CN103247330B - 自参考型mram元件及其读取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开涉及一种自参考型MRAM元件，包括具有磁阻的磁隧道结，包括：存储层，具有当该磁隧道结处于低温阈值时沿着第一方向被牵制的存储磁化强度；感测层，具有感测磁化强度；以及包括在该存储层和该感测层之间的隧道阻挡层；以及对准设备，被布置用于沿着与该第一方向的基本上垂直的第二方向提供具有磁各向异性的感测磁化强度，使得该感测磁化强度围绕该第二方向而被调整；该对准设备进一步被布置，使得当提供第一读取磁场时，该磁隧道结的阻抗变化范围至少是磁阻的大约20％。该自参考型MRAM单元可以在增加的可靠性的情况下被读取并且具有降低的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用线性感测信号来确保低读取磁场的自参考型磁随机存取存储器(MRAM)。
背景技术
使用了所谓的自参考型读取操作的磁随机存取存储器(MRAM)单元典型地包括磁隧道结，其由磁存储层、薄绝缘层和感测层形成，该磁存储层具有方向可以从第一稳定方向到第二稳定方向改变的磁化强度，该感测层具有可逆的方向。自参考型MRAM单元允许在低功耗以及增加的速度的情况下执行读取和写入操作。
然而，在读取操作期间，由于本地的磁杂散场产生存储层和感测层之间的双极耦合，在闭合的磁通量配置中将该感测层的磁化强度与存储层的磁化强度耦合。读取操作期间，切换感测层磁化强度则将需要应用足够高的磁场来克服双极耦合。当应用场循环来测量感测层的磁滞回线时，双极耦合导致磁滞回线的漂移(或偏差)。这种双极耦合取决于存储层和感测层的厚度和磁化强度，以及取决于磁隧道结的尺寸。特别地，双极耦合随磁隧道结直径的减少而增加，并且可能因此当按比例缩小MRAM单元时成为主要问题。
US20090190390涉及一种MRAM单元，包括具有沿第一轴的第一磁化强度的第一磁性层结构；第二磁性层结构，以及位于第一和第二磁性层结构之间的非磁性间隔层。该第二磁性层结构具有沿着第二轴的第二磁化强度，将该第二轴以相对于第一轴的角度进行布置，使得通过改变第二磁化强度的方向，可以确定沿着第一轴的第一磁化强度的方向。
发明内容
本公开涉及一种MRAM元件，包括具有结阻抗的磁隧道结，其包括，具有当磁隧道结处于低温阈值时沿着第一方向牵制的磁化强度的存储层，具有感测磁化强度的感测层，以及被包括在存储层和感测层之间的隧道阻挡层；该磁隧道结具有与高结阻抗值和低结阻抗值之间的差相对应的磁阻，在所述高结阻抗值处所述感测磁化强度反平行于所述存储磁化强度，以及在所述低结阻抗值处所述感测磁化强度平行于所述存储磁化强度；所述MRAM元件进一步包括对准设备，其布置用于沿着基本上垂直于所述第一方向的第二方向提供具有磁各向异性的感测磁化强度；以及第一场线，用于提供第一读取磁场，其适于调整围绕第二方向的感测磁化强度，以便在至少是所述磁阻的大约20％的范围内改变结阻抗；所述对准设备进一步被布置，使得该结阻抗在所述范围内线性变化。
在一个实施例中，所述对准设备可以包括第二反铁磁性层，其与感测层交换耦合，以便当磁隧道结处于低温阈值时并且不存在第一读取磁场的情况下，沿着第二方向牵制所述感测磁化强度。
在另一个实施例中，第二反铁磁性层和感测层之间的交换耦合可以是这样的，使得当磁隧道结处于低温阈值时并且施加该第一读取磁场时，感测磁化强度是围绕第二方向可调整的。
在又一个实施例中，第二反铁磁性层和感测层之间的交换耦合使阻抗响应曲线漂移，使得结阻抗在所述范围内线性变化。
在又一个实施例中，所述对准设备可以包括与第一场线基本上正交并且适于施加第二场电流的第二场线，以便使所述感测磁化强度沿着第二方向饱和。
在又一个实施例中，该MRAM元件可以进一步包括第一反铁磁性层，其交换耦合所述存储层，以便当磁隧道结处于低温阈值时且当施加第一读取磁场时，沿着第一方向牵制所述存储磁化强度。
本公开还涉及一种用于读取上述MRAM元件的方法，包括：
在第一读取方向上调整感测磁化强度；
测量第一结阻抗值；
在第二读取方向上调整感测磁化强度；
测量第二结阻抗值；
其中所述调整感测磁化强度在至少为磁阻的大约20％的范围内围绕第二方向执行；并且其中该结阻抗在所述范围内线性变化。
在此公开的自参考型MRAM单元可以在使用低读取磁场时，在增加的可靠性的情况下被读取，并且相比较于传统的自参考型MRAM单元具有降低的功耗，甚至在存在强双极偏移的情况下也如此。
附图说明
在通过示例方式给出并且通过附图说明的实施例的描述的辅助的情况下，可以更好地理解本发明，其中：
图1说明了根据实施例的一种随机存取存储器(MRAM)元件，其包括存储层和感测层；
图2表示根据实施例的存储层的顶视图(图2a)以及感测层的顶视图(图2b和2c)，说明了存储磁化强度以及感测磁化强度的布置；
图3说明了根据实施例的磁隧道结的阻抗响应曲线；以及
图4说明了根据另一实施例的磁隧道结的阻抗响应曲线；以及
图5表示根据实施例的MRAM元件。
具体实施方式
图1说明了根据实施例的自参考型随机存取存储器(MRAM)元件1。该MRAM元件1包括磁隧道结2，其包括具有存储磁化强度231的存储层23；具有感测磁化强度211的感测层21；以及在存储层23和感测层21之间的隧道阻挡层22。图2表示MRAM元件1的存储层23的顶视图(图2a)以及感测层21的顶视图(图2b)，其分别说明了存储磁化强度231和感测磁化强度211的布置。该磁隧道结2进一步包括第一反铁磁性层24，其具有第一临界温度TC1并交换耦合该存储层23，使得在低于第一临界温度TC1的低温阈值下，该存储磁化强度231在该低温阈值下沿着第一方向60被牵制，并且在处于或高于该第一临界温度TC1的高温阈值下不再被牵制。
根据实施例，MRAM元件1的热辅助(TA)写入操作可以包括：
将该磁隧道结2加热到高温阈值；
调整该存储磁化强度231；以及
将该磁隧道结2冷却到低温阈值。
加热该磁隧道结2可以通过经由与磁隧道结2电接触的第一电流线3在磁隧道结2中传递加热电流31而执行。调整存储磁化强度231的方位可以通过沿着第一方向60施加适于切换存储磁化强度231的外部写入磁场42而执行。在图1的示例中，MRAM元件1进一步包括与磁隧道结2相连通的第一场线4。该第一场线4适于传递写入电流41以便生成写入磁场42。该第一场线4和写入电流41表示为进入该页面，使得写入磁场42可以从朝向左边的初始方位(未示出)到朝向右边的写入方位切换该存储磁化强度231。替代地，写入磁场42还可以通过在电流线3中传递场电流41来生成。一旦磁隧道结2已经被冷却到低温阈值，该存储磁化强度231在根据写入磁场42的方位的调整或写入方位中变得被牵制。
一种用于使用自参考型读取操作来读取MRAM元件1的方法，可以包括：
在第一读取方向上调整感测磁化强度211；
测量第一结阻抗值R1；
在第二读取方向上调整感测磁化强度211；以及
测量第二结阻抗值R2。
在第一读取方向上调整感测磁化强度211可以包括施加第一读取磁场44，其通过在第一场线4中传递具有第一极性的第一读取电流43而具有第一极性。在第二读取方向上调整该感测磁化强度211可以包括施加具有与第一极性相反的第二极性的第一读取磁场44，其是通过在第一场线4中传递具有与第一极性相反的第二极性的第一读取电流43而实现的。该第一读取磁场44被施加在低于第一临界温度的读取温度下，例如这能够与低温阈值相对应，其中存储磁化强度231正被第一反铁磁性层24所牵制。测量第一和第二结阻抗值R1、R2可以通过经由电流线3在磁隧道结2中传递感测电流32来执行。
在图1和图2中表示的实施例中，该磁隧道结2进一步包括第二反铁磁性层20，其具有高于第一临界温度TC1的第二临界温度TC2。该第二反铁磁性层20交换耦合该感测层21，使得在低于该第二临界温度TC2或在低温阈值下，该感测磁化强度211沿着与第一方向60基本上垂直的第二方向61具有磁各向异性，或交换各向异性。更特别地，低于磁隧道结2的第二临界温度TC2(处于低温阈值)并在不存在第一读取磁场44的情况下，该感测磁化强度211沿着第二方向61被牵制。该感测磁化强度211在处于和高于第二临界温度TC2或者处于高温阈值下不再被牵制。图2a和2b分别说明了沿着第一方向60定向的存储磁化强度231的“顶视图”以及沿着与第一方向60垂直的第二方向61定向的感测磁化强度211的“顶视图”。在图1的示例中，存储磁化强度231被示出为朝右边定向并且感测磁化强度211被示出为退出该页面而定向。由第二反铁磁性层20在第二方向61上对磁化强度211进行牵制可以在沉积第二感测层21之后，在MRAM元件1的制作过程期间，通过使该第二反铁磁性层20磁性退火来获得。
该第二反铁磁性层20进一步被布置，使得在低温阈值下施加第一读取磁场44时，该感测磁化强度211可以围绕第二方向61被调整，同时存储磁化强度231保持与第一方向60基本上平行地对准。这在图2c中被说明，其中感测磁化强度211以角度α或-α围绕第二方向61来调整，取决于第一读取磁场44的读取方向。该调整角度α随着增加施加的第一读取磁场44而增加。反铁磁性层24和存储层23之间的交换耦合应当是这样的，使得存储磁化强度231在存在第一度磁场44的情况下在第一方向60上保持被牵制。
第二反铁磁性层20可以由包括基于锰的合金(诸如PtMn)的材料，或者任何其他适合的材料制成。第一反铁磁性层24可以由包括基于锰的合金(诸如IrMn或者FeMn)，或任何其他适合的材料制成。
图3说明了磁隧道结2的阻抗响应曲线70，其中感测磁化强度211一直围绕与存储磁化强度231的第一方向60基本上垂直的第二方向61而被调整。更特别地，图3标绘了磁隧道结2的结阻抗R作为第一读取磁场44的磁场强度H的函数。该结阻抗R从当感测磁化强度211在与存储磁化强度231基本上反平行的方向上(α大约为-90°)被调整时的高结阻抗值Rmax变化到当感测磁化强度211在与存储磁化强度231基本上平行的方向上(α大约90°)被调整时的低结阻抗值Rmin。高和低结阻抗值Rmax、Rmin通过分别在第一和第二极性上施加具有高磁场强度H的第一读取磁场44而获得。
磁隧道结2的磁阻MR可以由高结阻抗值Rmax和低结阻抗值Rmin之间的差值来定义：
MR＝Rmax-Rmin (等式1)
对于第一读取磁场44的中间磁场强度H值，结阻抗R具有高和低结阻抗值Rmax、Rmin之间所包括的中间值，其与平行和反平行方向(-90°<α<90°)之间的中间方位处所调整的感测磁化强度211相对应。在图3中，这是由第一和第二结阻抗值R1和R2来表示的，当利用具有第一极性H1和第二极性H2的场强值H1和H2施加第一读取磁场44时被测量。优选地，第一读取磁场44是这样的，使得第一和第二结阻抗值R1、R2被包括在阻抗响应曲线70的线性部分，如图3中所说明的。换句话说，在读取操作期间，第一读取磁场44被施加，使得该结阻抗R在变化范围VR内变化：
VR＝R2-R1 (等式2)
该变化范围VR应当是大的，以便增加读取操作的可靠性。优选地，变化范围VR应当至少是磁隧道结2的磁阻MR的大约20％。第一读取磁场44还可以以振荡方式被施加，即通过传递具有交替极性的第一读取电流43而从第一极性扫到第二极性。该感测磁化强度211因此围绕第二方向61波动。这种后来的替代方案可能导致在读取操作中的增强的速度。
在上面公开的MRAM元件1的优点是，在读取操作期间，感测磁化强度211可以通过施加具有小场强的第一读取磁场44来调整。感测磁化强度211然后围绕第二方向61用小角度α进行调整，并且结阻抗R可以线性变化(线性感测信号)。另一个优点是施加具有小场强的第一读取磁场44，用于减少MRAM元件1的功耗。MRAM元件1的设计和制造控制可以因此被简化。进一步地，在读取操作期间被MRAM元件1消耗掉的功率量可以被减少。
存储层23和感测层21两者趋向于展现磁杂散场(未示出)，其彼此耦合以便促成相对于存储磁化强度231的感测磁化强度211的反平行对准。这被称为双极耦合。源自于感测层21和存储层23的磁杂散场的大小取决于磁隧道结2的直径，并且当直径被减少时而增加。随着存储层23沿着各向异性方向60被反铁磁性层24所牵制，双极耦合导致磁隧道结的磁阻线性感测信号的漂移。磁阻线性感测信号的漂移的大小在磁隧道结的直径被减少时而增加。该双极耦合因此可能在按比例缩小MRAM元件1时成为主要问题。
在图4中通过在存在杂散场的情况下的相比于图3中示出的第一和第二场强值H1、H2朝着阻抗响应曲线70的左边偏移的第一和第二场强值H’1、H’2来说明双极耦合漂移的影响。如图4中所示，第一读取磁场44的偏移值H’1、H’2可以是这样的，使得第一和第二阻抗值R’1、R’2之间的差较小，使得变化范围VR变得小于磁阻MR的20％。在非常大的杂散场的情况下，第一读取磁场44的偏移值H’1、H’2甚至可以在产生本质上为空的变化范围VR的阻抗响应曲线70的平稳段(plateau)上完全漂移。
换句话说，来自第二反铁磁性层20和感测层21之间的交换耦合的交换偏差增加了感测层21的饱和场。图4将图3的阻抗响应曲线70与具有感测层21的增加的饱和场的阻抗响应曲线70’进行比较。阻抗响应曲线70’具有更小的斜率，并且当施加具有偏移值H’1、H’2的第一读取磁场44时所得到的第一阻抗R”1和第二值R”2之间的差导致了变化范围VR更大。
在一个实施例中，第二反铁磁性层20被布置，使得第二反铁磁性层20和感测层21之间的交换耦合使阻抗响应曲线70’漂移，使得当施加第一读取磁场44时，变化范围VR至少是磁阻MR的大约20％。第二反铁磁性层20和感测层21之间的更强的交换耦合，或更大的交换偏差，可以通过优化反铁磁性层20的属性来获得。
在图5中表示的又一个实施例中，MRAM元件1进一步包括与磁隧道结2相连通的第二场线5。该第二场线5适于传递第二读取电流51以便生成第二读取磁场52。在图5的示例中，第二电流线5与第一场线4基本上正交，与磁隧道结2的相对端连通。然而，第二场线5的其他布局也是可能的。例如，第二场线5可以被布置在相比第一场线4的磁隧道结2的同一端上。第二读取磁场52适于沿着与第一方向60基本上垂直的第二方向61提供第二磁各向异性。更特别地，第二读取磁场52是这样的，以便使感测磁化强度211在与第一方向60基本上垂直的第二方向61上饱和。在图5的示例中，第二读取磁场52被示为退出页面，因此与基本上平行于第一方向60的存储磁化强度231的方向垂直。
根据实施例，读取操作进一步包括施加第二读取磁场52的步骤，以便使感测磁化强度211在与第一方向60基本上垂直的第二方向61上饱和。在第一和第二读取方向上调整感测磁化强度211可以包括分别在第一和第二方向上施加第一读取磁场44。这里，将第一读取磁场44与第二读取磁场52同时施加，使得感测磁化强度211被第一读取磁场44围绕由第二读取磁场52设置的第二方向61所调整。
附图标记：
1 磁随机存取存储器单元
2 磁隧道结
20 第二反铁磁性层
21 感测层
211 感测磁化强度
22 隧道阻挡层
23 合成存储层
231 第一铁磁性层
232 第二铁磁性层
24 第一反铁磁性层
3 电流线
31 加热电流
4 第一场线
41 写入电流
42 写入磁场
43 第一读取电流
44 第一读取磁场
5 第二场线
51 第二读取电流
52 第二读取磁场
60 第一方向
61 第二方向
70 阻抗响应曲线
71 具有更低斜率的阻抗响应曲线
H 磁场强度
R 阻抗
R1 第一阻抗
R2 第二阻抗
R1/2 零场阻抗
Rmax 高阻抗
Rmin 低阻抗
TC1 第一临界温度
TC2 第二临界温度
MR 磁阻
VR 变化范围
Claims (8)
1.自参考型的随机存取存储器元件，包括：
具有结阻抗的磁隧道结，包括：
存储层，具有当磁隧道结处于低温阈值时沿着第一方向被牵制的存储磁化强度；
感测层，具有感测磁化强度；以及
隧道阻挡层，被包括在所述存储层和所述感测层之间；
所述磁隧道结具有与高结阻抗值和低结阻抗值之间的差相对应的磁阻，在所述高结阻抗值处所述感测磁化强度反平行于所述存储磁化强度，以及在所述低结阻抗值处所述感测磁化强度平行于所述存储磁化强度；
该随机存取存储器元件进一步包括：
对准设备，被布置用于沿着与所述第一方向垂直的第二方向提供具有磁各向异性的感测磁化强度；以及
第一场线，用于提供第一读取磁场，其适于围绕所述第二方向调整所述感测磁化强度，以便在至少是所述磁阻的20%的范围内改变所述结阻抗；
所述对准设备被进一步布置，使得所述结阻抗在所述范围内线性变化。
2.根据权利要求1的随机存取存储器元件，其中所述对准设备包括第二反铁磁性层，其与所述感测层交换耦合，以便当磁隧道结处于低温阈值时并且在不存在第一读取磁场的情况下，沿着所述第二方向牵制所述感测磁化强度。
3.根据权利要求2的随机存取存储器元件，其中所述第二反铁磁性层和所述感测层之间的交换耦合是这样的，使得当磁隧道结处于低温阈值时并且当施加所述第一读取磁场时，所述感测磁化强度是围绕所述第二方向可调整的。
4.根据权利要求2的随机存取存储器元件，其中所述第二反铁磁性层和所述感测层之间的交换耦合使阻抗响应曲线漂移，使得所述结阻抗在所述范围内线性变化。
5.根据权利要求1的随机存取存储器元件，其中所述对准设备包括第二场线，其与第一场线正交，并且适于施加第二场电流，以便使所述感测磁化强度沿着所述第二方向饱和。
6.根据权利要求1的随机存取存储器元件，进一步包括
第一反铁磁性层，其交换耦合所述存储层，以便当所述磁隧道结处于低温阈值时且当施加第一读取磁场时，沿着第一方向牵制所述存储磁化强度。
7.一种用于读取随机存取存储器元件的方法，
所述随机存取存储器元件包括：
磁隧道结，包括具有存储磁化强度的存储层，当所述磁隧道结处于低温阈值时沿着第一方向牵制所述存储磁化强度，具有感测磁化强度的感测层，以及包括在所述存储层和所述感测层之间的隧道阻挡层，所述磁隧道结具有与高结阻抗值和低结阻抗值之间的差相对应的磁阻，在所述高结阻抗值处所述感测磁化强度反平行于所述存储磁化强度，以及在所述低结阻抗值处所述感测磁化强度平行于所述存储磁化强度；
对准设备，被布置用于沿着与所述第一方向垂直的第二方向提供具有磁各向异性的感测磁化强度；以及
第一场线，用于提供第一读取磁场；
所述方法包括：
在第一读取方向上调整所述感测磁化强度；
测量第一结阻抗值；
在第二读取方向上调整所述感测磁化强度；以及
测量第二结阻抗值；
其中所述调整感测磁化强度在至少是所述磁阻的20%的范围内围绕所述第二方向而执行；并且其中
所述结阻抗在所述范围内线性变化。
8.根据权利要求7的方法，其中所述调整感测磁化强度包括通过在第一场线中传递第一读取电流来施加第一读取磁场。
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