專利名稱：一種磁性多層膜及其磁邏輯元件和磁性隨機存取存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁邏輯領(lǐng)域和磁性隨機存取存儲領(lǐng)域，尤其涉及一種磁性多層膜及其 磁邏輯元件和磁性隨機存取存儲器。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)80年代末期，巨磁電阻效應(yīng)(Giant Magneto Resistance,GMR)首次由 Baibich等人在磁性多層膜系統(tǒng)中觀察到以來，磁性多層膜體系的研究一直是科研人員普 遍關(guān)注的一個課題。此后，1995年日本科學(xué)家T. Miyazaki和美國科學(xué)家J. S. Moodera在 磁性隧道結(jié)(MTJ)中分別觀察到了室溫下18%和10%的隧道磁電阻(Tunneling Magneto Resistance, TMR)比值，從而揭起了對磁性隧道結(jié)的研究序幕。在繼之相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)基 礎(chǔ)上，研究人員基于GMR效應(yīng)以及磁性隧道結(jié)而設(shè)計了一種新型磁性隨機存取存儲器 (Magnetic Random Access Memory, MRAM)的器件模型，這種器件具有非常優(yōu)秀的新特性， 諸如抗輻射、非易失性信息存儲等。但是典型的MRAM結(jié)構(gòu)工作方式主要依賴于字線和位線 電流所產(chǎn)生的磁場來操控存儲單元的磁化狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)和制造工藝十分復(fù)雜，給器件的加 工和集成帶來了極大的不便。1996年，美國科學(xué)家J. Slonczewski從理論上預(yù)言了一種新的物理機制-自旋轉(zhuǎn) 移力矩(Spin Transfer Torque, STT)效應(yīng)，這種物理機制可以利用電流自身實現(xiàn)對存儲 單元磁化狀態(tài)的操控，當(dāng)存儲單元中流過的電流小于某個特定的臨界值IC時，存儲單元磁 化狀態(tài)不會被存儲單元中流過的電流所改變；而當(dāng)存儲單元中流過的電流大于這個臨界值 IC時，存儲單元磁化狀態(tài)將由存儲單元中流過的電流的方向所決定。在隨后的十幾年中，科 學(xué)家們對這種新效應(yīng)進行了大量廣泛而深入的研究，并在此理論基礎(chǔ)上發(fā)展了基于STT效 應(yīng)的MRAM，這就是目前現(xiàn)有最新一代STT-MRAM?，F(xiàn)有STT-MRAM采用以磁性層/非磁性層/磁性層為核心構(gòu)成，其中根據(jù)非磁性層 的不同材料可分為基于GMR結(jié)構(gòu)結(jié)合STT效應(yīng)原理的STT-GMR MRAM或者以TMR結(jié)構(gòu)結(jié)合 STT效應(yīng)為原理的STT-TMRMRAM。但是它們存在操作電流密度較大、信噪比比較低的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)效應(yīng)的磁性多層膜及 其磁邏輯元件和磁性隨機存取存儲器，從而克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的操作電流密度較 大、信噪比比較低的缺陷。本發(fā)明的目的是通過以下方案來實現(xiàn)的根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種磁性多層膜，所述磁性多層膜自下而上地包 括第一反鐵磁層；第一硬磁層；第一非磁性金屬層；
第二軟磁層；隧道勢壘層；第三軟磁層；第二非磁性金屬層；第四硬磁層；和第二反鐵磁層；其中，所述第三磁性層被設(shè)定為具有使其磁化方向翻轉(zhuǎn)的第一臨界電流和所述第 二磁性層被設(shè)定為具有使其磁化方向翻轉(zhuǎn)的第二臨界電流，所述第一臨界電流不等于所述 第二臨界電流。在上述技術(shù)方案中，所述第一硬磁層、第一非磁性金屬層和第二軟磁層構(gòu)成GMR 結(jié)構(gòu)；所述第二軟磁層、隧道勢壘層和第三軟磁層構(gòu)成TMR結(jié)構(gòu)；所述第三軟磁層、第二非 磁性金屬層和第四硬磁層構(gòu)成GMR結(jié)構(gòu)。在上述技術(shù)方案中，設(shè)定所述第一硬磁層對第二軟磁層、第四硬磁層對第三軟磁 層為人工耦合。所述人工耦合包括人工弱反鐵磁耦合，人工弱鐵磁耦合以及無耦合。在上述技術(shù)方案中，所述磁性多層膜還包括中間磁性插層，其設(shè)置在所述第二軟 磁層和隧道勢壘層之間，以及所述第三軟磁層和隧道勢壘層之間。所述中間磁性插層為 CoFeB, CoFe, NiFe,該磁性插層厚度為0. 3 5. Onm0根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種包括上述的磁性多層膜的磁邏輯元件。其中， 設(shè)置所述第一硬磁層與第四硬磁層的磁化方向相反，并且所述第一臨界電流小于所述第二 臨界電流。根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供一種包括上述的磁性多層膜的磁性隨機存取存儲 單元。其中，設(shè)置所述第一硬磁層與第四硬磁層的磁化方向相反，并且所述第一臨界電流小 于所述第二臨界電流。根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供一種磁性隨機存取存儲器，其中，所述磁性隨機存 取存儲器包括上述的磁性隨機存取存儲單元。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、通過只改變單向電流的大小即可實現(xiàn)邏輯狀態(tài)的控制，并且讀寫速度更快；2、信噪比較高，讀寫操作所需電流密度相對較小，耗用功率低，節(jié)約能源；


以下通過附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的磁性邏輯元件的磁性多層膜的示意圖；圖2示意了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的磁邏輯元件的磁性多層膜的磁化狀態(tài)；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的磁邏輯元件的磁性多層膜的工作模式圖；圖如示意了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的完成一個電阻回路的每一步驟所對應(yīng)的輸 入狀態(tài)、磁化狀態(tài)和電阻狀態(tài)；圖4b示意了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電阻R與輸入電流I的關(guān)系圖；圖5a、圖恥和圖5c為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的磁邏輯元件的邏輯狀態(tài)示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的具有中間插層的磁性多層膜的示意圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的磁性多層膜具有的多個磁化方向；圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例的橫截面為橢圓環(huán)的磁性多層膜的示意圖；圖9示意了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的磁邏輯元件的磁性多層膜的磁化狀態(tài)；圖IOa示意了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的完成一個電阻回路的每一步驟所對應(yīng) 的輸入狀態(tài)、磁化狀態(tài)和電阻狀態(tài)；圖IOb示意了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的電阻R與輸入電流I的關(guān)系圖；圖11示意了根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的磁邏輯元件的磁性多層膜的磁化狀態(tài)；圖1 示意了根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的完成一個電阻回路的每一步驟所對應(yīng) 的輸入狀態(tài)、磁化狀態(tài)和電阻狀態(tài)；圖12b示意了根據(jù)本發(fā)明再一個實施例的電阻R與輸入電流I的關(guān)系圖；圖13示意了根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的磁邏輯元件的磁性多層膜的磁化狀態(tài)；圖14示意了根據(jù)本發(fā)明又一個實施例的電阻R與輸入電流I的關(guān)系圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁性隨機存取存儲單元陣列的示意圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供如圖1所示的磁性邏輯元件的磁性多層膜，該磁 性多層膜自下而上地包括底部的第一反鐵磁層AFMl ；形成于所述AFMl之上的第一磁性層 FMl (硬磁層)；形成于所述FMl磁性層之上的第一非磁性金屬層匪1 ；形成于所述第一非磁 性金屬層之上的第二磁性層FM2(軟磁層)；形成于所述第二磁性層之上的隧道勢壘層Il ； 形成于所述第一隧道勢壘層之上的第三磁性層FM3 (軟磁層)；形成于所述第三磁性層之上 的第二非磁性金屬層匪2 ；形成于所述第二非磁性金屬層之上的第四磁性層FM4(硬磁層)； 形成于所述第四磁性層之上的第二反鐵磁層AFM2。其中，磁性層FMl和FM4由矯頑力較大 的“硬磁性層”( 構(gòu)成，磁性層FM2和FM3由矯頑力較小的“軟磁性層”Nii^e構(gòu)成，各鐵磁 性層的厚度可以相同也可以不相同，其厚度較佳在5和20納米之間，更佳是在2和5納米 之間；隧道勢壘層Il則由厚度為1. Onm的Al2O3或MgO構(gòu)成；非磁性金屬層匪1和匪2由 Cu或Ru構(gòu)成。在上述磁性多層膜結(jié)構(gòu)中的“軟磁層FM3/隧道勢壘層11/軟磁層FM2 (簡 稱為FM3/I1/FM2) ”為TMR結(jié)構(gòu)，“硬磁層FM4/第二非磁性金屬層匪2/軟磁層FM3”和“硬 磁層FMl/第一非磁性金屬層NMl/軟磁層FM2”構(gòu)成GMR結(jié)構(gòu)，其中TMR結(jié)構(gòu)的電阻值為元 件的主要電阻值。設(shè)置上述磁性多層膜的磁化狀態(tài)如圖2所示，其中被釘扎硬磁層FM4與被釘扎硬 磁層FMl的磁化方向相反，F(xiàn)M3在驅(qū)動電流下比FM2層先翻轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的這個和其他實 施例中，設(shè)定通過上述磁性多層膜的最大電流密度小于最高臨界電流密度Jra，這樣被釘扎 磁性層FMl和FM4在操作中磁化狀態(tài)不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并且FM2和FM3的磁化狀態(tài)只有在相 應(yīng)條件下才發(fā)生改變。當(dāng)FM2和FM3的磁化方向為反向時為高電阻狀態(tài)，此時邏輯輸出為 “ 1 ”，當(dāng)二者同向時為低電阻狀態(tài)，邏輯輸出為“0”。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的磁邏輯元件的磁性多層膜的工作模式圖。如圖3 所示，該磁邏輯元件包括輸入信號線(例如A、B、C、A’、B’和C’ )和輸出信號線(例如OUT 和OUT’)，利用輸入信號的組合，決定磁性多層膜中各磁性層的磁化方向，將通過磁性多層 膜的磁電阻效應(yīng)的大小作為輸出信號。本發(fā)明的這個和其他實施例均將輸入線A、B、C設(shè)置在被釘扎磁性層FM4上，箭頭所指路線表示由輸入信號線A、B通入正向電流I (+)，電流 自上而下地穿過該磁性多層膜結(jié)構(gòu)，然后從下端的輸出信號線OUT’流出；輸入線A’、B’、C’ 通入電流為自下而上方向，定義為負向電流1(-)；從信號線OUT流出。本實施例的初始狀 態(tài)以及本實施例完成一個電阻回路的步驟如下(1)初始狀態(tài)A、B、C均通正向電流，總電流大于第二臨界值Ic2 ；(2)電流減小只有A、B通正向電流，總電流大于第一臨界值Ia而小于第二臨界 值 IC2;(3)電流繼續(xù)減小只有A通正向電流，總電流小于第一臨界值Ia ；(4)電流減小為0 :A、B、C均沒有通正向電流，總電流為0 ；(5)電流繼續(xù)減小即開始負方向的電流增大只有A’通負方向電流；(6)負方向的電流繼續(xù)增大只有A’、B’通負方向電流；(7)負方向的電流繼續(xù)增大A’、B’、C’均通負方向電流；(8)負方向電流減小A’、B’通負方向電流；(9)負方向電流減小A’通負方向電流；(10)電流為0 :A、B、C，A，、B，、C，均沒有通電流；(11)電流增大，開始正方向A通正方向電流；(12)電流繼續(xù)增大A、B通正方向電流；(13)電流繼續(xù)增大A、B、C均通正方向電流；圖如示意了上述每一步驟所對應(yīng)的輸入狀態(tài)、磁化狀態(tài)和電阻狀態(tài)。電阻R和輸 入電流I關(guān)系圖如圖4b所示，其中一*一對應(yīng)步驟(1)至(7)…>·...對應(yīng)步驟⑶至(13)在圖如中，分別對應(yīng)輸入狀態(tài)6及輸入狀態(tài)12的兩個電阻之間差值很小，對應(yīng)輸 入狀態(tài)5及輸入狀態(tài)10的兩個電阻之間也不完全相等。其原因是，在硬磁層FM4及軟磁層 FM3構(gòu)成的GMR結(jié)構(gòu)和硬磁層FMl及軟磁層FM2構(gòu)成的GMR結(jié)構(gòu)上的兩個阻值不是相同的， 但是兩者之差與系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)的TMR值相比，其影響不到5%，所以這個差值對邏輯狀態(tài)的實 現(xiàn)沒有影響。以下對上述完成一個電阻回路的步驟作詳細說明在設(shè)置輸入電流的初始狀態(tài) 后，如果當(dāng)只有一條輸入線有正方向輸入電流時(此時總電流I <第一臨界電流Ia)，磁 性多層膜的磁化狀態(tài)不發(fā)生改變；當(dāng)兩條輸入線有相同的正方向輸入電流時(此時第一臨 界電流Ia <總電流I <第二臨界電流Ic2)，磁性多層膜的軟磁層FM3磁化狀態(tài)發(fā)生改變； 當(dāng)三條輸入線有相同正方向輸入電流時(此時第二臨界電流Ic2 <總電流I <第三臨界電 流1。3)，磁性多層膜的軟磁層FM2磁化狀態(tài)也發(fā)生改變，這樣軟磁層FM2、FM3的磁化方向 又回到一致；當(dāng)只有一條輸入線有負方向輸入電流時，磁性多層膜的磁化狀態(tài)不發(fā)生改變； 當(dāng)兩條輸入線有相同的負方向輸入電流時，磁性多層膜的軟磁層FM2磁化狀態(tài)發(fā)生改變； 當(dāng)三條輸入線有相同負方向輸入電流時，磁性多層膜的軟磁層FM3磁化狀態(tài)也發(fā)生改變， 這樣軟磁層FM2、FM3的磁化方向又回到一致；當(dāng)兩條輸入線有正向輸入電流另一條線有負 向輸入電流時，該情況與只有一條輸入線有正方向輸入電流情況一致；當(dāng)兩條輸入線有負 方向輸入電流另一條線有正向輸入電流時，該情況與只有一條輸入線有負方向電流情況一 致。
由于本發(fā)明結(jié)合STT效應(yīng)，通過以下兩種途徑使FM3/I1/FM2結(jié)構(gòu)中磁性層FM2和 FM3翻轉(zhuǎn)的臨界電流值不同1)通過調(diào)節(jié)FM2與FM3厚度不同實現(xiàn)；2)若FM2與FM3厚度相 同，則通過調(diào)節(jié)非磁性層匪1與匪2的厚度不同或者材料不同來實現(xiàn)。因此利用磁性層FM2 和FM3翻轉(zhuǎn)的臨界電流值不同，可以通過控制輸入電流的大小、方向來控制邏輯的讀寫操 作，具體方式如下當(dāng)磁性多層膜中所施加的電流小于一個特定的第一臨界電流值Ia(相 應(yīng)電流密度Ja = 10 102A/cm2，電流Ia =電流密度知X多層膜截面積)時，其軟磁層 或自由軟磁層的磁化狀態(tài)不改變，從而實現(xiàn)讀操作。隨后增大所施加的電流，當(dāng)通過磁性多 層膜的電流大于第一臨界電流Ia而小于第二臨界電流Ic2時(相應(yīng)電流密度Jc2 = IO2 106A/cm2,電流Ic2 =電流密度Jc2X多層膜截面積)，其自由軟磁層FM3由于STT效應(yīng)而實 現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，而自由軟磁層FM2矯頑力比自由軟磁層FM3大一些，因此在此條件下并不轉(zhuǎn)翻，此 時自由軟磁層FM2與自由軟磁層FM3的磁化狀態(tài)方向相反。繼續(xù)增大電流時，當(dāng)電流超過 第二臨界電流Ic2時，自由軟磁層FM2實現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)，此時自由軟磁層FM2與自由軟磁層FM3 的磁化狀態(tài)方向相同。但如果繼續(xù)增大電流密度，即寫電流超過最高臨界電流值Ie3(本文 中設(shè)定Ie3 > Ie2 > Ia)，則第四磁性層FM4(也稱被釘扎磁性層)的原來取向的磁化狀態(tài)將 被反轉(zhuǎn)，即會導(dǎo)致比特層(即軟磁層或自由軟磁層)和被釘扎磁性層一起被反轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生 相同的磁化強度取向，所以寫電流(即輸入電流)必須小于最高臨界電流值込。圖5^圖恥和圖5c為根據(jù)本發(fā)明的基于STT的磁性多層膜的磁邏輯元件的邏輯 狀態(tài)示意圖。其中，圖如是初始狀態(tài)設(shè)定后，寫電流小于第一臨界電流狀態(tài)，邏輯上輸出為 “0”;圖恥是大于第一臨界電流且小于第二臨界電流狀態(tài)，邏輯上輸出為“1”;圖5c是大于 第二臨界電流狀態(tài)小于器件最高臨界電流密度，邏輯上輸出為“0”。作為本發(fā)明的另一種改進方式，可以在軟磁層FM2和隧道勢壘層II、以及軟磁層 FM3和隧道勢壘層Il之間，插入中間磁性插層U，為了簡化，將軟磁層FM2及中間磁性插層 U用“FM2U”表示，并將軟磁層FM3及中間磁性插層U用“FM3U”表示，如圖6所示。該磁性 中間插層U的材料為自旋極化率比較高的Coi^eB，CoFe, NiFe等，該磁性插層厚度為0. 3 5.0nm。因為該磁性插層U具有較高的自旋極化率(50% 90% )，所以基于STT效應(yīng)翻轉(zhuǎn) FM2U和FM3U層所需的臨界電流有一定程度的下降(IO2 104A/cm2)，且TMR值也有一定程 度的提高(5%-40%)，從而降低讀寫電流，提高MRAM的密度(也就是能夠降低多層膜的截 面尺寸)，提高信噪比。由于邏輯狀態(tài)實現(xiàn)與上面類似，這里不再詳述。在上述技術(shù)方案中，所設(shè)置的磁性層FM1，F(xiàn)M4的磁矩均橫向平行于薄膜(如圖1 左側(cè)箭頭所示)，然而對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說應(yīng)該理解，在本發(fā)明的其他實施例 中，該磁性層FM1，F(xiàn)M4的磁矩可以根據(jù)需要為垂直或平行于膜面，F(xiàn)M2、FM3及FM2U、FM3U的 磁矩垂直于膜面(如圖7左側(cè)箭頭所示)。因此，根據(jù)磁層FM1、FM4及磁層FM2(或FM2U)， FM3 (或FM3U)的磁化方向狀態(tài)、耦合強度及STT翻轉(zhuǎn)軟磁層FM2、軟磁層FM3所需不同的臨 界電流密度，可通過多種邏輯輸入來實現(xiàn)邏輯狀態(tài)。在上述技術(shù)方案中，還可以設(shè)置被釘扎 硬磁層FM4與被釘扎硬磁層FMl的磁化方向相同，同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明目的。另外，以上描 述的實施例只是示例性地設(shè)置FM3比FM2先翻轉(zhuǎn)，然而在本發(fā)明的其他實施例中，還可以讓 FM2先翻轉(zhuǎn)，但注意不考慮兩者同時翻轉(zhuǎn)的情形。另外，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，上述多層膜的橫截面還可以是諸如圖8 所示的橢圓環(huán)，同樣可以實現(xiàn)本發(fā)明目的。在本發(fā)明這個和其他實施例中，所述橢圓環(huán)的尺寸可以在以下范圍內(nèi)橢圓內(nèi)環(huán)短軸為10 lOOOOOnm，短軸與長軸比值為1 1 5，橢圓 外環(huán)短軸為20 200000nm ；所述橢圓的尺寸可以在以下范圍內(nèi)短軸為20 200000nm，短 軸與長軸比值為1 1 5。進一步地，可以利用橫截面為橢圓結(jié)構(gòu)的長短軸比值的不同， 橫截面為橢圓環(huán)結(jié)構(gòu)的環(huán)厚、長短軸比值的不同來實現(xiàn)操作電流密度優(yōu)化調(diào)節(jié)。盡管在上 述示例性實施例中已列舉了各膜層所使用的材料、厚度，但對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng) 該理解，在本發(fā)明的其他實施例中，各層還可以選用以下材料所述反鐵磁性層(AFM1和AFM2)可選用的材料包括由Ir、Fe、Rh, Pt或Pd與Mn 的合金材料，或Co0、NiO, PtCr等反鐵磁性材料，其厚度為7nm 20nm。所述磁性層(FMl、 FM2、FM3、FM4)可選用的材料包括鐵磁性材料、半金屬磁性材料或磁性半導(dǎo)體材料，各磁性 層的厚度為2nm lOnm，但根據(jù)需要其厚度可以相同也可以不同，其中所述鐵磁性材料包括Fe、Co、Ni等3d過渡族磁性金屬，Co-Fe, Co-Fe-B, Ni-Fe, Co-Fe-Ni、Gd-Y等鐵磁性合金，Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er等稀土金屬及其鐵磁合金，或 者是具有垂直磁各向異性的合金，例如CoPt合金、LlO相的!^ePt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GcTTWe等；具有垂直磁各向異性的多層膜，優(yōu)選Co/Pt多 層膜、CoFe/Pt多層膜、Co/Pd多層膜、Co/Ni多層膜、Co/Au多層膜、CoCr/Pt多層膜；所述半金屬磁性材料包括狗304、CrO2, La0.7Sr0.3Μη03或Co2MnSi等Heussler合
^^ ；所述磁性半導(dǎo)體材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn摻雜的&ι0、 02、Η 2或SnO2,或者是 Mn 摻雜的 GaAs、InAs, GaN 或 ZniTe。所述隧道勢壘層(Il)由Mg0、Al203、AlN、Ta205或HfO2等絕緣氧化物組成，其厚度 為 0. 8nm 3. Onm0所述非磁性金屬層(匪1和匪2)的厚度為2nm lOnm，第一非磁性金屬層、第二非 磁性金屬層根據(jù)需要其厚度可以相同也可以不同。作為本發(fā)明的另一種改進的實現(xiàn)方式，可以通過調(diào)控磁性多層膜的各層膜厚度參 數(shù)以及材料性質(zhì)來設(shè)置被釘扎硬磁層FM4對軟磁層FM3的人工耦合情況或FMl硬磁層對軟 磁層FM2的耦合情況，或者二者，從而作為邏輯初始狀態(tài)。其中所述耦合情況包括人工弱反 鐵磁耦合，人工弱鐵磁耦合，以及無耦合(極弱耦合)情況。以下將對各種耦合情況做詳細 說明。在下述的實施例中示例性地設(shè)定軟磁層FM3矯頑力大于軟磁層FM2，即軟磁層FM2基 于STT效應(yīng)所需磁化方向翻轉(zhuǎn)電流小于軟磁層FM3基于STT效應(yīng)所需磁化方向翻轉(zhuǎn)電流。圖9示意了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的磁邏輯元件的磁性多層膜的磁化狀態(tài)，其 中設(shè)置被釘扎硬磁層FM4與被釘扎硬磁層FMl磁化方向相反?；赗KKY效應(yīng)，由于改變了 非磁性金屬層匪1和匪2的厚度，使被釘扎硬磁層FM4與軟磁層FM之間為弱人工反鐵磁耦 合，被釘扎硬磁層FMl與軟磁層FM3之間為弱人工反鐵磁耦合。在這種情況下，磁性層FM2 和FM3由于STT效應(yīng)致使其翻轉(zhuǎn)的臨界電流值不同，軟磁層FM3層所需臨界翻轉(zhuǎn)電流為Ια， 軟磁性層FM2所需臨界翻轉(zhuǎn)電流為I⑵其初始狀態(tài)為不通電流情況基于耦合作用而形成的 邏輯高電阻狀態(tài)。該實施例完成一個電阻回路的步驟如下，另外圖IOa示意了每一步驟所 對應(yīng)的輸入狀態(tài)、磁化狀態(tài)和電阻狀態(tài)。(1)初始狀態(tài)人工弱反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)/勢壘層11/人工弱反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)不通電流；(2)電流增加只有A通正向電流，總電流小于第一臨界值Ici ；(3)電流繼續(xù)增加只有A，B通正向電流，總電流大于第一臨界值Ia而小于第二
臨界值Ic2 ；(4)電流繼續(xù)增加A、B、C均通向正向電流，總電流大于第二臨界值Ic2 ；(5)電流開始減小只有A、B通正向方向電流；(6)電流繼續(xù)減小只有A通正方向電流；(7)電流繼續(xù)減小至零不通電流；(8)開始負方向的電流增大只有A’通負方向電流；(9)負方向的電流繼續(xù)增大只有A’、B’通負方向電流；(10)負方向的電流繼續(xù)增大A’、B’、C’均通負方向電流；(11)負方向的電流減小A’、B’通負方向電流；(12)負方向的電流減小A’通負方向電流；(13)電流為0 :A、B、C，A’、B’、C’均沒有通電流。電阻R和輸入電流I的關(guān)系如圖IOb所示，其中一 一對應(yīng)(1)-(7)過程·..>·...對應(yīng)(8)-(1 過程由圖IOb可看出，其可實現(xiàn)單向電流輸入控制邏輯狀態(tài)。在本發(fā)明的再一個實施例中，設(shè)置磁性層FMl與磁性層FM2之間為人工弱反鐵磁 耦合，磁性層FM3為無耦合自由層，如圖11所示。同樣，被釘扎硬磁層FM4與被釘扎硬磁層 FMl磁化方向相反，F(xiàn)M3在驅(qū)動電流下比FM2層先翻轉(zhuǎn)。該磁性多層膜的初始狀態(tài)為通入大 于第一臨界值Iei而小于第二臨界值Ie2電流情況下結(jié)合人工反鐵耦合作用而形成的高電阻 狀態(tài)。本實施例完成一個電阻回路的步驟是(1)初始狀態(tài)只有A，B通正向電流，總電流大于第一臨界值Ia而小于第二臨界
值 Ic2°(2)電流增加A、B、C均通向正向電流，總電流大于第二臨界值Ic2 ；(3)電流開始減小只有A、B通正向電流，總電流大于第一臨界值Ia而小于第二
臨界值Ic2 ；(4)電流繼續(xù)減小只有A通正方電流，總電流小于第一臨界值Ia ；(5)電流繼續(xù)減小至零不通電流；(6)開始負方向的電流增大只有A’通負方向電流；(7)負方向的電流繼續(xù)增大只有A’、B’通負方向電流；(8)負方向的電流繼續(xù)增大A’、B’、C’均通負方向電流；(9)負方向的電流減小A’、B’通負方向電流；(10)負方向的電流減小A’通負方向電流；(11)電流為0 :A、B、C，A，、B，、C，均沒有通電流；(12)電流增大A通正方向電流；(13)電流繼續(xù)增大只有A，B通正向電流，總電流大于第一臨界值Ia而小于第二
臨界值IC2。圖1 示意了上述每一步驟所對應(yīng)的輸入狀態(tài)、磁化狀態(tài)和電阻狀態(tài)。該實施例的電阻R-輸入電流I關(guān)系如圖12b所示，其中一對應(yīng)(1)-(7)過程.·.>··..對應(yīng)(8)-(1 過程在該情況下本實施例可以通過控制電流的輸入狀態(tài)，從而能夠控制器件的電阻狀 態(tài)，即相當(dāng)于控制了輸出態(tài)，而輸出狀態(tài)組合構(gòu)成了邏輯的實現(xiàn)，不同邏輯狀態(tài)所對應(yīng)的邏 輯輸入和邏輯輸出參見表1-1至表1-3。在表1-1中，設(shè)初始狀態(tài)為A，B均通正向電流，其 中操作線A’，B’ 規(guī)定0表示無輸入電流；1表示有負輸入電流。功能線C’ 規(guī)定0表示無 輸入電流；1表示有負輸入電流。可實現(xiàn)邏輯NAND或NOR。以下為實現(xiàn)邏輯NAND的步驟 以A，B通正向電流對多層膜磁狀態(tài)進行初始化。C’線為功能線，A’，B’為輸入線，此邏輯實 現(xiàn)過程中，設(shè)定功能線C’無電流輸入，即功能線輸入‘0’。當(dāng)A’，B’均無電流時，總電流位 于0和-Iel之間，即輸入A’ = 0，B’ = 0時，由圖1 及圖12b，我們能夠得到此時電阻態(tài) 為高電阻，所以輸出為1。再以A，B通正向電流對多層膜磁狀態(tài)進行初始化，當(dāng)A’通電流 時，B’不通電流時，即輸入A’ =1，B’ = 0時，總電流位于_1。2和-Ica之間，此時電阻態(tài)為 高電阻，所以輸出為1。再以A，B通正向電流對多層膜磁狀態(tài)進行初始化，當(dāng)A’不通電流 時，B’通電流時，即輸入A’ = 0, B' 二丨時，總電流位于-‘和-‘之間，此時電阻態(tài)為高 電阻，所以輸出為1。再以A，B通正向電流對多層膜磁狀態(tài)進行初始化，當(dāng)A’通電流時，B’ 通電流時，即輸入A’ = 1, B' = 1時，總電流位于_1。2和_1。3之間，此時電阻態(tài)為低電阻， 所以輸出為0。以上步驟實現(xiàn)了邏輯NAND功能。見表格1-1，邏輯狀態(tài)NAND。同理其他邏 輯狀態(tài)的實現(xiàn)分析方法相同。表1-權(quán)利要求
1.一種磁性多層膜，所述磁性多層膜自下而上地包括 第一反鐵磁層；第一硬磁層； 第一非磁性金屬層； 第二軟磁層； 隧道勢壘層； 第三軟磁層； 第二非磁性金屬層； 第四硬磁層；和 第二反鐵磁層；其中，所述第三磁性層被設(shè)定為具有使其磁化方向翻轉(zhuǎn)的第一臨界電流和所述第二磁 性層被設(shè)定為具有使其磁化方向翻轉(zhuǎn)的第二臨界電流，所述第一臨界電流不等于所述第二 臨界電流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性多層膜，其特征在于，所述第一硬磁層、第一非磁性金屬層和第二軟磁層構(gòu)成GMR結(jié)構(gòu)； 所述第二軟磁層、隧道勢壘層和第三軟磁層構(gòu)成TMR結(jié)構(gòu)； 所述第三軟磁層、第二非磁性金屬層和第四硬磁層構(gòu)成GMR結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性多層膜，其特征在于，設(shè)定所述第一硬磁層對第二軟磁 層、第四硬磁層對第三軟磁層為人工耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁性多層膜，其特征在于，所述人工耦合包括人工弱反鐵磁 耦合，人工弱鐵磁耦合以及無耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性多層膜，其特征在于，所述磁性多層膜還包括中間磁性 插層，其設(shè)置在所述第二軟磁層和隧道勢壘層之間，以及所述第三軟磁層和隧道勢壘層之 間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁性多層膜，其特征在于，所述中間磁性插層為Coi^eB，CoFe, NiFe,該磁性插層厚度為0. 3 5. Onm。
7.一種包括權(quán)利要求1至6中任一所述的磁性多層膜的磁邏輯元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁邏輯元件，其特征在于，設(shè)置所述第一硬磁層與第四硬磁 層的磁化方向相反，并且所述第一臨界電流小于所述第二臨界電流。
9.一種包括權(quán)利要求1至6中任一所述的磁性多層膜的磁性隨機存取存儲單元。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁性隨機存取存儲單元，其特征在于，設(shè)置所述第一硬磁層 與第四硬磁層的磁化方向相反，并且所述第一臨界電流小于所述第二臨界電流。
11.一種磁性隨機存取存儲器，其特征在于，所述磁性隨機存取存儲器包括權(quán)利要求 10所述的磁性隨機存取存儲單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁性多層膜及其磁邏輯元件和磁性隨機存取存儲器。本發(fā)明的磁性多層膜自下而上地包括第一反鐵磁層；第一硬磁層；第一非磁性金屬層；第二軟磁層；隧道勢壘層；第三軟磁層；第二非磁性金屬層；第四硬磁層；和第二反鐵磁層；其中，所述第三磁性層被設(shè)定為具有使其磁化方向翻轉(zhuǎn)的第一臨界電流和所述第二磁性層被設(shè)定為具有使其磁化方向翻轉(zhuǎn)的第二臨界電流，所述第一臨界電流不等于所述第二臨界電流?；诒景l(fā)明磁性多層膜的磁邏輯元件和磁性隨機存取存儲器讀寫速度更快，并且讀寫操作所需電流密度相對較小，耗用功率低，節(jié)約能源。
文檔編號G11C11/15GK102074329SQ20091023824
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月23日
發(fā)明者劉東屏, 梁世恒, 溫振超, 韓秀峰 申請人:中國科學(xué)院物理研究所