МАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО С ОПТИМИЗИРОВАННЫМ ОГРАНИЧЕНИЕМ ТЕПЛА Российский патент 2015 года по МПК G11C11/15 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение касается магнитного элемента, содержащего магнитный туннельный переход, который может быть записан с использованием операции записи с термическим переключением и магнитного запоминающего устройства, содержащего множество магнитных элементов.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Магнитный элемент, предназначенный для выполнения операций считывания и записи с термическим переключением (TAS) и содержащий магнитный туннельный переход, описан в патенте США №6950335. Как показано на Фиг. 1, магнитный элемент 1 содержит магнитный туннельный переход 2, образованный туннельным барьером 22, который расположен между первым магнитным слоем, или опорным слоем 21, и вторым магнитным слоем, или запоминающим слоем 23. Магнитный элемент 1 дополнительно содержит верхнюю линию 4 тока, соединенную с верхним концом магнитного туннельного перехода 2, и участок 7 пластины, проходящий латерально и, по существу, параллельно первому и второму магнитным слоям 21, 23 и соединяющий нижний конец магнитного туннельного перехода 2 с транзистором 3 выбора. Конфигурация участка 7 пластины является предпочтительной для расположения нижней линии 5 тока, использование которой будет описано ниже.

Опорный слой 21 может быть образован из основанных на Fe, Со или Ni сплавов и имеет первую намагниченность, которая имеет постоянное направление намагниченности. Первая намагниченность может фиксироваться любым традиционным способом, например, использованием материала с большой коэрцитивной силой (или большим переключающим магнитным полем). Например, направление первой намагниченности может быть зафиксировано с помощью обменной связи с антиферромагнитным опорным слоем (не показан), закрепляющей первую намагниченность при низкой пороговой температуре ниже опорной блокирующей температуры T_BR антиферромагнитного опорного слоя.

Предпочтительно, туннельный барьер 22 является тонким слоем, обычно нанометрового диапазона, и выполнен, например, из любого подходящего изолирующего материала, такого как оксид алюминия или магния. Туннельный барьер 22 обычно имеет произведение сопротивления на площадь, которое меньше, чем 50 Ом·мкм².

Запоминающий слой 23 может иметь вторую намагниченность, направление которой может быть свободно настроено при нагреве магнитного туннельного перехода 2 до высокой пороговой температуры. Запоминающий слой 23 может быть слоем ферромагнитного материала, обычно включающего Fe, Co, Ni или их сплавы. Может иметь место обменная связь запоминающего слоя 23 с соседним антиферромагнитным запоминающим слоем (не показан), закрепляющая запоминающий слой 23 при температуре ниже блокирующей температуры T_BS антиферромагнитного запоминающего слоя, причем T_BS предпочтительно меньше, чем блокирующая температура T_BR опорного слоя. Антиферромагнитный запоминающий слой может быть выполнен из сплава Fe и Mn, например, FeMn, или Ir и Mn, например, сплава, содержащего 20% Ir и 80% Mn. Значение блокирующей температуры T_BS запоминающего слоя обычно может находиться между 150°C и 250°C. Во время операции записи с использованием технологии TAS магнитный туннельный переход 2 нагревают до высокой пороговой температуры, выше T_BS, но ниже T_BR, прикладывая нагревающий ток 31 к магнитному туннельному переходу 2. Нагревающий ток 31 может быть подан через линию 4 тока, когда транзистор 3 выбора находится в проводящем режиме. Когда магнитный туннельный переход 2 нагревается до высокой пороговой температуры, направление второй намагниченности может быть настроено прохождением поляризованного по спину электрического тока или токовым магнитным переключением (CIMS) в магнитном туннельном переходе 2 или использованием внешнего магнитного поля 52, как показано на Фиг. 1. В последнем случае внешнее магнитное поле 52 может генерироваться при прохождении тока 51 возбуждения по нижней линии 5 тока. Положение нижней линии 5 тока вблизи запоминающего слоя 23 допускает минимизацию используемого тока 51 возбуждения. Во время записи вторая намагниченность может быть ориентирована таким образом, чтобы быть, по существу, параллельной или антипараллельной (как в примере на Фиг. 1) направлению первой намагниченности. Переключенное положение второй намагниченности затем замораживается задержкой нагревающего тока 31, охлаждением магнитного туннельного перехода 2 до низкой пороговой температуры ниже T_BS.

Во время процесса считывания сопротивление магнитного туннельного перехода 2 может быть измерено пропусканием через него тока считывания (не показан). Измеренное сопротивление меняется в зависимости от относительных направлений первой и второй намагниченности. Измеряют высокое сопротивление, когда первая намагниченность ориентирована, по существу, антипараллельно второй намагниченности, и измеряют низкое сопротивление, когда первая и вторая намагниченности ориентированы, по существу, параллельно.

Прохождение нагревающего тока 31 для нагрева магнитного туннельного перехода 2 до заданного высокого температурного порога требует приложения напряжения V_heat, имеющего по возможности высокое значение, между опорным и запоминающим слоями 1, 4.

На Фиг.2 показана зависимость потенциальной энергии Е от расстояния X вдоль магнитного туннельного перехода 2, представляющая функцию 8 потенциальной энергии электронов в магнитном туннельном переходе 2, подвергнутых потенциалу V_heat, генерируемому при прохождении нагревающего тока 31 в магнитном туннельном переходе 2. На Фиг.2 опорный и запоминающий слои 21, 23 расположены с каждой стороны туннельного барьера 22, помещенного в X0. Для отрицательных значений нагревающего тока 31, опорный и запоминающий слои 21, 23 ведут себя как излучающий электроны слой, имеющий верхний уровень E_fs Ферми, и принимающий электроны слой, имеющий нижний уровень E_fi Ферми, соответственно. Разность между уровнями Ферми пропорциональная разности потенциалов: E_fs-E_fi=eV, где e - элементарный заряд электрона. Как показано стрелкой 9, электрон, излучаемый излучающим слоем, проходит через туннельный барьер 22, посредством туннельного эффекта, без рассеивания энергии. Когда имеет место неупругая релаксация электрона с высшего уровня E_fs энергии на низший уровень E_fi энергии, электрон рассеивает энергию eV на принимающем электроны уровне, например, созданием фононов 10 и/или магнонов 11, что увеличивает температуру принимающего электроны слоя. Неупругая релаксация имеет место на характеристической длине или неупругой средней длине λ_in свободного пробега, длина которого обычно составляет приблизительно несколько нанометров в магнитных материалах, используемых обычно в обычных магнитных туннельных переходах. Производство тепла электронами, проходящими через туннельный барьер 22, или туннельный ток (не показан), является, таким образом, максимальным в зоне толщиной в несколько нанометров, расположенной в принимающем слое и рядом с туннельным барьером 22. Так как потенциал V_heat, используемый для нагрева магнитного туннельного перехода 2 до высокого температурного порога, может быть высоким, такое производство тепла может повредить магнитный туннельный переход 2.

Может быть, предпочтительно термически изолировать магнитный туннельный переход 2, чтобы во время операции записи с использованием технологии TAS магнитный туннельный переход 2 эффективно нагревался уменьшенным нагревающим током 31, таким образом, минимизируя электроэнергию, необходимую для выполнения операции записи.

Фиг.3 иллюстрирует магнитный элемент 1 согласно Европейской патентной заявке № 1671330, где магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит верхний термический барьер 14, помещенный между линией 4 тока и опорным слоем 21, и нижний термический барьер 15 между запоминающим слоем 23 и участком 7 пластины. На Фиг. 3 представлен нижний электрод 16, соединенный с участком 7 пластины через нижнее сквозное соединение 17. Транзистор 3 выбора, не показанный на Фиг. 3, может быть соединен с нижним электродом 16 или непосредственно с нижним сквозным соединением 17. Во время процесса записи TAS верхний и нижний термические барьеры 14, 15 предпочтительно уменьшают потери тепла на обоих, верхнем и нижнем, концах магнитного туннельного перехода 2 при прохождении нагревающего тока 31. Следовательно, достигается более эффективный нагрев магнитного туннельного перехода 2, и нагревающий ток 31 или потенциал V_heat, необходимые для нагрева магнитного туннельного перехода 2, могут быть уменьшены.

Так как термические барьеры 14, 15 соединены последовательно с туннельным барьером 22, их электропроводность должна быть достаточно высокой по сравнению с электропроводностью туннельного барьера 22, чтобы гарантировать, что электрический ток протекает однородно через магнитный туннельный переход 2. Предпочтительно, электропроводность термических барьеров 14, 15 выше на порядок по сравнению с электропроводностью туннельного барьера 22. Это ограничивает возможность использования материала с очень низкой теплопроводностью для термических барьеров 14, 15. Обычно такие термические барьеры делают из сплава, содержащего висмут (Bi) и теллур (Те), например, BiTe, который имеет электропроводность около 1,75 (мОм*см)^-1 и теплопроводность около 1,5 Вт·м^-1·°C^-1.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение касается магнитного элемента, который устраняет, по меньшей мере, некоторые недостатки предшествующего уровня техники.

Согласно вариантам воплощения магнитный элемент, записываемый с использованием операции записи с термическим переключением, может содержать магнитный туннельный переход, образованный туннельным барьером, расположенным между первым и вторым магнитными слоями, причем второй магнитный слой имеет вторую намагниченность, направление которой может быть настроено во время операции записи при нагреве магнитного туннельного перехода до высокой пороговой температуры; верхнюю линию тока, соединенную с верхним концом магнитного туннельного перехода; и участок пластины, проходящий латерально и соединенный с нижним концом магнитного туннельного перехода; причем магнитное устройство может дополнительно содержать нижний термический изолирующий слой, проходящий, по существу, параллельно участку пластины и расположенный таким образом, что участок пластины находится между магнитным туннельным переходом и нижним термическим изолирующим слоем для уменьшения потерь тепла в магнитном туннельном переходе во время процесса записи по сравнению с магнитным туннельным переходом без нижнего термического изолирующего слоя.

В одном варианте воплощения магнитный элемент может дополнительно содержать верхний термический изолирующий слой, расположенный у верхнего конца магнитного туннельного перехода между верхней линией тока и магнитным туннельным переходом.

В другом варианте воплощения магнитный элемент может дополнительно содержать латеральный термический изолирующий слой, латерально включающий в себя, по меньшей мере, участок магнитного туннельного перехода.

В еще одном варианте воплощения, по меньшей мере, участок магнитного туннельного перехода может содержать нижний магнитный слой, верхний магнитный слой, туннельный барьер или комбинацию любых этих элементов.

В еще одном варианте воплощения, по меньшей мере, участок магнитного туннельного перехода может содержать весь магнитный туннельный переход.

В еще одном варианте воплощения термический изолирующий слой может иметь теплопроводность ниже, чем 1,0 Вт·м^-1·°С-1.

В еще одном варианте воплощения термический изолирующий слой может быть выполнен из low-K материала.

В еще одном варианте воплощения магнитный туннельный переход может дополнительно содержать верхний термический барьер между верхней линией тока и магнитным туннельным переходом и нижний термический барьер между магнитным туннельным переходом и участком пластины.

В еще одном варианте воплощения продольные термические барьеры могут иметь электрическое сопротивление, которое ниже, чем электрическое сопротивление туннельного барьера, по меньшей мере, на порядок.

В еще одном варианте воплощения магнитный туннельный переход может содержать электрически изолирующий прокладочный слой, включающий в себя магнитный туннельный переход.

В еще одном варианте воплощения магнитный элемент может дополнительно содержать транзистор выбора, соединенный с нижним концом магнитного туннельного перехода посредством участка пластины, и который может быть активирован для приложения нагревающего тока к магнитному туннельному переходу посредством верхней линии тока для нагрева магнитного туннельного перехода до высокой пороговой температуры.

Настоящее изобретение также относится к магнитному запоминающему устройству, содержащему множество магнитных элементов, причем одна или множество линий тока соединены с множеством магнитных элементов посредством их магнитного туннельного перехода, и содержащему одну или множество управляющих линий тока, соединенных с магнитными элементами посредством их транзистора выбора.

Магнитный элемент, раскрытый в настоящей заявке, допускает более эффективное уменьшение потерь тепла по сравнению с традиционными магнитными элементами, использующими термический барьер между верхней линией тока и магнитным туннельным переходом и/или между участком пластины и магнитным туннельным переходом. Термический изолирующий слой может быть легко встроен в процессе производства магнитного элемента без увеличения сложности процесса производства. Магнитный элемент и запоминающее устройство согласно изобретению могут быть, следовательно, использованы при меньшем нагревающем токе по сравнению с нагревающим током, используемым в традиционном магнитном элементе и запоминающем устройстве, таким образом, уменьшая потребляемую мощность и увеличивая долговечность магнитного элемента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает традиционный известный магнитный элемент, содержащий магнитный туннельный переход и выполненный для осуществления операции записи с термическим переключением;

Фиг.2 изображает функцию потенциальной энергии электронов в магнитном туннельном переходе по Фиг.1, на которые подан потенциал;

Фиг.3 изображает другой традиционный известный магнитный элемент, в котором магнитный туннельный переход содержит первый и второй продольный термический барьер;

Фиг.4 изображает магнитный элемент согласно одному варианту воплощения;

Фиг.5 изображает магнитный элемент согласно другому варианту воплощения;

Фиг.6 изображает моделированное распределение температуры в магнитном туннельном переходе магнитного элемента согласно одному варианту воплощения; и

Фиг.7 изображает моделированное распределение температуры в магнитном туннельном переходе магнитного элемента согласно другому варианту воплощения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Магнитный элемент 1 представлен на Фиг.4 согласно одному варианту воплощения. Как описано выше, магнитный элемент 1 содержит магнитный туннельный переход 2, образованный туннельным барьером 22, расположенным между первым и вторым магнитными слоями 21, 23. Второй магнитный слой 23 имеет вторую намагниченность, направление которой может быть настроено в процессе записи при нагреве магнитного туннельного перехода 2 до высокой пороговой температуры. Магнитный элемент 1 также содержит верхнюю линию 4 тока, соединенную с верхним концом магнитного туннельного перехода 2, и металлический участок 7 пластины, проходящий латерально, по существу, параллельно первому и второму магнитным слоям 21, 23 и соединяющий нижний конец магнитного туннельного перехода 2 с нижним электродом 16 через нижнее сквозное соединение 17. В варианте воплощения на Фиг.4 ячейка 1 памяти дополнительно содержит нижний термический изолирующий слой 28, проходящий под участком 7 пластины и, по существу, параллельно ему. При такой конфигурации участок 7 пластины находится между магнитным туннельным переходом 2 и нижним термическим изолирующим слоем 28, причем последний контактирует с участком 7 пластины вдоль его нижней поверхности 7'. Магнитный туннельный переход 2 может быть латерально заключен в традиционный изолирующий материал 27, например, SiO2 или TEOS.

Как показано на Фиг.4, участок 7 пластины находится в электрическом контакте с нижним электродом посредством металлического сквозного соединения 17, и нижний термический изолирующий слой 28, следовательно, не находится на электрическом пути магнитного туннельного перехода 2. Так как нижний термический изолирующий слой 28 не соединен последовательно с туннельным барьером 22, он может быть выполнен из материала, имеющего электропроводность, которая намного ниже, чем электропроводность, обычно используемая для термических барьеров 14, 15. Например, нижний термический изолирующий слой 28 может иметь электропроводность, которая ниже 10^-14 См/см. Предпочтительно, нижний термический изолирующий слой 28 сделан из low-K материала, имеющего теплопроводность ниже 1,0 Вт·м^-1·°С^-1, и который может быть встроен в процессе производства магнитного элемента 1. Например, нижний термический изолирующий слой 28 может быть выполнен из материала, который демонстрирует низкую теплопроводность, например, пористого SiO₂, SiN или двуокиси циркония (ZrO₂, стабилизированная оксидом иттрия), имеющей теплопроводность при 20°С приблизительно 0,025 Вт·м^-1·°С^-1. Материалом с низкой теплопроводностью может быть также подобный GST материал, демонстрирующий низкую теплопроводность в его аморфном состоянии, характеризующимся высоким сопротивлением. Подобный GST материал может состоять из халькогенидного композиционного материала, например, GeSbTe, SbTe, GeTe или AgInSbTe.

В одном предпочтительном варианте воплощения нижний термический изолирующий слой 28 выполнен из low-K материала, содержащего диоксид кремния, легированный фтором или углеродом, гидрогенизированный оксикарбид кремния (SiCOH), имеющий теплопроводность, равную приблизительно 0,21 Вт·м^-1·°С^-1, пористый SiCOH, пористый метил силсесквиоксан (MSQ), пористый водород-силсесквиоксан (HSQ), органические полимерные диэлектрики, легированные по поверхности, или комбинацию любых этих соединений. При этом выражение “low-K” предпочтительно обозначает любой материал, имеющий диэлектрическую постоянную, которая меньше чем приблизительно 3,9.

Нижний термический изолирующий слой 28, имеющий теплопроводность, которая ниже, чем теплопроводность термического барьера 14, 15, возможно в шестьдесят раз ниже в зависимости от материала, используемого для нижнего термического изолирующего слоя 28, обеспечивает более эффективное уменьшение теплоотдачи в магнитном туннельном переходе 2 по сравнению с традиционными магнитными элементами, использующими термический барьер 14, 15. Кроме того, благодаря своему расположению, нижний термический изолирующий слой 28 может эффективно блокировать тепло, рассеиваемое металлическим участком 7 пластины, который действует как большая площадь теплоотдачи вследствие его высокой теплопроводности и его относительно большого размера по сравнению с размером магнитного туннельного перехода 2. Нижний термический изолирующий слой 28 может быть легко встроен в процессе производства магнитного элемента 1 без увеличения сложности процесса производства.

В другом варианте воплощения, показанном на Фиг.5, магнитный элемент 1 дополнительно содержит верхний термический изолирующий слой 32, расположенный у верхнего конца магнитного туннельного перехода 2 между верхней линией 4 тока и магнитным туннельным переходом 2 и проходящий, по существу, параллельно участку 7 пластины. При такой конфигурации верхнее сквозное соединение 18 соединяет верхнюю линию 4 тока с магнитным туннельным переходом 2, и верхний термический изолирующий слой 32 не находится на электрическом пути магнитного туннельного перехода 2. Верхний термический изолирующий слой 32 дополнительно уменьшает теплоотдачу магнитного туннельного перехода 2. Альтернативно, магнитный элемент 1 может содержать только верхний термический изолирующий слой 32, без нижнего термического изолирующего слоя 28. Во время процесса записи с использованием TAS нижний термический изолирующий слой 28 и, возможно, верхний термический изолирующий слой 32 будут уменьшать рассеяние тепла, производимого нагревающим током 31 в магнитном туннельном переходе 2.

В еще одном другом варианте воплощения, не показанном, магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит нижний и/или верхний термический барьер 14, 15, описанный выше, у нижнего и верхнего концов магнитного туннельного перехода 2.

В еще одном другом варианте воплощения магнитный элемент 1 дополнительно содержит латеральный термический изолирующий слой 30, латерально включающий в себя, по меньшей мере, участок магнитного туннельного перехода 2. Это может быть достигнуто, например, заменой традиционного изолирующего материала 27 материалом, имеющим теплопроводность ниже 1,0 Вт·м^-1·°С^-1. Латеральный термический изолирующий слой 30 может быть выполнен из того же материала, который используется для нижнего и/или верхнего термического изолирующего слоя 28, 32, например, low-K материала. В действительности, латеральный термический изолирующий слой 30 может быть реализован нижним и/или верхним термическим изолирующим слоем 28, 32, продолжающимся вверх и/или вниз, вдоль магнитного туннельного перехода 2. Примеры на Фиг.4 и 5 показывают магнитный элемент 1, в котором традиционный изолирующий материал 27 заменен латеральным термическим изолирующим слоем 30, причем последний включает в себя весь магнитный туннельный переход 2.

В одном варианте воплощения участок магнитного туннельного перехода 2, заключенный в латеральный термический изолирующий слой 30, может содержать нижний магнитный слой 23, верхний магнитный слой 21, туннельный барьер 22, нижний и верхний термический барьер 14, 15, если они имеют место, или комбинацию любых из этих элементов. Оставшаяся часть магнитного туннельного перехода 2 может быть латерально включена в традиционный изолирующий материал 27, например, SiO₂ или TEOS.

В еще одном другом, не показанном, варианте воплощения, магнитный туннельный переход 2 окружен тонким прокладочным слоем. Прокладочный слой обычно делают из материала, имеющего скорость травления, которая ниже, чем скорость травления магнитного туннельного перехода 2. При такой конфигурации прокладочный слой является тонким слоем, проходящим вдоль магнитного туннельного перехода 2 и расположенным между магнитным туннельным переходом 2 и латеральным термическим изолирующим слоем 30 и/или традиционным изолирующим материалом 27. Использование прокладочного слоя может быть предпочтительным в процессе производства, особенно, когда магнитный туннельный переход 2 травят в несколько этапов. Например, прокладочный слой может защищать первый протравленный участок магнитного туннельного перехода 2 в процессе травления второго участка.

Латеральный термический изолирующий слой 30 может дополнительно ограничивать тепло, производимое нагревающим током 31, между боковыми стенками магнитного туннельного перехода 2, что приводит к дополнительному уменьшению теплоотдачи. Кроме того, так как электропроводность латерального термического изолирующего слоя 30 может быть такой же низкой, как электропроводность туннельного барьера 22, или ниже, латеральный термический изолирующий слой 30 может уменьшить электрическую емкость между первым, вторым слоями 21, 23 и туннельным барьером 22.

На Фиг.6 и 7 сравниваются распределения температуры, смоделированные для магнитного элемента 1, содержащего нижний термический изолирующий барьер 28 (сплошные кривые на Фиг.6 и 7) и не содержащего (пунктирные кривые на Фиг.6 и 7). Вычисления были выполнены в предположении, что магнитный туннельный переход 2 имеет диаметр 0,2 мкм, через него проходит нагревающий ток 31 в виде импульса длительностью 20 нс, распределение температуры показано в конце импульса тока длительностью 20 нс. Более конкретно, на Фиг.6 вычисления были выполнены в предположении, что магнитный туннельный переход 2 содержит:

участок 7 пластины, расположенный в области, обозначенной Z2;

верхний магнитный слой 23, расположенный в области Z4 и содержащий толстый ферромагнитный слой CoFe в 5 нм и толстый антиферромагнитный слой IrMn в 5 нм;

туннельный барьер 22, расположенный на границе Z4/Z5, выполненный из MgO и имеющий толщину в 1 нм;

верхний магнитный слой 21, расположенный в области Z5 и содержащий толстый антиферромагнитный опорный слой, выполненный из PtMn, в 20 нм и толстый ферромагнитный слой, выполненный из CoFe, в 5 нм; и

верхнюю линию 4 тока, расположенную в области Z7.

На Фиг.6 магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит нижний и верхний термические барьеры 14, 15, имеющие теплопроводность, равную 1,45 Вт·м^-1·°С^-1, соответственно расположенные в области Z3 и Z6. Распределение температуры, смоделированное с нижним термическим изолирующим барьером 28, расположенным в области Z1 (сплошная кривая), показывает температуры внутри магнитного туннельного перехода 2 (области Z4 и Z5), которые приблизительно на 10-20% выше, чем температуры, смоделированные в случае без нижнего термического изолирующего барьера 28 (пунктирная кривая). При этом области Z1-Z7 соответствуют расстоянию в нм вдоль оси A-A', показанной на Фиг.4, с номерами областей, увеличивающимися от A' до A. При моделировании теплопроводность нижнего термического изолирующего барьера 28 предполагалась равной 0,1 Вт·м^-1·°С^-1.

На Фиг.7 было выполнено моделирование без нижнего термического барьера 15. На фиг.7 магнитный туннельный переход 2 содержит верхний магнитный слой 23, расположенный в области Z3, туннельный барьер 22 на границе Z3/Z4, верхний магнитный слой 21 в области Z4, верхний термический барьер 14 в области Z5 и верхнюю линию 4 тока, расположенную в области Z6. При этом распределение температуры, смоделированное с нижним термическим изолирующим барьером 28, расположенным в области Z1 (сплошная кривая), показывает температуры внутри магнитного туннельного перехода 2 (области Z3 и Z4),- которые приблизительно на 4 0% выше, чем смоделированные температуры в случае без нижнего термического изолирующего барьера 28 (пунктирная кривая). Теплопроводность нижнего термического изолирующего слоя 28 также предполагалась равной 0,1 Вт·м^-1·°C^-1. Смоделированные распределения температуры на Фиг. 7, таким образом, означают, что лучшее удержание тепла внутри магнитного туннельного перехода 2 может быть получено с нижним термическим изолирующим барьером 28, чем с термическим барьером 14, 15. Так как меньшие потери тепла могут быть получены с нижним термическим изолирующим слоем 28, магнитный элемент 1 может быть записан при более низком нагревающем токе 31, таким образом, при более низкой потребляемой мощности.

Магнитное запоминающее устройство (не показано) может содержать множество элементов 1 памяти, расположенных в строках и столбцах. Каждый элемент 1 памяти может содержать транзистор 3 выбора, электрически соединенный с магнитным туннельным переходом 2. Магнитное запоминающее устройство может дополнительно содержать одну или множество верхних линий 4 тока, которые соединяют магнитные элементы 1 вдоль строки, и одну или множество управляющих линий тока, соединенных с магнитными элементами 1 вдоль столбца посредством затвора их транзистора 3 выбора.

ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ

1 магнитный элемент

2 магнитный туннельный переход

21 верхний магнитный слой, опорный слой

22 туннельный барьер

23 нижний магнитный слой, запоминающий слой

3 транзистор выбора

31 нагревающий ток

4 верхняя линия ток

5 нижняя линия тока

51 ток возбуждения

52 магнитное поле

7 участок пластины

7′ нижняя поверхность участка пластины

8 функция потенциальной энергии

9 электрон, пересекающий туннельный барьер посредством туннельного эффекта

10 фононы

11 магноны

14 верхний термический барьер

15 нижний термический барьер

16 нижний электрод

17 нижнее сквозное соединение

18 верхнее сквозное соединение

27 традиционный изолирующий материал

28 нижний термический изолирующий слой

30 латеральный термический изолирующий слой

32 верхний термический изолирующий слой

40 смоделированное распределение температуры без термического изолирующего слоя

41 смоделированное распределение температуры с латеральным термическим изолирующим барьером

E потенциальная энергия

E_fi нижний уровень Ферми

E_fs верхний уровень Ферми

eV разность потенциалов между двумя уровнями Ферми

T_BR опорная блокирующая температура

T_BS запоминающая блокирующая температура

V_heat напряжение для прохождения нагревающего тока

X расстояние

X0 продольная координата

λ_in неупругая средняя длина свободного пробега

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в уменьшении потерь тепла в магнитном туннельном переходе. Магнитный элемент, записываемый с использованием операции записи с термическим переключением, содержит магнитный туннельный переход, образованный туннельным барьером, расположенным между первым и вторым магнитными слоями, причем второй магнитный слой имеет вторую намагниченность, направление которой может быть настроено при операции записи при нагреве магнитного туннельного перехода до высокой пороговой температуры; верхнюю линию тока, соединенную с верхним концом магнитного туннельного перехода; и участок пластины, проходящий латерально и соединенный с нижним концом магнитного туннельного перехода; при этом магнитный элемент дополнительно содержит нижний термический изолирующий слой, проходящий параллельно участку пластины и расположенный таким образом, что участок пластины находится между магнитным туннельным переходом и нижним термическим изолирующим слоем. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Магнитный элемент, записываемый с использованием операции записи с термическим переключением, содержащий магнитный туннельный переход, образованный туннельным барьером, расположенным между первым и вторым магнитными слоями, причем второй магнитный слой имеет вторую намагниченность, направление которой может быть настроено при операции записи при нагреве магнитного туннельного перехода до высокой пороговой температуры; верхнюю линию тока, соединенную с верхним концом магнитного туннельного перехода; и участок пластины, проходящий латерально и соединенный с нижним концом магнитного туннельного перехода;
при этом магнитный элемент дополнительно содержит нижний термический изолирующий слой, проходящий параллельно участку пластины и расположенный таким образом, что участок пластины находится между магнитным туннельным переходом и нижним термическим изолирующим слоем.

2. Магнитный элемент по п. 1, дополнительно содержащий верхний термический изолирующий слой, расположенный у верхнего конца магнитного туннельного перехода между верхней линией тока и магнитным туннельным переходом.

3. Магнитный элемент по п. 1, дополнительно содержащий латеральный термический изолирующий слой, латерально включающий в себя, по меньшей мере, участок магнитного туннельного перехода.

4. Магнитный элемент по п. 3, в котором, по меньшей мере, участок магнитного туннельного перехода содержит нижний магнитный слой, верхний магнитный слой, туннельный барьер или комбинацию любых из этих элементов.

5. Магнитный элемент по п. 3, в котором, по меньшей мере, участок магнитного туннельного перехода содержит весь магнитный туннельный переход.

6. Магнитный элемент по п. 1, в котором термический изолирующий слой имеет теплопроводность, которая ниже 1,0 Вт·м^-1·°C^-1.

7. Магнитный элемент по п. 1, в котором термический изолирующий слой выполнен из ″low-K″ материала.

8. Магнитный элемент по п. 1, в котором магнитный туннельный переход дополнительно содержит верхний термический барьер между верхней линией тока и магнитным туннельным переходом и нижний термический барьер между магнитным туннельным переходом и участком пластины.

9. Магнитный элемент по п. 8, в котором продольные термические барьеры имеют электрическое сопротивление, которое меньше чем электрическое сопротивление туннельного барьера, по меньшей мере, на порядок.

10. Магнитный элемент по п. 1, дополнительно содержащий электрически изолирующий прокладочный слой, заключающий в себя магнитный туннельный переход.

11. Магнитный элемент по п. 1, дополнительно содержащий транзистор выбора, соединенный с нижним концом магнитного туннельного перехода посредством участка пластины, и который может быть активирован для подачи нагревающего тока на магнитный туннельный переход посредством верхней линии тока для нагрева магнитного туннельного перехода до высокой пороговой температуры.

12. Магнитное запоминающее устройство, содержащее множество магнитных элементов, причем каждый магнитный элемент выполнен с возможностью записи с использованием операции записи с термическим переключением и содержит: магнитный туннельный переход, образованный первым магнитным слоем, вторым магнитным слоем, имеющим вторую намагниченность, направление которой может быть настроено при операции записи при нагреве магнитного туннельного перехода до высокой пороговой температуры, и туннельным барьером, расположенным между первым магнитным слоем и вторым магнитным слоем; участок пластины, проходящий латерально и соединенный с нижним концом магнитного туннельного перехода; и нижний термический изолирующий слой, проходящий параллельно участку пластины и расположенный таким образом, что участок пластины находится между магнитным туннельным переходом и нижним термическим изолирующим слоем.

13. Магнитное запоминающее устройство по п. 12, дополнительно содержащее одну или множество верхних линий тока, причем каждая линия тока соединена с верхним концом магнитного туннельного перехода.

14. Магнитное запоминающее устройство по п. 12, отличающееся тем, что каждый магнитный элемент дополнительно содержит транзистор выбора, соединенный с нижним концом магнитного туннельного перехода посредством участка пластины, и в котором магнитное запоминающее устройство дополнительно содержит одну или множество управляющих линий тока, причем каждая управляющая линия тока соединена с магнитными элементами посредством их транзистора выбора.