переключаемый элемент с памятью

Формула изобретения

1. Переключаемый элемент с памятью на спин-вентильном магниторезистивном эффекте, содержащий кремниевую подложку, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой, полоска, содержащая два защитных слоя, разделенных по меньшей мере одной структурой, состоящей из двух расположенных одна над другой магниторезистивных пленок с осью легкого намагничивания и из расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, второй изолирующий слой, проводниковый слой с центральным проводником, проходящим над полоской, и третий защитный слой, отличающийся тем, что указанный центральный проводник расположен перпендикулярно к оси легкого намагничивания магниторезистивных пленок полоски, магниторезистивные пленки имеют разные величины поля магнитной анизотропии, а отношение большего поля магнитной анизотропии к меньшему составляет не менее четырех.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что полоска содержит несколько структур, состоящих из двух магниторезистивных пленок и расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, разделенных между собой тонкопленочными слоями меди.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что содержит несколько параллельно расположенных полосок.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области элементов автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным запоминающим и переключающим элементам.

Известна магниторезистивная ячейка памяти (см. патент США N 4751677, G 11 C 11/15), использующая анизотропный магниторезистивный (АМР) эффект, на основе двухслойных магнитных пленок FeNiCo с полупроводниковыми схемами управления на одной подложке. К недостаткам ячеек памяти на АМР эффекте следует отнести невысокую величину эффекта, равную (2-3)% и, как следствие этого, достаточно высокие требования к технологии изготовления для получения приемлемого сигнала считывания.

Известен (см. J.M.Daugthon. Magnetoresistive memory technology. Thin solid films, 216, 1992, p. 2705-2710) запоминающий элемент на спин-вентильном магниторезистивном (СВМР) эффекте, принятый нами в качестве прототипа предлагаемого технического решения, выполненный в виде одной многослойной полоски с основной частью из двух магниторезистивных пленок Fe₁₅Ni₆₅Co₂₀, разделенных слоем меди. При СВМР эффекте изменение сопротивления зависит от угла между векторами намагниченности соседних магнитных пленок, разделенных слоем меди, а не от угла между векторами намагниченной магнитной пленки и протекающего через нее тока, как в АМР эффекте. Второй особенностью СВМР эффекта является то, что максимальная разница сопротивлений магнитных пленок соответствует параллельному и антипараллельному расположению векторов намагниченности соседних магнитных пленок, в отличие от перпендикулярного положения между векторами намагниченности и тока для АМР эффекта. При этом минимальное сопротивление соответствует параллельному расположению векторов намагниченности магнитных пленок. И, наконец, главное отличие СВМР эффекта от АМР эффекта это "гигантские" величины магниторезистивного эффекта. Величина СВМР эффекта на образцах с пленками из Fe₁₅Ni₆₅Co₂₀ достигает 42% для 10 магнитных слоев при комнатной температуре (J.M.Daugthon and Y.J.Chen. GMR materials for low field applications. IEEE Trans. Magn. v.29, N6, p. 2705-2710). Однако для использования СВМР эффекта необходимо, чтобы перемагничивалась только одна магнитная пленка из двух. Для этого увеличивают коэрцитивную силу одной из магнитных пленок за счет обменного взаимодействия с дополнительной магнитной пленкой, например, FeMn пленкой. В упомянутом выше запоминающем элементе используются две пленки FeNiCo, и в его описании не оговорен способ получения этих пленок с различными величинами магнитной анизотропии или коэрцитивной силы. Быстрое увеличение получаемого СВМР эффекта, происходящее в настоящее время в связи с большим объемом ведущихся в мире по данной тематике исследовательских работ, приводят к возможности использования структур на основе запоминающего элемента с СВМР эффектом в качестве переключаемых элементов благодаря наличию у такой структуры пороговых характеристик.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей запоминающего элемента путем придания ему свойств переключаемого элемента.

Поставленная цель достигается тем, что в переключаемом элементе с памятью на спин-вентильном магниторезистивном эффекте, содержащем кремниевую подложку, на которой последовательно расположен первый изолирующий слой по меньшей мере одна полоска с заостренными концами, содержащая два защитных слоя, разделенных по меньшей мере одной структурой, состоящей из двух расположенных один над другим тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания и из расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, вторые защитный и изолирующий слои, проводниковый слой с центральным проводником, проходящим над полоской, и третий защитный слой, указанный центральный проводник расположен перпендикулярно к оси легкого намагничивания тонкопленочных слоев полоски, а тонкопленочные магниторезистивные слои полоски имеют разные величины поля магнитной анизотропии. При этом отношение большого поля магнитной анизотропии к меньшему совпадает не менее четырех, полоска может содержать несколько структур, причем каждая включает два тонкопленочных магниторезистивных слоя и расположенный между ними тонкопленочный слой меди, а сам элемент может состоять из нескольких параллельно соединенных полосок.

Существенными отличительными признаками в приведенной выше совокупности, приводящим к решению поставленной задачи, являются расположение центрального проводника перпендикулярно к оси легкого намагничивания тонкопленочных магниторезистивных слоев полоски и выполнение тонкопленочных магниторезистивных слоев с различными величинами поля магнитной анизотропии.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемая структура обеспечивает появление у запоминающего элемента пороговых характеристик, что позволяет использовать его в качестве переключаемого элемента с памятью при малых токах управления. Пороговые характеристики, как показывают приведенные ниже расчеты, появляются у структур, в которых направление магнитного поля от протекающего в проводнике тока совпадает с направление оси легкого намагничивания (ОЛН) магнитных пленок, в то время как в запоминающих элементах используется вариант с перпендикулярными направлением магнитного поля проводника и ОЛН. Использование магниторезистивных слоев с различными величинами поля магнитной анизотропии устраняет необходимость использования дополнительной пленки FeMn для увеличения коэрцитивной силы одной из магнитных пленок за счет обменного взаимодействия, введение же в полоску нескольких структур из магниторезистивных слоев, разделенных слоями меди, резко увеличивает спин-вентильный эффект. Использование нескольких параллельно соединенных полосок позволяет увеличить ток элемента (ток через полоски) до величины, достаточной для управления следующим элементом. Это позволяет создавать электрические схемы на основе предлагаемого переключаемого элемента с памятью.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структура переключаемого элемента на СВМР эффекте в разрезе; на фиг. 2 топология полоски с двумя структурами из двух магниторезистивных слоев, разделенных слоем меди; на фиг. 3 топология элемента с двумя параллельно включенными полосками; на фиг. 4 расчетные характеристики переключаемого элемента I_эл(I_пр)/U_пит=сonst, где I_эл ток через полоску, I_пр ток через проводник, U_пит напряжение питания, прикладываемое к полоске (элементу) для а) U_пит 27 мВ и б) U_пит 108 мВ при сопротивлении полоски 270 Ом, отношение длины полоски к ее ширине 3 для случая, когда ОЛН направлена вдоль полоски.

Переключаемый элемент с памятью на СВМР эффекте содержит (фиг. 1) кремниевую подложку 1, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой 2, полоска с заостренными концами, состоящая из двух защитных слоев 3, 4, двух магниторезистивных магнитных слоев 5, 6 и слоя меди 7. Поверх полоски последовательно расположены изолирующий слой 8, проводниковый слой 9 с центральным проводником и второй защитный слой 10. На фиг. 2 показана топология полоски, содержащей две структуры с магниторезистивными слоями. Полоска состоит из двух защитных слоев 3, 4, двух структур, состоящих из магниторезистивных слоев 5,6-5",6" и слоев меди 7, 7" между ними и дополнительного слоя меди I1, разделяющего структуры. Топология элемента с двумя полосками (фиг. 3) включает две параллельно соединенные проводниками 12, 13 полоски 14, 15 и проходящий над полосками 14, 15 центральный проводник 16.

Работа переключаемого элемента зависит от направления ОЛН магнитных пленок относительно полоски. Возможны два случая: ОЛН направлена вдоль или поперек полоски. Рассмотрим вначале используемый метод расчета характеристик переключаемого элемента с памятью, основанной на теории микромагнетизма.

Расчет параметров элемента ведется в два этапа определения распределения намагниченности в обеих МР пленках в зависимости от магнитных полей, создаваемых токами управления, и технологического разброса параметров из условия минимума энергии (E) системы из двух магнитных пленок и, далее, расчета сигналов считывания (U_сч) для данных сенсорных токов считывания (I_сен) и внешнего магнитного поля (H_вн).

Нами была использована модель, в которой распределение намагниченности считывается постоянным вдоль всей МР пленки, что является достаточно грубым приближением. Одним из важных следствий этого приближения будет завышение расчетных значений полей размагничивания, т.к. в реальном случае происходит разворот векторов намагниченности высокоанизотропной магнитной пленки (M_в) и низкоанизотропной магнитной пленки (M_н) у краев полоски, что уменьшает величины этих полей.

Энергия системы из двух МР пленок равна

E E_k + E_m + E_r + E_h



где

E_k энергия азонитропии, E_m магнитостатическая энергия, E_r энергия взаимодействия двух МР пленок, E_h энергия во внешних магнитных полях, включая поля от сенсорного тока, H H_вн + H_сенK_в,н константы магнитной анизотропии верхней и нижней магнитных пленок, _в,н толщина МР пленок, _в,н углы между ОЛН и M_в и M_н, H^p_в,н поля размагничивания, возникающие на краях полоски:



где ^в_i^,н поверхностная плотность магнитных зарядов на краях пленки.

Поиск E_min (_в, _н) ведется методом перебора при заданных начальных состояниях M_в и M_н.

ОЛН направлена вдоль полоски. Работа переключаемого элемента происходит следующим образом. Считаем, что в исходном состоянии при отсутствии тока через полоску вектора намагниченности в двух магнитных пленках 5,6 расположены антипараллельно друг другу. Записанная в элемент информация ("O" или "I") определяется ориентацией вектора намагниченности высокоанизотропной магниторезистивной пленки относительно полоски. Запись информации происходит при подаче в центральный проводник тока определенной полярности. Для уменьшения величины тока записи возможна подача в полоску дополнительного тока определенной полярности. Работа элемента в качестве переключаемого иллюстрируется расчетными характеристиками (фиг. 4), полученными, для большей наглядности, при величине СВМР эффекта 200% для случая, когда ОЛН магнитных пленок расположена вдоль полоски, а центральный проводник поперек. Величина СВМР эффекта влияет только на перепад токов между закрытым и открытым состояниях. Управляющим узлом в элементе является проводник, управление осуществляется протекающим в нем током. Характеристика элемента в режиме переключения является гистерезисной с резко выраженными порогами переключения. Переключение элемента осуществляется перемагничиванием низкоанизотропной магниторезистивной пленки под действием магнитного поля, создаваемого током в центральном проводнике 9. После прекращения действия тока в центральном проводнике низкоанизотропная пленка не перемагничивается в обратное состояние, чем и определяется гистерезис характеристики. При подаче тока обратной полярности низкоанизотропная пленка перемагничивается в исходное состояние. Состояние с двумя параллельно направленными векторами намагниченности магнитных пленок 5, 6 не приводит к разрушению записанной информации, т. к. "O" или "I" определяется направлением вектора намагниченности высокоанизотропной пленки, которая не перемагничивается при переключении элемента. Состояние с антипараллельно направленными векторами намагниченности магнитных пленок соответствует максимальному сопротивлению полоски, т.е. при этом элемент находится в "закрытом" состоянии, а состояние с параллельным расположением - минимальному сопротивлению полоски, т.е. при этом элемент находится в "открытом" положении. Наличие гистерезиса у элемента с ОЛН вдоль полоски означает возможность хранения информации благодаря устойчивости обоих состояний низкоанизотропной пленки при отсутствии токов управления без разрушения информации, определяемой направлением вектора намагниченности высокоанизотропной пленки. Это создает новые функциональные возможности для применения предлагаемого элемента, например, в качестве логических элементов. Наличие в полоске нескольких структур из низко- и высокоанизотропных магниторезистивных слоев, разделенных слоем меди, не меняет физику работы элемента, а также приводит к увеличению СВМР эффекта. В структуре с несколькими параллельно соединенными полосками центральный проводник проходит над всеми полосками, т.е. при том же токе управления происходит многократное увеличение тока элемента, что позволяет использовать его для управления следующим элементом.

Из фиг. 4 видно, что для данного варианта элемента с увеличением U_пит происходит уменьшение порога переключения. Это связано с тем, что увеличение протекающих через магниторезистивные слои токов приводит к росту угла отклонения вектора намагниченности низкоанизотропной пленки от ОЛН, что облегчает ее перемагничивание. Однако увеличение отклонения вектора намагниченности от ОЛН приводит к уменьшению перепада сопротивления между закрытым и открытым состояниями, т.е. существует верхний предел по U_пит для работы элемента.

ОЛН направлена поперек полоски. Этот вариант имеет ряд отличий от вышеописанного:

1. Пороговые характеристики более пологие, т.е. полное переключение происходит при несколько больших токах управления. Это вызвано существенно большими размагничивающими полями, что приводит к выгодности постепенного отклонения вектора намагниченности низкоанизотропной магнитной пленки.

2. Имеет место обратный эффект зависит тока переключения от напряжения питания, т. к. магнитные поля, создаваемые протекающими в магнитных пленках токами, будут препятствовать отклонению вектора намагниченности низкоанизотропной пленки.

3. Отсутствует гистерезис, т.к. состояние с двумя параллельными вдоль ОЛН векторами намагниченности в этом случае будет неустойчивым ввиду больших значений размагничивающих полей.

Для создания высокой магнитной анизотропии можно использовать сплав Fe₁₅Ni₆₅Co₂₀, применяемый в запоминающих магниторезистивных элементах и позволяющий получить величину поля магнитной анизотропии до 20 Э, а при увеличении содержания кобальта до 30% поле магнитной анизотропии достигает 40 Э. Для создания же слоя с малой величиной поля магнитной анизотропии можно использовать пермаллой Fe₂₀Ni₈₀, дающий величину поля магнитной анизотропии от 2 до 5 Э.

Таким образом, заявляемый переключаемый элемент с памятью на СВМР эффекте, обладает пороговыми характеристиками и запоминанием, что позволяет расширить области применения для использования его в логических схемах и т.п. Одно из перспективных применений таких элементов использование в однокристальных магниторезистивных запоминающих устройствах с произвольной выборкой в качестве элементов управления.