TWI529986B - 具最佳化可靠度之自我參照磁性隨機存取記憶體單元 - Google Patents

具最佳化可靠度之自我參照磁性隨機存取記憶體單元 Download PDF

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Description

具最佳化可靠度之自我參照磁性隨機存取記憶體單元
本發明係關於一隨機存取記憶體(MRAM)元件，其適於一熱輔助寫入操作，並適於一自我參照讀取操作，且相對習知的MRAM單元，其可可靠地以較高的溫度寫入。
使用所謂的自我參照讀取操作之磁性隨機存取記憶體(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，且該感測層具有一磁化向量，其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。自我參照讀取操作係在由相同申請人提出之歐洲專利申請案第EP2276034號中敘述。其典型包括兩倍的取樣，其中該感測層磁化向量的方向係沿著一第一及第二方向對準，且該磁性穿隧接面的個別電阻係針對每一方向測量。
自我參照MRAM單元可有利地用在MRAM基內容可定址記憶體(CAM)不變性單元，其係用於包括以相繼式封包為基礎之使用者特權、安全或加密資訊的安全應用，該等係針對高性能資料開關、防火牆、橋接器及路由器。自我參照MRAM單元亦可用於以降低的產量製造功能記憶體以及用於高溫應用。
在高溫應用的情況下，使一電流脈衝通過該磁性穿隧接面，以加熱該MRAM單元至該高溫。此電流脈衝負 責使該薄絕緣層遭受一可觀的電應力。通過該磁性穿隧接面施加的電壓可能會達到或甚至超過這類絕緣層的崩潰電壓。即使跨該絕緣層施加的電壓低於其崩潰電壓，與該電流脈衝聯結的應力長期來說可導致可觀的老化效應，特別是在大量的電壓循環之後，例如，在寫入循環期間。
本揭示內容係關於一磁性隨機存取記憶體(MRAM)元件，其適於一熱輔助(TA)寫入操作，並適於一自我參照讀取操作，其包括一磁性穿隧接面部分，該磁性穿隧接面部分具有一第一部分，其包括：一第一儲存層，其具有一第一儲存磁化向量；一第一感測層，其具有一第一自由磁化向量；及一第一穿隧阻障層，其介於該第一儲存層及該第一感測層之間；及一第二部分，其包括：一第二儲存層，其具有一第二儲存磁化向量；一第二感測層，其具有一第二自由磁化向量；及一第二穿隧阻障層，其介於該第二儲存層及該第二感測層之間；該磁性穿隧接面部分進一步包括一反鐵磁層，其係包含在該第一及第二儲存層之間，並在一低溫門檻值下將該第一及第二儲存磁化向量固定，同時在一高溫門檻值下使該第一及第二儲存磁化向量自由；其中在一寫入操作期間，當施加一寫入磁場時，該第一及第二自由磁化向量係根據該寫入磁場的方向為磁性可飽和的；且其中該第一及第二儲存磁化向量可沿一大致平行並對應該飽和第一及第二自由磁化向量之方向的方向切換。
在一實施例中，該MRAM元件可進一步配置為致使該第一磁性穿隧接面部分具有一大致等於該第二磁性穿隧接面部分之一第二電阻-面積乘積的第一電阻-面積乘積，以致該MRAM元件之一磁阻比在該寫入操作期間維持大致不變。
本揭示內容進一步係關於一用於使用TA寫入操作寫入MRAM元件的方法，該方法包含以下步驟：在該高溫門檻值下加熱該磁性穿隧接面；切換該第一及第二儲存磁化向量；及將該MRAM元件冷卻至低於該臨界溫度，以便將該第一及第二儲存磁化向量凍結在其寫入狀態；其中該第一及第二儲存磁化向量大致係同時沿著一大致彼此平行的方向切換。該切換可包含施加一寫入磁場，以便使該第一及第二自由磁化向量根據該寫入磁場的方向磁性地飽和；且該第一及第二儲存磁化向量大致可同時沿著一大致彼此平行的方向切換。
在將磁性穿隧接面加熱至高溫門檻值時，與僅包括一阻障層的磁性穿隧接面相比，所揭示之具有包括第一及第二穿隧阻障層的磁性穿隧接面之MRAM元件的組態容許降低施加在第一及第二穿隧阻障層上的電壓。所揭示之MRAM元件的磁性穿隧接面可因此有效地加熱，同時最小化崩潰風險及穿隧阻障層的老化。
本發明在經由範例給定與藉由第1圖繪示之一實施例的敘述輔助下將獲得更佳的了解。
第1圖繪示根據一實施例之隨機存取記憶體(MRAM)元件1。MRAM元件1包括磁性穿隧接面2，其具有第一部分2’，第一部分2’包括第一儲存層23，其具有第一儲存磁化向量231；第一感測層21，其具有第一自由磁化向量211；及第一穿隧阻障層25，其介於第一儲存層23及第一感測層21之間。磁性穿隧接面2進一步包括第二部分2”，第二部分2”包括第二儲存層24，其具有第二儲存磁化向量232；第二感測層22，其具有第二自由磁化向量212；及第二穿隧阻障層26，其介於第二儲存層24及第二感測層22之間。磁性穿隧接面2進一步包括反鐵磁層20，其係包含在第一及第二儲存層23、24之間，並在一低於反鐵磁層20之臨界溫度的低溫門檻值下固定第一及第二儲存磁化向量231、232，且在一等於及高於臨界溫度的高溫門檻值下使第一及第二儲存磁化向量231、232自由。
在一實施例中，MRAM元件1之一熱輔助(TA)寫入操作可包含以下步驟：將磁性穿隧接面2加熱至高溫門檻值；切換第一及第二儲存磁化向量231、232；及於低溫門檻值冷卻磁性穿隧接面2，以便將第一及第二儲存磁化向量231、232凍結在寫入狀態。
在第一及第二儲存層23、24對稱地安排在反鐵磁層20的每一側上之磁性穿隧接面2的組態導致第一儲存磁化向量231與第二儲存磁化向量232大致同時並沿著大致彼此平行之一方向切換。
在一實施例中，MRAM元件1進一步包括與磁性穿隧接面2連通的場線5。場線5係安排用於使適於產生寫入磁場52的場電流51通過，其能夠沿著大致與場線5垂直的方向切換第一及第二儲存磁化向量231、232。加熱MRAM元件1可藉由使加熱電流31經由電流線4通過磁性穿隧接面2來執行，電流線4係與磁性穿隧接面2電連通(參見第1圖)。或者，電流線4亦可用於使預定產生寫入磁場52的場電流51通過。一旦磁性穿隧接面2已冷卻至低溫門檻值，儲存磁化向量231變成固定在經切換或寫入的定向，與寫入磁場52的定向一致。
配置第一及第二儲存層23、24，以便具有沿著大致與場線5垂直之一方向定向的磁異向性，以致第一及第二儲存磁化向量231、232係大致同時並藉由施加寫入磁場52而沿著大致相同的方向進行切換。
在另一實施例中，切換第一及第二儲存磁化向量231、232係藉由施加具有一量值的磁場52來執行，以便使第一自由磁化向量211沿著與寫入磁場52的方向一致的方向飽和。已飽和的第一自由磁化向量211轉而感生第一局部磁性雜散場60，其以閉合磁通量組態耦合第一儲存磁化向量231，以便沿著已飽和之第一自由磁化向量211的方向定向第一儲存磁化向量231。亦安排磁場52，以便使第二感測磁化向量212沿著寫入磁場52的方向飽和。已飽和的第二感測磁化向量212感生第二局部磁性雜散場61，其磁性地以閉合磁通量組態耦合第二自由磁化向量212與儲存磁化向量232，以便沿著已 飽和之第二自由磁化向量12的方向定向第二儲存磁化向量232。在第1圖中，第一及第二局部磁性雜散場60、61係表示為朝右定向第一及第二儲存磁化向量。由於第一及第二局部磁性雜散場60、61係沿著相同方向定向，第一局部磁性雜散場60亦沿著已飽和之第一自由磁化向量211的方向定向第二儲存磁化向量232，且第二局部磁性雜散場61係沿著已飽和之第二自由磁化向量212的方向定向第一儲存磁化向量231。第一及第二儲存磁化向量231、232接著根據一淨磁性雜散場進行切換，該淨磁性雜散場相當於第一磁性雜散場60及第二局部磁性雜散場61的總和。
第一及第二自由磁化向量211、212從而是第一及第二局部磁性雜散場60、61的量值可藉由改變第一及第二自由層21、22的厚度來變化。在一實施例中，第一及第二感測層21、22的厚度致使每一第一及第二自由磁化向量211、212大於第一及第二儲存磁化向量231、232的總和。較佳的是感測層21的厚度致使讓自由磁化向量211、212飽和所需之寫入磁場52的量值可低於約80 Oe。局部磁性雜散場60、61的量值可進一步藉由以呈現大自發磁化向量之一材料提供感測層21、24來增加。此外，為了讓自由磁化向量211、212飽和所需之寫入磁場52的量值可進一步藉由提供具有小異向性的感測層21、22來減少。
由於第一儲存層23和第一感測層21之間以及第二儲存層24和第二感測層22之間的距離小(典型位於奈米 範圍內)，第一及第二儲存磁化向量231、232和第一及第二自由磁化向量211、212比和由場線5(或電流線4)產生的寫入磁場52更有效地耦合。
在另一實施例中，一用於讀取MRAM元件1的自我參照方法包含以下步驟：沿著一第一讀取方向調整第一及第二感測磁化向量211、212；測量第一接面電阻值R1；沿著一第二讀取方向調整第一及第二感測磁化向量211、212；及測量第二接面電阻值R2。
在一實施例中，沿著第一讀取方向調整第一及第二感測磁化向量211、212包含藉由使具有一第一極性的讀取場電流53在場線5中傳遞來施加具有一第一方向的讀取磁場54。沿著第二讀取方向調整第一及第二感測磁化向量211、212包含藉由使具有一第二極性的讀取電流53在場線5中傳遞來施加具有一第二方向的讀取磁場54。第一及第二感測層21、22係配置為便於具有一沿著一大致與場線5垂直之方向定向的磁異向性，以致當沿著第一及第二方向分別施加讀取磁場54時，第一及第二感測磁化向量211、212變成大致同時且大致沿著相同的第一及第二方向進行調整。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4傳遞感測電流32來執行。
MRAM元件1係進一步配置，以致磁性穿隧接面2的第一部分2’具有第一電阻-面積乘積RA1，其大致等於磁性穿隧接面2之第二部分2”的第二電阻-面積乘積RA2。由於在寫入操作期間，第一儲存磁化向量231係沿著大致平行第二儲存磁化向量232的方向切換，MRAM元件1的磁阻比MR維持大致未藉由寫入操作改變。此處，磁阻比MR係定義為：MR=(R2-R1)/R1 (方程式1)
其中R1為磁性穿隧接面2的低電阻，其係在第一及第二感測磁化向量211、212調整為大致平行第一及第二儲存磁化向量231、232時測量得到；且R2為磁性穿隧接面2的高電阻，其係在第一及第二感測磁化向量211、212調整為大致反向平行第一及第二儲存磁化向量231、232時測量得到。
在一實施例中，第一及第二穿隧阻障層25、26包括Al2O3或MgO。第一及第二穿隧阻障層25、26可具有大致相同的厚度。第一及第二感測層21、22亦可具有大致相同的厚度。
1‧‧‧磁性隨機存取記憶體單元
2‧‧‧磁性穿隧接面
2'‧‧‧第一部分
2"‧‧‧第二部分
20‧‧‧反鐵磁層
21‧‧‧第一感測層
22‧‧‧第二感測層
23‧‧‧第一儲存層
24‧‧‧第二儲存層
25‧‧‧第一穿隧阻障層
26‧‧‧第二穿隧阻障層
211‧‧‧第一自由磁化向量
212‧‧‧第二自由磁化向量
231‧‧‧第一鐵磁層
232‧‧‧第二鐵磁層
31‧‧‧加熱電流
32‧‧‧讀取電流
4‧‧‧電流線
5‧‧‧場線
51‧‧‧寫入電流
52‧‧‧寫入磁場
53‧‧‧讀取場電流
54‧‧‧讀取磁場
60‧‧‧第一局部磁性雜散場
61‧‧‧第二局部磁性雜散場
MR‧‧‧磁阻比
R1‧‧‧低電阻
R2‧‧‧高電阻
RA1‧‧‧第一電阻-面積乘積
RA2‧‧‧第二電阻-面積乘積
第1圖繪示根據一實施例之一隨機存取記憶體元件。
1‧‧‧磁性隨機存取記憶體單元
2‧‧‧磁性穿隧接面
2'‧‧‧第一部分
2"‧‧‧第二部分
20‧‧‧反鐵磁層
21‧‧‧第一感測層
22‧‧‧第二感測層
23‧‧‧第一儲存層
24‧‧‧第二儲存層
25‧‧‧第一穿隧阻障層
26‧‧‧第二穿隧阻障層
211‧‧‧第一自由磁化向量
212‧‧‧第二自由磁化向量
231‧‧‧第一鐵磁層
232‧‧‧第二鐵磁層
31‧‧‧加熱電流
32‧‧‧讀取電流
4‧‧‧電流線
5‧‧‧場線
51‧‧‧寫入電流
52‧‧‧寫入磁場
53‧‧‧讀取場電流
54‧‧‧讀取磁場
60‧‧‧第一局部磁性雜散場
61‧‧‧第二局部磁性雜散場
MR‧‧‧磁阻比
R1‧‧‧低電阻
R2‧‧‧高電阻
RA1‧‧‧第一電阻-面積乘積
RA2‧‧‧第二電阻-面積乘積

Claims (9)

  1. 一種磁性隨機存取記憶體(MRAM)元件，其適於一熱輔助寫入操作，並適於一自我參照讀取操作，且具有一磁阻比，該MRAM元件包括一磁性穿隧接面部分，其具有一第一部分，包括：一第一儲存層，其具有一第一儲存磁化向量；一第一感測層，其具有一第一自由磁化向量；及一第一穿隧阻障層，其介於該第一儲存層及該第一感測層之間；及一第二部分，包括：一第二儲存層，其具有一第二儲存磁化向量；一第二感測層，其具有一第二自由磁化向量；及一第二穿隧阻障層，其介於該第二儲存層及該第二感測層之間；該磁性穿隧接面部分進一步包括一反鐵磁層，其係包含在該第一及第二儲存層之間，並在一低溫門檻值下固定該第一及第二儲存磁化向量，且在一高溫門檻值下使該第一及第二儲存磁化向量自由；其中在一寫入操作期間，當施加一寫入磁場時，該第一及第二自由磁化向量係根據該寫入磁場之一方向為磁性可飽和；及該第一及第二儲存磁化向量可沿一大致平行且相當於該已飽和之第一及第二自由磁化向量之該方向的方向進行切換。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之MRAM元件，其係進一步配置為致使在一讀取操作期間，該第一及第二自由磁化向量係大致同時並沿著一大致平行的方向進行調整。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之MRAM元件，其係進一步配置為致使該第一磁性穿隧接面部分具有一大致等於該第二磁性穿隧接面部分之一第二電阻-面積乘積的第一電阻-面積乘積，以致該MRAM元件之一磁阻比在該寫入操作期間維持大致不變。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之MRAM元件，其中該第一及第二穿隧阻障層包括Al2O3或MgO。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之MRAM元件，其中該第一及第二穿隧阻障層具有大致相同的厚度。
  6. 一種用於寫入MRAM元件的方法，該MRAM元件具有一磁阻比並包括一磁性穿隧接面部分，該磁性穿隧接面部分具有一第一部分，包括：一第一儲存層，其具有一第一儲存磁化向量；一第一感測層，其具有一第一自由磁化向量；及一第一穿隧阻障層，其係介於該第一儲存層及該第一感測層之間；及一第二部分，包括：一第二儲存層，其具有一第二儲存磁化向量；一第二感測層，其具有一第二自由磁化向量；及一第二穿隧阻障層，其係介於該第二儲存層及該第二感測層之間；該磁性穿隧接面部分進一步包括一反鐵磁層，其係包含在該第一及第二儲存層之間，並在一低溫門檻 值下固定該第一及第二儲存磁化向量，且在一高溫門檻值下使該第一及第二儲存磁化向量自由；其中在一寫入操作期間，當施加一寫入磁場時，該第一及第二自由磁化向量係根據該寫入磁場之一方向為磁性可飽和的；及該第一及第二儲存磁化向量可沿一大致平行且相當於該已飽和之第一及第二自由磁化向量之該方向的方向進行切換；該方法包含以下步驟：在該高溫門檻值下加熱該MRAM元件；切換該第一及第二儲存磁化向量；及在該低溫門檻值下冷卻該MRAM元件，以便將該第一及第二儲存磁化向量凍結在其寫入狀態；該切換包含施加一寫入磁場，以便使該第一及第二自由磁化向量根據該寫入磁場之一方向磁性地飽和；及該第一及第二儲存磁化向量係大致同時沿著一大致彼此平行的方向進行切換。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之用於寫入的方法，其中該MRAM元件進一步包括一場線，其係與該第一及第二磁性穿隧接面部分連通，且其中該切換第一及第二儲存磁化向量係藉由一磁場來執行，該磁場係藉由使一場電流通過該場線而產生。
  8. 一種用於讀取MRAM的方法，該MRAM具有一磁阻比並包括一磁性穿隧接面部分，該磁性穿隧接面部分具有一第一部分，包括：一第一儲存層，其具有一第一 儲存磁化向量；一第一感測層，其具有一第一自由磁化向量；及一第一穿隧阻障層，其係介於該第一儲存層及該第一感測層之間；及一第二部分，包括：一第二儲存層，其具有一第二儲存磁化向量；一第二感測層，其具有一第二自由磁化向量；及一第二穿隧阻障層，其係介於該第二儲存層及該第二感測層之間；該磁性穿隧接面部分進一步包括一反鐵磁層，其係包含在該第一及第二儲存層之間，並在一低溫門檻值下固定該第一及第二儲存磁化向量，且在一高溫門檻值下使該第一及第二儲存磁化向量自由；其中在一寫入操作期間，當施加一寫入磁場時，該第一及第二自由磁化向量係根據該寫入磁場之一方向為磁性可飽和的；及該第一及第二儲存磁化向量可沿一大致平行且相當於該已飽和之第一及第二自由磁化向量之該方向的方向進行切換；該方法包含以下步驟：沿著一第一讀取方向調整該第一及第二自由磁化向量；測量一第一接面電阻值；沿著一第二讀取方向調整該第一及第二自由磁化向量；及測量一第二接面電阻值，其中該調整該第一及第二自由磁化向量係同時執行。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之用於讀取的方法，其中該MRAM元件進一步包括一場線，其係與該第一及第 二磁性穿隧接面部分連通，且沿著一第一讀取方向及沿著一第二方向之該調整該第一及第二自由磁化向量包含藉由在該場線中傳遞一讀取電流來施加一讀取磁場，該讀取磁場分別具有一第一方向及一和該第一方向相反的第二方向。
TW101143650A 2011-11-22 2012-11-22 具最佳化可靠度之自我參照磁性隨機存取記憶體單元 TWI529986B (zh)

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