CN103329204A

CN103329204A - 磁性存储元件

Info

Publication number: CN103329204A
Application number: CN2011800431384A
Authority: CN
Inventors: 吉勒斯·路易斯·伽丁; 约安·米哈依·米隆; 彼得罗·加姆巴德拉; 阿兰·舒尔
Original assignee: Study's Nanotechnology (icn); Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats ICREA; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Joseph Fourier Grenoble 1; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Study's Nanotechnology (icn); Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats ICREA; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite Joseph Fourier Grenoble 1; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: CN103329204B; JP6154745B2; RU2013108267A; EP2599085B1; JP2013536574A; US20120020152A1; FR2963152B1; US8416618B2; EP2599085A1; KR20130071467A; FR2963152A1; WO2012014131A1; RU2585578C2; KR101974149B1

Abstract

本发明涉及可写入的磁性元件，其包括具有磁性写入层的层叠体，其特征在于，所述层叠体包括所述磁性写入层，即，至少一种磁性材料的中间层（13、53、70、23、63、80），所述磁性材料呈现出平行于或垂直于所述中间层的平面的磁化方向，中间层夹在非磁性材料的第一外层（12、52、71、22、62）和第二外层（14、54、72、24、64、82）之间，第一外层（12、52、71、22、62）包括第一非磁性材料，并且第二外层（14、54、72、24、64、82）包括与第一非磁性材料不同的第二非磁性材料，其中，至少第二非磁性材料为导电的，以及，一方面，所述磁性元件包括用于使写入电流仅流经所述第二外层和所述中间层以及仅当所述第一外层导电时才能够流经所述第一外层的装置，所述写入电流沿着平行于中间层的平面的电流流动方向流动，以及另一方面，所述磁性元件包括用于施加具有沿着平行于或者垂直于所述中间层（13、53、70、23、63、80）的平面和所述电流流动方向的磁场方向的分量的磁场的装置，以及特征在于，所述磁化方向与所述磁场方向相互垂直。

Description

磁性存储元件

技术领域

本发明提供了电流引发的反转类型的可写入的磁性存储元件。

背景技术

通常通过施加磁场使层或小型磁性元件的磁化反转。根据是期望使磁化朝一个方向转向还是朝另一个方向转向来改变磁场的方向。在磁道上或者电脑硬盘上进行写入基于该原则：用于反转的元件物理上置于磁场发生器的附近以便三维地定位磁场。按照定义，磁场的结构本身未在三维上定位，这对于将磁场集成在装置中而言造成了许多困难。因此，当机械作用不可行或不期望有机械作用时，例如，就被称为磁性随机存取存储器（MRAM）的固体磁性存储器或者逻辑器件而言，需要充分地集中磁场以使其仅作用于目标单元，而不影响该目标单元的相邻件。当多个存储器或逻辑单元被定位成非常靠近于彼此以便增大其密度时，该问题变得越来越严重。

通过自旋极化电流控制磁化的可行性最初在1996年进行了理论性的论证，这对该问题提供了第一个解决方案。为了控制存储点的磁化，被称为自旋转移力矩（STT）的该物理原理需要存在至少两个通过非磁性金属（用于自旋阀类型的结构）或者通过绝缘体（用于磁性隧道结类型的结构）隔开的磁层，这两个层具有不共线的磁化。详细的物理解释根据涉及自旋阀结构还是磁隧道结结构而不同，但是概括来说，电流在穿过第一磁层时变为自旋极化并且随后通过电流极化的非共线分量来对第二层的磁化施加力矩。当电流密度足够高时，既可以在自旋阀中又可以在磁性隧道结中使第二磁层的磁化反转。

例如，如在2006年3月7日公开的美国专利No.7,009,877和在2009年5月21日公开的美国专利申请No.2009/129,143中所描述的，写入电流必须垂直于层的平面通过结。

美国专利6269018也是这种情况，其中（图5B），也在中央铁磁场中产生磁场的写入电流垂直于层的平面穿过磁隧道结类型的层叠体。还应当注意，该文献使用了两个不同的磁性层。

通过电流局部控制亚微米尺寸的磁性元件的磁化的能力立即显示了针对应用的可行性。目前，工业行动者正在寻求将该原理结合到用于MRAM存储器单元和逻辑元件的新型架构中。

目前，这样的结合遇到呈现为相互关联的多种困难。

通过STT进行反转需要在存储点处存在至少两个通过非磁性隔件分开的磁层。如上文所述，通过将高密度的电流注入垂直于磁层的平面的整个层叠体来进行写入，同时通过层叠体的磁阻来进行读取：对于自旋阀而言为巨磁电阻（GMR），对于磁隧道结而言为隧道磁阻（TMR）。目前，所有或几乎所有的应用基于使用磁隧道结。因此，尽管GMR信号仅仅是几个百分点，然而来自基于MgO结的TMR信号通常大于100%。然而，隧道结的缺点为电阻与面积的乘积（RA）显示为大值。因此，对于STT反转所需的典型电流密度10⁷安培/每平方厘米（A/cm²），RA为100欧姆-平方微米（Ω.μm²）时，结的边缘处的电压为10伏特（V），RA为10Ω.μm²时，该电压为1V，RA为1Ω.μm²时，该电压为0.1V。除了最小的值以外，在结中损耗的功率较大，这在能耗方面和损害所述结方面都是有害的。

此外，对读取有用的TMR的高值通常通过具有高RA值的层叠体来获得。

这就是为何本研究寻求获得具有高TMR值和小RA值的隧道结的原因。此外，甚至对于在结的边缘处具有相对较小的电压值，由于电压循环，故在操作中已经发现结加速老化的现象。目前，大量的研究致力于这一点，以优化现有构型中的材料并且还限定新的构型以便尽可能地分离写入和读取现象。

总之，困难在于，由于在已知的STT装置中，这两种现象内在关联，故不可能独立地优化读取和写入。

另一困难在于，写入需要非常高密度的电流通过层叠体。

该联系内在的另一困难源自层叠体的极大复杂性。因此，如果期望STT效果仅在待反转的层中感知以存储磁化，例如，必须通过交换与反铁磁材料的耦合来稳定其他层：如果期望增大STT转移的振幅，必须优化极化层；如果期望减小辐射在灵敏层上的磁场，则例如必须使用人造的反铁磁双层；等。

因此，MRAM单元或逻辑元件的典型磁性层叠体可具有各种材料的大于10个或15个不同的层。则这在结构化步骤期间并且特别在蚀刻步骤期间引起困难，这是集成这样的磁性层叠体的主要障碍点之一。

另一条研究路线是通过外部电场来控制磁化。这可以通过借助外电场改变材料的各向异性来部分地实现，借助施加磁场使磁化反转。T.Maruyama等在题目为“Large voltage-induced magnetic anisotropy charge in a few atomic layers ofiron”（Nature Nanotechnology，第4卷，2009年3月-Macmillan Publishers Ltd.）的文献中描述了一种这样的技术。

目前，该技术仅可以减小材料的磁各向异性。则写入过程和读取过程如上文所述，并且它们具有相同的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供磁性存储器，为了反转磁化，该磁性存储器仅需要磁层（具有平行于或垂直于其平面的磁化）存在并且在层叠体不需要使电流垂直于层的平面穿过的情况下而运行。

因此，本发明提供了可写入的磁性元件，该元件包括层叠体，该层叠体具有磁性写入层，该元件的特征在于，该层叠体具有所述磁性写入层，即至少一种磁性材料的中间层，所述磁性材料呈现出平行于或垂直于所述中间层的平面的磁化方向，所述中间层夹在非磁性材料的第一外层和非磁性材料的第二外层之间，所述第一外层包括第一非磁性材料，以及第二外层包括与所述第一非磁性材料不同的第二非磁性材料，至少第二非磁性材料为导电的，所述元件包括用于使写入电流仅流经第二外层和中间层以及只有当第一外层导电时才能够流经所述第一外层的装置，所述写入电流以平行于中间层的平面的电流流动方向流动，以及所述元件还包括用于施加具有沿着平行于或者垂直于中间层的平面和所述电流流动方向的分量的磁场的装置，并且磁化方向和磁场方向互相垂直。

因此，本发明运行用于形成写入电流的装置以及用于施加磁场的不同装置。如果第一外层不导电，则在写入阶段期间没有任何电流经过该第一外层。如果该第一外层导电，且只有在这种情况下，写入电流才经过该第一外层。

有利地，磁场平行于或者垂直于中间层的平面和电流流动方向。

可以为两种构型：

在第一构型中，磁场方向平行于电流流动方向，并且磁化方向垂直于磁性中间层的平面。

在第二构型中，磁化方向平行于电流流动方向，并且磁场方向垂直于磁性中间层的平面。

在两种构型中，电流平行于磁层流动并且不以垂直于层的平面的方向通过层叠体，而是以平行于层的平面的至少一个电流流动方向穿过中间磁层和至少第二外层，以及可以通过对电流的方向或者对磁场的方向作用来写入存储器。

有利地，中间层具有在0.1纳米（nm）到5nm的范围中的厚度。在第一构型中，该值优选小于或等于2nm。在第二构型中，该值优选地小于或等于3nm。

当磁化方向垂直于层的平面时，中间层可包括呈现出固有的垂直磁各向异性的合金，即，尤其是FePt、FePd、CoPt，或者甚至同样呈现出固有的垂直磁各向异性的稀土金属和过渡金属的合金，诸如GdCo、TdFeCo。中间层也可包括在层叠体中呈现出通过界面引起的垂直磁各向异性的金属或合金，尤其是Co、Fe、CoFe、Ni、CoNi。

当磁化方向被包含在层的平面中时，中间层可包括在层叠体中呈现出平面磁各向异性的金属或合金，尤其是Co、Fe、CoFe、Ni、NiFe、CoNi。

至少一个导电外层由非磁性金属（尤其是Pt、W、Ir、Ru、Pd、Cu、Au、Bi）或者这些金属的非磁性合金制成。这样的导电层的厚度可在1nm到10nm的范围中并且优选小于或等于5nm。该厚度的值与针对中间层的厚度所选择的值无关。

非导电外层中的一个由电绝缘材料制成，该电绝缘材料优选为：介电氧化物，诸如SiO_x、AlO_x、MgO_x、TiO_x、TaO_x、HfO_x；或者介电氮化物，诸如SiN_x、BN_x。该外层的厚度例如可以在0.5nm到200nm的范围中，并且尤其在0.5nm到100nm的范围中，并且优选小于或等于3nm，尤其是通过隧道磁阻信号读取该存储元件时。

两个外层可以为导电性的，但是它们选自所述非磁性金属或者非磁性金属合金中的两种不同的金属或金属合金。

例如，电流密度可以在10⁴A/cm²到10⁹A/cm²的范围中，以及有利地在10⁵A/cm²到10⁸A/cm²的范围中。

施加磁场可具有在0.002特斯拉（T）到1T的范围中、并且有利地在0.005T到0.8T的范围中的值。

第一外层（所述电流不通过该层）可以被磁性材料的读取层和读取电极覆盖。当第一外层由非磁性金属制成时，其与读取层、读取电极和中间层共同操作以形成自旋阀。当第一外层为电介质时，其与所述读取层、读取电极和中间层共同操作以形成磁隧道结。第一外层的厚度则优选地小于3nm。

可以构造磁性元件使得第一外层和中间层形成柱，同时第二外层形成轨道。第二外层可包括形成柱的一部分的具有额外厚度的区域。

本发明还提供了可写入的磁性装置，该装置包括多个所述柱，其中，所述第二外层由为柱所共用的所述轨道构成。

可替选地，第一外层、中间层和第二外层形成柱，并且所述可写入的磁性装置具有多个所述柱以及与所述柱的第二外层邻接的导电轨道，以将所述电流注入所述柱中的每个柱的第二外层和中间层，各个第二外层由不同于导电轨道的材料的导电材料制成。

附图说明

结合附图阅读以下描述后可以更好地理解本发明，其中：

·图1a到图1f示出用于实现本发明的第一构型，图2a和图2b示出集成在MRAM类型的磁性存储单元中的实施方式，以及图3a到图3d示出为了说明该存储器的结构而示出多个存储元件的实施方式；以及

·图4a到图4f示出用于实现本发明的第二构型，并且图5a和图5b示出集成在MRAM类型的磁性存储单元中的实施方式，以及图6a到图6d示出为了说明该存储器的结构而示出多个存储元件的实施方式；

·以及图7是根据本发明的构成用于形成一维阵列或二维阵列的存储单元的磁性元件的集成的示例。

具体实施方式

在本发明的上下文中实现的层叠体，即，中间磁层夹在非磁性的两个外层之间并且至少一个外层为导电的且两个外层具有不同材料，该层叠体具有产生反演不对称的作用，该作用在磁性中间层中产生非补偿的电场。在该电场中传送的电子在其自身的参考坐标系中受到被称为Rashba场

的磁场的作用，该Rashba场

的方向既垂直于电流又垂直于电场。因此该磁场应用于传导电子。

发明人已经发现，由Rashba场以及使巡游电子的自旋和局域电子的自旋结合的交换相互作用产生的有效磁场应用至局部磁化上。因此，Ioan Mihai Miron等的在《自然材料》（Nature Materials）第9卷第230页到234页（2010）中发表的题目为“Current-driven spin torque induced by the Rashba effect in aferromagnetic metal layer”的文献示出了具有3nm厚的Pt层、具有垂直于其平面且因此平行于z轴的磁化的0.6nm厚度的Co层以及传输平行于x轴流动的电流的2nm厚的AlO_x层的层叠体。该情况呈现出沿着参考坐标系的第三轴线y轴线的有效磁场H_eff。因此该构型不适于制作存储器，这是因为磁场与层的磁化不共线。

出人意外地，发明人已经发现，当将电流注入到具有反演不对称的结构中时，利用场H_eff和具有垂直于H_eff的分量的外磁场的相互作用产生的磁化动力学的结果，可以克服该理论障碍，所述磁场的垂直于H_eff的分量的方向与电流注入方向共线（第一构型）或者垂直于所述方向（第二构型）。

图1a到图1f示出用于实现本发明的第一构型，其中，施加磁场的方向平行于电流的方向，且磁化方向垂直于磁性中间层的平面。因此，所述施加磁场既垂直于磁化又垂直于有效磁场H_eff的方向。

附图标记15表示为电绝缘器的基板以便避免该结构短路。该基板尤其可以通过介电氧化物（例如，SiO_x、AlO_x、MgO_x）或通过氮化物（例如，SiN_x）构成。其可以为独立的或者其可以置于一些其他基板（例如硅基板）上。

附图标记13表示垂直于其平面的磁化的平面磁层。附图标记16表示磁化的取向，其可以在一个方向上存在或者在相反的方向上存在。

附图标记12和附图标记14分别表示第一非磁性外层和第二非磁性外层。第二外层14为在写期间电流通过的层。

附图标记11表示可以沿该方向取向或者沿相反的方向取向的写电流方向，以及附图标记17表示施加磁场的方向，其与电流方向共线并且可以沿相同方向或者沿相反的方向定向。

图1a和图1b示出非结构化的层叠体，其中，层叠体的层12、层13和层14构成轨道。

图1c到图1f示出结构化的层叠体，其中，层14（称作第二外层）为导电的并且磁层13和非磁层12（称作第一外层）为待结构化的仅有的层以便形成柱（图1c和图1d），并且其中，层12、层13和层14这三个层被结构化以形成柱，这是通过将导电层14的额外厚度14'并入在所述柱中来实现的，使得所述柱含有层14的非磁性材料的厚度的一部分（图1e和图1f）。针对第二外层要考虑的厚度为层14本身的厚度加上所述额外厚度14'。

应该观察到，额外厚度14'的区域不必须由与层14相同的导电性材料制成，在该情况下，该额外厚度14'仅仅是充当第二非磁性外层，并且其材料在层叠体中为有用的以便获得反演不对称。层14的金属材料从而可以为任何材料。

形成柱使得可以仅使柱中的磁化反转，因为否则的话，会使整个长度的轨道上的磁化反转。

磁层13呈现出垂直磁化，并且其厚度是相当小的，使得由于界面引起的电场是不能忽略的。通常其厚度不超过2nm并且最多为5nm。可以使用例如由于其固有的垂直磁各向异性而呈现出垂直磁化的所有磁性材料（FePt、FePd、CoPt……合金；稀土金属和过渡金属的合金，诸如GdCo，TbFeCo，…）或者呈现出因界面引起的垂直磁各向异性作用的所有磁性材料（Co、Fe、CoFe、Ni、CoNi，…）。还可以采用非金属的磁性材料，诸如磁性半导体，例如，GaMnAs（即，掺杂Mn的GaAs）。应该观察到，已知的磁性半导体材料仅在低于环境温度时才有磁性。

当磁性材料的垂直各向异性由界面产生时，通过对中间层的厚度和/或对外氧化层的氧化状态进行作用，例如，通过改变所述外氧化层的沉积参数或者通过在制作层叠体之后进行退火，可以获得垂直于平面的磁化。

示例：层叠体包括3nm厚的Pt导电层14、1nm厚的Co中间层13和AlO_x层12，对于所述AlO_x的给定氧化态，该层叠体呈现出垂直层磁化，然而，如果Co层的厚度等于1.5nm，则磁化在该平面中。如果层叠体在真空下且在300°C下经过60分钟的退火处理，则Co中间层13的磁化垂直于该平面。

Co层的厚度大于3nm时，如果层12由AlO_x制成，则无论退火处理或者氧化参数如何，无法获得在平面外的磁化。然而，如果层12所用的电介质为MgO_x，则对于大于或等于3nm的中间层厚度而言，可以获得垂直磁化。

Jae Chul Lee等在文章“Domain patterns and magnetization reversal behaviorsin oxide/Co/Pt films”（发表于IEEE Transactions on Magnetics，第46卷，No.6，2010年6月）中描述了对于不同氧化物（AlO_x、MgO_x、SiO_x）而言钴层的厚度对磁性能的影响。

B．Rodmacq在文章“Influence of thermal annealing on the perpendicularmagnetic anisotropy of Pt/Co/AlO_x trilayers”（发表于Physical Review B79024423（2009））中描述了Pt/Co/AlO_x三层中的氧化和退火对磁性能的影响。

A.Manchon等在文章“Analysis of oxygen induced anisotropy crossover inPt/Co/MO_x trilayers”（发表于Journal of Applied Physics104，043914（2008））中描述了铂/钴/金属氧化物三层层叠体中的氧化物层的氧化状态对钴层的磁性能的影响。

非磁层12和非磁层14这两个层必须是不同的以便在整个结构上产生反演不对称。有利地，针对这两个层，选择两种不同的材料，例如，电介质用于两层中的一层，金属用于另一层，然而，也可以针对这两个层分别选择金属。只有在该结构形成轨道并且没有形成柱时才使层12和层14都为电介质。则可以使电流直接在中间层13中流动。

因此，层12和层14这两个层可以分别由以下材料构成，条件是这两层是不同的，使得整个层叠体（层12、层13和层14）具有垂直磁化：介电氧化物（SiO_x、AlO_x、MgO_x、TiO_x、TaO_x、HfO_x、…）；介电氮化物（SiN_x、Bn_x、…）；非磁性金属（Pt、Pd、Cu、Au、Bi、…）；这些金属的非磁性合金；以及可选地有机半导体化合物（例如，GaAs、Si、Ge或者有关的石墨烯，必要时，具有生长缓冲物，例如，金属，诸如铱）。

当非磁层中的一个非磁层或另一个非磁层有导电性时，即，由金属或者合金制成，两个外层不可以具有相同的组成。

可以在较宽的值范围中选择层12和层14的厚度，厚度通常为0.5nm到200nm，尤其在0.5nm到100nm的范围中。当层12为绝缘层时，其值达到上述上限即200nm是无危害的，除了当例如通过在所述绝缘层上添加磁层和电极而利用隧道磁阻信号读取存储点时，如图2a和图2b所示。在这样的情况下，绝缘层的厚度优选地选择为小于3nm。然而，当层12和/或层14由金属制成时，优选地具有薄的、典型地小于5nm的厚度并且通常小于10nm的厚度的层，以便避免由于这些并行的导电通道而造成过度减小通过磁层的有效电流。当层12为金属的并且通过巨磁阻信号读取存储点时，例如，通过在所述金属层上添加磁层和电极，如图2a和图2b所示，则所述导电层12的厚度应该通常被选择成小于10nm，并且优选小于5nm。

这些不同的层可以通过任何已知技术来沉积，诸如：蒸镀、溅射、电化学沉积、化学生长等。

在某些形状中层14可以被省略。则磁层13应该被直接置于绝缘基板15上，并且非磁层12应该被选择成使得具有反演不对称，即，其由与构成基板15的材料不同的材料制成。然而，应该注意，当构造柱时，层14必须存在并且由导电性材料构成以便能够将电流注入构造的柱（这里指18a和18b）的中间层13中。在这样的情况下，额外厚度部分14'也必须为导电的，使得在结合层12的情况下，产生所寻求的反演不对称以便产生Rashba场并且能够使电流注入到磁性中间层13。

待反转的元件无论是图1a和图1b中示出的轨道还是装配在该轨道上/构造在该轨道中的柱（图1c到图1f），均以已知的方式连接到导电电极以便沿着图1中所示的轴线11将电流注入到导电层14，由此能够将电流注入到磁性中间层13。将磁场17以与电流注入轴线11共线的方式施加至该结构。可以沿着轴线11朝着箭头I₊的方向或者朝着与箭头I_-相反的方向施加电流。类似地，可以沿着轴线17朝着箭头H₊的方向或者朝着与箭头H_-相反的方向施加磁场。

电流方向和场方向对使磁化方向稳定。

例如，I₊、H₊对使如图1a到图1f所示的向上磁化的构型稳定。

从元件的磁化为向上均匀磁化的构型开始，当保持电流方向I₊并且改变施加磁场H_-的方向时，可以使该构型反转。

另一解决方案将为保持磁方向H₊不变并且改变电流方向I_-。该解决方案是优选的，因为这使得可以使用静磁场（例如通过永磁体产生），以便避免消耗任何能量。

通过对施加场的方向作用从而产生对（I₊，H_-）或者通过对施加电流的方向作用从而产生对（I_-，H₊），可以使磁化向下反转，其中如上所述，对（I_-，H₊）是优选的。一旦磁化已经反转，其是稳定的，即使不存在注入的电流和存在或不存在静磁场。

既改变电流方向又改变磁化方向，产生对（I_-，H_-），其也使磁化稳定向上。

一般而言，应该注意，使外磁场正好平行于电流轴线并不是必须的。使外磁场在垂直于磁化的平面中并且所述外磁场具有平行于电流的非零分量就足够了。施加磁场和电流之间的角度达到60°，仍可观察到反转。

注入到层14中的电流的密度的典型值位于10⁴A/cm²到10⁹A/cm²的范围内，有利地，其位于10⁵A/cm²到10⁸A/cm²的范围内。

沿着电流轴线施加的磁场分量的典型值在20奥斯特（Oe）到10千奥斯特（kOe）的范围中，即，在0.0002T到1T的范围中。有利地，选择的值在50Oe（0.005T）到8000Oe（0.8T）的范围中。该值必须维持在足够低的值以避免引起将两个磁化取向分开的能量位垒过度减小，因为该过度减小会引起不期望的反转。

为此，施加磁场的值被选择成远小于磁层的有效各向异性场。

例如，在铂层14和MgO层12之间的Co中间层具有0.8T（8000Oe）的有效各向异性场，可以施加0.008T（800Oe）的磁场，而不产生问题。

实际上，施加磁场的值可以选择成在有效各向异性场的值的三分之一到十分之一的范围中，尤其是在所述值的四分之一到十分之一的范围中。

可以以多种方式施加磁场，例如：以使用在一个或多个线圈中流动的电流的简单方式，以便在该整个装置上产生总场；或者通过传输电流的轨道，由磁场引起反转的MRAM存储器中使用这种类型；或者，以优选的方式，通过在待反转的至少一个柱的附近放置永磁体。该解决方案具有的主要优点是并没有发生任何能量损耗以产生磁场。这样的永磁体可以通过构造磁性沉积物来获取，由此可以更容易地在功能性装置（例如，存储器类型的或逻辑类型的装置）中结合该反转技术。

还可以实现一个或多个位于一组柱的外部的永磁体以便对整个结构产生磁场。

图2a和图2b示出在MRAM可写存储器单元中可用的层叠体的示例。

附图标记53表示夹在两个不同的非磁性材料52、54之间的磁性中间层，以在电绝缘基板55上制作如上文所述的层叠体。

附图标记57表示施加磁场的方向。

为了读取之目的，在该层叠体上放置有磁性材料层58和上电极59，该上电极59可包含一个或多个导电层（可以为磁性的或者非磁性的）。

层58的作用是能够使结构53、52和58根据层53的磁化的方向56呈现出不同的电阻值（磁阻信号）。仅在读取时涉及该作用，并且该作用对控制层53的磁化是没有效果的。

换句话说，写入和读取是独立地限定的并且可以分开优化。

电极59可包括一个层或者其可以以常规的方式包括不同功能层的层叠体。例如，其可以包含：

·限定合成的反铁磁性的层叠体，以便限制辐射到待控制的层53上的场，例如，包括铁磁层的层叠体，该铁磁层通过非常薄的非磁性金属材料层（通常是0.3nm的钌（Ru））与铁磁层58隔开，使这两个铁磁层的磁化的值尽可能地彼此接近使得由于钌层的存在引起的它们之间的反铁磁耦合导致由这三个层辐射在层53上的总场为零或者几乎为零；

·或者通过交换而与层58连接的反铁磁性磁材料，以便稳定该所谓的“基准”层58；

·或者用于制作电触点的非磁性导电材料；

·或者甚至具有各种可能性的组合，例如，反铁磁性材料与铁磁材料相邻以便通过这两种材料之间的耦合而稳定其磁化，通过薄的金属层（通常是0.3nm的钌）使所述铁磁材料与层58分开，使得在这两个铁磁层之间的磁性耦合为反铁磁的。最后，第一磁性材料被一个或多个非磁性导电层覆盖，例如，5nm的Ta被7nm的Ru覆盖。例如，这样的组合的示例可以参见B.Dieny等在Int.J.Nanotechnology第7卷，第591页（2010年）中的“the magnetic stacks used forSTT reversal”。

两个主要构型可以根据层52的性质来区分：如果其为非磁性金属，则结构53、52和58为自旋阀类型，然而，如果层52为电介质，则结构53、52和58为磁性隧道结类型。由于对于这些结构而言，磁阻信号强得多，因此这些结构为优选的结构。类似地，为了进一步优化磁阻信号，在两个构型中，使层58的磁化与层53的磁化共线即平行或者反向平行是优选的。

在图2a和图2b中，A、B和C表示三个电连接端子。在写入阶段期间，电流被注入在端子A和端子B之间（或者以等同的方式，电压被施加在这些端子之间以便使电流流动）。电流通过磁层53，并且在所述层中，由于Rashba场和对局部磁化进行作用的s-d交换相互作用，其产生有效磁场（参见Miron等的上述文章）。该有效场H_eff以等同的方式在下文被称为自旋轨道场或者被称为有效场H_eff。根据本发明，该自旋轨道场结合所述施加场可以控制磁化。当层52由电介质材料构成时，侧向注入的电流不通过所述层并且对其没有损害。对于隧道结类型的结构和自旋阀类型的结构这两者而言，通过在端子C和端子B之间（或者以等同的方式，在端子C和端子A之间）注入低值的电流（例如，对于隧道结而言，大约几微安（μA）到几十μA）并测量在这些端子之间的电压，或者通过在端子B和端子C之间（或者以等同的方式，在端子C和端子A之间）施加恒定的电压并且测量在这些端子之间流动的电流，以便测量这两种情况下的所讨论的端子之间的电阻，来读取层53中所存储的信息，通常为磁化的取向。根据磁化的方向56是平行于还是反向平行于基准层58的方向，电阻具有两个不同的值。读取电流具有低值使得隧道势垒（当层52为电介质时）不被损坏。

如上文所述，所施加的磁场可以保持恒定的方向，通过流经层54和层53的电流的方向获得磁化的反转。该解决方案是优选的，因为其容易集成并且不意味着另外的电消耗（当使用永磁体时）。

另外，当然，可以通过仅使所施加的磁场的方向反转，同时保持注入电流的方向，来使磁化反转。

下文结合图3a到图3d描述存储架构的示例，其中，图3b和图3d实现了集成的永磁体。

图3a到3d示出在第一构型中的实现图2a和图2b中的结构的存储架构的四个实施方式。

磁性材料层70夹在导电层72和包括图2a和图2b的层52、层58和层59的层叠体71之间，以便通过隧道结（或者自旋阀）读取层70的磁化。

读取线74用来对给定线上的存储点中的点C供电。还存在与区域54'等同的额外厚度72'的区域。

平行于流经导电层72的电流的方向施加方向76的静磁场。

可通过一个或多个永磁体将静磁场施加到整个存储器，或者，例如，通过与每个柱对准放置的永磁体75a和永磁体75b，施加到各个层叠体所形成的每个柱（示出其中的三个）。

可以采用两个晶体管即晶体管73a和晶体管73b（例如，金属-氧化物-半导体（MOS）类型的）来施加朝着一个方向和朝着相反的方向通过导电层72的电流（图3a和图3b），或者使用单独的晶体管73a，另一端78采用恒定的电位（图3c和图3d）。

层72被结构化成电流传输轨道的形式。其可以包括位于层72上的某种其他导电材料的层。

对于给定的存储点，可以以两种不同的方式注入写电流。

在第一方式中，使用作为开关运作的两个晶体管73a、73b，对于其中一个晶体管而言，其自由端子接地，对于另一个晶体管而言，其自由端子连接至电压V_dd，根据晶体管73a、73b中的哪一个连接到电压V_dd，所选择的电压V_dd使得所选择的值的电流朝一方向或者另一方向流动。

在第二方式中，仅使用了一个晶体管73a，层叠体72的另一端78连接到恒定的电压。

对称操作：

连接到晶体管的轨道连接到电位V_dd（或者接地），同时连接到轨道72的端部78的另一轨道接地（或者连接到V_dd）。该构型能够使产生的电流大于以下构型的电流。

不对称操作：

连接到轨道72的端部78的轨道连接到中间电位，例如V_dd/2，同时连接到晶体管73a的轨道根据所需的电流方向分别采用电位V_dd或者接地。该构型能够使产生的电流较小。在本发明的构型中，电流可以被输送到比传统技术中使用的区域小的区域，并且所述电流足以使该装置运行。在该实施方式中，运行消耗较少的电能。

在第二构型中（图4a到图4f），磁层的磁化方向26位于其平面中并且平行于注入的电流的方向，以及，例如，所施加的恒定磁场垂直于磁化方向26，并且也垂直于自旋-轨道磁场（有效磁场）的方向。

所施加的磁场不需要恰好垂直于磁场H_eff的方向，但必须具有在垂直于H_eff（或者自旋-轨道场）且垂直于磁场方向26的方向上延伸的非零分量（下文称为所施加的磁场的“有用”分量）。所施加的磁场和所述场的有用分量之间的角度可以高达到60°。

关于图1a到图1f，示出三种形状，即，以轨道的形式（图4a和图4b），和以柱的形式，导电轨道24沿着柱延伸（图4c和图4d），或者呈现出凸起区域24'（图4e到图4f），该凸起区域24'是导电的（通常由金属制成）并且不必需由与轨道24相同的材料制成，在该情况中，额外厚度24'充当非磁性外层并且其材料在该层叠体中起到获得反演不对称的作用。层24的金属材料从而可以为任何材料。

对于各种形状，21表示注入的电流的方向，并且27表示施加磁场的有用分量的方向（遵守上文关于方向的标志）。该方向垂直于层23和层24的平面并且因此垂直于层23的磁化方向26并且垂直于注入的电流的方向21。

磁性材料的薄层23夹在不同非磁性材料的两层（即，位于上面的层22和位于下面的层24）之间，并且电流被注入该薄层中。

典型的层叠体包括电绝缘基板25，例如，介电氧化物（例如，SiO_x、AlO_x、MgO_x）或者氮化硅，例如，SiN_x，在该基板上放置形成层叠体的结构。磁性材料的薄层（或者磁性材料的组合或者磁层23的组合），例如，3nm厚的钴层，夹在不同的非磁性材料的两层22、24（例如，介电层22和导电材料（通常为金属，例如，铂）的层24）之间。层22和层24也可以为两种不同的金属。磁层23的磁化包含在沿着轨道26的轴线定向的平面中。以平行于磁化方向的方向21注入电流，并且在垂直于磁化的平面中施加外磁场，该外磁场具有在垂直于界面的平面（或者自旋-轨道场）的方向27上的有用的分量。

包含非磁性材料22和磁性材料23的柱28a或者柱28b（图4c到图4f）可以形成在导电轨道24上以便仅翻转柱中包含的磁化。柱28b（图4e和图4f）可包含非磁性材料24的厚度的部分24'。柱28a或者柱28b可具有任何形状：正方形、长方形、圆盘形、椭圆形或者甚至这些形状所变形的任一形状，原则是磁化沿着轨道的方向定向。为了该目的，其主轴平行于轨道的轴线的椭圆形状是优选的。

如上文所述，凸起部分24'也可以由与层22和导电轨道24的材料不同的导电材料制成。

基板25的材料可以选自如在第一构型中所使用的相同的材料。

与层13不同，磁层23需要呈现出平面磁化，其厚度足够小以确保因注入的电流和对局部磁化的作用产生的有效磁场H_eff是不可忽略的。

当层22和层24为非磁性的并且导电时，希望层23的厚度使得其磁各向异性位于该平面上。该厚度通常大于与层22和层24相同的两层12和14（图1a到图1f）所围绕的层13的厚度。当两层之一（通常是层22）由电绝缘材料（通常为氧化物，诸如AlO_x、MgO_x、TiO_x、TaO_x、…）制成时，可以同时增大磁层的厚度或者改变氧化物层的氧化状态，例如，在沉积所述层期间或者甚至在通过真空退火而沉积所述层之后。这样的处理的示例可以参见上文提到的B.Rodmacq等和A.Manchon等的发表物。

因此，在一些情况下并且根据氧化作用和/或退火参数，该磁层的厚度可以与上述第一构型中所用的厚度相同，然而，在该第一构型中的磁化为垂直的，而在当前描述的构型中的磁化为平面的。用于第二构型的该厚度通常不超过5nm，并且优选地小于或等于3nm。可以使用呈现出平面磁化的所有磁性材料（Co、Fe、CoFe、NiFe、CoNi、…）。根据制造条件，还可以使用非金属磁性材料，例如，磁性半导体，诸如（Ga，Mn）As。

作为例如通过在GaAs（100）上生长而获得的（Ga，Mn）As的示例性示例，在GaAs中掺杂Mn之后，存在压缩应力，由此产生平面各向异性，然而，当其产生于在GaInAs上成长时，应力是不同的并且磁各向异性将由此垂直于平面。这种情况的示例参见：Kh.Khazen、H.J.Von Bardeleben、M.Cubukcu、J.L.Cantin、V.Novak、K.Olejnik、M.Cukr、L.Thevenard和A.

等的“Anisotropic magnetization relaxation in ferromagnetic Ga_1-xMn_xAs thin films”，Phys.Rev.B78195210（2008）；或者甚至A.H.MacDonald、P.Schiffer和N.Samarth的“Ferromagnetic semiconductors：moving beyond（Ga，Mn）As”，NatureMaterials4，195-202（2005），doi/10.1038/nmat1325。

除了对整个层叠体（层12、层13和层14）具有垂直磁化这一强加约束现替换为层叠体具有平面磁化这一约束之外，关于第一构型的层12和层14的所有描述对于非磁层22和非磁层24保持有效。

层24的省略

针对层14的所有说明可适用于此处。

层的反转

同样，考虑到上述磁化方向和所施加的外场方向，关于第一构型中的磁化的反转的所有说明可以在此处重现。同样适用于磁场值、电流密度和如何施加磁场。

在平面磁化的情况下，各向异性场大约为4πMs，其中Ms为饱和磁化强度，即，对于Co为约1.5T。实际上，所施加的磁场的值可以在有效各向异性场的值的三分之一到十分之一的范围中，优选地在所述值的四分之一到十分之一的范围中。因此，由于各向异性场通常较大，所施加的磁场的值可以大于第一构型中的磁场的值。

图5a和图5b示出适于在既适于写入又适于读取的MRAM磁性存储单元或者逻辑部件中使用的层叠体的示例。

呈现出沿着平行于其平面的方向66的磁化的薄磁性材料63夹在不同的非磁性材料的两层—层62和层64之间，材料64形成在绝缘基板上的导体轨道并且可以具有额外厚度的区域64'。沿着与层叠的层之间的界面的平面垂直的方向67施加外磁场。在该层叠体上，相继叠置有磁性材料的层68和具有导电材料（可选地，可以为磁性的）的一层或多层的顶部电极69，以便如第一构型中一样，形成参考图4c到图4f描述的层叠体。A、B和C表示分别与轨道64的端部（触点A和触点B）和上电极69（触点C）电接触的点。

图5b还示出集成在柱中的永久磁化磁体60a和永久磁化磁体60b的示例，以产生方向67上的磁场。为了能够在C处制作触点，永磁体60b由导电材料制成。

图6a到图6d以四个不同的实施方式示出实现结合图5a和图5b描述的结构的存储架构。

在各个实施方式中，磁层80夹在电流馈电层82、82'和层叠体81之间，如第一构型中的，该层叠体具有图5a和图5b的层62、层68和层69以使得，如果层62为电介质，则限定隧道存储层叠体（或者，如果层62为非磁性金属，则限定自旋阀类型的层叠体），以读取层80的磁化状态。

在图6a中，在两个晶体管83a、83b的控制下，将电流注入轨道82。

对于隧道结类型的结构和自旋阀类型的结构这两者而言，通过在端子C（线84）和端子B之间（或者以等同的方式，在端子C和端子A之间）注入低值的读电流（例如，对于隧道结而言，大约几微安到几十微安）并测量在这些端子之间的电压，或者通过在端子C和端子B之间（或者以等同的方式，在端子C和端子A之间）施加恒定的电压并且测量在这些端子之间流动的电流，以便测量所讨论的端子之间的电阻，来读取层80中所存储的信息，通常为磁化的取向。根据层80的磁化方向66是平行于还是反向平行于基准层68的磁化方向，电阻具有两个不同的值。读取电流具有低值使得隧道势垒（当层62为电介质时）不被损坏。

永磁体85a和永磁体85b可以集成在该结构中，例如，分别在轨道82的下面和层叠体81的上面，以便在与层80的平面垂直的方向86上施加静场。构成永磁体85a的材料必须为导电的以便避免妨碍读取。

图6c和图6d与图6a和图6b的不同之处分别为：仅使用一个读取晶体管，电流馈电线82的另一端88（点B）连接到恒定的电位。

在所有情况下，可以使用驱动电路来管理写操作和/或读操作。

此处，在沿着方向86的静磁场的存在下，通过使电流沿着底部电极82朝着一个方向或者另一方向流动来使层80的磁化反转，层叠体82、80、81的外层可以与额外厚度82'的导电区域一起结构化成电流输送轨道82的形式。如上文所述的示例中，额外厚度的部分82'可以由与轨道82相同的导电材料或者不同的材料制成。

对于给定的存储点，可以以两种方式注入电流以写入。

在第一方式中，使用作为开关运作的两个晶体管83a、83b，对于其中一个晶体管而言，其自由端子接地，对于另一个而言，其自由端子连接至电压V_dd，根据晶体管83a或晶体管83b中的哪一个连接到电压V_dd，选择电压V_dd使得具有所选定值的电流沿着一个方向或者另一方向流动。

对于第二方式，仅使用了一个晶体管83a，以及轨道82的另一端88连接到恒定的电压。

对称操作

连接到晶体管的轨道上升到电位V_dd（或者接地电位），同时连接到轨道82的端部88的另一轨道接地（或者连接到V_dd）。该构型能够使产生的电流大于以下构型中产生的电流。

不对称操作

连接到轨道82的端部88的轨道被连接到中间电位，例如V_dd/2，同时连接到晶体管83a的轨道根据所需的电流方向而相应地连接到电位V_dd或者接地。该构型能够使得产生较小的电流。在本发明的构型中，电流可以被输送到比在传统技术中使用的区域小得多的区域，所述电流足以能够使该装置运行。在该实施方式中，节约了在操作中消耗的能量。

图7为用以形成二维的存储单元阵列（例如具有隧道结的二维的存储单元阵列）的存储元件的示例性集成电路图。为了简化，未示出用于施加磁场的装置。

在一个方向上，示出连接至晶体管113₁、晶体管113₂、晶体管113₃、晶体管113’₁、晶体管113’₂、晶体管113’₃、晶体管113’’₁,、晶体管113’’₂等的漏极的位线111₁、位线111₂、位线111₃等以及共轭位线112₁、共轭位线112₂、共轭位线112₃等，形成二维阵列。

在垂直方向上，存在晶体管113₁、晶体管113₂、晶体管113₃、晶体管113’₁、晶体管113’₂、晶体管113’₃、晶体管113’’₁、晶体管113’’₂等的栅极的控制轨道110、控制轨道110’、控制轨道110’’等，其形成字线。

基准点114₁、基准点114₂、基准点114₃、基准点114’₁、基准点114’₂、基准点114’₃等示意地表示根据本发明的层叠体，该层叠体包括隧道结（或自旋阀）。在写入阶段期间，没有垂直于该层叠体的层的平面的电流穿过隧道结或自旋阀，并且仅在读取阶段期间，才有垂直于该层叠体的层的平面的电流穿过该隧道结或自旋阀。

已经报告特征点A、B和C。所述特征点对应于在图2a、图2b、图3c、图3d、图5a、图5b、图6c和图6d（安装有单个晶体管）中示出的特征点。

点A连接到晶体管113₁、晶体管113₂、晶体管113₃、晶体管113’₁、晶体管113’₂等的源极。

点B连接到共轭位线112₁、共轭位线112₂、共轭位线112₃等，且点C连接到偏置线115、偏置线115’等。晶体管113₁、晶体管113₂、晶体管113₃、晶体管113’₁、晶体管113’₂等的漏极D连接到位线111₁、位线111₂、位线111₃等。

则层叠体114₁、层叠体114₂等的底部为其磁化通过写入电流而改变的层。

在所有情况下，晶体管的源极和漏极可交换。因此，晶体管的源极可连接到位线111₁、位线111₂等，且漏极连接到点A。

在存储点例如存储点114₁的写入阶段，在上文所描述的平衡操作的情况下，与该存储点相关联的位线111₁和共轭位线112₁根据所期望的磁化方向连接至电压Vdd（或者接地端）和接地端（或者连接至电位Vdd）。与其他存储点相关联的其他位线111₂等和共轭位线112₂等为无效的。相关联的字线110连接至控制晶体管113₁（相当于上文提到的图中的晶体管73a或晶体管83a）的闭合所需的电位，以允许写入电流流过晶体管113₁。

因此，写入电流根据所期望的磁化方向而沿着一个方向或另一方向经过点A和点B。为了仅写入该单元，其他字线110’、110’’等连接至使晶体管断开所需的电位。没有电流垂直于层的平面穿过隧道结类型的或自旋阀类型的层叠体，这会有损害该层叠体的风险。为此，在该写入阶段，连接至层叠体的点C的偏置线115、偏置线115’等是无效的（或断开的）。

在读取阶段中，例如在存储位置114₁的读取阶段中，与该存储器相关联的“共轭位线”112₁是断开的，并且所有的其他共轭位线112₂等也是断开的，以防止任何电流流过它们。与该存储单元相关联的偏置线115连接至允许（弱）读取电流在隧道结或自旋阀中通过的电位，而所有其他的极化线115’等未连接。相关联的“字线”110连接至用于使晶体管113₁闭合的电位，然后电流可通过点C和点A之间的隧道结或自旋阀。为了仅读取该隧道结或该自旋阀，其他的字线110’等连接至使晶体管断开的电位。在隧道结的情况下，则可例如根据现有技术通过利用放大器比较流过隧道结的电流和基准电流来进行读取。在该读取阶段期间，垂直于层叠体的平面流动的该低电流密度的读取电流不允许写入隧道结。在自旋阀的情况下，过程是相同的。

Claims

1.一种可写入的磁性元件，所述磁性元件包括层叠体，所述层叠体具有磁性写入层，所述磁性元件的特征在于，所述层叠体具有所述磁性写入层，所述磁性写入层即至少一种磁性材料的中间层（13、53、70、23、63、80），所述磁性材料呈现出平行于或垂直于所述中间层的平面的磁化方向，所述中间层夹在非磁性材料的第一外层（12、52、71、22、62）和非磁性材料的第二外层（14、54、72、24、64、82）之间，所述第一外层（12、52、71、22、62）包括第一非磁性材料，并且所述第二外层（14、54、72、24、64、82）包括与所述第一非磁性材料不同的第二非磁性材料，至少所述第二非磁性材料为导电的，以及，一方面，所述磁性元件包括用于使写入电流仅流经所述第二外层和所述中间层以及只有当所述第一外层导电时才能够流经所述第一外层的装置，所述写入电流沿着平行于所述中间层的平面的电流流动方向流动，以及另一方面，所述磁性元件包括用于施加具有沿着平行于或者垂直于所述中间层（13、53、70、23、63、80）的平面和电流流动方向的磁场方向的分量的磁场的装置，并且所述磁化方向与所述磁场方向相互垂直。

2.根据权利要求1所述的磁性元件，其特征在于，所述磁场平行于或者垂直于所述中间层的所述平面和所述电流流动方向。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，所述磁场方向平行于所述电流流动方向，以及所述磁化方向垂直于所述磁性中间层（13、53、70）的平面。

4.根据权利要求3所述的磁性元件，其特征在于，所述中间层（13、53、70）的厚度在0.1nm到5nm的范围中，优选地小于或等于2nm。

5.根据权利要求1或者权利要求2所述的磁性元件，其特征在于，所述磁化方向平行于所述电流流动方向，并且所述磁场方向垂直于所述磁性中间层（23、63、80）的平面。

6.根据权利要求5所述的磁性元件，其特征在于，所述中间层（23、63、80）的厚度在0.1nm到5nm的范围中，优选地小于或等于3nm。

7.根据权利要求3或者权利要求4所述的磁性元件，其特征在于，所述中间层（13、53、70、23、63、80）包括呈现出固有的垂直磁各向异性的合金，即，尤其是FePt、FePd、CoPt，或者甚至是稀土金属和过渡金属的合金，尤其是GdCo、TdFeCo。

8.根据权利要求3或者权利要求4所述的磁性元件，其特征在于，所述中间层包括在所述层叠体中呈现出通过界面引起的垂直磁各向异性的金属或合金，尤其是Co、Fe、CoFe、Ni、CoNi。

9.根据权利要求5或者权利要求6所述的磁性元件，其特征在于，所述中间层包括在所述层叠体中呈现出平面磁各向异性的金属或合金，尤其是Co、Fe、CoFe、Ni、NiFe、CoNi。

10.根据前述权利要求中任一项所述的磁性元件，其特征在于，至少一个外层是导电的并且由诸如Pt、W、Ir、Ru、Pd、Cu、Au、Bi的非磁性金属或者这些金属的任一种合金制成。

11.根据权利要求10所述的磁性元件，其特征在于，所述导电外层的厚度小于10nm并且优选地小于或等于5nm。

12.根据前述权利要求中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述第一外层由介电氧化物或介电氮化物制成，所述介电氧化物诸如为SiO_x、AlO_x、MgO_x、TiO_x、TaO_x、HfO_x，所述介电氮化物诸如为SiN_x、BN_x。

13.根据权利要求12所述的磁性元件，其特征在于，所述外层的厚度在0.5nm到200nm的范围中，尤其在0.5nm到100nm的范围中，并且优选地小于3nm。

14.根据权利要求1到11中任一项所述的磁性元件，其特征在于，两个外层是导电的并且选自所述非磁性材料或者合金中的两种不同的材料。

15.根据前述权利要求中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述电流具有的电流密度在10⁴A/cm²到10⁹A/cm²的范围内，并且地优选在10⁵A/cm²到10⁸A/cm²的范围内。

16.根据前述权利要求中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述施加的磁场具有的值在0.002T到1T的范围内，并且有利地在0.005T到0.8T的范围内。

17.根据前述权利要求中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述第一外层（52）被磁性材料的读取层（58）和读取电极（59）覆盖。

18.根据权利要求17所述的磁性元件，其特征在于，所述第一外层（52）由非磁性金属制成，并且，所述第一外层与所述读取层（58）、读取电极（59）和所述中间层共同操作以形成自旋阀。

19.根据权利要求17所述的磁性元件，其特征在于，所述第一外层（52）为介电性的，并且所述第一外层与所述读取层（58）、读取电极（59）和所述中间层共同操作以形成磁性隧道结。

20.根据权利要求17到19中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述第一外层的厚度小于3nm。

21.根据前述权利要求中任一项所述的磁性元件，其特征在于，所述第一外层和所述中间层形成柱，同时所述第二外层形成轨道。

22.根据权利要求21所述的磁性元件，其特征在于，所述第二外层包括形成所述柱的一部分的具有额外厚度的区域。

23.一种可写入的磁性装置，其特征在于，所述磁性装置包括多个根据权利要求21或者权利要求22所述的柱，其中，所述第二外层包括为所述柱所共用的轨道。

24.一种可写入的磁性装置，其特征在于，所述第一外层、所述中间层和所述第二外层的具有额外厚度的所述区域形成根据权利要求22所述的柱，并且，所述装置包括多个所述柱和在所述柱的所述第二外层近旁的导电轨道，以将所述电流注入所述第二外层和所述柱中的每个柱的所述中间层，所述第二外层由与所述导电轨道的材料不同的导电材料制成。