[发明专利]在具有带工程设计界面的磁性多层的垂直磁化线中的畴壁运动

说明书

技术领域

本发明涉及存储器存储系统，并且更特别地，涉及在磁线中使用电流移动磁畴壁(domain walls)的存储器存储系统，其中数据存储在畴壁或它们相关联的畴中。

背景技术

赛道存储器是一种存储器存储设备，其中数据存储在形式为磁畴壁的磁纳米线中，该磁畴壁分离在相反方向磁化的磁性区域(见例如授予Parkin的美国专利6834005、6920062和7551469)。作为这种存储器的基础的关键原理是一系列这种畴壁利用沿纳米线施加的纳秒长电流脉冲沿纳米线(也称为赛道)的前后受控运动。注入畴壁并检测畴壁的设备集成到每根纳米线中。畴壁通过必要长度和数量的电流脉冲移动到注入和检测设备。赛道可以由两种不同类的磁性材料构成，其中材料的磁化(a)主要在纳米线的平面内并且沿着纳米线的长度定向以及(b)主要与纳米线的长度垂直并且与纳米线的平面垂直地定向。构成类(a)的材料通常由软磁材料组成，其中，与纳米线的长度相比，与从与横截面形状与尺寸关联的静磁能量得出的形状磁异向性相比，材料的内在磁晶各向异性是小的。在这些材料中，畴壁通常宽：例如，由透磁合金形成的纳米线中的畴壁通常是100-200nm宽，并且这些畴壁可以容易地变形，其中透磁合金是近似原子成分比为80:20的Ni和Fe的合金。构成类(b)的材料通常由超薄磁性层组成，其中它们与非磁性层的界面引起界面磁各向异性，这会导致它们的磁化倾向于与这些界面垂直地定向。典型的例子包括与Pt层相邻放置的超薄Co层以及由原子薄的交替的Co和Pt层构成的多层结构。另一个例子是由超薄的Co和Ni层构成的多层。对于这些材料，畴壁的宽度越小，垂直磁各向异性(PMA)就越大并且可以窄到1-10nm。因此，类(b)的材料对于密集赛道存储器的制造是优选的。

在现有技术设备中，畴壁被电流脉冲沿着赛道来回移动，其中电流作为从其形成赛道的磁性材料块内依赖自旋的扩散的结果而自旋极化。自旋角动量从自旋极化电流到畴壁的转移对畴壁内的磁矩造成扭矩，这导致畴壁沿纳米线的运动。这种自旋转移扭矩(STT)现象导致畴壁在自旋角动量流的方向上被驱动，使得自旋角动量从电流转移到磁矩。现已公认，在透磁合金中，携带电流的传导电子大部分被自旋极化，即，传导电子把它们的磁矩定向为与Ni和Fe原子上的局部磁矩的方向平行。这导致透磁合金纳米线中的磁畴壁在传导电子流的方向上，即，与电流的方向相反，移动。畴壁的速度依赖于电流的量级并且，对于透磁合金中～10⁸A/cm²的电流密度，畴壁以速度～100m/sec移动。

畴壁会由于纳米线的边缘或表面的粗糙造成的缺陷而被钉扎住。在透磁合金和类(a)中的其它材料中，自旋极化电流和畴壁磁化的相互作用使得需要非常大的电流密度移动被甚至相对小的钉扎势钉住的畴壁。例如，～10⁸A/cm²的电流密度能克服仅仅几奥斯特(Oersted)的有效钉扎场。作为对比，类(b)的材料中窄得多的畴壁改变自旋极化电流和畴壁磁化的相互作用的细节，使得，与类(a)的材料中的畴壁相比，对于在其它方面相同的电流密度，大得多的钉扎场可以被克服。由于纳米线将不可避免地具有粗糙的边缘和表面，因此类(b)中的材料具有显著的优点。

最后，类(b)的材料的第三个优点是具有PMA的赛道关于磁性可以制成非常薄，仅仅几个原子层厚，但是，由于非常大的PMA，因此畴壁可以稳定对抗热波动。由于磁纳米线非常薄并且因此成比例地包含更小的磁矩，因此畴壁可以利用注入设备注入到纳米线中，该注入设备使用从跨隧道势垒注入的电流转移到赛道中的自旋扭矩。对于类(a)中的材料，为了稳定具有可以利用电流移动的涡旋畴壁结构的畴壁，现有技术设备的赛道必须由厚得多的磁性层形成。在由类(a)的材料形成的较薄赛道中，畴壁具有需要高得多的电流密度来移动它们的横壁结构。

发明内容

本发明的优选实施例和实现针对在具有允许窄畴壁(DW)的垂直磁各向异性的线中以高效率利用电流移动畴壁。本文所采用的约定是沉积在衬底上的第一层是最“底部的”层，而最后沉积的层是最“顶部的”层。同样，“上面”、“下面”、“之下”和“之上”是关于层形成的次序而不是重力来定义的。堆叠的层按它们被沉积的次序列出。