ЯЧЕЙКА МАГНИТНОГО ОПЕРАТИВНОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА (MRAM) С САМОАДРЕСАЦИЕЙ, СОДЕРЖАЩАЯ ФЕРРИМАГНИТНЫЕ СЛОИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к ячейке магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), с самоадресацией, в которой используют ферримагнитный слой считывания и/или ферримагнитный запоминающий слой, имеющий слабое переключающее поле. Настоящее изобретение также относится к способу записи ячейки MRAM и способу с самоадресацией для считывания ячейки MRAM, так что запись ячейки MRAM и считывание нее могут быть осуществлены с использованием слабого поля записи и считывания, соответственно.

ОПИСАНИЕ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Ячейки магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), в которых используют так называемую операцию считывания с самоадресацией, обычно содержат магнитный туннельный переход, сформированный из магнитного запоминающего слоя, имеющего намагниченность, направление которой может быть изменено с первого устойчивого направления на второе устойчивое направление, тонкого изолирующего слоя и слоя считывания, в котором она имеет обратимое направление. Ячейки MRAM с самоадресацией обеспечивают возможность выполнения операции записи и считывания с низким энергопотреблением и с увеличенной скоростью.

Однако во время операции записи возникает биполярная связь между запоминающим слоем и слоем считывания вследствие локального магнитного поля рассеяния, связывая намагниченность слоя считывания с намагниченностью запоминающего слоя в конфигурации с замкнутым магнитным потоком. В таком случае для переключения намагниченности запоминающего слоя во время операции записи требуется приложение достаточно сильного магнитного поля для преодоления этой биполярной связи. Биполярная связь приводит к сдвигу (или к смещению) петли гистерезиса при приложении цикла поля для измерения петли гистерезиса запоминающего слоя. Эта биполярная связь зависит от толщины и намагниченности запоминающего слоя и слоя считывания и от размера магнитного туннельного перехода. В частности, биполярная связь увеличивается при уменьшении диаметра магнитного туннельного перехода и, таким образом, может стать главной проблемой при уменьшении размера ячейки MRAM.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее раскрытие относится к ячейке магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) на основе магнитного туннельного перехода, содержащей магнитный туннельный переход, который содержит запоминающий слой, имеющий результирующую намагниченность запоминания, которая является регулируемой от первого направления до второго направления, когда магнитный туннельный переход нагрет до высокотемпературного порога, и которая является зафиксированной при низкотемпературном пороге; слой считывания, имеющий намагниченность считывания, которая является обратимой при приложении магнитного поля; и туннельный барьерный слой, отделяющий слой считывания от запоминающего слоя. По меньшей мере один из запоминающего слоя и слоя считывания содержит материал ферримагнитного 3d-4f аморфного сплава, который содержит подрешетку из атомов переходных 3d-металлов, обеспечивающую первую намагниченность, и подрешетку из атомов редкоземельных 4f-элементов, обеспечивающую вторую намагниченность, так что при температуре компенсации упомянутого по меньшей мере одного из запоминающего слоя и слоя считывания первая намагниченность и вторая намагниченность, по существу, равны.

В одном варианте осуществления слой считывания содержит материал ферримагнитного 3d-4f аморфного сплава, причем первой намагниченностью является первая намагниченность считывания, а второй намагниченностью является вторая намагниченность считывания; и при этом температура компенсации слоя считывания соответствует, по существу, высокотемпературному порогу.

В другом варианте осуществления запоминающий слой содержит материал ферримагнитного 3d-4f аморфного сплава, причем первой намагниченностью является первая намагниченность запоминания, а второй намагниченностью является вторая намагниченность запоминания; и при этом температура компенсации запоминающего слоя соответствует, по существу, низкотемпературному порогу.

В еще одном варианте осуществления слой считывания содержит материал ферримагнитного 3d-4f аморфного сплава, который обеспечивает первую и вторую намагниченности, и запоминающий слой содержит материал ферримагнитного 3d-4f аморфного сплава, который обеспечивает первую и вторую намагниченности, и при этом температура компенсации запоминающего слоя является большей, чем температура компенсации слоя считывания.

В еще одном варианте осуществления температура компенсации запоминающего слоя, по существу, соответствует низкотемпературному порогу, а температура компенсации слоя считывания, по существу, соответствует высокотемпературному порогу.

В еще одном варианте осуществления температура компенсации может быть отрегулирована в соответствии с относительными составами между подрешеткой переходного 3d-металла и подрешеткой редкоземельного 4f-элемента.

В еще одном варианте осуществления изобретения ферримагнитный материал содержит сплав, содержащий Co или Fe с Gd, Sm или Tb.

Настоящее раскрытие также относится к способу записи ячейки MRAM, содержащему этапы, на которых:

нагревают магнитный туннельный переход до высокотемпературного порога;

после того, как магнитный туннельный переход достиг высокотемпературного порога, переключают направление намагниченности запоминающего слоя для записи данных в упомянутый запоминающий слой;

причем высокотемпературный порог соответствует, по существу, температуре компенсации.

Кроме того, настоящее раскрытие относится к способу считывания ячейки MRAM, содержащему этапы, на которых:

выстраивают результирующую намагниченность считывания в первом направлении;

измеряют первое сопротивление упомянутого магнитного туннельного перехода, причем первое сопротивление определяется первым направлением результирующей намагниченности считывания относительно ориентации переключенной намагниченности запоминания;

выстраивают результирующую намагниченность считывания во втором направлении;

измеряют второе сопротивление упомянутого магнитного туннельного перехода, причем второе сопротивление определяется вторым направлением результирующей намагниченности считывания относительно ориентации переключенной намагниченности запоминания;

определяют разность между первым значением сопротивления и вторым значением сопротивления;

причем выстраивание результирующей намагниченности считывания в первом направлении и во втором направлении выполняют при температуре считывания ниже температуры компенсации.

Запись в ячейку MRAM, которая раскрыта в настоящем изобретении, и считывание из нее могут быть осуществлены с использованием слабого поля записи и считывания, соответственно.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Раскрытие станет более понятным из описания варианта осуществления, приведенного в качестве примера и проиллюстрированного на чертежах, на которых изображено следующее:

на Фиг. 1 проиллюстрирован элемент магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) с самоадресацией согласно одному варианту осуществления; и

на Фиг. 2 приведена зависимость намагниченности ферримагнитного слоя, используемого либо в качестве слоя считывания либо в качестве запоминающего слоя в ячейке MRAM, от температуры согласно одному варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 проиллюстрирован элемент 1 магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM) с самоадресацией согласно одному варианту осуществления. Ячейка 1 MRAM содержит магнитный туннельный переход 2, содержащий ферромагнитный запоминающий слой 23, имеющий результирующую намагниченность 230 запоминания; ферримагнитный слой 21 считывания, имеющий результирующую намагниченность 210 считывания; и туннельный барьерный слой 22, содержащийся между запоминающим слоем 23 и слоем 21 считывания. Слой 25 представляет собой металлический контактный электрод. Направление намагниченности 230 запоминания является регулируемым от первого устойчивого направления до второго устойчивого направления с использованием операции записи с термическим переключением (TAS). Другими словами, результирующая намагниченность 230 запоминания может быть отрегулирована тогда, когда запоминающий слой 23 нагрет до высокотемпературного порога, и зафиксирован при низкотемпературном пороге. Запоминающий слой 23 также может быть выполнен из ферромагнитного материала, такого как, например, сплав кобальта с железом (CoFe), сплав кобальт-железо-бор (CoFeB), сплав никеля с железом (NiFe), кобальт (Co) и т.д. В варианте осуществления изобретения Фиг. 1 запоминающий слой 23 является обменно-связанным антиферромагнитным запоминающим слоем 24. Антиферромагнитный запоминающий слой 24 приспособлен для фиксации результирующей намагниченности 230 запоминания при низкотемпературном пороге и для высвобождения результирующей намагниченности 230 запоминания при высокотемпературном пороге. Антиферромагнитный слой 24 может быть выполнен из сплава на основе марганца, такого как, например, IrMn или FeMn, или из любых иных подходящих материалов. Как правило, высокотемпературный порог превышает комнатную температуру, например, находится в интервале между 120°C и 220°C.

Туннельный барьерный слой 22 предпочтительно выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей Al₂O₃ и MgO. Туннельное сопротивление магнитного туннельного перехода 2 экспоненциально зависит от толщины изолирующего слоя и измеряется произведением (RA) площади на сопротивление перехода. RA должно быть достаточно малым для того, чтобы через переход протекал ток, являющийся достаточно большим для повышения температуры магнитного туннельного перехода 2 (запоминающего слоя 23 и антиферромагнитного запоминающего слоя 24) до высокотемпературного порога. Слой 21 считывания может быть выполнен из мягкого ферримагнитного материала с низкой коэрцитивностью, в том числе, как правило, из железа, никеля кобальта или из их сплавов. Результирующая намагниченность 210 считывания, которую имеет слой 21 считывания, является легко обратимой, то есть результирующая намагниченность 210 считывания может быть отрегулирована при низкотемпературном и при высокотемпературном пороге.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения, операция записи с термическим переключением (TAS) содержит этапы, на которых:

нагревают магнитный туннельный переход 2 до высокотемпературного порога;

после того, как был достигнут высокотемпературный порог для магнитного туннельного перехода 2, переключают результирующую намагниченность 230 запоминания в записанном состоянии (запись данных); и

охлаждают магнитный туннельный переход 2 до низкотемпературного порога, например, для фиксации результирующей намагниченности 230 запоминания в записанном состоянии.

Нагрев магнитного туннельного перехода 2 может содержать подачу тока 31 нагрева через магнитный туннельный переход 2, например, по линии 5 тока (как изображено в варианте осуществления Фиг. 1). Высокотемпературный порог может соответствовать температуре выше температуры T_BS блокировки, где исчезает обменная связь между антиферромагнитным запоминающим слоем 24 и запоминающим слоем 23, и результирующая намагниченность 230 запоминания, которая более не зафиксирована, может быть свободно отрегулирована. Переключение результирующей намагниченности 230 запоминания может содержать приложение внешнего магнитного поля 42 записи, причем ориентация результирующей намагниченности 230 запоминания переключается в соответствии с направлением приложенного магнитного поля 42. Магнитное поле 42 записи может быть приложено за счет протекания тока 41 записи в линии 4 поля, связанной с магнитным туннельным переходом 2 (как изображено в варианте осуществления Фиг. 1). Линия поля обычно расположена выше или ниже магнитного туннельного перехода 2. Низкотемпературный порог может соответствовать температуре ниже температуры T_BS блокировки антиферромагнитного слоя 24, при которой антиферромагнитный слой 24 фиксирует результирующую намагниченность 230 запоминания. Охлаждение магнитного туннельного перехода 2 может содержать прекращение протекания тока 31 нагрева, например, после того, как был достигнут высокотемпературный порог для магнитного туннельного перехода 2.

В одном варианте осуществления операция считывания с самоадресацией ячейки MRAM 1 содержит первый цикл считывания, содержащий приложение первого магнитного поля 52 считывания, приспособленного для выстраивания результирующей намагниченности 210 считывания в первом направлении, в соответствии с первой ориентацией первого магнитного поля 52 считывания. Первое магнитное поле 52 считывания может быть приложено за счет пропускания тока 51 первого поля считывания, который имеет первую полярность, в линии 4 поля. Первое направление результирующей намагниченности 210 считывания затем сравнивают с переключенной результирующей намагниченностью 230 запоминания (с записанными данными) путем пропускания тока 32 считывания через магнитный туннельный переход 2. Напряжение, измеренное на магнитном туннельном переходе 2, дает соответствующее первое значение R₁ сопротивления магнитного туннельного перехода 2. В том случае, когда результирующая намагниченность 210 считывания выстроена, по существу, параллельно намагниченности 230 запоминания, первое значение R₁ сопротивления является малым (R₁=R_min). С другой стороны, когда результирующая намагниченность 210 считывания выстроена, по существу, антипараллельно намагниченности 230 запоминания, измеренное первое значение сопротивления является высоким (R₁=R_max).

Первое значение R₁ сопротивления может быть сравнено с опорным сопротивлением, величина которого обычно находится посередине между R_min и R_max (как описано в заявке на патент EP2276034). Предпочтительно операция считывания ячейки 1 MRAM дополнительно содержит второй цикл считывания, содержащий приложение второго магнитного поля 54 считывания, приспособленного для выстраивания результирующей намагниченности 210 считывания во втором направлении, противоположном первому направлению, в соответствии со второй ориентацией второго магнитного поля 54 считывания. Второе магнитное поле 54 считывания может быть приложено путем пропускания тока 53 второго поля считывания, который имеет вторую полярность, в линии 4 поля. Второе направление результирующей намагниченности 210 считывания затем сравнивают с переключенной намагниченностью 230 запоминания путем пропускания тока 32 считывания через магнитный туннельный переход 2. Измерение напряжения на магнитном туннельном переходе 2 при пропускании тока 32 считывания через магнитный туннельный переход 2 дает соответствующее второе значение R₂ сопротивления магнитного туннельного перехода 2. Записанные данные могут быть затем определены по разности между вторым значением R₂ сопротивления и первым значением R₁ сопротивления, измеренным в первом цикле считывания. Разность между первым значением R₁ сопротивления и вторым значением R₂ сопротивления также именуют магниторезистивностью магнитного туннельного перехода или магниторезистивностью ΔR. Разность между сохраненным первым значением R₁ сопротивления и вторым значением R₂ сопротивления может привести к отрицательной или к положительной магниторезистивности ΔR.

Во время операции записи при высокотемпературном пороге запоминающий слой 23 больше не является обменно-связанным с антиферромагнитным слоем 24, и намагниченность 230 запоминания может быть свободно отрегулирована. Однако биполярная связь запоминающего слоя 23 со слоем 21 считывания вследствие результирующей намагниченности 210 считывания может индуцировать локальное магнитное поле рассеяния (не изображено), связывающее запоминающий слой 23 со слоем 21 считывания. В зависимости от величины поля рассеяния, следовательно, от величины результирующей намагниченности 210 считывания, намагниченность 230 запоминания может быть зафиксирована за счет этой связи, препятствуя записи в ячейку 1 MRAM. Другими словами, приложенное магнитное поле 42 записи неспособно преодолеть биполярную связь запоминающего слоя 23 со слоем 21 считывания до тех пор, пока не будет увеличено приложенное магнитное поле 42 записи.

Результирующая намагниченность 230 запоминания также может индуцировать локальное магнитное поле рассеяния (также не изображено), связывающее запоминающий слой 23 со слоем 21 считывания. Во время операции считывания может потребоваться увеличенная напряженность первого и второго магнитных полей 52, 54 считывания вследствие этой биполярной связи запоминающего слоя 23 со слоем 21 считывания из-за намагниченности 230 запоминания.

В одном варианте осуществления слой 21 считывания содержит ферримагнитный 3d-4f аморфный сплав. Ферримагнитный 3d-4f аморфный сплав может быть создан путем выбора соответствующих элементов и относительных составов между переходным 3d-металлом и материалом из редкоземельных 4f-элементов. Такой ферримагнитный 3d-4f аморфный материал, используемый в устройствах MRAM, описан в документе EP2232495 A1 для иной цели, чем раскрытые здесь цели. В частности, ферримагнитный 3d-4f аморфный сплав для слоя 21 считывания содержит подрешетку из атомов переходных 3d-металлов, обеспечивающую первую намагниченность считывания, которой здесь является первая намагниченность 211 считывания, и подрешетку из атомов редкоземельных 4f-элементов, обеспечивающую вторую намагниченность, которой здесь является вторая намагниченность 212 считывания. Таким образом, результирующая намагниченность 210 считывания слоя 21 считывания представляет собой векторную сумму первой намагниченности 211 считывания и второй намагниченности 212 считывания. На Фиг. 2 приведена зависимость намагниченности слоя 21 считывания, выполненного из ферримагнитного 3d-4f аморфного сплава, от температуры. В частности, на этом чертеже приведены абсолютные значения первой намагниченности 211 считывания для подрешетки из атомов переходных 3d-металлов и абсолютные значения второй намагниченности 212 считывания для подрешетки из атомов переходных 4f-металлов в зависимости от температуры. Также приведена результирующая намагниченность 210 считывания в зависимости от температуры. В примере Фиг. 2 соответствующие составы из подрешетки переходного 3d-металла и подрешетки из редкоземельных 4f-элементов были выбраны так, что первая намагниченность 211 считывания ориентирована антипараллельно второй намагниченности 212 считывания. При температуре T_COMP компенсации слоя 21 считывания первая намагниченность 211 считывания и вторая намагниченность 212 считывания имеют, по существу, равные амплитуды и противоположные знаки. При этих условиях первая намагниченность 211 считывания и вторая намагниченность 212 считывания являются скомпенсированными, и результирующая намагниченность 210 считывания становится, по существу, равной нулю.

Ниже температуры T_COMP компенсации вторая намагниченность 212 считывания становится больше, чем первая намагниченность 211 считывания, и результирующая намагниченность 210 считывания является ориентированной в направлении второй намагниченности 212 считывания. Наоборот, при температуре выше температуры T_COMP компенсации первая намагниченность 211 считывания больше, чем вторая намагниченность 212 считывания, и результирующая намагниченность 210 считывания является ориентированной в направлении первой намагниченности 211 считывания. При повышении температуры до или выше температуры Кюри T_CW слоя 21 считывания тепловые флуктуации являются такими, что результирующая намагниченность 210 считывания становится, по существу, равной нулю, и слой 21 считывания становится парамагнитным. На Фиг. 2 также показано коэрцитивное поле H_W слоя 21 считывания. При температуре T_COMP компенсации коэрцитивное поле H_W изменяется и теоретически увеличивается до бесконечности. По обе стороны от температуры T_COMP компенсации коэрцитивное поле H_W уменьшается все быстрее при приближении температуры к температуре T_COMP компенсации.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения температура T_COMP компенсации слоя 21 считывания соответствует, по существу, высокотемпературному порогу. Во время операции записи при высокотемпературном пороге результирующая намагниченность 210 считывания, по существу, равна нулю, и связь запоминающего слоя 23 со слоем 21 считывания не возникает. Следовательно, намагниченность 230 считывания может быть легко переключена с использованием приложенного магнитного поля 42 записи, имеющего малую величину.

Операцию считывания выполняют при температуре T_read считывания ниже температуры T_COMP компенсации. Температура T_read считывания соответствует низкотемпературному порогу, при котором намагниченность 230 запоминания является зафиксированной антиферромагнитным слоем 24, вследствие чего первое магнитное поле 52 считывания и второе магнитное поле 54 считывания не могут переключать намагниченность 230 запоминания. Во время операции считывания намагниченность 230 запоминания является зафиксированной антиферромагнитным слоем 24, вследствие чего первое магнитное поле 52 считывания и второе магнитное поле 54 считывания не могут переключать ее.

Ферримагнитный 3d-4f аморфный сплав предпочтительно содержит сплав, содержащий Co или Fe с Gd, Sm или Tb, такой как, например, GdCo, SmCo или TbFeCo. Температура T_COMP компенсации может быть отрегулирована в соответствии с составом сплава ферримагнитного материала. Например, температура T_COMP компенсации может быть отрегулирована путем выбора относительных составов между переходным 3d-металлом и редкоземельным 4f-элементом.

Преимущество раскрытой здесь ячейки 1 MRAM и способа выполнения операции записи состоит в том, что во время операции записи намагниченность 230 запоминания может быть переключена с использованием магнитного поля 42 записи, имеющего низкую величину, вследствие низкого или нулевого поля рассеяния при температуре T_COMP компенсации. Кроме того, во время операции считывания величина первого магнитного поля 52 считывания и второго магнитного поля 54 считывания может быть малой, поскольку результирующая намагниченность 210 считывания является легко обратимой.

В другом варианте осуществления запоминающий слой 23 содержит ферримагнитный 3d-4f аморфный сплав. В частности, ферримагнитный 3d-4f аморфный сплав запоминающего слоя 23 содержит подрешетку из атомов переходных 3d-металлов, обеспечивающую первую намагниченность, которой здесь является первая намагниченность 231 запоминания, и подрешетку из атомов редкоземельных 4f-элементов, обеспечивающую вторую намагниченность, которой здесь является вторая намагниченность 232 запоминания. Таким образом, результирующая намагниченность 230 запоминания, которую имеет запоминающий слой 23, представляет собой векторную сумму первой намагниченности 231 запоминания и второй намагниченности 232 запоминания. На Фиг. 3 приведена зависимость намагниченности запоминающего слоя 23, выполненного из ферримагнитного 3d-4f аморфного сплава, от температуры. В частности, на чертеже приведены абсолютные значения первой намагниченности 231 запоминания для подрешетки из атомов переходных 3d-металлов и абсолютные значения второй намагниченности 232 запоминания для подрешетки из атомов переходных 4f-металлов в зависимости от температуры. Также приведена результирующая намагниченность 230 запоминания в зависимости от температуры. В примере Фиг. 3 соответствующие соединения из подрешетки переходного 3d-металла и подрешетки редкоземельных 4f-элементов были выбраны так, что первая намагниченность 231 запоминания является ориентированной антипараллельно второй намагниченности 232 считывания. При температуре T_COMP компенсации запоминающего слоя 23 первая намагниченность 231 запоминания и вторая намагниченность 232 запоминания имеют, по существу, равные амплитуды и противоположные знаки, и являются скомпенсированными, вследствие чего результирующая намагниченность 230 запоминания становится, по существу, равной нулю.

Температура T_COMP компенсации ферримагнитного запоминающего слоя 23 может быть отрегулирована так, что она соответствует, по существу, температуре T_read считывания (или низкотемпературному порогу). Во время операции считывания, выполняемой при температуре T_read считывания (при низкотемпературном пороге), результирующая намагниченность 230 запоминания становится, по существу, равной нулю, вследствие чего связь слоя 21 считывания с запоминающим слоем 23 не возникает. Следовательно, результирующая намагниченность 210 считывания может быть переключена посредством первого магнитного поля 52 считывания и второго магнитного поля 54 считывания, имеющих более низкую величину.

В еще одном варианте осуществления оба слоя: слой 21 считывания и запоминающий слой 23, содержат ферримагнитный 3d-4f аморфный сплав. Здесь слой 21 считывания содержит первую и вторую намагниченности 211, 212 считывания, а запоминающий слой 23 содержит первую и вторую намагниченности 231, 232 запоминания. Ферримагнитные 3d-4f аморфные сплавы запоминающего слоя 23 и слоя 21 считывания могут быть устроены так, что температура T_COMP компенсации запоминающего слоя 23 является большей, чем температура T_COMP компенсации слоя 21 считывания. В предпочтительном варианте осуществления изобретения температура T_COMP компенсации запоминающего слоя 23 соответствует, по существу, температуре T_read считывания (или низкотемпературному порогу), а температура T_COMP компенсации слоя 21 считывания соответствует, по существу, высокотемпературному порогу.

Номера ссылочных позиций

1 - ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM)

2 - магнитный туннельный переход

21 - слой считывания

210 - результирующая намагниченность считывания

211 - первая намагниченность считывания

212 - вторая намагниченность считывания

22 - туннельный барьерный слой

23 - запоминающий слой

24 - антиферромагнитный запоминающий слой

25 - электрод

230 - результирующая намагниченность запоминания

231 - первая намагниченность запоминания

232 - вторая намагниченность запоминания

31 - ток нагрева

32 - ток считывания

4 - линия поля

41 - ток записи

42 - магнитное поле записи

5 - линия тока

52 - первое магнитное поле считывания

54 - второе магнитное поле считывания

H_W - коэрцитивное поле

T_COMP - температура компенсации

T_read - температура считывания.