[发明专利]具有包含设计界面的人工反铁磁耦合多层的垂直磁化线的畴壁运动方法

说明书

技术领域

本发明涉及存储器存储系统，尤其涉及使用电流来移动由人工反铁磁耦合磁性多层形成的磁线中的磁畴壁，其中数据存储在畴壁中或其相关畴中。

背景技术

赛道存储器（racetrack memory）是这样一种存储器存储器件，其中数据存储在形式为磁畴壁的磁性纳米线中，所述磁畴壁将以相反方向磁化的磁性区域分开（例如，见Parkin的美国专利6834005、6920062和7551469）。该存储器的关键原理是使用沿着纳米线（也称为赛道）施加的纳秒长的电流脉冲进行一系列这种畴壁沿着纳米线向后和向前的受控运动。在每一条纳米线中集成了用于注入畴壁和检测畴壁的器件。通过具有必要长度和数量的电流脉冲将畴壁移动到所述注入和检测器件。赛道可以由两个不同类别的磁性材料形成，其中材料的磁化强度是（a）主要在纳米线的面内并且沿着纳米线的长度取向（b）主要垂直于纳米线的长度并且垂直于纳米线的平面取向。形成种类（a）的材料通常由软磁性材料构成，在软磁性材料中，相比于与由与横截面形状相关联的静磁能得到的形状磁性各向异性，材料的本征磁晶体各向异性小，并且尺寸比纳米线的长度小。在这些材料中，畴壁通常宽：例如，由坡莫合金——近似原子成分比为80:20的Ni和Fe的合金形成的纳米线中的畴壁，通常为100-200nm宽，并且这些畴壁可能容易变形。形成种类（b）的材料通常由超薄磁性层构成，在超薄磁性层中它们与非磁性层的界面引起界面磁性各向异性，该界面间磁性各向异性可能导致它们的磁化强度优选垂直于这些界面取向。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Co和Pt层的交替层形成的多层结构。另一例子是由超薄Co和Ni层形成的多层。对于这些材料，畴壁的宽度越小，垂直磁各向异性（PMA）越大，并且所述宽度可以窄至1-10nm。因此，种类（b）的材料优选用于制造密集的赛道存储器

在现有技术器件中，通过电流脉冲沿着赛道来回移动畴壁，在所述电流脉冲中，由于在形成赛道的磁性材料体内的依赖自旋的散射，电流被自旋极化。从自旋极化的电流到畴壁的自旋角动量的转移在畴壁内的磁矩上引起转矩，该转矩导致畴壁沿着纳米线运动。这种自旋转移矩（STT）现象导致畴壁在自旋角动量流的方向上被驱动，从而自旋角动量从电流转移到磁矩。非常确切的是，在坡莫合金中，携带电流的导电电子被主要自旋极化的，即，导电电子的磁矩平行于Ni和Fe原子上的局部磁矩的方向取向。这导致坡莫合金中的磁畴壁在导电电子流的方向上（即与电流方向相反）移动。畴壁的速度取决于电流的量值，对于坡莫合金中～10⁸A/cm²的电流密度，畴壁以～100m/sec的速度移动。

畴壁可能被由纳米线的表面或边缘的粗糙引起的缺陷钉扎。在坡莫合金和种类（a）中的其它材料中，自旋极化电流与畴壁磁化强度的相互作用使得需要非常大的电流来移动被甚至相当小的钉扎势钉扎的畴壁。例如，～10⁸A/cm²的电流密度仅可以克服几奥斯特的有效钉扎场。相对照而言，种类（b）的材料中的窄得多的畴壁改变自旋极化电流与畴壁磁化强度的相互作用的细节，使得对于相同的电流密度，与种类（a）的材料中的畴壁相比，可以克服大得多的钉扎场。由于纳米线不可避免地具有粗糙的边缘和表面，这是种类（b）的材料的显著优势。

最后，种类（b）的材料的第三个优点在于，具有PMA的赛道可以制作为磁性上非常薄，仅几个原子层厚，而畴壁仍然能够在由非常大的PMA引起的热波动下是稳定的。由于磁性纳米线非常薄并且因此成比例地包含更小的磁矩，畴壁可以使用注入器件注入到纳米线中，所述注入器件使用来自跨过隧道势垒注入到轨道中的电流的自旋矩转移。对于种类（a）中的材料，现有技术器件的赛道必须由厚得多的磁性层形成，以便以能够利用能够用电流移动的漩涡畴结构稳定畴壁。在由种类（a）的材料形成的更薄的赛道中，畴壁具有需要更高电流密度来移动它们的横向壁结构。

发明内容

本发明的优选实施例和实现方式涉及在具有允许窄畴壁（DW）的垂直磁各向异性的线中以高效率用电流移动畴壁。本申请中采用的习惯是沉积在衬底上的第一层是最“底”层，而最后沉积的层时最“顶”层。类似地，关于层形成的顺序而不是重力定义“在……上”、“在……下方”、“在……下”以及“在……上方”。叠层的层以它们被沉积的顺序列出。