Магниторезистивная ячейка памяти и способ ее использования
Владельцы патента RU 2573200:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (RU)
Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в упрощении технологии изготовления магниторезистивной ячейки памяти. Магниторезистивная ячейка памяти содержит перемагничиваемый и неперемагничиваемый слои, разделенные барьерным слоем, а также средства записи и считывания, при этом дополнительно содержит закрепляющий слой из полупроводникового материала p- или n-типа проводимости, следующий за ним слой из полупроводникового материала противоположного ему типа проводимости, образующие p-n-переход, содержит адресную и разрядную шины, расположенные с двух сторон перечисленных выше слоев ячейки памяти, средства формирования токов записи в адресной и разрядной шинах, средства считывания в виде средства измерения электрического сопротивления ячейки памяти, а также средства задания полярности и величины относительного электрического смещения между адресной и разрядной шинами. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов, а именно к запоминающим устройствам.
Известны обладающие магниторезистивным эффектом структуры на основе тонкопленочных структур типа ферромагнитный слой промежуточный слой из немагнитного металла - второй ферромагнитный слой с увеличенной коэрцитивной силой [например, РФ 2139602]. Известны также ячейки памяти на таких структурах [например, US 4780848]. Недостатком таких ячеек памяти является малая величина магниторезистивного эффекта, низкое сопротивление реальных устройств на основе таких тонкопленочных структур и низкие рабочие температуры магниторезистивных ячеек на основе таких материалов, что затрудняет использование их, особенно в составе больших матриц памяти.
Известны магниторезистивные многослойные ячейки памяти, в которых немагнитная прослойка между магнитными слоями выполнена диэлектрической, что значительно повышает величину магниторезистивного эффекта [например, US 5734605]. Известны также тонкопленочные структуры типа ферромагнитный металл - туннельный контакт в виде диэлектрического материала толщиной порядка нанометра - второй ферромагнитный металл с увеличенной коэрцитивной силой за счет обменного взаимодействия с дополнительным нижележащим слоем из антиферромагнитного материала (закрепляющий слой), создающего эффект обменного смещения [S.I. Kasatkin, A.M. Muravjev, P.I. Nikitin, F.A. Pudonin, A.Y. Toporov, M.V. Valeiko. Sandwitched thin-film structures for magnetoresistive spin-tunneling sensors. Sensor and Actuators A. Physical 2000, v.81, (1-3), p. 57-59)]. Недостатком таких ячеек памяти является существенная вероятность ошибок считывания в массивах памяти, составленных из таких ячеек, а также утечки токов записи через ячейки памяти.
Известны также магниторезистивные ячейки памяти с туннельно тонким диэлектриком между магнитными слоями, у которых цепи записи и считывания разделены для исключения растекания токов при записи и при считывания. В устройстве по патенту US 6894920 запись производят пропусканием тока перемагничивания лишь по одной разрядной шине с адресацией путем нагрева соответствующего ряда ячеек памяти пропусканием тока по дополнительной электрически изолированной адресной шине, а для считывания используют дополнительную адресную шину, служащую общим затвором для полевых транзисторов ячеек памяти адресуемого ряда - всего три шины. В устройстве по патенту US 8274819 вместо дополнительной электрически изолированной нагревательной адресной шины использована шина дополнительного тока перемагничивания, которая переключается между режимами записи и считывания дополнительной адресной шиной - всего тоже три шины. Недостатками этих вариантов являются сложность конструкции, увеличивающая размер ячеек памяти, и сложность технологии изготовления.
Известно запоминающее устройство, каждая магниторезистивная многослойная ячейка матрицы памяти которого соединена с адресной или разрядной шиной через последовательно с ней соединенный диод [US 5734605], позволяющий предотвратить частичное растекание тока через соседние ячейки - всего используется две шины. Это устройство является ближайшим аналогом предлагаемого устройства. Недостатком его является сложность конструкции и технологии изготовления. Другим недостатком устройства является то, что при используемом в нем способе записи не исключено растекание тока в тех частях матрицы, где потенциалы адресной и разрядной шин не обеспечивают запирания диодов ячеек.
Известна также многослойная ячейка памяти в виде магниторезистивной тонкопленочной наноструктуры, содержащей первую и вторую магнитомягкие пленки, разделенные немагнитным слоем, и закрепляющий слой в виде слоя карбида кремния по другую сторону второй магнитомягкой пленки [RU 2294026]. Недостатком ее является отсутствие средств электрической развязки цепей для использования подобных ячеек памяти в качестве элементов матриц памяти.
Задачей предлагаемого изобретения является упрощение технологии изготовления магниторезистивной ячейки памяти, создание возможностей для улучшения температурных и радиационных эксплуатационных характеристик.
Указанная задача решается тем, что предлагаемая многослойная магниторезистивная ячейка памяти содержит перемагничиваемый и неперемагничиваемый слои, разделенные барьерным слоем, содержит закрепляющий слой из полупроводникового материала p- или n-типа проводимости и следующий за ним слой полупроводникового материала противоположного ему типа проводимости, образующие p-n-переход, содержит адресную и разрядную шины, расположенные по краям (с двух сторон) описанного пакета слоев, средства формирования токов записи в адресной и разрядной шинах, средства считывания в виде средства измерения электрического сопротивления ячейки памяти, т.е. электрического тока при заданном приложенном к ячейке напряжении, а также средства задания полярности и величины относительного электрического смещения между адресной и разрядной шинами ячейки памяти (адресными и разрядными шинами матрицы памяти, составленной из предлагаемых ячеек памяти).
Предлагается следующий способ использования предлагаемой ячейки памяти: для записи информации пропускают токи записи одновременно по адресной и разрядной шинам, в пересечении которых находится ячейка памяти, для считывания записанной в ячейку информации измеряют сопротивление между теми же адресной и разрядной шинами, причем при записи между адресной и разрядной шинами прикладывают электрическое смещение, запирающее p-n-переход ячейки памяти (т.е. соответствующей полярности), а при считывании измерение сопротивления проводят путем подачи между адресной и разрядной шинами напряжения, открывающего p-n-переход ячейки памяти. Предлагаемый способ использования ячейки памяти исключает растекание токов записи в матрицах, составленных из подобных ячеек. Растекание токов записи при неиспользовании предлагаемого способа происходит в результате того, что разность потенциалов между адресной и разрядной шинами может, при пропускании записывающих токов, иметь разные знаки в области разных ячеек.
Преимуществом предлагаемой ячейки памяти перед устройством по прототипу является, в частности, меньшее число слоев в его составе, так как один из слоев выполняет одновременно две функции: закрепляющего слоя и слоя, являющегося элементом полупроводникового диода. (Прототипом в отношении использования полупроводникового слоя в качестве закрепляющего слоя служит устройство по патенту RU 2294026).
Другим преимуществом предлагаемой ячейки памяти является наличие возможности надежной гальванической развязки адресных и разрядных шин, обеспечиваемой наличием средства задания относительного электрического смещения между шинами и предложенным способом использования ячейки памяти.
На чертеже схематично (без вспомогательных элементов: защитных и адгезионных слоев, полупроводниковых средств управления, подложки и пр.) изображен вариант предлагаемой магниторезистивной ячейки памяти в разрезе.
Цифрами обозначены:
1 - разрядная шина;
2 - перемагничиваемый (записывающий) магнитный слой;
3 - барьерный слой;
4 - неперемагничиваемый магнитный слой;
5 - закрепляющий полупроводниковый слой p-типа (n-типа) проводимости;
6 - полупроводниковый слой n-типа (p-типа) проводимости;
7 - адресная шина.
Примером конкретного осуществления предлагаемого изобретения может быть магниторезистивная ячейка памяти, выполненная - наряду с другими такими же ячейками, образующими матрицу памяти - на кремниевой подложке, в которой сформированы средства записи и считывания, адресная и разрядная шины выполнены из алюминия в виде дорожек толщиной 0,05 мкм и шириной 0,1 мкм с расстоянием между соседними шинами 0,03 мкм, свободно перемагничивающийся слой выполнен из NiFe и имеет толщину 5 нм, туннельный изолирующий слой выполнен из Al2O3 толщиной 1 нм, слой с фиксированной намагниченностью выполнен из NiFe толщиной 5 нм, закрепляющим слоем для него является полупроводниковый слой SiC толщиной 100 нм p-типа проводимости, второй полупроводниковый слой ячейки выполнен из SiC n-типа проводимости. При этом для питания адресных и разрядных шин используются электрически развязанные электрические схемы, обеспечивающие возможность задания между адресной и разрядной шинами смещений заданной полярности и величины.
Предлагаемая ячейка памяти:
- исключает, при использовании предложенного способа использования ячейки памяти, растекание токов в матрице памяти из предложенных ячеек памяти - как при записи, так и при считывании, что повышает экономичность и надежность ячейки памяти,
- содержит малое число слоев, большинство из которых имеют одинаковую форму, что упрощает изготовление,
- использует лишь две шины записи-считывания,
- расширяет возможности за счет вариантов выбора полупроводниковых слоев (например, при использовании полупроводниковых слоев из карбида кремния возрастает температурная и радиационная устойчивость ячейки памяти - за счет большой ширины запрещенной зоны SiC).
1. Магниторезистивная ячейка памяти, содержащая перемагничиваемый и неперемагничиваемый слои, разделенные барьерным слоем, а также средства записи и считывания, отличающаяся тем, что содержит закрепляющий слой из полупроводникового материала p- или n-типа проводимости, следующий за ним слой из полупроводникового материала противоположного ему типа проводимости, образующие p-n-переход, содержит адресную и разрядную шины, расположенные с двух сторон перечисленных выше слоев ячейки памяти, средства формирования токов записи в адресной и разрядной шинах, средства считывания в виде средства измерения электрического сопротивления ячейки памяти, а также средства задания полярности и величины относительного электрического смещения между адресной и разрядной шинами.
2. Способ использования ячейки памяти по п. 1, заключающийся в том, что для записи информации пропускают токи записи одновременно по адресной и разрядной шинам, а для считывания измеряют сопротивление между адресной и разрядной шинами, отличающийся тем, что при записи между адресной и разрядной шинами прикладывают электрическое смещение, запирающее p-n-переход ячейки памяти, а при считывании измерение сопротивления проводят путем подачи между адресной и разрядной шинами напряжения, открывающего p-n-переход ячейки памяти.
