ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ МАГНИТНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2001 года по МПК G11C11/15 

Изобретение относится к области элементов автоматики и вычислительной техники и касается, в частности, магнитных тонкопленочных логических элементов, а именно тонкопленочных инверторов.

Известны логические элементы, в том числе инверторы на основе полупроводниковой (Я. Будинский. Логические цепи в цифровой технике. М.: Связь, 1977) и магнитной (Васильева Н.П., Петрухин Б.П. 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.

Эти недостатки устранены в магнитном инверторе на основе тонкопленочной спин-вентильной магниторезистивной (СВМР) структуры (Касаткин С.И., Муравьев А.М. Магнитный инвертор. Патент РФ N 2120142, М.кл.⁶ G 11 C 11/15), принятом нами за прототип. Этот тонкопленочный магнитный инвертор выполнен по интегральной планарной технологии и содержит расположенную на кремниевой подложке, покрытой первым изолирующим слоем, остроконечную магниторезистивную полоску с СВМР структурой в виде многослойного сэндвича и представляет собой единичный инвертирующий рабочий элемент.

Однако указанный известный тонкопленочный магнитный инвертор для своего нормального функционирования требует очень высокой величины СВМР эффекта, что технологически весьма трудно достижимо, и поэтому является его существенным недостатком.

Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание тонкопленочного магнитного инвертора микронных размеров по мостовой схеме на базе СВМР структур с реально достигнутой сегодня величиной СВМР эффекта, изготовляемого по интегральной планарной технологии, способного работать в тяжелых эксплуатационных условиях.

Указанный технический результат достигается тем, что тонкопленочный магнитный инвертор, содержащий кремниевую подложку с расположенным на ней первым изолирующим слоем, на поверхности которого расположен первый тонкопленочный рабочий элемент, содержащий остроконечную многослойную магниторезистивную полоску, содержащую первый и второй защитные слои, разделенные спин-вентильной магниторезистивной структурой, состоящей из двух расположенных один над другим тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания, перпендикулярной длине многослойной магниторезистивной полоски, и из расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, и второй изолирующий слой, поверх которого последовательно расположены первый проводниковый слой с проводником обратной связи, проходящим вдоль многослойной магниторезистивной полоски, третий изолирующий слой, второй проводниковый слой с информационным проводником, проходящим вдоль многослойной магниторезистивной полоски, и третий защитный слой, причем магниторезистивные слои имеют разные величины поля перемагничивания и отношение большего поля перемагничивания к меньшему составляет не менее четырех, дополнительно содержит расположенные на первом изолирующем слое второй, идентичный первому рабочий элемент и два одинаковых балластных элемента, каждый из которых содержит многослойную магниторезистивную полоску, идентичную многослойной магниторезистивной полоске рабочих элементов, рабочие и балластные элементы соединены в мостовую схему таким образом, что один конец многослойной магниторезистивной полоски каждого рабочего элемента соединен с первым концом своего проводника обратной связи, концы многослойной магниторезистивной полоски одного балластного элемента соединены соответственно с другими концами многослойных магниторезистивных полосок рабочих элементов, а концы многослойной магниторезистивной полоски второго балластного элемента соединены соответственно со вторыми концами проводников обратной связи рабочих элементов, при этом информационные проводники обоих рабочих элементов соединены между собой последовательно.

Сущность изобретения состоит в выполнении тонкопленочного магнитного инвертора в виде мостовой схемы из двух одинаковых тонкопленочных рабочих элементов с многослойными магниторезистивными (МР) полосками на базе СВМР структур с проводником положительной обратной связи и информационным проводником, проходящими над своими многослойными МР полосками, и двух одинаковых тонкопленочных балластных элементов с многослойными МР полосками на базе СВМР структур без указанных проводников. Применение положительной обратной связи позволяет создать у тонкопленочного магнитного инвертора пороговую характеристику, а применение мостовой схемы дает возможность использовать СВМР структуры с невысокой, уже реально достигнутой величиной СВМР эффекта.

Достоинства изобретения состоят также в том, что заявляемая структура обеспечивает применение интегральной планарной технологии и работу тонкопленочного магнитного инвертора в тяжелых эксплуатационных условиях благодаря присущим магнитным материалам свойствам.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана послойная структура расположенного на подложке с изолирующим слоем тонкопленочного рабочего элемента в разрезе, на фиг. 2 показана послойная структура расположенного на подложке с изолирующим слоем тонкопленочного балластного элемента в разрезе, на фиг. 3 представлена функциональная схема тонкопленочного магнитного инвертора в мостовом варианте, а на фиг. 4 приведена характеристика вход-выход тонкопленочного магнитного инвертора.

Тонкопленочный магнитный инвертор на основе СВМР структуры содержит кремниевую подложку 1 с нанесенным на нее первым изолирующим слоем 2, на котором расположены два идентичных рабочих (фиг. 1) и два идентичных балластных (фиг. 2) элемента. Каждый из этих элементов содержит остроконечную многослойную МР полоску, содержащую первый 3 и второй 4 защитные слои, между которыми расположена СВМР структура, состоящая из двух тонкопленочных МР слоев 5, 6, разделенных тонкопленочным слоем меди 7, и второй изолирующий слой 8. На втором изолирующем слое 8 каждого рабочего элемента последовательно расположены первый проводниковый слой 9 с проводником положительной обратной связи, проходящим вдоль многослойной МР полоски своего рабочего элемента, третий изолирующий слой 10, второй проводниковый слой 11 с информационным проводником, проходящим вдоль многослойной МР полоски своего рабочего элемента, и третий защитный спой 12. Рабочие и балластные элементы магнитного инвертора соединены в мостовую схему (фиг. 3) таким образом, что один конец многослойной МР полоски 13 и 14 каждого рабочего элемента соединен с первым концом своего проводника обратной связи 15 и 16, концы многослойной МР полоски 17 одного балластного элемента соединены соответственно с другими концами многослойных полосок 13 и 14 рабочих элементов, а концы многослойной полоски 18 второго балластного элемента соединены соответственно со вторыми концами проводников обратной связи 15 и 16 рабочих элементов. Информационные проводники 19 и 20 обоих рабочих элементов соединены между собой последовательно.

Структура СВМР сэндвича может состоять из следующих слоев :
MC₁/НМ/MC_h/ФС,
где MC₁ и MC_h - два ферромагнитных слоя, изготовленные из Co, Ni или NiFe и разделенные прослойкой немагнитного металла НМ - Cu, Ag, Au или др. MC₁ - свободная пленка с меньшим полем перемагничивания H_r, MC_h - фиксированная пленка с большим H_r. В качестве ФС (фиксирующего слоя), создающего обменное взаимодействие с ближайшим ферромагнитным слоем MC_h для его фиксации (увеличения H_r), обычно используется Fe₅₀Mn₅₀. Этот слой создает обменную анизотропию в слое MC_h, из-за чего вектор намагниченности M_h может быть переориентирован только в сравнительно высоких полях (более 100 Э), тогда как слой MC₁ перемагничивается в слабых полях (менее 20 Э).

СВМР эффект заключается в том, что изменение сопротивления многослойной структуры зависит от угла Φ между направлениями векторов намагниченности слоев MC₁ и MC_h в соседних ферромагнитных пленках, разделенных прослойкой меди, и не зависит от угла между протекающим в пленке током I и M в данной пленке, как при анизотропном МР (АМР) эффекте.

При СВМР эффекте максимальное изменение сопротивления элемента соответствует переходу от параллельного к антипараллельному расположению векторов M_h (магнитной пленки с более высоким H_r) и M_I (магнитной пленки с низким H_r) 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. Достигнута величина СВМР эффекта в многослойных структурах 45% при комнатной температуре, в то время как при АМР эффекте, как правило, не больше 2%.

Для магнитного инвертора проведены расчеты зависимостей сопротивления структуры R и сенсорного тока от напряжения питания и от информационного тока I_c для заданных топологических и магнитных параметров магнитного инвертора.

Расчеты проведены для магнитной структуры, состоящей из МР пленки пермаллоя (Fe₁₉Ni₈₁) с низким H_r, и МР пленки Fe₁₅Ni₆₅Co₂₀ с высоким H_r; ширина многослойных полосок а = 2 мкм: толщина СВМР пленок 5 нм. Выбранные параметры соответствуют реальным возможностям получения тестовых структур.

Работа тонкопленочного магнитного инвертора, выполненного по мостовой схеме, происходит следующим образом. В случае когда ось легкого намагничивания (ОЛН) направлена поперек многослойной МР полоски, при ширине этой полоски в несколько микрон размагничивающие поля от краев многослойной МР полоски составляют десятки эрстед даже при толщине пленок 5 нм и меньше. Это приводит к устойчивости при отсутствии токов управления только состояния с антипараллельным расположением векторов намагниченности ВП M_h и НП M_I. Такой элемент наиболее подходит в качестве магнитного инвертора.

При ОЛН, направленной поперек многослойной МР полоски, вектор M₁ при отсутствии дополнительных внешних полей всегда антипараллелен вектору M_h. Информационный проводник расположен над многослойной МР полоской вдоль нее. При работе в качестве магнитного инвертора поперечное расположение информационного проводника не имеет смысла, т.к. перемагничивание должно определяться именно током информационного проводника. Перемагничивание осуществляется при одновременном действии токов I_s и I_c. Вначале подается импульс тока I_s, причем его полярность такова, чтобы магнитные поля, создаваемые сенсорным током, прижимали M_I и M_h к ОЛН. Подача I_c в информационный проводник над многослойной МР полоской создает магнитное поле, приводящее к перемагничиванию М_I. Конечным состоянием после отключения токов будет снова антипараллельное расположение M_I и М_h.

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

Основная идея использования СВМР структур в качестве тонкопленочного магнитного инвертора - передача и обработка информации путем формирования импульсов тока за счет перепада сопротивления многослойной МР полоски при переключении этой полоски импульсом тока в информационном проводнике и использование этих импульсов для управления следующим магнитным инвертором путем их подачи в его информационный проводник. Для перехода к схемам управляемым перепадами напряжения используется мостовая схема с включением многослойных МР полосок в плечи мостовой схемы.

Идеальным случаем для подобных схем является режим постоянного напряжения, когда все напряжение питания подключено к рабочим и балластным элементам тонкопленочного магнитного инвертора. При этом перепад сенсорного тока будет максимальным. При постоянном напряжении питания U, приложенном к полоске, изменения сенсорного тока при переключении в зависимости от предыдущего состояния многослойной МР полоски будут резко ускоряться, что улучшает пороговые характеристики.

В тонкопленочном рабочем элементе через многослойную МР полоску и проводник всегда течет ток: I_min, в случае когда в многослойной МР полоске рабочего элемента антипараллельное направление векторов M_I и M_h, или I_max, когда в многослойной МР полоске параллельное направление векторов M_I и M_h.

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

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

Начальное состояние тонкопленочного рабочего 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_I и М_h, а с другой - к увеличению перемагничивающего M_I магнитного поля от проводника с I_s. При некотором U_min влияние поля от проводника становится превалирующим, происходит перемагничивание вектора M_I и рабочий элемент переходит в состояние с параллельно направленными векторами намагниченности обеих пленок.

При U < U_min такая базовая конструкция является повторителем, а U > U_min - инвертором.

Результаты расчета ОР тонкопленочного магнитного инвертора с размерами многослойной МР полоски 2х4 мкм² и с ОЛН, направленной поперек многослойной МР полоски, приведены ниже. В первую очередь представляют интерес наличие пороговых характеристик и возможности использования рассматриваемых СВМР ЛЭ для выполнения логических операций. Расчеты проводились для Δρ/ρ = 100%.

Как показал анализ, пороговое поле переворота M₁ достаточно высокое, что приводит к токам управления в десятки милиампер. Существенно уменьшить токи управления можно введением постоянного поля H₀, направленного по ОЛН параллельно M₁ и способствующего перемагничиванию M₁. Анализ показывает, что оптимальное значение H₀ = 0,5H_k,h = 10 Э. При таком H₀ структура всегда находится в состоянии с параллельно направленными векторами М_I и M_h. Введение H_o приводит к ограничениям по нижнему U_min и верхнему значениям U_max из-за смещения поля перемагничивания низкоанизотропной пленки I₁ и возможности перемагничивания М_h. В данном случае U_min = 0,1 В, U_max = 3,7 В.

Использование двух таких рабочих элементов в мостовой схеме, выполняющей функцию инвертора, приводит к очень важному улучшению характеристики вход-выход (фиг. 4) и на основе одной модификации элемента позволяет иметь достаточно высокое число входов: n < I_max/I_min, причем реальная величина I_min определяется технологическим разбалансом моста и может составлять несколько процентов от I_max.

Определение минимальной величины СВМР эффекта, при которой будут функционировать данные магнитные инверторы, основано на описанном выше критерии стабильной передачи информации. Уменьшение величины СВМР эффекта Δρ/ρ уменьшает перепад между I_out,min и I_out,max и влияние положительной обратной связи, что ухудшает пороговую характеристику базовой конструкции.

В случае инвертора на базе мостовой схемы ввиду того, что I_min = 0, (Δρ/ρ)_min определяется из предельного условия переключения инвертора
(Δρ/ρ)_minU_max/((Δρ/ρ)_min+1)R = I_min
Отсюда для заданных параметров имеем теоретическую границу работоспособности

Как показывает наш опыт работы, реальное значение (Δρ/ρ) будет в несколько раз больше и может составить 5-10%. При уменьшении размеров из-за роста тока переключения минимальное значение _(Δρ/ρ) будет расти.

Таким образом, можно сделать вывод, что несмотря на более сложную конструкцию, тонкопленочный магнитный инвертор на базе мостовой схемы имеет несомненные перспективы для применения из-за возможности применения СВМР структур с небольшими, уже реально достигнутыми величинами СВМР эффекта.

Изобретение относится к элементам автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным запоминающим и переключаемым элементам. Технический результат - создание тонкопленочного магнитного инвертора микронных размеров на базе спин-вентильных магниторезистивных структур с реально достигнутой величиной спин-вентильного магниторезистивного эффекта, изготовляемого по интегральной планарной технологии, способного работать в тяжелых эксплуатационных условиях. Указанный технический результат достигается тем, что тонкопленочный магнитный инвертор, содержащий расположенный на кремниевой подложке с первым изолирующим слоем первый тонкопленочный рабочий элемент с многослойной магниторезистивной полоской на базе спин-вентильной магниторезистивной структуры и проводником обратной связи и информационным проводником, дополнительно содержит расположенные на том же изолирующем слое второй, идентичный первому рабочий элемент и два одинаковых балластных элемента, каждый из которых содержит многослойную магниторезистивную полоску, идентичную многослойной магниторезистивной полоске рабочих элементов, рабочие и балластные элементы соединены в мостовую схему так, что один конец многослойной магниторезистивной полоски каждого рабочего элемента соединен с первым концом своего проводника обратной связи, концы многослойной магниторезистивной полоски одного балластного элемента соединены соответственно с другими концами многослойных магниторезистивных полосок рабочих элементов, а концы многослойной магниторезистивной полоски второго балластного элемента соединены соответственно со вторыми концами проводников обратной связи рабочих элементов, при этом информационные проводники обоих рабочих элементов соединены между собой последовательно. 4 ил.

Тонкопленочный магнитный инвертер, содержащий кремниевую подложку с расположенным на ней первым изолирующим слоем, на поверхности которого расположен первый тонкопленочный рабочий элемент, содержащий остроконечную многослойную магниторезистивную полоску, содержащую первый и второй защитные слои, разделенные спин-вентильной магниторезистивной структурой, состоящей из двух расположенных один над другим тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания, перпендикулярной длине многослойной магниторезистивной полоски, и из расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, и второй изолирующий слой, поверх которого последовательно расположены первый проводниковый слой с проводником обратной связи, проходящим вдоль многослойной магниторезистивной полоски, третий изолирующий слой, второй проводниковый слой с информационным проводником, проходящим вдоль многослойной магниторезистивной полоски, и третий защитный слой, причем тонкопленочные магниторезистивные слои имеют разные величины поля перемагничивания, отношение большего поля перемагничивания к меньшему составляет не менее четырех, отличающийся тем, что он содержит расположенные на первом изолирующем слое второй, идентичный первому, рабочий элемент и два одинаковых балластных элемента, каждый из которых содержит многослойную магниторезистивную полоску, идентичную многослойной магниторезистивной полоске рабочих элементов, рабочие и балластные элементы соединены в мостовую схему так, что один конец многослойной магниторезистивной полоски каждого рабочего элемента соединен с первым концом своего проводника обратной связи, концы многослойной магниторезистивной полоски одного балластного элемента соединены соответственно с другими концами многослойных магниторезистивных полосок рабочих элементов, а концы многослойной магниторезистивной полоски второго балластного элемента соединены соответственно со вторыми концами проводников обратной связи рабочих элементов, при этом информационные проводники обоих рабочих элементов соединены между собой последовательно.