TW200903486A - Method and system for providing a spin transfer device with improved switching characteristics - Google Patents

Description

200903486 六、發明說明： 、 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於磁性記憶體與磁性元件。 【先前技術】 磁性記憶體’尤其是磁性隨機存取記憶體，因 為在操作時具有而讀/寫速度、良好的耐久性、非揮發性和 低耗電量之潛力，所以已經獲得逐漸增加的興趣。·am可 利用磁性物質作為資訊記錄媒體而儲存資訊。在此種磁性 §己憶體内道常使用傳統磁性元素儲存資料。 第1圖係顯示傳統磁性元件1〇，其可以是傳統的磁性 穿隧接面（magnetic tunneling junction，MTJ)或傳統的 自旋閥。傳統磁性元件1 〇可使用於傳統磁性記憶體中。傳 統MTJ 10通常存在於基體上（未顯示），使用籽晶層（seed layer)ll且包含有傳統的反鐵磁性（antiferr.omagnetic， AFM)層12、傳統的固定層（pinned layer)14、傳統的阻障 層16、傳統的自由層18、和傳統的覆蓋層20。傳統的固 定層14和傳統的自由層18是鐵磁性的。在傳統的固定層 14和傳統的自由層18中通常使用包含有鐵（Fe)、鎳（Ni) 和/或鈷（Co) ’如鐵化鈷（FeCo)、FeCoB、高導磁合金 (permalloy)、鈷之材料。傳統的自由層18具有可改變的 磁化強度19且可具有由形狀異向性（Shape anisotropy) 所建立的易磁化軸（easy aXis)。傳統自由層18之易磁化 軸通常使得自由層的磁化強度19是與傳統固定層14之磁 化強度15平行（P態）或反平行（AP態）。傳統固定層14之 4 94352 200903486 磁化強度15在特殊方向可藉由與AFM層12的交換偏移 (excharge-bias)作用而是固定或定位。雖然是以簡單（單 . 一）層描續，固定層14和自由層18可包含多個層。舉例而 ' 言」固定層14和/或自由層_18可以是包含有透過如Ru之 薄傳導層反鐵磁性或鐵磁性輛合鐵磁層之合成層。在此種 ’ 合成層中，CoFeB與Ru薄層交互形成之多個層可用於傳統 固定層14和/或傳統自由層18。再者，傳統磁性元件10 的其他形式可能包含有藉由額外非磁性阻障或傳導層（未 顯示）而與自由層18分隔之額外的固定層（未顯示）。 如邏輯” Γ或” 0”之資料通常分別對應於在P態或 AP態之自由層18的磁化強度（magnetization)19。因此， 資料是藉由將自由層18設定在P態或AP態而寫入。對某 些傳統的磁性元件10而言，舉例而言，這可藉由使用一個 或多個載流線（current-carrying line)(未顯示）提供額 外磁場而完成。在其他傳統磁性元件10中，這可利用自旋 轉移效應而達成。傳統自由層18之狀態的讀取，亦即傳統 k 磁性元件10之狀態的讀取是藉由量測傳統磁性元件10之 阻抗而完成，此通常是藉由驅動讀取電流通過傳統磁性元 件10而進行量測。 為了使用自旋轉移效應改變自由層18之磁化強度狀 態，將驅使電流使其以與電流垂直平面 (current-perpendicular to the plane, CPP)的方向（亦 即第1圖中之Z方向）穿過具有較小有效尺寸之傳統磁性元 件10。為了使具有切換特性之自旋轉移在切換傳統磁性元 94352 200903486 ^ 件10之磁化強度狀態中變得很重要，磁性元件10的橫向 尺寸必須很小，舉例而言，在幾百奈米（nanometer)或更小 . 的範圍内，以便幫助透過自旋轉移效應所進行之以電流為 ' 基礎的切換。 用於透過自旋轉移切換傳統磁性元件10的寫入電流 ^ 通常是雙向寫入電流。對於雙向寫入電流而言，從一個方 向（從傳統固定層14到傳統自由層18)所提供的寫入電流 是用於將傳統磁性元件10切換至AP態，而從相反方向所 提供的寫入電流則是用於將傳統磁性元件10切換至P態。 注意這些寫入電流可具有不同的大小。當電子移動經過傳 統固定層14,會因為電子優先沿著傳統固定層14之磁化 強度15自旋而變成自旋極化。對於從傳統自由層18驅動 流至傳統固定層14之電流，由傳統固定層14極化之電子 會進入自由層18且對磁化強度19施加轉矩，此可導致自 旋波的產生，或者甚至將磁化強度19全部切換至P態。當 切換至AP態，沿著與傳統固定層14之磁化強度15反平行 自旋的電子更可能反射回到傳統自由層18。這些電子可施 加轉矩在磁化強度19上，且可能導致自旋波的產生，或者 甚至將磁化強度19全部切換至AP態。 為了觀察此切換特性，在裝置中電流密度之量測係藉 由同軸磁化強度不穩定電流密度表示。對於在自旋轉移轉 矩影響下的單一晶狀小顆粒而言，此不穩定電流密度，或 者是臨界切換電流可以下列公式表示： 6 94352 9 200903486 2eccMstF(H + Hk+Hd乂、 人。= ^ 其中6是電荷，是吉伯阻尼常數，i^是飽和磁化強度，〜為 自由層之厚度，Η為所提供的磁場，7^為自由層之有效單 軸異向性（包含有形狀和本質異向性的貢獻），Α為平面外 之去磁場（對薄鐵磁薄膜而言其通常等於4π<)，力為約化普 朗克常數（reduced Planck constant)，以及77為與入射電 流之極化係數相關之自旋轉移效率。在此電流密度下，自 由層磁化強度19沿著易磁化軸之起始位置會變得很不穩 定，且開始沿著易磁化軸旋進。當電流逐漸增加，旋進的 幅度會增加直到磁性元件10切換到其他的狀態。為了快速 切換自由層的磁化強度19，以奈米秒的速度，則所需電流 必須較不穩定電流Λ。大好幾倍。 雖然雙向寫入電流可切換傳統自由層的磁化強度19， 其使用可具有缺點。舉例而言，對通過傳統磁性元件10之 最大可容許切換電流可有很嚴格的限制。尤甚者，當用於 記憶體中，傳統磁性元件10會與選擇電晶體一起使用。此 雙向電流係受限於選擇電晶體（未顯示）的尺寸。已經執行 過很多技術和材料最佳化以便降低此電流。可是，仍需要 進一步的改善。 因此，需要一種方法和系統，當使甩基於電流之切換 技術時可以改善傳統磁性元件10的性能。在此所提出的方 法和系統係滿足此需求。 【發明内容】 7 94352 200903486 將描述用於提供磁性元件之方法和系統 。該磁性元件 已3有$固定層、第一間隔層、自由層、第二間隔層、 以及第一n第—和第二固定層具有分別定位於第一 和第二方向之第—和第二磁化強度。第一和第二間隔層是 非，磁性的。第—和第二間隔層是分別位於自由層與第一 和第-固定層之間。至少有—個磁性元件是組構成當單向 寫入電流通過磁性元件且此同時磁性元件正接受對應於各 複數個狀L的磁％時，允許自由層切換至各複數個狀態， 而該磁性70件是組構成實質上只要亦提供寫人電流，允許 自由層利用寫入電流和從第一固定層和第二固定層至少： 中之-所提供_外磁場的換至各複數個狀態。” 依據在此所提出的方法統 電流寫人魏元件的魏。 钱洲早向寫入 【實施方式】 使本關於磁性記憶體。下列說明是為了 統，且在文t料=知識者能夠製作和❹此方法和系 實施例的中請書及其需求之内容。對這些 技術領域具有通此戶，述的一般原則和物^ 方法和车識者而^均是顯而易見的。因此，此 在此特徵-致之最廣二實施:盍與 包含有第ιίί供:性凡件之方法和系統。此磁性元件 和第二固定間隔r自由層、第二間隔層、 和弟一固疋層具有分別定位於第一和 94352 8 200903486 第二方向之第—和、 鐵磁性的。第—和：：化=第-和第二間隔層是非 第二固定層之間。tr分別位於自由層與第一和 人電流通過磁性元件磁性元件是組構成當單向寫 數個狀態的磁場時，允許:接受對應於 時此磁性元件是組構各複數個狀態，同 自由層利用寫人電流1 /、’、提供寫人電流，允許 中之一所提供的固定層和第二固定層至少其 將以且古i 場而切換至各複數個狀態。 …士、之特殊魏元件和磁性記怜辦、 此方法和系統。任何本技術領域具有知 〜說明 即可了解本發明與磁性元件和具有其他和很容易 =憶趙的使用是相同的。此方法和系統亦可:::之 疋，，且件之特殊磁性元件說明之。然而，任 /、有待 :=識者將很容易即可了解此方法和系統亦; 也知乍在具有不同和/或額外組件之其他磁性 有效 I他r具有不同和/或其他與本發明特徵相同:特Γ 明= 生記憶體中。亦將以目前所了解之自旋轉移現2 =易即可了解此方法和系統之行為:理以 J所了解之自旋轉移而進行的。往何本技術領域‘據 吊知識者亦將报容易即可了解此愈ς有通 有特性關係之結構進行說明。然而，：;=:與基體具 易即可了解此方法和系統與 的除此之外’此方法和系統是-合成和/或簡單的ς 94352 9 200903486 殊層進行說明的。然而，任何本技術領域具有通常知識者 將很容易即可了解這些層可以具有另一個結構。再者，此 方法和系統可以具有特殊層之磁性元件進行說明。然而， 任何本技術領域具有通常知識者將很容易即可了解亦可以 使甩具有與此方法和系統一致之額外和/或不同層之磁性 元件再者’可將此特定組件描述為磁性、鐵磁性、和亞 鐵磁性。如此處所使用的，名詞“磁性（magnetic)”可包 含有鐵磁性、亞鐵磁性或類似結構。因此，如此處所使用 白=詞”磁性，，或，，鐵磁性，，包含鐵磁性和亞鐵磁性， :何=於此。此方法和系統亦可以單元件說明之。然而， °技術領域具有通常知識者將彳π Λ 和糸絲钿θ ^ 冷打很奋易即可了解此方法 矛糸、，先與具有多元件、位元線 缘 是一致的深之磁性記憶體的使用 明。因此目Μ了㈣自旋轉移現象說 了解此方法和具有通常知識者將很容易即可 自旋轉移而進m r論說明是依據目前所了解之 很容易即可了 ：==?領域具有通常知識者亦將 結構進行說明。兴例/:、如^與基體具有特性關係之 層通常較結構的頂層較靠近基體底/切的’結構的底 領域具有通常知識者將报容㈣可^然而’任何本技術 他和基體有不_係之結構是—致^此方法和系統與其 合成和/或簡單的特殊層進;= ，具有通常知識者將报容C 了的解 94352 10 200903486 以具有另-個結構。再者，本發明可以具有特殊層之磁性 兀件進行說明。然而’任何本技術領域具有通常知識者將 很容易料了解亦可以使用與本發明相同之具有額外和/ 或不同層的磁性元件。 為了更詳細說明此方法和系統，參考第2圖，圖中所 • 顯示的磁性元件1〇〇示範實施例可具有改善的切換特性。 磁性元件100至少包含有第一固定層102、第一間隔層 104、自由層1〇6、第二間隔層1〇8、和第二固定層11()。 固疋層102和110藉由如AFM層（未顯示）之固定層（未顯示 而分別定位於其磁化強度103和hi的位置。然而，在另 一個實施例中，可省略此AFM層，而使用另一個機制分別 定位固定層102和110的磁化強度1〇3和hi。雖然在此 是以單層顯示’固定層102和110可包含有多個層。舉例 而言’固定層102和/或110可以是包含有透過如ru之薄 傳導層反鐵磁性耦合之鐵磁層的合成層。除此之外，通常 亦使用籽晶層（未顯示）和覆蓋層〈未顯示）。 間隔層104和108是非鐵磁性的。在一個實施例中， 間隔層104和108的一層或兩層為傳導性的。間隔層1〇4 和108的一層或兩層可以是阻障層，舉例而言，絕緣穿隧 阻障層。另一方面’間隔層1〇4和108的一層或兩層可具 有另一種結構，舉例而言，包含有以絕緣矩陣呈現之傳導 通道的粒狀層。然而，在較佳實施例中，間隔層104和108 兩層均為絕緣穿隧阻障層。 自由層106為鐵磁性的且包含有銘（Co)、錄（Ni)和鐵 11 94352 200903486 (Fe)至少其中之一。雖然是以單層顯示，自由層可以是由 如Ru之非磁性間隔層分隔之多層（例如，兩層）鐵磁層。自 由層106之磁化強度107的等效位置是沿著易磁化軸（在第 2圖中沒有分別顯示）。因此，磁化強度107的等效位置較 佳與固疋層1〇2之磁化強度1〇3的等效位置實質上平行或 反平行。 〆 固定層的磁化強度103和111實質上是定位成互相垂 直。在所顯示實施例中，磁化強度103和111兩者是共平 面（在層102、104、106、108和11〇的平面）。然而，在另 一個實施例中，磁化強度111實質上是與層所在平面垂 直。將磁性元件1〇〇組構成（1)當單向寫入電流通過該磁性 元件同時該磁性元件正接受對應於各複數個狀態之磁場 時，自由層106的磁化強度1〇7會切換至各複數個狀態， 和⑵實質上只要亦提供寫人電流，利用寫人電流和從固定 層102和11〇至少其中之一所提供的額外磁場，自由層⑽ 的磁化強度1〇7切換至各複數個狀態的至少其中之一。 因此，在一實施例中，磁性元件1〇〇的寫入是藉由 =電流和磁場。所使用的磁場可以是雙向的且用於選擇 ^入磁性元件⑽雜.哪—個。在另—個實施例中 磁性兀件1GG的寫人可藉由雙向寫 場 定層1〇2和U〇的其中之—提#的。^且^场可由 —使用此兩種方法的組合。舉例而言，如蚊層 疋層可在切換期間產生磁場 曰 性元件_之教…二 早向電流。當降低: ”、、穩度可看到由固定層110所產生的— 94352 12 200903486 场，因此有助於進行切換。因此，雖然在下 明，在此所說_祕元件的義可相㈣杨合使i 因此’在一實施例中，將磁性元件100組構成為所狀 態提供姻方㈣電流給要切換的磁性元件跡 圖所顯示的磁性元件15〇說明磁性元件⑽的此一實施 例。第3圖所顯示的圖式用於描述單向電流切換之磁性元 件150的示範實施例。磁性元# 15〇 &含有分別對應於第 2圖磁性元件100之層102、1〇4、1〇6、1〇8和ιι〇的第一 固定層152、第-間隔層154、自由層156、第二間隔層158、 和第二固定層160。再度參考第3圖，圖中亦顯示AFM層 151和162，其分別作為用於固定層152和16〇之釘扎層 (pinning layer)。除此之外，亦描繪有覆蓋層164。磁性 元件150亦可包含有位於磁性AFM層151下且存在於基體 底層（未顯示）上之籽晶層（未顯示）。 雖然頒示有AFM層151和162，此AFM層是可以省略 的’而使用另一個機制分別定位固定層152和16〇的磁化 強度153和161。雖然在此是以單層顯示，固定層152和 160可包含有多個層。舉例而言，固定層I”和/或ι60可 以是包含有透過如RU之薄傳導層反鐵磁性耦合之鐵磁層 的合成層。除此之外，通常亦可以使用籽晶層（未顯示）和 覆盍層（未顯示）。— 間隔層154和158是非磁性的。在一個實施例中，間 隔層154和158的一層或兩層為傳導性的。間隔層154和 158的一層或兩層可以是阻障層，舉例而言，絕緣穿隧阻 13 94352 200903486 障層。另一方面，間隔層154和158的一層或兩層可具有 另一種結構，舉例而言，包含有以絕緣矩陣呈現之傳導通 道的粒狀層。然而，在較佳實施例中，間隔層154和158 兩層均為絕緣穿隧阻障層。 自由層156為鐵磁性的且包含有銘（Co)、鎳（Ni)和鐵 (Fe)至少其中之一。雖然是以單層顯示，自由層156可以 是由如Ru之非磁性間隔層分隔之多層（例如，兩層）鐵磁 層。自由層15 6之磁化強度15 7的等效位置是沿著易磁化 軸（在第3圖中沒有分別顯示）。因此，磁化強度157的等 效位置較佳與固定層152之磁化強度153的等效位置實質 上平行或反平行。 操作時，將同時使用單向電流和雙向磁場切換磁性元 件150的狀態。第4圖所顯示的圖表180用於說明流經磁 性元件150的電流密度182和用於將磁性元件150切換至' 不同狀態之雙向磁場184。參考第3和4圖，使用自旋轉 移和提供磁場之組合。在所顯示實施例中，由單向寫入電 流產生之自旋轉移轉矩並沒有用於選擇要切換之自由層 156的狀態（亦即，AP或P)。取而代之的是單向電流之外 所提供的磁場。磁場的方向決定自由層156之磁化強度157 的方向—與固定層152之磁化強度153平行或反平行。在 此實施例中，為了寫入磁性元件15 0，單向電流是透過磁 性元件150沿著z轴方向提供的而雙向磁場則是沿著易磁 化軸（正或負的X軸）提供的。 熱穩定決定自由層156之磁化強度157在兩個穩定狀 14 94352 200903486 態間（高和低阻值狀態AP和P)切換的容易度。熱穩定的特 性係藉由熱穩定因子說明之，—，其中&為波茲曼常 數，&為分開此二穩定狀態的能障，且T為操作溫度。熱 穩定可說明系統的穩定特性，諸如磁性元件150對抗熱波 動之特性。為了達到長時間保留資料的目的（亦即，保留大 約10年），希望熱穩定因子至少大約為40。然而，熱穩定 亦與切換有關。熱穩定因子越大，切換自由層磁化強度157 所需寫入電流或磁場越大。因此，降低熱穩定因子可有助 於磁性元件150之切換。 單向電流主要用於降低自由層156之熱穩定因子。在 磁性元件150中，熱穩定因子的降低有幾種方法可達成。 第一，利用寫入電流可將自由層156之磁化強度157因為 自旋轉移轉矩而旋轉至共平面之難磁化轴（y轴），因此降 低熱穩定因子。第二、藉由電流所產生的厄斯特磁場可增 加系統的不同質（inh⑽ogeneity)。此磁場會降低有效的切 換量且當提供寫入電流時使得系統的切換變得較容易。第 三、藉由通過自由層156之寫入電流產生的焦耳熱可降低 熱穩定度。此對若以兩個AFM層作為釘扎層之雙結構影響 較大。此AFM層通常具有較差的熱傳導，且因此作為熱阻 障用於增加自由層的溫度和降低熱穩定因子。 在使用單向寫入電流的實施例中，如磁性元件150， 熱穩定因子會因為單向寫入電流之自旋轉移所產生轉矩而 降低。此單向寫入電流同時可增加焦耳熱，因而降低磁性 元件150之熱穩定。注意在一較佳實施例中，來自層152 15 94352 200903486 之自旋轉移轉矩很小以便降低或避免礤性元 稱行為。換句話說，磁性元件15〇並不 I50之不對 , e _示切換$壯能 之一的優先權。藉由兩個間隔層154和1 μ 、 心 可達到此目的。決定最後狀態（Ρ/ΑΡ)且因此決^個別最佳化 之磁化強度157的方向係藉由沿著易觀㈤:自由層⑸ 成。因為熱穩定因子係藉由單向電流抑制，但完 :磁化軸場則可用於選擇系統的最後狀態。舉例而二、： 一實施例中’所提供磁場經異向性場分割後可=約為 0.1-0.8，且電流密度可在1〇5—1〇8的範圍内，或者在 105-106的更小範圍内。在關斷（turn 〇ff)單向電流和磁 場之後，磁性元件150仍保持在切換狀態。因此，可寫入 磁性元件15〇 〇 弟5圖所顯示的圖式用於描述可以單向電流切換之磁 性元件15〇的另一個示範實施例。磁性元件15〇，類似於 磁性元件150。因此，磁性元件15〇’所包含的類似組件將 以類似付號標示。因此’圖中顯示固定層152，和160，、 較佳為穿遂卩且障層之間隔層154’和158，、固定層152， 和160 、釘扎層151’和162’ 。固定層152，和160， 矛自由層156可以是單鐵磁層或是合成的結構。除此之 外，磁性元件150，是組構成以類似磁性元件150之方式 寫入。因此，舉例而言，第4圖中所顯示電流密度182和 雙向場184之圖表180亦可以提供給第5圖中之磁性元件 150’ 。 而’亦可以使固定層160，之磁化強度161，垂直於 94352 16 200903486 此平面取代與其他層共平面。不僅只有磁化強度16Γ和 153’是垂直的，同時亦可以使磁化強度161’實質上垂直 於磁性元件150’之各層的平面。可以很多方法達成此垂 直釘扎。舉例而言，用於固定層160’之鐵磁性材料可具 有較強的平行面異向性。此種材料的範例包含有FePt、 • CoPt、FePd、CoPd。垂直於該平面之釘扎亦可透過與在第 二固定層160’上之第二反鐵磁層162’的交換偏移作用 而達成。 磁性元件150’因此組構成利用提供自旋轉移感應轉 矩之單向寫入電流和磁場的組合而寫入。可沿著用於自由 層156’之易磁化轴（沒有分別顯示）提供磁場。使用單向 電流降低熱穩定因子且使用雙向易磁化轴場切換自由層 156’之磁化強度157’ 。因此，磁性元件150’之操作類 似於磁性元件150之操作。 單向電流和雙向磁場可以很多方式提供給磁性元件 100/150/150’ 。在一實施例中，可利用與用於單向電流不 同之其他電流線提供磁場。然而，在另一個實施例中，相 同的電流線可用於同時載送單向電流和產生磁場。第6至9 圖所顯示的圖式用於描述此系統之實施例190/190’ 。記憶 體190/190’包含有位元線192/192’和字線194/194’ 。 簡單而言，亦可以包含有其他組件，如未顯示的選擇電晶 體。第6和8圖所顯示的記憶體190是當磁性元件100/150/ 150’寫入第一狀態，而第7和9圖所顯示的記憶體190’ 則是當磁性元件100/150/150’寫入第二狀態。因此，記 17 94352 200903486 .憶體190是說明當所提供的磁場是在第一方向且磁性元件 100/150/150’是切換至第一狀態時之磁性元件1〇〇/15〇/ 150，。同樣地，記憶體190’是說明當所提供的磁場是在 第二方向且磁性元件10(^150/150’是切換至第二狀態時 之磁性元件100/150/150’ 〇 當寫入第一狀態時，電流是經由位元線192沿著X軸 方向和經由字線194沿著-y軸方向流動。經由位元線192 和字線194之電流會分別產生磁場H1和H2。因此，如第8 圖所顯示之合成場Η是沿著自由層106/156/156’之易磁 化轴且是由磁性元件之形狀異向性定義的。當寫入第二狀 態’電流是經由位元線192’沿著-X軸方向和經由字線 194’沿著y軸方向流動。經由位元線192’和字線194， 之電流會分別產生磁場H1和H2。因此，如第9圖所顯示 之合成場Η是沿者自由層106/156/156，之易磁化軸且 與第6和8圖中之磁場反向。因此，該磁性元件100/150/ 150’可被寫入。 因此，利用單向寫入電流和雙磁場可達成磁性元件 100/150/150’之切換。單向切換電流的使用可改善磁性元 件100/150/150’之切換特性。因為單向電流是用於使自 由層156/156’之磁化強度157/157，變得不穩定，所以可 使用較小的電流。因此’可減緩因為選擇電晶體對經過磁 性元件15 0 /15 0之電流最大值的嚴格限制。除此之外， 在讀取期間穿隧磁阻的抵消可降至較具有固定層磁化強度 反平行排列的傳統雙結構低。固定層160/160，之磁化強 18 94352 200903486 度161/161，實質上是與自由層156/156，之易磁化軸互 相垂直。因此，固定層160/160，對磁性元件15〇/15〇，之 磁阻的貢獻是固定的。所以磁性元件15〇/15〇，之磁阻可 .較傳統雙磁性元素改善。此導致於在新結構中之合成訊號 增加。 第10圖所顯示的圖式用於描述當使用單向電流用於 切換磁性元件10〇/150/150,時之方法200的示範實施 例。更清楚地說，方法200是以磁性元件15〇說明之。'铁 而，方法200亦可用於其他結構。在步驟2〇2中，提供^ 向電流給磁性元件15〇。因為導因於單向電流的自旋轉移 僅用於使自由層156之磁化強度157變得不穩定，所以在 步驟202中可提供較小的電流。在步驟2〇4卜判斷是否 =磁性元件15G切換至P狀態。假如是的話，.則在步驟2〇6 中’提供在磁化強度153方向之磁場。相2〇6可藉由提 供由不同於單向電流之電流所產生磁場而完成。另一方 :面\在步驟2G6中所提供磁場亦可是由單向電流所提供， 如第6和8圖中所顯示。假如磁性元件15〇並不是切換至 平行狀態，則將磁性元件15〇切換至反平行狀態。此可藉 由在步驟，中，提供與磁化強度153反平行之磁場而^ 成1步驟208可藉由提供由不同於單向電流之電流所產生 磁場而完成。另一方面，在步驟2〇8中所提供磁場亦可是 由單向電流所提供，如第7和9圖情顯示。因此，可寫 入磁性7L件150。因為使用較低的單向電流，可減缓對通 過磁/·生元件150之電流最大值的嚴格限制。除此之外，與 94352 19 200903486 傳統具有與磁化強度方向相反之固定層的雙結構相比較， 在5賣取期間穿隧磁阻的抵消可降低。因此’所提供的方法 可改善切換特性且可提供較高的訊號。 如上所述，磁性元件10 0亦可組構成實質上只要亦提 供寫入電流，利用寫入電流和從固定層102和u〇至少其 中之所提供的額外磁場而將自由層1 〇 6之礙化強度1 〇 7 切換至各複數個狀態。在此一實施例中，只要亦提供寫入 電流，一個或多個固定層102和110僅提供磁場。同時在 此實施例中’該磁場較佳是用於使自由層106之磁化強度 變不穩定之難磁化軸磁場。磁性元件100之此種實施例是 顯示在第u圖中。第11圖所顯示之圖式描述的磁性元件 250之示範實施例係利用在磁性元件250内之各層所產生 的磁場進行切換。 磁性几件250包含有分別對應於第2圖磁性元件1〇〇 之層102、1〇4、1〇6、1〇8和11〇的第一固定層252、第一 間隔層254、自由層256、f二間隔層现、和第二固定層 260。再度參考第u圖，圖中亦顯示顧層⑸和脱， 其分別作為對應於固定層252和26〇之釘扎層。除此之外， f綠有覆蓋層編。磁性元件㈣亦可包含有位於磁性 則層^下且存在於基體底層（未顯示）上之籽晶層（未顯 不）。雖然顯示則層251和262,此AFM層是可以省略的， 而^用另-個機制分別定位固定層252和2 253 和 261 。 _層254和258是非磁性的。在一個實施例中，間 94352 20 200903486 隔層254和258的一層或兩層為傳導性。間隔層254和258 的一層或兩層可以疋阻f·?·層，舉例而言，絕緣穿隨阻障層。 另一方面，間隔層254和258的一層或兩層可具有另一種 結構，舉例而言，包含有以絕緣矩陣呈現之傳導通道的粒 狀層。然而，在較佳實施例中，間隔層254和258兩層均 ' 為絕緣穿隧阻障層。 自由層256為鐵磁性的且包含有銘（c0)、鎳（Ni)和鐵 (Fe)至少其中之一。雖然是以單層顯示，自由層256可以 疋由如Ru之非磁性間隔層分隔之多層（例如，兩層）鐵磁 層。自由層256之磁化強度257的等效位置是沿著易磁化 軸（在第11圖中沒有分別顯示）。因此，磁化強度2 5 7的等 效位置係與固定層252之鐵磁層270的磁化強度271平行 或反平行。 會提供磁場。 在較隹音始九,丨士. . 此—iL ,, J·.

提供相對固定， 固定層252和260較佳是合成層。因此，固定層25Z. 包含有透過如Ru之薄非磁性層268反鐵磁性耦合之鐵磁層 266和270。同樣地，固定層26〇包含有透過如肋之薄非 磁性層274反鐵磁性耦合之鐵磁層272和276。固定層况 和260係組構成#沒有電錢過磁性元件·時因為在自 由層256之m52和/或26G其總磁場會是零，且組構 成當有寫入電流驅動經過磁性元件時固定層252和/或26〇 有寫入電流驅動經過磁性元件25〇時較佳 提供磁場，同時固定層252在自由層256 較L疋零的磁場。因此，將以此說明磁性 94352 21 200903486 元件250。 鐵磁層266和270則組構成固定層252在室溫時會在 自由層256提供貫質上為零之總靜磁場。鐵磁層266和270 分別使其磁化強度267和271反鐵磁性輕合。除此之外， 鐵磁層266和270之磁動量和厚度的選擇會使得磁化強度 2 6 7和2 71的大小分別能夠足夠接近以便使室溫中之自由 層256上來自磁化強度267和271的靜磁場能幾乎抵消。 同樣地，鐵磁層272和276則組構成固定層260在室 溫時會在自由層256提供實質上為零之總靜磁場。然而， 固定層260亦組構成提供較高溫度之總磁場。鐵磁層π〗 和276之材料，磁動量，和厚度的選擇較佳使得來自鐵磁 層272和276的磁場能夠抵消室溫時自由層256的磁場。 再者，用於鐵磁層272和276之材料需選擇能夠使鐵磁層 272和276的其中之一具有較低的居里溫度 temperature)。在一實施例中，層276具有較低的居里溫 度。因此，將以此特性說明磁性元件250。當驅動寫入電 流經過磁性元件250時可在層276中獲得低居里溫度而不 是室溫。在一實施例中’低居里溫度至少為1〇〇ΐ且不會 大於400°C ’或者是至少i〇yc且不會大於3〇〇°c。 操作時’在室温下，自由層256因為鐵磁層272之罐 化強度273而接受的靜磁場是與由鐵磁層276之磁化強声 277所產生的靜磁場反向。同樣地，自由層256因為鐵二 層266之磁化強度267而接受的靜磁場是與由鐵磁層2卟 之磁化強度271所產生的靜磁場反向。因此，自由層 22 94352 200903486 在室溫下假如沒有提供寫入電流會接受較小或零總靜磁 場0 寫入電流的應用提供自旋轉移轉矩用於寫入狀態，Ap 或P，到磁性元件250。因此，寫入電流可以是雙向的。除 此之外，寫入電流產生焦耳熱。此焦耳熱會導致磁性元件 250的溫度上升。對於磁性元件250而言，所上升的溫度 會非常大，大約在攝氏幾百度的範圍内。磁性元件250的 溫度上升會使具有低居里溫度之鐵磁層276的磁化強度 277較其餘鐵磁層266、270、和272的磁化強度267、271、 和273降低很多。鐵磁層272的磁化強度273不再可能由 鐵磁層276的磁化強度277平衡。因此，自由層256因為 固定層260所接受的靜磁場不再會是零。該磁場方向是指 向自由層256的難磁化軸且有利於使自由層256的磁化強 度變不穩定。因此，降低切換磁性元件250狀態所需寫入 電流。當關斷寫入電流，固定層260的溫度會降低至室溫， 導致鐵磁層276磁化強度增加。因此，在自由層256的總 靜磁場會回到近似零，因而恢復自由層的熱穩定因子。 因此’磁性元件250利用難磁化軸場幫助以自旋轉移 為主的切換。不需要額外用於產生磁場的電流線即可達成 此功能。另一方面’使用在磁性元件250内之層272。可 降低或省略如更複雜結構和增加電源耗損之爭議。再者， 可降低或省略與沿著電流線各單元之狀態的擾動相關且可 能導致資料喪失的半選擇問題。因為内部層272是用於產 生難磁化軸場，所以由其它未選擇單元（未顯示）經歷的靜 94352 23 200903486 磁場將會很小。換句話說，因為在鄰近單元之間的距離（大 約數百奈米）遠大於從鐵磁層272到自由層256之間的距 離，所以鄰近單元實質上不受影響。再者，可利用從20微 ' 安培（microamp)到5毫安培（milliamp)或20到500微安培 範圍内之電流達到切換目的。因此，可利用較低的寫入電 流達到以自旋轉移為主的切換且不會影響鄰近單元。再 者，與傳統具有與固定層磁化強度方向相反的雙結構相比 較，磁性元件250可具有較低的磁阻抵消。如上對於磁性 元件100、150、和200的說明，此會導致較高的訊號。 第12圖所顯示之圖式描述磁性元件250’之另一個示 範實施例可以由磁性元件所產生之磁場進行切換。磁性元 件250’ 類似於磁性元件250。因此，磁性元件250’包 含的類似組件將以類似符號標示。因此，圖中顯示固定層 252’ ·和260’ 、較佳為穿遂阻障層之間隔層254’和 258’ 、自由層256’ 、釘扎層251’和262’ 。固定層252’ 和260較佳為合成的結構，而自由層256’可以是單鐵磁 , . 層。然而，其他的組構也是可行的。除此之外，磁性元件 250’是組構成以類似磁性元件250之方式寫入。因此，可 藉由固定層260’提供難磁化轴磁場協助自由層256’利 用雙向寫入電流進行以自旋轉移為主的切換。然而，不同 於磁化強度267’ 、27Γ 、和257’是共平面，在此他們 實質上是與磁性元件250’内之層的平面垂直。 鐵磁層266’和270’較佳與鐵磁層272’和276’ 一 樣是反鐵磁性耦合。鐵磁層266’和270’厚度的選擇必須 24 94352 200903486 使得自由層2 5 6因為固定層2 5 2 ’而經歷的總靜磁場實 質上為等於零。在此實施例250’中，自由層256’實質上 至少在某些區域具有垂直的異向性，而在另一實施例中， 則遍佈全部層256’ 。此異向性可透過表面異向性和/或磁 電異向性的效應而達成。舉例而言，自由層256’可以是 由較佳包含有鈷、鎳、鐵、其合金、或具有X為鋼、硼、 鈦、釕、銶、铑、鉑和鈀之CoX、CoFeX、CoNiFeX之鐵磁 性材料組成之單層。另一方面，自由層256，可以二層或 更多層的組合’包含由稀土過渡（rare earth transition) 金屬合金層和鐵磁層交替形成。此稀土過渡金屬合金層可 以是亂鐵（GdFe)或GdCoFe。此稀土過渡金屬合金層在自由 層產生垂直的異向性。固定層260，包含分別具有磁化強 度273，和277之鐵磁層272’和276，。鐵磁層276， 之磁化強度277疋定位在自由層25.6’之平面上且是與 磁化強度267、271，、和257，的方向互相垂直。因此， 雖然所描繪的磁化強度273,和277，是在y方向，可是亦 可以使用在xy平面上的呈」丄 ，> y 勺另一個方向。通常，透過與AFM層 262 之父換偏移作用π、去a、人 南 7達成釘扎。這兩個鐵磁層272，和 276之厚度和磁動量的選擇合传得自由门 — 自由層256’較佳： 磁性元件250’日寺 場。除此之外’如上所述， 層脳，戶斤經歷的總靜磁^使仔自由層256因為固定 - -静磁％在室溫時實質上為零。因此， 經歷在室溫下且沒有寫入電流驅動經過 時由固定層％9， ㈢252和260引起之零總磁 272，、和 276, 至少其中 用於鐵磁層266’ 、270，、 之 ，舉例而言，鐵磁層276’ 94352 200903486 的材料需選擇具有低居里溫度。 磁性兀件250’的動作方式與磁性元件25〇的動作方 式相類似。在室溫時，由自由層256，因為鐵磁層272，之 磁化強度273’而經歷的靜磁場與因為鐵磁層276，之磁 化強度277’而經歷的靜磁場是相反的。同樣地，由自由 層256’因為鐵磁層266’之磁化強度267「而、經歷的靜磁 場與因為鐵磁層268，之磁化強度271，❿經歷的靜磁場 是相反的。因此，自由層256’在室溫時當沒有提供寫入 電流時會經歷报小或零靜磁場。 雙向寫入電流的應用提供自旋轉移轉矩用於寫入磁性 兀件250’的狀態AP或P。除此之外。寫入電流會產生焦 耳熱。此焦耳熱會導致磁性元件25〇，溫度上升。在磁性 凡件250内之溫度上升會使具有低居里溫度之鐵磁層 276的磁化強度277’較其餘鐵磁層266， 、270，、和 272的磁化強度267，、271’ 、和273，降低很多。鐵磁 層272，的磁化強度273’不再可能藉由鐵磁層276，的磁 化強度277’平衡。因此，自由層256，因為固定層26〇， 所接受的總靜磁場不再會是零。該磁場方向是指向自由層 256的難磁化軸且有利於使自由層256，的磁化強度變不 穩定。因此，降低切換磁性元件25〇，狀態所需寫入電流。 當關斷寫入電流時，固定層26〇’的溫度會降低至室溫， 導致鐵磁層276’磁化強度增加。因此，在自由層256，的 總靜磁場會回到近似零，因而恢復自由層的熱穩定因子。 因此’磁性元件250’利用難磁化軸幫助以自旋轉移 26 94352 200903486 為主的切換。磁性元件250’因此可以分享磁性元件250 的許多優點。因此，可使用較低寫入電流而不會實質上增 加記憶體的複雜度和電源耗損或者接受半選擇問題。再 者，與傳統具有與固定層磁化強度方向相反的雙結構相比 較，磁性元件250’具有較低的磁阻抵消。如上對於磁性 元件100、150、和200的說明，此會導致較高的訊號。 第13圖所顯示的圖式描述當使用單向電流時用於切 換磁性元件100/250/250’之方法300的示範實施例。更 清楚地說’方法300是以磁性元件250說明之。然而，方 法300亦可用於其他結構。透過步驟3〇2，決定要寫入的 是P狀態或AP狀態。假如是p狀態的話，則透過步驟304， 在CPP方向提供雙向電流使得自由層256的排列方向是與 固定層磁化強度271平行。因此，驅動電流使其往第u圖 下方流。電流的應用會在磁性元件25〇中導致焦耳熱，」 因=導致藉由鐵磁層272產生難磁化軸磁場。此難磁化專 磁場會使自由| 257之磁化強度變得不穩定。磁性元件25 口此可利用％dm換到p狀態。假如磁性元件; 是切換到平讀態，胸性元件250將切換到反平糾 ::。藉由提供在CPP方向的寫入電流使得自由層磁娜 ::歹:成與固定層271反平行可以達成此目的。因 驅動電流使其往第n 250中導致隹^圖上方流。電流的蘭會在磁性以 磁場。此難：化二Γ藉由鐵磁層272產生難磁化車 穩定。磁性元件抑“使自由層257之磁化強度變㈤ 因此可利用較低電流切換到P狀態。 94352 27 200903486 之 口為使用&低的以f流，可減 電流最大值的嚴格限制。除此之外，與傳統:250 強度方向減之固定層的雙結構相比較，在讀門=化 磁阻的抵消可降低。因此，所提供的方法可切=隨 且可提供較高的訊號。 刀換4寸性 已經說於提供磁性記憶體元件之方法㈣统。 經依據所齡域實_制此方法㈣統，且任何本技 術領域具有通常知識者报料即可了解可對這施 行报多的變動，騎何的變動均是在此方法㈣統的精神 和㈣内。因此，任何本技術領域具有通常知識者均可對 其進行❹修改且不會偏離所附申請專利範圍的精神和範 疇。 【圖式簡單說明】 第1圖係傳統磁性元件的圖式。 第2圖係用於描述具有改善切換特性之磁性元件的示 範實施例的圖式。 _第3圖係用於描述可以單向電流切換之磁性元件的示 範實施例的圖式。 第4圖係用於描述在可以單向電流切換之磁性元件的 示範實施例中切換時期之電流和磁場的圖式。 第5圖係用於描述可以單向電流切換之磁性元件的另 一個示範實施例的圖式。 第6圖係用於描述用於記憶體中且可以單向電流切換 之磁性元件的另一個示範實施例的圖式。 94352 28 200903486 、第J圖係用於描述用於記憶體中且可以單向電流切換 之磁性兀件的另一個示範實施例的圖式。 第8圖係用於描述可以單向電流切換之磁性元件的另 一個不範實施例的圖式。 第9圖係用於描述可以單向電流切換之磁性元件的另 一個示範實施例的圖式。 第10圖係用於描述切換磁性元件用之方法的示範實 施例的圖式。 第圖係描述磁性元件之示範實施例可利用具有由 磁性元件產生協助切換用之磁場的電流切換的圖式。 第12圖係描述磁性元件之另一個示範實施例可利用 具有由磁性元件產生協助切換南之磁場的電流切換的圖 式。 第1.3圖係用於描述切換磁性元件用之方法的另一個 示範實施例的圖式。 【主要元件符號說明】 10 傳統磁性元件 11 籽晶層 12 反鐵磁性層 14 傳統的固定層 16 _傳統的阻障層 .18 傳統的自.由層 19、107、103、11卜153、153’ 、157、16卜 161，、257，、 267、267’ 、27卜 271’ 、273、277 磁化強度 20 傳統的覆蓋層 100、150、150’ 、250、250’ 磁性元件 102、152、252第一固定層 29 94352 200903486 104、 154、 254 第一 間隔層 106、 156、 156, 、256、256’ 自由層 108、 158、 258 第二 間隔層 110、 160、 260 第二 固定層 151， 、:162’ 、 251， 、262， 釘扎層 152, > 16C )5 ^ 252， 、260， 固定層 154, 、⑸ Γ 、 254， 、258， 間隔層 151、 162、 251 » 262 反鐵磁性層 164、 264 覆蓋層 180 圖表 182 電流密度 184 雙向磁場 190、 190, 記憶 體 192、 192， 位元 194、 194’ 字線 200、 300 方法 202、204、206、208、302、304 步驟 266、266’ 、268、270、270’ 、272、272’ 、276、276’ 鐵磁層 274 薄非磁性層 30 94352

Claims (1)

1. 200903486 七、申請專利範圍： 1. 一種磁性元件，包括： 第一固定層，其具有定位於第一方向之第一磁化強 • 度； 第一間隔層，該第一間隔層是非鐵磁性的； 自由層，該第一間隔層是位於該第一固定層和該自 由層之間； 第二間隔層，該第二間隔層是非鐵磁性的，該自由 層是位於該第一間隔層和該第二間隔層之間；以及 第二固定層，其具有第二磁化強度，該第二磁化強 度係定位於與該第一方向實質上垂直之第二方向； 其中，至少有一個磁性元件是組構成當單向寫入電 流通過該磁性元件且同時該磁性元件接受對應於複數 個狀態中各個狀態的磁場時，允許該自由層切換至該各 個狀態，且該磁性元件是組構成實質上只要亦施加該寫 入電流，則允許該自由層利用寫入電流和從該第一固定 層和該第二固定層至少其中之一所施加的額外磁場而 切換至該複數個狀態中各個狀態。 2. 如申請專利範圍第1項之磁性元件，其中，該第一固定 層為合成固定層，該合成固定層包_含有第一.鐵磁層、第 二鐵磁層、以及在該第一鐵磁層和該第二鐵磁層間之非 磁性間隔層。 3. 如申請專利範圍第2項之磁性元件，其中，該第一鐵磁 層在該自由層實質上產生第一磁場，該第二鐵磁層在該 31 94352 200903486 自由層實質上產生第二磁場，該第一磁場和該第二磁場 實質上大小相等且方向相反。 4. 如申請專利範圍第1項之磁性元件，其中，該第二固定 層為合成固定層，該合成固定層包含有第一鐵磁層、第 二鐵磁層、以及在該第一鐵磁層和該第二鐵磁層間之非 磁性間隔層。 5. 如申請專利範圍第4項之磁性元件，其中，該第一鐵磁 層在該自由層實質上產生第一磁場，該第二鐵磁層在該 自由層實質上產生第二磁場，該第一磁場和該第二磁場 實質上大小相等且方向相反。 6. 如申請專利範圍第1項之磁性元件，其中，該自由層為 合成自由層，該合成自由層包含有第一鐵磁層、第二鐵 磁層、以及在該第一鐵磁層和該第二鐵磁層間之非磁性 •間隔層。 7. 如申請專利範圍第1項之磁性元件，其中，該第二方向 實質上是垂直於自由層平面，且假如使用單向電流，則 該磁場是沿著自由層易磁化轴。 8. 如申請專利範圍第1項之磁性元件，其中，該磁性元件 是組構成當該單向寫入電流通過該磁性元件且同時該 磁性元件接受對應於該複數個狀態中該各個狀態的磁 場時，允許該自由層切換至該各個狀態。 9. 如申請專利範圍第8項之磁性元件，其中，至少有一額 外電流是用於產生該磁場。 10. 如申請專利範圍第1項之磁性元件，該第一固定層和該 32 94352 200903486 第二固定層是組構成實質上只要亦施加該寫入電流，則 從該第一固定層和該第二固定層的至少其中之一施加 額外的磁場。 11. 如申請專利範圍第10項之磁性元件，其中，該第一固 定層包含有第一鐵磁層、第二鐵磁層、以及在該第一鐵 磁層和該第二鐵磁層間之第一非磁性間隔層，該第一鐵 磁層具有定位於第一方向之第一磁化強度； 其中，該第二固定層包含有第三鐵磁層、第四 鐵磁層、以及在該第三鐵磁層和該第四鐵磁層間之 第二非磁性間隔層，該第三鐵磁層具有定位於第二 方向之第二磁化強度，該第二方向實質上與該第一 方向垂直； 其中，該第一鐵磁層在該自由層實寶上產生第一磁 場，該第二鐵磁層在該自由層·實質上產生第二磁場，該 第一磁場和該第二磁場實質上大小相等且方向相反； 其中，該第三鐵磁層在該自由層實質上產生第三磁 場，該第四鐵磁層在該自由層實質上產生第四磁場，該 第三磁場和該第四磁場實質上大小相等且方向相反；以 及 其中，該第一鐵磁層、該第二鐵磁層、該第三鐵磁 層、以及該第四鐵磁層的其中之一具有低居里溫度。 12. 如申請專利範圍第11項之磁性元件，其中，該第一層 具有低居里溫度。 13. 如申請專利範圍第11項之磁性元件，其中，該第四層 33 94352 200903486 具有低居里溫度。 14. 如申請專利範圍第11項之磁性元件，其中，該居里溫 度不大於400°C。 15. 如申請專利範圍第11項之磁性元件，其中，該第二方 向實質上是垂直於自由層平面，且假如使用單向電流， 則該磁場是沿著自由層易磁化軸。 16. —種磁性記憶體，包括： 複數個磁性儲存單元，其中各個磁性儲存單元 包含有至少一個磁性元件，該至少一個磁性元件包 .含有第一固定層、第一間隔層、自由層、第二間隔 層、以及第二固定層，該第一固定層具有定位於第 一方向之第一磁化強度，第一間隔層是非鐵磁性的 且位於該自由層和該固定層之間，該第二間隔層是 非鐵磁性的且位於'該自由層和該第二固定層之 間，該第二固定層具有定位於與該第一方向實質上 垂直之第二方向的第二磁化強度； 複數個字線，其與該複數個磁性儲存單元耦 接；以及 複數個位元線，其與該複數個儲存單元耦接； 其中，至少有一個該磁性元件是組構成當單向寫入 電流通過磁性元件且同時該磁性元件接受對應於複數 個狀態中各個狀態的磁場時，允許該自由層切換至該各 個狀態，且該第一固定層與該第二固定層是組構成實質 上只要亦施加寫入電流，則從該第一固定層和該第二固 34 94352 200903486 定層的至少其中之一施加額外的磁場。 17. 如申請專利範圍第16項之磁性記憶體，其中，該複數 個位元線是定位實質上垂直於該複數個字線。 18. 如申請專利範圍第17項之磁性記憶體，其中，該自由 層具有易磁化軸，該易磁化轴定位於從該複數個位元線 和該複數個字線實質上偏移45度方向。 19. 如申請專利範圍第16項之磁性記憶體，其中，該磁性 記憶體是組構成當寫入複數個狀態的第一個狀態時，透 過部分的該複數個字線提供在第一方向之電流，且當寫 入複數個狀態的第二個狀態時，透過部分的該複數個字 線提供在第二方向之電流。 20. 如申請專利範圍第16項之磁性記憶體，其中，該第一 固定層為合成固定層，該合成固定層包含有第一鐵磁 層、第二鐵磁層、以及在該第一鐵磁層和該第二鐵磁層 間之非磁性間隔層。 21. 如申請專利範圍第20項之磁性記憶體，其中，該第一 鐵磁層在該自由層實質上產生第一磁場，該第二鐵磁層 在該自由層實質上產生第二磁場，該第一磁場和該第二 磁場實質上大小相等且方向相反。 22. 如申請專利範圍第16項之磁性記憶體，其中，該第二 固定層為合成固定層，該合成固定層包含有第一鐵磁 層、第二鐵磁層、以及在該第一鐵磁層和該第二鐵磁層 間之非磁性間隔層。 23. 如申請專利範圍第22項之磁性記憶體，其中，該第一 35 94352 200903486 鐵磁層在該自由層實質上產生第一磁場，該第二鐵磁層 在該自由層實質上產生第二磁場，該第一磁場和該第二 磁場實質上大小相等且方向相反。 24. 如申請專利範圍第16項之磁性記憶體，其中，該自由 層為合成固定層.，該合成固.定層包含有第一鐵磁層、第 二鐵磁層、以及在該第一鐵磁層和該第二鐵磁層間之非 磁性間隔層。 25. 如申請專利範圍第16項之磁性記憶體，其中，該第二 方向實質上是垂直於自由層平面，且假如使用該單向電 流，則該磁場是沿著自由層易磁化軸。 26. 如申請專利範圍第16項之磁性記憶體，其中，該磁性 元件是組構成當該早向寫入電流通過該磁性元件且此 同時該磁性元件接受對應於該複數個狀態中該各個狀 態的磁場時，允許該自由層切換至該各個狀態。· 27. 如申請專利範圍第26項之磁性記憶體，其中，至少一 額外電流是用於產生該磁場。 28. 如申請專利範圍第16項之磁性記憶體，該第一固定層 和該第二固定層是組構成實質上只要亦施加該寫入電 流，則從該第一固定層和該第二固定層的至少其中之一 施加該額外的磁場。 29. 如申請專利範圍第28項之磁性記憶體，其中，該第一 固定層包含有第一鐵磁層、第二鐵磁層、以及在該第一 鐵磁層和該第二鐵磁層間之第一非磁性間隔層，該第一 鐵磁層具有定位於第一方向之第一磁化強度； 36 94352 200903486 其中，該第二固定層包含有第三鐵磁層、第四 鐵磁層、以及在該第三鐵磁層和該第四鐵磁層間之 第二非磁性間隔層，該第三鐵磁層具有定位於第二 方向之第二磁化強度，該第二方向實質上與該第一 方向垂直；. ' 其中，該第一鐵磁層在該自由層實質上產生第一磁 場，該第二鐵磁層在該自由層貫質上產生第二磁場’該 第一磁場和該第二磁場實質上大小相等且方向相反； 其中，該第三鐵磁層在該自由層實質上產生第三磁 場’該苐四鐵磁層在該自由層貫質上產生弟四磁場，該 第三磁場和該第四磁場實質上大小相等且方向相反；以 及 其中，該第一鐵磁層、該第二鐵磁層、該第三鐵磁 層、以及該第四鐵磁層的其中之一具有低居里溫度。 30.如申請專利範圍第29項之磁性記憶體，其中，該第一 層具有該低居里溫度。 ' 31.如申請專利範圍第29項之磁性記憶體，其中，該第四 層具有該低居里溫度。 32. 如申請專利範圍第29項之磁性記憶體，其中，該居里 溫度不大於400°C。 33. 如申請專利範圍第29項之磁性記憶體，其中，該第二 方向實質上是垂直於自由層平面，且假如使用該單向電 流，則該磁場是沿著自由層易磁化軸。 34. 一種磁性元件，包括： 37 94352 200903486 '第一固定層，其具有定位於第一方向之第一磁化強 度; 第一間隔層，該第一間隔層是非鐵磁性的； 自由層，該第一間隔層是位於該第一固定層和該自 由層之間； 第二間隔層，該第二間隔層是非鐵磁性的，該自由 層是位於該第一間隔層和該第二間隔層之間；以及 第二固定層，其具有第二磁化強度，該第二磁化強 度係定位於與該第一方向實質上垂直之第二方向； 其中，至少有一個該磁性元件是組構成當單向寫入 電流通過該磁性元件且同時該磁性元件接受對應於複 數個狀態中各個狀態的磁場時，允許該自由層切換至該 各個狀態，且該第一固定層與該第二固定層是組構成實 質上只要亦施加寫入電流，則從該第一固定層和該第二 固定層至少其中之一施加額外的磁場。 35.—種程式化磁性元件之方法，包括： V ' _ — 假如要寫入該磁性元件的是第一狀態或第二狀 態，則驅動電流使其以第一方向流經該磁性元件； 假如要寫入該磁性元件的是第一狀態則施加第一 磁場至該磁性元件，該第一磁場實質上在該磁性元件具 有第一方向； 假如要寫入該磁性元件的是第二狀態則施加第二 磁場至該磁性元件，該第一磁場實質上在該磁性元件具 有第二方向。 38 94352 200903486 36.如申請專利範圍第拈項之 含有第-MJ定層、、、中，該磁性元件包 以及第二固定層，，第二層、自由層、第二間隔層、 第-磁化強度，第二”3:7層广有定位於第-方向之 由声和哕固—展s用層疋非鐵磁性的且是位於該自 曰f該固疋層之間，該第二 位於該自由層和該第二固定声^層=鐵磁性的且是 定位於與該第一方…曰之間，該苐二固定層具有 /、成乐方向貫質上垂直之筮-士·人U妨 化強度。 —方向的第二磁 37.如申請專利範圍第36項之 施加的更包含有： 〃中’該第-磁場所 驅動該電流使其沿著第—雷技人 机如申請專利範圍第37項之方流經位元線。 施加的更包含有： /、 該第一磁場所 驅動該電流使其沿著與該第— 第二電流方向流經該位元線。 。貫質上相反的 39.如申請專利範圍第36項之方法，其中 為合成固定層，該合成固定層包 4疋曰 播3有第—鐵磁層、第一 鐵磁層、以及在該第一鐵磁層和 弟一 性間隔層。該第二鐵磁層間之非磁 40·如申請專利範圍第39項之方法，1 在該自由層實質上產生第一磁場，該該第一鐵磁層 由層實質上產生第二磁場，該第一^一鐵磁層在該自 質上大小相等且方向相反。"和該第二磁場實 1 ·如申請專利範圍第40項之方法，甘 具中’該第一鐵磁層 94352 39 200903486 具有低居里溫度。 42. 如申請專利範圍第41項之方法，其中，該低居里溫度 不大於400°C。 43. 如申請專利範圍第42項之方法，其中，該低居里溫度 至少100°C。 44. 如申請專利範圍第36項之方法，其中，該第二固定層 為合成固定層，該合成固定層包含有第一鐵磁層、第二 鐵磁層、以及在該第一鐵磁層和該第二鐵磁層間之非磁 性間隔層。 45. 如申請專利範圍第44項之方法，其中，該第一鐵磁層 在該自由層實質上產生第一磁場，該第二鐵磁層在該自 由層實質上產生第二磁場，該第一磁場和該第二磁場實 質上大小相等且方向相反。 • 46.如申請專利範圍第36項之方·法，其中，該自由層為合 成自由層，該合成自由層包含有第一鐵磁層、第二鐵磁 層、以及在該第一鐵磁層和該第二鐵磁層間之非磁性間 隔層。 47. 如申請專利範圍第36項之方法，其中，該第二方向實 質上是垂直於自由層平面，且假如使用該單向電流，則 該磁場是沿著自由層易磁化轴。 48. 如申請專利範圍第36項之方法，其中，該第一固定層 包含有第一鐵磁層、第二鐵磁層、以及在該第一鐵磁層 和該第二鐵磁層間之第一非磁性間隔層，該第一鐵磁層 具有定位於第一方向之第一磁化強度； 40 94352 200903486 '其中，該第二固定層包含有第三鐵磁層、第四 鐵磁層、以及在該第三鐵磁層和該第四鐵磁層間之 第二非磁性間隔層，該第三鐵磁層具有定位於第二 方向之第二磁化強度，該第二方向實質上與該第一 方向垂直； 其中，該第一鐵磁層在該自由層實質上產生第一磁 場，該第二鐵磁層在該自由層實質上產生第二磁場，該 第一磁場和該第二磁場實質上大小相等且方向相反； 其中，該第三鐵磁層在該自由層實質上產生第三磁 場，該第四鐵磁層在該自由層實質上產生第四磁場，該 第三磁場和該第四磁場實質上大小相等且方向相反；以 及 其中，該第一鐵磁層、該第二鐵磁層、該第三鐵磁 層、以及該第四鐵磁層的其中之一具有低居里溫度。 49.如申請專利範圍第48項之方法，其中，該第一層具有 該低居里溫度。 ' 50.如申請專利範圍第48項之方法，其中，該第四層具有 該低居里温度。 51. 如申請專利範圍第48項之方法，其中，該居里溫度不 大於400°C 〇 52. 如申請專利範圍第48項之方法，其中，該第二方向實 質上是垂直於自由層平面，且假如使用該單向電流，則 該磁場是沿著自由層易磁化軸。 41 94352