Ячейка магнитной памяти с произвольным доступом с улучшенным рассеиванием переключающего поля
Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в понижении потребления электроэнергии и улучшении рассеивания переключающего поля. Ячейка магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM) содержит туннельный магнитный переход, содержащий первый ферромагнитный слой, второй ферромагнитный слой, имеющий вторую намагниченность, которая может быть ориентирована относительно оси анизотропии второго ферромагнитного слоя при предварительно определенном высокотемпературном пороге, и туннельный барьер между первым и вторым ферромагнитным слоем; первую линию передачи тока, продолжающуюся вдоль первого направления и находящуюся в связи с магнитным туннельным переходом; причем первая линия передачи тока выполнена с возможностью обеспечения магнитного поля для ориентирования второй намагниченности при переносе тока поля; при этом ячейка MRAM сконфигурирована относительно первой линии передачи тока так, что при обеспечении магнитного поля по меньшей мере одна составляющая магнитного поля перпендикулярна упомянутой оси анизотропии; второй ферромагнитный слой имеет асимметричную форму вдоль по меньшей мере одного из своего размера, так что вторая намагниченность содержит рисунок С-образного состояния. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение описывает ячейку магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM), содержащую туннельный магнитный переход и имеющую улучшенную эффективность переключения, более низкое потребление электроэнергии и улучшенное рассеивание переключающего поля по сравнению с традиционными ячейками MRAM. Настоящее раскрытие также описывает устройство MRAM, содержащее множество ячеек MRAM, и способ для записи ячейки MRAM.
ОПИСАНИЕ РОДСТВЕННОЙ ОБЛАСТИ ТЕХНИКИ
[0002] Запоминающие устройства, которые используют материалы с переменным сопротивлением, включают в себя резистивные памяти с произвольным доступом (RRAM), памяти с произвольным доступом с изменением фазового состояния (PRAM), сегнетоэлектрические памяти с произвольным доступом (FRAM), магнитные памяти с произвольным доступом (MRAM) и т.д. Энергонезависимые запоминающие устройства, перечисленные выше, могут хранить данные на основе вариаций в сопротивлении материала с переменным сопротивлением (RRAM), материала с изменением фазового состояния, имеющего аморфное и кристаллическое состояния (PRAM), сегнетоэлектрического материала, имеющего разные состояния поляризации (FRAM), и/или пленки с магнитным туннельным переходом сегнетоэлектрического материала, имеющего различные намагниченные состояния (MRAM).
[0003] Устройства, основанные на MRAM, испытывают возобновленный интерес, так как магнитный туннельный переход продемонстрировал магниторезистивный эффект при окружающей температуре. MRAM представляет много преимуществ, таких как высокие скорости записи и чтения (вплоть до нескольких наносекунд), энергонезависимость и устойчивость к ионизирующим излучениям. Разработка ячеек MRAM с магнитным туннельным переходом обеспечила возможность значительного увеличения эксплуатационных характеристик и режима работы MRAM.
[0004] В самой простой реализации ячейки магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM) содержат по меньшей мере один магнитный туннельный переход, образованный из двух магнитных слоев, разделенных тонким изолирующим слоем, где один из слоев, так называемый опорный слой, отличается фиксированной намагниченностью, и второй слой, так называемый слой хранения, отличается намагниченностью, чье направление может быть изменено при записи памяти. Когда соответственные намагниченности опорных слоев и слоя хранения являются антипараллельными, сопротивление магнитного туннельного перехода является высоким (Rmax), соответствуя логическому состоянию "1". С другой стороны, когда соответственные намагниченности являются параллельными, сопротивление магнитного туннельного перехода становится низким (Rmin), соответствуя логическому состоянию "0". Логическое состояние ячейки MRAM считывается посредством сравнения ее состояния сопротивления с опорным сопротивлением Rref, предпочтительно полученным от опорной ячейки или массива опорных ячеек, причем опорное сопротивление типично Rref=(Rmin+Rmax)/2, скомбинированное между сопротивлением магнитного туннельного перехода логического состояния "1" и сопротивлением логического состояния "0".
[0005] В традиционных практических реализациях опорный слой является "с обменным смещением" к смежному антиферромагнитному опорному слою, отличающемуся критической температурой (выше которой обменное смещение исчезает), известной как температура блокировки TBR антиферромагнитного опорного слоя.
[0006] В реализации ячейки MRAM, использующей процедуру термического переключения (TAS), например, как описано в патенте США № 6950335, слой хранения является также с обменным смещением к смежному антиферромагнитному слою хранения, чья температура блокировки TBS (температура, при которой обменное смещение антиферромагнитного слоя хранения исчезает) ниже, чем температура блокировки TBR антиферромагнитного опорного слоя, закрепляющего опорный слой. Ниже температуры блокировки TBS слой хранения является сложным или невозможным для записи. Запись тогда выполняется посредством нагревания магнитного туннельного перехода выше TBS, но ниже TBR, предпочтительно, но не ограничено этим, посредством передачи нагревающего тока через магнитный туннельный переход, для того, чтобы освободить намагниченность слоя хранения, в то же время одновременно прикладывая магнитное поле, так называемое поле записи, созданное током поля. Магнитный туннельный переход затем охлаждается ниже температуры блокировки TBS, где намагниченность слоя хранения "замораживается" в записанном направлении.
[0007] Свободный слой может быть изготовлен с возможностью иметь предпочтительную ось для направления намагниченности, называемую "легкая ось" (EA) и типично установленную вдоль направления опорной намагниченности, посредством собственной анизотропии и/или анизотропии формы MTJ.
[0008] Во время процедуры записи может произойти механизм реверсии намагниченности слоя хранения посредством магнитного поля, посредством вращения намагниченности (по часовой стрелке или против часовой стрелки) или посредством образования различных конфигураций неоднородной намагниченности, таких как магнитные доменные стенки, вихревые конфигурации, C-образные или S-образные конфигурации намагниченности. Магнитуда магнитного поля, требуемая для переключения направления намагниченности слоя хранения, строго варьируется в зависимости от того, какая конфигурация намагниченности предусмотрена во время переключения намагниченности, таким образом приводя как к высоким значениям, так и существенной способности к изменению реверсивного магнитного поля.
[0009] В случае магнитных запоминающих устройств, образованных посредством сборки массива, содержащего множество ячеек памяти TAS-MRAM, свойства отдельных ячеек в массиве, такие как их форма, могут варьироваться из-за отклонений в процессе изготовления. Это может приводить к вариации анизотропии формы внутри массива ячеек, добавляющейся к неустойчивости поля записи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Настоящая заявка раскрывает ячейку магнитной памяти с произвольным доступом с процедурой термического переключения и способ записи в запоминающее устройство, который преодолевает по меньшей мере некоторые ограничения известного уровня техники.
[0011] Согласно вариантам осуществления, ячейка MRAM может содержать: туннельный магнитный переход, образованный из опорного слоя, слоя хранения и изолирующего слоя, располагаемого между слоем хранения и опорным слоем; в котором упомянутый слой хранения имеет намагниченность хранения, которая может быть ориентирована относительно оси анизотропии хранения слоя хранения свыше предварительно определенного высокотемпературного порога; линию передачи тока, электрически присоединенную к магнитному туннельному переходу; линию поля, находящуюся в связи с магнитным туннельным переходом, причем линия поля выполнена с возможностью обеспечения магнитного поля для ориентирования намагниченности хранения при переносе тока поля; причем ячейка MRAM сконфигурирована относительно линии поля, так чтобы при обеспечении магнитного поля по меньшей мере одна составляющая магнитного поля являлась по существу перпендикулярной к упомянутой оси анизотропии слоя хранения; при этом второй ферромагнитный слой имеет асимметричную форму вдоль по меньшей мере одного из своего размера, так что вторая намагниченность содержит рисунок C-образного состояния, и при этом упомянутый рисунок C-образного состояния способен изменяться в рисунок S-образного состояния посредством второй составляющей поля и вторая намагниченность способна переключаться посредством первой составляющей поля, когда обеспечено магнитное поле.
[0012] В другом варианте осуществления магнитный туннельный переход может дополнительно содержать антиферромагнитный слой хранения, адаптированный для закрепления намагниченности хранения ниже предварительно определенного низкотемпературного порога.
[0013] В еще одном варианте осуществления ячейка MRAM может дополнительно содержать транзистор выбора, связанный с указанным магнитным туннельным переходом и способным на выбор для нагрева упомянутого магнитного туннельного перехода до высокотемпературного порога во время операции записи посредством прикладывания нагревающего тока через упомянутый магнитный туннельный переход посредством линии передачи тока, когда транзистор выбран.
[0014] Настоящее раскрытие также имеет отношение к устройству MRAM, содержащему множество ячеек MRAM, множество линий поля, соединяющих ячейки MRAM вдоль ряда; и множество линий поля, соединяющих ячейки MRAM вдоль столбца.
[0015] Настоящее раскрытие также имеет отношение к способу записи ячейки MRAM, содержащему этапы, на которых:
нагревают магнитный туннельный переход;
как только магнитный туннельный переход достиг предварительно определенного высокотемпературного порога, переключают вторую намагниченность второго ферромагнитного слоя;
охлаждают магнитный туннельный переход при предварительно определенном низкотемпературном пороге для заморозки второй намагниченности в своем записанном состоянии;
охлаждают магнитный туннельный переход до низкотемпературного порога для заморозки намагниченности хранения в своем записанном состоянии;
причем упомянутое переключение намагниченности хранения может содержать пропускание тока поля в линии поля для того, чтобы прикладывать магнитное поле, так чтобы ориентировать намагниченность хранения, и причем по меньшей мере одна составляющая магнитного поля является по существу перпендикулярной к упомянутой оси анизотропии хранения, и при этом упомянутое переключение второй намагниченности дополнительно содержит изменение рисунка C-образного состояния второй намагниченности в рисунок S-образного состояния посредством второй составляющей поля.
[0016] В варианте осуществления магнитное поле дополнительно может содержать первую составляющую поля, которая ориентирована по существу параллельно оси анизотропии, переключающую вторую намагниченность. Упомянутое пропускание тока поля может быть выполнено до упомянутого охлаждения магнитного туннельного перехода.
[0017] В другом варианте осуществления способ может дополнительно содержать этап, на котором отключают ток поля, и причем упомянутое охлаждение магнитного туннельного перехода при предварительно определенном низкотемпературном пороге выполняется до отключения тока поля.
[0018] Ячейка MRAM, раскрытая в настоящем документе, имеет улучшенную эффективность переключения, более низкое потребление электроэнергии и улучшенное рассеивание переключающего поля по сравнению с традиционными ячейками MRAM.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019] Данное изобретение будет более понятно с помощью описания варианта осуществления, данного в качестве примера и проиллюстрированного посредством чертежей, в которых:
на фиг. 1 представлен вид в перспективе ячейки магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM) с процедурой термического переключения согласно варианту осуществления;
на фиг. 2 представлен вид сверху ячейки MRAM согласно варианту осуществления;
на фиг. 3 проиллюстрирована ячейка 1 MRAM согласно другому варианту осуществления;
на фиг. с 4a по 4d проиллюстрирован векторный рисунок намагниченности в ячейке 1 MRAM согласно варианту осуществления с фиг. 3;
на фиг. 5 проиллюстрировано устройство MRAM, содержащее множество ячеек MRAM согласно варианту осуществления; и
на фиг. 6 проиллюстрировано устройство MRAM, содержащее множество ячеек MRAM согласно другому варианту осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0020] На фиг. 1 представлен вид в перспективе ячейки 1 магнитной памяти с произвольным доступом MRAM согласно варианту осуществления. Ячейка 1 MRAM содержит магнитный туннельный переход 2, содержащий опорный слой 21, имеющий опорную намагниченность 211, слой 23 хранения, имеющий намагниченность 231 хранения, которая может быть свободно выровнена при предварительно определенном высокотемпературном пороге, и туннельный барьер 22, предоставленный между опорным слоем 21 и слоем 23 хранения. Ячейка 1 MRAM дополнительно содержит линию 4 поля, продолжающуюся вдоль первого направления 70. Линия 4 поля выполнена с возможностью обеспечения внешнего магнитного поля 42 слою 23 хранения для ориентирования намагниченности 231 хранения при переносе тока 41 поля. Ячейка 1 MRAM может также содержать транзистор 3 выбора, находящийся в электрической связи с другим концом магнитного туннельного перехода 2, причем транзистором выбора управляют линией 5 передачи тока, являющейся расположенной по существу ортогонально с первой линией 4 передачи тока.
[0021] Слой 23 хранения содержит ось легкого намагничивания, или ось 60 анизотропии хранения, и ось 60 трудного намагничивания, причем и легкая и трудная оси 60 и 61 являются ориентированными перпендикулярно друг другу вдоль одиночной плоскости в направлениях, перпендикулярных друг другу. Намагниченность 231 хранения имеет склонность самой располагаться вдоль оси 60 анизотропии без воздействия внешнего магнитного поля. Во время операции записи ячейки 1 MRAM намагниченность 231 хранения может быть дополнительно ориентирована относительно оси 60 анизотропии, так чтобы хранить логическое состояние бита. Например, состояния как логического 0, так и логической 1 могут быть заданы направлением намагниченности 231 хранения, являющейся типично ориентированной на 180° относительно друг друга во время операции записи.
[0022] Магнитный туннельный переход 2 может дополнительно содержать антиферромагнитный слой хранения (не показан), обменно связывающий намагниченность 231 хранения, так что свыше предварительно определенного высокотемпературного порога намагниченность 231 хранения может быть свободно ориентирована и слой 23 хранения закреплен ниже первого предварительно определенного низкотемпературного порога. Опорный слой 21 может быть также связан посредством опорного антиферромагнитного слоя (также не показан), закрепляя свою намагниченность ниже второго предварительно определенного низкотемпературного порога, являясь выше, чем первый предварительно определенный высокотемпературный порог.
[0023] В варианте осуществления ось 60 анизотропии происходит в своей основе из формы слоя 23 хранения. Это также известно как анизотропия формы. Здесь, форма слоя 23 хранения побуждает намагниченность 231 хранения самой располагаться вдоль размера ячейки памяти без воздействия внешнего магнитного поля 42.
[0024] В примере фиг. 1 ячейка 1 MRAM имеет эллиптическую форму, и ось 60 анизотропии ориентирована вдоль длинной оси слоя 23 хранения эллиптической формы. Ячейка 1 MRAM сконфигурирована так, чтобы длинная ось и таким образом ось 60 анизотропии была ориентирована под предварительно определенным углом α к направлению линии 4 передачи тока. В отсутствие прикладываемого магнитного поля 41 первая намагниченность 231 по существу ориентирована вдоль длинной оси, или оси 60 анизотропии, и таким образом ориентирована под предварительно определенным углом α к первой линии 4 передачи тока.
[0025] Ось 60 анизотропии может также происходить из любой другой анизотропной формы ячейки 1 MRAM, например, где слой 23 хранения имеет соотношение размеров его длины/высоты больше чем один. Возможные анизотропные формы могут содержать, не ограничиваясь этим, эллиптические, ромбовидные и прямоугольные формы, причем ось 60 анизотропии соответствует длинной оси, или самому длинному размеру, слоя 23 хранения. Более того, анизотропная форма ячейки 1 MRAM необязательно ограничена единственным слоем 23 хранения, и один или более других слоев ячейки MRAM могут показывать анизотропную форму. В варианте осуществления все слои ячейки 1 MRAM показывают анизотропную форму.
[0026] В другом варианте осуществления, не представлено, ось анизотропии определяется анизотропией поля одноосного кристалла, также называемой магнитокристаллической анизотропией. Предпочтительное направление намагниченности в результате магнитокристаллической анизотропии может быть установлено, например, во время осаждения пленки слоя 23 хранения посредством смещения поля или посредством отжига пленки после осаждения в сильном магнитном поле (несколько kOe) при повышенных температурах (например, от 200°C до 300°C). Магнитокристаллическая анизотропия может быть также скомбинирована с анизотропией формы, как описано выше, тогда как слой 23 хранения и, возможно, любые другие слои ячейки 1 MRAM могут иметь анизотропную форму в дополнение к магнитокристаллической анизотропии.
[0027] В варианте осуществления операция записи для записи данных в ячейку 1 MRAM содержит нагревание магнитного туннельного перехода; переключение намагниченности 231 хранения слоя 23 хранения и охлаждение магнитного туннельного перехода 2 ниже низкотемпературного порога для заморозки намагниченности 231 хранения в своем записанном состоянии. Нагревание магнитного туннельного перехода 2 может содержать пропускание нагревающего тока 31 через линию 5 передачи тока и через магнитный туннельный переход 2, когда транзистор 3 выбора находится в режиме пропускания. Как только магнитный туннельный переход 2 достиг предварительно определенного высокотемпературного порога, переключение намагниченности 231 хранения может быть выполнено посредством пропускания тока 41 поля в линию 4 поля для прикладывания магнитного поля 42, адаптированного для ориентирования намагниченности 231 хранения. Охлаждение магнитного туннельного перехода 2 может содержать отключение нагревающего тока 31 посредством установления транзистора 3 выбора в блокированный режим. Операция считывания для считывания записанного состояния может содержать пропускание тока считывания (не представлено) в магнитном туннельном переходе 2 через линию 5 передачи тока, так чтобы измерить сопротивление магнитного туннельного перехода 2. Сопротивление магнитного туннельного перехода 2 определяется относительной ориентацией намагниченности 231 хранения по сравнению с одной из опорных намагниченностей 211. В варианте осуществления, не представлено, ориентация первой намагниченности 211 является фиксированной относительно одной из второй намагниченности 231, например, за счет закрепления посредством антиферромагнитного опорного слоя, как описано выше.
[0028] Ячейка 1 MRAM сконфигурирована относительно линии 4 поля, так что ось 60 анизотропии ориентирована под предварительно определенным углом α к линии 4 поля. При такой конфигурации пропускание тока поля в линии 4 поля создает прикладываемое магнитное поле 42 с по меньшей мере одной составляющей магнитного поля 42, которая является по существу перпендикулярной оси 60 анизотропии (или параллельной оси 61 трудного намагничивания). В примере фиг. 2, показывающем вид сверху ячейки 1 MRAM, прикладываемое магнитное поле 42 содержит первую составляющую 421 поля, которая ориентирована по существу параллельно оси 60 анизотропии, и вторую составляющую 420 поля, являющуюся ориентированной по существу перпендикулярно оси 60 анизотропии.
[0029] При такой конфигурации первая составляющая 421 поля будет отвечать за ориентирование намагниченности 231 хранения в направлении первой составляющей 421 поля, или за переключение намагниченности 231 хранения. Вторая составляющая 420 поля, являясь по существу перпендикулярной оси 60 анизотропии и таким образом первоначальной ориентации намагниченности 231 хранения, будет побуждать намагниченность 231 хранения вращаться в направлении второй составляющей 420 поля. Вторая составляющая 420 поля может затем способствовать переключению намагниченности 231 хранения. Так как относительные магнитуды первой и второй составляющих 421, 420 поля зависят от угла α, их соответственное воздействие на вторую намагниченность 231 может быть варьировано посредством варьирования предварительно определенного угла α между осью 60 анизотропии и линией 4 поля.
[0030] Предпочтительно предварительно определенный угол α должен быть выбран в таком диапазоне, что 0°< α <90° с α, обеспечивающим возможность для минимального переключающего поля, как описано в Справочном материале X: E. P. Stoner, E. C. Wohlfarth. "A Mechanism of Magnetic Hysteresis in Heterogeneous Alloys", Философские труды Королевского общества Лондона. Серии A, Математические и физические науки 240(826), 599-642 (1948). Предпочтительно предварительно определенный угол α должен быть выбран между 0° и 45° и наиболее предпочтительно по существу 45°.
[0031] В варианте осуществления в течение операции записи ток 41 поля отключен после этапа охлаждения магнитного туннельного перехода 2, как только магнитный туннельный переход 2 достиг предварительно определенного низкотемпературного порога. В этом случае намагниченность 231 хранения заморожена, когда ориентирована посредством прикладываемого магнитного поля 42, более конкретно в направлении, по существу перпендикулярном линии 4 поля. Следовательно, замороженная намагниченность 231 хранения, соответствующая уровню записанного состояния, ориентирована под предварительно определенным углом β к оси 60 анизотропии.
[0032] В еще одном варианте осуществления ток 41 поля отключен до этапа охлаждения магнитного туннельного перехода 2. В этом случае прикладывание магнитного поля 41 прекращается, когда магнитный туннельный переход 2 все еще находится на предварительно определенном высокотемпературном пороге, и намагниченность 231 хранения становится ориентированной вдоль оси 60 анизотропии, в переключенном направлении. Магнитный туннельный переход 2 может быть затем охлажден, чтобы заморозить вторую намагниченность 231 в переключенном состоянии посредством отключения нагревающего тока 31.
[0033] Ячейка 1 MRAM, раскрытая в настоящем документе, обеспечивает возможность для улучшенной эффективности переключения из-за способствующего действия второй составляющей 420 поля во время переключения намагниченности 231 хранения. Меньшие значения магнитного поля 42, и таким образом тока 41 поля, могут быть использованы, приводя к меньшему потреблению электроэнергии ячейки MRAM 1. В отличие от этого традиционные ячейки TAS-MRAM типично сконфигурированы так, что ось анизотропии ориентирована параллельно направлению прикладываемого магнитного поля 42. При такой традиционной конфигурации переключение намагниченности запускается термической активацией, и скорость переключения ограничена стохастическим характером термической активации. Более высокие значения прикладываемого магнитного поля, таким образом, требуются при традиционных ячейках MRAM для достижения скорости переключения, сравнимой со скоростями переключения, достигнутыми в ячейке 1 MRAM данного изобретения. Это, в свою очередь, требует использования больших низлежащих транзисторов выбора, служащих источниками более высоких токов поля, приводящих к большим и непрактичным размерам ячеек MRAM. Это также приводит к сильному рассеянию мощности и к потенциальному износу и взаимосвязанной недостаточности надежности магнитного туннельного перехода, в частности туннельного барьера.
[0034] Недостатком ячеек MRAM симметричной формы является то, что они склонны быть чувствительными к вариациям в размере, форме и дефектах. В результате одна или более ячеек в массиве ячеек MRAM симметричной формы могут порождать различные устойчивые состояния векторов, производя механизмы переключения, которые различаются от ячейки к ячейке. Для ячеек MRAM, имеющих малые размеры (типично менее чем 100 нм), доменные стенки не могут быть образованы, и механизм переключения или механизм реверсии может сопровождать реверсию намагниченности посредством когерентного вращения намагниченности. Как описано выше, ось 60 анизотропии может происходить от формы слоя 23 хранения. Например, слой 23 хранения эллиптической формы может порождать рисунок поля векторов намагниченности при устойчивости (т.е. при отсутствии прикладываемого магнитного поля) наподобие S-образной формы. Такой рисунок S-образной формы, или S-образного состояния, обычно требует относительно слабого внешнего магнитного поля для переключения намагниченности слоя 23 хранения. Слой 23 хранения эллиптической формы, однако, может иногда порождать устойчивый рисунок поля векторов намагниченности наподобие C-образной формы, который является относительно более стабильным, чем S-образное состояние, и может требовать по существу большего внешнего магнитного поля для переключения магнитного состояния ячейки 1 MRAM.
[0035] На фиг. 3 проиллюстрирован вид сверху ячейки 1 MRAM согласно другому варианту осуществления, где слой 23 хранения имеет асимметричную форму вдоль одного из своих размеров. Асимметричная конфигурация слоя 23 хранения предпочтительно расположена вокруг оси 60 анизотропии. В данном случае слой 23 хранения имеет соотношение размеров больше чем 1, ось 60 анизотропии типично расположена вдоль своего самого длинного размера. Это обеспечивает возможность асимметричной форме вводить в действие рисунок C-образной формы намагниченности за счет рисунка S-образной формы намагниченности. В примере фиг. 3 асимметричная форма включает в себя одиночный искривленный участок вдоль одной стороны периметра и имеет по существу прямой периметр на противоположной стороне. В качестве альтернативы асимметричная форма может содержать изгиб, который является по существу вогнутым на противоположной стороне. По существу вогнутый изгиб может порождать более сильное C-образное состояние по сравнению с прямым периметром. Ячейка 1 MRAM фиг. 3 также расположена так, что ось 60 анизотропии образует угол α с линией 4 поля.
[0036] Асимметричная конфигурация слоя 23 хранения также может быть расположена так, чтобы слой 23 хранения демонстрировал асимметричную конфигурацию при вращении вокруг этой второй оси. Асимметричная конфигурация слоя 23 хранения может быть дополнительно расположена так, чтобы слой 23 хранения демонстрировал асимметричную конфигурацию при вращении вокруг оси 60 анизотропии и второй оси. Вторая ось может соответствовать трудной оси слоя 23 хранения. Слой 23 хранения может включать в себя асимметричный периметр, имеющий больший изгиб вдоль одной стороны периметра, чем противоположная сторона периметра. Такие противоположные стороны периметра могут быть вокруг оси 60 анизотропии и расположены вдоль разных участков периметра в зависимости от формы слоя 23 хранения. Более того, асимметричная конфигурация необязательно ограничена единственным слоем 23 хранения, и один или более других слоев ячейки MRAM могут показывать по существу анизотропную конфигурацию. В варианте осуществления все слои ячейки 1 MRAM показывают по существу анизотропную конфигурацию. Асимметричная конфигурация слоя 23 хранения или одного или более других слоев ячейки MRAM может иметь соотношение размеров, которое может принять любое значение, приблизительно большее чем или равное 1,0.
[0037] На фиг. с 4a по 4d проиллюстрирован векторный рисунок намагниченности 231 хранения слоя 23 хранения, имеющий асимметричную форму с фиг. 3, во время операции записи, описанной выше, согласно варианту осуществления. Более конкретно, на фиг. 4a показан векторный рисунок намагниченности 231 хранения до прикладывания магнитного поля 41. Асимметричная форма слоя 23 хранения порождает рисунок C-образного состояния в намагниченности 231 хранения. Прикладывание магнитного поля 42 изменяет C-образное состояние рисунок S-образного состояния в намагниченности 231 хранения (фиг. 4b). Более конкретно, рисунок S-образного состояния порожден второй составляющей 420 поля, являясь ориентированной по существу перпендикулярно оси 60 анизотропии. Первая составляющая 421 поля, ориентированная по существу параллельно оси 60 анизотропии, вызывает переключение намагниченности слоя хранения (фиг. 4c). На фиг. 4d показан векторный рисунок намагниченности 231 хранения, являющийся дополнительно повторно стабилизированным в C-образном состоянии после отключения тока 41 поля и охлаждения магнитного туннельного перехода 2.
[0038] Преимуществом ячейки 1 MRAM, имеющей асимметричную форму, является то, что намагниченность 231 хранения устанавливается в S-образное состояние, когда прикладывается магнитное поле 42. Так как намагниченность в S-образном состоянии обычно требует относительно слабого внешнего магнитного поля для переключения, операция записи может быть затем выполнена с более низким значением тока 41 поля по сравнению с записью ячейки 1 MRAM со слоем 23 хранения, имеющим симметричную форму. Ячейка 1 MRAM со слоем 23 хранения, имеющим асимметричную форму, таким образом, имеет низкое потребление электроэнергии. Данное рассмотрение выше также применяется к асимметричным формам слоя 23 хранения, как описано выше.
[0039] На фиг. 5 проиллюстрировано устройство 10 MRAM, содержащее множество ячеек 1 MRAM в рядах и столбцах согласно варианту осуществления. Устройство 10 дополнительно содержит множество первых линий 4 передачи тока, продолжающихся вдоль первого направления 70 и соединяющих ячейки MRAM вдоль ряда, и множество вторых линий 5 передачи тока, соединяющих ячейки 1 MRAM вдоль столбца. Вторая линия 5 передачи тока может быть присоединена к ячейкам 1 MRAM через их соответственный транзистор 3 выбора. Каждая ячейка 1 MRAM расположена в области пересечения первой и второй линий 4, 5 передачи тока, так что ось 60 анизотропии ориентирована под предварительно определенным углом α к линии 4 передачи тока. В примере с фиг. 5 второй ферромагнитный слой 23 ячейки 1 MRAM имеет симметричную форму, более конкретно эллиптическую форму. На фиг. 6 проиллюстрировано устройство 10 MRAM согласно другому варианту осуществления, где второй ферромагнитный слой 23 ячейки 1 MRAM имеет асимметричную форму, как рассмотрено выше.
[0040] Во время операции записи одна из ячеек 1 MRAM может быть выборочно записана посредством пропускания тока 41 поля в одной из первых линий 4 передачи тока (активированная первая линия 4 передачи тока) и посредством пропускания нагревающего тока 31 в одной из вторых линий 5 передачи тока (активированная вторая линия 5 передачи тока). Ячейка 1 MRAM, находящаяся на пересечении активированной первой и второй линии 4, 5 передачи тока, может быть затем записана (выбранная ячейка 1 MRAM). В варианте осуществления нагревающий ток 31 пропускается в магнитном туннельном переходе 2 выбранной ячейки 1 MRAM посредством установления транзистора 3 выбора в режим пропускания. Преимуществом ячеек 1 MRAM, где второй ферромагнитный слой 23 имеет асимметричную форму, является то, что избирательность записи выбранной ячейки 1 MRAM увеличена в сравнении с ячейками 1 MRAM, где второй ферромагнитный слой 23 имеет симметричную форму.
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ И СИМВОЛЫ
1 ячейка памяти (MRAM)
10 устройство MRAM
2 магнитный туннельный переход
21 опорный слой
22 туннельный барьер
23 слой хранения
211 опорная намагниченность
231 намагниченность хранения
31 нагревающий ток
4 линия поля
41 ток поля
42 прикладываемое магнитное поле
420 первая составляющая поля
421 вторая составляющая поля
5 линия передачи тока
60 ось легкого намагничивания, ось анизотропии
61 ось трудного намагничивания
70 первое направление первой линии передачи тока
α угол между осью анизотропии и линией передачи тока
β угол между осью анизотропии и прикладываемым магнитным полем
1. Ячейка магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM), содержащая:
туннельный магнитный переход, содержащий первый ферромагнитный слой, второй ферромагнитный слой, имеющий вторую намагниченность, которая может быть ориентирована относительно оси анизотропии второго ферромагнитного слоя при предварительно определенном высокотемпературном пороге, и туннельный барьер между первым и вторым ферромагнитным слоем;
первую линию передачи тока, продолжающуюся вдоль первого направления и находящуюся в связи с магнитным туннельным переходом; причем первая линия передачи тока выполнена с возможностью обеспечения магнитного поля для ориентирования второй намагниченности при переносе тока поля;
при этом ячейка MRAM сконфигурирована относительно первой линии передачи тока так, что при обеспечении магнитного поля по меньшей мере одна составляющая магнитного поля перпендикулярна упомянутой оси анизотропии;
второй ферромагнитный слой имеет асимметричную форму вдоль по меньшей мере одного из своего размера так, что вторая намагниченность содержит рисунок С-образного состояния, и
причем упомянутый рисунок С-образного состояния способен изменяться в рисунок S-образного состояния посредством второй составляющей поля и вторая намагниченность способна переключаться посредством первой составляющей поля, когда обеспечено магнитное поле.
2. Ячейка MRAM по п. 1, в которой ось анизотропии ориентирована под предварительно определенным углом к направлению линии передачи тока.
3. Ячейка MRAM по п. 2, в которой предварительно определенный угол находится в диапазоне, содержащемся выше 0° и ниже 90°.
4. Ячейка MRAM по п. 2, в которой предварительно определенный угол находится в диапазоне, содержащемся между 0° и 45°, а предпочтительно составляет 45°.
5. Ячейка MRAM по п. 1, в которой второй ферромагнитный слой имеет анизотропную форму и в которой ось анизотропии определена анизотропной формой второго ферромагнитного слоя.
6. Ячейка MRAM по п. 1, в которой второй ферромагнитный слой содержит магнитокристаллическую анизотропию и в которой ось анизотропии определена магнитокристаллической анизотропией.
7. Ячейка MRAM по п.1, в которой упомянутый размер содержит ось анизотропии.
8. Устройство MRAM, содержащее множество ячеек MRAM по п. 1, причем ячейки MRAM расположены в ряды и столбцы; множество первых линий передачи тока, продолжающихся вдоль первого направления и соединяющих ячейки MRAM вдоль ряда; и множество вторых линий передачи тока, соединяющих ячейки MRAM вдоль столбца.
9. Способ для записи ячейки MRAM по п. 1, содержащий этапы, на которых:
нагревают магнитный туннельный переход;
как только магнитный туннельный переход достиг предварительно определенного высокотемпературного порога, переключают вторую намагниченность второго ферромагнитного слоя и
охлаждают магнитный туннельный переход при предварительно определенном низкотемпературном пороге для заморозки второй намагниченности в своем записанном состоянии; причем
упомянутое переключение второй намагниченности содержит пропускание тока поля в первой линии передачи тока для прикладывания магнитного поля, содержащего по меньшей мере одну составляющую, перпендикулярную упомянутой оси анизотропии, и причем
упомянутое переключение второй намагниченности дополнительно содержит изменение рисунка С-образного состояния второй намагниченности в рисунок S-образного состояния посредством второй составляющей поля.
10. Способ по п. 9, в котором магнитное поле дополнительно содержит первую составляющую поля, которая ориентирована параллельно оси анизотропии, переключающую вторую намагниченность.
11. Способ по п. 9, в котором упомянутое пропускание тока поля выполняют до упомянутого охлаждения магнитного туннельного перехода.
12. Способ по п. 9, дополнительно содержащий этап, на котором отключают ток поля и в котором упомянутое охлаждение магнитного туннельного перехода при предварительно определенном низкотемпературном пороге выполняют до отключения тока поля.
