RU2648948C1 - Combined element of magnetoresistive memory (options), ways of reading information from the element (options), ways of recording information on the element (options) - Google Patents

Combined element of magnetoresistive memory (options), ways of reading information from the element (options), ways of recording information on the element (options) Download PDF

Info

Publication number
RU2648948C1
RU2648948C1 RU2017112375A RU2017112375A RU2648948C1 RU 2648948 C1 RU2648948 C1 RU 2648948C1 RU 2017112375 A RU2017112375 A RU 2017112375A RU 2017112375 A RU2017112375 A RU 2017112375A RU 2648948 C1 RU2648948 C1 RU 2648948C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cells
cell
magnetization
memory
mram
Prior art date
Application number
RU2017112375A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Павлович Михайлов
Алексей Васильевич Хвальковский
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "КРОКУС НАНОЭЛЕКТРОНИКА"
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 Общество с ограниченной ответственностью "КРОКУС НАНОЭЛЕКТРОНИКА" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "КРОКУС НАНОЭЛЕКТРОНИКА"
Priority to RU2017112375A priority Critical patent/RU2648948C1/en
Priority to PCT/RU2018/050018 priority patent/WO2018190753A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2648948C1 publication Critical patent/RU2648948C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital 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
    • G11C11/161Digital 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
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital 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
    • G11C11/165Auxiliary circuits
    • G11C11/1673Reading or sensing circuits or methods
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11CSTATIC STORES
    • G11C11/00Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16Digital 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
    • G11C11/165Auxiliary circuits
    • G11C11/1675Writing or programming circuits or methods

Landscapes

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

Abstract

FIELD: computer engineering.
SUBSTANCE: invention relates to computer engineering. MRAM element consists of n cells of MRAM, where n ≥ 3, each of the cells comprising at least one layer of magnetic material with a variable orientation of the magnetization vector (free layer) and at least one layer with a fixed direction of the magnetization vector (support layer), the light axis of the first cell of this MRAM element has a predetermined direction, and the direction of the easy axis of each subsequent cell is rotated relative to the previous cell by an angle equal to 2p/n±10 %, the angle between the cell with the number n and the first cell is also 2p/n±10 %.
EFFECT: technical result is to increase the safety of information in the elements on the bit cells of magnetoresistive memory (MRAM).
9 cl, 6 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Настоящее изобретение описывает элемент магниторезистивной памяти, состоящий из ячеек магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM), содержащих туннельный магнитный переход и имеющих улучшенную эффективность переключения, более низкое потребление электроэнергии, обладающий повышенной устойчивостью к внешним магнитным полям и обеспечивающий достоверность считываемых данных. Настоящее изобретение описывает многоячеечные биты памяти MRAM и их конфигурации, а также способы записи информации на них и способы считывания данной информации. The present invention describes a magnetoresistive memory element consisting of random access magnetic memory (MRAM) cells comprising a tunneling magnetic junction and having improved switching efficiency, lower power consumption, improved resistance to external magnetic fields, and providing reliable data readability. The present invention describes the multi-cell bits of MRAM and their configurations, as well as methods for writing information to them and methods for reading this information.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

В существующем уровне техники известны различные примеры изготовления и работы с MRAM ячейками памяти, защищенными от внешних магнитных полей. Various examples of manufacturing and working with MRAM memory cells protected from external magnetic fields are known in the art.

Из патента US6515352 (Micron Technology, Inc., 04.02.2003) известно решение по защите магнитного проводника от внешнего воздействия с помощью применения кожуха из магниточувствительного материала, расположенного на поверхности проводника.From the patent US6515352 (Micron Technology, Inc., 02/04/2003), a solution is known for protecting a magnetic conductor from external influences by using a casing of a magnetically sensitive material located on the surface of the conductor.

Патент US7489015 (Samsung Electronics Co., Ltd., 10.02.2009) раскрывает устройство памяти, в частности MRAM памяти, содержащее положку с защитой от внешнего магнитного поля.Patent US7489015 (Samsung Electronics Co., Ltd., 02/10/2009) discloses a memory device, in particular MRAM memory, containing a position protected against an external magnetic field.

Таким образом, на сегодняшний момент существует необходимость в изготовлении ячейки памяти MRAM с устойчивой защитой от внешнего магнитного воздействия, что позволит повысить устойчивость средства памяти и защиту информации от ее потери. Thus, at present, there is a need to manufacture an MRAM memory cell with stable protection against external magnetic influences, which will increase the stability of the memory medium and protect information from its loss.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ SUMMARY OF THE INVENTION

Технической проблемой, решаемой с помощью заявленного технического решения, является реализация конструкции элемента памяти MRAM, обеспечивающей повышенную устойчивость данных записанных на данную ячейку. The technical problem solved by the claimed technical solution is the implementation of the design of the MRAM memory element, which provides increased stability of the data recorded on this cell.

Технический результат совпадает с решением технической проблемы и заключается в повышении сохранности информации в элементах на битовых ячейках памяти MRAM. The technical result coincides with the solution of the technical problem and consists in increasing the safety of information in the elements on the bit cells of the MRAM memory.

Дополнительно также решается задача контроля достоверности считываемой информации.Additionally, the task of monitoring the reliability of the information being read is also solved.

Для осуществления указанного технического результата в предпочтительном варианте осуществления заявлен элемент магниторезистивной памяти (MRAM), состоящий из двух ячеек MRAM, каждая из которых содержит по меньшей мере один слой магнитного материала с изменяемой ориентацией вектора намагниченности (свободный слой) и по меньшей мере один составной слой (опорный слой), состоящий из двух противоположно направленных магнитных слоев с фиксированным направлением вектора намагниченности, направление которого определяется по слою, ближайшему к свободному слою, причем легкие оси ячеек являются сонаправленными, вне зависимости от пространственного расположения ячеек, и намагниченности свободных слоев каждой из ячеек являются противоположено направленными.To implement the technical result in a preferred embodiment, a magneto-resistive memory element (MRAM) is declared, consisting of two MRAM cells, each of which contains at least one layer of magnetic material with a variable orientation of the magnetization vector (free layer) and at least one composite layer (reference layer), consisting of two oppositely directed magnetic layers with a fixed direction of the magnetization vector, the direction of which is determined by the layer closest to free layer, and the light axis of the cells are co-directional, regardless of the spatial arrangement of the cells, and the magnetization of the free layers of each of the cells are oppositely directed.

В другом предпочтительном варианте осуществления заявлен способ записи информации на вышеуказанный элемент памяти, характеризующийся тем, что в процессе записи информации осуществляется изменение векторов намагниченности свободного слоя каждой из ячеек таким образом, чтобы они были противоположено направленными друг другу.In another preferred embodiment, the claimed method of recording information on the above memory element, characterized in that in the process of recording information, the magnetization vectors of the free layer of each of the cells are changed so that they are opposite to each other.

В другом предпочтительном варианте осуществления заявлен способ считывания информации из вышеуказанного элемента MRAM, характеризующийся тем, что определяют направление намагниченности свободных слоев каждой ячейки, и если намагниченность ячеек является противоположено направленной, то выполняют считывание информации из элемента, в противном случае считают, что информация, содержащаяся в элементе, утратила целостность и считыванию не подлежит.In another preferred embodiment, a method for reading information from the above MRAM element is claimed, characterized in that the direction of magnetization of the free layers of each cell is determined, and if the magnetization of the cells is opposite to the direction, then the information is read from the element, otherwise it is believed that the information contained in the element, has lost its integrity and is not subject to reading.

В другом предпочтительном варианте осуществления заявлен элемент MRAM, состоящий из n ячеек MRAM, где n ≥3, причем каждая из ячеек содержит по меньшей мере один слой магнитного материала с изменяемой ориентацией вектора намагниченности (свободный слой) и по меньшей мере один слой с фиксированным направлением вектора намагниченности (опорный слой), при этом легкая ось первой ячейки данного элемента MRAM имеет заданное направление, а направление легкой оси каждой последующей ячейки повернуто относительно предыдущей ячейки на угол, равный 2π⁄n±10%, при этом угол между ячейкой с номером n и первой ячейкой также составляет 2π⁄n±10%.In another preferred embodiment, an MRAM element is claimed consisting of n MRAM cells, where n ≥ 3, each cell containing at least one layer of magnetic material with a variable orientation of the magnetization vector (free layer) and at least one layer with a fixed direction magnetization vector (reference layer), while the easy axis of the first cell of this MRAM element has a given direction, and the direction of the easy axis of each subsequent cell is rotated relative to the previous cell by an angle equal to 2π⁄n ± 10%, the angle between the cell n and the first cell is also 2π⁄n ± 10%.

В другом предпочтительном варианте заявлен способ записи информации в вышеуказанный элемент памяти MRAM, характеризующийся тем, что задается направление намагниченности для первой ячейки вдоль или противоположно направлению намагниченности её опорного слоя (соответствует логическому нулю или единице в элементе памяти), при этом для каждой ячейки с увеличивающимся порядковым номером намагниченность имеет положительную проекцию на направление намагниченности предыдущей ячейки.In another preferred embodiment, a method for recording information in the above MRAM memory element is claimed, characterized in that the direction of magnetization for the first cell is set along or opposite to the direction of magnetization of its reference layer (corresponds to a logical zero or one in the memory element), while for each cell with increasing the sequence number of the magnetization has a positive projection on the direction of magnetization of the previous cell.

В другом предпочтительном варианте заявлен способ считывания информации из элемента памяти, характеризующийся тем, что определяют направление вектора намагниченности свободного слоя каждой ячейки относительно её опорного слоя, определяют ячейки, у которых направление вектора намагниченности свободного слоя соответствует логическому нулю и у которых направление вектора намагниченности свободного слоя соответствует логической единице, при этом определяют состояние элемента как состояние большинства входящих в него ячеек, причем после процедуры считывания состояние всех ячеек элемента приводится в соответствие с определенным состоянием элемента.In another preferred embodiment, the claimed method of reading information from a memory element, characterized in that they determine the direction of the magnetization vector of the free layer of each cell relative to its reference layer, determine the cells in which the direction of the magnetization vector of the free layer corresponds to logical zero and in which the direction of the magnetization vector of the free layer corresponds to a logical unit, while determining the state of the element as the state of most of its cells, and After the reading procedure, the state of all cells of the element is brought into correspondence with the determined state of the element.

В другом предпочтительном варианте представлен комбинированный элемент MRAM, содержащий два элемента памяти, каждый из которых соответствует вышеуказанной конструкции элемента MRAM из n ячеек памяти, причем каждая из ячеек первого упомянутого элемента имеет спаренную ей ячейку во втором упомянутом элементе, в которой легкие оси ячеек являются сонаправленными, вне зависимости от пространственного расположения центров ячеек первого и второго элементов памяти, и намагниченности свободных слоев ячеек первого элемента памяти и соответствующих им спаренных ячеек второго элемента памяти являются противоположено направленными.In another preferred embodiment, a combined MRAM element is provided comprising two memory elements, each of which corresponds to the above construction of an MRAM element of n memory cells, each of the cells of the first mentioned element having a cell paired to it in the second mentioned element, in which the light axis of the cells are aligned , regardless of the spatial arrangement of the centers of the cells of the first and second memory elements, and the magnetization of the free layers of the cells of the first memory element and the corresponding their paired cells of the second memory element are oppositely directed.

В другом предпочтительном варианте осуществления заявлен способ записи информации в комбинированный элемент памяти, описанный выше, характеризующийся тем, что в первом элементе памяти задают направление намагниченности вдоль легкой оси первой ячейки, определяют для первой ячейки состояние намагниченности как логический 0 или логическая 1, выполняют запись информации в элемент памяти таким образом, чтобы направление намагниченности вдоль легкой оси каждой последующей ячейки относительно предыдущей было идентичным состоянию намагниченности первой ячейки, причем направления векторов намагниченности свободного слоя ячеек второго элемента памяти определяются как противоположно направленные направлениям намагниченности свободного слоя соответствующих спаренных ячеек первого элемента памяти.In another preferred embodiment, the claimed method of recording information in the combined memory element described above, characterized in that in the first memory element specify the direction of magnetization along the easy axis of the first cell, determine the magnetization state for the first cell as logical 0 or logical 1, write information into the memory element so that the direction of magnetization along the easy axis of each subsequent cell relative to the previous one is identical to the state of the magnetization the first cell, and the directions of the magnetization vectors of the free layer of the cells of the second memory element are defined as oppositely directed to the directions of the magnetization of the free layer of the corresponding paired cells of the first memory element.

В другом предпочтительном варианте осуществления заявлен способ считывания информации из комбинированного элемента памяти, описанного выше, характеризующийся тем, что определяют направление вектора намагниченности свободного слоя каждой ячейки первого элемента памяти и спаренной ей ячейки второго элемента памяти, определяют пары ячеек, у которых направления векторов намагниченности свободных слоев являются противоположено направленным, остальные спаренные ячейки признаются утратившими информацию, причем состояние комбинированного элемента памяти определяется как состояние большинства ячеек комбинированного элемента памяти, сохранивших информацию, и если таких ячеек нет, то весь упомянутый комбинированный элемент считается утратившим информацию и считыванию не подлежит, причем после процедуры считывания состояния всех ячеек приводится в соответствие с определенным состоянием элемента.In another preferred embodiment, a method is disclosed for reading information from a combined memory element described above, characterized in that the direction of the magnetization vector of the free layer of each cell of the first memory element and the paired cell of the second memory element is determined, pairs of cells are determined for which the directions of the magnetization vectors are free layers are oppositely directed, the remaining paired cells are recognized as having lost information, and the state of the combined of a memory element is defined as the state of most cells of a combined memory element that have stored information, and if there are no such cells, then all of the mentioned combined element is considered to have lost information and cannot be read, and after the reading procedure, the state of all cells is brought into line with the specific state of the element.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Фиг. 1 иллюстрирует вид ячейки памяти в разрезе.FIG. 1 illustrates a sectional view of a memory cell.

Фиг. 2 иллюстрирует вид ячейки памяти (вид сверху).FIG. 2 illustrates a view of a memory cell (top view).

Фиг. 3 иллюстрирует вариант комбинированного элемента памяти MRAM. FIG. 3 illustrates an embodiment of a combined MRAM element.

Фиг. 4 иллюстрирует пример работы логики при проверке целостности комбинированного элемента памяти.FIG. 4 illustrates an example of a logic operation when checking the integrity of a combined memory element.

Фиг. 5 иллюстрирует пример бита MRAM, состоящего из пяти ячеек.FIG. 5 illustrates an example of a five-cell MRAM bit.

Фиг. 6 иллюстрирует пример комбинированного бита MRAM со спаренными ячейками.FIG. 6 illustrates an example of a combined paired MRAM bit.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Магнитная память произвольного доступа (MRAM), использует магнитные, а не электрические, эффекты для хранения бит информации. Использование магнитной памяти в большинстве случаев позволяет увеличить производительность электронных устройств, позволяя хранить большие объемы информации и при этом иметь достаточно быстрое время записи/считывания, не требуют высокого энергопотребления (по сравнению с другими типами памяти). Кроме того, MRAM позволяет сохранять информацию даже при отключенном питании, позволяя электронным устройствам, работающим на базе MRAM, мгновенно запускаться, в отличие от устройств с обычной электронной памятью, которые требуют предварительной инициализации для загрузки программного обеспечения в память.Magnetic random access memory (MRAM) uses magnetic rather than electrical effects to store bits of information. The use of magnetic memory in most cases allows you to increase the performance of electronic devices, allowing you to store large amounts of information and at the same time have a fairly fast write / read time, do not require high power consumption (compared to other types of memory). In addition, MRAM allows you to save information even when the power is off, allowing electronic devices running on the basis of MRAM to start instantly, unlike devices with conventional electronic memory, which require preliminary initialization to load software into memory.

Типичный элемент (чип) магнитной памяти включает в себя массив ячеек. Ячейки памяти могут включать в себя слой магнитного материала с изменяемой ориентацией вектора намагниченности и слоя магнитного материала, у которого вектор намагниченности имеет фиксированное направление. Слой с изменяемой ориентацией вектора намагниченности используется для хранения информации и в литературе часто называется свободным слоем (FL - free layer или иногда SL – sence layer). Слой же с фиксированным направлением вектора намагниченности называется опорным слоем (RL – reference layer).A typical element (chip) of magnetic memory includes an array of cells. The memory cells may include a layer of magnetic material with a variable orientation of the magnetization vector and a layer of magnetic material, in which the magnetization vector has a fixed direction. A layer with a variable orientation of the magnetization vector is used to store information and is often referred to in the literature as a free layer (FL - free layer or sometimes SL - sence layer). A layer with a fixed direction of the magnetization vector is called a reference layer (RL - reference layer).

Сопротивление ячейки магнитной памяти MRAM при параллельном и антипараллельном положении свободного и опорного слоя различны благодаря эффекту туннельного магнетосопротивления (TMR - tunnel magnetoresistance). Таким образом в ячейках памяти MRAM определяются логические “0” – положение меньшего сопротивления и “1” – положение большего сопротивления (возможно и обратное определение).The resistance of the MRAM magnetic memory cell in the parallel and antiparallel positions of the free and reference layers is different due to the tunnel magnetoresistance (TMR) effect. Thus, logical “0” - the position of the lower resistance and “1” - the position of the higher resistance (the reverse definition is possible) are determined in the MRAM memory cells.

Есть два параметра, определяющие стабильность ячейки, это критическое поле

Figure 00000001
и энергетический барьер. Критическое поле – это поле переключения ячейки при нулевой температуре при данном направлении магнитного поля. Энергетический барьер (
Figure 00000002
) – это разность между значениями в минимуме и в барьере. Значение энергии в барьере определяется как значение максимальной энергии в минимальном пути между двумя положениями минимума энергии. There are two parameters that determine the stability of a cell; this is a critical field.
Figure 00000001
and energy barrier. The critical field is the cell switching field at zero temperature for a given direction of the magnetic field. Energy Barrier (
Figure 00000002
) Is the difference between the minimum and the barrier. The energy value in the barrier is defined as the value of the maximum energy in the minimum path between the two positions of the minimum energy.

Энергетический барьер определяет такой важный параметр как параметр температурной стабильности дельта (Δ). Данный параметр равен отношению энергетического барьера, который должен быть преодолен намагниченностью свободного слоя ячейки памяти для того чтобы произошло переключение между двумя стабильными состояниями ячейки памяти (соответствующими логическим «нулю» и «единице»), к температуре ячейки (

Figure 00000003
) в единицах постоянной Больцмана (
Figure 00000004
):The energy barrier determines such an important parameter as the temperature stability parameter delta (Δ). This parameter is equal to the ratio of the energy barrier that must be overcome by the magnetization of the free layer of the memory cell in order to switch between two stable states of the memory cell (corresponding to logical “zero” and “one”), to the cell temperature (
Figure 00000003
) in units of the Boltzmann constant (
Figure 00000004
):

Figure 00000005
Figure 00000005

Параметр температурной стабильности ячеек памяти позволяет определить вероятность спонтанного переключения ячеек памяти. Для этого используется простая формула, полученная из распределения Больцмана:The parameter of temperature stability of memory cells allows you to determine the probability of spontaneous switching of memory cells. To do this, use a simple formula obtained from the Boltzmann distribution:

Figure 00000006
Figure 00000006

Обычно, чем меньше критическое поле, тем меньше энергетический барьер, однако зависимость между ними может быть нелинейная и включать ряд дополнительных параметров (размер ячейки, угол, под которым направлено поле, и т.д.).Usually, the smaller the critical field, the lower the energy barrier, however, the relationship between them can be non-linear and include a number of additional parameters (cell size, angle at which the field is directed, etc.).

Переключение ячеек памяти MRAM может осуществляться различными способами, включающими в себя переключение за счет переноса магнитного момента спиновым током, переключение магнитным полем, переключение магнитным полем с применением нагрева, а также некоторыми другими способами. Кроме запланированного переключения, ячейки памяти MRAM могут переключаться незапланированно, особенно сильно это может проявляться в сильном внешнем магнитном поле. Таким образом, чипы памяти MRAM могут претерпевать ошибки в присутствии внешнего паразитного магнитного поля. Это связано с тем что при наличии внешнего магнитного поля величина энергетического барьера ячеек памяти MRAM, разделяющего два положения равновесия, соответствующие логическим «0» и «1», изменяется и ячейка может спонтанно перейти из одного положения в другое, что приведет к потере информации. При этом изменение энергетического барьера зависит не только от величины паразитного внешнего магнитного поля, но и от его направления. Так, при поле, направленном под углом

Figure 00000007
, критическое поле может упасть в два раза. Соответственно, энергетический барьер может упасть в два раза и более, кроме того, барьер может и вовсе исчезнуть. Зависимость критического поля от направления для идеализированной ячейки памяти MRAM описывается так называемой теорией Стонера-Вольфарта (Stoner-Wohlfarth).Switching the MRAM memory cells can be carried out in various ways, including switching due to the transfer of magnetic moment by spin current, switching by a magnetic field, switching by a magnetic field using heating, as well as some other methods. In addition to the planned switching, the MRAM memory cells can switch unplanned, this can especially be manifested in a strong external magnetic field. Thus, MRAM memory chips can undergo errors in the presence of an external spurious magnetic field. This is due to the fact that in the presence of an external magnetic field, the energy barrier of the MRAM cells separating the two equilibrium positions corresponding to the logical “0” and “1” changes and the cell can spontaneously move from one position to another, which will lead to loss of information. Moreover, the change in the energy barrier depends not only on the magnitude of the spurious external magnetic field, but also on its direction. So, with a field directed at an angle
Figure 00000007
, the critical field can fall by half. Accordingly, the energy barrier can fall twice or more, in addition, the barrier can disappear altogether. The dependence of the critical field on the direction for an idealized MRAM memory cell is described by the so-called Stoner-Wohlfarth theory.

Для реальных приложений внешнее магнитное поле может быть направлено в произвольном направлении, поэтому для расчета энергетического барьера необходимо ориентироваться на направление, которое наиболее сильно уменьшает барьер – наихудшее направление. Таким образом, для одной ячейки – это направление внешнего магнитного поля на

Figure 00000007
по отношению к легкой оси. For real applications, the external magnetic field can be directed in an arbitrary direction, therefore, to calculate the energy barrier, it is necessary to focus on the direction that reduces the barrier most strongly - the worst direction. Thus, for one cell, this is the direction of the external magnetic field
Figure 00000007
in relation to the easy axis.

На Фиг. 1 представлен общий вид ячейки 100 элемента MRAM согласно первому предпочтительному варианту осуществления. Ячейка 100 содержит по меньшей мере один слой магнитного материала с изменяемой ориентацией вектора намагниченности (свободный слой) 110 и по меньшей мере один составной слой (опорный слой) 120, состоящий из двух противоположно направленных магнитных слоев 120а, 120б с фиксированным направлением вектора намагниченности 121, 122, направление которого определяется по слою 120а, ближайшему к свободному слою 110. In FIG. 1 is a perspective view of an MRAM cell 100 according to a first preferred embodiment. Cell 100 contains at least one layer of magnetic material with a variable orientation of the magnetization vector (free layer) 110 and at least one composite layer (support layer) 120, consisting of two oppositely directed magnetic layers 120a, 120b with a fixed direction of the magnetization vector 121, 122, the direction of which is determined by the layer 120a closest to the free layer 110.

Согласно Фиг. 2 ячейка 100 может выполняться различной формы (прямоугольная, эллиптическая и т.п.). According to FIG. 2, cell 100 may be of various shapes (rectangular, elliptical, etc.).

На Фиг. 3 представлен пример выполнение комбинированного элемента памяти MRAM 10, состоящего из двух ячеек 100 и 200. Легкие оси 130, 230 ячеек памяти являются сонаправленными, в то время как намагниченности свободных слоев 111, 211 являются противоположено направленными.In FIG. Figure 3 shows an example of the implementation of the combined memory element MRAM 10, consisting of two cells 100 and 200. The light axis 130, 230 of the memory cells are co-directional, while the magnetizations of the free layers 111, 211 are oppositely directed.

На Фиг. 4 показан пример работы логики комбинированного элемента MRAM 10. In FIG. 4 shows an example of the operation of the logic of the combined element MRAM 10.

В процессе записи информации (может осуществляться как магнитным полем, так и спин-поляризованным током) на элемент MRAM 10, состоящего из двух ячеек памяти 100, 200, осуществляется изменение векторов намагниченности 111, 211 свободного слоя 110, 120 каждой из ячеек 100, 200 таким образом, чтобы они были противоположено направленными друг другу. In the process of recording information (can be carried out both by a magnetic field and by a spin-polarized current) onto an MRAM element 10, consisting of two memory cells 100, 200, the magnetization vectors 111, 211 of the free layer 110, 120 of each of the cells 100, 200 are changed so that they are oppositely directed towards each other.

Положения «верх» и «низ», отображенные на Фиг. 4, соответствуют большему и меньшему сопротивлению структуры. Такая разница достигается благодаря эффекту туннельного магнитосопротивления. Логика работы заключается в том, что если вектора намагниченности в ячейках памяти 100, 200 противоположно ориентированы, то данным хранящимся в этом бите памяти 10 можно доверять. Если же ориентация векторов намагниченности 111, 211 будет совпадать, это будет означать что бит подвергся воздействию внешнего магнитного поля и потерял хранящуюся в нем информацию и доверять данным из этого бита 10 нельзя.The up and down positions shown in FIG. 4, correspond to more and less resistance of the structure. This difference is achieved due to the effect of tunnel magnetoresistance. The logic of the work is that if the magnetization vectors in memory cells 100, 200 are oppositely oriented, then the data stored in this bit of memory 10 can be trusted. If the orientation of the magnetization vectors 111, 211 coincides, this will mean that the bit was exposed to an external magnetic field and lost the information stored in it and it is impossible to trust the data from this bit 10.

При считывании информации с элемента памяти MRAM 10, состоящего из двух ячеек памяти 100, 200 выполняется определение направления векторов намагниченности свободных слоев 111, 211 каждой из ячеек 100, 200, в ходе которого устанавливается произошло ли изменение направления вектора намагниченности по сравнению с направлением намагниченности свободных слоев 111, 211 ячеек 100, 200 при записи информации на элемент MRAM 10. Если намагниченность ячеек 100, 200 является противоположено направленной, то выполняют считывание информации из элемента MRAM 10, т.к. целостность информации, хранимой на нем, не является нарушенной. В противном же случае, при определении намагниченности свободных слоев ячеек 100, 200 изменившей свое направление на сонаправленное, информация, содержащаяся в элементе 10, признается утратившей целостность из-за воздействия магнитного поля и считыванию не подлежит.When reading information from the MRAM memory element 10, which consists of two memory cells 100, 200, the direction of the magnetization vectors of free layers 111, 211 of each of the cells 100, 200 is determined, during which it is established whether the direction of the magnetization vector has changed in comparison with the direction of the magnetization of free layers 111, 211 of cells 100, 200 when recording information on the MRAM element 10. If the magnetization of cells 100, 200 is oppositely directed, then the information is read from the MRAM element 10, because the integrity of the information stored on it is not violated. Otherwise, when determining the magnetization of the free layers of cells 100, 200, which changed its direction to codirectional, the information contained in element 10 is recognized as having lost its integrity due to the influence of a magnetic field and cannot be read.

На Фиг. 5 представлен пример комбинированного бита (элемента) MRAM 20, состоящего из n количества ячеек 100-500, где n больше или равно трём, в частности, из пяти ячеек памяти 100-500. Элемент памяти 20 создается путем комбинирования пяти ячеек 100-500 памяти MRAM, расположенных таким образом, что каждая последующая ячейка 100-500 относительно предыдущей повернута на угол

Figure 00000008
(где n=5). Угол между последней ячейкой 500 и первой 100 также равен
Figure 00000008
. In FIG. 5 shows an example of a combined bit (element) of MRAM 20, consisting of n number of cells 100-500, where n is greater than or equal to three, in particular, of five memory cells 100-500. The memory element 20 is created by combining five cells 100-500 MRAM, arranged so that each subsequent cell 100-500 relative to the previous one is rotated by an angle
Figure 00000008
(where n = 5). The angle between the last cell 500 and the first 100 is also equal
Figure 00000008
.

Количество ячеек может быть различным в элементе 20, главное в данной структуре соблюдение положения ячеек 100-500 друг относительно друга, и количество ячеек n должно быть больше или равно трём. The number of cells can be different in element 20, the main thing in this structure is the observance of the position of cells 100-500 relative to each other, and the number of cells n must be greater than or equal to three.

Способность хранить информацию для ячейки памяти 100 MRAM определяется так называемым параметром температурной стабильности дельта (Δ). Данный параметр равен отношению величины энергетического барьера (

Figure 00000002
), который должен быть преодолен намагниченностью 111 свободного слоя 110 ячейки памяти 100 для того чтобы произошло переключение между двумя стабильными состояниями ячейки памяти (состояния отличаются по уровню сопротивления, которое достигается благодаря эффекту туннельного магнитосопротивления, и соответствуют логическим «нулю» и «единице»), к температуре (
Figure 00000003
) ячейки в единицах постоянной Больцмана (
Figure 00000004
):The ability to store information for the 100 MRAM memory cell is determined by the so-called delta temperature stability parameter (Δ). This parameter is equal to the ratio of the energy barrier (
Figure 00000002
), which must be overcome by the magnetization 111 of the free layer 110 of the memory cell 100 in order to switch between two stable states of the memory cell (the states differ in the level of resistance, which is achieved due to the effect of tunnel magnetoresistance, and correspond to logical “zero” and “unity”) to temperature (
Figure 00000003
) cells in units of the Boltzmann constant (
Figure 00000004
):

Figure 00000009
(1)
Figure 00000009
(one)

Для того, чтобы массив памяти хранил информацию 10 лет, необходимый минимальный уровень

Figure 00000010
должен составлять от 45 до 60 для массивов от 100 бит до 500 Мбит. In order for the memory array to store information for 10 years, the required minimum level
Figure 00000010
Must be between 45 and 60 for arrays from 100 bits to 500 Mb.

Важно напомнить, что

Figure 00000010
зависит от энергетического барьера в ячейке памяти, который является чувствительным к воздействию внешнего магнитного поля
Figure 00000011
. Если зафиксировать направление магнитного поля либо сонаправленно с легкой осью ячейки памяти или перпендикулярно ей, то зависимость примет следующий вид [A.V. Khvalkovskiy, J. Phys. D: Appl. Phys., 2013]:It is important to recall that
Figure 00000010
depends on the energy barrier in the memory cell, which is sensitive to the effects of an external magnetic field
Figure 00000011
. If we fix the direction of the magnetic field either co-directionally with the easy axis of the memory cell or perpendicular to it, the dependence will take the following form [AV Khvalkovskiy, J. Phys. D: Appl. Phys., 2013]:

Figure 00000012
(2)
Figure 00000012
(2)

Здесь

Figure 00000013
есть поле анизотропии, определяющееся выражениемHere
Figure 00000013
is the anisotropy field defined by the expression

Figure 00000014
, (3)
Figure 00000014
, (3)

где

Figure 00000015
– плотность энергии анизотропии, а
Figure 00000016
– намагниченность насыщения. Where
Figure 00000015
Is the energy density of anisotropy, and
Figure 00000016
- saturation magnetization.

Разные знаки обозначают что разные направление внешнего магнитного поля могут действовать как против поля анизотропии, тем самым уменьшая энергетический барьер и

Figure 00000017
, так и в том же направлении, увеличивая энергетический барьер и
Figure 00000017
. При этом
Figure 00000018
. Таким образом, внешнее магнитное поле приводит к уменьшению стабильности одного из двух стационарных состояний ячейки памяти 100 MRAM, вплоть до того, что при
Figure 00000019
энергетический барьер исчезает и у ячейки 100 остается всего одно стабильное состояние. Different signs indicate that different directions of the external magnetic field can act against the anisotropy field, thereby reducing the energy barrier and
Figure 00000017
in the same direction, increasing the energy barrier and
Figure 00000017
. Wherein
Figure 00000018
. Thus, an external magnetic field leads to a decrease in the stability of one of the two stationary states of the 100 MRAM memory cell, up to the point that when
Figure 00000019
the energy barrier disappears and cell 100 has only one stable state.

Такое поле называется критическим и обозначается

Figure 00000001
. Как видно из формулы выше, для внешнего магнитного поля сонаправленного с легкой осью 103 или перпендикулярного ей, критическое поле равно полю анизотропии, то есть
Figure 00000020
. Such a field is called critical and is denoted by
Figure 00000001
. As can be seen from the formula above, for an external magnetic field co-directional with the easy axis 103 or perpendicular to it, the critical field is equal to the anisotropy field, i.e.
Figure 00000020
.

Наименьшее значение

Figure 00000001
достигается при угле между легкой осью ячейки и магнитным полем
Figure 00000021
и составляет порядка половины от значения при
Figure 00000022
(например, для ячеек эллиптического сечения, по так называемой теории Стонера-Вольфарта,
Figure 00000001
для
Figure 00000023
и составляет ровно половину от значений при
Figure 00000024
Figure 00000025
).Smallest value
Figure 00000001
achieved at an angle between the light axis of the cell and the magnetic field
Figure 00000021
and is about half of the value at
Figure 00000022
(for example, for cells of an elliptical cross section, according to the so-called Stoner-Wolfart theory,
Figure 00000001
for
Figure 00000023
and is exactly half of the values for
Figure 00000024
Figure 00000025
)

Параметр температурной зависимости, при учете угла наклона вектора магнитного поля к легкой оси, связан с критическим полем

Figure 00000001
аналогично выше описанному:The temperature dependence parameter, taking into account the angle of inclination of the magnetic field vector to the easy axis, is related to the critical field
Figure 00000001
similar to the above described:

Figure 00000026
(4)
Figure 00000026
(four)

Как видно из этой формулы, падение

Figure 00000001
при изменении угла наклона вектора магнитного поля к легкой оси 130-530 ячеек 100-500 существенно влияет на величину барьера. Например, для ячейки 100, которая в отсутствии магнитного поля имеет
Figure 00000027
и
Figure 00000028
, что обеспечивает время жизни массива из миллиона ячеек более чем в
Figure 00000029
лет при комнатной температуре в отсутствии внешнего магнитного поля. При наличии внешнего магнитного поля
Figure 00000030
, сонаправленного с легкой осью 130 ячейки 100 или перпендикулярного ей, дельта уменьшается до значения
Figure 00000031
, что приводит к тому, что массив из миллиона ячеек имеет время хранения информации (все биты массива сохраняют свою информацию)
Figure 00000032
лет. Если же изменить направление магнитного поля на
Figure 00000007
, то дельта сократится до значения
Figure 00000033
, и время хранения информации массива из миллиона ячеек сократится до 10 миллисекунд. Так как внешнее магнитное поле может быть направленно произвольно, то для оценки стабильности ячейки необходимо рассматривать наихудшее направление. Поэтому в рассматриваемом выше примере можно прийти к выводу, что данная ячейка будет не стабильна в магнитном поле в 100 эрстед.As can be seen from this formula, the fall
Figure 00000001
when the angle of inclination of the magnetic field vector to the easy axis 130-530 cells 100-500 changes significantly affects the value of the barrier. For example, for cell 100, which in the absence of a magnetic field has
Figure 00000027
and
Figure 00000028
, which ensures the lifetime of an array of a million cells in more than
Figure 00000029
years at room temperature in the absence of an external magnetic field. In the presence of an external magnetic field
Figure 00000030
aligned with the easy axis 130 of cell 100 or perpendicular to it, the delta decreases to a value
Figure 00000031
, which leads to the fact that an array of a million cells has an information storage time (all bits of the array retain their information)
Figure 00000032
years. If the direction of the magnetic field is changed to
Figure 00000007
, then the delta will decrease to
Figure 00000033
, and the storage time of an array of a million cells will be reduced to 10 milliseconds. Since the external magnetic field can be directed arbitrarily, to assess the stability of the cell, it is necessary to consider the worst direction. Therefore, in the example considered above, we can conclude that this cell will not be stable in a magnetic field of 100 Oersteds.

Предложенное техническое решение позволяет нивелировать влияния направления внешнего магнитного поля на устойчивость бита памяти MRAM 10 (20), состоящего из двух и более ячеек памяти, а также позволяет контролировать достоверность хранящейся в бите информации. The proposed technical solution allows leveling the influence of the direction of the external magnetic field on the stability of the MRAM 10 (20) memory bit, which consists of two or more memory cells, and also allows you to control the accuracy of the information stored in the bit.

Полученный вышеуказанным способом комбинированный элемент MRAM 20 из множества ячеек 100-500, равномерно распределенных по

Figure 00000034
, обладает практически такой же устойчивостью к внешнему паразитному магнитному полю произвольного направления, что и одна ячейка к внешнему магнитному полю с фиксированным направлением магнитного поля вдоль оси перемагничивания или перпендикулярного ей. Таким образом, данная схема позволяет практически полностью нивелировать зависимость стабильности элемента памяти MRAM 20 от направления внешнего паразитного магнитного поля. Obtained by the above method, the combined element MRAM 20 from a plurality of cells 100-500 uniformly distributed over
Figure 00000034
, has almost the same resistance to an external parasitic magnetic field of arbitrary direction as one cell to an external magnetic field with a fixed direction of the magnetic field along the magnetization reversal axis or perpendicular to it. Thus, this scheme makes it possible to almost completely level the dependence of the stability of the MRAM 20 memory element on the direction of the external parasitic magnetic field.

Для определения целостности информации, хранимой в элементе памяти MRAM 20, проверяется целостность всех ячеек 100-500, входящих в него. Принципу работы логики схож со способом, отображенным на Фиг. 4. Логика работы заключается в том, что если вектора намагниченности в ячейках памяти 100-500 противоположно ориентированы, то данным хранящимся в этом бите памяти 20 можно доверять. Если же ориентация векторов намагниченности ячеек 100-500 будет совпадать, это будет означать что бит 20 подвергся воздействию внешнего магнитного поля и потерял хранящуюся в нем информацию и доверять данным из бита 20 нельзя.To determine the integrity of the information stored in the memory element MRAM 20, the integrity of all cells 100-500 included in it is checked. The operating principle of the logic is similar to the method shown in FIG. 4. The logic of work is that if the magnetization vectors in memory cells 100-500 are oppositely oriented, then the data stored in this bit of memory 20 can be trusted. If the orientation of the magnetization vectors of cells 100-500 coincides, this will mean that bit 20 has been exposed to an external magnetic field and has lost the information stored in it and data from bit 20 cannot be trusted.

Способ записи информации в элемент памяти MRAM 20 заключается в том, что направление намагниченности для первой ячейки 100 задается вдоль или противоположно направлению намагниченности её опорного слоя (соответствует логическому нулю или единице в элементе памяти), при этом для каждой ячейки 200-500 элемента MRAM 20 с увеличивающимся порядковым номером намагниченность имеет положительную проекцию на направление намагниченности предыдущей ячейки. Направление намагниченности опорного слоя ячеек, в частности, выполняется с помощью нагрева в магнитной печи выше температуры Кюри в присутствии сильного магнитного поля. Направление намагниченности свободного слоя может задаваться как локальным воздействием магнитного поля (за счет пропускания тока через токовые линии вблизи ячейки), так и воздействием спин-поляризованного тока. The method of recording information in the memory element MRAM 20 is that the direction of magnetization for the first cell 100 is set along or opposite the direction of magnetization of its reference layer (corresponds to a logical zero or one in the memory element), while for each cell 200-500 element MRAM 20 with increasing serial number, the magnetization has a positive projection on the direction of magnetization of the previous cell. The direction of magnetization of the support layer of cells, in particular, is performed by heating in a magnetic furnace above the Curie temperature in the presence of a strong magnetic field. The direction of magnetization of the free layer can be specified both by the local action of a magnetic field (due to the passage of current through current lines near the cell) and by the action of a spin-polarized current.

При считывании информации их элемента памяти 20 определяется направление вектора намагниченности свободных слоев каждой ячейки 100-500 относительно их опорных слоёв, при этом в ходе проверки определяются ячейки 100-500, у которых направление вектора намагниченности свободного слоя соответствует логическому нулю и у которых направление вектора намагниченности свободного слоя соответствует логической единице. Выполняется определение состояния элемента MRAM 20 как состояние большинства входящих в него ячеек 100-500, причем, после процедуры считывания, состояние всех ячеек 100-500 элемента 20 приводится в соответствие с определенным состоянием элемента 20 в момент записи на него информации, что позволяет произвести восстановление утраченной информации в таких ячейках памяти. When reading the information of their memory element 20, the direction of the magnetization vector of the free layers of each cell 100-500 relative to their reference layers is determined, while the test determines cells 100-500, in which the direction of the magnetization vector of the free layer corresponds to logical zero and in which the direction of the magnetization vector a free layer corresponds to a logical unit. The state of the MRAM element 20 is determined as the state of the majority of cells 100-500 included in it, and, after the reading procedure, the state of all cells 100-500 of the element 20 is brought into correspondence with the determined state of the element 20 at the time of recording information on it, which allows restoration lost information in such memory cells.

Наихудшее направление магнитного поля для элемента памяти MRAM 20 – это то, при котором информацию будет утеряна у большей части ячеек памяти 100-500 MRAM, входящих в комбинированный элемент памяти 20, например, если информация будет утеряна в трех ячейках памяти из пяти. В противном случае информацию можно восстановить по значению данных в большинстве ячеек 100-500, т.е. по их первоначально определенному состоянию. The worst direction of the magnetic field for the memory element MRAM 20 is that in which information will be lost in most of the memory cells 100-500 MRAM included in the combined memory element 20, for example, if the information is lost in three out of five memory cells. Otherwise, information can be restored by the value of the data in most cells 100-500, i.e. according to their initially determined condition.

В этом случае для двух ячеек памяти 100, 200 из пяти критическое поле уменьшается на 30% от максимального, а для оставшихся трех 300-500 – не изменится или даже возрастает. Соответственно, увеличение барьера для описанного случая комбинированного бита памяти 20 будет соответствовать увеличению дельты примерно на

Figure 00000035
(в зависимости от
Figure 00000017
для ячейки) в отсутствии магнитного поля и поля анизотропии ячейки
Figure 00000013
, что будет соответствовать увеличению времени жизни ячейки в определенном состоянии на
Figure 00000036
порядков по сравнению с наихудшим случаем для обыкновенной ячейки (при угле наклона магнитного поля к легкой оси в
Figure 00000007
). Для любого другого направления падение критического поля для четырех из пяти ячеек 100-500 будет выше, чем для указанного направления и комбинированный элемент (бит) памяти 20 будет еще более стабилен. In this case, for two memory cells 100, 200 out of five, the critical field decreases by 30% of the maximum, and for the remaining three 300-500 it does not change or even increases. Accordingly, an increase in the barrier for the described case of the combined memory bit 20 will correspond to an increase in the delta by approximately
Figure 00000035
(depending on the
Figure 00000017
for a cell) in the absence of a magnetic field and anisotropy field of the cell
Figure 00000013
, which will correspond to an increase in the cell lifetime in a certain state by
Figure 00000036
orders of magnitude compared with the worst case for an ordinary cell (at an angle of inclination of the magnetic field to the easy axis in
Figure 00000007
) For any other direction, the fall of the critical field for four out of five cells 100-500 will be higher than for the specified direction and the combined element (bit) of memory 20 will be even more stable.

На примере элемента MRAM 20

Figure 00000037
является наихудшим направлением поля. При этом критическое поле
Figure 00000001
будет составлять 0.7 от максимального, достигаемого при сонаправленном положении вектора направления внешнего магнитного поля и легкой оси 130-530 ячеек 100-500, что на 40% выше, чем для одиночной ячейки памяти с теми же параметрами. Соответственно, падение барьера от угла наклона вектора магнитного поля к легкой оси 130-530 для описанного выше случая будет соответствовать уменьшению дельты до значения
Figure 00000038
, таким образом, время хранения информации массива из миллиона ячеек будет составлять 6 дней при внешнем магнитном поле в 100 Oe, что более чем на 7 порядков больше, чем для наихудшего случая обыкновенной ячейки. For example, the element MRAM 20
Figure 00000037
is the worst field direction. In this case, the critical field
Figure 00000001
will be 0.7 of the maximum achieved with the co-directional position of the direction vector of the external magnetic field and the easy axis of 130-530 cells 100-500, which is 40% higher than for a single memory cell with the same parameters. Accordingly, a drop in the barrier from the angle of inclination of the magnetic field vector to the easy axis 130-530 for the case described above will correspond to a decrease in the delta to the value
Figure 00000038
Thus, the storage time of information from an array of a million cells will be 6 days with an external magnetic field of 100 Oe, which is more than 7 orders of magnitude than for the worst case of an ordinary cell.

Соответственно, падение барьера от угла наклона вектора магнитного поля к легкой оси 130-530 для наихудшего случая комбинированного элемента памяти 20 будет на

Figure 00000035
меньше чем для одиночной ячейки памяти MRAM с теми же характеристиками, что приведет к увеличению времени хранения информации на
Figure 00000036
порядков.Accordingly, the fall of the barrier from the angle of inclination of the magnetic field vector to the easy axis 130-530 for the worst case of the combined memory element 20 will be
Figure 00000035
less than for a single MRAM cell with the same characteristics, which will lead to an increase in the storage time of information on
Figure 00000036
orders.

На Фиг. 6 представлен другой предпочтительный вариант реализации заявленного решения, который заключается в комбинации предыдущих, в частности, предлагается архитектура комбинированного элемента памяти MRAM 30, который содержит два комбинированных элемента памяти 30а и 30б, каждый из которых является аналогичным элементу памяти MRAM 20. Каждая из ячеек 100а-500а элемента 30а имеет спаренную ей ячейку 100б-500б элемента 30б, в которой легкие оси соответствующих ячеек являются сонаправленными, вне зависимости от пространственного расположения центров ячеек 100а-500а и 100б-500б, и намагниченности свободных слоев ячеек 100а-500а и соответствующих им спаренных ячеек 100б-500б являются противоположено направленными.In FIG. 6, another preferred embodiment of the claimed solution is presented, which consists in combining the previous ones, in particular, the architecture of the combined memory element MRAM 30 is proposed, which contains two combined memory elements 30a and 30b, each of which is similar to the memory element MRAM 20. Each of the cells 100a -500a of cell 30a has a cell 100b-500b of element 30b paired with it, in which the light axes of the respective cells are co-directional, regardless of the spatial arrangement of the centers of the cells 100a -500a and 100b-500b, and the magnetizations of the free layers of cells 100a-500a and their corresponding paired cells 100b-500b are oppositely directed.

Представленное на Фиг. 6 расположение ячеек элемента MRAM 30 может отличаться (при сохранении взаимной ориентации ячеек). Так, например, расположение ячеек вдоль по кругу или вдоль прямой линии будет иметь тоже самое значение. Стрелками обозначены векторы направления намагниченности.Presented in FIG. 6, the cell arrangement of the MRAM element 30 may differ (while maintaining the relative cell orientation). So, for example, the location of cells along in a circle or along a straight line will have the same meaning. Arrows indicate the direction vectors of magnetization.

Комбинирование описанных выше примеров исполнения комбинированных элементов MRAM 10 и 20 в конструкции элемента 30 позволяет считывать информацию с такого бита MRAM 30 даже в том случае, если 4 из 5 спаренных ячеек памяти сменили ориентацию на сонаправленную. Таким образом, стабильность данного бита к воздействию внешнего магнитного поля оказывается очень высокой – бит потеряет информацию при величине поля практически совпадающем с полем перемагничивания при отсутствии наклона вектора внешнего магнитного поля к вектору намагниченности ячейки памяти, что в 2 раза выше чем для одной ячейки при направлении магнитного поля π/4 к вектору намагниченности ячейки. В целом, данная конструкция обладает примерно тем же уровнем стабильности, что и описанная в ранее комбинированная ячейка, однако возможность проверки достоверности записанной информации является крайне важным преимуществом конструкции элемента памяти 30.The combination of the above described examples of the combination of elements MRAM 10 and 20 in the design of the element 30 allows you to read information from such bits of MRAM 30 even if 4 of the 5 paired memory cells have changed orientation to codirectional. Thus, the stability of this bit to the effects of an external magnetic field turns out to be very high - the bit will lose information when the field magnitude almost coincides with the magnetization reversal field in the absence of an inclination of the external magnetic field vector to the magnetization vector of the memory cell, which is 2 times higher than for one cell in the direction π / 4 magnetic field to the cell magnetization vector. In General, this design has approximately the same level of stability as described in the previously combined cell, however, the ability to verify the reliability of the recorded information is an extremely important advantage of the design of the memory element 30.

Способ записи информации в элемент памяти 30 заключается в том, что в первом элементе 30а задают направление намагниченности вдоль легкой оси первой ячейки 100а, определяют для первой ячейки 100а состояние намагниченности как логический 0 или логическая 1. Впоследствии выполняют запись информации в элемент памяти 30а таким образом, чтобы направление намагниченности вдоль легкой оси каждой последующей ячейки 200а-500а относительно предыдущей ячейки было идентичным состоянию намагниченности первой ячейки 100а, причем направления векторов намагниченности свободного слоя ячеек 100б-500б элемента 30б определяются как противоположно направленные направлениям намагниченности свободного слоя соответствующих спаренных ячеек 100а-500а элемента 30а.The method of recording information in the memory element 30 is that in the first element 30a the direction of magnetization is set along the easy axis of the first cell 100a, the magnetization state is determined for the first cell 100a as logical 0 or logical 1. Subsequently, information is recorded in the memory element 30a in this way so that the direction of magnetization along the easy axis of each subsequent cell 200a-500a relative to the previous cell is identical to the state of magnetization of the first cell 100a, and the directions of the magnetization vectors con- cern free layer 100b 500B 30b-element cells are defined as the opposing directions of magnetization of the free layer of the respective paired cells 100a-500a member 30a.

Для считывания информации с элемента памяти MRAM 30 заключается в том, что определяют направление вектора намагниченности свободного слоя каждой ячейки 100а-500а и спаренной ей ячейки 100б-500б. Затем определяют пары ячеек, у которых направления векторов намагниченности свободных слоев являются противоположено направленным, остальные спаренные ячейки признаются утратившими информацию, причем состояние упомянутого комбинированного элемента памяти 30 определяется как состояние большинства ячеек элемента памяти, сохранивших информацию, и если таких ячеек нет, то весь комбинированный элемент MRAM 30 считается утратившим информацию и считыванию не подлежит, причем после процедуры считывания состояния всех ячеек приводится в соответствие с определенным состоянием элемента.To read information from a memory element, MRAM 30 consists in determining the direction of the magnetization vector of the free layer of each cell 100a-500a and its paired cell 100b-500b. Then, pairs of cells are determined for which the directions of the magnetization vectors of the free layers are oppositely directed, the remaining paired cells are recognized as having lost information, and the state of the mentioned combined memory element 30 is defined as the state of most cells of the memory element that have saved information, and if there are no such cells, then the whole combined the MRAM 30 element is considered to have lost information and cannot be read, and after the reading procedure, the state of all cells is brought into correspondence an event with a certain state of an element.

Также может применяться способ инициализации опорных слоев ячеек памяти на примере элемента MRAM 20, при котором ячейки нагреваются до температуры выше температуры Нееля при наличии магнитного поля с заданной мощностью, направленного вдоль первой ячейки 100 упомянутого элемента MRAM 20, затем температура нагрева и мощность магнитного поля снижаются.A method of initializing the reference layers of memory cells can also be applied using the example of the MRAM 20 element, in which the cells are heated to a temperature above the Néel temperature in the presence of a magnetic field with a given power directed along the first cell 100 of the mentioned MRAM 20 element, then the heating temperature and the magnetic field power are reduced .

Представленные в настоящих материалах заявки варианты реализации заявленного технического решения раскрывают предпочтительные аспекты его воплощения и не должны использоваться как ограничивающие иные, частные варианты реализации, которые являются очевидными для специалиста данной области техники, не выходящие за рамки представленного объема правовой охраны.The implementation options of the claimed technical solution presented in the present application materials disclose preferred aspects of its implementation and should not be used as limiting other, private implementation options that are obvious to a person skilled in the art, not going beyond the scope of the legal protection.

Claims (9)

1. Элемент магниторезистивной памяти (MRAM), состоящий из двух ячеек MRAM, каждая из которых содержит по меньшей мере один слой магнитного материала с изменяемой ориентацией вектора намагниченности (свободный слой) и по меньшей мере один составной слой (опорный слой), состоящий из двух противоположно направленных магнитных слоев с фиксированным направлением вектора намагниченности, направление которого определяется по слою, ближайшему к свободному слою, причем легкие оси ячеек являются сонаправленными, вне зависимости от пространственного расположения ячеек, и намагниченности свободных слоев каждой из ячеек являются противоположно направленными.1. Magnetoresistive memory element (MRAM), consisting of two MRAM cells, each of which contains at least one layer of magnetic material with a variable orientation of the magnetization vector (free layer) and at least one composite layer (reference layer), consisting of two oppositely directed magnetic layers with a fixed direction of the magnetization vector, the direction of which is determined by the layer closest to the free layer, and the light axis of the cells are codirectional, regardless of the spatial aspolozheniya cells, and the magnetization of the free layer of each cell are oppositely directed. 2. Способ записи информации на элемент памяти по п.1, характеризующийся тем, что в процессе записи информации осуществляется изменение векторов намагниченности свободного слоя каждой из ячеек таким образом, чтобы они были противоположно направленными друг другу.2. The method of recording information on a memory element according to claim 1, characterized in that in the process of recording information, the magnetization vectors of the free layer of each cell are changed so that they are oppositely directed to each other. 3. Способ считывания информации из элемента MRAM по п.1, характеризующийся тем, что определяют направление намагниченности свободных слоев каждой ячейки, и если намагниченность ячеек является противоположно направленной, то выполняют считывание информации из элемента, в противном случае считают, что информация, содержащаяся в элементе, утратила целостность и считыванию не подлежит. 3. The method of reading information from an MRAM element according to claim 1, characterized in that the direction of magnetization of the free layers of each cell is determined, and if the magnetization of the cells is oppositely directed, then the information is read from the element, otherwise it is believed that the information contained in element, has lost its integrity and is not subject to reading. 4. Элемент MRAM, состоящий из n ячеек MRAM, где n ≥3, причем каждая из ячеек содержит по меньшей мере один слой магнитного материала с изменяемой ориентацией вектора намагниченности (свободный слой) и по меньшей мере один слой с фиксированным направлением вектора намагниченности (опорный слой), при этом легкая ось первой ячейки данного элемента MRAM имеет заданное направление, а направление легкой оси каждой последующей ячейки повернуто относительно предыдущей ячейки на угол, равный
Figure 00000039
, при этом угол между ячейкой с номером n и первой ячейкой также составляет
Figure 00000039
.
4. MRAM element, consisting of n MRAM cells, where n ≥ 3, each cell containing at least one layer of magnetic material with a variable orientation of the magnetization vector (free layer) and at least one layer with a fixed direction of the magnetization vector (reference layer), while the easy axis of the first cell of this MRAM element has a specified direction, and the direction of the easy axis of each subsequent cell is rotated relative to the previous cell by an angle equal to
Figure 00000039
while the angle between the cell number n and the first cell is also
Figure 00000039
.
5. Способ записи информации в элемент памяти по п.4, характеризующийся тем, что задается направление намагниченности для первой ячейки вдоль или противоположно направлению намагниченности её опорного слоя (соответствует логическому нулю или единице в элементе памяти), при этом для каждой ячейки с увеличивающимся порядковым номером намагниченность имеет положительную проекцию на направление намагниченности предыдущей ячейки.5. The method of recording information in a memory element according to claim 4, characterized in that the direction of magnetization for the first cell is set along or opposite to the direction of magnetization of its reference layer (corresponds to a logical zero or one in the memory element), while for each cell with increasing ordinal the magnetization number has a positive projection on the direction of magnetization of the previous cell. 6. Способ считывания информации из элемента памяти по п.4, характеризующийся тем, что определяют направление вектора намагниченности свободного слоя каждой ячейки относительно её опорного слоя, определяют ячейки, у которых направление вектора намагниченности свободного слоя соответствует логическому нулю и у которых направление вектора намагниченности свободного слоя соответствует логической единице, при этом определяют состояние элемента как состояние большинства входящих в него ячеек, причем после процедуры считывания состояние всех ячеек элемента приводится в соответствие с определенным состоянием элемента.6. The method of reading information from a memory element according to claim 4, characterized in that the direction of the magnetization vector of the free layer of each cell relative to its reference layer is determined, cells are determined for which the direction of the magnetization vector of the free layer corresponds to logical zero and for which the direction of the magnetization vector of the free the layer corresponds to a logical unit, while determining the state of the element as the state of the majority of its cells, and after the reading procedure, the state in all cells of an element are brought into correspondence with a certain state of an element. 7. Комбинированный элемент MRAM, содержащий два элемента памяти по п. 4, причем каждая из ячеек первого упомянутого элемента имеет спаренную ей ячейку во втором упомянутом элементе, в которой легкие оси ячеек являются сонаправленными, вне зависимости от пространственного расположения центров ячеек первого и второго элементов памяти, и намагниченности свободных слоев ячеек первого элемента памяти и соответствующих им спаренных ячеек второго элемента памяти являются противоположно направленными.7. A combined MRAM element containing two memory elements according to claim 4, wherein each of the cells of the first mentioned element has a cell paired to it in the second mentioned element, in which the light axis of the cells are co-directional, regardless of the spatial arrangement of the cell centers of the first and second elements memory, and the magnetization of the free layers of the cells of the first memory element and the corresponding paired cells of the second memory element are oppositely directed. 8. Способ записи информации в комбинированный элемент памяти по п.7, характеризующийся тем, что в первом элементе памяти задают направление намагниченности вдоль легкой оси первой ячейки, определяют для первой ячейки состояние намагниченности как логический 0 или логическая 1, выполняют запись информации в элемент памяти таким образом, чтобы направление намагниченности вдоль легкой оси каждой последующей ячейки относительно предыдущей было идентичным состоянию намагниченности первой ячейки, причем направления векторов намагниченности свободного слоя ячеек второго элемента памяти определяются как противоположно направленные направлениям намагниченности свободного слоя соответствующих спаренных ячеек первого элемента памяти.8. The method of recording information in the combined memory element according to claim 7, characterized in that in the first memory element the direction of magnetization is set along the easy axis of the first cell, the state of magnetization is determined for the first cell as logical 0 or logical 1, information is recorded in the memory element so that the direction of magnetization along the easy axis of each subsequent cell relative to the previous one is identical to the state of magnetization of the first cell, and the directions of the magnetization vectors the free layer of the second memory cells are defined as the element oppositely directed directions of magnetization of the free layer of the respective paired memory cells of the first element. 9. Способ считывания информации из комбинированного элемента памяти по п.7, характеризующийся тем, что определяют направление вектора намагниченности свободного слоя каждой ячейки первого элемента памяти и спаренной ей ячейки второго элемента памяти, определяют пары ячеек, у которых направления векторов намагниченности свободных слоев являются противоположно направленным, остальные спаренные ячейки признаются утратившими информацию, причем состояние комбинированного элемента памяти определяется как состояние большинства ячеек комбинированного элемента памяти, сохранивших информацию, и если таких ячеек нет, то весь упомянутый комбинированный элемент считается утратившим информацию и считыванию не подлежит, причем после процедуры считывания состояния всех ячеек приводится в соответствие с определенным состоянием элемента.9. The method of reading information from the combined memory element according to claim 7, characterized in that they determine the direction of the magnetization vector of the free layer of each cell of the first memory element and paired cells of the second memory element, determine the pairs of cells in which the directions of the magnetization vectors of the free layers are opposite directed, the remaining paired cells are recognized as having lost information, and the state of the combined memory element is defined as the state of most cells a binded memory element that has retained information, and if there are no such cells, then all of the mentioned combined element is considered to have lost information and cannot be read, and after the reading procedure, the state of all cells is brought into line with the specific state of the element.
RU2017112375A 2017-04-12 2017-04-12 Combined element of magnetoresistive memory (options), ways of reading information from the element (options), ways of recording information on the element (options) RU2648948C1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017112375A RU2648948C1 (en) 2017-04-12 2017-04-12 Combined element of magnetoresistive memory (options), ways of reading information from the element (options), ways of recording information on the element (options)
PCT/RU2018/050018 WO2018190753A1 (en) 2017-04-12 2018-02-19 Combined magnetoresistive memory element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017112375A RU2648948C1 (en) 2017-04-12 2017-04-12 Combined element of magnetoresistive memory (options), ways of reading information from the element (options), ways of recording information on the element (options)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2648948C1 true RU2648948C1 (en) 2018-03-28

Family

ID=61867019

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017112375A RU2648948C1 (en) 2017-04-12 2017-04-12 Combined element of magnetoresistive memory (options), ways of reading information from the element (options), ways of recording information on the element (options)

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2648948C1 (en)
WO (1) WO2018190753A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6635947B2 (en) * 2000-08-21 2003-10-21 Infineon Technologies Ag Monolithically integrable inductor
US20060152969A1 (en) * 2005-01-10 2006-07-13 International Business Machines Corporation Mram device with improved stack structure and offset field for low-power toggle mode writing
US7929370B2 (en) * 2008-11-24 2011-04-19 Magic Technologies, Inc. Spin momentum transfer MRAM design
RU2599956C2 (en) * 2011-07-12 2016-10-20 Крокус Текнолоджи Са Magnetic random access memory cell with improved dispersion of switching field
US20160380189A1 (en) * 2012-09-25 2016-12-29 Kabushiki Kaisha Toshiba Manufacturing method of magnetoresistive effect element and manufacturing apparatus of magnetoresistive effect element

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6635947B2 (en) * 2000-08-21 2003-10-21 Infineon Technologies Ag Monolithically integrable inductor
US20060152969A1 (en) * 2005-01-10 2006-07-13 International Business Machines Corporation Mram device with improved stack structure and offset field for low-power toggle mode writing
US7929370B2 (en) * 2008-11-24 2011-04-19 Magic Technologies, Inc. Spin momentum transfer MRAM design
RU2599956C2 (en) * 2011-07-12 2016-10-20 Крокус Текнолоджи Са Magnetic random access memory cell with improved dispersion of switching field
US20160380189A1 (en) * 2012-09-25 2016-12-29 Kabushiki Kaisha Toshiba Manufacturing method of magnetoresistive effect element and manufacturing apparatus of magnetoresistive effect element

Also Published As

Publication number Publication date
WO2018190753A1 (en) 2018-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9251879B2 (en) Perpendicular magnetic random access memory (MRAM) device with reference cell and method for using same
US7035137B2 (en) Semiconductor memory device having memory cells including ferromagnetic films and control method thereof
CN100547678C (en) The HSD and the method that are used for magnetic memory cell
US8261367B2 (en) Method and device for protection of an MRAM device against tampering
JP4474136B2 (en) Read operation in a multi-bit memory cell in a resistive intersection array
US7712147B2 (en) Method and device for protection of an mram device against tampering
JP5152672B2 (en) Magnetic random access memory and operation method thereof
US7224634B2 (en) Hardware security device for magnetic memory cells
US7075807B2 (en) Magnetic memory with static magnetic offset field
US6803616B2 (en) Magnetic memory element having controlled nucleation site in data layer
RU2648948C1 (en) Combined element of magnetoresistive memory (options), ways of reading information from the element (options), ways of recording information on the element (options)
US7286392B2 (en) Data retention indicator for magnetic memories
EP2804180A1 (en) Multilevel MRAM for low consumption and reliable write operation
TW200903485A (en) Data write in control circuit for toggle magnetic random access memory
US6809958B2 (en) MRAM parallel conductor orientation for improved write performance
TWI781471B (en) Random bit circuit
US20240274178A1 (en) Storage device, memory cell array, method for manufacturing memory cell array, magnetic head, and electronic device
EP1576615B1 (en) Hardware security device for magnetic memory cells
US9142755B2 (en) Perpendicular magnetic random access memory (MRAM) device with a stable reference cell