TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich in verschiedenen Ausführungsformen auf magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher und betrifft insbesondere eine freie Verbundschicht für einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher.In various embodiments, the present disclosure relates to magnetoresistive random access memory and in particular relates to a free composite layer for a magnetoresistive random access memory.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Verschiedene Arten von magnetoresistiven Direktzugriffsspeichern (MRAM) speichern Daten unter Verwendung von magnetischen Tunnelkontakten. Ein magnetischer Tunnelkontakt (MTJ) kann „feste“ und „freie“ magnetische Schichten einschließen, wobei ein magnetisches Moment der freien Schicht so geschaltet werden kann, dass es parallel oder antiparallel zu einem magnetischen Moment der festen Schicht ist. Eine dünne dielektrische Schicht oder Sperrschicht kann die feste und die freie Schicht trennen, und aufgrund der Quantentunnelung kann Strom durch die Sperrschicht fließen. Eine Differenz im Widerstand zwischen parallelen und antiparallelen Zuständen ermöglicht die Speicherung von Daten. Zum Beispiel kann ein niedriger Widerstand einer binären „1“ entsprechen und ein hoher Widerstand kann einer binären „0“ entsprechen. Alternativ kann ein niedriger Widerstand einer binären „0“ entsprechen und ein hoher Widerstand kann einer binären „1“ entsprechen.Different types of magnetoresistive random access memories (MRAM) store data using magnetic tunnel contacts. A magnetic tunnel contact (MTJ) can include "fixed" and "free" magnetic layers, whereby a magnetic moment of the free layer can be switched so that it is parallel or antiparallel to a magnetic moment of the fixed layer. A thin dielectric or barrier layer can separate the fixed and free layers, and due to quantum tunneling, current can flow through the barrier layer. A difference in resistance between parallel and anti-parallel states enables data to be stored. For example, a low resistance can correspond to a binary "1" and a high resistance can correspond to a binary "0". Alternatively, a low resistance can correspond to a binary "0" and a high resistance can correspond to a binary "1".
Beim einem MRAM mit Spin-Transfer-Drehmoment (SST) können Daten geschrieben werden, indem ein spin polarisierter elektrischer Strom durch einen MTJ geleitet wird, um das magnetische Moment der freien Schicht zu ändern. Hohe Schreibströme durch den MTJ können jedoch die Abnutzung der Sperrschicht beschleunigen, und spinpolarisierte Leseströme können die gespeicherten Daten stören oder verändern. Dagegen können bei einem MRAM mit Spin-Orbit-Drehmoment (SOT) Daten durch Anlegen eines elektrischen Stroms durch ein an die freie Schicht angrenzendes Spin-Hall-Effekt-Material geschrieben werden, wodurch ein reiner Spinstrom zum Ändern des magnetischen Moments der freien Schicht erzeugt wird. Das Schreiben unter Verwendung eines reinen Spinstroms kann Zuverlässigkeit und Datenerhalt im Vergleich zu einem STT-MRAM verbessern, aber hohe elektrische Ströme zum Erzeugen des Spinstroms können zu Designproblemen in Bezug auf Erwärmung, hohen Stromverbrauch, große Transistorgrößen zum Schalten großer Ströme und dergleichen führen.In a spin transfer torque (SST) MRAM, data can be written by passing a spin polarized electrical current through an MTJ to change the magnetic moment of the free layer. However, high write currents through the MTJ can accelerate wear of the junction and spin polarized read currents can disrupt or alter the stored data. In contrast, in a spin orbit torque (SOT) MRAM, data can be written by applying an electrical current through a spin Hall effect material adjacent to the free layer, thereby producing a pure spin current to change the magnetic moment of the free layer becomes. Writing using a pure spin current can improve reliability and data retention compared to an STT-MRAM, but high electrical currents for generating the spin current can lead to design problems in terms of heating, high current consumption, large transistor sizes for switching large currents and the like.
KURZDARSTELLUNGSUMMARY
Es werden Vorrichtungen für einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher vorgestellt. In einer Ausführungsform schließt ein magnetischer Tunnelkontakt zum Speichern von Daten eine feste Schicht, eine Sperrschicht und eine freie Verbundschicht ein. In einer bestimmten Ausführungsform ist eine Sperrschicht zwischen einer festen Schicht und einer freien Verbundschicht angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform schließt eine freie Verbundschicht eine ferromagnetische amorphe Schicht und eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene ein. In einer bestimmten Ausführungsform kann eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene zwischen einer ferromagnetischen amorphen Schicht und einer Sperrschicht angeordnet sein. Eine Spin-Hall-Effekt-Schicht (SHE-Schicht) kann in bestimmten Ausführungsformen an eine freie Verbundschicht eines magnetischen Tunnelkontakts gekoppelt werden. In weiteren Ausführungsformen kann eine SHE-Schicht so konfiguriert sein, dass ein elektrischer Strom in der Ebene innerhalb der SHE-Schicht ein Drehmoment auf eine freie Verbundschicht ausübt, das einen Spinstrom in der freien Verbundschicht verursacht.Devices for a magnetoresistive random access memory are presented. In one embodiment, a magnetic tunnel contact for storing data includes a solid layer, a barrier layer and a free composite layer. In a particular embodiment, a barrier layer is disposed between a solid layer and a free composite layer. In another embodiment, a free composite layer includes a ferromagnetic amorphous layer and a free layer with in-plane anisotropy. In a certain embodiment, a free layer with anisotropy can be arranged in the plane between a ferromagnetic amorphous layer and a barrier layer. In certain embodiments, a spin Hall effect layer (SHE layer) can be coupled to a free composite layer of a magnetic tunnel contact. In other embodiments, an SHE layer may be configured such that an in-plane electrical current within the SHE layer applies torque to a free composite layer that causes a spin current in the free composite layer.
Es werden Systeme für einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher vorgestellt. In einer Ausführungsform schließt ein magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher-Die eine Vielzahl von magnetischen Tunnelkontakten ein. In einer bestimmten Ausführungsform schließt ein magnetischer Tunnelkontakt eine Referenzschicht, eine Sperrschicht, eine freie Verbundschicht und eine SHE-Schicht, die Platin aufweist, ein. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Sperrschicht zwischen einer Referenzschicht und einer freien Verbundschicht angeordnet. In einer bestimmten Ausführungsform ist eine freie Verbundschicht zwischen einer SHE-Schicht und einer Sperrschicht angeordnet. In einer Ausführungsform schließt eine freie Verbundschicht eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene und eine ferromagnetische amorphe Schicht ein. In einer bestimmten Ausführungsform kann eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene mit einer Sperrschicht in Kontakt stehen. In einer weiteren Ausführungsform kann eine ferromagnetische amorphe Schicht mit einer freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene in Kontakt stehen.Systems for a magnetoresistive random access memory are presented. In one embodiment, a magnetoresistive random access memory die includes a plurality of magnetic tunnel contacts. In a particular embodiment, a magnetic tunnel contact includes a reference layer, a barrier layer, a free composite layer, and an SHE layer that includes platinum. In a further embodiment, a barrier layer is arranged between a reference layer and a free composite layer. In a particular embodiment, a free composite layer is disposed between an SHE layer and a barrier layer. In one embodiment, a free composite layer includes a free layer with in-plane anisotropy and a ferromagnetic amorphous layer. In a particular embodiment, a free layer with in-plane anisotropy may be in contact with a barrier layer. In a further embodiment, a ferromagnetic amorphous layer can be in contact with a free layer with in-plane anisotropy.
Eine Vorrichtung schließt in einer anderen Ausführungsform Mittel zum Speichern von Daten in einer freien Verbundschicht für einen magnetischen Tunnelkontakt basierend auf einer Orientierung eines in der Ebene liegenden magnetischen Moments der freien Verbundschicht ein. In einer bestimmten Ausführungsform schließt eine Vorrichtung ein Mittel zum Erzeugen eines Spinstroms ein, um die Orientierung eines in der Ebene liegenden magnetischen Moments einer freien Verbundschicht zu ändern. In einigen Ausführungsformen weist ein Mittel zum Erzeugen eines Spinstroms Platin auf. In einer weiteren Ausführungsform schließt eine Vorrichtung Mittel zum Trennen eines Mittels zum Speichern von Daten von einem Mittel zum Erzeugen eines Spinstroms ein, sodass eine Kristallstruktur des Mittels zum Speichern von Daten durch das Mittel zum Erzeugen eines Spinstroms nicht beeinflusst wird.In another embodiment, a device includes means for storing data in a free composite layer for a magnetic tunnel contact based on an orientation of an in-plane magnetic moment of the free composite layer. In a particular embodiment, an apparatus includes means for generating a spin current to change the orientation of an in-plane magnetic moment of a free composite layer. In some embodiments, a means for generating a spin stream comprises platinum. In a further embodiment, an apparatus includes means for separating a means for storing data from a means for generating a spin stream so that a crystal structure of the means for storing data is not affected by the means for generating a spin current.
FigurenlisteFigure list
Eine speziellere Beschreibung wird nachstehend unter Bezugnahme auf spezifische, in den beigefügten Zeichnungen veranschaulichte Ausführungsformen eingeschlossen. Angesichts dessen, dass diese Zeichnungen nur bestimmte Ausführungsformen der Offenlegung darstellen und deshalb nicht als ihren Umfang einschränkend betrachtet werden sollen, wird die Offenlegung mit zusätzlicher Spezifität und Detail durch die Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben und erläutert, in denen:
- 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems, das einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) aufweist;
- 2 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines MRAM-Dies veranschaulicht;
- 3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform eines magnetischen Tunnelkontaktarrays veranschaulicht;
- 4A ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines magnetischen Tunnelkontakts veranschaulicht, der eine freie Verbundschicht aufweist;
- 4B ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine weitere Ausführungsform eines magnetischen Tunnelkontakts veranschaulicht, der eine freie Verbundschicht aufweist;
- 5 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ausführungsform eines Übergitters für eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) induzierende Schicht veranschaulicht;
- 6 ist ein Diagramm, das die effektive Magnetisierung für Ausführungsformen einer freien Verbundschicht in Bezug auf Übergitterstrukturen für eine PMA induzierende Schicht veranschaulicht;
- 7 ist ein Diagramm, das den magnetischen Tunnelwiderstand für Ausführungsformen eines magnetischen Tunnelkontakts veranschaulicht;
- 8 ist ein schematisches Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines magnetischen Tunnelkontakts veranschaulicht; und
- 9 ist ein schematisches Flussdiagramm, das eine andere Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines magnetischen Tunnelkontakts veranschaulicht.
A more specific description is included below with reference to specific embodiments illustrated in the accompanying drawings. In view of the fact that these drawings illustrate only certain embodiments of the disclosure and are therefore not to be considered as limiting the scope thereof, the disclosure is described and explained with additional specificity and detail through the use of the accompanying drawings, in which: - 1 Figure 3 is a schematic block diagram of one embodiment of a system having a magnetoresistive random access memory (MRAM);
- 2nd Fig. 4 is a schematic block diagram illustrating an embodiment of an MRAM die;
- 3rd FIG. 12 is a schematic diagram illustrating one embodiment of a magnetic tunnel contact array;
- 4A FIG. 12 is a schematic block diagram illustrating one embodiment of a magnetic tunnel contact having a free composite layer;
- 4B FIG. 12 is a schematic block diagram illustrating another embodiment of a magnetic tunnel contact having a free composite layer;
- 5 FIG. 12 is a schematic block diagram illustrating one embodiment of a vertical magnetic anisotropy (PMA) inducing layer superlattice; FIG.
- 6 FIG. 12 is a diagram illustrating effective magnetization for free composite layer embodiments with respect to superlattice structures for a PMA inducing layer; FIG.
- 7 10 is a diagram illustrating tunnel magnetic resistance for embodiments of a tunnel magnetic contact;
- 8th FIG. 12 is a schematic flow diagram illustrating one embodiment of a method for making magnetic tunnel contact; and
- 9 FIG. 12 is a schematic flow diagram illustrating another embodiment of a method for making a magnetic tunnel contact.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
Gesichtspunkte der vorliegenden Offenbarung können als eine Vorrichtung, ein System, ein Verfahren oder ein Computerprogramm ausgeführt sein. Folglich können Gesichtspunkte der vorliegenden Offenlegung die Form einer vollständigen Hardware-Ausführungsform, einer vollständigen Software-Ausführungsform (einschließlich Firmware, residente Software, Mikrocode, oder dergleichen) oder einer Software- und Hardwareaspekte kombinierenden Ausführungsform annehmen, die alle allgemein hierin als „Schaltkreis“, „Modul“, „Vorrichtung“ oder „System“ bezeichnet werden können. Weiterhin können Gesichtspunkte der vorliegenden Offenlegung die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das in einem oder mehreren nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedien verkörpert ist, die computerlesbaren und/oder ausführbaren Programmcode speichern.Aspects of the present disclosure may be embodied as an apparatus, system, method, or computer program. Accordingly, aspects of the present disclosure may take the form of a full hardware embodiment, a full software embodiment (including firmware, resident software, microcode, or the like), or a software and hardware aspect combining embodiment, all of which are generally referred to herein as "circuitry", "Module", "device" or "system" can be called. Furthermore, aspects of the present disclosure may take the form of a computer program product embodied in one or more non-volatile computer readable storage media that store computer readable and / or executable program code.
Viele der in dieser Patentschrift beschriebenen Funktionseinheiten wurden als Module bezeichnet, um ihre Implementierungsunabhängigkeit zusätzlich hervorzuheben. Zum Beispiel kann ein Modul als eine Hardwareschaltung implementiert sein, die kundenspezifische VLSI-Schaltungen oder Gate-Arrays, handelsübliche Halbleiter wie Logikchips, Transistoren oder anderen diskrete Komponenten aufweist. Ein Modul kann auch in programmierbaren Hardwarevorrichtungen wie feldprogrammierbaren Gate-Arrays, einer programmierbaren Array-Logik, programmierbaren Logikvorrichtungen oder dergleichen implementiert sein.Many of the functional units described in this patent were referred to as modules in order to additionally emphasize their independence from implementation. For example, a module can be implemented as a hardware circuit that includes custom VLSI circuits or gate arrays, commercially available semiconductors such as logic chips, transistors, or other discrete components. A module can also be implemented in programmable hardware devices such as field programmable gate arrays, programmable array logic, programmable logic devices or the like.
Module können auch zumindest teilweise in Software zur Ausführung durch verschiedene Arten von Prozessoren implementiert sein. Ein identifiziertes Modul ausführbaren Codes kann beispielsweise einen oder mehrere physische oder logische Blöcke von Computeranweisungen aufweisen, die beispielsweise als ein Objekt, eine Prozedur oder eine Funktion organisiert sein können. Nichtsdestotrotz müssen die ausführbaren Programme eines identifizierten Moduls nicht physisch zusammen angeordnet sein, sondern können unterschiedliche Anweisungen aufweisen, die an verschiedenen Orten gespeichert sind, die, wenn sie logisch miteinander verbunden sind, das Modul aufweisen und den angegebenen Zweck für das Modul erfüllen.Modules can also be implemented, at least in part, in software for execution by various types of processors. For example, an identified executable code module may include one or more physical or logical blocks of computer instructions that may be organized, for example, as an object, procedure, or function. Nevertheless, the executable programs of an identified module need not be physically arranged together, but may have different instructions stored in different locations that, when logically linked, will have the module and serve the stated purpose for the module.
Infolgedessen kann ein Modul ausführbaren Codes eine einzelne Anweisung oder viele Anweisungen einschließen und kann sogar über mehrere unterschiedliche Codesegmente, in verschiedenen Programmen, über mehrere Speichervorrichtungen oder dergleichen verteilt sein. Wo ein Modul oder Teile eines Moduls in Software implementiert sind, können die Softwareteile auf einem oder mehreren computerlesbaren und/oder ausführbaren Speichermedien gespeichert sein. Jede Kombination von einem oder mehreren computerlesbaren Speichermedien kann verwendet werden. Ein computerlesbares Speichermedium kann beispielsweise, ohne darauf beschränkt zu sein, ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, eine Vorrichtung oder ein Gerät oder irgendeine geeignete Kombination der vorstehenden sein, würde aber keine sich ausbreitenden Signale einschließen. Im Kontext dieses Dokuments kann ein computerlesbares und/oder ausführbares Speichermedium jedes konkrete und/oder nichtflüchtige Medium sein, das ein Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem Befehlsausführungssystem, einer Vorrichtung, einem Prozessor oder einem Gerät enthalten oder speichern kann.As a result, a module of executable codes may include a single instruction or many instructions, and may even be distributed across several different code segments, in different programs, across multiple storage devices, or the like. Where a module or parts of a module are implemented in software, the software parts can be on one or more computer readable and / or executable Storage media. Any combination of one or more computer readable storage media can be used. For example, but not limited to, a computer readable storage medium may be an electronic, magnetic, optical, electromagnetic, infrared, or semiconductor system, device or device, or any suitable combination of the foregoing, but would not include propagating signals. In the context of this document, a computer readable and / or executable storage medium can be any concrete and / or non-volatile medium that can contain or store a program for use by or in connection with an instruction execution system, device, processor, or device.
Computerprogrammcode zur Durchführung von Operationen für Gesichtspunkte der vorliegenden Offenlegung kann in einer beliebigen Kombination von einer oder mehreren Programmiersprachen geschrieben werden, einschließlich einer objektorientierten Programmiersprache wie Python, Java, Smalltalk, C++, C#, Objektiv C oder dergleichen, herkömmlicher prozeduraler Programmiersprachen wie die Programmiersprache „C“, Skript-Programmiersprachen und/oder anderer ähnlicher Programmiersprachen. Der Programmcode kann teilweise oder vollständig auf einem oder mehreren Computern eines Benutzers und/oder auf einem entfernten Computer oder Server über ein Datennetz oder dergleichen ausgeführt werden.Computer program code for performing operations for aspects of the present disclosure can be written in any combination of one or more programming languages, including an object-oriented programming language such as Python, Java, Smalltalk, C ++, C #, Objective C, or the like, conventional procedural programming languages such as the programming language " C ”, script programming languages and / or other similar programming languages. The program code can be executed partially or completely on one or more computers of a user and / or on a remote computer or server via a data network or the like.
Eine Komponente, wie sie hierin verwendet wird, weist eine konkrete, physische, nichtflüchtige Vorrichtung auf. Zum Beispiel kann eine Komponente als eine Hardware-Logikschaltung implementiert sein, die kundenspezifische VLSI-Schaltungen, Gate-Arrays oder andere integrierte Schaltungen; handelsübliche Halbleiter, wie Logikchips, Transistoren oder andere diskrete Vorrichtungen; und/oder andere mechanische oder elektrische Vorrichtungen aufweist. Eine Komponente kann auch in programmierbaren Hardwarevorrichtungen wie feldprogrammierbaren Gate-Arrays, einer programmierbaren Array-Logik, programmierbaren Logikvorrichtungen oder dergleichen implementiert sein. Eine Komponente kann eine oder mehrere siliziumbasierte integrierte Schaltungsvorrichtungen (z. B. Chips, Dies, Die-Ebenen, Pakete) oder andere diskrete elektrische Vorrichtungen in elektrischer Verbindung mit einer oder mehreren anderen Komponenten über elektrische Leitungen einer Schaltungsplatine (PCB) oder dergleichen aufweisen. Jedes der hierin beschriebenen Module kann in bestimmten Ausführungsformen alternativ durch eine Komponente verkörpert oder implementiert sein.A component as used herein has a specific, physical, non-volatile device. For example, a component can be implemented as a hardware logic circuit that includes custom VLSI circuits, gate arrays, or other integrated circuits; commercially available semiconductors such as logic chips, transistors or other discrete devices; and / or other mechanical or electrical devices. A component can also be implemented in programmable hardware devices such as field programmable gate arrays, programmable array logic, programmable logic devices or the like. A component may include one or more silicon-based integrated circuit devices (e.g., chips, dies, die levels, packets) or other discrete electrical devices in electrical communication with one or more other components via electrical circuit board (PCB) lines or the like. Each of the modules described herein may alternatively be embodied or implemented by a component in certain embodiments.
Eine Schaltung, wie hierin verwendet, weist einen Satz von einer oder mehreren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten auf, die einen oder mehrere Wege für elektrischen Strom bereitstellen. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Schaltung einen Rückführweg für elektrischen Strom einschließen, sodass die Schaltung eine geschlossene Schleife ist. In einer anderen Ausführungsform kann jedoch ein Satz von Komponenten, der keinen Rückführweg für elektrischen Strom einschließt, als eine Schaltung (z. B. eine offene Schleife) bezeichnet werden. Zum Beispiel kann eine integrierte Schaltung unabhängig davon als eine Schaltung bezeichnet werden, ob die integrierte Schaltung an Masse gekoppelt ist (als Rückführweg für elektrischen Strom) oder nicht. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Schaltung einen Abschnitt einer integrierten Schaltung, eine integrierte Schaltung, einen Satz von integrierten Schaltungen, einen Satz von nicht integrierten elektrischen und/oder elektrischen Komponenten mit oder ohne Vorrichtungen mit integrierter Schaltung oder dergleichen einschließen. In einer Ausführungsform kann eine Schaltung individuelle VLSI-Schaltungen, Gate-Arrays, Logikschaltungen oder andere integrierte Schaltungen; handelsübliche Halbleiter, wie Logikchips, Transistoren oder andere diskrete Vorrichtungen; und/oder andere mechanische oder elektrische Vorrichtungen aufweisen. Eine Schaltung kann auch als eine synthetisierte Schaltung in einer programmierbaren Hardwarevorrichtung, wie einem feldprogrammierbaren Gate-Array, einer programmierbaren Array-Logik, einer programmierbaren Logikvorrichtung oder dergleichen (z. B. als Firmware, Netzliste oder dergleichen) implementiert sein. Eine Schaltung kann eine oder mehrere integrierte Schaltungsvorrichtungen auf Siliziumbasis (z. B. Chips, Dies, Die-Ebenen, Pakete) oder andere diskrete elektrische Vorrichtungen aufweisen, die mit einer oder mehreren anderen Komponenten über elektrische Leitungen einer Schaltungsplatine (PCB) oder dergleichen elektrisch verbunden sind. Jedes der hier beschriebenen Module kann in bestimmten Ausführungsformen durch eine Schaltung verkörpert oder implementiert sein.A circuit as used herein comprises a set of one or more electrical and / or electronic components that provide one or more paths for electrical power. In certain embodiments, a circuit may include an electrical return path so that the circuit is a closed loop. However, in another embodiment, a set of components that does not include an electrical return path may be referred to as a circuit (e.g., an open loop). For example, an integrated circuit may be referred to as a circuit regardless of whether the integrated circuit is coupled to ground (as a return path for electrical current) or not. In various embodiments, a circuit may include a portion of an integrated circuit, an integrated circuit, a set of integrated circuits, a set of non-integrated electrical and / or electrical components with or without integrated circuit devices, or the like. In one embodiment, a circuit can be individual VLSI circuits, gate arrays, logic circuits, or other integrated circuits; commercially available semiconductors, such as logic chips, transistors or other discrete devices; and / or have other mechanical or electrical devices. A circuit may also be implemented as a synthesized circuit in a programmable hardware device, such as a field programmable gate array, a programmable array logic, a programmable logic device, or the like (e.g., as firmware, netlist, or the like). A circuit may include one or more silicon-based integrated circuit devices (e.g., chips, dies, die levels, packets), or other discrete electrical devices that are electrically connected to one or more other components via electrical wiring of a circuit board (PCB) or the like are connected. In certain embodiments, each of the modules described here can be embodied or implemented by a circuit.
Die Bezugnahme auf „eine Ausführungsform“, „Ausführungsform“ oder ein ähnlicher Sprachgebrauch in dieser Patentschrift bedeutet, dass ein bestimmtes Merkmal, eine spezielle Struktur oder Charakteristik, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenlegung eingeschlossen ist. Daher können die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in der Ausführungsform“ und ähnlich gelagerter Sprachgebrauch in dieser Beschreibung, wo sie vorkommen, sich nicht notwendigerweise alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, sondern „eine oder mehrere, aber nicht alle Ausführungsformen“ bedeuten, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Die Begriffe „einschließlich“, „aufweisend“, „haben“ und Variationen dessen bedeuten „einschließlich, aber nicht darauf beschränkt“, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Eine aufzählende Auflistung von Elementen impliziert nicht, dass sich irgendeines oder alle der Elemente gegenseitig ausschließen und/oder gegenseitig einschließen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist. Die Begriffe „ein/e/s“, und „der/die/das“ beziehen sich auch auf „eines oder mehrere“, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.Reference to "an embodiment", "embodiment" or similar language in this specification means that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the present disclosure. Therefore, the terms "in one embodiment,""in the embodiment," and similarly used language in this description, where they occur, may not necessarily all refer to the same embodiment, but may mean "one or more, but not all, embodiments" if so not expressly stated otherwise. The terms "including", "showing", "have" and variations thereof mean "including, but not on limited ”, unless expressly stated otherwise. An enumerating list of elements does not imply that any or all of the elements are mutually exclusive and / or mutually inclusive, unless expressly stated otherwise. The terms “a” and “the” also refer to “one or more” unless expressly stated otherwise.
Gesichtspunkte der vorliegenden Offenlegung werden unten unter Bezugnahme auf schematische Flussdiagramme und/oder schematische Blockdiagramme von Verfahren, Vorrichtungen, Systemen und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der Offenlegung beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der schematischen Flussdiagramme und/oder schematischen Blockdiagramme und Kombinationen von Blöcken in den schematischen Flussdiagrammen und/oder schematischen Blockdiagrammen durch Computerprogrammanweisungen implementiert werden können. Diese Computerprogrammanweisungen können einem Prozessor eines Computers oder einer anderen programmierbaren Rechenvorrichtung bereitgestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, sodass die Anweisungen, die über den Prozessor oder eine andere programmierbare Rechenvorrichtung ausgeführt werden, Mittel zum Implementieren der Funktionen und/oder Schritte erzeugen, die in den schematischen Flussdiagrammen und/oder schematischen Blockdiagrammen Block oder Blöcken spezifiziert sind.Aspects of the present disclosure are described below with reference to schematic flow diagrams and / or schematic block diagrams of methods, devices, systems and computer program products according to embodiments of the disclosure. It is understood that each block of the schematic flow diagrams and / or schematic block diagrams and combinations of blocks in the schematic flow diagrams and / or schematic block diagrams can be implemented by computer program instructions. These computer program instructions may be provided to a processor of a computer or other programmable computing device to create a machine so that the instructions executed by the processor or other programmable computing device generate means for implementing the functions and / or steps described in FIG the schematic flow diagrams and / or schematic block diagrams block or blocks are specified.
Es sollte auch beachtet werden, dass in einigen alternativen Implementierungen die in dem Block angegebenen Funktionen außerhalb der in den Figuren angegebenen Reihenfolge auftreten können. Zum Beispiel können zwei nacheinander gezeigte Blöcke tatsächlich im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden, abhängig von der involvierten Funktionalität. Andere Schritte und Verfahren, die in Funktion, Logik oder Wirkung äquivalent zu einem oder mehreren Blöcken oder Teilen davon der dargestellten Figuren sind, können konzipiert werden. Obwohl verschiedene Pfeilarten und Linienarten in dem Flussdiagramm und/oder den Blockdiagrammen verwendet werden können, sind sie so zu verstehen, dass sie den Umfang der entsprechenden Ausführungsformen nicht einschränken. Zum Beispiel kann ein Pfeil eine Wartungs- oder Überwachungsperiode einer nicht spezifizierten Dauer zwischen aufgezählten Schritten der dargestellten Ausführungsform angeben.It should also be noted that in some alternative implementations, the functions specified in the block may occur out of the order shown in the figures. For example, two blocks shown in sequence may actually be executed substantially simultaneously, or the blocks may sometimes be executed in the reverse order, depending on the functionality involved. Other steps and methods that are equivalent in function, logic or effect to one or more blocks or parts thereof of the figures shown can be conceived. Although various types of arrows and lines can be used in the flowchart and / or the block diagrams, they are to be understood that they do not limit the scope of the corresponding embodiments. For example, an arrow may indicate a maintenance or monitoring period of an unspecified duration between enumerated steps in the illustrated embodiment.
In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil davon bilden. Die vorhergehende Zusammenfassung ist nur veranschaulichend und soll in keiner Weise einschränkend sein. Zusätzlich zu den oben beschriebenen veranschaulichenden Gesichtspunkten, Ausführungsformen und Merkmalen werden weitere Gesichtspunkte, Ausführungsformen und Merkmale unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und die folgende ausführliche Beschreibung deutlich. Die Beschreibung von Elementen in jeder Figur kann sich auf Elemente von fortlaufenden Figuren beziehen. Gleiche Bezugszeichen können sich auf gleiche Elemente in den Figuren beziehen, einschließlich alternativer Ausführungsformen gleicher Elemente.In the following detailed description, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof. The previous summary is illustrative only and is not intended to be limiting in any way. In addition to the illustrative aspects, embodiments, and features described above, other aspects, embodiments, and features will become apparent with reference to the drawings and the following detailed description. The description of elements in each figure can refer to elements of continuous figures. Like reference numerals may refer to like elements in the figures, including alternative embodiments of like elements.
1 zeigt ein System 100, das einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) 150 aufweist. In der dargestellten Ausführungsform schließt das System eine Rechnervorrichtung 110 ein. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich eine Rechnervorrichtung 110 auf jede elektronische Vorrichtung beziehen, die in der Lage ist, durch Ausführen arithmetischer oder logischer Operationen an elektronischen Daten zu rechnen. Zum Beispiel kann eine Rechnervorrichtung 110 ein Server, eine Workstation, ein Desktop-Computer, ein Laptop-Computer, ein Tablet, ein Smartphone, ein Steuersystem für eine andere elektronische Vorrichtung, eine über ein Netzwerk verbundene Speichervorrichtung, eine Blockvorrichtung in einem Speicherbereichsnetzwerk, ein Router, ein Netzwerkschalter oder dergleichen sein. In bestimmten Ausführungsformen kann eine Rechnervorrichtung 110 ein nicht flüchtiges computerlesbares Speichermedium einschließen, das computerlesbare Anweisungen speichert, die konfiguriert sind, um zu bewirken, dass die Rechnervorrichtung 110 Schritte eines oder mehrerer der hier offenbarten Verfahren ausführt. 1 shows a system 100 which has a magnetoresistive random access memory (MRAM) 150 having. In the illustrated embodiment, the system includes a computing device 110 a. In various embodiments, a computing device 110 refer to any electronic device capable of computing by performing arithmetic or logical operations on electronic data. For example, a computing device 110 a server, a workstation, a desktop computer, a laptop computer, a tablet, a smartphone, a control system for another electronic device, a storage device connected via a network, a block device in a storage area network, a router, a network switch or the like be. In certain embodiments, a computing device 110 include a non-transitory computer readable storage medium that stores computer readable instructions configured to cause the computing device 110 Performs steps of one or more of the methods disclosed herein.
In der dargestellten Ausführungsform schließt die Rechnervorrichtung 110 einen Prozessor 115, einen Speicher 130 und einen Speicher 140 ein. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich ein Prozessor 115 auf jedes elektronische Element beziehen, das die von der Rechnervorrichtung ausgeführten arithmetischen oder logischen Operationen ausführt. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform der Prozessor 115 ein Allzweckprozessor sein, der einen gespeicherten Programmcode ausführt. In einer anderen Ausführungsform kann der Prozessor 115 ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder dergleichen sein, welche(s) auf Basis der durch den Speicher 130 und/oder den Speicher 140 gespeicherten Daten arbeitet. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Prozessor 115 eine Steuerung für eine Speichervorrichtung (z. B. auf einem Speicherbereichsnetzwerk), eine Netzwerkvorrichtung oder dergleichen sein.In the illustrated embodiment, the computing device closes 110 a processor 115 , a memory 130 and a memory 140 a. In various embodiments, a processor can 115 refer to any electronic element that performs the arithmetic or logical operations performed by the computing device. For example, in one embodiment, the processor 115 be a general purpose processor that executes stored program code. In another embodiment, the processor 115 a field programmable gate array (FPGA), an application specific integrated circuit (ASIC) or the like, which (s) based on the memory 130 and / or the memory 140 stored data works. In a particular embodiment, a processor 115 a controller for a storage device (e.g., on a storage area network), a network device, or the like.
In der dargestellten Ausführungsform schließt der Prozessor 115 einen Cache 120 ein. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Cache 120 Daten zur Verwendung durch den Prozessor 115 speichern. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Cache 120 kleiner und schneller als der Speicher 130 sein und Daten in häufig verwendeten Speicherorten des Speichers 130 duplizieren oder dergleichen. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Prozessor 115 eine Vielzahl von Cache-Speichern 120 einschließen. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Cache 120 eine oder mehrere Arten von Speichermedien zum Speichern von Daten einschließen, wie einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM) 122, einen magnetoresistiven Direktzugriffsspeicher (MRAM) 150 oder dergleichen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein Cache 120 einen SRAM 122 einschließen. In einer anderen Ausführungsform kann ein Cache 120 einen MRAM 150 einschließen. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Cache 120 eine Kombination aus SRAM 122, MRAM 150 und/oder anderen Speichermedientypen einschließen.In the illustrated embodiment, the processor closes 115 a cache 120 a. In various embodiments, a Cache 120 Data for use by the processor 115 to save. In certain embodiments, a cache 120 smaller and faster than the memory 130 be and data in commonly used storage locations 130 duplicate or the like. In certain embodiments, a processor 115 a variety of caches 120 lock in. In various embodiments, a cache 120 include one or more types of storage media for storing data, such as static random access memory (SRAM) 122 , a magnetoresistive random access memory (MRAM) 150 or similar. For example, in one embodiment, a cache 120 an SRAM 122 lock in. In another embodiment, a cache 120 an MRAM 150 lock in. In a particular embodiment, a cache 120 a combination of SRAM 122 , MRAM 150 and / or other types of storage media.
Der Speicher 130 ist in einer Ausführungsform mit dem Prozessor 115 durch einen Speicherbus 135 gekoppelt. In bestimmten Ausführungsformen kann der Speicher 130 Daten speichern, die durch den Prozessor 115 direkt adressierbar sind. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Speicher 130 eine oder mehrere Arten von Speichermedien zum Speichern von Daten einschließen, wie einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM) 132, MRAM 150 oder dergleichen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein Speicher 130 einen DRAM 132 einschließen. In einer anderen Ausführungsform kann ein Speicher 130 einen MRAM 150 einschließen. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Speicher 130 eine Kombination von DRAM 132, MRAM 150 und/oder anderen Speichermedientypen einschließen.The memory 130 is in one embodiment with the processor 115 through a memory bus 135 coupled. In certain embodiments, the memory 130 Store data by the processor 115 are directly addressable. In various embodiments, a memory 130 include one or more types of storage media for storing data, such as dynamic random access memory (DRAM) 132 , MRAM 150 or similar. For example, in one embodiment, memory 130 a DRAM 132 lock in. In another embodiment, a memory 130 an MRAM 150 lock in. In a particular embodiment, memory 130 a combination of DRAM 132 , MRAM 150 and / or other types of storage media.
Der Speicher 140 ist in einer Ausführungsform über einen Speicherbus 145 mit dem Prozessor 115 gekoppelt. In bestimmten Ausführungsformen kann der Speicherbus 145 ein Peripheriebus der Computervorrichtung 110 sein, wie ein Express-Bus für periphere Komponenten (Peripheral Component Interconnect - PCI Express oder PCIe), ein SATA-Bus (Serial Advanced Technology Attachment), ein PATA-Bus (Parallel Advanced Technology Attachment), ein SCSI-Bus (Small Computer System Interface), ein FireWire-Bus, eine Fibre-Channel-Verbindung, ein USB-Bus (Universal Serial Bus), ein PCIe-AS-Bus (PCIe-Advanced Switching) oder dergleichen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Speicher 140 Daten speichern, die nicht direkt durch den Prozessor 115 adressierbar sind, auf die aber über eine oder mehrere Speichersteuerungen zugegriffen werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann der Speicher 140 größer als der Speicher 130 sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Speicher 140 eine oder mehrere Arten von Speichermedien zum Speichern von Daten einschließen, wie ein Festplattenlaufwerk, NAND-Flash-Speicher 142, MRAM 150 oder dergleichen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein Speicher 140 einen NAND-Flash-Speicher 142 einschließen. In einer anderen Ausführungsform kann ein Speicher 140 einen MRAM 150 einschließen. In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Speicher 140 eine Kombination aus NAND-Flash-Speicher 142, MRAM 150 und/oder anderen Speichermedientypen einschließen.The memory 140 is in one embodiment via a memory bus 145 with the processor 115 coupled. In certain embodiments, the memory bus 145 a peripheral bus of the computing device 110 like an Express bus for peripheral components (Peripheral Component Interconnect - PCI Express or PCIe), a SATA bus (Serial Advanced Technology Attachment), a PATA bus (Parallel Advanced Technology Attachment), a SCSI bus (Small Computer System Interface), a FireWire bus, a Fiber Channel connection, a USB bus (Universal Serial Bus), a PCIe-AS bus (PCIe Advanced Switching) or the like. In various embodiments, the memory 140 Store data that is not directly through the processor 115 are addressable, but can be accessed via one or more memory controllers. In certain embodiments, the memory 140 larger than the memory 130 be. In various embodiments, a memory 140 include one or more types of storage media for storing data, such as a hard drive, NAND flash memory 142 , MRAM 150 or similar. For example, in one embodiment, memory 140 a NAND flash memory 142 lock in. In another embodiment, a memory 140 an MRAM 150 lock in. In a particular embodiment, memory 140 a combination of NAND flash memory 142 , MRAM 150 and / or other types of storage media.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der MRAM 150 verwendet werden, um Daten in einem Cache 120, Speicher 130, Speicher 140 und/oder einer anderen Komponente zu speichern, die Daten speichert. Zum Beispiel schließt in der dargestellten Ausführungsform die Rechnervorrichtung 110 einen MRAM 150 in dem Cache 120, dem Speicher 130 und dem Speicher 140 ein. In einer anderen Ausführungsform kann eine Rechnervorrichtung 110 den MRAM 150 für den Speicher 130 verwenden und kann andere Arten von Speicher oder Speichermedien für den Cache 120 oder den Speicher 140 verwenden. Umgekehrt kann in einer anderen Ausführungsform eine Rechnervorrichtung 110 den MRAM 150 für den Speicher 140 verwenden und kann andere Arten von Speichermedien für den Cache 120 und den Speicher 130 verwenden. Zusätzlich können einige Arten von Rechnervorrichtungen 110 einen Speicher 130 ohne einen Speicher 140 (z. B. in einem Mikrocontroller) einschließen, wenn der Speicher 130 nicht flüchtig ist, können Speicher 130 ohne Cache 120 für spezialisierte Prozessoren 115 oder dergleichen einschließen.In various embodiments, the MRAM 150 used to cache data 120 , Storage 130 , Storage 140 and / or another component that stores data. For example, in the illustrated embodiment, the computing device closes 110 an MRAM 150 in the cache 120 , the store 130 and the memory 140 a. In another embodiment, a computing device 110 the MRAM 150 for the store 130 use and can use other types of storage or storage media for the cache 120 or the memory 140 use. Conversely, in another embodiment, a computing device 110 the MRAM 150 for the store 140 use and can use other types of storage media for the cache 120 and the memory 130 use. In addition, some types of computing devices 110 a memory 130 without a memory 140 (e.g. in a microcontroller) if the memory 130 non volatile memory can 130 without cache 120 for specialized processors 115 or the like.
Verschiedene Kombinationen von Cache 120, Speicher 130 und/oder Speicher 140 und Verwendungen von MRAM 150 für den Cache 120, den Speicher 130, den Speicher 140 und/oder andere Anwendungen werden im Hinblick auf diese Offenbarung deutlich werden.Different combinations of cache 120 , Storage 130 and / or storage 140 and uses of MRAM 150 for the cache 120 , the store 130 , the store 140 and / or other applications will become apparent in light of this disclosure.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der MRAM 150 einen oder mehrere Chips, Pakete, Dies oder andere integrierte Schaltungsvorrichtungen einschließen, die einen magnetoresistiven Speicher aufweisen, der auf einer oder mehreren Schaltungsplatinen, Speichergehäusen und/oder anderen mechanischen und/oder elektrischen Trägerstrukturen angeordnet ist. Zum Beispiel können ein oder mehrere Dual-Inline-Speichermodule (DIMM), eine oder mehrere Erweiterungskarten und/oder Tochterkarten, ein Festkörperlaufwerk (SSD) oder eine andere Speichervorrichtung und/oder ein anderer Speicher-Formfaktor den MRAM 150 aufweisen. Der MRAM 150 kann in einer Hauptplatine der Rechnervorrichtung 110 integriert und/oder montiert sein, in einem Port und/oder Schlitz der Rechnervorrichtung 110 installiert sein, auf einer anderen Rechnervorrichtung 110 und/oder einem dedizierten Speichergerät in einem Netzwerk installiert sein, das sich in Kommunikation mit einer Rechnervorrichtung 110 über einen externen Bus oder dergleichen befindet.In various embodiments, the MRAM 150 include one or more chips, packets, dies, or other integrated circuit devices having magnetoresistive memory disposed on one or more circuit boards, memory packages, and / or other mechanical and / or electrical support structures. For example, one or more dual inline memory modules (DIMM), one or more expansion cards and / or daughter cards, a solid state drive (SSD) or other memory device and / or another memory form factor may include the MRAM 150 exhibit. The MRAM 150 can be in a motherboard of the computing device 110 be integrated and / or mounted in a port and / or slot of the computing device 110 be installed on another computing device 110 and / or a dedicated storage device be installed in a network that is in communication with a computing device 110 via an external bus or the like.
Der MRAM 150 kann in verschiedenen Ausführungsformen eine oder mehrere der MRAM-Dies einschließen, einschließlich einer Vielzahl von magnetischen Tunnelkontakten (MTJs) zum Speichern von Daten. In bestimmten Ausführungsformen weist ein MTJ eine feste Schicht, eine Sperrschicht und eine freie Verbundschicht auf. Eine freie Verbundschicht kann eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene, eine ferromagnetische amorphe Schicht und eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) induzierende Schicht einschließen. In bestimmten Ausführungsformen kann eine freie Verbundschicht, die eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene, eine ferromagnetische amorphe Schicht und eine PMA induzierende Schicht einschließt, die Schreibströme und den Stromverbrauch im Vergleich zu einem MTJ mit einer freien nicht zusammengesetzten Schicht verringern und gleichzeitig ein Verhältnis von magnetischem Tunnelwiderstand (TMR) liefern (z. B. eine Messung einer Differenz zwischen hochohmigen und niederohmigen Zuständen und antiparallelen Zuständen), das zum Lesen gespeicherter Daten geeignet ist. Der MRAM 150 wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 2 bis 9 ausführlicher beschrieben.The MRAM 150 In various embodiments, may include one or more of the MRAM dies, including a plurality of magnetic tunnel contacts (MTJs) for storing data. In certain embodiments, an MTJ has a solid layer, a barrier layer and a free composite layer. A free composite layer can include a free layer with in-plane anisotropy, a ferromagnetic amorphous layer and a perpendicular magnetic anisotropy (PMA) inducing layer. In certain embodiments, a composite free layer, including a free layer with in-plane anisotropy, a ferromagnetic amorphous layer, and a PMA inducing layer, can reduce write currents and power consumption compared to an MTJ with a free non-composite layer while maintaining a ratio of magnetic tunnel resistance (TMR) (e.g. a measurement of a difference between high-resistance and low-resistance states and anti-parallel states), which is suitable for reading stored data. The MRAM 150 is described below with reference to the 2nd to 9 described in more detail.
2 zeigt eine Ausführungsform eines MRAM-Dies 150. Das MRAM-Die 150 kann im Wesentlichen dem MRAM 150 ähnlich sein, was unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde. Das MRAM-Die 150 schließt in der dargestellten Ausführungsform ein Array 200 aus magnetischen Tunnelkontakten, Reihenschaltungen 202, Spaltenschaltungen 204 und eine Die-Steuerung 206 ein. 2nd shows an embodiment of an MRAM die 150 . The MRAM-Die 150 can essentially the MRAM 150 be similar to what is referring to 1 has been described. The MRAM-Die 150 closes an array in the illustrated embodiment 200 from magnetic tunnel contacts, series connections 202 , Column switching 204 and a die controller 206 a.
In verschiedenen Ausführungsformen kann sich ein MRAM-Die 150 auf eine integrierte Schaltung beziehen, die sowohl ein Kernarray 200 aus MRAM-Zellen (z. B. MTJs) zur magnetoresistiven Datenspeicherung als auch periphere Komponenten (z. B. Reihenschaltungen 202, Spaltenschaltungen 204 und/oder Die-Steuerung 206) zum Kommunizieren mit dem Array 200 einschließt. In bestimmten Ausführungsformen können ein oder mehrere MRAM-Dies 150 in einem Speichermodul, einer Speichervorrichtung oder dergleichen eingeschlossen sein.In various embodiments, an MRAM die 150 refer to an integrated circuit that is both a core array 200 from MRAM cells (e.g. MTJs) for magnetoresistive data storage as well as peripheral components (e.g. series connections 202 , Column switching 204 and / or die control 206 ) to communicate with the array 200 includes. In certain embodiments, one or more MRAM dies 150 be included in a memory module, memory device, or the like.
In der dargestellten Ausführungsform schließt das Array 200 eine Vielzahl von magnetischen Tunnelkontakten zum Speichern von Daten ein. In einer Ausführungsform kann das Array 200 ein zweidimensionales Array sein. In einer anderen Ausführungsform kann das Array 200 ein dreidimensionales Array sein, das mehrere Ebenen und/oder Schichten von MTJs einschließt. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Array 200 durch Reihen (z. B. Wortleitungen) über Reihenschaltungen 202 und durch Spalten (z. B. Bitleitungen) über Spaltenschaltungen 204 adressierbar sein.In the illustrated embodiment, the array closes 200 a variety of magnetic tunnel contacts for storing data. In one embodiment, the array 200 be a two-dimensional array. In another embodiment, the array 200 be a three-dimensional array that includes multiple layers and / or layers of MTJs. In various embodiments, the array 200 through rows (e.g. word lines) via series connections 202 and by columns (e.g. bit lines) over column circuits 204 be addressable.
Die Die-Steuerung 206 arbeitet in bestimmten Ausführungsformen mit den Reihenschaltungen 202 und den Spaltenschaltungen 204 zusammen, um Speichervorgänge auf dem Array 200 durchzuführen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Die-Steuerung 206 Komponenten, wie eine Leistungssteuerschaltung, welche die den Reihenschaltungen 202 und Spaltenschaltungen 204 während Speichervorgängen zugeführten Leistungen und Spannungen steuert, einen Adressdecodierer, der eine empfangene Adresse in eine von den Reihenschaltungen 202 und Spaltenschaltungen 204 verwendete Hardwareadresse übersetzt, eine Zustandsmaschine, welche die Speichervorgänge implementiert und steuert, und dergleichen einschließen. Die Die-Steuerung 206 kann mit einer Rechnervorrichtung 110, einem Prozessor 115, einer Bussteuerung, einer Speichervorrichtungssteuerung, einer Speichermodulsteuerung oder dergleichen über Leitung 208 kommunizieren, um Befehls- und Adressinformationen zu empfangen, Daten zu übertragen und dergleichen.Die control 206 works with the series connections in certain embodiments 202 and the column circuits 204 together to store on the array 200 perform. In various embodiments, die control 206 Components, such as a power control circuit, which are the same as the series circuits 202 and column switching 204 controls powers and voltages supplied during memory operations, an address decoder that converts a received address into one of the series connections 202 and column switching 204 used hardware address translated, include a state machine that implements and controls the storage operations, and the like. Die control 206 can with a computing device 110 , a processor 115 , a bus controller, a memory device controller, a memory module controller or the like via line 208 communicate to receive command and address information, transmit data, and the like.
3 zeigt eine Ausführungsform eines magnetischen Tunnelkontakts 200. Das MTJ-Array 200 kann im Wesentlichen dem MTJ-Array 200 ähnlich sein, das unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde. In der dargestellten Ausführungsform schließt das MTJ-Array 200 eine Vielzahl von MTJs 350 zum Speichern von Daten ein, die mit Schreibwortleitungen (WL-W) 302, Lesewortleitungen (WL-R) 306 und Bitleitungen 304 gekoppelt sind. 3rd shows an embodiment of a magnetic tunnel contact 200 . The MTJ array 200 can essentially the MTJ array 200 be similar, referring to 2nd has been described. In the illustrated embodiment, the MTJ array closes 200 a variety of MTJs 350 for storing data associated with write word lines (WL-W) 302, read word lines (WL-R) 306 and bit lines 304 are coupled.
Ein MTJ 350 schließt in der dargestellten Ausführungsform eine feste oder Referenzschicht mit einem festen oder fixierten magnetischen Moment ein, das durch einen einzelnen Pfeil angedeutet ist. In einer weiteren Ausführungsform schließt ein MTJ 350 eine freie Schicht mit einem magnetischen Moment ein, das geändert oder umgeschaltet werden kann, wie durch einen Doppelpfeil angedeutet. Eine dünne dielektrische Schicht oder Sperrschicht kann die feste und die freie Schicht trennen, und aufgrund der Quantentunnelung kann Strom durch die Sperrschicht fließen. Die Wahrscheinlichkeit eines Elektronentunnelns durch die Sperrschicht ist höher, wenn die magnetischen Momente der festen und freien Schichten im Wesentlichen parallel zueinander sind (hier als paralleler Zustand für den MTJ 350 bezeichnet), und niedriger, wenn die magnetischen Momente der festen und freien Schichten im Wesentlichen antiparallel zueinander sind (hier als antiparalleler Zustand für den MTJ 350 bezeichnet). Daher kann ein elektrischer Widerstand durch den MTJ 350 im antiparallelen Zustand höher sein als im parallelen Zustand.An MTJ 350 in the illustrated embodiment includes a fixed or reference layer with a fixed or fixed magnetic moment, which is indicated by a single arrow. In another embodiment, an MTJ closes 350 a free layer with a magnetic moment that can be changed or switched, as indicated by a double arrow. A thin dielectric or barrier layer can separate the fixed and free layers, and due to quantum tunneling, current can flow through the barrier layer. The tunneling electron is more likely to tunnel when the magnetic moments of the fixed and free layers are essentially parallel to each other (here as a parallel state for the MTJ 350 ) and lower if the magnetic moments of the solid and free layers are essentially anti-parallel to each other (here as an anti-parallel state for the MTJ 350 designated). Therefore, electrical resistance through the MTJ 350 be higher in the anti-parallel state than in the parallel state.
In verschiedenen Ausführungsformen ermöglicht eine Widerstandsdifferenz zwischen parallelen und antiparallelen Zuständen eines MTJs 350, dass Daten gespeichert werden. Zum Beispiel kann ein niedriger Widerstand einer binären „1“ entsprechen und ein hoher Widerstand kann einer binären „0“ entsprechen. Alternativ kann ein niedriger Widerstand einer binären „0“ entsprechen und ein hoher Widerstand kann einer binären „1“ entsprechen. Die Differenz zwischen dem höheren antiparallelen Widerstand und dem niedrigeren parallelen Widerstand, ausgedrückt als Prozentsatz des niedrigeren parallelen Widerstands, kann hier als magnetischer Tunnelwiderstand (TMR) oder TMR-Verhältnis für den MTJ 350 bezeichnet werden. Somit würde zum Beispiel ein TMR von 100 % anzeigen, dass der antiparallele Widerstand doppelt so groß ist (z. B. 100 % größer) als der parallele Widerstand. In various embodiments, a resistance difference between parallel and anti-parallel states of an MTJ enables 350 that data is stored. For example, a low resistance can correspond to a binary "1" and a high resistance can correspond to a binary "0". Alternatively, a low resistance can correspond to a binary "0" and a high resistance can correspond to a binary "1". The difference between the higher anti-parallel resistance and the lower parallel resistance, expressed as a percentage of the lower parallel resistance, can here be the magnetic tunnel resistance (TMR) or TMR ratio for the MTJ 350 be designated. Thus, for example, a TMR of 100% would indicate that the anti-parallel resistance is twice as large (e.g. 100% larger) than the parallel resistance.
In bestimmten Ausführungsformen kann ein TMR-Verhältnis für einen MTJ 350 mit der Schwierigkeit, Daten aus dem MTJ 350 zu lesen, zusammenhängen. Wenn zum Beispiel das Verhältnis zwischen dem antiparallelen Widerstand und dem parallelen Widerstand eines MTJ 350 höher ist, kann eine niedrigere Lesespannung ausreichen, um im antiparallelen und im parallelen Zustand nachweisbar unterschiedliche Leseströme zu erzeugen. Wenn umgekehrt das Verhältnis zwischen dem antiparallelen Widerstand und dem parallelen Widerstand eines MTJ 350 niedriger ist, dann sind die Leseströme im antiparallelen und parallelen Zustand möglicherweise nicht nachweisbar unterschiedlich, es sei denn, es wird eine höhere Lesespannung angelegt. Somit kann das Erhöhen des TMR eines MTJ 350 (oder das Vermeiden von Faktoren, die den TMR verringern können) die Lesevorgänge für den MTJ 350 erleichtern.In certain embodiments, a TMR ratio for an MTJ 350 with the difficulty of getting data from the MTJ 350 to read related. For example, if the ratio between the anti-parallel resistance and the parallel resistance of an MTJ 350 higher, a lower reading voltage can be sufficient to demonstrably generate different reading currents in the anti-parallel and in the parallel state. Conversely, if the ratio between the anti-parallel resistance and the parallel resistance of an MTJ 350 is lower, the read currents in the antiparallel and parallel states may not be demonstrably different unless a higher read voltage is applied. Thus increasing the TMR of an MTJ 350 (or avoiding factors that can reduce the TMR) the reads for the MTJ 350 facilitate.
In der dargestellten Ausführungsform sind die MTJs 350 MTJs mit Spin-Orbit-Drehmoment (SOT), für die Daten durch Anlegen eines elektrischen Stroms durch ein Spin-Hall-Effekt-Material (SHE-Material), das an die freie Schicht angrenzt, geschrieben werden können, wodurch ein reiner Spinstrom erzeugt wird, um ein magnetisches Drehmoment auf die freie Schicht auszuüben und dadurch das magnetische Moment der freien Schicht zu verändern. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich ein SHE-Material auf jedes Material beziehen, das den Spin-Hall-Effekt aufweist, der einen Spinstrom senkrecht zu einem elektrischen Strom in einem Material induziert. Zum Beispiel kann in verschiedenen Ausführungsformen ein SHE-Material Platin, Wolfram, Iridium-dotiertes Kupfer, Iridium-dotiertes Silber oder dergleichen einschließen. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Strom in der Ebene innerhalb einer Schicht von SHE-Material einen Spinstrom über die Schicht verursachen. Die Richtung des Spinstroms kann auf der Grundlage der Richtung des elektrischen Stroms gesteuert werden. Somit kann in bestimmten Ausführungsformen, bei denen ein MTJ 350 eine Schicht von SHE-Material neben oder in Kontakt mit der freien Schicht einschließt, ein elektrischer Strom in der Ebene innerhalb der SHE-Schicht einen Spinstrom in die freie Schicht injizieren (z. B. durch Ausüben eines magnetischen Drehmoments auf die freie Schicht), um das magnetische Moment der freien Schicht zu verändern.In the illustrated embodiment, the MTJs are 350 Spin orbit torque (SOT) MTJs for which data can be written by applying an electrical current through a spin hall effect (SHE) material adjacent to the free layer, thereby producing a pure spin current to exert a magnetic torque on the free layer and thereby change the magnetic moment of the free layer. In various embodiments, an SHE material can refer to any material that has the spin Hall effect that induces a spin current perpendicular to an electrical current in a material. For example, in various embodiments, an SHE material can include platinum, tungsten, iridium-doped copper, iridium-doped silver, or the like. In certain embodiments, a current in the plane within a layer of SHE material can cause a spin current across the layer. The direction of the spin current can be controlled based on the direction of the electric current. Thus, in certain embodiments where an MTJ 350 includes a layer of SHE material next to or in contact with the free layer, injecting an electric current in the plane within the SHE layer into the free layer a spin current (e.g. by applying a magnetic torque to the free layer), to change the magnetic moment of the free layer.
In der dargestellten Ausführungsform sind für die SOT-MTJs 350 die Schreibwortleitungen 302 und die Bitleitungen 304 an gegenüberliegende Seiten der SHE-Schichten gekoppelt, sodass eine Spannungsdifferenz zwischen einer Schreibwortleitung 302 und einer Bitleitung 304 am Schnittpunkt der Schreibwortleitung 302 und einer Bitleitung 304 in der SHE-Schicht des MTJ 350 einen Strom in der Ebene induziert. Somit kann das Schreiben von Daten in einen MTJ 350 an dem Schnittpunkt einer ausgewählten Schreibwortleitung 302 und einer ausgewählten Bitleitung 304 ein Anlegen einer Programmierspannung an die ausgewählte Schreibwortleitung 302 und einer Null-Spannung (oder einer anderen Referenzspannung) an die ausgewählte Bitleitung 304 einschließen, sodass der elektrische Strom in der SHE-Schicht des MTJ 350 ein Drehmoment ausübt, das einen Spinstrom in der freien Schicht verursacht, um das magnetische Moment der freien Schicht zu ändern.In the illustrated embodiment, for the SOT MTJs 350 the write word lines 302 and the bit lines 304 coupled to opposite sides of the SHE layers so that there is a voltage difference between a write word line 302 and a bit line 304 at the intersection of the write word line 302 and a bit line 304 in the SHE layer of the MTJ 350 induced a current in the plane. Thus writing data to an MTJ 350 at the intersection of a selected write word line 302 and a selected bit line 304 applying a programming voltage to the selected write word line 302 and a zero voltage (or other reference voltage) to the selected bit line 304 so that the electrical current in the SHE layer of the MTJ 350 exerts a torque that causes a spin current in the free layer to change the magnetic moment of the free layer.
In verschiedenen Ausführungsformen kann das MTJ-Array 200 Transistoren, Selektoren oder dergleichen einschließen, die Streuströme durch nicht ausgewählte MTJs 350 während Schreibvorgängen verhindern. Zum Beispiel können in einer Ausführungsform Spannungen für die nicht ausgewählten Schreibwortleitungen 302 und die nicht ausgewählten Bitleitungen 304 auf die Hälfte der Programmierspannung eingestellt werden, sodass keine Spannungsdifferenz zwischen der Schreibwortleitung 302 und der Bitleitung 304 für nicht ausgewählte MTJs 350 besteht (z. B. MTJs 350, die nicht auf der ausgewählten Schreibwortleitung 302 oder der ausgewählten Bitleitung 304 liegen) und eine Spannungsdifferenz der halben Programmierspannung zwischen der Schreibwortleitung 302 und der Bitleitung 304 für halb ausgewählte MTJs 350 (z. B. MTJs 350, die sich entweder auf der ausgewählten Schreibwortleitung 302 oder der ausgewählten Bitleitung 304 befinden, aber nicht auf beiden) besteht. In einer weiteren Ausführungsform lassen unter Umständen Selektoren für die MTJs keinen Strom fließen, es sei denn, die Spannungsdifferenz zwischen der Schreibwortleitung 302 und der Bitleitung 304 ist größer als die Hälfte der Programmierspannung. Somit kann ein Selektor, Transistor oder eine andere Schaltvorrichtung einen Schreibvorgang zulassen, um gespeicherte Daten in einem MTJ 350 zu ändern, ohne gespeicherte Datenwerte in anderen MTJs 350 zu ändern.In various embodiments, the MTJ array 200 Transistors, selectors, or the like include stray currents through unselected MTJs 350 prevent during writes. For example, in one embodiment, voltages can be applied to the unselected write word lines 302 and the unselected bit lines 304 set to half the programming voltage so that there is no voltage difference between the write word line 302 and the bit line 304 for unselected MTJs 350 exists (e.g. MTJs 350 that are not on the selected write word line 302 or the selected bit line 304 ) and a voltage difference of half the programming voltage between the write word line 302 and the bit line 304 for half-selected MTJs 350 (e.g. MTJs 350 that are either on the selected write word line 302 or the selected bit line 304 but not on both). In another embodiment, selectors for the MTJs may not allow current to flow unless the voltage difference between the write word line 302 and the bit line 304 is greater than half the programming voltage. Thus, a selector, transistor, or other switching device may allow a write operation to store data in an MTJ 350 to change, without stored data values in other MTJs 350 to change.
In einer anderen Ausführungsform können Daten gleichzeitig in eine Reihe von MTJs 350 geschrieben werden. Zum Beispiel kann die Schreibwortleitung 302 für eine Reihe geerdet sein, und positive oder negative Programmierspannungen können an die Bitleitungen 304 angelegt werden, um unterschiedliche Datenwerte in die MTJs 350 in der Reihe zu schreiben. Verschiedene Arten des Schreibens von Daten in einzelne oder mehrere MTJs 350 in MTJ-Arrays 200, die verschiedene Geometrien verwenden, werden im Hinblick auf diese Offenbarung deutlich werden.In another embodiment, data can be concurrently in a series of MTJs 350 to be written. For example, the write word line 302 for a series be grounded, and positive or negative programming voltages can be applied to the bit lines 304 be created to have different data values in the MTJs 350 to write in the series. Different ways of writing data in single or multiple MTJs 350 in MTJ arrays 200 Using different geometries will become apparent with this disclosure.
Das Lesen von Daten aus einem MTJ 350 kann in verschiedenen Ausführungsformen ein Messen, Erfassen oder Abtasten eines Widerstands des MTJ 350 (z. B. Anzeigen, ob sich der MTJ 350 in einem parallelen oder antiparallelen Zustand befindet) einschließen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine bekannte Spannung über die freie Schicht, die Sperrschicht und die feste Schicht angelegt werden, und der resultierende Strom kann gemessen oder abgetastet werden, um den Widerstand zu erfassen. In einer anderen Ausführungsform kann ein bekannter Strom durch die freie Schicht, die Sperrschicht und die feste Schicht angelegt werden, und der resultierende Spannungsabfall über den MTJ 350 kann gemessen oder abgetastet werden, um den Widerstand zu erfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann ein MTJ-Array 200 oder ein MRAM-Die 150 Leseverstärker, Latches und dergleichen einschließen, um ein Niederleistungssignal von einer Bitleitung 304 in einen Logikpegel umzuwandeln, der eine 1 oder 0 repräsentiert, und die konvertierten Daten zu speichern.Reading data from an MTJ 350 may measure, sense, or sense a resistance of the MTJ in various embodiments 350 (e.g. showing whether the MTJ 350 in a parallel or anti-parallel state). For example, in one embodiment, a known voltage can be applied across the free layer, the junction layer, and the solid layer, and the resulting current can be measured or sensed to sense resistance. In another embodiment, a known current can be applied through the free layer, the barrier layer and the solid layer, and the resulting voltage drop across the MTJ 350 can be measured or scanned to measure resistance. In certain embodiments, an MTJ array 200 or an MRAM die 150 Include sense amplifiers, latches and the like to provide a low power signal from a bit line 304 convert to a logic level representing a 1 or 0 and store the converted data.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Lesewortleitungen 306 und die Bitleitungen 304 an die MTJs 350 gekoppelt, um einen Strom durch die freie Schicht, die Sperrschicht und die feste Schicht anzulegen. Zum Beispiel kann das Lesen von Daten aus einem MTJ 350 an dem Schnittpunkt einer ausgewählten Lesewortleitung 306 und einer ausgewählten Bitleitung 304 das Anlegen einer Lesespannung an die ausgewählte Lesewortleitung 306 und einer Nullspannung (oder einer anderen Referenzspannung) an die ausgewählte Bitleitung 304 einschließen, sodass der Widerstand durch den MTJ 350 erfasst werden kann. Wie oben für Schreibvorgänge beschrieben, können Selektoren, Transistoren oder dergleichen Streuströme durch nicht ausgewählte MTJs 350 während Lesevorgängen verhindern. Zusätzlich können Daten von einer Reihe von MTJs 350 gleichzeitig gelesen werden. Zum Beispiel kann eine Lesespannung an eine Lesewortleitung 306 für eine Reihe angelegt werden, und die Bitleitungen 304 können geerdet sein, sodass die resultierenden Ströme für mehrere Bitleitungen 304 erfasst werden können. Verschiedene Arten des Lesens von Daten aus einzelnen oder mehreren MTJs 350 in MTJ-Arrays 200, die verschiedene Geometrien verwenden, werden im Hinblick auf diese Offenbarung deutlich werden.In the illustrated embodiment, the read word lines are 306 and the bit lines 304 to the MTJs 350 coupled to apply a current through the free layer, the barrier layer and the solid layer. For example, reading data from an MTJ 350 at the intersection of a selected reading word line 306 and a selected bit line 304 applying a read voltage to the selected read word line 306 and a zero voltage (or other reference voltage) to the selected bit line 304 include so that the resistance from the MTJ 350 can be recorded. As described above for writes, selectors, transistors, or the like can leak currents through unselected MTJs 350 prevent during reads. In addition, data from a number of MTJs 350 be read at the same time. For example, a read voltage on a read word line 306 for a row and the bit lines 304 can be grounded so that the resulting currents span multiple bit lines 304 can be recorded. Different ways of reading data from single or multiple MTJs 350 in MTJ arrays 200 Using different geometries will become apparent with this disclosure.
4A zeigt eine Ausführungsform eines magnetischen Tunnelkontakts 350, der eine freie Verbundschicht 400 aufweist. Der MTJ 350 kann im Wesentlichen dem MTJ 350 ähnlich sein, der mit Bezug auf 3 beschrieben wurde. In der dargestellten Ausführungsform schließt der MTJ 350 eine feste oder Referenzschicht 412, eine freie Schicht 400 und eine zwischen der festen Schicht und der freien Schicht 400 angeordnete Sperrschicht 410 ein, die im Wesentlichen wie oben mit Bezug auf 3 beschrieben sein kann. In der dargestellten Ausführungsform ist die freie Schicht 400 eine freie Verbundschicht, die eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408, eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) induzierende Schicht 404 und eine ferromagnetische amorphe Schicht 406 aufweist. Zusätzlich schließt der MTJ in der dargestellten Ausführungsform ferner eine Spin-Hall-Effekt-Schicht 402 ein, die im Wesentlichen wie oben mit Bezug auf 3 beschrieben sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen können Schichten des MTJ 350 durch verschiedene Techniken, wie physikalische Gasphasenabscheidung, Sputtern oder dergleichen, gebildet oder abgeschieden werden. In bestimmten Ausführungsformen können weitere Schichten, die in 4A nicht gezeigt sind, wie eine Deckschicht, in einem MTJ 350 oder in dem Prozess zum Herstellen eines MTJ 350 eingeschlossen sein. 4A shows an embodiment of a magnetic tunnel contact 350 which is a free composite layer 400 having. The MTJ 350 can essentially the MTJ 350 be similar to that related to 3rd has been described. In the illustrated embodiment, the MTJ closes 350 a fixed or reference layer 412 , a free layer 400 and one between the solid layer and the free layer 400 arranged barrier layer 410 one that is essentially like above with reference to 3rd can be described. In the illustrated embodiment, the free layer is 400 a free composite layer that is a free layer with anisotropy in the plane 408 , a vertical magnetic anisotropy (PMA) inducing layer 404 and a ferromagnetic amorphous layer 406 having. In addition, the MTJ also closes a spin Hall effect layer in the illustrated embodiment 402 one that is essentially like above with reference to 3rd can be described. In various embodiments, layers of the MTJ 350 can be formed or deposited by various techniques such as physical vapor deposition, sputtering or the like. In certain embodiments, additional layers that are in 4A are not shown as a top layer in an MTJ 350 or in the process of making an MTJ 350 be included.
Die feste Schicht oder Referenzschicht 412 schließt in einer Ausführungsform ein ferromagnetisches Material mit einem festen oder fixierten magnetischen Moment ein. Wie hier verwendet, kann der Ausdruck „ferromagnetisch“ verwendet werden, um jedes Material zu bezeichnen, das zu spontaner Magnetisierung in der Lage ist (z. B. in Abwesenheit eines extern angelegten Magnetfeldes magnetisiert bleibt). Somit kann sich ein „ferromagnetisches“ Material auf ein ferromagnetisches Material im strengen Sinne (bei dem z. B. einzelne mikroskopische magnetische Momente vollständig ausgerichtet sind) oder auf ein ferrimagnetisches Material (bei dem z. B. einzelne mikroskopische magnetische Momente teilweise nicht ausgerichtet sind) beziehen.The fixed layer or reference layer 412 in one embodiment includes a ferromagnetic material with a fixed or fixed magnetic moment. As used herein, the term "ferromagnetic" can be used to refer to any material that is capable of spontaneous magnetization (e.g., remains magnetized in the absence of an externally applied magnetic field). Thus, a “ferromagnetic” material can refer to a ferromagnetic material in the strict sense (in which, for example, individual microscopic magnetic moments are completely aligned) or to a ferrimagnetic material (in which, for example, individual microscopic magnetic moments are partially not aligned ) Respectively.
In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich ein „festes“ oder „fixiertes“ magnetisches Moment auf ein magnetisches Moment, das im Wesentlichen zumindest in der Orientierung konstant ist, wenn das magnetische Moment der freien Schicht 400 geändert oder umgekehrt wird. Somit kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine feste Schicht 412 ein ferromagnetisches Material mit einer höheren Koerzitivkraft als ein ferromagnetisches Material einer freien Schicht 400 aufweisen. In einer solchen Ausführungsform kann ein äußeres Magnetfeld die Magnetisierung sowohl der festen Schicht 412 als auch der freien Schicht 400 verändern, jedoch mit einer größeren Auswirkung auf die freie Schicht 400. In einer anderen Ausführungsform kann eine feste Schicht 412 einen ferromagnetischen Dünnfilm mit einem magnetischen Moment aufweisen, das durch Austauschkopplung mit einem Antiferromagneten fixiert ist. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine feste Schicht 412 einen synthetischen Antiferromagneten (z. B. eine aus Kobalt/Eisen und Ruthenium bestehende Mehrlagenschicht), eine Ruthenium- oder Iridium-Zwischenlage und eine ferromagnetische Schicht, die eine Kobalt/Eisen/Bor-Legierung (CoFeB) aufweist, einschließen.In various embodiments, a "fixed" or "fixed" magnetic moment refers to a magnetic moment that is essentially constant, at least in orientation, when the magnetic moment of the free layer 400 is changed or vice versa. Thus, for example, in one embodiment, a solid layer 412 a ferromagnetic material with a higher coercive force than a ferromagnetic material of a free layer 400 exhibit. In such an embodiment, an external magnetic field can magnetize both the solid layer 412 as well as the free layer 400 change, but with a greater impact on the free layer 400 . In another embodiment, a solid layer 412 have a ferromagnetic thin film with a magnetic moment, which is fixed by exchange coupling with an antiferromagnet. For example, in one embodiment, a solid layer 412 include a synthetic antiferromagnet (e.g., a multilayer layer composed of cobalt / iron and ruthenium), a ruthenium or iridium intermediate layer and a ferromagnetic layer comprising a cobalt / iron / boron alloy (CoFeB).
Das magnetische Moment der festen Schicht 412 kann in verschiedenen Ausführungsformen eine Referenz für die Orientierung des magnetischen Moments der freien Schicht 400 bereitstellen. Zum Beispiel kann in verschiedenen Ausführungsformen das magnetische Gesamtmoment der freien Schicht 400 parallel oder antiparallel zum magnetischen Moment der festen Schicht 412 sein. Somit ist die feste Schicht 412 mit einem magnetischen Referenzmoment dargestellt, das durch einen einzelnen Pfeil angedeutet ist, und das parallele oder antiparallele magnetische Moment der freien Schicht 400 ist durch einen Doppelpfeil angedeutet.The magnetic moment of the solid layer 412 can be a reference for the orientation of the magnetic moment of the free layer in various embodiments 400 provide. For example, in various embodiments, the total magnetic moment of the free layer 400 parallel or anti-parallel to the magnetic moment of the solid layer 412 be. So that's the solid layer 412 represented with a magnetic reference moment, which is indicated by a single arrow, and the parallel or antiparallel magnetic moment of the free layer 400 is indicated by a double arrow.
Die Sperrschicht 410 ist in verschiedenen Ausführungsformen zwischen der festen Schicht oder Referenzschicht 412 und der freien Schicht 400 angeordnet. In bestimmten Ausführungsformen weist die Sperrschicht 410 ein dielektrisches Material, wie Magnesiumoxid (MgO), auf. In bestimmten Ausführungsformen kann die Sperrschicht 410 weniger als 20 Angström dick sein, sodass die Quantentunnelung von Elektronen über die Sperrschicht 410 ermöglicht, dass Strom durch den MTJ 350 fließt.The barrier layer 410 is in different embodiments between the fixed layer or reference layer 412 and the free layer 400 arranged. In certain embodiments, the barrier layer 410 a dielectric material such as magnesium oxide (MgO). In certain embodiments, the barrier layer 410 less than 20 angstroms thick, causing quantum tunneling of electrons across the junction 410 allows current to flow through the MTJ 350 flows.
Im Allgemeinen kann die freie Schicht 400 in verschiedenen Ausführungsformen ein ferromagnetisches Material mit einem magnetischen Moment aufweisen, das relativ zu dem magnetischen Moment der festen Schicht 412 geändert, geschaltet oder umgekehrt werden kann. Wie mit Bezug auf 3 beschrieben, wird durch das Ändern des magnetischen Moments der freien Schicht 400 der elektrische Widerstand des MTJ 350 geändert, was das Speichern von Daten ermöglicht. In bestimmten Ausführungsformen kann das ferromagnetische Material der freien Schicht 400 eine CoFeB-Legierung einschließen. In der dargestellten Ausführungsform ist die freie Schicht 400 eine freie Verbundschicht, deren Komponenten nachstehend ausführlicher beschrieben werden. In bestimmten Ausführungsformen kann das Lesen von Daten das Anlegen eines Stroms von Klemme T2 424 (oder Klemme T1 422) an Klemme T3 426 einschließen, um den Widerstand des MTJ 350 zu erfassen.Generally the free layer 400 in various embodiments comprise a ferromagnetic material with a magnetic moment that is relative to the magnetic moment of the solid layer 412 can be changed, switched or reversed. How about 3rd is described by changing the magnetic moment of the free layer 400 the electrical resistance of the MTJ 350 changed, which enables data to be saved. In certain embodiments, the ferromagnetic material of the free layer 400 include a CoFeB alloy. In the illustrated embodiment, the free layer is 400 a free composite layer, the components of which are described in more detail below. In certain embodiments, reading data may involve applying a current from terminal T2 424 (or clamp T1 422 ) at terminal T3 426 include the resistance of the MTJ 350 capture.
Die Spin-Hall-Effekt-Schicht 402 weist in einer Ausführungsform ein Spin-Hall-Effekt-Material (SHE-Material) auf, wie oben mit Bezug auf 3 beschrieben, wie Platin, Wolfram, Iridium-dotiertes Kupfer, Iridium-dotiertes Silber oder dergleichen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die SHE-Schicht 402 als Teil des MTJ 350 beschrieben werden oder sie kann als an einen MTJ gekoppelt beschrieben werden (wobei der MTJ selbst die feste Schicht 412, die freie Schicht 400 und die Sperrschicht 410 einschließt). In der dargestellten Ausführungsform ist die SHE-Schicht 402 so konfiguriert, dass ein elektrischer Strom in der Ebene innerhalb der SHE-Schicht 402 ein Drehmoment ausübt, das einen Spinstrom in der freien Verbundschicht 400 verursacht. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein elektrischer Strom von Klemme T1 422 zu Klemme T2 424 einen Spinstrom mit einer ersten Orientierung in die freie Verbundschicht 400 injizieren. In einer weiteren Ausführungsform kann der entgegengesetzte elektrische Strom, von der Klemme T2 424 zur Klemme T1 422, einen Spinstrom mit einer der ersten Orientierung entgegengesetzten Orientierung in die freie Verbundschicht 400 injizieren. Ein Spinstrom kann das magnetische Moment der freien Schicht 400 zum Schreiben von Daten ändern oder umkehren.The spin hall effect layer 402 In one embodiment, comprises a spin Hall effect material (SHE material), as above with reference to FIG 3rd described, such as platinum, tungsten, iridium-doped copper, iridium-doped silver or the like. In various embodiments, the SHE layer 402 as part of the MTJ 350 or it can be described as being coupled to an MTJ (the MTJ itself being the solid layer 412 , the free layer 400 and the barrier layer 410 includes). In the illustrated embodiment, the SHE layer is 402 configured to have an electrical current in the plane within the SHE layer 402 exerts a torque that produces a spin current in the free composite layer 400 caused. For example, in one embodiment, an electrical current from terminal T1 422 to clamp T2 424 a spin stream with a first orientation in the free composite layer 400 inject. In another embodiment, the opposite electrical current can be from the terminal T2 424 to the clamp T1 422 , a spin stream with an orientation opposite to the first orientation into the free composite layer 400 inject. A spin current can be the magnetic moment of the free layer 400 change or reverse to write data.
In bestimmten Ausführungsformen kann eine elektrische Stromdichte in der SHE-Schicht 402 zum Schalten des magnetischen Moments einer nicht zusammengesetzten freien Schicht in der Größenordnung von zehn Millionen bis hundert Millionen Ampere pro Quadratzentimeter liegen. Hohe Schaltstromdichten können zu Designproblemen in Bezug auf Erwärmung, hohe Leistungsaufnahme, große Transistorgrößen zum Schalten großer Ströme und dergleichen führen. Die Schaltstromdichte für eine freie Schicht 400 mit einem magnetischen Moment in der Ebene kann jedoch proportional zum Produkt aus einer Dämpfungskonstante für die freie Schicht 400, einer magnetischen Dicke für die freie Schicht 400 und/oder einer effektiven Magnetisierung der freien Schicht 400 sein, wobei die magnetische Dicke als Sättigungsmagnetisierung mal Dicke definiert ist, die effektive Magnetisierung als Sättigungsmagnetisierung minus einer senkrechten magnetischen Anisotropie definiert ist, oder dergleichen. Somit kann in bestimmten Ausführungsformen das Erhöhen der senkrechten Anisotropie der freien Schicht 400 eine Schaltstromdichte für den MTJ 350 reduzieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine freie Verbundschicht 400 konfiguriert sein, um eine Gesamtanisotropie in der Ebene aufzuweisen, mit einer zur Anisotropie senkrechten Komponente, um den Schaltstrom für den MTJ 350 zu reduzieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann das Reduzieren der Dämpfungskonstante, der magnetischen Dicke und/oder der effektiven Magnetisierung für die freie Schicht 400 den Schaltstrom für einen MTJ 350 reduzieren. Das Reduzieren der magnetischen Dicke kann jedoch dazu führen, dass die parallelen oder antiparallelen Zustände für den MTJ 350 weniger stabil sind, was sich nachteilig auf den Datenerhalt auswirkt. Dementsprechend kann in bestimmten Ausführungsformen eine freie Verbundschicht 400 konfiguriert sein, um den Schaltstrom durch Reduzieren der Dämpfungskonstante und/oder der effektiven Magnetisierung für die freie Schicht 400 (relativ zu einer nicht zusammengesetzten freien Schicht 400) zu reduzieren.In certain embodiments, an electrical current density can be in the SHE layer 402 for switching the magnetic moment of an unassembled free layer are in the order of ten million to one hundred million amperes per square centimeter. High switching current densities can lead to design problems in terms of heating, high power consumption, large transistor sizes for switching large currents and the like. The switching current density for a free layer 400 With a magnetic moment in the plane, however, can be proportional to the product of an attenuation constant for the free layer 400 , a magnetic thickness for the free layer 400 and / or an effective magnetization of the free layer 400 where the magnetic thickness is defined as saturation magnetization times thickness, the effective magnetization is defined as saturation magnetization minus a perpendicular magnetic anisotropy, or the like. Thus, in certain embodiments, increasing the vertical anisotropy of the free layer 400 a switching current density for the MTJ 350 to reduce. In various embodiments, a free composite layer 400 configured to have total in-plane anisotropy with a component perpendicular to the anisotropy to provide the switching current for the MTJ 350 to reduce. In Various embodiments can reduce the damping constant, the magnetic thickness and / or the effective magnetization for the free layer 400 the switching current for an MTJ 350 to reduce. However, reducing the magnetic thickness can cause the parallel or anti-parallel states for the MTJ 350 are less stable, which has a negative impact on data retention. Accordingly, in certain embodiments, a free composite layer 400 be configured to reduce the switching current by reducing the damping constant and / or the effective magnetization for the free layer 400 (relative to an unassembled free layer 400 ) to reduce.
In der dargestellten Ausführungsform schließt die freie Verbundschicht 400 eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408, eine ferromagnetische amorphe Schicht 406 und eine senkrechte magnetische Anisotropie (PMA) induzierende Schicht 404 ein. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 ein ferromagnetisches Material mit einem veränderlichen, magnetischen Moment in der Ebene aufweisen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 eine ferromagnetische CoFeB-Legierung einschließen. Das magnetische Moment der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 kann durch einen Spinstrom aus der SHE-Schicht 402, wie oben beschrieben, verändert werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 bis zu 30 Angström dick sein. In weiteren Ausführungsformen kann die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 mindestens 5 Angström dick sein.In the embodiment shown, the free composite layer closes 400 a free layer with anisotropy in the plane 408 , a ferromagnetic amorphous layer 406 and a perpendicular magnetic anisotropy (PMA) inducing layer 404 a. In various embodiments, a free layer with anisotropy in the plane 408 have a ferromagnetic material with a variable magnetic moment in the plane. For example, in one embodiment, a free layer with in-plane anisotropy 408 include a CoFeB ferromagnetic alloy. The magnetic moment of the free layer with anisotropy in the plane 408 can by a spin current from the SHE layer 402 as described above. In certain embodiments, the free layer may have in-plane anisotropy 408 up to 30 angstroms thick. In other embodiments, the free layer may have anisotropy in the plane 408 be at least 5 angstroms thick.
Wie hier verwendet, können Ausdrücke wie „in der Ebene“ und „senkrecht“ verwendet werden, um eine Richtung oder Orientierung zu beschreiben (z. B. für eine Vektorgröße, wie ein magnetisches Moment, Magnetisierung, Stromdichte oder dergleichen), relativ zu einer Schicht eines MTJ 350. In einer Ausführungsform bezieht sich der Begriff „senkrecht“ auf eine Richtung im rechten Winkel zu einer Oberfläche einer Schicht (z. B. vertikal in 4A), und der Ausdruck „in der Ebene“ bezieht sich auf eine Richtung parallel zu einer Oberfläche der Schicht (z. B. horizontal in 4A). In einer anderen Ausführungsform kann jedoch ein Vektor, eine Orientierung oder eine Richtung eine Kombination von senkrechten und ebenen Komponenten einschließen und kann entweder als „senkrecht“ oder „in der Ebene“ beschrieben werden, basierend darauf, ob die senkrechte Komponente oder die in der Ebene liegende Komponente eine größere Stärke aufweist. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform, in der ein magnetisches Moment ebene und senkrechte Komponenten aufweist, die nicht null sind, es trotzdem als ein magnetisches Moment „in der Ebene“ beschrieben werden, wenn die in der Ebene liegende Komponente größer als die senkrechte Komponente ist.As used herein, terms such as "in-plane" and "perpendicular" can be used to describe a direction or orientation (e.g., for a vector size, such as a magnetic moment, magnetization, current density, or the like) relative to one Layer of an MTJ 350 . In one embodiment, the term "perpendicular" refers to a direction at right angles to a surface of a layer (e.g., vertical in 4A) , and the term "in the plane" refers to a direction parallel to a surface of the layer (e.g., horizontally in 4A) . However, in another embodiment, a vector, orientation, or direction can include a combination of vertical and planar components and can be described as either "perpendicular" or "in-plane" based on whether the vertical component or in-plane lying component has a greater strength. For example, in an embodiment in which a magnetic moment has flat and perpendicular components that are not zero, it can still be described as an in-plane magnetic moment if the in-plane component is larger than the vertical component .
In verschiedenen Ausführungsformen kann sich eine magnetische Anisotropie auf eine Richtung oder Achse beziehen, in der die Magnetisierung energetisch günstig ist. Zum Beispiel kann sich in einer Ausführungsform eine magnetische Anisotropie auf eine Richtung einer „leichten Achse“ beziehen, um ein ferromagnetisches Material zu magnetisieren, wobei das magnetische Moment des ferromagnetischen Materials dazu neigt, sich entlang der „leichten Achse“ zu orientieren, aber in beide Richtungen entlang dieser Achse zeigen kann.In various embodiments, magnetic anisotropy can refer to a direction or axis in which the magnetization is energetically favorable. For example, in one embodiment, magnetic anisotropy may refer to an "easy axis" direction to magnetize a ferromagnetic material, with the magnetic moment of the ferromagnetic material tending to orient along the "easy axis", but both Can show directions along this axis.
In bestimmten Ausführungsformen weist die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 eine magnetische Anisotropie in der Ebene auf. In weiteren Ausführungsformen kann die magnetische Anisotropie in der Ebene der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 parallel oder im Wesentlichen parallel zum magnetischen Moment der festen Schicht 412 sein. Somit kann das magnetische Moment der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 durch einen Spinstrom aus der SHE-Schicht 402 verändert werden, aber ein magnetisches Moment, das mit der magnetischen Anisotropie in der Ebene ausgerichtet ist, wird entweder im Wesentlichen parallel oder im Wesentlichen antiparallel zum magnetischen Moment der festen Schicht 412 sein. Somit kann die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 in verschiedenen Ausführungsformen Daten in der freien Verbundschicht 400 speichern, basierend auf einer parallelen oder antiparallelen Orientierung eines magnetischen Moments in der Ebene.In certain embodiments, the free layer has anisotropy in the plane 408 magnetic anisotropy in the plane. In further embodiments, the magnetic anisotropy in the plane of the free layer with anisotropy in the plane 408 parallel or essentially parallel to the magnetic moment of the solid layer 412 be. Thus, the magnetic moment of the free layer with anisotropy in the plane 408 through a spin current from the SHE layer 402 be changed, but a magnetic moment that is aligned with the in-plane magnetic anisotropy becomes either substantially parallel or substantially antiparallel to the magnetic moment of the solid layer 412 be. Thus, the free layer with anisotropy in the plane 408 in various embodiments, data in the free composite layer 400 save based on a parallel or anti-parallel orientation of a magnetic moment in the plane.
Die PMA induzierende Schicht 404 in einer Ausführungsform ist konfiguriert, um eine senkrechte Komponente zur magnetischen Anisotropie der freien Verbundschicht 400 zu induzieren, zu erhöhen oder hinzuzufügen. In bestimmten Ausführungsformen kann die PMA induzierende Schicht 404 die PMA der freien Verbundschicht 400 dauerhaft hinzufügen oder induzieren. Wie vorstehend beschrieben, kann die Schaltstromdichte für das Schreiben auf den MTJ 350 proportional zu einer effektiven Magnetisierung der freien Schicht 400 sein, wobei die effektive Magnetisierung als Sättigungsmagnetisierung minus einer senkrechten magnetischen Anisotropie definiert ist. Somit kann in bestimmten Ausführungsformen das Erhöhen der senkrechten Anisotropie die effektive Magnetisierung der freien Verbundschicht 400 verringern, wodurch die Schaltstromdichte für den MTJ 350 verringert wird.The PMA inducing layer 404 in one embodiment is configured to be a perpendicular component to the magnetic anisotropy of the free composite layer 400 to induce, increase or add. In certain embodiments, the PMA inducing layer 404 the PMA of the free composite layer 400 add or induce permanently. As described above, the switching current density for writing to the MTJ 350 proportional to an effective magnetization of the free layer 400 where the effective magnetization is defined as saturation magnetization minus a perpendicular magnetic anisotropy. Thus, in certain embodiments, increasing the vertical anisotropy can effectively magnetize the free composite layer 400 reduce the switching current density for the MTJ 350 is reduced.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die PMA induzierende Schicht 404 jedes der verschiedenen Materialien einschließen, die PMA induzieren. Zum Beispiel kann die PMA induzierende Schicht 404 in einer Ausführungsform ein Übergitter aus alternierenden „X“- und „Y“-Schichten einschließen. In einer Ausführungsform können die „X“-Schichten 0,5 bis 10 Angström Kobalt und/oder Eisen einschließen, und die „Y“-Schichten können 0,5 bis 10 Angström Platin, Palladium und/oder Nickel einschließen. Eine Anzahl von Wiederholungen der alternierenden [X/Y]-Struktur kann gewählt werden, um die effektive Magnetisierung der freien Verbundschicht 400 durch Induzieren von PMA zu reduzieren, während das gesamte magnetische Moment der freien Verbundschicht 400 in der Ebene verbleibt. In einer bestimmten Ausführungsform kann die PMA induzierende Schicht 404 beispielsweise ein Übergitter aus alternierenden Kobalt- und Platinschichten einschließen. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Übergitter aus alternierenden Kobalt- und Platinschichten drei Kobaltschichten und drei Platinschichten einschließen. In einigen Ausführungsformen können die Kobaltschichten 3,4 Angström dick sein, und die Platinschichten können 1,4 Angström dick sein.In various embodiments, the PMA inducing layer 404 include any of the various materials that induce PMA. For example, the PMA inducing layer 404 in one embodiment include a superlattice of alternating "X" and "Y" layers. In one embodiment, the "X" layers can include 0.5 to 10 angstroms of cobalt and / or iron, and the "Y" layers can include 0.5 to 10 angstroms of platinum, palladium and / or nickel. A number of repetitions of the alternating [X / Y] structure can be chosen to effectively magnetize the free composite layer 400 by reducing PMA while reducing the total magnetic moment of the free composite layer 400 remains in the plane. In a particular embodiment, the PMA inducing layer 404 include, for example, a superlattice of alternating layers of cobalt and platinum. In another embodiment, a superlattice of alternating cobalt and platinum layers can include three cobalt layers and three platinum layers. In some embodiments, the cobalt layers can be 3.4 angstroms thick and the platinum layers can be 1.4 angstroms thick.
In einer anderen Ausführungsform kann die PMA induzierende Schicht 404 eine Seltenerd- und Übergangsmetall-Legierung einschließen. Zum Beispiel kann die PMA induzierende Schicht 404 in einer Ausführungsform eine Legierung aus Kobalt und/oder Eisen (Übergangsmetalle) mit zehn bis dreißig Atomprozent Gadolinium (ein Seltenerdmetall) einschließen. In einer anderen Ausführungsform kann die PMA induzierende Schicht 404 eine L10-Phasen-Legierung einschließen. In bestimmten Ausführungsformen kann sich eine L10-Phase für eine Legierung auf eine Struktur beziehen, die einer flächenzentrierten kubischen Kristallstruktur ähnlich ist, aber mit verschiedenen Elementen der Legierung in alternierenden Ebenen geordnet ist. In einer Ausführungsform kann eine L1o-Phasenlegierung für die PMA induzierende Schicht 404 eine äquiatomare Legierung aus „X“- und „Y“-Elementen einschließen, wobei das „X“-Element Kobalt oder Eisen sein kann und das „Y“-Element Platin, Palladium oder Nickel sein kann. In einer bestimmten Ausführungsform kann die L10-Phasen-Legierung bei einer Temperatur von über (oder gleich) 300 Grad Celsius abgeschieden werden. In bestimmten Ausführungsformen kann die PMA induzierende Schicht 404 eine Kombination von Unterschichten einschließen, einschließlich einem Übergitter, einer Seltenerd- und Übergangsmetall-Legierung, einer L10-Phasen-Legierung und/oder weiterer PMA induzierender Strukturen.In another embodiment, the PMA inducing layer 404 include a rare earth and transition metal alloy. For example, the PMA inducing layer 404 in one embodiment include an alloy of cobalt and / or iron (transition metals) with ten to thirty atomic percent gadolinium (a rare earth metal). In another embodiment, the PMA inducing layer 404 include an L1 0 phase alloy. In certain embodiments, an L1 0 phase for an alloy may refer to a structure that is similar to a face-centered cubic crystal structure, but is ordered with different elements of the alloy in alternating levels. In one embodiment, an L1o phase alloy can be used for the PMA inducing layer 404 include an equiatomic alloy of "X" and "Y" elements, where the "X" element can be cobalt or iron and the "Y" element can be platinum, palladium or nickel. In a particular embodiment, the L1 0 phase alloy can be deposited at a temperature above (or equal to) 300 degrees Celsius. In certain embodiments, the PMA inducing layer 404 include a combination of sublayers including a superlattice, a rare earth and transition metal alloy, a L1 0 phase alloy and / or other PMA inducing structures.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Menge an PMA, die der freien Verbundschicht 400 durch die PMA induzierende Schicht 404 hinzugefügt wird, proportional zur Dicke der PMA induzierenden Schicht 404 sein (oder mit ihr zunehmen). Da die effektive Magnetisierung der freien Verbundschicht 400 gleich der Sättigungsmagnetisierung abzüglich der senkrechten Anisotropie ist, verringert das Erhöhen der PMA von Null an zunächst die effektive Magnetisierung der freien Verbundschicht 400, was eine entsprechende Reduzierung der Schaltströme ermöglicht. Weitere Erhöhungen der PMA, über die Sättigungsmagnetisierung hinaus, können jedoch die effektive Magnetisierung und den Schaltstrom erhöhen, da das gesamte magnetische Moment der freien Verbundschicht 400 aus der Ebene gerät. Daher wird in bestimmten Ausführungen eine Dicke der PMA induzierenden Schicht 404 so gewählt, dass die PMA induzierende Schicht 404 eine effektive Magnetisierung der freien Verbundschicht 400 reduziert, und so, dass ein magnetisches Gesamtmoment der freien Verbundschicht 400 in der Ebene liegt. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein magnetisches Gesamtmoment der freien Verbundschicht 400 als in der Ebene liegend bezeichnet werden, wenn eine in der Ebene liegende Komponente des magnetischen Gesamtmoments größer ist als eine senkrechte Komponente des magnetischen Gesamtmoments.In various embodiments, the amount of PMA can be that of the free composite layer 400 through the PMA inducing layer 404 is added, proportional to the thickness of the PMA inducing layer 404 be (or increase with her). Because the effective magnetization of the free composite layer 400 is equal to the saturation magnetization minus the vertical anisotropy, increasing the PMA from zero initially reduces the effective magnetization of the free composite layer 400 , which enables a corresponding reduction in switching currents. However, further increases in PMA, beyond saturation magnetization, can increase the effective magnetization and the switching current, since the total magnetic moment of the free composite layer 400 gets out of the plane. Therefore, in certain designs, a thickness of the PMA inducing layer 404 chosen so that the PMA inducing layer 404 effective magnetization of the free composite layer 400 reduced, and so that a total magnetic moment of the free composite layer 400 lies in the plane. In various embodiments, a total magnetic moment of the free composite layer 400 be described as lying in the plane if a component of the total magnetic moment lying in the plane is larger than a perpendicular component of the total magnetic moment.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Hersteller des MTJ 350 die Dicke der PMA induzierenden Schicht 404 steuern, indem er die Abscheidung einer oder mehrerer einzelner Legierungsschichten, wie einer Seltenerd- und Übergangsmetall-Legierung oder einer L10-Phasen-Legierung, steuert, und/oder indem er die Anzahl der sich wiederholenden Schichten für eine Übergitterstruktur steuert. Eine „Reduzierung“ der effektiven Magnetisierung, der Schaltstromdichte oder des Schaltstroms kann mit der Struktur der freien Verbundschicht 400 mit weggelassener PMA induzierender Schicht 404 verglichen werden.In various embodiments, a manufacturer of the MTJ 350 the thickness of the PMA inducing layer 404 control by controlling the deposition of one or more individual alloy layers, such as a rare earth and transition metal alloy or an L10 phase alloy, and / or by controlling the number of repeating layers for a superlattice structure. A "reduction" of the effective magnetization, the switching current density or the switching current can be achieved with the structure of the free composite layer 400 with the PMA inducing layer omitted 404 be compared.
In der dargestellten Ausführungsform ist die PMA induzierende Schicht 404 so angeordnet, dass die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 zwischen der Sperrschicht 410 und der PMA induzierenden Schicht 404 liegt. Zum Beispiel kann der MTJ 350 so konstruiert sein, dass die feste Schicht 412 auf einem Substrat abgeschieden wird, und die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 kann oberhalb der Sperrschicht 410 und unterhalb der PMA induzierenden Schicht 404 liegen. In einer anderen Ausführungsform kann der MTJ 350 so konstruiert sein, dass die SHE-Schicht 402 auf einem Substrat abgeschieden wird, und die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 kann unterhalb der Sperrschicht 410 und oberhalb der PMA induzierenden Schicht 404 liegen.In the illustrated embodiment, the PMA is inducing layer 404 arranged so that the free layer with anisotropy in the plane 408 between the junction 410 and the PMA inducing layer 404 lies. For example, the MTJ 350 be constructed so that the solid layer 412 is deposited on a substrate, and the free layer with anisotropy in the plane 408 can be above the junction 410 and below the PMA inducing layer 404 lie. In another embodiment, the MTJ 350 be constructed so that the SHE layer 402 is deposited on a substrate, and the free layer with anisotropy in the plane 408 can below the junction 410 and above the PMA inducing layer 404 lie.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Kristallisation der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 von der Grenzfläche mit der Sperrschicht 410 ausgehen. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 als amorphe Struktur abgeschieden und so getempert werden, dass die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 in einer pseudoepitaktischen Beziehung mit der Sperrschicht 410 kristallisiert. Passende oder ähnliche Kristallstrukturen (z. B. Pseudo-Epitaxie) in der festen Schicht 412, der Sperrschicht 410 und der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 können die Quantentunnelung durch die Sperrschicht 410 erleichtern, und ein TMR für eine solche Struktur kann zum Lesen von Daten geeignet sein. Dagegen können Kristallorientierungsfehlanpassungen innerhalb der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408, an der Grenzfläche zwischen der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 und der Sperrschicht 410 oder an einer anderen Grenzfläche zwischen Schichten die Quantentunnelung behindern, sodass der Widerstand des MTJ 350 sowohl im parallelen als auch im antiparallelen Zustand hoch ist, und ein niedriger TMR für eine solche Struktur kann den MTJ 350 weniger geeignet oder ungeeignet für das Speichern von Daten machen.In certain embodiments, the crystallization of the free layer with in-plane anisotropy 408 from the interface with the barrier layer 410 going out. For example, in one embodiment, the free layer may have in-plane anisotropy 408 deposited as an amorphous structure and annealed so that the free layer with anisotropy in the plane 408 in a pseudo-epitaxial relationship with the junction 410 crystallized. Matching or similar crystal structures (e.g. pseudo-epitaxy) in the solid layer 412 , the barrier layer 410 and the free layer with anisotropy in the plane 408 can quantum tunneling through the junction 410 facilitate, and a TMR for such a structure may be suitable for reading data. In contrast, crystal orientation mismatches can occur within the free layer with in-plane anisotropy 408 , at the interface between the free layer with anisotropy in the plane 408 and the barrier layer 410 or at another interface between layers that hinder quantum tunneling, so that the resistance of the MTJ 350 is high in both the parallel and anti-parallel states, and a low TMR for such a structure can make the MTJ 350 make it less suitable or unsuitable for storing data.
In bestimmten Ausführungsformen kann sich die Kristallstruktur der PMA induzierenden Schicht 404 und/oder der SHE-Schicht 402 von der Kristallstruktur der Sperrschicht 410 unterscheiden. Zum Beispiel kann die Sperrschicht 410 in verschiedenen Ausführungsformen eine kubische oder raumzentrierte kubische Kristallstruktur haben, und die PMA induzierende Schicht 404 und/oder die SHE-Schicht 402 können eine flächenzentrierte kubische Kristallstruktur haben. In einer weiteren Ausführungsform, falls die PMA induzierende Schicht 404 und/oder die SHE-Schicht 402 die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 direkt berühren sollten, dann könnte die Kristallisation, die während des Temperns von beiden Seiten der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 ausgeht, zu Kristallfehlanpassungen innerhalb der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 führen, was zu einem niedrigen TMR für den MTJ 350 führen würde.In certain embodiments, the crystal structure of the PMA inducing layer may differ 404 and / or the SHE layer 402 from the crystal structure of the barrier layer 410 differentiate. For example, the barrier layer 410 in various embodiments have a cubic or body centered cubic crystal structure, and the PMA inducing layer 404 and / or the SHE layer 402 can have a face-centered cubic crystal structure. In another embodiment, if the PMA inducing layer 404 and / or the SHE layer 402 the free layer with anisotropy in the plane 408 Should touch directly, then the crystallization that occurs during the annealing from both sides of the free layer with anisotropy in the plane 408 proceeds to crystal mismatches within the free layer with anisotropy in the plane 408 result in a low TMR for the MTJ 350 would lead.
Daher wird in bestimmten Ausführungsformen eine ferromagnetische amorphe Schicht 406 zwischen der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 und der PMA induzierenden Schicht 404 angeordnet. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 mit der Sperrschicht 410 in Kontakt stehen, die ferromagnetische amorphe Schicht 406 kann mit der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 in Kontakt stehen, und die PMA induzierende Schicht 404 kann mit der ferromagnetischen amorphen Schicht 406 in Kontakt stehen.Therefore, in certain embodiments, a ferromagnetic amorphous layer 406 between the free layer with anisotropy in the plane 408 and the PMA inducing layer 404 arranged. For example, in one embodiment, the free layer may have in-plane anisotropy 408 with the barrier layer 410 are in contact, the ferromagnetic amorphous layer 406 can with the free layer with anisotropy in the plane 408 are in contact, and the PMA inducing layer 404 can with the ferromagnetic amorphous layer 406 stay in contact.
In bestimmten Ausführungsformen kann die ferromagnetische amorphe Schicht 406 jedes Material einschließen, das sowohl ferromagnetisch als auch amorph ist. In bestimmten Ausführungsformen können ferromagnetische Materialien der PMA induzierenden Schicht 404 und der ferromagnetischen amorphen Schicht 406 einen Spinstrom von der SHE-Schicht 402 in die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 leiten. Dagegen können nicht-ferromagnetische Materialien, wie Schwermetallatome, einen Spinstrom streuen und dadurch Schreibvorgänge für den MTJ 350 behindern.In certain embodiments, the ferromagnetic amorphous layer 406 include any material that is both ferromagnetic and amorphous. In certain embodiments, ferromagnetic materials can be the PMA inducing layer 404 and the ferromagnetic amorphous layer 406 a spin current from the SHE layer 402 in the free layer with anisotropy in the plane 408 conduct. In contrast, non-ferromagnetic materials such as heavy metal atoms can scatter a spin current and thereby write operations for the MTJ 350 hinder.
In bestimmten Ausführungsformen ermöglicht eine amorphe Struktur für die ferromagnetische amorphe Schicht 406, dass die Kristallisation der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 während des Temperns auf der Kristallstruktur der Sperrschicht 410 und nicht auf der Kristallstruktur der PMA induzierenden Schicht 404 aufgelegt wird. Zum Beispiel kann die ferromagnetische amorphe Schicht 406 die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 von der PMA induzierenden Schicht 404 trennen, sodass eine Kristallstruktur der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 von der PMA induzierenden Schicht 404 nicht beeinflusst wird. Somit kann die ferromagnetische amorphe Schicht 406 eine Verringerung des TMR für den MTJ 350 verhindern oder abschwächen, die sonst auftreten könnte, falls die PMA induzierende Schicht 404 oder eine andere nicht amorphe Schicht außer der Sperrschicht 410 direkt mit der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 in Kontakt kommen würde.In certain embodiments, an amorphous structure allows for the ferromagnetic amorphous layer 406 that the crystallization of the free layer with anisotropy in the plane 408 during the annealing on the crystal structure of the barrier layer 410 and not on the crystal structure of the PMA inducing layer 404 is launched. For example, the ferromagnetic amorphous layer 406 the free layer with anisotropy in the plane 408 from the PMA inducing layer 404 separate so that a crystal structure of the free layer with anisotropy in the plane 408 from the PMA inducing layer 404 is not affected. Thus the ferromagnetic amorphous layer 406 a reduction in the TMR for the MTJ 350 prevent or mitigate that might otherwise occur if the PMA inducing layer 404 or another non-amorphous layer other than the barrier layer 410 directly with the free layer with anisotropy in the plane 408 would come into contact.
In einer Ausführungsform kann die ferromagnetische amorphe Schicht 406 eine Legierung aus einem oder mehreren ferromagnetischen Elementen, einem oder mehreren glasbildenden Elementen und einem oder mehreren stabilisierenden Elementen zum Verhindern von Migration des einen oder der mehreren glasbildenden Elemente einschließen. (Wie hier bei Bezugnahme auf eine Legierung verwendet, bezieht sich ein „Element“ speziell auf eine Art von Atom, nicht allgemeiner auf eine Komponente). Ein ferromagnetisches Element kann Eisen, Kobalt, Nickel oder jedes andere Element sein, das Ferromagnetismus aufweist. In einer Ausführungsform können das eine oder die mehreren ferromagnetischen Elemente Eisen, Kobalt oder eine Kombination aus Eisen und Kobalt einschließen.In one embodiment, the ferromagnetic amorphous layer 406 include an alloy of one or more ferromagnetic elements, one or more glass forming elements, and one or more stabilizing elements to prevent migration of the one or more glass forming elements. (As used here when referring to an alloy, an "element" refers specifically to a type of atom, not more generally to a component). A ferromagnetic element can be iron, cobalt, nickel or any other element that has ferromagnetism. In one embodiment, the one or more ferromagnetic elements can include iron, cobalt, or a combination of iron and cobalt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann sich ein glasbildendes Element auf jedes Element beziehen, das dazu neigt, die Kristallisation des einen oder der mehreren ferromagnetischen Elemente zu stören oder zu verhindern, sodass die ferromagnetische amorphe Schicht 406 in einem amorphen festen oder glasähnlichen Zustand bleibt. Zum Beispiel können in einer bestimmten Ausführungsform das eine oder die mehreren glasbildenden Elemente Bor einschließen. In einigen Ausführungsformen können die glasbildenden Elemente jedoch bei typischen Temperaturen zum Tempern der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 innerhalb der ferromagnetischen amorphen Schicht 406 wandern, was es ermöglicht, dass Kristallisation in Bereichen mit einer niedrigen Konzentration glasbildender Elemente beginnt, sodass die ferromagnetische amorphe Schicht 406 nicht mehr amorph ist. Somit kann die ferromagnetische amorphe Schicht 406 in bestimmten Ausführungsformen ein oder mehrere stabilisierende Elemente einschließen, um eine Migration des einen oder der mehreren glasbildenden Elemente zu verhindern. (In einer anderen Ausführungsform migrieren jedoch das eine oder die mehreren glasbildenden Elemente unter Umständen nicht ausreichend, um eine Kristallisation während des Temperns zu ermöglichen, und das eine oder die mehreren stabilisierenden Elemente können weggelassen werden.)In various embodiments, a glass-forming element can refer to any element that tends to disrupt or prevent crystallization of the one or more ferromagnetic elements, such that the ferromagnetic amorphous layer 406 remains in an amorphous solid or glass-like state. For example, in a particular embodiment, the one or more glass-forming elements can include boron. In some embodiments, however, the glass-forming elements can be used at typical temperatures to anneal the free layer with in-plane anisotropy 408 within the ferromagnetic amorphous layer 406 migrate, which allows crystallization to begin in areas with a low concentration of glass-forming elements, causing the ferromagnetic amorphous layer 406 is no longer amorphous. Thus the ferromagnetic amorphous layer 406 in certain embodiments include one or more stabilizing elements to prevent migration of the one or more glass forming elements. (However, in another embodiment, the one or more glass-forming elements may not migrate sufficiently to allow crystallization during annealing, and the one or more stabilizing elements may be omitted.)
Ein stabilisierendes Element kann in verschiedenen Ausführungsformen jedes Element einschließen, das dazu neigt, eine Migration eines glasbildenden Elements in der ferromagnetischen amorphen Schicht 406 zu reduzieren oder zu verhindern. Zum Beispiel kann eine hohe chemische Affinität zwischen Bor und Tantal, Titan oder Zirkonium eine Migration von Bor innerhalb der ferromagnetischen amorphen Schicht 406 verhindern und somit eine amorphe Struktur aufrechterhalten. In einer Ausführungsform können das eine oder die mehreren stabilisierenden Elemente Tantal, Titan oder eine Kombination aus Tantal und Titan einschließen.In various embodiments, a stabilizing element can include any element that tends to migrate a glass-forming element in the ferromagnetic amorphous layer 406 to reduce or prevent. For example, high chemical affinity between boron and tantalum, titanium or zirconium can cause boron to migrate within the ferromagnetic amorphous layer 406 prevent and thus maintain an amorphous structure. In one embodiment, the one or more stabilizing elements can include tantalum, titanium, or a combination of tantalum and titanium.
In einer Ausführungsform kann die ferromagnetische amorphe Schicht 406 eine Legierung mit zehn Atomprozent oder mehr des einen oder der mehreren glasbildenden Elemente einschließen. In einer bestimmten Ausführungsform kann die Legierung fünf Atomprozent oder weniger des einen oder der mehreren stabilisierenden Elemente einschließen. In einigen Ausführungsformen kann die Legierung mindestens drei Prozent des einen oder der mehreren stabilisierenden Elemente einschließen.In one embodiment, the ferromagnetic amorphous layer 406 include an alloy with ten atomic percent or more of the one or more glass-forming elements. In a particular embodiment, the alloy may include five atomic percent or less of the one or more stabilizing elements. In some embodiments, the alloy can include at least three percent of the one or more stabilizing elements.
In einer Ausführungsform weist die ferromagnetische amorphe Schicht 406 eine Legierung aus Kobalt, Eisen und/oder Nickel mit mindestens zehn Atomprozent Bor und mindestens drei Atomprozent Tantal, Titan und/oder Zirkonium auf. In einer anderen Ausführungsform weist die ferromagnetische amorphe Schicht 406 eine Legierung aus Kobalt, Eisen und/oder Nickel mit mindestens zwanzig Atomprozent Hafnium, Zirkonium, Silizium, Germanium, Tantal und/oder Niob auf.In one embodiment, the ferromagnetic amorphous layer 406 an alloy of cobalt, iron and / or nickel with at least ten atomic percent boron and at least three atomic percent tantalum, titanium and / or zirconium. In another embodiment, the ferromagnetic amorphous layer 406 an alloy of cobalt, iron and / or nickel with at least 20 atomic percent hafnium, zirconium, silicon, germanium, tantalum and / or niobium.
In einer Ausführungsform weist die ferromagnetische amorphe Schicht 406 eine Legierung aus Kobalt, Titan und Bor (CoTiB) auf. In einer anderen Ausführungsform weist die ferromagnetische amorphe Schicht 406 eine Legierung aus Kobalt, Eisen, Bor und Tantal (CoFeBTa) auf. In bestimmten Ausführungsformen können CoTiB- und CoFeBTa-Legierungen auch nach dem Tempern bei Temperaturen bis 700 K amorph bleiben.In one embodiment, the ferromagnetic amorphous layer 406 an alloy of cobalt, titanium and boron (CoTiB). In another embodiment, the ferromagnetic amorphous layer 406 an alloy of cobalt, iron, boron and tantalum (CoFeBTa). In certain embodiments, CoTiB and CoFeBTa alloys can remain amorphous even after annealing at temperatures up to 700 K.
4B zeigt eine weitere Ausführungsform eines magnetischen Tunnelkontakts 350, der eine freie Verbundschicht 400 aufweist. Der MTJ 350 kann im Wesentlichen dem MTJ 350 ähnlich sein, der oben mit Bezug auf 3 und 4A beschrieben wurde. In der dargestellten Ausführungsform schließt der MTJ 350 eine feste oder Referenzschicht 412, eine freie Schicht 400 und eine zwischen der festen Schicht und der freien Schicht 400 angeordnete Sperrschicht 410 ein, die im Wesentlichen wie oben mit Bezug auf 3 und 4A beschrieben sein kann. In der dargestellten Ausführungsform ist die freie Schicht 400 eine freie Verbundschicht, die eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 und eine ferromagnetische amorphe Schicht 406 aufweist, die im Wesentlichen wie oben mit Bezug auf 4A beschrieben sein können. Zusätzlich schließt der MTJ in der dargestellten Ausführungsform eine Spin-Hall-Effekt-Schicht 402 ein, die im Wesentlichen wie oben mit Bezug auf 3 und 4A beschrieben sein kann. 4B shows a further embodiment of a magnetic tunnel contact 350 which is a free composite layer 400 having. The MTJ 350 can essentially the MTJ 350 be similar to that related to above 3rd and 4A has been described. In the illustrated embodiment, the MTJ closes 350 a fixed or reference layer 412 , a free layer 400 and one between the solid layer and the free layer 400 arranged barrier layer 410 one that is essentially like above with reference to 3rd and 4A can be described. In the illustrated embodiment, the free layer is 400 a free composite layer that is a free layer with anisotropy in the plane 408 and a ferromagnetic amorphous layer 406 having substantially the same as above with reference to 4A can be described. In addition, the MTJ closes a spin Hall effect layer in the illustrated embodiment 402 one that is essentially like above with reference to 3rd and 4A can be described.
In der dargestellten Ausführungsform schließt der MTJ 350 keine PMA induzierende Schicht 404 ein. Wie in 4A ist die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 zwischen der ferromagnetischen amorphen Schicht 406 und der Sperrschicht 410 angeordnet. In 4B ist jedoch die ferromagnetische amorphe Schicht 406 in Kontakt mit der SHE-Schicht 402 angeordnet, ohne eine PMA induzierende Schicht 404.In the illustrated embodiment, the MTJ closes 350 no PMA inducing layer 404 a. As in 4A is the free layer with anisotropy in the plane 408 between the ferromagnetic amorphous layer 406 and the barrier layer 410 arranged. In 4B however, is the ferromagnetic amorphous layer 406 in contact with the SHE layer 402 arranged without a PMA inducing layer 404 .
In bestimmten Ausführungsformen kann die Sperrschicht 410 ein Material mit einer raumzentrierten kubischen Kristallstruktur aufweisen, wie Magnesiumoxid. In einer weiteren Ausführungsform kann die feste Schicht 412 und/oder die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 als amorphes Material abgeschieden werden, und eine Kristallbildung während des Temperns kann von der Grenzfläche mit der Sperrschicht 410 ausgehen, sodass die feste Schicht 412 und/oder die freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 eine raumzentrierte kubische Kristallstruktur haben (oder einschließen). Dagegen kann die oben beschriebene PMA induzierende Schicht 404 und/oder die SHE-Schicht 402 ein Material mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur, wie Platin, einschließen.In certain embodiments, the barrier layer 410 have a material with a body-centered cubic crystal structure, such as magnesium oxide. In a further embodiment, the solid layer 412 and / or the free layer with anisotropy in the plane 408 as an amorphous material, and crystal formation during annealing can occur from the interface with the barrier layer 410 going out so the solid layer 412 and / or the free layer with anisotropy in the plane 408 have (or include) a body-centered cubic crystal structure. In contrast, the PMA inducing layer described above 404 and / or the SHE layer 402 include a material with a face-centered cubic structure, such as platinum.
Somit kann die ferromagnetische amorphe Schicht 406 in verschiedenen Ausführungen zwischen der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 und einer PMA induzierenden Schicht 404 (wie in 4A dargestellt) oder zwischen der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 und der SHE-Schicht 402 (wie in 4B dargestellt) angeordnet sein. In bestimmten Ausführungsformen kann das Anordnen einer ferromagnetischen amorphen Schicht 406 die kristalline Kontinuität zwischen einem raumzentrierten kubischen Material einer freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 und einem flächenzentrierten kubischen Material einer PMA induzierenden Schicht 404 oder einer SHE-Schicht 402 unterbrechen. Durch Vermeiden einer nicht angepassten Grenzfläche zwischen flächenzentrierten kubischen und raumzentrierten kubischen Materialien kann die ferromagnetische amorphe Schicht 406 eine Verringerung des TMR für den MTJ 350 verhindern oder abschwächen, die sonst auftreten könnte, falls die PMA induzierende Schicht 402 oder eine andere nicht amorphe Schicht außer der Sperrschicht 410 direkt mit der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 in Kontakt kommen würde. Zusätzlich kann die ferromagnetische amorphe Schicht 406 in bestimmten Ausführungsformen die Dämpfungskonstante der freien Schicht 400 reduzieren und/oder die effektive Magnetisierung der freien Schicht 400 reduzieren und somit den Schaltstrom reduzieren (im Vergleich zu einer freien Schicht 400 ohne ferromagnetische amorphe Schicht 406).Thus the ferromagnetic amorphous layer 406 in different versions between the free layer with anisotropy in the plane 408 and a PMA inducing layer 404 (as in 4A shown) or between the free layer with anisotropy in the plane 408 and the SHE layer 402 (as in 4B shown). In certain embodiments, arranging a ferromagnetic amorphous layer 406 the crystalline continuity between a body-centered cubic material of a free layer with anisotropy in the plane 408 and a face-centered cubic material of a PMA inducing layer 404 or an SHE layer 402 interrupt. By avoiding an unmatched interface between face-centered cubic and body-centered cubic materials, the ferromagnetic amorphous layer can 406 a reduction in the TMR for the MTJ 350 prevent or mitigate that might otherwise occur if the PMA inducing layer 402 or another non-amorphous layer other than the barrier layer 410 directly with the free layer with anisotropy in the plane 408 would come into contact. In addition, the ferromagnetic amorphous layer 406 in certain embodiments, the damping constant of the free layer 400 reduce and / or the effective magnetization of the free layer 400 reduce and thus reduce the switching current (compared to a free layer 400 without ferromagnetic amorphous layer 406 ).
5 zeigt eine Ausführungsform eines Übergitters für eine PMA induzierende Schicht 404. In verschiedenen Ausführungsformen kann sich ein Übergitter auf eine periodische geschichtete Struktur beziehen. In der dargestellten Ausführungsform weist die PMA induzierende Schicht 404 ein Übergitter aus alternierenden Kobaltschichten 502 und Platinschichten 504 auf. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke der einzelnen Kobaltschichten 502 und Platinschichten 504 weniger als 10 Angström betragen. In einer Ausführungsform können die Kobaltschichten 502 3,4 Angström dick sein, und die Platinschichten 504 können 1,4 Angström dick sein. Eine Anzahl von Wiederholungen der Kobaltschichten 502 und Platinschichten 504 kann während der Herstellung ausgewählt oder gesteuert werden, um eine effektive Magnetisierung der freien Verbundschicht 400 (durch Induzieren von PMA) zu reduzieren, während das gesamte magnetische Moment der freien Verbundschicht 400 in der Ebene verbleibt. 5 shows an embodiment of a superlattice for a PMA inducing layer 404 . In various embodiments, a superlattice may refer to a periodic layered structure. In the embodiment shown, the PMA has an inducing layer 404 a superlattice made of alternating cobalt layers 502 and platinum layers 504 on. In various embodiments, the thickness of the individual cobalt layers 502 and platinum layers 504 be less than 10 angstroms. In one embodiment, the cobalt layers 502 3.4 angstroms thick, and the platinum layers 504 can be 1.4 angstroms thick. A number of repetitions of the cobalt layers 502 and platinum layers 504 can be selected or controlled during manufacture to effectively magnetize the free composite layer 400 (by inducing PMA) while reducing the total magnetic moment of the free composite layer 400 remains in the plane.
6 ist ein Diagramm, das die effektive Magnetisierung für Ausführungsformen einer freien Verbundschicht 400 in Bezug auf eine Anzahl von Wiederholungen alternierender Kobalt- und Platinschichten für ein Übergitter einer PMA induzierenden Schicht 404 (z. B. die Kobaltschichten 502 und Platinschichten 504 von 5) darstellt. Die effektive Magnetisierung ist in 6 normiert, sodass die effektive Magnetisierung mit Null-Wiederholungen (z. B. ohne PMA induzierende Schicht 404) gleich 1 ist. Das Diagramm zeigt eine abnehmende effektive Magnetisierung bei zusätzlichen Wiederholungen, sodass die effektive Magnetisierung mit drei Kobaltschichten und drei Platinschichten zwischen 0,1 und 0,2 des normierten Wertes liegt. Somit kann eine PMA induzierende Schicht 404 in bestimmten Ausführungsformen die effektive Magnetisierung der freien Verbundschicht 400 um einen Faktor von fünf bis zehn reduzieren. 6 Figure 3 is a diagram showing effective magnetization for free composite layer embodiments 400 for a number of repetitions of alternating cobalt and platinum layers for a superlattice of a PMA inducing layer 404 (e.g. the cobalt layers 502 and platinum layers 504 from 5 ) represents. The effective magnetization is in 6 normalized so that the effective magnetization with zero repetitions (e.g. without PMA inducing layer 404 ) is 1. The diagram shows a decreasing effective magnetization with additional repetitions, so that the effective magnetization with three cobalt layers and three platinum layers is between 0.1 and 0.2 of the normalized value. Thus, a PMA inducing layer 404 in certain embodiments, the effective magnetization of the free composite layer 400 reduce by a factor of five to ten.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Schaltstrom für einen MTJ im Verhältnis zur Reduktion der effektiven Magnetisierung der freien Verbundschicht 400 reduziert werden. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die Schaltstromdichte ohne PMA induzierende Schicht 404 bis zu 50 Millionen Ampere pro Quadratzentimeter betragen, und die PMA induzierende Schicht 404 kann eine Schaltstromdichte um eine Größenordnung auf fünf Millionen Ampere pro Quadratzentimeter reduzieren.In a further embodiment, the switching current for an MTJ can be in proportion to the reduction in the effective magnetization of the free composite layer 400 be reduced. For example, in one embodiment, the switching current density can be without a PMA inducing layer 404 up to 50 million amperes per square centimeter, and the PMA inducing layer 404 can reduce a switching current density by an order of magnitude to five million amperes per square centimeter.
In einer bestimmten Ausführungsform übt ein elektrischer Strom in der Ebene innerhalb der SHE-Schicht 402 ein Drehmoment auf die freie Verbundschicht 400 aus, das einen Spinstrom in der freien Verbundschicht 400 verursacht, und die PMA induzierende Schicht 404 reduziert eine Stromdichte für den elektrischen Strom in der Ebene auf zwischen einer Million und zehn Millionen Ampere pro Quadratzentimeter. In einer weiteren Ausführungsform kann die PMA induzierende Schicht 404 eine Stromdichte für den elektrischen Strom in der Ebene auf drei bis sieben Millionen Ampere pro Quadratzentimeter reduzieren. In einer bestimmten Ausführungsform kann die PMA induzierende Schicht 404 die Stromdichte für den elektrischen Strom in der Ebene auf zwischen vier Millionen und sechs Millionen Ampere pro Quadratzentimeter reduzieren.In a particular embodiment, an electrical current exerts in the plane within the SHE layer 402 a torque on the free composite layer 400 from that a spin current in the free composite layer 400 causes, and the PMA inducing layer 404 reduces a current density for the electrical current in the plane to between one million and ten million amperes per square centimeter. In a further embodiment, the PMA inducing layer 404 reduce a current density for the electrical current in the plane to three to seven million amperes per square centimeter. In a particular embodiment, the PMA inducing layer 404 reduce the current density for the electrical current in the plane to between four million and six million amperes per square centimeter.
Ein Übermaß an Wiederholungen von alternierenden Kobalt- und Platinschichten für ein Übergitter einer PMA induzierenden Schicht 404 kann jedoch so viel PMA induzieren, dass das magnetische Moment der freien Verbundschicht 400 nicht mehr in der Ebene liegt. Zum Beispiel lässt der Abwärtstrend in dem Diagramm von 6 vermuten, dass vier oder mehr Wiederholungen der Übergitterstruktur die effektive Magnetisierung der freien Verbundschicht 400 negativ oder außerhalb der Ebene liegend machen würden.An excess of repetitions of alternating cobalt and platinum layers for a superlattice of a PMA inducing layer 404 However, PMA can induce so much that the magnetic moment of the free composite layer 400 is no longer in the plane. For example, the downward trend in the graph of 6 suspect that four or more repetitions of the superlattice structure effectively magnetize the free composite layer 400 would make negative or out of plane.
7 ist ein Diagramm, das den magnetischen Tunnelwiderstand (TMR) für Ausführungsformen eines magnetischen Tunnelkontakts darstellt. Wie oben beschrieben, kann sich TMR auf den Unterschied zwischen dem höheren antiparallelen Widerstand und dem niedrigeren parallelen Widerstand eines MTJ beziehen, ausgedrückt als Prozentsatz des niedrigeren parallelen Widerstands. Ein höherer TMR in verschiedenen Ausführungsformen entspricht einem deutlicheren Unterschied zwischen dem antiparallelen und dem parallelen Zustand, und das Erhöhen des TMR kann das Verringern der Leseströme und/oder -spannungen erleichtern. Das Diagramm in 7 zeigt einen TMR in Abwesenheit einer PMA induzierenden Schicht 404, sodass die Kristallstruktur der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 durch die SHE-Schicht 402 und/oder die ferromagnetische amorphe Schicht 406 beeinflusst wird. 7 FIG. 4 is a diagram illustrating tunnel magnetic resistance (TMR) for embodiments of a tunnel magnetic contact. As described above, TMR can refer to the difference between the higher anti-parallel resistance and the lower parallel resistance of an MTJ, expressed as a percentage of the lower parallel resistance. A higher TMR in various embodiments corresponds to a clearer difference between the anti-parallel and the parallel state, and increasing the TMR can facilitate reducing the reading currents and / or voltages. The diagram in 7 shows a TMR in the absence of a PMA inducing layer 404 , so that the crystal structure of the free layer with anisotropy in the plane 408 through the SHE layer 402 and / or the ferromagnetic amorphous layer 406 being affected.
In der dargestellten Grafik liegt der TMR für einen MTJ mit einer Tantal-SHE-Schicht 402 und keiner ferromagnetischen amorphen Schicht 406 bei über 125 %. Dagegen liegt der TMR für einen MTJ mit einer Platin-SHE-Schicht 402 und keiner ferromagnetischen amorphen Schicht 406 unterhalb von 100 % und näher an 75 %. Eine flächenzentrierte kubische Struktur für Platin in der SHE-Schicht 402 und eine raumzentrierte kubische Struktur für Magnesiumoxid in der Sperrschicht 410 können während des Temperns zu einer Fehlkristallisation der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 führen, was zu einer Verringerung des TMR führt. Die Einführung einer 10 Angström dicken ferromagnetischen amorphen CoTiB-Schicht 406 bringt einen TMR mit der Platin-SHE-Schicht 402 jedoch wieder zurück auf etwa 100 %. Somit kann eine Verringerung des TMR aufgrund von Fehlkristallisation durch die ferromagnetische amorphe Schicht 406 angemessen verhindert oder abgeschwächt werden.In the graphic shown, the TMR is for an MTJ with a tantalum SHE layer 402 and no ferromagnetic amorphous layer 406 at over 125%. In contrast, the TMR is for an MTJ with a platinum SHE layer 402 and no ferromagnetic amorphous layer 406 below 100% and closer to 75%. A face-centered cubic structure for platinum in the SHE layer 402 and a body-centered cubic structure for magnesium oxide in the barrier layer 410 can lead to miscrystallization of the free layer with anisotropy in the plane during annealing 408 lead to a reduction in TMR. The introduction of a 10 angstrom thick ferromagnetic amorphous CoTiB layer 406 brings a TMR with the platinum SHE layer 402 but back to about 100%. Thus, a reduction in TMR due to miscrystallization from the ferromagnetic amorphous layer may occur 406 be adequately prevented or weakened.
8 ist ein schematisches Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens 800 zum Herstellen eines magnetischen Tunnelkontakts veranschaulicht. Das Verfahren 800 beginnt und ein Hersteller scheidet 802 eine feste Schicht 412 auf einem Substrat ab. Der Hersteller scheidet 804 eine Sperrschicht 410 auf der festen Schicht 412 ab. Der Hersteller scheidet 806 eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 auf der Sperrschicht 410 ab. Der Hersteller scheidet 808 eine ferromagnetische amorphe Schicht 406 auf der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 ab. Der Hersteller scheidet 810 eine PMA induzierende Schicht 404 oder ein Übergitter auf der ferromagnetischen amorphen Schicht 406 ab. Der Hersteller scheidet 812 eine Spin-Hall-Effekt-Schicht 402 auf der PMA induzierenden Schicht 404 ab, und das Verfahren 800 endet. 8th 10 is a schematic flow diagram illustrating one embodiment of a method 800 to establish a magnetic tunnel contact. The procedure 800 begins and a manufacturer separates a fixed layer in 802 412 on a substrate. The manufacturer cuts a barrier layer in 804 410 on the solid layer 412 from. The manufacturer cuts 806 a free layer with anisotropy in the plane 408 on the junction 410 from. The manufacturer cuts a ferromagnetic amorphous layer in 808 406 on the free layer with anisotropy in the plane 408 from. The manufacturer cuts 810 a PMA inducing layer 404 or a superlattice on the ferromagnetic amorphous layer 406 from. The manufacturer cuts a spin Hall effect layer in 812 402 on the PMA inducing layer 404 starting and the procedure 800 ends.
9 ist ein schematisches Flussdiagramm, das eine andere Ausführungsform eines Verfahrens 900 zum Herstellen eines magnetischen Tunnelkontakts veranschaulicht. Das Verfahren 900 beginnt, und ein Hersteller scheidet 902 eine Spin-Hall-Effekt-Schicht 402 auf dem Substrat ab. Der Hersteller scheidet 904 eine PMA induzierende Schicht 404 auf der Spin-Hall-Effekt-Schicht 402 ab. Der Hersteller scheidet 906 eine ferromagnetische amorphe Schicht 406 auf der PMA induzierenden Schicht 404 ab. Der Hersteller scheidet 908 eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 auf der ferromagnetischen amorphen Schicht 406 ab. Der Hersteller scheidet 910 eine Sperrschicht 410 auf der freien Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408 ab. Der Hersteller scheidet 912 eine feste Schicht 412 auf die Sperrschicht 410 ab, und das Verfahren 900 endet. 9 is a schematic flow diagram illustrating another embodiment of a method 900 to establish a magnetic tunnel contact. The procedure 900 begins, and a manufacturer cuts 902 a spin Hall effect layer 402 on the substrate. The manufacturer cuts 904 a PMA inducing layer 404 on the spin hall effect layer 402 from. The manufacturer cuts a ferromagnetic amorphous layer in 906 406 on the PMA inducing layer 404 from. The manufacturer cuts 908 a free layer with anisotropy in the plane 408 on the ferromagnetic amorphous layer 406 from. The manufacturer separates a 910 barrier layer 410 on the free layer with anisotropy in the plane 408 from. The manufacturer separates 912 a solid layer 412 on the barrier layer 410 starting and the procedure 900 ends.
Eine Einrichtung zum Speichern von Daten in einer freien Verbundschicht 400 kann in verschiedenen Ausführungsformen eine freie Schicht mit Anisotropie in der Ebene 408, ein ferromagnetisches Material, eine ferromagnetische Legierung, eine CoFeB-Legierung oder dergleichen einschließen. Andere Ausführungsformen können ähnliche oder äquivalente Mittel zum Speichern von Daten in einer freien Verbundschicht 400 einschließen.A device for storing data in a free composite layer 400 can, in various embodiments, a free layer with anisotropy in the plane 408 , include a ferromagnetic material, a ferromagnetic alloy, a CoFeB alloy or the like. Other embodiments may have similar or equivalent means of storing data in a free composite layer 400 lock in.
Eine Einrichtung zum permanenten Induzieren einer senkrechten magnetischen Anisotropie (PMA) für die freie Verbundschicht 400 kann in verschiedenen Ausführungsformen eine PMA induzierende Schicht 404, ein Übergitter, eine Seltenerd- und Übergangsmetall-Legierung, eine L10-Phasen-Legierung oder dergleichen einschließen. Andere Ausführungsformen können ähnliche oder äquivalente Mittel zum Induzieren von PMA in einer freien Verbundschicht 400 einschließen.A device for permanent induction of a vertical magnetic anisotropy (PMA) for the free composite layer 400 can be a PMA inducing layer in various embodiments 404 , a superlattice, a rare earth and transition metal alloy, an L1 0 phase alloy or the like. Other embodiments may use similar or equivalent means to induce PMA in a free composite layer 400 lock in.
Ein Mittel zum Trennen des Mittels zum Speichern von Daten von einem Mittel zum Erzeugen eines Spinstroms kann in verschiedenen Ausführungsformen eine ferromagnetische amorphe Schicht 406, ein oder mehrere ferromagnetische Elemente, ein oder mehrere glasbildende Elemente, ein oder mehrere stabilisierende Elemente zum Verhindern von Migration des einen oder der mehreren glasbildenden Elemente, eine CoTiB-Legierung, eine CoFeBTa-Legierung oder dergleichen einschließen. Andere Ausführungsformen können ähnliche oder gleichwertige Mittel zum Trennen des Mittels zum Speichern von Daten von einem Mittel zum Erzeugen eines Spinstroms einschließen.A means for separating the means for storing data from a means for generating a spin current may, in various embodiments, be a ferromagnetic amorphous layer 406 , one or more ferromagnetic elements, one or more glass forming elements, one or more stabilizing elements for preventing migration of the one or more glass forming elements, a CoTiB alloy, a CoFeBTa alloy or the like. Other embodiments may include similar or equivalent means for separating the means for storing data from a means for generating a spin stream.
Ein Mittel zum Erzeugen eines Spinstroms zum Ändern der Orientierung eines in der Ebene liegenden magnetischen Moments der freien Verbundschicht 400 kann in verschiedenen Ausführungsformen eine SHE-Schicht 402, eine Tantalschicht, eine Platinschicht, eine Schreibwortleitung, eine Bitleitung, einen Wortleitungstreiber, eine Stromversorgung oder dergleichen einschließen. Andere Ausführungsformen können ähnliche oder äquivalente Mittel zum Erzeugen eines Spinstroms einschließen.A means for generating a spin current to change the orientation of an in-plane magnetic moment of the free composite layer 400 can be an SHE layer in various embodiments 402 , a tantalum layer, a platinum layer, a write word line, a bit line, a word line driver, a power supply, or the like. Other embodiments may include similar or equivalent means for generating a spin stream.
Die vorliegende Offenbarung kann in anderen spezifischen Formen ausgeführt werden, ohne von ihrem Wesen oder ihren wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsformen sind in jeder Hinsicht nur als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten. Der Schutzumfang der Offenbarung ist daher eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorangehende Beschreibung angegeben. Alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen in ihren Schutzumfang fallen.The present disclosure can be embodied in other specific forms without departing from its spirit or essential characteristics. The described embodiments are to be considered in all respects only as illustrative and not restrictive. The scope of the disclosure is, therefore, indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.
