RU2066484C1 - Запоминающий элемент на спин-вентильном магниторезистивном эффекте - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к магнитным запоминающим устройствам с произвольной выборкой информации. Сущность: запоминающий элемент снабжен двумя низкорезистивными проводниками, например, из меди, расположенными соответственно между трехслойной полоской и первым защитным слоем и трехслойной полоской и вторым изолирующим слоем и разделенными между собой на участке, свободном от трехслойной полоски, третьим изолирующим слоем, причем тонкопленочные магниторезистивные слои имеют разные величины поля магнитной анизотропии и отношение большего поля магнитной анизотропии к меньшему составляет не менее четырех. 3 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным запоминающим устройствам с произвольной выборкой информации.

Известна магниторезистивная ячейка памяти (см. Патент США N 4751677, М. кл. ⁵ G 11 C 11/150), использующая анизотропный магниторезистивный (АМР) эффект, на основе двуслойных магнитных пленок FeNiCo с полупроводниковыми схемами управления на одной подложке. К недостаткам ячеек памяти на АМР-эффекте следует отнести невысокую величину эффекта, равную (2-3)% и, как следствие этого, достаточно высокие требования к технологии изготовления для получения приемлемого сигнала считывания.

Известен (см. A. V. Pohm, C. S. Comstock. Memory implications of the spin-value effect in soft multilayers. J. Appl. Phys. 69(8), 1991, p.p. 5760-5762) запоминающий элемент на спин-вентильном магниторезистивном (СВМР) эффекте, принятый нами в качестве прототипа предлагаемого технического решения, выполненный в виде одной многослойной полоски с основной частью из двух магниторезистивных пленок Fe₁₅Ni₆₅Co₂₀, разделенных слоем меди, которая в режиме считывания включается в схему моста. При СВМР-эффекте изменение сопротивления зависит от угла между векторами намагниченности соседних магнитных пленок, разделенных слоем меди. Величина СВМР-эффекта на образцах с пленками из Fe₁₅Ni₆₅Co₂₀ достигает (5,5-7,5)% при толщинах магнитных пленок около 8 нм и толщине медной прослойки 5 нм. Однако для использования СВМР-эффекта необходимо, чтобы перемагничивалась только одна магнитная пленка. Для этого увеличивают коэрцитивную силу одной из пленок за счет обменного взаимодействия с дополнительной магнитной пленкой, например FeMn пленкой. В упомянутом выше запоминающем элементе используются две пленки FeNiCo, и в его описании не оговорен способ получения этих пленок с различными величинами магнитной анизотропии или коэрцитивной силы. Другим недостатком известного решения является уменьшение наблюдаемого СВМР-эффекта из-за шунтирующего влияния медной пленки, т.к. ток в полоске проходит параллельно по двум магниторезистивным и медной пленкам, а сопротивление медной пленки неизменно и мало по сравнению с сопротивлением магнитных пленок.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей запоминающего элемента и упрощение технологии его изготовления.

Технический результат достигается тем, что запоминающий элемент на спин-вентильном магниторезистивном эффекте, содержащий кремниевую подложку, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой, первый защитный слой, трехслойная полоска с заостренными концами, состоящая из двух расположенных параллельно подложке тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания, направленной вдоль полоски, и расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, а поверх трехслойной полоски расположен второй изолирующий слой, на котором сформированы проводниковый и второй защитный слои, дополнительно снабжен двумя низкорезистивными проводниками, например из меди, расположенными соответственно между трехслойной полоской и первым защитным слоем и трехслойной полоской и вторым изолирующим слоем и разделенными между собой на участке, свободном от трехслойной полоски, третьим изолирующим слоем, причем тонкопленочные магниторезистивные слои трехслойной полоски имеют разные величины поля магнитной анизотропии. При этом отношение большего поля магнитной анизотропии к меньшему составляет не менее четырех.

Существенными отличительными признаками в приведенной выше совокупности являются наличие двух низкорезистивных проводников, расположенных с обеих сторон трехслойной полоски и разделенных дополнительным изолирующим слоем, и выполнение тонкопленочных магниторезистивных слоев с различными величинами поля магнитной анизотропии.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемая структура обеспечивает протекание тока перпендикулярно поверхностям слоев элемента, а не вдоль них, как в известном устройстве, и, таким образом, тонкопленочный слой меди между магниторезистивными слоями в трехслойной полоске оказывается включенным последовательно им, а не параллельно, что устраняет шунтирующее влияние слоя меди и увеличивает наблюдаемый СВМРэффект, что, в свою очередь, приводит к резкому увеличению сигнала считывания. Использование магниторезистивных слоев с различными величинами поля магнитной анизотропии устраняет необходимость использования дополнительной пленки FeMn для увеличения коэрцитивной силы одной из магнитных пленок за счет обменного взаимодействия.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структура запоминающего элемента на СВМР-эффекте в разрезе, на фиг. 2 запоминающие элементы, включенные в схему моста, вид сверху, а на фиг. 3 схема включения элемента в триггер.

Запоминающий элемент на СВМР-эффекте содержит (фиг. 1) кремниевую подложку 1, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой 2, первый защитный слой 3, первый низкорезистивный проводник 4, третий изолирующий диэлектрический слой 5, трехслойная полоска с заостренными концами, состоящая из двух слоев магниторезистивных магнитных пленок 6, 7 и слоя меди 8. Поверх трехслойной полоски расположен второй низкорезистивный проводник 9. Выше последовательно расположены второй изолирующий слой 10, проводниковый слой 11 и второй защитный слой 12.

При считывании в мостовой схеме используются четыре магниторезистивных запоминающих элемента 13-16 (фиг. 2), а при использовании триггерной схемы полоски 17, 18 с проводниками 19, 20 подключены к триггеру из транзисторов 21, 22 с ключами 23-26 (фиг. 3).

Работа запоминающего элемента происходит следующим образом. При отсутствии тока через трехслойную полоску (сенсорного тока) и тока через проводник 11 намагниченность в двух магнитных пленках расположена либо антипараллельно друг другу при записанном в запоминающий элемент "0", либо параллельно друг другу при записанной "1". Наличие двух низкорезистивных проводников 4, 9 приводит к тому, что сенсорный ток будет протекать перпендикулярно через трехслойную полоску, а не вдоль нее, как было в предыдущих структурах, в которых контактные площадки были на заостренных концах полоски. Таким образом, ток проходит последовательно через две магниторезистивные и медную пленку, а не параллельно.

Введем понятия величина физического СВМР-эффекта, характеризуемая величиной

, и величина наблюдаемого СВМР-эффекта, характеризуемая величиной (Δρ/ρ)_наб. Под физическим СВМР-эффектом будем понимать величину эффекта, присущего магниторезистивной полоске с сопротивлением R_м:
(Δρ/ρ)_физ= ΔR_м/R_м (1)
где ΔR_м максимальное изменение сопротивление полоски.

Под наблюдаемым СВМР-эффектом будем понимать величину измеряемого эффекта в конкретной структуре с сопротивлением R и максимальным изменением сопротивления ΔR:
(Δρ/ρ)_наб=(R(R_м+ΔR_м)-R(R_м))/R(R_м)= ΔR/R
В случае уже известного запоминающего элемента, как уже говорилось выше, две магнитные и медная пленки (R_Cu) включены параллельно и сопротивление данной структуры равно:
R(¹)(R_м)=R_мR_Cu / (R_м+2R_Cu) (2)
Изменение сопротивления равно:

Отсюда величина наблюдаемого СВМР-эффекта для известной структуры равна:

Обозначив через p=R_Cu/R_м и с учетом (1) получим:
(Δρ/ρ)_физ= (1+2p)(Δρ/ρ) $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(1)}}{\text{наб}}$ /[2p-(Δρ/ρ) $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(1)}}{\text{наб}}$ (4)
Для (Δρ/ρ) $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(1)}}{\text{наб}}$ = (5,5-7,5) % и p ≈ (0,2-0,25)
(Δρ/ρ)_физ= (23-33) %
В предлагаемом запоминающем элементе две магнитные и медная пленки включены последовательно и общее сопротивление R(²) элемента равно:
R(²)(R_м)=2R_м+R_Cu
Изменение сопротивления равно:

Отсюда

Окончательно:
(Δρ/ρ) $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(2)}}{\text{наб}}$ = 2(Δρ/ρ)_физ/(2+R_Cu/R_м) (4)
Таким образом, соотношение между величинами наблюдаемого СВМР-эффекта в предлагаемом и известном запоминающих элементах с учетом выражений (2)-(4) следующее:

Это приводит к тому, что для используемого отношения R_м/R_Cu=4-5 наблюдаемый СВМР-эффект возрастает с (5,5-7,5)% до (20-30)% Однако при таком направлении протекания сенсорного тока исчезает его влияние на перемагничивание магнитных пленок. Остается воздействие только тока через проводник 11, создающего магнитное поле вдоль оси легкого намагничивания (ОЛН). Поэтому в режиме записи подается импульс нужной для записи "0" или "1" полярности только в проводник 11. Из-за различия в величине поля магнитной анизотропии пленка с меньшей ее величиной перемагнитится первой, что и будет означать перезапись "0" в "1". При увеличении тока управления произойдет перемагничивание пленки с большим значением поля магнитной анизотропии, что будет означать обратное перемагничивание "1" в "0", а это недопустимо. Таким образом, при перезаписи "0" в "1" существует некоторый диапазон допустимых токов записи. При перезаписи "1" в "0" подается ток обратной полярности, который перемагничивает пленку с меньшей величиной поля магнитной анизотропии, пленку же с большей величиной поля магнитной анизотропии это поле не может перемагнитить. Ограничения на величину токов записи прежние.

Считывание информации возможно различными путями, например с помощью мостовой и триггерной схем. При считывании информации в мостовой схеме необходим усилитель считывания. Запоминающие элементы 13-16 (рис. 2) включаются в мостовую схему, причем в элементы 13, 15 записана "1", а в элементы 14, 16 "0", что можно принять за запись информации "1" в мост. Тогда информации "0" соответствуют противоположные состояния элементов 13-16. Определяется информация, считанная с моста, знаком сигнала считывания. В мостовую схему и проводники 11 подается импульс тока, причем в проводниках 11 элементов 13, 16 и 14, 15 импульсы токов имеют противоположную полярность. В результате действия магнитных полей, создаваемых токами в проводниках 11, во всех четырех элементах будет происходить отклонение векторов намагниченности от ОЛН, что приведет к уменьшению сопротивлений одной пары полосок и увеличению сопротивления другой пары элементов. В результате при считывании "0" будет считан положительный сигнал считывания, а при считывании "1" - отрицательный сигнал.

Возможен другой вариант построения ячейки памяти (фиг. 3) замена нижних плеч моста (14 и 15 на фиг. 2) транзисторами 21, 22, составляющими с трехслойными полосками 17 и 18 при наличии перекрестных положительных обратных связей симметричный триггер. Запись информации заключается, как и в предудыщем случае, в перемагничивании низкоанизотропного магниторезистивного слоя при действии импульса тока нужной полярности в проводники 19 и 20, причем в полоски записывается противоположная информация. Считывание происходит следующим образом. При подаче напряжения питания на триггер через ключи 24 и 26 триггер устанавливается в одно из двух возможных состояний, определяемое различием в величинах сопротивлений нагрузки, которыми являются трехслойные полоски 17 и 18. Напряжения с коллекторов транзисторов 21 и 22 через открытые на это время ключи 23 и 25 поступают для считывания информации. Достоинство такого варианта в большой величине сигнала считывания, упрощающей построение запоминающего устройства в целом.

Для создания высокой магнитной анизотропии можно использовать сплав Fe₁₅Ni₆₅Co₂₀, применяемый в магниторезистивных элементах и позволяющий получить величину поля магнитной анизотропии до 20 Э, а при увеличении содержания кобальта до 30% поле магнитной анизотропии достигает 40 Э, для создания слоя с малой величиной поля магнитной анизотропии можно использовать пермаллой Fe₂₀Ni₈₀, дающий величину поля магнитной анизотропии от 2 до 5 Э.

Таким образом, достоинством заявляемого запоминающего элемента на СВМР-эффекте является увеличение сигнала считывания, что позволяет применять новые схемы запоминающих ячеек и упрощение структуры, т.к. отпадает необходимость в дополнительной магнитной пленке, что ведет к увеличению плотности информации, уменьшению технологических трудностей изготовления элемента и понижению потребляемой мощности.

Claims (2)

1. Запоминающий элемент на спин-вентильном магниторезистивном эффекте, содержащий кремниевую подложку, на которой последовательно расположены первый изолирующий слой, первый защитный слой, трехслойная полоска с заостренными концами, состоящая из двух расположенных параллельно подложке тонкопленочных магниторезистивных слоев с осью легкого намагничивания, направленной вдоль полоски, и расположенного между ними тонкопленочного слоя меди, а поверх трехслойной полоски расположен второй изолирующий слой, на котором сформированы проводниковый и второй защитный слои, отличающийся тем, что он снабжен двумя низкорезистивными проводниками, например, из меди, расположенными соответственно между трехслойной полоской и первым защитным слоем и трехслойной полоской и вторым изолирующим слоем и разделенными между собой на участке, свободном от трехслойной полоски, третьим изолирующим слоем, причем тонкопленочные магниторезистивные слои имеют разные величины напряженности поля магнитной анизотропии.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что отношение большей величины напряженности поля магнитной анизотропии к меньшей не менее 4.

Images