TWI434280B - 複合格自旋力矩磁性隨機存取記憶體及其方法 - Google Patents

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Description

複合格自旋力矩磁性隨機存取記憶體及其方法
本發明有關於複合格自旋力矩磁性隨機存取記憶體。
磁性隨機存記憶體(MRAM)為非揮發固態資料儲存技術，其具有希望，但在相當多的研究調查後，在儲存密度上完成可上市程度仍有困難。典型地，MRAM使用磁格，其各個具有兩磁性層，其中該兩磁性層對應於寫入輸入，藉由取得平行或反平行磁極性。當兩層具有平行極性時，磁格係為低磁阻狀態，即得到低磁阻輸出的狀態，而當該兩層具有反平行極性時，則該格為高磁阻狀態。這兩不同磁阻輸出位準回應於讀取輸入得到不同位準之磁阻，使得不同位準之磁阻輸出作動為讀取信號，及各個格可以回應於讀取信號，以兩不同位準的磁阻輸出之哪一個被送回，而編碼一位元資訊。一陣列之此等格可以編碼大量的資訊，資訊儲存密度係為例如1位元磁格的物理參數之因數等所限制。
本案提供優於先前技術的這些及其他問題的解決方案。上述討論只提供作為一般背景資訊並不作為限制本發明之範圍用。
本案揭示一種可應用至自旋力矩隨機存取記憶體(ST-RAM)的複合磁性資料儲存格。磁性資料儲存格包含一磁儲存單元及兩端，可通訊地連接至該磁性儲存單元。磁性儲存單元係被架構以回應於經由終端的自旋動量轉移輸入，取得對應於穩定磁性架構的至少三分開的磁阻輸出位準之任一輸出位準。
圖1顯示依據顯示例之磁性資料儲存格100。幾個磁性資料儲存格，例如磁性資料儲存格100可以包含在一資料儲存裝置或其他資料儲存系統中，並被架構以儲存各種範圍數量的資料。磁資料儲存格100的每儲存格可以儲存一位元以上之資料，並可以稱為複合資料儲存格。不同於只能一格編碼一位元的簡單資料儲存格，一複合資料儲存格能維持兩種以上之穩定狀態，因此，能每格編碼一位元以上之資訊。每資料儲存格的編碼多位元的能力及每格的相對物理參數表示在其他優點間，磁性資料儲存格100有能顯著地增加ST-RAM的儲存密度。
磁性資料儲存格100包含磁資料儲存單元110及第一終端111及第二終端113，可通訊地連接至磁資料儲存單元110。終端111、113均連接至節點115，經由該節點終端可以自外部源接收信號，例如有關加入有磁性資料儲存格100的裝置或系統之讀取及寫入信號。儲存格100能經由第一終端111及第二終端113寫入或讀出。磁性資料儲存單元110被架構以回應於經由終端111、113的自旋動量轉移輸入，取得對應於穩定磁架構的至少三個分離磁阻輸出位準的任一者。以下討論對磁單元110如何提供此一架構及此磁阻輸出位準，依據圖1的顯示例及隨後圖式之其他實施例之更詳細說明。
磁性資料儲存單元110在此顯示例中包含兩磁性層：第一磁性層121，及第二磁性層123。第一磁性層121具有厚度T1 ，其係大於第二磁性層123的厚度T2 ，而兩磁性層121及123在此顯示例中，均具有大致相同的半徑R，即在標稱製造公差內的相同半徑。磁性層121及123易受到不同磁性狀態，包含平行及反平行磁性狀態，但也能假想不同磁相，及不同磁取向。圖2、3及4顯示磁性層之一可以進入的三個不同磁相。
磁性資料儲存單元110也包含中間非磁性層122，在兩磁性層121、123之間。可以使用的中間層之類型為隧道阻障層，其被架構以量子穿隧磁阻。例如，隧道阻障層可以由例如金屬氧化物的絕緣材料所構成，該金屬氧化物可以包含AlO、TaO及/或MgO。另一類型之中間層為金屬層，其被架構用於巨磁阻。此中間層可以由例如金、銀或銅之高導金屬所構成。在其他例子中，也可以使用架構用於其他目的的其他類型之中間層。
圖2顯示徑向或“洋蔥”磁相。磁性層220具有由極291延伸於層220的圓周至第二極293(並在層220外展現更複雜行為)的磁化線299，該第二極293係安置在層220的圓周上的相對點。圖2所繪之磁化線的取向界定第一磁極性，而在不同磁架構中，磁性層220也可以在徑相中具有一磁化線，但相反取向，磁化線由第二極293發出到第一極291，界定與圖2相反的極性。兩磁性層可以安排於一堆疊中，使兩層在一徑向磁相，及其磁化線彼此安排為兩極性之任一，即呈平行架構，有兩層被朝向相同方向的極性，或者，呈反平行架構，令其極性朝向相反方向。包含一疊兩層具有徑向磁相的磁格可以展現兩磁阻輸出，以對應於是否該等層係為平行或反平行磁相。然而，本案之不同磁格除了徑向或圖2所示之“洋蔥”相外，也可以例如加入不同磁相的層。圖3顯示磁性層320為圓柱或“渦旋”磁相，而圖4則顯示磁性層420為垂直或“桶狀”磁相。圓柱相及垂直相也具有相反取向，磁性層可以假設任一取向在特定相內。
圖3顯示具有呈圓柱或“渦旋”磁相的磁化線399的磁性層320，其係周圓地安置在中心軸旁。如圖3所示，磁性層320包含呈順時針或左手螺旋性取向的磁化線399。在圓柱磁相中之磁性層也可以朝向逆時針或右手螺旋，其中磁化線係朝向與圖3所示者相反。兩此磁性層疊在一磁格中可以具有平行螺旋性，其中在相同取向中具有螺旋性，造成較低磁阻輸出位準，或者，它們可以具有反平行螺旋，其中兩層之螺旋性係於方向上相反，造成較高磁阻輸出位準。
圖4顯示具有磁化線499與垂直磁相中的磁性層420，其係大致安排於平行於在層內的磁性層420的中心垂直軸(並展現層420外的更複雜行為)。如圖4所示，磁化線499係被描述為相對於磁性層420朝向向上，而磁化線499可以同樣地安排為相反“朝下”方向，及在垂直磁相中之兩堆疊磁性層可以令其磁化線安排為平行，兩者可以一起朝向上或朝向下，或其磁化線可以為反平行，朝向相反方向，造成較高之磁阻輸出位準。
兩堆疊層可以各自在圖2-4中所繪之三磁相之任一，如果相同相，則可以為平行或彼此反平行。藉由在磁格任一端的終端的磁性層，自旋動量轉移輸入的影響，磁性層也可以被引入以切換取向及/或由一磁相切換至另一取向，該磁格包含一疊兩或更多磁性層，如圖1所示。因此，由於各種磁相及/或取向的各種不同組合所造成之各種不同磁阻輸出位準可以編碼於單一磁格中，該磁相及/或取向可以被選擇地引入格內之層中。以下提供有關一或更多該等層如何被引用以切換至可以不同磁取向或不同磁相及有關所得各種磁阻輸出位準被編碼入單一磁格的說明，並包含參考圖5及圖6。
兩鄰近堆疊磁性層的各個可以是上述參考圖2至4中所示之任一磁相，並可以為在各個相中可得之任一取向，即徑向相中的任一極性、圓柱相中的任一螺旋性、及垂直相中之任一極性。包含不同磁相及取向之選擇組合集界定一特定磁性層可以假定的六個不同磁狀態。利用任一這些磁狀態的兩鄰近磁性層堆疊可以得到36不同磁取向中之任一，即在兩鄰近層之各個層中之六磁性狀態的乘積，其中，兩鄰近狀態的各個組合界定不同磁架構。
在本顯示例中，磁相係彼此線性獨立，因此，如果在格內之層為不同磁相，則層的取向並不會影響磁格的架構或磁阻輸出位準。只有當該等層在相同磁相時，層的取向然後決定是否所組合堆疊為平行或反平行架構。可以為具有兩疊堆層的磁格所用之不同磁阻輸出位準係藉由取三磁相之一給該等層之一層，組合上具有一可用相的另一層，及如果在與第一層相同的相，取任一可用取向給總數12個不同可用架構加以界定(如果其他變數被忽略)。其他變數也可以討論如下，這些可以進一步乘以單一磁格的可用架構數。
磁性層的磁相及取向的操縱能力係進一步討論如下。當自旋極化電流通過磁性材料時，由自旋轉移的角動量對材料的磁矩施加一力矩。在由固定或參考磁性層構成的磁雙層及例如圖1的固定層121及自由層123的自由層中，自旋極化電流將角動量由固定層轉移至自由層，並施加一力矩在該自由層上。在磁性單元110中，電流被垂直驅動經在該終端111及113間之該堆疊，使得自旋力矩驅動平行於該固定層121的自由層123以正偏壓(電子流由下終端111流動至上終端113)，並有負電流偏壓反平行(電子流由上終端113流動至下終端111)。Landau-Lifshitz方程式可以用以描述在自由層動力學的作用，藉由加入來自自旋極化電流的磁化作用：
其中I為垂直流經磁性層的平面(CPP)的電流，Msfree 為自由層飽和磁化，Msfixed 為固定層的磁化，ε為有關於電流的自旋極化的效率因數，及V為自由層的體積。
此方程式的解答很到一臨限電流密度Jc ，超出該臨限則自由層的磁化可以取決電流流動的方向，驅動該固定層為平行或反平行。依據以下公式，電流密度取決於幾項變數，例如自由層的磁場及物理參數：
其中t為自由層厚度。
磁性層的自旋力矩操縱原理可以適當地應用至以下所示之額外例子。
圖5描述依所示例子之磁性層為磁性層的半徑及厚度函數的相位圖500。x軸表示增加外徑，例如圖1的磁性層121及123的量測值R；而y軸則表示增加厚度，例如圖1之磁性層121的厚度T1 及磁性層123的厚度T2 。界線502、界線504及界線506表示雙穩狀態的線-即磁性層的半徑及厚度的參數組，其中對於任一磁相具有相等的最小能量，使得其可以在任一磁相中均相對地穩定。界線502、504及506均交叉於三相點501，該點表示三穩態-即，一特有半徑及厚度值組，在該點磁性層在任一不同可用磁性相中，具有相等的最小能量，並可相等地設設任一狀態。界線502、504及506將單穩態的三個區域512、513及514彼此分開。
尤其，圖中之區域512描述一組半徑及厚度，其中磁性層在直徑，或洋蔥磁相中有最低能量最小值，如同磁性層220；圖的區域513表示一組半徑及厚度參數，其中磁性層在圓柱或旋渦磁相中具有最低能量最小值，如同磁性層320；及圖中的區域514描述一組半徑及厚度參數，其中磁性層在垂直磁相中具有最低的能量最小值，如同磁性層420。界線502描述一組參數，其中能量最小值變成等於洋蔥或渦旋磁相，即磁性層220及320的相位；界線504描述一組參數，其中能量最小值變成洋蔥或垂直磁相，即磁性層220及420的任一相位；及界線506表示一組參數，其中能量最小值變成等於渦旋或垂直磁相，即磁性層320或420的相位。
於x及y軸上所述之半徑及厚度以稱為磁交換長度Lex 的規格長度加以正規化，使得半徑係以磁性層的半徑除以磁交換長度或Rout /Lex 加以表示；及厚度係以由磁性層的厚度除以磁交換長度或T/Lex 加以表示。沿著這些軸所提供的特定值只表示一例示例子，並取決於很多因素，例如，該層所作成之材料而定。縮放因數Lex 的優點為使得相位圖500可以應用至任一磁性材料，只要該材料的磁交換長度為已知。例如，磁性層所構成的例示材料為高導磁合金(Py)，其具有5.7奈米的磁交換長度。給定材料的磁交換長度係依據下式，由材料的交換常數A、飽和磁化Ms 及自由空間的導磁係數μ0 所決定：
再次參考圖1，相較於圖5，圖1的磁資料儲存單元110的磁性層121、123具有大致相同的半徑，而層121具有較層123為明顯較大的厚度。層121及123的半徑及厚度參數因此可以繪在磁相圖500中，位置521用於層121，及位置523用於層123。在該圖中，兩層的位置係沿著軸520彼此垂直分開，該軸表示兩層具有相同的給定半徑值，但不同的厚度值。表示磁性層121的位置521係在相位圖的區域513中，以具有相當大的邊界將之與雙穩界線分隔，並在渦旋相中最有清楚通用能量最小值；而在相同半徑表示磁性層123並較位置521具有較低厚度的位置523係安排接近界線502，使得其在渦旋及洋蔥相中，接近平衡本地能量最小值。層121及123及在磁相圖500中之對應位置521及523為代表例，被選擇以顯示所涉及的原理，但取決於特定設計，其他例子也可以包含具有任意組合的物理參數的各種磁性層置放在磁相圖500的任一區域中。
圖6及7提供成為磁相函數的能量輪廓係如何依附於磁相圖500中所參數，如所示表示有位置521及523。在圖6及7中之寫入信號可以包含任意信號，其可以表達自旋動量轉移或作動以影響磁性層的能量，例如電流、電壓、磁場等等。
圖6之圖表600描繪能量為用於不同磁相的寫入信號的函數，用於例如具有物理參數之層121的磁性層，將之置於相位圖500的單穩區之一內。在此特定例中，層121具有在渦旋相中之通用能量最小值，使得其容易進入該相位，並然後穩定地保留在該相位，使得只有需要大量輸入能量可將之強迫回到渦旋態。層121仍有洋蔥相的本地能量最小值，但其係為渦旋相的通用能量最小值所變小，並在能量輸入被侷限至遠低於通用最小值的電位井的操作條件下，而將不會顯著影響層121的穩定配置。
另一方面，圖7顯示能量為不同磁相的寫入信號的函數圖700，用於例如具有物理參數的層123的磁性層，將之放置接近相位圖500的相界線之一，例如，層123的界線502。層123對洋蔥及渦旋相具有大致相等的能量最小值，使得其保持穩定於該等相中，但也可以回應於對應於兩相間之磁阻輸出位準阻障的信號，由穩定佔用兩相之一移位至穩定佔用另一相。此一信號可以為資料寫入信號，其可以採用一自旋對準電流形式，其可以表達自旋動量轉移信號為例子。
以兩層串聯堆疊於兩終端間，例如層121及123在資料佔單元110中的終端111及113之間，由於上述參考圖2至7所述之作用，該兩層可以對經由終端傳送的相同信號展現很大不同的反應。因為層121具有將其置放於磁相圖500之單穩區513的厚度及半徑的組合，而層123具有將之置於洋蔥及渦旋狀態間之雙穩的厚度及半徑的組合，所以單一信號可以經由終端傳送至磁性單元110，這將使得層121在有給定螺旋性下的渦旋相內未被干擾，但同時，感應層123以由洋蔥轉移至渦旋狀態或反之亦然，或將在這些相位一內的取向反轉，即反轉至洋蔥相內之相反極性或反轉至渦旋相內的相反螺旋。較厚磁性層121可以作為固定層，而較薄磁性層123可以作為一自由層。此組合表示磁性單元110可以編碼任何三穩態磁阻輸出位準：第一最高輸出位準，具有渦旋相的磁性層123，具有層121的反平行螺旋；一第二中間輸出位準，磁性層123與層121有不同相，即洋蔥相；及一第三最低輸出位準，具有渦旋相的磁性層123，具有層121的平行螺旋。
這三不同磁阻輸出位準係被描繪於圖8所示。圖8描繪相對於如上所述之磁相層121、123的三個不同組合的寫入信號的磁阻輸出位準的圖800，作為磁資料儲存單元110的顯示例。磁資料儲存單元110也包含中間非磁性層122在兩磁性層121、123之間。磁阻輸出位準界定一步階磁滯環於最高輸出位準802、中間輸出位準804、及最低輸出位準806之間，這些位準對應於磁資料儲存單元110的三穩態磁架構。較厚磁性層121保持固為具有給定螺旋的渦旋相中，如821A所示。較薄磁性層123藉由自由轉移於三磁相之間，而保持自由回應於寫入信號，即如823A所示之對另一層121具有反平行螺旋的渦旋相；如823B所示之洋蔥相；或如823C所示之具有平行螺旋的渦流相。磁資料儲存單元110因此被架構以對應於穩定磁架構，回應於如圖1所示的經由終端111及113的自旋動量轉移輸入，得到三個不同磁阻輸出位準之一。磁性層121及123因此被架構以藉由得到三穩磁架構之任一，而回應不同寫入輸入，該等磁架構包含：第一穩定磁架構，其中兩磁性層121及123係被磁化於反平行圓柱(即渦旋)磁狀態中；第二穩定磁架構，其中磁性層121係被磁化於圓柱磁狀態及磁性層123係被磁化於對角(即洋蔥)磁狀態中；及第三穩定磁架構，其中兩磁性層121、123被磁化於平行圓柱磁狀態。
圖9描繪磁資料儲存單元910的不同顯示例，其可以用於磁資料儲存格中。磁資料儲存單元910也包含兩磁性層，層921及923彼此鄰近堆疊並為一中間非磁性層922所分開，該中間層係被顯示架構用以量子穿隧磁阻或巨磁阻。然而，在磁單元910中，磁性層921係被形成為實心主體，如上述之層121及123，而磁性層923係被形成為環或環狀體，具有內徑Rin 界定層923的內部空腔。Rout 界定磁性層923的外徑，如同上述層121及123。與磁性層923的實心形式相反的環提供如圖10所示之顯著不同的磁特性。
圖10顯示磁相圖1000，其顯示用於圖9中示之兩不同磁性層形態的磁相能量最小值作為層的外徑與厚度的函數。界線1002、1004及1006表示實心形成磁性層雙穩參數組，及三相點1010表示用於一實心形成磁性層的三穩態參數組，如圖2所示，而界線1003、1005及1007表示雙穩態參數組，及三相點1011表示用於例如圖9中之層923的環形磁性層的三穩態參數組。實心體的單穩磁相的分開區域1022、1023、1024係與上述參考圖2者相同，而對應環形體的磁相的類比配置區。尤其，對於環形體，相位圖1000的區域1032表示用於直徑向或“洋蔥”磁相的通用能量最小值的參數組；區域1033表示用於圓柱或“渦旋”磁相通用能量最小值的參數組；及區域1034表示用於垂直或“桶狀”磁相的通用能量最小值的參數組。
可以看出，用於環形體的渦旋相區1033與用於實心體的整個渦旋相區1022與用於實體的桶狀相區1024的部份重疊；用於環形體的桶狀相區1034只重疊實體的桶狀相區1024的部份，並重疊用於實體的洋蔥相區1022的一部份；及用於環形體的洋蔥相區1032只佔用實體的洋蔥區1022的小部份。在圖中之相區的差異表示在給定磁性體的磁相回應行為差異取決是否其為實心或環形而定，並利用磁資料儲存單元910的設計優點將如下述。
環形體可以藉由內徑Rin 對外徑Rout 的比加以分類。此可以標示為β的比可以範圍為實心體的0至約很薄環形體的1之間。在圖9之層923及圖10的磁相表示中，例如β=0.6。任何之其他半徑比β可以使用在磁資料儲存格中。具有此等其他值β的層之相位圖在可能值的至少一部份間大約重組在圖10中所繪之兩，但該三相點大致被拉近接近圖的原點(即左下角落)，洋蔥相區大致收縮至低T/Lex 值的更小面積，桶狀相區大致收縮至低Rout /Lex 值的更小面積，而渦旋相區大致膨脹進入另兩相區所失去的領域，用以增加β的更高值。此何此等層皆可使用於不同實施例之磁資料儲存格中。
參考圖10並與圖9比較，圖9中之磁資料儲存單元910的磁性層921、923再次具有大致相同的半徑，而層921具有較層923為厚的厚度。依據若干不同顯示例，層921及923的半徑及厚度參數組可以繪於磁相圖1000中。在兩例子中，層921及923再次以實質相同外徑Rout 形成，使得它們可以沿著對應於Rout 共同值的垂直軸1040繪出。在第一顯示例中，層921的半徑及厚度可以繪為位置1041A，而第二顯示例中，層921的半徑及厚度可以繪為位置1041B；而層923的半徑及厚度可以被繪為位置1043，用於兩所示之顯示例。
在第一例子中，如參數組1041A所示，磁性層921係明確地在用於實心體的磁相圖1000的單穩渦旋區內。較薄環形磁性層923係被一組外徑及厚度參數所形成，該組參數係置放於接近用於β=0.6的環形體的洋蔥相區域1032與渦旋相區1033間之雙穩態界線1033。環形層923係被自由轉移於不同磁架構間，包含雙穩磁相及在這些相內的自旋對準電流感應取向，而環形層921被固定在具有給定螺旋的單穩渦旋相中。這與前述例子一樣，再次使得包含磁性層921及923的磁資料儲存單元910，得到三種不同穩態磁架構。尤其，較厚磁性層921再次固定於具有給定螺旋的渦旋磁相中，而較薄及環形磁性層923則自由地為由外部感應的寫入電流所操縱，以轉移於反平行取向渦旋相、洋蔥相、或平行取向渦旋相間，以堆疊組合得到了三種不同磁阻輸出位準的任一種。然而，在此例子中，環形體也造成了另一獨立參數，即內徑，其可以在磁性層設計時，與材料、外徑及厚度一起改變，以決定其磁相行為。
為環形體之內徑所提供之其他差異包含例如由於渦旋核心的條紋場的免除，並能使用整體較薄層，造成每磁格較小的尺寸及較大的儲存密度。考量磁相圖1000，磁性層923能以較用實心層為小的厚度完成雙穩態，於實心層中在洋蔥與渦旋相間之雙穩態界線係遠高於給定半徑的厚度。較小厚度不但表示整個磁格的厚度較低，同時，也降低在環形體空腔中缺少材料的質量，並且，例如由於較高的表面積體積比，而使得層有較佳的熱散。
在前述圖10所涉及的第二顯示例涉及以磁相圖1000的位置1041B的參數來替換磁性層921的參數。以對應於此位置的參數，固定磁性層921仍較厚，但已沒那麼厚，並現將被固定在單穩洋蔥相，而不是渦旋相。其也固定至一給定取向，其係在洋蔥相時表示一給定極性，及當在渦旋相時則相反於給定螺旋。在此例子中，較薄環形磁性層保有相同參數，並仍相等地雙穩定於洋蔥相與渦旋相之間，除了反平行洋蔥相將提供最高阻輸出位準組合上固定於洋蔥相中之鄰近層，平行洋蔥相將提供最低磁阻輸出位準，及為渦旋相之環形層923將提供一中間磁阻輸出位準。因此，在此例子中，磁性單元910再次以三個不同磁阻輸出位準得到三個穩定磁架構，但使用不同套的磁架構。此例子也提供其他的不同點，例如具有相當厚的磁性層921變成相當薄，因此，可以進一步降低磁資料儲存單元910的總質量及體積並進一步增加包含有一陣列此等格的資料儲存系統的資料儲存密度。
圖1之磁資料儲存單元110及圖9的磁資料儲存單元910(依據單元910的任一例)，因此，每單一磁格均提供三個不同磁阻輸出位準，與傳統磁格的只有兩輸出位準不同。然而，於此仍如下所討論的其他顯示例子，其中每單一磁格提供更多不同磁阻輸出位準。
圖11顯示依據另一顯示例，另一複合磁資料儲存單元1110的透視圖，其可以用於磁資料儲存格中，以及，相關於複合磁資料儲存單元1110內的不同層之磁相的不同組合的寫入信號的磁阻輸出位準的輸出位準圖1100。磁資料儲存單元1110包含一疊三層的磁性層1121、1123及1125。實心形成的相當厚層1121係安置在該堆疊的一端；環形相對厚層1123係安置在該堆疊的另一端；及環形相當薄層1125係安置在該堆疊的中間，在層1121及1123之間。在所示實施例中，各個鄰近對的磁性層係為架構用於巨磁阻、量子穿隧磁阻或其他類型磁阻的中間非磁性層所分開。更明確地說，磁性層1121及1125係為中間非磁性層1124所分隔，及磁性層1125及1123係為中間非磁性層1126所分隔。此設計完成了磁資料儲存單元1110，以在單一格內得到對應於四不同磁阻輸出位準的四個不同磁架構的任一，如同輸出位準圖1110所示。這仍乭以提供資料儲存密度的進一步增加，對於包含在顯示磁性單元1110中所繪之類型的磁單元的資料儲存系統。
尤其，在顯示例中，實心層1121係固定於洋蔥(即直徑)磁相中，具有固定取向(即在所示例子中的負極性，其中“正”及“負”極性係可以任意選擇，以對應至圖11中之向右及向左取向磁化)，及環形層1123係被固定於渦旋(即圓柱)磁相，具有固定取向(即在此例中之左手螺旋，以1103表示)。在其間之環形層1125容易在洋蔥或渦旋相中、及在洋蔥相的任一極性及在渦旋相中任一螺旋中，受到自由轉移於雙穩態之間。此配置表示自由轉換層1125將一直在與鄰近層1121、1123之一或另一個在相同相，並與該相同相的層有平行或反平行取向。對於磁性層的選擇參數，這得到四個不同相等穩定的磁阻輸出位準。
如於圖11所示，中間層1125有四個磁狀態，包含在兩磁相之任一相中的兩取向的任一，而上及下層1121、1125保持在固定相及取向，表示在磁性層1110中的層組合得到四個不同穩定磁架構，成為中間層1125的相位及取向的函數。如於輸出位準圖1100所示，這四個穩定磁架構包含四個如下所述之如輸出位準圖1100所示的下降順序磁阻輸出位準的穩定磁架構。在1102所表示之磁架構中，中間層1125為具有右手螺旋的渦旋，使得層1125及1123係被磁化於渦旋磁相中的反平行磁狀態中。在1104所表示之第二磁架構中，中間層1125係為具有正極性的洋蔥相，使得層1125及1121被磁化於洋蔥磁相中的反平行磁狀態中。在1106的第三磁架構中，中間層1125係具有負極性之洋蔥相，使得層1125及1121被磁化於洋蔥相中的平行磁狀態中。在1108表示的第四磁架構中，中間層1125係為具有左手螺旋的渦旋相，使得層1125及1123被磁化於渦旋磁相中的平行磁狀態中。
圖12描繪圖11所示之磁單元1110的磁性層1121、1123、1125的相圖，成為各個磁性層的半徑及厚度的函數。位置1241、1243及1245分別表示磁性層1121、1123及1125的外徑及厚度參數代表值。位置1241、1243及1245均落於軸1240的接近區間內，表示每一層有大致相同半徑。實心層的相位區域界線1202、1204及1206被表示為如下所討論之用於β=0.6的環形層的相位區界線1203、1205、1207。相位區域界線1202、1204、1206係可應用至用於磁性層1121的位置1241，因為其為實心形成，同時，相位區域線1203、1205及1207可應用至用於磁性層1123及1125的位置1243及1245，因為它們被環形形成。因此，儘管位置1241及1243的接近，表示磁性層1121及1123的類似外徑及厚度，位置1241被明確地定義在實心體的洋蔥磁相的區域內，同時，位置1243係被明確地定位在用於β=0.6的環形體的渦旋磁相的區域內，並具有渦旋相的很單穩磁化。同時，位置1245係在界線1203的接近區間內，該界線1203分離給定外徑及厚度的β=0.6的環形體洋蔥相及渦旋相，表示在兩磁化中為實質雙穩態，並可以容易地回應於實質類似大小的寫入信號，以轉移於洋蔥及渦旋相間，然後，保持穩定於所感應的相內。
這進一步顯示磁性單元1110可以假設四個穩定磁架構的任一，得到四個不同磁阻輸出位準。此複合磁格的四位準可以指定至一數位協定，其中它們回應為00，01，10及11的四狀態之任一，使得包含磁性單元1110的單一磁格編碼兩完整位元的資訊，藉以相較於每一格編碼單一位元的傳統非複合磁格，每一格整整加倍了空間資料儲存密度。磁單元1110也是如此，同時仍保留每格只有兩終端的架構，使得需要操縱格1110進入四磁架構之任一的所有寫入及讀出其所在的四架構的讀取信號可以經由連接至在堆疊層的任一端的該格的兩終端加以完成，如繪於圖1中之終端111及113的形式。
圖11及12的例子只是顯示性，及很多其他例子也可以使用，其中若干層可以以任何配置加以彼此靠近，並配合上依據於此所討論的原理，在物理參數、材料、形成、固定磁相、及可用自由磁相間作任意組合。
因此，有很多選項可用以操縱各種組合磁格的可用磁架構，例如厚度、外徑、是否層為實心或環形、內徑(於環形時)、所用之層數量。也可以使用以進一步開發格的儲存容量的其他選項包含組合磁性層的磁性材料的選擇，磁性層釘住力的使用、磁性層間之中間層的使用。這些額外選項進一步說明如下。
如前所述，磁相圖500、1000、1200係使用一縮放因數加以定標，以上定義所交換的長度係為該構成層的特定材料的函數。因此，不同層使用不同材料表示這些層的磁相圖的絕對標度係彼此有所不同，及為絕對外徑及厚度的函數的各個層之磁相行為也對等地不同。例如，可能可以有相同外徑與厚度的兩層但不同材料，一個為固定於穩定磁相及取向，而另一則在其特定磁相圖中之雙穩界線上，及該層可自由容易受到轉移至兩磁相與取向的任一。可以使用作為磁性材組成的材料例包含鐵、鈷、鎳、高導磁合金、Heusler合金及任何鐵磁材料。可以使用的Heusler合金可以由例如兩份的銅、鎳、鈷、或其組合；一份錳、鉻、鐵或其組合；及一份錫、鋁、矽、砷、銻、鉍、或硼或其組合所構成。熟習於本技藝者將了解其他材料的選擇也可以適用於一特定應用中。
可以用於磁資料儲存格的磁性層的另一選項中，其一層可以磁力釘入選擇磁相中，使得其被保持固定於想要相及取向中，而不管依據上述磁相圖之一所示之其外徑及厚度所預測的相。例如，圖1的磁性單元110將被保持與磁相圖500的參數組位置521所示之相同外徑及厚度，但磁釘力於洋蔥磁相，否則如果磁釘力被移除時，它將在渦旋相中的單穩態中。此磁釘力配置所修改的磁性單元110然後再次得到對應於不同磁阻輸出位準的三個穩定磁架構，其中三磁阻輸出位準中之最高及最低者對應於兩洋蔥相中的兩層的反平行及平行取向。各種磁釘力技術係為熟習於本技藝者所了解。因此，磁釘力提供另一獨立參數，其可以在不同複合磁資料儲存格設計中加以改變。
圖13顯示另一複合磁資料儲存格1300的透視圖，其包含可以用於磁資料儲存格中的磁資料儲存單元1310，及磁資料儲存單元的不同可能磁架構。複合磁資料儲存格1300顯示另一多磁相的應用，此時，為經由多層磁堆疊，傳遞“分立域壁”。圖14-17提供有關圖13的資料儲存單元1310的結構及功能的資訊。更明確地說，圖14描繪資料儲存單元1310的磁阻輸出位準為複合磁資料儲存單元1310內之磁性層的磁相的不同組合的函數之輸出位準圖1400。圖15描繪磁資料儲存單元1310的磁性層的相圖成為依據顯示例之各個磁性層的半徑及厚度的函數圖。圖16及17顯示磁資料儲存單元1310的不同磁架構的不同時序順序。
如圖13所示，磁資料儲存單元1310包含一疊六個磁性層1321、1322、1323、1324、1325、1326，其係彼此為中間非磁性層1331、1332、1333、1334、1335所分隔，並可以架構以量子穿隧磁阻、巨磁阻、或其他功能。複合磁資料儲存格1300也包含安置於鄰近磁資料儲存單元1310的末端的終端1311、1313，並分別與磁性層1321及1326直接接觸。在磁資料儲存單元1310的特定例示實施例中，所有磁性層1321、1322、1323、1324、1325、1326被架構為具有相同半徑與厚度的實心體。這係在圖15中之相位圖1500表示，這顯示在圖中之位置1541的各個磁性層1321、1322、1323、1324、1325、1326的半徑及厚度。各種其他架構也可以用於其他實施例中，包含任意數量的磁性層、環形層或環形與實心層的組合、不同層厚度或其他特性的組合及其他變化。
類似於前述之相圖，相圖1500描繪該等層的定標外徑及定標厚度為x及y軸，並描繪雙穩態磁相界線1502、1504、1506為定標外徑及厚度的函數。更明確地說，如上述，雙穩態界線1502表示在洋蔥或渦旋磁相中，形態描繪層為相等穩定；雙穩態界線1504表示在洋蔥或垂直磁相中，形態描繪層相等穩定；及雙穩態界線1506表示在垂直或渦旋磁相中，形態描繪層為相等穩定。位置1541置放在雙穩態界線1504上，表示各個磁性層1321、1322、1323、1324、1325、1326在垂直於各磁性層的平面的垂直磁相中，或在各個磁性層中之平面內的洋蔥磁相中為相等穩定。如位置1541所表示，磁資料儲存單元1310提供具有每層相當低外徑及厚度的顯著優點，表示包含此一磁單元的磁格的整體相對小的體積、低質量及高速的熱損。圖13也描繪磁資料儲存單元1310的不同可用磁架構1301、1302、1303、1304、1305及1306。各個磁架構包含同一平面洋蔥相的一層，而其他各層係為垂直不同面磁相。在洋蔥相層的給定側上的垂直相層極性係在各個磁架構中為彼此平行，而對於洋蔥相層不是外層1321或1326之一的架構，即架構1302、1303、1304及1305，在洋蔥相層的一側上的垂直相層係與在洋蔥相層的另一側上的垂直相層相反極性。
更明確地說，在架構1301中，磁性層1321係為洋蔥相，而其他層均為具有向上極性的垂直相；在架構1302中，層1321為具有向下極性的垂直相，層1322為在洋蔥相，及層1323-1326為向上極性的垂直相；在架構1303中，層1321及1322為向下極性的垂直相，層1323係在洋蔥相，及層1324-1326係為向上極性的垂直相；以此類推，架構1304-1306。洋蔥相磁性層均被描繪為一特定極性，但其他極性也可以在不同實施例中被使用。
單一同平面洋蔥相層作動為“分立域壁”，其係稱為磁性層，其作為在兩反平行磁性層間之接面，其中該分立域壁層具有對兩反平行層為正交磁化一更明確地說，洋蔥相構成一磁化，其係正交於在其任一側上的垂直磁性相。這是類同於在連續磁性材料中之橫向域壁，除了該域壁被分立外，並可以經由終端1311或1313，根據自旋動量轉移輸入，而傳遞經磁性單元1310。雖然現行描繪的實施例包含單一分立域壁，但各種實施例也可以架構用於傳遞每磁堆疊任意量的分立域壁，使得磁堆疊，即磁資料儲存單元作動為一移位暫存記憶體。例如，在一磁堆疊內的一組三個鄰近磁性層可以包含一分立域壁，或一組三個層，但沒有一分立域壁並為平行不同平面的磁化，使得分立域壁的出現在一組三個鄰近磁性層內否係用以表示二進制資料的“1”或“0”。各個磁堆疊可以在該堆疊內的每三磁性層編碼一位元的二進制資料，以該多位元易受到如所示地傳遞或位移經該堆疊，用於覝行繪出實施例中之單一分立域壁，而使得每一堆疊可以作動為移位暫存記憶體。
如圖表1400所繪，在磁資料儲存單元1310之圖13所繪之六個不同磁架構，回應於讀取/寫入信號，提供六個不同位準的磁阻1301A、1302A、1303A、1304A、1305A、1306A。複合磁資料儲存格1300因此被架構以回應於經由兩終端1311、1313的至少一個的自旋動量轉移輸入，對應於如圖13所繪之六個不同穩態磁架構1301、1302、1303、1304、1305、1306得到至少六分立磁阻輸出位準之任一。一提供額外細節有關磁儲存格1300如何被使用的顯示例係如下參考圖16及17加以說明。
在另一顯示實施例中，類同於複合儲存格1300的資料儲存格可以保有若干不同磁性層。在另一例示實施例中，資料儲存格可以架構以例如依據於此所述之功能，藉由改變環形層的半徑、厚度及內徑，而在大量層內取得額外的磁相及取向，藉以各個單一磁性單元可以得到大量不同的磁阻位準。
圖16及17分別描繪磁資料儲存單元1310的不同磁架構的不同時序順序1600、1700，顯示經由一多層堆疊的磁性單元1310的分立域壁的傳遞。該等圖包含圖13的磁資料儲存單元1310的簡化圖，假設在一時間段上的不同磁架構，及時間係被表示為由左至右進行的x軸。為了簡化起見，中間層並未繪於圖16及17的磁性層間，但任意類型的中間非磁性層均可以安置在每一鄰近對磁性層間。
在圖16中所示的傳遞順序1600中，磁資料儲存單元開始於磁架構1306B，以在同一平面洋蔥磁相中的最低層1326B作為分立域壁，及其他中間層1321B-1325B均對準於該垂直磁相，彼此平行於向下極性。這對應於在圖13中所繪之磁架構1306。然後，電流經由該單元被施加，其可以如圖13所示經由終端1311、1313施加，以傳統電流方向為由上向下，如圖16中之符號“I”所表示，這對應於被由單元的底端向上導引的電子流，如圖16中之符號“e”所表示。當具有向上電子流的電流被驅動經該堆疊時，自旋動量係逐層轉移，使得每一層經歷來自下層的平行對準力矩及經歷來自上層的反平行對準力矩。分立壁傳遞向上的淨作用如所示係隨著時間增加而增加。因此，電子流將由終端1313發出，如圖13所示，並與磁性層1326B接觸，如圖16所示。此電子流可以作為讀取及/或寫入信號，並可以構成自旋動量轉移輸入，並逐層傳遞分立域壁洋蔥相磁化。明確地說，為磁架構1305B所示之磁單元的第二時序代表圖顯示在最低磁性層1326B中，磁相由洋蔥相轉移至向上極化，而磁性層1325B係由向下極化垂直磁化轉移至洋蔥相磁相。
磁相轉移的相同傳遞係被持續如同在磁架構1304B、1303B、1302B、及1301B，如圖16所示，如同自旋動量轉移信號持續並且分立域壁進一步被傳遞經由磁性層堆疊。雖然在圖16所示持續直到洋蔥磁相的分立域傳遞一直通過磁堆疊，直到其佔用在磁架構1301B中之最上磁性層1321B為止，當磁單元為所繪之任一磁架構時，該傳送信號也可以在任意中間時間停止，然後穩定地維持在該磁架構。另外，雖然在本例示實施例中繪出六個磁性層，但任意數量的磁性層均可以用於其他實施例中。於圖16中所繪之磁架構的編碼經由在單一複合磁資料儲存格中無限量的磁性層，而構成的磁域壁的分立或數位化，因此，使得該單一複合格儲存可能無限量的資料，而只具有經由每格的多數層編碼及讀取資料的速度與多格相平衡的設計考量所決定的實際限制。
圖17描繪傳遞順序1700，其係對應於傳遞順序1600，除了傳送經磁單元的信號方向相反。因此，圖17描繪一啟始磁架構1301C，具有共平面磁相佔用最上磁性層1321C，而磁架構1302C-1306C表示由與最上層1321C接觸的終端發出自旋動量轉移信號的作用，其以共平面相的形式傳遞分立域壁向下經由層1322C-1326C，成為該信號指引入磁單元中之時間量(或其他作動於時間上的變數)的函數。因此，磁格經由磁單元的任一端，完成信號接收，逐層地將分立域壁驅動，藉以將多位元資訊編碼入該單一磁單元。
圖18描繪依據另一顯示例的資料儲存系統1800。資料儲存系統1800包含多數磁資料儲存格，例如示於資料儲存系統1800的放大內視圖的資料儲存格1802。資料儲存格1802的例示取樣1801並未依規格繪出，及資料儲存系統的各種實施例可以包含任意量之可能多到百萬、十億、兆或更多的可操作連接複合磁資料儲存格。雖然在圖18的顯示例中，資料儲存系統1800係被描繪為單一裝置，但資料儲存系統的其他實施例也可以包含任意量的網接或連接資料儲存裝置，並可以包含若各種不同類型的裝置，包含可能包含複合磁資料儲存格及其他散佈在空間體積中。雖然該陣列的資料儲存格1802描繪取樣1801中，操作信號線連接至格的所有終端，此描繪被簡化，及用以送出信號及接收信號以進出可以在不同實施例所用的個別磁格。
包含在資料儲存系統1800內的磁資料儲存格1802包含代表磁格1802n，其係描繪於分開的另一放大視圖中。代表磁資料儲存格1802n包含第一終端1811n、第二終端1813n，及軸對準磁單元1810，其包含三個大致圓柱磁性層1821n、1825n、及1823n，與位於鄰近對磁性層間之中間非磁性層1824n、1826n。
圖19描繪以類似上述技術依據顯示例，用例如上述磁資料儲存格記錄資料，及使用上述磁資料儲存單元的方法1900。方法1900開始於步驟1901，並包含步驟1903，用以提供資料儲存系統，包含多數磁資料儲存，其中代表之資料儲存格包含兩或更多終端，可操作地連接至磁堆疊，該磁堆疊包含至少兩磁性層，包含至少一磁性層架構以回應於經由該等終端的入得到一個以上之穩定磁相，使得回應於經由終端的輸入，磁堆疊得到三或更多穩定磁相。方法1900更包含步驟1905，藉由將至少一磁性層由其多穩磁相之一磁相轉移至多穩態磁相的另一磁相，而經由至少一終端供給自旋動量轉移寫入信號，以寫入一或更多資料單元至磁資料儲存系統。
以上步驟係足以將資料寫入磁格。方法1900更包含讀取資料的後續步驟，以虛線框所表示，選用之資料讀取步驟。方法1900可以包含步驟1907，用以經由至少一與用以施加寫入信號的相同終端，來施加一讀取信號，以及步驟1909，用以根據至少部份之讀取信號，提供使用可感知之輸出。此使用者可感知之輸出可以視可感知或有形的形式，例如在監視器上之臉孔、實體列、來自語音使用者介面的音訊或其他音訊輸出格式、鍵盤輸出、傳送於應用或網路節點間之資料信號，最後加入下一使用者輸出等等。
應了解的是，即使本案的各態樣的特徵與優點已經在前述說明加以配合上各架構的細節與功能加以描述，但此揭示只作例示用，在隨附之申請專利範圍所表示之範圍內，對於各細節上之變化，包含在本發明原理內的部件的結構與配置係可以完成的。例如，雖然磁性層及磁單元在圖式中係被描繪為圓柱形並具有相同外徑，但各種層可以使用，這些層可以彼此有變化的半徑、變化的形態，特別是所用材料的晶格的更有效與固有的形態，特別是作為在後續發展中有更小之儲存格大小者。另一例子中，雖然於此所討論的例子特別提及圓柱單一尺寸堆疊磁性層為具有渦旋或洋蔥相者，但其他磁格也可以使用，其中各種層係被堆疊或安排彼此鄰近於任意配置、多個尺寸中，其，中所用的層也被固定於桶狀相中，這些在渦旋及桶或洋蔥及桶相中為雙穩態，或者，在這三相中為三穩態。在另一例子中，本案之資料儲存格或資料儲存系統可以配合包含涉及磁阻、巨磁阻、龐磁阻、快閃記憶體、光學體、磁光體、光子、自旋電子、全像術及其他技術的資料之儲存及/或操縱一起使用。另外，本案並不限於資料儲存或操縱的系統，也涉及自旋力矩磁操縱的技術。
100．．．磁資料儲存格
110．．．磁資料儲存單元
111．．．第一終端
113．．．第二終端
115．．．節點
121．．．第一磁性層
122．．．中間非磁性層
123．．．第二磁性層
220．．．磁性層
291．．．極
293．．．極
299．．．磁力線
320．．．磁性層
399．．．磁力線
420．．．磁性層
499．．．磁力線
910．．．磁單元
921．．．磁性層
922．．．中間非磁性層
923．．．磁性層
1110．．．磁資料儲存單元
1121．．．磁性層
1123．．．磁性層
1125．．．磁性層
1124．．．中間非磁性層
1126．．．中間非磁性層
1300．．．磁資料儲存格
1310．．．資料儲存單元
1311．．．終端
1313．．．終端
1321-1326．．．磁性層
1331-1335．．．中間非磁性層
1800．．．資料儲存系統
1802．．．資料儲存格
1802n．．．代表磁格
1811n．．．第一終端
1813n．．．第二終端
1810n．．．軸對準磁單元
1821n．．．磁性層
1823n．．．磁性層
1825n．．．磁性層
1824n．．．中間非磁性層
1826n．．．中間非磁性層
圖1依據顯示例之包含磁資料儲存單元及其對應終端與節點的複合磁資料儲存格的透視圖。
圖2描繪依據顯示例之直徑磁相的磁性層透視圖。
圖3描繪依據顯示例之在圓柱磁相中之磁性層的透視圖。
圖4描繪依據顯示例之垂直磁相中的磁性層的透視圖。
圖5描繪依據顯示例之磁性層為磁性層半徑及厚度的函數的相圖。
圖6描繪依據顯示例之用於具有第一組物理參數的磁性層的不同磁相的寫入信號的函數之圖表。
圖7描繪依據顯示例之用於具有第二組物理參數的磁性層的不同磁相的寫入信號的函數之圖表。
圖8描繪依據顯示例之磁阻輸出位準與在複合資料儲存單元內之不同層的磁相不同組合之寫入信號的關係圖。
圖9描繪依據另一顯示例的另一複合磁資料儲存單元的透視圖。
圖10描繪依據一顯示例之幾個磁性層為各個磁性層的半徑與厚度的函數之相圖。
圖11描繪依據另一顯示例的有關於複合磁資料儲存單元的不同層內的磁相不同組合的寫入信號有關的另一複合磁資料儲存單元及磁阻輸出位準圖。
圖12描繪依據顯示例之幾磁性層成為各磁性層的半徑及厚度的函數的相圖。
圖13描繪依據另一顯示例的具有磁資料儲存單元包含在其中之不同可能磁狀態的另一複合磁資料儲存格的透視圖。
圖14描繪依據顯示例之磁阻輸出位準有關於在複合磁資料儲存格內之不同磁性層的磁相的不同組合的寫入信號圖。
圖15描繪依據顯示例之幾磁性層為各磁性層的半徑及厚度的函數之相圖。
圖16描繪依據另一顯示例之磁資料儲存單元的不同磁狀態的時序順序圖。
圖17描繪依據顯示例之磁資料儲存單元的不同磁狀態的另一時序順序圖。
圖18描繪依據另一顯示例之資料儲存系統。
圖19描繪依據顯示例之方法。
1800．．．資料儲存系統
1801．．．取樣
1802．．．資料儲存格
1802n．．．代表磁格
1810n．．．軸對準磁單元
1811n．．．第一終端
1813n．．．第二終端
1821n．．．磁性層
1823n．．．磁性層
1824n．．．中間非磁性層
1825n．．．磁性層
1826n．．．中間非磁性層

Claims (20)

  1. 一種磁資料儲存格，包含：磁資料儲存單元；第一端，可通訊地連接至該磁儲存單元；第二端，可通訊地連接至該磁儲存單元；及其中該磁資料儲存單元被架構以回應於經由該第一端及該第二端的至少之一的自旋動量轉移輸入，而得到對應於穩定磁架構的至少三個不同磁阻輸出位準的任一磁阻輸出位準。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存單元包含：至少兩磁性層，彼此鄰近排列；並架構以回應於不同輸入，以取得：第一穩定磁架構，其中該兩磁性層係被磁化於第一磁相的反平行磁狀態；第二穩定磁架構，其中該等磁性層之一係被磁化於該第一磁相及該等磁性層之一係被磁化於第二磁相；及第三穩定磁架構，其中該兩磁性層係被磁化於該第一磁相的平行磁狀態。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之磁資料儲存格，其中該等磁性層的第一磁性層係被形成為實心體，及該等磁性層的第二磁性層係被形成為環形體。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之磁資料儲存格，其中該第一磁相為圓柱及該第二磁相為直徑，及該形成在該環形體中之磁性層係被磁化於有關於該第二穩定磁架構的 該直徑磁相。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存單元包含：至少兩磁性層，彼此鄰近堆疊；並被架構以回應於不同輸入，以取得：第一穩定磁架構，其中兩磁性層係被磁化於反平行直徑磁狀態；第二穩定磁架構，其中該等磁性層中之一被磁化為直徑磁狀態及該等磁性層之一被磁化為圓柱磁狀態；及第三穩定磁架構，其中該兩磁性層係被磁化於平行直徑磁狀態。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之磁資料儲存格，其中該等磁性層之第一層係被形成為實心體，及該等磁性層的第二層係被形成為環形體，及該形成為該環形體的磁性層係為被磁化於有關於該第二穩定磁架構的該圓柱磁狀態中之該磁性層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存單元包含三磁性層，被架構以回應於不同輸入，以取得對應於穩定磁架構的四個不同磁阻輸出位準，其中該等層中的兩層係為固定及該等層的一層為自由可動。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之磁資料儲存格，其中該四穩定磁架構包含：第一穩定磁架構，其中該等磁性層的兩層係於第一磁相中被磁化為反平行磁狀態； 第二穩定磁架構，其中該等磁性層的兩層係於第二磁相中被磁化為反平行磁狀態；第三穩定磁架構，其中該等磁性層的兩層係於該第一磁相中被磁化為平行磁狀態；及第四穩定磁架構，其中該等磁性層的兩層係於該第二磁相中被磁化為平行磁狀態。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存單元包含至少兩磁性層彼此鄰近排列，其中該等磁性層之至少一層被架構以實質相等地穩定於至少兩不同磁相的任一磁相中。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存單元包含三或更多磁性層，以一堆疊層排列為兩或更多鄰近對，其中該等層之每一層被架構以相等地磁化穩定於垂直或共平面磁相之一中。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之磁資料儲存格，其中該等磁性層被架構以回應於自旋動量轉移輸入，將一或更多分立域壁由一層傳遞至另一層，以使分立域壁被移位經過該磁資料儲存單元。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存單元包含至少兩層由不同鐵磁材料構成的磁性層。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存單元包含兩或更多磁性層，及該等磁性層之至少一層係藉由磁力釘住於一磁相而被維持在該固定磁 相。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存單元包含由鐵、鈷、鎳、高導磁合金、及Heusler合金所構成之群組所選出的一或更多磁性材料所構成的三磁性層。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存格包含中間層，在至少一對鄰近磁性層之間，其中該中間層包含架構用以量子穿隧磁阻的絕緣阻障。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之磁資料儲存格，其中該磁資料儲存格包含中間層，在至少一對鄰近磁性層之間，其中該中間層包含架構以用於巨磁阻的金屬層。
  17. 一種資料儲存系統，包含多數磁資料儲存格，其中該等磁資料儲存格的至少之一包含：第一端；第二端；一軸向對準磁堆疊的兩或更多實質圓柱磁性層，可操作地連接至該第一端與該第二端；其中該等磁性層之至少兩層具有彼此不同的磁相狀態，而該等磁性層的至少一層具有磁相條件，使得該磁層易受到多穩態磁相。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之資料儲存系統，其中該磁相條件包含以下之至少之一：該等磁性層的厚度、該等磁性層的外徑、該等磁性層的內徑、及該等磁性 層物質的組成物。
  19. 一種將資料寫入磁資料儲存系統的方法，包含：提供一磁資料儲存系統，其包含多數磁資料儲存格，其中資料儲存格的一代表資料儲存格包含兩或更多終端，可操作地連接至一磁堆疊，該磁堆疊包含至少兩磁性層，其包含至少一磁性層被架構以回應於經由該等終端的輸入而得到一個以上之穩定磁相，使得該磁堆疊回應於經由該等終端的輸入，得到三或更多穩定磁相；及經由該等終端的至少一終端，施加自旋動量轉移寫入信號，以藉由將該等磁性層的至少一磁性層由其多穩態磁相之一磁相轉移至其多穩態磁相的另一磁相，將一或更多單元的資料寫至該磁資料儲存系統。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，更包含：經由用以施加該寫入信號的相同終端的至少一終端，施加一讀取信號；及根據至少部份該讀取信號，提供使用者可感知的輸出。
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