CN1497600A - 用于磁性随机存取存储器的反铁磁性耦合的双层传感器 - Google Patents

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Abstract

一种磁性隧道结(MTJ)存储器阵列，其具有一个磁性稳定的自由层，该自由层可以用最少的能量输入从一种记忆状态切换到另一种记忆状态。该存储器阵列包括一个MTJ单元，该单元具有一个反平行耦合的自由层。一个导电字线通过该自由层，使得通过导电字线的电流感应出一个磁场，该磁场作用于自由层的反平行耦合层上，使它们的磁化旋转，并同时保持相互反平行。

Description

用于磁性随机存取存储器的反铁磁性耦合的双层传感器
技术领域
本发明涉及磁性随机存取存储器(Magnetic Random AccessMemory)，尤其是涉及一种使用为低能切换(开关)配置的磁性稳定的隧道结单元的改进的磁性随机存取存储器阵列。
背景技术
磁性隧道结(magnetic tunnel junction，MTJ)形成了很有前途的非易失性存储器存储单元的候选对象，其可以使高密度、快速、非易失性磁性随机存取存储器(MRAM)得以实现。磁性隧道结包括至少两个由一个薄绝缘层分隔的铁磁层。此种设备的电导取决于铁磁层的磁矩的相对磁性取向。MTJ存储单元的横向尺寸必须处于亚微米范围，才能与现今的具有10-100兆比特(Mbit)容量的DRAM存储器相竞争。而且，随着存储器容量在未来的进一步增加，MTJ存储单元的横向尺寸还需要进一步减少。
所需要的MTJ存储单元的小取样尺寸造成了几个问题。首先，随着单元的横向尺寸被减少，MTJ设备中的每个磁层的体积也会减少，这可能会导致“超顺磁性”(super-paramagnetic)行为，即温度的波动会造成磁体的磁矩的自发旋转或翻转。即使通过增加磁体中的晶体或形状的各向异性，可以解决这个问题，但这种增加并不实用，因为它相应地需要更高的磁场，因而也需要更高的电流，才能可控制地切换单元的磁性状态。其次，随着单元的密度增加，单元之间的距离将减少，这将造成一个单元位置处由相邻单元的磁性所产生的磁场增加。这样一来，给定MTJ单元的磁切换场(magnetic switching field)将取决于其相邻单元的磁性状态，从而造成或者存储器阵列的写操作的更大的余量(margin，边限)，或者该单元由于其相邻单元的状态而自发地切换。除非这些静磁相互作用得到减轻，否则它们最终将限制MTJ单元可以达到的最小尺寸和MTJ MRAM的最高密度。
为了克服这些局限性，从而制造出更稳定的MRAM设备，在制造MTJ时，将自由的(free)和固定的(pinned)铁磁层中的某一个或者二者制造成一对反平行耦合的铁磁层，并由一个非磁性间隔层隔开。IBM专利6,166,948和5,966,012描述了这种设备。现参照图1对此种先有技术的MJT的例子进行描述。先有技术的MTJ 2夹在第一和第二电导线3、5之间，该二导线互相垂直，且导线5从纸平面伸出。MTJ 2被完全置于导线3和5之间，并将它们相互电连接。MTJ 2的电阻以及相关的存储器状态，通过在该线3和5之间施加跨过MTJ的电压来决定。MTJ 2包括一个自由铁磁层4和一个固定铁磁层6。自由层4包括第一和第二铁磁层8、10，其间夹着一个反铁磁性耦合层12。反铁磁性耦合层可以由Ru(钌)构成，并且其厚度可以保证将第一和第二铁磁层8、10反平行耦合。同样，固定层6由第一和第二铁磁层14、16构成，它们跨过一个Ru耦合层18被反平行耦合。该自由和固定层4、6被一个如Al2O3的隧道阻挡层(tunnelbarrier layer)20所分隔。固定层6是在如PtMn那样的反铁磁性(AFM)材料22之上形成的。AFM层22和固定层6的第二层16之间的强烈的交换耦合使第二层16牢牢地固定于一个预定的方向，优选地沿着易磁化轴。如箭头24所示，跨过Ru耦合层18的反铁磁性耦合使第一层14牢牢地固定与第二铁磁性固定层16反平行。如箭头26所示，铁磁性层8、10具有磁性各向异性，其倾向于使它们的磁性沿着与固定层6的磁性平行的轴。
继续参照图1，本领域中的技术人员将能认识到，在自由和固定层4、6的磁性如所示排列的情况下，MTJ将处于高电阻状态。为了将MTJ置于低电阻状态，从而改变其记忆状态(memory state)，使电流通过导线5，该电流的方向与自由和固定层4、6的磁性方向垂直。如箭头的头部30所示，从纸平面指出(向外)的电流将如箭头32所示，按照右手(螺旋)定则，在其周围感应出磁场。
自由层的反平行耦合促进了自由层的稳定性，使它不易受温度或外部磁场的影响而发生无意的切换。此外，固定和自由层4、6的反平行耦合减少了固定和自由层之间不希望的静磁耦合，否则该静磁耦合会造成自由层偏向于两个可能磁性状态中的一个。但不定的是，这种先有技术的MTJ阵列需要相当强的磁场来切换自由层的磁性状态。而这需要很大的电流通过导线5和3，这样就使功耗增加到不可接受的高度。而且，切换自由层所需的高磁场增大了影响相邻MTJ单元的风险，因而需要不希望地增加相邻单元之间的距离。
因此，需要这样的MTJ阵列，其包含的MTJ单元可以被有效的切换，同时又是磁性稳定的。优选地，这样的MTJ阵列受到的外部磁场和温度波动的影响最小，同时需要最少的能量，来从一种记忆状态切换到另一种记忆状态。
发明内容
本发明提供了一种磁性随机存取存储器(MRAM)，其具有磁性稳定的阵列单元，这些单元可以使用最小的输入能量被有效地从一种记忆状态切换到另一种记忆状态。该MRAM中的单个位(比特)既可以是磁性隧道结(MTJ)，也可以是大磁阻效应(giant magnetoresistance，GMR)单元。为便于参考，这里描述的是应用MTJ单元。
MTJ单元包括一个反平行耦合自由层，其具有由一个非磁性耦合层分隔的第一和第二铁磁性层。为该非磁性分隔层选择厚度使得反平行地耦合第一和第二铁磁性层，这就是说第一和第二自由层具有的磁化倾向于在相反方向彼此平行地排列。自由层中的这两个磁性层既可以通过交换耦合，也可以通过纯粹的静磁相互作用，而耦合在一起。一条电导线与自由层连接，使得通过导线的电流大体上从反平行耦合的自由层的中央通过。从电导线中通过的电流感应出磁场，该磁场在相反方向作用于第一和第二铁磁性层两者，使它们的磁化一同旋转，而同时保持相互的反平行。以这种方式，可以使自由层的第一和第二层旋转，而同时保持在它们的最低可能的能量状态。
本发明还包括一个磁性固定层，其可以由单个铁磁性层或者一个反平行耦合的固定层构成。固定层的磁化可以通过与反铁磁性材料如PtMn的交换耦合而被设置。自由和固定层可以由一个很薄的如Al2O3的绝缘材料的层所分隔。自由和固定层的铁磁性材料可以包括Fe和Ni的合金，也可以包括Co的合金。
沿着通常与第一条电导线垂直的方向设置的第二条电导线可以在MTJ单元的固定层一侧与MTJ单元连接。分隔自由和固定层的绝缘材料的电阻根据自由和固定层的相对磁性状态而变化，且该电阻可以通过在第一和第二电导线之间施加跨过MTJ单元的电压而被检测出。
为了更全面地理解本发明的本质和优点，应当参考以下详细描述及其附图。
附图说明
图1是一个剖面图，其示出了先有技术的MTJ存储器阵列的一个MTJ单元。
图2是一个透视图，其示出了根据本发明的一个实施例的MTJ存储器阵列的一个示例性部分。
图3是沿图2中的线3-3所取的放大的剖视图。
图4A和4B是根据本发明的MTJ存储器阵列的分解的透视图，为清楚起见，其只示出了MTJ存储器阵列的所定部分；以及
图5是字(word)及位(bit)线中的电流，及其对本发明的MTJ存储器阵列的自由层中磁化(强度)的影响的图形表示。
具体实施方法
图2示出了根据本发明的一个优选实施例的示例性磁性随机访问存储器(MRAM)阵列100。在电导线104、106的矩形网格的各交叉点上，设有多个磁性隧道结(MTJ)单元102。这些电导线包括一组配置在水平面上、作为平行字线(word line)104的导线，和另一组在另一个平面上与字线大体垂直地排列的平行位线106，从而字线104和位线106构成一个网格，并且，如果从上面观察，则看起来是相互交叉的。虽然只显示了两个字线104和两个位线106，本领域的技术人员能够认识到，这种线的数量一般要多得多。在字线104和位线106的每个交叉点上，都形成一个MTJ单元102，从而将字线和位线纵向地连接在一起。MTJ单元102可以在两个可能的电阻值之间切换，该两个电阻值就规定了该单元的二元记忆状态。在阵列的传感或读取操作中，在单元102之上、在与MTJ单元102相应的字线104和位线106之间施加电压，这样电阻值(即记忆状态)即被确定。
通过单元102的纵向(垂直)电流路径允许存储单元占据很小的表面积。尽管图2没有示出，但该阵列可以在诸如硅等基板上形成，该基板也可以包括其它电路。此外，在交叉区域之外的其它区域，绝缘材料(也未示出)通常分隔开字线104和位线106。
参照图3，根据本发明的一个优选实施例的MTJ单元102包括一个反平行(AP)耦合的铁磁性自由层结构108。该自由层结构108包括第一铁磁性层110和第二铁磁性层112。第一和第二铁磁性层110、112由一个非磁性的、导电的耦合层114所分隔。选择耦合层114的厚度使得反平行耦合第一和第二铁磁性层110、112。此外，优选地第二铁磁性层112磁性地厚于铁磁性层110，其原因将在下面进一步描述。层110和112的磁矩分别由箭头115和117表示。
在本发明的该优选实施例中，字线104在第一和第二铁磁层110和112之间通过自由层108，并在该区域作为耦合层114而发挥作用。应当认识到，尽管通过单元102的字线104部分是选定厚度的，从而对铁磁层进行反平行耦合，但是字线的其它部分可以具有其它厚度。增加字线104在单元之外的厚度有利于减少字线104的电阻，但是字线104的厚度应保证不造成自由和固定层108、116之间的电短路。为了制造的方便，字线104的厚度应当小于第一和第二铁磁层110、112和耦合层114的综合厚度。也可以用一种材料如Ru构造耦合层114，而以另一种材料如Cu单独构造字线104，只要字线104与自由层108的相对两端之间电连接即可。
继续参照图3，MTJ单元102还包括一个磁性固定铁磁层116。优选地，固定层包括反平行(AP)耦合的第一和第二铁磁层118、120，它们由一个AP(反平行)耦合层122分隔。第一和第二铁磁固定层118、120以下将被分别称为AP1和AP2。AP1层118和AP2层120具有沿着一个轴固定的磁化(强度)，该轴与自由层的铁磁层110和112的易磁化轴平行，如箭头123和125所示。AP2 120的磁化通过与邻接固定层116形成的反铁磁(AFM)材料层124的交换耦合而牢固地固定，而该反平行耦合使AP1牢固地固定于与AP2相反的方向。尽管诸如FeMn或NiMn等几种反铁磁性材料可能都适用，但是AFM层118优选地使用PtMn，其同时具有令人满意的抗腐蚀性、居里温度和交换耦合特征。尽管本优选实施例被描述为具有AP耦合固定层，但是本领域技术人员将能够认识到，也可以使用简单的单个固定层。
位线106通过MTJ单元102的底部，与AFM层邻接并且电连接，其方向垂直于字线104的方向，也垂直于自由层108的易磁化轴方向和固定层116的固定磁矩。一个薄的绝缘隧道阻挡层126将自由层108与固定层116分隔。隧道阻挡层124是由诸如氧化铝(Al2O3)的绝缘材料构成的。
当第二铁磁性自由层112和AP1 118的磁矩沿相同方向排列时，通过这些层的电子的自旋方向相同，这将基于所谓的隧道阀效应，而允许电子通过隧道阻挡(层)122。当自由层112的磁矩与AP1的磁矩相反时，每层的电子倾向于具有相反的自旋(方向)，这就使他们难以通过隧道层126。换言之，当自由层112和AP1 118的磁矩具有相同方向时，隧道阻挡层126起着导体的作用，而当这些磁矩方向相反时，隧道阻挡(层)126起着绝缘体的作用。通过跨过隧道结单元102在相关联的字线104和位线106之间施加电压，就可以确定它的电阻，因而使得隧道结单元102的记忆状态可以被读出。
通过有选择地在有关的隧道结102的字线104和位线106中产生电流，自由层108可以被从一种磁性状态切换到另一种磁性状态。由于此电流而从导线104和106发出的磁场将影响自由层的磁化，正如下面将要描述的那样。
假设隧道结单元102如图3所示，开始时处于低电阻状态，层112和118的磁矩117和123处于相同的方向，并首先在字线104中产生电流。如图4A所示，由于自由层110和112位于字线104的相反的两边，并由于它们是反平行耦合的，层110和112的磁化115和117将由于通过字线104的电流所感生的磁场的影响而以相同方向旋转。层110和112的磁化115和117保持反平行，这使它们在被旋转时可以保持较低的能量状态。
继续参照图4A和4B，当通过字线104的电流启动自由层的磁化旋转时，通过位线106的电流则完成该旋转。应当理解的是，通过位线106的电流将根据右手定则，而在位线周围感应出一个磁场。例如，如图4B中的箭头128所示的电流将产生如箭头130所示的逆时针磁场。还应当理解的是，由于自由层108的第二铁磁性层112比第一铁磁性层110更接近位线106，因而与第一层110相比，该磁场将更强烈地作用于第二铁磁性层112，造成该磁化充分旋转到如图4中的箭头132所示的位置。来自位线106的磁场对于自由层108的作用效果，由于以下的事实而进一步被增强，即在本优选实施例中，第二铁磁性层112的厚度大于第一铁磁性层110。这种厚度上的差异在AP耦合自由层108中产生净磁矩，这使得自由层108作为一个整体，被如自位线106发出的磁场旋转。一旦自由层108中的磁化自初始位置旋转了180度，则它们将再次处于沿易磁化轴的他们偏爱的位置。因此他们将保持在这个状态中，直到再次被来自字线104和位线106的磁场所作用。
来自字线104和位线106的电流脉冲的序列，以及它们对自由层的磁化的影响，参照图5可以得到更好的理解，该图示出了沿着一个共同的时间线的电流脉冲和磁化。时间段T0示出了自由层108的层110和112的初始磁化状态，其分别如箭头502和504所示。在时间段T1，只有字线中产生电流，使得自由层108的磁化如箭头506和508所示旋转。在时间段T2中，电流通过字线104和位线106二者，使得自由层108的层110和112的磁化进一步旋转，如箭头510和512所示。在时间T3，电流只在位线106中流动，这将完成自由层108的磁化的旋转，从而它们与其初始状态差180度，由箭头516和514示出。在时间T4，在字线104和位线106中都没有电流。然而，由于磁化的方向是沿着易磁化轴，并因此处于低能量状态，所以，磁化如箭头518和520所示，保持在它们的新状态。
应当理解的是，本发明提供了一种稳定的磁性隧道结存储器阵列，其具有的隧道结单元可以以最少的输入能量从一种记忆状态切换到另一种记忆状态。尽管本发明是参照其优选实施例而进行特定显示和描述的，例如，本发明被描述为具有与自由层接触的字线和与AFM层接触的位线，但是字线(和位线)的位置也可以反过来，以至于字线与AFM层相邻，而位线与自由层接触。此外，尽管磁化被描述为通过与反铁磁性材料的交换耦合而固定，此种固定也可以通过其他手段如硬偏置(hard bias)而实现。因此，本领域的技术人员将能够理解，可以在形式和细节上作各种改变，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种在磁性随机存取存储器阵列中使用的磁性单元，包括：
一个固定的铁磁性层，具有固定于一个第一方向的磁化；
一个自由层结构，包括每一层具有与该第一方向大致平行的易磁化轴的第一和第二铁磁性层，以及处于第一和第二铁磁性层之间的非磁性导电耦合层，该第一和第二铁磁性层跨过该耦合层而反铁磁性地耦合；
一个非磁性分隔层，将该固定层和自由层结构分隔开；以及
第一及第二电流引线，在沿着第一方向大致相反的两端与该耦合层电连接。
2.如权利要求1所述的磁性单元，其中该分隔层是一个电绝缘体。
3.如权利要求1所述的磁性单元，其中该非磁性耦合层是一种导电材料，而第一和第二铁磁性层跨过该耦合层静磁耦合。
4.如权利要求1所述的磁性单元，其中该非磁性耦合层包含Ru。
5.如权利要求1所述的磁性单元，其中该非磁性耦合层包含Cu。
6.如权利要求1所述的磁性单元，进一步包括一个电导线，其被置与所述固定磁性层邻近处，并被设置在大致与该第一方向垂直的方向上传导电流。
7.一种在磁性随机访问存储器中使用的磁性单元，包括：
一个第一铁磁性层，具有一个易磁化轴；
一个第二铁磁性层，具有一个与该第一铁磁性层的易磁化轴大致平行的易磁化轴；
至少部分地置于该第一和第二铁磁性层之间，并将该第一和第二铁磁性层反铁磁性地耦合的非磁性导电材料；
一个电流引线，与该非磁性耦合层相连接，用于在与该第一和第二铁磁性层的易磁化轴大致平行的方向上传导电流。
8.如权利要求7所述的磁性单元，其中该传感器是一个隧道阀。
9.如权利要求7所述的磁性单元，其中该磁性耦合层包含Ru。
10.如权利要求7所述的磁性单元，其中该磁性耦合层包含Cu。
11.一种磁性随机存取存储器，包括：
一个第一电导线，沿第一方向纵向地放置；
一个第二电导线，沿与该第一方向大致垂直的第二方向纵向地放置；
一个第一铁磁性自由层，具有与该第一方向大致平行的易磁化轴；
一个第二铁磁性自由层，具有与该第一方向大致平行的易磁化轴；
一个铁磁性固定层，具有固定于该第一方向的磁化；
一个非磁性分隔层，置于该第二铁磁性自由层和该铁磁性固定层之间；以及
其中该第一电导线通过该第一和第二自由磁性层之间，并且其在该第一和第二自由层之间的厚度使得将该第一和第二自由层相互反平行耦合。
12.如权利要求11所述的磁性随机存取存储器，进一步包括一个反铁磁性层，与该固定层交换耦合，以固定该固定层的磁化方向。
13.如权利要求12所述的磁性随机存取存储器，其中该反铁磁性层置于该固定层和该第二电导线之间，并与它们电连接。
14.一种用于在磁性随机存取存储器中切换记忆状态的方法，该存储器包括磁性隧道结单元，该磁性隧道结单元具有由分隔层从铁磁性固定层分隔的反平行耦合的铁磁性自由层，该方法包括：
通过该铁磁性自由层沿着第一方向产生第一电流；以及
沿着与该第一方向大致垂直的第二方向产生第二个电流。
15.如权利要求14所述的方法，其中该第二电流被沿着从所述自由磁性层隔开的轴引导。
16.如权利要求14所述的方法，其中该第一电流的产生被先于该第二电流的产生开始。
17.如权利要求14所述的方法，进一步包括：
终止该第一电流的产生；以及
在该第一电流终止之后，终止该第二电流。
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