[发明专利]自参考MRAM单元以及用于写入该单元的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在低功耗下使用自旋转移矩写操作写入自参考MRAM单元的方法。

背景技术

使用所谓的自参考读操作的MRAM单元典型地包括磁隧道结，该磁隧道结由具有其方向可以从第一稳定方向改变为第二稳定方向的磁化的磁存储层、薄绝缘层以及具有带有可反转方向的磁化的感测层形成。自参考MRAM单元允许以低的功耗和增加的速度执行写和读操作。此外，自参考MRAM单元对于制作具有降低的产量的功能存储器以及对于高温和安全应用是有用的。

然而，由于局部杂散磁场而在存储层与感测层之间发生偶极耦合，从而在封闭的磁通量配置中将感测层的磁化与存储层的磁化耦合。于是，转换感测层磁化将要求施加高得足以克服偶极耦合的磁场。当施加场循环以测量感测层的磁滞回线时，偶极耦合导致磁滞回线的移位(或偏置)。该偶极耦合取决于存储层和感测层的厚度和磁化以及取决于磁隧道结的尺寸。特别地，偶极耦合随着磁隧道结直径的减小而增加，并且因而在缩小MRAM单元时可能变成主要的问题。

通过存储层在感测层上产生的杂散场导致功耗增加，尤其是在MRAM单元的读操作期间。此外，例如使用合成存储层降低杂散场可能导致感测层的磁化的转换场的增加。

发明内容

本公开涉及一种用于写入包括磁隧道结的自参考MRAM单元的方法，该磁隧道结包括：存储层，该存储层包括具有第一存储磁化的第一铁磁层，具有第二存储磁化的第二铁磁层，以及分离该第一和第二铁磁层的非磁性耦合层；感测层，其具有自由感测磁化；以及被包括在感测层和存储层之间的隧道势垒层；第一和第二铁磁层被布置成使得存储层和感测层之间的偶极耦合基本上没有；该方法可以包括：通过在磁隧道结中传递自旋极化电流来转换第二铁磁磁化；其中，自旋极化电流在感测层中传递时根据感测磁化的方向被极化。

在一个实施例中，可以通过在所述转换第二铁磁磁化之前施加磁场来确定感测磁化的方向。

在另一个实施例中，感测层可以具有形状各向异性或磁晶各向异性，以便稳定感测磁化的方向。

在又一个实施例中，可以由自旋电流的极性来确定第二铁磁磁化的转换方向。

在另一个实施例中，可以通过在所述转换第二铁磁磁化期间施加磁场来确定感测磁化的方向。

在又一个实施例中，可以由施加的磁场的方向来确定感测磁化的方向。

这里公开的方法允许以低功耗写入MRAM单元。

附图说明

借助于作为例子给出并且由各图示出的实施例的描述，本发明将被更好地理解，其中：

图1表示根据一个实施例的自参考MRAM单元1；

图2和3示出了根据一个实施例的基于自旋转移矩(STT)的写操作；

图4和5示出了根据另一个实施例的基于STT的写操作。

具体实施方式

图1表示根据一个实施例的自参考MRAM单元1。MRAM单元1包括磁隧道结2，该磁隧道结2包含存储层23、具有自由感测磁化211的感测层21、和被包括在存储层23和感测层21之间的隧道势垒层22。该存储层23优选是合成存储层，其包括具有第一存储磁化234的第一铁磁层231、具有第二存储磁化235的第二铁磁层232、以及分离该第一和第二铁磁层231、232的非磁性耦合层233。

间隔层233的尺寸(例如，厚度)可以选择为，引起第一和第二铁磁层231和232通过RKKY耦合来被磁耦合，使得第一铁磁磁化235与第二铁磁磁化235反平行地取向。该厚度可以取决于形成间隔层233的材料。例如，该间隔层233可以包括非磁性材料，其选自包括例如钌(Ru)、铼(Re)、铑(Rh)、碲(Te)、钇(Y)、铬(Cr)、铱(Ir)、银(Ag)、铜(Cu)等的组。在一个实施例中，厚度可以被包括在大约0.2nm和3nm之间。然而，其他的厚度可以适合于耦合两个铁磁层231和232。在优选实施例中，间隔层233包括钌(Ru)，并且具有被包括在0.7nm和0.9nm之间的厚度。

在图1的示例性结构中，合成存储层23与反铁磁层24交换耦合，以便在低于临界温度的低温阈值处钉扎第二铁磁层232的第二铁磁磁化235，并且在处于临界温度或者高于临界温度的第二高温阈值处使它自由。该反铁磁层24可以由基于锰的合金制成，例如，IrMn、PtMn、NiMn或FeMn，或由任何其他适合的材料制成。