[发明专利]磁随机存取存储器单元、用于对其进行读取和写入的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于使用允许低功耗的自参考读取操作来读取磁随机存取存储器（MRAM）单元的方法以及用于执行该方法的MRAM单元。

背景技术

在最简单的实现方式中，磁随机存取存储器（MRAM）单元至少包含由通过薄绝缘层分离的两个磁性层形成的磁隧道结，其中，所述层之一即所谓的参考层的特征在于固定磁化，且第二层即所谓的存储层的特征在于在存储器写入时可以变化其方向的磁化。当参考层和存储层的相应磁化反平行时，磁隧道结的电阻高（R_max），对应于低逻辑状态“0”。另一方面，当相应磁化平行时，磁隧道结的电阻变低（R_min），对应于高逻辑状态“1”。通过将MRAM单元的电阻状态与参考电阻R_ref（优选地从参考单元或参考单元的阵列得出）进行比较而读取MRAM单元的逻辑状态，典型的参考电阻是在高逻辑状态“1”的磁隧道结电阻和低逻辑状态“0”的电阻之间组合的R_ref=( R_min+R_max)/2。

在常规实际的实现方式中，参考层被“交换偏置”向相邻反铁磁参考层，该相邻反铁磁层的特征在于称为反铁磁参考层的阻断温度T_BR的临界温度（高于该温度交换偏置消失）。

在使用热辅助切换（TAS）过程的MRAM单元的实现方式中，例如，如美国专利No.6,950,335所述，存储层也被交换偏置向相邻反铁磁存储层，该相邻反铁磁存储层的阻断温度T_BS（反铁磁存储层的交换偏置消失所在的温度）低于钉住（pin）参考层的反铁磁参考层的阻断温度T_BR。在阻断温度T_BS以下，存储层难以和/或不可能写入。然后通过将磁隧道结加热到T_BS以上但是T_BR以下，优选地但不限于发送通过磁隧道结的加热电流以释放存储层的磁化同时施加切换存储层的磁化的手段，执行写入。施加切换存储层的磁化的手段可以也通过由场电流产生的磁场执行。磁隧道结然后被冷却到阻断温度T_BS以下，在该温度，存储层磁化被“冻结”在写入方向上。

切换存储层的磁化方向所需的磁场量值与存储层的矫顽性成比例，该矫顽性在小特征尺寸处大且可以在交换偏置膜中极大地增强。

在专利申请EP2276034中，该申请公开了一种包含存储层、绝缘层和感应层的MRAM单元，该感应层具有其方向可以在磁场中自由对准的磁化。可以通过切换存储层的磁化方向以向所述存储层写入数据而对公开的MRAM单元进行写入。读取操作可以包含第一读取循环，该第一读取循环包括在第一对准方向上对准感应层的磁化方向以及通过测量MRAM单元的第一电阻值将所述写入数据与所述第一对准方向进行比较。读取操作还可以包含第二读取循环，该第二读取循环包括在第二对准磁化方向上对准感应层的磁化；通过测量MRAM单元的第二电阻值将写入数据与第二对准方向进行比较；以及判断第一电阻值和第二电阻值之间的差异。因为不需要使用常规参考单元，这种读取操作也称为“自参考读取操作”。

公开的存储器单元和写入-读取操作方法允许以低功耗和增加的速度执行写入和读取操作。然而，在自参考读取操作期间，由于在闭合磁通量配置中耦合存储层和感应层的磁化的局部磁杂散场，出现存储层和感应层之间的偶极耦合。因为在读取操作期间存储层磁化被反铁磁层钉住，感应层磁化则将通过该耦合也被钉住。在自参考读取操作期间切换感应层磁化则将要求施加足够高以克服偶极耦合的磁场。偶极耦合导致当施加场循环以测量感应层的磁滞回线时磁滞回线的偏移（或偏置）。

这种偶极耦合依赖于存储层和感应层的厚度和磁化，且依赖于磁隧道结的尺寸。具体而言，偶极耦合随着磁隧道结直径的降低而增加且因而可能在按比例缩小MRAM单元时变成主要问题。

发明内容

本公开涉及包含磁隧道结的磁随机存取存储器（MRAM）单元，该磁隧道结包含：

合成存储层，由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第一和第二存储层之间的间隔层形成，该间隔层磁耦合第一和第二铁磁层，使得第一存储磁化基本反平行于第二磁化而取向；

感应层，具有可逆转的感应磁化；以及

隧道阻挡层，位于感应层和存储层之间；

该第一存储磁化引发第一局部磁杂散场且该第二存储磁化引发第二局部磁杂散场，第一和第二局部磁杂散场之间的差异对应于耦合存储层与感应层的净局部磁杂散场；