固态存储器是使用非移动部件的非易失性存储介质。固态存储器的一些 示例为闪存和MRAM(磁电阻随机存取存储器)。固态存储器与传统盘驱动 器相比提供的优点在于到达和来自固态存储器的数据传送与机电盘驱动器 可能达到的速度相比以高得多的速率进行。由于没有移动部件，固态存储器 还可具有更长的工作寿命且还可以更耐用。传统固态存储器的一个问题是存 储容量远小于机电盘驱动器能够达到的容量。例如，普通闪存能够存储约1 千兆字节(GB)，而普通硬盘驱动器能存储高达100GB或更多。固态存储器 每兆字节的成本高于机电盘驱动器。
固态存储器的大小由最小特征尺寸(F)决定。固态磁存储器的一个问 题(相对闪存而言)是存储器的单元密度。由于来自电流线的磁场通常4F 距离范围上延伸的性质，常见的固态磁存储器具有与闪存相比较大的单元尺 寸。例如，MRAM可具有32F2的单元尺寸，而闪存可具有4F2的单元尺寸。 固态磁存储器的较大单元尺寸不幸地涉及减小的单元密度。
因此，需要设计具有更小单元尺寸的固态磁存储器。

本发明解决了三维固态磁存储器的上述和其它相关问题。三维磁存储器 包括多个堆叠的数据存储层，其中每个数据存储层适于存储数据位。所述位 可以如所需地在数据存储层之间转移。通过使用堆叠的数据存储层形成三维 磁存储器，净单元尺寸有利地减小从而允许单元密度增加。例如，假设二维 磁存储器初始具有16F2的单元尺寸，如果磁存储器利用这里描述的四个堆叠 数据存储层而不是一个数据存储层来实现，则有效单元尺寸可减小到4F2。 如果磁存储器利用这里描述的十六个堆叠数据存储层而不是一个数据存储 层来实现，则有效单元尺寸可减小到1F2。就单元密度(或位密度)而言， 这里描述的三维磁存储器可以有利地与闪存和盘驱动器竞争。
本发明的一个实施例是具有堆叠数据存储层的磁存储器。磁存储器包括 第一存储堆叠，第一存储堆叠包括定义第一平面的第一数据存储层。该堆叠 是一系列薄膜，一个沉积在另一个顶上，并形成这里描述的磁存储器的基本 组成部件(building block)。磁存储器还包括接近所述第一存储堆叠的第二存 储堆叠，其中所述第二存储堆叠包括限定平行于所述第一平面的第二平面的 第二数据存储层。第一平面和第二平面在X-Y方向上，因此数据存储层沿Z 方向堆叠。磁存储器还可包括接近所述第二存储堆叠的第三存储堆叠，其中 所述第三存储堆叠包括限定平行于所述第二平面的第三平面的第三数据存 储层。磁存储器还可包括第四存储堆叠、第五存储堆叠等，取决于所需的实 现。
磁存储器还包括接近所述第一数据存储层的多个写元件。所述写元件适 于施加磁场到所述第一数据存储层，从而在所述第一数据存储层中产生多个 磁畴。磁畴表示多个位存储在所述第一数据存储层中。磁存储器还包括控制 系统，适于加热所述第二数据存储层，使得来自所述第一数据存储层中的所 述磁畴的磁场在所述第二数据存储层中印(imprint)磁畴。通过印磁畴到第 二数据存储层中，位从所述第一数据存储层拷贝到所述第二数据存储层。
控制系统可适于按需在磁存储器的数据存储层之间转移位。例如，控制 系统还可适于加热所述第三数据存储层，使得来自所述第二数据存储层中的 所述磁畴的磁场在所述第三数据存储层中印磁畴。通过印磁畴到第三数据存 储层中，位从所述第二数据存储层拷贝到所述第三数据存储层。控制系统还 可适于沿另一方向转移位，例如从第三数据存储层到第二数据存储层，以及 从第二数据存储层到第一数据存储层。
在另一实施例中，磁存储器还包括第一存储堆叠和第二存储堆叠之间的 第一中间堆叠，及第二存储堆叠和第三存储堆叠之间的第二中间堆叠，其中 所述第一中间堆叠包括第一中间存储层，且第二中间堆叠包括第二中间存储 层。为了从第一数据存储层到第二数据存储层拷贝位，控制系统适于加热所 述第二数据存储层高于其居里温度，并加热所述第一中间存储层低于其居里 温度。通过第一中间存储层被加热，来自所述第一数据存储层中的磁畴的磁 场在所述第一中间存储层中印磁畴。控制系统还适于允许第一中间存储层冷 却，然后允许第二数据存储层冷却，其在所述第一中间存储层中的存储磁畴。 然后该控制系统还适于加热所述第二中间存储层高于其居里温度，并加热所 述第二数据存储层低于其居里温度。通过第二中间存储层被加热，来自所述 第一中间存储层中的磁畴的磁场在所述第二数据存储层中印磁畴。控制系统 还适于允许第二数据存储层冷却，然后允许第二中间存储层冷却，其在所述 第二数据存储层中存储磁畴。
在另一实施例中，磁存储器还包括接近所述第一数据存储层的多个读元 件。所述读元件适于检测来自所述第一数据存储层中的磁畴的磁场，从而从 所述第一数据存储层读出位。
在另一实施例中，磁存储器还包括溢出存储系统，适于临时存储从所述 第一数据存储层读出的位。
在另一实施例中，第一数据存储层构图成条带。所述条带的位置与所述 第一数据存储层中的所述磁畴对应。第二数据存储层也构图成条带，其中所 述条带的位置与所述第二数据存储层中的磁畴对应。所述第二数据存储层的 条带垂直于所述第一数据存储层的所述条带。磁存储器中连续数据存储层的 条带彼此垂直从而控制磁畴的大小。
在另一实施例中，除了第一数据存储层以外，第一存储堆叠还包括第一 加热层和第一绝缘层。第一加热层适于加热所述第一数据存储层。第一加热 层包括交叉的导体，其中所述交叉的导体的交叉点与所述第一数据存储层中 的磁畴的位置对应。在另一实施例中，与所述交叉导体在所述交叉点之间的 宽度相比，所述交叉导体在交叉点处的宽度较窄。
本发明可包括下面描述的其它示例性实施例。
附图说明
在所有图中相同的附图标记表示相同的元件。
图1是本发明示例性实施例中的磁存储器的剖视图；
图2是图1的本发明示例性实施例的磁存储器中的读元件的顶视图；
图3是图1的本发明示例性实施例的磁存储器中的写元件的顶视图；
图4是流程图，示出了向图1的本发明示例性实施例的磁存储器写位的 方法；
图5是部分第一数据存储层的等距视图，示出了在本发明的示例性实施 例中写入到第一数据存储层的位；
图6示出了在本发明的示例性实施例中的磁存储器，位写入到第一数据 存储层中；
图7示出了在本发明的示例性实施例中的磁存储器，位从第一数据存储 层拷贝到第二数据存储层中；
图8示出了在本发明的示例性实施例中的磁存储器，位从第二数据存储 层拷贝到第三数据存储层中；
图9示出了磁存储器的另一实施例的剖视图，其中磁存储器还包括中间 堆叠；
图10是流程图，示出了向本发明示例性实施例中的磁存储器写位的方 法；
图11是流程图，示出了从本发明示例性实施例中的磁存储器读位的方 法；
图12示出了在本发明的示例性实施例中的磁存储器，位存储在第三数 据存储层中；
图13示出了在本发明的示例性实施例中的磁存储器，位从第二数据存 储层拷贝到第一数据存储层中；
图14示出了磁存储器的另一实施例的剖视图，其中磁存储器还包括中 间堆叠；
图15是流程图，示出了从本发明示例性实施例中的磁存储器读位的方 法；
图16示出了在本发明的示例性实施例中的磁存储器，包括溢出存储系 统；
图17示出了本发明示例性实施例中包括加热层的存储堆叠；
图18示出了本发明示例性实施例中包括交叉的导体的加热层的顶视图；
图19示出了本发明示例性实施例中构图的第一数据存储层；
图20示出了本发明示例性实施例中构图的第二数据存储层；
图21是流程图，示出了制造本发明的示例性实施例中的磁存储器的方 法；
图22是流程图，示出了制造本发明的示例性实施例中的存储堆叠的方 法；
图23是流程图，示出了构图本发明的示例性实施例中的数据存储层的 方法；
图24是本发明的示例性实施例中的磁存储器的更详细实施例的剖视图；
图25示出了图24的本发明示例性实施例中的磁存储器，一页(page) 的位写入到第一数据存储层中；
图26示出了图24的本发明示例性实施例中的磁存储器，该页的位印到 第二数据存储层中；
图27示出了图24的本发明示例性实施例中的磁存储器，该页的位写入 到第三数据存储层中；
图28示出了图24的本发明示例性实施例中的磁存储器，该页的位从第 一数据存储层中擦除；
图29示出了图24的本发明示例性实施例中的磁存储器，该页的位写入 到第四数据存储层中；
图30示出了图24的本发明示例性实施例中的磁存储器，该页的位从第 二数据存储层中擦除；
图31示出了图24的本发明示例性实施例中的磁存储器，另一页的位写 入到第一数据存储层中；
图32示出了本发明另一实施例中构图的第一数据存储层。

图1-32和下面的说明描述了本发明的具体示例性实施例，从而教导本 领域技术人员如何制造和利用本发明。为了教导本发明的原理，本发明的一 些常规方面被简化或省略。本领域技术人员将理解，这些实施例的变型落在 本发明的范围内。本领域技术人员将理解，下面描述的特征能够以各种方式 组合从而形成本发明的多种变型。因此，本发明不限于下面描述的特定实施 例，而是仅限定于权利要求及其等价物。
图1是本发明示例性实施例中的磁存储器100的剖视图。图1中的剖视 图仅示出了磁存储器100的部分，因为实际的磁存储器可在X、Y或Z方向 上延伸更远。磁存储器100包括层的主列101，其包括多个读元件102、多 个写元件104、第一存储堆叠110、第二存储堆叠120、以及第三存储堆叠 130。磁存储器100还包括控制系统150，控制系统150可包括多个晶体管和 其它元件。尽管层的一个主列101示出在图1中，但磁存储器100可包括多 个如图1所示的主列。例如，如果图1所示的主列101提供4M位的存储(例 如X方向上的2K和Y方向上的2K)，那么磁存储器100可包括多个如图1 所示的主列101，从而提供16M位、32M位、64M位等。
读元件102和写元件104接近存储堆叠110，存储堆叠110接近存储堆 叠120，存储堆叠120接近存储堆叠110和存储堆叠130。接近意味着一个 堆叠与另一堆叠相邻或邻接。磁存储器100中可有该实施例中未示出的更多 或更少存储堆叠。例如，磁存储器100可包括第四存储堆叠、第五存储堆叠 等。在存储堆叠110、120、和130之间也可以有中间层。这些中间层可用来 促进位在存储堆叠之间的转移，这将在图9-10中示出。
存储堆叠包括适于存储数据位的层的任何子集(subset)。存储堆叠110 包括一个或更多材料层。存储堆叠110的层之一包括数据存储层112，其是 适于存储位的磁材料层。数据存储层112可由具有垂直磁化的磁材料构成， 如TbFeCo、CoPt、或CoPd多层。供选地，数据存储层112可由具有水平磁 化或非垂直磁化的磁材料构成。存储堆叠110还可包括一个或更多绝缘层 114，其适于使数据存储层112的加热与其它数据存储层隔离。存储堆叠110 还可包括适于加热数据存储层112的加热层(未示出)。存储堆叠120可与 存储堆叠110具有类似结构，具有数据存储层122、绝缘层124、及可能的 加热层。存储堆叠130可与存储堆叠110具有类似结构，具有数据存储层132、 绝缘层134、及可能的加热层。
存储堆叠110的数据存储层112限定X-Y方向的第一平面。存储堆叠 120的数据存储层122限定X-Y方向的第二平面。存储堆叠130的数据存储 层132限定X-Y方向的第三平面。图1中显然的是，数据存储层的第一平面、 第二平面和第三平面彼此平行。
图2是本发明示例性实施例的读元件102的顶视图。读元件102在X-Y 方向的阵列中。读元件102根据数据存储层112、122、和132中所需的位密 度而间隔开。读元件102包括适于检测来自畴的磁场的任何元件，所述畴代 表存储在数据存储层112上的位。例如，读元件102可包括霍尔效应元件、 自旋阀元件、或隧道阀元件。
图3是本发明示例性实施例中的写元件104的顶视图。写元件104由电 流回路的交叉点阵列形成。单个写元件104通过图3中虚线圆圈指示出来。 由导电材料形成的电流回路302沿X方向行进，电流回路304沿Y方向行 进。电流回路的交叉点与示出为虚线方框的读元件102的位置对应。电流回 路302和304每个产生大小为X的磁场。在电流回路不交叉的位置，磁场的 大小为X。在电流回路交叉的位置，来自两个电流回路的磁场相加从而产生 大小为2X的磁场。2X的磁场用来写入位到图1的数据存储层112中。
根据这里的特征和观点，磁存储器100适于在数据存储层112、122和 132(及可能的其它未示出的数据存储层)中提供位的存储。为了在磁存储 器100中存储位，每个数据存储层112、122和132能够在X-Y方向存储位。 磁存储器100还能够沿图1的Z方向在数据存储层112、122和132之间转 移位。
图4是流程图，示出了向本发明示例性实施例的磁存储器100写入位的 方法400。在步骤402，写元件104施加磁场到数据存储层112从而在数据 存储层112中产生或印多个磁畴。磁畴包括由不同磁化(或背景磁化)区域 围绕的磁化区域。磁畴代表写入到数据存储层112中的多个数据位。这里磁 畴也可称为磁化区域或磁印。控制系统150可加热数据存储层112从而辅助 在数据存储层112中产生磁畴。加热数据存储层112至刚好低于其居里温度 减小了矫顽力(Hc)并且允许该层的磁化更易于受来自写元件104的磁场的 影响。控制系统150可直接施加电流到数据存储层112从而施加热，因为数 据存储层112包括具有一定电阻的金属性材料。供选地，控制系统150可施 加电流到加热层(未示出)，加热层包括在存储堆叠110中，接近数据存储 层112。
图5是部分数据存储层112的等距视图，示出了写入到数据存储层112 的位。数据存储层112具有背景磁化，例如图5中垂直于平面向下指向的磁 化。位以磁畴502的形式写入到数据存储层112中。磁畴502通过局部地改 变磁化至与数据存储层112的初始磁化相反的极性而形成。磁畴502的磁化 在图5中通过箭头示出。与背景磁化相反地磁化的磁畴502的存在表示位的 一个二进制值，例如“1”。数据存储层112的特定区域中不存在相反磁化的 畴502表示位的另一个二进制值，例如“0”。图5中磁畴502的不存在示出 为虚线圆圈。
图6示出了磁存储器100，位根据图4的步骤402写入到数据存储层112 中。磁畴已经通过最右边的写元件104和中间的写元件104印到数据存储层 112中。磁畴通过代表接近最右边的写元件104的区域和接近中间的写元件 104的区域的虚线方框中向上指向的单箭头表示。没有相反畴的背景磁化已 经印到接近最左边的写元件104的数据存储层112中。相反磁畴的不存在通 过代表接近最左边的写元件104的区域的不包括箭头的虚线方框表示。
在图6中位写入到数据存储层112中的情况下，控制系统150可如下沿 主列101向上转移位。控制系统150加热数据存储层122，使得来自数据存 储层112中的磁畴的磁场在图4的步骤404中在数据存储层122中印 (imprint)磁畴。通过将来自数据存储层112的磁畴印到数据存储层122， 存储在数据存储层112中的位沿Z方向(图6中向上)拷贝到数据存储层 122中。控制系统150可直接施加电流到数据存储层122从而施加热，或者 可施加电流到包括在存储堆叠120中并接近数据存储层122的加热层(未示 出)。尽管该实施例中使用热来从数据存储层112到数据存储层122印磁畴， 但是可以使用其它方法或装置来促进磁畴的转移。图7示出了磁存储器100， 位根据图4的步骤404从数据存储层112拷贝到数据存储层122。孤立磁畴 的不存在也通过虚线方框示出在图7中。
磁畴可以不直接地从数据存储层112印到数据存储层122。如前所述， 在数据存储层112和数据存储层122之间可以有便于该转移的中间层。例如， 控制系统150可首先从数据存储层112拷贝磁畴到中间层，然后从中间层拷 贝磁畴到数据存储层122。中间层用作缓冲从而防止其它层中的其它磁畴(例 如用于其它位图案的磁畴)干扰从数据存储层112到数据存储层122的磁畴 转移。
在图7中位写入到数据存储层122中的情况下，控制系统150可如下沿 主列101向上转移位。控制系统150加热数据存储层132，使得来自数据存 储层122中的磁畴的磁场在图4的步骤406中在数据存储层132中印磁畴。 通过从数据存储层122印磁畴到数据存储层132，存储在数据存储层122中 的位沿Z方向拷贝到数据存储层132中。此外，控制系统150可直接施加电 流到数据存储层132从而施加热，或者可施加电流到包括在存储堆叠130中 并接近数据存储层132的加热层(未示出)。图8示出了磁存储器100，位根 据图4的步骤406从数据存储层122拷贝到数据存储层132。图4中的方法 400可还包括加热磁存储器100中上面的层从而沿主列101向上转移位的步 骤。
从一个数据存储层拷贝位到另一数据存储层之后，控制系统150可从发 送数据存储层擦除位。例如，为了从数据存储层112擦除位，控制系统150 可加热数据存储层112至或高于其居里温度(Tc)从而擦除磁畴并在数据存 储层112冷却后使其返回到其初始或背景磁化。控制系统150可在存在偏置 磁场的情况下加热和冷却数据存储层112从而使数据存储层112返回到其初 始或背景磁化。因此位从数据存储层112擦除。控制系统150可直接施加电 流到数据存储层112从而施加热，或者供选地可施加电流到包括在存储堆叠 110中并接近数据存储层112的加热层(未示出)。
在图8中，初始写到数据存储层112的位已经拷贝到数据存储层122和 数据存储层132。位可以存储在数据存储层132中，或者可以沿着磁存储器 100的堆叠向上转移(尽管图8中未示出额外的存储堆叠)。在位存储在数据 存储层132中的情况下，控制系统150可擦除存储在数据存储层112中的位 图案，且写元件104可写另一位图案到数据存储层112中。控制系统150可 擦除存储在数据存储层122中的位图案，并从数据存储层112转移新的位图 案到数据存储层122，如图4的步骤404所述。在一个位图案存储在数据存 储层132中且另一位图案存储在数据存储层122中的情况下，控制系统150 可擦除存储在数据存储层112中的位图案，且如果需要的话写元件104可写 又一位图案到数据存储层112中。
图9示出了磁存储器100的另一实施例的剖视图，其中磁存储器还包括 中间堆叠。在该实施例中，磁存储器100还包括中间堆叠140和150。中间 堆叠包括适于临时存储数据位的层的任何子集。中间堆叠140包括一个或更 多材料层。中间堆叠140的层之一包括中间存储层142，中间存储层142是 适于临时存储位的磁材料层。中间存储层142可由与用于数据存储层112、 122和132相同的材料构成，如TbFeCo或CoPt多层。中间存储层142限定 与数据存储层112、122和132的平面平行的平面。中间堆叠140还可包括 一个或更多绝缘层144，绝缘层144适于使中间存储层142的加热与其它数 据存储层隔离。中间堆叠140还可包括适于加热中间存储层142的加热层(未 示出)。中间堆叠150可与中间堆叠140具有类似结构，具有中间存储层152、 绝缘层154、及可能的加热层。
图10是流程图，示出了向本发明示例性实施例的磁存储器100写入位 的方法1000。在步骤1002，控制系统150加热中间存储层142至或高于其 居里温度，并加热数据存储层112至刚好低于其居里温度。加热刚好低于居 里温度指的是将层加热至低于其居里温度的温度，但又足够高从而允许层的 磁化更易于受磁场影响。加热中间存储层142至或高于其居里温度擦除了该 层中的任何磁畴，从而它们将不影响数据存储层112。加热数据存储层112 刚好低于其居里温度允许写元件104更容易地向该层写入。
在步骤1003，写元件104施加磁场到数据存储层112从而在数据存储层 112中产生或印多个磁畴。磁畴代表位图案写入到数据存储层112中。在步 骤1004，控制系统150允许数据存储层112冷却，其存储磁畴在数据存储层 112中。在步骤1005，控制系统150然后允许中间存储层142冷却。随着中 间存储层142冷却，来自数据存储层112或数据存储层122的磁畴可印在该 层中。中间存储层142中的任何磁畴不会影响存储在数据存储层112中的磁 畴，因为它已经冷却。
为了从数据存储层112拷贝位到数据存储层122，进行如下操作。在步 骤1006，控制系统150加热数据存储层122至或高于其居里温度，并加热中 间存储层142刚好低于其居里温度。加热数据存储层122至或高于其居里温 度擦除了该层中的任何磁畴，因此它们不会影响中间存储层142。加热中间 存储层142刚好低于其居里温度允许来自数据存储层112中的磁畴的磁场在 中间存储层142中印磁畴。通过从数据存储层112印磁畴到中间存储层142， 存储在数据存储层112中的位沿Z方向(图9中向上)拷贝到中间存储层 142。在步骤1007，控制系统150允许中间存储层142冷却，其在中间存储 层142中存储磁畴。在步骤1008，控制系统150然后允许数据存储层122 冷却。
在步骤1009，控制系统150然后加热中间存储层152至或高于其居里温 度，并加热数据存储层122刚好低于其居里温度。加热中间存储层152至或 高于其居里温度擦除了该层中的任何磁畴，因此它们将不会影响数据存储层 122。加热数据存储层122刚好低于其居里温度允许来自中间存储层142中 的磁畴的磁场在数据存储层122中印磁畴。通过从中间存储层142印磁畴到 数据存储层122，存储在中间存储层142中的位沿Z方向(图9中向上)拷 贝到数据存储层122。在步骤1010，控制系统150允许数据存储层122冷却， 其在数据存储层122中存储磁畴。在步骤1011，控制系统150然后允许中间 存储层142冷却。位因此成功地通过中间存储层142从数据存储层112拷贝 到数据存储层122。类似的方法用于进一步沿主列101向上拷贝位。
如果需要，控制系统150可从数据存储层112擦除位。为了擦除位，控 制系统150加热中间存储层142至或高于其居里温度，并加热数据存储层112 至或高于其居里温度。控制系统150允许数据存储层112冷却，其使数据存 储层112返回到其初始或背景磁化。控制系统150可在存在偏置磁场的情况 下加热和冷却数据存储层112从而使数据存储层112返回到其初始或背景磁 化。控制系统150然后允许中间存储层142冷却。另外，随着中间存储层142 冷却，来自数据存储层122的磁畴可印在该层中。中间存储层142中的任何 磁畴不应该影响存储在数据存储层112中的磁畴，因为它已经冷却。
在某些点，从磁存储器100读出存储在数据存储层112、122和132中 的位。图11是流程图，示出了从本发明示例性实施例中的磁存储器100读 出位的方法1100。该实施例示出了读存储在数据存储层132中的位，但类似 的过程可用于读出存储在其它数据存储层中的位。图12示出了在本发明的 示例性实施例中的磁存储器100，位存储在数据存储层132中。为了读数据 存储层132中的位，位需要沿主列101向下转移到数据存储层112，因为数 据存储层112接近读元件102。如果其它位图案存储在数据存储层112或数 据存储层122中，则这些位图案被读出并临时卸载到溢出存储系统，其在图 16中描述。
在图11的步骤1102中，控制系统150加热数据存储层122，使得来自 数据存储层132的磁畴的磁场在数据存储层122中印磁畴。通过从数据存储 层132印磁畴到数据存储层122，存储在数据存储层132中的位沿Z方向(图 12中向下)拷贝到数据存储层122中。
在步骤1106，控制系统150加热数据存储层112，使得来自数据存储层 122中的磁畴的磁场在数据存储层112中印磁畴。通过从数据存储层122印 磁畴到数据存储层112，存储在数据存储层122中的位沿Z方向拷贝到数据 存储层112。图13示出了磁存储器100，位从数据存储层132拷贝到数据存 储层122并从数据存储层122拷贝到数据存储层112。
位从一个数据存储层拷贝到另一个数据存储层之后，控制系统150可从 发送数据存储层擦除位。例如，为了从数据存储层132擦除位，控制系统150 可加热数据存储层132至或高于其居里温度(Tc)从而擦除磁畴并在数据存 储层132冷却后使其返回到其初始或背景磁化。控制系统150可在存在偏置 磁场的情况下加热和冷却数据存储层132从而使数据存储层132返回到其初 始或背景磁化。位因此从数据存储层132擦除。
在位转移到接近读元件102的数据存储层112的情况下，位处于将通过 读元件102读取的位置。在步骤1110，读元件102检测来自数据存储层112 中的磁畴的磁场从而从数据存储层112读出位。如果读元件102是自旋阀， 例如，自旋阀的电阻将依赖于从数据存储层112发出的场的方向和大小。例 如，来自磁畴的向上指向的磁场将导致一个电阻值，而向下指向的磁场将导 致第二电阻。因此孤立磁畴导致一个电阻，而背景磁化或没有孤立的畴会导 致第二电阻。
图14示出了磁存储器100的另一实施例的剖视图，其中磁存储器100 还包括中间堆叠。磁存储器100的该实施例也示出在图9中。然而，图14 示出了存储在数据存储层132中的位图案，其需要向下拷贝到数据存储层 112从而被读出。
图15是流程图，示出了从本发明示例性实施例中的磁存储器100读位 的方法1500。在步骤1502，控制系统150加热数据存储层122至或高于其 居里温度，并加热中间存储层152刚好低于其居里温度。加热数据存储层122 至或高于其居里温度擦除了该层中的任何磁畴，从而它们将不影响中间存储 层152。加热中间存储层152刚好低于其居里温度允许来自数据存储层132 中的磁畴的磁场在中间存储层152中印磁畴。通过从数据存储层132印磁畴 到中间存储层152，存储在数据存储层132中的位沿Z方向(图14中向下) 拷贝到中间存储层152。在步骤1503，控制系统150允许中间存储层152冷 却，其在中间存储层152中存储磁畴。在步骤1504，控制系统150然后允许 数据存储层122冷却。
在步骤1505，控制系统150加热中间存储层142至或高于其居里温度， 并加热数据存储层122刚好低于其居里温度。加热中间存储层142至或高于 其居里温度擦除了该层中的任何磁畴，从而它们将不影响数据存储层122。 加热数据存储层122刚好低于其居里温度允许来自中间存储层152中的磁畴 的磁场在数据存储层122中印磁畴。通过从中间存储层152印磁畴到数据存 储层122，存储在中间存储层152中的位沿Z方向(图14中向下)拷贝到 数据存储层122。在步骤1506，控制系统150允许数据存储层122冷却，其 在数据存储层122中存储磁畴。在步骤1507，控制系统150然后允许中间存 储层142冷却。位因此成功地通过中间存储层152从数据存储层132拷贝到 数据存储层122。
在步骤1508，控制系统150加热数据存储层112至或高于其居里温度， 并加热中间存储层142刚好低于其居里温度。加热数据存储层112至或高于 其居里温度擦除了该层中的任何磁畴，从而它们将不影响中间存储层142。 加热中间存储层142刚好低于其居里温度允许来自数据存储层122中的磁畴 的磁场在中间存储层142中印磁畴。通过从数据存储层122印磁畴到中间存 储层142，存储在数据存储层122中的位沿Z方向(图14中向下)拷贝到 中间存储层142。在步骤1509，控制系统150允许中间存储层142冷却，其 在中间存储层142中存储磁畴。在步骤1510，控制系统150然后允许数据存 储层112冷却。随着数据存储层112冷却，来自中间存储层142中的磁畴的 磁场在数据存储层112中印磁畴。通过从中间存储层142印磁畴到数据存储 层112，存储在中间存储层142中的位沿Z方向(图14中向下)拷贝到数 据存储层112。
在位转移到接近读元件102的数据存储层112的情况下，位处于将通过 读元件102读取的位置。在步骤1511，读元件102检测来自数据存储层112 中的磁畴的磁场从而从数据存储层112读出位。
如前所述，如果数据存储层132中的位图案将被读取且另一位图案同时 存储在数据存储层122中，则控制系统150需要移动数据存储层132下面的 数据存储层中存储的位图案，使得数据存储层132中存储的位能够转移到数 据存储层112。为了提供临时存储来自数据存储层122和其它数据存储层的 位图案，磁存储器100还可包括根据这里的特征和观点的溢出存储系统。
图16示出了磁存储器100，其包括溢出存储系统1602。溢出存储系统 1602可包括适于存储从数据存储层112读出的位的任何所需存储器。溢出存 储系统1602可包括非常类似存储堆叠110、120和130的一个或更多存储堆 叠。溢出存储系统1602可服务于图16所示的磁存储器100的单列，或者可 服务于未示出的磁存储器100的多列。如图16所示，数据存储层122和数 据存储层132都存储位。数据存储层122存储第一位图案，数据存储层132 存储第二位图案。如果磁存储器100接收到对存储在数据存储层132中的位 的请求，则控制系统150如图11中所述地操作，从而移动数据存储层122 中的第一位图案到溢出存储系统1602中。控制系统150还如图11所述地操 作，从而移动数据存储层132中的第二位图案到数据存储层112中并从数据 存储层112读出位。先前存储在数据存储层132中的第二位图案被读出之后， 控制系统150可将存储在溢出存储系统1602中的第一位图案写回到数据存 储层122或磁存储器100中的另一数据存储层。
如前所述，存储堆叠110、120和130可每个包括适于加热存储堆叠中 的对应的数据存储层的加热层。图17示出了包括加热层的存储堆叠110。在 该实施例中，存储堆叠110包括加热层1702、数据存储层112和绝缘层114。 加热层1702适于响应于控制系统150(见图1)提供的电流加热数据存储层 112。加热层1702可包括具有足以响应于电流加热数据存储层112的电阻的 半导体或金属性层。当加热层1702加热数据存储层112时，绝缘层114适 于将所述热与其它数据存储层隔离。
加热层1702可包括交叉的导体(cross-hatched conductor)。图18是包括 交叉的导体的加热层1702的顶视图。图18中的水平导体1802和垂直导体 1804在多个点交叉。导体1802、1804的交叉点与数据存储层122中磁畴的 位置(即存储位的位置)对应。在该实施例中，导体1802、1804在宽度上 不是均匀的。与导体1802、1804在交叉点之间的宽度相比，导体1802、1804 的宽度在交叉点(即位的位置)较窄。导体1802、1804在交叉点较窄，功 耗较高，其导致交叉点处较高的温度。导体1802、1804在交叉点之间较宽， 功耗较低，其导致交叉点之间较低的温度。该配置的一个优点在于消耗较小 的功率，因为较高的温度仅提供在交叉点。另一优点在于在数据存储层122 中沿导体1802、1804的长度可获得较高的热梯度，因为数据存储层122中 位位置之间的区域保持较冷。另一优点是较快的冷却时间，因为较小体积的 数据存储层122被加热且因而冷却。另一优点在于线的电阻可较低，因为导 体1802、1804的平均宽度较大。
在其它实施例中，加热层1702不包括交叉的导体，而包括水平导体1802 或垂直导体1804。水平导体1802或垂直导体1804可在与数据存储层122 中的磁畴的位置(即存储位的位置)对应的位置处较窄。
返回参照图5，磁畴502在从一个数据存储层转移到另一数据存储层时 可长得较大。来自磁畴502的磁场在畴壁处不是完全垂直的且倾向于发散。 由于该情况，磁畴在转移到相继的数据存储层时尺寸能生长，其能影响磁存 储器100(见图1)的总体密度。根据这里的特征和观点，磁存储器100中 的数据存储层在一实施例中能被构图从而控制磁畴的大小。
图19示出了本发明示例性实施例中构图的数据存储层112。数据存储层 112在该实施例中构图成条带(strip)。条带的位置与数据存储层112中磁畴 的位置对应。条带的宽度与磁畴的期望大小对应。例如，如果磁畴的期望宽 度为1微米，则条带的宽度可为1.2微米。因为磁畴能够沿数据存储层112 中条带的长度扩展(图19中是向上和向下)，所以磁存储器100的堆叠中的 下一数据存储层，即数据存储层122，也可以构图成条带，该条带垂直于数 据存储层112的条带。
图20示出了本发明示例性实施例中构图的数据存储层122。数据存储层 122也构图成与数据存储层112类似的条带。然而，数据存储层122的条带 垂直于数据存储层112中的条带。磁畴能够沿条带的长度扩展(在图20中 为左到右)，但磁畴在这些方向上通过前面的垂直条带控制。通过使后续数 据存储层的条带垂直于前面的数据存储层，可在所有方向上控制磁畴的扩 展。如果图1中数据存储层132构图成条带，则该条带将再垂直于数据存储 层122中的条带。
数据存储层可构图成条带以外的不同形状。例如，数据存储层可构图成 畴“岛”，其是具有期望磁畴的大小的材料片段。图32示出了本发明另一示 例性实施例中构图的数据存储层112。数据存储层112在该实施例中构图成 畴大小的岛。岛的位置与数据存储层112中的磁畴对应。岛的面积与磁畴的 期望大小对应。磁存储器100的堆叠中的下一数据存储层，即数据存储层 122，也可构图成类似的岛。
图21是流程图，示出了制造本发明示例性实施例中的磁存储器的方法 2100。方法2100可用于制造前面附图中示出的磁存储器100。步骤2102包 括形成多个读元件和多个写元件。读元件可形成在第一层中，写元件可形成 在一个或更多其它层中。例如，读元件可包括霍尔效应元件、自旋阀元件或 隧道阀元件的阵列。写元件可包括与读元件对应的多个电流回路。步骤2104 包括形成接近多个读元件和多个写元件的第一存储堆叠。第一存储堆叠包括 限定第一平面的第一数据存储层。第一数据存储层可由磁材料构成，例如 TbFeCo或CoPt多层。步骤2106包括形成接近第一存储堆叠的第二存储堆 叠。第二存储堆叠包括限定平行于第一平面的第二平面的第二数据存储层。
步骤2102中形成的写元件适于施加磁场到第一数据存储层从而在第一 数据存储层中产生多个磁畴，代表第一数据存储层中的多个位。步骤2106 中形成的第二数据存储层响应于热和来自第一数据存储层中的磁畴的磁场， 从第一数据存储层复制磁畴。步骤2104形成的第一数据存储层响应于热擦 除磁畴。
图21中的方法2100还可包括步骤2108，其包括形成接近第二存储堆叠 的第三存储堆叠。第三存储堆叠包括限定平行于第一平面和第二平面的第三 平面的第三数据存储层。步骤2108中形成的第三数据存储层响应于热和来 自第二数据存储层中的磁畴的磁场，从第二数据存储层复制磁畴。步骤2106 中形成的第二数据存储层还响应于热擦除磁畴。方法2100可包括其它步骤 以形成第四存储堆叠、第五存储堆叠等。数据存储层还响应于热从而允许磁 畴在数据存储层之间的其它方向转移位。方法2100也可包括形成图9所示 的在存储堆叠之间的中间堆叠的进一步的步骤。
图22是流程图，示出了制造本发明示例性实施例中的存储堆叠如图1 中的存储堆叠120的方法2200。步骤2202包括形成数据存储层。步骤2204 包括形成接近数据存储层的加热层。步骤2206包括形成接近加热层的绝缘 层。方法2200还可用于形成这里描述的中间堆叠。
图23是流程图，示出了构图本发明示例性实施例中的数据存储层的方 法2300。步骤2302包括将第一数据存储层构图成条带。该构图步骤可包括 在第一数据存储层的全膜上形成光致抗蚀剂，及进行顶离(lift-off)从而形 成条带。供选地，磁膜可被蚀刻或研磨从而形成条带。如前所述，第一数据 存储层适于以磁畴的形式存储位。条带的位置对应于第一数据存储层中的磁 畴。条带的宽度与磁畴的期望大小对应。例如，如果磁畴的期望宽度为1微 米，则条带的宽度可为1.2微米。
步骤2304包括将第二数据存储层构图成条带。再次，该构图步骤可包 括在第二数据存储层的全膜上形成光致抗蚀剂，及进行顶离、研磨或蚀刻从 而形成条带。第二数据存储层的条带垂直于第一数据存储层的条带。通过使 条带垂直于相继的数据存储层的条带，可以有利地控制磁畴的大小。方法 2300可包括将相继数据存储层构图成与前面数据存储层的条带垂直的条带 的其它步骤。
示例
图24是本发明示例性实施例中的磁存储器2400的更详细实施例的剖视 图。磁存储器2400包括三维固态存储器。图24中的剖视图仅示出了磁存储 器2400的部分，因为实际的磁存储器可在X-Y方向上进一步延伸。磁存储 器2400包括层的主列2401，其包括读元件2402的阵列、电流回路2404的 交叉点阵列、多个存储堆叠2410、2430、2450和2470、多个中间堆叠2420、 2440和2460、及控制系统2480。存储堆叠2410、2430、2450和2470用于 位的实际存储，而中间堆叠2420、2440和2460用作存储堆叠2410、2430、 2450和2470之间的缓冲。存储堆叠2410接近读元件2402的阵列和电流回 路2404的交叉点阵列形成。中间堆叠2420接近存储堆叠2410形成。存储 堆叠2430接近中间堆叠2420形成。中间堆叠2440接近存储堆叠2430形成。 存储堆叠2450接近中间堆叠2440形成。中间堆叠2460接近存储堆叠2450 形成。存储堆叠2470接近中间堆叠2460形成。如果需要，磁存储器2400 可包括n个存储堆叠和n-1个中间堆叠。
每个存储堆叠2410、2430、2450和2470包括数据存储层、加热层和绝 缘层。数据存储层包括垂直介质类型的层，如TbFeCo或CoPt多层，具有在 300-500emu/cc范围内的普通Mr。数据存储层也具有设计成在200℃左右的 居里温度。加热层包括适于响应于电流的施加而增加温度的任何电阻材料。 绝缘层包括将热限制到其对应的存储堆叠中的数据存储层的任何绝热材料。
每个中间堆叠2420、2440和2460包括与存储堆叠类似的层，即数据存 储层、加热层和绝缘层。
下面描述磁存储器2400中的写操作。开始，数据存储层2412的磁化方 向设定沿一致的方向，其为背景方向。这可以通过施加电流到所有的写回路 2404并加热数据存储层2412至接近或高于其居里温度(Tc)来实现。供选 地，大电流回路可形成在存储堆叠2410之下从而提供偏置场到数据存储层 2412，这将在加热时磁化数据存储层2412。
为了开始写数据，一页(page)的位写入到存储堆叠2410。一页的位包 括任何数目的位，例如4kb、8kb等。为了写该页的位到存储堆叠2410中， 控制系统2480施加电流到加热层2413，这导致加热层2413温度上升。来自 加热层2413的热又升高了数据存储层2412的温度，使得数据存储层2412 的磁化更容易地响应于外磁场而改变。换言之，加热降低了数据存储层2412 的矫顽场和/或Hk，使印磁畴在能量方面更有利。绝缘层2414使来自加热层 2413的热隔离而防止影响列2401中形成在上面的其它数据存储层。
为了确保中间堆叠2420的数据存储层2422中存在的任何畴不影响存储 堆叠2410的数据存储层2412的写入，控制系统2480施加电流到加热层 2423，其导致数据存储层2422温度上升得高于其居里温度(Tc)，从而擦除 该层中的任何磁畴。控制系统2480然后激励电流回路2404的交叉点阵列， 从而写位到数据存储层2412中的特定位置。电流回路2404产生与数据存储 层2412的常态磁化相反的磁场。来自电流回路2404的磁场，例如约500 Oe 的磁场，改变数据存储层2412中特定位置的磁化从而产生磁畴。磁畴代表 数据存储层2412中的位。数据存储层2412的加热允许磁场更容易地改变数 据存储层2412的磁化并产生磁畴。
当磁畴写入到数据存储层2412中时，控制系统2480停止施加电流到加 热层2413从而允许数据存储层2412冷却并被印有磁畴，且控制系统2480 停止施加电流到电流回路2404的阵列。数据存储层2412充分冷却之后，控 制系统2480停止施加电流到加热层2423从而允许数据存储层2422冷却。 图25示出了示例性实施例中的磁存储器2400，位写入到数据存储层2412 中。代表位的磁畴通过虚线方框中向上指向的单箭头表示。磁畴的不存在通 过空的虚线方框示出。当数据存储层2422冷却时，它可被印有来自数据存 储层24 2或数据存储层2432的磁畴，图25中未示出。
位能够以替代的方式写入到数据存储层2412。首先，控制系统2480可 施加电流到加热层2413和加热层2423。控制系统2480然后可激励电流回路 2404的交叉点阵列，从而写向上指向的位。然后控制系统2480可通过相反 的电流激励电流回路2404的交叉点阵列，从而写向下指向的位。当磁畴写 入到数据存储层2412中时，控制系统2480停止施加电流到加热层2413从 而允许数据存储层2412冷却并被印有磁畴。数据存储层2412充分冷却之后， 控制系统2480停止施加电流到加热层2423从而允许数据存储层2422冷却。
如果需要，控制系统2480可将主列2401中存储在数据存储层2412中 的该页的位向上转移到其它存储堆叠中。为了沿主列2401向上转移该页的 位，控制系统2480施加电流到加热层2433，从而加热数据存储层2432高于 其居里温度以擦除该层中的任何磁畴。控制系统2480还施加电流到加热层 2423从而加热数据存储层2422刚好低于其居里温度。当加热数据存储层 2422时，来自数据存储层2412中的磁畴的磁场在数据存储层2422中印或复 制磁畴。
当磁畴印在数据存储层2422中时，控制系统2480停止施加电流到加热 层2423从而允许数据存储层2422冷却。控制系统2480然后停止施加电流 到加热层2433从而允许数据存储层2432冷却。图26示出了示例性实施例 中的磁存储器2400，位印到数据存储层2422中。当数据存储层2432冷却时， 它可被印有来自数据存储层2422或数据存储层2442的磁畴，图26中未示 出。
在该实施例中数据存储层2422是中间层，所以控制系统2480在主列 2401中进一步向上转移数据存储层2422中存储的该页的位到下一存储堆 叠。控制系统2480施加电流到加热层2443，从而加热数据存储层2442高于 其居里温度以擦除该层中的任何磁畴。控制系统2480还施加电流到加热层 2433从而加热数据存储层2432刚好低于其居里温度。当加热数据存储层 2432时，来自数据存储层2422中的磁畴的磁场在数据存储层2432中印或复 制磁畴。
当磁畴写入到数据存储层2432中时，控制系统2480首先停止施加电流 到加热层2433从而允许数据存储层2432冷却。控制系统2480然后停止施 加电流到加热层2443从而允许数据存储层2442冷却。图27示出了示例性 实施例中的磁存储器2400，位写入到数据存储层2432中。当数据存储层2442 冷却时，它可以被印有来自数据存储层2432或数据存储层2452的磁畴，图 27中未示出。
数据存储层2432是该页的位可在其中存储的实际存储层。在该页的位 转移到数据存储层2432的情况下，控制系统2480可从数据存储层2412擦 除该页的位，尽管这不是必须的。为了擦除位，控制系统2480施加电流到 加热层2413和加热层2423，从而分别加热数据存储层2412和数据存储层 2422高于它们的居里温度。加热这些数据存储层2412和2422高于它们的居 里温度有效地从这些层擦除了磁畴且因而擦除了位。控制系统2480首先停 止施加电流到加热层2413从而允许数据存储层2412冷却。数据存储层2412 在没有磁场的情况下冷却，因而位从该层擦除。控制系统2480然后停止施 加电流到加热层2423从而允许数据存储层2422冷却。在数据存储层2422 冷却时，数据存储层2432中的磁畴将印回到数据存储层2422中。然而，磁 畴将不会再印在数据存储层2412中，因为该层已经冷却。图28示出了示例 性实施例中的磁存储器2400，位从数据存储层2412中擦除。
如果需要，控制系统2480可进一步向上转移该堆叠中数据存储层2432 中存储的该页的位到其它存储堆叠。为了沿着堆叠向上转移该页的位，控制 系统2480施加电流到加热层2453，从而加热数据存储层2452高于其居里温 度以擦除该层中的任何磁畴。控制系统2480还施加电流到加热层2443从而 加热数据存储层2442刚好低于其居里温度。当加热数据存储层2442时，来 自数据存储层2432中的磁畴的磁场在数据存储层2442中印或复制磁畴。
当磁畴写入到数据存储层2442中时，控制系统2480首先停止施加电流 到加热层2443从而允许数据存储层2442冷却。控制系统2480然后停止施 加电流到加热层2453从而允许数据存储层2452冷却。图29示出了示例性 实施例中的磁存储器2400，位写入到数据存储层2442中。当数据存储层2452 冷却时，它可以被印有来自数据存储层2442或数据存储层2462的磁畴，图 29中未示出。
在该实施例中数据存储层2442是中间层，所以控制系统2480在主列 2401中进一步向上转移数据存储层2442中存储的该页的位到下一存储堆 叠。控制系统2480施加电流到加热层2463，从而加热数据存储层2462高于 其居里温度来擦除该层中的任何磁畴。控制系统2480还施加电流到加热层 2453从而加热数据存储层2452刚好低于其居里温度。当加热数据存储层 2452时，来自数据存储层2442中的磁畴的磁场在数据存储层2452中印或复 制磁畴。
当磁畴写入到数据存储层2452中时，控制系统2480首先停止施加电流 到加热层2453从而允许数据存储层2452冷却。控制系统2480然后停止施 加电流到加热层2463从而允许数据存储层2462冷却。图30示出了示例性 实施例中的磁存储器2400，位写入到数据存储层2452中。当数据存储层2462 冷却时，它可以被印有来自数据存储层2452或数据存储层2472的磁畴，图 30中未示出。
数据存储层2452是可存储该页的位的实际存储层。在该页的位转移到 数据存储层2452的情况下，控制系统2480可从数据存储层2422擦除该页 的位，尽管这不是必须的。
在该页的位转移到存储堆叠2430和/或存储堆叠2450的情况下，控制系 统2480可在存储堆叠2410中存储另一页的位。为了写另一页的位到存储堆 叠2410中，控制系统2480施加电流到加热层2413，这导致加热层2413温 度上升。来自加热层2413的热又升高了数据存储层2412的温度，使得数据 存储层2412的磁化更易于响应外磁场而改变。为了确保中间堆叠2420的数 据存储层2422中存在的任何畴不影响存储堆叠2410的数据存储层2412的 写入，控制系统2480施加电流到加热层2423，导致数据存储层2422温度上 升高于其居里温度(Tc)，从而擦除该层中的任何磁畴。控制系统2480然后 激励电流回路2404的交叉点阵列，从而写新页的位到数据存储层2412中。 数据存储层2412的加热允许磁场更容易地改变数据存储层2412的磁化并产 生磁畴。
当磁畴写入到数据存储层2412中时，控制系统2480停止施加电流到加 热层2413中从而允许数据存储层2412冷却并被印有磁畴。数据存储层2412 已经充分冷却之后，控制系统2480停止施加电流到加热层2423从而允许数 据存储层2422冷却。图31示出了示例性实施例中的磁存储器2400，另一页 的位写入到数据存储层2412中。当数据存储层2422冷却时，它可以被印以 来自数据存储层2412或数据存储层2432的磁畴，图31中未示出。
尽管已经描述了具体实施例，但本发明的范围不限于这些具体实施例。 本发明的范围通过权利要求及其任何等价物限定。