CN103165171A - 包括合成存储层的自参考磁随机存取存储器元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包括合成存储层的自参考磁随机存取存储器元件。本发明涉及一种包括磁隧道结的MRAM元件，该磁隧道结包括：存储层，感测层，以及包含在存储层与感测层之间的隧道势垒层；存储层包括具有第一存储磁化的第一磁性层；具有第二存储磁化的第二磁性层；以及非磁性耦合层，将第一和第二磁性层分开，使得第一存储磁化与第二存储磁化基本上反平行；第一和第二磁性层被布置成使得：在读温度处，第一存储磁化基本上等于第二存储磁化；并且在高于读温度的写温度处，第二存储磁化大于第一存储磁化。所公开的MRAM元件当在低温下冷却磁隧道结时产生低杂散场。
Description
技术领域
本公开涉及一种包括具有带有磁化的合成存储层的磁隧道结的磁随机存取存储器(MRAM)元件，所述磁化当在高温下加热磁隧道结时可以被容易地调节并且当在低温下冷却磁隧道结时产生低杂散场。本公开也涉及一种用于写MRAM元件的热辅助方法。
背景技术
使用所谓的自参考读操作的MRAM单元典型地包括磁隧道结，该磁隧道结由具有其方向可以从第一稳定方向改变为第二稳定方向的磁化的磁存储层、薄绝缘层以及具有可反转方向的感测层形成。自参考MRAM单元允许以低的功耗和增加的速度执行写和读操作。
然而，在读操作期间，由于局部杂散磁场而在存储层与感测层之间发生偶极耦合，从而在封闭的磁通量配置中将感测层的磁化与存储层的磁化耦合。于是，在读操作期间切换感测层磁化将要求施加高得足以克服偶极耦合的磁场。当施加场循环以测量感测层的磁滞回线时，偶极耦合导致磁滞回线的移位(或偏置)。该偶极耦合取决于存储层和感测层的厚度和磁化以及取决于磁隧道结的尺寸。特别地，偶极耦合随着磁隧道结直径的减小而增加，并且因而在缩小MRAM单元时可能变成主要的问题。
发明内容
本公开涉及一种包括磁隧道结的随机存取存储器(MRAM)元件，该磁隧道结包括：存储层；感测层；以及包含在存储层与感测层之间的隧道势垒层；存储层包括：具有第一存储磁化的第一磁性层；具有第二存储磁化的第二磁性层；以及非磁性耦合层，将第一和第二磁性层分开，使得第一存储磁化与第二存储磁化基本上反平行；第一和第二磁性层被布置成使得：在读温度处，第一存储磁化基本上等于第二存储磁化；并且在高于读温度的写温度处，第二存储磁化大于第一存储磁化。
在一个实施例中，第一磁性层可以包括具有第一居里温度的第一铁磁层，并且第二磁性层可以包括具有比第一居里温度更高的第二居里温度的第二铁磁层。
在另一个实施例中，写温度可以包括在第一和第二居里温度之下。
在又一个实施例中，写温度可以包括在第一居里温度之上和第二居里温度之下。
在又一个实施例中，第一磁存储层可以包括亚铁磁性非晶态合金，该亚铁磁性非晶态合金包括提供3d存储磁化的过渡金属原子亚晶格以及提供与3d存储磁化反平行的4f存储磁化的稀土原子亚晶格；第一存储磁化相应于3d存储磁化和4f存储磁化的矢量和。
在又一个实施例中，稀土亚晶格可以具有第一居里温度，并且过渡金属原子亚晶格可以具有比第一居里温度更高的第二居里温度。
在又一个实施例中，写温度可以基本上相应于亚铁磁性存储层的补偿温度，其中第一存储磁化变得基本上为零。
在又一个实施例中，写温度可以基本上相应于亚铁磁性存储层的稀土亚晶格的第一居里温度。
本公开也涉及一种向MRAM元件写的方法，该方法包括：
将磁隧道结加热到写温度；
调节第一和第二存储磁化；以及
将磁隧道结冷却到读温度。
在一个实施例中，调节第一和第二存储磁化可以通过施加写磁场而执行。
在另一个实施例中，MRAM元件可以进一步包括与磁隧道结的一端电接触的电流线；并且加热磁隧道结可以包括经由电流线使加热电流在磁隧道结中通过。
所公开的MRAM元件的第一和第二存储磁化当在高温下加热磁隧道结时可以被容易地调节并且当在低温下冷却磁隧道结时产生低杂散场。
附图说明
借助于通过实例的方式给出且由附图图解说明的实施例的描述，将更好地理解本发明，在附图中：
图1图解说明了依照一个实施例的包括包含具有第一存储磁化和第二存储磁化的存储层的磁隧道结的自参考随机存取存储器(MRAM)元件；
图2报告了第一存储磁化和第二存储磁化的磁化的温度依赖性；
图3a-3d表示依照一个实施例的图解说明第一和第二存储磁化的布置的存储层的顶视图；
图4表示依照图3a-3d的实施例的存储装置的磁化曲线；
图5a-5d图解说明了依照另一个实施例的第一和第二存储磁化的布置；
图6表示依照图5a-5d的实施例的存储层的磁化曲线；
图7a和图7b图解说明了依照又一个实施例的第一和第二存储磁化的布置；
图8表示依照图7a和图7b的实施例的存储层的磁化曲线；
图9图解说明了依照另一个实施例的MRAM元件；以及
图10报告了依照图9的实施例的MRAM元件的第一和第二存储磁化的磁化的温度依赖性。
具体实施方式
图1图解说明了依照一个实施例的自参考随机存取存储器(MRAM)元件1。MRAM单元1包括磁隧道结2，该磁隧道结包括：存储层23；感测层21；以及包含在存储层23与感测层21之间的隧道势垒层22。
在图1的实施例中，存储层23包括合成反铁磁体(SAF)结构，该结构包括铁磁性且具有第一存储磁化234的第一磁性层231、铁磁性且具有第二存储磁化235的第二磁性层232以及将第一和第二铁磁层231、232分开的非磁性耦合层233。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)等等之类的材料制成。第一和第二铁磁层231、232的厚度可以例如包括在1nm与10nm之间，但是优选地包括在大约1.5nm与大约4nm之间。
耦合层233可以包括选自如下组的材料，该组包括钌(Ru)、铼(Re)、铑(Rh)、碲(Te)、钇(Y)、铬(Cr)、铱(Ir)、银(Ag)、铜(Cu)等等。优选地，耦合层233由钌制成。耦合层233的尺寸(例如厚度)可以被选择成使得第一和第二铁磁层231和232磁耦合，从而第一存储磁化234取向成与第二磁化235反平行。该厚度可以取决于形成耦合层233的材料。该厚度典型地包括在大约0.2nm与大约3nm之间，优选地介于大约0.6nm与大约2nm之间，或者大约0.6nm和大约0.9nm或者介于大约1.6nm与大约2nm之间。其他厚度也可以适合于耦合这两个铁磁层231和232。
磁隧道结2进一步包括具有可反转的感测磁化211的感测层21以及将感测层21与存储层23分开的隧道势垒层22。感测层21可以由基于NiFe的合金而不是基于CoFeB的合金制成以便获得较低的切换场。优选地，感测层21不是交换偏置的，并且其磁化具有例如由于热扰动而可以自由地改变的方向，并且因而其磁化可以在磁场中自由地排列。隧道势垒层22为典型地处于纳米范围内的薄层，并且可以例如由诸如氧化铝(Al2O3)或者氧化镁(MgO)之类的任何适当的绝缘材料形成。
在一个实施例中，存储层23可以与诸如在图1的示例性配置中表示的反铁磁层24交换耦合。反铁磁层24适于在临界温度之下固定位第一铁磁层231的第一存储磁化234并且在临界温度处或者之上释放它。反铁磁层24可以由诸如IrMn、PtMn或FeMn之类的基于锰的合金或者任何其他适当的材料制成。
在一个优选的实施例中，第一铁磁层231具有第一居里温度TC1，该第一居里温度低于第二铁磁层232的第二居里温度TC2。
图2报告了依照一个实施例的第一存储磁化234和第二存储磁化235的饱和磁化Ms的温度依赖性。第一和第二存储磁化234、235随着温度分别朝居里温度TC1和TC2增加而减小。在居里温度TC1、TC2处或者之上，热波动使得第一和第二存储磁化234、235的净磁化分别变为零并且材料是顺磁性的。在图2中也报告了存储层23的有效存储磁化236的温度依赖性。有效存储磁化236相应于第一存储磁化234和第二存储磁化235的矢量和。在远低于第一和第二居里温度TC1、TC2的阈值温度TS之下的读温度T1处，第一和第二存储磁化234、235基本上相等并且有效存储磁化236基本上为零。在这里，表述基本上相等和基本上为零分别包括恰好相等和恰好为零。因而，将由有效存储磁化236产生的(未表示的)净存储杂散磁场基本上为零并且在存储层23与感测层21之间没有偶极耦合发生。因此，在读温度T1处，可以例如使用小的外部磁场容易地切换感测磁化211。因而，在执行MRAM元件1的读操作时，将磁隧道结2设置在读温度T1处是有利的。读温度T1可以相应于MRAM元件1的操作温度，例如MRAM单元环境的温度。
图3a-3d表示图解说明依照一个实施例的第一和第二存储磁化234、235的布置的存储层23的顶视图，其中磁隧道结2处于读温度T1。图4表示针对其中磁隧道结2处于读温度T1的情况的SAF存储层23的磁化曲线。符号B表示外部写磁场42的幅值，并且符号M表示第一和第二存储磁化234、235的磁化值。图4示出了当施加具有自旋翻转场值BSF之下的幅值的写磁场42(图4中由符号②表示的平坦部分)时，不发生第一和第二存储磁化234、235的切换。于是，第一和第二存储磁化234、235由于耦合层233的耦合效应而取向为反平行(参见图3b和图3c)。当写磁场42的幅值增加到自旋翻转场值BSF之上(图4中由符号①和③表示的部分)时，第一存储磁化234不再与第二存储磁化235反平行，而是与第二存储磁化形成预定的角度α(参见图3a和图3d)。第一存储磁化234可以通过进一步将写磁场42增加到饱和场值BSAT而变得取向为与第二存储磁化235基本上平行(图3中未表示)。
在磁隧道结2的读温度T1处，切换第一和第二存储磁化234、235因而要求施加具有自旋翻转场值BSF之上的幅值的写磁场42。由于典型的自旋翻转场值BSF范围介于大约400奥斯特(Oe)与600奥斯特之间，因而在磁隧道结2的读温度T1处切换第一和第二存储磁化234、235要求写磁场42具有至少在400奥斯特之上的幅值。
图5a-5d图解说明了在其中磁隧道结2处于在阈值温度(TS)之上并且因而高于读温度T1的写温度T2的情况下第一和第二存储磁化234、235的布置。在当前实例中，写温度T2在第一和第二居里温度TC1、TC2之下但是在第一居里温度TC1附近，使得第二存储磁化235变得比第一存储磁化234更大(参见图2)并且有效存储磁化236为非零。在图5a-5d中，第二存储磁化235的更大幅值由更粗的箭头235表示。
图6表示针对其中在磁隧道结2处于写温度T2时施加写磁场42的情况的SAF存储层23的磁化曲线。在这种情况下，磁化曲线在图6中由符号②和③表示的曲线部分中示出磁滞。于是，当施加幅值等于或大于切换场值BS的写磁场42时，第一和第二存储磁化234、235可以例如从图5b中所示的第一取向切换到图5c中所示的另一个取向。举例而言，切换场BS可以低于80奥斯特。在图5b和图5c中，第一和第二存储磁化234、235由于耦合层233的耦合效应而取向为反平行。类似于图4的磁化曲线，图6中的部分①和④相应于施加幅值等于或高于自旋翻转场值BSF的写磁场42，从而得到图5a和图5d中所示的布置，其中第一和第二存储磁化233、234彼此形成预定的角度α。
图7a和图7b图解说明了在其中磁隧道结2处于在第一居里温度TC1之上但是在第二居里温度TC2之下的写温度T3(参见图2)的情况下第一和第二存储磁化234、235的布置。由于磁隧道结2在第一居里温度TC1之上，因而第一存储磁化234变得基本上为零。因此，有效存储磁化236仅由第二存储磁化235确定。在图7a和图7b中，这通过仅仅显示第二存储磁化235来表示。在该配置中，SAF存储层23表现为好像它仅仅包括第二铁磁层232。
图8表示针对其中在磁隧道结2处于写温度T3时施加写磁场42的情况的SAF存储层23的磁化曲线。图8的磁化曲线在由符号①和②表示的曲线部分中示出磁滞。当施加幅值等于或大于切换场值BS的写磁场42时，第二存储磁化235可以例如从图7a中所示的第一取向切换到图7b中所示的另一个取向。在这里，切换场值BS可以低于40奥斯特，因为只有第二存储磁化235必须被切换。
依照一个实施例，MRAM元件1的热辅助写操作可以包括：
将磁隧道结2加热到写温度T2、T3、T4；
调节第一和第二存储磁化234、235；以及
将磁隧道结2冷却到读温度T1。
调节第一和第二存储磁化234、235可以通过施加写磁场42而执行。仅仅通过举例的方式，写磁场42可以通过使场电流41在场线4中通过而产生(参见图1)。可替换地，写磁场42可以通过使场电流41在与磁隧道结2的一端电接触的电流线5中通过而产生。写磁场42的幅值适于依照写磁场42的取向或者依照场电流41的幅值和极性来排列第一和第二存储磁化234、235。更特别地，在图1中，场电流41被示为指向页面内并且磁场42由朝左指向的箭头表示。可替换地，第一和第二存储磁化234、235可以通过例如经由电流线5使自旋极化电流(未示出)在磁隧道结2中通过而被调节。
加热磁隧道结2可以例如通过经由诸如图1中所图解说明的电流线5使加热电流31在磁隧道结2中通过而执行。优选地，在写温度T3处加热磁隧道结2，在该写温度处第一存储磁化234变得基本上为零，并且在该写温度处调节第一和第二存储磁化234、235是最容易的，例如要求最低的写磁场42。在一个实施例中，写温度T3相应于有效存储磁化236基本上最大。在图2的实例中，有效存储磁化236的最大值相应于其中第一存储磁化234变为零的第一居里温度TC1并且第二存储磁化235在第二居里温度TC2之下。在T3处，切换唯一第二存储磁化235所需的写磁场42因此是最低的。例如，切换场值BS可以低于40奥斯特。
优选地，在其中第一和第二存储磁化234、235基本上相等并且有效存储磁化236基本上为零的读温度T1(参见图2)处冷却磁隧道结2。因而，在读温度T1处，存储层23基本上不产生存储杂散磁场，并且在存储层23与感测层21之间基本上不发生偶极耦合。在读温度T1处，可以例如使用小的外部磁场(在40奥斯特之下)容易地切换感测磁化211。因此，在执行MRAM元件1的读操作时，将磁隧道结2设置在读温度T1处是有利的。
第二实施例
图9图解说明了依照另一个实施例的MRAM元件1，其中SAF存储层23的第一磁性层是铁磁性的。优选地，亚铁磁性存储层231包括亚铁磁性非晶态合金。亚铁磁性非晶态合金可以通过选择足够的元素以及过渡金属与稀土材料之间的相对组成而提供。更特别地，亚铁磁性存储层231包括提供4f存储磁化2342的稀土原子亚晶格以及提供取向为基本上与4f存储磁化反平行的3d存储磁化2341的过渡金属原子亚晶格。亚铁磁性存储层231的第一存储磁化234相应于3d存储磁化2341和4f存储磁化2342的矢量和。耦合层233的厚度可以被选择成使得第二存储磁化235如图9和图10的实例中所表示的那样与3d存储磁化2341平行地耦合。
图10报告了4f和3d存储磁化2342、2341的且针对依照图9实施例的MRAM元件1的第二存储磁化235的温度依赖性。在图10中也报告了存储层23的第一存储磁化234和有效存储磁化236的温度依赖性。在图10的实例中，亚铁磁性存储层231的稀土亚晶格的第一居里温度TC1低于亚铁磁性存储层231的过渡金属亚晶格和第二存储磁化235的第二居里温度TC2。
在磁隧道结2的读温度T1(参见图10)处，可以提供亚铁磁性非晶态合金，使得4f和3d存储磁化2342、2341的矢量和导致第一存储磁化234具有基本上与第二存储磁化235相同的幅值。由于耦合层233的磁耦合，第一存储磁化234取向为基本上与第二存储磁化235反平行，从而导致有效存储磁化236基本上为零。在该配置中，在写操作期间切换第一和第二存储磁化234、235要求高的写磁场42。然而，在该配置中，在存储层23与感测层21之间基本上不发生偶极耦合，并且可以容易地切换感测磁化211。在读温度T1处具有基本上相等的第一和第二存储磁化234、235可以例如通过调节第二存储磁化235和亚铁磁性存储层231的厚度而获得。
在写温度T2处加热磁隧道结2导致4f存储磁化2342减小，同时3d存储磁化2341基本上保持不变。因而，第一存储磁化234与读温度T1处的相比减小。由于在写温度T2处第二存储磁化235与读温度T1处的相比实际上也保持不变，因而有效存储磁化236增加，从而进一步降低为切换第一和第二存储磁化234、235所需的写磁场42。
磁隧道结2可以在写温度T3处进一步加热，在该写温度处，第一存储磁化234变得基本上为零。在图10的实例中，写温度T3基本上相应于亚铁磁性存储层231的补偿温度TCOMP，其中4f存储磁化2342基本上等于在相对方向上取向的3d存储磁化2341。在写温度T3处，第二存储磁化235与写温度T2处的相比仅仅稍微减小，使得有效存储磁化236因而进一步增加。因而，可以进一步降低为切换第一和第二存储磁化234、235所需的写磁场42。
在基本上相应于亚铁磁性存储层231的稀土亚晶格的第一居里温度TC1的写温度T4处加热磁隧道结2导致4f存储磁化2342基本上为零。在写温度T4处，第一和第二存储磁化235的矢量和因而最大。为切换第一和第二存储磁化234、235所需的写磁场42因而最小。
附图标记
1 磁随机存取存储器单元
2 磁隧道结
21 感测层
211 感测磁化
22 隧道势垒层
23 合成存储层
231 第一磁性层
232 第二磁性层
233 耦合层
234 第一存储磁化
2341 3d存储磁化
2342 4f存储磁化
235 第二存储磁化
236 有效存储磁化
24 反铁磁层
31 加热电流
4 场线
41 写电流
42 写磁场
5 电流线
BS 切换场
BSAT 饱和场
BSF 自旋翻转场
T1 读温度
T2，T3，T4写温度
TC1 第一居里温度
TC2 第二居里温度r
Claims (11)
1.一种包括磁隧道结的随机存取存储器(MRAM)元件，该磁隧道结包括：存储层；感测层；以及包含在存储层与感测层之间的隧道势垒层；存储层包括：
具有第一存储磁化的第一磁性层；
具有第二存储磁化的第二磁性层；以及
非磁性耦合层，将第一和第二磁性层分开，使得第一存储磁化与第二存储磁化基本上反平行；第一和第二磁性层被布置成使得：
在读温度处，第一存储磁化基本上等于第二存储磁化；并且
在高于读温度的写温度处，第二存储磁化大于第一存储磁化。
2.依照权利要求1的MRAM元件，其中
第一磁性层包括具有第一居里温度的第一铁磁层，并且第二磁性层包括具有比第一居里温度更高的第二居里温度的第二铁磁层。
3.依照权利要求2的MRAM元件，其中
写温度包括在第一和第二居里温度之下。
4.依照权利要求2的MRAM元件，其中
写温度包括在第一居里温度之上且在第二居里温度之下。
5.依照权利要求1的MRAM元件，其中
第一磁存储层包括亚铁磁性非晶态合金，该亚铁磁性非晶态合金包括提供3d存储磁化的过渡金属原子亚晶格以及提供与3d存储磁化反平行的4f存储磁化的稀土原子亚晶格；并且其中
第一存储磁化相应于3d存储磁化和4f存储磁化的矢量和。
6.依照权利要求5的MRAM元件，其中
稀土亚晶格具有第一居里温度，并且过渡金属原子亚晶格具有比第一居里温度更高的第二居里温度。
7.依照权利要求6的MRAM元件，其中
写温度基本上相应于亚铁磁性存储层的补偿温度，其中第一存储磁化变得基本上为零。
8.依照权利要求6的MRAM元件，其中
写温度基本上相应于亚铁磁性存储层的稀土亚晶格的第一居里温度。
9.一种写MRAM元件的方法，该MRAM元件包括磁隧道结，该磁隧道结包含存储层、感测层以及在存储层与感测层之间的隧道势垒层；存储层包括具有第一存储磁化的第一磁性层、具有第二存储磁化的第二磁性层以及非磁性耦合层，该非磁性耦合层将第一和第二磁性层分开，使得第一存储磁化与第二存储磁化基本上反平行；第一和第二磁性层被布置成使得在读温度处第一存储磁化基本上等于第二存储磁化，并且在高于读温度的写温度处第二存储磁化大于第一存储磁化；所述方法包括：
在写温度处加热磁隧道结；
调节第一和第二存储磁化；以及
在读温度处冷却磁隧道结。
10.依照权利要求9的方法，其中
调节第一和第二存储磁化通过施加写磁场而执行。
11.依照权利要求9的方法，其中
MRAM元件进一步包括与磁隧道结的一端电接触的电流线；并且其中
加热磁隧道结包括经由电流线使加热电流在磁隧道结中通过。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170510 Termination date: 20211212 |