МАГНИТНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 1998 года по МПК G11C11/15 H03K19/168 

Предлагаемое изобретение относится к элементам автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным логическим элементам.

Известны логические элементы (ЛЭ) на основе полупроводниковой (Я.Будинский. Логические цепи в цифровой технике.- М.: Связь, 1977) и магнитной (Н.П. Васильева, Б.П.Петрухин. Проектирование логических элементов. -М.: Энергия, 1970) технологий. Несмотря на распространенность и очевидные достоинства полупроводниковой технологии, элементы на ее основе обладают и всеми ее недостатками: небольшим температурным диапазоном, отсутствием стойкости к радиационным воздействиям. Существующие же магнитные логические элементы не допускают интегрального изготовления и их применение ограничено схемами невысокой сложности, в основном для работы в тяжелых условиях, где специфические достоинства магнитных элементов являются определяющими.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке элементов на основе "гигантской" магниторезистивности, и, в первую очередь, созданию МР запоминающих элементов (МРЗЭ) для интегральных запоминающих устройств с произвольной выборкой (ЗУПВ) на основе СВМР структур. К основным преимуществам магнитных элементов: энергонезависимости, радиационной стойкости, неразрушающему считыванию и широкому температурному диапазону, у новых МР тонкопленочных элементов кроме высокого быстродействия добавляется возможность однокристального (совместно с полупроводниковым обрамлением) интегрального исполнения. В связи с быстрым прогрессом в получении структур с высокой величиной СВМР эффекта возникает интерес к возможности использования таких структур в качестве ЛЭ. В первую очередь такие элементы могли бы применяться в интегральных однокристальных МР ЗУПВ как управляющие элементы.

Структура СВМР сэндвича может состоять из следующих слоев
подложка/подслой/MC_l/HM/MC_h/OC/защитный слой
где
MC_l и MC_h - два ферромагнитных слоя, изготовленные из Co, Ni или NiFe и разделенные прослойкой немагнитного металла HM - Cu, Ag, Au или др. MC_l - свободная пленка с меньшим полем перемагничивания, MC_h - фиксированная пленка с большим полем перемагничивания. В качестве ОС (обменного слоя), создающего обменное взаимодействие с ближайшим ферромагнитным слоем MC_h для его фиксации (например, увеличения коэрцитивной силы), обычно используется Fe₅₀Mn₅₀. Этот слой создает обменную анизотропию в слое МС_h, из-за чего вектор намагниченности M_h может быть переориентирован только в сравнительно высоких полях (более 200 - 300 Э), тогда как слой MC_l перемагничивается в слабых полях (менее 20 Э).

СВМР эффект заключается в том, что сопротивление многослойной структуры зависит от угла между направлениями векторов намагниченности слоев MC_l и MC_h в соседних ферромагнитных пленках, разделенных прослойкой меди, и не зависит от угла между протекающим в пленке током I и вектором намагниченности М в данной пленке, как при анизотропном MP (АМР) эффекте. При этом достигнута величина СВМР эффекта в многослойных структурах 45% при комнатной температуре, в то время как при АМР эффекте, как правило, не больше 2%.

При СВМР эффекте максимальное изменение сопротивления МРЗЭ соответствует переходу от параллельного к антипараллельному расположению M_h (магнитной пленки с более высоким полем перемагничивания) и M_l (магнитной пленки с низким полем перемагничивания) в соседних магнитных пленках и обратно. Для обеспечения этого эффекта достаточно, чтобы перемагничивалась только одна из двух соседних пленок. При перемагничивании внешним полем перемагничивается пленка с меньшей коэрцитивной силой или магнитной анизотропией.

Целью изобретения является создание логических элементов с высокой плотностью размещения на базе спин-вентильных магниторезистивных структур, способных работать в тяжелых эксплуатационных условиях.

Поставленная цель достигается тем, что магнитный инвертор содержит кремниевую подложку, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой, по меньшей мере одна спин-вентильная магниторезистивная полоска с заостренными концами, содержащая два защитных слоя, разделенных по меньшей мере одной структурой, состоящей из двух расположенных один над другим тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания, перпендикулярной длине спин-вентильной магниторезистивной полоски, и из расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, второй изолирующий слой, проводник обратной связи, проходящий над спин-вентильной магниторезистивной полоской вдоль нее, третий изолирующий слой, информационный проводник, проходящий над спин-вентильной магниторезистивной полоской, и третий защитный слой, при этом указанная спин-вентильная магниторезистивная полоска соединена первым концом с источником питания и вторым концом - с первым концом проводника, расположенного вне спин-вентильной магниторезистивной полоски и соединенного вторым концом с проводником обратной связи, причем тонкопленочные магниторезистивные слои имеют разные величины поля магнитной анизотропии. При этом отношение большего поля магнитной анизотропии к меньшему составляет не менее четырех, полоска может содержать несколько структур, причем каждая включает два тонкопленочных магниторезистивных слоя и расположенный между ними тонкопленочный слой меди. Существенным отличительным признаком в приведенной выше совокупности, приводящим к решению поставленной задачи, является выполнение инвертора на базе многослойной спин-вентильной магниторезистивной структуры.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемая структура обеспечивает работу инвертора и логических элементов на его основе в тяжелых эксплуатационных условиях благодаря присущим магнитным материалам свойствам.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структура инвертора на основе спин-вентильной магниторезистивной структуры в разрезе, на фиг. 2 показана схема инвертора, а на фиг.3 приведена характеристика вход-выход инвертора.

Инвертор на основе спин-вентильных магниторезистивных структур содержит (фиг.1) кремниевую подложку 1, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой 2, СВМР полоска с заостренными концами, состоящая из двух защитных слоев 3,4, двух магниторезистивных магнитных слоев 5,6 и слоя меди 7. Поверх СВМР полоски последовательно расположены второй изолирующий слой 8, проводниковый слой с проводником обратной связи 9, третий изолирующий слой 10, информационный проводник 11 и третий защитный слой 12. Рядом с СВМР полоской расположен соединяющий СВМР полоску с проводником обратной связи проводник 13, с защитным слоем 14. Схематически инвертор состоит (фиг.2) из СВМР полоски 15, соединенной проводником 16 с проводником обратной связи 17 и проходящим над полоской 15 информационным проводником 18.

Рассмотрим вначале используемый метод расчета характеристик инвертора, основанный на теории микромагнетизма.

Модель расчета областей работоспособности (ОР) ЛЭ основана на микромагнитной теории и включает в себя определение зависимости углов поворота векторов намагниченности магнитных пленок СВМР сэндвича от магнитных полей, создаваемых намагниченностью магнитных пленок элемента, а сенсорным (I_s) и информационным (I_sig) токами, из условия минимума энергии системы (Е). Поиск E_min(ϕ_i) , где ϕ_i - углы векторов намагниченности всех магнитных пленок МРЗЭ, ведется методом перебора при заданных начальных состояниях М_i. При анализе используется упрощенная модель распределения намагниченности в пленках, основанная на предположении, что в объеме каждой магнитной пленки направление вектора М имеют одно направление. Применение этой модели приводит, в первую очередь, к некоторому завышению величин размагничивающих полей, действующих на магнитные пленки по сравнению с реальными, т.е., к увеличению энергии и уменьшению устойчивости системы. В результате понижается верхняя граница диапазона токов управления и сигналов считывания, а также для ряда вариантов повышается нижняя граница токов записи из-за блокирования процесса перемагничивания размагничивающими полями. Таким образом, реальные области, по нашему мнению, должны быть больше расчетных.

При расчете энергии системы учитываются энергии: магнитной анизотропии, магнитостатическая, размагничивающих полей соседних магнитных пленок, ферро- и антиферромагнитного взаимодействия, внешних магнитных полей и токов управления.

Для ЛЭ проведены расчеты зависимостей сопротивления структуры R и сенсорного тока от напряжения питания и от информационного тока I_sig для заданных топологических и магнитных параметров элементов:
R=f₁(U,I_sig),
I_s=f₂(U,I_sig),
где
f₁ и f₂ - функции, определяемые магнитными и топологическими параметрами ЛЭ.

Проведена проверка критерия стабильной передачи информации цепочкой повторителей, каждый из которых состоит из пары инверторов.

Критерий стабильной передачи информации для цепочки повторителей заключается в том, чтобы характеристика вход-выход I_out=f(I_sig) повторителя имела три пересечения с прямой I_out=I_sig. Это условие накладывает ограничения на форму характеристики и минимальную величину СВМР эффекта. Критерий сводится к следующим условиям:
1. Пересечение в области перегиба (r) означает, что угол наклона характеристики должен превышать 45^o
(ΔI_out/ΔI_sig)_r > 1.
2. Пересечение в нижней области (I_out=I_min)
I_min < I1r

.
3. Пересечение в верхней области (I_out=I_max)
I1r < I_max .
При уменьшении величины Δρ/ρ уменьшается не только перепад между I_min и I_max, но и влияние положительной обратной связи. Все это ухудшает пороговые свойства характеристики ЛЭ, но уменьшает величину тока перемагничивания полоски, что позволяет повысить токи управления ЛЭ. Уменьшение перепада токов требует более тщательного подбора величины b/a для выполнения критерия стабильной передачи информации. Анализ показывает, что с уменьшением Δρ/ρ падает величина b/a.

Расчеты проведены для магнитной структуры, состоящей из пленки пермаллоя (Fe₂₀Ni₈₀) и пленки Fe₁₅Ni₆₅Co₂₀ с различными величинами Δρ/ρ; ширина полосок a= 2 мкм; толщина МР пленок 5 нм; поле анизотропии Hlk

= 2 Э и Hhk = 20 Э. Выбранные параметры соответствуют реальным возможностям получения тестовых структур. Расчеты велись при условии, что толщина медной прослойки (δ_Cu) вдвое меньше толщины магнитной прослойки (δ_m).
Работа инвертора происходит следующим образом.

В случае, когда ОЛН направлена поперек полоски при ширине полоски в несколько микрон размагничивающие поля от краев полосок составляют десятки эрстед даже при толщине пленок 5 нм и меньше. Это приводит к устойчивости при отсутствии токов управления только состояния с антипараллельным расположением М_h и М_l. Такой элемент наиболее подходит в качестве ЛЭ.

При ОЛН, направленной поперек полоски, вектор М_h при отсутствии дополнительных внешних полей всегда антипараллелен вектору М_l. Проводник расположен над полоской вдоль нее. При работе в качестве ЛЭ поперечное расположение проводника, при котором при протекании а нем тока I_с создается магнитное поле вдоль полоски, не имеет смысла, т.к. перемагничивание должно определяться именно током проводника. Перемагничивание осуществляется при одновременном действии токов I_c и I_s. Вначале подается импульс тока I_s, причем его полярность такова, чтобы магнитные поля, создаваемые сенсорным током, прижимали M_h и M_l к ОЛН. Подача I_c в проводник над полоской создает магнитное поле, приводящее к перемагничиванию M_l. Конечным состоянием после отключения токов будет снова антипараллельное расположение M_h и M_l.

Возможна ситуация, когда на элемент действует постоянное внешнее магнитное поле, перемагничивающее M_l. Тогда устойчивым состоянием будет параллельное направление M_l и M_h.

Основная идея использования СВМР структур в качестве ЛЭ - передача и обработка информации путем формирования импульсов тока за счет перепада сопротивления полоски при переключении СВМР полоски импульсом тока в информационном проводнике и использование этих импульсов для управления следующим элементом путем их подачи в его информационный проводник. Для перехода к схемам, управляемым перепадами напряжения, используется мостовая схема с включением ЛЭ в плечи моста.

Идеальным случаем для подобных схем является режим постоянного напряжения, когда все напряжение питания подключено к полоске ЛЭ. При этом перепад сенсорного тока будет максимальным. Другим крайним случаем является режим постоянного сенсорного тока. Как уже говорилось выше, физика процессов перемагничивания полоски сильно отличается в этих двух случаях: при постоянном напряжении U, приложенном к полоске, изменения сенсорного тока при переключении в зависимости от предыдущего состояния полоски будет либо резко ускоряться, что улучшает пороговые характеристики, либо замедляться.

Базовым элементом всех ЛЭ на основе структур с СВМР эффектом является полоска, подключенная одним концом к источнику напряжения, а вторым концом - к информационному проводнику следующего ЛЭ, а проходящий над полоской информационный проводник одним концом подключен к полоске предыдущего ЛЭ, а другим - к земле. В таком элементе через полоску и проводник всегда течет ток: I_min в случае, когда в полоске элемента - антипараллельное направление векторов M_l и M_h или I_max, когда в полоске - параллельное направление векторов M_l и M_h.

Режим работы элемента определяется направлением сенсорного тока относительно M_h. Направления векторов M_l и M_h полоски выбраны таким образом, что протекающий через полоску сенсорный ток стремится их стабилизировать, прижимая вектора намагниченности к ОЛН. При противоположном направлении I_s элемент имеет плохие пороговые характеристики и неработоспособен. Но и в первом случае требуется улучшение пороговых характеристик элемента.

Улучшить пороговые свойства можно использованием положительной обратной связи (фиг. 2), заключающейся в том, что проводник с I_s вначале проходит над полоской таким образом, чтобы создаваемое сенсорным током магнитное поле стремилось перемагнитить M_l. После этого проводник идет к следующему элементу. Таким образом положительная обратная связь способствует перемагничиванию полоски элемента.

Начальное состояние элемента с положительной обратной связью определяется величиной напряжения питания U. С увеличением U происходит рост I_s. С одной стороны, это приводит к стабилизации положений векторов M_l и M_h, а, с другой - к увеличению перемагничивающего M_l магнитного поля от проводника с I_s. При некотором U_min влияние поля от проводника становится превалирующим, происходит перемагничивание вектора M_l, и элемент переходит в состояние с параллельно направленными векторами намагниченности обеих пленок.

При U<U_min такой элемент является повторителем, а при U>U_min - инвертором. Однако, так как и повторитель, и инвертор должны работать при одном и том же напряжении питания, мы выбираем инвертор как базовый элемент всех остальных ЛЭ. В частности, повторитель можно сформировать из двух инверторов.

Рассмотрим ОР для элемента с размерами полоски 2•4 мкм² и с ОЛН, направленной поперек элемента. В первую очередь нас интересует наличие пороговых характеристик и возможности использования рассматриваемых ЛЭ для выполнения логических операций. Расчеты проводились для Δρ/ρ = 100% .
Изменение R инвертора от U при отсутствии I_sig и дополнительного постоянного внешнего поля H₀ имеет пороговый характер. Недостатком этого варианта является высокое поле перемагничивания M_l, что приводит к необходимости токов управления в десятки миллиампер.

Существенно уменьшить этот недостаток можно введением постоянного поля H₀, способствующего перемагничиванию M_l. Анализ показывает, что оптимальное значение Hopt0

= 0,5Hhk = 10 При таком H₀ полоска всегда находится в состоянии с параллельно направленными векторами M_l и M_h, т.е. U_min = 0. Введение H₀ приводит к ограничениям по нижнему (U_min) и верхнему значениям напряжения (U_max) из-за смещения поля перемагничивания низкоанизотропной пленки, создаваемого током I1r и возможности перемагничивания M_h. В данном случае U_min = 0,1 В, U_max = 3,7 В. На фиг. 3 приведена выходная характеристика инвертора для U_min = 0,1 В. Видно, что инвертор имеет пороговую характеристику: I_min = 0,9 мА, I_max = 1,8 мА, I1r = 1,2 мА.

Подытоживая: оптимальный вариант инвертора представляет собой полоску, работающую в диапазоне напряжения питания от 0,1 до 3,7 В при наличии H₀ = 0,5Hhk

.
Из расчетов следует, что для а = 2 мкм
U_min = 0,2 В;
U_max = 0,275 В;
I_min = 2,0 мА;
I_max = 2,9 мА для U_min;
(Δρ/ρ)_min = 50% при b = 2,4 мкм.

Данная минимальная величина СВМР эффекта на сегодняшний день уже достигнута для многослойных структур, что делает реальной разработку ЛЭ на СВМР структурах.

Изобретение относится к элементам автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным запоминающим и переключаемым элементам. Изобретение позволяет создавать логические элементы на базе спин-вентильных магниторезистивных структур для работы в тяжелых эксплуатационных условиях. Инвертор содержит кремниевую подложку. На подложке последовательно расположены первый изолирующий слой, полоска с заостренными концами. Полоска содержит два защитных слоя, разделенных магниторезистивными слоями и тонкопленочным слоем меди. Поверх полоски расположен второй изолирующий слой, проводниковый слой с проводником обратной связи, третий изолирующий слой. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Магнитный инвертор, отличающийся тем, что он содержит кремниевую подложку, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой, по меньшей мере одна спин-вентильная магниторезистивная полоска с заостренными концами, содержащая два защитных слоя, разделенных по меньшей мере одной структурой, состоящей из двух расположенных один над другим тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания, перпендикулярной длине спин-вентильной магниторезистивной полоски, и из расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, второй изолирующий слой, проводник обратной связи, проходящий над полоской вдоль нее, третий изолирующий слой, информационный проводник, проходящий над спин-вентильной магниторезистивной полоской, и третий защитный слой, при этом указанная спин-вентильная магниторезистивная полоска соединена первым концом с источником питания и вторым концом - с первым концом проводника, расположенного вне спин-вентильной магниторезистивной полоски и соединенного вторым концом с проводником обратной связи, причем тонкопленочные магниторезистивные слои имеют разные величины поля магнитной анизотропии и отношение большего поля магнитной анизотропии к меньшему составляет не менее четырех. 2. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что спин-вентильная магниторезистивная полоска содержит несколько аналогичных структур, разделенных между собой тонкопленочными слоями меди.