CN101131866A - 磁性存储元件、磁性存储器和驱动磁性存储器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁性存储元件、磁性存储器和驱动磁性存储器的方法。在执行读取时可以防止不经意的写入。用于在磁性存储层中写入信息的写入电流脉冲的持续时间比用于从磁性存储层读取信息的读取电流脉冲的持续时间长。

Description

磁性存储元件、磁性存储器和驱动磁性存储器的方法
相关申请的交叉引用
本申请基于2006年8月21日在日本提交的在先日本专利申请2006-224012，并且要求享受其优先权，通过引用将其全部内容合并于此。
技术领域
本发明涉及磁性存储元件、包括该磁性存储元件的磁性存储器和驱动磁性存储器的方法。
背景技术
利用铁磁性材料的磁性随机存取存储器(MRAM，下面也简称为“磁性存储器”)预计成为具有非易失性、高速可操作性、大容量和低功耗的非易失性存储器。这种磁性存储器具有包括存储单元的结构，每个存储单元具有“隧道磁阻效应元件(TMR元件)”作为磁性存储元件。TMR元件是用夹层结构膜形成的，该膜具有介于两个铁磁层之间的一个电介质层(隧道势垒层)。在这种TMR元件中，电流垂直地施加在膜平面上以利用隧道电流。
但在传统的MRAM中，磁记录是通过依靠通过设置在磁性存储元件上方的线(line)感应的局部电流磁场使磁性存储元件的磁性层(磁性存储层)的磁化方向反向来执行的。因此，可以施加在该线上的电流值随着器件尺寸变小而降低，而且也很难感应出足够的电流磁场。而且，在磁性存储元件中记录信息所需要的电流磁场的大小也会随着器件尺寸变小而增大。因此，预计MRAM利用通过线感应的局部电流磁场执行写入的原理在126 Mbit到256 Mbit这一发展阶段中将达到极限。
作为通过用更低的电流进行磁化反向来执行写入的装置，利用通过自旋注射引起的磁化反向的磁性存储器吸引了众多注意(例如参见USP No.6256223)。通过自旋注射引起的磁化反向是通过在磁性存储元件中注射穿过一个磁性层(磁化参考层)进入另一个磁性层(磁性存储层)的自旋极化的电子，从而在该另一个磁性层(磁性存储层)中感应出磁化反向而产生的。利用通过自旋注射使磁化反向的方法，存储信息所需要的电流由在磁性存储层的膜厚度方向上流动的电流的电流密度来确定。因此，存储信息所需要的电流随着器件尺寸变小而降低。
此外，在通过自旋注射引起的磁化反向中，尽管器件尺寸变小了，磁化反向所需要的电流密度也几乎不会变得更高。因此，可以比利用电流磁场的写入更高的效率执行写入。
在传统的自旋注射MRAM中，在相同方向上延伸的电流路径既用于写入又用于读取。因此，在读取操作期间自旋注射到每个磁性存储元件的磁性存储层中。注射到磁性存储层中的自旋向磁性存储层中的自旋施加了转矩。结果，在磁性存储层中的自旋被置于能量的激发状态。由于能量被激发的自旋对热扰动的抵抗性较低，因此在读取操作中信息被不经意地写入磁性存储层中，从而很难长时间保持所存储的信息。
为了克服这个问题，通过提高每个磁性存储层的存储保持能量来改善对热扰动的抵抗力，并且防止在读取操作中的不经意写入。但是，每个磁性存储层的存储保持能量的增大导致写入电流密度的增加，从而导致其它问题。
还建议应当增加读取电流与写入电流之比。具体地说，减小读取电流，增大写入电流，从而防止在读取操作期间的不经意写入。但是，读取电流的下限是由读出放大器的灵敏度确定的，写入电流的上限是由每个磁性存储元件的隧道势垒层的击穿电压确定的。因此，对读取电流和写入电流之差的增加有限制。
而且，为了在读取电流的下限和写入电流的上限不变的情况下增加读取电流与写入电流之比，要减小读取电流值和写入电流值的变化。但是，减小这些变化是非常困难的，因为自旋注射元件的变化随着容量的增大而变得更大。
发明内容
本发明就是针对上述情况做出的，其目的在于提供一种可以防止读取操作期间的不经意写入的自旋注射磁性存储元件、包括该磁性存储元件的磁性存储器、以及用于驱动磁性存储器的方法。
按照本发明的第一方面，提供了一种用于驱动磁性存储器的方法，该磁性存储器包括具有磁性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被固定(pinned)的磁化参考层、磁化方向可变的磁性存储层、和介于磁化参考层和磁性存储层之间的隧道势垒层，所述磁性存储层的磁化方向可以通过施加电流脉冲和注射自旋极化的电子到磁性存储层中来改变，该方法包括：施加用于在磁性存储层中写入信息的写入电流脉冲；以及施加用于从磁性存储层读取信息的读取电流脉冲，其中写入电流脉冲的持续时间比读取电流脉冲的持续时间长。
按照本发明的第二方面，提供了一种磁性存储器，包括：具有磁性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被固定的磁化参考层、磁化方向可变的磁性存储层、和介于磁化参考层和磁性存储层之间的非磁性层，所述磁性存储层的磁化方向可以通过向该磁性存储层施加电流脉冲来改变；读取电路，其产生用于从磁性存储元件读取信息的读取电流脉冲；写入电路，其产生用于在磁性存储元件中写入信息的写入电流脉冲，该写入电流脉冲的脉冲持续时间比读取电流脉冲的脉冲持续时间长；与磁性存储元件的一端连接的第一行，在执行写入时所述写入电流脉冲流过第一行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第一行；以及与磁性存储元件的另一端连接的第二行，在执行写入时所述写入电流脉冲流过第二行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第二行。
按照本发明的第三方面，提供了一种磁性存储元件，包括：第一磁化参考层，其具有固定在一个方向的第一磁化反向；磁性存储层，其具有与第一磁化方向平行的第二磁化方向，第二磁化方向可以通过注射自旋极化的电子来改变；介于第一磁化参考层和磁性存储层之间的非磁性层；第二磁化参考层，其设置在磁性存储层的背离非磁性层的一侧；以及介于第二磁化参考层和磁性存储层之间的自旋过滤层。
根据本发明的第四方面，提供了一种磁性存储器，包括：包括根据第三方面的磁性存储元件的存储单元；读取电路，其产生用于从磁性存储元件读取信息的读取电流脉冲；写入电路，其产生用于在磁性存储元件中写入信息的写入电流脉冲；与磁性存储元件的一端连接的第一行，在执行写入时所述写入电流脉冲流过第一行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第一行；以及与磁性存储元件的另一端连接的第二行，在执行写入时所述写入电流脉冲流过第二行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第二行。
附图说明
图1是MRAM存储器的TMR元件的示意截面图；
图2A和2B示出TMR元件中的磁化反向；
图3示出在自旋注射TMR元件中执行写入时观察到的电流方向和执行读取时观察到的电流方向；
图4示出在读取操作期间的扰动；
图5示出被扰动的反向电流Ic随脉冲持续时间(施加时间)的变化；
图6示出被扰动的反向电流Ic随脉冲持续时间的变化；
图7示出在磁性存储层中需要的αtherm相对于读取电流与写入电流的比值的关系；
图8示出根据本发明第一实施例的用于驱动MRAM的方法；
图9示出第一实施例的驱动方法的第一变型；
图10示出第一实施例的驱动方法的第二变型；
图11是示出根据本发明的第二实施例的磁性存储器的电路图；
图12是根据本发明第二实施例的磁性存储器的磁性存储元件的截面图；
图13是示出根据本发明第二实施例的自旋过滤层的另一个示例的截面图；
图14示出第二实施例中电流脉冲持续时间和电流密度之间的关系。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施例。
(第一实施例)
下面描述根据本发明的第一实施例驱动磁性存储器的方法。该实施例的驱动方法用于自旋注射MRAM(磁性随机存取存储器)。MRAM包括存储单元，每个存储单元都具有TMR元件作为磁性存储元件。图1示出TMR元件的一般结构。该TMR元件1包括磁化方向可以改变的磁性层(磁化自由层(磁性存储层))2、磁化方向被固定的磁性层(磁化参考层)6、以及介于这些磁性层之间的隧道势垒层4。根据两个磁性层2和6的磁化方向是平行还是反平行，提供信息“1”或信息“0”。图2A和2B示出TMR元件1的两个磁性层2和6的磁化方向的两个模式。如图2A所示，当两个磁性层2和6的磁化方向(由图中的箭头表示)彼此平行时(在相同的方向)，介于这两个磁性层2和6之间的隧道势垒层4的隧道电阻最低(或隧道电流最高)。如图2所示，当两个磁性层2和6的磁化方向彼此反平行时(彼此相反)，介于这两个磁性层2和6之间的隧道势垒层4的隧道电阻最高(或隧道电流最低)。尽管在图2A和2B中磁化方向与膜平面垂直，该磁化方向也可以与膜平面平行。
在上述MRAM中，电阻值变化的两种不同情况分别是“1”存储状态(“1”状态)和“0”存储状态(“0”状态)。
图3示出对TMR元件1执行写入时流动的电流、以及在执行读取时流动的电流。写入电流I1是在TMR元件1的磁性层2和6的磁化方向从反平行状态变化为平行状态时流动的电流。写入电流I2是在TMR元件1的磁性层2和6的磁化方向从平行状态变化为反平行状态时流动的电流。写入电流I1从磁性层(磁性存储层)2经过隧道势垒层4流向磁性层(磁化参考层)6。写入电流I2从磁性层(磁化参考层)6经过隧道势垒层4流向磁性层(磁性存储层)2。此外，读取电流I3是在从TMR元件1读取信息时流动的电流。读取电流I3从磁性层(磁化参考层)6经过隧道势垒层4流向磁性层(磁性存储层)2。在MRAM中，写入电流I2和读取电流I3在相对于TMR元件1的相同方向上流动。由于读取电流I3对磁性存储层2施加自旋转矩，因此磁性存储层2被读取电流I3扰动。
图4示出在1Gbit MRAM中读取电流I3和写入电流I1、I2的分布。在图4中，横轴表示电流，纵轴表示用该电流读取位的概率和用该电流写入位的概率。在图4中示出读取电流I3分布的曲线的左半部分代表TMR元件的磁性存储层和磁化参考层的磁化方向彼此反平行的情况(高电阻的情况)，而示出读取电流I3分布的曲线的右半部分代表TMR元件的磁性存储层和磁化参考层的磁化方向彼此平行的情况(低电阻的情况)。在图4中，电流I2、I3流动的方向是正方向，电流I1流动的方向是负方向。
如图4所示，写入电流I2和读取电流I3以间歇的方式出现。在读取电流I3的最大值I3max与写入电流I2的最小值I2min之比I3max/I2min接近1的情况下，在执行读取时在磁性存储层2中导致不经意的写入。导致不经意写入的读取电流与写入电流之比I3max/I2min可以通过以下条件确定。在下面的描述中，最大电流值I3max称为Iread1，最小电流值I2min称为Iwrite1，虽然它们是同义的。
由于在1Gbit MRAM以1GHz运行10年之后导致的热波动而丢失的存储信息的位数由下述等式(1)表示：
n＝N·f·τ·e-β    (1)
当n通过上述等式变成1或更小时，在运行10年之后丢失的信息位数是1位或更低。在等式(1)中，N代表MRAM的容量(size)(位)，f代表运行频率(Hz)，τ代表驰豫时间(秒(sec))，β可以通过对各个值应用以下条件来确定。例如，当N为1Gbit，f是1GHz，τ是十年(3.15×108sec)时，β被确定为满足n应当为1或更小的条件的值。
同时，在考虑与热扰动的关系的情况下，β的值表示为：
β＝ΔE/KBT＝αtherm(1-Iread1/Iwrite1)  (2)
其中T表示运行温度(K)，KB表示玻尔兹曼(Boltzmann)常数(1.38×1022erg/K)，ΔE表示能量势垒的大小。当从外部施加等于或大于ΔE的能量时，自旋不能保持磁化信息。此外，Iread1代表在执行读取时观察到的电流值，Iwrite1代表写入电流值。由于β的值确定为满足条件“在1Gbit MRAM以1GHz运行10年之后由于热波动而丢失的存储信息比率是1位或更少”，因此，如果确定了Iread1和Iwrite1的值，就可以确定αtherm的值。
而且，αtherm可以通过以下等式表示：
αtherm＝KuV/KBT    (3)
其中Ku代表磁性各向异性常数(erg/cm3)，V代表磁性存储层的体积(cm3)。因此，αtherm代表磁性存储层的磁能量KuV与热能KBT之比。
同时，磁性存储层的面积A(cm2)通过MRAM的容量和集成度来唯一确定。因此，当磁性存储层的膜厚度由t(cm)代表时，磁性存储层的体积由磁性存储层的面积与磁性存储层的膜厚度t的乘积A×t确定。例如，在保证运行的温度是85℃的情况下，通过等式(2)和等式(3)来建立以下等式(4)：
KuAt(1-Iread1/Iwrite1)/(KB×358)＝61  (4)
由于A的值是由设计环境唯一确定的，因此满足条件“在1GbitMRAM以1GHz运行10年之后由于热波动而丢失的存储信息比率是1位或更少”的值由t、Ku和Iread1/Iwrite1来确定。
t和Ku的增加导致写入电流的上升。因此，(1-Iread1/Iwrite1)需要尽可能地大。换句话说，Iread1需要相对于Iwrite1尽可能地小。但是如上所述，读取电流的下限和写入电流的上限是由读出放大器的灵敏度和TMR元件的隧道势垒层的击穿电压的大小确定的，Iread1和Iwrite1之差的增加是有限的。
可替换地，为了在读取电流的下限和写入电流的上限不变的情况下增加Iread1和Iwrite1之比，减小读取电流和写入电流的变化。但是，自旋注射元件的变化会随着容量的增加而增大。因此很难减小这些变化。
同时，写入或读取电流的施加时间(τ)与由于自旋注射而导致磁化反向的电流值Ic之间的关系可以基于不同的磁化反向起因而分为两种模式。第一种起因是在τ大于τ0而且自旋由于热扰动而反向时观察到的。在此，τ0(在本发明中称为“与反向有关的初始切换时间(initialreversal-related switching time”)代表在旋进运动(processionmovement)期间将被写入或读取电流施加了自旋注射转矩的自旋反向所需要的时间(如由K.Yagami，A.A.Tulapurkar，A.Fukushima，和Y.Suzuki在IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，VOL.41，No.10，2615(2005)中所公开)。图5示出写入或读取电流的施加时间与用于通过自旋注射使磁化反向时的电流Ic之间的关系，其中τ大于τ0。在图5中，横轴表示电流施加时间τ，而纵轴表示用于通过自旋注射使磁化反向时的电流Ic。在τ大于τ0的情况下，由于热扰动的影响而导致的自旋注射磁化反向通过以下等式表示。
IC＝IC0{1-(KBT/ΔE)In(τ/τ0)}  (5)
其中IC0代表在时间τ0时用于导致自旋注射磁化反向的电流值。从等式(5)和图5可以看出，由于自旋注射导致磁化反向的电流值Ic在施加电流期间与时间τ的对数成比例地减小。因此，使读取电流施加时间τread比写入电流施加时间τwrite短，从而在读取时由于自旋注射磁化反向导致不经意写入的电流值Iread2变得大于执行写入所需要的电流值Iwrite2(参见图5)。为了使Iread1/Iwrite1小于1，这是在读取操作期间防止不经意写入的条件，需要将Iwrite1设置为大于Iread1的值。这是因为在读取操作期间由于热扰动能量添加到Iread1而产生等于Iwrite1的能量，而且在读取操作期间除非Iwrite1和Iread1的差值足够大，否则会产生不经意的写入。如果在读取操作期间导致不经意写入的电流值可以通过在写入之前执行读取而设置为Iread2，则即使在向读取电流加上热扰动并在读取时加上等于Iwrite1的能量时，自旋注射磁化反向所需要的电流也等于或大于Iread2。由此不产生不经意的写入。
换句话说，由于用于执行读取的读取电流的施加时间比用于在磁性存储层上执行写入的写入电流的施加时间短，因此Iread1/Iwrite1的表观值变小，并且可以防止在读取操作期间的不经意写入。这是由本发明的发明人发现的一个事实。
而且，随着Iread1/Iwrite1的比值变小，(1-Iread1/Iwrite1)变大。因此，t和Ku的值可以更小。由此还可以降低功耗。
同时，当写入电流或读取电流的施加时间(τ)短于τ0时，由于自旋注射而产生磁化反向所需要的电流值因为回转磁效应而急剧增加。当τ等于τ0时，写入或读取电流对自旋施加转矩，自旋在特定的轨道上移动，并且在旋进运动期间反向。该旋进轨道由阻尼常数αdamp、回转磁系数γ和有效磁场Heff的值确定，它们都是材料参数。
为了使τ小于τ0，需要改变旋进轨道，需要使自旋衰减更大。因此，需要更高的自旋注射磁化反向电流。在本说明书中将这个现象称为“回转磁效应”。图6示出该现象。图6中的曲线g1示出在脉冲持续时间τ0附近的电流施加时间τ和由自旋注射引起磁化反向所需要的电流值Ic之间的关系。当施加时间τ变得比与反向有关的最初切换时间τ0短时，磁化反向所需要的电流值Ic因为回转磁效应而急剧增加。如果以施加时间τ1(＞τ0)的脉冲持续时间执行写入，并以施加时间τ2(＜τ0)执行读取，则写入电流值变成IC1，在读取操作期间导致不经意写入的电流值变成IC2。在图6所示的情况中，(1-Iread1/Iwrite1)应当是(1-IC1/IC2)，因为在读取操作期间导致不经意写入的电流值Iwrite1被IC2所代替，其中Iread1是小于该写入电流值的电流值或是等于该写入电流值的IC1。因此，Iread1/Iwrite1急剧变小，而(1-Iread1/Iwrite1)变得接近1，这是理想值。结果，在防止读取操作期间不经意写入的同时，可以减小t和Ku，还可以减小αtherm，此时满足“在1Gbit MRAM以1GHz运行10年之后由于热波动而丢失的存储信息比率是1位或更少”的条件。该事实也是本发明人发现的。
附带地，由于用于执行读取的读取电流的施加时间比用于对磁性存储层执行写入的写入电流的施加时间短，因此预计通过施加电流会产生热量。因此，Iread1/Iwrite1的表观值变得更小，并且可以防止在读取期间的不经意写入。
图7示出Iread/Iwrite和αtherm之间的关系。由于通过自旋注射造成磁化反向所需要的写入电流Iwrite与αtherm成比例地增加，因此αtherm的减小是用于通过自旋注射造成磁化反向的电流减小所需要的。当Iread/Iwrite是0.8时，需要αtherm是305。但是，在执行利用回转磁效应的读取操作时，Iread/Iwrite急剧减小，并且可以小到0.4或更低。当Iread/Iwrite是0.4时，需要αtherm是102。因此，自旋注射磁化反向所需要的电流值可以减小到原始值的三分之一。
当τ0是1nsec或更小时，在实际设计中磁性各向异性场的值必须是50 Oe或更大，这是因为τ0由磁性各向异性场和磁性存储层的自旋方向来确定。另一方面如果各向异性场变得太大，则τ0变得特别小，因此，当在读取操作中利用了回转磁效应时，读取时间变得特别短，从而使读取时间等于或小于τ0。结果，很难保持足够的读取电流值。因此，各向异性场的最佳大小是50 Oe到5000 Oe。
如上所述，根据该实施例，使用于从磁性存储层读取信息(数据)的读取脉冲的持续时间(施加时间)比用于写入信息的写入脉冲的持续时间短，如图8所示。按照这种方式，可以防止在读取操作期间的不经意写入。在图8中，读取脉冲和写入脉冲的前边缘在相同点示出，以便于两个脉冲持续时间之间的比较。在此，读取脉冲持续时间是由脉冲产生的读取时间的持续时间，写入脉冲持续时间是由脉冲产生的写入时间的持续时间。
当读取脉冲持续时间变得更短时，读取电流值变得更小。作为结果，无法达到用于获得信息“1”和“0”所需要的输出。因此，如图9所示，读取电流被划分为具有小持续时间的多个脉冲，而且应当通过积分的(integrated)读取电流值来获得信息。通过这种方式，可以达到足够的输出。
可替换地，如图10所示，可以使具有较短脉冲持续时间的读取电流比该读取电流更大，以达到足够的输出。在这种情况下，需要使读取电流比图5所示的由读取电流的脉冲持续时间τread确定的电流值Iread2小，或者小于图6所示的电流值IC2。否则，会在读取操作期间导致不经意的写入。
(第二实施例)
现在参照图11至14，描述按照本发明第二实施例的磁性存储器。该实施例的磁性存储器是自旋注射MRAM。如图11所示，该实施例的磁性存储器包括存储单元40ij(i，j＝1，2)、与各存储单元40ij连接的字线WLi、与各存储单元40ij连接的两个位线BLj1和BLj2、选择字线WLi的行解码器60、选择两个位线BLj1和BLj2的列解码器/写入电路/读取电路70。
每个存储单元40ij(i，j＝1，2)包括磁性存储元件10和选择晶体管50。每个存储单元40ij的磁性存储元件10的一端连接到位线BLj2，而另一端连接到选择晶体管50的一端(源极或漏极)。每个存储单元40ij的选择晶体管50的另一端连接到位线BLj1，栅极连接到字线WLi。
如图12所示，在该实施例的磁性存储器中采用的磁性存储元件10包括磁化参考层12、形成在磁化参考层12上的隧道势垒层14、设置在隧道势垒层14上的磁性存储层16、设置在磁性存储层16上的自旋过滤层18、设置在自旋过滤层18上的磁化参考层22、设置在磁化参考层22上的非磁性层24以及设置在非磁性层24上的磁化参考层26。磁性存储层16和磁化参考层12、22、26优选应当由具有高晶体磁性各向异性能量密度的材料制成。
该实施例的磁性存储元件10具有垂直于膜平面的自旋(磁化)方向，这些自旋方向由图中的箭头表示。磁化参考层12和26中的自旋方向是向下的方向，而磁化参考层22中的自旋方向是向上的方向。但是，磁化参考层12、26、22中的自旋方向可以被180°反向。
该实施例的磁性存储元件10可以具有平行于膜平面的自旋(磁化)方向。在平行状态的情况中，磁化参考层12和26具有相同的自旋方向，而磁化参考层22具有与磁化参考层12和26中的自旋方向相反的自旋方向。
自旋过滤层18具有所谓的粒状结构，其中纳米尺寸的晶体磁性各向异性的磁性材料20散布在非磁性层19中。在这种情况下，磁性材料20的晶体磁性各向异性的方向在这些颗粒之间有所不同，自旋过滤层18中的磁性材料20的磁化强度在该磁性存储元件的运行温度(-20℃至80℃)下以及在不存在磁场的状态下(不存在外部磁场)几乎为0。换句话说，磁性材料20是超顺磁性的。而且，自旋过滤层18中的磁性材料20的磁性各向异性能量密度优选低于磁性存储层16的磁性各向异性能量密度，后面将对此进行讨论。
如图13所示，自旋过滤层18具有这样的结构，其中具有磁性各向异性的磁性层20a介于非磁性层19a和19b之间。在这种情况下，磁性层20a的磁化强度在该磁性存储元件的运行温度(-20℃至80℃)下以及在不存在磁场的状态下(不存在外部磁场)几乎为0。换句话说，磁性层20a是超顺磁的。而且，磁性层20a的磁性各向异性能量密度优选低于磁性存储层16的磁性各向异性能量密度，而且磁性层20a的膜厚度优选小于磁性存储层16的膜厚度。
下面描述该实施例的磁性存储器的运行。
在将信息写入存储单元的情况下，由行解码器60选择与要执行写入的存储单元40连接的字线，并且该存储单元40的选择晶体管50接通。然后，由列解码器/写入电路/读取电路70的列解码器选择与该存储单元40连接的两个位线，并且由列解码器/写入电路/读取电路70的写入电路通过所选择的位线向该存储单元40的磁性存储元件10施加写入电流。由此执行写入。
在执行读取的情况下，由行解码器60选择与要执行读取的存储单元40连接的字线，并且该存储单元40的选择晶体管50接通。然后由列解码器/写入电路/读取电路70的列解码器选择与该存储单元40连接的两个位线，并且由列解码器/写入电路/读取电路70的读取电路通过所选择的位线向该存储单元40的磁性存储元件10施加读取电流。然后，由列解码器/写入电路/读取电路70的读取电路检测所选择的位线之间的电位。由此执行读取。
下面描述用于在该实施例的磁性存储元件10中执行写入的方法。
在图12所示的磁性存储层16的磁化方向是向下的方向的情况下，为了将该磁化方向变成向上的方向，从磁化参考层12向着磁化参考层26施加电流。在此，向上的自旋从磁化参考层22注射到自旋过滤层18的磁性材料20中。
图14的曲线g1示出电流脉冲持续时间和用于将自旋过滤层18中的磁性材料20的磁化方向与特定方向对齐的电流密度Jc之间的关系。图14中的曲线g2示出电流脉冲持续时间和磁性存储层16的写入电流密度Jc之间的关系。曲线g1示出自旋过滤层18的磁性材料20的α为2，并且用于在脉冲持续时间等于与反向有关的初始切换时间τ0时使磁化反向的电流密度JC0为5.0×106A/cm2的情况。曲线g2示出磁性存储层16的α为100，并且用于在脉冲持续时间等于与反向有关的初始切换时间τ0时使磁化反向的电流密度JC0为1.0×106A/cm2的情况。
在从磁化参考层12流向磁化参考层26的电流的密度大约是1×106A/cm2的情况下，当电流脉冲持续时间变成5nsec或更大时，自旋过滤层18的磁性材料20的自旋方向由于磁化参考层22所施加的自旋转矩而变成向上的方向。此外，由自旋过滤层18的磁性材料20向磁性存储层16施加向上的自旋转矩，而且磁性存储层16的自旋方向从向下的方向反向为向上的方向。
在磁性存储层16的自旋方向是向下方向的情况下，为了将该磁化方向变为向上的方向，从磁化参考层26朝着磁化参考层12施加电流。如果从磁化参考层26流向磁化参考层12的电流的密度大约是1×106A/cm2，则从磁化参考层12向磁性存储层16注射下自旋(down-spin)，而且在磁性存储层16中的磁化方向变成向下的方向。
读取是通过从磁化参考层12朝着磁化参考层26施加电流来执行的。例如，在读取时间是2nsec至3nsec，而且读取电流的电流密度在磁性存储层16的磁化方向是向下的方向时大约是1×106A/cm2的情况下，自旋过滤层18的磁性材料20的自旋方向保持为不相同(varied)。因此，在读取操作期间施加给磁性存储层16的自旋转矩减小，从而可以避免在读取操作期间的不经意写入。
如上所述，在该实施例中，在读取操作期间，自旋过滤层18的磁性材料20(或磁性层20a)中的自旋方向需要保持为随机。因此，自旋过滤层18的磁性材料20(或磁性层20a)中的磁化强度应当基本上为0，此时不存在外部磁场。
而且，在该实施例中，自旋过滤层18的磁性材料20(或磁性层20a)的αtherm优选应当小于磁性存储层16的αtherm。因此，自旋过滤层18的磁性材料20比磁性存储层16更容易受到热扰动的影响。在此，自旋过滤层18的磁性材料20的αtherm1优选应当小于25，而磁性存储层16的αtherm2优选应当大于60。
而且在该实施例中，读取电流脉冲的脉冲持续时间优选应当比与反向有关的初始切换时间τ0短，而且写入电流脉冲的脉冲持续时间优选应当等于或大于与反向有关的初始切换时间τ0。
该实施例的磁性存储元件10的磁性存储层16和磁化参考层12、22、26优选应当由具有垂直磁性各向异性的磁性材料制成。磁性存储层16和磁化参考层12、22、26的实现垂直磁化的磁性材料优选具有高达5×105erg/cc或更大的磁性各向异性能量密度。这种磁性材料的具体例子如下所述。
(1)无序合金
磁性存储层16和磁化参考层12、22、26的磁性材料可以是以Co为基础包含Cr、Ta、Nb、V、W、Hf、Ti、Zr、Pt、Pd、Fe和Ni中至少一种元素的合金。例如，可以采用CoCr合金、CoPt合金、CoCrTa合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金等等。在这些合金的每一种中，可以通过增加非磁性元素的比例来调整磁性各向异性能量密度和饱和磁化。
(2)有序合金
磁性存储层16和磁化参考层12、22、26的磁性材料可以是包含Fe、Co和Ni中至少一种元素以及Pt和Pd中至少一种元素的合金，并且可以是具有L10晶体结构的有序合金。这些合金的例子包括Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Fe30Ni20Pt50、Co30Fe20Pt50、Co30Ni20Pt50。可以通过向上述任何一种有序合金添加杂质元素如Cu(铜)、Cr或Ag(银)；或这些材料的合金；或绝缘材料来将磁性各向异性能量密度和饱和磁化调整到低水平。
(3)人工晶格层
磁性存储层16和磁化参考层12、22、26可以是堆叠的层，其中Fe、Co和Ni中至少一种元素或包含该元素的磁性膜以及非磁性元素Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os或Re或包含该非磁性元素的非磁性膜交替地堆叠。具体例子包括Co/Pt人工晶格层、Co/Pd人工晶格层、CoCr/Pt人工晶格层、Co/Ru人工晶格层以及Co/Os人工晶格层。在这些人工晶格层的每一个中，可以通过向磁性层添加元素和调整磁性层与非磁性层的膜厚度之比来控制磁性各向异性能量密度和饱和磁化。
(4)铁磁材料
磁性存储层16和磁化参考层12、22、26的磁性材料可以是由稀土金属和过渡金属的合金形成的铁磁材料。例如，可以采用包含Tb(铽)、Dy(镝)、Gd(钆)中至少一种元素和过渡金属的无定形合金。这些无定形合金的具体例子包括TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo和GdTbCo。在这些合金的每一种中，可以通过调整组成来控制磁性各向异性能量密度和饱和磁化。
每一个磁性层可以具有磁性部分和非磁性部分彼此分离的结构，其中非磁性部分被隔离开。例如，这种非磁性部分可以用氧、氮或碳来形成，如SiO2、MgO、SiN或SiC。可替换地，可以采用诸如具有25at％(原子百分比)或更大的高Cr浓度的非磁性CoCr合金的合金。
用Fe、Co和Ni中的至少一种元素或包含那些合金中的一种的合金形成的磁性金属层可以作为高极化率的材料设置在隧道势垒层14和磁性层(磁性存储层16或磁化参考层12)之间与隧道势垒层14接触的界面上，从而增加磁阻(MR)率。正常情况下，这些磁性层中的每一个作为单个层都具有面内磁化。因此，需要根据堆叠的垂直磁性各向异性材料来调整磁性膜厚度比，以便不降低垂直磁化的稳定性。
在该实施例中，磁化参考层12、22、26和磁性存储层16的磁化方向垂直于膜平面。但是，该磁化方向可以平行于膜平面。在这种情况下，以下的结构是优选的。
由磁化参考层22、非磁性层24和磁化参考层26形成的堆叠膜或磁化参考层12优选是用反铁磁性层、第一铁磁性层、非磁性层和第二铁磁性层形成的堆叠膜。其它层优选是作为矫磁力高于磁性存储层16的单个层的第三铁磁性层。这些层由以下材料制成。
反铁磁性层由诸如PtMn、IrMn或FeMn的材料制成。
第一到第三铁磁性层和磁性存储层16可以由包含Fe、Co和Ni中至少一种元素的磁性金属或包含这一种元素的合金制成。可替换地，使用具有高自旋极化率的磁铁矿，或诸如CrO2或RXMnO3-Y(R是稀土金属，X是Ca、Ba或Sr)的氧化物，或Heusler合金如NiMnSb或PtMnSb。这些金属可以包含少量的非磁性元素如Ag、Cu、Au、Al、Mg、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo或Nb，只要没有失去铁磁性。
上述非磁性层和图12所示的非磁性层24优选由贵金属如Ru、Cu或Au制成。
不管磁化方向是垂直还是平行于膜平面，磁性存储层16都可以是由铁磁性层、非磁性层和铁磁性层形成的堆叠膜。在这种情况下，磁化参考层22、非磁性层24和磁化参考层26优选形成堆叠膜，而且磁化参考层12优选具有用反铁磁性层、铁磁性层、非磁性层和铁磁性层形成的堆叠结构。但是，用磁化参考层22、非磁性层24和磁化参考层26形成的堆叠膜以及磁化参考层12可以是矫磁力大于磁性存储层16的单层铁磁性层。
图12所示的自旋过滤层18的磁性材料20是上面作为磁性存储层16和磁化参考层12、22、26的材料而提到的材料。通过控制这些材料的组份比来调整磁性材料20的晶体磁性各向异性能量密度。而且，自旋过滤层18的非磁性层19优选由贵金属材料如Ru、Cu或Au制成。
图13所示的自旋过滤层18的磁性层20a由上面作为磁性存储层16和磁化参考层12、22、26的材料而提到的材料制成，而且通过控制这些材料的组份比来调整晶体磁性各向异性能量密度。同样，图13所示的自旋过滤层18的非磁性层19a和19b优选也由贵金属材料如Ru、Cu或Au制成。
可以使用各种电介质材料如AlOx(例如Al2O3)、MgOx、SiO2、AlN、Bi2O3、MgF2、CaF2、SrTiO2和AlLaO3作为隧道势垒层14的材料。这些电介质材料可以包含氧、氮或氟缺位(deficiency)。可替换地，层14可以不是隧道势垒层，而是磁阻层，如实现磁阻效应的导电金属、半金属或半导体。
图1所示第一实施例的TMR元件1的磁性存储层2和磁化参考层6的材料可以是与第二实施例的磁性存储层16和磁化参考层12、22、26相同的材料。而且，图1所示TMR元件1的隧道势垒层4可以由与第二实施例的隧道势垒层14相同的材料制成。
图11所示的第二实施例的磁性存储器可以通过用第一实施例的TMR元件1替换磁性存储元件10而变成可以利用第一实施例的驱动方法的磁性存储器。
可替换地，第一实施例的驱动方法可以用于在第二实施例的磁性存储器中执行读取和写入操作。
其它优点和变型对本领域的技术人员是显而易见的。因此，本发明在其宽泛方面不限于在此示出和描述的具体细节和代表性实施例。因此，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的总的发明构思的精神或范围的情况下可以进行各种修改。

Claims (17)

1.一种用于驱动磁性存储器的方法，该磁性存储器包括具有磁性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被固定的磁化参考层、磁化方向可变的磁性存储层、和介于磁化参考层和磁性存储层之间的隧道势垒层，所述磁性存储层的磁化方向可以通过施加电流脉冲和注射自旋极化的电子到磁性存储层中来改变，该方法包括：
施加用于在磁性存储层中写入信息的写入电流脉冲；以及
施加用于从磁性存储层读取信息的读取电流脉冲，
其中写入电流脉冲的持续时间比读取电流脉冲的持续时间长。
2.根据权利要求1的方法，其中当多次施加写入电流脉冲和读取电流脉冲时，写入电流脉冲的每次脉冲持续时间都比读取电流脉冲的每次脉冲持续时间长。
3.根据权利要求1的方法，其中读取电流脉冲的脉冲持续时间比与反向有关的初始切换时间τ0短，而写入电流脉冲的脉冲持续时间等于或大于与反向有关的初始切换时间τ0。
4.一种磁性存储器，包括：
具有磁性存储元件的存储单元，该磁性存储元件包括磁化方向被固定的磁化参考层、磁化方向可变的磁性存储层、和介于磁化参考层和磁性存储层之间的非磁性层，所述磁性存储层的磁化方向可以通过向该磁性存储层施加电流脉冲来改变；
读取电路，其产生用于从磁性存储元件读取信息的读取电流脉冲；
写入电路，其产生用于在磁性存储元件中写入信息的写入电流脉冲，该写入电流脉冲的脉冲持续时间比读取电流脉冲的脉冲持续时间长；
与磁性存储元件的一端连接的第一行，在执行写入时所述写入电流脉冲流过第一行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第一行；以及
与磁性存储元件的另一端连接的第二行，在执行写入时所述写入电流脉冲流过第二行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第二行。
5.根据权利要求4的存储器，其中当多次施加写入电流脉冲和读取电流脉冲时，写入电流脉冲的每次脉冲持续时间都比读取电流脉冲的每次脉冲持续时间长。
6.根据权利要求4的存储器，其中读取电流脉冲的脉冲持续时间比与反向有关的初始切换时间τ0短，而写入电流脉冲的脉冲持续时间等于或大于与反向有关的初始切换时间τ0。
7.根据权利要求4的存储器，其中所述磁性存储层的磁性各向异性场Hk在50Oe到5000Oe的范围内。
8.一种磁性存储元件，包括：
第一磁化参考层，其具有固定在一个方向的第一磁化反向；
磁性存储层，其具有与第一磁化方向平行的第二磁化方向，第二磁化方向可以通过注射自旋极化的电子来改变；
介于第一磁化参考层和磁性存储层之间的非磁性层；
第二磁化参考层，其设置在磁性存储层的背离非磁性层的一侧；以及
介于第二磁化参考层和磁性存储层之间的自旋过滤层。
9.根据权利要求8的元件，其中：
所述自旋过滤层包括第一和第二非磁性膜、以及由磁性材料形成并设置在第一和第二非磁性膜之间的膜；并且
所述由磁性材料形成的膜的磁性各向异性能量密度与所述由磁性材料形成的膜的体积的乘积小于所述磁性存储层的磁性各向异性能量密度与所述磁性存储层的体积的乘积。
10.根据权利要求8的元件，其中所述自旋过滤层具有粒状结构，该粒状结构具有分散在非磁性膜中的磁性材料。
11.根据权利要求9的元件，其中所述自旋过滤层中的磁性材料在不存在磁场的状态下具有基本上为0的磁化强度。
12.一种磁性存储器，包括：
包括根据权利要求8的磁性存储元件的存储单元；
读取电路，其产生用于从磁性存储元件读取信息的读取电流脉冲；
写入电路，其产生用于在磁性存储元件中写入信息的写入电流脉冲；
与磁性存储元件的一端连接的第一行，在执行写入时所述写入电流脉冲流过第一行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第一行；以及
与磁性存储元件的另一端连接的第二行，在执行写入时所述写入电流脉冲流过第二行，在执行读取时所述读取电流脉冲流过第二行。
13.根据权利要求12的存储器，其中所述写入电流脉冲的脉冲持续时间比读取电流脉冲的脉冲持续时间长。
14.根据权利要求12的存储器，其中读取电流脉冲的脉冲持续时间比与反向有关的初始切换时间τ0短，而写入电流脉冲的脉冲持续时间等于或大于与反向有关的初始切换时间τ0。
15.根据权利要求12的存储器，其中：
所述自旋过滤层包括第一和第二非磁性膜、以及由磁性材料形成并设置在第一和第二非磁性膜之间的膜；
所述由磁性材料形成的膜的磁性各向异性能量密度与所述由磁性材料形成的膜的体积的乘积小于所述磁性存储层的磁性各向异性能量密度与所述磁性存储层的体积的乘积。
16.根据权利要求12的存储器，其中所述自旋过滤层具有粒状结构，该粒状结构具有分散在非磁性膜中的磁性材料。
17.根据权利要求15的存储器，其中所述自旋过滤层中的磁性材料在不存在磁场的状态下具有基本上为0的磁化强度。
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