具有优化的可靠性的自引用MRAM单元制造技术

本发明专利技术涉及具有优化可靠性的自引用MRAM。适合于热辅助的写入操作以及适合于自引用的读取操作的随机存取存储器(MRAM)元件，所述MRAM元件包括磁隧道结部分，所述磁隧道结部分具有第一部分和第二部分，每一个部分包括存储层、感测层以及隧道势垒层；所述磁隧道结还包括在两个存储层之间的反铁磁层并且在临界温度以下钉扎存储层的每一个的存储磁化，并且在临界温度处以及在临界温度以上使它们自由；使得在写入操作期间，当写入磁场被施加时，感测层的每一个的自由磁化根据写入磁场的方向是磁性上可饱和的；以及在与饱和的自由磁化的方向基本平行并且对应的方向上，存储磁化是可转换的。

【技术实现步骤摘要】
具有优化的可靠性的自引用MRAM单元
本专利技术涉及适合于热辅助的写入操作以及适合于自引用的读取操作的随机存取存储器(MRAM)元件，其在相对于传统的MRAM单元更高的温度下能被可靠地写入。
技术介绍
使用所谓的自引用的读取操作的磁随机存取存储器(MRAM)单元典型地包括磁隧道结，该磁隧道结由下述形成：具有磁化的磁存储层，该磁化的方向可以从第一稳定方向变化为第二稳定方向；薄绝缘层；以及具有磁化的感测层，该磁化具有可逆方向。自引用的MRAM单元考虑到了以低功耗以及增加的速度执行写入和读取操作。自引用的读取操作由同一申请人在欧洲专利申请EP2276034中进行了描述。它典型地包括作为双采样，其中沿第一和第二方向对准感测层磁化的方向并且对于每个方向测量磁隧道结的相应电阻。自引用的MRAM单元可以有利地用在基于MRAM的CAM、用于安全应用的非易失性单元中，所述安全应用包括在一个包一个包的基础上用于高性能数据开关、防火墙、桥接器和路由器的用户权限、安全或加密信息。自引用的MRAM单元对于以减少的产量制作功能存储器以及对于高温应用也是有用的。在高温应用的情况下，电流脉冲被传递经过磁隧道结，以便将MRAM单元加热到高温。该电流脉冲易于使薄绝缘层遭受相当大的电应力。通过磁隧道结施加的电压可能会达到或甚至超过这样的绝缘层的击穿电压。即使在绝缘层的两端施加的电压低于其击穿电压，从长远来看与电流脉冲有关联的应力也可能导致相当大的老化效应，特别是在大量电压周期之后，例如，在写入周期期间。
技术实现思路
本公开涉及适合于热辅助的(TA)写入操作以及适合于自引用的读取操作的磁随机存取存储器(MRAM)元件，所述MRAM元件包括磁隧道结部分，所述磁隧道结部分具有第一部分和第二部分，所述第一部分包括：具有第一存储磁化的第一存储层、具有第一自由磁化的第一感测层、以及在所述第一存储层和所述第一感测层之间的第一隧道势垒层，所述第二部分包括：具有第二存储磁化的第二存储层、具有第二自由磁化的第二感测层、以及在所述第二存储层和所述第二感测层之间的第二隧道势垒层；所述磁隧道结部分还包括反铁磁层，其被包括在第一和第二存储层之间并且在低温阈值处钉扎第一和第二存储磁化，并且在高温阈值处使第一和第二存储磁化自由；其中在写入操作期间，当写入磁场被施加时，第一和第二自由磁化根据写入磁场的方向是磁性上可饱和的；以及其中在与饱和的第一和第二自由磁化的方向基本平行并且对应的方向上，第一和第二存储磁化是可转换的。在一个实施例中，MRAM可以被进一步配置使得第一磁隧道结部分具有第一电阻面积乘积，所述第一电阻面积乘积与第二磁隧道结部分的第二电阻面积乘积基本相等，使得在写入操作期间，MRAM元件的磁阻比率保持基本不变。本公开还涉及一种用于使用TA写入操作对MRAM元件写入的方法，包括：在高温阈值处加热磁隧道结；转换第一和第二存储磁化；以及在临界温度以下冷却MRAM元件，以便在第一和第二存储磁化的被写入状态中冻结第一和第二存储磁化；其中所述第一和第二存储磁化在彼此基本平行的方向上基本上同时被转换。所述转换可以包括施加写入磁场，以便根据写入磁场的方向使第一和第二自由磁化在磁性上饱和；以及所述第一和第二存储磁化可以在彼此基本平行的方向上基本上同时被转换。与包括仅一个势垒层的磁隧道结相比，具有包括第一和第二隧道势垒层的磁隧道结的公开的MRAM元件的配置考虑到了当磁隧道结在高温阈值被加热时减小施加在第一和第二隧道势垒层上的电压。因而可以有效地加热公开的MRAM元件的磁隧道结，同时最小化了隧道势垒层的击穿和老化的风险。附图说明借助于作为例子给出并且由图1示出的实施例的描述，本专利技术将被更好地理解，图1示出了根据实施例的随机存取存储器元件。具体实施方式图1示出了根据实施例的随机存取存储器(MRAM)元件1。该MRAM元件1包括磁隧道结2，该磁隧道结2具有第一部分2’，该第一部分2’包括：具有第一存储磁化231的第一存储层23、具有第一自由磁化211的第一感测层21、和在第一存储层23和第一感测层21之间的第一隧道势垒层25。该磁隧道结2还包括第二部分2”，该第二部分2”包括：具有第二存储磁化232的第二存储层24、具有第二自由磁化212的第二感测层22、和在第二存储层24和第二感测层22之间的第二隧道势垒层26。该磁隧道结2还包括反铁磁层20，其被包括在第一和第二存储层23、24之间并且在反铁磁层20的临界温度以下，在低温阈值处钉扎第一和第二存储磁化231、232，并且在临界温度处以及在临界温度以上，在高温阈值处使第一和第二存储磁化231、232自由。在一个实施例中，MRAM元件1的热辅助的(TA)读取操作可包括以下步骤：将磁隧道结2加热到高温阈值；转换第一和第二存储磁化231、232；以及在低温阈值处冷却磁隧道结2，以便在第一和第二存储磁化231、232的被写入状态中冻结第一和第二存储磁化231、232。磁隧道结2的配置(其中第一和第二存储层23、24被对称地布置在反铁磁层20的每一侧)导致与第二存储磁化232基本同时地并且在基本平行于第二存储磁化232的方向上转换第一存储磁化231。在一个实施例中，MRAM元件1还包括与磁隧道结2连通的场线5。该场线5被布置用于传递适于生成写入磁场52的场电流51，该写入磁场52能够沿着与场线5基本垂直的方向转换第一和第二存储磁化231、232。通过经由与磁隧道结2电连通的电流线4在磁隧道结2中传递加热电流31(参见图1)，能够执行对MRAM元件1的加热。可替换地，电流线4也可以用于传递肯定会生成写入磁场52的场电流51。一旦磁隧道结2已经被冷却到低温阈值，存储磁化231就根据写入磁场52的取向变得被钉扎在被转换或被写入的取向上。第一和第二存储层23、24被如此配置以具有沿与场线5基本垂直的方向取向的磁各向异性，使得通过施加写入磁场52来基本同时地并且基本在相同方向上转换第一和第二存储磁化231、232。在另一个实施例中，通过施加磁场52来执行对第一和第二存储磁化231、232的转换，该磁场52具有使得在根据写入磁场52的方向的方向上使第一自由磁化211饱和的幅度。饱和的第一自由磁化211转而感应出第一局部杂散磁场60，该第一局部杂散磁场60以闭合的磁通量配置耦合第一存储磁化231以便使第一存储磁化231沿饱和的第一自由磁化211的方向取向。磁场52还被如此布置以使第二感测磁化212在写入磁场52的方向上饱和。饱和的第二感测磁化212感应出第二局部杂散磁场61，该第二局部杂散磁场61以闭合的磁通量配置将第二自由磁化212与存储磁化232磁性耦合，以便使第二存储磁化232沿饱和的第二自由磁化212的方向取向。在图1中，第一和第二局部杂散磁场60、61被示为使第一和第二存储磁化向右取向。由于第一和第二局部杂散磁场60、61两者均沿相同的方向取向，所以第一局部杂散磁场60也使第二存储磁化232沿饱和的第一自由磁化211的方向取向，并且第二局部杂散磁场61使第一存储磁化231沿饱和的第二自由磁化212的方向取向。然后，根据对应于第一杂散磁场60和第二局部杂散磁场61之和的净杂散磁场来转换第一和第二存储磁化231、232。通过改变第一和第二自由层21、本文档来自技高网...

【技术保护点】
适合于热辅助的写入操作以及适合于自引用的读取操作并具有磁阻比率的磁随机存取存储器(MRAM)元件，所述MRAM元件包括磁隧道结部分，所述磁隧道结部分具有第一部分和第二部分，所述第一部分包括：第一存储层，其具有第一存储磁化；第一感测层，其具有第一自由磁化；以及在所述第一存储层和所述第一感测层之间的第一隧道势垒层；所述第二部分包括：第二存储层，其具有第二存储磁化；第二感测层，其具有第二自由磁化；以及在所述第二存储层和所述第二感测层之间的第二隧道势垒层；所述磁隧道结部分还包括反铁磁层，所述反铁磁层被包括在第一和第二存储层之间并且在低温阈值处钉扎第一和第二存储磁化，并且在高温阈值处使第一和第二存储磁化自由；其中在写入操作期间，当写入磁场被施加时，第一和第二自由磁化根据写入磁场的方向是磁性上可饱和的；以及在与饱和的第一和第二自由磁化的方向基本平行并且对应的方向上，第一和第二存储磁化是可转换的。

【技术特征摘要】
2011.11.22 EP 11290533.61.适合于热辅助的写入操作以及适合于自引用的读取操作并具有磁阻比率的磁随机存取存储器(MRAM)元件，所述磁随机存取存储器元件包括磁隧道结部分，所述磁隧道结部分具有第一部分和第二部分，所述第一部分包括：第一存储层，其具有第一存储磁化；第一感测层，其具有第一自由磁化；以及在所述第一存储层和所述第一感测层之间的第一隧道势垒层；所述第二部分包括：第二存储层，其具有第二存储磁化；第二感测层，其具有第二自由磁化；以及在所述第二存储层和所述第二感测层之间的第二隧道势垒层；所述磁隧道结部分还包括反铁磁层，所述反铁磁层被包括在第一和第二存储层之间并且在低温阈值处钉扎第一和第二存储磁化，并且在高温阈值处使第一和第二存储磁化自由；其中在写入操作期间，当写入磁场被施加时，第一和第二自由磁化根据写入磁场的方向是磁性上可饱和的；以及在与饱和的第一和第二自由磁化的方向平行并且对应的方向上，第一和第二存储磁化是可转换的。2.根据权利要求1的磁随机存取存储器元件，所述磁随机存取存储器元件被进一步配置使得在读取操作期间，同时地并且在平行的方向上调整所述第一和第二自由磁化。3.根据权利要求1的磁随机存取存储器元件，所述磁随机存取存储器元件被进一步配置使得第一磁隧道结部分具有第一电阻面积乘积，所述第一电阻面积乘积与第二磁隧道结部分的第二电阻面积乘积相等，使得在写入操作期间，磁随机存取存储器元件的磁阻比率保持不变。4.根据权利要求1的磁随机存取存储器元件，其中所述第一和第二隧道势垒层包括Al2O3或MgO。5.根据权利要求1的磁随机存取存储器元件，其中所述第一和第二隧道势垒层具有相同的厚度。6.一种用于对磁随机存取存储器元件写入的方法，所述磁随机存取存储器元件具有磁阻比率并且包括磁隧道结部分，所述磁隧道结部分具有第一部分和第二部分，所述第一部分包括：具有第一存储磁化的第一存储层、具有第一自由磁化的第一感测层、以及在所述第一存储层和所述第一感测层之间的第一隧道势垒层，所述第二部分包括：具有第二存储磁化的第二存储层、具有第二自由磁化的第二感测层、以及在所述第二存储层和所述第二感测层之间的第二隧道势垒层；所述磁隧道结部分还包括反铁磁层，所述反铁磁层被包括在第一和第二存储层之间并且在低温阈值处钉扎第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·L·普雷杰比努，
申请(专利权)人：克罗科斯科技公司，
类型：发明
国别省市：