PT1863034E - Memória magnética de acesso aleatório - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

MEMÓRIA MAGNÉTICA DE ACESSO ALEATÓRIO A presente invenção refere-se a um dispositivo de memória magnética e em particular, embora não exclusivamente, a uma memória magnética de acesso aleatório. A presente invenção refere-se também a um método de escrita para um dispositivo de memória magnética. 0 surgimento da memória magnética de acesso aleatório (MRAM) é um passo promissor para o desenvolvimento, tanto da armazenagem de dados de curto e longo prazo. A MRAM tem a vantagem de ser não volátil, ao mesmo tempo com um menor consumo de energia e tempo mais rápido de leitura e escrita do que a memória flash. A MRAM também tem um menor consumo de energia do que a RAM dinâmica vulgarmente utilizada de memórias voláteis (DRAM) e a RAM estática (SRAM), com um tempo de leitura e de escrita mais rápido do que o da DRAM.

Uma célula MRAM convencional compreende um elemento magnético com uma camada livre ferromagnética e uma camada fixa ferromagnética, separadas por uma camada não magnética. A camada fixa tem uma força coerciva relativamente alta, de modo a que a sua magnetização se mantenha fixa aquando da aplicação de um campo magnético de escrita. A camada livre tem uma força coerciva relativamente baixa, de modo a que a sua magnetização possa ser alterada aquando da aplicação do campo magnético de escrita.

Para escrever na célula MRAM, o campo magnético de escrita é aplicado para comutar a magnetização da camada livre para ser paralela ou antiparalela à camada fixa. A camada livre exibe uma histerese magnética, assim permitindo que a sua magnetização 1 permaneça inalterada quando o campo magnético for removido, isto resulta numa memória não volátil.

Para ler o estado da célula MRAM, uma pequena corrente é accionada através do elemento magnético. A magnetoresistência do elemento magnético será mais elevada quando as magnetizações da camada livre e camada fixa forem antiparalelas, do que quando as magnetizações da camada livre e camada fixa forem paralelas. Desta forma, o estado do elemento magnético pode ser determinado pela medição da sua resistência.

Uma MRAM convencional é descrita em "Recent Developments in Magnetic Tunnel Junction MRAM" de S. Tehrani et al., p.2752-2757, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 36, n° 5 (Setembro 2000).

Tal MRAM convencional sofre da desvantagem de, à medida que o tamanho da célula MRAM diminui, o campo magnético requerido para comutar a magnetização da camada livre aumenta. Por isso, o consumo de energia do dispositivo aumenta, à medida que o tamanho das células diminui.

Outra técnica usada para escrever num elemento magnético é a comutação de binário de transferência de efeito giroscópico (STT). A comutação STT é descrita em "Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers" de J.C. Slonczewski, p.9353, Phys. Rev. B, Vol. 54 (1996). Para comutar a magnetização da camada livre, em vez de aplicar um campo magnético, uma corrente é accionada através do elemento magnético perpendicular ao plano das camadas livre e fixa. Isto pode resultar na injecção de electrões polarizados com efeito giroscópico na camada livre, quer pelos electrões que flúem através da camada fixa, quando a corrente é accionada a partir da camada de livre para a camada fixa, ou por electrões de dispersão a partir da camada fixa 85, quando a corrente é accionada a partir da camada fixa para a camada livre. 2

Quando os electrões de polarização de efeito giroscópico são injectados para dentro da camada livre, o seu efeito giroscópico interage com os momentos magnéticos na camada livre. Os electrões transferem uma parte do seu efeito giroscópico para a camada livre. Isto resulta na comutação da magnetização da camada livre quando a corrente de polarização de efeito giroscópico é suficientemente grande.

Uma MRAM que utiliza comutação STT é descrita em "Highly scalable MRAM using field assisted current induced switching" de W.C. Jeong et ai., p.184, 2005 Symposium on VLSI Technology

Digest of Technical Papers. A corrente necessária para a comutação STT diminui à medida que diminui o tamanho da célula. Portanto, uma MRAM de alta densidade pode ser realizada com comutação STT. Para a corrente DC, a densidade limiar de corrente para a comutação STT depende de constantes de material, tais como a magnetização de saturação, a constante de amortecimento de Gilbert, e a polarização de efeito giroscópico de ambas as camadas livre e fixa. No entanto, a corrente requerida para um impulso de nanossegundo é muito maior do que a corrente limiar DC. Tem sido mostrado que a corrente requerida no regime de nanossegundos é fornecida por / = /«0(1+0·/;·) (i) em que C é uma constante, e Ico é a corrente limiar DC. De acordo com a equação (1) em cima, a corrente exigida para comutar a magnetização para um impulso lns é quatro vezes a corrente limiar DC. Portanto, as MRAMs de comutação STT com um tempo rápido de escrita terão um grande consumo de energia.

Outra MRAM é descrita em "A Novel Non-volatile Memory with Spin Torque Transfer Magnetization Switching: Spin-RAM" de M. 3

Hosomi et al., pl9.1, IEEE International Electron Device Meeting 2005 e mostra também que a corrente necessária para a comutação STT aumenta significativamente no regime de nanossegundos. O documento "Magnetization switching by spin torque using subnanosecond current pulses assisted by hard axis magnetic fields" de T. Devolder et al., Appl. Phys. Lett., 88, pp.152502 (2006) descreve uma experiência conduzida usando uma válvula de efeito giroscópico em forma de pilar na qual a comutação de magnetização é induzida por transferência de efeito giroscópico usando corrente de nanossegundos combinada com um campo de eixo rígido fixo. O documento US-B-6639830 descreve a comutação de uma célula de memória através do accionamento de uma corrente através da célula de memória e accionamento de correntes através de linhas de palavras e linhas de bits ou linhas adicionais para gerar um campo magnético em alinhamento com a direcção do eixo rígido de uma camada suave ferromagnética, seguido por um campo magnético em alinhamento com a direcção do eixo simples da camada suave ferromagnética. A presente invenção procura proporcionar um método melhorado de funcionamento de um dispositivo de memória magnética, e é definida pela reivindicação independente 1.

De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é proporcionado um método de funcionamento de um dispositivo de memória magnética em que o dispositivo de memória magnética compreende um primeiro e um segundo condutores, uma estrutura de múltiplas camadas magnetoresistiva disposta entre os referidos condutores, a referida estrutura de múltiplas camadas apresentando um primeiro estado de resistência relativamente elevada e um segundo estado de resistência relativamente baixa, 4 a referida estrutura de múltiplas camadas incluindo uma camada ferromagnética, que tem um eixo rigido magnético e um eixo simples magnético, e a referida estrutura de múltiplas camadas sendo comutável entre os referidos primeiro e segundo estados, e uma fonte de campo magnético para a aplicação controlada de um campo magnético ao longo do eixo rigido magnético na camada ferromagnética, independentemente do fluxo da corrente através da estrutura de múltiplas camadas para ajudar a comutação da estrutura de múltiplas camadas, entre o primeiro e segundo estados, o referido método compreendendo a activação de um campo magnético ao longo do eixo rigido magnético na camada ferromagnética, usando a fonte de campo magnético e activando uma corrente ao longo da estrutura de múltiplas camadas de magnetoresistência numa gama de 0 a 5 ns, após a activação do campo magnético.

De acordo com um aspecto preferido da presente invenção, fornece-se um método de funcionamento de um dispositivo de memória magnética, em que o dispositivo de memória magnética compreende um primeiro e um segundo condutores, uma estrutura de múltiplas camadas magnetoresistiva disposta entre os referidos condutores, a referida estrutura de múltiplas camadas apresentando um primeiro estado de resistência relativamente elevada e um segundo estado de resistência relativamente baixa, a referida estrutura de múltiplas camadas incluindo uma camada ferromagnética, que tem um eixo rigido magnético e um eixo simples magnético, e a referida estrutura de múltiplas camadas sendo comutável entre os referidos primeiro e segundo estados, e uma fonte de campo magnético para a aplicação controlada de um campo magnético ao longo do eixo rigido magnético na camada ferromagnética, independentemente do fluxo da corrente através da estrutura de múltiplas camadas para ajudar a comutação da estrutura de múltiplas camadas, entre o primeiro e segundo estados, o referido método compreendendo a activação de um campo 5 magnético ao longo do eixo rigido magnético na camada ferromagnética, usando a fonte de campo magnético e activando uma corrente ao longo da estrutura de múltiplas camadas de magnetoresistência num tempo At, de modo a que At<tdampr em que: 1

em que α é uma constante de amortecimento de Gilbert e / é uma frequência de precessão causada pela activação no campo magnético.

Isto pode permitir uma corrente de comutação ainda mais baixa ao longo da estrutura de múltiplas camadas magnetoresistivas. 0 método pode compreender a activação de uma corrente através da estrutura de múltiplas camadas de magnetoresistência numa gama de 0 a 3 ns ou entre 0 e 2 ns depois de activar o campo magnético.

De acordo com um outro aspecto preferido da presente invenção, fornece-se uma memória compreendendo: um dispositivo de memória magnética compreendendo: um primeiro e um segundo condutores; uma estrutura de múltiplas camadas magnetoresistiva disposta entre os referidos condutores, a referida estrutura de múltiplas camadas apresentando um primeiro estado de resistência relativamente elevada e um segundo estado de resistência relativamente baixa, a referida estrutura de múltiplas camadas incluindo uma camada ferromagnética, que tem um eixo rígido magnético e um eixo simples magnético; e uma fonte de campo magnético para a aplicação controlada de um campo magnético ao longo do eixo rígido magnético na camada ferromagnética, independentemente do fluxo da corrente através da estrutura de múltiplas camadas para ajudar a comutação da estrutura de 6 múltiplas camadas, entre o primeiro e segundo estados; e circuitos para controlar o dispositivo de memória magnética configurados para executar o método.

As formas de realização da presente invenção serão agora descritas, a titulo de exemplo, com referência às Figuras 3A a 18 dos desenhos anexos, em que: A Figura 1 é um esquema de uma série de memória magnética de acesso aleatório (MRAM) de acordo com o estado da técnica; A Figura 2 é um corte transversal de duas células vizinhas MRAM de acordo com o estado da técnica, tirada ao longo da linha A-A' ; A Figura 3A é uma vista em planta de uma série de memória que compreende um exemplo de um dispositivo de memória magnética; A Figura 3B é uma secção transversal da série de memória mostrada na Figura 3A tomada ao longo de uma linha B-B'; A Figura 3C é uma secção transversal da série de memória mostrada na Figura 3A tomada ao longo de uma linha C-C'; A Figura 3D é uma vista lateral de parte da série de memória mostrada na Figura 3A; A Figura 4 é uma secção transversal de uma junção magnética de túnel utilizada na série de memória mostrada na Figura 3A; A Figura 5 ilustra os circuitos de controlo para a série de memória, apresentada na Figura 3A; A Figura 6 ilustra polarizações que são aplicadas à série de memória mostrada na Figura 3A durante um ciclo de leitura; A Figura 7 ilustra polarizações que são aplicadas à série de memória mostrada na Figura 3A durante um ciclo de escrita;

As Figuras 8A e 8B ilustram a corrente através da série de memória mostrada na Figura 3A durante um ciclo de escrita;

As Figuras 9A e 9B são ilustrações esquemáticas de magnetizações de uma camada livre e uma camada fixa na série de 7 memória mostrada na Figura 3A, a vários tempos do ciclo de escrita;

As Figuras 10A e 10B são traçados gráficos de corrente de comutação STT contra a duração de impulso;

As Figuras 11A a 11H mostram um método de fabrico do dispositivo mostrado na Figura 3A; A Figura 12A é uma vista em planta de uma série de memória que compreende uma forma de realização de um dispositivo de memória magnética de acordo com a presente invenção; A Figura 12B é uma secção transversal da série de memória mostrada na Figura 9A tomada ao longo de uma linha D-D'; A Figura 12C é uma secção transversal da série de memória mostrada na Figura 9A tomada ao longo de uma linha E-E'; A Figura 13 ilustra os circuitos de controlo para a série de memória, mostrada na Figura 9A;

As Figuras 14 e 15 mostram secções transversais de outras junções magnéticas de túnel, de acordo com a presente invenção; A Figura 16 é uma ilustração esquemática de magnetização da camada livre e de uma camada fixa na série de memória mostrada na Figura 3A quando uma corrente de comutação é aplicada, enquanto a magnetização da camada livre está em processamento a seguir à aplicação de um campo de auxilio; A Figura 17 são traçados gráficos da corrente mínima requerida para a comutação de paralelo para antiparalelo para diferentes campo de auxílio, quando então a corrente de comutação é aplicada, enquanto a magnetização da camada livre está em processamento; e A Figura 18 são traçados gráficos que ilustram a corrente necessária para a comutação de paralelo para antiparalelo, para o caso de a corrente de comutação ser aplicada enquanto a magnetização da camada livre está em processamento e para ocaso em que a corrente de comutação é aplicada depois da magnetização ter estabilizado. MRAM Convencional

Disposição do Dispositivo

Com referência à Figura 1, é mostrado um esquema de uma série de mram do estado da técnica. A série de mram é disposta numa arquitectura de pontos cruzados, com uma junção magnética de túnel (MTJ) 1, entre cada intersecção de uma de uma pluralidade de linhas de bits 3 e uma de uma pluralidade de linhas de digitos 5 disposta perpendicularmente às linhas de bits 3. Por conseguinte, cada linha da série é definida por uma linha de bits 3 e cada coluna da série é definida por uma linha de digitos 5. A MTJ 1 está em contacto eléctrico com a linha de bits 3. No entanto, a MTJ 1 está electricamente isolada da linha de digitos 5 por meio de uma matriz de isolamento 18. A MTJ 1 tem um eixo simples magnético no plano da MTJ 1 (aqui definida como o plano x-y) e um eixo rígido magnético no plano da MTJ 1. Neste exemplo, o eixo simples magnético é definido de modo a ser paralelo ao eixo x, e o eixo rígido magnético é definido de modo a ser paralelo ao eixo y. A linha de bits 3 é alinhada paralelamente ao eixo simples da MTJ 1, isto é, alinhada paralelamente ao eixo x. A linha de dígitos 5 está alinhada paralelamente ao eixo rígido da MTJ 1, isto é, alinhada paralelamente ao eixo y.

Cada MTJ 1 está disposta num eléctrodo inferior 7. Cada eléctrodo inferior 7 está ligado a um transístor de isolamento 9, 9a, 9b. Cada transístor de isolamento 9, 9a, 9b é ligado a uma linha de detecção (não mostrada). Linhas de palavras 11 são executadas em paralelo com a linha de dígitos 5, isto é, paralelamente ao eixo y. Cada linha de palavras 11 está ligada ao portal de todos os transístores 9, 9a, 9b numa única coluna. 9 A Figura 2 é uma secção transversal através de duas células de memória vizinhas de uma linha da matriz MRAM, tomada ao longo da linha A-A'. Cada célula de memória 13a, 13b é formada por um transístor 9a, 9b e uma mtj la, lb. Para minimizar a área da célula, uma fonte 15 de cada transístor de isolamento 9a, 9b é partilhada entre células vizinhas 13a, 13b. Uma linha de detecção 17 é ligada à fonte 15 do transístor de isolamento 9a, 9b.

Como descrito acima, ambas as MTJs la, lb estão ligadas à linha de bits 3. Cada MTJ la, lb está ligada, através de um respectivo eléctrodo inferior 7a, 7b a um dreno 19a, 19b do transístor 9a, 9b. Uma linha de palavras 11a, 11b está ligada a um portal 21a, 21b de cada transístor 9a, 9b. Uma linha de dígitos 5a, 5b decorre por baixo de cada MTJ la, lb. A linha de dígitos 5a, 5b está separada do eléctrodo inferior 7a, 7b por uma matriz de isolamento 18.

Cada MTJ la, lb compreende uma camada livre 23, uma camada fixa 25, e uma barreira dieléctrica fina 27 entre a camada livre 23 e a camada fixa 25. Uma camada de ancoragem 29 está ligada à camada fixa 25. A camada livre 23 é uma camada ferromagnética que tem uma força coerciva relativamente baixa. A camada fixa 25 é uma camada de ferromagnética força coerciva relativamente elevada. A barreira dieléctrica 27 tem uma espessura de tal modo que os electrões podem passar através dela. A camada de ancoragem 29 é uma camada antiferromagnética e evita que a magnetização da camada fixa 25 comute. A barreira dieléctrica 27 compreende óxido de alumínio (A10x) e tem uma espessura de cerca de 20Â. A camada livre 23 e a camada fixa 25 são formadas por níquel ferro (NiFe). A camada de 10 ancoragem 29 pode ser formada por ferro de manganês (FeMn) ou de irídio de manganês (IrMn).

Funcionamento do Dispositivo A leitura e escrita da célula de memória, de acordo com o do estado da técnica, irá agora ser descrita.

Para a escrita na célula de memória 13a, não é aplicada qualquer polarização à linha de palavras 11a, de modo que o transístor 9a é desligado. Portanto, nenhuma corrente pode fluir através da MTJ la. Uma corrente é então conduzida através da linha de bits 3. Isto gera um campo magnético Hi ao longo do eixo rigido magnético, tanto da MTJ la, como da MTJ lb. Uma corrente é também conduzida através da linha de dígitos 5a. Isto gera um campo magnético H2 ao longo do eixo simples magnético da MTJ la. 0 campo Hi gerado pela linha de bits 3 precisa de cerca de metade do campo para comutar a magnetização da camada livre 23. 0 campo h2 gerado pela linha de dígitos 5a também precisa de cerca de metade do campo exigido para comutar a magnetização da camada livre 23. A soma dos dois campos magnéticos Hx e H2 está precisamente sobre o limiar de comutação da camada livre 23.

Por isso, o campo magnético gerado em torno da MTJ lb é insuficiente para provocar a comutação da camada livre 23. No entanto, o campo magnético gerado em torno da MTJ la é suficiente para provocar a comutação da camada livre 23. Desta forma, apenas uma única MTJ la é comutada através do accionamento de corrente através da linha de bits 3 correspondente à linha da MTJ la e através da linha de dígitos 5a correspondente à coluna da MTJ la. 11 A soma dos campos magnéticos Hi e h2 é insuficiente para provocar a comutação da camada fixa 25.

Para ler a célula de memória 13a, uma polarização é aplicada na linha de palavras 11a, de modo que o transístor 9a é ligado. Portanto, a corrente pode fluir através do MTJ la, e a corrente é também capaz de fluir através de todas as MTJs na mesma coluna da série. Então, uma polarização é também aplicada à linha de bits 3. Portanto, a corrente flúi através da MTJ la na coluna definida pela linha de palavras 11a e a linha definida pela linha de bits 3. A magnetoresistência da MTJ la depende da direcção da magnetização da camada livre 23. Quando a magnetização da camada livre 23 é disposta paralela à magnetização da camada fixa 25, existe uma densidade igual de estados ao longo da barreira dieléctrica 27 para electrões de efeito giroscópico ascendente e descendente. Isto resulta numa elevada probabilidade de efeito de túnel através da barreira 27, resultando num estado de baixa resistência. Quando a magnetização da camada livre 23 é disposta de modo antiparalelo em relação à magnetização da camada fixa 25, a densidade de estados ao longo da barreira 27 não é igual para electrões de efeito giroscópico ascendente e descendente. Isto reduz a probabilidade de efeito de túnel ao longo da barreira 27, resultando num estado de alta resistência. A resistência da célula de memória 13a é comparada a uma célula de memória de referência associada (não mostrada) através de circuitos de detecção (não mostrados). Deste modo, o estado da célula de memória 13a pode ser determinado. 0 tamanho da célula de memória 13a acima descrita é limitado pela potência disponível. Isto deve-se ao facto de, como o tamanho da MTJ diminui, a força coerciva da camada livre 12 23 aumenta, aumentando a corrente necessária ao longo das linhas de bits 3 e linhas de dígitos 5 para comutar a célula de memória 13a. Em adição, quando em modo de escrita, as MTJs semi-seleccionadas (isto é, as MTJs na coluna da linha ou fila de dígitos seleccionada da linha de bits seleccionada) têm uma reduzida barreira de energia de inversão magnética. Isto reduz a estabilidade térmica das suas camadas livre. Também, este método de escrita tem uma pequena margem de escrita, devido às variações de forma na camada livre.

Como descrito em cima, as MRAMs de comutação STT podem reduzir a energia necessária para um dado tamanho de célula. No entanto, a corrente necessária para escrever no regime de nanossegundos pode ser muitas vezes maior do que a corrente limiar DC.

Configuração do Dispositivo

Com referência às Figuras 3A a 3D, é mostrado um primeiro exemplo de uma série de memória. A série de memória é uma memória magnética de acesso aleatório (MRAM).

Fazendo referência em particular à Figura 3A, a série de memória é composta por uma pluralidade de linhas de palavras 53, que definem uma primeira dimensão da série, neste exemplo colunas de série, e uma pluralidade de linhas de bits 31, sobrepostas e perpendiculares às linhas de palavras 53, que definem uma segunda dimensão da série, neste exemplo filas da série. Uma pluralidade de junções magnéticas de túnel (MTJs) 37 com camadas empilhadas, estão ligadas ao lado inferior de cada linha de bits 31, em espaços entre as linhas de palavras 53. 13

As linhas de bits 31 estão dispostas numa primeira direcção, aqui definida como o eixo x. As linhas de palavras 53 estão dispostas numa segunda direcção, aqui definida como eixo Y.

Fazendo referência em particular às Figuras 3B e 3C, uma pluralidade de linhas de corrente auxiliares 33 estão dispostas em paralelo ao eixo x. As linhas de corrente auxiliares 33 sobrepõem-se às linhas de bits 31 e estão electricamente isoladas das linhas de bits 31 por uma matriz de isolamento 35.

Tal como mostrado na Figura 3A, cada MTJ 37 é formada num pilar definido por paredes laterais 38 e tem uma base elíptica com um eixo curto Li e um eixo longo L2. Neste exemplo, o pilar tem uma secção transversal uniforme em altura, isto é, uma secção transversal uniforme no plano x-y. A diferença de comprimento entre o eixo longo L2 e o eixo curto Li proporciona, anisotropia de forma magnética. Neste exemplo, a razão entre o comprimento do eixo curto Li e o comprimento do eixo longo L2 é de 1:2. Portanto, cada MTJ 3 7 tem um eixo simples magnético paralelo ao eixo longo, isto é, paralelo ao eixo x, e um eixo rígido magnético paralelo ao eixo curto, isto é, paralelo ao eixo y.

Fazendo referência em particular à Figura 3B, um lado superior de cada MTJ 37 está ligado ao lado inferior de uma linha de bits 31. A linha corrente auxiliar 33 está acima da linha de bits 31. Assim, as MTJs 37 estão electricamente isoladas das linhas de corrente auxiliares 33. Um lado inferior de cada MTJ 37 está ligado a um eléctrodo inferior 39. Uma via 41 liga cada eléctrodo inferior 39 para uma região activa 43 num substrato 45. As regiões activas 43 definem áreas em que a difusão dos transportadores de carga pode ocorrer no substrato 45. 14

As regiões activas 43 estão isoladas uma das outras no substrato 45 por isolamento por frestas estreitas (STI) as regiões 47.

Fazendo referência em particular à Figura 3C, uma linha de detecção 49 decorre de modo paralelo a e por debaixo de cada linha de bits 31. As linhas de detecção 49 são separadas das linhas de bits 31, dos eléctrodos inferiores 39 e das vias 41, por meio de uma matriz de isolamento 50. Uma via 51 conecta cada região activa 43 à linha de detecção 49, por cima desta.

As linhas de palavras 53 são fornecidas no substrato 45 e são isolados deste por um óxido de entrada 53a. As linhas de palavras 53 estão dispostas perpendicularmente às linhas de bits 31, linhas de corrente auxiliares 33, e linhas de detecção 49. As linhas de palavras 53 são separadas das linhas de detecção 49, por uma matriz de isolamento 55.

Fazendo referência em particular à Figura 3A, em cada fila da série, as mtjs 37 são proporcionadas de modo alternativo entre os pares vizinhos das linhas de palavras 53. Por exemplo, para uma primeira linha de bits 31χ, uma primeira MTJ 374 é proporcionada entre uma primeira linha de palavras (não mostrada) e uma segunda, linha de palavras adjacente 5321 uma segunda MTJ 372 é proporcionada entre a terceira e quarta linhas de palavras 533, 534, e uma terceira MTJ 373 é proporcionada entre a quinta e sexta linhas de palavras 53s, 536. Para uma segunda linha de bits 312 (adjacente à primeira linha de bits 31i), uma quarta MTJ 374 é proporcionada entre a segunda e terceira linhas de palavras 53 2, 533, uma quinta MTJ 375 é proporcionada entre a quarta e quinta linhas de bits 534, 53s e uma sexta MTJ 376 é proporcionada entre uma sexta linha de palavra 536 e uma sétima linha de palavras adjacente (não 15 mostrada) . As mtjs vizinhas 37 em cada linha de bits 31 estão dispostas em pares 59.

Fazendo referência em particular à Figura 3D, cada par de MTJs 59 tem uma região activa 43i que decorre entre as respectivas vias 411, 412 de duas MTJs 37a, 37b. As regiões STI 47 separam a região activa 431 para cada par 59. A via 51i que liga a região activa 43i à linha de detecção 49 é proporcionada entre as linhas de palavras 532, 533 que estão na área definida pelo par 59.

Referindo ainda a Figura 3D, uma região de fonte 61 é proporcionada na região activa 43, por baixo de cada via 41, que liga o eléctrodo inferior 39 à região activa 43. Uma região de drenagem 63 é proporcionada na região activa 43, por baixo de cada via 51, que liga a linha de detecção 49 à região activa 43. Portanto, cada região activa 43 proporciona duas regiões de fonte 61 e uma região de drenagem 63. A condução entre cada região de fonte 61 e a região de drenagem 63 ocorre através da linha de palavras 53 entre as referidas regiões. Por isso, a referida linha de palavras 53 serve como portal 65 de um transístor de isolamento 81, e um transístor isolamento 81 é proporcionada para cada MTJ 37.

Com referência à Figura 3A e Figura 3D, uma célula de memória 66 é definida por uma MTJ 37 e um transístor respectivo. A região de drenagem 63 do transístor é partilhada entre células de memória 66 vizinhas. A célula de memória 66 tem uma área 8F2. A dimensão característica F da série de memória pode ser 100 nm ou menos. A separação entre a linha de bits 31 e a linha de corrente auxiliar 33 está na gama de 20 nm a 100 nm. A linha de bits 31 e a linha de corrente auxiliar 33 são feitas de um material 16 condutor, tal como cobre ou tungsténio. A matriz de isolamento 35 é dióxido de silicio (Si02) .

Com referência à Figura 4, é mostrada a estrutura de camada da MTJ 37. A MTJ 37 compreende uma sequência de camadas, incluindo uma camada de protecção 82, uma camada livre 83, uma camada de barreira de túnel 84, uma camada fixa 85, uma camada de ancoragem 87, e uma camada de tampão 89. Neste exemplo, a camada de cobertura 82 está mais afastada do substrato 45 e a camada de tampão 89 está mais próxima do substrato 45. A camada livre 83 é formada por óxido de magnésio (MgO) e é suficientemente fina para que os electrões possam fluir através dela. A camada fixa 85 é um antiferromagneto sintético (SAF). 0 SAF 85 compreende uma primeira sub-camada ferromagnética 91, que tem uma primeira magnetização, e uma segunda sub-camada ferromagnética 93, que tem uma segunda magnetização, separadas por uma camada antiferromagnética 95. A primeira magnetização e a segunda magnetização não são iguais em magnitude, e são antiparalelas uma em relação à outra. Neste exemplo, a segunda sub-camada ferromagnética 93 é mais espessa do que a primeira sub-camada ferromagnética 91, por conseguinte, a segunda magnetização tem uma magnitude maior do que a primeira magnetização. A camada antiferromagnética 95 faz o acoplamento da primeira sub-camada ferromagnética 91 e segunda sub-camada ferromagnética 93. A primeira magnetização e a segunda magnetização estão alinhadas paralelamente ao eixo simples da MTJ 37, isto é, paralelas ao eixo x. Portanto, o SAF tem uma 17 pequena magnetização de rede na direcção x. A camada fixa 85 tem uma força coerciva relativamente elevada. A camada de ancoragem 87 compreende um material antiferromagnético. A camada de ancoragem 87 ancora a magnetização da camada fixa 85, para evitar que a magnetização da camada fixa 85 comute na aplicação de um campo magnético ou corrente de comutação.

Quando a magnetização da camada livre 83 é paralela à magnetização da primeira sub-camada ferromagnética 91 da camada fixa 85, a MTJ 37 tem uma magnetoresistência relativamente baixa. Quando a magnetização da camada livre 83 é antiparalela à magnetização da primeira sub-camada ferromagnética 91, da camada fixa 85, a MTJ 37 tem uma magnetoresistência relativamente elevada.

Neste exemplo, a camada de cobertura 82 é formada por um metal não magnético, por exemplo, 0 cobre (Cu) ou tântalo (Ta), e tem uma espessura de cerca de 10 nm. Num outro exemplo, a camada de cobertura 82 pode ser formada por duas camadas de tântalo, tendo cada uma delas uma espessura de 5 nm e estando separadas por uma camada de cobre com uma espessura de 10 nm, i.e. Ta (5 nm)/Cu (10 nm)/Ta (5 nm).

Neste exemplo, a camada livre 83 é formada por cobalto ferro boro (CoFeB) e tem uma espessura de cerca de 3 nm.

Neste exemplo, a camada de barreira de túnel 84 é formada por óxido de magnésio (MgO). No entanto, outros materiais dieléctricos, tais como o óxido de alumínio (A10X), dióxido de silício (SÍO2), e nitreto de alumínio (A1N), podem ser utilizados Neste exemplo, a camada de barreira de túnel 84 tem uma 18 espessura de 2 nm. Em outros exemplos, a espessura da camada de barreira de túnel 84 pode encontrar-se na gama de 1 nm a 2 nm. A primeira sub-camada ferromagnética 91 é formada por cobalto ferro boro (CoFeB) e tem uma espessura de cerca de 4 nm. A camada de ligação 95 é formada por rubidio (Ru) e tem uma espessura de cerca de 0,8 nm. A segunda sub-camada ferromagnética 93 é formada por cobalto ferro (CoFe) e tem uma espessura de cerca de 6 nm.

Neste exemplo, a camada de ancoragem compreende platina manganês (PtMn) e tem uma espessura de cerca de 15 nm. O composto de PtMn é preferido porque tem uma elevada temperatura de bloqueio e um elevado campo de polarização de elevada permutação, o que melhora a estabilidade térmica do MTJ 37. No entanto, podem ser usados outros materiais antiferromagnéticos, tais como o iridio manganês (IrMn), níquel manganês (NiMn) e paládio manganês (PdMn). A camada de tampão 89 é formada por, pelo menos, uma camada condutora não magnéticas e tem uma espessura entre 10 nm e 20nm. Por exemplo, a camada de tampão 89 pode ser formada por duas camadas de tântalo, tendo cada uma espessura de 5 nm e estando separadas por uma camada de cobre com uma espessura de 10 nm, e uma camada sobrejacente de níquel-ferro tendo uma espessura de 5 nm, separada da camada de cobre por meio de uma das camadas de tântalo, isto é, Ta (5 nm)/Cu (10 nm)/Ta (5 nm)/NiFe (5 nm) . Alternativamente, as duas camadas de tântalo podem ser separadas por uma camada de ouro com uma espessura de 10 nm, isto é, Ta (5 nm)/Au (10 nm)/Ta (5 nm)/NiFe (5 nm) . Num outro exemplo, a camada de tampão 89 pode ser formada por uma camada de tântalo, tendo uma espessura de 5 nm e uma camada de níquel-ferro com uma espessura de 5nm, isto é, Ta (5 nm)/NiFe (5 nm) . Nos exemplos 19 anteriores, a camada de niquel-ferro é uma camada inicial para a camada de ancoragem 87.

Os eixos longo e curto da secção transversal elíptica da MT J 3 7 no plano x-y têm dimensões de 100 nm e 50 nm, respectivamente. A razão de magnetoresistência para o estado de resistência relativamente elevada e o estado de resistência relativamente baixa pode aproximar-se de 3:1 para a MTJ 37 anteriormente descrita. Isto pode proporcionar uma MRAM tendo uma elevada taxa de sinal / ruído. A linha de corrente auxiliar 33 e a camada livre 83 são separadas por uma distância que depende da anisotropia do campo magnético da camada livre 83, e a corrente ao longo da linha de corrente auxiliar 33. A anisotropia do campo magnético pode ser determinada por medição do anel de histerese da camada livre 83, quando um campo magnético é aplicado ao eixo rígido magnético da camada livre 83. A magnitude do campo magnético auxiliar pode ser um décimo da anisotropia do campo magnético. Neste exemplo, a anisotropia do campo magnético da camada livre 83 é tipicamente 300 a 400 Oe. Portanto, o campo magnético auxiliar vai de 30 a 40 Oe. A magnitude do campo magnético auxiliar na camada livre 83 está relacionada com a corrente na linha de corrente auxiliar 33 da seguinte forma:

em que HA é o campo magnético auxiliar, lA é a corrente na linha de corrente auxiliar 33 e r é a distância entre a linha de corrente auxiliar 33 e a camada livre 83. Tipicamente, a densidade de corrente máxima que pode ser proporcionada por um fio de cobre está na ordem de 106 A/cm2. Assim, para um fio com uma espessura de 50 nm, a IA está na ordem de 10~10 A. Utilizando 20 a equação (2) em cima, a distância entre a linha de corrente auxiliar 33 e a MTJ 37 está na ordem de 100 nm.

Com referência à Figura 5, são conhecidos os circuitos de controlo para a série de memória.

Um accionador de escrita 67 e um amplificador de detecção 68 são proporcionados para cada linha da série de memória. Cada linha de bits 31 está ligada a uma primeira saída 69 de um respectivo accionador de escrita 67. Cada linha de detecção 49 está ligada a uma segunda saída 70 do respectivo accionador de escrita 67. Cada linha de bits 31 está também ligada a um primeiro portal de entrada/saída 71 do respectivo amplificador de detecção 68.

Uma ligação 72 é proporcionada entre uma segunda saída do amplificador de detecção 68 e uma primeira entrada do respectivo accionador de escrita 67. 0 accionador de escrita 67 tem uma segunda entrada 73, para aplicação de uma tensão de controlo do amplificador de escrita (WAE). O amplificador de detecção 68 tem uma segunda entrada 74 para receber uma tensão de controlo do amplificador de detecção (SAE). O amplificador de detecção 68 tem um terceiro portal de entrada/saida 75 para aplicar uma tensão de entrada/saida no amplificador de detecção (SAIO).

Um accionador auxiliar 78 é proporcionado para cada linha da série. Cada accionador auxiliar 78 tem uma primeira entrada ligada a uma linha de corrente auxiliar 33. 21 É proporcionado um único accionador de linha de palavras 80. Cada linha de palavra 53 é ligada a uma saida correspondente do accionador da linha de palavras 80.

Cada MTJ 37 liga uma linha de bits 31 à linha de detecção 49 na mesma fila, através um único transístor de isolamento 81. A base do transístor de isolamento 81 está ligada a uma única linha de palavras 53. A corrente irá fluir através do MTJ 37, quando uma polarização é aplicada na linha de palavras 53, que define a coluna do MTJ 37, e uma polarização é aplicada na linha de bits 31 ou linha de detecção 49, que define a linha da MTJ 37. Deste modo, cada MTJ 37 pode ser endereçada através de uma única linha de palavras 53 e uma única linha de bits 31 ou linha de detecção 49.

Funcionamento do Dispositivo

Com referência às Figuras 4, 5 e 6, será agora descrita a leitura e a escrita de uma célula de memória 66 na série de memória. A Figura 6 ilustra as polarizações que são aplicadas e medidas na série de memória, durante um ciclo de leitura.

Um primeiro traçado gráfico 101 é de uma linha de palavras contra o tempo. Um segundo traçado gráfico 103 é de uma polarização do controlo de amplificador de detecção (SAE) aplicada à segunda entrada 74 do amplificador de detecção 68 contra o tempo. Um terceiro traçado gráfico 105i e um quarto traçado gráfico 1052 são da resposta de tensão na linha de bits 31 contra o tempo e polarização de entrada/saída do amplificador de detecção (SAIO) contra o tempo, respectivamente, quando a magnetização da camada livre 83 e a magnetização da camada fixa 85 são paralelos. Um quinto traçado gráfico 107χ e um sexto 22 traçado gráfico 1072 são da resposta da tensão na linha de bits 31 contra o tempo e a polarização do SAIO contra o tempo, respectivamente, quando a magnetização da camada livre 83 e a magnetização da camada fixa 85 são antiparalelas.

Como mostrado no primeiro traçado gráfico 101, num tempo tRi uma polarização Vw é aplicada pelo controlador de linha de palavras 80 na linha de palavras (WL) 53 correspondente à coluna da célula de memória 66. A Vw pode encontrar-se na gama de IV a 3V. Isto abre os transístores de isolamento 81 na coluna da série.

Como se mostra no terceiro traçado gráfico 105i e quinto traçado gráfico 107i, num tempo tR2, uma polarização VB é aplicada pelo accionador de escrita 67 na linha de bits (BL) 31, correspondente à linha da célula de memória. Neste exemplo, a VB é cerca de 0,4 V. A linha de detecção (SL) 49 correspondente à linha da célula de memória é mantida em ligação á massa. No tempo tR3, a polarização VB é removida.

Tal como se mostra no terceiro traçado gráfico 105i, neste exemplo, a resposta da tensão na linha de bits 31 diminui na ligação à massa em cerca de 1 ns. Isto deve-se ao facto de, quando a magnetização da camada livre 83 e a magnetização da camada fixa 85 são paralelas, a magnetoresistência da MTJ 37 (e consequentemente a resposta de tensão medida) é relativamente baixa e, assim, a resposta de tensão é relativamente rápida.

Como se mostra no quinto traçado gráfico 107i, neste exemplo, a resposta de tensão na linha de bits 31 diminui na ligação à massa, em cerca de 2 a 3 ns. Isto deve-se ao facto de, quando a magnetização da camada livre 83 e a magnetização da camada fixa 85 são antiparalelas, a magnetoresistência da MTJ 37 23 (e consequentemente a resposta de tensão medida) é relativamente elevada, assim, a resposta de tensão é relativamente lenta.

Como se mostra no segundo traçado gráfico 103, num momento posterior tR4, a polarização do SAE é aplicada no amplificador de detecção 68, que corresponde à linha da célula de memória 66. Quando o amplificador de detecção 68 é activado, este detecta se a resposta de tensão na linha de bits 31 está abaixo de uma tensão de referência VREf. A V^f pode ser cerca de 0,5 VB. Neste exemplo, a VW é de 0,2V.

Tal como mostrado no terceiro traçado gráfico 1051, quando a magnetização da camada livre 83 e a magnetização da camada fixa 85 são paralelas, no tempo tR4 em que a resposta de tensão na linha de bits 31 tiver caido abaixo da VREF. Isto é detectado pelo amplificador de detecção 68. Portanto, o amplificador de detecção de entrada/saida (SAIO) no terceiro portal de entrada/saida 75 do amplificador de detecção 68 é estabelecido de modo a ser baixo.

Como se mostra no quinto traçado gráfico 1072, quando a camada de livre 83 e camada fixa 85 são antiparalelas, no tempo tR4 a resposta de tensão na linha de bits 31 não caiu abaixo da Vrff. isto é detectado pelo amplificador de detecção 68. Portanto, o SAIO no terceiro portal de entrada/saida 75 do amplificador de detecção 68 é estabelecido de modo a ser elevado.

No tempo tR5, a polarização do SAE é removida. No tempo tR6, a polarização WL é removida. Neste exemplo, o tRi é de 1 ns, o tR2 é 2,5 ns, o tR3 é de 3,5 ns, o tR4 é de 7,5 ns, o tR5 é de 9 ns, e o tR6 é de 10 ns.

Deste modo, a direcção de magnetização da camada livre 83 determina a saida do terceiro portal de entrada/saida 75 do 24 amplificador de detecção 68. Se a camada livre 83 for paralela à camada fixa 85, a saída do amplificador de detecção 68 é "0". Se a camada livre 83 for antiparalela à camada fixa 85, a saída do amplificador de detecção 68 é "1". A Figura 7 ilustra polarizações que são aplicadas na série de memória durante um ciclo de escrita.

Um sétimo traçado gráfico 109 é de uma polarização de linha de corrente auxiliar (AL) contra o tempo. Um oitavo traçado gráfico 111 é de uma polarização de linha de palavras (WL) contra o tempo. Um nono traçado gráfico 113 é de uma polarização de controlo do amplificador de escrita (WAE) contra o tempo. Um décimo traçado gráfico 115 e um décimo primeiro traçado gráfico 117 são de uma polarização de SAIO aplicada à célula de memória 66 contra o tempo e de polarização aplicada linha de bits (BL) e linha de detecção (SL) contra o tempo, respectivamente, quando a magnetização da camada livre 83 comuta de antiparalela para a magnetização da camada fixa 85 para paralela para a magnetização da camada fixa 85 (comutação AP para P) . Um décimo segundo traçado gráfico 119 e um décimo terceiro traçado gráfico 121 são de uma polarização de SAIO aplicada à célula de memória 66 contra o tempo e de polarizações aplicadas à linha de bits (BL) e linha de detecção (SL) contra o tempo, respectivamente, quando a magnetização da camada livre 83 comuta de paralela para a magnetização da camada fixa 85 para antiparalela para a magnetização da camada fixa 85 (comutação P para AP).

Com referência ao sétimo traçado gráfico 109, para escrever dados na célula de memória 66, no tempo tWi, a polarização VA da AL 33 é aplicada pelo accionador auxiliar 78, na linha de corrente auxiliar 33 que corresponde à linha da célula de memória 66. A magnitude da VA é escolhida para proporcionar o 25 campo magnético auxiliar necessário na camada livre 83. Um valor de VA pode ser encontrado por rotina experimental.

Com referência a oitavo traçado gráfico 111, no tempo tW2 a polarização vw da WL, é aplicado pelo controlador de linha de palavras 80 à linha de palavras 53, que corresponde à coluna da célula de memória 66. A Vw pode encontrar-se na gama de IV a 3V. Isto abre os transístores de isolamento 81 na coluna da série.

No tempo tW2, a polarização de SAIO é aplicada no terceiro portal de entrada/saída 75 do amplificador de detecção 68 correspondente à linha da célula de memória 66. Como se mostra no décimo traçado gráfico 115, para a comutação de AP para P a polarização SAIO é mantida em ligação à massa. Como se mostra no décimo segundo 119, para a comutação de P para AP a polarização SAIO é mantida em Vs. A ligação 72 transmite este sinal da segunda saída do amplificador de detecção 68, para a primeira entrada do accionador de escrita 67.

Com referência ao nono traçado gráfico 113, no tempo tW3 a polarização do WAE é aplicada no accionador de escrita 67 correspondente à linha da célula de memória 66. Isto permite que o accionador de escrita 67 aplique uma polarização a qualquer linha de bits 31 ou linha de detecção 49, dependendo da saída SAIO do amplificador de detecção 68.

No que se refere ao décimo primeiro traçado gráfico 117, quando o SAIO é mantido em ligação à massa, no tempo tw3, o accionador de escrita 67 aplica uma polarização VB na linha de bits 31, e a linha de detecção 49 é mantida em ligação à massa. Portanto, o accionador de escrita 67 acciona corrente da linha de detecção 49, para a linha de bits 31. Isto faz com que a camada de livre 83 comute de AP para P. 26

Com referência ao décimo terceiro traçado gráfico 121, quando o SAIO é mantido em Vs, no tempo tW3 o accionador de escrita 67 aplica uma polarização VB na linha de detecção 49, e a linha de bits 31 é mantida em ligação à massa. Portanto, o accionador de escrita 67 acciona corrente a partir da linha de bits 31 para a linha de detecção 49. Isto faz com que a camada de livre 83 comute de P para AP. A VB pode encontrar-se na gama de IV a 1,5V, e tem aproximadamente o mesmo valor de comutação de P para AP, como de comutação de AP para P.

No tempo tW4, a polarização de AL é removida. No tempo tw6, a polarização de BL ou SL é removida. No tempo tW7, a polarização WL é removida.

Neste exemplo, twi é de 1 ns, tW2 é de 2 ns, tw3 é de 3 ns, tH4 é de 4 ns, tw5 é de 8 ns, tH6 é de 9 NS, e tw7 é de 10 ns.

As Figuras 8A e 8B ilustram a corrente lA através da linha de corrente auxiliar 33 (Figura 4) e a corrente IMtj através da MTJ 37 (Figura 4) nos tempos do ciclo de escrita para a comutação de AP para P e comutação de P para AP respectivamente. As Figuras 9A e 9B ilustram magnetizações M2, m2 da camada livre 83 a tempos do ciclo de escrita para a comutação de AP para P e comutação de P para AP, respectivamente.

Fazendo referência em primeiro lugar à Figura 8A e Figura 9A, no tempo t = 0, a magnetização Mi de camada livre 83 e a magnetização M2 da camada fixa 85 são antiparalelas, e a IA e IMtj são zero.

Entre o tempo tw2 e tw2, a corrente IA na linha de corrente auxiliar 33 é aumentada (ou aumenta) para uma magnitude IA1. A IA1 27 pode ser da ordem de 100 μΑ. A corrente Ia na linha de corrente auxiliar 33 é mantida a Iai entre o tempo tw2 e tW4.

No tempo tWi, a corrente IA induz um campo magnético auxiliar ha na camada livre 83. O campo magnético HA é paralelo ao eixo rigido magnético da camada livre 83. No tempo tW2/ a aplicação do campo HA faz com que a magnetização Μχ da camada livre de 83 rode no sentido oposto aos ponteiros do relógio, num ângulo Θ no plano da camada livre 83.

Entre o tempo tw2 e tw3, a corrente IMTJ na MTJ 37 é aumentada até uma magnitude IMtji · A corrente IMTJ na MTJ 37 é mantida a lMui entre o tempo tw3 e tw6·

No tempo tw3, a corrente IMtj flúi a partir da camada de livre 83 para a camada fixa 85. Portanto, os electrões que são polarizados em efeito giroscópico pela camada fixa 85 são injectados para dentro da camada livre 83. O efeito giroscópico transferido por estes electrões provoca a precessão da magnetização Μχ da camada livre 83 em torno de um eixo de precessão Ρχ. Portanto, a magnetização Μχ roda à volta do eixo de precessão Ρχ. O eixo de precessão Ρχ, e, por conseguinte, o tempo médio de magnetização Μχ, é posteriormente rodado no sentido oposto aos ponteiros do relógio no plano da camada livre 83. Esta rotação é assistida pelo campo magnético HA.

No tempo tW4, a magnetização Μχ da camada livre 83 continua a rodar em torno do eixo de precessão Ρχ. O eixo de precessão Ρχ da magnetização Μχ é perpendicular à direcção inicial da magnetização Μχ, isto é, é paralelo ao eixo rigido magnético da camada livre 83 e ao campo magnético auxiliar HA. Entre os tempos tW4 e tW5, o ângulo da magnetização Μχ em torno do eixo de precessão de Ρχ aumenta gradualmente, e o eixo de precessão Ρχ 28 subitamente roda adicionalmente no sentido oposto aos ponteiros do relógio.

No tempo tW4, a corrente lMTj ainda faz com que o eixo de precessão Pi rode no sentido dos ponteiros do relógio. Portanto, é preferível que a corrente auxiliar IA seja removida de modo a não actuar de modo a evitar que o eixo de precessão Pi rode mais no sentido oposto aos ponteiros do relógio. Entre o tempo tW4 e tW5, a corrente iA na linha de corrente auxiliar 33, é diminuída para zero.

No tempo tw5, a corrente auxiliar IA é zero, por isso, não existe qualquer campo magnético HA. A corrente de comutação IMtj permanece, fazendo com que o eixo de precessão Pi da magnetização Mi da camada livre 83 rode ainda mais no sentido oposto aos ponteiros do relógio.

No tempo tH6, já não há precessão da magnetização Μχ. A magnetização Μχ da camada livre 83 é paralela à magnetização M2 da camada fixa 85.

Entre o tempo tw6 e tw7, a corrente IMTJ é diminuída (ou diminui) para zero.

Com referência agora à Figura 8B e Figura 9B, no tempo t = 0, a magnetização Μχ da camada livre 83 e a magnetização M2 da camada fixa 85 são paralelas, e IA e IMtj são zero.

Entre o tempo twi e tW2, a corrente IA na linha de corrente auxiliar 33 é aumentada para uma magnitude IA2. A corrente IA2 tem a mesma magnitude que a IAi, mas flúi na direcção oposta. A corrente IA na linha de corrente auxiliar 33 é mantida na lA2 entre o tempo tw2 e tw4. 29

No tempo twi, a corrente iA induz um campo magnético auxiliar HA na camada livre 83. 0 campo magnético HA é paralelo ao eixo rígido magnético da camada livre 83. No tempo tw2, a aplicação do campo HA faz com que a magnetização Mi da camada livre 83 rode no sentido oposto aos ponteiros do relógio num ângulo Θ no plano da camada livre 83.

Entre o tempo tw2 e tw3, a corrente IMTj na MTJ 37 é aumentada para uma magnitude IMtj2· a corrente IMtj na MTJ 37 é mantida na Imtj2 entre o tempo tw3 e tW6· A IMtj2 tem aproximadamente a mesma magnitude que a IMTJ1.

No tempo tw3, a corrente IMtj flúi a partir da camada fixa 85 para a camada livre 83. Portanto, os electrões polarizados em efeito giroscópico são dispersados da camada fixa 85 e injectado na camada livre 83. 0 efeito giroscópico transferido por estes electrões provoca a precessão da magnetização Mi da camada livre 83. Portanto, a magnetização Μχ roda à volta do eixo de precessão 0 eixo de precessão Ρχ, e, por conseguinte, o tempo médio de magnetização Μχ, é posteriormente rodado no sentido oposto aos ponteiros do relógio no plano da camada livre 83. Esta rotação é assistida pelo campo magnético HA.

No tempo tw4, a magnetização Μχ da camada livre 83 continua a rodar em torno do eixo de precessão Ρχ. 0 eixo de precessão Ρχ da magnetização Μχ é perpendicular à direcção inicial da magnetização Μχ, isto é, é paralela ao eixo rígido magnético da camada livre 83 e campo magnético auxiliar ha. Entre os tempos tw4 θ tW5, o ângulo da magnetização Μχ em torno do eixo de precessão de Ρχ aumenta gradualmente, e o eixo de precessão Ρχ subitamente roda adicionalmente no sentido oposto aos ponteiros do relógio. 30

No tempo tw4, a corrente IMtj ainda faz com que o eixo de precessão Pi rode no sentido oposto aos ponteiros do relógio. Portanto, é preferível que a corrente auxiliar IA seja removida de modo a não actuar de modo a evitar que o eixo de precessão Pi rode mais no sentido oposto aos ponteiros do relógio. Entre o tempo tW4 e tW5, a corrente IA na linha de corrente auxiliar 33, é diminuída para zero.

No tempo tW5, a corrente auxiliar lA é zero, por isso, não há qualquer campo magnético auxiliar HA. A corrente de comutação IMTj permanece, fazendo com que o eixo de precessão Pi da camada livre 83 rode ainda mais no sentido dos ponteiros do relógio.

No tempo tW6, já não há precessão da magnetização Μι. A magnetização Mi da camada livre 83 é antiparalela à magnetização M2 da camada fixa 85.

Entre o tempo tw6 e tW7, a corrente IMTJ é diminuída para zero. A corrente necessária para provocar a comutação STT está relacionada com a duração do impulso de corrente, como descrito em cima, e com a direcção inicial da magnetização da camada livre 83. A constante C na equação (1) em cima pode ser expandida, dando a seguinte expressão para a corrente necessária para provocar a comutação STT, ISttj na camada livre 83:

em que Ic0 é a corrente limiar DC, C" é uma constante, tp é o tempo de comutação e θ0 é o ângulo inicial entre a magnetização da camada livre 83 e o eixo simples magnético da camada livre 83 Portanto, de acordo com a equação (3) em cima, quanto maior for o ângulo de magnetização inicial θο, menor será a corrente necessária para provocar a comutação STT. Portanto, a corrente 31 auxiliar lA pode ser aplicada antes da corrente IMtj de comutação STT, para rodar a magnetização da camada livre e, assim, baixar a corrente de comutação STT. Por outras palavras, neste exemplo, o bordo principal ou ascendente da polarização da linha de corrente auxiliar ocorre antes do bordo principal ou ascendente da linha de bits ou polarização da linha de detecção e o bordo de fuga ou descendente da polarização da corrente auxiliar ocorre após o bordo principal ou ascendente da polarização da linha de bits ou polarização da linha de detecção.

No entanto, é preferível que a corrente auxiliar IA seja desligada durante o processo de comutação STT. isto deve-se ao facto de, se o campo magnético auxiliar HA estiver presente após terminar a comutação STT, a estrutura do domínio da camada livre 83 torna-se instável. Isto provoca um aumento da probabilidade de distribuição da corrente de comutação STT no regime de nanossegundos, e uma estreita margem de corrente durante o processo de escrita STT. Portanto, neste exemplo, o bordo de fuga ou descendente da polarização da linha de corrente auxiliar ocorre antes do bordo de fuga ou descendente da polarização da linha de bits ou linha de detecção.

Tal como ilustrado pelos exemplos em cima, a direcção do campo magnético auxiliar Ha pode ser alinhada em qualquer uma de duas direcções paralelas ao eixo rígido magnético de camada livre 83, dependendo da direcção da corrente de comutação IMtj· A comutação IMtj induz um campo de amperagem na camada livre 83 e o alinhamento do campo magnético auxiliar ha, para eliminar o campo de amperagem na camada livre 83 pode resultar numa estrutura de domínio mais favoráveis (por exemplo, mais estável) na camada de livre 83 para a comutação STT. Portanto, o campo magnético auxiliar Ha para a comutação de AP para P pode ser projectado para estar na direcção oposta ao campo magnético auxiliar HA para a comutação de P para AP. No entanto, o efeito do campo de 32 amperagem não é significativo, e o campo magnético auxiliar HA pode ser alinhado na direcção oposta, isto é, sem contrariar o campo de amperagem para a comutação STT.

Como será explicado em maior detalhe mais à frente, se o intervalo de tempo At entre a activação da corrente auxiliar lA e a desactivação da corrente de comutação IMtj for suficientemente curto (por exemplo At <5 ns), então a corrente de comutação pode ser ainda mais reduzida.

Com referência às Figuras 10A e 10B, são mostrados os respectivos resultados de simulação para a comutação STT, com e sem um campo magnético auxiliar. A simulação é da comutação STT a uma temperatura de 300K, utilizando uma corrente de polarização de efeito giroscópico com uma polarização de 0,5. Os resultados de simulação mostram uma corrente normalizada 1/ lc0 -1 necessária para a comutação STT contra a inversão da duração de impulso tp_1.

Com referência em particular à Figura 10A, para a comutação de AP para P, uma corrente de comutação 127 para uma dada duração de impulso, quando um impulso de magnitude 80 Oe do campo magnético auxiliar é utilizado, pode ser até 50% menos do que uma corrente de comutação 129, nenhum campo magnético auxiliar é utilizado.

Fazendo referência em particular à Figura 10B, para a comutação de P para AP, uma corrente de comutação 131 para uma dada duração de impulsos, quando um impulso de magnitude 80 Oe do campo magnético auxiliar é usado, pode ser até 100% menos do que uma corrente de comutação 133, quando nenhum campo magnético é utilizado. 33

Fabrico do Dispositivo

Com referência às Figuras 10A a 10G, será descrito um método de fabrico da série de memória, mostrada nas Figuras 3A a 3D. As Figuras 11A, 11C, 11E e 11G mostram uma secção transversal da série de memória mostrada na Figura 3A, tomada ao longo da linha B-B' durante etapas do processo de fabrico. As Figuras 11B, 11D, 11F e 11H mostram uma secção transversal da série de memória da Figura 3A, tomada ao longo da linha C-C' durante etapas do processo de fabrico.

Fazendo em primeiro lugar referência às Figuras 11A e 11B, é usado um processo de gravação STI para criar sulcos pouco profundos 47 no substrato de silicio 45, que são preenchidos com material dieléctrico. As áreas do substrato, que não compreendem as regiões STI definem as zonas activas 43.

As camadas de isolamento de portal 53a e linhas de palavras 53 são sequencialmente empilhadas para formar pilhas de portais no substrato e regiões STI. Espaçadores de portais 53b são formados nas paredes laterais e sobre a pilha de portais. Iões de impurezas são implantados no substrato 45 para formar a região de fonte 61 e regiões de drenagem 63 para transístores de isolamento.

Fazendo agora referência às Figuras 11C e 11D, uma primeira matriz de isolamento 55 é formada sobre a totalidade da superfície do substrato. A primeira matriz de isolamento 55 é sucessivamente padronizada e gravada para abrir vias 51 que expõem uma porção de cada zona de drenagem 63. Uma ou mais camadas condutoras são então formadas no substrato e preenchem as vias 51. A porção superior da camada condutora é, então, removida, tipicamente utilizando um processo de aplanação para remover toda a camada condutora excepto a que se formou nas vias 34 51, e expor uma superfície superior da primeira matriz de isolamento 55.

Outra camada condutora é então formada na primeira matriz de isolamento 55. A camada condutora é padronizada, em seguida, gravada de modo a formar linhas de detecção 49 que decorrem de modo perpendicular às linhas de palavras e que contactam com a camada condutora na via 51. Uma segunda matriz de isolamento 50 é então formada sobre a estrutura. De um modo semelhante ao descrito em cima em relação às vias 51, as vias 41 são formadas na primeira matriz de isolamento e a segunda matriz de isolamento para entrar em contacto com a superfície de cada região de fonte 61.

Fazendo agora referência às Figuras 11E e 11F, uma camada condutora é formada sobre o substrato. A camada condutora é depois padronizada e gravada de modo a formar as vias de contacto 41 dos eléctrodos inferiores 39.

As MTJs 37 são, então, fabricadas de acordo com as seguintes etapas. A camada de tampão 89 e a camada de ancoragem antiferromagnética 87 são depositadas em série. A magnetização da camada de ancoragem 87 é regulada por aquecimento da mesma e aplicação nela de um campo magnético externo, que é mantido à medida que a camada de ancoragem 87 arrefece. A primeira sub-camada ferromagnética 91, a camada de acoplamento antiferromagnética 95 e a segunda sub-camada ferromagnética 93 são, então, depositadas em série sobre a camada de ancoragem 87. O material de barreira é, então, depositado. Isto pode ser conseguido por meio de deposição catódica r-f do material, ou 35 deposição de magnésio e então oxidação de magnésio por um processo tal como a oxidação de plasma. A camada livre ferromagnética 83 é então depositada. A camada de cobertura 82 é depositada sobre a camada livre ferromagnética 83. 0 empilhamento resultante é, então, padronizado em células para formar as MTJs 37. A padronização pode ser realizada por deposição de uma camada de material fotossensivel sobre a camada de cobertura de protecção, utilizando fotolitografia para padronizar a fotoprotecção, e removendo o material não protegido

Fazendo agora referência às Figuras 11G e 11H, uma terceira matriz de isolamento 123 é depois formada sobre a superfície superior do substrato, compreendendo a MTJ 37. A terceira matriz de isolamento 123 é padronizada para formar orifícios de contacto de uma linha de bits 125 que expõe as superfícies das camadas de cobertura 82. Uma camada condutora é, então, formada sobre o substrato e nos orifícios de contacto na linha de bits 125. A camada condutora é então padronizada e gravada para formar linhas de bits 31 que cobrem os orifícios da linha de bits 125 e estão paralelas às linhas de detecção 49.

Uma quarta matriz de isolamento 35 é formada sobre a totalidade da superfície do substrato. Uma camada condutora é formada no substrato, e é subsequentemente padronizada e gravada para formar linhas de corrente auxiliar 33 por cima das e paralelas às linhas de bits 31.

No processo de fabrico descrito em cima, as camadas condutoras podem ser formadas utilizando um método bem conhecido na técnica, tal como a deposição química de vapor, a deposição 36 física de vapor, deposição química melhorada de vapor de plasme, ou deposição catódica.

Configuração do Dispositivo

Com referência às Figuras 12A a 12C, é mostrado um segundo exemplo de uma série de memória. A série de memória é uma MRAM.

Fazendo referência em particular à Figura 12A, uma pluralidade de linhas de bits 201 está disposta numa primeira direcção, aqui definida como eixo x. As linhas de bits 201 definem uma primeira dimensão da série, neste exemplo, linhas de série. Uma linha de corrente auxiliar 203 sobrepõe-se a cada linha de bits 201, e está electricamente isolada da respectiva linha de bits 201 por uma matriz de isolamento 205. É proporcionada uma pluralidade de MTJs 207. As MTJs 207 têm a mesma estrutura que a MTJs 37 descrita em cima em relação ao primeiro exemplo. As MTJs 207 estão dispostas com o eixo simples magnético, paralelamente às linhas de bits 201, isto é, paralelamente ao eixo x.

Fazendo referência em particular à Figura 12B, cada MTJ 207 está ligada ao lado de baixo de uma linha de bits 201. Assim, as MTJs 207 estão electricamente isoladas das linhas de corrente auxiliar 203.

Fazendo referência em particular à Figura 12A, cada MTJ é ligada a um eléctrodo inferior 209. O eléctrodo inferior 209 é um rectângulo no plano x-y, tendo lados longos e curtos. Os lados longo e curto do eléctrodo inferior 209 são aproximadamente do mesmo tamanho que os eixos longo e curto do MTJ 207. 37

Fazendo referência em particular à Figura 12B, uma via 211 liga cada eléctrodo inferior 209 a uma região activa 213 num substrato 215.

As regiões activas 213 estão electricamente isoladas umas das outras no substrato 215 por regiões STI 216.

Fazendo referência em particular à Figura 12B, uma linha de detecção 217 decorre por baixo de cada linha de bits. A linha de detecção 217 não entra em contacto com as linhas de bits 201, com as MTJs ou eléctrodos inferiores 209. Uma via 219 liga a linha de detecção 217 à região activa 213.

Fazendo referência em particular à Figura 12A, cada linha de detecção 217 urde-se de lado a lado, em torno de um eixo longitudinal. O eixo longitudinal está paralelo ao eixo x. Cada região activa 213 também é urdida de lado a lado, em torno de um eixo longitudinal que está paralelo ao eixo x. O passo da urdidura da linha de detecção 217 é o mesmo que o passo da urdidura da região activa 213. As urdiduras estão a 180° fora de fase, de tal modo que a urdidura da linha de detecção 217 e a urdidura da camada activa 213 coincidem em e são contactadas por vias 219.

Quando a linha de detecção 217 e a camada activa 213 estão mais afastadas uma da outra, são proporcionadas as vias 211, que ligam os eléctrodos inferiores 209 à região activa 213. Por isso, a linha de detecção 217 está afastada das vias 211, que ligam o eléctrodo inferior 209 para a região activa 213.

Fazendo referência em particular à Figura 12C, uma pluralidade de linhas de palavras 221 é fornecida no substrato 215 e está isolada daquele por um óxido de portal 221a. As 38 linhas de palavras 221 são perpendiculares às linhas de bits 201 As linhas de palavras 221 estão dispostas numa segunda direcção, aqui definida como eixo y. As linhas de palavras 221 estão isoladas das linhas de detecção por uma matriz de isolamento 223 Cada linha de palavras 221 é proporcionada entre as vias 219 que ligam a linha de detecção 217 à região activa 213 e as vias 211 que ligam o eléctrodo inferior 209 à região activa 213.

As linhas de palavras 221 definem uma segunda dimensão da série, neste exemplo, as colunas da série. Duas linhas de palavras 221 são proporcionadas para cada MTJ 207.

Portanto, cada coluna da série é definida pelas duas linhas de palavras 221 em cada lado de uma coluna das MTJs 207.

Fazendo referência em particular à Figura 12C, uma região de fonte 227 é proporcionada na região activa 213, por baixo de cada via 211 que liga o eléctrodo inferior 209 à região activa 213. Uma região de drenagem 229 é proporcionada na região activa 213, por baixo de cada via 219, que liga a linha de detecção 217 à região activa 213. A condução entre cada região de fonte 227 e a região de drenagem 229 ocorre através da linha de palavras 221 entre as referidas regiões. Por isso, a referida linha de palavras 221 serve como portal 231 de um transístor de isolamento 233.

Dois transístores 233 são proporcionados para cada MTJ 207, por conseguinte, cada célula de memória 235 é definida por uma MTJ 207 e dois transístores 233. A região de drenagem 229 de cada transístor 233 é partilhada entre células de memória vizinhas 235. A área de cada célula de memória 235 é 8F2. A dimensão característica F da série de memória está entre 50 nm e 100 nm. 39

Com referência à Figura 13, são mostrados os circuitos de controlo para a série de memória.

Um accionador de escrita 236 e um amplificador de detecção 237 são proporcionados para cada linha da série de memória. Cada linha de bits 201 está ligada a uma primeira saida 238 do respectivo accionador de escrita 236. Cada linha de detecção 217 está ligada a uma segunda saida 239 do respectivo accionador de escrita 237. Cada linha de bits 201 está também ligada a um primeiro portal de entrada/saida 240 do respectivo amplificador de detecção 237.

Uma ligação 241 é proporcionada entre uma segunda saida do amplificador de detecção 237 e uma primeira entrada do respectivo accionador de escrita 236. O accionador de escrita 236 tem uma segunda entrada 242 para aplicação de uma tensão de controlo do amplificador de escrita (WAE). O amplificador de detecção 237 tem uma segunda entrada 243 para aplicar uma tensão de controlo do amplificador de detecção (SAE). O amplificador de detecção 237 tem um terceiro portal de entrada/saida 244 para aplicar uma tensão de entrada/saida do amplificador de detecção (SAIO).

Um accionador auxiliar 246 é proporcionado para cada linha da série. Cada accionador auxiliar 246 tem uma primeira entrada ligada a uma linha de corrente auxiliar 203. É proporcionado um único accionador de linha de palavras 245. Cada linha de palavras 221 está ligada a uma saida respectiva do controlador de linha de palavras 245. 40

Cada MTJ 207 liga uma linha de bits 201 à linha de detecção 217 na mesma linha, através de um de dois transístores de isolamento 233, de cada lado da MTJ 207. A base de cada transístor de isolamento 233 está ligada a uma única linha de palavras 221. A corrente irá fluir através da MTJ 207 quando uma polarização for aplicada a ambas as linhas de palavras 221, que definem a coluna da célula de memória 235, e uma polarização for aplicada à linha de bits 201 ou linha de detecção 203, que define a linha da MTJ 207. Deste modo, cada MTJ 207 é endereçável por duas linhas de palavras 221 e uma única linha de bits 201 ou linha de detecção 217. O endereçamento de cada MTJ 207 por duas linhas de palavras 221 reduz a corrente ao longo dos transístores de isolamento 233 Isto pode ser vantajoso porque a corrente máxima de passagem dos transístores de isolamento 233 coloca um limite superior na corrente que pode ser utilizada em comutação STT.

Funcionamento do Dispositivo A leitura e escrita da célula de memória mostrada nas

Figuras 12A a 12C são as mesmas que as descritas anteriormente com relação à célula de memória mostrada nas Figuras 3A para 3D.

Fabrico do Dispositivo

As etapas do processo de fabrico para a célula de memória mostrada nas Figuras 12A a 12C são as mesmas as descritas anteriormente com relação à célula de memória mostrada nas

Figuras 3A a 3D. 41

Estrutura Alternativa da MTJ

Fazendo referência à Figura 14, é mostrada uma secção transversal de uma MTJ 247 alternativa, tomada através do plano x-z. A MTJ 247 pode ser utilizada em vez da MTJ 37 no primeiro exemplo, ou MTJ 207 no segundo exemplo. A MTJ 247 compreende uma sequência de camadas, incluindo uma camada livre 249, uma camada de barreira de túnel 251, e uma camada fixa 253. Neste exemplo, a camada de livre está mais afastada do substrato e a camada de ancoragem está mais próxima do substrato. A camada livre 249 compreende um material ferromagnético. A camada livre 249 tem uma força coerciva relativamente baixa, de modo que pode ser comutada por aplicação de uma corrente de comutação ou de campo magnético. A camada de barreira de túnel 251 é formada por um material de isolamento, tal como óxido de magnésio (MgO), e é suficientemente fina para que os electrões possam fluir através dela. A camada fixa 253 compreende um material ferromagnético. A camada fixa 253 é mais espessa do que a camada de livre 249. Isto proporciona-lhe uma coercibilidade superior do que a camada livre 249. Por conseguinte, a camada livre 249 é capaz de comutar aquando da aplicação da corrente de comutação e campo magnético auxiliar, e a camada fixa 253 não é capaz de comutar aquando da aplicação da corrente de comutação campo magnético auxiliar.

Com referência à Figura 15, é mostrada uma secção transversal no plano x-z de uma outra MTJ alternativa 255. A MTJ 42 255 pode também ser utilizada em vez da MTJ 37 no primeiro exemplo, ou MTJ 207 no segundo exemplo. A MTJ 255 compreende uma sequência de camadas, incluindo uma camada livre 25 7, uma camada de barreira de túnel 259, uma camada fixa 261 e uma camada de ancoragem 263. Neste exemplo, a camada livre está mais afastada do substrato e a camada de ancoragem está mais próxima do substrato. A camada livre 257 compreende um material ferromagnético. A camada livre 257 tem uma força coerciva relativamente baixa, de modo que pode ser comutada por aplicação de uma corrente de comutação ou de campo magnético. A camada de barreira de túnel 259 é formada por um material de isolamento, tal como óxido de magnésio (MgO), e é suficientemente fina para que os electrões possam fluir através dela. A camada fixa 261 compreende um material ferromagnético. A camada fixa 261 tem uma força coerciva relativamente alta, de modo que não é comutada na aplicação de uma corrente de comutação ou de campo magnético. A camada de ancoragem 263 compreende um material antiferromagnético. A camada de ancoragem 263 produz um efeito giroscópico na magnetização da camada fixa 261, para evitar que a magnetização da camada fixa 261 comute na aplicação de um campo magnético ou de uma corrente de comutação.

As MTJs alternativas 247, 255 têm a vantagem de uma estrutura mais simples do que a MTJ 37 utilizada no primeiro exemplo e a MTJ 207 utilizada no segundo exemplo. Portanto, as MTJs alternativas 247, 255 são mais simples de fabricar. No 43 entanto, as mtjs alternativas 247, 255 não exibem uma razão de magnetoresistência tão elevada quanto a exibida pelas MTJ 37 e MTJ 207.

Comutação Melhorada

Como explicado anteriormente, um campo magnético auxiliar Ha pode ser utilizado para baixar a corrente IMtj necessária para comutar a magnetização Mi (Figuras 9A & 9B) na camada livre 83 (Figuras 9A & 9B). A corrente de comutação IMTJ pode ser ainda mais reduzida se campo auxiliar HA (Figuras 9A & 9B) estiver activado ao mesmo tempo, ou imediatamente antes (por exemplo, não mais do que cerca de 5 ns) de a corrente de comutação ser activada. Como irá ser explicado em maior detalhe mais à frente, mesmo para uma campos auxiliares modestos (por exemplo, 80 Oe ou mais), se a corrente for activada suficientemente cedo, logo após o campo auxiliar ser comutado, então a corrente de comutação ser reduzida abaixo da corrente limiar DC, ic0.

Na descrição seguinte, é descrita a comutação de paralelo para antiparalelo (P para AP) . No entanto, deve ser entendido que a seguinte descrição se aplica também à comutação de antiparalelo para paralelo (AP para P).

Com referência à Figura 16, depois de o campo auxiliar HA ser ligado, a magnetização Mi da camada livre começa a precessão em volta de um eixo 265, que é inclinado em relação ao eixo simples 26 7 a um ângulo θ0, em que θ0 = arcsin (HA /HK) e HA é o campo auxiliar (ou um componente do campo ao longo do eixo rigido) e HK é a anisotropia de campo magnético da camada livre 83. 44

Durante um período inicial em que a magnetização Mi faz as suas primeiras voltas, o ângulo Θ entre a magnetização Mi e o eixo simples 267 da camada livre atinge cerca de 2Θ0. Contudo, o movimento da magnetização Μχ é amortizado até se tornar alinhado com o eixo 265. 0 período de precessão de tpreGess pode ser observado usando: 1 pneus = Vfp- = ^ΗΑ(ΗΑ+Μ,/μ0) 2jí (4) em que g é a constante giromagnética (2,2xl05 m A_1s_1), HA é um campo externo (isto é, campo auxiliar), Ms é uma magnetização de saturação e μ0 é a permeabilidade no espaço livre. Neste exemplo, 'press é cerca de 250 ps O tempo de amortecimento tdamp pode ser observado usando: (5) Λ»· / 2%af em que α é uma constante de amortecimento e / é a frequência de precessão causada pela activação do campo magnético (isto é, / = /precess) · Neste exemplo, a ~ 0,01 e tdamp ~ 4 ns. A constante α do amortecimento Landau-Lifshitz-Gilbert (normalmente referida apenas como "constante de amortecimento") pode ser determinada através de ensaios de rotina. Por exemplo, uma curva de ressonância de susceptibilidade magnética pode ser obtida para uma amostra de material que forma a camada livre pela excitação da amostra, usando microondas ao aplicar um campo magnético e medição (por exemplo, transmitida ou reflectida) da intensidade das microondas. Para um campo fixo, se a frequência for dispersa, então uma ressonância pode ser observada com um máximo na frequência de o0 e uma largura total a metade do máximo (FWHM) de Δω e a constante de amortecimento é observada 45 utilizando α= Δω/2ω0. Adicionalmente, ou em alternativa, para uma frequência fixa, se campo magnético for disperso, então uma ressonância pode ser observada com um máximo na frequência de H0 e uma largura total a metade do máximo (FWHM) de ΔΗ e a constante de amortecimento é observada utilizando a= ΔΗ.γ/2ω0, em que ω0 é a frequência de ressonância (determinada previamente) e γ é a constante giromagnética.

Um binário de transferência de efeito giroscópico aumenta com Θ e tem um máximo em Θ = 90°. Assim, o binário de transferência de efeito giroscópico é grande durante o período inicial, depois de o campo auxiliar HA ser activado. Portanto, se a corrente de comutação STT estiver activada durante este período inicial, antes do movimento de precessão da magnetização Mi ter sido amortecido (isto é At< tdamp), de preferência de modo a que a corrente de comutação STT tenha deixado de aumentar, antes do fim do período inicial, então o binário de transferência de efeito giroscópico pode ser muito eficaz.

Durante o processo de comutação STT (isto é, depois de a corrente de comutação STT ter deixado de aumentar), a corrente auxiliar lA é desactivada para ajudar a estabilizar o movimento da magnetização Μχ, após a comutação STT. Depois de terminado o processo de comutação STT, a corrente de comutação STT é também desactivada.

Tipicamente, a corrente de comutação STT e a sua distribuição pode ser reduzida abaixo de metade da distribuição observada quando o campo magnético auxiliar HA não é utilizado.

Assim, um processo de escrita pode ser empregue com frequência de programação de 100 MHz e tWi = tW3 = 1 ns, tW2 = 0, tw4 = 3 ns, tW6 = 9 ns, tw7 = 10 ns. Preferivelmente, 0^ tw2< tw3<5 nS (OU tdamp) · 46

Será apreciado que o intervalo de tempo At para conseguir a comutação de precessão aumentada pode ser inferior ou superior a 5 ns dependendo dos valores para tpreCess e tdamp e que o intervalo de tempo é aproximadamente igual ao tempo de amortecimento, isto é At ~ tdamp>tprecess · O intervalo de tempo At entre a activação da corrente auxiliar e da corrente de comutação pode ser definido utilizando as bases (por exemplo, pode ser definido como 10% do valor máximo) ou ressaltos (por exemplo, pode ser definido como 90% do valor máximo) das correntes auxiliares e de comutação. Tal como mostrado nas Figuras 8A e 8B, nesta forma de realização, as bases das correntes auxiliar e de comutação são utilizadas para definir o intervalo de tempo At.

Deverá ser entendido que, para a comutação de AP para P, a direcção da corrente é invertida.

Com referência à Figura 17, são mostrados traçado gráficos da corrente minima simulada necessária para a comutação de paralelo para antiparalelo para diferentes campos auxiliares (HA = 0,40,60,80 e 120 Oe), quando a corrente é aplicada enquanto a magnetização da camada livre está ainda em processamento (isto é, para At< tdamP) em zero absoluto.

Tal como mostrado na Figura 17, a corrente requerida Ipusie para a comutação diminui à medida que o campo auxiliar ha aumenta. A Ipusie necessária no HA = 120 Oe é de cerca de metade da

corrente DC e é independente da duração de impulso xp (Figuras 8A 6 8B). Os resultados apresentados na Figura 17 indicam que a pequena aproximação de amplitude utilizada para derivar a equação 1, mencionada em cima, não está disponível para a comutação STT sob estas condições (isto é At< tdamp) . 47

Com referência à Figura 18, são mostrados traçado gráficos ilustrando a corrente requerida para a comutação de paralelo para antiparalelo num caso em que a corrente de comutação é aplicada enquanto magnetização da camada livre ainda está em processamento (isto é At< tdamp) e num caso em que a corrente de comutação é aplicada assim que a magnetização tiver estabilizado (isto é, At» tdamp) .

Tal como mostrado na Figura 18, se a corrente de comutação for activada logo após a auxiliar ser activada (isto é, At é "pequena", por outras palavras, At< tdamp), então a corrente necessária para comutar a magnetização pode ser reduzida em comparação com o caso em que existe um maior atraso entre a activação da corrente de comutação e a corrente auxiliar (isto é, At é "grande", por outras palavras, At>> tdamp)

Neste exemplo, o campo de anisotropia da camada livre HK é cerca de 800 Oe. Com base num campo auxiliar HA que seja cerca de um décimo do campo de anisotropia HK, uma corrente auxiliar iA de algumas centenas de μΑ pode gerar um campo auxiliar HA de cerca de cem Oe, o que é suficientemente grande para reduzir a corrente de comutação abaixo de Ic0.

Utilizando um processo de escrita, no qual a corrente de comutação é activada logo após a activação do campo auxiliar, pode ajudar a reduzir ainda mais o consumo de energia na MRAM. O processo também ajuda a reduzir a distribuição de probabilidade de comutação no regime de nanossegundos. Uma causa de distribuição de probabilidade intrínseca na corrente de comutação é a distribuição da direcção de magnetização inicial da camada livre, devido à flutuação térmica. O campo magnético auxiliar ajuda a fixar a direcção da magnetização da camada 48 livre. Portanto, pela utilização de um impulso de campo magnético auxiliar, a distribuição da corrente de comutação pode ser reduzida. Isto pode ajudar a alargar a margem de corrente de escrita nas MRAMs.

Preferivelmente, os tempos ascendentes (e.g. tWi e tW3-tw2) deverão ser tão curtos quanto possível, por exemplo algumas centenas de pico-segundos, ou menos.

Num outro exemplo (não mostrado), a MTJ é proporcionada com uma camada ferromagnética adicional que se sobrepõe à camada livre. A camada ferromagnética adicional está separada da camada ferromagnética por um condutor não magnético. A camada ferromagnética adicional pode aumentar a proporção de electrões polarizados por efeito giroscópico injectados na camada livre, quando a corrente flúi a partir da camada fixa para a camada livre.

Ainda num outro exemplo (não mostrado), uma válvula de efeito giroscópico é proporcionada em vez de uma MTJ. A válvula de efeito giroscópico compreende uma sequência de camadas, incluindo uma camada ferromagnética livre e uma camada fixa ferromagnética, separadas por um condutor não-magnético.

Será apreciado que podem ser feitas muitas modificações às formas de realização descritas em cima. Por exemplo, a resistência e a largura do impulso de corrente auxiliar podem ser ajustadas consoante as propriedades magnéticas da camada livre. Além disso, a orientação das MTJs em relação à linha de bits e linha de detecção pode ser variada. No entanto, a linha de corrente auxiliar deve estar paralela ao eixo simples magnético das MTJs.

Lisboa, 1 de Abril de 2011. 49

Claims (11)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Método de funcionamento de um dispositivo de memória magnética, a memória magnética compreendendo um primeiro (31; 201) e um segundo (49;217) condutores, uma estrutura de múltiplas camadas magnetoresistiva (37; 207; 247; 255) disposta entre os referidos condutores, a referida estrutura de múltiplas camadas apresentando um primeiro estado de resistência relativamente elevada e um segundo estado de resistência relativamente baixa, a referida estrutura de múltiplas camadas incluindo uma camada ferromagnética (83; 249; 257), que tem um eixo rígido magnético e um eixo simples magnético, e a referida estrutura de múltiplas camadas sendo comutável entre os referidos primeiro e segundo estados, e uma fonte de campo magnético (33; 203) para a aplicação controlada de um campo magnético ao longo do eixo rígido magnético na camada ferromagnética, independentemente do fluxo da corrente através da estrutura de múltiplas camadas para ajudar a comutação da estrutura de múltiplas camadas, entre o primeiro e segundo estados, o referido método compreendendo: a activação do campo magnético ao longo do eixo rígido magnético na camada ferromagnética, usando a fonte de campo magnético; e caracterizado por activar uma corrente ao longo da estrutura de múltiplas camadas de magnetoresistência numa gama de 0 a 5 ns, após a activação do campo magnético, desse modo fazendo com que a estrutura de múltiplas camadas comute entre o primeiro e segundo estados. 1
2. 2. Método de funcionamento de um dispositivo de memória magnética, de acordo com a reivindicação 1, em que a activação da corrente ao longo da estrutura de múltiplas camadas de magnetoresistência ocorra dentro de um tempo At, de tal modo que At<tdamP/ em que: 1

   em que a é uma constante de amortecimento de Gilbert e f é uma frequência de precessão causada pela activação no campo magnético.
3. 3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2 compreendendo: a activação de uma corrente ao longo da estrutura de múltiplas camadas de magnetoresistência numa gama de 0 a 3 ns, após a activação do campo magnético.
4. 4. Método de acordo com a reivindicação 1, 2, ou 3 compreendendo: a activação de uma corrente ao longo da estrutura de múltiplas camadas de magnetoresistência numa gama de 0 a 2 ns, após a activação do campo magnético.
5. 5. Método de funcionamento de um dispositivo de memória magnética de acordo com a reivindicação 1, compreendendo ainda: a remoção do referido campo magnético; e a remoção da referida corrente.
6. 6. Método de acordo com a reivindicação 4, em que a aplicação do campo magnético ocorre pelo menos lns antes da activação da corrente. 2
7. 7. Método de acordo com a reivindicação 4 ou reivindicação 5, em que a remoção do campo magnético ocorre antes da remoção da corrente.
8. 8. Método de acordo com a reivindicação 6, em que: a activação da corrente ocorre 2ns depois da aplicação do campo magnético; a remoção do campo magnético ocorre 3 ns depois da aplicação do campo magnético; e a remoção da referida corrente ocorre 6 ns depois da aplicação do campo magnético.
9. 9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, em que a magnitude do campo magnético aplicado na camada ferromagnética (83; 249; 257) corresponde a 0,1 a 0,2 de uma anisotropia de campo magnético da camada ferromagnética.
10. 10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo: a comutação usando apenas o campo magnético aplicado pela fonte de campo magnético e corrente.
11. 11. Uma memória compreendendo: um dispositivo de memória magnética compreendendo: primeiro (31; 201) e segundos (49; 217) condutores; uma estrutura de múltiplas camadas magnetoresistiva (37; 207; 247; 255) disposta entre os referidos condutores, a referida estrutura de múltiplas camadas apresentando um primeiro estado de resistência relativamente elevada e um segundo estado de resistência relativamente baixa, a referida estrutura de múltiplas camadas incluindo uma camada ferromagnética, que tem um eixo rigido magnético e um eixo simples magnético; 3 uma fonte de campo magnético (33; 203) para a aplicação controlada de um campo magnético ao longo do eixo rígido magnético na camada ferromagnética, independentemente do fluxo da corrente através da estrutura de múltiplas camadas para ajudar a comutação da estrutura de múltiplas camadas, entre o primeiro e segundo estados; e circuitos para controlar o dispositivo de memória magnética, sendo os referidos circuitos configurados para executar um método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9. Lisboa, 1 de Abril de 2011. 4