磁器件以及用于从所述器件读取和向所述器件写入的方法.pdf

本发明涉及一种包括磁化方向固定的参考层(2)和磁化方向可变的存储(3)的磁器件。在写入模式中，改变存储层(3)的磁化方向以便在存储层中存储“1”或者“0”。在在读取模式中，测量磁器件的电阻以便知道什么存储于存储层(3)中。磁器件的特征具体在于它也包括磁化方向可变的控制层(4)。控制该控制层(4)的磁化方向以便在希望向存储层(3)写入的情况下增加自旋转移力矩的有效性并且在希望读取存储层(3)中包含的信息而未修改所述信息的情况下减少自旋转移力矩的有效性。

权利要求书
1.   一种磁器件，包括：
‑称为“参考层”(2)的第一磁层，具有固定磁化方向；
‑称为“存储层”(3)的第二磁层，具有可变磁化方向，所述存储层(3)的磁化能够与所述参考层(2)的磁化平行或者反平行定向；
‑第一间隔物(5)，分离所述参考层(2)和所述存储层(3)，
其特征在于，所述器件还包括：
‑称为“控制层”(4)的第三磁层，具有可变磁化方向以便将所述磁器件从读取模式改变成写入模式以及相反，所述控制层(5)的磁化能够以这样的方式来控制，所述方式使得：
○在所述读取模式中，所述控制层具有与所述参考层的磁化方向平行或者反平行的磁化方向，以便减去所述参考层和所述控制层对所述存储层的磁化施加的自旋转移力矩；
○在所述写入模式中，所述控制层具有下面的磁化方向：
·当所述控制层在读取模式中具有与所述参考层的磁化方向反平行的磁化方向时，具有与所述参考层的磁化方向平行的磁化方向，或者
·当所述控制层在读取模式中具有与所述参考层的磁化方向平行的磁化方向时，具有与所述参考层的磁化方向反平行的磁化方向；
‑第二间隔物(6)，分离所述存储层(3)和所述控制层(4)；
‑用于所述控制层(4)的磁化方向的控制装置(11)，能够改变所述控制层(4)的磁化方向而不改变所述存储层(3)的磁化方向。

2.   根据前一权利要求所述的磁器件，其特征在于，所述存储层(3)具有比所述控制层(4)的矫顽磁性更大的矫顽磁性。

3.   根据前述权利要求中的任一权利要求所述的器件，其特征在于，所述存储层(3)由第一所谓“合成反铁磁”三层堆叠形成，所述第一所谓“合成反铁磁”三层堆叠由两个磁层(8，9)构成，所述两个磁层(8，9)由非磁传导层(10)分离，通过所述非磁传导层反平行耦合所述两个磁层。

4.   根据权利要求1或者2中的任一权利要求所述的磁器件，其特征在于，所述存储层(3)由磁材料单层形成。

5.   根据权利要求3所述的磁器件，其特征在于，用于所述控制层(11)的磁化方向的所述控制装置(11)包括生成具有与所述参考层(2)的磁化方向平行或者反平行的方向的磁场的装置。

6.   根据权利要求1至4中的任一权利要求所述的磁器件，其特征在于，用于所述控制层中的磁化方向的所述控制装置(11)包括向所述控制层中注入与所述参考层(2)的磁化方向平行或者反平行极化的电子的注入装置(25)。

7.   根据前一权利要求所述的磁器件，其特征在于，向所述控制层(4)中注入极化的电子的注入装置(25)包括：
‑与所述控制层(4)的第一端(26)接触设置的堆叠，这一堆叠包括：
○第二导体(27)；
○反铁磁材料(28)；
○具有固定磁化的磁材料层(29)；
○第三导体(30)；
‑电流生成器，能够以这样的方式发送电流，所述方式使得它在一个方向上或者在相反方向上穿过所述堆叠；
‑与所述控制层(4)的第二端(32)接触设置的第四导体(31)。

8.   根据前述权利要求中的任一权利要求所述的磁器件，其特征在于，它还包括：
‑与所述控制层(4)相抵设置的反铁磁材料层(19)，
‑控制所述反铁磁材料层(19)的温度的装置(18)。

9.   根据前述权利要求中的任一权利要求所述的磁器件，其特征在于，所述参考层(2)、所述存储层(3)和所述控制层(4)在纵向方向上延伸，所述参考层(2)、所述存储层(3)和所述控制层(4)的磁化与所述纵向方向对准。

10.   根据权利要求1至8中的任一权利要求所述的磁器件，其特征在于，所述参考层(2)、所述存储层(3)和所述控制层(4)在纵向方向上延伸，所述参考层(2)、所述存储层(3)和所述控制层(4)的磁化与所述纵向方向垂直。

11.   根据前述权利要求中的任一权利要求所述的磁器件，其特征在于，它还包括向所述存储层写入信息的装置，所述装置能够使第一电流(7)在一个方向上或者在相反方向上通过所述层循环。

12.   根据前述权利要求中的任一权利要求所述的磁器件，其特征在于，它还包括：
‑读取所述存储层中包含的信息的装置，所述装置能够使第二电流(7’)通过所述层循环；
‑测量在所述层的端子的电压的装置。

13.   一种改变根据权利要求3或者在引用权利要求3时的权利要求5至10中的任一权利要求所述的磁器件的所述存储层的磁化方向的方法，其特征在于，在改变所述存储层(3)的磁化方向的步骤之前，以这样的方式控制所述控制层(4)的磁化方向，所述方式使得它与所述参考层(2)的磁化方向平行。

14.   一种读取根据权利要求3或者在引用权利要求3时的权利要求5至10中的任一权利要求所述的磁器件的所述存储层的磁化方向的方法，其特征在于，在读取所述存储层(3)的磁化方向的步骤之前，以这样的方式控制所述控制层(4)的磁化方向，所述方式使得它与所述参考层(2)的磁化方向反平行。

15.   一种改变根据权利要求4或者在引用权利要求4时的权利要求6至10中的任一权利要求所述的磁器件的所述存储层的磁化方向的方法，其特征在于，在改变所述存储层(3)的磁化方向的步骤之前，以这样的方式控制所述控制层(4)的磁化方向，所述方式使得它与所述参考层(2)的磁化方向反平行。

16.   一种读取根据权利要求4或者在引用权利要求4时的权利要求6至10中的任一权利要求所述的磁器件的所述存储层的磁化方向的方法，其特征在于：在读取所述存储层(3)的磁化方向的步骤之前，以这样的方式控制所述控制层(4)的磁化方向，所述方式使得它与所述参考层(2)的磁化方向平行。

说明书磁器件以及用于从所述器件读取和向所述器件写入的方法
技术领域
本发明涉及一种磁器件和一种用于从这样的磁器件读取和向这样的磁器件写入的方法。
背景技术
本发明适用于电子装置并且具体地适用于创建存储器单元和MRAM型存储器(“磁随机存取存储器”)。
近来已经表现关注于具有可用磁隧道结的MRAM磁存储器，这些磁隧道结在环境温度表现强磁阻。MRAM存储器包括多个存储器单元。这些存储器单元一般是包括以下层的磁器件：
‑称为“参考层”的磁层，该磁层具有方向固定的磁化；
‑称为“存储层”的磁层，该磁层具有方向可变并且可以与参考层的磁化方向平行或者反平行定向的磁化；
‑分离参考层和磁层的绝缘或者半传导层。
文献FR2817999描述这样的磁器件。这一磁器件具有两个操作模式：“读取”模式和“写入”模式。在写入模式期间，以这样的方式通过层发送具有比临界电压更大的写入电压的电流，该方式使得它在一个方向上或者在相反方向上穿过层。这一电流使存储层的磁化方向反向，该磁化方向然后变成与参考层的磁化方向平行或者反平行。根据存储层的磁化方向是否与参考层的磁化方向平行或者反平行，在存储层中存储“1”或者“0”。
在读取模式期间，通过器件注入另一电流。这一电流必须具有比写入电压严格更少的读取电压。这一电流允许测量磁器件的电阻。在参考层和存储层的磁化方向平行时，结的电阻低，而在参考和存储层的磁化方向反平行时，提高结的电阻。根据与参考电阻的比较，可以确定存储层中存储的值(“0”或者“1”)。
文献FR2817999也提出使用由非磁传导层分离的具有反平行磁化的两个磁层构成的三层堆叠作为存储层。
然而这一磁器件具有许多缺点。首先，这一器件具有如下击穿电压，在该击穿电压以上，它变成被损坏。在写入模式期间，写入电压因此必须保持低于击穿电压。
另外，读取电压必须保持比写入电压低得多以免冒有在读取期间改变存储层的磁化方向的风险。然而不可能使用过于低的读取电压，因为否则降低读取速度。
因此难以选择充分在击穿电压以下并且相互充分不同的读取和写入电压以免在未过于降低读取速度的情况下存在写入而不是读取的风险。
文献FR2832542也描述一种具有磁隧道结的磁器件以及使用这一器件来读取和写入的方法。这一器件包括具有固定方向的磁化的参考层、具有方向可变的磁化的存储层和磁化方向固定并且与参考层的磁化方向反平行的附加极化层。这一附加极化层允许在写入期间加强传送层上的自旋转移，因为它允许组合来自参考层的自旋极化的电子电流和来自附加极化层的自旋极化的电子电流。
然而如在文献FR2817999中那样，这一磁器件在读取期间具有意外写入风险，因为允许读取存储层中的信息的电子电流可能意外改变存储层的磁化方向、因此改变存储层中包含的信息。
发明内容
本发明的目的在于通过提出一种允许使用可比较的读取和写入电压而无在读取时非有意地写入的风险的磁器件来至少部分克服现有技术的缺点。
本发明因此目的在于提出一种使得有可能克服必须分离写入电压和读取电压分布的问题的磁器件。
为了这样做，根据本发明的第一方面提出一种磁器件，该磁器件包括：
‑称为“参考层”的第一磁层，具有固定磁化方向；
‑称为“存储层”的第二磁层，具有可变磁化方向，存储层的磁化能够与参考层的磁化平行或者反平行；
‑第一间隔物，分离参考层和存储层；
所述器件的特征在于它还包括：
‑称为“控制层”的第三磁层，具有可变磁化方向，控制层的磁化能够与参考层的磁化实质上平行或者反平行；
‑第二间隔物，分离存储层和控制层；
‑用于控制层的磁化方向的控制装置，能够改变控制层的磁化方向而未改变存储层的磁化方向。
本发明因此通过控制层的定向而改变自旋转移在读取与写入之间的有效性来允许使用可比较的写入和读取电压而无在读取期间写入的风险。这避免必须在明显减缓读取的很低电压、即少于0.1V读取。
根据本发明的磁器件因此特别显著的在于它除了存储和参考层之外还包括磁化方向可变的控制层。因此将能够选择这一控制层的磁化方向以：
‑在打算向存储层写入时增加自旋转移在通过层注入的电子电流与存储层之间的有效性；
‑或者在仅打算读取存储层中包含的信息而无改变这一信息的风险时减少自旋转移的有效性。
因此，在任何读取或者写入之前，将以增加自旋转移的有效性或者减少它这样的方式选择控制层的磁化方向。
更具体而言，根据本发明的磁器件因此可以用以下方式工作。对于写入模式，选择控制层的磁化方向以便促进自旋转移。控制层的增加自旋转移有效性的磁化定向实质上与参考层的磁化反平行。在打算向存储层写入时，垂直于层发送电子电流通过层。这一电子电流从一端到另一端穿过器件。在下文讨论中假设电子从参考层朝着存储层循环、即电流从存储层朝着参考层循环。在这一电子电流穿过在固定方向上磁化的参考层时，电子自旋将由于构成参考层的磁材料的电子结构而变成根据参考层的磁化来极化。出于这一原因，电子将从参考层显现具有极化的自旋。在这些电子穿过存储层时，它们将对存储层的磁化施加自旋转移力矩，该自旋转移力矩将往往将存储层的磁化平行对准于参考层的磁矩。因此，参考层将针对电流的这一方向促进存储层的磁化的平行对准。另外由于对于写入模式已经选择控制层的磁化方向以增加自旋转移在参考层与存储层之间的有效性，所以将朝着存储层反射少数自旋电子(即具有与控制层的磁化相反的自旋)。具有与控制层的磁化反平行、即与参考层的磁化平行的自旋的这些反射的电子也将施加自旋转移力矩，该自旋转移力矩促进存储和参考层的磁化的平行对准。因此将理解参考和存储层的磁化的反平行对准使得有可能受益于加强自旋转移的有效性、因此有助于电流从存储层读取。
如果现在使电流的方向反向，则从控制层直接到达的电子和参考层反射的电子施加的自旋转移将组合以促进存储层和参考层的磁化的反平行对准。因此根据电流的方向，将有可能向平行配置(理解配置意味着参考层的磁化和存储层的磁化的相对对准)或者向反平行配置写入。在写入的情况中，参考和控制层因此配合以促进存储层的磁化方向的改变。由于参考层所致的自旋转移和控制层所致的自旋转移因此累计用于写入模式。
控制层因此使得有可能在写入模式期间组合由于来自参考层的自旋极化的电子电流所致的自旋转移力矩与由于来自控制层的自旋极化的电子电流所致的自旋转移力矩。写入电压因此小于在现有技术的器件中使用的写入电压，因为控制层的存在使在电流与存储层之间的自旋转移效应最大。
另一方面，在读取模式中，选择控制层的磁化方向与参考层的磁化方向实质上平行。这时减去参考层和控制层产生的自旋转移效应。在读取电流循环通过结构时，来自参考层的直接电子和来自控制层的反射的电子事实上具有相反自旋极化，从而引起自旋转移的有效性的减少。无论读取电流的方向如何情况都是如此。控制层因此使得有可能在读取模式中通过来自控制层的自旋极化的电子电流所致的自旋转移力矩至少部分补偿来自参考层的自旋极化的电子电流所致的自旋转移力矩。因此，在读取模式中，以这样的方式选择控制层的磁化方向，该方式使得控制层往往将存储层的磁化方向定向于一个方向上，而参考层往往将存储层的磁化方向定向于相反方向。因此，穿过层的电子电流不会改变存储层的磁化方向。
根据本发明的磁器件因此使得有可能使用具有可比较的读取和写入电压的电流而未由此涉及到在读取期间写入的风险。
根据本发明，控制层因此允许选择写入模式或者读取模式。因此根据本发明，仅在打算从读取模式改变成写入模式或者相反时改变控制层的磁化方向。因而如果执行相继写入模式而无在两个写入模式之间的读取模式，则无论打算写入到的逻辑状态如何都不改变控制层的磁化。类似地，如果在写入模式之后执行若干相继读取模式而无在这些相继读取模式之间的写入模式，则在每个读取事件之间不改变控制层的磁化。一旦已经选择读取或者写入模式，控制层的磁化在所有相继写入事件或者所有相继读取事件期间保持固定。
因此仅根据其中打算处于的读取或者写入模式而未根据打算在存储层中存储的逻辑状态来改变根据本发明的控制层的磁化方向。另外，一旦已经切换控制层的磁化以从一个模式改变成另一模式，它的磁化变成在所有相继写入模式期间被俘获，只要读取模式未中断这些写入模式。因此在如下材料中生产控制层，该材料的磁化方向如软铁磁材料将具有的情况那样不会太容易被改变。
另外，根据本发明的控制层有助于读取，因为在读取期间将来自参考层/隧道屏障/存储层这一组件形成的隧道结和存储层/第二间隔物/控制层的磁阻效果相加。
根据本发明的磁器件也可以个别地或者在任何技术上可能的组合中包括以下特征中的一个或者多个特征。
每个间隔物有利地由绝缘或者半传导材料构成。
另外，必须能够相互分离地控制一方面为存储层的磁化的方向和另一方面为控制层的磁化的方向而不会在改变这些磁化方向之一时改变这些磁化方向中的另一磁化方向。
具体而言，必须能够切换存储层的磁化方向而控制层的磁化方向未变化，并且反之亦然。
为了实现这一点，将通过各种方法改变存储层的磁化方向和控制层的磁化方向。例如将借助与存储层的平面垂直循环的电流通过自旋转移来改变存储层的磁化方向，而将通过磁场或者通过与控制层的平面平行的壁传播来改变控制层的磁化方向。
根据一个优选实施例，存储层由第一所谓“合成反铁磁”三层堆叠形成，该堆叠由两个磁层构成，两个磁层由非磁传导层分离，通过非磁传导层反平行耦合两个磁层。这一合成反铁磁三层堆叠优选地由通常为CoFe或者CoFeB的两个磁层构成，这两个磁层由厚度优选地在0.5nm与0.9nm之间的通常为钌Ru的非磁传导层分离。在这一实施例中，合成反铁磁三层堆叠的两个磁层具有通过非磁传导层的反平行磁耦合。根据本发明，有利地选择合成反铁磁三层堆叠的两个磁层的磁矩实质上相等，从而合成反铁磁三层堆叠的总磁矩接近零，通常使得总磁矩是如下的一部分，该一部分低于两个组成铁磁层之一的磁矩的30％并且优选地低于15％。
在本文中，磁层的“磁矩”是指磁层的每单位面积的磁矩、即磁层的磁化与这一磁层的厚度相乘的乘积。
这一实施例是有利的，因为它使得有可能具有更均匀磁化并且它使得有可能具有更大热稳定性，因为存储层的体积更大。已知自旋转移可以改变这样的三层堆叠的磁化方向、即可以在穿过结构的自旋极化的电流的影响之下将构成三层堆叠的磁层的磁化从一个方向切换成相反方向而又相互保持反平行。另一方面，由于这一三层堆叠具有实质上为零的总磁矩，所以它将随着磁场很少做出反应。如下文将了解的那样，通过选择单个磁层构成的控制层，因此有可能通过磁场使控制层的磁化反向，因为它的磁场不为零，而未使磁矩实质上为零的三层堆叠的磁化反向。
在存储层由三层堆叠形成时，优选地以这样的方式控制该控制层的磁化方向，该方式使得在写入模式中，控制层具有与参考层的磁化方向平行的磁化方向。因此，由于参考层所致的自旋转移和由于控制层所致的自旋转移在形成存储层的三层堆叠的整体内是累计的。对照而言，在读取模式中，优选地以这样的方式控制该控制层的磁化方向，该方式使得控制层具有与参考层的磁化方向反平行的磁化方向。因此，由于参考层和控制层所致的自旋转移相抵消。
根据另一实施例，存储层由磁材料单层形成。
在这一情况下，以这样的方式控制该控制层的磁化方向，该方式使得在写入模式中它与参考层的磁化方向反平行。因此，在写入模式中，由于控制层和参考层的自旋转移是累计的。对照而言，在读取模式中，优选地以这样的方式选择控制层中的磁化方向，该方式使得它与参考层的磁化方向平行，从而由于控制层和参考层所致的自旋转移相互补偿。
控制层有利地由磁材料单层形成。
根据本发明，必须能够改变控制层的磁化方向而未改变存储层的磁化方向。出于这一目的，用于控制层的磁化的方向的控制装置必须能够改变控制层的磁化的方向而不改变存储层的磁化的方向。
根据一个实施例，用于控制层的磁化的方向的控制装置包括生成具有与参考层的磁化的方向平行或者反平行的方向的磁场的装置。这一实施例在存储层由合成反铁磁三层堆叠形成时特别地有利，该堆叠包括通过非磁传导层反平行耦合的两个磁层。在这一情况下，三层堆叠的磁层优选地具有相互补偿的磁化，因而磁场对存储层实质上无影响。因而形成存储层的磁层的磁化方向不会变化。对照而言，单独的控制层对磁场敏感，从而它的磁化在磁场的影响之下改变方向。
生成磁场的装置可以包括至少一个导体，电流在一个方向或者另一方向上行进通过该导体以便创建与参考层的磁化方向平行或者反平行的磁场。
在控制、存储和参考层在它们位于其中的平面中被极化时，例如在这些层在纵向方向上延伸并且它们的磁化方向与这一磁化方向平行或者反平行时，控制装置优选地包括与控制、存储和参考层位于其中的平面的平行延伸并且在纵向方向上与控制、存储和参考层对准的导体。以这一方式，穿过第一导体的电流允许创建与控制层的磁化方向平行或者反平行的磁场。
对照而言，在控制、存储和参考层在它们位于其中的平面外被极化时，例如在这些层在纵向方向上延伸并且它们的磁化方向与垂直于这一纵向方向的横向方向平行或者反平行时，控制装置优选地包括各自与参考、存储和控制层位于其中的平面平行延伸的两个导体，并且这些导体在纵向方向上相对于控制层偏移并且位于控制层的每侧上。在彼此相反的方向上的电流优选地穿过这两个导体。因此，这两个导体允许创建与参考层的磁化方向平行或者反平行的磁场。
根据另一实施例，用于控制层中的磁化方向的控制装置包括向控制层中注入与参考层的磁化的方向平行或者反平行极化的电子的注入装置。这些注入装置优选地以这样的方式向控制层中注入电子，该方式使得它们在纵向方向上穿过控制层。
取代由于磁场而改变控制层的磁化方向，事实上也有可能使用自旋转移效应通过电流引起的壁传播来改变这一磁化方向。在这一情况下，控制层是电流传导层，在该电流传导层中创建具有期望磁化方向的磁域。然后通过发送电流通过控制层向控制层的整体延伸这一磁域。然后在由于自旋转移所致的电子电流施加的压力的影响之下将磁域的壁传播通过控制层。
更具体而言，根据这一实施例，向控制层的第一端中注入自旋极化的电子电流。可以例如已经通过使这一电子电流穿过具有固定磁化方向的磁材料层来自旋极化它。因此向控制层中注入具有极化的自旋的电子。在控制层具有与电子的自旋方向反平行的磁化时，向控制层中注入电子电流使得例如有可能使控制层中的磁域成核(nucleate)，这一个域具有与电子的自旋方向平行的磁化。在电子通过控制层纵向循环时，它们以通过控制层延伸该域这样的方式回推界定该域的壁，从而在电子到达控制层的第二端时向整个控制层延伸该域。控制层的整体然后具有期望磁化方向。通过选择穿过控制层的电流的方向，因此有可能控制该控制层的磁化方向。这一实施例使得有可能改变控制层的磁化方向而不改变存储层的磁化方向。
向控制层中注入极化的电子的注入装置优选地包括：
‑与控制层的第一端接触设置的堆叠，该堆叠包括：
○第二导体；
○反铁磁材料；
○具有固定磁化的磁材料层；
○第三导体；
‑电流生成器，能够以这样的方式发送电流，该方式使得它在一个方向上或者在相反方向上穿过堆叠；
‑与接触层的第二端接触设置的第四导体。
堆叠使得有可能在向控制层的第一端中注入电子之前自旋极化它们。电子然后纵向穿过控制层直至它们到达第四导体。
根据一个优选实施例，根据本发明的磁器件还包括：
‑与控制层相抵设置的第二反铁磁材料层，
‑控制第二反铁磁材料层的温度的装置。
这一实施例使得有可能一旦已经选择控制层的磁化方向就增加它的稳定性。在打算改变控制层的方向时，加热第二反铁磁材料层。第二反铁磁层然后变成顺磁，然后容易有可能改变控制层的磁化方向。另一方面，在未打算改变控制层的磁化方向时，停止加热第二反铁磁层，该第二反铁磁层然后在它发现本身的方向上俘获控制层的磁化。然后有可能改变存储层的方向而无改变控制层的磁化方向的风险。
虽然这一实施例与用于控制层的磁化的方向的所有控制装置兼容，但是这一实施例在它与用于(由生成具有与参考层的磁化的方向平行或者反平行的磁场的装置构成的)控制层的磁化方向的控制装置一起使用时并且具体在这些生成磁场的装置包括电流穿过的第一导体时特别地有利。在这一情况下，控制第二反铁磁材料层的温度的装置可以包括设置于电流穿过的第一导体——这允许生成磁场——与第二反铁磁材料层之间的具有高电阻的第五导体。在电流穿过第一导体以生成允许改变控制层的磁化方向的磁场时，也向第五导体中传播这一电流，它通过焦耳效应加热该导体。然后一旦创建磁场就自动加热第二反铁磁材料层。
根据另一实施例，也有可能通过电绝缘第一导体和第五导体并且通过使两个不同电流穿过这两个导体来与磁场的创建无关地控制第二反铁磁材料层的加热。
根据各种实施例：
‑参考层、存储层和控制层在纵向方向上延伸，参考层、存储层和控制层的磁化与纵向方向对准。在这一情况下，参考、存储和控制层的磁化视为“在平面中”；
‑参考层、存储层和控制层在纵向方向上延伸，参考层、存储层和控制层的磁化与纵向方向垂直。在这一情况下，参考、存储和控制层的磁化视为“在平面外”；这后一个实施例特别地有利，因为由此创建的磁器件具有提高的热稳定性。
根据本发明的磁器件有利地也包括向存储层写入信息的装置，所述装置能够使第一电流在一个方向上或者在相反方向上循环通过层。
根据本发明的磁器件有利地也包括：
‑读取存储层中包含的信息的装置，所述装置能够使第二电流循环通过层；
‑测量在层的端子的电压的装置。
第二电流有利地具有比第一电流的电压更少或者与第一电流的电压相等的电压。
本发明也涉及一种读取根据本发明的器件中包含的信息的方法和一种向根据本发明的器件写入信息的方法。
在存储层包括由非磁传导层分离的两个磁层形成的合成反铁磁三层时，根据本发明的写入方法有利地包括：在改变存储层的磁化方向的步骤之前用于以这样的方式控制该控制层的磁化的方向的步骤，该方式使得控制层的磁化方向与参考层的磁化方向平行。
在存储层包括由非磁传导层分离的两个磁层形成的合成反铁磁三层时，根据本发明的读取方法有利地包括：在读取存储层的磁化方向的步骤之前用于以这样的方式控制该控制层的磁化的方向的步骤，该方式使得控制层的磁化方向与参考层的磁化方向反平行。
在存储层是磁单层时，根据本发明的写入方法有利地包括：在改变存储层的磁化方向的步骤之前用于以这样的方式控制该控制层的磁化的方向的步骤，该方式使得控制层的磁化方向与参考层的磁化方向反平行。
在存储层是磁单层时，根据本发明的读取方法有利地包括：在读取存储层的磁化方向的步骤之前用于以这样的方式控制该控制层的磁化的方向的步骤，该方式使得控制层的磁化方向与参考层的磁化方向平行。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从参照以下附图对下文描述的阅读中显现：
‑图1是根据本发明的一个实施例的磁器件在写入模式中的横截面图；
‑图2是来自图1的器件在读取模式中的横截面图；
‑图3是根据本发明的另一实施例的器件在写入模式中的横截面图；
‑图4是来自图3的器件在读取模式中的横截面图；
‑图5是根据本发明的另一实施例的器件在读取模式中的横截面图；
‑图6是来自图5的器件在写入模式中的横截面图；
‑图7是来自图5的器件在写入“0”期间的横截面图；
‑图8是来自图5的器件在写入“1”期间的横截面图；
‑图9是根据本发明的另一实施例的涉及到向控制层的热辅助写入的器件的横截面图；
‑图10是根据本发明的另一实施例的器件在写入模式中的横截面图；
‑图11是根据本发明的另一实施例的器件在读取模式中的横截面图；
‑图12是来自图11的器件在写入模式中的横截面图；
‑图13是根据本发明的另一实施例的器件在读取模式中的横截面图。
为了更清楚，在所有图中，相同标号指代相同或者相似单元。
在所有图中，标号A表示的箭头代表各种磁层的磁化方向，并且标号I表示的箭头代表电流。
具体实施方式
图1代表根据本发明的一个实施例的磁器件。这一磁器件1包括：
‑称为“参考层”2的第一磁层，
‑称为“存储层”3的第二磁层，
‑称为“控制层”4的第三磁层。
参考层2和存储层3由第一间隔物5分离。控制层4和存储层由第二间隔物6分离。
在这一实施例中，层2至6在与x轴平行的纵向方向1上延伸。
贯穿本文，“纵向方向”是指与x轴平行的方向，并且“横向方向”是指与y轴平行的方向。
在这一实施例中，参考层2、存储层3和控制层4具有“平面内”磁化、即在纵向方向上指引这些层的磁化。
参考层2具有图1和2中的箭头代表的固定方向的磁化。可以例如通过与第一反铁磁层的交换耦合来固定参考层2的磁化方向。这一参考层2也可以是反铁磁层俘获的合成反铁磁层。
存储和控制层具有可变方向的磁化；这些存储层3和控制层4的磁化可以与参考层的磁化方向平行或者反平行定向。
存储层3是在磁材料、例如钴‑铁‑硼CoFeB合金中生产的单层。当然仅通过例子给出这一磁材料，并且也可以设想在其它磁材料中、例如在CoFe、Fe或者基于Ni、Fe和Co的合金中生产存储层3。
参考层2也是例如在CoFeB或者CoFe中生产的单层。
第一和第二间隔物5、6由例如MgO或者氧化铝Al2O3的绝缘或者半传导层构成。
磁器件1可以根据写入模式和读取模式工作。
在图1中代表的写入模式中，选择控制层4的磁化使得它与参考层的磁化方向反平行。沿着轴(‑x)指引参考层的磁化，并且沿着轴(+x)指引控制层的磁化。
在沿着轴(‑y)发送第一电子电流7通过层2至6时，传导电子穿过参考层，并且在穿过这一参考层时极化这些电子的自旋。极化的电子然后对存储层的磁化施加自旋转移力矩。另外，控制层4反射的、与控制层的磁化反平行自旋极化的电子也对存储层3的磁化施加自旋转移力矩。参考层2和控制层3的联合作用因此加强自旋转移力矩，因为这两层具有反平行磁化方向。这一自旋转移使得有可能根据是否沿着轴(‑y)或者(+y)指引穿过层2至6的电子电流来与参考层的磁化方向平行或者反平行指引存储层的磁化。
控制层的存在因此使得有可能有助于向存储层写入信息。
在图2中代表的读取模式中，选择控制层4的磁化使得它与参考层2的磁化平行。
为了读取存储层中存储的信息，垂直于层2至6发送第二电子电流7’通过层2至6的堆叠。这一第二电子电流7’使得有可能测量磁器件1的电阻。在存储和参考层具有反平行磁化时，提高器件的电阻。另一方面，在存储和参考层具有平行磁化时，器件的电阻低。第二电子电流7’因此必须允许读取存储层中包含的信息而未由此改变这一信息。
出于这一目的，具有平行磁化的参考层和控制层对存储层施加相反动作，因为它们均往往使存储层的磁化在相反方向上定向。尽管发送第二电子电流通过层，但是存储层的磁化方向未因此改变。
根据本发明的磁器件因此使得有可能在读取模式和写入模式中发送可比较的电压的电流而存储层中包含的信息在读取模式中未变化。
图3和4代表另一实施例，其中存储层3由合成反铁磁三层堆叠构成，该堆叠包括非磁传导材料层10分离的两个磁材料层8和9。两个磁材料层例如由钴‑铁‑硼CoFeB或者CoFe合金构成，并且非磁传导材料层10例如由具有在0.5nm与0.9nm之间的厚度的钌Ru构成。
以这样的方式通过非磁传导材料层10磁耦合两个磁材料层8和9，该方式使得它们的磁化具有反平行磁化方向。两个磁材料层8和9优选地以这样的方式具有相同磁矩、即磁化与厚度的相同乘积，该方式使得它们的磁矩相抵消、因此三层堆叠具有实质上为零的整体磁矩。
在存储层由合成反铁磁三层堆叠形成时，“存储层的磁化方向”或者“存储层的磁化的方向”是指属于存储层并且位置与参考层最近的磁层的磁化的方向。
参考层2、第一间隔物5、控制层4和第二间隔物6可以与通过参照图1和2描述的层和间隔物相同。
在这一实施例中，在图3中代表的写入模式中，控制层必须具有与参考层的磁化平行的磁化。在写入模式中，在电流穿过堆叠时，参考层2实际上往往使磁材料层8的磁化在一个方向上定向。为了促进写入，因此必要的是控制层4往往使磁材料层9的磁化在相反方向上定向，因为反平行耦合磁材料层8和9。
对照而言，在图4中代表的写入模式中，希望防止磁材料层8和9的磁化改变定向。出于这一目的，控制层4必须具有与参考层2的磁化方向反平行的磁化。因此，在第二电流7’穿过层时，参考层往往使磁材料层8的磁化在一个方向上定向，并且控制层往往使磁材料层9的磁化在相同方向上定向，这往往中和磁材料层8和9的磁化方向的改变，因为反平行耦合这两层。
因此避免存储层的磁化方向在读取期间的意外反向。
其中存储层由三层堆叠构成的这一实施例是有利的，因为存储层的磁化更均匀。在三层堆叠形成的存储层的情况下，事实上有在两个磁层8和9之间的通量关闭现象。另外，增加存储层的热稳定性，因为存储层的体积更大。
图5和6代表根据另一实施例的磁器件，其中存储层3由第一三层堆叠构成，该堆叠包括通过非磁传导材料层10反平行耦合的两个磁层8和9。构成存储层的两个磁层的磁化方向可以变化。
在这一实施例中，参考层2也由三层堆叠构成，该堆叠包括通过非磁传导层16反平行耦合的两个磁层14和15。在参考层由三层堆叠构成时，“参考层的磁化方向或者磁化的方向”是指三层堆叠的、位置与存储层最近的磁层的磁化方向。
根据这一实施例的磁器件也包括例如厚度在12nm与20nm之间的铂和镁合金PtMn的第一反铁磁材料层12，该第一反铁磁材料层与参考层2相抵设置并且旨在固定构成参考层2的磁层14和15的磁化方向。参考层2可以是合成反铁磁三层，该合成反铁磁三层由通过厚度在0.5nm与0.9nm之间的薄钌(Ru)层反平行耦合的两个CoFeB或者CoFe层构成。这一合成反铁磁层的典型组成可以是厚度为2nm的CoFe层、厚度为0.6nm的钌层和厚度为2.5nm的CoFeB层。
可以例如在钴‑铁‑硼合金中生产磁层8、9、14和15，并且可以例如在钌Ru中生产非磁传导层10和16。磁层8和9优选地具有磁化与厚度的相同乘积，从而它们的磁矩相抵消。类似地，磁层14和15具有磁化与厚度的相同乘积，从而它们的磁矩相抵消。这些磁层中的每个磁层的厚度通常在1.5nm与4nm之间。
参考层也可以如在先前实施例中那样由磁单层形成。
可以在厚度通常在4nm与8nm之间的钴‑铁‑硼CoFeB或者CoFe合金或者Fe中生产控制层4。磁层4、8、9、14和15的磁化与磁层4、8、9、14和15延伸的x轴平行或者反平行。
磁器件也包括晶体管13。
磁器件也包括用于控制层4的磁化方向的控制装置11，该控制装置能够改变控制层的磁化的方向而未改变存储层3的磁化的方向。在这一实施例中，控制装置11包括沿着z轴延伸并且沿着横向方向y与控制层对准的导体17。控制装置11也包括向导体17中发送电流的装置(未示出)。在电流穿过导体17时，这生成可以与参考层2的磁化方向平行或者反平行的磁场18。这一磁场因此使得有可能使控制层的磁化与参考层的磁化方向平行或者反平行定向。
在这一实施例中，磁场对构成存储层的磁层8和9的磁化定向无显著影响，因为磁层8和9的磁矩被偏移[或者接近于被偏移]。反平行耦合的两个磁层8和9事实上具有相反磁矩，从而存储层的总磁矩实质上为零。控制装置11创建的磁场因此对存储层无任何影响。另一方面，使得有可能改变未磁耦合到任何其它层的控制层的磁化方向。
因此，在读取存储层中包含的信息之前(图5)，通过导体17沿着轴+z发送电流。这一电流创建与参考层的层14的磁化反平行的磁场，该磁场通过参考、存储和控制层引起与层的磁化方向反平行的控制层的磁化的对准以便存储层中包含的信息，控制层创建的自旋转移和参考层创建的自旋转移被补偿，这使得有可能限制改变构成存储层的层8和9的磁化方向的风险。
对照而言，在改变存储层中包含的信息(图6)、即向存储层写入信息之前，通过导体17沿着轴‑z发送电流以便创建磁场，该磁场引起与参考层2的磁层14的磁化平行的控制层的磁化的对准。
图7接着代表在存储层中写入“0”的方法。出于这一目的，以这样的方式通过参考、存储和控制层发送电流，该方式使得这一电流垂直于层穿过层。必须沿着轴(‑y)发送电流。参考层2并且更具体为参考层2的磁层14然后往往使磁层8的磁化与磁层14的磁化方向平行定向。控制层14往往使磁层9的磁化与控制层的磁化方向反平行定向。参考和控制层因此以使存储层的磁化方向在相同方向上定向这样的方式配合。在这一写入过程期间，重要的是控制层未在其它磁层对控制层的磁化施加的自旋转移力矩的影响之下切换。出于这一目的，选择控制层的通常在4nm以上的充分厚度使得控制层的磁化可以抵抗允许改变存储层的磁化方向的自旋转移力矩就足够了。事实上已知自旋转移力矩实质上为界面的。为了切换控制层的磁化而需要的临界电流密度因此与层的厚度成比例变化。通过增加控制层的厚度，因此使自旋转移力矩对控制层的影响最小而未由此使场对它的切换更困难，因为施加的场作用于层的整个体积。
图8代表在存储层中写入“1”的方法。出于这一目的，以这样的方式通过参考、存储和控制层发送电流，该方式使得这一电流垂直于层穿过层。必须沿着轴(+y)发送电流。参考层2并且更具体为参考层2的磁层14因此往往使磁层8的磁化与磁层14的磁化方向反平行定向。控制层针对它的部分往往使磁层9的磁化与控制层的磁化方向平行定向。参考和控制层因此以使存储层的磁化方向在相同方向上定向这样的方式配合。
在这一实施例中，导体17同时允许：
‑传导电流，该电流使得有可能创建磁场，该磁场允许改变控制层的磁化方向，并且
‑供应穿过参考层2、控制层4和存储层3的电流以便读取参考层中的信息或者向参考层写入信息。
然而也可以设想将两个单独导体用于执行这两个功能。
图9代表根据另一实施例的磁器件。在这一实施例中，磁器件除了它在第一导体17与控制层4之间也包括以下各项的事实之外与通过参照图5至8描述的磁器件相似：
‑第五导体18，在电流穿过它时产生热。这一第五导体18例如由钽或者钨构成或者可以由与导体17相同的材料构成、但是具有更小厚度以便局部呈现每单位长度的更高电阻；以及
‑第二反铁磁层19，与控制层4和第五导体18接触。
根据这一实施例，第五导体18以在电流穿过第一导体17时它也穿过第五导体18这样的方式与第一导体17接触。
在不存在通过第五导体18的电流时，第二铁磁材料层19的存在冻结控制层的磁化方向。可以与参考层的磁层14的磁化方向平行或者与这一磁化方向反平行冻结控制层的磁化方向。因此有可能改变存储层的磁化方向而未改变控制层的磁化方向。
对照而言，在电流穿过第一导体17以便以改变控制层的磁化方向为目的创建磁场时，也向第五导体18中传播这一电流。第五导体18然后通过焦耳效应产生热，并且它如下方式加热第二反铁磁材料层，该方式使得这一第二反铁磁材料层变成顺磁并且控制层的磁化方向可以在向导体17中传递电流而创建的磁场的影响之下变化。
在切断电流时，第二反铁磁材料层再次变成反铁磁并且冻结控制层的磁化方向。
也将有可能使用未接触的第一导体17和第五导体18以便能够独立控制第二反铁磁材料层的加热和第一导体17对磁场的创建。
也可以设想通过其它外部加热装置加热第二反铁磁层。
反铁磁层19可以由具有通常在180与250℃之间的阻止温度的FeMn或者IrMn或者IrMnCr制成。
另外，参考层可以由单个单层构成而不是由三层堆叠形成。
类似地，存储层可以由单层形成而不是由合成反铁磁三层堆叠形成。在这一情况下，存储层必须具有比控制层的矫顽磁性更大的矫顽磁性以便存储层的磁化方向不会在控制层的磁化方向被改变时变化。将例如有可能使用钴‑铬合金以产生存储层和用于控制层的钴‑铁‑硼合金层。
图10代表另一实施例，其中磁器件的磁层具有平面外磁化。因此，这一磁器件包括参考层2，该参考层包括三层堆叠，该堆叠本身包括第一磁层14、第二磁层15，第一和第二层14和15由在层14与15之间提供反平行耦合的非磁传导层15分离。第一和第二磁层14和15可以由钴‑钯Co/Pd的多层或者合金、由钴‑铂的多层或者合金或者钴‑镍的多层或者合金或者稀土/过渡金属(例如TbFe)合金构成。分离第一和第二磁层的非磁传导层16可以例如由厚度在0.5nm与0.9nm之间的钌构成。
磁器件也包括存储层3，该存储层在本情况下包括合成反铁磁三层堆叠，该堆叠本身包括第一和第二磁层8和9，该第一和第二磁层由在层8和9之间提供反平行耦合的非磁传导层10分离。第一和第二磁层8和9可以由钴‑钯Co/Pd的多层或者合金、由钴‑铂的多层或者合金或者同样是钴‑镍的多层或者合金构成。分离第一和第二磁层的非磁传导层10可以例如由厚度在0.5nm与0.9nm之间的钌构成。
磁器件也包括例如CoFeB构成的控制层4。
磁器件具有平面外定向、即参考2、存储3和控制层沿着纵向方向x延伸，而磁层8、9、14、15的磁化沿着横向方向y或者‑y延伸。具有平面外磁化的这一磁器件特别地有利，因为它与具有平面内磁化的磁器件比较具有提高的热稳定性。具有平面外磁化的材料事实上表现比具有平面内磁化的材料的界面原点(interfacial origin)的各向异性更大的各向异性。
磁器件也包括分别处于参考层与存储层之间和存储层与控制层之间的第一间隔物5和第二间隔物6。两个间隔物可以例如由MgO或者铝构成。
磁器件也包括缓冲层12，该缓冲层允许促进结构的整体的良好生长。这一缓冲层可以例如由Ta、Pt、CuN制成。
磁器件也包括晶体管13。
根据这一实施例，参考层2也优选地包括处于三层堆叠14‑15‑16与第一间隔物5之间的第一过渡层21。这一过渡层21优选地在间隔物5是MgO隧道屏障时具有居中(centred)立方晶体结构。这一过渡层21例如由通过朝着250℃‑250℃退火以与MgO接触的居中立方形式结晶的CoFeB构成。构成参考层的层14‑15‑16事实上具有六边形或者面心立方晶体结构，而MgO的第一间隔物5具有居中立方晶体结构。过渡层21因此形成在参考层2与第一间隔物5之间的结构过渡，该结构过渡允许增加在第一间隔物5的磁阻。
类似地，存储层3优选地包括与第一间隔物5相抵定位的第二过渡层22。这一第二过渡层22具有居中立方晶体结构，并且它允许在存储层的具有六边形或者面心立方晶体结构的三层堆叠与具有居中立方晶体结构的第一间隔物5之间制作结构过度。这一过渡层22例如由CoFeB构成。
每个过渡层21、22必须具有分别与磁层14、8的磁化平行的磁化，它与该磁层相抵定位。具体通过在这些过渡层的磁化与它们分别与之接触的磁层的磁化之间的交换互作用来获取这一定向。
类似地，也将有可能在单层中生产参考层和存储层而不是在三层堆叠中生产它们。
磁器件也包括用于控制层的磁化的方向的控制装置11，所述装置能够改变控制层的磁化的方向而未改变存储层的磁化的方向。控制层4具有与y轴平行或者反平行的磁化方向，因而控制装置11能够创建与y轴平行或者反平行的磁场。出于这一目的，控制装置11例如包括沿着z轴延伸并且相对于控制层4横向偏移的至少两个电流导体23和24。电流导体23和24因此在一个沿着x轴移动时处于控制层4的每侧上。电流I通过两个导体23和24，所述电流在彼此相反的方向上通过每个导体。控制装置11也可以包括相对于控制层沿着x轴偏移的单个导体。
图11和12代表另一实施例，其中控制装置11使得有可能通过纵向壁传播来改变控制层的磁化方向。图11和12代表根据本发明的两个磁器件，这些磁器件包括与两个磁器件共同的控制层4，但是也将有可能生产如下磁器件，其中每个磁器件包括它们自己的控制层而未脱离本发明的范围。这两个磁器件中的每个磁器件包括与通过参照图5至9描述的参考层、存储层和间隔物相似的参考层2、存储层3以及两个间隔物5和6，但是也可以设想三层堆叠替换为单层而未脱离本发明的范围。控制层4沿着纵向方向x延伸。控制装置11包括向控制层4中注入与参考层的磁化的方向平行或者反平行极化的电子的注入装置25。这些注入装置25包括与控制层4的第一端26接触设置的堆叠。这一堆叠包括：
‑例如铜的第二导体27；
‑反铁磁材料28；
‑具有固定磁化的磁材料层29、例如CoFe层；
‑例如铜的第三导体30。
注入装置11也包括能够以这样的方式发送电流的电流生成器(未图示)，该方式使得该电流在一个方向上或者在相反方向上横向穿过堆叠。
注入装置25也包括与控制层4的第二端32接触设置的第四导体31。
注入装置25因此能够使与纵向方向平行或者反平行自旋极化的电子电流通过控制层纵向循环。
控制层是磁传导线，并且通过这一控制层纵向发送自旋极化的电流I。出于这一目的，电子穿过具有固定磁化的磁材料层29，该磁材料层的磁化方向由反铁磁材料29俘获。具有固定磁化的磁材料层29必须具有与参考层的磁化方向平行或者反平行的磁化方向。在向控制层的第一端26中注入电子时，电子因此被自旋极化。这些电子使得控制层的第一端内的域成核(nucleate)，该域具有期望极化的磁化。在通过控制层纵向传播电流I时，通过整个控制层回推该域的壁直至这些壁到达控制层的第二端32并且控制层的整体然后具有期望磁化。为了改变控制层的磁化方向，改变电流I通过控制层的传播方向I就足够了。
导体27、30和31允许促进电流通过控制层4的循环。
图11因此代表在读取模式中的磁器件，而图12代表在写入模式中的相同磁器件。
图13代表如下磁器件，该磁器件除了它具有平面外磁化这样的事实之外与图11和12的磁器件相似。每个磁器件包括两个过渡层21、22、比如通过参照图10描述的过渡层。
在平面外磁化的情况下，由于具有固定磁化的磁材料层29必须具有与参考层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层29也必须具有平面外磁化。
本发明当然不限于通过参照附图描述的实施例，并且可以设想变化而未脱离本发明的范围。具体而言，仅通过示例给出为了生产参考层、存储层和控制层而选择的材料，并且可以使用其它材料。