ЗАПИСЫВАЕМЫЙ МАГНИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2016 года по МПК G11C11/00 

Настоящее изобретение предлагает записываемый магнитный элемент токоиндуцируемого обратимого типа.

Намагниченность слоя или небольшого магнитного элемента является, как правило, обратимой с помощью приложенного магнитного поля. Направление поля изменяют в зависимости от того, требуется ли повернуть намагниченность в одном направлении или в другом. Запись на магнитные дорожки или на жесткие диски компьютера основана на этом принципе: элемент для изменения направления на противоположное размещают механически вблизи генератора магнитного поля с тем, чтобы локализовать поле по трем измерениям. Такая структура магнитного поля, которая в действительности не является локализованной по трем измерениям, создает многочисленные трудности для интегрирования магнитных полей в устройствах. Таким образом, если невозможно или нежелательно механическое воздействие, например, для твердотельных магнитных запоминающих устройств, известных как магниторезистивная оперативная память (MRAM), или для логических устройств, то необходимо в достаточном объеме сфокусировать магнитное поле для того, чтобы оно действовало только на заданную ячейку, без воздействия на ее соседей. Эта проблема становится все более серьезной, когда различные ячейки памяти или логические ячейки располагают очень близко одна к другой с тем, чтобы повысить их плотность.

Возможность манипулирования намагниченностью с помощью спинполяризованного тока, которая была изначально продемонстрирована теоретически в 1996, предоставила первое решение данной проблемы. С целью манипулирования намагниченностью в точке памяти этот физический принцип, называемый переносом спинового момента (STT), требует наличия по меньшей мере двух магнитных слоев, разделенных немагнитным металлом (для структуры типа спинового вентиля) или изолятором (для структуры типа магнитного туннельного перехода), причем два слоя, обладающие намагниченностями, не являются коллинеарными. Подробное физическое разъяснение отличается в зависимости от того, является ли привлеченная структура спиновым вентилем или магнитным туннельным переходом, но в общих чертах ток становится спинполяризованным при прохождении через первый магнитный слой и затем вызывает вращающий момент при намагничивании второго слоя посредством неколлинеарного компонента поляризации тока. Если плотности тока достаточно высокие, то намагниченность второго магнитного слоя может быть обратимой как в спиновых вентилях, так и в магнитных туннельных переходах.

Например, как описано в патенте США номер 7009877, опубликованном 7 марта 2006 г., и в заявке на патент США номер 2009/129143, опубликованной 21 мая 2009 г., электрический ток записи обязательно проходит через переход перпендикулярно плоскости слоев.

Такая возможность локально манипулировать намагниченностью магнитного элемента субмикронного размера с помощью электрического тока сразу же открывает возможности для применений. В настоящее время производственники пытаются ввести этот принцип в современные архитектуры для ячеек магниторезистивной оперативной памяти (MRAM) и логических элементов.

В настоящее время такое объединение сталкивается с различными трудностями, которые, по-видимому, являются взаимосвязанными.

Обратимость путем STT требует наличия в точке памяти по меньшей мере двух магнитных слоев, которые разделены немагнитной прокладкой. Как описано выше, запись выполняют введением тока высокой плотности через весь пакет перпендикулярно плоскости магнитных слоев. Считывание выполняют с помощью магнитосопротивления пакета: гигантского магнитосопротивления (GMR) для спиновых вентилей и туннельного магнитосопротивления (TMR) для магнитных туннельных переходов. В настоящее время все или почти все применения основаны на использовании магнитных туннельных переходов. При этом в то время как GMR сигнал составляет только несколько процентов, TMR сигнал от переходов на основе MgO составляет обычно более 100%. Тем не менее, туннельные переходы имеют недостаток из-за наличия больших значений для произведения сопротивления, умноженного на площадь (RA). Таким образом, для типичной плотности тока 10⁷ Ампер на квадратный сантиметр (А/см²), необходимой для обратимости STT, напряжение на краях перехода составляет 10 Вольт (В) для RA 100 Ом-квадратный микрометр (Ω.мкм²), 1 В для RA 10 Ω.мкм² и 0,1 В для RA 1 Ω.мкм². Исключая наименьшее значение, энергия, рассеянная в таком переходе, является в этом случае большой, что является пагубным как относительно затрат энергии, так и относительно повреждения упомянутого перехода. Кроме того, большие значения TMR, которые пригодны при считывании, получают часто с помощью пакетов, которые предоставляют большие величины RA. Вот почему настоящее исследование стремится получить туннельные переходы, которые обладают высокими значениями TMR и маленькими значениями RA. Кроме того, даже для небольших величин напряжения на краях перехода при эксплуатации наблюдали явление ускоренного старения перехода, которое происходит из-за цикла изменения напряжения. В настоящее время многочисленные исследования посвящены этой проблеме как для оптимизации материалов в существующей конфигурации, так и для определения новых конфигураций, которые предоставляют возможность, насколько это возможно, разъединить проблемы записи и считывания, используя, например, конфигурации с тремя выводами.

Подводя итог, трудность заключается в невозможности независимо оптимизировать считывание и запись, поскольку в известных STT устройствах эти два явления, в сущности, взаимосвязаны.

Трудность, которая вытекает из вышесказанного, состоит в том, что запись нуждается в таком токе, который должен проходить через пакет при очень высокой плотности, как указано выше.

Еще одна трудность, которая в этой связи является неотъемлемой, происходит из-за все более значительной сложности пакетов. Таким образом, если требуется, чтобы действие STT ощущалось только в слое, который должен изменять направление на противоположное, чтобы сохранить намагниченность, то необходимо стабилизировать другие слои, например, слои обменного взаимодействия с антиферромагнитным материалом: если требуется увеличить величину STT переноса, то необходимо оптимизировать поляризующие слои; если требуется уменьшить магнитные поля, излучаемые на чувствительные слои, то необходимо использовать, например, искусственные антиферромагнитные бислои и т.д.

В результате типичные магнитные пакеты ячеек MRAM или логических компонентов могут иметь более чем десять или 15 различных слоев из разных материалов. Это в дальнейшем увеличивает трудности во время стадий структурирования, а в частности, во время стадии травления, которая является одной из важных блокирующих точек для объединения таких магнитных пакетов.

Другим направлением исследования является манипулирование намагниченностью посредством локального электрического поля. Это можно частично выполнить изменением анизотропии материала с помощью внешнего электрического поля при обращении намагниченности с помощью приложенного магнитного поля. Одну такую технологию описывают в статье T. Maruyama и другие, озаглавленной Large voltage-induced magnetic anisotropy charge in a few atomic layers of iron (Большое изменение магнитной анизотропии, вызванное напряжением, в нескольких атомных слоях железа) (Nature Nanotechnology, т. 4, март 2009 - Macmillan Publishers Ltd.).

В настоящее время такая технология дает возможность только уменьшить магнитную анизотропию материала. Тогда процессы записи и считывания являются такими же, как описано выше, и они могут иметь те же недостатки.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить магнитный записываемый элемент, который для того, чтобы менять направление намагниченности, требует только наличия магнитного слоя (обладающего намагниченностью, перпендикулярной его плоскости) и который функционирует без пакета, необходимого чтобы пропустить ток записи в направлении, перпендикулярном слоям.

Тем самым, изобретение предоставляет записываемый магнитный элемент, содержащий пакет слоев, обладающий магнитным слоем записи, причем упомянутый элемент отличается тем, что пакет имеет центральный слой из по меньшей мере одного магнитного материала, обладающего направлением намагниченности, перпендикулярным плоскости центрального слоя, при этом упомянутый центральный слой, который составляет упомянутый магнитный слой записи, расположен между первым и вторым наружными слоями из немагнитных материалов, первый наружный слой содержит первый немагнитный материал и второй наружный слой содержит второй немагнитный материал, который отличается от первого немагнитного материал, причем по меньшей мере второй немагнитный материал является электропроводным, и тем, что он включает в себя, с одной стороны, устройство, заставляющее ток записи протекать только через второй наружный слой и центральный слой и, возможно, через первый наружный слой, только если последний является проводящим, причем упомянутое протекание тока происходит в, по меньшей мере, направлении протекания тока, параллельном плоскости центрального слоя, и, с другой стороны, устройство для приложения, при наличии упомянутого тока записи, магнитного поля записи вдоль направления магнитного поля, которое перпендикулярно плоскости центрального слоя.

Память записывается в направлении намагниченности или другом направлении намагниченности посредством воздействия на направление приложенного магнитного поля записи.

Намагниченность, перпендикулярная плоскости центрального слоя, является результатом собственной анизотропии материала центрального слоя или наведенной анизотропии, например, границами раздела для упомянутого материала.

Электрический ток протекает параллельно магнитному слою и не проходит через пакет перпендикулярно слоям, и «0» или «1» могут быть записаны в память в присутствии упомянутого тока и, в частности, в присутствии импульса тока воздействием на направление приложенного магнитного поля.

Как объяснено ниже, изобретение использует преимущество эффективного магнитного поля, вызванное полем Рашбы и s-d обменным взаимодействием, воздействующим на локальную намагниченность, причем на упомянутое поле ссылаются ниже, как на спинорбитальное поле. Спинорбитальное поле является ортогональным как к току, так и к электрическому полю, перпендикулярному плоскости границ раздела из-за асимметрии пакета, и тем самым, в виде изобретения, к направлению анизотропии пакета, и это дает возможность снизить энергетический барьер, который разделяет две стабильные конфигурации намагниченности. Приложенное магнитное поле ориентируют в направлении, в котором должна быть ориентирована намагниченность. Его величина недостаточна для обратимости намагниченности в отсутствие тока, но является достаточной, чтобы сделать это в присутствии тока.

Центральный слой предпочтительно имеет толщину, которая лежит в интервале 0,1 нанометр (нм) - 5 нм, и предпочтительно меньше или равна 2 нм.

Центральный слой предпочтительно содержит магнитное соединение, обладающее своей собственной перпендикулярной магнитной анизотропией, т.е., в частности, FePt, FePd, CoPt или сплав CoPd или даже сплав редкоземельного и переходного металла, который также обладает собственной перпендикулярной магнитной анизотропией в плоскости слоев, например, GdCo или TbFeCo.

Центральный слой предпочтительно содержит металл или сплав, обладающий перпендикулярной магнитной анизотропией, индуцированной границами раздела, в частности Со, Fe, CoFe, Ni, CoNi.

По меньшей мере один проводящий слой выполнен предпочтительно из немагнитного материала, в частности, из Pd, Cd, Cu, Au, Bi, Ir, Ru, W или из сплава этих металлов. Толщина такого проводящего слоя лежит в интервале, например, 0,5 нм - 100 нм, более конкретно в интервале 0,5 нм - 10 нм и предпочтительно меньше чем или равна 5 нм. Толщина этого слоя может быть выбрана независимо от толщины центрального слоя.

Если первый наружный слой является неэлектропроводным, он является предпочтительно диэлектрическим оксидом, например, SiO_x, AlO_x, MgO_x, TiO_x, TaO_x или диэлектрическим нитридом, например SiN_x, BN_x. Толщина такого наружного слоя может лежать, например, в интервале 0,5 нм - 200 нм, а более конкретно в интервале 0,5 нм - 100 нм и быть предпочтительно меньше или равной 3 нм, в частности, если элемент памяти считывают посредством сигнала туннельного магнитосопротивления.

Оба наружных слоя могут быть электропроводными, но затем их выбирают из двух разных слоев из упомянутых немагнитных металлов или металлических сплавов.

Плотность тока лежит, например, в интервале 10⁴ А/см²-10⁹ А/см², а предпочтительно в интервале 10⁵ А/см²-10⁸ А/см².

Магнитное поле может иметь величину, которая лежит в интервале 20 эрстед (Э) (0,002 тесла (Тл)) - 10000 Э (1 Тл) и предпочтительно лежит в интервале 50 Э (0,005 Тл) - 800 Э (0,8 Тл).

Первый наружный слой может быть покрыт слоем считывания из магнитного материала и электродом считывания.

Если первый наружный слой выполняют из немагнитного материала, то он действует вместе со слоем считывания, электродом считывания и центральным магнитным слоем, чтобы образовать спиновый вентиль. Толщина первого наружного слоя меньше чем 10 нм, а предпочтительно меньше чем 5 нм.

Если первый наружный слой является диэлектриком, то он действует вместе с упомянутыми слоем считывания, электродом считывания и центральным магнитным слоем, чтобы образовать магнитный туннельный переход. Толщина первого наружного слоя меньше чем 5 нм, например, лежит в интервале 0,5 нм - 5 нм, а предпочтительно меньше чем 3 нм.

Первый наружный слой и центральный слой образуют столбик, тогда как второй наружный слой в случае необходимости образует дорожку.

В варианте воплощения изобретения второй наружный слой включает область добавочной толщины, которая образует часть столбика.

Изобретение также предоставляет записываемое магнитное устройство, включающее в себя множество упомянутых столбиков, в которых второй наружный слой создают с помощью упомянутой дорожки, которая является общей для столбиков.

Альтернативно записываемое магнитное устройство отличается тем, что первый наружный слой, центральный слой и второй наружный слой образуют столбик, и тем, что магнитное записываемое устройство имеет множество упомянутых столбиков вместе с электропроводной дорожкой, окаймляющей вторые наружные слои упомянутых столбиков, чтобы вводить ток через первый наружный слой и центральный слой каждой из упомянутых столбиков, причем каждый второй наружный слой изготавливают из электропроводного материала, который отличается от материала электропроводной дорожки.

Изобретение можно понять лучше при прочтении следующего описания со ссылкой на чертежи, на которых фигуры 1a-1f показывают осуществление изобретения с фигурами 2а и 2b, показывающими вариант воплощения, встроенный в ячейку магнитной памяти типа MRAM, и фигуры 3а-3d, показывающие варианты воплощения, в каждом из которых множество элементов памяти показаны, чтобы продемонстрировать архитектуру памяти.

Фигура 4с является примером интеграции магнитного элемента, согласно изобретению, составляющего ячейку памяти, для образования одно- или двумерной матрицы.

Пакет, реализованный в контексте настоящего изобретения, т.е. центральный магнитный слой, расположенный между двумя наружными слоями, которые являются немагнитными и по меньшей мере один из которых является проводящим, причем два наружных слоя выполняют из разных материалов, обладает эффектом создания инверсионной асимметрии, которая генерирует некомпенсированное электрическое поле в магнитном центральном слое. Электроны, распространяющиеся в таком электрическом поле, подвергаются в его собственных рамках магнитному полю, известному как поле Рашбы Поле Рашбы перпендикулярно как току, который протекает в проводящем слое, так и электрическому полю. Тем самым это магнитное поле прикладывают к электронам проводимости.

Изобретатели показали, что действующее магнитное поле (называемое спинорбитальным магнитным полем), являющееся результатом поля Рашбы и s-d обменного взаимодействия, связывающего спинмигрирующий и локализованный электроны, прикладывается к локальной намагниченности.

Таким образом, статья Ioan Mihai Miron и других, озаглавленная Current-driven spin torque induced by the Rashba effect in a ferromagnetic metal layer (Возбуждаемый током спиновый момент, вызванный эффектом Рашбы в ферромагнитном металлическом слое), опубликованная в Nature Materials, том 9, стр. 230-234 (2010 г.), показывает пакет, имеющий слой Pt толщиной 3 нм, слой Со толщиной 0,6 нм, обладающий намагниченностью, перпендикулярной его плоскости и таким образом параллельной оси z, и слой AlO_x, толщиной 2 нм, передающий ток, протекающий параллельно оси х. Такой пакет обладает эффективным магнитным полем Н_эфф. (или спинорбитальным полем) вдоль третьей оси, оси у, в собственных рамках. Такая конфигурация является, тем самым, непригодной для создания памяти, поскольку магнитное поле является неколлинеарным намагниченности слоя.

Изобретатели, тем не менее, продемонстрировали, что такое спинорбитальное поле дает возможность приложенному магнитному полю, которое необходимо для обратимости намагниченности магнитного слоя, быть уменьшенным неожиданным образом. Как они обнаружили, энергетический барьер между двумя стабильными перпендикулярными конфигурациями намагниченности снижается за счет использования преимущества спинорбитального магнитного поля, когда ток вводят в структуру, которая обладает инверсионной асимметрией. Приложенное магнитное поле, требуемое для обратимости намагниченности между такими двумя стабильными конфигурациями, затем уменьшается по сравнению с его значением в отсутствие введенного тока. Направлением приложенного магнитного поля является, таким образом, направление, в котором оно требуется, чтобы ориентировать намагниченность.

Фигуры 1a-1f показывают осуществление изобретения, в котором направление приложенного магнитного поля перпендикулярно направлению тока и направлению спинорбитального поля и параллельно направлению намагниченности, которое перпендикулярно плоскости магнитного центрального слоя.

Ссылочная позиция 15 обозначает подложку, которая является электрическим изолятором с тем, чтобы не допустить короткого замыкания структуры. Она может, в частности, быть представлена диэлектрическим оксидом (например, SiO_x, AlO_x, MgO_x) или нитридом, например, SiN_x. Он может быть сам по себе или может быть осажден на какую-нибудь другую подложку, например, из кремния.

Ссылочная позиция 13 обозначает плоский магнитный слой, намагниченность которого перпендикулярна его плоскости. Ссылочная позиция 16 обозначает ориентацию намагниченности, которая может присутствовать в одном направлении или в противоположном направлении.

Ссылочные позиции 12 и 14 обозначают соответственно первый и второй немагнитные наружные слои. Второй наружный слой 14 является слоем, через который течет ток записи.

Ссылочная позиция 11 обозначает направление тока, которое параллельно плоскости слоя 13, а ссылочная позиция 17 обозначает ориентацию приложенного магнитного поля, которая параллельна направлению намагниченности и, следовательно, перпендикулярна плоскости центрального слоя 13 и которая может иметь такое же направление или противоположное направление.

Фигуры 1а и 1b показывают неструктурированный пакет, в котором слои 12, 13 и 14 пакета образуют дорожку.

Фигуры 1c-1f показывают структурированный пакет, в котором слой 14 является проводящим, а только магнитный слой 13 и немагнитный слой 12 являются слоями, которые требуется структурировать так, чтобы образовать столбик 18а (фигуры 1с и 1d) или иначе, в которой три слоя 12, 13 и 14 структурируют, чтобы образовывать столбик 18b введением добавочной толщины 14′ проводящего слоя 14 так, что столбик содержит часть толщины магнитного материала слоя 14 (фигуры 1е и 1f). Толщина, которая должна быть учтена для второго наружного слоя, является истинной толщиной слоя 14 плюс добавочная толщина 14′.

Следует принять во внимание, что область добавочной толщины 14′ необязательно выполнена из того же самого электропроводного материала, что и слой 14, она является только дополнительной толщиной, которая действует как второй немагнитный слой, и является именно тем материалом, который является функциональным в пакете, чтобы получить инверсионную асимметрию. Металлическим материалом слоя 14 тогда может быть любой материал.

Формирование столбиков 18а или 18b дает возможность изменять направление намагниченности на противоположное только на столбиках, поскольку в противном случае намагниченность могла бы изменять направление на противоположное по всей длине дорожки.

Магнитный слой 13 обладает перпендикулярной намагниченностью, а его толщина достаточно тонкая, так что электрическое поле, обусловленное границами раздела, ненезначительное. Обычно его толщина не превышает 2 нм, и она составляет не более 5 нм. Можно использовать все магнитные материалы, имеющие перпендикулярную намагниченность, например, обусловленную их собственной перпендикулярной магнитной анизотропией (FePt, FePd, CoPt… сплавы; сплавы редкоземельных и переходных металлов, например, CdCo, TbFeCo,), или обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией, которая индуцируется границами раздела (Со, Fe, CoFe, Ni, CoNi). Возможно также применять неметаллические магнитные материалы, например, магнитные полупроводники, например, GaMnAS (т.е. легированный Mn GaAs). Следует принять во внимание, что известные магнитные полупроводниковые материалы являются магнитными только при температурах ниже окружающей среды.

Если перпендикулярная анизотропия магнитного материала вызывается границами раздела, то существует возможность получить намагниченность, перпендикулярную плоскости, воздействуя на толщину центрального слоя и/или на состояние оксидирования наружного оксидного слоя, например, изменением параметров осаждения упомянутого оксида наружного слоя или выполнением отжига после изготовления пакета.

Пример. Пакет, содержащий проводящий Pt слой 14 толщиной 2 нм, центральный Со слой 13 толщиной 1 нм и слой 12 AlO_x, обладает для данного состояния оксидирования упомянутого слоя AlO_x намагниченностью, которая является перпендикулярной, тогда как если толщина слоя Со равна 1,5 нм, то намагниченность находится в плоскости. Когда пакет подвергают отжигу при 300 C в течение 60 минут в вакууме, тогда намагниченность центрального Со слоя 13 перпендикулярна плоскости. При толщине для Со слоя больше чем 3 нм существует возможность получить намагниченность вне плоскости независимо от отжига или параметров оксидирования, если слой 12 выполняют из AlO_x. Однако если диэлектриком, используемым для слоя 12, является MgO_x, то существует возможность получить перпендикулярную намагниченность для толщины центрального слоя больше чем 3 нм.

Влияние толщины кобальтового слоя на магнитные свойства для различных оксидов (AlO_x, MgO_x, SiO_x) описаны в статье Domain patterns and magnetization reversal behaviors in oxide/Co/Pt films (Доменные структуры и поведения обратимой намагниченности в пленках оксид/Co/Pt), Jae Chul Lee и других, опубликованной в IEEE Transactions on Magnetics, том 46, номер 6, июнь 2010 г.

Влияние окисления и отжига на магнитные свойства в тройных слоях Co/Pt/AlO_x описаны в статье Influence of thermal annealing on the perpendicular magnetic anisotropy of Pt/Co/AlOx trilayers (Влияние температурного отжига на перпендикулярную магнитную анизотропию тройных слоев Co/Pt/AlO_x), В. Rodmacg и других, опубликованной в Physical Review В 70 024423 (2009 г.).

Влияние состояния оксидирования слоя оксида на магнитные свойства кобальтового слоя в трехслойном пакете платина/кобальт/окисел металла описывают в статье "Analysis of oxygen induced anisotropy crossover in Pt/Co/MOx trilayers" (Анализ вызванного кислородом перехода анизотропии в тройных слоях Pt/Co/MgO_x), A. Manchon и других, опубликованной в журнале прикладной физики 104, 043914 (2008 г.).

Два немагнитных слоя 12 и 14 должны быть разными, чтобы создать инверсионную асимметрию по всей структуре. Предпочтительно выбирают два разных материала для каждого из этих слоев, например, диэлектрический для одного из двух и металлический для другого, однако существует также возможность выбрать металл для каждого из них. Иметь оба слоя 12 и 14 диэлектрическими возможно только, если структура образует дорожку, а не столбик. Тогда существует возможность вызвать протекание тока непосредственно в центральном слое 13, представляющем собой дорожку.

Таким образом, каждый из двух немагнитных слоев 12 и 14 может состоять из следующих материалов при условии, что эти слои разные и что общий пакет (слои 12, 13 и 14) имеет перпендикулярную намагниченность: диэлектрический оксид (SiO_x, AlO_x, MgO_x, TiO_x, TaO_x HfO_x), диэлектрический нитрид (SiN_x, BN_x), немагнитный металл (Pt, Pd, Cu, Au, Bi, Та, Ru), немагнитный сплав из этих металлов и необязательно органическое полупроводниковое соединение (например, GaAs, Si, Ge или графен, соединенный, если необходимо, с буфером роста, например металлом, таким как иридий).

Если один или другой из немагнитных слоев является проводящим, тогда два наружных слоя не должны иметь одинаковый состав.

Толщина слоев 12 и 14 может быть выбрана из широкого интервала значений, типично толщин 0,5 нм - 200 нм, а более конкретно лежащих в интервале 0,5 нм - 100 нм. Если слой 12 является изолирующим слоем, то не причиняется вреда в его величине, достигающей значительной величины, типично 100 нм, за исключением того, когда точку памяти считывают с помощью сигнала туннельного магнитосопротивления, например, посредством введения магнитного слоя и электрода над упомянутым изолирующим слоем, как показано на фигурах 2а и 2b. При таких условиях толщину изолирующего слоя выбирают предпочтительно меньше чем 3 нм. Если слои 12 и/или 14 выполнены из металла, то предпочтительно иметь слои, которые являются тонкими, типично толщиной меньше чем 5 нм, а в основном толщиной меньше 10 нм для того, чтобы избежать, с одной стороны, чрезмерного снижения эффективного тока, проходящего через магнитный слой как результат таких проводящих каналов, соединенных параллельно, и для того чтобы, с другой стороны, дать возможность считывать точку памяти с помощью сигнала гигантского магнитосопротивления.

Эти различные слои можно осадить известными способами, такими как испарение, распыление, электрохимическое осаждение, химическое выращивание.

Слой 14 может быть пропущен в некоторых конфигурациях. Магнитный слой 13 может быть в этом случае осажден непосредственно на изолирующую подложку 15 (которая действует как немагнитный слой), а немагнитный слой 12 можно выбрать таким образом, чтобы иметь инверсионную асимметрию, т.е. вне материала, который отличается от материала, составляющего подложку 15. Тем не менее, следует отметить, что когда структурируют столбики, слой 14 должен присутствовать и состоять из проводящего материала, чтобы иметь возможность вводить ток в конфигурированные столбики (здесь 18а и 18b). При таких условиях участок 14′ добавочной толщины должен также быть проводящим, так чтобы в сочетании со слоем 12 была сгенерирована искомая асимметрия инверсии, чтобы генерировать поле Рашбы и давать возможность вводить ток в магнитный центральный слой 13.

Элемент, который должен менять направление, будь то показанная дорожка (фигура 1а или 1b) или столбик, установленный на или структурированный в дорожке (фигура 1c-1f), соединяют, по существу, известными проводящими электродами, чтобы вводить ток вдоль направления 11.

Поле, приложенное коллинеарно направлению намагниченности и в том направлении, которое требуется, чтобы ориентировать намагниченность, имеет величину, которая является недостаточной, чтобы изменить направление намагниченности в отсутствие импульса тока, но которое является достаточным в присутствии импульсного тока. Оно может быть, таким образом, представлено в виде импульса либо точно синхронизированного с импульсом тока, либо с более короткой длительностью, чем импульс тока, и содержащегося в нем, или даже его длительность может быть дольше, чем длительность импульса тока; при таком решении существует возможность проще интегрировать в практические применения.

Таким образом, при этих условиях направление введения тока может быть выбрано произвольно, при этом оба направления обладают одинаковым эффектом по снижению анизотропного барьера.

Также существует возможность использовать постоянный ток и формировать магнитное поле в требуемом направлении, но такое решение будет менее предпочтительным с точки зрения потребления электроэнергии, поскольку намагниченность является стабильной в отсутствие тока, и нет необходимости прикладывать ток к проводящему слою, если не считать продолжительность стадии записи, поэтому, если используют постоянный ток, энергетический барьер между двумя состояниями намагниченности (в сторону увеличения и в сторону уменьшения) все время снижается, что повышает риск возникновения нежелательного изменения намагниченности.

Величину приложенного магнитного поля связывают с анизотропией материала, с коэрцитивной силой магнитного поля и с плотностью вводимого тока. Типично напряженность поля может лежать в интервале 20 Э (0,002 Тл) - 10 кЭ (1 Тл), а более конкретно в интервале 0,005 Тл - 0,8 Тл, тогда как плотности тока могут лежать в интервале 10² А/см² - 10⁹ А/см², а более конкретно в интервале 10⁵ А/см² - 10⁸ А/см².

Чем выше плотность тока, приложенного во время стадии записи, тем меньше значение напряженности магнитного поля, которое требуется приложить, чтобы обратить намагниченность.

Магнитное поле также можно приложить различными способами, например, просто используя ток, протекающий в катушке, для того чтобы сгенерировать общее магнитное поле по всему устройству, в этом случае только те столбики (точки памяти), которые обладают энергетическим барьером, сниженным путем введения тока, будут изменять направление или с помощью дорожек, передающих ток того же рода, что и используемый в запоминающих устройствах MRAM известного уровня техники, при этом изменение направления индуцируют посредством магнитного поля.

Фигуры 2а и 2b показывают пример пакета, используемого в ячейке памяти MRAM.

Ссылочная позиция 53 обозначает магнитный центральный слой, расположенный между двумя различными немагнитными материалами 52 и 54 с необязательной добавочной толщиной 54′ для создания пакета, как описано выше, на подложке 55, которая является электроизолирующей.

Ссылочная позиция 57 обозначает ось приложенного внешнего магнитного поля. Такое поле можно приложить в одном или в другом направлении как функцию искомого направления для желаемой записи.

С целью записи слой 58 магнитного материала размещают сверху пакета, а верхний электрод может содержать в себе один или более проводящих слоев (которые могут быть магнитными или немагнитными).

Назначение слоя 58 состоит в том, чтобы разрешить структуре 53, 52 и 58 иметь разные значения электрического сопротивления в зависимости от направления намагниченности 56 слоя 53 (сигнала магнитосопротивления). Он включен только для считывания и не влияет на манипулирование намагниченностью слоя 53.

Другими словами, запись и считывание задаются независимо и могут быть оптимизированы по отдельности.

Электрод 59 может содержать в себе один слой или он может обычным образом содержать в себе пакет разных функциональных слоев. Например, он может содержать:

пакет, задающий искусственный антиферромагнетизм, для того чтобы ограничить поля, излучаемые на слое 53, которыми необходимо манипулировать, например, пакет, содержащий ферромагнитный слой, отделенный от ферромагнитного слоя 58 очень тонким слоем немагнитного металлического материала, обычно 0,3 нм из рутения (Ru), при этом значения намагниченности двух ферромагнитных слоев являются насколько это возможно близкими друг к другу с тем, что антиферромагнитная связь между ними, которая возникает благодаря наличию слоя рутения, дает в результате общее поле, излучаемое этими тремя слоями на слое 53, являющимся нулем или близким к нулю;

или еще магнитный материал антиферромагнетика, связанный посредством обмена со слоем 58 с тем, чтобы стабилизировать этот так называемый опорный слой 58;

или еще немагнитный проводящий материал для создания электрических контактов;

или на самом деле сочетание этих различных возможностей, например, антиферромагнитный материал, соседний с ферромагнитным материалом, чтобы стабилизировать его намагниченность с помощью связи между этими двумя материалами, при этом ферромагнитный материал отделен от слоя 50 тонким металлическим слом, обычно Ru толщиной 0,3 нм, так, что магнитная связь между этими двумя ферромагнитными слоями является антиферромагнитной. В заключение на первый магнитный материал наносят один или более немагнитных проводящих слоев, например, на Та толщиной 5 нм наносят Ru толщиной 5 нм. Примеры таких сочетаний можно найти в магнитных пакетах, используемых для обратимого STT, как описано, например, В. Dieny и другими, Int. J. Nanotechnology, том 7, 591 (2010 г.).

Можно выделить две основные конфигурации в зависимости от природы слоя 52: если его выполняют из немагнитного металла, тогда структура 53, 52 и 58 является видом спинового вентиля, тогда как, если слой 52 является диэлектрическим, структура 53, 52 и 58 является видом магнитного туннельного перехода. Если слой 52 выполняют из немагнитного материала, его толщина составляет меньше чем 10 нм, а предпочтительно меньше чем 5 нм, тогда как, если слой 52 является диэлектрическим, его толщина составляет меньше чем 5 нм, а предпочтительно меньше чем 3 нм. Поскольку сигнал магнитосопротивления является более сильным для структур типа магнитного туннельного перехода, они являются предпочтительными структурами. Аналогичным образом для того, чтобы оптимизировать сигнал магнитосопротивления, предпочтительной конфигурацией при любых условиях является такая, в которой намагниченность слоя 58 является коллинеарной, или параллельной, или антипараллельной намагниченности слоя 53.

На фигурах 2а и 2b А, В, С обозначают три электрических соединительных вывода. В течение стадии записи ток вводят между выводами А и В (или подобным образом подают напряжение между упомянутыми выводами для того, чтобы вызвать протекание тока). Ток проходит через магнитный слой 53 и вызывает действующее магнитное поле в упомянутом слое, благодаря полю Рашбы и s-d взаимодействию, воздействующему на локальную намагниченность (см. упомянутую выше статью I.М. Miron и др.). Эффективное поле (или спинорбитальное поле) в сочетании с приложенным внешним полем дает возможность, в соответствии с изобретением, манипулировать намагниченностью посредством использования преимущества снижения энергетического барьера, разделяющего две стабильные конфигурации намагниченности. Намагниченность является обратимой, если магнитное поле прикладывают в направлении, противоположном направлению намагниченности. Если слой 52 состоит из диэлектрического материала, то ток, введенный сбоку, не проходит через упомянутый слой и не повреждает его.

Накопленную информацию обычно с ориентацией намагниченности в слое 53 считывают как для структуры типа туннельного перехода, так и для структуры типа спинового вентиля вводом тока небольшой величины (например, для туннельного перехода порядка нескольких микроампер (µА) - нескольких десятых µА) между выводами С и В (или равным образом между выводами С и А) и измеряя напряжение между этими выводами, а также прикладывая постоянное напряжение между выводами С и В (или подобным образом между выводами С и А) и измеряя ток, который течет между этими выводами, чтобы измерить во всех случаях сопротивление между соответствующими выводами.

Сопротивление имеет два разных значения в зависимости от того, является ли направление намагниченности 56 параллельным или антипараллельным направлению намагниченности опорного слоя 58. Ток считывания имеет низкую величину, так что туннельный барьер (если слой 52 является диэлектрическим) не повреждается.

Примеры архитектур памяти описаны ниже со ссылкой на фигуры 3а-3d, на которых фигуры 3b и 3d относятся к созданию приложенного магнитного поля шинами поля, проводящими ток, реализуя структуру фигур 2а и 2b.

Фигуры 3а-3d показывают возможные архитектуры для блока памяти, используя описанный случай. Можно видеть, что магнитный слой 90 с перпендикулярной намагниченностью 97 расположен между двумя немагнитными слоями 91 и 92 (соответствующими слоям 12 и 14 на фигурах 1a-1f и слоям 52 и 54 на фигурах 2а и 2b).

Здесь для простоты слой 91 содержит как слой 12 или 52, так и магнитный и немагнитный слои, которые служат для обозначения границ пакета типа туннельного перехода или типа спинового вентиля, таким образом создавая возможность считывать состояние намагниченности слоя 90 (а также слоев 52, 58 и 59 на фигурах 2а и 2b).

Намагниченность слоя 90 является обратимой посредством тока, протекающего в нижнем электроде 92, и переменного магнитного поля, ориентированного вдоль стрелки 96 вдоль оси намагниченности и в направлении переключения намагниченности в пределах слоя 90.

Чтобы сделать это, второй немагнитный слой, составляющий трехслойную структуру 92, структурируют в данном примере в виде дорожки подачи тока. Такая дорожка также может быть составлена, например, другим слоем из другого материала, расположенного под слоем 92. Введением тока управляют с помощью транзисторов.

В качестве примеров используют два случая. В первом случае в качестве переключателей используют два транзистора 93а и 93b, при этом свободные выводы вышеупомянутых присоединяют один к земле, а другой к напряжению V_dd, и при этом напряжение V_dd выбирают, чтобы вызвать протекание тока выбранной величины.

Во втором случае используют только один транзистор 93а, а другой конец дорожки 92 присоединяют к постоянному напряжению.

С этой точки зрения замечено, что направление протекания тока не влияет на функционирование механизма, и что независимо от направления протекания тока барьер будет снижаться аналогичным образом.

Таким образом, возможны два механизма функционирования.

Симметричное функционирование

Дорожку, присоединенную, например, к транзистору 93а, присоединяют к напряжению V_dd или к заземлению, в то время как другую дорожку, присоединенную к концу дорожки 92 у 95, присоединяют к заземлению (или к V_dd). Такая конфигурация дает возможность генерировать больший ток, чем следующая конфигурация.

Асимметричное функционирование (предпочтительное)

Дорожку, присоединенную к концу дорожки 92 с помощью 98, присоединяют к промежуточному напряжению, например, к V_dd/2, в то время как дорожку, присоединенную к транзистору 93а, берут для разности потенциалов V_dd или для заземления в зависимости от требуемого направления тока. Такая конфигурация дает возможность генерировать ток меньший, чем описанная раньше конфигурация. Изобретение дает возможность вводить ток записи в режиме записи на площади, которая намного меньше площадей, использованных в известных технических приемах, и упомянутый ток записи достаточен для того, чтобы устройство работало. В этом варианте воплощения функционирование потребляет меньше электроэнергии.

Для случая, описанного в данном документе, приложенное магнитное поле переключает намагниченность. Магнитное поле 96, следовательно, должно быть переменным и ориентированным параллельно направлению намагниченности. Один возможный вариант воплощения показан на фигурах 3b и 3d. Магнитное поле образуют двумя шинами 98а и 98b поля, предоставленными на каждой стороне пакета. Когда через эти шины проходит ток, то магнитное поле образуется перпендикулярно слоям в магнитном слое 90. В некоторых компоновках существует возможность исключить одну из этих шин поля, например, шину 98b, и использовать только одну. Эти шины могут быть, например, введены в виде проводящих пленок на стадии изготовления структур нанотехнологическими способами.

Фигура 4 является примерной электрической схемой интеграции элемента памяти для образования двумерной матрицы ячеек памяти, например, с туннельным переходом. Устройства для приложения магнитного поля перпендикулярно плоскости слоев представлены шинами 116, 116, 116 и т.д. …, например, шиной тока, в которой направление введенного тока дает направление магнитного поля, которое может быть ориентировано вверх или вниз (т.е. в одном направлении или в другом направлении перпендикулярно плоскости слоев) в зависимости от того, что требуется записать, - «0» или «1».

Шина поля, например, 116, позволяет генерацию импульсов поля в течение импульсов тока записи. Поле прикладывают ко всем точкам памяти этой шины. Может быть записана только точка памяти той шины, в которой одновременно введен ток записи.

В одном направлении присутствуют битовые шины или разрядные шины 111₁, 111₂, 111₃ … и т.д., соединенные со стоками транзисторов 113₁, 113₂, 113₃, 113 ₁, 113 ₂, 113 ₃, 113 ₁, 113 ₂, и т.д. … и спаренные с ними битовые шины 112₁, 112₂, 112₃, образующие двумерную матрицу.

В перпендикулярном направлении существуют дорожки 110, 110, 110, … управления затворов транзисторов 113₁, 113₂, 113₃, 113 ₁, 113 ₂, 113 ₃, 113 ₁, 113 ₂, … и т.д., которые образуют числовые шины.

Контрольные точки 114₁, 114₂, 114₃, 114′₁, 114′₂, 114′₃, и т.д. … обозначают схематично пакет согласно изобретению, содержащий туннельный переход (или спиновый вентиль). Туннельный переход или спиновый вентиль не пересекается током перпендикулярно плоскости его слоев в течение фазы записи, и он пересекается током перпендикулярно плоскости его слоев в течение фазы считывания.

Отмечены характеристические точки А, В и С. Они соответствуют тем, что показаны на фигурах 2а и 2b, 3с 3d (монтаж с единственным транзистором).

Точки А соединены с истоками транзисторов 113₁, 113₂, 113₃, 113 ₁, 113 ₂ и т.д.

Точки В соединены со спаренными битовыми шинами 112₁, 112₂, 112_{3 …} и т.д., и точки С соединены с шинами 115, 115′, и т.д. смещения. Стоки D транзисторов 113₁, 113₂, 113₃, 113 ₁, 113 ₂, и т.д. соединены с битовыми шинами 111₁, 111₂, 111₃ … и т.д.

Низ пакетов 114₁, 114₂, … и т.д. является тогда слоем, намагниченность которого изменяют посредством тока записи.

Истоки и стоки транзисторов могут быть поменяны местами. Таким образом, истоки транзисторов могут быть соединены с битовыми шинами 111₁, 111₂, 111₃ … и т.д., а стоки D с точками А.

В фазе записи точки памяти, например 114₁, битовая шина 111₁ и спаренная с ней битовая шина 112₁, которые связаны с этой точкой памяти, подключены к напряжению V_dd (или к заземлению) и к заземлению (или к напряжению V_dd) в случае обратимой операции, описанной выше, чтобы позволить генерацию тока записи. Другие битовые шины 111₂ … и т.д. и спаренные с ними битовые шины 112₂ и т.д., связанные с другими точками памяти, неактивны. Связанная числовая шина 110 подключена к потенциалу, необходимому для управления замыканием транзистора 113₁ (эквивалентного транзистору 73а или 83а вышеупомянутых фигур), чтобы позволить протекание тока записи через транзистор 113₁.

Одновременно импульс проходит по шине 116 поля, которая относится к точке 114₁ памяти. Шина 116, 116′, 116″ поля может быть составлена, например, из пары шин, таких как 98а и 98b (фигуры 3b и 3d).

Таким образом, ток записи проходит через точки А и В. Для того чтобы записать только эту ячейку, другие числовые шины 110′, 110″, и т.д. подключены к потенциалу, который размыкает транзисторы. Никакой ток записи не пересекает пакет с типом туннельный переход или спиновый вентиль перпендикулярно плоскости его слоев, который подверг бы опасности повредить его. Поэтому шины 115, 115′, и т.д., соединенные с точками С пакетов, неактивны (или разомкнуты) в этой фазе записи.

В фазе считывания, например, места 114₁ памяти, «спаренная битовая шина» 112₁, связанная с этой памятью, разомкнута, как и все другие спаренные битовые шины 112₂ и т.д. …, для того чтобы предотвратить циркуляцию какого-либо тока через них. Шина 115 смещения, связанная с ячейкой памяти, подключена к потенциалу, позволяющему прохождение (слабого) тока считывания в туннельном переходе или спиновом вентиле, тогда как все другие шины поляризации 115, и т.д. … отсоединены. Связанная «числовая шина» 110 подключена к потенциалу для замыкания транзистора 113₁, и ток может тогда проходить через туннельный переход или спиновый вентиль между точками С и А. Чтобы считывать только этот туннельный переход или этот спиновый вентиль, другие числовые шины 110, и т.д. … разомкнуты. В случае туннельного перехода считывание может быть осуществлено, например, согласно предшествующему уровню техники посредством сравнения с помощью усилителя тока, протекающего через переход, с опорным током. Этот ток считывания низкой плотности тока, протекающий перпендикулярно плоскостям пакета, не позволяет запись перехода в течение этой фазы считывания. Процедура является такой же в случае спинового вентиля.

Изобретение относится к записываемому магнитному элементу. Элемент содержит пакет слоев с магнитным слоем записи из по меньшей мере одного магнитного материала, обладающего направлением намагниченности, которое перпендикулярно его плоскости, расположенным между первым и вторым наружными слоями, выполненными из первого и второго немагнитных материалов. Второй немагнитный материал является электропроводным. Записываемый магнитный элемент включает в себя устройство, заставляющее ток записи протекать через второй наружный слой и магнитный слой записи в направлении протекания тока, параллельном плоскости магнитного слоя записи, и устройство для приложения, при наличии упомянутого тока записи, магнитного поля записи вдоль направления магнитного поля, которое перпендикулярно плоскости магнитного слоя записи. При этом память записывается в одном направлении или другом направлении посредством воздействия на направление приложенного магнитного поля записи. Технический результат - обеспечение изменения направления намагниченности. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Записываемый магнитный элемент, содержащий пакет слоев с магнитным слоем записи из по меньшей мере одного магнитного материала, обладающего направлением намагниченности, которое перпендикулярно его плоскости, расположенным между первым и вторым наружными слоями, выполненными из первого и второго немагнитных материалов, соответственно, отличающийся тем, что:
- первый и второй немагнитные материалы являются разными,
- второй немагнитный материал является электропроводным, и
тем, что записываемый магнитный элемент включает в себя:
- устройство, заставляющее ток записи протекать через второй наружный слой и магнитный слой записи в направлении протекания тока, параллельном плоскости магнитного слоя записи, и
- устройство для приложения, при наличии упомянутого тока записи, магнитного поля записи вдоль направления магнитного поля, которое перпендикулярно плоскости магнитного слоя записи, при этом память записывается в одном направлении или другом направлении посредством воздействия на направление приложенного магнитного поля записи.

2. Магнитный элемент по п. 1, отличающийся тем, что магнитный слой записи имеет толщину, которая лежит в интервале 0,1-5 нм и предпочтительно меньше или равна 2 нм.

3. Магнитный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что магнитный слой записи содержит магнитное соединение, обладающее своей собственной перпендикулярной магнитной анизотропией, например, в частности, сплав FePt, FePd, CoPt, CoPd или сплав редкоземельного и переходного металла, в частности GdCo, TbFeCo.

4. Магнитный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что магнитный слой записи содержит металл или металлический сплав, обладающий перпендикулярной магнитной анизотропией, вызванной границами раздела, в частности Со, Fe, CoFe, Ni, CoNi.

5. Магнитный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один наружный проводящий слой изготовлен из немагнитного металла, то есть Pt, Pd, Cu, Au, Bi, Ir, Ru, W или из сплава этих металлов.

6. Магнитный элемент по п. 5, отличающийся тем, что толщина упомянутого наружного проводящего слоя лежит в интервале 0,5-100 нм, более конкретно в интервале 0,5-10 нм и предпочтительно меньше или равна 5 нм.

7. Магнитный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый наружный слой изготовлен из диэлектрического оксида, например SiO_x, AlO_x, MgO_x, TiO_x, TaO_x, HfO_x или из диэлектрического нитрида, такого как SiN_x, BN_x.

8. Магнитный элемент по п. 7, отличающийся тем, что толщина упомянутого наружного слоя диэлектрического оксида лежит в интервале 0,5-200 нм, а более конкретно в интервале 0,5-100 нм и предпочтительно составляет менее чем 3 нм.

9. Магнитный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что два наружных слоя являются проводящими и оба изготовлены из разных материалов упомянутых немагнитных материалов или сплавов.

10. Магнитный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ток имеет плотность тока, которая лежит в интервале 10⁴-10⁹ А/см², а более конкретно в интервале 10⁵-10⁸А/см².

11. Магнитный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что приложенное магнитное поле имеет значение, которое лежит в интервале 0,002-1 Тл, а более конкретно в интервале 0,005-0,8 Тл.

12. Магнитный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый наружный слой (52) покрыт слоем (58) считывания из магнитного материала и электродом (59) считывания.

13. Магнитный элемент по п. 12, отличающийся тем, что первый наружный слой (52) изготовлен из немагнитного металла, и тем, что он действует вместе с магнитным слоем записи, слоем (58) считывания и электродом (59) считывания, чтобы образовать спиновый вентиль.

14. Магнитный элемент по п. 12, отличающийся тем, что первый наружный слой (52) является диэлектрическим, и тем, что он действует вместе с магнитным слоем записи, слоем (58) считывания и электродом (59) считывания, чтобы образовать магнитный туннельный переход.

15. Магнитный элемент по п. 12, отличающийся тем, что толщина первого наружного слоя (52) меньше чем 5 нм, а более конкретно меньше чем 3 нм.

16. Магнитный элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый наружный слой и магнитный слой записи образуют столбик, и тем, что второй наружный слой образует дорожку.

17. Магнитный элемент по п. 16, отличающийся тем, что второй наружный слой включает в себя область добавочной толщины, которая образует часть столбика.

18. Записываемое магнитное устройство, отличающееся тем, что оно включает в себя множество магнитных элементов по п. 16 или 17 со вторым наружным слоем, включающим в себя упомянутую дорожку, которая является общей для столбиков.

19. Записываемое магнитное устройство, отличающееся тем, что оно включает в себя множество магнитных элементов по п. 17, и тем, что упомянутое устройство дополнительно содержит электропроводную дорожку рядом со вторым наружным слоем упомянутого столбика, чтобы вводить упомянутый ток через второй наружный слой и магнитный слой записи каждого из упомянутых столбиков, причем второй наружный слой изготовлен из электропроводного материала, отличающегося от материала электропроводной дорожки.