TW201342374A - 包含合成儲存層的自我參照磁性隨機存取記憶體元件 - Google Patents

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Abstract

本揭示內容係關於一種隨機存取記憶體(MRAM)元件，其包括一磁性穿隧接面，該磁性穿隧接面包括：一儲存層、一感測層及一包含在該儲存層與該感測層之間的穿隧阻障層；該儲存層包括一第一磁性層，其具有一第一儲存磁化向量；一第二磁性層，其具有一第二儲存磁化向量；及一非磁性耦合層，其將該第一及第二磁性層分開，以致該第一儲存磁化向量大致反向平行於該第二儲存磁化向量；該第一及第二磁性層係配置成：在一讀取溫度下，該第一儲存磁化向量大致等於該第二儲存磁化向量；且在一高於該讀取溫度的寫入溫度下，該第二儲存磁化向量大於該第一儲存磁化向量。當該磁性穿隧接面以一低溫冷卻時，所揭示的MRAM元件產生一低雜散場。

Description

包含合成儲存層的自我參照磁性隨機存取記憶體元件
本揭示內容係關於一磁性隨機存取記憶體(MRAM)元件，其包括一具有一合成儲存層的磁性穿隧接面，其具有一磁化向量，當以一高溫加熱該磁性穿隧接面時可輕易調整該磁化向量，且當以一低溫冷卻該磁性穿隧接面時，會產生一低雜散場。本揭示內容亦關於一用於寫入MRAM元件的熱輔助方法。
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，且該感測層具有一可反轉的方向。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。
不過，在讀取操作期間，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。在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。
本揭示內容係關於一種隨機存取記憶體(MRAM)元件，其包括一磁性穿隧接面，該磁性穿隧接面包括：一儲存層；一感測層；及一穿隧阻障層，其係包含在該儲存層及該感測層之間；該儲存層包括：一第一磁性層，其具有一第一儲存磁化向量；一第二磁性層，其具有一第二儲存磁化向量；及一非磁性耦合層，其將該第一及第二磁性層分開，以致該第一儲存磁化向量大致反向平行於該第二儲存磁化向量；該第一及第二磁性層係配置成：在一讀取溫度下，該第一儲存磁化向量大致等於該第二儲存磁化向量；且在一高於該讀取溫度的寫入溫度下，該第二儲存磁化向量大於該第一儲存磁化向量。
在一實施例中，該第一磁性層可包括一第一鐵磁層，其具有一第一居里溫度，且該第二磁性層可包括一第二鐵磁層，其具有一高於該第一居里溫度的第二居里溫度。
在另一實施例中，該寫入溫度可包含在低於該第一及第二居里溫度。
在尚有另一實施例中，該寫入溫度可包含在高於該第一居里溫度且低於該第二居里溫度。
在尚有另一實施例中，該第一磁性儲存層可包括一亞鐵磁非晶合金，其包括一過渡金屬原子的次晶格，其提供一3d儲存磁化向量；及一稀土原子的次晶格，其提供一反向平行於該3d儲存磁化向量的4f儲存磁化向 量；該第一儲存磁化向量相當於該3d儲存磁化向量及該4f儲存磁化向量的向量總和。
在尚有另一實施例中，該稀土次晶格可具有一第一居里溫度，且該過渡金屬原子次晶格可具有一高於該第一居里溫度的第二居里溫度。
在尚有另一實施例中，該寫入溫度大致可相當於該亞鐵磁儲存層之一補償溫度，於該補償溫度該第一儲存磁化向量大致變為零。
在尚有另一實施例中，該寫入溫度大致可相當於該亞鐵磁儲存層之該稀土次晶格的該第一居里溫度。
本揭示內容亦關於一用於寫入MRAM元件的方法，該方法包含以下步驟：將該磁性穿隧接面加熱至該寫入溫度；調整該第一及第二儲存磁化向量；及將該磁性穿隧接面冷卻至該讀取溫度。
在一實施例中，調整該第一及第二儲存磁化向量可藉由施加一寫入磁場來執行。
在另一實施例中，該MRAM元件可進一步包括一與該磁性穿隧接面之一端電接觸的電流線；且加熱該磁性穿隧接面可包含使一加熱電流經由該電流線在該磁性穿隧接面中傳遞。
所揭示之MRAM元件的該第一及第二儲存磁化向量在以一高溫加熱該磁性穿隧接面時可輕易調整，並在以一低溫冷卻該磁性穿隧接面時產生一低雜散場。
第1圖繪示根據一實施例之一自我參照隨機存取記憶體(MRAM)元件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；及穿隧阻障層22，其係包含在儲存層23及感測層21之間。
在第1圖的實施例中，儲存層23包括合成反鐵磁(SAF)結構，其包括第一磁性層231，其係為鐵磁性並具有第一儲存磁化向量234；第二磁性層232，其係為鐵磁性並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。鐵磁層231及232可以例如鈷鐵(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，但較佳的是包含在約1.5 nm及約4 nm之間。
耦合層233可包括一選自由下列所構成之群組的材料：釕(Ru)、錸(Re)、銠(Rh)、碲(Te)、釔(Y)、鉻(Cr)、銥(Ir)、銀(Ag)、銅(Cu)等。較佳的是耦合層233係以釕製成。耦合層233的尺寸(例如，厚度)可經過選擇成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。厚度可取決於形成耦合層233的材料。厚度典型包含在約0.2 nm及約3 nm之間，較佳的是在約0.6 nm及約2 nm或約0.6nm及約0.9 nm之間或在約1.6 nm及約2 nm之間。其他厚度亦可適於耦合兩個鐵磁層231及232。
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；及穿隧阻障層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。較佳的是感測層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。穿隧阻障層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組成(例如，氧化鋁(Al2O3)或氧化鎂(MgO))。
在一實施例中，儲存層23可與反鐵磁層24交換耦合，例如在第1圖的示範性組態中所繪示的。反鐵磁層24適於在低於臨界溫度時使第一鐵磁層231的第一儲存磁化向量234固定不動，並在等於或高於臨界溫度時使之自由。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。
在一較佳實施例中，第一鐵磁層231具有第一居里溫度TC1，其低於第二鐵磁層232的第二居里溫度TC2。
第2圖記述根據一實施例之第一儲存磁化向量234及第二儲存磁化向量235之飽和磁化向量Ms的溫度相依性。第一及第二儲存磁化向量234、235隨著溫度分別朝居里溫度TC1及TC2增加而減少。在等於或高於居里溫度TC1、TC2時，熱波動致使第一及第二儲存磁化向量234、235的淨磁化向量分別變為零，且材料為順磁性。同樣記述在第2圖中的是儲存層23之有效儲存磁化向量236的溫度相依性。有效儲存磁化向量236相當於第一儲存磁化向量234及第二儲存磁化向量235的向量總和。於讀取溫度T1下，在低於相當程度地低於第一及第 二居里溫度TC1、TC2的定限值溫度TS時，第一及第二儲存磁化向量234、235大致相等，且有效儲存磁化向量236大致為空。此處，大致相等及大致為空這些措辭分別包括確切地相等及確切地為空。將藉由有效儲存磁化向量236產生之一淨儲存磁性雜散場(未繪示)因而大致為空，且在儲存層23及感測層21之間無雙極耦合發生。因此，在讀取溫度T1下，可例如使用小外部磁場來輕易地切換感測磁化向量211。因而在執行MRAM元件1的讀取操作時將磁性穿隧接面2設定在讀取溫度T1是有利的。讀取溫度T1可相當於MRAM元件1的操作溫度，例如，MRAM單元環境的溫度。
第3a至3d圖繪示根據一實施例之儲存層23的頂視圖，其說明第一及第二儲存磁化向量234、235的安排，其中磁性穿隧接面2係處於讀取溫度T1。第4圖針對磁性穿隧接面2處於讀取溫度T1的情況繪示SAF儲存層23的磁化向量曲線。符號B表示外部寫入磁場42的量值，且符號M表示第一及第二儲存磁化向量234、235的磁化向量值。第4圖顯示，當所施加的寫入磁場42具有低於自旋轉向場值BSF(在第4圖中以符號②表示的平坦部分)的量值時，第一及第二儲存磁化向量234、235無切換發生。由於耦合層233的耦合效應，第一及第二儲存磁化向量234、235接著定向為反向平行(參見第3b及3c圖)。當寫入磁場42的量值增加為高於自旋轉向場值BSF(在第4圖中以符號①及③表示的部分)時，第一儲存磁化向量234不再與第二儲存磁化向量235反向平 行，而是與第二儲存磁化向量形成一預定角度(參見第3a及3d圖)。藉由進一步使寫入磁場42增加至飽和場值BSAT，第一儲存磁化向量234可變成定向為大致平行於第二儲存磁化向量235(未繪示於第3圖)。
在磁性穿隧接面2的讀取溫度T1下，切換第一及第二儲存磁化向量234、235因而需要施加具有高於自旋轉向場值BSF之量值的寫入磁場42。由於典型之自旋轉向場值BSF的範圍介於約400 Oe及600 Oe之間，在磁性穿隧接面2的讀取溫度T1下，切換第一及第二儲存磁化向量234、235需要具有至少高於400 Oe之量值的寫入磁場42。
第5a至5d圖繪示在磁性穿隧接面2處於寫入溫度T2，高於定限值溫度(TS)，且從而高於讀取溫度T1的情況下，第一及第二儲存磁化向量234、235的安排。在本範例中，寫入溫度T2低於第一及第二居里溫度TC1、TC2，但近接第一居里溫度TC1，以致第二儲存磁化向量235變為大於第一儲存磁化向量234(參見第2圖)，且有效儲存磁化向量236為非空。在第5a至5d圖中，第二儲存磁化向量235之較大的量值係藉由較粗的箭頭235來表示。
第6圖針對在磁性穿隧接面2處於寫入溫度T2下施加寫入磁場42的情況繪示SAF儲存層23的磁化向量曲線。在此情況下，磁化向量曲線在第6圖中以符號②和③表示的彎曲部分中顯示滯後現象。當所施加的寫入磁場42具有等於或大於切換場值BS的量值時，第一及第二 儲存磁化向量234、235接著可由例如第5b圖所示之一第一定向切換至第5c圖所示的另一定向。作為實例，切換場BS可低於80 Oe。在第5b及5c圖中，由於耦合層233的耦合效應，第一及第二儲存磁化向量234、235係定向為反向平行。類似於第4圖的磁化向量曲線，第6圖中的部分①及④相當於所施加的寫入磁場42具有等於或高於自旋轉向場值BSF的量值，並產生第5a及5d圖所示的安排，其中第一及第二儲存磁化向量234、235彼此間形成預定的角度。
第7a及7b圖繪示第一及第二儲存磁化向量234、235在磁性穿隧接面2處於寫入溫度T3的情況下的安排，T3高於第一居里溫度TC1，但低於第二居里溫度TC2(參見第2圖)。由於磁性穿隧接面2高於第一居里溫度TC1，第一儲存磁化向量234大致變為零。有效儲存磁化向量236因而僅由第二儲存磁化向量235來決定。在第7a及7b圖中，此係藉由僅顯示第二儲存磁化向量235來表示。在此組態中，SAF儲存層23表現得猶如僅包括第二鐵磁層232。
第8圖針對在磁性穿隧接面2處於寫入溫度T3下施加寫入磁場42的情況繪示SAF儲存層23的磁化向量曲線。第8圖的磁化向量曲線在以符號①及②表示的曲線部分中顯示滯後現象。當所施加的寫入磁場42具有等於或大於切換場值BS的量值時，第二儲存磁化向量235可從例如第7a圖所示之一第一定向切換至第7b圖所示的另 一定向。此處，由於必須切換的僅有第二儲存磁化向量235，切換場值BS可低於40 Oe。
根據一實施例，MRAM元件1之一熱輔助寫入操作可包含以下步驟：將磁性穿隧接面2加熱至寫入溫度T2、T3、T4；調整第一及第二儲存磁化向量234、235；及將磁性穿隧接面2冷卻至讀取溫度T1。
調整第一及第二儲存磁化向量234、235可藉由施加寫入磁場42來執行。僅作為實例，寫入磁場42可藉由使場電流41在場線4中傳遞來產生(參見第1圖)。或者，寫入磁場42可藉由在與磁性穿隧接面2之一端電接觸之電流線5中傳遞場電流41來產生。寫入磁場42的量值適於根據寫入磁場42的定向或根據場電流41的量值與極性對準第一及第二儲存磁化向量234、235。更具體地，在第1圖中，場電流41在頁面內顯示為定點，且磁場42係以指向左的箭頭來表示。或者，第一及第二儲存磁化向量234、235可藉由在磁性穿隧接面2中經由例如電流線5傳遞一自旋極化電流(未顯示)來進行調整。
加熱磁性穿隧接面2可例如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，例如第1圖中所繪示者。較佳的是磁性穿隧接面2以寫入溫度T3加熱，在此溫度下，第一儲存磁化向量234大致變為零，且其中調整第一及第二儲存磁化向量234、235最為簡單，例如需要最低的寫入磁場42。在一實施例中，寫入溫度T3相當於有效儲存磁化向量236大致為最大的情 況。在第2圖的範例中，有效儲存磁化向量236的最大值相當於第一居里溫度TC1，其中第一儲存磁化向量234變為零，且第二儲存磁化向量235低於第二居里溫度TC2。在T3下，切換單獨的第二儲存磁化向量235所需的寫入磁場42因而最低。舉例來說，切換場值BS可低於40 Oe。
磁性穿隧接面2較佳的是冷卻至讀取溫度T1，其中第一及第二儲存磁化向量234、235大致相等，且有效儲存磁化向量236大致為空(參見第2圖)。因此，在讀取溫度T1下，實質上沒有儲存磁性雜散場藉由儲存層23產生，且大致沒有雙極耦合發生在儲存層23及感測層21之間。在讀取溫度T1下，感測磁化向量211可例如使用小外部磁場(低於40 Oe)來輕易地切換。將磁性穿隧接面2設定在讀取溫度T1因而在執行MRAM元件1的讀取操作時為有利的。
第二實施例
第9圖繪示根據另一實施例的MRAM元件1，其中SAF儲存層23的第一磁性層為亞鐵磁的。較佳的是亞鐵磁儲存層231包括一亞鐵磁非晶合金。亞鐵磁非晶合金可藉由在過渡金屬及稀土材料間選擇適當元素及相對組成物來提供。更具體地，亞鐵磁儲存層231包括稀土原子的次晶格，其提供4f儲存磁化向量2342；及過渡金屬原子的次晶格，其提供3d儲存磁化向量2341，其大致定向為與4f儲存磁化向量反向平行。亞鐵磁儲存層231的第一儲存磁化向量234相當於3d儲存磁化向量2341 及4f儲存磁化向量2342的向量總和。可選擇耦合層233的厚度，以致第二儲存磁化向量235係以與3d儲存磁化向量2341平行的方式耦合，如第9及10圖之範例所繪示者。
第10圖根據第9圖的實施例記述4f及3d儲存磁化向量2342、2341及針對MRAM元件1之第二儲存磁化向量235的溫度相依性。同樣記述在第10圖中的是儲存層23之第一儲存磁化向量234及有效儲存磁化向量236的溫度相依性。在第10圖的範例中，亞鐵磁儲存層231之稀土次晶格的第一居里溫度TC1低於亞鐵磁儲存層231之過渡金屬次晶格與第二儲存磁化向量235的第二居里溫度TC2。
在磁性穿隧接面2的讀取溫度T1下(參見第10圖)，可提供亞鐵磁非晶合金，以致4f及3d儲存磁化向量2341、2342的向量總和導致第一儲存磁化向量234具有大致與第二儲存磁化向量235相同的的量值。由於耦合層233的磁性耦合，第一儲存磁化向量234係定向為大致反向平行於第二儲存磁化向量235，導致有效儲存磁化向量236大致為空。在此組態中，於寫入操作期間切換第一及第二儲存磁化向量234、235需要高寫入磁場42。不過，在此組態中，大致沒有雙極耦合發生在儲存層23及感測層21之間，且感測磁化向量211可輕易地進行切換。使第一及第二儲存磁化向量234、235在讀取溫度T1下大致相等可例如藉由調整亞鐵磁儲存層231和第二儲存磁化向量235的厚度來獲得。
以寫入溫度T2加熱磁性穿隧接面2導致4f儲存磁化向量2342減少，而3d儲存磁化向量2341大致維持不變。與讀取溫度T1下的第一儲存磁化向量234相比，其因而減少。由於與讀取溫度T1下的第二儲存磁化向量235相比，其在寫入溫度T2下實際上亦維持不變，有效儲存磁化向量236增加，進一步降低切換第一及第二儲存磁化向量234、235所需的寫入磁場42。
磁性穿隧接面2可進一步以寫入溫度T3加熱，其中第一儲存磁化向量234大致變為零。在第10圖的範例中，寫入溫度T3大致相當於亞鐵磁儲存層231的補償溫度TCOMP，其中4f儲存磁化向量2342大致等於以相反方向定向的3d儲存磁化向量2341。在寫入溫度T3下，第二儲存磁化向量235與在寫入溫度T2下相比僅稍微減少，以致有效儲存磁化向量236因而進一步增加。切換第一及第二儲存磁化向量234、235所需的寫入磁場42可因而進一步地降低。
以大致相當於亞鐵磁儲存層231之稀土次晶格之第一居里溫度TC1的寫入溫度T4加熱磁性穿隧接面2導致4f儲存磁化向量2342大致為零。在寫入溫度T4下，第一及第二儲存磁化向量234、235的向量總和因而為最大。切換第一及第二儲存磁化向量234、235所需的寫入磁場42因而為最小。
1‧‧‧磁性隨機存取記憶體單元
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‧‧‧合成儲存層
231‧‧‧第一磁性層
232‧‧‧第二磁性層
233‧‧‧耦合層
234‧‧‧第一儲存磁化向量
2341‧‧‧3d儲存磁化向量
2342‧‧‧4f儲存磁化向量
235‧‧‧第二儲存磁化向量
236‧‧‧有效儲存磁化向量
24‧‧‧反鐵磁層
31‧‧‧加熱電流
4‧‧‧場線
41‧‧‧寫入電流
42‧‧‧寫入磁場
5‧‧‧電流線
BS‧‧‧切換場
BSAT‧‧‧飽和場
BSF‧‧‧自旋轉向場
T1‧‧‧讀取溫度
T2、T3、T4‧‧‧寫入溫度
TC1‧‧‧第一居里溫度
TC2‧‧‧第二居里溫度
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一自我參照隨機存取記憶體(MRAM)元件，其包括一磁性穿隧接面，該磁性穿隧接面包括一儲存層，其具有一第一儲存磁化向量及一第二儲存磁化向量；第2圖記述第一儲存磁化向量及第二儲存磁化向量之一磁化向量溫度相依性；第3a至3d圖繪示根據一實施例之儲存層的頂視圖，其說明第一及第二儲存磁化向量的配置；第4圖繪示根據第3a至3d圖之實施例的儲存磁化向量曲線；第5a至5d圖繪示根據另一實施例之第一及第二儲存磁化向量的配置；第6圖繪示根據第5a至5d圖之實施例之儲存層的磁化向量曲線；第7a及7b圖繪示根據尚有另一實施例之第一及第二儲存磁化向量的配置；第8圖繪示根據第7a及7b圖之實施例之儲存層的磁化向量曲線；第9圖繪示根據另一實施例的MRAM元件；及第10圖記述根據第9圖之實施例之MRAM元件的第一及第二儲存磁化向量之磁化向量溫度相依性。
1‧‧‧磁性隨機存取記憶體單元
2‧‧‧磁性穿隧接面
4‧‧‧場線
5‧‧‧電流線
21‧‧‧感測層
22‧‧‧穿隧阻障層
23‧‧‧合成儲存層
24‧‧‧反鐵磁層
31‧‧‧加熱電流
41‧‧‧寫入電流
42‧‧‧寫入磁場
211‧‧‧感測磁化向量
231‧‧‧第一磁性層
232‧‧‧第二磁性層
233‧‧‧耦合層
234‧‧‧第一儲存磁化向量
235‧‧‧第二儲存磁化向量
236‧‧‧有效儲存磁化向量

Claims (11)

  1. 一種隨機存取記憶體(MRAM)元件，其包括一磁性穿隧接面，包括：一儲存層；一感測層；及一穿隧阻障層，其係包含在該儲存層及該感測層之間；該儲存層包括：一第一磁性層，其具有一第一儲存磁化向量；一第二磁性層，其具有一第二儲存磁化向量；及一非磁性耦合層，其將該第一及第二磁性層分開，以致該第一儲存磁化向量大致反向平行於該第二儲存磁化向量；該第一及第二磁性層係配置成：在一讀取溫度下，該第一儲存磁化向量大致等於該第二儲存磁化向量；及在一高於該讀取溫度的寫入溫度下，該第二儲存磁化向量大於該第一儲存磁化向量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之隨機存取記憶體元件，其中該第一磁性層包括一第一鐵磁層，其具有一第一居里溫度，且該第二磁性層包括一第二鐵磁層，其具有一高於該第一居里溫度的第二居里溫度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之隨機存取記憶體元件，其中該寫入溫度係包含在低於該第一及第二居里溫度。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之隨機存取記憶體元件，其中該寫入溫度係包含在高於該第一居里溫度且低於該第二居里溫度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之隨機存取記憶體元件，其中該第一磁性儲存層包括一亞鐵磁非晶合金，其包括一過渡金屬原子的次晶格，其提供一3d儲存磁化向量；及一稀土原子的次晶格，其提供一反向平行於該3d儲存磁化向量的4f儲存磁化向量；且其中該第一儲存磁化向量相當於該3d儲存磁化向量及該4f儲存磁化向量的向量總和。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之隨機存取記憶體元件，其中該稀土次晶格具有一第一居里溫度，且該過渡金屬原子次晶格具有一高於該第一居里溫度的第二居里溫度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之隨機存取記憶體元件，其中該寫入溫度大致相當於該亞鐵磁儲存層之一補償溫度，於該補償溫度該第一儲存磁化向量大致變為零。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之隨機存取記憶體元件，其中該寫入溫度大致相當於該亞鐵磁儲存層之該稀土次晶格的該第一居里溫度。
  9. 一種用於寫入隨機存取記憶體元件的方法，該隨機存取記憶體元件包括一磁性穿隧接面，其包括一儲存層、一感測層及一介於該儲存層與該感測層之間的穿隧阻障層；該儲存層包括一第一磁性層，其具有一第一儲存磁化向量；一第二磁性層，其具有一第二儲存磁化向量；及一非磁性耦合層，其將該第一及第二磁性層分開，以致該第一儲存磁化向量大致反向平行於 該第二儲存磁化向量；該第一及第二磁性層係配置成，在一讀取溫度下，該第一儲存磁化向量大致等於該第二儲存磁化向量，且在一高於該讀取溫度的寫入溫度下，該第二儲存磁化向量大於該第一儲存磁化向量；該方法包含以下步驟：於該寫入溫度加熱該磁性穿隧接面；調整該第一及第二儲存磁化向量；及於該讀取溫度冷卻該磁性穿隧接面。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中調整該第一及第二儲存磁化向量係藉由施加一寫入磁場來執行。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該隨機存取記憶體元件進一步包括一與該磁性穿隧接面之一端電接觸的電流線；且其中加熱該磁性穿隧接面包含使一加熱電流經由該電流線在該磁性穿隧接面中傳遞。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2608208B1 (en) * 2011-12-22 2015-02-11 Crocus Technology S.A. Self-referenced MRAM cell and method for writing the cell using a spin transfer torque write operation
EP2615610B1 (en) * 2012-01-16 2016-11-02 Crocus Technology S.A. Mram cell and method for writing to the mram cell using a thermally assisted write operation with a reduced field current
EP2741296B1 (en) * 2012-12-07 2019-01-30 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
EP2775480B1 (en) * 2013-03-07 2018-11-14 Crocus Technology S.A. Self-referenced TAS-MRAM cell that can be read with reduced power consumption
US9460397B2 (en) 2013-10-04 2016-10-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Quantum computing device spin transfer torque magnetic memory
US20150129946A1 (en) * 2013-11-13 2015-05-14 International Business Machines Corporation Self reference thermally assisted mram with low moment ferromagnet storage layer
US9490000B2 (en) 2014-04-10 2016-11-08 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and system for providing thermally assisted magnetic junctions having a multi-phase operation
KR102335104B1 (ko) 2014-05-23 2021-12-03 삼성전자 주식회사 자기 소자
EP2958108B1 (en) * 2014-06-17 2019-08-28 CROCUS Technology Self-referenced multibit MRAM cell having a synthetic antiferromagnetic storage layer
KR20170064018A (ko) * 2015-11-30 2017-06-09 에스케이하이닉스 주식회사 전자 장치
EP3217446B1 (en) * 2016-03-10 2022-02-23 Crocus Technology Magnetoresistive element having an adjustable magnetostriction and magnetic device comprising the magnetoresistive element
CN114335329B (zh) * 2022-03-16 2022-06-17 波平方科技(杭州)有限公司 一种具有高抗磁场干扰能力的磁性随机存储器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6385082B1 (en) * 2000-11-08 2002-05-07 International Business Machines Corp. Thermally-assisted magnetic random access memory (MRAM)
US6713830B2 (en) * 2001-03-19 2004-03-30 Canon Kabushiki Kaisha Magnetoresistive element, memory element using the magnetoresistive element, and recording/reproduction method for the memory element
US6667897B1 (en) * 2002-06-28 2003-12-23 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junction containing a ferrimagnetic layer and anti-parallel layer
US7436700B2 (en) * 2004-02-06 2008-10-14 Infineon Technologies Ag MRAM memory cell having a weak intrinsic anisotropic storage layer and method of producing the same
KR100669363B1 (ko) * 2004-10-26 2007-01-16 삼성전자주식회사 메모리 장치의 읽기 방법
RU2310928C2 (ru) * 2004-10-27 2007-11-20 Самсунг Электроникс Ко., Лтд. Усовершенствованное многоразрядное магнитное запоминающее устройство с произвольной выборкой и способы его функционирования и производства
FR2892231B1 (fr) * 2005-10-14 2008-06-27 Commissariat Energie Atomique Dispositif magnetique a jonction tunnel magnetoresistive et memoire magnetique a acces aleatoire
US7280389B2 (en) * 2006-02-08 2007-10-09 Magic Technologies, Inc. Synthetic anti-ferromagnetic structure with non-magnetic spacer for MRAM applications
TWI304586B (en) * 2006-03-20 2008-12-21 Univ Nat Yunlin Sci & Tech System for reducing critical current of magnetic random access memory
WO2009074411A1 (en) * 2007-12-13 2009-06-18 Crocus Technology Magnetic memory with a thermally assisted writing procedure
FR2925747B1 (fr) * 2007-12-21 2010-04-09 Commissariat Energie Atomique Memoire magnetique a ecriture assistee thermiquement
JP2010093091A (ja) * 2008-10-09 2010-04-22 Hitachi Ltd 磁気メモリ、磁気メモリアレイおよび磁気メモリアレイへの情報書込み方法
EP2575136B1 (en) * 2011-09-30 2014-12-24 Crocus Technology S.A. Self-reference magnetic random access memory (MRAM) cell comprising ferromagnetic layers

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