具有优化的可靠性的自引用MRAM单元

摘要

本发明涉及具有优化可靠性的自引用MRAM。适合于热辅助的写入操作以及适合于自引用的读取操作的随机存取存储器(MRAM)元件，所述MRAM元件包括磁隧道结部分，所述磁隧道结部分具有第一部分和第二部分，每一个部分包括存储层、感测层以及隧道势垒层；所述磁隧道结还包括在两个存储层之间的反铁磁层并且在临界温度以下钉扎存储层的每一个的存储磁化，并且在临界温度处以及在临界温度以上使它们自由；使得在写入操作期间，当写入磁场被施加时，感测层的每一个的自由磁化根据写入磁场的方向是磁性上可饱和的；以及在与饱和的自由磁化的方向基本平行并且对应的方向上，存储磁化是可转换的。

说明书

技术领域

本发明涉及适合于热辅助的写入操作以及适合于自引用的读取 操作的随机存取存储器(MRAM)元件，其在相对于传统的MRAM 单元更高的温度下能被可靠地写入。

背景技术

使用所谓的自引用的读取操作的磁随机存取存储器(MRAM)单 元典型地包括磁隧道结，该磁隧道结由下述形成：具有磁化的磁存储 层，该磁化的方向可以从第一稳定方向变化为第二稳定方向；薄绝缘 层；以及具有磁化的感测层，该磁化具有可逆方向。自引用的MRAM 单元考虑到了以低功耗以及增加的速度执行写入和读取操作。自引用 的读取操作由同一申请人在欧洲专利申请EP 2276034中进行了描述。 它典型地包括作为双采样，其中沿第一和第二方向对准感测层磁化的 方向并且对于每个方向测量磁隧道结的相应电阻。

自引用的MRAM单元可以有利地用在基于MRAM的CAM、用 于安全应用的非易失性单元中，所述安全应用包括在一个包一个包的 基础上用于高性能数据开关、防火墙、桥接器和路由器的用户权限、 安全或加密信息。自引用的MRAM单元对于以减少的产量制作功能 存储器以及对于高温应用也是有用的。

在高温应用的情况下，电流脉冲被传递经过磁隧道结，以便将 MRAM单元加热到高温。该电流脉冲易于使薄绝缘层遭受相当大的电 应力。通过磁隧道结施加的电压可能会达到或甚至超过这样的绝缘层 的击穿电压。即使在绝缘层的两端施加的电压低于其击穿电压，从长 远来看与电流脉冲有关联的应力也可能导致相当大的老化效应，特别 是在大量电压周期之后，例如，在写入周期期间。

发明内容

本公开涉及适合于热辅助的(TA)写入操作以及适合于自引用的 读取操作的磁随机存取存储器(MRAM)元件，所述MRAM元件包 括磁隧道结部分，所述磁隧道结部分具有第一部分和第二部分，所述 第一部分包括：具有第一存储磁化的第一存储层、具有第一自由磁化 的第一感测层、以及在所述第一存储层和所述第一感测层之间的第一 隧道势垒层，所述第二部分包括：具有第二存储磁化的第二存储层、 具有第二自由磁化的第二感测层、以及在所述第二存储层和所述第二 感测层之间的第二隧道势垒层；所述磁隧道结部分还包括反铁磁层， 其被包括在第一和第二存储层之间并且在低温阈值处钉扎第一和第 二存储磁化，并且在高温阈值处使第一和第二存储磁化自由；其中在 写入操作期间，当写入磁场被施加时，第一和第二自由磁化根据写入 磁场的方向是磁性上可饱和的；以及其中在与饱和的第一和第二自由 磁化的方向基本平行并且对应的方向上，第一和第二存储磁化是可转 换的。

在一个实施例中，MRAM可以被进一步配置使得第一磁隧道结部 分具有第一电阻面积乘积，所述第一电阻面积乘积与第二磁隧道结部 分的第二电阻面积乘积基本相等，使得在写入操作期间，MRAM元件 的磁阻比率保持基本不变。

本公开还涉及一种用于使用TA写入操作对MRAM元件写入的方 法，包括：

在高温阈值处加热磁隧道结；

转换第一和第二存储磁化；以及

在临界温度以下冷却MRAM元件，以便在第一和第二存储磁化 的被写入状态中冻结第一和第二存储磁化；其中所述第一和第二存储 磁化在彼此基本平行的方向上基本上同时被转换。所述转换可以包括 施加写入磁场，以便根据写入磁场的方向使第一和第二自由磁化在磁 性上饱和；以及所述第一和第二存储磁化可以在彼此基本平行的方向 上基本上同时被转换。

与包括仅一个势垒层的磁隧道结相比，具有包括第一和第二隧道 势垒层的磁隧道结的公开的MRAM元件的配置考虑到了当磁隧道结 在高温阈值被加热时减小施加在第一和第二隧道势垒层上的电压。因 而可以有效地加热公开的MRAM元件的磁隧道结，同时最小化了隧 道势垒层的击穿和老化的风险。

附图说明

借助于作为例子给出并且由图1示出的实施例的描述，本发明将 被更好地理解，图1示出了根据实施例的随机存取存储器元件。

具体实施方式

图1示出了根据实施例的随机存取存储器(MRAM)元件1。该 MRAM元件1包括磁隧道结2，该磁隧道结2具有第一部分2’，该第 一部分2’包括：具有第一存储磁化231的第一存储层23、具有第一自 由磁化211的第一感测层21、和在第一存储层23和第一感测层21之 间的第一隧道势垒层25。该磁隧道结2还包括第二部分2”，该第二 部分2”包括：具有第二存储磁化232的第二存储层24、具有第二自 由磁化212的第二感测层22、和在第二存储层24和第二感测层22之 间的第二隧道势垒层26。该磁隧道结2还包括反铁磁层20，其被包 括在第一和第二存储层23、24之间并且在反铁磁层20的临界温度以 下，在低温阈值处钉扎第一和第二存储磁化231、232，并且在临界温 度处以及在临界温度以上，在高温阈值处使第一和第二存储磁化231、 232自由。

在一个实施例中，MRAM元件1的热辅助的(TA)读取操作可 包括以下步骤：

将磁隧道结2加热到高温阈值；

转换第一和第二存储磁化231、232；以及

在低温阈值处冷却磁隧道结2，以便在第一和第二存储磁化231、 232的被写入状态中冻结第一和第二存储磁化231、232。

磁隧道结2的配置(其中第一和第二存储层23、24被对称地布 置在反铁磁层20的每一侧)导致与第二存储磁化232基本同时地并 且在基本平行于第二存储磁化232的方向上转换第一存储磁化231。

在一个实施例中，MRAM元件1还包括与磁隧道结2连通的场线 5。该场线5被布置用于传递适于生成写入磁场52的场电流51，该写 入磁场52能够沿着与场线5基本垂直的方向转换第一和第二存储磁 化231、232。通过经由与磁隧道结2电连通的电流线4在磁隧道结2 中传递加热电流31(参见图1)，能够执行对MRAM元件1的加热。 可替换地，电流线4也可以用于传递肯定会生成写入磁场52的场电 流51。一旦磁隧道结2已经被冷却到低温阈值，存储磁化231就根据 写入磁场52的取向变得被钉扎在被转换或被写入的取向上。

第一和第二存储层23、24被如此配置以具有沿与场线5基本垂 直的方向取向的磁各向异性，使得通过施加写入磁场52来基本同时 地并且基本在相同方向上转换第一和第二存储磁化231、232。

在另一个实施例中，通过施加磁场52来执行对第一和第二存储 磁化231、232的转换，该磁场52具有使得在根据写入磁场52的方 向的方向上使第一自由磁化211饱和的幅度。饱和的第一自由磁化211 转而感应出第一局部杂散磁场60，该第一局部杂散磁场60以闭合的 磁通量配置耦合第一存储磁化231以便使第一存储磁化231沿饱和的 第一自由磁化211的方向取向。磁场52还被如此布置以使第二感测 磁化212在写入磁场52的方向上饱和。饱和的第二感测磁化212感 应出第二局部杂散磁场61，该第二局部杂散磁场61以闭合的磁通量 配置将第二自由磁化212与存储磁化232磁性耦合，以便使第二存储 磁化232沿饱和的第二自由磁化212的方向取向。在图1中，第一和 第二局部杂散磁场60、61被示为使第一和第二存储磁化向右取向。 由于第一和第二局部杂散磁场60、61两者均沿相同的方向取向，所 以第一局部杂散磁场60也使第二存储磁化232沿饱和的第一自由磁 化211的方向取向，并且第二局部杂散磁场61使第一存储磁化231 沿饱和的第二自由磁化212的方向取向。然后，根据对应于第一杂散 磁场60和第二局部杂散磁场61之和的净杂散磁场来转换第一和第二 存储磁化231、232。

通过改变第一和第二自由层21、22的厚度，可以改变第一和第 二自由磁化211、212并由此改变第一和第二局部杂散磁场60、61的 幅度。在一个实施例中，第一和第二感测层21、22的厚度使得第一 和第二自由磁化211、212的每一个大于第一和第二存储磁化231、232 之和。优选地，感测层21的厚度使得使自由磁化211、212饱和所需 的写入磁场52的幅度可以在大约80Oe以下。通过提供具有表现出 大的自发磁化的材料的感测层21、24，可以进一步增大局部杂散磁场 60、61的幅度。而且，通过提供具有小的各向异性的感测层21、22， 可以进一步减小使自由磁化211、212饱和所需的写入磁场52的幅度。

由于在第一存储层23和第一感测层21之间、以及在第二存储层 24和第二感测层22之间的距离小，典型地在纳米范围内，相比较于 与由场线5(或电流线4)生成的写入磁场52耦合，第一和第二存储 磁化231、232更有效地与第一和第二自由磁化211、212耦合。

在另一个实施例中，用于读取MRAM元件1的自引用方法包括：

在第一读取方向上调整第一和第二感测磁化211、212；

测量第一结电阻值R₁；

在第二读取方向上调整第一和第二感测磁化211、212；以及

测量第二结电阻值R₂。

在一个实施例中，在第一读取方向上调整第一和第二感测磁化 211、212包括：通过在场线5中传递具有第一极性的读取场电流53 来施加具有第一方向的读取磁场54。在第二读取方向上调整第一和第 二感测磁化211、212包括：通过在场线5中传递具有第二极性的读 取电流53来施加具有第二方向的读取磁场54。第一和第二感测层21、 22被如此配置以具有沿与场线5基本垂直的方向取向的磁各向异性， 使得当在第一和第二方向上分别施加读取磁场54时，第一和第二感 测磁化211、212变为基本同时地并且基本在相同的第一和第二方向 上被调整。通过经由电流线4在磁隧道结2中传递感测电流32，能够 执行对第一和第二结电阻值R₁、R₂的测量。

MRAM元件1被进一步配置使得磁隧道结2的第一部分2’具有第 一电阻面积乘积RA₁，该第一电阻面积乘积RA₁与磁隧道结2的第二 部分2，，的第二电阻面积乘积RA₂基本相等。由于在写入操作期间， 在基本平行于第二存储磁化232的方向上转换第一存储磁化231，所 以MRAM元件1的磁阻比率MR通过写入操作而保持基本不变。在 此，磁阻比率MR被定义为：

MR＝(R₂-R₁)/R₁    (等式1)

其中R₁是当基本平行于第一和第二存储磁化231、232调整第一和第 二感测磁化211、212时测量的磁隧道结2的低电阻，以及R₂是当基 本反平行于第一和第二存储磁化231、232调整第一和第二感测磁化 211、212时测量的磁隧道结2的高电阻。

在一个实施例中，第一和第二隧道势垒层25、26包括Al₂O₃或 MgO。第一和第二隧道势垒层25、26可以具有基本相同的厚度。第 一和第二感测层21、22也可以具有基本相同的厚度。

参考数字

1磁随机存取存储器单元

2磁隧道结

2’第一部分

2”第二部分

20反铁磁层

21第一感测层

22第二感测层

23第一存储层

24第二存储层

25第一隧道势垒层

26第二隧道势垒层

211第一自由磁化

212第二自由磁化

231第一铁磁层

232第二铁磁层

24第一反铁磁层

31加热电流

32读取电流

4电流线

5场线

51写入电流

52写入磁场

53读取场电流

54读取磁场

60第一局部杂散磁场

61第二局部杂散磁场

MR磁阻比率

R₁低电阻

R₂高电阻

RA₁第一电阻面积乘积

RA₂第二电阻面积乘积