專利名稱：磁隨機存取存儲器單元、用于對其進行讀取和寫入的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于使用允許低功耗的自參考讀取操作來讀取磁隨機存取存儲器 (MRAM)單元的方法以及用于執(zhí)行該方法的MRAM單元。
背景技術：
在最簡單的實現(xiàn)方式中，磁隨機存取存儲器(MRAM)單元至少包含由通過薄絕緣層 分離的兩個磁性層形成的磁隧道結，其中，所述層之一即所謂的參考層的特征在于固定磁 化，且第二層即所謂的存儲層的特征在于在存儲器寫入時可以變化其方向的磁化。當參考 層和存儲層的相應磁化反平行時，磁隧道結的電阻高(U，對應于低邏輯狀態(tài)“O”。另一 方面，當相應磁化平行時，磁隧道結的電阻變低(Rmin),對應于高邏輯狀態(tài)“I”。通過將MRAM 單元的電阻狀態(tài)與參考電阻RMf (優(yōu)選地從參考單元或參考單元的陣列得出)進行比較而讀 取MRAM單元的邏輯狀態(tài)，典型的參考電阻是在高邏輯狀態(tài)“I”的磁隧道結電阻和低邏輯狀 態(tài)“ O ”的電阻之間組合的Rref= ( Rmin+Rmax) /2。
在常規(guī)實際的實現(xiàn)方式中，參考層被“交換偏置”向相鄰反鐵磁參考層，該相鄰反 鐵磁層的特征在于稱為反鐵磁參考層的阻斷溫度Tbk的臨界溫度(高于該溫度交換偏置消 失)。
在使用熱輔助切換(TAS )過程的MRAM單元的實現(xiàn)方式中，例如，如美國專利 No. 6，950，335所述，存儲層也被交換偏置向相鄰反鐵磁存儲層，該相鄰反鐵磁存儲層的阻 斷溫度Tbs (反鐵磁存儲層的交換偏置消失所在的溫度)低于釘住(pin)參考層的反鐵磁參 考層的阻斷溫度TBK。在阻斷溫度Tbs以下，存儲層難以和/或不可能寫入。然后通過將磁 隧道結加熱到Tbs以上但是Tbk以下，優(yōu)選地但不限于發(fā)送通過磁隧道結的加熱電流以釋放 存儲層的磁化同時施加切換存儲層的磁化的手段，執(zhí)行寫入。施加切換存儲層的磁化的手 段可以也通過由場電流產生的磁場執(zhí)行。磁隧道結然后被冷卻到阻斷溫度Tbs以下，在該溫 度，存儲層磁化被“凍結”在寫入方向上。
切換存儲層的磁化方向所需的磁場量值與存儲層的矯頑性成比例，該矯頑性在小 特征尺寸處大且可以在交換偏置膜中極大地增強。
在專利申請EP2276034中，該申請公開了一種包含存儲層、絕緣層和感應層的 MRAM單元，該感應層具有其方向可以在磁場中自由對準的磁化?？梢酝ㄟ^切換存儲層的 磁化方向以向所述存儲層寫入數(shù)據(jù)而對公開的MRAM單元進行寫入。讀取操作可以包含第 一讀取循環(huán)，該第一讀取循環(huán)包括在第一對準方向上對準感應層的磁化方向以及通過測量 MRAM單元的第一電阻值將所述寫入數(shù)據(jù)與所述第一對準方向進行比較。讀取操作還可以包 含第二讀取循環(huán)，該第二讀取循環(huán)包括在第二對準磁化方向上對準感應層的磁化；通過測 量MRAM單元的第二電阻值將寫入數(shù)據(jù)與第二對準方向進行比較；以及判斷第一電阻值和 第二電阻值之間的差異。因為不需要使用常規(guī)參考單元，這種讀取操作也稱為“自參考讀取 操作”。
公開的存儲器單元和寫入-讀取操作方法允許以低功耗和增加的速度執(zhí)行寫入和讀取操作。然而，在自參考讀取操作期間，由于在閉合磁通量配置中耦合存儲層和感應層 的磁化的局部磁雜散場，出現(xiàn)存儲層和感應層之間的偶極耦合。因為在讀取操作期間存儲 層磁化被反鐵磁層釘住，感應層磁化則將通過該耦合也被釘住。在自參考讀取操作期間切 換感應層磁化則將要求施加足夠高以克服偶極耦合的磁場。偶極耦合導致當施加場循環(huán)以 測量感應層的磁滯回線時磁滯回線的偏移(或偏置)。
這種偶極耦合依賴于存儲層和感應層的厚度和磁化，且依賴于磁隧道結的尺寸。 具體而言，偶極耦合隨著磁隧道結直徑的降低而增加且因而可能在按比例縮小MRAM單元 時變成主要問題。發(fā)明內容
本公開涉及包含磁隧道結的磁隨機存取存儲器(MRAM)單元，該磁隧道結包含合成存儲層，由具有第一存儲磁化的第一鐵磁層、具有第二存儲磁化的第二鐵磁層以及第一和第二存儲層之間的間隔層形成，該間隔層磁耦合第一和第二鐵磁層，使得第一存 儲磁化基本反平行于第二磁化而取向；感應層，具有可逆轉的感應磁化；以及 隧道阻擋層，位于感應層和存儲層之間；該第一存儲磁化引發(fā)第一局部磁雜散場且該第二存儲磁化引發(fā)第二局部磁雜散場，第 一和第二局部磁雜散場之間的差異對應于稱合存儲層與感應層的凈局部磁雜散場；該第一鐵磁層的厚度和該第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散 場低于約50 Oe。
在一個實施例中，第一鐵磁層的厚度和第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層 的凈局部磁雜散場基本為零(null)。
在另一實施例中，第一鐵磁層的厚度和第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層 的凈局部磁雜散場包含在約400e與約500e之間。
在又一實施例中，感應層具有基本圓形的形狀。
本公開還涉及包含多個MRAM單元的磁存儲器設備。
本公開還涉及用于寫入MRAM單元的方法，包含將磁隧道結加熱到高溫閾值；以 及，一旦磁隧道結達到高溫閾值，切換第一和第二存儲磁化的磁化方向以向所述存儲層寫 入數(shù)據(jù)；其中切換第一和第二存儲磁化的磁化方向包含施加外部寫入磁場。
在一個實施例中，施加量值包含在約130 Oe與約160 Oe之間的寫入磁場。
在另一實施例中，所述切換第一和第二存儲磁化包含施加具有這一量值的外部寫 入磁場該量值使得根據(jù)寫入磁場的方向在一方向上使感應磁化飽和；第一和第二存儲磁 場根據(jù)由飽和感應磁化引發(fā)的局部感應磁雜散場切換。
在又一實施例中，感應層的厚度使得感應磁化大于第一和第二存儲磁化的總和。
在又一實施例中，感應層的厚度使得為使感應磁化飽和所需的寫入磁場的量值低 于約80 Oe。
本公開還涉及用于讀取MRAM單元的方法,包含通過施加第一讀取磁場，在第一方向上對準感應磁化；測量所述磁隧道結的第一電阻，該第一電阻由相對于切換的存儲磁化的取向的感應磁化的第一方向決定；在第二方向上對準感應磁化；測量所述磁隧道結的第二電阻，該第二電阻由相對于切換的存儲磁化的取向的感應磁化的第二方向決定；判斷第一電阻值和第二電阻值之間的差異；所述在第二方向上對準感應磁化包含施加具有約50 Oe或以下的量值的第二讀取磁場。
在一個實施例中，第一鐵磁層的厚度和第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場基本為零。
在另一實施例中,第一和第二讀取磁場的量值約為20 Oe0
在又一實施例中，第一鐵磁層的厚度和第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場包含在約40 Oe與約50 Oe之間。
在又一實施例中，第二讀取磁場基本為零。
與常規(guī)MRAM單元相比，可以以較低功耗對公開的MRAM單元進行寫入和讀取。


在通過舉例給出且通過

的實施例的描述的幫助下，將更好地理解本公開，在附圖中圖1說明根據(jù)一個實施例包含合成存儲層的隨機存取存儲器(MRAM)單元，該合成存儲層包括第一鐵磁層、第二鐵磁層和感應層；圖2表示根據(jù)一個實施例通過第一和第二鐵磁層產生且與感應層耦合的局部磁雜散場；圖3示出根據(jù)一個實施例具有基本圓形形狀的存儲層的頂視圖；以及圖4(a)和(b)示出MRAM單元的配置，其中第二鐵磁層的厚度大于第一鐵磁層的厚度 (圖4(a))以及其中第一鐵磁層的厚度大于第二鐵磁層的厚度(圖4(b))。
具體實施方式
在圖1所示的一個實施例中，磁隨機存取存儲器(MRAM)單元I包含磁隧道結2。 磁隧道結2包含合成存儲層23，該合成存儲層23由合成鐵磁多層形成，該合成鐵磁多層包含具有第一存儲磁化234的第一鐵磁層231和具有第二存儲磁化235的第二鐵磁層232，該第一和第二鐵磁層231、232通過間隔層233分離。鐵磁層231和232可以由諸如例如鈷鐵 (CoFe )、鈷鐵硼(CoFeB)、鎳鐵(NiFe)Ji^(Co)等材料制成。第一和第二鐵磁層231、232的厚度例如可以包含在Inm和IOnm之間。
間隔層233的尺度(例如厚度)可以選擇為促使第一和第二鐵磁層231和232磁耦合，使得第一存儲磁化234反平行于第二磁化235而取向。厚度可以依賴于形成間隔層233 的材料。例如，間隔層233可以由選自包含以下成員的組的非磁性材料制備例如釕(Ru)、 錸(Re)、銠(Rh)、碲(Te)、釔(Y)、鉻(Cr)、銥(Ir)、銀(Ag)、銅(Cu)等。在一個實施例中，厚度可以介于約O. 2n m和3nm之間。然而,其他厚度可以適于耦合兩個鐵磁層231和232。
在圖1的示例性配置中，合成存儲層23與反鐵磁層24交換耦合，從而在低溫閾值處釘住第一鐵磁層231的第一存儲磁化234且在第二高溫閾值處釋放它。反鐵磁層24可 以由諸如IrMruPtMn或FeMn的錳基合金或任何其他合適材料制成。
磁隧道結2還包含具有可逆轉的感應磁化211的感應層21以及從存儲層23分離 感應層21的隧道阻擋層22。感應層21可以由NiFe基合金而不是CoFeB基合金制成以獲 得較低的切換場。感應層21不被交換偏置且其磁化具有例如由于熱激發(fā)而可以自由變化 的方向，且因而其磁化可以在磁場中自由對準。隧道阻擋層22是典型地處于納米范圍的薄 層且例如可以由諸如氧化鋁或氧化鎂之類的任何合適絕緣材料制成。在圖1中，層25表示 電極。
在一個實施例中,合成存儲層23即第一和第二鐵磁層231、232具有基本平行于感 應層21的磁晶各向異性而取向的磁晶各向異性。此外，合成存儲層23的磁晶各向異性還 可以基本平行于第一讀取磁場51的方向。
可能在存儲層23和感應層21之間出現(xiàn)偶極耦合。這種偶極耦合由第一存儲磁化 234弓I發(fā)的第一局部磁雜散場55和第二存儲磁化235弓I發(fā)的第二局部磁雜散場56導致。圖 2表示在閉合磁通量配置中耦合第一和第二存儲磁化234、235與感應層21的感應磁化211 的第一和第二局部磁雜散場55、56。偶極稱合或凈局部磁雜散場的量值對應于第一和第二 局部磁雜散場55、56的總和。進而，第一局部磁雜散場55的量值依賴于第一存儲磁化234 且第二局部磁雜散場56的量值依賴于第二存儲磁化235。第一存儲磁化234隨著第一鐵 磁層231的厚度tl變化且第二存儲磁化235隨著第二鐵磁層232的厚度t2變化。例如也 可以通過選擇具有各種自發(fā)磁化的磁性材料來改變第一和第二存儲磁化234、235，這些磁 性材料諸如但不排他地是Fe、Co、Ni及其合金，諸如FeCo、NiFe、FeCoB、FeCoNi或FeCoCr。 由于第一和第二鐵磁層231、232之間的反平行稱合,第一和第二存儲磁化234、235在相反 的方向上取向。I禹合感應層21的凈局部磁雜散場則將對應于兩個局部磁雜散場55、56之 間的差異。
根據(jù)一個實施例，熱輔助切換(TAS)寫入操作包含將磁隧道結2加熱到一高溫閾值；一旦磁隧道結2達到高溫閾值，將第一和第二存儲磁化234、235切換到寫入狀態(tài)(寫入 數(shù)據(jù))中；以及將磁隧道結2冷卻到低溫閾值,從而將第一和第二存儲磁化234、235凍結在寫入狀態(tài)中。
更具體而言，可以經由電流線5施加經過磁隧道結2的加熱電流31來加熱磁隧道 結2。磁隧道結2可以被加熱到高于臨界溫度Tc的高溫閾值，在這種情況下反鐵磁層24和 第一鐵磁層231之間的交換耦合消失且第一存儲磁化234不再被釘住。同時或在短時延遲 之后，一旦磁隧道結2達到該高溫閾值，施加外部寫入磁場42，從而根據(jù)寫入磁場42切換第 一和第二存儲磁化234、235。具體而言，第一存儲磁化234和第二存儲磁化235中的較大者 將被寫入磁場42對準。在高溫閾值處，由于間隔層233，第一和第二鐵磁層231、232保持磁 耦合，且第二存儲磁化235保持反平行于第一存儲磁化234?？梢允褂脤懭氪艌?2執(zhí)行切 換第一和第二存儲磁化234、235，該寫入磁場42具有典型地包含在約130 Oe和約160 Oe 之間的量值。
在磁隧道結2的溫度達到高溫閾值之后，加熱電流31可以被阻止以冷卻磁隧道結2。寫入磁場42可以在磁隧道結2的冷卻期間維持且一旦磁隧道結2達到反鐵磁層24的 臨界溫度T。以下的低溫閾值則截止，在這種情況下第一存儲磁化234被凍結在寫入(或切 換)狀態(tài)。由于與間隔層233的磁稱合,第二存儲磁化235反平行于第一存儲磁化234取 向。可以通過在與磁隧道結2通信的場線4中使寫入電流41經過來施加寫入磁場42。場 線典型地布置在磁隧道結2的頂部上或其下方。
備選地，切換存儲磁化231可以包含使得旋轉極化電流(未示出)在磁隧道結2中 經過，存儲磁化231然后根據(jù)旋轉極化的電流極性切換。
MRAM單元I中寫入的數(shù)據(jù)因而由相對于感應磁化211的取向的存儲層的切換磁 化(此處為第二鐵磁層232的切換的第二存儲磁化235)的取向決定。如上面所討論，低邏 輯狀態(tài)“O”數(shù)據(jù)對應于磁隧道結2的低電阻(Rmin)且高邏輯狀態(tài)“I”數(shù)據(jù)對應于磁隧道結 2的高電阻(Rniax)。
在另一實施例中，通過施加外部寫入磁場234執(zhí)行切換第一存儲磁化234,該外部 寫入磁場234具有這一量值該量值使得根據(jù)寫入磁場42的方向在一方向上使得感應磁 化211飽和。飽和的感應層21進而引發(fā)局部感應磁雜散場60，該局部感應磁雜散場60在 閉合磁通量配置(見圖2)中引發(fā)感應磁化211與第一和第二存儲磁化234、235之間的耦 合。更具體而言，在第二存儲磁化235大于第一存儲磁化234的情況中，例如，當?shù)诙F磁 層232的厚度t2大于第一鐵磁層231的厚度tl時(見圖4(a))，第二存儲磁化235根據(jù)局 部感應磁雜散場60切換。由于與間隔層233的磁耦合，第一存儲磁化234變得與第二存儲 磁化235反平行取向(或切換)。備選地，在第一存儲磁化234大于第二存儲磁化235的情 況中，例如，當?shù)谝昏F磁層231的厚度tl大于第二鐵磁層232的厚度t2時(見圖4(b))，第 一存儲磁化234根據(jù)局部感應磁雜散場60切換。同樣，由于與間隔層233的磁稱合,第二 存儲磁化235與第一存儲磁化234反平行取向。因為第一和第二鐵磁層231、232與感應層 21之間的距離小、典型地處于納米范圍內，所以與使用由場線4產生的寫入磁場42耦合相 比，第一和第二鐵磁層231、232更有效地與感應磁化211耦合。
感應磁化211以及因而局部感應磁雜散場60的量值也可以隨著感應層21的厚度 ts變化。例如，感應磁化211可以隨著感應層21的厚度ts的增加而增加。在一個實施例 中，感應層21的厚度ts使得感應磁化211大于第一和第二存儲磁化234、235的總和，即凈 存儲磁化。優(yōu)選地，感應層21的厚度ts使得為使感應磁化211飽和所需的寫入磁場42的 量值可以低于約80 Oe0通過為感應層21提供呈現(xiàn)大自發(fā)磁化的材料可以進一步增加局 部感應磁雜散場60的量值。此外，通過提供具有小各向異性的感應層21可以進一步減小 為使感應磁化211飽和所需的寫入磁場42的量值。通過在允許感應層21薄膜中的最小各 向異性的條件下沉積感應層21可以實現(xiàn)具有小各向異性的感應層21。諸如圖3中所示， 通過沉積具有基本圓形形狀(圓形構圖)的感應層21也可以獲得這種最小各向異性。更具 體而言，圖3表示合成存儲層23的頂視圖，示出第一存儲磁化234反平行于第二存儲磁化 235而取向，且各向異性軸70對應于第一和第二鐵磁層231、232的易軸。
MRAM單元I的讀取操作包含第一讀取循環(huán)，該第一讀取循環(huán)包含施加第一讀取磁 場52,該第一讀取磁場52調適為根據(jù)第一讀取磁場52的第一取向在第一方向上對準感應 磁化211?？梢酝ㄟ^在場線4中使具有第一極性的第一讀取場電流51經過來施加第一讀 取磁場52。通過使得感應電流32經過磁隧道結2，感應磁化211的第一方向然后與第二存儲磁化235進行比較。磁隧道結2兩端測量的電壓得出磁隧道結2的相應第一電阻值R115 在感應磁化211基本平行于第一存儲磁化235對準的情況下，第一電阻值R1小(R1=RminX 另一方面，當感應磁化211基本反平行于第二存儲磁化235對準時，測量的第一電阻值高 (R1=Rmax)0如專利申請EP2276034中所描述，第一電阻值R1可以與參考電阻進行比較，參考 電阻典型地處于Rniin和Rniax中間。
優(yōu)選地，MRAM基單元I的讀取操作還包含第二讀取循環(huán)，該第二讀取循環(huán)包含施 加第二讀取磁場54，該第二讀取磁場54調適為根據(jù)第二讀取磁場54的第二取向在與第一 方向相對的第二方向上對準感應磁化211?？梢酝ㄟ^在場線4中使具有第二極性的第二讀 取場電流53來施加第二讀取磁場54。通過使得感應電流32經過磁隧道結2，感應磁化211 的第二方向然后與第二存儲磁化235進行比較。當感應電流32經過磁隧道結2時測量磁 隧道結2兩端的電壓得出磁隧道結2的相應第二電阻值R2。
在MRAM單元I中寫入的寫入數(shù)據(jù)則由第二電阻值R2和在第一讀取循環(huán)中測量的 第一電阻值R1之間的差異決定。第一和第二電阻值RpR2之間的差異也被稱為磁隧道磁致 電阻或磁致電阻AR。存儲的第一電阻值R1和第二電阻值R2之間的差異可以得出負或正 磁致電阻AR0
在一個實施例中，第一鐵磁層231的厚度tl和第二鐵磁層232的厚度t2選擇為 使得耦合存儲層23與感應層21的凈局部磁雜散場(或簡單地在下文中稱為耦合感應層 21的凈局部磁雜散場)約為50 Oe或以下。
在另一實施例中，第一鐵磁層231的厚度tl和第二鐵磁層232的厚度t2選擇為 使得第一局部磁雜散場55與第二局部磁雜散場56相比具有基本相同的幅度。在這種情況 中，耦合感應層21的凈局部磁雜散場基本為零。在缺少凈局部磁雜散場時，感應層21的切 換場即切換感應磁化211所需的第一和第二讀取磁場52、54的量值減小。例如，第一和第 二讀取磁場52、54的量值可以低至約20 Oe0通過使用諸如NiFe基合金的軟磁材料或具 有低矯頑性可以進一步減小第一和第二讀取磁場52、54的量值。此外，通過為感應層21提 供小各向異性(例如，具有基本圓形形狀的感應層21)可以進一步減小第一和第二讀取磁場 52,54的量值。然而，具有減小的切換場的感應層21導致第一存儲層231需要寫入磁場42 來具有切換其第一存儲磁化234的增加量值。
在又一實施例中，第一鐵磁層231的厚度tl和第二鐵磁層232的厚度t2選擇為 使得耦合感應層21的凈局部磁雜散場小但不為零。例如，耦合感應層21的凈局部磁雜散 場可以包含在約40 Oe與約50 Oe之間。因為第一和第二局部磁雜散場55、56的量值分別 依賴于第一和第二鐵磁層231、232的厚度tl、t2,可以通過選擇合適的第一鐵磁層231的 厚度tl和第二鐵磁層232的厚度t2控制所得的局部磁雜散場的方向。圖4(a)示出磁隧 道結2的配置，其中第二鐵磁層232的厚度t2大于第一鐵磁層231的厚度tl，導致較大的 第二存儲磁化235和較大的第二局部磁雜散場56。圖4(b)示出另一種配置，其中第一鐵磁 層231的厚度tl大于第二鐵磁層232的厚度t2，導致較大的第一存儲磁化245和較大的第 一局部磁雜散場55。
在這種情況中，第二讀取循環(huán)可以包含比較在第一讀取循環(huán)中測量的第一電阻值 R1和在缺少施加的讀取磁場(例如，第二讀取磁場54基本為零)時磁隧道結2的第二電阻值 民。換句話說，第二讀取循環(huán)包含根據(jù)源于第一和第二局部磁雜散場55、56的凈局部磁雜散場切換感應磁化211。感應磁化211根據(jù)所得的局部磁雜散場的方向或根據(jù)具有最高量 值的第一或第二局部磁雜散場55、56基本平行取向。如上面所討論，然后可以通過選擇第 一和第二鐵磁層231、232的厚度tl、t2決定感應磁化211的方向。取決于平行于或反平行 于第二存儲磁化235的感應磁化211的取向，第二電阻值R2將分別為最小值或最大值。在 缺少第二讀取磁場54時執(zhí)行的讀取操作允許較低功耗且還不需要參考電阻。
在未示意的另一實施例中，存儲層23僅包含第一鐵磁層231。在讀取操作期間，第 一鐵磁層231可以引發(fā)稱合第一鐵磁層231與感應層21的第一局部磁雜散場55。第一局 部磁雜散場55的量值依賴于第一存儲磁化234和第一鐵磁層231 (或存儲層23)的厚度。 在一個實施例中，第二讀取循環(huán)包含在缺少施加的讀取磁場時測量第二電阻值R2。換句話 說，第二讀取循環(huán)包含通過第一鐵磁層231引發(fā)的第一局部磁雜散場55在第二方向上對準 感應磁化211。感應磁化211然后將平行于第一局部磁雜散場55的方向而取向。
磁存儲器設備(未示意)可以包含成行成列布置的多個MRAM單元I。磁存儲器設 備還可以包含沿著行連接MRAM單元I的一個或多個場線4以及沿著列耦合到MRAM單元I 的一個或多個電流線5。磁存儲器設備還可以包含設備封裝，該多個MRAM單元I布置在設 備封裝內。
參考數(shù)字I磁隨機存取存儲2磁隧道結21感應層211感應磁化22隧道阻擋層23合成存儲層231第一鐵磁層232第二鐵磁層233間隔層234第一存儲磁化235第二存儲磁化24反鐵磁層25電極31加熱電流32感應電流4場線41寫入電流42寫入磁場5電流線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第一局部磁雜散場56第二局部磁雜散場60感應磁雜散場70各向異性軸R1第一電阻值R2第二電阻值Tc臨界溫度tl第一鐵磁層的厚度t2第二鐵磁層的厚度ts感應層的厚度。
權利要求
1.一種包含磁隧道結的磁隨機存取存儲器(MRAM)單兀,該磁隧道結包含合成存儲層，由具有第一存儲磁化的第一鐵磁層、具有第二存儲磁化的第二鐵磁層以及第一和第二存儲層之間的間隔層形成，該間隔層磁耦合第一和第二鐵磁層，使得第一存儲磁化基本反平行于第二磁化而取向；感應層，具有可逆轉的感應磁化；以及隧道阻擋層，位于感應層和存儲層之間；該第一存儲磁化引發(fā)第一局部磁雜散場且該第二存儲磁化引發(fā)第二局部磁雜散場，第一和第二局部磁雜散場之間的差異對應于稱合感應層的凈局部磁雜散場；其中該第一鐵磁層的厚度和該第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場低于約50 Oe。
2.根據(jù)權利要求1所述的MRAM單元，其中第一鐵磁層的厚度和第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場基本為零。
3.根據(jù)權利要求1所述的MRAM單元，其中第一鐵磁層的厚度和第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場包含在約40 Oe與約50 Oe之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的MRAM單元，其中感應層具有基本圓形的形狀。
5.一種包含多個MRAM單元的磁存儲器設備，每個MRAM單元包含磁隧道結，該磁隧道結包括合成存儲層，由具有第一存儲磁化的第一鐵磁層、具有第二存儲磁化的第二鐵磁層以及第一和第二存儲層之間的間隔層形成，該間隔層磁耦合第一和第二鐵磁層，使得第一存儲磁化基本反平行于第二磁化而取向；感應層，具有可逆轉的感應磁化；以及隧道阻擋層，位于感應層和存儲層之間；該第一存儲磁化引發(fā)第一局部磁雜散場且該第二存儲磁化引發(fā)第二局部磁雜散場，第一和第二局部磁雜散場之間的差異對應于稱合感應層的凈局部磁雜散場；該第一鐵磁層的厚度和該第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場低于約50 Oe。
6.一種用于對包含磁隧道結的MRAM單元進行寫入的方法，該磁隧道結包括合成存儲層，由具有第一存儲磁化的第一鐵磁層、具有第二存儲磁化的第二鐵磁層以及第一和第二存儲層之間的間隔層形成，該間隔層磁耦合第一和第二鐵磁層，使得第一存儲磁化基本反平行于第二磁化而取向；感應層，具有可逆轉的感應磁化；以及隧道阻擋層，位于感應層和存儲層之間；該第一存儲磁化引發(fā)第一局部磁雜散場且該第二存儲磁化引發(fā)第二局部磁雜散場，第一和第二局部磁雜散場之間的差異對應于稱合感應層的凈局部磁雜散場；該第一鐵磁層的厚度和該第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場低于約50 Oe ；該方法包含將磁隧道結加熱到高溫閾值；以及，一旦磁隧道結達到高溫閾值，切換第一和第二存儲磁化的磁化方向以向所述存儲層寫入數(shù)據(jù)；其中切換第一和第二存儲磁化的磁化方向包含施加外部寫入磁場。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中施加量值包含在約130Oe與約160 Oe之間的寫入磁場。
8.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中所述切換第一和第二存儲磁化包含施加具有這一量值的外部寫入磁場該量值使得根據(jù)寫入磁場的方向在一方向上使感應磁化飽和；第一和第二存儲磁化根據(jù)由飽和感應磁化引發(fā)的局部感應磁雜散場進行切換。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中感應層的厚度使得感應磁化大于第一和第二存儲磁化的總和。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中感應層的厚度使得為使感應磁化飽和所需的寫入磁場的量值低于約80 Oe。
11.一種用于對包含磁隧道結的MRAM單元進行讀取的方法，該磁隧道結包含合成存儲層，由具有第一存儲磁化的第一鐵磁層、具有第二存儲磁化的第二鐵磁層以及第一和第二存儲層之間的間隔層形成，該間隔層磁耦合第一和第二鐵磁層，使得第一存儲磁化基本反平行于第二磁化而取向；感應層，具有可逆轉的感應磁化；以及隧道阻擋層，位于感應層和存儲層之間；該第一存儲磁化引發(fā)第一局部磁雜散場且該第二存儲磁化引發(fā)第二局部磁雜散場，第一和第二局部磁雜散場之間的差異對應于稱合感應層的凈局部磁雜散場；該第一鐵磁層的厚度和該第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場低于約50 Oe ；該方法包含通過施加第一讀取磁場，在第一方向上對準感應磁化；測量所述磁隧道結的第一電阻，該第一電阻由相對于存儲磁化的取向的感應磁化的第一方向決定；在第二方向上對準感應磁化；測量所述磁隧道結的第二電阻，該第二電阻由相對于存儲磁化的取向的感應磁化的第二方向決定；判斷第一電阻值和第二電阻值之間的差異；所述在第二方向上對準感應磁化包含施加具有約50 Oe或以下的量值的第二讀取磁場。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中第一鐵磁層的厚度和第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場基本為零。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中第一和第二讀取磁場的量值約為20Oe0
14.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中第一鐵磁層的厚度和第二鐵磁層的厚度選擇為使得耦合感應層的凈局部磁雜散場包含在約40 Oe與約50 Oe之間。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中第二讀取磁場基本為零。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁隨機存取存儲器單元、用于對其進行讀取和寫入的方法。本公開涉及包含磁隧道結的磁隨機存取存儲器(MRAM)單元，該磁隧道結包含合成存儲層；具有可逆轉的感應磁化的感應層；以及位于感應層和存儲層之間的隧道阻擋層；其中凈局部磁雜散場耦合存儲層與感應層；且其中凈局部磁雜散場使得耦合感應層的凈局部磁雜散場低于50Oe。本公開還涉及用于對MRAM單元進行寫入和讀取的方法。與常規(guī)MRAM單元相比，可以以較低消耗對公開的MRAM單元進行寫入和讀取。
文檔編號G11C11/15GK103035280SQ20121037339
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權日2011年9月28日
發(fā)明者L.隆巴爾, I.L.普雷貝亞努 申請人:克羅科斯科技公司