跑道型存储器件的制作方法

专利名称：：跑道型存储器件的制作方法
技术领域：
：本发明涉及存储器存储系统，具体地说，涉及一种使用电流跨读取和写入器件移动磁畴壁，从而允许将数据存储在磁性跑道内的畴或畴壁中并从磁性跑道内的畴或畴壁读出数据的存储器存储系统。
背景技术：
：跑道型存储器件以磁纳米线或“跑道”中的磁畴壁的形式存储信息。使用短的(纳秒级)电流脉冲沿纳米线向后和向前移动畴壁，其中传送电流的电子被自旋极化。自旋极化后的电流携带有自旋角动量，自旋角动量被传递给畴壁，导致畴壁沿电子流动的方向移动。例如，一系列畴壁(代表0和1)可以经过置于跑道中间的读取器件和写入器件沿跑道往复移动。在现有技术中，在跑道中维护一个储存区(reservoir)，以便可以跨读取和写入器件移动一系列畴壁。这允许在一串已有畴壁内的某个位置读取任何畴壁或写入一个或多个新的畴壁，而不会在其他方面破坏或扰乱该一系列畴壁。在每个跑道仅使用一个读取和写入器件时，储存区通常至少需要与一串已存储的畴壁一样长。因此，现有技术的跑道型存储器技术偏爱长跑道。为了沿跑道移动畴壁，要求在特定时间长度上具有特定电流密度。畴壁移动越快，需要的电流密度就越大。但是，电流密度越高，沿跑道的电压的量级就需要越高。跑道越长，跑道的电阻就越高并且对于相同电流密度量级而言，所需的电压就越高。此外，现有技术的跑道型存储器件采用畴壁沿磁跑道的双向运动，以便可以跨读取和写入器件在任一方向上移动畴壁。为此，电子电路沿跑道传送或者为正极性或者为负极性的电流脉冲。优选地设计此类跑道，以便可以沿跑道在任一方向上可靠地移动畴壁。
发明内容本发明的一个实施例涉及一种器件，包括轨道，其包括磁性材料，其中所述轨道被设计为包含响应于通过所述轨道的电流而沿所述轨道移位的磁区。这些磁区包括相应的畴壁。所述器件还包括读取部件，用于读出由所述轨道中的相应磁区代表的数据，其中一旦读出由所述相应磁区代表的数据，所述相应磁区的畴壁就消失。所述器件还包括写入部件，用于在所述读取部件读出对应数据之后将数据写入所述轨道中的磁区，使得所述器件用作移位寄存器。所述读取部件和所述写入部件可以有利地位于所述轨道的相对端。在一种优选实施方式中，所述磁区在所述轨道中只能沿一个方向移动。此外，在所述写入部件将由所述相应磁区代表的数据写回磁区之前，所述数据可以有利地被写入存储器件。本发明的一个方面是一种方法，包括将电流脉冲施加于所述器件的轨道，以便将给定磁区从所述轨道中的一个钉扎位置移动到所述轨道中的另一个钉扎位置。所述方法还可包括将信息读入存储器件(例如，CMOS器件)，其中所述信息对应于由所述相应磁区代表的数据；然后，所述写入部件可以将此信息写回所述轨道中的磁区。备选地，所述方法还可包括使用所述存储器件存储器储的信息进行计算，由此构建或形成不同信息，所述不同信息然后又可由所述写入部件写入所述轨道中的磁区。本发明的另一实施例是一种器件，包括轨道，其包括磁性材料，其中所述轨道包含代表数据的磁区。这些磁区包括相应的畴壁，施加于所述轨道的电流沿所述轨道仅沿一个方向移位所述相应的畴壁。所述器件还包括读取部件，用于读出由所述轨道中的相应磁区代表的数据，其中一旦读出由所述相应磁区代表的数据，所述相应磁区的畴壁就消失。所述器件还包括写入部件，用于在所述读取部件读出对应数据之后将数据写入所述轨道中的磁区，使得所述器件用作移位寄存器。所述轨道自身可以有利地被成形为促进仅沿一个方向移动所述畴壁。例如，所述轨道可以具有沿所述轨道单调减小的横截面积。此外，所述轨道可以包括多个段，所述多个段的外形使得所述磁区只能沿一个方向移动通过所述轨道。图1示出了磁跑道型器件的各种特性；图2(包括图2A、2B和2C)示出了本发明的一个优选实施例；图3(包括图3A、3B、3C、3D、3E和3F)示出了如何构建跑道型器件的磁纳米线的外形以便促进仅沿一个方向的磁畴移动；以及图4(包括图4A和4B)示出了其中磁纳米线被水平地定向的跑道型器件。具体实施例方式图1示出了示意性磁存储器系统100，其包括采用写入元件15和读取元件20的磁移位寄存器10。读取元件20和写入元件15两者形成系统100的读/写元件。磁移位寄存器10包括数据列25，数据列25包括优选由亚铁磁或铁磁材料制成的细线(或轨道)。可以使用写入元件15在较小区域内沿一个方向或另一方向磁化数据列25。制造轨道的磁性材料的有序参数(即，磁化方向或磁动量方向)通常可在各畴之间从一个方向改变为另一个方向。此磁动量方向的变化形成了在数据列25中存储信息的基础。取决于移位寄存器的所需编码方案，数据可以存储在1)移位寄存器10的磁化后的区域(如磁畴)，例如30,35；2)分隔各畴的畴壁，例如36、37、38、39；或者3)磁畴(例如30,35)和畴壁(例如36、37、38、39)两者。如在此使用的，畴壁(例如36、37、38、39)是磁畴(例如30、35)之间的转变磁化区。图1中由箭头136、137、138、139、140指示了畴的可能磁化方向。在其操作的任何给定时刻，磁移位寄存器10包括数据区40、上储存区45以及下储存区50。数据区40包括一组连续的存储数据的畴，例如畴30、35。以上储存区45和下储存区50的形式将额外长度提供给磁移位寄存器10。上储存区45和下储存区50的组合后的长度优选地足够长，以便在为了分别写入和读取数据区40中的畴而跨写入元件15和读取元件20从数据区40完全移动数据区40内的所有畴时，该长度可容纳这些畴。在任何给定时刻，畴因此部分地存储在数据区40内并部分地存储在上储存区45或下储存区50内。因此，是数据区40、上储存区45以及下储存区50的组合形成了完整的存储元件。例如，上储存区45可以在静态中没有磁畴。但是，在另一实施例中，下储存区50可以在静态中没有磁畴。此外，数据列25可以包括数据区40和两个或更多储存区45、50，或者备选地，磁移位寄存器10可以包括单个储存区45或50。移位寄存器10的各个区域40、45、50是连续的并且其结构和组成可以完全相同。数据区40并不是列25的固定区域，相反，在存储器件的操作期间，数据区40将沿着列向上和向下移位，以便从列25读取数据和将数据写入列25。因此，在任何给定时刻，数据区40可位于磁移位寄存器10的不同部分内。尽管数据区40可以是一个连续的区域，但是数据区40内的畴的空间分布和范围可以近似相同，与数据区40驻留在磁移位寄存器10内的位置无关。在另一个实施例中，在存储区域的运动期间，尤其是跨读取元件20和写入元件15的运动期间，此区域的空间范围可以增大。数据区40的一部分甚至整个数据区40都可移动到上储存区45或下储存区50内以存取特定畴中的数据。共同地，图1的上储存区45和下储存区50优选地具有与数据区40近似相同的尺寸或略长于数据区40。但是，其他备选实施例可以允许上储存区45或下储存区50具有相对于数据区40的尺寸而言不同的尺寸。作为一个实例，如果针对每个磁移位寄存器10使用一个以上的读取元件20和写入元件15，则上储存区45和下储存区50的组合后的长度可以远小于数据区40。例如，如果针对一个磁移位寄存器10使用两个读取元件20和两个写入元件15并且它们沿数据区40的长度等距地布置，则上储存区45和下储存区50总共需要的长度仅大约为数据区40的长度的一半。受控制电路111(在基部112上)控制的电流55经由电接触部56被施加于数据列25，以便沿数据列25移动畴30、35内的磁动量并经过读取元件20或写入元件15。在具有畴壁的磁性材料中，跨畴壁的电流沿电流流动的方向移动畴壁。在电流通过畴时，电流变得“自旋极化”。当此自旋极化后的电流跨中间畴壁进入下一个畴时，该电流产生自旋转矩。此自旋转矩是移动畴壁的转矩。畴壁速度可以非常高，例如在一百到数百米每秒的量级，使得将特定畴移动到所需位置以便读取该畴或借助写入元件改变其磁状态的过程可以非常短。如现在根据图2、3和4所述的本发明的优选实施例实现了对于相同的畴壁位具有更短的跑道。所述实施例提供了这样的跑道沿该跑道，只需沿一个方向移动畴壁，由此使得跑道结构具有更可靠的畴壁运动，这是因为畴壁只能在一个方向上移动。为此，一旦读出畴壁，畴壁就被破坏，然后读出的畴壁被重新写入跑道。图2A、2B和2C示出了涉及磁移位寄存器10的本发明的一个优选实施例。在图2A中，不再具有用于存储移位后的磁畴壁的储存区。相反，磁纳米线或跑道包括存储区域40a，一系列畴及其关联的磁畴壁位于其中。存储区域40a可以与纳米线自身一样长，或者其可以短于纳米线的长度，以便例如允许更容易地制造纳米线或结合电接触部和/或一个或多个读取元件20a和写入元件15a。电流脉冲用于沿由箭头31a指示的单个方向沿纳米线移动区域40a内的一系列畴壁。此箭头方向表示在经由纳米线的任一端处的电接触部56a施加于纳米线的电流或电流脉冲的影响下的畴壁移动方向。这些接触部可以在沿纳米线的任何位置、在纳米线的任一端处或甚至在存储区域40a之外。图2A中示意性地显示了一系列磁畴，每个畴内的磁化方向指向沿纳米线的长度的方向。但是，要指出的是，每个畴内的磁化可以指向任何方向，例如，磁化可以垂直于纳米线的长度，或者可以相对于纳米线的长度以某种任意方向排列。还要指出的是，每个畴内的磁化分布可能未完全沿特定方向对准，而是可能具有某种偏离单一方向的方向变化。图2B示出了在将一个或多个电流脉冲施加于纳米线以沿纳米线移动畴之后在区域40a内的一系列畴壁的位置。如可以从图2B看到的，畴的数量在此过程之后减小，因为某些畴已被移出纳米线的长度。最终，在图2C中，所有畴基本上都已被移出纳米线并且不再存储在纳米线中。更确切地说，如标记为70的示意性器件所示，这些畴已被暂时存储在置于支持跑道型存储器件IOOa的读取、写入和移位功能的基础微电子电路器件内的存储器件中。要指出的是，可以如美国专禾U6，834，005(标题为“Shiftablemagneticregisterandmethodofusingthesame”，2004年12月21日颁发给Parkin，其在此引入作为参考)中描述的那样使用写入器件1将畴或畴壁写入跑道或使用器件20a读取畴或畴壁。如图2所示，存储器件70和电接触部56a可以由间隙(例如，空气)分隔，或者它们可以由绝缘层分隔。通过简单地使用电流脉冲将畴推送到超出读取元件20a的范围并最终使用这些电流脉冲将畴推送到磁纳米线的端部以外而使畴“消失”。一旦畴或畴壁被推送到超出读取元件的范围，它们就不再能够被存取，所以它们实际上被从跑道消除。纳米线的端部可以被设计为例如通过使纳米线成形为渐缩的点或成形为圆形或椭圆形形状而确保在纳米线端部处或接近纳米线端部时物理地消除畴壁。尽管图2A、2B和2C示出了一系列存储在器件70中的畴壁，但是可以有利地在器件70中存储几个或仅存储单个畴或畴壁。器件IOOa中存在的畴或畴壁单元的数量越少，此跑道型存储器件就可以越紧凑，但是成本也越高。在本发明的一个实施例中，将存储区域40a中的一系列畴/畴壁在方向31a上沿纳米线以一个单位为增量进行移位，使得读取元件20a—次读取一个畴或畴壁。此畴或畴壁然后被移出纳米线，但是其状态被记录在存储器件70中。然后，在下一次操作时，使用写入元件1将此被从纳米线消除的单元的状态写回纳米线的顶部。虽然在此使用了方向性术语(例如上或下)，但是这些术语并非旨在将本发明的实施方式限于这些方向。类似地，表达顶部和底部只是指跑道的相对端。此外，虽然跑道在图2A、2B和2C中示为具有圆形的横截面，但是此纳米线的形状可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形或任何其他这样的形状i)使得可靠地移动畴壁成为可能，同时ii)提供令人满意的畴壁热稳定性。为此，有利地沿跑道使用一系列“钉扎位置(pinningsites)”，S卩，畴壁沿轨道的优选位置，在所述位置处，畴壁的能量减小。这些“钉扎位置”可以在限定畴壁的能量稳定位置并由此限定连续位之间的间距中起到重要作用。这在申请人于2008年8月22日提交的标题为“Magneticracetrackwithcurrent-controlledmotionofdomainwallswithinanundulatingenergylandscape，，的共同未决申请第12/197155号(其副本随本申请一起作为附件提交)中更详细地进行了描述。存储器件70可以有利地包括多个存储器存储部件(如易失性和非易失性元件)中的任何一个。例如，此存储器件可以包括SRAM、DRAM、FRAM、MRAM、PCRAM、RRAM、相变、易失性硅以及其他CMOS存储部件中的一个或它们的组合。可以例如基于存储器件与制造的跑道型存储器件的速度、性能、耐久性、尺寸和成本的兼容性来选择存储器件。如图2中的电引线示意性地所指示的，在读取元件20a中的读出电路检测到与磁移位寄存器IOa中的磁畴对应的信号之后，由该信号所代表的一则信息被写入存储器件70。该信息然后可以由写入元件15a写回磁移位寄存器10a。可以针对移位寄存器IOa中的其他磁畴重复此过程。存储器件70还可以包括使用被写入器件70的信息来进行计算的一个或多个电路或与所述一个或多个电路连接。这些计算的结果可被输出到其他器件，或备选地，可以由写入元件15a写回移位寄存器20a。可以使用常规光刻工艺(例如，通过首先形成存储器件70)来制造器件100a。然后可以在存储器件70上形成下电接触部56a(例如，由金属制成)。然后可以依次形成写入元件20a、包含磁畴的寄存器IOa的磁纳米线或跑道、读取元件15a，以及上电接触部56a。本发明的特定实施例的一个优点在于沿跑道仅沿单个方向移位畴或畴壁，由此简化了跑道的设计、制造和操作，以及使得对于相同数量的已存储位，跑道变得更短，并且因此在运行上更快并更易于制造。由于仅在一个方向上移动畴壁，有利地可以这样形成跑道的形状允许改进畴/畴壁沿跑道的由电流引起的运动。图3中所示的某些示意性器件例示了此情况。图3A及其伴随图(放大后的图示图3B)示出了跑道25a，跑道25a的横截面积沿跑道单调减小。因此，相继单元A、B、C具有系统地减小的横截面积。由于畴壁通常优选具有最小的横截面积，因此跑道的结构将促进畴壁在一个方向上的运动，这有利于更可靠的和可重现的运动。图3C及其伴随图(放大后的图示图3D)示出了具有段D、E和F的跑道25b，其中横截面积在一个单元中从头到尾单调地缩小，但是从一个单元的一端到下一单元的开始是增大的。这防止了畴壁在单元之间容易地移动，除非使用足够大的移位电流。此结构因此可针对虚假波动(例如，热波动)稳定畴壁。图3E及其伴随图(放大后的图示图3F)示出了跑道25c，其中在每对相继段(标记为G、H、I)之间存在形式为槽口的面积减小。槽口的外形使得畴壁易于在一个方向上传播，但是不易于在相反方向上传播。这允许改进跑道型存储器件的操作可靠性。图4A和4B示出了一种跑道型存储器件的实施方式，所述存储器件具有沿水平方向定向的跑道，但是其中畴壁仅在一个方向上移动，例如，如以上根据图2中示出的“垂直”跑道配置所讨论的。这些图还指示了如何将数据从存储器件读入磁跑道(图4A)以及如何将数据从磁跑道读入存储器件(图4B)。本发明可以体现在其他特定形式中而不偏离其精神或基本特征。所描述的实施例在所有方面仅应被视为是示例性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而非由以上描述来指示。所有在权利要求的等同含义和范围内的更改都将被包含在该范围之内。在本发明的各优选实施例中，提供了编码有可执行程序代码的介质以实现在此描述的任一方法。此代码包含可以例如驻留在处理器的随机存取存储器(RAM)中或处理器的硬盘驱动器或光盘驱动器上的可执行指令。所述指令可以存储在磁盘或光盘或软盘、盘驱动器、磁带、电子只读存储器或其他适当的数据存储设备上。在各优选实施例中，可以由诸如处理器或计算机之类的数字处理装置读取此程序代码以便执行在此披露的任意一个或多个方法。权利要求1.一种器件，包括轨道，其包括磁性材料，其中所述轨道被设计为包含响应于通过所述轨道的电流而沿所述轨道移位的磁区，所述磁区包括相应的畴壁；读取部件，用于读出由所述轨道中的相应磁区代表的数据，其中一旦读出由所述相应磁区代表的数据，所述相应磁区的畴壁就消失；以及写入部件，用于在所述读取部件读出对应数据之后将数据写入所述轨道中的磁区，所述器件由此用作移位寄存器。2.如权利要求1中所述的器件，还包括与所述轨道电联系的至少一个电气部件，其中所述电气部件被连接到使磁区移动通过所述轨道的电流源。3.如权利要求1中所述的器件，其中所述读取部件位于所述轨道的一端，而所述写入部件位于所述轨道的另一端。4.如权利要求1中所述的器件，其中在所述写入部件将由所述相应磁区代表的数据写回磁区之前，由所述相应磁区代表的数据被写入存储器件。5.如权利要求4中所述的器件，其中所述存储器件是CMOS器件。6.如权利要求1中所述的器件，其中所述磁区只能沿一个方向移动通过所述轨道。7.一种方法，包括将电流脉冲施加于如任一上述权利要求所述的器件的轨道，以便将给定磁区从所述轨道中的一个钉扎位置移动到所述轨道中的另一个钉扎位置。8.一种器件，包括轨道，其包括磁性材料，其中所述轨道包含代表数据的磁区，所述磁区包括相应的畴壁，其中施加于所述轨道的电流使磁区仅沿一个方向沿所述轨道移位；读取部件，用于读出由所述轨道中的相应磁区代表的数据，其中一旦读出由所述相应磁区代表的数据，所述相应磁区的畴壁就消失；以及写入部件，用于在所述读取部件读出对应数据之后将数据写入所述轨道中的磁区，所述器件由此用作移位寄存器。9.如权利要求1至6和8中的任一权利要求所述的器件，其中所述轨道具有沿所述轨道单调减小的横截面积。10.如权利要求1至6和8中的任一权利要求所述的器件，其中所述轨道包括多个段，所述多个段的外形使得所述磁区只能沿一个方向移动通过所述轨道。11.如权利要求10中所述的器件，所述轨道的横截面积在从给定段的一端到该给定段的相对端的方向上减小，但是在从该给定段的所述相对端到与该给定段相邻的段的方向上增大。12.如权利要求10中所述的器件，其中相邻段通过相应槽口分隔，每个槽口的横截面积小于与该槽口相邻的任何段的横截面积。全文摘要一种跑道型存储器存储器件，其仅沿一个方向沿跑道移动畴壁。读取部件可以被置于该跑道的一端(而不是该跑道的中间)。一旦跨所述读取部件移动畴壁，所述畴壁就消失，但是它们对应的信息被读入一个或多个存储器件(例如，内置CMOS电路)。然后可以在电路中出于计算需要而处理所述信息，并使用置于所述跑道的与所述读取部件相对的一端的写入部件将所述信息或者以其原始形式(如从跑道读出的)或者以某种计算之后的不同形式写回所述跑道。此类跑道的构建更简单，并且其操作可靠性高于先前的跑道型存储器件。文档编号G11C19/08GK102282624SQ200980153454公开日2011年12月14日申请日期2009年10月14日优先权日2009年1月5日发明者S·帕金申请人:国际商业机器公司