热辅助磁写入元件 |
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| 申请号 | CN200980116561.5 | 申请日 | 2009-04-27 | 公开(公告)号 | CN102017005A | 公开(公告)日 | 2011-04-13 |
| 申请人 | 原子能与替代能源委员会; 国家科学研究中心; | 发明人 | 贝纳德·迪耶尼; | ||||
| 摘要 | 用于通过 磁场 或热辅助自旋转移进行写入的该磁元件包括包含有如下部件的堆：自由 磁层 ，也称为存储层或可翻转磁化层(51)，其磁化方向可以在两个非写入稳定状态之间翻转，这两个状态均指向平面外并且基本上垂直于所述层的平面，并且其磁化在写入期间的 温度 上升的作用下从基本上垂直于平面自发地重新取向为基本上在平面内；至少一个参考磁化层(50、55)，也称为钉扎层，其磁化被取向为基本上垂直于所述层的平面；非磁隔层(52)，插入在两个层之间；用于使 电流 垂直于所述层的平面流动的部件。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种能够通过磁场或通过热辅助自旋转移被写入的磁元件，其特征在于其包括包含有如下部件的堆： |
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| 说明书全文 | 热辅助磁写入元件技术领域[0001] 本发明涉及并入磁阻堆的磁元件的领域，该磁阻堆包括由绝缘隧道阻挡层隔开的两个磁层、限制电流路径层、半传导层或金属层，并且特别包括磁隧道结，诸如在非易失性磁随机存取存储器中使用的那些，其以本质上已知的方式允许电子系统中的数据的存储、读取和写入。 更具体地，本发明应用于包括一组存储器点的磁随机存取存储器，其通常被表示为首字母缩写MRAM，每个存储器点由磁隧道结形成，该磁隧道结也被表示为首字母缩写MTJ。 通过相似的方式，本发明还涉及具有磁层的如下逻辑元件，这些逻辑元件使用至少一个磁阻堆，该磁阻堆包括由绝缘隧道阻挡层隔开的两个磁层、限制电流路径层、半传导层或金属层。 [0002] 因此在以下描述中，表述“磁元件”意味着磁层的堆，这些磁层包括：至少一个钉扎层(也被称为参考层)、自由层(也被称为存储层)、以及所述层之间的绝缘或半传导层或限制电流路径层。 钉扎层和自由层的概念的定义将会在本说明书的剩余部分中更清楚地呈现。 背景技术[0004] 例如在文献US-A-5640343中已描述了这些具有磁隧道结的磁存储器。 在它们最简单的形式中，它们包括具有不同的矫顽性的由薄绝缘层隔开的两个磁层。 当构成位于隧道阻挡层两侧的两个上述磁层的各个存储层和参考层的磁化反平行时，磁隧道结的电阻是高的。 相反地，当磁化平行时，该电阻变低。 [0005] 优选地，这两个磁层由3d金属(Fe、Co、Ni)及其合金(可能含有硼和锆，以便使所述层的结构是无定形的并且使它们的界面平坦)制成并且绝缘层通常由无定形矾土(A1Ox)或晶体氧化镁(MgO)制成。 有利地，诸如在例如文献US-5583725中描述的，也称为“钉扎层”的参考层自身可以包括数个层的堆，以便构成被称为“合成反铁磁”(SAF)”层的层。 相似地，诸如在例如Y.SAITO等人的出版物Journal of Magnetism andMagnetic Materials，Volume 223，2001，第293页中描述的，对于每个存储器点，可以将单磁隧道结替换为双磁隧道结。 在该情况中，存储层被插入在两个绝缘层之间，该结构包括被安置在与所述各个绝缘层相对的侧的两个参考层。 [0006] 最常规的架构是文献US-A-6021065中和出版物Journal of AppliedPhysics，vol.81，1997，第3758页中描述的并且在图1中示出的架构，其被称为场致磁翻转(FIMS)，即感生磁场的磁化的反向。 [0007] 如图示现有技术的图1中可以观察到的，每个存储器元件或存储器点10包括CMOS技术晶体管12和磁隧道结MTJ 11的组合。所述隧道结11包括被称为“存储层”或“自由层”的至少一个磁层20、薄绝缘层21和被称为“钉扎层”的磁层22，该磁层 22还被称为参考层。 具有存储器点(每个存储器点包括磁隧道结)的这些磁存储器的功能在于生成用于写入的脉冲磁场，该脉冲磁场由与每个所述磁点关联的电流线或导体创建。 [0008] 因此，并且在FIMS架构的背景下，观察到三层电流线。在图1中，通常彼此成90°安置的两层线14(字线)和线15(位线)，被设计用于生成在写入过程期间使自由层 20的磁化翻转的磁场脉冲。 这些磁场脉冲通过使典型地2至5纳秒的并且具有约几个毫安的电流的短电脉冲在电流线14和15中流通来产生。 这些脉冲的强度及其同步被调整使得仅有位于这两个电流线的交叉点的存储器点的磁化经历翻转。 [0010] 在被寻址的存储器点的写入模式中，所选择的晶体管12处于阻挡或“截止”模式，从而没有电流通过晶体管。 电流脉冲I被传送到对应于所选择的存储器点10的两个电流线14和15中。 电流I的脉冲幅度使得除了线14和15的交叉点处以外的所创建的磁场不足以使线14或15上的存储器点翻转，在线14和15的交叉点处两个线的联合贡献足以生成如下磁场，该磁场同样是足够的并且能够使被寻址的存储器点的层20的磁化翻转。 [0011] 在读取模式中，通过经由控制线16将电压施加到所述晶体管的栅极上，晶体管12处于饱和或“导通”模式。 测试电流随后被传送到电流线14中，该测试电流仅能够穿过晶体管12处于饱和或“导通”模式的存储器点。 该电流用于测量所述所选择的存储器点10的磁隧道结11的电阻。 根据该电阻的值，存储器点10的相应状态被确定为“0”(低电阻平行磁化配置)或“1”(高电阻反平行磁化配置)。 [0012] 将从上文理解，通过电流线14和15的脉冲的强度和它们的同步被调整为使得仅有位于这两个电流线的交叉点(选择点)处的存储器点的磁化能够在这两个导体生成的磁场的作用下翻转。 位于同一行或同一列上的其他存储器点(半选择点)因此仅经历导体14、15中的一个的磁场并且因此未翻转。 [0013] 由于这些存储器点的写入机制，可以理解该架构的限制。 [0014] 在由外部磁场提供写入的情况下，受制于每个存储器点的单独的翻转场的值。由于所有存储器点的翻转场分布函数是广的(实际上，该分布广的原因在于制造缺陷，特别是与存储器点的蚀刻和与热致磁化波动关联的本征统计波动相关的制造缺陷)，因此有必要冒着意外地使位于行或相应的列上的某些存储器点翻转的危险，使所选择的存储器点上的磁场高于分布中的最高翻转场，其中位于分布的下部分中的翻转场低于由行或列独自生成的磁场。 此外，利用该外部磁场的存储器的功耗因更广的翻转场分布而相应地更高。 [0015] 而且，鉴于通常翻转场的平均值随着存储器点尺寸的减小而增加(出于空间原因，这是所期望的布置)，可以预见未来产品世代中的相应更高的电流。因此，随着集成密度增加，所需用于这些存储器发挥作用的电力将相应地更高。 [0016] 这些现有技术存储器的另一缺点涉及存储器点尺寸减小时自由层的磁化相对于热波动的稳定性。 实际上，将被越过以使该层的磁化从一个取向翻转到另一取向的能垒与所述层的体积成比例。随着体积减小，势垒高度变得与热搅动相当。这样，存储器中写入的数据不再被保存。 为了克服该困难，例如，有必要通过选择具有较高各向异性的材料或者通过增强存储器点的形状各向异性来增加自由层的磁各向异性。 然而，在这样操作时，由于用于生成磁翻转所必需的场的较高的功耗，所需用于磁翻转的磁场增加。在某些情况中，“字线”和“位线”中的电流甚至可能超过传导线中的电迁移所强加的 7 2 极限阈值(典型约10A/cm)。 [0017] 因此，为了克服该困难，已经提出了使用具有热辅助写入的磁随机存取存储器，其首字母缩写为TAS-MRAM，其中自由层或参考层自身由反铁磁层钉扎。例如在文献US 6385082中描述了这一改进。 [0018] 在该配置中，不同于通过组合两个垂直磁场脉冲来获得存储器点的写入选择性，通过使要被寻址的存储器点的短的温度上升与磁场脉冲或自旋转移组合来获得该写入选择性，该短的温度上升是利用通过所述被寻址的存储器点的电流脉冲来实现的，该自旋转移是利用通过所述存储器点的存储层的自旋极化电流来获得的。 [0019] 图2示出了该配置。 在该图中，磁隧道结31的自由层40由反铁磁层41钉扎。与FIMS存储器的情况相似，绝缘层42被插入在磁自由层40和被称为“钉扎层”的磁层 43之间。 在有利的形式中，钉扎磁层43耦合到反铁磁层44，该反铁磁层44的功能是对层43进行钉扎，从而使其磁化在写入期间不会翻转。 [0020] 再者，这里的钉扎铁磁层43可以是合成反铁磁层，其包括几个层，更精确地包括跨越具有0.6nm至0.9nm的厚度的例如钌的分隔层的反平行对准的两个耦合磁化铁磁层。 [0021] 根据该配置，反铁磁层41具有极限“阻挡”温度TB，在该温度TB以上，作用在自由层40上的稳定的“交换”磁场在所述自由层40上不再是有效的。 构成反铁磁层41的材料及其厚度被选择为使得阻挡温度TB高于存储器的待用温度(闲置时的操作温度)。 相似地，与钉扎层43相邻的反铁磁层44的阻挡温度TB被选择为使其高于并且远离于反铁磁层41的阻挡温度。 [0022] 因此，在低于反铁磁层41的阻挡温度的温度下，通过交换磁场使自由层40稳定，并且由此证明通过仅施加外部磁场或者利用通过自由层的自旋偏置电流进行的自旋转移来进行翻转是非常困难的。在反铁磁层41的阻挡温度以及该阻挡温度以上的温度，由于交换场为零，自由层40由此变得非常易于使用外部磁场(只要所述场在给定的温度下高于自由层40的矫顽场)或者通过利用穿过自由层的自旋极化电流密度(该自旋偏置电流密度是足够高的足以引起磁翻转)的自旋转移而翻转。 因此，如果通过磁场获得翻转，则选择使所述自由层40能够具有低矫顽场的材料，或者如果通过自旋转移获得翻转，则选择具有低临界翻转电流密度的材料。 [0023] 根据翻转是通过自旋转移还是通过磁场获得的，该特定架构包括两个或三个电流线层。 对于磁场写入，称为“场线”的电流线30位于磁隧道结31下面，但是与磁隧道结31无接触。可以预见，只要有几个毫安的电流穿过，即可以生成所需用于使自由存储层40的磁化翻转的磁场。 如果通过自旋转移来获得翻转，则该线不存在。 称为“位线”的另一电流线32位于相关存储器点的磁电流结31上面并与磁隧道结31接触。 称为“字线”的第三个电流线33与CMOS晶体管35的栅极接触。 与FIMS的情况相似，线33通过施加或不施加阈值电压来控制晶体管沟道的导通或截止，晶体管中的每一个针对关联的存储器点中的每一个在翻转模式中发挥作用。晶体管35的沟道自身通过一个或多个过孔34与结31串联连接。 [0024] 在读取模式中，通过在“字线”33上施加足够的电压使与将读取的存储器点关联的CMOS晶体管35导通。 随后经由“位线”32传送测试电流，即仅能够穿过其晶体管35是导通的存储器点的电流。通过该电流，对所选择的存储器点的磁隧道结31的电阻进行测量。 根据该电阻值，将存储器点的相应的状态确定为“1”或“0”，状态“1”例如对应于最大电阻而状态“0”对应于最小电阻。 [0025] 在写入模式中，通过在“字线”33上施加足够的电压使将写入的存储器点的CMOS晶体管35导通。 随后通过“位线”32将强于测试电流的加热电流传送到将写入的存储器点中。某个电流密度以上的电流使得磁隧道结31的温度上升到反铁磁层41的阻挡温度以上。使自由层40稳定的交换场随后几乎变为零，并且所述自由层的磁化因此是非常不稳定的。对于磁场翻转，一旦达到阻挡温度(几个纳秒之后)，几个毫安的电流随后被传送到场线30中。 该脉冲生成足以使自由层40的磁化翻转到所期望的方向(写入位“1”或“0”)的磁写入场，如之前描述的，所述层由于低本征矫顽性而是非常不稳定的。 当电流继续流入线30时，加热电流在磁隧道结31中截止(通过中断“位线”32中的电流并且使晶体管35导通)。 存储器点的整体温度随后非常迅速地(几纳秒)降低到反铁磁层41的阻挡温度以下(典型地为闲置时的工作温度)，通过线30中流动的电流生成的磁场，自由层40的磁化在冷却期间被保持。 这使得反铁磁层41对层40的磁化的钉扎在冷却期间在写入场定义的方向上恢复。 当层40和41的温度下降到阻挡温度以下时，线30中流动的电流截止并且磁写入场变为零。 [0026] 对于通过自旋转移进行的翻转，加热电流用于加热隧道结的存储层并且用于将自旋转移矩施加到该层的磁化。 为了使存储层的磁化翻转到平行状态，来自加热电流的电子流必须从参考层去往存储层，这意味着加热电流必须从存储层去往参考层。 反之，为了将存储层的磁化翻转到反平行状态，加热电流的电子流必须从存储层去往参考层，这意味着加热电流必须从参考层去往存储层。 [0027] 这些热辅助磁写入存储器有许多优点，其中以下优点可能被提及： [0028] -因为仅加热将写入的存储器点，因此显著改进了写入选择性； [0029] -即使存储器点在环境温度下暴露于不需要的磁场，仍保持被写入存储器的数据； [0030] -通过在环境温度下使用具有高的磁各向异性(该高的磁各向异性是本征的，并且应归于存储器点的形状或存储层的交换各向异性场)的材料，由此允许显著减小存储器点的单元的尺寸而不会影响它们的稳定性极限，改进了数据的热稳定性； [0031] -减少了写入期间的消耗； [0032] -在某些情况中可能获得多层存储单元。 [0033] 再者，已经证实，同一技术可以用于制造诸如可再编程逻辑门的逻辑元件(参见例如Zhao-W、Belhaire-E、Javerliac-V、Chappert-C、Dieny-B的出版物“Evaluation of a non-volatile FPGA based on MRAMtechnology”，Proceeding.2006 International Conference on IntegratedCircuit Design and Technology.2006；4pp，IEEE，Piscataway，NJ，USA)。 这些逻辑元件也将CMOS技术的半导体元件与上述磁隧道结组合。 不同于被设计用于存储数据的存储器，这些逻辑元件用于处理这些数据并且对这些数据执行逻辑操作。 在这些元件中磁隧道结常常作为可变电阻器使用，用于改变CMOS电路的开关阈值。 [0034] 所描述的热辅助写入方法仍然有缺点。 当通过磁场获得磁翻转时，尽管低于常规方法，但是为了生成磁写入场，仍需要将典型地2至4mA的电流脉冲传送到位于存储器点上方的传导线中。 使用具有接近圆形的横截面的存储器元件允许通过使元件的形状各向异性最小来使磁写入场最小。 然而，例如与蚀刻缺陷关联的该相对于完美圆形横截面的任何差异很可能引起几个mT的形状各向异性，这再次产生增加写入场的需要。 再一次地，当减小导线的横截面以增加存储器或逻辑电路的密度时，出现了传导线中的电迁移极限的问题。 [0037] 本发明的第一目在于提出针对隧道结的存储层和参考层使用具有平面外磁化的材料。 在由穿过结的加热电流的流动引起的温度上升的作用下自发地感生了存储层的磁化从平面外到平面内的重新取向。 [0038] 如果情况是写入过程组合了加热和施加磁场脉冲，则至少在存储层的冷却的初始阶段期间，据此“向上”或“向下”施加弱磁场，以便于在磁化从平面到平面外的重新取向的初始阶段期间，将该层的磁化稍微地拉向上半球或下半球。 所施加的弱场用于“向上”或“向下”选择半球，但是随后，各向异性的重新取向用于完成存储层沿平面的法线的“向上”或“向下”的磁化的重新取向。 [0039] 由于当存储层的磁化处于平面内时，场是与磁化方向成90°施加的(因此最大矩允许减小待施加的场的幅度)，所以由此提出的方法允许使施加磁场期间由磁场施加到存储层的磁化的磁矩最大。 此外，该配置允许使与平面磁化材料遇到的各种存储器元件的形状波动关联的翻转场分布最小。 [0040] 读取是在比写入低的电流密度下进行的，从而使温度上升不足以引起存储层的磁化的翻转。 [0041] 此外，为了克服在写入期间必须施加磁场的问题，已经提出了使磁隧道结的加热与由进入隧道结的存储层的自旋极化电流发挥的作用组合(参见例如FR 2832542)。实际上，JC.Slonczewski和L.Berger(Journ.magn.Magn.Mater.159，L1(1996)和Phys.Rev.B.54，9353(1996))在理论上已经预测并且几年后由J.Katine等人(Phys.Rev.Lett.84， 3149(2000))通过实验观察到，当自旋极化电流被注入到磁纳米结构中时，该电流向纳米结构的磁化施加被称为自旋转移矩或自旋矩的矩，该矩可以有助于调整纳米结构的磁化，特别是在所期望的方向上对磁化重新取向。 该自旋转移现象因此可以用作用于在MRAM器件或逻辑元件中写入数据的新型的手段。 JC.Slonczewski证明了该自旋转移矩在决定磁系统的磁化动力学的Landau Lifshcitz Gilbert方程中具有新的项的形式。该新的项被写作Γ＝aJ M^(M^P)，其中前因子aJ与通过纳米结构的电流密度和该电流的偏置成比例，M是表示由自旋极化电流截取的纳米结构的磁化的向量，P是电流偏置方向。 自旋转移作为写入数据的手段的特别有利的因素在于，由于自旋转移项的前因子与通过纳米结构的电流密度成比例，因此磁纳米结构的磁化的翻转阈值由电流密度确定，而不是如磁场写入方法中的那样由总电流确定。 例如，对于具有厚度D，具有被视为宏观自旋近似的足够小的尺寸(典型地低于100nm)的平面磁纳米结构，已经证明当自旋转移项的前因子达到值(aJ)crit＝±α(2πMs+HK)+αHext≈α2πMs时(其中α是Gilbert阻尼常数，Ms是纳米结构的自发磁化，HK是各向异性场)，纳米结构的磁化可以在垂直于其平面通过该纳米结构的自旋极化电流的影响下翻转。 前因子aJ的该临界值确定了引起磁翻转的该电流的密度的临界值，已知这两个量通过下式关联： 其中g 是Landé因数，其约为2，μB是Bohr磁子，e是电子改变，P是电流偏置，而J是电流 密度(Sun，Phys.Rev.B 62，570(2000))。 [0042] 因此，当存储器元件或逻辑元件的横向尺寸减小时，所需电流作为元件的横截面的函数(电流＝电流密度＊截面积)也减少。 因此较之涉及由传导线中的电流脉冲生成的磁场脉冲的写入，该自旋转移写入方法为使用这些元件的存储器或逻辑器件的特性的开发提供了更好的前景。 [0043] 然而，在写入期间简单地使用自旋转移效应引起了非常小尺寸的磁元件的热稳定性的问题。 实际上，对于具有体积V和每单位体积单轴各向异性K(与纳米颗粒的形状和/或磁晶体或应力感生的各向异性关联)的纳米结构，隔开系统的两个稳定磁化状态的能垒为KV。 对本领域的技术人员公知的是，如果由KBT给定的温度波动表示KV的大部分，则纳米结构的磁化相对于温度波动变得不稳定，从而使纳米结构不再能够储存记在其磁化取向上的数据。这被称为术语“超顺磁极限”。 过度地增加纳米结构的形状因数(例如通过给定长轴/短轴形状比在2以上的椭圆形)不能有助于解决问题，这是因为磁化是通过壁传播成核而翻转的，不再通过相干翻转而翻转。 势垒的高度几乎不随颗粒的形状因数增加。 [0044] 为了避开该问题，使自旋转移写入与热辅助写入组合是有利的。 得益于同一电流通过结构，因此可以加热纳米结构并且将引起磁化翻转的矩施加到磁化。 温度上升仅在写入时用于降低所需用于磁化翻转的势垒，同时保持高的非写入势垒高度并且因此保持良好的温度稳定性。 [0045] 因此本发明的第二目的在于提出一种实现热辅助写入与自旋转移翻转的组合的最佳方法。 它还基于平面外磁化材料的使用，该材料的各向异性在写入时的加热的作用下从平面外翻转到平面内。 然而，生成施加到纳米结构的磁化的自旋转移矩的自旋极化电流在器件的所有的操作温度下处于纳米结构平面外并且保持在纳米结构平面外。 因此，在写入过程中的用于使自旋转移效率最大并且由此使所需用于写入的电流密度最小的最关键的时刻(即在写入期间磁元件达到的最大温度周围)，自旋极化垂直于存储层的磁化方向。 实际上，后者近似地随着电流极化方向和纳米结构的磁化之间的角度的正弦而变化，特别是在磁隧道结的情况中。 [0046] 读取在低于写入的电流密度下进行，从而使温度上升和/或施加到纳米结构的自旋转移不足以引起其磁化的翻转。 发明内容[0047] 因此，本发明涉及一种用于通过磁场或通过热辅助自旋转移进行写入的磁元件，包括： [0048] ●自由磁层，也称为存储层或可翻转磁化层，其磁化方向可以在两个非写入稳定状态之间翻转，这两个状态都指向所述层的平面外并且特别地基本上垂直于所述层的平面； [0049] ●参考磁层，称为钉扎层，其磁化基本上被取向为垂直于所述层的平面； [0050] ●非磁隔层，插入在两个层之间； [0051] ●用于使电流基本上垂直于所述层的平面流动的部件。 [0052] 根据本发明，借助于经由所述部件通过磁元件的电流产生的温度上升所感生的自由层磁化的翻转，使得磁化从平面外，特别是从基本上垂直于平面自发地重新取向到基本上在平面内。 施加指向层的平面外部的磁场，或者使用磁层中的在基本上平面外方向上的自旋偏置电流的流动感生的自旋转移效应，导致了所述层的磁化翻转到两个稳定状态中的一个或另一个。 [0053] 换言之，存储器或逻辑元件包括称为可重新取向的磁化存储层的磁层，该磁层具有两个稳定的非写入磁化状态(待用)。通过沿这些状态中的一个或另一个的磁化取向对二进制数据进行编码。 该层被插入在包括使电流基本上垂直于磁层的平面流通的部件的层堆中。该堆使得两个稳定的磁状态的特征由该结构的两个不同的电阻值来表征。 该堆可以是磁隧道结或金属结构，或者具有限制电流路径、巨磁阻，或者是包括磁氧化物阻挡层的被称为自旋过滤器的结构。 [0054] 在非写入模式中(待用)，在可能具有界面或体积的起因的垂直各向异性的作用下，磁层的磁化基本上被取向为平面外，特别是与层的平面垂直。在例如Den Broeder等人的论文Journ.Magn.Magn.Mater.93，562(1991)中已描述了磁薄膜中的垂直各向异性现象。 [0055] 通常，由于薄层的形状各向异性，薄磁层趋向于使其磁化处于层的平面内。 这使得它们能够使它们的静磁能量最小。 该形状各向异性引起了具有形式 的磁层的每单位体积能量项(厘米-克-秒单位制)，其中 是层的平 面的法向单位向量， 是平行于层的磁化的单位向量，其Ms是自发磁化。然而，某些薄层或磁多层具有与层的平面垂直的磁化取向。 这应归于大于形状各向异性的平面外各向异性的存在。 这种另外的各向异性可能具有体积或界面的起因。 [0056] 如例如在具有六角形结构的钴中，其可以是磁晶起因。 钴的六角形晶格的c轴构成了钴磁化取向的易轴。 如果该六角形晶格的c轴对应于生长方向(即与层的平面垂直)，则钴层的磁化可以沿层的平面的法向来取向。 [0057] 垂直各向异性也可以与层生长期间的应力关联。 与磁层中的磁弹性效应组合的这些应力能够生成垂直各向异性。 [0058] 垂直各向异性也可以由界面电子结构效应引起，特别是与自旋轨道耦合组合的轨道原子杂化的效应。 在具有平面外各向异性的公知材料中，可以提到多层(Pt/Co)、(Pd/Co)、(Au/Co)(Den Broeder等人的Journ.Magn.Magn.Mater.93，562(1991))，(Pt/Co/Pt/Ni)(G.Srinivas 等 人 的 Thin Solid Films 301，211(1997))，Fe/Cu(100)(R.Allenspach的Phys.Rev.Lett，69，3385(1992))，(Co/Ni)(Daalderop等人的Phys.Rev.Lett.68，682(1992))，并且还可以提到诸如GdCo、TbCo、TbFe等的稀土/过渡金属合金。 [0059] 这些另外的各向异性项可以被表达为磁层的每单位体积的垂直各向异性的形式其中Kvol包括对该各向异性的所有体积贡献，而 包括表面或界面贡献，其中d是磁层的厚度。 可以存在 中的更高阶项(4、6阶等)，但是 为简单起见未考虑；这对本领域的技术人员是公知的并且不改变讨论内容和本发明的实质。 [0060] 实际上，各个作者已经证明，当磁层的温度上升时，其磁各向异性典型地按磁化的三次方而相对快速地减少： [0061] 对于更高阶各向异性项，该减少是快得多的(对于4阶项，典型地按10次方减少)。 例如在R.J.Jensen等人的论文Phys.Rev.B.42，849(1990)中描述了所有这些内容。 [0062] 因此，较之垂直各向异性(Ms的3或更多次方)，形状各向异性随温度减少得更慢(Ms的2次方)。 因此，当温上升到某个临界温度以上时，形状各向异性(平面)变得凌驾于垂直各向异性之上，从而使层的磁化从该临界温度以下的平面外翻转到该临界温度以上的平面内。 [0063] 出于熵的原因，这种各向异性重新取向也是有利的：较之平面外，存在平面内的磁化取向的更多的可利用状态。在R.J.Jensen等人的论文Phys.Rev.B.42，849(1990)中讨论了这些各向异性重新取向。 [0064] 出于实验观点，各种团体已观察到作为温度的函数的从垂直到平面的各向异性重新取向(例如R.Allenspach等人的Phys.Rev.Lett.69，3385(1992)；D.P.Pappas等人的Phys.Rev.Lett.64，3179(1990))。 [0065] 在整个平面外施加的场范围内，垂直场下的磁化的变化是可逆的。 [0066] 本发明在于，通过使各向异性翻转与1)平面外磁场的施加(第一实施例)，2)或者使用磁层中的平面外方向上的自旋偏置电流的流动感生的自旋转移效应相组合，利用由温度感生的该各向异性翻转。 [0067] 与写入模式无关，其中插入磁存储层的堆使得通过该堆的电流的流动引起写入期间的所述磁层的典型地100至200℃的温度上升，如热辅助写入存储器中那样(与例如FR2832542比较)。 [0068] 根据本发明的堆使得写入期间的该温度上升足以使磁存储层的磁化从具有低电流密度(待用(零电流))的或者读取时(读取电流比写入电流低约2至4倍)的基本上平面外翻转到用于写入的电流密度下的平面内。 加热是例如通过在磁隧道结中插入磁层而获得的，构成磁电极中的一个的磁存储层与隧道阻挡层直接接触。 由隧穿阻挡层的热电子的能量驰豫产生的耗散因此导致了结的加热，特别是与阻挡层相邻的磁层的加热。 如例如文献WO2005036559中描述的，通过调整层的厚度、堆的组成以及特别地，隧道结和电气连接隧道结的顶部和底部的传导电极之间的热阻挡层的引入，可以调整给定电流 2 2 密度产生的温度上升。对于具有几个Ω.μm 和几十个Ω.μm 之间的电阻＊面积的乘积的隧道结，典型地所需用于在几个纳秒内使其温度上升约ΔT＝100℃至220℃的电流密 5 2 6 2 度典型地是约5×10A.cm 至5×10A.cm。 [0070] ●使用合成反铁磁钉扎层：具有平面外磁化的参考层与具有平面外磁化的钉扎层反平行耦合，优选地其自身由反铁磁层(例如由IrMn或PtMn制成)钉扎。 钉扎层和参考层的厚度可以根据堆的组成和隧道结的横截面的组成进行调整，从而使参考层和钉扎层的组合辐射的场在存储层的体积上平均为零。 [0071] ●还可以在存储层的相对于参考层的另外一侧添加钉扎在与参考层的磁化相反的方向上的另一磁化层，从而使参考层和该附加钉扎层辐射的场在存储层中相互补偿。该附加层必须通过例如由铜制成的薄的非磁金属层与存储层隔开，从而在存储层和该附加层之间没有直接耦合。 [0072] 因此，根据本发明的存储层可以： [0073] ●由磁合金(FePt、FePd、CoPt、CoPd)制成； [0074] ●或者包括基于Co、Ni、Fe、Pt、Pd的多层或者多层的组合； [0075] ●或者包括具有交换相互作用的两个层的组合，一个层具有高的平面外各向异性，另一个层在单独的情况中具有平面磁化，但是通过与第一个层的交换相互作用，在待用(非写入)温度下具有被拉向平面外的磁化。 [0076] 此外，使存储层与参考层隔开的非磁隔层包括如下层： [0077] ●无定形隧道阻挡层(矾土、HfOx、TaOx、TiOx)或晶体隧道阻挡层(MgO、SrTiO3)； [0078] ●限制电流路径绝缘层(AlCuOx、MgCuOx、HfCuOx、TaCuOx)； [0079] ●半传导层(Ge、GaAs)； [0080] ●或者金属层(Cu、Au)。 [0081] 根据本发明的第一实施例，除了存储层的加热之外，在基本上“向上”或“向下”的方向上沿基本上相对层的平面的法向方向施加磁场也导致了存储层的两个稳定状态的一个中的翻转。 [0082] 根据本发明的第二实施例，除了存储层的加热之外，具有基本上被取向为垂直于所述存储层中的存储层的平面的偏置的自旋偏置电流的注入也导致了存储层的两个稳定状态的一个中进行的翻转。 [0083] 此外，由于根据本领域的技术人员公知的热辅助磁记录(HAMR)原理，平面外磁各向异性可以被选择为在待用温度下非常高，因此使用热辅助的实际情况使得具有待用(非写入)时的磁化的较好的热稳定性。 [0084] 再者，令人感兴趣地观察到，在该几何特征中，通过该结构的电流创建的安培场对由温度感生的从平面外到平面的磁化重新取向也具有有利的影响。 实际上，对于与层的平面垂直流动的电流，该安培场具有平面涡对称性。 因此该场也趋向于在电流密度增加时将存储层的磁化拉到平面内。安培场的影响因此被添加到温度的影响。 这意味着较之其中安培场具有针对磁化翻转的相当有害的影响的平面磁化结构的情况，本发明的原理可以应用直径更大的元件上(例如150至300nm)。 [0085] 因此本发明基于温度变化引起的磁化重新取向与“上半球”和“下半球”之间的区别引起的磁化重新取向的组合效应，“上半球”和“下半球”之间的该区别是通过施加磁场(第一实施例)，或者通过使用与层的平面垂直的偏置电流的自旋转移(第二实施例)而感生的。附图说明 [0086] 通过结合附图提供的用于提供信息而非限制性的实施例，能够实现本发明的方式及其优点将清楚地呈现。 [0087] 如已指出的，图1是现有技术的FIMS类型的磁存储器的架构的示意图。 [0088] 亦如已描述的，图2是现有技术中已知的使用热辅助MRAM写入存储器的磁存储器的示意图。 [0089] 图3是根据本发明的一个实施例的存储器点或逻辑元件的示意图。 [0090] 图4是与图3相似的使用参考钉扎层和附加钉扎层的本发明的第二实施例的视图。 [0091] 图5是与图4相似的其中两个钉扎层均包括合成反铁磁层的视图。 [0092] 图6是与图4相似的其中存储层包括合成反铁磁层的视图。 [0093] 图7是与图4相似的其中两个钉扎层和存储层包括合成反铁磁层的视图。 [0094] 图8是意在图示在使用磁场的施加的第一实施例中对根据本发明的存储器点进行写入的示意图。 [0095] 图9a至9d是意在图示在使用自旋极化电流的第二实施例中对根据本发明的存储器点进行写入的示意图。 [0096] 图10是示出针对本发明的特定的堆的作为磁场的函数的磁化变化的曲线图。 具体实施方式[0097] 本发明的存储器点或逻辑元件的核心处的磁元件是使用巨磁阻或隧道磁阻效应的磁阻元件。 该磁阻元件的核心基本上包括由非磁隔层52隔开的两个磁层50、51形成的夹层结构。 [0098] 根据本发明，这两个磁层具有与层的平面垂直的非写入各向异性。 [0099] 固定磁化层或参考层50具有如下磁性质，其磁化在磁元件操作的整个温度范围内保持垂直于平面(特别是在写入期间并且尤其是在读取和待用期间)。该操作温度范围可以从所需的低温延伸到写入时的典型地+250℃。 由于平面外各向异性更倾向于随温度的降低而加强，因此不存在关于固定磁化层的操作的温度下限。 [0100] 该参考层50可以通过各种方法制造： [0101] 该参考层50可以因此包括如下的多层： [0102] ●由交替的Co和Ni的超薄层形成的多层，其例如具有周期(Co0.2nm/Ni0.4nm)(参见F.den Broeder等人的Appl.Phys.Lett.61，1468(1992))。 在这些多层中，各向异性翻转温度可以在400℃以上； [0103] ●包括诸如CoFe/矾土的磁过渡金属/氧化物的双层的多层。 这些多层也展示了高的平面外各向异性并且可以经受高达250℃的温度。例如在仍未公开的法国专利申请FR 06.55943中已描述了这些多层； [0104] ●具有周期(Pt/Co)或(Pd/Co)的多层。 在后者中，已知各向异性序和相关的翻转温度强烈取决于各层的厚度。Pt和Co的厚度因此可以被调整以获得250℃以上的各向异性翻转温度。相似地，具有周期(Pt/Co/Pt/Ni)的多层可以具有250℃以上的各向异性翻转温度。例如，G.Srivinas等人的论文thin Solid Films 301(1997)211描述了具有周期(Pt/Co/Pt/Ni)的多层。 对于某些厚度，观察到在280℃以上的居里温度，例如对于(Pt0.69nm/Co 0.5nm/Pt0.69nm/Ni 0.3nm)，TCurie＝280℃，或者对于(Pt 0.69nm/Co0.7nm/Pt 0.69nm/Ni 0.3nm)，TCurie＝290℃。然而，这些多层常常在约200℃的温度下在界面处呈现出互扩散效应。 因此，优选的是使用前面所提出的解决方案中的一个。 [0105] 该参考层50还可以包括如下单层： [0106] ●基于FePt或FePd的有序合金制造的单层，其具有约700K的序温度并且在直至250℃的温度范围内保持平面外各向异性； [0107] ●如J.Ariake等人的论文Journ.Magn.Magn.Mater.287(2005)229中描述的基于CoPt或CoPd的合金制造的单层，具有在85％和50％之间的Co原子浓度； [0108] ●基于CoCr合金制造的单层，其具有c轴与层的平面垂直的六角形结构，如垂直磁记录介质中使用的具有接近Co80Cr20的组分的合金； [0109] ●基于诸如TbFeCo的某种稀土/过渡金属合金制造的单层，其也呈现出能够承受高达250℃的温度的平面外各向异性。在N.Nishimura等人的论文Journ.Appl.Phys.91，5246(2002)中给出了基于这些合金的具有平面外磁化的隧道结的示例性实施例。 [0110] 可选地，可以对取向平面外的该固定磁化层50的组分进行各种改进。 [0111] 因此，有利的是，在该固定磁化层50和使该固定磁化层与存储层51隔开的非磁隔层52之间添加磁材料薄层，通过与固定磁化层50的交换耦合，该磁材料薄层的磁化也是平面外的。 该附加的磁层的目的在于增加磁元件的磁阻的幅度，并且与第二实施例相关，加强通过自旋转移将磁化从存储层拉到“上半球”或“下半球”中的电流偏置。 例如，如果非磁隔层52是MgO隧道阻挡层，则该薄的附加磁层可以由CoFeB或CoFe合金制成，该合金具有足够丰富的Fe组分(典型地在30％以上)，足以具有与MgO阻挡层的结构兼容的立方体相位中心结构。该层的厚度必须不能过厚(典型地低于4nm)，从而使其磁化不会因形状各向异性的过度贡献而落入与界面平行的平面中。文献FR 2904724中描述了这一点。 [0112] 再者，有利的是，将固定磁化层50替换为包括两个固定磁化层60、61的被称为合成反铁磁层的层(图5和7)，这两个固定磁化层60、61被取向为平面外并且通过诸如例如具有0.5至0.9nm厚度的钌薄层的适合感生相邻铁磁层之间的反铁磁耦合的层62而反平行耦合。例如，还可以制造具有组分(Co 0.25nm/Ni 0.4nm)6/Ru 0.6nm/(Co 0.25nm/Ni0.4nm)4的固定磁化层。如本领域的技术人员已知的，将单个固定磁化层替换为该合成反铁磁结构的优点在于使固定磁化层的磁化的钉扎性更强并且因此对磁扰的抵抗性更强。 而且，这减小了所述合成反铁磁层辐射在存储层上的静磁场。 [0113] 相似地，为了加强固定磁化层的钉扎，所述简单的固定磁化层或合成反铁磁层可以被耦合到例如由具有12至20nm的典型厚度的PtMn或者具有6至10nm的典型厚度的IrMn制成的反铁磁层。 如本领域的技术人员公知的，反铁磁层和相邻铁磁层之间的交换相互作用具有钉扎相邻的铁磁层的磁化的效果。 该技术特别用在自旋阀或磁隧道结中，一种也通过垂直于层的平面的各向异性来发挥作用的技术在J.Sort、B.Rodmacq、S.Auffret和B.Dieny的论文“Pinned synthetic ferrimagnets withperpendicular anisotropy and tuneable exchange bias”，Appl.Phys.Lett.83，1800(2003)中描述。 [0114] 存储层51由如下材料制成，该材料被选择为：在写入期间，由流过隔层52(在该情况中是隧道阻挡层)的电流产生的加热使得其磁化从与层的平面垂直重新取向为平面。 该重新取向与该层的垂直各向异性随温度的快速下降关联，由此该层的垂直各向异性变得低于坚持将磁化取向在该层的平面内的形状各向异性。 [0115] 对于固定磁化层50，该层51可以具有基于Co、Ni、Fe、Pt、Pd、Cr的多层结构，但是其厚度和层的组分被选择为引起待用(非写入)温度和写入期间达到的最大温度(约140至250℃)之间的该各向异性翻转。 这可以特别地基于： [0116] ●多层(Pt/Co1-x-yFexNiy)或(Pd/Co1-x-yFexNiy)，其中合金Co1-x-yFexNiy富含Co(x+y＜50％)。 在这些多层中，已知磁化的减少和因此的各向异性的减少强烈取决于Pt或Pd以及磁合金的层的厚度。 通常，当磁合金的比例相对于Pt的比例减少时，作为温度的函数的减少是更快的； [0117] ●多层(Co/Ni)，但是较之固定磁化层，Ni含量略多； [0118] ●多层(Pt/Co/Pt/Ni)； [0119] ●具有形式(Co/Ni)/(Co/Pt)的堆的组合； [0120] ●在仍未公开的申请FR 06.55943中描述的基于与薄的氧化物层交替的过渡金属的多层； [0121] ●在待用温度下具有垂直各向异性的合金的单层：CoCr或FePt或FePd或稀土-过渡金属合金(例如TbFe、TbCo)。 [0122] 通常，可以调整铁磁存储层的组分和厚度以调整该层的各向异性翻转出现的温度。 实际上，如前面解释的，在这些系统中，平面外各向异性常常由界面各向异性感生，该界面各向异性的温度依赖性遵循构成该层的材料的自发磁化的3次方。 该各向异性由随自发磁化的2次方变化的形状各向异性所抵消。 更定量地，可以写成，每单位体积的层的总各向异性由下式给出(厘米-克-秒单位制)： [0123] [0124] 在该表达式中，第一项反映了偏好平面内磁化取向的体积形状各向异性。 第二项对应于磁晶起因的体积各向异性和针对所考虑材料的偏好平面外磁化取向的界面各向异性的和。 考虑到第二项中包括的界面特性，这两个项的相对权重取决于铁磁存储层的厚度。 此外，由于这两个项具有不同的温度依赖性，因此这意味着使两个项相等的温度给出的磁化翻转温度取决于铁磁层的厚度。 [0125] 磁存储层也可以包括与具有平面外磁化的层或多层进行交换相互作用的附加铁磁层的组合，如果该附加铁磁层是单独的，则其将具有平面磁化。 其也可以是例如与具有平面外各向异性的层或的多层(诸如TbCo或(Pt/Co))进行交换相互作用的具有1至3nm厚度的CoFeB或CoFe合金层。 如果平面外磁化层的垂直各向异性在待用温度下足够强，并且如果这两个层之间的交换相互作用足够强(如果其是单独的，则是平面磁化层，否则是平面外磁化层)，则附加层的磁化在待用温度下可以被垂直磁化层拉向平面外。 再者，在该情况中，由于垂直磁化层的平面外各向异性作为温度的函数而减少，因此附加层的磁化在某一温度下翻转到平面内，该温度可以通过调整层的组分及其厚度而进行调整。 添加附加层的优点在于，其用于加强隧道阻挡层附近的电子的自旋极化。 [0126] 此外，固定磁化层50和可翻转磁化存储层51通过非磁隔层52隔开。 后者可以是： [0127] ●优选地，绝缘隧道阻挡层(例如具有典型地0.4nm和3nm之间的厚度的由矾土或MgO或TiOx或HfOx或TaOx或SrTiOx制成的绝缘隧道阻挡层)。 在该情况中，由该堆得到的磁元件具有隧道磁阻效应； [0128] ●有传导路径穿过的绝缘层(诸如本领域的技术人员已知的在结构上被称为限制电流路径结构的隔层)。 这些隔层包括绝缘层内部的小传导孔。 它们是例如通过淀积被氧化(如同隧道阻挡层)的Al1-xCux合金薄层而制备的。铝捕获氧并且被转换成矾土，而铜离析到形成通过氧化阻挡层的传导路径的小簇中。 从该堆得到的元件具有这些限制电流路径(CCP)结构的巨磁阻效应特性； [0129] ●半传导层(例如具有0.5nm和10微米之间的典型厚度的由Si、Ge、GaAs制成的半传导层)。 从该堆得到的元件根据隔层的厚度和电子结构而具有隧道或巨磁阻效应； [0130] ●金属层(例如具有1nm和10nm之间的典型厚度的铜或金的金属层)。 从该堆得到的磁元件具有巨磁阻效应。 [0131] 包括固定磁化层50、非磁隔层52和可翻转磁化层51(具有各向异性反向)的组合构成了本发明中描述的堆的核心。 [0132] 可以对该基本的堆进行各种改进： [0133] ●以上已经描述了固定磁化层由被称为合成反铁磁钉扎层的层替换，所述层可以通过与反铁磁层的交换相互作用而被钉扎。 [0134] ●在其中层51的磁化翻转利用自旋转移机制的情况中，如果非磁隔层52是非金属的，则有利的是，在前面描述的使可翻转磁化层与固定磁化层50隔开的非磁隔层52的相对侧添加与可翻转磁化层51接触的第二非磁隔层56，其优选地是金属的(例如具有2至5nm的典型厚度的由铜制成的非磁隔层)或具有比第一非磁隔层52低的电阻，所述第二隔层56自身与第二固定磁化层55接触，该第二固定磁化层55在器件的整个操作温度范围内被取向为平面外(见图4)。 该第二钉扎层55具有与第一钉扎层50相同的组分。该第二层的磁化必须被取向为反平行于第一钉扎层。引入该第二固定磁化层55的优点在于，通过累积这两个钉扎层生成的自旋转移来加强可翻转磁化层51处的自旋转移效应。 例如在文献US6385082中描述了该自旋转移加强效应。 另一方面，由于第一隔层52(非金属)的电阻高于第二隔层56的电阻，因此堆的磁阻受制于第一固定磁化层50、第一非金属非磁隔层52和可翻转磁化层51形成的夹层结构的贡献。令人感兴趣的是观察到，除了加强自旋转移效应之外，引入该第二固定磁化层55的第二优点在于允许良好地补偿这两个固定磁化层辐射在可翻转磁化层上的静磁场。 实际上，如果这两个固定磁化层50、 55具有相似的磁矩并且离开可翻转磁化层51距离相似，则它们在可翻转磁化层处产生几乎相反的辐射场，并且所述场因此在该层处被补偿。由于钉扎层50辐射的静磁场可以通过朝向上或下半球影响可翻转磁化的取向来阻碍在写入期间施加的自旋转移或磁场的作用，因此这是有利的。 此外，对于第一固定磁化层50，该第二固定磁化层55可以包括合成反铁磁层，即由两个平面外反平行磁化层63、64形成，这两个磁化层63、64利用通过适当的耦合层65的相互作用而维持反平行对准(图5)，该耦合层65例如是具有0.6nm至0.9nm厚度的钌层。 在该情况中，最接近可翻转磁化层51的层64的磁化必须被取向为反平行于最接近可翻转磁化的第一钉扎层的磁化。 此外，为了加强所述第二钉扎层的钉扎，其必须处于与相邻反铁磁层的交换相互作用中。 图5中示出了由反铁磁层钉扎的两个合成反铁磁钉扎层的整体结构。 [0135] ●再者，为了使写入过程期间由钉扎的固定磁化层辐射的静磁场的影响最小，有利的是使用包括合成反铁磁层的可翻转磁化层51。其包括两个铁磁层66、67，这两个铁磁层66、67通过具有0.6nm至0.9nm厚度的诸如钌的适当的耦合层68反铁磁耦合。图6中示出了所提出的结构。使用合成反铁磁可翻转磁化层的优点在于补偿由两个钉扎的固定磁化层50、55辐射的场的影响。 实际上，由于构成软合成反铁磁层的两个层66、67具有相反的磁化，因此在可翻转磁化夹层结构中补偿了由两个固定磁化层50、55辐射的场的作用。 如同前文，在其中写入因自旋转移而发生的情况中，可以通过向基本结构添加具有比第一隔层52低的电阻的第二隔层56和此时磁化平行于第一钉扎层50的磁化的第二钉扎层55来加强针对可翻转磁化的自旋转移。 例如在文献US 6603677中描述了通过向第一钉扎层添加第二钉扎平行磁化层来加强合成反铁磁层上的自旋转移的效果。 如同前文，两个钉扎层中的一个或者另一个或者此两者可以由自身被反体磁层钉扎的合成反铁磁钉扎层替换。 图7示出其中两个钉扎层由耦合到反铁磁层的合成反铁磁钉扎层替换的情况。 [0136] 为了使所需用于在写入时加热结构的电流最小，有利的是将热阻挡层引入到结构中以减少朝向电极的热扩散。 例如在文献EP-A-1671330中已描述了这一点。 这些热阻挡层可以由BiTe制成，由诸如GeSbTe的硫族化物材料制成，由β-Ta制成或者通过利用由界面引入的高的电阻或热阻来引入诸如(Ta/Cu)的层叠的多层而制成。 [0137] 根据本发明的第一写入实施例，通过将电流注入到磁元件的堆中，首先在存储层51中引起温度上升，直至所述层的磁化取向从基本上垂直改变为所述层的平面内。随后，通过将水平传导线70、71(参见图8)安置在存储层附近来施加磁场。 这些线在位置上在存储器点侧偏移以促进相关存储器点的存储层处的场的垂直分量的出现。 可以向位于每个存储器点两侧的两个线70、71同时提供两个相反的电流脉冲以提供添加到这些线创建的磁场的两个贡献。 由于较之其中向单个线供电以产生等同的磁场的情况，每个线上的写入电流减少了1/2，因此这在功耗方面是有利的。 这样功耗减少了1/2。 [0138] 根据本发明的第二写入实施例，这里同样地，通过将电流注入到磁元件的堆中，首先在存储层51中引起温度上升，直至所述层的磁化取向从基本上垂直改变为所述层的平面内。 在该配置中，具有取向平面外的固定磁化的磁层被用作磁隧道结的第二电极。 由于不再需要施加磁场，因此该第二实施例在减小的尺寸下提供了更好的性质演进，所以在本质上比第一实施例更加有利。 [0139] 如果电流从存储层51流向固定磁化层50，则电子从固定磁化层流向存储层(图9a)。 这样，从取向平面外的固定磁化层发出的电子在与固定磁化层的磁化 相同的方向上具有平面外自旋极化。 这些电子通过渗入到存储层(其磁化在温度上 升的影响下已变成平面的)中而施加自旋转移矩，该自旋转移矩趋向于在注入到该 层中的电子的自旋极化方向上将该存储层的磁化拉向平面外。 在如下论文中已描 述了将平面外极化电流注入到平面磁化层中而感生的磁化动力学：D.Houssamedine 等 人 的 NatureMaterials 6，447(2007)；Lee，K.J.、Redon，O. 和 Dieny，B. 的“Analyticalinvestigation of spin-transfer dynamics using a perpendicular-to-planepolarizer”，Appl.Phys.Lett.86，22505-22507(2005)；Kent，A.D.、O¨zyilmaz，B.和del Barco，E. 的“Spin-transfer-induced precessionalmagnetization reversal”，Appl.Phys.Lett.84， 3897-3899(2004)。 [0140] 在这些论文中已证明了，在施加到存储层的磁化的自旋转移矩和平面外退磁化场的组合影响下，所述层的磁化根据电流方向朝向平面外被拉入到上或下半球中。 在宽的电流密度范围内，磁化在具有与自旋电流偏置方向平行的平面外轴的锥形体上进动。如前面的出版物中所示，存储层的磁化与平面法向所成的角度和进动频率取决于电流密度。在较高的电流密度下，磁化可以获取稳定的平面外位置。 然而，对于本发明特别重要的是，磁化在自旋转移的作用下退出平面以进入轴方向与固定磁化层的磁化相同的半球(图9b)。 [0141] 如果电流从固定磁化层50流向存储层51(图9c)，则电子从存储层流向固定磁化层。这样，存储层51的磁化在相对于固定磁化层的磁化方向的反平行方向上被拉向平面外。 如先前的情况中那样，通过描述轴反平行于固定磁化层的磁化方向的锥形体，磁化可以进入进动。 然而，对于本发明特别重要的是，磁化在自旋转移的作用下退出平面以进入轴方向反平行于固定磁化层的磁化的半球(图9d)。 [0142] 该现象中涉及的电流密度在从几105A/cm2到几106A/cm2的范围内。 它们优选地与具有约1Ω.μm2和几十Ω.μm2之间的电阻＊面积乘积的磁隧道结能够经受的电流密度兼容。 它们也近似地与所需用于加热的电流密度相同或者比其略低。 [0143] 根据第二实施例的并且在图8和图9中示出的在堆中写入数据的过程是在该堆是磁隧道结的优选情况中执行的。不失一般性，对于讨论假设固定磁化层50具有如图8中所示的向上取向的磁化。 本领域的技术人员可以容易地将该讨论转用到其中固定层的磁化向下的情况。 [0144] 为了写入“0”或逻辑“1”，如图9a中所示，电流脉冲从顶到底或从底到顶被传送通过堆。 该电流脉冲具有数个组合效果： [0145] ●一方面，在最初时，其通过结构中的焦耳效应引起堆的加热。 在隧道结的情况中，热生成基本上位于隧道阻挡层处并且向将结连接到其基部和顶部的电极扩散。 电流密度被选择为使得存储层中的温度上升约为ΔT＝100至220℃，并且对于构成存储层的材料，该温度上升引起了各向异性从平面外到平面的反向。 [0146] ●另一方面，如图9中所示，由于固定磁化层50的存在，通过存储层51的电流具有平面外自旋极化，其对磁化施加自旋转移矩，该自旋转移矩依赖于电流方向将存储层的磁化拉入到上或下半球中。 [0147] ●在其最大值之后，电流密度随后逐渐减小(典型地在几个纳秒内)，在几个纳秒之后消除。 在该时段期间，温度经历峰值并且随后在典型地5至30ns内减小以返回到待用温度。 该冷却时段取决于柱状物的比热和构成堆的各种元件的热扩散常数，并且特别取决于存储层和上传导线(参见图9)之间以及固定磁化层和下传导线(参见图9)之间是否存在热阻挡层。由于存储层的冷却，后者趋向于恢复其平面外各向异性。 因此，如果自旋转移趋向于将存储层的磁化拉入到上半球中，则存储层的磁化在冷却期间被取向为基本上沿层的平面的法向向上。 相反，如果自旋转移趋向于将存储层的磁化拉入到半球中，则存储层的磁化在冷却期间被取向为基本上沿层的平面的法向向下。 [0148] 本发明的该第二实施例优于现有技术的优点在于，这里所需用于磁化翻转的电流密度低于使用具有平面外磁化但是不具有这些磁化重新取向的堆的情况(如在例如S.Mangin、D.Ravelosona、J.Katine，、B.Terris和E.E.Fullerton的论文Nat.Mater.5，210(2006)中描述的)。实际上，在本发明中，自旋转移的任务不是从磁化向上或向下取向的状态开始，引起完全向上或向下的翻转。 这里，自旋转移的任务是从其中磁化几乎在平面内的情况开始，将磁化略微拉入到上半球或下半球中。 该后者的情况需要比前一种情况低得多的电流密度。 所需用于写入的电流密度因此基本上由所需用于引起存储层从平面外到平面的各向异性重新取向的加热电流密度确定。 在热辅助写入储存器中，已知通过以下方式可以显著减小加热电流密度(减小到约几个105A/cm2的值)：调整堆的热性质，特别地，出于磁阻的观点使堆的有源部分中涉及的层(即参考层/隧道阻挡层/存储层夹层结构)的厚度最小以及在该有源部分和位于磁阻柱的顶部和基部的电流入口电极之间引入承担堆中的热阻挡层的任务的、具有低的热传导率的层。 [0149] 图10示出了本发明的特有的堆的示例，用于获得先前描述的各向异性翻转。 [0150] 想要使其磁化翻转的存储层在这里包括与1.8nm厚的CoFeB层耦合的(Co/Pt/Ni/Pt)多层，该(Co/Pt/Ni/Pt)多层的各向异性在环境温度下是平面外的，并且随着温度上升而减小，如果该CoFeB层是单独的(换言之，在不存在耦合的情况中)，则该CoFeB层将具有平面内的磁化。 由于其通过交换相互作用与(Co/Pt/Ni/Pt)多层的耦合，其磁化在环境温度下是平面外的。 [0151] 图10示出了在各种温度下磁场以平面外方式施加到上述类型的堆，并且更精确地，施加到如下的堆的情况下而测量的循环：Ta3nm/Pt20nm/(Co0.45nm/Pt0,6nm/Ni0.5nm/Pt0.6nm )3/CoFeB1.8nm/Cu2nm/Pt2nm其在350℃下退火以使结构稳定并且使隧道阻挡层结晶。 [0152] 当循环随着剩余磁化(即在零场下)接近饱和磁化而具有基本上正方形的形状时，这意味着磁化是平面外的。 特别是对于在环境温度下和在50℃执行的循环，情况确是如此。 [0153] 相反，当循环《静止》在零场零磁化(M＝0和H＝0)(特别是对于140℃或更高的温度)时，这意味着磁化是完全平面的。 [0154] 因此从50℃以下的完全平面外到140℃以上的完全平面内，非常清楚地观察到系统的磁各向异性的翻转。 该翻转在这两个温度之间是渐进的。 |
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