DE69935148T2

DE69935148T2 - Eine magnetoresistive ram speicherzelle mit geringer umschaltfeldstärke

Info

Publication number: DE69935148T2
Application number: DE69935148T
Authority: DE
Inventors: Eugene Gilbert Chen; N. Saied Tempe TEHRANI
Original assignee: Freescale Semiconductor Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2019-06-26
Also published as: JP2003503835A; DE69935148D1; EP1108257A1; EP1108257B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetische Speicherzellen und im Besonderen auf magnetische Speicherzellen, die ein Riesen-Magneto-Widerstands (GMR)-Verhältnis verwenden, um die Zustände abzutasten.
Hintergrund der Erfindung
In der Vergangenheit sind eine Vielfalt von magnetischen Materialien und Strukturen verwendet worden, um Magneto-Widerstands-Materialien für nichtflüchtige Speicherelemente, Lese-/Schreib-Köpfe für Plattenlaufwerke und andere magnetische Anwendungsarten verwendet worden. Ein früheres Magneto-Widerstands-Element verwendete ein Magneto-Widerstands-Material, das über zwei magnetische Schichten verfügt, die durch eine Leiterschicht getrennt werden. Die Magnetisierungsvektoren der zwei magnetischen Schichten sind bei Abwesenheit irgendeines magnetischen Feldes typischerweise antiparallel zueinander angeordnet. Die Magnetisierungsvektoren einer der Schichten zeigen in eine Richtung und die Magnetisierungsvektoren der anderen Schicht zeigen immer in die entgegengesetzte Richtung. Die magnetischen Merkmale von solchen magnetischen Materialien erfordern typischerweise eine Breite, die größer als ein Mikron ist, um die Ausrichtung der Magnetisierungsvektoren entlang der Breite der Zelle aufrecht zu erhalten. Das Erfordernis einer großen Breite begrenzt die Dichte von Speichern, die solche Materialien verwenden.
Eine andere Art von Speicherzelle verwendet Mehrschicht-Riesen-Magneto-Widerstandsmaterialien (GMR) und verwendet Abmessungen in einer Größenordnung von einem Mikron, um die Dichte zu erhöhen. Wieder ist eine leitende Schicht zwischen den mehreren Schichten magnetischen Materials angeordnet. In dieser Struktur sind die Magnetisierungsvektoren parallel zu der Länge des magnetischen Materials, anstatt der Breite, angeordnet. In einer Ausführungsform wird der Magnetisierungsvektor einer magnetischen Schicht immer in einer Richtung aufrechterhalten, während der Magnetisierungsvektor der zweiten magnetischen Schicht zwischen parallel und antiparallel zu dem ersten Vektor umschaltet, um sowohl logisch "0"- als auch logisch "1"-Zustände darzustellen. Diese Struktur wird im Allgemeinen als eine Drehventil-Struktur bezeichnet. In einer anderen Ausführungsform werden die Magnetisierungsvektoren von beiden Schichten magnetischen Materials immer in der selben Richtung aufrechterhalten, wobei entgegengesetzte Vektorrichtungen logisch "0"- und logisch "1"-Zustände darstellen.
Noch eine andere Art von Speicherzelle verwendet Mehrschicht-Riesen-Magneto-Widerstandsmaterialien (GMR) und außerdem Abmessungen in einer Größenordnung von einem Mikron, um die Dichte zu erhöhen. In dieser Art von Zelle wird eine nichtleitende Schicht zwischen den mehreren Schichten magnetischen Materials angeordnet. Die Magnetisierungsvektoren sind wieder parallel zu der Länge des magnetischen Materials, anstatt der Breite, angeordnet, aber tasten Stromtunnel durch die nichtleitende Schicht von einer Schicht magnetischen Materials zu der anderen ab, anstatt der Länge nach geleitet zu werden. Diese Struktur wird im Allgemeinen als eine Tunnelungs-GMR-Zelle bezeichnet. Ein magnetischer Schreib-/Lesespeicher (MRAM) ist ein nichtflüchtiger Speicher, der grundsätzlich eine GMR-Zelle, eine Abtastleitung und eine Wortleitung umfasst. Der MRAM setzt den GMR-Effekt ein, um Speicherzustände zu speichern. Magnetische Vektoren in einer oder allen der Schichten eines GMR-Materials werden sehr schnell von einer Richtung in eine entgegengesetzte Richtung umgeschaltet, wenn der GMR-Zelle eine magnetische Feldstärke zugeführt wird, die über einem bestimmten Schwellenwert liegt. Entsprechend der Richtung der magnetischen Vektoren in der GMR-Zelle werden Zustände gespeichert und die GMR-Zelle hält diese Zustände sogar aufrecht, ohne dass ein magnetisches Feld zugeführt wird. Die in der GMR-Zelle gespeicherten Zustände können durch Passieren eines Abtaststromes durch die Zelle in eine Abtastleitung und Abtasten des Unterschiedes zwischen den Widerständen (GMR-Verhältnis), wenn einer oder beide von den magnetischen Vektoren umschalten, gelesen werden. Das Problem besteht darin, dass in den meisten GMR-Zellen die magnetische Feldstärke, die erforderlich ist, um die Zustände der Zelle um zuschalten, relativ hoch ist, was bedeutet, dass ein relativ hoher Umschaltstrom erforderlich ist und ein beträchtlicher Strom verbraucht wird. Dieser Anstieg des Stromes, oder der magnetischen Feldstärke, kann, im Besonderen in großen Gruppen von GMR-Zellen, zu einem beträchtlichen Anstieg des Betriebsstromes führen. Die EP 0 613 148 offenbart eine nichtflüchtige Magneto-Widerstands (MR)-Speichervorrichtung, die eine Mehrzahl von MR-Speicherelementen umfasst, von denen jedes ein Substrat und eine mehrschichtige Struktur umfasst, die zwei dünne Filme aus ferromagnetischem Material umfasst, die durch eine dünne Schicht aus nichtmagnetischem Material getrennt werden. Die Magnetisierungs-Easy-Achse von beiden ferromagnetischen Schichten in jedem Speicherelement ist im Wesentlichen der Länge nach zu den Speicherelementen und im Wesentlichen parallel zu der Richtung des zugeführten Abtaststromes ausgerichtet.
Dementsprechend ist es im höchsten Maße wünschenswert, magnetische Schreib-/Lesespeicher und Speicherzellen mit magnetischen Umschaltfeldstärkenerfordernissen zur Verfügung zu stellen, ohne das GMR-Verhältnis oder andere Merkmale zu verändern. Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine neue und verbesserte magnetische Speicherzelle mit einer verringerten magnetischen Umschaltfeldstärke zur Verfügung zu stellen. Ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen neuen und verbesserten magnetischen Speicher zur Verfügung zu stellen, der sowohl für Lese- als auch Schreiboperationen weniger Strom verbraucht.
Zusammenfassung der Erfindung
In einer magnetischen Mehrzustands-/Mehrschichtspeicherzelle mit geringer Umschaltfeldstärke werden die oben dargelegten Probleme und andere mindestens teilweise gelöst und die oben dargelegten Zwecke und andere realisiert, wobei die magnetische Mehrzustands-/Mehrschichtspeicherzelle mit geringer Umschaltfeldstärke umfasst: zwei Schichten magnetischen Materials, die in einer parallelen, aufliegenden Beziehung gestapelt und durch eine Schicht eines nichtmagnetischen Materials getrennt sind, um so einen Teil der magnetischen Mehrschichtspeicherzelle zu bilden. Die zwei Schichten magnetischen Materials werden so gebildet, dass die Breite geringer als die Länge und geringer als die Breite von Wandungen einer magnetischen Domäne innerhalb der zwei Schichten eines magnetischen Materials ist, wodurch eine Form-Anisotropie-Easy-Achse entlang ihrer Länge festgelegt wird. Außerdem verfügt mindestens eine der zwei Schichten magnetischen Materials über eine magnetische Anisotropie, die im Allgemeinen parallel zu der Breite der zwei Schichten magnetischen Materials verläuft. Die Zelle ist entweder von der Art eines "In einer Ebene"- oder "Tunnelungs"-MRAM (MRAM = Schreib-/Lesespeicher). In der magnetischen Mehrzustands-/Mehrschichtspeicherzelle mit geringer Umschaltfeldstärke wird die Zelle mit einer Formanisotropie, die im Allgemeinen durch den Ausdruck K_Dsin²θ beschrieben wird, und einer magnetischen Anisotropie gebildet, die im Allgemeinen durch den Ausdruck -K_msin²θ beschrieben wird, wobei K_m eine magnetische Anisotropie-Energiedichte, K_D eine Entmagnetisierungsenergiedichte und θ ein Winkel zwischen der Form-Anisotropie-Easy-Achse und dem Magnetisierungsvektor ist. Ein Einstellen der Easy-Achse einer magnetischen Anisotropie ungefähr senkrecht zu der der Form-Anisotropie verursacht, dass die magnetische Anisotropie von der Form-Anisotropie subtrahiert wird und verringert die Zellenumschaltfeldstärke.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine vereinfachte, stark vergrößerte isometrische Ansicht einer einzelnen Schicht magnetischen Materials mit einer verringerten magnetischen Umschaltfeldstärke gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine vereinfachte Seitenansicht einer magnetischen Mehrschichtspeicherzelle, die zwei Schichten magnetischen Materials, ähnlich dem in 1 dargestellten, umfasst;
3 ist eine vereinfachte Explosionsdarstellung der in 2 dargestellten magnetischen Mehrschichtspeicherzelle;
4 ist eine graphische Darstellung, die Merkmale der Zelle von 2 darstellt.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, darin wird eine vereinfachte stark vergrößerte Ansicht einer einzelnen Schicht 5 magnetischen Materials mit einer verringerten magnetischen Umschaltfeldstärke gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im Dienste einer einfacheren Erklärung ist die Schicht 5 im Allgemeinen rechteckig geformt und mit einer Magnetisierungs-Easy-Achse, durch den magnetischen Vek tor 6 dargestellt, gebildet, die sich entlang der Länge L und nicht entlang der Breite W erstreckt. Das heißt, die Form-Anisotropie-Easy-Achse erstreckt sich entlang der Länge L, ein Merkmal, das dadurch erreicht wird, dass die Breite W kleiner als die Länge L und außerdem kleiner als die Breite der Wandungen der magnetischen Domäne in der Schicht 5 ist. Folglich kann der magnetische Vektor 6 nicht parallel zu der Breite W sein. Typischerweise resultieren in einer solchen Beschränkung Breiten von weniger als 1,0 bis 1,2 Mikron. Die Breite W ist im Allgemeinen geringer als ein Mikron und so klein, wie aufgrund der Herstellungstechnologie möglich, und die Länge L ist größer als die Breite W, im Allgemeinen fünf mal so groß, oder größer.
Die Form-Anisotropie der Schicht 5, durch den magnetischen Vektor 6 dargestellt, wird im Allgemeinen durch den Ausdruck K_dsin²θ beschrieben und die magnetische Anisotropie, durch den Vektor M dargestellt, wird im Allgemeinen durch den Ausdruck -K_msin²θ beschrieben. In diesen Ausdrücken ist K_m eine magnetische Anisotropie-Energiedichte, K_D eine Entmagnetisierungsenergiedichte und θ ein Winkel zwischen der Form-Anisotropie-Easy-Achse und dem Magnetisierungsvektor. Es ist zu beachten, dass K_m und K_D Konstanten sind, die von der Art des Materials abhängen, das in der Schicht 5 verwendet wird. Außerdem ist die magnetische Feldstärke, die erforderlich ist, um den magnetischen Vektor 6 von der dargestellten Stellung in eine um 180° gedrehte Stellung umzuschalten, proportional zu einer Energiegrenze, im Allgemeinen ausgedrückt als K_dsin²θ – K_msin²θ. Ein Einstellen der Easy-Achse einer magnetischen Anisotropie ungefähr senkrecht zu der der Form-Anisotropie führt dazu, dass die magnetische Anisotropie von der Form- Anisotropie subtrahiert wird, und verringert die Zellenumschaltfeldstärke. Durch ein Bilden der Schicht 5, wobei die Form-Anisotropie im Allgemeinen senkrecht zu der magnetischen Anisotropie angeordnet ist, wird die magnetische Umschaltfeldstärke, die erforderlich ist, um den magnetischen Vektor 6 von der dargestellten Stellung in eine um 180° gedrehte Stellung umzuschalten, um mindestens 5 bis 50 Oersted verringert.
Die Richtung der magnetischen Anisotropie der Schicht 5 kann auf verschiedene Art und Weise bestimmt werden, aber die einfachste besteht darin, der Schicht 5 während der Bildung ein magnetisches Feld zuzuführen. Im Allgemeinen wird die Schicht 5 auf einer Trägerschicht oder einem Trägersubstrat durch Aufbringen, im Allgemeinen durch irgend eine der vielen zur Zeit auf dem Gebiet der Halbleitertechnik durchgeführten Verdampfungstechniken, gebildet. Das heißt, in Gegenwart eines zugeführten magnetischen Feldes, das in einer ausgewählten Richtung ausgerichtet ist, die in der vorliegenden Erfindung parallel zu der Breite W verläuft, wird eine Deckschicht magnetischen Materials (nicht gezeigt) aufgebracht. Durch Standardbemusterungs- und – ätztechniken wird die magnetische Schicht 5 aus der Deckschicht gebildet, wobei die Form-Anisotropie im Allgemeinen senkrecht zu der magnetischen Anisotropie ausgerichtet ist. Es ist klar, dass, da die Energiedichteausdrücke Sinuswellen umfassen, kleinere Abweichungen in θ um ein paar Grad immer noch dazu führen, dass die Zellenumschaltfeldstärke verringert wird.
Es wird nun auf 2 Bezug genommen, darin wird eine vergrößerte, vereinfachte Seitenansicht einer magnetischen Speicherzelle 10 gezeigt, die über mehrere Schichten ver fügt, die ferromagnetisch gekoppelt sind. Die Zelle 10 umfasst eine erste magnetische Schicht 11 und eine zweite magnetische Schicht 13, die durch eine erste nichtmagnetische Zwischenschicht 12 getrennt sind. In dieser Ausführungsform ist jede der Schichten 11 und 13 so gebildet, dass die Form-Anisotropie im Allgemeinen senkrecht zu der magnetischen Anisotropie ausgerichtet ist, wie oben mit Bezug auf die Schicht 5 erklärt. Zusätzlich verfügt die Schicht 11 über eine Dicke 23 und die Schicht 13 über eine Dicke 24, die die selbe wie die Dicke 23, oder größer ist als die Dicke 23 ist.
Es wird auf 3 Bezug genommen, darin wird eine vergrößerte Explosionsansicht der Zelle 10 dargestellt. Teile von 3, die über die selben Bezugszeichen wie 2 verfügen, sind die selben wie die entsprechenden Elemente von 2. Die Schichten 11 und 13 sind im Allgemeinen rechteckig und so gebildet, dass die Magnetisierungs-Easy-Achse entlang einer Länge 27 und nicht entlang einer Breite 26 angeordnet ist, das heißt, die Form-Anisotropie-Easy-Achse ist entlang der Länge 27 ausgerichtet. Außerdem verfügt jede der Schichten 11 und 13 über eine magnetische Anisotropie, die im Allgemeinen parallel zu der Breite 26 ausgerichtet ist. Die Form-Anisotropie der Schichten 11 und 13 wird durch die Magnetisierungsvektoren 21 dargestellt, die im Wesentlichen entlang der Länge 27 angeordnet sind, das heißt, im Wesentlichen parallel zu der Länge 27, wobei dieses Merkmal dadurch erreicht wird, dass die Breite 26 kleiner als die Breite der Wandungen der magnetischen Domäne oder der Übergangsbreite in den Schichten 11 und 13 gebildet wird. Es ist klar, dass, obwohl die Form-Anisotropie in jeder der Schichten 11 und 13 in dieser Ausführungsform im Allgemeinen senkrecht zu der magnetischen Anisotropie ausgerichtet ist, eine Verbesserung in der magnetischen Umschaltfeldstärke realisiert werden würde, wenn nur die Schicht 11 oder die Schicht 13 so gebildet werden würde, dass die magnetische Anisotropie im Allgemeinen senkrecht zu der Form-Anisotropie ausgerichtet ist.
Wie in 2 dargestellt, stellen die Vektoren 21 und 22 in den Schichten 11 und 13 zwei verschiedene Zustände einer Magnetisierung in der Zelle 10 dar. Es ist klar, dass dies die selben Vektoren sind und dass ihnen nur verschiedene Zahlen gegeben werden, um unterschiedliche Zustände anzuzeigen. Ein Zustand wird als eine logische "0" bezeichnet und der andere Zustand ist eine logische "1". Obwohl dem Fachmann auf dem Gebiet klar ist, dass beiden Zuständen jede beliebige logische Definition zugewiesen werden kann, ist in der vorliegenden Erklärung, wenn die Vektoren 21 der Schichten 11 und 13 in 2 beide nach links zeigen, die Zelle 10 in einem logisch "0"-Zustand und, wenn sich die Vektoren 22 in den beiden Schichten 11 und 13 in der entgegengesetzten Ausrichtung befinden, die Zelle 10 in einem logisch "1"-Zustand. Somit zeigen die Magnetisierungsvektoren in den beiden Schichten 11 und 13 für einen ersten Zustand in eine erste Richtung und für einen zweiten Zustand in eine entgegengesetzte Richtung. Außerdem zeigen, weil die Schichten 11 und 13 ferromagnetisch gekoppelt sind (in dieser Ausführungsform), die magnetischen Vektoren der Schichten 11 und 13 immer in die selbe Richtung (parallel), wenn der Zelle 10 kein (oder ein sehr kleines) magnetisches Feld zugeführt wird. Die magnetischen Vektoren zeigen nur in entgegengesetzte Richtungen (antiparallel), wenn der Zelle 10 spezifische magnetische Felder zugeführt werden, was jetzt ausführlicher erklärt wird.
Dem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die Struktur der vorliegenden Erfindung mit anderen Betriebsarten als der ferromagnetischen Betriebsart betrieben werden kann, die hierin nur zu Erklärungszwecken verwendet wird. Zwei Beispiele sind die antiferromagnetische Betriebsart und die Drehventil-Betriebsart. In der antiferromagnetischen Betriebsart sind die Ruhezustände der zwei magnetischen Schichten 11 und 13 entweder rechtsdrehende oder linksdrehende antiparallele Ausrichtungen der Vektoren 21 und 22. Diese zwei Zustände können als logisch "0"- und logisch "1"-Zustände verwendet werden. In der Drehventil-Betriebsart ist normalerweise eine der Schichten 11 und 13 verstiftet und die andere Schicht kann so umgeschaltet werden, dass sie entweder parallel oder antiparallel zu der verstifteten Schicht ist. Die parallelen und antiparallelen Zustände der Vektoren 21 und 22 können als logisch "0"- und logisch "1"-Zustände verwendet werden.
In diesem spezifischen Beispiel ist die Zelle 10 so konstruiert, dass die Schicht 13 dünner als die Schicht 11 ist, so dass eine magnetische Feldstärke die Magnetisierungsvektoren der Schicht 13 umschaltet, die kleiner als erforderlich ist, um die Magnetisierungsvektoren der Schicht 11 umzuschalten. Ein anderer Weg, um diese Konstruktion zu erreichen, besteht darin, die Schicht 11 aus einem magnetischen Material zu bilden, das eine höhere magnetische Feldstärke erfordert, um die Magnetisierungsvektoren umzuschalten.
Die Bereitstellung der elektrisch isolierenden nichtmagnetischen Schicht 12 zwischen den ferromagnetischen Schichten 11 und 13 erzeugt eine Tunnelungsverbindung, die einen Fluss von Strom senkrecht durch die Schicht 12, von der Schicht 11 zu der Schicht 13 (oder umgekehrt), erlaubt. Im Wesentlichen erscheint die Zelle 10 als ein relativ hoher Widerstand (hierin als ein Widerstand R bezeichnet), im Allgemeinen von mehreren Tausend Ohm, zum Beispiel 5 bis 6 kOhm. Wenn die Magnetisierungsvektoren in den Schichten 11 und 13 antiparallel sind, bleibt der Widerstand R der Zelle 10 sehr hoch. Wenn die Magnetisierungsvektoren in den Schichten 11 und 13 parallel sind, fällt der Widerstand R der Zelle 10 merklich ab. Das Verhältnis des hohen Widerstandes, wenn die Vektoren antiparallel sind, zu dem niedrigen Widerstand, wenn die Vektoren parallel sind, ist als das GMR-Verhältnis bekannt. Das GMR-Verhältnis wird im Allgemeinen verwendet, um den Zustand der Zelle abzutasten, und umso höher das GMR-Verhältnis ist, desto leichter ist es, den gespeicherten Zustand abzutasten. Es ist klar, dass die Tunnelungsverbindung hierin nur zu Erklärungszwecken beschrieben wird und die vorliegende Erfindung mit einer beliebigen der verschiedenen Arten von GMR-Zellen verwendet werden kann.
Es wird im Besonderen auf 4 Bezug genommen, darin wird ein Graph dargestellt, der den Widerstand der Zelle 10 im Vergleich zu verschiedenen Richtungen von Ausrichtungen für die magnetischen Vektoren in den Schichten 11 und 13 zeigt. Außerdem werden die Richtung und die Stärke eines zugeführten magnetischen Feldes gezeigt, das erforderlich ist, um die verschiedenen Vektorausrichtungen zu erreichen. Die Abszisse des Graphen zeigt die Richtung und die Stärke des magnetischen Feldes an und die Ordinate stellt den Widerstand der Zelle 10 dar. Weiterhin zeigt eine erste Kurve 32 den Zellenwiderstand an, der für die Zuführung von verschiedenen Stärken eines magnetischen Feldes in einer ersten Ausrichtung erreicht werden kann, und die Kurve 33 zeigt den Zellenwiderstand an, der für die Zuführung von verschiedenen Stärken eines magnetischen Feldes in einer zweiten Ausrichtung erreicht werden kann. Die Vektoren 34 und 35 werden mit der Kurve 32 dargestellt und stellen die magnetischen Vektoren in der Schicht 11 beziehungsweise 13, für die Zuführung einer magnetischen Feldstärke zwischen den werten H₁ und H₂ in der positiven Ausrichtung entlang der Abszisse, dar. Genauso werden die Vektoren 36 und 37 mit der Kurve 33 dargestellt und stellen die Vektoren in der Schicht 11 beziehungsweise 13, für die Zuführung einer magnetischen Feldstärke zwischen den Werten H₃ und H₄ in der negativen Ausrichtung entlang der Abszisse, dar.
In einer typischen Submikron-Zelle (zum Beispiel Zelle 10) kann die Form-Anisotropie die Zelle veranlassen, bei einer Feldstärke von 50 Oersted, oder so, für jede magnetische Schicht in der Zelle, umzuschalten. Die magnetische Anisotropiefeldstärke reicht, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des magnetischen Materials, von 6 bis 40 Oersted pro magnetischer Schicht. Somit resultiert ein Ausrichten der magnetischen Anisotropie-Easy-Achse im Allgemeinen senkrecht zu der der Form-Anisotropie, so dass sie sich im Wesentlichen subtrahieren, zu einer wesentlichen Verringerung der magnetischen Umschaltfeldstärke. Hier ist zu beachten, dass durch Bilden der Schichten 11 und 13, wie oben beschrieben, das heißt, wobei die magnetische Anisotropie-Easy-Achse im Allgemeinen senkrecht zu der der Form-Anisotropie ausgerichtet ist, die Werte entlang der Abszisse der in 4 dargestellten Kurven in Richtung auf die senkrechte Achse (das heißt, der Ordinate) um mindestens 5 bis 50 Oersted verschoben werden, während die durch die Ordinate dargestellten Widerstandswerte im Wesentlichen konstant bleiben. Es ist klar, dass, da die Ausdrücke, die die Form-Anisotropie und die magnetische Anisotropie beschreiben, Sinuswellen umfassen, kleinere Abweichungen in θ um ein paar Grad immer noch dazu führen, dass die Zellenumschaltfeldstärke im Wesentlichen verringert wird.
Unter der Annahme, dass sich die Zelle 10 in dem Zustand befindet, in dem die Vektoren 21 beide nach links zeigen, steigt die magnetische Feldstärke, wenn man sich entlang der Abszisse nach rechts bewegt, auf einen Wert von H₁ an. Bevor der Wert H₁ erreicht wird, werden die magnetischen Vektoren 21 in die selbe Richtung ausgerichtet, mit einer logischen "1" bezeichnet, und der Widerstand der Zelle 10 ist niedrig. Nach einem Zuführen einer ausreichenden magnetischen Feldstärke zu der Zelle 10, hierin durch den Wert H₁ bezeichnet, schaltet der Vektor 35 in die entgegengesetzte Richtung um (wie gezeigt) und der Widerstand der Zelle 10 nimmt merklich zu. Der Umfang dieser Zunahme entspricht dem GMR-Verhältnis. Wenn die magnetische Feldstärke über einen Wert H₂ angestiegen ist, schaltet außerdem der Vektor 34 in eine entgegengesetzte Richtung um und der Widerstand der Zelle 10 fällt wieder auf einen niedrigen Wert ab, wobei die magnetischen Vektoren nun durch die Vektoren 22 dargestellt werden. Genauso gilt die Kurve 33, wenn das magnetische Feld in der entgegengesetzten Ausrichtung zugeführt wird, und der magnetische Vektor 37 der Schicht 13 schaltet bei einem Wert H₃ um und der magnetische Vektor 36 der Schicht 11 schaltet bei einem Wert H₄ um, wobei die magnetischen Vektoren durch die Vektoren 21 dargestellt werden. In dieser Ausführungsform verbleiben die Vektoren der Schichten 11 und 13, nachdem sie in die durch die Vektoren 21 oder 22 dargestellte Ausrichtung eingestellt worden sind, in dieser Ausrichtung, sogar nachdem das zugeführte magnetische Feld entfernt worden ist, bis ein magnetisches Feld zugeführt wird, das hinreichend stark ist, um sie umzuschalten.
Daher kann, in diesem Beispiel und unter der Annahme, dass die Magnetisierungsvektoren der Schicht 11 in die durch die Kurve 32 dargestellte Ausrichtung eingestellt werden (Vektor 34), die Zelle durch Zuführen eines Feldes mit einer Stärke, die größer als H₂ ist, in eine logische "0" eingestellt werden (parallele Magnetisierungsvektoren zeigen in 3 nach rechts). Außerdem kann die Zelle durch Zuführen einer magnetischen Feldstärke, die größer als H₄ ist, in eine logische "1" eingestellt werden (parallele Magnetisierungsvektoren zeigen in 3 nach links). Somit wird, durch Verringern der magnetischen Feldstärke von H₂ und H₄, die Energie, die erforderlich ist, um Werte in die Zelle 10 zu schreiben, im Wesentlichen verringert.
Das folgende Verfahren kann verwendet werden, um gespeicherte Zustände in der magnetischen Speicherzelle 10 zu lesen. Unter der Annahme, dass die Vektoren der Schichten 11 und 13 in der durch die Kurve 33 angezeigten Ausrichtung eingestellt worden sind (Vektoren 22), hat ein Zuführen einer positiven magnetischen Feldstärke zu der Zelle 10 (entweder H₁ oder H₂) keinen Effekt, was anzeigt, dass in der Zelle eine logische "0" gespeichert ist. Folglich verursacht ein Zuführen einer negativen magnetischen Feldstärke zwischen den Werten H₄ und H₃ zu der Zelle 10, dass der magnetische Vektor in der Schicht 13 in eine antiparallele Stellung umschaltet (Vektoren 36 und 37), und die wesentliche Änderung in dem Widerstand der Zelle (im Allgemeinen äquivalent zu dem GMR-Verhältnis) kann wie oben beschrieben erfasst werden. Auf eine ähnliche Art und Weise hat, wenn die Vektoren der Schichten 11 und 13 in die durch die Kurve 32 angezeigte Ausrichtung eingestellt werden (Vektoren 21), ein Zuführen einer negativen magnetischen Feldstärke zu der Zelle 10 (entweder H₃ oder H₄) keinen Effekt, wodurch angezeigt wird, dass in der Zelle eine logische "1" gespeichert ist. Folglich verursacht ein Zuführen einer positiven Feldstärke zwischen den Werten H₁ und H₂ zu der Zelle 10, dass der magnetische Vektor in der Schicht 13 in eine antiparallele Stellung umschaltet (Vektoren 34 und 35), und die wesentliche Änderung in dem Widerstand der Zelle wird leicht erfasst.
Somit wird die Energie, die benötigt wird, um werte in die Zelle 10 zu schreiben, durch ein Verringern der magnetischen Feldstärke von H₂ und H₄ im Wesentlichen verringert. Weiterhin wird die Energie, die erforderlich ist, um Werte, die in der Zelle 10 gespeichert sind, zu lesen, durch ein Verringern der magnetischen Feldstärke von H₁ und H₂ und von H₃ und H₄ im Wesentlichen verringert. Da die magnetischen Feldstärken, die zum Umschalten und/oder Lesen erforderlich sind, im Wesentlichen verringert werden, verbrauchen die Zellen weniger Strom. Der gesparte Strom ist im Besonderen in großen Arrays, wie zum Beispiel in großen MRAM-Vorrichtungen, beträchtlich.
Obwohl wir spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben haben, kommen dem Fachmann auf dem Gebiet weitere Modifikationen und Verbesserungen in den Sinn. Wir wünschen daher, dass klar ist, dass diese Erfindung nicht auf die besonderen gezeigten Formen beschränkt ist, und wir wollen in den angehängten Ansprüchen alle Modifikationen abdecken, die nicht von dem Umfang dieser Erfindung abweichen.

Claims

Magnetische Mehrzustands-/Mehrschichtspeicherzelle mit geringer Umschaltfeldstärke, die umfasst: zwei Schichten (11, 13) eines magnetischen Materials, die in einer parallelen, übereinanderliegenden Beziehung gestapelt und durch eine Schicht (12) eines nichtmagnetischen Materials getrennt sind, um so einen Teil der magnetischen Mehrschichtspeicherzelle (10) zu bilden, wobei die zwei Schichten (11, 13) eines magnetischen Materials eine Länge (27) und eine Breite (26) aufweisen; wobei die Breite (26) der zwei Schichten (11, 13) eines magnetischen Materials geringer als die Länge (27) und geringer als eine Breite von Wandungen einer magnetischen Domäne innerhalb der zwei Schichten (11, 13) eines magnetischen Materials ist, wodurch eine Leichte-Achsen-Form-Anisotropie entlang ihrer Länge (27) festgelegt wird; und wobei die Zelle (10) ein magnetischer Schreib-/Lesespeicher von einer In-Ebene-Art oder einer Tunnelung-Art ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zwei Schichten (11, 13) eines magnetischen Materials über eine magnetische Anisotropie verfügt, die im Wesentlichen parallel zu der Breite (26) der zwei Schichten (11, 13) eines magnetischen Materials verläuft.
Magnetische Mehrzustands-/Mehrschichtspeicherzelle mit geringer Umschaltfeldstärke (10) gemäß Anspruch 1, wobei die zwei Schichten (11, 13) eines magnetischen Materials durch die Schicht eines nicht-magnetischen Materials getrennt sind, das elektrisch leitend ist.
Magnetische Mehrzustands-/Mehrschichtspeicherzelle mit geringer Umschaltfeldstärke (10) gemäß Anspruch 1, wobei die zwei Schichten (11, 13) eines magnetischen Materials durch die Schicht eines nicht-magnetischen Materials getrennt sind, das ein elektrischer Isolator ist.
Magnetische Mehrzustands-/Mehrschichtspeicherzelle mit geringer Umschaltfeldstärke (10) gemäß Anspruch 1, die weiterhin umfasst: eine Mehrzahl von Schichten eines magnetischen Materials, die zusätzlich zu den zwei Schichten (11, 13) eines magnetischen Materials parallel gestapelt sind, wobei die Mehrzahl von Schichten eines magnetischen Materials über eine übereinanderliegende Beziehung verfügen und durch Schichten eines nicht-magnetischen Materials getrennt sind, um so einen zweiten Teil der magnetischen Mehrschichtspeicherzelle (10) zu bilden, der eine zweite Länge und eine zweite Breite aufweist; wobei die zweite Breite des zweiten Teils der magnetischen Mehrschichtspeicherzelle (10) geringer als die zweite Länge und geringen als die zweite Breite von Wandungen einer magnetischen Domäne innerhalb der Mehrzahl von Schichten eines magnetischen Materials ist, wodurch eine zweite Leichte-Achsen-Form-Anisotropie entlang der zweiten Länge des zweiten Teils der magnetischen Mehrschichtspeicherzelle (10) festgelegt wird; und wobei mindestens eine der Mehrzahl von Schichten eines magnetischen Materials über eine zweite magnetische Leichte-Achsen-Anisotropie-Easy-Achse verfügt, die im Wesentlichen parallel zu der zweiten Breite des zweiten Teils der magnetischen Mehrschichtspeicherzelle (10) angeordnet ist.
Magnetische Mehrzustands-/Mehrschichtspeicherzelle mit geringer Umschaltfeldstärke (10) gemäß Anspruch 4, wobei mindestens zwei Schichten der Mehrzahl von Schichten eines magnetischen Materials durch eine Schicht eines nichtmagnetischen Materials getrennt sind, das elektrisch leitend ist.
Magnetische Mehrzustands-/Mehrschichtspeicherzelle mit geringer Umschaltfeldstärke (10) gemäß Anspruch 4, wobei mindestens zwei Schichten der Mehrzahl von Schichten eines magnetischen Materials durch eine Schicht eines nichtmagnetischen Materials getrennt sind, das ein elektrischer Isolator ist.