DE102006015971A1 - Speicherelement mit adiabatischer Drehumschaltung und ferromagnetischer Entkopplungsschicht - Google Patents

Speicherelement mit adiabatischer Drehumschaltung und ferromagnetischer Entkopplungsschicht Download PDF

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Abstract

Ein magnetoresistives Speicherelement enthält eine Stapelstruktur mit einem ferromagnetischen Referenzgebiet (2) mit einer fixierten Magnetisierung; einem ferromagnetischen freien Gebiet (4) mit einer freien Magnetisierung, die frei zwischen entgegengesetzten Richtungen in Bezug zu einer Vorzugsachse umschaltbar ist; sowie einer Tunnelbarriere (3) aus einem nichtmagnetischen Material. Das ferromagnetische Referenzgebiet (2) und das freie Gebiet (4) sowie die Tunnelbarriere (3) bilden zusammen einen magnetoresistiven Tunnelübergang aus. Das ferromagnetische freie Gebiet (4) enthält eine Mehrzahl von N ferromagnetischen freien Schichten (5, 6), die magnetisch gekoppelt sind, so dass Magnetisierungen (8, 9) benachbarter ferromagnetischer freier Schichten (5, 6) antiparallel ausgerichtet sind, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist. Das ferromagnetische freie Gebiet (4) enthält zudem wenigstens eine ferromagnetische Entkopplungsschicht (14) mit einer frustrierten Magnetisierung (15) in senkrechter Ausrichtung zu den Magnetisierungen (8, 9) der ferromagnetischen freien Schichten (5, 6) und diese sind zwischen benachbarten ferromagnetischen freien Schichten (5, 6) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft nichtflüchtige Halbleiterchips und insbesondere magnetoresistive Speicherzellen mit wahlfreiem Zugriff (MRAM-Zellen) für den Einsatz in integrierten Halbleiterschaltkreisen.
  • In der Halbleiterindustrie werden große Anstrengungen unternommen, neue aussichtsreiche Speichertechnologien basierend auf nichtflüchtigen MRAM-Zellen für den praktischen (kommerziellen) Einsatz nutzbar zu machen. Eine MRAM-Zelle weist einen Stapelaufbau mit durch eine nichtmagnetische Tunnelbarrierenschicht getrennten magnetischen Schichten auf, die als magnetischer Tunnelübergang (MTJ) angeordnet sind. Digitale Information wird nicht wie bei bekannten DRAMs durch Leistung aufrechterhalten, sondern durch bestimmte Ausrichtungen von Magnetisierungen (magnetischen Momenten oder magnetischen Momentvektoren) in den ferromagnetischen Schichten. Genauer gesagt ist in einer MRAM-Zelle die Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht (so genannte "Referenzschicht" oder "gepinnte Schicht") magnetisch fixiert oder gepinnt und die Magnetisierung der anderen ferromagnetischen Schicht (so genannte "freie Schicht") kann frei zwischen zwei bevorzugten Ausrichtungen entlang einer leichten Achse (Vorzugsachse) der Magnetisierung umgeschaltet werden, wobei die Ausrichtungen typischerweise in einer selben oder entgegengesetzten Richtung in Bezug zur fixierten Magnetisierung der Referenzschicht verlaufen.
  • Abhängig von den magnetischen Zuständen der freien Schicht (d.h. parallele oder antiparallel Ausrichtung der Magnetisie rung in Bezug zur Magnetisierung der Referenzschicht) weist die magnetische Speicherzelle zwei verschiedene Widerstandswerte bei über der magnetischen Tunnelübergangsbarriere angelegter Spannung auf, wobei der Widerstand "niedrig" ist, falls die Magnetisierungen parallel ausgerichtet sind und dieser ist "hoch", falls die Magnetisierungen antiparallel ausgerichtet sind. Somit kann eine einem logischen Bit entsprechende logische Information den verschiedenen Magnetisierungen der freien Schicht zugeordnet werden und eine einfache Detektion des elektrischen Widerstandes stellt eine in dem magnetischen Speicherelement gespeicherte logische Information bereit.
  • Eine MRAM-Zelle wird durch Anlegen magnetischer Felder beschrieben, die durch bi- oder unidirektionale Ströme erzeugt werden, welche durch derart benachbart zur MRAM-Zelle angeordnete Stromleiterbahnen fließen, so dass deren magnetische Felder an die Magnetisierung der freien Schicht koppeln. Wird, genauer gesagt, ein magnetisches Feld in einer zur Magnetisierung der freien Schicht entgegengesetzten Richtung angelegt, so wird die Magnetisierung der freien Schicht gedreht, sofern ein kritischer magnetischer Feldwert erreicht wird, worauf ebenso als magnetisches Umkehrfeld Bezug genommen wird. Der Wert des magnetischen Umkehrfeldes lässt sich aus einer Energieminimierungsbedingung ableiten. Nimmt man an, dass ein entlang der Richtung der harten Magnetisierungsachse (welche senkrecht zur leichten Achse der Magnetisierung ausgerichtet ist) durch Hx gekennzeichnet wird und ein entlang der leichten Magnetisierungsachse angelegtes magnetisches Feld durch Hy gekennzeichnet wird, ergibt sich ein Zusammenhang Hx (2/3) + Hy (2/3) = Hc (2/3), wobei Hc das anisotrope magnetische Feld der freien Schicht kennzeichnet. Da diese Kurvenform einen Stern auf einer Hx-Hy-Ebene ausbildet, wird diese auch als Sternkurve ("astroid curve") bezeichnet. Somit ermöglicht ein zusammengesetztes magnetisches Feld die Auswahl einer einzelnen MRAM- Zelle, falls die Summe beider magnetischer Felder wenigstens die Größe des magnetischen Umkehrfeldes erreicht. Eine derartige Bedingung ermöglicht ein Umschalten einer einzelnen MRAM-Zelle unter Verwendung zusammengesetzter magnetischer Felder (was beispielsweise als "Stoner-Wohlfahrt"-Szenario bekannt ist).
  • Vor kurzem wurde ein neues Konzept von MRAM-Zellen vorgeschlagen, bei dem ein ferromagnetisches freies Gebiet eine Mehrzahl antiferromagnetisch gekoppelter ferromagnetischer freier Schichten enthält, wobei die Anzahl antiferromagnetisch gekoppelter freier Schichten geeignet gewählt werden kann, um das effektive magnetische Umschaltvolumen der MRAM-Anordnung zu vergrößern. In diesem Zusammenhang sei auf US 6,531,723 , EP 674 769 sowie DE 42 43 358 verwiesen. Zum Umschalten derartiger magnetoresistiver Speicherzellen kann ein weiters Umschaltszenario, das so genannte "adiabatische Drehumschalten" ("adiabatic rotational switching") verwendet werden. Ein Beispiel dieses Umschaltverfahrens ist in US 6,545,906 beschrieben.
  • Kurzum stützt sich adiabatisches Drehumschalten auf ein "Spin-Flop"-Phänomen, das die gesamte magnetische Energie bei angelegtem Magnetfeld durch Drehung der magnetischen Momentvektoren der antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen freien Schichten erniedrigt. Nimmt man genauer gesagt an, dass ein erstes Magnetfeld HBL einer ersten Stromleiterbahn (z.B. Bitleitung) und ein zweites Magnetfeld HWL einer zweiten Stromleiterbahn (z.B. Wortleitung) jeweils eine umzuschaltende MRAM-Zelle erreichen und dass antiferromagnetisch gekoppelte Magnetisierungen M1 und M2 der freien Schichten eine 45° Neigung zu den entsprechenden Wort- und Bitleitungen aufweisen, ergibt sich eine anzulegende zeitliche Umschaltpulssequenz magnetischer Felder in einem typischen "Kipp-Schreib"- ("toggling write")-Modus wie folgt. Zum Zeitpunkt t0 ist weder ein Wortleitungsstrom noch ein Bitleitungsstrom angelegt, was zu einem verschwindenden Magnetfeld H0 von sowohl HBL und HWL führt. Zum Zeitpunkt t1 wird der Wortleitungsstrom bis auf H1 vergrößert und magnetische Momentvektoren M1 und M2 beginnen sich entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn, abhängig von der Richtung des Wortleitungsstroms, zu drehen. Zum Zeitpunkt t2 wird der Bitleitungsstrom eingeschaltet, wobei dessen Flussrichtung derart gewählt wird, dass die beiden magnetischen Momentvektoren M1 und M2 zusätzlich in derselben wie vom Magnetfeld der Wortleitung verursachten Richtung im Uhrzeigersinn oder Gegenuhrzeigersinn gedreht werden. Zu diesem Zeitpunkt t2 sind sowohl die Wort- und Bitleitungsströme eingeschaltet, was zu einem magnetischen Feld H2 mit magnetischen Momentvektoren M1 und M2 führt, die nominal senkrecht zur Netto-Magnetfeldrichtung liegen, welche einen Winkel von 45° in Bezug zu den Stromleiterbahnen einnimmt. Zum Zeitpunkt t3 wird der Wortleitungsstrom ausgeschaltet, was zu einem Magnetfeld H3 führt, so dass die magnetischen Momentvektoren M1 und M2 lediglich durch das magnetische Feld der Bitleitung gedreht werden. Zu diesem Zeitpunkt sind die magnetischen Momentvektoren M1 und M2 im Allgemeinen über die Instabilitätspunkte deren harter Achse hinausgedreht. Schließlich wird zum Zeitpunkt t4 der Bitleitungsstrom ausgeschaltet, was erneut zu einem verschwindenden Magnetfeld H0 führt und die magnetischen Momentvektoren M1 und M2 richten sich entlang der bevorzugten Anisotropieachse (leichte Achse) in einem um 180° gedrehten Zustand im Vergleich zum Ursprungszustand aus. Somit wurde die MRAM-Zelle im Hinblick auf den magnetischen Momentvektor der Referenzschicht aus ihrem parallelen Zustand in ihren antiparallelen Zustand oder umgekehrt herum, abhängig vom ursprünglichen Umschaltzustand ("Kipp"-Zustand), umgeschaltet.
  • Um eine MRAM-Zelle erfolgreich umzuschalten, gilt als erste Vorbedingung, dass in einer durch HWL und HBL aufgespannten Koordinatenebene eine daran angelegte Magnetfeldsequenz zu einem magnetischen Feldpfad führt, der eine diagonale Linie kreuzt, welche sich durch einen ersten kritischen Wert (so genanntes "Spin-Flop-Magnetfeld" HSF oder "Kipppunkt (T)") zum Einleiten der Kippumschaltung und einen zweiten kritischen Punkt (so genanntes "Sättigungsmagnetfeld" HSAT), bei dem eine antiferromagnetische Kopplung zwischen ferromagnetischen freien Schichten verschwindet, verläuft. Es ist zudem eine zweite Vorbedingung, dass die Magnetfeldsequenz um das Spin-Flop-Magnetfeld kreist, da lediglich in diesem Fall die magnetischen Momentvektoren M1 und M2 über die Instabilitätspunkte deren harter Achse hinausgedreht werden.
  • Im Hinblick auf moderne tragbare Geräte wie tragbare Computer, digitale Standkameras und desgleichen, die viel Speicher in Anspruch nehmen, stellt in Bezug auf MRAM-Zellen deren Verkleinerung einer der wichtigsten Aspekte dar. Im Falle antiferromagnetisch gekoppelter freier Schichten führt eine derartige Verkleinerung jedoch zu einer dramatischen Zunahme von antiferromagnetischen Kopplungskräften zwischen diesen.
  • In 1 ist ein strukturierter Schichtstapel eines bekannten MRAM-Speicherelements einschließlich antiferromagnetisch gekoppelter ferromagnetischer Schichten dargestellt. In dieser Struktur sind auf einem metallischen Basismaterial 1, das typischerweise an eine aktive Struktur eines Halbleitersubstrats (nicht dargestellt) angeschlossen ist, ein ferromagnetisches Referenzgebiet 2, eine Tunnelbarriere 3 aus nichtmagnetischem Material und ein ferromagnetisches freies Gebiet 4 einschließlich durch eine verhältnismäßig dicke Spacerschicht 7 getrennten ferromagnetischen freien Schichten 5 und 6 vorgesehen. Das Referenzgebiet 2 weist eine fixierte (gepinnte) Magnetisierung benachbart zur Tunnelbarrierenschicht 3 auf, während das freie Gebiet 4 ferromagnetische freie Schichten 5, 6 mit freien Magnetisierungen 8, 9 enthält, die antiferromagnetisch gekoppelt sind und parallel oder antiparallel zur fixierten Magnetisierung umgeschaltet werden können. Optional ist eine Unterschicht 10 unterhalb des Referenzschichtgebiets 2 vorgesehen und eine Deckschicht 11 ist oberhalb des ferromagnetischen freien Schichtgebiets 4 angeordnet.
  • Das ferromagnetische freie Gebiet 4, das ferromagnetische freie Schichten 5, 6 und eine Spacerschicht 7 enthält, nehme eine Höhe r ein. Wie sich aus numerischen Simulationen, die hierin nicht näher erläutert werden müssen, zeigt, ergibt sich ein Zusammenhang zwischen einer sich ändernden Dicke der Spacerschicht 7 (was zu einer Änderung der Höhe des magnetischen freien Gebiets führt) und des Spin-Flop-Magnetfelds als auch des Sättigungsmagnetfelds bei der Kippumschaltung. Demnach führt eine Verringerung der Dicke einer Spacerschicht 7 (was einer Verringerung der Höhe r entspricht) zu einer Vergrößerung von sowohl dem Spin-Flop- als auch dem Sättigungsmagnetfeld aufgrund einer vergrößerten magnetischen Dipol-Kopplungsenergie, die proportional zu ln(r) ist. Um demnach hohe Umschaltströme zum Kippen der ferromagnetischen freien Schichten zu verhindern, wird eine dicke Spacerschicht 7 bevorzugt. Jedoch ist dies, wie oben ausgeführt, von Nachteil im Hinblick auf die Verkleinerung der Speicherzellen.
    •
  • In Anbetracht obiger Ausführungen ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein magnetoresistives Speicherelement anzugeben, das verkleinert werden kann, ohne ernsthafte Probleme wie beispielsweise eine Erhöhung der Kopplungsenergie zwischen antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen freien Schichten des ferromagnetischen freien Gebiets zu verursachen.
  • Erfindungsgemäß enthält ein magnetoresistives Speicherelement einen Stapelaufbau mit einem ferromagnetischen Referenzgebiet mit einer fixierten Magnetisierung; einem ferromagnetischen freien Gebiet mit einer freien Magnetisierung, die frei zwischen entgegengesetzten Richtungen in Bezug zu deren leichter Achse, d.h. Vorzugsachse, umschaltbar ist; und einer Tunnelbarriere aus nichtmagnetischem Material. Das ferromagnetische Referenzgebiet und das freie Gebiet sowie die Tunnelbarriere bilden zusammen einen magnetoresistiven Tunnelübergang aus. Das ferromagnetische freie Gebiet enthält eine Mehrzahl von N ferromagnetischen freien Schichten, die magnetisch derart gekoppelt sind, dass Magnetisierungen benachbarter ferromagnetischer freier Schichten antiparallel zueinander ausgerichtet sind, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist. Das ferromagnetische freie Gebiet enthält zudem wenigstens eine ferromagnetische Entkopplungsschicht einschließlich einer frustrierten Magnetisierung senkrecht zu den Magnetisierungen der ferromagnetischen freien Schicht und zwischen benachbarten ferromagnetischen freien Schichten angeordnet.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung weist ein magnetoresistives Speicherelement einen Schichtaufbau (z.B. Stapel von Schichten) auf mit einer Tunnelbarriere aus nichtmagnetischem Material, einem ferromagnetischen Referenzgebiet und einem ferromagnetischen freien Gebiet. Das ferromagnetische Referenzgebiet enthält eine fixierte Magnetisierung auf einer Seite und benachbart zur Tunnelbarriere angeordnet. Das ferromagnetische freie Gebiet enthält eine freie Magnetisierung auf einer gegenüberliegenden Seite und benachbart zur Tunnelbarriere angeordnet, die frei zwischen entgegengesetzten Richtungen entlang einer magnetischen Vorzugsachse, d.h. leichten Achse, umschaltbar ist, wobei letztere typischerweise parallel zur obigen fixierten Magnetisierung ausgerichtet gewählt wird. In einem derartigen Speicherelement bil den die Tunnelbarriere und das ferromagnetische freie Gebiet und Referenzgebiet, welche an beiden Seiten der Barriere ausgebildet sind, zusammen einen magnetoresistiven Tunnelübergang (MTJ) aus. Zudem weist das ferromagnetische freie Gebiet in einem solchen Speicherelement eine Mehrzahl von N ferromagnetischen freien Schichten auf, die magnetisch gekoppelt sind, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist und wobei eine magnetische Kopplung der ferromagnetischen freien Schichten zu einer antiparallelen Ausrichtung benachbarter ferromagnetischer freier Schichten führt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine ferromagnetische Entkopplungsschicht, vorzugsweise ohne jegliche magnetische Anisotropie, zwischen benachbarten ferromagnetischen freien Schichten des ferromagnetischen freien Gebiets angeordnet, die aufgrund einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen benachbarter ferromagnetischer freier Schichten eine frustrierte Magnetisierung senkrecht zu den Magnetisierungen der ferromagnetischen freien Schichten aufweist.
  • Durch Einfügen der ferromagnetischen Entkopplungsschicht zwischen jedes Paar benachbarter ferromagnetischer freier Schichten wird eine direkte magnetische Austauschkopplung zwischen benachbarten ferromagnetischen freien Schichten verhindert oder abgeschirmt, so dass eine Entkopplung der ferromagnetischen freien Schichten in Bezug zur magnetischen Austauschkopplung erzielt werden kann. Andernfalls wird eine magnetische Streufeldkopplung zwischen benachbarten ferromagnetischen freien Schichten aufrechterhalten, was zu einer antiparallelen Ausrichtung deren Magnetisierungen führt. Demnach wird in dem erfindungsgemäßen Speicherelement aufgrund einer reduzierten oder sogar verschwindenden magnetischen Austauschkopplung keine gewöhnliche "antiferromagnetische" Kopplung zwischen ferromagnetischen freien Schichten (wie dies in bekannten syntheti schen Antiferromagneten üblich ist) beobachtet, während eine "antiparallele" magnetische Kopplung zwischen diesen aufgrund der magnetischen Streufeldkopplung auftritt. Somit kann in vorteilhafter Weise durch Einfügen der Entkopplungsschicht zwischen benachbarte ferromagnetische freie Schichten eine Erniedrigung der magnetischen Dipolwechselwirkung benachbarter ferromagnetischer freier Schichten erzielt werden, was zu reduzierten Umschaltfeldern und damit zu reduzierten Umschaltströmen in Bezug auf die Kippumschaltung führt. Insbesondere kann durch Einfügen der Entkopplungsschicht zwischen benachbarte ferromagnetische freie Schichten in einer durch HWL und HBL aufgespannten und wie oben beschriebenen Koordinatenebene ein Spin-Flop-Magnetfeld HSF oder ein für die Kippumschaltung zu umkreisender Kipppunkt T näher zum Ursprung der Koordinatenebene verschoben werden, während das Sättigungsmagnetfeld HSAT typischerweise unverändert bleibt oder sogar vergrößert wird. Während somit Umschaltströme erniedrigt werden, wird ein Schreibfenster, durch einen relativen Abstand zwischen Spin-Flop- und Sättigungsfeldern definiert, in vorteilhafter Weise vergrößert.
  • Vorzugsweise wird eine bekannte Spacerschicht zusätzlich zur Entkopplungsschicht zwischen benachbarte ferromagnetische freie Schichten angeordnet. Bei einem solchen Aufbau ist es insbesondere von Vorteil, dass die Entkopplungsschicht zwischen zwei benachbarten Spacerschichten eingelegt ist, die in vorteilhafter Weise dieselbe Dicke aufweisen können. Zusätzlich wird eine Dicke der Spacerschichten vorzugsweise ausreichend dick gewählt, um eine direkte magnetische Austauschkopplung zwischen Spacerschichten und hierzu jeweils benachbarten ferromagnetischen freien Schichten zu unterbinden.
  • Erfindungsgemäß ist die Entkopplungsschicht vorzugsweise dünn genug, um lediglich als Abschirmschicht für die magnetische Dipolwechselwirkung von benachbarten ferromagnetischen freien Schichten zu wirken. Somit wird die Dicke der Entkopplungsschicht vorzugsweise kleiner als eine Gesamtdicke der ferromagnetischen freien Schichten gewählt. In noch vorteilhafterer Weise wird eine Dicke einer Entkopplungsschicht kleiner als eine minimale Dicke jeder der ferromagnetischen freien Schichten gewählt, mit anderen Worten wird die Dicke der Entkopplungsschicht kleiner als die kleinste Dicke einer jeden der ferromagnetischen freien Schichten gewählt.
  • Das erfindungsgemäße magnetoresistive Speicherelement kann ebenso eine weitere ferromagnetische Offsetfeldschicht aufweisen, die eine geeignete Magnetisierung zum Verschieben eines Kipppunktes zum Umschalten der freien Magnetisierung in Richtung eines geringeren Spin-Flop-Magnetfeldes HSF aufweist. Um dies zu erzielen kann die ferromagnetische Offsetfeldschicht beispielsweise einen entlang einer Vorzugsachsenrichtung der ferromagnetischen freien Schichten liegenden magnetischen Momentvektor aufweisen. Vergleicht man dies mit den Gegebenheiten bei fehlender Entkopplungsschicht, so kann bei der Erfindung ein geringeres eingebautes magnetisches Offsetfeld zur Erzielung derselben Ergebnisse im Hinblick auf reduzierte magnetische Umschaltfelder verwendet werden. Somit können nachteilige Effekte von zusätzlichen eingebauten magnetischen Offsetfeldern vermindert oder sogar verhindert werden, wie etwa die Erzeugung inhomogener magnetischer Streufelder, die zu verkleinerten Schreibfenstern führen, sowie die Reduzierung einer Aktivierungsenergie und damit der thermischen Stabilität des Speicherelements. Darüber hinaus können eingebaute magnetische Offsetfelder nicht auf einfache Weise mit "stop on alumina-processes (SOA)" kombiniert werden, während eine derartige Kombination im Falle von Entkopplungsschichten einfach möglich ist.
    •
  • Weitere Vorteile der Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung spezifischer Ausführungsformen, insbesondere im Zusammenhang mit den begleitenden Abbildungen ersichtlich. Übereinstimmende Bezugszeichen in den verschiedenen Abbildungen kennzeichnen ähnliche oder übereinstimmende Komponenten.
  • 1 zeigt eine Stapelstruktur eines bekannten MRAM-Elements;
  • 2 zeigt eine Stapelstruktur eines erfindungsgemäßen MRAM-Elements; und
  • 3A–3C zeigen eine numerische Simulation einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MRAM-Elements.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Speicherelements ist in 2 dargestellt. Ein strukturierter Schichtstapel weist eine Tunnelbarriere 3 mit wenigstens einer Tunnelbarrierenschicht aus nichtmagnetischem Material, einem ferromagnetischen Referenzgebiet 2 und einem ferromagnetischen freien Gebiet 4 auf. Das ferromagnetische Referenzgebiet 2 enthält eine auf einer Seite und benachbart zur Tunnelbarriere 3 angeordnete fixierte Magnetisierung. Das ferromagnetische freie Gebiet 4 enthält eine auf einer gegenüberliegenden Seite und benachbart zur Tunnelbarriere 3 angeordnete freie Magnetisierung und diese ist frei zwischen entgegengesetzten Richtungen entlang der magnetischen Vorzugsachse umschaltbar, die typischerweise parallel zur fixierten Magnetisierung liegt. Die Tunnelbarriere 3 und das ferromagnetische Referenzgebiet und freie Gebiet 2, 4 bilden gemeinsam einen magnetoresistiven Tunnelübergang aus. Das ferromagnetische freie Gebiet 4 enthält zwei ferromagnetische freie Schichten 5, 6, die magne tisch gekoppelt sind. Optional kann eine Unterschicht 10 unterhalb des ferromagnetischen Referenzgebiets 2 und eine Deckschicht 11 oberhalb des ferromagnetischen freien Gebiets 4 angeordnet werden.
  • In dem wie in 2 gezeigten erfindungsgemäßen Speicherelement ist eine ferromagnetische Entkopplungsschicht 14 ohne jegliche magnetische Anisotropie zwischen benachbarte ferromagnetische freie Schichten 5, 6 des ferromagnetischen freien Gebiets 4 angeordnet. Insbesondere ist die Entkopplungsschicht 14 zwischen zwei Spacerschichten 12, 13 eingelegt, die vorzugsweise dieselbe Dicke aufweisen. Aufgrund der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen 8, 9 benachbarter ferromagnetischer freier Schichten 5, 6, die in 2 jeweils nach links und rechts zeigen, ist eine Magnetisierung 15 der Entkopplungsschicht 14 frustriert und weist eine senkrechte Richtung zu den Magnetisierungen 8, 9 der ferromagnetischen freien Schichten auf, z.B. ist diese in die in 2 dargestellte Ebene hineingerichtet. Alternativ hierzu kann die senkrechte Richtung ebenso aus der in 2 gezeigten Ebene heraustreten. Die spezifische Anordnung der ferromagnetischen Entkopplungsschicht 14 zwischen benachbarten ferromagnetischen freien Schichten 5, 6 führt zu einer Entkopplung der ferromagnetischen freien Schichten 5, 6 lediglich in Bezug auf die magnetische Austauschkopplung, während eine magnetische Streufeldkopplung zwischen benachbarten ferromagnetischen freien Schichten 5, 6 aufrechterhalten wird und zu antiparallel ausgerichteten Magnetisierungen 8, 9 der ferromagnetischen freien Schichten 5, 6 führt.
  • In 2 wird die Dicke der Entkopplungsschicht 14 vorzugsweise kleiner als eine Gesamtdicke der ferromagnetischen freien Schichten 5, 6 gewählt und in noch vorteilhafterer Weise wird diese kleiner als eine minimale Dicke einer jeden der ferromagnetischen freien Schichten 5, 6 gewählt.
  • Die Entkopplungsschicht 14 kann aus einem beliebigen ferromagnetischen Material gebildet sein, solange dieses weichmagnetisch ist. Somit kann die Entkopplungsschicht 14 beispielsweise aus einer Metalllegierung einschließlich einer oder mehrerer der Elemente Co, Ni, Fe bestehen, z.B. aus Permalloy (Py). Die ferromagnetischen freien Schichten 5, 6 können beispielsweise aus einem oder mehreren Materialien der Gruppe bestehend aus Ni, Fe, CoFeB und CoFe/Py gebildet sein und die Unterschicht 10 kann beispielsweise aus einem oder mehreren der Materialien der Gruppe bestehend aus TaN/NiFeCr, Ru, Ta, NiFeCr und Ta/TaN/Ru bestehen. Das ferromagnetische Referenzgebiet 2 kann beispielsweise eine erste Unterschicht aufweisen, die etwa aus einem oder mehreren der Materialien Co/CoTb und CoFe/Ru/CoFe/CoFeB aufgebaut ist und eine zweite Unterschicht aufweisen, die etwa aus einem oder mehreren der Materialien PtMn, Ru, TaN/Ta/PtMn und Ru/NiFeCr/PtMn aufgebaut ist, um eine fixierte Magnetisierung zu ermöglichen. Die Tunnelbarriere 3 kann beispielsweise aus einem oder mehreren der Materialien Al2O3, MgO und BN ausgebildet sein. Falls eine ferromagnetische Offsetfeldschicht vorliegt, kann diese beispielsweise aus einem oder mehreren der Materialien CoFeB, NiFe und CoFe/Ru/CoFeB ausgebildet sein. Alle oben angegebenen Materialien dienen lediglich als Beispiel, so dass die Erfindung keineswegs auf diese Materialien beschränkt ist.
  • Im angegebenen Beispiel in 2 bestehen die ferromagnetischen Schichten 5, 6 aus CoFeB und weisen jeweils eine Dicke von ungefähr 30 Å auf, während die Entkopplungsschicht 14 aus NiFe besteht und eine Dicke von ungefähr 4 Å aufweist.
  • In 3A bis 3C ist eine numerische Simulation einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MRAM-Elements dargestellt.
  • Wie in 3C dargestellt ist, ist für die numerischen Simulationen eine dünne Py (NiFe) Entkopplungsschicht 14 mit einer Dicke t3 zwischen zwei Spacerschichten (nicht in 3C dargestellt) eingelegt und zwischen einer unteren ferromagnetischen freien Schicht 5 mit einer Dicke t2 und einer oberen ferromagnetischen freien Schicht 6 mit einer Dicke t1 angeordnet. Der Parameter d gibt eine Gesamtdicke der Entkopplungsschicht 14 und der Spacerschichten (nicht dargestellt) an, siehe 3C.
  • 3C zeigt zudem eine Aufsicht auf ein rundes MTJ-Element mit einer Anisotropierichtung von ferromagnetische Schichten (5, 6). In Remanenz mit den beiden ferromagnetischen freien Schichten, deren Magnetisierungen in antiparallelem Zustand eingestellt sind, ist es für die Magnetisierung in der Entkopplungsschicht energetisch am günstigsten, senkrecht zu den Magnetisierungen beider ferromagnetischer freier Schichten zu liegen (Frustration). Wird ein Magnetfeld entlang der Vorzugsachse dieses remanenten Zustands angelegt, beginnt die Magnetisierung der Py Zwischenschicht (Entkopplungsschicht) sich entlang der Feldrichtung zu drehen. Eine derartige Drehung kann als graduelle Zunahme des Nettomoments bei kleinen Feldern (< 50 Oe abhängig von der Py-Dicke) betrachtet werden. Ist dieser Prozess beendet, so passiert zunächst nichts, bis die beiden ferromagnetischen freien Schichten die Spinumkehr ("Spin-Flop") durchführen.
  • 3A zeigt ein Diagramm mit Magnetisierungsschleifen verschiedener Feldskalen entlang der Vorzugsachse, d.h. leichten Achse eines Systems einer ferromagnetischen freien Schicht/Spacer/Py-Entkopplungsschicht/Spacer/ferromagnetischen freien Schicht. Insbesondere ist in 3A ein Nettomoment der MTJ-Zelle über einem externen Magnetfeld aufgetragen. In einer solchen numerischen Simulation wurden die folgenden Parameter eingesetzt: t1 = t2 = 2.6 nm, wobei t3 in der Legende angegeben ist und d = 3 nm entspricht.
  • Wie aus der Abbildung ersichtlich ist (Kurve mit offenen Quadraten im Vergleich zur Kurve mit ausgefüllten Punkten), findet die Spinumkehr bei geringeren Magnetfeldern statt, falls die Py-Schicht vorhanden ist. Ebenso wird das zweite kritische Feld (Sättigungsfeld) bei etwas höheren Feldern erreicht im Vergleich zum Falle, bei dem keine Py-Zwischenschicht vorhanden ist. Somit würde das wie oben definierte Betriebsfenster vergrößert werden, während das Spinumkehrfeld abnehmen würde. Dickere Py-Entkopplungsschichten 8 (Kurven mit ausgefüllten Dreiecken und offenen Diamanten, wobei t3 > 0.4 nm) scheinen einen umgekehrten Einfluss zu haben, da diese die Übergangsgebiete verschmieren und das Spinumkehrfeld schlechter unterscheidbar wird.
  • Obwohl die Erfindung detailliert mit Bezug zu spezifischen Ausführungsformen erläutert wurde, erkennt ein Fachmann, dass verschiedene Ersetzungen und Modifikationen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Die Erfindung deckt derartige Modifikationen und Ersetzungen ab, sofern diese innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Patentansprüche und derer Äquivalente liegen.

Claims (7)

  1. Magnetoresistives Speicherelement mit einem Stapelaufbau mit: einem ferromagnetischen Referenzgebiet (2) mit einer fixierten Magnetisierung; einem ferromagnetischen freien Gebiet (4) mit einer freien Magnetisierung, die frei zwischen entgegengesetzten Richtungen in Bezug auf eine Vorzugsachse des ferromagnetischen freien Gebietes (4) umschaltbar ist; und einer Tunnelbarriere (3) aus einem nichtmagnetischen Material; wobei: das ferromagnetische Referenzgebiet (2) und das ferromagnetische freie Gebiet (4) sowie die Tunnelbarriere (3) gemeinsam einen magnetoresistiven Tunnelübergang ausbilden; das ferromagnetische freie Gebiete (4) eine Mehrzahl von N ferromagnetischen freien Schichten (5, 6) aufweist, die magnetisch gekoppelt sind, so dass Magnetisierungen (8, 9) benachbarter ferromagnetischer freier Schichten (5, 6) antiparallel ausgerichtet sind, wobei N eine ganz Zahl größer oder gleich 2 ist; und das ferromagnetische freie Gebiet (4) zudem wenigstens eine ferromagnetische Entkopplungsschicht (14) mit einer frustrierten Magnetisierung (15) senkrecht zu den Magnetisierungen (8, 9) der ferromagnetischen freien Schichten (5, 6) aufweist und zwischen zwei benachbarten ferromagnetischen freien Schichten (5, 6) angeordnet ist.
  2. Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 1, das zusätzlich wenigstens eine Spacerschicht (7) zwischen benachbarten ferromagnetischen freien Schichten (5, 6) aufweist.
  3. Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Entkopplungsschicht (14) zwischen benachbarte Spacerschichten (12, 13) eingelegt ist.
  4. Magnetoresistives Speicherelement nach Anspruch 3, wobei die benachbarten Spacerschichten (12, 13), zwischen die die Entkopplungsschicht (14) eingelegt ist, näherungsweise dieselbe Dicke aufweisen.
  5. Magnetoresistives Speicherelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Entkopplungsschicht (7) eine geringere Dicke im Vergleich zur gesamten Dicke der ferromagnetischen freien Schichten (5, 6) aufweist.
  6. Magnetoresistives Speicherelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Entkopplungsschicht (7) eine geringere Dicke im Vergleich zu einer minimalen Dicke jeder der ferromagnetischen freien Schichten (5, 6) aufweist.
  7. Magnetoresistives Speicherelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, das zusätzlich eine ferromagnetische Offsetfeldschicht mit einer derartigen Magnetisierung aufweist, so dass ein Kipppunkt zum Umschalten der freien Magnetisierung (8, 9) in Richtung eines geringeren magnetischen Spin-Flop-Feldes (Hsf) verschiebbar ist.
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