，与固定磁性层121的磁化方向磁化方向141对准。因此，在图1的示例性实施例中，第一固定磁性层 121具有与自由磁性层122的易磁化轴大致平行的磁化方向141，而第二固定磁性层123具有与自由磁性层122的易磁化轴大致正交的磁化方向143。自由磁性层122的磁化方向142 在任何时候都预先安排以与易磁化轴稳定对准，要么平行于要么反平行于磁性层121的固定磁化方向141。磁化方向以下面参照图2进一步描述的意义“大致”平行和“大致”垂直。易磁化轴可通过多种技术来设定，这些技术可例如包括自由磁性层内的形状各向异性或磁晶各向异性。在固定磁性层121、123中，每个层的磁化方向可通过多种技术中的任意一种保持在固定取向，所述多种技术例如使固定磁性层各自具有比自由磁性层大很多的磁体积、或使固定磁性层磁性地钉扎。
磁化的取向也可因变于层的尺寸。例如，没有磁性钉扎的话，沿直径磁性取向具有易磁化轴(和磁化)的层总体关联于相对较大的半径和相对较小的垂直厚度，同时沿垂直磁性取向具有易磁化轴(和磁化)的层总体关联于相对较小的半径和相对较大的垂直厚度。具体地说，在该特定实施例中，使自由磁性层122具有垂直易磁化轴相对于其它易磁化轴取向可增加自由层的各向异性能量密度的量。相比其它取向，这允许磁性单元100 具有相对小的尺寸和相对较大的磁稳定性。有关磁性单元100可以多小同时仍能可靠地发挥作用的重要约束是对自由磁性层122的磁化方向由于随机热起伏而随机反转的抵抗性。 自由磁性层的磁化方向抗热扰动的稳定性可模型化为κμνΛτ，其中κμ是磁性各向异性能量密度，V是磁性层的体积，k是玻尔兹曼常数而T是温度。在一示例性实施例中，至少大约 60 (无单位，因为χ是无量纲比)的Κμ V/kT值作为设计标准，用来维持自由磁性层122的磁稳定性。
磁性层121、122、123可至少部分地由铁磁材料构成。可用作磁性层组分的铁磁材料的例子包括铁、钴、镍、坡莫合金、赫斯勒合金或任意其它铁磁材料。可使用的赫斯勒合金例如可由铜、镍、钴或铜、镍、钴的组合物的两部分组成；一部分是锰、铬、铁其中一种元素或锰、铬、铁的组合物；以及一部分是锡、铝、硅、砷、锑、铋或硼中的一种元素或其组合物。本领域内技术人员将发现能很好地适用于给定场合的其它材料选择。在图1的示例性实施例中，居间的、非磁性的中间层131位于固定磁性层121和自由磁性层122之间，而居间的、非磁性的中间层132位于自由磁性层122和固定磁性层123 之间。中间层131、132可配置成对磁性单元100的多种不同技术作出贡献，例如量子隧穿磁阻(TMR)或巨磁阻(GMR)。可使用的一种类型中间层是隧道势垒，其针对量子隧穿磁阻而配置。例如，隧道势垒可由电绝缘材料构成，该电绝缘材料例如是金属氧化物，包括A10、 Ta0、Mg0或的铝、钽、钛、镁或其它合适元素的任意其它氧化物或其组合，或者是其它电绝缘材料。可使用的另一类型中间层是针对巨磁阻配置的导电金属层。这一中间层可由高导电率金属构成，例如金、银、铜或铝。为其它目的配置的其它类型中间层——例如由半导体构成的中间层——可用于各个其它实施例。各实施例也可将量子隧穿磁阻技术和巨磁阻技术整合到同一单元中。在一示例性实施例中，这可关联于优化同一磁性单元上的读操作和写操作两者，该磁性单元各端上具有相同的一个接线端111、113。例如，在与图1相应的示例性实施例中，第一中间层131可由量子隧穿磁阻的绝缘材料构成，而第二中间层132可由巨磁阻的导电材料构成。在该示例性实施例中，通过由量子隧穿磁阻的绝缘材料构成将自由磁性层122与固定磁性层121 分隔开的第一中间层131可为写操作提供更大输出信号，该固定磁性层121具有平行的易磁化轴并用来设定自由磁性层122的磁化方向。另一方面，通过由巨磁阻的导电材料构成将自由磁性层122与固定磁性层123分隔开的第二中间层132尤其可为磁性单元提供较低的总阻抗，该固定磁性层123具有垂直的易磁化轴并用来在自由磁性层122的磁化方向上提供最初的转矩助力。磁性单元100由此允许向自由磁性层122提供双重、互补的自旋转矩，从而使用相对低的电流将数据存储在磁性单元100中，该磁性单元以沿易磁化轴的哪个方向定向自由磁性层122的磁化方向的形式。下面参照图2进一步描述磁性单元100如何提供这些互补转矩并由此以相对低的电流对数据编码。图2示出根据图1所示实施例的磁性数据存储单元100的侧面图，其具有作用于单元的磁化方向141、142A、142B、143以及自旋转矩241、243的示意性表示。在图2中，自旋极化电流流过磁性单元100，电流从接线端113流向接线端111，即电子从接线端111向接线端113传播。随着该自旋极化的电流从具有磁化方向141的固定磁性层121开始流动，其在自由磁性层122上施加自旋转矩241 ；并随着该自旋极化电流从具有磁化方向143 的固定磁性层123开始流动，其在自由磁性层122上施加自旋转矩243。如图2所示，自由磁性层122—开始具有磁化方向142A，其取向反平行于固定磁性层121的磁化方向，即如图所示地向下。流过磁性单元100的自旋极化电流以及由该自旋极化电流产生并关联于固定磁性层121、123的自旋转矩241、243的作用使自由磁性层122的磁化方向翻转至磁化方向 142B，该方向平行于固定磁性层121的磁化方向141。 具体地说，自旋转矩243给磁化方向142A予以最初的自旋转矩助力从而将其更迅速地推离自由磁性层122的易磁化轴，并具有比通过单独来自固定磁性层121的自旋转矩 241可能产生的转矩更大的最初转矩；而来自固定磁性层121的自旋转矩241在自由磁性层122的磁化方向反转的过程的中间点提供更大的转矩，并确定写操作结束时自由磁性层 122的最终磁化方向142B。下面将参照图3和图4对这些方面作进一步的解释。控制磁性层的磁取向的能力将在下文中更详细地予以说明。当自旋极化电流流过磁性材料时，来自自旋的角动量转移在材料的磁化方向上作用一转矩。在具有固定磁性层和自由层一例如图1和图2的固定层121、123和自由层122——的磁性叠层中，自旋极化电流将来自每个固定层的磁化的角动量转移至自由层，如此对自由层的磁化施加一转矩。 在磁性元件110中，驱动电流以使其垂直地流过接线端111和113之间的叠层，由此对正偏 (电子从下接线端111流至上接线端113)而言，自旋转矩将自由层122向平行于具有平行易磁化轴的固定层121磁化方向的最终磁化方向142B驱动，如图2所示。对负偏流(电子从上接线端113流至下接线端111)而言，自旋转矩将自由层122向反平行于具有平行易磁化轴的固定层121磁化方向的最终磁化方向142A驱动(即与图2所示的过程相反)。通过合并来自自旋极化电流的磁化效应，可采用Landau-Lifshitz-GiIbert方程来描述自由磁性层对于每个固定磁性层的自由层动力学上的这种效果，由此自由磁性层 122的改变速率可定义如下其中I是垂直于磁性层的平面(CPP)流动的电流，Msftee是自由层饱和磁化强度， Msfixed是固定层的饱和磁化强度，ε是与电流的自旋极化相关的效率因数，V是自由层的体积，而μ ^是自由空间的磁导率。此方程的解产生一临界电流密度J。，当超过此临界电流密度时自由层的磁化可取决于电流的方向被驱动成平行或反平行于具有平行的易磁化轴的固定层。通过图1和图2的磁性单元100，两个固定磁性层121、123中的每一个对自由磁性层122的磁化施加一转矩，并且自由磁性层122的磁化142的改变速率和临界电流密度两者必须表述为由前述方程确定，该方程具有来自固定磁性层121、123中的每一个的贡献，相比具有单个固定磁性层的情形，这促使自由磁性层122的磁化改变速率高很多，并使临界密度低很多。(尽管自由磁性层122的磁化方向表示为在图2中标示为142A、142B的具体取向，但在这里一般地称为磁化方向142或磁化142)。具体地说，自由磁性层122的磁化上的转矩大致成比例于相邻磁性层和自由磁性层的磁化的叉积，即磁化幅度乘以两者间的夹角的正弦得到的幅度。这示出于图3的图示300。图3示出根 据一解说性示例的作用于单元内的多个自旋转矩的叠加因变于磁化方向之间的夹角的图示300。具体地说，参照图1和图2的示例性实施例，转矩分量311代表由固定磁性层121施加在自由磁性层122的磁化方向上的自旋转矩的幅度，而转矩分量 313表示由固定磁性层123施加在自由磁性层122的磁化方向上的自旋转矩的幅度。如果各自仅受单个固定磁性层作用，则自由磁性层122的磁化方向所具有的改变速率将与所示的自旋转矩成比例。由于固定磁性层121的磁化方向141 一开始反平行于或平行于自由磁性层122的磁化方向142，其自旋极化电流一开始在自由磁性层122的磁化方向142上具有非常小的转矩，即几乎与零(即零的正弦值)成比例，而现实中它与转矩模型的小规模校正成比例，使其不完全为零。由于平行力矩固定磁性层121造成的自由磁性层122的转矩及其磁化方向142的相应改变速率因此在写过程开始时相当低。在仅具有单个固定磁性层的磁性单元中，这种非常低的最初改变速率将会是对整个磁性单元以及包含这些磁性单元的任何设备的速度和性能的重大约束。如曲线图300的分量311所示，与固定磁性层121的磁化方向141关联的转矩随后上升直到在写过程的中间点到达固定磁性层 121和自由磁性层122的磁化141、142的乘积的全幅度为止，此时自由磁性层122的磁化方向处于翻转的中间点并垂直于固定磁性层121的磁化方向141。与此同时，如图示300的分量313所示，垂直力矩固定磁性层123的磁化方向143 一开始垂直于自由磁性层122的磁化方向142。与磁化方向143关联的自旋角动量因此在些过程开始时在自由磁性层122的磁化方向142上提供最大转矩，即其转矩大约与1 (即 90°的正弦值)乘以写过程开始时的自由磁性层122和固定磁性层123的磁化142、143的幅度的乘积成比例。来自垂直力矩固定磁性层123的转矩在写过程结束时也再次上升，此时来自平行动量固定磁性层121的转矩再次下降。平行力矩固定磁性层121和垂直力矩固定磁性层123因此施加彼此互补的转矩， 并一起在整个写过程中在自由磁性层122的磁化142上施加连续的高转矩。如图示300所示，转矩分量311、313叠加以形成总转矩321，总转矩321保持等于或高于由任一单独固定磁性层在写过程中提供的最大转矩。这相比磁性单元100不具有双重、互补的固定磁性层的情形提供快得多的自由磁性层122的磁化方向142的切换。除了低得多的切换所需时间长度，它还实现低得多的切换所需临界电流水平。由于为写操作施加自由层磁化切换所需的能量与时间和电流平方的乘积成比例，并且时间和电流两者对双重基准层磁性元件100 而言相比单个基准层更低，因此写操作所需的能量对磁性单元100而言也比仅具有一个固定磁性层的单元低得多。图4示出根据与前述实施例一致的解说性示例的针对不同磁性单元磁阻403因变于电流401的比较性图示400。图示400还示出如前所述的低需求电流的益处。图示400 示出针对双重基准层磁性单元100和作为比较仅具有单个固定磁性层和单个自由层的假想磁性单元两者的电流和磁阻之间的某些关系。在图示400中，具有单个自由磁性层的磁性单元在某一时间具有较低的磁阻411或较高的磁阻413，其中较低值411对应于自由磁性层的磁化方向，该方向平行于平行易磁化轴固定磁性层(例如磁性单元100中的固定磁性层121，或者是具有单个固定层的单元内的唯一固定层)的磁化方向，而较高值413对应于自由磁性层的磁化方向，该方向反平行于平行易磁化固定磁性层的磁化方向。必须沿对于临界电流值的正χ方向施加电流以切换自由层，使其从反平行变至平行并从较高磁阻413 降低至较低磁阻411。另一方面，必须沿对于临界电流值的负χ方向施加电流以切换自由层，使其从平行变至反平行并从较低磁阻411升至较高磁阻413。然而，临界电流的值对于两种单元是不同的。
在仅具有一个固定磁性层的磁性单元中，必须用大电流来补偿最初转矩(与图3 中的单独转矩分量311成比例)的弱小以切换自由磁性层的磁化方向。对于单个固定层单元的相对大的临界电流在图4中表示为I。s，并且沿图示400中的正χ和负χ两个方向处于较大的电流值。电流420图示为针对已被供给临界电流I。s并从较高磁阻切换至较低磁阻的单个固定层单元(或者在负χ侧则正好相反)。另一方面，在具有双重基准层的磁性单元100中，一个固定磁性层121具有平行于自由层122的易磁化轴的磁化方向141，而另一固定磁性层123具有垂直于自由层122的易磁化轴的磁化方向143，用于切换自由层122的磁化方向的临界电流较低。对于双重固定层单元的相对小的临界电流在图4中表示为I。， 并且沿图示400中的正χ和负χ两个方向处于较小的电流值。电流421图示为针对已被供给临界电流I。并从较高磁阻切换至较低磁阻的双重固定层单元(或者在负χ侧则正好相反)。尽管上面的描述是以对磁性单元100执行写操作为背景而给出的，但也可以相同方式并通过相同接线端111、113进行读操作，但临界电流则较小。可通过用小于临界电流向磁性单元100提供读询问电流而在磁性单元100上执行读操作。该读询问电流在磁性单元100中要么经受较高水平的磁阻413要么经受较低水平的磁阻411，并作为读响应电压返回，该读响应电压等于电流和电阻的乘积，其携带在该特定磁性单元中自由层122处于什么磁性状态的信息。实质上更详细地说，如果磁性单元具有平行于确定基准层的磁化方向对准的自由磁性层122的磁化方向，所述确定基准层就是具有平行于自由磁性层122的易磁化轴的磁化方向的固定磁性层121，并且如果通过单元提供任一极性的读电流，则它经受低磁阻并且输出电压为低。另一方面，如果磁性单元具有反平行于固定磁性层121的磁化方向对准的自由磁性层122的磁化方向，并且通过单元提供读电流，则它经受高磁阻并且输出电压为高，如通过节点115检测到的那样。图5示出根据与图1和图2中的磁性单元100的示例性实施例具有某些共同点和某些差异的另一解说性示例的磁性数据存储单元500的立体图，其示出单元的具有磁化方向141、542、143的磁性层121、522、123的分解图。磁性单元500具有许多与图1和图2 的磁性单元100相似的组件，包括固定磁性层121和123、中间层131和132、接线端111和 113以及节点115。第一固定磁性层121的磁化沿垂直方向取向，如磁化方向141所示，而第二固定磁性层123的磁化沿直径方向取向，如磁化方向143所示。磁性单元500还包括自由磁性层522，其中易磁化轴沿直径方向取向，如磁化方向542所示。自由磁性层522的易磁化轴因此平行于固定磁性层123的磁化方向。如同磁性单元100，磁性单元500也可同时将垂直的自旋转矩施加在自由磁性层522上，即彼此垂直的自旋转矩，其中一个自旋转矩垂直于自由磁性层522的易磁化轴而另一自旋转矩平行于自由层522的易磁化轴。在这种情形下，具有平行于自由磁性层522的易磁化轴并提供平行或反平行于自由层522的磁化方向的自旋转矩的磁化方向的固定磁性层123，同时固定磁性层121具有与自由磁性层522的易磁化轴正交并提供与自由层522 的磁化方向正交的自旋转矩的磁化方向。使自由层522具有直径易磁化轴在各示例性实施例中是有利的；例如当自由层具有其半径及其厚度之间相对高的比例时，直径取向可能更为自然并且在各实施例中以更高的稳定性保持其磁化方向。图6示出根据另一解说性示例的磁性数据存储单元600的立体图，其示出单元中具有磁化方向641、542、143的磁性层621、522、123的分解图，在该示例中，所有三个磁性层的磁化方向和易磁化轴处于直径或共面取向。同样，许多组件与图1、2和图5中的磁性单元100、500是相同的，包括磁性单元100中的固定磁性层123以及磁性单元500中的自由磁性层522。磁性单元600也具有固定磁性层621，其中磁化沿基本与固定磁性层123的磁化和自由磁性层522的易磁化轴的直径方向正交取向的第二直径方向而取向。尽管所有磁化方向此时处于直径取向，但可再次施加相同的图案，以使固定磁性层(123)中的一个的磁化方向平行于自由磁性层(522)的易磁化轴，而另一固定磁性层(621)的磁化方向正交于自由磁性层的易磁化轴。因此，同样以相同方式，流过磁性单元600的自旋极化的电流可用来切换自由磁性层522的磁化方向， 其中正交轴固定磁性层621充当转矩助力层以补足该确定基准层从而提供大的初始转矩助力以允许通过低电流的较快切换过程，而平行轴固定磁性层123充当确定基准层，该确定基准层沿自由层522磁化停止移动的取向提供转矩。 磁性单元600的实施例可在各实施例中提供独一无二的优势，例如当所有层具有相对高的半径/厚度比时，以使直径取向更为自然并在作为解说性示例的固定磁性层621、123的情形下以较高稳定性、较低能量或较小磁定位资源保持该直径取向。图7示出根据另一解说性示例的包含磁性数据存储单元的数据存储系统700。数据存储系统700包括多个磁性数据存储单元，例如来自数据存储系统700的放大内部概览图中所示的数据存储单元702的示例性样本701。数据存储单元702的示例性样本701不是按比例表示的，并且数据存储系统的各个实施例可包括任何数量——可能超过几百万、 几十亿、几百亿或更多的数量——的可操作连接的双重基准层磁性数据存储单元，比如前述磁性单元100、500、600中的任何一个。并且尽管数据存储系统700在图7的解说性示例中表示为单个设备，然而数据存储系统的其它实施例可包括任何数量联网的或以其它方式连接的数据存储设备，并可包括多种不同类型的设备，包括分布在任何体积空间上的设备， 其中的一些包括复合磁性数据存储单元而一些不是。尽管样本701中示出的数据存储单元 702的阵列具有连接于单元702的所有节点和接线端(比如前述实施例中的节点115和接线端111、113)的可操作信号线，然而可简化这种表示，并且在不同实施例中可采用向/从各磁性单元发送/接收信号的任何可行设计。包含在数据存储系统700中的磁性数据存储单元702包括典型磁性单元702η，这将在独立和进一步放大的视图中进行描述。典型磁性数据存储单元702η包括第一接线端 711η、第二接线端713η和磁性单元702η，该磁性单元702η包括三个基本为圆柱形的磁性层721η、722η和723η，连同位于成对的相邻磁性层之间的中间层731η、732η。磁性层721η、 723η是固定的磁性层，而位于磁性层721η、723η之间的是自由磁性层722η。磁性单元710η和磁性层721n、722n和723η可采用前述实施例的磁性单元100、500或600中的任何一种形式，使用其相应的磁性层或任何其它相似的磁性单元和磁性层配置。在磁性单元702η中，接线端711η和接线端713η配置成提供流过磁性数据存储单元702η的自旋极化电流。固定磁性层721η接近第一接线端711η地设置，而固定磁性层 723η接近第二接线端713η地设置。“接近”一接线端可表示连接于或至少比任何其它层更显著地靠近，尽管它例如在接线端和磁性层周围或之间的区域内可兼有附加层、涂层、子接线端或组件。自由磁性层722η位于第一和第二固定磁性层721η、723η之间。如同前述实施例，固定磁性层721η、723η中的一个具有固定磁化方向，该固定磁化方向大致正交于固定磁性层721η、723η中的另一个的磁化方向，并且自由磁性层722η具有易磁化轴，该易磁化轴大致平行于平行轴确定主基准层的磁化方向，主基准层包括固定磁性层721η、723η中的任何一个。根据如前所述的写操作，这预先安排自由磁性层722η以使其具有要么平行要么反平行于主基准层的磁化方向的磁化方向。在一示例性实施例中，典型磁性数据存储单元702η可定义基本在接线端711η、 713η之间延伸并基本垂直于磁性层721η、722η、723η的垂直轴。在各示例性实施例中，第一固定磁性层721η的磁化方向可大致平 行于该垂直轴而取向，第二固定磁性层723η的磁化方向可要么大致平行于要么大致正交于该垂直轴而取向，并且自由磁性层722η的易磁化轴可大致平行于第一固定磁性层和第二固定磁性层的任一个层的磁化方向而取向，这与前面参照图1、5和图6描述的各个实施例类似。数据存储系统700配置成经由信号连接提供写信号和读信号，籍此写信号使拟通过磁性数据存储单元702提供的具有高于临界值的电流密度的自旋极化电流可控制地设定磁性数据存储单元702的自由磁性层的磁化方向，并且读信号使拟通过磁性数据存储单元提供的具有低于临界值的电流密度的自旋极化电流产生一读输出信号，该读输出信号指示磁性数据存储单元702的自由磁性层722的磁化方向。如此，数据存储系统700可存储沿数据存储系统700的许多磁性单元702的自由磁性层的磁化方向编码的大量数据，并如前所述那样可以高速和低电流在磁性单元702上执行读和写操作。在一示例性实施例中，所需的电流可以足够低，使其能与使存储单元工作的集成半导体元件更相容，所述集成半导体元件例如是作为该存储设备的典型组件的场效应晶体管(FET)。另外，所需的电流可足够低以使其能通过标准集成电路电力源来提供， 而不需要大型或笨重的专用电流源对磁性单元供电。低电流也有益于低额定能耗、低废热和系统冷却需求的低影响，并在便携式设备背景下的数据存储的情形下具有延长的电池寿命。快速切换时间以及高读/写操作有益于数据存储系统700的高速性能。图8示出根据一解说性示例的使用磁性单元读/写数据的前述磁性单元之一相关的方法800。在开始801后，方法800包括步骤803，即提供具有第一侧和第二侧的自由磁性层，该自由磁性层具有与易磁化轴对准的最初磁化方向；以及步骤805，即将第一自旋转矩施加于自由磁性层第一侧并将第二自旋转矩施加于自由磁性层的第二侧，其中第一自旋转矩基本正交于自由磁性层的最初磁化方向而第二自旋转矩基本反平行于自由磁性层的最初磁化方向。这可充当将数据写至磁性单元的方法。方法800还包括读过程，包括步骤807，即将读电流施加于自由磁性层；以及步骤809，至少部分地基于响应读电流接收的读输出信号提供输出。任何类型的数据或信息因此可存储在双重基准层磁性单元内，并且该数据或信息可通过读过程获取并用来提供有用或资料形式的实质输出，所述实质输出可包括呈现在监视器上的显示、打印输出在打印机上的信息、提供给扬声器的音频数据、可触摸输出或在硬线或无线信号连接上提供给另一计算系统、设备、路由器、节点等的数据，并且所述实质输出可在某些时点获得以用户可观察的输出形式引入。要理解 ，即使已在前面的说明书中阐述了本公开各方面的许多特征和优势以及本公开各种配置的结构和功能的细节，然而本公开仅为解说性的，并可在细节上作出改变，包括有关落在本公开的完全公开内容的原理内的部件结构和配置，这由所附权利要求书表达的术语的广义一般含义来表示。例如，尽管磁性层和磁性元件在附图中以圆柱形表示并具有相似的外半径，然而可采用相对于彼此具有可变半径的多个层并且这些层是可变形态的，尤其是可变形态对于所使用材料的底层晶格而言可能更有效或者是固有的，尤其是因为存储单元尺寸在之后的重复研发中会变得越来越小。作为另一示例，尽管前述示例特别提到具有垂直或直径取向的磁化的圆柱、一维层叠的磁性层，然而也可使用其它磁性单元，其中各层以任何形状沿多个维度彼此毗邻地层叠或排列，并且其中使用的多个层的垂直或直径取向的磁化也可以是固定的，或者其磁化处于带角度取向或“漩涡”取向，其中磁化方向围绕层的中央垂直轴圆形地弯曲。各实施例也可使用多个层，这些层的磁化方向或易磁化轴在任意两个取向上是双稳态的；或者在前述全部三个取向上是三稳态的，包括面外和两个正交面内取向；或者沿层的两个或更多个直径取向的轴的直径取向上是双稳态的或准稳态的。各实施例也可使用其它技术和结构来定义任一磁性层的磁化方向或易磁化轴的稳态或准稳态取向，例如界定层的环面半径的内腔。作为又一示例，尽管前述实施例是基于具有单个磁性自由层的磁性单元的背景阐述的，然而其它实施例可包括具有多个独立磁性自由层的磁性单元，其中写操作除电流方向外还可改变电流和将电流施加于单元的持续时间，从而可控制地以任意组合切换磁性自由层，由此根据一示例性实施例将信息的多个位写至每个单独的磁性单元。自由磁性层可具有将各相邻的成对自由磁性层分隔开的中间层，在一示例性实施例中，中间层可定义具有相反磁化方向的相邻自由磁性层之间的独立磁畴壁。在一示例性实施例中，其磁化方向平行于主平行轴固定层的自由磁性层在沿磁性单元的叠层进一步向下地切换自由层时有助于形成该平行轴固定层的自旋转矩。在该示例性实施例中，具有多个自由磁性层的磁性单元可提供相对较大的单元但在每个单元中存储有更多个位，并因此提供更高的总数据存储密度。作为又一示例，本公开的数据存储单元或数据存储系统可结合数据存储和/或数据控制的任何技术使用，包括那些涉及磁阻、巨磁阻、庞磁阻、闪存、光、磁光、光子、自旋电子、全息技术以及任意其它技术的技术。各实施例也可包含在多重技术设备中，该设备使用磁性单元以及其它技术通过不同组件存储或以其它方式控制数据，所述其它技术例如是用来存储或控制不同部分数据的盘驱动器或闪存驱动器。另外，本公开不仅限于数据存储或控制的系统，而是还包括涉及自旋转矩磁性控制的任何技术。
权利要求
1.一种磁性单元，包括第一固定磁性层；第二固定磁性层；位于所述第一固定磁性层和第二固定磁性层之间的自由磁性层；以及配置成提供流过磁性层的自旋极化电流的接线端。
2.如权利要求1所述的磁性单元，其特征在于，所述第一固定磁性层具有大致平行于所述自由磁性层的易磁化轴的磁化方向，而所述第二固定磁性层具有大致正交于所述自由磁性层的易磁化轴的磁化方向。
3.如权利要求1所述的磁性单元，其特征在于，所述磁性单元定义垂直于层的垂直取向以及与层共面的直径取向，并且所述第一固定磁性层的磁化方向和所述自由磁性层的易磁化轴沿垂直方向取向，而所述第二固定磁性层的磁化方向沿直径方向取向。
4.如权利要求1所述的磁性单元，其特征在于，所述磁性单元定义垂直于所述层的垂直取向以及与所述层共面的直径取向，并且所述第一固定磁性层的磁化方向沿垂直方向取向，而所述第二固定磁性层的磁化方向和所述自由磁性层的易磁化轴沿直径方向取向。
5.如权利要求1所述的磁性单元，其特征在于，所述磁性单元定义与层共面的第一直径取向以及与层共面并大致正交于所述第一直径取向的第二直径取向，并且所述第一固定磁性层的磁化方向沿所述第一直径取向而取向，而所述第二固定磁性层的磁化方向和所述自由磁性层的易磁化轴沿第二直径取向而取向。
6.如权利要求1所述的磁性单元，其特征在于，所述至少一个磁性层至少部分地由铁磁材料构成。
7.如权利要求6所述的磁性单元，其特征在于，所述铁磁材料包括铁、钴、镍、硼、镧系元素、钕、钐、坡莫合金和赫斯勒合金中的至少一种。
8.如权利要求1所述的磁性单元，其特征在于，还包括在所述第一固定磁性层和自由磁性层之间和在所述自由磁性层和所述第二固定磁性层之间的中间层。
9.如权利要求8所述的磁性单元，其特征在于，所述中间层包括由电绝缘材料构成的隧道势垒。
10.如权利要求9所述的磁性单元，其特征在于，所述绝缘材料包括铝、钽、钛或镁中的一个或多个的氧化物。
11.如权利要求8所述的磁性单元，其特征在于，所述中间层包括导电材料。
12.如权利要求11所述的磁性单元，其特征在于，所述导电材料包括铜、金、银或铝中的一个或多个。
13.如权利要求8所述的磁性单元，其特征在于，所述第一固定磁性层具有与所述自由磁性层的易磁化轴大致平行的磁化方向，而所述第二固定磁性层具有与所述自由磁性层的易磁化轴大致正交的磁化方向，并且在所述第一固定磁性层和所述自由磁性层之间的中间层包括电绝缘材料，并且在所述第二固定磁性层和所述自由磁性层之间的中间层包括导电材料。
14.如权利要求1所述的磁性单元，其特征在于，所述固定磁性层各自具有比所述自由磁性层显著更大的磁体积。
15.如权利要求1所述的磁性单元，其特征在于，所述固定磁性层是磁性钉扎的。
16.一种方法，包括提供包含自由磁性层的磁性单元，所述自由磁性层具有第一和第二侧以及与易磁化轴对准的最初磁化方向；以及将第一自旋转矩施加于所述自由磁性层的第一侧并将第二自旋转矩施加于所述自由磁性层的第二侧，其中所述第一自旋转矩与所述自由磁性层的最初磁化方向大致正交，而所述第二自旋转矩与所述自由磁性层的最初磁化方向大致反平行。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括将读电流施加于所述磁性单元；以及至少部分地基于响应所述读电流接收的读输出信号提供输出。
18.一种数据存储系统，包括多个磁性数据存储单元；以及与一个或多个磁性数据存储单元的工作信号连接；其中所述磁性数据存储单元中的一个代表包括三个或更多个磁性层的叠层，所述叠层操作上连接于配置以提供流过所述磁性数据存储单元的自旋极化电流的第一接线端和第二接线端，所述三个或更多个磁性层包括接近所述第一接线端的第一固定磁性层、接近所述第二接线端的第二固定磁性层以及位于所述第一和第二固定磁性层之间的自由磁性层；其中所述第一固定磁性层具有一固定磁化方向，所述第二固定磁性层具有与所述第一固定磁性层的磁化方向大致正交的固定磁化方向，而所述自由磁性层具有与主基准层的磁化方向大致平行的易磁化轴，所述主基准层包括第一固定磁性层或第二固定磁性层，由此预先安排所述自由磁性层以使其具有要么平行于要么反平行于所述主基准层的磁化方向的磁化方向；所述数据存储系统配置成经由信号连接提供写信号和读信号，籍此所述写信号使拟通过磁性数据存储单元提供的具有高于临界值的电流密度的自旋极化电流可控制地设定磁性数据存储单元的自由磁性层的磁化方向，并且所述读信号使拟通过磁性数据存储单元提供的具有低于临界值的电流密度的自旋极化电流产生一读输出信号，所述读输出信号指示磁性数据存储单元的自由磁性层的磁化方向。
19.如权利要求18所述的数据存储系统，其特征在于，所述代表性磁性数据存储单元定义基本在所述接线端之间延伸并大致垂直于所述磁性层的垂直轴，而所述第一固定磁性层的磁化方向大致平行于所述垂直轴而取向，所述第二固定磁性层的磁化方向要么大致平行于要么大致正交于所述垂直轴而取向，并且所述自由磁性层的易磁化轴大致平行于要么所述第一固定磁性层要么所述第二固定磁性层的磁化方向而取向。
20.如权利要求18所述的数据存储系统，其特征在于，所述代表性磁性数据存储单元定义基本在所述接线端之间延伸并大致垂直于所述磁性层的垂直轴，所述第一固定磁性层的磁化方向大致正交于所述垂直轴而取向，所述第二固定磁性层的磁化方向大致正交于所述垂直轴且大致正交于所述第一固定磁性层的磁化方向而取向，并且所述自由磁性层的易磁化轴大致平行于要么所述第一固定磁性层要么所述第二固定磁性层的磁化方向而取向。
全文摘要
披露了可适用于自旋转矩随机存取存储器(ST-RAM)的磁性数据存储单元。磁性单元包括第一和第二固定磁性层以及位于固定磁性层之间的自由磁性层。磁性单元还包括配置成提供流过磁性层的自旋极化电流的端子。第一固定磁性层具有基本平行于自由磁性层的易磁化轴的磁化方向，而第二固定磁性层具有基本正交于自由磁性层的易磁化轴的磁化方向。双重固定磁性层在对自由磁性层作写入时提供增强的自旋转矩，由此减小需要的电流并减小磁性数据存储单元的形体尺寸，并增加磁性自旋转矩数据存储器的数据存储密度。
文档编号G11C11/16GK102272845SQ200980154226
公开日2011年12月7日 申请日期2009年12月3日 优先权日2008年12月3日
发明者M·西格勒, T·克林顿 申请人:希捷科技有限公司