Устройство энергонезависимой памяти

Изобретение к устройствам энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти, реализуемы с помощью методов микро- и нанотехнологии. Техническим результатом является снижение энергозатрат на считывание хранящейся информации и ее перезапись. Устройство содержит немагнитную матрицу и размещенные в ней разбитые на столбцы и строки дискретные анизотропные однодоменные магнитные элементы для записи и хранения информации, средства для их перемагничивания, средства их нагрева для снижения коэрцитивной силы при перемагничивании и средства для считывания хранимой магнитными элементами информации в момент изменения их намагниченности при нагреве. 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти, реализуемым с помощью методов микро- и нанотехнологии.

Известна ячейка матрицы памяти (RU 2004100899[1[), включающая проводящую шину первого уровня, выполненную из полупроводника р- или n-типа, расположенную на подложке, электрически изолирующей ее от других проводящих шин первого уровня матрицы, перекрещивающуюся с ней проводящую шину второго уровня, разделяющий шины первого и второго уровней слой диэлектрика толщиной от 3 до 100 нм, изолирующую щель в форме открытого торца слоя диэлектрика в областях перекрещивания шин первого и краев шин второго уровней, находящийся в изолирующей щели материал с переменной проводимостью, меняющейся при прохождении через него потока электронов, и среду над поверхностью изолирующей щели, обеспечивающую обмен частицами материала с переменной проводимостью. При этом ячейка обладает и свойствами элемента энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти и выпрямляющими свойствами с характеристиками, обеспечивающими электрическую развязку ячейки в матрице. Это обеспечивается тем, что в областях перекрещивания шин первого и краев шин второго уровней после подачи между ними напряжения и выполнения электроформовки (накопления проводящего материала в изолирующей щели и самоформирования в нем изолирующего зазора) формируется интегральный прибор, имеющий структуру: металлическая шина - проводящий материал, образовавшийся в изолирующей щели, с изолирующим зазором - полупроводник, которая аналогична структуре барьера Шоттки с переменной шириной нанометрового изолирующего зазора между проводящим электродом и полупроводником.

Такая ячейка имеет следующие недостатки. Во-первых, это плохие выпрямляющие характеристики (низкие напряжения пробоя и большие обратные токи), что связано с повышенной локальной напряженностью электрического поля в обедненном поверхностном слое полупроводника шины первого уровня из-за малого радиуса кривизны области проводящего материала в изолирующей щели.

Во-вторых, это возможность существенной нестабильности электрических характеристик ячейки, что связано с наличием открытых в газовую среду (незащищенных) участков поверхности слаболегированного полупроводника (р- или n-типа) шины первого уровня вблизи изолирующей щели, на которых может происходить образование поверхностных состояний и неконтролируемое накопление заряда. В-третьих, это большие токи, которые протекают по полупроводниковым шинам первого уровня, сопротивление которых принципиально нельзя сделать таким же низким, как для металлических проводящих шин второго уровня, что из-за значительных падений напряжения на них ограничивает максимальную размерность матрицы по координате вдоль шин первого уровня.

Известно устройство энергонезависимой памяти, содержащее магнитные элементы хранения информации, разбитые на ряды и колонки (столбцы и строки). Устройство снабжено системой нагрева магнитных элементов для снижения величины напряженности магнитного поля, необходимого для перезаписи, хранящейся в устройстве информации. Нагревательные элементы выполнены в виде диодов, по которым пропускается обратный ток, приводящий к их нагреванию. Кроме системы нагрева, известное устройство снабжено двумя наборами взаимно перпендикулярных шин для подачи по ним электрического тока, протекание которого по шинам приводит к возникновению взаимно перпендикулярных магнитных полей. В результате этого магнитные поля «складываются» и в совокупности со средствами нагрева обеспечивают «легкую» перезапись информации с использованием зависимого от спина тунелирования (см. US 2006215444 [2]). Недостатком известного технического решения является наличие разветвленной системы проводников и элементов, предназначенных для нагрева (одна система) и перемагничивания (вторая система). Средство считывания хранимой информации в описании этого устройстве отсутствует.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является устройство энергонезависимой памяти (MRAM), известное из описания к US 2003235072 [3]. Известное устройство содержит магнитные элементы, только часть которых используется для перезаписи информации в процессе их нагрева. При этом нагреваемая часть магнитного элемента переводится в парамагнитное состояние и соответствующее изменение магнитного состояния этой области фиксируется с помощью транзистора с МОП-структурой, на параметры которого влияет, в соответствии с эффектом Холла, изменение магнитного состояния магнитного элемента.

Недостатком известного устройства является то, что для перезаписи информации используется изменение магнитного состояния не всего элемента хранения и записи информации, а только его часть. При этом каждый магнитный элемент записи и хранения информации должен быть снабжен транзистором, работающим (или использующим) эффект Холла, что естественно усложняет конструкцию.

Заявляемое в качестве изобретения устройство энергонезависимой памяти направлено на упрощение конструкции и снижение энергозатрат на считывание хранящейся информации и ее перезапись.

Указанный результат достигается тем, что устройство энергонезависимой памяти содержит немагнитную матрицу и размещенные в ней разбитые на столбцы и строки дискретные анизотропные однодоменные магнитные элементы для записи и хранения информации, средства для их перемагничивания, средства их нагрева для снижения коэрцитивной силы при перемагничивании и средства для считывания хранимой магнитными элементами информации в момент изменения их намагниченности при нагреве, при этом средство для нагрева выполнено в виде подключаемых к средству адресации и импульсному источнику тока двух наборов, расположенных в соседних с магнитными элементами плоскостях параллельных токопроводящих шин, пересекающихся вблизи каждого из магнитных элементов, средство для перемагничивания магнитных элементов выполнено в виде подключаемого к импульсному источнику тока набора предназначенных для нагрева токопроводящих шин, продольная ось которых перпендикулярна продольной оси магнитных однодоменных элементов, а средство считывания - в виде охватывающего группу магнитных элементов витка, представляющего собой соединяемую со средствами регистрации токопроводящую оболочку с незамкнутой призматической поверхностью, продольная ось которой параллельна продольной оси заключенных внутри нее магнитных элементов.

Использование в качестве элементов для записи и хранения информации дискретных анизотропных однодоменных магнитных элементов позволяет обеспечить надежное хранение информации, поскольку при комнатных температурах для перемагничивания (а значит, стирания или перезаписи информации) требуются магнитные поля относительно высокой напряженности. Использование средств нагрева каждого отдельно взятого магнитного элемента позволяет в данном устройстве одновременно решать две задачи: с одной стороны, приблизиться к температуре точки Кюри, а значит существенно снизить требуемую для перемагничивания напряженность магнитного поля, а с другой стороны, прочитать хранящуюся данным элементом информацию. Действительно, все анизотропные однодоменные магнитные элементы при температурах, лежащих ниже температуры точки Кюри магнитного материала, из которого они изготовлены, могут быть намагничены только вдоль одного из двух направлений, совпадающих с направлением оси их легкого намагничивания (т.е. с направлением длинной оси магнитных элементов) и для их перемагничивания требуется приложение достаточно высоких напряженностей магнитных полей. При нагреве намагниченного элемента происходит снижение его намагниченности практически до нуля, а это, как известно, приводит к возникновению электромагнитного излучения от магнитного элемента. Это излучение может быть зафиксировано средством считывания, которое может быть выполнено в виде охватывающего группу магнитных элементов витка, представляющего собой соединяемую со средствами регистрации токопроводящую оболочку с незамкнутой призматической поверхностью, продольная ось которой параллельна продольной оси заключенных внутри нее магнитных элементов. При этом в отличие от прототипа, в котором средством регистрации изменения намагниченности элемента хранения информации является индивидуальное средство-транзистор с МОП-структурой на эффекте Холла, в данном случае предложенное средство в виде токопроводящей оболочки с незамкнутой призматической поверхностью позволяет регистрировать изменение намагниченности от отдельно взятого элемента, входящего в группу, охваченную этой поверхностью. И число таких элементов, входящих в группу, может достигать нескольких десятков. Преимуществом заявляемого устройства является и то, что один и тот же набор токопроводящих шин используется как для нагрева магнитных элементов, так и для их перемагничивания.

Сущность заявляемого устройства энергонезависимой памяти поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 представлены продольный (а) и поперечный (б) разрезы одного из вариантов реализации фрагмента устройства энергонезависимой памяти, группа магнитных элементов которого охвачена незамкнутой призматической поверхностью, когда оба набора токопроводящих шин проходят вне этой поверхности. На фиг.2 представлены продольный (а) и поперечный (б) разрезы одного из вариантов реализации фрагмента устройства энергонезависимой памяти, группа магнитных элементов которого охвачена незамкнутой призматической поверхностью, но один из наборов токопроводящих шин проходят внутри этой поверхности.

Пример 1. В наиболее предпочтительном варианте реализации устройство энергонезависимой памяти может быть изготовлено с использованием известных технологий оптической литографии, электронной литографии, наноимпринтлитографии. При этом для придания необходимых свойств исходным напыленным тонкопленочным материалам могут быть использованы потоки ускоренных частиц. Устройство может содержать подложку или основание 1, изготовленную из любого подходящего для этой цели материала, обладающего необходимыми прочностными и диэлектрическими свойствами. На основании 1 известными, указанными выше способами, создается первый набор параллельных между собой токопроводящих шин 2, изготовленных из таких материалов, как алюминий, медь, молибден и т.д., промежутки между которыми заполнены изолирующим материалом 3, в качестве которого может быть использованы оксид кремния, оксид алюминия, оксид молибдена и др. Поверх первого набора шин 2 наносится еще один слой изолирующего материала 3. Внутри предлагаемой структуры устройства энергонезависимой памяти расположены дискретные анизотропные однодоменные магнитные элементы 4. Магнитные элементы 4 охвачены токопроводящей оболочкой 5 в виде незамкнутой призматической поверхности, которая электрически соединена со средством регистрации (на чертеже не показано) и выполнена из таких материалов, как алюминий, медь и др. Над токопроводящей оболочкой 5 размещен слой диэлектрика 3 и второй набор токопроводящих шин 6, выполненных из того же материала, что и набор шин 2, и пересекающихся с первым набором шин 2 вблизи магнитных элементов 4. Второй набор шин 6 может быть накрыт сверху слоем изолирующего материала (диэлектрика) 3.

Устройство функционирует следующим образом. Все однодоменные магнитные элементы 4 при температурах, лежащих ниже температуры точки Кюри магнитного материала, из которого они изготовлены, намагничены вдоль одного из двух векторов (направлений), совпадающих с направлением оси их легкого намагничивания (т.е. с направлением длинной оси магнитных элементов). Расстояние между магнитными элементами, в соответствии с известными соотношениями, подбирается таким образом, чтобы при любой конфигурации возможных направлений намагниченности магнитных элементов они не могли приводить к перемагничиванию какого-либо из них, т.е. чтобы исключить взаимное влияние их друг на друга. Для считывания информации, записанной в устройстве энергонезависимой памяти, а значит для опроса какого-либо магнитного элемента 4, на две взаимно-пересекающиеся шины 2 и 6, на пересечении которых он находится, от средства адресации (на чертеже не показано, поскольку является широко известным) подаются импульсы тока такой минимальной амплитуды и длительности, чтобы обеспечить нагрев магнитного элемента 4 до температуры, соответствующей точке Кюри материала магнитных элементов. При этом амплитуда импульсов тока, пропускаемых по каждой из двух указанных шин 2 и 6, подбирается таким образом, чтобы нагрев магнитного элемента 4, в случае пропускания импульсов тока только через любую одну из двух указанных шин 2 или 6, не превышал половину разницы температур между точкой Кюри и стартовой температурой магнитного элемента.

При подаче импульсов тока, как указано выше, намагниченность соответствующего магнитного элемента 4 упадет до нуля, в то время как намагниченность всех остальных магнитных элементов, расположенных между шинами 2 и 6, изменится значительно меньше из-за вдвое меньшей температуры нагрева.

В результате изменения намагниченности нагреваемого магнитного элемента 4 в токопроводящей оболочке (витке) 5 возникнет ЭДС, по знаку которой средством регистрации, (любое, выбранное из числа известных, например, электронное устройство, использующее триггеры), будет зафиксировано направление намагниченности нагретого (опрашиваемого) магнитного элемента 4, т.е. считана информация, хранимая в нем. Для сохранения информации, хранившейся на нагретом (опрашиваемом) магнитном элементе 4 до считывания, непосредственно после опроса, на проводящую шину 2, расположенную под (или над) этим элементом в направлении, перпендикулярном продольной оси магнитного элемента 4 (оси легкого намагничивания), одним из элементов (внешнего) считывающего устройства (известным из уровня техники, например, такого как генератор прямоугольных импульсов) подается импульс тока такого направления и амплитуды, чтобы обеспечить его намагничивание на начальном этапе охлаждения (когда коэрцитивная сила нагретого магнитного элемента 4 близка к нулю) в прежнем до опроса направлении, при этом учитывается знак импульса ЭДС, зарегистрированный средством считывания при опросе данного элемента. При этом другие магнитные элементы 4, кроме опрошенного, перемагничиваться не будут, так как они нагреты недостаточно для достижения точки Кюри и их коэрцитивная сила велика, а магнитное поле, создаваемое шиной 2, недостаточно для их перемагничивания.

Для записи информации на какой-либо выбранный магнитный элемент на две взаимно-пересекающиеся токопроводящие шины 2 и 6 (на пересечении которых он находится), от записывающего устройства (выбранного из числа известных, например, таких как генератор прямоугольных импульсов), подаются импульсы тока для его нагрева. Однако в этом случае направление импульса тока, задаваемое записывающим устройством в токопроводящей нагревательной шине, которая используется и для перемагничивания, сразу учитывает характер информации («0» или «1»), которую необходимо записать на этот магнитный элемент. Кроме того, в этом случае длительность импульса тока, подаваемого на перемагничивающую шину, должна несколько превышать длительность импульса тока, подаваемого на вторую из двух токопроводящих шин, используемых только для нагрева, чтобы обеспечить требуемое направление намагничивания соответствующего магнитного элемента 4 в момент его остывания с температуры, соответствующей точке Кюри, когда его коэрцитивная сила равна нулю.

Устройство энергонезависимой памяти, содержащее немагнитную матрицу и размещенные в ней разбитые на столбцы и строки дискретные анизотропные однодоменные магнитные элементы для записи и хранения информации, средства для их перемагничивания, средства их нагрева для снижения коэрцитивной силы при перемагничивании и средства для считывания хранимой магнитными элементами информации в момент изменения их намагниченности при нагреве, при этом средство для нагрева выполнено в виде подключаемых к средству адресации и импульсному источнику тока двух наборов расположенных в соседних с магнитными элементами плоскостях параллельных токопроводящих шин, пересекающихся вблизи каждого из магнитных элементов, средство для перемагничивания магнитных элементов выполнено в виде подключаемого к импульсному источнику тока набора предназначенных для нагрева токопроводящих шин, продольная ось которых перпендикулярна продольной оси магнитных однодоменных элементов, а средство считывания - в виде охватывающего группу магнитных элементов витка, представляющего собой соединяемую со средствами регистрации токопроводящую оболочку с незамкнутой призматической поверхностью, продольная ось которой параллельна продольной оси заключенных внутри нее магнитных элементов.