專利名稱：磁存儲器單元以及寫入數(shù)據(jù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)存儲，具體而言，涉及數(shù)據(jù)存儲裝置及其使用技術(shù)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體裝置例如磁隨M取存儲器(MRAM)裝置使用磁存儲器單元 存儲信息。在磁存儲器單元中將信息存儲為與磁存儲器單元中的固定(例 如參考)層的磁化的取向相比較的磁存儲器單元中的自由層的磁化的取向。 可以相對于固定層平行或反平行地取向自由層的磁化,代表邏輯"l"或邏輯 "0"?？梢酝ㄟ^指向左或右的箭頭表示給定(固定或自由)層的磁化的取向。 當(dāng)磁存儲器單元位于零施加的磁場中時，磁存儲器單元的磁化是穩(wěn)定的， 指向左或右。磁場的施加可以將自由層的磁化從左切換到右，反之亦然， 以向磁存儲器單元寫入信息。
MRAM的目的之一為具有低的工作功率和小的面積。因為低切換場 使用低切換電流，該低切換電流使用較少的功率，并且因為較小的電流需 要較小的開關(guān)，該較小的開關(guān)占據(jù)較小的空間，所以對于磁存儲器單元該 目的需要低切換場。然而，隨著磁存儲器單元的面積日益變小，即由于磁 存儲器單元的面積按比例縮小以在允許相同的面積中設(shè)置更多的磁存儲器 單元的事實而被稱為"按比例縮小，，的工藝，切換場實際上增大了.
授權(quán)給Savtchenko等人的名稱為"Method of Writing to Scalable Magnetoresistance Random Access Memory Element" 的美國專利 No.6，545，卯6 (下文中稱為"Savtchenko")描述了用于MRAM裝置中的開 關(guān)(toggle)自由層。在Savtchenko之前，MRAM裝置采用單一自由層 設(shè)計。然而，這兩種方法都容易發(fā)生與上述的按比例縮小相關(guān)聯(lián)的問題。
即，當(dāng)按比例縮小磁存儲器單元的尺寸時，需要增大的量的功率以切換磁
存儲器單元。例如，切換150納米(nm)的開關(guān)磁存儲器單元需要80奧 斯特(Oe)之多。
因此，希望的是具有減小的切換場的可按比例縮小的磁存儲器裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于減小磁存儲裝置中的切換場的技術(shù)。在本發(fā)明的一個 方面中，提供一種磁存儲器單元。所i^存儲器單元包括至少一個固定磁 性層和多個自由磁性層，所述多個自由磁性層通過至少一個勢壘層與所述 至少一個固定磁性層分隔。所述自由磁性層包括與所述勢壘層鄰接的第一 自由磁性層、通過至少一個隔離物層與所述第一自由磁性層分隔的第二自 由磁性層，以及通過至少一個反平行耦合層與所述第二自由磁性層分隔的 第三自由磁性層。所述第一 自由磁性層的磁矩比所述第二自由磁性層的磁 矩和所述第三自由磁性層的磁矩都大。
在本發(fā)明的另一方面中，提供一種磁隨M取存儲器(MRAM)裝置。 所述MRAM裝置包括垂直于多個位線取向的多個字線以及在所述字線與 位線之間配置成陣列的多個磁存儲器單元。所述多個>^存儲器單元中的至 少一個包括至少一個固定磁性層和多個自由磁性層，所述多個自由磁性層 通過至少一個勢壘層與所述至少一個固定磁性層分隔。所述自由磁性層包 括與所述勢壘層鄰接的第一自由磁性層、通過至少一個隔離物層與所述第 一自由磁性層分隔的第二自由磁性層，以及通過至少一個反平行耦合層與 所述第二自由磁性層分隔的第三自由磁性層.所述第一 自由磁性層的磁矩 比所述第二自由磁性層的磁矩和所述第三自由磁性層的磁矩都大。
在本發(fā)明的又一方面中， 一種向MRAM裝置寫入數(shù)據(jù)的方法包括下 面的步驟，所述MRAM裝置具有垂直于多個位線取向的多個字線以及在 所述字線與位線之間配置成陣列的多個磁存儲器單元。向所述字線中的給 定的一條提供字線電流，以選擇所有沿著所述給定的字線的所ii^存儲器 單元。所述選擇的磁存儲器單元中的至少 一個包括至少 一個固定磁性層和
多個自由磁性層，所述多個自由磁性層通過至少一個勢壘層與所述至少一 個固定磁性層分隔。所述自由磁性層包括與所述勢壘層鄰接的第一自由磁 性層、通過至少一個隔離物層與所述第一 自由磁性層分隔的第二自由磁性 層，以及通過至少一個反平行耦合層與所述第二自由磁性層分隔的第三自 由磁性層。所述第一 自由磁性層的磁矩比所述第二自由磁性層的磁矩和所 述第三自由磁性層的磁矩都大。向?qū)?yīng)于所述選擇的磁存儲器單元的所述 位線中的每一條提供位線電流。去除所述字線電流。去除所述位線電流。
在本發(fā)明的再一實施例中，提供一種磁存儲器單元。所i^存儲器單 元包括至少一個固定磁性層和多個自由磁性層，所述多個自由磁性層通過 至少一個勢壘層與所述至少一個固定磁性層分隔。所述自由磁性層包括與 所述勢壘層鄰接的第一自由磁性層、通過至少一個第一平行耦合層與所述 第一 自由磁性層分隔的第二自由磁性層，以及通過至少一個第二平行耦合 層與所述第二自由磁性層分隔的第三自由磁性層。所述第二自由磁性層的 磁矩比所述第一 自由磁性層的磁矩和所述第三自由磁性層的磁矩都大。
通過參考下列詳細(xì)的說明和附圖，將可以更完全地理解本發(fā)明以;M^ 發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點。


圖1是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性磁存儲器單元的圖； 圖2是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例的示例性磁存儲器單元陣列的圖； 圖3A-B是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例在零施加磁場中圖1的示例性 磁存儲器單元的穩(wěn)定磁狀態(tài)的自頂向下視圖的圖4是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例的另 一示例性磁存儲器單元的圖； 圖5A-B是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例在零施加磁場中圖4的示例性 磁存儲器單元的穩(wěn)定磁狀態(tài)的自頂向下視圖的圖6是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例用于向磁存儲器單元陣列寫入數(shù)據(jù) 的示例性方法的圖7A-B是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例用于向單個磁存儲器單元寫入
數(shù)據(jù)的電流脈沖序列的圖8是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁存儲器單元的示例性臨界切換 曲線的圖9A-D是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例的磁存儲器單元的磁性層中的 磁矩旋轉(zhuǎn)的圖10A-B是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例當(dāng)沿著易軸方向施加場時磁存 儲器單元的磁矩旋轉(zhuǎn)的圖；以及
圖11A-B是示例了根據(jù)本發(fā)明的實施例當(dāng)沿著難軸方向施加場時磁存 儲器單元的磁矩旋轉(zhuǎn)的圖。
具體實施例方式
圖1為示例了示例性存儲器單元100的圖。磁存儲器單元100包括在 固定層104上淀積的隧道勢壘106以及在隧道勢壘106上淀積的自由層 102。
根據(jù)圖1中示出的示例性實施例，可以將磁存儲器單元100配置即構(gòu) 圖為具有當(dāng)從自頂向下視圖126觀察時為圓形的(或橢圓的)形狀。并且 參見下面描述的圖3A-B中具有圓形形狀的磁存儲器100的自頂向下繪圖。 然而，應(yīng)該理解，才艮據(jù)本軟導(dǎo)可以采用任何其它可構(gòu)圖的形狀和/或配置。 如下面將詳細(xì)描述的，磁存儲器單元100可以與磁隨機存取存儲器 (MRAM)裝置一起使用。
如圖1中所示，自由層102為多層結(jié)構(gòu)。即，自由層102包括與隧道 勢壘106鄰接的磁性層108。在磁性層108的與隧道勢壘106相對的一側(cè) 淀積隔離物層114。在隔離物層114的與磁性層108相對的一側(cè)淀積磁性 層112。在磁性層112的與隔離物層114相對的一側(cè)淀積反平行耦合(AP 耦合)層110。最后，在AP耦合層110的與磁性層112相對的一側(cè)淀積 磁性層116。
磁性層108、 112和116中的每一者可以包括任何適宜的鐵磁性材料， 該鐵磁性材料包括但不限于鎳/鐵合金(NiFe合金)以及包含Ni、 Fe、鈷
(Co)和稀土元素中的一者或多者的合金中的一者或多者。此外，磁性層 層108、 112和116中的任何一者可以具有與其它磁性層108、 112和116 中的任何一者相同或不同的成分。例如，根據(jù)一個示例性實施例，所有三 個磁性層108、 112和116包括相同的NiFe合金。
磁性層108、 112和116中的每一者具有與其相關(guān)聯(lián)的磁矩p，其中# 等于層的磁化強度ilf,、層的厚度r以及層的面積^的乘積，即
;*=風(fēng).7\4 (1)
如下面將描述的，p指向特定的方向，即磁化的方向，磁性層108、 112和 116分別具有與其相關(guān)聯(lián)的磁矩/t;、 ^和&。根據(jù)本教導(dǎo)，^比j^和^ 都大，即~>/t2且/t7>~。此外，根據(jù)一個示例性實施例，#2等于^，即
如上所述，當(dāng)將磁性層108、 112和116配置為具有圓形的形狀時，可 以假定磁性層108、 112和116中的每一者占據(jù)相同的面積，即磁性層108、 112和116分別具有與其相關(guān)聯(lián)的面積J7、 /42和A3，其中J尸/^-y^。此 外，如上所述，當(dāng)磁性層108、 112和116具有相同的成分時，可以假定磁 性層108、 112和116中的每一者具有相同的磁化強度，即磁性層108、 112 和116分別具有與其相關(guān)聯(lián)的磁化強度Afw、Af^和Mw，其中風(fēng)產(chǎn)M^-A。。 因此，當(dāng)應(yīng)用以上務(wù)ff時，即當(dāng)磁性層108、 112和116為圓形的并且每一 層具有相同的成分時，T是在層之間的/t差異中的唯一變量。根據(jù)該示例 性實施例，磁性層108適于具有比磁性層112或磁性層116大的厚度，即 磁性層108、 112和116分別地具有與其相關(guān)聯(lián)的厚度7V r2和7^，其中 7>7^2且r;>r3。參見例如圖1。此外，根據(jù)一個示例性實施例，磁性層
112具有與磁性層U6相同的厚度，即r2=rj.
磁性層108和112通過隔離物層114分隔。隔離物層114引起磁性層 108與112之間的零耦合。根據(jù)示例性實施例，隔離物層114包括氮化鉭 (TaN) 、 Ta、鈦(Ti)、鎢(W)和鈮(Nb)中的一者或多者。如果可 將層的厚度調(diào)整為提供零耦合，則還可以使用可以提供零耦合的材料例如 釕(Ru) D
磁性層112和116通過AP耦合層110分隔。AP耦合層110引起磁性 層112與磁性層116之間的反平行磁耦合。根據(jù)示例性實施例，AP耦合 層110包括Ru、鋨(Os)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、銠(Rh)、 錸(Re)和銥(Ir)中的一者或多者.
如上所述，隧道勢壘106使自由層102與固定層104分隔。隧道勢壘 106包括任何適宜的隧道勢壘材料，該隧道勢壘材料包括但不限于氧化鋁 (AlOx)和氧化鎂(MgO)中的一者或多者。
如圖1中所示，固定層104也可以為多層結(jié)構(gòu)。即固定層104包括鄰 接隧道勢壘106并通過AP耦合層122與磁性層120分隔的磁性層118。 反鐵磁性(AF)層124鄰接磁性層120的與AP耦合層122相對的一側(cè)。
磁性層118和120中的每一者可以包括任何適宜的鐵磁性材料，該鐵 磁性材料包括但不限于包含Ni、 Fe或Co的合金的一者或多者，并具有與 磁性層118和120中的另一者相同或不同的成分。AP耦合層122引起磁 性層118與120之間的反平朽"磁耦合，并可以包括Ru、 Os、 Cu、 Cr、 Mo、 Rh、 Re和Ir中的一者或多者。
AF層124用于釘扎(pin)磁性層118和120的磁化方向。AF層124 可以包括金屬M，該金屬合金包括但不限于鉑/錳合金(PtMii)和銥/錳 合金(IrMn)的一者或多者。
雖然圖1將磁存儲器單元100示出為具有在固定層104的頂上淀積的 隧道勢壘106和在隧道勢壘106的頂上淀積的自由層102，但該配置僅是 示例性的，可以采用其它的配置。僅通過實例，只要具有最大的磁矩的自 由磁性層(例如磁性層108)鄰接隧道勢壘106,可以以與圖1中示出的順 序相反的順序淀積層，即在自由層102的頂上淀積隧道勢壘106以及在隧 道勢壘106的頂上淀積固定層104。
圖2為示例了示例性磁存儲器單元陣列200的圖，可以采用磁存儲器 單元陣列200作為MRAM裝置.
磁存儲器單元陣列200包括在多個磁存儲器單元100之上和之下彼此 垂直延伸的位線202和字線204。圖2中示出的磁存儲器單元陣列200的
配置僅是示例性的，其它的配置也是可能的。僅通過實例，可以將磁存儲
器單元陣列200配置為具有在>^存儲器單元100之下延伸的位線202和在 磁存儲器單元100之上延伸的字線204。
下面將詳細(xì)地描述向磁存儲器單元陣列200寫入數(shù)據(jù)的方法。然而， 通常，每條字線204沿著每個磁存儲器單元100的y軸施加磁場Fw。w，而 每條位線202沿著每個磁存儲器單元100的x軸施加磁場好m。 y軸包括每 個磁存儲器單元100的難切換軸，而x軸包括每個^^存儲器單元100的易 切換軸。
圖3A-B為示例了在零施加磁場中示例性磁存儲器單元100的穩(wěn)定磁 狀態(tài)的自頂向下視圖的圖。箭頭302、 304和306分別代表磁性層108、 112 和116的磁矩//7、 因為如上所述/1,>/12且///>~，對于箭頭302
使用比箭頭304和306粗的箭頭。根據(jù)本教導(dǎo)，至少磁性層108將具有沿 x軸方向(即沿易切換軸)設(shè)定的內(nèi)在各向異性。此夕卜，根據(jù)^>/(2且/17>~ 的事實，〃/將沿著磁性層108的內(nèi)在各向異性軸指向。因此，當(dāng)在零施加 磁場中，對于磁存儲器單元100，存在兩種穩(wěn)定磁狀態(tài)。笫一穩(wěn)定磁狀態(tài) 是當(dāng)/ir沿正x軸方向指向時的狀態(tài)。參見例如圖3A,其中箭頭302指向 右。第二穩(wěn)定磁狀態(tài)是當(dāng)^沿負(fù)x軸方向指向時的狀態(tài)。參見例如圖3B， 其中箭頭302指向左。
來自每個磁性層108、 112和116的偶極場使得〃7、 〃2和^以三角形 的形式展開。參見圖3A-B，其中箭頭302、 304和306以三角形的形^ 開。
如圖3A中所示，當(dāng)箭頭302 指向右時，箭頭304 (〃2)指向左 下并且箭頭306(〃j)指向左上。類似地，如圖3B中所示，當(dāng)箭頭302(//7) 指向左時，箭頭304 (^)指向右上并且箭頭306 (^)指向右下。
注意，在圖3A和3B的兩種穩(wěn)定磁狀態(tài)下，^或^中的哪一個分別 地指向左/右上/下是無關(guān)緊要的。例如，如果在圖3B中示出的配置中箭頭 304 (^)指向右下而不是右上并且箭頭306 (//J指向右上而不是右下時， 磁存儲器單元100的操作不會改變。
圖4為示例了示例性磁存儲器單元400的圖。磁存儲器單元400包括 在固定層404上淀積的隧道勢壘406以及在隧道勢壘406上淀積的自由層 402。
自由層402為多層結(jié)構(gòu)。即自由層402包括三個磁性層408、 412和 416，每個磁性層可以包括鐵磁性材料，該鐵磁性材料包括但不限于NiFe 合金以及包含M、 Fe、 Co和稀土元素中的一者或多者的合金中的一者或 多者。此外，磁性層408、 412和416中的任何一者可以具有與其它磁性層 408、 412和416中的任何一者相同或不同的成分。
磁性層412通過P耦合層410和414分別地與磁性層408和416分隔 并平行地耦合(P耦合)。P耦合層410和414中的每一者可以包括任何 適宜的P耦合材料，該P耦合材料包括但不限于Ru、 Os、 Cu、 Cr、 Mo、 Rh、 Re和Ir中的一者或多者，并可以具有彼此相同或不同的成分。
磁性層408、 412和416中的每一者具有與其相關(guān)聯(lián)的磁矩;t?？梢愿?據(jù)上面的公式1計算/*的值。磁性層408、 412和416分別具有與其相關(guān) 聯(lián)的磁矩^4、 /t5和^j。才艮據(jù)>^導(dǎo)，/*5》匕/44和/^大，艮卩/*5>/*4且/t5〉it《。 此外，根據(jù)一個示例性實施例， 等于^，即/t產(chǎn)/^。如上面詳細(xì)的描述， 如果磁性層408、412和416占據(jù)相同的面積J并具有相同的磁化強度3/s， 那么r是在磁性層之間的磁矩/t差異中的唯一變量。圖4中示出了這樣的 情況，其中磁性層412示出為具有比磁性層408和416的任何一者都大的 厚度。
固定層404為多層結(jié)構(gòu)。即固定層404包括鄰接隧道勢壘406并通過 AP耦合層422與磁性層420分隔的磁性層418。 AF層424鄰接磁性層420 的與AP耦合層422相對的一側(cè)。磁性層418和420可以具有彼此相同或 不同的成分，并可以包括任何適宜的鐵磁性材料，該鐵磁性材料包括但不 限于NiFe合金以及包含Ni、 Fe、 Co和稀土元素中的一者或多者的合金中 的一者或多者。AP耦合層422引起磁性層418與420之間的反平行磁耦 合，并可以包括Ru、 Os、 Cu、 Cr、 Mo、 Rh、 Re和Ir中的一者或多者。
AF層424用于釘4Ut性層418和420的磁化方向.AF層424可以包
括金屬合金，該金屬合金包括但不限于PtMn合金和IrMn合金中的一者 或多者。
可以在磁存儲器單元陣列中使用多個磁存儲器單元400。例如，可以 在結(jié)合對上面的圖2的說明所描述的磁存儲器單元陣列200中使用多個磁 存儲器單元400，替代磁存儲器單元IOO。
圖5A-B為示例了在零施加磁場中示例性磁存儲器單元400的穩(wěn)定磁 狀態(tài)的自頂向下視圖的圖。箭頭502、 504和506分別代表磁性層408、 412 和416的磁矩^、 ；t5和^。因為如上所述/t一/^且/i5〉^，對于箭頭504 使用比箭頭502和506粗的箭頭。根據(jù)本教導(dǎo)，至少一個磁性層412將具 有沿x軸方向(即沿易切換軸)設(shè)定的內(nèi)在各向異性。此外，根據(jù)/*5>~且 #5>~的事實，^將沿著磁性層412的內(nèi)在各向異性軸指向。因此，在零施 加磁場中，對于磁存儲器單元400，存在兩種穩(wěn)定磁狀態(tài)。第一穩(wěn)定磁狀 態(tài)是當(dāng)^沿正x軸方向指向時的狀態(tài)。參加例如圖5A，其中箭頭504指 向右。第二穩(wěn)定磁狀態(tài)是當(dāng)/*5沿負(fù)x軸方向指向時的狀態(tài)。參見例如圖 5B，其中箭頭504指向左。
如圖5A中所示，當(dāng)箭頭504 (/*5)指向右時，箭頭502 (^)指向左 下并且箭頭506(^)指向左上。類似地，如圖5B中所示，當(dāng)箭頭504(|*5) 指向左時，箭頭502 ( )指向右上并且箭頭506 (~)指向右下。如上面 所解釋的，在圖5A-B中， 或/^中的哪一個分別地指向左/右上/下是無 關(guān)緊要的。
圖6為示例了向磁存儲器單元陣列例如結(jié)合對上面的圖2的說明所描
述的磁存儲器單元陣列200寫入數(shù)據(jù)的示例性方法600的圖，該磁存儲器
單元陣列具有垂直于多個位線取向的多個字線以及其間的多個磁存儲器單
元(例如上述的磁存儲器單元100或磁存儲器單元400)。如上所述，在
陣列中的每個磁存儲器單元中，具有最大磁矩的自由磁性層具有沿著x 軸方向指向并由此與通過位線施加的場的方向?qū)?zhǔn)的內(nèi)在各向異性。
在步驟602中，電流沿著字線中的給定的一條通過(字線電流)，由 此選擇在該給定的字線上的所有磁存儲器單元(即字線電流使磁存儲器單
元失穩(wěn)，這可以基本上刪除所有早先存在的數(shù)據(jù)并使磁存儲器單元較容易 寫入)。即，在該給定的字線上的所有磁存儲器單元被選擇，以在同時一
起被寫入。根據(jù)一個示例性實施例，對于每條字線存在128個磁存儲器單 元。
在步驟604中，通過經(jīng)過每一條對應(yīng)的位線發(fā)送小電流(位線電流)， 在上述步驟602中選擇的磁存儲器單元中的每一個被寫入。例如，如果在 上述步驟602中選擇128個磁存儲器單元，那么經(jīng)過128條對應(yīng)的位線中 的每一條發(fā)送位線電流，以向該128個磁存儲器單元寫入數(shù)據(jù)。
位線電流可以為正電流或負(fù)電流。正電流將向?qū)?yīng)的>^存儲器單元寫 入邏輯"1",而負(fù)電流將向?qū)?yīng)的磁存儲器單元寫入邏輯"0"。
在步驟606中，去除字線電流。在步驟608中，去除位線電流。結(jié)果， 數(shù)據(jù)(即邏輯"1"或邏輯"0")被寫入在上述步驟602中所選擇的磁存 儲器單元中的每一個。
圖7A-B為表示用于向單個磁存儲器單元寫入數(shù)據(jù)的電流脈沖序列的 圖。具體而言，圖7A示例了用于向磁存儲器單元寫入邏輯"0"的電流脈 沖序列，以及圖7B示例了用于向磁存儲器單元寫入邏輯"1"的電流脈沖 序列。圖7A和7B中的箭頭代表電流脈沖。
參考圖7A，序列以處于零施加磁場中的磁存儲器單元開始。如結(jié)合對 上面的圖6的iJL明所描述的，首先對字線施加電流，即開啟字線。在該情 況下，接著對位線施加負(fù)電流，即開啟位線。然后去除字線的電流，即關(guān) 斷字線，隨后去除位線的電流，即關(guān)斷位線。結(jié)果，邏輯"0"被寫入磁存 儲器單元。
參考圖7B，序列以處于零施加磁場中的磁存儲器單元開始。首先開啟 字線，隨后開啟位線。然而，在該情況下，對位線施加正電流。然后關(guān)斷 字線，隨后關(guān)斷位線。結(jié)果，邏輯"1"被寫入磁存儲器單元。
圖8是示例了磁存儲器單元100的臨界切換曲線800的圖。i^,和 的值用奧斯特(Oe)表示。切換曲線800與普通的Stoner-Wohlfarth星形 線類似。
對于在曲線800內(nèi)部的磁場，磁存儲器單元100是穩(wěn)定的。對于在曲 線800外部的磁場，磁存儲器單元100可以被寫入。
對于磁存儲器單元100，通過單疇(single domain)模型使用下列參 數(shù)計算切換曲線800。磁性層108具有六納米(nm)的厚度；磁性層112 具有五nm的厚度；以及磁性層116具有五nm的厚度。磁性層108、 112 和116中的每一者具有等于1，500電磁單位/立方厘米(emu/cc)的Af,、 25 Oe的內(nèi)在各向異性歷以及150nm的直徑。磁性層112與116之間的交 換耦合/等于-0.05爾格/平方厘米(erg/cm2)，其中負(fù)的/值表示AP耦 合。
由切換曲線800可注意到，寫入磁存儲器單元100分別需要的位線和 字線場例如好w,和i7旨d非常小，例如對于字線小于50Oe (如上所述，對 于每字線可以分布在128個>^存儲器單元內(nèi))，并且對于位線小于10 Oe。 因此，對于每位線具有128個磁存儲器單元的示例性陣列，對于每個磁存 儲器單元總場強為10+50/128 ~ 10 Oe,
通過比較，為了開關(guān)切換裝置，例如在Savtchenko中所描述的，需要 Hw尸好，^80Oe。因此，對于每個開關(guān)切換裝置，總場強為80+80/128=81 Oe。所以，磁存儲器單元100使用比典型的開關(guān)切換裝置小八倍的功率。
磁存儲器單元100的另一重要特征為當(dāng)仏。w為零時，需要非常大的位 線場以切換磁存儲器單元100。例如，參見切換曲線800，其中當(dāng)試，"為 零時需要大于300 Oe的^W以切換磁存儲器單元100。因此，在半選樹half select)下磁存儲器單元100非常穩(wěn)定。如上所述，只有當(dāng)選擇字線時，才 易于用小的位線場寫入磁存儲器單元100。
圖9A-D是示例了磁存儲器單元100的磁性層108、 112和116中的磁 矩旋轉(zhuǎn)的圖。具體而言，在圖9A和9B中，示出了當(dāng)磁存儲器單元100始 于"0"邏輯狀態(tài)并分別地寫入邏輯"0"或邏輯"1"時，分別在磁性層 108、 112和116中的磁矩^、 /*2和~的旋轉(zhuǎn)。在圖9C和9D中，示出了 當(dāng)>^存儲器單元100始于"1"邏輯狀態(tài)并分別地寫入邏輯"0"或邏輯"1" 時，分別在磁性層108、 112和116中的磁矩j 7、 /*2和的旋轉(zhuǎn)。在圖9A-D
的每一個中，將對應(yīng)于磁性層108的^示出為以黑色圓圏終止的線， 將對應(yīng)于磁性層112的^示出為以灰色圓圏終止的線，將對應(yīng)于磁 性層116的/tj示出為以白色圓圏"〇"終止的線。使用圓圏以易于示出和 識別對應(yīng)的磁性層的每個磁矩。然而，應(yīng)該理解，每個圓圏可以用箭頭代 替，例如與上述圖3A-B中一樣，其中分別通過箭頭302、 304和306表示 /*7、 #2和~。
使用與上述切換曲線800中的相同的參數(shù)值，用單疇理論計算圖9A-D 中示出的所有的圖。即，磁性層108具有六nm的厚度；磁性層112具有 五nm的厚度；以及磁性層116具有五nm的厚度。磁性層108、 112和116 中的每一者具有等于1,500 emu/cc的3/s、 25 Oe的雙.以及150nm的直徑。 最終，磁性層112與116之間的交換耦合/等于-0.05 erg/cm2，其中負(fù)的/ 值表示AP耦合。
在圖9A中，如上所述，磁存儲器單元100始于"0"邏輯狀態(tài)，并寫 入邏輯"0"。根據(jù)該示例性實施例，/^起初在零施加磁場中指向左。如 上所述，當(dāng)/t7在零施加磁場中指向左時，磁存儲器單元100寄存邏輯"0"。 從零施加磁場的點開始，接著發(fā)生電流脈沖序列。
首先，施加50Oe的字線場。當(dāng)施加字線場時，/*7旋轉(zhuǎn)，直至沿著難 軸方向指向。然后施加小的負(fù)位線場。該負(fù)位線場使^稍向左旋轉(zhuǎn)。然后
當(dāng)減小字線場時，負(fù)位線場保持使^偏向左，從而當(dāng)好，rf重新減小到零 時，^指向左。當(dāng)將位線場減小到零時，^保持指向左。
在圖9B中，如上所述，磁存儲器單元100始于"0"邏輯狀態(tài)，并寫 入邏輯"1"。根據(jù)該示例性實施例，/t7起初在零施加磁場中指向左。如 上所述，當(dāng)/t/在零施加磁場的中指向左時，磁存儲器單元100寄存邏輯"0"。 與上面的一樣，^:施加磁場的點開始，接著發(fā)生電流脈沖序列。
首先，施加50Oe的字線場。當(dāng)施加字線場時，/*7旋轉(zhuǎn)，直至沿著難 軸方向指向。然后施加小的正位線場。該正位線場使^稍向右旋轉(zhuǎn)。然后
當(dāng)減小字線場時，正位線場保持使^偏向右，從而當(dāng)iy旨d重新減小到零 時，/*7指向右.當(dāng)將位線場減小到零時，/^保持指向右。
在圖9C中，如上所述，磁存儲器單元100始于"1"邏輯狀態(tài)，并寫 入邏輯"0"。才艮據(jù)該示例性實施例，^起初在零施加磁場中指向右。如 上所述，當(dāng)^在零施加磁場中指向右時，磁存儲器單元100寄存邏輯"1"。 與上面的一樣，^J家施加磁場的點開始，接著發(fā)生電流脈沖序列。
首先，施加50Oe的字線場。當(dāng)施加字線場時，^旋轉(zhuǎn)，直至沿著難 軸方向指向。然后施加小的負(fù)位線場。該負(fù)位線場使^稍向左旋轉(zhuǎn)。然后 當(dāng)減小字線場時，負(fù)位線場保持使/^偏向左，從而當(dāng)好，rf重新減小到零 時，)^指向左。當(dāng)將位線場減小到零時，^保持指向左。
在圖9D中，如上所述，磁存儲器單元100始于"1"邏輯狀態(tài)，并寫 入邏輯"1"。根據(jù)該示例性實施例，/^起初在零施加磁場中指向右。如
上所述，當(dāng)/*7在零施加磁場中指向右時，磁存儲器單元ioo寄存邏輯"r 。 與上面的一樣，^J家施加磁場的點開始，接著發(fā)生電流脈沖序列。
首先，施加50Oe的字線場。當(dāng)施加字線場時，^旋轉(zhuǎn)，直至沿著難 軸方向指向。然后施加小的正位線場。該正位線場使/*7稍向右旋轉(zhuǎn)。然后 當(dāng)減小字線場時，正位線場保持使/*,偏向右，從而當(dāng)好，rf重新減小到零 時，^指向右。當(dāng)將位線場減小到零時，/t;保持指向右。
通常，三個磁矩^、 ^和^整體地一起旋轉(zhuǎn)，基本上維持其原來的 三角形相對取向。在磁性層112與116之間的AP耦合的目的為促使該整 體的旋轉(zhuǎn)。
因此，總之，當(dāng)磁存儲器單元ioo始于"o"或"r邏輯狀態(tài)時，施
加字線場l^施加小的負(fù)位線場將寫入邏輯"0"。類似地，當(dāng)磁存儲器單 元100始于"0"或"1"邏輯狀態(tài)時，施加字線場隨后施加小的正位線場
將寫入邏輯"r 。
圖10A-B是示例了當(dāng)沿易軸方向施加場時磁存儲器單元100的磁矩旋 轉(zhuǎn)的圖。具體而言，當(dāng)沿易軸方向施加場時，圖10A為示例了磁性層108 的沿易軸方向的磁矩^ (歸一化到1)的磁滯曲線圖，以及圖10B是示例 了分別在磁性層108、 112和116中的磁矩/*7、 ^和/tj的旋轉(zhuǎn)的圖。在圖 10A中，在x軸上繪制了通過易軸施加的磁場(仏w)，并且在y軸上繪
制了 的沿易軸的分量(歸一化到1)。在圖10B中，在x軸上再次繪制 并且示出了對應(yīng)于磁性層108、 112和116的磁矩的方向。與上述圖 9A-D —樣，在圖10B中，將對應(yīng)于磁性層108的~示出為以黑色圓圏 終止的線，將對應(yīng)于磁性層112的^示出為以灰色圓圏終止的線， 將對應(yīng)于磁性層116的^示出為以白色圓圏"〇"終止的線。4吏用圓圏以 易于示出和識別對應(yīng)的磁性層的每個磁矩。然而，應(yīng)該理解，每個圓圏可 以用箭頭代替，例如與上述圖3A-B中一樣，其中分別通過箭頭302、 304 和306表示p/、 ^和/*3。
在由箭頭1002指示的序列中發(fā)生磁矩旋轉(zhuǎn)運動。例如，始于等于-400 Oe的仏—并IS1^進(jìn)行由箭頭1002指示的序列，示出了 /*7以指向左開始， 隨后翻轉(zhuǎn)，在+400Oe附近指向右，然后當(dāng)場反向時磁矩起初保持指向右， 然后翻轉(zhuǎn)，在-400Oe附近指向左。
使用與在例如上述切換曲線800中的相同的^lfc值，用單疇理論計算 圖10A-B中所有的圖。即，磁性層108具有六nm的厚度；磁性層112具 有五nm的厚度；以及磁性層116具有五nm的厚度。磁性層108、 112和 116中的每一個具有等于1，500 emu/cc的3/s、 25 Oe的試以及150nm的 直徑。最終，磁性層112與116之間的交換耦合/等于-0.05 erg/cm2，其 中負(fù)/值表示AP耦合。
由圖IOA-B可以看到，當(dāng)沿著易軸施加場時，磁性層108起初不響應(yīng)， 并且磁性層112和116通過場變得穩(wěn)定。這就是當(dāng)沿著易軸施加場時需要 如此大的場以切換磁存儲器單元100的原因，
圖11A-B是示例了當(dāng)沿著難軸方向施加場時磁存儲器單元100的磁矩 旋轉(zhuǎn)的圖。具體而言，當(dāng)沿難軸方向施加場時，圖11A為示例了磁性層108 的沿難軸方向的磁矩p;(歸一化到1)的磁滯曲線圖，以及圖IIB是示例 了分別在磁性層108、 112和116中的磁矩^、 /*2和/^的旋轉(zhuǎn)的圖。在圖 11A中，在x軸上繪制了通過難軸施加的磁場(^arrf)，并且在y軸上繪 制了 ~的沿難軸方向的分量(歸一化到1)。在圖11B中，在x軸上再次 繪制了 并且示出了對應(yīng)于磁性層108、 102和116的磁矩的方向。 與上述圖9A-D—樣，在圖11B中，將對應(yīng)于磁性層108的#/示出為以黑 色圓圏終止的線，將對應(yīng)于磁性層112的&示出為以灰色圓圏 終止的線，將對應(yīng)于磁性層116的/^示出為以白色圓圏"〇"終止的線。 使用圓圏以易于示出和識別對應(yīng)的磁性層的每個磁矩。然而，應(yīng)該理解， 每個圓圏可以用箭頭代替，例如與上述圖3A-B中一樣，其中分別通過箭 頭302、 304和306表示/*/、 ^和&。
在由箭頭1102指示的序列中發(fā)生磁矩旋轉(zhuǎn)運動。例如，始于等于-50 Oe的私",并隨后進(jìn)行由箭頭1102指示的序列，示出了 ~以指向下開始， 隨后翻轉(zhuǎn)，在+30Oe附近指向上，然后當(dāng)場反向時磁矩起初保持指向上， 然后翻轉(zhuǎn)，在-30Oe附近指向下。
使用與在例如上述切換曲線800中的相同的參數(shù)值，用單疇理論計算 圖11A-B中所有的圖。即，磁性層108具有六nm的厚度；磁性層112具 有五nm的厚度；以及磁性層116具有五nm的厚度。磁性層108、 112和 116中的每一個具有等于1，500 emu/cc的Afs、 25 Oe的試以及150nm的 直徑。最終，磁性層112與116之間的交換耦合/等于-0.05 erg/cm2，其 中負(fù)J值表示AP耦合。
通過與上述圖IOA-B相比較，由圖11A-B中可以看到，當(dāng)沿難軸施加 場時，磁矩302、 304和306整體地旋轉(zhuǎn)，從而磁性層108沿著施加的場的 方向指向。
雖然這里已經(jīng)描述了本發(fā)明的示例性實施例，但應(yīng)該理解，本發(fā)明不 限于這些精確的實施例，并且只要不背離本發(fā)明的范圍，本領(lǐng)域的4支術(shù)人 員可以做出各種其它改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲器單元，包括至少一個固定磁性層；以及多個自由磁性層，其通過至少一個勢壘層與所述至少一個固定磁性層分隔，包括與所述勢壘層鄰接的第一自由磁性層；通過至少一個隔離物層與所述第一自由磁性層分隔的第二自由磁性層；以及通過至少一個反平行耦合層與所述第二自由磁性層分隔的第三自由磁性層，其中所述第一自由磁性層的磁矩比所述第二自由磁性層的磁矩和所述第三自由磁性層的磁矩都大。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁存儲器單元，其中所述至少一個隔離物層被配 置為防止所述第一自由磁性層與所述第二自由磁性層之間的耦合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁存儲器單元，其中所述至少一個反平行耦合層 被配置為引起所述第二自由磁性層與所述第三磁性層之間的反平行耦合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁存儲器單元，其中所述第二自由磁性層的磁矩 等于所述第三自由磁性層的磁矩。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁存儲器單元，其中所述第一自由磁性層、所述 第二自由磁性層和所述第三自由磁性層中的至少一者包括鎳/鐵合金以及 包M、鐵、鈷和稀土元素中的一者或多者的合金中的一者或多者。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁存儲器單元，其中所述第一自由磁性層、所述 第二自由磁性層和所述第三自由磁性層具有相同的成分。
7，根據(jù)權(quán)利要求1的磁存儲器單元，其中所述至少一個隔離物層包括 氮化鉭、鉭、鈦、鎢和鈮中的一者或多者。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的磁存儲器單元，其中所述至少一個反平行耦合層 包括釕、鋨、銅、鉻、鉬、銠、錸和銥中的一者或多者。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁存儲器單元，其中在零施加場中所述第一自由 磁性層的磁矩、所述第二自由磁性層的磁矩和所述第三自由磁性層的磁矩 的相對取向是三角形的。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的磁存儲器單元，其中所述至少一個固定磁性層 包括反鐵磁性層；與所述反鐵磁性層鄰接的第一固定磁性層；以及 通過至少 一個反平行耦合層與所述第 一 固定磁性層分隔的第二固定磁 性層。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO的磁存儲器單元，其中所述反鐵磁性層包括金屬 合金、鉑/錳合金和銥/錳合金中的一者或多者。
12. —種磁隨M取存儲器裝置，包括 垂直于多個位線取向的多個字線；以及在所述字線與位線之間配置成矩陣的多個磁存儲器單元，所述多個磁 存儲器單元中的至少 一個包括至少一個固定磁性層；以及多個自由磁性層，其通過至少一個勢壘層與所述至少一個固定磁 性層分隔，包括與所述勢壘層鄰接的第一 自由磁性層；通過至少一個隔離物層與所述第一自由磁性層分隔的第二自 由磁'性層；以及通過至少一個反平行耦合層與所述笫二自由磁性層分隔的第 三自由磁性層，其中所述第一 自由磁性層的磁矩比所述第二自由磁性層的磁 矩和所述第三自由磁性層的磁矩都大。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的磁隨MM儲器裝置，其中所述第一自由磁 性層具有沿通過所述位線施加的磁場的方向設(shè)定的內(nèi)在各向異性。
14. 一種向磁隨M取存儲器裝置寫入數(shù)據(jù)的方法，所述磁隨M取 存儲器裝置具有垂直于多個位線取向的多個字線以及在所述字線與位線之間配置成陣列的多個磁存儲器單元，所述方法包括以下步驟向所述字線中的給定的 一條提供字線電流，以選擇所有沿著所述給定 的字線的所i^存儲器單元，其中所述選擇的磁存儲器單元中的至少 一個 包括至少一個固定磁性層；以及多個自由磁性層，其通過至少一個勢壘層與所述至少一個固定磁 性層分隔，包括與所述勢壘層鄰接的第一自由磁性層；通過至少一個隔離物層與所述第一自由磁性層分隔的第二自 由磁性層；以及通過至少一個反平行耦合層與所述第二自由磁性層分隔的第 三自由磁性層，其中所述第一自由磁性層的磁矩比所述第二自由磁性層的磁 矩和所述第三自由磁性層的磁矩都大；向?qū)?yīng)于所述選擇的磁存儲器單元的所述位線中的每一條提供位線電流。去除所述字線電流；以及 去除所述位線電流。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述提供位線電流的步驟從沿著所述給定的字線的所i^^存儲器單元刪除早先存在的數(shù)據(jù)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括以下步驟 提供正位線電流，以向所述選擇的磁存儲器單元中的一個或多個寫入邏輯"1"。
17. 才艮據(jù)權(quán)利要求14的方法，還包括以下步驟 提供負(fù)位線電流，以向所述選擇的磁存儲器單元中的一個或多個寫入邏輯"0"。
18. —種^ t存儲器單元，包括 至少一個固定磁性層；以及多個自由磁性層，其通過至少一個勢壘層與所述至少一個固定磁性層 分隔，包括與所述勢壘層鄰接的第一自由磁性層；通過至少一個第一平行耦合層與所述第一自由磁性層分隔的第二 自由磁性層；以及通過至少一個第二平行耦合層與所述第二自由磁性層分隔的第三 自由磁，性層，其中所述第二自由磁性層的磁矩比所述第一 自由磁性層的磁矩和 所述第三自由磁性層的磁矩都大。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的磁存儲器單元，其中所述第一平行耦合層和所 述第二平行耦合層中的至少一者包括釕、鋨、銅、鉻、鉬、銠、錸和銥中的一者或多者。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18的磁存儲器單元，其中在零施加場中所述第一自 由磁性層的磁矩、所述第二自由磁性層的磁矩和所述第三自由磁性層的磁 矩的相對取向是三角形的。
全文摘要
提供用于數(shù)據(jù)存儲的技術(shù)。在一個方面中，提供一種磁存儲器單元。所述磁存儲器單元包括至少一個固定磁性層和多個自由磁性層，所述多個自由磁性層通過至少一個勢壘層與所述至少一個固定磁性層分隔。所述自由磁性層包括與所述勢壘層鄰接的第一自由磁性層、通過至少一個隔離物層與所述第一自由磁性層分隔的第二自由磁性層，以及通過至少一個反平行耦合層與所述第二自由磁性層分隔的第三自由磁性層。所述第一自由磁性層的磁矩比所述第二自由磁性層的磁矩和所述第三自由磁性層的磁矩都大。
文檔編號G11C11/02GK101101787SQ20071011264
公開日2008年1月9日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月6日
發(fā)明者D·C·沃利奇 申請人:國際商業(yè)機器公司