DE10128154A1 - Digitale magnetische Speicherzelleneinrichtung - Google Patents

Abstract

Digitale magnetische Speicherzelleneinrichtung für Lese- und/oder Schreiboperationen, mit einem weichmagnetischen Lese- und/oder Schreibschichtsystem und mindestens einem hartmagnetischen, als AAF-System ausgebildeten Referenzschichtsystem, umfassend einen AAF-Schichtverbund sowie wenigstens eine Referenzschicht, wobei das Referenzschichtsystem wenigstens eine ferromagnetische Schicht umfasst, die benachbart zu einer Magnetschicht des AAF-Schichtverbunds angeordnet ist, wobei die Dicke der antiferromagnetischen Schicht (10) derart bemessen ist, dass sie eine unaxiale Anisotropie aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale magnetische Speicherzel­ leneinrichtung für Lese- und/oder Schreiboperationen, mit ei­ nem weichmagnetischen Lese- und/oder Schreibschichtsystem und mindestens einem hartmagnetischen, als AAF-System ausgebilde­ ten Referenzschichtsystem umfassend einen AAF-Schichtverbund sowie wenigstens eine Referenzschicht, wobei das Referenz­ schichtsystem wenigstens eine antiferromagnetische Schicht umfasst, die benachbart zu einer Magnetschicht des AAF- Schichtverbunds angeordnet ist.

Eine derartige digitale Speicherzelleneinrichtung dient zum Speichern von Informationen auf magnetischer Basis. Eine ein­ zelne Speicherzelleneinrichtung ist in der Regel Teil einer Speichereinrichtung, häufig auch MRAM (magnetic random access memory) genannt. Mit einem derartigen Speicher können Lese- und/oder Schreiboperationen durchgeführt werden. Jede einzel­ ne Speicherzelleneinrichtung umfasst ein weichmagnetisches Lese- und/oder Schreibschichtsystem, das über eine Zwischen­ schicht von einem hartmagnetischen, beim vorliegenden Typ an Speicherzelleneinrichtung als AAF-System ausgebildeten hart­ magnetischen Referenzschichtsystem getrennt ist. Die Magneti­ sierung der Referenzschicht des Referenzschichtsystems ist stabil und ändert sich in einem anliegenden Feld nicht, wäh­ rend die Magnetisierung des weichmagnetischen Lese- und/oder Schreibschichtsystems über ein anliegendes Feld geschaltet werden kann. Die beiden magnetischen Schichtsysteme können zueinander parallel oder antiparallel magnetisiert sein. Die beiden vorgenannten Zustände stellen jeweils ein Bit von In­ formationen dar, d. h. den logischen Null ("0")- oder Eins ("1")-Zustand. Ändert sich die relative Orientierung der Mag­ netisierung der beiden Schichten von parallel nach antiparal­ lel oder umgekehrt, so ändert sich der Magnetowiderstand über diese Schichtstruktur um einige Prozent. Diese Änderung des Widerstands kann für das Auslesen in der Speicherzelle abge­ legter digitaler Information verwendet werden. Die Änderung des Zellwiderstands kann durch eine Spannungsänderung erkannt werden. Beispielsweise kann bei Spannungszunahme die Zelle mit einer logischen Null ("0") und bei einer Spannungsabnahme die Zelle mit einer logischen Eins ("1") belegt werden. Be­ sonders große Widerstandsänderungen im Bereich von einigen Prozent wurden bei Änderung der Magnetisierungsausrichtung von parallel nach antiparallel und umgekehrt in Zellstruktu­ ren vom GMR-Typ (giant magneto resistance) oder dem TMR-Typ (tunnel magneto resistance) beobachtet.

Ein wichtiger Vorteil derartiger magnetischer Speicherzellen liegt darin, dass auf diese Weise die Information persistent gespeichert ist, und ohne Aufrechterhaltung irgendeiner Grundversorgung auch bei ausgeschaltetem Gerät gespeichert und nach Einschalten des Geräts sofort wieder verfügbar ist, anders als bei bekannten herkömmlichen Halbleiterspeichern.

Ein zentraler Bestandteil hierbei ist das Referenzschichtsys­ tem, das als AAF-System (AAF = artifical anti ferromagnetic) ausgebildet ist. Ein derartiges AAF-System ist aufgrund sei­ ner hohen magnetischen Steifigkeit und der relativ geringen Kopplung zum Lese- und/oder Schreibschichtsystem durch den sogenannten Orange-Peel-Effekt und/oder durch makroskopische magnetostatische Kopplungsfelder von Vorteil. Ein AAF-System besteht in der Regel aus einer ersten Magnetschicht oder ei­ nem Magnetschichtsystem, einer antiferromagnetischen Kopp­ lungsschicht und einer zweiten magnetischen Schicht oder ei­ nem magnetischen Schichtsystem, das mit seiner Magnetisierung über die antiferromagnetische Kopplungsschicht entgegenge­ setzt zur Magnetisierung der unteren Magnetschicht gekoppelt wird. Ein solches AAF-System kann z. B. aus zwei magnetischen Co-Schichten und einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht aus Cu gebildet werden.

Um die Steifigkeit des AAF-Systems, also seine Resistenz ge­ gen externe äußere Felder zu verbessern ist es üblich, an der dem Lese- und/oder Schreibschichtsystem abgewandten Magnet­ schicht des AAF-Systems eine antiferromagnetische Schicht an­ zuordnen. Über diese antiferromagnetische Schicht wird die direkt benachbarte Magnetschicht in ihrer Magnetisierung zu­ sätzlich gepinnt, so dass das AAF-System insgesamt härter wird (exchange pinning oder exchange biasing).

Die magnetische Steifigkeit des AAF-System korrespondiert mit der Amplitude des angelegten externen Feldes, das zum Drehen der Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten in die gleiche Richtung, also zur Parallelstellung erforder­ lich ist. Hierüber wird das magnetische Fenster für Lese- und Schreibanwendungen einer solchen Speicherzelleneinrichtung begrenzt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Speicherzel­ leneinrichtung anzugeben, die ein größeres magnetisches Fens­ ter oder Operationsfenster aufweist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Speicherzellenein­ richtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgese­ hen, dass die Dicke der antiferromagnetischen Schicht derart bemessen ist, dass sie eine uniaxiale Anisotropie aufweist.

Bei bekannten Speicherzelleneinrichtungen ist die antiferro­ magnetische Schicht, die die Magnetisierung der darüber be­ findlichen ferromagnetischen Schichten durch exchange biasing pinnt, beachtlich dick, was dazu führt, dass eine unidirekti­ onale Anisotropie gegeben ist. Eine unidirektionale Anisotro­ pie führt jedoch zu asymmetrischen Hysteresekurven, die ih­ rerseits wiederum zu schmäleren magnetischen Fenstern oder Operationsfenstern führen.

Der Erfindung liegt nunmehr die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine weitestgehend symmetrische Hysteresekurve dann er­ reichen lässt, wenn die antiferromagnetische Schicht derart dünn ist, dass sie lediglich eine uniaxiale Anisotropie auf­ weist. Hierdurch lässt sich das magnetische Fenster bei Ver­ wendung gleicher Materialien zur Bildung der Speicherzellen­ einrichtung deutlich verbreitern. Darüber hinaus erhöht sich die thermische Stabilität der Einrichtung, da die blocking- Temperatur, also die Temperatur, oberhalb welcher die Ani­ sotropie der antiferromagnetische Schicht verlorengeht, zu­ nimmt, was hinsichtlich der Temperaturstabilität des gesamten Systems von Vorteil ist.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die antiferromagnetische Schicht an der dem Lese- und/oder Schreibschichtsystem abge­ wandten Seite des AAF-Schichtverbundes angeordnet ist. Die Dicke der antiferromagnetischen Schicht wird zweckmäßigerwei­ se in Abhängigkeit des verwendeten Schichtmaterials gewählt und liegt in jedem Fall ≦ 10 nm. Die antiferromagnetische Schicht kann aus einem beliebigen, zum Aufbau derartiger Speicherzelleneinrichtungen bekanntermaßen verwendeten Mate­ rial bestehen, z. B. aus NiO, FeMn, IrMn, NiMn, PtMn, CrPtMn, RhMn oder PdMn.

Die Speicherzelleneinrichtung selbst kann eine giant­ magnetoresistive-, eine magnetic-tunneljunction- oder eine spin-valve-transistor-Einrichtung sein.

Neben der Speicherzelleneinrichtung selbst betrifft die Er­ findung ferner eine digitale Speichereinrichtung umfassend mehrere Speicherzelleneinrichtungen der beschriebenen Art.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Speicherzelleneinrichtung, und

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der sich bei einer uniaxialen und einer unidirektionale Anisotropie er­ gebenden Hysteresekurven.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäße Speicherzelleneinrichtung 1 einer ersten Ausführungsform. Dieses besteht aus einem Refe­ renzschichtsystem 2, das über eine Entkopplungsschicht 3 von einem weichmagnetischen Lese- und/oder Schreibschichtsystem 4 entkoppelt ist. Gezeigt sind ferner die Wort- und Bitleitun­ gen 5a, 5b, die oberhalb und unterhalb rechtwinklig zueinan­ der verlaufen. Das Referenzschichtsystem 2 selbst ist auf ei­ nem Substrat 5 angeordnet. Das Referenzschichtsystem 2 be­ steht aus einem AAF-Schichtverbund 6, bestehend aus einer un­ teren ferromagnetischen Schicht 7, einer oberen ferromagneti­ schen Schicht 8 und einer zwischen diesen angeordneten, anti­ parallel koppelnden Kopplungsschicht 9. Die ferromagnetischen Schichten können z. B. aus Co und die antiparallel koppelnde Kopplungsschicht aus Cu sein. Der Aufbau eines solchen AAF- Schichtverbunds ist hinlänglich bekannt.

Das Referenzschichtsystem 2 umfasst ferner eine unterhalb der unteren ferromagnetischen Schicht 7 vorgesehene antiferro­ magnetische Schicht 10, die z. B. aus NiO, FeMn, IrMn, NiMn, PtMn, CrPtMn, RhMn oder PdMn sein kann. Die antiferromagneti­ sche Schicht 10 koppelt die Magnetisierung der darüber be­ findlichen unteren ferromagnetischen Schicht 7, d. h., diese richtet sich parallel zu den magnetischen Momenten der anti­ ferromagnetischen Schicht im Grenzflächenbereich aus. Hier­ durch wird durch exchange biasing die Magnetisierung der fer­ romagnetischen Schicht 7 gepinnt.

Die Dicke der antiferromagnetischen Schicht 10 wird nun so bemessen bzw. die Schicht derart dünn abgeschieden, dass sie lediglich eine uniaxiale Anisotropie aufweist. Die Schichtdi­ cken sind wesentlich kleiner als die typischen Dickenwerte für antiferromagnetische Kopplungsschichten, die durch ex­ change-biasing koppeln. Beispielsweise im Falle einer anti- ferromagnetischen Schicht aus IrMn beträgt die übliche Schichtdicke ca. 8-10 nm. Bei einer solch dicken Schicht stellt sich nun aber eine unidirektionale Anisotropie ein, die sich nachteilig auf die Breite des magnetischen Fensters bzw. die Hysteresekurve und die Temperaturstabilität der Speicherzelleneinrichtung auswirkt.

Die erfindungsgemäßen Schichtdicken der antiferromagnetischen Schicht 10 ist deutlich kleiner, im Falle des Ausführungsbei­ spiels der Schicht aus IrMn sollte sie z. B. lediglich 2-3 nm betragen. Dies führt dazu, dass sich keine unidirektionale, sondern eine uniaxiale Anisotropie einstellt. Hierdurch lässt sich, wie Fig. 2 deutlich zeigt, eine symmetrische Hysterese­ kurve erzielten, die ein deutlich breiteres magnetischen Fenster zeigt. In Fig. 2 zeigt die ausgezogene Kurve I den Verlauf des externen Feldes, das an die Speicherzellenein­ richtung angelegt wird, um die Magnetisierungen zu drehen, im Falle einer sehr dünnen, lediglich eine uniaxiale Anisotropie aufweisenden antiferromagnetischen Schicht 10. Die Kurve I ist symmetrisch, das magnetische Fenster ist beachtlich breit. Demgegenüber zeigt die gestrichelte Kurve II exempla­ risch den Verlauf der Magnetisierungskurve im Falle einer unidirektionalen Anisotropie. Ersichtlich ist die Kurve unsym­ metrisch, das magnetische Fenster ist deutlich schmäler.

Neben einer Verbesserung hinsichtlich einer Aufweitung des magnetischen Fensters ist die Verwendung einer sehr dünnen antiferromagnetischen Schicht 10 auch dahingehend von Vor­ teil, die Temperaturstabilität der Einrichtung zu erhöhen. Die blocking-Temperatur, also die Temperatur, oberhalb wel­ cher die Anisotropie der Schicht verlorengeht, einer antifer­ romagnetischen Schicht aus IrMn kann von ca. 250°C bei rela­ tiv dicken Schichten innerhalb des oben angegebenen größeren Dickenbereichs auf bis ca. 400°C bei deutlich dünneren Schichten erhöht werden.

Claims (6)

1. Digitale magnetische Speicherzelleneinrichtung für Lese- und/oder Schreiboperationen, mit einem weichmagnetischen Le­ se- und/oder Schreibschichtsystem und mindestens einem hart­ magnetischen, als AAF-System ausgebildeten Referenzschicht­ system unfassend einen AAF-Schichtverbund sowie wenigstens eine Referenzschicht, wobei das Referenzschichtsystem wenigs­ tens eine ferromagnetische Schicht umfasst, die benachbart zu einer Magnetschicht des AAF-Schichtverbunds angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der antiferromagnetischen Schicht (10) derart bemessen ist, dass sie eine uniaxiale Anisotropie aufweist.

2. Speicherzelleneinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass die antifer­ romagnetische Schicht (10) an der dem Lese- und/oder Schreib­ schichtsystem (4) abgewandten Seite des AAF-Schichtverbunds (6) angeordnet ist.

3. Speicherzelleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass die Dicke der antiferromagnetischen Schicht (10) in Abhängigkeit des ver­ wendeten Schichtmaterials gewählt ist und in jedem Fall ≦ 10 nm ist.

4. Speicherzelleneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die antiferromagnetische Schicht (10) aus einem Material aus der Gruppe NiO, FeMn, IrMn, NiMn, PtMn, CrPtMn, RhMn und PdMn gewählt ist.

5. Speicherzelleneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein giantmagnetoresistive-, ein magnetic-tunnel­ junction- oder ein spin-valve-transistor-System ist.

6. Digitale Speichereinrichtung, umfassend mehrere Spei­ cherzelleneinrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5.