一种磁性多层膜及其磁逻辑元件和磁性随机存取存储器
阅读：4发布：2021-11-23
专利汇可以提供一种磁性多层膜及其磁逻辑元件和磁性随机存取存储器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 磁性 多层膜及其磁逻辑元件和磁性随机存取 存储器 。本发明的磁性多层膜 自下而上 地包括：第一反 铁 磁层 ；第一硬磁层；第一非磁性金属层；第二软磁层；隧道势垒层；第三软磁层；第二非磁性金属层；第四硬磁层；和第二反铁磁层；其中，所述第三磁性层被设定为具有使其磁化方向翻转的第一临界 电流 和所述第二磁性层被设定为具有使其磁化方向翻转的第二临界电流，所述第一临界电流不等于所述第二临界电流。基于本发明磁性多层膜的磁逻辑元件和磁性 随机存取存储器 读写速度更快，并且读写操作所需电流 密度 相对较小，耗用功率低，节约 能源 。，下面是一种磁性多层膜及其磁逻辑元件和磁性随机存取存储器专利的具体信息内容。
1.一种磁性多层膜，所述磁性多层膜自下而上地包括：
第一反铁磁层；
第一硬磁层；
第一非磁性金属层；
第二软磁层；
隧道势垒层；
第三软磁层；
第二非磁性金属层；
第四硬磁层；和
第二反铁磁层；
其中，所述第三磁性层被设定为具有使其磁化方向翻转的第一临界电流和所述第二磁性层被设定为具有使其磁化方向翻转的第二临界电流，所述第一临界电流不等于所述第二临界电流。
2.根据权利要求1所述的磁性多层膜，其特征在于，
所述第一硬磁层、第一非磁性金属层和第二软磁层构成GMR结构；
所述第二软磁层、隧道势垒层和第三软磁层构成TMR结构；
所述第三软磁层、第二非磁性金属层和第四硬磁层构成GMR结构。
3.根据权利要求2所述的磁性多层膜，其特征在于，设定所述第一硬磁层对第二软磁层、第四硬磁层对第三软磁层为人工耦合。
4.根据权利要求3所述的磁性多层膜，其特征在于，所述人工耦合包括人工弱反铁磁耦合，人工弱铁磁耦合以及无耦合。
5.根据权利要求2所述的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性多层膜还包括中间磁性插层，其设置在所述第二软磁层和隧道势垒层之间，以及所述第三软磁层和隧道势垒层之间。
6.根据权利要求5所述的磁性多层膜，其特征在于，所述中间磁性插层为CoFeB，CoFe，NiFe，该磁性插层厚度为0.3～5.0nm。
7.一种包括权利要求1至6中任一所述的磁性多层膜的磁逻辑元件。
8.根据权利要求7所述的磁逻辑元件，其特征在于，设置所述第一硬磁层与第四硬磁层的磁化方向相反，并且所述第一临界电流小于所述第二临界电流。
9.一种包括权利要求1至6中任一所述的磁性多层膜的磁性随机存取存储单元。
10.根据权利要求9所述的磁性随机存取存储单元，其特征在于，设置所述第一硬磁层与第四硬磁层的磁化方向相反，并且所述第一临界电流小于所述第二临界电流。
11.一种磁性随机存取存储器，其特征在于，所述磁性随机存取存储器包括权利要求
10所述的磁性随机存取存储单元。
一种磁性多层膜及其磁逻辑元件和磁性随机存取存储器
技术领域
背景技术
[0002] 自20世纪80年代末期，巨磁电阻效应(Giant Magneto Resistance，GMR)首次由Baibich等人在磁性多层膜系统中观察到以来，磁性多层膜体系的研究一直是科研人员普遍关注的一个课题。此后，1995年日本科学家T.Miyazaki和美国科学家J.S.Moodera在磁性隧道结(MTJ)中分别观察到了室温下18％和10％的隧道磁电阻(Tunneling Magneto Resistance，TMR)比值，从而揭起了对磁性隧道结的研究序幕。在继之相关研究发现基础上，研究人员基于GMR效应以及磁性隧道结而设计了一种新型磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)的器件模型，这种器件具有非常优秀的新特性，诸如抗辐射、非易失性信息存储等。但是典型的MRAM结构工作方式主要依赖于字线和位线电流所产生的磁场来操控存储单元的磁化状态，其结构和制造工艺十分复杂，给器件的加工和集成带来了极大的不便。
[0003] 1996年，美国科学家J.Slonczewski从理论上预言了一种新的物理机制-自旋转移力矩(Spin Transfer Torque，STT)效应，这种物理机制可以利用电流自身实现对存储单元磁化状态的操控，当存储单元中流过的电流小于某个特定的临界值IC时，存储单元磁化状态不会被存储单元中流过的电流所改变；而当存储单元中流过的电流大于这个临界值IC时，存储单元磁化状态将由存储单元中流过的电流的方向所决定。在随后的十几年中，科学家们对这种新效应进行了大量广泛而深入的研究，并在此理论基础上发展了基于STT效应的MRAM，这就是目前现有最新一代STT-MRAM。
[0004] 现有STT-MRAM采用以磁性层/非磁性层/磁性层为核心构成，其中根据非磁性层的不同材料可分为基于GMR结构结合STT效应原理的 STT-GMR MRAM或者以TMR结构结合STT效应为原理的STT-TMRMRAM。但是它们存在操作电流密度较大、信噪比比较低的缺陷。 发明内容
[0005] 因此，本发明的目的在于提供一种基于自旋转移力矩(STT)效应的磁性多层膜及其磁逻辑元件和磁性随机存取存储器，从而克服上述现有技术中存在的操作电流密度较大、信噪比比较低的缺陷。
[0006] 本发明的目的是通过以下方案来实现的：
[0007] 根据本发明的一个方面，提供一种磁性多层膜，所述磁性多层膜自下而上地包括：
[0009] 第一硬磁层；
[0010] 第一非磁性金属层；
[0011] 第二软磁层；
[0012] 隧道势垒层；
[0013] 第三软磁层；
[0014] 第二非磁性金属层；
[0015] 第四硬磁层；和
[0016] 第二反铁磁层；
[0017] 其中，所述第三磁性层被设定为具有使其磁化方向翻转的第一临界电流和所述第二磁性层被设定为具有使其磁化方向翻转的第二临界电流，所述第一临界电流不等于所述第二临界电流。
[0018] 在上述技术方案中，所述第一硬磁层、第一非磁性金属层和第二软磁层构成GMR结构；所述第二软磁层、隧道势垒层和第三软磁层构成TMR结构；所述第三软磁层、第二非磁性金属层和第四硬磁层构成GMR结构。
[0019] 在上述技术方案中，设定所述第一硬磁层对第二软磁层、第四硬磁层对第三软磁层为人工耦合。所述人工耦合包括人工弱反铁磁耦合，人工弱铁磁耦合以及无耦合。 [0020] 在上述技术方案中，所述磁性多层膜还包括中间磁性插层，其设置在所述第二软磁层和隧道势垒层之间，以及所述第三软磁层和隧道势垒层之间。所述中间磁性插层为CoFeB，CoFe，NiFe，该磁性插层厚度为0.3～5.0nm。
[0021] 根据本发明的另一个方面，提供一种包括上述的磁性多层膜的磁逻辑元件。其中，设置所述第一硬磁层与第四硬磁层的磁化方向相反，并且所述第一临界电流小于所述第二临界电流。
[0022] 根据本发明的再一个方面，提供一种包括上述的磁性多层膜的磁性随机存取存储单元。其中，设置所述第一硬磁层与第四硬磁层的磁化方向相反，并且所述第一临界电流小于所述第二临界电流。
[0023] 根据本发明的又一个方面，提供一种磁性随机存取存储器，其中，所述磁性随机存取存储器包括上述的磁性随机存取存储单元。
[0024] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0027] 以下通过附图对本发明的实施例进行详细描述，其中：
[0028] 图1是根据本发明一个实施例的磁性逻辑元件的磁性多层膜的示意图； [0029] 图2示意了根据本发明一个实施例的磁逻辑元件的磁性多层膜的磁化状态； [0030] 图3是根据本发明一个实施例的磁逻辑元件的磁性多层膜的工作模式图； [0031] 图4a示意了根据本发明一个实施例的完成一个电阻回路的每一步骤所对应的输入状态、磁化状态和电阻状态；
[0032] 图4b示意了根据本发明一个实施例的电阻R与输入电流I的关系图； [0033] 图5a、图5b和图5c为根据本发明一个实施例的磁逻辑元件的逻辑状态示意图； [0034] 图6是根据本发明实施例的具有中间插层的磁性多层膜的示意图； [0035] 图7示出了根据本发明实施例的磁性多层膜具有的多个磁化方向； [0036] 图8是根据本发明实施例的横截面为椭圆环的磁性多层膜的示意图； [0037] 图9示意了根据本发明另一个实施例的磁逻辑元件的磁性多层膜的磁化状态； [0038] 图10a示意了根据本发明另一个实施例的完成一个电阻回路的每一步骤所对应的输入状态、磁化状态和电阻状态；
[0039] 图10b示意了根据本发明另一个实施例的电阻R与输入电流I的关系图； [0040] 图11示意了根据本发明再一个实施例的磁逻辑元件的磁性多层膜的磁化状态； [0041] 图12a示意了根据本发明再一个实施例的完成一个电阻回路的每一步骤所对应的输入状态、磁化状态和电阻状态；
[0042] 图12b示意了根据本发明再一个实施例的电阻R与输入电流I的关系图； [0043] 图13示意了根据本发明又一个实施例的磁逻辑元件的磁性多层膜的磁化状态； [0044] 图14示意了根据本发明又一个实施例的电阻R与输入电流I的关系图； [0045] 图15是根据本发明的实施例的磁性随机存取存储单元阵列的示意图。 具体实施方式
[0046] 根据本发明的一个实施例，提供如图1所示的磁性逻辑元件的磁性多层膜，该磁性多层膜自下而上地包括：底部的第一反铁磁层AFM1；形成于所述AFM1之上的第一磁性层FM1(硬磁层)；形成于所述FM1磁性层之上的第一非磁性金属层NM1；形成于所述第一非磁性金属层之上的第二磁性层FM2(软磁层)；形成于所述第二磁性层之上的隧道势垒层I1；形成于所述第一隧道势垒层之上的第三磁性层FM3(软磁层)；形成于所述第三磁性层之上的第二非磁性金属层NM2；形成于所述第二非磁性金属层之上的第四磁性层FM4(硬磁层)；
形成于所述第四磁性层之上的第二反铁磁层AFM2。其中，磁性层FM1和FM4由矫顽力较大的“硬磁性层”CoFe构成，磁性层FM2和FM3由矫顽力较小的“软磁性层”NiFe构成，各铁磁性层的厚度可以相同也可以不相同，其厚度较佳在5和20纳米之间，更佳是在2和5纳米之间；隧道势垒层I1则由厚度为1.0nm的Al2O3或MgO构成；非磁性金属层NM1和NM2由Cu或Ru构成。在上述磁性多层膜结构中的“软磁层FM3/隧道势垒层I1/软磁层FM2(简称为FM3/I1/FM2)”为TMR结构，“硬磁层FM4/第二非磁性金属层NM2/软 磁层FM3”和“硬磁层FM1/第一非磁性金属层NM1/软磁层FM2”构成GMR结构，其中TMR结构的电阻值为元件的主要电阻值。
形成于所述第四磁性层之上的第二反铁磁层AFM2。其中，磁性层FM1和FM4由矫顽力较大的“硬磁性层”CoFe构成，磁性层FM2和FM3由矫顽力较小的“软磁性层”NiFe构成，各铁磁性层的厚度可以相同也可以不相同，其厚度较佳在5和20纳米之间，更佳是在2和5纳米之间；隧道势垒层I1则由厚度为1.0nm的Al2O3或MgO构成；非磁性金属层NM1和NM2由Cu或Ru构成。在上述磁性多层膜结构中的“软磁层FM3/隧道势垒层I1/软磁层FM2(简称为FM3/I1/FM2)”为TMR结构，“硬磁层FM4/第二非磁性金属层NM2/软 磁层FM3”和“硬磁层FM1/第一非磁性金属层NM1/软磁层FM2”构成GMR结构，其中TMR结构的电阻值为元件的主要电阻值。
[0047] 设置上述磁性多层膜的磁化状态如图2所示，其中被钉扎硬磁层FM4与被钉扎硬磁层FM1的磁化方向相反，FM3在驱动电流下比FM2层先翻转。在本发明的这个和其他实施例中，设定通过上述磁性多层膜的最大电流密度小于最高临界电流密度JC3，这样被钉扎磁性层FM1和FM4在操作中磁化状态不会发生翻转，并且FM2和FM3的磁化状态只有在相应条件下才发生改变。当FM2和FM3的磁化方向为反向时为高电阻状态，此时逻辑输出为“1”，当二者同向时为低电阻状态，逻辑输出为“0”。
[0048] 图3是根据本发明一个实施例的磁逻辑元件的磁性多层膜的工作模式图。如图3所示，该磁逻辑元件包括输入信号线(例如A、B、C、A’、B’和C’)和输出信号线(例如OUT和OUT’)，利用输入信号的组合，决定磁性多层膜中各磁性层的磁化方向，将通过磁性多层膜的磁电阻效应的大小作为输出信号。本发明的这个和其他实施例均将输入线A、B、C设置在被钉扎磁性层FM4上，箭头所指路线表示由输入信号线A、B通入正向电流I(+)，电流自上而下地穿过该磁性多层膜结构，然后从下端的输出信号线OUT’流出；输入线A’、B’、C’通入电流为自下而上方向，定义为负向电流I(-)；从信号线OUT流出。本实施例的初始状态以及本实施例完成一个电阻回路的步骤如下：
[0049] (1)初始状态：A、B、C均通正向电流，总电流大于第二临界值IC2； [0050] (2)电流减小：只有A、B通正向电流，总电流大于第一临界值IC1而小于第二临界值IC2；
[0051] (3)电流继续减小：只有A通正向电流，总电流小于第一临界值IC1； [0052] (4)电流减小为0：A、B、C均没有通正向电流，总电流为0；
[0053] (5)电流继续减小即开始负方向的电流增大：只有A’通负方向电流； [0054] (6)负方向的电流继续增大：只有A’、B’通负方向电流；
[0055] (7)负方向的电流继续增大：A’、B’、C’均通负方向电流；
[0056] (8)负方向电流减小：A’、B’通负方向电流；
[0057] (9)负方向电流减小：A’通负方向电流；
[0058] (10)电流为0：A、B、C，A’、B’、C’均没有通电流；
[0059] (11)电流增大，开始正方向：A通正方向电流；
[0060] (12)电流继续增大：A、B通正方向电流；
[0061] (13)电流继续增大：A、B、C均通正方向电流；
[0062] 图4a示意了上述每一步骤所对应的输入状态、磁化状态和电阻状态。电阻R和输入电流I关系图如图4b所示，其中：
[0063] 对应步骤(1)至(7) 对应步骤(8)至(13)
[0064] 在图4a中，分别对应输入状态6及输入状态12的两个电阻之间差值很小，对应输入状态5及输入状态10的两个电阻之间也不完全相等。其原因是，在硬磁层FM4及软磁层FM3构成的GMR结构和硬磁层FM1及软磁层FM2构成的GMR结构上的两个阻值不是相同的，但是两者之差与系统总结构的TMR值相比，其影响不到5％，所以这个差值对逻辑状态的实现没有影响。
[0065] 以下对上述完成一个电阻回路的步骤作详细说明：在设置输入电流的初始状态后，如果当只有一条输入线有正方向输入电流时(此时总电流I＜第一临界电流IC1)，磁性多层膜的磁化状态不发生改变；当两条输入线有相同的正方向输入电流时(此时第一临界电流IC1＜总电流I＜第二临界电流IC2)，磁性多层膜的软磁层FM3磁化状态发生改变；当三条输入线有相同正方向输入电流时(此时第二临界电流IC2＜总电流I＜第三临界电流IC3)，磁性多层膜的软磁层FM2磁化状态也发生改变，这样软磁层FM2、FM3的磁化方向又回到一致；当只有一条输入线有负方向输入电流时，磁性多层膜的磁化状态不发生改变；
当两条输入线有相同的负方向输入电流时，磁性多层膜的软磁层FM2磁化状态发生改变；
当三条输入线有相同负方向输入电流时，磁性多层膜的软磁层FM3磁化状态也发生改变，这样软磁层FM2、FM3的磁化方向又回到一致；当两条输入线有正向输入电流另一条线有负向输入电流时，该情况与只有一条输入线有正方向输入电流情况一致；当两条输入线有负方向输入电流另一条线有正向输入电流时，该情况与只有一条输入线有负方向电流情况一致。
当两条输入线有相同的负方向输入电流时，磁性多层膜的软磁层FM2磁化状态发生改变；
当三条输入线有相同负方向输入电流时，磁性多层膜的软磁层FM3磁化状态也发生改变，这样软磁层FM2、FM3的磁化方向又回到一致；当两条输入线有正向输入电流另一条线有负向输入电流时，该情况与只有一条输入线有正方向输入电流情况一致；当两条输入线有负方向输入电流另一条线有正向输入电流时，该情况与只有一条输入线有负方向电流情况一致。
[0066] 由于本发明结合STT效应，通过以下两种途径使FM3/I1/FM2结构中磁性层FM2和FM3翻转的临界电流值不同：1)通过调节FM2与FM3厚度不同实现；2)若FM2与FM3厚度相同，则通过调节非磁性层NM1与NM2的厚度不同或者材料不同来实现。因此利用磁性层FM2和FM3翻转的临界电流值不同，可以通过控制输入电流的大小、方向来控制逻辑的读写操作，具体方式如下：当磁性多层膜中所施加的电流小于一个特定的第一临界电流值IC1(相2 2
应电流密度JC1＝10～10A/cm，电流IC1＝电流密度JC1 ×多层膜截面积)时，其软磁层或自由软磁层的磁化状态不改变，从而实现读操作。随后增大所施加的电流，当通过磁性多
2
层膜的电流大于第一临界电流IC1而小于第二临界电流IC2时(相应电流密度JC2＝10 ～
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10A/cm，电流IC2＝电流密度JC2×多层膜截面积)，其自由软磁层FM3由于STT效应而实现翻转，而自由软磁层FM2矫顽力比自由软磁层FM3大一些，因此在此条件下并不转翻，此时自由软磁层FM2与自由软磁层FM3的磁化状态方向相反。继续增大电流时，当电流超过第二临界电流IC2时，自由软磁层FM2实现了翻转，此时自由软磁层FM2与自由软磁层FM3的磁化状态方向相同。但如果继续增大电流密度，即写电流超过最高临界电流值IC3(本文中设定IC3＞IC2＞IC1)，则第四磁性层FM4(也称被钉扎磁性层)的原来取向的磁化状态将被反转，即会导致比特层(即软磁层或自由软磁层)和被钉扎磁性层一起被反转从而产生相同的磁化强度取向，所以写电流(即输入电流)必须小于最高临界电流值IC3。 [0067] 图5a、图5b和图5c为根据本发明的基于STT的磁性多层膜的磁逻辑元件的逻辑状态示意图。其中，图5a是初始状态设定后，写电流小于第一临界电流状态，逻辑上输出为“0”；图5b是大于第一临界电流且小于第二临界电流状态，逻辑上输出为“1”；图5c是大于第二临界电流状态小于器件最高临界电流密度，逻辑上输出为“0”。
应电流密度JC1＝10～10A/cm，电流IC1＝电流密度JC1 ×多层膜截面积)时，其软磁层或自由软磁层的磁化状态不改变，从而实现读操作。随后增大所施加的电流，当通过磁性多
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层膜的电流大于第一临界电流IC1而小于第二临界电流IC2时(相应电流密度JC2＝10 ～
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10A/cm，电流IC2＝电流密度JC2×多层膜截面积)，其自由软磁层FM3由于STT效应而实现翻转，而自由软磁层FM2矫顽力比自由软磁层FM3大一些，因此在此条件下并不转翻，此时自由软磁层FM2与自由软磁层FM3的磁化状态方向相反。继续增大电流时，当电流超过第二临界电流IC2时，自由软磁层FM2实现了翻转，此时自由软磁层FM2与自由软磁层FM3的磁化状态方向相同。但如果继续增大电流密度，即写电流超过最高临界电流值IC3(本文中设定IC3＞IC2＞IC1)，则第四磁性层FM4(也称被钉扎磁性层)的原来取向的磁化状态将被反转，即会导致比特层(即软磁层或自由软磁层)和被钉扎磁性层一起被反转从而产生相同的磁化强度取向，所以写电流(即输入电流)必须小于最高临界电流值IC3。 [0067] 图5a、图5b和图5c为根据本发明的基于STT的磁性多层膜的磁逻辑元件的逻辑状态示意图。其中，图5a是初始状态设定后，写电流小于第一临界电流状态，逻辑上输出为“0”；图5b是大于第一临界电流且小于第二临界电流状态，逻辑上输出为“1”；图5c是大于第二临界电流状态小于器件最高临界电流密度，逻辑上输出为“0”。
[0068] 作为本发明的另一种改进方式，可以在软磁层FM2和隧道势垒层I1、以及软磁层FM3和隧道势垒层I1之间，插入中间磁性插层U，为了简化，将软磁层FM2及中间磁性插层U用“FM2U”表示，并将软磁层FM3及中间磁性插层U用“FM3U”表示，如图6所示。该磁性中间插层U的材料为自旋极化率比较高的CoFeB，CoFe，NiFe等，该磁性插层厚度为0.3～5.0nm。因为该磁性插层U具有较高的自旋极化率(50％～90％)，所以基于STT效应翻转
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FM2U和FM3U层所需的临界电流有一定程度的下降(10 ～10A/cm)，且TMR值也有一定程度的提高(5％-40％)，从而降低读写电流，提高MRAM的密度(也就是能够降低多层膜的截面尺寸)，提高信噪比。由于逻辑状态实现与上面类似，这里不再详述。
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FM2U和FM3U层所需的临界电流有一定程度的下降(10 ～10A/cm)，且TMR值也有一定程度的提高(5％-40％)，从而降低读写电流，提高MRAM的密度(也就是能够降低多层膜的截面尺寸)，提高信噪比。由于逻辑状态实现与上面类似，这里不再详述。
[0069] 在上述技术方案中，所设置的磁性层FM1，FM4的磁矩均横向平行于薄膜(如图1左侧箭头所示)，然而对于本领域的普通技术人员来说应该理解，在本发明的其他实施例中，该磁性层FM1，FM4的磁矩可以根据需要为垂直或平行于膜面，FM2、FM3及FM2U、FM3U的磁矩垂直于 膜面(如图7左侧箭头所示)。因此，根据磁层FM1、FM4及磁层FM2(或FM2U)，FM3(或FM3U)的磁化方向状态、耦合强度及STT翻转软磁层FM2、软磁层FM3所需不同的临界电流密度，可通过多种逻辑输入来实现逻辑状态。在上述技术方案中，还可以设置被钉扎硬磁层FM4与被钉扎硬磁层FM1的磁化方向相同，同样可以实现本发明目的。另外，以上描述的实施例只是示例性地设置FM3比FM2先翻转，然而在本发明的其他实施例中，还可以让FM2先翻转，但注意不考虑两者同时翻转的情形。
[0070] 另外，对于本领域普通技术人员可以理解，上述多层膜的横截面还可以是诸如图8所示的椭圆环，同样可以实现本发明目的。在本发明这个和其他实施例中，所述椭圆环的尺寸可以在以下范围内：椭圆内环短轴为10～100000nm，短轴与长轴比值为1∶1～5，椭圆外环短轴为20～200000nm；所述椭圆的尺寸可以在以下范围内：短轴为20～200000nm，短轴与长轴比值为1∶1～5。进一步地，可以利用横截面为椭圆结构的长短轴比值的不同，横截面为椭圆环结构的环厚、长短轴比值的不同来实现操作电流密度优化调节。尽管在上述示例性实施例中已列举了各膜层所使用的材料、厚度，但对于本领域的普通技术人员应该理解，在本发明的其他实施例中，各层还可以选用以下材料：
[0071] 所述反铁磁性层(AFM1和AFM2)可选用的材料包括由Ir、Fe、Rh、Pt或Pd与Mn的合金材料，或CoO、NiO、PtCr等反铁磁性材料，其厚度为7nm～20nm。所述磁性层(FM1、FM2、FM3、FM4)可选用的材料包括铁磁性材料、半金属磁性材料或磁性半导体材料，各磁性层的厚度为2nm～10nm，但根据需要其厚度可以相同也可以不同，其中：
[0072] 所述铁磁性材料包括：Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性金属，Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe、Co-Fe-Ni、Gd-Y等铁磁性合金，Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er等稀土金属及其铁磁合金，或者是具有垂直磁各向异性的合金，例如CoPt合金、L10相的FePt合金、PtCoNi合金或Co-Cr系合金，Co-Cr、Co-Cr-Nb、Co-Cr-TaCo-Cr-Pt、TbFeCo、GdFeCo、Gd-Co、GdFe、TbFe、TbCo/Cr、CoGdZr、CoGdSm、GdTbFeCo或GdTbFe等；具有垂直磁各向异性的多层膜，优选Co/Pt多层膜、CoFe/Pt多层膜、Co/Pd多层膜、Co/Ni多层膜、Co/Au多层膜、CoCr/Pt多层膜； [0073] 所述半金属磁性材料包括：Fe3O4、CrO2、La0.7Sr0.3MnO3或Co2MnSi等 Heussler合金；
[0074] 所述磁性半导体材料包括：Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO2、HfO2或SnO2，或者是Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN或ZnTe。
[0076] 所述非磁性金属层(NM1和NM2)的厚度为2nm～10nm，第一非磁性金属层、第二非磁性金属层根据需要其厚度可以相同也可以不同。
[0077] 作为本发明的另一种改进的实现方式，可以通过调控磁性多层膜的各层膜厚度参数以及材料性质来设置被钉扎硬磁层FM4对软磁层FM3的人工耦合情况或FM1硬磁层对软磁层FM2的耦合情况，或者二者，从而作为逻辑初始状态。其中所述耦合情况包括人工弱反铁磁耦合，人工弱铁磁耦合，以及无耦合(极弱耦合)情况。以下将对各种耦合情况做详细说明。在下述的实施例中示例性地设定软磁层FM3矫顽力大于软磁层FM2，即软磁层FM2基于STT效应所需磁化方向翻转电流小于软磁层FM3基于STT效应所需磁化方向翻转电流。 [0078] 图9示意了根据本发明另一个实施例的磁逻辑元件的磁性多层膜的磁化状态，其中设置被钉扎硬磁层FM4与被钉扎硬磁层FM1磁化方向相反。基于RKKY效应，由于改变了非磁性金属层NM1和NM2的厚度，使被钉扎硬磁层FM4与软磁层FM之间为弱人工反铁磁耦合，被钉扎硬磁层FM1与软磁层FM3之间为弱人工反铁磁耦合。在这种情况下，磁性层FM2和FM3由于STT效应致使其翻转的临界电流值不同，软磁层FM3层所需临界翻转电流为IC1，软磁性层FM2所需临界翻转电流为IC2，其初始状态为不通电流情况基于耦合作用而形成的逻辑高电阻状态。该实施例完成一个电阻回路的步骤如下，另外图10a示意了每一步骤所对应的输入状态、磁化状态和电阻状态。
[0079] (1)初始状态：人工弱反铁磁耦合结构/势垒层I1/人工弱反铁磁耦合结构不通电流；
[0080] (2)电流增加：只有A通正向电流，总电流小于第一临界值IC1；
[0081] (3)电流继续增加：只有A，B通正向电流，总电流大于第一临界值IC1而小于第二临界值IC2；
[0082] (4)电流继续增加：A、B、C均通向正向电流，总电流大于第二临界值IC2； [0083] (5)电流开始减小：只有A、B通正向方向电流；
[0084] (6)电流继续减小：只有A通正方向电流；
[0085] (7)电流继续减小至零：不通电流；
[0086] (8)开始负方向的电流增大：只有A’通负方向电流；
[0087] (9)负方向的电流继续增大：只有A’、B’通负方向电流；
[0088] (10)负方向的电流继续增大：A’、B’、C’均通负方向电流；
[0089] (11)负方向的电流减小：A’、B’通负方向电流；
[0090] (12)负方向的电流减小：A’通负方向电流；
[0091] (13)电流为0：A、B、C，A’、B’、C’均没有通电流。
[0092] 电阻R和输入电流I的关系如图10b所示，其中：
[0093] 对应(1)-(7)过程 对应(8)-(13)过程
[0094] 由图10b可看出，其可实现单向电流输入控制逻辑状态。
[0095] 在本发明的再一个实施例中，设置磁性层FM1与磁性层FM2之间为人工弱反铁磁耦合，磁性层FM3为无耦合自由层，如图11所示。同样，被钉扎硬磁层FM4与被钉扎硬磁层FM1磁化方向相反，FM3在驱动电流下比FM2层先翻转。该磁性多层膜的初始状态为通入大于第一临界值IC1而小于第二临界值IC2电流情况下结合人工反铁耦合作用而形成的高电阻状态。本实施例完成一个电阻回路的步骤是：
[0096] (1)初始状态：只有A，B通正向电流，总电流大于第一临界值IC1而小于第二临界值IC2。
[0097] (2)电流增加：A、B、C均通向正向电流，总电流大于第二临界值IC2； [0098] (3)电流开始减小：只有A、B通正向电流，总电流大于第一临界值IC1而小于第二临界值IC2；
[0099] (4)电流继续减小：只有A通正方电流，总电流小于第一临界值IC1； [0100] (5)电流继续减小至零：不通电流；
[0101] (6)开始负方向的电流增大：只有A’通负方向电流；
[0102] (7)负方向的电流继续增大：只有A’、B’通负方向电流；
[0103] (8)负方向的电流继续增大：A’、B’、C’均通负方向电流；
[0104] (9)负方向的电流减小：A’、B’通负方向电流；
[0105] (10)负方向的电流减小：A’通负方向电流；
[0106] (11)电流为0：A、B、C，A’、B’、C’均没有通电流；
[0107] (12)电流增大：A通正方向电流；
[0108] (13)电流继续增大：只有A，B通正向电流，总电流大于第一临界值IC1而小于第二临界值IC2。
[0109] 图12a示意了上述每一步骤所对应的输入状态、磁化状态和电阻状态。该实施例的电阻R-输入电流I关系如图12b所示，其中：
[0110] 对应(1)-(7)过程 对应(8)-(13)过程
[0111] 在该情况下本实施例可以通过控制电流的输入状态，从而能够控制器件的电阻状态，即相当于控制了输出态，而输出状态组合构成了逻辑的实现，不同逻辑状态所对应的逻辑输入和逻辑输出参见表1-1至表1-3。在表1-1中，设初始状态为A，B均通正向电流，其中操作线A’，B’：规定0表示无输入电流；1表示有负输入电流。功能线C’：规定0表示无输入电流；1表示有负输入电流。可实现逻辑NAND或NOR。以下为实现逻辑NAND的步骤：以A，B通正向电流对多层膜磁状态进行初始化。C’线为功能线，A’，B’为输入线，此逻辑实现过程中，设定功能线C’无电流输入，即功能线输入‘0’。当A’，B’均无电流时，总电流位于0和-Ic1之间，即输入A’＝0，B’＝0时，由图12a及图12b，我们能够得到此时电阻态为高电阻，所以输出为1。再以A，B通正向电流对多层膜磁状态进行初始化，当A’通电流时，B’不通电流时，即输入A’＝1，B’＝0时，总电流位于-Ic2和-Ic1之间，此时电阻态为高电阻，所以输出为1。再以A，B通正向电流对多层膜磁状态进行初始化，当A’不通电流时，B’通电流时，即输入A’＝0，B’＝1时，总电流位于-Ic2和-Ic1之间，此时电阻态为高电阻，所以输出为1。再以A，B通正向电流对多层膜磁状态进行初始化，当A’通电流时，B’通电流时，即输入A’＝1，B’＝1时，总电流位于-Ic2和-Ic3之间，此时电阻态为低电阻，所以输出为0。以上步骤实现了逻辑NAND功能。见表格1-1，逻辑状态NAND。同理其他逻辑状态的实现分析方法相同。
[0112] 表1-1
[0113]
[0114]
[0115] 在表1-2中，设初始状态位A’，B’，C’均通负向电流。操作线A，B：规定0表示无输入电流；1表示有正向输入电流。功能线C：规定0表示无输入电流；1表示有正向输入电流。可实现逻辑OR。
[0116] 表1-2
[0117]
[0118] 表1-3中设初始状态位A，B均通正向电流。操作线A，B：规定0表示无输入电流；1表示有输入电流。功能线B’，C’：有负输入电流。可实现逻辑OR。
[0119] 表1-3
[0120]
[0121] 根据本发明的又一个实施例，设置磁性层FM1与磁性层FM2之间为人工弱铁磁耦合，磁性层FM3为无耦合自由层，如图13所示。同样，被钉扎硬磁层FM4与被钉扎硬磁层FM1磁化方向相反，FM3在驱动电流下比FM2层先翻转。其电阻R-输入电流I关系如图14所示。其电阻回路与上面的分析类似，这里不再做详述。
[0122] 基于上述本发明的磁性多层膜，可以将其构造成磁性随机存取存储单元，图15是根据本发明的实施例的磁性随机存取存储单元阵列的示意图，根据阵列中单位面积的逻辑单元数目决定了MRAM的存取密度。现根据图15对MRAM的功能实现进行说明。如图15所示，M1、M2……和Mi，以及N1、N2……和Nj线为电流的输入线，其中i表示列，j表示行。每个Mi(Nj)可由三条输入电流线，即对应上述实施例中A、B、C三条输入线路(A’、B’、C’三条输入线路)及读出线OUT(OUT’)线构成。由于MRAM要求能够根据写入电流大小正确控制0，1状态，可以设定每条Mi，Nj线中通有相应大小电流，若对MRAM进行操作，那么就要对Mi，Nj线进行电流操作。例如：MRAM中单元(Mi，Nj)初始为0状态(低阻态)，如若要改变其状态为1状态(高阻态)则即设置开通Nj、Mi通道，Nj通电流I0(其中IC1＜I0＜IC2)即可完成0状态转变为1状态。这种逻辑电路在断电后仍然能够保持断电前状态，具有非挥发性特征。由于这种基于STT效应的多层膜的的MRAM具有更低的写入和读出的操作电流，因此能显著提高MRAM的信噪比同时有效降低功耗。
[0123] 从上述内容可以看出，本发明结合STT-GMR及STT-TMR两者结构构建了基于STT效应实现小操作电流密度且信噪比高的磁性复合多层膜结构。进一步地，通过引入中间插层或调节多层膜中相应层间界面性质，如调节非磁性层材料，厚度等参数，利用RKKY效应调节人工弱铁磁、弱反铁磁耦合状态，结合输入电流大小操作来实现多重磁逻辑。本发明的磁性多层膜结构具有较好STT效应，具有较好的软磁层的相应翻转与TMR的较高信噪比，并且该结构能够通过单方向电流实现逻辑操作，各磁性层磁矩方向组合方式多，功能实现逻辑状态丰富。
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