Die
Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Tunnelübergangsbauelement
mit magnetisch programmierbarer freier magnetischer Schicht und auf
eine Zelle eines magnetischen Speichers mit wahlfreiem Zugriff (MRAM),
die ein solches Bauelement enthält.The
The invention relates to a magnetic tunnel junction device
with magnetically programmable free magnetic layer and on
a cell of magnetic random access memory (MRAM),
containing such a device.
MRAM-Bauelemente
sind nichtflüchtige Speicher,
in denen Daten durch Programmieren eines magnetischen Tunnelübergangs
(MTJ) gespeichert werden. Der MTJ zeigt einen selektiven Übergang
zwischen zwei magnetischen Orientierungen, die unterschiedliche
Widerstandswerte aufweisen, was zur Unterscheidung logischer Werte
der Speicherzellen genutzt wird.MRAM devices
are non-volatile memory,
in which data by programming a magnetic tunnel junction
(MTJ). The MTJ shows a selective transition
between two magnetic orientations that are different
Have resistance values, which distinguishes logical values
the memory cells is used.
1 zeigt
eine vereinfachte, schematische Ansicht eines MTJ in einem logischen „0"-Magnetzustand mit
niedrigem Widerstand bzw. einem logischen „1"-Magnetzustand mit hohem Widerstand. Der
MTJ beinhaltet eine freie magnetische Schicht 101 aus einem
ferromagnetischen Material, eine Tunnelbarrierenschicht 102,
eine sogenannte gepinnte magnetische Schicht 103 aus einem
ferromagnetischen Material und eine Pining-Schicht 104 aus einem
antiferromagnetischen Material. 1 shows a simplified schematic view of an MTJ in a logic "0" -Magnes state with a low resistance or a logic "1" -Magneszustand with high resistance. The MTJ contains a free magnetic layer 101 made of a ferromagnetic material, a tunnel barrier layer 102 , a so-called pinned magnetic layer 103 made of a ferromagnetic material and a pining layer 104 from an antiferromagnetic material.
Wie
durch Pfeile in 1 repräsentiert, ist die magnetische
Orientierung der gepinnten ferromagnetischen Schicht 103 fixiert.
Dieser Zustand kann z.B. während
der Herstellung durch Kontaktieren der antiferromagnetischen Pinning-Schicht 104 mit
der gepinnten Schicht 103 und Durchführen einer Wärmebehandlung
bei etwa 200°C
bis 300°C
erreicht werden. Durch Anwenden des Magnetfeldes der Pinning-Schicht 104 während der
Wärmebehandlung werden
die magnetischen Spins der gepinnten Schicht 103 fixiert
und rotieren später
nicht mehr, wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden.
Auf diese Weise ist, wie in 1 gezeigt, das
magnetische Moment der gepinnten Schicht 103 in eine Richtung
fixiert, in 1 nach rechts. Im Gegensatz
dazu bleibt die magnetische Orientierung der freien magnetischen
Schicht 101 unfixiert, die von der gepinnten magnetischen
Schicht 103 durch die zwischengefügte Tunnelbarrierenschicht 102 beabstandet
ist. Die magnetischen Spins der freien magnetischen Schicht 101 können daher
frei rotieren, wenn sie später
einem externen magnetischen Feld ausgesetzt werden. Beim MTJ eines
MRAM kann die freie magnetische Schicht 101 fest in einer
von zwei Richtungen orientiert sein, nämlich mit ihrem Moment parallel
oder antiparallel zu demjenigen der gepinnten magnetischen Schicht 103.As indicated by arrows in 1 is the magnetic orientation of the pinned ferromagnetic layer 103 fixed. This condition may eg during manufacture by contacting the antiferromagnetic pinning layer 104 with the pinned layer 103 and performing a heat treatment at about 200 ° C to 300 ° C can be achieved. By applying the magnetic field of the pinning layer 104 During the heat treatment, the magnetic spins of the pinned layer become 103 fixed later and no longer rotate when exposed to an external magnetic field. In this way, as in 1 shown the magnetic moment of the pinned layer 103 fixed in one direction, in 1 to the right. In contrast, the magnetic orientation of the free magnetic layer remains 101 unfixed by the pinned magnetic layer 103 through the interposed tunnel barrier layer 102 is spaced. The magnetic spins of the free magnetic layer 101 Therefore, they can rotate freely when they are later exposed to an external magnetic field. At the MTJ of a MRAM, the free magnetic layer 101 be fixed in one of two directions, namely with its moment parallel or antiparallel to that of the pinned magnetic layer 103 ,
Wie
in 1 dargestellt, zeigt der MTJ einen vergleichsweise
niedrigeren Widerstand, wenn die Momente der gepinnten Schicht 103 und
der freien magnetischen Schicht 101 zueinander parallel
sind, was z.B. als logischer „0"-Zustand bezeichnet
werden kann. Wenn die magnetischen Momente hingegen in entgegengesetzte
Richtungen zeigen, besitzt der MTJ einen vergleichsweise höheren Widerstand, was
z.B. als logischer „1"-Zustand bezeichnet
werden kann.As in 1 shown, the MTJ shows a comparatively lower resistance when the moments of the pinned layer 103 and the free magnetic layer 101 For example, if the magnetic moments are pointing in opposite directions, the MTJ has a relatively higher resistance, which may be referred to as a logical "1" state, for example.
2 zeigt eine detailliertere
Querschnittansicht des Schichtaufbaus eines herkömmlichen MTJ. Wie daraus ersichtlich,
beinhaltet der MTJ eine Pinning-Schicht 1, eine gepinnte
magnetische 8 Schicht, eine Tun nelbarrierenschicht 9 und
eine freie magnetische Schicht 14. Die Pinning-Schicht 1 besteht
aus einem antiferromagnetischen Material, z.B. PtMn, IrMn oder FeMn.
Die gepinnte magnetische Schicht 8 ist dreilagig aufgebaut,
und zwar aus einer unteren ferromagnetischen Schicht 3,
einer Metallschicht 5 und einer oberen ferromagnetischen
Schicht 7. Die untere und die obere ferromagnetische Schicht 3, 7 können z.B.
aus CoFe bestehen, die Metallschicht 5 z.B. aus Ru. Die
Tunnelbarrierenschicht 9 besteht aus einem isolierenden
Material, z.B. Al2O3.
Die freie magnetische Schicht 14 besitzt einen zweilagigen Aufbau
aus einer dünnen
unteren ferromagnetischen Schicht 11, z.B. aus CoFe, und
einer dickeren oberen ferromagnetischen Schicht 13, z.B.
aus NiFe. 2 shows a more detailed cross-sectional view of the layer structure of a conventional MTJ. As can be seen, the MTJ includes a pinning layer 1 , a pinned magnetic 8 layer, a tunnel barrier layer 9 and a free magnetic layer 14 , The pinning layer 1 consists of an antiferromagnetic material, eg PtMn, IrMn or FeMn. The pinned magnetic layer 8th has a three-layer structure, namely a lower ferromagnetic layer 3 , a metal layer 5 and an upper ferromagnetic layer 7 , The lower and upper ferromagnetic layers 3 . 7 For example, they can be made of CoFe, the metal layer 5 eg from Ru. The tunnel barrier layer 9 consists of an insulating material, eg Al 2 O 3 . The free magnetic layer 14 has a two-layered construction of a thin lower ferromagnetic layer 11 , for example made of CoFe, and a thicker upper ferromagnetic layer 13 , eg NiFe.
Die 3(A) und 3(B) veranschaulichen eine herkömmliche
MRAM-Zelle, wobei 3(A) eine Draufsicht und 3(B) eine Querschnittansicht längs der
Linie I-I' von 3(A) sind. Wie aus 3(B) ersichtlich, beinhaltet
diese Speicherzelle einen MTJ 36, z.B. einen solchen, wie
er in 2 gezeigt ist,
der zwischen eine untere Elektrode 27 und eine obere Elektrode 37 geschichtet
ist. Der MTJ 36 umfasst eine Pinning-Schicht 29 in Kontakt mit der unteren
Elektrode 27, eine gepinnte magnetische Schicht 31,
eine Tunnelbarrierenschicht 33 und eine freie magnetische
Schicht 35 in Kontakt zur oberen Elektrode 37.
Der MTJ 36, die obere Elektrode 37 und die untere
Elektrode 27 definieren zusammen ein programmierbares magnetoresistives
Element MR.The 3 (A) and 3 (B) illustrate a conventional MRAM cell, wherein 3 (A) a top view and 3 (B) a cross-sectional view along the line II 'of 3 (A) are. How out 3 (B) As can be seen, this memory cell includes an MTJ 36 , for example, such as in 2 shown between a lower electrode 27 and an upper electrode 37 is layered. The MTJ 36 includes a pinning layer 29 in contact with the lower electrode 27 , a pinned magnetic layer 31 , a tunnel barrier layer 33 and a free magnetic layer 35 in contact with the upper electrode 37 , The MTJ 36 , the upper electrode 37 and the lower electrode 27 together define a programmable magnetoresistive element MR.
Die
obere Elektrode 37 kontaktiert eine Bitleitung BL, die
sich senkrecht zu den magnetischen Orientierungen des MTJ 36 erstreckt.
In diesem Beispiel erstreckt sich die Bitleitung BL in die bzw.
aus der Zeichenebene von 3(B).The upper electrode 37 contacts a bit line BL which is perpendicular to the magnetic orientations of the MTJ 36 extends. In this example, the bit line BL extends into or out of the drawing plane of 3 (B) ,
Eine
Digitleitung DL ist durch eine zwischengefügte dielektrische Schicht 25 von
der Unterseite der unteren Elektrode 27 beabstandet und
erstreckt sich parallel zu den magnetischen Orientierungen des MTJ 36, im
gezeigten Beispiel von 3(B) von links
nach rechts. Die Digitleitung DL kann über einer dielektrischen Zwischenschicht 23 liegen,
die ihrerseits über
einem Substrat 21 ausgebildet sein kann.A digit line DL is through an interposed dielectric layer 25 from the bottom of the lower electrode 27 spaced and extending parallel to the magnetic orientations of the MTJ 36 , in the example shown by 3 (B) left to right. The digit line DL may be over a dielectric interlayer 23 lie, in turn, over a substrate 21 can be trained.
3(A) zeigt die Konfiguration
der Bitleitung BL und der Digitleitung DL sowie die Auslegung eines
peripheren Bereichs des magnetoresistiven Elements MR in einer Draufsicht.
Wie daraus ersichtlich, besitzt das magnetoresistive Element MR
ein im Wesentlichen rechteckiges Oberseitenprofil mit einer Länge L und
einer Breite B. Die Bitleitung BL trägt einen Bitleitungsstrom IBL
und erstreckt sich entlang der Breitenausdehnung W des magnetoresistiven Elements
MR. Die Bitleitung BL ist so breit, dass sie im Wesentlichen mit
der Längsausdehnung
L des magnetoresistiven Elements MR überlappt. Die Digitleitung
DL erstreckt sich parallel zur Längsausdehnung
L des magnetoresistiven Elements MR senkrecht zur Bitleitung BL
und ist so breit, dass sie im Wesentlichen mit der Breitenausdehnung
W des magnetoresistiven Elements MR überlappt. Wie aus 3(A) weiter ersichtlich,
erstrecken sich in Richtung der Breitenausdehnung W eine harte magnetische
Achse Hhard und in Richtung der Längsausdehnung L eine leichte
magnetische Achse Heasy. 3 (A) FIG. 16 shows the configuration of the bit line BL and the digit line DL and the layout of a peripheral area of the magnetoresistive element MR in a plan view. As can be seen, the magnetoresistive element MR has a substantially rectangular top profile with a length L and a width B. The bit line BL carries a bit line current IBL and extends along the width dimension W of the magnetoresistive element MR. The bit line BL is so wide that it substantially overlaps with the longitudinal extent L of the magnetoresistive element MR. The digit line DL extends parallel to the longitudinal extent L of the magnetoresistive element MR perpendicular to the bit line BL and is so wide that it overlaps substantially with the width dimension W of the magnetoresistive element MR. How out 3 (A) Further, in the direction of the widthwise extension W, a hard magnetic axis Hhard and in the direction of the longitudinal extent L a slight magnetic axis Heasy extend.
4 veranschaulicht ein herkömmliches MRAM-Zellenfeld
mit einer Mehrzahl von sich kreuzenden Bitleitungen BL1, BL2, ...,
BLn und Digitleitungen DL1, DL2, ..., DLn. An jede Digitleitung
DL1 bis DLn wird ein Schreibstrom ID angelegt, und an jede Bitleitung
BL1 bis BLn wird ein Schreibstrom IB angelegt. An den Kreuzungsbereichen
der Bitleitungen BL1 bis BLn mit den Digitleitungen DL1 bis DLn befinden
sich magnetoresistive Elemente MR12, MR22, ..., MRn2. 4 illustrates a conventional MRAM cell array with a plurality of crossing bit lines BL1, BL2, ..., BLn and digit lines DL1, DL2, ..., DLn. A write current ID is applied to each digit line DL1 to DLn, and a write current IB is applied to each bit line BL1 to BLn. At the crossing regions of the bit lines BL1 to BLn with the digit lines DL1 to DLn are magnetoresistive elements MR12, MR22, ..., MRn2.
5(A) zeigt in einer schematischen
Querschnittansicht eine MRAM-Zelle
mit einem Transistor zum Lesen eines Logikzustands der Zelle gemäß dem Stand
der Technik, wie sie z.B. im MRAM von 4 ver wendet
wird, und 5(B) zeigt
eine Ersatzschaltbilddarstellung dieser Zelle. Wie aus 5(A) ersichtlich, weißt die MRAM-Zelle
ein magnetoresistives Element MR1 nach Art von 3(B) mit einer oberen Elektrode 77,
einer unteren Elektrode 57 und einem zwischengefügten MTJ 75 auf.
Der MTJ 75 beinhaltet eine Pinning-Schicht 57,
eine gepinnte magnetische Schicht 64, eine Isolationsbarrierenschicht 65 und
eine freie magnetische Schicht 73. 5 (A) shows in a schematic cross-sectional view of an MRAM cell with a transistor for reading a logic state of the cell according to the prior art, such as in the MRAM of 4 is used, and 5 (B) shows an equivalent circuit diagram of this cell. How out 5 (A) As can be seen, the MRAM cell has a magnetoresistive element MR1 of the type of 3 (B) with an upper electrode 77 , a lower electrode 57 and an intervening MTJ 75 on. The MTJ 75 includes a pinning layer 57 , a pinned magnetic layer 64 , an isolation barrier layer 65 and a free magnetic layer 73 ,
Des
weiteren umfasst der Aufbau dieser MRAM-Zelle mehrere dielektrische
Zwischenschichten (ILD) 53a, 53b, 53c und 111,
wobei die drei dielektrischen Zwischenschichten 53a, 53b, 53c zu
einem Zwischenschichtstapel 53 übereinandergeschichtet sind.
Eine Bitleitung BL ist mit der oberen Elektrode 77 des
magnetoresistiven Elements MR1 verbunden und auf einer Oberseite
der ILD 111 angeordnet. Eine Digitleitung DL erstreckt
sich senkrecht zur Bitleitung BL auf der Oberseite der ILD 53b und unter
dem magnetoresistiven Element MR1.Furthermore, the structure of this MRAM cell comprises several dielectric intermediate layers (ILD) 53a . 53b . 53c and 111 , wherein the three dielectric intermediate layers 53a . 53b . 53c to an intermediate layer stack 53 are stacked on top of each other. A bit line BL is connected to the upper electrode 77 of the magnetoresistive element MR1 and on an upper side of the ILD 111 arranged. A digit line DL extends perpendicular to the bit line BL on the top of the ILD 53b and under the magnetoresistive element MR1.
Ein
Transistor TA ist durch eine als Wortleitung fungierende Gate-Elektrode WL, eine
Source-Elektrode S und eine Drain-Elektrode D definiert. Die Source-
und die Drain-Elektrode S, D sind in einem Substrat 51 gebildet.
Die Source-Elektrode S ist mit einer Source-Anschlussstelle 103S über einen Kontaktstift 101s verbunden.
Die Drain-Elektrode D ist mit der unteren Elektrode 55 über eine
obere und eine untere Drain-Anschlussstelle 107, 103d und Kontaktstifte 109, 105 und 101d verbunden.A transistor TA is defined by a gate electrode WL functioning as a word line, a source electrode S and a drain electrode D. The source and drain electrodes S, D are in a substrate 51 educated. The source electrode S is connected to a source terminal 103S via a contact pin 101s connected. The drain electrode D is connected to the lower electrode 55 via an upper and a lower drain connection point 107 . 103d and contact pins 109 . 105 and 101d connected.
Ein
Lesevorgang wird ausgeführt,
wenn ein Signal auf der Wortleitung WL ausreicht, den Transistor
TA in einen leitenden Zustand zu bringen. Dann fließt Strom
von der Bitleitung BL über
das magnetoresistive Element MR1. Wenn das magnetoresistive Element
MR1 in einem Zustand mit niedrigem Widerstand, d.h. einem logischen
0-Zustand, programmiert ist, fließt eine relativ große Strommenge über den Transistor
TA.One
Read operation is performed
if a signal on the word line WL is sufficient, the transistor
To bring TA into a conductive state. Then electricity flows
from the bit line BL via
the magnetoresistive element MR1. When the magnetoresistive element
MR1 in a low resistance state, i. a logical one
0 state, a relatively large amount of current flows through the transistor
TA.
Wenn
hingegen das magnetoresistive Element MR1 in einem Zustand mit hohem
Widerstand, d.h. einem logischen 1-Zustand, programmiert ist, fließt nur eine
relativ geringe Strommenge über
den Transistor TA. Daher kann die Menge an Stromfluss dazu benutzt
werden, den programmierten Zustand des magnetoresistiven Elements
MR1 festzustellen.If
whereas the magnetoresistive element MR1 is in a high state
Resistance, i. a logical 1 state, only one flows
relatively small amount of electricity
the transistor TA. Therefore, the amount of current flow can be used
be the programmed state of the magnetoresistive element
Determine MR1.
Die
Abtasttoleranz des magnetoresistiven Elements MR1 ist durch die
Differenz bzw. das Verhältnis
zwischen dem Zustand mit hohem Widerstand Rmax und dem Zustand mit
niedrigem Widerstand Rmin des magnetoresistiven Elements MR1 definiert.
Ungünstigerweise
haben jedoch magnetische Defekte in der freien magnetischen Schicht
des MTJ einen störenden
Einfluss auf die Abtasttoleranz.The
Sampling tolerance of the magnetoresistive element MR1 is determined by the
Difference or the ratio
between the high resistance state Rmax and the state with
low resistance Rmin of the magnetoresistive element MR1 defined.
Unfortunately,
however, have magnetic defects in the free magnetic layer
the MTJ a disturbing
Influence on the scanning tolerance.
6(A) zeigt schematisch eine
freie magnetische Schicht 14 mit einem daran angelegten
externen Magnetfeld H, wobei Kreisbereiche jeweils eine Domäne der freien
magnetischen Schicht 14 symbolisieren. Bei Anwenden des
externen Magnetfelds H sollte die Magnetisierungsrichtung jeder
Domäne
parallel zum Magnetfeld H sein. Wie jedoch aus (6A) ersichtlich,
sind einige der Magnetisierungsrichtungen nicht parallel zum Magnetfeld
H, insbesondere in Domänengrenzbereichen.
Dies reduziert die Abtasttoleranz. Um das Auftreten solcher nicht
paralleler Momente an den Domänengrenzbereichen
zu verringern, ist es erforderlich, das Magnetfeld H durch Erhöhen der
an die Bitleitung und die Digitleitung angelegten Ströme zu steigern,
was in einem höheren
Leistungsverbrauch resultiert. 6 (A) schematically shows a free magnetic layer 14 with an external magnetic field H applied thereto, wherein circular regions each represent a domain of the free magnetic layer 14 symbolize. When applying the external magnetic field H, the magnetization direction of each domain should be parallel to the magnetic field H. How, however, out (6A) As can be seen, some of the magnetization directions are not parallel to the magnetic field H, especially in domain boundary regions. This reduces the scanning tolerance. In order to reduce the occurrence of such non-parallel moments at the domain boundary regions, it is necessary to increase the magnetic field H by increasing the currents applied to the bit line and the digit line, resulting in higher power consumption.
Im
rechten Teil von 6(B) ist
schematisch eine ideale Bildung der freien magnetischen Schicht aus
gleichmäßig angeordneten
Körnern
veranschaulicht. In der Praxis tritt jedoch der im linken Teil von 6(B) vergrößert und
schematisch dargestellte Effekt auf, dass dicke ferromagnetische
Schichten große
und unregelmäßige Körner aufweisen
und dadurch viele Domänengrenzen
vorhanden sind, welche die Gleichmäßigkeit der Magnetisierung
herabsetzen.In the right part of 6 (B) schematically illustrates an ideal formation of the free magnetic layer of uniformly arranged grains. In practice, however, the one in the left part of 6 (B) enlarged and schematically illustrated effect on that thick ferromagnetic layers have large and irregular grains and thereby many domain boundaries are present, which reduce the uniformity of the magnetization.
7 veranschaulicht diagrammatisch
eine Hystereseschleife zur Erläuterung
der Effekte magnetischer Fehler im MTJ. Mit durchgezogener Linie ist
eine Hystereseschleife für
einen idealen MTJ dargestellt, während
mit gestrichelter Linie eine tatsächliche Hystereseschleifencharakteristik
eines herkömmlichen
MRAM dargestellt ist. Wie daraus ersichtlich, rotiert das magnetische
Moment der freien magnetischen Schicht im Fall eines idealen MTJ
vollständig
in einer Richtung, wenn der magnetische Fluss Heasy einen beispielhaften
Wert von +H1 (in Oe) annimmt, und der MTJ-Widerstand Rw (in Ω) wechselt
von Rmin zu Rmax. Wenn andererseits der magnetische Fluss Heasy
den Wert –H1
annimmt, rotiert das magnetische Moment in der anderen Richtung,
und der MTJ-Widerstand Rw wechselt von Rmax zu Rmin. Solange der
magnetische Fluss Heasy zwischen –H1 und +H1 liegt, ändert sich
der MTJ-Widerstand Rw nicht. Beim herkömmlichen MRAM, der nicht in
dieser Weise ideal arbeitet, beginnt der MTJ-Widerstand Rw erst
allmählich
anzusteigen, siehe das Innere eines umkreisten Bereichs K, wenn
der magnetische Fluss den Wert +H1 erreicht. Die Rotation des magnetischen
Moments der freien magnetischen Schicht ist nur graduell in der Vorzugsrichtung
orientiert und dementsprechend steigt der MTJ-Widerstand Rw mit
wachsendem Magnetfluss Heasy nur graduell an. Um den Wert Rmax zu
erreichen, wird ein erhöhter
magnetischer Fluss +H1' benötigt, was
einen zusätzlichen
Leistungsbedarf bedeutet. 7 Diagrammatically illustrates a hysteresis loop to explain the effects of magnetic errors in the MTJ. A solid line represents a hysteresis loop for an ideal MTJ, while a dashed line represents an actual hysteresis loop characteristic of a conventional MRAM. As can be seen, in the case of an ideal MTJ, the magnetic moment of the free magnetic layer completely rotates in one direction when the magnetic flux Heasy takes an exemplary value of + H1 (in Oe) and the MTJ resistance Rw (in Ω) changes from Rmin to Rmax. On the other hand, when the magnetic flux Heasy becomes -H1, the magnetic moment rotates in the other direction, and the MTJ resistance Rw changes from Rmax to Rmin. As long as the magnetic flux Heasy is between -H1 and + H1, the MTJ resistance Rw does not change. In the conventional MRAM which does not work ideally in this way, the MTJ resistor Rw starts to increase gradually, see the inside of a circled area K when the magnetic flux reaches + H1. The rotation of the magnetic moment of the free magnetic layer is only gradually oriented in the preferential direction, and accordingly, the MTJ resistance Rw increases only gradually with increasing magnetic flux Heasy. To reach the value Rmax, an increased magnetic flux + H1 'is needed, which means an additional power requirement.
Wie
oben erwähnt,
besteht die herkömmliche
freie magnetische Schicht typischerweise aus einer unteren CoFe-Schicht
und einer oberen NiFe-Schicht.
Die CoFe-Schicht dient dazu, die Abtasttoleranz zu steigern, d.h.
die Differenz zwischen Rmax und Rmin in 7. Die NiFe-Schicht dient dazu, die Breite
Q der Hystereseschleife von 7 zu verringern
und so den Leistungsbedarf herabzusetzen.As mentioned above, the conventional free magnetic layer typically consists of a lower CoFe layer and an upper NiFe layer. The CoFe layer serves to increase the scanning tolerance, ie the difference between Rmax and Rmin in 7 , The NiFe layer serves to set the width Q of the hysteresis loop of 7 reduce power consumption.
8(A) zeigt diagrammatisch
die Schaltcharakteristik eines idealen MTJ bezüglich des Anlegens eines Magnetflusses
Heasy und eines Magnetflusses Hhard. Ein Schreibvorgang wird erzielt, wenn
der magnetische Fluss Heasy einen Wert HME annimmt
oder der magnetische Fluss Hhard einen Wert HMH annimmt.
Außerdem
bezeichnen gekrümmte
Kurven BDL in jedem Quadranten die minimale Kombination von Heasy
und Hhard für
einen Schreibvorgang des MTJ, d.h. um die Richtung des Moments der
freien magnetischen Schicht des MTJ umzuschalten. Mit anderen Worten
befinden sich ein Schreibbereich WR außerhalb des durch die gekrümmten Linien
BDL umschriebenen Gebietes, während
ein Lesebereich RR in diesem von den gekrümmten Linien BDL umschriebenen
Gebiet liegt. In den idealen MTJ kann an einem Punkt P1 zuverlässig geschrieben
werden, bei dem typischerweise der magnetische Fluss Heasy und der
magnetische Fluss Hhard jeweils ca. 20 Oe betragen. 8 (A) shows diagrammatically the switching characteristic of an ideal MTJ with respect to the application of a magnetic flux Heasy and a magnetic flux Hhard. A write operation is achieved when the magnetic flux Heasy assumes a value H ME or the magnetic flux Hhard assumes a value H MH . In addition, curved curves BDL in each quadrant denote the minimum combination of Heasy and Hhard for a write operation of the MTJ, ie, to switch the direction of the moment of the free magnetic layer of the MTJ. In other words, a writing area WR is outside the area circumscribed by the curved lines BDL, while a reading area RR is in this area circumscribed by the curved lines BDL. In the ideal MTJ, it is possible to reliably write at a point P1 where the magnetic flux Heasy and the magnetic flux Hhard are typically about 20 Oe.
Zum
Vergleich mit einem solchen idealen MTJ zeigt 8(B) diagrammatisch die Schalteigenschaften
eines typischen herkömmlichen
MTJ. Wie daraus ersichtlich, führt
der ideale Schreibfluss, entsprechend einem Punkt P2 im Kennliniendiagramm von 8(B), mit Heasy = Hhard
= 20 Oe in den meisten Fällen
nicht zum Umschalten des magnetischen Moments der freien magnetischen
Schicht dieses herkömmlichen
MTJ. Statt dessen wird für
Heasy und für
Hhard jeweils ein magnetischer Fluss von ca. 40 Oe benötigt, um
zuverlässig
in den MTJ zu schreiben.For comparison with such an ideal MTJ shows 8 (B) Diagram the switching characteristics of a typical conventional MTJ. As can be seen, the ideal write flow, corresponding to a point P2 in the characteristic diagram of FIG 8 (B) , with Heasy = Hhard = 20 Oe in most cases not for switching the magnetic moment of the free magnetic layer of this conventional MTJ. Instead, for both Heasy and Hhard, a magnetic flux of about 40 Oe is needed to reliably write to the MTJ.
Wie
aus 8(B) weiter ersichtlich,
weist der herkömmliche
MTJ eine große
Schreibschwankungsbreite IW auf. Dies kann durch zwei ideale MTJs
modelliert werden, wie in 9 diagrammatisch
dargestellt, von denen ein „innerer" MTJ1 zu einer inneren
Grenzlinie der Schreibschwankung IW und ein „äußerer" MTJ2 zu einer äußeren Grenzlinie der Schreibschwankung
IW gehören.
Um zuverlässig in
den äußeren MTJ2
zu schreiben, wird ein magnetischer Schreibfluss benötigt, wie
er z.B. an einem Punkt P3 gegeben ist. Ein solcher Schreibfluss
ist jedoch viel größer als
ein benötigter
Schreibfluss HME' für
Heasy und HMH' für
Hhard im Fall des inneren MTJ1. Dies kann für den inneren MTJ1 zu Schreibfehlern
führen.How out 8 (B) Further, the conventional MTJ has a large write fluctuation width IW. This can be modeled by two ideal MTJs, as in 9 of which an "inner" MTJ1 belongs to an inner limit line of the write fluctuation IW and an "outer" MTJ2 belong to an outer limit line of the write fluctuation IW. To write reliably in the outer MTJ2, a magnetic write flow is needed, as it is given for example at a point P3. However, such a write flow is much larger than a required write flow H ME 'for Heasy and H MH ' for Hhard in the case of the inner MTJ1. This can lead to spelling errors for the inner MTJ1.
Zusammengefasst
können
magnetische Defekte beim herkömmlichen
magnetischen Tunnelübergang
in einem erhöhten
Leistungsbedarf und in Betriebsausfällen resultieren.Summarized
can
magnetic defects in the conventional
magnetic tunnel junction
in an elevated
Power requirements and resulting in operational breakdowns.
Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines
magnetischen Tunnelübergangsbauelements
und einer dieses verwendenden MRAM-Zelle zugrunde, bei denen die
oben erwähnten
Schwierigkeiten des Standes der Technik ganz oder teilweise behoben
sind und die insbesondere mit relativ geringem Leistungsbedarf und
vergleichsweise ausfallsicher betreibbar sind.Of the
Invention is the technical problem of providing a
magnetic tunnel junction device
and an MRAM cell using this, in which the
mentioned above
Difficulties of the prior art completely or partially resolved
are and in particular with relatively low power requirements and
are comparatively fail-safe operable.
Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung eines magnetischen Tunnelübergangsbauelements
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer MRAM-Zelle mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 20.The
Invention solves
this problem by providing a magnetic tunnel junction device
with the features of claim 1 and an MRAM cell with the features of
Claim 20.
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are given in the subclaims.
Vorteilhafte,
nachfolgend beschriebene Ausführungsformen
der Erfindung sowie die zu deren besserem Verständnis oben erläuterten
herkömmlichen
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:Advantageous,
Embodiments described below
of the invention and the above for their better understanding explained above
usual
embodiments
are shown in the drawings, in which:
1 eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen magnetischen Tunnelübergangs (MTJ)
zwischen einem logischen 0- Magnetzustand mit
niedrigem Widerstand und einem logischen 1-Magnetzustand mit hohem
Widerstand, 1 a schematic representation of a conventional magnetic tunnel junction (MTJ) between a logic 0-magnetic low resistance state and a high-resistance logical 1 magnetic state,
2 eine
detailliertere Querschnittansicht des herkömmlichen MTJ von 1, 2 a more detailed cross-sectional view of the conventional MTJ of 1 .
3(A) und 3(B) eine
Draufsicht bzw. eine Querschnittansicht einer herkömmlichen MRAM-Zelle
mit einem MTJ nach Art der 1 und 2, 3 (A) and 3 (B) a top view and a cross-sectional view of a conventional MRAM cell with a MTJ of the type 1 and 2 .
4 eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen MRAM-Zellenfeldes, 4 a schematic representation of a conventional MRAM cell array,
5(A) und 5(B) eine
schematische Querschnittansicht bzw. ein Ersatzschaltbild einer herkömmlichen
MRAM-Zelle mit einem Transistor zum Lesen eines Logikzustands der
Zelle, 5 (A) and 5 (B) 12 is a schematic cross-sectional view and an equivalent circuit diagram of a conventional MRAM cell with a transistor for reading a logic state of the cell,
6(A) und 6(B) schematische
Darstellungen zur Erläuterung
von Effekten an Domänengrenzbereichen
in einer freien magnetischen Schicht eines herkömmlichen MTJ, 6 (A) and 6 (B) schematic representations for explaining effects at domain border areas in a free magnetic layer of a conventional MTJ,
7 ein
Hystereseschleifendiagramm zur Veranschaulichung der Eigenschaften
eines idealen und eines tatsächlichen
herkömmlichen
MTJ, 7 a hysteresis loop diagram to illustrate the properties of an ideal and an actual conventional MTJ,
8(A) und 8(B) Diagramme
zur Veranschaulichung der Schaltcharakteristik eines idealen bzw.
eines tatsächlichen
herkömmlichen
MTJ, 8 (A) and 8 (B) Diagrams illustrating the switching characteristics of an ideal and an actual conventional MTJ,
9 ein
Diagramm zur Veranschaulichung der Schaltcharakteristik eines herkömmlichen
MTJ als Modell aus zwei idealen MTJ, 9 3 is a diagram illustrating the switching characteristic of a conventional MTJ as a model of two ideal MTJs;
10(A) eine schematische Querschnittansicht einer
freien magnetischen Schicht eines herkömmlichen MTJ, 10 (A) a schematic cross-sectional view of a free magnetic layer of a conventional MTJ,
10(B) eine schematische Querschnittansicht einer
freien magnetischen Schicht gemäß der Erfindung, 10 (B) a schematic cross-sectional view of a free magnetic layer according to the invention,
11 eine
schematische Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen MTJ, 11 a schematic cross-sectional view of an MTJ according to the invention,
12 eine
schematische Querschnittansicht einer erfindungsgemäßen MRAM-Zelle, 12 a schematic cross-sectional view of an MRAM cell according to the invention,
13 ein
Diagramm zum Vergleich von Hystereseschleifenkennlinien für einen
herkömmlichen
MTJ und einen erfindungsgemäßen MTJ, 13 a diagram for comparing hysteresis loop characteristics for a conventional MTJ and MTJ according to the invention,
14(A) und 14(B) Diagramme
zur Veranschaulichung von Steigungen der Hystereseschleifenkennlinien
des herkömmlichen
MTJ bzw. des erfindungsgemäßen MTJ
und 14 (A) and 14 (B) Diagrams for illustrating slopes of the hysteresis loop characteristics of the conventional MTJ or the MTJ according to the invention and
15 schematische
Querschnittansichten freier magnetischer Schichten gemäß der Erfindung. 15 schematic cross-sectional views of free magnetic layers according to the invention.
Charakteristischerweise
sieht die Erfindung einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) vor, der eine
mehrlagige freie magnetische Schicht beinhaltet. Dies zeigen im
Vergleich mit einem herkömmlichen
MTJ die 10(A) und 10(B).Characteristically, the invention provides a magnetic tunnel junction (MTJ) incorporating a multilayer free magnetic layer. This show in comparison with a conventional MTJ the 10 (A) and 10 (B) ,
Wie
in 10(A) gezeigt, besteht die herkömmliche
freie magnetische Schicht aus einer CoFe-Schicht mit einer Dicke
von z.B. 1 nm und einer darauf gestapelten NiFe-Schicht mit einer
Dicke von z.B. 3nm, was eine Gesamtdicke der freien magnetischen
Schicht von etwa 4nm ergibt. Wie vorstehend erläutert, enthalten diese dicken
Schichten des MTJ, insbesondere die NiFe-Schicht, üblicherweise
große und
unregelmäßige Körner, die
viele Domänengrenzbereiche
bilden, welche die Gleichmäßigkeit
der Magnetisierung herabsetzen.As in 10 (A) As shown, the conventional free magnetic layer consists of a CoFe layer having a thickness of, for example, 1 nm and a NiFe layer stacked thereon with a thickness of, for example, 3 nm, resulting in a total thickness of the free magnetic layer of about 4 nm. As explained above, these thick layers of the MTJ, particularly the NiFe layer, usually contain large and irregular grains which form many domain boundary regions which reduce the uniformity of the magnetization.
Hingegen
ist die mehrlagige freie magnetische Schicht gemäß der Erfindung, wie in 10(B) gezeigt, aus mehreren alternierenden dünnen Schichten
aus CoFe und NiFe aufgebaut. Die unterste Schicht aus CoFe hat eine
Dicke von z.B. etwa 0,5nm, und jede weitere Schicht aus CoFe hat
eine Dicke von z.B. etwa 0,1 nm. Jede Schicht aus NiFe hat eine
Dicke von z.B. 0,5nm. Die Gesamtdicke der erfindungsgemäßen freien
magnetischen Schicht kann z.B. etwa gleich derjenigen einer herkömmlichen
freien magnetischen Schicht sein, wie ca. 4nm. Diese Laminat- bzw. Mehrlagenstruktur
gemäß der Erfindung
verhindert ein Kornwachstum während
einer niederenergetischen Sputterdeposition der dünnen Schichten.
Die resultierende geringe Kornabmessung minimiert die Anzahl an
Domänen
in jeder Schicht, bis hin zu dem extremen Fall, dass die jeweilige
Schicht eine einzelne Domäne
darstellt. Da die Anzahl an Domänengrenzen
somit reduziert ist, sind die magnetischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen freien
magnetischen Schicht verbessert, wie weiter unten noch deutlicher
wird.On the other hand, the multilayered free magnetic layer according to the invention is as in 10 (B) shown consisting of several alternating thin layers of CoFe and NiFe. The bottom layer of CoFe has a thickness of, for example, about 0.5 nm, and each additional layer of CoFe has a thickness of, for example, about 0.1 nm. Each layer of NiFe has a thickness of, for example, 0.5 nm. The total thickness of the free magnetic layer according to the invention may be, for example, approximately equal to that of a conventional free magnetic layer, such as about 4 nm. This laminate or multilayer structure according to the invention prevents grain growth during low-energy sputter deposition of the thin layers. The resulting small grain size minimizes the number of domains in each layer, to the extreme case that each layer represents a single domain. Since the number of domain boundaries is thus reduced, the magnetic properties of the free magnetic layer according to the invention are improved, as will become clearer below.
11 veranschaulicht
ein magnetisches Tunnelübergangsbauelement
mit einer solchen erfindungsgemäßen, mehrlagigen
freien magnetischen Schicht. Wie in 11 dargestellt,
umfasst dieses Bauelement ein magnetoresistives Element MR1 über einer
dielektrischen Zwischenschicht (ILD) 53 und einem Substrat 51. 11 illustrates a magnetic tunnel junction device with such a multilayer free magnetic layer according to the invention. As in 11 shown, this includes Device Magnetoresistive Element MR1 Over a Dielectric Interlayer (ILD) 53 and a substrate 51 ,
Das
magnetoresistive Element MR1 beinhaltet einen magnetischen Tunnelübergang 75 zwischen
einer oberen Elektrode 77 und einer unteren Elektrode 55.
Der magnetische Tunnelübergang 75 beinhaltet
eine Mehrlagenstruktur mit einer Pinning-Schicht 57 über der
unteren Elekt rode 55, einer gepinnten Schicht 64 über der
Pinning-Schicht 57, einer Tunnelbarrierenschicht 65 über der
gepinnten Schicht 64 und einer freien magnetischen Schicht 73 über der
Barrierenschicht 65 und unter der oberen Elektrode 77.The magnetoresistive element MR1 includes a magnetic tunnel junction 75 between an upper electrode 77 and a lower electrode 55 , The magnetic tunnel junction 75 includes a multilayer structure with a pinning layer 57 above the lower electrode 55 , a pinned layer 64 over the pinning layer 57 , a tunnel barrier layer 65 over the pinned layer 64 and a free magnetic layer 73 over the barrier layer 65 and under the upper electrode 77 ,
Die
Pinning-Schicht 57 besteht aus einer antiferromagnetischen
Schicht, z.B aus PtMn, IrMn oder FeMn. Die gepinnte Schicht 64 ist
dreilagig aufgebaut, und zwar mit einer unteren ferromagnetischen
Schicht 59, einer Metallschicht 61 und einer oberen
ferromagnetischen Schicht 63. Die ferromagnetischen Schichten 59 und 63 bestehen
z.B. aus CoFe, die Metallschicht 61 besteht z.B. aus Ru.
Die Tunnelbarrierenschicht 65 besteht aus einem isolierenden
Material, z.B. AL2O3.The pinning layer 57 consists of an antiferromagnetic layer, eg of PtMn, IrMn or FeMn. The pinned layer 64 is constructed in three layers, with a lower ferromagnetic layer 59 , a metal layer 61 and an upper ferromagnetic layer 63 , The ferromagnetic layers 59 and 63 consist eg of CoFe, the metal layer 61 consists of eg Ru. The tunnel barrier layer 65 consists of an insulating material, eg AL 2 O 3 .
Die
freie magnetische Schicht 73 besitzt einen Aufbau, wie
er oben zu 10(B) beschrieben wurde. Speziell
umfasst die freie magnetische Schicht 73 eine unterste
Schicht 67a aus CoFe mit einer Dicke von etwa 0,5nm. Darüber gestapelt
sind mehrfach Doppelschichten 67 und 71 aus NiFe
bzw. CoFe, von denen jede NiFe-Schicht 67 eine Dicke von
etwa 0,5nm und jede CoFe-Schicht eine Dicke von etwa 0,1 nm aufweisen.
In diesem Ausführungsbeispiel
weist die freie magnetische Schicht 73 eine Gesamtdicke
von ca. 4nm auf.The free magnetic layer 73 has a construction like the one above 10 (B) has been described. Specifically, the free magnetic layer comprises 73 a lowest layer 67a made of CoFe with a thickness of about 0.5nm. Stacked over multiple layers 67 and 71 made of NiFe or CoFe, each of which NiFe layer 67 has a thickness of about 0.5 nm and each CoFe layer has a thickness of about 0.1 nm. In this embodiment, the free magnetic layer 73 a total thickness of about 4nm.
12 zeigt
in schematischer Querschnittansicht eine erfindungsgemäße MRAM-Zelle,
die in ihrem Aufbau im Wesentlichen derjenigen von 5(A) entspricht, mit der Ausnahme, dass die freie
magnetische Schicht 73 des MTJ 75 von 5(A) durch die freie magnetische Mehrlagenschicht 73A gemäß der Erfindung
ersetzt ist, z.B. durch die freie magnetische Mehrlagenschicht gemäß 10(B). Im übrigen
entspricht das Ausführungsbeispiel
von 12 demjenigen von 5(A), wobei
der Einfachkeit halber gleiche Bezugszeichen für identische oder funktionell äquivalente
Elemente verwendet sind, zu denen auf die obige Beschreibung von 5(A) verwiesen werden kann. 12 shows a schematic cross-sectional view of an MRAM cell according to the invention, which in its construction substantially that of 5 (A) matches, except that the free magnetic layer 73 of the MTJ 75 from 5 (A) through the free magnetic multilayer coating 73A is replaced according to the invention, for example, by the free magnetic multilayer according to 10 (B) , Otherwise, the embodiment of 12 that of 5 (A) , wherein for the sake of simplicity, the same reference numerals are used for identical or functionally equivalent elements, to those on the above description of 5 (A) can be referenced.
13 veranschaulicht
Messergebnisse für eine
durchschnittliche Hystereseschleife aus einer Stichprobe herkömmlicher
MTJ-Strukturen und aus einer Stichprobe erfindungsgemäßer MTJ-Strukturen mit
einer Stichprobengröße von jeweils
100 ea. In beiden Stichprobensätzen
wurde die gleiche Konfiguration für die Pinning-Schicht (CoFe
3nm, Ru 0,8nm, CoFe 3,4nm) und die Tunnelbarrierenschicht (Al2O3 1,2nm) benutzt.
Auch die Abmessung im horizontalen Querschnitt war für jede Stichprobe
gleich (0,8μm·0,4μm). 13 illustrates measurement results for an average hysteresis loop from a sample of conventional MTJ structures and from a sample of MTJ structures according to the invention with a sample size of 100 ea each. In both sample sets, the same configuration for the pinning layer (CoFe 3nm, Ru 0.8 nm, CoFe 3.4nm) and the tunnel barrier layer (Al 2 O 3 1.2nm). Also, the dimension in horizontal cross section was the same for each sample (0.8μm x 0.4μm).
Die
freie magnetische Schicht der getesteten herkömmlichen MTJ-Strukturen bestand
aus einer CoFe-Schicht mit 1 nm und einer NiFe-Schicht mit 3nm, was eine Gesamtdicke
von 4nm ergibt, entsprechend 10(A).
Die freie magnetische Schicht der getesteten MTJ-Strukturen der
Erfindung umfasste eine Mehrlagenstruktur aus einer ersten CoFe-Schicht mit 0,5nm
und anschließenden
alternierenden Schichten aus NiFe mit 0,5nm und CoFe mit 0,1nm bis
zu einer Gesamtdicke von 4nm, entsprechend 10(B).The free magnetic layer of the conventional MTJ structures tested consisted of a 1 nm CoFe layer and a 3 nm NiFe layer, giving a total thickness of 4 nm, respectively 10 (A) , The free magnetic layer of the tested MTJ structures of the invention comprised a multilayer structure of a first 0.5nm CoFe layer and then 0.5nm NiFe alternating layers and 0.1nm CoFe to a total thickness of 4nm, respectively 10 (B) ,
Die
Messungen wurden ohne ein hartes magnetisches Feld durchgeführt. Die
durchgezogene Kennlinie 103 zeigt die durchschnittlichen
Testergebnisse für
den MTJ gemäß der Erfindung,
während
die gestrichelte Kennlinie 101 die Testergebnisse für den herkömmlichen
MTJ wiedergibt. Der MTJ-Widerstand ist in 13 auf
eins normiert. Wie aus 13 ersichtlich, zeigen die Testergebnisse
für das
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel
verglichen mit denjenigen für
den herkömmlichen
MTJ eine bessere Symmetrie, und es wird für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel
ein geringerer magnetischer Fluss und folglich weniger Leistung
benötigt,
um den maximalen und den minimalen Widerstandwert zu erreichen.The measurements were carried out without a hard magnetic field. The solid characteristic 103 shows the average test results for the MTJ according to the invention, while the dashed curve 101 the test results for the conventional MTJ. The MTJ resistor is in 13 normalized to one. How out 13 As can be seen, the test results for the inventive embodiment show better symmetry compared with those for the conventional MTJ, and less magnetic flux and hence less power is required for the embodiment of the present invention to achieve the maximum and minimum resistance values.
14(A) zeigt die Änderungsrate dR/dH des Widerstands
in Abhängigkeit
vom magnetischen Fluss Heasy für
den konventionellen MTJ, d.h. die entsprechende Steigung der Widerstands-Magnetfluss-Kennlinie.
Eine dunklere Linie 105a betrifft den Fall ohne harten
magnetischen Fluss Hhard, d.h. Hhard = 0 Oe. Eine graue Linie 107a betrifft
den Fall eines harten magnetischen Flusses von 30 Oe. Wie aus 14A ersichtlich, existiert ein großer Überlappbereich
OR1, in welchem die magnetischen Spins der freien magnetischen Schicht
durch den magnetischen Fluss Heasy in Abwesenheit des magnetischen
Flusses Hhard rotieren, was in einer erhöhten Anfälligkeit gegen Schreibfehler
resultiert. 14 (A) shows the rate of change dR / dH of the resistance as a function of the magnetic flux Heasy for the conventional MTJ, ie the corresponding slope of the resistance magnetic flux characteristic. A darker line 105a concerns the case without hard magnetic flux Hhard, ie Hhard = 0 Oe. A gray line 107a concerns the case of a hard magnetic flux of 30 Oe. How out 14A As can be seen, there is a large overlap area OR1 in which the magnetic spins of the free magnetic layer rotate by the magnetic flux Heasy in the absence of the magnetic flux Hhard, resulting in an increased susceptibility to write errors.
14(B) zeigt die Änderungsrate dR/dH des Widerstands
in Abhängigkeit
vom magnetischen Fluss Heasy für
den erfindungsgemäßen MTJ.
Eine dunklere Linie 105b betrifft den Fall ohne harten
magnetischen Fluss Hhard, d.h. Hhard = 0 Oe. Eine graue Linie 107b betrifft
den Fall eines harten magnetischen Flusses von 30 Oe. Wie aus 14(B) ersichtlich, existiert nur ein minimaler Überlappbereich OR2,
in welchem die magnetischen Spins der freien magnetischen Schicht
durch den magnetischen Fluss Heasy in Abwesenheit des magnetischen
Flusses Hhard rotieren. Im Vergleich mit dem herkömmlichen
MTJ bedeutet dies für
den erfindungsgemäßen MTJ
eine deutliche Verringerung der Anfälligkeit gegenüber Schreibfehlern. 14 (B) shows the rate of change dR / dH of the resistance as a function of the magnetic flux Heasy for the MTJ according to the invention. A darker line 105b concerns the case without hard magnetic flux Hhard, ie Hhard = 0 Oe. A gray line 107b concerns the case of a hard magnetic flux of 30 Oe. How out 14 (B) As can be seen, there exists only a minimal overlap area OR2 in which the magnetic spins of the free magnetic layer through the magnetic flux Heasy in the absence of the magnetic flux ses Hhard rotate. In comparison with the conventional MTJ, this means a significant reduction in the susceptibility to spelling errors for the MTJ according to the invention.
Es
versteht sich, dass die Erfindung außer den gezeigten und oben
erläuterten
Ausführungsbeispielen
zahlreiche weitere Realisierungen umfasst. Insbesondere können die
für die
einzelnen Schichten angegebenen Dicken je nach Bedarf und Anwendungsfall
variiert werden. Gleiches gilt für
die zu den verschiedenen Schichten angegebenen Materialien sowie
für die
Anzahl von Schichten innerhalb eines jeweiligen Mehrlagenaufbaus.
Zur Minimierung von Domänengrenzen
ist es im allgemeinen bevorzugt, wenngleich nicht zwingend, dass
jede Schicht bzw.It
it is understood that the invention except the ones shown and above
explained
embodiments
includes many other realizations. In particular, the
for the
individual layers specified thicknesses as needed and application
be varied. The same applies to
the materials given to the different layers as well
for the
Number of layers within a particular multi-layer construction.
To minimize domain boundaries
it is generally preferred, though not mandatory, that
each layer or
Schichtlage
im Mehrlagenaufbau der freien magnetischen Schicht eine Dicke von
nur etwa 1 nm oder weniger aufweist.layer sheet
in multilayer structure of the free magnetic layer has a thickness of
only about 1 nm or less.
15 veranschaulicht
einige alternative Möglichkeiten
für freie
magnetische Schichten 1501 bis 1504 gemäß der Erfindung.
Die freie magnetische Schicht 1501 besteht beispielsweise
aus zwei alternierend gestapelten ferromagnetischen Schichten 1 und 2.
Von diesen kann z.B. die eine aus CoFe und die andere aus NiFe bestehen.
Die freie magnetische Schicht 1502 ist aus einer alternierenden
Folge einer ferromagnetischen Schicht und einer amorphen ferromagnetischen
Schicht 3 aufgebaut, wobei die ferromagnetische Schicht 1 die
unterste Schicht bildet und z.B. aus CoFe oder NiFe besteht, während die amorphe
ferromagnetische Schicht 3 z.B. aus CoFeB besteht. Die
freie magnetische Schicht 1503 entspricht der freien magnetischen
Schicht 1502 mit der Ausnahme, dass die amorphe ferromagnetische Schicht 3 die
unterste Schicht bildet. Die freie magnetische Schicht 1504 besteht
aus einer alternierenden Folge einer ferromagnetischen Schicht 1 und
einer nicht ferromagnetischen Schicht 4. Die ferromagnetischen
Schichten 1 bestehen z.B. aus CoFe oder NiFe, während die
nicht ferromagnetischen Schichten z.B. aus Ta bestehen, wobei die
ferromagnetische Schicht 1 die unterste Schicht bildet. 15 illustrates some alternative possibilities for free magnetic layers 1501 to 1504 according to the invention. The free magnetic layer 1501 For example, it consists of two alternately stacked ferromagnetic layers 1 and 2 , Of these, for example, one of CoFe and the other consist of NiFe. The free magnetic layer 1502 is an alternating sequence of a ferromagnetic layer and an amorphous ferromagnetic layer 3 constructed, with the ferromagnetic layer 1 forms the lowest layer and consists for example of CoFe or NiFe, while the amorphous ferromagnetic layer 3 eg consists of CoFeB. The free magnetic layer 1503 corresponds to the free magnetic layer 1502 with the exception that the amorphous ferromagnetic layer 3 forms the lowest layer. The free magnetic layer 1504 consists of an alternating sequence of a ferromagnetic layer 1 and a non-ferromagnetic layer 4 , The ferromagnetic layers 1 For example, consist of CoFe or NiFe, while the non-ferromagnetic layers, for example, consist of Ta, wherein the ferromagnetic layer 1 forms the lowest layer.