TW201337923A - 自我參照磁性隨機存取記憶體單元及用於使用旋轉轉移力矩寫入操作寫入該單元之方法 - Google Patents

自我參照磁性隨機存取記憶體單元及用於使用旋轉轉移力矩寫入操作寫入該單元之方法 Download PDF

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    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets

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Abstract

本揭示內容係關於一用於寫入自我參照MRAM單元的方法，該MRAM單元包括一磁性穿隧接面，該磁性穿隧接面包括：一儲存層，其包括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分開該第一及第二鐵磁層的非磁性耦合層；一感測層，其具有一自由感測磁化向量；及一穿隧阻障層，其包含在該感測及儲存層之間；該第一及第二鐵磁層係配置成該儲存及該感測層間之一雙極耦合大致是無效的；該方法包含以下步驟：藉由在該磁性穿隧接面中傳遞一自旋極化電流來切換該第二鐵磁磁化向量；其中該自旋極化電流係在該感測層中傳遞時根據該感測磁化向量的方向極化。該MRAM單元可以低功率消耗寫入。

Description

自我參照磁性隨機存取記憶體單元及用於使用旋轉轉移力矩寫入操作寫入該單元之方法
本發明係關於一種用於使用旋轉轉移力矩寫入操作以低功率消耗寫入自我參照MRAM單元的方法。
使用所謂的自我參照讀取操作之MRAM單元典型包括一磁性穿隧接面，其由一磁性儲存層、一薄絕緣層及一感測層組成，該磁性儲存層所具有之一磁化向量的方向可從一第一穩定方向變化為一第二穩定方向，且該感測層所具有之一磁化向量具有可反轉的方向。自我參照MRAM單元容許以低功率消耗及增加的速度來執行寫入及讀取操作。此外，自我參照MRAM單元既可用於製造具有減少之回收率的功能性記憶體，亦可用於高溫與安全應用。
不過，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，其在一閉合磁通量組態中將感測層的磁化向量與儲存層的磁化向量耦合在一起。切換感測層的磁化向量接著將需要施加一足夠高的磁場來克服雙極耦合。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。
由儲存層在感測層上產生的雜散場導致增加的功率 消耗，特別是在MRAM單元的讀取操作期間。此外，例如使用一合成儲存層來減少雜散場可導致感測層之磁化向量的切換場增加。
本揭示內容係關於一用於寫入自我參照MRAM單元的方法，該MRAM單元包括一磁性穿隧接面，其包括：一儲存層，其包括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分開該第一及第二鐵磁層的非磁性耦合層；一感測層，其具有一自由感測磁化向量；及一穿隧阻障層，其包含在該感測及儲存層之間；該第一及第二鐵磁層係配置成該儲存及該感測層間之一雙極耦合大致是無效的；該方法可包含以下步驟：藉由在該磁性穿隧接面中傳遞一自旋極化電流來切換該第二鐵磁磁化向量；其中該自旋極化電流係在該感測層中傳遞時根據該感測磁化向量的方向極化。
在一實施例中，該感測磁化向量的方向可藉由在切換該第二鐵磁磁化向量之前施加一磁場來決定。
在另一實施例中，該感測層可具有一形狀異向性或磁晶異向性，以便使該感測磁化向量的方向穩定。
在尚有另一實施例中，該第二鐵磁磁化向量的切換方向可藉由該自旋極化電流的極性來決定。
在尚有另一實施例中，該感測磁化向量的方向可藉由在該切換該第二鐵磁磁化向量期間施加一磁場來決定。
在尚有另一實施例中，該感測磁化向量的方向可藉由施加磁場的方向來決定。
此處所揭示的方法容許以低功率消耗寫入MRAM單元。
第1圖繪示根據一實施例之自我參照MRAM單元1。MRAM單元1包括磁性穿隧接面2，其包括儲存層23；感測層21，其具有自由感測磁化向量211；穿隧阻障層22，其係包含在儲存層23及感測層21之間。儲存層23較佳的是合成儲存層，其包括第一鐵磁層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；及非磁性耦合層233，其分開第一及第二鐵磁層231、232。
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經由RKKY耦合磁性耦合，以致第一鐵磁磁化向量234定向為與第二鐵磁磁化向量235反向平行。厚度可取決於形成間隔物層233的材料。舉例來說，間隔物層233可包括一非磁性材料，其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，厚度可包含在約0.2 nm及3 nm之間。不過，其他厚度可適於耦合兩鐵磁層231及232。在一較佳實施例中，間隔物層233包括釕(Ru)，並具有包含在0.7 nm及0.9 nm之間的厚度。
在第1圖的示範組態中，合成儲存層23係與反鐵磁層24交換耦合，以便使第二鐵磁層232的第二鐵磁磁化向量235在低於臨界溫度的低溫定限值下固定不變，並在等於或高於臨界溫度的第二高溫定限值下使其自由。反鐵磁層24可由例如IrMn、PtMn、NiMn或FeMn之錳基合金或任何其他適用的材料製成。
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及第二鐵磁磁化向量234、235所感生之局部磁性雜散場(未顯示)所導致。雙極耦合的量值取決於第一及第二鐵磁層231、232的個別厚度。雙極耦合的量值亦可藉由選擇具有各種自發磁化向量之第一及第二鐵磁層231、232的磁性材料來改變，這些材料例如，但非獨占性地為Fe、Co、Ni及例如FeCo、NiFe、FeCoB、FeCoNi或FeCoCr的合金。
在一實施例中，選擇第一及第二鐵磁層231、232的厚度，以致雙極耦合，從而是雜散場大致是無效的。在此組態中，合成儲存層23可說是完全得到補償。
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加熱至一高溫定限值；一旦磁性穿隧接面2已達到該高溫定限值，將第二鐵磁磁化向量235切換為寫入狀態；及將磁性穿隧接面2冷卻至低溫定限值，以便將第二鐵磁磁化向量235凍結在寫入狀態。
加熱磁性穿隧接面2可藉由在磁性穿隧接面2中經由電流線5傳遞加熱電流31來執行，電流線5係與磁性穿隧接面2電通訊。
在一實施例中，經寫入的MRAM單元1可使用自我參照讀取操作來讀取，該讀取操作包含以下步驟：沿著一第一讀取方向調整感測磁化向量211；測量第一接面電阻值R1；沿著一第二讀取方向調整感測磁化向量211；及測量第二接面電阻值R2。
沿著一第一讀取方向調整感測磁化向量211可包含藉由在場線4中傳遞具有一第一極性的場電流41來施加具有一第一極性的磁場42。沿著一第二讀取方向調整感測磁化向量211可包含在場線4中傳遞具有一與第一極性相反之第二極性的場電流41來施加具有一與第一極性相反之第二極性的讀取磁場42。在一低於第一臨界溫度的讀取溫度(例如，可相當於低溫定限值)下施加磁場42，其中儲存磁化向量231係藉由第一反鐵磁層24來固定不變。測量第一及第二接面電阻值R1、R2可藉由在磁性穿隧接面2中經由電流線5傳遞感測電流32來執行。或者，場電流41可在電流線5中傳遞。
第2和3圖繪示根據一實施例之以旋轉轉移力矩(STT)為基礎的寫入操作，其中感測層21係用作一極化層。在以STT為基礎的寫入操作期間，切換第二鐵磁磁化向量235包含在磁性穿隧接面2中例如經由電流線5注入自旋極化電流31。自旋極化電流31的旋轉變為主 要沿著感測磁化向量211的磁化向量方向定向。自旋極化電流31在第二鐵磁磁化向量235上施加一力矩，沿著相當於感測磁化向量211之定向的方向切換第二鐵磁磁化向量235。在一較佳實施例中，感測層21具有大於與穿隧阻障層22接觸之第一鐵磁層231之厚度的厚度。
更特別地，第2(a)圖顯示處於一初始狀態的MRAM單元1，其中第一及第二鐵磁磁化向量234、235係定向為反向平行，且其中感測磁化向量211係朝著圖的左邊定向。感測磁化向量211的定向可例如藉由在寫入操作前之讀取操作期間施加的磁場42來決定。感測磁化向量211的定向可藉由下列來使之穩定：感測層21的形狀異向性，例如，感測層21具有橢圓形；或歸因於磁晶異向性。
第2(b)圖繪示MRAM單元1，其中具有一第一極性的自旋極化電流31係注入磁性穿隧接面2中。根據自旋極化電流31的第一極性，自旋極化電流31在通過感測層21時變為極化。在此組態中，自旋極化電流31沿著相當於感測磁化向量211之方向的方向切換第二鐵磁磁化向量235。
第2(c)圖繪示處於一第一寫入狀態的MRAM單元1，其中第二鐵磁磁化向量235已根據感測磁化向量211的方向進行切換。第一鐵磁磁化向量234亦經切換，以便由於RKKY耦合而維持與第二鐵磁磁化向量235反向平行。在寫入之後，第一反鐵磁層24變成定向為本質上平行鐵磁層232的磁化向量235。
第3(a)圖繪示處於第2(c)圖之寫入狀態的MRAM單元1，其中具有一第二極性的自旋極化電流31係通過磁性穿隧接面2注入。根據自旋極化電流31的第二極性，自旋極化電流31在通過感測層21時變為極化。在此組態中，自旋極化電流31沿著與第一寫入方向相反或與感測磁化向量211之定向相反的方向切換第二鐵磁磁化向量235。
第3(b)圖繪示處於一第二寫入狀態的MRAM單元1，其中第二鐵磁磁化向量235已根據具有第二極性的自旋極化電流31進行切換。再次，亦切換第一鐵磁磁化向量234，以便由於RKKY耦合而維持與第二鐵磁磁化向量235反向平行。
根據本實施例之以STT為基礎的寫入操作之一優點在於寫入操作可在缺少磁場的情況下執行。不過，根據本實施例之以STT為基礎的寫入操作需要使用一雙極電晶體，以用於注入雙向自旋極化電流31。由於感測層21的形狀及/或磁晶異向性，讀取操作亦可需要磁場42具有較大的量值。
第4和5圖繪示根據另一實施例之以STT為基礎的寫入操作。更特別地，第4(a)圖顯示處於一初始狀態的MRAM單元1，其中第一及第二鐵磁磁化向量234、235係定向為反向平行，且其中感測磁化向量211係朝著圖的左邊定向。
第4(b)圖繪示MRAM單元1，在其中施加磁場42，以便根據磁場42定向感測磁化向量211。當施加磁場42 時，自旋極化電流31係通過磁性穿隧接面2注入。根據感測磁化向量211由磁場42所決定的定向，自旋極化電流31在通過感測層21時變為極化。自旋極化電流在第二鐵磁磁化向量235上施加一力矩，沿著相當於感測磁化向量211之定向的方向切換第二鐵磁磁化向量235。磁場42小到足以允許僅切換感測磁化向量211而不切換第二鐵磁磁化向量235。在第4(b)圖的範例中，可藉由在場線4中傳遞進入頁面的場電流41來施加朝右定向的磁場，如第1圖所繪示。
第4(c)圖繪示處於寫入狀態的MRAM單元1，其中第二鐵磁磁化向量235已根據感測磁化向量211的方向進行切換。第一鐵磁磁化向量234亦經切換，以便由於RKKY耦合而維持與第二鐵磁磁化向量235反向平行。
第5(a)圖繪示處於第4(c)圖之寫入狀態的MRAM單元1，其中注入磁性穿隧接面2中的自旋極化電流31具有與第4(b)圖的相同的極性。在第5(a)圖中，所施加的磁場42具有與第4(b)圖的相反的方向，以致感測磁化向量係沿著與第4(b)圖的相反的方向定向。根據感測磁化向量211的定向極化的自旋極化電流31沿著與其處於第5(a)圖之第一寫入狀態之方向相反的方向切換第二鐵磁磁化向量235。
第5(b)圖繪示處於第二寫入狀態的MRAM單元1，其中第二鐵磁磁化向量235已根據自旋極化電流31及施加磁場42的方向進行切換。第一鐵磁磁化向量234亦經 切換，以便由於RKKY耦合而維持與第二鐵磁磁化向量235反向平行。
根據本實施例之以STT為基礎的寫入操作之一優點在於注入單向自旋極化電流31可使用一單極電晶體執行，該單極電晶體小於雙極電晶體，並具有較低的功率消耗。讀取操作亦需要使用具有較小量值的磁場42。不過，寫入操作需要使用磁場42。
1‧‧‧磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元
2‧‧‧磁性穿隧接面
21‧‧‧感測層
211‧‧‧感測磁化向量
22‧‧‧穿隧阻障層
23‧‧‧儲存層
231‧‧‧第一鐵磁層
232‧‧‧第二鐵磁層
233‧‧‧間隔物層
234‧‧‧第一鐵磁磁化向量
235‧‧‧第二鐵磁磁化向量
24‧‧‧反鐵磁儲存層
31‧‧‧自旋極化電流
32‧‧‧感測電流
4‧‧‧場線
41‧‧‧場電流
42‧‧‧磁場
5‧‧‧電流線
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，將更佳地了解本發明，其中：第1圖繪示根據一實施例之自我參照MRAM單元1；第2和3圖繪示根據一實施例之以旋轉轉移力矩(STT)為基礎的寫入操作；第4和5圖繪示根據另一實施例之以STT為基礎的寫入操作。
1‧‧‧磁性隨機存取記憶體(MRAM)單元
2‧‧‧磁性穿隧接面
21‧‧‧感測層
211‧‧‧感測磁化向量
22‧‧‧穿隧阻障層
23‧‧‧儲存層
231‧‧‧第一鐵磁層
232‧‧‧第二鐵磁層
233‧‧‧間隔物層
234‧‧‧第一鐵磁磁化向量
235‧‧‧第二鐵磁磁化向量
24‧‧‧反鐵磁儲存層
31‧‧‧自旋極化電流
32‧‧‧感測電流
4‧‧‧場線
41‧‧‧場電流
42‧‧‧磁場
5‧‧‧電流線

Claims (6)

  1. 一種用於寫入自我參照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，該磁性穿隧接面包括：一儲存層，其包括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分開該第一及第二鐵磁層的非磁性耦合層；一感測層，其具有一自由感測磁化向量；及一穿隧障壁層，其包含在該感測層與儲存層之間；該第一及第二鐵磁層係配置成該儲存層及該感測層間之一雙極耦合大致是無效的；該方法包含以下步驟：藉由在該磁性穿隧接面中傳遞一自旋極化電流來切換該第二鐵磁磁化向量；該自旋極化電流係在該感測層中傳遞時根據該感測磁化向量的方向極化。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該感測磁化向量的方向係藉由在切換該第二鐵磁磁化向量之前施加一磁場來決定。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該感測層具有一形狀異向性或磁晶異向性，以便使該感測磁化向量的方向穩定。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二鐵磁磁化向量的切換方向係藉由該自旋極化電流的極性來決定。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該感測磁化向量的方向係藉由在切換該第二鐵磁磁化向量期間施加一磁場來決定。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該感測磁化向量的方向係藉由施加磁場的方向來決定。
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