RU2572464C2 - Ячейка магнитной оперативной памяти с двойным переходом для применений троичной ассоциативной памяти - Google Patents

Ячейка магнитной оперативной памяти с двойным переходом для применений троичной ассоциативной памяти Download PDF

Info

Publication number
RU2572464C2
RU2572464C2 RU2012111795/28A RU2012111795A RU2572464C2 RU 2572464 C2 RU2572464 C2 RU 2572464C2 RU 2012111795/28 A RU2012111795/28 A RU 2012111795/28A RU 2012111795 A RU2012111795 A RU 2012111795A RU 2572464 C2 RU2572464 C2 RU 2572464C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
temperature threshold
ferromagnet
magnetization
storage magnetization
Prior art date
Application number
RU2012111795/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012111795A (ru
Inventor
Бертран КАМБУ
Original Assignee
Крокус Текнолоджи Са
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Крокус Текнолоджи Са filed Critical Крокус Текнолоджи Са
Publication of RU2012111795A publication Critical patent/RU2012111795A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2572464C2 publication Critical patent/RU2572464C2/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
    • G11C11/5607—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using magnetic storage elements
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1673—Reading or sensing circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1675—Writing or programming circuits or methods
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C15/00—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores
    • G11C15/02—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores using magnetic elements
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C15/00—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores
    • G11C15/04—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores using semiconductor elements
    • G11C15/046—Digital stores in which information comprising one or more characteristic parts is written into the store and in which information is read-out by searching for one or more of these characteristic parts, i.e. associative or content-addressed stores using semiconductor elements using non-volatile storage elements
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

Использование: для использования в качестве троичной ассоциативной памяти. Сущность изобретения заключается в том, что ячейка магнитной оперативной памяти (MRAM) включает в себя первый туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика, имеющим свободную намагниченность, и первым слоем твердого ферромагнетика, имеющим первую намагниченность хранения; второй туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и вторым слоем твердого ферромагнетика, имеющим вторую намагниченность хранения; причем первая намагниченность хранения является свободно ориентируемой при первом высоком заранее определенном температурном пороге, и вторая намагниченность хранения является свободно ориентируемой при втором заранее определенном высоком температурном пороге; при этом первый высокий заранее определенный температурный порог выше второго заранее определенного высокого температурного порога. Технический результат: обеспечение возможности использования ячейки MRAM в качестве троичной ассоциативной памяти (TCAM) при уменьшенном размере ячейки. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Description

Область техники
Настоящее изобретение относится к ячейке магнитной оперативной памяти (MRAM) с двойным магнитным туннельным переходом для использования в качестве троичной ассоциативной памяти.
Уровень техники
TCAM (троичная ассоциативная память) - важный класс устройств памяти, широко используемый для сетей интернет. Эти элементы работают на сопоставлении входных данных с сохраненными адресными данными. Одним признаком таких элементов является то, что они требуют хранения трех отдельных состояний 1, 0 и "безразличное состояние". Стандартное исполнение такого устройства требует очень большого количества транзисторов для того, чтобы обеспечить такие функции, и это приводит к чрезвычайно большим размерам кристалла.
Типичное исполнение ячейки TCAM статической оперативной памяти (SRAM) состоит из троичной памяти, содержащей две ячейки SRAM, которые объединяют от десяти до двенадцати транзисторов. Оно также имеет логическую схему сравнения, которая, в основном, является логическим элементом исключающего ИЛИ-НЕ (XNOR), использующим четыре дополнительных проходных транзистора. Отсюда очень большие, от четырнадцати до шестнадцати транзисторов, размеры ячеек, отсюда же дорогостоящее устройство. Обычные ячейки TCAM часто представляют собой две стандартные ячейки SRAM с четырьмя или более транзисторами, сконструированными, чтобы выполнять функцию исключающего НЕ (EOR).
В отличие от интегральной схемы RAM (оперативной памяти), которая имеет простые ячейки хранения, каждый индивидуальный бит памяти в полностью параллельной TCAM имеет свою собственную связанную схему сравнения для того, чтобы обнаруживать соответствие между битом сохраненных данных и битом входных данных. Микросхемы TCAM, таким образом, значительно меньше по емкости запоминающего устройства, чем стандартные интегральные схемы памяти. Кроме того, выходные сигналы совпадения от каждой ячейки в слове данных могут быть объединены, чтобы получить полный сигнал совпадения слова данных. Связанная дополнительная схема дополнительно увеличивает физический размер микросхемы TCAM. Кроме того, CAM (ассоциативная память) и TCAM так, как они выполняются сегодня (с использованием элементов SRAM), в действительности энергозависимы, что означает, что данные теряются, когда питание отключается. В результате, каждая схема сравнения нуждается в том, чтобы быть активной в каждом периоде тактовых импульсов, что приводит к большому рассеянию мощности. С большой стоимостью, большой мощностью и с присущей ей энергозависимостью TCAM используется только в специализированных применениях, где скорость поиска не может быть достигнута использованием менее затратного метода.
Развивающаяся технология памяти и высокоскоростные поисково-емкие применения требуют троичной ассоциативной памяти с большими размерами слова, которые страдают из-за низких скоростей поиска в силу большой емкости ячейки.
Сущность изобретения
Настоящее описание относится к ячейке магнитной оперативной памяти (MRAM), включающей в себя слой мягкого ферромагнетика, имеющий намагниченность, которая может быть свободно ориентирована; первый слой твердого ферромагнетика, имеющий первую намагниченность хранения; первый туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и первым слоем твердого ферромагнетика; второй слой твердого ферромагнетика, имеющий вторую намагниченность хранения; и второй туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и вторым слоем твердого ферромагнетика; где первая намагниченность хранения может быть свободно ориентирована при первом высоком заранее определенном температурном пороге и вторая намагниченность хранения может быть свободно ориентирована при втором заранее определенном высоком температурном пороге; при этом первый высокий заранее определенный температурный порог выше второго заранее определенного высокого температурного порога.
В варианте осуществления изобретения магнитный элемент может дополнительно включать в себя первый антиферромагнитный слой, закрепляющий первую намагниченность хранения ниже первого высокого заранее определенного температурного порога, и второй антиферромагнитный слой, закрепляющий вторую намагниченность хранения ниже второго заранее определенного высокого температурного порога.
В другом варианте осуществления изобретения первый слой твердого ферромагнетика может иметь произведение сопротивление-площадь первого перехода и второй слой твердого ферромагнетика может иметь произведение сопротивление-площадь второго перехода, которое по существу равно произведению сопротивление-площадь первого перехода.
Настоящее описание также относится к способу записи в ячейку MRAM, включающему в себя:
нагрев магнитного элемента до температуры выше первого заранее определенного высокого температурного порога;
приложение магнитного поля записи в первом направлении так, чтобы сориентировать первую намагниченность хранения и вторую намагниченность хранения в соответствии с магнитным полем записи.
В варианте осуществления изобретения упомянутое магнитное поле записи может быть приложено в первом направлении для сохранения первых данных или во втором направлении для сохранения вторых данных.
В другом варианте осуществления изобретения способ может дополнительно включать в себя охлаждение магнитного элемента (2) ниже второго заранее определенного высокого температурного порога.
В еще одном варианте осуществления изобретения способ может дополнительно включать в себя:
охлаждение магнитного элемента до промежуточной температуры, заключенной ниже первого заранее определенного высокого температурного порога и выше второго заранее определенного высокого температурного порога;
приложение магнитного поля записи во втором направлении, противоположном первому направлению, так, чтобы сориентировать вторую намагниченность хранения во втором направлении вдоль магнитного поля записи для сохранения третьих данных; и
охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога.
Также описан способ считывания ячейки MRAM, включающий в себя:
измерение значения начального сопротивления магнитного элемента с сохраненными данными;
передачу первых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными; и
передачу вторых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными.
Ячейка MRAM, описанная здесь, может использоваться как троичная ассоциативная память. Ячейка MRAM может хранить три различных уровня состояния 1, 0 и "Х" (безразличное состояние) и может использоваться как устройство соответствия, позволяющее, таким образом, исполнение ячейки TCAM с существенно уменьшенным размером ячейки и ценой.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет понято лучше при помощи описания варианта осуществления, данного путем примера и проиллюстрированного чертежами, на которых:
Фиг.1 показывает вид ячейки магнитной оперативной памяти (MRAM), включающей в себя первый слой хранения, второй слой хранения и слой считывания согласно варианту осуществления изобретения; и
Фиг.2а-с иллюстрируют ориентацию намагниченности первого и второго слоя хранения и слоя считывания.
Подробное описание возможных вариантов осуществления
В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.1, ячейка 1 магнитной оперативной памяти (MRAM) включает в себя магнитный элемент 2, который выполнен из двойного магнитного туннельного перехода, включающего в себя первый туннельный барьерный слой 22, имеющий произведение RA1 сопротивление-площадь первого перехода, и первый слой твердого ферромагнетика, или первый слой 23 хранения, имеющий первую намагниченность 230 хранения. Магнитный элемент 2 дополнительно включает в себя второй туннельный барьерный слой 24, имеющий произведение RA2 сопротивление-площадь второго перехода, и второй слой твердого ферромагнетика, или второй слой 25 хранения, имеющий вторую намагниченность 250 хранения. Слой мягкого ферромагнетика, или слой 21 считывания, имеющий намагниченность 210 считывания, которая может быть свободно ориентирована, заключается между первым и вторым туннельным барьерным слоем 22, 24.
На примере Фиг.1 магнитный элемент 2 дополнительно включает в себя первый антиферромагнитный слой 20 и второй антиферромагнитный слой 26. Первый антиферромагнитный слой 20 приспособлен для обменного взаимодействия с первым слоем 23 хранения так, что первая намагниченность 230 хранения может быть свободно ориентирована при первом высоком температурном пороге Tw1 и закреплена ниже этой температуры. Второй антиферромагнитный слой 26 приспособлен для обменного взаимодействия со вторым слоем 25 хранения так, что вторая намагниченность 250 хранения может быть свободно ориентирована при втором высоком температурном пороге Tw2 и закреплена ниже этой температуры. В варианте осуществления изобретения первый заранее определенный высокий температурный порог Tw1 больше, чем второй заранее определенный высокий температурный порог Tw2.
На иллюстративном примере первый слой 23 хранения может быть выполнен из сплава на основе NiFe/CoFeB и первый антиферромагнитный слой 20 может быть выполнен из сплава на основе IrMn. Второй слой 25 хранения может быть выполнен из сплава на основе CoFeB/NiFe и второй антиферромагнитный слой 26 может быть выполнен из сплава на основе FeMn. Слой 21 считывания предпочтительно выполнен из сплава на основе CoFeB.
В варианте осуществления изобретения произведение RA1 сопротивление-площадь первого перехода по существу равно произведению RA2 сопротивление-площадь второго перехода. Первое туннельное магнитосопротивление TMR1 первого туннельного барьерного слоя 22, первого слоя 23 хранения и слоя 21 считывания будет тогда по существу таким же, как второе туннельное магнитосопротивление TMR2 второго туннельного барьерного слоя 24, второго слоя 25 хранения и слоя 21 считывания. Первый и второй туннельные барьерные слои 22, 24 предпочтительно выполнены из MgO, где оба произведения RA1, RA2 сопротивление-площадь первого и второго перехода, по существу, равны 20 Ом×мкм2.
Ячейка 1 MRAM может дополнительно включать в себя линию тока (не представлена) в электрическом взаимодействии с одним из концов магнитного элемента 2 и транзистор выбора (также не представлен) в электрическом взаимодействии с другим концом магнитного элемента 2.
В варианте осуществления изобретения ячейка 1 MRAM записывается с использованием термически выполняемой операции записи. В частности, передача первых данных записи ячейке 1 MRAM включает в себя следующие этапы:
нагрев магнитного элемента 2 до/при температуре выше первого заранее определенного высокого температурного порога Tw1 так, чтобы освободить первую и вторую намагниченности 230, 250 хранения;
приложение магнитного поля записи в первом направлении так, чтобы сориентировать как первую намагниченность 230 хранения, так и вторую намагниченность 250 хранения в первом направлении в соответствии с магнитным полем записи; и
охлаждение магнитного элемента 2 до температуры, которая ниже второго заранее определенного высокого температурного порога Tw2 так, чтобы первая и вторая намагниченность 230, 250 хранения закрепились в записанном состоянии с помощью первого и второго антиферромагнитного слоя 20, 26 соответственно.
После охлаждения и в отсутствие магнитного поля записи слой 21 считывания находится в равновесном состоянии и его намагниченность 210 считывания ориентирована антипараллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения. Первые сохраненные данные "0" таким образом соответствуют магнитному элементу 2, имеющему первый уровень состояния. Ориентация первой намагниченности 230 хранения, второй намагниченности 250 хранения и намагниченности 210 считывания показана на Фиг.2a-c. На Фиг.2a-c первый и второй антиферромагнитный слои 20, 26 не представлены. В частности, Фиг.2а представляет ориентацию намагниченностей 230, 250 хранения и намагниченности 210 считывания для первых сохраненных данных "0".
В другом варианте осуществления изобретения вторые данные для записи могут быть переданы на магнитный элемент 1 путем выполнения этапа нагрева, описанного выше. Магнитное поле записи затем прикладывается вдоль второго направления, которое противоположно первому направлению, так, чтобы сориентировать как первую намагниченность 230 хранения, так и вторую намагниченность 250 хранения во втором направлении. После охлаждения до температуры ниже второго заранее определенного высокого температурного порога Tw2 и в отсутствие магнитного поля записи (равновесие) намагниченность 210 считывания ориентирована антипараллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения. Вторые сохраненные данные "1" таким образом соответствуют магнитному элементу 2, имеющему второй уровень состояния (см. Фиг.2b).
В другом варианте осуществления изобретения передача третьих данных для записи выполняется следующим образом:
нагрев магнитного элемента 2 до/при температуре выше первого заранее определенного высокого температурного порога Tw1 так, чтобы освободить первую и вторую намагниченности 230, 250 хранения;
приложение магнитного поля записи в первом направлении так, чтобы сориентировать как первую намагниченность 230 хранения, так и вторую намагниченность 250 хранения в первом направлении в соответствии с магнитным полем записи;
охлаждение магнитного элемента 2 до/при промежуточной температуре, которая заключена ниже первого заранее определенного высокого температурного порога Tw1 и выше второго заранее определенного высокого температурного порога Tw2 так, чтобы закрепить первую намагниченность 230 хранения с помощью первого антиферромагнитного слоя 20 так, что вторая намагниченность 250 хранения может быть свободно ориентирована;
приложение магнитного поля записи во втором направлении противоположно первому направлению так, чтобы сориентировать вторую намагниченность 250 хранения во втором направлении вдоль магнитного поля записи; и
охлаждение магнитного элемента 2 до температуры, которая ниже второго заранее определенного высокого температурного порога Tw2 так, чтобы первая и вторая намагниченности 230, 250 хранения закрепились в записанном состоянии с помощью первого и второго антиферромагнитного слоя 20, 26 соответственно.
В этой последней конфигурации намагниченность 210 считывания может быть ориентирована либо в первом, либо во втором направлении, то есть параллельно или антипараллельно первой или второй намагниченности 230, 250 хранения. Третьи сохраненные данные "Х" таким образом соответствуют магнитному элементу 2, имеющему третий уровень промежуточного состояния (см. Фиг.2с).
Нагрев магнитного элемента 2 может быть выполнен путем пропускания тока нагрева (не показан) в магнитном элементе 2 через линию тока. Охлаждение магнитного элемента 2 до промежуточного температурного порога может, таким образом, быть выполнено уменьшением силы тока нагрева, и охлаждение магнитного элемента 2 до низкого температурного порога может быть достигнуто путем блокирования тока нагрева. Приложение магнитного поля записи может быть выполнено путем пропускания тока намагничивания (не показан) в линии тока.
Согласно варианту осуществления изобретения операция считывания записанной ячейки 1 MRAM включает в себя:
измерение значения начального сопротивления R0 магнитного элемента 2 с сохраненными данными;
передачу первых данных поиска "0" на слой 21 считывания и определение соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными; и
передачу вторых данных поиска "1" на слой 21 считывания и определение соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными;
Измерение значения начального сопротивления R0 выполняется путем пропускания тока считывания в магнитном элементе 2 в отсутствие внешнего магнитного поля (в нулевом поле). Передача первых и вторых данных поиска "0", "1" включает в себя приложение магнитного поля считывания в первом и втором направлении соответственно так, чтобы сориентировать намагниченность считывания 210 вдоль направления магнитного поля считывания. Определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными включает в себя измерение первого сопротивления R1 считывания и второго сопротивления R2 считывания путем пропускания тока считывания в магнитном элементе 2, когда магнитное поле приложено в первом и втором направлении соответственно.
Операция считывания, описанная здесь, - это основанная на обращении к себе самой операция считывания в том смысле, что сопротивление магнитного элемента 2 измеряется для первых и вторых сохраненных данных "0", "1" (первое и второе сопротивление считывания), и использование опорной ячейки не требуется. Такая основанная на обращении к себе самой операция считывания была также описана в Европейской патентной заявке ЕР2276034 настоящим заявителем. Более того, операция считывания, описанная здесь, включает в себя определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными, вместо просто считывания сохраненного значения "0" или "1", как в обычной операции считывания.
В случае первых сохраненных данных "0" начальное сопротивление R0 имеет высокое значение (Rmax1+Rmax2), которое определяется первым высоким сопротивлением (Rmax1) из-за антипараллельной ориентации намагниченности 210 считывания с первой намагниченностью 230 хранения и вторым высоким сопротивлением (Rmax2) из-за антипараллельной ориентации намагниченности 210 считывания со второй намагниченностью 250 хранения (см. Таблицу 1). Передача первых данных поиска "0" ориентирует намагниченность 210 считывания антипараллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения, и измеренное значение первого сопротивления R1 считывания высокое (Rmax1+Rmax2). Передача вторых данных поиска "1" ориентирует намагниченность 210 считывания параллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения, и измеренное значение второго сопротивления R2 считывания низкое (Rmin1+Rmin2), где Rmin1 - первое низкое сопротивление из-за параллельной ориентации намагниченности 210 считывания с первой намагниченностью 230 хранения, и Rmin2 - второе низкое сопротивление из-за параллельной ориентации намагниченности 210 считывания со второй намагниченностью 250 хранения. Здесь, разность между R2 и R1 соответствует ΔR=(Rmax1+Rmax2)-(Rmin1+Rmin2).
В случае вторых сохраненных данных "1" начальное сопротивление R0 имеет высокое значение (Rmax1+Rmax2). Передача первых данных поиска "0" ориентирует намагниченность 210 считывания параллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения, и измеренное значение первого сопротивления R1 считывания низкое (Rmin1+Rmin2). Передача вторых данных поиска "1" ориентирует намагниченность 210 считывания антипараллельно первой и второй намагниченности 230, 250 хранения, и измеренное значение второго сопротивления R2 считывания высокое (Rmax1+Rmax2).
В случае третьих сохраненных данных "Х" начальное сопротивление R0 имеет промежуточное значение (Rmin1+Rmax2). Передача первых данных поиска "0" ориентирует намагниченность 210 считывания параллельно первой намагниченности 230 хранения и антипараллельно второй намагниченности 250 хранения. Передача вторых данных поиска "1" ориентирует намагниченность 210 считывания антипараллельно первой намагниченности 230 хранения и параллельно второй намагниченности 250 хранения. Измеренное значение для как первого, так и второго сопротивления R1, R2 считывания соответствует промежуточному значению (Rmin1+Rmax2). То же самое значение первого и второго сопротивления R1, R2 считывания для двух данных поиска "0" и "1" соответствует уровню состояния "безразличное состояние" ячейки 1 MRAM, так как выход (сопротивление считывания) нечувствителен к состоянию входа (данные поиска). Таблица 1 представляет различные значения сопротивления, измеренные для начального сопротивления R0 и первого, и второго сопротивления R1, R2 считывания.
Таблица 1
  Сохраненные данные Сохраненные данные Сохраненные данные
R0 (нулевое поле) Rmax1+Rmax2 Rmax1+Rmax2 Rmin1+Rmax2
R1 (данные поиска) Rmax1+Rmax2 Rmin1+Rmin2 Rmin1+Rmax2
R2 (данные поиска) Rmin1+Rmin2 Rmax1+Rmax2 Rmin1+Rmax2
Ячейка 1 MRAM, описанная здесь, может, таким образом, быть использована как троичная ассоциативная память. Ячейка 1 MRAM может хранить три различных уровня состояния "1", "0" и "Х" (безразличное состояние) и может использоваться как устройство соответствия, допускающее, таким образом, исполнение ячейки TCAM с существенно уменьшенным размером ячейки и ценой. Таблица 2 представляет соответствие между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными. В частности, определение соответствия дополнительно включает в себя сравнение измеренных первого и второго сопротивления считывания (R1, R2) со значением начального сопротивления (R0). Соответствие аналогично отсутствию изменений между значением начального сопротивления R0 и значением первого и второго сопротивления R1, R2 считывания.
Таблица 2
  Сохраненные данные Сохраненные данные Сохраненные данные
Данные поиска "Х" (ноль Нет изменения (соответствие) Нет изменения (соответствие) Нет изменения (соответствие)
Данные поиска Нет изменения R2 уменьшается Нет изменения
Данные поиска R2 уменьшается Нет изменения Нет изменения
Дополнительное преимущество ячейки 1 MRAM в том, что во время операции записи как первый, так и второй туннельный барьерный слой 22, 24 дают вклад в нагрев магнитного элемента 2 при первом и втором заранее определенном высоком температурном пороге Tw1, Tw2. Поэтому требуемая мощность при пропускании тока нагрева для нагрева магнитного элемента 2 может быть снижена примерно в √2 раз, если сравнивать с мощностью, требуемой в обычном туннельном магнитном переходе, включающем в себя единственный туннельный барьерный слой. Это приводит к увеличенной стойкости ячейки 1 MRAM к циклам изменения напряжения во время операции записи.
Кроме того, ячейка 1 MRAM, описанная здесь, позволяет сравнивать данные поиска типа "безразличное состояние". Это может быть выполнено вторым считыванием в нулевом поле. Очевидно, это приводит к отсутствию изменения сопротивления и, таким образом, приводит к безотносительному соответствию или записанному состоянию (данные поиска "Х").
Описание ссылочных позиций и символов
1 - ячейка магнитной оперативной памяти (MRAM)
2 - магнитный элемент
20 - первый антиферромагнитный слой
21 - слой считывания
22 - первый туннельный барьерный слой
23 - первый слой хранения
24 - второй туннельный барьер
25 - второй слой хранения
26 - второй антиферромагнитный слой
210 - намагниченность считывания
230 - первая намагниченность хранения
250 - вторая намагниченность хранения
ΔR - разность между R1 и R2
RA1 - произведение сопротивление-площадь первого перехода
RA2 - произведение сопротивление-площадь второго перехода
Rmax1 - значение первого высокого сопротивления
Rmax2 - значение второго высокого сопротивления
Rmin1 - значение первого низкого сопротивления
Rmin2 - значение второго низкого сопротивления
R0 - начальное сопротивление
R1 - первое сопротивление считывания
R2 - второе сопротивление считывания
TMR1 - первое туннельное магнитосопротивление
TMR2 - второе туннельное магнитосопротивление
Tw1 - первый заранее определенный высокий температурный порог
Tw2 - второй заранее определенный высокий температурный порог

Claims (15)

1. Ячейка магнитной оперативной памяти (MRAM) для использования в качестве троичной ассоциативной памяти, включающая в себя магнитный элемент, содержащий слой мягкого ферромагнетика, имеющий намагниченность, которая может быть свободно ориентирована; первый слой твердого ферромагнетика, имеющий первую намагниченность хранения; первый туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и первым слоем твердого ферромагнетика; второй слой твердого ферромагнетика, имеющий вторую намагниченность хранения; и второй туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и вторым слоем твердого ферромагнетика; причем первая намагниченность хранения является свободно ориентируемой при первом высоком заранее определенном температурном пороге, и вторая намагниченность хранения является свободно ориентируемой при втором заранее определенном высоком температурном пороге; при этом первый высокий заранее определенный температурный порог выше второго заранее определенного высокого температурного порога.
2. Ячейка магнитной оперативной памяти по п.1, в которой магнитный элемент дополнительно включает в себя первый антиферромагнитный слой, закрепляющий первую намагниченность хранения ниже первого высокого заранее определенного температурного порога, и второй антиферромагнитный слой, закрепляющий вторую намагниченность хранения ниже второго заранее определенного высокого температурного порога.
3. Ячейка магнитной оперативной памяти по п.1, в которой первый слой твердого ферромагнетика имеет произведение сопротивление-площадь первого перехода и второй слой твердого ферромагнетика имеет произведение сопротивление-площадь второго перехода, которое по существу равно произведению сопротивление-площадь первого перехода.
4. Ячейка магнитной оперативной памяти по п.1, в которой первый слой твердого ферромагнетика выполнен из сплава на основе NiFe/CoFeB и второй слой твердого ферромагнетика выполнен из сплава на основе CoFeB/NiFe.
5. Ячейка магнитной оперативной памяти по п.1, в которой первый антиферромагнитный слой выполнен из сплава на основе IrMn и второй антиферромагнитный слой выполнен из сплава на основе FeMn.
6. Ячейка магнитной оперативной памяти по п.1, в которой слой мягкого ферромагнетика предпочтительно выполнен из сплава на основе CoFeB.
7. Способ записи до трех различных данных записи в ячейку магнитной оперативной памяти, включающую в себя магнитный элемент, содержащий слой мягкого ферромагнетика, имеющий намагниченность, которая может быть свободно ориентирована; первый слой твердого ферромагнетика, имеющий первую намагниченность хранения; первый туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и первым слоем твердого ферромагнетика; второй слой твердого ферромагнетика, имеющий вторую намагниченность хранения; и второй туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и вторым слоем твердого ферромагнетика; причем первая намагниченность хранения является свободно ориентируемой при первом высоком заранее определенном температурном пороге и вторая намагниченность хранения является свободно ориентируемой при втором заранее определенном высоком температурном пороге; при этом первый высокий заранее определенный температурный порог выше второго заранее определенного высокого температурного порога;
способ, включающий в себя:
нагрев магнитного элемента до температуры выше первого заранее определенного высокого температурного порога; и
приложение магнитного поля записи так, чтобы сориентировать первую намагниченность хранения и вторую намагниченность хранения в соответствии с магнитным полем записи.
8. Способ по п.7, в котором упомянутое магнитное поле записи прикладывается в первом направлении для сохранения первых данных или во втором направлении для сохранения вторых данных.
9. Способ по п.8, дополнительно включающий в себя охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога.
10. Способ по п.7, в котором упомянутое магнитное поле записи прикладывается в первом направлении, и дополнительно включающий в себя:
охлаждение магнитного элемента до промежуточной температуры, заключенной ниже первого заранее определенного высокого температурного порога и выше второго заранее определенного высокого температурного порога;
приложение магнитного поля записи во втором направлении, противоположном первому направлению, так, чтобы сориентировать вторую намагниченность хранения во втором направлении в соответствии с магнитным полем записи для хранения третьих данных; и
охлаждение магнитного элемента ниже второго заранее определенного высокого температурного порога.
11. Способ считывания ячейки магнитной оперативной памяти, включающей в себя магнитный элемент, содержащий слой мягкого ферромагнетика, имеющий намагниченность, которая может быть свободно ориентирована; первый слой твердого ферромагнетика, имеющий первую намагниченность хранения; первый туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и первым слоем твердого ферромагнетика; второй слой твердого ферромагнетика, имеющий вторую намагниченность хранения; и второй туннельный барьерный слой, заключенный между слоем мягкого ферромагнетика и вторым слоем твердого ферромагнетика; причем первая намагниченность хранения является свободно ориентируемой при первом высоком заранее определенном температурном пороге и вторая намагниченность хранения является свободно ориентируемой при втором заранее определенном высоком температурном пороге; при этом первый высокий заранее определенный температурный порог выше второго заранее определенного высокого температурного порога;
способ, включающий в себя:
измерение значения начального сопротивления магнитного элемента с сохраненными данными;
передачу первых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между первыми данными поиска и сохраненными данными; и
передачу вторых данных поиска на слой считывания и определение соответствия между вторыми данными поиска и сохраненными данными.
12. Способ по п.11, в котором измерение начального сопротивления включает в себя пропускание тока считывания в магнитном элементе в отсутствие внешнего магнитного поля.
13. Способ по п.11, в котором передача первых данных поиска включает в себя приложение магнитного поля считывания в первом направлении и передача вторых данных поиска включает в себя приложение магнитного поля считывания во втором направлении так, чтобы сориентировать намагниченность считывания в первом и втором направлении соответственно.
14. Способ по п.11, в котором определение соответствия между первыми и вторыми данными поиска и сохраненными данными включает в себя измерение первого сопротивления считывания и измерение второго сопротивления считывания путем пропускания тока считывания в магнитном элементе, когда магнитное поле приложено в первом и втором направлении соответственно.
15. Способ по п.11, в котором определение соответствия дополнительно включает в себя сравнение измеренного первого и второго сопротивления считывания со значением начального сопротивления.
RU2012111795/28A 2011-03-28 2012-03-27 Ячейка магнитной оперативной памяти с двойным переходом для применений троичной ассоциативной памяти RU2572464C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP11290150 2011-03-28
EP11290150.9 2011-03-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012111795A RU2012111795A (ru) 2013-10-10
RU2572464C2 true RU2572464C2 (ru) 2016-01-10

Family

ID=45811390

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012111795/28A RU2572464C2 (ru) 2011-03-28 2012-03-27 Ячейка магнитной оперативной памяти с двойным переходом для применений троичной ассоциативной памяти

Country Status (6)

Country Link
US (3) US9007807B2 (ru)
EP (1) EP2506265B1 (ru)
JP (1) JP5820319B2 (ru)
KR (1) KR20120110062A (ru)
RU (1) RU2572464C2 (ru)
TW (1) TWI536378B (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3065826B1 (fr) 2017-04-28 2024-03-15 Patrick Pirim Procede et dispositif associe automatises aptes a memoriser, rappeler et, de maniere non volatile des associations de messages versus labels et vice versa, avec un maximum de vraisemblance
WO2020194366A1 (ja) 2019-03-22 2020-10-01 Tdk株式会社 不揮発性連想メモリセル、不揮発性連想メモリ装置、及びモニター方法
CN112767979B (zh) * 2020-12-28 2023-10-27 西安交通大学 一种磁多层膜结构及自旋转移矩磁随机存储器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10301092A1 (de) * 2003-01-14 2004-07-29 Infineon Technologies Ag MRAM-Speicherzelle
JP2005174969A (ja) * 2003-12-05 2005-06-30 Japan Science & Technology Agency 静磁気結合を利用した磁性ランダムアクセスメモリセル
US20070165449A1 (en) * 2003-10-31 2007-07-19 Agency For Science, Technology And Research Nano-contacted magnetic memory device
US20070278547A1 (en) * 2006-05-31 2007-12-06 Pietambaram Srinivas V MRAM synthetic anitferomagnet structure
RU2367057C2 (ru) * 2007-10-31 2009-09-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский Инженерно-Физический Институт (государственный университет)" Способ формирования структур магнитных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа и структура магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа (варианты)
RU2394304C2 (ru) * 2007-12-26 2010-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Способ формирования структуры магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл и структура магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл (варианты)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6714444B2 (en) * 2002-08-06 2004-03-30 Grandis, Inc. Magnetic element utilizing spin transfer and an MRAM device using the magnetic element
US6801451B2 (en) * 2002-09-03 2004-10-05 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Magnetic memory devices having multiple bits per memory cell
US6985385B2 (en) * 2003-08-26 2006-01-10 Grandis, Inc. Magnetic memory element utilizing spin transfer switching and storing multiple bits
JP2006286038A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Toshiba Corp 磁気ランダムアクセスメモリ及び磁気ランダムアクセスメモリの書き込み方法
FR2914482B1 (fr) * 2007-03-29 2009-05-29 Commissariat Energie Atomique Memoire magnetique a jonction tunnel magnetique
FR2931011B1 (fr) * 2008-05-06 2010-05-28 Commissariat Energie Atomique Element magnetique a ecriture assistee thermiquement
US8023299B1 (en) * 2009-04-09 2011-09-20 Netlogic Microsystems, Inc. Content addressable memory device having spin torque transfer memory cells
EP2270812B1 (en) * 2009-07-02 2017-01-18 CROCUS Technology Ultimate magnetic random access memory-based ternay CAM
EP2276034B1 (en) 2009-07-13 2016-04-27 Crocus Technology S.A. Self-referenced magnetic random access memory cell
EP2447949B1 (en) * 2010-10-26 2016-11-30 Crocus Technology Multi level magnetic element

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10301092A1 (de) * 2003-01-14 2004-07-29 Infineon Technologies Ag MRAM-Speicherzelle
US20070165449A1 (en) * 2003-10-31 2007-07-19 Agency For Science, Technology And Research Nano-contacted magnetic memory device
JP2005174969A (ja) * 2003-12-05 2005-06-30 Japan Science & Technology Agency 静磁気結合を利用した磁性ランダムアクセスメモリセル
US20070278547A1 (en) * 2006-05-31 2007-12-06 Pietambaram Srinivas V MRAM synthetic anitferomagnet structure
RU2367057C2 (ru) * 2007-10-31 2009-09-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский Инженерно-Физический Институт (государственный университет)" Способ формирования структур магнитных туннельных переходов для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа и структура магнитного туннельного перехода для магниторезистивной магнитной памяти произвольного доступа (варианты)
RU2394304C2 (ru) * 2007-12-26 2010-07-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Способ формирования структуры магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл и структура магнитного туннельного перехода на основе наноразмерных структур металл-изолятор-металл (варианты)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120110062A (ko) 2012-10-09
US20160322092A1 (en) 2016-11-03
TWI536378B (zh) 2016-06-01
US9401208B2 (en) 2016-07-26
US9548094B2 (en) 2017-01-17
US20150270001A1 (en) 2015-09-24
US9007807B2 (en) 2015-04-14
EP2506265B1 (en) 2019-06-05
EP2506265A1 (en) 2012-10-03
US20120250391A1 (en) 2012-10-04
TW201246207A (en) 2012-11-16
JP2012209556A (ja) 2012-10-25
RU2012111795A (ru) 2013-10-10
JP5820319B2 (ja) 2015-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jabeur et al. Spin orbit torque non-volatile flip-flop for high speed and low energy applications
Zhao et al. Failure and reliability analysis of STT-MRAM
Kim et al. DSH-MRAM: Differential spin Hall MRAM for on-chip memories
CN105745716B (zh) 偏移消除双阶段感测电路、感测方法及感测装置
TWI451410B (zh) Recording method of magnetic memory element
US20050237788A1 (en) Magnetic memory and recording method thereof
US20170200499A1 (en) Zero leakage, high noise margin coupled giant spin hall based retention latch
US9524767B2 (en) Bitcell wth magnetic switching elements
Gupta et al. Robust high speed ternary magnetic content addressable memory
US7646635B2 (en) Data reading circuit of toggle magnetic memory
Hanyu et al. Spintronics-based nonvolatile logic-in-memory architecture towards an ultra-low-power and highly reliable VLSI computing paradigm
JP5152672B2 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法
RU2572464C2 (ru) Ячейка магнитной оперативной памяти с двойным переходом для применений троичной ассоциативной памяти
Zhang et al. Reliability and performance evaluation for STT-MRAM under temperature variation
US10311931B2 (en) Semiconductor memory device
US6870760B2 (en) Method and system for performing readout utilizing a self reference scheme
US20190385647A1 (en) Magnetic memory, semiconductor device, electronic device, and method of reading magnetic memory
JPWO2007111318A1 (ja) 磁気ランダムアクセスメモリ及びその動作方法
Kang et al. Readability challenges in deeply scaled STT-MRAM
Ran et al. Read disturbance issue for nanoscale STT-MRAM
JP2001273758A (ja) 磁気メモリ
US10586578B2 (en) Storage device, information processing apparatus, and storage device control method
US7554836B2 (en) Data write in control circuit for toggle magnetic random access memory
KR101311128B1 (ko) 스핀 전달 토크 자기 랜덤 억세스 메모리
US20240274178A1 (en) Storage device, memory cell array, method for manufacturing memory cell array, magnetic head, and electronic device