TW201329974A - 磁性隨機存取記憶體（ｍｒａｍ）單元、用於寫入以及使用自我參照讀取操作讀取磁性隨機存取記憶體單元的方法 - Google Patents

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Abstract

本揭示內容係關於一種磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元，其包括一磁性穿隧接面，該磁性穿隧接面包括一合成儲存層；一感測層，其具有一可反轉的感測磁化向量；及一穿隧障壁層，其介於該感測層及該儲存層之間；其中一淨局部磁性雜散場耦合該儲存層與該感測層；且其中該淨局部磁性雜散場致使耦合該感測層之該淨局部磁性雜散場低於50 Oe。本揭示內容亦關於一種用於寫入及讀取MRAM單元的方法。與習用的MRAM單元相比，所揭示的MRAM單元可以較低的消耗來進行寫入與讀取。

Description

磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元、用於寫入以及使用自我參照讀取操作讀取磁性隨機存取記憶體單元的方法
本發明係關於一種用於使用容許低消耗之自我參照讀取操作讀取磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元的方法及一種用於執行該方法的MRAM單元。
在最簡單的實施方式中，磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元包括至少一個磁性穿隧接面，其由兩個藉由一薄絕緣層分開的磁性層組成，其中該層之一(所謂的參考層)的特徵在於一固定的磁化向量(magnetization)，且該第二層(所謂的儲存層)的特徵在於一經寫入該記憶體便可改變方向之一磁化向量。當參考層及儲存層之個別的磁化向量為反向平行(anti-parallel)時，磁性穿隧接面的電阻高(Rmax)，其相當於低邏輯狀態「0」。另一方面，當個別的磁化向量平行時，磁性穿隧接面的電阻變低(Rmin)，其相當於高邏輯狀態「1」。MRAM單元的邏輯狀態係藉由將其電阻狀態與一參考電阻Rref相比較來進行讀取，較佳的是該參考電阻衍生自一參考單元或一參考單元陣列，其所具有的參考電阻典型為Rref=(Rmin+Rmax)/2，其係在高邏輯狀態「1」的磁性穿隧接面電阻及低邏輯狀態「0」的電阻這兩者之間相結合。
在習用的實際實施方式中，參考層係「交換偏移」至一鄰接的反鐵磁參考層，其特徵在於一已知為該反鐵磁參考層之阻擋溫度TBR的臨界溫度(高於此溫度則交換偏移消失)。
在使用熱輔助(TAS)切換程序的MRAM單元之一實施方式中，例如在美國專利第6,950,335號中所敘述者，儲存層亦交換偏移至一鄰接的反鐵磁儲存層，其阻擋溫度TBS(反鐵磁儲存層之交換偏移消失的溫度)低於使參考層固定不變之反鐵磁參考層的阻擋溫度TBR。低於阻擋溫度TBS，便難以及/或無法寫入儲存層。之後藉由將磁性穿隧接面加熱至高於TBS但低於TBR來執行寫入，較佳但不限於藉由傳送一加熱電流通過磁性穿隧接面，以使儲存層的磁化向量自由，而同時又施加切換儲存層之磁化向量的手段。後者可藉由場電流產生的磁場來執行。磁性穿隧接面接著冷卻至低於阻擋溫度TBS，其中儲存層的磁化向量係沿著寫入方向「凍結」。
切換儲存層之磁化向量方向所需的磁場量值與儲存層的矯頑性(coercivity)成比例，矯頑性在小特徵尺寸時為大，且在交換偏移薄膜中可大幅增強。
在專利申請案第EP2276034號中，本申請案揭示包括儲存層、絕緣層及感測層的MRAM單元，該感測層具有方向可在磁場自由對準的磁化向量。所揭示的MRAM單元可藉由切換儲存層的磁化向量方向來寫入，以將資料寫入至該儲存層。讀取操作可包括一第一讀取循環，其包括將感測層的磁化向量方向於一第一對準方向對準；及藉由測量MRAM單元之一第一電阻值來比較該寫入資料與該第一對準方向。讀取操作可進一步包括一第二讀取循環，其包括於一第二對準磁化向量方向對準感測層的磁化向量；藉由測量MRAM單元之一第二電阻值 來比較寫入資料與第二對準方向；及判定第一電阻值及第二電阻值之間的差。讀取操作亦稱為「自我參照讀取操作(self-referenced read operation)」，因為不需要使用習用的參考單元。
所揭示的記憶體單元及寫入-讀取操作方法容許以低功率消耗及增加的速度執行寫入及讀取操作。不過，在自我參照讀取操作期間，由於局部的磁性雜散場而在儲存及感測層之間發生一雙極耦合，其在一閉合磁通量配置中將儲存及感測層的磁化向量耦合在一起。由於在讀取操作期間，儲存層磁化向量係藉由反鐵磁層來固定不變，感測層磁化向量之後將亦透過耦合而固定不變。在自我參照讀取操作期間切換感測層的磁化向量接著將需要施加一足夠高的磁場，以克服雙極耦合。當為了測量感測層的磁滯迴路而施加一場循環時，雙極耦合導致磁滯迴路移位(或偏移)。
此雙極耦合與儲存及感測層的厚度及磁化向量相依，並與磁性穿隧接面的尺寸相依。特別地，雙極耦合隨著磁性穿隧接面的直徑減少而增加，並可因此成為按比例縮小MRAM單元時的主要問題。
本揭示內容係關於一種磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元，其包括一磁性穿隧接面，該磁性穿隧接面包括：一合成儲存層，其由一具有一第一儲存磁化向量的第一鐵磁層、一具有一第二儲存磁化向量的第二鐵磁層 及一介於該第一及第二儲存層之間的間隔物層所組成，該間隔物層磁性地耦合該第一及第二鐵磁層，以致該第一儲存磁化向量係定向為與該第二磁化向量大致反向平行(anti-parallel)；一感測層，其具有一可反轉的感測磁化向量；及一穿隧障壁層，其介於該感測層及該儲存層之間；該第一儲存磁化向量感生一第一局部磁性雜散場，且該第二儲存磁化向量感生一第二局部磁性雜散場，該第一及第二局部磁性雜散場間的差相當於一淨局部磁性雜散場，其耦合該儲存層與該感測層；該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場低於約50 Oe。
在一實施例中，該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場大致上為無效的。
在另一實施例中，該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場係包含在約40 Oe及約50 Oe之間。
在尚有另一實施例中，該感測層具有一大致圓形的形狀。
本揭示內容亦關於一種磁性記憶體裝置，其包括複數個MRAM單元。
本揭示內容進一步關於一種用於寫入MRAM單元的方法，其包含以下步驟：將該磁性穿隧接面加熱至一高 溫門檻值；及一旦該磁性穿隧接面已達到該高溫門檻值，切換該第一及第二儲存磁化向量的磁化向量方向，以寫入資料至該儲存層；其中切換該第一及第二儲存磁化向量的磁化向量方向包括施加一外部寫入磁場。
在一實施例中，該寫入磁場係以一包含在約130 Oe及約160 Oe間之量值來施加。
在另一實施例中，該切換該第一及第二儲存磁化向量包含以下步驟：施加該外部寫入磁場，該外部寫入磁場具有一量值，以便根據該寫入磁場的方向使該感測磁化向量於一方向飽和；該第一及第二儲存磁化向量係根據一局部感測磁性雜散場來進行切換，該局部感測磁性雜散場係藉由該已飽和的感測磁化向量所感生。
在尚有另一實施例中，該感測層的厚度致使該感測磁化向量大於該第一及第二儲存磁化向量的總和。
在尚有另一實施例中，該感測層的厚度致使讓該感測磁化向量飽和所需的該寫入磁場的量值低於約80 Oe。
本揭示內容進一步係關於一種用於讀取MRAM單元的方法，該方法包含以下步驟：藉由施加一第一讀取磁場來於一第一方向對準該感測磁化向量；測量該磁性穿隧接面之一第一電阻，該第一電阻係藉由該感測磁化向量相對於切換儲存磁化向量之定向的該第一方向來判定；於一第二方向對準該感測磁化向量； 測量該磁性穿隧接面之一第二電阻，該第二電阻係藉由該感測磁化向量相對於該切換儲存磁化向量之定向的該第二方向來判定；判定該第一電阻值及該第二電阻值間之差；於一第二方向對準該感測磁化向量包含施加一第二讀取磁場，其具有一約50 Oe或更低的量值。
在一實施例中，該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場大致上為無效的。
在另一實施例中，該第一及第二讀取磁場的量值約為20 Oe。
在尚有另一實施例中，該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場係包含在約40 Oe及約50 Oe之間。
在尚有另一實施例中，該第二讀取磁場大致上為無效的。
與習用的MRAM單元相比，所揭示的MRAM單元可以較低的消耗來進行寫入與讀取。
在經由範例給定並藉由圖式繪示之一實施例的敘述輔助下，將更佳地了解本揭示內容。
在第1圖所繪示之一實施例中，磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元1包括磁性穿隧接面2。磁性穿隧接面2包括由一合成鐵磁多層組成的合成儲存層23，該合成鐵磁多層包括第一鐵磁層231，其具有第一儲存磁化向量 234；第二鐵磁層232，其具有第二儲存磁化向量235，第一及第二鐵磁層231、232係藉由間隔物層233來分開。鐵磁層231及232可由例如鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)、鈷(Co)等材料製成。第一及第二鐵磁層231、232的厚度可包含在例如1 nm及10 nm之間。
間隔物層233的尺寸(例如，厚度)可經過選擇，以致使第一及第二鐵磁層231及232磁性耦合，以致第一儲存磁化向量234定向為與第二磁化向量235反向平行。厚度可取決於組成間隔物層233的材料。舉例來說，間隔物層233可由一非磁性材料製成，該材料選自包括例如下列的群組：釕(Ru)、錸(Re)、銠(Rh)、碲(Te)、釔(Y)、鉻(Cr)、銥(Ir)、銀(Ag)、銅(Cu)等。在一實施例中，厚度可介於約0.2 nm及3 nm之間。不過，其他厚度可適於耦合兩個鐵磁層231及232。
在第1圖的示範性配置中，合成儲存層23係與反鐵磁層24交換耦合，以便使第一鐵磁層231的第一儲存磁化向量234在低溫門檻值下固定不變，並在一第二高溫門檻值下使其自由。反鐵磁層24可由例如IrMn、PtMn或FeMn之錳基合金或任何其他適用的材料製成。
磁性穿隧接面2進一步包括感測層21，其具有可反轉的感測磁化向量211；及穿隧障壁層22，其分開感測層21與儲存層23。感測層21可以NiFe基合金取代CoFeB基合金製成，以獲得較低的切換場。感測層21並未交換偏移，且其磁化向量所具有的方向可例如由於熱 擾動而自由地變化，且因此其磁化向量可在一磁場中自由地對準。穿隧障壁層22為一薄層，典型屬於奈米範圍，並可由例如任何適當的絕緣材料，例如，氧化鋁或氧化鎂組成。在第1圖中，層25代表一電極。
在一實施例中，合成儲存層23或第一及第二鐵磁層231、232具有磁晶異向性，其大致上係定向為平行感測層21的磁晶異向性。此外，合成儲存層23的磁晶異向性大致上亦可平行於第一讀取磁場51的方向。
一雙極耦合可發生在儲存層23及感測層21之間。這類雙極耦合係由第一儲存磁化向量234感生之第一局部磁性雜散場55及第二儲存磁化向量235感生之第二局部磁性雜散場56所導致。第2圖描繪第一及第二局部磁性雜散場55、56，其在一閉合磁通量配置中將第一及第二儲存磁化向量234、235與感測層21之感測磁化向量211耦合在一起。雙極耦合或淨局部磁性雜散場的量值相當於第一及第二局部磁性雜散場55、56的總和。一方面，第一局部磁性雜散場55的量值取決於第一儲存磁化向量234，且第二局部磁性雜散場56的量值取決於第二儲存磁化向量235。第一儲存磁化向量234隨著第一鐵磁層231的厚度t1變化，且第二儲存磁化向量235隨著第二鐵磁層232的厚度t2變化。第一及第二儲存磁化向量234、235亦可例如藉由選擇具有不同自發磁化向量之磁性材料(例如，但非僅有的，Fe、Co、Ni及之其合金，例如FeCo、NiFe、FeCoB、FeCoNi或FeCoCr)來變化。由於第一及第二鐵磁層231、232之間的反向平行耦合， 第一及第二儲存磁化向量234、235係於相反的方向定向。耦合感測層21的淨局部磁性雜散場之後將相當於兩局部磁性雜散場55、56間的差。
根據一實施例，一熱輔助切換(TAS)寫入操作包含以下步驟：將磁性穿隧接面2加熱至一高溫門檻值；一旦磁性穿隧接面2已達到該高溫門檻值，將第一及第二儲存磁化向量234、235切換為寫入狀態(寫入資料)；及將磁性穿隧接面2冷卻至低溫門檻值，以便將第一及第二儲存磁化向量234、235凍結在寫入狀態。
更特別地，磁性穿隧接面2可經由電流線路5施加加熱電流31通過磁性穿隧接面2來加熱。磁性穿隧接面2可加熱至一高於臨界溫度TC之高溫門檻值，在此，反鐵磁層24及第一鐵磁層231間的交換耦合消失，且第一儲存磁化向量234不再固定不變。同時或在一短時間的延遲之後，一旦磁性穿隧接面2已達到高溫門檻值，便施加外部寫入磁場42，以便根據寫入磁場42切換第一及第二儲存磁化向量234、235。特別地，第一儲存磁化向量234及第二儲存磁化向量235中較大者將藉由寫入磁場42來對準。在高溫門檻值下，第一及第二鐵磁層231、232由於間隔物層233而維持磁性耦合，且第二儲存磁化向量235維持與第一儲存磁化向量234反向平行。切換第一及第二儲存磁化向量234、235可藉由寫入 磁場42來執行，寫入磁場42所具有的量值典型係包含在約130 Oe及約160 Oe之間。
在磁性穿隧接面2的溫度已達到高溫門檻值後，可抑制加熱電流31，以便冷卻磁性穿隧接面2。寫入磁場42可在磁性穿隧接面2的冷卻期間保持，且一旦磁性穿隧接面2已達到低溫門檻值便關斷，該低溫門檻值係低於反鐵磁層24的臨界溫度TC，在此，第一儲存磁化向量234係凍結在寫入(或切換)狀態。由於與間隔物層233的磁性耦合，第二儲存磁化向量235係定向為與第一儲存磁化向量234反向平行。寫入磁場42可藉由使寫入電流41在與磁性穿隧接面2通訊的場線路4中傳遞來施加。場線路典型配置在磁性穿隧接面2的頂部或下方。
或者，切換儲存磁化向量231可包含在磁性穿隧接面2中傳遞一自旋極化電流(未圖示)，儲存磁化向量231接著便根據此自旋極化電流的極性進行切換。
寫入MRAM單元1中的資料因此由儲存層的切換磁化向量(此處為第二鐵磁層232相對於感測磁化向量211的定向的切換第二儲存磁化向量235)的定向來判定。如上文所討論般，低邏輯狀態「0」資料相當於磁性穿隧接面2的低電阻(Rmin)，且高邏輯狀態「1」資料相當於磁性穿隧接面2的高電阻(Rmax)。
在另一實施例中，切換第一儲存磁化向量234係藉由施加具有一量值的外部寫入磁場42來執行，以便根據寫入磁場42的方向於一方向使感測磁化向量211飽和。飽和的感測層21轉而感生局部感測磁性雜散場60，其 在一閉合磁通量配置中於感測磁化向量211及第一和第二儲存磁化向量234、235間感生一耦合(參見第2圖)。更特別地，在第二儲存磁化向量235大於第一儲存磁化向量234的情況下，例如當第二鐵磁層232的厚度t2大於第一鐵磁層231的厚度t1時(參見第4(a)圖)，第二儲存磁化向量235係根據局部感測磁性雜散場60進行切換。由於與間隔物層233的磁性耦合，第一儲存磁化向量234變為定向(或切換)成與第二儲存磁化向量235反向平行。或者，在第一儲存磁化向量234大於第二儲存磁化向量235的情況下，例如在第一鐵磁層231的厚度t1大於第二鐵磁層232的厚度t2時(參見第4(b)圖)，第一儲存磁化向量234係根據局部感測磁性雜散場60進行切換。再次，由於與間隔物層233的磁性耦合，第二儲存磁化向量235係定向為與第一儲存磁化向量234反向平行。由於第一及第二鐵磁層231、232與感測層21之間的距離小(典型屬於奈米範圍)，第一及第二鐵磁層231、232和感測磁化向量211比和場線路4產生的寫入磁場42更有效地耦合在一起。
感測磁化向量211，從而是局部感測磁性雜散場60的量值，亦可隨感測層21的厚度ts變化。舉例來說，感測磁化向量211可隨著感測層21的厚度ts增加而增加。在一實施例中，感測層21的厚度ts致使感測磁化向量211大於第一及第二儲存磁化向量234、235的總和或淨儲存磁化向量。較佳的是感測層21的厚度ts致使讓感測磁化向量211飽和所需之寫入磁場42的量值可低於約 80 Oe。局部感測磁性雜散場60的量值可進一步藉由將呈現大自發磁化向量的材料提供給感測層21來使之增加。此外，為了讓感測磁化向量211飽和所需之寫入磁場42的量值可進一步藉由提供具有小異向性的感測層21來減少。具有小異向性的感測層21可藉由在感測層21薄膜中允許最小異向性的條件下沈積感測層21來達成。這類最小異向性亦可藉由沈積具有大致圓形形狀(圓形圖案化)的感測層21來獲得，如第3圖所示。更特別地，第3圖描繪合成儲存層23的頂視圖，其顯示第一儲存磁化向量234定向為與第二儲存磁化向量235反向平行，且異向性軸70相當於第一及第二鐵磁層231、232的易磁化軸。
MRAM單元1的讀取操作包括一第一讀取循環，其包含施加第一讀取磁場52，第一磁場52適於根據第一讀取磁場52的第一定向於一第一方向對準淨感測磁化向量211。第一讀取磁場52可藉由在場線路4中傳遞具有一第一極性的第一讀取場電流51來施加。感測磁化向量211的第一方向接著藉由使感測電流32通過磁性穿隧接面2來與第二儲存磁化向量235相比較。跨磁性穿隧接面2所測量到的電壓產生磁性穿隧接面2之相應的第一電阻值R1。在感測磁化向量210大致上平行第一儲存磁化向量235對準的情況下，第一電阻值R1小(R1=Rmin)。另一方面，當感測磁化向量211大致上對準成與第二儲存磁化向量235反向平行時，所測量到的第一電阻值高(R1=Rmax)。如在專利申請案第EP2276034號中 所述，第一電阻值R1可與典型介於Rmin及Rmax中間的參考電阻相比較。
較佳的是，MRAM基單元1的讀取操作進一步包括一第二讀取循環，其包含施加第二讀取磁場54，第二讀取磁場54適於根據第二讀取磁場54的第二定向於一與第一方向相反的第二方向對準感測磁化向量211。第二讀取磁場54可藉由在場線路4中傳遞具有一第二極性的第二讀取場電流53來施加。感測磁化向量211的第二方向接著藉由使感測電流32通過磁性穿隧接面2來與第二儲存磁化向量235相比較。在感測電流32通過磁性穿隧接面2時測量跨磁性穿隧接面2的電壓產生磁性穿隧接面2之相應的第二電阻值R2。
寫入MRAM單元1中的寫入資料可接著藉由第二電阻值R2及在第一讀取循環中所測量之第一電阻值R1之間的差來判定。第一及第二電阻值R1、R2之間的差亦稱為磁性穿隧磁阻或磁阻△R。所儲存之第一電阻值R1及第二電阻值R2之間的差可產生負或正的磁阻△R。
在一實施例中，第一鐵磁層231的厚度t1及第二鐵磁層232的厚度t2係經過選擇，以致耦合儲存層23與感測層21的淨局部磁性雜散場(或簡單地以下列文句來說：耦合感測層21的淨局部磁性雜散場)約為50 Oe或更低。
在另一實施例中，第一鐵磁層231的厚度t1及第二鐵磁層232的厚度t2係經過選擇，以致第一局部磁性雜散場55具有與第二局部磁性雜散場56大致相同的振 幅。在此情況下，耦合感測層21的淨局部磁性雜散場大致上為無效的。在缺乏淨局部磁性雜散場的情況下，感測層21的切換場，亦即，用於切換感測磁化向量211所需之第一及第二讀取磁場52、54的量值便會減少。舉例來說，第一及第二讀取磁場52、54的量值可低至約20 Oe。第一及第二讀取磁場52、54的量值可進一步藉由使用磁性軟材料或具有低矯頑性(例如，NiFe基合金)來減少。此外，第一及第二讀取磁場52、54的量值可進一步藉由供給感測層21小異向性(例如，讓感測層21具有大致圓形的形狀)來減少。不過，具有減少之切換場的感測層21導致第一儲存層231需要具有增加量值的寫入磁場42，以用於切換其第一儲存磁化向量234。
在尚有另一實施例中，第一鐵磁層231的厚度t1及第二鐵磁層232的厚度t2係經過選擇，以致耦合感測層21的淨局部磁性雜散場小但非無效的。舉例來說，耦合感測層21的淨局部磁性雜散場可包含在約40 Oe及約50 Oe之間。由於第一及第二局部磁性雜散場55、56的量值分別與第一及第二鐵磁層231、232的厚度t1、t2相依，所得之局部磁性雜散場的方向可藉由適當選擇第一鐵磁層231的厚度t1及第二鐵磁層232的厚度t2來加以控制。第4(a)圖顯示磁性穿隧接面2之配置，其中第二鐵磁層232的厚度t2大於第一鐵磁層231的厚度t1，導致較大的第二儲存磁化向量235及較大的第二局部磁性雜散場56。第4(b)圖顯示另一配置，其中第一鐵磁層231的厚度t1大於第二鐵磁層232的厚度t2，導致 較大的第一儲存磁化向量234及較大的第一局部磁性雜散場55。
在此情況下，第二讀取循環可包含將在第一讀取循環中測量的第一電阻值R1與缺乏施加讀取磁場之磁性穿隧接面2的第二電阻值R2相比較，例如，第二讀取磁場54大致上為無效的。換言之，第二讀取循環包含根據從第一及第二局部磁性雜散場55、56得到之淨局部磁性雜散場切換感測磁化向量211。感測磁化向量211係根據所得之局部磁性雜散場或根據第一或第二局部磁性雜散場55、56之具有最高量值者來定向為大致平行。感測磁化向量211的方向接著可如上文所討論般藉由選擇第一及第二鐵磁層231、232的厚度t1、t2來判定。依據感測磁化向量211的定向，平行或反向平行於第二儲存磁化向量235，第二電阻值R2將分別為最小或最大。在缺乏第二讀取磁場54的情況下執行讀取操作允許較低消耗，且亦不需要參考電阻。
在另一未繪示的實施例中，儲存層23僅包括第一鐵磁層231。在讀取操作期間，第一鐵磁層231可感生第一局部磁性雜散場55，其耦合第一鐵磁層231與感測層21。第一局部磁性雜散場55的量值與第一儲存磁化向量234及第一鐵磁層231(或儲存層23)的厚度相依。在一實施例中，第二讀取循環包含在缺乏施加讀取磁場的情況下測量第二電阻值R2。換言之，第二讀取循環包含藉由第一鐵磁層231感生之第一局部磁性雜散場55來沿第二 方向對準感測磁化向量211。感測磁化向量211接著將定向為平行第一局部磁性雜散場55的方向。
一磁性記憶體裝置(未繪示)可包括安排在列和行中的複數個MRAM單元1。該磁性記憶體裝置可進一步包括一個或複數個場線路4，其沿著一列連接MRAM單元1；及一個或複數個電流線路5，其沿著一行耦合至MRAM單元1。該磁性記憶體裝置可進一步包括一裝置封裝件，該複數個MRAM單元1係配置在該裝置封裝件內。
1‧‧‧磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元
2‧‧‧磁性穿隧接面
4‧‧‧場線路
5‧‧‧電流線路
21‧‧‧感測層
22‧‧‧穿隧障壁層
23‧‧‧合成儲存層
24‧‧‧反鐵磁層
25‧‧‧電極層
31‧‧‧加熱電流
32‧‧‧感測電流
41‧‧‧寫入電流
42‧‧‧寫入磁場
51‧‧‧第一讀取場電流
52‧‧‧第一讀取磁場
53‧‧‧第二讀取場電流
54‧‧‧第二讀取磁場
55‧‧‧第一局部磁性雜散場
56‧‧‧第二局部磁性雜散場
60‧‧‧局部感測磁性雜散場
70‧‧‧異向性軸
211‧‧‧感測磁化向量
231‧‧‧第一鐵磁層
232‧‧‧第二鐵磁層
233‧‧‧間隔物層
234‧‧‧第一儲存磁化向量
235‧‧‧第二儲存磁化向量
R1‧‧‧第一電阻值
R2‧‧‧第二電阻值
TC‧‧‧臨界溫度
t1‧‧‧第一鐵磁層之厚度
t2‧‧‧第二鐵磁層之厚度
ts‧‧‧感測層之厚度
第1圖繪示根據一實施例之一隨機存取記憶體(MRAM)單元，其包括一合成儲存層，該合成儲存層包括一第一鐵磁層、一第二鐵磁層及一感測層；第2圖繪示根據一實施例之由第一及第二鐵磁層產生並與感測層耦合的局部磁性雜散場；第3圖顯示根據一實施例之具有本質上圓形形狀之儲存層的頂視圖；及第4(a)及(b)圖顯示MRAM單元之一配置，其中第二鐵磁層的厚度大於第一鐵磁層的厚度(第4(a)圖)，且其中第一鐵磁層的厚度大於第二鐵磁層的厚度(第4(b)圖)。
1‧‧‧磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元
2‧‧‧磁性穿隧接面
4‧‧‧場線路
5‧‧‧電流線路
21‧‧‧感測層
22‧‧‧穿隧障壁層
23‧‧‧合成儲存層
24‧‧‧反鐵磁層
25‧‧‧電極層
31‧‧‧加熱電流
32‧‧‧感測電流
41‧‧‧寫入電流
42‧‧‧寫入磁場
51‧‧‧第一讀取場電流
52‧‧‧第一讀取磁場
53‧‧‧第二讀取場電流
54‧‧‧第二讀取磁場
211‧‧‧感測磁化向量
231‧‧‧第一鐵磁層
232‧‧‧第二鐵磁層
233‧‧‧間隔物層
234‧‧‧第一儲存磁化向量
235‧‧‧第二儲存磁化向量

Claims (15)

  1. 一種磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元，其包括一磁性穿隧接面，其包括：一合成儲存層，其由一具有一第一儲存磁化向量的第一鐵磁層、一具有一第二儲存磁化向量的第二鐵磁層及一介於該第一及第二儲存層之間的間隔物層所組成，該間隔物層磁性地耦合該第一及第二鐵磁層，以致該第一儲存磁化向量係定向為與該第二磁化向量大致反向平行(anti-parallel)；一感測層，其具有一可反轉的感測磁化向量；及一穿隧障壁層，其介於該感測層及該儲存層之間；該第一儲存磁化向量感生一第一局部磁性雜散場，且該第二儲存磁化向量感生一第二局部磁性雜散場，該第一及第二局部磁性雜散場間的差相當於一淨局部磁性雜散場，其耦合該感測層；其中該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場低於約50 Oe。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體單元，其中該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場大致上為無效的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體單元，其中該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度 係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場係包含在約40 Oe及約50 Oe之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性隨機存取記憶體單元，其中該感測層具有一大致圓形的形狀。
  5. 一種磁性記憶體裝置，其包括複數個磁性隨機存取記憶體單元，每一磁性隨機存取記憶體單元包括一磁性穿隧接面，其包括：一合成儲存層，其由一具有一第一儲存磁化向量的第一鐵磁層、一具有一第二儲存磁化向量的第二鐵磁層及一介於該第一及第二儲存層之間的間隔物層所組成，該間隔物層磁性地耦合該第一及第二鐵磁層，以致該第一儲存磁化向量係定向為與該第二磁化向量大致反向平行；一感測層，其具有一可反轉的感測磁化向量；及一穿隧障壁層，其介於該感測層及該儲存層之間；該第一儲存磁化向量感生一第一局部磁性雜散場，且該第二儲存磁化向量感生一第二局部磁性雜散場，該第一及第二局部磁性雜散場間的差相當於一淨局部磁性雜散場，其耦合該感測層；該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場低於約50 Oe。
  6. 一種用於寫入一磁性隨機存取記憶體單元的方法，該磁性隨機存取記憶體單元包括一磁性穿隧接面，其包括：一合成儲存層，其由一具有一第一儲存磁化向量的第一鐵磁層、一具有一第二儲存磁化向量的第二鐵磁層及一介於該第一及第二儲存層之間的間隔物層所組成，該間隔物層磁性地耦合該第一及第二鐵磁層，以致該第一儲存磁化向量係定向為與該第二磁化向量大致反向平行；一感測層，其具有一可反轉的感測磁化向量；及一穿隧障壁層，其介於該感測層及該儲存層之間；該第一儲存磁化向量感生一第一局部磁性雜散場，且該第二儲存磁化向量感生一第二局部磁性雜散場，該第一及第二局部磁性雜散場間的差相當於一淨局部磁性雜散場，其耦合該感測層；該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場低於約50 Oe；該方法包含以下步驟：將該磁性穿隧接面加熱至一高溫門檻值；及一旦該磁性穿隧接面已達到該高溫門檻值，切換該第一及第二儲存磁化向量的該磁化向量方向，以寫入資料至該儲存層；其中 切換該第一及第二儲存磁化向量之該儲存磁化向量方向包含施加一外部寫入磁場。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該寫入磁場係以一包含在約130 Oe及約160 Oe間之量值來施加。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該切換該第一及第二儲存磁化向量包含以下步驟：施加該外部寫入磁場，該外部寫入磁場具有一量值以便根據該寫入磁場的方向使該感測磁化向量在一方向飽和；該第一及第二儲存磁化向量係根據一局部感測磁性雜散場來進行切換，該局部感測磁性雜散場係藉由該已飽和的感測磁化向量所感生。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該感測層的厚度致使該感測磁化向量大於該第一及第二儲存磁化向量的總和。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該感測層的厚度致使讓該感測磁化向量飽和所需的該寫入磁場的量值低於約80 Oe。
  11. 一種用於讀取磁性隨機存取記憶體單元的方法，該磁性隨機存取記憶體單元包括一磁性穿隧接面，其包括：一合成儲存層，其由一具有一第一儲存磁化向量的第一鐵磁層、一具有一第二儲存磁化向量的第二鐵磁層及一介於該第一及第二儲存層之間的間隔物層所組成，該間隔物層磁性地耦合該第一及第二鐵磁 層，以致該第一儲存磁化向量係定向為與該第二磁化向量大致反向平行；一感測層，其具有一可反轉的感測磁化向量；及一穿隧障壁層，其介於該感測層及該儲存層之間；該第一儲存磁化向量感生一第一局部磁性雜散場，且該第二儲存磁化向量感生一第二局部磁性雜散場，該第一及第二局部磁性雜散場間的差相當於一淨局部磁性雜散場，其耦合該感測層；該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場低於約50 Oe；該方法包含以下步驟：藉由施加一第一讀取磁場以於一第一方向對準該感測磁化向量；測量該磁性穿隧接面之一第一電阻，該第一電阻係藉由該感測磁化向量相對於該儲存磁化向量之定向的該第一方向來判定；於一第二方向對準該感測磁化向量；測量該磁性穿隧接面之一第二電阻，該第二電阻係藉由該感測磁化向量相對於該儲存磁化向量之定向的該第二方向來判定；判定該第一電阻值及該第二電阻值之間的差；該於第二方向對準該感測磁化向量包含施加一第二讀取磁場，其具有一約50 Oe或更低的量值。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場大致上為無效的。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該第一及第二讀取磁場的量值約為20 Oe。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，其中該第一鐵磁層的厚度及該第二鐵磁層的厚度係經過選擇，以致耦合該感測層的該淨局部磁性雜散場係包含在約40 Oe及約50 Oe之間。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該第二讀取磁場大致上為無效的。
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