RU2790040C2 - Non-volatile memory cell - Google Patents
Non-volatile memory cell Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790040C2 RU2790040C2 RU2021101506A RU2021101506A RU2790040C2 RU 2790040 C2 RU2790040 C2 RU 2790040C2 RU 2021101506 A RU2021101506 A RU 2021101506A RU 2021101506 A RU2021101506 A RU 2021101506A RU 2790040 C2 RU2790040 C2 RU 2790040C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- storage layer
- volatile memory
- memory cell
- magnetic
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к ячейке энергонезависимой памяти (англ. Non-Volatile Memory, NVM) и к способу чтения данных с ячейки энергонезависимой памяти.The present invention relates to a Non-Volatile Memory (NVM) cell and to a method for reading data from a non-volatile memory cell.
Целью настоящего изобретения является устранение пробела между быстрой, энергозависимой, имеющей низкую энергоэффективность компьютерной памятью с произвольным доступом (англ. Random Access Memory, RAM) и медленными, недорогими, энергонезависимыми запоминающими устройствами, например, жесткими дисками (англ. Hard Disk Drive, HDD).The aim of the present invention is to bridge the gap between fast, volatile, low energy efficient computer random access memory (Random Access Memory, RAM) and slow, inexpensive, non-volatile storage devices, such as hard disk drives (Eng. Hard Disk Drive, HDD) .
С точки зрения повышения эффективности запоминающих устройств основным кандидатом является доминирующая в твердотельных жестких дисках (англ. Solid State Drive, SSD) технология NAND-Flash, которая сейчас слишком дорога, чтобы заменить HDD, а срок службы, скорость и энергоэффективность пока не позволяют использовать ее в качестве RAM. Усовершенствованной технологии HDD, например, магнитной записи с подогревом (англ. Heat Assisted Magnetic Recording, HAMR), также свойственны низкая скорость и проблемы с надежностью. Основными соперниками в разрабатываемых технологиях энергонезависимой памяти являются память с произвольным доступом на основе вращающего момента, связанного с переносом спина (англ. Spin-Transfer Torque RAM, STT-RAM; недостатком является ограниченная масштабируемость, для переключения между состояниями требуются относительно высокие плотности тока), сегнетоэлектрическая память с произвольным доступом (англ. Ferroelectric RAM, FRAM; недостатками являются разрушающее чтение и короткий срок службы), память с изменением фазового состояния (англ. Phase-Change Memory, PCM; имеет низкую энергоэффективность, используются дорогие ядовитые материалы), резистивная память с произвольным доступом (англ. Resistive RAM, RRAM; используется разрушающее чтение/сброс, пассивным матрицам памяти присуща проблема паразитных цепей) и многоячеечные устройства на основе этих принципов.From the point of view of increasing the efficiency of storage devices, the main candidate is the dominant technology in solid state hard drives (eng. Solid State Drive, SSD) NAND-Flash technology, which is now too expensive to replace the HDD, and the service life, speed and energy efficiency do not yet allow it to be used. as RAM. Advanced HDD technology such as Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR) also suffers from slow speed and reliability issues. The main rivals in the developing technologies of non-volatile memory are random access memory based on spin-transfer torque (Eng. Spin-Transfer Torque RAM, STT-RAM; the disadvantage is limited scalability, relatively high current densities are required to switch between states), ferroelectric random access memory (Ferroelectric RAM, FRAM; disadvantages are destructive reading and short service life), phase-change memory (PCM; has low energy efficiency, expensive poisonous materials are used), resistive memory with random access (eng. Resistive RAM, RRAM; destructive read / reset is used, the problem of parasitic circuits is inherent in passive memory matrices) and multi-cell devices based on these principles.
У новых технологий памяти имеются разнообразные недостатки, касающиеся плотности данных, энергопотребления и надежности (долговечности).New memory technologies have a variety of disadvantages regarding data density, power consumption, and reliability (longevity).
В документе WO 2018/109441 раскрыта ячейка памяти, содержащая запоминающий слой, состоящий из ферромагнитного материала толщиной 20-50 нм, в который можно записывать данные, представляя их направлением намагниченности; пьезомагнитного слоя, состоящего из антиперовскитного пьезомагнитного материала и способного к оказанию на запоминающий слой воздействия первого типа или воздействия второго типа в зависимости от деформации в пьезомагнитном слое; и деформирующего слоя для создания деформации в пьезомагнитном слое, посредством чего осуществляется переключение между воздействием первого типа и воздействием второго типа. Изменение деформации в пьезомагнитном слое приводит к изменению взаимодействия с запоминающим слоем. Сохраненные данные считывают, измеряя емкость структуры, ток при чтении не течет.WO 2018/109441 discloses a memory cell comprising a memory layer consisting of a 20-50 nm thick ferromagnetic material into which data can be written representing the direction of magnetization; a piezomagnetic layer composed of an anti-perovskite piezomagnetic material and capable of subjecting the memory layer to a first type impact or a second type impact depending on the strain in the piezomagnetic layer; and a deforming layer for creating deformation in the piezomagnetic layer, whereby switching between the first type impact and the second type impact is performed. A change in the deformation in the piezomagnetic layer leads to a change in the interaction with the storage layer. The stored data is read by measuring the capacitance of the structure, no current flows when reading.
В документе US 2016/043307 раскрыт сегнетомагнитный туннельный контакт (англ. Multiferroic Tunnel Junction, MFTJ), образованный двумя ферромагнитными слоями (например, из железа) с сегнетоэлектрическим (например, из (Ва, Sr)TiO3) слоем между ними. Для считывания сохраненных данных, представленных электрической поляризацией сегнетоэлектрического слоя, используется изменение туннельного электросопротивления (англ. Tunnelling Electroresistance, TER) этого сегнетоэлектрического слоя вследствие асимметрии экранирования поляризации связанным зарядом на двух границах ферромагнетик/сегнетоэлектрик при переключении сегнетоэлектрической поляризации указанного сегнетоэлектрического слоя.US 2016/043307 discloses a ferromagnetic tunnel junction (MFTJ) formed by two ferromagnetic layers (for example, iron) with a ferroelectric (for example, (Ba, Sr)TiO 3 ) layer between them. To read the stored data represented by the electric polarization of the ferroelectric layer, the change in the tunneling electrical resistance (Eng. Tunneling Electroresistance, TER) of this ferroelectric layer due to the asymmetry of the polarization shielding by the bound charge at the two ferromagnet/ferroelectric interfaces when switching the ferroelectric polarization of the specified ferroelectric layer is used.
В статье Lukashev et al., Phys Rev В 84, 134420 (2011) раскрыто вычисление магнитоэлектрического эффекта в контактах сегнетоэлектрик/пьезомагнетик из первых принципов.Lukashev et al., Phys Rev B 84, 134420 (2011) disclosed the calculation of the magnetoelectric effect in ferroelectric/piezomagnet contacts from first principles.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
В настоящем изобретении предлагается ячейка энергонезависимой памяти, содержащая запоминающий слой, состоящий из электрически изолирующего и электрически поляризующегося материала, в котором возможна запись данных в виде направления электрической поляризации; слой с магнитной фрустрацией на одной стороне указанного запоминающего слоя и подводящий электрод на другой стороне указанного запоминающего слоя; при этом запоминающий слой имеет толщину 10 нм или менее, при этом слой с магнитной фрустрацией и подводящий электрод имеют разное изменение плотности состояний в ответ на изменение электрической поляризации в запоминающем слое, так что туннельное сопротивление запоминающего слоя между подводящим электродом и слоем с магнитной фрустрацией зависит от направления электрической поляризации запоминающего слоя.The present invention proposes a non-volatile memory cell, comprising a storage layer consisting of an electrically insulating and electrically polarizable material, in which data can be recorded in the form of an electric polarization direction; a magnetic frustration layer on one side of said storage layer and a lead-in electrode on the other side of said storage layer; wherein the memory layer has a thickness of 10 nm or less, wherein the magnetic frustration layer and the lead-in electrode have a different change in the density of states in response to a change in the electric polarization in the memory layer, so that the tunneling resistance of the memory layer between the lead-in electrode and the magnetic frustration layer depends on the direction of the electrical polarization of the storage layer.
При изменении электрической поляризации запоминающего слоя плотность состояний в слое с магнитной фрустрацией изменяется значительно сильнее, чем в слое без магнитной фрустрации, например, в слое из ранее использовавшихся ферромагнитных материалов, к примеру, железа. Это приводит к большему различию туннельного сопротивления при разной поляризации запоминающего слоя. Измерение туннельного сопротивления возможно только при относительно малой толщине запоминающего слоя. При большой разнице туннельных сопротивлений упрощается и становится более надежным чтение данных, сохраненных в запоминающем слое в виде направления электрической поляризации, путем измерения туннельного сопротивления запоминающего слоя. Энергонезависимая память согласно настоящему изобретению проявляет более выраженное различие сопротивлений в состояниях поляризации вверх/вниз, чем другие сегнетоэлектрические или сегнетомагнитные туннельные контакты, и поэтому может иметь лучший “динамический диапазон”. Энергонезависимая память согласно настоящему изобретению имеет гораздо меньший результирующий магнитный момент каждого бита по сравнению с другими магнитными туннельными контактами (англ. Magnetic Tunnel Junction, MTJ) (магнитной памятью с произвольным доступом, MRAM) и сегнетомагнитными туннельными контактами (MFTJ) на основе ферромагнитных материалов, что делает возможным более плотное размещение битов без взаимных магнитных связей. Кроме того, большое различие туннельного сопротивления позволяет при чтении данных из устройства использовать малую разность потенциалов, что снижает туннельный ток.When the electric polarization of the storage layer changes, the density of states in the layer with magnetic frustration changes much more strongly than in the layer without magnetic frustration, for example, in the layer of previously used ferromagnetic materials, for example, iron. This leads to a greater difference in tunneling resistance for different polarizations of the storage layer. Tunneling resistance measurement is only possible with a relatively small memory layer thickness. When the tunneling resistance difference is large, it is easier and more reliable to read the data stored in the storage layer as an electric polarization direction by measuring the tunneling resistance of the storage layer. The non-volatile memory of the present invention exhibits a more pronounced resistance difference in the up/down polarization states than other ferroelectric or ferromagnetic tunnel contacts, and therefore may have a better “dynamic range”. The non-volatile memory according to the present invention has a much lower net magnetic moment of each bit compared to other Magnetic Tunnel Junctions (MTJs) (Magnetic Random Access Memory, MRAM) and Ferromagnetic Tunnel Junctions (MFTJs) based on ferromagnetic materials, which makes it possible to place the bits more densely without mutual magnetic couplings. In addition, the large difference in tunneling resistance makes it possible to use a small potential difference when reading data from the device, which reduces the tunneling current.
В энергонезависимой памяти согласно настоящему изобретению не требуется пропускание какого-либо тока для переключения сегнетоэлектрической поляризации запоминающего слоя при записи данных в запоминающий слой. Это является значительным преимуществом настоящего изобретения по сравнению с STT-MRAM. Для записи данных в запоминающий слой достаточно одного лишь электрического поля. Пренебрежимо малый ток записи снижает энергопотребление и тепловыделение при записи данных, что для ячеек энергонезависимой памяти является полезным свойством. Это преимущество над STT-MRAM присуще также сегнетоэлектрической памяти (FRAM). Однако, в отличие от FRAM, чтение данных из энергонезависимой памяти согласно настоящему изобретению является неразрушающим, а в запоминающем слое используется меньший объем сегнетоэлектрического материала, что снижает энергию, необходимую для записи. В предыдущих версиях магнитной памяти для записи данных использовалось внешнее магнитное поле, и использование электрического поля как для записи, так и для чтения данных в запоминающем слое является еще одним преимуществом энергонезависимой памяти согласно настоящему изобретению.In the non-volatile memory of the present invention, no current is required to be passed to switch the ferroelectric polarization of the storage layer when data is written to the storage layer. This is a significant advantage of the present invention over STT-MRAM. To write data to the storage layer, only one electric field is sufficient. A negligible write current reduces power consumption and heat dissipation when writing data, which is a useful property for non-volatile memory cells. This advantage over STT-MRAM is also inherent in ferroelectric memory (FRAM). However, unlike FRAM, reading data from non-volatile memory according to the present invention is non-destructive, and less ferroelectric material is used in the storage layer, which reduces the energy required for writing. Previous versions of magnetic memory used an external magnetic field to write data, and the use of an electric field to both write and read data in the storage layer is another advantage of the non-volatile memory of the present invention.
В варианте осуществления запоминающий слой изготовлен из сегнетоэлектрического материала. Сегнетоэлектрические материалы характеризуются устойчивостью состояний поляризации, обеспечивающей сохранность и энергонезависимость хранения данных в запоминающем слое.In an embodiment, the memory layer is made from a ferroelectric material. Ferroelectric materials are characterized by the stability of polarization states, which ensures the safety and energy independence of data storage in the storage layer.
В варианте осуществления запоминающий слой имеет толщину 0,1 нм или более; более предпочтительно, 0,4 нм или более; наиболее предпочтительно, 1 нм или более. Такая толщина упрощает производство и способствует устойчивости электрической поляризации.In an embodiment, the memory layer has a thickness of 0.1 nm or more; more preferably 0.4 nm or more; most preferably 1 nm or more. This thickness simplifies production and contributes to the stability of the electrical polarization.
Предпочтительная толщина запоминающего слоя 5 нм или менее; более предпочтительно, 3 нм или менее. Эти ограничения снижают напряжение, которое необходимо приложить для возбуждения туннельного тока через запоминающий слой, уменьшая тем самым энергию, требуемую для чтения данных с ячейки энергонезависимой памяти.The preferred thickness of the storage layer is 5 nm or less; more preferably 3 nm or less. These limits reduce the voltage that must be applied to drive a tunneling current through the storage layer, thereby reducing the power required to read data from a non-volatile memory cell.
В варианте осуществления запоминающий слой состоит из материала с формулой А''хА''(1-x)В'уВ''(1-у)О3, где А' и А'' - это один или более элементов из группы, содержащей Са, Sr, Ва, Bi, Pb, La, а В' и В'' - один или более элементов из группы, содержащей Ti, Zr, Mo, W, Nb, Sn, Sb, In, Ga, Cr, Mn, Al, Co, Fe, Mg, Ni, Zn, Bi, Hf, Та. Предпочтительно, запоминающий слой состоит из BaTiO3, SrTiO3, (Ва, Sr)TiO3, Ba(Zr, Ti)O3, PbTiO3 или Pb(Zr, Ti)O3. Эти материалы представляют собой сегнетоэлектрические оксиды, которые выше 220 K могут быть устойчиво электрически поляризованы. Запоминающий слой может быть из ZnO, допированного Li и/или Be. ZnO совместим с перовскитной структурой на межфазной границе, может быть устойчиво электрически поляризован, может быть выращен при более низкой температуре, чем вышеприведенные оксиды перовскитного типа, и поэтому является подходящим материалом для запоминающего слоя.In an embodiment, the storage layer consists of a material with the formula A'' x A'' (1-x) B' y B'' (1-y) O 3 , where A' and A'' are one or more of group containing Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, La, and B' and B'' - one or more elements from the group containing Ti, Zr, Mo, W, Nb, Sn, Sb, In, Ga, Cr , Mn, Al, Co, Fe, Mg, Ni, Zn, Bi, Hf, Ta. Preferably, the memory layer consists of BaTiO 3 , SrTiO 3 , (Ba, Sr)TiO 3 , Ba(Zr, Ti)O 3 , PbTiO 3 or Pb(Zr, Ti)O 3 . These materials are ferroelectric oxides, which above 220 K can be stably electrically polarized. The storage layer may be Li and/or Be doped ZnO. ZnO is compatible with the perovskite structure at the interface, can be stably electrically polarized, can be grown at a lower temperature than the above perovskite-type oxides, and is therefore a suitable material for the memory layer.
В варианте осуществления запоминающий слой имеет перовскитную структуру, или структуру, которая может быть выращена в кристаллической форме на слое с перовскитной структурой. Многие перовскитные структуры проявляют устойчивые состояния поляризации, электроизоляционные свойства и физическую прочность, необходимые для запоминающего слоя настоящего изобретения.In an embodiment, the storage layer has a perovskite structure, or a structure that can be grown in crystalline form on a layer with a perovskite structure. Many perovskite structures exhibit the stable polarization states, electrical insulating properties, and physical strength required for the memory layer of the present invention.
В варианте осуществления запоминающий слой состоит из материала со структурой, родственной структуре перовскита, например, из Bi4Ti3O12. Такие материалы делают запоминающий слой устойчивым в условиях высоких температур.In an embodiment, the memory layer consists of a material with a perovskite-like structure, such as Bi 4 Ti 3 O 12 . Such materials make the memory layer stable at high temperatures.
В варианте осуществления подводящий электрод представляет собой парамагнитный, ферримагнитный, ферромагнитный или антиферромагнитный материал. Эти типы материалов проявляют магнитную упорядоченность и по-разному реагируют на материал с магнитной фрустрацией в ответ на изменение состояния поляризации запоминающего слоя, что необходимо для настоящего изобретения.In an embodiment, the lead-in electrode is a paramagnetic, ferrimagnetic, ferromagnetic, or antiferromagnetic material. These types of materials exhibit magnetic ordering and respond differently to magnetically frustrated material in response to a change in the polarization state of the storage layer, which is necessary for the present invention.
В варианте осуществления подводящий электрод имеет антиперовскитную структуру. Кристаллическая решетка антиперовскита точно такая же, как у перовскита. Единственное отличие состоит в том, что кислород в центрах граней заменен каким-либо металлом (к примеру, Mn). Многие антиперовскитные структуры проявляют магнитный свойства, выгодные для настоящего изобретения, и при этом имеют хорошую физическую прочность и электропроводность, что необходимо для рассматриваемой ячейки энергонезависимой памяти. В комбинации с запоминающим слоем перовскитной структуры это особенно выгодно, поскольку между собой граничат сходные структуры, что ведет к повышению надежности и физической долговечности ячейки памяти.In an embodiment, the lead-in electrode has an anti-perovskite structure. The crystal lattice of antiperovskite is exactly the same as that of perovskite. The only difference is that the oxygen in the centers of the faces has been replaced by some metal (for example, Mn). Many anti-perovskite structures exhibit magnetic properties advantageous for the present invention while still having good physical strength and electrical conductivity, which is desirable for the considered non-volatile memory cell. In combination with a storage layer of a perovskite structure, this is especially beneficial, since similar structures border on each other, which leads to an increase in the reliability and physical durability of the memory cell.
В варианте осуществления подводящий электрод состоит из материала, выбираемого из группы, содержащей Mn3FeN, Mn3ZnC, Mn3AlC, Mn3GaC, Mn4N, Mn4.xNixN, Mn4.xSnxN, Pt, Au и Al. Известно, что эти материалы проявляют благоприятные для реализации подводящего электрода настоящего изобретения ферромагнитные, ферримагнитные или парамагнитные свойства.In an embodiment, the lead-in electrode consists of a material selected from the group consisting of Mn 3 FeN, Mn 3 ZnC, Mn 3 AlC, Mn 3 GaC, Mn 4 N, Mn 4 . x Ni x N, Mn 4 . x Sn x N, Pt, Au and Al. These materials are known to exhibit ferromagnetic, ferrimagnetic, or paramagnetic properties favorable for the application of the lead-in electrode of the present invention.
В варианте осуществления слой с магнитной фрустрацией имеет антиперовскитную структуру. Антиперовскитные материалы могут проявлять магнитную фрустрацию, что необходимо для слоя с магнитной фрустрацией, и при этом имеют хорошие физические свойства и электропроводность. Кроме того, использование антиперовскитной структуры может повысить надежность и физическую долговечность ячейки памяти и/или, если материал запоминающего слоя имеет перовскитную структуру, обеспечить малое значение несоответствия параметров кристаллической решетки.In an embodiment, the magnetic frustration layer has an anti-perovskite structure. The anti-perovskite materials can exhibit magnetic frustration, which is necessary for a magnetic frustration layer, while still having good physical properties and electrical conductivity. In addition, the use of an anti-perovskite structure can improve the reliability and physical durability of the memory cell and/or, if the memory layer material has a perovskite structure, provide a small lattice mismatch value.
В варианте осуществления слой с магнитной фрустрацией представляет собой пьезомагнитный материал. Пьезомагнитные материалы являются примером материалов, проявляющих магнитную фрустрацию, которая необходима для слоя с магнитной фрустрацией настоящего изобретения.In an embodiment, the magnetic frustration layer is a piezomagnetic material. Piezomagnetic materials are an example of materials exhibiting magnetic frustration, which is necessary for the magnetic frustration layer of the present invention.
В варианте осуществления слой с магнитной фрустрацией выполнен из Mn3GaN или Mn3NiN или на основе Mn3GaN или Mn3NiN, например, из Mn3-xAxGa1-yByN1-z или Mn3-xAxNi1-yByN1-z, где А и В представляют собой один или более элементов, выбираемых из группы, содержащей Ag, Al, Au, Со, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Такие материалы проявляют сильную магнитную фрустрацию. Mn3GaN предпочтителен, поскольку проявляет наибольшую наблюдаемую магнитоемкость.In an embodiment, the magnetic frustration layer is made of Mn 3 GaN or Mn 3 NiN or based on Mn 3 GaN or Mn 3 NiN, for example Mn 3-x A x Ga 1-y B y N 1-z or Mn 3- x A x Ni 1-y B y N 1-z where A and B are one or more elements selected from the group consisting of Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Such materials exhibit strong magnetic frustration. Mn 3 GaN is preferred because it exhibits the highest observed magnetocapacitance.
В другом варианте осуществления слой с магнитной фрустрацией выполнен из Mn3SnN или на основе Mn3SnN, например, из Mn3-xAxSn1-yByN1-z, где А и В представляют собой один или более элементов, выбираемых из группы, содержащей Ag, Al, Au, Со, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Предпочтительно, слой с магнитной фрустрацией выполнен из Mn3SnN с приблизительно 10% недостатка N. Реакция магнитных моментов на понижение симметрии, вызванное поляризацией смежного запоминающего слоя, у этого материала наибольшая. Он также обладает наивысшей температурой Нееля около 475 K. В варианте осуществления слой с магнитной фрустрацией выполнен из Mn3SnN0,9. Эти материалы обладают выгодно высокими температурами Нееля (это температура, выше которой антиферромагнитный материал становится парамагнитным и теряет необходимые свойства). Известно, что эти группы материалов проявляют сильную магнитную фрустрацию, которая необходима для слоя с магнитной фрустрацией настоящего изобретения.In another embodiment, the magnetic frustration layer is made of Mn 3 SnN or based on Mn 3 SnN, for example, from Mn 3-x A x Sn 1-y B y N 1-z where A and B represent one or more elements selected from the group containing Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Preferably, the magnetic frustration layer is made of Mn 3 SnN with about 10% N deficiency. The response of magnetic moments to symmetry reduction caused by the polarization of the adjacent memory layer is greatest with this material. It also has the highest Néel temperature of about 475 K. In an embodiment, the magnetic frustration layer is made of Mn 3 SnN 0.9 . These materials have advantageously high Néel temperatures (this is the temperature above which an antiferromagnetic material becomes paramagnetic and loses its required properties). These groups of materials are known to exhibit strong magnetic frustration, which is necessary for the magnetic frustration layer of the present invention.
В варианте осуществления несоответствие параметров кристаллической решетки между запоминающим слоем и слоем с магнитной фрустрацией и/или между запоминающим слоем и подводящим электродом менее ±10%, предпочтительно менее ±1%. Реализовать столь малое несоответствие параметров кристаллической решетки можно путем подбора химического состава слоя с магнитной фрустрацией и запоминающего слоя. Малое несоответствие параметров кристаллической решетки между различными слоями важно для того, чтобы свести к минимуму деформацию кристаллической решетки в пограничных областях между этими слоями. Снижение пограничной деформации может способствовать увеличению срока службы компонентов ячейки энергонезависимой памяти, обусловленного причинами механического характера.In an embodiment, the lattice mismatch between the storage layer and the magnetic frustration layer and/or between the storage layer and the lead-in electrode is less than ±10%, preferably less than ±1%. Such a small discrepancy between the crystal lattice parameters can be realized by selecting the chemical composition of the magnetic frustration layer and the storage layer. A small lattice mismatch between the different layers is important in order to minimize the deformation of the crystal lattice in the boundary regions between these layers. Reducing the boundary deformation can contribute to an increase in the service life of the components of a non-volatile memory cell, due to mechanical reasons.
В варианте осуществления предусматривается способ чтения данных с ячейки энергонезависимой памяти, содержащей запоминающий слой, в котором данные хранятся в виде направления электрической поляризации, размещенный между подводящим электродом и слоем с магнитной фрустрацией, причем подводящий электрод и слой с магнитной фрустрацией имеют разное изменение плотности состояний в ответ на изменение электрической поляризации в запоминающем слое, содержащий измерение туннельного сопротивления между подводящим электродом и материалом с магнитной фрустрацией, посредством чего определяют направление электрической поляризации запоминающего слоя и тем самым считывают данные, сохраненные в запоминающем слое. Слой с магнитной фрустрацией обуславливает большое различие в туннельном сопротивлении запоминающего слоя при смене направления электрической поляризации запоминающего слоя. Это является преимуществом, поскольку повышает точность чтения данных из запоминающего слоя.In an embodiment, a method is provided for reading data from a non-volatile memory cell containing a storage layer in which data is stored in the form of an electric polarization direction, located between the lead-in electrode and the magnetic frustration layer, wherein the lead-in electrode and the magnetic frustration layer have different changes in the density of states in a response to an electric polarization change in the storage layer, comprising measuring a tunneling resistance between the lead electrode and the magnetically frustrated material, whereby the direction of the electric polarization of the storage layer is determined, and thereby reading data stored in the storage layer. The magnetic frustration layer causes a large difference in the tunneling resistance of the storage layer when changing the direction of the electric polarization of the storage layer. This is advantageous because it improves the accuracy of reading data from the storage layer.
В варианте осуществления данные считывают из запоминающего слоя, прикладывая между подводящим электродом и слоем с магнитной фрустрацией разность потенциалов и измеряя туннельный ток. Если электронные состояния в подводящем электроде и в слое с магнитной фрустрацией благоприятно согласованы (в пространстве момента импульса), то небольшая разность потенциалов, приложенная между этими двумя слоями, может вызвать туннельный ток через запоминающий слой. Когда электронные состояния в подводящем электроде и слое с магнитной фрустрацией не согласованы благоприятно (в пространстве момента импульса), вышеописанный большой рост туннельного сопротивления приводит к тому, что небольшая разность потенциалов, приложенная между этими двумя слоями, может вызвать лишь гораздо меньший туннельный ток через запоминающий слой. Таким образом, большое различие в туннельном сопротивлении означает, что для точного определения направления поляризации запоминающего слоя можно использовать небольшую разность потенциалов. Это является преимуществом, поскольку даже тот небольшой туннельный ток, который течет через запоминающий слой при чтении в том случае, если электронные состояния в подводящем электроде и в слое с магнитной фрустрацией благоприятно согласованы (в пространстве момента импульса), требует очень мало энергии и создает очень мало тепла.In an embodiment, data is read from the storage layer by applying a potential difference between the lead-in electrode and the magnetic frustration layer and measuring the tunnel current. If the electronic states in the lead-in electrode and in the magnetic frustration layer are favorably matched (in angular momentum space), then a small potential difference applied between the two layers can induce a tunneling current through the storage layer. When the electronic states in the lead-in electrode and the magnetic frustration layer are not favorably aligned (in angular momentum space), the large increase in tunneling resistance described above means that a small potential difference applied between the two layers can only induce a much smaller tunneling current through the memory layer. Thus, a large difference in tunneling resistance means that a small potential difference can be used to accurately determine the polarization direction of the storage layer. This is an advantage because even the small tunneling current that flows through the storage layer during reading, if the electronic states in the lead-in electrode and in the magnetic frustration layer are favorably matched (in angular momentum space), requires very little energy and produces very little heat.
В варианте осуществления разность потенциалов, которую необходимо приложить между подводящим электродом и слоем с магнитной фрустрацией для считывания данных из запоминающего слоя, меньше, чем требуется для изменения электрической поляризации запоминающего слоя. Это является преимуществом, поскольку снижает риск непреднамеренного изменения направления поляризации запоминающего слоя, и, таким образом, перезаписи сохраненных в нем данных. Использование туннельного сопротивления делает возможным неразрушающее чтение, что более выгодно по сравнению с FRAM, где за чтением должна следовать перезапись, что ведет к большим усталостным изменениям ячейки памяти.In an embodiment, the potential difference that needs to be applied between the lead electrode and the magnetic frustration layer to read data from the storage layer is less than that required to change the electrical polarization of the storage layer. This is advantageous because it reduces the risk of inadvertently changing the polarization direction of the storage layer and thus overwriting the data stored therein. The use of tunnel resistance allows non-destructive reading, which is more advantageous than FRAM, where a read must be followed by a rewrite, which leads to large memory cell fatigue changes.
В варианте осуществления запоминающий слой 10 имеет магнитную упорядоченность вследствие близости подводящего электрода 20 и слоя 30 с магнитной фрустрацией. Вероятность прохождения через запоминающий слой 10, соответственно, зависит от состояния спиновой поляризации туннелирующих электронов. Это является преимуществом, поскольку увеличивает изменение туннельного сопротивления запоминающего слоя 10 при изменении направления электрической поляризации запоминающего слоя 10.In an embodiment, the storage layer 10 has a magnetic order due to the proximity of the lead-in electrode 20 and the magnetic frustration layer 30. The probability of passage through the memory layer 10, respectively, depends on the state of the spin polarization of the tunneling electrons. This is advantageous because it increases the change in the tunneling resistance of the storage layer 10 as the direction of the electric polarization of the storage layer 10 changes.
Далее посредством примера описываются варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на следующие чертежи.Next, by way of example, embodiments of the present invention will be described with reference to the following drawings.
Фиг. 1 представляет схематичную иллюстрацию кристаллической решетки и магнитной структуры антиперовскитного пьезомагнитного материала (Mn3NiN).Fig. 1 is a schematic illustration of the crystal lattice and magnetic structure of an antiperovskite piezomagnetic material (Mn 3 NiN).
Фиг. 2 представляет схему поперечного разреза ячейки энергонезависимой магнитной памяти согласно первому варианту осуществления.Fig. 2 is a cross-sectional diagram of a non-volatile magnetic memory cell according to the first embodiment.
Фиг. 3 представляет влияние поляризации запоминающего слоя на плотность состояний слоя с магнитной фрустрацией. По оси у отложена разность плотности состояний (ПС) в материале с магнитной фрустрацией между состоянием 1 (ПС“1”) и состоянием 0 (ПС“0”) электрической поляризации в запоминающем слое. По оси х отложена энергия (Е) относительно энергии Ферми (EF).Fig. 3 shows the effect of storage layer polarization on the density of states of the magnetic frustration layer. The y-axis plots the difference in the density of states (DS) in the material with magnetic frustration between state 1 (DS “1” ) and state 0 (DS “0” ) of the electric polarization in the storage layer. The x-axis represents the energy (E) relative to the Fermi energy (E F ).
Фиг. 4 представляет схематичную иллюстрацию подводящего электрода, запоминающего слоя и слоя с магнитной фрустрацией согласно реализации настоящего изобретения, демонстрирующую пример двух устойчивых состояний поляризации запоминающего слоя.Fig. 4 is a schematic illustration of a lead-in electrode, a storage layer, and a magnetic frustration layer according to an embodiment of the present invention, showing an example of two stable polarization states of the storage layer.
В настоящем изобретении используются свойства материалов с магнитной фрустрацией с неколлинеарным антиферромагнитным основным состоянием. Примером класса материалов, в которых наблюдается магнитная фрустрация, являются пьезомагнитные материалы. В таких материалах имеет место антиферромагнитное взаимодействие между магнитными моментами ближайших соседних атомов (в примере, показанном на чертеже, это Mn). Конфигурация кристаллической решетки материала не дает возможности моментам этих атомов расположиться так, чтобы все взаимодействия между спинами были антипараллельны. При таком расположении суммарный спин равен нулю. Однако такая магнитная упорядоченность неустойчива по отношению к любому нарушению симметрии кубической решетки. Для настоящего изобретения имеет значение, что магнитные моменты меняются по величине при приложении электрического поля.The present invention exploits the properties of magnetic frustration materials with a non-collinear antiferromagnetic ground state. An example of a class of materials in which magnetic frustration is observed are piezomagnetic materials. In such materials, there is an antiferromagnetic interaction between the magnetic moments of the nearest neighboring atoms (in the example shown in the drawing, this is Mn). The configuration of the crystal lattice of the material does not allow the moments of these atoms to arrange themselves so that all interactions between the spins are antiparallel. In this arrangement, the total spin is zero. However, such a magnetic order is unstable with respect to any violation of the symmetry of the cubic lattice. It is of significance to the present invention that the magnetic moments change in magnitude when an electric field is applied.
Фиг. 1 иллюстрирует структуру антиперовскитного материала на основе марганца (Mn3NiN). Как показано, ориентации атомных спинов атомов Mn (показаны стрелками) невозможно расположить так, чтобы все взаимодействия между спинами атомов Mn были антипараллельными. Поэтому о такой системе говорят, что в ней имеется магнитная фрустрация. Материал занимает состояние, в котором результирующий спин равен нулю.Fig. 1 illustrates the structure of a manganese (Mn 3 NiN) based anti-perovskite material. As shown, the orientations of the atomic spins of the Mn atoms (shown by arrows) cannot be arranged so that all interactions between the spins of the Mn atoms are antiparallel. Therefore, such a system is said to have magnetic frustration. The material occupies a state in which the resulting spin is zero.
В настоящем изобретении используется свойство магнитной фрустрации и его влияние на плотность состояний, когда слой с магнитной фрустрацией взаимодействует с электрически поляризованным слоем, с которым находится в контакте. Фиг. 2 представляет схему поперечного разреза ячейки энергонезависимой магнитной памяти согласно первому варианту осуществления. Эта ячейка энергонезависимой памяти содержит запоминающий слой 10, в который могут быть записаны данные в виде направления электрической поляризации.The present invention exploits the property of magnetic frustration and its effect on the density of states when the magnetic frustration layer interacts with the electrically polarized layer it is in contact with. Fig. 2 is a cross-sectional diagram of a non-volatile magnetic memory cell according to the first embodiment. This non-volatile memory cell contains a storage layer 10 into which data can be written in the form of an electric polarization direction.
Как правило, направления электрической поляризации в запоминающем слое 10 перпендикулярны плоскости, в которой лежит запоминающий слой 10, но это не обязательно. Электрическая поляризация может быть создана приложением электрического поля поперек запоминающего слоя 10. Электрическая поляризация сохраняется при снятии приложенного электрического поля (запоминающий слой 10 может быть устойчиво электрически поляризован). Запоминающий слой 10, таким образом, может хранить по меньшей мере один бит данных, при этом “1” и “0” соответствуют одному из двух устойчивых направлений поляризации, т.е., это энергонезависимая память с двумя состояниями.As a rule, the directions of electrical polarization in the storage layer 10 are perpendicular to the plane in which the storage layer 10 lies, but this is not necessary. An electric polarization can be created by applying an electric field across the storage layer 10. The electric polarization is maintained when the applied electric field is removed (the storage layer 10 can be stably electrically polarized). The memory layer 10 can thus store at least one bit of data, with "1" and "0" corresponding to one of the two stable polarization directions, i.e., it is a non-volatile, two-state memory.
Запоминающий слой 10 может состоять из сегнетоэлектрического материала. Сегнетоэлектрический материал проявляет устойчивую электрическую поляризацию, поэтому данные можно хранить в запоминающем слое 10 в виде направления поляризации (например, электрической поляризации, направленной вверх или вниз), при этом данные сохраняются, даже если электрическое поле, вызвавшее поляризацию, перестало действовать.The memory layer 10 may be composed of a ferroelectric material. The ferroelectric material exhibits a stable electrical polarization, so data can be stored in the storage layer 10 in the form of a direction of polarization (e.g., electrical polarization pointing up or down), and the data is retained even if the electric field that caused the polarization has ceased to operate.
Запоминающий слой 10 достаточно тонок, чтобы в нем проявлялось квантовое туннелирование при приложении небольшого напряжения (к примеру, примерно 1 мВ или менее при толщине запоминающего слоя 1-10 нм). Запоминающий слой 10, предпочтительно, имеет толщину 0,1 нм или более; более предпочтительно, 0,4 нм или более; наиболее предпочтительно, 1 нм или более. Увеличение толщины упрощает изготовление и также полезно для увеличения туннельного барьера для электронов, чтобы не допустить протекания туннельного тока через запоминающий слой 10, когда плотность состояний в пространстве момента импульса у подводящего электрода и у слоя с магнитной фрустрацией не согласованы благоприятно. Это увеличение также выгодно потому, что для разных поляризаций будет иметь место большее различие в туннельном сопротивлении, что упрощает точное считывание данных из запоминающего слоя 10. Запоминающий слой 10 толще 0,1 нм также предпочтителен потому, что устойчивость поляризации запоминающего слоя 10 растет с толщиной слоя. Более того, если запоминающий слой 10 будет слишком тонким, то емкость трехслойной структуры может стать такой высокой, что заряд устройства во время записи сделает функционирование энергонезависимой памяти невозможным.The memory layer 10 is thin enough to exhibit quantum tunneling when a small voltage is applied (eg, about 1 mV or less with a memory layer thickness of 1-10 nm). The memory layer 10 preferably has a thickness of 0.1 nm or more; more preferably 0.4 nm or more; most preferably 1 nm or more. Increasing the thickness simplifies fabrication and is also useful for increasing the electron tunneling barrier to prevent tunneling current from flowing through the storage layer 10 when the density of states in momentum space at the lead electrode and the magnetic frustration layer are not favorably matched. This increase is also advantageous because there will be a greater difference in tunneling resistance for different polarizations, making it easier to accurately read data from the storage layer 10. A storage layer 10 thicker than 0.1 nm is also preferred because the polarization stability of the storage layer 10 increases with thickness. layer. Moreover, if the storage layer 10 is too thin, the capacity of the three-layer structure may become so high that the charge of the device during recording will make the operation of the non-volatile memory impossible.
Запоминающий слой 10 имеет толщину 10,0 нм или менее; более предпочтительно, 5,0 нм или менее; наиболее предпочтительно, 3,0 нм или менее. Чем меньше толщина запоминающего слоя 10, тем ниже разность потенциалов, необходимая для возбуждения туннельного тока через запоминающий слой 10, когда плотность состояний в пространстве момента импульса у подводящего электрода 20 и у слоя 30 с магнитной фрустрацией согласованы благоприятно. Слишком большая толщина запоминающего слоя 10 приведет к слишком слабому туннельному току, регистрация которого может оказаться затруднительной. Малая разность потенциалов снижает риск непреднамеренного изменения электрической поляризации запоминающего слоя 10 при чтении данных, а также уменьшает энергопотребление и тепловыделение при чтении данных. Ограничения на наибольшую и наименьшую толщину определяют необходимость разумного компромисса между стабильностью сохраненных данных (которой благоприятствует более толстый запоминающий слой 10) и минимизацией напряжения, которое должно быть приложено для возбуждения туннельного тока через барьер при чтении (чему благоприятствует более тонкий запоминающий слой 10). Предпочтительным диапазоном является диапазон от 0,4 нм до 10,0 нм, более предпочтительно, от 0,4 до 5,0 нм.The storage layer 10 has a thickness of 10.0 nm or less; more preferably 5.0 nm or less; most preferably 3.0 nm or less. The thinner the storage layer 10, the lower the potential difference required to drive a tunneling current through the storage layer 10 when the density of states in angular momentum space at the lead electrode 20 and the magnetic frustration layer 30 are favorably matched. If the memory layer 10 is too thick, the tunneling current will be too weak, which may be difficult to detect. The low potential difference reduces the risk of inadvertently changing the electrical polarization of the storage layer 10 when reading data, and also reduces power consumption and heat dissipation when reading data. Maximum and minimum thickness constraints dictate a reasonable compromise between stored data stability (favored by thicker storage layer 10) and minimization of the voltage that must be applied to induce tunnel current through the read barrier (favored by thinner storage layer 10). The preferred range is from 0.4 nm to 10.0 nm, more preferably from 0.4 to 5.0 nm.
Для использования в качестве запоминающего слоя 10 предпочтительны сегнетоэлектрические оксиды, особенно те, которые сохраняют устойчивую сегнетоэлектрическую поляризацию выше 220 K, предпочтительно до 500 K. Например, запоминающий слой 10 может быть выполнен из материала А'ХА''(1-Х)В'уВ''(1-у)O3, где А' и А'' представляют собой один или более элементов, выбираемых из группы, содержащей Са, Sr, Ва, Bi, Pb, La, а В' и В'' представляют собой один или более элементов, выбираемых из группы, содержащей Ti, Zr, Mo, W, Nb, Sn, Sb, In, Ga, Cr, Mn, Al, Co, Fe, Mg, Ni, Zn, Bi, Hf, Та. Конкретными примерами являются BaTiO3, (Ва, Sr)TiO3 и PbTiO3. Также могут использоваться материалы со структурой, родственной перовскиту, например, Bi4Ti3O12. Запоминающий слой 10 из таких материалов может сохранять функциональность в условиях высоких температур.For use as the storage layer 10, ferroelectric oxides are preferred, especially those that maintain a stable ferroelectric polarization above 220 K, preferably up to 500 K. For example, the storage layer 10 can be made of the material A' X A'' (1-X )B ' y B'' (1-y) O 3 , where A' and A'' represent one or more elements selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, Bi, Pb, La, and B' and B'' are one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Mo, W, Nb, Sn, Sb, In, Ga, Cr, Mn, Al, Co, Fe, Mg, Ni, Zn, Bi, Hf , Ta. Specific examples are BaTiO 3 , (Ba, Sr)TiO 3 and PbTiO 3 . Perovskite-like materials can also be used, such as Bi 4 Ti 3 O 12 . The memory layer 10 of such materials can maintain functionality at high temperatures.
Несмотря на то, что это не перовскитный материал, в качестве материала запоминающего слоя 10 также может использоваться ZnO, поскольку он при допировании Li или Be может сохранять устойчивую электрическую поляризацию, т.е., является сегнетоэлектриком.Although it is not a perovskite material, ZnO can also be used as the material of the memory layer 10, since it can maintain a stable electric polarization when doped with Li or Be, ie, it is a ferroelectric.
Запоминающий слой 10 может иметь перовскитную структуру. Это особенно желательно, если слои, находящиеся в контакте с запоминающим слоем 10, имеют перовскитную или антиперовскитную структуру. Это желательно как с точки зрения электронной структуры между смежными слоями, так и с точки зрения механической прочности. Выбор для всех слоев перовскитной или антиперовскитной структуры - это один из способов получения требуемой величины несоответствия параметров кристаллической решетки между слоями, менее ±10%, предпочтительно менее ±1%, что способствует квантовомеханическому взаимодействию между слоями, а также механической устойчивости. Для ZnO удается получить хорошую кристалличность при низкой температуре отжига, и поэтому он целесообразен в качестве материала для запоминающего слоя 10.The storage layer 10 may have a perovskite structure. This is particularly desirable if the layers in contact with the storage layer 10 have a perovskite or anti-perovskite structure. This is desirable both in terms of the electronic structure between adjacent layers and in terms of mechanical strength. The choice for all layers of a perovskite or anti-perovskite structure is one way to obtain the desired amount of lattice mismatch between the layers, less than ±10%, preferably less than ±1%, which promotes quantum mechanical interaction between the layers, as well as mechanical stability. ZnO can obtain good crystallinity at a low annealing temperature and is therefore suitable as a material for the memory layer 10.
На одной стороне запоминающего слоя 10 предусмотрен слой 30 с магнитной фрустрацией, изготовленный из материала, проявляющего пояснявшуюся выше магнитную фрустрацию. Запоминающий слой 10 и слой 30 с магнитной фрустрацией находятся в контакте между собой. Разная электрическая поляризация запоминающего слоя 10 (к примеру, вверх или вниз) приводит к разной ориентации спина в смежном слое 30 с магнитной фрустрацией, как показано на фиг. 3А и 3В.On one side of the memory layer 10, a magnetic frustration layer 30 is provided, which is made of a material exhibiting the magnetic frustration explained above. The memory layer 10 and the magnetic frustration layer 30 are in contact with each other. Different electrical polarizations of storage layer 10 (eg, up or down) result in different spin orientations in adjacent magnetic frustration layer 30, as shown in FIG. 3A and 3B.
На фиг. 3 показан результат моделирования изменения плотности состояний в слое 30 с магнитной фрустрацией в ответ на изменение направления поляризации запоминающего слоя 10. Электрическая поляризация запоминающего слоя 10 приводит к тому, что на смежный слой 30 с магнитной фрустрацией действует электрическое поле. Это электрическое поле приводит к значительному изменению ориентации магнитных спинов в области слоя 30 с магнитной фрустрацией, прилегающей к запоминающему слою 10. Плотность состояний в слое 30 с магнитной фрустрацией сильно зависит от ориентации и размера магнитных моментов в структуре этого слоя. Таким образом, направление поляризации запоминающего слоя 10 в значительной степени меняет плотность состояний в смежном слое 30 с магнитной фрустрацией, что показывает фиг. 3. Разность туннельных сопротивлений пропорциональна разности плотности состояний. Видно, что Mn3SnN особенно хорошо подходит для устройств энергонезависимой памяти.In FIG. 3 shows the result of modeling the change in the density of states in the magnetic frustration layer 30 in response to a change in the direction of polarization of the storage layer 10. The electrical polarization of the storage layer 10 causes the adjacent magnetic frustration layer 30 to be subjected to an electric field. This electric field leads to a significant change in the orientation of the magnetic spins in the region of the magnetic frustration layer 30 adjacent to the storage layer 10. The density of states in the magnetic frustration layer 30 strongly depends on the orientation and size of the magnetic moments in the structure of this layer. Thus, the direction of polarization of the storage layer 10 greatly changes the density of states in the adjacent magnetic frustration layer 30, as shown in FIG. 3. The difference in tunneling resistance is proportional to the difference in the density of states. It can be seen that Mn 3 SnN is particularly well suited for non-volatile memory devices.
Эффект, показанный на фиг. 3, в настоящем изобретении используется для чтения данных, хранящихся в запоминающем слое 10 в виде направления электрической поляризации.The effect shown in Fig. 3 is used in the present invention to read the data stored in the memory layer 10 in the form of an electric polarization direction.
Как показано на фиг. 2, на другой от слоя 30 с магнитной фрустрацией стороне запоминающего слоя 10 также предусмотрен подводящий электрод 20. Подводящий электрод 20 и запоминающий слой 10 находятся в контакте между собой.As shown in FIG. 2, on the other side of the magnetic frustration layer 30 of the memory layer 10, a lead-in electrode 20 is also provided. The lead-in electrode 20 and the memory layer 10 are in contact with each other.
Магнитная упорядоченность слоя 30 с магнитной фрустрацией по-разному реагирует на магнитную упорядоченность подводящего электрода 20 в ответ на изменение направления электрической поляризации в запоминающем слое 10. Конкретный материал подводящего электрода 20 не важен, достаточно, чтобы в нем проявлялось это свойство и он был электропроводящим.The magnetic ordering of the magnetic frustration layer 30 reacts differently to the magnetic ordering of the lead-in electrode 20 in response to a change in the direction of the electric polarization in the memory layer 10. The specific material of the lead-in electrode 20 is not important, it is sufficient that it exhibit this property and be electrically conductive.
Материал подводящего электрода 20 может иметь магнитную упорядоченность и, соответственно, может быть парамагнитным, ферримагнитным, ферромагнитным или антиферромагнитным материалом. Подводящий электрод 20 может иметь перовскитную или антиперовскитную структуру, польза чего описана выше для слоя 30 с магнитной фрустрацией и запоминающего слоя 10.The material of the input electrode 20 may have a magnetic order and, accordingly, may be a paramagnetic, ferrimagnetic, ferromagnetic, or antiferromagnetic material. Lead-in electrode 20 may have a perovskite or anti-perovskite structure, the utility of which is described above for the magnetic frustration layer 30 and storage layer 10.
Подводящий электрод 20 может быть выполнен из материала, выбираемого из группы, содержащей Mn3FeN, Mn3ZnC, Mn3AlC, Mn3GaC, Mn4N, Mn4-xNixN, Mn4-xSnxN. Все эти материалы имеют антиперовскитную структуру и Mn в них находится в тех же положениях, что и в слое 30 с магнитной фрустрацией, что позволяет рассчитывать на хорошее согласование электронных состояний для одного направления поляризации запоминающего слоя. Примерами других возможных материалов являются Pt, Au и Al.Lead-in electrode 20 may be made of a material selected from the group consisting of Mn 3 FeN, Mn 3 ZnC, Mn 3 AlC, Mn 3 GaC, Mn 4 N, Mn 4-x Ni x N, Mn 4-x Sn x N. All these materials have an antiperovskite structure and Mn in them is in the same positions as in the layer 30 with magnetic frustration, which makes it possible to expect a good agreement between the electronic states for one polarization direction of the memory layer. Examples of other possible materials are Pt, Au and Al.
Подводящий электрод 20 может быть выполнен из оксида перовскитного типа, например, из манганита лантана-стронция (англ. Lanthanum Strontium Manganite, LSMO).The lead-in electrode 20 may be made of perovskite-type oxide, such as lanthanum strontium manganite (LSMO).
Слой 30 с магнитной фрустрацией может иметь антиперовскитную структуру. Слоем 30 с магнитной фрустрацией может быть пьезомагнитный материал. Указанный слой с магнитной фрустрацией может быть из Mn3GaN или Mn3NiN или может быть на основе Mn3GaN или Mn3NiN, например, может иметь состав Mn3-xAxGa1-yByN1-z или Mn3-xAxNi1-yByN1-z, где А и В представляют собой один или более элементов, выбираемых из группы, содержащей Ag, Al, Au, Со, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Указанный слой с магнитной фрустрацией может быть из Mn3SnN или на основе Mn3SnN, например, из Mn3-xAxSn1-yByN1-z, где А и В представляют собой один или более элементов, выбираемых из группы, содержащей Ag, Al, Au, Со, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Предпочтительно, слой 30 с магнитной фрустрацией выполнен из Mn3SnN1-x, где 0,01<х<0,2, более предпочтительно, из Mn3SnN0,9, представляющего собой Mn3SnN с 10% недостатка N. Реакция магнитных моментов на понижение симметрии, вызванное поляризацией смежного запоминающего слоя, у этого материала наибольшая. Он также обладает наивысшей температурой Нееля около 475 K. Как вариант, слой 30 с магнитной фрустрацией может быть выполнен из Mn3GaN (который проявляет высокую магнитоемкость) или Mn3NiN (хорошо изучен и недорог).The magnetic frustration layer 30 may have an anti-perovskite structure. The magnetic frustration layer 30 may be a piezomagnetic material. Said magnetic frustration layer may be Mn 3 GaN or Mn 3 NiN or may be based on Mn 3 GaN or Mn 3 NiN, for example may have the composition Mn 3-x A x Ga 1-y B y N 1-z or Mn 3-x A x Ni 1-y B y N 1-z where A and B are one or more elements selected from the group consisting of Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In , Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Said magnetic frustration layer may be Mn 3 SnN or Mn 3 SnN based, for example Mn 3-x A x Sn 1-y B y N 1-z , where A and B are one or more elements selected from the group containing Ag, Al, Au, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, In, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Sb, Si, Sn, Zn. Preferably, the magnetic frustration layer 30 is made of Mn 3 SnN 1-x where 0.01<x<0.2, more preferably Mn 3 SnN 0.9 which is Mn 3 SnN with 10% N deficiency. magnetic moments on the symmetry reduction caused by the polarization of the adjacent memory layer, this material has the largest. It also has the highest Neel temperature of about 475 K. Alternatively, the magnetic frustration layer 30 can be made of Mn 3 GaN (which exhibits high magnetic capacitance) or Mn 3 NiN (well studied and inexpensive).
Фиг. 4 представляет пример возможного размещения подводящего электрода 20, запоминающего слоя 10 и слоя 30 с магнитной фрустрацией. В этом случае подводящий электрод 20 выполнен из Mn3FeN, запоминающий слой 10 выполнен из BaTiO3, а слой с магнитной фрустрацией выполнен из Mn3NiN. Все эти три материала имеют структуру типа перовскита или антиперовскита, что минимизирует несоответствие параметров кристаллической решетки между слоями. Это является преимуществом, поскольку несоответствие параметров кристаллической решетки может вести к деформации в пограничной области между слоями, которая в свою очередь может вести к механической усталости и трещинообразованию во время использования. Поэтому предпочтительно, чтобы несоответствие параметров кристаллической решетки между запоминающим слоем 10 и слоем 30 с магнитной фрустрацией и/или между запоминающим слоем 10 и подводящим электродом 20 было менее ±10%, предпочтительно, менее ±1%.Fig. 4 shows an example of a possible arrangement of the lead-in electrode 20, the memory layer 10 and the magnetic frustration layer 30. In this case, the input electrode 20 is made of Mn 3 FeN, the memory layer 10 is made of BaTiO 3 , and the magnetic frustration layer is made of Mn 3 NiN. All three of these materials have a perovskite or anti-perovskite type structure, which minimizes the lattice mismatch between the layers. This is advantageous because the mismatch of the crystal lattice parameters can lead to deformation in the boundary region between the layers, which in turn can lead to mechanical fatigue and cracking during use. Therefore, it is preferable that the lattice mismatch between the storage layer 10 and the magnetic frustration layer 30 and/or between the storage layer 10 and the lead-in electrode 20 be less than ±10%, preferably less than ±1%.
Фиг. 4 представляет два направления электрической поляризации запоминающего слоя 10 (слева и справа), соответствующих двум значениям данных, которые могут быть сохранены в запоминающем слое 10 (и неполяризованное состояние в середине).Fig. 4 represents two directions of electrical polarization of the storage layer 10 (left and right) corresponding to two data values that can be stored in the storage layer 10 (and an unpolarized state in the middle).
Далее со ссылкой на сопровождающие чертежи подробно описывается функционирование варианта осуществления настоящего изобретения.Next, with reference to the accompanying drawings, the operation of an embodiment of the present invention will be described in detail.
В ячейке энергонезависимой памяти настоящего изобретения данные могут быть записаны в запоминающем слое 10 в виде направления электрической поляризации (вверх или вниз, как показано). Эти данные записывают в запоминающий слой 10 приложением поперечного электрического поля к запоминающему слою 10 в ячейке энергонезависимой памяти. Поле может быть приложено, например, первым электродом 40, находящимся в контакте с подводящим электродом 20, расположенным по одну сторону от запоминающего слоя 10, и вторым электродом 50, находящимся в контакте со слоем 30 с магнитной фрустрацией, расположенным по другую сторону запоминающего слоя 10. Соответственно, данные записывают в запоминающий слой 10, прилагая между первым электродом 40 и вторым электродом 50 разность потенциалов, величина которой достаточна для создания в запоминающем слое 10 устойчивой электрической поляризации в требуемом направлении. Для перезаписи данных, сохраненных в запоминающем слое 10, прилагают разность потенциалов обратного направления, величина которой достаточна для изменения направления электрической поляризации запоминающего слоя 10 на противоположное.In the non-volatile memory cell of the present invention, data may be recorded in the storage layer 10 in the direction of electrical polarization (up or down as shown). This data is written to the storage layer 10 by applying a transverse electric field to the storage layer 10 in a non-volatile memory cell. The field can be applied, for example, by a first electrode 40 in contact with a lead-in electrode 20 located on one side of the storage layer 10 and a second electrode 50 in contact with a magnetic frustration layer 30 located on the other side of the storage layer 10 Accordingly, data is written to the storage layer 10 by applying between the first electrode 40 and the second electrode 50 a potential difference sufficient to create a stable electrical polarization in the storage layer 10 in the desired direction. To overwrite the data stored in the storage layer 10, a reverse potential difference is applied that is sufficient to reverse the direction of the electric polarization of the storage layer 10.
Поляризация запоминающего слоя 10 вызывает возникновение на запоминающем слое 10 разности потенциалов. Эта разность потенциалов создает электрическое поле, проникающее в подводящий электрод 20 и слой 30 с магнитной фрустрацией на глубину нескольких атомных слоев. При воздействии электрического поля, вызванного поляризацией запоминающего слоя 10, материал подводящего электрода 20 и материал слоя 30 с магнитной фрустрацией ведут себя по-разному. Электрическое поле влияет на магнитную поляризацию как подводящего электрода 20, так и слоя 30 с магнитной фрустрацией. Однако слой 30 с магнитной фрустрацией в результате воздействия электрического поля, вызванного электрической поляризацией запоминающего слоя 10, испытает значительно большее изменение магнитной поляризации.The polarization of the storage layer 10 causes a potential difference across the storage layer 10 to occur. This potential difference creates an electric field that penetrates the lead-in electrode 20 and magnetic frustration layer 30 to a depth of several atomic layers. When exposed to an electric field caused by the polarization of the memory layer 10, the material of the lead-in electrode 20 and the material of the magnetic frustration layer 30 behave differently. The electric field affects the magnetic polarization of both the lead-in electrode 20 and the magnetic frustration layer 30. However, the magnetic frustration layer 30 will experience a much greater change in magnetic polarization as a result of the electric field caused by the electric polarization of the storage layer 10.
В варианте осуществления подводящий электрод 20 имеет плотность состояний, на которую относительно слабо влияет поляризация запоминающего слоя 10. Поляризация запоминающего слоя 10 сильно влияет на плотность состояний в слое 30 с магнитной фрустрацией, как показано на фиг. 3 и описано выше.In an embodiment, lead-in electrode 20 has a density of states that is relatively weakly affected by the polarization of storage layer 10. The polarization of storage layer 10 greatly affects the density of states in magnetic frustration layer 30, as shown in FIG. 3 and described above.
Для считывания данных, сохраненных в запоминающем слое 10, к запоминающему слою 10 прилагают разность потенциалов, аналогично случаю записи данных. Величина разности потенциалов при считывании меньше, чем требуется для смены состояния электрической поляризации запоминающего слоя 10, что предотвращает перезапись данных.To read the data stored in the storage layer 10, a potential difference is applied to the storage layer 10, similarly to the case of data recording. The magnitude of the potential difference during reading is less than required to change the state of the electric polarization of the storage layer 10, which prevents data from being overwritten.
Приложенная при считывании разность потенциалов возбуждает туннельный ток между подводящим электродом 20 и слоем 30 с магнитной фрустрацией через запоминающий слой 10. Туннельное сопротивление сильно зависит от магнитной поляризации слоя 30 с магнитной фрустрацией, на которую, в свою очередь, сильно влияет электрическая поляризация запоминающего слоя 10. Если электронные состояния в подводящем электроде 20 и слое 30 с магнитной фрустрацией хорошо согласованы в пространстве момента импульса, то туннельное сопротивление запоминающего слоя 10 низкое и поэтому через запоминающий слой 10 течет ток, превышающий заранее заданное значение. Однако если плотность состояний в подводящем электроде 20 и слое 30 с магнитной фрустрацией в пространстве момента импульса согласована плохо, то туннельное сопротивление запоминающего слоя 10 значительно выше и поэтому ток ниже, например, ниже заранее заданного значения. Таким образом, измеряя туннельный ток, проходящий через запоминающий слой 10, и определяя, больше ли этот ток или меньше заранее заданного значения, можно определить направление электрической поляризации запоминающего слоя 10.The potential difference applied during reading induces a tunneling current between the lead-in electrode 20 and the magnetic frustration layer 30 through the storage layer 10. The tunneling resistance strongly depends on the magnetic polarization of the magnetic frustration layer 30, which in turn is strongly influenced by the electrical polarization of the storage layer 10 If the electronic states in the lead-in electrode 20 and the magnetic frustration layer 30 are well matched in angular momentum space, then the tunneling resistance of the storage layer 10 is low and therefore a current exceeding a predetermined value flows through the storage layer 10. However, if the density of states in the lead-in electrode 20 and the magnetic frustration layer 30 in angular momentum space is poorly matched, then the tunneling resistance of the storage layer 10 is much higher and therefore the current is lower, for example, below a predetermined value. Thus, by measuring the tunneling current passing through the memory layer 10 and determining whether this current is greater than or less than a predetermined value, the direction of the electrical polarization of the memory layer 10 can be determined.
В варианте осуществления разность потенциалов, прилагаемая между подводящим электродом 20 и слоем 30 с магнитной фрустрацией для считывания данных из запоминающего слоя 10, меньше, чем требуется для смены электрической поляризации запоминающего слоя 10. Это является преимуществом, поскольку снижает риск непреднамеренного изменения направления поляризации запоминающего слоя 10 и, соответственно, перезаписи данных, сохраненных в нем. Кроме того, использование меньшей разности потенциалов приводит к уменьшению туннельного тока, проходящего через запоминающий слой 10 при чтении, что снижает энергопотребление и тепловыделение при чтении. Использование туннельного сопротивления делает возможным неразрушающее чтение, что более выгодно по сравнению с FRAM, где за чтением должна следовать перезапись, что ведет к большим усталостным изменениям ячейки памяти.In an embodiment, the potential difference applied between the lead-in electrode 20 and the magnetic frustration layer 30 to read data from the storage layer 10 is less than that required to change the electrical polarization of the storage layer 10. This is advantageous as it reduces the risk of inadvertently reversing the polarization of the storage layer. 10 and, accordingly, overwriting the data stored therein. In addition, the use of a smaller potential difference leads to a decrease in the tunnel current passing through the storage layer 10 during reading, which reduces power consumption and heat generation during reading. The use of tunnel resistance allows non-destructive reading, which is more advantageous than FRAM, where a read must be followed by a rewrite, which leads to large memory cell fatigue changes.
В варианте осуществления запоминающий слой 10 имеет магнитную упорядоченность вследствие близости подводящего электрода 20 и слоя 30 с магнитной фрустрацией. Вероятность прохождения через запоминающий слой 10, соответственно, зависит от состояния спиновой поляризации туннелирующих электронов. Это является преимуществом, поскольку увеличивает изменение туннельного сопротивления запоминающего слоя 10 при изменении направления электрической поляризации запоминающего слоя 10. Когда отдельные ячейки энергонезависимой памяти объединены в матрицу, частота ошибок этой матрицы меньше, когда изменение туннельного сопротивления каждой ячейки энергонезависимой памяти больше. Кроме того, большее изменение туннельного сопротивления при смене направления электронной поляризации запоминающего слоя 10 дает возможность использования меньшей разности потенциалов при чтении данных. Как обсуждалось выше, использование меньшей разности потенциалов для чтения данных, сохраненных в запоминающем слое 10, выгодно по нескольким причинам.In an embodiment, the storage layer 10 has a magnetic order due to the proximity of the lead-in electrode 20 and the magnetic frustration layer 30. The probability of passage through the memory layer 10, respectively, depends on the state of the spin polarization of the tunneling electrons. This is advantageous because it increases the change in the tunneling resistance of the storage layer 10 as the direction of the electrical polarization of the storage layer 10 changes. When individual non-volatile memory cells are combined into an array, the error rate of the matrix is less when the change in tunneling resistance of each non-volatile memory cell is greater. In addition, a greater change in tunneling resistance when changing the direction of the electronic polarization of the storage layer 10 makes it possible to use a smaller potential difference when reading data. As discussed above, using a smaller potential difference to read the data stored in the storage layer 10 is advantageous for several reasons.
В настоящем изобретении в качестве электрода, чувствительного к сегнетоэлектрической поляризации в туннельном контакте, используется фрустрированный антиферромагнетик. Ранее в такой ситуации использовались ферромагнетики. Благодаря использованию материала с магнитной фрустрацией вместо ферромагнетика без магнитной фрустрации механизм чтения становится более надежным, причиной чего является более сильная зависимость туннельного сопротивления от направления поляризации запоминающего слоя 10, точнее, эффект туннельного пьезомагнитного магнитосопротивления (англ. Tunnelling Piezomagnetic Magnetoresistance, TMPR). Преимуществом в сравнении с MRAM является гораздо более низкий результирующий магнитный момент активного слоя вследствие его антиферромагнитной упорядоченности.In the present invention, a frustrated antiferromagnet is used as an electrode sensitive to ferroelectric polarization in a tunnel junction. Previously, ferromagnets were used in such a situation. By using a material with magnetic frustration instead of a ferromagnet without magnetic frustration, the reading mechanism becomes more reliable, the reason for which is a stronger dependence of the tunneling resistance on the direction of polarization of the memory layer 10, more precisely, the effect of tunneling piezomagnetic magnetoresistance (eng. Tunneling Piezomagnetic Magnetoresistance, TMPR). An advantage over MRAM is the much lower net magnetic moment of the active layer due to its antiferromagnetic ordering.
TMPR содержит два вклада: (а) согласование (в пространстве момента импульса) свободных электронных состояний на границах между подводящим электродом 20 и слоем 30 с магнитной фрустрацией и (b) вероятность прохождения через запоминающий слой 10 как функция электронного момента импульса и спинового состояния.The TMPR contains two contributions: (a) matching (in angular momentum space) of free electronic states at the interfaces between lead-in electrode 20 and magnetic frustration layer 30, and (b) the probability of passing through storage layer 10 as a function of electronic angular momentum and spin state.
Подводящий электрод 20 имеет в пространстве момента импульса плотность состояний, на которую относительно слабо влияет поляризация запоминающего слоя 10. В то же время поляризация запоминающего слоя 10 сильно влияет на плотность состояний слоя 30 с магнитной фрустрацией. Низкое туннельное сопротивление возникает, когда для заданного электронного углового момента есть соответствующая высокая плотность состояний как в подводящем электроде 20, так и в слое 30 с магнитной фрустрацией, и поэтому туннельное сопротивление сильно зависит от поляризации запоминающего слоя 10. Это вклад (а).The lead-in electrode 20 has a density of states in momentum space that is relatively weakly affected by the polarization of the storage layer 10. At the same time, the polarization of the storage layer 10 strongly affects the density of states of the magnetic frustration layer 30. Low tunneling resistance occurs when, for a given electronic angular momentum, there is a corresponding high density of states in both the lead-in electrode 20 and the magnetic frustration layer 30, and therefore the tunneling resistance is highly dependent on the polarization of the storage layer 10. This is contribution (a).
Вклад (b) зависит от толщины и состава запоминающего слоя 10, а также от согласованности свободных состояний из вклада (а). Когда электронные состояния в подводящем электроде 20 и в слое 30 с магнитной фрустрацией свободны и хорошо согласованы в пространстве момента импульса, тогда начинают играть роль “фильтрующие” свойства запоминающего слоя 10. При наличии в запоминающем слое 10 магнитной упорядоченности, индуцированной соседними магнитными электродами (подводящим электродом 20 и слоем 30 с магнитной фрустрацией), может иметь место дополнительный эффект фильтрации по спину (электроны могут или не могут пройти через запоминающий слой 10 в зависимости от их спиновой поляризации). Даже в тонких пленках сегнетоэлектрических материалов, например, BaTiO3 или SrTiO3, смежных с ферромагнитными или антиферромагнитными слоями, может возникнуть магнитная упорядоченность. Она может быть усилена, если и запоминающий слой 10, и слой 30 с магнитной фрустрацией имеют перовскитную структуру. Наконец, сопротивление зависит от толщины запоминающего слоя 10, но толщина не меняется при переходе между состояниями 1/0 и поэтому не используется для чтения. Приложение слабого электрического поля (вклад (b)), если плотность состояний благоприятным образом согласована (вклад (а)), приводит к туннелированию электронов через запоминающий слой 10, что дает возможность определять направление поляризации запоминающего слоя 10 и таким образом считывать данные из устройства. Чтение реализуется путем приложения небольшого напряжения (или электрического поля) и измерения тока через контакт (оба вклада действуют при приложении слабого поля для считывания ячейки). Вклад (а) основан на “свойстве основного состояния” материалов (плотности электронных состояний), тогда как вклад (b) также учитывает “свойство возбужденного состояния”, т.е., реакцию системы на приложенное напряжение.The contribution (b) depends on the thickness and composition of the storage layer 10, as well as on the consistency of the free states from the contribution (a). When the electronic states in the supply electrode 20 and in the layer 30 with magnetic frustration are free and well matched in the angular momentum space, then the “filtering” properties of the storage layer 10 begin to play a role. electrode 20 and magnetic frustration layer 30), there may be an additional spin filtering effect (electrons may or may not pass through memory layer 10 depending on their spin polarization). Even in thin films of ferroelectric materials, such as BaTiO 3 or SrTiO 3 , adjacent to ferromagnetic or antiferromagnetic layers, magnetic ordering can occur. It can be enhanced if both the memory layer 10 and the magnetic frustration layer 30 have a perovskite structure. Finally, the resistance depends on the thickness of the storage layer 10, but the thickness does not change between the 1/0 states and is therefore not used for reading. The application of a weak electric field (contribution (b)), if the density of states is favorably matched (contribution (a)), results in the tunneling of electrons through the storage layer 10, which makes it possible to determine the polarization direction of the storage layer 10 and thus read data from the device. The reading is realized by applying a small voltage (or electric field) and measuring the current through the contact (both contributions are in effect when a weak field is applied to read the cell). Contribution (a) is based on the “ground state property” of the materials (density of electronic states), while contribution (b) also takes into account the “excited state property”, i.e., the response of the system to an applied voltage.
Оба вклада зависят от направлений электрической поляризации запоминающего слоя 10, поэтому ее направление может быть определено по различному значению сопротивления (которое может быть, к примеру, выше или ниже заранее заданного уровня). Ток, связанный со считыванием, гораздо меньше того большого тока, который нужен для записи информации в обычную магнитную энергонезависимую память, к примеру, в RAM на основе вращающего момента, связанного с переносом спина, поэтому джоулево тепловыделение и потребность в энергии очень низки. В запоминающем слое 10 вследствие его близости к магнитно упорядоченным электродам (к подводящему электроду 20 и к слою 30 с магнитной фрустрацией) может возникать магнитная упорядоченность. Она усиливает вклад (b), но снижается в более толстых запоминающих слоях 10. Поэтому предпочтительна толщина запоминающего слоя 10 между 0,1 нм и 10 нм. Толщина запоминающего слоя 10 между 0,4 нм и 10 нм более предпочтительна, поскольку минимальная толщина 0,4 нм или более повышает устойчивость направления поляризации запоминающего слоя 10, и, таким образом, сохранность сохраненных в нем данных. TPMR может работать и с использованием только вклада (а). Пьезомагнитный отклик антиперовскитных нитридов на основе Mn возникает вследствие понижения кубической симметрии, но в настоящем изобретении деформация заменена локальным электрическим полем, создаваемым запоминающим слоем 10. Это поле оказывает влияние только на несколько атомных слоев вблизи запоминающего слоя 10, но этого достаточно для изменения туннельного сопротивления.Both contributions depend on the directions of the electrical polarization of the memory layer 10, so its direction can be determined from a different resistance value (which can be, for example, above or below a predetermined level). The current associated with a read is much less than the large current required to write information to a conventional magnetic non-volatile memory, such as spin-transfer torque-based RAM, so the Joule heat generation and power requirements are very low. In the storage layer 10, due to its proximity to the magnetically ordered electrodes (to the lead-in electrode 20 and to the magnetic frustration layer 30), magnetic ordering can occur. It enhances the contribution (b), but decreases in thicker memory layers 10. Therefore, a thickness of the memory layer 10 between 0.1 nm and 10 nm is preferred. A thickness of the storage layer 10 between 0.4 nm and 10 nm is more preferable because a minimum thickness of 0.4 nm or more improves the stability of the polarization direction of the storage layer 10, and thus the preservation of data stored therein. TPMR can also work with only input(s). The piezomagnetic response of Mn-based anti-perovskite nitrides is due to the reduction of cubic symmetry, but in the present invention, the deformation is replaced by a local electric field created by the storage layer 10. This field affects only a few atomic layers near the storage layer 10, but this is enough to change the tunneling resistance.
Подводящий электрод 20 и слой 30 с магнитной фрустрацией ведут себя несимметрично (они выполнены из разных материалов или атомный состав границ раздела различен), иначе туннельное сопротивление было бы одинаковым для обоих направлений электрической поляризации.Lead-in electrode 20 and magnetic frustration layer 30 behave asymmetrically (they are made of different materials or the atomic composition of the interfaces is different), otherwise the tunneling resistance would be the same for both directions of electric polarization.
Поскольку считывание резистивное, ячейка памяти в соответствии с настоящим изобретением может быть интегрирована в стандартную двумерную матрицу (используемую в DRAM или STT-RAM), где для каждой ячейки используется индивидуальный транзистор доступа. По сравнению с магнитной энергонезависимой памятью поля рассеяния пренебрежимо малы или идентичны в каждой соте, что дает возможность реализовать высокую плотность упаковки. Поскольку информация хранится в запоминающем слое 10, многие из остальных свойств (времена записи, времена хранения и энергия на операцию записи) сравнимы с соответствующими свойствами сегнетоэлектрических ячеек памяти.Because the readout is resistive, the memory cell of the present invention can be integrated into a standard two-dimensional array (as used in DRAM or STT-RAM) where each cell uses an individual access transistor. Compared to magnetic non-volatile memory, the stray fields are negligible or identical in each cell, which makes it possible to realize a high packing density. Because the information is stored in the storage layer 10, many of the remaining properties (write times, storage times, and energy per write operation) are comparable to those of ferroelectric memory cells.
Настоящее изобретение предлагает легко реализуемое новое энергонезависимое решение для задачи создания памяти и хранения данных, превосходящее существующие технические решения с точки зрения энергопотребления, температурной устойчивости, долговечности и скорости. Оно работает и при высоких температурах (выше 180°С) и потребляет очень немного энергии - это сочетание делает указанное решение пригодным для перспективных применений, например, для устройств пространства интернета вещей.The present invention provides an easily implemented new non-volatile memory and data storage solution that outperforms existing solutions in terms of power consumption, thermal stability, durability and speed. It also works at high temperatures (above 180°C) and consumes very little power - this combination makes this solution suitable for advanced applications such as IoT devices.
Мультислои этого устройства могут быть изготовлены с использованием любого способа нанесения тонкой пленки, оптимизированного для получения слоев с необходимыми вышеуказанными характеристиками. Например, может использоваться нанесение импульсным лазером (англ. Pulsed Laser Deposition, PLD). Пример условий выращивания для каждой из тонких пленок представлен ниже. Энергонезависимая память, описанная в настоящей патентной заявке, может быть изготовлена с использованием способов, условий и материалов, описанных в патенте WO 2018/109441, содержание которого полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. Далее представлены неограничивающие примеры.The multilayers of this device can be made using any thin film deposition method optimized to produce layers with the desired characteristics described above. For example, Pulsed Laser Deposition (PLD) can be used. An example of growth conditions for each of the thin films is shown below. The non-volatile memory described in this patent application can be manufactured using the methods, conditions and materials described in WO 2018/109441, the contents of which are incorporated herein by reference in their entirety. The following are non-limiting examples.
Шаг 1: выбор и очистка подложки.Step 1: select and clean the substrate.
В качестве подложки может использоваться любая подходящая оксидная подложка (к примеру, MgO, SrTiO3, Nb:SrTiO3, (LaAlO3)0,3(Sr2TaAlO6)0,7) или Si. Перед выращиванием подложку очищают с использованием стандартной операции очистки растворителем. Указанной стандартной операцией очистки растворителем может быть трехминутная очистка в ультразвуковой ванне ацетоном, затем изопропанолом и, наконец, дистиллированной водой с сушкой в потоке N2 после шага с каждым растворителем. В варианте осуществления указанной подложкой может быть второй электрод 50.Any suitable oxide substrate (eg MgO, SrTiO 3 , Nb:SrTiO 3 , (LaAlO 3 ) 0.3 (Sr 2 TaAlO 6 ) 0.7 ) or Si can be used as the substrate. Prior to growth, the substrate is cleaned using a standard solvent cleaning operation. Said standard solvent cleaning operation may be a three minute ultrasonic bath cleaning with acetone, then isopropanol, and finally distilled water, with drying under N 2 flow after each solvent step. In an embodiment, said substrate may be the second electrode 50.
Шаг 2: выращивание мультислоя (PLD и магнетронное распыление).Step 2: Multilayer growth (PLD and magnetron sputtering).
Тонкие пленки наносят посредством PLD с использованием эксимерного лазера на KrF (λ=248 нм). Однофазные мишени из SrRuO3, Nb:SrTiO3, BaTiO3, BaxSri-xTiO3, BaZrxTi1-xO3, Mn3SnN и Mn3GaN стехиометрического состава, соответственно, испаряют лазером с плотностью потока мощности 0,8 Дж/см2 при 10 Гц.Thin films are deposited by PLD using a KrF excimer laser (λ=248 nm). Single-phase targets from SrRuO 3 , Nb:SrTiO 3 , BaTiO 3 , Ba x Sr ix TiO 3 , BaZr x Ti 1-x O 3 , Mn 3 SnN and Mn 3 GaN of stoichiometric composition, respectively, are evaporated by a laser with a power flux density of 0, 8 J/ cm2 at 10 Hz.
Слой 1 - второй электрод 50 - выращивают как тонкую 100 нм пленку SrRuO3 при 700-780°С и парциальном давлении O2 50-300 мторр. После нанесения выращенную пленку подвергают завершающему отжигу на месте в течение 20 минут при той же температуре, при которой шло выращивание, и парциальном давлении O2 600 торр. Затем образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин при парциальном давлении O2 600 торр.Layer 1 - the second electrode 50 - is grown as a thin 100 nm film of SrRuO 3 at 700-780°C and a partial pressure of O 2 50-300 mTorr. After deposition, the grown film is subjected to final annealing in place for 20 minutes at the same temperature at which the growth was carried out and a partial pressure of O 2 600 Torr. The sample is then cooled to room temperature at a rate of 10°C/min at a partial pressure of O 2 600 torr.
Либо выращивают тонкую 100 нм пленку Nb:SrTiO3 при 700°С и парциальном давлении O2 0-60 мторр. После выращивания образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин при парциальном давлении O2 600 торр.Or grow a thin 100 nm film of Nb:SrTiO 3 at 700°C and a partial pressure of O 2 0-60 mTorr. After growth, the sample is cooled to room temperature at a rate of 10°C/min at a partial pressure of O 2 600 torr.
Слой 2 - слой 30 с магнитной фрустрацией из Mn3XN, где X представляет любой подходящий элемент - например, тонкую 100 нм пленку Mn3SnN, выращивают при 300-550°С и парциальном давлении N2 0-12 мторр. После выращивания образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин при парциальном давлении N2 0-12 мторр.Layer 2 - magnetically frustrated layer 30 of Mn 3 XN, where X is any suitable element - for example, a thin 100 nm film of Mn 3 SnN, is grown at 300-550° C. and a N 2 partial pressure of 0-12 mTorr. After growth, the sample is cooled to room temperature at a rate of 10°C/min at a N 2 partial pressure of 0-12 mTorr.
Либо выращивают 100 нм пленку Mn3GaN при 300-550°С и парциальном давлении N2 0-12 мторр. После выращивания образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин при парциальном давлении N2 0-12 мторр.Or grow a 100 nm film of Mn 3 GaN at 300-550°C and a partial pressure of N 2 0-12 mTorr. After growth, the sample is cooled to room temperature at a rate of 10°C/min at a N 2 partial pressure of 0-12 mTorr.
Слой 3 - электрически поляризующийся материал запоминающего слоя 10 - тонкую 0,1-10 нм пленку BaTiO3 (BaxSr1-xTiO3 или BaZrxTi1-xO3) выращивают при 750-800°С и парциальном давлении O2 150-300 мторр. После выращивания образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин при парциальном давлении O2 600 торр.Layer 3 - electrically polarizable material of the memory layer 10 - a thin 0.1-10 nm film of BaTiO 3 (Ba x Sr 1-x TiO 3 or BaZr x Ti 1-x O 3 ) is grown at 750-800°C and a partial pressure of O 2 150-300 mtorr. After growth, the sample is cooled to room temperature at a rate of 10°C/min at a partial pressure of O 2 600 torr.
Слой 4 - подводящий электрод 20-100 нм из металла (например, Pt, Au) или проводящей перовскитной тонкой пленки (например SrRuO3, Nb:SrTiO3).Layer 4 - lead-in electrode 20-100 nm of metal (eg Pt, Au) or conductive perovskite thin film (eg SrRuO 3 , Nb:SrTiO 3 ).
Тонкую 100 нм пленку Pt выращивают путем магнетронного распыления на постоянном токе. Образец нагревают до 800°С в сверхвысоком вакууме и отжигают в течение одного часа. Тонкую пленку Pt наносят при мощности 100 Вт на постоянном токе. После выращивания образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин в вакууме.A thin 100 nm Pt film is grown by DC magnetron sputtering. The sample is heated to 800°C in UHV and annealed for one hour. A thin film of Pt is applied at a power of 100 W at direct current. After growth, the sample is cooled to room temperature at a rate of 10° C./min under vacuum.
Либо выращивают тонкую 100 нм пленку SrRuO3 при 700-780°С и парциальном давлении O2 50-300 мторр. После нанесения выращенную пленку подвергают завершающему отжигу на месте в течение 20 минут при той же температуре, при которой шло выращивание, и парциальном давлении O2 600 торр. Затем образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин при парциальном давлении O2 600 торр.Or grow a thin 100 nm film of SrRuO 3 at 700-780°C and a partial pressure of O 2 50-300 mTorr. After deposition, the grown film is subjected to final annealing in place for 20 minutes at the same temperature at which the growth was carried out and a partial pressure of O 2 600 Torr. The sample is then cooled to room temperature at a rate of 10°C/min at a partial pressure of O 2 600 torr.
Либо выращивают тонкую 100 нм пленку Nb:SrTiO3 при 700°С и парциальном давлении O2 0-60 мторр. После выращивания образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин при парциальном давлении O2 600 торр.Or grow a thin 100 nm film of Nb:SrTiO 3 at 700°C and a partial pressure of O 2 0-60 mTorr. After growth, the sample is cooled to room temperature at a rate of 10°C/min at a partial pressure of O 2 600 torr.
Слой 5 - первый электрод 40 - тонкая 100 нм пленка металла (например, Pt, Au, Al).Layer 5 - the first electrode 40 - a thin 100 nm metal film (for example, Pt, Au, Al).
Тонкую 100 нм пленку Pt выращивают путем магнетронного распыления на постоянном токе. Образец нагревают до 800°С в сверхвысоком вакууме и отжигают в течение одного часа. Тонкую пленку Pt наносят при мощности 100 Вт на постоянном токе. После выращивания образец охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин в вакууме.A thin 100 nm Pt film is grown by DC magnetron sputtering. The sample is heated to 800°C in UHV and annealed for one hour. A thin film of Pt is applied at a power of 100 W at direct current. After growth, the sample is cooled to room temperature at a rate of 10° C./min under vacuum.
Шаг 3: фотолитография.Step 3: photolithography.
Для создания рисунка матрицы используют стандартный фотолитографический процесс. Для двумерных устройств создание рисунка может выполняться после нанесения всех слоев.A standard photolithographic process is used to create the matrix pattern. For 2D devices, patterning can be done after all layers have been applied.
Шаг 4: травление.Step 4: Etching.
Для удаления материала и переноса рисунка фотолитографической маски на образец используется стандартная операция травления ионами аргона или любой другой подходящий способ химического или физического травления.To remove material and transfer the photolithographic mask pattern to the sample, a standard argon ion etching operation or any other suitable chemical or physical etching method is used.
Claims (25)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB1812823.1 | 2018-08-07 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021101506A RU2021101506A (en) | 2022-09-09 |
| RU2790040C2 true RU2790040C2 (en) | 2023-02-14 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2281567C2 (en) * | 2002-06-18 | 2006-08-10 | Тин Филм Электроникс Аса | Method for making a memory cell in ferro-electric memory device and ferro-electric memory device |
| RU179295U1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | FAST GRAPHENE RECORDING MAGNET-RESISTANT MEMORY |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2281567C2 (en) * | 2002-06-18 | 2006-08-10 | Тин Филм Электроникс Аса | Method for making a memory cell in ferro-electric memory device and ferro-electric memory device |
| RU179295U1 (en) * | 2017-11-02 | 2018-05-07 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) | FAST GRAPHENE RECORDING MAGNET-RESISTANT MEMORY |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8854876B2 (en) | Perpendicular magnetization storage element and storage device | |
| US20160149124A1 (en) | Mram having spin hall effect writing and method of making the same | |
| US9099188B2 (en) | Magnetoresistive element | |
| US11257862B2 (en) | MRAM having spin hall effect writing and method of making the same | |
| US11056640B2 (en) | Magnetoresistive memory device including a high dielectric constant capping layer and methods of making the same | |
| US10608170B2 (en) | Electric field assisted perpendicular STT-MRAM | |
| US11404193B2 (en) | Magnetoresistive memory device including a magnesium containing dust layer | |
| US11005034B1 (en) | Magnetoresistive memory device including a high dielectric constant capping layer and methods of making the same | |
| US10991407B1 (en) | Magnetoresistive memory device including a high dielectric constant capping layer and methods of making the same | |
| US11839162B2 (en) | Magnetoresistive memory device including a plurality of reference layers | |
| US6594120B2 (en) | Magnetoresistive element and magnetic memory element and magnetic head using the same | |
| US11404632B2 (en) | Magnetoresistive memory device including a magnesium containing dust layer | |
| WO2021101585A1 (en) | Magnetoresistive memory device including a high dielectric constant capping layer and methods of making the same | |
| JPWO2018020730A1 (en) | Magnetic tunnel junction device and method of manufacturing the same | |
| KR20190107023A (en) | Nonvolatile memory | |
| US11361805B2 (en) | Magnetoresistive memory device including a reference layer side dielectric spacer layer | |
| US11887640B2 (en) | Voltage-controlled magnetic anisotropy memory device including an anisotropy-enhancing dust layer and methods for forming the same | |
| EP3834235B1 (en) | Non-volatile memory cell | |
| RU2790040C2 (en) | Non-volatile memory cell | |
| US11871679B2 (en) | Voltage-controlled magnetic anisotropy memory device including an anisotropy-enhancing dust layer and methods for forming the same | |
| US11889702B2 (en) | Voltage-controlled magnetic anisotropy memory device including an anisotropy-enhancing dust layer and methods for forming the same | |
| US10964748B1 (en) | Electric field controllable spin filter tunnel junction magnetoresistive memory devices and methods of making the same | |
| US11069741B2 (en) | Electric field controllable spin filter tunnel junction magnetoresistive memory devices and methods of making the same | |
| JP2023084675A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof |