САМООТНОСИМАЯ ЯЧЕЙКА MRAM С ОПТИМИЗИРОВАННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ Российский патент 2016 года по МПК G11C11/16 

Область техники

Настоящее изобретение относится к элементу магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM), подходящему для операции термической записи, а также для операции самоотносимого чтения, запись в который надежным образом может выполняться при более высоких температурах по сравнению с обычными ячейками MRAM.

Уровень техники

Ячейки магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM), в которых используется так называемая операция самоотносимого чтения, как правило, содержат магнитный туннельный переход, образованный магнитным слоем запоминания, имеющим намагниченность, направление которой можно изменять с первого устойчивого направления на второе устойчивое направление, тонким изолирующим слоем и слоем считывания с намагниченностью, имеющей обратимое направление. Самоотносимые ячейки MRAM позволяют выполнять операцию записи и чтения с низким потреблением энергии и увеличенной скоростью. Операция самоотносимого чтения описана в европейской патентной заявке ЕР 2276034, принадлежащей этому же заявителю. Как правило, она содержит двухступенчатую выборку, при которой намагниченность слоя считывания ориентируют в первом и втором направлениях, и для каждого направления измеряют соответствующее сопротивление магнитного туннельного перехода.

Самоотносимые ячейки MRAM могут быть предпочтительно использованы в CAM на основе MRAM, энергонезависимых ячейках, используемых для целей обеспечения безопасности, включая защиту информации о привилегиях пользователя, безопасности или шифровании на пакетной основе для устройств коммутации данных, брандмауэров, мостов и маршрутизаторов, имеющих высокую производительность. Самоотносимые ячейки MRAM также можно использовать для создания устройств функциональной памяти с пониженным выходом, а также в высокотемпературных областях применения.

В случае высокотемпературных областей применения импульс тока пропускают через магнитный туннельный переход, чтобы нагреть ячейку MRAM до высокой температуры. Этот импульс тока приводит к возникновению в тонком изолирующем слое значительных механических напряжений. Электрическое напряжение в магнитном туннельном переходе может достичь напряжения пробоя такого изолирующего слоя или даже превысить его. Даже если напряжение, приложенное к изолирующему слою, ниже его напряжения пробоя, то механические напряжения, связанные с импульсом электрического тока, могут привести со временем к существенному старению, в частности после большого числа циклов приложения электрического напряжения, например во время циклов записи.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к элементу магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM), подходящему для операции термической записи (TA-записи) и для операции самоотносимого чтения, который содержит область магнитного туннельного перехода, имеющую первую часть, содержащую: первый слой запоминания, имеющий первую намагниченность запоминания; первый слой считывания, имеющий первую свободную намагниченность; и первый туннельный барьерный слой между первым слоем запоминания и первым слоем считывания; и вторую часть, содержащую: второй слой запоминания, имеющий вторую намагниченность запоминания; второй слой считывания, имеющий вторую свободную намагниченность; и второй туннельный барьерный слой между вторым слоем запоминания и вторым слоем считывания; причем область магнитного туннельного перехода дополнительно содержит антиферромагнитный слой, расположенный между первым и вторым слоями запоминания, который закрепляет первую и вторую намагниченности запоминания при низком температурном пороге и освобождает первую и вторую намагниченности запоминания при высоком температурном пороге, при этом во время операции записи первая и вторая свободные намагниченности способны на магнитное насыщение в соответствии с направлением магнитного поля записи при приложении магнитного поля записи, и первая и вторая намагниченности запоминания способны на переключение в направлении, по существу, параллельном и соответствующем направлению насыщенных первой и второй свободных намагниченностей.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения элемент MRAM может быть дополнительно выполнен таким образом, что первая часть магнитного туннельного перехода имеет первое произведение "сопротивление-площадь", которое, по существу, равно второму произведению "сопротивление-площадь" второй части магнитного туннельного перехода, в результате чего отношение магнитосопротивлений элемента MRAM остается, по существу, неизменным во время операции записи.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способу для записи в элемент MRAM с использованием операции TA-записи, содержащему следующие этапы:

- нагревают магнитный туннельный переход до высокого температурного порога;

- переключают первую и вторую намагниченности запоминания; и

- охлаждают элемент MRAM ниже критической температуры, чтобы зафиксировать первую и вторую намагниченности запоминания в их записанном состоянии; причем первую и вторую намагниченности запоминания переключают, по существу, одновременно в направлении, по существу, параллельном друг другу. Упомянутое переключение может содержать приложение магнитного поля записи таким образом, чтобы выполнить магнитное насыщение первой и второй свободных намагниченностей в соответствии с направлением магнитного поля записи; и первую и вторую намагниченности запоминания можно переключать, по существу, одновременно и в направлении, по существу, параллельном друг другу.

Конструкция описанного элемента MRAM с магнитным туннельным переходом, содержащим первый и второй туннельные барьерные слои, позволяет снизить напряжение, прикладываемое к первому и второму туннельным барьерным слоям при нагреве магнитного туннельного перехода до высокого температурного порога, по сравнению с магнитным туннельным переходом, содержащим только один барьерный слой. Таким образом, магнитный туннельный переход описанного элемента MRAM можно нагревать эффективно при минимизации рисков пробоя и старения туннельных барьерных слоев.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет лучше понято при рассмотрении варианта его реализации, приведенного в качестве примера и проиллюстрированного с помощью Фиг. 1, на которой показан элемент памяти с произвольным доступом, соответствующий этому варианту.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации

На Фиг. 1 показан элемент 1 памяти с произвольным доступом (MRAM), соответствующий одному из вариантов реализации настоящего изобретения. Элемент 1 MRAM содержит магнитный туннельный переход 2, имеющий первую часть 2', содержащую первый слой 23 запоминания, имеющий первую намагниченность 231 запоминания, первый слой 21 считывания, имеющий первую свободную намагниченность 211, и первый туннельный барьерный слой 25 между первым слоем 23 запоминания и первым слоем 21 считывания. Магнитный туннельный переход 2 также имеет вторую часть 2", содержащую второй слой 24 запоминания, имеющий вторую намагниченность 232 запоминания, второй слой 22 считывания, имеющий вторую свободную намагниченность 212, и второй туннельный барьерный слой 26 между вторым слоем 24 запоминания и вторым слоем 22 считывания. Магнитный туннельный переход 2 также содержит антиферромагнитный слой 20, расположенный между первым и вторым слоями 23, 24 запоминания, который закрепляет первую и вторую намагниченности 231, 232 запоминания при низком температурном пороге, ниже критической температуры антиферромагнитного слоя 20, и освобождает первую и вторую намагниченности 231, 232 запоминания при высоком температурном пороге, равном и выше упомянутой критической температуры.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения операция термической записи (ТА-записи) в элемент 1 MRAM может содержать этапы, на которых:

- нагревают магнитный туннельный переход 2 до высокого температурного порога;

- переключают первую и вторую намагниченности 231, 232 запоминания; и

- охлаждают магнитный туннельный переход 2 до низкого температурного порога, чтобы зафиксировать первую и вторую намагниченности 231, 232 запоминания в их записанном состоянии.

Конфигурация магнитного туннельного перехода 2, при которой первый и второй слои 23, 24 запоминания симметрично расположены с обеих сторон антиферромагнитного слоя 20, приводит к тому, что первая намагниченность 231 запоминания переключается, по существу, одновременно со второй намагниченностью 232 запоминания и в направлении, по существу, параллельном второй намагниченности 232 запоминания.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения элемент 1 MRAM дополнительно содержит линию 5 поля, связанную с магнитным туннельным переходом 2. Линия 5 поля предназначена для пропускания тока 51 поля, приспособленного для создания магнитного поля 52 записи, которое способно переключать первую и вторую намагниченности 231, 232 запоминания в направлении, по существу, перпендикулярном линии 5 поля. Нагрев элемента 1 MRAM можно выполнять путем пропускания тока 31 нагрева через магнитный туннельный переход 2 по линии 4 тока, электрически связанной с магнитным туннельным переходом 2 (см. Фиг. 1). В качестве альтернативы, линия 4 тока также могла бы использоваться для пропускания тока 51 поля, предназначенного для создания магнитного поля 52 записи. После того как магнитный туннельный переход 2 охлажден до низкого температурного порога, намагниченность 231 запоминания становится закрепленной в переключенной или записанной ориентации, соответствующей ориентации магнитного поля 52 записи.

Первый и второй слои 23, 24 запоминания выполнены таким образом, чтобы они имели магнитную анизотропию, ориентированную в направлении, по существу, перпендикулярном линии 5 поля, что позволяет переключать первую и вторую намагниченности 231, 232 запоминания, по существу, одновременно и, по существу, в одном и том же направлении при приложении магнитного поля 52 записи.

В другом варианте реализации настоящего изобретения переключение первой и второй намагниченностей 231, 232 запоминания выполняют путем приложения магнитного поля 52 записи такой величины, чтобы происходило насыщение первой свободной намагниченности 211 в направлении, соответствующем направлению этого поля 52. Насыщенная первая свободная намагниченность 211, в свою очередь, возбуждает первое локальное магнитное поле 60 рассеяния, связывающее первую намагниченность 231 запоминания в конфигурации закрытого магнитного потока таким образом, чтобы ориентировать эту намагниченность 231 в направлении насыщенной первой свободной намагниченности 211. Магнитное поле 52 записи также располагают таким образом, чтобы оно насыщало вторую намагниченность 212 считывания в направлении этого поля 52. Насыщенная вторая намагниченность 212 считывания возбуждает второе локальное магнитное поле 61 рассеяния, связывающее вторую свободную намагниченность 212 с намагниченностью 232 запоминания в конфигурации закрытого магнитного потока таким образом, чтобы ориентировать вторую намагниченность 232 запоминания в направлении насыщенной второй свободной намагниченности 212. На Фиг. 1 первое и второе локальные магнитные поля 60, 61 рассеяния показаны ориентирующими первую и вторую намагниченности запоминания вправо. Так как первое и второе локальные магнитные поля 60, 61 рассеяния ориентированы в одном и том же направлении, первое локальное магнитное поле 60 рассеяния также ориентирует вторую намагниченность 232 запоминания в направлении насыщенной первой свободной намагниченности 211, а второе локальное магнитное поле 61 рассеяния ориентирует первую намагниченность 231 запоминания в направлении насыщенной второй свободной намагниченности 212. Как следствие, первая и вторая намагниченности 231, 232 будут переключаться согласно результирующему магнитному полю рассеяния, соответствующему сумме первого локального магнитного поля 60 рассеяния и второго локального магнитного поля 61 рассеяния.

Первую и вторую свободные намагниченности 211, 212 и, таким образом, величину первого и второго локальных магнитных полей 60, 61 рассеяния можно менять путем изменения толщины первого и второго свободных слоев 21, 22. В одном из вариантов реализации настоящего изобретения толщина первого и второго слоев 21, 22 считывания является такой, что первая и вторая свободные намагниченности 211, 212 по отдельности больше суммы первой и второй намагниченностей 231, 232 запоминания. В предпочтительном случае толщина слоя 21 считывания является такой, что величина магнитного поля 52 записи, необходимая для насыщения свободных намагниченностей 211, 212, может быть ниже приблизительно 80 Э. Величину локального магнитного поля 60, 61 рассеяния можно дополнительно увеличить за счет расположения в слое 21, 22 считывания материала, обладающего большим спонтанным намагничиванием. Кроме того, величину магнитного поля 52 записи, необходимую для насыщения свободных намагниченностей 211, 212, можно дополнительно снизить за счет обеспечения слоя 21, 22 считывания с малой анизотропией.

Так как расстояние между первым слоем 23 запоминания и первым слоем 21 считывания и между вторым слоем 24 запоминания и вторым слоем 22 считывания является небольшим, как правило, в диапазоне нескольких нанометров, то первая и вторая намагниченности 231, 232 запоминания более эффективно связаны с первой и второй свободными намагниченностями 211, 212, чем с магнитным полем 52 записи, созданным линией 5 поля (или линией 4 тока).

В другом варианте реализации настоящего изобретения способ для самоотносимого чтения из элемента 1 MRAM содержит следующие этапы:

- устанавливают первую и вторую намагниченности 211, 212 считывания в первом направлении чтения;

- измеряют первое значение R₁ сопротивления перехода;

- устанавливают первую и вторую намагниченности 211, 212 считывания во втором направлении чтения; и

- измеряют второе значение R₂ сопротивления перехода.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения установление первой и второй намагниченностей 211, 212 считывания в первом направлении чтения содержит приложение магнитного поля 54 чтения, имеющего первое направление, путем пропускания в линии 5 поля тока 53 поля чтения, имеющего первую полярность. Установление первой и второй намагниченностей 211, 212 считывания во втором направлении чтения содержит приложение магнитного поля 54 чтения, имеющего второго направление, путем пропускания в линии 5 поля тока 53 чтения, имеющего вторую полярность. Первый и второй слои 21, 22 считывания выполнены таким образом, чтобы они имели магнитную анизотропию, ориентированную в направлении, по существу, перпендикулярном линии 5 поля, в результате чего первая и вторая намагниченности 211, 212 считывания устанавливаются, по существу, одновременно и, по существу, в одном и том же первом и втором направлениях при приложении магнитного поля 54 чтения в первом и втором направлениях соответственно. Измерение первого и второго значений R₁, R₂ сопротивления перехода можно выполнять путем пропускания тока 32 считывания в магнитном туннельном переходе 2 через линию 4 тока.

При этом элемент 1 MRAM дополнительно выполнен таким образом, что первая часть 2' магнитного туннельного перехода 2 имеет первое произведение RA₁ "сопротивление-площадь", которое, по существу, равно второму произведению RA₂ "сопротивление-площадь" второй части 2" магнитного туннельного перехода 2. Так как во время операции записи первая намагниченность 231 запоминания переключается в направлении, по существу, параллельном второй намагниченности 232 запоминания, то отношение MR магнитосопротивлений элемента 1 MRAM остается, по существу, неизменным при операции записи. Здесь отношение MR магнитосопротивлений определено следующим образом:

MR=(R₂-R₁)/R₁ (Уравнение 1)

где R₁ - низкое сопротивление магнитного туннельного перехода 2, измеренное, когда первая и вторая намагниченности 211, 212 считывания установлены, по существу, параллельно первой и второй намагниченностям 231, 232 запоминания, и R₂ - высокое сопротивление магнитного туннельного перехода 2, измеренное, когда первая и вторая намагниченности 211, 212 считывания установлены, по существу, антипараллельно первой и второй намагниченностям 231, 232 запоминания.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения первый и второй туннельные барьерные слои 25, 26 содержат Al₂O₃ или MgO. Первый и второй туннельные барьерные слои 25, 26 могут иметь, по существу, одну и ту же толщину. Первый и второй слои 21, 22 считывания также могут иметь, по существу, одну и ту же толщину.

Ссылочные обозначения

1 - Ячейка магниторезистивной памяти с произвольным доступом

2 - Магнитный туннельный переход

2' - Первая часть

2" - Вторая часть

20 - Антиферромагнитный слой

21 - Первый слой считывания

22 - Второй слой считывания

23 - Первый слой запоминания

24 - Второй слой запоминания

25 - Первый туннельный барьерный слой

26 - Второй туннельный барьерный слой

211 - Первая свободная намагниченность

212 - Вторая свободная намагниченность

231 - Первый ферромагнитный слой

232 - Второй ферромагнитный слой

24 - Первый антиферромагнитный слой

31 - Ток нагрева

32 - Ток чтения

4 - Линия тока

5 - Линия поля

51 - Ток записи

52 - Магнитное поле записи

53 - Ток поля чтения

54 - Магнитное поле чтения

60 - Первое локальное магнитное поле рассеяния

61 - Второе локальное магнитное поле рассеяния

MR - Отношение магнитосопротивлений

R₁ - Низкое сопротивление

R₂ - Высокое сопротивление

RA₁ - Первое произведение "сопротивление-площадь"

RA₂ - Второе произведение "сопротивление-площадь"

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении эффективности нагрева магнитного туннельного перехода при минимизации рисков пробоя и старения туннельных барьерных слоев. Элемент магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM), подходящий для операции термической записи и для операции самоотносимого чтения, содержит область магнитного туннельного перехода, имеющую первую часть и вторую часть, при этом каждая часть содержит слой запоминания, слой считывания и туннельный барьерный слой; причем магнитный туннельный переход дополнительно содержит антиферромагнитный слой между двумя слоями запоминания, закрепляющий намагниченность запоминания каждого из слоев запоминания при низком температурном пороге и освобождающий их при высоком температурном пороге, так что во время операции записи свободная намагниченность каждого слоя считывания способна на магнитное насыщение в соответствии с направлением магнитного поля записи при приложении этого поля, и намагниченности запоминания способны на переключение в направлении, по существу, параллельном и соответствующем направлению насыщенных свободных намагниченностей. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Элемент магниторезистивной памяти с произвольным доступом (MRAM), подходящий для операции термической записи и для операции самоотносимого чтения и имеющий отношение магнитосопротивлений, причем элемент MRAM содержит область магнитного туннельного перехода, имеющую:
- первую часть, содержащую:
- первый слой запоминания, имеющий первую намагниченность запоминания;
- первый слой считывания, имеющий первую свободную намагниченность; и
- первый туннельный барьерный слой между первым слоем запоминания и первым слоем считывания; и
- вторую часть, содержащую:
- второй слой запоминания, имеющий вторую намагниченность запоминания;
- второй слой считывания, имеющий вторую свободную намагниченность; и
- второй туннельный барьерный слой между вторым слоем запоминания и вторым слоем считывания;
причем область магнитного туннельного перехода дополнительно содержит антиферромагнитный слой, содержащийся между первым и вторым слоями запоминания и закрепляющий первую и вторую намагниченности запоминания при низком температурном пороге и освобождающий первую и вторую намагниченности запоминания при высоком температурном пороге,
при этом во время операции записи первая и вторая свободные намагниченности способны на магнитное насыщение в соответствии с направлением магнитного поля записи при приложении магнитного поля записи, и
первая и вторая намагниченности запоминания способны на переключение в направлении, по существу, параллельном и соответствующем направлению насыщенных первой и второй свободных намагниченностей.

2. Элемент MRAM по п. 1, который дополнительно выполнен таким образом, чтобы во время операции чтения первая и вторая свободные намагниченности устанавливались, по существу, одновременно и в направлении, по существу, параллельном.

3. Элемент MRAM по п. 1, который дополнительно выполнен таким образом, что первая часть магнитного туннельного перехода имеет первое произведение "сопротивление-площадь", которое, по существу, равно второму произведению "сопротивление-площадь" второй части магнитного туннельного перехода, так что отношение магнитосопротивлений элемента MRAM остается, по существу, неизменным во время операции записи.

4. Элемент MRAM по п. 1, в котором первый и второй туннельные барьерные слои содержат Al₂O₃ или MgO.

5. Элемент MRAM по п. 1, в котором первый и второй туннельные барьерные слои имеют, по существу, одну и ту же толщину.

6. Способ для записи в элемент MRAM, имеющий отношение магнитосопротивлений и содержащий область магнитного туннельного перехода, имеющую первую часть, содержащую: первый слой запоминания, имеющий первую намагниченность запоминания; первый слой считывания, имеющий первую свободную намагниченность; и первый туннельный барьерный слой между первым слоем запоминания и первым слоем считывания; и вторую часть, содержащую: второй слой запоминания, имеющий вторую намагниченность запоминания; второй слой считывания, имеющий вторую свободную намагниченность; и второй туннельный барьерный слой между вторым слоем запоминания и вторым слоем считывания;
причем область магнитного туннельного перехода дополнительно содержит антиферромагнитный слой, содержащийся между первым и вторым слоями запоминания и закрепляющий первую и вторую намагниченности запоминания при низком температурном пороге и освобождающий первую и вторую намагниченности запоминания при высоком температурном пороге,
при этом во время операции первая и вторая свободные намагниченности способны на магнитное насыщение в соответствии с направлением магнитного поля записи при приложении магнитного поля записи, и
первая и вторая намагниченности запоминания способны на переключение в направлении, по существу, параллельном и соответствующем направлению насыщенных первой и второй свободных намагниченностей,
при этом способ содержит этапы, на которых:
- нагревают элемент MRAM до высокого температурного порога;
- переключают первую и вторую намагниченности запоминания; и
- охлаждают элемент MRAM до низкого температурного порога, чтобы зафиксировать первую и вторую намагниченности запоминания в их записанном состоянии;
причем упомянутое переключение содержит приложение магнитного поля записи таким образом, чтобы выполнить магнитное насыщение первой и второй свободных намагниченностей в соответствии с направлением магнитного поля записи, и
первую и вторую намагниченности запоминания переключают, по существу, одновременно и в направлении, по существу, параллельном друг другу.

7. Способ для записи по п. 6, в котором элемент MRAM дополнительно содержит линию поля, связанную с первой и второй частями магнитного туннельного перехода, и в котором упомянутое переключение первой и второй намагниченностей запоминания выполняют при помощи магнитного поля, созданного путем пропускания тока поля по линии поля.

8. Способ для чтения из элемента MRAM, имеющего отношение магнитосопротивлений и содержащего область магнитного туннельного перехода, имеющую первую часть, содержащую: первый слой запоминания, имеющий первую намагниченность запоминания; первый слой считывания, имеющий первую свободную намагниченность; и первый туннельный барьерный слой между первым слоем запоминания и первым слоем считывания; и вторую часть, содержащую: второй слой запоминания, имеющий вторую намагниченность запоминания; второй слой считывания, имеющий вторую свободную намагниченность; и второй туннельный барьерный слой между вторым слоем запоминания и вторым слоем считывания;
причем область магнитного туннельного перехода дополнительно содержит антиферромагнитный слой, содержащийся между первым и вторым слоями запоминания и закрепляющий первую и вторую намагниченности запоминания при низком температурном пороге и освобождающий первую и вторую намагниченности запоминания при высоком температурном пороге,
при этом во время операции записи первая и вторая свободные намагниченности способны на магнитное насыщение в соответствии с направлением магнитного поля записи при приложении магнитного поля записи, и
первая и вторая намагниченности запоминания способны на переключение в направлении, по существу, параллельном и соответствующем направлению насыщенных первой и второй свободных намагниченностей,
при этом способ содержит этапы, на которых:
- устанавливают первую и вторую свободные намагниченности в первом направлении чтения;
- измеряют первое значение сопротивления перехода;
- устанавливают первую и вторую свободные намагниченности во втором направлении чтения; и
- измеряют второе значение сопротивления перехода,
причем упомянутое установление первой и второй свободных намагниченностей выполняют одновременно.

9. Способ чтения по п. 8, в котором элемент MRAM дополнительно содержит линию поля, связанную с первой и второй частями магнитного туннельного перехода, и при этом упомянутое установление первой и второй свободных намагниченностей в первом направлении чтения и втором направлении содержит приложение магнитного поля чтения путем пропускания тока чтения в линии поля, причем магнитное поле чтения имеет первое направление и второе направление, противоположное первому направлению, соответственно.