CN106463169B - 具有合成反铁磁存储层的自引用多位mram单元 - Google Patents

具有合成反铁磁存储层的自引用多位mram单元 Download PDF

Info

Publication number
CN106463169B
CN106463169B CN201580032385.2A CN201580032385A CN106463169B CN 106463169 B CN106463169 B CN 106463169B CN 201580032385 A CN201580032385 A CN 201580032385A CN 106463169 B CN106463169 B CN 106463169B
Authority
CN
China
Prior art keywords
field
magnetization
storage
junction
write
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201580032385.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106463169A (zh
Inventor
Q.斯泰纳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Crocus Technology SA
Original Assignee
Crocus Technology SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Crocus Technology SA filed Critical Crocus Technology SA
Publication of CN106463169A publication Critical patent/CN106463169A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106463169B publication Critical patent/CN106463169B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1673—Reading or sensing circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1693—Timing circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
    • G11C11/5607—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using magnetic storage elements

Abstract

本公开涉及多位MRAM单元，该多位MRAM单元包括磁隧道结，该磁隧道结包括具有自由地可定向传感磁化的传感层；隧道势垒层、具有第一和第二存储层的合成反铁磁体存储层；其中，所述传感磁化感生具有在存储层的自旋翻转场以上的量值的偶极场；MRAM单元还包括用于在多个不同定向上对准传感磁化，以便在MRAM单元中对多个不同逻辑状态进行编码的对准装置。本公开还涉及一种用于操作多位MRAM单元的方法。

Description

具有合成反铁磁存储层的自引用多位MRAM单元
技术领域
本公开涉及一种自引用多位MRAM单元，其包括允许良好的可缩放性且可以使用非常低的读和写场振幅来操作的合成反铁磁存储层。本公开还涉及一种用于操作MRAM单元的方法。
背景技术
鉴于在环境温度下具有强磁阻的磁隧道结的发现，MRAM设备已变成越来越令人感兴趣的主题。MRAM设备提供许多益处，诸如更快的写和读速度、非易失性以及对电离辐射的不敏感性。因此，MRAM设备日益地取代基于电容器的充电状态的存储器设备，诸如动态随机存取存储器设备和闪存设备。
在本申请人的US2012201074中已提出了一种多位自引用MRAM设备，通常包括具有存储磁化方向的存储层、具有传感磁化方向的传感层、以及设置在存储层与传感层之间的间隔物层。在写操作期间，存储层具有在m个方向之间可切换以存储对应于m个逻辑状态中的一个的数据的磁化方向，其中m＞2，并且在读操作期间，传感层具有相对于存储层的磁化方向改变以确定由存储层存储的数据的磁化方向。轴向感生矩（AIM）依赖于有角度读操作，其中，通过使用恒定振幅和可变角的场对最小电阻角进行定位。
特别地，在写操作期间，以给定角度施加写场。被反铁磁层钉住的存储层的存储磁化被脱开（unpin），使得可以根据施加的写场对存储磁化进行对准。然而，由于传感层与存储层之间的静磁相互作用，写场振幅要求随着MRAM单元的尺寸减小而呈指数地增加。
使用合成反铁磁体（SAF）存储层允许显著地减少存储层与传感层的静磁耦合，因此减小写场振幅。然而，由于减小的磁矩和较大的各向异性能，SAF存储层的存储磁化非常难以远离存储层的磁晶易磁化轴（easy axis）而对准。
EP2715580公开了一种用于向磁性随机存取存储器（MRAM）单元写入和读取多个数据位的方法，该方法包括：将磁隧道结加热至高温度阈值；并且施加写磁场以使第一和第二存储磁化定向；其中，所述高温度阈值包括从而使第一存储磁化分别地反平行或平行于第二存储磁化而定向的第一或第三高温度阈值；以及从而使第一存储磁化相对于第二存储磁化以在180度以下的角度定向的第二高温度阈值中的一个。EP2715580讲授了写磁场可以产生可以帮助磁化的切换的杂散场；然而，EP2715580中所考虑的解决方案不足以实现写场振幅要求的充分降低。
发明内容
本公开涉及一种多位MRAM单元，其包括磁隧道结，该磁隧道结包括具有自由地可定向传感磁化的传感层；在传感层与SAF存储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存储层、具有第二存储磁化的第二存储层及第一和第二存储层之间的存储耦合层；第一存储磁化在磁隧道结的低阈值温度下被反铁磁层钉住，并且在磁隧道结的高阈值温度下被脱开；其中所述传感磁化被布置成用于感生在存储层的自旋翻转场之上具有一定量值且能够在磁隧道结处于高阈值温度下时对准第二存储磁化的偶极场；以及其中，MRAM单元还包括用于使传感磁化在0°至360°的范围中以多个不同定向对准、使得当磁隧道结处于高阈值温度时第二存储磁化可以根据偶极场在所述多个不同定向上对准的对准装置。
本公开还涉及一种用于操作多位MRAM单元的方法，包括在写操作期间：将反铁磁存储层加热至高阈值温度，从而脱开第一存储磁化；使传感磁化在所述多个不同定向中的一个上对准，从而根据传感磁化的方向来切换感生偶极场中的第一和第二存储磁化；以及将反铁磁存储层冷却至低阈值温度以冻结第一存储磁化。
本文公开的多位MRAM单元的优点包括低图案化尺寸（等于或小于65 nm）下的MRAM单元的可缩放性。多位MRAM单元要求可获得的非常低的读和写场振幅，通常小于50 Oe。可以以在0°至360°范围中的定向对SAF存储层进行写入，因此允许每个磁隧道结的等于或大于3位的最大多位容量。
附图说明
将借助于以示例的方式给出且用附图图示出的实施例的描述来更好地理解本发明，在所述附图中：
图1示出了根据实施例的包括磁隧道结的多位MRAM单元1；
图2a和2b示出了根据实施例的磁隧道结的顶视图，其中，第一和第二存储磁化被表示为在偶极场（图2a）中和在缺少偶极场的情况下定向；
图3示出了根据实施例的其中对第二存储磁化方向进行写入的磁隧道结的顶视图；
图4a至4d图示出根据实施例的在写操作期间的磁隧道结的顶视图；以及
图5a至5d示出了写操作的对应计时图。
具体实施方式
图1示出了根据实施例的多位MRAM单元1。MRAM单元1包括磁隧道结2，其包括具有可以自由地可定向的传感磁化211的传感层21、存储层23以及被夹在存储层23与传感层21之间的隧道势垒层22。存储层23包括合成存储层或合成反铁磁体（SAF），其包括具有第一存储磁化234的第一存储层231以及具有第二存储磁化235的第二存储层232。在第一和第二存储层231、232之间包括存储耦合层233。存储耦合层233产生第一和第二存储层231、232之间的磁耦合，即RKKY耦合。
参考图1，磁隧道结2还包括存储反铁磁层24，其邻近于第一存储层231设置，并且通过交换偏置而在第一反铁磁层24内或附近的温度处于低阈值温度TL（即在阻断温度以下，诸如奈尔温度或反铁磁层24的另一阈值温度）时沿着m个方向中的特定的一个钉住第一存储磁化方向234。 存储反铁磁层24在该温度处于高阈值温度TH（即在阻断温度以上）时脱开或释放第一存储磁化方向234，从而允许第一存储磁化方向234被切换至m个方向中的另一个。因此，当存储反铁磁层24处于低阈值温度TL时，第一存储磁化234在切换方向上被钉住，并且第二存储磁化235在由于存储耦合层233的RKKY耦合而与第一存储磁化234的切换方向反平行的方向上定向。
存储反铁磁层24包括反铁磁类型的磁性材料或由其形成。适当的反铁磁材料包括过渡金属及其合金。例如，适当的反铁磁材料包括基于锰（“Mn”）的合金，诸如基于铱（“Ir”）和Mn的合金（例如，IrMn）；基于Fe和Mn的合金（例如，FeMn）；基于铂（“Pt”）和Mn的合金（例如，PtMn）；以及基于Ni和Mn的合金（例如，NiMn）。例如，存储反铁磁层24可包括具有在约120℃至约220℃或约150℃至约200℃范围中的高阈值温度TH的基于Ir和Mn（或基于Fe和Mn）的合金或由其形成。由于传感磁化211被脱开，所以在缺少或不考虑否则将设定操作温度窗口的上界的阈值温度的情况下，可以选择高阈值温度TH以适应期望的应用，诸如高温应用。传感磁化211在低和高阈值温度TL、TH下自由地可调整。
在实施例中，传感层21被布置成使得由传感磁化211感生的偶极场212具有在存储层23的自旋翻转场HSF以上的量值。当反铁磁存储层24处于高阈值温度TH时，偶极场212能够根据偶极场212的方向来对准第一和第二存储磁化234、235。在其中偶极场212的量值在存储层23的自旋翻转场HSF以上的特定情况下，第一和第二存储层231、232之间的磁耦合使得第一和第二存储磁化234、235中的每一个以一定的自旋翻转角θ SF（其在垂直于偶极场212的方向与偶极场212的方向之间）定向。
第一和第二存储层231、232中的每一个包括铁磁类型的磁性材料或者由其形成，所述铁磁类型的磁性材料包括铁（“Fe”）、钴（“Co”）、镍（“Ni”）及其合金（诸如坡莫合金（或Ni80Fe20）；基于Ni、Fe和硼（“B”）的合金；Co90Fe10；以及基于Co、Fe和B的合金）。传感层21可以包括与第一和第二存储层231、232相同的铁磁材料或不同的铁磁材料。一般地，适当的铁磁材料包括过渡金属、稀土元素及其合金，具有或者没有主族元素。
存储耦合层233可以包括非磁性材料或由其形成。适当的非磁性材料包括以下各项中的一个：钌、铬、铼、铱、铑、银、铜和钇。耦合层233的厚度可以在nm范围中，诸如从约0.4nm至约2nm或从约0.6nm至约0.9 nm或从约1.6nm至约2nm。
传感层21可以包括软铁磁材料，即具有相对低的矫顽磁性（诸如不大于约0.01Oe）的铁磁材料，而存储层231、233可以包括硬铁磁材料，即具有相对高矫顽磁性（诸如大于约0.01 Oe）的铁磁材料。这样，可在读操作期间在低强度磁场下容易地改变传感层21的磁化，同时存储层231、233的磁化保持稳定。
隧道势垒层22可以包括绝缘材料或由其形成。适当的绝缘材料包括氧化物，诸如氧化铝（例如，Al2O3）和氧化镁（例如，MgO）。隧道势垒层22的厚度可以在nm范围中，诸如在约1 nm与约10 nm之间。
特别地，传感层21在传感层21的厚度在约10mn以下（例如在约1 nm与约10 nm之间）的情况下感生具有在存储层23的自旋翻转场HSF以上的量值的偶极场212。
第一和第二存储层231、232中的每一个的厚度应是约10 nm以下的。例如，第一和第二存储层231、232中的每一个的厚度可以在约0.1 nm与约10 nm之间、在约0.1 nm与约5nm之间或者在约0.5 nm与约4 nm之间。
磁隧道结2的横向尺寸和因此的第一和第二存储层231、232及传感层21的横向尺寸应小于200 nm。特别地，磁隧道结2的横向尺寸可以在约10 nm与约200 nm之间或者在约40 nm与约100 nm之间。在这里，横向尺寸可以对应于磁隧道结2的直径。
具有在存储层23的自旋翻转场HSF以上的量值的偶极场212可以具有在约500 Oe与1000 Oe之间的量值。
在优选实施例中，SAF存储层23被高度补偿。换言之，第一和第二存储层231、232使得由第一存储层231感生的局部杂散场基本上等于由第二存储层232感生的杂散场。可以例如通过调整第一和第二储存层231、232的厚度来获得高度补偿SAF存储层23。
MRAM单元1是存储多位数据值的多位单元。相对于具有单位或二进制单元的实施方式而言，此类多位单元的实施方式增强了MRAM单元1的存储密度。根据MRAM单元1的多位实施方式，第一存储磁化234和第二存储磁化235中的每一个在对应于m2个逻辑状态的m个方向之间可切换，其中m＞2。
在实施例中，MRAM单元1的写操作可以包括如下步骤：
将反铁磁存储层24加热至高阈值温度TH，使得第一存储磁化234被脱开且可以被自由地切换；
对准传感磁化211，从而感生能够根据对准传感磁化211的方向而切换第一和第二存储磁化235的偶极场212；以及
将反铁磁存储层24冷却至低阈值温度TL以冻结第一存储磁化234。
在图1中所示的实施例中，MRAM单元1包括被电耦合到磁隧道结2的位线3。因此可以通过使加热电流31经由位线3通过磁隧道结2（或通过施加电压通过磁隧道结）来执行在高阈值温度TH下将反铁磁存储层24加热。MRAM单元1还可以包括选择晶体管8，其被通过条带7电耦合到磁隧道结2（其在传感层233的侧面上示出），使得通过将选择晶体管8设定在饱和模式（或传递模式）中而在磁隧道结2中传递加热电流31。
可以通过在施加加热电流31的同时或短时间延迟之后施加写磁场60来执行使传感磁化211对准。施加写磁场60，从而使传感磁化211在写磁场60的方向上饱和。换言之，传感磁化211与写磁场60相干地对准。
当反铁磁存储层24处于高阈值温度TH时，偶极场212能够根据偶极场212的方向来对准第二存储磁化235（邻近于传感层21）。在其中偶极场212的量值在存储层23的自旋翻转场HSF以上的特定情况下，第一和第二存储层231、232之间的磁耦合使得第一和第二存储磁化234、235中的每一个以一定的自旋翻转角θ SF（在垂直于偶极场212的方向与偶极场212的方向之间的）定向。在这里，假设第二存储磁化235被写磁场60对准，而第一已脱开存储磁化234被耦合层233的磁耦合效应对准。
图2a和2b示出了磁隧道结2的顶视图，其中，示意性地表示传感磁化211及第一和第二存储磁化234、235。特别地，图2a示出了第一和第二存储磁化234、235在反铁磁存储层24处于高阈值温度TH时在偶极场212中定向。第一和第二存储磁化234、235中的每一个形成关于偶极场212的方向的自旋翻转角θSF。自旋翻转角θSF在偶极场212的量值对应于自旋翻转值HSF时是最大的，并且当偶极场212的量值超过自旋翻转值HSF时减小。当在饱和值HSAT下施加偶极场212时，第一和第二存储磁化234、235变得基本上平行于偶极场212的方向。
在图1中所示的实施例中，MRAM单元1还包括被磁耦合到磁隧道结2的场线4和被电耦合到磁隧道结2的位线3。场线4适于传递第一写电流41从而感生第一写磁场42，并且位线3适于传递第二写电流51从而感生第二写磁场52。写磁场60由第一和第二写磁场42、52的组合产生。在图1中，与位线3基本上正交地表示场线4，但是场线4和位线3的其它配置也是可能的。
在写操作期间，在场线4中传递第一写电流41从而感生第一写磁场42。在位线3（用作另一场线）中传递第二写电流51以感生第二写磁场52。通过改变第一和第二写电流41、51的方向和量值，获得在0°至360°范围中的写磁场60的m个不同定向。因此可以根据在0°至360°范围中的m个不同定向上的写磁场60来对准传感磁化211。
通过改变写磁场60的方向和因此的由传感磁化211感生的偶极场212的方向，可以在0°至360°范围中的m个不同定向或第一存储磁化234的写入角θi的m个不同值下对第一存储磁化234进行切换。可以将写入角θi的每个值分配给不同的已编码逻辑状态。
可以通过在保持传感层方向的同时去除加热源（即加热电流31（或电压））以允许反铁磁体冷却到其阻断温度以下，因而钉住SAF并确保其磁化方向的保持来执行冷却步骤。
在将反铁磁存储层24冷却至低阈值温度TL之后，第一存储磁化234被冻结在对准方向或写入角θi中。在低阈值温度TL下，通过由存储耦合层233感生的磁耦合而在与第一存储磁化234的方向反平行的方向上切换第二存储磁化235（参见图2b）。在图2a和2b的示例中，示出了在沿着轴200的方向上施加的偶极场212。在写操作之后，第二存储磁化235因此也在与轴200形成写入角θi的方向上对准。
图3示出了其中在与轴200形成写入角θi的方向上写入第二存储磁化方向235的磁隧道结2的顶视图。用点线箭头表示的还有被从m个方向中的初始的一个切换至m个其它可能方向中的另一个（与在0°至360°范围中的写入角θi 相对应）的第二存储磁化方向235的可能定向。根据MRAM单元1的多位实施方式，第二存储磁化235在对应于m2个逻辑状态的m个方向之间可切换，其中m＞2。
图4a至4d图示出根据实施例的写操作期间的磁隧道结2的顶视图，并且图5a至5d示出了写操作的相应计时图。特别地，图5a示出了写操作之前的第一和第二存储磁化234、235。
在写操作之前，不施加结果产生的写磁场60（在图5a中Hwrite＝0）。磁隧道结2处于低阈值温度TL，并且第一存储磁化234被钉住在m个方向中的最初一个上（θ = θi），第二存储磁化235由于耦合层233的磁耦合（参见图4a）而与第一存储磁化234反平行地定向。
在写操作期间，反铁磁存储层24通过传递加热电流31（图5b中的iheat）而被加热到高阈值温度TH，使得第一存储磁化234被脱开，并且在由传感层21生成的偶极场212中定向（参见图4b）。特别地，第一和第二存储磁化234、235中的每一个以关于偶极场212的方向（沿着轴200）的自旋翻转角θSF定向。
然后施加磁场60（图5c中的Hwrite）以使传感磁化211在对准方向上对准。由传感磁化211感生的偶极场212根据偶极场212的对准方向而将第一和第二存储磁化234、235切换至m个其它可能方向中的另一个（在图5c中θ = θw）。图4c示出了当偶极场212的量值在自旋翻转场HSF以上时相对于偶极场212的对准方向（沿着轴200）形成自旋翻转角θSF的第一和第二存储磁化234、235中的每一个。
反铁磁存储层24然后被冷却至低阈值温度TL（图5d）以将第一存储磁化234冻结在写入定向上（在图5d中θ = θw）。在将反铁磁存储层24冷却至低阈值温度TL之后，第二存储磁化235通过由存储耦合层233感生的磁耦合而在与第一存储磁化234的方向反平行的方向上被切换。写磁场60被去除，并且被脱开的传感磁化211可以返回至其初始定向。
根据实施例，在多位MRAM单元1的读操作期间，位线3（用作场线）和第一场线4被激活以感生一组读磁场44、54以改变传感层21的磁化。具体地，可以通过第一场线4来施加第一读电流43以感生第一读磁场44。还可以通过位线3施加第二读电流53以感生第二读磁场54。传感磁化方向211根据与第一和第二读磁场44、54的组合相对应的读磁场70而改变。由于传感层21几乎不经受交换偏置，所以在低强度磁场下且在处于低阈值温度TL的温度下可以容易地改变传感磁化方向211，同时第一和第二存储磁化方向232、234在其写入方向上保持稳定。
根据实施例，在其中感生第一和第二读磁场44、54的多个读循环中执行MRAM单元1的读操作，使得对于每个读循环而言传感磁化方向211相对于第二存储磁化235的切换方向对准。由于传感磁化方向211可以根据读磁场70而对准，所以可以根据每个读循环将传感磁化方向211在m个方向之间连续地切换。这样，传感磁化方向根据读操作方案而旋转至m个不同的定向。
作为每个读循环的一部分，通过经由位线3施加传感电流33通过磁隧道结2来确定传感磁化方向211与第二存储磁化方向235之间的对准程度，其中选择晶体管8处于饱和模式。当施加传感电流33时测量跨磁隧道结2的电压针对特定读循环且针对传感磁化211相对于第二存储磁化235的定向的特定对准而产生磁隧道结2的电阻值R。替换地，可以通过跨磁隧道结2施加电压并测量电流来确定电阻值。
当传感磁化211与第二存储磁化235反平行时，磁隧道结2的电阻值R通常对应于最大值，即Rmax，并且当相应的磁化为平行时，磁隧道结2的电阻值通常对应于最小值，即Rmin。当相应的磁化在反平行与平行之间时，磁隧道结2的电阻值通常在Rmax与Rmin之间。
读操作还可以包括根据在多个读循环期间测量的电阻值R来作为传感磁化方向211的函数而获得磁隧道结2的电阻响应的步骤。读操作还可以包括提取电阻响应的二阶偏导数并根据提取的二阶偏导数来确定第二存储磁化235的方向（写入角θw）的步骤。在本申请人的专利申请EP14290144中描述了此变体。
参考数字
1 MRAM单元
2 磁隧道结
200 轴
21 参考层
211 传感磁化
212 偶极场
22 隧道势垒层
23 存储层
231 第一存储层
232 第二存储层
233 存储耦合层
234 第一存储磁化
235 第二存储磁化
24 反铁磁存储层
3 位线
31 加热电流
32 读电流
4 场线
41 第一写电流
42 第一写磁场
43 第一读场电流
44 第一读磁场
51 第二写电流
52 第二写磁场
53 第二读场电流
54 第二读磁场
60 写磁场
7 条带
70 读磁场
8 选择晶体管
θi 初始角
θSF 自旋翻转角
θw 写入角
HSF 自旋翻转场
R 结电阻
R1 第一结电阻
R2 第二结电阻
TH 高阈值温度
TL 低阈值温度

Claims (14)

1.多位MRAM单元，其包括磁隧道结，该磁隧道结包括具有自由地可定向传感磁化的传感层；在传感层与存储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存储层、具有第二存储磁化的第二存储层及第一和第二存储层之间的存储耦合层；第一存储磁化在磁隧道结的低阈值温度下被反铁磁存储层钉住，并且在磁隧道结的高阈值温度下被脱开；
传感磁化被布置成当磁隧道结处于高阈值温度以便第一和第二存储磁化中的每一个以与偶极场的方向成自旋翻转角θSF定向时感生能够对准第二存储磁化的具有在存储层的自旋翻转场以上的量值的偶极场；
MRAM单元还包括用于在0°至360°范围中的多个不同定向上对准传感磁化的对准装置，
其中，所述第一和第二存储磁化在所述对准期间移动以保持其与偶极场的方向成自旋翻转角θSF的定向，使得当磁隧道结处于高阈值温度时，第一和第二存储磁化可以根据传感磁化的方向在偶极场中的所述多个不同定向上对准。
2.根据权利要求1所述的多位MRAM单元，其中，所述传感层和所述第一和第二存储层具有在约10nm以下的厚度；并且所述磁隧道结具有在约200 nm以下的横向尺寸。
3.根据权利要求2所述的多位MRAM单元，其中，所述传感层具有在约1 nm与约10 nm之间的厚度。
4.根据权利要求2所述的多位MRAM单元，其中，所述第一和第二存储层具有在约1 nm与约10 nm之间；或者在约0.1 nm与约5 nm之间的厚度。
5.根据权利要求2所述的多位MRAM单元，其中，所述磁隧道结具有在约10 nm与约200nm之间的横向尺寸。
6.根据权利要求1所述的多位MRAM单元，其中，所述第一和第二存储层使得由第一存储层感生的局部杂散场基本上等于由第二存储层感生的局部杂散场。
7.根据权利要求1所述的多位MRAM单元，其中，所述对准装置包括在0°至360°范围中的m个不同定向上可定向的写磁场且能够根据写磁场的方向使传感磁化饱和。
8.根据权利要求7所述的多位MRAM单元，其中，由第一和第二写磁场的组合产生所述写磁场，并且所述对准装置包括被磁耦合到磁隧道结且适于传递感生第一写磁场的第一写电流的场线；以及被电耦合到磁隧道结并适于传递感生第二写磁场的第二写电流的位线。
9.根据权利要求4所述的多位MRAM单元，其中所述第一和第二存储层具有在约0.5 nm与约4nm之间的厚度。
10.根据权利要求5所述的多位MRAM单元，其中所述磁隧道结具有在约40 nm与约100nm之间的横向尺寸。
11.用于操作多位MRAM单元的方法，该多位MRAM单元包括磁隧道结，该磁隧道结包括具有自由地可定向的传感磁化的传感层；在传感层与存储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存储层、具有第二存储磁化的第二存储层及第一和第二存储层之间的存储耦合层；第一存储磁化在磁隧道结的低阈值温度下被反铁磁存储层钉住，并且在磁隧道结的高阈值温度下被脱开；传感磁化被布置成当磁隧道结处于高阈值温度，使得第一和第二存储磁化中的每一个以与偶极场的方向成自旋翻转角θSF定向时感生能够对准第二存储磁化的具有在存储层的自旋翻转场以上的量值的偶极场；MRAM单元还包括用于在0°至360°范围中的多个不同定向上对准传感磁化的对准装置，其中，所述第一和第二存储磁化在所述对准期间移动以保持其与偶极场的方向成自旋翻转角θSF的定向，使得当磁隧道结处于高阈值温度时，第一和第二存储磁化可以根据传感磁化的方向在偶极场中的所述多个不同定向上对准；
所述方法包括在写操作期间：
将反铁磁存储层加热至高阈值温度，从而脱开第一存储磁化；
用偶极场使第一存储磁化定向，使得第一和第二存储磁化中的每一个以与偶极场的方向成自旋翻转角θSF定向；
在所述多个不同定向中的一个上对准传感磁化，并且其中所述第一和第二存储磁化在所述对准期间移动以保持其与偶极场的方向成自旋翻转角θSF的定向，从而根据传感磁化的方向在感生偶极场中切换第一和第二存储磁化；
使反铁磁存储层冷却至低阈值温度以冻结第一存储磁化并通过磁耦合在与第一存储磁化的方向反平行的方向上切换第二存储磁化。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述对准传感磁化包括施加写磁场，所述写磁场在对应于写磁场的方向的方向上具有适于使传感磁化饱和的量值。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多位MRAM单元还包括适于传递第一写电流的被磁耦合到磁隧道结的场线以及被电耦合到磁隧道结且适于传递第二写电流的位线；所述方法还包括：
在场线中传递第一写电流以感生第一写磁场并在位线中传递第二写电流以感生第二写磁场；
调整第一和第二写电流中的每一个的方向和量值，使得写磁场在所述多个不同定向中的一个上定向。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括在读操作期间：
执行多个读循环，其中，每个读循环包括相对于第二存储磁化的切换方向对准传感磁化方向，并且测量磁隧道结的电阻，其指示传感磁化方向与第二存储磁化方向之间的对准程度。
CN201580032385.2A 2014-06-17 2015-05-28 具有合成反铁磁存储层的自引用多位mram单元 Expired - Fee Related CN106463169B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP14290174.3 2014-06-17
EP14290174.3A EP2958108B1 (en) 2014-06-17 2014-06-17 Self-referenced multibit MRAM cell having a synthetic antiferromagnetic storage layer
PCT/EP2015/061865 WO2015193074A1 (en) 2014-06-17 2015-05-28 Self-referenced multibit MRAM cell having a synthetic antiferromagnetic storage layer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106463169A CN106463169A (zh) 2017-02-22
CN106463169B true CN106463169B (zh) 2019-05-28

Family

ID=51799051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201580032385.2A Expired - Fee Related CN106463169B (zh) 2014-06-17 2015-05-28 具有合成反铁磁存储层的自引用多位mram单元

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9947381B2 (zh)
EP (1) EP2958108B1 (zh)
CN (1) CN106463169B (zh)
WO (1) WO2015193074A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220108158A1 (en) * 2020-10-02 2022-04-07 Sandisk Technologies Llc Ultralow power inference engine with external magnetic field programming assistance

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020035976A (ja) * 2018-08-31 2020-03-05 キオクシア株式会社 磁気記憶装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101465407A (zh) * 2007-12-21 2009-06-24 原子能委员会 热辅助磁写入存储器
CN103035280A (zh) * 2011-09-28 2013-04-10 克罗科斯科技公司 磁随机存取存储器单元、用于对其进行读取和写入的方法
CN103137856A (zh) * 2011-11-22 2013-06-05 克罗科斯科技公司 具有优化的可靠性的自引用mram单元
CN103165171A (zh) * 2011-12-12 2013-06-19 克罗科斯科技公司 包括合成存储层的自参考磁随机存取存储器元件
CN103208303A (zh) * 2012-01-16 2013-07-17 克罗科斯科技公司 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
EP2725580A1 (en) * 2012-10-25 2014-04-30 Crocus Technology S.A. Thermally assisted MRAM cell and method for writing a plurality of bits in the MRAM cell
EP2738769A1 (en) * 2012-11-28 2014-06-04 Crocus Technology S.A. Magnetoresistive element having enhanced exchange bias and thermal stability for spintronic devices
EP2741296A1 (en) * 2012-12-07 2014-06-11 Crocus Technology S.A. Self-referenced magnetic random access memory (MRAM) and method for writing to the MRAM cell with increased reliability and reduced power consumption

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7746687B2 (en) * 2008-09-30 2010-06-29 Seagate Technology, Llc Thermally assisted multi-bit MRAM
FR2946183B1 (fr) * 2009-05-27 2011-12-23 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique a polarisation de spin.
US8467234B2 (en) 2011-02-08 2013-06-18 Crocus Technology Inc. Magnetic random access memory devices configured for self-referenced read operation
FR2989211B1 (fr) * 2012-04-10 2014-09-26 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique a ecriture assistee thermiquement
US9406870B2 (en) * 2014-04-09 2016-08-02 International Business Machines Corporation Multibit self-reference thermally assisted MRAM

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101465407A (zh) * 2007-12-21 2009-06-24 原子能委员会 热辅助磁写入存储器
CN103035280A (zh) * 2011-09-28 2013-04-10 克罗科斯科技公司 磁随机存取存储器单元、用于对其进行读取和写入的方法
CN103137856A (zh) * 2011-11-22 2013-06-05 克罗科斯科技公司 具有优化的可靠性的自引用mram单元
CN103165171A (zh) * 2011-12-12 2013-06-19 克罗科斯科技公司 包括合成存储层的自参考磁随机存取存储器元件
CN103208303A (zh) * 2012-01-16 2013-07-17 克罗科斯科技公司 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
EP2725580A1 (en) * 2012-10-25 2014-04-30 Crocus Technology S.A. Thermally assisted MRAM cell and method for writing a plurality of bits in the MRAM cell
EP2738769A1 (en) * 2012-11-28 2014-06-04 Crocus Technology S.A. Magnetoresistive element having enhanced exchange bias and thermal stability for spintronic devices
EP2741296A1 (en) * 2012-12-07 2014-06-11 Crocus Technology S.A. Self-referenced magnetic random access memory (MRAM) and method for writing to the MRAM cell with increased reliability and reduced power consumption

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220108158A1 (en) * 2020-10-02 2022-04-07 Sandisk Technologies Llc Ultralow power inference engine with external magnetic field programming assistance

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015193074A1 (en) 2015-12-23
US9947381B2 (en) 2018-04-17
EP2958108B1 (en) 2019-08-28
CN106463169A (zh) 2017-02-22
EP2958108A1 (en) 2015-12-23
US20170110172A1 (en) 2017-04-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8988934B2 (en) Multibit cell of magnetic random access memory with perpendicular magnetization
EP2725580B1 (en) Thermally assisted MRAM cell and method for writing a plurality of bits in the MRAM cell
CN101803192A (zh) 可重新配置的磁逻辑电路结构及用于制造和操作这种逻辑设备的方法
US8503225B2 (en) Multibit cell with synthetic storage layer
EP2608208B1 (en) Self-referenced MRAM cell and method for writing the cell using a spin transfer torque write operation
US9799384B2 (en) Multi-bit MRAM cell and method for writing and reading to such MRAM cell
CN103035836B (zh) 包含亚铁磁层的自参考磁随机存取存储器单元
CN103843063A (zh) 包括多比特单元的磁性随机存取存储装置
US10191719B2 (en) MRAM-based programmable magnetic device for generating random numbers
US9305628B2 (en) Self-referenced magnetic random access memory (MRAM) and method for writing to the MRAM cell with increased reliability and reduced power consumption
CN106463169B (zh) 具有合成反铁磁存储层的自引用多位mram单元
CN107110921A (zh) 具有改进的可编程性和灵敏度的基于mlu的磁性传感器
EP2775480A1 (en) Self-referenced TAS-MRAM cell that can be read with reduced power consumption
KR20150009664A (ko) 수직 자기 이방성을 갖는 mtj 구조 및 이를 포함하는 자성소자
KR20120130737A (ko) 합성 저장층을 갖는 멀티비트 셀
EP2905783A1 (en) Method for writing to a multibit TAS-MRAM device configured for self-referenced read operation with improved reproducibly

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for 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

Granted publication date: 20190528

Termination date: 20210528

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee