磁存储器单元以及写入数据的方法技术

提供用于数据存储的技术。在一个方面中，提供一种磁存储器单元。所述磁存储器单元包括至少一个固定磁性层和多个自由磁性层，所述多个自由磁性层通过至少一个势垒层与所述至少一个固定磁性层分隔。所述自由磁性层包括与所述势垒层邻接的第一自由磁性层、通过至少一个隔离物层与所述第一自由磁性层分隔的第二自由磁性层，以及通过至少一个反平行耦合层与所述第二自由磁性层分隔的第三自由磁性层。所述第一自由磁性层的磁矩比所述第二自由磁性层的磁矩和所述第三自由磁性层的磁矩都大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数据存储，具体而言，涉及数据存储装置及其使用技术。
技术介绍
半导体装置例如磁随M取存储器(MRAM)装置使用磁存储器单元 存储信息。在磁存储器单元中将信息存储为与磁存储器单元中的固定(例 如参考)层的磁化的取向相比较的磁存储器单元中的自由层的磁化的取向。 可以相对于固定层平行或反平行地取向自由层的磁化,代表逻辑l或逻辑 0。可以通过指向左或右的箭头表示给定(固定或自由)层的磁化的取向。 当磁存储器单元位于零施加的磁场中时，磁存储器单元的磁化是稳定的， 指向左或右。磁场的施加可以将自由层的磁化从左切换到右，反之亦然， 以向磁存储器单元写入信息。MRAM的目的之一为具有低的工作功率和小的面积。因为低切换场 使用低切换电流，该低切换电流使用较少的功率，并且因为较小的电流需 要较小的开关，该较小的开关占据较小的空间，所以对于磁存储器单元该 目的需要低切换场。然而，随着磁存储器单元的面积日益变小，即由于磁 存储器单元的面积按比例缩小以在允许相同的面积中设置更多的磁存储器 单元的事实而被称为按比例缩小，，的工艺，切换场实际上增大了.授权给Savtchenko等人的名称为Method of Writing to Scalable Magnetoresistance Random Access Memory Element 的美国专利 No.6，545，卯6 (下文中称为Savtchenko)描述了用于MRAM装置中的开 关(toggle)自由层。在Savtchenko之前，MRAM装置采用单一自由层 设计。然而，这两种方法都容易发生与上述的按比例缩小相关联的问题。即，当按比例缩小磁存储器单元的尺寸时，需要增大的量的功率以切换磁存储器单元。例如，切换150纳米(nm)的开关磁存储器单元需要80奥 斯特(Oe)之多。因此，希望的是具有减小的切换场的可按比例缩小的磁存储器装置。
技术实现思路
本专利技术提供用于减小磁存储装置中的切换场的技术。在本专利技术的一个 方面中，提供一种磁存储器单元。所i^存储器单元包括至少一个固定磁 性层和多个自由磁性层，所述多个自由磁性层通过至少一个势垒层与所述 至少一个固定磁性层分隔。所述自由磁性层包括与所述势垒层邻接的第一 自由磁性层、通过至少一个隔离物层与所述第一自由磁性层分隔的第二自 由磁性层，以及通过至少一个反平行耦合层与所述第二自由磁性层分隔的 第三自由磁性层。所述第一 自由磁性层的磁矩比所述第二自由磁性层的磁 矩和所述第三自由磁性层的磁矩都大。在本专利技术的另一方面中，提供一种磁随M取存储器(MRAM)装置。 所述MRAM装置包括垂直于多个位线取向的多个字线以及在所述字线与 位线之间配置成阵列的多个磁存储器单元。所述多个>^存储器单元中的至 少一个包括至少一个固定磁性层和多个自由磁性层，所述多个自由磁性层 通过至少一个势垒层与所述至少一个固定磁性层分隔。所述自由磁性层包 括与所述势垒层邻接的第一自由磁性层、通过至少一个隔离物层与所述第 一自由磁性层分隔的第二自由磁性层，以及通过至少一个反平行耦合层与 所述第二自由磁性层分隔的第三自由磁性层.所述第一 自由磁性层的磁矩 比所述第二自由磁性层的磁矩和所述第三自由磁性层的磁矩都大。在本专利技术的又一方面中， 一种向MRAM装置写入数据的方法包括下 面的步骤，所述MRAM装置具有垂直于多个位线取向的多个字线以及在 所述字线与位线之间配置成阵列的多个磁存储器单元。向所述字线中的给 定的一条提供字线电流，以选择所有沿着所述给定的字线的所ii^存储器 单元。所述选择的磁存储器单元中的至少 一个包括至少 一个固定磁性层和多个自由磁性层，所述多个自由磁性层通过至少一个势垒层与所述至少一 个固定磁性层分隔。所述自由磁性层包括与所述势垒层邻接的第一自由磁 性层、通过至少一个隔离物层与所述第一 自由磁性层分隔的第二自由磁性 层，以及通过至少一个反平行耦合层与所述第二自由磁性层分隔的第三自 由磁性层。所述第一 自由磁性层的磁矩比所述第二自由磁性层的磁矩和所 述第三自由磁性层的磁矩都大。向对应于所述选择的磁存储器单元的所述 位线中的每一条提供位线电流。去除所述字线电流。去除所述位线电流。在本专利技术的再一实施例中，提供一种磁存储器单元。所i^存储器单 元包括至少一个固定磁性层和多个自由磁性层，所述多个自由磁性层通过 至少一个势垒层与所述至少一个固定磁性层分隔。所述自由磁性层包括与 所述势垒层邻接的第一自由磁性层、通过至少一个第一平行耦合层与所述 第一 自由磁性层分隔的第二自由磁性层，以及通过至少一个第二平行耦合 层与所述第二自由磁性层分隔的第三自由磁性层。所述第二自由磁性层的 磁矩比所述第一 自由磁性层的磁矩和所述第三自由磁性层的磁矩都大。通过参考下列详细的说明和附图，将可以更完全地理解本专利技术以;M^ 专利技术的另外的特征和优点。附图说明图1是示例了根据本专利技术的实施例的示例性磁存储器单元的图； 图2是示例了根据本专利技术的实施例的示例性磁存储器单元阵列的图； 图3A-B是示例了根据本专利技术的实施例在零施加磁场中图1的示例性 磁存储器单元的稳定磁状态的自顶向下视图的图4是示例了根据本专利技术的实施例的另 一示例性磁存储器单元的图； 图5A-B是示例了根据本专利技术的实施例在零施加磁场中图4的示例性 磁存储器单元的稳定磁状态的自顶向下视图的图6是示例了根据本专利技术的实施例用于向磁存储器单元阵列写入数据 的示例性方法的图7A-B是示例了根据本专利技术的实施例用于向单个磁存储器单元写入数据的电流脉冲序列的图8是示例了根据本专利技术的实施例的磁存储器单元的示例性临界切换 曲线的图9A-D是示例了根据本专利技术的实施例的磁存储器单元的磁性层中的 磁矩旋转的图10A-B是示例了根据本专利技术的实施例当沿着易轴方向施加场时磁存 储器单元的磁矩旋转的图；以及图11A-B是示例了根据本专利技术的实施例当沿着难轴方向施加场时磁存 储器单元的磁矩旋转的图。具体实施例方式图1为示例了示例性存储器单元100的图。磁存储器单元100包括在 固定层104上淀积的隧道势垒106以及在隧道势垒106上淀积的自由层 102。根据图1中示出的示例性实施例，可以将磁存储器单元100配置即构 图为具有当从自顶向下视图126观察时为圆形的(或椭圆的)形状。并且 参见下面描述的图3A-B中具有圆形形状的磁存储器100的自顶向下绘图。 然而，应该理解，才艮据本軟导可以采用任何其它可构图的形状和/或配置。 如下面将详细描述的，磁存储器单元100可以与磁随机存取存储器 (MRAM)装置一起使用。如图1中所示，自由层102为多层结构。即，自由层102包括与隧道 势垒106邻接的磁性层108。在磁性层108的与隧道势垒106相对的一侧 淀积隔离物层114。在隔离物层114的与磁性层108相对的一侧淀积磁性 层112。在磁性层112的与隔离物层114相对的一侧淀积反平行耦合(AP 耦合)层110。最后，在AP耦合层110的与磁性层112相对的一侧淀积 磁性层116。磁性层108、 112和116中的每一者可以包括任何适宜的铁磁性材料， 该铁磁性材料包括但不限于镍/铁合金(NiFe合金)以及包含Ni、 Fe、钴(Co)和稀土元素中的一者或多者的合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁存储器单元，包括：至少一个固定磁性层；以及多个自由磁性层，其通过至少一个势垒层与所述至少一个固定磁性层分隔，包括：与所述势垒层邻接的第一自由磁性层；通过至少一个隔离物层与所述第一自由磁性层分隔的第二自由 磁性层；以及通过至少一个反平行耦合层与所述第二自由磁性层分隔的第三自由磁性层，其中所述第一自由磁性层的磁矩比所述第二自由磁性层的磁矩和所述第三自由磁性层的磁矩都大。

【技术特征摘要】
US 2006-7-6 11/481,5411.一种磁存储器单元，包括至少一个固定磁性层；以及多个自由磁性层，其通过至少一个势垒层与所述至少一个固定磁性层分隔，包括与所述势垒层邻接的第一自由磁性层；通过至少一个隔离物层与所述第一自由磁性层分隔的第二自由磁性层；以及通过至少一个反平行耦合层与所述第二自由磁性层分隔的第三自由磁性层，其中所述第一自由磁性层的磁矩比所述第二自由磁性层的磁矩和所述第三自由磁性层的磁矩都大。2. 根据权利要求1的磁存储器单元，其中所述至少一个隔离物层被配 置为防止所述第一自由磁性层与所述第二自由磁性层之间的耦合。3. 根据权利要求1的磁存储器单元，其中所述至少一个反平行耦合层 被配置为引起所述第二自由磁性层与所述第三磁性层之间的反平行耦合。4. 根据权利要求1的磁存储器单元，其中所述第二自由磁性层的磁矩 等于所述第三自由磁性层的磁矩。5. 根据权利要求1的磁存储器单元，其中所述第一自由磁性层、所述 第二自由磁性层和所述第三自由磁性层中的至少一者包括镍/铁合金以及 包M、铁、钴和稀土元素中的一者或多者的合金中的一者或多者。6. 根据权利要求1的磁存储器单元，其中所述第一自由磁性层、所述 第二自由磁性层和所述第三自由磁性层具有相同的成分。7，根据权利要求1的磁存储器单元，其中所述至少一个隔离物层包括 氮化钽、钽、钛、钨和铌中的一者或多者。8.根据权利要求1的磁存储器单元，其中所述至少一个反平行耦合层 包括钌、锇、铜、铬、钼、铑、铼和铱中的一者或多者。9. 根据权利要求1的磁存储器单元，其中在零施加场中所述第一自由 磁性层的磁矩、所述第二自由磁性层的磁矩和所述第三自由磁性层的磁矩 的相对取向是三角形的。10. 根据权利要求1的磁存储器单元，其中所述至少一个固定磁性层 包括反铁磁性层；与所述反铁磁性层邻接的第一固定磁性层；以及 通过至少 一个反平行耦合层与所述第 一 固定磁性层分隔的第二固定磁 性层。11. 根据权利要求IO的磁存储器单元，其中所述反铁磁性层包括金属 合金、铂/锰合金和铱/锰合金中的一者或多者。12. —种磁随M取存储器装置，包括 垂直于多个位线取向的多个字线；以及在所述字线与位线之间配置成矩阵的多个磁存储器单元，所述多个磁 存储器单元中的至少 一个包括至少一个固定磁性层；以及多个自由磁性层，其通过至少一个势垒层与所述至少一个固定磁 性层分隔，包括与所述势垒层邻接的第一 自由磁性层；通过至少一个隔离物层与所述第一自由磁性层分隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：DC沃利奇，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]