目前对利用磁隧道结(MTJ)存储器元件作为一种高性能非易失存储 器的磁随机存取存储器(MRAM)有很大兴趣。磁隧道结包括被薄绝缘材 料层分开的两层铁磁性材料。例如这样固定其中一层的磁矩方向：通过与 反铁磁性材料交换偏磁，如美国专利号5,650,958所述，或通过用磁各向异 性比第二铁磁性层高很多的铁磁性材料形成该层，如美国专利号5,801,984 和5,936,293所述。
该第一层的磁矩对存储器装置运行期间所加的磁场响应很小。相反， 在第二铁磁性层中，磁矩方向能随存储器装置运行期所加的磁场移动，以 便设定该层的磁矩方向。这个所加的磁场被称为写入磁场或转换磁场 (switching field)。
如果第一和第二铁磁性层的磁化都十分均匀，并沿一个特定的方向对 准，以使磁矩基本上形成一个磁畴，则是有利的。通常磁矩是不均匀的， 尤其在去磁化磁场最大的装置边缘处，磁化可能偏离优选的方向。
然而，在第二层中的磁矩方向大多与第一层平行或反平行，因而能够 以“1”和“0”的形式存储数据。一般通过微光刻构图由磁隧道结结构组 成的连续膜形成单独的MTJ，并因而限定具有特定形状和面积的MTJ元 件。为了制造MRAM，将MTJ元件并入“写入”线和“位”线的网络内， 用于读出和写入MTJ装置，如美国专利号5,640,343所述。
可以利用常规CMOS工艺形成用于设定和询问各个MTJ元件的状态 的电路。在制造MRAM芯片期间，一般首先通过在已在前面步骤中形成 的写入(或位)线阵列上淀积由磁隧道结结构组成的连续磁多层膜，形成 MTJ元件。然后用蚀刻技术构图MTJ膜，以形成特定形状和尺寸的超小 隧道结。
在MRAM使用MTJ的情况下，一个主要问题是将MTJ缩小到很小 尺寸。因为装置变得更小，所以这些元件的转换磁场对这些装置边缘的详 细结构变得更敏感。MTJ的形状和尺寸的小变化及这些装置的边缘粗糙度 使用于写入各个装置所需的磁场大小发生很大变化。另外，用于改变MTJ 存储器元件的状态所需的磁场随着这些元件的尺寸减小而增加。
在MTJ存储器元件边缘处由各磁极发出的静磁场，主要决定所需的 写入或转换磁场的大小。MTJ装置的结构可以制得更复杂，以例如通过由 被薄的非铁磁性层分开的两个或多个铁磁性层的夹层形成包括MTJ的一 个或两个铁磁性层，来减轻去磁场的作用，如美国专利号5,841,692、 6,153,320和6,166,948所述。
在常规MRAM交叉点结构中，通过使电流流过MTJ存储器元件附近 的“写入线”和“位线”导线的并行阵列，改变存储元件的状态。通常， 通过使电流流过在MTJ元件的正上方和正下方设置的两个导线，来产生 在各个MTJ存储元件处的局部磁场。
将MTJ元件放在每个写入线导线和位线导线的“交叉点”处。通常 相互正交地排列写入线导线和位线导线，MTJ元件取向为其易磁化轴，所 述易磁化轴沿导线的其中之一，通常指位线取向，尽管MTJ装置也可以 相对于导线的方向以某个另外角度取向。沿每个写入线导线和位线导线排 列一系列MTJ存储元件。
在一个位线和一个写入线的交叉点处，通过同时沿这些导线使电流流 过来写入一个选定的元件。沿这些相同的导线，将有半数选定的元件经受 写入线磁场或位线磁场。
对于合理的电流密度，由沿写入线导线和位线导线流过的电流产生的 最强磁场被限制为约100Oe(或如果导线被如透磁合金的高度透磁的软质 铁磁性材料覆盖，则可能是该量的两倍)。最大电流最终受电迁移限制， 由此导线中的原子可以借助流过导线的电流移动，通常由于导线的局部收 缩造成局部电流密度增加而引起击穿过程，最终可能导致导线故障。
因此，在实际装置中，电流密度必需低于这个限度，但即使在这些情 况下，电流密度也会受其它考虑限制，包括在芯片上功率晶体管的功耗和 尺寸的要求。对这里电流的限制因而限制了最强磁场，并因此限制了MTJ 元件的最小尺寸。
可以通过减小元件的净磁矩来降低转换磁场，例如通过利用具有较小 磁化值的磁性材料或通过利用较少磁性的材料，来减小元件的净磁矩。可 以通过减小MTJ装置中的磁层的厚度来使用较少磁性的材料。然而，这 些装置由于超顺磁效应而变得对热缩锻很敏感。因此，MTJ元件必需具有 足够的磁各向异性，以便在MRAM的工作温度下，尤其当这些装置在 MRAM交叉点结构中的元件的写入期间是半选定时，它们对热波动是稳定 的。
因此需要一种MRAM结构，其中存储器元件的转换不是由存储器元 件的形状和尺寸决定，以及其中可以产生更大的局部磁场，从而允许更小 的具有足够抗热波动的磁稳定性的磁元件。对这种系统的需要迄今为止仍 然不能满足。

本发明满足这种需要，并提出一种系统和一种相关的方法(本文统称 为“系统”或“本系统”)，用于在没有移动部件的固态装置中，在未构 图的磁膜即数据存储层中存储数字信息。本系统提供一种用于写入到未构 图的磁膜和从所述未构图的磁膜中读出的综合方法。简单地说，本系统利 用铁磁性材料或亚铁磁性材料中畴壁固有的自然特性，在未构图的磁膜上 写入数据。利用磁隧道结(MTJs)从未构图的磁膜中读出数据。磁膜是存 储层。磁膜可以是一个其内存储多个数据位的连续层，或可以是一系列相 互不连接的不连续的分段。
磁膜可以包括一个磁层，或可以包括被非铁磁性间隔层分开的多个磁 层。这种膜由磁性材料构成，所述磁性材料与常规磁硬盘驱动装置内的磁 介质中所用的那些磁性材料类似。这些磁性材料具有足够的本征结晶磁各 向异性，以使写入到该层的磁区或位对热波动是稳定的。这意味着为改变 这些磁区或位所需的磁场将比由流过导线附近的电流产生的磁场大得多。 然而，可以通过利用磁道中两个磁畴壁之间的边界处产生的畴壁边缘磁场 得到这些较强磁场，所述磁道包括位于磁膜附近的磁导线。
与每个畴壁相关的是强磁边缘磁场。畴壁将磁性材料中从一个方向到 另一个方向的磁性变化集中在一个很小空间中。根据畴壁的性质，从畴壁 中可以发出很大的双极边缘磁场。利用磁畴的这些特性来写入到磁膜中的 数据存储区。当移动畴壁接近磁膜，即数据存储层时，畴壁的强磁场将改 变存储层内局部的存储区中的磁矩方向，从而有效地将一个位“写入”到 存储层。
畴壁边缘磁场的一个重要特性是它们局部于畴壁附近的很小空间区 中。因此，畴壁边缘磁场可以提供十分局部而强的磁场，其中可以通过在 如磁道或磁导线的磁体内移动或控制畴壁的位置来操纵在空间中所述局部 而强的磁场。
由畴壁产生的磁场大到足够用几千奥斯特的磁转换磁场写入到磁层。 边缘磁场的大小随与畴壁的距离增加而迅速降低。因此，通过改变导线与 其性能将要通过畴壁边缘磁场改变的材料的距离，并通过沿导线移动畴壁， 在位于磁膜附近的磁道或磁导线中控制畴壁边缘磁场的施加。
在本系统中，通过利用在包括磁导线的相邻磁道中来自磁畴壁的边缘 磁场，写入存储层内的磁存储区。将这些磁导线接近在其中将要写入磁存 储区的磁存储层。在静止状态下，磁畴可以离开导线中的存储层，从而距 存储层的表面足够远，以使边缘磁场不影响存储层的状态。
在该导线中将畴壁从磁区的一侧，穿过磁区(并接近该区)，移动到 导线的另一侧，用于写入磁区。流过导线的电流控制畴壁的移动，并因此 控制在磁存储层内磁区的写入。
在一个实施例中，存储层内的每个磁区都具有相关的磁导线，所述磁 导线被连接到晶体管上，以通过使电流流过相关的磁导线，来转换单独的 磁区，从而移动相应的畴壁及与其相关的磁边缘磁场。因此，将磁区写入。 根据畴壁向哪个方向移动(从左到右或从右到左)，朝一个方向或另一个 方向写入磁区。
在另一个实施例中，与每个磁存储区相关的磁导线串联连接在一起， 以便将与每个磁区相关的畴壁一起移动穿过存储区。通过在存储层上面和 下面具有磁导线，通过结合来自选定的磁区上面和下面的导线的畴壁边缘 磁场，写入选定的磁区。不写入半选定的磁区。
磁膜或数据存储层可以是连续的，或可选地，它可以包括相互不连接 的较小磁分段。这些较小磁分段的尺寸可以改变，从小到只包含一个(或 较少数量的)数据存储区的分段，到大到足够包含一系列与一个或多个写 入磁道相关的磁数据存储区的分段。
在一个优选实施例中，磁分段足够大，以使一个数据存储区(或多个 数据存储)不延伸到磁分段的边缘或边界，从而分段边缘的详细形貌和形 状不影响在所述分段内写入一个或多个磁区所需的磁场大小。结果，单独 的数据存储区没有像常规MRAM结构中那样被“构图”为具有特定形状 的特殊面积，而是存在于“未构图的”磁膜或数据存储层中。同样，数据 存储区没有被局部于特定形状和尺寸的小纳米级构图的磁元件，而是简单 地为在未构图的和其它均匀的磁膜内的区域。磁膜内磁区的位置通常由写 入元件决定。
与常规MRAM设计相比，本发明的一个优点是，在未构图的磁数据 存储层中写入磁区所需的磁场只受该层的磁特性影响，而不受纳米级构图 的磁元件的详细物理结构的影响。另外，利用磁写入元件中的畴壁边缘磁 场可以提供比由流过非磁导线的电流可能产生的磁场强得多的局部磁场。 这使MRAM能够得到比用常规交叉点设计可能达到的密度高得多的密度。
附图说明
将参照下面的说明、权利要求书及附图更加详细地说明本发明的各种 特点及获得这些特点的方式，其中在合适的地方重复使用附图标记，以指 出参考项目之间的对应关系，其中：
图1包括图1A，1B，1C，1D和1E，示出了根据本发明的磁存储器 装置的各种实施例；
图2包括图2A，2B和2C，示出了图1的磁存储器装置使用时一个数 据位及其相应的写入和读出结构的放大图；
图3包括图3A，3B和3C，示出了图1的磁存储器装置的畴壁边缘磁 场的一个示意图和两个曲线图；
图4是写入到图1的磁存储器装置的操作方法的流程图；
图5包括图5A，5B，5C，5D，5E和5F，示出了写入到图1的存储 器装置的方法；
图6包括图6A和6B，示出了图1的磁存储器装置的写入装置的可选 实施例的结构，其中使用铁磁性材料或亚铁磁性材料块；
图7示出了图1的磁存储器装置的写入装置的可选实施例的结构，其 中使用多种类型的铁磁性材料或亚铁磁性材料；
图8示出了图1的磁存储器装置的写入装置的另一可选实施例的结构， 其中在铁磁性材料或亚铁磁性材料的磁道中使用缺口(或可选为凸起)；
图9是从图1的磁存储器装置中读出数据的操作方法的流程图；
图10包括图10A和10B，示出了从图1的磁存储器装置中读出数据 的方法；
图11包括图11A，11B和11C，示出了在图1的存储器装置的磁膜中 可以使用的不同材料；
图12示出了用于图1的磁存储器装置的写入磁道和读出磁道中的磁畴 的贮存器；
图13包括图13A和13B，示出了图1的磁存储器装置的可选实施例， 其中使用单独控制的寄存器来写入到磁膜；
图14包括图14A和14B，示出了图13的磁存储器装置的一个实施例； 及
图15包括图15A和15B，示出了图13的磁存储器装置的另一实施例。

常规的MRAM结构包括使用具有特定形状和尺寸的分立磁存储器元 件，其中通过例如常规的光学和/或电子束光刻和蚀刻光刻构图所述分立磁 存储器元件。通常，在如晶体管和电容器的微电子元件的顶部上形成这些 存储器元件，它们形成用于读出、写入和询问磁存储器元件的各种电路。
通常首先在硅晶片上形成这些元件，然后通常通过在包括磁存储器元 件的晶片上淀积连续膜，形成磁存储器元件。然后将该膜光刻构图到特定 和适当限定的形状和尺寸的磁存储器装置中，所述磁存储器装置很精确地 与把这些元件连接到下面的电子元件上的导线或过孔对准。
最后，在构图的磁存储器元件的顶部上形成过孔和导线，以便提供与 这些元件的最终电连接。通常，磁存储器的性能对磁存储器元件的详细形 状和尺寸以及它们相对于这些元件上面和下面的电路的精确布局很敏感。 因此，必须很好地控制元件的形状和尺寸。随着将各元件的尺寸缩小以便 提供更高的存储器存储容量，这变得越来越困难。
图1A示出磁存储器装置100的示例性的高层结构，所述磁存储器装 置100包括未构图的连续磁膜10A。磁数据存储层10A是未构化的，并没 有规定每个数据位的位置，从而允许很密集的把数据写入到该磁膜上。
如本文所用，术语“构图”表示存储层由一系列的分段组成，其中每 个分段都足够大，以便容纳至少一个数据位，所述数据位包括磁存储层内 的磁区。此外，每个分段都足够大，以便该分段的边缘不显著影响将要在 其中存储的数据位的写入。
术语“未构图”通常表示存储层在存储数据位的阵列上是连续的。构 图的区是可以具有任何所希望形状的分段，所述形状如圆形，椭圆形，矩 形，方形或梯形。构图的分段也可以大到足够包括一个或多个横排或纵列 的数据位。
磁存储器装置100利用一系列的写入装置(本文也称之为写入元件) 20。写入装置20包括许多由单独的磁导线形成的磁道，它们用如磁道25， 30，35，40的磁磁道表示。磁道由磁畴组成，其中磁化优选沿从一个磁畴 到下一个磁畴的磁道，从一个磁化方向变为相反方向。为了说明，在图1A 中将相邻磁道中的磁畴示为相反地磁化，但在运行时，磁畴从一个磁道到 下一个磁道的取向不需要相关，并可以随写入元件的变化过程改变。
在图1A中，写入装置20位于磁膜10A的平面上方和下方。为了参考 简单，在本文中示例性的磁道25和30也称之为上磁道，因为它们位于磁 膜10A的平面上方。同样，在本文中示例性的磁道35和40也称之为下磁 道，因为它们位于磁膜10A的平面下方。很显然，本文使用的术语“上” 和“下”不是限制术语，而仅用于说明目的。
在这个示例性实施例中，这样形成磁道25，30，35和40，以使导线 中的弧形弯曲几乎触及磁膜10A。将数据写入用数据位45表示的每个数据 位中，其中在磁膜上的磁道的弧形弯曲与磁膜下的磁道的弧形弯曲一致。
在磁膜10A的上表面上覆盖薄的绝缘层15A，并一般同样，在其下表 面上覆盖薄的绝缘层。优选这些绝缘层的其中之一或二者可以形成磁隧道 结的隧道阻挡元件，用于读出层10A中数据位的状态。
绝缘材料包围磁膜10A和写入元件20，并是在制造磁膜10和写入元 件20的过程中制成，以便形成固态存储器装置。
当电流流过铁磁性金属时，包括上旋和下旋电子的电流变成旋转极化， 因为在磁性金属中上旋电子和下旋电子的导电性可能十分不同。当旋转极 化的电子(该电子按定义朝电流的相反方向传输)从磁畴壁的第一侧通过 到它的另一侧时，电流变为在沿磁畴壁的第一侧上的磁化方向的方向上的 旋转极化。
然后旋转极化的电子将自旋角动量输送到该壁的第二侧上的相反磁化 的材料，这使该壁的第二侧上的磁矩旋转，因而对大多数旋转极化的电子 来说，促使磁畴壁朝旋转极化的电子方向，即朝与电流方向相反的方向移 动。当电流朝反方向流过时，磁畴壁也将朝相反方向移动。
随着电流沿写入装置20的磁道(即磁道25和磁道35)流过，磁道中 的磁畴根据电流的方向向左或向右移动。随着磁畴移动，磁畴壁中的边缘 磁场写入磁膜10A。沿磁道，可以写入与每个畴壁相关的每个边缘磁场。 然而，这样选择边缘磁场的磁场，以便不将数据写入到数据位45，除非上 磁道25中的边缘磁场与施加到同一数据位45上的下磁道35中的边缘磁场 相结合。
在图1A中，示出了具有一系列的磁畴壁的磁道，所述磁畴壁沿磁道 与在沿磁道的相反方向磁化的磁道区之间的边界处形成的磁畴壁有规则地 间隔开。应该理解，磁畴壁不一定必需有规则地间隔开。在图1A中，示 出了磁畴壁处于它们的静止状态，因此它们不写入到磁存储膜中。
图2(图2A，2B，2C)中的详细附图示出了写入装置20的运行。写 入装置20包括铁磁性磁道或在磁膜10A附近设置的如导线25和导线35 的导线。通过导线中的弧形弯曲使导线25和导线35极靠近膜10A。
用于示例性说明，铁磁性磁道25包括多个朝相反方向磁化的连续磁 畴，如示例性磁畴205和210。铁磁性磁道35包括多个沿磁道也朝相反方 向磁化的连续磁畴215，220。这些磁畴205和210，及215和220将磁畴 壁225和230限定在它们之间。
在存储器装置的初始状态设定磁畴205和210，及215和220的磁化 方向。初始状态只需要在存储器制造完成之后和存储器装置运行之前进行 一次。这是通过磁道的详细设计或通过例如按合适的次序施加大的外部磁 场来完成。
也可以通过从磁道的末端，例如从磁区注入磁畴建立磁道的初始状态， 所述磁区的磁化在磁场中可以很容易从一个方向旋转到另一方向，所述磁 场小于为改变磁道本身的磁状态所需的那些磁场。这些磁区可以例如比磁 道宽，因为窄的磁导线或磁区的磁转换磁场随着它们的宽度增加而近似相 反地减小。
一旦将磁畴注入导线，则可以通过将电流脉冲传入导线沿磁道或导线 移动磁畴。利用磁畴壁注入和电流脉冲感应的磁畴壁移动的次序，可以沿 每个磁道建立磁畴壁的次序。一旦已在磁道中设置磁畴，则随后只能通过 电流流过磁道来移动它们，用于将数据位写入磁存储膜。
特别参考图2B，第一畴壁225与边缘磁场235相关，以及第二畴壁 230与边缘磁场240相关。当写入装置20的两个畴壁225和230通过最接 近磁膜10A的区域(也称之为数据区)时，从写入装置20的畴壁225发 出的强磁场与从写入装置20的畴壁230发出的强磁场相结合，以便能在磁 存储膜10A内的数据区中写入数据位。
为了写入到磁存储膜10A上，写入装置20有选择地改变磁膜10A中 数据位45的磁矩方向。在本说明中，施加到磁存储膜10A上的边缘磁场 235和240的大小，在写入装置20或磁膜10A中，都在围绕相应的畴壁 225和230的区域外部迅速减小。
因此，可以用与畴壁225和230相关的磁边缘磁场向磁存储膜10A提 供十分局部和强的磁场，从而允许在磁膜10A内写入小的磁区45。可以通 过控制在写入装置20中畴壁225和230的相对位置，来控制通过写入装置 20施加到磁膜10A上的边缘磁场235和240的大小。
此外，通过沿磁道25施加电流250控制畴壁225的位置。同样，通过 沿磁道35施加电流255控制畴壁230的位置。
如图2C所示，在写入位之后，通过电流250和255将畴壁225和230 分别移动离开磁位45。如图2A和2C所示，磁道25和35在这些磁道中 的弧形区域的每一侧上具有缺口，用于当畴壁不用于写入时固定他们的位 置。
在写入操作期间，将如脉冲250和255的电流脉冲施加到相应的磁道 25和35上，该电流脉冲足够大并瞬时持续以便将相应的畴壁235和240 从弧形区域的一侧上的一个缺口位置移动到弧形区域的另一侧上的第二缺 口位置。
在畴壁在缺口位置之间移动的期间，畴壁及与其相关的磁边缘磁场接 近磁存储膜，以使磁存储膜经受大而局部的磁场，该磁场足以设定小磁区 在一个方向或相反方向上的磁化方向，并如此写入一个磁位。
在图2中，通过结合来自存储膜10A上方磁道25中的畴壁的磁边缘 磁场和来自存储膜10A下方磁道35中的畴壁的磁边缘磁场，来完成在磁 膜10A中写入磁区45。
在本发明的另一个实施例中，通过来自磁存储膜10A上方或下方的一 个磁道的唯一一个畴壁的磁边缘磁场来完成写入。
在图1A中，示出了连续且未构图的磁膜10A。然而，在其它实施例 中，例如，如图1B-1E所示，磁膜10B到10E分别包括磁性材料的相互独 立的多个分段。
例如，如图1B所示，磁膜10B包括一系列近似圆形(或椭圆形)分 段，即101，102，103，其中可以有选择地写入一个数据位。这些分段101， 102，103沿写入元件20内的写入装置的每一“纵列”和“横排”分布， 并与所述每一“纵列”和“横排”对准。
这些分段101，102，103都足够大以只包含一个磁位，以便图1A所 示的每个数据位都被包括在磁膜的一个分段内。磁位不延伸到磁分段的很 边缘处，以使写入磁位所需的写入磁场不受分段101，102，103的边缘的 详细形状和形貌的影响。因此，磁分段101，102，103不需要对准与每个 分段相关的相应的上磁道和下磁道，从而使存储器装置的制造比可比较的 装置更简单，更方便，和费用更少。
在本文所述的实施例中，在分段101，102，103上形成与其形状相应 的一系列绝缘层15B。然而，绝缘层15B也可以延伸到磁分段101，102， 103边缘的外部，并也可以连续从一个分段延伸到另一个分段。
绝缘层15B的这个范围取决于制造磁存储器装置100的详细方法。另 外，绝缘层15B不需要与磁膜分段101，102，103精确对准。绝缘层15B 只需要覆盖磁分段101，102，103触及上磁道25，30的中间部分，以便形 成隧道阻挡层用于读出。
类似的绝缘层可以选择性地覆盖分段101，102，103的下侧。该可选 的绝缘层也可以在磁隧道结读出装置内形成隧道阻挡层。然而，由于分段 101，102，103包含一个数据位并只与一个上磁道和一个下磁道交叉，所 以下磁道可以与磁分段电接触，并在磁分段和下磁道之间不需要隔离层。
图1C示出了写入装置20的另一个实施例，其中磁膜10C包括一系列 近似矩形(可选择方形、三角形或任何其它合适的形状)的分段，即104， 105，106，其中可以选择性地写入一个数据位。这些分段104，105，106 沿在写入元件20内的写入装置的每个“纵列”和“横排”分布，并与所述 每个“纵列”和“横排”对准。在此实施例中，在分段104，105，106上 形成与其形状相应的一系列绝缘层15C。
与上述图1B的布局相同，层15C可以在范围上被限于上磁道25，30 接近磁分段104，105，106的区域。可选择地，层15可以在各分段之间连 续。相应的薄绝缘层可以选择性地设置在磁分段104，105，106的下侧。
图1D示出了写入装置20的另一个实施例，其中磁膜10D包括一系列 纵行，即107，108，109。在这个实施例中，在分段107，108，109上形 成与其形状相应的一系列绝缘层15D。
图1E示出了写入装置20的另一个实施例，其中磁膜10E包括一系列 纵行，即110，111，112。在这个实施例中，在分段110，111，112上形 成与其形状相应的一系列绝缘层15E。
在图1D和1E所示的两个实施例中，相应的绝缘层15D和15E一方 面可以在侧向范围上被限于极接近上磁道和磁膜的区域，以及另一方面可 以在相邻的磁道之间连续。同样，在相应的磁分段上可以有或没有薄绝缘 层。
与磁膜10包括多少更小的磁分段无关，各分段都足够大，以便它们对 单个磁位起到未构图的磁膜的作用。因此，磁分段的周边区域，即分段边 缘的详细形状和形貌不影响写入单独的磁位，与具有单独构图的磁存储位 的常规MRAMs的情况相反。
图3(图3A，3B，3C)示出了磁畴，畴壁和边缘磁场的原理，如结 合本发明所用。图3A示出了示例性的磁材料层，写入元件20的磁道由其 构成，具有两个磁畴305和310，它们的磁化沿X轴的相反方向取向。
如箭头315的箭头代表磁矩，或偶极子，并指出局部磁化方向。磁畴 305中的磁矩指向右，而磁畴310中的磁矩指向左。畴壁320是相反极性 的磁畴310，305相遇的区域。磁畴305和磁畴310之间的磁化变化集中在 小区域或畴壁320中，从而产生从层表面发出的大的双极边缘磁场。
图3B示出了示例性边缘磁场B的相对大小。边缘磁场B位于并集中 于例如X方向上约100nm的区域。图3C示出了边缘磁场B的分量Bx、 By和Bz的峰值，作为平面外距离的一个函数。边缘磁场也位于Z方向上， 并主要集中于Z方向上约20nm的区域。
这些边缘磁场分量Bx、By和Bz在畴壁320的区域中很高，并随着与 畴壁320的距离的增加而快速下降。结果，边缘磁场B集中于小的局部区 域，并足够大以用来在小的局部区域中磁化第二磁性材料。
边缘磁场B的分量的详细大小和空间  化取决于在畴壁320中的磁化 的详细空间变化。在畴壁内磁化的分布取决于磁层中磁性材料的磁参数， 所述磁参数包括写入装置20中磁道，尤其是磁化(每单位体积的磁矩)， 磁各向异性和磁交换的强度，以及磁层的厚度和宽度。
边缘磁场B用来在磁膜10内写入磁区。当把畴壁320移动接近另一 磁性材料时，畴壁320的大边缘磁场B改变了这种第二磁性材料中的磁矩 方向，有效地“写入”到这种磁性材料中。可以通过使电流流过垂直于畴 壁320的磁导线的磁性材料，在写入元件20的磁道的磁导线内移动这种畴 壁320。
磁畴的磁矩方向可以是沿写入元件20的磁道方向，或垂直于磁道方 向。对于很窄的磁道，优选的磁矩方向是沿磁道方向。
结合考虑图5(图5A，5B，5C)，通过图4的流程图示出了根据本 发明的写入装置用于写入数据的方法400。在图5中写入装置20的写入区 505(图5A)的外部，在磁道内的静止位置中示出了畴壁及与其相关的磁 边缘磁场。通过存储器系统接收对写入数据的要求。
在图4的框405处，存储器系统将数据(0或1)转换成磁数据存储膜 中的数据位510是接收向右的磁矩(右磁矩)还是接收向左的磁矩(左磁 矩)。在选择框410处，如果将要用左磁矩写入数据位510，则方法400 前进到框415。
在框415处，将电流515施加到图5A中写入装置20的磁道520，从 而使畴壁525朝正方向(框420)移动，如电流515的方向箭头所示。磁 道520位于磁膜10的上方。随着电流515的施加，边缘磁场530移动到写 入区505(图5C)内。
图5B示出了在图5A中的静止位置和图5C中的写入位置之间的中间 位置处的畴壁525。同时并以类似的方式，将电流545施加到位于磁膜10 下方的磁道540上，垂直于磁道520取向。电流545的箭头末端表示电流 朝进入图5A，5B，5C的方向流动。
在数据位510处，并只在数据位510处，磁道520和磁道540都极接 近数据膜10。将电流545施加到磁道540，从而在写入区505内移动边缘 磁场550。将磁边缘磁场530和550写入到数据位510(框425)上，从而 将数据位510的磁化方向改变朝向希望的方向。
然后将电流515和545施加到磁道520和540(框430)上，以便从数 据位510的区域除去边缘磁场530和550。边缘磁场530，550可以返回它 们的原始位置，或进一步移动到它们相应的磁道520，540(框435)的下 方。
写入装置边缘磁场530和550保持极接近磁膜10仅仅一瞬间或预定的 时间周期，该时间足够写入到磁膜10的数据位510上。施加到数据位510 上的边缘磁场530和550的大小只有当畴壁磁道520和540接近磁存储膜 10时才大。
在选择框410处，如果将要用右磁矩写入数据位510，则方法400前 进到框440。在框440处，将电流515施加到磁道520上，如图5D所示， 以使畴壁555朝负方向(框445)移动。
边缘磁场560在写入区505(图5D)内移动。同时并以类似的方式， 将电流545施加到位于磁膜10下方的磁道540上，垂直于磁道520取向。 在数据位510处，并只在数据位510处，磁道520和磁道540都极接近数 据膜10。
将电流545施加到磁道540上，从而在写入区505内移动边缘磁场545。 电流545的箭头表示电流正流出图5D，5E，5F。将磁边缘磁场560和565 写入到磁膜10(框450)上，从而将数据位510的磁化方向改变朝向右方 向。然后分别将电流515和545施加到磁道520和540上，并使磁畴移动 离开数据位510(图4的框435)。
在本发明的另一个实施例中，将图5中的磁道520和540制成为直的 导线而没有任何弧形弯曲。这意味着即使当各畴壁处于它们的静止位置时， 磁存储膜也总是受到大畴壁边缘磁场的影响。
在图5所示的实施例中，其中通过结合来自两个磁道中的磁畴的磁边 缘磁场来写入磁区，尽管与图5所示的实施例相比不太理想，但这是可以 接受的，其中弧形弯曲防止大边缘磁场在写入过程之外触及存储膜。
如此选择磁存储膜10和写入装置20的特性，以使来自一个畴壁的边 缘磁场不足以改变磁存储膜内磁化的磁化方向。
在图6(图6A，6B)所示的另一个实施例中，用小的铁磁块615和 620代替每个磁道605，610中的弧形弯曲。在铁磁块615，620的顶部形 成薄层625，630。
薄层用来确定铁磁块615，620与磁膜10的间隙。因为写入装置优选 不与磁膜10电接触，(除了当磁膜被分成与一个磁位相应的分段时，如图 1B和1C所示)薄层625，630可以用绝缘材料形成，所述绝缘材料可以 与包围写入装置20B和磁膜10的绝缘材料连续。
畴壁635被电流640推到铁磁块615的中部。图6所示的实施例可以 比图5所示的实施例更容易制造。
在另一个实施例中，可以用不均匀的铁磁或亚铁磁材料代替写入装置 20C中均匀的铁磁或亚铁磁材料，如图7所示。写入装置20C的磁道705 用交替型铁磁或亚铁磁材料制成。
例如，铁磁块710和720用一种类型的磁性材料形成，而铁磁块715 和725用另一种类型的磁性材料形成。这些交替型铁磁或亚铁磁材料用来 形成限定的区域，其中磁道705中的磁畴存在于它们的静止位置。铁磁块 710和720的磁矩朝相同方向对准，以便当写入装置20C处于静止状态时， 没有边缘磁场被施加到磁膜10上。
通过使电流沿磁道705流过沿磁道705移动畴壁，进行到磁膜10的写 入。当通过沿磁道705朝合适的方向施加电流脉冲(或脉冲链)移动畴壁 730，735时，将相应的畴壁730和735引导到写入区740，在此处磁道极 接近磁膜10。磁道可以例如设计成在数据区740附近具有不同的宽度，以 便畴壁优选存在于这个位置，并需要第二电流脉冲将畴壁从写入位置移动 到它的静止位置，离开写入区。
尽管在图7中只示出了写入装置20C的上磁道，但也可以增加类似的 下磁道。可以与上磁道成一角度定位该下磁道。只有在数据区740经受来 自移动到上磁道和下磁道中的写入区的畴壁的磁场的结合时，才进行其写 入。
优选首先将上磁道或下磁道中的畴壁移动到写入区740，以使写入区 740经受第一磁场。随后，将第二畴壁不停止地移动到写入区的相反侧， 或移动穿过写入区740。这种方法是有利的，因此与上磁道和下磁道相应 的畴壁的运动的定时不是很关键，如上磁道和下磁道中的畴壁共同移动通 过磁写入区，都没有在这个区停止。
在一个实施例中，如此移动畴壁，以使它们位于数据位740，745上一 段时间，所述时间由随后的电流脉冲决定。第一脉冲将畴壁边缘磁场730 和735移动到磁膜10附近。以类似的方式，电流脉冲沿磁膜10下方的相 应磁道移动畴壁，以便来自磁膜10下方畴壁的边缘磁场与来自层10上方 畴壁的边缘磁场同时到达。
通过调节畴壁及与它们相关的边缘磁场的到达时间，可以调节用于来 自畴壁的结合的磁场足够大以写入磁膜10的时间长度。来自层10上方和 下方的两个畴壁的边缘磁场具有不同的强度是有利的。通过改变磁道与层 10的物理分离，或通过改变制造磁道的磁性材料的特性，或通过改变磁道 的形状和尺寸(如厚度和宽度)，很容易改变畴壁边缘磁场。
在另一个实施例中，可以用一种磁性材料结合和形成磁区或磁畴710 和720。用交替型磁性材料一起形成磁区715和725。这种图形可以在整个 磁道705中重复。不需要直接在磁膜10上方为畴壁提供钉扎位势的装置。 可以通过简单地在磁膜10附近通过畴壁及与其相关的边缘磁场，而不停止 在将要写入的位上方的畴壁，来进行磁膜10的写入。
一般，如此设计用来提供将磁位写入到磁存储膜10的畴壁的磁道，以 便畴壁存在于完全限定的位置处，所述位置离开处于它们的静止状态的写 入位置。通过如下方法限定位置：通过将导线形成一定形状，例如通过形 成缺口，此处磁道宽度稍微减小；或可选择地，通过凸起，此处磁道宽度 稍微增加；或通过用具有不同磁特性，例如不同磁化和/或磁各向异性的不 同磁性材料的区域形成磁道；或通过结合这些方法。
图7中的实施例利用缺口和交替型磁性材料来限定畴壁处于静状态时 的位置。用哪种方法的选择特别取决于制造磁道的方法和容易程度。
除了如此制造磁道，以使畴壁沿写入位置无论哪一侧上的磁道存在于 特定位置，还可以通过利用磁性材料的布局或通过将磁道形成一定形状来 设计磁道，以便畴壁也存在于写入位置处。在后一种情况下，用一个电流 脉冲来将畴壁从其中一个静止状态位置驱动到写入位置，并利用第二电流 脉冲来将畴壁从写入位置驱动到其中一个静止状态位置(这可以是与畴壁 第一次移动时相同的静止位置，或者可以是写入位置另一侧上的静止位 置)。
另外，可以不相同地设计磁存储膜上方和下方的磁道，以便一个磁道 可以在写入期间具有用于畴壁的固定位置，而另一个磁道没有这个位置。 因此，为了将磁区写入磁膜10中，可以首先在其中一个磁道中使用电流脉 冲，来将畴壁驱动到这个磁道中的写入位置。
然后，可以用磁膜另一侧上相应磁道中的电流脉冲，将穿过写入位置 的畴壁从一个静止状态驱动到另一个静止状态。因此，通过结合静态磁场 和动态磁场或移动的畴壁边缘磁场来写入磁位，所述静态磁场由一个畴壁 边缘磁场提供，而所述动态磁场或移动的畴壁边缘磁场由对磁道中的畴壁 提供。结果，可以通过首先用来自一个磁道的畴壁边缘磁场朝一个方向施 加静态磁场，然后用来自第二磁道的畴壁边缘磁场朝垂直方向施加动态磁 场，来采用磁位45的磁化的进动旋转方法。
畴壁边缘磁场的详细空间变化将取决于磁畴壁的结构，而磁畴壁的结 构取决于形成磁道的磁性材料的磁特性以及磁道的详细形状和尺寸，即磁 性材料的厚度和宽度。边缘磁场的空间变化可以通过磁道的磁结构的微磁 性模拟确定。
这些模拟表明，畴壁内的磁化变化可能很复杂，并可以随例如磁道的 厚度和宽度变化而显著变化。因此，可以通过微磁性模型化优化畴壁边缘 磁场的空间分布。
尤其是，视这些详细情况而定，畴壁边缘磁场的符号取决于畴壁是移 动的还是静止的，并取决于畴壁运动的方向。因此，将磁区写入到磁存储 膜10中的详细工序将取决于畴壁及与其相关边缘磁场的详细磁结构。
包括写入装置20的磁道的详细结构和成分将影响畴壁中的磁化分布， 并因此影响畴壁边缘磁场分布。因此，写入位45的磁化方向将取决于写入 装置20的详细结构。因此，可以把写入位45的磁化方向设计为大部分沿 写入装置20中的其中一个磁道，例如，沿上磁道方向或下磁道方向，或可 以设计为沿与上磁道方向或下磁道方向成某个角度的方向设置。
形成磁道的磁性材料可以包括各种磁性材料，如Fe、Co、Ni以及二 元和三元合金，该合金由如下形成：这些铁磁性金属的结合，或由这些元 素的一种或多种与例如为了提供更高的磁各向异性而选定的其它元素的结 合形成的合金。因为来自畴壁的边缘磁场的大小取决于畴壁的宽度，并通 常随畴壁的变窄而增加，所以用比单独由Fe、Co、Ni合金得到的磁各向 异性更高的磁性材料形成磁道是有利的。例如，可以通过将Fe、Co、Ni与Pt或Pd结合来增加这些元素的磁各向异性。
当磁性材料的磁化更高时，畴壁边缘磁场也将增加，因此用含有大量 Fe和Co的合金形成磁道是有利的，所述Fe和Co具有比Ni高的磁化值。 形成磁道的材料的选择也影响沿磁道移动畴壁所需的电流大小和电流脉冲 的长度。
磁各向异性越高，电流脉冲的大小和长度可能越大。同样，磁性材料 的衰减系数对移动畴壁所需的电流脉冲的大小的影响很重要。可以通过对 磁性材料掺杂过渡金属或希土金属来改变衰减系数，例如美国专利号 6,452,240所述。
利用电流脉冲通过移动畴壁来改变磁道的磁化方向的重要优点是，可 以利用合理大小的电流脉冲来移动畴壁，并且即使在需要大的外部磁场来 改变磁道的磁化方向的情况下，也那样改变磁道区的磁化方向。这是由于 无论是用外部磁场还是用畴壁边缘磁场，改变局部磁化方向的方法很不同。
可以用光刻法如此制造磁道，以使形成磁道的磁性材料的选择将受制 造磁道所选定的方法影响。例如，用可以通过反应性离子蚀刻或通过湿化 学蚀刻或通过离子研磨进行蚀刻的材料来形成磁道是有利的。另外，用在 制造磁道期间不被腐蚀的材料形成磁道也是有利的。
磁道可以包括一个磁性层，但用多个磁性层形成磁道是有利的。例如， 它适合用于用较小的电流移动畴壁来改变磁道的导电性，以便在磁道的顶 部表面和底部表面处电导率较高。
这将提供穿过磁道横截面不均匀的电流分布，以便电流在磁道的顶部 表面和底部表面处较高。例如，畴壁可能由于例如磁道表面的粗糙度而经 受来自这些磁道表面的某种牵引，以使在磁道末端处的较高电流密度提供 流过磁道的较低总电流来移动畴壁。较小的电流是有利的，因为它们将降 低沿磁道移动畴壁所需的能量。
可以通过沿磁道引入缺口(或凸起)810，820，830来实现畴壁在沿 磁道的特定位置处的钉扎，如图8中写入装置20D的磁道805所示。缺口 (或凸起)810，820，830分别位于磁畴835和840，845和850，855和 860之间。
由于畴壁的能量取决于磁道的宽度，所以这些缺口(或凸起)810，820， 830用来固定磁道805中磁畴存在于其中的区域。缺口(或凸起)810，820， 830可以是为畴壁提供钉扎位势的任何物理形式。
如图8所示，缺口(或凸起)810，820，830在写入元件磁道805的 两侧上。可选择地，它们可以在写入装置的磁道805的一侧上或设置在其 顶部或底部上。缺口(或凸起)也可以是凸起。图8中的缺口(或凸起) 用来当畴壁不写入时将畴壁的位置固定在它们的静止状态。
也可以沿磁道将缺口(或凸起)设置在写入位置处，如图8中缺口(或 凸起)815和825所示。在本图中，设置缺口(或凸起)815，825极接近 磁膜10，以固定用于写入到磁膜10中的边缘磁场865，870，875的布局。 当将合适的电流施加到磁道805上时，边缘磁场865和870(例如)移动 到缺口815和820，从而提供边缘磁场的精确布局。在另一个实施例中， 可以用具有缺口或凸起的不同铁磁性材料或亚铁磁性材料制成写入装置。
在另一个实施例中，沿写入装置20的磁道在写入位置处没有缺口。简 单地通过将畴壁及与其相关的边缘磁场移动接近磁膜10，甚至不使畴壁固 定在磁膜10上方和下方，来实现磁膜10的写入。
边缘磁场的局部磁场可以很大，并可以接近材料的磁化，4πM。在磁 盘驱动式磁记录写入头中，最大可达到的磁场是磁盘材料的约4πM。磁盘 驱动开发力图使磁化更大，使磁矩更大并使磁场更大，以确保足够的写入 到磁盘中。
在本写入装置中，畴壁边缘磁场的大小与写入装置20中使用的材料的 数量相关。可以达到几千奥斯特的局部磁场。因此，写入装置可以牢固而 可靠地写入到磁膜10上。写入装置的宽度是在磁膜10上写入的数据位的 宽度。在一个实施例中，写入装置的典型宽度的尺寸为约100nm。
沿磁道移动畴壁所需的电流，将随形成磁道的磁性材料的面积的减小 而减小。因此，利用来自畴壁的畴壁边缘磁场写入磁区的方法有利于写入 很小的磁区，并有利于随磁道宽度的减小而减小，其中为更高容量的存储 器装置将磁道宽度减小到更小尺寸。
磁区的宽度将由畴壁边缘磁场的空间变化确定。写入的磁区的范围将 由边界确定，在所述边界处畴壁边缘磁场超过包括磁道10的磁性材料的磁 转换磁场。因此，该宽度将与形成写入装置20的磁道的物理宽度相关，但 不与该宽度正好相同。
可以用类似于磁隧道结的装置来读出存储在磁存储膜10上的信息。磁 隧道结(MTJ)具有被薄绝缘材料层分开的两层磁性材料，所述薄绝缘材 料层包括隧道阻挡层。该隧道阻挡层通常是用超薄氧化铝层形成，不过也 可以用其它绝缘或半绝缘材料如MgO形成。
在MTJ中的一个磁层通常是硬质磁性材料，所述硬质磁性材料需要 大磁场来改变它的磁化。另一磁性材料通常是软质磁性材料，从而允许弱 磁场来改变它的磁化。当将弱磁场施加到软质磁性材料上时，它的磁化方 向如此改变，以使软质磁性材料层的磁化方向可以相对于硬质磁性材料的 磁化方向改变。
当给MTJ施加固定的电压时，流过隧道阻挡层的电流大小取决于两 种磁性材料在隧道结中的相对磁性取向。因此，如果硬质磁性材料层的磁 矩方向已知，则隧道结中的电流值表示软质磁性材料中的磁矩方向。相反， 如果软质磁性材料的磁矩方向已知，则隧道结中的电流表示硬质磁性材料 的磁矩方向。
如果提供用于MTJ中独立转换的磁矩的装置，则磁隧道结中的两种 磁性材料也可以都用硬质磁性材料形成，如在磁存储器装置100中那样。 如果另一种材料即参考层的磁矩方向已知，则流过MTJ的隧道电流能够 确定MTJ中两种磁性材料的其中之一，即存储层的磁矩方向。
在写入装置20的磁道内具有畴壁的次序。在一个区域中，磁矩朝一个 方向。在另一区域中，磁矩朝另一方向。在磁道内畴壁的次序为磁存储器 装置100的控制器所已知。控制器将畴壁位置的磁道保持在磁道中。因此， 可以通过使电流从上磁道流过数据位45和下磁道来确定数据位45的磁矩。
大电流值表示MTJ的电阻低，并且磁道的磁畴和数据位45平行。小 电流值表示MTJ的电阻高，并且磁道的磁畴和数据位45反平行。因为磁 道中磁畴的方向已知，所以可以推出磁铸的方向，并因此可以推出数据位 45中存储的数据。
结合图10(图10A和10B)，通过图9的工艺流程图说明利用磁隧道 结读出磁膜10中数据位45的方法900。如图10所示，用于读出磁存储膜 10中的数据的磁隧道结，除了存储膜本身之外，分别由上磁道和下磁道25 和35的其中之一或二者形成。
磁道25和35在写入点处与存储膜分开，在所述写入点处磁道通过薄 绝缘层1080和1090接近存储层，所述绝缘层1080和1090形成磁隧道结 的绝缘阻挡层。为了制造方便，优选的是一个隧道阻挡层比另一个隧道阻 挡层厚。因为隧道阻挡层的电阻随绝缘隧道阻挡层的厚度指数增加，所以 难以形成两个电阻值近似相等的隧道阻挡层。
然而，实际上，隧道阻挡层的电阻对隧道阻挡层的形貌极为敏感，所 以即使当隧道阻挡层名义上具有相同的厚度时，它们的电阻也可能发生很 大变化。因为隧道阻挡层的形貌关键取决于它在其上生长的下层的结构和 形貌和化学成分，所以在磁道35上生长的隧道阻挡层1090的形貌和随后 的电阻，可能与设置在磁存储膜10顶部的隧道阻挡层1080的形貌和随后 的电阻不同。
为了说明，在图10中示出的隧道阻挡层1080比隧道阻挡层1090厚， 因此在下磁道35和上磁道25之间所形成的隧道结的电阻将由较厚的隧道 阻挡层1080支配。因此，磁隧道结的铁磁电极是由上磁道25的磁性材料 和磁存储膜10中的磁性材料形成，因为隧道结的电阻由上绝缘层1080的 电阻决定。因此，在此实例中，下绝缘层1090的电阻足够小，以致它对隧 道结的电阻没有显著贡献。
通过使小电流流过相应的上磁道和下磁道25和35，将用图10A中的 向左箭头1055和图10B中的向右箭头1065表示的数据位45的磁方向读 出为向左或向右的磁矩，如图9中框905所示，其中数据位45位于所述上 磁道和下磁道25和35的交点处。用图10A中的线1052和图10B中的线 1062表示电流路径的方向。
电流沿上磁道25流过上绝缘层1080，数据位45及下绝缘层1090，并 沿下磁道35流过，如图9中框910所示。在图10A中，数据位45的磁距 方向指向与上磁道中磁畴的方向相同的方向。
因此，磁隧道结中的电阻将低，并且电流1050将大，如图9中的框 940所示。相反，在图10B中，数据位45的磁化指向最右面的方向，并与 上磁道中磁畴的磁化反平行，因此磁隧道结的电阻将高和电流1060将小。 这样，如图9中的框925所示，数据位被确定为“1”。
用于读出数据位状态的电流比用来沿磁道移动磁畴的电流小得多，因 此读出电流将不影响数据位的状态。用于读出的实际电流将取决于隧道结 的电阻，所述隧道结的电阻设计成足够高，以致上磁道和下磁道的电阻与 隧道结的电阻相比，可以忽略不计。
同样，隧道结的电阻越高，则漏入隧道结阵列中的电流将越小，所述 隧道结阵列由上写入磁道和下写入磁道的阵列形成。在这个实施例中，与 每个数据位相关的所有隧道结都相互并联连接。使读出电流流过数据位， 因为不再需要获得足够的信号来确定隧道结具有高还是低的电阻，以使读 出一个位所需的能量达到最少。为此，可以在阵列边界处具有由类似隧道 结形成的参考电阻器，数据位隧道结的电阻可以与所述参考电阻器进行比 较。
因此，在本文所述的存储器系统100中，MTJ由两个硬质磁层形成。 在写入装置20内的上磁道中的磁畴方向只能通过沿磁道流过电流脉冲来 改变。数据位45的磁矩方向同样只能通过经受大磁边缘磁场来改变，其中 通过移动上磁道和下磁道中的磁畴提供所述大磁边缘磁场。本质上，上磁 道和下磁道中的磁畴提供参考磁矩，以及数据位提供存储磁矩。
对较大的读出信号来说，如果需要，由上磁道25中的磁畴1025和磁 数据存储位45形成的MTJ的电阻，可以首先通过使电流1050流过该MTJ 来读出。然后，可以使电流沿上磁道流过，以使这个磁道中的畴壁移动一 个位置。因此，磁道中磁矩的方向将从左变为右，如图10A所示。
通过使小读出电流流过MTJ第二次读出MTJ的电阻。然而，由于上 磁道25中磁畴的方向现在处于与数据位45的方向相反的方向，所以现在 电阻将高。若使电流沿上磁道向前传播，而同时不沿下磁道35通过电流， 将只移动上磁道的各磁畴，而不改变数据位45的磁状态。
因此，读出数据位的这种方法将产生高得多的信号，因为这种方法只 要求将要读出的MTJ的电阻差。数据位的状态由上磁道中磁畴内的磁化 方向颠倒时MTJ的电阻是增加还是减少来决定。
形成磁膜10的材料包括一个或多个磁层。这样选择磁膜的特性，以使 磁膜可以支持很小的磁区。而且，这些小磁区必需具有足够的大小，以便 这个区的磁各向异性大到足以承受热波动，即超顺磁性效应，所述这些小 磁区的大小大多由畴壁边缘磁场的空间范围决定。
当区域太小时，在装置的工作温度下热波动含有足够的能量，以使磁 区的磁距可以克服由一个磁区域内磁性材料的磁晶各向异性提供的能量阻 挡层。因此，用于磁记录磁盘驱动装置中高密度磁薄膜介质的材料和结构 的类型是合适的。
然而，一个重要的不同是，在本发明的存储器中，形成磁存储膜10 的材料不限于多晶材料。结晶材料可以用来形成磁膜10，其中结晶材料具 有在磁膜内沿一个方向对准的各向异性方向。例如，可以沿一组磁道(例 如，磁膜上的那些磁道)的方向对准易磁化轴。
在磁记录磁盘驱动装置中，围绕旋转磁盘的圆周写入磁位。因此，磁 晶各向异性必需在磁介质的平面内随机对准，或者各向异性方向必需沿磁 盘半径对准或必需与磁盘半径相切。这阻止使用沿一个规定方向具有完全 限定的晶轴的结晶磁膜。
应该理解，本发明不限于其磁矩在磁膜10平面中的磁性材料，而磁膜 10的磁矩可以垂直于磁膜10的平面，因为在写入装置20的磁道中来自畴 壁的畴壁边缘磁场在垂直于包括磁道的磁线表面的方向上具有相当大的磁 场分量。因此，包括层10的材料可以设计成具有垂直的磁各向异性，并且 可以是结晶或多晶材料。
通过图11(图11A，11B，11C)说明磁膜10的构造的可选实施例。 使用一种磁性合金的膜形成磁膜10A。
磁膜10B是在绝缘膜中包括磁区的颗粒磁性合金。在读出数据存储区 时，这种结构可以用来减小沿磁存储膜10流动的电流。因为膜很薄，所以 膜平面中的电阻将比垂直穿过薄膜的电阻大得多。也可以使用金属颗粒膜。 例如，这对于形成具有较高磁各向异性的磁性材料是有利的，因为磁性晶 粒的表面常常具有增强的磁各向异性。
为了改善读出性能，特别有利的是用垂直于层的电阻比层平面中低得 多的材料形成磁膜10。例如，优选用颗粒材料形成磁膜10B，所述颗粒材 料由磁性柱状晶粒构成，所述磁性柱状晶粒从膜10B的下表面延伸到上表 面，但在平行于膜10B平面的方向上相互电绝缘。
例如，可以在侧向上，通过如氧化铝或二氧化硅或氧化镁的绝缘氧化 物，或者通过如氮化铝的绝缘氮化物，相互绝缘这些柱状磁性晶粒。因此， 绝缘材料是沿圆柱形晶粒的晶粒边界，此处这些圆柱晶粒的轴垂直于磁膜 10B的表面取向。
磁膜10C是为提高抗热波动的稳定性而制造的人造反铁磁性结构。例 如，膜结构可以包括被反铁磁性耦合层1110分开的两个铁磁性层1115和 1120。反铁磁性耦合层1110可以这样形成：用如美国专利5,465,185和 6,153,320所述的Ru或Ru-Os合金形成，或用如美国专利5,341,118所述 的Cr和各种其它非铁磁性金属形成。
在图11所示的所有实施例中，可以用多个磁性和非磁性层形成磁性 层。对于用于读出数据位的最大信号，用磁性材料形成磁膜的上表面和下 表面是有利的，所述磁性材料与合适的绝缘阻挡层相结合可以产生高度旋 转极化的隧道电流。作为例子，可以将MgO阻挡层与Co-Fe合金一起使 用。因此，用于读出磁数据位方向的信号将达到最大。
如图12所示，用于存储写入装置20的磁道中的数据位的贮存器希望 具有最佳性能。贮存器可以具有变化的尺寸，从一个磁畴变化到足够的长 度，以便容纳数据存储区两侧上数据存储区中的所有磁畴。
在图12中，示出了在数据存储区1205的每一侧上的贮存器：贮存器 1210，1215，1220和1225。每个贮存器都足够长，以便容纳磁道中写入到 数据存储区1205和从数据存储区1205读出的所有磁畴。磁道中写入到数 据存储区1205和从数据存储区1205读出的磁畴，可以根据将要写入的“1” 和“0”的次序移入和移出它们相应的贮存器1210，1215，1220，1225。
在磁存储器装置100的可选实施例中，图13示出了包括单独的寄存器 1305，1310的磁存储器装置100A，所述单独的寄存器1305，1310写入单 独的数据位1315，1320。用寄存器1305表示的每个寄存器都包括电流引 线1325，1330和磁导线或磁道1335。
磁道1335包括两个磁畴1340，1345和一个畴壁1350。从畴壁1345 发出的边缘磁场1355足够大，以便写入到数据位1315。电流引线1325， 1330用磁性材料制成，并具有足够的长度，以便充当磁畴1340，1345的 贮存器。将电流1360施加到寄存器1305上，从而将边缘磁场1355移入数 据位1315的区域。
如上所述，边缘磁场1355写入到数据位1315。然后一旦写入了数据 位1315，电流1360就将边缘磁场1355移出数据位1315的区域。通过用 标号1375表示的晶体管和控制门单独控制每个寄存器1305，1310，它使 电流流过寄存器1305，1310以便将数据写入到磁膜10中。
图13示出了在磁存储层10上方的电流引线1325，1330和单独的写入 寄存器1305，1310。为了将这些引线连接到单独的晶体管1375，优选在磁 膜10下方的硅衬底中形成晶体管。因此，如果电流引线在磁层10的上方， 则提供过孔穿过磁膜，以便提供这些电流引线和硅衬底中晶体管开关之间 的连接。
如关于图1所示的实施例所述，磁膜10不一定是连续的，而是可以由 多个磁分段(每个磁分段都大于单独的磁数据位)形成。因此，可以穿过 由磁膜10限定的平面在这些磁分段之间形成过孔。磁膜10是不连续的， 并包括多个磁分段，所述多个磁分段与设置在这些分段之间的导电过孔分 开。通过绝缘材料将导电过孔与磁分段电隔离。
也可以在磁膜10的下面设置电流引线1325，1330和单独的写入寄存 器1305，1310，这使它更直接地连接到层下面半导体衬底中的开关晶体管 上。
尽管在图13中示出的单独的写入寄存器没有任何缺口或在这些写入 寄存器中固定畴壁位置的装置，但寄存器可以形成为具有一个或多个缺口 或凸起，或者可以由包括不同磁性材料的多个连接的磁区形成，用于在这 些磁性材料之间的边界处或在这些磁区内固定畴壁。根据这些不同磁性材 料的特性，畴壁将优先位于这些材料之间的边界处，或离开这些边界进入 磁区本身。
在优选实施例中，单独的写入寄存器包括三个磁畴，所述三个磁畴具 有两个畴壁，所述畴壁产生符号相反的磁畴边缘磁场。因此，通过将这些 畴壁的其中一个或另一个在将要写入的磁区上方移动，可以朝一个方向或 相反方向写入磁数据位。写入寄存器优选足够长，以便将用于这些畴壁的 存储贮存器设置在磁数据区的左面和右面，或在电流引线本身的垂直部分 中，来提供更大的数据存储密度。
在图13所示的可选实施例中，其中写入寄存器只包含一个畴壁，畴壁 边缘磁场可以是沿畴壁一侧的一个方向和沿畴壁另一侧的相反方向，如图 3B所示，用于与图3A所示的Neel型畴壁相关的边缘磁场的X分量。因 此，当图3A所示的畴壁在磁膜10上方移动时，磁数据位45在当畴壁沿X 轴从左向右移动时的一个方向写入。如图3B所示，磁膜在负X方向，即 它的磁化指向左写入。
然而，如果同一畴壁从右向左移动，则磁膜10中的磁数据位在它的磁 化方向指向正X方向(即磁化作用指向右)写入。因此，可以用一个畴壁 将数据位向左和向右写入。畴壁的运动方向(左到右或右到左)决定写入 方向。因此，根据畴壁在写入寄存器中的位置，需要首先将畴壁向左或向 右移动，以便向左方向或向右方向写入磁数据位。
在图13所示的装置中，通过使小电流流过引线1325，1330的其中之 一，流过在磁膜10的顶部上形成的作为薄绝缘层15的隧道阻挡层，并进 入磁膜10本身内的磁数据位，来读出磁数据位。可以通过在磁膜10的边 缘上或在磁膜10的相反侧上的电触点闭合电流路径。
在图14(图14A，14B)所示的磁存储器装置100A的实施例中，磁 存储器装置100B除了在磁膜10的底部上具有写入寄存器(用寄存器1415， 1420表示)，还在磁膜10顶部上具有写入寄存器(用寄存器1405，1410 表示)。将如数据位1425，1430，1435，1440的数据位交错排列，以增加 数据位密度和避免来自相邻边缘磁场的干扰。在这个实施例中，数据位的 空间密度比磁存储器装置100A的密度增加了一倍。
在磁存储器装置100B的实施例中，磁存储器装置100C具有垂直于写 入寄存器1515，1520的写入寄存器1505，1510。寄存器1505，1510，1515 和1520的相对布局可以按希望形成任何结构，以便达到希望的空间密度并 仍然保持将电流施加到寄存器上的能力。
为了操作磁存储器装置100，除了读出和写入元件之外，电路还包括 用于各种目的的逻辑和其它电路，其中包括读出和写入装置的操作，提供 电流脉冲以在写入寄存器内移动磁畴，给数据位中的数据编码和解码的装 置等。在一个实施例中，通过使用CMOS工艺在硅片上制造控制电路。将 与单独的磁数据位相关的电路设计成在硅片上具有小的覆盖区 (footprint)，以使存储器装置的存储容量达到最大，同时利用最小的硅 面积来保持最低可能的成本。
应该理解，已经说明的本发明的特定实施例仅是本发明的原理的某些 应用的举例说明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对在本文所述 发明的未构图的连续磁层中用于存储数据的系统和方法，可以进行许多修 改。