Элемент памяти на планарном эффекте холла

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в компьютерах нового поколения, информационных системах связи, интеллектуальных датчиках, биопаспортах, системах управления. Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерений, повышение достоверности при сборе и обработке информации. Элемент памяти на планарном эффекте Холла выполнен на подложке, на которой последовательно расположены диэлектрический слой, запоминающая ферромагнитная пленка, состоящая из первого защитного слоя, ферромагнитной наноструктуры с осью легкого намагничивания, направленной вдоль длины пленки и второго защитного слоя, первого изолирующего слоя, проводника записи, второго изолирующего слоя, и содержит на диэлектрическом слое считывающую крестообразную магнитную структуру на планарном эффекте Холла, состоящую из третьего защитного слоя, магнитной наноструктуры и четвертого защитного слоя, а также из третьего изолирующего слоя, расположенного на проводнике записи, четвертого изолирующего слоя, расположенного над проводником записи, на котором расположен проводник считывания, установленный над считывающей крестообразной структурой на планарном эффекте Холла и вдоль запоминающей ферромагнитной пленки. 2 ил.

 

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано во многих областях техники, например в компьютерах нового поколения, информационных системах связи, интеллектуальных датчиках, биопаспортах, системах управления.

Известен элемент памяти, выполненный виде многослойной структуры на анизотропном магниторезистивном эффекте со схемами управления и контактными площадками на основе двухслойной FeNiCo пленки (Патент РФ №2081460, М. кл.⁵ G11C 11/15 от 18.04.94).

Недостатком известного элемента памяти является низкое значение полезного сигнала, поскольку максимальное изменение электросопротивления, обусловленное анизотропным магниторезистивном эффектом, составляет менее 2,5%. Это означает малую величину сигнала считывания и усложняет полупроводниковые схемы управления, создаваемые на одной подложке с запоминающим элементом.

Ближайшим техническим решением является элемент памяти на спинвентильном магниторезистивном эффекте (Патент РФ №2066484, G11С 11/15 от 12.07.94), основным элементом которого является многослойная магниторезистивная полоска и проводники записи и считывания, разделенные изолирующими слоями. Элемент памяти обладает повышенной величиной магниторезистивного эффекта (около 20%).

Недостатком подобных запоминающих элементов являются технологические трудности при получении многослойной запоминающей структуры на спинвентильном магниторезистивном эффекте.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии изготовления элемента памяти, уменьшение погрешности и повышение достоверности при сборе и обработке информации. Элемент памяти на планарном эффекте Холла благодаря высокому значению эффекта обеспечивает большую величину сигнала считывания, что упрощает изготовление усилителей считывания сигнала и изготовление многослойной структуры, являющейся элементом памяти.

Технический результат достигается тем, что элемент памяти на планарном эффекте Холла содержит подложку, на которой последовательно расположены диэлектрический слой, запоминающая ферромагнитная пленка, состоящая из первого защитного слоя, ферромагнитной наноструктуры с осью легкого намагничивания, направленной вдоль длины пленки и второго защитного слоя, первого изолирующего слоя, проводника записи, второго изолирующего слоя, а на диэлектрическом слое - считывающую крестообразную магнитную структуру на планарном эффекте Холла, состоящую из третьего защитного слоя, магнитной наноструктуры и четвертого защитного слоя, третьего изолирующего слоя, расположенного на проводнике записи, четвертого изолирующего слоя, расположенного над проводником записи, на нем находится проводник считывания, расположенный над считывающей крестообразной структурой на планарном эффекте Холла и вдоль запоминающей ферромагнитной пленки.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлены графики зависимости поперечного сопротивления R_xy для структуры, имеющей состав, например, Co_0,45Fe_0,45Zr_0,1/α-Si, выполненной в форме холловского креста общей толщиной, равной 4,7 нм, и толщиной подложки α-Si b_s, равной 1,7 нм, при приложении постоянного магнитного поля величиной 10 Э вдоль направления тока в зависимости от внешнего магнитного поля (кривая 1) и противоположно току (кривая 2), магнитное поле параллельно плоскости структуры и перпендикулярно току. В магнитных переходных металлах и их сплавах при протекании электрического тока имеет место явление, называемое планарным эффектом Холла. Физический смысл этого эффекта состоит в том, что если магнитный момент металла ориентирован в плоскости образца под некоторым углом ϕ к протекающему току I_х, то в поперечном к I_x направлении возникает э.д.с. V_PH планарного эффекта Холла, зависящая от угла ϕ. В случае однодоменной пленки выражение для V_PH может быть записано в виде:

где b - толщина ферромагнитной пленки, ρ_II и ρ_⊥ - удельные сопротивления этой пленки в направлениях, параллельном и перпендикулярном вектору намагниченности. Из (1) следует, что планарный эффект Холла обратно пропорционален толщине пленки и поэтому имеет большую величину в тонких пленках. Наличие э.д.с. планарного эффекта Холла обусловлено изменением магнитосопротивления крестообразной наноструктуры, а величину эффекта определяют отношением изменения этого сопротивления к сопротивлению при отсутствии магнитного поля. Регистрируют поперечное сопротивление R_xy=U_y/I_x при изменении внешнего магнитного поля Н, направленного перпендикулярно току и лежащего в плоскости ферромагнитной наноструктуры. При приложении постоянного магнитного поля h=10 Э вдоль тока пленку намагничивают в этом направлении. Изменение направления подмагничивающего поля h на противоположное приводит к зеркальному изменению вида зависимости сопротивления от напряженности магнитного поля. Таким образом, в зависимости от направления вектора намагниченности магнитной наноструктуры относительно тока параллельно или антипараллельно значения R_xy при одних и тех же значениях и направлениях внешнего считывающего поля будут различными. См. фиг.1, где 1 и 2 зависимости R_xy от Н соответствуют противоположным направлениям вектора намагниченности магнитной наноструктуры. Несимметричность кривых при Н=0 происходит из-за неточного установления креста, к которому прикладывают напряжение, вдоль магнитного поля. Изменение направления магнитного поля Н не изменяет зависимостей. Кривые на фиг.1 показывают, что данная крестообразная структура, на которой в магнитном поле возникает э.д.с. планарного эффекта Холла, по-разному реагирует на направление внешнего магнитного поля, прикладываемого вдоль длинной стороны структуры, т.е. может различать состояния «0» и «1», записанные в ферромагнитной пленке, расположенной над ней.

Элемент памяти на планарном эффекте Холла работает следующим образом.

Элемент памяти содержит (фиг.2) подложку 1 с диэлектрическим слоем 2, на котором расположена считывающая крестообразная магнитная структура, состоящая из третьего защитного слоя 3, считывающей магнитной наноструктуры 4 и четвертого защитного слоя 5. Сверху расположен третий изолирующий слой 6, на котором сформирована запоминающая ферромагнитная пленка, состоящая из первого защитного слоя 7, магнитной наноструктуры 8 и второго защитного слоя 9. Сверху расположен первый изолирующий слой 10, на котором находится проводник записи 11, закрытый четвертым изолирующим слоем 12. Заканчивают конструкцию элемента памяти с эффектом Холла проводник считывания информации 13 и второй изолирующий слой 14. Запись информации на запоминающую ферромагнитную пленку проводят при одновременной подаче импульсов тока в проводники записи 11 и считывания 13, создающие перемагничивающие ферромагнитную пленку магнитные поля. При этом записываемую информацию определяют полярностью тока, подаваемого в проводник записи 11, а ток в считывающем проводнике 13 необходим для уменьшения поля перемагничивания ферромагнитной пленки, т.е. тока в проводнике записи 11. После окончания действия импульсов тока вектор намагниченности ферромагнитной наноструктуры 8 записывающей ферромагнитной пленки направлен вдоль оси легкого намагничивания пленки в направлении, соответствующем состоянию «0» или «1». При этом на краях записывающей ферромагнитной пленки создают магнитные размагничивающие поля, действующие на считывающую крестообразную структуру на планарном эффекте Холла и направленные противоположно вектору намагниченности записывающей пленки. Направление этих размагничивающих полей определяют записанной на ферромагнитной пленке информацией, а величину Н_r определяют выражением

где M_s - намагниченность насыщения ферромагнитной наноструктуры запоминающей полоски, b - толщина этой наноструктуры, а l - длина полоски. Для FeNiCo наноструктуры M_s=1000 Гс ее толщина может составлять b=20 нм, а длина l=20 мкм. Для этих значений из (2) следует, что Н_r=12 Э, т.е. удовлетворяет условиям для считывающей крестообразной структуры на фиг.2.

При считывании информации в проводник считывания 13 подают импульс тока, создающий магнитное поле поперек считывающей крестообразной структуры и записывающей ферромагнитной пленки. Величина тока считывания должна быть максимально возможной для получения большого сигнала считывания, а с другой стороны, не должна приводить к перемагничиванию записывающей ферромагнитной пленки, т.е. к потере информации и необходимости ее перезаписи после операции считывания. Из фиг.1 видно, что при подаче магнитного поля величиной 20 Э изменение сопротивления (сигнала) для состояний «0» и «1» составляет - 5 и 1% соответственно. То есть при считывании состояния «0» произойдет уменьшение сигнала на 5%, а при считывании состояния «1» произойдет увеличение сигнала на 1%. Эти величины, по крайней мере, вдвое выше, чем при анизотропном магниторезистивном эффекте. Кроме того, при использовании запоминающих элементов на анизотропном магниторезистивном эффекте используют конструкцию с общей областью записи и считывания, не позволяющую полностью использовать всю величину эффекта из-за невозможности полного перемагничивания, что привело бы к разрушению информации при считывании.

Таким образом, предложенный запоминающий элемент на эффекте Холла может быть изготовлен на отечественном технологическом оборудовании и имеет существенно большую величину планарного эффекта Холла по сравнению с запоминающим элементом с анизотропным магниторезистивным эффектом, что упрощает требования к усилителям считывания сигнала. Использование элемента памяти на планарном эффекте Холла упрощает технологию изготовления элемента памяти и позволяет в несколько раз повысить сигнал считывания, уменьшить погрешность и повысить достоверность при сборе и обработке информации.

Элемент памяти на планарном эффекте Холла, содержащий подложку, на которой последовательно расположены диэлектрический слой, запоминающая пленка, состоящая из первого защитного слоя, ферромагнитной наноструктуры с осью легкого намагничивания, направленной вдоль длины пленки и второго защитного слоя, первого изолирующего слоя, проводника записи, второго изолирующего слоя, отличающийся тем, что на диэлектрическом слое расположена считывающая крестообразная структура на планарном эффекте Холла, состоящая из третьего защитного слоя, магнитной наноструктуры и четвертого защитного слоя, третьего изолирующего слоя, расположенного на проводнике записи, четвертого изолирующего слоя, расположенного над проводником записи, на котором расположен проводник считывания, установленный над считывающей крестообразной структурой на планарном эффекте Холла и вдоль запоминающей ферромагнитной пленки.