Многобитовая ячейка с синтетическим запоминающим слоем

Изобретение относится к области электроники, а именно к способу записи и считывания более чем двух битов данных для ячейки магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM). Ячейка MRAM содержит магнитный туннельный переход, образованный из магнитного слоя считывания, имеющего намагниченность считывания, и запоминающий слой, содержащий первый запоминающий ферромагнитный слой, имеющий первую намагниченность запоминания, второй запоминающий ферромагнитный слой, имеющий вторую намагниченность запоминания. Способ включает нагрев магнитного туннельного перехода выше высокотемпературного порога, ориентацию первой намагниченности запоминания под углом относительно второй намагниченности запоминания для достижения магнитным туннельным переходом уровня состояния сопротивления, определяемого ориентацией первой намагниченности запоминания относительно ориентации намагниченности считывания, и охлаждение магнитного туннельного перехода. Способ позволяет сохранять по меньшей мере четыре различных уровня состояния в ячейке MRAM, используя только одну линию тока для создания поля записи. 14 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу записи множества битов данных в ячейку магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM).

Описание предшествующего уровня техники

Запоминающие устройства, в которых используются материалы переменного сопротивления, включают в себя резистивные оперативные запоминающие устройства (RRAM), оперативные запоминающие устройства с фазовым переходом (PRAM), сегнетоэлектрические оперативные запоминающие устройства (FRAM), магнитные оперативные запоминающие устройства (MRAM) и т.д. Перечисленные выше энергонезависимые запоминающие устройства могут сохранять данные на основе изменения сопротивления материала с переменным сопротивлением (RRAM), фазового перехода материала, имеющего аморфное и кристаллическое состояния (PRAM), изменения состояния поляризации сегнетоэлектрического материала (PRAM) и/или магнитного туннельного перехода пленки сегнетоэлектрического материала, имеющего различные состояния намагниченности (MRAM).

Устройства на основе MRAM испытывают возобновленный интерес, поскольку магнитные туннельные переходы проявляют сильное магнитное сопротивление при температуре окружающей среды. MRAM представляют многочисленные преимущества, такие как высокие скорости записи и считывания (до нескольких наносекунд), энергонезавимость и нечувствительность к ионизирующему излучению. Сначала были предложены MRAM, содержащие так называемый «магниторезистивный эффект» или предложенную сначала GMR. Такие MRAM изготавливали, складывая стопкой несколько слоев металлов с чередованием магнитного и немагнитного. Недостаток элемента GMR заключается в необходимости приложения сильных магнитных полей, и, соответственно, требуются сильные токи для записи и считывания информации.

Разработка ячеек MRAM с магнитным туннельным переходом позволила значительно повысить эффективность и расширить режимы работы таких MRAM. Эти ячейки MRAM описаны в патенте США № 5640343. Такая ячейка MRAM обычно содержит магнитный туннельный переход, имеющий туннельный барьерный слой между первым ферромагнитным слоем и вторым ферромагнитным слоем. Магнитный туннельный переход находится в электрическом соединении на одном конце с первой линией тока и на другом своем конце с переключающим КМОП-транзистором. Ячейка MRAM дополнительно содержит вторую линию тока, расположенную перпендикулярно первой линии тока.

Первый и второй ферромагнитные слои обычно имеют различные коэрцитивности и предпочтительно выполнены из металлов 3d, таких как Fe, Co, Ni, и их сплавов, возможно содержащих бор, чтобы сделать аморфными ферромагнитные слои и выровнять их границы раздела. Туннельный барьерный слой обычно представляет собой тонкий изолирующий слой оксида алюминия (Al₂O₃) или MgO. Каждый ферромагнитный слой может быть связан с антиферромагнитным слоем (не показан), функция которого заключается в том, чтобы удерживать ферромагнитный слой, который он связывает, таким образом, чтобы намагниченность связанного ферромагнитного слоя была фиксированной и не могла свободно вращаться.

Во время операции записи традиционной ячейки MRAM переключающий транзистор устанавливается в запертый режим таким образом, чтобы никакой ток не проходил через магнитный туннельный переход. Первый ток намагничивания проходит в первой линии тока, создавая первое магнитное поле, и второй ток намагничивания проходит во второй линии тока, создавая второе магнитное поле. Первое и второе магнитные поля предназначены, чтобы переключать направление намагниченности второго магнитного слоя, таким образом, записывая ячейку MRAM. В матрице, содержащей множество ячеек MRAM, только ячейка 1, расположенная на пересечении первой и второй линии тока, записывается или адресуется объединенным действием первого и второго магнитных полей; тогда операция записи является селективной.

Во время операции считывания ток считывания селективно проходит через магнитный туннельный переход записанной ячейки путем установки переключающего транзистора данной ячейки 1 в режим насыщения, таким образом, чтобы измерять сопротивление перехода магнитного туннельного перехода. Магнитное сопротивление ячейки 1 MRAM можно определять, сравнивая измеренное сопротивление перехода с опорным сопротивлением, измеренным для опорной ячейки MRAM. Низкое измеренное сопротивление перехода (или состояние уровня «0») соответствует направлению намагниченности второго ферромагнитного слоя, ориентированного параллельно направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя, в то время как высокое измеренное сопротивление перехода (или состояние уровня «1») соответствует направлению намагниченности второго ферромагнитного слоя, ориентированного антипараллельно направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя. Разность между значениями высокого и низкого сопротивления перехода или туннельное магнитное сопротивление зависит от материала, составляющего ферромагнитные слои, и возможно от термической обработки, осуществленной с данными ферромагнитными слоями. Туннельное магнитное сопротивление, составляющее более чем 70%, может быть достигнуто при подходящем выборе материалов и/или путем термической обработки.

Предложены ячейки MRAM с операцией записи многоуровневого состояния, позволяющие записывать более чем два состояния уровня «0» и «1», как описано выше. Такая ячейка MRAM с операцией записи многоуровневого состояния описана в патенте США №6950335. Здесь намагниченность второго ферромагнитного слоя или запоминающего слоя можно ориентировать в любом промежуточном направлении между направлениями, которые параллельны и антипараллельны направлению намагниченности первого ферромагнитного слоя или опорного слоя. Ориентацию намагниченности запоминающего слоя в промежуточных направлениях можно обеспечивать, создавая магнитные поля с соответствующей относительной интенсивностью вдоль направлений, перпендикулярных первой и второй линиям тока.

Патентная заявка США №2009073748 описывает интегральную схему, снабженную ячейкой магнитного оперативного запоминающего устройства. Ячейка магнитного оперативного запоминающего устройства может включать в себя структуру опорного слоя, поляризованную в первом направлении, структуру свободного слоя, включающую, по меньшей мере, два антипараллельных связанных ферромагнитных слоя и имеющую анизотропию по оси, параллельной первому направлению, по меньшей мере, одного из, по меньшей мере, двух антипараллельных связанных ферромагнитных слоев, изготовленных из материала, имеющего зависимый от температуры момент насыщения намагниченности, и немагнитную структуру туннельного барьерного слоя, расположенную между структурой опорного слоя и структурой свободного слоя.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение описывает способ записи и считывания более чем двух битов данных в ячейку магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), которая может содержать магнитный туннельный переход, образованный из магнитного слоя считывания, имеющего намагниченность считывания, туннельного барьерного слоя и запоминающего слоя, который может быть свободно ориентирован при высокотемпературном пороге; причем запоминающий слой содержит первый запоминающий ферромагнитный слой, имеющий первую намагниченность запоминания, второй запоминающий ферромагнитный слой, имеющий вторую намагниченность запоминания, и запоминающий антипараллельный связующий слой, магнитно связывающий первую и вторую намагниченность запоминания; причем данный способ содержит этапы, на которых:

нагревают магнитный туннельный переход при высокотемпературном пороге;

ориентируют первую и вторую намагниченности запоминания; и

охлаждают магнитный туннельный переход до низкотемпературного порога для замораживания первой и второй намагниченности запоминания; причем

упомянутая ориентация первой и второй намагниченности запоминания содержит первую намагниченность запоминания, образующую заданный угол относительно второй намагниченности запоминания, таким образом, чтобы достигнуть заданного уровня состояния сопротивления магнитного туннельного перехода, определяемого ориентацией первой и второй намагниченности запоминания относительно намагниченности считывания; и где охлаждение магнитного туннельного перехода включает замораживание второй намагниченности запоминания под заданным углом.

В варианте осуществления ориентация первой и второй намагниченности запоминания может содержать приложение внешнего магнитного поля пропусканием тока намагничивания в линию тока, причем заданный угол определяется согласно величине и направлению магнитного поля.

В другом варианте осуществления приложение внешнего магнитного поля можно осуществлять, по существу, параллельно оси анизотропии первой и второй намагниченности запоминания.

В еще одном варианте осуществления упомянутая величина магнитного поля может быть ниже значения переориентации спина или равна значению переориентации спина, или превышать его.

В еще одном варианте осуществления приложение внешнего магнитного поля можно осуществлять, по существу, перпендикулярно оси анизотропии первой и второй намагниченности запоминания.

В еще одном варианте осуществления упомянутую величину магнитного поля можно изменять от значения насыщения первой и второй намагниченности запоминания и ниже.

В еще одном варианте осуществления магнитный туннельный переход может дополнительно содержать антиферромагнитный запоминающий слой, предназначенный для фиксирования первой и второй намагниченности запоминания при низкотемпературном пороге.

В еще одном варианте осуществления намагниченность считывания слоя считывания можно фиксировать относительно направления намагниченности запоминания; и может дополнительно содержаться пропускание тока считывания через магнитный туннельный переход, чтобы измерять сопротивление перехода магнитного туннельного перехода.

В еще одном варианте осуществления магнитный туннельный переход может дополнительно содержать антиферромагнитный слой считывания, фиксирующий намагниченность считывания.

В еще одном варианте осуществления намагниченность считывания слоя считывания может иметь направление, которое можно свободно изменять; способ может дополнительно содержать выстраивание намагниченности считывания в первом выстроенном направлении, таким образом, чтобы измерять первое сопротивление перехода магнитного туннельного перехода; выстраивание намагниченности считывания во втором выстроенном направлении, таким образом, чтобы измерять второе сопротивление перехода магнитного туннельного перехода; и определение разности между первым и вторым сопротивлением перехода.

В еще одном варианте осуществления выстраивание намагниченности считывания в первом выстроенном направлении может содержать пропускание первого тока считывания, имеющего первую полярность, по линии тока; и выстраивание намагниченности считывания во втором выстроенном направлении может включать пропускание второго тока считывания, имеющего вторую полярность, по линии тока.

В еще одном варианте осуществления первый запоминающий ферромагнитный слой и второй запоминающий ферромагнитный слой может быть изготовлен из сплава CoFe, CoFeS или NiFe, и запоминающий антипараллельный связующий слой может представлять собой немагнитный слой с материалом, выбранным из группы, которую составляют рутений, хром, рений, индий, родий, серебро, медь и иттрий.

В еще одном варианте осуществления первый и второй запоминающий ферромагнитный слой может иметь толщину, содержащуюся между около 1,5 нм и около 4 нм.

В еще одном варианте осуществления запоминающий антипараллельный связующий слой может быть изготовлен из рутения и может иметь толщину, содержащуюся между около 0,6 нм и около 2 нм, предпочтительно между около 0,6 нм и около 0,9 нм или между около 1,6 нм и около 2 нм.

В еще одном варианте осуществления значение поля насыщения первой и второй намагниченности запоминания можно изменять путем изменения толщины запоминающего антипараллельного связующего слоя или путем изменения толщины первого и второго запоминающего слоя.

Описанный в настоящем документе способ позволяет сохранять, по меньшей мере, четыре различных уровня состояния в ячейке MRAM. Операцию записи можно осуществлять с ячейкой MRAM, содержащей только одну линию тока для создания единственного магнитного поля. Другая линия тока, обычно расположенная перпендикулярно первой линии тока, как в большинстве традиционных ячеек MRAM, не требуется.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более понятно с помощью описания вариантов осуществления, представленных посредством примера и проиллюстрированных на чертежах, где:

фиг.1 представляет ячейку магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), содержащую магнитный туннельный переход, который составляют магнитный слой считывания, туннельный барьерный слой и запоминающий слой согласно варианту осуществления;

фиг.2 и 3 схематически представляют сечение запоминающего слоя на виде сбоку (фиг.2) и сверху (фиг.3) согласно варианту осуществления;

фиг.4a-4d иллюстрируют конфигурации первого и второго запоминающих слоев в присутствии внешнего магнитного поля и при нагревании магнитного туннельного перехода согласно варианту осуществления;

фиг.5a-5d иллюстрируют конфигурации первой и второй намагниченности запоминания при отсутствии магнитного поля и после охлаждения магнитного туннельного перехода согласно варианту осуществления;

фиг.6 представляет кривую намагничивания запоминающего слоя согласно варианту осуществления;

фиг.7 и 8 схематически представляют сечение запоминающего слоя на виде сбоку (фиг.7) и сверху (фиг.8) согласно другому варианту осуществления;

фиг.9a-9d иллюстрируют конфигурации первого и второго запоминающих слоев в присутствии внешнего магнитного поля и при нагревании магнитного туннельного перехода согласно другому варианту осуществления;

фиг.10a-10d иллюстрируют конфигурации первой и второй намагниченности запоминания при отсутствии магнитного поля и после охлаждения магнитного туннельного перехода согласно другому варианту осуществления;

фиг.11 представляет кривую намагничивания запоминающего слоя согласно другому варианту осуществления;

фиг.12a-12d иллюстрируют конфигурации первого и второго запоминающих слоев в присутствии внешнего магнитного поля и при нагревании магнитного туннельного перехода, согласно еще одному варианту осуществления;

фиг.13a-13d иллюстрируют конфигурации первой и второй намагниченности запоминания при отсутствии магнитного поля и после охлаждения магнитного туннельного перехода согласно еще одному варианту осуществления; и

фиг.14 представляет кривую намагничивания запоминающего слоя согласно еще одному варианту осуществления.

Подробное описание возможных вариантов осуществления

Фиг.1 представляет ячейку 1 магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), содержащую магнитный туннельный переход 2, образованный из магнитного слоя 21 считывания, имеющего направление намагниченности 210 считывания, туннельного барьерного слоя 22 и запоминающего слоя 23, имеющего направление намагниченности 233, 234 запоминания. Первая линия 4 тока при электрическом соединении с магнитным туннельным переходом 2 расположена на одном конце магнитного туннельного перехода 2 и предназначена для обеспечения тока 31 нагревания в магнитном туннельном переходе 2. Ячейка 1 MRAM может дополнительно содержать вторую линию тока, предназначенную для пропускания тока 41 намагничивания, таким образом, чтобы создавать магнитное поле 42. В примере на фиг.1 вторая линия 5 тока расположена на том же конце магнитного туннельного перехода 2, как и первая линия 4 тока, но она может быть также расположена на противоположном конце. В качестве альтернативы, первая линия 4 тока может выполнять одновременно функцию пропускания тока 31 нагревания и функцию пропускания тока 41 намагничивания.

В варианте осуществления на фиг.1 запоминающий слой 23 представляет собой синтетический запоминающий слой, содержащий первый запоминающий ферромагнитный слой 230, имеющий первую намагниченность 233 запоминания, и второй запоминающий ферромагнитный слой 231, имеющий вторую намагниченность 234 запоминания. Намагниченность двух запоминающих ферромагнитных слоев 233, 234 связана в антипараллельном направлении вследствие присутствия запоминающего антипараллельного связующего слоя 232. Запоминающий слой 23, содержащий два запоминающих ферромагнитных слоя 230, 231 и запоминающий антипараллельный связующий слой 232, будет называться «синтетический антиферромагнитный запоминающий слой» или «SAF» 23, два запоминающих ферромагнитных слоя 230, 231 могут быть изготовлены из сплава CoFe, CoFeB или NiFe и иметь толщину, обычно составляющую от приблизительно 1,5 нм до приблизительно 4 нм. Запоминающий антипараллельный связующий слой 232 можно реализовать, используя немагнитный разделяющий слой материала, выбранного из группы, которую составляют рутений, хром, рений, индий, родий, серебро, медь и иттрий. Предпочтительно запоминающий антипараллельный связующий слой 232 изготовлен из рутения и имеет толщину, обычно составляющую от приблизительно 0,6 нм до 2 нм, предпочтительно от 0,6 нм до приблизительно 0,9 нм или от приблизительно 1,6 нм до приблизительно 2 нм.

В варианте осуществления намагниченность 210 считывания слоя 21 считывания фиксирована относительно первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания. Такой слой считывания также называется «опорный слой». Хотя он не представлен на фиг.1, слой 21 считывания может также представлять собой синтетический антиферромагнитный слой считывания, содержащий первый ферромагнитный слой считывания и второй ферромагнитный слой считывания, причем два опорных ферромагнитных слоя связаны в антипараллельном направлении с антипараллельным связующим слоем считывания. В этой конфигурации первый ферромагнитный слой считывания, находящийся в контакте с туннельным барьерным слоем 22, может быть изготовлен из сплава CoFeB, в то время как второй ферромагнитный слой считывания может быть изготовлен из сплава CoFe. Второй ферромагнитный слой считывания может иметь толщину, обычно составляющую от приблизительно 1 нм до приблизительно 4 нм. Антипараллельный связующий слой считывания может быть изготовлен из Ru, и его толщина обычно составляет от приблизительно 0,6 нм до приблизительно 2 нм, предпочтительно от приблизительно 0,6 нм до приблизительно 0,9 нм или от приблизительно 1,6 нм до приблизительно 2 нм.

В варианте осуществления магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит антиферромагнитный слой 25 считывания, фиксирующий намагниченность 210 считывания, таким образом, чтобы намагниченность 210 считывания слоя 21 считывания была фиксирована относительно первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания.

Антиферромагнитный слой 25 считывания предпочтительно расположен рядом со слоем 21 считывания на его стороне, противоположной туннельному барьерному слою 22. Антиферромагнитный слой 25 считывания предпочтительно состоит из сплава на основе Mn, например, включая один из сплавов PtMn, NiMn, IrMn и FeMn, и расположен таким образом, чтобы фиксировать намагниченность 210 считывания.

Туннельный барьерный слой 22 может представлять собой изолирующий слой, например, изготовленный из оксида, выбранного из группы, включающей в себя, помимо прочего, оксиды алюминия Al₂O₃ и оксиды магния MgO.

Согласно варианту осуществления, у SAF запоминающего слоя 23 направление намагниченности 233, 234 изменяется обратимым образом во время операция записи. Операция записи может содержать пропускание тока 41 намагничивания во второй линии 5 тока (или в первой линии 4 тока), таким образом, чтобы создавать внешнее магнитное поле 42, предназначенное для выстраивания намагниченности 233, 234 запоминания согласно величине и полярности тока 41 намагничивания. В примере на фиг.1 ток 41 намагничивания показан направленным в страницу, и магнитное поле 42 представлено стрелкой, направленной влево.

В варианте осуществления операция записи также включает этап нагревания магнитного туннельного перехода 2, например, путем пропускания тока 31 нагревания через магнитный туннельный переход 2 по первой линии 4 тока. Ячейка 1 MRAM может дополнительно содержать переключающий транзистор (не представлен), таким образом, что ток 31 нагревания проходит, когда переключающий транзистор находится в режиме насыщения. Во время операции записи вторая намагниченность 234 запоминания выстраивается во внешнем магнитном поле 42, как только магнитный туннельный переход 2 достигает заданного высокотемпературного порога. Первая намагниченность 233 запоминания ориентируется в соответствии со своей связью с намагниченностью 234 второго запоминающего слоя через антипараллельный связующий слой 232. Магнитный туннельный переход 2 затем охлаждается до низкотемпературного порога, при котором вторая намагниченность 234 запоминания замораживается в своем записанном состоянии. Это можно осуществлять с помощью переключающего транзистора, находящегося в запертом режиме, таким образом, что ток намагничивания не проходит через магнитный туннельный переход 2. Такая операция переключения под действием нагревания описана более подробно в патенте США №6950335.

В примере на фиг.1 магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит антиферромагнитный запоминающий слой 24, расположенный рядом с SAF запоминающим слоем 23 на его стороне, противоположной туннельному барьерному слою 22. Антиферромагнитный запоминающий слой 24 предназначен для обменного связывания SAF запоминающего слоя 23, таким образом, чтобы закреплять или фиксировать вторую намагниченность 234 запоминания при температуре с низкотемпературным порогом. При высокотемпературном пороге вторая намагниченность 234 запоминания больше не фиксирована антиферромагнитным запоминающим слоем 24 и может свободно регулироваться во внешнем магнитном поле 42. Антиферромагнитный запоминающий слой 24 может быть изготовлен из сплава на основе марганца, такого как IrMn или FeMn, или из любых других подходящих материалов. Высокотемпературный порог обычно находится приблизительно на уровне 150°C или превышает эту температуру.

Фиг.2 и 3 схематически представляют сечение SAF запоминающего слоя 23 с первым и вторым запоминающими ферромагнитными слоями 230, 231 на виде сбоку (фиг.2) и сверху (фиг.3) согласно варианту осуществления. В частности, первая намагниченность 233 запоминания представлена ориентированной антипараллельно второй намагниченности 234 запоминания вследствие магнитной связи двух намагниченностей 233, 234 запоминания через запоминающий антипараллельный связующий слой 232. В примере на фиг.2 и 3 первая и вторая намагниченность 233, 234 запоминания ориентированы, по существу, параллельно оси 60 анизотропии, соответствующей легкой оси первого и второго запоминающего ферромагнитного слоя 230, 231.

Фиг.6 представляет кривую намагничивания SAF запоминающего слоя 23, содержащего первый и второй запоминающий ферромагнитный слой 230, 231 для случая, где внешнее магнитное поле 42 приложено вдоль оси 60 анизотропии. Символ B означает величину магнитного поля 42, и символ M означает значения намагниченности для первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания. Кривая намагничивания показывает петлю гистерезиса, ограниченную значением B_SF переориентации спина магнитного поля 42. Когда величина магнитного поля 42 увеличивается выше значения, соответствующего значению B_SF переориентации спина, первая намагниченность 233 запоминания больше не является антипараллельной второй намагниченности запоминания, но образует заданный угол α со второй намагниченность запоминания (см. фиг.4a и 4b). Когда магнитное поле продолжает увеличиваться, первая намагниченность 233 запоминания становится ориентированной, по существу, параллельно второй намагниченности 234 запоминания. Величина магнитного поля 42, требуемая для ориентации первой намагниченности 233 запоминания, по существу, параллельно второй намагниченности 234 запоминания, называется «магнитное поле B_SAT насыщения».

Фиг.4a-d иллюстрируют конфигурации первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания, когда внешнее магнитное поле 42 приложено вдоль оси 60 анизотропии, и магнитный туннельный переход 2 нагревается до заданного высокотемпературного порога. Слой 21 считывания также представлен на фиг.4a-d сдвинутым кругом, показывая соответствующую намагниченность 210 считывания. Предполагается, что вторая намагниченность 234 запоминания имеет более высокую величину и, таким образом, ориентирована магнитным полем 42, в то время как первая намагниченность 233 запоминания ориентирована вследствие эффекта связи связующего слоя 232. Фиг.5a-5d иллюстрируют конфигурации первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания после охлаждения магнитного туннельного перехода 2 до низкотемпературного порога и при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля 42.

На фиг.4b и c приложено магнитное поле 42, величина которого находится ниже значения B_SF переориентации спина первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания, как показывают части b и c кривой намагничивания на фиг.6, соответственно. В частности, на фиг.4b магнитное поле 42 приложено в таком же направлении, как направление намагниченности 210 считывания, и ориентирует вторую намагниченность 234 запоминания, по существу, параллельно намагниченности 210 считывания. Первая намагниченность 233 запоминания становится ориентированной, по существу, антипараллельно намагниченности 210 считывания вследствие эффекта связи связующего слоя 232. После охлаждения магнитного туннельного перехода 2 и при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля 42 конфигурация первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания остается неизменной (фиг.5b). Эта конфигурация соответствует высокому магнитному сопротивлению магнитного туннельного перехода 2 и заданному уровню состояния, например, первому уровню состояния, обозначенному числом 11 на фиг.5b. На фиг.4c магнитное поле 42 ориентировано в направлении, противоположном направлению в примере на фиг.4b, таким образом, что первая намагниченность 233 запоминания становится ориентированной, по существу, параллельно намагниченности 210 считывания. Это соответствует низкому магнитному сопротивлению магнитного туннельного перехода 2 и второму уровню состояния, обозначенному числом 00 на фиг.5c.

На фиг.4a и d магнитное поле 42 приложено с такой величиной, которая равна или превышает значение B_SF переориентации спина, как показывают части a и d кривой намагничивания на фиг.6, соответственно. Здесь вторая намагниченность 234 запоминания ориентирована магнитным полем 42 и образует заданный угол α с первой намагниченностью 233 запоминания через запоминающий антипараллельный связующий слой 232. Заданный угол α является максимальным, когда величина магнитного поля 42 соответствует значению B_SF переориентации спина, и уменьшается, когда величина магнитного поля 42 превышает значение B_SF переориентации спина. Первая и вторая намагниченности 233, 234 запоминания становятся, по существу, параллельными, когда магнитное поле 42 приложено со значением B_SAT насыщения.

В частности, в примере на фиг.4a вторая намагниченность 234 запоминания ориентирована магнитным полем 42, величина которого находится выше значения B_SF переориентации спина и ниже значения B_SAT насыщения, и в направлении, противоположном направлению намагниченности 210 считывания (часть a кривой намагничивания на фиг.6). Здесь магнитное поле 42 ориентирует первую и вторую намагниченность 233, 234 запоминания под углом, составляющим приблизительно 180°-α/2 с намагниченностью 210 считывания. После охлаждения магнитного туннельного перехода 2 до низкотемпературного порога и при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля 42 ориентация второй намагниченности 234 запоминания остается неизменной, в то время как первая намагниченность 233 запоминания становится ориентированной антипараллельно второй намагниченности 234 запоминания, таким образом, образуя угол α/2 с намагниченностью 210 считывания (фиг.5a). Эта конфигурация соответствует первому промежуточному значению магнитного сопротивления магнитного туннельного перехода 2 и третьему уровню состояния, обозначенному числом 01 на фиг.5a.

В примере на фиг.4d вторая намагниченность 234 запоминания также ориентирована магнитным полем 42, имеющем величину выше значения B_SF переориентации спина и ниже значения B_SAT насыщения, но в таком же направлении, как направление намагниченности 210 считывания (часть d кривой намагничивания на фиг.6). В этом случае магнитное поле 42 ориентирует первую и вторую намагниченность 233, 234 запоминания под углом, составляющим приблизительно α/2 с намагниченностью 210 считывания. После охлаждения магнитного туннельного перехода 2 до низкотемпературного порога и при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля 42 ориентация первой намагниченности 233 запоминания становится ориентированной антипараллельно второй намагниченности 234 запоминания, образуя угол 180°-α/2 с намагниченностью 210 считывания (фиг.5d). Эта конфигурация соответствует второму промежуточному значению магнитного сопротивления магнитного туннельного перехода 2 и четвертому уровню состояния, обозначенному числом 10 на фиг.5d.

Описанный в настоящем документе способ позволяет сохранять, по меньшей мере, четыре различных уровня состояния в ячейке 1 MRAM путем приложения магнитного поля 42 в двух противоположных направлениях с величиной ниже значения B_SF переориентации спина первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания и с величиной, равной или превышающей значение B_SF переориентации спина.

Этап нагревания магнитного туннельного перехода 2 во время осуществления операции записи, как описано выше, позволяет осуществлять запись различных уровней состояния при использовании только второй линии 5 тока для создания магнитного поля. Таким образом, не требуется еще одна линия тока, обычно расположенная перпендикулярно второй линии 5 тока, как в большинстве традиционных ячеек MRAM. Кроме того, в том случае, где первая линия 4 тока выполняет одновременно функцию пропускания тока 31 нагревания и функцию пропускания тока 41 намагничивания, только первая линия 4 тока требуется для записи различных уровней состояния в ячейке 1 MRAM.

Как известно в уровне технике, сила магнитной связи в SAF запоминающем слое 23 зависит от толщины немагнитного запоминающего антипараллельного связующего слоя 232. Соответственно, тогда можно получить больший угол α, когда магнитное поле 42 приложено с величиной, равной и превышающей значение B_SF переориентации спина, путем регулировки толщины запоминающего антипараллельного связующего слоя 232.

Затем можно осуществлять операцию считывания для считывания записанных уровней состояния. Во время операции считывания ток считывания 32 селективно пропускают через магнитный туннельный переход 2 по первой линии 4 тока, например, устанавливая переключающий транзистор в режим насыщения, чтобы измерять сопротивление (R_MTJ) перехода магнитного туннельного перехода 2. Состояние сопротивления можно определять, сравнивая измеренное сопротивление (R_MTJ) перехода c опорным сопротивлением, измеренным для опорной ячейки MRAM (не представлена).

В другом варианте осуществления, представленном на фиг.7-11, магнитное поле 42 приложено, по существу, перпендикулярно оси 60 анизотропии SAF запоминающего слоя 23, в то время как магнитный туннельный переход 2 нагревается до заданного высокотемпературного порога. В частности, фиг.7 и 8 схематически представляют сечение SAF слоя 23 с первым и вторым запоминающим ферромагнитным слоем 230, 231 на виде сбоку (фиг.7) и сверху (фиг.8) согласно настоящему варианту осуществления. Первая намагниченность 233 запоминания представлена антипараллельно второй намагниченности 234 запоминания вследствие связи двух намагниченностей 233, 234 запоминания через запоминающий антипараллельный связующий слой 232, где первая и вторая намагниченность 233, 234 запоминания ориентированы, по существу, параллельно первой оси 60 анизотропии.

В том случае, где магнитное поле 42 приложено, по существу, перпендикулярно оси 60 анизотропии, соответствующая кривая намагничивания, представленная на фиг.11, не показывает раскрытия петли гистерезиса и внезапного чистого увеличения намагниченности M, как на кривой намагничивания на фиг.6. Напротив, намагниченность M изменятся линейно с величиной B приложенного поля 42 до тех пор, пока приложенное поле 42 не достигнет магнитного поля H_SAT насыщения.

Конфигурации первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания при приложении внешнего магнитного поля 42 представлены на фиг 9a-9d. Фиг.10a-10d иллюстрируют конфигурации первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания после охлаждения магнитного туннельного перехода 2 до низкотемпературный порог и при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля 42.

В частности, на фиг.9a и 9b магнитное поле 42 приложено в направлении, противоположном направлению намагниченность 210 считывания (влево на фиг.9). Вторая намагниченность 234 запоминания сдвигается вниз под действием магнитного поля 42 от своего исходного верхнего положения вдоль второй оси 60 анизотропии. Первая намагниченность 233 запоминания сдвигается вверх от своего исходного нижнего положения, таким образом, что первая намагниченность 233 запоминания образует угол α со второй намагниченностью 234 запоминания.

Значение угла α уменьшается, когда возрастает величина приложенного магнитного поля 42. На фиг 9a величина магнитного поля 42 выше, чем на фиг.9b, и соответствующий угол α между первой и второй намагниченностями 233, 234 запоминания также меньше. На фиг.9a, первая намагниченность 233 запоминания становится почти антипараллельной намагниченности 210 считывания. Первую и вторую намагниченность 233 запоминания, 234, по существу, антипараллельную намагниченности 210 считывания, можно получить, когда приложенное поле 42 имеет величину, соответствующую значению B_SAT насыщения.

После охлаждение магнитного туннельного перехода 2 до низкотемпературного порога и при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля 42 первая намагниченность 233 запоминания становится ориентированной, по существу, антипараллельно второй намагниченности 234 запоминания (фиг.10a и 10b) и образует угол α/2 с намагниченностью 210 считывания. В конфигурации на фиг.10a угол α/2 является малым (почти полная параллельность с намагниченностью 210 считывания), приводя к низкому значению магнитного сопротивления магнитного туннельного перехода 2, соответствующего первому уровню состояния, обозначенного числом 00 на фиг.10a. Конфигурация на фиг.10b дает первое промежуточное значение магнитного сопротивления магнитного туннельного перехода 2 и второй уровень состояния, обозначенный числом 01.

На фиг.9c и 9d магнитное поле 42 приложено, по существу, в направлении, противоположном направлению на фиг.9a и 9b, таким образом, что первая и вторая намагниченности 233, 234 запоминания ориентированы по направлению намагниченности 210 считывания. После охлаждение магнитного туннельного перехода 2 до низкотемпературного порога и при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля 42 первая намагниченность 233 запоминания становится ориентированной под углом 180°-α/2 к намагниченности 210 считывания. Это приводит ко второму промежуточному значению магнитного сопротивления магнитного туннельного перехода 2 и к третьему уровню состояния, обозначенному числом 10. На фиг.10d значение угла 180°- α/2 является таким, что первая намагниченность 233 запоминания становится ориентированной почти антипараллельной намагниченности 210 считывания, приводя к высокому значению магнитного сопротивления магнитного туннельного перехода 2 и к четвертому уровню состояния, обозначенному числом 11.

В действительности, в варианте осуществления на фиг.7-11, где магнитное поле 42 приложено, по существу, перпендикулярно относительно оси 60 анизотропии, значение угла α, угола между первой и второй намагниченностью 233, 234 запоминания непрерывно уменьшается с ростом величины приложенного магнитного поля 42 до тех пор, пока величина магнитного поля 42 достигает значения B_SAT насыщения, где первая и вторая намагниченности 233, 234 запоминания являются, по существу, параллельными и ориентированными в одном и том же направлении.

Это проиллюстрировано в варианте осуществления на фиг.12a-12d, где получаются несколько конфигураций первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания, когда приложенное магнитное поле 42 ориентировано влево на фиг.12, и уменьшается величина, соответствующая частям (a)-(d) кривой намагничивания, представленной на фиг.14.

В частности, угол α между первой и второй намагниченностью 233, 234 запоминания изменяется от значения, близкого к 0°, когда магнитное поле 42 приложено со значением B_SAT насыщения (часть a кривой намагничивания на фиг.11), до значения, близкого к 180°, когда магнитное поле 42 приложено с величиной, близкой к нулю. Фиг.12a-12d представляют конфигурации, где угол α между первой и второй намагниченностью 233, 234 запоминания увеличивается при уменьшении магнитного поля 42, как показывают части (b)-(d) кривой намагничивания на фиг.14, соответственно. Фиг.13a-13d иллюстрируют конфигурации первой и второй намагниченности 233, 234 запоминания после охлаждения магнитного туннельного перехода 2 до низкотемпературного порога и при отсутствии приложенного внешнего магнитного поля 42.

На фиг.13a первая намагниченность 233 запоминания ориентирована почти параллельно намагниченности 210 считывания, соответствующей низкому значению магнитного сопротивления магнитного туннельного перехода 2 и первому уровню состояния, обозначенному числом 00. Как показано на фиг.13a-13d, увеличение угла α/2 между первой намагниченностью 233 запоминания и намагниченностью 210 считывания соответствует четырем различным уровням состояния, обозначенным числами 01, 10 и 11. Согласно варианту осуществления на фиг.12-14, на магнитный туннельный переход 2 можно, таким образом, записывать множество уровней состояния, изменяя величину приложенного магнитного поля 42 от значения B_SAT насыщения и ниже вдоль соответствующей кривой намагничивания.

Наклон кривой намагничивания на фиг.14 можно изменять путем изменения магнитной связи между первой и второй намагниченностью 233, 234 запоминания. Это можно обеспечить путем изменения толщины запоминающего антипараллельного связующего слоя 232 и/или путем изменения материала и толщины первого и второго запоминающего ферромагнитного слоя 230, 231. Например, кривую намагничивания с более крутым наклоном можно получить, увеличивая толщину первого и второго запоминающих слоев 230, 231. Кривая намагничивания на фиг.14, имеющая крутой наклон, допускает более большие увеличения сопротивления при изменении приложенного магнитного поля 42, в результате чего запись различных уровней состояния можно осуществлять в меньшем магнитном поле 42.

В другом варианте осуществления, который не представлен, слой 21 считывания изготовлен из имеющего низкую коэрцитивность мягкого ферромагнитного материала. Ферромагнитные материалы включают в себя обычно железо, кобальт, никель или их сплавы. В отличие от запоминающего слоя 23, слой считывания 21 не подвергается обменному смещению, и намагниченность 210 считывания имеет направление, которое можно свободно изменять, например, путем теплового возбуждения, и, таким образом, его намагниченность может быть свободно выстроена в магнитном поле.

Здесь операция записи может быть основана на самоотносимой операции считывания, как описал в патентной публикации EP2276034 заявитель настоящего изобретения. В частности, операция считывания может содержать, в первом цикле считывания, пропускание первого тока намагничивания считывания, имеющего первую полярность, по второй линии 5 тока (или, возможно, первой линии 4 тока). Первый ток намагничивания считывания индуцирует первое магнитное поле считывания, способное выстраивать намагниченности 210 считывания в первом ориентированном направлении намагниченности согласно первой полярности первого ток намагничивания считывания. Первое выстроенное направление намагниченности слоя 21 считывания затем сравнивают с записанным уровнем состояния, пропуская ток считывания через магнитный туннельный переход 2 по линии 4 тока, таким образом, чтобы измерять первое сопротивление R₁ перехода магнитного туннельного перехода 2.

Такая самоотнесенная операция считывания дополнительно включает второй цикл считывания, включающий пропускание второго тока намагничивания считывания, имеющего вторую полярность, по второй линии 5 тока (или по первой линии 4 тока), таким образом, чтобы индуцировать второе магнитное поле считывания, способное выстраивать намагниченности 210 считывания во втором выстроенном направлении намагниченности согласно второй полярности второй тока намагничивания считывания. Второе выстроенное направление намагниченности слоя считывания 21 затем сравнивают с записанным уровнем состояния путем пропускания тока считывания через магнитный туннельный переход 2 по линии 4 тока, таким образом, чтобы измерять второе сопротивление R₂ перехода магнитного туннельного перехода 7. Записанный уровень состояния можно затем определять путем определения разности между первым и вторым значением R₁ и R₂ сопротивления.

В другом варианте осуществления, который не представлен, первый ток считывания имеет переменную полярность и индуцирует переменное первое магнитное поле считывания, выстраивающее намагниченности 210 считывания переменным образом, в соответствии с переменной полярностью первого тока считывания. Предпочтительно переменный первый ток считывания выстраивает переменным образом намагниченность 210 считывания без полного переключения его намагниченности. Соответственно, измеренное значение первого сопротивления R₁ изменяется поочередно с изменением намагниченности 210 считывания, и записанный уровень состояния можно определять, сопоставляя изменяющееся значение первого сопротивления R₁ с переменным первым током считывания.

Ссылочные позиции и обозначения

1 - ячейка MRAM

2 - магнитный туннельный переход

21 - слой считывания

22 - туннельный барьерный слой

23 - запоминающий слой, SAF (синтетический антиферромагнитный) запоминающий слой

210 - намагниченность считывания

230 - первый запоминающий ферромагнитный слой

231 - второй запоминающий ферромагнитный слой

232 - запоминающий антипараллельный связующий слой

233 - первая намагниченность запоминания

234 - вторая намагниченность запоминания

24 - антиферромагнитный запоминающий слой

25 - антиферромагнитный слой считывания

4 - первая линия тока

31 - ток нагревания

32 - ток считывания

5 - вторая линия тока

41 - ток намагничивания

42 - внешнее магнитное поле

60 - ось анизотропии

α - угол

B - значение внешнего магнитного поля

B_SAT - значение насыщения внешнего магнитного поля

B_SF - значение переориентации спина внешнего магнитного поля

M - созданная намагниченность

1. Способ записи и считывания более чем двух битов данных для ячейки магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM), содержащей:
магнитный туннельный переход, образованный из магнитного слоя считывания, имеющего намагниченность считывания, туннельного барьерного слоя и запоминающего слоя,
при этом запоминающий слой может быть свободно ориентирован при высокотемпературном пороге и содержит первый запоминающий ферромагнитный слой, имеющий первую намагниченность запоминания, второй запоминающий ферромагнитный слой, имеющий вторую намагниченность запоминания, и запоминающий антипараллельный связующий слой, магнитно связывающий первую и вторую намагниченности запоминания;
причем способ содержит этапы, на которых:
нагревают магнитный туннельный переход до высокотемпературного порога;
ориентируют первую и вторую намагниченности запоминания; и
охлаждают магнитный туннельный переход до низкотемпературного порога для замораживания второй намагниченности запоминания;
при этом упомянутая ориентация первой и второй намагниченности запоминания включает образование первой намагниченности запоминания с заданным углом относительно второй намагниченности запоминания для достижения заданного уровня состояния сопротивления магнитного туннельного перехода, определенного ориентацией первой намагниченности запоминания относительно намагниченности считывания; причем охлаждение магнитного туннельного перехода включает замораживание второй намагниченности запоминания под заданным углом.

2. Способ по п.1, в котором ориентация первой и второй намагниченностей запоминания включает приложение внешнего магнитного поля, причем заданный угол определяют согласно величине и направлению магнитного поля.

3. Способ по п.2, в котором приложение внешнего магнитного поля осуществляют, по существу, параллельно оси анизотропии первой и второй намагниченностей запоминания.

4. Способ по п.3, в котором упомянутая величина магнитного поля ниже, равна или превышает значение переориентации спина.

5. Способ по п.2, в котором приложение внешнего магнитного поля осуществляют, по существу, перпендикулярно оси анизотропии первой и второй намагниченностей запоминания.

6. Способ по п.5, в котором упомянутая величина магнитного поля изменяется от значения насыщения первой и второй намагниченностей запоминания и ниже.

7. Способ по п.1, в котором магнитный туннельный переход дополнительно содержит антиферромагнитный запоминающий слой, предназначенный для фиксирования второй намагниченности запоминания при низкотемпературном пороге.

8. Способ по п.1, в котором намагниченность считывания слоя считывания фиксируют относительно направления намагниченности запоминания и который дополнительно содержит пропускание тока считывания через магнитный туннельный переход для измерения сопротивления перехода магнитного туннельного перехода.

9. Способ по п.8, в котором магнитный туннельный переход дополнительно содержит антиферромагнитный слой считывания, фиксирующий намагниченность считывания.

10. Способ по п.1, в котором намагниченность считывания слоя считывания имеет направление, которое можно свободно изменять, причем способ дополнительно содержит:
выстраивание намагниченности считывания в первом выстроенном направлении таким образом, чтобы измерять первое сопротивление перехода магнитного туннельного перехода;
выстраивание намагниченности считывания во втором выстроенном направлении таким образом, чтобы измерять второе сопротивление перехода магнитного туннельного перехода;
и определение разности между первым и вторым сопротивлением перехода.

11. Способ по п.10, в котором выстраивание намагниченности считывания в первом выстроенном направлении включает пропускание первого тока считывания, имеющего первую полярность, по линии тока, а выстраивание намагниченности считывания во втором выстроенном направлении включает пропускание второго тока считывания, имеющего вторую полярность, по линии тока.

12. Способ по п.1, в котором первый запоминающий ферромагнитный слой и второй запоминающий ферромагнитный слой изготовлены из сплава CoFe, CoFeB или NiFe, а запоминающий антипараллельный связующий слой представляет собой немагнитный слой из материала, выбранного из группы, состоящей из рутения, хрома, рения, иридия, родия, серебра, меди и иттрия.

13. Способ по п.1, в котором первый и второй запоминающие ферромагнитные слои имеют толщину между около 1,5 нм и около 4 нм.

14. Способ по п.1, в котором запоминающий антипараллельный связующий слой изготовлен из рутения и имеет толщину между около 0,6 нм и около 2 нм, предпочтительно между около 0,6 нм и около 0,9 нм или между около 1,6 нм и около 2 нм.

15. Способ по п.6, в котором значение насыщения первой и второй намагниченностей запоминания изменяют путем изменения толщины запоминающего антипараллельного связующего слоя или путем изменения толщины первого и второго запоминающих слоев.