磁存儲單元的製作方法

2023-12-12 13:12:32

專利名稱：磁存儲單元的製作方法
技術領域：
背景技術：
幾乎每個計算機、電器(appliance)、或可攜式設備主要利用三種不同的存儲器技術來存儲和檢索(retrieve)信息(I)磁性硬碟(HD)，(2)動態隨機存取存儲器(DRAM)，和/或(3)快閃記憶體技術。由於需要克服由每種單獨的技術表現出的各種限制而通常結合使用多達三種不同技術。例如，磁性HD提供最大可能的數據密度，然而磁性HD使用複雜的機械結構(mechanics)來實現這種高數據密度。這種機械結構的複雜水平導致至少三種不良後果。特別是，磁性HD是慢速的、耗能的、以及易碎(quite delicate)的,後兩個缺陷在可攜式設備中很大程度上是不能接受的。廣泛應用於優盤(pen drive)和存儲卡中的半導體快閃記憶體也是非易失性存儲體，但不會遭受與磁性HD相同的易碎性。其結果，快閃記憶體技術即使無法實現類似的數據密度，也仍被認為是取代磁性HD驅動的最佳候選對象。事實上，基於快閃記憶體技術的固態HD今天已經可在市場上取得。然而，從最初的商業化開始起僅過了幾年之後，這種固態HD似乎已經達到了數據存儲密度的極限，儘管事實是存儲容量在幅度上仍比標準磁性HD的幅度小一個數量級。原理上，這種快閃記憶體技術的數據密度限制同樣也限制了極快DRAM的性能。特別是，在這兩個情況下，信息通過存儲電荷的方式得以保留，然而電荷總是洩漏，要麼在隧道勢壘被製作成儘可能薄以提高速度時通過溝道勢壘洩漏(比如在DRAM中)，要麼在比特單元(bit cell)被製作成儘可能小以增加密度時通過勢魚側壁(barrier sidewall)洩漏(比如在當前的固態HD中)。這方面的考慮似乎表明未來的存儲器仍然可能使用磁性材料，倘若這種材料不遭受電荷耗散/洩漏的話。例如，通過使用這樣的材料，就不須依賴於電子的電荷。相反而可以依賴於磁矩。這是首先由在2007年榮膺諾貝爾獎的Albert Fert (Baibich等著，Physical Review Letters,第 61 卷，第 2472-2475 頁)和 Peter Griinberg (Binach 等著,Physical Review B，第39卷，第4828-4830頁)引入的在自旋電子學之後的革命性概念的另一種方案。鑑於這些和其他的近期突破，已經提出了大量的使用磁性比特單元但不具有易碎結構部分的裝置。這樣的磁性比特單元通常被稱作磁性隨機存取存儲器(MRAM)，這是因為它們將磁性存儲器的非易失性與隨機存取存儲器的功能結合在一起。在這些裝置中，雖然通過使用任何的磁阻效應或霍爾效應而很容易實現讀取，但是信息可通過翻轉圖案化的磁性結構的整個磁化方向而被寫入(例如參見，Schuster-Woldan等人著的US 2001/0035545(Al))，或者可通過移位(displace)在穩定的位置之間的磁疇壁(通常被表示為幾何收縮)(例如參見，Bland 等人著的 US 7102477 (B2)和 Wunderlich 的 US 6727537 (B2))而被寫入。最近提出的另一種可能性是，切換磁點中的磁渦旋的核心或手徵性(chirality)(參見例如 Min 等人著的 US 2006/0023492 (Al))。然而，在所有這些情況中，當寫入過程依賴於由地址線上流動的電流所產生的局部磁場時(Nozaki 等人著，Journal of Applied Physics,第 93 卷,第 7295-7297 頁),密度被電磁串擾效應所限制。作為一種替代方法，寫入可以依賴於自旋轉移力矩效應(spintransfer torque) (Slonczewski, Journal of Magnetism and Magnetic Materials,第159卷，第L1-L7頁，Huai等人著的US 7106624 (B2))，但到目前為止，這需要大的電流密度，結果造成由於焦耳熱而引起的比特密度的限制。因此，在磁性比特單元領域仍然存在挑戰，以找到可擴展的磁性結構，所述磁性結構可以在使用小的寫入電流的同時在兩個穩定的磁位形(magnetic conf iguration)之間切換。

發明內容
下面給出所公開主題的簡化的概要，以提供對所公開的主題的一些方案的基本理解。本概要不是所公開主題的詳盡綜述。它的意圖既不是標識所公開主題的關鍵元素或重要元素，也不是詳細描述所公開主題的範圍。其唯一的目的是作為稍後作出的更詳細描述的序言而以一種簡化的形式提出所公開主題的一些概念。本文所公開的主題，在其一個或多個方案中，包括一架構，其包括至少兩種磁穩態的磁性元件或磁性「點」。磁性元件可以是鐵磁性的和導電性的，並具有細長的允許有兩重(two-fold)的能量簡併(energetically-degenerate)的磁位形的幾何形狀(例如,橢圓形)。據此和其他相關的目的，磁性元件可以包括兩種磁渦旋以及偏離於磁性元件的短軸中心的花狀態(flower state)區域，其中所述兩種磁渦旋和花狀態區域設置在處於兩個磁穩定的位形之一的磁性元件上。可以理解，因為磁性元件可以被設置處於兩種穩定位形其中之一(例如，花潤旋狀態)，因此一種花潤旋(flower vortex state)狀態可以定義為狀態「0」，而另一種可以表示狀態「I」。因此，該磁性元件可以用作比特存儲單元的芯體(core)。應當理解的是，用於比特單元(諸如本文所描述的比特單元)的磁性元件的初始磁化狀態不必是兩種花渦旋位形之一，例如在磁性元件從所生長的膜圖案化而形成時。在任何情況下，該結構還可採用使磁性元件磁穩定的方法，其依據花渦旋狀態是否是絕對能量最小或相對能量最小而以兩個方式之一將磁性元件帶至花渦旋位形。例如，通過施加面外的、幅度不小於膜飽和磁化強度的場，磁性元件可以被帶入相對能量最小的花渦旋狀態。可替代地，僅在花渦旋狀態是絕對能量最小的情況下，初始化可以通過加熱系統至其居裡溫度以上的方式來獲得。如果一個以上的磁性元件被集合排列成一陣列以形成存儲裝置，則所有的磁性元件都將同時被設置為花渦旋狀態之一。這樣的初始化程序通常只需要進行一次，並且之後可永久保持在花渦旋狀態，假設在如本文所述的正常操作過程中比特單元陣列被適當屏蔽掉磁場的話。此外，磁性元件也可以配備用於感測磁性元件的當前狀態的讀取裝置，其可以用作讀操作以判定磁性元件是在狀態「0」還是在狀態「I」。此外，磁性元件可以配備用於維持(assert)與簡併的磁位形中任一個相一致的磁穩態的寫裝置，其可以用作寫操作來維持狀態「0」或狀態「I」。下面的描述和所附的附圖詳細闡釋了一個或多個非限制性實施例的某些說明性的方案。然而，這些方案僅表示了各種可以採用所要求保護主題的原理的方法的一少部分，且所要求保護的主題旨在包括所有這些方案及其等同方案。在結合附圖考慮時，所要求保護的主題的其它優點和區別特徵從以下各實施例的詳細描述將變得顯而易見。


圖1示出了具有至少兩個磁穩態的系統的方框圖，該系統設置為處於第一磁穩定狀態。圖2描述了具有至少兩個磁穩態的系統的方框圖，該系統設置為處於第二磁穩定狀態。圖3A示出了描繪能夠被用於將磁性元件在兩個花渦旋狀態(分別由圖1和圖2所示例出)之間進行切換的物理原理的示意性說明的圖示。圖3B提供可被施加到磁性元件而用於寫操作的電流脈衝的圖解說明310。圖4示出了當施加寫電流時磁性元件位形的演變的圖解說明。圖5提供示出了寫-使能的存儲單元的示例性實施例的圖形描述的圖示。圖6描繪了這樣的系統的圖形描述的圖示，該系統表示具有用於寫操作和讀操作這兩者集成的磁阻接觸部的存儲單元的示例性實施例。圖7示出了提供磁性元件的視圖的圖形描述，該視圖示出了在磁阻堆棧沿磁性元件的短軸移位時用該磁阻堆棧檢測的磁位形的變化。圖8描繪了這樣的系統的框圖，該系統描述了將單比特存儲單元集成到一個電晶體一個晶片架構的實施例。圖9是這樣的系統的方框圖，該系統描述了將單比特存儲單元集成到無電晶體的晶片架構的示例性實施例。圖10描述了這樣的過程的示例性流程圖，該過程定義了用於使磁性元件磁穩定的方法。圖11示出了這樣的過程的示例性流程圖，該過程定義了用於為合適的磁性元件維持特定的磁穩態的方法。圖12示出了這樣的過程的示例性流程圖，該過程定義了用於與為合適的磁性元件維持特定的磁穩態相關地提供額外特徵或方案的方法。
具體實施例方式現在參照附圖描述一個或多個實施例，其中類似的附圖標記通篇用於指代相似的元件。在下面的描述中，為了解釋的目的，對許多具體細節作了說明，以便提供對各實施例的透徹理解。然而，顯而易見的是，所要求保護的主題可以在沒有這些具體細節的情況下實施。在其他實例中，公知的結構和設備以框圖的形式示出，以便於描述各種實施例。本文公開的發明一般性地涉及一種磁性、導電性的比特單元或其組件，通過施加垂直於比特單元平面的小電流，所述比特單元或其組件可以在兩個穩定的鏡像(specular)的磁位形之間切換。該單元可以由細長的磁性元件或磁性「點」組成，其幾何形狀被選擇為能夠穩定由兩個渦旋和花狀態(flower state)區域組成的非均勻的磁位形。這種幾何形狀的一種可能的實現是呈預定的厚度和縱橫比的橢圓形。這樣的結構代表了兩重(two-fold)的簡併(degenerate)的相對能量最小的系統。可理解的是，給定的穩定狀態不一定是絕對能量最小，但其可以通過施加通常不小於膜飽和磁化強度的面外(out-of-plane)場而易於穩定。由於旋轉(curling)的磁位形，比特單元之間的靜磁(magnetostatic)交互作用非常小,這允許高密度集成。此外,通過施加垂直於單元平面的電流，該單元可以在兩種狀態之間進行切換。此電流可以被迫流入小於點區域的區域中，該區域可以是但不一定必須是與所述點區域同心的。因此，基於所述電流，可產生依據電流極性對一個磁渦旋是吸引的而對另一個渦旋是排斥的磁勢。通過使電流區域與所述點同心可以實現最小的寫電流。然而，這意味著使用第二磁阻接觸部(contact)用於數據讀取。然而，通過使電流區域相對於點中心移位，同一接觸部可以被用於數據的讀和寫這兩者。如在本申請中所用的，詞語「示例性」被用來表示作為示例、實例或說明。本文所描述的作為「示例性」的任何方案或設計不一定被解釋為比其它方面或設計更優選或更有益。相反地，詞語「示例性」的使用傾向於以具體的方式來呈現概念。正如在本申請中使用的，術語「或」是指包含性的「或」而不是排他性的「或」。因此，除非另有說明，或從上下文中清楚可知，「X採用A或B」意在表示任何自然的包含性的置換。也就是說，如果X採用A ;X採用B ;或者X採用A和B這兩者，則在任何前述的實例下滿足「X採用A或B」。此外，除非另有說明，或從上下文中清楚可知擬指單數形式，本申請和所附的權利要求書中使用的冠詞「一個」或「一」 一般應解釋為意指「一個或多個」。現在參考附圖，最先參考圖1，描述了具有至少兩個磁穩態的系統100。通常，系統100可以由細長的導電的磁性元件102組成，該磁性元件102具有允許有兩重的能量簡併的磁位形的幾何形狀。能量簡併的磁位形的第一個示例在這裡被示出，而能量簡併的磁位形的第二個示例可以參照圖2而被發現，它們的組合旨在表示兩重的能量簡併的磁位形的兩個磁穩態的示例。此外，系統100還用虛線描繪與磁性元件102相關聯的長軸104和短軸106這兩者，在本文中利用它們是為描述的和/或參考的目的，包括用於其他圖的那些目的。此外，當磁性元件102通常被設想成是一種導電性的鐵磁材料時，一些圖示(例如，圖1、圖2、和圖7)通過表示面內(in-plane)磁化的多個箭頭描繪了磁性元件102,這在傳達所公開主題的一些概念和功能方面被認為是更有效。在一個或多個方案中，磁性元件102可以包括第一磁渦旋IOS1和第二磁渦旋1082，他們可被統稱為磁渦旋108。此外，磁性元件102可以包括花狀態區域110，它可以位於偏離於短軸106的中心。例如，在圖1中，花狀態區域110位於短軸106的左側，而在圖2中花狀態區域110位於短軸106的右側。然而，在這兩個情況下，磁渦旋108和花狀態區域110設置為處於磁穩定的位形。圖1示出了第一磁穩定位形，而圖2代表了兩重的、能量簡併的磁位形相應的第二磁穩定位形。可以理解的是，磁渦旋108和花狀態區域110的相對位置可以依賴於磁性元件102的形狀和/或幾何形狀，這在一個或多個方案中可以被配置為橢圓形。通常情況下，如圖1所示，兩個磁渦旋108將以長軸104為中心，並且還將位於短軸106的相對側，然而不必都是這種情況。無論如何，對於磁性元件102的特定的縱橫比和厚度，在磁化旋轉(curl)而形成示例為第一磁渦旋IOS1和第二磁渦旋IOS2的兩個渦旋的情況下存在穩定的磁位形。此外，由於交換能量最小，因而兩個磁渦旋108 —般會通過相反的手徵性表徵，其中，手徵性涉及給定的磁渦旋的面內磁化的旋轉方向(例如，順時針或逆時針)。因而，第一磁渦旋IOS1的手徵性以與第二磁渦旋IOS2的手徵性相反的方向旋轉。由於兩個磁渦旋108具有相反的手徵性，可以(例如，在花狀態區域110中)觀察到在本文中被稱為「花狀態」的磁化分布。例如，花狀態表徵為垂直指向於長軸106和/或平行於短軸108的平均磁化，其可以影響(effect)或表徵磁穩態或磁位形。在一個或多個方案中，磁性元件102可以被配置為(下文將進一步地詳細描述)使第一磁渦旋IOS1、第二磁渦旋IOS2和花狀態區域110沿長軸106移位到達第二磁穩定位形(例如，圖2)，該第二磁穩定位形能量等同於該第一磁位形(例如，圖1)。例如，具體參照圖2，具有最小能量成本的雜散磁場202的閉合意味著花狀態區域110沿長軸方向進行移位(未示出，請參閱圖1中的元件110)。可以理解，這種移位可能會伴隨有兩個渦旋108沿同一軸的移位。不管怎樣，最終的穩定磁位形將是分別示於圖1和圖2中的兩個能量等同的位形其中之一。按照慣例，圖1表不第一磁穩定位形，圖2表不第二磁穩定位形,其任何一個在本文中可被稱作為「花渦旋」位形或「花渦旋」狀態。應當理解的是，因為磁性元件102可以被配置為使能(enable)兩種狀態，並且進一步地這兩種狀態是磁穩態，所以磁性元件102可以用作單比特存儲單元的芯體。例如，兩個花渦旋狀態之一可代表邏輯「0」，而另一個花渦旋狀態可以代表邏輯「 I」。為了實現這樣的功能，磁性元件102可以被擴展為提供用於在特定的花狀態之間切換和/或維持特定的花狀態(例如，功能上等同於寫操作)，以及提供用於以非破壞性的或非改變的方式感測當前的花狀態(例如，相當於讀操作的功能)。參照圖3A至圖7將進一步描述這些和其它的特點。現在轉到圖3A，圖300示出了可以用於將磁性元件在兩個花渦旋狀態(由圖1和圖2分別示例)之間切換的物理原理的示意性說明。具體地，與磁性元件102相關聯的當前狀態可以通過施加如下所述的雙極性直流脈衝(例如，寫電流302)而在兩個花渦旋狀態之間切換。例如，電流302可以垂直於磁性元件102的平面而在比磁性元件102的尺寸更小的區域304中流動。如所示出的，區域304可以是圓形的，並可以是與磁性元件102同心的，然而應當理解的是不必都是這樣的情況。相反，在某些方案中，區域304不必與磁性元件102是同心的和/或不必具有圓形的橫截面形狀。然而，寫電流302的最小化可以通過確保區域304與磁性元件102是同心的方式來獲得。無論如何，寫電流302可以生成圓形奧斯特場(Oersted field) 306，其中，奧斯特場306的場力線可以與磁性元件102的平面平行，如所示出的。可以理解的是，寫電流302的極性可確定圓形奧斯特場306的方向。例如，寫電流302的極性可以產生在方向上是順時針或逆時針(並在本文中被稱為「奧斯特場手徵性」)的奧斯特場306。此外，圖3B提供電流(例如，寫電流302)脈衝的圖解說明310，該電流脈衝可以被施加到磁性元件102用於寫操作。例如，由Imax表徵的正電流脈衝可以通過產生相關的奧斯特場306來維持「1」，而由-1max表徵的負電流脈衝可以通過產生相反手徵性的奧斯特場306來維持「O」。因此，如果假定磁性元件102處於圖1的花渦旋狀態，則花狀態區域110被移位到短軸106的左側，可以按慣例表示為狀態「O」。在這種情況下，沿著出了圖1頁面的方向流動的寫電流302 (例如，正電流脈衝)可以生成具有與左側的磁渦旋IOS1相同的手徵性並具有與右側的磁渦旋IOS2相反的手徵性的奧斯特場306。這種狀況意味著，由寫電流302所產生的磁勢對左側的磁渦旋是吸引的而對右側的磁渦旋是排斥的。因此，如果由寫電流的302所提供給磁系統302的塞曼能量(Zeeman energy)(被表徵為在磁化和施加的磁場之間的交互能量)大到足以克服兩個花渦旋狀態之間的能量勢壘，磁性元件102將切換到第二磁穩定位形。因此，當寫電流302被去除時，最終狀態將是由圖2示例出的那個狀態(具有移位至右側的花狀態區域110，例如，狀態「 I 」)。另一方面，如果磁性元件102的初始狀態是由圖2所示例出的那個狀態(具有移位至右側的花狀態區域110)，則系統將暫時從花狀態平衡移開，以提供(account for)額外的塞曼能量。然而，一旦寫電流302被移除,這樣的過能量激勵(over-energized)狀態會退去，並因此返回到初始狀態。上述的特點參照圖4予以詳細說明，其中圖4提供了在施加寫電流時磁性元件位形的演變的圖解說明400。比如，被配置為正電流脈衝的寫電流302產生為「I」的最終狀態(例如，圖2的花渦旋狀態)，而不管磁性元件102的初始花渦旋狀態是否最初為「0」或「I」。同樣，雖然沒有明確示出，但也可以容易地理解的是，如果系統已經處於「0」的狀態，則被配置為負電流脈衝的寫電流302在切換位形方面是無效的，而如果系統是在「I」的狀態，磁性元件102的花渦旋狀態將會切換。在任一情況下，應當理解，寫電流302的幅度應足夠高到能夠克服兩個花渦旋狀態之間的能量勢壘，但不會高到將磁性元件102驅動達到單渦旋狀態。可以參照圖5發現單比特存儲單元的示例性實際實施，其中，該單比特存儲單元可以實現在兩個花渦旋狀態之間的切換和/或維持特定的花渦旋狀態(例如，寫操作)。現在參照圖5，示出了表示寫-使能(enabled)的存儲單元的示例性實施例的系統500。通常，系統500可以包括磁性元件102，該磁性元件可以位於電極(在本示例中，是底部電極502)的頂部上。此外，系統500還可以包括第二元件，在這裡被表示為接觸部504，它由可運載電流的、非磁性的材料構成。接觸部504可以位於磁性元件102頂部，並可以被配置成佔據比磁性元件102更小的面積。此外，系統500可以包括頂部電極506，該頂部電極可以位於接觸部504的頂部。頂部電極506可以通過絕緣體508與磁性元件102隔離以及與底部電極502隔離，絕緣體508可以由磁絕緣和/或電絕緣的材料構成。應當理解的是，在超出接觸部504的特定的厚度之外，由寫電流302所產生的奧斯特場306對電極502、506的影響是可以忽略不計的。按照以上所述的，易於清楚的是，圖1和圖2的磁性元件102可以具有槓桿效應(leverage)以提供能夠在兩個穩定花渦旋狀態之間切換的比特存儲單元，這可以表徵為用於比特存儲單元的寫操作。特別地，磁性元件102可以進一步包括寫操作組件，其可以被配置為維持有關圖1和圖2所提及的至少兩個磁穩態之一。寫操作組件可以由系統500示例出，並因此在本文中被稱為寫操作組件500。具體地，寫操作組件500可包括被配置以產生磁勢的非磁性的導電的接觸部(例如，接觸部504)，所述磁勢對所述兩個磁渦旋108其中之一的手徵性是吸引的而同時對所述兩個磁渦旋108中另一個磁渦旋是排斥的。此外，寫操作組件500可以進一步包括耦接到磁性元件102的底部電極(例如，底部電極502)和耦接至非磁性的導電的接觸部(例如，接觸部504)的頂部電極(例如頂部電極506)。在一個或多個方案中，寫操作組件500可以被配置為基於施加一垂直於磁性元件102的長軸104和短軸106這兩者流動的電流(例如，寫電流302)，來生成上述磁勢，其中所述電流流過比磁性元件的尺寸小的區域(例如，與較小尺寸的接觸部504 —致的區域)。應當理解的是，儘管上述描述已經針對寫操作而進行，然而讀取(例如，以非破壞性的方式檢測磁性元件102的當前位形)可以通過經由任何合適的已知的或以後發現的磁阻效應來感測可能在磁性元件102的任何區域中的磁位形而完成。例如，磁性元件102可以進一步包括讀操作組件，其包括被配置成感測磁性元件102的磁位形的磁阻接觸部。此外，該讀操作組件可以進一步包括耦接到磁性元件102的底部電極以及耦接到磁阻接觸部的頂部電極。可以理解，就頂部和底部電極(例如，502和506)而言，讀操作組件與寫操作組件500可以大體上類似，但不同的是，接觸部504可以用磁阻接觸部取代。無論如何，在一個或多個方案中，讀操作組件可以被配置為基於例如檢測到的在底部電極與頂部電極之間的電壓，來區分第一磁穩定位形(例如，圖1)和第二磁穩定位形(例如，圖2)。關於讀操作和寫操作這兩者的額外的細節可以結合圖6得以發現，其中圖6示出了利用單個示例性的接觸部用於寫操作和讀操作這兩者。現在轉到圖6，提供了系統600的示例性圖形描繪，其表示具有用於寫操作和讀操作這兩者的集成的磁阻接觸部的存儲單元的示例性實施例。系統600可以大體上類似於系統500，其中，所述兩個系統包括底部電極502和頂部電極506以及構設於磁性元件102周圍的絕緣體508。然而，在系統500和系統600之間的區別是系統500的運載電流的、非磁性接觸部504可以被用於系統600的具有相似的尺寸和位置的磁阻堆棧602來替代。磁阻堆棧602可以由非磁性間隔層604和極化層606組成。極化層606可以是具有呈典型的自旋閥位形的固定磁化的單層或多層極化器。因此，磁性元件102的當前狀態的非破壞性讀取可以通過注入讀電流(典型地其幅度比寫電流302的幅度小)並檢測在電極502和506之間相應的電壓來完成。可以理解，如果接觸部(在本實例中為磁阻堆棧602和/或組成部分604和606)是與磁性元件102同心的，如所示出的，則在兩個穩定的花渦旋狀態之間的平均磁矩變化以及由此之間的電壓變化是零。然而，如果接觸部沿著磁性元件102的短軸106移位，則在兩個花渦旋狀態之間的讀電壓的變化迅速增加，這進一步結合圖7被詳細說明。雖然仍參照圖6，但現在轉到圖7，圖形描繪700圖提供了磁性元件102的視圖，其示出了當磁阻堆棧沿磁性元件的短軸移位時用磁阻堆棧602檢測的磁位形的變化。因此，如上所述，如果磁阻堆棧602處於與磁性元件102同心的位置，所關聯的電壓讀數可能無法提供一種有效的方式來區分兩個花狀態。然而，通過使磁阻堆棧602沿短軸106(在本實例中為沿向上或向北的方向)移位，兩個花渦旋狀態之間的電壓差可以被觀察到。例如，當磁性元件102被配置呈第一花渦旋狀態(例如，圖1)時，則在磁阻堆棧602位置處的磁化圖案可以類似於由調出的(call-out)區域702中所描繪的那樣，按照慣例其被定義為狀態「O」。另一方面，當磁性元件102被配置呈所述第二花渦旋狀態(例如，圖2)時，則在磁阻堆棧602位置的磁化圖案可以類似於由調出的(call-out)區域704中所描繪的那樣，相反地按照慣例其被定義為狀態「I」。在這兩個情況下，通過磁阻堆棧602注入讀電流將產生相關的電壓讀數，這些電壓讀數關於兩個花渦旋狀態是可區分的。因此，沿短軸106偏移(offset)磁阻堆棧602可以提供更有效的方式用於讀操作。然而，正如前面所指出的，寫電流302的最小化可以通過確保區域304與磁性元件102同心來獲得。因此，由於磁阻堆棧602可以方便於讀取和寫操作這兩者，應注意的是，通過沿短軸106偏移磁阻堆棧602，在執行寫操作時略微增加寫電流302可能會是必要的(例如，相對於在磁阻堆棧602與磁性元件102同心時需要的寫電流)。此外，在由圖7所示的位形中(例如，磁阻堆棧602沿短軸106偏移)，在給定的寫操作期間自旋轉移力矩可以發揮作用。然而，在驅動被設想用於高密度存儲設備的寫操作所需的電流的範圍內這種影響效果是可以忽略不計的。根據以上所述，應當理解的是，磁性元件102因此可被用全部或部分的讀/寫組件進行擴展，以構建能夠讀取(例如，磁性元件102的當前狀態的非破壞性檢測)和寫入(例如，維持磁性元件102的一特定的狀態)的單比特存儲單元。具體地，讀/寫組件可以包括耦接至磁性元件102的非磁性間隔物(例如，非磁性隔離層604)和耦接至所述非磁性間隔物的、具有固定磁化的單層極化器或多層極化器(例如，極化層606)。此外，讀/寫組件可以進一步包括耦接到磁性元件102的底部電極(例如，底部電極502)和耦接到極化器的頂部電極(例如，頂部電極506)。在一個或多個方案中，讀/寫組件可以被配置為基於施加通過讀/寫元件的寫電流302而產生磁勢，其中該寫電流302分別垂直於磁性元件102的長軸104和短軸106這兩者流動(例如，進入或流出磁性元件102的平面)。此外，可施加寫電流302通過比磁性元件302的尺寸小的區域，以便維持所述至少兩個磁穩態之一。更進一步地，寫電流302可以流過磁性元件102偏離於短軸106的區域，該區域可以基於磁阻堆棧602的位置而建立。關於讀操作，讀/寫組件可以被配置為根據在頂部電極和底部電極之間注入讀電流時所檢測的讀/寫元件上的電壓來區分所述至少兩個磁穩態，其中，所述讀電流通常小於寫電流302，以避免維持磁性元件102中特定的狀態。此外,在一個或多個方案中，磁性兀件102連同相關的磁阻堆棧602和(可選的)底部電極502和頂部電極506可以構成單比特存儲元件，該磁性元件102可以與多個額外的磁性元件和相關的組件一起排列，被安排成單比特存儲單元陣列。這樣的存儲單元陣列可以基於本文所描述的鐵磁單元和相關的原理而不是基於如在常規存儲器中慣用的電荷存儲，來提供高密度的固態存儲器。因此，所公開的存儲器可以有效地結合磁性硬碟典型的高數據密度，但還具有動態隨機存取存儲器典型的高速度和快閃記憶體典型的非易失性。與圖8和圖9相關地，提供了兩個示例性存儲器陣列。具體地，圖8涉及ITIC (一個電晶體一個單元)架構，而圖9涉及無電晶體架構。現在轉到圖8，系統800示出了將單比特存儲單元集成到一個電晶體一個單元的晶片架構中的實施例。如在上文基本描述的，單比特存儲單元可以磁性元件102和磁阻堆棧602為特徵，並在下文中表示為比特單元802。比特單元802可以位於圖案化的底部電極804的頂部，其可以逐行布置遍及整個陣列，並且可如基本所描述的結合底部電極502來起作用。反過來，圖案化的底部電極804可位於電晶體806 (例如，用於每個比特單元802的那個)的頂部，其中，所述圖案化的底部電極804可以通過電晶體806的輸出埠連接到接地808。此外，字線810可以使能一行電晶體806，將該行上的所有比特單元802連接到接地808。此外，位線812可以連接一列比特單元802，並且可以作為公共的頂部電極(例如，比如與頂部電極506有關所描述的那個)，用於該列中所有的比特單元802。然而，只有選定的位線812上的啟用的比特單元802將基於選定的行被尋址。
現在參考圖9，系統900示出了一個將單比特存儲單元集成到無電晶體的晶片架構的示例性實施例。顯然，系統900可以基本上類似於系統800的相關特徵，除了系統900無需包括電晶體806之外。相反，如果採用無電晶體架構，則位線812可以用作一列比特單元802的公共電極，並且字線810可以用作一行比特單元802的公共電極，同時比特單元802被夾在相交處，因此，是可以基於唯一的列-行位置獨立尋址的。圖10-圖12描述了根據本文的一個或多個實施例的各種方法。雖然為了簡化說明的目的，這些方法被示出和描述為一系列的動作，但是可以理解的是，這些實施例不必受限於動作的順序，這是因為一些動作可能以不同的順序發生和/或與本文示出和描述的其他動作同時發生。例如，本領域的普通技術人員將理解和了解到，一方法可選地被表示為在諸如狀態圖中的一系列相關的狀態或事件。此外，並非所有示出的動作對於實施現根據各種實施例的方法是必需的。此外，還應理解的是，下文中公開的和整個本說明書中的方法可以是能被存儲在一件產品中，以用執行所述動作所必要的合適的硬體和/或合適的設備而便於將這類方法傳輸和轉移到計算機。現在參考圖10，提供了用於使磁性元件磁穩定的示例性方法1000。然而，在進行方法1000的討論之前，應當理解的是，可用於比特單元(比如本文描述的這種比特單元)的磁性元件的初始磁化狀態不一定是花渦旋位形。例如，考慮磁性元件從所生長的膜圖案化而形成的情況。在這種情況下，磁性元件的磁狀態很可能是這樣的其中，平均磁化沿面內易磁化的軸存在，所述軸對應於磁性元件的長軸。此外，對於某些磁性元件的縱橫比和/或厚度，花渦旋狀態可能是相對的、不是絕對的兩重簡併能量最小的系統。在任何情況下，通過施加面外的、幅度不小於膜的飽和磁化強度的場，磁性元件可以被帶入花渦旋位形。可替代地，僅在花渦旋狀態是絕對能量最小的情況下，初始化可以通過將系統加熱至其居裡溫度以上的方式來獲得。如果一個以上的磁性元件被集合排列在一陣列中以形成存儲裝置，則所有的磁性元件都將同時被設置為花渦旋狀態之一。這樣的初始化過程通常只需要進行一次，並且假設在如本文所述的正常操作過程中比特單元陣列被適當地屏蔽掉磁場的話，可以此後永久保持在花渦旋狀態。據此，在附圖標記1002處，可以檢查細長的導電的磁性元件的初始狀態，所述磁性元件具有允許有兩重的、能量簡併的磁位形的幾何形狀。基於這種檢查，在附圖標記1004處，能夠作出判定可。具體地，可判定所期望的磁性元件的穩定位形是否表示絕對能量最小或相對能量最小。如果所期望的磁性元件的穩定位形並不表示絕對能量最小(和/或，相反地表示相對能量最小)，則該方法1000行進到附圖標記1006處。另一方面，如果所期望的磁性元件的穩定位形表示絕對能量最小，則方法1000行進到附圖標記1008處。在附圖標記1006處，已經確定所期望的磁性元件的穩定位形並不代表絕對能量最小和/或代表相對能量最小。因此，可以施加垂直磁場到該磁性元件上，以初始化磁性元件。另一方面，在附圖標記1008處，已經確定所期望的磁性元件的穩定位形確實表示絕對能量最小。因此，在這種情況下，為了初始化磁性元件，該磁性元件可以被加熱到大於或等於該磁性元件的居裡溫度的溫度。如本文中所使用的且現有技術中已知的，居裡溫度基於所涉及的材料(例如，鐵磁材料)的組成而變化，並且涉及一可逆(reversible)的溫度,在高於該可逆溫度時該材料變為順磁性，使得呈順磁狀態的材料僅在存在外部施加的磁場的情況下才是磁性的。
不管所行進的路徑如何，不論經由附圖標記1006還是經由參考標記1008，磁性元件目前都可以被認為初始化為使得磁穩定的兩個花渦旋狀態對於磁性元件都是可能的。因此,方法1000便可終止。參照圖11，描繪了用於為合適的磁性元件維持特定的磁穩態的示例性方法1100。通常，在附圖標記1102處，可產生一磁勢，所述磁勢對具有第一手徵性的一個磁渦旋是吸引的而對具有第二手徵性的一個磁渦旋是排斥的，其中所述第一手徵性與第二手徵性相反。因此，在附圖標記1104處，可以將所述磁勢施加至細長的導電的磁性元件，其中所述磁性元件具有兩個手徵性相反的磁渦旋並具有允許有兩重的能量簡併的磁位形的幾何形狀。根據以上所述，因為磁性元件可以包括兩個磁渦旋，每個具有不同的手徵性(例如，順時針與逆時針)，在附圖標記1102處產生的、並在附圖標記1104處被施加至磁性元件的磁勢可以吸引所述渦旋之一，而排斥另一渦旋。因此，基於對磁性元件施加的磁勢將維持兩個穩定的位形之一。例如，如果是磁性元件不處於正被維持的位形，位形將切換到該狀態。但是，如果是磁性元件已經處於正被維持的位形，即使去除磁勢也不會發生變化。因此，維持磁穩定位形的其中之一或另一個可以用作與磁性元件相關聯的比特單元的寫操作。現在轉到圖12，示出了示例性方法1200，用於提供與為合適的磁性元件維持特定的磁穩態有關的額外特徵或方案。通常，在附圖標記1202處，可採用一垂直於磁性元件的長軸和短軸這兩者流動的電流(例如，寫電流)用於產生結合附圖11的附圖標記1102和1104所詳述的磁勢。接下來將要描述的是，在附圖標記1204處，可施加電流通過比磁性元件的尺寸小的區域，用於產生磁勢。此外，在附圖標記1206處，可以施加所述電流通過磁性元件沿著磁性元件的短軸偏移的位置。使沿磁性元件的短軸傳輸電流的組件偏移可導致所必要的稍高的寫電流，而可以使得更有效的讀操作將會被採用。上面已經描述的包括各種實施例的示例。當然為了描述實施例的目的不可能描述組件或方法的每種可能的組合，但本領域普通技術人員可以認識到，許多進一步的組合和置換是可能的。因此，詳細的說明書意在涵蓋落在所附的權利要求書的精神和範圍內的所有這些替換、修改、和變型。特別是，對於由上述部件、設備、電路、系統等所執行的各種功能，除非另有說明或從上下文可以清楚得知，用來描述這種組件的術語(包括對「裝置」的引用)旨在對應於執行所描述的組件的特定功能(例如，功能上等同)的任何組件，即使結構上不等同於所公開的執行這些實施例的示例性方案在本文中所示出的功能的結構。在這方面，也將認識到，實施例包括系統，同時也包括具有用於執行方法的各種動作和/或事件的計算機可執行指令的計算機可讀介質。此外，儘管特定的特徵可能已經關於幾種實施方式中的僅一種而被公開，然而這樣的特徵可以與對任何給定的或特定的應用可能是期望的和有利的其他實施方式中一個或多個其它特徵結合在一起。更進一步地，在術語「包括」、「包含」和其變型用於詳細的說明書或權利要求書的程度上，這些術語意在以類似於術語「包含」的方式表達的是包容性的。
權利要求
1.一種具有至少兩個磁穩態的系統(100或200),包括 細長的導電性的磁性元件(102)具有支持兩重的能量簡併的磁位形的幾何形狀，所述磁性元件包括 第一磁潤旋(Ios1); 第二磁渦旋(1082); 偏心於所述磁性元件的短軸(106)的花狀態區域(110); 其中，所述第一磁渦旋、所述第二磁渦旋以及所述花狀態區域被定位於第一磁穩定位形。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述磁性元件的幾何形狀被配置為橢圓。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一磁渦旋和所述第二磁渦旋位於所述磁性元件的長軸上並進一步位於所述短軸的相對側。
4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一磁渦旋的手徵性以與所述第二磁渦旋的手徵性相反的方向旋轉，其中，手徵性涉及磁渦旋的面內磁化的旋轉方向。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述花狀態區域採用平均的垂直指向處於磁穩定位形的所述磁性元件的長軸的面內磁化來表徵。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述磁性元件被配置為使所述第一磁渦旋、所述第二磁渦旋以及所述花狀態區域沿所述磁性元件的長軸移位到能量等同於所述第一磁穩定位形的第二磁穩定位形。
7.根據權利要求1所述的系統，還包括被配置為維持所述至少兩個磁穩態之一的寫操作組件。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述寫操作組件包括(I)非磁性的導電的接觸部，被配置為產生磁勢，所述磁勢對所述第一磁渦旋和所述第二磁渦旋其中之一的手徵性是吸引的而同時對所述第一磁渦旋和所述第二磁渦旋中的另一個的手徵性是排斥的；(2)底部電極，耦接至所述磁性元件；以及(3)頂部電極，耦接至所述非磁性的導電的接觸部。
9.根據權利要求8所述的系統，其中，所述寫操作組件被配置為基於這樣的電流的施加而產生磁勢，所述電流垂直於所述磁性元件的長軸和短軸這兩者而流過比所述磁性元件的尺寸小的區域。
10.根據權利要求1所述的系統，還包括讀操作組件，所述讀操作組件包括(I)磁阻接觸部，被配置成感測所述磁性元件的磁位形；(2)底部電極，耦接至所述磁性元件；以及(3)頂部電極，耦接至所述磁阻接觸部。
11.根據權利要求10所述的系統，其中，所述讀操作組件被配置為基於所檢測的在所述底部電極和所述頂部電極之間的電壓來區分所述第一磁穩定位形和所述第二磁穩定位形。
12.根據權利要求1所述的系統，還包括讀/寫組件，所述讀/寫組件包括(I)非磁性間隔物，耦接至所述磁性元件；(2)單層或多層具有固定磁化的極化器，耦接至所述非磁性間隔物；(3)底部電極，耦接至所述磁性元件；和(4)頂部電極，耦接至所述極化器。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，所述讀/寫組件被配置為基於所述讀/寫組件中的寫電流的施加而產生磁勢，以便維持所述至少兩個磁穩態之一，其中所述寫電流垂直於所述磁性元件的長軸和短軸這兩者而流過比所述磁性元件的尺寸小的區域。
14.根據權利要求13所述的系統，其中，所述讀/寫組件被配置為基於在所述底部電極和所述頂部電極之間注入比所述寫電流小的讀電流時而檢測的所述讀/寫組件上的電壓，來區分所述至少兩個磁穩態。
15.根據權利要求1所述的系統，還包括多個額外的磁性元件，其被組織成單比特的存儲單元陣列。
16.根據權利要求15所述的系統，其中，所述單比特的存儲單元陣列還包括被配置為運載讀電流或寫電流的至少之一的各線路。
17.根據權利要求16所述的系統，其中，所述存儲單元陣列按照一個電晶體一個單元(ITlC)的架構而被配置。
18.根據權利要求16所述的系統，其中，所述存儲單元陣列按照無電晶體的架構而被配置。
19.用於使磁性兀件磁穩定的方法(1000),包括 檢查(1002)細長的導電的磁性元件的初始狀態，所述磁性元件具有允許有兩重的能量簡併的磁位形的幾何形狀； 判定(1004)給定的穩定位形是否表示絕對能量最小或相對能量最小；以及 當所給定的穩定位形表示相對能量最小時，施加(1006)垂直磁場到所述磁性元件，或者如果所給定的穩定位形表示絕對能量最小，則對所述磁性元件加溫(1008)至溫度大於或等於所述磁性元件的居裡溫度。
20.用於對磁性元件維持特定磁穩態(100或200)的方法(1100)，包括 產生(1102)磁勢(306)，所述磁勢(306)對具有第一手徵性(IOS1或1082)的磁渦旋是吸引的而對具有與所述第一手徵性相反的第二手徵性(IOS1或1082)的磁渦旋是排斥的； 將所述磁勢施加(1104)至一細長的導電的磁性元件(102)，其中所述磁性元件具有兩個手徵性相反的磁渦旋(IOS1或1082)以及具有允許有兩重的能量簡併的磁位形的幾何形狀。
21.根據權利要求20所述的方法，還包括採用一垂直於所述磁性元件的長軸和短軸這兩者流動的電流用於產生所述磁勢。
22.根據權利要求21所述的方法，還包括施加所述電流通過比所述磁性元件的尺寸小的區域，用於產生所述磁勢。
23.根據權利要求21所述的方法，還包括施加所述電流通過所述磁性元件沿著短軸偏移的位置。
24.一種基於磁位形提供非易失性存儲器的系統(800，或900)，包括 用於耦接細長的導電的磁性單元陣列(500或600)的裝置，在所述磁性單元陣列中的至少一個磁性單元依據允許有兩重的能量簡併的磁位形(100或200)的幾何形狀而被布置(102)，其中每種位形是磁性穩定的且具有相對於所述至少一個磁性單元的短軸(106)偏心設置的花狀態區域(110); 讀取裝置(504，602)，用於感測包含在所述陣列中所包含的一個或多個磁性單元的當前狀態(100或200)，以及 寫入裝置(300，310，或602)，用於為包含在所述陣列中的一個或多個磁性單元維持與兩重的能量簡併的磁位形中任一個相一致的磁穩態。
25.根據權利要求24所述的系統，還包括用於利用單個磁阻接觸部的裝置，所述單個磁阻接觸部用於與包含在所述陣列中的單個磁性單元相關聯的讀取裝置和寫入裝置這兩者。
全文摘要
所公開的主題涉及一種非易失性存儲器比特單元(500或600)用於固態數據存儲，其例如包括細長的磁性元件(102)或磁性「點」。對於適當的點的幾何形狀和尺寸，可穩定兩重的能量簡併的磁位形(100或200)。這樣一種穩定的位形可以由兩個磁渦旋(1081，1082)和花狀態區域(110)組成。由於能量最小化的原因，因此花狀態區域可偏離中心(相對於短軸(106))並沿點的長軸(104)。垂直於平面上或鄰近於點的中心流動的電流(302)可以根據電流的極性在兩種鏡像磁穩定位形之間切換點的位形或狀態(例如，寫操作)。單元狀態的讀取可以通過使用磁阻效應來實現。
文檔編號H01L43/00GK103069493SQ201080068817
公開日2013年4月24日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者安東尼奧·魯多路 申請人:香港城市大學