ЯЧЕЙКА MRAM И СПОСОБ ДЛЯ ЗАПИСИ В ЯЧЕЙКУ MRAM С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ ЗАПИСИ С ПОНИЖЕННЫМ ТОКОМ ПОЛЯ
MRAM CELL AND METHOD FOR WRITING TO MRAM CELL USING THERMALLY ASSISTED WRITE OPERATION WITH REDUCED FIELD CURRENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее раскрытие относится к ячейке оперативной памяти (MRAM) и к способу для записи в ячейку MRAM с использованием термической операции записи с пониженным током поля.
Уровень техники
Ячейки оперативной памяти (MRAM), в которых использована термическая операция записи, обычно содержат магнитный туннельный переход, образованный из опорного слоя, обладающего фиксированной намагниченностью, слоя запоминания, обладающего намагниченностью, которую можно переключать, и туннельного барьера между опорным слоем и слоем запоминания. Ячейка MRAM дополнительно содержит антиферромагнитный слой, имеющий обменную связь с намагниченностью слоя запоминания. Такие ячейки MRAM характеризуются значительно более высокой термостабильностью слоя запоминания благодаря обменной связи с антиферромагнитным слоем. Повышенная избирательность записи таких ячеек MRAM также достигается, благодаря выборочному нагреву ячейки памяти, в которую производится запись, по сравнению с соседними ячейками памяти, остающимися при комнатной температуре. В ячейку MRAM производят запись, используя ток поля, проходящий по линии поля, такой, чтобы генерировать магнитное поле, приспособленное для переключения намагниченности слоя запоминания при нагреве ячейки памяти. Однако величина тока поля может быть слишком высокой для маломощных применений.
Сущность изобретения
Настоящее раскрытие относится к способу для записи в ячейку MRAM, содержащую: магнитный туннельный переход, содержащий слой запоминания, обладающий намагниченностью запоминания, которую можно отрегулировать при нагреве магнитного туннельного перехода до высокотемпературного порога и зафиксировать при охлаждении магнитного туннельного перехода до низкотемпературного порога; опорный слой, обладающий фиксированной опорной намагниченностью; и туннельный барьерный слой, расположенный между слоями считывания и запоминания; и линию тока, электрически соединенную с упомянутым магнитным туннельным переходом; причем упомянутый способ включает в себя:
- пропускание тока нагрева по магнитному туннельному переходу через линию подачи тока для нагрева магнитного туннельного перехода;
- сразу после достижения магнитным туннельным переходом высокотемпературного порога пропускание тока насыщения, такого, который переключает намагниченность запоминания в записанном направлении, по существу, параллельно или антипараллельно относительно опорной намагниченности, в соответствии с полярностью тока поля;
- величина тока нагрева такова, что он действует как спин-поляризованный ток и вызывает регулировку переноса спина по намагниченности запоминания;
- полярность тока нагрева является такой, что она регулирует намагниченность запоминания, по существу, в упомянутом записанном направлении.
В варианте воплощения ячейка MRAM может дополнительно содержать биполярный транзистор в электрическом соединении с одним концом магнитного туннельного перехода, причем биполярный транзистор установлен для управления пропусканием тока нагрева в магнитном туннельном переходе и полярностью тока нагрева.
В другом варианте воплощения ток поля может быть пропущен по линии тока. В качестве альтернативы, ячейка MRAM может содержать линию поля, и по линии поля может быть пропущен ток поля.
В еще одном варианте воплощения ячейка MRAM может дополнительно содержать антиферромагнитный слой запоминания, имеющий обменную связь со слоем запоминания и закрепляющий намагниченность запоминания, когда магнитный туннельный переход находится при низкотемпературном пороге, и высвобождающий намагниченность запоминания, когда магнитный туннельный переход находится при высокотемпературном пороге.
Ячейка MRAM и способ для записи в ячейку MRAM, раскрытый в настоящей работе, предусматривает комбинирование тока нагрева, действующего как спин-поляризованный ток при высоком пороге тока, с током поля для переключения намагниченности запоминания. Ток поля, используемый для переключения намагниченности запоминания, может быть понижен по сравнению со стандартной ячейкой MRAM.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет лучше понято с помощью описания варианта воплощения, приведенного в качестве примера и проиллюстрированного чертежами, на которых:
Фиг. 1 показывает вид ячейки оперативной памяти (MRAM), содержащей магнитный туннельный переход, транзистор выбора, линию тока для пропускания тока нагрева и линию поля для пропускания тока поля, согласно варианту воплощения.
Фиг. 2 иллюстрирует ячейку MRAM согласно другому варианту воплощения.
Фиг. 3 иллюстрирует ячейку MRAM согласно еще одному варианту воплощения, причем ток нагрева и ток поля пропущены по линии тока.
Подробное описание возможных вариантов воплощения
Фиг. 1 показывает ячейку 1 оперативной памяти (MRAM) согласно варианту воплощения. Ячейка 1 MRAM содержит слой 23 запоминания, обладающий намагниченностью 230 запоминания, которая может быть отрегулирована, когда магнитный туннельный переход 2 нагрет до высокотемпературного порога, и зафиксирована, когда магнитный туннельный переход 2 охлажден до низкотемпературного порога. Магнитный туннельный переход 2 дополнительно содержит опорный слой 21, обладающий фиксированной опорной намагниченностью 210, и туннельный барьерный слой 22, расположенный между слоями 21, 23 считывания и запоминания. MRAM дополнительно содержит линию 3 тока, электрически соединенную с одним концом магнитного туннельного перехода 2, установленного для пропускания тока 31 нагрева. MRAM может дополнительно содержать транзистор 8 выбора, электрически соединенный с другим концом магнитного туннельного перехода 2. Линию тока управления, или числовую шину (не представлена), можно использовать для управления открытием и закрытием транзистора 8 выбора для отдельного обращения к ячейке 1 MRAM. Транзистор 8 выбора, например, может содержать КМОП-транзистор (транзистор на основе комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник). В примере согласно Фиг. 1 ячейка 1 MRAM дополнительно содержит линию 4 поля, установленную на упомянутом одном конце магнитного туннельного перехода 2 и по существу перпендикулярно к линии 3 тока, и приспособленную для пропускания тока 41 поля. На Фиг. 1 линия поля и ток 41 поля представлены перпендикулярно странице.
В варианте воплощения операция записи для записи в ячейку 1 MRAM содержит:
- пропускание тока 31 нагрева по магнитному туннельному переходу 2 через линию 3 тока для нагрева магнитного туннельного перехода 2;
- сразу после достижения магнитным туннельным переходом 2 высокотемпературного порога пропускание тока 41 поля, например, для переключения намагниченности 230 запоминания в записанном направлении;
- охлаждение магнитного туннельного перехода 2 до низкотемпературного порога, например, для закрепления намагниченности 230 запоминания в записанном направлении.
Ток 41 поля может быть пропущен по линии 4 поля, например, для генерирования магнитного поля 42 записи, имеющего направление, которое зависит от считывания или полярности тока 41 поля. На Фиг. 1(a) ток 41 поля показан с полярностью первого тока поля, которая здесь входит в страницу, вследствие чего магнитное поле 42 записи переключает намагниченность 230 запоминания в записанном направлении, то есть по существу параллельно опорной намагниченности 210. Параллельное взаиморасположение намагниченности 230 запоминания и опорной намагниченности 210 приводит к низкому сопротивлению перехода R (или состоянию уровня «0»). На Фиг. 1(b) ток 41 поля показан со второй полярностью тока поля, которая здесь выходит из страницы, вследствие чего магнитное поле 42 записи переключает намагниченность 230 запоминания в записанном направлении, то есть по существу антипараллельно опорной намагниченности 210. Антипараллельное взаиморасположение намагниченности 230 запоминания и опорной намагниченности 210 приводит к высокому сопротивлению перехода R (или состоянию уровня «1»).
Пропускание тока 31 нагрева по магнитному туннельному переходу 2 может быть достигнуто путем установления транзистора 8 выбора в его проводящем режиме («ВКЛ»). При достижении магнитным туннельным переходом 2 высокотемпературного порога намагниченность 230 запоминания может быть легко выстроена и, таким образом, переключена в магнитном поле 42 записи. Ток 31 нагрева можно затем отключить путем установления транзистора 8 выбора в режим отсечки (ВЫКЛ) и/или путем устранения напряжения смещения транзистора между истоком и стоком. Ток 41 поля в ходе охлаждения магнитного туннельного перехода 2 может быть сохранен, а затем отключен при достижении магнитным туннельным переходом 2 низкотемпературного порога, при котором намагниченность 230 запоминания замораживается в записанном состоянии.
c1
c2
c2
c2
c2
c1
В варианте воплощения магнитный туннельный переход 2 содержит антиферромагнитный опорный слой 24, имеющий обменную связь с опорным слоем 21, например, для закрепления опорного намагничивания 210 ниже опорной критической температуры T антиферромагнитного опорного слоя 24. Магнитный туннельный переход 2 может дополнительно содержать антиферромагнитный слой запоминания (показано на Фиг. 1 номером 25), имеющий критическую температуру T запоминания и обменную связь со слоем 23 запоминания. Антиферромагнитный слой запоминания устанавливают для закрепления намагниченности 230 запоминания при низкотемпературном пороге, ниже критической температуры T запоминания, и для высвобождения намагниченности 230 запоминания при высокотемпературном пороге, при критической температуре T запоминания или выше. Критическая температура T запоминания должна находиться ниже опорной критической температуры T, вследствие чего, при высокотемпературном пороге опорная намагниченность 210 остается закрепленной антиферромагнитным опорным слоем 24.
c1
Величина тока 31 нагрева, требуемая для нагрева магнитного туннельного перехода при высокотемпературном пороге, обычно находится ниже величины, необходимой для получения эффекта переноса спинового момента (STT). В случае, когда опорная критическая температура T антиферромагнитного опорного слоя 24 достаточно высока, величина тока 31 нагрева, требуемая для нагрева магнитного туннельного перехода до высокотемпературного порога, может быть такова, что ток 31 нагрева генерирует STT-эффект. STT-эффект, генерируемый указанным образом, может быть таков, что он ориентирует намагниченность 230 запоминания в направлении, отличном от направления магнитного поля 42 записи в ходе операции записи. STT-эффект может, таким образом, порождать нежелательные влияния на приложенное магнитное поле 42 записи, такие как асимметрия магнитного поля записи, расширение распределения магнитного поля записи, или даже ошибки записи.
В варианте воплощения ток нагрева протекает с величиной, соответствующей высокому порогу тока, достаточному, чтобы ток 31 нагрева действовал как спин-поляризованный ток. Ток 31 нагрева становится поляризованным при его пропускании через опорный слой 21 или через возможный поляризующий слой (не показан) согласно направлению потока или полярности тока 31 нагрева. При пороге тока намагниченность 230 запоминания может быть затем отрегулирована за счет переноса углового спинового момента между спин-поляризованными носителями (электронами) тока 31 нагрева и намагниченностью 230 запоминания. Этот перенос углового спина также известен под выражением перенос спинового момента (STT).
Согласно полярности тока 31 нагрева спины электронов, проникающих в слой 23 запоминания, в большинстве своем ориентированы вдоль опорной намагниченности 210 или намагниченности возможного поляризующего слоя. Точнее говоря, полярность тока 31 нагрева можно выбирать таким образом, чтобы она оказывала регулирующее влияние переноса спина на намагниченность 230 запоминания по существу в записанном направлении, т.е., таким образом, чтобы ток 31 нагрева регулировал намагниченность 230 запоминания по существу в том же направлении, в каком направление магнитного поля 42 записи переключает намагниченность 230 запоминания. Это проиллюстрировано на Фиг. 1, где Фиг. 1(a) показывает ток 31 нагрева, обладающий первой полярностью тока нагрева, которая здесь направлена от линии 3 тока к транзистору 8 выбора, например, для выстраивания намагниченности 230 запоминания в том же направлении (записанном направлении), что и направление, обеспеченное магнитным полем 42 записи, генерированным током 41 поля, обладающим первой полярностью тока поля. На Фиг. 1(b) представлен ток 31 нагрева, обладающий второй полярностью тока нагрева, противоположной первой полярности тока нагрева, которая здесь направлена от транзистора 8 выбора к линии 3 тока, например, для выстраивания намагниченности 230 запоминания в том же направлении (записанном направлении), что и направление, обеспеченное магнитным полем 42 записи, генерируемым током 41 поля, обладающим второй полярностью тока поля. В отличие от стандартных ячеек MRAM, в которых использован монополярный транзистор выбора, транзистор 8 выбора является биполярным, позволяющим изменять полярность тока нагрева 31.
В еще одном варианте воплощения слой 23 запоминания может представлять собой синтетический слой запоминания, содержащий первый ферромагнитный слой 231 со стороны туннельного барьерного слоя 22 и обладающий намагниченностью 232 первого ферромагнетика, второй ферромагнитный слой 233, обладающий намагниченностью 234 второго ферромагнетика, и немагнитный связывающий слой 235, отделяющий первый и второй ферромагнитные слои 231, 233. Магнитный туннельный переход 2, содержащий такой синтетический слой 23 запоминания, представлен на Фиг. 4. Пропускание тока 41 поля переключает намагниченность 232, 234 первого и второго ферромагнетика относительно опорной намагниченности 210, вследствие чего первая намагниченность 232 запоминания направлена в записанном направлении. Намагниченность запоминания (не показано на Фиг. 4) соответствует векторной сумме намагниченности 232, 234 первого и второго ферромагнетика.
Фиг. 2 показывает ячейку 1 MRAM согласно другому варианту воплощения. Ячейка MRAM согласно Фиг. 2 по существу является такой же, что и ячейка, представленная на Фиг. 1, но имеющая линию 4 поля, установленную на упомянутом другом конце магнитного туннельного перехода 2, т.е., со стороны транзистора 8 выбора. Хотя это не показано на Фиг. 2, магнитный туннельный переход 2 также может содержать антиферромагнитный слой запоминания, описанный в примере согласно Фиг. 1. В конфигурации согласно Фиг. 2 транзистор 8 выбора электрически соединен с другим концом магнитного туннельного перехода 2 через токопроводящую дорожку 7. Фиг. 2(a) показывает ток 41 поля, проходящий по линии 4 поля, с первой полярностью тока поля, и ток 31 нагрева, обладающий первой полярностью тока нагрева. Как ток 41 поля, так и ток 31 нагрева выстраивают намагниченность 230 запоминания в записанном направлении, в данном случае при состоянии записанного уровня «0». Фиг. 2(b) показывает ток 41 поля, проходящий по линии 4 поля, со второй полярностью тока поля, и ток 31 нагрева, обладающий второй полярностью тока нагрева. Как ток 41 поля, так и ток 31 нагрева выстраивают намагниченность 230 запоминания в записанном направлении, в данном случае при состоянии записанного уровня «1».
Фиг. 3 показывает ячейку 1 MRAM согласно еще одному варианту воплощения, в котором ячейка 1 MRAM содержит только линию 3 тока для пропускания тока 31 нагрева и тока 41 поля. Хотя не показано на Фиг. 3, магнитный туннельный переход 2 также может содержать слой запоминания, описанный в примере согласно Фиг. 1. Фиг. 3(a) и 3(b) показывают как ток 41 поля, так и ток 31 нагрева, пропущенные по линии 3 тока. На Фиг. 3(a) ток 41 поля течет с первой полярностью тока поля, а ток 31 нагрева течет с первой полярностью тока нагрева, такой, чтобы выстраивать намагниченность 230 запоминания в записанном направлении, здесь она имеет состояние записанного уровня «0». На Фиг. 3(b) ток 41 поля течет со второй полярностью тока поля, а ток 31 нагрева течет со второй полярностью тока нагрева, такой, чтобы выстраивать намагниченность 230 запоминания в записанном направлении, в данном случае при состоянии записанного уровня «1». В конфигурации согласно Фиг. 3 линия 3 тока выполняет функцию разрядной шины, за счет пропускания по ней тока 31 нагрева, и линии поля, за счет пропускания по ней тока 41 поля.
Способ, раскрытый в настоящей работе, предусматривает комбинирование тока нагрева, действующего как спин-поляризованный ток при высоком пороге тока, с током поля для переключения намагниченности 230 запоминания. Иными словами, при пропускании тока нагрева при высоком пороге тока и с подходящей полярностью, он может содействовать магнитному полю 42, генерируемому током 41 поля при переключении намагниченности 230 запоминания. Преимущество пропускания тока нагрева, действующего при высоком пороге тока, состоит в том, что магнитное поле 42 записи и, таким образом, ток 41 поля, могут быть понижены, по сравнению со стандартной ячейкой MRAM.
Устройство магнитной памяти (не показано) может быть образовано в виде сборной матрицы, содержащей множество ячеек 1 MRAM. Матрица ячеек 1 MRAM может быть расположена внутри корпуса устройства (не показан). При образовании устройства магнитной памяти магнитный туннельный переход 2 каждой ячейки 1 MRAM со стороны слоя 23 запоминания может быть соединен с линией 3 тока, а с противоположной стороны - с числовой шиной (не показана). Является предпочтительным, чтобы числовая шина была расположена перпендикулярно относительно линии 3 тока.
Номера ссылок
1 ячейка магнитной оперативной памяти (MRAM)
2 магнитный туннельный переход
21 опорный слой
210 опорная намагниченность
22 туннельный барьерный слой
23 слой запоминания
230 намагниченность запоминания
231 первый ферромагнитный слой
232 намагниченность первого ферромагнетика
233 второй ферромагнитный слой
234 намагниченность второго ферромагнетика
235 немагнитный связывающий слой
24 антиферромагнитный опорный слой
25 антиферромагнитный слой запоминания
30 линия тока
31 ток нагрева
4 линия поля
41 ток поля
42 магнитное поле записи
7 дорожка
8 транзистор выбора