[发明专利]磁性存储装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁性存储装置，更具体但不唯一地涉及一种磁性随机存 取存储器。本发明还涉及一种写入磁性存储装置的方法。

背景技术

磁性随机存取存储器(MRAM)的出现是长期以及短期数据存储发展中 极具前景的一步。MRAM具有非易失性的益处，而且具有比闪存(Flash)更 低的能耗和更快的读写时间。MRAM还具有比通用的易失性存储器动态RAM (DRAM)和静态RAM(SRAM)更低的能耗，和比DRAM更快的读写时 间。

传统的MRAM单元(cell)包括磁性元件，其具有铁磁自由层和铁磁固 定(pinned)层，二者由非磁性层分隔。该固定层具有相对高的矫顽性，使 其磁化强度(magnetisation)在施加写入磁场时保持固定。自由层具有相对低 的矫顽性，使其磁化强度在施加写入磁场时能够改变。

为了写入MRAM单元，可以施加写入磁场以切换自由层的磁化强度使其 与固定层的平行或者反平行。自由层表现出磁滞性，因此它的磁化强度在去 除磁场时保持不变。这导致形成了非易失性的存储器。

为了读取MRAM单元的状态，驱动一个小电流通过该磁性元件。该磁性 元件的磁阻在自由层和固定层磁化强度反平行时比自由层和固定层磁化强度 平行时高。以此方式，通过测量磁性元件的阻抗可以确定该磁性元件的状态。

IEEE Transactions on Magnetics，Vol.36，No.5(2000年9月)，2752-2757页， S.Tehrani等人的“Recent Developments in Magnetic Tunnel Junction MRAM” 中描述了一种传统的MRAM。

这种传统MRAM遭受了以下缺陷，随着MRAM单元尺寸的减小，转换 自由层磁化强度所需的磁场变大。因此，装置的功耗随着单元尺寸的减小而 增加。

另一种用于写入磁性元件的技术是自旋-转移-扭矩(spin-transfer-torque， STT)转换。该STT转换在Phys.Rev.B，Vol.54(1996)，9353页，J.C.Slonczewski 的“Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers”中有描述。为转换自由 层的磁化强度，不施加磁场，而是驱动电流通过垂直于自由层和固定层的表 面的磁性元件。这能导致自旋极化电子注入到自由层，其通过在电流被驱动 由自由层流向固定层时使电子流过固定层，或者在电流被驱动由固定层流向 自由层时使电子从固定层散射来实现。

当自旋极化电子注入到自由层时，它们的自旋角动量与自由层的磁矩相 互作用。这些电子将它们角动量的一部分转移给自由层。这可在自旋极化电 流足够大时转换自由层的磁化强度。

应用STT转换的MRAM在2005 Symposium on VLSI Technologt Digest of Technical Papers，184页，W.C.Jeong等人的“Highly scalable MRAM using field assisted current induced switching”中有描述。

STT转换需要的电流随着单元尺寸的减小而减小。因此，高密度MRAM 可以应用STT转换实现。对于DC电流，STT转换的阈值电流密度依赖于材 料常数，诸如饱和磁化强度，吉尔伯特阻尼常数，以及固定层和自由层的自 旋极化。然而，纳秒脉冲需要的电流远大于DC阈值电流。已知该纳秒时段 需要的电流如下：

                    I＝I_c0(1+C·t_p^-1)           (1)

其中C是常数，I_c0是DC阈值电流。根据以上的方程(1)，对于1ns脉 冲而言转换磁化强度所需的电流是DC阈值电流的4倍。因此，具有快速写 入时间的STT转换MRAM将具有较大功耗。