[发明专利]存储器单元和存储器器件

说明书

技术领域

本发明涉及用于随机存取存储器(RAM)的可编程存储器单元这一领域，并且涉及可编程磁阻存储器单元以及包括这样的存储器单元的RAM存储器器件。

背景技术

磁阻随机访问存储器(MRAM)是例如已经在US 5,640,343中公开的非易失性存储器技术。根据这一技术，存储器单元包括磁阻元件，例如各向异性磁阻(AMR)元件、表现巨磁阻(GMR)效应的金属多层元件或者具有磁隧道结(MTJ)并因此表现隧道磁阻(TMR)的多层元件。

由于AMR和GMR存储器单元的某些约束，目前优选基于MTJ的技术，并且市面上的MRAM器件并入了MTJ存储器单元。

基于GMR和TMR的存储器单元中的信息位由存储器单元中的两个不同铁磁层的相对磁化定向来限定，这些铁磁层由间隔物层分离。在GMR单元中，间隔物层为非磁性金属，而对于TMR单元，间隔物层为电绝缘的，并且构成从一个铁磁层向另一铁磁层的电流的隧道屏障。例如，逻辑“1”可以对应于其中两个铁磁层的磁化平行的配置，而逻辑“0”可以由其中磁化反向平行的配置限定，或者反之亦然。通过测量与层平面(基于TMR或者GMR的存储器单元)垂直的或者沿着层平面(基于GMR的存储器单元)的电阻，来确定存储器单元的状态(“读取”操作)。

使两个铁磁层之中的一层具有良好定义的磁化方向。在这一“硬”磁层中，磁化可能至多受很高磁场持久地影响，因此具有比在正常操作期间施加的场更高的场。例如，硬磁层可以耦合到反铁磁(AF)层。这一硬磁层也常称为“固定铁磁层”或者“钉扎(pin)铁磁层”。两个铁磁层中的另一层具有明显较低有效矫顽力(即，包括该层的环境(比如，钉扎等)的影响的矫顽力)，并且称为“软铁磁层”。

对于“写入”操作，必须切换软铁磁层的磁化。为此，已经提出若干方式。第一种最简单方式依赖于生成如下磁场，该磁场足以通过使电流流过存储器单元上方和下方的两个垂直接触线来改变软铁磁层的磁化方向。这一方式的优点在于最简单，然为它要求限定好软铁磁层的矫顽力，并且近邻存储器单元的错误写入概率随着尺寸越来越按比例缩减而增大。已经提出用于“写入”操作的其他方式，这些方式包括也要求施加磁场的“切换模式”和“自旋力矩传送”，但是它们也受弊端困扰。具体而言，所有提出的“写入”操作都需要相对大的写入电流。“写入”操作的弊端可能是为什么MRAM器件于十几年之前便被开发但仍是市面上的定制产品的原因之一。

希望提供一种MRAM存储器单元，其克服现有技术缺陷，并且尤其实现与现有技术的MRAM存储器单元相比改进了的“写入”操作。

发明内容

根据本发明一个方面的一种存储器单元包括磁元件，该磁元件包括第一铁磁层和第二铁磁层，该第一铁磁层和第二铁磁层的磁化的相对定向定义数据位，第一铁磁层和第二铁磁层由非铁磁(优选为电绝缘间隔物层)分离。如磁RAM领域中已知的，可以例如通过优选地垂直于层平面来测量跨磁元件的电阻来读出数据位。除了磁元件之外，存储器单元还包括磁化方向被良好定义的(即磁化方向在存储器单元的操作期间确立)又一第三磁化层和电阻切换材料，可以通过借助施加的电压信号使离子浓度更改来更改该电阻切换材料的载流子密度。这样，载流子密度可以在第一状态与第二状态之间切换。在第二铁磁层与第三铁磁层之间的有效交换耦合受制于载流子密度状态。因而，在两个载流子密度状态之间的切换也使第二铁磁层的磁化改变方向。

例如，可以选择第二间隔物层(即，包括电阻切换材料的层)的厚度，使得在第二铁磁层与第三铁磁层之间的有效磁交换耦合在载流子密度从第一状态改变成第二状态或者相反时，从铁磁(即，有利于平行磁化)改变成反铁磁(有利于反向平行磁化)，或者反之亦然。

根据本发明的一个实施例，如果选择第二铁磁层为“软”(即，改变它的磁化方向所需的场小于在第一状态和第二状态中、在第二铁磁层与第三铁磁层的磁化之间的总耦合)，则可以实现“写入”过程。

因此，与现有技术的MTJ存储器单元形成对比，无需为“写入”操作施加磁场和高电流。仅需少量电流和少量能量。这不仅在存储器器件的能量消耗上有利，而且它也使更密集和更佳的可缩放RAM成为可能。当前市面上的MRAM技术难以缩放，并且具有约25F²的大单元尺寸面积，其中F为特征尺寸。由于本发明的方式，该技术对于快速应用(比如对于计算机主存储器乃至CPU高速缓存)也更有吸引力。