Магниторезистивная ячейка памяти и способ ее использования


 


Владельцы патента RU 2573200:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (RU)

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в упрощении технологии изготовления магниторезистивной ячейки памяти. Магниторезистивная ячейка памяти содержит перемагничиваемый и неперемагничиваемый слои, разделенные барьерным слоем, а также средства записи и считывания, при этом дополнительно содержит закрепляющий слой из полупроводникового материала p- или n-типа проводимости, следующий за ним слой из полупроводникового материала противоположного ему типа проводимости, образующие p-n-переход, содержит адресную и разрядную шины, расположенные с двух сторон перечисленных выше слоев ячейки памяти, средства формирования токов записи в адресной и разрядной шинах, средства считывания в виде средства измерения электрического сопротивления ячейки памяти, а также средства задания полярности и величины относительного электрического смещения между адресной и разрядной шинами. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов, а именно к запоминающим устройствам.

Известны обладающие магниторезистивным эффектом структуры на основе тонкопленочных структур типа ферромагнитный слой промежуточный слой из немагнитного металла - второй ферромагнитный слой с увеличенной коэрцитивной силой [например, РФ 2139602]. Известны также ячейки памяти на таких структурах [например, US 4780848]. Недостатком таких ячеек памяти является малая величина магниторезистивного эффекта, низкое сопротивление реальных устройств на основе таких тонкопленочных структур и низкие рабочие температуры магниторезистивных ячеек на основе таких материалов, что затрудняет использование их, особенно в составе больших матриц памяти.

Известны магниторезистивные многослойные ячейки памяти, в которых немагнитная прослойка между магнитными слоями выполнена диэлектрической, что значительно повышает величину магниторезистивного эффекта [например, US 5734605]. Известны также тонкопленочные структуры типа ферромагнитный металл - туннельный контакт в виде диэлектрического материала толщиной порядка нанометра - второй ферромагнитный металл с увеличенной коэрцитивной силой за счет обменного взаимодействия с дополнительным нижележащим слоем из антиферромагнитного материала (закрепляющий слой), создающего эффект обменного смещения [S.I. Kasatkin, A.M. Muravjev, P.I. Nikitin, F.A. Pudonin, A.Y. Toporov, M.V. Valeiko. Sandwitched thin-film structures for magnetoresistive spin-tunneling sensors. Sensor and Actuators A. Physical 2000, v.81, (1-3), p. 57-59)]. Недостатком таких ячеек памяти является существенная вероятность ошибок считывания в массивах памяти, составленных из таких ячеек, а также утечки токов записи через ячейки памяти.

Известны также магниторезистивные ячейки памяти с туннельно тонким диэлектриком между магнитными слоями, у которых цепи записи и считывания разделены для исключения растекания токов при записи и при считывания. В устройстве по патенту US 6894920 запись производят пропусканием тока перемагничивания лишь по одной разрядной шине с адресацией путем нагрева соответствующего ряда ячеек памяти пропусканием тока по дополнительной электрически изолированной адресной шине, а для считывания используют дополнительную адресную шину, служащую общим затвором для полевых транзисторов ячеек памяти адресуемого ряда - всего три шины. В устройстве по патенту US 8274819 вместо дополнительной электрически изолированной нагревательной адресной шины использована шина дополнительного тока перемагничивания, которая переключается между режимами записи и считывания дополнительной адресной шиной - всего тоже три шины. Недостатками этих вариантов являются сложность конструкции, увеличивающая размер ячеек памяти, и сложность технологии изготовления.

Известно запоминающее устройство, каждая магниторезистивная многослойная ячейка матрицы памяти которого соединена с адресной или разрядной шиной через последовательно с ней соединенный диод [US 5734605], позволяющий предотвратить частичное растекание тока через соседние ячейки - всего используется две шины. Это устройство является ближайшим аналогом предлагаемого устройства. Недостатком его является сложность конструкции и технологии изготовления. Другим недостатком устройства является то, что при используемом в нем способе записи не исключено растекание тока в тех частях матрицы, где потенциалы адресной и разрядной шин не обеспечивают запирания диодов ячеек.

Известна также многослойная ячейка памяти в виде магниторезистивной тонкопленочной наноструктуры, содержащей первую и вторую магнитомягкие пленки, разделенные немагнитным слоем, и закрепляющий слой в виде слоя карбида кремния по другую сторону второй магнитомягкой пленки [RU 2294026]. Недостатком ее является отсутствие средств электрической развязки цепей для использования подобных ячеек памяти в качестве элементов матриц памяти.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение технологии изготовления магниторезистивной ячейки памяти, создание возможностей для улучшения температурных и радиационных эксплуатационных характеристик.

Указанная задача решается тем, что предлагаемая многослойная магниторезистивная ячейка памяти содержит перемагничиваемый и неперемагничиваемый слои, разделенные барьерным слоем, содержит закрепляющий слой из полупроводникового материала p- или n-типа проводимости и следующий за ним слой полупроводникового материала противоположного ему типа проводимости, образующие p-n-переход, содержит адресную и разрядную шины, расположенные по краям (с двух сторон) описанного пакета слоев, средства формирования токов записи в адресной и разрядной шинах, средства считывания в виде средства измерения электрического сопротивления ячейки памяти, т.е. электрического тока при заданном приложенном к ячейке напряжении, а также средства задания полярности и величины относительного электрического смещения между адресной и разрядной шинами ячейки памяти (адресными и разрядными шинами матрицы памяти, составленной из предлагаемых ячеек памяти).

Предлагается следующий способ использования предлагаемой ячейки памяти: для записи информации пропускают токи записи одновременно по адресной и разрядной шинам, в пересечении которых находится ячейка памяти, для считывания записанной в ячейку информации измеряют сопротивление между теми же адресной и разрядной шинами, причем при записи между адресной и разрядной шинами прикладывают электрическое смещение, запирающее p-n-переход ячейки памяти (т.е. соответствующей полярности), а при считывании измерение сопротивления проводят путем подачи между адресной и разрядной шинами напряжения, открывающего p-n-переход ячейки памяти. Предлагаемый способ использования ячейки памяти исключает растекание токов записи в матрицах, составленных из подобных ячеек. Растекание токов записи при неиспользовании предлагаемого способа происходит в результате того, что разность потенциалов между адресной и разрядной шинами может, при пропускании записывающих токов, иметь разные знаки в области разных ячеек.

Преимуществом предлагаемой ячейки памяти перед устройством по прототипу является, в частности, меньшее число слоев в его составе, так как один из слоев выполняет одновременно две функции: закрепляющего слоя и слоя, являющегося элементом полупроводникового диода. (Прототипом в отношении использования полупроводникового слоя в качестве закрепляющего слоя служит устройство по патенту RU 2294026).

Другим преимуществом предлагаемой ячейки памяти является наличие возможности надежной гальванической развязки адресных и разрядных шин, обеспечиваемой наличием средства задания относительного электрического смещения между шинами и предложенным способом использования ячейки памяти.

На чертеже схематично (без вспомогательных элементов: защитных и адгезионных слоев, полупроводниковых средств управления, подложки и пр.) изображен вариант предлагаемой магниторезистивной ячейки памяти в разрезе.

Цифрами обозначены:

1 - разрядная шина;

2 - перемагничиваемый (записывающий) магнитный слой;

3 - барьерный слой;

4 - неперемагничиваемый магнитный слой;

5 - закрепляющий полупроводниковый слой p-типа (n-типа) проводимости;

6 - полупроводниковый слой n-типа (p-типа) проводимости;

7 - адресная шина.

Примером конкретного осуществления предлагаемого изобретения может быть магниторезистивная ячейка памяти, выполненная - наряду с другими такими же ячейками, образующими матрицу памяти - на кремниевой подложке, в которой сформированы средства записи и считывания, адресная и разрядная шины выполнены из алюминия в виде дорожек толщиной 0,05 мкм и шириной 0,1 мкм с расстоянием между соседними шинами 0,03 мкм, свободно перемагничивающийся слой выполнен из NiFe и имеет толщину 5 нм, туннельный изолирующий слой выполнен из Al2O3 толщиной 1 нм, слой с фиксированной намагниченностью выполнен из NiFe толщиной 5 нм, закрепляющим слоем для него является полупроводниковый слой SiC толщиной 100 нм p-типа проводимости, второй полупроводниковый слой ячейки выполнен из SiC n-типа проводимости. При этом для питания адресных и разрядных шин используются электрически развязанные электрические схемы, обеспечивающие возможность задания между адресной и разрядной шинами смещений заданной полярности и величины.

Предлагаемая ячейка памяти:

- исключает, при использовании предложенного способа использования ячейки памяти, растекание токов в матрице памяти из предложенных ячеек памяти - как при записи, так и при считывании, что повышает экономичность и надежность ячейки памяти,

- содержит малое число слоев, большинство из которых имеют одинаковую форму, что упрощает изготовление,

- использует лишь две шины записи-считывания,

- расширяет возможности за счет вариантов выбора полупроводниковых слоев (например, при использовании полупроводниковых слоев из карбида кремния возрастает температурная и радиационная устойчивость ячейки памяти - за счет большой ширины запрещенной зоны SiC).

1. Магниторезистивная ячейка памяти, содержащая перемагничиваемый и неперемагничиваемый слои, разделенные барьерным слоем, а также средства записи и считывания, отличающаяся тем, что содержит закрепляющий слой из полупроводникового материала p- или n-типа проводимости, следующий за ним слой из полупроводникового материала противоположного ему типа проводимости, образующие p-n-переход, содержит адресную и разрядную шины, расположенные с двух сторон перечисленных выше слоев ячейки памяти, средства формирования токов записи в адресной и разрядной шинах, средства считывания в виде средства измерения электрического сопротивления ячейки памяти, а также средства задания полярности и величины относительного электрического смещения между адресной и разрядной шинами.

2. Способ использования ячейки памяти по п. 1, заключающийся в том, что для записи информации пропускают токи записи одновременно по адресной и разрядной шинам, а для считывания измеряют сопротивление между адресной и разрядной шинами, отличающийся тем, что при записи между адресной и разрядной шинами прикладывают электрическое смещение, запирающее p-n-переход ячейки памяти, а при считывании измерение сопротивления проводят путем подачи между адресной и разрядной шинами напряжения, открывающего p-n-переход ячейки памяти.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение предлагает магнитный элемент (1) памяти, пригодный для операции записи с термическим переключением, содержащий линию (4) тока в электрическом сообщении с одним концом магнитного туннельного перехода (2), где магнитный туннельный переход (2) содержит: первый ферромагнитный слой (21), имеющий фиксированную намагниченность; второй ферромагнитный слой (23), имеющий намагниченность, которая может быть свободно выстроена при заданном высоком температурном пороге; и туннельный барьер (22), обеспеченный между первым и вторым ферромагнитными слоями (21, 23); где линия (4) тока приспособлена для пропускания нагревающего тока (31) сквозь магнитный туннельный переход (2) во время операции записи; где упомянутый магнитный туннельный переход (2) дополнительно содержит, по меньшей мере, один нагревающий элемент (25, 26), приспособленный генерировать тепло, когда нагревающий ток (31) проходит сквозь магнитный туннельный переход (2); и термический барьер (30) последовательно с упомянутым, по меньшей мере, одним нагревающим элементом (25, 26), где упомянутый термический барьер (30) приспособлен ограничивать тепло, генерируемое упомянутым, по меньшей мере, одним нагревающим элементом (25, 26) в пределах магнитного туннельного перехода (2).

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в уменьшении потерь тепла в магнитном туннельном переходе.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в уменьшении потребляемой мощности при записи в запоминающее устройство.

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, магнитных запоминающих и логических элементах, спиновых транзисторах на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным эффектом.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано как внешний и внутренний носитель информации со считывающим устройством. .

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках и спиновых транзисторах на основе многослойных наноструктур с магниторезистивным (МР) эффектом.

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов и может быть использовано в датчиках магнитного поля и тока, запоминающих и логических элементах, гальванических развязках и спиновых транзисторах на основе многослойных тонкопленочных наноструктур с анизотропным или гигантским магниторезистивным (МР) эффектом.

Изобретение относится к элементам автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным запоминающим и переключаемым элементам. .

Изобретение относится к элементам автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным запоминающим и переключаемым элементам. .

Изобретение относится к области элементов автоматики и вычислительной техники, в частности к магнитным тонкопленочным запоминающим и переключаемым элементам. .

Изобретение относится к области электроники, а именно к способу записи и считывания более чем двух битов данных для ячейки магнитного оперативного запоминающего устройства (MRAM). Ячейка MRAM содержит магнитный туннельный переход, образованный из магнитного слоя считывания, имеющего намагниченность считывания, и запоминающий слой, содержащий первый запоминающий ферромагнитный слой, имеющий первую намагниченность запоминания, второй запоминающий ферромагнитный слой, имеющий вторую намагниченность запоминания. Способ включает нагрев магнитного туннельного перехода выше высокотемпературного порога, ориентацию первой намагниченности запоминания под углом относительно второй намагниченности запоминания для достижения магнитным туннельным переходом уровня состояния сопротивления, определяемого ориентацией первой намагниченности запоминания относительно ориентации намагниченности считывания, и охлаждение магнитного туннельного перехода. Способ позволяет сохранять по меньшей мере четыре различных уровня состояния в ячейке MRAM, используя только одну линию тока для создания поля записи. 14 з.п. ф-лы, 14 ил.
Наверх