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Magnetischer
Tunnelübergang
mit geringer Umschaltfeldstärke
für magnetische
Mehrzustandsspeicherzelle
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetische Tunnelübergänge für Speicherzellen und
insbesondere auf sehr kleine magnetische Übergänge für Speicherzell-Arrays sehr
hoher Dichte.
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Hintergrund
der Erfindung
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Ein
magnetischer Direktzugriffsspeicher (MRAM: magnetic random access
memory) ist ein nicht-flüchtiger
Speicher, der im Grunde ein Riesenmagnetowiderstands- (GMR-: giant
magnetoresistive) Material oder eine magnetische Tunnelübergangs-
(MTJ-: magnetic tunneling junction) Struktur, eine Fühlerleitung
und eine Wortleitung enthält.
Der MRAM setzt die magnetischen Vektoren ein, um Speicherzustände zu speichern.
Magnetische Vektoren in einer oder allen Schichten des GMR-Materials oder
des MTJ werden sehr schnell von einer Richtung in eine entgegengesetzte
Richtung geschaltet, wenn an das magnetische Material ein magnetisches Feld über einem
bestimmten Schwellenwert oder einer bestimmten Intensität angelegt
wird. Entsprechend der Richtung der magnetischen Vektoren in dem
GMR-Material oder dem MTJ werden Zustände gespeichert, beispielsweise
kann eine Richtung als logische "0" definiert werden
und eine andere Richtung kann als eine logische "1" definiert
werden. Das GMR-Material
oder der MTJ behalten diese Zustände
bei, selbst ohne dass ein Magnetfeld angelegt bleibt. Die in dem
GMR-Material oder
dem MTJ gespeicherten Zustände
können
wegen des Unterschiedes zwischen den Widerständen der beiden Zustände gelesen
werden, indem ein Fühlerstrom
in einer Fühlerleitung
durch die Zelle geschickt wird.
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Bei
magnetischen Speicherzell-Arrays sehr hoher Dichte wird die Größe der individuellen
Zellen sehr klein, wenn das Array hinreichend klein konstruiert
ist, um in heutigen elektronischen Geräten nützlich zu sein. Da die Größe individueller
Zellen kleiner wird, wird das Seitenverhältnis (Verhältnis Länge/Breite) im Allgemeinen
kleiner. In magnetischen Speicherzellen mit zwei Schichten, z.B.
Standardtunnelzellen, sind, wenn das Seitenverhältnis kleiner als 5 wird, die
magnetischen Vektoren unter nicht erregten Bedingungen (Magnetfeld
Null) antiparallel. In der anhängigen
Anmeldung "Multi-Layer
Magnetic Memory Cells with Improved Switching Characteristics", Seriennummer 08/723,159,
eingereicht am 25. September 1996 und überschrieben an denselben Übertragungsempfänger, werden
Verfahren zum Lesen von Zel len mit antiparallelen magnetischen Vektoren
offenbart. In einer ebenfalls anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Magnetic Device Having
Multi-Layers with Insulating and Conductive Layers", Seriennummer 08/834,968,
eingereicht am 07. April 1997 und überschrieben an denselben Übertragungsempfänger wird
eine magnetische Platzhalterschicht zu einem Stapel von zwei magnetischen Schichten
hinzugefügt
und mit einer der zwei magnetischen Schichten gekoppelt, so dass
die andere magnetische Schicht eine freie Schicht ist. Ein Nachteil des
Ansatzes mit magnetischer Platzhalterschicht ist, dass sie sich
auf die Löschung
der magnetostatischen Wechselwirkung zwischen den zwei magnetischen
Schichten verlässt
und dass die magnetostatische Wechselwirkungsstärke von der Geometrie der Zelle
und dem Abstand zwischen den Schichten abhängt. Diese Parameter ändern sich,
wenn die kritischen Dimensionen schrumpfen.
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Außerdem steigt
in magnetischen Speicherzellen mit zwei Schichten, z.B. Standardtunnelzellen, wenn
das Seitenverhältnis
unter 5 sinkt, der Betrag des erforderlichen Magnetfeldes zum Schalten
der Zustände
der Zelle dramatisch. Im Allgemeinen werden, wenn die Zellen gemacht
werden, die Schichten der Zellen dünner gemacht, um den Betrag
des Magnetfeldes, der zum Schalten der Zelle erforderlich ist, zu
reduzieren, da das magnetische Moment (bestimmt durch das Material)
mal der Dicke der Schicht das erforderliche Schaltfeld bestimmt.
Es können auch
weichere magnetische Materialien verwendet werden, um das magnetische
Moment zu reduzieren; Die Reduktion im Schaltfeld ist jedoch für ultrakleine Speicherzellen
limitiert. Auch werden die Zellen, wenn sie kleiner gemacht werden,
instabil, da, beispielsweise wenn die Größe der Speicherzelle 10 Nanometer oder
kleiner ist, die Energiebarriere der Magnetisierung, die proportional
dem Zellvolumen ist, aufgrund des reduzierten Volumens reduziert
wird und nahe der thermischen Fluktuationsenergie, die KT ist, liegt.
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US 5,768,183 offenbart eine
magnetische Tunnelübergangsspeicherzelle,
wie in dem Oberbegriff von Anspruch 1 genannt. Sie umfasst eine
Anordnung, in der eine Mehrzahl von Schichten magnetischen Materials
parallel in übereinander
liegender Beziehung gestapelt und durch Schichten nicht magnetischen
Materials getrennt sind, so dass eine mehrschichtige Magnetspeicherzelle
gebildet wird. Die Breite der Zelle ist geringer als die Magnetdomänenwände innerhalb
der magnetischen Schichten, so dass magnetische Vektoren in den
magnetischen Schichten entlang der magnetischen Schichten weisen
und das Verhältnis
der Länge
zur Breite der magnetischen Speicherzelle im Bereich von 1,5 bis
10 liegt. Die magnetischen Schichten sind antiferromagnetisch gekoppelt,
wenn das Verhältnis
kleiner als 4 ist, und sind ferromagnetisch gekoppelt, wenn das Verhältnis größer als
4 ist.
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Patent
Abstracts of Japan Band 1998, Nr. 09, 31. Juli 1998 &
JP 10106255 A , 24. April
1998 &
US 5 894 447 A ,
13. April 1999 offenbaren eine Halbleiterspeichervorrichtung, die
eine Mehrzahl von Wortleitungen, eine Mehrzahl von Bitleitungen,
eine Mehrzahl von Speicherzellen, die selektiv an Kreuzungen zwischen
den mehreren Bitleitungen und den mehreren Wortleitungen angeordnet
und eingerichtet sind, um Daten gemäß einer Widerstandsänderung
zu speichern, eine Mehrzahl von Subzellblöcken, die durch eine der mehreren
Speicherzellen oder zwei oder mehr Speicherzellen, die in Reihe
in einer Richtung der Bitleitung verbunden sind, ge bildet werden, eine
Mehrzahl von Zellblöcken,
die wenigstens Subzellblöcken,
die in Reihe in der Richtung der Bitleitung verbunden sind, und
ein Speicherzell-Array, dass von wenigstens zwei Zellblöcken gebildet
wird, die in einer Richtung der Wortleitung angeordnet sind, eine
Schaltung um einem elektrischen Fluss zu gestatten, in einer Richtung
der Bitleitung der mehreren Zellblöcke zu fließen, und eine Schaltung zum Auslesen
von Daten aus Knoten an zwei Enden des Subzellblocks in der Mehrzahl
von Subzellblöcken, einschließlich einer
Speicherzelle, die durch mehrere Wortleitungen ausgewählt ist,
umfasst.
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US 5,587,943 offenbart eine
gestapelte Struktur einer ferromagnetisch gekoppelten Mehrschichtstruktur,
eine Codeelementleitung, eine Wortleitung und isolierende Schichten
dazwischen, in denen die gestapelte Struktur von Flussabschlussmaterial
umgeben ist.
US 5,587,943 offenbart
nicht, dass das Flussmaterial angeordnet ist, um nur exponierte Ränder der
ferromagnetisch gekoppelten Mehrschichtstruktur einzuschließen und
nicht auf einer Oberfläche
der ferromagnetisch gekoppelten Vielschichtstruktur angeordnet ist.
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Entsprechend
ist höchst
wünschenswert, magnetische
Direktzugriffsspeicher und Speicherzellen zur Verfügung zu
stellen, die in der Lage sind, mit geringem magnetischem Feld beschrieben
(Schalten von gespeicherten Zuständen)
zu werden und die ein ausreichendes Volumen aufweisen, um nicht
von der thermischen Fluktuationsenergie betroffen zu sein.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue und
verbesserte Mehrzustands-, mehrschichtige Magnetspeicherzelle mit
ferromagnetisch gekoppelten magnetischen Schichten zur Verfügung zu
stellen, die ausgelegt ist, das erforderliche Schaltfeld zu reduzieren.
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Es
ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue
und verbesserte Mehrzustands-, mehrschichtige Magnetspeicherzelle
mit ferromagnetisch gekoppelten magnetischen Schichten zur Verfügung zu
stellen, die sehr klein und mit einem Seitenverhältnis kleiner als 5 hergestellt
werden kann.
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Es
ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine neue
und verbesserte Mehrzustands-, mehrschichtige Magnetspeicherzelle
mit einer erhöhten
Energiebarriere der Magnetisierung zur Verfügung zu stellen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
obigen Aufgaben werden wenigstens teilweise gelöst und die obigen Zwecke werden
erfüllt durch
eine magnetoresistive Tunnelübergangsspeicherzelle
mit niedrigem Schaltfeld, wie in Anspruch 1 definiert. Sie umfasst
eine antiferromagnetisch gekoppelte Mehrschichtstruktur mit ersten
und zweiten magnetoresistiven Schichten mit einer nichtmagnetischen
Leiterschicht, die in paralleler Juxtaposition zwischen dem Paar
magnetoresistiver Schichten angeordnet ist. Das Paar magnetoresistiver
Schichten in der antiferromagnetisch gekoppelten Mehrschichtstruktur
sind konstruiert, bei unterschiedlichen Magnetfeldern zu schalten,
indem sie unterschiedliche Dicken oder unterschiedliche magnetische
Materialien aufweisen. Die paarweisen, magnetoresistiven Schichten
in der antiferromagnetisch gekoppelten Mehrschichtstruktur haben
jeweils einen magnetischen Vektor, die aufgrund der antiferromagnetischen
Kopplung des Paares von Schichten und des Seitenverhältnisses
ohne angelegtes magnetisches Feld antiparallel sind. Die Zellen
umfassen weiter eine magnetoresistive Struktur mit einem magnetischen
Vektor mit einem festen Verhältnis
zu dem Vektor der zweiten magnetoresistiven Schicht. Elektrisch
isolierendes Material ist in paralleler Juxtaposition zwischen der
antiferromagnetisch gekoppelten Mehrschichtstruktur und der magnetoresistiven Struktur
angeordnet, um einen magnetischen Tunnelübergang zu bilden. Ein Flussabschlussmaterial ist
angeordnet, um exponierte Ränder
der antiferromagnetisch gekoppelten Mehrschichtstruktur zu umschließen.
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Im
Grunde wird das magnetische Feld, das zum Schalten von Zuständen in
der Zelle erforderlich ist, von der Differenz zwischen den beiden
magnetoresistiven Schichten in der antiferromagnetisch gekoppelten
Mehrschichtstruktur diktiert. Auch kann jede der ersten und zweiten
Strukturen ein kleines magnetisches Nettomoment haben oder konstruiert sein,
ein solches zu haben, und daher hat die Speicherzelle ein kleines
magnetisches Nettomoment, so dass sie näher zu benachbarten Zellen
positioniert werden kann, ohne die Nachbarzellen zu beeinflussen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Es
wird Bezug genommen auf die Zeichnungen:
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1 ist
eine vereinfachte Seitenansicht einer magnetischen Tunnelübergangsspeicherzelle
mit niedrigem Schaltfeld gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Ansicht ähnlich 1,
die einen anderen Modus und eine Modifikation illustriert;
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3 bis 9 illustrieren
Schritte beim Schalten der magnetischen Tunnelübergangsspeicherzelle mit niedrigem
Schaltfeld aus dem Modus von 1 zum Modus
von 2; und
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10 ist
eine vereinfachte Draufsicht auf ein Array von magnetischen Tunnelübergangsspeicherzellen
mit niedrigem Schaltfeld gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Man
wende sich nun den Zeichnungen zu. 1 illustriert
eine vergrößerte, vereinfachte
Seitenansicht einer magnetischen Tunnelübergangsspeicherzelle 10 mit
niedrigem Schaltfeld gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der magnetische Tunnelübergang 10 ist allgemein
auf einem Trägersubstrat 11 ausgebildet
und umfasst eine magnetoresistive Struktur 12, die von
dem Substrat 11 getragen wird, eine Schicht 13 aus
elektrisch isolierendem Material, die auf der Struktur 12 positioniert
ist, und eine magnetoresistive Struktur 15, die auf der
Schicht 13 aus elektrisch isolierendem Material positioniert
ist, um die Schicht 13 sandwichartig zwischen den magnetoresistiven
Strukturen 12 und 15 einzuschließen, um einen
Tunnelübergang
zu bilden.
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Die
magnetoresistive Struktur 15 umfasst eine antiferromagnetisch
gekoppelte Mehrschichtstruktur, enthaltend magnetoresistive Schichten 17 und 18 mit
einer nicht magnetisch leitenden Schicht 19, die in paralleler
Juxtaposition zwischen den magnetoresistiven Schichten 17 und 18 angeordnet
ist. Die magnetoresistive Schicht 17 hat einen magnetischen
Vektor 20, der entlang einer bevorzugten magnetischen Achse
parallel der planaren Oberfläche
des Substrates 11 liegt, und die magnetoresistive Schicht 18 hat
einen magnetischen Vektor 21. Die magnetischen Vektoren 20 und 21 sind
antiparallel, wenn kein magnetisches Feld an den magnetischen Tunnelübergang 10 angelegt
ist, und zwar aufgrund der antiferromagnetischen Kopplung zwischen den
magnetoresistiven Schichten 17 und 18 und/oder
eines Seitenverhältnisses
kleiner als ungefähr
5. Im Allgemeinen sind in Zellen mit einem Längen/Breiten-Verhältnis von
weniger als ungefähr
4 die Schichten magnetischen Materials (Schichten 17 und 18 in 1)
antiferromagnetisch gekoppelt. Allgemein bedeutet zum Zweck dieser
Offenbarung der Ausdruck "antiferromagnetisch
gekoppelt", dass
jeder der antiparallelen Zustände
(illustriert in 1 und 2) stabil
ist und dass der parallele Zustand instabil ist und ein konstantes
magnetisches Feld erfordert, da die magnetischen Vektoren stets
dazu neigen, sich in einen antiparallelen Zustand (in entgegengesetzte
Richtungen weisend) zu bewegen. Abhängig von der Konstruktion,
Form und Größe der magnetoresistiven
Struktur 15 können
die Vektoren 20 und 21 durch entweder formbedingte
oder magnetische, kristalline Anisotropie gezwungen sein, entlang
der bevorzugten magnetischen Achse zu liegen.
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Im
Fall zirkular geformter Zellen zum Beispiel kann die bevorzugte
Magnetisierungsrichtung durch uniaxiale Kristallfeldanisotropie
(oder magnetische, kristalline Anisotropie) bestimmt werden. Diese
bevorzugte Magnetisierungsrichtung wird während des Filmauftrags durch
ein Vorspannungsfeld oder durch Glühen des Films nach Auftragung
in einem hohen magnetischen Feld (z.B. mehrere kOe) bei erhöhten Temperaturen
(z.B. 200°C
bis 300°C)
eingestellt. Im Fall einer quadratischen oder Diamantform kann die uniaxia le
Kristallanisotropie entlang einer diagonalen Richtung des Quadrates
eingestellt werden. Im Fall einer elliptisch oder rechteckig geformten
Zelle kann die uniaxiale Kristallanisotropie entlang der langen Achse
der Zelle eingestellt werden. Ein bevorzugtes Merkmal ist es hier,
den Formeffekt, der zu einer Erhöhung
des erforderlichen Schaltfeldes bei schmalen Zellbreiten beiträgt, zu minimieren
und magnetokristalline Anisotropie zu verwenden, um die bevorzugte Magnetisierungsrichtung,
die von einer Speicherzelle benötigt
wird, einzustellen.
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Auch
ist die magnetoresistive Schicht 17 konstruiert, die Richtung
des magnetischen Vektors 20 bei einer anderen Magnetfeldintensität zu schalten
als das Schalten des magnetischen Vektors 21 der magnetoresistiven
Schicht 18. Dieses Merkmal kann auf mehrere verschiedene
Weisen erfüllt
werden, einschließlich
durch Ausbilden der Schicht 17 dünner (mit weniger Material)
als die Schicht 18, wie in 1 gezeigt,
durch Ausbildungen der Schicht 17 mit anderer Magnetisierung
(z.B. Ausbilden der Schicht 17 aus weicherem magnetischem
Material als Schicht 18) oder irgendeine Kombination von Größe und Magnetisierung.
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Die
magnetoresistiven Schichten 17 und 18 können jeweils
einzelne Schichten aus ferromagnetischen Materialien sein, wie etwa
eine Schicht aus Nickel, Eisen, Kobalt oder eine Legierung daraus,
einschließlich
Legierungen mit Palladium oder Platin darin. Alternativ kann jede
der Schichten 17 und 18 eine ferromagnetische
Verbundschicht sein, wie etwa eine Schicht aus Nickel-Eisen-Kobalt,
die eine Schicht aus Kobalt-Eisen bedeckt oder Drei-Schichten-Strukturen, enthaltend
Schichten aus Kobalt-Eisen und Nickel-Eisen-Kobalt und Kobalt-Eisen
mit Kobalt-Eisen an der Grenzfläche
zu benachbarten Schichten. Materialien, die für die nicht magnetisch leitende
Schicht 19 geeignet sind, enthalten die meisten elektrisch leitfähigen Materialien,
wie etwa Kupfer und dergleichen.
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Die
magnetoresistive Struktur 12, einschließlich wenigstens einer magnetoresistiven
Schicht mit einem magnetischen Vektor, der parallel zu der bevorzugten
Achse liegt, wird auf dem Substrat 11 aufgebracht, wobei
die Schicht 13 aus elektrisch isolierendem Material in
paralleler Juxtaposition zwischen den Strukturen 12 und 15 situiert
wird, um den magnetischen Tunnelübergang 10 zu
bilden. In 1 ist die magnetoresistive Struktur 12 als ähnlich der Struktur 15 illustriert
und enthält
magnetoresistive Schichten 25 und 26, die von
einer nicht magnetisch leitenden Schicht 27 getrennt sind.
Es sollte hier beachtet werden, dass nur die Schichten 17 und 26,
die benachbart zu der Schicht 13 aus elektrisch isolierendem
Material sind, zu der Magnetoresistenz oder Modenänderungen
des magnetischen Tunnelübergangs 10 beitragen.
Die magnetoresistive Schicht 26 hat einen magnetischen
Vektor 28, der allgemein bei Betrieb des magnetischen Tunnelübergangs 10 in
einer Richtung entlang der bevorzugten Magnetachse fixiert ist.
Die magnetoresistive Struktur 12 kann daher im Wesentlichen
jede Konfiguration haben, die eine magnetoresistive Schicht mit
einem festen magnetischen Vektor benachbart zu einer Schicht 13 aus elektrisch
isolierendem Material enthält,
um einen magnetischen Tunnelübergang
zu erzeugen, und die vorzugsweise ein magnetisches Moment hat, das
im Wesentlichen Null ist, um einen minimalen Effekt auf benachbarte
Zellen zu erzeugen.
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Bei
einer magnetischen Zelle vom Tunnelübergangstyp ist die Schicht 13 eine
Barrieren- oder Tunnelschicht, deren Vorsehen zwischen den antiferromagnetischen
Schichten 17 und 26 einen Tunnelübergang
erzeugt, der einen senkrechten Stromfluss durch die Schicht 13 von
der Schicht 17 zu der Schicht 26 (oder umgekehrt)
erlaubt. Wesentlicher Weise erscheint der magnetische Tunnelübergang 10 als
ein relativ hoher Widerstand (hier bezeichnet als Widerstand R),
der eine Abhängigkeit
von der Quadratfläche
der Zelle und der dielektrischen Struktur aufweist, im Allgemeinen
einige Tausend Ohm, z.B. 10–1000
kOhm. Wenn die Magnetisierungsvektoren in den Schichten 17 und 26 antiparallel
sind, wie in 1 illustriert, bleibt der Widerstand
R des magnetischen Tunnelübergangs 10 sehr
hoch. Wenn die Magnetisierungsvektoren in den Schichten 17 und 26 parallel
sind, wie in 2 illustriert, fällt der Widerstand
R des magnetischen Tunnelübergangs 10 merklich.
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In
einem speziellen Beispiel wird die Schicht 17 aus Kobalt
(Co) von ungefähr
50 Å Dicke
gebildet, die Schicht 13 wird aus Aluminiumoxyd (Al2O3) von ungefähr 15 Å Dicke
gebildet, und die Schicht 26 wird aus Nickel-Eisen (NiFe)
von ungefähr
50 Å Dicke
gebildet. Die Schicht 18, die bei diesem Beispiel dicker ist
als die Schicht 17 ist ungefähr 60 Å dick und die Schicht 25 hat,
falls sie vorliegt, eine ähnliche
Dicke. Der Zustand des magnetischen Tunnelübergangs 10 wird relativ
einfach erfühlt,
indem ein Fühlerstrom
von der Schicht 18 zur Schicht 25 (oder umgekehrt)
durch ihn hindurchgeschickt wird. Die Änderung des Widerstandes im
magnetischen Tunnelübergang 10 wird leicht
als Änderung
des Spannungsabfalls über
dem magnetischen Tunnelübergang 10 gelesen,
der bequem zusammen mit Speicherarrays und dergleichen verwendet
werden kann. Es wird speziell Bezug genommen auf 2.
Illustriert ist eine ähnliche Struktur
wie in 1 in einem anderen Modus, und es ist eine leicht
unterschiedliche Ausführungsform
illustriert, wobei ähnliche
Komponenten mit ähnlichen Bezugszeichen,
denen ein Strich hinzugefügt
wurde, um die andere Ausführungsform
zu kennzeichnen, bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform
wird die antiparallele Kopplung zwischen den Schichten 17' und 18' der Struktur 15' verstärkt durch
die Hinzufügung
eines Flussabschlussmaterials 30', welches angeordnet wird, um exponierte
Ränder
der Schichten 17', 18' und 19' einzuschließen. Das
Flussabschlussmaterial 30' ist
ein weiches magnetisches Material, welches Flusslinien schließt oder
einen magnetischen Kreis zwischen den verschiedenen Schichten vervollständigt. Das
weiche Magnetmaterial 30' führt einfach
magnetische Feldlinien von den Schichten 17' bzw. 18' in einer geschlossenen Schleife,
um die magnetischen Endpole weiter zu reduzieren, und magnetische
Streufelder stark zu reduzieren. Ähnliches Flussabschlussmaterial
kann in Verbindung mit den Schichten 25', 26' und 27' benutzt werden, falls diese Schichten
vorliegen.
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Man
wende sich nun 3 bis 9 zu. Illustriert
sind mehrere Schritte beim Schalten der magnetischen Tunnelübergangsspeicherzelle 10 mit niedrigem
Schaltfeld von dem Modus von 1 zum Modus
von 2. Insbesondere illustriert 3 ein Vektor 20 der
magnetoresistiven Schicht 17 und einen Vektor 21 der
magnetoresistiven Schicht 18 in der antiparallelen Position
von 1. In dieser Position ist der Vektor 20 auch
antiparallel zum Vektor 28 der magnetoresistiven Schicht 26,
so dass die magnetische Tunnelübergangsspeicherzelle 10 in
einem Hochwiderstandsmodus ist. Um die magnetische Tunnelübergangsspeicherzelle 10 in
den Niedrigwiderstandsmodus (illustriert in 2) zu schalten, wird
ein anfänglich
kleines magnetisches Feld an die magnetische Tunnelübergangsspeicherzelle 10 angelegt,
welches ausreicht, um den Vektor 20 in eine parallele Position
mit Vektor 21, wie in 4 illustriert,
zu schalten. Ein größeres positives
magnetisches Feld wird dann an die magnetoresistive Tunnelübergangsspeicherzelle 10 angelegt,
welches die Vektoren 20 und 21 veranlasst, in
entgegengesetzte Richtungen um 180° zu rotieren, wie durch die
in 5, 6 bzw. 7 illustrierten Übergangszustände angezeigt.
Schließlich
sind die Vektoren 20 und 21 in die in 8 illustrierte,
entgegengesetzte Richtung geschaltet und der Vektor 20 nimmt,
wenn das magnetische Feld entfernt wird, wieder einen antiparallelen
Zustand ein, wie in 9 illustriert. Der in 9 illustrierte,
antiparallele Zustand ist ein stabiler Zustand und repräsentiert
den Niedrigwiderstandsmodus der magnetischen Tunnelübergangsspeicherzelle 10.
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Weil
die magnetischen Vektoren 20 und 21 der magnetoresistiven
Schichten 17 und 18 in entgegengesetzte Richtungen
um 180° rotieren,
neigen die magnetischen Momente dazu, einander zu versetzen und
es ist ein minimaler Betrag des magnetischen Feldes erforderlich,
um die Schaltoperation durchzuführen.
Der erforderliche Betrag an magnetischem Schaltfeld, um die Schaltoperation
durchzuführen, hängt primär von den
Unterschieden in Dicke oder Material zwischen den magnetoresistiven
Schichten 17 und 18 ab. Dies bedeutet, dass, da
stabile Moden für
die Vektoren 20 und 21 antiparallel sind, durch Ausbilden
einer der Schichten 17 und 18 so, dass sie bei
einer anderen magnetischen Feldintensität als die andere der Schichten 17 und 18 geschaltet
wird, die Modenschaltung zu einer Rotation der Vektoren 20 und 21 in
unterschiedlichen Richtungen mit dem resultierenden, vorteilhaften
Versetzen der magnetischen Momente führt.
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Einige
zusätzliche
Vorteile, die durch die vorliegende Struktur realisiert werden,
ist die Tatsache, dass die antiparallelen Vektoren 20 und 21 zu
einem sehr kleinen magnetischen Gesamtmoment für die magnetoresistive Tunnelübergangsspeicherzelle 10 führen. Dieses
niedrige magnetische Moment wird weiter verbessert durch das in 2 illustrierte Flussabschlussmaterial 30'. Auch ist,
wenn sich die Größe der magnetoresistiven
Tunnelübergangsspeicherzelle 10 Nanometern
nähert,
die Energiebarriere der Magnetisierung (die proportional dem Volumen ist),
nahe der thermischen Fluktuationsenergie (KT). Diese veranlasst
die Zelle instabil zu sein. Bei der vorliegenden Erfindung kann
das Schaltfeld wesentlich reduziert werden, ohne die Gesamtgröße auf einen
instabilen Zustand zu reduzieren. Daher ist es ein Vorteil des Vorliegens
zweier Schichten, die zur selben Zeit in unterschiedlichen Richtungen
schalten, dass das Schaltfeld von dem Unterschied in der Dicke zwischen
den zwei schaltenden Schichten oder genauer, dem Unterschied zwischen
dem Produkt aus Dicke und Magnetisierung bestimmt wird. Beide Schichten
können
daher hinreichend dick sein, so dass die Energiebarriere für die zwei
verschiedenen magnetischen Zustände
höher ist
als die thermische Fluktuationsenergie.
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Man
wende sich nun 10 zu. Illustriert ist eine
vereinfachte Draufsicht auf ein Array 45 hoher Dichte von magnetoresistiven
Tunnelübergangsspeicherzellen 46 mit
niedrigem Schaltfeld gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Array 45 ist auf einer Substratstruktur 47 ausgebildet,
die Steuerelektronik und andere periphere Ausrüstung enthalten kann, falls
dies praktisch ist. Auch kann, wenn eine antiferromagnetische Schicht
oder dergleichen als Teil der Substratstruktur 47 enthalten
ist, um den Vektor 28 der Struktur 12 in einer
festen Position festzuhalten, die Schicht als eine Deckschicht ausgebildet
sein, so dass sie mit jeder Zelle 46 kooperiert. Die Zellen 46, die
beispielsweise in einer gemeinsamen Reihe liegen, haben ihre obere
magnetische Schicht mit der magnetischen Bodenschicht der benachbarten
Zelle verbunden, um eine gemeinsame Fühlerleitung 48 zu bilden.
Weiter sind Wortleitungen 49, illustriert als gestrichelte
Linien, mit den Zellen 46, die in einer gemeinsamen Spalte
liegen, zum Zwecke des Schreibens von Information in die Zellen,
wie oben beschrieben gekoppelt. Wegen des verschwindenden oder im
Wesentlichen verschwindenden magnetischen Momentes der Zellen 10 können Zellen
dieses Typs sehr nahe positioniert werden und die Dichte eines Arrays
dieser Zellen kann stark vergrößert werden.
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Es
wurden daher neue und verbesserte magnetische Direktzugriffsspeicher
und Speicherzellen, die in der Lage sind, mit niedrigem magnetischem Feld
beschrieben (Schalten gespeicherter Zustände) zu werden, offenbart.
Auch ist die neue und verbesserte Mehrzustands-, mehrschichtige
Magnetspeicherzelle mit antiferromagnetisch gekoppelten magnetischen
Schichten in der Lage, mit geringerem magnetischem Feld beschrieben
(Schalten gespeicherter Zustände)
zu werden, und hat ein Volumen, das hinreichend ist, um nicht von der
thermischen Fluktuationsenergie betroffen zu sein. Außerdem erzeugt die
neue und verbesserte Mehrzustands-, mehrschichtige Magnetspeicherzelle
mit antiferromagnetisch gekoppelten magnetischen Schichten, die
offenbart wurde, weniger magnetische Wechselwirkung mit benachbarten
Zellen in einem Array und kann sehr klein und mit einem Seitenverhältnis kleiner
als 5 hergestellt werden. Weiter ist die neue und verbesserte Mehrzustands-,
mehrschichtige Magnetspeicherzelle einfacher herzustellen und zu
benutzen und führt
wegen ihrer Größe zu einem
Zellarray höherer
Dichte.
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Obgleich
wir spezielle Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben haben, kommen Modifikationen
und Verbesserungen dem Fachmann in den Sinn. Wir wünschen daher, dass
es verstanden werde, dass diese Erfindung nicht auf die speziellen,
dargestellten Formen beschränkt
sei und wir beabsichtigen, in den beigefügten Ansprüchen alle Modifikationen, die
sich nicht vom Umfang der Erfindung entfernen, abzudecken.