RU2704732C1

RU2704732C1 - Random-access magnetic memory cell

Info

Publication number: RU2704732C1
Application number: RU2018144390A
Authority: RU
Inventors: Лев Александрович Фомин; Илья Валентинович Маликов; Анатолий Васильевич Черных
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2019-10-30

Abstract

FIELD: computer engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the computer engineering. Magnetic random-access memory cell comprises a non-conductive substrate with a lower ferromagnetic electrode and two upper ferromagnetic electrodes, wherein lower H-shaped 4-terminal electrode has a square shape with 4 corners corresponding to its angles current paths parallel to two opposite sides of the square and configured to be connected to the current pulse generator, and upper electrodes are made in the form of ellipses with a long axis along the tracks and located in opposite quarters of the square of the lower electrode formed by crossing its diagonals, wherein long sides of said quarters are parallel to current paths, wherein upper electrodes are separated from lower electrode by tunnel dielectric and connected to insulated supply terminals, and lower ferromagnetic electrode is made from material having biaxial magnetic anisotropy in plane of substrate with axes of easy magnetization along sides of square.

EFFECT: high reliability of storing information in a MRAM cell.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно к разработке запоминающих устройств в области магниторезистивной оперативной памяти (MRAM), и может быть использовано для хранения данных на основе сохранения определенного состояния магнитной структуры рабочего элемента, а именно, одного из двух возможных направлений ее намагниченности, которое может определяться по изменению сопротивления магнитных туннельных переходов, образованных участком рабочего элемента, диэлектриком и внешним магнитным контактом.The invention relates to the field of computer technology, namely to the development of storage devices in the field of magnetoresistive random access memory (MRAM), and can be used to store data based on the preservation of a certain state of the magnetic structure of the working element, namely, one of two possible directions of its magnetization, which can be determined by the change in the resistance of the magnetic tunnel junctions formed by the site of the working element, the dielectric and the external magnetic contact.

В настоящее время активно идет разработка устройств, основанных на MRAM, которые в основном используют магнитный туннельный переход, поскольку в нем был обнаружен большой магниторезистивный эффект при комнатной температуре. По сравнению с другими типами оперативной памяти MRAM имеет много преимуществ, таких как высокие скорости записи и чтения (вплоть до нескольких наносекунд), энергонезависимость и устойчивость к ионизирующим излучениям. Разработка ячеек MRAM с магнитным туннельным переходом обеспечила возможность значительного увеличения эксплуатационных характеристик MRAM.Currently, there is an active development of MRAM-based devices, which mainly use the magnetic tunnel junction, since a large magnetoresistive effect was detected in it at room temperature. Compared to other types of RAM, MRAM has many advantages, such as high write and read speeds (up to several nanoseconds), non-volatility and resistance to ionizing radiation. The development of MRAM cells with magnetic tunnel junction has provided the opportunity to significantly increase the operational characteristics of MRAM.

Известна магнитнорезистивная оперативная память с передачей спинового вращательного момента (STT-MRAM) (патент RU 2427045, МПК G11C 11/15 (2006.01), G11C 11/16 (2006.01), опубл. 20.08.2011), содержащая несколько однобитовых ячеек, причем каждая однобитовая ячейка содержит: туннельный магниторезистивный элемент памяти (MTJ), имеющий сопротивление состояния 0 и сопротивление состояния 1, соответствующие первому и второму состоянию памяти, транзистор доступа, последовательно соединенный с MTJ между разрядной шиной и шиной истока, причем затвор транзистора доступа подсоединен к числовой шине, напряжение питания (VDD), подсоединенное к разрядной шине или к шине истока при операции записи, и напряжение считывания (VR), подсоединенное к разрядной шине при операции считывания, и при этом напряжение считывания выбирают таким образом, чтобы транзистор доступа функционировал в линейной области при операциях считывания, и при этом чтобы транзистор доступа функционировал в области насыщения при операциях записи.Known magnetoresistive memory with the transmission of spin torque (STT-MRAM) (patent RU 2427045, IPC G11C 11/15 (2006.01), G11C 11/16 (2006.01), publ. 08/20/2011), containing several single-bit cells, each a single-bit cell contains: a tunnel magnetoresistive memory element (MTJ) having a state resistance of 0 and a state resistance of 1 corresponding to the first and second state of the memory, an access transistor connected in series with MTJ between the discharge bus and the source bus, and the gate of the access transistor is connected to the digital bus, a supply voltage (VDD) connected to the bit bus or to the source bus during the write operation, and a read voltage (VR) connected to the bit bus during the read operation, and wherein the read voltage is selected so that the access transistor functions in the linear region during read operations, and wherein the access transistor functions in the saturation region during write operations.

Однако такое техническое решение не позволяет выйти за пределы использования традиционной полупроводниковой электроники, поскольку предполагает наличие транзистора и, следовательно, является менее энергонезависимым и менее устойчивым к ионизирующим излучениям.However, such a technical solution does not allow to go beyond the use of traditional semiconductor electronics, since it assumes the presence of a transistor and, therefore, is less non-volatile and less resistant to ionizing radiation.

Наиболее близким по технической сущности изобретением является ячейка магнитной памяти с произвольным доступом с улучшенным рассеиванием переключающего поля (патент RU 2599956, МПК G11C 11/15 (2006.01), G11C 11/16 (2006.01), опуб. 20.01.2014), содержащая туннельный магнитный переход, образованный из опорного слоя, слоя хранения и изолирующего слоя, располагаемого между слоем хранения и опорным слоем; в котором упомянутый слой хранения имеет намагниченность хранения, которая может быть ориентирована относительно оси анизотропии хранения слоя хранения свыше предварительно определенного высокотемпературного порога; линию передачи тока, электрически присоединенную к магнитному туннельному переходу; линию поля, находящуюся в связи с магнитным туннельным переходом, причем линия поля выполнена с возможностью обеспечения магнитного поля для ориентирования намагниченности хранения при переносе тока поля; причем ячейка MRAM сконфигурирована относительно линии поля, так чтобы при обеспечении магнитного поля, по меньшей мере одна составляющая магнитного поля являлась по существу перпендикулярной к упомянутой оси анизотропии слоя хранения; при этом второй ферромагнитный слой имеет асимметричную форму вдоль, по меньшей мере, одного из своего размера, так что вторая намагниченность содержит рисунок С-образного состояния, и при этом упомянутый рисунок С-образного состояния способен изменяться в рисунок S-образного состояния посредством второй составляющей поля и вторая намагниченность способна переключаться посредством первой составляющей поля, когда обеспечено магнитное поле.The closest in technical essence to the invention is a random access magnetic memory cell with improved dispersion of the switching field (patent RU 2599956, IPC G11C 11/15 (2006.01), G11C 11/16 (2006.01), publ. 20.01.2014) containing a magnetic tunnel a transition formed from a support layer, a storage layer and an insulating layer disposed between the storage layer and the support layer; wherein said storage layer has a storage magnetization that can be oriented relative to the axis of storage anisotropy of the storage layer above a predetermined high temperature threshold; a current transmission line electrically connected to the magnetic tunnel junction; a field line associated with the magnetic tunnel junction, the field line being configured to provide a magnetic field for orienting storage magnetization during field current transfer; moreover, the MRAM cell is configured relative to the field line, so that while providing a magnetic field, at least one component of the magnetic field is substantially perpendicular to said axis of anisotropy of the storage layer; wherein the second ferromagnetic layer has an asymmetric shape along at least one of its size, so that the second magnetization contains a C-shaped state pattern, and the said C-shaped state pattern is able to change into a S-shaped state by a second component field and the second magnetization is able to switch through the first component of the field when a magnetic field is provided.

Однако это изобретение не позволяет добиться надежного хранения информации из-за недостаточной стабильности магнитной структуры второго ферромагнитного слоя, поскольку С- и S-состояния мало отличаются друг от друга, оба являясь квазиоднодоменными состояниями, у которых намагниченность в обоих случаях главным образом направлена в одну и ту же сторону. Энергетический барьер для перехода между ними мал. Вследствие этого в результате пиннинга на дефектах одно из состояний (С- и S-) может стать энергетически более выгодным, и при выключении поля будет реализовываться только оно.However, this invention does not allow reliable information storage due to the insufficient stability of the magnetic structure of the second ferromagnetic layer, since the C and S states differ little from each other, both being quasi-single-domain states, in which the magnetization in both cases is mainly directed to one and the same side. The energy barrier to the transition between them is small. As a result of this, as a result of pinning on defects, one of the states (C- and S-) can become energetically more favorable, and when it is turned off the field will be realized only.

Настоящее изобретение решает задачу обеспечения стабильности магнитной структуры, и повышения степени надежности хранения информации в ячейке MRAM. Кроме того, оно позволяет отойти от использования стандартной полупроводниковой технологии микроэлектроники и перейти на металлическую спиновую электронику.The present invention solves the problem of ensuring the stability of the magnetic structure, and increasing the degree of reliability of information storage in the MRAM cell. In addition, it allows you to move away from using standard semiconductor technology of microelectronics and switch to metal spin electronics.

Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией ячейки магнитной памяти с произвольным доступом, содержащей непроводящую подложку с расположенным на ней нижним ферромагнитным электродом, и двумя верхними ферромагнитными электродами, при этом нижний Н-образный 4-терминальный электрод состоит из квадрата с 4-мя подходящими к его углам токовыми дорожками, параллельными двум противоположным сторонам квадрата и выполненными с возможностью соединения с генератором импульсов тока, а верхние электроды, выполнены в виде эллипсов с длинной осью вдоль дорожек и расположены в противоположных четвертях квадрата нижнего электрода, образованных пересечением его диагоналей, причем длинные стороны этих четвертей параллельны токовым дорожкам, а верхние электроды отделены от нижнего электрода туннельным диэлектриком и подсоединены к изолированным подводящим контактам, при этом нижний ферромагнитный электрод выполнен из материала, имеющего двухосную магнитную анизотропию в плоскости подложки с осями легкого намагничивания вдоль сторон квадрата. Верхние ферромагнитные электроды могут иметь сверху закрепляющий слой антиферромагнетика.The problem is solved by the proposed design of a random access magnetic memory cell containing a non-conductive substrate with a lower ferromagnetic electrode located on it and two upper ferromagnetic electrodes, while the lower H-shaped 4-terminal electrode consists of a square with 4 angles suitable for it current tracks parallel to two opposite sides of the square and made with the possibility of connection with a current pulse generator, and the upper electrodes are made in the form of ellipses with a length along the paths and located in opposite quarters of the square of the lower electrode formed by the intersection of its diagonals, the long sides of these quarters parallel to the current paths, and the upper electrodes separated from the lower electrode by a tunnel dielectric and connected to insulated supply contacts, while the lower ferromagnetic electrode is made of material having biaxial magnetic anisotropy in the plane of the substrate with the axes of easy magnetization along the sides of the square. The upper ferromagnetic electrodes may have a fixing layer of an antiferromagnet on top.

Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение энергетического барьера между двумя магнитными состояниями нижнего электрода, представляющими собой 4-х доменные структуры, с направлением намагниченности либо по часовой, либо против часовой стрелки, которое повышает степень надежности хранения информации в ячейке MRAM, поскольку при несанкционированном воздействии магнитного поля/тока вероятность случайного перехода в альтернативное нужному состояние, мала, с одновременным уменьшением тока записи информации за счет внешнего источника магнитного поля и тем самым увеличение как надежности по отношению к перегоранию, так и одновременное повышение стабильности, достигаемое за счет препятствия со стороны увеличенного энергетического барьера изменению магнитного состояния, так как по отдельности ни пропускаемый ток, ни внешнее магнитное поле не могут изменить доменное состояние в ячейке.The technical result of the claimed invention is to increase the energy barrier between two magnetic states of the lower electrode, which are 4 domain structures, with the direction of magnetization either clockwise or counterclockwise, which increases the degree of reliability of information storage in the MRAM cell, since when an unauthorized exposure to magnetic field / current, the probability of an accidental transition to an alternative desired state is small, with a simultaneous decrease in the current of recording information in seconds there is an external source of the magnetic field, and thus an increase in both reliability with respect to burnout and a simultaneous increase in stability, achieved due to the obstacle from the increased energy barrier to a change in the magnetic state, since individually neither the transmitted current nor the external magnetic field can change domain state in the cell.

Отсутствие источников информации, содержащих ту же совокупность признаков, что и в разработанной ячейки магнитной памяти с произвольным доступом, сообщает ей соответствие критерию «новизна».The absence of information sources containing the same set of features as in the developed random access magnetic memory cell informs it that it meets the “novelty” criterion.

Та же совокупность признаков позволяет получить новый непредсказуемый эффект - переключение круговой намагниченности 4-х доменной структуры с помощью магнитного поля и импульсов тока, подаваемых по ферромагнитным подводящим дорожкам и, таким образом, сообщает ей соответствию критерию «изобретательский уровень».The same set of features allows us to obtain a new unpredictable effect - switching the circular magnetization of 4 domain structures using a magnetic field and current pulses supplied through ferromagnetic supply paths and, thus, tells it to meet the criterion of "inventive step".

Изготовление новой конструкции ячейки магнитной памяти с произвольным доступом с использованием известного оборудования сообщает ему соответствие критерию «промышленная применимость».The manufacture of a new design of a random access magnetic memory cell using known equipment informs him of the criterion of "industrial applicability".

Приложенные чертежи представлены для облегчения описания вариантов осуществления изобретения и обеспечены исключительно для иллюстрации, а не для ограничения вариантов осуществления.The accompanying drawings are presented to facilitate the description of embodiments of the invention and are provided solely to illustrate and not to limit embodiments.

На фиг. 1 представлена ячейка магнитной памяти с произвольным доступом.In FIG. 1 shows a random access magnetic memory cell.

На фиг. 2 представлены два варианта расположения доменов в нижнем электроде, равных по энергии - с закручиванием намагниченности по часовой стрелке (фиг. 2а) и против часовой стрелки (фиг. 2б).In FIG. Figure 2 shows two variants of the arrangement of domains in the lower electrode, which are equal in energy - with magnetization twisting clockwise (Fig. 2a) and counterclockwise (Fig. 2b).

Ячейка магнитной памяти с произвольным доступом (фиг. 1) содержит непроводящую подложку 1 с расположенным на ней нижним ферромагнитным электродом 2 и двумя верхними ферромагнитными электродами 3. Нижний ферромагнитный электрод 2 выполнен из материала с двухосной магнитной анизотропией в плоскости подложки и имеет форму квадрата с 4-мя токовыми дорожками, выполненными с возможностью соединения с генератором импульсов тока (на чертеже не показан). Верхние ферромагнитные электроды 3, расположены в противоположных четвертях квадрата нижнего электрода, которые образованы пересечением его диагоналей, причем длинные стороны этих четвертей параллельны дорожкам, и отделены от нижнего электрода 2 туннельным диэлектриком 4 и подсоединены к изолированным подводящим контактам 5. Для повышения стабильности магнитного строения верхних ферромагнитных электродов во внешнем магнитном поле они могут иметь сверху закрепляющий слой антиферромагнетика 6.A random access magnetic memory cell (Fig. 1) contains a non-conductive substrate 1 with a lower ferromagnetic electrode 2 and two upper ferromagnetic electrodes located on it 3. The lower ferromagnetic electrode 2 is made of a material with biaxial magnetic anisotropy in the plane of the substrate and has the shape of a square with 4 - current paths made with the possibility of connection with a current pulse generator (not shown in the drawing). The upper ferromagnetic electrodes 3 are located in opposite quarters of the square of the lower electrode, which are formed by the intersection of its diagonals, the long sides of these quarters parallel to the tracks, and separated from the lower electrode 2 by a tunnel dielectric 4 and connected to insulated supply contacts 5. To increase the stability of the magnetic structure of the upper ferromagnetic electrodes in an external magnetic field, they can have a fixing layer of an antiferromagnet 6 on top.

Стрелки внутри области электрода с дорожками (фиг. 2) показывают направление намагниченности, линии вдоль диагоналей квадрата разделяют домены (показывают доменные стенки). Стрелкой вне области электрода с дорожками показано внешнее магнитное поле, обозначенное буквой Н. Токовые дорожки занумерованы цифрами 6, 7, 8 и 9.The arrows inside the area of the electrode with tracks (Fig. 2) show the direction of magnetization, the lines along the diagonals of the square divide the domains (show the domain walls). The arrow outside the electrode area with the tracks shows the external magnetic field indicated by the letter N. Current tracks are numbered 6, 7, 8, and 9.

На фиг. 3 представлены зависимости нормированной намагниченности от внешнего магнитного поля (кривые магнитного гистерезиса), полученные методом микромагнитного моделирования для нижнего электрода предложенной ячейки памяти и для слоя хранения ее ближайшего прототипа. Размеры электродов взяты одинаковыми, а именно 1×1.5 мкм в плоскости, и 20 нм по толщине. В качестве магнитного материала было взято железо. Магнитное поле было направлено вдоль длинной оси электрода.In FIG. Figure 3 shows the dependences of the normalized magnetization on the external magnetic field (magnetic hysteresis curves) obtained by micromagnetic simulation for the lower electrode of the proposed memory cell and for the storage layer of its closest prototype. The dimensions of the electrodes are taken the same, namely 1 × 1.5 μm in the plane, and 20 nm in thickness. Iron was taken as a magnetic material. The magnetic field was directed along the long axis of the electrode.

Устройство работает следующим образом: В отсутствие магнитного поля нижний ферромагнитный электрод 2 имеет магнитное строение в виде четырех доменов, замыкающих магнитный поток, намагниченность в каждом их которых может быть ориентирована вдоль одной из осей анизотропии нижнего электрода. Есть два варианта расположения доменов в нижнем электроде, равных по энергии - с закручиванием намагниченности по часовой стрелке (фиг. 2а) и против часовой стрелки (фиг. 2б). Если через две противоположных токовых дорожки, например 6 и 9 или 7 и 8 на фиг. 2а, пропустить ток, то он протекает преимущественно в области магнитного домена, примыкающего к этим дорожкам, что вызывает энергетическую неравнозначность магнитных состояний с закрученностью намагниченности по и против часовой стрелки под влиянием спин-поляризованного тока в этой области. Подачей внешнего магнитного поля и пропусканием тока по двум противоположным дорожкам осуществляется перемагничивание нижнего электрода 2, и тем самым запись информации в ячейку. Намагниченность обоих верхних ферромагнитных электродов 3 и токовых дорожек 6, 7, 8 и 9 под действием магнитного поля и тока не изменяется. Для считывания информации между верхними 3 и нижним 2 электродами подается напряжение и измеряется ток через туннельные переходы, образованные верхними 3 электродами, туннельной прослойкой и нижним 2 электродом. Если намагниченность одного верхнего электрода 3 параллельна намагниченности нижнего электрода 2 непосредственно под этим верхним электродом 3 и туннельным диэлектриком 4, сопротивление туннельного перехода, образованного этим верхним электродом 3, нижним 2 электродом и туннельным диэлектриком 4 мало, и ток через переход будет большим, если же намагниченности верхнего 3 и нижнего 2 электродов в области туннельного перехода антипараллельны, то сопротивление перехода велико, и ток будет маленьким. Таким образом, можно определить, в какую сторону закручена намагниченность и тем самым считать информацию, содержащуюся в ячейке памяти. Два считывающих электрода, соединенных туннельно с противоположными 2-мя из 4-х треугольников нижнего электрода, необходимы для однозначного определения наличия и направления круговой намагниченности, что будет невозможно в случае иной доменной структуры, например, однодоменной. Кривые гистерезиса (фиг. 3а) показывают, что коэрцитивная сила (половина ширины кривой гистерезиса по уровню 0) нижнего электрода предложенной ячейки памяти, которая характеризует величину энергетического барьера между двумя магнитными состояниями, в 1.8 раз превышает коэрцитивную силу слоя хранения ее ближайшего прототипа.The device operates as follows: In the absence of a magnetic field, the lower ferromagnetic electrode 2 has a magnetic structure in the form of four domains that close the magnetic flux, the magnetization in each of which can be oriented along one of the anisotropy axes of the lower electrode. There are two variants of the arrangement of domains in the lower electrode, which are equal in energy - with magnetization twisting clockwise (Fig. 2a) and counterclockwise (Fig. 2b). If through two opposite current paths, for example 6 and 9 or 7 and 8 in FIG. 2a, to let the current pass, then it flows mainly in the region of the magnetic domain adjacent to these paths, which causes the energy inequality of the magnetic states with magnetization swirling clockwise and counterclockwise under the influence of the spin-polarized current in this region. By applying an external magnetic field and passing current along two opposite tracks, the magnetization reversal of the lower electrode 2 is carried out, and thereby information is recorded in the cell. The magnetization of both upper ferromagnetic electrodes 3 and current tracks 6, 7, 8 and 9 under the influence of a magnetic field and current does not change. To read information between the upper 3 and lower 2 electrodes, voltage is applied and the current is measured through the tunnel junctions formed by the upper 3 electrodes, the tunnel layer and the lower 2 electrode. If the magnetization of one upper electrode 3 is parallel to the magnetization of the lower electrode 2 directly below this upper electrode 3 and the tunneling dielectric 4, the resistance of the tunnel junction formed by this upper electrode 3, the lower 2 electrode, and the tunneling dielectric 4 is small, and the current through the junction will be large, if The magnetization of the upper 3 and lower 2 electrodes in the region of the tunnel junction is antiparallel, then the junction resistance is high, and the current will be small. Thus, it is possible to determine in which direction the magnetization is twisted and thereby read the information contained in the memory cell. Two readout electrodes connected in a tunnel with 2 of the 4 opposite triangles of the lower electrode, are necessary for unambiguous determination of the presence and direction of circular magnetization, which will be impossible in the case of a different domain structure, for example, single domain. The hysteresis curves (Fig. 3a) show that the coercive force (half the width of the hysteresis curve at level 0) of the lower electrode of the proposed memory cell, which characterizes the energy barrier between two magnetic states, is 1.8 times higher than the coercive force of the storage layer of its closest prototype.

Таким образом, предлагаемая конструкция ячейки магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM) имеет повышенную по сравнению с современным уровнем техники величину энергетического барьера между двумя магнитными состояниями, повышающую степень надежности записи ячейки MRAM. Одновременно происходит уменьшение тока записи информации за счет внешнего источника магнитного поля и, тем самым, увеличение как надежности по отношению к перегоранию, так и одновременное повышение стабильности.Thus, the proposed design of a random access magnetic memory (MRAM) cell has an increased energy barrier between two magnetic states compared to the state of the art, increasing the reliability of recording MRAM cells. At the same time, there is a decrease in the current of recording information due to an external source of magnetic field and, thereby, an increase in both reliability with respect to burnout and a simultaneous increase in stability.

Claims

1. A random access magnetic memory cell containing a non-conductive substrate with a lower ferromagnetic electrode and two upper ferromagnetic electrodes located on it, while the lower H-shaped 4-terminal electrode has a square shape with 4 current paths parallel to its corners parallel two opposite sides of the square and made with the possibility of connection with the current pulse generator, and the upper electrodes are made in the form of ellipses with a long axis along the tracks and are located in opposite quarters of the square of the lower electrode formed by the intersection of its diagonals, the long sides of these quarters parallel to the current paths, with the upper electrodes separated from the lower electrode by a tunnel dielectric and connected to insulated supply contacts, and the lower ferromagnetic electrode made of a material having biaxial magnetic anisotropy in the plane substrates with axes of easy magnetization along the sides of the square.

2. The cell according to claim 1, characterized in that the upper ferromagnetic electrodes have a fixing layer of an antiferromagnet on top.