BR112019012288A2 - célula de memória não volátil, arranjos bidimensional e tridimensional de células de memória, e, método de gravação de dados em e leitura de dados de uma célula de memória não volátil. - Google Patents

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Abstract

uma célula de memória não volátil que compreende: uma camada de armazenamento composta por um material ferromagnético ou ferroelétrico no qual os dados são graváveis como uma direção de polarização magnética ou elétrica; uma camada piezomagnética composta por um material piezomagnético antiperovskita que tem seletivamente um primeiro tipo de efeito na camada de armazenamento e um segundo tipo de efeito na camada de armazenamento dependente do estado magnético e do esforço na camada piezomagnética; e uma camada de indução de esforço para induzir um esforço na camada piezomagnética para, desse modo, comutar do primeiro tipo de efeito para o segundo tipo de efeito.

Description

CÉLULA DE MEMÓRIA NÃO VOLÁTIL, ARRANJOS BIDIMENSIONAL E TRIDIMENSIONAL DE CÉLULAS DE MEMÓRIA, E, MÉTODO DE GRAVAÇÃO DE DADOS EM E LEITURA DE DADOS DE UMA CÉLULA DE MEMÓRIA NÃO VOLÁTIL [001] A presente invenção refere-se a uma célula de memória não volátil (NVM) e a um método de gravação de dados em, e leitura de dados a partir de, uma célula de memória não volátil.
[002] A presente invenção visa a preencher o hiato entre a memória de acesso aleatório (RAM) de computador com alto desempenho, volátil e onerosa e os dispositivos de armazenamento de dados de baixo desempenho, baixo custo e não voláteis, tais como as unidades de disco rígido (HDDs). As tecnologias de NVM emergentes que tentam preencher este hiato são referidas como memória de classe de armazenamento (SCM).
[003] Em termos de melhoria do desempenho do armazenamento de dados, o principal candidato é NAND-Flash, a tecnologia dominante em unidades em estado sólido (SSDs), que é atualmente muito onerosa para substituir os HDDs, e seus baixos durabilidade, desempenho e eficiência energética impedem sua aplicação como RAM. A melhor tecnologia de HDD, tal como a Gravação Magnética Assistida por Calor (HAMR) também sofre de baixo desempenho. Dentre as tecnologias de memória não volátil em desenvolvimento, os principais competidores são RAM de torque de transferência de giro (STT-RAM, sofre de escalonabilidade limitada, exige densidades de corrente relativamente altas para alcançar a comutação entre os estados), RAM Ferroelétrica (FRAM, usa leitura destrutiva e sofre de menor durabilidade), Memória de Mudança de Fase (PCM, sofre de baixas durabilidade e eficiência energética, e se baseia em materiais tóxicos e onerosos), RAM Resistiva (RRAM, usa leitura destrutiva e os arranjos de memória passiva sofrem do problema do caminho sorrateiro) e os dispositivos multicélulas com base nestes princípios.
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2/35 [004] As células de NVM existentes sofrem de uma ou mais das seguintes desvantagens: elas exigem um transistor para ler e/ou gravar dados, elas exigem mais do que dois eletrodos para ler e gravar dados, elas não são empilháveis e, então, não podem ser formadas em arranjos tridimensionais, elas têm baixa densidade de empacotamento em duas dimensões.
Sumário da Invenção [005] A presente invenção provê uma célula de memória não volátil que compreende: uma camada de armazenamento composta por um material ferromagnético no qual os dados são graváveis como uma direção de magnetização; uma camada piezomagnética composta por um material piezomagnético antiperovskita que tem seletivamente um primeiro tipo de efeito na camada de armazenamento e um segundo tipo de efeito na camada de armazenamento dependente do esforço na camada piezomagnética; uma camada de indução de esforço para induzir um esforço na camada piezomagnética para, desse modo, comutar do primeiro tipo de efeito para o segundo tipo de efeito.
[006] Portanto, a presente invenção faz uso das propriedades mutantes de materiais piezomagnéticos antiperovskitas com esforço variável para variar seletivamente a intensidade da interação entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética. Os dois tipos de efeito permitem gravar na célula de memória. A magnetização na camada de armazenamento afeta um estado magnético na camada piezomagnética. O estado magnético na camada piezomagnética afeta as propriedades elásticas da camada piezomagnética devido ao seu forte acoplamento magnetoelástico. A camada piezomagnética forma a placa de topo de um capacitor plano e a medição de sua capacidade é usada para ler o estado magnético da camada de armazenamento (o efeito de magnetocapacitância) usando apenas dois eletrodos.
[007] Em uma modalidade, o primeiro tipo de efeito é aquele em que
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3/35 uma magnetização líquida da camada piezomagnética é forte o suficiente para superar o campo coercivo na camada de armazenamento e para que a magnetização da camada de armazenamento se alinhe com a magnetização da camada piezomagnética através de acoplamento dipolar e o segundo tipo de efeito é aquele em que qualquer campo magnético na camada de armazenamento devido a qualquer magnetização da camada piezomagnética é inferior ao campo coercivo da camada de armazenamento. Portanto, no segundo tipo de efeito, a magnetização da camada de armazenamento não muda de direção.
[008] Portanto, a fim de gravar a informação, a voltagem é aplicada na camada piezelétrica que induz o esforço na camada piezomagnética para mudar sua magnetização. A mudança na magnetização da camada piezomagnética é efetiva para mudar a direção de magnetização da camada de armazenamento devido ao acoplamento dipolar entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética. Depois que a direção de magnetização da camada de armazenamento foi mudada, o esforço na camada (piezelétrica) de indução de esforço é reduzido para um valor pequeno (por exemplo, valor não zero) devido a uma pequena divergência de treliça entre as camadas piezomagnéticas e de indução de esforço ou devido à polarização ferroelétrica da camada de indução de esforço, de maneira tal que a magnetização na camada piezomagnética reduza a um nível de maneira tal que qualquer campo magnético na camada de armazenamento seja inferior ao campo coercivo da camada de armazenamento. Desse modo, a direção de magnetização na camada de armazenamento é inalterada uma vez que o esforço é removido da camada piezomagnética (uma vez que a voltagem é removida da camada piezelétrica).
[009] A vantagem deste arranjo é que os mesmos eletrodos usados para gravar na camada de armazenamento podem ser usados para ler a camada de armazenamento.
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4/35 [0010] Em uma modalidade, a célula de memória não volátil compreende uma camada não magnética entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética para impedir uma tendência de troca entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética. Se uma tendência de troca existia entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética, quando o esforço aplicado na camada piezomagnética a fim de gravar na camada de armazenamento for removido, a direção de magnetização na camada de armazenamento também será afetada. Desse modo, a inclusão de uma camada não magnética entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética permite que a voltagem seja removida da célula de NVM sem perder os dados armazenados na camada de armazenamento.
[0011] Em uma modalidade, o material piezomagnético antiperovskita tem uma temperatura de Néel (TN) maior do que 350 K em um esforço de +/30%, preferivelmente +/- 10%, mais preferivelmente +/- 1%. Isto significa que o material piezomagnético antiperovskita irá manter suas propriedades piezomagnéticas em típicas temperaturas operacionais da célula de memória não volátil e não irá exigir, por exemplo, nenhum arranjo de resfriamento especial para garantir que o material não suba acima da temperatura de Néel e, desse modo, fique paramagnético.
[0012] Em uma modalidade, o material piezomagnético antiperovskita é um material com base em MnsSnN (por exemplo, Mn3-xAxSni.yByNi-z, em que A e B são um ou mais elementos selecionados a partir da lista que inclui: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Em, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn). O Mn3SnN é um material que descobriu-se que tem uma temperatura de Néel de cerca de 475 K, bem como uma grande mudança na magnetização induzida para uma pequena mudança no esforço e pode, desse modo, prover um alto grau de confiabilidade.
[0013] Em uma modalidade, o primeiro tipo de efeito é aquele no qual a camada piezomagnética está no estado paramagnético e nenhuma interação
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5/35 de tendência de troca entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética está presente, desse modo, permitindo que a direção de magnetização da camada de armazenamento seja mudada por um campo magnético externo e o segundo tipo de efeito seja uma interação de tendência de troca na qual o material piezomagnético está no estado antiferromagnético, então, a direção de magnetização da camada de armazenamento é imobilizada pela camada piezomagnética. Um campo magnético externo pode ser um campo comutável aplicado globalmente na íntegra do arranjo ou localmente em cada bit ou um campo perpendicular constante que aciona uma comutação de magnetização precessional. Nesta modalidade, a propriedade recentemente descoberta dos materiais piezomagnéticos antiperovskitas em que eles exibem uma mudança na temperatura de Néel com esforço é aplicada na célula de memória não volátil. Isto permite, quando o material piezomagnético antiperovskita for paramagnético, que a direção de magnetização da camada de armazenamento seja variada. O esforço aplicado no material piezomagnético é, então, liberado, retomando o material piezomagnético antiperovskita para um estado antiferromagnético quando ele imobiliza a direção de magnetização da camada de armazenamento pela interação de tendência de troca. Desse modo, a direção de magnetização na camada de armazenamento é mantida mesmo quando nenhuma voltagem for aplicada na célula de memória. Assim, uma célula de memória como esta não é volátil, altamente resiliente a flutuações térmicas ou campos magnéticos externos, e não é grande consumidor de energia.
[0014] Em uma modalidade, o material piezomagnético tem uma temperatura de Néel que varia com o esforço e em que a temperatura de Néel passa de 293 K quando o esforço for variado de + 30% a -30%, preferivelmente + 10% a -10%, mais preferivelmente + 1% a -1%. Isto significa que o dispositivo pode ser operado em típicas temperaturas ambientes e nenhum aquecimento ou resfriamento (tal como em HAMR) é
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6/35 necessário a fim de que a célula de NVM opere corretamente.
[0015] Em uma modalidade, o material piezomagnético antiperovskita é com base em MnsGaN ou em MnsNiN, por exemplo, Mn3.xAxGai-yByNi-z ou Mn3-xAxNii-yByNi-z, em que A e B são um ou mais elementos selecionados a partir da lista que inclui: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Em, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Descobriu-se que inúmeros destes materiais exibem uma mudança na temperatura de Néel que varia com o esforço em que a temperatura de Néel passa de 293 K quando o esforço for variado de + 1 % a 1% e, também, exibem uma grande mudança na temperatura de Néel nesta faixa de esforço, desse modo, permitindo o controle mais fácil da gravação na camada de armazenamento.
[0016] Em uma modalidade, a célula de memória não volátil compreende pelo menos um eletrodo adicional posicionado adjacente à camada de armazenamento para induzir um campo magnético dependente de em tempo global ou local para mudar a direção de magnetização da camada de armazenamento. Em uma modalidade, a camada adicional tem magnetização constante perpendicular à magnetização da camada de armazenamento para induzir a comutação preces sional da magnetização da camada de armazenamento quando o mesmo ficar desimobilizada pela metade de seu período de precessão. Este mecanismo adicional é vantajoso na modalidade em que o material piezomagnético toma-se paramagnético em um procedimento de gravação a fim de desimobilizar a camada de armazenamento. Uma única fonte do campo magnético aplicado pode ser usada para gravar os dados nas múltiplas células de memória. Em uma modalidade preferida, a camada de indução de esforço é uma camada piezelétrica. Isto permite a rápida comutação entre diferentes taxas de esforço e excelente durabilidade.
[0017] Em uma modalidade, a camada de indução de esforço é um material perovskita. Isto é vantajoso, já que, então, é possível reduzir qualquer
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7/35 divergência de treliça entre a camada de indução de esforço e a camada piezomagnética. Com uma divergência de treliça inferior, o esforço tanto de tensão quanto compressivo pode ser induzido na camada piezomagnética pela camada de indução de esforço e, também, qualquer esforço restante na camada piezomagnética quando a camada de indução de esforço não for ativada (isto é, devido à divergência de treliça) é reduzido. Isto é vantajoso em virtude de melhorar a estabilidade mecânica e a durabilidade da célula de memória.
[0018] Em uma modalidade, uma divergência de treliça entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética e/ou entre a camada piezomagnética e a camada de indução de esforço é menor do que 1%. Isto aumenta a durabilidade do dispositivo e, no caso de baixa divergência entre a camada piezomagnética e a camada de indução, permite que os esforços tanto de tensão quanto compressivo sejam induzidos na camada piezomagnética e, desse modo, habilitam as operações de gravação no primeiro tipo de modalidade. No caso em que a célula de memória não volátil for parte de um arranjo bidimensional ou tridimensional de células de memória, a pequena divergência de treliça habilita que sejam construídos grandes arranjos que, em outras circunstâncias, teriam níveis de esforço inaceitáveis nos mesmos.
[0019] Em uma modalidade, a camada de armazenamento é uma camada de perovskita. Isto é vantajoso já que a divergência de treliça entre as camadas de perovskita e antiperovskitas adjacentes permite a baixa divergência de treliça entre as camadas com as vantagens anexas supramencionadas.
[0020] Em uma modalidade, a célula de memória não volátil compreende adicionalmente: um primeiro eletrodo conectado na camada de armazenamento em um lado oposto à camada piezomagnética; e um segundo eletrodo conectado na camada de indução de esforço em um lado oposto à camada piezomagnética. A memória não volátil pode, então, ser lida e
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8/35 gravada com apenas estes dois eletrodos e sem a necessidade de um transistor em cada célula do arranjo. Assim, a célula de NVM é facilmente endereçável. Em um arranjo bidimensional, as células de memória individuais podem ser endereçadas com o primeiro e o segundo eletrodos compartilhados com outras células do arranjo.
[0021] Em uma modalidade, é provido um arranjo bidimensional ou tridimensional de células de memória que compreendem uma pluralidade de células de memória não volátil da presente invenção. As células de memória da presente invenção são idealmente adequadas para ser incorporadas em um arranjo bidimensional ou tridimensional em virtude de, particularmente se construída com baixa divergência de treliça entre as camadas, tensões não serem constituídas à medida que mais células de memória são formadas adjacentes umas às outras, tanto lateralmente quanto verticalmente. O tamanho de cada célula de memória é pequeno e a necessidade de apenas dois eletrodos para realizar as funções tanto de leitura quanto de gravação significa que uma memória de alta densidade pode ser alcançada.
[0022] Em uma modalidade, é provido um método de gravação de dados em, e leitura de dados a partir de, uma célula de memória não volátil que compreende uma camada de armazenamento e uma camada piezomagnética antiperovskita, o método compreendendo as etapas de: induzir uma polarização em uma primeira ou uma segunda direções na camada de armazenamento para, desse modo, gravar os dados na célula de memória, a polarização da camada de armazenamento na primeira direção induzindo um primeiro estado magnético na camada piezomagnética antiperovskita e a polarização da camada de armazenamento na segunda direção induzindo um segundo estado magnético na camada piezomagnética antiperovskita, e medir uma magnetocapacitância da célula de memória, a magnetocapacitância da camada piezomagnética antiperovskita sendo diferente no primeiro estado magnético em relação ao segundo estado
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9/35 magnético, para, desse modo, ler os dados armazenados na camada de armazenamento.
[0023] Assim, a informação armazenada na camada de armazenamento pode ser lida usando apenas dois eletrodos e sem a necessidade de um transistor e sem sobrescrever os dados armazenados na memória. Isto não é alcançável sem a camada piezomagnética antiperovskita, já que a capacidade de um capacitor ferroelétrico geral é simétrica ao redor da orientação de sua polarização elétrica. Isto é, a magnetocapacitância do bit de memória quando medida em um estado antiferromagnético completamente compensado ou um estado paramagnético da camada piezomagnética antiperovskita é a mesma, independente da direção da polarização ferroelétrica. Inversamente, para o estado antiferromagnético inclinado da camada piezomagnética antiperovskita, a magnetocapacitância varia com a orientação da polarização ferroelétrica que afeta o tamanho da magnetização na camada piezomagnética. Isto é devido ao magnetismo frustrado do material piezomagnético antiperovskita subimobilizar o assim denominado acoplamento magnetoelástico.
[0024] Em uma modalidade, a medição compreende aplicar uma voltagem alternada através da camada de armazenamento e da camada antiperovskita e determinar uma reatância e, desse modo, uma magnetocapacitância da célula de memória. Em uma modalidade, a medição compreende determinar um deslocamento na frequência de ressonância da célula de memória.
[0025] Em uma modalidade, a camada de armazenamento é composta por um material ferromagnético e a polarização é uma polarização magnética, isto é, uma magnetização.
[0026] Em uma modalidade, a indução é realizada pela indução de uma magnetização na camada piezomagnética antiperovskita forte o suficiente para que a polarização magnética da camada de armazenamento se
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10/35 alinhe com a magnetização da camada piezomagnética antiperovskita através de acoplamento dipolar. Assim, o material piezomagnético antiperovskita tem duas funções, tanto permitir que a célula de memória seja lida quanto, também, ser usado na operação de gravação para induzir a polarização na camada de armazenamento. Isto significa que apenas dois eletrodos são necessários para realizar as funções tanto de leitura quanto de gravação e, isto, sem a necessidade de um transistor que usa a energia e consome espaço.
[0027] Em uma modalidade, a memória não volátil compreende adicionalmente uma camada de indução de esforço e a indução de uma magnetização na camada piezomagnética antiperovskita é alcançada pela indução de um esforço na camada piezomagnética antiperovskita usando a camada de indução de esforço. Assim, pela aplicação de uma diferença de potencial através da camada de indução de esforço (que pode ser um material piezelétrico), um esforço pode ser induzido na camada piezomagnética antiperovskita. Um esforço na camada piezomagnética antiperovskita resulta na geração de uma polarização de giro magnético na camada piezomagnética antiperovskita. A polarização de giro magnético na camada piezomagnética antiperovskita, desse modo, induz a magnetização na camada de armazenamento, por exemplo, pelo acoplamento dipolar.
[0028] Em uma modalidade, a indução compreende induzir uma magnetização na camada de armazenamento usando um eletrodo de magnetização. Um eletrodo de magnetização como este pode ser usado para induzir a polarização na primeira ou na segunda direções na camada de armazenamento de múltiplas células de memória não volátil.
[0029] Em uma modalidade, a indução compreende adicionalmente induzir um esforço na camada piezomagnética antiperovskita para, desse modo, tomar a camada piezomagnética antiperovskita paramagnética. Nesta modalidade, a camada piezomagnética antiperovskita é usada como um comutador para permitir a gravação na camada de armazenamento ou para
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11/35 não permitir a gravação na camada de armazenamento. Desse modo, em combinação com o campo magnético extemamente aplicado, um sistema de leitura e gravação de dados na e a partir da célula de memória não volátil pode ser alcançado.
[0030] Em uma modalidade, a célula de memória não volátil compreende adicionalmente uma camada de indução de esforço e a indução esforço é alcançada pela camada de indução de esforço. Assim, pela aplicação de uma diferença de potencial através da camada de indução de esforço (que pode ser um material piezelétrico), um esforço pode ser induzido na camada piezomagnética antiperovskita. Isto pode ser usado para transformar a camada piezomagnética antiperovskita de um material antiferromagnético em um material paramagnético. Este comutador tem pequenos tempos de resposta e boa longevidade, e pode ser usado para imobilizar e para não imobilizar a polarização na camada de armazenamento.
[0031] Em uma modalidade, a camada de armazenamento é composta por um material ferroelétrico e a polarização é uma polarização elétrica. Nesta modalidade, a célula de memória não volátil compreende um primeiro eletrodo conectado na camada piezomagnética antiperovskita em um lado oposto à camada de armazenamento e um segundo eletrodo conectado na camada de armazenamento em um lado oposto à camada piezomagnética antiperovskita, e a indução compreende aplicar uma diferença de potencial através do primeiro e do segundo eletrodos, e a medição compreende medir a magnetocapacitância entre o primeiro e o segundo eletrodos. Um dispositivo como este é extremamente simples e compacto, e pode ser operado no interior de um arranjo sem transistor.
[0032] As modalidades da invenção serão agora descritas a título de exemplo apenas em relação aos, e da forma ilustrada nos, desenhos a seguir:
a figura 1 é uma ilustração esquemática da treliça e da estrutura magnética de um material piezomagnético antiperovskita;
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12/35 a figura 2 é um gráfico de esforço ao longo do eixo geométrico x em função da magnetização líquida induzida ao longo do eixo geométrico y para uma seleção de materiais piezomagnéticos antiperovskitas diferentes;
a figura 3 é um gráfico de esforço ao longo do eixo geométrico x em função de (temperatura de Néel - temperatura de Néel em zero esforço) em Kelvin ao longo do eixo geométrico y para uma seleção de materiais piezomagnéticos antiperovskitas diferentes;
a figura 4 é um gráfico de resultados experimentalmente determinados para Mn3NiN - temperatura de Néel e magnetização da saturação no eixo geométrico y em função do esforço no eixo geométrico c no eixo geométrico x com a magnetização da saturação tomada a partir de laços M-H em 100 K;
a figura 5 é um gráfico do efeito de magnetocapacitância de heteroestrutura MniGaN/Baoj.sSro.isTiOi/SrRuOi no substrato (LaA103)o,3(Sr2TaA106)o,7 em temperatura ambiente;
a figura 6 é um diagrama esquemático seccional transversal de uma célula de memória magnética não volátil de acordo com uma primeira modalidade;
a figura 7 é um diagrama esquemático seccional transversal de uma célula de memória magnética não volátil de acordo com uma segunda modalidade;
a figura 8 é um diagrama esquemático seccional transversal de uma célula de memória elétrica não volátil de acordo com uma terceira modalidade;
a figura 9 é uma vista esquemática em perspectiva de um arranjo de memória magnética bidimensional de acordo com uma modalidade;
a figura 10 é uma explicação da gravação em um arranjo de memória bidimensional da primeira modalidade (e também é aplicável em um
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13/35 arranjo de memória bidimensional da terceira modalidade);
a figura 11 é uma explicação da gravação de um arranjo bidimensional da segunda modalidade;
a figura 12 é uma explicação da leitura de um arranjo de memória bidimensional de todas as três modalidades; e a figura 13 é uma vista esquemática em perspectiva de um arranjo de memória magnética tridimensional de acordo com uma modalidade.
[0033] A presente invenção faz uso das propriedades de antiperovskitas com base em Mn. Estes materiais são conhecidos por exibir o efeito piezomagnético. O efeito piezomagnético é uma mudança na magnetização devido à aplicação de uma tensão que é manifestada no estado antiferromagnético inclinado das antiperovskitas com base em Mn.
[0034] A figura la ilustra a estrutura de uma antiperovskita com base em Mn no estado sem esforço em que não há magnetização líquida. A figura 1b ilustra o caso em que um esforço de tensão é aplicado e há uma magnetização líquida induzida antiparalela à direção [110], e a figura 1c ilustra o caso em que é aplicado um esforço compressivo que induz uma magnetização líquida paralela à direção [110]. Como é ilustrado, na aplicação de um esforço de tensão ou um esforço compressivo, uma polarização de giro magnético líquida (isto é, magnetização) é induzida. A direção da polarização de giro magnético é oposta para esforços de tensão e compressivos.
[0035] A figura 2 é um gráfico ao longo do eixo geométrico x do percentual de esforço de treliça biaxial e ao longo do eixo geométrico y da magnetização induzida. Na figura 2, a variação na magnetização induzida é graficamente representada para quatro tipos diferentes de material antiperovskita com base em Mn. Como pode ser visto, a maior variação no campo magnético com esforço ocorre para MruSnN, com o próximo material mais sensível sendo MnsNiN seguido por Mn^InN e, então, MnsGaN.
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Também é ilustrada a temperatura de Néel em zero por cento de esforço experimentalmente observado para a forma volumosa destes materiais. Acima da temperatura de Néel, os materiais tomam-se paramagnéticos em vez de antiferromagnéticos e, então, o efeito de mudança na polarização de giro magnético com esforço induzido não é observado. Os resultados na figura 2 são os resultados de simulações que foram confirmadas experimentalmente para Mr^NiN (veja a figure 4 que mostra a temperatura de Néel e a magnetização da saturação no eixo geométrico y em função do esforço no eixo geométrico c no eixo geométrico x com a magnetização da saturação tomada a partir dos laços M-H em 100 K).
[0036] Os presentes inventores descobriram que a temperatura de Néel das antiperovskitas com base em Mn muda fortemente com o esforço induzido. A sensibilidade da temperatura de Néel ao esforço induzido é ilustrada na figura 3, em que o esforço é graficamente representado ao longo do eixo geométrico x e o desvio da temperatura de Néel a partir de seu valor em zero esforço em Kelvin ao longo do eixo geométrico y para três antiperovskitas com base em Mn diferentes. Os resultados mostrados na figura 3 são com base em cálculos teóricos que são conhecidos por superestimar a temperatura de Néel (usando a aproximação de campo média KKR-DLM (código mecânico quântico desenvolvido principalmente pelo Professor J B Staunton na Universidade de Warwick)). Embora os valores de temperatura em Kelvin não sejam representativos do que é observado experimentalmente, as variações na temperatura de Néel são indicativas do que é observado experimentalmente. Como pode ser visto, tanto MnsNiN quanto Mn3GaN exibem uma temperatura de Néel em cerca da temperatura ambiente (em zero por cento de esforço, as temperaturas de Néel são 240 K (da forma vista na figura 4) e 300 K, respectivamente, da forma determinada experimentalmente). Uma mudança no esforço na antiperovskita com base em Mn pode ser usada para mudar as propriedades da antiperovskita com base em
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Μη de ser piezomagnéticas (abaixo da temperatura de NéeT) para ser paramagnéticas (acima da temperatura de NéeT). Os resultados para a dependência da temperatura de Néel e a magnetização induzida no esforço em Mr^NiN foram confirmados experimentalmente (figura 4).
[0037] A figura 5 mostra o efeito de magnetocapacitância medido da heteroestrutura MniGaN/BaojsSro^TiOi/SrRuOi no substrato (LaAlOsjoÁSriTaAlOójo,? em temperatura ambiente. O efeito de magnetocapacitância de mais do que 1400% sob um campo magnético de 7 T foi obtido pela aplicação de um bias de 1,5 V DC entre o eletrodo de base (SrRuOs) e um eletrodo de topo de Au. A mudança na capacitância de Bao,75Sro,25Ti03 resulta do esforço interfacial induzido pelo efeito piezomagnético (inverso) da camada de Mn3GaN sob o campo magnético. Percebe-se que o efeito de magnetocapacitância é muito menor em um bias de 0 V DC, se comparado com o efeito de magnetocapacitância em bias de 1,5 V DC. A grande magnetocapacitância subimobiliza o mecanismo de leitura.
[0038] Os presentes inventores desenvolveram as células de NVM com base no entendimento ilustrado nas figuras 1-5 das propriedades de antiperovskitas com base em Mn.
[0039] Na primeira e na segunda modalidades, uma célula de memória não volátil utiliza as propriedades do material piezomagnético antiperovskita com base em Mn ilustrado nas figuras 2-5. As figuras 6 e 7 são diagramas esquemáticos em seccional transversal de células de memória magnéticas não voláteis de acordo com a primeira e a segunda modalidades. As células de NVM compreendem uma camada de armazenamento 10 na qual os dados são graváveis. A camada de armazenamento 10 pode ser composta por um material ferromagnético. Desta maneira, os dados são graváveis como uma direção de magnetização.
[0040] Uma camada piezomagnética 20 também é provida. A camada piezomagnética 20 é composta por um material piezomagnético
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16/35 antiperovskita, preferivelmente, um material piezomagnético antiperovskita com base em Mn. Dependendo do esforço na camada piezomagnética 20, a camada piezomagnética 20 tem seletivamente um primeiro tipo de efeito na camada de armazenamento 10 (por exemplo, quando sob um esforço compressivo ou de tensão) e um segundo tipo de efeito na camada de armazenamento 10 (por exemplo, sob baixo ou nenhum esforço de tensão ou compressivo).
[0041] Uma camada de indução de esforço 30 é provida para induzir um esforço na camada piezomagnética 20 para, desse modo, comutar do primeiro tipo de efeito para o segundo tipo de efeito.
[0042] Um primeiro eletrodo 50 é provido em um lado da camada de armazenamento 10 oposto à camada piezomagnética 20. Um segundo eletrodo 60 é provido em um lado da camada de indução de esforço 30 oposto à camada piezomagnética 20. As camadas 20, 30, e 60 formam um capacitor plano que exibe o efeito de magnetocapacitância usado para ler a informação armazenada não destrutivamente por meio elétrico apenas (da forma descrita a seguir).
[0043] Pela aplicação de uma voltagem através do primeiro e do segundo eletrodos 50, 60, um esforço pode ser induzido na camada de indução de esforço 30. O esforço induzido pela diferença de potencial através do primeiro e do segundo eletrodos 50, 60 na camada de indução de esforço 30 é transferido para a camada piezomagnética 20. Da forma ilustrada nas figuras 2-5, a indução de um esforço na camada piezomagnética 20 muda a propriedade da camada piezomagnética 20 em termos de sua magnetização e/ou em termos de sua temperatura de Néel. A mudança na propriedade da camada piezomagnética 20 tem um efeito (por exemplo, o primeiro tipo de efeito) na camada de armazenamento 10 que é um efeito diferente (por exemplo, o segundo tipo de efeito) dependente do esforço na camada piezomagnética 20.
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17/35 [0044] Em uma modalidade, a camada piezomagnética 20 cresce com a orientação (001) alinhada perpendicular ao plano da camada de indução de esforço 30 e à camada de armazenamento 10. Isto garante bom crescimento epitaxial, formação da estrutura magnética mostrada na figura 1, boa estabilidade mecânica, pequena divergência de treliça com a camada ferroelétrica 30, e a máxima mudança na propriedade (magnetização, primeira modalidade ou temperatura de Néel, segunda modalidade) para um dado esforço em plano.
[0045] A camada de indução de esforço 30 pode ser um material piezelétrico, por exemplo, um material ferroelétrico. Em uma modalidade, a camada de indução de esforço 30 tem uma estrutura perovskita ou antiperovskita. Por exemplo, a camada de indução de esforço pode ser um material (Ba/Sr)TiO3. Ter uma estrutura perovskita pode ser vantajoso em virtude de uma interface bem definida e o forte acoplamento elástico entre a camada de indução de esforço 30 e a camada piezomagnética 20 ser, desse modo, alcançável. Uma interface cristalina limpa resulta em vida útil longa da célula de memória não volátil e uma grande transferência do esforço induzido na camada de indução de esforço 30 ser transferida para a camada piezomagnética 20. Particularmente, no caso da primeira modalidade, uma baixa divergência de treliça entre a camada de indução de esforço 30 e a camada piezomagnética 20 é desejável. Isto é em virtude de, quando nenhuma diferença de potencial for aplicada entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60, ser desejável que muito pouco ou nenhum esforço exista na camada piezomagnética 20. Quando nenhuma diferença de potencial for aplicada, há zero magnetização (ou uma pequena magnetização induzida pela polarização elétrica espontânea da camada de indução de esforço ferroelétrico adjacente ou do esforço residual resultado a partir da divergência de treliça entre a camada de indução de esforço 30 e camada piezomagnética 20) da camada piezomagnética 20 e ser desejável ter uma magnetização na camada
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18/35 piezomagnética 20 tão baixa quanto possível na primeira modalidade quando nenhuma diferença de potencial for aplicada entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60. Alguma divergência entre a camada de indução de esforço 30 e a camada piezomagnética 20 pode resultar em um esforço na camada piezomagnética 20 quando zero diferença de potencial for aplicada entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60. Desde que alguma magnetização na camada piezomagnética 20 em zero diferença de potencial esteja presente entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60, resultando em um campo magnético na camada de armazenamento 10 que é inferior ao campo coercivo da camada de armazenamento 10, isto é aceitável.
[0046] A constante de treliça da camada de indução de esforço 30 e da camada piezomagnética 20 (e entre outras camadas) pode ser ajustada pela mudança das condições de crescimento e da composição (da forma descrita a seguir). Desta maneira, a divergência de treliça entre as várias camadas pode ser ajustada. Desejavelmente, a divergência de treliça entre a camada de armazenamento 10 e a camada piezomagnética 20 e/ou entre a camada piezomagnética 20 e a camada de indução de esforço 30 e/ou entre o primeiro ou o segundo eletrodos 50/60 e sua camada adjacente é menor do que 1%, mais desejavelmente menor do que 0,5%. Isto não apenas resulta em um dispositivo de longa duração e outras propriedades desejáveis, da forma descrita em outra parte desta descrição, mas também significa que é possível desenvolver um arranjo bidimensional ou até mesmo tridimensional das células de memória que se estendem lateralmente e verticalmente, que tem um alto grau de robustez.
[0047] A operação da primeira modalidade da presente invenção será agora descrita com detalhes em relação à figura 6. A modalidade da figura 6 usa o princípio ilustrado na figura 2. Isto é, a fim de gravar os dados na camada de armazenamento 10, uma diferença de potencial é aplicada entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60 em uma certa direção a fim de contrair
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19/35 ou expandir a camada de indução de esforço 30 e, desse modo, aplicar um esforço compressivo ou de tensão na camada piezomagnética 20. A medida que um esforço é induzido na camada piezomagnética 20, uma magnetização irá desenvolver na camada piezomagnética 20 em uma direção de acordo com se o esforço é de tensão ou compressivo. Através de acoplamento dipolar entre a camada piezomagnética 20 e a camada de armazenamento 10, a magnetização espontânea da camada de armazenamento 10 será comutada de acordo com a direção de magnetização da camada piezomagnética 20 no primeiro tipo de efeito. Desta maneira, a direção de magnetização na camada de armazenamento 10 pode ser mudada pela aplicação uma diferença de potencial positiva ou negativa entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60. [0048] Quando a diferença de potencial entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60 for removida, a camada de indução de esforço 30 retoma para sua forma original e o esforço na camada piezomagnética 20 também retorna para seu nível original (próximo de zero, particularmente se houver baixa divergência de treliça entre a camada piezomagnética 20 e a camada de indução de esforço 30). Em decorrência disto, nenhuma magnetização permanece na camada piezomagnética uma vez que a diferença de potencial entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60 foi removida.
[0049] Com magnetização desprezível na camada piezomagnética 20, e considerando que não há efeito de tendência de troca entre a camada piezomagnética 20 e a camada de armazenamento 10, a magnetização da camada de armazenamento 10 permanece fixa pela anisotropia magnética (campo coercivo) da camada de armazenamento ferromagnética (considerando nenhum campo magnético externo) e este é o segundo tipo de efeito.
[0050] Em uma modalidade, a fim de evitar a tendência de troca entre a camada piezomagnética 20 e a camada de armazenamento 10, uma camada não magnética (metálica) 15 pode ser provida entre a camada de
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20/35 armazenamento 10 e a camada piezomagnética 20. A camada não magnética 15 pode ser relativamente fina (da ordem de um nanômetro). Para uma camada fina como esta, a constante de treliça do material irá corresponder àquela das camadas adjacentes (a camada piezomagnética 20 e a camada de armazenamento 10), de maneira tal que nenhum esforço seja induzido pela presença da camada não magnética 15. A camada não magnética 15 impede a tendência de troca entre a camada de armazenamento 10 e a camada piezomagnética 20. O impedimento da tendência de troca entre estas duas camadas significa que, quando a magnetização na camada piezomagnética 20 for removida, qualquer magnetização na camada de armazenamento 10 é não afetada.
[0051] Mesmo se uma pequena magnetização permanecer na camada piezomagnética 20 depois da remoção da diferença de potencial entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60, desde que qualquer campo magnético que age na camada de armazenamento 10 resultante da magnetização da camada 20 seja inferior ao campo coercivo da camada de armazenamento 10, nenhuma mudança na magnetização da camada de armazenamento 10 irá ocorrer. Portanto, a primeira modalidade faz uso de anisotropia magnética (combinação de magneto-cristalino e anisotropia de forma) do material ferromagnético da camada de armazenamento 10. As dimensões laterais de cada bit de memória são menores do que os típicos tamanhos de domínio magnético, então, é considerado que a camada de armazenamento 10 está em um único estado de domínio em que os campos coercivos são determinados pela anisotropia magnética.
[0052] A fim de mudar os dados (direção de magnetização) armazenados na camada de armazenamento 10, uma diferença de potencial oposta na direção àquela previamente aplicada é aplicada entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60. Isto induz o oposto de um esforço de tensão ou compressivo na camada de indução de esforço 30 e, desse modo, na camada
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21/35 piezomagnética 20 e, então, uma magnetização oposta em direção se desenvolve. Desse modo, por meio do acoplamento dipolar, a direção de magnetização na camada de armazenamento 10 muda.
[0053] Na primeira modalidade, o material piezomagnético antiperovskita preferido é MnsSnN ou com base em MnsSnN, já que este material de acordo com a figura 2 exibe a maior mudança do campo magnético induzido com esforço. O material pode ser otimizado para ter um parâmetro de treliça e propriedades piezomagnéticas desejáveis pela mudança de sua composição química, por exemplo, Mn3-xAxSni.yByNi-z, em que A e B são um ou mais elementos selecionados a partir da lista que inclui: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Em, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Ele também pode ser derivado a partir de uma antiperovskita diferente de MniSnN. No geral, ele pode ser qualquer material com piezomagnetismo em temperatura ambiente e boa correspondência de treliça com as outras camadas.
[0054] Em uma modalidade, a camada piezomagnética 20 fica em contato com uma superfície da camada de indução de esforço 30. Em uma modalidade, a camada não magnética 15 fica em contato com a camada piezomagnética 20. Em uma modalidade, a camada de armazenamento 10 fica em contato com a camada não magnética 15. Em uma modalidade, o primeiro eletrodo 50 fica em contato com a camada de armazenamento 10. Em uma modalidade, o segundo eletrodo 60 fica em contato com a camada de indução de esforço 30.
[0055] Em uma modalidade, a camada de armazenamento 10 é um material perovskita ou antiperovskita, por exemplo, CosFeN. A camada de indução de esforço 30 pode ser formada em um eletrodo que é, ele mesmo, formado em um substrato, por exemplo, um substrato de MgO, SrTiOs, Nb:SrTiO3 ou Si. Em uma modalidade, o substrato tem parâmetros de treliça que correspondem àqueles do eletrodo e da camada de indução de esforço 30. Em uma modalidade, o substrato (por exemplo, Nb:SrTiO3 ou Si dopado) no
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22/35 qual as camadas crescem podem ser usados como o eletrodo e um eletrodo separado não é necessário.
[0056] O primeiro eletrodo 50 pode ser feito de um metal ou uma perovskita condutora, tais como Nb:SrTiO3 ou SrRuOi. O segundo eletrodo 60 pode ser feito de Nb:SrTiO3 ou SrRuCb.
[0057] A fim de ler os dados armazenados na camada de armazenamento 10, o uso é feito do efeito de magnetocapacitância. Uma propriedade adicional dos materiais piezomagnéticos antiperovskitas é que sua rigidez muda em decorrência do campo magnético presente nos mesmos devido ao acoplamento magnetoelástico. A presença da magnetização na camada de armazenamento 10 resulta em um campo magnético na camada piezomagnética 20 mesmo em zero esforço. O campo magnético na camada piezomagnética 20 resulta em uma mudança na elasticidade da camada piezomagnética 20, se comparado com quando nenhum campo magnético está presente na camada piezomagnética 20. A mudança na elasticidade da camada piezomagnética 20 pode ser medida como uma mudança na magnetocapacitância do capacitor formado pelas camadas 20, 30, e 60. A mudança na magnetocapacitância é assimétrica, significando que a capacidade medida é diferente para os dois alinhamentos opostos da magnetização na camada de armazenamento 10. Assim, pela medição da magnetocapacitância do capacitor formada pelas camadas 20, 30, e 60, é possível determinar a direção de magnetização na camada de armazenamento 10. Desse modo, pela medição da magnetocapacitância entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60 a direção da magnetização na camada de armazenamento 10 pode ser determinada.
[0058] Uma maneira de medir a magnetocapacitância entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60 compreende aplicar uma voltagem alternada entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60 e medir a resposta (reatância). Isto é explicado adicionalmente a seguir em relação à figura 10.
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23/35 [0059] Desse modo, com apenas dois eletrodos, é possível tanto gravar na camada de armazenamento 10 quanto ler a partir da camada de armazenamento 10 sem a necessidade de um transistor e sem a necessidade de um terceiro ou mais eletrodos. Isto é desejável, já que são possíveis os desenhos de memórias bidimensionais ou tridimensionais que compreendem diversas células de memória não volátil da presente invenção, que são particularmente compactas e simples no desenho.
[0060] Uma segunda modalidade será agora descrita em relação à figura 7. A segunda modalidade é igual à primeira modalidade, exceto como descrito a seguir.
[0061] A segunda modalidade se baseia no comportamento da camada piezomagnética 20, da forma ilustrada nas figuras 3-5. Isto é, a propriedade da camada piezomagnética 20 é comutada do comportamento antiferromagnético (segundo tipo de efeito) para o comportamento paramagnético (primeiro tipo de efeito) pela indução de um esforço na mesma (e, desse modo, mudando a temperatura de Néel para abaixo da temperatura experimentada pela camada piezomagnética 20). Na segunda modalidade, a camada não magnética 15 da primeira modalidade é omitida. Em decorrência disto, existe uma tendência de troca entre a camada de armazenamento 10 e a camada piezomagnética 20 quando a camada piezomagnética for antiferromagnética (por exemplo, quando nenhuma diferença de potencial for aplicada entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60).
[0062] Quando uma diferença de potencial for aplicada entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60, o esforço induzido pela camada de indução de esforço 30 na camada piezomagnética 20 é efetivo para abaixar a temperatura de Néel da camada piezomagnética 20, de maneira tal que a camada piezomagnética antiperovskita 20 fique paramagnética. Quando a camada piezomagnética 20 for paramagnética, nenhuma tendência de troca existe entre a camada piezomagnética 20 e a camada de armazenamento 10.
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Entretanto, quando a camada piezomagnética 20 for antiferromagnética (por exemplo, depois que a diferença de potencial for desativada), uma tendência de troca existe entre a camada piezomagnética 20 e a camada de armazenamento 10. Quando uma tendência de troca existir entre a camada piezomagnética 20 e a camada de armazenamento 10, a direção de magnetização da camada de armazenamento 10 é fixa, mesmo se um campo magnético com maior intensidade do que o campo coercivo estiver presente. A camada 20 pode fixar a magnetização da camada 10 em pelo menos duas direções diferentes, dependendo do estado magnético da camada 10 presente quando a camada 20 se tomar antiferromagnética.
[0063] A segunda modalidade desse modo aplica uma diferença de potencial entre a primeira e a segunda camadas 50, 60 para induzir um esforço na camada piezomagnética 20 (através da camada de indução de esforço 30) para mudar as propriedades da camada piezomagnética 20 entre antiferromagnético inclinado e paramagnético. Uma vez que a camada piezomagnética 20 é paramagnética, é possível mudar a direção de magnetização na camada de armazenamento 10. Isto pode ser alcançado, por exemplo, usando um campo magnético externo. Para este propósito, pelo menos um eletrodo adicional 70 que induz um campo magnético ou uma camada perpendicularmente magnetizada 70 pode ser provido, por exemplo. Os eletrodos adicionais individuais 70 podem agir globalmente através de duas ou mais células de memória, ou localmente em uma única célula de memória. Altemativamente, uma camada adicional com magnetização constante perpendicular à magnetização da camada de armazenamento 10 é incluída para induzir a comutação preces sional da magnetização da camada de armazenamento 10 quando a mesma ficar desimobilizada pela metade de seu período de precessão. Este mecanismo adicional é vantajoso na modalidade em que o material piezomagnético 20 toma-se paramagnético em um procedimento de gravação a fim de desimobilizar a camada de
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25/35 armazenamento 10. Pela indução de um campo magnético na camada de armazenamento 10 usando o eletrodo 70, a direção de magnetização da camada de armazenamento 10 pode ser mudada. Depois que a direção de magnetização na camada de armazenamento 10 foi mudada, para, desse modo, gravar os dados na camada de armazenamento 10, a diferença de potencial aplicada através do primeiro e do segundo eletrodos 50, 60 é removida. Desse modo, a temperatura de Néel da camada piezomagnética 20 é elevada acima da temperatura ambiente, de forma que a camada piezomagnética 20 aja como um antiferromagneto. Quando a camada piezomagnética 20 agir como um antiferromagneto, a direção de magnetização (neste caso, a polarização de giro magnético) da camada de armazenamento 10 é fixa devido à interação de tendência de troca entre a camada piezomagnética 20 e a camada de armazenamento 10. Desse modo, mesmo se o eletrodo de magnetização 70 for usado para gravar a informação em uma célula de memória não volátil adjacente e o campo magnético se estender na camada de armazenamento 10 da célula de memória em consideração, a direção de magnetização da camada de armazenamento 10 da célula de memória em consideração não será mudada.
[0064] Na segunda modalidade, os dados são lidos a partir da célula de memória não volátil da mesma maneira que a primeira modalidade pelo uso do efeito de magnetocapacitância. Entretanto, neste caso, a direção de magnetização na camada de armazenamento é revertida pela aplicação de um esforço abaixo de TN na camada 20 e, então, depois que a camada de armazenamento 10 for revertida, aplica-se um rápido pulso de esforço para tomar a camada piezomagnética 20 paramagnética e, desse modo, redefinir a direção de imobilização sem mudar a nova direção de magnetização da camada de armazenamento 10.
[0065] Na segunda modalidade, o material piezomagnético antiperovskita mais preferido é Mn^GaN ou MriiNiN, ou materiais com base
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26/35 em MnsGaN ou em M113NÍN, tais como, por exemplo, Mn3.xAxGai-yByNi-z ou Mn3-xAxNii-yByNi-z, em que A e B são um ou mais elementos selecionados a partir da lista que inclui: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Em, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn, já que estes materiais têm uma temperatura de Néel em zero esforço grosseiramente igual à temperatura ambiente e à temperatura na qual a memória opera. Preferivelmente, o material piezomagnético tem uma temperatura de Néel que varia com o esforço e em que a temperatura de Néel passa de 293 k quando o esforço for variado de + 30% a -30%, preferivelmente + 10% a -10%, mais preferivelmente +1% a -1%. Se um material como este for usado, não é necessário aquecer ou resfriar a célula de memória não volátil, já que a mudança na temperatura de Néel pode ser efetuada em temperatura ambiente.
[0066] Uma terceira modalidade será agora descrita em relação à figura 8. A terceira modalidade é igual à primeira e à segunda modalidades, exceto da forma descrita a seguir. Na terceira modalidade, a célula de memória não volátil compreende exatamente as mesmas camadas da célula da segunda modalidade, exceto as camadas 10 e 70, que não são necessárias. A informação é armazenada na camada ferroelétrica 30, em vez disto.
[0067] Na terceira modalidade, a camada de armazenamento é uma camada ferroelétrica 30 (como na primeira e na segunda modalidades, mas a propriedade piezelétrica adicional não é agora exigida) em que os dados são graváveis como uma direção da polarização elétrica. Os dados podem ser gravados na célula de memória elétrica não volátil pela aplicação de uma diferença de potencial entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60. Isto pode comutar uma polarização elétrica na camada ferroelétrica 30, dependendo da polaridade da diferença de potencial aplicada. A polarização elétrica irá permanecer uniforme, uma vez que a diferença de potencial entre o primeiro e o segundo eletrodos 50, 60 é removida devido à histerese elétrica do material ferroelétrico.
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27/35 [0068] A polarização elétrica na camada ferroelétrica 30 induz um momento magnético na camada piezomagnética 20. Este momento magnético resulta em uma mudança na magnetocapacitância do capacitor formada pelas camadas 20, 30, e 60 que pode ser medida da mesma maneira que nas primeira e segunda modalidades. Como nas primeira e segunda modalidades, a magnetocapacitância determinada pode ser relacionada à direção da polarização (elétrica no caso da terceira modalidade). Desse modo, os dados armazenados na camada de armazenamento 30 podem ser lidos.
[0069] A leitura e a gravação dos bits de memória em um arranjo N por N com a geometria de barra transversal podem ser alcançadas não destrutivamente e sem um transistor em cada bit seguindo as mesmas etapas como no caso da primeira e da segunda modalidades, da forma descrita a seguir em relação às figuras 9-12.
[0070] Todas as modalidades resistem à fadiga estrutural e são ordens de magnitude melhores neste particular do que uma típica memória flash. A primeira e a segunda modalidades são ainda mais resistentes à fadiga estrutural do que a terceira modalidade.
[0071] Na terceira modalidade, a camada ferroelétrica 30 pode ficar em contato com a camada piezomagnética 20. Em uma modalidade, a camada ferroelétrica 30 é formada por material perovskita ferroelétrico (por exemplo, PbTiCri, SrTiCri, BaTiOs, BaxSri.xTiO3, Ba(ZrxTii_x)TiO3). A camada piezomagnética 20 pode ser formada por qualquer material antiperovskita com base em Mn, tais como MnsSnN, Mn^GaN ou MnsNiN, ou materiais com base em MnsSnN, Mn^GaN ou em MnsNiN, como exposto.
[0072] As células de memória não volátil da presente invenção têm a vantagem de ser facilmente incorporadas em arranjos bidimensionais ou tridimensionais.
[0073] A figura 9 é uma vista esquemática em perspectiva de um arranjo bidimensional de células de memória magnética de acordo com uma
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28/35 modalidade. Como pode ser visto, uma pluralidade de células de memória não volátil de acordo com a primeira ou a segunda modalidades são colocadas em um arranjo bidimensional. O primeiro e o segundo eletrodos 50, 60 são na forma de tiras. Uma pluralidade de primeiro e segundo eletrodos se estende em direções ortogonais e cada eletrodo é conectado em uma pluralidade de células de memória que se estendem ao longo do comprimento do eletrodo 50, 60. Cada célula de memória é, desse modo, individualmente endereçável pela aplicação de uma diferença de potencial entre os eletrodos 50 que se estendem em uma primeira direção e os segundos eletrodos 60 que se estendem na direção ortogonal, da forma supradescrita para cada modalidade (as figuras 10 e 11 mostram os detalhes da diferença de potencial aplicada nas primeira e terceira modalidades e na segunda modalidade, respectivamente). Desta maneira, uma memória não volátil bidimensional densamente empacotada pode ser montada na qual as células de memória individuais são individualmente endereçáveis e nas quais nenhum transistor é necessário para ler ou gravar os dados nas células de memória individuais.
[0074] Da forma explicada anteriormente, na primeira modalidade, a magnetização da camada de armazenamento 10 permanece travada pelo campo coercivo paralelo (estado 1) ou antiparalelo (estado 0) em relação à pequena magnetização da camada piezomagnética 20. Cada estado de alinhamento leva a um diferente estado magnético da camada piezomagnética 20 e, desse modo, a diferentes propriedades elásticas que são detectáveis pela medição da magnetocapacitância. Este mecanismo de gravação permite o endereçamento dos bits individuais integrados em um arranjo N por N em que cada bit é conectado em um dos N condutores de topo e em um de N condutores de base. Os conjuntos de condutores de topo e de base são perpendiculares um ao outro (geometria de barra transversal), da forma ilustrada na figura 9. A figura 10 mostra como gravar o estado de um bit de memória de uma célula de memória de acordo com a primeira modalidade (os
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29/35 mesmos princípios se aplicam na terceira modalidade, mas com a estrutura em camadas diferente). Os potenciais elétricos em DC VtoP e Vg são aplicados nos condutores de topo e de base que contatam a célula de memória de interesse, respectivamente. Um menor potencial em DC (por exemplo, Vtop/3) é aplicado no resto dos condutores de topo e, por exemplo, 2*Vtop/3 é aplicado no resto dos condutores de base. Isto resulta em uma grande voltagem (Vtop, em que Vg=0 é o aterramento) no bit de memória de interesse que induz um esforço na camada piezomagnética 20 que, por sua vez, induz uma magnetização que é grande o suficiente para superar o campo coercivo da camada de armazenamento 10 e comuta sua magnetização. Todas as outras células de memória individuais do arranjo são sujeitas a uma voltagem que é apenas um terço (2*VtoP/3-VtoP/3=Vtop/3) da voltagem de comutação (Vtop), então, seu estado não é afetado (uma voltagem abaixo de um limite definido pelo campo coercivo).
[0075] A fim de ler a informação, da forma ilustrada na figura 12, uma pequena voltagem CA é aplicada nas placas do capacitor (camada piezomagnética 20 e a camada de contato de base 60) que não é grande o suficiente para induzir um esforço que pode alterar o estado magnético da camada de armazenamento 10, mas permite uma medição de reatância e, desse modo, da capacidade do bit de memória. A capacidade depende da permissividade e das dimensões relativas da camada de indução de esforço isolante 30, que, por sua vez, depende das propriedades elásticas da camada piezomagnética 20, que depende do alinhamento da magnetização na camada de armazenamento 10 (ou 30 no cenário 3). Este mecanismo de leitura permite o endereçamento de bits individuais integrados no arranjo N por N supradescrito. Para ler um bit de memória, uma voltagem CA é aplicada nos condutores de topo e de base que contatam o bit de memória relevante e uma voltagem CA com fase oposta é aplicada em todos os condutores que não contatam o bit de memória relevante. Desse modo, em qualquer ponto no
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30/35 tempo, a voltagem em qualquer bit conectado no mesmo condutor do bit de memória relevante é zero e a voltagem em qualquer outro bit é do mesmo tamanho, mas de polaridade oposta à voltagem no bit de memória de interesse. Portanto, a capacidade do bit de memória de interesse pode ser lida sem ser afetada pelo sinal proveniente de outros bits conectados nos mesmos condutores e sem afetar o estado da memória de qualquer bit (leitura não destrutiva).
[0076] Altemativamente, a diferença da magnetocapacitância entre os dois estados magnéticos da camada piezomagnética pode ser determinada como um deslocamento de uma frequência de ressonância de um circuito em que a única célula de memória é o capacitor e o indutor fica em uma unidade de controle externo ao arranjo de memória.
[0077] Para gravar o estado de um bit de memória em particular da segunda modalidade em um arranjo N por N com a geometria de barra transversal supradescrita, os potenciais elétricos em DC VtoP e Vg são aplicados nos condutores de topo e de base que contatam o bit de memória em particular, respectivamente, da forma ilustrada na figura 11. Uma voltagem oposta é aplicada em todos os condutores que não contatam o bit de memória em particular (Vtop em relação aos condutores de base e Vg em relação aos condutores de topo). Isto resulta em uma grande voltagem (Vtop - Vg) no bit de memória em particular que induz um esforço na camada piezomagnética 20 que toma esta camada paramagnética, então, o bit de memória em particular é gravável por um campo magnético externo (não ilustrado na figura 11). Todos os outros bits de memória do arranjo são sujeitos a zero voltagem ou à mesma voltagem com polaridade oposta (Vg - VtOp), então, sua temperatura de Néel é ainda mais acima da temperatura ambiente e a magnetização de sua camada de armazenamento é fixa.
[0078] A leitura no arranjo N por N da segunda modalidade é a mesma do caso das primeira e terceira modalidade descritas em relação à
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31/35 figura 12.
[0079] Na terceira modalidade, a gravação é alcançada pela aplicação de uma voltagem DC, como no caso da primeira modalidade. Entretanto, desta vez a voltagem deve ser grande o suficiente para comutar uma polarização ferroelétrica de um bit selecionado entre uma primeira e uma segunda direções na camada ferroelétrica 30 para, desse modo, gravar os dados na célula de memória, a polarização ferroelétrica da camada ferroelétrica 30 na primeira direção induz um primeiro estado magnético na camada piezomagnética antiperovskita 20 e a polarização ferroelétrica da camada ferroelétrica 30 na segunda direção induz um segundo estado magnético na camada piezomagnética antiperovskita 20; a voltagem aplicada no resto dos bits não é suficiente para comutar sua polarização elétrica; a voltagem é, então, removida, o que não afeta a polarização ferroelétrica. O método de leitura compreende as etapas de: uma voltagem CA é aplicada no arranjo de memória 2D, como no primeiro tipo de modalidade, da forma ilustrada na figura 12, para medir uma magnetocapacitância da célula de memória selecionada, a voltagem aplicada em qualquer ponto no tempo no resto das células conectadas nos mesmos condutores é zero. A magnetocapacitância do bit de memória selecionado é diferente no primeiro estado magnético em relação ao segundo estado magnético da camada piezomagnética, desse modo, permitindo ler os dados armazenados na camada de armazenamento.
[0080] Para todas as modalidades, em virtude da baixa divergência de treliça entre as camadas individuais, é possível construir um arranjo de memória tridimensional usando os princípios similares nos quais os eletrodos entre as camadas das células de memória são usados para endereçar as células de memória em ambos os lados deste eletrodo. A fim de poder alcançar os eletrodos que passam na direção x-y, a largura das camadas nas direções x e y diminui com a altura. Uma memória como esta é ilustrada esquematicamente
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32/35 na figura 13.
[0081] Outros arranjos de arranjos bidimensionais e tridimensionais são possíveis e estão no escopo dos versados na técnica.
[0082] As multicamadas deste dispositivo podem ser manufaturadas usando qualquer método de deposição de fino filme, otimizado para as camadas exigidas. Por exemplo, uma deposição por laser pulsado (PLD) pode ser usada. Um exemplo das condições de crescimento para cada fino filme vem a seguir.
Etapa 1: Seleção e limpeza de substrato.
[0083] Qualquer substrato de óxido adequado (por exemplo, MgO, SrTiCh, Nb:SrTiO3, (LaAlCbjo^SriTaAlOójo,?) ou Si podem ser usados como o substrato. O substrato é limpo com um procedimento de limpeza por solvente padrão antes do crescimento. O procedimento de limpeza por solvente padrão que pode ser uma limpeza de três minutos em um banho ultrassônico com Acetona, então, Isopropanol e, finalmente, Agua Destilada, com uma secagem por sopro com N2 depois de cada etapa de solvente. Em uma modalidade, o substrato pode se tomar o eletrodo de base 60.
Etapa 2: Crescimento Multicamadas (PLD e Pulverização Catódica por Magneto).
[0084] Os finos filmes são depositados por PLD usando um laser de excímero (KrF) (λ = 248 nm). Alvos estequiométricos de fase única de SrRuOs, Nb:SrTiO3, BaTiOs, BaxSri.xTiO3, BaZrxTii.xO3, MnsSnN e MnsGaN, respectivamente, passam por ablação por um laser com fluência de 0,8 J/cm2 em 10 Hz.
[0085] Camada 1-0 segundo Eletrodo 60 - fino filme de SrRuOi de 100 nm cresce a 700°C - 780°C em uma pressão parcial de O2 de 50 - 300 mTorr. Depois da deposição, o filme crescido é subsequentemente pósrecozido no local por 20 minutos na temperatura de crescimento sob uma pressão parcial de O2 de 600 Torr. Então, a amostra é resfriada até a
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33/35 temperatura ambiente em 10°C/min em uma pressão parcial de O2 de 600 Torr.
[0086] Ou o fino filme de Nb:SrTiO3 de 100 nm, crescido a 700°C em uma pressão parcial de O2 de 0 - 60 mTorr. Depois do crescimento, a amostra é resfriada até a temperatura ambiente a 10°C/min em uma pressão parcial de O2 de 600 Torr.
[0087] Camada 2-0 material piezelétrico do fino filme da camada de indução de esforço de BaTiOs (BaxSri.xTiO3 ou BaZrxTii.xO3) de 30 - 100 nm cresce a 750°C - 800°C em uma pressão parcial de O2 de 150 - 300 mTorr. Depois do crescimento, a amostra é resfriada até a temperatura ambiente em 10°C/min em uma pressão parcial de O2 de 600 Torr.
[0088] Camada 3 - A camada piezomagnética 20 de MnsXN, em que X é qualquer elemento adequado - por exemplo, o fino filme de MniSnN de 100 nm cresce a 300°C - 550°C sob uma pressão parcial de N2 de 0 - 12 mTorr. Depois do crescimento, a amostra é resfriada até a temperatura ambiente a 10°C/min sob uma pressão parcial de N2 de 0 - 12 mTorr.
[0089] Ou o Mn^GaN de 100 nm crescido a 300°C - 550°C sob uma pressão parcial de N2 de 0 - 12 mTorr. Depois do crescimento, a amostra é resfriada até a temperatura ambiente a 10°C/min sob a pressão parcial de N2 de 0 - 12 mTorr.
[0090] Camada Espaçadora (apenas para a modalidade 1) - O paramagneto de perovskita da camada não magnética 15 - um fino filme de Platina (Pt) de 1~2 nm cresce em uma amostra (composta pelo substrato, camadas 60, 30, e 20) por Pulverização Catódica por Magneto DC. A amostra é aquecida a 800°C em vácuo ultra alto e recozida por 1 hora. O fino filme de Pt é depositado em potência de 100 W DC. Depois do crescimento, a amostra é resfriada até a temperatura ambiente em 10°C/min sob vácuo.
[0091] Camada 4-0 material ferromagnético da camada de armazenamento 10 - um fino filme de CosFeN de 20-50 nm cresce a 300°C
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34/35
500°C por Pulverização Catódica por Magneto RF a partir de um alvo de Co3Fe em atmosfera da mistura de gás de Ar+Nz em 5-20 mTorr na qual a concentração em volume do gás N2 está em uma faixa de 5 - 15%. Depois do crescimento, a amostra é resfriada até a temperatura ambiente em 10°C/min.
[0092] Camada 5-0 Primeiro Eletrodo de 50 - 100 nm de um metal (por exemplo, Pt, Au) ou um fino filme de perovskita condutor (por exemplo, SrRuO3, Nb:SrTiO3).
[0093] O fino filme de Pt de 100 nm cresce por Pulverização Catódica por Magneto DC. A amostra é aquecida até 800°C em vácuo ultra alto e recozida por 1 hora. O fino filme de Pt é depositado em potência de 100 W DC. Depois do crescimento, a amostra é resfriada até a temperatura ambiente a 10°C/min sob vácuo.
[0094] Ou o fino filme de SrRuO3 de 100 nm cresce a 700°C - 780°C sob uma pressão parcial de O2 de 50 - 300 mTorr. Depois da deposição, o filme crescido é subsequentemente pós-recozido no local por 20 minutos na temperatura de crescimento sob uma pressão parcial de O2 de 600 Torr. Então, a amostra é resfriada até a temperatura ambiente a 10°C/min sob a pressão parcial de O2 de 600 Torr.
[0095] Ou o fino filme de Nb:SrTiO3 de 100 nm, crescido a 700°C em uma pressão parcial de O2 de 0 - 60 mTorr. Depois do crescimento, a amostra é resfriada até a temperatura ambiente a 10°C/min em uma pressão parcial de O2 de 600 Torr.
Etapa 3: Fotolitografia.
[0096] Um processo de fotolitografia padrão foi implementado para aplicar um padrão de arranjo. Para os dispositivos 2D, todas as camadas podem ser depositadas e, então, padronizadas. Para o dispositivo de empilhamento 3D, cada camada da célula de memória precisa ser padronizada antes da próxima camada ser depositada.
Etapa 4: Gravação.
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35/35 [0097] Um processo de Fresagem por Ion de Argônio padrão para remover o material e transferir o padrão a partir da fotolitografia sobre a amostra, ou qualquer outra técnica de Gravação química ou física adequada, são implementados.

Claims (28)

1. Célula de memória não volátil, caracterizada pelo fato de que compreende:
uma camada de armazenamento composta por um material ferromagnético no qual os dados são graváveis como uma direção de magnetização;
uma camada piezomagnética composta por um material piezomagnético antiperovskita que tem seletivamente um primeiro tipo de efeito na camada de armazenamento e um segundo tipo de efeito na camada de armazenamento dependente do esforço na camada piezomagnética; e uma camada de indução de esforço para induzir um esforço na camada piezomagnética para, desse modo, comutar do primeiro tipo de efeito para o segundo tipo de efeito.
2. Célula de memória não volátil de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro tipo de efeito é aquele em que uma magnetização líquida da camada piezomagnética é forte o suficiente para superar o campo coercivo na camada de armazenamento e para que a magnetização da camada de armazenamento se alinhe com a magnetização da camada piezomagnética através de acoplamento dipolar e o segundo tipo de efeito é aquele em que qualquer campo magnético na camada de armazenamento devido a qualquer magnetização na camada piezomagnética é inferior ao campo coercivo da camada de armazenamento.
3. Célula de memória não volátil de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente uma camada não magnética entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética para impedir uma tendência de troca entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética.
4. Célula de memória não volátil de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que o material
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2/6 antiperovskita tem uma temperatura de Néel maior do que 350 K em um esforço de +/- 30%, preferivelmente +/- 10%, mais preferivelmente +/- 1%.
5. Célula de memória não volátil de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o material piezomagnético antiperovskita é MnsSnN ou com base em MnsSnN, tal como Mn3-xAxSni-yByNi-z, em que A e B são um ou mais elementos selecionados a partir da lista que inclui: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Em, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn.
6. Célula de memória não volátil de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro tipo de efeito é aquele no qual a camada piezomagnética está no estado paramagnético e nenhuma interação de tendência de troca entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética está presente, desse modo, permitindo que a direção de magnetização da camada de armazenamento seja mudada por um campo magnético externo e o segundo tipo de efeito é uma interação de tendência de troca na qual o material piezomagnético está no estado antiferromagnético e a direção de magnetização da camada de armazenamento é imobilizada pela camada piezomagnética.
7. Célula de memória não volátil de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que o material piezomagnético antiperovskita tem uma temperatura de Néel que varia com o esforço e em que a temperatura de Néel passa de 293 K quando o esforço for variado de + 30% a -30%, preferivelmente + 10% a -10%, mais preferivelmente +1% a 1%.
8. Célula de memória não volátil de acordo com as reivindicações 6 ou 7, caracterizada pelo fato de que o material piezomagnético antiperovskita é Mi/GaN ou Mi/NiN, ou com base em Mi/GaN ou em MnsNiN, tais como Mn3.xAxGai.yByNi-z ou Mn3.xAxNii.yByNi. z, em que A e B são um ou mais elementos selecionados a partir da lista que
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3/6 inclui: Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Em, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn.
9. Célula de memória não volátil de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um eletrodo adicional para aplicar um campo magnético posicionado adjacente à camada de armazenamento para mudar a direção de uma magnetização da camada de armazenamento.
10. Célula de memória não volátil de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a camada de indução de esforço é uma camada piezelétrica e/ou um material perovskita.
11. Memória não volátil de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizada pelo fato de que uma divergência de treliça entre a camada de armazenamento e a camada piezomagnética e/ou entre a camada piezomagnética e a camada de indução de esforço é menor do que 1%.
12. Memória não volátil de acordo com qualquer reivindicação anterior, caracterizada pelo fato de que a camada ferromagnética tem uma estrutura perovskita ou antiperovskita.
13. Célula de memória não volátil de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:
um primeiro eletrodo conectado na camada de armazenamento em um lado oposto à camada piezomagnética.
14. Célula de memória não volátil de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente:
um segundo eletrodo conectado na camada de indução de esforço em um lado oposto à camada piezomagnética.
15. Célula de memória não volátil de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizada pelo fato de que a divergência de treliça entre o eletrodo e sua camada adjacente é 1% ou menos.
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16. Arranjo bidimensional de células de memória, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade das células de memória não volátil, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15 em um arranjo bidimensional.
17. Arranjo tridimensional de células de memória, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade das células de memória não volátil, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15 em um arranjo tridimensional.
18. Método de gravação de dados em e leitura de dados de uma célula de memória não volátil que compreende uma camada de armazenamento e uma camada piezomagnética antiperovskita, caracterizado pelo fato de que o método compreende as etapas de:
induzir uma polarização em uma primeira ou uma segunda direção na camada de armazenamento para, desse modo, gravar os dados na célula de memória, a polarização da camada de armazenamento na primeira direção induzindo um primeiro estado magnético na camada piezomagnética antiperovskita e a polarização da camada de armazenamento na segunda direção induzindo um segundo estado magnético na camada piezomagnética antiperovskita; e medir uma magnetocapacitância da célula de memória, a magnetocapacitância da camada piezomagnética antiperovskita sendo diferente no primeiro estado magnético do que no segundo estado magnético, para, desse modo, ler os dados armazenados na camada de armazenamento.
19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a medição compreende aplicar uma voltagem alternada através da camada de armazenamento e da camada antiperovskita e determinar uma reatância e, desse modo, a magnetocapacitância da célula de memória.
20. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado
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5/6 pelo fato de que a medição compreende determinar um deslocamento na frequência de ressonância da célula de memória.
21. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 20, caracterizado pelo fato de que a camada de armazenamento é composta por um material ferromagnético e a polarização é uma polarização magnética.
22. Método de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a indução é realizada pela indução de uma magnetização na camada piezomagnética antiperovskita forte o suficiente para que a polarização magnética da camada de armazenamento se alinhe com a magnetização da camada piezomagnética antiperovskita através de acoplamento dipolar.
23. Método de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que a célula de memória não volátil compreende adicionalmente uma camada de indução de esforço e indução de uma magnetização na camada piezomagnética antiperovskita é alcançada pela indução de um esforço na camada piezomagnética antiperovskita usando a camada de indução de esforço.
24. Método de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de que a indução compreende induzir uma magnetização na camada de armazenamento usando um eletrodo de magnetização.
25. Método de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que a indução compreende adicionalmente induzir um esforço na camada piezomagnética antiperovskita para, desse modo, tomar a camada piezomagnética antiperovskita paramagnética.
26. Método de acordo com a reivindicação 25, caracterizado pelo fato de que a célula de memória não volátil compreende adicionalmente uma camada de indução de esforço e a indução de um esforço é alcançada pela camada de indução de esforço.
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6/6
27. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 20, caracterizado pelo fato de que a camada de armazenamento é composta por um material ferroelétrico e a polarização é uma polarização elétrica.
28. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 27, caracterizado pelo fato de que a célula de memória não volátil compreende um primeiro eletrodo conectado na camada piezomagnética antiperovskita em um lado oposto à camada de armazenamento e um segundo eletrodo conectado na camada de armazenamento em um lado oposto à camada piezomagnética antiperovskita, e a indução compreende aplicar uma diferença de potencial através do primeiro e do segundo eletrodos, e a medição compreende medir a magnetocapacitância entre o primeiro e o segundo eletrodos.
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