[發(fā)明專利]一種用于磁隨機(jī)存取存儲器的磁性多層膜

有效

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• 申請日: 2010-08-20
• 公開（公告）號: CN102376345A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于國強(qiáng);魏紅祥;詹文山;韓秀峰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院物理研究所
• 主分類號: G11C11/15
• 分類號: G11C11/15
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于磁隨機(jī)存取存儲器領(lǐng)域，具體地說是涉及一種磁性多層膜，以及基于這種磁性多層膜所設(shè)計(jì)的讀寫分離的磁隨機(jī)存取存儲器。

背景技術(shù)

眾所周知，在納米磁性多層膜和磁性隧道結(jié)(MTJ)中觀測到的巨磁電阻效應(yīng)(Giant?Magneto-resistance，GMR)和隧穿磁電阻效應(yīng)(Tunneling?Magneto-resistance，TMR)已被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)磁讀頭和磁敏傳感器等領(lǐng)域，而其中MTJ的另外一個(gè)極其重要的應(yīng)用就是可以作為磁隨機(jī)存取存儲器(Magnetic?Random?Access?Memory，MRAM)的最佳存儲單元。

目前，人們提出的MRAM的數(shù)據(jù)寫入方式主要分為兩類。第一類是磁場驅(qū)動(dòng)型，即通過電流產(chǎn)生的磁場來翻轉(zhuǎn)存儲單元鐵磁性層(自由層，也稱比特層，bit?layer)的磁矩，從而獲得磁性存儲單元高、低阻態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)存儲單元數(shù)據(jù)(比特)“1”、“0”的寫入。第二類是電流驅(qū)動(dòng)型，即通過自旋極化電流產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩來翻轉(zhuǎn)存儲單元鐵磁性層的磁矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)存儲單元數(shù)據(jù)(比特)“1”、“0”的寫入。相對于前者，電流驅(qū)動(dòng)型存儲數(shù)據(jù)的方法已極大簡化了器件的結(jié)構(gòu)及加工工藝，但其目前仍存在的一個(gè)主要問題是寫入時(shí)功耗高(即磁電阻較大)，當(dāng)長期地頻繁寫入時(shí)，容易損壞MRAM存儲單元中MTJ的勢壘層，從而影響存儲單元和器件的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種可以有效減小器件功耗的磁性多層膜。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種基于上述磁性多層膜的磁隨機(jī)存取存儲器。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于MRAM的磁性多層膜，該磁性多層膜包括用于產(chǎn)生TMR效應(yīng)的MTJ多層膜和位于該MTJ多層膜以下的用于產(chǎn)生GMR效應(yīng)的GMR多層膜，其中MTJ多層膜和GMR多層膜共用自由層，其中：

所述GMR多層膜的相鄰于MTJ多層膜一側(cè)的至少一部分被暴露，穿過該暴露部分的電流用于翻轉(zhuǎn)所述自由層磁矩。

在上述磁性多層膜中，所述GMR多層膜暴露出多個(gè)部分，該多個(gè)部分彼此之間相互隔開。

在上述磁性多層膜中，所述GMR多層膜暴露出一個(gè)部分。

在上述磁性多層膜中，所述自由層為由鐵磁性材料制成的鐵磁性層，該鐵磁性材料具有水平或垂直磁晶各向異性。

在上述磁性多層膜中，所述GMR多層膜包括硬鐵磁性層、非磁性金屬層和所共用的鐵磁性層，所述MTJ多層膜包括所共用的鐵磁性層、絕緣層和硬鐵磁性層。

在上述磁性多層膜中，所述GMR多層膜或MTJ多層膜或這二者中的硬鐵磁性層具有釘扎結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種包括上述磁性多層膜的MRAM存儲單元。

根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，提供一種根據(jù)上述MRAM存儲單元的寫入方法，其中，寫電流穿過暴露的GMR多層膜實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入。

在上述寫入方法中，所述寫電流大于翻轉(zhuǎn)自由層磁矩所需的臨界電流。

根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種根據(jù)上述MRAM存儲單元的讀出方法，其中，讀電流穿過所述磁性多層膜中GMR多層膜和MTJ多層膜的完整部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的MRAM存儲單元中由于采用電阻非常小的全金屬GMR效應(yīng)結(jié)來寫入，因此器件的能耗低，功率小；另外，采用讀寫分離的結(jié)構(gòu)，有助于保護(hù)大電阻的磁性多層膜在操作中不易被損壞。

附圖說明

以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：

圖1是本發(fā)明中自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)的物理原理示意圖；

圖2是本發(fā)明的磁性多層膜在初始狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)圖；

圖3A是本發(fā)明磁性多層膜的一種構(gòu)型；

圖3B是本發(fā)明磁性多層膜的另一種構(gòu)型；

圖4A和4B是基于由面內(nèi)各向異性材料制成鐵磁層的磁性多層膜在寫入低“0”、高“1”阻態(tài)時(shí)的示意圖；

圖4C和4D是基于由垂直各向異性材料制成鐵磁層的磁性多層膜在寫入低“0”、高“1”阻態(tài)時(shí)的示意圖；

圖5A是本發(fā)明示例性的MRAM存儲單元的磁性多層膜的簡化結(jié)構(gòu)圖；

圖5B、5C分別是沿圖5A的MRAM存儲單元的GMR多層膜和完整磁性多層膜垂直剖切的剖面圖；

圖5D是圖5A的MRAM存儲單元的簡化結(jié)構(gòu)圖；