利用场感应反铁磁性或铁磁性耦合的自旋转矩转移单元结构

摘要

本发明提供一种包括软磁性层(104、204、254、304、354)及耦合层(106、206、256、306、356)的磁性存储器单元(50)，及一种操作所述存储器单元(50)的方法。所述存储器单元(50)包括具有自由铁磁性层(108、208、258、308、358)及钉扎铁磁性层(112、212、262、312、362)的堆叠(52、100、200、250、300、350)，且也可形成软磁性层(104、204、254、304、354)及耦合层(106、206、256、306、356)以作为所述堆叠(52、100、200、250、300、350)中的层。所述耦合层(106、206、256、306、356)可导致反铁磁性耦合以诱导所述自由铁磁性层(108、208、258、308、358)在反平行于所述软磁性层(104、204、254、304、354)的磁化的方向上被磁化，或所述耦合层(106、206、256、306、356)可导致铁磁性耦合以诱导所述自由铁磁性层(108、208、258、308、358)在平行于所述软磁性层(104、204、254、304、354)的所述磁化的方向上被磁化。

说明书

技术领域

本发明大体来说涉及磁性随机存取存储器，且更特定来说涉及自旋转矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)。

背景技术

此章节既定向读者介绍可与本发明的各种方面相关的技术的各种方面，下文描述及/或主张本发明的各种方面。相信此论述有助于向读者提供背景信息以促进对本发明的各种方面的更好理解。因此，应理解，将就此而论来阅读这些叙述，且这些叙述不作为对先前技术的承认。

磁性随机存取存储器(MRAM)为基于磁电阻的非易失性计算机存储器技术。MRAM在若干方面不同于易失性随机存取存储器(RAM)。因为MRAM是非易失性的，所以MRAM可在存储器装置未被供电时维持存储器内容。尽管非易失性RAM通常慢于易失性RAM，但MRAM具有与易失性RAM的读取及写入响应时间相当的读取及写入响应时间。不同于将数据存储为电荷的典型RAM技术，通过磁电阻元件来存储MRAM数据。通常，磁电阻元件由两个磁性层制成，所述磁性层中的每一者保持一磁化。一个层(“钉扎层”)的磁化是固定于其磁性定向上，且另一层(“自由层”)的磁化可通过由编程电流所产生的外部磁场而改变。因此，编程电流的磁场可导致两个磁性层的磁性定向平行，从而给出跨越所述层的较低电阻(“0”状态)，或可导致两个磁性层的磁性定向反平行，从而给出跨越所述层的较高电阻(“1”状态)。自由层的磁性定向的切换及跨越磁性层的所得高或低电阻状态提供典型MRAM单元的写入及读取操作。

尽管MRAM技术提供非易失性及较快速的响应时间，但MRAM单元在可缩放能力方面受到限制且容易受到写入干扰。用以在跨越MRAM磁性层的高电阻状态与低电阻状态之间进行切换的编程电流通常较高。因此，当以MRAM阵列来布置多个单元时，经引导到一个存储器单元的编程电流可诱导邻近单元的自由层中的电场改变。可使用自旋转矩转移技术来解决此写入干扰潜在性(也被称为“半选问题”(half-select problem))。

常规自旋转矩转移MRAM(STT-MRAM)单元包括：磁性隧道结(MTJ)，其为包括两个磁性层(一个为钉扎磁性层且一个为自由磁性层)及在中间的绝缘层的磁电阻数据存储元件；位线；字线；源极线；及存取晶体管。编程电流通常流动通过存取晶体管及MTJ。钉扎层使编程电流的电子自旋极化，且当自旋极化电流传递通过MTJ时产生转矩。经自旋极化电子电流通过在自由层上施加转矩而与自由层相互作用。当传递通过MTJ的经自旋极化电子电流的转矩大于临界切换电流密度(J_c)时，由经自旋极化电子电流所施加的转矩足以切换自由层的磁化。因此，可将自由层的磁化对准成平行于或反平行于钉扎层，且跨越MTJ的电阻状态改变。

STT-MRAM具有优于MRAM的有利特性，因为经自旋极化电子电流消除了针对用以切换磁电阻元件中的自由层的外部磁场的需要。另外，当编程电流随着单元尺寸减小而减小时改善了可缩放能力，且解决了写入干扰及半选问题。另外，STT-MRAM技术允许较高的隧道磁电阻比，这意味着在高电阻状态与低电阻状态之间存在较大比率，从而改善磁畴中的读取操作。

然而，通过STT-MRAM单元的高编程电流密度可仍成问题。通过磁性层的高电流密度可增加单元中的能量消耗及层中的热分布，从而影响单元的完整性及可靠性，且也可导致针对每一单元的较大硅面积消耗。

附图说明

在以下详细描述中且参看图式来描述特定实施例，其中：

图1描绘根据本技术的实施例的基于处理器的系统的框图；

图2描绘具有根据本发明的实施例而制造的存储器单元的存储器阵列的一部分的示意图；

图3描绘根据本发明的实施例的具有软磁性层及反铁磁性耦合层的STT-MRAM单元堆叠；

图4A及图4B描绘根据本发明的实施例的利用反铁磁性耦合且响应于不同电流方向的两个STT-MRAM单元堆叠；及

图5A及图5B描绘根据本发明的实施例的利用铁磁性耦合且响应于不同电流方向的两个STT-MRAM单元堆叠。

具体实施方式

如先前所论述，自旋转矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)单元是通过切换单元的磁性隧道结(MTJ)中的自由层的磁化来编程。当传递通过存储器单元的电流密度大于临界切换电流密度时发生切换。因此，为了对单元进行编程，编程电流密度仅需要稍微高于临界切换电流密度。由于传递较大编程电流会增加MTJ中的能量消耗及热分布(这影响单元的完整性及可靠性)，因此需要在不影响单元的热稳定性的情况下减小临界切换电流。当对单元进行编程时，减小临界切换电流将允许较小电流来切换自由层。以下论述描述根据本技术的实施例的系统及装置以及这些系统及装置的操作。

图1描绘基于处理器的系统(整体通过参考数字10表示)。如下文所解释，系统10可包括根据本技术的实施例而制造的各种电子装置。系统10可为多种类型中的任一者，例如计算机、寻呼机、蜂窝式电话、个人备忘记事本、控制电路等等。在典型的基于处理器的系统中，一个或一个以上处理器12(例如微处理器)控制系统10中的系统功能及请求的处理。如下文所解释，处理器12及系统10的其它子组件可包括根据本技术的实施例而制造的电阻性存储器装置。

系统10通常包括电源14。举例来说，如果系统10为便携式系统，那么电源14可有利地包括燃料电池、电力提取装置、永久性电池组、可更换电池组及/或可再充电电池组。电源14还可包括AC适配器，因此，可将系统10插入到(例如)壁装插座中。电源14还可包括DC适配器，使得可将系统10插入到(例如)交通工具点烟器中。

取决于系统10所执行的功能，可将各种其它装置耦合到处理器12。举例来说，可将用户接口16耦合到处理器12。用户接口16可包括(例如)按钮、开关、键盘、光笔、鼠标、数字转换器及触笔，及/或语音辨识系统。也可将显示器18耦合到处理器12。显示器18可包括(例如)LCD、SED显示器、CRT显示器、DLP显示器、等离子体显示器、OLED显示器、LED，及/或音频显示器。此外，也可将RF子系统/基带处理器20耦合到处理器12。RF子系统/基带处理器20可包括耦合到RF接收器及RF发射器(未图标)的天线。也可将一个或一个以上通信端口22耦合到处理器12。可将通信端口22调适成耦合到(例如)一个或一个以上外围装置24(例如调制解调器、打印机、计算机)或耦合到网络(例如局域网、远程区域网络、企业内部网或因特网)。

处理器12通常通过实施存储于存储器中的软件程序来控制系统10。软件程序可包括(例如)操作系统、数据库软件、制图软件、文字处理软件，及/或视频、照片或声音编辑软件。可将存储器可操作地耦合到处理器12以存储各种程序且促进执行各种程序。举例来说，可将处理器12耦合到系统存储器26，系统存储器26可包括自旋转矩转移磁性随机存取存储器(STT-MRAM)、磁性随机存取存储器(MRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)，及/或静态随机存取存储器(SRAM)。系统存储器26可包括易失性存储器、非易失性存储器或其组合。系统存储器26通常较大以使得其可存储动态加载的应用程序及数据。在一些实施例中，系统存储器26可包括STT-MRAM装置，例如下文进一步所论述的STT-MRAM装置。

还可将处理器12耦合到非易失性存储器28，非易失性存储器28并不暗示系统存储器26必定是易失性的。非易失性存储器28可包括STT-MRAM、MRAM、只读存储器(ROM)(例如EPROM)、电阻性只读存储器(RROM)，及/或待结合系统存储器26而使用的快闪存储器。通常将ROM的尺寸选择为恰好足够大以存储任何必要操作系统、应用程序及固定数据。另外，非易失性存储器28可包括(例如)高容量存储器(例如磁带)或磁盘驱动器存储器(例如混合驱动器，包括电阻性存储器或其它类型的非易失性固态存储器)。如下文更详细地解释，非易失性存储器28可包括根据本技术的实施例而制造的STT-MRAM装置。

图2说明STT-MRAM单元50，其可经制造以形成存储器单元阵列，取决于系统要求及制造技术，所述存储器单元阵列呈包括若干行及列的栅格图案或呈各种其它布置。可在图1所描绘的系统存储器26或易失性存储器28中实施存储器单元的布置。

STT-MRAM单元50包括堆叠52、存取晶体管54、位线56、字线58、源极线60、读取/写入电路62、位线参考64及读出放大器66。堆叠52可包括磁性隧道结(MTJ)或自旋阀。如将在下文特定地参看图3到图5进一步所描述，堆叠52可进一步包括根据本技术的实施例的软磁性层及耦合层。在下文所描述的各种实施例中，堆叠52中的软磁性层及耦合层可为安置于堆叠52的MTJ上或下方的层(图3到图5)。

如本文中所使用，STT-MRAM单元50通常包括“磁性单元结构”。如果堆叠52的自由层与钉扎层之间的非磁性层是绝缘的，那么磁性单元结构可为如上文所论述的MTJ。或者，如果自由层与钉扎层之间的非磁性层是导电的，那么磁性单元结构可为自旋阀。如本说明书中所使用，术语“堆叠”可包括磁性单元结构，且可指代存储器单元堆叠、磁性单元堆叠、STT-MRAM单元堆叠或可包括根据本技术的实施例的层及材料的存储器单元的任一元件。另外，如将解释，“耦合层”可为反铁磁性耦合层或铁磁性耦合层。

如还在本文中所使用，当材料形成于MTJ上方或下方或形成于MTJ堆叠内且平行于MTJ的层时，可将材料称作“层”。应理解，当称一层“形成于另一层上”、“形成于另一层下方”、“安置于另一层上”或“安置于另一层下方”时，可存在形成于或安置于所述层之间的介入层。相反地，如果称一层或材料“直接形成于另一层上”、“直接形成于另一层下方”、“直接安置于另一层上”、“直接安置于另一层下方”或“与另一层直接接触”，那么所述材料或层在其间不包括介入材料或层。

当将STT-MRAM单元50选择为被编程时，将编程电流施加到所述单元，且所述电流是通过钉扎层而经自旋极化且将转矩施加于自由层上，所述转矩切换自由层的磁化以“写入到”或“编程”所述单元。在STT-MRAM单元50的读取操作中，使用电流来检测存储器单元堆叠52的电阻状态。如将进一步所论述，将软磁性层及耦合层并入于堆叠52中可减小切换自由层的磁化所需要的临界切换电流，因此允许较小编程电流来写入STT-MRAM单元50。

如先前所论述，施加编程电流以用于STT-MRAM单元50的写入操作。为了起始写入操作，读取/写入电路62可产生到位线56及源极线60的写入电流。位线56与源极线60之间的电压的极性连同软磁性层与自由层之间的耦合效应决定堆叠52中的自由层的磁化切换。一旦自由层根据编程电流的自旋极性及耦合效应而被磁化，便将经编程状态写入到STT-MRAM单元50。

为了读取STT-MRAM单元50，读取/写入电路62产生通过堆叠52及晶体管54而到位线56及源极线60的读取电流。STT-MRAM单元50的经编程状态取决于跨越堆叠52的电阻，其可通过位线56与源极线60之间的电压差来确定。在一些实施例中，可比较电压差与参考64且可通过读出放大器66来放大电压差。

图3中说明在STT-MRAM单元中利用耦合效应的本发明的一个实施例。STT-MRAM单元包括存储器单元堆叠100，存储器单元堆叠100具有软磁性层104及反铁磁性层106，软磁性层104及反铁磁性层106可用以减小临界切换电流密度或磁性存储器单元的自由层可被切换时的电流密度。此技术使经施加通过位线102的较低编程电流能够促进自由层108的磁化切换以编程存储器单元。可将此实施例及以下各图所说明及描述的实施例中的每一者并入到STT-MRAM单元50中，且进一步并入到如图2所描述的STT-MRAM单元阵列中。

图3的存储器单元堆叠100可包括自由层108及钉扎层112与在中间的非磁性层110。如此命名钉扎层112是因为其磁化具有固定或优选定向，且这是通过钉扎层112中所说明的单向箭头表示。自由层108具有可被切换的磁化(如通过双向箭头所表示)，从而允许对存储器单元进行编程。如先前所论述，切换自由层108的磁化会改变跨越自由层108及钉扎层112的电阻，使得存储器单元被编程到低电阻状态(当自由层108与钉扎层112具有平行磁化时)或高电阻状态(当自由层108与钉扎层112具有反平行磁化时)。可通过确定跨越自由层108及钉扎层112的电阻来读取单元。

当传递通过存储器单元的编程电流具有大于临界切换电流密度的电流密度时，发生切换自由层108的磁化。在一个实施例中，将软磁性层104及反铁磁性耦合层并入于堆叠100中。使编程电流传递通过经选择以用于编程的存储器单元的位线102。编程电流在位线102中产生使选定存储器单元堆叠100的软磁性层104磁化的磁场。更具体来说，软磁性层104具有高磁导率，使得通过编程电流而在位线102中所产生的大部分磁场或大体上全部磁场保持于软磁性层104中且未传递到周围环境。软磁性层104也是非永久性磁体且可仅在通过编程电流来产生磁场时被磁化。软磁性层104可因此响应于在一个方向上所施加的编程电流而在第一方向上被磁化，或可响应于在另一方向上所施加的编程电流而在第二方向上被磁化。另外，当未施加编程电流时，软磁性层104可大体上失去其磁化或仅保持反平行于自由层108的少量磁化，从而进一步增加自由层108的热稳定性。

取决于编程电流的方向，如将在图4A到图4B中进一步所解释，由通过位线102的电流所产生的磁场在平行于或反平行于钉扎层112的方向上磁化软磁性层104。因为反铁磁性耦合层106可包含在相反方向上对准相邻层的磁化的材料，所以反铁磁性耦合层106诱导自由层108与经磁化软磁性层104之间的反平行耦合，所述反平行耦合诱导自由层108在反平行于软磁性层104的磁化的定向上被磁化。通过反铁磁性耦合效应所产生的自由层108上的此转矩通过如下操作来减少临界切换电流：施加有助于在一个方向上切换自由层108的磁化的转矩，使得需要来自编程电流的自旋的较小转矩以在同一方向上切换自由层108的磁化。

举例来说，如果将存储器单元选择为被编程到高电阻状态，那么编程电流可将软磁性层104磁化到平行于钉扎层112的方向，且反铁磁性耦合层106可诱导反平行耦合以将自由层108切换为反平行于软磁性层104且因此反平行于钉扎层112。接着，来自编程电流的自旋的较小转矩可促进将自由层108的磁化切换为反平行于钉扎层112以将存储器单元编程到高电阻状态。另外，可将反铁磁性层114安置于钉扎层112下方以经由交换耦合而实现钉扎且进一步增加单元稳定性。

可在如图3中的实施例中或在根据本技术的任何其它实施例中使用下文所论述的材料的实例。在一些实施例中，自由层108及钉扎层112可包含铁磁性材料，例如(例如)Co、Fe、Ni或其合金NiFe、CoFe、CoNiFe，或掺杂合金CoX、CoFeX、CoNiFeX(X＝B、Cu、Re、Ru、Rh、Hf、Pd、Pt、C)，或其它半金属铁磁性材料(例如Fe3O4、CrO2、NiMnSb与PtMnSb，及BiFeO)。自由层108与钉扎层112之间的非磁性层110可包含导电材料(例如Cu、Au、Ta、Ag、CuPt、CuMn)或非导电材料(例如Al_xO_y、MgO、AlN、SiN、CaO_x、NiO_x、Hf_xO_y、Ta_xO_y、Zr_xO_y、NiMnO_x、Mg_xF_y、SiC、SiO₂、SiO_xN_y)，或上述材料的任何组合。

软磁性层104可具有高磁导率。介质的相对磁导率是通过特定介质的磁导率对自由空间的磁导率的比率界定，其中自由空间的磁导率为μ₀＝4πx10^-7。相对磁导率比率为μ_r＝μ/μ₀，其中μ为介质的磁导率。在一些实施例中，软磁性层104可具有大于或等于500的相对磁导率，且可包括(例如)：Co-Zr-Pd-Mn；掺杂Si(3％-4％)的Fe；Co-Fe；Ni-Fe；Ni-Fe-Cu-Cr；Ni-Fe-Cu-Mo合金；FeXN，X＝Al、Ta、Rh、Mo、Si、Zr；Mn-Zn铁氧体；Ni-Zn铁氧体；MFe2O4，M＝Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mg、Cd；基于Co的非晶金属；基于Fe的非晶金属；或纳米晶形Fe-Nb-Si-B或Fe-Zr-B-Cu；或上述材料的任何组合。

尽管将软磁性层104描绘为经安置成与位线102接触，但软磁性层104未必必须与位线102接触。一些实施例可包括在软磁性层104与位线102之间的层，且所述层可具有大体上不影响软磁性层104通过位线102而被磁化的能力的性质。举例来说，在软磁性层104与位线102之间的层可较薄，且可包含非磁性材料，包括导电材料(例如Cu、Au、Ta、Ag、CuPt、CuMn)或非导电材料(例如Al_xO_y、MgO、AlN、SiN、CaO_x、NiO_x、Hf_xO_y、Ta_xO_y、Zr_xO_y、NiMnO_x、Mg_xF_y、SiC、SiO₂、SiO_xN_y)或上述材料的任何组合。反铁磁性耦合层106可具有大约0.2nm到10nm的厚度，或适于诱导自由层108与软磁性层104之间的反平行耦合的另一厚度。反铁磁性耦合层106可包含(例如)Ru、Cr、Os、Mn、Nb、Rh、W、Re、Ir、V或Mo，或上述材料的任何组合。反铁磁性层114可包含(例如)PtMn、NiMn、PdMn、IrMn、PdPtMn、MnO、MnS、MnTe、MnF₂、FeF₂、FeCl₂、FeO、CoCl₂、CoO、NiCl₂、Cr或NiO，或这些材料的任何组合。

图4A到图4B描绘根据本发明的一实施例的两个STT-MRAM单元堆叠及每一单元堆叠对在不同方向上所施加的编程电流的响应。在图4A中，存储器单元堆叠200可具有自由层208及钉扎层212与在中间的非磁性层210。堆叠200还可具有在自由层208上的软磁性层204及反铁磁性耦合层206，以及在钉扎层212下方的反铁磁性层214。位线202经配置以将编程电流供应到堆叠200。当编程电流在进入页面的方向上流动通过位线202且向下流动通过存储器单元堆叠200时，在位线202周围产生磁场且磁场向左诱导软磁性层204的磁化，其反平行于钉扎层212的向右定向的磁化。如先前所论述，参看图3，软磁性层204的高磁导率集中磁场且产生大磁化。反铁磁性耦合层206产生转矩以在反平行于软磁性层204的磁化的方向上对准自由层208的磁化，或向右对准自由层208的磁化。

此外，来自向下流动编程电流的向上流动电子的自旋转矩也产生自旋转矩以向右对准自由层208的磁化。因为由软磁性层204与自由层208之间的反铁磁性耦合层206所产生的反铁磁性耦合效应促进向同一方向(向右)对准自由层208的磁化，所以向右对准自由层208的磁化所需要的编程电流自旋转矩减少。因此，较小编程电流可向右切换自由层208的磁化方向或将自由层208的磁化方向切换成平行于钉扎层212的磁化，且将STT-MRAM单元编程到低电阻状态(写入“0”)。

如图4B所描绘，存储器单元堆叠250也可响应于在另一方向上所施加的编程电流。堆叠250可具有自由层258及钉扎层262与在中间的非磁性层260。堆叠250还可具有在自由层258上的软磁性层254及反铁磁性耦合层256，以及在钉扎层262下方的反铁磁性层264。位线252经配置以将编程电流供应到堆叠250。当编程电流在离开页面的方向上流动通过位线252且向上流动通过存储器单元堆叠250时，在位线252周围产生磁场且磁场向右诱导软磁性层254中的磁化，其平行于钉扎层262的向右定向的磁化。软磁性层254的高磁导率集中磁场，从而产生大磁化，且反铁磁性耦合层256产生转矩以在反平行于软磁性层254的磁化的方向上对准自由层258的磁化，或向左对准自由层258的磁化。

此外，来自向上流动编程电流的向下流动电子的自旋转矩也产生自旋转矩以向左对准自由层258的磁化。具体来说，电子在流动到钉扎层262时被自旋极化，且在反平行于钉扎层262的磁化的方向上极化的电子被向上反射到自由层258，从而在反平行于钉扎层262的磁化的方向上对准自由层258的磁化，或向左对准自由层258的磁化。因为由软磁性层254与自由层258之间的反铁磁性耦合层256所产生的反铁磁性耦合效应促进向同一方向(向左)对准自由层258的磁化，所以向左对准自由层258的磁化所需要的编程电流自旋转矩减少。因此，较小编程电流可向左切换自由层258的磁化方向或将自由层258的磁化方向切换成反平行于钉扎层262的磁化，且将STT-MRAM单元编程到高电阻状态(写入“1”)。

图5A到图5B中说明通过利用耦合效应来减少编程电流的本发明的另一实施例，其中两个STT-MRAM单元堆叠300及350(每一者并有软磁性层304及354以及铁磁性耦合层306及356)响应于不同方向的编程电流。如将进一步所解释，类似于一些实施例中的反铁磁性耦合层(图3中的106以及图4A到图4B中的206及256)，铁磁性耦合层还促进经由耦合效应而减少编程电流，但铁磁性耦合层诱导软磁性层与自由层之间的平行耦合效应。可通过展示振荡耦合行为的在铁磁性耦合层中的材料来诱导平行耦合效应，从而将邻近原子自旋对准成彼此平行。铁磁性耦合层306及356可具有大约0.2nm到10nm的厚度，且可包含(例如)Ru、Au、Mn、Os、Ir、Rh、Cu、Cr、CoRu合金或掺杂有B、Ru及Cr的CoRu合金、CoCr合金、Pt或Pd，或任何其它合金，或上述材料的其它组合。

在图5A中，存储器单元堆叠300可具有自由层308及钉扎层312与在中间的非磁性层310。堆叠300还可具有在自由层308上的软磁性层304及铁磁性耦合层306，以及在钉扎层312下方的反铁磁性层314。位线302经配置以将编程电流供应到堆叠300。当编程电流在进入页面的方向上流动通过位线302且向上流动通过存储器单元堆叠300时，在位线302周围产生磁场且磁场向左诱导软磁性层304中的磁化，其反平行于钉扎层312的向右定向的磁化。软磁性层304的高磁导率集中磁场，从而产生大磁化，且铁磁性耦合层306产生转矩以在平行于软磁性层304的磁化的方向上对准自由层308的磁化，或向左对准自由层308的磁化。

此外，来自向上流动编程电流的向下流动电子的自旋转矩还产生自旋转矩以向左对准自由层308的磁化。具体来说，电子在流动到钉扎层312时被自旋极化，且在反平行于钉扎层312的磁化的方向上极化的电子被向上反射到自由层308，从而在反平行于钉扎层312的磁化的方向上对准自由层308的磁化，或向左对准自由层308的磁化。因为由软磁性层304与自由层308之间的铁磁性耦合层306所产生的铁磁性耦合效应促进在同一方向上(向左)对准自由层308的磁化，所以向左对准自由层308的磁化所需要的编程电流自旋转矩减少。因此，较小编程电流可向左切换自由层308的磁化方向或将自由层308的磁化方向切换成反平行于钉扎层312的磁化，且将STT-MRAM单元编程到高电阻状态(写入“1”)。

如图5B所描绘，存储器单元堆叠350响应于在不同于经施加到先前所论述的存储器单元堆叠300的编程电流的另一方向上所施加的编程电流。堆叠350可具有自由层358及钉扎层362与在中间的非磁性层360。堆叠350还可具有在自由层358上的软磁性层354及铁磁性耦合层356，以及在钉扎层362下方的反铁磁性层364。位线352经配置以将编程电流供应到堆叠350。当编程电流在离开页面的方向上流动通过位线352且向下流动通过存储器单元堆叠350时，在位线352周围产生磁场且磁场向右诱导软磁性层354中的磁化，其平行于钉扎层362的向右定向的磁化。软磁性层354的高磁导率集中磁场，从而产生大磁化，且铁磁性耦合层356产生转矩以在平行于软磁性层354的磁化的方向上对准自由层358的磁化，或向右对准自由层358的磁化。

此外，来自向下流动编程电流的向上流动电子的自旋转矩也产生自旋转矩以向右对准自由层358的磁化。因为由软磁性层354与自由层358之间的铁磁性耦合层356所产生的铁磁性耦合效应促进在同一方向上(向右)对准自由层358的磁化，所以向右对准自由层358的磁化所需要的编程电流自旋转矩减少。因此，较小编程电流可向右切换自由层358的磁化方向或将自由层358的磁化方向切换成平行于钉扎层362的磁化，且将STT-MRAM单元编程到低电阻状态(写入“0”)。

在根据本技术的实施例中，通过位线的电流的方向决定软磁性层的磁化，且来自向上或向下流动通过堆叠的编程电流的自旋转矩的方向决定自由层的磁化。通过位线的电流可在任一方向(例如，进入或离开页面)上流动且可取决于位线电流被流入到存储器阵列的哪一侧。为了实现不同电阻状态，可在不同方向上施加编程电流，且所施加的编程电流的方向可取决于STT-MRAM阵列的配置及/或通过STT-MRAM单元的位线的电流的方向。

此外，在根据本技术的实施例中，STT-MRAM单元的钉扎层可在任一方向上具有固定或优选磁化定向，且未必被向右磁化。具有被向左磁化的钉扎层的STT-MRAM单元将仍根据本技术起作用，仅响应于不同编程电流方向的电阻状态将与其中钉扎层被向右磁化的实施例相反。

除了减小能量势垒及需要较小编程电流来切换存储器单元的自由层的磁化以外，软磁性层的非永久性磁化特性也可保留数据保持所需要的热稳定性。仅当存储器单元正被编程时，软磁性层才将被大体上磁化，从而允许耦合层诱导对自由层的耦合效应。当存储器单元未被编程时，将不诱导耦合效应或其量值将较小，且剩余耦合效应可有助于在切换之后使单元稳定。

虽然本发明可容许各种修改及替代形式，但图式中已通过实例展示且已本文中详细地描述特定实施例。然而，应理解，本发明既定不限于所揭示的特定形式。更确切来说，本发明将涵盖落入如由附加权利要求书所界定的本发明的精神及范围内的所有修改、均等物及替代物。