磁振子磁随机存取存储器器件的制作方法
【专利摘要】提供了一种用于双向写入的机制。一种结构包括在隧道势垒顶上的参考层、在隧道势垒之下的自由层、在自由层之下的金属隔离物、在金属隔离物之下的绝缘磁体以及在绝缘层之下的高电阻层。高电阻层作为加热器，其中加热器加热绝缘磁体以产生自旋极化电子。绝缘磁体产生的自旋极化电子使自由层的磁化不稳定化。当磁化被不稳定化时，施加电压以改变自由层的磁化状态。电压的极性确定何时自由层的磁化平行和反平行于参考层的磁化。
【专利说明】磁振子磁随机存取存储器器件
【技术领域】
[0001]示例性实施例涉及存储器，更具体地，涉及磁存储器器件的双向写入。
【背景技术】
[0002]磁随机存取存储器(MRAM)是非易失性计算机存储技术。不同于常规RAM芯片技术，在MRAM中，数据不是以电荷或者电流存储而是通过磁存储元件存储。使用通过薄绝缘层分离的两个铁磁性板形成元件。两个板的一个是设定为特殊极性的永磁体，其它场可以改变以匹配外场以存储数字数据。此配置公知为自旋阀并且是用于MRAM比特的最简单的结构。这样的“基元”的格栅构成存储器器件。
[0003]读取的最简单方法是通过测量基元的电阻完成的。通过开启将电流从供电线经过基兀传输到地的相关的存取晶体管(典型地)选取特定的基兀。因为磁隧道效应，基兀的电阻随着两个板之间的场的相对取向而变化。通过测量最终的电流，可以确定与任意特定基元相关的电阻并且由此确定可写的板的磁取向。典型地，如果两个板具有相同的取向，基元被认为保持“O”的值，而如果连个板相反地取向，电阻值较高并且保持“I”的值。
[0004]使用多种方式将数据写入基元。在一种用于场写入MRAM的方法中，每个基元位于在基元之上和之下彼此设定为直角的一对写入线之间。当电流流过他们时，在结处产生诱导的磁场，该诱导的磁场作用在可写的板上并且在适宜的条件下引起可写的板的取向反转。
【发明内容】
[0005]根据示范性实施例，提供了一种用于双向写入的方法。该方法提供了一种结构，包括邻近隧道势垒的参考层、邻近所述隧道势垒的自由层、邻近所述自由层的金属隔离物、邻近所述金属隔离物的绝缘磁体以及邻近所述绝缘层的高电阻层。所述方法包括，响应于热梯度，使所述绝缘磁体产生自旋极化电子，通过从所述绝缘磁体产生的所述自旋极化电子使自由层的磁化不稳定化以及在自由层的磁化被不稳定化期间或者稍后，向该结构施加电压以选择自由层的磁化。所述电压的极性确定何时所述自由层的磁化平行以及反平行于参考层的磁化。
[0006]根据示范性实施例，提供了一种用于双向写入磁随机存取存储器的方法。一种结构，包括邻近隧道势垒的参考层、邻近所述隧道势垒的自由层、邻近所述自由层的金属隔离物、邻近所述金属隔离物的绝缘磁体以及邻近所述绝缘层的高电阻层。响应于热梯度，使绝缘磁体产生自旋极化电子。绝缘磁体产生的所述自旋极化电子使所述自由层的磁化不稳定化。其中当所述自由层的所述磁化不稳定化时，向结构施加电压源的电压以改变所述自由层的所述磁化。电压极性确定何时自由层的磁化平行和反平行于参考层的磁化。
[0007]根据示范性实施例，提供了一种用于双向写入的方法。该方法提供了一种结构，该结构包括邻近隧道势垒的参考层、邻近所述隧道势垒的自由层、邻近所述自由层的金属隔离物以及邻近所述金属隔离物的绝缘磁体。该方法包括向该结构施加具有高脉冲的电压以使隧道势垒作为加热器，其中所述加热器加热绝缘磁体以产生自旋极化电子并且通过从磁振子产生的转化为自旋对准电子的自旋极化电子使自由层的磁化不稳定化。该方法还包括，当所述自由层的所述磁化被不稳定化时，施加具有低脉冲的电压以改变自由层的磁化，其中配置低脉冲以便不使所述隧道势垒作为热干扰源。电压极性确定何时自由层的磁化平行和反平行于参考层的磁化。
[0008]根据示范性实施例，提供了一种用于双向写入的磁随机存取存储器器件。一种结构包括邻近隧道势垒的参考层、邻近所述隧道势垒的自由层、邻近所述自由层的金属隔离物以及邻近所述金属隔离物的绝缘磁体。当向结构施加具有高脉冲的电压时，配置高脉冲以使所述隧道势垒作为加热器，其中所述加热器加热所述绝缘磁体以产生自旋极化电子。配置所述高脉冲以通过从所述绝缘磁体产生的所述自旋极化电子使所述自由层的磁化不稳定化。当以低脉冲施加电压时，当自由层的磁化被不稳定化时配置低脉冲以改变自由层的磁化，并且配置低脉冲以便不使所述隧道势垒作为热干扰源。电压的极性确定何时自由层的磁化平行和反平行于参考层的磁化。
[0009]通过本公开的技术实现另外的特征。根据其它实施例的其它系统、方法、装置和/或计算机程序产品在这里被详细描述并且被认为是所要求保护的本发明的一部分。为了更好的理解示范性实施例和特征，参考下面的描述和附图。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]被认为是本发明的主旨在说明书的结论处的权利要求中被具体指出并且明确要求保护。根据随后联系附图的详细描述，本公开的前述和其它特征是显而易见的。
[0011]图1示出了自旋转移矩MRAM2-端子器件的截面图。
[0012]图2示出了另一个自旋转移矩MRAM2-端子器件的截面图。
[0013]图3示出了根据示范性实施例的磁随机存取存储器器件的示意图。
[0014]图4示出了根据示范性实施例的磁随机存取存储器器件的示意图。
[0015]图5示出了根据示范性实施例的电流对时间的图。
[0016]图6示出了根据示范性实施例的磁随机存取存储器器件阵列。
[0017]图7示出了根据示范性实施例的用于双向写入的方法的流程图。
[0018]图8示出了根据示范性实施例的用于双向写入的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0019]磁随机存取存储器(MRAM)是与标准半导体制造相容的非易失性固态存储技术。信息以相对于参考膜磁取向的自由层膜的磁性取向而存储。通过测量由自由层、隧穿势垒以及参考层形成的磁隧道结的电阻完成基元或者比特的状态的读取。
[0020]根据使用的技术，可以通过几种方法实现比特的写入。对于场-写入MRAM，典型地几何结构利用靠近磁隧道结放置的两个正交电流承载布线。布线中的电流在MRAM基元上施加磁场，且其具有合适的场幅度、持续时间以及相对时序，自由层的取向可以写入到期望的状态。在自旋转移矩MRAM中，在写入过程中不使用外磁场。相反，在参考层和自由层膜之间通过的电流不仅承载电荷电流而其还有自旋电流。此在两个磁性膜(即，参考层和自由层)之间传输的自旋电流，用于根据电流的信号，使自由层定向为平行或者反平行于参考层。
[0021]最近，在John C.Slonczewski的2010年六月24日接收并且在2010年8月3 日发表的“Initiation of spin-transfer torque by thermal transport frommagnons”Physical Review B82, 054403 (2010)中描述了一种在磁性膜中产生自旋电流的新机制，在此引入其整个内容作为参考。此技术包含通过施加跨膜的热梯度在绝缘磁性膜中产生自旋波。当这些自旋波或者磁振子触及绝缘磁体和非磁性金属之间的界面时，产生电子承载的自旋电流。与在常规自旋转移矩MRAM基元中使用的直接自旋电流相比，此机制更有效并且因此需要更低的功率来切换在非磁性金属膜的另一侧上的自由层。然而，如所推荐的，Slonczewski’ s方法将不能将自由层写入为两种状态(B卩，I或者0)中的任一种。这是因为基元必须包含在薄膜叠层的一侧上的加热器以及在另一侧上的热沉。在没有加热器件的任一侧所要求的不适宜功率的情况下，这两个基元件不能简单地反转。因此，示范性实施例提供实现磁振子MRAM的新机制。
[0022]写入小磁比特要求的磁场随着比特尺寸的减小而增加。硬盘驱动器(HDD)或者磁随机存取存储器(MRAM)中的磁存储技术正在推动克服有效磁场的物理限制以写入具有逐渐减小的尺寸的磁比特。自旋转移矩提供了对直接电流诱导写入的备选，并且自旋转移矩避免了一起使用磁场，延伸了这些技术的缩放前景。自旋转移矩诱导的磁写入操作已经被深入研究以扩展MRAM的缩放，但是特别地仍不可用于HDD存储技术。这主要是因为目前使用的自旋转移矩需要通过可观的电流产生，因而需要到在写入操作期间写入的比特的电和物理接触。示范性实施例提供用于产生并且利用自选电流和自旋转移矩的方法和器件，用于处理和双相写入纳米磁比特。
[0023]图1示出了自旋转移矩MRAM2-端子器件的实例，具有在磁隧道结叠层120中的固定层105 (钉扎层)、隧道势垒110和自由层115。固定层105的磁化固定在一个方向，例如，如图1所示指向右侧；向上流经磁隧道结叠层120的电流使得自由层115平行于固定层105，而向下流经磁隧道结叠层120的电流使得自由层115反平行于固定层105。采用双箭头示出了自由层115以说明磁化基于电流流经的方向可以自由指向左或者右。当自由层115的磁化指向与固定层105的磁化相同的方向(即，右侧)时，自由层115平行于固定层105。当自由层105的磁化指向与固定层105的磁化相反的方向(即，左侦彳)时，自由层115反平行于固定层105。
[0024]图2示出了自旋转移矩MRAM2-端子器件的实例，具有在磁隧道结叠层220中的固定层205(钉扎层)、隧道势垒210和自由层215。固定层205的磁化固定在一个方向，例如，如图2所示指向上；向上流经磁隧道结叠层220的电流使得自由层215平行于固定层205，而向下流经磁隧道结叠层220的电流使得自由层215反平行于固定层205。采用双箭头示出了自由层215以说明磁化基于电流流经的方向可以自由指向上或者下。当自由层215的磁化指向与固定层205的磁化相同的方向(即，向上)时，自由层215平行于固定层205。当自由层215的磁化指向与固定层205的磁化相反的方向(即，向下)时，自由层215反平行于固定层205。
[0025]对于图1和2，使用更小的电流(具有任意极性)读取器件100和200的电阻，该电阻分别依赖于自由层115和215以及固定层105和205的相对取向。在早期的自旋转移矩MRAM尝试中，自由和固定层具有位于平面内的磁化，如图1所示。然而，这导致更高的切换电流。现有技术使用的材料具有垂直于平面的磁化，如图2所示；这被称为垂直磁各向异性，或者PMA。然而，在现有技术状态中，即使具有垂直各向异性，切换电流仍旧高于期望值。
[0026]示范性实施例公开了一种用于使磁振子切换的新机制，其允许对自由层的双相写入(例如，I或者0，平行和反平行)。
[0027]图3示出了根据示范性实施例的磁随机存取存储器(MRAM)器件300。MRAM器件300包括参考层305 (例如，具有不变的固定磁化方向或取向的固定层)、隧道势垒310和自由层315。用向上和向下的箭头示出了自由层315以说明自由层315的磁化可以指向上或者向下。设计MRAM器件300用于自由层315的双向写入(即，写入具有向上和/或向下取向的磁化)。在此情况中，参考层305具有指向上的磁化因此双向写入可以将自由层315的磁化翻转(flip)为平行(向上)或者反平行(向下)于参考层305。
[0028]对于MRAM器件300，垂直磁各向异性(PMA)隧道结，即自由层315(例如，钴-铁-硼合金)、隧道势垒310 (例如，氧化镁(MgO))和参考层305 (例如，钴-铁合金)。在普通金属隔离物320 (即普通金属层，例如，铜、钨或者其它类似的普通金属)顶部生长自由层315，普通金属隔离物320依次在绝缘磁体325 (例如，电阻磁体、铁氧体或者其它软磁绝缘体)顶上生长。在绝缘磁体325之下，存在用作加热器(B卩，金属加热器)的高阻金属层330，跨两个过孔连接。普通金属隔离物320电连接到高阻金属层330。在每个基元中使用两个晶体管335和340 (当连接为阵列时，单个MRAM器件300被认为是基元)，其中一个晶体管335和另一个晶体管340连接到高阻金属层(金属加热器)330的任一侧。虽然示出了单个MRAM器件300的结构，MRAM器件300 (作为基元)以阵列形式(如图6所示)连接到多个MRAM器件300 (基元)以便大量器件300处于列或者行中，如本领域的技术人员所懂得的。
[0029]MRAM器件300还包括选择线360用于向晶体管335和340 (包括用于相同列中的其它MRAM器件300的相同晶体管335和340)提供功率。写入线350连接到电压源365，不稳定化(destabilize)线355连接到电压源370并且选择线360连接到电压源375。连接金属382将写入线350连接到参考层305。连接金属395将晶体管340连接到高阻金属层330。连接金属390将晶体管335连接到高阻金属层330。
[0030]对MRAM器件300的写入对应于自由层315的磁化的向上或者向下方向。对于自由层315，如果向上对应于例如I (或者O)那么向下对应于O (或者1)，并且反之亦然。
[0031]例如，对于写入，对于要写入的特定MRAM器件300 (在MRAM器件300的列中)，使用选择线360选择一列MRAM器件300 (在MRAM器件300的阵列中)，然后对应的不稳定化线355和写入线350 (在对应于阵列中的其它MRAM器件300 (即，基元)的多个不稳定化线355和写入线350之外)被激活。电压源370的电压施加到不稳定化线355，并且来自不稳定化线355的电流通过焦耳热加热高阻加热层330(金属加热器或者电阻加热层)。例如，来自不稳定化线355的电流穿过晶体管340流到高阻金属层330以加热高阻金属层330。本领域的技术人员应该明白，焦耳加热还公知为欧姆加热或者电阻加热是通过电流流过导体(例如，高阻金属层330)释放热的过程。这产生温度梯度，绝缘磁体325更热而自由层315更冷。依次，这引起磁振子(在绝缘磁体325中)传导热穿过绝缘磁体325。然后，磁振子在与普通金属隔离物320和绝缘磁体325的界面处产生自旋极化电子；自旋极化电子传输角动量穿过普通金属隔离物320到自由层315中。因为绝缘磁体325的磁化是平面内的(即，磁化具有向左或者向右的取向)，自旋极化电子(来自绝缘磁体320)的角动量通过使自由层的磁化旋转到接近平行于绝缘磁体的磁化而使自由层315的磁化不稳定化。在去除磁振子诱导的自旋电流之后，自由层的此取向能量不利，因而随后自由层将落回指向上或者向下的状态中任一个(能量平衡)。为了选择自由层磁化的最终状态，电压源365的正或者负(依赖于应该写入的自由层315的方向)的电压同时和/或稍后施加到写入线350。一旦不稳定化线355的电压源370关断，电压源365的正或者负的电压用于“翻转”自由层315向上或者向下。注意，在施加到写入线350的电压源365关断之前，关断施加到不稳定化线355的电压源370。
[0032]例如，考虑这样的情况，自由层315具有向上的磁化385状态(以右侧的虚线箭头示出)。通过电压源375的电压开启选择线360。选择线360开启晶体管335和340。通过电压源370的电压开启不稳定化线355以向绝缘磁体325提供电流，该绝缘磁体325用作产生温度梯度的加热器。温度梯度导致在绝缘磁体325中产生磁振子，其中磁振子产生自旋极化电子以传输角动量穿过绝缘磁体325到自由层315中。因为自旋极化电子具有根据绝缘磁体325的磁化的面内(左或者右)角动量,此角动量破坏/不稳定化自由层315的面夕卜(向上或者向下)磁化。现在，当自由层315在不稳定化状态中时(例如，之后或者期间)，可以通过电压源365向写入线350施加正电压，该电压源将翻转向上磁化385以具有类似于向下磁化380箭头的磁化取向(通过左侧虚线箭头示出)。相反地，如果自由层315初始具有向下磁化380状态，并且如果在不稳定化之后/期间通过电压源365向写入线350施加负电压，那么向下磁化380箭头将翻转到具有类似于向上磁化385箭头的磁化取向。如此，分别基于电压源365提供的正或者负电压，可以进行双向写入以将自由层315的磁化写为反平行和/或平行于参考层305。
[0033]图4示出了根据示范性实施例的磁随机存取存储器(MRAM)器件400。图4示出了显示如MRAM器件400的两端子器件的另一个实施例。在此情况中，隧道势垒410用作加热器。隧道势垒410具有与参考层405 (例如，10欧姆)和自由层415 (例如10欧姆)相比的高电阻，例如1000欧姆。
[0034]写入线450通过金属连接到电压源465和自由层415。在图4中没有图3中示出的不稳定化线。在自由层415和绝缘磁体425之间形成普通金属隔离物420。选择线460连接到晶体管435和电压源475。晶体管435通过连接金属490连接到绝缘磁体425和金属隔离物420。在图4中，连接金属482将写入线450连接到参考层405。
[0035]虽然示出了单个MRAM器件400的结构，MRAM器件400 (作为基元)以阵列形式(如图6所示)连接到多个MRAM器件400 (基元)以便大量MRAM器件400成列或者行，如本领域的技术人员所理解的。
[0036]参考图4，为了写入MRAM器件400，向写入线450施加电压源465的电压，其通过焦耳热加热隧道势垒410 (作为高阻加热层或者金属加热器)。例如，来自写入线450的电流流经连接金属482穿过参考层405并且进入隧道势垒410。隧道势垒410加热，并且这产生温度梯度，隧道势垒410更热，以便热流过自由层415穿过金属隔离物420进入绝缘磁体425。依次,这引起磁振子(在绝缘磁体425中)传导热穿过绝缘磁体425,如图3所示。然后，磁振子在与金属隔离物420和绝缘磁体425的界面处产生自旋极化电子；自旋极化电子传输(绝缘磁体425的)角动量穿过普通金属隔离物420到自由层415中。因为绝缘磁体425的磁化为面内(即，磁化具有向左或者向右的取向)，来自绝缘磁体425的自旋极化电子的角动量使自由层415磁化不稳定化；这称为磁振子不稳定化，因为自由层415的磁化暂时设置为面内状态(即，向左或者向右取向)和/或朝面内状态倾斜，但是因为自由层415的磁化被设计为是面外的(即，向上或者向下取向)，该条件是不稳定的。根据示范性实施例，在通过使用双脉冲机制翻转矩之前关断磁振子不稳定化，如图5所示。电压源465的高脉冲开始是大幅度的以不稳定化自由层415，并且随后高脉冲的幅度下降(例如，类似于台阶函数)。如图5所示，初始电流(I)高以通过焦耳热加热隧道势垒410以引起热梯度而使自由层415不稳定化，这依次导致自旋极化电子在绝缘磁体425中产生并且流到自由层415中。
[0037]在更低的电流处(S卩，翻转电流)，磁振子不稳定化大部分关断(因为磁振子矩与电流的平方(I2)成比例)，而源于施加的电流的直接自旋转移矩(与电流(I)成比例)仍旧活跃；在低脉冲期间来自电流的自旋转移矩(与热流相反)确定最终状态(即，向上或者向下磁化)。在低脉冲期间，隧道势垒410不作为热干扰源。来自电压源465的正/负电流用于写入1/0或者反之亦然。
[0038]例如，考虑种写入情况，当自由层415具有向下磁化480状态(以左侧的虚线箭头示出)。通过电压源475的电压开启选择线460。选择线460开启(向栅极供能)晶体管435。通过电压源465的电压开启(即，供能)写入线450以将高幅度(如图5所示)的电流提供到用作产生温度梯度的加热器的隧道势垒410。温度梯度导致在绝缘磁体425中产生磁振子，其中磁振子产生自旋极化电子以传输角动量穿过普通金属隔离物4205到自由层415中。因为自旋极化电子具有根据绝缘磁体425的磁化的处于面内(左或者右)的角动量,此角动量破坏/不稳定化自由层415的面外(向上或者向下)磁化。一旦高幅度电流(高脉冲)切换到了低幅度电流(即，翻转电流或者低脉冲)并且当通过电压源465向写入线450施加正电压以产生正电流时，此正电流随后将翻转向下的磁化480箭头(通过左侧的虚线箭头示出)。在此实例中，自由层415的向上磁化485意味着自由层415的磁化平行于参考层405的向上磁化。相反地，如果自由层415最初具有向上磁化485状态，并且如果在通过电压源465(不稳定化期间或之后)向写入线450施加负电压(产生负电流)，那么，当电压源465下降到如图5所示的低电流时，向上磁化485箭头将翻转到具有类似于向下磁化480箭头的磁化取向。如此，基于通过电压源465提供的正或者负电压(电流)，可以进行双向写入以将自由层415的磁化写成反平行和/或平行于参考层405。
[0039]图6示出了根据示范性实施例的阵列600MRAM的实例。每个MRAM器件300和/或MRAM器件400可以看作MRAM器件的阵列600中的基元以用于双向写入比特，例如这里描述的I和O对应于自由层315和415的向上或者向下磁化。本领域的技术人员应该明白如何通过读取电阻读取每个MRAM器件300、400 (B卩，基元)的比特。
[0040]图7根据示范性实施例示出了用于双向写入(例如，I和O两者)的流程700。参考图3。
[0041]在框705处，对于要被切换的MRAM器件300 (S卩，阵列600中的基元)，通过电压源375向选择线360供能(即，选择线偏置)。这激活两个晶体管335和340。
[0042]在框710处，通过电压源370向不稳定化线355供能。这引起电流流经高阻金属层330 (即，普通金属加热器)并且提高其温度。热量从高阻金属层330穿过绝缘磁体325并且穿过叠层(即，自由层315、隧道势垒310和参考层305)流向写入线350。
[0043]在框715处，通过电压源365向写入线350供能(即，写入线偏置)，并且同时和/或稍后关断不稳定化线355 (B卩，电压源370)。这导致自旋转移矩对自由层315起作用并且根据电压源365施加的供能写入线350电压的符号，自旋转移矩将导致自由层315与参考层305相比较倾向于平行或者反平行取向。注意，应该存在穿过MRAM器件300的电流(通过电压源365)而在框710中建立的温度梯度(B卩，热)仍旧存在以便用于写入的阈值没有被减小。
[0044]在框720处，关断电压源365 (B卩，写入线偏置)，因为自由层315的磁化已经根据电压源的极性翻转。在框725处关断电压源375 (S卩，选择线偏置)。
[0045]通过电压源365向写入线350施加的电压的极性决定自由层315的磁化取向，因为自由层315的磁化没有限制为以单一方向写入，其为单向写入。例如，电压源365的正电压引起向上的磁化(例如，向上磁化385)并且电压源365的负电压引起向下的磁化(例如，向下磁化380)。
[0046]图8示出了根据示范性实施例的用于双向写入(例如，I和O两者)的流程800。参考图4和5。
[0047]在框805处，对于要被切换的MRAM器件400 (S卩，阵列600中的基元)，通过电压源475向选择线460供能。这激活晶体管435。
[0048]在框810处，通过电压源465开启写入线450。电压源465的极性将决定自由层415的最终状态，以便对于电流的一个极性，MRAM器件400偏爱自由层415和参考层405平行取向，而对于另一个电流极性，则偏爱自由层415和参考层405相反取向(反平行)。因为隧道势垒410中的焦耳热产生，电流幅度(写入线偏置幅度)应该足以在绝缘磁体425 (铁氧体)/普通金属隔离物420界面中产生显著的热梯度。例如，在一个实施方式中，流经焦耳加热器的脉冲宽度为500皮秒并幅度为2xl06安培/cm2的Gaussian电流脉冲在金属绝缘磁体界面处产生10-12开尔文的温度差。
[0049]框815，电压源465的电压(写入线偏置)减少(从不稳定化电流(高脉冲)减小到翻转电流(低脉冲)，如图5所示)到足以允许(来自绝缘磁体425)自旋转移矩电流移动自由层取向但又足够低以快速减少温度梯度的电压。在一个实施例中，利用以0.5ns到1.0ns的持续时间供给的足够高幅度(例如，2xl06安培/cm2)的加热脉冲，可以在2ns内完成整个切换过程。在此周期中，自由层415将切换到优选状态(如通过来自电压源465的电流极性确定的)，并且用于随后切换的在自由层415中的能量势垒将上升到高的值。在反转自由层415的磁化之后，迅速减小热梯度将自由层415离开不稳定化状态。低脉冲(即，图5中的低电流)具有足够低的幅度以停止/抑制隧道势垒410的加热。在低脉冲之前施加高脉冲。
[0050]在框820处，关断选择线460 (B卩，电压源475)。通过电压源465向写入线450施加的电压的极性确定自由层415的磁化取向。例如，电压源465的正电压引起向上的磁化(例如，向上磁化485)以及电压源465的负电压引起向下的磁化(例如，向下磁化480)。
[0051]同样，注意，在没有不稳定化自旋转移矩时，自由层(例如，图3-8中)被设计为是面外的。在另一个实施方式中，在没有不稳定化自旋转移矩时，MRAM器件(图3-8中讨论的)可以设计为是面内的。
[0052]所属【技术领域】的技术人员应了解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即:完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、驻留软件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，在一些实施例中，本发明的各个方面还可以实现为在一个或多个计算机可读介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读介质中包含计算机可读的程序代码。
[0053]可以采用一个或多个计算机可读介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是一但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括:具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPR0M或闪存)、光纤、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
[0054]计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
[0055]计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括一但不限于一无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
[0056]可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明的方面的操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言一诸如Java、Smalltalk、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言一诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络一包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0057]下面将参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述本发明。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而产生一种机器，使得这些计算机程序指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。
[0058]也可以把这些计算机程序指令存储在计算机可读介质中，这些指令使得计算机、其它可编程数据处理装置、或其他设备以特定方式操作，从而，存储在计算机可读介质中的指令就产生出包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的指令的制品。
[0059]计算机程序指令还可以加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其他设备上以引起在计算机、其它可编程装置或者其它器件上执行的一系列操作步骤，以产生计算机执行的处理，以便在计算机或者其它可编程装置上执行的指令提供用于处理实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的指令的处理。
[0060]附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现特定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0061]这是使用的术语仅用于描述具体实施例的目的并且没有旨在限制本发明。如这里使用的，除非内容中明确指明否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在还包括复数形式。还应该明白，术语“包括”和/或“包含”，当在此说明书中使用时，具体指规定的特征、整数(integer)、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多特征、整数、步骤、操作、元件和/或其组的存在或者添加。
[0062]在下面的权利要求中的对应的结构、材料、作用和所有装置或步骤加功能元件的等价物旨在包括用于结合其它特别要求保护的其它要求保护的元件执行功能的任意结构、材料和作用。提出本发明的描述用于示出和描述目的并且没有旨在穷尽或者限制本发明到在公开的形式中。在不脱离描述的本发明的范围和精神下本领域的技术人员应该明白许多修改和变化。选择并描述实施例的目的是更好的解释本发明、实际应用的规律，并且使得本领域的其它技术人员明白用于具有适合于实际应用的各种修改的本发明。
[0063]这里示出的流程图仅为一个实例。在不脱离本发明的精神的情况下，对于其中描述的该程序或者步骤(或者操作)可具有许多变化。例如，可以以不同的次序执行步骤或者可以添加或者删除或者修改步骤。所有这些变化被认为是所要求保护的发明的一部分。
[0064]虽然描述了本发明的示范性实施例，但是本领域的技术人员应该明白，现在和将来，可以进行落入到在随后的权利要求范围内的各种改善和增强。这些权利要求应该解释为保持对首次描述的本发明的适宜保护。
【权利要求】
1.一种用于磁随机存取存储器(MRAM)器件的双向写入的方法，所述器件具有参考层、邻近所述参考层的隧道势垒、邻近所述隧道势垒的自由层、邻近所述自由层的金属隔离物、邻近所述金属隔离物的绝缘磁体以及邻近所述绝缘磁体的金属加热器，所述方法包括: 响应于热梯度使所述绝缘磁体产生自旋极化电子； 通过从所述绝缘磁体产生的所述自旋极化电子开始所述自由层的磁化的不稳定化；以及 在开始所述不稳定化之后，向所述MRAM器件施加电压，以选择所述自由层的所述磁化。 其中所述电压的极性确定所述自由层的磁化是平行还是反平行于所述参考层的磁化。
2.根据权利要求1的方法，其中当所述电压的所述极性为正时，所述自由层的所述磁化翻转以具有一个磁化取向；并且 其中当所述电压的所述极性为负时，所述自由层的所述磁化翻转以具有另一磁化取向；
3.根据权利要求1的方法，其中通过从所述绝缘磁体产生的所述自旋极化电子开始所述自由层的所述磁化的不稳定化包括: 向所述金属加热器供能以便使所述热梯度从所述高电阻层穿过所述绝缘磁体、所述金属隔离物流动到所述自由层中； 其中所述热梯度产生所述自旋极化电子，所述自旋极化电子具有使所述自由层的所述磁化不稳定化的角动量。
4.根据权利要求3的方法，其中所述自由层的所述磁化在没有不稳定化自旋转移矩时是面外的； 其中所述绝缘磁体的磁化是面内的；以及 其中由于所述自由层的所述磁化是面外的，所述自旋极化电子的所述角动量使所述自由层的所述磁化不稳定化。
5.一种磁随机存取存储器器件，包括: 邻近隧道势垒的参考层、邻近所述隧道势垒的自由层、邻近所述自由层的金属隔离物、邻近所述金属隔离物的绝缘磁体以及邻近所述绝缘层的金属加热器。 其中，响应于热梯度，配置所述绝缘磁体以产生自旋极化电子； 其中所述绝缘磁体产生的所述自旋极化电子使所述自由层的磁化不稳定化； 其中当所述自由层的所述磁化被不稳定化时，向所述MRAM器件施加的电压改变所述自由层的所述磁化。 其中所述施加的电压的极性确定所述自由层的所述磁化是平行还是反平行于所述参考层的磁化。
6.根据权利要求5的器件，其中当所述施加的电压的所述极性为正时，所述自由层的所述磁化翻转以具有一个磁化取向；以及 其中当所述施加的电压的所述极性 为负时，所述自由层的所述磁化翻转以具有另一个磁化取向；
7.根据权利要求5的器件，其中通过向所述金属加热器供能造成所述热梯度，以及所述热梯度从所述高阻电层，穿过所述绝缘磁体，穿过所述金属隔离物并流动到所述自由层中；以及 其中，所述热梯度产生所述自旋极化电子，所述自旋极化电子具有使所述自由层的所述磁化不稳定化的角动量。
8.根据权利要求5的器件，其中所述自由层的所述磁化在没有不稳定化自旋转移矩时是面外的 其中所述绝缘磁体的磁化是面内的；以及 其中由于所述自由层的所述磁化是面外的，所述自旋极化电子的所述角动量使所述自由层的所述磁化不稳定化。
9.一种用于磁随机存取存储器(MRAM)器件的双向写入的方法，所述器件具有邻近隧道势垒的参考层、邻近所述隧道势垒的自由层、邻近所述自由层的金属隔离物以及邻近所述金属隔离物的绝缘磁体，所述方法包括: 向所述MRAM器件施加第一幅度的第一电压脉冲，所述第一幅度足以使所述隧道势垒作为加热所述绝缘磁体的加热器以便产生自旋极化电子； 通过从所述绝缘磁体中的磁振子产生的转化为自旋对准电子的所述自旋极化电子使所述自由层的磁化不稳定化；以及 当所述自由层的所述磁化被不稳定化时，向所述MRAM器件施加足以改变所述自由层的所述磁化的第二幅度的第二电压脉冲，其中所述第二幅度足够低以便不使所述隧道势垒作为热干扰源； 其中所述第二电压脉冲的极性确定所述自由层的所述磁化是平行还是反平行于所述参考层的磁化。
10.根据权利要求9的方法，其中配置所述第一电压脉冲以提供使所述隧道势垒作为所述加热器的第一幅度的电流；以及 其中配置所述第二电压脉冲以提供不使所述热势垒作为所述加热器的第二幅度的电流。
11.根据权利要求9的方法，其中在所述第二电压脉冲之前施加所述第一电压脉冲。
12.根据权利要求9的方法，其中当所述第二电压脉冲的所述极性为正时，所述自由层的所述磁化翻转以具有一个磁化取向；以及 其中当所述第二电压脉冲的所述极性为负时，所述自由层的所述磁化翻转以具有另一个磁化取向。
13.根据权利要求9的方法，其中通过从所述绝缘磁体产生的所述自旋极化电子使得所述自由层的所述磁化不稳定化包括: 产生从所述隧道势垒，穿过所述自由层、穿过所述金属隔离物并进入到所述绝缘磁体中的热梯度； 其中，所述热梯度产生所述自旋极化电子，所述自旋极化电子具有使所述自由层的所述磁化不稳定化的角动量。
14.根据权利要求13的方法，其中所述自由层的所述磁化在没有不稳定化自旋转移矩时是面外的； 其中所述绝缘磁体的所述磁化是面内的；以及 其中由于所述自由层的所述磁化是面外的，所述自旋极化电子的所述角动量使所述自由层的所述磁化不稳定化。
15.一种磁随机存取存储器器件，包括: 邻近隧道势垒的参考层、邻近所述隧道势垒的自由层、邻近所述自由层的金属隔离物以及邻近所述金属隔离物的绝缘磁体； 其中配置向所述结构施加的第一幅度的第一电压脉冲以使所述隧道势垒作为加热器，其中所述加热器加热所述绝缘磁体以产生自旋极化电子； 其中配置所述第一电压脉冲以通过从所述绝缘磁体产生的所述自旋极化电子使所述自由层的磁化不稳定化: 其中，当所述自由层的所述磁化被不稳定化时，以第二幅度施加的第二电压脉冲被配置为改变所述自由层的所述磁化而不使所述隧道势垒作为热干扰源；以及 其中所述第二电压脉冲的极性确定所述自由层的所述磁化是平行还是反平行于所述参考层的磁化。
16.根据权利要求15的器件，其中配置所述第一电压脉冲以提供使所述隧道势垒作为所述加热器的高电流；以及 其中配置所述第一电压脉冲以提供不使所述热势垒作为所述加热器的第一幅度的电流；以及
17.根据权利要求15的器件，其中在所述第二电压脉冲之前施加所述第一电压脉冲。
18.根据权利要求 15的器件，其中当所述第二电压脉冲的所述极性为正时，所述自由层的所述磁化翻转以具有一个磁化取向；以及 其中当所述第二电压脉冲的所述极性为负时，所述自由层的所述磁化翻转以具有另一磁化取向。
19.根据权利要求15的器件，其中通过所述隧道势垒的所述加热引起的热梯度，从所述隧道势垒，穿过所述自由层，穿过所述金属隔离物并且流动到所述绝缘磁体中；以及 其中，所述热梯度产生所述自旋极化电子，所述自旋极化电子具有使所述自由层的所述磁化不稳定化的角动量。
20.根据权利要求19的器件，其中所述自由层的所述磁化在没有不稳定化自旋转移矩时是面外的； 其中所述绝缘磁体的磁化是面内的；以及 其中由于所述自由层的所述磁化是面外的，所述自旋极化电子的所述角动量使所述自由层的所述磁化不稳定化。
【文档编号】G11C11/00GK103890854SQ201280021240
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年3月21日 优先权日:2011年5月3日
【发明者】D·W·阿布拉汗, N·N·莫于穆德尔, D·C·沃莱吉 申请人:国际商业机器公司