[發明專利]磁隨機存取存儲器單元、用于對其進行讀取和寫入的方法

有效

• 申請號: 201210373394.6
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN103035280A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: L.隆巴爾;I.L.普雷貝亞努
• 申請（專利權）人: 克羅科斯科技公司
• 主分類號: G11C11/15
• 分類號: G11C11/15
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 馬永利;李浩

技術領域

本發明涉及用于使用允許低功耗的自參考讀取操作來讀取磁隨機存取存儲器（MRAM）單元的方法以及用于執行該方法的MRAM單元。

背景技術

在最簡單的實現方式中，磁隨機存取存儲器（MRAM）單元至少包含由通過薄絕緣層分離的兩個磁性層形成的磁隧道結，其中，所述層之一即所謂的參考層的特征在于固定磁化，且第二層即所謂的存儲層的特征在于在存儲器寫入時可以變化其方向的磁化。當參考層和存儲層的相應磁化反平行時，磁隧道結的電阻高（R_max），對應于低邏輯狀態“0”。另一方面，當相應磁化平行時，磁隧道結的電阻變低（R_min），對應于高邏輯狀態“1”。通過將MRAM單元的電阻狀態與參考電阻R_ref（優選地從參考單元或參考單元的陣列得出）進行比較而讀取MRAM單元的邏輯狀態，典型的參考電阻是在高邏輯狀態“1”的磁隧道結電阻和低邏輯狀態“0”的電阻之間組合的R_ref=(?R_min+R_max)/2。

在常規實際的實現方式中，參考層被“交換偏置”向相鄰反鐵磁參考層，該相鄰反鐵磁層的特征在于稱為反鐵磁參考層的阻斷溫度T_BR的臨界溫度（高于該溫度交換偏置消失）。

在使用熱輔助切換（TAS）過程的MRAM單元的實現方式中，例如，如美國專利No.6,950,335所述，存儲層也被交換偏置向相鄰反鐵磁存儲層，該相鄰反鐵磁存儲層的阻斷溫度T_BS（反鐵磁存儲層的交換偏置消失所在的溫度）低于釘住（pin）參考層的反鐵磁參考層的阻斷溫度T_BR。在阻斷溫度T_BS以下，存儲層難以和/或不可能寫入。然后通過將磁隧道結加熱到T_BS以上但是T_BR以下，優選地但不限于發送通過磁隧道結的加熱電流以釋放存儲層的磁化同時施加切換存儲層的磁化的手段，執行寫入。施加切換存儲層的磁化的手段可以也通過由場電流產生的磁場執行。磁隧道結然后被冷卻到阻斷溫度T_BS以下，在該溫度，存儲層磁化被“凍結”在寫入方向上。

切換存儲層的磁化方向所需的磁場量值與存儲層的矯頑性成比例，該矯頑性在小特征尺寸處大且可以在交換偏置膜中極大地增強。

在專利申請EP2276034中，該申請公開了一種包含存儲層、絕緣層和感應層的MRAM單元，該感應層具有其方向可以在磁場中自由對準的磁化。可以通過切換存儲層的磁化方向以向所述存儲層寫入數據而對公開的MRAM單元進行寫入。讀取操作可以包含第一讀取循環，該第一讀取循環包括在第一對準方向上對準感應層的磁化方向以及通過測量MRAM單元的第一電阻值將所述寫入數據與所述第一對準方向進行比較。讀取操作還可以包含第二讀取循環，該第二讀取循環包括在第二對準磁化方向上對準感應層的磁化；通過測量MRAM單元的第二電阻值將寫入數據與第二對準方向進行比較；以及判斷第一電阻值和第二電阻值之間的差異。因為不需要使用常規參考單元，這種讀取操作也稱為“自參考讀取操作”。

公開的存儲器單元和寫入-讀取操作方法允許以低功耗和增加的速度執行寫入和讀取操作。然而，在自參考讀取操作期間，由于在閉合磁通量配置中耦合存儲層和感應層的磁化的局部磁雜散場，出現存儲層和感應層之間的偶極耦合。因為在讀取操作期間存儲層磁化被反鐵磁層釘住，感應層磁化則將通過該耦合也被釘住。在自參考讀取操作期間切換感應層磁化則將要求施加足夠高以克服偶極耦合的磁場。偶極耦合導致當施加場循環以測量感應層的磁滯回線時磁滯回線的偏移（或偏置）。

這種偶極耦合依賴于存儲層和感應層的厚度和磁化，且依賴于磁隧道結的尺寸。具體而言，偶極耦合隨著磁隧道結直徑的降低而增加且因而可能在按比例縮小MRAM單元時變成主要問題。

發明內容

本公開涉及包含磁隧道結的磁隨機存取存儲器（MRAM）單元，該磁隧道結包含：

合成存儲層，由具有第一存儲磁化的第一鐵磁層、具有第二存儲磁化的第二鐵磁層以及第一和第二存儲層之間的間隔層形成，該間隔層磁耦合第一和第二鐵磁層，使得第一存儲磁化基本反平行于第二磁化而取向；

感應層，具有可逆轉的感應磁化；以及

隧道阻擋層，位于感應層和存儲層之間；

該第一存儲磁化引發第一局部磁雜散場且該第二存儲磁化引發第二局部磁雜散場，第一和第二局部磁雜散場之間的差異對應于耦合存儲層與感應層的凈局部磁雜散場；