DE60201203T2

DE60201203T2 - Kaschierter Leseleiter für eine Tunnelübergang-Speicherzelle

Info

Publication number: DE60201203T2
Application number: DE60201203T
Authority: DE
Inventors: Manish Sharma; Lung T. Tran
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2001-04-02
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: TW541529B; EP1248273A2; CN1379485A; DE60201203D1; EP1248273A3; US6538920B2; JP3942930B2; US20020186582A1; KR20030009097A; JP2003030976A; EP1248273B1; KR100816747B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Magnetspeicherzelle mit einer weichferromagnetischen Referenzschicht, die eine nicht-festgelegte Magnetisierungsausrichtung aufweist. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Magnetspeicherzelle mit einer weichferromagnetischen Referenzschicht, die eine nicht-festgelegte Magnetisierungsausrichtung aufweist und einen Leseleiter umfasst, der durch eine ferromagnetische Umhüllung vollständig umgeben ist, so dass ein Lesemagnetfeld, das durch einen Storm erzeugt wird, der in dem Leseleiter fließt, die ferromagnetische Umhüllung nicht sättigt und im Wesentlichen innerhalb derselben enthalten ist, und die Magnetisierungsausrichtung der weichferromagnetischen Referenzschicht durch das Lesemagnetfeld während des Betriebs zu einer erwünschten Ausrichtung dynamisch festgelegt wird.
Ein Magnetspeicher, wie beispielsweise ein Magnetdirektzugriffsspeicher (MRAM = magnetic random access memory) ist ein nicht-flüchtiger Speichertyp, der als eine alternative Datenspeicherungsvorrichtung bei Anwendungen betrachtet wird, bei denen herkömmliche Datenspeicherungsvorrichtungen, wie beispielsweise DRAM-, SRAM-, Flash- und Festplattenlaufwerke verwendet wurden. Ein MRAM umfasst typischerweise ein Array von Magnetspeicherzellen. Eine bekannte Magnetspeicherzelle kann z. B. eine Tunnel-Magnetowiderstand-Speicherzelle (TMR = tunneling magnetoresistance), eine Riesen-Magnetowiderstand-Speicherzelle (GMR = giant magnetoresistance) oder eine Kolossal-Magnetowiderstand-Speicherzelle (CMR = colossal magnetoresistance) sein, die eine Datenschicht (auch eine Speicherungsschicht oder Bitschicht genannt), eine Referenzschicht und eine Zwischenschicht zwischen der Datenschicht und der Referenzschicht umfasst. Die Datenschicht, die Referenzschicht und die Zwischenschicht können aus einer oder mehreren Materi alschichten hergestellt sein. Die Datenschicht ist gewöhnlich eine Schicht oder ein Film aus einem magnetischen Material, das ein Bit von Daten als eine Magnetisierungsausrichtung speichert, die ansprechend auf die Anlegung von externen Magnetfeldern geändert werden kann. Folglich kann die Magnetisierungsausrichtung der Datenschicht (d. h. der Logikzustand derselben) von einer ersten Magnetisierungsausrichtung, die eine logische „0" darstellen kann, zu einer zweiten Magnetisierungsausrichtung, die eine logische „1" darstellen kann, oder umgekehrt gedreht (d. h. umgeschaltet) werden. Die Referenzschicht ist jedoch gewöhnlich eine Schicht eines magnetischen Materials, bei dem eine Magnetisierungsausrichtung in eine vorbestimmte Richtung „festgelegt" (d. h. fixiert) ist. Die vorbestimmte Richtung ist durch mikroelektronische Verarbeitungsschritte bestimmt, die verwendet werden, um die Magnetspeicherzelle zu fertigen.
Der Logikzustand (d. h. eine „0" oder eine „1") einer Magnetspeicherzelle hängt typischerweise von den relativen Magnetisierungsausrichtungen in der Datenschicht und der Referenzschicht ab. Bei einer Tunnel-Magnetowiderstand-Speicherzelle (einer Tunnelübergangsspeicherzelle) z. B. wandern, wenn eine elektrische Potentialvorspannung über die Datenschicht und die Referenzschicht angelegt ist, Elektronen zwischen der Datenschicht und der Referenzschicht durch die Zwischenschicht (eine dünne dielektrische Schicht, die gewöhnlich eine Tunnelbarriereschicht genannt wird). Das Phänomen, das die Wanderung von Elektronen durch die Barriereschicht bewirkt, kann als ein quantenmechanisches Tunneln oder ein Spintunneln bezeichnet werden. Der Logikzustand kann durch ein Messen des Widerstandswerts der Speicherzelle bestimmt werden. Zum Beispiel befindet sich die Magnetspeicherzelle in einem Zustand eines niedrigen Widerstandswerts, falls die Gesamtmagnetisierungsausrichtung in der Datenspeicherungsschicht derselben parallel zu der festgelegten Magnetisierungsausrichtung der Referenzschicht ist. Umgekehrt befindet sich die Tunnelübergangs speicherzelle in einem Zustand eines hohen Widerstandswerts, falls die Gesamtmagnetisierungsausrichtung in der Datenspeicherungsschicht derselben antiparallel zu der festgelegten Magnetisierungsausrichtung der Referenzschicht ist. Wie es oben erwähnt wurde, wird der Logikzustand eines Bits, das in einer Magnetspeicherzelle gespeichert ist, durch ein Anlegen von externen Magnetfeldern geschrieben, die die Gesamtmagnetisierungsausrichtung der Datenschicht ändern. Diese externen Magnetfelder können als Umschaltfelder bezeichnet werden, die die Magnetspeicherzelle zwischen dem Hoch- und dem Niedrigwiderstandszustand derselben umschalten.
Die EP-A-0 910 092 (nächster Stand der Technik) offenbart ein Magnetspeicherelement, das die Spintunnelwirkung einsetzt und eine Datenschicht, eine Barriereschicht und eine Referenzschicht aufweist, wobei ein Stromweg zum Erzeugen eines Aufzeichnungsmagnetfelds in der Mitte der Datenschicht, der Barriereschicht und der Referenzschicht gebildet ist. Dieses Dokument offenbart ferner ein Informationsreproduktionsverfahren, das die Schritte eines Lieferns eines Stroms zwischen der Datenschicht und der Referenzschicht und eines Messens eines Widerstandswerts aufweist, wodurch Informationen reproduziert werden, die auf der Datenschicht aufgezeichnet sind.
1 stellt eine bekannte Tunnelübergangsspeicherzelle 100 dar, die eine Datenschicht 110, eine Referenzschicht 112 und eine isolierende Barriereschicht 114 umfasst, die zwischen der Datenschicht 110 und der Referenzschicht 112 positioniert ist. Zusätzlich kann die Speicherzelle 100 einen ersten elektrisch leitfähigen Knoten 116, der mit der Datenschicht 110 verbunden ist, und einen zweiten elektrisch leitfähigen Knoten 118 umfassen, der mit der Referenzschicht 112 verbunden ist. Ein extern zugeführter Strom kann durch den ersten und den zweiten elektrisch leitfähigen Knoten (116, 118) geleitet werden, um die zuvor erwähnten externen Magnetfelder zu erzeugen. Der erste und der zweite elektrisch leitfähige Knoten (116, 118) können der Zeilen- und der Spaltenleiter in einem Speicherarray sein, das eine Mehrzahl der Speicherzellen 100 umfasst, wie es mit Bezug auf 4a und 4b unten erörtert wird. Die Knoten können ferner verwendet werden, um den Widerstandswert der Speicherzelle 100 zu messen, so dass der Logikzustand derselben bestimmt werden kann. Die Referenzschicht 112 weist eine Magnetisierungsausrichtung M1 auf, die in eine vorbestimmte Richtung festgelegt ist, wie es durch einen nach links zeigenden Pfeil dargestellt ist. Die Datenschicht 110 weist eine veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 auf, wie es durch den Doppelpfeil dargestellt ist.
In 2a ist die Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 110 parallel (d. h. die Pfeile zeigen in die gleiche Richtung) zu der Magnetisierungsausrichtung M1 der Referenzschicht 112, was darin resultiert, dass die Speicherzelle 110 sich in einem Niedrigwiderstandszustand befindet. In 2b jedoch ist die Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 110 antiparallel (d. h. die Pfeile zeigen in entgegengesetzte Richtungen) zu der Magnetisierungsausrichtung M1 der Referenzschicht 112, was darin resultiert, dass die Speicherzelle 100 sich in einem Hochwiderstandszustand befindet.
Weil die Datenschicht 110 und die Referenzschicht 112 aus ferromagnetischen Materialien hergestellt sind, die in enger Nähe zueinander positioniert sind, erzeugt die festgelegte Magnetisierungsausrichtung M1 der Referenzschicht 112 ein Demagnetisierungsfeld D, das sich von einem Kantenbereich der Referenzschicht 112 zu der Datenschicht 110 erstreckt, wie es in 2c dargestellt ist. 2d stellt die Wirkung des Demagnetisierungsfelds D auf die Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 110 dar. Idealerweise hätte die Magnetisierungsausrichtung der Datenschicht 110 eine Ausrichtung, die entweder parallel oder antiparallel zu der festgelegten Magnetisierungsaus richtung M1 ist. Aufgrund des Demagnetisierungsfelds D jedoch gibt es eine kleine Winkelverschiebung Θ zwischen einer idealen Magnetisierungsausrichtung M2' (als ein gestrichelter Pfeil gezeigt) und einer tatsächlichen Magnetisierungsausrichtung M2 (durch einen durchgezogenen Pfeil gezeigt). Die Winkelverschiebung 0 resultiert in einer Reduzierung bei einem Betrag einer Änderung bei einem Magnetowiderstand ΔR/R zwischen dem hohen und dem niedrigen Zustand (d. h. parallel oder antiparallel). Es ist erwünscht, den Betrag einer Änderung bei einem Magnetowiderstand ΔR/R so groß wie möglich aufzuweisen, so dass es einfacher ist, den Zustand des Bits in der Datenschicht 110 zu erfassen. Im Wesentlichen ist ΔR/R wie ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis S/N. Während einer Leseoperation resultiert ein höheres S/N in einem stärkeren Signal, das erfasst werden kann, um den Zustand des Bits in der Datenschicht 110 zu bestimmen. Deshalb ist ein Nachteil der bekannten Tunnelübergangsspeicherzelle 100 die Reduzierung bei dem Betrag einer Änderung bei einem Magnetowiderstand ΔR/R (d. h. ein niedrigeres S/N während einer Leseoperation), die aus der Winkelverschiebung Θ resultiert.
Ein anderer Nachteil der bekannten Tunnelübergangsspeicherzelle 100 ist, dass ein Festlegen der Magnetisierungsausrichtung M1 der Referenzschicht 112 oft mehr als eine Materialschicht erfordert, um das Festlegen zu bewirken. In 3a umfasst z. B. eine bekannte Tunnelübergangs-Speicherzelle 200 die zuvor erwähnte Datenschicht 210, einen ersten und einen zweiten elektrisch leitfähigen Knoten (216, 218) und umfasst ferner eine zusammengesetzte Referenzschicht 212, 212a und 212b, die ein Sandwich von unterschiedlichen Materialien ist. Die Schicht 212 wird als eine Antiferromagnetschicht (eine Festlegungsschicht) bezeichnet und die Schicht 212a ist eine festgelegte Referenzschicht. Die Festlegungsschicht 212 magnetisiert die Magnetisierungsausrichtung M1 der Referenzschicht 212a in eine erwünschte Richtung. Die Schicht 212b ist eine Keimschicht. Beispiele von Materialien, die für die Festle gungsschicht 212, die Referenzschicht 212a und die Keimschicht 212b verwendet werden, umfassen: FeMn, IrMn, NiMn oder PtMn für die Festlegungsschicht 212; NiFe, NiFeCo oder CoFe für die Referenzschicht 212a; und NiFe oder NiFeCo für die Keimschicht 212b.
Alternativ ist in 3b eine bekannte Tunnelübergangsspeicherzelle 300 dargestellt, die eine Festlegungsschicht 312 einer größeren Komplexität als dieser aufweist, die in 3a gezeigt ist. Die bekannte Tunnelübergangsspeicherzelle 300 umfasst die zuvor erwähnte Datenschicht 310, einen ersten und einen zweiten elektrisch leitfähigen Knoten (316, 318) und umfasst ferner eine zusammengesetzte Referenzschicht 312, 312a, 312b und 312c, die ein komplexes Sandwich aus unterschiedlichen Materialien ist. Die Festlegungsschicht 312 setzt die Magnetisierungsausrichtung eines künstlichen Antiferromagneten 312c, der eine noch kompliziertere Struktur als die Antiferromagnetschicht 212 von 3a aufweist. Der künstliche Antiferromagnet 312c kann ein Sandwich von Materialien sein, wie beispielweise: Co/Ru/Co; oder CoFe/Ru/CoFe. In 3b ist die Schicht 312a die festgelegte Referenzschicht, die Schicht 312b ist die Keimschicht und die Schicht 312 ist die Antiferromagnetschicht (Festlegungsschicht).
Deshalb ist ein Nachteil des bekannten Tunnelübergangsspeichers, dass derselbe mehr Schichten in der Struktur desselben erfordert, um die Referenzschicht zu bilden. Aufgrund der zusätzlichen Materialien, die erforderlich sind, um diese Schichten zu bilden, sind zusätzliche mikroelektronische Verarbeitungsschritte erforderlich, um die bekannten Tunnelübergangsspeicherzellen 200 und 300 zu fertigen. Diese zusätzlichen Schritte können in der Möglichkeit resultieren, dass Defekte in den Tunnelübergangsspeicher eingebracht werden, die bewirken können, dass der Speicher fehlerhaft ist, wenn derselbe hergestellt ist, oder später in einem Produkt ausfällt, das den Speicher umfasst. Es ist erwünscht, die Komplexität und deshalb die Anzahl von Verarbeitungsschritten zu minimieren, die erforderlich sind, um den Speicher zu fertigen, um Defekte zu reduzieren und eine Ausbeute zu erhöhen. Ferner sind die Materialien, die notwendig sind, um die Referenzschicht zu bilden, selbst schwierig herzustellende Materialien. Für eine Massenproduktion von Magnetspeichern ist es erwünscht, Materialien zu verwenden, die ohne weiteres herzustellen sind, so dass der Herstellungsprozess vereinfacht ist und Herstellungskosten reduziert sind.
Ein zusätzlicher Nachteil des bekannten Tunnelübergangs-Speichers ist, dass die Referenzschicht in einem Ausheilschritt bei einer erhöhten Temperatur erwärmt werden muss. Ein Ausheilen dauert eine Zeit (eine Stunde oder mehr) und erfordert, dass der Magnetspeicher unter einem konstanten Magnetfeld Temperaturen unterzogen wird, die zwischen 200 bis 300°C liegen. Weil ein Setzen der Magnetisierungsausrichtung ein Ausheilen in einem Magnetfeld erfordert, besteht eine Möglichkeit, dass, falls der Magnetspeicher später hohen Temperaturen unterzogen ist, die Festlegung der Referenzschicht „ungesetzt" werden kann und die Magnetisierungsausrichtung derselben verlieren kann. Um die Magnetisierungsausrichtung rückzusetzen, wäre ein weiterer Ausheilschritt erforderlich.
Ein weiterer Vorteil der bekannten Tunnelübergangsspeicherzelle 100 ist in 4a und 4b dargestellt. In 4a umfasst ein Magnetspeicher 150 eine Mehrzahl der Speicherzellen 100, die in einem Kreuzpunkt-Array konfiguriert sind. Der erste elektrisch leitfähige Knoten 116 ist repliziert, um Zeilenleiter (Row1 und Row2) zu bilden, die die Speicherzellen 100 kreuzen und der zweite elektrisch leitfähige Knoten 118 ist repliziert, um Spaltenleiter (Col1, Col2 und Col3) zu bilden, die ebenfalls die Speicherzellen 100 kreuzen (d. h. eine Speicherzelle 100 ist bei dem Schnitt eines Zeilen- und eines Spaltenleiters positioniert). Eine Speicherzelle 100a, die bei dem Schnitt von Row2 und Col3 positioniert ist, ist für eine Leseoperation durch ein Verbinden einer Spannungsquelle V mit Row2 ausgewählt, wobei Row1 schweben bzw. floaten gelassen wird. Col1 und Col2 sind mit GND verbunden und Col3 ist mit einem Leseverstärker bzw. Erfassungsverstärker S verbunden, der mit einer virtuellen Masse verbunden ist. Folglich ist ein Stromweg gebildet und ein Strom I fließt in den leitfähigen Knoten 116 von Row2. Ein Abschnitt des Stroms I fließt zu GND, wie es durch Ströme I_G angegeben ist. Ein anderer Abschnitt des Stroms I jedoch weist einen Lesestrom I_R auf, der durch den Leseverstärker S erfasst wird. Der Betrag von I_R gibt die Magnetisierungsausrichtung des Bits von Daten an, das in der Speicherzelle 100a gespeichert ist, aber der Betrag von I_R ist nicht ausreichend, um die Magnetisierungsausrichtung der Datenschicht während der Leseoperation zu drehen.
In 4b ist die ausgewählte Speicherzelle 100a detaillierter gezeigt. Der Strom I_R erzeugt ein Magnetfeld H_R gemäß der Rechte-Hand-Regel. Der Nachteil entsteht dadurch, dass sich das Magnetfeld H_R radial von den jeweiligen Leitern (d. h. Randfeldern) nach außen erstreckt und mit benachbarten Speicherzellen 100 in dem Array in Wechselwirkung tritt. Abhängig von der Nähe der Speicherzellen 100 zueinander und von dem Betrag des Stroms I_R können diese Randfelder ein Datenbit verfälschen, das in der Datenschicht 100 von benachbarten Speicherzellen 100 gespeichert ist, die nicht für eine Leseoperation ausgewählt wurden.
Außerdem ist ein weiterer Nachteil der bekannten Tunnelübergangsspeicherzelle 100, dass der Betrag des Stroms I_R, der notwendig ist, um Daten von einer ausgewählten Speicherzelle 100 zu lesen, ziemlich groß sein kann. Obwohl es in 4a und 4b nicht gezeigt ist, kann der Betrag von Schreibströmen, der notwendig ist, um die Magnetisierungsausrichtung der Datenschicht 100 zu wenden, ebenfalls ziemlich groß sein und ist typischerweise größer als der Betrag des Stroms I_R. Der Strom I_R kann in der Erzeugung einer unerwünschten Abwärme resultieren, die Thermoverwal tungssysteme erfordern kann, wie beispielsweise Kühllüfter oder dergleichen, um die Abwärme zu entfernen. Thermoverwaltungssysteme können die Kosten, die Größe, das Gewicht und das Rauschen eines elektronischen Systems erhöhen, das den Speicher 150 umfasst. Für tragbare elektronische Systeme, die sich auf eine Batterie als eine Quelle für eine Leistung stützen, oder für elektronische Systeme, die entworfen sind, um energieeffizient zu sein, können die zuvor erwähnten Ströme eine Leistungsaufnahme erhöhen, wodurch eine Batterielebensdauer reduziert wird, oder können einen Leistungsabfluss erhöhen, wodurch eine Energieeffizienz unterminiert wird.
Obwohl die obigen Nachteile auf eine Tunnelübergangs-Speicherzelle (d. h. eine TMR-Speicherzelle) fokussierten, gelten diese Nachteile auch für andere Typen von Magnetspeicherzellen, wie beispielsweise die zuvor erwähnten GMR- und CMR-Speicherzellen. Wie es auf dem Gebiet gut ersichtlich ist, ist z. B. für ein GMR-Speicherarray (nicht gezeigt) das Kreuzpunkt-Array mit Gate-Transistoren (d. h. FETs) ersetzt, die die GMR-Speicherzellen elektrisch trennen bzw. isolieren. Die FETs werden elektronisch ein- oder ausgeschaltet, um eine spezifische GMR-Zelle für eine Leseoperation auszuwählen. Ein Lesestrom, der durch die ausgewählte Speicherzelle fließt, kann durch einen Leseverstärker oder dergleichen erfasst werden.
Deshalb besteht ein Bedarf nach einer Magnetspeicherzelle, die eine Referenzschicht aufweist, die keine festgelegte Magnetisierungsausrichtung erfordert, um ein Bit von Daten zu lesen, das in der Datenschicht gespeichert ist. Es besteht ebenfalls ein Bedarf, die Anzahl von Materialschichten zu reduzieren, die erforderlich sind, um die Referenzschicht zu bilden. Außerdem besteht ein Bedarf nach einer Magnetspeicherzelle, bei der Randfelder, die während einer Leseoperation erzeugt werden, im Wesentlichen auf die Referenzschicht begrenzt sind, so dass eine gegenseitige Beeinflussung mit nahegelegenen Speicherzellen wesentlich reduziert ist. Schließlich besteht ein Bedarf nach einer Magnetspeicherzelle, bei der eine Winkelverschiebung der Magnetisierungsausrichtung der Datenschicht wesentlich reduziert oder eliminiert ist, so dass es einen hohen Betrag einer Änderung bei einem Magnetowiderstand während einer Leseoperation gibt.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Tunnelübergang gemäß Anspruch 1. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Ansprüchen 2 – 10 offenbart.
Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung bei dem Entwurf von Magnetspeicherzellen, wie beispielsweise Tunnel-Magnetowiderstand-Speicherzellen (TMR), Riesen-Magnetowiderstand-Speicherzellen (GMR) und Speicher, die diese Typen von Magnetspeicherzellen umfassen. Außerdem umfasst die vorliegende Erfindung Verbesserungen bei den Materialien, die für die Referenzschicht einer Magnetspeicherzelle verwendet werden, und der Struktur, die für den Leseleiter einer Magnetspeicherzelle verwendet wird.
Allgemein ist die vorliegende Erfindung in einer Magnetspeicherzelle ausgeführt, die eine ferromagnetische Datenschicht zum Speichern eines Bits von Daten als eine veränderbare Magnetisierungsausrichtung, eine Zwischenschicht, die mit der ferromagnetischen Datenschicht verbunden ist, und eine weichferromagnetische Referenzschicht umfasst, die mit der Zwischenschicht verbunden ist und einen Leseleiter und eine ferromagnetische Umhüllung umfasst, die den Leseleiter vollständig umgibt, um einen umhüllten Leseleiter zu bilden. Die weichferromagnetische Referenzschicht weist eine nicht-festgelegte Magnetisierungsausrichtung auf (d. h. die Magnetisierungsausrichtung ist nicht in eine vorbestimmte Richtung gesetzt). Wenn ein extern zugeführter Strom durch den Leseleiter fließt, erzeugt der Leseleiter ein Magnetfeld. Die ferromagnetische Umhüllung ist durch das Magnetfeld nicht gesättigt und enthält das Magnetfeld im Wesentlichen innerhalb der ferromagnetischen Umhüllung.
Während einer Leseoperation wird der extern zugeführte Strom durch den Leseleiter geleitet, so dass eine Magnetisierungsausrichtung der weichferromagnetischen Referenzschicht während des Betriebs zu einer erwünschten Richtung festgelegt wird und das Bit von Daten, das in der Datenschicht gespeichert ist, durch ein Messen eines Widerstandswerts zwischen der Datenschicht und der weichferromagnetischen Referenzschicht gelesen wird.
Ein zusätzlicher Vorteil des umhüllten Leseleiters der vorliegenden Erfindung ist, dass Randfelder erheblich reduziert sind, weil das Magnetfeld von dem Leseleiter im Wesentlichen innerhalb der ferromagnetischen Umhüllung enthalten ist.
Während einer Leseoperation stellt die ferromagnetische Umhüllung der vorliegenden Erfindung einen geschlossenen Flussweg (Flussverriegelung) für das Lesemagnetfeld bereit. Folglich ist das Demagnetisierungsfeld von bekannten Magnetspeicherzellen wesentlich reduziert oder eliminiert, so dass eine Winkelverschiebung minimiert ist und es einen höheren Betrag einer Veränderung bei einem Magnetowiderstand während einer Leseoperation gibt.
Die Nachteile der bekannten festgelegten Referenzschicht werden durch die weichferromagnetische Referenzschicht der vorliegenden Erfindung gelöst, weil eine Leseoperation nicht erfordert, dass die Magnetisierungsausrichtung der weichferromagnetischen Referenzschicht festgelegt ist. Um eine Leseoperation zu bewirken, wird anstelle dessen die Magnetisierungsausrichtung der weichferromagnetischen Referenzschicht der vorliegenden Erfindung durch ein Leiten eines Stroms eines vorbestimmten Betrags und einer Richtung durch den Leseleiter zu einer erwünschten Richtung dynamisch festgelegt (d. h. während des Betriebs festgelegt). Folglich sind die zuvor erwähnten zusätzlichen Materialschichten, die Komplexität dieser Materialschichten und die Mikroelektronikverarbeitungsschritte, die erforderlich sind, um diese Schichten zu bilden, reduziert. Der Bedarf, die Referenzschicht in einem Magnetfeld auszuheilen, ist durch die weichferromagnetische Referenzschicht der vorliegenden Erfindung eliminiert. Außerdem ist die Möglichkeit, die Magnetisierungsausrichtung der Referenzschicht „rücksetzen" zu müssen, falls der Speicher einer Wärme unterzogen ist, durch die weichferromagnetische Referenzschicht der vorliegenden Erfindung irrelevant gemacht, weil die Magnetisierungsausrichtung während des Betriebs festgelegt wird.
Ein weiterer Vorteil der Magnetspeicherzelle der vorliegenden Erfindung ist, dass der Betrag eines Lesestroms, der notwendig ist, um eine dieser Operationen zu bewirken, reduziert ist, so dass eine Leistungsdissipation (Abwärme) und ein Leistungsverbrauch reduziert sind. Der Strom für die Lese- oder die Schreiboperation kann ein statischer Gleichsignalstrom sein oder derselbe kann ein dynamischer Strompuls sein. Wie es vorhergehend erwähnt wurde, ist es erwünscht, einen Leistungsverbrauch und eine Wärmeerzeugung zu minimieren, insbesondere bei tragbaren batteriebetriebenen Systemen und energieeffizienten Systemen.
Während einer Leseoperation stellt die ferromagnetische Umhüllung der vorliegenden Erfindung einen geschlossenen Flussweg (Flussverriegelung) für das Lesemagnetfeld bereit. Folglich ist das Demagnetisierungsfeld von bekannten Magnetspeicherzellen wesentlich reduziert oder eliminiert, so dass eine Winkelverschiebung minimiert ist und es einen höheren Betrag einer Veränderung bei einem Magnetowiderstand während einer Leseoperation gibt.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Magnetspeicherzelle eine ferromagnetische Abdeckungsschicht, die zwischen der ferromagnetischen Umhüllung und der Zwischenschicht positioniert ist und magnetisch mit der ferromagnetischen Umhüllung gekoppelt ist. Während einer Leseoperation sättigt sich das Magnet feld nicht und ist im Wesentlichen innerhalb der ferromagnetischen Umhüllung und der ferromagnetischen Abdeckungsschicht enthalten.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Datenschicht, die ferromagnetische Abdeckungsschicht und die ferromagnetische Umhüllung aus einem weichmagnetischen Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität hergestellt sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Datenschicht, die ferromagnetische Abdeckungsschicht und die ferromagnetische Umhüllung aus einem identischen weichmagnetischen Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität hergestellt sein.
Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Datenschicht, die ferromagnetische Abdeckungsschicht und die ferromagnetische Umhüllung aus einem Material mit niedriger Koerzitivität hergestellt sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Datenschicht in einer elektrischen Kommunikation mit einem ersten Leiter, der die Datenschicht kreuzt. Während einer Leseoperation wird das Bit durch ein Messen eines Widerstandswerts zwischen der weichferromagnetischen Referenzschicht und dem ersten Leiter gelesen.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kreuzt ein zweiter Leiter die Datenschicht und der erste und der zweite Leiter erzeugen ein erstes bzw. ein zweites Schreibmagnetfeld ansprechend auf extern zugeführte Ströme. Das erste und das zweite Schreibmagnetfeld treten zusammenwirkend mit der Datenschicht in Wechselwirkung, um die veränderbare Magnetisierungsausrichtung der Datenschicht zu einer erwünschten Richtung zu drehen, wodurch ein neues Bit von Daten zu der ferromagnetischen Datenschicht geschrieben wird.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Magnetspeicherzelle eine Tunnel-Magnetowiderstand-Speicherzelle und eine Riesen-Magnetowiderstand-Speicherzelle sein.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich, die durch ein Beispiel die Grundlagen der vorliegenden Erfindung darstellen.
1 ist eine bekannte Magnetspeicherzelle mit einer Referenzschicht, die eine festgelegte Magnetisierungsausrichtung aufweist.
2a und 2b stellen eine insgesamt parallele bzw. antiparallele Magnetisierungsausrichtung zwischen der Referenzschicht und der Datenschicht der bekannten Magnetspeicherzelle von 1 dar.
2c und 2d stellen die Wirkung eines Demagnetisierungsfelds auf die Magnetisierungsausrichtung der Datenschicht bei einer bekannten Magnetspeicherzelle dar.
3a und 3b stellen bekannte Magnetspeicherzellen mit Mehrschicht-Referenzschichten dar, die eine Festlegungsschicht und eine festgelegte Schicht umfassen.
4a ist eine Darstellung einer Leseoperation bei einem bekannten Magnetspeicher, der ein Array von bekannten Magnetspeicherzellen sowie Zeilen- und Spaltenleiter umfasst.
4b stellt eine Leseoperation zu einer ausgewählten bekannten Magnetspeicherzelle und ein Magnetfeld dar, das durch einen Lesestrom erzeugt wird, der in den Zeilen- und Spaltenleitern fließt.
5 ist eine Darstellung einer Magnetspeicherzelle mit einer weichferromagnetischen Referenzschicht und einem vollständig umhüllten Leseleiter gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Darstellung eines Magnetfelds, das im Wesentlichen innerhalb einer ferromagnetischen Umhüllung während einer Leseoperation enthalten ist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Darstellung eines Speichers, der ein Array von Magnetspeicherzellen mit einer weichferromagnetischen Referenzschicht umfasst, gemäß der vorliegenden Erfindung.
8a bis 9b sind eine Darstellung einer weichferromagnetischeu Referenzschicht, die während einer Leseoperation während des Betriebs festgelegt wird, gemäß der vorliegenden Erfindung.
10a bis 10f sind eine Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen einer Magnetspeicherzelle mit einer weichferromagnetischen Referenzschicht und einem vollständig umhüllten Leseleiter gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Darstellung einer Magnetspeicherzelle mit einer weichferromagnetischen Referenzschicht, die einen ersten und einen zweiten Leiter zum Schreiben eines Bits von Daten zu einer Datenschicht umfasst, gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Darstellung eines Speichers, der ein Array von Magnetspeicherzellen mit einer weich ferromagnetischen Referenzschicht umfasst und einen ersten und einen zweiten Leiter zum Schreiben eines Bits von Daten zu einer Datenschicht einer ausgewählten Magnetspeicherzelle umfasst, gemäß der vorliegenden Erfindung.
13a und 13b sind eine Darstellung von relativen Abmessungen einer weichferromagnetischen Referenzschicht mit einer ferromagnetischen Umhüllung und mit einer ferromagnetischen Umhüllung und einer ferromagnetischen Abdeckungsschicht.
In der folgenden detaillierten Beschreibung und in den mehreren Figuren der Zeichnungen sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen identifiziert.
Wie es in den Zeichnungen zum Zweck einer Darstellung gezeigt ist, ist die vorliegende Erfindung in einer Magnetspeicherzelle ausgeführt, die eine ferromagnetische Datenschicht zum Speichern eines Bits von Daten als eine veränderbare Magnetisierungsausrichtung, eine Zwischenschicht in Kontakt mit der Datenschicht und eine weichferromagnetische Referenzschicht in Kontakt mit der Zwischenschicht, die einen Leseleiter und eine ferromagnetische Umhüllung umfasst, der den Leseleiter vollständig umgibt, um einen umhüllten Leseleiter zu bilden, umfasst. Die weichferromagnetische Referenzschicht weist eine Magnetisierungsausrichtung auf, die nicht in eine vorbestimmte Richtung festgelegt ist. Hierin wird dieses Merkmal der weichferromagnetischen Referenzschicht im Folgenden als eine „nicht-festgelegte Magnetisierungsausrichtung" bezeichnet.
Der Leseleiter erzeugt ein Lesemagnetfeld ansprechend auf einen extern zugeführten Lesestrom und die ferromagnetische Umhüllung enthält im Wesentlichen das Lesemagnetfeld innerhalb der ferromagnetischen Umhüllung. Die ferromagnetische Umhüllung stellt im Wesentlichen einen geschlossenen Magnetweg (Flussverriegelung) um den Leseleiter herum bereit.
Durch ein Leiten eines Stroms eines vorbestimmten Betrags und einer vorbestimmten Richtung durch den Leseleiter ist das resultierende Lesemagnetfeld stark genug, um eine Magnetisierungsausrichtung in eine bekannte Richtung in der weichferromagnetischen Referenzschicht einzurichten, derart, dass die Magnetisierungsausrichtung dynamisch festgelegt wird (d. h. die Magnetisierungsausrichtung während des Betriebs festgelegt wird). Das Lesemagnetfeld ist jedoch nicht stark genug, um die ferromagnetische Umhüllung der weichferromagnetischen Referenzschicht zu sättigen, derart, dass sich das Lesemagnetfeld wesentlich nach außen von der ferromagnetischen Umhüllung erstrecken würde und möglicherweise das Bit von Daten, das in der Datenschicht gespeichert ist, stören oder überschreiben würde. Die ferromagnetische Umhüllung dämpft ferner Randfelder wesentlich, die Daten, die in den Datenschichten von benachbarten Speicherzellen gespeichert sind, stören oder verfälschen können. Das Bit von. Daten kann durch ein Messen eines Widerstandswerts zwischen der Datenschicht und der weichferromagnetischen Referenzschicht gelesen werden. Die ferromagnetische Umhüllung und die Datenschicht können aus einem weichmagnetischen Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität hergestellt sein. Die ferromagnetische Umhüllung weist eine vorbestimmte minimale Dicke auf, die entworfen ist, um sicherzustellen, dass das Lesemagnetfeld, das durch den Leseleiter erzeugt wird, im Wesentlichen innerhalb der ferromagnetischen Umhüllung enthalten ist.
Wahlweise kann die Magnetspeicherzelle der vorliegenden Erfindung eine ferromagnetische Abdeckungsschicht umfassen, die zwischen der Zwischenschicht und der ferromagnetischen Umhüllung positioniert ist. Die ferromagnetische Abdeckungsschicht ist magnetisch mit der ferromagnetischen Umhüllung gekoppelt, so dass das Lesemagnetfeld während einer Leseoperation im Wesentlichen innerhalb der ferromagnetischen Umhüllung und der ferromagnetischen Abdeckungsschicht enthalten ist. Die ferromagnetische Umhüllung und die ferromagnetische Abdeckungsschicht werden im Wesentli chen als Eines magnetisch und zusammen stellen die ferromagnetische Umhüllung und die ferromagnetische Abdeckungsschicht einen geschlossenen Magnetweg (Flussverriegelung) um den Leseleiter herum bereit.
Die weichferromagnetische Referenzschicht der vorliegenden Erfindung wird eine „Referenzschicht" genannt, weil die Richtung einer Magnetisierungsausrichtung durch einen extern zugeführten Strom zu einer bekannten Richtung dynamisch gesetzt werden kann (d. h. dieselbe wird dynamisch festgelegt). Dieselbe wird „weich" genannt, weil die verwendeten magnetischen Materialien magnetisch weich sind und nicht die gewöhnlichen hart festgelegten Materialien sind (z. B. Antiferromagnet-Systeme, wie beispielsweise NiFe/IrMn oder andere).
Vorteile der Magnetspeicherzelle der vorliegenden Erfindung umfassen den umhüllten Leseleiter, der das Randfeldproblem durch ein wesentliches Enthalten des Lesemagnetfelds, das durch den Leseleiter erzeugt wird, innerhalb der ferromagnetischen Umhüllung der weichferromagnetischen Referenzschicht während einer Leseoperation löst, so dass die Daten, die in benachbarten Magnetspeicherzellen gespeichert sind, nicht durch Streumagnetfelder verfälscht werden, die weichferromagnetische Referenzschicht den Bedarf eliminiert, eine festgelegte Referenzschicht mit den begleitenden komplexen Materialschichten und zusätzlichen Fertigungsschritten derselben zu bilden, die zu einer reduzierten Ausbeute und höheren Herstellungskosten führen können, der Bedarf, die Magnetspeicherzelle auszuheilen, eliminiert ist und der Betrag eines Stroms (d. h. eines Gleichsignalstroms oder eines Pulsstroms), der notwendig ist, um das Bit von Daten zu lesen oder zu schreiben, reduziert ist, mit einer zugehörigen Reduzierung einer Leistungsdissipation und eines Leistungsverbrauchs.
Ein zusätzlicher Vorteil der Magnetspeicherzelle der vorliegenden Erfindung ist, dass die ferromagnetische Umhül lung eine Flussverriegelung während einer Leseoperation bereitstellt, so dass ein Demagnetisierungsfeld, das eine Winkelverschiebung der Magnetisierungsausrichtung bei der ferromagnetischen Datenschicht bewirken könnte, wesentlich reduziert oder eliminiert ist. Folglich gibt es während der Leseoperation einen höheren Betrag einer Veränderung bei einem Magnetowiderstand, was in einem höheren Signal-zu-Rausch-Verhältnis (S/N) zwischen Logikzuständen (d. h. einer logischen „0" oder einer logischen „1") resultiert, was diese Logikzustände einfacher zu erfassen macht.
Die hierin dargelegte Struktur für die Magnetspeicherzelle der vorliegenden Erfindung gilt für mehrere Formen eines Magnetspeichers, einschließlich aber nicht begrenzt auf TMR- und GMR-basierte Magnetspeicherzellen. Obwohl die Materialien und die Strukturen, die für diese Formen eines Magnetspeichers verwendet werden, sich unterscheiden und die physikalischen Wirkungen, die verwendet werden, um die unterschiedlichen Zustände der Referenzschicht und der Datenschicht (d. h. parallel oder antiparallel) zu erfassen, ebenfalls unterschiedlich sind, ist der Magnetentwurf dieser Formen eines Magnetspeichers der gleiche. Solange zumindest ein Paar von Leitern erforderlich ist, um die Magnetisierungsausrichtung der Datenschicht zu drehen, und ein Leseleiter erforderlich ist, um den Widerstandswert zwischen der Datenschicht und der Referenzschicht zu messen, arbeitet die Magnetspeicherzelle der vorliegenden Erfindung genau so gut für eine Vielfalt von Magnetspeichern, einschließlich derselben, die oben dargelegt sind. Fachleuten auf dem Gebiet von Magnetspeichern ist klar ersichtlich, dass die Magnetspeicherzelle der vorliegenden Erfindung ebenfalls in einem Array von Magnetspeicherzellen implementiert sein kann, um eine Datenspeicherungsvorrichtung (d. h. einen Speicher) zu bilden, wie beispielsweise einen MRAM. Die Struktur des Speicherarrays hängt von dem Typ einer Speicherzelle ab. Zum Beispiel ist eine Kreuzpunkt-Speicherstruktur gut für ein Array von TMR-Speicherzellen geeignet.
In 5 umfasst eine Magnetspeicherzelle 10 eine Datenschicht 11 zum Speichern eines Bits von Daten als eine veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 (auf dem Gebiet von Magnetspeicherzellen wird die Datenschicht 10 auch als eine Speicherungsschicht oder eine Bitschicht bezeichnet), eine Zwischenschicht 13 in Kontakt mit der Datenschicht 11, eine ferromagnetische Abdeckungsschicht 15 in Kontakt mit der Zwischenschicht 13 und eine weichferromagnetische Referenzschicht 17 in Kontakt mit der ferromagnetischen Abdeckungsschicht 15 und mit einer nicht-festgelegten Magnetisierungsausrichtung und umfassend einen Leseleiter 19 und eine ferromagnetische Umhüllung 21, die den Leseleiter 19 vollständig umgibt, um einen umhüllten Leseleiter zu bilden (d. h. der Leseleiter 19 ist an allen Seiten desselben durch die ferromagnetische Umhüllung 21 vollständig umhüllt). Die weichferromagnetische Referenzschicht 17 ist in Kontakt mit der ferromagnetischen Abdeckungsschicht 15 entlang einem Abschnitt der Umhüllung 21, wie es durch gestrichelte Pfeile 16 gezeigt ist (hierin wird die ferromagnetische Umhüllung 21 im Folgenden als die Umhüllung 21 bezeichnet und die ferromagnetische Abdeckungsschicht 15 wird als die Abdeckungsschicht 15 bezeichnet). Die Umhüllung 21 und die Abdeckungsschicht 15 müssen keine Kanten aufweisen, die miteinander bündig sind, wie es in 5 dargestellt ist. Zum Beispiel können die Kanten von einer die Kanten der anderen überlappen oder von denselben nach innen versetzt sein. Die Magnetisierungsausrichtung der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 ist nicht festgelegt, d. h. die weichferromagnetische Referenzschicht 17 weist keine vorbestimmte Magnetisierungsausrichtung auf, die während einer Fertigung der Magnetspeicherzelle 10 unter Verwendung eines bekannten Prozesses gesetzt wird, wie beispielsweise eines Ausheilens in einem Magnetfeld.
Anstelle dessen wird in 6 ein extern zugeführter Lesestrom I_R eines vorbestimmten Betrags und einer vorbestimmten Richtung durch den Leseleiter 19 geleitet, was in der Erzeugung eines Lesemagnetfelds H resultiert. In 6 fließt der Lesestrom I_R in die Seite, wie es durch das „+"-Symbol angegeben ist, derart, dass das Lesemagnetfeld H einen Vektor in eine Richtung im Uhrzeigersinn gemäß der Rechte-Hand-Regel aufweist. Das Lesemagnetfeld ist im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 enthalten. Als eine Folge des Lesemagnetfelds H weist die weichferromagnetische Referenzschicht 17 eine Magnetisierungsausrichtung M1 auf, die dynamisch festgelegt wird (d. h. während des Betriebs festgelegt wird), wobei M1 zu der Linken zeigt. Die Magnetisierungsausrichtung M1 bleibt dynamisch festgelegt, solange der Strom I_R weiter durch den Leseleiter 19 fließt. Während der Lesestrom I_R fließt, existiert ein Widerstandswert zwischen der ferromagnetischen Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 aufgrund von Elektronen, die zwischen der Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 durch die Zwischenschicht 13 fließen. Der Zustand des Bits von Daten, das in der Datenschicht 11 gespeichert ist, kann durch ein Messen des Betrags und/oder der Veränderung bei diesem Widerstandswert bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Widerstandswert zwischen der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 und der ferromagnetischen Datenschicht 11 gemessen werden.
In 6 umfasst die Magnetspeicherzelle 10 die Abdeckungsschicht 15 nicht, wie dieselbe in 5 dargestellt ist. Wie es jedoch mit Bezug auf 8a – 9b erörtert wird, gelten die Grundlagen, die oben in 6 mit Bezug auf die weichferromagnetische Referenzschicht 17 erörtert sind, der vorliegenden Erfindung, ob die Magnetspeicherzelle 10 die Abdeckungsschicht 15 umfasst oder nicht. Die Abdeckungsschicht 15 ist optional. Wenn die Abdeckungsschicht 15 vorhanden ist (siehe 8a – 9b), ist das Lesemagnetfeld H im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 und der Abdeckungsschicht 15 enthalten, weil die Umhüllung 21 und die Abdeckungsschicht 15 beide aus ferromagnetischen Materialien hergestellt sind und magnetisch eins werden, wenn dieselben in Kontakt miteinander sind.
Das Phänomen, das den Widerstandswert bewirkt, ist auf dem Gebiet von Magnetspeichern gut ersichtlich und ist ebenso für TMR-, GMR- und CMR-Speicherzellen gut ersichtlich. Bei einer TMR-basierten Speicherzelle z. B. wird das Phänomen als ein quantenmechanisches Tunneln oder spinabhängiges Tunneln bezeichnet. Bei der TMR-Speicherzelle ist die Zwischenschicht 13 eine dünne Tunnelbarriereschicht aus einem dielektrischen Material, durch die Elektronen zwischen der Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 quantenmechanisch tunneln (d. h. wandern). Bei einer GMR-basierten Speicherzelle jedoch ist das Phänomen ein spinabhängiges Streuen von Elektronen und die Zwischenschicht 13 ist eine dünne Abstandhalterschicht aus einem nicht-magnetischen Material. In beiden Fällen variiert der Widerstandswert zwischen der Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 abhängig von den relativen Ausrichtungen von M1 und M2 und es ist diese Variation eines Widerstandswerts, die erfasst werden kann, um zu bestimmen, ob das Bit von Daten, das in der Datenschicht 11 gespeichert ist, eine logische „0" oder eine logische „1" ist.
Folglich kann das Bit von Daten, das in der Datenschicht 11 gespeichert ist, während einer Leseoperation zu der Magnetspeicherzelle 10 durch ein Leiten des Lesestroms I_R durch den Leseleiter 19, wie es oben beschrieben ist, und dann ein Messen eines Widerstandswerts zwischen der Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 gelesen werden. Der Logikzustand des Bits (d. h. eine logische „0" oder eine logische „1" ) kann durch ein Erfassen des Betrags des Widerstandswerts bestimmt werden. Ein Beispiel dafür, wie der Logikzustand des Bits aus den relativen Ausrichtungen von M1 und M2 bestimmt werden kann, wird nun mit Bezug auf 8a und 8b und 9a und 9b erläutert.
In 8a fließt der Lesestrom in die Seite, wie es durch das „+"-Symbol angegeben ist, derart, dass das Lesemagnetfeld H einen Vektor in eine Richtung im Uhrzeigersinn aufweist und die während des Betriebs festgelegte Magnetisierungsausrichtung M1 der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 parallel zu der veränderbaren Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 11 ist, d. h. M1 und M2 in die gleiche Richtung zeigen. Diese Anordnung von M1 und M2 kann in einem Widerstandswert zwischen der Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 resultieren, der vorbestimmt sein kann, um eine logische „0" darzustellen.
In 8b jedoch ist die veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 11 antiparallel zu der während des Betriebs festgelegten Magnetisierungsausrichtung M1 der weichferromagnetischen Referenzschicht 17, d. h. M1 und M2 zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Folglich kann diese Anordnung von M1 und M2 in einem Widerstandswert zwischen der Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 resultieren, der vorbestimmt sein kann, um eine logische „1" darzustellen.
Als ein weiteres Beispiel fließt in 9a der Lesestrom I_R aus der Seite, wie es durch das „•"-Symbol angegeben ist, und die während des Betriebs festgelegte Magnetisierungsausrichtung M1 der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 ist antiparallel zu der veränderbaren Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 11. Zusätzlich weist das Lesemagnetfeld H einen Vektor in eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn auf, derart, dass M1 zu der Rechten zeigt. Diese Anordnung von M1 und M2 kann in einem Widerstandswert zwischen der Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 resultieren, der vorbestimmt sein kann, um eine logische „1" darzustellen.
Umgekehrt ist in 9b die veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 11 parallel zu der während des Betriebs festgelegten Magnetisierungsausrichtung M1 der weichferromagnetischen Referenzschicht 17. Folglich kann diese Ausrichtung M1 und M2 in einem Widerstandswert zwi schen der Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 resultieren, der vorbestimmt sein kann, um eine logische „0" darzustellen.
Wie es vorhergehend erwähnt wurde, gelten die Prinzipien der Leseoperation, die in 8a und 8b und 9a dargestellt ist, ob die Abdeckungsschicht 15 vorhanden ist oder nicht. Der Einschluss oder Ausschluss der Abdeckungsschicht 15 wird unten in Verbindung mit einem Verfahren zum Herstellen der Speicherzelle 10 der vorliegenden Erfindung erörtert. Wenn die Abdeckungsschicht 15 vorhanden ist, ist dieselbe ferner magnetisch eins (d. h. dieselbe ist magnetisch gekoppelt) mit der Umhüllung 21, derart, dass das Lesemagnetfeld H sich in die Abdeckungsschicht 15 erstreckt, wie es in 8a und 8b und 9a dargestellt ist. Deshalb ist die Abdeckungsschicht 15, wie es in 8a bis 9b dargestellt ist, optional. Die Abdeckungsschicht 15 kann ausgeschlossen sein und die Grundlagen der Leseoperation, wie es mit Bezug auf 8a – 9b erörtert ist, gelten immer noch.
Die Bestimmung, welcher Logikzustand der parallelen und antiparallelen Beziehung zwischen M1 und M2 zugewiesen ist, kann anwendungsabhängig sein oder die Bestimmung kann über eine vorbestimmte Übereinkunft vorgenommen werden. Zum Beispiel kann die Anordnung, die in 8a und 8b dargestellt ist, als die Übereinkunft übernommen werden, wodurch der Lesestrom I_R in die Seite „+" fließt, so dass M1 zu einer erwünschten Ausrichtung (d. h. zu der linken zeigend) während des Betriebs festgelegt wird und die Übereinkunft für eine logische „0" M1 und M2 parallel ist und die Übereinkunft für eine logische „1" M1 und M2 antiparallel ist.
Bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die hierin beschrieben sind, können die ferromagnetische Datenschicht 11, die Abdeckungsschicht 15 und die Umhüllung 21 aus einem weichmagnetischen Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität hergestellt sein. Ein „weichmag netisches Material" bedeutet ein Material, das eine hohe relative magnetische Permeabilität μ_R von in etwa 1000 oder mehr (d. h. die magnetische Permeabilität μ ist: μ = μ₀ μ_R; wobei μ₀ = 4π * 10^–7 H/m; und μ = (4π * 10^–7) * 1000 = 1,257 * 10^–3 H/m oder mehr) und eine niedrige Koerzitivkraft (Koerzitivität) von in etwa 1000 A/m oder weniger und einen geringen Hystereseverlust aufweist.
Das weichmagnetische Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität für die Umhüllung 21 ermöglicht, dass die Magnetisierungsausrichtung M1 während des Betriebs bei einem Betrag des Lesemagnetfelds H festgelegt wird, der die Umhüllung 21 nicht sättigt, derart, dass das Lesemagnetfeld H im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 enthalten ist. Ein jeglicher Abschnitt des Lesemagnetfelds H, der sich von der Umhüllung 21 nach außen erstreckt (d. h. nicht innerhalb der Umhüllung 21 enthalten ist), dreht außerdem die veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 in der Datenschicht 11 nicht (d. h. das Lesemagnetfeld H schaltet M2 von der aktuellen Ausrichtung derselben nicht um). Folglich ist ein Betrag des Lesestroms I_R, der erforderlich ist, um das Lesemagnetfeld H zu erzeugen, gegenüber bekannten Magnetspeicherzellen reduziert. Falls auf eine ähnliche Weise die weichferromagnetische Referenzschicht 17 die Abdeckungsschicht 15 umfasst, dann ermöglicht ein weichmagnetisches Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität für sowohl die Umhüllung 21 als auch die Abdeckungsschicht 15, dass die Magnetisierungsausrichtung M1 bei einem Betrag des Lesemagnetfelds H während des Betriebs festgelegt wird, der die Umhüllung 21 und die Abdeckungsschicht 15 nicht sättigt, derart, dass das Lesemagnetfeld H im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 und der Abdeckungsschicht 15 enthalten ist und ein jeglicher Abschnitt des Lesemagnetfelds H, der sich von der Umhüllung 21 und der Abdeckungsschicht 15 nach außen erstreckt, die veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 in der Datenschicht 11 nicht dreht.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das weichmagnetische Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität für irgendeine oder mehrere ausgewählte der Datenschicht 11, der Abdeckungsschicht 15 und der Umhüllung 21 aus einem Material hergestellt sein, das dieselben umfasst, aber nicht auf dieselben begrenzt ist, die in Tabelle 1 unten aufgezählt sind.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Datenschicht 11, die Abdeckungsschicht 15 und die Umhüllung 21 aus identischen, weichmagnetischen Materialien mit einer hohen magnetischen Permeabilität hergestellt sein. Die identischen weichmagnetischen Materialien mit einer hohen magnetischen Permeabilität umfassen, aber sind nicht begrenzt auf dieselben, die in Tabelle 1 oben dargelegt sind. Zum Beispiel können Nickeleisen (NiFe) oder PERMALLOY^TM verwendet werden, um die Datenschicht 11, die Abdeckungsschicht 15 und die Umhüllung 21 herzustellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist irgendeine oder mehrere ausgewählte der Datenschicht 11, der Abdeckungsschicht 15 und der Umhüllung 21 eine relative magnetische Permeabilität von mehr als etwa 1000 auf.
Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist irgendein oder mehrere ausgewählte der Datenschicht 11, der Abdeckungsschicht 15 und der Umhüllung 21 eine Koerzitivität von etwa 1000 A/m oder weniger auf. Der Leseleiter 19 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein. Geeignete Materialien für den Leseleiter 19 umfassen, aber sind nicht begrenzt auf, dieselben, die in Tabelle 2 unten aufgezählt sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Zwischenschicht 13 eine Tunnelbarriereschicht, die aus einem isolierenden Material hergestellt ist (d. h. dasselbe ist nicht elektrisch leitfähig), das die Datenschicht 11 von der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 trennt und elektrisch trennt bzw. isoliert. Ein dielektrisches Material, das dieselben umfasst, aber nicht auf dieselben begrenzt ist, die in Tabelle 3 unten aufgezählt sind, kann für die Tunnelbarriereschicht verwendet werden. Die Tunnelbarriereschicht kann eine Dicke (siehe T₃ in 13) aufweisen, die zwischen etwa 0,5 nm und etwa 5,0 nm liegt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Zwischenschicht 13 eine Abstandhalterschicht, die aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt ist. Das nicht-magnetische Material für die Abstandhalterschicht kann ein 3d-, 4d- oder 5d-Übergangsmetall (aus dem Periodensystem der Elemente) sein. Ein nicht- magnetisches Material, das dieselben umfasst, aber nicht auf dieselben begrenzt ist, die in Tabelle 4 unten aufgezählt sind, kann für die Abstandhalterschicht verwendet werden. Die Abstandhalterschicht kann eine Dicke (siehe T₃ in 13) aufweisen, die zwischen etwa 0,5 nm und etwa 5,0 nm liegt.
In 11 kann die Magnetspeicherzelle 10 der vorliegenden Erfindung einen ersten Leiter 29 umfassen, der die Datenschicht 11 kreuzt und in einer elektrischen Kommunikation mit der Datenschicht 11 ist. Die elektrische Kommunikation zwischen der Datenschicht 11 und dem ersten Leiter 29 kann dadurch erzielt werden, dass der erste Leiter 29 und die Datenschicht 11 sich in Kontakt miteinander befinden, oder durch eine Verbindungsstruktur, wie beispielsweise eine Durchkontaktierung, einen leitfähigen Stöpsel oder dergleichen (nicht gezeigt). Vorzugsweise befindet sich der erste Leiter 29 in einem Kontakt mit der ferromagnetischen Daten schicht 11, weil diese Anordnung kompakt ist und weniger kompliziert als eine Verbindungsstruktur ist. Das Bit von Daten kann gelesen werden, wie es oben beschrieben ist, durch ein Messen eines Widerstandswerts zwischen dem ersten Leiter 29 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17. Der erste Leiter 29 kann die Datenschicht 11 in eine im Wesentlichen orthogonale Richtung kreuzen oder der erste Leiter 29 kann die Datenschicht 11 in eine nicht-orthogonale Richtung kreuzen. Typischerweise kreuzt der erste Leiter 29 die Datenschicht 11 in eine orthogonale Richtung, weil mikroelektronische Layout- und Führungswerkzeuge zu einem orthogonalen Layout von Mikroelektronikvorrichtungen veränderbar sind und einige Werkzeuge ein nicht-orthogonales Layout nicht gestatten. Der erste Leiter 29 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein, das dieselben umfasst, aber nicht auf dieselben begrenzt ist, die in Tabelle 2 oben dargelegt sind.
In 7 ist ein Speicher 50 durch eine Mehrzahl (drei sind gezeigt) der Magnetspeicherzellen 10 der vorliegenden Erfindung gebildet. Jede Magnetspeicherzelle 10 weist eine jeweilige Abdeckungsschicht 15 derselben (die Abdeckungsschicht 15 ist optional) in Kontakt mit einer gemeinsamen weichferromagnetischen Referenzschicht 17 auf und jede Magnetspeicherzelle 10 speichert ein Bit von Daten in der jeweiligen Datenschicht 11 derselben. Das Bit von Daten kann durch ein Messen eines Widerstandswerts zwischen der Datenschicht 11 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 gelesen werden. Wie es oben mit Bezug auf 11 erörtert wurde, kann zusätzlich jede Magnetspeicherzelle 10 einen ersten Leiter 29 umfassen, der in einer elektrischen Kommunikation mit der jeweiligen Datenschicht 11 desselben steht. Auf eine ähnliche Weise kann das Bit von Daten durch ein Messen eines Widerstandswerts zwischen dem ersten Leiter 29 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 gelesen werden. Folglich können die weichferromagnetische Referenzschicht 17 und der erste Leiter 29 ein Paar von Leitern sein, wie beispielsweise ein Zeilenleiter bzw. ein Spaltenleiter oder ein Spaltenleiter bzw. ein Zeilenleiter. Das Paar von Leitern schneidet einander und die Magnetspeicherzellen 10 können bei einer Schnittregion zwischen dem Paar von Leitern positioniert sein, wie es in 7 dargestellt ist. Das Paar von Leitern muss einander nicht in eine orthogonale Richtung schneiden.
In 11 kann die Magnetspeicherzelle 10 der vorliegenden Erfindung einen zweiten Leiter 41 umfassen, der die Datenschicht 11 kreuzt. Der zweite Leiter 41 ist elektrisch von der Datenschicht 11, dem ersten Leiter 29 und der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 isoliert. Zum Beispiel kann eine dielektrische Schicht 43 verwendet werden, um den zweiten Leiter 41 elektrisch zu isolieren. Die dielektrische Schicht 43 kann ein elektrisch isolierendes Material sein, das dieselben umfasst, aber nicht auf dieselben beschränkt ist, die in Tabelle 3 oben dargelegt sind. Der zweite Leiter 41 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein, das dieselben umfasst, aber nicht auf dieselben begrenzt ist, die in Tabelle 2 oben dargelegt sind.
Wie es auf dem Gebiet gut ersichtlich ist, kann eine Schreiboperation, bei der ein Bit von Daten zu der Datenschicht 11 geschrieben wird, durch ein Leiten eines ersten extern zugeführten Stroms durch den ersten Leiter 29, um ein erstes Schreibmagnetfeld zu erzeugen, und durch ein Leiten eines zweiten extern zugeführten Stroms durch den zweiten Leiter 41, um ein zweites Schreibmagnetfeld zu erzeugen, erzielt werden. Das erste und das zweite Schreibmagnetfeld treten zusammenwirkend mit der Datenschicht 11 in Wechselwirkung, um die veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 zu einer erwünschten Ausrichtung zu drehen. Falls z. B. die Datenschicht 11 gegenwärtig eine logische „0" speichert, wobei M2 zu der „Linken" zeigt, dann können das erste und das zweite Schreibmagnetfeld zusammenwirkend mit der Datenschicht 11 in Wechselwirkung treten, um M2 zu der „Rechten" zu drehen (d. h. wenden), so dass eine logische „1" zu der Datenschicht 11 geschrieben wird.
In 12 ist ein Speicher 70 durch eine Mehrzahl (drei sind gezeigt) der Magnetspeicherzellen 10 der vorliegenden Erfindung gebildet. Jede Magnetspeicherzelle 10 weist eine jeweilige Abdeckungsschicht 15 derselben (die Abdeckungsschicht 15 ist optional) in Kontakt mit einer gemeinsamen weichferromagnetischen Referenzschicht 17 auf und die jeweilige Datenschicht 11 derselben ist in einer elektrischen Kommunikation mit dem ersten Leiter 29, der die Datenschicht 11 kreuzt. Ein zweiter gemeinsamer Leiter 41 kreuzt jede Datenschicht 11 und ist elektrisch von den Datenschichten 11 durch eine dielektrische Schicht 43 getrennt bzw. isoliert.
Eine Schreiboperation zu einer ausgewählten der Magnetspeicherzellen 10 kann wie folgt erzielt werden. Die Magnetspeicherzelle 10 mit einer Datenschicht, die als 11a bezeichnet ist, wird für eine Schreiboperation durch ein Leiten eines ersten Schreibstroms I_W1 durch den ersten Leiter 29, der in Kontakt mit der Datenschicht 11a ist, und durch ein Leiten eines zweiten Schreibstroms I_W2 durch den zweiten Leiter 41 ausgewählt. Die anderen Magnetspeicherzellen 10 werden nicht für eine Schreiboperation ausgewählt, weil keine Schreibströme in den jeweiligen ersten Leitern 29 derselben fließen. Der erste Schreibstrom I_W1 erzeugt ein erstes Schreibmagnetfeld H_W1 und der zweite Schreibstrom I_W2 erzeugt ein zweites Schreibmagnetfeld H_W2. Das erste und das zweite Schreibmagnetfeld (H_W1, H_W2) treten zusammenwirkend in Wechselwirkung, um die veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 in der Datenschicht 11a zu einer erwünschten Ausrichtung zu drehen.
Als ein weiteres Beispiel kann eine Leseoperation der Datenschicht 11a durch ein Leiten eines Schreibstroms I_R eines vorbestimmten Betrags und einer vorbestimmten Richtung durch den Leseleiter 19 der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 erzielt werden. Der Lesestrom I_R erzeugt ein Lesemagnetfeld H_R, das im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 enthalten ist, und das Lesemagnetfeld H_R ist wirksam, um die Magnetisierungsausrichtung M1 während des Betriebs festzulegen. Das Bit von Daten, das in der Datenschicht 11a gespeichert ist, kann durch ein Messen eines Widerstandswerts zwischen der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 und dem ersten Leiter 29 der Datenschicht 11a gelesen werden.
Ein Prozess zum Herstellen des umhüllten Leseleiters der vorliegenden Erfindung ist in 10a – 10f dargestellt. Die Reihenfolge der Prozessschritte, die unten dargelegt ist, ist lediglich ein Beispiel, die tatsächliche Reihenfolge von Prozessschritten muss nicht in der gleichen Reihenfolge sein, wie es unten dargelegt ist. Ferner können andere Prozesse, die Fachleuten auf dem Mikroelektronikgebiet bekannt sind, anstelle derselben verwendet werden, die hierin dargelegt sind.
In 10a wird erstens eine dielektrische Schicht 31 gebildet und dann durch einen Prozess planarisiert, wie beispielsweise eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP = chemical mechanical planarization). Ein Graben 33 wird in die dielektrische Schicht 31 vor einem Aufbringen eines weichmagnetischen Materials mit einer hohen magnetischen Permeabilität geätzt, das einen Abschnitt der Umhüllung 21 bildet. Obwohl lediglich ein Abschnitt der dielektrischen Schicht 31 in 10a dargestellt ist, kann die dielektrische Schicht 31 eine dielektrische Schicht sein, die eine Mehrzahl der Gräben 33 aufweist, die in derselben gebildet sind, und kann sich darüber hinaus erstrecken, was dargestellt ist, wie es durch gestrichelte Pfeile e gezeigt ist.
In 10b wird zweitens ein Abschnitt der Umhüllung 21a in den Graben 33 unter Verwendung eines isotropischen Prozesses aufgebracht (so dass Seitenwände S des Grabens 33 zu ungefähr der gleichen Dicke wie ein Boden d des Grabens 33 beschichtet sind). Das Material, das für die Umhüllung 21a verwendet wird, ist ein magnetisch weiches Material, d. h. dasselbe ist permeabel genug, um als ein Magnetkern zu wirken, und ist durch den ganzen Querschnitt desselben durchgehend ohne jegliche Brüche oder zu viele Fehlstellen bzw. Hohlräume. Ein Graben 35 wird als ein Ergebnis der isotropischen Aufbringung der Umhüllung 21a gebildet.
In 10c wird drittens der Graben 35 mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Kupfer (Cu) unter Verwendung einer Elektroplattierung oder eines anderen geeigneten Aufbringungsprozesses gefüllt, um den Leseleiter 19 zu bilden. Die gesamte Struktur wird dann (z. B. unter Verwendung einer CMP) planarisiert, um die Struktur zu erreichen, die in 10c dargestellt ist. Es ist anzumerken, dass in 10c der Leseleiter 19 noch nicht vollständig umhüllt ist.
In 10d wird viertens ein anderes weichmagnetisches Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität 21b aufgebracht, um den Magnetflussweg zu schließen, wodurch ein vollständig umhüllter Lesen-Schreiben-Leiter 19 gebildet wird (d. h. derselbe ist vollständig durch Umhüllungssegmente 21a und 21b umgeben). Die Dicke des weichmagnetischen Materials mit einer hohen magnetischen Permeabilität 21b kann unterschiedlich zu der Dicke des Bodens b oder der Seitenwände s der Umhüllung 21a hergestellt sein; die Dicke von 21a und 21b sollte jedoch ausgewählt sein, so dass das Lesemagnetfeld H_R im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 enthalten ist. Das Material für 21b kann das gleiche wie das oder unterschiedlich zu dem Material für die Umhüllung 21a sein. Die Umhüllung 21b wird dann strukturiert und geätzt, dadurch gefolgt, dass der Rest der Magnetspeicherzelle 10 auf der Struktur von 10d gebildet wird. Zusätzlich ist anzumerken, dass, obwohl 10d das weichmagnetische Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität 21b darstellt, das sich über die äußersten Kanten der Umhüllung 21a hinaus erstreckt, das weichmagnetische Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität 21b bündig mit diesen Kanten sein kann oder dasselbe von diesen Kanten nach innen versetzt sein kann, wie es durch gestrichelte Linien i gezeigt ist. Das weichmagnetische Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität 21b sollte nicht so weit nach innen versetzt sein, dass dasselbe keinen geschlossenen Flussweg mit der Umhüllung 21a mehr bildet.
Wahlweise kann in 10e ein anderes weichmagnetisches Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität auf der Umhüllung 21 (die früher als 21a und 21b bezeichnete wurde) aufgebracht werden, um die Abdeckungsschicht 15 zu bilden. Die Zwischenschicht 13 wird dann auf der Abdeckungsschicht 15 aufgebracht. Der Einschluss der Abdeckungsschicht 15 kann eine Sache einer Herstellungswahl sein. Wie es oben erwähnt wurde, müssen z. B. die Prozessschritte nicht der hierin dargelegten Reihenfolge folgen. Zu diesem Zweck kann es sein, dass die Magnetspeicherzelle 10 beginnend bei der ferromagnetischen Datenschicht 11 gefolgt durch die Zwischenschicht 13 usw. gefertigt wird. Abhängig von dem Material, das für die Zwischenschicht 13 verwendet wird, kann es notwendig sein, die Zwischenschicht 13 abzudecken (d. h. zu passivieren), um zu verhindern, dass dieselbe chemisch mit einer Umgebung reagiert, der dieselbe ausgesetzt ist, nachdem dieselbe aufgebracht wurde. Falls z. B. die Zwischenschicht 13 eine dielektrische Tunnelbarriereschicht ist, dann kann es erwünscht sein, eine Abdeckungsschicht 15 aufzubringen, die aus einem weichmagnetischen Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität hergestellt ist, das mit dem weichmagnetischen Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität der Umhüllung 21 magnetisch kompatibel ist. Die Abdeckungsschicht 15 dient als eine Schutzabdeckung für die dielektrische Tunnelbarriereschicht. Die Abdeckungsschicht 15 kann aus dem gleichen Material wie die Umhüllung 21 oder aus einem zu der Umhüllung 21 unterschiedlichen Material hergestellt sein.
In 10f wird schließlich die Datenschicht 11 auf der Zwischenschicht 13 gebildet. Zusätzlich kann ein elektrisch leitfähiges Material auf der Datenschicht 11 aufgebracht werden, um den ersten Leiter 29 zu bilden.
Zusätzlich kann eine andere dielektrische Schicht 43 (nicht gezeigt) auf dem ersten Leiter 29 aufgebracht werden, gefolgt durch eine Aufbringung eines anderen elektrisch leitfähigen Materials, um den zweiten Leiter 41 (nicht gezeigt) zu bilden.
Der oben beschriebene Prozess ahmt einen Cu-Damascene-Prozess nach, der verwendet wird, um den vollständig umhüllten Leseleiter (d. h. 19, 21a und 21b) der vorliegenden Erfindung zu bilden. Die Planaren Strukturen, die ein derartiger Prozess erzeugt, sind vorteilhaft (aber nicht absolut wesentlich) bei einem Fertigen der Struktur von 10d. Es können jedoch andere Prozesse, die auf dem Mikroelektronikgebiet ersichtlich sind, verwendet werden, um die Struktur von 10d zu fertigen. Außerdem stellen 10a bis 10f ein mögliches Verfahren zum Fertigen des vollständig umhüllten Leseleiters der vorliegenden Erfindung dar. Zum Beispiel kann eine Fertigung in einer Reihenfolge sein, die die Umkehrung dessen ist, was in 10a bis 10f dargestellt ist. Eine Fertigung kann mit der ferromagnetischen Datenschicht 11 beginnen und mit der Zwischenschicht 13 fortfahren, wahlweise der Abdeckungsschicht 15, gefolgt durch die Bildung des umhüllten Leseleiters.
Bei den oben erwähnten Prozessen können die Materialien für die Umhüllung 21, die Abdeckungsschicht 15, die ferromagnetische Datenschicht 11, den Leseleiter 19 und die Zwischenschicht 13 dieselben umfassen, aber sind nicht auf dieselben begrenzt, die oben in Tabelle 1, Tabelle 2, Tabelle 3 und Tabelle 4 dargelegt sind.
In 13a sind Abmessungsbeziehungen zwischen der Umhüllung 21, der Zwischenschicht 13 und der Datenschicht 11 dargestellt. Wie es vorhergehend erwähnt wurde, sind die weichmagnetischen Materialien für die Umhüllung 21 ausgewählt, so dass das Lesemagnetfeld H, das durch den Lesestrom I_R erzeugt wird, der in dem Leseleiter 19 fließt, die Magnetisierungsausrichtung M1 der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 während des Betriebs festlegt. Außerdem sättigt das resultierende Lesemagnetfeld H die Umhüllung 21 nicht, so dass das Lesemagnetfeld H im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 enthalten ist. Ein jeglicher Abschnitt des Lesemagnetfelds H, der sich über die Umhüllung 21 hinaus erstreckt, dreht die veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 11 nicht. Zu diesem Zweck müssen die relativen Dicken der Umhüllung 21 vorbestimmt sein, derart, dass das Lesemagnetfeld H im Wesentlichen innerhalb derselben enthalten ist.
In 13a sollte dieser Abschnitt der Umhüllung 21, der benachbart zu der Zwischenschicht 13 ist (siehe gestrichelte Pfeile 18), eine minimale Dicke D₁ aufweisen, die ausreichend ist, um das Lesemagnetfeld H im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 zu enthalten. Der Rest der Umhüllung 21 kann Dicken D₂, D₃ und D₄ aufweisen, die größer als oder gleich der minimalen Dicke D1 sind; deshalb: D₂, D₃ und D₄ ≥ D₁. Vorzugsweise weisen D₂, D₃ und D₄ eine Dicke auf, die größer als D₁ ist.
In 13b sind auf eine ähnliche Weise Abmessungsbeziehungen zwischen der Umhüllung 21, der Abdeckungsschicht 15, der Zwischenschicht 13 und der Datenschicht 11 dargestellt. Wie es vorhergehend erwähnt wurde, sind die weichmagnetischen Materialien für die Umhüllung 21 und die Abdeckungsschicht 15 ausgewählt, so dass das Lesemagnetfeld H, das durch den Lesestrom I_R erzeugt wird, der in dem Leseleiter 19 fließt, die Magnetisierungsausrichtung M1 der weichferromagnetischen Referenzschicht 17 während des Betriebs festlegt. Außerdem sättigt das resultierende Lesemagnetfeld H die Umhüllung 21 und die Abdeckungsschicht 15 nicht, so dass das Lesemagnetfeld H im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 und der Abdeckungsschicht 15 enthalten ist (d. h. die Umhüllung 21 und die Abdeckungsschicht 15 stellen eine Flussverriegelung bereit). Ein jeglicher Abschnitt des Lesemagnetfelds H, der sich über die Umhüllung 21 und die Abdeckungsschicht 15 hinaus erstreckt, dreht die veränderbare Magnetisierungsausrichtung M2 der Datenschicht 11 nicht. Zu diesem Zweck müssen die relativen Dicken der Umhüllung 21 und der Abdeckungsschicht 15 vorbestimmt sein, derart, dass das Lesemagnetfeld H im Wesentlichen in denselben enthalten ist.
In 13b sollte dieser Abschnitt der Umhüllung 21, der benachbart zu der Abdeckungsschicht 15 ist (siehe gestrichelte Pfeile 19), eine minimale kombinierte Dicke (D₁ + T₁) aufweisen, die ausreichend ist, um das Lesemagnetfeld H im Wesentlichen innerhalb der Umhüllung 21 und der Abdeckungsschicht 15 zu enthalten. Der Rest der Umhüllung 21 kann Dicken D₂, D₃ und D₄ aufweisen, die größer als oder gleich der minimalen kombinierten Dicke (D₁ + T₁) sind; deshalb: D₂, D₃ und D₄ ≥ (D₁ + T₁) . Vorzugsweise weisen D2, D₃ und D₄ eine Dicke auf, die größer als (D₁ + T1) ist.
Eine Dicke und Dickenbereiche für die Umhüllung 21, die Abdeckungsschicht 15, die Zwischenschicht 13 und die Datenschicht 11 umfassten, aber sind nicht begrenzt durch, dieselben, die unten dargelegt sind.
Die Umhüllung 21 kann eine Dicke D₁ aufweisen, die zwischen etwa 3,0 nm und etwa 500,0 nm liegt, und die Abdeckungsschicht 15 kann eine Dicke T₁ aufweisen, die größer als etwa 1,0 nm ist. Die tatsächliche Dicke von D₁ und T₁ hängt von den Materialien ab, die für die Umhüllung 21 und die Abdeckungsschicht 15 ausgewählt sind.
Die Zwischenschicht 13 kann eine Dicke T₃ aufweisen, die zwischen etwa 0,5 nm und etwa 5,0 nm liegt. Die tatsächliche Dicke von T₃ hängt teilweise von den Materialien, die für die Zwischenschicht 13 ausgewählt sind, und von dem Speicherzelltyp ab, wie beispielsweise einer TMR-Speicherzelle oder einer GMR-Speicherzelle.
Die Datenschicht 11 kann eine Dicke T₅ aufweisen, die größer als etwa 1,0 nm ist. Die tatsächliche Dicke von T₅ hängt von dem Speicherzelltyp und der Anwendung ab.
Die weichferromagnetische Referenzschicht 17 kann eine Breite W und eine Höhe H aufweisen, die teilweise von den Abmessungen, die für den Leseleiter 19 ausgewählt sind, und den Dicken D₁, D₂, D₃ und D₄ der Umhüllung 21 abhängt. Deshalb sind W und H in hohem Maße anwendungsabhängig, weil die endgültigen Abmessungen derselben auf vielen Variablen basieren, einschließlich der Abmessungen der Umhüllung 21 und des Leseleiters 19.
Obwohl mehrere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbart und dargestellt wurden, ist die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen von Teilen begrenzt, die so beschrieben und dargestellt sind. Die Erfindung ist lediglich durch die Ansprüche begrenzt.

Claims

Eine Tunnelübergangsvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine Datenschicht (11) zum Speichern eines Datenbits als eine veränderbare Ausrichtung einer Magnetisierung (M2); eine Barriereschicht (13) in Kontakt mit der Datenschicht (11); eine Referenzschicht (17), dadurch gekennzeichnet, dass: die Referenzschicht (17) ein weichferromagnetisches Material aufweist, das eine nicht-festgelegte Ausrichtung einer Magnetisierung (M1) aufweist, und einen Leseleiter (19) und eine Umhüllung (21) umfasst, die den Leseleiter (19) vollständig umgibt, wobei der Leseleiter (19) wirksam ist, um ein Magnetfeld ansprechend auf einen extern zugeführten Strom zu erzeugen, und dadurch, dass die Umhüllung (21) eine Dicke aufweist, die im Wesentlichen das Magnetfeld innerhalb der Umhüllung (21) enthält, so dass die veränderbare Ausrichtung einer Magnetisierung (M2) durch einen jeglichen Abschnitt des Magnetfelds, das nicht innerhalb der Umhüllung (21) enthalten ist, nicht beeinflusst ist, wobei die Anordnung derart ist, dass die Ausrichtung einer Magnetisierung (M1) der weichen Referenzschicht (17) durch ein Leiten eines Stroms eines vorbestimmten Betrags und einer vorbestimmten Richtung durch den Leseleiter (19) zu einer erwünschten Ausrichtung während des Betriebs festgelegt werden kann, und das Bit durch ein Messen einer Spannung zwischen der weichen Referenzschicht (17) und der Datenschicht (11) gelesen werden kann.
Die Tunnelübergangsvorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine ferromagnetische Abdeckungsschicht (15) zwischen der Barriereschicht (13) und der Referenzschicht (17) aufweist.
Die Tunnelübergangsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der eine oder mehrere Ausgewählte der Datenschicht (11), der Abdeckungsschicht (15) und der Umhüllung (21) ein weichmagnetisches Material mit hoher magnetischer Permeabilität aufweisen.
Die Tunnelübergangsvorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das weichmagnetische Material mit hoher magnetischer Permeabilität ein Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel-Eisen, einer Nickel-Eisen-Legierung, Nickel-Eisen-Kobalt, einer Nickel-Eisen-Kobalt-Legierung, Kobalt-Eisen, einer Kobalt-Eisen-Legierung und PERMALLOY besteht.
Die Tunnelübergangsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Datenschicht (11), die Abdeckungsschicht (15) und die Umhüllung (21) aus einem identischen weichmagnetischen Material mit hoher magnetischer Permeabilität hergestellt sind.
Die Tunnelübergangsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der eine oder mehrere Ausgewählte der Datenschicht (11), der Abdeckungsschicht (15) und der Umhüllung (21) eine relative magnetische Permeabilität aufweisen, die größer als in etwa 1000 ist.
Die Tunnelübergangsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der eine oder mehrere Ausgewählte der Datenschicht (11), der Abdeckungsschicht (15) und der Umhüllung (21) eine Koerzitivität von in etwa 1000 A/m oder weniger aufweisen.
Die Tunnelübergangsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Barriereschicht (13) ein dielektrisches Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, das aus Siliziumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Tantaloxid und Aluminiumnitrid besteht.
Die Tunnelübergangsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leseleiter (19) ein elektrisch leitfähiges Material ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, das aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Aluminium-Kupfer, einer Aluminium-Kupfer-Legierung, Tantal, einer Tantallegierung, Gold, einer Goldlegierung, Silber und einer Silberlegierung besteht.
Die Tunnelübergangsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Messleiter (29) in Kontakt mit der Datenschicht (11) aufweist, wobei die Anordnung derart ist, dass das Bit durch ein Messen der Spannung zwischen der weichen Referenzschicht und dem Messleiter (29) gelesen werden kann.