CN101026000B - 利用磁畴运动的磁存储装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种磁存储装置。所述磁存储装置包括：记录层、参考层、第一输入部分以及第二输入部分。所述记录层具有垂直磁化方向和多个磁畴，且所述参考层对应于记录层的一部分并具有被钉扎磁化方向。所述记录层具有其中形成多个数据位区的数据存储单元，每个数据位区由磁畴构成。所述磁畴与参考层的有效尺寸相对应。第一输入部分输入写入信号和读取信号中的至少一个。第二输入部分电连接到记录层并输入磁畴运动信号以将记录层的数据位区中存储的数据移动到相邻数据位区。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁存储器，更特别地，涉及一种用于利用磁畴运动写入或读取多个数据位的磁存储器。
背景技术
用于存储信息的磁存储器大致区分为存储(memory)装置和存贮(storage)设备。存储装置焦点在于提高固态性能，而存贮设备焦点在于增加容量。
磁随机存取存储器(MRAM)是一种非易失性的磁存储器并且是一种新的固态磁存储器，其利用基于纳米磁材料所特有的自旋相关传导(spin-dependent conduction)的磁阻效应。也就是说，MRAM利用由于自旋对电子传送具有大的影响而产生的巨磁阻(GMR)或隧道磁阻(TMR)，所述自旋是电子的自由度。
与其间插入金属非磁材料的铁磁材料的相邻布置中一样，GMR是当设置为非磁材料插入其间的铁磁材料具有相同的磁化方向或不同的磁化方向时产生的电阻差。在其间插入绝缘体的铁磁材料的相邻布置中，TMR是与当两个铁磁材料具有不同的磁化方向时相比，当两个铁磁材料具有相同的磁化方向时电流容易从其流过的电阻。因为利用GMR的MRAM具有由于磁化方向导致的相对小的电阻差，所以不能得到大的电压差。另外，由于MRAM存在与GMR层结合以形成单元的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的尺寸增加的缺点，所以现在正在更积极地进行追求使用TMR层的MRAM的商业化的研究。
MRAM可由作为开关器件的晶体管和其中存储数据的磁隧道结(MTJ)单元组成。通常，MTJ单元可包括具有被钉扎磁化方向的被钉扎铁磁层、磁化方向可平行或反平行于该被钉扎铁磁层的被钉扎磁化方向的自由铁磁层、及位于该被钉扎铁磁层和该自由铁磁层之间的磁分隔所述铁磁层的非磁层。
然而，由于MTJ每单元存储一位数据，因此对能被提高的MRAM的数据存储容量的数量存在限制。因此，需要一种新的存储技术以提高例如MRAM的磁存储器的信息存储容量。
发明内容
本发明提供一种磁存储装置，在记录层上形成多个磁畴并利用磁畴运动存储或读取多个数据位，每个磁畴具有垂直磁化方向。
根据本发明的一个方面，提供了一种磁存储装置，包括：记录层，其中形成多个磁畴，每个磁畴具有可变换的垂直磁化方向；参考层，其对应于记录层的一部分并具有被钉扎磁化方向，其中在记录层中形成存储由磁畴构成的数据位阵列的数据存储单元，所述磁畴与参考层的有效尺寸相对应；第一输入部分，其电连接到数据存储单元的至少一个数据位区和参考层，并输入写入信号和读取信号中的至少一个；以及第二输入部分，其电连接到记录层并输入磁畴运动信号以将记录层的数据位区中存储的数据移动到相邻数据位区。
所述记录层可以是由具有垂直磁化方向的非晶磁材料形成的磁畴条。
记录层可包括稀土元素-过渡金属的合金。
用于形成记录层的稀土元素选自由Tb、Gd和Eu构成的组中的至少一种。
用于形成记录层的过渡金属选自由Co、Fe、Mn和Ni构成的组中的至少一种。
所述参考层可具有垂直磁化方向和面内磁化方向中的一种。
参考层可由与记录层相同的材料形成。
数据位区可由单个磁畴组成。
所述存储装置可进一步包括位于参考层和记录层之间的非磁层。
所述非磁层可以是导电层和作为隧道势垒的绝缘层中的一种。
所述写入信号可以是脉冲型开关电流。
所述读取信号可以是比所述开关电流小的脉冲电流。
可轮流地执行开关电流和读脉冲电流中的至少一种的输入和磁畴运动信号的输入，以使得轮流地执行数据存储或读取操作和磁畴运动操作。
可通过数据位区单位执行磁畴运动。
可通过数据位区单位执行磁畴运动，并轮流地执行数据存储或读取操作和磁畴运动操作。
所述存储装置可进一步包括位于数据存储单元一侧且邻接数据存储单元以存储由于磁畴运动被移动到数据存储单元的区域外的数据的缓冲单元。
可形成多个数据存储单元，且所述缓冲单元可位于两个相邻的数据存储单元之间，且每数据存储单元形成至少一个第一输入部分。
多个数据存储单元能以阵列形成，且每数据存储单元形成至少一个第一输入部分。
附图说明
通过参考附图详细描述其示例的实施例，本发明的上述及其他特征及优点将变得更加明显，其中：
图1是说明根据本发明实施例的数据存储单元和具有其的磁存储器的示意图；
图2是视图，示出了通过使用磁光克尔效应(MOKE)，当垂直磁场施加到具有不同成分比的TbFeCo材料的五个样品A、B、C、D和E时，所测量的透射光强度；
图3示出了使用显微镜对样品进行显微镜检查而获得的照片，该样品中Tb20Fe70Co10层被形成至20nm的厚度且W层在Tb20Fe70Co10层上被形成至5nm的厚度；
图4A至4C是视图，示出了开关电流被施加到图1的第四数据位区(预定数据位区)以使得第四数据位区磁化方向被反转，并通过运动电流该第四数据位区的反转的磁化方向移动到相邻的第五数据位区；
图5A和5B是视图，示出了用于读取的脉冲电流被施加到图1的第四数据位区(预定数据位区)以使得读取第四数据位区的数据，并通过运动电流该第四数据位区的磁化方向移动到相邻的第五数据位区；
图6是示意曲线图，示出了施加到根据本发明实施例的磁存储装置的磁畴运动电流；脉冲1(运动)，读脉冲电流；脉冲2(读取)，和写入开关电流脉冲2(写入)；
图7是根据本发明的另一实施例的磁存储装置的示意图。
具体实施方式
现在，将参考附图更充分地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。
图1是说明根据本发明实施例的数据存储单元和具有其的磁存储器的示意图。
参照图1，数据存储单元20包括记录层11和与记录层11的一部分相对应的参考层(reference layer)15，所述记录层11具有用于存储多个数据位的可变换的磁化方向并形成具有垂直磁化方向的多个磁畴。在参考层15和记录层11之间可形成非磁层13。虽然在图1中非磁层13被形成在记录层11的整个表面上，但是非磁层13可被形成在仅参考层15的上表面上。
记录层11具有可变换的垂直磁化方向并包括磁畴壁。通过这些磁畴壁的存在，多个磁畴的阵列存在于记录层11中。形成记录层11以便在阵列中存储多个数据位。为了这个目的，可在磁畴条中形成记录层11。
在数据存储单元20中，通过与参考层15的有效尺寸相对应的记录层11的单位区域可执行数据的存储或存储数据的读取。参考层15的有效尺寸决定记录层11的一个数据位区的大小。
因此，记录层11可形成为具有相对于参考层15的有效尺寸的数据位区的数量的倍数一样长的长度，即，磁畴运动的宽度。因此，通过具有参考层15的有效尺寸的单位将多个数据位区的阵列提供给记录层11，以便在阵列中能存储多个数据位。
另一方面，由于优选地在一个数据位区内仅存在单个磁畴，因此在记录层11中形成的磁畴可被形成至等于或大于参考层15的有效尺寸的大小。
记录层11由垂直磁各向异性材料、特别地由非晶磁材料(即非晶亚铁磁材料或非晶铁磁材料)形成，从而记录层11可具有垂直的易轴并因此具有垂直磁化方向。记录层11可形成为磁畴条。
例如，记录层11可由包括稀土元素-过渡金属的合金的材料形成。
用于形成记录层11的稀土元素可选自由Tb、Gd及Eu组成的组。
用于形成记录层11的过渡金属可选自由Co、Fe、Mn及Ni组成的组。
记录层11可由例如TbFeCo形成以具有垂直易轴。
当利用非晶磁材料形成具有垂直磁化方向的磁畴条构成的记录层11时，不需要人工磁畴形成工艺，且能自然地形成对应于具有小尺寸例如纳米级尺寸的数据位区的磁畴。
在具有面内磁化方向的软磁材料的情况下，当磁畴的尺寸变小时，磁畴不稳定且易于分成多个畴。因此，当使用具有面内磁化方向的软磁材料时，很难自然地形成利用单个畴存储一位数据(的一个数据位区。因此，当使用具有面内磁化方向的软磁材料形成记录层时，应该在记录层11中人为地形成凹口(notch)以便一个磁畴存在于一个数据位区中并因此在记录层11中形成多个数据位区的阵列。
另一方面，根据本发明的数据存储单元20，由于记录层11由非晶磁材料形成以使得记录层可具有垂直磁化方向，即使当磁畴的大小被减小到纳米级时，也可以每一个数据位区稳定地形成仅一个磁畴。因此，可自然地形成对应于具有小尺寸例如纳米级尺寸的数据位区的磁畴。
当记录层11由具有垂直磁化方向的非晶磁材料例如包括稀土元素-过渡金属的合金的材料形成时，与由软磁材料形成的相比，记录层11具有相当高的矫顽力。因此，磁畴能被自然地形成至与参考层15的有效尺寸相对应的大小，并可稳定地保持磁畴。
另一方面，参考层15是具有被钉扎磁化方向的被钉扎层，并具有与记录层11的一个数据位区相对应的有效尺寸。
参考层15可具有被钉扎面内磁化方向和被钉扎垂直磁化方向之一。
例如，参考层15可由一般的铁磁材料形成从而参考层可具有预定面内磁化方向。
作为另一例子，参考层15可由与记录层11基本相同的磁材料(例如稀土元素-过渡金属的合金)形成，以使得参考层15可具有垂直磁化方向。例如，参考层15可由TbFeCo形成。此时，由于记录层11将具有可变换的磁化方向且参考层15将具有被钉扎磁化方向，因此记录11将具有相对小的矫顽力，且参考层15将具有相对高的矫顽力。通过改变用于形成参考层15和记录层11的元素的成分比可控制矫顽力。
图2是视图，示出了通过使用磁光克尔效应(MOKE)，当垂直磁场施加到具有不同成分比的TbFeCo材料的五个样品A、B、C、D和E时，所测量的透射光强度。在图2中，水平轴表示垂直磁场(单位：Oe)，垂直轴表示透射光强度(单位：任意单位(a.u.))。
图2示出随着透射光的极化依靠于磁化方向而改变时通过测量光强度获得的结果。图2中所示的结果是通过施加垂直磁场获得的并显示出材料TbFeCo具有垂直磁化特性(垂直易轴)。图2中所示的曲线与磁滞曲线相对应并显示出在曲线之间具有大间隔的样品D具有高矫顽力。样品D可被用于参考层15。其余样品A、B、C和E与样品D相比具有小矫顽力并因此可被用于记录层11。
这里，样品A和B是其中TbFeCo层被形成至20nm厚度且W层在TbFeCo层上被形成至5nm厚度的样品(无底层/TbFeCo(20nm)/W(5nm))。样品C和D是其中Al层被形成至10nm厚度，TbFeCo层在Al层上被形成至20nm厚度，且W层在TbFeCo层上被形成至5nm厚度的样品(Al(10nm)/TbFeCo(20nm)/W(5nm))。样品E是其中Al层被形成至10nm厚度，TbFeCo层在Al层上被形成至100nm厚度，且W层在TbFeCo层上被形成至2-3nm厚度的样品(Al(10nm)/TbFeCo(100nm)/W(2-3nm))。
样品A、B、C、D和E的元素成分比是A：Tb20Fe70Co10、B：Tb23Fe67Co10、C：Tb20Fe70Co10、D：Tb18Fe72Co10和E：Tb16Fe74Co10。
参照图2，由于通过改变TbFeCo的元素成分比可改变矫顽力的强度，因此记录层11和参考层15能由相同的材料形成。此时，优化TbFeCo的元素成分比以使得记录层11具有相对小的矫顽力，而参考层15具有相对高的矫顽力。
图3示出了照片，其中磁畴形成在样品(无底层/TbFeCo(20nm)/W(5nm))中，该样品中Tb20Fe70Co10层被形成至20nm的厚度且W层在Tb20Fe70Co10层上被形成至5nm的厚度。图3的左侧显示样品的原子力显微镜(AFM)照片，图3的右侧显示样品的磁力显微镜(MFM)照片。在图3所示的样品中，垂直矫顽力Hc⊥是1.66kOe，且饱和磁化力Ms是280emu/cc。
在MFM测试中，在给整个样品施加限制磁场、然后去除施加的磁场(零场(zero-field))，即达到自然状态的条件下进行测量。在MFM照片中，明亮部分是已在延伸出纸面的方向上磁化的磁畴(称为第一磁畴)，黑暗部分是已在进入纸面的方向上磁化的磁畴(称为第二磁畴)。由于轮流地形成第一和第二磁畴，因此通过将这些磁畴的阵列形成为磁畴条能获得上述的记录层11。参照图3，第一和第二磁畴的每一个都不被分成多畴，而是被保持为单个畴。
再参考图1，根据本发明实施例的数据存储单元20可进一步包括在参考层15和记录层11之间的非磁层13。非磁层13可以是导电层例如Cu和作为隧道势垒的绝缘层例如氧化铝层中的一种。
在图1中，形成每个都具有与参考层15的尺寸相对应的尺寸的八个数据位区以使得数据存储单元20可存储8位数据。可按需地提高数据位区的数量。在图1中，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、和D8是组成数据存储单元20的第一到第八数据位区。
在根据本发明实施例的磁存储装置10中，多个数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、和D8的每一个都可由单个磁畴形成，其中磁畴壁存在于磁畴的两侧。
下面将描述具有上述的数据存储单元20的根据本发明实施例的磁存储装置10。
再参考图1，磁存储装置10包括存储多个数据位的数据存储单元20、输入写入信号和读取信号中的至少一个(脉冲2)的至少一个第一输入部分40、以及输入磁畴运动信号(脉冲1)的第二输入部分50。
在根据本发明实施例的磁存储装置10中，根据通过第二输入部分50施加的磁畴运动信号(脉冲1)，以及通过第一输入部分40与所述磁畴运动信号(脉冲1)同步施加的写入电流信号(例如，图6中的脉冲2(写入))，通过利用自旋转移矩(spin transfer torque)，即电流感应磁开关(current induced magneticswitching：CIMS)使磁畴之一，即位于与参考层15相对应的预定位置的预定磁畴的磁化方向反转，移动记录层11的相邻磁畴，并将数据位即“0”或“1”记录在该预定磁畴中。
另外，在根据本发明实施例的磁存储装置10中，根据通过第二输入部分50施加的磁畴运动信号(脉冲1)和通过第一输入部分40与所述运动信号(脉冲1)同步施加的读取信号(例如，图6中的脉冲2(读取))，通过将读取信号即读取脉冲信号施加(例如使用自旋隧道效应(spin tunnelling))到记录层11和参考层15，来移动磁畴并读取存储在磁畴中的数据。
图1中，脉冲2是写入信号或读取信号。
另一方面，第一输入部分40被电连接到记录层11的至少一个数据位区和参考层15。图1表示第一输入部分40被电连接到参考层15和位于参考层15上的记录层11的单个数据位区(例如预定数据位区21)。
写入信号通过第一输入部分40被输入到记录层11和参考层15，且根据所述写入信号指定位于参考层15上的记录层11的预定数据位区21的磁化方向。在图1中，数据存储单元20具有第一到第八数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8的阵列，且电连接到第一输入部分40的预定数据位区21变成位于参考层15上的第四数据位区。
当通过第一输入部分40输入写入信号时，根据所述写入信号决定第四数据位区D4的磁化方向。例如，当第四数据位区D4具有预定磁化方向时，取决于施加的写入信号，第四数据位区D4的磁化方向被反转或保持原磁化方向。以此方式指定的磁化方向表示记录的数据位。
参照图6，写入信号可为脉冲型开关电流(pulse-type switching current)。取决于该开关电流的极性，选择性地转换预定数据位区21例如位于参考层15上的记录层11的第四数据位区D4的磁化方向，并在预定的数据位区21中存储将被存储的数据位，即“0”或“1”。
例如，假定参考层15具有垂直磁化方向，且当预定数据位区21的垂直磁化方向变得与参考层15的磁化方向相同即平行于参考层15的垂直磁化方向时数据位被指定为“0”，当施加开关电流时，当施加具有相反极性的开关电流时在预定数据位区21具有与参考层15的垂直磁化方向相反的垂直磁化方向的时候，数据位可被指定为“1”。因此，通过改变开关电流的极性以允许预定数据位区21的磁化方向与参考层15的磁化方向相同或与参考层15的磁化方向相反来存储数据。在图1中，标记在第一到第八数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8上的箭头表示垂直磁化方向。
这里，假定参考层15具有面内磁化方向，例如指向右侧的磁化方向，且当施加预定开关电流且预定数据位区21的垂直磁化方向指向“上”时数据位被指定为“0”，则当施加具有相反极性的开关电流且预定数据位区21具有指向“下”的垂直磁化方向时，数据位可被指定为“1”。因此，通过改变开关电流的极性以允许预定数据位区21的垂直磁化方向变成“上”或“下”来存储数据。在图1中，标记在第一到第八数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8上的箭头表示垂直磁化方向。
这里，预先确定参考层15是具有垂直磁化方向还是面内磁化方向、当参考层15具有垂直磁化方向时垂直磁化方向是“上”还是“下”、以及当参考层15具有面内磁化方向时面内磁化方向是“右”还是“左”。因此，假定当记录层11的垂直磁化方向关于参考层15的预定磁化方向分别为“上”和“下”时，数据位被指定为“0”和“1”，通过转换记录层11中包含的预定数据位区21的垂直磁化方向可以存储所需数据。
另一方面，当读取存储的数据时，读取信号，例如图6中所示的读脉冲电流，通过第一输入部分40被输入到记录层11的预定数据位区21和参考层15。此时，参考层15、位于参考层15上的记录层11的预定数据位区21、以及位于它们之间的非磁层13组成磁隧道结(MTJ)单元。因此，通过的电流的强度或电阻依赖于相对于参考层15的磁化方向的记录层11的预定数据位区21的垂直磁化方向而改变。利用这种改变读取数据。此时，可提供单独的参考层和输入部分以读取数据。
参照图6，读脉冲电流可以是比用于写入的开关电流小的脉冲电流。与磁畴运动信号同步地施加这个读脉冲电流。因此，根据位于参考层15上的预定数据位区21的磁化方向可以读取所存储的数据。
第二输入部分50电连接到记录层11，以将记录层11的数据位区中存储的数据(即面内磁化或垂直磁化)移动到相邻数据位区。根据通过第二输入部分50输入的运动信号(脉冲1)，磁畴的磁化方向移被动到相邻磁畴。因此，在预定数据位区中含有的位数据被移动到相邻数据位区。这种运动叫作磁畴运动(magnetic domain motion)。
磁畴运动信号(脉冲1)可以具有恒定周期的脉冲电流输入。可以输入磁畴运动信号(脉冲1)使得通过包括至少一个磁畴的数据位区单位进行磁畴运动。此时，由于磁畴运动实质上将预定磁畴的磁化方向移动到相邻磁畴，因此在通过数据位区单元执行磁畴运动的时候可以连续地施加和周期性地施加运动信号(脉冲1)，以使得通过数据位区单位执行磁畴运动。
可以轮流地输入写入开关电流或读取开关电流、以及运动信号。因此，轮流地执行数据写入操作或存储数据读取操作、以及磁畴运动，以使得多个数据位被顺序地记录在多个数据位区中，或者顺序地读取多个数据位区中存储的多个数据位。
另一方面，磁存储装置10可进一步包括缓冲单元30，其在数据存储单元20的至少一侧邻接数据存储单元20以存储由于磁畴运动被移动到数据存储单元20的区域外的数据。
当数据存储单元20具有n个数据位区时，缓冲单元30可具有至少n个或n-1个数据位区。即，在缓冲单元30中包括的数据位区的数量至少与在数据存储单元20中包括的数据位区的数量相同或者是比数据位区的数量小大约1的小数量。位于数据存储单元20和缓冲单元30中的记录层11的物理属性实质上是相同的。图1表示其中记录层11的中间部分被用作数据存储单元20且记录层11的两侧部分被用作缓冲单元30的例子。由于不在缓冲单元30上直接执行写入或读取操作，因此，缓冲单元30可只包括记录层11，或包括由记录层11和位于其下的非磁层13组成的层结构。另外，在根据本发明实施例的磁存储装置10中，缓冲单元30也可具有与数据存储单元20基本相同的层结构，即，包括参考层15的层结构，即使没有信号输入到缓冲单元30的参考层15。
在图1中，在第四数据位区D4上执行数据写入或读取操作，并在数据存储单元20的两侧分别提供缓冲单元30的第一部分A和第二部分B，第四数据位区是数据存储单元20的八个数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7及D8的第四个区。图1示出了考虑到在数据读取操作期间从左向右执行磁畴运动情形，形成了在数据存储单元20左侧具有四个数据位区的缓冲单元30的第一部分A以及在数据存储单元20右侧具有三个数据位区的缓冲单元30的第二部分B。对于在数据存储单元20的八个数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7及D8中包括的数据，数据读取操作以移动到左侧的第八数据位区D8开始以使得第八数据位区D8的数据位于第四数据位区D4处，且在数据被移动到右侧时轮流地执行运动操作和读取操作，以使得可以顺序地读取在八个数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7及D8中包含的数据。
虽然图1示出了在数据存储单元20的中间部分上形成参考层15，并因此在数据存储单元20的中间部分上执行数据写入或读取操作的例子，但是本发明不限于该特定的例子且可以作出各种变型。
例如，在数据存储单元20的第一数据位区D1上执行数据写入或读取操作，且具有数据存储单元20中包括的数据位区的至少相同数量或者比该数据位区的数量小1的小数量的缓冲单元30可与数据写入或读取操作开始处的数据存储单元20的数据位区相邻地形成(例如，当数据写入或读取操作起始于第一数据位区D1时，在第一数据位区D1的左侧；当数据写入或读取操作起始于第八数据位区D8时，在第八数据位区D8的右侧)或者可形成在数据存储单元20的两侧。由于从图1中所示的结构能容易地推断出这种变型，因此将省略它的详细描述。
当缓冲单元30只形成在数据存储单元20的右侧或左侧时，数据存储单元20中包括的数据被移动到缓冲单元30中，然后执行数据读取操作。于是，在相同的方向中可执行在数据读取操作期间执行的磁畴运动以及在数据写入操作期间执行的磁畴运动。另外，在数据存储单元20中包括的数据被移动到缓冲单元30的时候，可同时地执行数据读取操作。在这种情况下，在相互相反的方向中执行在数据读取操作期间执行的磁畴运动以及在数据写入操作期间执行的磁畴运动。
当在数据存储单元20中存储n个数据位时，缓冲单元30的数据位区的数量可以比数据存储单元20数据位区小一个数据位区。即，可形成缓冲单元30以存储(n-1)个数据位。这个理由如下。由于在数据位区，即执行数据写入或读取操作的数据存储单元20的预定数据位区21中总是能存储一个数据位，因此缓冲单元30将暂时地存储仅(n-1)个数据位。
当在数据存储单元20的两侧形成缓冲单元30时，在执行磁畴运动而没有移动数据到缓冲单元30时，可读取数据存储单元20中包括的数据。此时，在相互相反的方向中执行在数据读取操作期间执行的磁畴运动以及在数据写入操作期间执行的磁畴运动。即使在这种情况下，当在数据存储单元20中存储n个数据位时，在数据存储单元20的两侧形成的缓冲单元30中存储的数据位区的数量仍可比数据存储单元20小一个数据位区。
另一方面，虽然根据本发明实施例的磁存储装置10在上面的描述中具有邻接数据存储单元20的缓冲单元30，但是磁存储装置10可仅由数据存储单元20组成而没有缓冲单元30。在这种情况下，数据存储单元20除了用于存储多个位的数据位区之外还包括作为缓冲的数据位区。例如，当n个数据位将被存储时，数据存储单元20可包括至少2n或2n-1个数据位区。
在根据本发明实施例的具有上述结构的磁存储装置10中，可以轮流地输入写入开关电流或读取开关电流以及运动电流。因此，轮流地执行数据写入操作或存储数据读取操作和磁畴运动。下面将参考图4A至4C以及5A和5B描述在根据本发明实施例的磁存储装置10中的数据写入操作或数据读取操作。
图4A至4C是视图，示出了开关电流被施加到图1的第四数据位区D4(预定数据位区21)以使得第四数据位区D4的垂直磁化方向被反转，并该第四数据位区的反转的垂直磁化方向通过运动电流移动到相邻的第五数据位区D5。图5A和5B是视图，示出了读取脉冲电流被施加到图1的第四数据位区D4(预定数据位区21)以使得读取第四数据位区D4的数据，并且该第四数据位区的垂直磁化方向通过运动电流移动到相邻的第五数据位区D5。图6是示意曲线图，示出了施加到根据本发明实施例的磁存储装置10的磁畴运动电流脉冲1、读脉冲电流脉冲2(读取)、及写入开关电流脉冲2(写入)；
以下面的方式执行数据写入操作。当如图4A所示开关电流被施加到第四数据位区D4时，如图4B所示，第四数据位区D4的垂直磁化方向被反转。之后，当运动电流被施加到记录层11时，如图4C所示，各个数据位区的垂直磁化方向被分别移动到相邻数据位区。即，如图4C所示，图4B所示的数据存储单元20的第一到第八数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8的垂直磁化方向通过一个数据位区分别被移动到第二到第八数据位区D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8以及缓冲单元30的第二部分B的第一数据位区B1。
如上所述，指定预定数据位区21的垂直磁化方向，预定数据位区21的数据(垂直磁化方向)被移动到相邻数据位区，即第五数据位区D5，且在经过预定时间后，写入信号被再次输入到预定数据位区21以再次指定垂直磁化方向。使用图6中所示的周期性地施加的运动电流和与运动电流同步周期性地施加的写入开关信号，轮流地执行指定垂直磁化方向的过程和运动过程，以使得在记录层11的多个数据位区的阵列中记录多个数据位。在完成数据记录操作之后，可以保持移动的数据存储位置或者输入在相反方向移动磁畴的运动信号，以使得数据存储单元20的第一到第八数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8中的数据被存储。
以下面的方式执行存储数据读取操作。参考图5A，读取电流被施加到第四数据位区D4以使得读取第四数据位区D4的数据。之后，当如图5B所示运动电流被施加到记录层11时，各个数据位区的磁化方向被分别移动到相邻数据位区。也就是说，如图5B所示，图5A中所示的数据存储单元20的第一到第八数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8的垂直磁化方向通过一个数据位区分别被移动到第二到第八数据位区D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8以及缓冲单元30的第二部分B的第一数据位区B1中。
如上所述，读取预定数据位区21的垂直磁化方向，预定数据位区21的数据(垂直磁化方向)被移动到相邻数据位区，即第五数据位区D5，且在经过预定时间后，读取信号被再次输入到预定数据位区21以执行数据读取操作。使用图6中所示的周期性地施加的运动电流和与运动电流同步周期性地施加的读取开关信号脉冲电流，轮流地执行读取过程和运动过程，直到完成记录层11上存储的多个数据位的读取。在完成数据读取操作之后，可以保持移动的数据存储位置或者输入在相反方向中移动磁畴的运动信号，以使得原来存储在数据存储单元20的第一到第八数据位区D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7和D8中的数据被保持。
在读取操作期间，如图6所示，与畴运动信号同步周期性地施加读脉冲电流而没有极性反转。当读脉冲电流被施加到参考层15和记录层11的预定数据位区21时，流过隧道势垒的电流量以及由此的电阻根据记录层11的预定数据位区21的垂直磁化方向是“上”或“下”而不同。例如，在参考层15的垂直磁化方向是“上”的情况下，记录层11的预定数据位区21的垂直磁化方向是“下”时的电阻大于当记录层11的预定数据位区21的垂直磁化方向是“上”时的电阻。利用这种电阻差异来识别在预定数据位区21中存储的数据。
在上面的描述中，根据本发明实施例的磁存储装置10可结合能够读取多个数据位的磁装置(即MTJ或GMR传感器)和使用自旋转移矩的记录磁装置成为单个装置，但是本发明不限于这种具体的实施例。即，根据本发明的磁存储装置10可用作利用磁畴运动能够读取多个数据位的磁装置(即MTJ或GMR传感器)，或者也可用作利用自旋转移矩的记录磁装置，其能够利用磁畴运动记录多个数据位。
图7是根据本发明另一实施例的磁存储装置100的示意图。参考图7，磁存储装置100可包括多个数据存储单元20。在这种情况下，存储装置100可进一步包括邻接数据存储20的缓冲单元30以存储由于磁畴运动被移动到数据存储单元20外的数据。此时，每数据存储单元20形成至少一个第一输入部分40。根据本发明的实施例，当提供多个数据存储单元20且每数据存储单元20形成至少一个第一输入部分40时，通过数据存储单元20的数量增加数据存储容量，并实现与包括单个数据存储单元的磁存储装置10相同或比它快的数据存储或读取速度。
图7示出了两个数据存储单元20之间形成缓冲单元30的例子。在形成多个数据存储单元20的结构中，缓冲单元30可被形成于位于第一数据存储单元之前的位置和位于最后数据存储单元之后的位置中的至少一个位置中、及位于两个相邻数据存储单元之间的位置处。
另外，图7中所示的例子示出了对一个数据存储单元20形成两个参考层15和两个第一输入部分40。当对一个数据存储单元20形成多个第一输入部分40时，可以更多地提高数据存储或读取速度。
作为本发明的另一实施例，磁存储装置100可包括这样的结构以使得对一个数据存储单元20形成多个参考层15和多个第一输入部分40，且通过不同的第一输入部分40输入写入信号和读取信号。另外，写入信号可以被输入到数据存储单元20中，且读取信号可以被输入到另一个数据存储单元20中。
根据本发明的磁存储装置，提供了具有可变换的磁方向和具有多个磁畴的记录层、以及与记录层的一部分相对应且具有被钉扎磁化方向的参考层。另外，提供了包括多个数据位区的阵列的数据存储单元，每个数据位区由磁畴构成。通过记录层上的参考层的有效尺寸的单位形成磁畴。由于轮流地执行数据存储或读取操作和将记录层的数据位区中存储的数据移动到相邻数据位区的磁畴运动，因此能存储或读取多个数据位。
在应用本发明的磁存储装置的每个单元中能存储多个数据位，其显著地增加了数据存储容量。
此外，根据本发明的数据存储单元，由于由非晶磁材料形成记录层以使得记录层可具有垂直磁化方向，因此即使当磁畴的大小被减小到纳米级大小时，每一个数据位区能稳定地形成仅一个磁畴。因此，能自然地形成与具有小尺寸，例如纳米及大小的数据位区相对应的磁畴，并稳定地保持所述磁畴。
因此，可显著地增加记录层的每单位长度能存储的数据位的数量。
因此，根据本发明，能获得具有很高数据存储容量的磁存储器。
尽管已经参照其示例性实施例具体地示出和描述了本发明，可以理解本领域普通技术人员可以在不脱离由随后权利要求所定义的本发明的精神和保护范围内对其形式和细节作出各种改变。
Claims (20)
1.一种磁存储装置，包括：
其中形成多个磁畴的记录层，所述磁畴每个具有可变换的磁化方向和垂直磁化方向；
参考层，其对应于部分所述记录层并具有被钉扎磁化方向，
其中数据存储单元形成在所述记录层中，所述数据存储单元存储由所述磁畴构成的数据位的阵列，所述磁畴与所述参考层的有效范围相对应；
第一输入部分，其电连接到所述数据存储单元的至少一个数据位区和所述参考层，并输入写入信号和读取信号至少之一；以及
第二输入部分，其电连接到所述记录层并输入磁畴运动信号从而将所述记录层的所述数据位区中存储的数据移动到相邻数据位区。
2.如权利要求1所述的存储装置，其中所述记录层是由具有垂直磁化方向的非晶磁材料形成的磁畴条。
3.如权利要求2所述的存储装置，其中所述记录层包括稀土元素和过渡金属的合金。
4.如权利要求3所述的存储装置，其中用于形成所述记录层的稀土元素选自由Tb、Gd和Eu构成的组中的至少一种。
5.如权利要求4所述的存储装置，其中用于形成所述记录层的所述过渡金属选自由Co、Fe、Mn和Ni构成的组中的至少一种。
6.如权利要求3所述的存储装置，其中用于形成所述记录层的所述过渡金属选自由Co、Fe、Mn和Ni构成的组中的至少一种。
7.如权利要求1所述的存储装置，其中所述参考层具有垂直磁化方向和面内磁化方向之一。
8.如权利要求1所述的存储装置，其中所述参考层由与所述记录层相同的材料形成。
9.如权利要求1所述的存储装置，其中所述数据位区由单个磁畴构成。
10.如权利要求1所述的存储装置，进一步包括位于所述参考层和所述记录层之间的非磁层。
11.如权利要求10所述的存储装置，其中所述非磁层是导电层。
12.如权利要求10所述的存储装置，其中所述非磁层是用作隧道势垒的绝缘层。
13.如权利要求1所述的存储装置，其中所述写入信号是脉冲型开关电流。
14.如权利要求13所述的存储装置，其中所述读取信号是比所述开关电流小的脉冲电流。
15.如权利要求14所述的存储装置，其中所述开关电流和所述读脉冲电流之一的输入、及所述磁畴运动信号的输入轮流地执行，从而数据存储或读取操作及磁畴运动操作轮流地执行。
16.如权利要求15所述的存储装置，其中通过数据位区单位执行所述磁畴运动。
17.如权利要求1所述的存储装置，其中通过数据位区单位执行磁畴运动，并且数据存储或读取操作和磁畴运动操作轮流地执行。
18.如权利要求1所述的存储装置，进一步包括缓冲单元，其位于所述数据存储单元的至少一侧且邻接所述数据存储单元从而存储由于磁畴运动被移动到所述数据存储单元的区域外的数据。
19.如权利要求18所述的存储装置，其中形成多个数据存储单元，且所述缓冲单元位于两个相邻的数据存储单元之间，且每个数据存储单元形成至少一个第一输入部分。
20.如权利要求1所述的存储装置，其中多个数据存储单元以阵列形成，且每个数据存储单元形成至少一个第一输入部分。
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