ЭЛЕМЕНТ МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ Российский патент 2016 года по МПК G11C11/16 

Область техники

Объектом настоящего изобретения является элемент магнитной памяти инверсного, наведенного током, типа.

Предшествующий уровень техники

Инверсия намагничивания слоя и малого магнитного элемента обычно осуществляется с помощью приложенного магнитного поля. Направление последнего изменяется в соответствии с намерением инвертировать направление намагничивания в одну или другую сторону. Этот принцип лежит в основе записи на магнитных дорожках или жестких дисках компьютера: инвертируемый элемент механически размещен вблизи генератора магнитного поля так, чтобы локализовать в пространстве это поле. Действительно, эта структура магнитного поля, благодаря ее нелокализованному нахождению в пространстве, создает многочисленные трудности при ее интегрировании в устройства. Так, когда никакое механическое действие невозможно, либо нежелательно, например, в случае жесткой магнитной памяти типа «MRAM» (энергонезависимое ОЗУ) или логических устройств, является достаточной локализация магнитного поля, чтобы последнее воздействовало только на ячейку - мишень без воздействия на соседние ячейки. Эта проблема становится все более важной, когда различные ячейки памяти или логики расположены очень близко друг к другу для того, чтобы увеличить их плотность.

Возможность манипулирования намагничиванием с помощью поляризованного по спину тока, которая была, прежде всего, теоретически продемонстрирована в 1996 году, обусловила первое решение этой проблемы. Это физический принцип, называемый моментом передачи спина (STT для передачи вращающего момента спина), требует наличия для манипулирования намагничиванием на уровне ячейки памяти по меньшей мере двух магнитных слоев, разделенных немагнитным металлом (для структуры типа затвора спина), или изолятора (для структуры типа магнитного туннельного электронно-дырочного перехода), при этом оба слоя имеют неколлинеарные намагничивания. Детальное физическое объяснение поясняет то, что существует структура затвора спина или магнитный электронно-дырочный переход, но обычно ток поляризуется по спину при переходе первого магнитного слоя для того, чтобы затем воздействовать магнитным моментом на намагничивание второго слоя с помощью неколлинеарной составляющей поляризации тока. Когда плотности тока достаточны, намагничивание второго магнитного слоя может быть инвертировано одновременно для спиновых затворов и туннельных магнитных электронно-дырочных переходов.

Как описано, например, в патенте US7009877, опубликованном 7 марта 2006 года, и в заявке US 2009/129143, опубликованной 21 мая 2009 года, электрический ток записи проходит обязательно перпендикулярно плоскости соединения слоев.

То же происходит в случае из патента US6269018, в котором (фиг. 5b) ток записи, который также создает магнитное поле в центральном ферромагнитном слое, проходит перпендикулярно плоскости набора слоев типа туннельного магнитного электронно- дырочного перехода. Следует отметить также, что в этом документе речь идет об использовании двух раздельных магнитных слоев.

Эта способность манипулировать локальным намагничиванием одного магнитного элемента субмикронного размера с помощью электрического тока имеет следствием расширение возможности использования. В наши дни именно интегрирование этого принципа в новые конструкции магнитных ячеек магниторезистивной памяти и логических компонентов является предметом поиска в промышленных исследованиях.

Эта интеграция наталкивается в настоящее время на трудности, которые представляются неустранимыми.

Инверсия посредством STT требует наличия на уровне ячейки памяти по меньшей мере двух магнитных слоев, разделенных немагнитным пространством. Запись осуществляется, как указано выше, путем инжекции тока высокой плотности через весь набор слоев перпендикулярно плоскости магнитных слоев, при этом запись осуществляется за счет магниторезистивности набора слоев: огромная магниторезистивность (GMR) для затворов спинов и туннельная магниторезистивность (TMR) для туннельных магнитных электронно-дырочных переходов. В наши дни все или почти все применения основаны на использования туннельных магнитных электронно-дырочных переходов. Так, если сигнал GMR составляет только несколько процентов, сигнал TMR электронно-дырочных переходов на базе MgO обычно превышает 100%. Туннельные электронно-дырочные переходы тем не менее неблагоприятны тем, что имеют значительные величины произведения резистивность·поверхность (RA). Так, для плотности обычного тока в 10⁷ А/см², необходимой для инверсии путем STT, напряжение на краях электронно-дырочных переходов составляет 10 В для RA в 100 Ом·мкм² и 0,1 В для RA в 1 Ом·мкм². За исключением очень малой величины мощность, рассеиваемая в электронно-дырочном переходе, является, таким образом, значительной, что является одновременно невыгодным с точки зрения энергетического потребления и вредным для упомянутого электронно-дырочного перехода.

Кроме того, значительные величины TMR, полезные для считывания, часто получают для наборов слоев, имеющих значительные величины RA.

Это объясняет современные исследования для получения туннельных электронно-дырочных переходов с большими значениями TMR и малыми значениями RA. Кроме того, даже для относительно малых величин напряжения на краях электронно-дырочного перехода при работе были обнаружены явления ускоренного старения электронно-дырочного перехода, вызванного циклами напряжения. В настоящее время многочисленные исследования в этом плане посвящены одновременно оптимизации материалов в существующих геометриях, а также определению новых геометрий для разделения насколько возможно функций записи и считывания.

В заключение, трудность состоит в невозможности независимо оптимизировать считывание и запись, так как в случае известных устройств для инверсии спина (STT) оба явления, по существу, связаны.

Другое затруднение связано с тем, что запись требует прохождения тока высокой плотности через набор слоев.

Другое затруднение, присущее также этой связи, вытекает из всегда очень большой сложности набора слоев. Так, если необходимо, чтобы эффект инверсии спина (STT) чувствовался только в инвертированном слое для сохранения намагничивания, то другие слои необходимо стабилизировать с помощью обменного соединения с антиферромагнитным материалом; если необходимо увеличить амплитуду передачи STT, то следует оптимизировать поляризующие слои; если необходимо уменьшить магнитные поля в области чувствительных слоев, следует использовать, например, искусственные сдвоенные антиферромагнитные слои; и т.д.

Отсюда следует, что обычные магнитные наборы слоев ячеек магниторезистивной оперативной памяти или логических компонентов могут содержать более 10 или 15 слоев из различных материалов. Это, следовательно, создает трудности на этапах структуризации и, в частности, на этапе травления, который является одной из наиболее блокирующих позиций, важных для интеграции магнитных наборов слоев.

Другим путем исследования является манипулирование намагничиванием посредством внешнего магнитного поля. Это может частично дополняться при изменении анизотропии материала с помощью внешнего электрического поля, причем инвертирование намагничивания на обратное осуществляется с помощью приложенного магнитного поля. Такая технология описана в статье T.MARUYAMA и сотрудников, названная «Large voltage-induced magnetic anisotropy charge in a few atomic layers of iron» (Nature Nanotechnology, vol.4, March 2009 - Macmillan Publishers Ltd.).

Эта техника позволяет в настоящее время только уменьшить магнитную анизотропию материала. Способы записи и считывания являются теми же, что описаны выше, как и их недостатки.

Краткое изложение существа изобретения

Объектом настоящего изобретения является магнитный элемент памяти, который для инверсии намагниченности требует только наличия магнитного слоя (имеющего параллельную или перпендикулярную своей плоскости намагниченность) и который функционирует без пропускания тока перпендикулярно плоскости слоев.

Изобретение касается также магнитозаписываемого элемента, содержащего набор слоев, включающий в себя записывающий магнитный слой, отличающийся тем, что набор слоев содержит один упомянутый магнитный записывающий слой, а именно центральный слой из по меньшей мере магнитного материала, имеющего направление намагничивания, параллельное или перпендикулярное плоскости центрального слоя, который размещен между первым и вторым наружными слоями из немагнитных материалов, при этом первый наружный слой выполнен из первого немагнитного материала, а второй наружный слой выполнен из второго немагнитного материала, отличающегося от первого немагнитного материала, причем второй немагнитный материал является электропроводным, а также тем, что он содержит устройство для пропускания тока записи только через второй наружный слой и центральный слой и, при необходимости, через первый наружный слой только в случае, когда последний является электропроводным, при этом ток записи проходит по меньшей мере в одном направлении тока, параллельном плоскости центрального слоя, и устройство для наложения магнитного поля, имеющего составляющую по направлению магнитного поля либо параллельно, либо перпендикулярно плоскости центрального слоя и направлению тока, а также тем, что направление намагничивания и направление магнитного поля перпендикулярны одно относительно другого.

В изобретении предлагается также устройство для пропускания тока записи и устройство, независимое от предыдущего, для наложения магнитного поля. Если первый наружный слой не является проводящим, через него не проходит никакой ток в процессе фазы записи. Если он является проводящим, то только в этом случае через него проходит ток записи.

Предпочтительно, магнитное поле является либо параллельным, либо перпендикулярным плоскости центрального слоя и направлению тока.

Возможны две конфигурации:

В соответствии с первой конфигурацией направление магнитного поля является параллельным направлению тока, а направление намагничивания является перпендикулярным плоскости центрального магнитного слоя.

В соответствии со второй конфигурацией направление намагничивания является параллельным направлению тока, а направление магнитного поля является перпендикулярным плоскости центрального магнитного слоя.

В этих двух конфигурациях электрический ток проходит параллельно магнитному слою и не пересекает набор слоев в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, он проходит через центральный магнитный слой и по меньшей мере через второй внешний слой по меньшей мере в направлении тока, параллельном плоскости слоев, а память может быть записана либо током, либо магнитным полем.

Центральный слой предпочтительно имеет толщину, составляющую от 0,1 нм до 5 нм. В первой конфигурации эта величина предпочтительно меньше или равна 2 нм. Во второй конфигурации эта величина меньше или равна 3 нм.

В случае, когда направление намагничивания перпендикулярно плоскости слоя, центральный слой может быть выполнен из сплава, имеющего собственную перпендикулярную магнитную анизотропию, а именно в частности FePt, FePd, CoPt, либо также сплава редкоземельный металл/переходный металл, который также имеет собственную перпендикулярную магнитную анизотропию, такого как CdCo, TbFeCo. Центральный магнитный слой может быть также выполнен из металла или сплава, имеющего в наборе слоев перпендикулярную магнитную анизотропию, наведенную межфазными соединениями, в частности Co, Fe, CoFe, Ni, CoNi.

В случае, когда направление намагничивания находится в плоскости слоев, центральный слой может быть выполнен из металла или сплава, имеющего а наборе слоев планарную магнитную анизотропию, в частности Co, Fe, CoFe, Ni, NiFe, CoNi.

По меньшей мере один наружный проводящий слой является немагнитным металлом, предпочтительно Pt, W, Ir, Ru, Pd, Cu, Au, Bi или немагнитным сплавом этих металлов. Толщина такого проводящего слоя может составлять от 1 нм до 10 нм и предпочтительно меньше или равна 5 нм. Величина этой толщины не связана с величиной, выбранной для толщины центрального слоя.

Внешний непроводящий слой выполнен из электроизолирующего материала, предпочтительно диэлектрического оксида, такого как SiOx, AlOx, MgOx, TiOx, TaOx, HfOx, либо из диэлектрического нитрида, такого как SiNx, BNx. Толщина этого внешнего слоя составляет, например, от 0,5 нм до 200 нм, в частности от 0,5 нм до 100 нм и предпочтительно менее 3 нм, в особенности, если считывание элемента памяти осуществляется с помощью магниторезистивного туннельного сигнала.

Два внешних слоя могут быть проводящими, но они, таким образом, выбираются из двух упомянутых различных немагнитных металлов или сплавов.

Плотность тока составляет, например, между 10⁴ А/см² и 10⁹ А/см² и предпочтительно между 10⁵ А/см² и 10⁸ А/см².

Прикладываемое магнитное поле может иметь величину, составляющую между 0,002 Тл и 1 Тл и предпочтительно между 0,005 Тл и 0,8 Тл.

Первый внешний слой (который не пересекается упомянутым током) может быть покрыт считываемым слоем из магнитного материала и считывающим электродом. В случае, когда первый внешний слой выполнен из немагнитного металла, он образует со считываемым слоем, считывающим электродом и центральным слоем затвор спина. В случае, когда первый внешний слой является диэлектрическим, он образует со считываемым слоем, считывающим электродом и центральным слоем магнитный туннельный электронно-дырочный переход. Толщина первого внешнего слоя является предпочтительно меньшей 3 нм.

Магнитный элемент может быть структурирован таким образом, чтобы первый внешний слой и центральный слой образовывали контакт, тогда как второй внешний слой образует дорожку. Второй внешний слой может содержать выступ, который является частью контакта.

Изобретение касается также магнитозаписываемого устройства, содержащего множество упомянутых контактов и второй внешний слой которого образован общей для них упомянутой дорожкой.

Альтернативно, первый внешний слой, центральный слой и второй внешний слой образуют контакт, и магнитозаписываемое устройство содержит множество упомянутых контактов, а также проводящую дорожку, окаймляющую второй внешний слой упомянутых контактов для инжекции упомянутого тока через второй внешний слой и центральный слой каждого из упомянутых контактов, причем второй внешний слой выполнен из электрически проводящего материала, отличного от материала проводящей дорожки.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1а-1f изображают первую конфигурацию осуществления изобретения;

фиг. 2а-2b изображают вариант осуществления, встроенный в ячейку магнитной памяти типа “MRAM”;

фиг. 3а-3d изображают варианты осуществления, в которых несколько элементов памяти представлены для иллюстрации структуры памяти;

фиг. 4а-4f изображают вторую конфигурацию осуществления изобретения;

фиг 5а и 5b изображают вариант осуществления, встроенный в ячейку магнитной памяти типа “MRAM”;

фиг.6а-6d изображают варианты осуществления, в которых несколько элементов памяти представлены для иллюстрации структуры памяти;

фиг. 7 изображает пример встраивания магнитного элемента по изобретению, образующего ячейку памяти, для формирования одно- или двухмерной сети.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Выполненный в рамках изобретения набор слоев, а именно центральный магнитный слой, размещенный между двумя наружными немагнитными слоями, по меньшей мере один из которых является электропроводным, при этом оба наружных слоя выполнены из различных материалов, предназначен для создания асимметрии инверсии, которая генерирует электрическое поле, не компенсируемое в центральном магнитном слое. Электроны, распространяющиеся в этом магнитном поле, подвержены в своей системе координат воздействию, присущему магнитному полю, называемому полем Рашбы H_R, направление которого перпендикулярно одновременно току и магнитному полю. Это магнитное поле воздействует, таким образом, на электроны проводимости. Заявитель установил, что эффективное магнитное поле, результирующее этого поля Рашбы, и обменное взаимодействие, связывающие спин перемещающихся и локализованных электронов, используются для локального намагничивания. Так, статья Ioan MIRON с сотрудниками под названием «Current-driven spin torque inducted by the Rashba effect in а ferromagnetic metal layer», опубликованная в Nature Materials, том 9, стр. 230-234 (2010), описывает набор слоев, содержащий слой Pt (3 нм), слой Со (0,6 нм), имеющий намагничивание, перпендикулярное его плоскости и, таким образом, параллельное оси z, и слой AlOx (2 нм), по которому проходит ток, протекающий параллельно оси х. Такое расположение имеет эффективное магнитное поле H_eff по третьей оси прямоугольной системы координат, оси у. Вследствие этого такая конфигурация является неприспособленной к осуществлению запоминания, так как магнитное поле не является коллинеарным для намагничивания слоя.

Заявитель показал, что это теоретическое препятствие можно обойти путем использования того, что, в соответствии с его толкованием, вытекает из динамики намагничивания, вызванного взаимодействием поля H_eff и внешнего магнитного поля, составляющая которого перпендикулярна H_eff, когда ток поступает в структуру, имеющую асимметрию инверсии, при этом направление составляющей, перпендикулярное H_eff магнитного поля, является коллинеарным направлению поступления тока (первая конфигурация), либо перпендикулярным упомянутому направлению (вторая конфигурация).

Фиг. 1a-1f изображают первую конфигурацию осуществления изобретения, в соответствии с которой направление прикладываемого магнитного поля параллельно направлению тока, а направление намагничивания перпендикулярно плоскости центрального магнитного слоя. Прикладываемое магнитное поле, таким образом, перпендикулярно одновременно намагничиванию и направлению эффективного магнитного поля H_eff.

Позицией 15 обозначена подложка, являющая электрически изолирующей, чтобы не было короткого замыкания структуры. Она может быть выполнена, в частности, из диэлектрического оксида (например, SiOx, AlOx, MgOx), или из нитрида, например, SiNx. Она может быть отдельной или нанесена на другую подложку, например, из кремния.

Позицией 13 обозначен плоский магнитный слой, намагничивание которого перпендикулярно его плоскости. Позицией 16 обозначено направление намагничивания, которое может быть в одном или противоположном направлении.

Позициями 12 и 14 обозначены соответственно первый и второй наружные немагнитные слои. Вторым наружным слоем 14 является слой, по которому проходит ток в процессе записи.

Позицией 11 обозначено направление тока записи, который может быть ориентирован в прямом или обратном направлении, а позицией 17 обозначено направление прикладываемого магнитного поля, которое является коллинеарным направлению тока и которое может быть ориентировано в прямом или обратном направлении.

Фиг. 1а и 1b изображают неструктурированный набор слоев, в котором слои 12, 13 и 14 набора слоев образуют дорожку.

Фиг. 1с-1f изображают структурированный набор слоев, в котором слой 14 (названный вторым наружным слоем) является проводящим, а магнитный 13 и немагнитный 12 (названный первым наружным слоем) слои являются единственно структурированными для формирования контактов (фиг. 1с и 1d), и в котором три слоя 12, 13, 14 являются структурированными для образования контакта, включая в контакт выступ 14' по толщине проводящего слоя 14 так, чтобы контакт содержал часть толщины немагнитного материала слоя 14 (фиг. 1е и 1f). Принимаемой в расчет толщиной второго наружного слоя является собственно толщина слоя 14 и толщина выступа 14'.

Следует отметить, что область выступа 14' необязательно выполнена из того же электропроводящего материала, что и слой 14, и в этом случае этот выступ 14' выполняет функцию второго немагнитного наружного слоя и его материал в наборе материалов выполняет функцию получения асимметрии инверсии. Таким образом, металлический материал слоя 14 может быть любым.

Формирование контактов позволяет осуществлять перемагничивание только в контактах, в противном случае перемагничивание осуществлялось бы по всей длине дорожки.

Магнитный слой 13 имеет перпендикулярное намагничивание и имеет весьма малую толщину для того, чтобы электрическое поле на переходах не было отрицательным. Его толщина не превышает обычно 2 нм и максимально составляет 5 нм.

Все магнитные материалы имеют перпендикулярное намагничивание, вызванное, например, их собственной перпендикулярной магнитной анизотропией (сплавы FePt, FePd, CoPt...; сплавы редкоземельных/переходных металлов CdCo, TbFeCo...), либо могут быть использованы с эффектом перпендикулярной магнитной анизотропии, вызванной межфазными границами (Со, Fe, CoFe, Ni,CoNi,...). Можно также использовать неметаллические магнитные материалы, как, например, магнитные полупроводники, такие как GaMnAs (GaAs, легированный Mn). Следует отметить, что известные магнитные полупроводники являются магнитными только при температурах ниже температуры окружающей среды.

В случае, когда перпендикулярная анизотропия магнитного материала наводится границами раздела, можно получить намагничивание, перпендикулярное плоскости, воздействуя на толщину центрального слоя и/или на степень окисления наружного слоя из оксида, например, путем изменения параметров осаждения этого наружного слоя или с помощью отжига после изготовления набора слов.

Пример: набор слоев, содержащий проводящий слой 14 из Pt (толщиной 3 нм), центральный слой 13 из Со (толщиной 1 нм) и слой 12 из AlOx, имеет для данного состояния окисления слоя AlOx перпендикулярное намагничивание, тогда как если толщина слоя Со равна 1,5 нм, то имеет место намагничивание в плоскости. Если набор слоев подвергается отжигу при 300°С в течение 60 минут в вакууме, то намагничивание центрального слоя 13 из Со становится перпендикулярным плоскости.

При толщине слоя Со выше 3 нм нельзя получить намагничивание вне плоскости независимо от отжига или параметров окисления, если слой 12 выполнен из AlOx. Если, напротив, диэлектриком, используемым для слоя 12, является MgOx, можно получить перпендикулярное намагничивание при толщине центрального слоя, превышающего или равного 3 нм.

Влияние толщины слоя кобальта на магнитные свойства для различных оксидов (AlOx, MgOx, SiOx) описано в статье “Domain Patterns and Magnetisation revercal in Oxide/Co/Pt Films” Jae Chul LEE и сотрудники, появившейся в IEEE Transfction on Magnetics, том 46 № 6 за июнь 2010.

Влияние окисления и отжига на магнитные свойства трехслойных соединений Pt/Co/AlOx было описано в статье “Influence of Thermal annealing on the perpendicular magnetic anisotropy of Pt/Co/AlOx trilayers” B. RODMACQ и сотрудники, появившейся в Phisical Review B 79 024423, (2009).

Влияние состояния окисления слоя оксида на магнитные свойства слоя кобальта в трехслойном наборе слоев платина/кобальт/окисел металла было описано в статье “Analysis of oxygen induced anisotropy crossover in Pt/Co/MOx trilayers” автора A.MANCHON и сотрудников, появившейся в Journal of Applied Physics 104, 043914 (2008).

Два немагнитных слоя 12 и 14 должны быть различными для того, чтобы создать асимметрию инверсии в общей структуре. Предпочтительно выбирают два различных материала для каждого из этих слоев, например диэлектрик для одного из двух и металл для другого, но можно выбрать один металл для каждого из них. Случай, когда два слоя 12 и 14 являются диэлектрическими, возможен, только если структурируют дорожку, а не выступ. Можно заставить протекать ток непосредственно в центральном слое 13.

Так, каждый из двух слоев 12 и 14 может быть выполнен из следующих материалов при условии, чтобы эти слои были различными для того, чтобы общий набор слоев (слои 12, 13 и 14) имел перпендикулярное намагничивание: диэлектрический оксид (SiO_x, AlOx, MgOx, TiOx, TaOx, HfOx...), диэлектрический нитрид (SiN_X, BN_X...), немагнитный материал (Pt, Pd, Cu, Au, Bi...), немагнитный сплав этих металлов, органический или неорганический полупроводниковый компонент (например, GaAs, Si,Ge, Graphene), связанный, при необходимости, усилительным буфером, например, таким металлом, как иридий.

В случае, когда один или другой немагнитные слои являются проводящими, то есть в случае металла или сплава, оба внешних слоя не должны иметь одинаковый состав.

Толщина слоев 12 и 14 может быть выбрана в широком диапазоне величин, обычно от 0,5 до 200 нм толщины, и в частности от 5 до 100 нм. В случае, когда слой 12 является изолирующим, отсутствуют неудобства, связанные с тем, что его величина достигает верхней обозначенной величины, а именно 200 нм, за исключением случаев, когда считывание точки памяти осуществляется с помощью магниторезистивного туннельного сигнала с добавлением, например, магнитного слоя и электрода над этим изолирующим слоем, изображенным на фиг. 2а и 2b. В этом случае толщина этого изолирующего слоя будет предпочтительно выбрана меньшей 3 нм. Напротив, в случае металлических слоев 12 и/или 14 предпочтение отдается тонким слоям, обычно меньшим 5 нм, и, в общем, меньшим 10 нм, чтобы не уменьшать эффективный ток, проходящий в магнитном слое вследствие параллельных проводящих каналов. В случае, когда слой 12 является металлическим и считывание точки памяти осуществляется с помощью сигнала большого магниторезистивности с добавлением, например, магнитного слоя и электрода над этим металлическим слоем, как изображено на фиг. 2а и 2b, толщина этого проводящего слоя 12 будет выбираться обычно меньшей 10 нм и предпочтительно меньшей 5 нм.

Эти различные слои могут быть нанесены любой известной технологией, такой как: испарение, распыление, электрохимическое нанесение, химическое выращивание...

Слой 14 может быть выполнен в определенных геометрических размерах. Магнитный слой 13, таким образом, наносится непосредственно на изолирующую подложку 15, а немагнитный слой 12 выбран так, чтобы иметь асимметрию инверсии из материала, отличного от материала подложки 15. Тем не менее, следует отметить, что в случае, когда контакты структурированы, слой 14 должен иметься и быть образован из электропроводного материала так, чтобы иметь возможность инжектировать ток в центральный слой 13 структурированных контактов (в данном случае 18а и 18b). В этом случае выступающая часть 14' также должна быть проводящей, чтобы генерировать в комбинации со слоем 12 асимметрию инверсии, которая необходима для генерирования поля Рашбы и обеспечения инжекции тока в центральный магнитный слой 13.

Инвертируемый элемент, будь-то дорожка, изображенная на фиг. 1а и 1b, или контакт, установленный или структурированный на дорожке (фиг. 1с - фиг. 1f), соединен известным образом с проводящими электродами так, чтобы инжектировать в проводящий слой ток в направлении 11, указанном на фиг.1, что позволяет осуществить токовую инжекцию в центральный магнитный слой 13. Магнитное поле накладывается на структуру 17 коллинеарно в направлении 11 тока инжекции. Ток может быть приложен в направлении 11 по направлению стрелки I₊ или в направлении, противоположном направлению стрелки I_-. Таким же образом магнитное поле может быть наложено в направлении 17 по направлению стрелки Н₊ или в противоположном направлении по стрелке Н_-.

Пара направлений тока и поля стабилизирует направление намагничивания.

Например, момент вращения I₊, H₊ стабилизирует конфигурацию намагничивания вверх, как изображено на фиг. 1а-1f.

Исходя из конфигурации, в которой намагничивание элемента осуществлялось только вверх, можно его инвертировать при сохранении направления электрического тока I₊, изменяя направление приложенного магнитного поля Н_-.

Другое решение заключается в сохранении направления магнитного поля Н₊ и изменении направления электрического поля I_- Это решение является предпочтительным, так как оно позволяет использовать статическое магнитное поле, образуемое, например, постоянными магнитами и не потребляющими никакой энергии.

Можно инвертировать намагничивание вниз, воздействуя на направление приложенного магнитного поля, что приводит к вращающему моменту (I₊,H_-), или воздействуя на направление приложенного тока, что приводит к вращающему моменту (I_-,H₊), при этом вращающий момент (I_-,H₊) является предпочтительным, как указывалось выше. Как только намагничивание инвертировано, оно становится стабильным даже при отсутствии инжектированного тока и при наличии или отсутствии статического магнитного поля.

Одновременное изменение направления тока и направления намагничивания приводит к вращающему моменту (I_-,H_-), который стабилизирует также намагничивание вверх.

В общем, следует отметить, что нет необходимости в том, чтобы внешнее поле было точно параллельно направлению тока. Следует иметь внешнее магнитное поле в плоскости, перпендикулярной намагничиванию, это внешнее магнитное поле имеет ненулевой компонент, параллельный току. Наблюдают расхождение до угла в 60° между приложенным полем и током.

Типичные значения плотностей тока, инжектируемых в слой 14, составляют от 10⁴ А/см² до 10⁹ А/см² и они предпочтительно составляют от 10⁵ А/см² до 10⁸ А/см².

Обычные величины компонента магнитного поля, приложенного вдоль направления тока, составляют от 20 Ое-10 кОе, то есть от 0,002 Тл и 1 Тл. Предпочтительно, следует выбирать величину, составляющую от 50 Ое(0,005 Тл) и 8000 Ое(0,8 Тл). Следует удерживать эту величину достаточно слабой для того, чтобы не индуцировать очень большое уменьшение энергетического барьера, разделяющего две ориентации намагничивания, что могло бы вызвать нежелательные инверсии.

Для этого величина приложенного магнитного поля выбирается значительно меньшей эффективного поля анизотропии магнитного слоя.

Например, центральный слой из Со между слоем 14 из Pt и слоем 12 из MgO имеет эффективное поле анизотропии в 0,8 Тл (8000 Ое), и можно без проблем наложить магнитное поле в 0,008 Тл (800 Ое).

Величина наложенного магнитного поля может быть на практике выбрана с учетом от 3 до 10 раз меньшей эффективного поля анизотропии и в особенности от 4 до 10 раз меньшей этой величины.

Магнитное поле может быть наложено различными способами, например просто с помощью тока, проходящего по одной или нескольким катушкам для генерирования общего поля на все устройство; либо с помощью дорожек, по которым проходит ток, как осуществлено в магниторезистивной оперативной памяти с инверсией, вызванной магнитным полем; либо, предпочтительно, с помощью постоянных магнитов, размещенных вблизи по меньшей мере одного инвертируемого контакта. Это решение имеет значительное преимущество в том, что не требует энергетического потребления для генерирования магнитного поля. Эти постоянные магниты могут быть получены путем структурирования магнитного покрытия, что облегчает встраивание этой техники инверсии в функциональные устройства, например, типа памяти или логики.

Можно также использовать один или несколько постоянных магнитов, расположенных снаружи системы контактов для того, чтобы генерировать поле на всю структуру.

Фиг. 2а и 2b представляют пример набора слоев, используемых в ячейке записывающей памяти MRAM.

Позицией 53 обозначен центральный магнитный слой, размещенный между двумя немагнитными материалами 52 и 54 для изготовления описанного выше набора слоев на электрически изолированной подложке 55.

Позицией 57 обозначено направление вешнего накладываемого поля.

Над набором слоев для считывания расположен слой 58 магнитного материала и верхний электрод 59, который может содержать один или несколько проводящих слоев (магнитных или немагнитных).

Функцией слоя 58 является обеспечение того, чтобы структура 53, 52, 58 имела различные величины электрического сопротивления в зависимости от направления намагничивания 56 слоя 53 (магниторезистивный сигнал). Она используется только для считывания и не оказывает никакого влияния на изменение намагничивания слоя 53.

Другими словами запись и считывание осуществляется независимо, и могут быть оптимизированы раздельно.

Электрод 59 может содержать один слой или известным образом набор различных функциональных слоев. Он, например, может содержать:

- набор слоев, выполненный из синтетического антиферромагнетика для того, чтобы ограничить поля, излучаемые на слой 53, которым стремятся манипулировать, например набор слоев, содержащий слой ферромагнетика, отделенный от слоя ферромагнетика 58 очень тонким слоем немагнитного металлического материала, обычно 0,3 нм рутения (Ru), при этом величины намагничиваний двух ферромагнитных слоев выбираются наиболее возможно близкими для того, чтобы антиферромагнитное взаимодействие, наличие которого обязано слою рутения, являлось следствием общего поля, излучаемого этими тремя слоями на слой 53, которое является нулевым или квазинулевым;

- либо антиферромагнитный магнитный материал, взаимодействующий путем обмена со слоем 58 так, чтобы стабилизировать этот слой 58, называемый опорным;

- либо проводящие немагнитные материалы для изготовления электрических контактов;

- или комбинации этих различных возможностей, например, антиферромагнитного материала, расположенного рядом с ферромагнитным материалом так, чтобы стабилизировать намагничивание последнего путем взаимодействия между двумя этими материалами, причем этот ферромагнитный материал отделен от слоя 58 тонким металлическим слоем, обычно 0,03 нм Ru, для того, чтобы магнитное взаимодействие между этими двумя ферромагнитными слоями стало антиферромагнитным. Наконец, первый магнитный материал покрыт одним или несколькими немагнитными проводящими слоями, например, 5 нм Та, покрытого 7 нм Ru. Примеры таких комбинаций, например, можно найти в магнитных наборах слоев, используемых для инверсии STT, описанных в B. DIENY et al.,Int.J.Nanotechnology, vol.7,591 (2010).

Две основных конфигурации могут быть отличны в соответствии с природой слоя 52: если он является немагнитным металлическим, структура 53, 52, 58 представляет собой затвор спина, а если слой 52 является диэлектрическим, то структура 53, 52, 58 представляет собой магнитный туннельный электронно-дырочный переход. Так как магниторезистивный сигнал является гораздо более значимым для этих структур, то они будут наиболее подходящими. Кроме того, для большей оптимизации магниторезистивного сигнала в том и другом случаях больше подходит конфигурация, в которой намагничивание слоя 58 является коллинеарным, или параллельным, или антипараллельным намагничиванию слоя 53.

А, В и С (фиг. 2а и 2b) обозначают три электрических соединительных зажима. В фазе записи ток записи инжектируется между зажимами А и В (эквивалентным образом напряжение прикладывается между этими зажимами так, чтобы заставить протекать ток). Ток записи проходит в магнитный слой 53 и вызывает в этом слое эффективное магнитное поле, вызванное полем Рашбы и обменным взаимодействием s-d, воздействующим на локальное намагничивание (см. указанную статью MIRON и сотрудники). Это эффективное поле H_eff далее будет называться эквивалентным образом спин-орбитальным полем или эффективным полем H_eff. Это спин-орбитальное поле в комбинации с внешним приложенным полем позволяет осуществить по изобретению манипулирование намагничиванием. В случае, когда слой 52 образован диэлектрическим материалом, инжектированный сбоку ток не проходит через этот слой и не нарушает его. Считывание сохраненной информации, обычно ориентации намагничивания в поле 53, осуществляется как для структуры типа туннельного электронно-дырочного перехода, так и затвора спина, инжектируя ток малой плотности (например, порядка нескольких мкА или нескольких десятков мкА в случае туннельного электронно-дырочного перехода) между зажимами С и В (или эквивалентным образом между зажимами С и А), и измеряя напряжение между этими зажимами; либо прикладывая постоянное напряжение между зажимами В и С (или эквивалентным образом между зажимами С и А) и измеряя ток, который протекает между этими зажимами так, чтобы измерить в обоих случаях сопротивление между рассматриваемыми зажимами. Последнее будет иметь два различных значения вследствие того, что направление намагничивания 56 является параллельным или антипараллельным направлению опорного слоя 58. Ток считывания имеет малую величину вследствие того, что туннельный барьер (в случае, когда слой 52 является диэлектрическим) не будет нарушен.

Как указано выше в описании, приложенное магнитное поле может сохранять постоянное направление, и инверсию намагничивания получают направлением тока через слои 54 и 53. Это решение является предпочтительным, так как оно легко интегрируется и не требует никакого дополнительного электропотребления (в случае, когда используют постоянные магниты).

В противном случае, намагничивание может быть, разумеется, просто инвертировано путем инверсии приложенного магнитного поля при сохранении направления инжектируемого тока.

Далее будут рассмотрены примеры построения памяти со ссылками на фиг. 3а-3d, на которых фиг. 3b и 3d изображают интегрирование постоянных магнитов.

Фиг. 3а-3d иллюстрируют четыре примера построения структуры памяти в соответствии с первой конфигурацией с использованием структуры 2а и 2b.

Слой 70 магнитного материала размещен между проводящим слоем 72 и набором слоев 71, включающим слои 52, 58 и 59 по фиг. 2а и 2b для считывания намагничивания слоя 70 туннельным электронно-дырочным переходом (или затвором спина).

Линия считывания 74 позволяет питать точку С точек памяти одной линии. Область выступа 72', эквивалентная области 54', также, по необходимости, представлена.

Статическое магнитное поле в направлении 76 приложено параллельно направлению тока, который проходит через проводящий слой 72.

Статическое поле может быть приложено к системе памяти одним или несколькими постоянными магнитами, либо к каждому из контактов, образованных элементарными наборами слоев (в данном случае изображены 3), например, с помощью постоянных магнитов 75а и 75b, расположенных напротив каждого из контактов.

Два транзистора, например, типа металл-оксид-полупроводник или МОП 73а и 73b могут быть использованы для приложения тока в одном направлении или в противоположном направлении через проводящий слой 72 (фиг. 3а и 3b), или использован один транзистор 73а, а на другой вывод 78 подан постоянный потенциал (фиг. 3с и 3d).

Слой 72 структурирован в форме дорожки для подачи тока. Он может содержать слой другого проводящего материала, расположенного на слое 72.

Для данной точки памяти инжекция тока записи может осуществляться двумя вариантами.

В первом варианте используют два транзистора 73а, 73b, работающих в переключающем режиме, в котором свободный зажим попеременно соединяется с массой для одного и с напряжением V_dd для другого режима, при этом напряжение V_dd выбирается для того, чтобы заставить протекать ток выбранной величины в том или другом направлении в зависимости от того, на какой из транзисторов, 73а или 73b, подано напряжение V_dd.

Во втором случае используют один транзистор 73а, а другой конец дорожки 72 в точке 78 соединен с постоянным напряжением.

Симметричное функционирование:

Дорожка, соединенная с транзистором, находится под потенциалом V_dd (или массы), тогда как другая дорожка, соединенная на конце дорожки 72 с точкой 78, соединена с массой (или с V_dd). Такая конфигурация позволяет генерировать больший ток, чем следует.

Асимметричное функционирование:

Дорожка, соединенная на конце дорожки 72 в точке 78, имеет промежуточный потенциал, например, V_dd/2, тогда как дорожка, соединенная с транзистором 72а, имеет соответственно потенциал V_dd, или массы в соответствии с желаемым направлением тока. Такая конфигурация позволяет генерировать меньший ток. В конфигурации по изобретению ток может быть направлен по гораздо меньшей поверхности, чем поверхности, используемые в известном уровне техники, и этот ток является достаточным для работы устройства. В данном примере реализации осуществляется экономия потребления при работе.

Во второй конфигурации (фиг.4а - 4f) направление 26 намагничивания магнитного поля проходит в плоскости последнего и параллельно направлению инжектируемого тока, и магнитное поле, например, прикладываемое постоянное, перпендикулярно направлению 26 намагничивания, как и направлению магнитного поля спин-орбиты (эффективное магнитное поле).

Накладываемое магнитное поле необязательно должно быть строго перпендикулярно направлению магнитного поля H_eff, но должно иметь ненулевую составляющую, которая ниже будет называться полезной составляющей накладываемого магнитного поля в соответствии с направлением, перпендикулярным H_eff (или полю спин-орбиты) и направлению намагничивания 26. Угол между приложенным магнитным полем и полезной составляющей этого поля может достигать 60°.

Как для фиг. 1а-1f, представлены три геометрии, а именно в форме дорожки (фиг. 4а и 4b) и контактов, проводящей дорожки 24, продолжающей контакт (фиг. 4с и 4d), или представляющие выступ 24'(фиг. 4е и 4f), который является электропроводным (обычно, металлическим) и который необязательно выполнен из того же материала, что и дорожка 24, в том случае, когда этот выступ 24' выполняет функцию внешнего немагнитного слоя, и его материал является функциональным в наборе слоев для получения асимметрии инверсии. Металлический материал слоя 24 может, таким образом, быть любым.

Для каждой геометрии позиция 21 обозначает направление инжектируемого тока, а 27 - направление полезной составляющей внешнего магнитного поля, которое приложено (см. замечания, сделанные выше, для направления). Это направление является перпендикулярным плоскости слоев 23, 24 и, таким образом, направлению намагничивания 26 слоя 23 и направлению 21 инжектируемого тока.

Слой 23 магнитного материала малой толщины расположен в между двумя слоями различных немагнитных материалов, а именно слоем 22, расположенным сверху, и слоем 24, расположенным снизу, посредством которого инжектируется ток.

Обычный набор слоев содержит электроизолирующую подложку 25, например, из диэлектрического оксида (например, SiOx, AlOx, MgOx) или, например, нитрида кремния, например, SiNx, на которую нанесена структура, образующая набор слоев. Тонкий слой магнитного материала (или комбинация магнитных материалов или магнитных слоев 23), например слой в 3 нм кобальта, размещен между двумя слоями 22 и 24 из различных немагнитных материалов, например диэлектрическим слоем 22 и слоем 24 из электропроводного материала, по существу, металла, например из платины. Слои 22 и 24 могут быть также выполнены из двух различных металлов. Намагничивание магнитного слоя 23 осуществляется в плоскости, ориентированной по оси дорожки 26. Ток инжектируется в направлении 21, которое параллельно направлению намагничивания, а внешнее магнитное поле приложено в плоскости, перпендикулярной намагничиванию с полезной составляющей в направлении 27, перпендикулярном плоскости межфазных переходов (или полю спин-орбиты).

Контакт 28а или 28b (фиг. 4с - 4f), содержащий немагнитный материал 22 и магнитный материал 23, может быть образован на проводящей дорожке 24 для того, чтобы инвертировать намагничивание только в этом контакте. Контакт 28b (фиг. 4е и 4f) может содержать часть 24' с толщиной немагнитного материала 24. Контакт 28а или 28b может иметь любую из геометрий: квадратную, прямоугольную, дисковую, эллипсоидную либо деформированную каждую из этих геометрий, при этом главным является то, что намагничивание направлено вдоль дорожки. Для этого предпочитают эллиптическую форму с большой осью, параллельной оси дорожки.

Как в описанных выше случаях, выступ 24' может быть также выполнен из проводящего материала, отличного от материала слоя 22 и проводящей дорожки 24.

Материал подложки 25 может быть выбран из тех же материалов, что и для первой конфигурации.

Магнитный слой 23, в отличие от слоя 13, должен иметь плоское намагничивание и иметь довольно малую толщину для того, чтобы эффективное магнитное поле H_eff, вызванное инжектированным током и воздействующее на локальное намагничивание, не было незначительным.

В случае, когда слои 22 и 24 являются проводящими немагнитными, стараются получить слой 23, имеющий такую толщину, чтобы магнитная анизотропия находилась в плоскости. Эта толщина, обычно, более значительна, чем толщина слоя 13, окруженного двумя слоями 12 и 14 (фиг. 1а-1f), идентичными слоям 22 и 24. В случае, когда один из двух слоев, обычно 22, выполнен из электроизолирующего материала, обычно оксида, такого как AlOx, MgOx, TiOx, TaOx,.., можно одновременно увеличить толщину магнитного слоя, или изменить состояние окисления оксидного слоя или путем осаждения этого слоя, или с помощью отжига в вакууме после осаждения этого слоя. Примеры таких обработок можно найти в уже упомянутых публикациях B.RODMACQ и сотрудников, и A.MANCHON и сотрудников.

Таким образом, толщина этого магнитного слоя может в определенных случаях в зависимости от параметров окисления и/или отжига быть идентичной толщине, использованной в первой конфигурации, описанной выше, тогда как намагничивание является перпендикулярным в этой первой конфигурации и планарным в описанном здесь случае. Эта толщина для второй конфигурации не превышает обычно 5 нм и предпочтительно меньше или равна 3 нм. Могут быть использованы все магнитные материалы, имеющие планарное намагничивание (Co, Fe, CoFe, NiFe, CoNi,...). Можно также использовать магнитные неметаллические материалы, такие как магнитные полупроводники (Ga,Mn)As в соответствии с разработанными условиями.

В качестве иллюстративного примера, который касается случая (Ga,Mn)As, полученного наращиванием, например, на GaAs(100), после легирования GaAs c Mn будет получено сжимающее усилие, которое приведет к планарной анизотропии, тогда как когда производят наращивание на GaInAs, будет получено другое усилие и результирующая магнитная анизотропия, перпендикулярная плоскостям. Это можно найти, например, в: “Anisotropic magnetization relaxation in ferromagnetic Gal-xMnxAs thin films”, Kh.KHAZEN,H.J.VONBARDELEBEN,M.CUBUKCU,J.L.CANTIN,V.NOVAK,K.OLEJNIK,M.CURK,L.THEVENARD, A.LEMETR, Phys. Rev. B 78 195210 (2008); либо также в “Ferromagnetic semiconductor: “moving beyond (GaMn)As”, A. H. MACDONALD, P. SCHIFFER, N. SAMARTH, Nature Materials 4, 195-202 (2005), doi:10.1038/nmat1325.

То, что было описано для слоев 13 и 14 в соответствии с первой конфигурацией, остается значимым для немагнитных слоев 22 и 24 с той разницей, что установленное ограничение, которое касалось только общего набора слоев (слои 12, 13, 14) с перпендикулярным намагничиванием, заменено теперь ограничением на набор слоев с планарным намагничиванием.

Неупоминание слоя 24

Все, что было описано для слоя 14, может быть справедливо для этого слоя.

Инверсия слоя

Кроме того, то, что было описано и касалось инверсии намагничивания в первой конфигурации, может быть идентично использовано в данном случае при рассмотрении представленных ранее направлений намагничивания и приложенного внешнего поля. Это касается величин магнитного поля и плотности тока, а также наложения магнитного поля.

В случае планарного намагничивания поле анизотропии составляет порядка 4 πMs, где Ms является намагниченностью насыщения или, примерно, 1,5 Тл для Со. Величина наложенного магнитного поля может быть на практике от 3 до 10 раз меньшей величины эффективного магнитного поля анизотропии и предпочтительно от 4 до 5 раз меньше последней. Величины наложенного магнитного поля, таким образом, могут быть более значительными, чем для первой конфигурации, так как поле анизотропии обычно выше.

Фиг. 5а и 5b иллюстрируют пример набора слоев, используемых в ячейке магнитной памяти MRAM или логическом компоненте для того, чтобы обеспечить одновременно запись и считывание.

Магнитный материал 63 малой толщины, который имеет намагничивание в направлении 66, параллельном его плоскости, размещен между двумя слоями 62 и 64 различных немагнитных материалов, при этом материал 64 образует токоведущую дорожку на изолирующей подложке, снабженную выступом 64'. Внешнее магнитное поле наложено в направлении 67, перпендикулярном плоскости межсоединений между слоями набора. На этот набор слоев наложены последовательно слой 68 магнитного материала и верхний электрод 69, выполненный из одного или нескольких слоев проводящих материалов, которые могут быть или не быть магнитными для формирования, как в первой конфигурации, набора слоев, как описано со ссылками на фиг. 4с-4f. А, В и С являются тремя точками осуществления электрического контакта соответственно с концами дорожки 64 (контакты А и В) и с верхним электродом 69 (контакт С).

Фиг. 5b иллюстрирует также пример встраивания в контакт магнитов с постоянной намагниченностью 60а и 60b для генерирования магнитного поля в направлении 67. Для осуществления контакта С постоянный магнит 60b выполнен из проводящего материала.

Фиг. 6а-6d иллюстрируют структуру памяти, которая представляет собой структуру, представленную на фиг. 5а и 5b в соответствии с четырьмя вариантами осуществления.

В каждом из случаев магнитный слой 80 размещен между слоем 82, 82' подвода тока и набором слоев 81, который содержит слои 62, 68 и 69 по фиг. 5а и 5b, для осуществления в качестве первой конфигурации набора слоев типа туннельного электронно-дырочного перехода, если слой 62 является диэлектрическим (или затвора спина, если слой 62 выполнен из немагнитного металла), для считывания состояния намагничивания слоя 80.

На фиг. 6а инжекция тока записи в дорожке 82 управляется двумя транзисторами 83а и 83b.

Считывание сохраненной информации, обычно ориентации намагничивания в слое 80, осуществляется также хорошо для структуры туннельного электронно-дырочного перехода, как и для затвора спина, инжектируя ток записи малой интенсивности (например, порядка нескольких микроампер или десятков микроампер для туннельных электронно-дырочных переходов) между зажимами С (линия 84) и В (или эквивалентным образом между зажимами С и А) и измеряя напряжение между этими зажимами или прикладывая постоянное напряжение считывания С и В (или эквивалентным образом между зажимами С и А), и измеряя ток считывания между зажимами так, чтобы во всех случаях измерять сопротивление между рассматриваемыми зажимами. Сопротивление будет иметь два различных значения в зависимости от того, параллельно или антипараллельно направление 66 намагничивания 80 направлению опорного слоя 68. Ток считывания имеет малую величину для того, чтобы туннельный барьер (в случае, когда слой 62 является диэлектрическим) не был бы нарушен.

Постоянные магниты 85а и 85b могут быть встроены в структуру, например, соответственно снизу дорожки 82 или сверху набора слоев 81 для наложения статического поля в направлении 86, перпендикулярном плоскости слоя 80. Материал, образующий постоянный магнит 85а, должен быть проводящим и не нарушать считывания.

Фиг. 6с и 6d отличаются соответственно от фиг. 6а и 6b тем, что использован только один считывающий транзистор, при этом другой конец 88 (точка В) линии 82 подвода тока соединен с постоянным потенциалом.

Цепь управления может быть использована во всех случаях для управления операциями записи и/или считывания.

Инверсия намагничивания слоя 80 осуществляется, в данном случае, благодаря току, проходящему через нижний электрод 82 в том или ином направлении в присутствии магнитного статического поля направления 86, при этом внешний слой набора слоев 82, 80, 81 структурирован в форме дорожки 82 для подвода тока при наличии, при необходимости, проводящего выступа 82'. Как в предыдущих случаях, выступ 82' может быть выполнен или нет из того же проводящего материала, что и дорожка 82.

Для данной точки памяти инжекция тока записи может осуществляться двумя способами.

В первом способе используют два транзистора 83а и 83b, работающих в переключающем режиме, свободный зажим которых соединяется попеременно с массой для одного и с напряжением V_dd - для другого, при этом напряжение V_dd выбирается так, чтобы заставить протекать ток заданной величины в том или ином направлении в зависимости от того, что транзистор 83а или транзистор 83b подключены к напряжению V_dd.

Во втором случае используют один транзистор 83а, а другой коней дорожки 82 соединен точкой 88 с постоянным напряжением.

Симметричная работа

Дорожка, соединенная с транзистором, подключена к потенциалу V_dd (или к массе), тогда как другая дорожка, соединенная в конце дорожки 82 в точке 88, подключена к массе (или к V_dd). Такая конфигурация позволяет генерировать больший ток, чем необходимо.

Асимметричная работа

Дорожка, соединенная с концом дорожки 82 в точке 88, подключена к промежуточному потенциалу, например, V_dd/2, тогда как дорожка, соединенная с транзистором 83а, соединена соответственно с потенциалом V_dd или с массой в соответствии с желаемым направлением тока. Такая конфигурация позволяет генерировать меньше тока. В конфигурации по изобретению ток может быть направлен на меньшую поверхность, чем поверхности, используемые в известных технологиях, и этот ток достаточен для работы устройства. В этом варианте реализации осуществляется экономия потребления при работе.

Фиг. 7 изображает пример электрической схемы для встраивания элемента памяти для образования сети ячеек памяти в двух измерениях, например, с туннельным электронно-дырочным переходом. Устройства, позволяющие накладывать магнитное поле, не изображены в целях упрощения.

В одном направлении изображены битовые линии или цифровые линии 111₁, 111₂, 111₃ и т.д., соединенные со стоком транзисторов 113_1, 113₂, 113₃, 113'₁, 113'₂, 113'₃, 113”_1, 113”₂ и т.д., и сопряженные битовые линии 112₁, 112_2, 112₃,..., которые образуют сеть в двух измерениях.

В перпендикулярном направлении изображены управляющие дорожки 110, 110', 110”,... затворов полевых транзисторов 113₁, 113_2, 113₃, 113'₁, 113'₂, 113'₃, 113”_1, 113”₂ и т.д., которые образуют линии слов.

Реперы 114₁, 114_2, 114_3, 114'₁, 114'₂, 114'₃ и т.д. схематически обозначают набор слоев по изобретению, включающий туннельный электронно-дырочный переход (или затвор спина). Туннельный электронно-дырочный переход или затвор спина не пересекается током, перпендикулярным плоскости их слоев в процессе фазы записи, и он не пересекается током, перпендикулярным плоскости их в процессе фазы считывания.

Показаны характерные точки А, В и С. Они соответствуют точкам, изображенным на фиг. 2а, 2b, 3c, 3d, 5a, 5b, 6c, 6d (монтаж с одним транзистором).

Точки А соединены с истоками транзисторов 113_1, 113₂, 113₃, 113'_1, 113'₂ и т.д.

Точки В соединены с сопряженными битовыми линиями 112_1, 112_2, 112₃ и т.д., а точки С - с линией поляризации 115, 115' и т.д. Затворы D транзисторов 113_1, 113_2, 113₃, 113'₁, 113'₂ и т.д. соединены с битовыми линиями 111_1, 111₂, 111₃ и т.д.

Нижняя часть набора слоев 114_1, 114₂ и т.д. является, таким образом, слоем, который изменяет намагничивание с помощью тока записи.

Во всех случаях можно инвертировать истоки и затворы транзисторов, при этом истоки могут быть соединены с битовыми линиями 111_1, 111₂ и т.д., а затворы с точками А.

В фазе записи из одной точки памяти, например, 114₁, битовая линия 111₁ и сопряженная битовая линия 112₁, которые соединены с этой точкой памяти, создают желаемое направление намагничивания потенциалу Vdd (или массе) и массе (или потенциалу Vdd) в случае симметричной работы, описанной выше. Другие битовые линии 111₂ и т.д. и сопряженные битовые линии 112_2, соединенные с другими точками памяти, являются неактивными. Соответствующая линия слов 110 подключена к управляющему потенциалу, необходимому для запирания транзистора 113₁ (эквивалентно транзистору 73а или 83а упомянутых фигур) для обеспечения протекания тока записи через транзистор 113₁.

Ток записи проходит, таким образом, между точками А и В в том или ином направлении в соответствии с желаемым направлением намагничивания. Для того чтобы записать только эту ячейку, другие линии слов 110', 110” и т.д. подключены к потенциалу, который открывает транзисторы. Никакой ток не пересекает перпендикулярно плоскость слоев набора слоев типа туннельного электронно-дырочного перехода или затвора спина, чтобы не привести к неисправности. Для этого линии поляризации 115, 115' и т.д., соединенные с точками С наборов слоев, являются неактивными (или открытыми) в этой фазе записи.

В фазе считывания, например, точки памяти 114₁ сопряженная битовая линия 112₁, соединенная с этой точкой памяти, является открытой, также как все другие сопряженные битовые линии 112₂ и т.д., для того, чтобы помешать любому току протекать в них. Линия 115 поляризации, соединенная с рассматриваемой точкой памяти, находится под потенциалом, обеспечивающим прохождение тока считывания (слабого) в туннельном электронно-дырочном переходе или затворе спина, тогда как другие линии 115' поляризации и т.д. разъединены. Ассоциированная «линия слов» 110, соединена с потенциалом, обеспечивающим закрытие транзистора 113₁, и ток, таким образом, может проходить через туннельный электронно-дырочный переход и затвор спина между точками С и А. Для того чтобы считывать только этот туннельный электронно-дырочный переход или этот затвор спина, другие линии слов 110'и т.д. подключены к потенциалу, который открывает эти транзисторы. В случае туннельного электронно-дырочного перехода считывание может осуществляться, например, в соответствии с положением уровня путем сравнения с помощью устройства для измерения малого тока, проходящего в электронно-дырочном переходе, с эталонным током. Этот ток считывания малой плотности, проходящий перпендикулярно плоскостям набора слоев, не позволяет записать электронно-дырочный переход в этой фазе считывания. Для затвора спина используется тот же способ.

Группа изобретений относится к магнитозаписываемому элементу и магнитозаписываемому устройству. Магнитозаписываемый элемент содержит набор слоев. Магнитный записывающий слой выполнен из по меньшей мере одного магнитного материала, имеющего направление намагничивания, параллельное или перпендикулярное плоскости данного слоя. Указанный записывающий слой расположен между первым и вторым внешними слоями, выполненными из различных первого и второго немагнитных материалов, причем второй немагнитный материал является электропроводным. Магнитозаписываемый элемент содержит также устройство для обеспечения пропускания тока записи только через второй внешний слой и магнитный записывающий слой, причем ток записи проходит в направлении тока параллельно плоскости магнитного записывающего слоя и не проходит через набор слоев в направлении, перпендикулярном плоскостям слоев, и устройство для наложения магнитного поля, причем направление намагничивания и направление магнитного поля перпендикулярны между собой. Обеспечивается инверсия намагниченности за счет магнитного слоя, функционирующего без пропускания тока перпендикулярно плоскости слоев. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 25 ил.

1. Магнитозаписываемый элемент, содержащий набор слоев с магнитным записывающим слоем (13, 53, 70, 23, 63, 80) из по меньшей мере одного магнитного материала, имеющего направление намагничивания, параллельное или перпендикулярное своей плоскости, который расположен между первым и вторым (12, 52, 71, 22, 62; 14, 54, 72, 24, 64, 82) внешними слоями, выполненными из первого и второго немагнитных материалов соответственно,
отличающийся тем, что
первый немагнитный материал отличается от второго немагнитного материала,
второй немагнитный материал является электропроводным,
при этом магнитозаписываемый элемент содержит:
устройство для обеспечения пропускания тока записи через второй внешний слой и магнитный записывающий слой, причем
ток записи проходит в направлении тока параллельно плоскости магнитного записывающего слоя и не проходит через набор слоев в направлении, перпендикулярном плоскостям слоев, и
устройство для наложения магнитного поля, содержащее составляющую в направлении магнитного поля либо параллельную, либо перпендикулярную плоскости магнитного записывающего слоя (13, 53, 70, 23, 63, 80) и направлению тока, причем направление намагничивания и направление магнитного поля перпендикулярны между собой.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что магнитное поле либо параллельно, либо перпендикулярно плоскости магнитного записывающего слоя и направлению тока.

3. Элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что направление магнитного поля параллельно направлению тока, при этом направление намагничивания перпендикулярно плоскости магнитного записывающего слоя (13, 53, 70).

4. Элемент по п. 3, отличающийся тем, что магнитный записывающий слой (13, 53, 70) имеет толщину, составляющую от 1 нм до 5 нм и предпочтительно меньшую или равную 2 нм.

5. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что направление намагничивания параллельно направлению тока, при этом направление магнитного поля перпендикулярно плоскости магнитного записывающего слоя (23, 63, 80).

6. Элемент по п. 5, отличающийся тем, что магнитный записывающий слой (23, 63, 80) имеет толщину, составляющую от 0,1 нм до 5 нм и предпочтительно меньшую или равную 3 нм.

7. Элемент по п. 3 или 4, отличающийся тем, что магнитный записывающий слой (13, 53, 70, 23, 63, 80) выполнен из сплава с собственной перпендикулярной магнитной анизотропией, в частности из FePt, FePd, CoPt, либо из сплава редкоземельный металл/переходный металл, в частности из GdCo, TbFeCo.

8. Элемент по п. 3 или 4, отличающийся тем, что магнитный записывающий слой содержит металл или сплав, имеющий в наборе слоев перпендикулярную магнитную анизотропию, наведенную межфазными переходами, в частности Со, Fe, CoFe, Ni, CoNi.

9. Элемент по п. 5 или 6, отличающийся тем, что магнитный записывающий слой выполнен из металла или сплава, имеющего в наборе слоев планарную магнитную анизотропию, в частности Со, Fe, CoFe, Ni, NiFe, CoNi.

10. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один внешний слой является проводящим и выполнен из немагнитного металла, выбранного из Pt, W, Ir, Ru, Rd, Cu, Au, Bi, или из сплава этих металлов.

11. Элемент по п. 10, отличающийся тем, что толщина внешнего проводящего слоя меньше 10 нм и предпочтительно меньше или равна 5 нм.

12. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что первый внешний слой выполнен из диэлектрического оксида, выбранного из SiOx, MgOx, TiOx, TaOx, HfOx, или из диэлектрического нитрида, такого как SiNx, BNx.

13. Элемент по п. 12, отличающийся тем, что толщина упомянутого внешнего слоя составляет от 0,5 нм до 200 нм, в частности от 0,5 нм до 100 нм и предпочтительно меньше 3 нм.

14. Элемент по п. 10 или 12, отличающийся тем, что два внешних слоя являются проводящими и выбраны из двух различных немагнитных материалов или сплавов.

15. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что плотность тока составляет от 10⁴ А/см² до 10⁹ А/см², предпочтительно от 10⁵ А/см² до 10⁸ А/см².

16. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что наложенное магнитное поле имеет величину, составляющую от 0,002 Тл до 1 Тл, преимущественно от 0,005 Тл до 0,8 Тл.

17. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что первый внешний слой (52) покрыт считывающим слоем (58) из магнитного материала и считывающим электродом (59).

18. Элемент по п. 17, отличающийся тем, что первый внешний слой (52) выполнен из немагнитного металла, при этом он образует со считывающим слоем (58), считывающим электродом (59) и магнитным записывающим слоем затвор спина.

19. Элемент по п. 17, отличающийся тем, что первый внешний слой (52) является диэлектрическим, при этом он образует со считывающим слоем (58), считывающим электродом (59) и магнитным записывающим слоем магнитный туннельный электронно-дырочный переход.

20. Элемент по любому из пп. 17-19, отличающийся тем, что толщина первого внешнего слоя меньше 3 нм.

21. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что первый внешний слой и магнитный записывающий слой образуют контакт, причем второй внешний слой образует электропроводящую дорожку.

22. Элемент по п. 21, отличающийся тем, что второй внешний слой содержит выступ, который является частью упомянутого контакта.

23. Магнитозаписываемое устройство, отличающееся тем, что оно содержит множество магнитозаписываемых элементов по п. 21 или 22, внешний слой которых является общей электропроводящей дорожкой для магнитных элементов.

24. Магнитозаписываемое устройство, отличающееся тем, что оно содержит множество магнитозаписываемых элементов по п. 22, при этом оно содержит электропроводящую дорожку, окаймляющую второй внешний слой упомянутых контактов для ввода упомянутого тока через второй внешний слой и магнитный записывающий слой каждого из упомянутых контактов, причем второй внешний слой выполнен из электрически проводящего материала, отличного от материала электропроводящей дорожки.