磁随机存取存储器单元、用于对其进行读取和写入的方法技术

本发明专利技术涉及磁随机存取存储器单元、用于对其进行读取和写入的方法。本公开涉及包含磁隧道结的磁随机存取存储器（MRAM）单元，该磁隧道结包含：合成存储层；具有可逆转的感应磁化的感应层；以及位于感应层和存储层之间的隧道阻挡层；其中净局部磁杂散场耦合存储层与感应层；且其中净局部磁杂散场使得耦合感应层的净局部磁杂散场低于50Oe。本公开还涉及用于对MRAM单元进行写入和读取的方法。与常规MRAM单元相比，可以以较低消耗对公开的MRAM单元进行写入和读取。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于使用允许低功耗的自参考读取操作来读取磁随机存取存储器 (MRAM)单元的方法以及用于执行该方法的MRAM单元。
技术介绍
在最简单的实现方式中，磁随机存取存储器(MRAM)单元至少包含由通过薄绝缘层 分离的两个磁性层形成的磁隧道结，其中，所述层之一即所谓的参考层的特征在于固定磁 化，且第二层即所谓的存储层的特征在于在存储器写入时可以变化其方向的磁化。当参考 层和存储层的相应磁化反平行时，磁隧道结的电阻高(U，对应于低逻辑状态“O”。另一 方面，当相应磁化平行时，磁隧道结的电阻变低(Rmin),对应于高逻辑状态“I”。通过将MRAM 单元的电阻状态与参考电阻RMf (优选地从参考单元或参考单元的阵列得出)进行比较而读 取MRAM单元的逻辑状态，典型的参考电阻是在高逻辑状态“I”的磁隧道结电阻和低逻辑状 态“ O ”的电阻之间组合的Rref= ( Rmin+Rmax) /2。在常规实际的实现方式中，参考层被“交换偏置”向相邻反铁磁参考层，该相邻反 铁磁层的特征在于称为反铁磁参考层的阻断温度Tbk的临界温度(高于该温度交换偏置消 失)。在使用热辅助切换(TAS )过程的MRAM单元的实现方式中，例如，如美国专利 No. 6，950，335所述，存储层也被交换偏置向相邻反铁磁存储层，该相邻反铁磁存储层的阻 断温度Tbs (反铁磁存储层的交换偏置消失所在的温度)低于钉住(pin)参考层的反铁磁参 考层的阻断温度TBK。在阻断温度Tbs以下，存储层难以和/或不可能写入。然后通过将磁 隧道结加热到Tbs以上但是Tbk以下，优选地但不限于发送通过磁隧道结的加热电流以释放 存储层的磁化同时施加切换存储层的磁化的手段，执行写入。施加切换存储层的磁化的手 段可以也通过由场电流产生的磁场执行。磁隧道结然后被冷却到阻断温度Tbs以下，在该温 度，存储层磁化被“冻结”在写入方向上。切换存储层的磁化方向所需的磁场量值与存储层的矫顽性成比例，该矫顽性在小 特征尺寸处大且可以在交换偏置膜中极大地增强。在专利申请EP2276034中，该申请公开了一种包含存储层、绝缘层和感应层的 MRAM单元，该感应层具有其方向可以在磁场中自由对准的磁化。可以通过切换存储层的 磁化方向以向所述存储层写入数据而对公开的MRAM单元进行写入。读取操作可以包含第 一读取循环，该第一读取循环包括在第一对准方向上对准感应层的磁化方向以及通过测量 MRAM单元的第一电阻值将所述写入数据与所述第一对准方向进行比较。读取操作还可以包 含第二读取循环，该第二读取循环包括在第二对准磁化方向上对准感应层的磁化；通过测 量MRAM单元的第二电阻值将写入数据与第二对准方向进行比较；以及判断第一电阻值和 第二电阻值之间的差异。因为不需要使用常规参考单元，这种读取操作也称为“自参考读取 操作”。公开的存储器单元和写入-读取操作方法允许以低功耗和增加的速度执行写入和读取操作。然而，在自参考读取操作期间，由于在闭合磁通量配置中耦合存储层和感应层 的磁化的局部磁杂散场，出现存储层和感应层之间的偶极耦合。因为在读取操作期间存储 层磁化被反铁磁层钉住，感应层磁化则将通过该耦合也被钉住。在自参考读取操作期间切 换感应层磁化则将要求施加足够高以克服偶极耦合的磁场。偶极耦合导致当施加场循环以 测量感应层的磁滞回线时磁滞回线的偏移(或偏置)。这种偶极耦合依赖于存储层和感应层的厚度和磁化，且依赖于磁隧道结的尺寸。 具体而言，偶极耦合随着磁隧道结直径的降低而增加且因而可能在按比例缩小MRAM单元 时变成主要问题。
技术实现思路
本公开涉及包含磁隧道结的磁随机存取存储器(MRAM)单元，该磁隧道结包含合成存储层，由具有第一存储磁化的第一铁磁层、具有第二存储磁化的第二铁磁层以及第一和第二存储层之间的间隔层形成，该间隔层磁耦合第一和第二铁磁层，使得第一存 储磁化基本反平行于第二磁化而取向；感应层，具有可逆转的感应磁化；以及 隧道阻挡层，位于感应层和存储层之间；该第一存储磁化引发第一局部磁杂散场且该第二存储磁化引发第二局部磁杂散场，第 一和第二局部磁杂散场之间的差异对应于稱合存储层与感应层的净局部磁杂散场；该第一铁磁层的厚度和该第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层的净局部磁杂散 场低于约50 Oe。在一个实施例中，第一铁磁层的厚度和第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层 的净局部磁杂散场基本为零(null)。在另一实施例中，第一铁磁层的厚度和第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层 的净局部磁杂散场包含在约400e与约500e之间。在又一实施例中，感应层具有基本圆形的形状。本公开还涉及包含多个MRAM单元的磁存储器设备。本公开还涉及用于写入MRAM单元的方法，包含将磁隧道结加热到高温阈值；以 及，一旦磁隧道结达到高温阈值，切换第一和第二存储磁化的磁化方向以向所述存储层写 入数据；其中切换第一和第二存储磁化的磁化方向包含施加外部写入磁场。在一个实施例中，施加量值包含在约130 Oe与约160 Oe之间的写入磁场。在另一实施例中，所述切换第一和第二存储磁化包含施加具有这一量值的外部写 入磁场该量值使得根据写入磁场的方向在一方向上使感应磁化饱和；第一和第二存储磁 场根据由饱和感应磁化引发的局部感应磁杂散场切换。在又一实施例中，感应层的厚度使得感应磁化大于第一和第二存储磁化的总和。在又一实施例中，感应层的厚度使得为使感应磁化饱和所需的写入磁场的量值低 于约80 Oe。本公开还涉及用于读取MRAM单元的方法,包含通过施加第一读取磁场，在第一方向上对准感应磁化；测量所述磁隧道结的第一电阻，该第一电阻由相对于切换的存储磁化的取向的感应磁化的第一方向决定；在第二方向上对准感应磁化；测量所述磁隧道结的第二电阻，该第二电阻由相对于切换的存储磁化的取向的感应磁化的第二方向决定；判断第一电阻值和第二电阻值之间的差异；所述在第二方向上对准感应磁化包含施加具有约50 Oe或以下的量值的第二读取磁场。在一个实施例中，第一铁磁层的厚度和第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层的净局部磁杂散场基本为零。在另一实施例中,第一和第二读取磁场的量值约为20 Oe0在又一实施例中，第一铁磁层的厚度和第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层的净局部磁杂散场包含在约40 Oe与约50 Oe之间。在又一实施例中，第二读取磁场基本为零。与常规MRAM单元相比，可以以较低功耗对公开的MRAM单元进行写入和读取。附图说明在通过举例给出且通过附图说明的实施例的描述的帮助下，将更好地理解本公开，在附图中图1说明根据一个实施例包含合成存储层的随机存取存储器(MRAM)单元，该合成存储层包括第一铁磁层、第二铁磁层和感应层；图2表示根据一个实施例通过第一和第二铁磁层产生且与感应层耦合的局部磁杂散场；图3示出根据一个实施例具有基本圆形形状的存储层的顶视图；以及图4(a)和(b)示出MRAM单元的配置，其中第二铁磁层的厚度大于第一铁磁层的厚度 (图4(a))以及其中第一铁磁层的厚度大于第二铁磁层的厚度(图4(b))。具体实施方式在图1所示的一个实施例中，磁随机存取存储器(MRAM)单元I包含磁隧道结2。 磁隧道结2包含合成存储层23，该合成存储层23由合成铁磁多层形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含磁隧道结的磁随机存取存储器（MRAM）单元，该磁隧道结包含：合成存储层，由具有第一存储磁化的第一铁磁层、具有第二存储磁化的第二铁磁层以及第一和第二存储层之间的间隔层形成，该间隔层磁耦合第一和第二铁磁层，使得第一存储磁化基本反平行于第二磁化而取向；感应层，具有可逆转的感应磁化；以及隧道阻挡层，位于感应层和存储层之间；该第一存储磁化引发第一局部磁杂散场且该第二存储磁化引发第二局部磁杂散场，第一和第二局部磁杂散场之间的差异对应于耦合感应层的净局部磁杂散场；其中该第一铁磁层的厚度和该第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层的净局部磁杂散场低于约50?Oe。

【技术特征摘要】
2011.09.28 EP 11290444.61.一种包含磁隧道结的磁随机存取存储器(MRAM)单兀,该磁隧道结包含合成存储层，由具有第一存储磁化的第一铁磁层、具有第二存储磁化的第二铁磁层以及第一和第二存储层之间的间隔层形成，该间隔层磁耦合第一和第二铁磁层，使得第一存储磁化基本反平行于第二磁化而取向；感应层，具有可逆转的感应磁化；以及隧道阻挡层，位于感应层和存储层之间；该第一存储磁化引发第一局部磁杂散场且该第二存储磁化引发第二局部磁杂散场，第一和第二局部磁杂散场之间的差异对应于稱合感应层的净局部磁杂散场；其中该第一铁磁层的厚度和该第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层的净局部磁杂散场低于约50 Oe。2.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中第一铁磁层的厚度和第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层的净局部磁杂散场基本为零。3.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中第一铁磁层的厚度和第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层的净局部磁杂散场包含在约40 Oe与约50 Oe之间。4.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中感应层具有基本圆形的形状。5.一种包含多个MRAM单元的磁存储器设备，每个MRAM单元包含磁隧道结，该磁隧道结包括合成存储层，由具有第一存储磁化的第一铁磁层、具有第二存储磁化的第二铁磁层以及第一和第二存储层之间的间隔层形成，该间隔层磁耦合第一和第二铁磁层，使得第一存储磁化基本反平行于第二磁化而取向；感应层，具有可逆转的感应磁化；以及隧道阻挡层，位于感应层和存储层之间；该第一存储磁化引发第一局部磁杂散场且该第二存储磁化引发第二局部磁杂散场，第一和第二局部磁杂散场之间的差异对应于稱合感应层的净局部磁杂散场；该第一铁磁层的厚度和该第二铁磁层的厚度选择为使得耦合感应层的净局部磁杂散场低于约50 Oe。6.一种用于对包含磁隧道结的MRAM单元进行写入的方法，该磁隧道结包括合成存储层，由具有第一存储磁化的第一铁磁层、具有第二存储磁化的第二铁磁层以及第一和第二存储层之间的间隔层形成，该间隔层磁耦合第一和第二铁磁层，使得第一存储磁化基本反平行于第二磁化而取向；感应层，具有可逆转的感应磁化；以及隧道阻挡层，位于感应层和存储层之间；该第一存储磁化引发第一局部磁杂散场且该第二存储磁化引发第二局部磁杂散场，第一和第二局部磁杂散场之间的差异对应于稱合感应层的净局部磁杂散场；该第一铁磁层的厚度和该第二铁磁层的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：L隆巴尔，IL普雷贝亚努，
申请(专利权)人：克罗科斯科技公司，
类型：发明
国别省市：