CN102460697B - 基于电流感生的自旋动量转移的高速低功率磁性装置 - Google Patents

Abstract

基于电流感生的自旋动量转移的高速低功率磁性装置。一种高速和低功率方法，用于在使用自旋极化电流的存储器单元的磁性装置中控制和切换磁化方向和/或磁性区的螺旋性。该磁性装置包括：有固定磁性螺旋性和/或磁化方向的参考磁性层，以及有可变磁性螺旋性和/或磁化方向的自由磁性层。该固定磁性层和自由磁性层最好被非磁性层分开。该固定和自由磁性层可以有相对于该层法线成大体上非零角度的磁化方向。电流能够被施加于该装置以感生改变该装置磁性状态的扭矩，由此它能够用作磁性存储器供写入信息之用。与该装置的磁性状态有关的电阻被测量，以读出存储在该装置中的信息。

Description

基于电流感生的自旋动量转移的高速低功率磁性装置

本专利申请要求于2009年6月24递交的美国专利申请序列No.12/490,588的优先权，美国专利申请序列No.12/490,588是2007年10月31日递交的美国专利申请序列No.11/932,745的部分继续申请，美国专利申请序列No.11/932,745是2006年8月1日递交的美国专利申请序列No.11/498303的部分继续申请，美国专利申请序列No.11/498303是2005年10月13日递交的美国专利申请序列No.11/250,791的部分继续申请，美国专利申请序列No.11/250,791已于2006年11月14日被批准并作为美国专利No.7,170,778于2007年1月30日发布，美国专利申请序列No.11/250,791是2003年8月19日递交的美国专利申请序列No.10/643,762的部分继续申请，美国专利申请序列No.10/643,762已于2005年9月12日被批准并作为美国专利No.6,980,469于2005年12月27日发布。

本发明的完成按题目为“Spin Transfer in MagneticNanostructures”的合同号NSF-DMR-0706322和通过国家科学基金签订的题目为“Noise-Induced Escape in Multistable System”的合同号NSF-PHY-0601179及通过陆军研究管理处签订的题目为“Electronics：Ultra-Fast Magnetoelectronic Device”的合同号ARO-W911NF-07-1-0643受政府支持。政府在本发明中有一定权益。

技术领域

本发明一般涉及存储器和信息处理应用中使用的磁性装置，诸如巨磁阻(GMR)装置。尤其是，本发明描述一种高速和低功率方法，通过该方法，自旋极化电流能够被用于控制和切换这种装置中磁性区的磁化方向和/或螺旋性(helicity)。

背景技术

使用自旋极化电子流的磁性装置，对磁性存储器和信息处理应用是值得关注的。这种装置一般包含被非磁性材料，诸如金属或绝缘体分开的至少两个铁磁性电极。该电极的厚度通常在1nm到50nm范围。如果该非磁性材料是金属，则该类型的装置亦称巨磁阻或自旋阀装置。该装置的电阻与磁性电极的相对磁化取向有关，例如它们是平行取向还是反平行取向(即，磁化顺着平行线但指向相反方向)。一个电极通常使它的磁化被钉扎，就是说，它有比其他电极更高的矫顽力，并要求更大的磁场或自旋极化电流以改变它的磁化取向。该第二层亦称自由电极，且它的磁化方向能够相对于前者被改变。信息能够被存储在该第二层的取向中。例如，“1”或“0”能够由该层的反平行对齐表示，而“0”或“1”由平行对齐表示。该装置电阻对这两种状态将是不同的，因而该装置电阻能够被用于把“1”与“0”区别开。这种装置的一个重要特性是，它是一种非易失性存储器，因为即使当电源断开时，该装置仍然保持信息，如同磁性硬驱动器。该磁性电极能够有亚微米的横向尺寸，而磁化方向对热起伏能够仍然是稳定的。

在常规的磁性随机存取存储器(MRAM)设计中，磁场被用于切换自由电极的磁化方向。这些磁场是用靠近磁性电极的载流导线产生的。导线必须有小的横截面，因为存储器装置由MRAM单元的致密阵列组成。当来自导线的磁场产生长距离的磁场时(磁场只随离开导线中心的距离的倒数衰减)，在阵列元件之间将存在串扰，而一个装置将遭受来自其他装置的磁场。这种串扰将限制存储器的密度，和/或在存储器操作中引起差错。此外，由这种导线产生的磁场，在电极位置处被限制在约0.1特斯拉，这样使装置操作变慢。重要的是，常规存储器设计还使用概率性(随机)过程或起伏场以启动切换事件，这样做在本性上是慢的且不可靠的(例如见R.H.Koch等，Phys.Rev.Lett.84，5419(2000))。

在美国专利No.5,695,864和若干其他公开中(如，J.Slonckewski，Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159，L1(1996))，John.Slonckewski描述一种机理，自旋极化电流依靠该机理能够被用于直接改变磁性电极的磁性取向。在该建议的机理中，流动的电子的自旋角动量，直接与磁性区的背景磁化相互作用。运动的电子把它们的一部分自旋角动量转移到背景磁化，并在该区中的磁化上产生扭矩。该扭矩能够改变该区的磁化的方向，并切换它的磁化方向。此外，该相互作用是局部的，因为它只作用在电流流过的区上。然而，该建议的机理纯粹是理论上的。

Slonckewski的专利描述的MRAM装置，是把自旋动量转移用于磁性切换。然而，建议的装置是慢的并依靠起伏的磁场和概率性过程以启动磁化切换。此外，要使装置切换，必需大的电流密度。在描述他的“锁存或逻辑门”的优选实施例中，Slonckewski声称：“…3块磁铁F1、F2和F3的优选轴全都如上所述“垂直”(即，沿同一方向或取向)。其他取向只要它们平行于同一轴也能够起作用。”如我们在下面的描述，我们的装置利用不平行于同一轴的层磁化，大大有利于速度、可靠性、以及功率消耗。

授予Jonathan Sun的美国专利No.6,256,223，也描述使用电流感生的磁性切换的装置，并在试验上演示这种装置的操作。然而，所建议的装置是不可靠的，因为关于装置特征几乎没有一致性。此外，对以大电流密度的操作，磁性切换的估算的时间尺度是50纳秒。

对在自旋极化电流作用下表现出高速和可靠操作的装置，是有需求的。这包含以较低功率操作并有较低阈值电流用于切换磁化取向的装置。

发明内容

有鉴于与使用自旋动量转移的装置的常规设计有关的限制，本发明的一个目的，是提供一种对磁性存储器或磁性信息处理装置是最佳的结构。

本发明的另一目的，是生产一种在操作的速度方面有优点的磁性装置。

本发明的再一目的，是生产一种在可靠性方面有优点的磁性装置。

本发明的再一目的，是生产一种要求较低功率操作的磁性装置。

本发明的再一目的，是生产一种在存储信息的稳定性方面有优点的磁性装置。

本发明的再一目的，是生产一种有大的读出信号的磁性装置。

本发明的这些和另外的目的，是通过采用磁性层的装置实现的，在该磁性层中，层磁化方向并不顺着同一轴。例如，在一个实施例中，两个磁性区有正交的磁化。

本发明是一种磁性装置，包括电流能够流动通过的铁磁性的和非磁性的层。该磁性装置包括有固定磁化方向的铁磁性层，以及被非磁性区从该第一铁磁性层分开的另一铁磁性层，它有响应施加的电流而自由旋转的磁化。还是被非磁性区从该其它铁磁性层分开的第三铁磁性层，该第三铁磁性层有固定的磁化方向并能够被采用以读出自由铁磁性层的磁化方向。铁磁性层的磁化方向并不全都沿同一轴。在优选实施例之一中，第一固定的铁磁性层的磁化方向，垂直于该层平面，而该自由铁磁性层的磁化则在该层的平面中。如上所述，层之间的电流流动，把自旋角动量从固定的磁化层转移到自由的磁化层，并在自由层的磁化上产生扭矩。该扭矩按与电流和该电流的自旋极化有关的比例因子，与固定层和自由层的磁化方向的矢量三重积成比例。当固定层和自由层的磁化方向是正交时，大的扭矩被产生。

这个作用在自由磁性层磁化方向上的大的扭矩，引起该自由磁性层的磁化离开该层的平面而旋转。因为该自由磁性层的厚度小于宽度和长度尺寸，自由磁性层离开该层平面的磁化的旋转，产生大的磁场，即“退磁化”场，它垂直于该层的平面。

该退磁化场迫使自由磁性层的磁化矢量进动，就是说，迫使磁化方向绕退磁化磁场的方向旋转。退磁化场还确定进动的速率。大的退磁化场导致高的进动速率，这是对快速磁性切换的最佳条件。这种磁性装置的优点在于，不需要随机起伏的力或场用于启动或控制该层的磁性响应。

本发明的再一方面，是提供一种磁性装置，包含：有固定磁性螺旋性和/或固定磁化方向的参考磁性层；有具有可变磁化螺旋性的至少一个磁化矢量的自由磁性层；以及在空间上使所述自由磁性层和所述参考磁性层分开的非磁性层。该自由磁性层的磁化螺旋性，能够用电流感生的自旋动量转移使之改变。在一个优选实施例中，该装置有大体上圆环形的结构，而该参考磁性层包含：大体上垂直于参考层的易磁化轴和垂直于参考层平面的固定磁化。换种方式，该参考层包含：大体上垂直于参考层的易磁化轴和大体上顺时针或反时针绕圆环形结构的磁性螺旋性。

附图说明

本发明前述的和其他特性，将从下面详细的描述和出示本发明实施例的图将会是更清楚明白，其中全部视图以相同参考数字指类似的元件，附图中：

图1是按照本发明的磁性装置的图解；

图2A-2E是自由磁性层的图解，表明在施加如图3A所示电流脉冲期间，图1的电子装置的磁化矢量和退磁化场；

图3A是可以施加于磁性装置的电流波形的图解；

图3B是可以施加于磁性装置的另一种电流波形的图解；

图4是按照本发明一个实施例的存储器单元的图解；

图5A-5E是自由磁性层的图解，表明图4的存储器单元的磁化矢量和退磁化场；

图6A是在写入操作期间，可以施加于图4的存储器单元的电流波形的图解；

图6B是在图6A所示电流脉冲施加之前和之后的读出操作期间，从存储器单元测量的电阻的图解；

图7是4状态存储器单元的自由磁性层的图解；

图8是施加于磁性装置的电流波形例子的图解；

图9是在图8所示电流脉冲施加期间和之后，自由磁性层的磁化分量的图解；

图10是按照本发明一个实施例，其中在写入操作期间，没有净电流通过自由磁性层的存储器单元的图解；

图11是按照本发明的环形磁性装置的图解；

图12是按照本发明一个实施例的环形存储器单元的图解；

图13是按照本发明再一个实施例的环形存储器单元的图解，其中提供分开的读出和写入触点；

图14A-D是按照本发明实施例的磁性装置，对可变长度的电流脉冲的电阻响应的图解；

图15A-D是磁性装置的图解，它有相对于层法线成大体上非零角度取向的或者是钉扎或者是自由的层的磁化；

图16是制作磁性层的方法的图解，该磁性层有相对于层法线成大体上非零角度取向的磁化；

图17A是有恒定鞍形配置的环形磁性装置的磁化方向的图解；

图17B-C是有瞬子(instanton)鞍形配置的环形磁性装置的磁化方向的图解；

图18是各种不同圆环厚度的环形磁性装置磁化反转的能量势垒，作为圆环半径函数的图解；

图19是环形磁性装置的品质因数，在恒定和瞬子鞍形范畴(regime)中作为圆环大小的函数的图解；和

图20是由按照本发明的实施例的环形磁性装置构成的存储器体系结构的图解。

具体实施方式

基本磁性装置结构

为说明基本概念，图1画出多层的包括钉扎磁性层FM1和自由磁性层FM2的柱形磁性装置，该钉扎磁性层FM1有固定的磁化方向，该自由磁性层FM2有自由的磁化方向。是钉扎磁性层FM1的磁化矢量，而是自由磁性层FM2的磁化矢量。钉扎磁性层FM1作为自旋角动量的源起作用。

钉扎磁性层FM1和自由磁性层FM2被第一非磁性层N1分开，该第一非磁性层N1使两个层FM1和FM2分开，这样使它们的相互磁性相互作用被减到最小。柱形磁性装置通常做成纳米大小，例如，它横向可以是小于大约200nm。

自由磁性层FM2实质上是被埋在柱形磁性装置中的磁性薄膜元件，该柱形磁性装置有两层附加层—钉扎磁性层FM1和非磁性层N1。层厚度通常为约1nm到50nm。

这些柱形磁性装置能够按层的栈层序列借助许多不同手段制作，包含通过亚微米模版掩模的溅射、热的和电子束蒸发。这些磁性装置还能够按栈层序列使用溅射、热的和电子束蒸发制作，以形成多层膜，接着借助相减纳米制作工艺移除材料，以在基底表面上，诸如其他半导体或绝缘晶片的硅上留下柱形磁性装置。

用于铁磁性层的材料，包含(但不限于)Fe、Co、Ni和这些元素的合金，诸如Ni_1-xFe_x；这些铁磁性金属与非磁性金属诸如Cu、Pd、Pt、NiMnSb的合金，这些材料在合成时按室温下的铁磁性排序；导电材料；以及诸如CrO₂和Fe₃O₄的导电磁性氧化物。用于非磁性层的材料，包含(但不限于)Cu、Cr、Au、Ag和Al。对非磁性层的主要要求，是在短距离尺度上没有电子自旋方向的散射，该短距离尺度小于大约层的厚度。

电流源被连接到钉扎磁性层FM1和自由磁性层FM2，以便电流I能够横越柱形装置。

磁性切换方法

电流I被施加于柱形磁性装置，以便电流I从钉扎磁性层FM1经第一非磁性层N1到自由磁性层FM2，流过装置的各层不同层。施加的电流I导致角动量从钉扎磁性层FM1向自由磁性层FM2的转移。如上所述，角动量从一个磁性区向另一个磁性区的转移，能够产生扭矩。

图2A-2E画出用图1所示磁性装置的磁性切换方法中的步骤，并为方便起见，图2A-2E只画出自由磁性层FM2和自由磁性层FM2的磁化矢量图2A画出电流I被施加之前的自由磁性层FM2的初始状态。

如图2B-2D所示，施加的电流I能够取图3A和3B所示形式，导致角动量从钉扎磁性层FM1向自由磁性层FM2的转移。角动量从钉扎磁性层FM1向自由磁性层FM2的转移，产生作用在自由磁性层FM2的磁矩上的扭矩

自由层每单位磁化的扭矩与矢量三重积成比例，这里是沿自由磁性层FM2的磁矩方向的单位矢量，而是沿钉扎磁性层FM1的磁矩方向的单位矢量。依赖于电流I的前因子a_I、电流I的自旋极化P以及自由磁性层和钉扎磁性层之间的角度的余弦cos(θ)，这样有 是约化的普朗克常数，g是自旋极化P和cos(θ)的函数，M是自由层的磁化密度，e是电子电荷，以及V是自由层的体积(见J.Slonczewski，Journal of Magnetism andMagnetic Materials 159，L1(1996))。因此，当钉扎磁性层FM1和自由磁性层FM2的磁矩垂直时，产生大的扭矩

该扭矩作用在自由磁性层FM2的磁矩上，引起自由磁性层FM2的磁化，以便旋转离开该层的平面。因为自由磁性层FM2的厚度小于自由磁性层FM2的宽度和长度尺寸，自由磁性层FM2的磁化矢量离开该层平面的旋转，产生大的磁场，即“退磁化”场，它垂直于该层的平面。

该退磁化场迫使自由磁性层FM2的磁化矢量进动，就是说，运动使磁化方向绕磁场轴旋转。退磁化场还确定进动的速率。大的退磁化场导致极高的进动速率，这是对快速磁性切换的最佳条件。

这样，在磁性存储器装置对快速磁性切换的最佳配置中，钉扎磁性层FM1的磁矩垂直于自由磁性层FM2的平面，而自由磁性层FM2的磁矩垂直于薄层的柱形的轴并落在自由磁性层FM2的平面中。

图2E画出磁性切换过程结束后的自由磁性层FM2。如图2A和2E所示，磁性切换过程引起自由磁性层FM2的磁化矢量切换，通过旋转180°而使方向反转。

图3A和3B画出可以施加于磁性装置的电流输入的两种不同形式。图3A所示电流输入，包括两个短持续时间的电流脉冲，第一正电流脉冲接着是第二负电流脉冲。这种电流输入形式导致写入“1”或“0”。换种方式，第一电流脉冲能够是负的，而第二电流脉冲能够是正的，只要该两个电流脉冲有相反极性。在两种情形中，磁性比特的状态将从“1”改变到“0”或从“0”改变到“1”(即，最后状态将是比特的初始状态的补码)。图3A所示电流输入是在上述的并在图2A-2E所示的磁性切换的方法中使用。使用由两个电流脉冲构成的电流输入，导致更快速的磁性切换过程。

第一电流脉冲使自由磁性层FM2的磁化矢量开始进动。在第一电流脉冲完成之后，第二电流脉冲被施加，使进动停止在需要的状态上。

第二电流脉冲对装置的操作不是必要的，但它能实现更高速的切换。例如，图3B所示电流输入包括单个正电流脉冲。换种方式，单个负电流脉冲也可以施加于该磁性装置。模拟表明，有许多不同类型的电流脉冲使FM2切换。因此，装置操作无疑不限于图3所示电流脉冲。

存储器单元的结构

上面描述的磁性装置能够被引进存储器单元，用于包含进存储器单元阵列中，以便制成磁性存储器。按照如图4所示的一个实施例，本发明的磁性装置，当作为存储器单元实施时，是多层的柱形装置，该装置有钉扎磁性层FM1、自由磁性层FM2、以及读出磁性层FM3，该钉扎磁性层FM1有固定的磁化方向，该自由磁性层FM2有自由的磁化方向，该读出磁性层FM3有固定的磁化方向。是钉扎磁性层FM1的磁化矢量，是自由磁性层FM2的磁化矢量，以及是读出磁性层FM3的磁化矢量。

钉扎磁性层FM1和自由磁性层FM2被第一非磁性层N1分开，该第一非磁性层N1使两个层FM1和FM2在空间上分开，使它们的相互磁性相互作用被减到最小。自由磁性层FM2和读出磁性层FM3被第二非磁性层N2分开，该第二非磁性层N2使两个层FM2和FM3在空间上分开，使它们的相互磁性相互作用被减到最小。柱形磁性装置通常做成纳米大小，例如，它可以是小于约200nm。

电流源被连接到钉扎磁性层FM1和读出磁性层FM3，以便使电流I能够横越柱形装置。电压表被连接到钉扎磁性层FM1和读出磁性层FM3，以便使磁性装置的电阻能够被测量，由此读出存储器单元的逻辑内容。

用于写入信息的方法

当信息被写入存储器单元时，使用磁性切换过程。要把信息的逻辑比特存储在存储器单元中，存储器单元内磁化矢量的磁化方向被设置在两个可能取向之一中，以便对“0”和“1”的逻辑值编码。该磁性装置当作为存储器单元实施时，使用前述的磁性切换方法，以便存储信息的比特。电流脉冲被施加，以改变磁性装置中的逻辑值。上述的并示于图4的磁性存储器装置，存储一比特信息，因为自由磁性层FM2具有有两个稳定磁性状态的单个磁化矢量

电流I被施加于柱形磁性存储器装置，以便使电流I从钉扎磁性层FM1到读出磁性层FM3流过磁性存储器装置的各层不同层。施加的电流I导致角动量从钉扎磁性层FM1向自由磁性层FM2转移。

图5A-5E画出用图4所示磁性存储器装置的写入信息方法中的步骤，并为方便起见，图5A-5E只画出自由磁性层FM2和自由磁性层FM2的磁化矢量图5A画出在电流I被施加之前的自由磁性层FM2的初始状态。

如图5B-5D所示，施加能够取图3A和3B的形式的电流I，导致角动量从钉扎磁性层FM1向自由磁性层FM2转移。图2A-2E和5A-5E画出作为向磁性装置施加电流的结果，是自由磁性层FM2的磁化矢量取向的改变。

图6A画出施加于图4所示磁性存储器装置的电流输入的形式。图6A的电流输入，包含两个短持续时间的电流脉冲，第一正电流脉冲接着是第二负电流脉冲，这种电流输入导致写入“1”或“0”。换种方式，第一电流脉冲能够是负的，而第二电流脉冲能够是正的，只要该两个电流脉冲有相反极性。在两种情形中，磁性比特的状态将从“1”改变到“0”或从“0”改变到“1”(即，最后状态将是比特的初始状态的补码)。

第一电流脉冲使自由磁性层FM2的磁化矢量开始进动。在第一电流脉冲完成之后，第二电流脉冲被施加，使进动停止在需要的状态上。对本发明的磁性存储器装置的本实施例，进动是当自由磁性层FM2的磁化矢量达到180°旋转时停止的。

图6B画出该装置的相应电阻被电压表测量的例子，该电压表被连接到有小电流施加的图4所示磁性存储器装置，就是说，电流密度远小于电流脉冲中使用的电流密度。该电阻在图6A的电流脉冲被施加于该装置之后增加。在图5A所示的初始状态(第一正电流脉冲之前)，电阻是在恒定的低值上。在图5E所示的最后状态，电阻是在恒定的高值上。

因此，图5A和5E所示的状态，分别对应于初始状态的“0”逻辑值和最后状态的“1”逻辑值。图5E所示最后状态中自由磁性层FM2的磁化矢量是沿与图5A所示初始状态中自由磁性层FM2的磁化矢量相反的方向。

用于切换自由磁性层FM2的磁化矢量的电流脉冲，可以有所需的最短脉冲持续时间，以便使磁化矢量在稳定状态之间切换。然而，一般不存在最长脉冲持续时间，就是说，只要电流脉冲被施加达到最短脉冲持续时间，则不管施加的脉冲持续时间超过该最短脉冲持续时间的程度，该电流脉冲将使磁化矢量的状态在稳定状态之间切换。图14A和14B表明正极性脉冲的这种现象。图14A示出电流脉冲被施加了至少如用于切换的最短脉冲持续时间Δt_min一样长的时间，并且然后被施加了由虚线表示的可变附加长度的时间。图14B画出装置在时间上响应图14A的脉冲的电阻。这些图表明，只要被施加的脉冲至少达到Δt_min，装置将从它初始的低电阻稳定状态，切换到它的最后的高电阻稳定状态，而不管附加的可变长度脉冲周期的长度。图14C和14D表明负极性脉冲的这种现象，该负极性脉冲使装置电阻从高电阻状态切换到低电阻状态。本领域一般的技术人员应当知道，用于使装置电阻从高到低或从低到高切换的脉冲的绝对极性，是不重要的，只要用于使装置电阻从高到低和从低到高改变的脉冲有相反极性。因此，“正”绝对极性的脉冲，可以用于使电阻从高到低切换，而“负”绝对极性的脉冲，可以用于使电阻从低到高切换。

电流脉冲的必要幅值，能够用微磁学的方程式，即包含更早讨论的自旋转移扭矩的Landau-Lifzshiitz Gilbert方程式，通过数值模型化而估算(例如见，B.Oezyilmaz等人，Phys.Rev.Lett.91，067203(2003))。对由Co构成的自由层，有M＝1400emu/cm^3的磁化密度、0.01的Gilbert阻尼参数α、0.4的电流自旋极化P、以及1000kOe的共面(in-plane)单轴各向异性场(在此情形中，共面单轴各向异性常数K是K＝7×10⁵erg/cm³)。为了这一估算的目的，该Co自由层是3nm厚并有60nm乘60nm的横向尺寸。我们发现，幅值为5mA的电流脉冲使该层切换是绰绰有余的。通过缩小Co自由层的大小；增加电流的自旋极化，例如，通过使用有更高程度自旋极化的钉扎层；以及降低平面内各向异性或降低Gilbert阻尼，可降低切换装置的必要电流。对该电流幅值，35psec脉冲足以使装置切换。

对5Ohm的装置电阻，能量耗散是5×10^-15J。当钉扎层和自由层磁化最初沿同一轴对齐时，该能量耗散值能够与用自旋极化电流使磁性装置切换所需的能量相比。最近的试验表明，这要求在有5Ohm电阻的装置中，约10mA的电流施加约10ns(见R.H.Koch等人，Phys.Rev.Lett.92，088302(2004))。被消耗的能量因而是5×10^-12J。因此，相比之下，我们的装置的功率要求是十分小的。此外，因为脉冲接通只是非常短暂，哪怕是1A/μm²的大电流密度，也预料没有电迁移发生。此外，我们已经在大于该值5倍的电流密度上操作这种装置持续延长的周期(约1分钟)，装置没有损坏(见，B.Oezyilmaz等人，Phys.Rev.Lett.91，067203(2003))。

用于读出信息的方法

读出磁性层FM3被要求按磁性存储器装置的最简单实施方案。该读出磁性层FM3具有有固定的磁化方向的磁化矢量该读出磁性层FM3的磁化矢量能够按许多方式被固定。例如，该读出磁性层FM3能够用更厚或更高各向异性磁性材料形成，或者能够邻近反铁磁性层放置，以利用交换偏置现象。在交换偏置现象中，反铁磁性层与铁磁性层之间的耦合和反铁磁性层的大的磁性各向异性，导致铁磁性层硬化，以致要改变它的磁化方向，需要更大的磁场和电流。

磁性存储器装置的电阻，对自由磁性层FM2的磁化矢量与读出磁性层FM3的磁化矢量的相对取向非常敏感。当自由磁性层FM2和读出磁性层FM3的磁化矢量和分别是反平行对齐时，磁性存储器装置的电阻最高。当自由磁性层FM2和读出磁性层FM3的磁化矢量和分别是平行对齐时，磁性装置的电阻最低。这样，简单的电阻测量能够确定自由磁性层FM2的磁化矢量的取向。

读出磁性层FM3的磁化矢量的固定取向被设定，以便使它与自由磁性层FM2的磁化矢量要么平行要么反平行，取决于自由磁性层FM2的磁化矢量的取向。因为自由磁性层FM2的磁化矢量的取向切换，所以它能够被旋转180°，自由磁性层FM2和读出磁性层FM3的磁化矢量和分别必须要么反平行要么平行对齐。

信息的多比特存储

上述的和图4所示的磁性存储器装置有两个稳定磁性状态，并能存储一比特信息。按照本发明的另一个实施例，磁性存储器装置能够被构造成存储多比特信息。图7画出有四个稳定磁性状态的自由磁性层FM2的例子。包括有四个稳定磁性状态的自由磁性层FM2能存储两比特的信息。在该实施例中，电流脉冲被施加，以便在相差90°而不是180°的方向之间切换磁化。这能够借助不同形式的电流脉冲实现。例如，电流脉冲能够有较小幅值和/或较短的持续时间。然后，读出层(FM3)被这样对齐，使四个磁化状态的每一个有不同电阻。这要求读出层磁化没有平行于该四个状态的任一个指向的共面分量，也没有与这些状态成45°指向的共面分量。

例子

磁性装置的操作用包含自旋转移扭矩的Landau-LifzshitzGilbert方程式模拟。

图8画出施加于该磁性存储器装置的电流输入的幅值，该电流输入开始于初始时间t＝0，而终止于t＝30皮秒。该电流输入包括两个电流脉冲，与图3A和6A所示电流输入类似。

16皮秒的正电流脉冲被施加于磁性存储器装置，以便开始使自由磁性层FM2的磁化矢量进动。在该16皮秒电流脉冲之后，14皮秒的负电流脉冲被施加于磁性存储器装置，以便停止自由磁性层FM2的磁化矢量的进动，用于获得需要的磁化矢量状态。对磁性存储器装置，进动在自由磁性层FM2的磁化矢量达到180°旋转后被停止。

图9画出图2B和5B所示沿x-和y-方向的自由磁性层FM2的磁化矢量的磁化分量m_x和m_y。磁化分量m_x和m_y是在图8所示电流输入施加期间和之后测量的。图9画出自由磁性层FM2的磁化矢量从对应于图5A的初始状态反转180°到达对应于图5E的最后状态。磁化分量(m_x，m_y)能在(-1，0)到(1，0)之间切换，如本发明所示。

优点

本发明的高速、低功率磁性装置，只对读出和写入操作或逻辑操作使用能量。当不被供电时，信息被存储，没有明显损耗。由此，本发明的磁性装置当作为存储器单元实施时，能够用作非易失性存储器。

由本发明的磁性装置提供的非易失性存储器，适合许多应用，诸如计算机和便携式电子装置。尤其是，本发明的高速、低功率磁性装置，提供诸多优点。本发明的高速、低功率磁性装置的性能，足可比得上快闪存储器和其他类型非易失性随机存取存储器(RAM)，诸如常用的磁性RAM(MRAM)和铁电RAM(FRAM)。

电流感生的扭矩，只作用在被供电的磁性装置上，即，电流被施加的装置上。因此，当多个磁性装置诸如在磁性存储器中被排成阵列时，电流感生的自旋转移不在阵列的相邻元件之间产生寄生相互作用(“串扰”)，不像常用的磁性存储器，其中磁性切换是用靠近磁性元件的小载流导线产生的磁场实现的。

本发明提供的使用电流感生的扭矩的磁性切换方法，比使用磁场切换层的磁化方向的目前常用方法更快。本发明的读出和写入操作，能够在亚纳秒时间的尺度中完成。常用的磁性硬驱动器，与本发明的磁性存储器比较，是非常慢的，因为常用的磁性硬驱动器有毫秒量级的数据存取时间。

本发明提供的使用电流感生的扭矩的磁性切换方法，要求低的功率。这对便携式电子装置中的使用尤其有利。

本发明提供的使用电流感生的扭矩的磁性切换方法，对亚微米尺度装置是理想的，因为本发明的磁性装置的横向尺寸可以小于约200nm。因此，本发明被按比例缩小，允许制作超高密度存储器单元，以致巨量信息能够被存储在本发明提供的磁性存储器中。

本发明的高速、低功率磁性装置的基本体系结构，是简单明了的，而读出和写入操作是可靠的且对温度变化比较不敏感。不像常用的磁性存储器装置，本发明不依靠概率性(随机)过程或起伏场来启动切换事件。

按照本发明的一个实施例，多比特的信息能够被存储在每一装置中，由此即使再多的信息也能够被存储在磁性存储器中。

本发明提供的使用电流感生的扭矩的磁性切换方法，能够用于逻辑操作，以及用于磁性存储器装置。因为对产生磁化变化的电流脉冲，存在着依赖于形状、幅值、和电流脉冲周期的阈值，所以电流输入能够被组合以产生逻辑功能，诸如AND门。例如，两个电流脉冲能够被组合，以产生横越装置的是该两个电流脉冲之和的电流脉冲。该脉冲特征(形状、幅值及周期)能够被选择，这样，每一脉冲个别地不会使装置切换，但该组合的脉冲确实使装置切换。因此，这就是AND操作。NOT操作简单地要求切换装置的状态。NOT和AND操作能够被组合以产生NAND功能，这是通用的数字逻辑门(就是说，所有数字逻辑功能都能够由NAND门构造出来)。

本发明提供诸多可能的几何结构和层配置。例如，本发明磁性装置的实施例可以被配置成在写入操作期间没有净电流通过自由磁性层FM2。这种配置示于图10，该图画出包含电流源A、电流源B、以及层12的本发明实施例，层12例如是由Al₂O₃制成的薄绝缘层。在该装置中，层12为0.5到3nm厚，而且是足够地薄，以致电子能够借助量子机械隧穿而横越该层。

在图10所示的装置中，以电流源A施加电流脉冲，以改变自由磁性层FM2的磁化方向。利用电流源A，电流从FM1流向非磁性层N1，而电子自旋角动量借助电子在非磁性层N1和自由磁性层FM2之间界面上的反射，被转移到自由磁性层FM2。该装置的读出，是用电流源B进行的。当来自B的小电流在自由磁性层FM2和读出磁性层FM3之间通过时，电压被测量。该电压将依赖于层FM2和FM3的相对磁化方向，因此自由磁性层FM2的磁化方向能够被确定以读出该装置。该装置有读出信号大的优点，因为隧道结电阻能够是大的(1Ohm到100kOhm)。读出信号能够是在从10mV到1V的范围内。

制作高磁性各向异性材料的薄膜的方法，该材料在相对于膜法线 成大体上非零角度上被磁化

图16示出一种制作高磁性各向异性材料薄膜的方法，该材料的磁化在相对于膜法线成大体上非零角度上取向。在图16中，在真空室内提供淀积源和基底。淀积源发射高磁性各向异性材料，该材料按相对于基底平面法线成大体上非零角度θ传播到基底。淀积源可以是蒸发源、溅射源、或任何适合在基底上淀积高磁性各向异性材料的其他源。申请人的试验已经揭示，得到的薄膜的磁化方向，能够通过改变淀积的方向和基底平面的法线方向之间的角度θ而被控制。

基底表面设有种子层。种子层可以包含过渡金属，诸如Ta、Pt、Ti、Cu或Ru，或者是单独的或者是组合的。种子层的一个用途，是为被淀积在基底上的薄膜提供优先结晶取向。这样，得到的薄膜可以是多晶的，并可以有优先结晶取向。基底不必与被淀积薄膜在结晶学上匹配。因此，大量的各种不同材料可以用作基底，诸如Si、玻璃、GaAs、SiN、MgO、蓝宝石或金刚石。

在一些实施例中，淀积源向基底的种子层提供多层的高磁性各向异性材料。在一个实施例中，构成该多层的个别材料层可以各有0.1到1.5nm范围的厚度，而多层的总厚度可以在2到15nm范围，虽然其他厚度也可以使用。许多种类的高磁性各向异性材料可以被使用，诸如Ni/Co、Pt/Co/Ni、或Pd/Co/Ni的多层。另一种可以使用的材料是FePt的L1₀相，它是所有当前已知材料中有最高磁性各向异性者之一。FePt磁性层可以被构造成小到3nm直径，而在室温下仍然是热稳定的，使这种层理想地适合用在非常高密度的数据存储应用中。可以使用的其他材料包含，但不限于，Fe和Pd、Co和Pt、或Co和Pd的多层。

在一个示例性实施例中，薄膜的结构是：基底/Ta(3nm)/Pt(3nm)/[Co(0.1nm)/Ni(0.6nm)]×5/Pt(3nm)。在该实施例中，种子层是3nm的Ta层。有高磁性各向异性的磁性层是Co/Ni层，它被重复5次。Co/Ni被两层3nm的Pt层包围。如上面所讨论，这样的实施例的磁化方向能够通过改变淀积方向和基底平面法线方向之间的角度θ而被选择。

包含有磁化相对于层法线成大体上非零角度取向的层的磁性装 置

在本发明的一些实施例中，有磁化相对于层法线成非零角度取向的磁性层，被结合进被配置用于自旋转移切换的磁性装置中。该有磁化相对于层法线成非零角度取向的磁性层，如在上面的讨论，可以通过高磁性各向异性材料与基底成一定角度的淀积而被构造。然而，该磁性层也可以用其他手段构造。

在一些实施例中，该磁性装置包含自由的和钉扎磁性层两者，其中之一具有按相对于该层法线成大体上非零角度取向的磁化。自由层可以有2到5nm范围的厚度，而钉扎层可以有8到15nm范围的厚度，虽然其他厚度也可以使用。该自由和钉扎层可以被绝缘层分开，该绝缘层足够薄以允许电子借助量子机械隧穿或借助非磁性导体横越该层。在前者的情形中，该装置是磁性隧道结(MTJ)装置，且该装置电阻由隧道磁阻效应(TMR)确定。在后者的情形中，该装置是巨磁阻(GMR)装置。足够幅值和持续时间的电流脉冲的施加，引起自由层的磁化用于在稳定状态之间切换，从而改变磁性装置的电阻。当自由层的磁化在平行和反平行状态之间切换时，电阻的最大变化出现。然而，即使自由层的磁化不在平行和反平行排列之间切换，只要自由层的磁化在钉扎层的磁化上的投影有大的变化，则电阻的变化仍然是非常大的。因此，其中自由层的磁化在不是平行和反平行之间切换的磁性装置，仍然能够有大的读出信号。所以，这样的装置非常适合用作磁性存储器装置。

图15A-15D画出磁性装置的实施例，其中要么钉扎层要么自由层具有按相对于层法线成大体上非零角度取向的磁化。在全部图15A-15D中，钉扎磁性层FM1和自由磁性层FM2之间的非磁性层11，可以要么是绝缘体要么是非磁性导体。图15A画出磁性装置的实施例，其中钉扎磁性层FM1的磁化按相对于钉扎层法线成大体上非零角度取向，而自由磁性层FM2的磁化在稳定状态中平行于自由层的法线。图15B画出磁性装置的实施例，其中自由磁性层FM2的磁化在稳定状态中按相对于自由层法线成大体上非零角度取向，而钉扎磁性层FM1的磁化平行于钉扎层法线。图15C画出磁性装置的实施例，其中钉扎磁性层FM1的磁化按相对于钉扎层法线成大体上非零角度取向，而自由磁性层的磁化在稳定状态中是在自由层的平面内。图15D画出磁性装置的实施例，其中自由磁性层FM2的磁化在稳定状态中按相对于自由层法线成大体上非零角度取向，而钉扎磁性层的磁化则在钉扎层平面内。

环形磁性装置的结构

一种有闭合的周期性结构的柱形磁性装置1100，在图11中示出。磁性装置1100包含自由层1110、非磁性层1120、以及参考磁性层1130。参考磁性层1130最好有固定的磁性螺旋性1135，即有成预定角度，例如垂直于层平面的固定方向的磁性矢量，或者固定的磁性螺旋性1135和有成预定角度的固定方向的磁性矢量两者。自由磁性层1110最好有自由的磁化螺旋性1115。参考层1130最好作为自旋角动量的源起作用。自由层1110和参考层1130最好被非磁性层1120分开。

参考层1130最好在磁性上比自由层1110更硬，且最好有明确的磁性状态。这一性质例如可以用比自由层更厚的层获得，或用比自由层1110的材料有更大磁性各向异性的材料，诸如钴、FePt或FePd的L1₀相、或钴和镍的层状结构的材料获得。换种方式，需要的硬度能够通过与薄的反铁磁性层，诸如IrMn或FeMn层交换耦合而获得。

非磁性层1120最好在跨越非磁性层1120的自旋输运期间，保存参考磁性层1130的自旋动量。这样，非磁性层1120中使用的材料的自旋扩散长度，最好比非磁性层1120的厚度更长。满足所需要性质的材料例子，包含任何贵金属(如，Cu、Ag、Au)。非磁性层也可以是绝缘体，诸如Al₂O₃或MgO。对足够薄的绝缘层，自旋输运将通过电子隧穿出现，以便形成磁性隧道结。

自由磁性层1110最好包含有大交换长度的软磁材料，诸如坡莫合金、钴、镍、铁、硼和这些材料的合金。此外，包含非磁性元素诸如铜的合金，可以有利地降低这些层的磁矩。换种方式，自由层能够包含磁性氧化物，诸如CrO₂或Fe₃O₄。

如图11所示，磁性装置1100的每一层最好是圆环状(即环形)。环形能够使可以充当磁成核场所的边或锐角数量减到最小，磁成核场所通过增加磁性螺旋性的反转率而降低稳定性。对称的圆环结构是能够用于避免不需要的螺旋性反转的优选形状之一，然而，本发明可以采用可以提供类似优点的许多各种不同形式的闭合周期性结构。装置形状的旋转对称性越低，越有可能使某些区有利于磁成核和磁性螺旋性反转。包含锐角的几何形状提供助长螺旋性反转的强的成核场所，因而最好被避免。

本领域周知的通常的装置，导致在自由磁性层螺旋性1115提供的被存储信息的稳定性和改变该信息所需速度及功率之间的折中。通常是，随着被编程螺旋性的稳定性的增加，要求改变该螺旋性的功率也增加。

圆环的几何形状可以提供非常稳定的磁化取向，可获得周期大于10年的磁化稳定性。此外，圆环几何形状的磁化反转机理，可以几乎不依赖于超出临界地小的尺寸的(如，通常是数十纳米)圆环直径。这样，当与最近期使用的几何形状比较时，装置的大小可以不是关键因素。因此，圆环几何形状可使更大范围的使用及降低生产成本成为可能。

诸多因素在圆环的磁化的稳定性中起作用。一个因素可以是圆环的大小。对给定的磁场，存在临界圆环直径，对于具有等于或大于该临界大小的半径的圆环，圆环的磁化的稳定性相对地与圆环大小无关。随着圆环的大小缩小到临界大小以下，磁化的稳定性可能迅速下降。此外，磁化可能对热起伏和消稳磁场的施加是敏感的。

在低噪声极限下，在环形磁性装置中，两个稳定螺旋形磁性状态之间的热感生跃迁的速率Γ，由Arrhenius公式给出：

Γ～Γ₀exp(-U/k_BT)    (1)

这里U是跃迁的能量势垒，k_B是Boltzmann常数，T是温度，而Γ₀是速率前因子，量级反比于铁磁性谐振频率(～10^-9s)，如在K.Martens，D.L.Stein和A.D.Kent的“Magnetic reversal in nanoscopicferromagnetic rings”，Physical Review B.vol.73，no.5，p.054413(2006)(下文称“Martens”)中所计算。为了把不需要的热感生反转减到最小，使1/Γ＞＞10年，U＞60k_BT的能量势垒是必需的。

在Martens中，能量势垒是作为材料参数、圆环尺寸以及所施加的圆周磁场的函数被计算的。关键参数是归一化磁场h和圆环大小l：

$h=\frac{H_e}{H_c}=\frac{H_e}{\frac{M_0}{\mathrm{\π}}\left(\frac{t}{\mathrm{\ΔR}}\right)|\ln \left(\frac{t}{R}\right)}---\left(2\right)$

$l=\frac{R}{\mathrm{\λ}}\sqrt{2\mathrm{\π}\left(\frac{t}{\mathrm{\ΔR}}\right)\left|\ln \left(\frac{t}{R}\right)\right|}---\left(3\right)$

这里M₀是饱和磁化，t是圆环厚度，ΔR是圆环宽度，R是平均半径，λ是交换长度，H_e是外磁场，而H_c是在亚稳状态变成不稳定时的场。交换长度λ由给出，这里A是交换常数。l代表圆环大小与Bloch壁宽度之比。临界半径，即磁化的稳定性在该半径以下迅速下降的半径，是l≈2π的半径。令方程式3的l≈2π，临界半径由解出下面方程式给出：

$2\mathrm{\π}\≈\frac{R}{\mathrm{\λ}}\sqrt{2\mathrm{\π}\left(\frac{t}{\mathrm{\ΔR}}\right)\left|\ln \left(\frac{t}{R}\right)\right|}---\left(4\right)$

临界半径对自旋扭矩转移操作大致是最佳的圆环半径，因为它在小圆环大小和高磁化稳定性之间获得大致最佳的平衡。

对理论预测出恒定鞍形，如图17A所示，图上对h＝0.2描绘出恒定鞍形配置。反之，对理论预测出瞬子鞍形，如图17B所示，图上对l＝12描绘出瞬子鞍形配置，而图17C，图上对l＝60画出瞬子鞍形配置。该两种鞍形配置由函数φ_h，l(θ)描述，如在Martens中详细阐明。

能量势垒U的标度由下式给出：

$E_0=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{M}_0^2}{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\mathrm{lt}{\mathrm{\λ}}^2---\left(5\right)$

对恒定鞍形布置，理论给出能量势垒U如下：

U＝E₀(1-h)²l/2＝μ₀M₀ ²t²R|ln(t/R)|(1-h)²       (6)

该表达式与交换长度λ无关，因为跃迁状态的磁化与圆环圆周成恒定角度，如图17A所描述。

对瞬子鞍形布置，结果一般更为复杂(见Martens的方程式13)。然而，在l＞＞2π的极限下，瞬子布置的能量势垒为：

$U=4E_0(\sqrt{1-h}-h{\sec }^{-1}\sqrt{h})---\left(7\right)$

在室温下，除其他材料外，由坡莫合金或CoFeB制作的圆环，这个U容易达到大于60k_BT的值。作为例子，有R＝50nm，ΔR＝20nm，以及t＝2nm的坡莫合金圆环(A＝1.3×10^-11J/m，M₀＝8×10⁵A/m)，是在大l的瞬子极限(l＝12.6)中，并在室温下对h＝0有U＝80k_BT的能量势垒。因此，如在上面的讨论，这样的圆环对热起伏将至少稳定10年。有甚至更大圆环大小l的圆环，甚至有更大的反转能量势垒，并由此轻易地有能力实现稳定的、长时期的数据保持。

图18对各种不同圆环厚度，画出在施加零磁场(即，h＝0)情况下，能量势垒U对圆环半径的依赖性。在该曲线中，虚线曲线代表有厚度t＝2nm的圆环，实曲线代表有厚度t＝3nm的圆环，以及用点表示的曲线代表有厚度t＝4nm的圆环。曲线假定圆环宽度为ΔR＝0.4R和温度为300K；能量势垒U按k_BT单位画出。图18表明，反转的能量势垒，从而磁化的稳定性，随圆环厚度及圆环半径两者而增加。

利用这些性质，圆环状的磁性装置能够被设计成使装置的磁化在静态操作条件下一般是稳定的，但能够轻易地被施加于该装置的电流脉冲所改变或反转。尤其是，对没有被施加电流的大体上接近临界大小的圆环装置，磁性螺旋性能够轻易地被施加的电流反转。电流有提供消稳磁场和有效地改变圆环的临界半径值的作用。因此，被设计成接近临界大小的磁性圆环，是稳定的并在正常操作条件下不会遭受不需要的反转，但能够通过施加相对小的电流而反转。

忽略奥斯特场(即设h＝0)，切换磁化方向所需电流Ir，能够被估算成：

这里e是基本电荷，α是Gilbert阻尼常数，是约化的普朗克常数，而P是施加的电流的自旋极化。此外，d是圆环的平面外各向异性对平面内各向异性的比值，由下式给出：

$d=\frac{2{\mathrm{\π}}^2{R}^2}{l^2{\mathrm{\λ}}^2}---\left(9\right)$

它通常远大于1。例如，R＝50nm，ΔR＝20nm，和t＝2nm的坡莫合金圆环具有d＝10。

作为例子，有上述特征(R＝50nm，ΔR＝20nm和t＝2nm)并还有α＝0.01和P＝0.4的坡莫合金圆环具有切换电流阈值I_T＝440μm和电流密度阈值J_T＝6×10⁶A/cm²。该电流产生H_c＝1350A/m的圆形奥斯特场，对应于h＝0.02。因此，该奥斯特场事实上在本例中可忽略，而自旋扭矩相互作用在切换磁化方向上比奥斯特场有效得多。

自旋转移装置的性能，能够通过考虑品质因数ε加以评价，品质因数ε被定义为使磁化方向反转的阈值电流与能量势垒之比：

ε＝Ir/U    (10)

较小值的品质因数ε表示较好的装置性能，因为ε的小值暗示相对高的U值，从而相对高的稳定性，和/或相对低的Ir值从而相对低的功率消耗。降低阻尼和/或增加自旋极化，导致较低的电流阈值和较高能量效率的装置。

图19画出作为圆环大小l的函数的品质因数ε。在整个恒定鞍形范畴l＜2π中，品质因数有恒定值ε₀，由(假定h＝0)给出。随着圆环大小l的增加，瞬子变成优先的鞍形配置，且品质因数ε增加。图19中的点，表示恒定鞍形和瞬子鞍形范畴之间的过渡。在极限l＞＞2π中(即随着圆环大小变成任意大)，ε/ε₀→l/8。

在本发明的一些实施例中，环形磁性装置可以被用于构造存储器单元体系结构。图20示出的存储器单元体系结构，包括包含环形磁性装置的比特单元。在图20中，每一比特单元包含至少一个磁性圆环和至少一个用于电流控制及读出的晶体管。电压可以被施加于字线(WL)以在存储器阵列中寻址和激活特定元件。在一些实施例中，晶体管可以是CMOS晶体管。对CMOS晶体管，每单位门宽度的电流密度，通常是1mA/μm。因此，环形磁性装置的较小的切换电流，允许较小的最小特征大小f、较小的晶体管、因而更大的装置集成密度。包含环形装置的存储器体系结构的存储器密度，因此是圆环大小和切换电流的函数。作为例子，有R＝50nm、ΔR＝20nm、t＝2nm、α＝0.01和P＝0.4的坡莫合金环形装置，将要求有0.5μm的门长度的晶体管。假定四倍最小特征大小的横向比特大小4f，本示例性装置给出的比特面密度大于10⁷装置/cm²。

在本发明的另一方面中，一种有半径大于或等于临界半径的磁性圆环装置，能够提供非常稳定的磁化。因此，如果该装置的目标不是修改和反转该装置的磁化，那么具有半径大于临界半径的磁性圆环，能够在大小大于临界大小的广大范围的只读存储器中容易地被采用。

图12画出被用作磁性存储器元件的磁性圆环装置1200。最好是，自由磁性层1210具有有至少两个稳定取向—顺时针取向和反时针取向的磁性螺旋性1215。参考层1230最好具有：具有成预定角度的固定方向的磁性矢量1236、固定的磁性螺旋性1235，或者具有成预定角度的方向的固定磁性矢量1236和固定的磁性螺旋性1235两者。最好是，该固定磁性矢量1236的预定角度大体上垂直于参考层1230的平面。参考磁性层1230和自由磁性层1210最好被非磁性层1220分开。

自由磁性层螺旋性的方向，能够通过跨越磁性装置1200的层施加来自电流源1270的电脉冲而被改变或被反转。来自控制电流源1270的脉冲，可以激发自由磁性层螺旋性1215的反转。参考磁性层1230的自旋动量可以被转移到自由磁性层1210，以便改变磁化和引起自由磁性层螺旋性1215的反转。沿一个方向跨越装置1200的电脉冲，可以使自由磁性层螺旋性1215沿顺时针方向，而沿相反方向的电脉冲，可以使自由磁性层螺旋性1215沿反时针方向。

来自控制电流源1270的电脉冲，可以激发自由磁性层螺旋性1215的反转。当达到第二稳定状态时，自由磁性层螺旋性1215的反转可以停止。然而，来自控制电流源1270的第二电流脉冲，能够被用于使自由磁性层螺旋性1215的反转更快停止。有大体上垂直于自由磁性层1210的易磁化轴1236(即，铁磁性材料中自发磁化强烈地偏好的方向)的参考层1230，能够导致更快的自旋转移引起的自由磁性层螺旋性1215的反转。

有固定磁性层螺旋性1268的第二参考层1263，可以被用于读出自由磁性层的螺旋性状态。该固定磁性螺旋性，例如能够用比自由层更厚的层获得，或用具有比自由层1210的材料有更大磁性各向异性的材料，诸如钴、FePt或FePd的L1₀相、或钴和镍的层状结构的材料获得。第二参考层1263最好通过非磁性层1266与自由磁性层1210分开，该非磁性层1266可以是薄的非磁性金属或绝缘层。在绝缘层的情形中，第二参考层1263和自由磁性层1210形成磁性隧道结。如果自由磁性层螺旋性1215和第二参考磁性层螺旋性1268是沿相同方向(即，磁性螺旋性两者都顺时针或两者都反时针)，则装置1200两端的电阻一般可能比自由磁性层螺旋性1215与参考磁性层螺旋性1235是沿相反方向时更小，从而使自由磁性层1210的两个稳定取向之间有区别。

图13按照本发明，画出再一个实施例的作为磁性存储器元件被采用的磁性圆环装置1300。最好是，自由磁性层1310具有自由磁性层螺旋性1315的至少两个稳定取向—顺时针取向和反时针取向。参考层1330最好具有：具有成预定角度的方向的固定的磁性矢量1336、固定的磁性螺旋性1335，或者具有成预定角度的方向的固定的磁性矢量1336和固定的磁性螺旋性1335两者。最好是，固定磁性矢量1336的预定角度大体上垂直于参考层1330的平面。参考磁性层1330和自由磁性层1310最好被非磁性层1320分开。

自由磁性层螺旋性的方向，能够利用通过写入触点1350和触点1340跨越磁性装置1300的层施加来自控制电流源1370的电脉冲而被改变或被反转。来自控制电流源1370的脉冲，可以激发自由磁性层螺旋性1315的反转。参考磁性层1330的自旋动量可以被转移到自由磁性层1310，以便改变磁化并且引起自由磁性层螺旋性1315的反转。沿一个方向跨越装置1300的电脉冲，可以使自由磁性层螺旋性1315沿顺时针方向，而沿相反方向的电脉冲，可以使自由磁性层螺旋性1315沿反时针方向。

来自控制电流源1370的电脉冲，可以激发自由磁性层螺旋性1315的反转。当达到第二稳定状态时，自由磁性层螺旋性1315的反转可以停止。然而，来自控制电流源1370的第二电流脉冲，能够被用于使自由磁性层螺旋性1315的反转更快停止。

有大体上垂直于自由磁性层1310的易磁化轴1336(即，铁磁性材料中自发磁化强烈地偏好的方向)的参考层1330，能够导致更快的自旋转移引起的自由磁性层螺旋性1315的反转。

电流注入不必对称。电流的局部注入可以被用于激发自由磁性层螺旋性1315的改变。自旋角动量的转移，足以用被参考层1330自旋极化的电流使磁化反转成核。层1320是自旋保持的非磁性层，诸如Cu、Ag、Au，或薄绝缘层，诸如Al₂O₃或MgO。圆环中小的非对称性可以通过自旋动量转移，促进成核和反转。显著的非对称性将降低磁化的稳定性，这是不希望有的。

自由磁性层螺旋性的状态，能够通过测量装置1300两端的电压或电阻确定。如果自由磁性层螺旋性1315和参考磁性层螺旋性1335是沿相同方向(即，两者的磁性螺旋性都顺时针或都反时针)，则装置1300两端的电阻一般可以小于自由磁性层螺旋性1315与参考磁性层螺旋性1335是沿相反方向时。

目前可用的磁性存储器装置，通常要求相对高的电流和低的阻抗，以便写入信息(即，修改装置的磁性螺旋性)，而读出是用较小的电流完成的，但要求大的读出信号。磁性装置1300的圆环几何形状，通过允许读出和写入操作的性能在装置的不同位置中，解决这些自相矛盾的要求。写入操作能够由提供大电流的控制电流源1370执行，且写入触点1350能够或者与自由磁性层1310或者与参考磁性层1330直接接触，从而有低的阻抗。写入操作电路是通过触点1340接通的，触点1340能够被放置成或者与自由磁性层1310或者与参考磁性层1330直接接触，以在装置1300两端接通电路。

读出操作能够用分开的读出电路执行。读出触点1360能够包含有固定磁化方向或螺旋性1365的磁性触点部分1363，以及使磁性触点1363与装置1300分开的绝缘体部分1366，从而与装置1300形成磁性隧道结。分开的读出电流源1380能够在装置1300两端提供较小的电流，该读出电流被电压或电阻读出1390测量。

最好是，该装置有约1到5纳米的厚度，约20到250nm的平均外径，以及约8到100nm的圆环宽度。

典型的多元件磁性装置，在不同元件之间有强的静磁相互作用。这种相互作用难于量化或控制，从而导致增加密度和装置性能的问题。本发明可以使这些相互作用减到最小。此外，该装置避免磁场的扩展问题，磁场扩展导致超速写入和读出以及由于杂散或缺乏控制的场产生的误差下降。

虽然已经描述本发明目前所考虑的实施例，但应当理解，可以对这些实施例作出各种不同修改，并应当承认，所附权利要求书覆盖所有落在本发明实际精神和范围内的这类修改。

磁性隧道结提供非常大磁阻的可能性，该非常大的磁阻能够用于读出磁性存储器单元的状态。磁性隧道结含有被薄绝缘层分开的两层磁性层。该绝缘体足够薄，以致电子可以借助量子机械隧穿横越该层。绝缘体的厚度通常在0.3到3nm之间。

大的磁阻将提供大的读出信号。试验上已经表明，非常大的磁阻能够用氧化镁(MgO)绝缘势垒获得。磁阻是指该层被反平行和平行磁化的状态之间电阻变化的百分比。大于400％的磁阻已经在最近用MgO绝缘层获得。用氧化铝绝缘层，约30％的磁阻已经获得。可以证明，这些材料的任一种以及其他绝缘体，作为非磁性层N1或N2是有用的。

注意，在切换过程期间，电流必须通过绝缘层。图10中给出的装置是例外，在该装置中，有分开的电触点连接到N1。这一点表示，在电流存在时，或等效地，在电流存在而出现在结两端的电压存在时，绝缘体必须不被损坏。薄的绝缘势垒通常在损坏，亦称电压击穿之前承受1V/nm的电场。使结切换所需电流，在结中必须不产生超过绝缘体击穿电场的电场。

装置的钉扎磁性层，可以包含有垂直的磁性各向异性的材料。垂直的磁性各向异性给出垂直于层平面取向的优先的磁化。薄磁性层通常在膜平面中被磁化。该取向常常是较低的能量配置：它降低层的静磁能量。要使磁化垂直于平面取向，该垂直的磁性各向异性与该层的静磁能量比较必须足够地大。

这一点能够用许多不同材料做到。例如，Fe和Pt、Fe和Pd、Co和Pt、Co和Pd、Co和Au、Co和Ni的合金。这一点也能够通过在不一样的磁性材料之间或在磁性材料与非磁性材料之间建立界面做到。前者的例子，是Co和Ni的层状结构，而后者的例子，是Co和Au或Co和Pt的层状结构。这些层状材料的优点，是它们不必是结晶的；多晶层就足够。

该层的作用是使电流自旋极化。该材料应当有良好的自旋极化效率。使用Pd或Pt的缺点是，这些元素通常引起降低层自旋极化的强的自旋散射。大的层自旋极化对有效装置操作是必要的。

自由层的磁化方向，响应电流脉冲而切换。理想的是，把电流脉冲的幅值降低到低于装置操作所需功率。电流的要求与层的磁化密度、阻尼和磁性各向异性有关。磁化密度和磁性各向异性越低，用于切换所要求的电流幅值越低。如果磁性材料是与非磁性材料的合金，磁性的磁化密度被降低。(当然，这只在一定合金浓度的范围中成立。最终该材料将变成非磁性的。)

应当指出，切换电流幅值和切换时间是相互关联的。例如，较低的磁化密度增加使磁化反转的时间。

增加自由磁性层的磁化阻尼，以增加装置的稳定性，可能是理想的。期望增加阻尼将增加用于切换的参数范围。就是说，该装置将对于更大范围的电流脉冲幅值、时间和电流脉冲形状，可重复地在状态之间切换。

下面的参考文献在此全文引用，以供参考：[1]S.Yuasa等人，Applied Physics Letters 89，042505(2006)；[2]J-M.L.Beaujour，W.Chen，K.Krycka，C-C.Kao，J.Z.Sun和A.D.Kent“Ferromagneticresonance study of sputtered Co|Ni multilayers，”The EuropeanPhysical Journal B，59，475(2007)；[3]J-M.L.Beaujour，A.D.Kent和J.Z.Sun，“Ferromagnetic resonance study of polycrystallineFe_{1-x}V_x alloy thin films”Journal of Applied Physics 103，07B519(2008)；[4]K.Martens，D.L.Stein和A.D.Kent，“Magnetic reversalin nanoscopic ferromagnetic rings，”Physical Review B，vol 73，no.5，p.054413(2006)；及[5]G.D.Chaves-O’Flynn，A.D.Kent和D.L.Stein，Physical Review B 79，184421(2009)。

Claims (20)

1.一种磁性装置，包括：

钉扎磁性层，它有具有固定磁化方向的磁化矢量，该固定磁化方向相对于该钉扎磁性层的平面的法线成非零锐角；

自由磁性层，它有具有可变磁化方向的至少一个磁化矢量，其中该自由磁性层的磁化方向至少有第一稳定状态和第二稳定状态，且其中该第一和第二稳定状态两者都有如下之一的磁化方向：

垂直于自由磁性层平面，或

在自由磁性层平面中；和

非磁性层，它在空间上使钉扎磁性层和自由磁性层分开，

其中，施加电流脉冲通过该磁性装置，使自由磁性层的磁化矢量在第一和第二稳定状态之间切换。

2.权利要求1的磁性装置，其中该非磁性层包括绝缘体，该绝缘体的厚度为0.5nm至3nm，以致电子可以借助量子机械隧穿横越该绝缘体。

3.权利要求1的磁性装置，其中该非磁性层包括非磁性导体。

4.权利要求1的磁性装置，其中该钉扎磁性层是由高磁性各向异性材料，按相对于基底平面的法线成非零锐角淀积在该基底上形成的。

5.一种磁性装置，包括：

钉扎磁性层，它有具有固定磁化方向的磁化矢量，该磁化方向是如下之一：

垂直于钉扎磁性层平面，或

在钉扎磁性层平面中；

自由磁性层，它有具有可变磁化方向的至少一个磁化矢量，其中该自由磁性层的磁化方向至少有第一稳定状态和第二稳定状态，且其中该第一和第二稳定状态各有相对于该自由磁性层平面的法线成非零锐角的磁化方向；和

非磁性层，它在空间上使钉扎磁性层和自由磁性层分开，

其中，施加电流脉冲通过该磁性装置，使自由磁性层的磁化矢量在第一和第二稳定状态之间切换。

6.权利要求5的磁性装置，其中该非磁性层包括绝缘体，该绝缘体的厚度为0.5nm至3nm，以致电子可以借助量子机械隧穿横越该绝缘体。

7.权利要求5的磁性装置，其中该非磁性层包括非磁性金属。

8.权利要求5的磁性装置，其中该钉扎磁性层是由高磁性各向异性材料，按相对于基底平面的法线成非零锐角淀积在该基底上形成。

9.一种制作用在磁性存储器装置中的磁性层的方法，包括步骤：

提供有基底表面的基底；

提供淀积源；

在基底表面上提供种子层；和

从淀积源把至少一层高磁性各向异性材料，按相对于基底表面的法线成非零锐角淀积在该种子层上。

10.权利要求9的制作用在磁性存储器装置中的磁性层的方法，其中该高磁性各向异性材料的层有0.1nm到1.5nm的厚度。

11.权利要求9的制作用在磁性存储器装置中的磁性层的方法，其中该种子层包括Ta、Pt、Ti、Cu或Ru，或它们的合金。

12.权利要求9的制作用在磁性存储器装置中的磁性层的方法，其中该高磁性各向异性材料的层，包括Co、Ni、Pt、Fe或Pd，或它们的合金。

13.权利要求9的制作用在磁性存储器装置中的磁性层的方法，其中该高磁性各向异性材料的层，包括FePt的L1₀相。

14.权利要求9的制作用在磁性存储器装置中的磁性层的方法，其中该淀积源包括蒸发源或溅射源。

15.一种磁性装置，包括：

环形的钉扎磁性层，它有固定的磁性螺旋性和具有磁化方向的磁化矢量，该磁化方向相对于该钉扎磁性层的平面的法线成非零锐角或垂直于该钉扎磁性层的平面；

环形的自由磁性层，它有可变的磁性螺旋性并作为自旋角动量的源起作用，其中该自由磁性层的磁性螺旋性，至少具有第一稳定状态和第二稳定状态；和

非磁性层，它在空间上使钉扎磁性层和自由磁性层分开并保存钉扎磁性层的自旋动量，

其中，该自由磁性层有小于200nm的半径，而施加电流脉冲通过该磁性装置，使自旋角动量从固定的磁化层转移到自由的磁化层，并在自由层的磁化上产生扭矩使自由磁性层的磁性螺旋性在第一和第二稳定状态之间切换。

16.权利要求15的磁性装置，其中该非磁性层包括绝缘体，该绝缘体的厚度为0.5nm至3nm，以致电子可以借助量子机械隧穿横越该绝缘体。

17.权利要求15的磁性装置，其中该非磁性层包括非磁性导体。

18.权利要求15的磁性装置，其中该钉扎和自由的磁性层包括坡莫合金、FePt的L1₀相、或Co、B、Ni、Pt、Fe或Pd或它们的合金中的至少之一。

19.一种存储器阵列，包括：

至少一个比特单元，包含：

磁性装置，具有：

环形的钉扎磁性层，它有固定的磁性螺旋性和具有磁化方向的磁化矢量，该磁化方向相对于该钉扎磁性层的平面的法线成非零锐角或垂直于该钉扎磁性层的平面；

环形的自由磁性层，它有可变的磁性螺旋性，其中该自由磁性层的磁性螺旋性，至少具有第一稳定状态和第二稳定状态；和

非磁性层，它在空间上使钉扎磁性层和自由磁性层分开，

其中，该自由磁性层具有小于200nm的半径，而施加电流脉冲通过该磁性装置，使自由磁性层的磁性螺旋性在第一和第二稳定状态之间切换；和

至少一个晶体管，用于电流控制和读出；和

字线，其中在字线上电压的施加，寻址和激活至少一个比特单元。

20.权利要求19的存储器阵列，其中该至少一个晶体管包含CMOS晶体管。