CN103035836B - 包含亚铁磁层的自参考磁随机存取存储器单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包含亚铁磁层的自参考磁随机存取存储器单元。MRAM单元包含磁隧道结，该磁隧道结包含：存储层，具有净存储磁化，该净存储磁化在磁隧道结处于高温阈值时可调节并且在低温阈值处被钉住；感应层，具有可逆转的感应磁化；以及感应层与存储层之间的隧道阻挡层；存储层和感应层中的至少一个包含亚铁磁3d‑4f非晶合金材料，该亚铁磁3d‑4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d过渡金属原子的亚晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亚晶格，使得在所述存储层和感应层中的至少一个的补偿温度处，第一磁化和第二磁化基本相等。可以分别使用小的写入和读取场对公开的MRAM单元进行写入和读取。

Description

包含亚铁磁层的自参考磁随机存取存储器单元
技术领域
本发明涉及使用具有低切换场的亚铁磁（ferrimagnetic）感应和/或存储层的自参考磁随机存储器（MRAM）单元。本发明还涉及用于写入MRAM单元的方法和用于读取MRAM单元的自参考方法，使得MRAM单元可以分别使用小的写入和读取场来写入和读取。
背景技术
使用所谓的自参考读取操作的磁随机存取存储器（MRAM）单元典型地包含由具有磁化（其方向可以从第一稳定方向变化成第二稳定方向）的磁存储层、薄绝缘层和具有可逆转方向的感应层形成的磁隧道结。自参考MRAM单元允许以低功耗和增加的速度执行写入和读取操作。
然而，在写入操作期间，由于在闭合磁通量配置中耦合感应层的磁化与存储层的磁化的局部磁杂散场，出现存储和感应层之间的偶极耦合。在写入操作期间切换存储层磁化则将要求应用足够高以克服偶极耦合的磁场。偶极耦合导致当应用场循环以测量存储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和感应层的厚度和磁化以及磁隧道结的尺寸。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
本公开涉及一种磁隧道结基随机存取存储器（MRAM）单元，其包含磁隧道结，该磁隧道结包含：存储层，具有净存储磁化，其在磁隧道结在高温阈值处被加热时可以从第一方向调节到第二方向并且在低温阈值处被钉住（pin）；感应层，具有在应用磁场条件下可逆转的感应磁化；以及隧道阻挡层，将感应层与存储层分离。存储层和感应层中的至少一个包含亚铁磁3d-4f非晶合金材料，该亚铁磁3d-4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d过渡金属原子的亚晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亚晶格，使得在所述存储层和感应层中的至少一个的补偿温度处，第一磁化和第二磁化基本相等。
在一个实施例中，感应层包含亚铁磁3d-4f非晶合金材料，第一磁化是第一感应磁化且第二磁化是第二感应磁化；且其中感应层的补偿温度基本对应于高温阈值。
在另一实施例中，存储层包含亚铁磁3d-4f非晶合金材料，第一磁化是第一存储磁化且第二磁化是第二存储磁化；且其中存储层的补偿温度基本对应于低温阈值。
在又一实施例中，感应层包含提供第一和第二磁化的亚铁磁3d-4f非晶合金材料，且存储层包含提供第一和第二磁化的亚铁磁3d-4f非晶合金材料，且其中存储层的补偿温度高于感应层的补偿温度。
在又一实施例中，存储层的补偿温度基本对应于低温阈值且感应层的补偿温度基本对应于高温阈值。
在又一实施例中，可以根据过渡金属3d亚晶格和稀土4f亚晶格之间的相对组分调节补偿温度。
在又一实施例中，亚铁磁材料包含合金，该合金含有Co或Fe与Gd、Sm或Tb。
本公开还涉及写入MRAM单元的方法，包含：
将磁隧道结加热到高温阈值；
一旦磁隧道结达到高温阈值，切换存储层的磁化方向以向所述存储层写入数据；
该高温阈值基本对应于补偿温度。
本公开还涉及读取MRAM单元的方法，包含：
在第一方向上对准净感应磁化；
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净感应磁化的第一方向确定；
在第二方向上对准净感应磁化；
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净感应磁化的第二方向确定；
确定第一电阻值和第二电阻值之间的差异；
在补偿温度以下的读取温度执行在第一方向和第二方向上对准净感应磁化。
可以分别使用小的写入和读取场对公开的MRAM单元进行写入和读取。
附图说明
在通过举例给出且通过图说明的实施例的描述的帮助下，将更好地理解本公开，附图中：
图1说明根据一个实施例的自参考随机存取存储器（MRAM）元件；
图2报告了根据一个实施例用作MRAM单元中的感应层或存储层的亚铁磁层的磁化的温度依赖性；以及
图3报告了由亚铁磁3d-4f非晶合金制成的存储层23的磁化的温度依赖性。
具体实施方式
图1说明根据一个实施例的自参考随机存取存储器（MRAM）元件1。MRAM单元1包含磁隧道结2，该磁隧道结2包含：具有净存储磁化230的铁磁存储层23；具有净感应磁化210的亚铁磁感应层21；以及包括在存储层23和感应层21之间的隧道阻挡层22。层25代表金属性接触电极。存储磁化230的方向可以通过使用热辅助切换（TAS）写入操作从第一稳定方向调节到第二稳定方向。换句话说，净存储磁化230在当存储层23在高温阈值处被加热时可以被调节且在低温阈值处被钉住。存储层23也可以由诸如例如钴铁（CoFe）、钴铁硼（CoFeB）、镍铁（NiFe）、钴（Co）等铁磁材料制成。在图1的实施例中，存储层23被反铁磁存储层24交换耦合。反铁磁存储层24调适为在低温阈值钉住净存储磁化230且在高温阈值释放净存储磁化230。反铁磁层24可以由诸如IrMn或FeMn的锰基合金或任意其他合适的材料制成。典型地，高温阈值高于室温，例如介于120℃和220℃之间。
隧道阻挡层22优选地由选自包含Al2O3和MgO的组的材料制成。磁隧道结2的隧穿电阻指数地依赖于绝缘层厚度且通过结的电阻-面积乘积（RA）测量。RA必须足够小以允许足够高以提升磁隧道结2（存储层23和反铁磁存储层24）的温度到高温阈值的电流流过结。感应层21可以由典型地包括铁、钴镍或其合金的低矫顽性软亚铁磁材料制成。感应层21的净感应磁化210可以容易地逆转，即，净感应磁化210可以在低和高温阈值调节。
根据一个实施例，TAS写入操作包含：
将磁隧道结2加热到高温阈值；
一旦磁隧道结2达到高温阈值，切换净存储磁化230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，从而将净存储磁化230冻结在写入状态中。
加热磁隧道结2可以包含例如经由电流线5（如图1的实施例中表示）应用流过磁隧道结2的加热电流31。高温阈值可以对应于高于阻断温度TBS的温度，在这种情况下，反铁磁存储层24和存储层23之间的交换耦合消失且不再被钉住的净存储磁化230可以被自由调节。切换净存储磁化230可以包含应用外部写入磁场42，净存储磁化230则根据应用的磁场42的方向在一个取向中切换。可以通过在与磁隧道结2（在图1的实施例中表示）通信的场线4中使写入电流通过而应用写入磁场42。场线典型地布置在磁隧道结2的顶部上或下方。低温阈值可以对应于低于反铁磁层24的阻断温度TBS的温度，在这种情况下，反铁磁层24钉住净存储磁化230。冷却磁隧道结2可以包含例如在磁隧道结2达到高温阈值之后阻止加热电流31。
在一个实施例中，MRAM单元1的自参考读取操作包含第一读取循环，该第一读取循环包含应用第一读取磁场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净感应磁化210。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通过而应用第一读取磁场52。通过使感应电流32通过磁隧道结2，净感应磁化210的第一方向然后与切换的净存储磁化230（写入的数据）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。在净感应磁化210基本平行于存储磁化230而被对准的情况中，第一电阻值R1小（R1=Rmin）。另一方面，当净感应磁化210基本反平行于存储磁化230而被对准时，测量的第一电阻值为高（R1=Rmax）。
第一电阻值R1可以与参考电阻进行比较，该参考电阻典型地处于Rmin和Rmax中间（如专利申请EP2276034中所描述）。优选地，MRAM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应用第二读取磁场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净感应磁化210。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通过而应用第二读取磁场54。通过使感应电流32通过磁隧道结2，净感应磁化210的第二方向然后与切换的存储磁化230进行比较。当感应电流32通过磁隧道结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。写入数据然后可以通过第二电阻值R2和在第一读取循环中测量的第一电阻值R1之间的差异确定。第一和第二电阻值R1、R2之间的差异也被称为磁隧道磁阻或磁阻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阻ΔR。
在高温阈值处的写入操作期间，存储层23不再与反铁磁层24交换耦合，且可以自由地调节存储磁化230。然而，由于净感应磁化210，存储层23与感应层21的偶极耦合可以引发耦合存储层23和感应层21的局部磁杂散场（未示出）。取决于杂散场的值且因而取决于净感应磁化210的值，存储磁化230可以通过耦合而被钉住，阻止MRAM单元1的写入。换句话说，除非应用的写入磁场42的量值增加，应用的写入磁场42不能克服由感应层21进行的对存储层23的偶极耦合。
净存储磁化230还可以引发耦合存储层23与感应层21的局部磁杂散场（同样未示出）。在读取操作期间，由于存储磁化230引起的存储层23和感应层21的这种偶极耦合，可能需要第一和第二读取磁场52、54的增加的量值。
在一个实施例中，感应层21包含亚铁磁3d-4f非晶合金。可以通过在3d过渡金属和4f稀土材料之间选择合适的元素和相对组分提供亚铁磁3d-4f非晶合金。在MRAM器件中使用的这种亚铁磁3d-4f非晶材料在用于与此处公开的目的不同的目的的文档EP2232495A1中描述。更具体而言，感应层21的亚铁磁3d-4f非晶合金包含提供第一感应磁化（此处为第一感应磁化211）的3d过渡金属原子的亚晶格以及提供第二磁化（此处为第二感应磁化212）的4f稀土原子的亚晶格。感应层21的净感应磁化210因而是第一感应磁化211和第二感应磁化212的矢量和。图2报告了由亚铁磁3d-4f非晶合金制成的感应层21的磁化的温度依赖性。更具体而言，该图报告了作为温度的函数的3d过渡金属原子的亚晶格的第一感应磁化211的绝对值以及4f过渡金属原子的亚晶格的第二感应磁化212的绝对值。还报告了作为温度的函数的净感应磁化210。在图2的示例中，3d过渡金属亚晶格和4f稀土材料亚晶格的相应组分被选择为使得第一感应磁化211反平行于第二感应磁化212而取向。在感应层21的补偿温度TCOMP，第一感应磁化211和第二感应磁化212具有基本相等的幅度和相反的符号。在这些条件下，第一和第二感应磁化212、212被补偿且净感应磁化210变得基本为零。
在补偿温度TCOMP以下，第二感应磁化212变得大于第一感应磁化211，且净感应磁化210在第二感应磁化212的方向上取向。相反，在高于补偿温度TCOMP的温度，第一感应磁化211大于第二感应磁化212，且净感应磁化210在第一感应磁化211的方向上取向。当温度增加到感应层21的居里温度TCW或以上时，温度波动使得净感应磁化210变得基本为零且感应层21变成顺磁的。在图2中还示出了感应层21的矫顽场Hw。在补偿温度TCOMP，矫顽场Hw发散且理论地增加到无限。在补偿温度TCOMP的任一侧，当温度靠近补偿温度TCOMP时，矫顽场Hw更加快速地降低。
在优选实施例中，感应层21的补偿温度TCOMP基本对应于高温阈值。在高温阈值处的写入操作期间，净存储磁化210基本为零，且不出现由存储层21进行的对感应层23的耦合。因此，可以使用具有小量值的应用写入磁场42容易地切换感应磁化230。
在低于补偿温度TCOMP的读取温度Tread执行读取操作。读取温度Tread对应于低温阈值，在该低温阈值，存储磁化230被反铁磁层24钉住，使得第一和第二读取磁场52、54不能切换存储磁化230。在读取操作期间，存储磁化230被反铁磁层24钉住，使得它不能通过第一和第二读取磁场52、54切换。
优选地，亚铁磁层3d-4f非晶合金包含含有Co或Fe与Gd、Sm或Tb的合金，该合金诸如例如是GdCo、SmCo或TbFeCo。可以根据亚铁磁材料合金组分调节补偿温度TCOMP。例如，可以通过选择3d过渡金属和4f稀土材料之间的相对组分调节补偿温度TCOMP。
此处公开的MRAM单元1和写入操作方法的优势在于，在写入操作期间，由于在补偿温度TCOMP处的低或零的杂散场，可以使用具有低量值的写入磁场42切换存储磁化230。此外，在读取操作期间，因为净感应磁化210可以容易地逆转，第一和第二读取磁场52、54的量值可以很小。
在另一实施例中，存储层23包含亚铁磁3d-4f非晶合金。更具体而言，存储层23的亚铁磁3d-4f非晶合金包含提供第一存储磁化（此处为第一存储磁化231）的3d过渡金属原子的亚晶格以及提供第二磁化（此处为第二存储磁化232）的4f稀土原子的亚晶格。存储层23的净存储磁化230因而是第一存储磁化231和第二存储磁化232的矢量和。图3报告了由亚铁磁3d-4f非晶合金制成的存储层23的磁化的温度依赖性。更具体而言，该图报告了作为温度的函数的3d过渡金属原子的亚晶格的第一存储磁化231的绝对值以及4f过渡金属原子的亚晶格的第二存储磁化232的绝对值。还报告了作为温度的函数的净存储磁化230。在图3的示例中，3d过渡金属亚晶格和4f稀土材料亚晶格的相应组分被选择为使得第一存储磁化231反平行于第二感应磁化232取向。在存储层23的补偿温度TCOMP，第一存储磁化231和第二存储磁化232具有基本相等的幅度和相反的符号且被补偿以使得净存储磁化230变得基本为零。
亚铁磁存储层23的补偿温度TCOMP可以被调节以使得它基本对应于读取温度Tread（或低温阈值）。在读取温度Tread（低温阈值）执行读取操作期间，净存储磁化230变得基本为零，使得不出现由存储层23进行的对感应层21的耦合。因此，可以使用具有较低量值的第一和第二读取磁场52、54切换净感应磁化210。
在又一实施例中，感应层21和存储层23均包含亚铁磁3d-4f非晶合金。此处，感应层21包含第一和第二感应磁化211、212且存储层23包含第一和第二存储磁化231、232。存储层23和感应层21的亚铁磁3d-4f非晶合金可以布置为使得存储层23的补偿温度TCMOP大于感应层21的补偿温度TCOMP。在一个优选实施例中，存储层23的补偿温度TCOMP基本对应于读取温度Tread（或低温阈值）且感应层21的补偿温度TCOMP基本对应于高温阈值。
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
210 净感应磁化
211 第一感应磁化
212 第二感应磁化
22 隧道阻挡层
23 存储层
24 反铁磁存储层
25 电极
230 净存储磁化
231 第一存储磁化
232 第二存储磁化
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
52 第一读取磁场
54 第二读取磁场
HW 矫顽场
TCOMP 补偿温度
Tread 读取温度。

Claims (9)

1.一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：存储层，具有净存储磁化，该净存储磁化在磁隧道结处于高温阈值时可以从第一方向调节到第二方向并且其在低温阈值处被钉住；感应层，具有可逆转的净感应磁化；以及隧道阻挡层，将感应层与存储层分离；
存储层和感应层中的至少一个包含亚铁磁3d-4f非晶合金材料，该亚铁磁3d-4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d过渡金属原子的亚晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亚晶格，使得在所述存储层和感应层中的至少一个的补偿温度处，第一磁化和第二磁化基本相等。
2.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中
感应层包含该亚铁磁3d-4f非晶合金材料，第一磁化是第一感应磁化且第二磁化是第二感应磁化；且其中感应层的补偿温度基本对应于该高温阈值。
3.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中
存储层包含该亚铁磁3d-4f非晶合金材料，第一磁化是第一存储磁化且第二磁化是第二存储磁化；且其中存储层的补偿温度基本对应于该低温阈值。
4.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中
感应层包含提供第一和第二磁化的亚铁磁3d-4f非晶合金材料，且存储层包含提供第一和第二磁化的亚铁磁3d-4f非晶合金材料，且其中存储层的补偿温度高于感应层的补偿温度。
5.根据权利要求4所述的MRAM单元，其中
存储层的补偿温度基本对应于该低温阈值且感应层的补偿温度基本对应于该高温阈值。
6.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中
可以根据过渡金属3d亚晶格和稀土4f亚晶格之间的相对组分调节补偿温度。
7.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中
亚铁磁3d-4f非晶合金材料包含合金，该合金含有Co或Fe与Gd、Sm或Tb。
8.一种用于写入MRAM单元的方法，该MRAM单元包含磁隧道结，该磁隧道结包含：存储层，其具有净存储磁化，该净存储磁化在磁隧道结处于高温阈值时可以从第一方向调节到第二方向并且在低温阈值处被钉住；感应层，具有可逆转的净感应磁化；以及隧道阻挡层，将感应层与存储层分离；存储层和感应层中的至少一个包含亚铁磁3d-4f非晶合金材料，该亚铁磁3d-4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d过渡金属原子的亚晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亚晶格，使得在所述存储层和感应层中的至少一个的补偿温度处，第一磁化和第二磁化基本相等，该方法包含：
将磁隧道结加热到高温阈值；
一旦磁隧道结已达到高温阈值，切换存储层的磁化方向以向所述存储层写入数据；
该高温阈值基本对应于补偿温度。
9.一种用于读取MRAM单元的方法，该MRAM单元包含磁隧道结，该磁隧道结包含：存储层，其具有净存储磁化，该净存储磁化在磁隧道结处于高温阈值时可以从第一方向调节到第二方向并且在低温阈值处被钉住；感应层，具有可逆转的净感应磁化；以及隧道阻挡层，将感应层与存储层分离；存储层和感应层中的至少一个包含亚铁磁3d-4f非晶合金材料，该亚铁磁3d-4f非晶合金材料包含提供第一磁化的3d过渡金属原子的亚晶格和提供第二磁化的4f稀土原子的亚晶格，使得在所述存储层和感应层中的至少一个的补偿温度处，第一磁化和第二磁化基本相等，该方法包含：
在第一方向上对准净感应磁化；
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净感应磁化的第一方向确定；
在第二方向上对准净感应磁化；
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净感应磁化的第二方向确定；
确定第一电阻值和第二电阻值之间的差异；以及
在补偿温度以下的读取温度执行在第一方向和第二方向上对准净感应磁化。
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