DE60203302T2

DE60203302T2 - Steuereinrichtung zur umkehr der magnetisierungsrichtung ohne ein externes magnetfeld

Info

Publication number: DE60203302T2
Application number: DE60203302T
Authority: DE
Inventors: Frederic Nguyen Van Dau; Vincent Cros; Jean-Marie George; Julie Grollier; Henri Jaffres; Frederic Petroff
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2022-07-27
Also published as: FR2828001A1; JP2005501402A; WO2003019568A3; CN1582480A; WO2003019568A2; KR20040017836A; EP1419506A2; DE60203302D1; CN100476996C; US20040196744A1; EP1419506B1; US7459998B2; KR100911631B1; FR2828001B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung der Umkehr der Magnetisierungsrichtung ohne äußeres Magnetfeld.
Aus dem Patent US 5 695 864 ist ein elektronisches Bauteil mit fünf Schichten bekannt, von denen manche magnetisch sind und andere nicht, das die magnetische Umschaltung, das heißt, das Beschreiben magnetischer Speicherelemente, ermöglicht. Dieses elektronische Bauteil nutzt das Phänomen, gemäß dem es möglich ist, die Magnetisierungsumkehr einer ferromagnetischen Folie durch Anlegen eines spinpolarisierten elektrischen Stroms zu induzieren, ohne ein äußeres Magnetfeld an die magnetischen Elemente anlegen zu müssen.
Die Verwendung von Vorrichtungen wie zum Beispiel den so genannten "MRAM"-Speichern ("Magnetic Random Access Memory") erfordert die Verwendung einer lokalen magnetischen Steuerung, um ihre magnetische Umschaltung (Beschreiben oder Überschreiben des Speichers) durchzuführen. Um diese Umschaltung durchzuführen, verwendet man bisher das von einem elektrischen Strom erzeugte Magnetfeld, der an einen leitenden Streifen (genannt "word line") angelegt wird, der in direktem Kontakt mit den magnetischen Elementen steht. Bei der Miniaturisierung ist diese Lösung aber nicht mehr brauchbar, um ein ausreichend starkes Magnetfeld zur Gewährleistung der Umschaltung zu erhalten, da entweder der Platzbedarf der "word lines" oder die Dichte des an sie anzulegenden Stroms zu groß wären, und ein zu starker Strom könnte diese Elemente zerstören. Um dem abzuhelfen, könnte man veranlasst sein zu versuchen, die im oben erwähnten US-Patent beschriebene Vorrichtung einzusetzen. Eine solche Vorrichtung wäre aber schwierig herstellbar, insbesondere aufgrund der Tatsache, dass die notwendigerweise starke Abführung des Steuerstroms zu Lasten der Leistungsfähigkeit der magnetischen Steuerung erfolgt.
Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zur Steuerung der Umkehr der Magnetisierung ohne äußeres Magnetfeld zum Gegenstand, die (auf Submikrometer-Abmessungen) miniaturisiert werden kann, eine größtmögliche Leistungsfähigkeit hat und die von ihr gesteuerten Elemente nicht beschädigen kann.
Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung weist zwischen zwei flachen Elektroden ein magnetisches Steuerungselement auf, das ausgehend von der ersten Elektrode eine erste ferromagnetische Schicht, eine nicht magnetische Schicht, eine zweite ferromagnetische Schicht und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die Dicke der zweiten ferromagnetischen Schicht geringer ist als die der ersten, wobei die Dicke der zweiten Elektrode gering genug ist, um eine magnetische Kopplung zwischen der zweiten ferromagnetischen Schicht und dem von dieser Steuervorrichtung gesteuerten Element zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden werden anhand der ausführlichen Beschreibung von zwei Ausführungsformen, die als nicht einschränkend zu verstehende Beispiele dienen und in der beiliegenden Zeichnung dargestellt sind, in der:
1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ist;
2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ist; und
3 eine schematische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung in Zuordnung zu einem Element eines Magnetspeichers MRAM ist.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Steuerung eines magnetischen Speicherelements beschrieben, um in dieses eine Binärinformation einzuschreiben (oder eine solche zu überschreiben), aber die Erfindung ist natürlich nicht nur auf diese Anwendung beschränkt und kann zur magnetischen Steuerung verschiedener ferromagnetischer Vorrichtungen eingesetzt werden, um deren Magnetisierungsrichtung umzukehren: Einheit von MRAM-Elementen (gesteuert von einer Gruppe von Steuervorrichtungen), magnetischer Träger in relativer Verschiebung zu einer Steuervorrichtung, um die Ummagnetisierung von bestimmten magnetischen Stellen zu steuern, usw..
Die schematisch in 1 dargestellte Steuervorrichtung 1 weist mehrere Schichten auf, die nacheinander auf einem Substrat 2 (zum Beispiel aus Silicium) gebildet werden. Diese Schichten sind in der Reihenfolge: eine erste Elektrode 3, eine erste ferromagnetische Schicht 4, eine nicht magnetische, leitende Schicht 5, eine zweite ferromagnetische Schicht 6 und eine Elektrode 7. Die gesteuerte Vorrichtung 8 steht mit der Elektrode 7 in Kontakt (oder befindet sich in einer Variante in einer sehr geringen Entfernung von dieser, so dass die Summe der Dicken der Elektrode 7 und der Luftschicht zwischen dieser Elektrode und der Vorrichtung 8 unter einem bestimmten Wert E liegt, der der höchsten Entfernung zwischen der Schicht 6 und der Vorrichtung 8 entspricht, ein Wert, jenseits dessen die Steuervorrichtung nicht mehr die Umkehr der Magnetisierung der Vorrichtung 8 induzieren kann).
Ein Steuerstrom Ic, der höher als ein oder gleich einem Wert I_crit ist (kritischer Wert, ausgehend von dem die Umkehr der Magnetisierung der Vorrichtung 8 auftritt), wird von einer Stromquelle 1B geliefert.
Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 3 und 7 aus einem sehr gut elektrisch leitenden Material, wie zum Beispiel Au, Cu, Al. Die Dicke der Elektrode 3 ist nicht kritisch, ihr Wert ist ein typischer Wert der leitenden Elektroden äquivalenter Vorrichtungen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt sie etwa 1000 Å. Die Dicke der Elektrode 7 liegt etwa zwischen 5 und 10 000 Å in Abhängigkeit vom verwendeten Mechanismus der magnetischen Kopplung mit der Vorrichtung 8. Die ferromagnetische Schicht 4 ist aus einem Material, das gute ferromagnetische Eigenschaften aufweist, wie zum Beispiel Fe, Co, Ni, oder aus einer ausgehend von diesen Elementen zusammengesetzten Legierung, oder auch sogar aus einem halbmetallischen Material (magnetische Oxide, Heussler-Legierungen ...). Die Dicke dieser Schicht 4 liegt in einem Ausführungsbeispiel zwischen einigen Zehn und einigen Hundert nm, je nach ihrer Zusammensetzung. Die Schicht 5 ist aus nicht ferromagnetischem, leitendem Material, und ihre Dicke beträgt einige nm. Die Schicht 6 hat die gleiche ferromagnetische Zusammensetzung wie die Schicht 4, aber ihre Dicke ist geringer als die der Schicht 4, zum Beispiel einige zehn Prozent der Dicke der Schicht 4.
Der Betrieb der oben beschriebenen Steuervorrichtung ist wie folgt. Gemäß dem oben erwähnten US-Patent ist eine Vorrichtung zur Steuerung der Umkehr der Magnetisierungsrichtung in einem "MRAM"-Speicher bekannt, die die oben erwähnten Nachteile aufweist. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung ermöglicht es aufgrund ihrer Struktur, und insbesondere aufgrund der Anordnung der zweiten Elektrode 7, den Schreibbereich der Vorrichtung 8 (der in diesem Fall ein MRAM-Speicher ist) vom Lesebereich zu trennen, was sich so erklärt.
Derzeit haben zwei Theorien den Vorrang, die das Phänomen der Magnetisierungsumkehr (d.h. Drehung der Magnetisierungsrichtung um 180°) durch Injektion eines spinpolarisierten Stroms erklären. Die erste, von J. SLONCZEWSKI im obigen US-Patent vorgeschlagene Theorie, basiert auf dem Prinzip der Aufrechterhaltung des dem magnetischen Moment zugeordneten kinetischen Moments. Sie stützt sich auf ein dreischichtiges magnetisches System, das eine nicht ferromagnetische Schicht zwischen zwei ferromagnetischen Schichten enthält. Die Injektion eines Stroms von der ersten ferromagnetischen Schicht zur nicht ferromagnetischen Schicht erzeugt einen spinpolarisierten Strom, dem man einen Fluss mit einem magnetischen Moment S zuordnen kann. Für einen Strom großer Dichte induziert die Entspannung der Querkomponente des vom Fluss S transportierten magnetischen Moments ein Drehmoment auf die Magnetisierung der Schicht 6, wobei dieses Moment in manchen Fällen (Strom über einem kritischen Wert) die Umkehr der Magnetisierung der zweiten ferromagnetischen Schicht induzieren kann.
Gemäß der zweiten Theorie erzeugt die Injektion eines spinpolarisierten Stroms Wirkungen der Spinakkumulation an den Schnittstellen zur nicht ferromagnetischen Schicht. Diese Wirkungen sind dafür bekannt, der Ursprung des Riesenmagnetwiderstands ("GMR") in der lotrechten Geometrie zu sein (siehe zum Beispiel den Artikel von T. VALET und A FERT in Physical Review, B, 48, 7099 von 1993). Die Amplitude des von der Spinakkumulation induzierten magnetischen Moments hängt vom Gleichgewicht zwischen der Injektion und der Entspannung des Spin (Rückkehr des Systems in den Zustand minimaler Energie) und auch von der relativen Ausrichtung der Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten ab. Man kann zeigen, dass für ausreichend hohe Stromdichten der günstigste Energiezustand des Systems derjenige ist, bei dem die Magnetisierung der zweiten ferromagnetischen Schicht sich umgekehrt hat, um eine relative magnetische Konfiguration der beiden ferromagnetischen Schichten zu erhalten, die zu der bei Schwachstrom existierenden umgekehrt ist.
Unabhängig von der richtigen theoretischen Erklärung zwingen sich zwei wichtige Schlussfolgerungen auf:

a) die das dreischichtige System durchquerende und zur Umkehr der Magnetisierung der zweiten ferromagnetischen Schicht notwendige Stromdichte liegt gemäß dem heutigen Stand der Erfahrungen in der Größenordnung von 10¹¹ A/m². Ein so hoher Wert im Verhältnis zu den bei den üblichen Spinelektronik-Vorrichtungen bedingt, dass die betreffenden Systeme vollständig metallisch und von Submikrometergröße sind,
b) die beste Umkehrleistung wird erhalten, wenn der spinpolarisierte Strom senkrecht zu den Ebenen der Schichten injiziert wird.

Die oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung erfüllt diese beiden Bedingungen, und ihr Betrieb ist folgendermaßen. Die ferromagnetische Schicht 4 ermöglicht es, den über die Elektrode 3 von der Quelle 1B kommenden und praktisch senkrecht zu den Ebenen der Schichten der Vorrichtung 1 ankommenden Strom zu spinpolarisieren. Dieser so polarisierte Strom durchquert die ferromagnetische Schicht 6, um zur Elektrode 7 zu gelangen (immer senkrecht zur Ebene der Schichten) und zur Quelle 1B zurückzukommen. Die Umkehr der Magnetisierung der Schicht 6 ist dann gewährleistet, wenn die Stromdichte den oben erwähnten kritischen Wert erreicht (etwa 10¹¹ A/m²). Diese Umkehr der Magnetisierungsrichtung ermöglicht es, diejenige der Vorrichtung 8 zu steuern. Natürlich ist dieser Prozess umkehrbar, wenn man die Stromrichtung ändert.
Die Ausführungsform 1' der 2 nimmt die Hauptelemente der Vorrichtung 1 der 1 wieder auf, d.h. die Elemente 2 bis 7, die in der gleichen Reihenfolge angeordnet sind und von gleicher Zusammensetzung und Abmessung wie in 1 sein können, wobei der Unterschied darin liegt, dass eine antiferromagnetische Schicht 9 zwischen die Schichten 3 und 4 gelegt wird. Diese Schicht 9 ist zum Beispiel aus IrMn, NiMn, PtMn oder FeMn, und ihre Dicke beträgt einige nm. Die Schicht 9 ermöglicht es, die Ausrichtung der Magnetisierung der Schicht 4 in an sich bekannter Weise festzulegen, zusätzlich zu der Möglichkeit, die durch die Optimierung der Parameter der Schicht 4 angeboten wird (Zusammensetzung und/oder Dicke).
Es ist anzumerken, dass sowohl für die Ausführungsform der 1 als auch für die der 2 die Dicke der Schicht 5 so gewählt wird, dass der an der Schicht 6 ankommende spinpolarisierte Strom optimiert und die Gesamtheit der Kopplungen zwischen den Schichten 4 und 6 minimiert wird. Damit die sehr hohe Dichte des Stroms, die zur Umkehr der Magnetisierungsrichtung notwendig ist, nicht die erfindungsgemäße Steuervorrichtung zerstört, muss natürlich der Querschnitt der verschiedenen Schichten 4 bis 6 im Submikrometerbereich liegen, vorteilhafterweise liegt dieser Querschnitt unter 0,5 μm².
In 3 ist die Vorrichtung der 2 dargestellt, bei der die Vorrichtung 8 ein Element 8B eines Magnetspeichers vom Typ MRAM ist. Dieses Element 8B weist mehrere Schichten auf, die auf der Elektrode 7 ausgebildet sind, und die der Reihenfolge nach sind: eine ferromagnetische Schicht 10, eine nicht magnetische Schicht 11, eine zweite ferromagnetische Schicht 12, eine antiferromagnetische Schicht 13 und eine Elektrode 14.
Das Element 8B wird in an sich bekannter Weise hergestellt. Es wird nur angemerkt, dass die ferromagnetischen Schichten die gleiche Zusammensetzung haben können wie diejenigen der Steuervorrichtung der 1 und 2, und dass die nicht magnetische Schicht 11 entweder aus Metall, das üblicherweise für die Speicher verwendet wird, die die Riesenmagnetwiderstandwirkung nutzen ("GMR"), oder aus isolierendem oder Halbleitermaterial ist, das üblicherweise für die Speicher verwendet wird, die die Tunnelmagnetwiderstandswirkung ("TMR") nutzen. Die Schicht 13, die optional ist, ermöglicht es vorteilhafterweise, die ferromagnetische Schicht 12 "hart" zu machen aufgrund einer Austauschkopplungswirkung, indem die Magnetisierung der Schicht 12 in einer gegebenen Richtung "zurückgehalten" wird. Der Zustand des elektrischen Widerstands des Speichers (hoch oder tief, mit einer Differenz von etwa 10 bis 50% des Widerstandswerts dieser beiden Zustände) wird also nur durch die Ausrichtung der Magnetisierung in der "beweglichen" ferromagnetischen Schicht 10 bezüglich derjenigen der "festen" Schicht 12 bestimmt. Um den Zustand des Magnetspeichers 8B zu bestimmen, misst man den Widerstand der zwischen den Elektroden 7 und 14 liegenden Schichten mit Hilfe eines geeigneten Widerstandsmessgeräts 15, das an diese Elektroden angeschlossen ist, oder auch zwischen den Elektroden 3 und 14.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eines der wichtigen Merkmale das Vorhandensein der Elektrode 7, die von einer Schicht aus leitendem, nicht magnetischem Material gebildet wird. Einerseits ermöglicht es diese Schicht 7, das Steuerelement elektrisch von der gesteuerten Vorrichtung (8, 8A) zu trennen. Andererseits ermöglicht sie es, die Starkströme abzuführen, die durch die magnetische Steuervorrichtung fließen müssen, ohne dass sie durch die gesteuerte Vorrichtung fließen (Magnetspeicherelement). Schließlich ermöglicht sie es, die Ströme in der Steuervorrichtung und in der gesteuerten Vorrichtung senkrecht zu den Ebenen der Schichten fließen zu lassen.
Zwei Prozesse der magnetischen Kopplung, die durch die ferromagnetische Schicht 6 über die Elektrode 7 in die zu steuernde ferromagnetische Schicht der Vorrichtung 8 induziert wird (Schicht 10 im Fall des Speicherelements der 3), ermöglichen es, die magnetische Ausrichtung dieser Schicht zu steuern, ohne ein äußeres Magnetfeld anzulegen. Der erste Prozess beruht auf dem Vorhandensein einer indirekten magnetischen Austauschkopplung zwischen der Schicht 6 und der Schicht 10 über die Elektrode 7. Dieses Phänomen wurde ausführlich bei den Vielschicht-Magnetsystemen untersucht. Es ist bekannt, dass diese Austauschkopplung selbst bei Trennschichtdicken (in diesem Fall der Elektrode 7) bis zu 100 Å fortbesteht, und dass ihr Vorzeichen (parallele oder antiparallele Kopplung) von der Dicke dieser Trennschicht ab hängt.
Ein zweiter möglicher Prozess ist die magnetische Dipolkopplung. Diese Art Kopplung, die sogar bei Entfernungen (hier Dicke der Schicht 7) von mehreren Hundert nm fortbesteht, richtet die Magnetisierungen der Schichten 6 und 10 antiparallel aus. Die Umkehr der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 6 durch Injektion eines spinpolarisierten Stroms in die Steuervorrichtung bewirkt ihrerseits die Umkehr der Magnetisierung der beweglichen Schicht (Schicht 10 im Speicherelement). So ist es möglich, den magnetischen Zustand eines Speicherelements zu steuern und somit in dieses Speicherelement einzuschreiben, ohne ein äußeres Magnetfeld daran anzulegen.
Schließlich ist anzumerken, dass der Wert des kritischen Stroms, ausgehend von dem die Magnetisierungsumkehr der Schicht 6 und somit der Schicht 10 stattfindet, in erster Näherung umkehrt proportional zum Quadrat der Oberfläche dieser Schicht ist. Daraus folgt, dass die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung ansteigt, wenn die Größe des gesteuerten Speicherelements abnimmt, im Gegensatz zu dem, was bisher für die bekannten Vorrichtungen der Fall ist, die eine magnetische Steuerung durch ein Magnetfeld verwenden, das selbst von einem Strom erzeugt wird, wobei die Stromdichte immer größer sein muss, wenn die Größe des Speicherelements abnimmt. So wird eines der Hindernisse bei der Miniaturisierung des Speicherelements beseitigt.
Gemäß einer Variante der Erfindung, die in unterbrochenen Linien in den Figuren dargestellt ist, ist das Substrat (2), anstatt der Träger der Elektrode 3 zu sein, der Träger der Vorrichtung 8 oder 8B (wenn diese Vorrichtung bezüglich der Steuervorrichtung ortsfest ist, die auf ihr ausgebildet wird). Dieses Substrat trägt dann das Bezugszeichen 2'.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung der Umkehr der Magnetisierungsrichtung ohne äußeres Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen zwei flachen Elektroden (3, 7) ein magnetisches Steuerungselement aufweist, das ausgehend von der ersten Elektrode (3) eine erste ferromagnetische Schicht (4), eine nicht magnetische Schicht (5), eine zweite ferromagnetische Schicht (6) und eine zweite Elektrode (7) aufweist, wobei die Dicke der zweiten ferromagnetischen Schicht geringer ist als die der ersten, wobei die Dicke der zweiten Elektrode (7) gering genug ist, um eine magnetische Kopplung zwischen der zweiten ferromagnetischen Schicht und dem von dieser Steuervorrichtung gesteuerten Element (8, 8B) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der zweiten Elektrode, einschließlich eines möglichen Magnetspalts, der zwischen dieser Elektrode und dem gesteuerten ferromagnetischen Element vorhanden ist, zwischen etwa 5 und 10 000 Å liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste ferromagnetische Schicht eine Dicke aufweist, die zwischen einigen Zehn und einigen Hundert nm liegt, dass die nicht magnetische Schicht eine Dicke von einigen nm aufweist, und dass die zweite ferromagnetische Schicht eine um einige zehn Prozent geringere Dicke als die der ersten ferromagnetischen Schicht aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwischen der ersten ferromagnetischen Schicht und der ersten Elektrode eine antiferromagnetische Schicht (9) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die antiferromagnetische Schicht eine Dicke von einigen nm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von ihr gesteuerte Vorrichtung ein Element eines Magnetspeichers (8B) ist, das auf der zweiten Elektrode ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspeicherelement eine erste ferromagnetische Schicht (10), eine nicht magnetische Schicht (11), eine zweite ferromagnetische Schicht (12) und eine Elektrode (14) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetspeicherelement eine antiferromagnetische Schicht (13) zwischen seiner zweiten ferromagnetischen Schicht (12) und seiner Elektrode (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesteuerte Vorrichtung (8, 8B) sich bezüglich der Steuervorrichtung in relativer Bewegung befindet.