[发明专利]具有多电平的磁阻存储装置及其驱动方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年8月5日向韩国专利局提交的韩国专利申请号为10-2011-0078268的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路器件及其驱动方法，更具体而言，涉及一种具有多电平的磁存储装置及其驱动方法。

背景技术

除了高速和低功耗之外，快速的写入/读取操作和低的操作电压也是嵌入在电子设备中的存储器的有益特性。已提出的磁存储装置满足这些有益特性。磁存储装置具有高速操作和/或非易失性特性。

通常，磁存储装置可以包括磁隧道结模式(下文称为MTJ)。MTJ可以包括两种磁性材料和插入到所述两种磁性材料之间的绝缘层。MTJ的电阻根据所述两种磁性材料的磁化方向而变化。更具体而言，当两种磁性材料的磁化方向彼此反向平行(anti-parallel)时，MTJ具有大的电阻；而当两种磁性材料的磁化方向彼此平行时，MTJ具有小的电阻。所以，MTJ可以具有不同的电阻，且可以根据电阻差来读取/写入数据。

一些磁随机存取存储器(MRAM)通过将铁磁隧道结形成为磁阻器件来实现MTJ器件。MTJ器件包括磁性层、非磁性层和磁性层这三层，并且电流流动以隧穿所述非磁性层(隧道势垒层)。另一种称为自旋阀(spin valve)结构的MTJ器件设计，包括反铁磁性层，所述反铁磁性层被设置为与磁性层相邻，且磁化方向被固定以改善磁场的灵敏度。

在MRAM中，可以通过磁场来改变形成单位单元的铁磁材料的磁化状态。替代地，也存在着电流感应磁阻器件，其中通过施加电流来改变铁磁材料的磁化状态。电流感应磁阻器件是通过施加电流到磁性层以控制磁性层的磁化方向并以此来控制磁化方向的装置。

从电流感应磁阻器件中读取信息的方法类似于磁感应MTJ或巨磁阻(GRM)器件。当自由磁性层和固定磁性层的相对磁化方向平行时，器件具有低电阻。而另一方面，当自由磁性层和固定磁性层的相对磁化方向是反向平行时，器件具有高电阻。所以，器件的电阻状态可以对应于数字值“0”或“1”。

最近，已提出了一种双GMR结构来获得除了“0”和“1”之外的多电平(J.Appl.Phys.105，103911，2009)。

如图1所示，双GMR结构包括：第一固定层10、第一间隔层20、自由层30、第二间隔层40、以及第二固定层50。第一固定层10和第二固定层50可以包括具有固定磁性的铁磁材料。自由层30可以是磁性根据外部磁场变化的反铁磁材料。第一间隔层20和第二间隔层40可由CoFe/Cu/Co材料组成。

如图2所示，当改变第一固定层10和第二固定层50以及自由层30的磁性以实现多电平时，双GMR只能实现三种电平：(0，0)、(0，1)和(1，0)。

所以，需要一种能实现更多不同电平的磁阻存储装置。

发明内容

本发明提供一种能实现多种电平的磁阻存储装置及其驱动方法。

根据示例性实施例的一个方面，一种磁阻存储装置包括：第一磁器件，所述第一磁器件包括具有固定磁化方向的固定层、设置在固定层上的隧道层、以及设置在隧道层上并具有可变磁化方向的第一自由层；以及第二磁器件，所述第二磁器件设置在所述第一磁器件上，包括多个自由层，所述多个自由层之间用间隔层隔离。

根据示例性实施例的另一个方面，一种磁阻存储装置包括：第一磁器件，所述第一磁器件包括具有可变磁化方向的第一自由层、设置在第一自由层上的隧道层、以及设置在隧道层上并具有固定磁化方向的固定层；以及第二磁器件，所述第二磁器件设置在第一磁器件之下，包括多个自由层，所述多个自由层之间用间隔层隔离。固定层、第一自由层、以及所述多个自由层被配置为矫顽力朝着固定层而增加。

根据示例性实施例的另一个方面，一种磁阻存储装置包括：固定层，所述固定层具有固定的第一磁化方向；隧道层，所述隧道层形成在固定层上；第一自由层，所述第一自由层形成在隧道层上，并具有第一磁化方向或与第一磁化方向反向平行的第二磁化方向；第一间隔层，所述第一间隔层设置在第一自由层上；第二自由层，所述第二自由层设置在第一间隔层上，并具有第一磁化方向或第二磁化方向；第二间隔层，所述第二间隔层设置在第二自由层上；第三自由层，所述第三自由层设置在第二间隔层上，并具有第一磁化方向或第二磁化方向。固定层和第一、第二以及第三自由层被形成为保持自由层的磁化方向的矫顽力朝着固定层而增加。