МНОГОУРОВНЕВЫЙ МАГНИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2016 года по МПК G11C11/16 G11C11/56 

Область техники

Настоящее изобретение касается магнитного элемента, основанного на магнитном туннельном переходе и позволяющего записывать четыре разных уровня состояния и обеспечивать увеличенный срок службы.

Уровень техники

Разработка магнитных ячеек памяти с произвольным доступом (МRАМ) с магнитным туннельным переходом сделала возможным значительное увеличение производительности и рабочего режима этих МRАМ. Такие МRАМ ячейки описаны в патенте США № 5640343. Такие МRАМ ячейки обычно содержат магнитный туннельный переход, имеющий туннельный барьерный слой между первым ферромагнитным слоем и вторым ферромагнитным слоем. Магнитный туннельный переход электрически присоединяется на одном конце к первой линии тока и на другом конце к СМОS транзистору выбора. МRАМ ячейка может дополнительно содержать вторую линию тока, расположенную ортогонально к первой линии тока.

Во время операции записи МRАМ ячейки направление намагниченности первого магнитного слоя переключается, например, путем подачи внешнего магнитного поля. В термической (ТА) операции записи переключение направления намагниченности первого магнитного слоя выполняется, когда магнитный туннельный переход нагревается до или выше критической температуры. Магнитный туннельный переход затем охлаждается ниже критической температуры, где первый магнитный слой "замораживается" в записанном направлении.

Во время операции чтения направление намагниченности второго ферромагнитного слоя можно сравнивать с записанным направлением намагниченности первого ферромагнитного слоя. Это обычно выполняют путем пропускания тока чтения через магнитный туннельный переход так, чтобы измерить сопротивление магнитного туннельного перехода. Низкое измеренное сопротивление перехода (или состояние уровня "0") соответствует направлению намагниченности второго ферромагнитного слоя, ориентированному параллельно направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя. Высокое измеренное сопротивление перехода (или состояние уровня "1") соответствует направлению намагниченности второго ферромагнитного слоя, ориентированному антипараллельно направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя. Различие между величиной высокого и низкого сопротивления перехода или туннельное магнитосопротивление зависит от материала, образующего ферромагнитные слои, и, возможно, тепловой обработки, выполненной над этими ферромагнитными слоями.

Также были предложены МRАМ ячейки с операцией многоуровневой записи состояния, позволяющие записывать больше чем два состояния уровня "0" и "1", как описано выше. Такие МRАМ ячейки с операцией многоуровневой записи состояния описаны в патенте США №6950335. Здесь намагниченность второго ферромагнитного слоя, или запоминающего слоя, может быть ориентирована в любом промежуточном направлении между направлением параллельно и направлением антипараллельно направлению намагниченности первого магнитного слоя или опорного слоя. Ориентирование намагниченности запоминающего слоя в промежуточных направлениях может быть достигнуто путем генерации магнитных полей с соответствующей относительной интенсивностью вдоль перпендикулярных направлений первой и второй линий тока. Однако такие многоуровневые МRАМ ячейки требуют по меньшей мере две линии тока, увеличивая сложность ячейки.

Краткая сущность изобретения

Настоящее изобретение касается магнитного элемента, содержащего мягкий ферромагнитный слой, расположенный между первым туннельным барьерным слоем и вторым туннельным барьерным слоем, первый запоминающий слой и второй запоминающий слой.

Настоящее изобретение дополнительно касается многоуровневого магнитного элемента, содержащего первый туннельный барьерный слой между мягким ферромагнитным слоем с намагниченностью, которая может быть свободно выстроена, и первым твердым ферромагнитным слоем, имеющим фиксированную намагниченность; где магнитный элемент дополнительно содержит второй туннельный барьерный слой, так что мягкий ферромагнитный слой находится между первым и вторым туннельными барьерными слоями, и второй твердый ферромагнитный слой, имеющий фиксированную намагниченность и прилежащий ко второму туннельному барьерному слою.

В одном варианте осуществления первый и второй твердые ферромагнитные слои имеют намагниченность, которая может быть свободно выстроена при первом заданном высоком температурном пороге и при втором заданном высоком температурном пороге соответственно, так что, когда во время операции записи упомянутый магнитный элемент нагревается до первого заданного высокого температурного порога, и намагниченность первого запоминающего слоя выстраивается в первом направлении; и упомянутый магнитный элемент охлаждается до второго заданного высокого температурного порога, и намагниченность второго запоминающего слоя выстраивается во втором направлении, так что до четырех разных уровней состояния могут быть записаны в магнитном элементе.

В другом варианте осуществления упомянутый мягкий ферромагнитный слой имеет толщину, составляющую от 1 нм до 10 нм.

Настоящее изобретение также касается способа записи магнитного элемента, содержащего:

нагрев упомянутого магнитного элемента до первого заданного высокого температурного порога так, чтобы освободить намагниченность первого запоминающего слоя;

приложение первого записывающего магнитного поля так, чтобы выстроить намагниченность первого запоминающего слоя соответственно первому магнитному полю;

охлаждение упомянутого магнитного элемента при сохранении первого магнитного поля до второго заданного высокого температурного порога так, чтобы заморозить намагниченность запоминающего слоя в ее выстроенном состоянии и освободить намагниченность второго запоминающего слоя;

приложение второго записывающего магнитного поля так, чтобы выстроить намагниченность второго запоминающего слоя соответственно второму магнитному полю; и

охлаждение упомянутого магнитного элемента при сохранении второго магнитного поля до первого заданного низкого температурного порога так, чтобы заморозить намагниченность второго запоминающего слоя в ее выстроенном состоянии.

Магнитный элемент, предложенный здесь, позволяет запись четырех разных уровней при использовании только одной линии тока. Кроме того, магнитный элемент, содержащий первый и второй туннельные барьерные слои, позволяет снизить ток нагрева, требуемый для нагрева магнитного элемента, что приводит к увеличенному сроку службы магнитного элемента.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет лучше понято с помощью описания варианта осуществления, данного в качестве примера и иллюстрированного чертежами, где:

фиг.1 показывает магнитный элемент согласно варианту осуществления;

фиг.2 изображает частичный вид магнитного элемента на фиг.1, показывая выстраивание намагниченности соответственно варианту осуществления; и

фиг.3 представляет конфигурацию, содержащую магнитный элемент и первую линию тока согласно одному варианту осуществления.

Подробное описание возможных вариантов осуществления

Пакет или магнитный элемент 2 схематично представлен на фиг.1 согласно варианту осуществления. Магнитный элемент 2 включает в себя часть с первым магнитным туннельным переходом, содержащую первый туннельный барьерный слой 22, имеющий произведение сопротивление первого перехода-площадь RА₁, первый твердый ферромагнитный слой или первый запоминающий слой 21 и первый антиферромагнитный слой 20. Магнитный элемент 2 дополнительно включает в себя часть со вторым магнитным туннельным переходом, содержащую второй туннельный барьерный слой 24, имеющий произведение сопротивление второго перехода-площадь RА₂, второй твердый ферромагнитный слой или второй запоминающий слой 25 и второй антиферромагнитный слой 26.

Первый и второй запоминающие слои 21, 25 обычно представляют собой ферромагнитные слои, находящиеся в обменной связи с первым и вторым антиферромагнитными слоями 20, 26 соответственно, чтобы обеспечить анизотропию обменного взаимодействия, что позволяет запоминающим слоям 21, 25 сохранять их намагниченность, когда антиферромагнитные слои 20, 26 или магнитный элемент 2 находятся при первом заданном низком температурном пороге Тw3, и освобождать их намагниченность, когда антиферромагнитные слои 20, 26 или магнитный элемент 2 находятся при первом заданном высоком температурном пороге Тw1. Магнитный элемент 2 дополнительно содержит мягкий ферромагнитный слой или чувствительный слой 23, имеющий намагниченность, которая может свободно выстраиваться, и расположенный между первым и вторым туннельными барьерными слоями 22, 24. Структуру магнитного элемента 2 с двумя магнитными туннельными переходами также называют двойным магнитным туннельным переходом.

В первом варианте осуществления величина произведения сопротивление первого перехода-площадь RА₁ первого туннельного барьерного слоя 22, по существу, такая же, как величина произведения сопротивление второго перехода-площадь RА₂ второго туннельного барьерного слоя 24. Кроме того, две части с магнитными туннельными переходами имеют одинаковое туннельное магнитосопротивление ТМR, и первый и второй антиферромагнитные слои 20, 26 имеют одинаковый первый заданный высокий температурный порог Tw1. В настоящем варианте осуществления намагниченность первого запоминающего слоя 21 обменно подмагничивается (или фиксируется) с помощью первого антиферромагнитного слоя 20 при первом низком температурном пороге Tw3 и способна свободно выстраиваться при первом высоком температурном пороге Tw1. Намагниченность второго запоминающего слоя 25 обменно подмагничивается (или фиксируется) с помощью второго антиферромагнитного слоя 26 при первом низком температурном пороге Tw3 и может быть способна свободно выстраиваться при втором высоком температурном пороге Tw2, где второй высокий температурный порог Tw2, по существу, равняется первому высокому температурному порогу Tw1.

Здесь термическая (ТА) операция записи может содержать (смотри фиг.3):

нагрев магнитного элемента 2 до первого заданного высокого температурного порога Tw1 так, чтобы освободить намагниченность запоминающих слоев 21, 25;

приложение первого записывающего магнитного поля 42 так, чтобы выстроить намагниченность первого и второго запоминающих слоев 21, 25 соответственно первому записывающему магнитному полю 42; и

охлаждение магнитного элемента 2 при сохранении первого записывающего магнитного поля 42 до того, как магнитный элемент 2 достигает первого заданного низкого температурного порога Tw3, чтобы заморозить намагниченность запоминающих слоев 21, 25 в их выстроенном состоянии.

Нагрев магнитного элемента 2 обычно выполняют путем подачи тока 31 нагрева в первой линии 4 тока, в электрическом сообщении с магнитным элементом 2, на магнитный элемент 2, возможно через упомянутый переключающий транзистор (не показан). Приложение первого записывающего магнитного поля 42 может быть выполнено путем пропускания тока 41 первого поля в первой линии 4 тока, как показано на фиг.3. Фиг.3 представляет примерную конфигурацию, содержащую магнитный элемент 2 и первую линию 4 тока для пропускания тока 31 нагрева и для пропускания первого записывающего тока 41, генерирующего первое записывающее магнитное поле 42. Другие конфигурации также возможны. Например, первый записывающий ток 41 может проходить во второй линии тока (не показана).

Операция чтения может содержать:

приложение первого считывающего магнитного поля 53 так, чтобы выстроить намагниченность чувствительного слоя 23 в первом выстроенном направлении соответственно первому считывающему магнитному полю 53;

измерение первого сопротивления R₁ магнитного элемента 2;

приложение второго считывающего магнитного поля 54 так, чтобы выстроить намагниченность чувствительного слоя 23 во втором выстроенном направлении соответственно второму считывающему магнитному полю 54;

измерение второго сопротивления R₂ магнитного элемента 2; и

определение разницы ΔR между величиной R₁ первого сопротивления и величиной R₂ второго сопротивления.

Приложение первого и второго считывающих магнитных полей 53, 54 может быть выполнено путем пропускания, соответственно, тока 51, 52 первого и второго считывающего поля в первой линии 4 тока (смотри фиг.3). Альтернативно, первое и второе считывающее магнитное поле 53, 54 может быть приложено путем пропускания тока 51, 52 первого и второго считывающего поля во второй линии тока соответственно. Измерение первого и второго сопротивления R₁, R₂ может быть выполнено путем пропускания тока 32 считывания в первой линии 4 тока на магнитный элемент 2. Самовызывающая операция чтения, описанная здесь, предложена в еще не опубликованной патентной заявке США №12/832472.

Преимущество магнитного элемента 2 согласно этому варианту осуществления состоит в том, что два туннельных барьерных слоя 22, 24 совместно используют требуемую энергию для нагрева двух антиферромагнитных слоев 20, 26 до первого заданного высокого температурного порога Тw1. Это позволяет снизить ток нагрева, требуемый для нагрева магнитного элемента 2 или антиферромагнитных слоев 20, 26 при первом заданном высоком температурном пороге Тw1, или снизить соответствующее требуемое напряжение через каждый из первого и второго туннельных барьерных слоев 22, 24 на коэффициент, по существу, √2 для такой же мощности по сравнению с обычным пакетом, содержащим только один магнитный туннельный переход. Кроме того, нет потери поля считываемости по сравнению с обычным пакетом с одним магнитным туннельным переходом с дополнительным (не магнитным) нагревающим элементом. Расположение второго туннельного барьерного слоя 24 вблизи (очень близко) первого туннельного барьерного слоя 22 гарантирует, что качество поверхности второго туннельного барьерного слоя 24 будет очень близко к качеству поверхности первого туннельного барьерного слоя 22, тем самым добавляясь к общему качеству магнитного элемента 2.

Во втором варианте осуществления первый и второй туннельные барьерные слои 22, 24 имеют разные величины произведения сопротивления первого и второго перехода-площадь RA₁, RA₂, и два магнитных туннельных перехода, возможно, имеют разные величины туннельного магнитосопротивления (TMR). Здесь первый антиферромагнитный слой 20 имеет первый заданный высокий температурный порог Tw1, а второй антиферромагнитный слой 26 имеет второй заданный высокий температурный порог Tw2.

В этой конфигурации четыре разных уровня могут быть записаны в магнитном элементе 2 и считываться с использованием операции чтения, описанной выше, как показано в таблице 1. Если предположить, что первый заданный высокий температурный порог Tw1 первого антиферромагнитного слоя 20 выше, чем второй заданный высокий температурный порог Tw2 второго антиферромагнитного слоя 24, тогда при Tw2 намагниченность первого запоминающего слоя 21 заморожена, а намагниченность второго запоминающего слоя 25 может свободно выстраиваться. Тогда операция записи может содержать:

нагрев первого антиферромагнитного слоя 20 до первого заданного высокого температурного порога Tw1 так, чтобы освободить намагниченность первого запоминающего слоя 21;

приложение первого записывающего магнитного поля 42 так, чтобы выстроить намагниченность первого запоминающего слоя 21 соответственно первому записывающему магнитному полю 42;

охлаждение первого антиферромагнитного слоя 20 при сохранении первого записывающего магнитного поля 42 до того, как слой 20 достигнет второго заданного высокого температурного порога Tw2, чтобы заморозить намагниченность запоминающего слоя 21 в его выстроенном состоянии и освободить намагниченность второго запоминающего слоя 25;

приложение второго записывающего магнитного поля 44 так, чтобы выстроить намагниченность второго запоминающего слоя, 25 соответственно второму магнитному полю 44; и

охлаждение второго антиферромагнитного слоя 26 при сохранении второго магнитного поля 44 до того, как слой 26 достигнет первого заданного низкого температурного порога Tw3, чтобы заморозить намагниченность второго запоминающего слоя 25 в его выстроенном состоянии.

Первое записывающее магнитное поле 42 может быть ориентировано в направлении, противоположном направлению второго записывающего магнитного поля 44, так что намагниченность первого запоминающего слоя 21 выстраивается в направлении, противоположном намагниченности второго запоминающего слоя 25. В этом случае операция записи, описанная выше, может быть использована для записи четырех разных уровней состояния в магнитном элементе 2. Приложение второго записывающего магнитного поля 44 можно выполнять путем пропускания тока 43 второго поля в первой линии 4 тока (фиг.3) или во второй линии тока.

  состояние 1 состояние 2 состояние 3 состояние 4 R при напр. влево ← Rmax1+Rmax2 Rmax1+Rmin2 Rmin1+Rmax2 Rmin1+Rmin2 R при напр. вправо → Rmin1+Rmin2 Rmin1+Rmax2 Rmax1+Rmin2 Rmax1+Rmax2 Последовательность записи Нагрев около Tw1 и Tw2 c Н → затем охлаждение с Н → Нагрев около Tw1 и Tw2 c Н → и охлаждение до Tw1>T>Tw2
обращение Н ← и полное охлаждение Нагрев около Tw1 и Tw2 c Н ← и охлаждение до Tw1>T>Tw2
обращение Н → и полное охлаждение Нагрев около Tw1 и Tw2 c Н ← и затем охлаждение с Н ← Таблица 1

Таблица 1 резюмирует операцию записи согласно варианту осуществления, где существуют четыре различных уровня состояния в магнитном элементе 2. На фиг.2 соответствующее выстраивание намагниченности запоминающих слоев 21, 25 и чувствительного слоя 23 обозначено стрелками. Фиг.2 изображает частичный вид магнитного элемента на фиг.1, показывающий два запоминающих слоя 21, 25, два туннельных барьерных слоя 22, 24 и чувствительный слой 23.

Более конкретно, в уровне состояния "состояние 1" (фиг.2(а)) ориентация первого и второго записывающих магнитных полей является одинаковой, и направление выстраивания намагниченности первого запоминающего слоя 21 идентично направлению выстраивания намагниченности второго запоминающего слоя 25. Во время операции чтения первое считывающее магнитное поле, ориентированное в том же направлении, как направление выстраивания намагниченности первого и второго запоминающих слоев 21, 25, дает большие измеренные величины (Rmax₁+Rmax₂) первого и второго сопротивления. Второе считывающее магнитное поле дает маленькие измеренные величины (Rmax₁+Rmax₂) первого и второго сопротивления.

В уровнях состояния "состояние 2" и "состояние 3" (фиг.2(b) и (с)) ориентация первого записывающего магнитного поля противоположна ориентации второго записывающего магнитного поля. В примере таблицы 1 и фиг.2 намагниченность первого и второго запоминающих слоев 21, 25 выстраивается так, что величины (R_max1+R_min2) и (R_min1+R_max2) измеренного первого и второго сопротивления для уровня состояния "состояние 2" иные, чем величины (R_min1+R_max2) и (R_max1+R_min2) измеренного первого и второго сопротивления для уровня состояния "состояние 3".

В уровне состояния "состояние 4" (фиг.2(d)) ориентация первого записывающего магнитного поля противоположна, идентична, но противоположна, ориентации, использованной в уровне состояния "состояние 1", и намагниченность первого и второго запоминающих слоев 21, 25 выстраивается так, что величины (R_min1+R_min2) измеренного первого и второго сопротивления при наложении первого считывающего магнитного поля являются маленькими, а величины (R_max1+R_max2) измеренного первого и второго сопротивления при наложении первого считывающего магнитного поля являются большими.

Эти четыре уровня состояния позволяют кодировать два бита на ячейку (или на магнитный элемент 2) при использовании единственной линии тока. Кроме того, магнитный элемент 2 имеет увеличенный срок службы благодаря расположению двойного магнитного туннельного перехода, как описано выше.

В одном варианте осуществления первый антиферромагнитный слой 20 может быть выполнен из IrMn, первый запоминающий слой 21 может быть сделан из NiFе₂/СоFеВ₂, первый туннельный барьерный слой 22 может быть выполнен из MgO с произведением сопротивление первого перехода-площадь (RА₁) около 20, и чувствительный слой 23 может быть выполнен из СоFеВ₂. Чувствительный слой 23 может иметь толщину, составляющую от 1 нм до 10 нм. Второй туннельный барьерный слой 24 может быть выполнен из MgO с произведением сопротивление первого перехода-площадь (RА₂) около 40, а второй запоминающий слой 25 может быть выполнен из NiFе₂/СоFеВ₂, и второй антиферромагнитный слой 26 из FeMn. Использование MgO для формирования туннельных барьерных слоев 22, 24 с MgO может преимущественно давать очень плоские туннельные барьерные слои 22, 24. Это дает желаемое качество для высокопроизводительных магнитных туннельных переходов, используемых в ТАS-МRАМ применениях.

Таблица 2 представляет величины уровня сопротивления, определенные в случае магнитного элемента 2, имеющего диаметр приблизительно 0,15 мкм, и со слоями 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, имеющими описанный выше состав.

Уровень состояния Первое сопротивление, намагниченность чувствительного слоя влево Второе сопротивление, намагниченность чувствительного слоя вправо Разница между первым и вторым сопротивлениями Состояние 1 7922 3395 4527 Состояние 2 5093 6791 -1698 Состояние 3 6791 5093 1698 Состояние 4 3395 7922 -4527 Таблица 2

Возможны многие альтернативные варианты осуществления, включая использование частично компенсированного SАF опорного/чувствительного слоя (слой между двумя туннельными барьерами 22, 24).

В другом варианте осуществления два ферромагнитных запоминающих слоя 21, 25 имеют разные магнитные моменты. Это дает хорошо определенную ориентацию для чувствительного слоя 23 в отсутствие записывающего магнитного поля 42, 44.

При этом операция чтения может содержать измерение первого сопротивления R₁ магнитного элемента 2 без приложения первого считывающего магнитного поля 53 (или приложение первого считывающего магнитного поля 53 с нулевой величиной поля) с последующим измерением второго сопротивления R₂ магнитного элемента 2 при приложении второго считывающего магнитного поля 54, имеющего единственное направление магнитного поля.

Четыре уровня состояния могут определяться путем измерения исходной величины сопротивления и изменения сопротивления, как представлено в таблице 3. Это позволяет снизить время операции чтения и расход энергии на выполнение операции чтения. Таблица 3 описывает последовательность чтения и записи согласно этому варианту осуществления.

  состояние 1 состояние 2 состояние 3 состояние 4 R при Н = 0 Rmax1+Rmax2 Rmin1+Rmax2 Rmin1+Rmax2 Rmax1+Rmax2 R при напр. вправо → Rmin1+Rmin2 Rmin1+Rmax2 Rmax1+Rmin2 Rmax1+Rmax2 Последовательность записи Нагрев около Tw1 и Tw2 c Н → затем охлаждение с Н → Нагрев около Tw1 и Tw2 c Н → и охлаждение до Tw1>T>Tw2
обращение Н ← и полное охлаждение Нагрев около Tw1 и Tw2 c Н ← и охлаждение до Tw1>T>Tw2
обращение Н → и полное охлаждение Нагрев около Tw1 и Tw2 c Н ← и затем охлаждение с Н ← Таблица 3

Таблица 4 представляет величины уровня сопротивления для пакета, имеющего диаметр приблизительно 0,15 мкм, и разные слои, имеющие составы, описанные выше.

В другом варианте осуществления операция чтения может содержать измерение сопротивления магнитного элемента 2 при приложении считывающего магнитного поля, имеющего единственное направление магнитного поля, с последующим измерением сопротивления магнитного элемента 2 без приложения считывающего магнитного поля.

Уровень состояния Первое сопротивление, без приложения магнитного поля (Н=0) Второе сопротивление, приложение магнитного поля Разница между первым и вторым сопротивлениями Состояние 1 7922 3395 4527 Состояние 2 6791 6791 0 Состояние 3 6791 5093 1698 Состояние 4 7922 7922 0 Таблица 4

Конфигурация магнитного элемента 2 согласно данным вариантам осуществления является преимущественной по сравнению с обычными пакетами ТАS-МRАМ. В действительности конфигурация с двойным магнитным туннельным переходом, описанная здесь, содержащая два туннельных барьерных слоя 22, 24, разделенных тонким ферромагнитным чувствительным слоем 23, позволяет формировать два туннельных барьерных слоя 22, 24 с высоким качеством.

Магнитный элемент 2 с двойным магнитным туннельным переходом снижает перепад напряжений на каждом туннельном барьерном слое 22, 24 во время операции записи (полное напряжение, совместно используемое между двумя туннельными барьерными слоями 22, 24). Использование двух разных антиферромагнитных слоев 20, 26, каждый из которых имеет другой заданный высокий температурный порог Tw1, Tw2 и каждый из которых связан с первым и вторым запоминающим слоем 21, 25, позволяет иметь до четырех разных уровней состояния сопротивления на ячейку (или магнитный элемент 2), увеличивая, таким образом, емкость запоминающего устройства от 1 бит/ячейка до 2 бит/ячейка. Заметим, что магнитный элемент 2, описанный здесь, отличается от двойного МТJ для ТАS-МRАМ, описанного в публикации J. Appl. Phys. 99 08N901 (2006).

ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ И СИМВОЛЫ

2 магнитный элемент, пакет

20 первый антиферромагнитный слой

21 первый запоминающий слой

22 первый туннельный барьерный слой

23 опорный или чувствительный слой

24 второй туннельный барьер

25 второй запоминающий слой

26 второй антиферромагнитный слой

31 ток нагрева

32 ток считывания

4 первая линия тока

41 ток первого поля

42 первое записывающее магнитное поле

43 второе записывающее магнитное поле

44 второе записывающее магнитное поле

51 ток первого считывающего поля

52 ток второго считывающего поля

53 первое считывающее магнитное поле

54 второе считывающее магнитное поле

RА₁ произведение сопротивление первого перехода-площадь

RА₂ произведение сопротивление второго перехода-площадь

R₁ первое сопротивление

R₂ второе сопротивление

ΔR разница между первым и вторым сопротивлениями

ТМR туннельное магнитосопротивление

Tw1 первый высокий температурный порог

Tw2 второй высокий температурный порог

Tw3 первый низкий температурный порог

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в увеличении срока службы магнитного элемента за счет снижения тока нагрева, требуемого для нагрева магнитного элемента. Многоуровневый магнитный элемент содержит первый туннельный барьерный слой между чувствительным слоем, имеющим намагниченность, которая может быть свободно выстроена, и первым запоминающим слоем, имеющим намагниченность, которая фиксируется при первом низком температурном пороге и способна свободно выстраиваться при первом высоком температурном пороге, причем магнитный элемент дополнительно содержит второй туннельный барьерный слой и второй запоминающий слой, имеющий намагниченность, которая фиксируется при первом низком температурном пороге и способна свободно выстраиваться при втором высоком температурном пороге; причем чувствительный слой образован между первым и вторым туннельными барьерными слоями. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 табл.

1. Многоуровневый магнитный элемент (2), содержащий первый туннельный барьерный слой (22) между чувствительным слоем (23), имеющим намагниченность, которая может быть свободно выстроена, и первым запоминающим слоем (21), имеющим намагниченность, которая фиксируется при первом низком температурном пороге (Tw3) и способна свободно выстраиваться при первом высоком температурном пороге (Tw1); отличающийся тем, что
магнитный элемент (2) дополнительно содержит второй туннельный барьерный слой (24) и второй запоминающий слой (25), имеющий намагниченность, которая фиксируется при первом низком температурном пороге (Tw3) и способна свободно выстраиваться при втором высоком температурном пороге (Tw2); причем чувствительный слой (23) образован между первым и вторым туннельными барьерными слоями (22, 24).

2. Магнитный элемент (2) по п. 1, в котором первый высокий температурный порог (Tw1) первого антиферромагнитного слоя (20), по существу, равен второму высокому температурному порогу (Tw2) второго антиферромагнитного слоя (26).

3. Магнитный элемент (2) по п. 1, в котором
первый туннельный барьерный слой (22) имеет произведение сопротивление первого перехода-площадь (RA₁), которое, по существу, равно произведению сопротивление второго перехода-площадь (RA₂) второго туннельного барьерного слоя (24).

4. Магнитный элемент (2) по п. 1, в котором первый высокий температурный порог (Tw1) первого антиферромагнитного слоя (20) выше, чем второй высокий температурный порог (Tw2) второго антиферромагнитного слоя (26).

5. Магнитный элемент (2) по п. 1, в котором первый запоминающий слой (21) и второй запоминающий слой (25) имеют разные магнитные моменты.

6. Магнитный элемент (2) по п. 1, в котором
упомянутый чувствительный слой (23) имеет толщину, составляющую от 1 нм до 10 нм.

7. Способ записи в магнитный элемент (2), охарактеризованный по любому одному из пп. 1-6, содержащий этапы, на которых:
нагревают упомянутый магнитный элемент (2) до первого высокого температурного порога (Tw1);
прикладывают первое записывающее магнитное поле так, чтобы выстроить намагниченность первого запоминающего слоя (21) и намагниченность второго запоминающего слоя (25) соответственно первому магнитному полю; и
охлаждают упомянутый магнитный элемент (2) до первого низкого температурного порога (Tw3) так, чтобы заморозить намагниченность первого и второго запоминающих слоев (21, 25) в их выстроенном состоянии.

8. Способ по п. 7, в котором
первый высокий температурный порог (Tw1) выше, чем второй высокий температурный порог (Tw2); при этом упомянутый способ дополнительно содержит этапы, на которых:
охлаждают упомянутый магнитный элемент (2) до второго высокого температурного порога (Tw2); и
прикладывают второе записывающее магнитное поле так, чтобы выстроить намагниченность второго запоминающего слоя (25) соответственно второму магнитному полю; так что до четырех разных уровней состояния могут быть записаны в магнитном элементе (2).

9. Способ по п. 8, в котором:
первое записывающее магнитное поле ориентируют в направлении, противоположном направлению второго записывающего магнитного поля, так что намагниченность первого запоминающего слоя (21) выстраивается в направлении, противоположном намагниченности второго запоминающего слоя (25).

10. Способ по п. 8, в котором
первое записывающее магнитное поле ориентируют в том же направлении, что и направление второго записывающего магнитного поля, так что намагниченность первого запоминающего слоя (21) выстраивается в том же направлении, что и направление намагниченности второго запоминающего слоя (25).

11. Способ считывания магнитного элемента (2), охарактеризованного по любому одному из пп. 1-4, содержащий этапы, на которых:
прикладывают первое считывающее магнитное поле (53) так, чтобы выстроить намагниченность чувствительного слоя (23) в первом выстроенном направлении соответственно первому считывающему магнитному полю (53);
измеряют первое сопротивление (R₁) магнитного элемента (2);
прикладывают второе считывающее магнитное поле (54) так, чтобы выстроить намагниченность чувствительного слоя (23) во втором выстроенном направлении соответственно второму считывающему магнитному полю (54); и
измеряют второе сопротивление (R₂) магнитного элемента (2).

12. Способ по п. 11, в котором
первый запоминающий слой (21) и второй запоминающий слой (25) имеют разные магнитные моменты; и в котором первое считывающее магнитное поле (53) прикладывают с нулевой величиной поля.