專利名稱：磁器件以及用于從所述器件讀取和向所述器件寫入的方法
技術領域：
本發明涉及一種磁器件和一種用于從這樣的磁器件讀取和向這樣的磁器件寫入的方法。
背景技術：
本發明適用于電子裝置并且具體地適用于創建存儲器單元和MRAM型存儲器(“磁隨機存取存儲器”)。近來已經表現關注于具有可用磁隧道結的MRAM磁存儲器，這些磁隧道結在環境溫度表現強磁阻。MRAM存儲器包括多個存儲器單元。這些存儲器單元一般是包括以下層的磁器件:-稱為“參考層”的磁層，該磁層具有方向固定的磁化；-稱為“存儲層”的磁層，該磁層具有方向可變并且可以與參考層的磁化方向平行或者反平行定向的磁化；-分離參考層和磁層的絕緣或者半傳導層。文獻FR2817999描述這樣的磁器件。這一磁器件具有兩個操作模式:“讀取”模式和“寫入”模式。在寫入模式期間，以這樣的方式通過層發送具有比臨界電壓更大的寫入電壓的電流，該方式使得它在一個方向上或者在相反方向上穿過層。這一電流使存儲層的磁化方向反向，該磁化方向然后變成與參考層的磁化方向平行或者反平行。根據存儲層的磁化方向是否與參考層的磁化方向平行或者反平行，在存儲層中存儲“ I”或者“O”。在讀取模式期間，通過器件注入另一電流。這一電流必須具有比寫入電壓嚴格更少的讀取電壓。這一電流允許測量磁器件的電阻。在參考層和存儲層的磁化方向平行時，結的電阻低，而在參考和存儲層的磁化方向反平行時，提高結的電阻。根據與參考電阻的比較，可以確定存儲層中存儲的值(“O”或者“I”)。文獻FR2817999也提出使用由非磁傳導層分離的具有反平行磁化的兩個磁層構成的三層堆疊作為存儲層。然而這一磁器件具有許多缺點。首先，這一器件具有如下擊穿電壓，在該擊穿電壓以上，它變成被損壞。在寫入模式期間，寫入電壓因此必須保持低于擊穿電壓。另外，讀取電壓必須保持比寫入電壓低得多以免冒有在讀取期間改變存儲層的磁化方向的風險。然而不可能使用過于低的讀取電壓，因為否則降低讀取速度。因此難以選擇充分在擊穿電壓以下并且相互充分不同的讀取和寫入電壓以免在未過于降低讀取速度的情況下存在寫入而不是讀取的風險。文獻FR2832542也描述一種具有磁隧道結的磁器件以及使用這一器件來讀取和寫入的方法。這一器件包括具有固定方向的磁化的參考層、具有方向可變的磁化的存儲層和磁化方向固定并且與參考層的磁化方向反平行的附加極化層。這一附加極化層允許在寫入期間加強傳送層上的自旋轉移，因為它允許組合來自參考層的自旋極化的電子電流和來自附加極化層的自旋極化的電子電流。
然而如在文獻FR2817999中那樣，這一磁器件在讀取期間具有意外寫入風險，因為允許讀取存儲層中的信息的電子電流可能意外改變存儲層的磁化方向、因此改變存儲層中包含的信息。
發明內容
本發明的目的在于通過提出一種允許使用可比較的讀取和寫入電壓而無在讀取時非有意地寫入的風險的磁器件來至少部分克服現有技術的缺點。本發明因此目的在于提出一種使得有可能克服必須分離寫入電壓和讀取電壓分布的問題的磁器件。為了這樣做，根據本發明的第一方面提出一種磁器件，該磁器件包括:-稱為“參考層”的第一磁層，具有固定磁化方向；-稱為“存儲層”的第二磁層，具有可變磁化方向，存儲層的磁化能夠與參考層的磁化平行或者反平行；-第一間隔物，分離參考層和存儲層；所述器件的特征在于它還包括:-稱為“控制層”的第三磁層，具有可變磁化方向，控制層的磁化能夠與參考層的磁化實質上平行或者反平行；-第二間隔物，分離存儲層和控制層；-用于控制層的磁化方向的控制裝置，能夠改變控制層的磁化方向而未改變存儲層的磁化方向。本發明因此通過控制層的定向而改變自旋轉移在讀取與寫入之間的有效性來允許使用可比較的寫入和讀取電壓而無在讀取期間寫入的風險。這避免必須在明顯減緩讀取的很低電壓、即少于0.1V讀取。根據本發明的磁器件因此特別顯著的在于它除了存儲和參考層之外還包括磁化方向可變的控制層。因此將能夠選擇這一控制層的磁化方向以:-在打算向存儲層寫入時增加自旋轉移在通過層注入的電子電流與存儲層之間的有效性；-或者在僅打算讀取存儲層中包含的信息而無改變這一信息的風險時減少自旋轉移的有效性。因此，在任何讀取或者寫入之前，將以增加自旋轉移的有效性或者減少它這樣的方式選擇控制層的磁化方向。更具體而言，根據本發明的磁器件因此可以用以下方式工作。對于寫入模式，選擇控制層的磁化方向以便促進自旋轉移。控制層的增加自旋轉移有效性的磁化定向實質上與參考層的磁化反平行。在打算向存儲層寫入時，垂直于層發送電子電流通過層。這一電子電流從一端到另一端穿過器件。在下文討論中假設電子從參考層朝著存儲層循環、即電流從存儲層朝著參考層循環。在這一電子電流穿過在固定方向上磁化的參考層時，電子自旋將由于構成參考層的磁材料的電子結構而變成根據參考層的磁化來極化。出于這一原因，電子將從參考層顯現具有極化的自旋。在這些電子穿過存儲層時，它們將對存儲層的磁化施加自旋轉移力矩，該自旋轉移力矩將往往將存儲層的磁化平行對準于參考層的磁矩。因此，參考層將針對電流的這一方向促進存儲層的磁化的平行對準。另外由于對于寫入模式已經選擇控制層的磁化方向以增加自旋轉移在參考層與存儲層之間的有效性，所以將朝著存儲層反射少數自旋電子(即具有與控制層的磁化相反的自旋)。具有與控制層的磁化反平行、即與參考層的磁化平行的自旋的這些反射的電子也將施加自旋轉移力矩，該自旋轉移力矩促進存儲和參考層的磁化的平行對準。因此將理解參考和存儲層的磁化的反平行對準使得有可能受益于加強自旋轉移的有效性、因此有助于電流從存儲層讀取。如果現在使電流的方向反向，則從控制層直接到達的電子和參考層反射的電子施加的自旋轉移將組合以促進存儲層和參考層的磁化的反平行對準。因此根據電流的方向，將有可能向平行配置(理解配置意味著參考層的磁化和存儲層的磁化的相對對準)或者向反平行配置寫入。在寫入的情況中，參考和控制層因此配合以促進存儲層的磁化方向的改變。由于參考層所致的自旋轉移和控制層所致的自旋轉移因此累計用于寫入模式。控制層因此使得有可能在寫入模式期間組合由于來自參考層的自旋極化的電子電流所致的自旋轉移力矩與由于來自控制層的自旋極化的電子電流所致的自旋轉移力矩。寫入電壓因此小于在現有技術的器件中使用的寫入電壓，因為控制層的存在使在電流與存儲層之間的自旋轉移效應最大。另一方面，在讀取模式中，選擇控制層的磁化方向與參考層的磁化方向實質上平行。這時減去參考層和控制層產生的自旋轉移效應。在讀取電流循環通過結構時，來自參考層的直接電子和來自控制層的反射的電子事實上具有相反自旋極化，從而引起自旋轉移的有效性的減少。無論讀取電流的方向如何情況都是如此。控制層因此使得有可能在讀取模式中通過來自控制層的自旋極化的電子電流所致的自旋轉移力矩至少部分補償來自參考層的自旋極化的電子電流所致的自旋轉移力矩。因此，在讀取模式中，以這樣的方式選擇控制層的磁化方向，該方式使得控制層往往將存儲層的磁化方向定向于一個方向上，而參考層往往將存儲層的磁化方向定向于相反方向。因此，穿過層的電子電流不會改變存儲層的磁化方向。根據本發明的磁器件因此使得有可能使用具有可比較的讀取和寫入電壓的電流而未由此涉及到在讀取期間寫入的風險。根據本發明，控制層因此允許選擇寫入模式或者讀取模式。因此根據本發明，僅在打算從讀取模式改變成寫入模式或者相反時改變控制層的磁化方向。因而如果執行相繼寫入模式而無在兩個寫入模式之間的讀取模式，則無論打算寫入到的邏輯狀態如何都不改變控制層的磁化。類似地，如果在寫入模式之后執行若干相繼讀取模式而無在這些相繼讀取模式之間的寫入模式，則在每個讀取事件之間不改變控制層的磁化。一旦已經選擇讀取或者寫入模式，控制層的磁化在所有相繼寫入事件或者所有相繼讀取事件期間保持固定。因此僅根據其中打算處于的讀取或者寫入模式而未根據打算在存儲層中存儲的邏輯狀態來改變根據本發明的控制層的磁化方向。另外，一旦已經切換控制層的磁化以從一個模式改變成另一模式，它的磁化變成在所有相繼寫入模式期間被俘獲，只要讀取模式未中斷這些寫入模式。因此在如下材料中生產控制層，該材料的磁化方向如軟鐵磁材料將具有的情況那樣不會太容易被改變。另外，根據本發明的控制層有助于讀取，因為在讀取期間將來自參考層/隧道屏障/存儲層這一組件形成的隧道結和存儲層/第二間隔物/控制層的磁阻效果相加。
根據本發明的磁器件也可以個別地或者在任何技術上可能的組合中包括以下特征中的一個或者多個特征。每個間隔物有利地由絕緣或者半傳導材料構成。另外，必須能夠相互分離地控制一方面為存儲層的磁化的方向和另一方面為控制層的磁化的方向而不會在改變這些磁化方向之一時改變這些磁化方向中的另一磁化方向。具體而言，必須能夠切換存儲層的磁化方向而控制層的磁化方向未變化，并且反之亦然。為了實現這一點，將通過各種方法改變存儲層的磁化方向和控制層的磁化方向。例如將借助與存儲層的平面垂直循環的電流通過自旋轉移來改變存儲層的磁化方向，而將通過磁場或者通過與控制層的平面平行的壁傳播來改變控制層的磁化方向。根據一個優選實施例，存儲層由第一所謂“合成反鐵磁”三層堆疊形成，該堆疊由兩個磁層構成，兩個磁層由非磁傳導層分離，通過非磁傳導層反平行耦合兩個磁層。這一合成反鐵磁三層堆疊優選地由通常為CoFe或者CoFeB的兩個磁層構成，這兩個磁層由厚度優選地在0.5nm與0.9nm之間的通常為釕Ru的非磁傳導層分離。在這一實施例中，合成反鐵磁三層堆疊的兩個磁層具有通過非磁傳導層的反平行磁耦合。根據本發明，有利地選擇合成反鐵磁三層堆疊的兩個磁層的磁矩實質上相等，從而合成反鐵磁三層堆疊的總磁矩接近零，通常使得總磁矩是如下的一部分，該一部分低于兩個組成鐵磁層之一的磁矩的30%并且優選地低于15%。在本文中，磁層的“磁矩”是指磁層的每單位面積的磁矩、即磁層的磁化與這一磁層的厚度相乘的乘積。這一實施例是有利的，因為它使得有可能具有更均勻磁化并且它使得有可能具有更大熱穩定性，因為存儲層的體積更大。已知自旋轉移可以改變這樣的三層堆疊的磁化方向、即可以在穿過結構的自旋極化的電流的影響之下將構成三層堆疊的磁層的磁化從一個方向切換成相反方向而又相互保持反平行。另一方面，由于這一三層堆疊具有實質上為零的總磁矩，所以它將隨著磁場很少做出反應。如下文將了解的那樣，通過選擇單個磁層構成的控制層，因此有可能通過磁場使控制層的磁化反向，因為它的磁場不為零，而未使磁矩實質上為零的三層堆疊的磁化反向。在存儲層由三層堆疊形成時，優選地以這樣的方式控制該控制層的磁化方向，該方式使得在寫入模式中，控制層具有與參考層的磁化方向平行的磁化方向。因此，由于參考層所致的自旋轉移和由于控制層所致的自旋轉移在形成存儲層的三層堆疊的整體內是累計的。對照而言，在讀取模式中，優選地以這樣的方式控制該控制層的磁化方向，該方式使得控制層具有與參考層的磁化方向反平行的磁化方向。因此，由于參考層和控制層所致的自旋轉移相抵消。根據另一實施例，存儲層由磁材料單層形成。在這一情況下，以這樣的方式控制該控制層的磁化方向，該方式使得在寫入模式中它與參考層的磁化方向反平行。因此，在寫入模式中，由于控制層和參考層的自旋轉移是累計的。對照而言，在讀取模式中，優選地以這樣的方式選擇控制層中的磁化方向，該方式使得它與參考層的磁化方向平行，從而由于控制層和參考層所致的自旋轉移相互補償。控制層有利地由磁材料單層形成。
根據本發明，必須能夠改變控制層的磁化方向而未改變存儲層的磁化方向。出于這一目的，用于控制層的磁化的方向的控制裝置必須能夠改變控制層的磁化的方向而不改變存儲層的磁化的方向。根據一個實施例，用于控制層的磁化的方向的控制裝置包括生成具有與參考層的磁化的方向平行或者反平行的方向的磁場的裝置。這一實施例在存儲層由合成反鐵磁三層堆疊形成時特別地有利，該堆疊包括通過非磁傳導層反平行耦合的兩個磁層。在這一情況下，三層堆疊的磁層優選地具有相互補償的磁化，因而磁場對存儲層實質上無影響。因而形成存儲層的磁層的磁化方向不會變化。對照而言，單獨的控制層對磁場敏感，從而它的磁化在磁場的影響之下改變方向。生成磁場的裝置可以包括至少一個導體，電流在一個方向或者另一方向上行進通過該導體以便創建與參考層的磁化方向平行或者反平行的磁場。在控制、存儲和參考層在它們位于其中的平面中被極化時，例如在這些層在縱向方向上延伸并且它們的磁化方向與這一磁化方向平行或者反平行時，控制裝置優選地包括與控制、存儲和參考層位于其中的平面的平行延伸并且在縱向方向上與控制、存儲和參考層對準的導體。以這一方式，穿過第一導體的電流允許創建與控制層的磁化方向平行或者反平行的磁場。對照而言，在控制、存儲和參考層在它們位于其中的平面外被極化時，例如在這些層在縱向方向上延伸并且它們的磁化方向與垂直于這一縱向方向的橫向方向平行或者反平行時，控制裝置優選地包括各自與參考、存儲和控制層位于其中的平面平行延伸的兩個導體，并且這些導體在縱向方向上相對于控制層偏移并且位于控制層的每側上。在彼此相反的方向上的電流優選地穿過這兩個導體。因此，這兩個導體允許創建與參考層的磁化方向平行或者反平行的磁場。根據另一實施例，用于控制層中的磁化方向的控制裝置包括向控制層中注入與參考層的磁化的方向平行或者反平行極化的電子的注入裝置。這些注入裝置優選地以這樣的方式向控制層中注入電子，該方式使得它們在縱向方向上穿過控制層。取代由于磁場而改變控制層的磁化方向，事實上也有可能使用自旋轉移效應通過電流引起的壁傳播來改變這一磁化方向。在這一情況下，控制層是電流傳導層，在該電流傳導層中創建具有期望磁化方向的磁域。然后通過發送電流通過控制層向控制層的整體延伸這一磁域。然后在由于自旋轉移所致的電子電流施加的壓力的影響之下將磁域的壁傳播通過控制層。更具體而言，根據這一實施例，向控制層的第一端中注入自旋極化的電子電流。可以例如已經通過使這一電子電流穿過具有固定磁化方向的磁材料層來自旋極化它。因此向控制層中注入具有極化的自旋的電子。在控制層具有與電子的自旋方向反平行的磁化時，向控制層中注入電子電流使得例如有可能使控制層中的磁域成核(nucleate),這一個域具有與電子的自旋方向平行的磁化。在電子通過控制層縱向循環時，它們以通過控制層延伸該域這樣的方式回推界定該域的壁，從而在電子到達控制層的第二端時向整個控制層延伸該域。控制層的整體然后具有期望磁化方向。通過選擇穿過控制層的電流的方向，因此有可能控制該控制層的磁化方向。這一實施例使得有可能改變控制層的磁化方向而不改變存儲層的磁化方向。
向控制層中注入極化的電子的注入裝置優選地包括:-與控制層的第一端接觸設置的堆疊，該堆疊包括:〇第二導體；〇反鐵磁材料；〇具有固定磁化的磁材料層；〇第三導體；-電流生成器，能夠以這樣的方式發送電流，該方式使得它在一個方向上或者在相反方向上穿過堆疊；-與接觸層的第二端接觸設置的第四導體。堆疊使得有可能在向控制層的第一端中注入電子之前自旋極化它們。電子然后縱向穿過控制層直至它們到達第四導體。根據一個優選實施例，根據本發明的磁器件還包括:-與控制層相抵設置的第二反鐵磁材料層，-控制第二反鐵磁材料層的溫度的裝置。這一實施例使得有可能一旦已經選擇控制層的磁化方向就增加它的穩定性。在打算改變控制層的方向時，加熱第二反鐵磁材料層。第二反鐵磁層然后變成順磁，然后容易有可能改變控制層的磁化方向。另一方面，在未打算改變控制層的磁化方向時，停止加熱第二反鐵磁層，該第二反鐵磁層然后在它發現本身的方向上俘獲控制層的磁化。然后有可能改變存儲層的方向而無改變控制層的磁化方向的風險。 雖然這一實施例與用于控制層的磁化的方向的所有控制裝置兼容，但是這一實施例在它與用于(由生成具有與參考層的磁化的方向平行或者反平行的磁場的裝置構成的)控制層的磁化方向的控制裝置一起使用時并且具體在這些生成磁場的裝置包括電流穿過的第一導體時特別地有利。在這一情況下，控制第二反鐵磁材料層的溫度的裝置可以包括設置于電流穿過的第一導體——這允許生成磁場——與第二反鐵磁材料層之間的具有高電阻的第五導體。在電流穿過第一導體以生成允許改變控制層的磁化方向的磁場時，也向第五導體中傳播這一電流，它通過焦耳效應加熱該導體。然后一旦創建磁場就自動加熱第二反鐵磁材料層。根據另一實施例，也有可能通過電絕緣第一導體和第五導體并且通過使兩個不同電流穿過這兩個導體來與磁場的創建無關地控制第二反鐵磁材料層的加熱。根據各種實施例:-參考層、存儲層和控制層在縱向方向上延伸，參考層、存儲層和控制層的磁化與縱向方向對準。在這一情況下，參考、存儲和控制層的磁化視為“在平面中”；-參考層、存儲層和控制層在縱向方向上延伸，參考層、存儲層和控制層的磁化與縱向方向垂直。在這一情況下，參考、存儲和控制層的磁化視為“在平面外”;這后一個實施例特別地有利，因為由此創建的磁器件具有提高的熱穩定性。根據本發明的磁器件有利地也包括向存儲層寫入信息的裝置，所述裝置能夠使第一電流在一個方向上或者在相反方向上循環通過層。根據本發明的磁器件有利地也包括:-讀取存儲層中包含的信息的裝置，所述裝置能夠使第二電流循環通過層；
-測量在層的端子的電壓的裝置。第二電流有利地具有比第一電流的電壓更少或者與第一電流的電壓相等的電壓。本發明也涉及一種讀取根據本發明的器件中包含的信息的方法和一種向根據本發明的器件寫入信息的方法。在存儲層包括由非磁傳導層分離的兩個磁層形成的合成反鐵磁三層時，根據本發明的寫入方法有利地包括:在改變存儲層的磁化方向的步驟之前用于以這樣的方式控制該控制層的磁化的方向的步驟，該方式使得控制層的磁化方向與參考層的磁化方向平行。在存儲層包括由非磁傳導層分離的兩個磁層形成的合成反鐵磁三層時，根據本發明的讀取方法有利地包括:在讀取存儲層的磁化方向的步驟之前用于以這樣的方式控制該控制層的磁化的方向的步驟，該方式使得控制層的磁化方向與參考層的磁化方向反平行。在存儲層是磁單層時，根據本發明的寫入方法有利地包括:在改變存儲層的磁化方向的步驟之前用于以這樣的方式控制該控制層的磁化的方向的步驟，該方式使得控制層的磁化方向與參考層的磁化方向反平行。在存儲層是磁單層時，根據本發明的讀取方法有利地包括:在讀取存儲層的磁化方向的步驟之前用于以這樣的方式控制該控制層的磁化的方向的步驟，該方式使得控制層的磁化方向與參考層的磁化方向平行。
本發明的其它特征和優點將從參照以下附圖對下文描述的閱讀中顯現:-圖1是根據本發明的一個實施例的磁器件在寫入模式中的橫截面圖；-圖2是來自圖1的器件在讀取模式中的橫截面圖；-圖3是根據本發明的另一實施例的器件在寫入模式中的橫截面圖；-圖4是來自圖3的器件在讀取模式中的橫截面圖；-圖5是根據本發明的另一實施例的器件在讀取模式中的橫截面圖；-圖6是來自圖5的器件在寫入模式中的橫截面圖；-圖7是來自圖5的器件在寫入“O”期間的橫截面圖；-圖8是來自圖5的器件在寫入“I ”期間的橫截面圖；-圖9是根據本發明的另一實施例的涉及到向控制層的熱輔助寫入的器件的橫截面圖；-圖10是根據本發明的另一實施例的器件在寫入模式中的橫截面圖；-圖11是根據本發明的另一實施例的器件在讀取模式中的橫截面圖；-圖12是來自圖11的器件在寫入模式中的橫截面圖；-圖13是根據本發明的另一實施例的器件在讀取模式中的橫截面圖。為了更清楚，在所有圖中，相同標號指代相同或者相似單元。在所有圖中，標號A表示的箭頭代表各種磁層的磁化方向，并且標號I表示的箭頭代表電流。
具體實施例方式圖1代表根據本發明的一個實施例的磁器件。這一磁器件I包括:
-稱為“參考層”2的第一磁層，-稱為“存儲層”3的第二磁層，-稱為“控制層”4的第三磁層。參考層2和存儲層3由第一間隔物5分離。控制層4和存儲層由第二間隔物6分離。在這一實施例中，層2至6在與X軸平行的縱向方向I上延伸。貫穿本文，“縱向方向”是指與X軸平行的方向，并且“橫向方向”是指與y軸平行的方向。在這一實施例中，參考層2、存儲層3和控制層4具有“平面內”磁化、即在縱向方向上指引這些層的磁化。參考層2具有圖1和2中的箭頭代表的固定方向的磁化。可以例如通過與第一反鐵磁層的交換I禹合來固定參考層2的磁化方向。這一參考層2也可以是反鐵磁層俘獲的合成反鐵磁層。存儲和控制層具有可變方向的磁化；這些存儲層3和控制層4的磁化可以與參考層的磁化方向平行或者反平行定向。存儲層3是在磁材料、例如鈷-鐵-硼CoFeB合金中生產的單層。當然僅通過例子給出這一磁材料，并且也可以設想在其它磁材料中、例如在CoFe、Fe或者基于N1、Fe和Co的合金中生產存儲層3。參考層2也是例如在CoFeB或者CoFe中生產的單層。第一和第二間隔物5、6由例如MgO或者氧化鋁Al2O3的絕緣或者半傳導層構成。磁器件I可以根據寫入模式和讀取模式工作。在圖1中代表的寫入模式中，選擇控制層4的磁化使得它與參考層的磁化方向反平行。沿著軸(-X)指引參考層的磁化，并且沿著軸(+X)指引控制層的磁化。在沿著軸(_y)發送第一電子電流7通過層2至6時，傳導電子穿過參考層，并且在穿過這一參考層時極化這些電子的自旋。極化的電子然后對存儲層的磁化施加自旋轉移力矩。另外，控制層4反射的、與控制層的磁化反平行自旋極化的電子也對存儲層3的磁化施加自旋轉移力矩。參考層2和控制層3的聯合作用因此加強自旋轉移力矩，因為這兩層具有反平行磁化方向。這一自旋轉移使得有可能根據是否沿著軸(_y)或者(+y)指引穿過層2至6的電子電流來與參考層的磁化方向平行或者反平行指引存儲層的磁化。控制層的存在因此使得有可能有助于向存儲層寫入信息。在圖2中代表的讀取模式中，選擇控制層4的磁化使得它與參考層2的磁化平行。為了讀取存儲層中存儲的信息，垂直于層2至6發送第二電子電流7’通過層2至6的堆疊。這一第二電子電流7’使得有可能測量磁器件I的電阻。在存儲和參考層具有反平行磁化時，提高器件的電阻。另一方面，在存儲和參考層具有平行磁化時，器件的電阻低。第二電子電流7’因此必須允許讀取存儲層中包含的信息而未由此改變這一信息。出于這一目的，具有平行磁化的參考層和控制層對存儲層施加相反動作，因為它們均往往使存儲層的磁化在相反方向上定向。盡管發送第二電子電流通過層，但是存儲層的磁化方向未因此改變。根據本發明的磁器件因此使得有可能在讀取模式和寫入模式中發送可比較的電壓的電流而存儲層中包含的信息在讀取模式中未變化。圖3和4代表另一實施例，其中存儲層3由合成反鐵磁三層堆疊構成，該堆疊包括非磁傳導材料層10分離的兩個磁材料層8和9。兩個磁材料層例如由鈷-鐵-硼CoFeB或者CoFe合金構成，并且非磁傳導材料層10例如由具有在0.5nm與0.9nm之間的厚度的釕Ru構成。以這樣的方式通過非磁傳導材料層10磁耦合兩個磁材料層8和9，該方式使得它們的磁化具有反平行磁化方向。兩個磁材料層8和9優選地以這樣的方式具有相同磁矩、即磁化與厚度的相同乘積，該方式使得它們的磁矩相抵消、因此三層堆疊具有實質上為零的整體磁矩。在存儲層由合成反鐵磁三層堆疊形成時，“存儲層的磁化方向”或者“存儲層的磁化的方向”是指屬于存儲層并且位置與參考層最近的磁層的磁化的方向。參考層2、第一間隔物5、控制層4和第二間隔物6可以與通過參照圖1和2描述的層和間隔物相同。在這一實施例中，在圖3中代表的寫入模式中，控制層必須具有與參考層的磁化平行的磁化。在寫入模式中，在電流穿過堆疊時，參考層2實際上往往使磁材料層8的磁化在一個方向上定向。為了促進寫入，因此必要的是控制層4往往使磁材料層9的磁化在相反方向上定向，因為反平行I禹合磁材料層8和9。對照而言，在圖4中代表的寫入模式中，希望防止磁材料層8和9的磁化改變定向。出于這一目的，控制層4必須具有與參考層2的磁化方向反平行的磁化。因此，在第二電流7’穿過層時，參考層往往使磁材料層8的磁化在一個方向上定向，并且控制層往往使磁材料層9的磁化在相同方向上定向，這往往中和磁材料層8和9的磁化方向的改變，因為反平行耦合這兩層。因此避免存儲層的磁化方向在讀取期間的意外反向。其中存儲層由三層堆疊構成的這一實施例是有利的，因為存儲層的磁化更均勻。在三層堆疊形成的存儲層的情況下，事實上有在兩個磁層8和9之間的通量關閉現象。另夕卜，增加存儲層的熱穩定性，因為存儲層的體積更大。圖5和6代表根據另一實施例的磁器件，其中存儲層3由第一三層堆疊構成，該堆疊包括通過非磁傳導材料層10反平行耦合的兩個磁層8和9。構成存儲層的兩個磁層的磁化方向可以變化。在這一實施例中，參考層2也由三層堆疊構成，該堆疊包括通過非磁傳導層16反平行I禹合的兩個磁層14和15。在參考層由三層堆疊構成時參考層的磁化方向或者磁化的方向”是指三層堆疊的、位置與存儲層最近的磁層的磁化方向。根據這一實施例的磁器件也包括例如厚度在12nm與20nm之間的鉬和鎂合金PtMn的第一反鐵磁材料層12，該第一反鐵磁材料層與參考層2相抵設置并且旨在固定構成參考層2的磁層14和15的磁化方向。參考層2可以是合成反鐵磁三層，該合成反鐵磁三層由通過厚度在0.5nm與0.9nm之間的薄釕(Ru)層反平行稱合的兩個CoFeB或者CoFe層構成。這一合成反鐵磁層的典型組成可以是厚度為2nm的CoFe層、厚度為0.6nm的釕層和厚度為
2.5nm 的 CoFeB 層。可以例如在鈷-鐵-硼合金中生產磁層8、9、14和15，并且可以例如在釕Ru中生產非磁傳導層10和16。磁層8和9優選地具有磁化與厚度的相同乘積，從而它們的磁矩相抵消。類似地，磁層14和15具有磁化與厚度的相同乘積，從而它們的磁矩相抵消。這些磁層中的每個磁層的厚度通常在1.5nm與4nm之間。參考層也可以如在先前實施例中那樣由磁單層形成。可以在厚度通常在4nm與8nm之間的鈷-鐵-硼CoFeB或者CoFe合金或者Fe中生產控制層4。磁層4、8、9、14和15的磁化與磁層4、8、9、14和15延伸的x軸平行或者反平行。磁器件也包括晶體管13。磁器件也包括用于控制層4的磁化方向的控制裝置11，該控制裝置能夠改變控制層的磁化的方向而未改變存儲層3的磁化的方向。在這一實施例中，控制裝置11包括沿著z軸延伸并且沿著橫向方向y與控制層對準的導體17。控制裝置11也包括向導體17中發送電流的裝置(未示出)。在電流穿過導體17時，這生成可以與參考層2的磁化方向平行或者反平行的磁場18。這一磁場因此使得有可能使控制層的磁化與參考層的磁化方向平行或者反平行定向。在這一實施例中，磁場對構成存儲層的磁層8和9的磁化定向無顯著影響，因為磁層8和9的磁矩被偏移[或者接近于被偏移]。反平行耦合的兩個磁層8和9事實上具有相反磁矩，從而存儲層的總磁矩實質上為零。控制裝置11創建的磁場因此對存儲層無任何影響。另一方面，使得有可能改變未磁耦合到任何其它層的控制層的磁化方向。因此，在讀取存儲層中包含的信息之前(圖5)，通過導體17沿著軸+z發送電流。這一電流創建與參考層的層14的磁化反平行的磁場，該磁場通過參考、存儲和控制層引起與層的磁化方向反平行的控制層的磁化的對準以便存儲層中包含的信息，控制層創建的自旋轉移和參考層創建的自旋轉移被補償，這使得有可能限制改變構成存儲層的層8和9的磁化方向的風險。對照而言，在改變存儲層中包含的信息(圖6)、即向存儲層寫入信息之前，通過導體17沿著軸-Z發送電流以便創建磁場，該磁場引起與參考層2的磁層14的磁化平行的控制層的磁化的對準。圖7接著代表在存儲層中寫入“O ”的方法。出于這一目的，以這樣的方式通過參考、存儲和控制層發送電流，該方式使得這一電流垂直于層穿過層。必須沿著軸(_y)發送電流。參考層2并且更具體為參考層2的磁層14然后往往使磁層8的磁化與磁層14的磁化方向平行定向。控制層14往往使磁層9的磁化與控制層的磁化方向反平行定向。參考和控制層因此以使存儲層的磁化方向在相同方向上定向這樣的方式配合。在這一寫入過程期間，重要的是控制層未在其它磁層對控制層的磁化施加的自旋轉移力矩的影響之下切換。出于這一目的，選擇控制層的通常在4nm以上的充分厚度使得控制層的磁化可以抵抗允許改變存儲層的磁化方向的自旋轉移力矩就足夠了。事實上已知自旋轉移力矩實質上為界面的。為了切換控制層的磁化而需要的臨界電流密度因此與層的厚度成比例變化。通過增加控制層的厚度，因此使自旋轉移力矩對控制層的影響最小而未由此使場對它的切換更困難，因為施加的場作用于層的整個體積。圖8代表在存儲層中寫入“I”的方法。出于這一目的，以這樣的方式通過參考、存儲和控制層發送電流，該方式使得這一電流垂直于層穿過層。必須沿著軸(+y)發送電流。參考層2并且更具體為參考層2的磁層14因此往往使磁層8的磁化與磁層14的磁化方向反平行定向。控制層針對它的部分往往使磁層9的磁化與控制層的磁化方向平行定向。參考和控制層因此以使存儲層的磁化方向在相同方向上定向這樣的方式配合。在這一實施例中，導體17同時允許:-傳導電流，該電流使得有可能創建磁場，該磁場允許改變控制層的磁化方向，并且-供應穿過參考層2、控制層4和存儲層3的電流以便讀取參考層中的信息或者向參考層寫入信息。然而也可以設想將兩個單獨導體用于執行這兩個功能。圖9代表根據另一實施例的磁器件。在這一實施例中，磁器件除了它在第一導體17與控制層4之間也包括以下各項的事實之外與通過參照圖5至8描述的磁器件相似:-第五導體18，在電流穿過它時產生熱。這一第五導體18例如由鉭或者鎢構成或者可以由與導體17相同的材料構成、但是具有更小厚度以便局部呈現每單位長度的更高電阻；以及-第二反鐵磁層19，與控制層4和第五導體18接觸。根據這一實施例，第五導體18以在電流穿過第一導體17時它也穿過第五導體18這樣的方式與第一導體17接觸。在不存在通過第五導體18的電流時，第二鐵磁材料層19的存在凍結控制層的磁化方向。可以與參考層的磁層14的磁化方向平行或者與這一磁化方向反平行凍結控制層的磁化方向。因此有可能改變存儲層的磁化方向而未改變控制層的磁化方向。對照而言，在電流穿過第一導體17以便以改變控制層的磁化方向為目的創建磁場時，也向第五導體18中傳播這一電流。第五導體18然后通過焦耳效應產生熱，并且它如下方式加熱第二反鐵磁材料層，該方式使得這一第二反鐵磁材料層變成順磁并且控制層的磁化方向可以在向導體17中傳遞電流而創建的磁場的影響之下變化。在切斷電流時，第二反鐵磁材料層再次變成反鐵磁并且凍結控制層的磁化方向。也將有可能使用未接觸的第一導體17和第五導體18以便能夠獨立控制第二反鐵磁材料層的加熱和第一導體17對磁場的創建。也可以設想通過其它外部加熱裝置加熱第二反鐵磁層。反鐵磁層19可以由具有通常在180與250°C之間的阻止溫度的FeMn或者IrMn或者IrMnCr制成。另外，參考層可以由單個單層構成而不是由三層堆疊形成。類似地，存儲層可以由單層形成而不是由合成反鐵磁三層堆疊形成。在這一情況下，存儲層必須具有比控制層的矯頑磁性更大的矯頑磁性以便存儲層的磁化方向不會在控制層的磁化方向被改變時變化。將例如有可能使用鈷-鉻合金以產生存儲層和用于控制層的鈷-鐵-硼合金層。圖10代表另一實施例，其中磁器件的磁層具有平面外磁化。因此，這一磁器件包括參考層2,該參考層包括三層堆疊,該堆疊本身包括第一磁層14、第二磁層15,第一和第二層14和15由在層14與15之間提供反平行稱合的非磁傳導層15分離。第一和第二磁層14和15可以由鈷-鈀Co/Pd的多層或者合金、由鈷-鉬的多層或者合金或者鈷-鎳的多層或者合金或者稀土 /過渡金屬(例如TbFe)合金構成。分離第一和第二磁層的非磁傳導層16可以例如由厚度在0.5nm與0.9nm之間的釕構成。磁器件也包括存儲層3，該存儲層在本情況下包括合成反鐵磁三層堆疊，該堆疊本身包括第一和第二磁層8和9,該第一和第二磁層由在層8和9之間提供反平行稱合的非磁傳導層10分離。第一和第二磁層8和9可以由鈷-鈕I Co/Pd的多層或者合金、由鈷-鉬的多層或者合金或者同樣是鈷-鎳的多層或者合金構成。分離第一和第二磁層的非磁傳導層10可以例如由厚度在0.5nm與0.9nm之間的釕構成。磁器件也包括例如CoFeB構成的控制層4。磁器件具有平面外定向、即參考2、存儲3和控制層沿著縱向方向X延伸，而磁層
8、9、14、15的磁化沿著橫向方向y或者-y延伸。具有平面外磁化的這一磁器件特別地有利，因為它與具有平面內磁化的磁器件比較具有提高的熱穩定性。具有平面外磁化的材料事實上表現比具有平面內磁化的材料的界面原點(interfacial origin)的各向異性更大的各向異性。磁器件也包括分別處于參考層與存儲層之間和存儲層與控制層之間的第一間隔物5和第二間隔物6。兩個間隔物可以例如由MgO或者鋁構成。磁器件也包括緩沖層12，該緩沖層允許促進結構的整體的良好生長。這一緩沖層可以例如由Ta、Pt、CuN制成。磁器件也包括晶體管13。根據這一實施例，參考層2也優選地包括處于三層堆疊14-15-16與第一間隔物5之間的第一過渡層21。這一過渡層21優選地在間隔物5是MgO隧道屏障時具有居中(centred)立方晶體結構。這一過渡層21例如由通過朝著250°C _250°C退火以與MgO接觸的居中立方形式結晶的CoFeB構成。構成參考層的層14-15-16事實上具有六邊形或者面心立方晶體結構，而MgO的第一間隔物5具有居中立方晶體結構。過渡層21因此形成在參考層2與第一間隔物5之間的結構過渡，該結構過渡允許增加在第一間隔物5的磁阻。類似地，存儲層3優選地包括與第一間隔物5相抵定位的第二過渡層22。這一第二過渡層22具有居中立方晶體結構，并且它允許在存儲層的具有六邊形或者面心立方晶體結構的三層堆疊與具有居中立方晶體結構的第一間隔物5之間制作結構過度。這一過渡層22例如由CoFeB構成。每個過渡層21、22必須具有分別與磁層14、8的磁化平行的磁化，它與該磁層相抵定位。具體通過在這些過渡層的磁化與它們分別與之接觸的磁層的磁化之間的交換互作用來獲取這一定向。類似地，也將有可能在單層中生產參考層和存儲層而不是在三層堆疊中生產它們。磁器件也包括用于控制層的磁化的方向的控制裝置11，所述裝置能夠改變控制層的磁化的方向而未改變存儲層的磁化的方向。控制層4具有與y軸平行或者反平行的磁化方向，因而控制裝置11能夠創建與I軸平行或者反平行的磁場。出于這一目的，控制裝置11例如包括沿著z軸延伸并且相對于控制層4橫向偏移的至少兩個電流導體23和24。電流導體23和24因此在一個沿著X軸移動時處于控制層4的每側上。電流I通過兩個導體23和24，所述電流在彼此相反的方向上通過每個導體。控制裝置11也可以包括相對于控制層沿著X軸偏移的單個導體。圖11和12代表另一實施例，其中控制裝置11使得有可能通過縱向壁傳播來改變控制層的磁化方向。圖11和12代表根據本發明的兩個磁器件，這些磁器件包括與兩個磁器件共同的控制層4，但是也將有可能生產如下磁器件，其中每個磁器件包括它們自己的控制層而未脫離本發明的范圍。這兩個磁器件中的每個磁器件包括與通過參照圖5至9描述的參考層、存儲層和間隔物相似的參考層2、存儲層3以及兩個間隔物5和6，但是也可以設想三層堆疊替換為單層而未脫離本發明的范圍。控制層4沿著縱向方向X延伸。控制裝置11包括向控制層4中注入與參考層的磁化的方向平行或者反平行極化的電子的注入裝置25。這些注入裝置25包括與控制層4的第一端26接觸設置的堆疊。這一堆疊包括:-例如銅的第二導體27；-反鐵磁材料28;-具有固定磁化的磁材料層29、例如CoFe層；-例如銅的第三導體30。注入裝置11也包括能夠以這樣的方式發送電流的電流生成器(未圖示)，該方式使得該電流在一個方向上或者在相反方向上橫向穿過堆疊。注入裝置25也包括與控制層4的第二端32接觸設置的第四導體31。注入裝置25因此能夠使與縱向方向平行或者反平行自旋極化的電子電流通過控制層縱向循環。控制層是磁傳導線，并且通過這一控制層縱向發送自旋極化的電流I。出于這一目的，電子穿過具有固定磁化的磁材料層29，該磁材料層的磁化方向由反鐵磁材料29俘獲。具有固定磁化的磁材料層29必須具有與參考層的磁化方向平行或者反平行的磁化方向。在向控制層的第一端26中注入電子時，電子因此被自旋極化。這些電子使得控制層的第一端內的域成核(nucleate)，該域具有期望極化的磁化。在通過控制層縱向傳播電流I時，通過整個控制層回推該域的壁直至這些壁到達控制層的第二端32并且控制層的整體然后具有期望磁化。為了改變控制層的磁化方向，改變電流I通過控制層的傳播方向I就足夠了。導體27、30和31允許促進電流通過控制層4的循環。圖11因此代表在讀取模式中的磁器件，而圖12代表在寫入模式中的相同磁器件。圖13代表如下磁器件，該磁器件除了它具有平面外磁化這樣的事實之外與圖11和12的磁器件相似。每個磁器件包括兩個過渡層21、22、比如通過參照圖10描述的過渡層。在平面外磁化的情況下，由于具有固定磁化的磁材料層29必須具有與參考層的磁化方向平行或者反平行的磁化，所以具有固定磁化的磁材料層29也必須具有平面外磁化。本發明當然不限于通過參照附圖描述的實施例，并且可以設想變化而未脫離本發明的范圍。具體而言，僅通過示例給出為了生產參考層、存儲層和控制層而選擇的材料，并且可以使用其它材料。
權利要求
1.一種磁器件，包括: -稱為“參考層”(2)的第一磁層,具有固定磁化方向； -稱為“存儲層”(3)的第二磁層，具有可變磁化方向，所述存儲層(3)的磁化能夠與所述參考層(2)的磁化平行或者反平行定向； -第一間隔物(5)，分離所述參考層(2)和所述存儲層(3)， 其特征在于，所述器件還包括: -稱為“控制層”(4)的第三磁層，具有可變磁化方向以便將所述磁器件從讀取模式改變成寫入模式以及相反，所述控制層(5)的磁化能夠以這樣的方式來控制，所述方式使得:〇在所述讀取模式中，所述控制層具有與所述參考層的磁化方向平行或者反平行的磁化方向，以便減去所述參考層和所述控制層對所述存儲層的磁化施加的自旋轉移力矩； 〇在所述寫入模式中，所述控制層具有下面的磁化方向: 當所述控制層在讀取模式中具有與所述參考層的磁化方向反平行的磁化方向時，具有與所述參考層的磁化方向平行的磁化方向，或者 當所述控制層在讀取模式中具有與所述參考層的磁化方向平行的磁化方向時，具有與所述參考層的磁化方向反平行的磁化方向； -第二間隔物￠)，分離所述存儲層(3)和所述控制層(4)； -用于所述控制層(4)的磁化方向的控制裝置(11)，能夠改變所述控制層(4)的磁化方向而不改變所述存儲層(3)的磁化方向。
2.根據前一權利要求所述的磁器件，其特征在于，所述存儲層(3)具有比所述控制層(4)的矯頑磁性更大的矯頑磁性。
3.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的器件，其特征在于，所述存儲層(3)由第一所謂“合成反鐵磁”三層堆疊形成，所述第一所謂“合成反鐵磁”三層堆疊由兩個磁層(8,9)構成，所述兩個磁層(8，9)由非磁傳導層(10)分離，通過所述非磁傳導層反平行耦合所述兩個磁層。
4.根據權利要求1或者2中的任一權利要求所述的磁器件，其特征在于，所述存儲層(3)由磁材料單層形成。
5.根據權利要求3所述的磁器件，其特征在于，用于所述控制層(11)的磁化方向的所述控制裝置(11)包括生成具有與所述參考層(2)的磁化方向平行或者反平行的方向的磁場的裝置。
6.根據權利要求1至4中的任一權利要求所述的磁器件，其特征在于，用于所述控制層中的磁化方向的所述控制裝置(11)包括向所述控制層中注入與所述參考層(2)的磁化方向平行或者反平行極化的電 子的注入裝置(25)。
7.根據前一權利要求所述的磁器件，其特征在于，向所述控制層(4)中注入極化的電子的注入裝置(25)包括: -與所述控制層(4)的第一端(26)接觸設置的堆疊，這一堆疊包括: O第二導體(27)； 〇反鐵磁材料(28)； 〇具有固定磁化的磁材料層(29)； 〇第三導體(30)；-電流生成器，能夠以這樣的方式發送電流，所述方式使得它在一個方向上或者在相反方向上穿過所述堆疊； -與所述控制層(4)的第二端(32)接觸設置的第四導體(31)。
8.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的磁器件，其特征在于，它還包括: -與所述控制層(4)相抵設置的反鐵磁材料層(19)， -控制所述反鐵磁材料層(19)的溫度的裝置(18)。
9.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的磁器件，其特征在于，所述參考層(2)、所述存儲層(3)和所述控制層(4)在縱向方向上延伸，所述參考層(2)、所述存儲層(3)和所述控制層(4)的磁化與所述縱向方向對準。
10.根據權利要求1至8中的任一權利要求所述的磁器件，其特征在于，所述參考層(2)、所述存儲層(3)和所述控制層(4) 在縱向方向上延伸，所述參考層(2)、所述存儲層(3)和所述控制層(4)的磁化與所述縱向方向垂直。
11.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的磁器件，其特征在于，它還包括向所述存儲層寫入信息的裝置，所述裝置能夠使第一電流(7)在一個方向上或者在相反方向上通過所述層循環。
12.根據前述權利要求中的任一權利要求所述的磁器件，其特征在于，它還包括: -讀取所述存儲層中包含的信息的裝置，所述裝置能夠使第二電流(7’)通過所述層循環； -測量在所述層的端子的電壓的裝置。
13.—種改變根據權利要求3或者在引用權利要求3時的權利要求5至10中的任一權利要求所述的磁器件的所述存儲層的磁化方向的方法，其特征在于，在改變所述存儲層(3)的磁化方向的步驟之前，以這樣的方式控制所述控制層(4)的磁化方向，所述方式使得它與所述參考層(2)的磁化方向平行。
14.一種讀取根據權利要求3或者在引用權利要求3時的權利要求5至10中的任一權利要求所述的磁器件的所述存儲層的磁化方向的方法，其特征在于，在讀取所述存儲層(3)的磁化方向的步驟之前，以這樣的方式控制所述控制層(4)的磁化方向，所述方式使得它與所述參考層(2)的磁化方向反平行。
15.—種改變根據權利要求4或者在引用權利要求4時的權利要求6至10中的任一權利要求所述的磁器件的所述存儲層的磁化方向的方法，其特征在于，在改變所述存儲層(3)的磁化方向的步驟之前，以這樣的方式控制所述控制層(4)的磁化方向，所述方式使得它與所述參考層(2)的磁化方向反平行。
16.—種讀取根據權利要求4或者在引用權利要求4時的權利要求6至10中的任一權利要求所述的磁器件的所述存儲層的磁化方向的方法，其特征在于:在讀取所述存儲層(3)的磁化方向的步驟之前，以這樣的方式控制所述控制層(4)的磁化方向，所述方式使得它與所述參考層(2)的磁化方向平行。
全文摘要
本發明涉及一種包括磁化方向固定的參考層(2)和磁化方向可變的存儲(3)的磁器件。在寫入模式中，改變存儲層(3)的磁化方向以便在存儲層中存儲“1”或者“0”。在在讀取模式中，測量磁器件的電阻以便知道什么存儲于存儲層(3)中。磁器件的特征具體在于它也包括磁化方向可變的控制層(4)。控制該控制層(4)的磁化方向以便在希望向存儲層(3)寫入的情況下增加自旋轉移力矩的有效性并且在希望讀取存儲層(3)中包含的信息而未修改所述信息的情況下減少自旋轉移力矩的有效性。
文檔編號G11C11/16GK103180953SQ201180050188
公開日2013年6月26日 申請日期2011年8月31日 優先權日2010年9月1日
發明者B·迪耶尼 申請人:法國原子能及替代能源委員會