CN103035280B - 磁随机存取存储器单元、用于对其进行读取和写入的方法 - Google Patents

磁随机存取存储器单元、用于对其进行读取和写入的方法 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

磁随机存取存储器单元、用于对其进行读取和写入的方法
技术领域
本发明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。
背景技术
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（Rmax），对应于低逻辑状态“0”。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“1”。通过将MRAM单元的电阻状态与参考电阻Rref（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“1”的磁隧道结电阻和低逻辑状态“0”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TBR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TBR。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TBR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。
发明内容
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耦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50Oe。
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40Oe与约50Oe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130Oe与约160Oe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80Oe。
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50Oe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20Oe。
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40Oe与约50Oe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1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，该合成铁磁多层包含具有第一存储磁化234的第一铁磁层231和具有第二存储磁化235的第二铁磁层232，该第一和第二铁磁层231、232通过间隔层233分离。铁磁层231和232可以由诸如例如钴铁（CoFe）、钴铁硼（CoFeB）、镍铁（NiFe）、钴（Co）等材料制成。第一和第二铁磁层231、232的厚度例如可以包含在1nm和10nm之间。
间隔层233的尺度（例如厚度）可以选择为促使第一和第二铁磁层231和232磁耦合，使得第一存储磁化234反平行于第二磁化235而取向。厚度可以依赖于形成间隔层233的材料。例如，间隔层233可以由选自包含以下成员的组的非磁性材料制备：例如钌（Ru）、铼（Re）、铑（Rh）、碲（Te）、钇（Y）、铬（Cr）、铱（Ir）、银（Ag）、铜（Cu）等。在一个实施例中，厚度可以介于约0.2nm和3nm之间。然而，其他厚度可以适于耦合两个铁磁层231和232。
在图1的示例性配置中，合成存储层23与反铁磁层24交换耦合，从而在低温阈值处钉住第一铁磁层231的第一存储磁化234且在第二高温阈值处释放它。反铁磁层24可以由诸如IrMn、PtMn或FeMn的锰基合金或任何其他合适材料制成。
磁隧道结2还包含具有可逆转的感应磁化211的感应层21以及从存储层23分离感应层21的隧道阻挡层22。感应层21可以由NiFe基合金而不是CoFeB基合金制成以获得较低的切换场。感应层21不被交换偏置且其磁化具有例如由于热激发而可以自由变化的方向，且因而其磁化可以在磁场中自由对准。隧道阻挡层22是典型地处于纳米范围的薄层且例如可以由诸如氧化铝或氧化镁之类的任何合适绝缘材料制成。在图1中，层25表示电极。
在一个实施例中，合成存储层23即第一和第二铁磁层231、232具有基本平行于感应层21的磁晶各向异性而取向的磁晶各向异性。此外，合成存储层23的磁晶各向异性还可以基本平行于第一读取磁场51的方向。
可能在存储层23和感应层21之间出现偶极耦合。这种偶极耦合由第一存储磁化234引发的第一局部磁杂散场55和第二存储磁化235引发的第二局部磁杂散场56导致。图2表示在闭合磁通量配置中耦合第一和第二存储磁化234、235与感应层21的感应磁化211的第一和第二局部磁杂散场55、56。偶极耦合或净局部磁杂散场的量值对应于第一和第二局部磁杂散场55、56的总和。进而，第一局部磁杂散场55的量值依赖于第一存储磁化234且第二局部磁杂散场56的量值依赖于第二存储磁化235。第一存储磁化234随着第一铁磁层231的厚度t1变化且第二存储磁化235随着第二铁磁层232的厚度t2变化。例如也可以通过选择具有各种自发磁化的磁性材料来改变第一和第二存储磁化234、235，这些磁性材料诸如但不排他地是Fe、Co、Ni及其合金，诸如FeCo、NiFe、FeCoB、FeCoNi或FeCoCr。由于第一和第二铁磁层231、232之间的反平行耦合，第一和第二存储磁化234、235在相反的方向上取向。耦合感应层21的净局部磁杂散场则将对应于两个局部磁杂散场55、56之间的差异。
根据一个实施例，热辅助切换（TAS）写入操作包含：
将磁隧道结2加热到一高温阈值；
一旦磁隧道结2达到高温阈值，将第一和第二存储磁化234、235切换到写入状态（写入数据）中；以及
将磁隧道结2冷却到低温阈值，从而将第一和第二存储磁化234、235冻结在写入状态中。
更具体而言，可以经由电流线5施加经过磁隧道结2的加热电流31来加热磁隧道结2。磁隧道结2可以被加热到高于临界温度TC的高温阈值，在这种情况下反铁磁层24和第一铁磁层231之间的交换耦合消失且第一存储磁化234不再被钉住。同时或在短时延迟之后，一旦磁隧道结2达到该高温阈值，施加外部写入磁场42，从而根据写入磁场42切换第一和第二存储磁化234、235。具体而言，第一存储磁化234和第二存储磁化235中的较大者将被写入磁场42对准。在高温阈值处，由于间隔层233，第一和第二铁磁层231、232保持磁耦合，且第二存储磁化235保持反平行于第一存储磁化234。可以使用写入磁场42执行切换第一和第二存储磁化234、235，该写入磁场42具有典型地包含在约130Oe和约160Oe之间的量值。
在磁隧道结2的温度达到高温阈值之后，加热电流31可以被阻止以冷却磁隧道结2。写入磁场42可以在磁隧道结2的冷却期间维持且一旦磁隧道结2达到反铁磁层24的临界温度TC以下的低温阈值则截止，在这种情况下第一存储磁化234被冻结在写入（或切换）状态。由于与间隔层233的磁耦合，第二存储磁化235反平行于第一存储磁化234取向。可以通过在与磁隧道结2通信的场线4中使写入电流41经过来施加写入磁场42。场线典型地布置在磁隧道结2的顶部上或其下方。
备选地，切换存储磁化231可以包含使得旋转极化电流（未示出）在磁隧道结2中经过，存储磁化231然后根据旋转极化的电流极性切换。
MRAM单元1中写入的数据因而由相对于感应磁化211的取向的存储层的切换磁化（此处为第二铁磁层232的切换的第二存储磁化235）的取向决定。如上面所讨论，低逻辑状态“0”数据对应于磁隧道结2的低电阻（Rmin）且高逻辑状态“1”数据对应于磁隧道结2的高电阻（Rmax）。
在另一实施例中，通过施加外部写入磁场234执行切换第一存储磁化234，该外部写入磁场234具有这一量值：该量值使得根据写入磁场42的方向在一方向上使得感应磁化211饱和。饱和的感应层21进而引发局部感应磁杂散场60，该局部感应磁杂散场60在闭合磁通量配置（见图2）中引发感应磁化211与第一和第二存储磁化234、235之间的耦合。更具体而言，在第二存储磁化235大于第一存储磁化234的情况中，例如，当第二铁磁层232的厚度t2大于第一铁磁层231的厚度t1时（见图4(a)），第二存储磁化235根据局部感应磁杂散场60切换。由于与间隔层233的磁耦合，第一存储磁化234变得与第二存储磁化235反平行取向（或切换）。备选地，在第一存储磁化234大于第二存储磁化235的情况中，例如，当第一铁磁层231的厚度t1大于第二铁磁层232的厚度t2时（见图4(b)），第一存储磁化234根据局部感应磁杂散场60切换。同样，由于与间隔层233的磁耦合，第二存储磁化235与第一存储磁化234反平行取向。因为第一和第二铁磁层231、232与感应层21之间的距离小、典型地处于纳米范围内，所以与使用由场线4产生的写入磁场42耦合相比，第一和第二铁磁层231、232更有效地与感应磁化211耦合。
感应磁化211以及因而局部感应磁杂散场60的量值也可以随着感应层21的厚度ts变化。例如，感应磁化211可以随着感应层21的厚度ts的增加而增加。在一个实施例中，感应层21的厚度ts使得感应磁化211大于第一和第二存储磁化234、235的总和，即净存储磁化。优选地，感应层21的厚度ts使得为使感应磁化211饱和所需的写入磁场42的量值可以低于约80Oe。通过为感应层21提供呈现大自发磁化的材料可以进一步增加局部感应磁杂散场60的量值。此外，通过提供具有小各向异性的感应层21可以进一步减小为使感应磁化211饱和所需的写入磁场42的量值。通过在允许感应层21薄膜中的最小各向异性的条件下沉积感应层21可以实现具有小各向异性的感应层21。诸如图3中所示，通过沉积具有基本圆形形状（圆形构图）的感应层21也可以获得这种最小各向异性。更具体而言，图3表示合成存储层23的顶视图，示出第一存储磁化234反平行于第二存储磁化235而取向，且各向异性轴70对应于第一和第二铁磁层231、232的易轴。
MRAM单元1的读取操作包含第一读取循环，该第一读取循环包含施加第一读取磁场52，该第一读取磁场52调适为根据第一读取磁场52的第一取向在第一方向上对准感应磁化211。可以通过在场线4中使具有第一极性的第一读取场电流51经过来施加第一读取磁场52。通过使得感应电流32经过磁隧道结2，感应磁化211的第一方向然后与第二存储磁化235进行比较。磁隧道结2两端测量的电压得出磁隧道结2的相应第一电阻值R1。在感应磁化211基本平行于第一存储磁化235对准的情况下，第一电阻值R1小（R1=Rmin）。另一方面，当感应磁化211基本反平行于第二存储磁化235对准时，测量的第一电阻值高（R1=Rmax）。如专利申请EP2276034中所描述，第一电阻值R1可以与参考电阻进行比较，参考电阻典型地处于Rmin和Rmax中间。
优选地，MRAM基单元1的读取操作还包含第二读取循环，该第二读取循环包含施加第二读取磁场54，该第二读取磁场54调适为根据第二读取磁场54的第二取向在与第一方向相对的第二方向上对准感应磁化211。可以通过在场线4中使具有第二极性的第二读取场电流53来施加第二读取磁场54。通过使得感应电流32经过磁隧道结2，感应磁化211的第二方向然后与第二存储磁化235进行比较。当感应电流32经过磁隧道结2时测量磁隧道结2两端的电压得出磁隧道结2的相应第二电阻值R2。
在MRAM单元1中写入的写入数据则由第二电阻值R2和在第一读取循环中测量的第一电阻值R1之间的差异决定。第一和第二电阻值R1、R2之间的差异也被称为磁隧道磁致电阻或磁致电阻ΔR。存储的第一电阻值R1和第二电阻值R2之间的差异可以得出负或正磁致电阻ΔR。
在一个实施例中，第一铁磁层231的厚度t1和第二铁磁层232的厚度t2选择为使得耦合存储层23与感应层21的净局部磁杂散场（或简单地在下文中称为：耦合感应层21的净局部磁杂散场）约为50Oe或以下。
在另一实施例中，第一铁磁层231的厚度t1和第二铁磁层232的厚度t2选择为使得第一局部磁杂散场55与第二局部磁杂散场56相比具有基本相同的幅度。在这种情况中，耦合感应层21的净局部磁杂散场基本为零。在缺少净局部磁杂散场时，感应层21的切换场即切换感应磁化211所需的第一和第二读取磁场52、54的量值减小。例如，第一和第二读取磁场52、54的量值可以低至约20Oe。通过使用诸如NiFe基合金的软磁材料或具有低矫顽性可以进一步减小第一和第二读取磁场52、54的量值。此外，通过为感应层21提供小各向异性（例如，具有基本圆形形状的感应层21）可以进一步减小第一和第二读取磁场52、54的量值。然而，具有减小的切换场的感应层21导致第一存储层231需要写入磁场42来具有切换其第一存储磁化234的增加量值。
在又一实施例中，第一铁磁层231的厚度t1和第二铁磁层232的厚度t2选择为使得耦合感应层21的净局部磁杂散场小但不为零。例如，耦合感应层21的净局部磁杂散场可以包含在约40Oe与约50Oe之间。因为第一和第二局部磁杂散场55、56的量值分别依赖于第一和第二铁磁层231、232的厚度t1、t2，可以通过选择合适的第一铁磁层231的厚度t1和第二铁磁层232的厚度t2控制所得的局部磁杂散场的方向。图4(a)示出磁隧道结2的配置，其中第二铁磁层232的厚度t2大于第一铁磁层231的厚度t1，导致较大的第二存储磁化235和较大的第二局部磁杂散场56。图4(b)示出另一种配置，其中第一铁磁层231的厚度t1大于第二铁磁层232的厚度t2，导致较大的第一存储磁化245和较大的第一局部磁杂散场55。
在这种情况中，第二读取循环可以包含比较在第一读取循环中测量的第一电阻值R1和在缺少施加的读取磁场（例如，第二读取磁场54基本为零）时磁隧道结2的第二电阻值R2。换句话说，第二读取循环包含根据源于第一和第二局部磁杂散场55、56的净局部磁杂散场切换感应磁化211。感应磁化211根据所得的局部磁杂散场的方向或根据具有最高量值的第一或第二局部磁杂散场55、56基本平行取向。如上面所讨论，然后可以通过选择第一和第二铁磁层231、232的厚度t1、t2决定感应磁化211的方向。取决于平行于或反平行于第二存储磁化235的感应磁化211的取向，第二电阻值R2将分别为最小值或最大值。在缺少第二读取磁场54时执行的读取操作允许较低功耗且还不需要参考电阻。
在未示意的另一实施例中，存储层23仅包含第一铁磁层231。在读取操作期间，第一铁磁层231可以引发耦合第一铁磁层231与感应层21的第一局部磁杂散场55。第一局部磁杂散场55的量值依赖于第一存储磁化234和第一铁磁层231（或存储层23）的厚度。在一个实施例中，第二读取循环包含在缺少施加的读取磁场时测量第二电阻值R2。换句话说，第二读取循环包含通过第一铁磁层231引发的第一局部磁杂散场55在第二方向上对准感应磁化211。感应磁化211然后将平行于第一局部磁杂散场55的方向而取向。
磁存储器设备（未示意）可以包含成行成列布置的多个MRAM单元1。磁存储器设备还可以包含沿着行连接MRAM单元1的一个或多个场线4以及沿着列耦合到MRAM单元1的一个或多个电流线5。磁存储器设备还可以包含设备封装，该多个MRAM单元1布置在设备封装内。
参考数字
1磁随机存取存储器（MRAM）单元
2磁隧道结
21感应层
211感应磁化
22隧道阻挡层
23合成存储层
231第一铁磁层
232第二铁磁层
233间隔层
234第一存储磁化
235第二存储磁化
24反铁磁层
25电极
31加热电流
32感应电流
4场线
41写入电流
42写入磁场
5电流线
51第一读取场电流
52第一读取磁场
53第二读取场电流
54第二读取磁场
55第一局部磁杂散场
56第二局部磁杂散场
60感应磁杂散场
70各向异性轴
R1第一电阻值
R2第二电阻值
TC临界温度
t1第一铁磁层的厚度
t2第二铁磁层的厚度
ts感应层的厚度。

Claims (15)

1.一种包含磁隧道结的磁随机存取存储器单元，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铁磁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50Oe。
2.根据权利要求1所述的磁随机存取存储器单元，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所述的磁随机存取存储器单元，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40Oe与50Oe之间。
4.根据权利要求1所述的磁随机存取存储器单元，其中感应层具有基本圆形的形状。
5.一种包含多个磁随机存取存储器单元的磁存储器设备，每个磁随机存取存储器单元包含磁隧道结，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铁磁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；
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50Oe。
6.一种用于对包含磁隧道结的磁随机存取存储器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铁磁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；
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50Oe；
该方法包含：
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。
7.根据权利要求6所述的方法，其中施加量值包含在130Oe与160Oe之间的写入磁场。
8.根据权利要求6所述的方法，其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；第一和第二存储磁化根据由饱和感应磁化引发的局部感应磁杂散场进行切换。
9.根据权利要求8所述的方法，其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。
10.根据权利要求9所述的方法，其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80Oe。
11.一种用于对包含磁隧道结的磁随机存取存储器单元进行读取的方法，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铁磁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；
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50Oe；
该方法包含：
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50Oe或以下的量值的第二读取磁场。
12.根据权利要求11所述的方法，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。
13.根据权利要求12所述的方法，其中第一和第二读取磁场的量值为20Oe。
14.根据权利要求11所述的方法，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40Oe与50Oe之间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中第二读取磁场基本为零。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2608208B1 (en) * 2011-12-22 2015-02-11 Crocus Technology S.A. Self-referenced MRAM cell and method for writing the cell using a spin transfer torque write operation
EP2615610B1 (en) * 2012-01-16 2016-11-02 Crocus Technology S.A. Mram cell and method for writing to the mram cell using a thermally assisted write operation with a reduced field current
EP2736045B1 (en) * 2012-11-27 2016-09-21 Crocus Technology S.A. Magnetic random access memory (MRAM) cell with low power consumption
EP2741296B1 (en) * 2012-12-07 2019-01-30 Crocus Technology S.A. Self-referenced magnetic random access memory (MRAM) and method for writing to the MRAM cell with increased reliability and reduced power consumption
EP2775480B1 (en) * 2013-03-07 2018-11-14 Crocus Technology S.A. Self-referenced TAS-MRAM cell that can be read with reduced power consumption
US20150129946A1 (en) * 2013-11-13 2015-05-14 International Business Machines Corporation Self reference thermally assisted mram with low moment ferromagnet storage layer
EP2905783B1 (en) 2014-02-06 2018-09-19 Crocus Technology S.A. Method for writing to a multibit TAS-MRAM device configured for self-referenced read operation with improved reproducibly
EP2958108B1 (en) 2014-06-17 2019-08-28 CROCUS Technology Self-referenced multibit MRAM cell having a synthetic antiferromagnetic storage layer
EP2966453B1 (en) * 2014-07-11 2018-10-31 Crocus Technology MLU based accelerometer using a magnetic tunnel junction
EP3045928B1 (en) * 2015-01-16 2017-07-12 Crocus Technology Magnetic logic unit (MLU) cell for sensing magnetic fields with improved programmability and low reading consumption
KR20170064018A (ko) * 2015-11-30 2017-06-09 에스케이하이닉스 주식회사 전자 장치
US10672976B2 (en) * 2017-02-28 2020-06-02 Spin Memory, Inc. Precessional spin current structure with high in-plane magnetization for MRAM
KR102097204B1 (ko) 2018-05-04 2020-04-03 한양대학교 산학협력단 다중 기준 저항 레벨을 적용하는 자기 저항 메모리 소자 및 이에 있어서 최적 기준 저항 레벨을 선택하는 방법
GB2576174B (en) * 2018-08-07 2021-06-16 Ip2Ipo Innovations Ltd Memory
CN111370573B (zh) * 2018-12-26 2021-12-24 中电海康集团有限公司 磁存储单元及sot-mram存储器
US11894029B1 (en) * 2022-10-27 2024-02-06 Globalfoundries Singapore Pte. Ltd. Spiking neural network hardware based on magnetic-tunnel-junction layer stacks

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101226769A (zh) * 2007-01-19 2008-07-23 索尼株式会社 存储元件和存储器

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3234814B2 (ja) * 1998-06-30 2001-12-04 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置
US6693826B1 (en) * 2001-07-30 2004-02-17 Iowa State University Research Foundation, Inc. Magnetic memory sensing method and apparatus
US6538917B1 (en) * 2001-09-25 2003-03-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Read methods for magneto-resistive device having soft reference layer
FR2832542B1 (fr) 2001-11-16 2005-05-06 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique a jonction tunnel magnetique, memoire et procedes d'ecriture et de lecture utilisant ce dispositif
DE10158795B4 (de) * 2001-11-30 2005-12-22 Infineon Technologies Ag Magnetoresistive Speicherzelle mit dynamischer Referenzschicht
US6850433B2 (en) * 2002-07-15 2005-02-01 Hewlett-Packard Development Company, Lp. Magnetic memory device and method
JP5015600B2 (ja) * 2003-10-14 2012-08-29 エージェンシー フォー サイエンス，テクノロジー アンド リサーチ 磁気メモリデバイス
US7408802B2 (en) * 2003-10-31 2008-08-05 Agency For Science, Technology And Research Nano-contacted magnetic memory device
US7023724B2 (en) * 2004-01-10 2006-04-04 Honeywell International Inc. Pseudo tunnel junction
US20060114616A1 (en) * 2004-11-30 2006-06-01 Tdk Corporation Film and method for producing nano-particles for magnetoresistive device
JP5077802B2 (ja) * 2005-02-16 2012-11-21 日本電気株式会社 積層強磁性構造体、及び、ｍｔｊ素子
JP2007053143A (ja) * 2005-08-15 2007-03-01 Sony Corp 記憶素子、メモリ
US20090303779A1 (en) * 2008-06-05 2009-12-10 Young-Shying Chen Spin Torque Transfer MTJ Devices with High Thermal Stability and Low Write Currents
US20100091564A1 (en) * 2008-10-10 2010-04-15 Seagate Technology Llc Magnetic stack having reduced switching current
US8289756B2 (en) * 2008-11-25 2012-10-16 Seagate Technology Llc Non volatile memory including stabilizing structures
EP2276034B1 (en) * 2009-07-13 2016-04-27 Crocus Technology S.A. Self-referenced magnetic random access memory cell
US8558331B2 (en) * 2009-12-08 2013-10-15 Qualcomm Incorporated Magnetic tunnel junction device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101226769A (zh) * 2007-01-19 2008-07-23 索尼株式会社 存储元件和存储器

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Publication number Publication date
JP2013093558A (ja) 2013-05-16
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US20130077390A1 (en) 2013-03-28
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