CN103069493A - 磁存储单元 - Google Patents

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Abstract

所公开的主题涉及一种非易失性存储器比特单元（500或600）用于固态数据存储，其例如包括细长的磁性元件（102）或磁性“点”。对于适当的点的几何形状和尺寸，可稳定两重的能量简并的磁位形（100或200）。这样一种稳定的位形可以由两个磁涡旋（1081，1082）和花状态区域（110）组成。由于能量最小化的原因，因此花状态区域可偏离中心（相对于短轴（106））并沿点的长轴（104）。垂直于平面上或邻近于点的中心流动的电流（302）可以根据电流的极性在两种镜像磁稳定位形之间切换点的位形或状态（例如，写操作）。单元状态的读取可以通过使用磁阻效应来实现。

Description

磁存储单元
技术领域
背景技术
几乎每个计算机、电器（appliance）、或便携式设备主要利用三种不同的存储器技术来存储和检索（retrieve）信息：（1）磁性硬盘（HD），（2）动态随机存取存储器（DRAM），和/或（3）闪存技术。由于需要克服由每种单独的技术表现出的各种限制而通常结合使用多达三种不同技术。
例如，磁性HD提供最大可能的数据密度，然而磁性HD使用复杂的机械结构（mechanics）来实现这种高数据密度。这种机械结构的复杂水平导致至少三种不良后果。特别是，磁性HD是慢速的、耗能的、以及易碎（quitedelicate）的，后两个缺陷在便携式设备中很大程度上是不能接受的。广泛应用于优盘（pen drive）和存储卡中的半导体闪存也是非易失性存储体，但不会遭受与磁性HD相同的易碎性。其结果，闪存技术即使无法实现类似的数据密度，也仍被认为是取代磁性HD驱动的最佳候选对象。
事实上，基于闪存技术的固态HD今天已经可在市场上取得。然而，从最初的商业化开始起仅过了几年之后，这种固态HD似乎已经达到了数据存储密度的极限，尽管事实是存储容量在幅度上仍比标准磁性HD的幅度小一个数量级。原理上，这种闪存技术的数据密度限制同样也限制了极快DRAM的性能。特别是，在这两个情况下，信息通过存储电荷的方式得以保留，然而电荷总是泄漏，要么在隧道势垒被制作成尽可能薄以提高速度时通过沟道势垒泄漏（比如在DRAM中），要么在比特单元（bit cell）被制作成尽可能小以增加密度时通过势垒侧壁（barrier sidewall）泄漏（比如在当前的固态HD中）。
这方面的考虑似乎表明未来的存储器仍然可能使用磁性材料，倘若这种材料不遭受电荷耗散/泄漏的话。例如，通过使用这样的材料，就不须依赖于电子的电荷。相反而可以依赖于磁矩。这是首先由在2007年荣膺诺贝尔奖的Albert Fert（Baibich等著，Physical Review Letters，第61卷，第2472-2475页）和Peter Grünberg（Binach等著，Physical Review B，第39卷，第4828-4830页）引入的在自旋电子学之后的革命性概念的另一种方案。
鉴于这些和其他的近期突破，已经提出了大量的使用磁性比特单元但不具有易碎结构部分的装置。这样的磁性比特单元通常被称作磁性随机存取存储器（MRAM），这是因为它们将磁性存储器的非易失性与随机存取存储器的功能结合在一起。在这些装置中，虽然通过使用任何的磁阻效应或霍尔效应而很容易实现读取，但是信息可通过翻转图案化的磁性结构的整个磁化方向而被写入（例如参见，Schuster-Woldan等人著的US 2001/0035545（Al）），或者可通过移位（displace）在稳定的位置之间的磁畴壁（通常被表示为几何收缩）（例如参见，Bland等人著的US 7102477（B2）和Wunderlich的US6727537（B2））而被写入。最近提出的另一种可能性是，切换磁点中的磁涡旋的核心或手征性（chirality）（参见例如Min等人著的US 2006/0023492（Al））。
然而，在所有这些情况中，当写入过程依赖于由地址线上流动的电流所产生的局部磁场时（Nozaki等人著，Journal of Applied Physics，第93卷，第7295-7297页），密度被电磁串扰效应所限制。作为一种替代方法，写入可以依赖于自旋转移力矩效应（spin transfer torque）（Slonczewski，Journal ofMagnetism and Magnetic Materials，第159卷，第L1-L7页，Huai等人著的US 7106624（B2）），但到目前为止，这需要大的电流密度，结果造成由于焦耳热而引起的比特密度的限制。
因此，在磁性比特单元领域仍然存在挑战，以找到可扩展的磁性结构，所述磁性结构可以在使用小的写入电流的同时在两个稳定的磁位形（magnetic configuration）之间切换。
发明内容
下面给出所公开主题的简化的概要，以提供对所公开的主题的一些方案的基本理解。本概要不是所公开主题的详尽综述。它的意图既不是标识所公开主题的关键元素或重要元素，也不是详细描述所公开主题的范围。其唯一的目的是作为稍后作出的更详细描述的序言而以一种简化的形式提出所公开主题的一些概念。
本文所公开的主题，在其一个或多个方案中，包括一架构，其包括至少两种磁稳态的磁性元件或磁性“点”。磁性元件可以是铁磁性的和导电性的，并具有细长的允许有两重（two-fold）的能量简并（energetically-degenerate）的磁位形的几何形状（例如，椭圆形）。
据此和其他相关的目的，磁性元件可以包括两种磁涡旋以及偏离于磁性元件的短轴中心的花状态（flower state）区域，其中所述两种磁涡旋和花状态区域设置在处于两个磁稳定的位形之一的磁性元件上。可以理解，因为磁性元件可以被设置处于两种稳定位形其中之一（例如，花涡旋状态），因此一种花涡旋（flower vortex state）状态可以定义为状态“0”，而另一种可以表示状态“1”。因此，该磁性元件可以用作比特存储单元的芯体（core）。
应当理解的是，用于比特单元（诸如本文所描述的比特单元）的磁性元件的初始磁化状态不必是两种花涡旋位形之一，例如在磁性元件从所生长的膜图案化而形成时。在任何情况下，该结构还可采用使磁性元件磁稳定的方法，其依据花涡旋状态是否是绝对能量最小或相对能量最小而以两个方式之一将磁性元件带至花涡旋位形。例如，通过施加面外的、幅度不小于膜饱和磁化强度的场，磁性元件可以被带入相对能量最小的花涡旋状态。可替代地，仅在花涡旋状态是绝对能量最小的情况下，初始化可以通过加热系统至其居里温度以上的方式来获得。如果一个以上的磁性元件被集合排列成一阵列以形成存储装置，则所有的磁性元件都将同时被设置为花涡旋状态之一。这样的初始化程序通常只需要进行一次，并且之后可永久保持在花涡旋状态，假设在如本文所述的正常操作过程中比特单元阵列被适当屏蔽掉磁场的话。
此外，磁性元件也可以配备用于感测磁性元件的当前状态的读取装置，其可以用作读操作以判定磁性元件是在状态“0”还是在状态“1”。此外，磁性元件可以配备用于维持（assert）与简并的磁位形中任一个相一致的磁稳态的写装置，其可以用作写操作来维持状态“0”或状态“1”。
下面的描述和所附的附图详细阐释了一个或多个非限制性实施例的某些说明性的方案。然而，这些方案仅表示了各种可以采用所要求保护主题的原理的方法的一少部分，且所要求保护的主题旨在包括所有这些方案及其等同方案。在结合附图考虑时，所要求保护的主题的其它优点和区别特征从以下各实施例的详细描述将变得显而易见。
附图说明
图1示出了具有至少两个磁稳态的系统的方框图，该系统设置为处于第一磁稳定状态。
图2描述了具有至少两个磁稳态的系统的方框图，该系统设置为处于第二磁稳定状态。
图3A示出了描绘能够被用于将磁性元件在两个花涡旋状态（分别由图1和图2所示例出）之间进行切换的物理原理的示意性说明的图示。
图3B提供可被施加到磁性元件而用于写操作的电流脉冲的图解说明310。
图4示出了当施加写电流时磁性元件位形的演变的图解说明。
图5提供示出了写-使能的存储单元的示例性实施例的图形描述的图示。
图6描绘了这样的系统的图形描述的图示，该系统表示具有用于写操作和读操作这两者集成的磁阻接触部的存储单元的示例性实施例。
图7示出了提供磁性元件的视图的图形描述，该视图示出了在磁阻堆栈沿磁性元件的短轴移位时用该磁阻堆栈检测的磁位形的变化。
图8描绘了这样的系统的框图，该系统描述了将单比特存储单元集成到一个晶体管一个芯片架构的实施例。
图9是这样的系统的方框图，该系统描述了将单比特存储单元集成到无晶体管的芯片架构的示例性实施例。
图10描述了这样的过程的示例性流程图，该过程定义了用于使磁性元件磁稳定的方法。
图11示出了这样的过程的示例性流程图，该过程定义了用于为合适的磁性元件维持特定的磁稳态的方法。
图12示出了这样的过程的示例性流程图，该过程定义了用于与为合适的磁性元件维持特定的磁稳态相关地提供额外特征或方案的方法。
具体实施方式
现在参照附图描述一个或多个实施例，其中类似的附图标记通篇用于指代相似的元件。在下面的描述中，为了解释的目的，对许多具体细节作了说明，以便提供对各实施例的透彻理解。然而，显而易见的是，所要求保护的主题可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他实例中，公知的结构和设备以框图的形式示出，以便于描述各种实施例。
本文公开的发明一般性地涉及一种磁性、导电性的比特单元或其组件，通过施加垂直于比特单元平面的小电流，所述比特单元或其组件可以在两个稳定的镜像（specular）的磁位形之间切换。该单元可以由细长的磁性元件或磁性“点”组成，其几何形状被选择为能够稳定由两个涡旋和花状态（flowerstate）区域组成的非均匀的磁位形。这种几何形状的一种可能的实现是呈预定的厚度和纵横比的椭圆形。这样的结构代表了两重（two-fold）的简并（degenerate）的相对能量最小的系统。
可理解的是，给定的稳定状态不一定是绝对能量最小，但其可以通过施加通常不小于膜饱和磁化强度的面外（out-of-plane）场而易于稳定。由于旋转（curling）的磁位形，比特单元之间的静磁（magnetostatic）交互作用非常小，这允许高密度集成。此外，通过施加垂直于单元平面的电流，该单元可以在两种状态之间进行切换。此电流可以被迫流入小于点区域的区域中，该区域可以是但不一定必须是与所述点区域同心的。
因此，基于所述电流，可产生依据电流极性对一个磁涡旋是吸引的而对另一个涡旋是排斥的磁势。通过使电流区域与所述点同心可以实现最小的写电流。然而，这意味着使用第二磁阻接触部（contact）用于数据读取。然而，通过使电流区域相对于点中心移位，同一接触部可以被用于数据的读和写这两者。
如在本申请中所用的，词语“示例性”被用来表示作为示例、实例或说明。本文所描述的作为“示例性”的任何方案或设计不一定被解释为比其它方面或设计更优选或更有益。相反地，词语“示例性”的使用倾向于以具体的方式来呈现概念。正如在本申请中使用的，术语“或”是指包含性的“或”而不是排他性的“或”。因此，除非另有说明，或从上下文中清楚可知，“X采用A或B”意在表示任何自然的包含性的置换。也就是说，如果X采用A；X采用B；或者X采用A和B这两者，则在任何前述的实例下满足“X采用A或B”。此外，除非另有说明，或从上下文中清楚可知拟指单数形式，本申请和所附的权利要求书中使用的冠词“一个”或“一”一般应解释为意指“一个或多个”。
现在参考附图，最先参考图1，描述了具有至少两个磁稳态的系统100。通常，系统100可以由细长的导电的磁性元件102组成，该磁性元件102具有允许有两重的能量简并的磁位形的几何形状。能量简并的磁位形的第一个示例在这里被示出，而能量简并的磁位形的第二个示例可以参照图2而被发现，它们的组合旨在表示两重的能量简并的磁位形的两个磁稳态的示例。
此外，系统100还用虚线描绘与磁性元件102相关联的长轴104和短轴106这两者，在本文中利用它们是为描述的和/或参考的目的，包括用于其他图的那些目的。此外，当磁性元件102通常被设想成是一种导电性的铁磁材料时，一些图示（例如，图1、图2、和图7）通过表示面内（in-plane）磁化的多个箭头描绘了磁性元件102，这在传达所公开主题的一些概念和功能方面被认为是更有效。
在一个或多个方案中，磁性元件102可以包括第一磁涡旋1081和第二磁涡旋1082，他们可被统称为磁涡旋108。此外，磁性元件102可以包括花状态区域110，它可以位于偏离于短轴106的中心。例如，在图1中，花状态区域110位于短轴106的左侧，而在图2中花状态区域110位于短轴106的右侧。然而，在这两个情况下，磁涡旋108和花状态区域110设置为处于磁稳定的位形。图1示出了第一磁稳定位形，而图2代表了两重的、能量简并的磁位形相应的第二磁稳定位形。可以理解的是，磁涡旋108和花状态区域110的相对位置可以依赖于磁性元件102的形状和/或几何形状，这在一个或多个方案中可以被配置为椭圆形。
通常情况下，如图1所示，两个磁涡旋108将以长轴104为中心，并且还将位于短轴106的相对侧，然而不必都是这种情况。无论如何，对于磁性元件102的特定的纵横比和厚度，在磁化旋转（curl）而形成示例为第一磁涡旋1081和第二磁涡旋1082的两个涡旋的情况下存在稳定的磁位形。此外，由于交换能量最小，因而两个磁涡旋108一般会通过相反的手征性表征，其中，手征性涉及给定的磁涡旋的面内磁化的旋转方向（例如，顺时针或逆时针）。因而，第一磁涡旋1081的手征性以与第二磁涡旋1082的手征性相反的方向旋转。
由于两个磁涡旋108具有相反的手征性，可以（例如，在花状态区域110中）观察到在本文中被称为“花状态”的磁化分布。例如，花状态表征为垂直指向于长轴106和/或平行于短轴108的平均磁化，其可以影响（effect）或表征磁稳态或磁位形。
在一个或多个方案中，磁性元件102可以被配置为（下文将进一步地详细描述）使第一磁涡旋1081、第二磁涡旋1082和花状态区域110沿长轴106移位到达第二磁稳定位形（例如，图2），该第二磁稳定位形能量等同于该第一磁位形（例如，图1）。例如，具体参照图2，具有最小能量成本的杂散磁场202的闭合意味着花状态区域110沿长轴方向进行移位（未示出，请参阅图1中的元件110）。可以理解，这种移位可能会伴随有两个涡旋108沿同一轴的移位。不管怎样，最终的稳定磁位形将是分别示于图1和图2中的两个能量等同的位形其中之一。按照惯例，图1表示第一磁稳定位形，图2表示第二磁稳定位形，其任何一个在本文中可被称作为“花涡旋”位形或“花涡旋”状态。
应当理解的是，因为磁性元件102可以被配置为使能（enable）两种状态，并且进一步地这两种状态是磁稳态，所以磁性元件102可以用作单比特存储单元的芯体。例如，两个花涡旋状态之一可代表逻辑“0”，而另一个花涡旋状态可以代表逻辑“1”。为了实现这样的功能，磁性元件102可以被扩展为提供用于在特定的花状态之间切换和/或维持特定的花状态（例如，功能上等同于写操作），以及提供用于以非破坏性的或非改变的方式感测当前的花状态（例如，相当于读操作的功能）。参照图3A至图7将进一步描述这些和其它的特点。
现在转到图3A，图300示出了可以用于将磁性元件在两个花涡旋状态（由图1和图2分别示例）之间切换的物理原理的示意性说明。具体地，与磁性元件102相关联的当前状态可以通过施加如下所述的双极性直流脉冲（例如，写电流302）而在两个花涡旋状态之间切换。例如，电流302可以垂直于磁性元件102的平面而在比磁性元件102的尺寸更小的区域304中流动。如所示出的，区域304可以是圆形的，并可以是与磁性元件102同心的，然而应当理解的是不必都是这样的情况。相反，在某些方案中，区域304不必与磁性元件102是同心的和/或不必具有圆形的横截面形状。
然而，写电流302的最小化可以通过确保区域304与磁性元件102是同心的方式来获得。无论如何，写电流302可以生成圆形奥斯特场（Oerstedfield）306，其中，奥斯特场306的场力线可以与磁性元件102的平面平行，如所示出的。可以理解的是，写电流302的极性可确定圆形奥斯特场306的方向。例如，写电流302的极性可以产生在方向上是顺时针或逆时针（并在本文中被称为“奥斯特场手征性”）的奥斯特场306。此外，图3B提供电流（例如，写电流302）脉冲的图解说明310，该电流脉冲可以被施加到磁性元件102用于写操作。例如，由Imax表征的正电流脉冲可以通过产生相关的奥斯特场306来维持“1”，而由-Imax表征的负电流脉冲可以通过产生相反手征性的奥斯特场306来维持“0”。
因此，如果假定磁性元件102处于图1的花涡旋状态，则花状态区域110被移位到短轴106的左侧，可以按惯例表示为状态“0”。在这种情况下，沿着出了图1页面的方向流动的写电流302（例如，正电流脉冲）可以生成具有与左侧的磁涡旋1081相同的手征性并具有与右侧的磁涡旋1082相反的手征性的奥斯特场306。这种状况意味着，由写电流302所产生的磁势对左侧的磁涡旋是吸引的而对右侧的磁涡旋是排斥的。因此，如果由写电流的302所提供给磁系统302的塞曼能量（Zeeman energy）（被表征为在磁化和施加的磁场之间的交互能量）大到足以克服两个花涡旋状态之间的能量势垒，磁性元件102将切换到第二磁稳定位形。因此，当写电流302被去除时，最终状态将是由图2示例出的那个状态（具有移位至右侧的花状态区域110，例如，状态“1”）。
另一方面，如果磁性元件102的初始状态是由图2所示例出的那个状态（具有移位至右侧的花状态区域110），则系统将暂时从花状态平衡移开，以提供（account for）额外的塞曼能量。然而，一旦写电流302被移除，这样的过能量激励（over-energized）状态会退去，并因此返回到初始状态。上述的特点参照图4予以详细说明，其中图4提供了在施加写电流时磁性元件位形的演变的图解说明400。比如，被配置为正电流脉冲的写电流302产生为“1”的最终状态（例如，图2的花涡旋状态），而不管磁性元件102的初始花涡旋状态是否最初为“0”或“1”。
同样，虽然没有明确示出，但也可以容易地理解的是，如果系统已经处于“0”的状态，则被配置为负电流脉冲的写电流302在切换位形方面是无效的，而如果系统是在“1”的状态，磁性元件102的花涡旋状态将会切换。在任一情况下，应当理解，写电流302的幅度应足够高到能够克服两个花涡旋状态之间的能量势垒，但不会高到将磁性元件102驱动达到单涡旋状态。可以参照图5发现单比特存储单元的示例性实际实施，其中，该单比特存储单元可以实现在两个花涡旋状态之间的切换和/或维持特定的花涡旋状态（例如，写操作）。
现在参照图5，示出了表示写-使能（enabled）的存储单元的示例性实施例的系统500。通常，系统500可以包括磁性元件102，该磁性元件可以位于电极（在本示例中，是底部电极502）的顶部上。此外，系统500还可以包括第二元件，在这里被表示为接触部504，它由可运载电流的、非磁性的材料构成。接触部504可以位于磁性元件102顶部，并可以被配置成占据比磁性元件102更小的面积。此外，系统500可以包括顶部电极506，该顶部电极可以位于接触部504的顶部。顶部电极506可以通过绝缘体508与磁性元件102隔离以及与底部电极502隔离，绝缘体508可以由磁绝缘和/或电绝缘的材料构成。应当理解的是，在超出接触部504的特定的厚度之外，由写电流302所产生的奥斯特场306对电极502、506的影响是可以忽略不计的。
按照以上所述的，易于清楚的是，图1和图2的磁性元件102可以具有杠杆效应（leverage）以提供能够在两个稳定花涡旋状态之间切换的比特存储单元，这可以表征为用于比特存储单元的写操作。特别地，磁性元件102可以进一步包括写操作组件，其可以被配置为维持有关图1和图2所提及的至少两个磁稳态之一。写操作组件可以由系统500示例出，并因此在本文中被称为写操作组件500。
具体地，写操作组件500可包括被配置以产生磁势的非磁性的导电的接触部（例如，接触部504），所述磁势对所述两个磁涡旋108其中之一的手征性是吸引的而同时对所述两个磁涡旋108中另一个磁涡旋是排斥的。此外，写操作组件500可以进一步包括耦接到磁性元件102的底部电极（例如，底部电极502）和耦接至非磁性的导电的接触部（例如，接触部504）的顶部电极（例如顶部电极506）。
在一个或多个方案中，写操作组件500可以被配置为基于施加一垂直于磁性元件102的长轴104和短轴106这两者流动的电流（例如，写电流302），来生成上述磁势，其中所述电流流过比磁性元件的尺寸小的区域（例如，与较小尺寸的接触部504一致的区域）。应当理解的是，尽管上述描述已经针对写操作而进行，然而读取（例如，以非破坏性的方式检测磁性元件102的当前位形）可以通过经由任何合适的已知的或以后发现的磁阻效应来感测可能在磁性元件102的任何区域中的磁位形而完成。
例如，磁性元件102可以进一步包括读操作组件，其包括被配置成感测磁性元件102的磁位形的磁阻接触部。此外，该读操作组件可以进一步包括耦接到磁性元件102的底部电极以及耦接到磁阻接触部的顶部电极。可以理解，就顶部和底部电极（例如，502和506）而言，读操作组件与写操作组件500可以大体上类似，但不同的是，接触部504可以用磁阻接触部取代。无论如何，在一个或多个方案中，读操作组件可以被配置为基于例如检测到的在底部电极与顶部电极之间的电压，来区分第一磁稳定位形（例如，图1）和第二磁稳定位形（例如，图2）。关于读操作和写操作这两者的额外的细节可以结合图6得以发现，其中图6示出了利用单个示例性的接触部用于写操作和读操作这两者。
现在转到图6，提供了系统600的示例性图形描绘，其表示具有用于写操作和读操作这两者的集成的磁阻接触部的存储单元的示例性实施例。系统600可以大体上类似于系统500，其中，所述两个系统包括底部电极502和顶部电极506以及构设于磁性元件102周围的绝缘体508。然而，在系统500和系统600之间的区别是：系统500的运载电流的、非磁性接触部504可以被用于系统600的具有相似的尺寸和位置的磁阻堆栈602来替代。
磁阻堆栈602可以由非磁性间隔层604和极化层606组成。极化层606可以是具有呈典型的自旋阀位形的固定磁化的单层或多层极化器。因此，磁性元件102的当前状态的非破坏性读取可以通过注入读电流（典型地其幅度比写电流302的幅度小）并检测在电极502和506之间相应的电压来完成。可以理解，如果接触部（在本实例中为磁阻堆栈602和/或组成部分604和606）是与磁性元件102同心的，如所示出的，则在两个稳定的花涡旋状态之间的平均磁矩变化以及由此之间的电压变化是零。然而，如果接触部沿着磁性元件102的短轴106移位，则在两个花涡旋状态之间的读电压的变化迅速增加，这进一步结合图7被详细说明。
虽然仍参照图6，但现在转到图7，图形描绘700图提供了磁性元件102的视图，其示出了当磁阻堆栈沿磁性元件的短轴移位时用磁阻堆栈602检测的磁位形的变化。因此，如上所述，如果磁阻堆栈602处于与磁性元件102同心的位置，所关联的电压读数可能无法提供一种有效的方式来区分两个花状态。然而，通过使磁阻堆栈602沿短轴106（在本实例中为沿向上或向北的方向）移位，两个花涡旋状态之间的电压差可以被观察到。
例如，当磁性元件102被配置呈第一花涡旋状态（例如，图1）时，则在磁阻堆栈602位置处的磁化图案可以类似于由调出的（call-out）区域702中所描绘的那样，按照惯例其被定义为状态“0”。另一方面，当磁性元件102被配置呈所述第二花涡旋状态（例如，图2）时，则在磁阻堆栈602位置的磁化图案可以类似于由调出的（call-out）区域704中所描绘的那样，相反地按照惯例其被定义为状态“1”。在这两个情况下，通过磁阻堆栈602注入读电流将产生相关的电压读数，这些电压读数关于两个花涡旋状态是可区分的。
因此，沿短轴106偏移（offset）磁阻堆栈602可以提供更有效的方式用于读操作。然而，正如前面所指出的，写电流302的最小化可以通过确保区域304与磁性元件102同心来获得。因此，由于磁阻堆栈602可以方便于读取和写操作这两者，应注意的是，通过沿短轴106偏移磁阻堆栈602，在执行写操作时略微增加写电流302可能会是必要的（例如，相对于在磁阻堆栈602与磁性元件102同心时需要的写电流）。此外，在由图7所示的位形中（例如，磁阻堆栈602沿短轴106偏移），在给定的写操作期间自旋转移力矩可以发挥作用。然而，在驱动被设想用于高密度存储设备的写操作所需的电流的范围内这种影响效果是可以忽略不计的。
根据以上所述，应当理解的是，磁性元件102因此可被用全部或部分的读/写组件进行扩展，以构建能够读取（例如，磁性元件102的当前状态的非破坏性检测）和写入（例如，维持磁性元件102的一特定的状态）的单比特存储单元。具体地，读/写组件可以包括耦接至磁性元件102的非磁性间隔物（例如，非磁性隔离层604）和耦接至所述非磁性间隔物的、具有固定磁化的单层极化器或多层极化器（例如，极化层606）。此外，读/写组件可以进一步包括耦接到磁性元件102的底部电极（例如，底部电极502）和耦接到极化器的顶部电极（例如，顶部电极506）。
在一个或多个方案中，读/写组件可以被配置为基于施加通过读/写元件的写电流302而产生磁势，其中该写电流302分别垂直于磁性元件102的长轴104和短轴106这两者流动（例如，进入或流出磁性元件102的平面）。此外，可施加写电流302通过比磁性元件302的尺寸小的区域，以便维持所述至少两个磁稳态之一。更进一步地，写电流302可以流过磁性元件102偏离于短轴106的区域，该区域可以基于磁阻堆栈602的位置而建立。关于读操作，读/写组件可以被配置为根据在顶部电极和底部电极之间注入读电流时所检测的读/写元件上的电压来区分所述至少两个磁稳态，其中，所述读电流通常小于写电流302，以避免维持磁性元件102中特定的状态。
此外，在一个或多个方案中，磁性元件102连同相关的磁阻堆栈602和（可选的）底部电极502和顶部电极506可以构成单比特存储元件，该磁性元件102可以与多个额外的磁性元件和相关的组件一起排列，被安排成单比特存储单元阵列。这样的存储单元阵列可以基于本文所描述的铁磁单元和相关的原理而不是基于如在常规存储器中惯用的电荷存储，来提供高密度的固态存储器。因此，所公开的存储器可以有效地结合磁性硬盘典型的高数据密度，但还具有动态随机存取存储器典型的高速度和闪存典型的非易失性。与图8和图9相关地，提供了两个示例性存储器阵列。具体地，图8涉及1TIC（一个晶体管一个单元）架构，而图9涉及无晶体管架构。
现在转到图8，系统800示出了将单比特存储单元集成到一个晶体管一个单元的芯片架构中的实施例。如在上文基本描述的，单比特存储单元可以磁性元件102和磁阻堆栈602为特征，并在下文中表示为比特单元802。比特单元802可以位于图案化的底部电极804的顶部，其可以逐行布置遍及整个阵列，并且可如基本所描述的结合底部电极502来起作用。反过来，图案化的底部电极804可位于晶体管806（例如，用于每个比特单元802的那个）的顶部，其中，所述图案化的底部电极804可以通过晶体管806的输出端口连接到接地808。此外，字线810可以使能一行晶体管806，将该行上的所有比特单元802连接到接地808。此外，位线812可以连接一列比特单元802，并且可以作为公共的顶部电极（例如，比如与顶部电极506有关所描述的那个），用于该列中所有的比特单元802。然而，只有选定的位线812上的启用的比特单元802将基于选定的行被寻址。
现在参考图9，系统900示出了一个将单比特存储单元集成到无晶体管的芯片架构的示例性实施例。显然，系统900可以基本上类似于系统800的相关特征，除了系统900无需包括晶体管806之外。相反，如果采用无晶体管架构，则位线812可以用作一列比特单元802的公共电极，并且字线810可以用作一行比特单元802的公共电极，同时比特单元802被夹在相交处，因此，是可以基于唯一的列-行位置独立寻址的。
图10-图12描述了根据本文的一个或多个实施例的各种方法。虽然为了简化说明的目的，这些方法被示出和描述为一系列的动作，但是可以理解的是，这些实施例不必受限于动作的顺序，这是因为一些动作可能以不同的顺序发生和/或与本文示出和描述的其他动作同时发生。例如，本领域的普通技术人员将理解和了解到，一方法可选地被表示为在诸如状态图中的一系列相关的状态或事件。此外，并非所有示出的动作对于实施现根据各种实施例的方法是必需的。此外，还应理解的是，下文中公开的和整个本说明书中的方法可以是能被存储在一件产品中，以用执行所述动作所必要的合适的硬件和/或合适的设备而便于将这类方法传输和转移到计算机。
现在参考图10，提供了用于使磁性元件磁稳定的示例性方法1000。然而，在进行方法1000的讨论之前，应当理解的是，可用于比特单元（比如本文描述的这种比特单元）的磁性元件的初始磁化状态不一定是花涡旋位形。例如，考虑磁性元件从所生长的膜图案化而形成的情况。在这种情况下，磁性元件的磁状态很可能是这样的：其中，平均磁化沿面内易磁化的轴存在，所述轴对应于磁性元件的长轴。此外，对于某些磁性元件的纵横比和/或厚度，花涡旋状态可能是相对的、不是绝对的两重简并能量最小的系统。
在任何情况下，通过施加面外的、幅度不小于膜的饱和磁化强度的场，磁性元件可以被带入花涡旋位形。可替代地，仅在花涡旋状态是绝对能量最小的情况下，初始化可以通过将系统加热至其居里温度以上的方式来获得。如果一个以上的磁性元件被集合排列在一阵列中以形成存储装置，则所有的磁性元件都将同时被设置为花涡旋状态之一。这样的初始化过程通常只需要进行一次，并且假设在如本文所述的正常操作过程中比特单元阵列被适当地屏蔽掉磁场的话，可以此后永久保持在花涡旋状态。
据此，在附图标记1002处，可以检查细长的导电的磁性元件的初始状态，所述磁性元件具有允许有两重的、能量简并的磁位形的几何形状。基于这种检查，在附图标记1004处，能够作出判定可。具体地，可判定所期望的磁性元件的稳定位形是否表示绝对能量最小或相对能量最小。如果所期望的磁性元件的稳定位形并不表示绝对能量最小（和/或，相反地表示相对能量最小），则该方法1000行进到附图标记1006处。另一方面，如果所期望的磁性元件的稳定位形表示绝对能量最小，则方法1000行进到附图标记1008处。
在附图标记1006处，已经确定所期望的磁性元件的稳定位形并不代表绝对能量最小和/或代表相对能量最小。因此，可以施加垂直磁场到该磁性元件上，以初始化磁性元件。另一方面，在附图标记1008处，已经确定所期望的磁性元件的稳定位形确实表示绝对能量最小。因此，在这种情况下，为了初始化磁性元件，该磁性元件可以被加热到大于或等于该磁性元件的居里温度的温度。如本文中所使用的且现有技术中已知的，居里温度基于所涉及的材料（例如，铁磁材料）的组成而变化，并且涉及一可逆（reversible）的温度，在高于该可逆温度时该材料变为顺磁性，使得呈顺磁状态的材料仅在存在外部施加的磁场的情况下才是磁性的。
不管所行进的路径如何，不论经由附图标记1006还是经由参考标记1008，磁性元件目前都可以被认为初始化为使得磁稳定的两个花涡旋状态对于磁性元件都是可能的。因此，方法1000便可终止。
参照图11，描绘了用于为合适的磁性元件维持特定的磁稳态的示例性方法1100。通常，在附图标记1102处，可产生一磁势，所述磁势对具有第一手征性的一个磁涡旋是吸引的而对具有第二手征性的一个磁涡旋是排斥的，其中所述第一手征性与第二手征性相反。因此，在附图标记1104处，可以将所述磁势施加至细长的导电的磁性元件，其中所述磁性元件具有两个手征性相反的磁涡旋并具有允许有两重的能量简并的磁位形的几何形状。
根据以上所述，因为磁性元件可以包括两个磁涡旋，每个具有不同的手征性（例如，顺时针与逆时针），在附图标记1102处产生的、并在附图标记1104处被施加至磁性元件的磁势可以吸引所述涡旋之一，而排斥另一涡旋。因此，基于对磁性元件施加的磁势将维持两个稳定的位形之一。例如，如果是磁性元件不处于正被维持的位形，位形将切换到该状态。但是，如果是磁性元件已经处于正被维持的位形，即使去除磁势也不会发生变化。因此，维持磁稳定位形的其中之一或另一个可以用作与磁性元件相关联的比特单元的写操作。
现在转到图12，示出了示例性方法1200，用于提供与为合适的磁性元件维持特定的磁稳态有关的额外特征或方案。通常，在附图标记1202处，可采用一垂直于磁性元件的长轴和短轴这两者流动的电流（例如，写电流）用于产生结合附图11的附图标记1102和1104所详述的磁势。
接下来将要描述的是，在附图标记1204处，可施加电流通过比磁性元件的尺寸小的区域，用于产生磁势。此外，在附图标记1206处，可以施加所述电流通过磁性元件沿着磁性元件的短轴偏移的位置。使沿磁性元件的短轴传输电流的组件偏移可导致所必要的稍高的写电流，而可以使得更有效的读操作将会被采用。
上面已经描述的包括各种实施例的示例。当然为了描述实施例的目的不可能描述组件或方法的每种可能的组合，但本领域普通技术人员可以认识到，许多进一步的组合和置换是可能的。因此，详细的说明书意在涵盖落在所附的权利要求书的精神和范围内的所有这些替换、修改、和变型。
特别是，对于由上述部件、设备、电路、系统等所执行的各种功能，除非另有说明或从上下文可以清楚得知，用来描述这种组件的术语（包括对“装置”的引用）旨在对应于执行所描述的组件的特定功能（例如，功能上等同）的任何组件，即使结构上不等同于所公开的执行这些实施例的示例性方案在本文中所示出的功能的结构。在这方面，也将认识到，实施例包括系统，同时也包括具有用于执行方法的各种动作和/或事件的计算机可执行指令的计算机可读介质。
此外，尽管特定的特征可能已经关于几种实施方式中的仅一种而被公开，然而这样的特征可以与对任何给定的或特定的应用可能是期望的和有利的其他实施方式中一个或多个其它特征结合在一起。更进一步地，在术语“包括”、“包含”和其变型用于详细的说明书或权利要求书的程度上，这些术语意在以类似于术语“包含”的方式表达的是包容性的。

Claims (25)

1.一种具有至少两个磁稳态的系统（100或200），包括：
细长的导电性的磁性元件（102）具有支持两重的能量简并的磁位形的几何形状，所述磁性元件包括：
第一磁涡旋（1081）;
第二磁涡旋（1082）;
偏心于所述磁性元件的短轴（106）的花状态区域（110）;
其中，所述第一磁涡旋、所述第二磁涡旋以及所述花状态区域被定位于第一磁稳定位形。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述磁性元件的几何形状被配置为椭圆。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一磁涡旋和所述第二磁涡旋位于所述磁性元件的长轴上并进一步位于所述短轴的相对侧。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一磁涡旋的手征性以与所述第二磁涡旋的手征性相反的方向旋转，其中，手征性涉及磁涡旋的面内磁化的旋转方向。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述花状态区域采用平均的垂直指向处于磁稳定位形的所述磁性元件的长轴的面内磁化来表征。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述磁性元件被配置为使所述第一磁涡旋、所述第二磁涡旋以及所述花状态区域沿所述磁性元件的长轴移位到能量等同于所述第一磁稳定位形的第二磁稳定位形。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括被配置为维持所述至少两个磁稳态之一的写操作组件。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述写操作组件包括：（1）非磁性的导电的接触部，被配置为产生磁势，所述磁势对所述第一磁涡旋和所述第二磁涡旋其中之一的手征性是吸引的而同时对所述第一磁涡旋和所述第二磁涡旋中的另一个的手征性是排斥的;（2）底部电极，耦接至所述磁性元件；以及（3）顶部电极，耦接至所述非磁性的导电的接触部。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述写操作组件被配置为基于这样的电流的施加而产生磁势，所述电流垂直于所述磁性元件的长轴和短轴这两者而流过比所述磁性元件的尺寸小的区域。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括读操作组件，所述读操作组件包括：（1）磁阻接触部，被配置成感测所述磁性元件的磁位形；（2）底部电极，耦接至所述磁性元件；以及（3）顶部电极，耦接至所述磁阻接触部。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述读操作组件被配置为基于所检测的在所述底部电极和所述顶部电极之间的电压来区分所述第一磁稳定位形和所述第二磁稳定位形。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括读/写组件，所述读/写组件包括：（1）非磁性间隔物，耦接至所述磁性元件；（2）单层或多层具有固定磁化的极化器，耦接至所述非磁性间隔物；（3）底部电极，耦接至所述磁性元件；和（4）顶部电极，耦接至所述极化器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述读/写组件被配置为基于所述读/写组件中的写电流的施加而产生磁势，以便维持所述至少两个磁稳态之一，其中所述写电流垂直于所述磁性元件的长轴和短轴这两者而流过比所述磁性元件的尺寸小的区域。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述读/写组件被配置为基于在所述底部电极和所述顶部电极之间注入比所述写电流小的读电流时而检测的所述读/写组件上的电压，来区分所述至少两个磁稳态。
15.根据权利要求1所述的系统，还包括多个额外的磁性元件，其被组织成单比特的存储单元阵列。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述单比特的存储单元阵列还包括被配置为运载读电流或写电流的至少之一的各线路。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述存储单元阵列按照一个晶体管一个单元（1T1C）的架构而被配置。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述存储单元阵列按照无晶体管的架构而被配置。
19.用于使磁性元件磁稳定的方法（1000），包括：
检查（1002）细长的导电的磁性元件的初始状态，所述磁性元件具有允许有两重的能量简并的磁位形的几何形状；
判定（1004）给定的稳定位形是否表示绝对能量最小或相对能量最小；以及
当所给定的稳定位形表示相对能量最小时，施加（1006）垂直磁场到所述磁性元件，或者如果所给定的稳定位形表示绝对能量最小，则对所述磁性元件加温（1008）至温度大于或等于所述磁性元件的居里温度。
20.用于对磁性元件维持特定磁稳态（100或200）的方法（1100），包括：
产生（1102）磁势（306），所述磁势（306）对具有第一手征性（1081或1082）的磁涡旋是吸引的而对具有与所述第一手征性相反的第二手征性（1081或1082）的磁涡旋是排斥的；
将所述磁势施加（1104）至一细长的导电的磁性元件（102），其中所述磁性元件具有两个手征性相反的磁涡旋（1081或1082）以及具有允许有两重的能量简并的磁位形的几何形状。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：采用一垂直于所述磁性元件的长轴和短轴这两者流动的电流用于产生所述磁势。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：施加所述电流通过比所述磁性元件的尺寸小的区域，用于产生所述磁势。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括：施加所述电流通过所述磁性元件沿着短轴偏移的位置。
24.一种基于磁位形提供非易失性存储器的系统（800，或900），包括：
用于耦接细长的导电的磁性单元阵列（500或600）的装置，在所述磁性单元阵列中的至少一个磁性单元依据允许有两重的能量简并的磁位形（100或200）的几何形状而被布置（102），其中每种位形是磁性稳定的且具有相对于所述至少一个磁性单元的短轴（106）偏心设置的花状态区域（110）；
读取装置（504，602），用于感测包含在所述阵列中所包含的一个或多个磁性单元的当前状态（100或200），以及
写入装置（300，310，或602），用于为包含在所述阵列中的一个或多个磁性单元维持与两重的能量简并的磁位形中任一个相一致的磁稳态。
25.根据权利要求24所述的系统，还包括用于利用单个磁阻接触部的装置，所述单个磁阻接触部用于与包含在所述阵列中的单个磁性单元相关联的读取装置和写入装置这两者。
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