專利名稱：具有優(yōu)化的可靠性的自引用mram單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適合于熱輔助的寫入操作以及適合于自引用的讀取操作的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)元件，其在相對(duì)于傳統(tǒng)的MRAM單元更高的溫度下能被可靠地寫入。
背景技術(shù)：
使用所謂的自引用的讀取操作的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)單元典型地包括磁隧道結(jié)，該磁隧道結(jié)由下述形成:具有磁化的磁存儲(chǔ)層，該磁化的方向可以從第一穩(wěn)定方向變化為第二穩(wěn)定方向；薄絕緣層；以及具有磁化的感測(cè)層，該磁化具有可逆方向。自引用的MRAM單元考慮到了以低功耗以及增加的速度執(zhí)行寫入和讀取操作。自引用的讀取操作由同一申請(qǐng)人在歐洲專利申請(qǐng)EP 2276034中進(jìn)行了描述。它典型地包括作為雙采樣，其中沿第一和第二方向?qū)?zhǔn)感測(cè)層磁化的方向并且對(duì)于每個(gè)方向測(cè)量磁隧道結(jié)的相應(yīng)電阻。
自引用的MRAM單元可以有利地用在基于MRAM的CAM、用于安全應(yīng)用的非易失性單元中，所述安全應(yīng)用包括在一個(gè)包一個(gè)包的基礎(chǔ)上用于高性能數(shù)據(jù)開關(guān)、防火墻、橋接器和路由器的用戶權(quán)限、安全或加密信息。自引用的MRAM單元對(duì)于以減少的產(chǎn)量制作功能存儲(chǔ)器以及對(duì)于高溫應(yīng)用也是有用的。
在高溫應(yīng)用的情況下，電流脈沖被傳遞經(jīng)過磁隧道結(jié)，以便將MRAM單元加熱到高溫。該電流脈沖易于使薄絕緣層遭受相當(dāng)大的電應(yīng)力。通過磁隧道結(jié)施加的電壓可能會(huì)達(dá)到或甚至超過這樣的絕緣層的擊穿電壓。即使在絕緣層的兩端施加的電壓低于其擊穿電壓，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看與電流脈沖有關(guān)聯(lián)的應(yīng)力也可能導(dǎo)致相當(dāng)大的老化效應(yīng)，特別是在大量電壓周期之后，例如，在寫入周期期間。發(fā)明內(nèi)容
本公開涉及適合于熱輔助的(TA)寫入操作以及適合于自引用的讀取操作的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)元件，所述MRAM元件包括磁隧道結(jié)部分，所述磁隧道結(jié)部分具有第一部分和第二部分，所述第一部分包括:具有第一存儲(chǔ)磁化的第一存儲(chǔ)層、具有第一自由磁化的第一感測(cè)層、以及在所述第一存儲(chǔ)層和所述第一感測(cè)層之間的第一隧道勢(shì)壘層，所述第二部分包括:具有第二存儲(chǔ)磁化的第二存儲(chǔ)層、具有第二自由磁化的第二感測(cè)層、以及在所述第二存儲(chǔ)層和所述第二感測(cè)層之間的第二隧道勢(shì)壘層；所述磁隧道結(jié)部分還包括反鐵磁層，其被包括在第一和第二存儲(chǔ)層之間并且在低溫閾值處釘扎第一和第二存儲(chǔ)磁化，并且在高溫閾值處使第一和第二存儲(chǔ)磁化自由；其中在寫入操作期間，當(dāng)寫入磁場(chǎng)被施加時(shí)，第一和第二自由磁化根據(jù)寫入磁場(chǎng)的方向是磁性上可飽和的；以及其中在與飽和的第一和第二自由磁化的方向基本平行并且對(duì)應(yīng)的方向上，第一和第二存儲(chǔ)磁化是可轉(zhuǎn)換的。
在一個(gè)實(shí)施例中，MRAM可以被進(jìn)一步配置使得第一磁隧道結(jié)部分具有第一電阻面積乘積，所述第一電阻面積乘積與第二磁隧道結(jié)部分的第二電阻面積乘積基本相等，使得在寫入操作期間，MRAM元件的磁阻比率保持基本不變。
本公開還涉及一種用于使用TA寫入操作對(duì)MRAM元件寫入的方法，包括:
在高溫閾值處加熱磁隧道結(jié)；
轉(zhuǎn)換第一和第二存儲(chǔ)磁化；以及
在臨界溫度以下冷卻MRAM元件，以便在第一和第二存儲(chǔ)磁化的被寫入狀態(tài)中凍結(jié)第一和第二存儲(chǔ)磁化；其中所述第一和第二存儲(chǔ)磁化在彼此基本平行的方向上基本上同時(shí)被轉(zhuǎn)換。所述轉(zhuǎn)換可以包括施加寫入磁場(chǎng)，以便根據(jù)寫入磁場(chǎng)的方向使第一和第二自由磁化在磁性上飽和；以及所述第一和第二存儲(chǔ)磁化可以在彼此基本平行的方向上基本上同時(shí)被轉(zhuǎn)換。
與包括僅一個(gè)勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)相比，具有包括第一和第二隧道勢(shì)壘層的磁隧道結(jié)的公開的MRAM元件的配置考慮到了當(dāng)磁隧道結(jié)在高溫閾值被加熱時(shí)減小施加在第一和第二隧道勢(shì)壘層上的電壓。因而可以有效地加熱公開的MRAM元件的磁隧道結(jié)，同時(shí)最小化了隧道勢(shì)壘層的擊穿和老化的風(fēng)險(xiǎn)。


借助于作為例子給出并且由圖1示出的實(shí)施例的描述，本發(fā)明將被更好地理解，圖1示出了根據(jù)實(shí)施例的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器元件。
具體實(shí)施方式
圖1示出了根據(jù)實(shí)施例的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)元件I。該MRAM元件I包括磁隧道結(jié)2，該磁隧道結(jié)2具有第一部分2’，該第一部分2’包括:具有第一存儲(chǔ)磁化231的第一存儲(chǔ)層23、具有第一自由磁化211的第一感測(cè)層21、和在第一存儲(chǔ)層23和第一感測(cè)層21之間的第一隧道勢(shì)壘層25。該磁隧道結(jié)2還包括第二部分2”，該第二部分2”包括:具有第二存儲(chǔ)磁化232的第二存儲(chǔ)層24、具有第二自由磁化212的第二感測(cè)層22、和在第二存儲(chǔ)層24和第二感測(cè)層22之間的第二隧道勢(shì)壘層26。該磁隧道結(jié)2還包括反鐵磁層20，其被包括在第一和第二存儲(chǔ)層23、24之間并且在反鐵磁層20的臨界溫度以下，在低溫閾值處釘扎第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232，并且在臨界溫度處以及在臨界溫度以上，在高溫閾值處使第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232自由。
在一個(gè)實(shí)施例中，MRAM元件I的熱輔助的(TA)讀取操作可包括以下步驟:
將磁隧道結(jié)2加熱到高溫閾值；
轉(zhuǎn)換第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232 ;以及
在低溫閾值處冷卻磁隧道結(jié)2，以便在第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232的被寫入狀態(tài)中凍結(jié)第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232。
磁隧道結(jié)2的配置(其中第一和第二存儲(chǔ)層23、24被對(duì)稱地布置在反鐵磁層20的每一側(cè))導(dǎo)致與第二存儲(chǔ)磁化232基本同時(shí)地并且在基本平行于第二存儲(chǔ)磁化232的方向上轉(zhuǎn)換第一存儲(chǔ)磁化231。
在一個(gè)實(shí)施例中，MRAM元件I還包括與磁隧道結(jié)2連通的場(chǎng)線5。該場(chǎng)線5被布置用于傳遞適于生成寫入磁場(chǎng)52的場(chǎng)電流51，該寫入磁場(chǎng)52能夠沿著與場(chǎng)線5基本垂直的方向轉(zhuǎn)換第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232。通過經(jīng)由與磁隧道結(jié)2電連通的電流線4在磁隧道結(jié)2中傳遞加熱電流31 (參見圖1)，能夠執(zhí)行對(duì)MRAM元件I的加熱?？商鎿Q地，電流線4也可以用于傳遞肯定會(huì)生成寫入磁場(chǎng)52的場(chǎng)電流51。一旦磁隧道結(jié)2已經(jīng)被冷卻到低溫閾值，存儲(chǔ)磁化231就根據(jù)寫入磁場(chǎng)52的取向變得被釘扎在被轉(zhuǎn)換或被寫入的取向上。
第一和第二存儲(chǔ)層23、24被如此配置以具有沿與場(chǎng)線5基本垂直的方向取向的磁各向異性，使得通過施加寫入磁場(chǎng)52來基本同時(shí)地并且基本在相同方向上轉(zhuǎn)換第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232。
在另一個(gè)實(shí)施例中，通過施加磁場(chǎng)52來執(zhí)行對(duì)第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232的轉(zhuǎn)換，該磁場(chǎng)52具有使得在根據(jù)寫入磁場(chǎng)52的方向的方向上使第一自由磁化211飽和的幅度。飽和的第一自由磁化211轉(zhuǎn)而感應(yīng)出第一局部雜散磁場(chǎng)60,該第一局部雜散磁場(chǎng)60以閉合的磁通量配置耦合第一存儲(chǔ)磁化231以便使第一存儲(chǔ)磁化231沿飽和的第一自由磁化211的方向取向。磁場(chǎng)52還被如此布置以使第二感測(cè)磁化212在寫入磁場(chǎng)52的方向上飽和。飽和的第二感測(cè)磁化212感應(yīng)出第二局部雜散磁場(chǎng)61,該第二局部雜散磁場(chǎng)61以閉合的磁通量配置將第二自由磁化212與存儲(chǔ)磁化232磁性耦合，以便使第二存儲(chǔ)磁化232沿飽和的第二自由磁化212的方向取向。在圖1中,第一和第二局部雜散磁場(chǎng)60、61被不為使第一和第二存儲(chǔ)磁化向右取向。由于第一和第二局部雜散磁場(chǎng)60、61兩者均沿相同的方向取向，所以第一局部雜散磁場(chǎng)60也使第二存儲(chǔ)磁化232沿飽和的第一自由磁化211的方向取向，并且第二局部雜散磁場(chǎng)61使第一存儲(chǔ)磁化231沿飽和的第二自由磁化212的方向取向。然后，根據(jù)對(duì)應(yīng)于第一雜散磁場(chǎng)60和第二局部雜散磁場(chǎng)61之和的凈雜散磁場(chǎng)來轉(zhuǎn)換第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232。
通過改變第一和第二自由層21、22的厚度，可以改變第一和第二自由磁化211、212并由此改變第一和第二局部雜散磁場(chǎng)60、61的幅度。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二感測(cè)層21、22的厚度使得第一和第二自由磁化211、212的每一個(gè)大于第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232之和。優(yōu)選地，感測(cè)層21的厚度使得使自由磁化211、212飽和所需的寫入磁場(chǎng)52的幅度可以在大約SOOe以下。通過提供具有表現(xiàn)出大的自發(fā)磁化的材料的感測(cè)層21、24，可以進(jìn)一步增大局部雜散磁場(chǎng)60、61的幅度。而且，通過提供具有小的各向異性的感測(cè)層21、22，可以進(jìn)一步減小使自由磁化211、212飽和所需的寫入磁場(chǎng)52的幅度。
由于在第一存儲(chǔ)層23和第一感測(cè)層21之間、以及在第二存儲(chǔ)層24和第二感測(cè)層22之間的距離小，典型地在納米范圍內(nèi)，相比較于與由場(chǎng)線5 (或電流線4)生成的寫入磁場(chǎng)52耦合，第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232更有效地與第一和第二自由磁化211、212耦合。
在另一個(gè)實(shí)施例中，用于讀取MRAM元件I的自引用方法包括:
在第一讀取方向上調(diào)整第一和第二感測(cè)磁化211、212 ；
測(cè)量第一結(jié)電阻值R1;
在第二讀取方向上調(diào)整第一和第二感測(cè)磁化211、212 ;以及
測(cè)量第二結(jié)電阻值R2。
在一個(gè)實(shí)施例中，在第一讀取方向上調(diào)整第一和第二感測(cè)磁化211、212包括:通過在場(chǎng)線5中傳遞具有第一極性的讀取場(chǎng)電流53來施加具有第一方向的讀取磁場(chǎng)54。在第二讀取方向上調(diào)整第一和第二感測(cè)磁化211、212包括:通過在場(chǎng)線5中傳遞具有第二極性的讀取電流53來施加具有第二方向的讀取磁場(chǎng)54。第一和第二感測(cè)層21、22被如此配置以具有沿與場(chǎng)線5基本垂直的方向取向的磁各向異性，使得當(dāng)在第一和第二方向上分別施加讀取磁場(chǎng)54時(shí)，第一和第二感測(cè)磁化211、212變?yōu)榛就瑫r(shí)地并且基本在相同的第一和第二方向上被調(diào)整。通過經(jīng)由電流線4在磁隧道結(jié)2中傳遞感測(cè)電流32，能夠執(zhí)行對(duì)第一和第二結(jié)電阻值RpR2的測(cè)量。
MRAM元件I被進(jìn)一步配置使得磁隧道結(jié)2的第一部分2’具有第一電阻面積乘積RA1,該第一電阻面積乘積RA1與磁隧道結(jié)2的第二部分2，，的第二電阻面積乘積RA2基本相等。由于在寫入操作期間，在基本平行于第二存儲(chǔ)磁化232的方向上轉(zhuǎn)換第一存儲(chǔ)磁化231，所以MRAM元件I的磁阻比率MR通過寫入操作而保持基本不變。在此，磁阻比率MR被定義為:
MR = (R2-R1) /R1 (等式 I)
其中R1是當(dāng)基本平行于第一和第二存儲(chǔ)磁化231、232調(diào)整第一和第二感測(cè)磁化211,212時(shí)測(cè)量的磁隧道結(jié)2的低電阻，以及R2是當(dāng)基本反平行于第一和第二存儲(chǔ)磁化231,232調(diào)整第一和第二感測(cè)磁化211、212時(shí)測(cè)量的磁隧道結(jié)2的高電阻。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二隧道勢(shì)壘層25、26包括Al2O3或MgO。第一和第二隧道勢(shì)壘層25、26可以具有基本相同的厚度。第一和第二感測(cè)層21、22也可以具有基本相同的厚度。
參考數(shù)字
I磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元
2磁隧道結(jié)
2’第一部分
2”第二部分
20反鐵磁層
21第一感測(cè)層
22第二感測(cè)層
23第一存儲(chǔ)層
24第二存儲(chǔ)層
25第一隧道勢(shì)壘層
26第二隧道勢(shì)壘層
211第一自由磁化
212第二自由磁化
231第一鐵磁層
232第二鐵磁層
24第一反鐵磁層
31加熱電流
32讀取電流
4電流線
5 場(chǎng)線
51寫入電流
52寫入磁場(chǎng)
53讀取場(chǎng)電流
54讀取磁場(chǎng)
60第一局部雜散磁場(chǎng)
61第二局部雜散磁場(chǎng)
MR磁阻比率
R1低電阻
R2高電阻
RA1第一電阻面積乘積
RA2第二電阻面積乘積
權(quán)利要求
1.適合于熱輔助的寫入操作以及適合于自引用的讀取操作并具有磁阻比率的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)元件，所述MRAM元件包括磁隧道結(jié)部分，所述磁隧道結(jié)部分具有第一部分和第二部分，所述第一部分包括: 第一存儲(chǔ)層，其具有第一存儲(chǔ)磁化； 第一感測(cè)層，其具有第一自由磁化；以及 在所述第一存儲(chǔ)層和所述第一感測(cè)層之間的第一隧道勢(shì)壘層； 所述第二部分包括: 第二存儲(chǔ)層，其具有第二存儲(chǔ)磁化； 第二感測(cè)層，其具有第二自由磁化；以及 在所述第二存儲(chǔ)層和所述第二感測(cè)層之間的第二隧道勢(shì)壘層； 所述磁隧道結(jié)部分還包括反鐵磁層，所述反鐵磁層被包括在第一和第二存儲(chǔ)層之間并且在低溫閾值處釘扎第一和第二存儲(chǔ)磁化，并且在高溫閾值處使第一和第二存儲(chǔ)磁化自由； 其中在寫入操作期間，當(dāng)寫入磁場(chǎng)被施加時(shí)，第一和第二自由磁化根據(jù)寫入磁場(chǎng)的方向是磁性上可飽和的；以及 在與飽和的第一和第二自由磁化的方向基本平行并且對(duì)應(yīng)的方向上，第一和第二存儲(chǔ)磁化是可轉(zhuǎn)換的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的MRAM元件，所述MRAM元件被進(jìn)一步配置使得在讀取操作期間，基本同時(shí)地并且在基本平行的方向上調(diào)整所述第一和第二自由磁化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的MRAM元件，所述MRAM元件被進(jìn)一步配置使得第一磁隧道結(jié)部分具有第一電阻面積乘積，所述第一電阻面積乘積與第二磁隧道結(jié)部分的第二電阻面積乘積基本相等，使得在寫入操作期間，MRAM元件的磁阻比率保持基本不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的MRAM元件，其中所述第一和第二隧道勢(shì)壘層包括Al2O3或MgO。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的MRAM元件，其中所述第一和第二隧道勢(shì)壘層具有基本相同的厚度。
6.一種用于對(duì)MR AM元件寫入的方法，所述MRAM元件具有磁阻比率并且包括磁隧道結(jié)部分，所述磁隧道結(jié)部分具有第一部分和第二部分，所述第一部分包括:具有第一存儲(chǔ)磁化的第一存儲(chǔ)層、具有第一自由磁化的第一感測(cè)層、以及在所述第一存儲(chǔ)層和所述第一感測(cè)層之間的第一隧道勢(shì)壘層，所述第二部分包括:具有第二存儲(chǔ)磁化的第二存儲(chǔ)層、具有第二自由磁化的第二感測(cè)層、以及在所述第二存儲(chǔ)層和所述第二感測(cè)層之間的第二隧道勢(shì)壘層； 所述磁隧道結(jié)部分還包括反鐵磁層，所述反鐵磁層被包括在第一和第二存儲(chǔ)層之間并且在低溫閾值處釘扎第一和第二存儲(chǔ)磁化，并且在高溫閾值處使第一和第二存儲(chǔ)磁化自由； 其中在寫入操作期間，當(dāng)寫入磁場(chǎng)被施加時(shí)，第一和第二自由磁化根據(jù)寫入磁場(chǎng)的方向是磁性上可飽和的；以及 在與飽和的第一和第二自由磁化的方向基本平行并且對(duì)應(yīng)的方向上，第一和第二存儲(chǔ)磁化是可轉(zhuǎn)換的；所述方法包括: 在高溫閾值處加熱MRAM元件；轉(zhuǎn)換第一和第二存儲(chǔ)磁化；以及 在低溫閾值處冷卻MRAM元件，以便在第一和第二存儲(chǔ)磁化的被寫入狀態(tài)中凍結(jié)第一和第二存儲(chǔ)磁化； 所述轉(zhuǎn)換包括施加寫入磁場(chǎng)，以便根據(jù)寫入磁場(chǎng)的方向使第一和第二自由磁化在磁性上飽和；以及 所述第一和第二存儲(chǔ)磁化在彼此基本平行的方向上基本上同時(shí)被轉(zhuǎn)換。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的用于寫入的方法，其中MRAM元件還包括與所述第一和第二磁隧道結(jié)部分連通的場(chǎng)線，并且其中 借助通過經(jīng)由所述場(chǎng)線傳遞場(chǎng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來執(zhí)行所述對(duì)第一和第二存儲(chǔ)磁化的轉(zhuǎn)換。
8.一種用于讀取MRAM的方法，所述MRAM元件具有磁阻比率并且包括磁隧道結(jié)部分，所述磁隧道結(jié)部分具有第一部分和第二部分，所述第一部分包括:具有第一存儲(chǔ)磁化的第一存儲(chǔ)層、具有第一自由磁化的第一感測(cè)層、以及在所述第一存儲(chǔ)層和所述第一感測(cè)層之間的第一隧道勢(shì)壘層，所述第二部分包括:具有第二存儲(chǔ)磁化的第二存儲(chǔ)層、具有第二自由磁化的第二感測(cè)層、以及在所述第二存儲(chǔ)層和所述第二感測(cè)層之間的第二隧道勢(shì)壘層； 所述磁隧道結(jié)部分還包括反鐵磁層，所述反鐵磁層被包括在第一和第二存儲(chǔ)層之間并且在低溫閾值處釘扎第一和第二存儲(chǔ)磁化，并且在高溫閾值處使第一和第二存儲(chǔ)磁化自由； 其中在寫入操作期間，當(dāng)寫入磁場(chǎng)被施加時(shí)，第一和第二自由磁化根據(jù)寫入磁場(chǎng)的方向是磁性上可飽和的；以及 在與飽和的第一和第二自由磁化的方向基本平行并且對(duì)應(yīng)的方向上，第一和第二存儲(chǔ)磁化是可轉(zhuǎn)換的；所述方法包括: 在第一讀取方向上調(diào)整第一和第二自由磁化； 測(cè)量第一結(jié)電阻值； 在第二讀取方向上調(diào)整第一和第二自由磁化；以及 測(cè)量第二結(jié)電阻值， 其中同時(shí)執(zhí)行所述對(duì)第一和第二自由磁化的調(diào)整。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的用于讀取的方法，其中MRAM元件還包括與所述第一和第二磁隧道結(jié)部分連通的場(chǎng)線，并且 所述在第一讀取方向上和在第二方向上對(duì)所述第一和第二自由磁化的調(diào)整包括:通過在所述場(chǎng)線中傳遞讀取電流來施加讀取磁場(chǎng)，所述讀取磁場(chǎng)分別具有第一方向和與所述第一方向相反的第二方向。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有優(yōu)化可靠性的自引用MRAM。適合于熱輔助的寫入操作以及適合于自引用的讀取操作的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)元件，所述MRAM元件包括磁隧道結(jié)部分，所述磁隧道結(jié)部分具有第一部分和第二部分，每一個(gè)部分包括存儲(chǔ)層、感測(cè)層以及隧道勢(shì)壘層；所述磁隧道結(jié)還包括在兩個(gè)存儲(chǔ)層之間的反鐵磁層并且在臨界溫度以下釘扎存儲(chǔ)層的每一個(gè)的存儲(chǔ)磁化，并且在臨界溫度處以及在臨界溫度以上使它們自由；使得在寫入操作期間，當(dāng)寫入磁場(chǎng)被施加時(shí)，感測(cè)層的每一個(gè)的自由磁化根據(jù)寫入磁場(chǎng)的方向是磁性上可飽和的；以及在與飽和的自由磁化的方向基本平行并且對(duì)應(yīng)的方向上，存儲(chǔ)磁化是可轉(zhuǎn)換的。
文檔編號(hào)H01L43/08GK103137856SQ20121053371
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者I·L·普雷杰比努 申請(qǐng)人:克羅科斯科技公司