DE102005062769B4

DE102005062769B4 - Hybrid-Speicherzelle für durch spinpolarisierten Elektronenstrom induziertes Schalten und Schreib/Leseprozess, der eine derartige Speicherzelle verwendet

Info

Publication number: DE102005062769B4
Application number: DE102005062769.2A
Authority: DE
Inventors: Jacques Miltat; Yoshinobu Nakatani
Original assignee: Qimonda AG; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Altis Semiconductor SNC; Universite Paris Sud Paris 11
Current assignee: Infineon Technologies AG; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Altis Semiconductor SNC; Universite Paris Sud Paris 11
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2025-12-29
Also published as: US20060146601A1; DE102005062769A1; US20060146598A1; US7061797B1; US20070081382A1; US7315467B2

Abstract

Magnetoresistive Hybrid-Speicherzelle mit: einer ersten Stapelstruktur (9) mit einem magnetischen Tunnelübergang einschließlich erster und zweiter magnetischer Gebiete (10, 11), die in paralleler, übereinanderliegender Weise gestapelt und von einer Schicht (12) nichtmagnetischen Materials getrennt sind, wobei das erste magnetische Gebiet (10) einen fixierten ersten magnetischen Momentvektor (17) und das zweite magnetische Gebiet (11) einen freien zweiten magnetischen Momentvektor (18) aufweist, wobei der freie zweite magnetische Momentvektor (18) zwischen einer selben und entgegengesetzten Richtung bezüglich des fixierten ersten magnetischen Momentvektors (17) des ersten magnetischen Gebiets (10) umschaltbar ist; einer zweiten Stapelstruktur (23), die wenigstens teilweise lateral zur ersten Stapelstruktur (9) angeordnet ist und ein drittes magnetisches Gebiet (20) mit einem fixierten dritten magnetischen Momentvektor (21) sowie das zweite magnetische Gebiet (11) aufweist, wobei der fixierte dritte magnetische Momentvektor (21) des dritten magnetischen Gebiets (20) senkrecht zum freien zweiten magnetischen Momentvektor (18) des zweiten magnetischen Gebiets (11) ausgerichtet ist; drei Elektroden (15, 16, 22), wobei die ersten und zweiten Stapelstrukturen (9, 23) zwischen diesen angeordnet und mit diesen in elektrischem Kontakt sind, von denen eine auf einer Seite der ersten und zweiten Stapelstrukturen (9, 23) angeordnet ist und eine die ersten und zweiten Stapelstrukturen verbindende gemeinsame Elektrode (16) darstellt, die benachbart zum zweiten magnetischen Gebiet (18) angeordnet ist, und die anderen beiden Elektroden getrennte Elektroden (15, 22) für jede der ersten und zweiten Stapelstrukturen (9, 23) sind, die an den ersten und zweiten Stapelstrukturen jeweils an einer zur gemeinsamen Elektrode (15) gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft nichtflüchtige Halbleiterspeicherchips und insbesondere magnetoresistive Speicherzellen für durch spinpolarisierten Elektronenstrom induziertes Schalten.
HINTERGRUND
Magnetische (oder magnetoresistive) Speicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) stellen eine nichtflüchtige Speichertechnologie dar, der eine große Bedeutung als zukünftige Standardspeichertechnologie für Computervorrichtungen vorhergesagt wird.
Eine schematische Darstellung einer typischen magnetoresistiven Speicherzelle ist in 1 dargestellt. Eine magnetoresistive Speicherzelle (ebenso als Tunnel-magnetoresistives oder TMR-Bauelement bezeichnet) weist einen Aufbau mit ferromagnetischen Schichten 2, 4 auf, die jeweils einen resultierenden magnetischen Momentvektor 5, 6 aufweisen und die durch eine nichtmagnetische Schicht (Tunnelbarriere) 3 getrennt und als magnetischer Tunnelübergang (MTJ) 1 aufgebaut sind. Digitale Information wird in der magnetischen Speicherzelle durch die Ausrichtung der magnetischen Momentvektoren in den ferromagnetischen Schichten gespeichert und gekennzeichnet. Insbesondere ist der resultierende magnetische Momentvektor 6 einer ferromagnetischen Schicht 4 magnetisch fixiert oder gepinnt (typischerweise als „Referenzschicht”, „gepinnte Schicht” oder „fixierte Schicht” bezeichnet), während der resultierende magnetische Momentvektor 5 der anderen ferromagnetischen Schicht 2 (typischerweise als „freie Schicht” bezeichnet) frei zwischen zwei bevorzugten Richtungen geschaltet werden kann, d. h. zwischen derselben und entgegengesetzten Richtung bezüglich der fixierten Magnetisierung 6 der Referenzschicht 4. Die Ausrichtungen des magnetischen Momentvektors 5 der freien Schicht 2 sind ebenso jeweils als „parallele” und „antiparallele” Zustände bekannt, wobei ein paralleler Zustand auf eine selbe magnetische Ausrichtung zwischen freier Schicht und Referenzschicht hinweist (oberes Diagramm in 1), während ein antiparalleler Zustand sich auf entgegengesetzte Ausrichtungen zwischen diesen Schichten bezieht (unteres Diagramm in 1). Somit wird ein logischer Zustand einer magnetoresistiven Speicherzelle nicht durch Energieversorgung wie in DRAMs aufrechterhalten, sondern durch die Ausrichtung des magnetischen Momentvektors der freien Schicht bezüglich der Ausrichtung des magnetischen Momentvektors der Referenzschicht (z. B. eine logische „0” im Falle einer parallelen Ausrichtung der magnetischen Momentvektoren und eine logische „1” im Falle einer antiparallelen Ausrichtung zwischen diesen).
Abhängig von den magnetischen Zuständen der freien Schicht weist die magnetische Speicherzelle zwei verschiedene Widerstandswerte bei einer über der magnetischen Tunnelübergangsbarriere angelegten Spannung auf, wobei der Widerstand „gering” ist, falls die Magnetisierung parallel liegt und dieser ist „hoch” falls die Magnetisierung antiparallel ausgerichtet ist, so dass eine Detektion der Widerstandsänderungen einem MRAM-Bauelement ermöglicht, in der magnetischen Speicherzelle gespeicherte logische Information bereitzustellen.
Eine magnetische Speicherzelle wird typischerweise durch angelegte magnetische Felder beschrieben, die von bi- oder uni-direktionalen Strömen herrühren. Zum Schreiben von magnetischen Speicherzellen sind verschiedenartige Schreib(Schalt)-Szenarios bekannt, die vom tatsächlichen Aufbau der magnetoresistiven Speicherzelle abhängen, wie etwa Stoner-Wohlfahrt-Umschaltung oder adiabatische Drehumschaltung („adiabatic rotational switching”, „toggle-switching”, Kippumschaltung), die einem Fachmann bekannt sind und auf die aus diesem Grunde nicht weiter eingegangen wird.
Um für heutige elektronische Vorrichtungen wie Digitalkameras oder dergleichen nützlich zu sein, ist es erforderlich, Arrays magnetischer Speicherzellen hoher Dichte einzusetzen, was eine Verkleinerung von MRAM-Zellen als einer der wichtigsten Aspekte erscheinen lässt, jedoch sind hierzu verschiedenartige Probleme zu lösen.
Eine Verkleinerung von MRAM-Zellen erfordert immer kleinere magnetische Tunnelübergänge, was sich als schwierig herausstellt, zumal für ein gegebenes Aspektverhältnis und eine Dicke der freien Schicht, die vom Volumen der freien Schicht abhängige Aktivierungsenergie bei der Verkleinerung mit w skaliert, wobei w die Weite der magnetischen Zelle darstellt. Ansonsten vergrößern sich die Umschaltfelder beim Verkleinern ungefähr mit 1/√w, so dass ein Umschalten durch magnetische Felder sogar noch schwieriger wird, wobei die magnetischen Zellen jedoch gleichzeitig deren Information immer schneller aufgrund thermischer Aktivierung verlieren. Eine hauptsächliche Schwierigkeit bei Vorliegen einer geringen Aktivierungsenergie (Energiebarriere) liegt darin, dass es äußerst schwierig wird, eine MRAM-Zelle in einem Array selektiv umzuschalten, wobei Selektivität ein Umschalten ermöglichen soll ohne versehentlich weitere MRAM-Zellen umzuschalten. Die Speicherzellen müssen deshalb eine beträchtlich große Form- oder induzierte Anisotropie aufweisen, um eine thermische Stabilität aufrechtzuerhalten.
In 2 ist ein Diagramm gezeigt, in dem die Energiebarrierenhöhe ΔE zum Umschalten des magnetischen Momentvektors 5 einer freien magnetischen Schicht 2 des rechteckförmigen MTJ 1 aus 1 mit lateralen Dimensionen L für die Länge und l für die Weite (siehe Einschub) und einer geringen Dicke von ungefähr 2 nm gegen die Weite l aufgetragen ist. Es sei ferner angenommen, dass die Magnetisierung der freien Schicht 2 entlang der Richtungen ±x ausgerichtet ist. Betrachtet man ein einfaches Arrhenius-Gesetz mit einer charakteristischen Versuchszeit von 0.1 ns, entspricht eine Anforderung einer zehnjährigen Stabilität dem Einstellen der Barrierenhöhe zwischen stabilen Zuständen (–x und x) bei ungefähr 45 k_BT (T = 300°K, Raumtemperatur, k_B entspricht der Boltzmann-Konstante).
Wie in 2 dargestellt ist, stellt sich ein Aspektverhältnis von L/l = 2 als ausreichend heraus, um das untere Grenzkriterium der Energiebarrierenhöhe zu erfüllen, falls 1 größer als ungefähr 60 nm bleibt. Eine geringfügige Vergrößerung des Aspektverhältnisses führt zu einer weiteren Hinausschiebung der Grenze. Es wird ebenso klar, dass bei Größenverkleinerung die superparamagnetische Grenze immer näher rückt.
Eine weitere Schwierigkeit beim Verkleinern magnetoresistiver Speicherzellen ist darin zu sehen, dass die Zellgrößen bei über Magnetfelder umgeschalteten Speicherzellen kleiner sein müssen als die Größen der Stromleiterbahnen zum Erzeugen der magnetischen Felder um sicherzustellen, dass im Wesentlichen homogene magnetische Felder über der gesamten Speicherzellenfläche vorliegen.
Ein Ansatz zum Lösen obiger Schwierigkeiten stellt ein neues Konzept zum Schreiben von magnetoresistiven Speicherzellen dar, das vor kurzem vorgeschlagen wurde, wobei die Umkehr des magnetischen Momentvektors der freien magnetischen Schicht nicht durch externe magnetische Felder erzeugt wird, sondern durch spinpolarisierte Elektronen, die senkrecht durch den Stapel der Speicherzellenschichten fließen. Für eine detaillierte Beschreibung dieses Konzeptes sei z.B. auf die grundlegende US 5 695 864 A von Slonczewski und US 6 532 164 B2 von Redon et al. verwiesen.
In dem obigen neuen Konzept werden durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch eine magnetische Schicht mit einer bestimmten Magnetisierung die Spins von Elektronen durch quantenmechanische magnetische Austauschwechselwirkung ausgerichtet, so dass die stromführenden Elektronen die magnetische Schicht mit einem polarisierten Spin verlassen. Fließen alternativ hierzu spinpolarisierte Elektronen durch eine magnetische Schicht mit einem bestimmten magnetischen Momentvektor entlang einer bevorzugten leichten Achsenrichtung, so verursachen diese spinpolarisierten Elektronen eine kontinuierliche Drehung des magnetischen Momentvektors, was zu einer Umkehr des magnetischen Momentvektors entlang dessen leichter Achse führen kann. Somit kann das Umschalten des magnetischen Momentvektors zwischen dessen zwei bevorzugten Ausrichtungen entlang der leichten Achse durch Hindurchfließen spinpolarisierter Elektronen senkrecht durch die magnetische Schicht beeinflusst werden.
Neuerliche experimentelle Daten (siehe Kiselev S. I., [u.a.]: Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current. In: Nature, 425, 2003, 380–383 und Rippard W. H., [u. a.]: Direct-Current Induced Dynamics in Co90Fe10/Ni80Fe20 Point Contacts. In: Physical Review Letters, 92, 2004, 2, 027201-1–027201-4) bestätigen das Wesen des magnetischen Momenttransfers als eine Quelle magnetischer Erregung und folglich Umschaltung. Diese Experimente bestätigen theoretische Vorhersagen (siehe Slonczewski J. C.: Current-driven excitation of magnetic multilayers. In: Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, 1996, L1–L7 und Stiles M. D., Zangwil A.: Anatomy of spin-transfer torque. In: Physical Review B, 66, 2002, 014407-1–014407-14), die besagen, dass der führende Drehmomentausdruck, der auf die Magnetisierung bei spinpolarisierten DC Strömen wirkt proportional ist zu: dm / dt ∝ P[m × (m × p)], wobei m, p und P jeweils die Magnetisierungsrichtung im Raum, die Polarisationsrichtung des Elektronenstroms (Dichte pro Einheitsfläche J) und eine Polarisationsfunktion kennzeichnen. Eine direkte Begutachtung obiger Gleichung deutet darauf hin, dass das Drehmoment maximal wird, falls p senkrecht zu m steht.
Im Folgenden wird Bezug zu 3A und 3B genommen, die eine schematische Darstellung einer freien magnetischen Schicht 2 und einer magnetischen Schicht 7 zur Spinpolarisation von stromführenden Elektronen in einer Stapelanordnung zeigen. Bei diesem Aufbau ist die freie magnetische Schicht 2 mit einer leichten Magnetisierungsachse versehen, wobei ein magnetischer Momentvektor 5 frei zwischen zwei bevorzugten Richtungen derselbigen umgeschaltet werden kann. Die magnetische Schicht 7 ist mit einem fixierten magnetischen Momentvektor 8 versehen, der senkrecht zum magnetischen Momentvektor 5 des Aufbaus in 3A und 3B ist. In 3A ist eine Stromdichte J eines Elektronenstroms (nicht dargestellt), der senkrecht durch die Schichten fließt, zu null angenommen, während in 3B die Stromdichte J als verschieden von null angenommen wird. Somit verbleibt der magnetische Momentvektor 5 einerseits in 3A, in der kein Strom durch die Schichten fließt, unverändert, während die durch die Schichten fließenden Elektronen andererseits in 3B beim Hindurchtreten durch die magnetische Schicht 7 aufgrund des Effektes der magnetischen Austauschwechselwirkung spinpolarisiert sind. Falls eine Polarisationsrichtung p der stromführenden Elektronen in der Ebene der freien magnetischen Schicht 2 liegt, führt dies zu einer Drehung des magnetischen Momentvektors 5 in der Ebene der freien magnetischen Schicht 2 und das Drehmoment wird zu null, falls m parallel zu p liegt (dieser Fall ist in 1A und 1B nicht dargestellt). Ist alternativ hierzu p senkrecht zur Ebene der freien magnetischen Schicht 2 (dieser Fall ist in 1A, 1B dargestellt), so drückt das anfängliche Drehmoment den magnetischen Momentvektor 5 aus dessen Ebene, wodurch ein Entmagnetisierungsfeld H_D senkrecht zur Ebene der freien magnetischen Schicht 2 erzeugt wird, was dazu führt, dass eine Kreiselbewegung des magnetischen Momentvektors 5 um das Entmagnetisierungsfeld HD ausgeführt werden kann.
Mit anderen Worten gelingt es der Magnetisierungsrichtung in einem magnetischen Element wie dem weichen Element einer MRAM Zelle aufgrund entmagnetisierender Effekte dennoch nicht gleichförmig zu sein, obgleich diese der Gleichförmigkeit sehr nahe kommt. Die Kohärenz während des magnetischen Umschaltens kann dennoch aufrechterhalten werden, falls das Feld, das ein Drehmoment auf die Magnetisierung auswirkt, senkrecht zur weichen Schicht liegt. Um dies zu erzielen, ist die beste Vorgehensweise, ein magnetisches Feld senkrecht zur mittleren Magnetisierungsrichtung innerhalb des weichen Elements und in der Ebene der Schicht anzulegen. Dieses anfängliche Drehmoment γ_O[m × H_a], wobei γ_O, m, H_a jeweils ein gyromagnetisches Verhältnis, einen Magnetisierungsvektor und ein angelegtes magnetisches Feld kennzeichnen, zieht die Magnetisierung aus der Ebene, was zu einem Anwachsen eines Entmagnetisierungsfeldes führt, das im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Schicht verbleibt. Die Magnetisierung kann nun um das Entmagnetisierungsfeld durch das Drehmoment γ_O[m × H_D] kreisen, wobei HD das Entmagnetisierungsfeld kennzeichnet.
Um ein kreisendes Umschalten wahrzunehmen, müssen drei Bedingungen erfüllt sein; die Anstiegs- und Abfallzeiten des Feldpulses müssen „kurz” sein und die Länge des Pulses muss sehr präzise zugeschnitten sein, wobei „kurz” eine Zeitspanne darstellt, die klein ist verglichen mit der Zeitspanne, die für eine Halbumdrehung der Magnetisierung erforderlich ist. Es sei angenommen, dass T und f der Periode und Präzessionsfrequenz entsprechen. Eine Halbumdrehung erfordert eine Zeit von T/2. Eine Umdrehung dauert T = 1/f und f hängt von der Amplitude des Entmagnetisierungsfeldes ab: ω = 2Πf = γ_OH_d. Andererseits skalieren die Entmagnetisierungsfelder mit dem Winkel der Magnetisierung aus derselben Ebene.
Ein Beispiel kann dies veranschaulichen. Wird angenommen, dass die Magnetisierung um einen Winkel von ϑ = 10° aus deren Ebene tritt, so beträgt die Entemagnetisierungsfeldamplitude ungefähr H_d ≈ M_ssin(10°) ist. Für ein typisches weiches Material mit einer Sättigungsinduktion von μ_OM_s = 1 Tesla, führt dies zu einer Präzessionsfrequenz von f = (ω/2Π) = γ_OM_ssin(10°) = 5 GHz. Die Periode beträgt 200 Pikosekunden und die für eine Halbumdrehung erforderliche Zeit würde typischerweise T/2 = 100 × 10^–12s. (100 Pikosekunden (ps)) betragen. In Folge der im Beispiel gewählten Werte sollte die Pulslänge zusammenfassend nahe bei 100 ps liegen und die Abfall- und Anstiegszeiten sollten erheblich kürzer als 100 ps sein. Laboruntersuchungen ermöglichen Pulsanstiegs- und Abfallzeiten in der Größenordnung von 20 ps.
Präzessionsumschaltung ist ein sehr robuster und grundlegender Effekt. In einem großangelegten Speicher wird jedoch aufgrund verschiedener Quellen von Impedanzen erwartet, dass ein Aufrechterhalten einer derartigen Genauigkeit hinsichtlich der Definition der Feldpulse sehr schwierig sein könnte.
Um zu einer gewünschten Umkehr des freien magnetischen Momentvektors zu gelangen, muss die Präzessionsbewegung geeignet gesteuert werden, worauf jedoch im Stand der Technik bisher nicht eingegangen wurde.
Aus der EP 1 096 500 A1 slnd elne magnetische Speichervorrichtung sowie ein entsprechendes Informationsspelcherverfahren bekannt. Aus der US 2004/0 196 744 A1 ist ein Verfahren zum Umkehren der Magnetisierungsrlchtung ohne äußeres Magnetfeld bekannt. Eine weltere magnetische Spelcherzelle ist aus der EP 1 349 184 A1 bekannt. Weltere Beispiele für magnetische Speicherzellen sind in der US 6 532 164 B2 sowle in der US 5 416 353 A beschrieben. Es stellt sich die Aufgabe eine magnetoresistive Speicherzelle die mittels Präzessionsumschaltung schaltbar ist und eine Verfahren zum Schreiben und Lesen einer entsprechenden Speicherzelle bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine magnetoresistive Hybrid-Speicherzelle gemäß dem Anspruch 1 und dem Anspruch 2, sowie dem Verfahren zum Schreiben und Lesen einer magnetoresistiven Hybrid-Speicherzelle gemäß dem Anspruch 3. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
ÜBERSICHT
In Anbetracht obiger Ausführungsformen stellt die Erfindung eine magnetoresistive Speicherzelle bereit, die eine weitere Zellverkleinerung zulässt, ohne erhebliche Schwierigkeiten aufgrund vergrößerter Umschaltfelder und verkleinerter Aktivierungsenergien zu verursachen.
Die Erfindung gibt zudem ein Verfahren zum Schreiben (Schalten) und Lesen von Widerstandszuständen obiger magnetoresistiver Speicherzellen an.
Gemäß einem ersten Beispiel weist eine magnetoresistive Hybrid-Speicherzelle eine erste Stapelstruktur mit einem magnetischen Tunnelübergang einschließlich erster und zweiter magnetischer Gebiete, die in paralleler, übereinanderliegender Weise gestapelt und von einer Schicht nichtmagnetischen Materials getrennt sind, auf. Das erste magnetische Gebiet ist mit einem fixierten ersten magnetischen Momentvektor versehen, während das zweite magnetische Gebiet mit einem freien zweiten magnetischen Momentvektor versehen ist, wobei der freie zweite magnetische Momentvektor frei zwischen derselben und entgegengesetzten Richtungen bezüglich des obigen fixierten ersten magnetischen Momentvektors des ersten magnetischen Gebiets umschaltbar ist. Die magnetoresistive Hybrid-Speicherzelle weist zudem eine zweite Stapelstruktur auf, die wenigstens teilweise lateral zur ersten Stapelstruktur angeordnet ist und sowohl ein drittes magnetisches Gebiet als auch das zweite magnetische Gebiet aufweist, wobei Letzteres ein gemeinsames magnetisches Gebiet der ersten und zweiten Stapelstrukturen ist. Das dritte magnetische Gebiet ist mit einem fixierten dritten magnetischen Momentvektor versehen, der typischerweise und vorzugsweise in orthogonaler Ausrichtung zum freien zweiten magnetischen Momentvektor des zweiten magnetischen Gebiets liegt. Darüber hinaus sind die ersten und zweiten Strukturen zwischen wenigstens zwei Elektroden in elektrischem Kontakt mit diesen angeordnet.
Die magnetische Anisotropie des zweiten magnetischen Gebietes kann auf eine Formanisotropie und/oder intrinsische Anisotropie zurückzuführen sein. In letzterem Falle kann das zweite magnetische Gebiet beispielsweise von elliptischer Form sein.
In einem Beispiel der Erfindung ist eine der oben genannten Elektroden zum Kontaktieren der ersten und zweiten Strukturen, die auf einer Seite der ersten und zweiten Strukturen angeordnet ist, eine gemeinsame Elektrode in elektrischem Kontakt mit sowohl der ersten als auch der zweiten Struktur. Eine derartige gemeinsame Elektrode ist vorzugsweise benachbart zum zweiten magnetischen Gebiet angeordnet, insbesondere in direktem elektrischen Kontakt dazu.
In einem weiteren Beispiel, die in vorteilhafter Weise mit einer die ersten und zweiten Strukturen auf einer Seite verbindenden gemeinsamen Elektrode kombiniert werden kann, werden getrennte Elektroden für jede der ersten und zweiten Strukturen auf der anderen Seite der ersten und zweiten Strukturen bereitgestellt. Ein derartiger Aufbau ermöglicht ein vorteilhaftes Entkoppeln von Schreib- und Lesefunktionen, die dadurch unabhängig voneinander optimiert werden können.
Alternativ hierzu ist es ebenso möglich getrennte Elektroden für jede der ersten und zweiten Strukturen vorzusehen, die an deren beiden Seiten angeordnet sind.
Gemäß einem zweiten Beispiel wird ein Verfahren zum Schreiben und Lesen einer magnetoresistiven Hybrid-Speicherzelle angegeben, das die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen einer magnetoresistiven Hybrid-Speicherzelle wie oben mit Bezug zum ersten Aspekt der Erfindung beschrieben; Anlegen eines Schreibspannungspulses an Elektroden an beiden Seiten von lediglich der zweiten Struktur (und nicht der ersten Struktur), was zu einem Strompulsfluss durch das zweite magnetische Gebiet zum Schreiben des freien zweiten magnetischen Momentvektors führt; Anlegen eines Lesespannungspulses an Elektroden auf beiden Seiten von lediglich der ersten Struktur (und nicht der zweiten Struktur), was zu einem Strompulsfluss durch den magnetischen Tunnelübergang führt. Somit ermöglicht das Anlegen von Schreib- und Lesespannungspulsen an die zweiten und ersten Stapelstrukturen jeweils ein vorteilhaftes Entkoppeln von Schreib- und Lesefunktionen.
In einem Beispiel wird ein Umschaltspannungspuls angelegt, der insgesamt zu einer kohärenten Drehung über eine Hälfte einer Vollumdrehung des freien zweiten magnetischen Momentvektors führt. Eine derartige kohärente Drehung über die Hälfte einer Vollumdrehung des freien zweiten magnetischen Momentvektors lässt sich in vorteilhafter Weise erzielen, indem Schreibspannungspulse mit einer langsamen Anstiegszeit und einer schnellen Abfallzeit angelegt werden. Die Ausdrücke „langsam” und „schnell” haben hier exakt dieselbe Bedeutung wie bei der Präzessionsumschaltung, die im einleitenden Teil beschrieben wurde, so dass „schnell” Zeiten kennzeichnet, die kürzer als ein halber Präzessionszyklus sind, während „langsam” Zeiten kennzeichnet, die im Wesentlichen größer als ein gesamter Präzessionszyklus sind. Somit erfordert eine Präzessionsumschaltung sowohl „schnelle” Feldpulsanstiegs- und Abfallzeiten, wobei Spininjektion in der gegebenen Geometrie „langsame” Stromanstiegszeiten erfordert. Dies ist ein Ergebnis von erweiterten numerischen Simulationen seitens der Erfinder. Eine „schnelle” Stromanstiegszeit würde viel unerwünschtes „Ringing” der Magnetisierung verursachen (Reaktionsoszillationen).
Wie ebenso im einleitenden Teil mit Bezug zur Präzessionsumschaltung beschrieben, bedeutet „kohärente Drehung”, dass das Drehmoment unabhängig von der Magnetisierungsverteilung (Abweichen von einer ideal gleichmäßigen Verteilung) derart wirkt, dass alle Momente einem in derselben Richtung wirkenden Drehmoment unterworfen werden, wodurch eine Kohärenz der Verteilung aufrechterhalten wird. Dies trifft jedoch nicht auf die bekannten Spininjektionszellen zu, für die aufgrund verschiedener Simulationen ein ausgeprägtes chaotisches Verhalten vorhergesagt wurde. Andere und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die begleitenden Abbildungen, welche in die Beschreibung eingebunden sind und einen Teil derselbigen darstellen, zeigen gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung und der unteren detaillierten Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.
1 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines typischen magnetischen Tunnelübergangs in einer MRAM-Zelle;
2 zeigt eine Darstellung einer Energiebarrierenhöhe zum Umschalten einer MRAM-Zelle über der Dimension der Weite l;
3A und 3B zeigen eine Stapelstruktur mit einer magnetischen Schicht mit einer fixierten Magnetisierung und einer freien magnetischen Schicht mit einer freien Magnetisierung, die hinsichtlich der fixierten Magnetisierung über einen durch diese fließenden spinpolarisierten Elektronenstrom gedreht werden kann;
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer magnetoresistiven Hybrid-Speicherzelle gemäß der Erfindung;
5 zeigt ein Diagramm eines Schreibstroms I bei Einzelspinbegrenzung über der Zeit.
6A und 6B zeigen typische Schreibstrompulse mit langsamen Anstiegs- und schnellen Abfallzeiten, was zu einem typischen Sagezahnprofil (6A) führt; ebenso ist ein Kurvenverlauf eines Schreibstromes über der Pulslänge für Einzelumkehrvorgänge dargestellt; und
7A und 7B zeigen mit den 6A und 6B übereinstimmende Diagramme im Falle einer Begrenzung auf die Hälfte der Plattenfläche.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der Erfindung werden unten stehend detailliert mit Bezug zu den begleitenden Abbildungen beschrieben. In 4 wird eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybrid-Speicherzelle beschrieben. Basierend auf einer herkömmlichen magnetischen Speicherzelle weist die erfindungsgemäße magnetische Hybrid-Speicherzelle eine erste Stapelstruktur 9 bestehend aus einem magnetischen Tunnelübergang (MTJ) auf, der ein fixiertes erstes magnetisches Gebiet 10 und ein freies zweites magnetisches Gebiet 11 in paralleler, übereinanderliegender Weise gestapelt und durch eine Schicht 12 einer Tunnelbarriere getrennt enthält. Das freie magnetische Gebiet 11 besteht aus einem magnetischen Material wie CoFe/NiFe und ist mit einem freien zweiten magnetischen Momentvektor 18 versehen, der frei zwischen entgegengesetzten Ausrichtungen entlang dessen leichter Achse umgeschaltet werden kann. Das magnetische Referenzgebiet 10 weist zwei Schichten 13, 14 aus ferromagnetischen Materialien wie CoFe auf, deren Magnetisierungen antiferromagnetisch gekoppelt sind, was zu einem fixierten ersten magnetischen Momentvektor 17 führt. Eine Zwischenschicht 12 besteht aus nichtmagnetischem Material wie AlO_x. Die erfindungsgemäße Hybrid-Speicherzelle weist zudem eine zweite Stapelstruktur 23 auf, die das freie zweite magnetische Gebiet 11, ein drittes magnetisches Gebiet 20 mit einem fixierten dritten magnetischen Momentvektor 21, der senkrecht zum zweiten magnetischen Momentvektor 18 ausgerichtet ist, eine leitfähige Schicht 24 aus z. B. Au, die auf dem dritten magnetischen Gebiet 20 und in Kontakt mit diesem liegt, und eine weitere leitfähige Schicht 19 aus z. B. Cu, die unterhalb des dritten magnetischen Gebiets 20 in Kontakt mit diesem liegt, enthält. Über dem zweiten magnetischen Gebiet 11 sind jeweils erste und zweite Stapelstrukturen 9 und 23 lateral zueinander mit einer Zwischenlücke G angeordnet. Darüber hinaus sind erste und zweite Stapelstrukturen zwischen einer gemeinsamen Elektrode 16, die beide ersten und zweiten Strukturen verbindet, und getrennten oberen Elektroden 15, 22 vorgesehen, nämlich jeweils eine getrennte obere Elektrode für jede der Stapelstrukturen.
Mit getrennten oberen Elektroden 15, 22 für jede der beiden ersten und zweiten Stapelstrukturen ermöglicht die magnetoresistive Hybrid-Speicherzelle in 4 eine gewünschte Entkopplung von Schreib- und Lesefunktionen.
Weitere beispielhafte Eigenschaften werden nun erläutert. Mit F wird die minimale Strukturgröße (kleinste Dimension) der verwendeten Technologie bezeichnet, z. B. 0.11 μm, 90 nm, 65 nm entlang der Halbleiter-Roadmap. Eine heutige magnetische Speicherzelle kann aufgrund der Anforderung, eine gewisse Formanisotropie aufrechtzuerhalten (Kippumschalten gestattet jedoch kreisförmige Elemente) kaum kleiner als 2F² werden. Wie oben im Zusammenhang mit der Feldadressierung beschrieben wurde, nimmt das zum Ändern der Zellen erforderliche Feld mit abnehmender Zellgröße zu. Im Gegensatz hierzu wird mit kleiner werdendem aktiven Gebiet bei Spin-Injektion der nachteilige Effekt aufgrund des durch die erforderliche Stromdichte erzeugten Feldes geringer (sogenanntes Oerstedfeld). Es ist für gewöhnliche ferromagnetische 3d Materialien bekannt, dass Spininjektion für Zellgrößen oberhalb einiger 100 nm an Bedeutung verliert.
In dem vorgeschlagenen Schema beträgt die minimale Zellgröße 3F². Somit kann der Abstand G in 4 aufgrund von Prozessbeschränkungen nicht kleiner als F werden. Andererseits ist eine 1F² Fläche für das Gebiet der Spin-Injektion (rechter Teil in 4) sehr vorteilhaft, da dies mit der Forderung, das Oerstedfeld so weit als möglich zu verringern, einhergeht. Das gegenwärtige Schema ahmt durch Spininjektion eine Präzessionsbewegung der Magnetisierung im Spin-Injektionsgebiet nach. Dies stellt einen grundlegenden Prozess durch die relativen Ausrichtungen der Magnetisierung 21 in der Schicht 20 und der Magnetisierung 18 in der Schicht 11 dar.
Sobald die Magnetisierung 18 in der Schicht 11 unterhalb der Schicht 20 umgekehrt wurde, wird eine Wand erzeugt, die eine Trägheit aufweist, so dass diese im Falle, dass sie in Bewegung gesetzt wurde, sich für eine gewisse Zeit weiter fortbewegt, wobei die Zeit hauptsächlich durch die Dämpfung im Material bestimmt ist. Wie Simulationen der Erfinder gezeigt haben, führt dieser Mechanismus des „in Gang setzen der Wand” zur Wandbewegung entlang der Abmessungen der Zellschicht 11. Darüber hinaus fließt ein Teil des Stroms von der Schicht 22 in die Unterschicht 16 ebenso entlang der gesamten Länge der Zellschicht 11. Da dieser Strom in einem ferromagnetischen Material fließt, ist dieser spinpolarisiert und übt einen Druck auf die Wand aus, was die Wandbewegung unterstützt. Dieser letzte Effekt ist jedoch schwer zu quantifizieren, da dieser entscheidend von elektrischen Widerstandsdifferenzen zwischen den Schichten 11 und 16 abhängt. Dieser letzte Effekt wurde in den Simulationen der Erfinder vernachlässigt.
Der Einsatz des Zellaufbaus für Spin-Injektion leidet unter dem Nachteil der gleichzeitigen Optimierung von sowohl dem Schreibstrom und dem Lesesignal. Strukturen mit Riesen-Magnetowiderstand würden schwache Lesesignale aufweisen. Darüber hinaus nimmt das Signal mit kleiner werdender Zellgröße ab. Tunnelübergänge leiden nicht unter diesem grundlegenden Nachteil, jedoch bleibt der Mechanismus, der möglicherweise eine Zellumschaltung durch sehr flache Tunnelübergänge zulässt, unklar. Flache Tunnelübergänge führen zu kleineren Lesesignalen. Vom Standpunkt eines Ingenieurs aus ist es jedoch umso besser, je größer das Lesesignal ist.
In dem vorgeschlagenen Schema wird die thermische Stabilität durch die Geometrie verbessert: eine 3F² Zellgröße bleibt aufgrund des Aspektverhältnisses thermisch über einen langen Zeitraum für die kleinsten F Dimensionen stabil, wie in 2 gezeigt ist (F entspricht 1 in 2). Zusätzlich tragen die magnetostatische Kopplung zwischen der Schicht 20 mit der Magnetisierung 21 und der Schicht 11 mit der Magnetisierung 18 zu einer besseren thermischen Stabilität bei.
Wie oben ausgeführt, werden in dem vorgeschlagenen Schema Schreib- und Lesefunktionen unabhängig voneinander optimiert, wobei eine Optimierung hierbei sowohl eine Optimierung des Lesesignals (bekannter Tunnelübergang 9 in dem unteren Stromregime und die günstigsten Materialien zwischen den Schichten 11 und 13) als auch eine Optimierung des Schreibstroms (optimierte Spinpolarisation durch die Auswahl der Materialien in den Schichten 11 und 20 und optimierte Spinansammlung durch eine geeignete Auswahl der Dicken der Schichten 21, 20 und 19) einbezieht.
In 5–7 wird eine numerische Simulation hinsichtlich des Verfahrens zum Schreiben einer magnetoresistiven Hybrid-Speicherzelle erläutert.
Wie in 5 gezeigt, macht eine numerische Simulation bei Einzelspinbegrenzung („single spin limit”) deutlich, dass eine gesteuerte Präzession des freien zweiten magnetischen Momentvektors durch das Anlegen von Strompulsen mit einer langsamen Anstiegszeit und einer schnellen Abfallszeit erreicht werden kann.
5 (Einzelspin-Simulationen) zeigt zudem, dass für asymmetrische Strompulse eine geeignete Auswahl der Stromdichte eine gesteuerte Drehung der Magnetisierung ermöglicht. Das rechts in der Abbildung gezeigte Φ (in °) bewegt sich in Schritten von 180°, d. h. entsprechend einer Hälfte einer Umdrehung, einer vollen Umdrehung, drei Hälften einer Umdrehung usw. Die Abbildung trifft für den in 3B gezeigten Fall zu, jedoch nicht auf denjenigen von 4. Dies sollte anfänglich erläutern, dass eine Steuerung lediglich möglich war, falls eine Pulsasymmetrie gegeben ist.
Eine Erweiterung derartiger Berechnungen in den mikromagnetischen Bereich bestätigt diese Vorhersage, wie aus 6A und 6B deutlich wird. Eine Strominjektion durch die Hälfte der plattenförmigen Fläche führt zu den folgenden Ergebnissen, die in 7A und 7B gezeigt sind.
6B und 7B sind berechnete Betriebsfenster, die durch vollständige mikromagnetische Simulationen (was bedeutet, dass nunmehr die detaillierten Aspekte der Magnetisierungsverteilung sowohl hinsichtlich Raum und Zeit berücksichtigt werden) in einem Parameterraum bestimmt wurden, bei dem die horizontale Achse jeweils die Pulslänge wie in 6A und 7A dargestellt wiedergibt und die vertikale Achse die Stromdichte am Pulsende kennzeichnet.
6A und 6B betreffen Stromdichten, die homogen durch die gesamte Zelle sind und deshalb nicht unmittelbar für die Erfindung verwendet werden können. Im Gegensatz hierzu finden 7A und 7B auf Zellen Anwendung, bei denen der Strom in lediglich einer Hälfte einer 2F² Zelle fließt, d. h. in einer Zelle, bei der der Abstand G in 4 in idealer Weise null wäre. 7A und 7B zeigen, dass ein ordentlich skalierbares Betriebsfenster mit Pulsdauern im Bereich von 0.15 bis 0.45 ns (150 bis 450 ps) und maximalen Stromdichten im Bereich 0.4 bis nahe an 0.475 A/μm² erwartet werden kann. Beschränkungen der Pulsdauern werden als eher schwach betrachtet. Stromdichten stellen eine größere Herausforderung dar, da das Fenster gemäß den erweiterten und bekannten numerischen Simulationen nicht etwa 15% überschreitet.
Bezugszeichenliste

1: Magnetischer Tunnelübergang
2: Ferromagnetische Schicht
3: Tunnelbarrierenschicht
4: Ferromagnetische Schicht
5: Magnetischer Momentvektor
6: Magnetischer Momentvektor
7: Ferromagnetische Schicht
8: Magnetischer Momentvektor
9: Erste Stapelstruktur
10: Fixiertes erstes magnetisches Gebiet
11: Freies zweites magnetisches Gebiet
12: Tunnelbarrierenschicht
13: Ferromagnetische Schicht
14: Ferromagnetische Schicht
15: Obere Elektrode
16: Gemeinsame untere Elektrode
17: Fixierter erster magnetischer Momentvektor
18: Freier zweiter magnetischer Momentvektor
19: Leitfähige Schicht
20: Drittes magnetisches Gebiet
21: Fixierter dritter magnetischer Momentvektor
22: Obere Elektrode
23: Zweite Stapelstruktur
24: Leitfähige Schicht

Claims

Magnetoresistive Hybrid-Speicherzelle mit: einer ersten Stapelstruktur (9) mit einem magnetischen Tunnelübergang einschließlich erster und zweiter magnetischer Gebiete (10, 11), die in paralleler, übereinanderliegender Weise gestapelt und von einer Schicht (12) nichtmagnetischen Materials getrennt sind, wobei das erste magnetische Gebiet (10) einen fixierten ersten magnetischen Momentvektor (17) und das zweite magnetische Gebiet (11) einen freien zweiten magnetischen Momentvektor (18) aufweist, wobei der freie zweite magnetische Momentvektor (18) zwischen einer selben und entgegengesetzten Richtung bezüglich des fixierten ersten magnetischen Momentvektors (17) des ersten magnetischen Gebiets (10) umschaltbar ist; einer zweiten Stapelstruktur (23), die wenigstens teilweise lateral zur ersten Stapelstruktur (9) angeordnet ist und ein drittes magnetisches Gebiet (20) mit einem fixierten dritten magnetischen Momentvektor (21) sowie das zweite magnetische Gebiet (11) aufweist, wobei der fixierte dritte magnetische Momentvektor (21) des dritten magnetischen Gebiets (20) senkrecht zum freien zweiten magnetischen Momentvektor (18) des zweiten magnetischen Gebiets (11) ausgerichtet ist; drei Elektroden (15, 16, 22), wobei die ersten und zweiten Stapelstrukturen (9, 23) zwischen diesen angeordnet und mit diesen in elektrischem Kontakt sind, von denen eine auf einer Seite der ersten und zweiten Stapelstrukturen (9, 23) angeordnet ist und eine die ersten und zweiten Stapelstrukturen verbindende gemeinsame Elektrode (16) darstellt, die benachbart zum zweiten magnetischen Gebiet (18) angeordnet ist, und die anderen beiden Elektroden getrennte Elektroden (15, 22) für jede der ersten und zweiten Stapelstrukturen (9, 23) sind, die an den ersten und zweiten Stapelstrukturen jeweils an einer zur gemeinsamen Elektrode (15) gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.
Magnetoresistive Hybrid-Speicherzelle mit; einer ersten Stapelstruktur (9) mit einem magnetischen Tunnelübergang einschließlich erster und zweiter magnetischer Gebiete (10, 11), die in paralleler, übereinanderliegender Weise gestapelt und von einer Schicht (12) nichtmagnetischen Materials getrennt sind, wobei das erste magnetische Gebiet (10) einen fixierten ersten magnetischen Momentvektor (17) und das zweite magnetische Gebiet (11) einen freien zweiten magnetischen Momentvektor (18) aufweist, wobei der freie zweite magnetische Momentvektor (18) zwischen einer selben und entgegengesetzten Richtung bezüglich des fixierten ersten magnetischen Momentvektors (17) des ersten magnetischen Gebiets (10) umschaltbar ist; einer zweiten Stapelstruktur (23), die wenigstens teilweise lateral zur ersten Stapelstruktur (9) angeordnet ist und ein drittes magnetisches Gebiet (20) mit einem fixierten dritten magnetischen Momentvektor (21) sowie das zweite magnetische Gebiet (11) aufweist, wobei der fixierte dritte magnetische Momentvektor (21) des dritten magnetischen Gebiets (20) senkrecht zum freien zweiten magnetischen Momentvektor (18) des zweiten magnetischen Gebiets (11) ausgerichtet ist; vier Elektroden, zwischen denen die ersten und zweiten Stapelstrukturen angeordnet und mit diesen in elektrischem Kontakt sind, welches erste und zweite Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Stapelstruktur und dritte und vierte Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten der zweiten Stapelstruktur sind, wobei die dritten und vierten Elektroden von den ersten und zweiten Elektroden getrennt sind.
Verfahren zum Schreiben und Lesen einer magnetoresistiven Hybrid-Speicherzelle mit: (a) Bereitstellen einer magnetoresistiven Hybrid-Speicherzelle nach Anspruch 1 oder 2; (b) Anlegen eines Schreibspannungspulses an Elektroden (16, 22) an beiden Seiten von lediglich der zweiten Stapelstruktur (23) zum Erzeugen eines durch das zweite magnetische Gebiet (11) fließenden Schreibstrompulses zum Umschalten dessen freien magnetischen Momentvektors (18); und (c) Anlegen eines Lesespannungspulses an Elektroden (16, 15) auf beiden Seiten von lediglich der ersten Stapelstruktur (9) zum Erzeugen eines durch den magnetischen Tunnelübergang (10, 11, 12) fließenden Lesestrompulses.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem ein Schreibspannungspuls an den freien zweiten magnetischen Momentvektor (18) angelegt wird, und der Schreibspannungsimpuls eine Anstiegszeit, die größer als ein gesamter Präzessionszyklus des freien zweiten magnetischen Momentvektors (18) ist, und eine Abfallzeit, die kürzer als ein halber Präzessionszyklus des freien zweiten magnetischen Momentvektors (18) ist, aufweist, wobei der Präzessionszyklus von der mittleren Magnetisierungsrichtung des zweiten magnetischen Gebiets (11) und der Sättigungsinduktion des zweiten magnetischen Gebiets (11) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Präzessionszyklus 200 ps beträgt.