САМООТНОСИМЫЙ ЭЛЕМЕНТ МАГНИТНОЙ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ, СОДЕРЖАЩИЙ СИНТЕТИЧЕСКИЙ ЗАПОМИНАЮЩИЙ СЛОЙ Российский патент 2016 года по МПК G11C11/16 

Область техники

[0001] Настоящее раскрытие относится к элементу магнитной оперативной памяти (MRAM), содержащему магнитный туннельный переход, имеющий синтетический запоминающий слой с намагниченностью, которую можно без труда отрегулировать, когда магнитный туннельный переход нагревается до высокой температуры, при этом, когда магнитный туннельный переход охлаждается до низкой температуры, порождается слабое поле рассеяния. Настоящее раскрытие также имеет отношение к термическому способу записи в элемент MRAM.

Описание предшествующего уровня техники

[0001] Ячейки MRAM, использующие так называемую операцию самоотносимого чтения, типично содержат магнитный туннельный переход, образованный из магнитного запоминающего слоя, имеющего намагниченность, направление которой может быть изменено с первого устойчивого направления на второе устойчивое направление, тонкого изолирующего слоя и слоя считывания, имеющего обратимое направление. Самоотносимые ячейки MRAM позволяют выполнять операцию записи и чтения с более низким потреблением питания и с увеличенной скоростью.

[0002] Однако в течение операции чтения из-за локального магнитного поля рассеяния возникает дипольное взаимодействие между запоминающим слоем и слоем считывания в конфигурации замкнутого магнитного потока. Для переключения намагниченности слоя считывания в течение операции чтения будет требоваться применение достаточно сильного магнитного поля, чтобы превзойти дипольное взаимодействие. Дипольное взаимодействие приводит к сдвигу (или смещению) петли гистерезиса, когда применяется цикл поля для измерения петли гистерезиса слоя считывания. Дипольное взаимодействие зависит от толщины и намагниченности запоминающего слоя и слоя считывания, а также от размера магнитного туннельного перехода. В частности дипольное взаимодействие усиливается при уменьшении диаметра магнитного туннельного перехода, что, следовательно, становится основной проблемой при уменьшении размеров ячейки MRAM.

Сущность изобретения

[0003] Настоящее раскрытие имеет отношение к элементу магнитной оперативной памяти (MRAM), содержащему магнитный туннельный переход, содержащий: запоминающий слой; слой считывания; и туннельный барьерный слой, заключенный между запоминающим слоем и слоем считывания; причем запоминающий слой содержит: первый магнитный слой, имеющий первую намагниченность запоминания; второй магнитный слой, имеющий вторую намагниченность запоминания; и немагнитный связующий слой, отделяющий первый и второй магнитные слои таким образом, что первая намагниченность запоминания по существу антипараллельна второй намагниченности запоминания; причем первый и второй магнитные слои сконфигурированы так, что: при температуре чтения первая намагниченность запоминания по существу равна второй намагниченности запоминания; и при температуре записи, которая выше, чем температура чтения, вторая намагниченность запоминания больше, чем первая намагниченность запоминания.

[0004] В варианте осуществления первый магнитный слой может содержать первый ферромагнитный слой, имеющий первую температуру Кюри, а второй магнитный слой может содержать второй ферромагнитный слой, имеющий вторую температуру Кюри, которая выше, чем первая температура Кюри.

[0005] В другом варианте осуществления температура записи может находиться ниже первой и второй температуры Кюри.

[0006] В еще одном варианте осуществления температура записи может находиться выше первой температуры Кюри и ниже второй температуры Кюри.

[0007] В еще одном варианте осуществления первый магнитный запоминающий слой может содержать ферримагнитный аморфный сплав, содержащий подрешетку атомов переходных металлов, обеспечивающую 3d намагниченность запоминания, и подрешетку атомов редкоземельного элемента, обеспечивающую 4f намагниченность запоминания, являющуюся антипараллельной 3d намагниченности запоминания; причем первая намагниченность запоминания соответствует векторной сумме 3d намагниченности запоминания и 4f намагниченности запоминания.

[0008] В еще одном варианте осуществления подрешетка редкоземельного элемента может иметь первую температуру Кюри, а подрешетка атомов переходного металла может иметь вторую температуру Кюри, которая выше, чем первая температура Кюри.

[0009] В еще одном варианте осуществления температура записи может по существу соответствовать температуре компенсации ферримагнитного запоминающего слоя, когда первая намагниченность запоминания становится по существу нулевой.

[0010] В еще одном варианте осуществления температура записи может по существу соответствовать первой температуре Кюри подрешетки редкоземельного элемента ферримагнитного запоминающего слоя.

[0011] Настоящее изобретение также относится к способу записи в элемент MRAM, содержащему:

нагревание магнитного туннельного перехода до температуры записи;

регулирование первой и второй намагниченностей запоминания; и

охлаждение магнитного туннельного перехода до температуры чтения.

[0012] В варианте осуществления регулирование первой и второй намагниченностей запоминания может быть выполнено посредством приложения магнитного поля записи.

[0013] В другом варианте осуществления элемент MRAM может дополнительно содержать линию тока в электрическом контакте с одним концом магнитного туннельного перехода; при этом нагревание магнитного туннельного перехода может содержать пропускание тока нагрева в магнитном туннельном переходе по линии тока.

[0014] Первая и вторая намагниченности запоминания раскрытого элемента MRAM могут быть без труда отрегулированы при нагреве магнитного туннельного перехода до высокой температуры, при этом, когда магнитный туннельный переход охлажден до низкой температуры, генерируется слабое поле рассеяния.

Краткое описание чертежей

[0015] Изобретение будет лучше понятно при помощи описания варианта осуществления, изложенного в качестве примера и проиллюстрированного на фигурах, на которых:

На Фиг.1 проиллюстрирован самоотносимый элемент магнитной оперативной памяти, содержащий магнитный туннельный переход, содержащий запоминающий слой, имеющий первую намагниченность запоминания и вторую намагниченность запоминания согласно варианту осуществления;

На Фиг.2 предоставлена температурная зависимость намагниченности для первой намагниченности запоминания и второй намагниченности запоминания;

На Фиг. 3а-3d представлен вид сверху запоминающего слоя, иллюстрирующий конфигурации первой и второй намагниченностей запоминания согласно варианту осуществления;

На Фиг.4 представлена кривая намагничивания запоминания согласно варианту осуществления Фиг. 3а-3d;

На Фиг. 5а-5d проиллюстрированы конфигурации первой и второй намагниченностей запоминания согласно другому варианту осуществления;

На Фиг.6 представлена кривая намагничивания запоминающего слоя согласно варианту осуществления Фиг. 5а-5d;

На Фиг. 7а-7b проиллюстрированы конфигурации первой и второй намагниченностей запоминания согласно еще одному варианту осуществления;

На Фиг.8 представлена кривая намагничивания запоминающего слоя согласно варианту осуществления Фиг. 7а-7b;

На Фиг.9 проиллюстрирован элемент MRAM согласно другому варианту осуществления; и

На Фиг.10 представлена температурная зависимость намагниченности для первой и второй намагниченности запоминания элемента MRAM согласно варианту осуществления Фиг.9.

Подробное описание возможных вариантов осуществления

[0016] На Фиг.1 проиллюстрирован самоотносимый элемент 1 магнитной оперативной памяти согласно варианту осуществления. Ячейка 1 MRAM содержит магнитный туннельный переход 2, содержащий запоминающий слой 23; слой 21 считывания; и туннельный барьерный слой 22, заключенный между запоминающим слоем 23 и слоем 21 считывания.

[0017] В варианте осуществления Фиг.1 запоминающий слой 23 содержит синтетическую антиферромагнитную (SAF) структуру, содержащую первый магнитный слой 231, являющийся ферромагнетиком и имеющий первую намагниченность 234 запоминания, и второй магнитный слой 232, являющийся ферромагнетиком и имеющий вторую намагниченность 235 запоминания, и немагнитный связующий слой 233, отделяющий первый и второй ферромагнитные слои 231, 232. Ферромагнитные слои 231 и 232 могут быть выполнены из такого материала, как кобальт-железо (CoFe), кобальт-железо-бор (CoFeB), никель-железо (NiFe), кобальт (Co) и т.д. Толщина первого и второго ферромагнитных слоев 231, 232, может находиться, например, между 1 нм и 10 нм, но предпочтительно между около 1,5 нм и около 4 нм.

[0018] Связующий слой 233 может состоять из материала, выбранного из группы, содержащей рутений (Ru), рений (Re), родий (Rh), теллур (Te), иттрий (Y), хром (Cr), иридий (Ir), серебро (Ag), медь (Cu) и т.д. Предпочтительно связующий слой 233 выполняется из рутения. Размеры (например, толщина) связующего слоя 233 могут быть выбраны так, чтобы добиться магнитного взаимодействия первого и второго ферромагнитных слоев 231 и 232 таким образом, чтобы первая намагниченность 234 запоминания была направлена антипараллельно второй намагниченности 235. Толщина может зависеть от материала, из которого образован связующий слой 233. Толщина типично находится между около 0,2 нм и около 3 нм, предпочтительно между около 0,6 нм и около 2 нм, или между около 0,6 нм и около 0,9 нм, или между около 1,6 нм и около 2 нм. Для соединения двух ферромагнитных слоев 231 и 232 могут также подходить другие толщины.

[0019] Магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит слой 21 считывания, имеющий намагниченность 211 считывания, которая является обратимой, и туннельный барьерный слой 22, отделяющий слой 21 считывания от запоминающего слоя 23. Слой 21 считывания может быть выполнен из сплавов на основе NiFe, вместо сплавов на основе CoFeB для того, чтобы получить более слабое переключающее поле. Предпочтительно слой 21 считывания не является обменно-смещенным, и его намагниченность имеет направление, которое может свободно изменяться, например, в результате теплового возмущения, и таким образом, его намагниченность может свободно выравниваться в магнитном поле. Туннельный барьерный слой 22 является тонким слоем, типично из нанометрического диапазона, и может быть образован, например, из подходящего изолирующего материала, такого как окись алюминия Al₂O₃ или окись магния (MgO).

[0020] В варианте осуществления запоминающий слой 23 может быть обменно-связанным с антиферромагнитным слоем 24, например, как представлено в примерной конфигурации Фиг.1. Антиферромагнитный слой 24 выполнен с возможностью удержания первой намагниченности 234 запоминания первого ферромагнитного слоя 231 ниже критической температуры и высвобождения ее у или выше критической температуры. Антиферромагнитный слой 24 может быть выполнен из сплава на основе марганца, такого как IrMn, PtMn или FeMn, или любых других подходящих материалов.

[0021] В предпочтительном варианте осуществления первый ферромагнитный слой 231 имеет первую температуру T_C1 Кюри, которая ниже, чем вторая температура T_C2 Кюри второго ферромагнитного слоя 232.

[0022] На Фиг.2 представлена температурная зависимость намагниченности насыщения Ms первой намагниченности 234 запоминания и второй намагниченности 235 запоминания согласно варианту осуществления. Значения первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания уменьшаются, когда температура повышается соответственно по направлению к температурам T_C1 и T_C2 Кюри. У или выше температур T_C1, T_C2 Кюри тепловые флуктуации являются такими, что результирующая намагниченность соответственно первой и второй намагниченностей запоминания становится нулевой, при этом материал является парамагнетиком. Представленное на Фиг.2 также является температурной зависимостью эффективной намагниченности 236 запоминания запоминающего слоя 23. Эффективная намагниченность 236 запоминания соответствует векторной сумме первой намагниченности 234 запоминания и второй намагниченности 235 запоминания. При температуре T₁ чтения меньшей, чем температура T_S, которая является значительно меньшей, чем первая и вторая температуры T_C1, T_C2 Кюри, первая и вторая намагниченности 234, 235 запоминания по существу равны, а эффективная намагниченность 236 запоминания по существу равна нулю. Здесь выражения "по существу равны" и "по существу равны нулю" соответственно включают полное равенство и ноль. Результирующее запоминающее магнитное поле рассеяния (не представлено), которое порождается эффективной намагниченностью 236 запоминания, таким образом по существу равно нулю, и между запоминающим слоем 23 и слоем 21 считывания не возникнет дипольного взаимодействия. Следовательно, при температуре T₁ чтения намагниченность 211 считывания может быть легко переключена, например, используя слабое внешнее магнитное поле. Таким образом, когда выполняется операция чтения элемента 1 MRAM, регулировка магнитного туннельного перехода 2 при температуре T₁ чтения является предпочтительной. Температура T₁ чтения может соответствовать рабочей температуре элемента 1 MRAM, например, температуре окружающей среды ячейки MRAM.

[0023] На Фиг. 3а-3d представлен вид сверху запоминающего слоя 23, иллюстрирующий конфигурации первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания согласно варианту осуществления, где магнитный туннельный переход 2 имеет температуру T₁ чтения. На Фиг.4 представлена кривая намагничивания запоминающего слоя 23 SAF для случая, когда магнитный туннельный переход 2 имеет температуру T₁ чтения. Символ В означает величину внешнего магнитного поля 42 записи, а символ М означает значения намагниченности для первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания. На Фиг.4 показано, что когда магнитное поле 42 записи прикладывается со значением, которое ниже значения B_SF поля переориентации спина (плоский участок, обозначенный символом на Фиг.4), переключения для первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания не происходит. В это время первая и вторая намагниченности 234, 235 запоминания сориентированы антипараллельно (см. Фиг. 3b и 3с), благодаря эффекту взаимосвязи связующего слоя 233. Когда величина магнитного поля 42 записи вырастает выше значения B_SF поля переориентации спина (участки, отмеченные символами и Фиг.4), первая намагниченность 234 запоминания больше не является антипараллельной второй намагниченности 235 запоминания, а образует заранее заданный угол со второй намагниченностью запоминания (см. Фиг. 3а и 3d). Первая намагниченность 234 запоминания может стать ориентированной по существу параллельно второй намагниченности 235 запоминания (не представлено на Фиг.3) посредством дополнительного усиления магнитного поля 42 записи до значения поля насыщения B_SAT.

[0024] Таким образом, при температуре Т₁ чтения магнитного туннельного перехода переключение первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания требует приложения поля 42 записи с намагниченностью выше значения B_SF поля переориентации спина. Поскольку типичные значения B_SF поля переориентации спина находятся между около 400 эрстед и 600 эрстед, переключение первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания при температуре Т₁ чтения магнитного туннельного перехода 2 требует магнитного поля 42 записи, имеющего величину, которая по меньшей мере выше 400 эрстед.

[0025] На Фиг. 5а-5d проиллюстрированы конфигурации первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания в случае, когда магнитный туннельный переход 2 находится при температуре Т₂ записи, которая больше, чем пороговая температура (T_S), и таким образом, выше, чем температура Т₁ чтения. В настоящем примере температура T₂ записи находится ниже первой и второй температур Т_С1, T_C2 Кюри, но находится в окрестности первой температуры T_C1 Кюри таким образом, что вторая намагниченность 235 запоминания становится больше, чем первая намагниченность 234 запоминания (см. Фиг.2), при этом эффективная намагниченность 236 запоминания является ненулевой. На Фиг. 5а-5d большая величина вторых намагниченностей 235 запоминания представлена более толстой стрелкой 235.

[0026] На Фиг.6 представлена кривая намагничивания запоминающего слоя 23 SAF для случая, когда магнитное поле 42 записи применено к магнитному туннельному переходу 2, находящемуся при температуре T₂ записи. В этом случае кривая намагничивания показывает гистерезис на участке кривой, обозначенном символами и на Фиг.6. В этот момент первая и вторая намагниченности 234, 235 запоминания могут быть переключены из первой ориентации, показанной на Фиг.5b, в другую ориентацию, показанную на Фиг.5с, когда магнитное поле 42 записи прикладывается с величиной, равной или большей значения B_S поля переключения. В качестве иллюстрации, значение B_S поля переключения может быть меньше 80 эрстед. На Фиг.5b и 5с первая и вторая намагниченности 234, 235 запоминания сориентированы антипараллельно, благодаря эффекту взаимосвязи связующего слоя 233. Подобно кривой намагничивания Фиг.4, участки и на Фиг.6 соответствуют магнитному полю 42 записи, приложенному с величиной равной или большей значения B_SF поля переориентации спина, что приводит к конфигурациям, показанным на Фиг. 5а и 5d, где первая и вторая намагниченности запоминания 233, 234 образуют заранее заданный угол относительно друг друга.

[0027] На Фиг. 7а и 7b проиллюстрированы конфигурации первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания в случае, когда магнитный туннельный переход 2 находится при температуре T₃ записи, которая выше, чем первая температура T_C1 Кюри, но ниже, чем вторая температура T_C2 Кюри (см. Фиг.2). Поскольку магнитный туннельный переход 2 имеет температуру большую, чем первая температура T_C1 Кюри, первая намагниченность 234 запоминания становится по существу нулевой. Следовательно, эффективная намагниченность 236 запоминания определяется лишь второй намагниченностью 235 запоминания. На Фиг. 7а и 7b это представлено посредством отображения лишь второй намагниченности 235 запоминания. В этой конфигурации, запоминающий слой 23 SAF имеет такое поведение, как будто он содержит лишь второй ферромагнитный слой 232.

[0028] На Фиг.8 представлена кривая намагничивания запоминающего слоя 23 SAF для случая, когда магнитное поле 42 записи прикладывается к магнитному туннельному переходу 2, находящемуся при температуре T₃. Кривая намагничивания Фиг.8 показывает гистерезис на участке кривой, отмеченном символами и . Вторая намагниченность 235 запоминания может быть переключена, например, из первой ориентации, показанной на Фиг.7а, во вторую ориентацию, показанную на Фиг.7b, когда магнитное поле 42 записи прикладывается с величиной равной или большей, чем значение B_S поля переключения. Здесь значение B_S поля переключения может быть меньше 40 эрстед, поскольку должна быть переключена лишь вторая намагниченность 235 запоминания.

[0029] Согласно варианту осуществления, термическая операция записи в элемент 1 MRAM может содержать:

нагревание магнитного туннельного перехода 2 до температуры T₂, T₃, T₄ записи;

регулирование первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания; и

охлаждение магнитного туннельного перехода 2 до температуры Т₁ чтения.

[0030] Регулирование первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания может быть выполнено посредством приложения магнитного поля 42 записи. Только в качестве примера, магнитное поле 42 записи может быть порождено посредством пропускания тока 41 поля в линии 4 поля (см. Фиг.1). В качестве альтернативы магнитное поле 42 записи может быть порождено током 41 поля по линии 5 тока при электрическом контакте с одним концом магнитного туннельного перехода 2. Величина магнитного поля 42 записи адаптируется таким образом, чтобы располагаться на одной линии с первой и второй намагниченностями 234, 235 запоминания в соответствии с ориентацией магнитного поля 42 записи или с величиной и полярностью тока 41 поля. Более точно, на Фиг.1 показан ток 41 поля, указывающий вглубь страницы, при этом стрелкой, показывающей влево, представлено магнитное поле 42. В качестве альтернативы первая и вторая намагниченности 234, 235 запоминания могут быть отрегулированы посредством пропускания в магнитном туннельном переходе 2 спин-поляризованного тока (не показан), например, по линии 5 тока.

[0031] Нагревание магнитного туннельного перехода 2 может быть выполнено, например, посредством пропускания тока 31 нагрева в магнитном туннельном переходе 2 по линии 5 тока, как, например, проиллюстрировано на Фиг.1. Предпочтительно чтобы магнитный туннельный переход 2 нагревался до температуры T₃ записи, при которой первая намагниченность 234 запоминания становится по существу нулевой, причем регулирование первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания является более простым, например, требует самого слабого магнитного поля 42 записи. В этом варианте осуществления температура Т₃ записи соответствует эффективной намагниченности 236 запоминания, являющейся по существу максимальной. В примере Фиг.2 максимум эффективной намагниченности 236 запоминания соответствует первой температуре T_C1 Кюри, когда первая намагниченность 234 запоминания становится нулевой, а вторая намагниченность 235 запоминания находится ниже второй температуры T_C2 Кюри. Таким образом, при T₃ магнитное поле 42 записи, требуемое для переключения единственной второй намагниченности 235 запоминания, является самым слабым. Например, значение B_S поля переключения может быть меньше, чем 40 эрстед.

[0032] Магнитный туннельный переход 2 предпочтительно охлаждается до температуры Т₁ чтения, когда первая и вторая намагниченности 234, 235 запоминания по существу равны, при этом эффективная намагниченность 236 запоминания по существу является нулевой (см. Фиг.2). Таким образом, при температуре Т₁ чтения запоминающим слоем по существу не порождается запоминающего магнитного поля рассеяния, а между запоминающим слоем 23 и слоем 21 считывания по существу не возникает дипольного взаимодействия. При температуре Т₁ чтения намагниченность 211 считывания может быть без труда переключена, например, используя слабое внешнее магнитное поле (ниже 40 эрстед). Таким образом, когда выполняется операция чтения элемента 1 MRAM, регулировка магнитного туннельного перехода 2 при температуре T₁ чтения является предпочтительной.

[0033] Второй вариант осуществления.

[0034] На Фиг.9 проиллюстрирован элемент 1 MRAM согласно другому варианту осуществления, где первый магнитный слой запоминающего слоя SAF является ферримагнетиком. Предпочтительно ферримагнитный запоминающий слой 231 содержит ферримагнитный аморфный сплав. Ферримагнитный аморфный сплав может быть обеспечен посредством выбора отвечающих требованиям элементов и связанных с ними составов среди переходных металлов и редкоземельных материалов. Более точно, ферримагнитный запоминающий слой 231 содержит подрешетку атомов редкоземельного элемента, обеспечивающую 4f намагниченность 2342 запоминания, и подрешетку атомов переходного металла, обеспечивающую 3d намагниченность 2341 запоминания, сориентированную по существу антипараллельно 4f намагниченности запоминания. Первая намагниченность 234 запоминания ферримагнитного запоминающего слоя 231 соответствует векторной сумме 3d намагниченности 2341 запоминания и 4f намагниченности 2342 запоминания. Толщина связующего слоя 233 может быть выбрана таким образом, чтобы вторая намагниченность 235 запоминания соединялась параллельно 3d намагниченности 2341 запоминания, как представлено в примере на Фиг. 9 и 10.

[0035] На Фиг.10 представлена температурная зависимость 4f и 3d намагниченностей 2342, 2341 запоминания и второй намагниченности 235 запоминания элемента 1 MRAM согласно варианту осуществления Фиг.9. Также на Фиг.10 представлена температурная зависимость первой намагниченности 234 запоминания и эффективной намагниченности 236 запоминания запоминающего слоя 23. В примере Фиг.10 первая температура T_C1 Кюри подрешетки редкоземельного элемента ферримагнитного запоминающего слоя 231 является более низкой, чем вторая температура T_C2 Кюри подрешетки переходного металла ферримагнитного запоминающего слоя 231 и второй намагниченности 235 запоминания.

[0036] При температуре Т₁ чтения магнитного туннельного перехода (см. Фиг.10) ферримагнитный аморфный сплав может быть обеспечен таким образом, чтобы векторная сумма 4f и 3d намагниченностей 2342, 2341 запоминания, выдающих в результате первую намагниченность 234 запоминания, имела по существу ту же самую величину как у второй намагниченности 235 запоминания. Благодаря магнитному взаимодействию связующего слоя 233, первая намагниченность 234 запоминания сориентирована по существу антипараллельно второй намагниченности 235 запоминания, выдавая эффективную намагниченность 236 запоминания, являющуюся по существу нулевой. В такой конфигурации переключение первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания в течение операции записи требует сильного магнитного поля записи 42. Однако в такой конфигурации между запоминающим слоем 23 и слоем 21 считывания по существу не возникает дипольного взаимодействия, а намагниченность 211 считывания может быть без труда переключена. Посредством регулирования толщины ферримагнитного запоминающего слоя 231 и слоя для второй намагниченности 235 запоминания можно получить первую и вторую намагниченности 234, 235 запоминания, являющиеся по существу равными при температуре Т₁ чтения.

[0037] Нагревание магнитного туннельного перехода 2 при температуре Т₂ записи приводит к уменьшению 4f намагниченности 2342 запоминания при том, что 3d намагниченность 2341 запоминания по существу остается неизменной. Таким образом, первая намагниченность 234 запоминания уменьшается по сравнению со случаем температуры Т₁ чтения. Поскольку при температуре Т₂ записи вторая намагниченность 235 запоминания также практически остается неизменной по сравнению со случаем температуры Т₁ чтения, эффективная намагниченность 236 запоминания увеличивается, дополнительно уменьшая магнитное поле 42 записи, требуемое для переключения первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания.

[0038] Кроме того, магнитный туннельный переход 2 может быть нагрет до температуры T₃ записи, когда первая намагниченность 234 запоминания становится по существу нулевой. В примере Фиг.10 температура Т₃ записи по существу соответствует температуре компенсации Tcomp ферримагнитного запоминающего слоя 231, причем 4f намагниченность 2342 запоминания по существу равна 3d намагниченности 2341 запоминания, сориентированной в противоположном направлении. При температуре Т₃ записи лишь вторая намагниченность 235 запоминания незначительно уменьшается по сравнению со случаем температуры Т₂ записи таким образом, что эффективная намагниченность 236 запоминания дополнительно уменьшается. Таким образом, можно ослабить магнитное поле 42 записи, требуемое для переключения первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания.

[0039] Нагревание магнитного туннельного перехода 2 до температуры Т₄ записи, по существу соответствующей первой температуре T_C1 Кюри подрешетки редкоземельного элемента ферримагнитного запоминающего слоя 231, приводит в результате к тому, что 4f намагниченность 2342 запоминания становится по существу нулевой. Таким образом, при температуре Т₄ записи векторная сумма первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания является максимальной. Таким образом, магнитное поле 42 записи, требуемое для переключения первой и второй намагниченностей 234, 235 запоминания, является минимальным.

Ссылочные позиции

1 ячейка магнитной оперативной памяти

2 магнитный туннельный переход

21 слой считывания

211 намагниченность считывания

22 туннельный барьерный слой

23 синтетический запоминающий слой

231 первый магнитный слой

232 второй магнитный слой

233 связующий слой

234 первая намагниченность запоминания

2341 3d намагниченность запоминания

2342 4f намагниченность запоминания

235 вторая намагниченность запоминания

236 эффективная намагниченность запоминания

24 антиферромагнитный слой

31 ток нагрева

4 линия поля

41 ток записи

42 магнитное поле записи

5 линия тока

B_s переключающее поле

B_SAT поле насыщения

B_SF поле переориентации спина

T₁ температура чтения

T₂, T₃, T₄ температура записи

T_C1 первая температура Кюри

T_C2 вторая температура Кюри

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в обеспечении низкого потребления питания и увеличенной скорости при записи и чтении ячейки памяти. Элемент оперативной памяти (MRAM) содержит магнитный туннельный переход, содержащий: запоминающий слой; слой считывания; и туннельный барьерный слой, заключенный между запоминающим слоем и слоем считывания; причем запоминающий слой содержит первый магнитный слой, имеющий первую намагниченность запоминания; второй магнитный слой, имеющий вторую намагниченность запоминания; и немагнитный связующий слой, отделяющий первый и второй магнитные слои так, что первая намагниченность запоминания, по существу, антипараллельна второй намагниченности запоминания; причем первый и второй магнитные слои сконфигурированы так, что при температуре чтения первая намагниченность запоминания, по существу, равна второй намагниченности запоминания; и при температуре записи, которая выше, чем температура чтения, вторая намагниченность запоминания больше, чем первая намагниченность запоминания. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Элемент оперативной памяти (MRAM), содержащий магнитный туннельный переход, содержащий: запоминающий слой; слой считывания; и туннельный барьерный слой, заключенный между запоминающим слоем и слоем считывания; причем запоминающий слой содержит:
первый магнитный слой, имеющий первую намагниченность запоминания;
второй магнитный слой, имеющий вторую намагниченность запоминания; и
немагнитный связующий слой, отделяющий первый и второй магнитные слои так, что первая намагниченность запоминания, по существу, антипараллельна второй намагниченности запоминания; причем первый и второй магнитные слои сконфигурированы так, что:
при температуре чтения первая намагниченность запоминания, по существу, равна второй намагниченности запоминания; и
при температуре записи, которая выше, чем температура чтения, вторая намагниченность запоминания больше, чем первая намагниченность запоминания.

2. Элемент MRAM по п. 1, в котором первый магнитный слой содержит первый ферромагнитный слой, имеющий первую температуру Кюри, а второй магнитный слой содержит второй ферромагнитный слой, имеющий вторую температуру Кюри, которая выше, чем первая температура Кюри.

3. Элемент MRAM по п. 2, в котором температура записи находится ниже первой и второй температуры Кюри.

4. Элемент MRAM по п. 2, в котором температура записи находится выше первой температуры Кюри и ниже второй температуры Кюри.

5. Элемент MRAM по п. 1, в котором
первый магнитный запоминающий слой содержит ферримагнитный аморфный сплав, содержащий подрешетку атомов переходных металлов, обеспечивающую 3d намагниченность запоминания, и подрешетку атомов редкоземельного элемента, обеспечивающую 4f намагниченность запоминания, являющуюся антипараллельной 3d намагниченности запоминания; и причем
первая намагниченность запоминания соответствует векторной сумме 3d намагниченности запоминания и 4f намагниченности запоминания.

6. Элемент MRAM по п. 5, в котором подрешетка редкоземельного элемента имеет первую температуру Кюри, а подрешетка атомов переходного металла имеет вторую температуру Кюри, которая выше, чем первая температура Кюри.

7. Элемент MRAM по п. 6, в котором температура записи соответствует, по существу, температуре компенсации ферримагнитного запоминающего слоя, когда первая намагниченность запоминания становится, по существу, нулевой.

8. Элемент MRAM по п. 6, в котором температура записи соответствует, по существу, первой температуре Кюри подрешетки редкоземельного элемента ферримагнитного запоминающего слоя.

9. Способ записи в элемент MRAM, содержащий магнитный туннельный переход, включающий в себя: запоминающий слой; слой считывания; и туннельный барьерный слой между запоминающим слоем и слоем считывания; причем запоминающий слой содержит: первый магнитный слой, имеющий первую намагниченность запоминания; второй магнитный слой, имеющий вторую намагниченность запоминания; и немагнитный связующий слой, отделяющий первый и второй магнитные слои так, что первая намагниченность запоминания, по существу, антипараллельна второй намагниченности запоминания; причем первый и второй магнитные слои сконфигурированы так, что: при температуре чтения первая намагниченность запоминания, по существу, равна второй намагниченности запоминания; и при температуре записи, которая выше, чем температура чтения, вторая намагниченность запоминания больше, чем первая намагниченность запоминания; причем упомянутый способ содержит этапы, на которых:
нагревают магнитный туннельный переход до температуры записи;
регулируют первую и вторую намагниченности запоминания; и
охлаждают магнитный туннельный переход до температуры чтения.

10. Способ по п. 9, в котором регулирование первой и второй намагниченностей запоминания выполняют посредством приложения магнитного поля записи.

11. Способ по п. 9, в котором элемент MRAM дополнительно содержит линию тока в электрическом контакте с одним концом магнитного туннельного перехода; и в котором нагревание магнитного туннельного перехода содержит пропускание тока нагрева в магнитном туннельном переходе по линии тока.