WO2004075197A2 - Mram-speicherzelle - Google Patents

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WO2004075197A2
WO2004075197A2 PCT/EP2004/050207 EP2004050207W WO2004075197A2 WO 2004075197 A2 WO2004075197 A2 WO 2004075197A2 EP 2004050207 W EP2004050207 W EP 2004050207W WO 2004075197 A2 WO2004075197 A2 WO 2004075197A2
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magnetic
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mram memory
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Evangelos Stavrou
Manfred Pröll
Stephan Schröder
Jörg Kliewer
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Infineon Technologies Ag
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    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers

Definitions

  • the present invention relates to an MRAM memory cell composed of two magnetic layers, which are separated by a non-magnetic intermediate layer and of which a first magnetic layer behaves hard magnetic and the other, second magnetic layer behaves soft magnetic, so that the state of magnetization of the second magnetic layer with respect to the Magnetization state of the first magnetic layer information can be stored.
  • MRAMs Magnetic Random Access Memory
  • HL-DRAMs dynamic semiconductor memories
  • MRAMs are non-volatile memories which, in contrast to HL-DRAMs, do not Refresh process is required for information retention.
  • MRAMs also have memory cells with a very clear structure made up of two magnetic layers which are separated from one another by an intermediate layer. After all, MRAMs are resistant to radiation, which means that they retain information even in the event of radiation.
  • FIG. 2 shows the structure of a conventional MRAM memory cell with a first magnetic layer M1, a second magnetic layer M2 and an intermediate layer ZS.
  • the first magnetic layer Ml is strongly coupled to an antiferromagnetic layer AF and, like the second magnetic layer M2, consists of a ferromagnetic material.
  • the intermediate layer ZS is non-magnetic and consists of an oxide, such as silicon dioxide, copper and so on.
  • Ni-Fe compounds can be used for the two magnetic layers Ml and M2, while suitable materials for the antiferromagnetic layer AF are, for example, NiO or Fe-Ni-Mn.
  • the layer thickness of the two magnetic layers M1 and M2 can each be approximately 10 nm, while the intermediate layer ZS is considerably thinner and has a layer thickness of 1 to 2 nm.
  • the antiferromagnetic layer AF can have a layer thickness of, for example, 50 nm.
  • the magnetic layer M1 behaves due to its coupling to the antiferromagnetic layer AF hard magnetic, while the behavior of the second magnetic layer M2 is soft magnetic.
  • An electric current which flows in the vertical direction in FIG. 2 through the magnetic layer package with the antiferromagnetic layer AF, the first magnetic layer Ml, the intermediate layer ZS and the second magnetic layer M2, depends on whether the magnetizations in the two magnetic layers Ml and M2 are parallel or are antiparallel to each other, a different electrical resistance. Thus, the resistance is lower if these two magnetizations are parallel, while there is a higher electrical resistance if the magnetizations run antiparallel.
  • the intermediate layer ZS serves to control the coupling of the two magnetic layers M1 and M2 as well as the resistance value which is supplied by the magnetic layer package.
  • FIG. 3 illustrates how individual cells ZI to Z4 are located between conductor tracks L1, L2 on the one hand and conductor tracks L3, L4 on the other hand.
  • a current II flows through the conductor track L1, for example, while a current 13 is passed through the conductor track L3.
  • the memory cell ZI is located between the conductor tracks L1 and L3.
  • the anti-ferromagnetic layer AF can also be present if required. However, it can be omitted if the magnetic layer M1 has corresponding hard magnetic properties. Of course, it is also possible to provide the magnetic layer M2 with hard magnetic properties if the magnetic layer M1 is then designed to be soft magnetic.
  • the current II which flows through the conductor track L1, generates a magnetic field H1, while the current 13, which is passed through the conductor track L3, supplies a magnetic field H3.
  • the two magnetic fields Hl and H3 overlap in the magnetic layer M2.
  • the strength and direction of the superimposed field in the magnetic layer M2 now depend on the strength and direction of the current II in the conductor track L1 and the current 13 in the conductor track L3.
  • the magnetization in the magnetic layer M2 is set parallel or antiparallel to the predetermined magnetization direction in the magnetic layer Ml.
  • the memory cell ZI can be read using a subcritical current which flows, for example, through the conductor track L1, the memory cell ZI and the conductor track L3. With this subcritical current, the resistance value of the electrical resistance is dependent on
  • Magnetization state of the magnetic layer M2 is detected.
  • This MRAM concept can be implemented with relatively little technological effort and has the considerable advantage that, in contrast to electronic storage in the DRAM concept, storage using the magnetization direction in the magnetic layer M2 is not volatile that refresh operations can be omitted. Disadvantages of current MRAMs concern in particular the stability of the stored information and the storage density:
  • the coercive field strength Hc of the magnetic layers Ml and M2 formed from ferromagnetic materials is very small. This has the advantage that when writing the memory, the programming currents II and 13 can be kept relatively small. However, the information in the soft magnetic or coupling-free magnetic layer M2 can be lost due to a lack of stability due to external influences. This is because switching the magnetization of the magnetic layer M2 is possibly possible, since this switching can easily take place with a small coercive field with corresponding external influences.
  • ferrimagnetic materials are known to have different magnetic properties than ferromagnetic materials.
  • Ferrimagnetic materials initially have much smaller magnetic moments than ferromagnetic materials.
  • the saturation magnetization M S ätig ung rials of ferrimagnetic Mate increases with increasing temperature T then falls continuously and at the so-called Curie temperature T Cur -. e. that is, at the critical temperature at which the magnetic moment disappears, to the value 0.
  • T Cur i e is at Ferri- magnets are usually significantly smaller than ferromagnets.
  • This course of the saturation magnetization M saturation as a function of the temperature T is shown schematically in FIG. 4.
  • the coercive field strength Hc is only small near the Curie temperature T Cu rie, while it increases with lower temperatures.
  • the coercive field strength H c decreases with increasing temperature T, and reaches at the Curie temperature Tc for i e finally zero.
  • the course of the hysteresis loop is accordingly narrow at higher temperatures in the region of the Curie temperature T Cur i e , while this loop is wider at lower temperatures.
  • This behavior of the coercive field strength Hc as a function of the temperature T is shown schematically in FIG. 5.
  • this object is achieved according to the invention in that at least one of the two magnetic layers consists at least partially of a ferrimagnetic material. Both magnetic layers preferably consist at least partially of the ferrimagnetic material. However, it is also possible to design only one of these layers in this way and to carry out the other layer in a conventional manner.
  • the MRAM memory cell according to the invention is distinguished in particular by the following features:
  • ferrimagnetic materials are at least partially used for the magnetic layers.
  • multi-layer layers are provided for the magnetic layers. This means that the magnetic layers are both formed, or only individually, by multi-layer layers each consisting of a large number of individual layers, so that the magnetic properties of the respective magnetic layer can be controlled by changing the layer thickness ratios of these individual layers and / or by changing the sum of the layer thicknesses of the individual layers ,
  • thermomagnetic behavior of the ferrimagnetic materials of the magnetic layers is used in the MRAM memory cell according to the invention. This means that the thermomagnetic behavior of the ferrimagnetic materials is also evaluated for writing information.
  • ferrimagnetic materials have a much smaller magnetic moment than ferromagnetic materials, the magnetic dipole interaction between neighboring memory cells is practically negligible. This means that disruptive effects between neighboring cells can largely be excluded.
  • the coercive field strength Hc is only very small near the Curie temperature Tc u ri e in the write area, while it increases at a low temperature, the information of the memory cell remains very high at the operating temperature of a memory cell or when writing from adjacent memory cells stable. Due to the multi-layer structure of the individual magnetic layers, the coercive force Hc at a fixed temperature can also be easily controlled by the chemical composition of the individual layers.
  • the memory cell has a magnetic layer ML1 on an antiferromagnetic layer AF, an intermediate layer ZS and a second magnetic layer ML2 on the intermediate layer ZS.
  • the antiferromagnetic layer AF, the magnetic layer ML1 and the magnetic layer ML2 each consist of a multi-layer package. That is, the antiferromagnetic layer AF consists of layer pairs ⁇ , the magnetic layer MLl has layer pairs ⁇ l, and the magnetic layer ML2 is composed of layer pairs ⁇ 2.
  • the layer pairs ⁇ consist of individual layers ⁇ a, ⁇ b, the layer pairs ⁇ l have individual layers ⁇ la, ⁇ lb, and the layer pairs ⁇ 2 are composed of individual layers ⁇ 2a and ⁇ 2b.
  • the individual layers ⁇ a and ⁇ b have layer thicknesses tl and t2, the individual layers ⁇ la, ⁇ lb have layer thicknesses tll or tl2 and the individual layers ⁇ 2a and ⁇ 2b are provided with layer thicknesses t21 and t22.
  • Gd can be selected as a suitable material, while a suitable material for the individual layers is ⁇ b, ⁇ lb and ⁇ 2b Fe. This means that a binary combination of Gd / Fe is appropriate for the individual multi-layer packages.
  • the magnetic properties can now be adjusted in the desired manner by changing the individual layer thickness ratios tl / t2, tll / tl2 and t2l / t22 for the antiferromagnetic layer AF, the magnetic layer ML1 and the magnetic layer ML2.
  • the same also applies to a change in the sum of the individual layer thicknesses, i.e.
  • the first magnetic layer ML1 and the second magnetic layer ML2 can be set as desired.
  • deviating values are also possible.
  • the layer thickness ratios in the antiferromagnetic layer AF, the first magnetic layer ML1 and the second magnetic layer ML2 can also differ from one another. The same applies, of course, to the layer thicknesses.
  • the total layer thickness of the first magnetic layer ML1 and the total layer thickness of the second magnetic layer ML2 can be in the Order of magnitude up to 10 nm. If a layer thickness between 1 nm and 1.5 nm is then assumed for a layer pair, the first magnetic layer ML1 and the second magnetic layer ML2 each have a stack of a total of approximately five layer pairs.
  • a typical thickness for the antiferromagnetic layer AF is between 30 and 50 nm and preferably between 35 and 40 nm. Here, for example, about 15 layer pairs ⁇ can then be provided.
  • different magnetic properties of the antiferromagnetic layer AF, the first magnetic layer ML1 and the second magnetic layer ML2 are obtained by varying the individual layer thicknesses tl / t2, tll / tl2 and t21 / t22, that is to say ultimately by varying the chemical ones Composition, and / or by varying the layer thicknesses tl + t2, tll + tl2 and t21 + t22, i.e. the layer thicknesses of the layer pairs.
  • the MRAM memory cell according to the invention can be produced from magnetic layers which have different magnetic properties. All that is required is to adjust the coating times for each individual layer individually and to implement the alternating coating using the two materials in the respective multilayer packages.
  • the stronger temperature dependence of ferromagnetic materials is advantageously used during the writing process: whereas in the case of a conventional MRAM only the induced magnetic fields for writing are used (cf. H1 or H3 in FIG. 3). and the electrical current or the electrical resistance of the memory cell are used for the readout MRAM memory cell according to the invention, the thermal aspect is used specifically in the writing process. If an electrical current flows through a metal, it heats up, which in principle also applies to the conductor tracks that lead to the memory cells.
  • the manipulated variables for controlling the temperature are the electrical current and the geometric dimensions of the conductor tracks. The heat development can be considerable, especially in the case of extremely thin layers.
  • the dimensions of the conductor tracks can be set so that they are heated. If the magnetic sheet ML2 with the soft magnetic properties is then heated to a temperature close to the Curie temperature T Cur i e , the magnetization in this magnetic sheet ML2 can be switched over very easily. This means that it is easily possible to write to or overwrite the memory cell.
  • the memory cell cools down again, so that great stability of the stored information is ensured as a result of the substantially higher coercive force (cf. FIG. 5).

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine MRAM-Speicherzelle, bei der die durch eine Zwischenschicht (ZS) getrennten Magnetschichten (ML1, ML2) wenigstens teilweise aus einem ferrimagnetischen Material bestehen.

Description

Be s ehr e ibung
MRAM-Speicherzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine MRAM-Speicherzelle aus zwei Magnetschichten, die durch eine nicht magnetische Zwischenschicht getrennt sind und von denen eine erste Magnetschicht sich hartmagnetisch und die andere, zweite Magnetschicht sich weichmagnetisch verhalten, so dass durch den Magnetisierungszustand der zweiten Magnetschicht in Bezug auf den Magnetisierungszustand der ersten Magnetschicht Information speicherbar ist.
MRAMs (= Magnetic Random Access Memory) werden seit geraumer Zeit als Alternative zu dynamischen Halbleiterspeichern (HL- DRAMs) diskutiert, da sie im Vergleich zu HL-DRAMs spezielle Vorteile bieten: MRAMs sind nichtflüchtige Speicher, bei denen im Gegensatz zu HL-DRAMs kein Refreshvorgang zur Informationserhaltung erforderlich ist. MRAMs haben weiterhin Speicherzellen mit einem sehr übersichtlichen Aufbau aus zwei Magnetschichten, die durch eine Zwischenschicht voneinander getrennt sind. Schließlich sind MRAMs gegenüber Strahlungen resistent, das heißt, bei ihnen ist Informationserhaltung auch bei Strahlungseinfall gewährleistet.
Fig. 2 zeigt den Aufbau einer üblichen MRAM-Speicherzelle mit einer ersten Magnetschicht Ml, einer zweiten Magnetschicht M2 und einer Zwischenschicht ZS . Die erste Magnetschicht Ml ist mit einer AntiferromagnetSchicht AF stark gekoppelt und besteht, wie die zweite Magnetschicht M2 aus einem Ferromagne- ten. Die Zwischenschicht ZS ist nichtmagnetisch und besteht aus einem Oxid, wie beispielsweise Siliziumdioxid, Kupfer und so weiter. Für die beiden Magnetschichten Ml und M2 können Ni-Fe-Verbindungen verwendet werden, während geeignete Materialien für die AntiferromagnetSchicht AF beispielsweise NiO oder Fe-Ni-Mn sind. Die Schichtdicke der beiden Magnetschichten Ml und M2 kann jeweils etwa 10 nm betragen, während die Zwischenschicht ZS erheblich dünner ist und eine Schichtdicke von 1 bis 2 nm hat. Die Antiferromagnetschicht AF kann eine Schichtdicke von beispielsweise 50 nm aufweisen.
Die Magnetschicht Ml verhält sich infolge ihrer Kopplung zur Antiferromagnetschicht AF hartmagnetisch, während das Verhalten der zweiten Magnetschicht M2 weichmagnetisch ist.
Ein elektrischer Strom, der in Fig. 2 in vertikaler Richtung durch das Magnetschichtpaket mit der Antiferromagnetschicht AF, der ersten MagnetSchicht Ml, der Zwischenschicht ZS und der zweiten Magnetschicht M2 fließt, erfährt abhängig davon, ob die Magnetisierungen in den beiden Magnetschichten Ml und M2 parallel oder antiparallel zueinander sind, einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand. So ist der Widerstand niedriger, wenn diese beiden Magnetisierungen parallel sind, während ein höherer elektrischer Widerstand vorliegt, wenn die Magnetisierungen antiparallel verlaufen.
Die Zwischenschicht ZS dient zur Steuerung der Kopplung der beiden Magnetschichten Ml und M2 sowie des Widerstandswertes, der von dem Magnetschichtpaket geliefert wird.
Fig. 3 veranschaulicht, wie einzelne Zellen ZI bis Z4 zwischen Leiterbahnen Ll, L2 einerseits und Leiterbahnen L3 , L4 andererseits gelegen sind. Durch die Leiterbahn Ll fließt beispielsweise ein Strom II, während durch die Leiterbahn L3 ein Strom 13 geführt ist. Zwischen den Leiterbahnen Ll und L3 liegt die Speicherzelle ZI. Zur Vereinfachung sind von dieser Speicherzelle ZI wie auch von den Speicherzellen Z2 bis Z4 lediglich die Magnetschicht Ml, die Zwischenschicht ZS und die Magnetschicht N2 schematisch gezeigt. Die Antiferroma- gnetSchicht AF kann bei Bedarf ebenfalls vorhanden sein. Sie kann aber entfallen, wenn die Magnetschicht Ml entsprechende hartmagnetische Eigenschaften hat. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Magnetschicht M2 mit hartmagnetischen Eigenschaften zu versehen, wenn die Magnetschicht Ml dann weichmagnetisch gestaltet ist.
Der Strom II, der durch die Leiterbahn Ll fließt, erzeugt ein Magnetfeld Hl, während der Strom 13, der durch die Leiterbahn L3 geschickt ist, ein Magnetfeld H3 liefert. Die beiden Magnetfelder Hl und H3 überlagern einander in der Magnetschicht M2. Stärke und Richtung des überlagerten Feldes in der Ma- gnetschicht M2 hängen nun von Stärke und Richtung des Stromes II in der Leiterbahn Ll und des Stromes 13 in der Leiterbahn L3 ab. Entsprechend stellt sich die Magnetisierung in der Magnetschicht M2 parallel oder antiparallel zu der vorgegebenen Magnetisierungsrichtung in der Magnetschicht Ml ein. Dies bedeutet wiederum, dass bei paralleler Orientierung der Magnetisierungen in den Magnetschichten Ml und M2 ein relativ niedriger elektrischer Widerstand des Magnetschichtpaketes vorliegt, während bei antiparalleler Ausrichtung dieser Magnetisierungen ein höherer elektrischer Widerstand des Ma- gnetschichtpaketes gegeben ist. Abhängig von der Magnetisierungsrichtung in der Magnetschicht M2 kann also so zwischen einer "1" und einer "0" unterschieden werden, wobei der eine binäre Wert einem niedrigen Widerstandswert und der andere binäre Wert einem höheren Widerstandswert zugeordnet ist.
Das Auslesen der Speicherzelle ZI kann mit Hilfe eines unterkritischen Stromes erfolgen, der beispielsweise durch die Leiterbahn Ll, die Speicherzelle ZI und die Leiterbahn L3 fließt. Mit diesem unterkritischen Strom wird der Wider- standswert des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit vom
Magnetisierungszustand der Magnetschicht M2 detektiert.
Dieses MRAM-Konzept ist mit einem relativ geringen technologischen Aufwand realisierbar und weist den erheblichen Vor- teil auf, dass die Speicherung mit Hilfe der Magnetisierungs- richtung in der Magnetschicht M2 im Gegensatz zu der Elektro- nenspeicherung beim DRAM-Konzept nicht flüchtig ist, so dass Refresh-Operationen entfallen können. Nachteile derzeitiger MRAMs betreffen insbesondere die Stabilität der gespeicherten Information und die Speicherdichte:
So ist die Koerzitivfeidstärke Hc der aus ferromagnetischen Materialien gebildeten Magnetschichten Ml und M2 sehr klein. Dies hat zwar den Vorteil, dass beim Schreiben des Speichers die Programmierströme II bzw. 13 relativ klein gehalten werden können. Jedoch kann die Information in der weichmagneti- sehen bzw. kopplungsfreien Magnetschicht M2 wegen Mangel an Stabilität durch äußere Einflüsse verloren gehen. Denn ein Umschalten der Magnetisierung der Magnetschicht M2 ist gegebenenfalls möglich, da dieses Umschalten bei kleiner Koerzitivfeidstärke bei entsprechenden äußeren Einflüssen ohne weiteres erfolgen kann.
Weiterhin ist bei einem hohen Miniaturisierungsgrad, also bei einer großen Speicherdichte, die an sich immer angestrebt wird, ein Übersprechen durch das Schreiben von benachbarten Speicherzellen durchaus möglich. Dies ist durch die relativ kleine Koerzitivfeidstärke Hc sowie durch deren herstellungsbedingte Streuung hervorgerufen. Dieser unerwünschte Effekt eines Schreibens benachbarter Speicherzellen kann bei zu geringem Abstand zwischen den Speicherzellen noch durch die magnetische Bipol-Wechselwirkung der ferromagnetischen Bits verstärkt werden.
Es sei noch erwähnt, dass bekanntlich ferrimagnetische Materialien andere magnetische Eigenschaften als ferromagnetische Materialien haben.
Ferrimagnetische Materialien besitzen zunächst viel kleinere magnetische Momente als ferromagnetische Materialien. Die Sättigungsmagnetisierung MSätigung von ferrimagnetischen Mate- rialien nimmt mit steigender Temperatur T kontinuierlich ab und fällt dann bei der so genannten Curie-Temperatur TCur-.e. also bei der kritischen Temperatur, bei der das magnetische Moment verschwindet, auf den Wert 0 ab. TCurie ist bei Ferri- magneten in der Regel deutlich kleiner als bei Ferromagneten . Dieser Verlauf der Sättigungsmagnetisierung Msättigung in Abhängigkeit von der Temperatur T ist in Fig. 4 schematisch gezeigt. Weiterhin ist bei ferrimagnetischen Materialien die Koerzitivfeidstärke Hc nur nahe der Curietemperatur TCurie klein, während sie mit niedriger werdenden Temperaturen zunimmt. Das heißt, die Koerzitivfeidstärke Hc fällt mit zunehmender Temperatur T ab und erreicht bei der Curie-Temperatur Tcurie schließlich den Wert Null. Entsprechend ist der Verlauf der Hysteresis-Schleife bei höheren Temperaturen im Bereich der Curie-Temperatur TCurie schmal, während diese Schleife bei niedrigeren Temperaturen breiter ist. Dieses Verhalten der Koerzitivfeidstärke Hc in Abhängigkeit von der Temperatur T ist schematisch in Fig. 5 gezeigt.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine MRAM- Speicherzelle zu schaffen, die sich durch eine besonders hohe Stabilität der gespeicherten Information und eine große mögliche Speicherdichte auszeichnet.
Diese Aufgabe wird bei einer MRAM-Speicherzelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens eine der beiden Magnetschichten mindestens teilweise aus einem ferrimagnetischen Material besteht. Vorzugsweise beste- hen beide Magnetschichten mindestens teilweise aus dem ferrimagnetischen Material. Es ist aber auch möglich, nur eine dieser Schichten in dieser Weise zu gestalten und die andere Schicht in herkömmlicher Art auszuführen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße MRAM-Speicherzelle zeichnet sich speziell durch die folgenden Merkmale aus:
Anstelle von ferromagnetischen Materialien werden für die Magnetschichten zumindest teilweise ferrimagnetische Materialien eingesetzt. Weiterhin werden für die Magnetschichten jeweils Viellagen- schichten vorgesehen. Das heißt, die Magnetschichten werden beide oder auch nur einzeln durch Viellagenschichten aus jeweils einer Vielzahl von Einzelschichten gebildet, so dass durch Änderung der Schichtdickenverhältnisse dieser Einzel- schichten und/oder durch Änderung der Summe der Schichtdicken der Einzelschichten die magnetischen Eigenschaften der jeweiligen Magnetschicht steuerbar sind.
Schließlich wird bei der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle das Temperaturverhalten der ferrimagnetischen Materialien der Magnetschichten ausgenutzt. Das heißt, auch das thermomagne- tische Verhalten der ferrimagnetischen Materialien wird für das Schreiben von Informationen ausgewertet .
Da ferrimagnetische Materialien ein sehr viel kleineres magnetisches Moment als ferromagnetische Materialien haben, fällt die magnetische Dipolwechselwirkung zwischen benachbar- ten Speicherzellen praktisch nicht ins Gewicht. Das heißt, störende Effekte zwischen Nachbarze1le ' können weitgehend ausgeschlossen werden.
Weiterhin ist bei ferrimagnetischen Materialien in der Nähe der Curie-Temperatur TCurie ein Ummagnetisieren und damit ein Schreiben bzw. Überschreiben sehr einfach realisierbar. Da aber die Koerzitivfeldstärke Hc nur nahe der Curie-Temperatur Tcurie also im Schreibbereich, sehr klein ist, während sie bei niedriger Temperatur zunimmt, bleibt bei der Betriebstem- peratur einer Speicherzelle bzw. beim Schreiben von benachbarten Speicherzellen die Information der Speicherzelle sehr stabil. Durch die Viellagenstruktur der einzelnen Magnetschichten lässt sich zudem die Koerzitivfeldstärke Hc bei einer festen Temperatur durch die chemische Zusammensetzung der Einzelschichten ohne weiteres steuern.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen MRAM-Speicherzelle,
Fig. 3 mehrere MRAM-Speicherzellen in einem Speicherzellenfeld in Perspektive,
Fig. 4 den Verlauf der Sättigungsmagnetisierung Msättigung in Abhängig von der Temperatur T für ferrimagnetische Materialien und
Fig. 5 den Verlauf der Koerzitivfeldstärke Hc in Abhängigkeit von der Temperatur T für ferrimagnetische Materialien.
Die Fig. 2 bis 5 sind bereits eingangs erläutert worden. In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Speicherzelle ZI auf einer Leiterbahn Ll . Die Speicherzelle weist eine MagnetSchicht MLl auf einer AntiferromagnetSchicht AF, eine Zwischenschicht ZS und eine zweite MagnetSchicht ML2 auf der Zwischenschicht ZS auf.
Die Antiferromagnetschicht AF, die Magnetschicht MLl und die MagnetSchicht ML2 bestehen jeweils aus einem Viellagenpaket. Das heißt, die Antiferromagnetschicht AF besteht aus Schichtpaaren λ, die Magnetschicht MLl weist Schichtpaare λl auf, und die Magnetschicht ML2 ist aus Schichtpaaren λ2 aufgebaut. Die Schichtpaare λ bestehen aus Einzelschichten λa, λb, die Schichtpaare λl weisen Einzelschichten λla, λlb auf, und die Schichtpaare λ2 sind aus Einzelschichten λ2a und λ2b aufgebaut. Die Einzelschichten λa und λb haben Schichtdicken tl bzw. t2, die Einzelschichten λla, λlb weisen Schichtdicken tll bzw. tl2 auf und die Einzelschichten λ2a und λ2b sind mit Schichtdicken t21 bzw. t22 versehen.
Für die Einzelschichten λa, λla und λ2a kann beispielsweise als geeignetes Material Gd gewählt werden, während ein zweckmäßiges Material dann für die Einzelschichten λb, λlb und λ2b Fe ist. Das heißt, eine binäre Kombination von Gd/Fe ist für die einzelnen Viellagenpakete zweckmäßig.
Die magnetischen Eigenschaften lassen sich nun durch Änderung .der Einzelschichtdickenverhältnisse tl/t2, tll/tl2 und t2l/t22 für die Antiferromagnetschicht AF, die Magnetschicht MLl und die Magnetschicht ML2 jeweils in gewünschter Weise einstellen. Gleiches gilt auch für eine Änderung der Summe der Einzelschichtdicken, also tl + t2 für das Schichtpaar λ in der Antiferromagnetschicht AF, tll + tl2 für das Schichtpaar λl in der ersten Magnetschicht MLl und für t21 + t22 für das Schichtpaar λ2 in der zweiten Magnetschicht ML2. Mit anderen Worten, durch Änderung der Einzelschichtdickenver- hältnisse bzw. der jeweiligen Summen der Einzelschichtdicken lässt sich die chemische Zusammensetzung in den jeweiligen Schichten, also in der Antiferromagnetschicht AF, der ersten Magnetschicht MLl und der zweiten Magnetschicht ML2 in gewünschter Weise einstellen.
Geeignete Werte für die Schichtdickenpaare λ liegen in der Größenordnung von 2 , 5 nm und für λl und λ2 in der Größenordnung von 1,5 nm, wobei die beiden Einzelschichten jeweils ungefähr die gleiche Schichtdicke haben, so dass tl/t2 = tll/tl2 = t21/t22 = 1 gilt. Selbstverständlich sind aber auch hiervon abweichende Werte möglich. Auch können die Schichtdickenverhältnisse in der Antiferromagnetschicht AF, der ersten Magnetschicht MLl und der zweiten Magnetschicht ML2 jeweils voneinander abweichen. Gleiches gilt selbstverständ- lieh auch für die Schichtdicken.
Die Gesamtschichtdicke der ersten Magnetschicht MLl sowie die Gesamtschichtdicke der zweiten Magnetschicht ML2 kann in der Größenordnung bis zu 10 nm liegen. Wird dann für ein Schicht- paar eine Schichtdicke zwischen 1 nm und 1,5 nm angenommen, so weist die erste Magnetschieht MLl bzw. die zweite Magnetschicht ML2 jeweils einen Stapel von insgesamt ungefähr fünf Schichtpaaren auf .
Eine typische Dicke für die Antiferromagnetschicht AF liegt zwischen 30 und 50 nm und vorzugsweise zwischen 35 und 40 nm. Hier können dann beispielsweise ungefähr 15 Schichtpaare λ vorgesehen sein.
Wesentlich an der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle ist nun, dass sich unterschiedliche magnetische Eigenschaften der Antiferromagnetschicht AF, der ersten Magnetschieht MLl und der zweiten Magnetschieht ML2 durch Variation der Einzelschichtdicken tl/t2, tll/tl2 und t21/t22, also letztlich durch Variation der chemischen Zusammensetzung, und/oder durch Variation der Schichtdicken tl + t2, tll + tl2 und t21 + t22, also der Schichtdicken der Schichtpaare, einstellen lassen.
Mit lediglich zwei Grundmaterialien, also beispielsweise Gd, Fe, das heißt zwei Quellen bzw. Targets in einer Beschich- tungsanlage, kann die erfindungsgemäße MRAM-Speicherzelle aus Magnetschichten hergestellt werden, welche unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben. Hierzu ist es lediglich erforderlich, die Beschichtungszeiten für jede Einzelschicht individuell anzupassen und die alternierende Beschichtung mittels der beiden Materialien in den jeweiligen Vielschicht- paketen zu realisieren.
Bei der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle wird in vorteilhafter Weise die stärkere Temperaturabhängigkeit ferrimagne- tischer Materialien (GdFe) beim Schreibvorgang genutzt: wäh- rend bei einem herkömmlichem MRAM lediglich die induzierten Magnetfelder für das Schreiben (vgl. Hl bzw. H3 in Fig. 3) und der elektrische Strom bzw. der elektrische Widerstand der Speicherzelle für das Auslesen verwendet werden, wird bei der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle der thermische Aspekt speziell beim Schreibprozess ausgenutzt. Fließt nämlich ein elektrischer Strom durch ein Metall, so erwärmt sich dieses, was grundsätzlich auch für die Leiterbahnen gilt, die zu den Speicherzellen führen. Die Stellgrößen zum Steuern der Temperatur sind dabei der elektrische Strom und die geometrischen Abmessungen der Leiterbahnen. Insbesondere bei extrem dünnen Schichten kann so die Wärmeentwicklung beträchtlich sein.
Bei der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle lassen sich die Abmessungen der Leiterbahnen so einstellen, dass diese erwärmt werden. Wird dann die Magnetschieht ML2 mit den weichmagnetischen Eigenschaften auf eine Temperatur in der Nähe der Curie-Temperatur TCurie aufgeheizt, so lässt sich die Magnetisierung in dieser Magnetschieht ML2 sehr einfach umschalten. Das heißt, es ist ohne weiteres möglich, die Speicherzelle zu beschreiben bzw. zu überschreiben.
Nach dem Schreibvorgang, das heißt nach Abklingen des Schreibstromes kühlt die Speicherzelle wieder ab, so dass eine große Stabilität der gespeicherten Information infolge der wesentlich höheren Koerzitivkraft (vgl. Fig. 5) sichergestellt ist.
Mit der erfindungsgemäßen MRAM-Speicherzelle lässt sich so durch thermomagnetisch unterstütztes Schreiben eine große Stabilität von geschriebenen Bits bei extrem kleinen Dimensionen erzielen. Damit kann die Zellengröße erheblich reduziert werden.
Bezugszeichenliste
Ml Magnetschieht mit hartmagnetischen Eigenschaften
M2 Magnetschieht mit weichmagnetischen Eigenschaf- ten
MLl Viellagen-Magnetschicht mit hartmagnetischen Eigenschaften
ML2 Viellagen-Magnetschicht mit weichmagnetischen Eigenschaften ZS Zwischenschicht
AF Antiferromagnetschicht λ Schichtpaar der Antiferromagnetschicht λl Schichtpaar der Viellagen-Magnetschieht MLl λ2 Schichtpaar der Viellagen-Magnetschieht ML2 λa, λb, λla, λlb, λ2a, λ2b Einzelschicht tl, t2, t21, t22, tll, tl2 Einzelschichtdicken
Ll, L2 , L3 , L4 Leiterbahnen
ZI, Z2, Z3, Z4 Speicherzellen
II, 13 Schreibstrom Hl, H3 Magnetfeld
^Sätigun Sättigungsmagnetisierung
Tcurie Curie-Temperatur
Hc Koerzitivfeldstärke

Claims

Patentansprüche
1. MRAM-Speicherzelle aus zwei Magnetschichten (MLl, ML2) die durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht (ZS) getrennt sind und von denen die erste Magnetschieht (MLl) sich hartmagnetisch und die andere, zweite Magnetschieht (ML2) sich weichmagnetisch verhalten, so dass durch den Magnetisierungs- zustand der zweiten Magnetschieht (ML2) in Bezug auf den Magnetisierungszustand der ersten Magnetschieht (MLl) Infor- mation speicherbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine der beiden Magnetschichten (MLl, ML2) mindestens teilweise aus einem ferrimagnetischen Material besteht .
2. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine der beiden Magnet schichten (MLl, ML2] aus einer Viellagenschicht besteht.
3. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Viellagenschicht die magnetischen Eigenschaften durch Änderung der Schichtdickenverhältnisse (T11/T12; T12/T22) von Einzelschichten (λla, λlb; λ2a, λ2b) und/oder durch Änderung der Summe der Schichtdicken (tll + tl2; t21 + t22) der Einzelschichten (λla, λlb; λ2a, λ2b) steuerbar sind.
4. MRAM-Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste, aus ferrimagnetischem Material bestehende Magnetschieht (MLl) mit einer Antiferromagnetschicht (AF) versehen ist.
5. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass auch die Antiferromagnetschicht (AF) aus einer Antifer- romagnet-Viellagenschicht gebildet ist.
6. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Antiferromagnet-Viellagenschicht eine Schichtdicke von 30 bis 50 mm, insbesondere von 35 bis 40 mm, aufweist.
7. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Antiferromagnet-Viellagenschicht Paare (λ) aus zwei einander abwechselnden Einzelschichten (λa, λb) vorgesehen sind.
8. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Antiferromagnet-Viellagenschicht ein Paar eine Schichtdicke von ungefähr 2,5 nm aufweist.
9. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die beiden Einzelschichten eines Paares (λ) ungefähr die gleiche Schichtdicke (tl, t2) haben.
10. MRAM-Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine der beiden Magnetschichten (MLl, ML2) aus Paaren (λl, λ2) von einander abwechselnden Einzelschichten (λla, λlb; λ2a, λ2b) gebildet ist.
11. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in den Magnet-Viellagenschichten ein Paar eine Schichtdicke von 1 bis 1,5 nm aufweist.
12. MRAM-Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schichtdicke der beiden Magnetschichten (MLl, ML2) jeweils kleiner als 10 nm ist.
13. MRAM-Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Magnetschichten (MLl, ML2) aus Gd/Fe bestehen.
14. MRAM-Speicherzelle nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 5 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Antiferromagnetschicht aus Gd/Fe besteht.
15. MRAM-Speicherzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leitungen (Ll, L2 , L3 , L4) zu der Speicherzelle so bemessen sind, dass die dadurch fließenden Ströme zu einer Erwärmung der zweiten Magnetschieht (ML2) bis in den Bereich von deren Curie-Temperatur (TCurie) führt.
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