CN1310212C - 磁性器件和磁性存储器 - Google Patents

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CN1310212C CNB2004100832288A CN200410083228A CN1310212C CN 1310212 C CN1310212 C CN 1310212C CN B2004100832288 A CNB2004100832288 A CN B2004100832288A CN 200410083228 A CN200410083228 A CN 200410083228A CN 1310212 C CN1310212 C CN 1310212C
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    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/1274—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive with "composite" cores, i.e. cores composed in some parts of magnetic particles and in some other parts of magnetic metal layers
    • G11B5/1276—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive with "composite" cores, i.e. cores composed in some parts of magnetic particles and in some other parts of magnetic metal layers including at least one magnetic thin film

Abstract

本发明涉及提供一种能够减小在电流驱动的磁性反向中的反向电流的磁性器件和使用它的磁性存储器。该磁性器件包括第一铁磁层、第二铁磁层、第三铁磁层、第一中间层、第二中间层和一对电极。第一铁磁层包括交替地层叠的磁性层和一个或多个非磁性层，磁性层中的至少一个层具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性层中的两个或更多个层通过非磁性层铁磁地耦合同时具有与膜平面平行的易磁化轴。第二铁磁层具有基本固定到第二方向的磁化。第三铁磁层提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间。该第三铁磁层具有可变化的磁化方向。第一中间层提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间。第二中间层提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间。该电极被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层，从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向。在写电流通过时该铁磁耦合具有能够维持磁性层的平行磁性对准的强度。

Description

磁性器件和磁性存储器
相关申请的交叉引用
本申请基于2003年9月30日申请的在先日本专利申请No.2003-342576并要求其利益；在此以引用参考的方式将其全部内容并入在本申请中。
技术领域
本发明涉及一种磁性器件和磁性存储器，具体地说，涉及一种具有记录和再现能力的磁性器件和使用它的磁性存储器。
背景技术
控制磁性材料的磁化方向的常规方法是施加外部磁场。例如，在硬盘驱动器中，从记录头中产生的磁场使磁性记录媒体的磁化方向反向以执行写操作。在固态磁性存储器中，在置于磁致电阻效应器件附近的导线中产生的电流形成了电流感应磁场，这种磁场施加到单元以控制该单元的磁化方向。这种以外部磁场控制磁化方向的方法具有较长的历史并作为既定的技术看待。
在另一方面，近来的nm技术的发展迅速导致了更加细微的磁性材料。这产生了纳米级的局部磁化控制的需要。然而，磁场难以局部化，因为它一般具有扩散到空间的特性。试图选择控制其磁化方向的微观尺寸的单元或位遇到了错误地选择附近的单元或位的“串绕”问题，或者否则产生的更大的问题是用于产生更小的磁场源不能产生足够的磁场。
最近，发现了一种称为“电流驱动的磁化反向”的现象，其中直接通过磁性材料的电流使磁化反向(参见F.J.Albert等人，Apply.Phy.Lett.77，p3809(2000))。在这种现象中，电流通过磁性层而使其自旋极化。这种电流将极化自旋的电子的角动量传递给磁化反向的磁性材料的角动量。这种现象用于直接作用于纳米级磁性材料。因此期望使用更加细微的磁性材料来记录而没有串绕。
然而，“电流驱动的磁化反向”存在的问题是，使磁化反向的反向电流非常高，多达10mA到几mA。希望以最小的电流进行磁化反向的器件结构以防止由于电流引起器件击穿、防止产生热量、减小功率消耗以及与用于检测磁隧道的再现信号的磁致电阻效应或其它效应的高电阻层合理地组合。
考虑到这些问题做出了本发明。本发明的一个目的是提供一种减小在电流驱动的磁性反向中的反向电流的磁性器件和使用它的磁性存储器。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种磁性器件，包括：
第一铁磁层，其中磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠，磁性层中的至少一个层具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性层中的两个或更多个层通过非磁性层铁磁地耦合同时具有与平行于第一铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴；
具有基本固定到第二方向的磁化的第二铁磁层；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时能够维持磁性层的平行磁性对准的强度。
根据本发明的另一方面，提供一种磁性器件，包括：
具有基本固定到第一方向的磁化的第一铁磁层；
具有基本固定到第二方向的磁化的第二铁磁层；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，在该第三铁磁层中，磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠并且磁性层通过非磁性层铁磁地耦合，同时具有与平行于第三铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴，并且该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时使所有的磁性层的磁化反向并保持其间的平行磁性方向的强度。
根据本发明的另一方面，提供一种磁性器件，包括：
第一铁磁层，其中磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠，磁性层中的至少一个层具有基本固定到第一方向的磁化，磁性层中的两个或更多个层通过非磁性层铁磁地耦合，同时具有与平行于第一铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴；
第二铁磁层，其中磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠，磁性层中的至少一个层具有基本固定到第二方向的磁化，磁性层中的两个或更多个层通过非磁性层铁磁地耦合，同时具有与平行于第二铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时使至少一个磁性层的磁化不反向的强度。
根据本发明的另一方面，提供一种磁性存储器，包括其中以矩阵结构提供多个磁性器件并且在磁性器件之间插入有绝缘体的存储器单元，
每个磁性器件具有：
第一铁磁层，其中磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠，磁性层中的至少一个层具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性层中的两个或更多个层通过非磁性层铁磁地耦合同时具有与平行于第一铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴；
具有基本固定到第二方向的磁化的第二铁磁层；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时能够维持磁性层的平行磁性对准的强度。
根据本发明的另一方面，提供一种磁性存储器，包括其中以矩阵结构提供多个磁性器件并且在磁性器件之间插入有绝缘体的存储器单元，
每个磁性器件具有：
具有基本固定到第一方向的磁化的第一铁磁层；
具有基本固定到第二方向的磁化的第二铁磁层；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，在该第三铁磁层中，磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠并且磁性层通过非磁性层铁磁地耦合，同时具有与平行于第三铁磁层的平面的膜平面平的易磁化轴，并且该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时使所有的磁性层的磁化反向并保持其间的平行磁性方向的强度。
附图说明
通过下文对本发明的详细描述和实施例的附图将会更加全面地理解本发明。然而，附图并不用于限制本发明到特定的实施例，而是仅用于解释的目的。
在附图中：
附图1所示为根据本发明第一实施例的磁性器件的基本横截面结构的示意图；
附图2A和2B所示为描述在附图1中所示的磁性器件中的记录媒体的示意性截面图；
附图3A和3B所示为描述在第二钉扎层600中的磁化作用的示意性视图；
附图4是描述本发明实施例中“写机构”的示意性截面视图；
附图5所示为描述本发明的该实施例的磁性器件的读方法的原理图；
附图6A和6B所示为描述由相对磁化方向变化引起的磁致电阻的变化的原理图；
附图7所示为其中第一和第二钉扎层在结构上不同的具体实例的示意性横截面图；
附图8所示为具有非对称结构的第二具体实例的示意性横截面视图；
附图9所示为具有非对称结构的第三具体实例的示意性横截面视图；
附图10所示为具有非对称结构的第四具体实例的示意性横截面视图；
附图11A和11B所示为其中第一钉扎层200具有三个磁性层210的具体实例的示意性视图；
附图12所示为在磁性层210相对于非磁性层220的膜厚度之间的交互作用关系的曲线图；
附图13所示为通过反铁磁耦合固定磁化的具体实例的示意性视图；
附图14所示为其中也给第二钉扎层600提供反铁磁地耦合的结构的具体实例的示意性视图；
附图15所示为根据本发明的第二实施例磁性器件的基本横截面结构的示意性图；
附图16A和16B所示为通过电流I已经实施了自由层400的磁化反向之后的磁化方向；
附图17所示为根据本发明的第三实施例磁性器件的基本横截面结构的示意性视图；
附图18所示为根据本发明的第四实施例磁性器件的基本横截面结构的示意性视图；
附图19所示为根据本发明的第四实施例磁性器件的基本横截面结构的示意性视图；
附图20至23所示为其中通过反铁磁耦合固定磁化的实例的示意性附图；
附图24所示为CoFe层相对Cu层的厚度之间的交互作用的关系的曲线图；
附图25所示为试样1的横截面结构的示意性附图；
附图26A和26B所示分别为试样1的磁致电阻效应的测量和电阻的电流相关性的曲线图；
附图27所示为CoFe层相对Cu层的厚度之间的交互作用的关系的曲线图；
附图28所示为作为本发明的第四实例的试样A的示意图；
附图29A、29B、30A和30B所示为使用本发明的磁性器件的磁性存储器的示意性附图；
附图31所示为本发明的实例的磁性存储器的等效电路图；
附图32所示为本发明的实例的磁性器件的结构的示意性透视图；
附图33所示为使用本发明的磁性器件的磁性存储器的示意性附图；
附图34所示为本发明的实例的磁性存储器的结构的示意性附图；
附图35所示分别为试样A1和试样C1的电阻的电流相关性测量。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例。
(第一实施例)
附图1所示为根据本发明的第一实施例的磁性器件的基本横截面结构的示意性附图。磁性器件10被构造成第一钉扎(pinned)层200、第一中间层300、自由层400、第二中间层500和第二钉扎层600层叠在一对电极100和900之间，该对电极100和900被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层，从而使第三铁磁层的磁化方向根据电流的方向确定。
第一钉扎层200包括多层膜，其中至少两个磁性层彼此铁磁地耦合。每个这些磁性层具有基本平行于膜平面的易磁化轴。多层膜由(磁性层210/非磁性层220)×N/磁性层210(N＝1或更大)构成。即，第一钉扎层200被构造成使磁性层210和非磁性层220彼此交替地层叠，并且至少两个磁性层210通过具有在写电流通过时使至少一个磁性层的磁化不反向的铁磁耦合强度的非磁性层220彼此铁磁地耦合。此外，至少两个磁性层210的磁化M1固定在预定的方向上。
首先，描述本实施例的磁性器件10的记录原理。
在本实施例中，电流I1或I2通过电极100和900之间使第一钉扎层200的磁化M1作用于自由层400的磁化M2，由此控制自由层400的磁化M2的方向。更具体地说，比使自由层400的磁化M2反向所要求的反向电流Ic更高的写电流Iw通过并且它的流动方向(极化)变化以改变自由层400的磁化M2的方向。在记录中，根据自由层400的磁化M2的方向可以指定例如“0”和“1”。
附图2A和2B所示为描述在附图1中所示的磁性器件中的记录原理的示意性横截面附图。
如附图2A所示，在电流从第一钉扎层200朝自由层400流动时，自由层400的磁化M2平行于在与第一中间层300相邻的第一钉扎层的表面上的磁化方向被导向。即通过具有磁化M1的磁性层210的电子获取在磁化M1的方向上的自旋。在这些电子流进自由层400中时，通过它们的自旋传递的角动量传递给自由层400并作用于它的磁化M2。结果，自由层400的磁化M2平行于第一钉扎层200的磁化M1导向。
在另一方面，如附图2B所示，在电流从自由层400朝第一钉扎层200导向时，自由层的磁化M2与第一中间层300相邻的第一钉扎层200的磁化M1反向平行地导向。这是因为，在通过自由层400的自旋电子中，那些具有平行于第一钉扎层的磁化M1的自旋的电子通过第一钉扎层200，而那些具有与磁化M1反向平行的自旋的电子在第一钉扎层200和第一中间层300之间的界面上反射并再次作用在自由层400的磁化M2上。
根据本发明，通过构造作为铁磁地耦合的多层膜的第一钉扎层200以减小的电流可以使自由层400的磁化M2反向。
更具体地说，如附图2A所示，在电流从第一钉扎层200朝自由层400传输时，在它每次通过形成第一钉扎层200的多个磁性层210中的一个层时，电子电流的自旋极化增加。这增加了在自由层400上的自旋极化的电子的作用。结果，与作为单个磁性层形成的钉扎层的情况相比可以减小反向电流。在电流从自由层400朝第一钉扎层200传输时，通过第一钉扎层200反射的电子电流的自旋极化的程度增加，这是因为在多层结构中的多次反射的缘故。这也增加了在自由层400上的自旋极化的电子的作用。
在本实施例的磁性器件的情况下，优选在钉扎层的磁性层之间铁磁耦合的强度被设定为即使在写电流通过时仍然保持该铁磁耦合。即，如果铁磁耦合的强度较弱，则在构成钉扎层中的至少一个层中实施磁性反向。因此，需要保持铁磁耦合的强度足够强以防止这种磁性反向。
此外，本发明通过导向与第一钉扎层的磁化M1相反的第二钉扎层600的磁化M3可以更加有效地写。
附图3A和3B所示为描述在第二钉扎层600中的磁化作用的示意性附图。在这些附图中，与先前参考附图1、2A和2B所描述的相同的元件以相同的参考标号表示并且不详细描述。
如附图3A所示，假设第二钉扎层的磁化M3固定在与第一钉扎层的磁化M1相反的方向上。在电子电流从第一钉扎层200朝自由层400传输时，在磁化M1的方向上自旋极化的电子在第二中间层500和第二钉扎层600之间的界面上反射并再此作用在自由层400上。结果，在自由层400上的自旋极化的电子的作用加倍，这进一步提高了写效率。
在另一方面，如附图3B所示，在电子电流从第二钉扎层600朝自由层400传输时，第二钉扎层的磁化M3促进作用于自由层400的电子的极化。结果，写效率可以被提高。
附图4所示为本发明的本实施例的另一实例的磁性器件的示意性横截面图。在本实例中，自由层400包括磁性层410、410和非磁性层420。磁性层410、410通过非磁性层420反铁磁地耦合。第二钉扎层600的磁化M3的方向与第一钉扎层200的磁化M1的方向相同。
根据本实例，与第一钉扎层由单个磁性层组成的情况相比可以通过更小的电流实施磁化反向。
接着，描述在本实施例中的磁性器件10中的再现机构。在本实施例的磁性器件中，自由层400的磁化M2的方向可以通过利用其中电阻随着在不同的层中的相对磁化方向改变的“磁致电阻效应”而被检测。
附图5所示为描述本实施例的磁性器件的读方法的原理图。更具体地说，在利用磁致电阻效应中，检测电流I可以在第一钉扎层200或第二钉扎层600和自由层400之间通过以测量磁致电阻。
附图5所示为测量在第二钉扎层600和自由层400之间的磁致电阻。然而，相反，也可以测量在第一钉扎层200和自由层400之间的磁致电阻。
附图6A和6B所示为描述由相对磁化方向引起的磁致电阻的变化的原理图。更具体地说，如附图6A所示，在自由层400的磁化M2平行于第二钉扎层600(或第一钉扎层200)的磁化M3导向时，响应通过它们的检测电流I来检测更小值的磁致电阻。
在另一方面，如附图6B所示，在自由层400的磁化M2与第二钉扎层600的磁化M3反向平行导向时，响应通过它们的检测电流I检测相对更大值的磁致电阻。这些电阻的不同的状态分别与“0”和“1”相关以读出二进制记录的数据。
可替换的是，检测电流可以通过在磁性器件10的两端上的电极100和900传输以检测磁致电阻。更具体地说，检测电流通过在第一钉扎层200和第二钉扎层600之间以检测磁致电阻。然而，在本发明中，如前文参考附图3A和3B所述，这些钉扎层200和600的磁化M1和M3优选是反向平行的。为此，在“对称结构”中，即如果第一钉扎层200具有与第二钉扎层600相同的与自旋相关的散射的幅值，或者如果在第一钉扎层200中的电子如在第二钉扎层600中的电子具有作用于自由层400上的相同的自旋极化，则所检测的磁致电阻具有相同的值，而与自由层400的磁化M2的方向无关。因此，需要采用“非对称结构”。
在这方面，本实施例通过构造作为磁性层210和非磁性层220的层叠结构的第一钉扎层200和作为不同的结构的第二钉扎层能够容易地实现“非对称结构”。例如，第二钉扎层600可以是单个的磁性层，或者在结构上不同于第一钉扎层200的多层膜。
附图7所示为其中第一和第二钉扎层在结构不同的具体实例的示意性横截面图。
第一钉扎层200和第二钉扎层600在厚度或材料上彼此不同以改变磁化M1和M3的幅值。如附图7示意性示出，第二钉扎层600的厚度比第一钉扎层200的有效厚度更大以使在第二钉扎层600中的与自旋相关的体积散射的贡献比在第一钉扎层200中的更大。这样，在通过电极100和900传输检测电流I来实施“读”时，根据自由层400的磁化M2的方向检测不同值的磁致电阻。
相反，不改变如附图7中所示的第一钉扎层200和第二钉扎层600的厚度，而是通过改变这些层的材料也可以改变在这些钉扎层200和600中的与自旋相关的散射的幅值。
附图8所示为具有非对称结构的第二具体实例的示意性横截面图。
更具体地说，在本具体实例中，第一和第二中间层300和500在厚度上不同。例如，中间层500具有磁致电阻效应容易检测的厚度，而其它的中间层300具有磁致电阻难以检测的厚度。在这方面，中间层500优选具有0.2至10nm的范围的厚度，而中间层300具有3至50nm的范围的厚度。
可替换地，中间层500可以形成为比中间层300更厚。
这样，可以主要检测在第二钉扎层600和穿过中间层500的自由层400之间形成的磁致电阻效应，这有利于检测自由层400的磁化M2。
此外，中间层300和500在电阻方面可以不同。为此，有效的是提供具有不同的材料或组份的中间层300和500，或者给一种中间层加入掺杂的元素。在这种情况下，在更大电阻的中间层上更加清楚地观测磁致电阻效应。
特别是，中间层500可以是由绝缘材料构成的隧道势垒层，而中间层300由导体组成。这导致由TMR(隧道磁致电阻效应)引起的更大的磁致电阻效应。在这种情况下，在自由层400和第二钉扎层600之间形成的TMR效应有利于自由层400的磁化M2的检测。
可替换地，中间层300可以由绝缘材料构成的隧道势垒层，而中间层500由导体组成。
附图9所示为具有非对称结构的第三具体实例的示意性横截面图。
更具体地说，这个具体实例中，中间层IE插入到中间层500中。希望中间层IE增加磁致电阻效应。中间层IE例如可以包括不连续的绝缘薄膜。更具体地说，具有针孔等的绝缘薄膜可以插入到中间层中，以增加磁致电阻效应。
这种不连续的绝缘薄膜可以包括例如镍(Ni)和铜(Cu)的合金的氧化物或氮化物、镍(Ni)和金(Au)的合金的氧化物或氮化物、铝(Al)和铜(Cu)的合金的氧化物或氮化物。
在合金的这些氧化物、氮化物和其它的化合物通过加热或其它的处理接近平衡状态时，它们相分离成Au相、Cu相等。这对化合作用(比如氧化作用或氮化作用)不敏感，因此具有较低的电阻，而Ni相、Al相等对氧化作用或其它的反应敏感，因此具有较高的电阻。为此，可以控制分解和温度或所施加的能量以形成包含针孔的不连续的绝缘的薄膜。以非磁性材料填充的象这样形成的针孔可能使电流的通路变窄。这就可以控制与自旋相关的界面散射和体积散射的作用以获得了更大的磁致电阻效应。
在这种中间层IE插入到中间层300和500中时，在钉扎层和在它的两侧上自由层400之间的磁致电阻效应最佳并且变得容易检测。
附图10所示为具有非对称结构的第四具体实例的示意性横截面图。
更具体地说，在本具体实例中，第二中间层500形成为具有针孔PH的绝缘层。针孔PH以钉扎层600和在它的两侧上的自由层400中的至少一种的材料填充。
在第二钉扎层600通过针孔PH与自由层400连接时，形成由于所谓的“磁点接触”引起的“BMR效应(冲击(阻尼)磁致电阻效应)”，这导致了非常大的磁致电阻效应。因此，检测在针孔PH的两侧上的磁性层之间形成的磁致电阻效应以容易地确定自由层400的磁化M2的方向。
针孔PH的孔径的优选直径一般小于20nm。针孔PH可能呈各种形状比如圆锥形、圆柱形、球形、多边锥形和多边圆柱形。针孔PH的数量可以是一个或多个。然而，更小的数量比较优选。
参考附图7至10已经描述了为使用磁致电阻效应容易地读出自由层400的磁化M2的方向非对称结构的具体实例。
虽然附图1至10所示为两个磁性层210形成第一钉扎层200的情况，但是本发明并限于这些。更具体地说，如附图11A和11B所示，第一钉扎层200可以具有三个磁性层210。可替换地，它可以具有四个或更多个磁性层210。
然而，在任何情况下，优选至少两个磁性层210铁磁地耦合。更具体地说，在本实施例中，优选在形成第一钉扎层200的磁性层210之间的铁磁耦合足够强到维持对写电流I的铁磁耦合。应用弱的铁磁耦合，在第一钉扎层200的多层膜里面的与自旋相关的反射可以使磁性层210的磁化M1的一部分反向或者可以干扰磁化的分布。因此，可取的是，这些磁性层210铁磁地耦合以避免即使在写电流I流动时使每个磁性层210的磁化M1反向。
为实现这种磁耦合，可取的是，在第一钉扎层200中的多层膜中的非磁性层220由Cu(铜)、Ag(银)、Au(金)、钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)和包含它们的任何合金构成，非磁性层220具有小于2nm的厚度。这允许形成多层膜的磁性层210影响在层之间的交互耦合，或者影响在非磁性层220中通过针孔等直接耦合的交互作用，实现了较强的铁磁耦合。
附图12所示为在非磁性层220由铜(Cu)制成的情况下在磁性层210相对非磁性层220的膜厚度之间的交互作用的关系的曲线图。如果形成第一钉扎层200的多层膜具有明显的(陡峭的)界面，在相邻的磁性层210之间的层间交互作用在相对于非磁性层220的正和负之间震荡同时衰减。结果，适合于铁磁耦合的膜厚区以摆动的方式出现。在上述的非磁性层的情况下，适合的膜厚一般在小于2nm的范围。
在另一方面，界面可以进行重要的混合(合金化)，部分是由于在膜形成时在溅射离子中的高能量的缘故。在这种情况下，如附图12所示的任何重要的摆动都不能被观测到，并且强的铁磁耦合一般在2nm下实施。耦合的强度更大且适于更薄的非磁性层。在通过针孔等的直接交互耦合中的磁性层具有在局部上可比得上在磁性材料的里面的交互作用的足够强的交互作用。
本发明人实施了如下的模型计算。用Iw表示通过具有面积A的磁性器件的写电流。已经证明在磁性层210之间的铁磁耦合的强度J优选满足下面的公式：
J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tIIMs2
这里Iw/A表示电流密度，t和Ms分别表示在多层膜中的单个组成的磁性层的厚度和磁化强度，h表示普朗克常数，P表示电流的自旋非对称性，e表示电荷，以及α表示吉伯阻尼常数。
在这种情况下，相对写电流Iw可以维持良好的铁磁耦合。
在附图1至11B中所示的磁性器件的结构中，第一钉扎层200具有反铁磁层(未示)以固定磁性层210的磁化M1。此外，虽然附图1至11B表示在电极100和900之间的层具有相同的横向尺寸，但是横向尺寸一致不是必须的。具体的说，在第二钉扎层600由单个磁性层构成时，该层的横向尺寸比磁性器件大得多以避免在第二钉扎层600中的磁孔对自由层400的影响。这可以减小泄漏磁场的影响，该泄漏磁场否则可能干扰在自由层400中的磁性反向的操作。
附图13所示为其中通过反铁磁耦合固定磁化的具体实例的示意性附图。更具体地说，由第一钉扎层200的铁磁材料构成的磁性层240中的一个的磁化通过相邻的反铁磁层230固定。这个磁性层240通过Ru(钌)等的非磁性层250与层叠的膜反铁地磁耦合。在这种情况下，非磁性层250的厚度设定为使在磁性层240之间实施反铁磁耦合。
由于这种结构抵消了磁化方向，因此可以减小来自第一钉扎层200的泄漏的磁场。这又可以减小磁场对自由层400的影响，因此可以增强自由层400的写的可控性。此外，给第二钉扎层600提供反铁磁层620，由此固定由铁磁材料构成的相邻的磁性层610的磁化。
附图14所示为这样的具体实例的示意性视图，其中第一钉扎层的磁性层铁磁耦合，并且附加地提供反铁磁层与这个多层膜相邻，同时第二钉扎层600也具有反铁磁耦合的结构。
更具体地说，第二钉扎层600具有反铁磁层630，由此固定了由铁磁材料构成的相邻的磁性层640的磁化。这个磁性层640通过Ru(钌)等的非磁性层650与磁性层610反铁磁地耦合。如附图14的具体实例所示，由于取消了第二钉扎层600的磁化，因此可以减小来自第二钉扎层600的泄漏的磁场。此外，这又可以减小磁场对自由层400的影响，因此可以提高自由层400的写的可控性。
(第二实施例)
接着，描述其中自由层400是多层的作为本发明的第二实施例的磁性器件。
附图15所示为根据本发明的第二实施例的磁性器件的基本横截面结构的示意性附图。在这个附图中，与先前参考附图1至14描述的元件相同的元件以相同的参考标号表示，因此在此不再详细描述。
自由层400被构造为由铁磁耦合的(磁性层410/非磁性层420)×N/磁性层410(N＝1或更大)构成的多层膜。即，自由层400被构造成使磁性层410和非磁性层420彼此交替地层叠，并且磁性层410通过具有在写电流通过时自由层400的磁化旋转并维持在磁性层410之间的铁磁耦合的足够的耦合强度的非磁性层220彼此铁磁地耦合。
与第一实施例一样，在电极100和900之间传输的电流使第一钉扎层200的磁化M1的影响作用于自由层400的磁化M2，由此可以控制自由层400的磁化M2的方向。
根据本实施例，通过将自由层400构造成铁磁耦合的多层膜有效地实施以自旋极化的电流的写。更具体地说，在电流从第一钉扎层200朝自由层400传输时，来自第一钉扎层200的自旋极化的电子可以作用于一个以上的表面。这可以增强自旋极化的电子的作用，增加自由层400的磁化M2的反向效率。结果，可以将写电流减小到更低的电流。
在另一方面，在电流从自由层400朝第一钉扎层200传输时(在极性反向时)，来自自由层400的自旋极化的电子通过过滤效应增加。因此，可以更加有效地实施反向，并可以减小磁化反向电流。
附图6A和16B所示为通过电流I已经实施的自由层400的磁化反向之后的磁化方向。
在第二实施例中，优选在形成自由层400的磁性层410之间的磁性耦合足够强到维持对在记录时通过的写电流的铁磁耦合。通过弱的磁性耦合，可以使至少一个磁性层410的磁化反向。此外，至少一个层的磁化被干扰了，由此与自旋相关的电子的动作可能不规则。这可以防止自由层400的磁性反向。
为维持磁性耦合，可取的是，非磁性层420由Cu(铜)、Ag(银)、Au(金)、钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)和包含它们中的至少一种的合金构成。此外，用Iw表示通过具有面积A的磁性器件的写电流。在磁性层410之间的铁磁耦合的强度J优选满足下面的公式：
J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tIIMs2
这里Iw/A表示电流密度，t和Ms分别表示在多层膜中的单个组成的磁性层的厚度和磁化强度，h表示普朗克常数，P表示电流的自旋非对称性，e表示电荷，以及α表示吉伯阻尼常数。
在这种情况下，即使写电流Iw通过仍然能够维持良好的铁磁耦合。
此外，优选在形成自由层400的磁性层410的磁性耦合足够强到维持对在再现时通过的检测电流的铁磁耦合。通过较弱的磁性耦合，在自由层400的里面的与自旋相关的反射可以使在再现时磁性层410的磁化M2的一部分反向，或者可能干扰磁化M2。
为维持磁性耦合，可取的是，非磁性层420由Cu(铜)、Ag(银)、Au(金)、钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)和包含它们的任何合金构成。此外，用Is表示通过具有面积A的磁性器件的检测电流。在磁性层410之间的铁磁耦合的强度J优选满足下面的公式：
J＞(hP/2eα)×(Is/A)-tIIMs2
这里Is/A表示电流密度，t和Ms分别表示在多层膜中的单个组成的磁性层的厚度和磁化强度，h表示普朗克常数，P表示电流的自旋非对称性，e表示电荷，以及α表示吉伯阻尼常数。
在这种情况下，即使感测电流Is通过仍然能够维持良好的铁磁耦合。
此外，也是在本实施例中，如参考第一实施例的附图3所述，如果第二钉扎层600的磁化被设定到与第一钉扎层200的磁化反向平行，则可以使磁化反向电流更小。
此外，也是在本实施例中，如附图13和14所示，可以给第一钉扎层200或第二钉扎层600提供通过Ru(钌)等的非磁性层反铁磁耦合的并置于反铁磁层和多层膜之间的磁性层。在这种情况下，Ru的非磁性层的厚度优选被设定为在磁性层之间实施反铁磁耦合。这种结构的效果与前文参考附图13和14所描述的效果相同。此外，第一钉扎层200或第二钉扎层600可以具有固定磁性层210的磁化或固定磁性层610的磁化的反铁磁层。
在本实施例中，再现机理与第一实施例相同。
(第三实施例)
接着，描述其中第一钉扎层200和自由层400每个都是多层的作为本发明的第三实施例的磁性器件。
附图17所示为根据本发明的第三实施例的磁性器件的基本横截面结构的示意性附图。在这个附图中，与先前参考附图1至16描述的元件相同的元件以相同的参考标号表示，因此在此不再详细描述。
在本实施例中，第一钉扎层200和自由层400每个都被构造为由铁磁耦合的(磁性层/非磁性层)×N/磁性层(N＝1或更大)构成的多层膜。即，第一钉扎层200被构造成使磁性层210和非磁性层220彼此交替地层叠，并且磁性层210中的至少两个通过非磁性层220彼此铁磁地耦合。同样地，自由层400被构造成磁性层410和非磁性层420彼此交替地层叠，并且磁性层410通过非磁性层420彼此铁磁耦合。
本实施例的磁性器件具有第一和第二实施例的组合特征。同时实现了前文参考这些实施例描述的功能和效果。
此外，也是在本实施例中，如附图13和14所示，可以给第一钉扎层200或第二钉扎层600提供通过Ru(钌)等的非磁性层反铁磁耦合的并置于反铁磁层和多层膜之间的磁性层。这种结构的效果与前文参考附图13和14所描述的效果相同。
(第四实施例)
接着，描述其中第一钉扎层200和第二钉扎层600每个都是多层的作为本发明的第三实施例的磁性器件。
附图18和19所示为根据本发明的第四实施例的磁性器件的基本横截面结构的示意性附图。在这些附图中，与先前参考附图1至17描述的元件相同的元件以相同的参考标号表示，因此在此不再详细解释。
在本实施例中，第一钉扎层200和第二钉扎层600每个都被构造为由铁磁耦合的(磁性层/非磁性层)×N/磁性层(N＝1或更大)构成的多层膜。即，第一钉扎层200被构造成使磁性层210和非磁性层220彼此交替地层叠，并且磁性层210中的至少了两个通过非磁性层220彼此铁磁地耦合。同样地，第二钉扎层600被构造成磁性层610和非磁性层620彼此交替地层叠，并且磁性层610通过非磁性层620彼此铁磁耦合。
本实施例的磁性器件具有第一实施例的增强的特征。实现了前文参考这些实施例描述的基本功能和效果。两个钉扎层200和600的存在增加了导致更加小的反向电流的自旋极化电流的多次反射。
此外，也是在本实施例中，如附图13和14所示，可以给第一钉扎层200或第二钉扎层600提供通过Ru(钌)等的非磁性层反铁磁耦合的并置于反铁磁层和多层膜之间的磁性层。
附图20至23所示为通过反铁磁耦合固定磁化的实例的示意性附图。这种结构的效果与前文参考附图13和14描述的效果相同。例如，通过相邻的反铁磁层230固定由第一钉扎层200的铁磁材料构成的磁性层240的磁化，通过相邻的反铁磁层630固定由第二钉扎层600的铁磁材料构成的磁性层610的磁化。
如在上文的第一至第四实施例中所描述，根据本发明，可以以减小的电流使自由层400的磁化M2反向，这导致了减小功率消耗并防止器件击穿的效果。因此，如下文的实例中所描述，本发明的记录/再现适合于固态磁性存储器、探针存储单元等。
接着，详细地描述形成上文在第一至第四实施例中描述的本发明的磁性器件的每个元件。
首先，在第一和第二钉扎层200和600和在自由层400中的单个层或用于形成多层的磁性层(比如210和410)的材料可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或包含从铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)和铬(Cr)构成的组中选择至少一种元素的合金、称为“坡莫合金”的基于NiFe的合金或软磁材料比如基于CoNbZr的合金、基于FeTaC的合金、基于CoTaZr的合金、基于FeAlSi的合金、基于FeB的合金和基于CoFeB的合金、惠斯勒合金、磁性半导体、半金属磁性氧化物(或半金属磁性氮化物)比如CrO2、Fe3O4和La1-xSrxMnO3。
在此，“磁性半导体”可以包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)和锰(Mn)中的至少一种磁性元素与化合物半导体或氧化物半导体的组合。更具体地说，它们可以包括例如(Ga，Cr)N、(Ga，Mn)N、MnAs、CrAs、(Ga，Cr)As、ZnO:Fe和(Mg，Fe)O。
在本发明中，可以适当地选择具有适合于应用的任何磁性特性的这些材料的中的任何材料并用于钉扎层200和600和自由层400。
在这些磁性层中使用的材料可以包括连续的磁性材料，或者其中在非磁性基体中形成或沉淀的磁性材料的细微颗粒的复合结构。
此外，自由层400的材料可以包括由(Co或CoFe合金)/(NiFe或NiFeCo或Ni的坡莫合金)构成的双层结构或者由(Co或CoFe合金)/(NiFe或NiFeCo或Ni的坡莫合金)/(Co或CoFe合金)构成的三层结构。然后可以减小有效的磁化而不降低在界面的自旋极化。结果，可以减小系统的磁性能量，以较低的电流使磁化反向。在由这些磁性多层结构构成的磁性层中，优选外部的Co或CoFe合金的厚度范围在0.2至1nm的范围内。这种结构能够以较低的电流使磁化反向。
形成钉扎层200或600的磁性层的优选的总的厚度是在0.4至60nm的范围内。形成自由层400的磁性层的优选的总的厚度是在0.4至60nm的范围内。形成这些多层的磁性层的优选的厚度是在0.2至10nm的范围内。
在形成钉扎层200、600或自由层400铁磁耦合的多层膜的过程中，非磁性和磁性层的材料的典型组合包括具有fcc(面心立方)结构的CoFe与Cu的组合比如CoFe/Cu/CoFe和CoFe/Cu/CoFe/Cu/CoFe或者具有bcc(体心立方)结构的CoFe(Co0.5Fe0.5)与Cu、bcc-Fe/fcc-Au和bcc-Fe/fcc-Ag的组合。
用于第一中间层300和第二中间层500的材料可以包括铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)或包含它们中的一种或多个的合金、由包括从铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)和铁(Fe)构成的组中选择的至少一种元素的氧化物、氮化物或氟化物构成的绝缘体或其中在这些任何绝缘体中形成针孔并且磁性层进入到该针孔的冲击(阻尼)MR材料。
具体地说，为了增加反向效率，第一中间层300的优选材料是导电金属，比如铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)或包含它们中的一种或多个的合金。第一中间层300的1至60nm的厚度可以实现磁化反向的效果。
此外，具体地说，第二中间层500的材料可以是由包括从铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)和铁(Fe)构成的组中选择的至少一种元素的氧化物、氮化物或氟化物构成的绝缘体或其中在这些任何绝缘体中形成针孔并且磁性层进入到该针孔的冲击(阻尼)MR材料以获得较大的再现输出。这一点在前文参考附图10和11已经描述了。从信号再现的角度看，在前者中的隧道磁致电阻效应(TMR)绝缘体的优选厚度是0.4至2nm。在冲击(阻尼)MR材料的后者情况中，中间层500的优选厚度是在0.4至40nm的范围中。
通过变换第一和第二中间层的材料和厚度可以实现相同的效果。
固定钉扎层200和600的磁化M1和M3的反铁磁材料可以包括锰化铁(FeMn)、锰化铂(PtMn)、锰化钯(PdMn)和锰化钯铂(PdPtMn)。
在本发明的磁性器件的优选平面形状中，自由层400具有矩形、在垂直(或水平)上加长的六边形、椭圆形、具有1∶1至1∶5的范围的纵横比的菱形或平行四边形的平面形状。可取的是，该形状不利于形成所谓的“边缘区域(edge domain)”，并易于呈现单轴形磁各向异性。也是可取的是，自由层400具有在大约5至1000nm的范围内的纵边的尺寸。
虽然附图1至23表示在电极100和900之间的钉扎层200和600、自由层400和中间层300和500具有相同的横向尺寸，但是横向尺寸一致不是必须的。更具体地说，磁性器件的每个层可以具有彼此相对不同的宽度或斜率以连接导线或以控制磁化方向或者有利于器件的制造。具体地，在钉扎层600由单个磁性层构成时，该层的横向尺寸比磁性器件大得多以有利地减小来自钉扎层600中的泄漏磁场对自由层400的影响，否则它可能干扰在自由层400中的磁性特性。
在本发明的磁性器件中，优选自由层400的易磁化轴基本平行于或基本反向平行于在钉扎层200和600中的磁各向异性的方向导向。
应该注意，在附图1至23中所示的磁性器件中的层叠顺序并不限于在这些附图中所示的顺序。还可以以颠倒的顺序构造。
此外，还应该注意，在钉扎层或在自由层中的每个磁性层的磁化量不必相同。
现在参考实例进一步详细地描述本发明的实施例。
实例1
在要描述的本发明的第一实例中，使用明显界面而没有任何严重的界面混合的膜形成设备用于制造其中第一中间层300由Cu制成和第二中间层500由铝制成的层叠结构。然后将这种结构形成器件。通过第一中间层300通过电流注入对该器件进行写并通过第二中间层500通过隧道磁致电阻(TMR)进行再现。
首先，为了确定非磁性层220的厚度以实现在磁性层210之间的铁磁耦合，形成具有CoFe/Cu/CoFe的三层夹层的结构的膜，并研究在CoFe层之间的交互作用如何取决于Cu层的厚度。
附图24所示为在CoFe层相对Cu层的厚度之间的交互作用的关系的曲线图。这个结果通过从在磁滞曲线中的饱和磁场中确定反铁磁耦合的强度获得。通过拟合到Cu层的厚度的震荡曲线确定反铁磁耦合。如附图24所示，发现到所测量的程度可用于Cu层的膜厚的范围为在≤0.5nm或者1.3-1.7nm。因此，在本实例中，Cu层的厚度被选择为0.4nm。
在本实例中的器件制造过程如下。使用超高真空溅射在晶片上形成由Ta和Cu构成的下部电极膜。然后制造具有如下层叠的结构的膜。
(试样1)
(PtMn20nm/CoFe20nm)/Al2O31nm/(CoFe1nm/Cu0.4nm/CoFe1nm)/Cu6nm/(CoFe3nm/Cu0.4nm/CoFe3nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm)
(试样2)
(PtMn20nm/CoFe20nm)/Al2O31nm/(CoFe2.4nm)/Cu6nm/(CoFe7.8nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm)
(试样3)
(PtMn20nm/CoFe20nm)/Al2O31nm/(CoFe1nm/Cu1.8nm/CoFe1nm)/Cu6nm/(CoFe3nm/Cu1.8nm/CoFe3nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm)
在此，试样1是本实例的一种器件。试样2是用于比较的目的没有包含铁磁层的试样，试样3也是用于比较目的具有较低的铁磁耦合的试样。由Cu和Ta构成的另一膜形成在这些膜上。在270℃下在磁场中在真空炉中对晶片退火10小时以提供单向各向异性。EB(电子束)抗蚀剂施加到该膜上并进行EB曝光。然后形成具有理想的形状的掩模(在此它的尺寸是60nm×120nm并且它的纵向方向与单向各向异性平行)。
接着，使用离子铣削设备来蚀刻没有被掩模覆盖的区域直到向下至氧化铝(Al2O3)层。在此，通过启动泵将溅射的颗粒引入质谱分析法的四极分析器中来精确地监测蚀刻量。在蚀刻之后，消除掩模并进一步形成SiO2的膜。通过离子铣削以对Ta表面曝光来平滑它的表面平滑。在Ta表面上形成上部电极。
附图25所示为试样1的横截面结构的示意性附图。
附图26A和26B所示分别为试样1的磁致电阻效应和电阻的电流相关性的测量的曲线图。
在此所观测的电阻变化是通过氧化铝的高电阻层的隧道磁致电阻(TMR)。在电流扫描(附图26B)中的电阻变化与在磁致电阻效应(附图26A)中的电阻变化相同。可以看出，在临界电流Ic之上，自由层400的磁化反向并且实现了记录。试样1的临界电流Ic是±0.16mA，因此在2.2×106A/cm2的电流密度下使磁化反向。
在另一方面，在试样2中，在高达中间层500的隧道结部分的击穿的电流范围中没有观测到磁化反向。在试样3中，在大约一半该击穿电流下观测到电阻的一定的变化，这表明在与氧化铝层500相邻的多层膜的部分被反向。然而，在高达击穿的电流范围中没有获得任何良好的磁滞。
上文的结果表明通过给第一钉扎层200和自由层400提供较强的铁磁耦合减小了反向电流。
实例2
在要描述的第二实例中使用涉及较强的混合的膜形成设备来制造薄膜。
更具体地说，制造类似于实例1的夹层膜并确定非磁性层220的厚度相关性。然而，提供PtMn层以将单向各向异性应用到一个磁性层210中以有利于确定任何正的层间耦合。
附图27所示为在CoFe层相对Cu层的厚度之间的交互作用的关系的曲线图。基于这个结果，选择非磁性层220的膜厚度为1.9nm。形成第一钉扎层600为磁性层210和非磁性层220的多层膜。然后通过类似于实例1的过程制造具有类似于在附图1中所示的结构的分层结构的器件。研究在电流扫描过程中获得的磁性器件的电阻变化。该结果表明在电流扫描过程中在临界反向电流上出现了尖锐的电阻变化，这证实了磁性层210的多层膜协同作用。
实例3
在要描述的本发明的第三实例中，制造在结构上类似于上文描述的实例1的试样，但除了在自由层400中之外，将具有0.1nm的膜厚的Cu层插入到具有2nm膜厚的bcc组成的Co0.5Fe0.5层中。这种器件的临界反向电流是±0.14mA，它在比试样1更低的电流密度上实现了反向。这估计可能是由混合Cu层的存在引起的在bcc-CoFe里面的体积散射效应的贡献。
实例4
在要描述的本发明的第四实例中，使用类似于上文描述的实例1的过程制造具有下面层叠的结构的磁性器件。
(PtMn20nm/CoFe5nm)Al2O31nm/(CoFe1nm/Cu0.2nm/CoFe1nm)/Cu6nm/(CoFe3nm/Cu0.4nm/CoFe3nm/Ru1nm/CoFe3nm/PtMn20nm)
制造试样A和B。试样A具有如在附图28中示意性示出的横截面结构，其中切割出微型器件的研磨在至氧化铝层的一半深度上停止，而在试样B中将该器件完整地切割至PtMn层。
首先确定磁致电阻效应。试样A具有类似于在附图26A中所示的磁场扫描的磁滞。然而，在试样B中，较强的铁磁耦合出现，其中在氧化铝层500上的上部和下部磁性层彼此反向平行地强烈地耦合。试样B的电流扫描的结果表明在高达击穿电流中没有观测到任何完整的反向，因为这种静磁耦合太强，它阻止了良好的反向性能。在另一方面，在试样A中，没有出现铁磁耦合，因为在第二钉扎层600中的磁极是可忽略的，自由层400的磁化在±0.2mA上反向。
在附图28中，该器件具有至氧化铝层一半的垂直侧面。然而，横截面试样的发射电子显微镜观测已经显示该侧面实际倾斜大约30°至60°。
实例5
在要描述的本发明的第五实例中，将上文描述的本发明的磁性器件特别用于磁性存储器。
附图29A、29B、30A和30B所示为使用本发明的磁性器件的磁性存储器的示意性视图。
附图31所示为这个实例的磁性存储器的等效电路图。
在此，使用类似于实例1的试样1的磁性器件(磁性单元)10。在这种结构中，一个晶体管只指定给一个器件。该器件形成在正交的字线WL和位线BL之间以使它能够被用作磁性存储器。在并联结构中在多个磁性存储器中的每个都可以通过指定一个位线BL和一个字线WL选择。
如附图29A和29B所示通过传输比临界反向电流Ic更高的写电流Iw实施磁性器件10的记录。在电子首先通过第一钉扎层200时(对应于在附图29B中的“写信号1”)，在自由层400中记录的磁化M2平行于第一钉扎层200的磁化M1导向。
在另一方面，在电子流反向时(对应于在附图29A中的“写信号0”)，将与第一钉扎层200的磁化M1反向平行的磁化M2记录在自由层400中。因此，电流的极性的反向允许适当地写“0”或“1”。
如附图30A和24B所示，通过传输比临界反向电流Ic更低的再现电流(检测电流)Is并通过中间层500检测磁致电阻效应实施再现。例如，如附图30A所示，在信号“0”已经写了时，电阻表现为低电阻，在已经写了信号“1”时，电阻表现为更高的电阻。通过检测这个(即直接读电阻或读电压或读电流)，就可以为信号的再现检测自由层400的磁化M2的状态。考虑到晶体管Tr的兼容性，优选第二中间层500由高度绝缘的材料比如氧化铝形成。在这种情况下，要检测隧道磁致电阻效应(TMR)。
虽然附图30A和30B所示为将“0”指定给低电阻并将“1”指定给高电阻的再现信号的分配，将会理解到这种分配可以颠倒。
实例6
在要描述的本发明的第六实例中，将本发明的磁性器件特别用于磁性存储器。
附图32所示为使用本发明的磁性存储器的结构的示意性透视图。
更具体地说，每个磁性器件10提供在以矩阵结构的布线的字线WL和位线BL之间。与实例5一样，通过磁性器件10传输写电流Iw并根据它的极性指定信号“0”或“1”来实施对磁性器件10的写。通过传输再现电流Is并检测磁致电阻效应来实施再现。交叉点磁性存储器是能够实现更高阶的积分的一种结构。
实例7
在要描述的本发明的第七实例中，磁性存储器是一种探针存储类型。
附图33所示为使用本发明的磁性器件的磁性存储器的示意性附图。更具体地说，本具体实例是一种探针存储器件，其中本发明的磁性器件被应用于通过探针存取的所谓的“构图媒体”。
该记录媒体被构造成使本发明的磁性器件10在导电衬底1100上以矩阵结构形式设置在高电阻绝缘体1000的平面中。为选择磁性器件，探针2000提供在该媒体的表面上。此外还提供一个控制在探针2000和该媒体的表面之间的相对位置关系的驱动机构2100、施加从探针2000到磁性器件10的电流或电压的电源2200、和随着电阻的变化检测磁性器件10的内部磁化状态的检测电路2300。
在附图33所示的具体实例中，驱动机构2100连接到探针探针2000。然而，驱动机构2100提供在媒体侧上，只要该媒体的位置相对探针改变。如附图33所示，本发明的多个磁性器件10设置在导电衬底1100上以形成构图媒体。通过磁性器件10在导电探针2000和导电衬底1100之间传输电流实施记录和再现。
通过改变在导电探针2000和构图媒体之间的相对位置关系实施磁性器件10的选择。导电探针2000仅需要与磁性器件10以接触或非接触的方式电连接。在非接触的情况下，借助于在磁性器件10和探针2000之间的隧道电流或场发射电流实施记录和再现。
借助于从存取它的探针2000流到磁性器件10的电流或借助于从磁性器件10流到探针2000的电流实施对磁性器件10的记录。假设Ic表示由磁性器件10的尺寸、结构、成分等确定的自由层400的磁化M2的反向电流。通过传输比Ic更高的写电流Iw通过磁性器件可以实施记录。所记录的磁化方向与上文参考附图2A至5B描述的磁化方向相同。这样，传输自旋极化的电子电流通过自由层400允许适当地写“0”或“1”。
与记录一样，借助于从存取磁性器件10的探针2000流动的电流或借助于流到该探针的电流实施再现。然而，在再现时，传输比磁化反向电流Ic更低的再现电流Is。磁化记录层A的记录状态通过检测电压或电阻确定。因此，在本具体实例的磁性存储器中，通过传输具有关系Iw＞Is的电流实现记录和再现。
实例8
在要描述的第八实例中，该磁性存储器由其中多路复用实例7的探针的探针阵列结构。
附图34所示为本实例的磁性存储器的结构的示意性附图。
更具体地说，本发明的磁性器件设置在与实例7一样的衬底上以形成32×32矩阵。这种矩阵又重复32×32次以形成具有总共1Mb(兆位)的记录/再现媒体。然后制造磁性存储器以实施具有32×32探针2000的这个记录/再现媒体的记录和再现。换句话说，在本实例的磁性存储器中，一个探针分配给一个矩阵组。
如附图34所示地探测。以在媒体上提供X-Y驱动机构实施每个探针2000的单元选择。然而，以在探针2000上提供的驱动机构2100实施单元选择，只要相对地改变位置关系即可。考虑到探针2000的多路复用，通过将探针连接到字线WL和位线BL并执行字线WL和位线BL实现每个探针2000的选择。
借助于从存取磁性器件的探针2000注入的电流实施磁性器件10的记录/再现。在再现时，传输低于磁化反向电流Ic的再现电流Is。自由层400的记录状态通过检测将其指定给“0”或“1”的电压或电阻确定。
实例9
在要描述的本发明的第九实例中，制造具有如下的结构的磁性器件。在该结构中，其中通过Ru非磁性层铁磁耦合的相邻铁磁层的层叠膜提供在第一钉扎层和第二钉扎层之间作为自由层，并提供在第一钉扎层和自由层之间的第一中间层和在第一钉扎层和自由层之间的第二中间层。
首先，制造其中Ru层厚度在0.1nm和1.6nm之间的CoFe/Ru/CoFe的夹层结构。为了获得其中铁磁耦合磁性层的Ru层的范围，研究夹层结构的磁化曲线。
结果，证明在Ru层是0.3nm或更小时以足够保持它们在膜平面中的磁化的强度铁磁耦合磁性层。还证明了在Ru层的厚度是0.4nm或更大时，磁性层是90°耦合或反铁磁耦合。此外，还证明了在Ru层的厚度是1nm时，反铁磁耦合达到了峰值。
关于这些结果，制造具有如下的结构的根据本发明的实例的磁性器件(试样A1至A6)。在该结构中，插入在0.1nm至0.3nm之间的厚度的Ru层的自由层提供在第一钉扎层和第二钉扎层之间，并将第一中间层提供在第一钉扎层和自由层之间，以及第二中间层提供在第二钉扎层和自由层之间。该器件的尺寸是70nm×110nm。
为进行比较，制造与上述器件具有相同的尺寸但具有没有插入Ru层的自由层的其它的器件(比较试样C1至C6)。试样的每种结构如下。
(试样A1)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe15nm)/Cu3.5nm/(Co9Fe11nm/Ru0.1nm/Co9Fe11nm/Ru0.1nm/Co9Fe11nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe120nm
(试样A2)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14nm)/Cu6nm/(CoFeNi1.5nm/Ru0.2nm/CoFeNi1.5nm)/MgO0.7nm/Fe10nm
(试样A3)
(Co8Fe23.5nm/Ru1nm/Co8Fe24nm)/Cu7nm/(Co8Fe21.2nm/Ru0.2nm/Co8Fe21.3nm)/Al2O30.6nm/Fe3O430nm
(试样A4)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14.5nm)/Cu6nm/(Co5Fe51.25nm/Ru0.3nm/Co5Fe51.25nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe115nm
(试样A5)
(CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi1nm/Cu0.2nm/CoFeNi1nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe11.4nm/Ru0.2nm/NiFe1.9nm)/Cu6nm/CoFeNi20nm
(试样A6)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe11nm/Cu0.2nm/Co9Fe11nm/Cu0.2nm/Co9Fe11nm)/Cu4nm/(Co9Fe11.25nm/Ru0.1nm/Co9Fe11.25nm)/MgO0.8nm/(Fe15nm/Au0.4nm/Fe15nm)
(比较试样C1)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe15nm)/Cu3.5nm/Co9Fe13nm/Al2O30.6nm/Co9Fe120nm
(比较试样C2)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14nm)/Cu6nm/CoFeNi3nm/MgO0.7nm/Fe10nm
(比较试样C3)
(Co8Fe23.5nm/Ru1nm/Co8Fe24nm)/Cu7nm/Co8Fe22.5nm/Al2O30.6nm/Fe3O430nm
(比较试样C4)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14.5nm)/Cu6nm/Co5Fe52.5nm/Al2O30.6nm/Co9Fe115nm
(比较试样C5)
(CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi1nm/Cu0.2nm/CoFeNi1nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe11.4nm/NiFe1.9nm)/Cu6nm/CoFeNi20nm
(比较试样C6)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe11nm/Cu0.2nm/Co9Fe11nm/Cu0.2nm/Co9Fe11nm)/Cu4nm/Co9Fe12.5nm/MgO0.8nm/(Fe15nm/Au0.4nm/Fe15nm)
在所有的试样中，通过与每个层的最外层相邻地提供的PtMn或PtIrMn的反铁磁层以交互偏压固定第一钉扎层和第二钉扎层的磁化。通过给每个试样施加电流并测量电阻变化获得在电流驱动的磁化反向中的反向电流。
附图29所示为分别试样A1和试样C1的电阻的电流相关性的测量的曲线图。
附图35所示为在施加的正电流时，在一定的反向电流Ic+下自由层的磁化变为反向平行于下面的钉扎层的磁化。还显示，在施加负电流时，在一定的反向电流Ic-下自由层的磁化变为平行于下面的钉扎层的磁化。
在表1中示出了每个试样的反向电流的平均值。反向电流的平均值意味着Ic+和Ic-的平均值。
表1
  试样编号   反向电流的平均值(mA)   试样编号   反向电流的平均值(mA)
  A1   0.21   C1   0.35
  A2   0.15   C2   0.26
  A3   0.31   C3   0.58
  A4   0.27   C4   0.61
  A5   0.11   C5   0.23
  A6   0.23   C6   0.37
表1显示具有其中提供了具有铁磁耦合的磁性多层膜的自由层的根据本发明的实例的结构的试样(A系列)比比较试样(C系列)具有更低的平均反向电流。根据本发明的实例的器件可以减小反向电流。此外，具有不同的尺寸的器件也具有相同的效果。
实例10
在要描述的本发明的第十实例中，制造其中第一钉扎层和/或第二钉扎层被制成具有较强的铁磁耦合的铁磁层的磁性器件。首先，制造其中Cu层的厚度在0.1nm和1.4nm之间的CoFe/Cu/CoFe的夹层结构。为了获得其中铁磁耦合磁性层的Cu层厚度的范围，研究夹层结构的磁化曲线。
结果，证明在Cu层的厚度是0.7nm或更小时，磁性层铁磁地耦合。
根据本发明的实例的磁性器件(试样A11-A17)，它具有作为第一钉扎层(和/或)第二钉扎层铁磁耦合的多层膜、第一钉扎层、第二钉扎层、在第一钉扎层和第二钉扎层之间的自由层、在第一钉扎层和自由层之间的第一中间层和在第二钉扎层和自由层之间的第二中间层。该器件的尺寸为70nm×110nm。
制造与上述的器件具有相同的尺寸但具有没有插入Cu层的钉扎层的比较器件(比较试样C11至C17)。该器件的每种结构如下。
(试样A11)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe15nm)/Cu5nm/(NiFe2nm/Co9Fe11nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm)
(试样A12)
(CoFeNi2nm/Cu0.3nm/CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi4nm)/Cu6nm/CoFeNi2.5nm/MgO0.7nm/Fe40nm
(试样A13)
(Co8Fe23.5nm/Ru1nm/Co8Fe24nm)/Cu7nm/(Co8Fe21.2nm/Ru0.2nm/Co8Fe21.3nm)/Al2O30.6nm/(Co8Fe22nm/Cu0.2nm/Co8Fe22nm/Cu0.2nm/Co8Fe22nm)
(试样A14)
(Co9Fe12nm/Cu0.3nm/Co9Fe12nm/Ru1nm/Co9Fe14.5nm)/Cu6nm/(Co5Fe51.25nm/Ru0.3nm/Co5Fe51.25nm)/Al2O30.6nm/Fe3O430nm
(试样A15)
(CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi1nm/Cu0.2nm/CoFeNi1nm)/Al2O30.6nm/(CoFeNi1.5nm/Co9Fe11.5nm)/Cu6nm/(CoFeNi4nm/Cu0.4nm/CoFeNi4nm)
(试样A16)
(Co9Fe13nm/Ru1nm/Co9Fe11nm/Cu0.5nm/Co9Fe11nm/Cu0.5nm/Co9Fe11nm)/Cu6nm/(Co9Fe11.25nm/Ru0.1nm/Co9Fe11.25nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe12nm/Cu0.5nm)/Co9Fe12nm/Cu0.5nm/Co9Fe12nm)
(试样A17)
(Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm)/Cu6nm/(Co9Fe11.25nm/Cu1nm/Co9Fe11.25nm)/Al2O30.6nm/(Co9Fe12nm/Cu0.2nm)/Co9Fe12nm/Cu0.2nm/Co9Fe12nm)
(试样C11)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe15nm)/Cu5nm/(NiFe2nm/Co9Fe11nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe16nm
(试样C12)
(CoFeNi4nm/Ru1nm/CoFeNi4nm)/Cu6nm/CoFeNi2.5nm/MgO0.7nm/Fe40nm
(试样C13)
(Co8Fe23.5nm/Ru1nm/Co8Fe24nm)/Cu7nm/(Co8Fe21.2nm/Ru0.2nm/Co8Fe21.3nm)/Al2O30.6nm/Co8Fe26nm
(试样C14)
(Co9Fe14nm/Ru1nm/Co9Fe14.5nm)/Cu(6nm)/(Co5Fe51.25nm/Ru0.3nm/Co5Fe51.25nm)/Al2O30.6nm/Fe3O430nm
(试样C15)
(CoFeNi2nm/Ru1nm/CoFeNi2nm)/Al2O30.6nm/(CoFeNi1.5nm/Co9Fe11.5nm)/Cu6nm/CoFeNi8nm
(试样C16)
(Co9Fe13nm/Ru1nm/Co9Fe13nm)/Cu6nm/(Co9Fe11.25nm/Ru0.1nm/Co9Fe11.25nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe16nm
(试样C17)
Co9Fe16nm/Cu6nm/(Co9Fe11.25nm/Cu1nm/Co9Fe11.25nm)/Al2O30.6nm/Co9Fe16nm
在所有的试样中，通过与每个层的最外层相邻地提供的PtMn、PtIrMn或NiO的反铁磁层以交互偏压固定第一钉扎层和第二钉扎层的磁化。
在表2中示出了每个试样的反向电流的平均值。
                     表2
  试样编号   反向电流的平均值(mA)   试样编号   反向电流的平均值(mA)
  A11   0.18   C11   0.27
  A12   0.26   C12   0.40
  A13   0.23   C13   0.35
  A14   0.14   C14   0.19
  A15   0.22   C15   0.38
  A16   0.21   C16   0.35
  A17   1.61   C17   2.14
表2显示具有其中提供了具有铁磁耦合的磁性多层膜的自由层的根据本发明的实例的结构的试样(A系列)比每个比较试样(C系列)具有更低的平均反向电流。根据本发明的实例的器件可以减小反向电流。此外，具有不同的尺寸的器件也具有相同的效果。
根据本发明，可以提供一种其中以较低的电流密度或较低的电流进行直接写的微观尺寸的磁性材料的磁性器件。这可以解决器件击穿、产生热量、功率消耗、与再现组合的问题以及其它的问题。
换句话说，可以提供一种其中以较低的功率消耗进行局部写磁化的微观尺寸的磁性材料的磁性器件。此外，可以提供一种其中使用磁致电阻效应读出的写的磁化的磁性器件。这些磁性器件非常小。结果，本发明对更高的密度和功能的磁性器件和对于包括磁性器件的器件的整个小型化非常有效，因此对工业领域贡献非常大。
参考具体的实例已经描述了本发明的实施例。然而，本发明并不限于上文所描述的具体实例。例如，构成磁性器件的每个元件可以具有不同的空间尺寸、材料、数量；和电极、钝化、绝缘和其它结构的其它的形状或材料。它们也包含在本发明的范围内，只要在本领域的普通技术人员通过从已有的技术中适当地选择它们能够类似地实施本发明并实现类似的效果。
此外，在磁性器件中的反铁磁层、铁磁层、中间层、绝缘层和其它的部件每个都可以形成单个层、或者两个或多个层的层叠结构。
本发明的范围也包含本领域的普通技术人员基于作为本发明的实施例的上文所描述的磁性器件和磁性存储器通过适当地修改设计能够实施的所有的磁性器件和磁性存储器。
虽然根据实施例已经公开了本发明以有利于理解本发明，但是应该理解的是在不脱离本发明的原理的前提下本发明可以以各种方式实施。因此，本发明应该被理解为包括在不脱离如附加的权利要求所阐述的本发明的原理的前提下所有可能的实施例和对所示出的实施例的改进。

Claims (19)

1.一种磁性器件，包括：
第一铁磁层，其中磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠，磁性层中的至少一个层具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性层中的两个或更多个层通过非磁性层铁磁地耦合，同时具有与平行于第一铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴；
具有基本固定到第二方向的磁化的第二铁磁层；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时能够维持磁性层的平行磁性对准的强度。
2.根据权利要求1所述的磁性器件，其中铁磁耦合的强度J满足下式：
J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tπMs2
这里Iw/A是写电流的电流密度，t是磁性层的厚度，Ms是磁性层的磁化强度，h是普朗克常数，P是电流的自旋非对称性，e是电荷，以及α是吉伯阻尼常数。
3.根据权利要求1所述的磁性器件，其中非磁性层由从包括铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、Ru(钌)、Ir(铱)、Rh(铑)和包含它们中的至少一种的合金构成的组中选择的任何一种形成，并且具有小于2nm的厚度。
4.根据权利要求1所述的磁性器件，其中第一和第二中间层中的一个由绝缘体或半导体制成，而第一和第二中间层中的另一个由导体制成。
5.根据权利要求1所述的磁性器件，其中第三铁磁层包括交替地层叠的磁性和非磁性层，该磁性层通过非磁性层铁磁地耦合。
6.一种磁性器件，包括：
具有基本固定到第一方向的磁化的第一铁磁层；
具有基本固定到第二方向的磁化的第二铁磁层；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，在该第三铁磁层中，磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠并且磁性层通过非磁性层铁磁地耦合，同时具有与平行于第三铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴，并且该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时使所有的磁性层的磁化反向并保持其间的平行磁性方向的强度。
7.根据权利要求6所述的磁性器件，其中在第三铁磁层中，铁磁耦合的强度J满足下式：
J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tπMs2
这里Iw/A是写电流的电流密度，t是磁性层的厚度，Ms是磁性层的磁化强度，h是普朗克常数，P是电流的自旋非对称性，e是电荷，以及α是吉伯阻尼常数。
8.根据权利要求6所述的磁性器件，其中非磁性层由从包括铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、Ru(钌)、Ir(铱)、Rh(铑)和包含它们中的至少一种的合金构成的组中选择的任何一种形成，并且具有小于2nm的厚度。
9.根据权利要求6所述的磁性器件，其中第一和第二中间层中的一个由绝缘体或半导体制成，而第一和第二中间层中的另一个由导体制成。
10.一种磁性器件，包括：
第一铁磁层，其中磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠，磁性层中的至少一个层具有基本固定到第一方向的磁化，磁性层中的两个或更多个层通过非磁性层铁磁地耦合，同时具有与平行于第一铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴；
第二铁磁层，其中磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠，磁性层中的至少一个层具有基本固定到第二方向的磁化，磁性层中的两个或更多个层通过非磁性层铁磁地耦合，同时具有与平行于第二铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时使至少一个磁性层的磁化不反向的强度。
11.根据权利要求10所述的磁性器件，其中铁磁耦合的强度J满足下式：
J＞(hP/2eα)×(Iw/A)-tπMs2
这里Iw/A是写电流的电流密度，t是磁性层的厚度，Ms是磁性层的磁化强度，h是普朗克常数，P是电流的自旋非对称性，e是电荷，以及α是吉伯阻尼常数。
12.根据权利要求10所述的磁性器件，其中非磁性层由从包括铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、Ru(钌)、Ir(铱)、Rh(铑)和包含它们中的至少一种的合金构成的组中选择的任何一种形成，并且具有小于2nm的厚度。
13.根据权利要求10所述的磁性器件，其中第一和第二中间层中的一个由绝缘体或半导体制成，而第一和第二中间层中的另一个由导体制成。
14.一种磁性存储器，包括其中以矩阵结构提供多个磁性器件的存储器单元，绝缘体插入在磁性器件之间，
每个磁性器件具有：
第一铁磁层，其中磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠，磁性层中的至少一个层具有基本固定到第一方向的磁化，以及磁性层中的两个或更多个层通过非磁性层铁磁地耦合同时具有与平行于第一铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴；
具有基本固定到第二方向的磁化的第二铁磁层；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时能够维持磁性层的平行磁性对准的强度。
15.根据权利要求14所述的磁性存储器，其中在存储器单元上的每个磁性器件能够通过探针存取。
16.根据权利要求14所述的磁性存储器，其中
字线和位线连接到存储器单元上的每个磁性器件，和
通过选择字线和位线能够将信息记录到特定的一个磁性器件中或从其中读出信息。
17.一种磁性存储器，包括其中以矩阵结构提供多个磁性器件并且在磁性器件之间插入有绝缘体的存储器单元，
每个磁性器件具有：
具有基本固定到第一方向的磁化的第一铁磁层；
具有基本固定到第二方向的磁化的第二铁磁层；
提供在第一铁磁层和第二铁磁层之间的第三铁磁层，在该第三铁磁层中，磁性层和一个或多个非磁性层交替地层叠并且磁性层通过非磁性层铁磁地耦合，同时具有与平行于第三铁磁层的平面的膜平面平行的易磁化轴，并且该第三铁磁层具有可变化的磁化方向；
提供在第一铁磁层和第三铁磁层之间的第一中间层；
提供在第二铁磁层和第三铁磁层之间的第二中间层；和
被构造成在第一和第二铁磁层之间提供写电流以使自旋极化的电子作用于第三铁磁层、从而根据该电流的方向确定第三铁磁层的磁化方向的一对电极，
该铁磁耦合具有在写电流通过时使所有的磁性层的磁化反向并保持其间的平行磁性方向的强度。
18.根据权利要求17所述的磁性存储器，其中在存储器单元上每个磁性器件能够通过探针存取。
19.根据权利要求17所述的磁性存储器，其中
字线和位线连接到存储器单元上的每个磁性器件，和
通过选择字线和位线能够将信息记录到特定的一个磁性器件中或从其中读出信息。
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