DE60219526T2

DE60219526T2 - Magnetische tunnelübergangseinrichtung, speicher und schreibe- und lese- verfahren unter verwendung einer solchen

Info

Publication number: DE60219526T2
Application number: DE60219526T
Authority: DE
Inventors: Bernard Dieny; Olivier Redon
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: ATE359588T1; EP1808862A1; EP1466329A2; WO2003043017A2; US20050002228A1; WO2003043017A3; JP4777613B2; FR2832542B1; EP1808862B1; JP2005510047A; JP2011193018A; USRE42619E1; EP1466329B1; FR2832542A1; DE60219526D1; US6950335B2

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft eine magnetische Tunnelgrenzschicht-Vorrichtung sowie einen diese Vorrichtung benutzenden Speicher.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum thermomagnetischen Schreiben in dieser Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Lesen der Vorrichtung.
Die Erfindung findet in der Elektronik und insbesondere bei der Herstellung von Speicherzellen und Speichern vom Typ MRAM ("Magnetic Random Access Memory" oder Magnetspeicher mit direktem (oder wahlfreiem) Zugang) Anwendung.
STAND DER TECHNIK
Das Interesse an MRAM-Magnetspeichern hat mit der Entwicklung von magnetischen Tunnelgrenzschichten (abgekürzt MTJ für "Magnetic Tunnel Junction"), die bei Raumtemperatur einen hohen Magnetowiderstand besitzen, wieder zugenommen.
Zum Thema Magnetspeicher mit magnetischen Tunnelgrenzschichten wird beispielsweise auf die folgenden Schriften verwiesen:

[1] US 5 640 343 A (Gallagher et al.)
[2] S.S.P. Parkin et al., J. Appl. Phys., vol. 85 Nr. 8,1999, S.5828-5833.

Die beigefügten 1A und 1B veranschaulichen schematisch die Struktur und die Funktion einer bekannten magnetischen Tunnelgrenzschicht.
Die Grenzschicht ist mit 2 bezeichnet. Es handelt sich dabei um einen Stapel, der eine Oxidschicht 3b umfasst, die sandwichartig zwischen zwei magnetischen Schichten angeordnet ist. Dieses System arbeitet wie ein Spinventil, jedoch mit dem Unterschied, dass der Strom senkrecht zu den Ebenen der Schichten fließt.
Eine 3a der magnetischen Schichten wird "freie Schicht" oder "Speicherschicht" genannt, da man ihre Magnetisierung in der gewünschten Richtung mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes (Zweirichtungspfeil) ausrichten kann; die andere magnetische Schicht 3c wird "eingefangene Schicht" oder "Bezugsschicht" genannt, da ihre Magnetisierungsrichtung durch Austauschkopplung mit einer antiferromagnetischen Schicht fixiert ist (Einrichtungspfeil).
Wenn die Magnetisierungen der magnetischen Schichten antiparallel sind, ist der Widerstand der Grenzschicht hoch; wenn die Magnetisierungen parallel sind, wird dieser Widerstand niedrig. Die relative Widerstandsänderung zwischen diesen beiden Zuständen kann durch eine geeignete Wahl der Werkstoffe der Schichten des Stapels und/oder von thermischen Behandlungen dieser Werkstoffe 40% erreichen.
Die Grenzschicht 2 ist zwischen einem Umschalttransistor 4 und einer Stromzuführungsstrecke 6 angeordnet, die eine obere Leitungsstrecke bildet. Ein in dieser fließender Strom I1 erzeugt ein Magnetfeld 7. Ein Leiter 8, der eine untere Leitungsstrecke bildet, die zur Stromzuführungs strecke 6 rechtwinklig ist, gestattet es, indem man darin einen Strom I2 fließen lässt, ein zweites Magnetfeld 9 zu erzeugen.
Im Modus "Schreiben" (1A) ist der Transistor 4 in den blockierten Modus gesetzt, also durchquert kein Strom diesen Transistor. Man lässt Stromimpulse in der Stromzuführungstrecke 6 und in dem Leiter 8 fließen. Die Grenzschicht 2 ist also zwei orthogonalen Magnetfeldern ausgesetzt. Das eine wird in der Achse der schwierigen Magnetisierung der freien Schicht 3a angelegt, um ihr Umkehrfeld zu reduzieren, während das andere in ihrer leichten Achse angelegt wird, um die Umkehrung der Magnetisierung und damit das Beschreiben der Speicherzelle zu bewirken.
Im Prinzip ist nur die Speicherzelle, die an der Schnittstelle der beiden Stecken 6 und 8 angeordnet ist, in der Lage, sich umzukehren, da jedes Magnetfeld einzeln genommen nicht stark genug ist, um ein Kippen der Magnetisierung zu bewirken.
Im Modus "Lesen" (1B) ist der Transistor durch Senden eines positiven Stromimpulses im Gitter des Transistors in den gesättigten Betrieb gebracht (das heißt der diesen Transistor durchfließende Strom ist maximal). Der in die Strecke 6 eingeführte Strom I3 durchquert nur die Speicherzelle, deren Transistor in den gesättigten Modus gebracht wurde.
Dieser Strom gestattet es, den Widerstand der Grenzschicht dieser Speicherzelle zu messen. Durch Vergleich mit einer Bezugsspeicherzelle kann der Zustand der Speicherzelle ("0" oder "1") auf diese Weise bestimmt werden: man weiß nun, ob die Magnetisierung der Speicherschicht 3a parallel oder antiparallel zu der der Bezugsschicht 3c ist.
Ein solcher Schreibmechanismus besitzt insbesondere in einem Netz von Tunnelgrenzschichten Nachteile:

1) Da die Umkehrung der Magnetisierung der freien Schicht einer Grenzschicht unter der Einwirkung von äußeren Feldern stattfindet und da die Umkehrfelder statistisch verteilt sind, ist es nicht unmöglich, manche benachbarten Grenzschichten versehentlich umzukehren, und zwar einfach durch die Wirkung eines längs einer unteren oder oberen Leitungsstrecke erzeugten Magnetfelds. Da bei Speichern mit hoher Dichte die Größe der Speicherzellen vollkommen submikronisch ist, nimmt die Anzahl von Adressierfehlern zu.
2) Die Verringerung der Größe der Speicherzellen bringt eine Erhöhung des Werts des individuellen Umkehrfelds mit sich; nun ist ein größerer Strom erforderlich, um die Speicherzellen zu beschreiben, was zu einer Erhöhung des Stromverbrauchs führt.
3) Der Schreibmodus verwendet zwei Stromstrecken in 90°, was die Integrationsdichte begrenzt.

WO 00 79540 wird als der nächste Stand der Technik betrachtet und beschreibt mit ihrer 1A eine Vorrichtung mit einer magnetischen Tunnelgrenzschicht, die eine erste magnetische Schicht, die mit einer antiferromagnetischen Schicht gekoppelt ist, eine zweite magnetische Schicht und eine dritte elektrisch isolierende Schicht umfasst, die die beiden ersten Schichten voneinander trennt. Die antiferromagnetische Schicht hat die Wirkung, die erste Schicht härter als die zweite magnetische Schicht zu machen. Diese Vorrichtung umfasst außerdem Mittel zum Erwärmen der Grenzschicht, wobei diese Mittel außerdem Mittel sind, die vorgesehen sind, um einen Elektronenstrom durch die magnetische Tun nelgrenzschicht fließen zu lassen, sowie Mittel zum Anlegen eines Magnetfeldes, das in der Lange ist, die Magnetisierung in der Zelle zu richten. Gemäß dieser Schrift ist jedoch die vorgesehene Erwärmungstemperatur höher als die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht und zwingt so die härtere magnetische Schicht dazu, sich nach dem auferlegten Magnetfeld umzurichten.
Eben diese Schrift schlägt auch eine Vorrichtung ohne antiferromagnetische Schicht vor, die jedoch ebenfalls aus einer ersten magnetischen Schicht besteht, die härter als die zweite magnetische Schicht ist. Die bei der Erwärmung vorgesehene Temperatur ist hierbei höher als die Curietemperatur der ferromagnetischen Werkstoffe. In beiden dargelegten Fällen ändert sich bei der magnetisch härteren ersten magnetischen Schicht die magnetische Ausrichtung, ebenso wie bei der zweiten Schicht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu beseitigen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung schlägt man eine magnetische Vorrichtung mit magnetischer Tunnelgrenzschicht vor, die in einem MRAM verwendbar ist und bei der der Schreibmechanismus für die Verteilung der Umkehrfelder unempfindlich ist, um die Adressierfehler zu beseitigen und eine gute Reproduzierbarkeit der Einschreibung der Informationen zu erhalten.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung schlägt man eine magnetische Vorrichtung mit magnetischer Tunnelgrenzschicht vor, deren Energieverbrauch gering ist.
Gemäß noch einem anderen Aspekt schlägt man eine magnetische Vorrichtung mit magnetischer Tunnelgrenzschicht vor, die eine Mehrebenenspeicherung von Informationen gestattet. Dies besitzt den Vorteil, dass in einem erfindungsgemäßen Speicher die Speicherkapazität bei gleicher Speicherzellenzahl erhöht wird.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es ferner, die Magnetspeicher zu verbessern, indem die Größe ihrer Speicherzellen verringert wird, wobei gleichzeitig die Information bei Raumtemperatur stabil gehalten wird, desgleichen die Fehlerquote der Beschreibung dieser Speicher.
In der Erfindung verwendet man eine bekannte Eigenschaft eines magnetischen Werkstoffs, gemäß welcher das Feld zur Umkehrung der Magnetisierung, d.h. das zum Umkehren der Magnetisierung erforderliche Feld, sehr schwach ist, wenn man die Temperatur dieses Werkstoffs über die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieses Werkstoffs erhöht.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, genauer gesagt, eine magnetische Vorrichtung, umfassend eine magnetische Tunnelgrenzschicht, die umfasst:

– eine erste, eine Bezugsschicht bildende magnetische Schicht mit einer Magnetisierung von festgelegter Richtung,
– eine zweite, eine Speicherschicht bildende magnetische Schicht mit einer Magnetisierung von veränderlicher Richtung und
– eine dritte Schicht, die halbleitend oder elektrisch isolierend ist und die die erste Schicht von der zweiten Schicht trennt,

– Mittel zum Erwärmen der Speicherschicht auf eine Temperatur, die höher als die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieser Speicherschicht ist, wobei die Mittel zum Erwärmen der Speicherschicht Mittel sind, die vorgesehen sind, um einen Elektronenstrom durch die magnetische Tunnelgrenzschicht fließen zu lassen, und
– Mittel zum Anlegen eines Magnetfelds und/oder eines Magnetmoments an diese Speicherschicht, das in der Lage ist, die Magnetisierung dieser Speicherschicht bezüglich der Magnetisierung der Bezugsschicht auszurichten, ohne die Ausrichtung dieser Bezugsschicht zu ändern.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Temperaturen der Blockierung der Speicher- und Bezugsschichten Werte, die höher als der Wert der Betriebstemperatur der Vorrichtung außerhalb der Erwärmung der Tunnelgrenzschicht sind (bekanntlich erwärmt sich die Vorrichtung, wenn sie in Betrieb ist).
Gemäß einer ersten besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Magnetisierung jeder der Speicher- und Bezugsschichten im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene dieser Schichten.
In diesem Fall kann die Speicherschicht eine Monoschicht aus einer Legierung Co-Pt oder Co-Pd oder eine Multischicht sein, die aus einem Stapel von Co-Schichten gebildet ist, die mit Pt- oder Pd-Schichten abwechseln, so dass das koerzitive Feld der Speicherschicht schnell abnimmt, wenn die Temperatur steigt.
Gemäß einer Abwandlung kann die Speicherschicht eine Monoschicht aus einer an Kobalt reichen Legierung mit Eisen oder Nickel oder Chrom sowie Platin oder Palladium oder eine Multischicht sein, die von einem Stapel von Schichten aus einer an Kobalt reichen Legierung mit Eisen oder Nickel oder Chrom gebildet ist, die mit Pt- oder Pd-Schichten abwechseln, so dass das koerzitive Feld der Speicherschicht schnell abnimmt, wenn die Temperatur steigt.
Gemäß einer zweiten besonderen Ausführungsform ist die Magnetisierung jeder der Speicher- und Bezugsschichten im Wesentlichen zu der Ebene dieser Schichten parallel.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem eine erste antiferromagnetische Schicht umfassen, die der Bezugsschicht zugeordnet ist.
Die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieser ersten antiferromagnetischen Schicht ist vorzugsweise höher als die Blockierungstemperatur der Speicherschicht.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Bezugsschicht eine Multischicht, die zwei magnetische Schichten und eine Zwischenschicht aus Ru oder aus Re oder aus Ir oder aus Rh umfasst, wobei die beiden magnetischen Schichten durch die Zwischenschicht getrennt und durch Interaktion über diese Zwischenschicht antiparallel gekoppelt sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese Vorrichtung außerdem eine zweite antiferromagnetische Schicht, die mit der Speicherschicht durch Austauschanisotropie gekoppelt ist.
Die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieser zweiten antiferromagnetischen Schicht ist vorzugsweise niedriger als die Blockierungstemperatur der Bezugsschicht.
Die Mittel zum Anlegen des Magnetmoments an die Speicherschicht bestehen aus Mitteln zum Einspritzen eines Stroms von Elektronen, deren Spin polarisiert ist, in diese Speicherschicht.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Speicher, umfassend eine Matrix von Speicherzellen, die in Adressierzeilen und -spalten adressierbar sind, wobei dieser Speicher dadurch gekennzeichnet ist, dass jede Speicherzelle umfasst:

– eine magnetische Vorrichtung gemäß der Erfindung und
– ein Mittel zur Stromumschaltung, das mit dieser magnetischen Vorrichtung in Reihe geschaltet ist,

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Schreiben einer Information in eine magnetische Vorrichtung gemäß der Erfindung, bei dem:

– man die Speicherschicht auf eine Temperatur erwärmt, die höher als die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieser Speicherschicht ist, und
– man während der Abkühlung der Speicherschicht an diese Speicherschicht ein Magnetfeld oder Magnetmoment anlegt, das in der Lage ist, die Magnetisierung dieser Speicherschicht bezüglich der Magnetisierung der Bezugsschicht auszurichten, ohne die Ausrichtung dieser Bezugsschicht zu ändern.

Der von der Bezugsschicht gesehene Wert des während des Schreibens angelegten Magnetfelds ist kleiner als der Wert des Magnetfelds und/oder Magnetmoments, das für die Umkehr der Magnetisierung der Bezugsschicht bei der von dieser Schicht während der Erwärmung der Spenschicht erreichten maximalen Temperatur erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schreibverfahrens ist die Speicherschicht mit einer antifenomagnetischen Schicht durch Austauschanisotropie gekoppelt und erwärmt man die Speicherschicht und diese antifenomagnetische Schicht auf eine Temperatur, die höher als die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieser Schichten ist, und richtet man während der Abkühlung der antiferromagnetischen Schicht die Magnetisierung der Speicherschicht in einer beliebigen Richtung aus, die durch die Magnetisierungsrichtung eines während der Abkühlung angelegten Magnetfelds vordefiniert ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Lesen einer in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gespeicherten Information, bei dem

– man den Wert des Widerstands der magnetischen Tunnelgrenzschicht bestimmt und
– man die Ausrichtung der Magnetisierung der Speicherschicht ausgehend von diesem Wert des Widerstandes ableitet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt eine Beschreibung von nicht begrenzenden Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung. In dieser Zeichnung zeigen:
1A und 1B schematische Darstellungen des Arbeitsprinzips einer bekannten magnetischen Tunnelgrenzschicht-Vorrichtung, die bereits beschrieben wurden,
2 eine schematische Teilansicht eines Speichers, der eine Matrix von magnetischen Tunnelgrenzschicht-Vorrichtungen umfasst,
3 eine schematische Darstellung des Arbeitsprinzips einer erfindungsgemäßen magnetischen Tunnelgrenzschicht-Vorrichtung,
4 einen schematischen Schnitt eines Beispiels einer Tunnelgrenzschicht, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist und deren Schichten eine zur Ebene dieser Schichten senkrechte Magnetisierung haben,
5 eine Diagramm, das das Erhalten von zwei verschiedenen koerzitiven Feldern veranschaulicht, indem eine der beiden Schichten einer in der Erfindung verwend baren Tunnelgrenzschicht mit einem antiferromagnetischen Werkstoff gekoppelt wird,
6 ein Diagramm, das die Änderungen des Umkehrfeldes in Abhängigkeit von der Temperatur bei in der Erfindung verwendbaren Multischichten zeigt,
7 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Gruppe von erfindungsgemäßen magnetischen Vorrichtungen unter Verwendung von Tunnelgrenzschichten mit zur Ebene ihrer Schichten senkrechter Magnetisierung,
8 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen magnetischen Vorrichtung unter Verwendung der Kombination einer Erwärmung durch Stromwärme und einer magnetischen Umschaltung durch Einspritzung eines Stroms von Elektronen, deren Spin polarisiert ist,
9 einen schematischen Schnitt eines Beispiels einer Tunnelgrenzschicht, die in der Erfindung verwendbar ist und eine planare Magnetisierung hat,
10 eine schematische Ansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen magnetischen Vorrichtung unter Verwendung einer Tunnelgrenzschicht mit planarer Magnetisierung und
11 eine schematische Ansicht eines anderen Beispiels einer solchen Vorrichtung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BESONDEREN AUSFÜRHRUNGSBEISPIELEN
Bei einem Beispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Magnetspeicher eine Matrix von erfindungsgemäßen magnetischen Vorrichtungen. Jede dieser Vorrichtungen, auch "Speicherpunkte" genannt, umfasst eine magnetische Tunnelgrenzschicht der Form F1/0/F2, worin F1 und F2 die magnetische Speicherschicht, auch "magnetische Speicherelektrode" genannt, und die magnetische Bezugsschicht, auch "magnetische Bezugselektrode" genannt, bezeichnen und 0 die Schicht bezeichnet, die zwischen F1 und F2 liegt und eine Tunnelsperrschicht bildet.
Jede der Schichten F1 und F2 ist durch ein Feld zur Umkehr ihrer Magnetisierung gekennzeichnet, das von der Temperatur des diese Schicht bildenden Werkstoffs abhängig ist.
In der vorliegenden Erfindung sind die Werkstoffe der Schichten F1 und F2 so gewählt, dass die Temperaturabnahme des Umkehrfeldes der Schicht F1, HcF1 genannt, viel schneller als die des Umkehrfeldes der Schicht F2, HcF2 genannt, ist.
Typischerweise wählt man die Werkstoffe der Schichten F1 und F2 so, dass ihre Umkehrfelder bei Raumtemperatur (etwa 20°C) etwa 100 Oe (etwa 8000 A/m) bei F1 (es sei daran erinnert, dass ein Oe beträgt: 1000/(4π) A/m) und etwa 600 Oe (etwa 48000 A/m) bei F2 und bei 200°C etwa 5 Oe (etwa 400 A/m) bei F1 und 400 Oe (etwa 32000 A/m) bei F2 betragen.
Mit anderen Worten, man wählt die Werkstoffe der Schichten F1 und F2 so, dass die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung der Schicht F1, auch "magnetische Blockierungstemperatur" der Schicht F1 oder, einfacher, "Blockierungstemperatur" der Schicht F1 genannt, signifikant niedriger als die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung der Schicht F2 ist.
Beim Schreiben besteht das Prinzip der Wahl einer Speicherzelle dabei darin, dass eine sehr kurze Erwärmung (bis zu einer Temperatur Tmax, typischerweise bis zu 200°C) dieser Speicherzelle bewirkt wird, wobei diese Erwärmung zur Wirkung hat, dass das Feld der Umkehr der Magnetisierung der magnetischen Schicht F1, in der die Information gespeichert ist, erniedrigt wird.
Da das Arbeitsprinzip der Vorrichtung auf Temperaturänderungen beruht, scheint es offenkundig zu sein, dass die Speicher- und Bezugsschichten vorzugsweise Blockierungstemperaturen haben müssen, die höher als die Betriebstemperatur der Vorrichtung außerhalb einer Erwärmung sind.
Da ferner das Ziel dieser Vorrichtung ist, Information stabil zu speichern, ist es also auch aus diesem Grund vorzuziehen, dass diese Schichten Blockierungstemperaturen haben, die wesentlich höher als die Betriebstemperatur der Vorrichtung sind.
Während der Abkühlung der Speicherzelle wird ein Magnetfeld mit einer solchen Amplitude He, dass HcF1 (Tmax) < He < HcF2 (Tmax); wobei He auf diese Weise typischerweise zwischen etwa 20 Oe und 60 Oe (etwa 1600 A/M und 4800 A/m) beträgt, in der Richtung angelegt, in der man die Magnetisierung der Speicherschicht F1 ausrichten möchte.
Die Magnetisierung dieser Speicherschicht F1 richtet sich nun in der Richtung des angelegten Felds He, während diejenige der Bezugsschicht F2, auch "eingefangene Schicht" genannt, immer in derselben Richtung gerichtet bleibt.
Die Erwärmung der Grenzschicht kann durch Sendung eines kurzen Stromimpulses (von etwa 10⁴ A/cm² bis 10⁵ A/cm² während einiger Nanosekunden) durch die Grenzschicht gesteuert werden.
Das Magnetfeld He wird durch Sendung von Stromimpulsen in Leitungsstrecken erzeugt, die in Ebenen liegen, die sich über und/oder unter den magnetischen Tunnelgrenzschichten befinden.
Eine zweite Möglichkeit, die Magnetisierung der Speicherschicht bei ihrer Abkühlung umschalten zu lassen, kann darin bestehen, dass in diese Schicht ein Strom von Elektronen injiziert wird, deren Spin polarisiert ist, und zwar gemäß einer der im Nachstehenden genannten Techniken.
Die vorliegende Erfindung besteht in diesem Fall darin, dass die Erwärmung des Werkstoffs der Speicherschicht, die die Verringerung des Felds der Umkehr der Magnetisierung dieser Schicht gestattet, mit dem Anlegen eines Magnetmoments an diese Magnetisierung bei der Abkühlung der Speicherschicht kombiniert wird, indem man einen Strom von Elektronen, deren Spin polarisiert ist, durch die Speicherschicht fließen lässt.
Es ist auch möglich, die Umschaltung durch Anlegen eines örtlichen Feldes, das durch Senden eines Stroms in eine obere oder untere Leitungsstrecke erzeugt wird, mit der Einspritzung eines Stroms von Elektronen mit polarisiertem Spin in die Speicherschicht der Grenzschicht zu kombinieren.
Vier große Vorteile der vorliegenden Erfindung können vorgebracht werden:
1) Fehlerfreie Wahl der Speicherzelle:
Die vorliegende Erfindung gestattet eine viel bessere Wahl der Speicherzellen als die bekannten Techniken. Nehmen wir nämlich an, dass die Speicherzelle in einem quadratischen Netz angeordnet sind, wie man in 2 sieht, die die Architektur eines bekannten MRAM-Speichers darstellt.
In diesem bekannten Speicher unterscheidet man drei Ebenen von Strecken:

– die oberen Leitungsstrecken 10, die dazu dienen, das an die magnetischen Tunnelgrenzschichten beim Schreiben anzulegende Magnetfeld Hx zu erzeugen, und die auch als elektrische Kontakte für diese Grenzschichten beim Lesen dienen,
– die unteren Leitungsstrecken 12, die nur zum Erzeugen des Magnetfelds Hy zum Zeitpunkt des Schreibens dienen, und
– die Steuerstrecken 14, die auf das Gitter der Transistoren 4 einwirken, um sie in die leitende (gesättigte) oder geschlossene (blockierte) Stellung zu bringen.

Gemäß einem bekannten Schreibverfahren findet das Schreiben statt, indem Stromimpulse längs der oberen und der unteren Leitungsstrecke zugeführt werden, die sich an der Speicherzelle, die man adressieren möchte, kreuzen. Wenn nun eine Umkehrfeldverteilung existiert, besteht die Gefahr, dass manche längs der Strecken gelegenen Speicherzellen sich unkontrolliert umkehren.
In der vorliegenden Erfindung stellt sich dieses Problem nicht. Dies ist schematisch mit 3 dargestellt, in der man eine erfindungsgemäße magnetische Vorrichtung 16 sieht, die einen Speicherpunkt oder eine Zelle eines erfindungsgemäßen MRAM-Speichers bildet.
Dieser Speicherpunkt umfasst eine magnetische Tunnelgrenzschicht 18, die eine Speicherschicht 20a umfasst, eine Bezugsschicht 20c und eine isolierende oder halbleitende Schicht 20b zwischen diesen. Diese Grenzschicht ist zwischen einer oberen Leitungsstrecke 22 und einem Umschalttransistor 24 angeordnet und mit einer unteren Leitungsstrecke 26 kombiniert, die zur Strecke 22 senkrecht ist.
Indem man den Transistor 24 des Speicherpunkts 16 leitend macht, wobei dieser Transistor durch eine Steuerstrecke 28 gesteuert wird, und indem man einen Stromimpuls 30 in die entsprechende obere Leitungsstrecke 22 einführt, durchquert dieser Stromimpuls die Grenzschicht 18 und bewirkt ihre Erwärmung.
Nun sind die Grenzschichten des Speichers von 3 in einem quadratischen Gitter wie in dem Speicher von 2 angeordnet (dessen Bezugszahlen der Elemente im übrigen zwischen Klammern Bezugszahlen der entsprechenden Elemente von 3 nachgestellt sind). Also nur eine Grenzschicht von dem ganzen Gitter wird durch den Stromimpuls 30 erwärmt, wobei alle anderen auf Raumtemperatur bleiben.
Die mit der Temperaturerhöhung verbundene Umkehrfeldsenkung (typischerweise 100 Oe bei 20°C bis 5 Oe bei 200°C) ist viel größer als die Breite der Umkehrfeldverteilung bei Raumtemperatur (typischerweise 100 Oe ± 20 Oe).
Infolgedessen ist man, indem man einen Stromimpuls 32 in die untere Leitungsstrecke 26 einleitet, was ein Magnetfeld 34 von etwa 10 Oe während der Abkühlung der adressierten Grenzschicht erzeugt, sicher, dass man nur die Magnetisierung der Speicherschicht 20a dieser Grenzschicht sich umschalten lässt.
Die Strecke 26 ist jedoch zum Erzeugen des Magnetfelds nicht unerlässlich. Man kann sehr gut die obere Strecke 22 (die in einem ersten Schritt zum Bewirken der Erwärmung verwendet wird) verwenden, um in einem zweiten Schritt bei der Abkühlung das Magnetfeld zu erzeugen.
Wenn man im Fall von 3 die Strecke 26 weglässt, muss man darauf achten, dass die Magnetisierungsrichtungen der Schichten zu der das Magnetfeld erzeugenden Stromstrecke 22 senkrecht sind (beispielsweise indem man die Vorrichtung verschwenkt).
Der Speicherpunkt 16 von 3 arbeitet also folgendermassen: wenn der Adressiertransistor 24 im leitenden Zustand ist, findet das Schreiben statt, indem ein Stromimpuls durch die Grenzschicht 18 geschickt wird, um die Grenzschicht bis auf etwa 200°C zu erwärmen. Während der Abkühlung der Grenzschicht wird ein Stromimpuls in die untere Leitungsstrecke 26 geschickt, um in der Speicherschicht 20a ein Magnetfeld zu erzeugen, das zur Wirkung hat, dass die Magnetisierung dieser Schicht in der gewünschten Richtung umgeschaltet wird.
Das Lesen findet mit dem Transistor im blockierten Zustand statt, indem man durch die Grenzschicht einen Strom fließen lässt (wobei der Strom schwächer als beim Schreiben ist, damit die Erwärmung geringer ist), damit ihr Widerstand gemessen werden kann und man folglich weiß, ob die Magnetisierung der Speicherschicht 20a parallel oder antiparallel zu der der Bezugsschicht 20c ist.
2) Geringer Verbrauch:
Angesichts der Tatsache, dass die für das Schreiben zu erzeugenden Felder viel schwächer als im Stand der Technik sind (typischerweise 10 Oe bei der vorliegenden Erfindung, gegenüber 50 Oe im Stand der Technik), ist die Stärke der in die Leitungsstrecken einzuführenden Feldimpulse stark reduziert.
Außerdem ist im Fall von 3 nur ein Impuls in der unteren Leitungsstrecke erforderlich, gegenüber einem Impuls in der unteren Leitungsstrecke und einem Impuls in der oberen Leitungsstrecke im Stand der Technik.
Da die zum Bewirken der Erwärmung des Speicherpunkts erforderliche Leistung viel niedriger als für die Erzeugung der Feldimpulse von 50 Oe ist (typischerweise 1 pJ zum Erwärmen einer magnetischen Tunnelgrenzschicht von 150 nm × 150 nm auf 200°C gegenüber mehreren zehn pJ zum Erzeugen eines Feldimpulses von 50 Oe längs einer Zeile von 500 Speicherpunkten), folgt daraus, dass der elektrische Verbrauch mit dem Arbeitsprinzip der vorliegenden Erfindung durch 10 geteilt werden kann.
3) Stabilität der Information bei kleinen Abmessungen:
Die vorliegende Erfindung gestattet es, für die Speicherschicht Werkstoffe mit hoher Einfangenergie bei Raumtemperatur zu verwenden. Im Stand der Technik ist dies nicht möglich, denn je höher die Einfangung der Speicherschicht ist, um so mehr Energie muss geliefert werden, um die Magnetisierung der Speicherschicht umzuschalten.
In der vorliegenden Erfindung senkt man die Einfangenergie beim Schreiben, indem man den Werkstoff erwärmt. Man kann sich also erlauben, eine hohe Einfangenergie bei Raumtemperatur zu haben. Dies hat einen beträchtlichen Vorteil bei kleinen Abmessungen. Im Stand der Technik wird nämlich die in der Speicherschicht gespeicherte Information bezüglich der thermischen Schwankungen bei Raumtemperatur instabil.
Wenn nämlich K und V die magnetische Anisotropie pro Volumenseinheit (oder allgemeiner die Einfangenergie pro Volumenseinheit) und das Volumen der Speicherschicht bezeichnen, wird die Information instabil, wenn KV<25kT (worin k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist).
Bei einem gegebenen Werkstoff wird diese Grenze immer von einem Moment zum anderen erreicht, wenn man die Größe des Speicherpunktes verringert, während man in der vorliegenden Erfindung die Verringerung des Volumens sehr gut durch eine Erhöhung der Einfangenergie bei Raumtemperatur kompensieren und damit die Größe des Speicherpunkts reduzieren kann, soweit es das verwendete Herstellungsverfahren (beispielsweise Lithographie/Gravur) gestattet.
4) Einfachheit der Herstellung, wenn man als Umschaltprinzip eine Erwärmung plus eine Injektion eines Stroms von Elektronen mit polarisiertem Spin verwendet:
In diesem Fall ist es nämlich nicht nötig, eine Ebene von Strecken für die Erzeugung der örtlichen Magnetfelder hinzuzufügen. Die Bildung der Einheit der Speicherpunkte wir dadurch vereinfacht, was gestatten kann, höhere Integrationsdichten zu erreichen.
Wir kommen später auf die Verwendung eines Stroms von Elektronen mit polarisiertem Spin in der vorliegenden Erfindung zurück.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele der Erfindung betrachtet.
Wie man oben gesehen hat, umfasst die Basisstruktur in der vorliegenden Erfindung zwei magnetische Schichten F1 und F2, die durch eine Tunnelsperrschicht O getrennt sind, so dass man diese Struktur mit F1/0/F2 bezeichnen kann. Die beiden magnetischen Schichten sind so beschaffen, dass das Feld der Umkehrung der Magnetisierung einer dieser beiden magnetischen Schichten (der Speicherschicht) viel schneller abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt, als dasjenige der anderen magnetischen Schicht (der Bezugsschicht).
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Magnetisierungen der beiden Schichten F1 und F2 zur Ebene der Schichten oder, genauer gesagt, zu den Grenzflächen dieser Schichten, senkrecht.
Schichten F1 und F2 können aus einem reinen Werkstoff, aus einer Legierung oder aus einer Gruppe von abwechselnden Schichten bestehen, von denen manche magnetisch sind.
Bei Co-Schichten von hexagonaler Struktur ist die Magnetisierung senkrecht zur Ebene dieser Schichten, wenn die Achse c der hexagonalen Masche zur Ebene der diese Schichten enthaltenden Probe senkrecht ist.
Schichten aus Legierungen wie CoPt, FePd und FePt können auch zu ihrer Ebene senkrechte Magnetisierungen aufweisen. Schließlich können auch Multischichten, die einen Wechsel von Schichten aus zwei verschiedenen Werkstoffen umfassen, von denen mindestens einer magnetisch ist, wie z.B. Co 0,6 nm/Pt 1,4 nm, zur Ebene senkrechte Magnetisierungen aufweisen.
Kobalt kann leicht durch eine an Co reiche Legierung (mehr als 70 %) mit beispielsweise Fe oder Ni oder Cr ersetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel einer magnetischen Tunnelgrenzschicht auf der Basis von Multischichten Co/Pt, das in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, ist in 4 gezeigt.
Genauer gesagt, wie man in 4 sieht, umfasst diese magnetische Tunnelgrenzschicht eine Bezugsschicht 36 und eine Speicherschicht 38, die eine zur Ebene dieser Schichten senkrechte Magnetisierung aufweisen; die Bezugsschicht 36 umfasst Schichten 40 aus Kobalt, die mit Schichten 42 aus Platin abwechseln; desgleichen umfasst die Speicherschicht 38 Schichten 44 aus Kobalt, die mit Schichten 46 aus Platin abwechseln; die Schichten 36 und 38 sind durch eine Tunnelsperrschicht 48 aus Aluminiumoxid getrennt.
Durch Einwirkung auf die relativen Dicken von Co und Pt kann mit die Koerzitivität des Werkstoffs jeder der Schichten 36 und 38 sowie die Änderung dieser Koerzitivität in Abhängigkeit von der Temperatur sich ändern lassen. Man kann auch die Einfangenergie der Magnetisierung einer der Schichten (der Bezugsschicht 36) erhöhen, indem man sie mit einem antiferromagnetischen Werkstoff 50 mit hoher Blockierungstemperatur, wie PtMn oder PtPdMn, koppelt.
In diesem Fall erhöht sich der Wert der Blockierungstemperatur der benachbarten ferromagnetischen Schicht bis zu dem Wert derjenigen der antiferromagnetischen Schicht.
Andere in der Erfindung verwendbare Beispiele von Multischichten mit senkrechter Anisotropie sind beispielsweise Co/Pd, Co/Ni, Cu/Ni.
5 zeigt beispielsweise, dass man eine Struktur mit zur Ebene senkrechter Magnetisierung erhalten kann, die zwei Multischichten von verschiedenen Koerzitivitäten kombiniert.
Dargestellt sind die Änderungen des Magnetowiderstands MR (in %) in Abhängigkeit von dem angelegten Magnetfeld H (in kOe) für die Struktur NiO₃₀₀/Co₆/(Pt₁₈/Co₆)₂/Cu₃₀/(Co₆/Pt₁₈)₂.
Im Fall von 5 wird eine Erhöhung der Koerzitivität einer der Multischichten erhalten, indem man die Magnetisierung dieser Multischicht mit einer benachbarten antiferromagnetischen Schicht koppelt (beispielsweise NiO (Fall von 5), PtMn, PdPtMn oder FeMn).
Dasselbe Ergebnis könnte erhalten werden, indem man eine Multischicht von Co/Pt mit einer Legierung FePt kombiniert.
Im Übrigen hat jeder der genannten Werkstoffe seine eigene Änderung des koerzitiven Felds in Abhängigkeit von der Temperatur.
6 zeigt beispielsweise die Änderungen des Umkehrfelds Hr (in Oe) einer Multischicht (Co 0,6 nm/Pt 1,4 nm) in Abhängigkeit von der Temperatur T (in °C) bei einer Vollplatte mit einer makroskopischen seitlichen Abmessung (Kurve I) und in Gittern (englisch "arrays") von Kernen von submikronischen Abmessungen (Kurve II).
Bei den verwendeten Dicken von Co und Pt nimmt das Umkehrfeld Hr schnell mit der Temperatur ab, um bei einer Temperatur Tc von etwa 200°C fast auf null zu gehen.
Wenn man die Dicke von Co bei feststehender Dicke von Pt erhöht, nimmt das Umkehrfeld weniger schnell ab, d.h. es wird bei einer Temperatur von über 200°C null. Desgleichen wird in der Legierung FePt das Umkehrfeld bei etwa 500°C null.
Indem man also beispielsweise eine magnetische Tunnelgrenzschicht bildet, die eine aus einem Wechsel von Co-Schichten und Pt-Schichten gebildete Multischicht mit einer Elektrode aus Legierung FePt kombiniert, stellt man eine erfindungsgemäße Struktur her. Indem man einen Stromimpuls durch die Grenzschicht schickt, erhöht man deren Temperatur bis etwa 200°C.
Man unterbricht nun den Strom, der durch die Grenzschicht floss, und während der Abkühlung dieser Grenzschicht legt man mit Hilfe von unteren oder oberen Leitungsstrecken (siehe 7) ein schwaches Magnetfeld an. Die Magnetisierung der Bezugsschicht bleibt unverändert, während diejenigen der Speicherschicht sich in der Richtung des während der Abkühlung angelegten Felds ausrichtet.
7 zeigt genauer ein Ausführungsbeispiel einer Gruppe von mehreren Speicherpunkten ausgehend von Tunnelgrenzschichten mit zur Ebene senkrechter Magnetisierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese Grenzschichten 52a, 52b, 52c und 52d umfassen jeweils eine Bezugs schicht 54, eine Speicherschicht 56 und zwischen diesen eine isolierende oder halbleitende Schicht 58. Diese Grenzschichten 52a, 52b, 52c und 52d befinden sich zwischen Umschalttransistoren 60a, 60b, 60c und 60d und einer Leitungsstrecke 62.
Man sieht auch obere Leitungsstrecken, wie die Strecken 64, 66 und 68, die zu beiden Seiten der Grenzschichten gelegen sind.
Bei dem Beschreiben eines Speicherpunkts, beispielsweise desjenigen, der die Grenzschicht 52b umfasst, wird diese Grenzschicht auf eine Temperatur über der Blockierungstemperatur der Speicherschicht, jedoch unter der Blockierungstemperatur der Bezugsschicht erwärmt, indem ein Impuls durch die Grenzschicht geschickt wird.
Außerdem sind die Transistoren in den blockierten Zustand gesetzt, mit Ausnahme des der Grenzschicht 52b zugeordneten Transistors 60b, der in den leitenden Zustand gebracht wurde.
Die beiden oberen Leitungsstrecken 64 und 66, die zu beiden Seiten der zu adressierenden Grenzschicht 52b gelegen sind, werden mit im Wesentlichen entgegengesetzten Strömen versorgt, um zwei zur Ebene im Wesentlichen senkrechte Magnetfelder 70 und 72 zu erzeugen, die sich auf Höhe der zu adressierenden Grenzschicht addieren. Diese Felder dienen dazu, die Magnetisierung der Speicherschicht während ihrer Abkühlung unter ihre Blockierungstemperatur zu polarisieren. Die Magnetisierung der Speicherschicht kann hier zwei Zustände annehmen (binäre Speicherung).
Eine zweite Methode zur Durchführung der Umschaltung bei der Abkühlung besteht darin, dass ein Strom von Elektronen mit polarisiertem Spin durch die Speicherschicht injiziert wird. Eine Struktur, die die Ausführung dieser Operation gestattet, ist in 8 dargestellt.
In dieser 8 sieht man einen Stapel 44, der zwischen einer oberen Leitungsstrecke 76 und einem Umschalttransistor 78 liegt. Der Stapel umfasst von der Strecke 76 zum Transistor 78 eine Schicht 80 aus PtMn, eine Bezugsschicht 82, eine Aluminiumoxidschicht 84, eine Speicherschicht 86, eine Kupferschicht 88, eine so genannte "polarisierende" Schicht 90 und eine Schicht 92 aus PtMn.
Die Speicherschicht 86 besteht hier aus einem Werkstoff mit senkrechter Magnetisierung, dessen Umkehrfeld gegen 200°C null wird, wie beispielsweise aus einer Multischicht (Co/Pt). Die Bezugsschicht 82 besteht aus einem Werkstoff, dessen Umkehrfeld und Magnetisierung bei 200°C hoch bleiben, wie beispielsweise FePt. Auch die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht aus FePt, die die polarisierende Schicht 90 bildet, bleibt bei 200°C hoch.
Das Prinzip der magnetischen Umschaltung ist folgendes: Man legt durch die Tunnelgrenzschicht einen Stromimpuls entweder von oben nach unten oder von unten nach oben an.
Dieser Stromimpuls hat ein besonderes Profil: er steigt zu seinem Höchstwert in einer Zeit von etwa 1 ns bis einigen Nanosekunden an und fällt dann allmählich in einigen Sekunden auf null ab. Dieser Stromimpuls hat zur Wirkung, in einem ersten Schritt die Grenzschicht zu erwärmen und dann in einem zweiten Schritt bei der Abnahme des Stroms, d.h. bei Abkühlung der Grenzschicht, die Magnetisierung in eine besondere Richtung zu richten.
Wenn der Strom von oben nach unten fließt (d.h. wenn die Elektronen von unten nach oben fließen), werden in die Multischicht aus Co/Pt Elektronen mit "nach unten" polarisiertem Spin injiziert. Außerdem sind die Elektronen, die die Aluminiumoxid-Sperrschicht 84 durch Tunneleffekt durchqueren, vorzugsweise Elektronen, deren Spin zur Magnetisierung der Schicht 82 aus FePt parallel ist, und sind also Elektronen mit Spin "nach oben".
Dadurch wird in der Multischicht aus Co/Pt ein Überschuss an Elektronen nach oben erzeugt. Dieser Überschuss an Elektronen nach oben, kumuliert mit der Einspritzung von Elektronen nach unten, die von der unteren polarisierenden Schicht kommen, zwingt die Magnetisierung der Multischicht aus Co/Pt dazu, sich bei ihrer Abkühlung nach unten auszurichten.
Wenn dagegen der Strom von unten nach oben fließt (d.h. wenn die Elektronen von oben nach unten fließen), kommt es in der Schicht aus Co/Pt zu einer Akkumulation von Elektronen "nach oben", was zur Wirkung hat, dass die Magnetisierung dieser Schicht gezwungen wird, sich bei ihrer Abkühlung nach oben auszurichten.
Es sei erwähnt, dass dieses magnetische Umschaltprinzip auch ohne die untere polarisierende Schicht funktionieren könnte, aber die Form des Stromimpulses wäre dabei schwieriger einzustellen, um ein gutes Gleichgewicht zwischen einer ausreichenden Reduzierung des Stroms, damit die Temperatur der Grenzschicht sich ausreichend senkt, und einem ausreichenden Stromfluss zu finden, um zu einer Polarisierung der Magnetisierung der Speicherschicht bei ihrer Abkühlung zu kommen.
Der Vorteil der zusätzlichen polarisierenden Schicht 90 besteht darin, dass sie es gestattet, den von der anderen Schicht 82 der Tunnelgrenzschicht kommenden Strom von Elektronen mit polarisiertem Spin und den von der polarisierenden Schicht 90 kommenden Strom von Elektronen mit polarisiertem Spin zu kumulieren.
Diese Struktur des Speicherpunks ist besonders einfach, da sie außer den Adressiertransistor und die Tunnelgrenzschicht nur eine leitende Streckenebene erfordert.
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Magnetisierungen der beiden Schichten F1 und F2 zur Ebene der Schichten, oder, genauer gesagt, zu den Grenzflächen dieser Schichten, parallel.
Wie oben müssen die die magnetische Tunnelgrenzschicht bildenden magnetischen Werkstoffe so gewählt sein, dass der eine eine schnellere thermische Abnahme seines koerzitiven Felds als der andere aufweist.
Der Werkstoff der Bezugsschicht F2 kann aus Legierung auf der Basis von Co, Fe, Ni (beispielsweise Co₉₀Fe₁₀) bestehen und seine Magnetisierung kann durch Austauschinteraktion mit einem antiferromagnetischen Werkstoff mit hoher Blockierungstemperatur (viel höher als 200°C) wie PtMn eingefangen werden.
Der Werkstoff der Schicht F1 kann aus einer Legierung bestehen, deren Curie-Temperatur des Volumens reduziert ist, um das Erleichtern des Kippens seiner Magnetisierung zu gestatten, wenn dieser Werkstoff gegen 200°C erwärmt wird.
Eine vorteilhafte Art, diese Eigenschaft zu realisieren, besteht darin, dass man die Magnetisierung der Speicherschicht mit einer antiferromagnetischen Schicht mit niedriger Blockierungstemperatur (beispielsweise Fe₅₀Mn₅₀ oder Ir₂₀Mn₈₀) koppelt, deren Blockierungstemperatur unter 200°C liegt, während die Magnetisierung der anderen magnetischen Schicht (der Bezugsschicht) mit einem antiferromagnetischen Werkstoff mit hoher Blockierungstemperatur, beispielsweise PtMn, gekoppelt ist, deren Blockierungstemperatur höher als 280°C ist.
Dies ist in 9 schematisch dargestellt, in der man ein Beispiel einer Tunnelgrenzschicht mit planarer Magnetisierung sieht, die in der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
Die Bezugsschicht 94 aus Co₉₀Fe₁₀ wird durch Interaktion mit einer antiferromagnetischen Schicht 96 mit hoher Blockierungstemperatur (viel höher als 200°C) beispielsweise aus PtMn oder aus NiMn eingefangen.
Die Speicherschicht 98 aus Ni₈₀Fe₂₀ ist mit einer antiferromagnetischen Schicht 100 mit niedriger Blockierungstemperatur (zwischen 100°C und 200°C) beispielsweise aus Fe₅₀Mn₅₀ oder aus Ir₂₀Mn₈₀ gekoppelt, und diese Schicht 98 ist von der Schicht 94 durch eine Tunnelsperrschicht 102 aus Al₂O₃ getrennt.
Es sei bemerkt, dass eine Art, die Blockierungstemperatur der antiferromagnetischen Schicht, die mit der Speicherschicht gekoppelt ist, zu senken, darin bestehen kann, ihre Dicke zu verringern. Man weiß nämlich, dass die Blockierungstemperatur einer antiferromagnetischen Schicht um so niedriger ist, je dünner sie ist.
Das Einschreiben der Information findet wie oben statt, indem ein Stromimpuls durch die Grenzschicht geschickt wird, wobei dieser Impuls bewirkt, dass der Werkstoff der Speicherschicht (die die benachbarte antiferromagnetische Schicht umfasst) auf eine Temperatur erwärmt wird, die die Umkehrung der Magnetisierung dieser Schicht gestattet, während die Bezugsschicht auf einer Temperatur bleibt, die so niedrig ist, dass ihre Magnetisierung fest bleibt.
Dies ist schematisch in 10 dargestellt, in der man ein Ausführungsbeispiel eines Speicherpunkts ausgehend von einer Tunnelgrenzschicht mit planarer Magnetisierung gemäß der vorliegenden Erfindung sieht.
Zum Schreiben wird die Grenzschicht über die Blockierungstemperatur der Speicherschicht 98, aber unter die Blockierungstemperatur der Bezugsschicht 94 erwärmt, indem ein Stromimpuls durch die Grenzschicht geschickt wird, wobei dieser Impuls sich von der Leitungsstrecke 104 zum Transistor 106 ausbreitet, der nun leitend gemacht ist.
Die obere Leitungsstrecke 108 dient dazu, das Magnetfeld 110 zu erzeugen, das die Magnetisierung der Speicherschicht 98 während ihrer Abkühlung in der gewünschten Richtung polarisiert. Diese Magnetisierung der Speicherschicht kann hier nur zwei Zustände annehmen (binäre Speicherung).
Aus bereits oben bei anderen Beispielen genannten Gründen ist die Strecke 108 nicht obligatorisch: ihre Funktion kann auf vorteilhafte Weise von von der Strecke 104 übernommen werden. In diesem Fall ist auch darauf zu achten, dass die Magnetisierungsrichtungen der Schichten zur Richtung der Strecke 104 orthogonal sind.
Diese Vorrichtung, bei der die Speicherschicht mit einer antiferromagnetischen Schicht gekoppelt ist, deren Blockierungstemperatur niedriger als die Bezugsschicht ist, besitzt zwei große Vorteile:
1) Die superparamagnetische Stabilitätsgrenze der Speicherschicht wird verschoben, so dass man unter Verwendung dieser Technik Speicherpunkte von kleinerer Größe schaffen kann.
Ein Problem, das immer bei der Speicherung von magnetischer Information in Speicherpunkten von kleinen Abmessungen (submikronischer Maßstab) auftritt, ist dasjenige der Stabilität der Magnetisierung gegenüber thermischen Schwankungen (superparamagnetische Grenze).
Wenn K die magnetische Anisotropie des Werkstoffs und V das Volumen der magnetischen Speicherschicht bezeichnet, so beträgt die charakteristische Umkehrzeit der Magnetisierung durch Überschreiten der Energiebarriere, die die Höhe KV hat, τ = τ₀exp(KV/(kt)), worin τ₀ eine charakteristische Testzeit von etwa 10^–9 Sekunden, k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist.
Damit die Information, die man in die Speicherschicht einschreibt, während mindestens 10 Jahren stabil bleibt, muss die Magnetisierung selbst während dieser Zeit stabil bleiben. Es ist also erforderlich, dass KVkT > Log(10 Jahre/ 10–9s), d.h.: kV > 40 kT.
Dadurch wird eine Mindestgrenze für das Volumen der Speicherschicht und damit für ihre seitliche Abmessung festgelegt, d.h. eine Mindestgrenze für die Abmessung des Speicherpunkts.
Wenn dagegen die magnetische Speicherschicht mit einer antiferromagnetischen Schicht gekoppelt ist, deren Anisotropie bei Umgebungstemperatur relativ hoch ist, aber schnell abnimmt, wenn man der Blockierungstemperatur dieser Schicht (gegen 200°C) nahe kommt, wird die superparamagnetische Grenze verschoben.
Die Energiebarriere, die zu überschreiten ist, um die Magnetisierung der Speicherschicht bei Umgebungstemperatur umzukehren, beträgt nun A(K_fE_f + K_aE_a), worin A die der magnetischen Speicherschicht und der antiferromagnetischen Schicht gemeinsame Fläche bezeichnet, E_f und E_a die Dicken dieser Speicherschicht und dieser antiferromagnetischen Schicht bezeichnen und K_f und K_a ihre magnetischen Anisotropien bezeichnen.
Da die Anisotropie K_a des antiferromagnetischen Werkstoffs gewöhnlich viel höher als diejenige (K_f) der ferromagnetischen Speicherschicht bei Raumtemperatur ist, zeigt es sich, dass die Stabilitätsbedingung A(K_fE_f + K_aE_a) > 40 kT bei viel kleineren Abmessungen erfüllt werden kann, als wenn die magnetische Speicherschicht allein wäre.
Typischerweise kann der Term K_aE_a bei Raumtemperatur 100 mal größer sein als der Term K_fE_f. Dies impliziert, dass die Fläche der Grenzschicht 100 mal kleiner sein kann, wobei sie gleichzeitig über der superparamagnetischen Grenze bleibt. Dies gestattet es also, viel höhere Integrationsdichten zu erreichen.
Es sei erwähnt, dass es auch möglich ist, diese Kopplung der Speicherschicht mit einer antiferromagnetischen Schicht mit niedriger Néel-Temperatur in dem oben beschriebenen Fall von magnetischen Schichten mit zur Ebene senkrechter Magnetisierung zu verwenden. Auch hier wird die superparamagnetische Grenze bei Umgebungstemperatur zu den kleinsten Abmessungen hin verschoben.
2) Der zweite sehr bedeutende Vorteil, der sich aus der Verwendung einer mit einer antiferromagnetischen Schicht gekoppelten Speicherschicht ergibt, besteht darin, dass man eine Mehrebenenspeicherung der Information schaffen kann.
Bei den Grenzschichten des Stands der Technik hat nämlich ein Speicherpunkt zwei mögliche Zustände, die den beiden magnetischen Konfigurationen parallel und antiparallel entsprechen, wobei diese einer parallelen bzw. einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung der Speicherschicht bezüglich derjenigen der Bezugsschicht entsprechen.
Diese Systeme vom bistabilen Typ werden erhalten, indem man der Speicherschicht eine magnetische Anisotropie verleiht, die magnetokristallinen Ursprungs ist oder von der Form herrührt (Speicherpunkt beispielsweise von elliptischer Form), mit einer leichten Magnetisierungsachse parallel zur Magnetisierung der Bezugsschicht.
In der vorliegenden erfindungsgemäß kann die Magnetisierung der Speicherschicht in vorteilhafter Weise in jeder beliebigen Zwischenrichtung zwischen der zur Magnetisierung der Bezugsschicht parallelen Richtung und antiparallelen Richtung ausgerichtet sein.
Um dies vorzunehmen, genügt es, die Speicherschicht und die benachbarte antiferromagnetische Schicht über die Blockierungstemperatur dieser Schicht zu erwärmen, indem man durch die Grenzschicht einen Stromimpuls schickt, und dann die Magnetisierung der Speicherschicht während der Abkühlung der antiferromagnetischen Schicht in der gewünschten Richtung auszurichten.
Um der Magnetisierung der Speicherschicht die gewünschte Ausrichtung zu geben, muss man an diese ein örtliches Magnetfeld in der gewünschten Richtung anlegen. Zu diesem Zweck gibt es zwei Möglichkeiten:
1) Man kann eine Architektur verwenden, bei der die magnetische Umschaltung stattfindet, indem man Stromimpulse in zueinander senkrechte Leitungsstrecken schickt, die über bzw. unter diesem Speicherpunkt gelegen sind.
Diese Strecken gestatten es, Magnetfelder in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu erzeugen. Indem man auf die relative Stärke des in den beiden Strecken fließenden Stroms einwirkt, kann man ein Magnetfeld in einer beliebigen Richtung der Ebene erzeugen.
Dies ist in 11 schematisch dargestellt, die ein Ausführungsbeispiel eines Speicherpunkts ausgehend von einer Tunnelgrenzschicht mit planarer Magnetisierung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Zum Schreiben wird die magnetische Tunnelgrenzschicht über die Blockierungstemperatur der Speicherschicht 112 erwärmt, aber unter die Blockierungstemperatur der Bezugsschicht 114, indem man durch die Grenzschicht einen Stromimpuls schickt.
Die obere Leitungsstrecke 116 und die untere Leitungsstrecke 118 dienen dazu, Magnetfelder 120 und 122 gemäß zwei senkrechten Richtungen in der Ebene zu erzeugen, die es gestatten, die Magnetisierung der Speicher schicht 112 in jeder beliebigen gewünschten Richtung in der Ebene der Grenzschicht während ihrer Abkühlung zu polarisieren.
Wie man bereits oben unter Bezugnahme auf 10 erläutert hat, ist die Strecke 116 nicht unbedingt erforderlich: sie kann durch die Strecke 124 ersetzt sein.
Die Magnetisierung der Speicherschicht kann also hier mehr als zwei Zustände annehmen (Mehrebenenspeicherung).
In 11 bezeichnet die Bezugszahl 123 die Tunnelsperrschicht. Man sieht auch die Leitungsstrecke 124 und den Umschalttransistor 126, zwischen denen die Grenzschicht liegt und die es gestatten, durch diese Grenzschicht einen Strom fließen zu lassen, wenn der Transistor im gesättigten Modus arbeitet.
2) Man kann auch die Kombination eines Magnetfeldes, das wie oben erzeugt wird, indem man einen Strom in einer über oder unter der Tunnelgrenzschicht gelegenen Leitungsstrecke fließen lässt, mit dem Magnetmoment verwenden, das durch Injektion eines Stroms von Elektronen mit polarisiertem Spin durch die Tunnelgrenzschicht in der magnetischen Speicherschicht ausgeübt wird.
In diesem Fall muss die Magnetisierung der magnetischen Schicht, die die Polarisierung des Spins der injizierten Elektronen erzeugt, im Wesentlichen senkrecht zu dem Magnetfeld sein, das durch den in der Leitungsstrecke fließenden Strom erzeugt wird.
In diesem Fall ist es auch von Bedeutung, dass so vorgegangen wird, dass die Stromdichte, die erforderlich ist, um die Magnetisierung der Speicher schicht in der gewünschten Richtung auszurichten, im Wesentlichen kleiner als diejenige ist, die für die Erwärmung der Grenzschicht erforderlich ist, so dass die Grenzschicht während dieses Schreibprozesses auch tatsächlich in einer Phase der Abkühlung unter die Blockierungstemperatur der mit der Speicherschicht gekoppelten antiferromagnetischen Schicht ist.
Das Lesen wird vorgenommen, indem das Widerstandsniveau der Grenzschicht gemessen wird.
Der Widerstand ändert sich nämlich gemäß der Gesetzmäßigkeit
worin θ_s und θ_p die Winkel darstellen, die die Magnetisierungen der Speicherschicht bzw. der eingefangenen Schicht oder Bezugsschicht in der Ebene der Grenzschicht definieren.
ΔR/R_par = (R_ant – R_par)/R_par ist die Gesamtamplitude des Magnetowiderstands.
Das Lesen des Zwischenwiderstandsniveaus zwischen dem parallelen Widerstand R_par und dem antiparallelen Widerstand R_ant gestattet also die Bestimmung der Richtung der Magnetisierung der Speicherschicht.
In den oben beschriebenen Strukturen ist es möglich, an der Grenzfläche zwischen der magnetischen Schicht und der Tunnelsperrschicht dünne Schichten aus einem anderen Werkstoff einzusetzen.
Diese dünnen Schichten können magnetische Schichten, die dazu bestimmt sind, die Polarisierung der Elektronen in Nähe der Grenzfläche mit der Tunnelsperrschicht zu verstärken, oder nicht magnetische Schichten sein, die es gestatten, Quantumwells zu schaffen, die vom Spin in Nähe der Tunnelsperrschicht abhängen, oder die magnetische Kopplung der beiden magnetischen Schichten zu beiden Seiten der Tunnelgrenzschicht zu erhöhen.

Claims

Magnetische Vorrichtung (16), umfassend eine magnetische Tunnelgrenzschicht (18; 52a, 52b, 52c, 52d; 74), die umfasst: – eine erste, eine Bezugsschicht bildende magnetische Schicht (20c, 36, 54, 82, 94, 114) mit einer Magnetisierung von festgelegter Richtung, – eine zweite, eine Speicherschicht bildende magnetische Schicht (20a, 38, 56, 86, 98, 112) mit einer Magnetisierung von veränderlicher Richtung und – eine dritte Schicht (20b, 48, 58, 84, 102, 123), die halbleitend oder elektrisch isolierend ist und die die erste Schicht von der zweiten Schicht trennt, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung der Speicherschicht niedriger als die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung der Bezugsschicht ist und dass die Vorrichtung außerdem umfasst: – Mittel zum Erwärmen der Speicherschicht auf eine Temperatur, die höher als die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieser Speicherschicht ist , wobei die Mittel zum Erwärmen der Speicherschicht Mittel ( 22, 24; 62, 60a, 60b, 60c, 60d; 76, 78; 104, 106; 124, 126) sind, die vorgesehen sind, um einen Elektronen strom durch die magnetische Tunnelgrenzschicht fließen zu lassen, und – Mittel zum Anlegen eines Magnetfelds (26, 64, 66, 68; 108; 116) und/oder eines Magnetmoments (82, 90) an diese Speicherschicht, das in der Lage ist, die Magnetisierung dieser Speicherschicht bezüglich der Magnetisierung der Bezugsschicht auszurichten, ohne die Ausrichtung dieser Bezugsschicht zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Temperaturen der Blockierung der Speicher- und Bezugsschichten Werte haben, die höher als der Wert der Betriebstemperatur der Vorrichtung außerhalb der Erwärmung der Tunnelgrenzschicht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Magnetisierung jeder der Speicher- (38, 56, 86) und Bezugsschichten (36, 54, 83) im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene dieser Schichten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Speicherschicht (38) eine Monoschicht aus einer Legierung Co-Pt oder Co-Pd oder eine Multischicht ist, die aus einem Stapel von Co-Schichten (44) gebildet ist, die mit Pt- oder Pd-Schichten (46) abwechseln, so dass das koerzitive Feld der Speicherschicht schnell abnimmt, wenn die Temperatur steigt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Speicherschicht eine Monoschicht aus einer an Kobalt reichen Legierung mit Eisen oder Nickel oder Chrom sowie Platin oder Palladium oder eine Multischicht ist, die von einem Stapel von Schichten aus einer an Kobalt reichen Legierung mit Eisen oder Nickel oder Chrom gebildet ist, die mit Pt- oder Pd-Schichten abwechseln, so dass das koerzitive Feld der Speicherschicht schnell abnimmt, wenn die Temperatur steigt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Magnetisierung jeder der Speicher- (20a, 98, 112) und Bezugsschichten (20c, 94, 114) im Wesentlichen zu der Ebene dieser Schichten parallel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend außerdem eine erste antiferromagnetische Schicht (50, 80, 96), die der Bezugsschicht zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieser ersten antiferromagnetischen Schicht (50, 80, 96) höher als die Blockierungstemperatur der Speicherschicht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Bezugsschicht eine Multischicht ist, die zwei magnetische Schichten und einen Zwischenschicht aus Ru oder aus Re oder aus Ir oder aus Rh umfasst, wobei die beiden magnetischen Schichten durch die Zwischenschicht getrennt und durch Interaktion über diese Zwischenschicht antiparallel gekoppelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend außerdem eine zweite antiferromagnetische Schicht (100), die mit der Speicherschicht durch Austauschanisotropie gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieser zweiten antiferromagnetischen Schicht (100) niedriger als die Blockierungstemperatur der Bezugsschicht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Anlegen des Magnetfelds (26, 64, 66, 68; 108; 116) mindestens eine leitende Strecke umfassen, die in der Lage ist, einen Stromimpuls zu tragen, um ein Magnetfeld in der Speicherschicht zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Mittel zum Anlegen des Magnetfelds (26, 64, 66, 68; 108; 116) und/oder Magnetmoments (82, 90) an die Speicherschicht (86) Mittel zum Einspritzen eines Stroms von Elektronen, deren Spin polarisiert ist, in diese Speicherschicht umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Anlegen des Magnetmoments (82, 90) mindestens eine polarisierende Schicht umfassen, an die ein Stromimpuls angelegt wird, um Elektronen mit polarisiertem Spin zu erzeugen.
Speicher, umfassend eine Matrix von Speicherpunkten, die in Adressierzeilen und -spalten adressierbar sind, wobei dieser Speicher dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Speicherpunkt umfasst: – eine magnetische Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und – ein Mittel (24) zur Stromumschaltung, das mit dieser magnetischen Vorrichtung in Reihe geschaltet ist, wobei jede magnetische Vorrichtung mit einer Adressierzeile (22) verbunden ist und jedes Umschaltmittel mit einer Adressierspalte (28) verbunden ist.
Verfahren zum Schreiben einer Information in eine magnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem – man die Speicherschicht (20a, 38, 56, 86, 98, 112) auf eine Temperatur erwärmt, die höher als die Temperatur der Blockierung der Magnetisierung dieser Speicherschicht ist, und – man während der Abkühlung der Speicherschicht an diese Speicherschicht ein Magnetfeld oder Magnetmoment anlegt, das in der Lage ist, die Magnetisierung dieser Speicherschicht bezüglich der Magnetisierung der Bezugsschicht (20c, 36, 54, 82, 94, 114) auszurichten, ohne die Ausrichtung dieser Bezugsschicht zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem der von der Bezugsschicht gesehene Wert des während des Lesens angelegten Magnetfelds (34, 72, 110, 120) oder Magnetmoments kleiner als das Magnetfeld oder Magnetmoment ist, das für die Rückkehr der Magnetisierung der Bezugsschicht bei der von dieser Schicht während der Erwärmung der Sperrschicht erreichten maximalen Temperatur erforderlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 und 17, bei dem die Speicherschicht mit einer antiferromagnetischen Schicht (100) durch Austauschanisotropie gekoppelt ist und man die Speicherschicht und diese antiferromagnetische Schicht auf eine Temperatur erwärmt, die höher als die Temperaturen der Blockierung der Magnetisierung dieser Schichten ist, und man während der Abkühlung der antiferromagnetischen Schicht die Magnetisierung der Speicherschicht in einer beliebigen Richtung ausrichtet, die durch die Magnetisierungsrichtung des bei der Abkühlung angelegten Magnetfelds vordefiniert ist.
Verfahren zum Lesen einer Information, die in der magnetischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 gespeichert ist, bei dem – man den Wert des Widerstands der magnetischen Tunnelgrenzschicht (18; 52a, 52b, 52c, 52d; 74) bestimmt und – man die Ausrichtung der Magnetisierung der Speicherschicht ausgehend von diesem Wert des Widerstands ableitet.