МНОГОРАЗРЯДНАЯ ЯЧЕЙКА МАГНИТНОГО ОПЕРАТИВНОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С УЛУЧШЕННЫМ ПОЛЕМ СЧИТЫВАЕМОСТИ Российский патент 2015 года по МПК G11C11/00 

2420-182864RU/072

МНОГОРАЗРЯДНАЯ ЯЧЕЙКА МАГНИТНОГО ОПЕРАТИВНОГО ЗАПОМИНАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С УЛУЧШЕННЫМ ПОЛЕМ СЧИТЫВАЕМОСТИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к ячейке магнитного оперативного запоминающего устройства (МОЗУ) на основе магнитного туннельного перехода с улучшенным полем считываемости, которую можно использовать в качестве многоразрядной ячейки МОЗУ. Настоящее изобретение также относится к способу записи множественных битов данных в ячейке МОЗУ.

Описание предшествующего уровня техники

Запоминающие устройства, которые используют материалы с переменным сопротивлением, включают в себя резистивные оперативные запоминающие устройства (РОЗУ), оперативные запоминающие устройства на основе фазового перехода (ОЗУ ФП), сегнетоэлектрические оперативные запоминающие устройства (СЭОЗУ), магнитные оперативные запоминающие устройства (МОЗУ), и т.д. Перечисленные выше энергонезависимые запоминающие устройства могут сохранять данные на основе изменения сопротивления в случае материала с переменным сопротивлением (РОЗУ), материала с фазовым переходом, имеющего аморфное и кристаллическое состояния (ОЗУ ФП), сегнетоэлектрического материала, имеющего различные состояния поляризации (СЭОЗУ), и/или пленки магнитного туннельного перехода из сегнетоэлектрического материала, имеющего разные намагниченные состояния (МОЗУ).

Устройства на основе МОЗУ испытывают возобновленный интерес, так как магнитные туннельные переходы могут иметь высокое магнитное сопротивление при температуре окружающей среды. МОЗУ предоставляет многочисленные преимущества, в том числе высокие скорости записи и чтения (до нескольких наносекунд), энергонезависимость и нечувствительность к ионизирующим излучениям. Вначале были предложены МОЗУ, содержащие так называемый «магниторезистивный эффект» или «гигантское магнитное сопротивление» (ГМС). Такие МОЗУ изготавливали в виде стопки нескольких металлических листов, в которой чередовались магнитные и немагнитные. Элемент ГМС проявляет относительно большое изменение магниторезистивного отношения, но, к сожалению, требует приложения сильных магнитных полей, и, следовательно, требуются сильные токи для записи и считывания информации.

Разработка ячеек МОЗУ с магнитным туннельным переходом позволила значительно повысить рабочие характеристики и режим работы этих МОЗУ. Такие ячейки МОЗУ описаны в патенте США № 5,640,343. Фиг. 1 представляет традиционную ячейку 1 МОЗУ, содержащую магнитный туннельный переход 2, содержащий туннельный барьерный слой 22 между первым ферромагнитным слоем 21 и вторым ферромагнитным слоем 23. Магнитный туннельный переход 2 электрически присоединен на одном конце к первой линии 4 передачи тока и на другом своем конце к КМОП-транзистору 3 выбора. Ячейка 1 МОЗУ, представленная на фиг. 1, дополнительно содержит вторую линию 5 передачи тока, которая расположена под прямым углом к первой линии 4 передачи тока. Эта конфигурация включает в себя шину 7 между магнитным туннельным переходом 2 и транзистором 3 выбора таким образом, что вторую линию 5 передачи тока можно расположить в направлении магнитного туннельного перехода 2.

Первый и второй ферромагнитные слои 21, 23 обычно имеют разную коэрцитивность и предпочтительно изготовлены из 3d-металлов, таких как Fe, Co, Ni и их сплавы, возможно содержащие бор, чтобы сделать аморфными ферромагнитные слои и выровнять их поверхности раздела. Туннельный барьерный слой 22 обычно представляет собой тонкий изолирующий слой оксида алюминия (Al₂O₃) или MgO. Каждый ферромагнитный слой 21, 23 можно сочетать с антиферромагнитным слоем (не показан), задача которого состоит в захвате связанного с ним ферромагнитного слоя таким образом, что намагниченность связанного ферромагнитного слоя 21, 22 обменно подмагничивается и не может вращаться свободно, но только обратимым путем под воздействием внешнего магнитного поля.

Во время операции записи традиционной ячейки 1 МОЗУ транзистор 3 выбора установлен в режим запирания таким образом, что никакой ток не проходит через магнитный туннельный переход 2, первый полевой ток 41 проходит в первой линии 4 передачи тока, производя первое магнитное поле 42, и второй полевой ток 51 проходит во второй линии 5 передачи тока, производя второе магнитное поле 52. Первое и второе магнитные поля 42, 52 приспособлены таким образом, чтобы переключать направление намагниченности второго магнитного слоя 23, тем самым производя запись в ячейку 1 МОЗУ. В матрице, содержащей множество ячеек 1 МОЗУ, только ячейка 1, расположенная на пересечении первой и второй линий 4, 5 передачи тока, подвергается записи или обращению под действием сочетания первого и второго магнитных полей 42, 52. Следовательно, операция записи является селективной.

Фиг. 2 иллюстрирует ячейку 1 МОЗУ в другой конфигурации, в которой ячейка 1 не содержит второй ток 5. В этой конфигурации операция записи может содержать пропускание спин-поляризованного тока 31 записи через магнитный туннельный переход 2, когда транзистор 3 выбора находится в режиме насыщения. Спин-поляризованный ток 31 записи имеет такую спиновую поляризацию, чтобы индуцировать локальный спиновый момент на втором магнитном слое 23.

Во время операции считывания ток 32 считывания селективно проходит через магнитный туннельный переход 2 записанной ячейки 1 путем установки транзистора 3 выбора этой ячейки 1 в режим насыщения таким образом, чтобы измерять сопротивление (R_МТП) перехода магнитного туннельного перехода 2. Магнитное сопротивление ячейки 1 МОЗУ можно определить сравнением измеренного сопротивления (R_МТП) перехода с опорным сопротивлением, измеренным для опорнной ячейки МОЗУ (не представлена). Низкое измеренное сопротивление R_МТП перехода (или состояние уровня «0») соответствует направлению намагниченности второго ферромагнитного слоя 23, ориентированного параллельно направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя 21, в то время как высокое измеренное сопротивление R_МТП перехода (или состояние уровня «1») соответствует направлению намагниченности второго ферромагнитного слоя 23, ориентированного антипараллельно направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя 21. Разность между значениями высокого и низкого сопротивлений (R_МТП) перехода или туннельное магнитное сопротивление зависит от материала, составляющего ферромагнитные слои, и, возможно, от осуществленной термической обработки этих ферромагнитных слоев. Туннельное магнитное сопротивление до 70% можно обеспечить путем соответствующего выбора материалов и/или термической обработки.

Были также предложены ячейки МОЗУ с операцией многоуровневой записи состояния, позволяющие записывать более чем два уровня состояния «0» и «1», как описано выше. Такая ячейка МОЗУ с операцией многоуровневой записи состояния описана в патенте США № 6,950,335. Здесь намагниченность второго ферромагнитного слоя или запоминающий слой можно ориентировать в любом промежуточном направлении между направлением, которое параллельно, и направлением, которое антипараллельно направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя или опорнного слоя. Ориентацию намагниченности запоминающего слоя в промежуточных направлениях можно осуществить созданием магнитных полей с соответствующей относительной интенсивностью вдоль перпендикулярных направлений первой и второй линии 4, 5 передачи тока или сочетанием магнитного поля, произведенного в одной из линий 4, 5, со спин-поляризованным током записи (например в случае конфигурации ячейки МОЗУ на фиг. 1).

Один недостаток ранее предложенных ячеек МОЗУ с операцией многоуровневой записи состояний, однако, заключается в том, что уровень сопротивления, соответствующий каждому состоянию, может быть относительно низким.

Недавно ячейки МОЗУ с увеличенным полем считываемости были получены с использованием туннельных барьерных слоев, изготовленных из MgO, который обеспечивает высокое туннельное магнитное сопротивление. Это увеличение туннельного магнитного сопротивления обусловлено кристаллической структурой барьера MgO, который может быть монокристаллическим или высокотекстурированным с ОЦК (001) ориентацией кристаллов. Более конкретно, магнитное сопротивление, составляющее более чем около 150% при комнатной температуре, получено для магнитных туннельных переходов, содержащих эпитаксиальные MgO туннельные барьерные слои с ОЦК-ориентированными электродами из Fe или Co или содержащих текстурированные туннельные барьерные слои, включающие в себя поликристаллические ОЦК-ориентированные электроды из CoFe или Co, или содержащие структуры CoFeB/MgO/CoFeB с аморфными электродами из CoFeB. В последнем случае туннельный барьерный слой из MgO выращен с высокоориентированной ОЦК (001)-структурой на поверхности аморфного слоя из CoFeB. После осаждения требуется термический отжиг, чтобы индуцировать идентичную структуру в электродах из CoFeB для достижения высокого магнитного сопротивления.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (МОЗУ) может содержать: магнитный туннельный переход, содержащий туннельный барьерный слой между первым магнитным слоем, имеющим первое направление намагниченности, и вторым магнитным слоем, имеющим второе направление намагниченности, которое является регулируемым от первого направления до второго направления относительно первого направления намагниченности, таким образом, чтобы изменять сопротивление перехода магнитного туннельного перехода от первого до второго уровня сопротивления перехода, отличающаяся тем, что упомянутый магнитный туннельный переход дополнительно содержит резистивный элемент переключения, электрически соединенный с магнитным туннельным переходом и имеющий сопротивление переключения, которое можно переключать от первого до второго уровня сопротивления переключения, когда переключающий ток проходит через резистивный элемент переключения, таким образом, что сопротивление ячейки МОЗУ может иметь, по меньшей мере, четыре разных уровня сопротивления ячейки в зависимости от уровня сопротивления перехода и сопротивления переключения.

В варианте осуществления ячейка МОЗУ может дополнительно содержать первую линию передачи тока, электрически соединенную с одним концом магнитного туннельного перехода, и транзистор выбора, электрически соединенный с другим концом магнитного туннельного перехода; причем транзистор выбора может по выбору направлять переключающий ток в линии передачи тока в магнитный туннельный переход и резистивный элемент переключения.

Резистивный элемент переключения может находиться в контакте с первым или вторым магнитным слоем, или туннельный барьерный слой может состоять из резистивного элемента переключения.

В варианте осуществления резистивный элемент переключения можно изготовить из материала, выбранного из Al₂O₃, NiO, TiO₂, MgO или оксида типа перовскита.

Настоящее изобретение также относится к способу записи множественных битов данных в ячейку МОЗУ, содержащему:

нагревание магнитного туннельного перехода до высокотемпературного порога пропусканием переключающего тока в магнитном туннельном переходе, причем переключающий ток имеет нагревающую величину, подходящую для нагревания магнитного туннельного перехода при высокотемпературном пороге;

регулировку второго направления намагниченности второго магнитного слоя для изменения сопротивления перехода от первого уровня сопротивления перехода до второго уровня сопротивления перехода; и

переключение сопротивления переключения от первого уровня сопротивления переключения до второго уровня сопротивления переключения пропусканием переключающего тока через резистивный элемент переключения.

Упомянутое переключение сопротивления переключения может содержать изменение полярности переключающего тока или может содержать пропускание переключающего тока, имеющего величину первого переключения, которая ниже, чем нагревающая величина.

В варианте осуществления упомянутое переключение сопротивления переключения может содержать изменение величины переключающего тока от величины первого переключения до величины второго переключения.

В другом варианте осуществления упомянутая регулировка второго направления намагниченности второго магнитного слоя может содержать приложение первого магнитного поля, причем второе направление намагниченности второго магнитного слоя регулируется согласно первому магнитному полю.

В следующем варианте осуществления упомянутая регулировка второго направления намагниченности второго магнитного слоя может содержать пропускание переключающего тока в магнитном туннельном переходе, причем данный переключающий ток является спин-поляризованным.

Ячейка МОЗУ, описанная в настоящем документе, обеспечивает улучшенное поле считываемости по сравнению с традиционной ячейкой МОЗУ путем сочетания сопротивления перехода магнитного туннельного перехода и сопротивления переключения резистивного элемента переключения.

Кроме того, ячейку 1 МОЗУ также можно использовать в качестве многоразрядной ячейки МОЗУ для записи, по меньшей мере, четырех разных уровней сопротивления ячейки. Уровни сопротивления ячейки для многоразрядной ячейки МОЗУ превышают уровни, которые достигнуты в традиционных многоразрядных ячейках МОЗУ.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более понятным с помощью описания варианта осуществления, приведенного в качестве примера и проиллюстрированного чертежами, среди которых:

фиг. 1 показывает традиционную ячейку МОЗУ;

фиг. 2 иллюстрирует ячейку МОЗУ на фиг. 1 в другой конфигурации;

фиг. 3 представляет ячейку МОЗУ согласно варианту осуществления;

фиг. 4 представляет операцию записи ячейки МОЗУ на фиг. 3 согласно варианту осуществления;

фиг. 5 представляет операцию записи ячейки МОЗУ на фиг. 3 согласно другому варианту осуществления; и

фиг. 6 иллюстрирует операцию записи ячейки МОЗУ на фиг. 3 согласно еще одному варианту осуществления.

Подробное описание возможных вариантов осуществления изобретения

Ячейка 1 магнитного оперативного запоминающего устройства (МОЗУ), согласно варианту осуществления, представлена на фиг. 3. Ячейка МОЗУ содержит магнитный туннельный переход 2, содержащий туннельный барьерный слой 22, который расположен между первым магнитным слоем 21, имеющим первое направление намагниченности, и вторым магнитным слоем 23, имеющим второе направление намагниченности. Второе направление намагниченности можно регулировать от первого до второго направления относительно первого направления намагниченности таким образом, чтобы изменять сопротивление R_МТП перехода магнитного туннельного перехода 2 от первого до второго уровня сопротивления перехода. В примере на фиг. 4 элемент запоминающего устройства дополнительно содержит первую линию 4 передачи тока, электрически соединенную с одним концом магнитного туннельного перехода 2, и транзистор 3 выбора, электрически соединенный с другим концом магнитного туннельного перехода 2.

Второй ферромагнитный слой или запоминающий слой 23 можно изготовить из материала, имеющего планарную намагниченность, обычно выбранного из группы, в которую входят пермаллой (Ni₈₀Fe₂₀), Co₉₀Fe₁₀ или другие сплавы, содержащие Fe, Co или Ni. В предпочтительном варианте осуществления второй ферромагнитный слой 23 образует обменную связь с антиферромагнитным запоминающим слоем (не представлен) таким образом, что направление намагниченности второго ферромагнитного слоя 23 обменно подмагничено антиферромагнитным запоминающим слоем при низкотемпературном пороге и таким образом, что направление намагниченности второго ферромагнитного слоя 23 можно свободно ориентировать при высокотемпературном пороге. Антиферромагнитный запоминающий слой можно изготавливать из сплава на основе марганца, такого как IrMn или FeMn, или любых других подходящих материалов. Высокотемпературный порог, как правило, находится на уровне или выше температуры около 120°C.

Первый магнитный слой 21 представляет собой ферромагнитный слой, который можно изготавливать из сплава на основе Fe, Co или Ni. Предпочтительно первый магнитный слой 21 содержит синтетический антиферромагнитный обменно подмагниченный слой, содержащий первый ферромагнитный опорный слой и второй ферромагнитный опорный слой, которые оба изготовлены из сплава на основе Fe, Co или Ni и антиферромагнитно связаны посредством вставки между ними неферромагнитного опорнного слоя, изготовленного, например из рутения. В предпочтительном варианте осуществления первый магнитный слой или опорный слой 21 антиферромагнитно связан антиферромагнитным опорным слоем, обменно подмагничивающим его направление намагниченности при температуре выше высокотемпературного порога. Предпочтительно антиферромагнитный опорный слой изготовлен из сплава на основе Mn, такого как PtMn или NiMn. Туннельный барьерный слой 22, как правило, представляет собой тонкий изолирующий слой оксида алюминия (Al₂O₃) или MgO.

В варианте осуществления магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит резистивный элемент 62 переключения. В примере на фиг. 4 резистивный элемент переключения представляет собой резистивный слой 62 переключения, находящийся в контакте с первым ферромагнитным слоем 21 на его стороне, противоположной той, которая находится в контакте с туннельным барьерным слоем 22. Резистивный элемент 62 переключения имеет сопротивление R_П переключения, которое можно переключать обратимо от первого до второго уровня сопротивления переключения, когда переключающий ток 31 проходит через резистивный элемент 62 переключения (или когда напряжение приложено через резистивный элемент 62 переключения). Такой резистивный элемент переключения часто используют в резистивных оперативных запоминающих устройствах (РОЗУ), где содержащий оксид переходного металла резистивный элемент переключения обычно содержится между двумя металлическими электродами. Сопротивление R_Я ячейки МОЗУ у ячейки 1 МОЗУ тогда соответствует сопротивлению R_МТП перехода и сопротивлению R_П переключения в последовательном соединении.

Резистивный элемент 62 переключения можно изготавливать из оксида, содержащего оксид алюминия (Al₂O₃), NiO, TiO₂ или MgO, предпочтительно с неоднородным содержанием кислорода, или оксида типа перовскита, в том числе PCMO (Pr_0,7Ca_0,3MnO₃) или SrTiO₃, или сочетания любых данных оксидов. В зависимости от используемого оксида и способа его производства, резистивный элемент 62 переключения может проявлять поведение биполярного или униполярного переключения сопротивления переключения. В случае резистивного элемента 62 переключения, имеющего поведение биполярного переключения сопротивления, сопротивление R_П переключения переключается при изменении полярности переключающего тока 31, пропускаемого через резистивный элемент 62 переключения, или напряжения, приложенного через резистивный элемент 62 переключения, с первой на вторую полярность переключения. В качестве альтернативы, в случае резистивного элемента 62 переключения, имеющего поведение униполярного переключения сопротивления, сопротивление R_П переключения переключается при изменении величины переключающего тока 31, пропускаемого через резистивный элемент 62 переключения, или напряжения, приложенного через резистивный элемент 62 переключения, от первой до второй величины переключения.

Преимущество униполярного переключения сопротивления заключается в том, что отсутствует необходимость в дополнительном транзисторе, предназначенном для переключения полярности тока/напряжения, и, таким образом, можно сделать ячейку 1 МОЗУ меньшего размера. Поведение униполярного переключения сопротивления можно обычно получить, когда резистивный элемент 62 переключения изготовлен из оксида переходного металла, в то время как поведение биполярного переключения сопротивления можно получить, когда резистивный элемент 62 переключения изготовлен из оксида типа перовскита или оксида, имеющего неоднородную стехиометрию по кислороду.

Также возможны другие конфигурации резистивного слоя 62 переключения. Например резистивный слой 62 переключения может находиться в контакте с первым или вторым ферромагнитным слоем 21, 23 и, возможно, в контакте с туннельным барьерным слоем 22. В качестве альтернативы, резистивный слой 62 переключения может содержаться в туннельном барьерном слое 22. В предпочтительном варианте осуществления туннельный барьерный слой 22 состоит из резистивного элемента 62 переключения. В последней конфигурации магнитный туннельный переход 2 содержит резистивный слой 62 переключения, находящийся между первым и вторым магнитными слоями 21, 23, или, другими словами, туннельный барьерный слой 22 изготовлен из оксида, содержащего оксид алюминия, NiO, TiO₂ или MgO, предпочтительно с неоднородным содержанием кислорода, или оксида типа перовскита, в том числе PCMO (Pr_0,7Ca_0,3MnO₃) или SrTiO₃, или сочетания любых данных оксидов.

В варианте осуществления во время операции записи ячейки 1 МОЗУ первый полевой ток 41 пропускают в первой линии 4 передачи тока, как описано выше. Первый полевой ток 41 производит первое магнитное поле 42, которое приложено ко второму магнитному слою 23 таким образом, что регулирует его направление намагниченности относительно первого направления намагниченности в соответствии с первым магнитным полем 42. Сопротивление R_МТП перехода магнитного туннельного перехода 2 можно затем изменить от первого уровня сопротивления перехода до второго уровня сопротивления перехода. Транзистор 3 выбора можно установить в режим запирания таким образом, чтобы не пропускать никакой ток через магнитный туннельный переход 2.

В предпочтительном варианте осуществления операцию записи осуществляют согласно термическому способу. Более конкретно, операция термической записи содержит следующие этапы:

нагревание магнитного туннельного перехода 2;

одновременно (или после кратковременной задержки) при достижении магнитным туннельным переходом 2 высокотемпературного порога регулировку направления намагниченности второго ферромагнитного слоя 23; и

охлаждение магнитного туннельного перехода 2 при низкотемпературном пороге, где направление намагниченности второго ферромагнитного слоя 23 замораживают в состоянии записи.

Регулировку направления намагниченности второго ферромагнитного слоя 23 можно осуществлять пропусканием первого полевого тока 41 в первой линии 4 передачи тока таким образом, чтобы производить первое магнитное поле 42, предназначенное для регулировки направления намагниченности второго ферромагнитного слоя 23. Первое магнитное поле 42 можно поддерживать во время охлаждения магнитного туннельного перехода 2 и отключать, как только магнитный туннельный переход 2 достигает низкотемпературного порога.

Нагревание магнитного туннельного перехода 2 можно осуществлять пропусканием нагревающего тока по первой линии передачи тока в магнитный туннельный переход 2, когда транзистор 3 выбора установлен в режим насыщения. Охлаждение магнитного туннельного перехода 2 затем осуществляют отключением нагревающего тока установкой транзистора 3 выбора в режим запирания.

Операцию термической записи, как правило, осуществляют на ячейке 1 МОЗУ, где магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит антиферромагнитный запоминающий слой (не показан), образующий обменную связь со вторым ферромагнитным слоем 23. В этой конфигурации антиферромагнитный запоминающий слой обменно подмагничивает намагниченность второго ферромагнитного слоя 23 при низкотемпературном пороге и освобождает намагниченность второго ферромагнитного слоя 23 при высокотемпературном пороге. Такая операция термической записи описана в патенте США № 6,950,335. Операция термической записи позволяет уменьшать первое магнитное поле 42, используемое для ориентации направления намагниченности второго ферромагнитного слоя 23, и таким образом сокращать энергопотребление ячейки МОЗУ.

В предпочтительном варианте осуществления операция записи дополнительно содержит этап обратимого переключения сопротивления R_П переключения резистивного элемента 62 переключения от первого до второго уровня сопротивления переключения. Это можно осуществлять пропусканием переключающего тока 31 через магнитный туннельный переход 2 и резистивный элемент 62 переключения, когда транзистор 3 выбора находится в режиме насыщения.

Во время операции считывания ток 32 считывания селективно пропускают через магнитный туннельный переход 2 записанной ячейки 1 установкой транзистора 3 выбора данной ячейки в режим насыщения, чтобы измерять сопротивление R_Я ячейки МОЗУ у ячейки 1 МОЗУ. Сопротивление R_Я ячейки МОЗУ соответствует сопротивлению R_МТП перехода, определенному направлением намагниченности второго ферромагнитного слоя 23 относительно направления намагниченности первого ферромагнитного слоя 21 в последовательном соединении с сопротивлением R_П переключения.

ПРИМЕР 1

Операция записи ячейки МОЗУ представлена схематически на фиг. 4 согласно варианту осуществления. Операция термической записи содержит нагревание магнитного туннельного перехода 2 и изменение сопротивления R_МТП перехода пропусканием первого полевого тока 41 по первой линии передачи тока 4 таким образом, чтобы производить первое магнитное поле 42. Сопротивление R_П переключения переключают согласно полярности переключающего тока 31, пропускаемого в магнитном туннельном переходе 2, например в случае резистивного элемента 62 переключения, имеющего поведение биполярного переключения сопротивления. Здесь переключающий ток 31 можно также использовать в качестве нагревающего тока. В настоящем варианте осуществления предположено, что сопротивление R_П переключения можно переключать, когда переключающий ток 31 пропускают с величиной первого переключения, которая ниже, чем нагревающая величина переключающего тока 31, требуемого для нагревания магнитного туннельного перехода при высокотемпературном пороге.

Более конкретно, фиг. 4(a) представляет первый этап операции записи, где переключающий ток 31 используют с нагревающей величиной, подходящей для нагревания магнитного туннельного перехода 2 при высокотемпературном пороге. Первый полевой ток 41 используют с первой полярностью таким образом, чтобы производить первое магнитное поле 42 с первым направлением и изменять сопротивление R_МТП перехода от первого до второго уровня сопротивления перехода. Например намагниченность второго ферромагнитного слоя 23 можно регулировать в направлении, параллельном направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя 21, таким образом, соответствуя низкому уровню R_{МТП, н} сопротивления перехода сопротивления R_МТП перехода. Так как переключающий ток 31 используют с нагревающей величиной, выше первой величины, то сопротивление R_П переключения будет переключаться на первый уровень сопротивления переключения согласно полярности переключающего тока 31, например на низкий уровень R_{П, н} сопротивления переключения.

На втором этапе, представленном на фиг. 4(b), первое магнитное поле 42 не используют, и сопротивление R_МТП перехода остается на своем низком уровне R_{МТП, н} сопротивления перехода. Переключающий ток 31 проходит в магнитном туннельном переходе 2, при этом его полярность является измененной по сравнению с полярностью на этапе (a), таким образом, чтобы переключать сопротивление R_П переключения на высокий уровень R_{П, в} сопротивления переключения. Здесь переключающий ток 31 предпочтительно пропускают с меньшей величиной первого переключения, как показано на этапе (b).

На третьем этапе, представленном на фиг. 4(c), первый полевой ток 41 используют со второй полярностью, таким образом, чтобы производить первое магнитное поле 42 со вторым направлением, противоположным первому, таким образом, чтобы регулировать намагниченность второго ферромагнитного слоя 23 в направлении, антипараллельном направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя 21. Это приводит к высокому уровню R_{МТП, в} сопротивления перехода у сопротивления R_МТП перехода. Переключающий ток 31 проходит магнитный туннельный переход 2 с такой же полярностью, как на этапе (b), но с первой величиной, таким образом, чтобы нагревать магнитный туннельный переход при высокотемпературном пороге. Полярность переключающего тока 31 является такой же, как на этапе (b), сопротивление R_П переключения остается неизмененным на свой высокий уровень R_{П, в} сопротивления.

На четвертом этапе, представленном на фиг. 4(d), первое магнитное поле 42 не используют, и сопротивление R_МТП перехода остается на высоком уровне R_{МТП, в} сопротивления перехода этапа (c). Переключающий ток 31 проходит при величине первого переключения, причем его полярность является измененной по сравнению с полярностью на этапе (c), таким образом, что сопротивление R_П переключения переключено на низкий уровень R_{П, н} сопротивления переключения. Соответственно, четыре разных уровня сопротивления ячейки у сопротивления R_Я ячейки МОЗУ записаны в ячейку 1 МОЗУ путем сочетания двух уровней сопротивления у сопротивления R_МТП перехода и сопротивления R_П переключения.

ПРИМЕР 2

Фиг. 5 иллюстрирует операцию термической записи ячейки МОЗУ 1 согласно другому варианту осуществления. В этом варианте осуществления предположено, что сопротивление R_П переключения переключают согласно величине переключающего тока 31, например в случае резистивного элемента 62 переключения, имеющего поведение униполярного переключения сопротивления. Более конкретно, предположено, что сопротивление R_П переключения переключают на низкий уровень R_{П, н} сопротивления переключения, когда переключающий ток 31 пропускают с величиной первого переключения, и переключают на высокий уровень R_{П, в} сопротивления переключения, когда переключающий ток 31 пропускают с величиной второго переключения, превышающей величину первого переключения. Кроме того, предположено, что величины первого и второго переключения ниже, чем нагревающая величина.

На этапе (a), представленном на фиг. 5, первый полевой ток 41 проходит в первой линии 4 передачи тока таким образом, чтобы производить первое магнитное поле 42 в направлении, предназначенном для установления сопротивления R_МТП перехода на низкий уровень R_{МТП, н} сопротивления перехода (аналогично этапу на фиг. 4(a)). Переключающий ток 31 проходит в магнитном туннельном переходе 2 при нагревающей величине, нагревая магнитный туннельный переход 2 при высокотемпературном пороге и переключая сопротивления R_П переключения на его высокий уровень R_{П, в} сопротивления переключения (данная нагревающая величина выше величины второго переключения).

На фиг. 5(b) первое магнитное поле 42 не используют, и сопротивление R_МТП перехода остается на низком уровне R_{МТП, н} сопротивления перехода. Переключающий ток 31 пропускают при величине первого переключения, переключая сопротивление R_П переключения на его низкий уровень R_{П, н} сопротивления переключения. На фиг. 5(c) первый полевой ток 41 применяют со второй полярностью таким образом, что сопротивление R_МТП перехода изменяется на высокий уровень R_{МТП, в} сопротивления перехода. Переключающий ток 31 пропускают при нагревающей величине, нагревая магнитный туннельный переход 2 при высокотемпературном пороге и переключая сопротивление R_П переключения на его высокий уровень R_{П, в} сопротивления переключения.

ПРИМЕР 3

В еще одном варианте осуществления, представленном на фиг. 6, операция термической записи ячейки 1 МОЗУ содержит изменение сопротивления R_МТП перехода пропусканием переключающего тока 31 в магнитном туннельном переходе 2 при условии спиновой поляризации. Спин-поляризованный переключающий ток 31 индуцирует локальный спиновый момент на втором магнитном слое 23, регулируя его направление намагниченности согласно полярности спин-поляризованного тока. Спин-поляризованный ток необходимо пропускать при нагревающей величине таким образом, чтобы нагревать магнитный туннельный переход 2 при высокотемпературном пороге. В данном варианте осуществления предположено, что резистивный элемент 62 переключения имеет поведение биполярного переключения сопротивления и что нагревающая величина ниже, чем величина первого переключения.

Более конкретно, на этапе, представленном на фиг. 6(a), переключающий ток 31 пропускают при величине первого переключения таким образом, чтобы переключать сопротивление R_П переключения, например на низкий уровень R_{П, н} сопротивления переключения, в соответствии с полярностью переключающего тока 31. Величина первого переключения является, однако, слишком низкой, чтобы регулировать направление намагниченности второго магнитного слоя 23, и, следовательно, изменяет сопротивление R_МТП перехода.

На фиг. 6(b) величину спин-поляризованного переключающего тока 31 увеличивают до нагревающей величины таким образом, что направление намагниченности второго магнитного слоя 23 можно отрегулировать, например на низкий уровень R_{МТП, н} сопротивления перехода согласно полярности переключающего тока 31. Так как полярность переключающего тока 31 является такой же, как на этапе (a), то уровень сопротивления переключения у сопротивления R_П переключения остается неизменным. На этапе (c) спин-поляризованный переключающий ток 31 пропускают с изменением полярности по отношению к полярности на этапах (a) и (b) таким образом, чтобы переключать сопротивление R_П переключения на высокий уровень R_{П, в} сопротивления переключения. При величине переключающего тока 31, которая составляет величину первого переключения, сопротивление R_МТП перехода остается на низком уровне R_{МТП, н} сопротивления перехода. На этапе (d) величина спин-поляризованного переключающего тока 31 увеличивается до нагревающей величины таким образом, что сопротивлением R_МТП перехода можно отрегулировать высокий уровень R_{МТП, в} сопротивления перехода. Сопротивление R_П переключения остается на высоком уровне R_{П, в} сопротивления переключения.

Как проиллюстрировано тремя приведенными выше вариантами осуществления, по меньшей мере, четыре разных уровня сопротивления ячейки для сопротивления R_Я ячейки МОЗУ можно записать в ячейку 1 МОЗУ путем сочетания двух уровней сопротивления для сопротивления R_МТП перехода и сопротивления R_П переключения. Это достигается надлежащим изменением полярности первого полевого тока 41 и переключающего тока 31 и величины переключающего тока 31. Эта цель также достижима при надлежащем изменении полярности и величины переключающего тока, когда операцию записи осуществляют с использованием спин-поляризованного тока, и резистивный элемент 62 переключения имеет поведение биполярного переключения сопротивления. Эта цель также достижима надлежащим изменением только величины переключающего тока, когда операцию записи осуществляют с использованием спин-поляризованного тока, и резистивный элемент 62 переключения имеет поведение униполярного переключения сопротивления. Существует условие, что величина переключающего тока 31, при которой сопротивление R_П переключения переключается (первая и, возможно, вторая величины), отличается от величины, при которой можно изменить сопротивление R_МТП перехода (нагревающая величина).

Настоящее изобретение можно осуществлять в разнообразных модификациях и альтернативных формах, и конкретные варианты его осуществления представлены в виде примеров и чертежей и подробно описаны в настоящем документе. Следует понимать, однако, что настоящее изобретение не подлежит ограничению конкретными описанными формами или способами, но, напротив, настоящее изобретение считается распространяющимся на все модификации, эквиваленты и альтернативы.

Например ячейка 1 МОЗУ может содержать вторую линию 5 передачи тока, как показано в примере на фиг. 1. Второй полевой ток 51 можно затем пропускать по второй линии 5 передачи тока, производя второе магнитное поле 52. Направление намагниченности второго магнитного слоя 23 можно затем регулировать при совместном действии первого и второго магнитных полей 42, 52. В этой конфигурации намагниченность второго ферромагнитного слоя 23 можно регулировать в любых промежуточных направлениях путем надлежащего регулирования относительной интенсивности и, возможно, полярности первого и второго полевых токов 41, 51 вдоль перпендикулярных направлений первой и второй линий 4, 5 передачи тока. В качестве альтернативы, регулирование намагниченности второго ферромагнитного слоя 23 в любых промежуточных направлениях можно осуществить сочетанием магнитного поля, созданного в одной из линий 4, 5 спин-поляризованным током записи 33. С этим можно дополнительно сочетать одну из операций записи, описанных выше, что позволяет записывать более чем четыре уровня сопротивления ячейки в ячейку 1 МОЗУ. В качестве альтернативы, вторую линию 5 передачи тока можно расположить выше первой линии 4 передачи тока, например параллельно последней.

Ячейка 1 МОЗУ, описанная в настоящем документе, обеспечивает улучшенное поле считываемости по сравнению с традиционными ячейками МОЗУ, так как сопротивление R_МТП перехода у магнитного туннельного перехода 2 сочетается с сопротивлением R_П переключения резистивного элемента 62, 22 переключения. Уровни сопротивления ячейки для сопротивления R_Я ячейки МОЗУ, таким образом, превышают уровни, достигаемые в традиционных многоразрядных ячейках МОЗУ.

Согласно варианту осуществления, который не был представлен, запоминающее устройство содержит матрицу, содержащую множество ячеек 1 МОЗУ в соответствии с вариантами осуществления. Ячейки 1 МОЗУ можно соединять через одну или несколько первых линий 4 передачи тока. Запоминающее устройство может дополнительно содержать одну или несколько числовых шин, соединенных с затвором транзистора 3 выбора каждой из ячеек 1 МОЗУ, таким образом, чтобы управлять транзистором 3 выбора, обеспечивая селективное считывание или запись одной из ячеек 1 МОЗУ.

Условные числовые и буквенные обозначения

1 - ячейка МОЗУ

2 - магнитный туннельный переход

21 - первый ферромагнитный слой, опорный слой

22 - туннельный барьерный слой

23 - второй ферромагнитный слой, запоминающий слой

3 - транзистор выбора

31 - спин-поляризованный ток записи, переключающий ток

32 - ток считывания

4 - первая линия передачи тока

41 - первый полевой ток

42 - первое магнитное поле

5 - вторая линия передачи тока

51 - второй полевой ток 52 - второе магнитное поле

62 - резистивный элемент переключения

7 - шина

R_Я - сопротивление ячейки МОЗУ

R_П - сопротивление переключения

R_МТП - сопротивление перехода

Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (МОЗУ), содержит магнитный туннельный переход, содержащий туннельный барьерный слой между первым магнитным слоем, имеющим первое направление намагниченности, и вторым магнитным слоем, имеющим второе направление намагниченности, который является регулируемым от первого направления до второго направления таким образом, чтобы изменять сопротивление перехода магнитного туннельного перехода от первого до второго уровня сопротивления перехода. Указанный магнитный туннельный переход также содержит резистивный элемент переключения, электрически соединенный с магнитным туннельным переходом и имеющий сопротивление переключения, которое можно переключать от первого до второго уровня сопротивления переключения, когда переключающий ток проходит через резистивный элемент переключения. Сопротивление ячейки МОЗУ может иметь, по меньшей мере, четыре разных уровня сопротивления ячейки в зависимости от уровня сопротивления у сопротивления перехода и сопротивления переключения. Туннельный барьерный слой состоит из резистивного элемента переключения. Технический результат - улучшение считываемости для ячейки МОЗУ. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 прим.

1. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства (МОЗУ), содержащая: магнитный туннельный переход, содержащий туннельный барьерный слой между первым магнитным слоем, имеющим первое направление намагниченности, и вторым магнитным слоем, имеющим второе направление намагниченности, которое является регулируемым от первого направления до второго направления относительно первого направления намагниченности, таким образом, чтобы изменять сопротивление перехода магнитного туннельного перехода от первого до второго уровня сопротивления перехода;
причем упомянутый магнитный туннельный переход дополнительно содержит резистивный элемент переключения, электрически соединенный с магнитным туннельным переходом и имеющий сопротивление переключения, которое можно переключать от первого до второго уровня сопротивления переключения, когда переключающий ток проходит через резистивный элемент переключения, так что сопротивление ячейки МОЗУ может иметь, по меньшей мере, четыре разных уровня сопротивления ячейки в зависимости от уровня сопротивления перехода и сопротивления переключения, при этом туннельный барьерный слой состоит из резистивного элемента переключения.

2. Ячейка запоминающего устройства по п. 1, дополнительно содержащая первую линию передачи тока, электрически соединенную с одним концом магнитного туннельного перехода, и транзистор выбора, электрически соединенный с другим концом магнитного туннельного перехода; причем транзистор выбора может по выбору направлять переключающий ток в линии передачи тока в магнитный туннельный переход и резистивный элемент переключения.

3. Ячейка запоминающего устройства по п. 1, в которой резистивный элемент переключения находится в контакте с первым или вторым магнитным слоем.

4. Ячейка запоминающего устройства по п. 1, в которой упомянутый резистивный элемент переключения имеет сопротивление биполярного или униполярного переключения.

5. Ячейка запоминающего устройства по п. 1, в которой резистивный элемент переключения изготовлен из материала, выбранного из Al₂O₃, NiO, TiO₂, MgO или оксида типа перовскита.

6. Ячейка запоминающего устройства по п. 5, в которой оксидом типа перовскита является один из Pr₀,₇Са₀,₃MnO₃ или SrTiO₃.

7. Запоминающее устройство, содержащее множество ячеек МОЗУ, в котором каждая ячейка МОЗУ содержит магнитный туннельный переход, включающий в себя туннельный барьерный слой между первым магнитным слоем, имеющим первое направление намагниченности, и вторым магнитным слоем, имеющим вторую намагниченность, причем вторая намагниченность является регулируемой от первого направления до второго направления относительно первого направления намагниченности таким образом, чтобы изменять сопротивление перехода магнитного туннельного перехода от первого до второго уровня сопротивления перехода; причем упомянутый магнитный туннельный переход дополнительно содержит резистивный элемент переключения, электрически соединенный с магнитным туннельным переходом и имеющий сопротивление переключения, которое можно переключать от первого до второго уровня сопротивления переключения, когда переключающий ток проходит через резистивный элемент переключения, таким образом, что сопротивление ячейки МОЗУ может иметь, по меньшей мере, четыре разных уровня сопротивления в зависимости от уровня сопротивления у сопротивления перехода и сопротивления переключения, при этом туннельный барьерный слой состоит из резистивного элемента переключения.

8. Способ записи множественных битов данных в ячейку МОЗУ, содержащую магнитный туннельный переход, включающий в себя туннельный барьерный слой между первым магнитным слоем, имеющим первое направление намагниченности, и вторым магнитным слоем, имеющим вторую намагниченность, причем вторая намагниченность является регулируемой от первого направления до второго направления относительно первого направления намагниченности таким образом, чтобы изменять сопротивление перехода магнитного туннельного перехода от первого до второго уровня сопротивления перехода; причем упомянутый магнитный туннельный переход дополнительно содержит резистивный элемент переключения, электрически соединенный с магнитным туннельным переходом и имеющий сопротивление переключения, которое можно переключать от первого до второго уровня сопротивления переключения, когда переключающий ток проходит через резистивный элемент переключения, при этом туннельный барьерный слой состоит из резистивного элемента переключения, причем способ содержит:
нагревание магнитного туннельного перехода до высокотемпературного порога;
после достижения магнитным туннельным переходом высокотемпературного порога, регулирование второго направления намагниченности второго магнитного слоя для изменения сопротивления перехода от первого уровня сопротивления перехода до второго уровня сопротивления перехода; и
переключение сопротивления переключения от первого уровня сопротивления переключения до второго уровня сопротивления переключения пропусканием переключающего тока через резистивный элемент переключения таким образом, что сопротивление ячейки МОЗУ может иметь, по меньшей мере, четыре разных уровня сопротивления в зависимости от уровня сопротивления у сопротивления перехода и сопротивления переключения.

9. Способ по п. 8, в котором упомянутое нагревание магнитного туннельного перехода при высокотемпературном пороге содержит пропускание переключающего тока с нагревающей величиной в магнитном туннельном переходе.

10. Способ по п. 8, в котором упомянутый резистивный элемент переключения имеет сопротивление биполярного переключения и в котором упомянутое переключение сопротивления переключения содержит изменение полярности переключающего тока.

11. Способ по п. 8, в котором упомянутый резистивный элемент переключения имеет сопротивление униполярного переключения и в котором упомянутое переключение сопротивления переключения содержит пропускание переключающего тока, имеющего величину первого переключения, для переключения сопротивления переключения на первый уровень сопротивления переключения и пропускание переключающего тока, имеющего величину второго переключения, для переключения сопротивления переключения на второй уровень сопротивления переключения, причем величина второго переключения выше, чем величина первого переключения, и ниже, чем нагревающая величина.

12. Способ по п. 8, в котором упомянутое регулирование второго направления намагниченности содержит применение первого магнитного поля, причем второе направление намагниченности второго магнитного слоя регулируется соответственно первому магнитному полю.

13. Способ по п. 8, в котором упомянутое регулирование второго направления намагниченности второго магнитного слоя содержит пропускание переключающего тока в магнитном туннельном переходе, причем переключающий ток является спин-поляризованным.