DE60223573T2

DE60223573T2 - Magnetische speicheranordnung beschreibbar durch spin-polarisierten strom unter benützung von amorphen ferrimagnetischen legierungen, und schreibverfahren in dieser speicheranordnung

Info

Publication number: DE60223573T2
Application number: DE60223573T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Nozieres; Laurent Ranno; Yann Conraux
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2022-09-20
Also published as: KR100902960B1; ATE378681T1; US7332781B2; WO2003025942A2; EP1430484B1; CN1556998A; AU2002362337A1; CN100592419C; DE60223573D1; JP4954445B2; WO2003025942A3; KR20040035824A; US20050040433A1; EP1430484A2; FR2829868A1; JP2005503669A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Magnetspeicher und insbesondere die nicht flüchtigen Schreib-Lese-Magnetspeicher, die das Speichern und Lesen von Daten in den elektronischen Systemen ermöglichen. Genauer betrifft sie die Schreib-Lese-Magnetspeicher, M-RAM genannt, die von einem Tunnel-Magnetübergang gebildet sind.
STAND DER TECHNIK
Die Speicher, die auf dem Ladezustand einer Kapazität (DRAM, SRAM, FLASH) basieren, werden immer empfindlicher für die ionisierenden Strahlen (wie beispielsweise die kosmischen Strahlen) im Zuge dessen, dass sich die Dimension der elementaren Transistoren verringert. Überdies weisen die Speicher auf ferroelektrischer Basis (FRAM) ernste Alterungsprobleme auf. Die neuesten Entwicklungen im Bereich der Magnetelektronik ermöglichten es, einen neuen Speichertyp auszuführen, der auf dem Magnetwiderstand von magnetischen Verbindungen basiert. Mit anderen Worten beruht ihr Funktionsprinzip nicht mehr auf der Speicherung einer elektrischen Ladung, sondern auf der relativen Ausrichtung der Magnetisierung der Elemente, aus denen sie besteht. Diese Schreib-Lese-Magnetspeicher (Magnetic Random Access Memories – MRAM) weisen zahlreiche Vorteile auf: Schnelligkeit (einige Nanosekunden Schreib- und Lesedauer), keine Flüchtigkeit, keine Ermüdung beim Lesen und Schreiben, Unempfindlichkeit für die ionisierenden Strahlungen. Sie sind erstens in der Lage, die Flash-Speicher zu ersetzen, und längerfristig die DRAM- und SRAM-Speicher zu ersetzen, um ein Universalspeicher zu werden.
In den ersten Magnetspeichern war der Speicherpunkt von einem so genannten Element mit riesigem Magnetwiderstand gebildet, das aus einer Stapelung von mehreren abwechselnd magnetischen und nicht magnetischen metallischen Schichten gebildet ist. Eine detaillierte Beschreibung dieses Strukturentyps ist in den Dokumenten US-A-4 949 039 und US-A-5 159 513 für die Basisstrukturen und in dem Dokument US-A-5 343 422 für die Ausführung eines RAM-Speichers aus diesen Basisstrukturen zu finden. Dieser Speichertyp ermöglicht auf Grund seiner Architektur die Verwirklichtung von nicht flüchtigen Speichern mit einer einfachen Technologie, allerdings von begrenzter Kapazität. Die Tatsache, dass die Speicherele mente in Serie entlang jeder Linie angeschlossen sind, begrenzt nämlich die Integrationsmöglichkeit, da das Signal immer schwächer wird, wenn die Anzahl von Elementen steigt.
Die vielversprechendsten Strukturen verwenden für jeden Speicherpunkt einen Tunnel-Magnetübergang, in der Folge Magnetic Tunnel Junction – MTJ genannt, und bestehen in ihrer einfachsten Form aus zwei magnetischen Schichten mit unterschiedlichen Koerzitivkräften, die durch eine dünne Isolierschicht getrennt sind. Eine Beschreibung dieser Strukturen befindet sich in der Veröffentlichung Physics Letters Band 54A (1975), Seite 225 oder aktueller in den Veröffentlichungen Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Band 139 (1995), Seite L139 und Physical Review Letters, Band 74 (1995), Seite 3273. Die Verwendung dieser Strukturen für die Herstellung von MRAM ist ursprünglich in dem Dokument US-A-5 640 343 beschrieben.
Die zum Zeitpunkt vielversprechendste Architektur scheint jene zu sein, die in dem Dokument US-A-6 021 065 und in der Veröffentlichung Journal of Applied Physics, Band 81 (1997), Seite 3758 beschrieben ist und deren Prinzip schematisch in 1 dargestellt ist. Wie in 1 zu sehen ist, ist jedes Speicherelement oder jeder Speicherpunkt (10) von der Verbindung eines Transistors CMOA (12) und eines Übergangs MTJ (11) gebildet. Der Übergang (11) umfasst mindestens eine magnetische Schicht (20), freie Schicht genannt, eine feine Isolierschicht (21) und eine magnetische Schicht (22), verriegelte Schicht genannt. Vorzugsweise, aber nicht einschränkend, sind die beiden Magnetschichten auf Basis von Metallen 3d (Fe, Co, Ni) und ihren Legierungen hergestellt, und die Isolierschicht ist aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) gebildet. Vorzugsweise ist die Magnetschicht mit einer antiferromagnetischen Schicht (23) gekoppelt, deren Funktion darin besteht, die Schicht (22) zu verriegeln, damit ihre Magnetisierung beim Schreiben nicht kippt. Ebenfalls vorzugsweise kann die Schicht (22) selbst von mehreren Schichten gebildet sein, wie beispielsweise in dem Dokument US-A-5 583 725 beschrieben, um eine so genannte synthetische antiferromagnetische Schicht zu bilden. Alle diese Varianten sowie weitere sind dem Fachmann gut bekannt.
Die Architektur umfasst ferner drei Zeilenebenen. Die beiden Zeilenebenen (14) (word line) und (15) (bit line), die im Allgemeinen mit 90° zueinander angeordnet sind, sind dazu bestimmt, elektrische Impulse, die ein Magnetfeld erzeugen können, zu befördern, wodurch die Umschaltung der Magnetisierung der Schicht (20) während des Schreibvorgangs möglich ist. Diese Feldimpulse werden erzeugt, wobei kurze Stromimpulse (typischerweise 2 bis 5 Nano sekunden) mit einer Stärke von ungefähr 10 mA entlang der Zeilen (14) und (15) ausgesandt werden. Die Stärke dieser Impulse und ihre Synchronisierung sind derart angepasst, dass nur die Magnetisierung des Speicherpunktes, der sich an der Kreuzung dieser beiden Zeilen befindet, umgeschaltet werden kann. Eine zusätzliche Zeilenebene (16) (control line) ist dazu bestimmt, das Öffnung oder Schließen des Kanals der Transistoren (12) zu steuern, um jedes Speicherelement beim Lesen einzeln adressieren zu können. Die Transistoren (12) werden als Schalter verwendet.
Im Schreibmodus ist der ausgewählte Transistor (12) im blockierten Modus oder OFF und wird von keinem Strom durchströmt. Es wird ein Stromimpuls I in die zwei Zeilen (14) und (15) geschickt, die dem ausgewählten Speicherpunkt (10) entsprechen. Die Amplitude des Stromimpulses I ist derart, dass das erzeugte Magnetfeld nicht ausreicht, um die Speicherpunkte auf den Zeilen (14) oder (15) zum Kippen zu bringen, außer am Schnittpunkt der Zeilen (14) und (15), wo der gemeinsame Beitrag der beiden Zeilen ausreicht, um die Magnetisierung der Schicht (20) des Speicherpunktes zu kippen.
Im Lesemoduls ist der Transistor (12) im gesättigten Modus oder ON durch Senden eines positiven Stromimpulses in seine Basis durch die Steuerzeile (16), wobei der ihn durchströmende Strom maximal ist. Ein Messstrom wird dann in die Zeile (14) geschickt, der nur den Speicherpunkt durchströmen kann, dessen Transistor (12) sich in der Position ON befindet. Durch diesen Strom wird eine Messung des Widerstandes des Übergangs (11) des ausgewählten Speicherpunktes (10) durchgeführt. Durch Vergleichen mit einem Referenzspeicherpunkt, der hier nicht beschrieben ist, wird so der entsprechende Zustand des Speicherpunktes (10) (1 oder 0) bestimmt.
Bei der Beschreibung des Schreibmechanismus dieser Speicherpunkte sind klar die Grenzen dieser Architektur zu erkennen:

– Da das Schreiben durch ein externes Magnetfeld gewährleistet wird, ist es vom Wert des individuellen Umkehrfeldes jedes Speicherpunktes abhängig. Wenn die Funktion der Verteilung der Umkehrfelder für die Gesamtheit der Speicherpunkte weitreichend ist (sie ist nämlich auf Grund der Herstellungsanforderungen nicht einheitlich), ist es notwendig, dass das Magnetfeld am ausgewählten Speicherpunkt größer als das höchste Umkehrfeld der Verteilungsfunktion ist, auf die Gefahr, dass manche Speicherpunk te, die sich auf der entsprechenden Zeile oder Spalte befinden, zufällig umgekehrt werden, wenn ihr Umkehrfeld, das sich in dem unteren Teil der Verteilung befindet, schwächer als das von der Zeile oder Spalte alleine erzeugte Magnetfeld ist. Umgekehrt, wenn sicher gestellt werden soll, dass kein Speicherpunkt nur von einer Zeile oder Spalte beschrieben wird, muss der Schreibstrom begrenzt werden, um niemals für diese Speicherpunkt das Magnetfeld zu überschreiten, das dem unteren Teil der Verteilung entspricht, auf die Gefahr, dass der ausgewählte Speicherpunkt am Schnittpunkt der Zeilen und Spalten nicht beschrieben wird, wenn sich sein Umkehrfeld im oberen Teil der Verteilung befindet. Mit anderen Worten kann diese Architektur mit Magnetfeldauswahl mit Hilfe von Zeilen und Spalten von Leitern leicht zu Adressierfehlern beim Schreiben führen. Unter Berücksichtigung dessen wird erwartet, dass die Verteilungsfunktion der Umkehrfelder der Speicherpunkte umso weitreichender ist, als ihre Abmessung gering ist, da die Geometrie der Speicherpunkte (Form, Unregelmäßigkeiten, Fehler) die Umkehr der Magnetisierung beherrscht, wobei diese Wirkung bei den späteren Produktgenerationen nur schlechter werden kann.
– Da im Allgemeinen der durchschnittliche Wert des Umkehrfeldes steigt, wenn die Größe der Speicherpunkte kleiner wird, wird ein umso größerer Strom in den Generationen von zukünftigen Produkten erwartet. Folglich ist die für die Funktion dieser Speicher erforderliche elektrische Leistung umso größer, je stärker die Integration ist.
– Der Schreibmodus durch zwei Stromleitungen, die 90° ausgerichtet sind, wie hier beschrieben, erfordert drei Zeilenebenen. Insbesondere die Steuerzeile des Transistors muss gegenüber der unteren Stromleitung (für das Schreiben notwendig) versetzt sein, was die Integrationsmöglichkeiten minimiert.
– Schließlich ermöglicht es dieser Schreibmodus, nur einen einzigen Speicherpunkt gleichzeitig zu beschreiben, um die Gefahr eines Adressierfehlers zu minimieren.

Eine Alternative zu dieser Architektur wurde vorgeschlagen. Sie besteht darin, beim Schreiben die Speicherpunkte nicht mehr durch ein externes Magnetfeld zu adressieren, sondern durch einen spinpolarisierten elektrischen Strom. Es wurde nämlich in der Veröffentlichung Journal of Magnetisme and Magnetic Materials, Band 159 (1996), Seite L1 vorhergesagt, dass ein spinpolarisierter Strom in der Lage wäre, eine Präzession bzw. eine Umkehr der Magneti sierung durch Übertragung des Spin-Winkelmoments zwischen den polarisierten Trägern und dem Magnetmoment des Systems hervorzurufen. In letzter Zeit wurde diese Wirkung experimentell in zur Gänze metallischen Strukturen mit verringerter Größe (< 100 nm) nachgewiesen, wie in der Veröffentlichung Science, Band 285 (1999), Seite 867 beschrieben. Schließlich ist die Verwendung dieser Technik für die Magnetspeicher in dem Dokument US-A-5 695 864 beschrieben. Wie in 2 zu sehen ist, umfasst bei dieser Architektur der Speicherpunkt (30) einen Übergang MTJ (31) und einen Transistor CMOS (32), aber es gibt nur noch zwei Zeilenebenen (33) und (34), wobei die Zeile (33) der Stromzufuhr für das Lesen und Schreiben entspricht und die Zeile (34) der Steuerung des Transistors entspricht, der es ermöglicht, jeden Speicherpunkt (30) einzeln zu adressieren. Die Transistoren (32) werden als Schalter verwendet.
Der MTJ (31) ist wie im Stand der Technik, der vorher beschrieben wurde, von einer Magnetschicht (40), freie Schicht genannt, einer feinen Isolierschicht (41) und einer Magnetschicht (42), verriegelte Schicht genannt, und einer antiferromagnetischen Schicht (43) gebildet, deren Funktion darin besteht, die Magnetisierung der Schicht (42) in einer starren Richtung zu verriegeln. Vorzugsweise kann eine zusätzliche Magnetschicht (44) zur Polarisierung des Schreibstroms auf der Seite der Magnetschicht (40) hinzugefügt werden, die von dieser letztgenannten durch eine nicht magnetische Schicht von geringem elektrischem Widerstand getrennt ist.
Im Lesemodus funktioniert das System wie im Stand der Technik, nämlich derart, dass sich der Transistor (32), der dem zu adressierenden Speicherpunkt (30) entspricht, im gesättigten Modus oder ON durch Senden eines positiven Stromimpulses in die Basis durch die Speicherzeile (34) befindet. Ein Messstrom von geringer Stärke wird dann in die Zeile (33) geschickt, der nur den Speicherpunkt durchströmen kann, dessen Transistor (34) sich in der Position ON befindet. Durch diesen Strom erfolgt eine Messung des Widerstandes des Übergangs (31) des ausgewählten Speicherpunktes (30). Durch Vergleichen mit einem Referenzspeicherpunkt, der hier nicht beschrieben ist, wird so der Zustand bestimmt, der dem Speicherpunkt (30) (1 oder 0) entspricht.
Im Schreibmodus ist die Funktion völlig unterschiedlich zum vorher beschriebenen Stand der Technik. Der ausgewählte Transistor (32) ist im gesättigten Modus oder ON durch Senden eines Stromimpulses in die Zeile (34). Ein Schreibstrom von großer Stärke wird durch die Zeile (33) geschickt, um nur den ausgewählten Speicherpunkt (30) zur durchströmen. Der Schreibstrom wird beim Durchgang durch die Magnetschicht (42) oder (44) in Durchgangsrichtung des Stroms polarisiert, so dass die Spins der Elektronen, die in die Magnetschicht (40) eindringen, mehrheitlich in die Richtung der Magnetisierung der Schicht (42) oder (44) ausgerichtet sind. Wenn die Amplitude dieses stark spinpolarisierten Stroms ausreichend ist, wird die Magnetisierung der Magnetschicht (40) umgekehrt. Das Schreiben mit spinpolarisiertem Strom ist auf Grund seiner Natur auf einen Speicherpunkt beschränkt, da nur der Speicherpunkt, dessen Transistor sich im gesättigten Modus oder „ON" befindet, vom Schreibstrom durchströmt wird, wobei die Adressierfehler inhärent unmöglich sind. Dieser Schreibmodus ist somit wesentlich reproduzierbarer als das im Stand der Technik beschriebene Verfahren. Ein weiterer Vorteil dieser Technik besteht nach den derzeit gültigen theoretischen Modellen darin, dass die Stromdichte, die für die Umkehr der Magnetisierung des Speicherpunktes notwendig ist, nicht mehr vom Umkehrfeld (Hc), einer externen Eigenschaft des Materials, somit von seiner Geometrie und dem eventuellen Vorhandensein von Fehlern abhängt, sondern von der magnetischen Anisotropie (Hk) des Speicherpunktes, einer inneren Eigenschaft des Materials, die somit a priori einfacher zu kontrollieren ist. Insbesondere hängt sie nicht von der Größe und der Form des Speicherpunktes ab, somit bleibt die kritische Stromdichte konstant, wenn die Größe des Speicherpunktes abnimmt, wie in den Generationen zukünftiger Produkte erwartet, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo ein Magnetfeld verwendet wird, das von Stromleitungen erzeugt wird, wo der für das Schreiben notwendige Strom, somit der Verbrauch, mit der Verringerung der Größe des Speicherpunktes zunimmt. Schließlich ist es möglich, mehrere Speicherpunkte gleichzeitig zu beschreiben, was die Datenübertragungsgeschwindigkeit erleichtert.
Leider weist diese Architektur bis heute noch eine ernsthafte Einschränkung auf. Die Umkehr der Magnetisierung durch Einleiten eines polarisierten Stroms erfordert nämlich große Stromdichten, was abgesehen von einem hohen Stromverbrauch für gänzlich metallische Strukturen kein Problem ist, aber bei Tunnelstrukturen des Typs MTJ zu Spannungen an den Klemmen des Übergangs führt, die größer als die üblichen Durchschlagspannungen (ungefähr 1 V je nach Dicke der Isolierschicht (41)) sind. Der Hauptgrund ist durch das Verhältnis (1) gegeben, das in der Veröffentlichung Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159 (1996) L1 angeführt ist, das den kritischen Strom in Abhängigkeit von den anderen Parametern der Struktur ausdrückt:
wobei a der Dämpfungskoeffizient, n der Spinpolarisationsfaktor, t die Dicke der Magnetschicht, H_k das Feld der einachsigen magnetischen Anisotropie und M_S die Magnetisierung der Magnetschicht ist. Bei dieser Formel erhöht der Term 2πMs, der dem Term des entmagnetisierenden Feldes der Magnetschicht (40) entspricht, wesentlich die erforderliche Stromdichte, um die Magnetisierungsumkehr zu beobachten. Sein Einfluss ist zu verstehen, wenn angenommen wird, dass bei der Umkehr der Magnetisierung der Schicht (40) diese eine Präzession auf einen Kegel um ihre Ausgangsrichtung durchführt und somit dazu aus der Ebene der Schicht austritt. Am Umkehrfeld erfolgt diese Präzession derart, dass die Magnetisierung der Schicht (40) gleichsam senkrecht auf die Ebene der Schichten erfolgt, was umso schwieriger ist, als das entmagnetisierende Feld groß ist.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht genau darin, dass die für das Schreiben erforderliche Stromdichte stark verringert wird, um das elektrische Durchschlagen zu vermeiden und den Stromverbrauch des Speichers zu minimieren.
Das Dokument EP-A-1115164 beschreibt eine magnetische Widerstandsvorrichtung, umfassend zwei Magnetschichten und eine nicht magnetische Schicht, die zwischen den beiden Magnetschichten angeordnet ist, wobei mindestens eine der Magnetschichten von einem ferrimagnetischen Material gebildet ist.
Das Dokument Kuo P. C. et al.: „Magnetic properties and microstructure of amorphous CO100-XTBX thinfilms" aus Journal of Applied Physics, American Institute of Physics, New York, U.S.A., Band 84, Nr. 6, vom 15. September 1998, Seiten 3317–3321, XP000786541 ISSN: 0021–8979, beschreibt magnetische Eigenschaften einer Mikrostruktur einer amorphen Legierung, von Seltenerde und eines Übergangsmetalls.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schlägt eine Struktur des Typs MTJ vor, die das entmagnetisierende Feld minimiert, um die Schwellstromdichte, die für das Schreiben notwendig ist, maximal zu senken. Dazu ersetzt sie die üblichen ferromagnetischen Schichten (20, 22) und (40, 42), wie in den 1 und 2 beschrieben, die auf Metallen 3d (Fe, Co, Ni) basieren, und ihre Legierungen durch amorphe Legierungen auf Basis von Seltenerden und Übergangsmetallen, die in der Folge ferrimagnetische amorphe Legierungen (AAF) genannt werden.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 und einen Magnetspeicher nach den Ansprüchen 4 bis 15 vor.
Sie schlägt somit einen Magnetspeicher vor, in dem jeder Speicherpunkt von einem magnetischen Tunnelübergang gebildet ist, umfassend:

– eine Magnetschicht, verriegelte Schicht genannt, deren Magnetisierung starr ist,
– eine Magnetschicht, freie Schicht genannt, deren Magnetisierung umgekehrt werden kann,
– eine Isolierschicht, die zwischen der freien Schicht und der verriegelten Schicht angeordnet ist und jeweils mit diesen beiden Schichten in Kontakt ist.

Erfindungsgemäß ist die freie Schicht aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung auf Basis von Seltenerde und einem Übergangsmetall hergestellt, wobei die magnetische Ordnung der Legierung ferrimagnetischen Typs ist, wobei die freie Schicht von einer im Wesentlichen planaren Magnetisierung ist.
Unter planarer Magnetisierung ist zu verstehen, dass das magnetische Moment in der Ebene der betreffenden Schicht oder im Wesentlichen in dieser Ebene vorhanden ist, wobei ein Winkel von 10 bis 30° zur Ebene als in diese Definition fallend betrachtet wird.
Erfindungsgemäß erfolgt das Beschreiben der Speicherpunkte durch Einleiten eines elektrischen Stroms über einen elektrischen Leiter, der an jedem der Speicherpunkte angeordnet ist, wobei die Elektronen des Stroms über die verriegelte Schicht spinpolarisiert sind.
Die Art der Verwirklichung der Erfindung und die Vorteile, die sich daraus ergeben, gehen besser aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen hervor, die hinweisenden und nicht einschränkenden Charakter haben und sich auf die beiliegenden Figuren beziehen.
ZUSAMMENFASSENDE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1, die bereits beschrieben wurde, ist eine schematische Darstellung der Architektur eines Magnetspeichers des Standes der Technik, dessen Speicherpunkte von einem MTJ gebildet sind.
2 ist eine schematische Darstellung analog zu 1 von einem Magnetspeicher, der das Schreiben durch polarisierten Strom gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt.
3a ist eine schematische Darstellung der Magnetisierung einer AAF.
3b ist eine Kurve, die die Variation der Magnetisierung einer AAF in Abhängigkeit von der Temperatur darstellt.
4a ist eine schematische Darstellung eines Magnetspeichers gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung.
4b ist eine schematische Darstellung eines Magnetspeichers gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung.
5 ist eine detailliertere schematische Darstellung des Speicherpunktes (60) aus 4a.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie oben kurz erwähnt, beruht die Funktion des erfindungsgemäßen Speichers auf dem Einsatz von Materialien AAF und den mit diesen verbundenen spezifischen Eigenschaften. Es werden somit zuerst rasch diese Phänomene im Detail erklärt. Wie in 3a zu beobachten ist, kann die makroskopische Magnetisierung (50) einer Schicht (55) einer AAF in zwei Beiträge gegliedert werden, einen Beitrag auf Grund des Unternetzes der Seltenerdeatome (51), und einen Beitrag auf Grund des Unternetzes der Übergangsmetallatome (52). Auf schematische Weise ergibt sich die makroskopische Magnetisierung (50) aus der vektoriellen Summe der Magnetisierungen der beiden Unternetze (51) und (52).
Überdies sind die Magnetisierungen des Unternetzes der Seltenerde (51) und des Unternetzes des Übergangsmetalls (52) stark miteinander gekoppelt, was zu einem gemeinsamen Verhalten bei der Umkehr der makroskopischen Magnetisierung (50) oder der Neuausrichtung durch eine selektive Erregung eines der Unternetze (51) und (52) führt.
Wenn ferner die chemische Natur und die relative Zusammensetzung der Seltenerde und des Übergangsmetalls sorgfältig ausgewählt werden, ist die magnetische Ordnung ferrimagnetischen Typs, d. h. dass die Magnetisierung des Unternetzes der Seltenerdeatome (51) in eine Richtung zeigt, während die Magnetisierung des Unternetzes der Übergangsmetallatome (52) in die entgegen gesetzte Richtung zeigt. Wie in 3a zu sehen ist, ist das makroskopische magnetische Moment (50) der Gesamtheit der AAF, wenn der Absolutwert der Magnetisierungen (51) und (52) der beiden Unternetze nicht gleich ist, nicht gleich Null.
Wie überdies in 3b zu sehen ist, sind die Temperaturvariationen der Magnetisierungen (51) des Unternetzes der Seltenerde und (52) des Übergangsmetalls sehr unterschiedlich, was zu einer Variation des relativen Umfangs des Beitrags der beiden Unternetze zur resultierenden makroskopischen Magnetisierung mit der Temperatur führt. Im Allgemeinen nimmt die Magnetisierung des Unternetzes der Seltenerde (51) rascher ab als die Magnetisierung des Unternetzes des Übergangsmetalls (52). Wenn die chemische Natur und die relative Zusammensetzung der Seltenerde und des Übergangsmetalls sorgfältig ausgewählt werden, damit die Magnetisierungen (51) und (52) der beiden Unternetze antiparallel sind, gibt es eine Temperatur, Ausgleichstemperatur (53) genannt, bei der diese beiden Magnetisierungen perfekt ausgeglichen werden, d. h. dass sie in der Amplitude gleich und im Vorzeichen entgegen gesetzt sind, wodurch somit die resultierende makroskopische Magnetisierung (50) gleich Null ist. Unter der Ausgleichstemperatur dominiert das Unternetz der Seltenerde (51) und definiert die Richtung der makroskopischen Magnetisierung (50). Über der Ausgleichstemperatur dominiert das Unternetz des Übergangsmetalls (52) und bestimmt die Richtung der makroskopischen Magnetisierung (50).
Überdies divergiert das koerzitive Feld bei der Ausgleichstemperatur (53) und geht gegen Unendlich. Beiderseits der Ausgleichstemperatur nimmt das koerzitive Feld umso rascher ab, je näher die Temperatur der Ausgleichstemperatur (53) ist.
Überdies sind die Elektronen, die zur Magnetisierung des Unternetzes des Übergangsmetalls (52) beitragen, hauptsächlich die leidenden Elektronen (Elektronen 3d), d. h. die Elektronen, die am Transport des elektrischen Stroms beteiligt sind. Die Elektronen hingegen, die für die Magnetisierung des Unternetzes der Seltenerde (51) verantwortlich sind, sind die Elektronen der Kernebenen (Elektronen 4f), die lokalisiert und stark von den anderen Elektronen des Systems eingegrenzt sind.
Schließlich können die inneren Eigenschaften dieser AAF (makroskopische Magnetisierung, magnetische Anisotropie, koerzitives Feld) sehr leicht durch die chemische Natur der eingesetzten Elemente und ihre jeweiligen Konzentrationen kontrolliert werden. Dazu können auch geringe Mengen von Substitutionselementen hinzugefügt werden, im Allgemeinen Übergangsmetalle, feuerfeste Metalle oder Seitenerden, wie beispielsweise, ohne Einschränkung hierauf Mo, Ta, Nb, Zr, Pt, Dy und Sm. Diese Anpassungen ermöglichen es insbesondere, Materialien mit planarer Magnetisierung zu erhalten, wie dies für die freie Schicht der in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Strukturen erforderlich ist.
Unter den in der vorliegenden Erfindung vorgesehenen AAF ist vorzugsweise aber nicht einschränkend die amorphe Legierung aus Gandolinium (Gd) und Kobalt (Co) zu finden, beispielsweise aber nicht einschränkend mit der Zusammensetzung Gd₃₀Co₇₀, die eine ferrimagnetische Ordnung mit einer geringen magnetkristallinen Anisotropie und, wenn die Zusammensetzung sorgfältig ausgewählt wird, einer Ausgleichstemperatur nahe der Funktionstemperatur des Speichers verbindet.
Wie in 4a zu sehen ist, ist der Speicherpunkt des erfindungsgemäßen Speichers von einem MTJ (60) gebildet, umfassend mindestens eine Magnetschicht (61), deren Magnetisierung verriegelt ist, eine Isolierschicht (62) und eine Legierungsschicht AAF (63), deren Magnetisierung umgekehrt werden soll, um den Speicherpunkt (60) zu beschreiben. Eine Stromzuleitung (67) ist auf dem Speicherpunkt (60) angeordnet, und ein Transistor (66), der von der Stromleitung (68) gesteuert wird, ist unter dem Speicherpunkt (60) wie im Stand der Technik angeordnet.
Wie in 4b zu sehen ist, ist vorzugsweise eine antiferrimagnetische Schicht (69) auf der verriegelten Schicht (61) angeordnet, um ihre Magnetisierung zu blockieren.
Wie ebenfalls in 4b zu sehen ist, ist ferner eine zusätzliche magnetische Polarisationsschicht (64) unter der Schicht (63) angeordnet, von der sie durch eine nicht magnetische metallische Schicht (65), beispielsweise aus Gold, getrennt ist. Diese zusätzliche Polarisationsschicht (64), die beispielsweise auf Basis einer Legierung von Terbium und Kobalt hergestellt ist, kann eine Magnetisierung parallel oder senkrecht zur Ebene der Schichten, aus denen der MTJ (60) besteht, besitzen. Diese Schicht ist auch dazu bestimmt, die Spinpolarisation der Stromimpulse beim Schreiben zu gewährleisten, wenn diese von der unteren Stromleitung, insbesondere von dem mit dem Transistor (66) verbundenen Leiter (68), befördert werden.
Vorzugsweise kann die magnetische Schicht (61) von einer Legierung AAF gebildet sein, die identisch oder unterschiedlich zu der Schicht (63) ist und deren Umkehrfeld groß ist, beispielsweise einer Legierung auf Basis von Terbium und Kobalt. Die chemische Natur der Schichten (64) und (65) ist bei der Funktion des Systems von geringerer Bedeutung.
Das Schreibverfahren kann auf folgende Weise beschrieben werden, wie in 5 zu sehen ist, die eine vergrößerte Ansicht des Speicherpunktes (60) aus 4a ist.
Ein Schreibstrom (80) mit großer Amplitude wird in den MTJ (60) eingeleitet. Beim Durchströmen der Schicht (61) wird der Strom (80) stark spinpolarisiert, wenn er in die Schicht (63) eindringt, deren Magnetisierung umgekehrt werden soll. Auf Grund der spezifischen Natur der elektronischen Eigenschaften der Schicht (63), die vorher beschrieben wurden, wirken die Elektronen, die vom Schreibstrom (80) eingeleitet werden und stark spinpolarisiert sind, hauptsächlich mit dem Unternetz des Übergangsmetalls (72) zusammen, was zu einer Übertragung des Spinwinkelmoments zwischen den polarisierten Trägern des eingeleiteten Stroms (80) und dem magnetischen Moment der Atome des Unternetzes des Übergangsmetalls (72) führt. Auf Grund der stark eingegrenzten Natur der Elektronen, die für den Magnetismus in dem Unternetz der Seltenerdeatome (71) verantwortlich sind, ist die Wechselwirkung des Schreibstroms (80) mit den Elektronen sehr gering. Folglich hat der eingeleitete Strom (80) hauptsächlich nur eine Richtung der Magnetisierung in der Schicht (63), jene des Unternetzes der Übergangsatome (72), wodurch die Umkehr des Unternetzes möglich ist, wenn die erforderlichen Bedingungen für Amplitude und Dauer des Stroms (80) eingehalten werden. Auf Grund der starken Kopplung, die zwischen den Unternetzen (71) und (72) vorhanden ist, folgt das Unternetz (71), obwohl es vom eingeleiteten Strom (80) wenig erregt wird, dem Unternetz (72), was die völlige Umkehr der Magnetisierung der Schicht (63) ermöglicht.
Es ist anzuführen, dass die Magnetisierung der Polarisationsschicht (64) im Wesentlichen in der Ebene oder senkrecht auf die Ebene erfolgen kann. Nach den geltenden Modellen erfolgt, wenn die Magnetisierung in der Ebene ist, die Präzession der Magnetisierung der freien Schicht (63) um die Achse, die von der Richtung des Spins der in die frei Schicht eingeleiteten Elektronen definiert wird, dann eine Dämpfung parallel zu dieser Richtung. Die Strompulsdauer muss nun lang genug sein, um es dieser Präzession und dann dieser Dämpfung zu ermöglichen, stattzufinden. Wenn die Magnetisierung der Polarisationsschicht senkrecht auf die Ebene ist, erfolgt nun eine Präzession der Magnetisierung der freien Schicht um eine Achse senkrecht auf die Ebene der Schichten, d. h. sie bleibt in der Ebene der freien Schicht. Wenn die Magnetisierung der freien Schicht in ihrer Ebene um 180° umgeschaltet werden soll, muss nun die Pulsdauer des Schreibstroms derart eingestellt werden, dass die Magnetisierung nur eine halbe Präzessionsdrehung in ihrer Ebene ausführt.
Beim Lesen wird ein Messstrom (81) von geringer Amplitude in den MTJ (60) eingeleitet, und der Wert seines Widerstandes wird durch Vergleichen mit einer Referenzzelle, die nicht in 3 beschrieben ist, wie im Stand der Technik abgelesen. Auch hier wird die spezifische Natur der elektronischen Eigenschaften der AAF genutzt: aus denselben Gründen wie vorher diskutiert, ist die Diffusion der durch den Lesestrom (81) eingeleiteten Elektronen ganz mehrheitlich mit dem Unternetz der Übergangsatome (72) verbunden, was es erlaubt, den Zustand des Speicherpunktes (60) danach zu unterscheiden, ob die Magnetisierung des Unternetzes (72) in eine Richtung oder in die entgegen gesetzte Richtung zeigt. Überdies ist der starke elektrische Widerstand der Schicht (63), der mit ihrer amorphen Natur zusammenhängt, kein Hindernis in der verwendeten Geometrie, da es dem Fachmann bekannt ist, dass der magnetische Tunnelwiderstand im Wesentlichen mit den Schnittstellen der Magnetschichten (61) und (63) mit der Isolierschicht (62), somit mit den einigen Atomebenen beiderseits der Schnittstellen zusammenhängt.
Man versteht somit das Interesse der Erfindung, da das erhaltene System das Schreiben durch einen spinpolarisierten Strom unter Beibehaltung einer geringen makroskopischen Magnetisierung, somit eines geringen Absolutwerts des Schreibstroms, ermöglicht. Der Wert der makroskopischen Magnetisierung kann leicht durch die chemische Natur und/oder die Zusammensetzung der verwendeten Legierungen AAF kontrolliert werden, wodurch der Schreibstrom nach Belieben eingestellt werden kann. Insbesondere kann gewählt werden, dass die Spannung an den Klemmen des MTJ einen vorher bestimmten kritischen Wert nicht überschreitet.
Vorzugsweise kann der starke elektrische Widerstand der AAF genutzt werden, um den Schreibstrom weiter zu verringern, wobei die lokale Erhitzung verwendet wird, die durch die Verbindung des Schreibstroms und den starken elektrischen Widerstand hervorgerufen wird. Wenn die AAF sorgfältig gewählt wird, ermöglicht es eine solche Erhitzung, lokal den relativen Beitrag des Unternetzes der Seitenerde (71) in Bezug zum Unternetz des Übergangsmetalls (72) einerseits zu verringern und das Umkehrfeld des Unternetzes des Übergangsmetalls andererseits zu verkleinern.
Vorzugsweise kann die Magnetschicht (61) als Legierung AAF, vorzugsweise als Legierung AAF mit starkem Umkehrfeld, gewählt werden, um die Notwendigkeit einer Verriegelungsschicht (69) zu umgehen. Auf bevorzugte aber nicht einschränkende Weise kann die Schicht (61) von einer Legierung aus Terbium und Kobalt oder einer Legierung aus Samarium und Kobalt gebildet sein.
Es ist nun zu verstehen, dass durch den Einsatz von AAF, die ein geringes magnetisches Moment bei der Funktionstemperatur des Speichers aufweisen, nach Belieben durch Einwirken auf die Konzentration der jeweiligen Bestandteile der AAF und die Funktionstemperatur des Speicherpunktes gesteuert werden kann, wodurch es möglich wird, die beim Schreiben angelegte Stromdichte deutlich zu verringern, ohne dass die Gefahr eines Durchschlagens des magnetischen Tunnelübergangs bestünde. Tatsächlich kann das Schreiben durch spinpolarisierten Strom verwendet werden und können die damit verbundenen Vorteile genutzt werden:

– Weglassen einer der Stromleitungen und gleichzeitig Positionierung des Auswahltransistors unter dem Speicherpunkt, was zu einem erhöhten Integrationsgrad führt;
– individuelles Adressieren der Speicherpunkte, wobei jede Gefahr eines Adressierfehlers beseitigt wird, was mit der Standardtechnologie von gekreuzten Leitern nicht möglich war.

Ferner ermöglicht es der Einsatz einer freien Schicht mit planarer Magnetisierung, d. h. in der Ebene der Schicht, die Dauer des Pulses zum Schreiben zu verringern, wodurch die Schnelligkeit des Schreibens dieses Speichertyps optimiert wird.

Claims

Verfahren zum Beschreiben eines Magnetspeichers, wobei jeder Speicherpunkt des Magnetspeichers durch einen magnetischen Tunnelübergang (60) gebildet ist, mit folgenden Merkmalen: eine verriegelte Magnetschicht (61) mit einer starren Magnetisierung, eine freie Magnetschicht (63) mit einer Magnetisierung, die invertiert werden kann, eine Isolationsschicht (62), die zwischen der freien Schicht (63) und der verriegelten Schicht (61) liegt und jeweils in Kontakt mit der freien Schicht und der verriegelten Schicht ist, wobei jeder Speicherpunkt auf einer seiner Oberflächen mit einem elektrischen Leiter (67) in Kontakt ist, wobei das Verfahren auf dem Niveau eines Speicherpunktes, der beschrieben werden soll, einen elektrischen Strom in den entsprechenden Leiter einspeist, wobei die verriegelte Schicht des Speicherpunktes eine Spin-Polarisierung des elektrischen Stroms gewährleistet, gekennzeichnet durch: Vorsehen einer freien Schicht (63) in einer amorphen oder nanokristallinen Legierung gestützt auf eine Seltenerde und ein Übergangsmetall für jeden Speicherpunkt, wobei die magnetische Ordnung der Legierung fernmagnetisch ist und wobei die freie Schicht (63) eine im wesentlichen planare Magnetisierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Speicherpunkt während des Einspeisens eines elektrischen Stroms erhitzt wird, um die Größe des magnetischen Moments der freien Magnetschicht (63) zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine zusätzliche Polarisationsschicht (64) vorgesehen wird, die auf der Seite der freien Schicht (63) der verriegelten Schicht (61) gegenüber positioniert wird und von der freien Schicht durch eine nicht-magnetische Metallschicht (65) getrennt wird, wobei die zusätzliche Polarisationsschicht an der Spin-Polarisation des elektrischen Stroms teilnimmt.
Magnetspeicher mit Magnetpunkten, wobei jeder Magnetpunkt durch einen magnetischen Tunnelübergang (60) gebildet ist, mit: einer verriegelten Magnetschicht (61) mit einer starren Magnetisierung; einer freien Magnetschicht (63) mit einer Magnetisierung, die invertiert werden kann; einer Isolationsschicht (62), die zwischen der freien Schicht (63) und der verriegelten Schicht (61) liegt und jeweils in Kontakt mit der freien Schicht (63) und der verriegelten Schicht ist, wobei der Speicher einen elektrischen Leiter (67) aufweist, der auf jedem Speicherpunkt angeordnet ist, wobei der Leiter einen elektrischen Strom in einen zu beschreibenden Speicherpunkt einspeisen kann, wobei der Strom durch die verriegelte Schicht (61) spinpolarisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Schicht (63) auf einer amorphen oder nanokristallinen Legierung basierend auf einer Seltenerd und einem Übergangsmetall hergestellt ist, wobei die magnetische Ordnung der Legierung fernmagnetisch ist und die freie Schicht (63) eine im wesentlichen Planare Magnetisierung aufweist.
Magnetspeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Schicht (63) aus einer Gadolinium- und Kobaltlegierung hergestellt ist.
Magnetspeicher nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die freie Schicht (63) ferner eine geringe Menge eines oder mehrere Ersatzelemente aufweist.
Magnetspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ersatzelemente aus der Gruppe ausgewählt sind, welche umfaßt Zr, Mo, Nb, Ta, Pt, Dy, Sm.
Magnetspeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verriegelte Schicht (61) aus einer amorphen Legierung basierend auf einer Seltenerde und einem Übergangsmetall hergestellt ist, wobei die magnetische Ordnung der Legierung ferrimagnetisch ist.
Magnetspeicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die verriegelte Schicht aus einer amorphen Legierung auf der Basis von Terbium und Kobalt hergestellt ist.
Magnetspeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verriegelte Schicht (61) aus einer amorphen Legierung basierend auf einer Seltenerde und einem Übergangsmetall hergestellt ist, wobei die magnetische Ordnung der Legierung ferromagnetisch ist.
Magnetspeicher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die verriegelte Schicht (61) aus einer Samarium- und Kobaltlegierung hergestellt ist.
Magnetspeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Speicherpunkt ferner eine zusätzliche ferromagnetische Polarisationsschicht (64) aufweist, die auf der Seite der freien Schicht (63), der verriegelten Schicht (61) gegenüber angeordnet und von der freien Schicht durch eine nicht-magnetische Metallschicht (65) getrennt ist, wobei die zusätzliche Polarisationsschicht (64) dazu geeignet ist, dem elektrischen Strom, der in den Speicherpunkt eingespeist wird, eine Spin-Polarisation zu verleihen.
Magnetspeicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Polarisationsschicht (64) eine Magnetisierung aufweist, die senkrecht zu der Ebene der Schichten, welche den magnetischen Tunnelübergang (60) bilden, ist.
Magnetspeicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Polarisationsschicht (64) eine Magnetisierung aufweist, die parallel zu der Ebene der Schichten, welche den magnetischen Tunnelübergang (60) bilden, ist.
Magnetspeicher nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Polarisationsschicht (64) aus einer Terbium- und Kobaltlegierung hergestellt ist.