[发明专利]双极性自旋转移切换

说明书

交叉参考相关专利申请

本申请要求2010年11月17日提交的美国临时专利申请No.61/414,724号的优先权，并且是2011年3月4日提交的美国专利申请No.13/041,104的部分继续申请，部分继续申请是2009年6月24日提交的美国专利申请No.12/490,588的分案申请，该分案申请是2007年10月31日提交的美国专利申请No.11/932,745的部分继续申请，该部分继续申请是2006年8月1日提交的美国专利申请No.11/498,303的部分继续申请，该部分继续申请是2005年10月13日提交、2006年11月14日许可的并且在2007年1月30日被作为美国专利No.7,170,778公布的美国专利申请No.11/250,791的部分继续申请，该部分继续申请是2003年8月19日提交的、2005年9月12日许可的并且于2005年12月27日作为美国专利No.6,980,469公布的美国专利申请No.10/643,762的继续申请，在此通过引用包括所有这些专利申请的全部内容。

技术领域

本发明一般地涉及一种诸如用于存储器和信息处理的磁性装置。更具体地说，本发明描述了一种提供双极性自旋转移切换的自旋转移转矩磁性随机存取存储器（STT-MRAM）。

背景技术

利用自旋极化电子流的磁性装置是磁性存储器和信息处理应用的兴趣点。这种装置通常包含至少两个由诸如金属或者绝缘体的非磁性材料分离的铁磁电极。电极的厚度通常在1mm至50mm之间。如果该非磁性材料是金属，则这种类型的装置被称为巨磁阻或者自旋阀装置。该装置的电阻取决于磁性电极的相对磁化取向，诸如是否它们是平行取向还是逆平行取向（即，磁化位于平行线上但沿相反方向指向）。一个电极通常使其磁化被钉轧，即，它具有比另一个电极50高的矫顽性，并且需要较大磁场或者自旋极化电流用于改变其磁化方向。第二层被称为自由电极，并且可以相对于前者改变其磁化取向。能够以第二层的取向存储信息。例如，层的逆平行对齐能够表示“1”或者“0”，而平行对齐能够表示“0”或者“1”。对于这两种状态，装置电阻不同，因此，装置电阻能够被用于区别“1”与“0”。这种装置的重要特征是它是非易失性存储器，因为与磁性硬驱动器一样，当电源断开时，该装置保持甚至几十纳米的信息。磁体电极的横向尺寸可以是亚微米级的，并且对于热波动，磁化方向仍稳定。

在传统的磁性随机存取存储器（MRAM）设计中，利用磁场切换自由电极的磁化方向。利用磁性电极附近的载流线产生这些磁场。该线的截面必须小，因为存储器装置包括MRAM基元（cell）的致密阵列。由于来自这些线的磁场产生大范围磁场（磁场仅以离开线的中心的距离成反比衰减），在阵列的单元(element)之间将产生串扰，并且一个装置将承受来自其他装置的磁场。该串扰将限制存储器的密度和/或者导致存储操作发生错误。此外，在电极位置，这种线产生的磁场被限制到0.1特斯拉，这样导致装置操作速度降低。重要的是，传统存储器设计还采用概率（随机）处理或者波动场来起动切换事件，该切换事件本来就慢速，并且不可靠（例如，请参见R.H.Koch等人，Phys.Rev.Lett.84.5419(2000)）。

在美国专利No.5,695,864和几个其他公开中（例如，J.Slonckewski,Journal of Magnetism and Magnetic Materials159,LI(1996)），John Slonckewski描述了一种机制，根据这种机制，自旋极化电流能够被用于直接改变磁性电极的磁化取向。在所建议的机制中，流动的电子的自旋角动量直接与磁区的背景磁化相互作用。运动的电子将其一部分自旋角动量转移到背景磁化，并且在该区域内对磁化产生转矩。该转矩能够改变该区域的磁化方向并且切换其磁化方向。此外，这种相互作用是局部的，因为它仅作用于电流流过的区域。然而，所建议的机制纯粹是理论上的。

自旋转移转矩磁性随机存取存储器（STT-MRAM）装置像普通存储器一样有极大的希望。STT-MRAM是非易失性的、具有小基元尺寸、高耐久性，并且可以与静态RAM（SRAM）的速度匹配。普通的共线磁化STT-MRAM装置的缺点是它们通常具有长的平均切换时间和宽的切换时间分布。这与自旋转矩仅当层磁化不对齐时才是非零的事实相关。因此，自旋转移切换要求可切换磁性（自由）层例如因为热波动而初始不对齐。取决于热波动导致具有可能有几纳秒的不可预知的潜伏延迟的无条理的反转（reversal）。