CN1487524A - 磁性存储器件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种磁性存储器件和方法。在一个实施例中，本发明的磁性存储器件包括合成铁磁数据、软参考层和隧道层。合成铁磁数据层具有可指向第一取向和第二取向的磁矩。软参考层具有比合成铁磁数据层较低的矫顽力。隧道层具有被合成铁磁数据层和软参考层的磁矩取向影响的电阻特性。

Description

磁性存储器件和方法
技术领域
本发明涉及一种存储器件，特别是，本发明涉及磁性存储器件。
背景技术
电子系统和电路已经向着现代科学的进步做出了显著贡献并用在大量应用中以实现有利结果。各种电子技术如数字计算机、计算器、声频装置、视频设备、和电话系统在商业、科学、教育和宴会的大多数领域中在分析和传播数据、想法和趋势上已经利于提高生产率和降低成本。通常，这些有利结果是通过采用存储在存储介质中并由处理装置控制的信息实现的。用于储存信息的存储器的结构和类型可能对信息处理性能有相当大的冲击。
各种电子装置包括通过执行程序来操作的处理器，这些程序包括用于控制可用任务性能中的数据的一系列指令。该程序和相关数据通常储存在具有唯一指示器或地址的存储单元中。处理装置提供的效用通常取决于存储器存储的信息量和可存取它的速度。存取存储器及快速和便利地传送信息的能力通常对信息处理等待时间有相当大的冲击。
磁性存储器是通常提供很多优点的一种类型的存储器。例如，磁性存储器执行读和写操作比其它类型的短期和长期存储器如动态随机存取存储器(DRAM)、同步随机存取存储器(SRAM)、闪烁存储器和传统硬盘驱动器更快并且消耗的功率也比其低。磁性存储器通常还可以比常规长期存储器件如硬盘驱动器更快地执行读和写操作。此外，磁性存储器通常比其它类型的传统存储器更紧凑和便于在更小的空间中储存更多的信息。
典型的MRAM器件包括具有沿着存储单元的行延伸的字线和沿着存储单元的列延伸的位线的存储单元阵列。每个存储器单元位于字线和位线的交叉点处。存储单元通常以隧道磁阻(TMR)器件如自旋相关隧道(SDT)结为基础的。传统SDT结包括钉扎层、读出层以及夹在钉扎层和读出层之间的绝缘隧道阻挡层。钉扎层具有磁化取向，其磁化取向被固定以便在存在限定范围内的施加磁场强度的情况下不旋转。读出层具有可在两个方向之一即与钉扎层磁化取向相同或相反的方向取向的磁化。
钉扎层的磁化取向通常由下层反铁磁性的材料(AF)钉扎层固定。某些传统磁阻存储器件中的钉扎层可能具有净磁矩，这导致不希望的效应。而且这种效应是去磁场效应。例如，如果磁场变得太强，来自钉扎层的磁场到达并以导致数据损失的方式与读出层相互作用。此外，存在来自钉扎层的磁场通常导致需要用于转换数据层的状态使用非对称磁场，这一般增加了写过程的复杂性。由于在写期间杂散磁场的容差降低了，因此经常还会出现进一步的复杂性。
发明内容
本发明涉及磁性存储器件和方法。在一个实施例中，本发明的磁性存储器件包括合成铁磁数据层、软参考层和隧道层。合成铁磁数据层具有可指向第一取向和第二取向的磁矩。软参考层具有比合成铁磁数据层低的矫顽力。隧道层具有由合成铁磁数据层和软参考层的磁矩取向影响的电阻性。
附图说明
图1表示根据本发明一个实施例的磁性存储器件的方框图。
图2A表示具有在相反方向取向的磁矩的合成铁磁子层的一个例子。
图2B表示当取向倒转时保持相对相反磁矩取向的合成铁磁子层的一个例子。
图3是表示在硬数据层和软参考层之间的示例性矫顽力关系的视图。
图4表示根据本发明一个实施例的磁性存储方法的流程图。
图5表示作为本发明存储器件的一个示例性实施的磁性随机存取存储器(MRAM)器件。
图6A表示与脉冲信号的相应变化相关的磁矩的取向的示例性变化。
图6B是根据本发明一个实施例的示意脉冲信号的示意图。
图6C表示响应磁矩取向由于响应脉冲信号而变化的示例性最终电阻降低。
图7A是与脉冲信号的响应变化相关的磁矩取向的示范性变化的另一示例性图。
图7B是根据本发明一个实施例的示范性脉冲信号的另一示例性图。
图7C表示响应磁矩取向由于响应脉冲信号而变化的示例性最终电阻增加。
具体实施方式
下面参考本发明的优选实施例即磁性存储器系统和方法进行详细说明，附图中示出了本发明的例子。虽然将结合优选实施例说明本发明，但是应该理解本发明的范围不限于这些实施例。相反，本发明趋于覆盖被包含在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替换、修改和等效形式。而且，在下面本发明的详细说明中，为了提供对本发明的全面理解，给出了大量具体细节。但是，应该理解本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。换言之，公知的方法、程序、元件和电路不再详细说明，以使得本发明的方案模糊。
本发明利于方便和有效地利用磁性存储系统和方法存储信息。在一个实施例中，本发明磁性存储器件包括硬合成铁磁数据(a.k.a.读出)层和软合成铁磁参考层。术语硬和软是相对的，并应理解为了容易使用和避免使本发明不清楚，因此为了说明的目的，术语“相对硬”或“相对软”简称为“硬”或“软”。利用合成铁磁层便于在构成数据层和/或参考层的磁性子层时采用相同的磁性材料。这使结构和生长机器特异性的数最小化，该特异性对得到的正确晶向有影响。
图1表示根据本发明一个实施例的磁性存储器件10的方框图。在一个示意实施方式中，磁性存储器件10是存储单元。磁性存储器件10包括磁隧道结11，该隧道结11具有合成铁磁数据层12、软参考层14以及位于合成铁磁数据层12和软参考层14之间的隧道阻挡层16。合成铁磁数据层12耦合到隧道阻挡层16，而隧道阻挡层16耦合到软参考层14。合成铁磁数据层12还称为读出层并具有可指向第一和第二取向的磁矩。合成铁磁数据层12的磁化(由矢量M1表示)和软参考层14的磁化(由M2表示)被动态控制以便基本上在两个方向之一取向(例如沿着水平轴，如数据层12的EAI)。例如，隧道阻挡层16允许在合成铁磁数据层12和软参考层14之间产生量子机械隧道效应，其中对垂直施加的电流的最终电阻受到合成铁磁数据层12和软参考层14的相对磁矩取向的影响。
合成铁磁数据层12和软参考层14可包括各种材料。例如，软参考层14可由铁磁材料或还公知为人造反铁磁材料的合成铁磁材料(SF)构成。合成铁磁数据层12和软参考层14还具有不同的矫顽力。例如，参考层14比“硬”数据层12(例如具有较高的矫顽力)“软”(例如具有较低的矫顽力)。矫顽力影响层的磁矩取向改变的容易程度。例如，相对容易改变软层(例如具有由在导体中流动的小电流产生的“弱”磁场)的磁矩取向。
隧道阻挡层16的隧道现象是与电子自旋相关的，使磁隧道结11的电阻是数据层和参考层12和14的磁化矢量(M1和M2)的相对取向的函数。例如，如果磁化矢量(例如M1和M2)的相对取向相同，则对垂直施加电流(例如从合成铁磁数据层12通过隧道阻挡层16向软参考层14流动或反之亦然)的磁隧道结11的电阻是第一值(例如R)，如果磁化取向相反则是第二值。隧道阻挡层16可以由各种介质和半导体材料制成，包括氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlNx)和/或氧化镁(MgO)。隧道阻挡层16的厚度可以在一定范围内(例如从约0.5纳米到约3纳米)变化。本发明不必限于特定隧道阻挡范围。
利用磁隧道结11的两个不同电阻状态以指示逻辑位值的存储。例如，当合成铁磁数据层12和软参考层14的磁化矢量的取向相同时，对垂直施加电流的电阻在对应第一预定逻辑值(例如“0”)的第一电阻值范围内，当取向相反时，对垂直施加电流的电阻在对应第二预定逻辑值(例如“1”)的第二电阻值范围内。如果合成铁数据层12的磁化矢量M1和软参考层14的磁化矢量M2指向基本上相同的方向，则磁隧道结11的取向可以称为“平行”。如果磁化矢量M1和M2指向基本上相反的方向，则磁隧道结11的取向可以称为“反平行”。对应两个磁取向(平行和反平行)的电阻值可与逻辑值(例如“0”和“1”)相关。由特定取向结构表示的逻辑值在一个实施方式中是任意预定的。
本发明不限于两层的磁化取向互相相对为平行或反平行。一般来说，每层的磁化取向可以如此选择，以便层之间的被测量电阻范围对于两个可识别状态是不同的。在一个示意实施方式中，第一状态包括第一稳定取向，第二状态包括第二稳定取向。例如，合成铁磁读出层对于两个可识别状态之一的磁化是可操作的。两个可识别状态与两个稳定取向相关，并且可包括在合成铁磁数据层12的磁化取向矢量M1和软参考层14的磁化取向矢量M2之间的第一范围角度和第二范围角度，其中隧道层两端的电阻具有对应两个稳定磁矩取向的第一电阻范围和第二电阻范围。对电流的电阻根据相对于软参考层14的磁取向的合成铁磁数据层12的第一或第二磁取向的相对方向而变化。
磁性存储器件10内的数据层和参考层的磁取向被与一组电导体元件相关的电磁场控制。仍参见图1，沿着x轴延伸的第一导体18耦合到合成铁磁数据层12。沿着yz轴延伸的第二导体20耦合到软参考层14。示出的第一和第二导体18和20基本上垂直(虽然本发明不限于垂直取向)。第二导体20下面是第三导体22(例如读导体)，它也沿着y轴延伸。电绝缘体24(例如一层介质材料)分离第二和第三导体20和22。导体(例如18、20和22)可包括各种导电材料，包括铝、铜、金或银。通过在导体(例如导体18、20和/或22)上的特定方向施加电流，数据层和/或参考层暴露于由导体中的电流产生的电磁场。施加足够强度的磁场并且数据层和参考层的磁向与建立电磁原理相符合(例如右手规则)并且是公知的。
图2A和2B表示合成铁磁层59的一个例子，其包括被间隔子层54(间隔层54可以是金属的)分开的第一和第二铁磁子层50和52。在一个例子中，第一子层具有可旋转到第一或第二取向的磁矩取向，并且间隔子层磁性地耦合第一和第二子层，以便第二子层具有基本保持与第一子层相反的磁性取向。铁磁子层50和52可由各种材料构成，包括铁钴(CoFe)、镍铁(NiFe)、钴(Co)等，间隔子层54可由导电非磁性材料构成，包括钌(Ru)、铼(Re)、铑(Rh)、铜(Cu)、碲(Te)、铬(Cr)等。在一个示范性实施方式中，间隔子层的厚度在约0.2nm-2nm范围内，每个铁磁子层50和52的矫顽力在约10-100Oe范围内并具有相同形状的磁滞回线。
两个铁磁子层的磁化矢量或磁矩取向之间的交换耦合是非常强的。因而，将需要非常大的磁场(例如4000Oe)以“去耦”磁化矢量和克服铁磁子层50和52中的基本相反磁矩的保持性。例如，需要4000奥斯特的场(例如3.2×105安培/米)以在相同方向完全旋转两个铁磁层50和52的磁矩取向。通过选择用于间隔层54的合适厚度和材料，可合适强度地进行交换耦合，以便在正常操作条件下，产生非常小的去耦或旋转，并且铁磁层50和52的磁矩矢量基本上指向相隔180度。
合成铁磁层的总或净磁矩由铁磁子层的磁矩的差别而确定。例如，合成铁磁层59的总磁矩(MSF)等于第一铁磁子层50的磁矩(MFM1)减去第二铁磁子层52的磁矩(MFM2)。这种关系可由等式MSF＝MFM1-MFM2表示。本发明的不平衡(不等)磁矩M1和M2导致总非零磁矩。低矫顽力允许SF层(例如参考层14)的总磁化矢量(例如M2)很容易在图2A和2B中所示的取向之间转换。
选择间隔子层54的材料和尺度(例如厚度)使第一和第二子层50和52磁性耦合，以便它们的磁取向基本上相反或反平行。例如，图2A表示沿着负y轴取向的上子层52的磁化矢量M2A和沿着正y轴取向的下子层50的磁化矢量M2B。间隔层54的厚度可取决于包含在间隔层54中的材料。例如，间隔子层54的厚度可以在约0.2nm-2nm之间。
在本发明的一个实施例中，合成铁磁层具有影响穿过数据层、磁隧道阻挡层和基本子层(例如子层50)测量的电阻的基本子层。利用测量电阻确定数据层的磁矩取向或方向。在一个实施例中，基本子层最靠近隧道阻挡层(例如隧道阻挡层16)。在一个示意实施方式，参考取向导体(例如第三导体22)比合成铁磁层的另一子层更远离一个铁磁子层(例如50或52)。这样，每个子层的磁取向可通过在每个铁磁子层中其偏爱一个方向而知道，该方向部分地取决于通过每个导体(例如第三导体22)的电流的方向。
在本发明的一个实施例中，合成铁磁(SF)层的矫顽力是低的。例如，合成铁磁(SF)层(例如合成磁参考层)的矫顽力低于另一层(例如合成磁性数据层)，并且较低矫顽力的合成铁磁层比较高矫顽力层软。例如，SF层中的超低矫顽力允许SF层(例如参考层14)的磁化矢量(M2A和M2B)很容易在取向(例如图2A和2B所示)之间转换。实际上，只是在施加磁场之前，铁磁层50和52的磁矩矢量M2A和M2B的取向可以处于任何基本反方向。一旦施加了磁场，它们的取向符合建立电磁原理(例如右手定则)并且是公知的。由于合成铁磁层的矫顽力低，因此施加于铁磁层50和52的相对小磁场将磁场矢量M2A和M2B推向公知位置(例如垂直于施加磁场)。参考层可包括合成铁磁层，该层被构成以具有基本上为零的净磁矩(例如净磁化矢量)。例如，参考层可包括基本上相等和相反的多个磁化矢量(例如磁化矢量M2A和M2B)，因此在一距离上可基本上互相抵消。
在本发明的一个实施例中，合成铁磁(SF)层的矫顽力相对高。例如，合成铁磁(SF)层(例如合成磁性数据层)的矫顽力比其它层(例如合成磁性参考层)高，并且较高矫顽力合成铁磁层比较低矫顽力层硬。SF层的高矫顽力能使SF层(例如数据层12)的磁化或磁矩矢量(M2A和M2B)在暴露于低磁场时不转换的情况下保持取向(例如如图2A和2B所示)。实际上，当暴露于足够强的磁场时设定铁磁层50和52的磁化矢量M2A和M2B的取向。一旦施加磁场，它们的取向符合建立电磁原理并且是公知的。由于合成铁磁层的矫顽力高，因此施加于铁磁层50和52的相对小磁场不改变磁化矢量(例如M2A和M2B)离开所建立的位置。
图3是说明硬层(例如数据层12)和软参考层(例如参考层14)之间的矫顽力关系的示意图。硬数据层的矫顽力(Hc1)比软参考层的矫顽力(Hc2)高很多(例如至少2-5倍以上)。例如，硬数据层的矫顽力(Hc1)可以约为25Oe，软参考层的矫顽力(Hc2)可约为5Oe。这样，认为参考层比数据层软，并且参考层的磁化矢量(例如M2)更容易反向。
在本发明的某些实施例中，合成铁磁层包括两个以上的铁磁层。在这些实施例中，相邻子层(例如铁磁子层)可通过间隔子层(例如与间隔层54相同)耦合，并且可具有相邻子层的磁取向在基本相反方向。在一个实施例中，在合成铁磁用作参考层时其净磁矩基本上为零。实施例在合成铁磁参考层中提供奇数和偶数铁磁层。
现在参见图4，其示出了本发明一个实施例的磁性存储方法的流程图400。磁性存储方法400提供操作磁性存储器件的方法。磁性存储方法400利于硬合成铁磁数据层和软参考层的利用。在一个示范性实施方式中，电流通过数据层和参考层附近，产生影响数据层和参考层的各个磁矩取向的磁场。
在步骤410中，在合成铁磁数据层中建立特定磁取向。利用特定磁取向对应于逻辑值以便在合成铁磁数据层中“储存”或“写”信息(例如数据位)。这可以通过向第一导体(例如第一导体18)和第二导体(例如第二导体20)施加产生磁场的一个或多个电流来实现。数据层暴露于该磁场，在合成铁磁数据层中设定或建立磁取向。电流足够高以产生磁场，该磁场组合起来超过数据层的矫顽力，因此使数据层的磁化矢量(例如M1)设定在希望的取向(该取向取决于输送给第一导体和第二导体的电流的方向)。将磁化设定为对应逻辑“1”的取向或对应逻辑“0”的取向。在从导体(例如导体18和20)除去写电流之后，数据层的磁化矢量(例如M1)保持其取向。
参考层(例如铁磁层50和52)的磁化矢量(例如M2)可受到写过程的影响，因此可不保持那个取向。如果参考层(例如参考层14)是“超软”的合成铁磁层，则在从第一和第二导体除去写电流时磁化矢量(例如M2A和M2B)可改变其磁化取向。在一个示意实施方式中，导体线是被选择的字线和/或位线。
在一个实施例中，附加导体(例如导体22)可用于帮助“写”操作。通过在写操作期间向附加导体(例如第三导体)施加电流，得到的在附加导体周围的磁场可与涉及第一和第二导体的磁场组合，以便帮助设定数据层的磁化矢量(例如M1)为所希望的取向。
仍然参考图4，在步骤420中向软参考层(例如参考层14)施加相对小的磁场。相对小磁场使软参考层具有预定磁矩取向而不改变合成铁磁数据层的磁取向。在一个示意实施方式中，相对小磁场在参考层的子层(例如铁磁子层52)中建立了基本上垂直于该磁场的磁化取向(例如M2A)。例如，参考层可具有多个层或子层本身，这些层具有基本相同的矫顽力并在相反方向磁性耦合。施加的磁场在相对于数据层(例如数据层12)的基本平行或基本反平行磁化取向(例如M1)建立参考层的第一铁磁层(例如第一铁磁子层52)的磁化取向。
在一个示意实施方式中，电流输送给导体(例如第三导体22)，并且得到的磁场产生软合成铁磁参考层(例如参考层14)中的铁磁子层(例如50和52)的磁化矢量(例如M2A和M2B)以假设特殊取向。得到的磁场不影响合成铁磁数据层12的磁化矢量(M1)。而且，由于软参考层14的矫顽力极低，因此第三导体电流的幅度可能也低。例如，合成铁磁参考层14的矫顽力平衡可以是只有几个奥斯特(例如几百安培/米)。
在步骤430中，测量对垂直施加于磁隧道结11的电压的电阻。例如，测量软参考层的第一铁磁子层(例如铁磁层52)和硬数据层(例如数据层12)之间的电阻并用于确定数据层的磁化取向(例如M1)。在电阻值基础上确定储存在存储器件中的位的逻辑值。这个步骤可以通过在磁隧道结(例如磁隧道结11)两端施加电压来实现，与向参考取向导体(例如第三导体22)施加电流一样。例如，第一和第二导体18和20可用于在磁隧道结11两端施加电压差，同时输送于第三导体22的电流在软参考层14中建立磁矩取向。由第一和第二导体18和20施加的电压差使“读出”电流流过磁隧道结11。被读出电流(Is)与磁隧道结11的电阻成反比。这样，Is＝V/R或Is＝V/(R+ΔR)，其中V是施加电压，Is是读出电流，R是磁隧道结11的额定电阻，ΔR是平行磁化取向和反平行磁化取向之间的电阻差。
本发明很容易适用于读取磁性存储器件的其他方法中。例如，双极性脉冲可施加于参考层取向导体(例如第三导体22)，并检查结电阻的转变。图6A和7A表示在对应图6B和7B中的脉冲信号的M2取向的变化的示意实施例。图6C和7C表示得到的电阻变化或转变。转变的方向(例如从高到低或从低到高)指示数据层的磁化取向，即储存在磁性存储器件中的逻辑值。双极读操作参考其本身。因此，这个动态读出方案对不同器件的差别不灵敏。
现在参考图5，该图说明本发明存储器件的一个示意实施方式的磁性随机存取存储器(MRAM)器件610。MRAM器件610包括磁隧道结(例如磁隧道结11)的阵列612。磁隧道结排列成行和列，行沿着y方向延伸，列沿着x方向延伸。为简单说明MRAM器件610，只示出了相对少量的磁隧道结。实际上，可以采用任何尺寸的阵列。磁性存储隧道结位于两个电导体(例如字线和位线)的交叉点位置。用作字线的导电元件(例如第一导体18)在阵列612一侧(例如顶侧)上的平面中沿着x方向延伸。字线与磁隧道结(例如磁隧道结11)的数据层(例如数据层12)接触。用作位线的导电元件(例如第二导体20)在阵列612的相邻侧(例如底侧)上的平面中沿着y方向延伸。位线与磁隧道结的参考层接触。在一个示例中，阵列612的每行有一个字线，阵列612的每列有一个位线。
用作读线的导电元件也沿着一个方向(例如y方向)延伸。读线可以比位线更远离隧道结，并可以与位线绝缘。MRAM器件610还包括第一和第二行解码器614a和614b、第一和第二列解码器616a和616b、以及读/写电路618。读/写电路618包括读出放大器620、接地线622、行电流源624、电压源626、和列电流源628。在一个实施例中，同一电导体可用作读和/或写线。
在被选磁隧道结(例如磁隧道结11)上进行写操作期间，第一行解码器614a将被选字线(例如第一导体18)的一端连接到行电流源624，第二行解码器614b将被选字线的另一端连接到地，第一列解码器616a将被选位线(例如第二导体20)的一端连接到地，并且第二列解码器616b将被选位线的另一端连接到列电流源628。结果是，写电流流过被选字线和位线(例如18和20)。写电流产生磁场，使数据和/或参考层的磁矩在特定方向取向并影响磁隧道结。列解码器616a和616b还可使写电流流过与被选磁隧道结相交的读线(例如导体22)。这个第三“写”电流产生附加的磁场，在转换与被选磁隧道结相关的磁矩的取向时起到辅助作用。数据层的易磁化轴可在y方向取向，相应地数据层磁矢量在y方向取向。
在被选磁隧道结上进行读操作期间，第一和第二列解码器616a和616b可使稳定电流流过与被选磁隧道结(例如磁隧道结11)相交的参考取向线。参考取向电流产生磁场，使参考层的磁化矢量或矢量(例如M2A和M2B)平行于字线(例如第一导体18)取向。在仍然施加参考取向电流时，第一行解码器614a将电压源626连接到被选字线(例如导体18)，第一列解码器616a将被选位线(例如导体20)连接到读出放大器620的虚拟地输入端。结果是，读出电流流过被选磁隧道结(例如磁隧道结11)并到达读出放大器620的输入端。通过这种方式，可以确定被选磁隧道结的电阻。然而，本发明不限于这种确定磁隧道结的电阻的方法。
本发明很容易适用于在导体上任选使用的包覆(cladding)。包覆提供相邻元件的更大的屏蔽，例如，通过在任何其它线上包覆参考线铁磁材料，可使参考线与字线、位线和/或读线组合。在一个示意实施方式中，参考线与其它线的组合利于消除额外的互连层和减少功耗，这是因为包覆允许读和写电流幅度减小。
虽然本发明的文字说明参照了隧道磁阻器件(TMR)，但是本发明不是必须限于这种类型的磁性存储器件。本发明可以与具有相同操作特性的其它类型的磁阻器件相关而实施。例如，本发明可适用于巨型磁阻(GMR))器件。GMR器件具有与TMR器件相同的基本结构，除了数据层和参考层由导电非磁性层而不是隧道阻挡层分开之外。示意层金属包括金、银和铜。数据和参考磁化矢量的相对取向影响GMR器件的面内电阻。或者，本发明可以适用于顶部和底部自旋值。
这样，为了描述和说明，前面已经提供了本发明特殊实施例的说明。它们不趋于排出或限制本发明到公开的精确形式，并且鉴于上述教导很显然可以做出很多修改和改变。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用而选择和描述了实施例，由此本领域普通技术人员可以很好地利用本发明，并且各种修改可适用于希望的特殊应用。因此本发明的范围由所附权利要求书及其等效形式限定。

Claims (10)

1.一种磁性存储器件，包括：
具有可指向第一取向和第二取向的磁矩(M1)的合成铁磁数据层(12)；
具有比所述合成铁磁数据层(12)较低的矫顽力的软参考层(14)；和
隧道层(16)，其电阻特性受到所述合成铁磁数据层(12)和所述软参考层(14)的磁矩(M1和M2)取向的影响。
2.根据权利要求1的磁性存储器件，其中在所述软参考层(14)中包括铁磁材料。
3.根据权利要求1的磁性存储器件，其中所述软参考层(14)是软合成铁磁参考层。
4.根据权利要求3的磁性存储器件，其中所述合成铁磁数据层(12)和所述软合成铁磁参考层(14)各包括：
具有可旋转到所述第一或所述第二取向的磁矩取向(M2A)的第一子层(52)；
具有基本保持与所述第一子层(52)相反的磁矩取向(M2B)的第二子层(50)；和
磁性耦合所述第一层子层(52)和所述第二子层(50)的间隔子层(54)。
5.根据权利要求4的磁性存储器件，其中所述软合成铁磁参考层(14)具有基本为零的净矫顽力。
6.根据权利要求4的磁性存储器件，其中所述数据合成铁磁层(12)具有基本上大于所述软合成铁磁参考层(14)的净矫顽力。
7.根据权利要求4的磁性存储器件，其中所述第一子层(52)和所述第二子层(50)在所述合成铁磁数据层(12)和所述软合成铁磁参考层(14)中具有不同的结构。
8.根据权利要求1的磁性存储器件，其中所述合成铁磁数据层(12)和所述软参考层(14)被包覆。
9.根据权利要求1的磁性存储器件，其中所述第一和第二磁取向被施加的磁场感应。
10.根据权利要求9的磁性存储器件，其中所述施加磁场的强度是小于几千安培/米的数量级。
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3788964B2 (ja) 2002-09-10 2006-06-21 株式会社東芝 磁気ランダムアクセスメモリ
JP2004165451A (ja) * 2002-11-13 2004-06-10 Sony Corp 磁気記憶素子及び磁気記憶素子の記録方法
US6944053B2 (en) * 2003-06-17 2005-09-13 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Magnetic memory with structure providing reduced coercivity
US7145795B2 (en) * 2004-04-13 2006-12-05 Micron Technology, Inc. Multi-cell resistive memory array architecture with select transistor
US20070191736A1 (en) * 2005-10-04 2007-08-16 Don Alden Method for loading penetrating members in a collection device
KR100809724B1 (ko) * 2007-03-02 2008-03-06 삼성전자주식회사 터널링층을 구비한 바이폴라 스위칭 타입의 비휘발성메모리소자
US8659852B2 (en) 2008-04-21 2014-02-25 Seagate Technology Llc Write-once magentic junction memory array
US7855911B2 (en) * 2008-05-23 2010-12-21 Seagate Technology Llc Reconfigurable magnetic logic device using spin torque
US7852663B2 (en) * 2008-05-23 2010-12-14 Seagate Technology Llc Nonvolatile programmable logic gates and adders
US7881098B2 (en) 2008-08-26 2011-02-01 Seagate Technology Llc Memory with separate read and write paths
US7985994B2 (en) 2008-09-29 2011-07-26 Seagate Technology Llc Flux-closed STRAM with electronically reflective insulative spacer
US8169810B2 (en) 2008-10-08 2012-05-01 Seagate Technology Llc Magnetic memory with asymmetric energy barrier
US8039913B2 (en) * 2008-10-09 2011-10-18 Seagate Technology Llc Magnetic stack with laminated layer
US8089132B2 (en) 2008-10-09 2012-01-03 Seagate Technology Llc Magnetic memory with phonon glass electron crystal material
US7880209B2 (en) * 2008-10-09 2011-02-01 Seagate Technology Llc MRAM cells including coupled free ferromagnetic layers for stabilization
US20100102405A1 (en) * 2008-10-27 2010-04-29 Seagate Technology Llc St-ram employing a spin filter
US8045366B2 (en) 2008-11-05 2011-10-25 Seagate Technology Llc STRAM with composite free magnetic element
US8043732B2 (en) 2008-11-11 2011-10-25 Seagate Technology Llc Memory cell with radial barrier
US7826181B2 (en) * 2008-11-12 2010-11-02 Seagate Technology Llc Magnetic memory with porous non-conductive current confinement layer
US8289756B2 (en) 2008-11-25 2012-10-16 Seagate Technology Llc Non volatile memory including stabilizing structures
US8037235B2 (en) * 2008-12-18 2011-10-11 Mosaid Technologies Incorporated Device and method for transferring data to a non-volatile memory device
US7826259B2 (en) * 2009-01-29 2010-11-02 Seagate Technology Llc Staggered STRAM cell
US7999338B2 (en) 2009-07-13 2011-08-16 Seagate Technology Llc Magnetic stack having reference layers with orthogonal magnetization orientation directions
JP5526707B2 (ja) * 2009-10-27 2014-06-18 ソニー株式会社 情報記憶素子の駆動方法
EP2575135B1 (en) * 2011-09-28 2015-08-05 Crocus Technology S.A. Magnetic random access memory (MRAM) cell and method for reading the MRAM cell using a self-referenced read operation
US9583696B2 (en) 2014-03-12 2017-02-28 Qualcomm Incorporated Reference layer for perpendicular magnetic anisotropy magnetic tunnel junction
US9825217B1 (en) * 2016-05-18 2017-11-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic memory device having cobalt-iron-beryllium magnetic layers

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5465185A (en) * 1993-10-15 1995-11-07 International Business Machines Corporation Magnetoresistive spin valve sensor with improved pinned ferromagnetic layer and magnetic recording system using the sensor
JP3691898B2 (ja) * 1996-03-18 2005-09-07 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子、磁気情報読み出し方法、及び記録素子
JP3957817B2 (ja) * 1997-06-12 2007-08-15 キヤノン株式会社 磁性薄膜メモリ及びその記録再生方法
US5936293A (en) * 1998-01-23 1999-08-10 International Business Machines Corporation Hard/soft magnetic tunnel junction device with stable hard ferromagnetic layer
US5953248A (en) * 1998-07-20 1999-09-14 Motorola, Inc. Low switching field magnetic tunneling junction for high density arrays
US6165803A (en) * 1999-05-17 2000-12-26 Motorola, Inc. Magnetic random access memory and fabricating method thereof
US6436526B1 (en) * 1999-06-17 2002-08-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magneto-resistance effect element, magneto-resistance effect memory cell, MRAM and method for performing information write to or read from the magneto-resistance effect memory cell
US6166948A (en) 1999-09-03 2000-12-26 International Business Machines Corporation Magnetic memory array with magnetic tunnel junction memory cells having flux-closed free layers
JP2001196658A (ja) 2000-01-07 2001-07-19 Fujitsu Ltd 磁気素子及び磁気記憶装置
JP2002074937A (ja) * 2000-09-01 2002-03-15 Canon Inc 磁気薄膜メモリ及びその製造方法
US6795281B2 (en) * 2001-09-25 2004-09-21 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Magneto-resistive device including soft synthetic ferrimagnet reference layer
US6538917B1 (en) * 2001-09-25 2003-03-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Read methods for magneto-resistive device having soft reference layer
US6576969B2 (en) * 2001-09-25 2003-06-10 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Magneto-resistive device having soft reference layer
US6593608B1 (en) * 2002-03-15 2003-07-15 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Magneto resistive storage device having double tunnel junction

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Publication number Publication date
CN100474440C (zh) 2009-04-01
US20040008537A1 (en) 2004-01-15
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JP2004064073A (ja) 2004-02-26
EP1383133A1 (en) 2004-01-21

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