[发明专利]一种用于磁随机存取存储器的磁性多层膜

说明书

技术领域

本发明属于磁随机存取存储器领域，具体地说是涉及一种磁性多层膜，以及基于这种磁性多层膜所设计的读写分离的磁随机存取存储器。

背景技术

众所周知，在纳米磁性多层膜和磁性隧道结(MTJ)中观测到的巨磁电阻效应(Giant Magneto-resistance，GMR)和隧穿磁电阻效应(Tunneling Magneto-resistance，TMR)已被广泛地应用于计算机磁读头和磁敏传感器等领域，而其中MTJ的另外一个极其重要的应用就是可以作为磁随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)的最佳存储单元。

目前，人们提出的MRAM的数据写入方式主要分为两类。第一类是磁场驱动型，即通过电流产生的磁场来翻转存储单元铁磁性层(自由层，也称比特层，bit layer)的磁矩，从而获得磁性存储单元高、低阻态的变化，实现存储单元数据(比特)“1”、“0”的写入。第二类是电流驱动型，即通过自旋极化电流产生的自旋转移力矩来翻转存储单元铁磁性层的磁矩，进而实现存储单元数据(比特)“1”、“0”的写入。相对于前者，电流驱动型存储数据的方法已极大简化了器件的结构及加工工艺，但其目前仍存在的一个主要问题是写入时功耗高(即磁电阻较大)，当长期地频繁写入时，容易损坏MRAM存储单元中MTJ的势垒层，从而影响存储单元和器件的使用寿命。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种可以有效减小器件功耗的磁性多层膜。

本发明的另一个目的是提供一种基于上述磁性多层膜的磁随机存取存储器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种用于MRAM的磁性多层膜，该磁性多层膜包括用于产生TMR效应的MTJ多层膜和位于该MTJ多层膜以下的用于产生GMR效应的GMR多层膜，其中MTJ多层膜和GMR多层膜共用自由层，其中：

所述GMR多层膜的相邻于MTJ多层膜一侧的至少一部分被暴露，穿过该暴露部分的电流用于翻转所述自由层磁矩。

在上述磁性多层膜中，所述GMR多层膜暴露出多个部分，该多个部分彼此之间相互隔开。

在上述磁性多层膜中，所述GMR多层膜暴露出一个部分。

在上述磁性多层膜中，所述自由层为由铁磁性材料制成的铁磁性层，该铁磁性材料具有水平或垂直磁晶各向异性。

在上述磁性多层膜中，所述GMR多层膜包括硬铁磁性层、非磁性金属层和所共用的铁磁性层，所述MTJ多层膜包括所共用的铁磁性层、绝缘层和硬铁磁性层。

在上述磁性多层膜中，所述GMR多层膜或MTJ多层膜或这二者中的硬铁磁性层具有钉扎结构。

根据本发明的另一个方面，提供一种包括上述磁性多层膜的MRAM存储单元。

根据本发明的再一个方面，提供一种根据上述MRAM存储单元的写入方法，其中，写电流穿过暴露的GMR多层膜实现数据的写入。

在上述写入方法中，所述写电流大于翻转自由层磁矩所需的临界电流。

根据本发明的又一个方面，提供一种根据上述MRAM存储单元的读出方法，其中，读电流穿过所述磁性多层膜中GMR多层膜和MTJ多层膜的完整部分，实现数据的读出。

和现有技术相比，本发明的MRAM存储单元中由于采用电阻非常小的全金属GMR效应结来写入，因此器件的能耗低，功率小；另外，采用读写分离的结构，有助于保护大电阻的磁性多层膜在操作中不易被损坏。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是本发明中自旋转移力矩效应的物理原理示意图；

图2是本发明的磁性多层膜在初始状态下的结构图；

图3A是本发明磁性多层膜的一种构型；

图3B是本发明磁性多层膜的另一种构型；

图4A和4B是基于由面内各向异性材料制成铁磁层的磁性多层膜在写入低“0”、高“1”阻态时的示意图；

图4C和4D是基于由垂直各向异性材料制成铁磁层的磁性多层膜在写入低“0”、高“1”阻态时的示意图；

图5A是本发明示例性的MRAM存储单元的磁性多层膜的简化结构图；

图5B、5C分别是沿图5A的MRAM存储单元的GMR多层膜和完整磁性多层膜垂直剖切的剖面图；

图5D是图5A的MRAM存储单元的简化结构图；