ЯЧЕЙКА МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ С ПРОИЗВОЛЬНЫМ ДОСТУПОМ
RANDOM-ACCESS MAGNETIC MEMORY CELL

Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно к разработке запоминающих устройств в области магниторезистивной оперативной памяти (MRAM), и может быть использовано для хранения данных на основе сохранения определенного состояния магнитной структуры рабочего элемента, а именно, одного из двух возможных направлений ее намагниченности, которое может определяться по изменению сопротивления магнитных туннельных переходов, образованных участком рабочего элемента, диэлектриком и внешним магнитным контактом.
В настоящее время активно идет разработка устройств, основанных на MRAM, которые в основном используют магнитный туннельный переход, поскольку в нем был обнаружен большой магниторезистивный эффект при комнатной температуре. По сравнению с другими типами оперативной памяти MRAM имеет 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 MRAM.
Известна магнитнорезистивная оперативная память с передачей спинового вращательного момента (STT-MRAM) (патент RU 2427045, МПК G11C 11/15 (2006.01), G11C 11/16 (2006.01), опубл. 20.08.2011), содержащая несколько однобитовых ячеек, причем каждая однобитовая ячейка содержит: туннельный магниторезистивный элемент памяти (MTJ), имеющий сопротивление состояния 0 и сопротивление состояния 1, соответствующие первому и второму состоянию памяти, транзистор доступа, последовательно соединенный с MTJ между разрядной шиной и шиной истока, причем затвор транзистора доступа подсоединен к числовой шине, напряжение питания (VDD), подсоединенное к разрядной шине или к шине истока при операции записи, и напряжение считывания (VR), подсоединенное к разрядной шине при операции считывания, и при этом напряжение считывания выбирают таким образом, чтобы транзистор доступа функционировал в линейной области при операциях считывания, и при этом чтобы транзистор доступа функционировал в области насыщения при операциях записи.
Однако такое техническое решение не позволяет выйти за пределы использования традиционной полупроводниковой электроники, поскольку предполагает наличие транзистора и, следовательно, является менее энергонезависимым и менее устойчивым к ионизирующим излучениям.
Наиболее близким по технической сущности изобретением является ячейка магнитной памяти с произвольным доступом с улучшенным рассеиванием переключающего поля (патент RU 2599956, МПК G11C 11/15 (2006.01), G11C 11/16 (2006.01), опуб. 20.01.2014), содержащая 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 С-образного состояния, и при этом 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.
Однако это изобретение не позволяет добиться надежного хранения информации из-за недостаточной стабильности магнитной структуры второго ферромагнитного слоя, поскольку С- и S-состояния мало отличаются друг от друга, оба являясь квазиоднодоменными состояниями, у которых намагниченность в обоих случаях главным образом направлена в одну и ту же сторону. Энергетический барьер для перехода между ними мал. Вследствие этого в результате пиннинга на дефектах одно из состояний (С- и S-) может стать энергетически более выгодным, и при выключении поля будет реализовываться только оно.
Настоящее изобретение решает задачу обеспечения стабильности магнитной структуры, и повышения степени надежности хранения информации в ячейке MRAM. Кроме того, оно позволяет отойти от использования стандартной полупроводниковой технологии микроэлектроники и перейти на металлическую спиновую электронику.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией ячейки магнитной памяти с произвольным доступом, содержащей непроводящую подложку с расположенным на ней нижним ферромагнитным электродом, и двумя верхними ферромагнитными электродами, при этом нижний Н-образный 4-терминальный электрод состоит из квадрата с 4-мя подходящими к его углам токовыми дорожками, параллельными двум противоположным сторонам квадрата и выполненными с возможностью соединения с генератором импульсов тока, а верхние электроды, выполнены в виде эллипсов с длинной осью вдоль дорожек и расположены в противоположных четвертях квадрата нижнего электрода, образованных пересечением его диагоналей, причем длинные стороны этих четвертей параллельны токовым дорожкам, а верхние электроды отделены от нижнего электрода туннельным диэлектриком и подсоединены к изолированным подводящим контактам, при этом нижний ферромагнитный электрод выполнен из материала, имеющего двухосную магнитную анизотропию в плоскости подложки с осями легкого намагничивания вдоль сторон квадрата. Верхние ферромагнитные электроды могут иметь сверху закрепляющий слой антиферромагнетика.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение энергетического барьера между двумя магнитными состояниями нижнего электрода, представляющими собой 4-х доменные структуры, с направлением намагниченности либо по часовой, либо против часовой стрелки, которое повышает степень надежности хранения информации в ячейке MRAM, поскольку при несанкционированном воздействии магнитного поля/тока вероятность случайного перехода в альтернативное нужному состояние, мала, с одновременным уменьшением тока записи информации за счет внешнего источника магнитного поля и тем самым увеличение как надежности по отношению к перегоранию, так и одновременное повышение стабильности, достигаемое за счет препятствия со стороны увеличенного энергетического барьера изменению магнитного состояния, так как по отдельности ни пропускаемый ток, ни внешнее магнитное поле не могут изменить доменное состояние в ячейке.
Отсутствие источников информации, содержащих ту же совокупность признаков, что и в разработанной ячейки магнитной памяти с произвольным доступом, сообщает ей соответствие критерию «новизна».
Та же совокупность признаков позволяет получить новый непредсказуемый эффект - переключение круговой намагниченности 4-х доменной структуры с помощью магнитного поля и импульсов тока, подаваемых по ферромагнитным подводящим дорожкам и, таким образом, сообщает ей соответствию критерию «изобретательский уровень».
Изготовление новой конструкции ячейки магнитной памяти с произвольным доступом с использованием известного оборудования сообщает ему соответствие критерию «промышленная применимость».
Приложенные чертежи представлены для облегчения описания вариантов осуществления изобретения и обеспечены исключительно для иллюстрации, а не для ограничения вариантов осуществления.
На фиг. 1 представлена ячейка магнитной памяти с произвольным доступом.
На фиг. 2 представлены два варианта расположения доменов в нижнем электроде, равных по энергии - с закручиванием намагниченности по часовой стрелке (фиг. 2а) и против часовой стрелки (фиг. 2б).
Ячейка магнитной памяти с произвольным доступом (фиг. 1) содержит непроводящую подложку 1 с расположенным на ней нижним ферромагнитным электродом 2 и двумя верхними ферромагнитными электродами 3. Нижний ферромагнитный электрод 2 выполнен из материала с двухосной магнитной анизотропией в плоскости подложки и имеет форму квадрата с 4-мя токовыми дорожками, выполненными с возможностью соединения с генератором импульсов тока (на чертеже не показан). Верхние ферромагнитные электроды 3, расположены в противоположных четвертях квадрата нижнего электрода, которые образованы пересечением его диагоналей, причем длинные стороны этих четвертей параллельны дорожкам, и отделены от нижнего электрода 2 туннельным диэлектриком 4 и подсоединены к изолированным подводящим контактам 5. Для повышения стабильности магнитного строения верхних ферромагнитных электродов во внешнем магнитном поле они могут иметь сверху закрепляющий слой антиферромагнетика 6.
Стрелки внутри области электрода с дорожками (фиг. 2) показывают направление намагниченности, линии вдоль диагоналей квадрата разделяют домены (показывают доменные стенки). Стрелкой вне области электрода с дорожками показано внешнее магнитное поле, обозначенное буквой Н. Токовые дорожки занумерованы цифрами 6, 7, 8 и 9.
На фиг. 3 представлены зависимости нормированной намагниченности от внешнего магнитного поля (кривые магнитного гистерезиса), полученные методом микромагнитного моделирования для нижнего электрода предложенной ячейки памяти и для слоя хранения ее ближайшего прототипа. Размеры электродов взяты одинаковыми, а именно 1×1.5 мкм в плоскости, и 20 нм по толщине. В качестве магнитного материала было взято железо. Магнитное поле было направлено вдоль длинной оси электрода.
Устройство работает следующим образом: В отсутствие магнитного поля нижний ферромагнитный электрод 2 имеет магнитное строение в виде четырех доменов, замыкающих магнитный поток, намагниченность в каждом их которых может быть ориентирована вдоль одной из осей анизотропии нижнего электрода. Есть два варианта расположения доменов в нижнем электроде, равных по энергии - с закручиванием намагниченности по часовой стрелке (фиг. 2а) и против часовой стрелки (фиг. 2б). Если через две противоположных токовых дорожки, например 6 и 9 или 7 и 8 на фиг. 2а, пропустить ток, то он протекает преимущественно в области магнитного домена, примыкающего к этим дорожкам, что вызывает энергетическую неравнозначность магнитных состояний с закрученностью намагниченности по и против часовой стрелки под влиянием спин-поляризованного тока в этой области. Подачей внешнего магнитного поля и пропусканием тока по двум противоположным дорожкам осуществляется перемагничивание нижнего электрода 2, и тем самым запись информации в ячейку. Намагниченность обоих верхних ферромагнитных электродов 3 и токовых дорожек 6, 7, 8 и 9 под действием магнитного поля и тока не изменяется. Для считывания информации между верхними 3 и нижним 2 электродами подается напряжение и измеряется ток через туннельные переходы, образованные верхними 3 электродами, туннельной прослойкой и нижним 2 электродом. Если намагниченность одного верхнего электрода 3 параллельна намагниченности нижнего электрода 2 непосредственно под этим верхним электродом 3 и туннельным диэлектриком 4, сопротивление туннельного перехода, образованного этим верхним электродом 3, нижним 2 электродом и туннельным диэлектриком 4 мало, и ток через переход будет большим, если же намагниченности верхнего 3 и нижнего 2 электродов в области туннельного перехода антипараллельны, то сопротивление перехода велико, и ток будет маленьким. Таким образом, можно определить, в какую сторону закручена намагниченность и тем самым считать информацию, содержащуюся в ячейке памяти. Два считывающих электрода, соединенных туннельно с противоположными 2-мя из 4-х треугольников нижнего электрода, необходимы для однозначного определения наличия и направления круговой намагниченности, что будет невозможно в случае иной доменной структуры, например, однодоменной. Кривые гистерезиса (фиг. 3а) показывают, что коэрцитивная сила (половина ширины кривой гистерезиса по уровню 0) нижнего электрода предложенной ячейки памяти, которая характеризует величину энергетического барьера между двумя магнитными состояниями, в 1.8 раз превышает коэрцитивную силу слоя хранения ее ближайшего прототипа.
Таким образом, предлагаемая конструкция ячейки магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM) имеет повышенную по сравнению с современным уровнем техники величину энергетического барьера между двумя магнитными состояниями, повышающую степень надежности записи ячейки MRAM. Одновременно происходит уменьшение тока записи информации за счет внешнего источника магнитного поля и, тем самым, увеличение как надежности по отношению к перегоранию, так и одновременное повышение стабильности.