CN103208303B - Mram存储单元和用于使用具有减小的场电流的热辅助写操作向mram存储单元写入的方法 - Google Patents

Mram存储单元和用于使用具有减小的场电流的热辅助写操作向mram存储单元写入的方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于向MRAM存储单元进行写入的方法，该MRAM存储单元包括：磁性隧道结，其由具有存储磁化强度的存储层、具有参考磁化强度的参考层以及被包括在感测和存储层之间的隧道阻挡层形成；以及电流线，其被电连接至所述磁性隧道结；所述方法包括：使加热电流在磁性隧道结中通过以便将磁性隧道结加热；使场电流通过以便根据场电流的极性沿着被写入方向对存储磁化强度进行切换。加热电流的量值使得其充当自旋极化电流且能够调整存储磁化强度；以及加热电流的极性从而基本上朝着所述被写入方向调整存储磁化强度。

Description

MRAM存储单元和用于使用具有减小的场电流的热辅助写操作 向MRAM存储单元写入的方法
技术领域
本公开涉及随机存取存储器（MRAM）存储单元和用于使用具有减小的场电流的热辅助写操作向MRAM存储单元写入的方法。
背景技术
使用热辅助写操作的随机存取存储器（MRAM）存储单元通常包括由具有固定磁化强度（magnetization）的参考层、具有能够被切换的磁化强度的存储层和在参考与存储层之间的隧道阻挡层形成的磁性隧道结。MRAM存储单元还包括用于对存储层的磁化强度进行交换耦合的反铁磁层。此类MRAM存储单元的特征在于由于反铁磁层的交换耦合而引起的存储层的显著改善的热稳定性。由于将与保持在环境温度的相邻存储器存储单元相比较的要被写入的存储器存储单元的选择性加热，还实现了此类MRAM存储单元的改善的写选择性。使用在场线中通过从而生成适合于在存储器存储单元被加热时对存储层的磁化强度进行切换的磁场的场电流对MRAM存储单元进行写入。然而，场电流的量值对于低功率应用而言可能过高。
发明内容
本公开涉及用于向MRAM存储单元进行写入的方法，该MRAM存储单元包括：磁性隧道结，其包括具有能够在磁性隧道结被加热至高温阈值时被调整且在磁性隧道结被冷却至低温阈值时固定的存储磁化强度的存储层；参考层，其具有固定参考磁化强度；以及隧道阻挡层，其被包括在感测和存储层之间；以及电流线，其被电连接至所述磁性隧道结；该方法包括：
使加热电流经由电流线在磁性隧道结中通过以便将磁性隧道结加热；
一旦磁性隧道结已经达到高温阈值，则使场电流通过，从而根据场电流的极性沿着相对于参考磁化强度基本上平行或反平行的被写入方向对存储磁化强度进行切换；
加热电流的量值使得其充当自旋极化电流并在存储磁化强度上施加调整自旋转移；
加热电流的极性从而基本上朝着所述被写入方向调整存储磁化强度。
在实施例中，MRAM存储单元还可以包括与磁性隧道结的一端进行电连接的双极晶体管，该双极晶体管被布置成用于控制磁性隧道结中的加热电流的通过和加热电流的极性。
在另一实施例中，可以使场电流在电流线中通过。替换地，MRAM存储单元可以包括场线，并且可以使场电流在场线中通过。
在又一实施例中，MRAM存储单元还可以包括对存储层进行交换耦合并在磁性隧道结处于低温阈值时将存储磁化强度钉住且在磁性隧道结处于高温阈值时将存储磁化强度释放的存储反铁磁层。
在本文中公开的MRAM存储单元和用于向MRAM存储单元进行写入的方法允许将在高电流阈值下充当自旋极化电流的加热电流与用于对存储磁化强度进行切换的场电流组合。与常规MRAM存储单元相比，可以减小用于对存储磁化强度进行切换的场电流。
附图说明
借助于以示例的方式给出并用图来图示出的实施例的描述，将更好地理解本发明，在所述附图中：
图1示出了根据实施例的包括磁性隧道结、选择晶体管、用于使加热电流通过的电流线以及用于使场电流通过的场线的随机存取存储器（MRAM）存储单元的视图；
图2图示出根据另一实施例的MRAM存储单元；以及
图3图示出根据另一实施例的MRAM存储单元，其中，加热电流和场电流在电流线中通过。
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）存储单元1。MRAM存储单元1包括具有能够在磁性隧道结2被加热至高温阈值时被调整且在磁性隧道结2被冷却至低温阈值时被固定的存储磁化强度230的存储层23。磁性隧道结2还包括具有固定参考磁化强度210的参考层21以及包括在参考层21和存储层23之间的隧道阻挡层22。MRAM还包括被电连接至被布置成使加热电流31通过的磁性隧道结2的一端的电流线3。MRAM还可以包括被电连接至磁性隧道结2的另一端的选择晶体管8。可以使用控制电流线或字线（未表示）来控制选择晶体管8的打开和关闭以便单独地对MRAM存储单元1进行寻址。选择晶体管8例如可以包括CMOS晶体管。在图1的示例中，MRAM存储单元1还包括布置在磁性隧道结2的所述一端处且基本上垂直于电流线3并适合于使场电流41通过的场线4。在图1中，垂直于页面表示场线和场电流41。
在实施例中，用于向MRAM存储单元1进行写入的写操作包括：
使加热电流31经由电流线3在磁性隧道结2中通过以便将磁性隧道结2加热；
一旦磁性隧道结2已经达到高温阈值，则使场电流41通过从而沿着被写入方向对存储磁化强度230进行切换；
将磁性隧道结2冷却至低温阈值从而沿着被写入方向将存储磁化强度230钉住。
可以使场电流41在场线4中通过从而生成具有取决于场电流41的感测或极性的方向的写磁场42。在图1（a）中，示出了具有第一场电流极性的场电流41，在这里其进入页面，使得写磁场42沿着基本上平行于参考磁化强度210的被写入方向来切换存储磁化强度230。存储磁化强度230与参考磁化强度210之间的平行布置提供低结电阻R（或水平状态“0”）。在图1（b）中，示出了具有第二场电流极性的场电流41，在这里离开页面，使得写磁场42沿着与参考磁化强度210基本上反平行的被写入方向来切换存储磁化强度230。存储磁化强度230与参考磁化强度210之间的反平行布置提供高结电阻R（或水平状态“1”）。
可以通过将选择晶体管8设置于其导通模式（ON）来实现使加热电流31在磁性隧道结2中通过。当磁性隧道结2已经达到高温阈值时，可以自由地对准存储磁化强度230并因此将写磁场42接入。然后可以通过将选择晶体管8设置在截止模式（OFF）和/或通过去除晶体管的源极—漏极偏压来将加热电流31关掉。可以在磁性隧道结2的冷却期间保持场电流41，并且然后在磁性隧道结2已达到低温阈值时将其关断，其中，存储磁化强度230被冻结在被写入状态。
在实施例中，磁性隧道结2包括对参考层21进行交换耦合从而将参考磁化强度210钉在反铁磁参考层24的参考临界温度TC1以下的反铁磁参考层24。磁性隧道结2还可以包括具有存储临界温度TC2并对存储层23进行交换耦合的反铁磁存储层（在图1中用附图标记25示出）。存储反铁磁层被布置成在低温阈值下，在存储临界温度TC2以下将存储磁化强度230钉住，并在高温阈值下，在存储临界温度TC2或以上将存储磁化强度230释放。存储临界温度TC2应低于参考临界温度TC1，使得在高温阈值下，参考磁化强度210仍被反铁磁参考层24钉住。
在高温阈值下将磁性隧道结加热所需的加热电流31的量值通常在获得自旋转移矩（STT）效应所需的量值以下。在反铁磁参考层24的参考临界温度TC1足够高的情况下，将磁性隧道结加热至高温阈值所需的加热电流31的量值可以使得加热电流31生成STT效应。这样生成的STT效应可以从而使存储磁化强度230的取向是与写操作期间的写磁场42的方向不同的方向。STT效应因此可以对施加的写磁场42产生不期望的影响，诸如写磁场不对称、写磁场分布的加宽或者甚至写错误。
在实施例中，使加热电流31通过，其具有对应于足以使加热电流31充当自旋极化电流的高电流阈值的量值。根据加热电流31的流动方向或极性，加热电流31在通过参考层21或通过可能的极化层（未示出）时被极化。在电流阈值下，然后可以通过加热电流31的自旋极化载流子（电子）与存储磁化强度230之间的角自旋矩的转移来调整存储磁化强度230。根据措辞“自旋转移矩（STT）”也可知道角自旋的此转移。
根据加热电流31的极性，穿透至存储层23中的电子的自旋大多数沿着参考磁化强度210或可能极化层的磁化强度定向。更特别地，可以选择加热电流31的极性，从而基本上沿着被写入方向在存储磁化强度230上施加调整自旋转移，即使得加热电流31基本上沿着与写磁场32对存储磁化强度230进行切换的方向相同的方向调整存储磁化强度230。这在图1中被图示出，其中，图1（a）示出了具有第一加热电流极性的加热电流31，在这里从电流线3朝着选择晶体管8流动，从而使存储磁化强度230沿着与由具有第一场电流极性的场电流41生成的写磁场42所提供的方向相同的方向（被写入方向）对准。在图1（b）中，表示了具有与第一加热电流极性相反的第二加热电流极性的加热电流31，在这里从选择晶体管8朝着电流线3流动，从而使存储磁化强度230沿着与由具有第二场电流极性的场电流41生成的写磁场42所提供的方向相同的方向（被写入方向）对准。与使用单极选择晶体管的常规MRAM存储单元相比较而言，选择晶体管8是允许改变加热电流31的极性的双极选择晶体管。
在又一实施例中，存储层23可以是合成存储层，其包括在隧道阻挡层22的一侧且具有第一铁磁磁化强度232的第一铁磁层231、具有第二铁磁磁化强度234的第二铁磁层233以及将第一和第二铁磁层231、233分离的非磁性耦合层235。在图4中表示了包括此类合成存储层23的磁性隧道结2。使场电流41通过相对于参考磁化强度210对第一和第二铁磁磁化强度232、234进行切换，使得第一存储磁化强度232处于被写入方向。存储磁化强度（在图4中未示出）对应于第一和第二铁磁磁化强度232、234的矢量和。
图2示出了根据另一实施例的MRAM存储单元1。图2的MRAM存储单元1基本上与在图1中表示的相同，但具有被布置在磁性隧道结2的所述另一端处、即在选择晶体管8的一侧的场线4。虽然在图2中未示出，但磁性隧道结2还可以包括在图1的示例中描述的反铁磁存储层。在图2的配置中，选择晶体管8经由导电带（strap）7被电连接至磁性隧道结2的另一端。图2（a）示出了以第一场电流极性在场线4中通过的场电流41和具有第一加热电流极性的加热电流31。场电流41和加热电流31两者使存储磁化强度230沿着被写入方向对准，在这里在被写入水平状态“0”下。图2（b）示出了以第二场电流极性在场线4中通过的场电流41和具有第二加热电流极性的加热电流31。场电流41和加热电流31两者使存储磁化强度231沿着被写入方向对准，在这里在被写入水平状态“1”下。
图3示出了根据又一实施例的MRAM存储单元1，其中，MRAM存储单元1仅包括用于使加热电流31和场电流41通过的电流线3。虽然在图3中未示出，但磁性隧道结2还可以包括在图1的示例中描述的反铁磁存储层。图3（a）和3（b）示出了在电流线3中通过的场电流41和加热电流31两者。在图3（a）中，场电流41以第一场电流极性流动且加热电流41以第一加热电流极性流动，从而使存储磁化强度230沿着被写入方向对准，在这里在被写入水平状态“0”下。在图3（b）中，场电流41以第二场电流极性流动且加热电流31以第二加热电流极性流动，从而使存储磁化强度230沿着被写入方向对准，在这里在被写入水平状态“1”下。在图3的配置中，电流线3通过使加热电流31通过来实现位线的功能且通过使场电流41通过来实现场线的功能。
在本文中公开的方法允许将在高电流阈值下充当自旋极化电流的加热电流与用于对存储磁化强度230进行切换的场电流41组合。换言之，当使加热电流在高电流阈值下且以适当极性通过时，其可以帮助由场电流41生成的磁场42对存储磁化强度230进行切换。使在高电流阈值下起作用的加热电流通过的优点是与常规MRAM存储单元相比可以减小写磁场42和因此的场电流41。
可以通过将包括多个MRAM存储单元1的阵列组装来形成磁存储器件（未示出）。可以将MRAM存储单元1的阵列设置在器件封装（未示出）内。当形成磁存储器件时，可以在存储层23的一侧将每个MRAM存储单元1的磁性隧道结2连接至电流线3并在相对侧连接至字线（未示出）。优选地参考电流线3垂直地放置该字线。
附图标记
1 磁随机存取存储器（MRAM）存储单元
2 磁性隧道结
21 参考层
210 参考磁化强度
22 隧道阻挡层
23 存储层
230 存储磁化强度
231 第一铁磁层
232 第一铁磁磁化强度
233 第二铁磁层
234 第二铁磁磁化强度
235 非磁性耦合层
24 反铁磁参考层
25 反铁磁存储层
3 电流线
31 加热电流
4 场线
41 场电流
42 写磁场
7 带
8 选择晶体管。

Claims (6)

1.一种用于使用热辅助写操作向随机存取存储器（MRAM）存储单元进行写入的方法，所述MRAM存储单元包括：
磁性隧道结，其包括具有能够在所述磁性隧道结被加热至高温阈值时被调整且在所述磁性隧道结被冷却至低温阈值时固定的存储磁化强度的存储层；参考层，其具有固定参考磁化强度；以及隧道阻挡层，其被包括在参考层和存储层之间；以及
电流线，其被电连接至所述磁性隧道结；
所述方法包括：
使加热电流经由所述电流线在所述磁性隧道结中通过以便将所述磁性隧道结加热；
一旦磁性隧道结已经达到高温阈值，则使场电流通过，其生成写磁场，所述写磁场根据所述场电流的极性沿着相对于所述参考磁化强度基本上平行或反平行的被写入方向对所述存储磁化强度进行切换；
所述加热电流的量值使得其充当自旋极化电流并在所述存储磁化强度上施加调整自旋转移；以及
所述加热电流的极性使得在所述存储磁化强度上施加基本上朝向所述被写入方向的调整自旋转移。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MRAM存储单元还包括与所述磁性隧道结的一端进行电连接的双极晶体管，所述双极晶体管被布置成用于控制所述磁性隧道结中的加热电流的通过和所述加热电流的极性。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述场电流在电流线中通过。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MRAM存储单元还包括场线，并且其中，使所述场电流在所述场线中通过。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述MRAM存储单元还包括存储反铁磁层，其对所述存储层进行交换耦合并在所述磁性隧道结处于低温阈值时将存储磁化强度钉住且在所述磁性隧道结处于高温阈值时将所述存储磁化强度释放。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述存储层包括在所述隧道阻挡层的一侧且具有第一铁磁磁化强度的第一铁磁层、具有第二铁磁磁化强度的第二铁磁层以及将所述第一和第二铁磁层分离的非磁性耦合层，并且其中，所述使场电流通过相对于所述参考磁化强度对所述第一和第二铁磁磁化强度进行切换，使得所述存储磁化强度沿着被写入方向。
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