CN103311432A - 自参考mram单元以及用于写入该单元的方法 - Google Patents

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Abstract

自参考MRAM单元以及用于写入该单元的方法。本公开涉及一种用于写入包括磁隧道结的自参考MRAM单元的方法，该磁隧道结包括：存储层，该存储层包括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，以及分离该第一和第二铁磁层的非磁性耦合层；感测层，其具有自由感测磁化；以及被包括在感测层和存储层之间的隧道势垒层；第一和第二铁磁层被布置成使得存储层和感测层之间的偶极耦合基本上没有；该方法包括：通过在磁隧道结中传递自旋极化电流来转换第二铁磁磁化；其中，自旋极化电流在感测层中传递时根据感测磁化的方向被极化。该MRAM单元可以在低功耗下被写入。

Description

自参考MRAM单元以及用于写入该单元的方法
技术领域
本发明涉及一种在低功耗下使用自旋转移矩写操作写入自参考MRAM单元的方法。
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、薄绝缘层以及具有带有可反转方向的磁化的感测层形成。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。此外，自参考MRAM单元对于制作具有降低的产量的功能存储器以及对于高温和安全应用是有用的。
然而，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，转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。
通过存储层在感测层上产生的杂散场导致功耗增加，尤其是在MRAM单元的读操作期间。此外，例如使用合成存储层降低杂散场可能导致感测层的磁化的转换场的增加。
发明内容
本公开涉及一种用于写入包括磁隧道结的自参考MRAM单元的方法，该磁隧道结包括：存储层，该存储层包括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，以及分离该第一和第二铁磁层的非磁性耦合层；感测层，其具有自由感测磁化；以及被包括在感测层和存储层之间的隧道势垒层；第一和第二铁磁层被布置成使得存储层和感测层之间的偶极耦合基本上没有；该方法可以包括：通过在磁隧道结中传递自旋极化电流来转换第二铁磁磁化；其中，自旋极化电流在感测层中传递时根据感测磁化的方向被极化。
在一个实施例中，可以通过在所述转换第二铁磁磁化之前施加磁场来确定感测磁化的方向。
在另一个实施例中，感测层可以具有形状各向异性或磁晶各向异性，以便稳定感测磁化的方向。
在又一个实施例中，可以由自旋电流的极性来确定第二铁磁磁化的转换方向。
在另一个实施例中，可以通过在所述转换第二铁磁磁化期间施加磁场来确定感测磁化的方向。
在又一个实施例中，可以由施加的磁场的方向来确定感测磁化的方向。
这里公开的方法允许以低功耗写入MRAM单元。
附图说明
借助于作为例子给出并且由各图示出的实施例的描述，本发明将被更好地理解，其中：
图1表示根据一个实施例的自参考MRAM单元1；
图2和3示出了根据一个实施例的基于自旋转移矩(STT)的写操作；
图4和5示出了根据另一个实施例的基于STT的写操作。
具体实施方式
图1表示根据一个实施例的自参考MRAM单元1。MRAM单元1包括磁隧道结2，该磁隧道结2包含存储层23、具有自由感测磁化211的感测层21、和被包括在存储层23和感测层21之间的隧道势垒层22。该存储层23优选是合成存储层，其包括具有第一存储磁化234的第一铁磁层231、具有第二存储磁化235的第二铁磁层232、以及分离该第一和第二铁磁层231、232的非磁性耦合层233。
间隔层233的尺寸(例如，厚度)可以选择为，引起第一和第二铁磁层231和232通过RKKY耦合来被磁耦合，使得第一铁磁磁化235与第二铁磁磁化235反平行地取向。该厚度可以取决于形成间隔层233的材料。例如，该间隔层233可以包括非磁性材料，其选自包括例如钌(Ru)、铼(Re)、铑(Rh)、碲(Te)、钇(Y)、铬(Cr)、铱(Ir)、银(Ag)、铜(Cu)等的组。在一个实施例中，厚度可以被包括在大约0.2nm和3nm之间。然而，其他的厚度可以适合于耦合两个铁磁层231和232。在优选实施例中，间隔层233包括钌(Ru)，并且具有被包括在0.7nm和0.9nm之间的厚度。
在图1的示例性结构中，合成存储层23与反铁磁层24交换耦合，以便在低于临界温度的低温阈值处钉扎第二铁磁层232的第二铁磁磁化235，并且在处于临界温度或者高于临界温度的第二高温阈值处使它自由。该反铁磁层24可以由基于锰的合金制成，例如，IrMn、PtMn、NiMn或FeMn，或由任何其他适合的材料制成。
偶极耦合可以发生在存储层23和感测层21之间。这样的偶极耦合是由通过第一和第二铁磁磁化234、235感应的局部杂散场(未示出)引起的。偶极耦合的幅值取决于第一和第二铁磁层231、232的相应厚度。偶极耦合的幅值还可以通过选择第一和第二铁磁层231、232的磁性材料来被改变，所述磁性材料具有不同的自发磁化，例如但不是排他地，Fe、Co、Ni和它们的合金，例如，FeCo、NiFe、FeCoB、FeCoNi或FeCoCr。
在一个实施例中，第一和第二铁磁层231、232的厚度被选择为使得偶极耦合和由此杂散场基本上没有。在这种结构中，合成存储层23可以说成是被完全补偿。
根据一个实施例，热辅助转换(TAS)写操作包括：
加热磁隧道结2到高温阈值；
一旦磁隧道结2已经达到高温阈值，就在写状态下转换第二铁磁磁化235；以及
冷却磁隧道结2到低温阈值，以便在写状态下冻结第二铁磁磁化235。
可以通过经由与磁隧道结2电连通的电流线5在磁隧道结2中传递加热电流31来执行加热磁隧道结2。
在一个实施例中，被写入的MRAM单元1可以使用自参考读操作来被读取，该自参考读操作包括：
在第一读方向上调整感测磁化211；
测量第一结电阻值R1；
在第二读方向上调整感测磁化211；以及
测量第二结电阻值R2。
在第一读方向上调整感测磁化211可以包括通过在场线4中传递具有第一极性的场电流41来施加具有第一极性的磁场42。在第二读方向上调整感测磁化211可以包括通过在场线4中传递具有与第一极性相反的第二极性的场电流41来施加具有与第一极性相反的第二极性的读磁场42。磁场42在低于第一临界温度的读温度下被施加，该读温度例如可以与低温阈值对应，其中通过第一反铁磁层24钉扎存储磁化231。可以通过经由电流线5在磁隧道结2中传递感测电流32来执行测量第一和第二结电阻值R1、R2。可替换地，场电流41可以在电流线5中被传递。
图2和图3示出了根据一个实施例的基于自旋矩(STT)的写操作，其中，感测层21作为极化层使用。在基于STT的写操作期间，转换第二铁磁磁化235包括例如经由电流线5在磁隧道结2中注入自旋极化电流31。自旋极化电流31的自旋变得主要沿着感测磁化211的磁化方向取向。自旋极化电流31在第二铁磁磁化235上施加力矩，在对应于感测磁化211的取向的方向上转换第二铁磁磁化235。在优选实施例中，感测层21具有大于与隧道势垒层22接触的第一铁磁层231的厚度的厚度。
更具体地，图2(a)示出了在初始状态的MRAM单元1，其中第一和第二铁磁磁化234和235反平行地取向，并且其中感测磁化211朝向图的左边取向。例如，可以通过在写操作之前的读操作期间施加的磁场42来确定感测磁化211的取向。通过感测层21的形状各向异性，例如感测层21具有椭圆形形状；或者由于磁晶各向异性，可以使得感测磁化211的取向是稳定的。
图2(b)代表MRAM单元1，其中具有第一极性的自旋极化电流31被注入磁隧道结2中。当传递经过感测层21时，自旋极化电流31根据自旋极化电流31的第一极性变得被极化。在这个结构中，自旋极化电流31在对应于感测磁化211的方向的方向上转换第二铁磁磁化235。
图2(c)代表在第一写状态的MRAM单元1，其中第二铁磁磁化235已经根据感测磁化211的方向被转换。由于RKKY耦合，第一铁磁磁化234也被转换以便保持与第二铁磁磁化235反平行。在写入之后，第一反铁磁层24变得基本上平行于铁磁层232的磁化235取向。
图3(a)代表图2(c)的在写状态的MRAM单元1，其中具有第二极性的自旋极化电流31通过磁隧道结2被注入。当传递经过感测层21时，自旋极化电流31根据自旋极化电流31的第二极性变得被极化。在这个结构中，自旋极化电流31在与第一写方向相反的方向上，或者在与感测磁化211的取向相反的方向上转换第二铁磁磁化235。
图3(b)代表在第二写状态的MRAM单元1，其中第二铁磁磁化235已经根据具有第二极性的自旋极化电流31被转换。再者，由于RKKY耦合，第一铁磁磁化234也被转换以便保持与第二铁磁磁化235反平行。
根据本实施例的基于STT的写操作的优势在于，写操作可以在没有磁场的情况下被执行。然而，根据本实施例的基于STT的写操作需要使用双极晶体管来注入双向自旋极化电流31。由于感测层21的形状和/或磁晶各向异性，读操作也需要磁场42来具有较大的幅值。
图4和5示出了根据另一实施例的基于STT的写操作。更具体地，图4(a)示出了在初始状态的MRAM单元1，其中第一和第二铁磁磁化234、235反平行地取向，并且其中感测磁化211朝向图的左边取向。
图4(b)代表MRAM单元1，其中施加磁场42以便根据磁场42来取向感测磁化211。当施加磁场42时，自旋极化电流31通过磁隧道结2被注入。当传递经过感测层21时，自旋极化电流31根据由磁场42确定的感测磁化211的取向变得被极化。自旋极化电流在第二铁磁磁化235上施加力矩，在对应于感测磁化211的取向的方向上转换第二铁磁磁化235。磁场42足够小以允许只转换感测磁化211并且不转换第二铁磁磁化235。在图4(b)的实例中，通过在场线4中传递进入页面的场电流41(如图1所示)，磁场可以取向朝向右边地被施加。
图4(c)代表在写状态的MRAM单元1，其中第二铁磁磁化235根据感测磁化211的方向已经被转换。由于RKKY耦合，第一铁磁磁化234也被转换以便保持与第二铁磁磁化235反平行。
图5(a)代表图4(c)的在写状态的MRAM单元1，其中被注入磁隧道结2中的自旋极化电流31具有与图4(b)中的自旋极化电流相同的极性。在图5(a)中，以与图4(b)的方向相反的方向施加磁场42，使得感测磁化在与图4(b)的方向相反的方向上取向。根据感测磁化211的取向被极化的自旋极化电流31在与其在图5(a)的第一写状态的方向相反的方向上转换第二铁磁磁化235。
图5(b)代表在第二写状态的MRAM单元1，其中第二铁磁磁化235经根据自旋极化电流31和施加的磁场42被转换。由于RKKY耦合，第一铁磁磁化234也被转换以便保持与第二铁磁磁化235反平行。
根据本实施例的基于STT的写操作的优势在于，可以使用比双极晶体管小并具有较低功耗的单极晶体管来执行注入单向自旋极化电流31。读操作也需要使用具有较小幅值的磁场42。然而，写操作需要使用磁场42。
参考数字：
1    磁性随机存取存储器(MRAM)单元
2    磁隧道结
21   感测层
211  感测磁化
22   隧道势垒层
23   存储层
231  第一铁磁层
232  第二铁磁层
233  间隔层
234  第一铁磁磁化
235  第二铁磁磁化
24   反铁磁存储层
31   自旋极化电流
32   感测电流
4    场线
41   场电流
42   磁场
5    电流线

Claims (6)

1.用于写入包括磁隧道结的自参考MRAM单元的方法，该磁隧道结包括：
存储层，该存储层包括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，以及分离该第一和第二铁磁层的非磁性耦合层；
感测层，其具有自由感测磁化；以及
被包括在感测层和存储层之间的隧道势垒层；
第一和第二铁磁层被布置成使得存储层和感测层之间的偶极耦合基本上没有；
该方法包括：
通过在磁隧道结中传递自旋极化电流来转换第二铁磁磁化；
自旋极化电流在感测层中传递时根据感测磁化的方向被极化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过在所述转换第二铁磁磁化之前施加磁场来确定感测磁化的方向。
3.根据权利要求2所述的方法，其中感测层具有形状各向异性或磁晶各向异性，以便稳定感测磁化的方向。
4.根据权利要求1所述的方法，其中由自旋电流的极性来确定第二铁磁磁化的转换方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过在所述转换第二铁磁磁化期间施加磁场来确定感测磁化的方向。
6.根据权利要求5所述的方法，其中由施加的磁场的方向来确定感测磁化的方向。
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