МАГНИТНЫЙ ЗАПИСЫВАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2016 года по МПК G11C11/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Объектом настоящего изобретения является магнитный записывающий элемент с инверсией, наведенной током.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Инверсия намагничивания слоя или единичного магнитного элемента обычно осуществляется с помощью приложенного магнитного поля. Направление последнего изменяется, например, в соответствии с намерением изменить направление намагничивания в том или ином направлении. Этот принцип лежит в основе записи на магнитных дорожках или жестких дисках компьютера: элемент инвертирования механически размещен вблизи генератора магнитного поля так, чтобы локализовать в пространстве это поле. Действительно, структура магнитного поля, из-за ее не локализованного расположения в пространстве, создает многочисленные трудности при ее использовании в устройствах. Так, когда никакая механическая реализация невозможна либо нежелательна, например в случае твердотельной магнитной памяти типа «MRAM» (магниторезистивная оперативная память) или логических устройств, следует достаточно локализовывать магнитное поле, чтобы оно воздействовало только на ячейку-мишень без воздействия на соседние ячейки. Эта проблема становится все более важной, когда различные запоминающие или логические ячейки располагаются очень близко одни от других для увеличения их плотности.

Возможность управления намагничиванием с помощью поляризованного тока по спину, которая была вначале теоретически предсказана в 1996 году, обусловила первое решение этой проблемы. Этот физический принцип, называемый моментом инверсии спина (STT для инверсии вращающего момента спина), для управления намагничиванием на уровне точки памяти требует наличия, по меньшей мере, двух магнитных слоев, разделенных немагнитным металлом (для структуры типа спинового затвора), или изолятором (для структуры типа магнитного туннельного электронно-дырочного перехода), при этом оба слоя имеют неколлинеарные магнитные моменты. Детальное физическое объяснение характеризуется далее тем, что существует структура спинового затвора или магнитный туннельный переход, но обычно ток поляризуется по спину при проходе через первый магнитный слой 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 переходов.

Как описано, например, в патенте US7009877, опубликованном 7 марта 2006 года и в заявке US2009/129143, электрический ток проходит обязательно перпендикулярно плоскости слоев.

Эта возможность локального намагничивания одного магнитного элемента субмикронного размера с помощью электрического тока имеет следствием расширение возможностей использования. В наши дни использование этого принципа в новых конструкциях ячеек памяти MRAM и логических компонентов является предметом поиска в промышленных исследованиях.

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

Инверсия путем SST требует наличия на уровне точки 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, тогда как считывание осуществляется с помощью магниторезистивности набора слоев: гигантский магниторезистивный эффект (GMR) для спиновых затворов и туннельный магниторезистивный эффект (TMR) для туннельных магнитных переходов. В наши дни все или почти все применения основаны на использовании туннельных переходов. Так, если сигнал GMR составляет только несколько процентов, сигнал TMR переходов на базе MgO обычно превышает 100%. Туннельные переходы, тем не менее, неблагоприятны тем, что имеют значительные величины поверхности резистивного материала* (RA). Так, для плотности обычного тока в 10⁷ А/см², необходимого для инверсии путем STT, напряжение на краях соединения составляет 10 В для RA в 100 Ом·мкм², 1 В для RA в 10 Ом·мкм² и 0,1 В для RA в 1 Ом·мкм². За исключением очень малой величины, мощность, рассеиваемая в переходе, является, таким образом, значительной, что является одновременно невыгодным с точки зрения энергетического потребления и вредным для упомянутого перехода.

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

Это объясняет современные исследования для получения туннельных переходов с большими значениями TMR и малыми значениями RA. Кроме того, даже для относительно малых величин напряжения на краях перехода явления ускоренного старения перехода, вызванного циклами напряжения, были обнаружены при работе. 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, например, путем использования геометрий c тремя оконечными устройствами.

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

Другое затруднение, присущее этой связи, вытекает из всегда очень большой сложности набора слоев. Так, если необходимо, чтобы эффект инверсии спинов (STT) проявлялся только в инвертированном слое для сохранения намагничивания, то необходимо, например, стабилизировать другие слои с помощью, например, обменного соединения с антиферромагнитным материалом; если нужно увеличить амплитуду передачи STT, то следует оптимизировать поляризующие слои; если нужно уменьшить магнитные поля в области чувствительных слоев, следует использовать, например, искусственные двойные 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 различных слоев различных материалов. Это, следовательно, создает трудности на этапах структуризации и, в частности, на этапе травления, который является одной из блокирующих позиций, важных для интеграции магнитных наборов слоев.

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

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

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Объектом настоящего изобретения является магнитный элемент памяти, который для инверсии намагниченности требует только наличия магнитного слоя (имеющего параллельную своей плоскости намагниченность) и который функционирует без необходимости, чтобы через набор слоев проходил ток записи перпендикулярно плоскости слоев.

Изобретение касается также записывающего магнитного элемента, содержащего набор слоев, содержащий записывающий магнитный слой, отличающегося тем, что набор слоев содержит центральный слой, по меньшей мере, из намагниченного магнитного материала, имеющего направление намагниченности, параллельное 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, по меньшей мере, второй немагнитный материал является электропроводным, а также тем, что он содержит устройство для обеспечения пропускания тока записи через второй наружный слой и центральный слой в направлении тока, параллельном плоскости центрального слоя и образующем угол α в 90°±60°, и предпочтительнее, в 90°±30°, и еще более предпочтительно, в 90°±15° с упомянутым направлением намагничивания, параллельным плоскости центрального слоя для возбуждения в центральном слое эффективного магнитного поля (или спин-орбитального поля), причем этот ток записи протекает или в первом направлении, или во втором направлении, противоположном первому направлению, для ориентации направления намагничивания в первом направлении намагничивания или во втором направлении намагничивания, противоположном первому направлению намагничивания.

Настоящее изобретение создает значительное дополнительное преимущество обеспечения операций записи без наложения внешнего магнитного поля.

Эффективное магнитное поле (или спин-орбитальное магнитное поле) вызвано полем Рашбы при обменном взаимодействии s-d, воздействующем на локальное намагничивание, как будет ниже объяснено в описании.

Основной идеей изобретения является использование спин-орбитального магнитного поля для управления намагничиванием магнитного слоя. В соответствии с изобретением это осуществляется без необходимости использования наложенного магнитного поля путем ориентации намагничивания магнитного слоя предпочтительно коллинеарно направлению спин-орбитального магнитного поля, которое зафиксировано геометрией набора слоев, границами раздела и направлением тока. Направление тока записи предпочтительно перпендикулярно упомянутому направлению намагничивания.

Электрический ток записи циркулирует параллельно магнитному слою и не пересекает набор слоев в направлении, перпендикулярном плоскости слоев, и память может быть записана или стерта путем воздействия на направление упомянутого тока и, особенно, путем наложения импульса тока без необходимости использования внешнего магнитного поля.

Центральный слой предпочтительно имеет толщину, составляющую от 0,1 нм до 5 нм и, предпочтительно, меньшую или равную 3 нм.

Центральный слой содержит предпочтительно металл или металлический сплав, имеющий в наборе слоев плоскую магнитную анизотропию, в частности Со, Fe, Ni, Co_xFe_y, Ni_xFe_y, Co_xNi_y и т.д…, намагничивание этого центрального слоя является непрерывным в плоскости центрального слоя.

По меньшей мере, один внешний проводящий слой предпочтительно является немагнитным материалом, предпочтительно Pt, W, Ir, Ru, Pd, Cu, Au, Ag, Bi или сплавом этих металлов, либо сильно легированным полупроводником (легирование⁺⁺), таким как Si, Ge или GaAs. Толщина такого проводящего слоя составляет, например, от 0,5 нм до 100 нм, предпочтительно от 1 нм до 10 нм, и, предпочтительнее, меньше или равна 5 нм. Два внешних слоя могут быть электропроводными, но они в таком случае выполняются из двух упомянутых металлов или сплавов различных немагнитных металлов. Толщина внешнего проводящего слоя не связана с толщиной центрального слоя.

Первый внешний слой, когда он является электрически непроводящим, выполняется предпочтительно из диэлектрического оксида, предпочтительно SiO_x, AlO_x, MgO_x, TiO_x, TaO_xZnO, HfO, либо из диэлектрического нитрида, такого как SiN_x, BN_x, либо также из собственного полупроводника (например, Si, Ge, AsGa) либо слабо легированного так, чтобы удельное сопротивление превышало 0,1 Ом·см (или на уровне легирования, обычно меньшего 10¹⁶/см³ для Si или Ge) и, предпочтительно, выше 1 Ом·см. Толщина этого внешнего слоя составляет, например, от 0,5 нм до 200 нм, предпочтительно, от 0,5 нм до 100 нм. Она, предпочтительно, составляет от 0,5 нм до 5 нм, предпочтительно ниже 3 нм, в частности, если считывание элемента памяти осуществляется с помощью магниторезистивного туннельного сигнала. Во всех случаях толщина этого слоя не связана с толщиной центрального слоя.

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

Первый внешний слой может быть покрыт считывающим слоем из магнитного материала и считывающим электродом.

Устройство может быть совмещено со считывающим электродом для обеспечения протекания считывающего тока через выполненный таким образом набор слоев и для измерения сопротивления на зажимах набора слоев.

В случае когда первый внешний слой выполнен из немагнитного материала, он образует с центральным слоем, считывающим слоем и считывающим электродом спиновый затвор. Толщина первого внешнего слоя составляет от 0,5 нм до 10 нм и, предпочтительно, меньше 5 нм.

В случае когда первый внешний слой является диэлектрическим, он образует с центральным слоем, считывающим слоем и считывающим электродом магнитный туннельный переход. В этом случае толщина первого внешнего слоя составляет от 0,5 нм до 5 нм и, предпочтительно, меньше 3 нм.

Первый внешний слой и центральный слой образуют, предпочтительно, контакт. Второй внешний слой может содержать выступ, который является частью контакта. Дорожка, предпочтительно, образована или вторым внешним слоем, или электропроводной дорожкой, которая окаймляет второй внешний слой.

Изобретение касается также магнитного записывающего устройства, содержащего множество вышеупомянутых контактов, а также того, что второй внешний слой содержит общую для них упомянутую дорожку.

Изобретение касается, наконец, магнитного записывающего устройства, отличающегося тем, что первый внешний слой, центральный слой и выступ, образующий второй внешний слой, формируют контакт, а также тем, что оно содержит множество упомянутых контактов, а также электропроводную 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 электропроводной дорожки.

Фиг.4 является примером встраивания магнитного элемента по изобретению, образующего ячейку памяти для формирования одно- или двухмерной сети.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

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

- фиг.1а-1g представляют варианты изобретения,

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

- фиг.3а и 3b изображают варианты осуществления, в каждом из которых представлено несколько элементов памяти для иллюстрации структуры памяти.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ

Выполненный в рамках настоящего изобретения набор слоев, а именно центральный магнитный слой, размещенный между двумя внешними немагнитными слоями, по меньшей мере, один из которых является проводящим, причем оба внешних слоя выполнены из различных материалов, предназначен для создания асимметрии инверсии, которая генерирует электрическое поле, не компенсируемое в центральном магнитном слое. Электроны, распространяющиеся в этом электрическом поле, подвержены в своей системе координат воздействию, присущему магнитному полю, называемому полем Рашбы H_R, направление которого перпендикулярно одновременно току, протекающему в проводящем слое, и электрическому полю. Это магнитное поле воздействует, таким образом, на электроны проводимости.

Заявитель установил, что эффективное магнитное поле (называемое также спин-орбитальным магнитным полем), результирующее этого поля Рашбы, и обменное взаимодействие, связывающие спин перемещающихся и локализованных электронов, используются для локального намагничивания.

Статья Ioan Mihai MIRON с сотрудниками под названием «Current-driven spin torque induced by the Rashba effect in a ferromagnetic metal layer», опубликованная в Nature Materials/Advance Online Publications, vol. 9, стр. 230 - 234, март 2010 (Macmillan Publishers Ltd), описывает набор слоев, содержащий слой Pt (3 нм), слой Со (0,6 нм), имеющий намагничивание, перпендикулярное своей плоскости и, таким образом, параллельное оси z, и слой AlO_x (2 нм), по которому проходит ток, протекающий вдоль оси х. Этот набор слоев имеет эффективное магнитное поле H_eff (или спин-орбитальное магнитное поле) по третьей оси прямоугольной системы координат, оси y. Вследствие этого такая конфигурация является неприспособленной к осуществлению запоминания, так как это магнитное поле является перпендикулярным к намагниченности магнитного слоя.

Заявитель показал, что это теоретическое препятствие можно обойти в конфигурации, описанной в упомянутой статье, путем обеспечения ориентации намагниченности магнитного слоя, предпочтительно, коллинеарного направлению эффективного магнитного поля, создаваемого током. Когда ток записи инжектируется в центральный слой, но перпендикулярно направлению намагничивания, которое в данном случае расположено в плоскости центрального магнитного слоя, он создает спин-орбитальное поле, коллинеарное направлению намагниченности, и изменение направления намагниченности может быть получено по изобретению в зависимости от направления протекания инжектируемого тока записи без наложения внешнего магнитного поля. Это изменение направления непрерывного намагничивания получают в соответствии с изобретением, когда направление тока в плоскости центрального слоя не перпендикулярно направлению намагниченности, а образуют с ним угол α в 90°±60°, в частности в 90°±30° и, в особенности, 90°±15°. Действительно, эффективное магнитное поле сохраняет коллинеарный компонент в направлении намагниченности центрального слоя.

На фиг.1а-1g позицией 15 обозначена подложка, которая является электроизолирующей для того, чтобы препятствовать короткому замыканию структуры. Она может быть, в частности, выполнена из диэлектрического оксида (SiO₂, AlO_x, MgO_x, TiO_x, TaO_x, ZnO, HfO), или из нитрида, например, SiN_x. Она может быть отдельной или нанесена на другую подложку, например, из кремния.

Позицией 13 обозначен плоский магнитный слой, намагниченность которого параллельна его плоскости. Позицией 16 обозначено направление намагниченности, которое находится в плоскости магнитного слоя 13.

Позициями 14 и 12 обозначены внешние немагнитные слои.

Позицией 11 обозначено направление тока записи, которое параллельно плоскости слоя 13, но которое, в данном примере, перпендикулярно намагничиванию. Как указано выше, направление тока может образовывать угол α (фиг. 1d) в 90°±60° (30°<α<150°), в 90°±30° (60°<α<120°) и, в особенности, в 90°±15° (75°<α<105°) с направлением 16 намагниченности.

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

Направление 16 намагниченности в данном примере перпендикулярно продольному направлению дорожки, которая образует проводящий слой 14, в который инжектируется ток.

Фиг.1с-1g изображают структурированный набор слоев, в котором слой 14 (называемый вторым внешним слоем) является проводящим, а магнитный 13 и немагнитный 12 слои (называемые первым внешним слоем) являются единственно структурированными для формирования контактов 18а (Фиг.1с и 1d) или в котором три слоя 12, 13, 14 структурированы для образования контакта 18b или 18с, опционно содержащего (Фиг.1е-1g) выступ 14' проводящего слоя 14 так, чтобы контакт (18b или 18с) включал часть толщины немагнитного материала слоя 14.

Принимаемой в расчет толщиной второго внешнего слоя является собственно толщина слоя 14 и толщина выступа 14'.

Следует отметить, что область выступа 14' не обязательно выполнена из того же электропроводящего материала, что и слой 14, который выполняет функцию второго внешнего немагнитного слоя, и именно его материал в наборе слоев выполняет функцию получения асимметрии инверсии. Таким образом, металлический материал слоя 14 может быть любым.

Формирование контактов 18а, 18b или 18с позволяет осуществлять перемагничивание только в контактах, в противном случае перемагничивание осуществлялось бы по всей длине дорожки (фиг.1а и 1b).

Направление 16 намагниченности в контактах 18а-18с является предпочтительно перпендикулярным продольной оси проводящей дорожки 14, которая параллельна направлению 11 протекания тока. Для получения такого направления намагниченности, которое является коллинеарным направлению спин-орбитального поля, можно изготовить, например, эллиптический контакт, например 18с, большая ось которого перпендикулярна продольной оси проводящей дорожки 14 (толщина 14' является опционной) для получения анизотропии формы в желаемом направлении.

Магнитный слой 13 имеет направление намагниченности, расположенное в его плоскости и имеет достаточно малую толщину для того, чтобы электрическое поле на переходах не было отрицательным. Его толщина обычно не превышает 3 нм и максимально составляет 5 нм. Могут быть использованы все магнитные материалы, имеющие планарную намагниченность (Со, Fe, Ni, Co_xFe_y, Ni_xFe_y, Co_xNi_y, и т.д.). Можно также использовать неметаллические материалы, например магнитные полупроводники, такие как GaMnAs (GaAs легирован Mn), InMnAs, Mn_xGe(1-x), легированная ZnO, либо также TiO_x.

Два немагнитных слоя 12 и 14 должны быть различными для того, чтобы создать асимметрию инверсии в общей структуре. Для каждого из этих слоев выбирают два различных материала, например диэлектрик для одного из них и металл для другого, но можно выбрать также металл для каждого из них. Случай, когда два слоя 12 и 14 являются электрически непроводящими, возможен только тогда, когда структурируют не контакт, а дорожку. Таким образом, ток заставляют протекать в центральном слое 13, который образует дорожку.

Так, каждый их двух немагнитных слоев 12 и 14 может быть образован из следующих материалов с условием, что эти слои являются различными для того, чтобы набор слоев 12, 13, 14 имел асимметрию инверсии, диэлектрический оксид (SiO_x, AlO_x, MgO_x, TiO_x, TaO_x, ZnO, HfO_x...), диэлектрический нитрид (SiN_x, BN_x,...), немагнитный металл (Pt, Pd, Cu, Au, Bi, Ir, Ru, W,...), немагнитный сплав этих металлов, органический или неорганический полупроводниковый компонент (например, GaAs, Si, легированный или нет Ge), графен, связанный, при необходимости, усилительным буфером, например металлом (таким как Ir, Ru, Ni), или полупроводниковым компонентом, как SiC.

Электрически непроводящий слой выполнен, например, из полупроводникового материала (например, Si, Ge, GaAs), собственного или слегка легированного так, чтобы его удельное сопротивление превышало 0,1 Ом·см (что соответствует уровню легирования, обычно меньшему 10¹⁶/см³ для Si или Ge) и предпочтительно превышало 1 Ом·см.

Для электропроводящего слоя из диэлектрического материала следует предусмотреть сильно легированный полупроводник (легирование⁺⁺), например, в случае плотности носителей в 10¹⁸/см³ или более.

В случае когда один или другой немагнитные слои, 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 0,5 до 100 нм. Однако 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 по параллельным проводящим каналам. В случае изолирующих слоев последние могут быть толстыми, примерно до 200 нм толщины, если только набор слоев не встроен в память, связанную туннельным переходом (TMR), в этом случае эта толщина должна быть обычно меньше 3 нм.

Эти различные слои могут быть нанесены с помощью любой известной технологии, такой как: испарение, напыление, нанесение электрохимическим путем, химическое наращивание.

Слой 14 может быть выполнен в определенных геометриях. Так, магнитный слой 13 наносится непосредственно на изолирующую подложку 15 (которая выполняет функцию немагнитного слоя), а немагнитный слой 12 выполнен из материала, образующего подложку 15, выбранного так, что набор слоев имел асимметрию инверсии. 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 структурированные контакты (в данном случае 18а и 18b).

Инвертирующий элемент, будь то представленная дорожка (фиг. 1а или 1b) или контакт, нанесенный или структурированный на подложке (Фиг.1с-1g), соединен известным образом с проводящими электродами так, чтобы инжектировать ток записи в направлении 11. Плотности тока могут составлять от 10⁴ А/см² и 10⁹ А/см² и, предпочтительно, между 10⁵ А/см² и 10⁸ А/см². Этот ток записи не пересекает перпендикулярно слои набора слоев (12, 13, 14), через который перпендикулярно может пройти только ток считывания значительно меньшей плотности.

Так, ток записи, который протекает в направлении тока, параллельном плоскости центрального слоя, протекает только через второй внешний слой и центральный слой и, при необходимости, через первый внешний слой, но только в случае, когда последний является проводящим.

Инжекция тока в дорожку 14 в направлении стрелки 11 (или в противоположном направлении) позволяет переключать намагниченность слоя 13 с помощью эффективного магнитного поля, воздействующего на намагничивание путем спин-орбитального взаимодействия и обменного взаимодействия. Намагниченность ориентирована в плоскости центрального магнитного слоя 13 и в этом примере перпендикулярна инжекции тока. Эффективное магнитное поле параллельно намагничиванию, что позволяет осуществить запись ячеек памяти путем инверсии намагничивания в зависимости от направления инжектируемого тока.

Если направление намагниченности центрального слоя не перпендикулярно направлению инжекции тока, возможность записи остается, пока эти направления не коллинеарны, так как эффективное магнитное поле сохраняет компонент, коллинеарный направлению намагниченности слоя. Между направлением инжекции тока и направлением намагниченности выбирают угол α в 90°±60°, в частности в 90°±30° и, более предпочтительно, в 90°±15°.

Когда α отличается от 90°, спин-орбитальное магнитное поле согласуется с намагничиванием в процессе наложения тока записи. Намагничивание вновь запускается, но в противоположном направлении в процессе отключения импульса тока записи. При изменении направления тока записи направление намагниченности сохраняется, но изменяется на противоположное.

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

Позицией 53 обозначен центральный магнитный слой, расположенный между двумя различными немагнитными материалами 52 и 54 с увеличенной толщиной 54' (опционно), для изготовления описанного выше набора слоев на электрически изолирующей подложке 55.

Позицией 51 обозначено направление тока в дорожке 54, а позицией 56 - направление намагниченности в слое 53, которое в данном примере является перпендикулярным направлению инжекции тока.

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 структуры 53, 52, 58 имели различные значения электрического сопротивления в направлении намагниченности 56 слоя 53 (сигнал магнитного сопротивления). Он используется только для считывания и никак не влияет на управление намагничиванием слоя 53.

Другими словами, запись и считывание осуществляются независимо и могут быть оптимизированы отдельно.

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

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

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

либо проводящие немагнитные материалы для изготовления электрических контактов;

либо также комбинации этих различных вариантов, например, антиферромагнитного материала, расположенного рядом с ферромагнитным материалом так, чтобы стабилизировать намагничивание последнего путем взаимодействия между этими двумя материалами, причем этот ферромагнитный материал отделен от слоя 58 тонким металлическим слоем, обычно, 0,3 нм Ru для того, чтобы магнитное взаимодействие между этими двумя ферромагнитными слоями стало антиферромагнитным. Наконец, первый магнитный материал покрыт одним или несколькими проводящими немагнитными материалами, например, 5 нм Та, покрытого 7 нм Ru. Примеры таких комбинаций можно найти, например, в магнитных наборах слоев, используемых для инверсии SST, описанных в B.DIENY et al., Int.J.Nanotechology, vol.7,591 (2010).

Две основные конфигурации могут различаться в соответствии с немагнитной природой слоя 52: если он является немагнитным металлом, то структура 52, 53, 58 представляет собой спиновый затвор, а если слой 52 является диэлектрическим, то структура 52, 53, 58 представляет собой магнитный туннельный переход. Так как магниторезистивный сигнал является гораздо более значимым для этих структур, то они будут более предпочтительными. Кроме того, для оптимизации магниторезистивного сигнала в том или другом случаях больше подходит конфигурация, в которой намагниченность слоя 58 является коллинеарной или параллельной, или антипараллельной намагниченности слоя 53. В случае когда слой 52 является электропроводным, например выполненным из немагнитного материала, его толщина, предпочтительно, меньше 10 нм и, предпочтительно, меньше 5 нм, тогда как в случае, когда слой 52 является диэлектрическим, его толщина, предпочтительно, меньше 5 нм и, предпочтительно, меньше 3 нм.

А, В и С (фиг.2а и 2b) обозначают три электрических соединительных зажима. В фазе записи ток инжектируется между зажимами А и В (эквивалентным образом напряжение прикладывается между этими зажимами так, чтобы заставить протекать ток). Ток проходит в магнитный слой 53 и создает в этом слое эффективное магнитное поле, вызванное полем Рашбы и обменным взаимодействием s-d, воздействующими на локальную намагниченность (см. указанную статью Ioan Mihai MIRON и соавторы). Это эффективное поле H_eff эквивалентно называют спин-орбитальным магнитным полем или эффективным полем H_eff. Это спин-орбитальное поле, создаваемое приложенным током записи, позволяет в соответствии с изобретением управлять намагничиванием. В случае когда слой 52 образован диэлектрическим материалом, ток записи, инжектированный сбоку, не проходит через этот слой и не влияет на него. Как только ток записи прекращается, направление намагниченности сохраняется.

Считывание сохраненной информации, обычно ориентации намагниченности в центральном слое 53, осуществляется как для структуры типа туннельного перехода, так и спинового затвора, инжектируя ток считывания малой плотности (например, порядка нескольких мкА или нескольких десятков мкА для случая туннельного перехода) между зажимами С и В (или эквивалентным образом между зажимами С и А), и измеряя напряжение между этими зажимами, или подавая постоянное напряжение между зажимами В и С (или эквивалентным образом между зажимами А и С), или измеряя ток, который протекает между этими зажимами для того, чтобы измерить во всех случаях сопротивление между этими зажимами. Последнее имеет два различных значения вследствие того, что намагниченность слоя 53 является параллельной или антипараллельной намагниченности слоя 58. Ток считывания имеет малую величину вследствие того, что туннельный барьер (в случае, когда слой 52 является диэлектрическим) не может быть нарушенным.

Далее будут рассмотрены примеры построения памяти со ссылками на 3а и 3b.

Магнитный слой 100 с направлением намагниченности 107, расположенным в плоскости слоя 100 (который соответствует слоям 13 и 53 по фиг.1с-1g, 2а и 2b), размещен между двумя немагнитными слоями 101 и 102 (которые соответствуют слоям 12 и 14 по фиг.1а-1f и 54 по фиг.2а и 2b). Контакты могут иметь область увеличенной толщины 102' (которая соответствует областям 14' и 54' по фиг.1с-1g, 2a и 2b). Эта область 102' является проводящей и составляет часть электропроводящей дорожки 102, так как она находится в том же материале, что и последняя, или же образована вторым немагнитным слоем, когда она выполнена из немагнитного материала.

В данном случае для упрощения слой 101 содержит одновременно этот слой 12 или 52, а также магнитные и немагнитные слои, образующие набор слоев туннельного перехода (или спинового затвора), а также для возможности считывания состояния намагничивания слоя 100 (подобно слоям 52, 58 и 59 по фиг.2а и 2b).

Инверсия намагниченности осуществляется с помощью тока, проходящего по нижнему электроду 102 и центральному магнитному слою 100.

Для этого второй немагнитный слой 102, образующий наслоение, в данном случае структурирован в форме токопроводящей дорожки. Эта дорожка может быть также образована, например, другим слоем другого материала, расположенного под слоем 102.

Инжекция тока контролируется двумя транзисторами (для каждого контакта).

Для примера могут быть представлены два случая: либо используют два транзистора 103а и 103b, работающих в ключевом режиме, связанных не изображенными на чертеже дорожками или с потенциалом массы, или с выбранным напряжением для того, чтобы заставить протекать желаемый ток (фиг. 3а), либо используют один транзистор 103а, при этом другой конец дорожки 102 соединен с дорожкой, находящейся под постоянным потенциалом (фиг.3b).

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

В первом варианте используют два транзистора 103а и 103b, работающих в ключевом режиме, в котором свободный зажим попеременно соединяется с массой для одного и с напряжением V_dd - для другого, при этом напряжение V_dd выбирается для того, чтобы заставить протекать ток выбранной величины в том или ином направлении в зависимости от того, на какой из транзисторов 103а или 103b подано напряжение V_dd.

Во втором случае используют один транзистор 103а, при этом другой конец дорожки 102 в точке 105 соединен с постоянным напряжением. В этом случае возможны два варианта функционирования:

- Симметричное функционирование

Дорожка, соединенная с транзистором 103а, находится под потенциалом V_dd (или массы), тогда как другая дорожка, соединенная на конце дорожки 102 с точкой 105, соединена с массой (или с V_dd). Такая конфигурация позволяет генерировать больший ток, чем следует.

- Асимметричное функционирование

Проводящая дорожка, соединенная на конце дорожки 102 в точке 105, имеет промежуточный потенциал, например V_dd/2, тогда как дорожка, соединенная с транзистором 103а, имеет соответственно потенциал V_dd или массы в соответствии с желаемым направлением тока. Такая конфигурация позволяет генерировать меньший ток. В конфигурации по изобретению ток записи может быть направлен по гораздо меньшей поверхности, чем поверхности, классически используемые, и этот ток достаточен для обеспечения работы устройства. В этом примере реализации осуществляется экономия потребления при работе.

В двух вариантах и для второго варианта, когда работа является симметричной или асимметричной, инверсия направления тока записи позволяет записать точки памяти.

Фиг. 4 представляет пример электрической схемы встраивания элемента памяти для формирования сети ячеек памяти в двух измерениях, например, с туннельным переходом.

В одном направлении изображены линии битов (bit line) или линии символов 111₁, 111₂, 111₃, и т.д., соединенные со стоком транзисторов 113₁, 113₂, 113₃, 113'₁, 113'₂, 113'₃, 113”₁, 113”₂, и т.д., и сопряженные линии битов 112₁, 112₂, 112₃,..., которые образуют сеть в двух измерениях.

В перпендикулярном направлении изображены управляющие дорожки 110, 110', 110”,... затворов полевых транзисторов 113₁, 113₂, 113₃, 113'₁, 113'₂, 113'₃, 113”₁, 113”₂ и т.д..., которые образуют линии слов (word lines).

Реперы 114₁, 114₂, 114₃, 114'₁, 114'₂, 114'₃ , и т.д... схематично обозначают набор слоев по изобретению, включающий в себя туннельный переход (или спиновый затвор). Туннельный переход или спиновый затвор не пересекаются током, перпендикулярным плоскости их слоев, в процессе фазы записи и они не пересекаются током, перпендикулярным плоскости их слоев, в фазе считывания.

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

Точки А соединены с истоками транзисторов 113₁, 113₂, 113₃, 113'_1, 113'₂, и т.д.

Точки В соединены с сопряженными линиями битов 112₁, 112_2, 112₃, и т.д..., а точки С - с линией поляризации 115, 115', и т.д. Затворы D транзисторов 113₁, 113₂, 113₃, 113'₁, 113'₂ и т.д. соединены с линиями битов 111₁, 111_2, 111₃ и т.д.

Нижняя часть набора слоев 114₁, 114₂, и т.д... является, таким образом, слоем, в котором изменяют намагничивание с помощью тока записи.

Во всех случаях можно инвертировать истоки и затворы транзисторов, при этом истоки могут быть соединены с линиями битов 111₁, 111₂, и т.д., а затворы - с точками А.

В фазе записи из одной точки памяти, например, 114₁, линия битов (или “bit line”) 111₁ и сопряженная линия битов 112₁, которые соединены с этой точкой памяти, создают желаемое направление намагничивания потенциалу V_dd (или массе) и массе (или потенциалу V_dd) в случае описанной выше симметричной работы. Другие линии битов 111₂, и т.д. и сопряженные линии битов 112₂, и т.д., соединенные с другими точками памяти, являются неактивными. Соответствующая линия слов 110 подключена к управляющему потенциалу, необходимому для запирания транзистора 113₁ (эквивалентного транзистору 73а или 83а упомянутых чертежей) 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 набора слоев типа туннельного перехода или спинового затвора, 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 линия битов” 112₁, соединенная с этой точкой памяти, присутствует, чтобы помешать любому току протекать в них. Линия поляризации 115, соединенная с рассматриваемой точкой памяти, находится под потенциалом, обеспечивающим прохождение тока считывания (слабого) в туннельном переходе или спиновом затворе, тогда как другие линии поляризации 115' и т.д. отключены. Ассоциированная «линия слов» 110 соединена с потенциалом, обеспечивающим запирание транзистора 113₁ и ток, таким образом, может проходить через туннельный переход и спиновый затвор между точками С и А. Для того, чтобы считывать только этот туннельный переход или этот спиновый затвор, другие линии слов «word line» 110', и т.д. подключены к потенциалу, который открывает транзисторы. В случае туннельного перехода считывание может осуществляться, например, в соответствии с известным уровнем техники путем сравнения с помощью усилителя тока, проходящего через туннельный переход, с эталонным током. Этот ток считывания с малой плотностью тока, проходящий перпендикулярно плоскостям набора слоев, не позволяет записать туннельный переход в этой фазе считывания. Для случая спинового затвора используется тот же способ.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в обеспечении операций записи без наложения внешнего магнитного поля. Магнитный записывающий элемент содержит набор слоев, представляющий собой магнитный записывающий слой, причем набор содержит центральный слой, по меньшей мере, из намагниченного магнитного материала, направление намагничивания которого параллельно плоскости центрального слоя, который расположен между первым и вторым внешними слоями из немагнитного материала; и устройство для обеспечения пропускания тока записи через второй внешний слой и центральный слой в направлении тока, параллельном плоскости центрального слоя и составляющем угол α в 90°±60° с упомянутым направлением намагничивания для возбуждения в центральном слое эффективного магнитного поля, при этом этот ток протекает либо в первом направлении, либо во втором направлении, противоположном первому направлению намагничивания, для ориентации направления намагничивания в первом направлении намагничивания либо во втором направлении намагничивания, противоположном первому направлению намагничивания, причем направление намагниченности ориентируется в ответ на спин-орбитальное поле, которое генерируется током записи. 3 н. и 30 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Магнитный записывающий элемент, содержащий набор слоев, представляющий собой магнитный записывающий слой, причем набор содержит центральный слой, по меньшей мере, из намагниченного магнитного материала, направление намагничивания которого параллельно плоскости центрального слоя, который расположен между первым и вторым внешними слоями из немагнитного материала, при этом первый внешний слой содержит первый немагнитный материал, а второй магнитный слой содержит второй немагнитный материал, отличный от первого немагнитного материала, причем, по меньшей мере, второй немагнитный материал является электропроводным, при этом содержащий устройство для обеспечения пропускания тока записи через второй внешний слой и центральный слой в направлении тока, параллельном плоскости центрального слоя и составляющем угол α в 90°±60° с упомянутым направлением намагничивания для возбуждения в центральном слое эффективного магнитного поля, при этом этот ток протекает либо в первом направлении, либо во втором направлении, противоположном первому направлению намагничивания, для ориентации направления намагничивания в первом направлении намагничивания либо во втором направлении намагничивания, противоположном первому направлению намагничивания, причем направление намагниченности ориентируется в ответ на спин-орбитальное поле, которое генерируется током записи.

2. Магнитный элемент по п. 1, в котором направление тока записи перпендикулярно упомянутому направлению намагничивания.

3. Магнитный элемент по п. 1, в котором центральный слой имеет толщину, составляющую от 0,1 до 5 нм.

4. Магнитный элемент по п. 1, в котором центральный слой выполнен из металла или сплава металлов, имеющих в наборе слоев планарную магнитную анизотропию.

5. Магнитный элемент по п. 1, в котором, по меньшей мере, один внешний слой является электропроводным и выполнен из немагнитного материала или из сильно легированного полупроводникового материала.

6. Магнитный элемент по п. 5, в котором толщина упомянутого внешнего электропроводного слоя составляет от 0,5 нм до 100 нм.

7. Магнитный элемент по п. 5, в котором два внешних слоя являются электрически проводящими и выполнены из двух упомянутых различных немагнитных материалов или сплавов.

8. Магнитный элемент по п. 1, в котором первый внешний слой является электрически непроводящим и выполнен, в частности, из диэлектрического оксида или из диэлектрического нитрида.

9. Магнитный элемент по п. 1, в котором первый внешний слой выполнен из собственно или малолегированного полупроводникового материала с удельным сопротивлением, превышающим 0,1 Ом·см.

10. Магнитный элемент по п. 8, в котором толщина упомянутого первого внешнего диэлектрического непроводящего слоя составляет от 0,5 нм до 200 нм.

11. Магнитный элемент по п. 1, в котором ток записи имеет плотность тока, составляющую от 10⁴ А/см² до 10⁹ А/см².

12. Магнитный элемент по п. 1, в котором первый внешний слой покрыт считывающим слоем из магнитного материала и считывающим электродом.

13. Магнитный элемент по п. 12, в котором первый внешний слой выполнен из немагнитного металла и образует с центральным слоем, считывающим слоем и электродом спиновый затвор и толщина первого внешнего слоя составляет от 0,5 нм до 10 нм.

14. Магнитный элемент по п. 12, в котором первый внешний слой является электрически непроводящим и он образует с центральным слоем, считывающим слоем и считывающим электродом магнитный туннельный переход, причем толщина первого внешнего слоя составляет от 0,5 нм до 5 нм.

15. Магнитный элемент по п. 1, в котором, по меньшей мере, первый внешний слой и центральный слой образуют контакт.

16. Магнитный элемент по п. 15, в котором второй внешний слой содержит выступающую область, которая является частью контакта.

17. Магнитный элемент по п. 1, в котором упомянутый угол α составляет 90°±30° с упомянутым направлением намагничивания.

18. Магнитный элемент по п. 1, в котором упомянутый угол α составляет 90°±15° с упомянутым направлением намагничивания.

19. Магнитный элемент по п. 3, в котором центральный слой имеет толщину, меньшую или равную 3 нм.

20. Магнитный элемент по п. 4, в котором металл или сплав металлов, имеющих планарную магнитную анизотропию, выбран из группы, состоящей из Со, Ni, Fe, Co_xFe_y, Ni_xFe_y, Co_xNi_y.

21. Магнитный элемент по п. 5, в котором немагнитный металл выбран из группы, состоящей из Pt, W, Ir, Ru, Pd, Cu, Au, Ag, Bi или из сплава этих металлов.

22. Магнитный элемент по п. 6, в котором толщина упомянутого внешнего электропроводного слоя составляет от 1 нм до 10 нм.

23. Магнитный элемент по п. 6, в котором толщина упомянутого внешнего электропроводного слоя меньше или равна 5 нм.

24. Магнитный элемент по п. 8, в котором первый внешний слой выполнен из материала, выбранного из группы, состоящей из SiO_x, AlO_x, MgO_x, TiO_x, TaO_x, ZnO, HfO_x, SiN_x, BN_x.

25. Магнитный элемент по п. 9, в котором первый внешний слой выполнен из полупроводникового материала, выбранного из группы, состоящей из Si, Ge или GaAs.

26. Магнитный элемент по п. 9, в котором первый внешний слой выполнен из полупроводникового материала с удельным сопротивлением, превышающим 1 Ом·см.

27. Магнитный элемент по п. 10, в котором толщина упомянутого первого внешнего диэлектрического непроводящего слоя составляет от 0,5 до 100 нм.

28. Магнитный элемент по п. 10, в котором толщина упомянутого первого внешнего диэлектрического непроводящего слоя меньше, чем 3 нм.

29. Магнитный элемент по п. 11, в котором ток записи имеет плотность тока, составляющую от 10⁵ А/см² до 10⁸ А/см².

30. Магнитный элемент по п. 13, в котором толщина первого внешнего слоя составляет от 0,5 нм до 5 нм.

31. Магнитный элемент по п. 14, в котором толщина первого внешнего слоя меньше 3 нм.

32. Магнитное записывающее устройство, содержащее множество магнитных элементов по п. 15, причем второй внешний слой содержит дорожку, которая является общей для контактов.

33. Магнитное записывающее устройство, содержащее множество магнитных элементов по п. 16, электропроводную дорожку, окаймляющую вторые внешние слои упомянутых контактов для инжекции упомянутого тока через вторые внешние слои и центральные слои каждого из упомянутых контактов, при этом вторые внешние слои выполнены из электропроводного материала, отличного от материала электропроводящей дорожки.