CN107076809B - 自参考mram单元以及包括该自参考mram单元的磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种自参考MRAM单元，其包括具有固定参考磁化的参考层、具有自由感测磁化的感测层、隧道势垒、具有偏置磁化的偏置层和偏置反铁磁性层，当MRAM单元处于等于或低于偏置阈值温度的温度时该偏置反铁磁性层将偏置磁化钉扣在偏置方向上；该偏置磁化被布置用于感应偏置场，该偏置场被适配用于使感测磁化在与偏置方向相反的方向上偏置，使得在有外部磁场的情况下当外部磁场在基本上垂直于参考磁化的方向的方向上定向时，经过偏置的感测磁化线性地变化。本公开还涉及一种包括多个自参考MRAM单元的磁场传感器和一种用于对磁场传感器进行编程的方法。

Description

自参考MRAM单元以及包括该自参考MRAM单元的磁场传感器
技术领域
本公开涉及一种用于测量外部磁场的自参考（self-referenced）MRAM单元和包括该自参考MRAM单元的磁场传感器。本公开还涉及一种用于对磁场传感器进行编程的方法。
背景技术
自参考MRAM单元可以被用在磁性传感器或罗盘中以感测磁场。MRAM单元包括磁性隧道结，其包括具有固定参考磁化的参考层，具有自由感测磁化的感测层和在该感测层和参考层之间的隧道势垒层。参考磁化和感测磁化可以被定向成平行于参考层和感测层的平面。感测层的定向中的改变典型地被用来测量外部磁场。传感器设备可以由以电路配置布置的多个自参考MRAM单元形成，并且被有利地用于放大与外部磁场有关的测得的响应。例如，为了该目的，已经提出了以惠斯通电桥配置布置的多个自参考MRAM单元。
图1示出常规惠斯通电桥，其包括两个串联连接的电阻R1、R2，它们与另外两个串联连接的电阻R3、R4并联。在图1的电路中，每个电阻可以对应于一个自参考MRAM单元。
当外部磁场定向成垂直于参考磁化方向时，以及当感测磁化以相对于参考磁化方向约45°定向时，可以获得对于这样的惠斯通电桥的在有外部磁场的情况下的测得电压Vout的线性变化。在感测操作期间，通过施加由在场线中传递的场电流感应的磁场来实现以相对于参考磁化方向约45°对感测磁化定向。因为在整个感测操作期间必须传递场电流，所以操作这样的已知传感器设备暗示归因于电迁移现象的导致降低的寿命的静态功率消耗。
发明内容
本公开涉及一种自参考MRAM单元，其包括：具有固定参考磁化方向的参考层，具有可在外部磁场中自由定向的感测磁化的感测层，以及包括在参考层和感测层之间的隧道势垒；该MRAM单元还包括：具有偏置磁化的偏置层和偏置反铁磁性层，当MRAM单元处于等于或低于偏置阈值温度的温度时该偏置反铁磁性层将偏置磁化钉扣（pin）在偏置方向上；偏置磁化被布置用于感应偏置场，其被适配用于使感测磁化在与偏置方向相反的方向上偏置，使得在有外部磁场的情况下当这样的外部磁场在基本上垂直于参考磁化的方向的方向上定向时，经过偏置的感测磁化的方向线性地变化。
本公开还涉及一种磁场传感器，其包括：串联电气连接多个MRAM单元的电流线；该电流线被布置用于传递加热电流，该加热电流被适配用于将MRAM单元加热到高于偏置阈值温度；以及用于传递感应磁场的编程场电流的场线，该磁场被适配用于当加热MRAM单元时到高于偏置阈值温度的温度时使MRAM单元的偏置磁化在偏置方向上对齐。
本公开还与一种用于对磁场传感器进行编程的方法有关，该方法包括：将多个MRAM单元中的任一个加热到高于偏置阈值温度的温度，以便释放多个MRAM单元中的所述任一个中的偏置磁化；使经过加热的MRAM单元的偏置磁化在偏置方向上对齐；以及将所述经过加热的MRAM单元冷却到低于偏置阈值温度的温度以便将偏置磁化钉扣在偏置方向上。
因为需要仅在比感测操作短得多的编程操作期间传递加热电流（或加热电压脉冲）和编程场电流，所以本文中公开的磁场传感器要求少得多的静态功率消耗并且可以具有显著延长的寿命。
附图说明
在作为示例给出的以及通过图图示的实施例的描述的帮助下，将更好理解本发明，在图中：
图1图示常规惠斯通电桥结构；
图2根据实施例的磁场传感器；
图3示出利用图2的磁场传感器测得的电压响应的曲线图；以及
图4表示根据实施例的MRAM单元的横截面视图。
具体实施方式
图2示出根据实施例的磁场传感器100。该磁场传感器100包括以惠斯通电桥电路配置连接的四个电流分支（3a、3a'、3b、3b'）。特别地，第一分支3a和第二分支3a'分别串联电气连接第一MRAM单元1a和第二MRAM单元1a'。第三分支3b和第四分支3b'分别串联电气连接第三MRAM单元1b和第四MRAM单元1b'。第一和第二分支3a、3a'与第三和第四分支3b、3b'并联电气连接，从而形成惠斯通电桥电路。
图4表示根据实施例的与MRAM单元1a、1a'、1b、1b'中的任一个相对应的MRAM单元1的横截面视图。MRAM单元1包括具有固定参考磁化230的参考层23，具有可在外部磁场60下自由定向的感测磁化210的感测层21，和包括在参考和感测层23、21之间的隧道势垒22。
感测层21和参考层23中的每一个都包括磁性材料（并且特别地，铁磁性类型的磁性材料），或者由其形成。铁磁性材料可以由特定矫顽力表征，该特定矫顽力指示在磁场被驱动到在一个方向上饱和之后用来使磁化反向的磁场的量值。一般来说，感测层21和参考层23可以包括相同的铁磁性材料或不同的铁磁性材料。感测层21可以包括软铁磁性材料（也就是具有相对低的矫顽力的铁磁性材料），而参考层23可以包括硬铁磁性材料（也就是具有相对高的矫顽力的铁磁性材料）。以这样的方式，感测层21的磁化可以在低强度磁场下容易地变化。适当的铁磁性材料包括过渡金属、稀土元素以及它们的合金（具有或不具有主族元素）。例如，适当的铁磁性材料包括：铁（“Fe”）、 钴（“Co”）、镍（“Ni”）以及它们的合金，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。在一些实例中，基于Ni和Fe（以及可选地，B）的合金可以具有比基于Co和Fe（以及可选地，B）的合金更小的矫顽力。感测层21和参考层23中的每一个的厚度可以处于nm范围，诸如从约1nm到约20nm或者从约1nm到约10nm。感测层21和参考层23的其他实施方式被预期。例如，感测层21和参考层23中的任一个或二者可以包括多个子层，其形式类似于所谓的合成（synthetic）反铁磁性层的形式。
隧道势垒层22可以包括绝缘材料或者由其形成。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的厚度可以处于nm范围，诸如从约1nm到约10nm。
参考图4，MRAM单元1还可以包括参考反铁磁性层24，其被设置成邻近于参考层23，并且当参考反铁磁性层24内或其附近的温度在参考反铁磁性层24的低阈值温度TL处（即低于阻挡温度，诸如奈耳温度）或者另一阈值温度处时，通过交换偏置沿着特定方向钉扣参考磁化230。当温度在高阈值温度TH处（即高于阻挡温度）时参考反铁磁性层24不钉扣或释放参考磁化230，从而允许参考磁化230被切换到另一方向。在图4的特定示例中，参考层23被表示为合成反铁磁体（SAF）结构，其包括：具有第一参考磁化230的第一参考子层231，和具有第二参考磁化230'的第二参考子层232，和将第一和第二参考反铁磁性层231、232分离的非磁性耦合层233。
参考反铁磁性层24包括反铁磁性类型的磁性材料或者由其形成。适当的反铁磁性材料包括过渡金属以及它们的合金。例如，适当的反铁磁性材料包括基于锰（“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，参考反铁磁性层24可以包括基于Ir和Mn（或者基于Fe和Mn）的合金或者由该合金形成，其具有在约120℃到约220℃的范围内的高阈值温度TH。因为感测磁化210未被钉扣，所以在没有将另外设置操作温度窗的上限的阈值温度的情况下或者在与其无关的情况下，高阈值温度TH可以被选择以适应期望的应用，诸如高温度应用。感测磁化210可在低和高阈值温度TL、TH处自由调整。包括具有可自由调整感测磁化210的感测层21的这种类型的MRAM单元1被称为自参考MRAM单元。
MRAM单元1还包括具有偏置磁化250的偏置层25，和当MRAM单元处于等于或低于偏置阈值温度TB的温度时钉扣偏置磁化250在偏置方向上的偏置反铁磁性层27。去耦合层26可以被设置在感测层21和偏置层25之间，使得不发生偏置层25和感测层21之间的直接RKKY耦合。
偏置磁化250被配置用于感应偏置场251，其被适配用于由于偏置层25和感测层21之间的磁性耦合而使感测磁化210偏置在与偏置方向相反的方向上。偏置方向可以被定向成以便形成在平行于参考磁化230的方向的方向与正交于参考磁化230的方向的方向之间的角度。然后，在有以基本上垂直于参考磁化230的方向的方向定向的外部磁场60的情况下，被由偏置磁化250在这样的偏置方向上感应的偏置场251偏置的感测磁化210可以线性地变化。
可以在外部磁场下通过使用退火步骤来设置参考磁化230的方向。
在实施例中，偏置阈值温度TB低于参考阈值温度TR。
返回到图2，一种根据实施例的用于对磁场传感器100进行编程的方法包括：
将MRAM单元1a、1a'、1b、1b'中的任一个加热到高于偏置阈值温度TB的温度以便释放偏置磁化250；
使经过加热的MRAM单元（1）的偏置磁化250在偏置方向上对齐；以及
将经过加热的MRAM单元1a、1a'、1b、1b'冷却到低于偏置阈值温度TB的温度以便钉扣偏置磁化250在偏置方向上。
特别地，可以按顺序对第一和第二MRAM单元1a、1a'并且对第三和第四MRAM单元1b、1b'执行加热、使偏置磁化250对齐以及冷却的步骤。
在实施例中，加热MRAM单元1a、1a'、1b、1b'包括按顺序横跨第一、第二、第三和第四电流分支3a、3a'、3b、3b'施加加热电压脉冲32（见图2），以用于将第一、第二、第三和第四MRAM单元1a、1a'、1b、1b'加热到处于或高于偏置阈值温度TB。
可替代地，加热MRAM单元1a、1a'、1b、1b'包括按顺序在第一、第二、第三和第四电流分支3a、3a'、3b、3b'中传递加热电流脉冲31，以用于将第一、第二、第三和第四MRAM单元1a、1a'、1b、1b'加热到处于或高于偏置阈值温度TB。
在图2中示出的实施例中，编程场线4包括第一编程场线部分4a，其被配置用于传递感应第一编程磁场42'的第一编程场电流41'。该编程场线4还包括第二场线部分4b，其被布置成基本上与第一编程场线部分4a正交并且被配置用于传递感应第二编程磁场42''的第二编程场电流41''。
因此使偏置磁化250对齐的步骤包括在第一编程场线4a中传递第一编程场电流41'以及在第二编程场线4b中传递第二编程场电流41''。结果的编程磁场42被适配用于使被加热到处于或高于偏置阈值温度TB的第一、第二、第三或第四MRAM单元1的偏置磁化250对齐。结果的编程磁场42的定向取决于第一和第二编程场电流41'、41''的相对量值和极性。因此，可以通过调整第一和第二编程场电流41'、41''的量值和极性来将偏置磁化250的偏置方向调整到任何适当的定向。
因此使偏置磁化250对齐的步骤可以被执行，使得偏置方向形成在平行于参考磁化230的方向的方向与正交于参考磁化230的方向的方向之间的角度。
使偏置磁化250对齐的步骤可以进一步被执行，使得第一和第二子集1a、1a'中的MRAM单元1的偏置方向相对于参考磁化230的方向分别呈约-45°和45°，并且第三和第四子集1b、1b'中的MRAM单元1的偏置方向相对于参考磁化230的方向分别呈约135°和-135°。
磁场传感器100不限于图2中示出的配置。例如，磁场传感器100可以包括多个MRAM单元1。特别地，第一分支3a可以串联电气连接多个MRAM单元1的第一子集1a，第二分支3a'可以串联电气连接多个MRAM单元1的第二子集1a'，第三分支3b可以串联电气连接多个MRAM单元1的第三子集1b，并且第四分支3b'可以串联电气连接多个MRAM单元1的第四子集1b'。
在磁场传感器100的编程操作期间，按顺序对包括在第一、第二、第三和第四子集1a、1a'、1b、1b'中的MRAM单元1执行加热、使偏置磁化250对齐以及冷却的步骤。
特别地，加热MRAM单元1包括按顺序横跨第一、第二、第三和第四电流分支3a、3a'、3b、3b'施加加热电压脉冲32或者按顺序在第一、第二、第三和第四电流分支3a、3a'、3b、3b'中传递加热电流脉冲31，以用于按顺序将MRAM单元1的第一、第二、第三和第四子集1a、1a'、1b、1b'加热到处于或高于偏置阈值温度TB。第一、第二、第三和第四子集1a、1a'、1b、1b'中的每一个可以被独立地加热到处于或高于偏置阈值温度TB。参考图2，这可以通过独立地在第一电流分支3a中传递第一加热电流脉冲31a，在第二电流分支3a'中传递第二加热电流脉冲31a'，在第三电流分支3b中传递第三加热电流脉冲31b和在第四电流分支3b'中传递第四加热电流脉冲31b'来执行。
一旦子集1a、1a'、1b、1b'之一中的MRAM单元1已经被加热到处于或高于偏置阈值温度TB，则第一和第二编程场电流41'、41''可以分别在第一和第二编程场线4a、4b中传递，以便分别感应第一和第二编程磁场42'和42''。根据由分别由第一和第二编程场电流41'和41''感应的第一和第二编程磁场42'和42''的组合产生的编程磁场42，使子集1a、1a'、1b、1b'之一中的经过加热的MRAM单元（1）的偏置磁化250对齐。
取决于结果的编程磁场42的定向，可以使偏置磁化250在任何适当的偏置方向上对齐。例如，在第一、第二、第三和第四子集1a、1a'、1b、1b'中的MRAM单元1的偏置磁化250可以具有相对于参考磁化230分别呈约-45°、45°、135°和-135°定向的偏置方向或任何其他适当的定向。
在执行编程操作之后，经过编程的磁场传感器100可以被用于感测外部磁场60。
返回到图2，惠斯通电桥磁场传感器100可以被用于感测外部磁场60的基本上在MRAM单元层21、23的平面中并且垂直于参考磁化230的方向定向的分量方向（在退火步骤期间确定）。
在偏置磁化250的偏置方向被定向成以便形成在平行于参考磁化230的方向的方向与正交于参考磁化230的方向的方向之间的角度的情况下，通过由偏置磁化250感应的偏置场251偏置的感测磁化210将随着外部磁场60的基本上垂直于参考磁化230的方向定向的分量基本上线性地变化。
图3示出在有外部磁场60的情况下（基本上垂直于参考磁化230的方向定向的分量），图2中示出的磁场传感器100的第一和第二分支3a、3a'与第三和第四分支3b、3b'之间测得的电压响应Vout的曲线图。
参考数字和符号

Claims (18)

1.一种自参考MRAM单元，包括：具有固定参考磁化的参考层，具有可在外部磁场中自由定向的感测磁化的感测层，以及包括在参考层和感测层之间的隧道势垒；
其中
该MRAM单元还包括：具有偏置磁化的偏置层，和偏置反铁磁性层，当MRAM单元处于等于或低于偏置阈值温度的温度时，该偏置反铁磁性层将偏置磁化钉扣在偏置方向上；
并且其中
该偏置磁化被布置用于感应偏置场，该偏置场被适配用于使感测磁化在与偏置方向相反的方向上偏置，使得在有外部磁场的情况下当外部磁场在基本上垂直于参考磁化的方向的方向上定向时，经过偏置的感测磁化线性地变化。
2.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中该MRAM单元还包括参考反铁磁性层，当MRAM单元处于等于或低于参考阈值温度的温度时，该参考反铁磁性层钉扣参考磁化；偏置阈值温度低于参考阈值温度。
3.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中该偏置方向形成在平行于参考磁化的方向的方向与正交于参考磁化的方向的方向之间的角度。
4.根据权利要求1所述的MRAM单元，其中该MRAM单元还包括在感测层和偏置层之间的去耦合层，使得不发生在偏置层和感测层之间的直接RKKY耦合。
5.一种磁场传感器，包括：
串联电气连接多个MRAM单元的电流线；每个MRAM单元包括：具有固定参考磁化的参考层，具有可在外部磁场中自由定向的感测磁化的感测层，包括在参考层和感测层之间的隧道势垒，具有偏置磁化的偏置层，和偏置反铁磁性层，当MRAM单元处于等于或低于偏置阈值温度的温度时，该偏置反铁磁性层将偏置磁化钉扣在偏置方向上；该偏置磁化被布置用于感应偏置场，该偏置场被适配用于使感测磁化在与偏置方向相反的方向上偏置，使得在有外部磁场的情况下当外部磁场在基本上垂直于参考磁化的方向的方向上定向时，经过偏置的感测磁化线性地变化；
该电流线被布置用于传递加热电流，该加热电流被适配用于将MRAM单元加热到高于偏置阈值温度；以及
编程场线，其用于传递感应磁场的编程场电流，该磁场被适配用于当加热MRAM单元到高于偏置阈值温度的温度时，使MRAM单元的偏置磁化在偏置方向上对齐。
6.根据权利要求5所述的磁场传感器，其中该偏置方向以平行于参考磁化的方向的方向与正交于参考磁化的方向的方向之间的角度对齐。
7.根据权利要求5所述的磁场传感器，其中该电流线包括：
第一和第二分支，其分别串联连接多个MRAM单元的第一和第二子集；以及
第三和第四分支，其分别串联连接多个MRAM单元的第三和第四子集；
在惠斯通电桥电路配置中第一和第二分支与第三和第四分支并联电气连接。
8.根据权利要求7所述的磁场传感器，其中该编程场线包括：
第一编程场线部分，其被配置用于传递感应第一编程磁场的第一编程场电流；以及
第二场线部分，其被布置成与第一编程场线部分基本上正交并且被配置用于传递感应第二编程磁场的第二编程场电流；
来自第一和第二编程磁场的组合的结果的编程磁场被适配用于使包括在子集中的MRAM单元中的任一个的偏置磁化对齐。
9.根据权利要求7所述的磁场传感器，
其中第一和第二子集中的MRAM单元的偏置方向相对于参考磁化的方向分别呈约-45°和45°；并且
其中第三和第四子集中的MRAM单元的偏置方向相对于参考磁化的方向分别呈约135°和-135°。
10.一种用于对磁场传感器进行编程的方法，该磁场传感器包括：
串联电气连接多个MRAM单元的电流线；每个MRAM单元包括：具有固定参考磁化的参考层，具有可在外部磁场中自由定向的感测磁化的感测层，包括在参考层和感测层之间的隧道势垒，具有偏置磁化的偏置层，和偏置反铁磁性层，当MRAM单元处于等于或低于偏置阈值温度的温度时，该偏置反铁磁性层将偏置磁化钉扣在偏置方向上；该偏置磁化被布置用于感应偏置场，该偏置场被适配用于使感测磁化在与偏置方向相反的方向上偏置，使得在有外部磁场的情况下当外部磁场在基本上垂直于参考磁化的方向的方向上定向时，经过偏置的感测磁化线性地变化；
该电流线被布置用于传递加热电流，该加热电流被适配用于将MRAM单元加热到高于偏置阈值温度；以及
编程场线，其用于传递感应磁场的编程场电流，该磁场被适配用于当加热MRAM单元到高于偏置阈值温度的温度时，使MRAM单元的偏置磁化在偏置方向上对齐；
该方法包括：
将多个MRAM单元中的任一个加热到高于偏置阈值温度的温度，以便释放多个MRAM单元中的所述任一个中的偏置磁化；
使经过加热的MRAM单元的偏置磁化在偏置方向上对齐；以及
将所述经过加热的MRAM单元冷却到低于偏置阈值温度的温度以便将偏置磁化钉扣在偏置方向上。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述加热多个MRAM单元中的任一个包括横跨电流线施加加热电压脉冲或者在电流线中传递加热电流。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述使偏置磁化对齐包括传递感应磁场的编程场电流，该磁场被适配用于使偏置磁化对齐。
13.根据权利要求10所述的方法，其中该电流线包括：第一和第二分支，其分别串联连接多个MRAM单元的第一和第二子集；以及第三和第四分支，其分别串联连接多个MRAM单元的第三和第四子集；在惠斯通电桥电路配置中第一和第二分支与第三和第四分支并联电气连接；
并且其中该方法包括：
按顺序对包括在第一、第二、第三和第四子集中的MRAM单元执行加热、使偏置磁化对齐以及冷却的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中加热的步骤包括按顺序横跨第一、第二、第三和第四电流分支施加加热电压脉冲，以用于将包括在第一、第二、第三和第四子集中的MRAM单元分别加热到处于或高于偏置阈值温度。
15.根据权利要求13所述的方法，其中加热的步骤包括按顺序在第一、第二、第三和第四电流分支中传递加热电流脉冲，以用于分别将包括在第一、第二、第三和第四子集中的MRAM单元加热到处于或高于偏置阈值温度。
16.根据权利要求14所述的方法，
其中该编程场线包括：
第一编程场线部分，其被配置用于传递感应第一编程磁场的第一编程场电流；以及第二场线部分，其被布置成与第一编程场线部分基本上正交并且被配置用于传递感应第二编程磁场的第二编程场电流；来自第一和第二编程磁场的组合的结果的编程磁场被适配用于使包括在子集中的MRAM单元中的任一个的偏置磁化对齐；并且
其中使偏置磁化对齐的步骤包括：
在第一编程场线中传递第一编程场电流以及在第二编程场线中传递第二编程场电流，以用于根据结果的编程磁场来使被加热到处于或高于偏置阈值温度的包括在子集中的MRAM单元的偏置磁化对齐。
17.根据权利要求10所述的方法，其中使偏置磁化对齐的步骤被执行，使得偏置方向形成在平行于参考磁化的方向的方向与正交于参考磁化的方向的方向之间的角度。
18.根据权利要求16所述的方法，其中使偏置磁化对齐的步骤被执行，使得：
第一和第二子集中的MRAM单元的偏置方向相对于参考磁化的方向分别呈约-45°和45°；以及
第三和第四子集中的MRAM单元的偏置方向相对于参考磁化的方向分别呈约135°和-135°。
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