УСТРОЙСТВО С МАГНИТНЫМ ТУННЕЛЬНЫМ ПЕРЕХОДОМ С РАЗДЕЛЬНЫМИ ТРАКТАМИ СЧИТЫВАНИЯ И ЗАПИСИ Российский патент 2012 года по МПК G11C11/16 

Область техники, к которой относится раскрытие изобретения

Настоящее раскрытие в основном направлено на создание устройства, включающего в себя структуру магнитного туннельного перехода (МТП), которая имеет раздельные тракты данных считывания и записи.

Уровень техники

Стандартная одноразрядная магниторезистивная память с произвольным доступом (Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory, STT-MRAM) включает в себя структуру транзистора и магнитного туннельного перехода (magnetic tunnel junction, MTJ, или МТП). Основная структура MTJ состоит из двух магнитных электродов, между которыми помещен оксидный туннельный барьерный слой. Магнитный момент каждого магнитного электрода ориентирован вдоль длинной оси удлиненного вбок элемента. Параллельная и антипараллельная ориентация магнитного момента между двумя магнитными слоями на каждой из сторон туннельного перехода вызывает два различных сопротивления через барьер, что приводит к возникновению двух состояний памяти. Один из магнитных электродов, называемый свободным слоем, обладает направлением магнитного момента, которое можно переключать. Другой магнитный электрод, называемый эталонным слоем, обладает намагниченностью, которая ориентируется в конкретном направлении.

В стандартных структурах STT-MRAM инжектированный ток становится спин-поляризованным из-за фиксированной намагниченности в эталонном слое, что приводит к передаче момента спина (spin transfer torque, STT) при намагничивании свободного слоя. Когда плотность инжектируемого тока превышает пороговую величину, ориентация намагниченности свободного слоя может переключаться под действием передачи момента спина. Результирующее состояние памяти (т.е. 0 или 1) определяется направлением тока.

Обычно как процесс считывания, так и процесс записи функционируют за счет использования инжекции тока. Для процесса записи плотность тока, которому позволяют течь через МТП-устройство в одноразрядной памяти STT-MRAM, сильно зависит от сопротивления МТП таким образом, что, когда сопротивление МТП низкое, через МТП-устройство может течь больше тока. Поэтому чем меньше сопротивление МТП, тем больше можно обеспечить рабочий диапазон записи данных для проектировщиков MRAM (magnetoresistive random-access memory, мангиторезистивной оперативной памяти). Однако меньшее сопротивление МТП также приводит к меньшим диапазонам обнаружения данных считывания. Аналогично, большое сопротивление МТП, которое повышает диапазоны обнаружения данных считывания, снижает рабочие диапазоны данных записи. В результате сопротивление МТП стандартной конструкции отображает конструкционный компромисс между повышением диапазонов обнаружения данных считывания и повышением диапазонов обнаружения данных записи.

Дополнительно, для повышения возможности записи ячейки МТП были предложены конструкции STT-MRAM с двойным МТП. Однако конструкции с двойным МТП накладывают еще большие ограничения на сопротивление МТП и требуют большей восприимчивости к диапазону обнаружения данных считывания.

Сущность изобретения

В конкретном варианте воплощения раскрыто устройство, которое включает в себя структуру магнитного туннельного перехода (МТП). Устройство также включает в себя тракт считывания, связанный со структурой МТП, и тракт записи, связанный со структурой МТП. Тракт записи отделен от тракта считывания.

В другом варианте воплощения раскрыт способ записи данных в устройство с магнитным туннельным переходом. Способ включает в себя приложение тока к тракту записи, соединенному с устройством с магнитным туннельным переходом (МТП), для сохранения значений данных на свободном слое устройства с МТП. Устройство с МТП соединено с отдельным трактом считывания.

В другом варианте воплощения раскрыт способ считывания данных с устройства, содержащего МТП. Способ включает в себя приложения тока к тракту считывания, соединенному с устройством, содержащим МТП, для считывания значений данных. Устройство, содержащее МТП, соединено с отдельным трактом записи.

В другом варианте воплощения раскрыто запоминающее устройство. Запоминающее устройство включает в себя матрицу ячеек магнитной памяти с произвольной выборкой (magnetic random access memory, MRAM). Запоминающее устройство также включает в себя логическую цепь блока управления памятью, адаптированную для активации числовой (или словарной - Прим. переводчика) шины и селективной активации либо разрядной линии считывания, либо разрядной линии записи, либо разрядной линии записи, для доступа к выбранной ячейке матрицы памяти.

В другом варианте воплощения раскрыт способ изготовления устройства, содержащего магнитный туннельный переход (МТП). Способ включает в себя осаждение множества пленочных слоев на подложку для формирования первой структуры МТП. Первая структура МТП включает в себя свободный слой. Способ включает в себя осаждение проводящего слоя, соединенного со свободным слоем первой структуры МТП. Способ также включает в себя осаждение второго множества пленочных слоев для формирования второй структуры МТП на первой структуре МТП.

Одно конкретное преимущество, обеспеченное раскрытыми вариантами воплощения, состоит в том, что в устройстве STT-MRAM пределы рабочего режима как считывания, так и записи могут быть повышены.

Другое преимущество, обеспеченное раскрытыми вариантами воплощения, состоит в снижении тока записи, требуемого для хранения значений данных в устройстве STT-MRAM.

Другие особенности, преимущества и признаки настоящего раскрытия станут ясными после обзора всей заявки, включая следующие разделы: «Краткое описание чертежей», «Подробное описание» и «Формула изобретения».

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой диаграмму конкретного иллюстративного варианта воплощения устройства с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами данных считывания и данных записи;

Фиг. 2 представляет собой диаграмму второго иллюстративного варианта воплощения устройства с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами данных считывания и данных записи;

Фиг. 3 представляет собой диаграмму третьего иллюстративного варианта воплощения устройства с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами данных считывания и данных записи;

Фиг. 4 представляет собой диаграмму четвертого иллюстративного варианта воплощения устройства с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами данных считывания и данных записи;

Фиг. 5 представляет собой диаграмму конкретного иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя устройства с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактом считывания и трактом записи данных, совместно образующими общую разрядную линию;

Фиг. 6 представляет собой диаграмму первого иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицу устройств с магнитными туннельными переходами (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных;

Фиг. 7 представляет собой диаграмму второго иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицу устройств с магнитными туннельными переходами (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных;

Фиг. 8 представляет собой диаграмму первого иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицу устройств с магнитными туннельными переходами (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных, совместно образующих общие разрядные линии;

Фиг. 9 представляет собой диаграмму второго иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицу устройств с магнитными туннельными переходами (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных, совместно образующих общие разрядные линии;

Фиг. 10 представляет собой диаграмму третьего иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицу устройств с магнитными туннельными переходами (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных, совместно образующих общие разрядные линии;

Фиг. 11 представляет собой блок-схему конкретного иллюстративного варианта воплощения способа эксплуатации устройства с магнитным туннельным переходом (МТП);

Фиг. 12 представляет собой блок-схему конкретного иллюстративного варианта воплощения способа изготовления устройства с магнитным туннельным переходом (МТП);

Фиг. 13-19 иллюстрируют конкретный иллюстративный вариант воплощения стадий изготовления согласно способу по Фиг. 12; и

Фиг. 20 представляет собой блок-схему устройства связи, включающего в себя запоминающее устройство, которое включает в себя множество ячеек с магнитным туннельным переходом (МТП).

Подробное описание

Из рассмотрения Фиг. 1 видно, что на ней описана диаграмма конкретного иллюстративного варианта воплощения устройства с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами считывания и трактами записи данных, обычно обозначаемая позицией 100. В конкретном варианте воплощения, устройство 100 может быть включено в однобитовый элемент STT-MRAM. Тракт 102 считывания данных и тракт 104 записи данных обеспечивают раздельные токовые пути, связанные со структурой МТП устройства 100. Первый эталонный слой 110, туннельный барьерный слой 112 и свободный слой 114 образуют первый компонент 108 МТП. Свободный слой 114, второй туннельный барьерный слой 116 и второй эталонный слой 118 образуют второй компонент 106 МТП. Терминал 130 записи соединен со свободным слоем 114. Терминал 150 считывания соединен со вторым эталонным слоем 118. Переключатель 142, такой как транзистор, подключен между первым эталонным слоем 110 и терминалом 140 истока. Переключатель 142 подключен для приема сигнала 144 управления. В конкретном варианте воплощения, устройство 100 может представлять собой часть матрицы устройства с магнитной памятью с произвольной выборкой (magnetic random access memory, MRAM).

В конкретном варианте воплощения, тракт 102 считывания данных включает в себя терминал 150 считывания, второй компонент 106 МТП, первый компонент 108 МТП, переключатель 142 и терминал 140 истока. Магнитные моменты первого эталонного слоя 110 и второго эталонного слоя 118 ориентированы в одном и том же направлении, а магнитный момент свободного слоя 114 может быть задан в направлении, параллельном или антипараллельном эталонным слоям 110 и 118.

Сопротивление току вдоль тракта 102 считывания данных возрастает из-за сопротивления через второй туннельный барьер 116 между вторым эталонным слоем 118 и свободным слоем 114, а также из-за сопротивления через первый туннельный барьер 112 между свободным слоем 114 и первым эталонным слоем 110. Поскольку сопротивление устройства 100 соответствует значению данных, хранящемуся в устройстве 100, хранящееся значение данных можно определять путем обеспечения сигнала считывания и сопоставления выходного сигнала с эталонным сигналом. Например, сигнал считывания может представлять собой напряжение, прикладываемое между терминалом 150 считывания и терминалом 140 истока, а полученный ток вдоль тракта 102 считывания данных можно сопоставлять с эталонным током. В качестве другого примера сигнал считывания может представлять собой ток, обеспеченный вдоль тракта 102 считывания данных, а полученное напряжение между терминалом 150 считывания и терминалом 140 истока можно сопоставлять с эталонным напряжением.

Ток вдоль тракта 104 записи данных встречает сопротивление через первый туннельный барьер 112, а не через второй туннельный барьер 116. Таким образом, тракт 104 записи данных обладает более низким сопротивлением, чем тракт 102 считывания данных. В конкретном варианте воплощения, второй эталонный слой 118 и второй туннельный барьер 116 также могут иметь такую конфигурацию, чтобы они обладали большим сопротивлением, чем первый эталонный слой 110 и первый туннельный барьер 112, для дальнейшего повышения разницы в сопротивлениях вдоль тракта 102 считывания данных по сравнению с трактом 104 записи данных.

Поэтому ток считывания вдоль тракта 102 считывания данных сталкивается с более высоким туннелирующим магнитным сопротивлением и более высокими пределами рабочего режима считывания, а ток записи вдоль тракта 104 записи данных сталкивается с более низким туннелирующим магнитным сопротивлением и более высокими пределами рабочего режима записи, чем можно было бы достигнуть при использовании одиночного тракта для тех и других данных - считывания и записи. В дополнение, сниженное сопротивление в тракте 104 записи данных обеспечивает меньшее напряжение смещения записи, меньшие характеристики устройства, повышенную плотность и пониженное энергопотребление.

На Фиг. 2 изображена диаграмма второго иллюстративного варианта воплощения устройства с магнитным туннельным переходом (magnetic tunnel junction, MTJ) с раздельными трактом считывания и трактом записи данных, и его, как правило, обозначают как 200. В конкретном варианте воплощения, устройство 200 может быть включено в однобитовую ячейку STT-MRAM. В конкретном варианте воплощения, устройство 200 функционирует практически аналогично устройству 100, проиллюстрированному на Фиг. 1. Свободный слой 202 расположен между первым эталонным слоем 204 и вторым эталонным слоем 206 и имеет магнитную связь с ними. Разрядный терминал 208 записи связан с проводящим слоем 210, который граничит со свободным слоем 202. Нижний проводник 212 соединен с первым эталонным слоем 204 и соединен с переключателем 214. Переключатель 214 подключен для приема одного или нескольких управляющих сигналов, таких как управляющий сигнал словарной шины 216 и управляющий сигнал 218 шины истока. Тракт записи данных включает в себя терминал 208 разрядной шины записи, проводящий слой 210, свободный слой 202, первый эталонный слой 204, нижний проводник 212 и переключатель 214. Тракт считывания данных включает в себя проводник 240 разрядной шины считывания, второй эталонный слой 206, свободный слой 202, первый эталонный слой 204, нижний проводник 212 и переключатель 214.

Свободный слой 202 включает в себя, по меньшей мере, две части свободного слоя 220 и 222 как в тракте записи данных, так и в тракте считывания данных. Свободный слой 202 также включает в себя часть свободного слоя 252 в тракте считывания данных. Материалы в частях свободного слоя 220, 222 и 252 могут зависеть от материалов смежных слоев. Например, от дна до верха части свободного слоя 220, 222 и 252 могут включать в себя составы CoFeB/NiFe/CoFeB, или CoFeB, или CoFe/CoFeB, или NiFe/CoFeB, или CoFe/NiFe/CoFeB. В конкретном варианте воплощения, проводящий слой 210, который граничит со свободным слоем 202 и терминалом разрядной шины считывания 208, включает в себя проводящий материал, такой как Ta, Ru, Cu, Mg, Al, Ti, Au или любое их сочетание. В конкретном варианте воплощения, форма, размер и состав материала частей свободного слоя 220, 222 и 252 могут отличаться друг от друга. В другом варианте воплощения свободный слой 202 может включать в себя только одну или две из частей свободного слоя - 220, 222 или 252.

Первый промежуточный слой 224 расположен между свободным слоем 202 и первым эталонным слоем 204. В конкретном варианте воплощения, для повышения тока записи свободный слой 202, граничащий с первым эталонным слоем 204, может иметь либо супермагниторезистивную (giant magnetoresistance, GMR) структуру типа «ток, перпендикулярный плоскости» (current-perpendicular-to-plane, CPP), либо туннельную магниторезистивную структуру (tunneling magnetoresistance, TMR) с очень тонким барьером MgO. В конкретном варианте воплощения, первый промежуточный слой 224 включает в себя оксидный туннельный барьер, такой как MgO или AlOx. В другом варианте воплощения, первый промежуточный слой 224 включает в себя проводящий слой, такой как Ru, Cu или Cr.

В конкретном варианте воплощения, эталонный слой 204 включает в себя синтетическую антиферромагнитную структуру (САФ), сформированную совместно со слоем 226 CoFeB, слоем 228 Ru и слоем 230 CoFe. Направление магнитного поля структуры SAF ориентируется посредством антиферромагнитного (АФМ) слоя 232. Слой 232 АФМ соединен с нижним проводником 212. В альтернативном варианте воплощения слой 232 АФМ может быть соединен с затравочным слоем или слоем подложки.

В конкретном варианте воплощения, проводник 240 одноразрядной шины считывания представляет собой верхний проводник, который также функционирует как покрывающий слой устройства 200. В конкретном варианте воплощения, проводник 240 одноразрядной шины считывания в первую очередь включает в себя проводящий материал, такой как Ru, Ta, Cu, Au или любое другое их сочетание. Второй эталонный слой 206 включает в себя слой АФМ 242, соединенный с одноразрядным проводником 240 считывания. Слой 242 ориентирует направление магнитного поля второй САФ-структуры, которая включает в себя, в конкретном варианте воплощения, слой 244 CoFe, слой 246 Ru и слой CoFeB 248. Ориентированное магнитное поле первого эталонного слоя 204 параллельно ориентированному магнитному полю второго эталонного слоя 206.

Второй промежуточный слой 250 расположен между вторым эталонным слоем 206 и свободным слоем 202. В конкретном варианте воплощения, второй промежуточный слой 250 представляет собой слой MgO или AlOx, обеспечивающий TMR вдоль тракта считывания данных. Сопротивление через второй промежуточный слой 250 может повышаться с повышением толщины второго промежуточного слоя 250. В конкретном варианте воплощения второй промежуточный слой 250 может быть значительно толще, чем первый промежуточный слой 224.

Что касается Фиг. 3, то на ней представлена диаграмма третьего иллюстративного варианта воплощения устройства с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных, которая обычно обозначается как 300. В конкретном варианте воплощения, устройство 300 может быть включено в однобитовый элемент STT-MRAM. В конкретном варианте воплощения, устройство 300 функционирует практически аналогично устройству 100, проиллюстрированному на Фиг. 1. Свободный слой 302 расположен между первым эталонным слоем 304 и вторым эталонным слоем 306 и магнитно связан с ними. Свойства устройства 300, такие как путь тока и сопротивление, первоначально определяют по площади свободного слоя 302, а не по первому эталонному слою 304 и второму эталонному слою 306. Таким образом, форму и размер первого эталонного слоя 304, второго эталонного слоя 306 и свободного слоя 302 можно отрегулировать в соответствии с требованиями по конструкции и изготовлению. Как проиллюстрировано на Фиг. 3, первый эталонный слой 304 может простираться практически по всей ширине устройства 300.

Терминал 308 разрядной шины записи соединен с проводящим слоем 310, который примыкает к свободному слою 302. Нижний проводник 312 соединен с первым эталонным слоем 304 и с переключателем 314. Переключатель 314 подключен для приема одного или нескольких управляющих сигналов, таких как управляющий сигнал числовой шины 316 и управляющий сигнал 318 шины истока. Тракт записи данных включает в себя терминал 308 разрядной шины записи, проводящий слой 310, свободный слой 302, первый эталонный слой 304, нижний проводник 312 и переключатель 314. Тракт считывания данных включает в себя проводник разрядной линии считывания 340, второй эталонный слой 306, свободный слой 302, первый эталонный слой 304, нижний проводник 312 и переключатель 314.

Свободный слой 302 включает в себя, по меньшей мере, две части свободного слоя - 320 и 322 как в тракте считывания данных, так и в тракте записи данных. Свободный слой 302 также включает в себя часть свободного слоя 352 в тракте считывания данных. Материалы в частях свободного слоя 320, 322 и 352 могут зависеть от материалов смежных слоев. Например, снизу доверху части свободного слоя 320, 322 и 352 могут включать в себя состав CoFeB/NiFe/CoFeB, или CoFeB, или CoFe/CoFeB, или NiFe/CoFeB, или CoFe/NiFe/CoFeB. В конкретном варианте воплощения, проводящий слой 310, который примыкает к свободному слою 302, и терминал разрядной шины считывания 308 сформированы с использованием проводящего материала, такого как Ta, Ru, Cu, Mg, Al, Ti, Au или любого их сочетания.

Первый промежуточный слой 324 расположен между свободным слоем 302 и первым эталонным слоем 304. В конкретном варианте воплощения, для повышения тока записи свободный слой 302, граничащий с первым эталонным слоем 304, может иметь либо супермагниторезистивную (giant magnetoresistance, GMR) структуру типа «ток, перпендикулярный плоскости» (current-perpendicular-to-plane, CPP), либо туннельную магниторезистивную структуру (tunneling magnetoresistance, TMR) с очень тонким барьером MgO. В конкретном варианте воплощения, первый промежуточный слой 324 включает в себя оксидный туннельный барьер, такой как MgO или AlOx. В другом варианте воплощения, первый промежуточный слой 324 включает в себя проводящий слой, такой как Ru, Cu или Cr.

В конкретном варианте воплощения, первый эталонный слой 304 включает в себя синтетическую антиферромагнитную структуру (synthetic antiferromagnet, SAF), сформированную из слоя 326 CoFeB, слоя 328 Ru и слоя 330 CoFe. Направление магнитного слоя SAF ориентируют с помощью слоя 332 антиферромагнетика (АФМ). Слой 332 АФМ соединен с нижним проводником 312. В альтернативном варианте воплощения, слой 332 АФМ может быть соединен с затравочным слоем или слоем подложки.

В конкретном варианте воплощения, проводник 340 разрядной шины считывания является верхним проводником, который также функционирует как покрывающий слой устройства 300. В конкретном варианте воплощения, проводник 340 разрядной шины считывания главным образом включает в себя проводящий материал, такой как Ru, Ta, Cu, Au, Ti или любое их сочетание. Второй эталонный слой 306 включает в себя слой 342 АФМ, соединенный с проводником 340 разрядной шины считывания. В конкретном варианте воплощения, слой 342 АФМ фиксирует направление магнитного момента второй структуры SAF, образованной из слоя 344 CoFe, слоя 346 Ru и слоя CoFeB 348. Фиксированное направление магнитного момента первого эталонного слоя 304 параллельно фиксированному направлению магнитного момента второго эталонного слоя 306.

Второй промежуточный слой 350 расположен между вторым эталонным слоем 306 и свободным слоем 302. В конкретном варианте воплощения, второй промежуточный слой 350 представляет собой слой MgO или AlOx, обеспечивающий TMR вдоль тракта считывания данных. Сопротивление через второй промежуточный слой 350 может повышаться с повышением толщины второго промежуточного слоя 350. В конкретном варианте воплощения, второй промежуточный слой 350 может быть значительно толще, чем первый промежуточный слой 324.

Из рассмотрения Фиг. 4 видно, что на ней изображена диаграмма четвертого иллюстративного варианта воплощения устройства с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных, и она обычно обозначается как 400. В конкретном варианте воплощения устройство 400 может быть включено в однобитовый элемент STT-MRAM. В конкретном варианте воплощения устройство 400 функционирует практически аналогично устройству 100, проиллюстрированному на Фиг. 1, устройству 200, проиллюстрированному на Фиг. 2, или устройству 300, проиллюстрированному на Фиг. 3. Свободный слой 402 расположен между первым эталонным слоем 404 и вторым эталонным слоем 406 и магнитно связан с ними.

Терминал 408 разрядной шины записи соединен с проводящим слоем 410, который примыкает к свободному слою 402. Нижний проводник 412 соединен с первым эталонным слоем 404 и с переключателем 414. Переключатель 414 подключен для приема одного или нескольких управляющих сигналов, таких как управляющий сигнал 416 числовой шины и управляющий сигнал 418 истока. Тракт записи данных включает в себя терминал 408 разрядной шины записи, проводящий слой 410, свободный слой 402, первый эталонный слой 404, нижний проводник 412 и переключатель 414. Тракт считывания данных включает в себя проводник 440 разрядной шины считывания, второй эталонный слой 406, свободный слой 402, первый эталонный слой 404, нижний проводник 412 и переключатель 414.

Первый промежуточный слой 424 расположен между свободным слоем 402 и первым эталонным слоем 404. Первый эталонный слой 404 включает в себя синтетическую антиферромагнитную структуру 425 (САФ) и антиферромагнитный (АФМ) слой 432. Слой 432 АФМ фиксирует направление магнитного момента в САФ-структуре 425. АФМ-слой 432 соединен с нижним проводником 412.

В конкретном варианте воплощения проводник 440 разрядной шины считывания является верхним проводником, который также функционирует как покрывающий слой устройства 400. Тракт считывания данных включает в себя проводник разрядной шины 440, соединенный со вторым эталонным слоем 406. Второй эталонный слой 406 включает в себя вторую АФМ-структуру 442, которая фиксирует направление магнитного момента САФ-слоя 443. Фиксированный магнитный момент первого эталонного слоя 404 параллелен фиксированному магнитному моменту второго эталонного слоя 406. Второй промежуточный слой 450 соединен со вторым эталонным слоем 406.

В конкретном варианте воплощения тонкий слой 460 расположен между вторым промежуточным слоем 450 и свободным слоем 402. В конкретном варианте воплощения тонкий слой 460 находится в пределах пути тока считывания, но не в пределах пути тока записи. В конкретном варианте воплощения тонкий слой 460 представляет собой тонкий слой, состоящий главным образом из Mg. В альтернативном варианте воплощения устройство 400 может не включать в себя тонкий слой 460.

Рассмотрим теперь Фиг. 5, на которой изображена диаграмма конкретного иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя два устройства с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных, совместно составляющих общую разрядную шину, и данная диаграмма обычно обозначается как 500. Система 500 включает в себя первое устройство 502 с МТП и второе устройство 504 с МТП. Первое устройство 502 с МТП включает в себя тракт 506 считывания данных, отдельный от тракта 508 записи данных. Второе устройство 504 с МТП включает в себя тракт 510 считывания данных, отдельный от тракта записи данных 512.

Первое устройство 502 с МТП включает в себя первый эталонный слой 516, первый промежуточный слой 518, первый свободный слой 520, второй промежуточный слой 522 и второй эталонный слой 524. Переключатель 526 отвечает за управляющий сигнал 528 для селективного связывания второго эталонного слоя 524 с терминалом 530 истока. Тракт 506 считывания данных включает в себя разрядную шину 514, соединенную с первым эталонным слоем 516, первым промежуточным слоем 518, свободным слоем 520, вторым промежуточным слоем 522, вторым эталонным слоем 524, переключателем 526 и терминалом 530 истока. Тракт 508 записи данных включает в себя совместно используемую разрядную шину 532, которая соединена со свободным слоем 520, вторым промежуточным слоем 522, вторым эталонным слоем 524, переключателем 526 и терминалом 530 истока.

В конкретном варианте воплощения, каждый из эталонных слов 516 и 524 включают в себя фиксированные параллельные магнитные моменты. Промежуточные слои 518 и 522 могут включать в себя туннельный барьерный слой. Свободный слой 520 включает в себя магнитный момент, который может быть запрограммирован таким образом, чтобы он был параллелен или антипараллелен магнитному моменту эталонных слоев 516 и 524. Направление магнитного момента свободного слоя 520 определяет сопротивление первого устройства 502 с МТП и выявляет значения данных, хранящихся в первом устройстве 502 с МТП.

Второе устройство 504 с МТП включает в себя первый эталонный слой 536, первый промежуточный слой 538, первый свободный слой 540, второй промежуточный слой 542 и второй эталонный слой 544. Переключатель 546 отвечает за управляющий сигнал 548 на селективное соединение второго эталонного слоя 544 и терминала 550 истока. Тракт 510 считывания данных включает в себя совместную разрядную шину 532, соединенную с первым эталонным слоем 536, первым промежуточным слоем 538, свободным слоем 540, вторым промежуточным слоем 542, вторым эталонным слоем 544, переключателем 546 и терминалом 550 истока. Тракт записи данных 512 включает в себя разрядную шину 552, соединенную с первым слоем 540, вторым промежуточным слом 542, вторым эталонным слоем 544, переключателем 546 и терминалом 550 истока.

В конкретном варианте воплощения, каждый из эталонных слоев 536 и 544 включают в себя фиксированные параллельные магнитные моменты. Промежуточные слои 538 и 542 могут включать в себя туннельный барьерный слой. Свободный слой 540 включает в себя магнитный момент, который может быть запрограммирован таким образом, чтобы он был параллелен или антипараллелен магнитному моменту эталонных слоев 536 и 544. Направление магнитного момента свободного слоя 540 определяет сопротивление второго устройства 504 с МТП и выявляет значения данных, хранящихся во втором устройстве, содержащем МТП 504.

В ходе эксплуатации совместную разрядную шину 532 можно использовать для эксплуатации считывания данных на втором устройстве 504 с МТП эксплуатации записи данных на первом устройстве 502 с МТП или того и другого. Когда сигнал подается на совместную разрядную шину 532, сигналы 528 и 548 управления определяют, задействован ли тракт 508 записи данных для первого устройства 502 с МТП или тракт 510 считывания данных для второго устройства, содержащего МТП, или они оба. Поэтому, когда первое устройство 502 с МТП и второе устройство 504 с МТП являются частью матрицы устройств, содержащих МТП, количество разрядных шин можно уменьшить.

Обратимся теперь к Фиг. 6, где изображена диаграмма первого иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицы устройств с магнитными туннельными переходами (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных, обычно обозначаемая как 600. Система 600 включает в себя логическую схему управления памятью 602, соединенную с матрицей 604 ячеек магнитной памяти с произвольной выборкой (magnetic random access memory, MRAM). Каждая ячейка памяти MRAM, составляющая матрицу 604, такая как репрезентативная ячейка 608, сконструирована таким образом, чтобы она могла функционировать с использованием отдельных трактов считывания и записи данных.

Логическая схема управления памятью 602 подключена для выбора конкретного ряда матрицы 604 через комплект числовых шин 606. Логическая схема управления памятью 602 также подключена для выбора конкретного столбца матрицы 604 для считывания через разрядные шины 610, 620, 630 считывания и для записи через разрядные шины 612, 622, 632 записи. Шины 614, 624, 634 истока обеспечивают путь обратного тока из выбранных ячеек памяти матрицы 604 в логическую схему управления памятью 602. К матрице 604 могут быть подключены один или несколько портов считывания данных, такие как первый порт 650 считывания данных и второй порт 652 считывания данных, которые подключают к матрице 604 через логическую схему 602 управления памятью.

В конкретном варианте воплощения, ячейки памяти MRAM матрицы 604 могут включать в себя устройства, содержащие магнитные туннельные переходы (МТП), такие как проиллюстрированные на фиг. 1-4. Каждое устройство, содержащее МТП, может включать в себя первый эталонный слой, подключенный к разрядной шине считывания, и свободный слой, подключенный к разрядной шине записи. Например, образцовая ячейка 608 может включать в себя структуру МТП, имеющую первый эталонный слой, соединенный с разрядной шиной 610 считывания, и свободный слой, соединенный с разрядной шиной 612 записи. Второй эталонный слой может быть соединен с переключателем, таким как транзистор, обладающим выводом затвора, отвечающий за соответствующую одну из числовых шин 606.

Тракт считывания данных репрезентативной ячейки 608 может включать в себя разрядную шину 610 считывания, первый эталонный слой, первый туннельный барьер между первым эталонным слоем и свободным слоем, свободный слой, второй туннельный барьер между свободным слоем и вторым эталонным слоем, второй эталонный слой, переключатель и шину 614 истока. В противоположность этому тракт считывания данных репрезентативной ячейки 608 может включать в себя разрядную шину считывания 612, свободный слой, второй туннельный барьер, второй эталонный слой, переключатель и шину 614 истока. Сопротивление шины считывания данных может быть выше, чем сопротивление тракта считывания данных, что, по меньшей мере отчасти, вызвано дополнительным эталонным слоем и туннельным слоем в тракте считывания данных.

В ходе эксплуатации логическая схема памяти 602 может быть адаптирована для активации числовой шины 606 и для селективной активации разрядной шины 610, 620, 630 считывания или разрядной шины 612, 622, 632 записи для доступа к выбранной ячейке матрицы 604. Сигнал можно применять к выбранной разрядной шине, а полученный выходной сигнал можно сопоставлять с эталонным для определения значений данных, хранящихся в выбранной ячейке. Например, логическая схема управления памятью 602 может осуществлять операцию считывания на репрезентативной ячейке 608 за счет приложения напряжения между шиной 610 считывания и шиной 614 истока, и результирующий ток через шину 610 считывания или шину 614 истока можно сопоставлять с эталонным током, например, через усилитель считывания тока. В качестве другого примера, ток можно прикладывать к шине 610 считывания, а полученное напряжение между шиной 610 считывания и шиной 614 истока можно сопоставлять с эталонным напряжением, например, через усилитель считывания напряжения. Значения данных, определяемые из операции считывания, можно обеспечить через первый порт 650 считывания данных или второй порт 652 считывания данных.

Что касается Фиг. 7, то на ней изображена диаграмма второго иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицу устройств, содержащих магнитные туннельные переходы (МТП) с раздельными трактами считывания и записи данных, и которая обычно обозначается как 700. Система 700 включает в себя логическую схему управления памятью 702, соединенную с матрицей 704 ячеек магнитной памяти с произвольной выборкой (magnetic random access memory, MRAM). Каждая ячейка памяти MRAM 704, такая как репрезентативная ячейка 708, сконструирована таким образом, чтобы она могла функционировать с использованием раздельных трактов считывания и записи данных.

Логическая схема управления памятью 702 подключена для выбора конкретного ряда матрицы 704 через комплект числовых шин 706. Логическая схема управления памятью 702 также подключена для выбора конкретного столбца матрицы 704 для считывания через разрядные шины 710, 720, 730 считывания и для записи через разрядные шины 712, 722, 732 записи. Шины 714, 724, 734 истока обеспечивают путь обратного тока от выбранных ячеек матрицы 704 к логической схеме управления памятью 702. Ячейки памяти из каждого ряда матрицы 704 совместно используют соответствующую шину 714, 724 или 734 истока. Один или несколько портов считывания данных может быть соединен с матрицей 704, например, первый порт 750 считывания данных и второй порт 752 считывания данных, которые соединены с матрицей 704 через логическую схему управления памятью 702.

В конкретном варианте воплощения, ячейки памяти MRAM матрицы 704 могут включать в себя устройства, содержащие магнитные туннельные переходы (МТП), такие как проиллюстрированные на Фиг. 1-4. Каждое устройство, содержащее МТП, может включать в себя первый эталонный слой, соединенный с разрядной шиной считывания, и свободный слой, соединенный с разрядной шиной записи. Например, репрезентативная ячейка 708 может включать в себя структуру МТП, имеющую первый эталонный слой, соединенный с разрядной шиной 710 считывания, и свободный слой, соединенный с разрядной шиной 712 записи. Второй эталонный слой может быть соединен с переключателем, таким как транзистор, обладающим выводом затвора, отвечающим за соответствующую одну из числовых шин 706.

Тракт считывания данных репрезентативной ячейки 708 может включать в себя разрядную шину 710 считывания, первый эталонный слой, первый туннельный барьер между первым эталонным слоем и свободным слоем, свободный слой, второй туннельный барьер между свободным слоем и вторым эталонным слоем, второй эталонный слой, переключатель и шину 714 истока. В противоположность этому тракт записи данных репрезентативной ячейки 708 может включать в себя разрядную шину 712 записи, свободный слой, второй туннельный барьер, второй эталонный слой, переключатель и шину 714 истока. Сопротивление тракта считывания данных может быть выше, чем сопротивление тракта записи данных, что, по меньшей мере отчасти, вызвано дополнительным эталонным слоем и туннельным слоем в тракте считывания данных.

В ходе эксплуатации логическую схему управления памятью 702 можно адаптировать для активации числовой шины 706 и для селективной активации разрядной шины 710, 720, 730 считывания или разрядной шины 712, 722, 732 записи для получения доступа к выбранной ячейке матрицы 704. К выбранной разрядной шине можно прикладывать сигнал, а результирующий выходной сигнал можно сопоставлять с эталонным сигналом для определения значений данных, хранящихся в выбранной ячейке. Например, логическая схема управления памятью 702 может осуществлять операцию считывания в репрезентативной ячейке 708 за счет приложения напряжения между шиной 710 считывания и шиной 714 истока, а результирующий ток через шину 710 считывания или шину 714 истока можно сопоставлять с эталонным током, например, посредством усилителя считывания тока. Как и в другом примере, ток можно прикладывать к шине 710 считывания, а результирующее напряжение между шиной 710 считывания и шиной 714 истока можно сопоставлять с эталонным напряжением, например, посредством усилителя считывания напряжения. Значения данных, определяемых из операции считывания, можно обеспечить посредством первого порта 750 считывания данных или второго порта 752 считывания данных.

Обратимся к Фиг. 8, где изображена диаграмма первого иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицу устройств, содержащих магнитные туннельные переходы (МТП), с раздельными трактами считывания и записи, совместно использующими общие разрядные шины, и обычно обозначаемая как 800. Система 800 включает в себя логическую схему 802 управления памятью, соединенную с матрицей ячеек магнитной памяти с произвольной выборкой (magnetic random access memory, MRAM) 804. Каждая ячейка памяти MRAM, составляющая матрицу 804, такая как первая репрезентативная ячейка 808 и вторая репрезентативная ячейка 809, сконструирована таким образом, чтобы она могла функционировать с использованием раздельных трактов считывания и записи данных и участвовать в использовании общих разрядных шин.

Логическая схема 802 управления памятью подключена для выбора конкретного ряда матрицы 804 через комплект числовых шин 806. Логическая схема 802 управления памятью подключена для выбора конкретного столбца матрицы 804 для считывания и записи через разрядные шины 810, 820, 830. Шины 814, 824, 834 истока обеспечивают путь обратного тока от выбранных ячеек матрицы 804 к логической схеме 802 управления памятью.

В конкретном варианте воплощения, ячейки памяти MRAM матрицы 804 могут включать в себя устройства с магнитными туннельными переходами (МТП), такие как проиллюстрированные на Фиг. 1-5. Каждое устройство, содержащее МТП, может включать в себя первый эталонный слой, соединенный с разрядной шиной считывания, и свободный слой, соединенный с разрядной шиной записи. Например, репрезентативная ячейка 808 может включать в себя структуру МТП, имеющую первый эталонный слой, соединенный с разрядной шиной 810, и свободный слой, соединенный с разрядной шиной 820. Второй эталонный слой может быть соединен с переключателем, таким как транзистор, имеющим вывод затвора, отвечающий за соответствующую одну из числовых шин 806.

Тракт считывания данных первой репрезентативной ячейки 808 может включать в себя разрядную шину 810, первый эталонный слой, первый туннельный барьер между первым эталонным слоем и свободным слоем, свободный слой, второй туннельный барьер между первым слоем и вторым эталонным слоем, второй эталонный слой, переключатель и шину 814 истока. В противоположность этому тракт считывания данных репрезентативной ячейки 808 может включать в себя разрядную шину 820, свободный слой, второй туннельный барьер, второй эталонный слой, переключатель и шину 814 истока. Сопротивление тракта считывания данных может быть выше, чем сопротивление тракта записи данных, что, по меньшей мере отчасти, вызвано дополнительным эталонным слоем и туннельным слоем в тракте считывания данных.

Тракт считывания данных второй репрезентативной ячейки 809 может включать в себя разрядную шину 820, которую она делит с трактом записи данных первой репрезентативной ячейки 808. Тракт считывания данных второй репрезентативной ячейки 809 также может включать в себя первый эталонный слой, первый туннельный барьер между первым эталонным слоем и свободным слоем, свободный слой, второй туннельный барьер между свободным слоем и вторым эталонным слоем, второй эталонный слой, переключатель и шину 824 истока. Тракт записи данных второй репрезентативной ячейки 809 может включать в себя разрядную шину 830, свободный слой, второй туннельный барьер, второй эталонный слой, переключатель и шину 824 истока. Сопротивление тракта считывания данных может быть выше, чем сопротивление тракта считывания данных, что, по меньшей мере отчасти, вызвано дополнительным эталонным слоем и туннельным слоем в тракте считывания данных.

В ходе эксплуатации логическую схему 802 управления памятью можно адаптировать для активации разрядной шины 810, 820, 830 и для селективной активации числовой шины считывания или числовой шины записи для осуществления доступа к выбранной ячейке матрицы 804. Например, логическая схема 802 управления памятью может активировать совместную разрядную шину 820 и может активировать первую числовую шину 816, соединенную с первой репрезентативной ячейкой 808 для записи в первую репрезентативную ячейку 808. В дополнение, логическая схема 802 управления памятью может активировать совместную разрядную шину 820 и может активировать вторую числовую шину 818, соединенную со второй репрезентативной ячейкой 809 для считывания из второй репрезентативной ячейки 809. Дополнительно, поскольку смежные ячейки 808 и 809, разделяющие между собой общую разрядную шину 820, подключены для разделения шин 814 и 824 истока, операции считывания и записи можно осуществлять одновременно на ячейках 808 и 809 с использованием общей разрядной шины 820. Таким образом, операцию считывания, операцию записи или ту и другую можно осуществлять с использованием одной разрядной шины, разделяемой между собой соседними ячейками.

Обратимся теперь к Фиг. 9, где изображена диаграмма второго иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицу устройств с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами считывания и записи, разделяющими между собой общие разрядные шины, обычно она обозначается как 900. Система 900 включает в себя логическую схему управления памятью 902, соединенную с матрицей ячеек магнитной памяти с произвольной выборкой (magnetic random access memory, MRAM) 904. Каждая ячейка памяти MRAM, составляющая матрицу 904, такая как первая репрезентативная ячейка 908 и вторая репрезентативная ячейка 909, сконструирована таким образом, чтобы она могла функционировать с использованием раздельных трактов считывания и записи и разделять между собой общие разрядные шины.

Логическая схема управления памятью 902 подключена для выбора конкретного ряда матрицы 904 через комплект числовых шин 906. Логическая схема управления памятью 902 подключена для выбора конкретного столбца матрицы 904 для считывания и записи через разрядные шины 910, 920, 930. Шины 914, 924, 934 истока обеспечивают путь обратного тока от выбранных ячеек матрицы 904 к логической схеме управления памятью 902.

В конкретном варианте воплощения, ячейки памяти MRAM матрицы 904 могут включать в себя устройства с магнитными туннельными переходами (МТП), такие как проиллюстрированные на Фиг. 1-5. Каждое устройство, содержащее МТП, может включать в себя первый эталонный слой, соединенный с разрядной шиной считывания, и свободный слой, соединенный с разрядной шиной записи. Например, репрезентативная ячейка 908 может включать в себя структуру МТП, имеющую первый эталонный слой, соединенный с разрядной шиной 910, и свободный слой, соединенный с разрядной шиной 920. Второй эталонный слой может быть соединен с переключателем, таким как транзистор, имеющим вывод затвора, отвечающий за соответствующую одну из числовых шин 906.

Тракт считывания данных первой репрезентативной ячейки 908 может включать в себя разрядную шину 910, первый эталонный слой, первый туннельный барьер между первым эталонным слоем и свободным слоем, свободный слой, второй туннельный барьер между первым слоем и вторым эталонным слоем, второй эталонный слой, переключатель и шину 914 истока. В противоположность этому тракт считывания данных репрезентативной ячейки 908 может включать в себя разрядную шину 920, свободный слой, второй туннельный барьер, второй эталонный слой, переключатель и шину 914 истока. Сопротивление тракта считывания данных может быть выше, чем сопротивление тракта записи данных, что, по меньшей мере отчасти, вызвано дополнительным эталонным слоем и туннельным слоем в тракте считывания данных.

Тракт для считывания данных второй репрезентативной ячейки 909 может включать в себя разрядную линию 920, которую она делит с трактом записи данных первой репрезентативной ячейки 908. Тракт считывания данных второй репрезентативной ячейки 909 также может включать в себя первый эталонный слой, первый туннельный барьер между первым эталонным слоем и свободным слоем, свободный слой, второй туннельный барьер между свободным слоем и вторым эталонным слоем, второй эталонный слой, переключатель и шину 924 истока. Тракт записи данных второй репрезентативной ячейки 909 может включать в себя разрядную шину 930, свободный слой, второй туннельный барьер, второй эталонный слой, переключатель и шину 924 истока. Сопротивление тракта считывания данных может быть выше, чем сопротивление тракта считывания данных, что, по меньшей мере отчасти, вызвано дополнительным эталонным слоем и туннельным слоем в тракте считывания данных.

В ходе эксплуатации логическую схему управления памятью 902 можно адаптировать для активации разрядных шин 910, 920, 930, числовой шины 906 и шины 914, 924, 934 истока для селективной активации ячейки матрицы 904 для операций считывания или записи. Например, логическая схема управления памятью 902 может активировать совместную разрядную шину 920 и может также активировать первую числовую шину 916, соединенную с первой репрезентативной ячейкой 908 и второй репрезентативной ячейкой 909. Логическая схема управления памятью 902 может активировать шину 914 истока для выполнения операции записи в первой репрезентативной ячейке 908 или шину 924 истока для выполнения операции считывания во второй репрезентативной ячейке 909.

Обратимся теперь к Фиг. 10, где изображена диаграмма второго иллюстративного варианта воплощения системы, включающей в себя матрицу устройств с магнитным туннельным переходом (МТП) с раздельными трактами считывания и записи, разделяющими между собой общие разрядные шины, обычно она обозначается как 1000. Система 1000 включает в себя логическую схему 1002 управления памятью, соединенную с матрицей ячеек магнитной памяти с произвольной выборкой (magnetic random access memory, MRAM) 1004. Каждая ячейка памяти MRAM, составляющая матрицу 1004, такая как первая репрезентативная ячейка 1008 и вторая репрезентативная ячейка 1009, сконструирована таким образом, чтобы она могла функционировать с использованием раздельных трактов считывания и записи и разделять между собой общие разрядные шины.

Логическая схема 1002 управления памятью подключена для выбора конкретного столбца матрицы 1004 через комплект числовых шин 1014, 1024, 1034. Логическая схема 1002 управления памятью подключена для выбора конкретного ряда матрицы 1004 через комплект числовых шин 1040, 1042. Логическая схема 1002 управления памятью подключена для выбора разрядных шин 1010, 1020, 1030 для определения операции считывания или операции записи в выбранных ячейках матрицы 1004.

В конкретном варианте воплощения, ячейки памяти MRAM матрицы 1004 могут включать в себя устройства с магнитными туннельными переходами (МТП), такие как проиллюстрированные на Фиг. 1-5. Каждое устройство, содержащее МТП, может включать в себя первый эталонный слой, соединенный с разрядной шиной считывания, и свободный слой, соединенный с разрядной шиной записи. Например, репрезентативная ячейка 1008 может включать в себя структуру МТП, имеющую первый эталонный слой, соединенный с разрядной шиной 1010, и свободный слой, соединенный с разрядной шиной 1020. Второй эталонный слой может быть соединен с переключателем, таким как транзистор, имеющим вывод затвора, отвечающий за числовую шину 1014.

Тракт считывания данных первой репрезентативной ячейки 1008 может включать в себя разрядную шину 1010, первый эталонный слой, первый туннельный барьер между первым эталонным слоем и свободным слоем, свободный слой, второй туннельный барьер между первым слоем и вторым эталонным слоем, второй эталонный слой, переключатель и шину 1040 истока. В противоположность этому тракт считывания данных репрезентативной ячейки 1008 может включать в себя разрядную шину 1020, свободный слой, второй туннельный барьер, второй эталонный слой, переключатель и шину 1040 истока. Сопротивление тракта считывания данных может быть выше, чем сопротивление тракта записи данных, что, по меньшей мере отчасти, вызвано дополнительным эталонным слоем и туннельным слоем в тракте считывания данных.

Тракт для считывания данных второй репрезентативной ячейки 1009 может включать в себя разрядную линию 1020, которую она делит с трактом записи данных первой репрезентативной ячейки 1008. Тракт считывания данных второй репрезентативной ячейки 1009 также может включать в себя первый эталонный слой, первый туннельный барьер между первым эталонным слоем и свободным слоем, свободный слой, второй туннельный барьер между свободным слоем и вторым эталонным слоем, второй эталонный слой, переключатель и шину 1040 истока. Тракт записи данных второй репрезентативной ячейки 1009 может включать в себя разрядную шину 1030, свободный слой, второй туннельный барьер, второй эталонный слой, переключатель и шину 1040 истока. Сопротивление тракта считывания данных может быть выше, чем сопротивление тракта считывания данных, что, по меньшей мере отчасти, вызвано дополнительным эталонным слоем и туннельным слоем в тракте считывания данных.

В ходе эксплуатации логическую схему 1002 управления памятью можно адаптировать для активации разрядной шины 1010, 1020, 1030, числовой шины 1014, 1024, 1034 и шины 1040, 1042 истока для селективной активации ячейки матрицы 1004 для операций считывания или записи. Например, логическая схема 1002 управления памятью может активировать совместную разрядную шину 1020, числовую шину 1014 и шину 1040 истока для записи в первую репрезентативную ячейку 1008. При активированной совместной разрядной шине 1020 и шине 1040 истока логическая схема 1002 управления памятью может деактивировать числовую шину 1014 и активировать числовую шину 1024 для считывания из второй репрезентативной ячейки 1009. Для целей настоящего изобретения термин «шина истока» используют для обозначения шины, подключенной к оконечному коммутационному пункту переключателя (например, к терминалу истока полевого транзистора), а термин «числовая шина» используют для обозначения шины, подключенной к терминалу управления переключателем (например, затвору полевого транзистора) для совместимости с другими раскрытыми вариантами воплощения, хотя в вариантах воплощения, проиллюстрированных на Фиг. 10, каждая числовая шина 1014, 1024, 1034 означает соответствующий столбец матрицы 1004, а каждая шина 1040, 1042 истока означает соответствующий ряд матрицы 1004.

Обратимся к Фиг. 11, где изображена блок-схема конкретного иллюстративного варианта воплощения способа эксплуатации устройства, содержащего магнитный туннельный переход (МТП). В позиции 1102 выполняется операция записи за счет приложения тока к тракту считывания данных, соединенному с устройством, содержащим магнитный туннельный переход (МТП), для хранения значения данных на свободном слое устройства, содержащего МТП. Устройство, содержащее МТП, соединено с отдельным трактом считывания данных. В конкретном варианте воплощения, тракт записи данных обладает более низким сопротивлением, чем тракт считывания данных. В иллюстративном варианте воплощения тракт записи данных включает в себя один эталонный слой, а тракт считывания данных включает в себя два эталонных слоя. В конкретном варианте воплощения, устройство, содержащее МТП, может входить в состав матрицы устройств, содержащих МТП, управляемой логической схемой управления памятью, такой как проиллюстрированная на Фиг. 6-10.

Что касается позиции 1104, операция считывания выполняется за счет приложения тока к тракту считывания данных, соединенному с устройством, содержащим магнитный туннельный переход (МТП), для считывания значений данных. Устройство, содержащее МТП, соединено с отдельным трактом записи данных. В конкретном варианте воплощения, операции считывания и записи данных можно осуществлять одновременно на отдельных устройствах, содержащих МТП. В конкретном варианте воплощения, операции считывания и записи можно осуществлять последовательно в одном устройстве, содержащем МТП. В конкретном варианте воплощения, устройство, содержащее МТП, включает в себя свободный слой для хранения значений данных, а также включает в себя эталонный слой, магнитно связанный со свободным слоем, а тракт считывания данных включает в себя второй эталонный слой. В конкретном варианте воплощения, устройство, содержащее МТП, включает в себя две структуры, содержащие МТП, магнитно связанные друг с другом, такие как компоненты 106 и 108 МТП, проиллюстрированные на Фиг. 1.

Обратимся к Фиг. 12, где изображена блок-схема конкретного иллюстративного варианта воплощения способа изготовления устройства, содержащего магнитный туннельный переход (МТП). В конкретном варианте воплощения, можно использовать способ для изготовления устройства, содержащего МТП, обладающего раздельными трактами считывания и записи, такие как проиллюстрированные на Фиг. 1-4. В позиции 1202 пленочные слои осаждают на подложку для формирования первой структуры МТП. Иллюстративный неограничивающий пример 1300 изображен на Фиг. 13 и включает в себя антиферромагнитный (АФМ) слой 1302, синтетический антиферромагнитный (САФ) слой 1304, промежуточный слой 1306 и свободный слой 1308. Для примера, САФ-слой 1304 может включать в себя подслои CoFe/Ru/CoFeB. Промежуточный слой 1306 может представлять собой туннельный барьерный слой, такой как MgO или AlOx, или проводящий слой, такой как Cu или Ru. Свободный слой 1308 может включать в себя подслои CoFeB/NiFe/CoFeB, или CoFeB, или CoFe/CoFeB, или NiFe/CoFeB, или CoFe/NiFe/CoFeB в качестве иллюстративных неограничивающих примеров.

Что касается позиции 1204, в конкретном варианте воплощения нижний эталонный электрод имеет нанесенное изображение. Иллюстративный неограничивающий пример нижнего электрода 1400 с нанесенным изображением отображен на Фиг. 14. Нижний электрод 1400 с нанесенным изображением включает в себя АФМ-слой 1402 с нанесенным изображением, САФ-слой 1404 с нанесенным изображением, туннельный барьерный слой 1406 с нанесенным изображением и свободный слой 1408 с нанесенным изображением.

Перейдем теперь к позиции 1206, где в конкретном варианте воплощения пустоты, которые создаются в первой структуре, содержащей МТП, в ходе создания изображения на нижнем эталонном электроде, заполняются диэлектрическим материалом, таким как нитрид кремния. На Фиг. 15 изображен иллюстративный неограничивающий пример позиции 1500, иллюстрирующий заполнение пустот SiNx или другого диэлектрического материала 1510 и 1512, создаваемых в ходе создания изображения на нижнем электроде.

Перейдем теперь к 1208, где в конкретном варианте воплощения на свободный слой первой структуры МТП наносят изображение. Иллюстративный неограничивающий пример 1600 изображен на Фиг. 16, иллюстрируя свободный слой 1614 с нанесенным изображением после нанесения фоторезиста 1616 и травления.

Перейдем к позиции 1210, где осаждается проводящий слой, соединенный со свободным слоем первой структуры, содержащей МТП. В конкретном варианте воплощения проводящий слой примыкает, по меньшей мере, к одной стенке свободного слоя. На Фиг. 17 изображен иллюстративный неограничивающий пример 1700, иллюстрирующий осаждение проводящего слоя 1718, который примыкает к свободному слою нанесенным изображением структуры, содержащей МТП. В качестве иллюстративного примера можно привести проводящий слой 1718, который может представлять собой Cu, Ru, Ta, Mg, Al, другие проводящие материалы или любое их сочетание.

Продолжим обсуждение рассмотрением позиции 1212, где в конкретном варианте воплощения образуется практически плоская верхняя часть. Например, формирование практически плоской верхней части может включать в себя удаление фоторезиста, который был осажден при нанесении изображения на свободный слой. На Фиг. 18 отображен иллюстративный неограничивающий пример 1800, иллюстрирующий практически плоскую верхнюю часть 1802.

Перейдем к позиции 1214, где осаждают второй комплект пленочных слоев для формирования второй структуры, содержащей МТП, на первой структуре, содержащей МТП. На Фиг. 19 изображен иллюстративный неограничивающий пример 1900, иллюстрирующий часть свободного слоя 1920, туннельный барьерный слой 1922, САФ-слой 1924, АФМ-слой 1926 и верхний проводящий слой 1928. В качестве иллюстративного примера часть свободного слоя 1920 может включать в себя один или несколько подслоев 1308, проиллюстрированных на Фиг. 13. В качестве альтернативного варианта воплощения, комплект пленочных слоев может не включать в себя часть свободного слоя 1920. Туннельный барьерный слой 1922 может включать в себя толстый слой MgO или AlOx, повышающий сопротивление тракта считывания устройства. САФ-слой 1924 может включать в себя подслои CoFe/Ru/CoFeB. Проводящий слой 1928 может включать в себя Cu, Ru, Ta, Mg, Al, другие проводящие материалы или любое их сочетание. В конкретном варианте воплощения, шина считывания соединена со второй структурой, содержащей МТП, а шина записи соединена с проводящим слоем.

Фиг. 20 представляет собой блок-схему устройства связи 2000, включающего в себя устройство памяти, которое включает в себя несколько ячеек, содержащих магнитные туннельные переходы (МТП). Устройство связи 2000 включает в себя матрицу памяти из ячеек 2032 МТП и кэш-память из ячеек 2064 МТП, которая соединена с процессором, таким как процессор 2010 цифровых сигналов (ПЦС). Устройство 2000 связи также включает в себя устройство 2066 магниторезистивной памяти с произвольным доступом (magneto-resistive random access memory, MRAM), соединенное с ПЦС 2010. В конкретном примере матрица памяти, содержащая ячейки 2032 МТП, кэш-память, содержащая ячейки 2064 МТП, причем устройство 2066 MRAM включает в себя несколько ячеек МТП, где каждая ячейка МТП включает в себя раздельные тракты считывания и записи, как было описано применительно к Фиг. 1-16.

Фиг. 20 также показывает контроллер дисплея 2026, который соединен с процессором 2010 цифровых сигналов и с дисплеем 2028. Устройство 2034 кодирования-декодирования (кодек) также может быть соединено с процессором 2010 цифровых сигналов. Кодек 2034 может быть соединен с акустической системой 2036 и микрофоном 2038.

Фиг. 20 также означает, что беспроволочный контроллер 2040 может быть соединен с процессором 2010 цифровых сигналов и с антенной 2042 беспроводной связи. В конкретном варианте воплощения, входное устройство 2030 и источник питания 2044 соединены системой, встроенной в кристалл 2022. Более того, в конкретном варианте воплощения, проиллюстрированном на Фиг. 20, дисплей 2028, входное устройство 2030, акустическая система 2036, микрофон 2038, антенна 2042 беспроводной связи и источник 2044 питания являются внешними к системе, встроенной в кристалл 2022. Однако каждое из устройств может быть соединено с компонентом системы, встроенной в кристалл 2022, таким как интерфейс или контроллер.

Кроме того, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные иллюстративные логические блоки, конфигурации, модули, схемы и этапы алгоритма, описанные в связи с вариантами воплощения, раскрытые в настоящем документе, можно внедрять в виде электронного оборудования, компьютерного программного обеспечения или сочетаний того и другого. Для четкой иллюстрации этой взаимозаменяемости оборудования и программного обеспечения, различных иллюстративных компонентов, блоков, конфигураций, модулей, схем и этапов были описаны выше в основном с точки зрения их функциональных свойств. Внедряются ли такие функциональные свойства в виде оборудования или программного обеспечения зависит от конкретного применения и конструктивных ограничений, налагаемых на всю систему. Квалифицированные специалисты могут внедрять описанные функциональные свойства различными способами для каждого конкретного применения, но решения о таком внедрении не следует интерпретировать как вызывающие отступления от объема настоящего раскрытия.

Этапы способа или алгоритма, описанного в связи с вариантами воплощения, описанными в настоящем документе, могут быть воплощены непосредственно в оборудовании, в модуле программного обеспечения, управляемом процессором, или в виде сочетания того и другого. Модуль программного обеспечения может находиться в памяти RAM, флэш-памяти, в памяти ROM (Read Only Memory, постоянное запоминающее устройство), памяти PROM (Programmable Read Only Memory, программируемое постоянное запоминающее устройство, ППЗУ), памяти EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory, стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство, СППЗУ), памяти EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство, ЭСППЗУ), регистрах, жестких дисках, съемных дисках, CD-ROM или в носителе памяти любой другой формы, известной из уровня техники. Примерная среда хранения соединена с процессором таким образом, что процессор может считывать информацию из носителя памяти и записывать информацию на него. В качестве альтернативы, носитель памяти может быть неотделим от процессора. Процессор и носитель памяти могут быть помещены в ASIC (applications specific integrated circuit, специализированная интегральная схема). ASIC может быть помещен в вычислительное устройство или в терминал пользователя. В качестве альтернативы процессор и носитель памяти могут быть помещены в виде отдельных компонентов в вычислительное устройство или в терминал пользователя.

Предыдущее описание раскрытых вариантов воплощения обеспечено для облегчения изготовления или использования раскрытых вариантов воплощения специалистом в данной области техники. Различные модификации этих вариантов воплощения будут легко поняты специалистами в данной области техники, и общие принципы, заданные в настоящем документе, можно применять и в других вариантах воплощения без отступления от сущности или объема раскрытия. Таким образом, настоящее раскрытие следует рассматривать не как ограниченное вариантами воплощения, показанными в настоящем документе, а как соответствующее самому широкому возможному объему, не противоречащему принципам и новым признакам, заданным в следующей формуле изобретения.

Изобретение относится к устройству памяти, включающему в себя структуру магнитного туннельного перехода (МТП). Технический результат - повышение пределов рабочих режимов считывания и записи в устройстве STT-MRAM и снижение тока записи, требуемого для хранения значений данных в устройстве STT-MRAM. Устройство включает в себя тракт (102) считывания, соединенный со структурой МТП, и тракт (104) записи, соединенный со структурой МТП. Тракт (104) записи отделен от тракта (102) считывания. Устройство также включает в себя пару последовательно соединенных структур (106, 108) МТП, вследствие чего тракт (102) считывания содержит только одну из структур (108) МТП. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом, содержащее:
структуру магнитного туннельного перехода (МТП), причем структура МТП включает в себя свободный слой, первый туннельный барьер, второй туннельный барьер, первый эталонный слой и второй эталонный слой;
тракт считывания, соединенный со структурой МТП, причем тракт считывания включает в себя первый эталонный слой, второй эталонный слой, первый туннельный барьер, второй туннельный барьер и свободный слой; и
тракт записи, соединенный со структурой МТП, причем тракт записи отделен от тракта считывания, причем тракт записи включает в себя первый эталонный слой, первый туннельный барьер и свободный слой, и при этом тракт записи примыкает к свободному слою на стороне свободного слоя.

2. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.1, в котором структура МТП содержит один свободный слой.

3. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.1, в котором тракт считывания обладает более высоким сопротивлением, чем тракт записи.

4. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.1, в котором первый туннельный барьер обладает более низким сопротивлением, чем второй туннельный барьер.

5. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.1, в котором структура МТП содержит первый компонент МТП, соединенный со вторым компонентом МТП, причем тракт считывания содержит первый компонент МТП и второй компонент МТП, и при этом тракт записи содержит второй компонент МТП, но не первый компонент МТП.

6. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.5, в котором второй компонент МТП соединен с первым компонентом МТП.

7. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.1, в котором тракт считывания и тракт записи дополнительно включают в себя промежуточный слой первый синтетический антиферромагнитный (САФ) слой и первый антиферромагнитный (АФМ) слой.

8. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.7, в котором тракт считывания включает в себя второй САФ-слой и второй АФМ-слой.

9. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.8, в котором первый САФ-слой и второй САФ-слой включают в себя слой состава кобальт-железо-бор (CoFeB), слой родия (Rh) и слой состава кобальт-железо (CoFe), и в котором тракт записи включает в себя проводящий слой, который примыкает к свободному слою.

10. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.1, в котором структура МТП интегрирована в ячейку матрицы ячеек магнитной памяти с произвольной выборкой (MRAM), и дополнительно содержащее логическую схему управления памятью, выполненную с возможностью активации числовой шины и селективной активации одной из разрядной шины считывания, соединенной с трактом считывания, и разрядной шины записи, соединенной с трактом записи, для осуществления доступа к упомянутой ячейке.

11. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.10, дополнительно содержащее первый порт считывания данных, соединенный с матрицей ячеек MRAM, и второй порт считывания данных, соединенный с матрицей ячеек MRAM.

12. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.11, в котором, по меньшей мере, один из первого порта считывания данных и второго порта считывания данных соединен с логической схемой управления памятью.

13. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.1, в котором структура МТП соединена с переключателем и в котором каждый из тракта считывания и тракта записи включает в себя упомянутый переключатель.

14. Устройство памяти с магнитным туннельным переходом по п.13, в котором переключатель принимает управляющий сигнал числовой шиной, управляющий сигнал шины истока или любую их комбинацию.

15. Способ записи данных в устройство с магнитным туннельным переходом, причем способ содержит этап, на котором:
прикладывают ток к тракту записи данных, соединенному с устройством с магнитным туннельным переходом (МТП) для сохранения значений данных в устройстве с МТП, причем устройство с МТП соединено с трактом считывания данных, отделенным от тракта записи данных, при этом устройство с МТП включает в себя свободный слой, первый туннельный барьер, второй туннельный барьер, первый эталонный слой и второй эталонный слой;
при этом тракт считывания данных включает в себя первый эталонный слой, второй эталонный слой, первый туннельный барьер, второй туннельный барьер и свободный слой; и
при этом тракт записи данных включает в себя первый эталонный слой, первый туннельный барьер и свободный слой, и при этом тракт записи данных примыкает к свободному слою на стороне свободного слоя.

16. Способ по п.15, в котором устройство с МТП включает в себя один свободный слой.

17. Способ по п.15, в котором тракт записи данных обладает более низким сопротивлением, чем тракт считывания данных.

18. Способ считывания данных из устройства с магнитным туннельным переходом, причем способ содержит этап, на котором:
прикладывают ток к тракту считывания данных, соединенному с устройством с магнитным туннельным переходом (МТП) для считывания значений данных, причем устройство с МТП соединено с трактом записи данных, отделенным от тракта считывания данных,
при этом устройство с МТП включает в себя свободный слой, первый туннельный барьер, второй туннельный барьер, первый эталонный слой и второй эталонный слой;
при этом тракт считывания данных включает в себя первый эталонный слой, второй эталонный слой, первый туннельный барьер, второй туннельный барьер и свободный слой; и
при этом тракт записи данных включает в себя первый эталонный слой, первый туннельный барьер и свободный слой, и при этом тракт записи данных примыкает к свободному слою на стороне свободного слоя.

19. Способ по п.18, в котором устройство с МТП включает в себя один свободный слой.

20. Способ по п.18, в котором устройство с МТП содержит две структуры МТП, которые магнитно связаны друг с другом.

21. Способ изготовления устройства с магнитным туннельным переходом (МТП), причем способ содержит этапы, на которых:
осаждают множество пленочных слоев на подложку для формирования первой структуры МТП, причем первая структура МТП включает в себя свободный слой;
осаждают проводящий слой, соединенный со свободным слоем первой структуры МТП;
осаждают второе множество пленочных слоев для формирования второй структуры МТП на первой структуре МТП;
соединяют шину считывания со второй структурой МТП, причем тракт считывания данных включает в себя шину считывания, вторую структуру МТП, свободный слой и первую структуру МТП; и
соединяют шину записи с проводящим слоем, причем тракт записи данных, отделенный от тракта считывания данных, включает в себя шину записи, проводящий слой, свободный слой и первую структуру МТП.