对带可移位数据列的磁移位寄存器传送数据的系统及方法

摘要

磁移位寄存器利用包含薄的磁材料线的数据列。写单元选择性地改变磁畴中的磁矩方向，以将数据写至数据列。与每个畴壁相关联的是在很小空间中聚集的大磁弥散场。这些磁弥散场对磁移位寄存器进行读写。当畴壁被移动到靠近另一磁材料时，弥散场改变磁材料中的磁矩方向，有效地“写”至磁材料。与隧道结相似的读单元包括磁材料的自由层和钉扎层。弥散场相对于钉扎层改变自由层中的磁矩方向，从而改变读单元的电阻以及“读取”存储于磁移位寄存器中的数据。

说明书

相关申请的交叉参考

本申请与题为“可移位磁移位寄存器和使用该寄存器的方法”的共同未决美国专利申请10/458,554以及题为“对磁移位寄存器进行写入的系统和方法”的美国专利申请10/458,147有关，这两个申请均于2003年6月10日提交，这里将其整体引为参考。

技术领域

本发明一般地涉及存储器存储系统，特别地涉及一种利用磁畴(domain)，比如磁畴壁的磁化来存储数据的存储器存储系统。具体而言，本发明涉及一种磁移位寄存器(magnetic shift register)，其包括数据列(data column)以及用于数据列中存储的数据的写单元和读单元。

背景技术

两种最常见的常规非易失性数据存储设备是盘驱动器和固态随机访问存储器(RAM)。盘驱动器能够廉价地存储大量数据，例如大于100GB的数据。然而，盘驱动器先天上不可靠。硬盘驱动器包括固定的读/写头以及其上写有数据的运动介质。具有运动部分的设备往往会磨损和发生故障。固态随机访问存储器目前以每个设备1GB(千兆字节)的级别来存储数据，并且与盘驱动器相比每个存储单位是相对昂贵的。

固态RAM的最常见类型是快擦写存储器(flash memory)。快擦写存储器依靠晶体管的开关控制栅极下的氧化物中设置的多晶硅薄层。该多晶硅层是浮动栅极，其通过硅与控制栅极和晶体管沟道隔离。快擦写存储器速度相对较慢，其读和写时间在微秒级别。此外，快擦写存储器单元能够在不到百万的写周期之后开始丢失数据。尽管这对于某些应用可能是足够的，但是快擦写存储器单元如果不断地用于写入新数据，则可能迅速地开始发生故障，比如在计算机的主存储器中。另外，快擦写存储器的访问时间对于计算机应用则太长。

RAM的另一形式是铁电RAM或FRAM。FRAM基于铁电畴(ferroelectric domain)指向的方向来存储数据。FRAM比快擦写存储器具有更快的访问时间，比标准的动态随机访问存储器(DRAM)消耗更少的能量。然而，市场上可获得的存储器的容量目前在1MB(兆字节)级别，这是较低的。此外，FRAM中的存储器存储依靠物理运动的原子，造成了介质的最终退化和存储器的故障。

RAM的又一形式是双向统一存储器(OUM：Ovonic UnifiedMemory)，其利用在晶相和非晶相之间交替的材料来存储数据。此应用中所用的材料是硫族化物合金。在硫族化物合金经历加热和冷却循环之后，它可被编程为接受两个稳相之一：多晶或非晶。两个相的相应电阻之差允许硫族化物合金被用于存储器存储。数据访问时间在35ns等级上。然而，这些存储器的容量仍然很小，当前在4MB等级上。此外，OUM依靠重复地在晶态和非晶态之间物理地改变材料，可能造成材料最终退化和发生故障。

半导体磁电阻RAM(MRAM)通过利用材料的磁矩方向在铁电材料中编码数据位。铁电材料中的原子响应于外部磁场，将其磁矩对准至所施加的磁场的方向。当场被去除时，原子的磁矩仍然在感应的方向上保持对准。相反方向上施加的场使得原子将自己与新方向重新对准。一般地，一定体积的铁电材料内原子的磁矩通过磁交换相互作用而彼此平行地对准。然后，这些原子主要作为一个宏磁矩或磁畴而一起响应于外部磁场。

MRAM的一种方式是利用磁隧道结作为存储器单元。磁隧道结包括由薄绝缘材料分离的两个铁电材料层。磁畴的方向在一层中被固定。在第二层中，允许磁畴方向响应于施加的场来移动。结果，第二层中磁畴的方向可与第一层平行或相反，从而允许以一和零的形式存储数据。然而，当前可用的MRAM仅能存储多至4Mb(兆位)，远低于大多数存储器应用所需的容量。更大存储器当前正在开发之中。此外，每个MRAM存储器单元只存储数据的一个位，由此限制了这种器件的最大可能存储器容量。

磁移位寄存器替代了许多常规存储器器件，包括但不限于磁记录硬盘驱动器以及许多固态存储器，比如快擦写存储器、DRAM、SRAM、FeRAM和MRAM。磁移位寄存器提供了可与常规存储器器件中提供的存储量相媲美的巨大存储时，但没有任何运动部分，并且成本可与硬盘驱动器相媲美。

需要的是一种用于磁数据轨道的改进构造以及一种用于针对该改进构造写和读数据的方法。

发明内容

本发明满足了此需求，并且提出了一种用于利用数据列、写单元和读单元的磁移位寄存器的系统及相关方法(这里统称为“系统”或“本系统”)。

按照本发明的优选实施例，一个读单元和/或一个写单元专用于单个数据列，但能够理解，在其他实施例中，多于一个的读和/或写单元能够沿着数据列的长度方向来设置。

在优选实施例中，读单元包括磁隧道结。通过并入磁移位寄存器以作为磁隧道结的一部分，磁移位寄存器中的磁畴内存储的信息能够通过穿过磁隧道结的电流来读取。当磁畴流过磁隧道结时，电流的量级表示由磁畴方向存储的值。在磁移位寄存器周围移动磁畴可将所选磁畴带到磁畴隧道结以用于读取目的。

读单元可包括轨道的一部分，或者替代地，可设置为以一定距离靠近但是不必连接至轨道。在该后一情况下，磁隧道结读单元通过在这些磁畴壁沿着轨道经过时检测其弥散场来检测轨道中磁畴的取向，其中弥散场改变磁隧道结读单元的感测层的取向。

读单元包括具有固定磁矩的钉扎层和具有能够通过施加外部磁场比如来自磁畴壁的弥散场来改变的磁矩的自由(感测)层，其中钉扎层和感测层由薄的隧道阻挡层分离，由此形成磁隧道结(MTJ)。MTJ的电阻根据感测层和钉扎层的相对磁矩取向而变化，使得感测层磁矩的取向将使得MTJ的电阻变化。可能有利的是，由产生高TMR值的铁磁电极和隧道阻挡层材料，例如MgO隧道阻挡层和Co和Fe的结晶或非结晶合金形成的铁磁电极来形成MTJ。

读单元能够设置为使得隧道结的钉扎层的磁矩垂直于数据列的圆周(circumference)。另外，隧道结的钉扎层的磁矩能够平行或相切于数据列的圆周。选择读单元的钉扎层的方向以优化读单元对行进轨道中磁畴或磁畴壁的存在的灵敏性。

在一个实施例中，隧道结的钉扎层的磁矩能够优选地平行于数据列的长度。在此实施例中，读单元通过隔离层与数据列分离，从而允许将读单元制造为数据列的一部分。在另一实施例中，读单元毗邻于数据列。

自由(感测)层的磁矩可平行于钉扎层的磁矩并且与其取向相同。在此情况下，向读单元施加弥散场导致自由(感测)层的磁矩旋转180°，并且指向与钉扎层的磁矩相反的方向。

在一个实施例中，自由(感测)层的磁矩在与钉扎层的磁矩方向相垂直的方向上偏置。向读单元施加弥散场导致自由(感测)层的磁矩旋转多达90°，并且将其自身与钉扎层的磁矩方向更为靠近地对准，或者将其自身在钉扎层的磁矩的相反方向上更为靠近地对准。该实施例允许读单元对磁畴的弥散场更为灵敏，从而以更低量级的弥散场或更快速地读取磁移位寄存器中的数据。

磁移位寄存器的容量可通过简单地改变每一存储器器件的磁移位寄存器数据列的数量来在宽范围上连续地变化。这是胜过其读和写头及其电路以及移动这些头和磁介质的机械装置甚为昂贵的硬磁盘驱动器的特定优势。硬盘驱动器仅在存储许多吉字节的数据时提供廉价的存储手段，从而硬盘驱动器的机械组件的成本被平摊给大量数据位。

相对照地，磁移位寄存器能够在小得多的尺寸下以较低的每位成本制造，由此允许磁移位寄存器被用于其中所需数据存储容量比硬磁盘驱动器低得多的各类应用。因此磁移位寄存器能够被用于各种电子设备，包括例如但不限于数字相机、个人数字助理、安全设备、存储器棒、可移动存储设备等等。

这里所述的优选磁移位寄存器存储器器件包括在主要正交于包含读和写单元的平面的磁线(magnetic wire)中对信息的存储。这些读和写单元是利用常规CMOS技术构造的。磁移位寄存器存储器保证与常规CMOS存储器相比的密度上的100倍增长。磁线可形成为既高(例如约10微米)又窄的(例如约为0.1微米)的列。

简言之，磁移位寄存器存储器器件利用磁材料中磁畴壁的固有自然性质来存储数据。磁移位寄存器存储器器件利用一个读/写器件来访问具有100位或更多数据的级别的许多位。结果，少量逻辑单元能够访问数百数据位。

磁移位寄存器存储器器件利用基于自旋的电子学来写和读铁磁材料中的数据，使得磁移位寄存器中材料的物理性质不被改变。可移位的磁移位寄存器包括由通过铁磁材料制成的材料的细线或带所形成的数据轨道。线可由物理均匀、磁均质的铁磁材料或不同铁磁材料的层组成。信息被存储为轨道中磁畴内磁矩的方向。线可在一个方向或另一方向上在小的区段中被磁化。

电流被施加到轨道以在电流的方向上沿着轨道移动磁畴，从而经过读或写单元或器件。在具有磁畴壁的磁材料中，经过磁畴壁的电流在电流流动的方向上移动磁畴壁。随着电流经过磁畴，它变为“旋转极化”。当该旋转极化的电流越过磁畴壁穿入下一磁畴中时，它产生旋转矩(spin torque)。该旋转矩移动磁畴壁。磁畴壁速度可很高，在一至数百米/秒的级别上。磁畴壁移动的实际方向将取决于轨道的磁材料的组成。磁畴壁能够在与电子流动的方向相同的方向上或者在与电子流动相反的方向上移动。对于特定材料，改变电流方向还将改变磁畴和磁畴壁移动的方向，从而允许磁畴和磁畴壁沿着轨道在任一方向上移动。

概括而言，穿过轨道(具有一连串磁畴，其具有交替的方向)的电流能够移动这些磁畴经过读和写单元。读单元于是能够读取磁矩的方向，从而读取磁畴中存储的数据。写单元能够改变磁矩的方向，于是将信息写至轨道。

附图说明

本发明的各种特征及其实现方式将参照如下说明、权利要求和附图来更为具体地描述，其中在适当之处重复使用标号以表示引用项目之间的对应，其中：

图1是按照本发明的磁存储器系统的透视图，其包括利用写单元和读单元的磁移位寄存器；

图2包括图2A、2B、2C，图示了磁畴沿着数据列经过图1的移位寄存器的写和读单元的移动；

图3包括图3A、3B、3C、3AA、3BB、3CC，图示了图1和图2的磁移位寄存器的数据列的一些示例性实施例；

图4包括图4A、4B、4C，其图示了图1的移位寄存器的读单元的各实施例；

图5是处理流程图，图示了按照本发明的图1磁移位寄存器的操作方法；

图6包括图6A和6B，其图示了按照本发明的数据列的横截面，以及读单元中钉扎和感测层的磁矩的对准；

图7包括图7A、7B、7C，其图示了按照本发明的读单元的进一步示例性实施例；

图8包括图8A、8B、8C、8D，其图示了按照本发明的读单元的附加示例性实施例；

图9包括图9A、9B，其图示了按照本发明的读单元的附加示例性实施例；

图10包括图10A、10B，其图示了按照本发明利用写单元的数据写处理；

图11是流程图，图示了利用按照本发明的写单元来写数据的方法；

图12图示了移位寄存器的另一实施例，其中写单元利用源自电流脉冲的自场(self field)写数据到数据列；以及

图13图示了磁存储器系统，其由按照本发明的磁移位寄存器的阵列构成。

具体实施方式

如下限定和说明提供了与本发明的技术领域有关的背景信息，旨在不限制其范围地帮助理解本发明：

均质磁材料意味着连续体积的磁材料，其可具有复杂的形状，其标称地具有相同或相似磁性质，比如磁化、磁各向异性、磁交换和磁阻尼，而与该体积内的位置无关。在围绕此类材料的表面，这些性质可由于张力或应力差异、成分梯度、与周围材料的反应等而与该体积的内部的性质不同。

非均质磁材料意味着连续体积的磁材料，其可具有复杂的形状，其磁性质比如磁化、磁各向异性、磁交换和磁阻尼由于例如材料组成的变化和/或在材料的沉积期间或者在材料已被沉积之后对该材料进行加工期间的一些物理处理，可能随着体积内的位置而变化。

图1图示了示例性磁存储器系统100，其包括利用写单元15和读单元20的磁移位寄存器10。读单元20和写单元15形成系统100的读/写单元。

磁移位寄存器10包括由细线(或轨道)构成的数据列25，该细线优选地由亚铁磁或铁磁材料制成。利用写单元15，数据列25能够在一个方向或另一方向上在小的区段或磁畴中被磁化。

用来制成轨道的磁材料的等级参数，也就是磁化方向或磁矩方向，随着方向而改变。磁矩方向上的此变化形成了用于在数据列25中存储信息的基础。取决于移位寄存器10的所需编码方案，数据能够存储于移位寄存器10的磁化区域中，比如：磁畴，如30、35；分离这些磁畴的磁畴壁，如36、37、38、39；或者磁畴，如30、35，和磁畴壁，如36、37、38、39。如这里所示的，磁畴壁如36、37、38、39是磁畴如30、35之间的过渡磁化区域。

在一个实施例中，在其操作中的任意给定时刻，磁移位寄存器10包括数据区域40、上储集器(upper reservoir)45和下储集器(lowerreservoir)50。数据区域40包括存储数据的诸如磁畴30、35的磁畴的连续集。以上储集器45和下储集器50的形式向磁移位寄存器10提供额外的长度。

上储集器45和下储集器50的组合长度足够地长，使得当分别出于写和读数据区域40中的磁畴的目的而将这些磁畴从数据区域40完全移动经过写单元15和读单元20时，它能够容纳数据区域40中的所有磁畴。在任何给定时刻，这些磁畴由此被部分地存储于数据区域40中，并且部分地存储于上储集器45或下储集器50中。结果，它是数据区域40、上储集器45和下储集器50的组合，其形成完整的存储单元。

在一个实施例中，上储集器45在静止态中没有磁畴。在另一实施例中，下储集器45在静止态中没有磁畴。

虽然出于说明清楚的目的，数据列25被描述为包括数据区域40和两个或更多储集器45、50，但是在另一实施例中，磁移位寄存器10包括单个储集器45或50。

移位寄存器10的各区域40、45、50是连续的，在结构和组成上可以是相同的。数据区域40不是列25的固定区域，而是出于针对列25读和写数据的目的，在存储设备的操作期间沿着该列上下移位数据区域40。应当清楚，尽管这里用的是方向术语比如上或下，但是这些术语并不旨在将本发明的实现限于这些方向。

数据区域40在任何给定时刻可位于磁移位寄存器10的不同部分内。尽管数据区域40可以是一个连续区域，但是数据区域40内磁畴的空间分布和范围可以几乎相同，而无论数据区域40位于磁移位寄存器10内的何处。在另一实施例中，存储区域的空间范围能够在该区域的运动，特别经过读单元20和写单元25的运动期间增大。数据区域40的一部分或整体被移动到上储集器45或下储集器50中以访问具体磁畴中的数据。

图中所示的上储集器45和下储集器50一起具有与数据区域40几乎相同的尺寸或者略长。然而，其他替代实施例能够允许上储集器45或下储集器50具有不同于数据区域40的尺寸。作为实例，如果多于一个的读单元20和写单元15被用于每个磁移位寄存器10，则上储集器45和下储集器50的组合长度能够比数据区域40小得多。例如，如果两个读单元20和两个写单元15被用于一个磁移位寄存器10并且沿着数据域40的长度等距地设置，则上储集器45和下储集器50一起需要仅约为数据区域40长度的一半的长度。

电流55经由轨道56施加于数据列25，以沿着数据列25在磁畴30、35中移动磁矩，并经过读单元20或写单元15。在具有磁畴壁的磁材料中，穿过磁畴的电流在电流流动方向上移动磁畴壁。随着电流穿过磁畴，它变为“旋转极化的”。当该旋转极化电流通过居间的磁畴壁穿入下一磁畴时，它产生旋转矩。该旋转矩移动磁畴壁。磁畴壁速度可很高，即在100至数百米/秒的等级上，使得出于读取该磁畴或借助写单元来改变其磁态的目的而将特定磁畴移动到所需位置的过程可以非常短。

当电流脉冲施加于数据列25时磁畴壁移动所在的实际方向取决于数据列25的磁材料组成。例如，如果数据列25由坡莫合金(permalloy)(约80原子百分比的镍和20原子百分比的铁的合金)构成，则磁畴壁36-39在电子流动的方向(即与电流在数据列25中流动的方向相反)上移动。这是因为在数据列25中流动的电流因多数电子旋转极化而变为旋转极化(即沿着坡莫合金材料的局部磁矩方向)。如果使用另一磁材料，其中电流在少数电子旋转方向上变为极化，则电流将在相反方向上移动磁畴壁36-39。例如，某些Fe合金具有该性质。

在另一实施例中，通过利用其旋转极化可随温度而变的磁材料，温度可被用来针对相同电流流动方向来改变磁畴壁运动方向。例如，通过减小出于沿着数据列移动磁畴壁的目的而提供电流时所需的控制电路111(图1)的大小，可有利地应用这一点。

应当清楚，对于电流的流动，磁畴壁36-39在数据列25中的运动方向将取决于磁材料及其组成，改变电流方向。电流可用来沿着数据列10在相反方向上移动磁畴壁。

磁畴比如30、35来回移动(或移位)经过写单元15和读单元20，以将数据区域40移入和移出储集器45、50，如图2(图2A、2B、2C)所示。在图2A的实例中，数据区域40起初驻留于磁移位寄存器10的上储集器45中，而在下储集器50中没有磁畴。电流55被施加于磁移位寄存器10以在箭头205的方向上移动数据区域40。图2B示出了这样的情况，其中数据区域40已几乎被移到轨道的中间区域，图2C示出了完全移到磁移位寄存器10的下储集器50的数据区域40。电流55被施加到磁移位寄存器10以在箭头210的方向上移动数据区域40。以此方式，数据区域40在数据列25中被上下移位。

为了在具体磁畴比如磁畴30中写数据，电流55被施加到磁移位寄存器10，以移动磁畴30相邻于和对准于写单元15。数据区域40中的所有磁畴30、35在电流施加于磁移位寄存器10时移动，但是这些磁畴30、35保持其磁取向和相对于彼此的相对排列。

尽管磁畴30、35的实际分离可能在磁畴30、35沿着数据列25移动时变化一点，但是磁畴30、35沿着轨道方向充分地延伸，使得将一个磁畴30与相邻磁畴35分离的磁畴壁36-39不会相互交迭和抵消。在一个实施例中，如图1的插图中所示，磁畴30、35在形状上近似圆柱形，其沿着轨道列25的长度比其直径更长。在这样的情况下，如图1的箭头31所示，每个磁畴的磁矩比如磁矩136-140主要沿着数据列25的长度来定向。尽管仅为了图示目的而将数据列25的轨道示出为线性的，但是应当清楚，轨道可采用其他曲线形状。数据列25还能够相对于衬底平面112以任何角度设置，甚至能够是水平的。可能有利的是，使得多个数据列25在一个移位寄存器10中以不同角度来取向，以得到这些数据列25的最有利组装，或用于实现至这些数据列25的最有利电连接。

磁畴在数据列25的轨道上的位置可通过改变沿着数据列25的轨道材料、轨道形状或轨道尺寸来确定，如图3(图3A、3B、3C、3AA、3BB、3CC)所示。在图3A和3AA的实施例中，轨道材料在两个不同磁材料A和B间交替，其磁性质在磁化、磁各向异性、磁交换等的一个或多个方面是不同的。

为了图示目的，图3A示出了横截面在形状上近似圆形的轨道，图3AA示出了沿着轨道长度的相应横截面。横穿线的横截面形状在形状上可以是圆形、椭圆、方形或矩形的。针对轨道上磁畴壁310、320在其稳定性、沿着轨道的速度、以及用以沿着轨道从一个位置到另一位置移动这些磁畴310、320所需的最小电流方面的最优运动而选择轨道横截面。

包括材料A和B的区域或磁畴310、320可具有不同长度，使得任一区域A或B可以比另一个更短或更长，于是磁畴壁可限制到更短区域。材料A和B的磁性质可选择为使得磁畴壁311、321在这些材料的一个或另一个中具有较低能量，从而磁畴壁310、320在没有施加于轨道的电流时被充分地钉扎，从而热波动不导致磁畴壁311、321运动离开这些钉扎中心，即较短区域。

在另一实施例中，轨道横截面沿着数据列25的长度在形状或大小上有所变化，如图3B和3BB所示。在图3B和3BB中，多个锯齿凹口331、341被选择性地定位于轨道上轨道横截面区域尺寸减少的特定位处。凹口331、341可全部围绕轨道的外缘延伸，如图3B和3BB中所示。替代地，凹口331、341可仅部分地围绕轨道的圆周延伸。在另一替代实施例中，凹口331、341可包括两个或多个不连续的锯齿，也就是它们在轨道的外围是物理分离的。在此实施例中，数据列25可仅由一个材料组成，从而材料A和B由相同磁材料组成。替代地，材料A和B可由不同磁材料组成。

在另一实施例中，数据列25的轨道包含在沿着轨道的不同位置处的隆起351、361、371，如图3C和3CC中所示。轨道的直径在特定区域扩大，用于钉扎将相邻磁畴350、360分离的磁畴壁的目的。这些隆起351、361、371可具有与磁畴350、360的长度相比更短的长度，或者沿着轨道可与磁畴350、360一样长。材料A和B可由相同磁材料组成。

图3B和3BB中所示的凹口331、341以及图3C和3CC中所示的隆起351、361、371能够在数据列25的数据区域40和储集器45、50中沿着轨道长度来制造，并且能够沿着轨道几乎相等地间隔开。

类似地，图3A和3AA中示出的材料A和B的交替将在数据区域40和储集器45、50中沿着轨道10的长度来重复。然而，对于数据存储系统100的恰当操作，材料A和B的交替以及凹口331、341和隆起351、361、371的位置无需沿着轨道严格相等地间隔开。

类似地，凹口331、341和隆起351、361、371的尺寸和比例无需严格地相同，因为移动磁畴壁所需的临界电流对这些细节并不很灵敏。相对照地，沿着轨道传播磁畴壁所需的磁场对凹口和隆起形状及尺寸的细节是灵敏的。于是，通过电流脉冲而非通过磁场来移动磁畴壁是特别有利的。

磁畴的移动由电流的量级和方向以及电流施加的时间来控制。在一个实施例中，指定形状(量级比时间)和时长的一个电流脉冲被施加，以沿着轨道从一个位置(例如图3中的310、330、350)以一个增量或步长将存储区域内的磁畴移动到相邻位置(例如图3中的320、340、360)。一连串电流脉冲被施加，以将磁畴移动所需数量的增量或步长。

数据列25内磁畴的运动方向取决于施加电流的方向。电流脉冲的长度可以在数百皮秒至数十纳秒或更长的范围中，并且取决于电流的量级。电流的量级越大，所需电流脉冲的长度则越短。电流脉冲的形状(即脉冲中的电流比时间的具体相关性)也可被调整以得到磁畴壁的最优运动。与轨道中磁材料的具体细节相结合，电流脉冲的形状可被设计为使得磁畴壁从一个位置移到下一位置，而没有太多能量或动量使其运动超过下一位置。

通过优化组成数据列的一个材料或多个材料的磁性质，尤其是这些材料的磁阻尼参数、及其磁化和磁各向异性，沿着轨道设置的一连串磁畴壁的运动能够这样来实现，使得保持磁畴壁相对彼此的配准(registry)，即磁畴系列及其关联磁畴壁能够沿着数据列25移位一个或多个位置。移动磁畴壁所需的电流的量级和移动磁畴壁所需的电流脉冲的长度及形状能够被优化，并且依赖于组成该轨道的一个材料或多个材料的磁性质以及该轨道的横截面的具体面积和形状。

为了读取具体磁畴比如磁畴30中的数据，额外电流被施加到磁移位寄存器10，以将磁畴30移动为邻近于和对准于读单元20。数据区域40的移位部分被推动(移位或移动)到下储集器50中。

为了操作磁移位寄存器10，控制电路111(图1)包括用于各种目的的逻辑和其他电路，包含读单元20和写单元15的操作、提供电流脉冲以在磁移位寄存器10内移动磁畴、以及对磁移位寄存器10中的数据编码和解码的装置。在一个实施例中，控制电路是利用硅晶片上的CMOS工艺来制造的。磁移位寄存器10优选地设计为在硅晶片上具有小面积，以便最大化存储器器件的存储容量，同时利用最小的硅面积以保持尽可能最低的成本。

在图1所示的实施例中，磁移位寄存器10包括数据列25，其主要在由标号112部分示出和标示的出自晶片平面的方向上延伸。数据列25的长度一般位于垂直方向上，并确定了磁移位寄存器10的存储容量。由于垂直范围可远远大于类似数据列在水平方向上的范围，图1的磁移位寄存器10能够存储是位于水平面的磁移位寄存器内所能存储的磁位数的几百倍(或更大因子)的数据。因此，与常规固态存储器相比，对于相同面积的硅晶片，图1的磁移位寄存器10能够存储多得多的位。

尽管磁移位寄存器10的数据列25被示出为主要垂直于读单元20和写单元15的平面(电路平面)，但是数据列25还能以角度倾斜于参考平面，例如出于更大密度的目的或者便于这些器件的制造。

图4A图示了读单元20A的一个实施例的操作。读单元20A邻近于但是不直接物理接触于数据列25。读单元20A包括磁隧道结，其包含隧道阻挡层405、钉扎层410和自由(感测)层415。钉扎层410包括固定磁矩420。自由(感测)层415具有自由磁矩524。在没有外部磁场时，自由磁矩425与固定磁矩420对准，并且指向与固定磁矩420相同或相反的方向。

电流55将磁畴430和435移动为邻近于读单元20A。与磁畴430和435之间的磁畴壁436相关的弥散场434移动经过读单元20A。固定磁矩420不响应弥散场434的出现而移动。另一方面，自由磁场425响应弥散场34的出现而移动。弥散场434引起自由磁矩425的方向变化，从而改变读单元20A的电阻，并允许读单元20A读取弥散场434的出现，并且由此读取磁畴430和435中存储的数据。

参照图4A，在图5中图示了操作磁移位寄存器10的方法500。存储器系统100在方框505处确定将磁畴430移到写单元15或读单元20A所需的位数。存储器系统100还在方框510中确定移动磁畴430所需的方向。在图4A中，磁畴430位于写单元15之下和读单元20A之上。例如，需要正电流55以将磁畴430上移到写单元15(如箭头445所示)，而需要负电流55以将磁畴430下移到读单元20A(如箭头450所示)。

存储器系统100然后在方框515处将所需电流55施加到磁移位寄存器10。电流55可以是一个脉冲或一连串脉冲，其将磁畴430每次移动一位。还能够改变脉冲内电流的时长或量级，或脉冲形状(脉冲内的电流比时间)，以在施加一个脉冲期间使得数据区域40内的磁畴430移动数个增量。数据区域40中的磁畴在方框520中响应于电流55而移动。磁畴430停止于期望器件处，即写单元15或读单元20A处(方框525)。

图4B和4C分别图示了读单元20B和20C的另外实施例，其中磁隧道结相对于移位寄存器10的取向有所变化，使得固定磁矩420主要平行于数据列25。在图4B和图4C中，构成磁隧道结读单元20B和20C的层位于与数据列25的长度相平行的垂直平面中。

在图4B中，与构成MTJ读单元的层相垂直的方向与数据列25相切，而在图4C中，该方向是沿着数据列25的半径。在图4C中，读单元20C通过隔离层444与数据列25分离。读单元20A、20B、20C在图4A、4B、4C中的各种布局仅用于图示目的。

图6(图6A、6B)进一步用数据列25和读单元20A的横截面图图示了读单元20A的实施例。尽管数据列25的横截面在图6中被图示为卵形，但是本发明也考虑到其他横截面形状，比如圆形、方形、矩形或其他形状。

在图6A中，读单元20A被设置为使得固定磁矩320A主要平行于数据列25的主轴605。一般地，固定磁矩320A被设置为垂直于数据列25的圆周610。图6B图示了一个实施例，其中读单元20A被设置为使得固定磁矩320A主要平行于数据列25的短轴615。一般地，固定磁矩320A被设置为平行于数据列25的圆周610。

在图6A和图6B中，自由磁矩605在与固定磁矩320A的方向相垂直的方向上偏置。将弥散场施加到读单元20A使得自由磁矩605旋转多达90°，并且与固定磁矩320A对准，同时指向固定磁矩320A的相反方向。该实施例允许读单元对磁畴的弥散场更为灵敏，从而用更低量级的弥散场来提供磁移位寄存器中数据的读取。

图7示出了读单元20的进一步示范性实施例。图7A示出了读单元70，其中数据列25形成读单元的一个磁层。读单元70包括固定磁层720，其由薄隔离层705与数据列25分离。尽管固定磁层720被表示为平坦的平面层，但是该层可具有曲率，例如可具有一般与数据列25的表面拓扑相一致的表面拓扑，由此隔离间隔层705的厚度在层720的区域上将几乎相同。对于读单元70的改进磁操作，间隔或隔离层705的厚度朝着固定磁层720的边缘逐渐增大也可以有利的，这使得来自读单元70的磁电阻信号对固定磁层720的边缘不敏感。

图7B和7C示出了读单元70的示范性实例，其中固定磁层720的磁化方向750、755分别取向为平行于或正交于数据列25中的磁化方向777。

图8A至8D图示了读单元80的附加示范性实施例，其中读单元80毗邻数据列25，但是其中读单元80的感测层805邻接于数据列25。读单元80包括固定磁层815，其由感测层805和薄隔离层705与数据列25分离。图8A至8D图示了形成读单元80的层的各种磁化方向。尽管固定磁层815被表示为平坦的平面层，但是该层可具有曲率，例如可具有一般与数据列25表面拓扑相一致的表面拓扑，由此感测层805和隔离间隔层810的厚度在层720的区域上将几乎相同。

图9A和9B图示了读单元90的其他示范性实施例，其中读单元90邻数据列25，但是其中读单元90的感测层905邻接于数据列25。读单元90的感测层905的磁化方向被设为垂直于钉扎或参考层915的磁化方向。读单元90还包括介于感测层905和钉扎层915之间的隔离或分离层910。

图10(图10A和10B)中所示的写单元15包括磁(亚铁磁或铁磁)线1005，其置于磁移位寄存器10的数据列25附近。如为了示范性目的所图示的，铁磁线1005包括磁畴1010、1015和1020。在这些磁畴1010、1015和1020之间的是磁畴壁1025、1030。与磁畴壁1025相关联的是弥散场1035；而磁畴壁1030具有弥散场1040。按照优选实施例，读单元20和写单元15的位置相对于数据列25固定。按照其他实施例，读单元20的位置、写单元15的位置或者读单元20和写单元15的位置可动态地或可编程地相对于数据列25加以改变。

当写单元15的磁畴壁1025、1030的任一个经过最接近数据列25的区域附近时，与磁畴壁1025、1030相关联的大磁场1035、1040的任一个可用来在数据列25的磁畴136、137中写数据。

为了写数据，写单元15改变数据列25中磁畴138的磁矩。在写单元15或数据列25中，施加到数据列25的弥散场1040的量级在磁畴壁1020、1030周围的区域外迅速地减少。由写单元15施加到数据列25的磁场1040的量级可简单地通过控制写单元15中磁畴壁1025、1030的相对位置来加以控制。

图10B图示了利用写单元15的写处理。随着电脉冲(电流或脉冲序列)1060被施加到写单元15，磁畴壁例如1030沿着磁线1005在一个方向上移动，直至磁畴壁1030邻近于数据列25的磁畴138，这使得磁畴138的磁化方向1038反向。

参照图10，通过图11的处理流程图来描述写单元15的方法1100。磁畴壁1030及其关联磁弥散场1040在写单元15的写区域以外的其静止位置被示出。写数据的请求被存储器系统接收(未示出)。在方框1105处，存储器系统将数据(0或1)转译为磁畴1045是接收指向右的磁矩(右磁矩)还是指向左的磁矩(左磁矩)。

如果在决策方框1110处数据列25的磁畴138是将以右磁矩来写入，则方法1100继续到方框1115。在方框1115处，电流1060被施加到图10A中的写单元15，从而在正方向上移动磁畴壁1030(方框1120)，如箭头方向所示。弥散场1040现在位于写区域内。磁弥散场对磁移位寄存器10进行写入(方框1125)，从而改变磁畴1045的磁化方向。

电流1060然后被施加到写单元15(方框1130)，磁畴1015返回到其静止位置(方框1135)。磁畴壁1030仅在一瞬间在数据列25的紧密邻近处，并且它在该瞬间对数据列25的磁材料，即磁畴138进行写入。施加到磁畴138的弥散场1040的量级仅在写单元15的磁畴壁1030位于数据列25附近时才较大。

如果在决策方框1110处磁畴138将以左磁矩来写入，则方法1100继续到方框1140。在方框1140处，电流1050被施加到写单元15，从而在负方向上移动磁畴壁1030(方框1145)。弥散场1035现在位于写区域内。磁弥散场1035对数据列25进行写入(方框1150)，从而改变磁畴138的磁化方向。电流1060然后被施加到写单元(方框1155)，使得写单元磁畴1015返回到其静止位置(方框1135)。

如图10所示(图10A、10B)，磁畴壁1025、1030借助于写单元15的线1005中的弧形弯曲1065而靠近数据列25。施加到写单元15的电流1060将磁畴壁1030推至非常靠近数据列25，从而增强来自磁畴壁1030的弥散场的影响。在一个实施例中，线1005不包括弧形弯曲1065，而是包括纯圆形(straight round)、方形或其他形状的线，其包含设置得邻近数据列25的磁畴壁。

如图10(图10A、10B)中所示，磁畴壁1025、1030的位置是通过施加电流1060到写单元15来控制的。电流在对应于箭头的方向上施加到写单元20，从而移动数据列25的磁畴壁1035的弥散场1040。随着弥散场1040穿过磁畴壁1045，磁畴1045的磁矩与弥散场1040对准。

图12图示了一实施例，其中写单元15利用源于电流脉冲的自场1250对磁移位寄存器100进行写入。在此实施例中，电流脉冲在设置为靠近数据列25的线1210中穿过。该电流脉冲充分地大，以至于产生Oersted场1250，其与数据列25相交，在箭头140所示的方向上写入一单元136。所写磁畴的方向能够通过改变电流脉冲沿着线的方向来改变。

通过让多个线沿着行进轨道的长度排列，可同时写入多个位。线1210可由非磁材料比如铜或铝形成。线1210也可由在线的一侧或多侧的软磁材料围绕，以既增大Oersted场的量级，又屏蔽来自邻近行进轨道的场。例如，可能有利的是，利用软磁材料比如坡莫合金包敷线的顶部的侧面1211、离开行进轨道的线的侧面1212，和线的底部的侧面1213。因此，与没有磁包敷的情况相比，现在将以更大的强度在最靠近数据列25的线的侧面1210产生场。这不仅允许较小电流的使用，而且还可产生比通过穿过非磁导线1210的电流所产生的场大得多的场，而不超过线的电迁移限制。在线拐角处邻接的、在线的三个侧面上的磁包敷将屏蔽通过沿着来自邻近磁移位寄存器10的线传递电流而产生的磁通量。

图13图示了按照本发明一个实施例的磁存储器系统1300。磁存储器系统1300包括多个磁移位寄存器10(或者这里所述的其它合适移位寄存器的组合)，其连接成阵列结构。该阵列结构仅为了示例目的而示出为包括磁移位寄存器10的九行1301-1309，每行包括多个移位寄存器10。每行中的磁移位寄存器10并联连接。将磁移位寄存器10连接成一行即行1039的区段即1340、1345可以是高传导材料，比如铜或铁磁材料，诸如磁移位阵列1300中所用的材料。磁存储器系统1300还包括一个或多个读单元20和写单元15。

应当理解，已经描述的本发明的具体实施例仅说明本发明原理的特定应用。在不脱离本发明的精神和范围的前提下，能够对用以针对包含这里所述数据列的磁移位寄存器读数据和写数据的系统及方法进行各种改型。