DE10128964A1 - Digitale Speicherzelleneinrichtung - Google Patents

Abstract

Digitale magnetische Speicherzelleneinrichtung für Lese- und/oder Schreiboperationen, mit einem weichmagnetischen Lese- und/oder Schreibschichtsystem und mindestens einem hartmagnetischen, als AAF-System ausgebildeten Referenzschichtsystem mit wenigstens einer Referenzschicht, wobei das Referenzschichtsystem einen Schichtabschnitt, umfassend wenigstens ein Biasschichtsystem mit wenigstens einer ferromagnetischen Schicht, aufweist, wobei die magnetischen Momente des Biasschichtsystems und der Referenzschicht über eine Kopplungsschicht entgegengesetzt gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine digitale Speicherzelleneinrich­ tung.

Eine derartige digitale Speicherzelleneinrichtung dient zum Speichern von Informationen auf magnetischer Basis. Eine ein­ zelne Speicherzelleneinrichtung ist in der Regel Teil einer Speichereinrichtung, häufig auch MRAM (magnetic random access memory) genannt. Mit einem derartigen Speicher können Lese- und/oder Schreiboperationen durchgeführt werden. Jede einzel­ ne Speicherzelleneinrichtung umfasst ein weichmagnetisches Lese- und/oder Schreibschichtsystem, das über eine Zwischen­ schicht von einem hartmagnetischen, beim vorliegenden Typ an Speicherzelleneinrichtung als AAF-System ausgebildeten hart­ magnetischen Referenzschichtsystem getrennt ist. Die Magneti­ sierung der Referenzschicht des Referenzschichtsystems ist stabil und ändert sich in einem anliegenden Feld nicht, wäh­ rend die Magnetisierung des weichmagnetischen Lese- und/oder Schreibschichtsystems über ein anliegendes Feld geschaltet werden kann. Die beiden magnetischen Schichtsysteme können zueinander parallel oder antiparallel magnetisiert sein. Die beiden vorgenannten Zustände stellen jeweils ein Bit von In­ formationen dar, d. h. den logischen Null ("0")- oder Eins ("1")-Zustand. Ändert sich die relative Orientierung der Mag­ netisierung der beiden Schichten von parallel nach antiparal­ lel oder umgekehrt, so ändert sich der Magnetowiderstand über diese Schichtstruktur um einige Prozent. Diese Änderung des Widerstands kann für das Auslesen in der Speicherzelle abge­ legter digitaler Information verwendet werden. Die Änderung des Zellwiderstands kann durch eine Spannungsänderung erkannt werden. Beispielsweise kann bei Spannungszunahme die Zelle mit einer logischen Null ("0") und bei einer Spannungsabnahme die Zelle mit einer logischen Eins ("1") belegt werden. Be­ sonders große Widerstandsänderungen im Bereich von einigen Prozent wurden bei Änderung der Magnetisierungsausrichtung von parallel nach antiparallel und umgekehrt in Zellstruktu­ ren vom GMR-Typ (giant magneto resistance) oder dem TMR-Typ (tunnel magneto resistance) beobachtet.

Ein wichtiger Vorteil derartiger magnetischer Speicherzellen liegt darin, dass auf diese Weise die Information persistent gespeichert ist, und ohne Aufrechterhaltung irgendeiner Grundversorgung auch bei ausgeschaltetem Gerät gespeichert und nach Einschalten des Geräts sofort wieder verfügbar ist, anders als bei bekannten herkömmlichen Halbleiterspeichern. Ein zentraler Bestandteil hierbei ist das Referenzschichtsys­ tem, das als AAF-System (AAF = artifical anti ferromagnetic) ausgebildet ist. Ein derartiges AAF-System ist aufgrund sei­ ner hohen magnetischen Steifigkeit und der relativ geringen Kopplung zum Messschichtsystem durch den sogenannten Orange- Peel-Effekt und/oder durch makroskopische magnetostatische Kopplungsfelder von Vorteil. Ein AAF-System besteht in der Regel aus einer ersten Magnetschicht oder einem Magnet­ schichtsystem, einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht und einer zweiten magnetischen Schicht oder einem magneti­ schen Schichtsystem, das mit seiner Magnetisierung über die antiferromagnetische Kopplungsschicht entgegengesetzt zur Magnetisierung der unteren Magnetschicht gekoppelt wird. Ein solches AAF-System kann z. B. aus zwei magnetischen Co- Schichten und einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht aus Cu gebildet werden.

Um die Steifigkeit des AAF-Systems, also seine Resistenz ge­ gen externe äußere Felder zu verbessern ist es üblich, an der dem Messschichtsystem abgewandten Magnetschicht des AAF- Systems eine antiferromagnetische Schicht anzuordnen. Über diese antiferromagnetische Schicht wird die direkt benachbar­ te Magnetschicht in ihrer Magnetisierung zusätzlich gepinnt, so dass das AAF-System insgesamt härter wird (exchange pin­ ning oder exchange biasing).

Nachteilig hierbei ist jedoch die relativ schwache Kopplung zwischen der antiferromagnetischen Schicht und der auf ihr angeordneten Magnetschicht, die typischerweise kleiner als 0,3 mJ/m² ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Magneti­ sierung eines aus der antiferromagnetischen Schicht und dem AAF-System bestehenden Biasschichtsystems nicht einfach ein­ gestellt werden kann. Hierfür ist es erforderlich, die Tempe­ ratur des Biasschichtsystems über die sogenannten blocking- Temperatur der antiferromagnetischen Schicht zu erhöhen, so dass die Kopplung aufgehoben wird, gleichzeitig muss ein starkes externes Feld angelegt und in diesem anschließend ab­ gekühlt werden. Dies ist vor allem bei Wheatston'schen Brü­ ckenschaltungen mit einander entgegengesetzt ausgerichteten AAF-Systemen problematisch. Schwierigkeiten treten auch dann auf, wenn die Dicken der Magnetschichten des AAF-Systems an­ nähernd identisch sind, da dann das AAF-System kein oder nur ein minimales Nettomoment besitzt und über das externe Feld nur schwer eingestellt werden kann.

Ein weiterer Nachteil der Verwendung eines AAF-Systems mit antiferromagnetischen Schichten ist darin zu sehen, dass die Dicke der antiferromagnetischen Schichten groß sein muss, um eine ausreichend hohe blocking-Temperatur zu erzielen. Hier­ durch nimmt der Abstand der zum Lesen und Schreiben benötig­ ten, ober- und unterhalb des Schichtsystems verlaufenden und sich dort kreuzenden Leitungen, die im Allgemeinen als Wort- und Bitleitungen benannt werden, zu, was zu einer Abnahme der Feldstärke der bestromten Leiter am weichmagnetischen Lese- und/oder Schreibschichtsystem führt, das hierüber gegebenen­ falls geschaltet werden soll.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Speicherzel­ leneinrichtung anzugeben, die hinsichtlich der Magnetisierung des Referenzschichtsystems einfach einstellbar ist und eine geringere Schichtsystemhöhe aufweist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer digitalen Speicher­ zelleneinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Referenzschichtsystem einen Schichtab­ schnitt umfassend wenigstens ein Biasschichtsystem mit we­ nigstens einer ferrimagnetischen Schicht aufweist, wobei die magnetischen Momente des Biasschichtsystems und der Referenz­ schicht über eine Kopplungsschicht entgegengesetzt gekoppelt sind.

Die Erfindung schlägt vorteilhaft den Einsatz eines Bias­ schichtsystems mit wenigstens einer ferrimagnetischen Schicht vor, wobei die magnetischen Momente dieses Biasschichtsystems bzw. der ferrimagnetischen Schicht mit denen der Referenz­ schicht gekoppelt sind und damit das Referenzschichtsystem bilden. Eine ferrimagnetische Schicht zeichnet sich dadurch aus, dass sie aus wenigstens zwei magnetischen Untergittern besteht, deren magnetische Momente wie beim Antiferromagneten antiparallel ausgerichtet sind. Jedoch kompensieren sich die magnetischen Momente nicht vollständig, so dass ein resultie­ rendes magnetisches Nettomoment entsteht. Ein Ferrimagnet verhält sich demnach nach außen wie ein Ferromagnet, ledig­ lich die Größe der Sättigungsmagnetisierung ist in der Regel klein und die Temperaturabhängigkeit der Sättigung ist stär­ ker. Da der Temperaturverlauf der Magnetisierung der Unter­ gitter in der Regel unterschiedlich ist und die Untergitter untereinander antiferromagnetisch koppeln (= antiparallel), gibt es bei Ferrimagneten eine Temperatur, an der sich die Momente gegenseitig aufheben (d. h. antiparallel gleich sind) und das Nettomoment verschwindet. Diese Temperatur nennt man Kompensationstemperatur. In der Nähe der Kompensationstempe­ ratur hat die ferrimagnetische Schicht also nur ein minimales oder im Idealfall kein magnetisches Nettomoment. Während die Magnetisierung der ferrimagnetischen Schicht außerhalb des Kompensationstemperaturfensters durch ein relativ niedriges externes Feld eingestellt werden kann und mit ihr die Aus­ richtung der gekoppelten Fixierschicht, ist in der Nähe der Kompensationstemperatur jedoch die Magnetisierung der ferro­ magnetischen Schicht aufgrund des fehlenden magnetischen Net­ tomoments äußerst stabil. Legt man nun durch geeignete Mate­ rialwahl die Kompensationstemperatur der ferrimagnetischen Schicht so, dass sie in der Nähe der Operationstemperatur der Speicherzelleneinrichtung liegt, so erhält man ein äußerst stabiles Biasschichtsystem. Durch Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur in einen Bereich außerhalb dieser Kompensati­ onstemperatur ist die Einstellung der Magnetisierung des Bi­ asschichtsystems problemlos möglich. Die Temperaturänderung kann in beide Richtungen erfolgen, da sich normalerweise beim Durchtritt durch die Kompensationstemperatur das magnetische Moment eines ferrimagnetischen Stoffes umkehrt.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung der ferrimagnetischen Schicht innerhalb des Referenzschichtsystems ist, dass die Kopplung zur Referenzschicht eines damit verbundenen AAF- Systems sehr hoch gewählt werden kann, und zwar in einer Grö­ ßenordnung von ca. 10 mJ/m². Das heißt, das Referenzschicht­ system kann sehr stabil gemacht werden gegen externe Felder.

Die ferromagnetische Schicht kann ferner wesentlich dünner sein als die bisher verwendete antiferromagnetische Schicht, die zur Erzielung einer hohen blocking-Temperatur relativ dick sein muss, weshalb die Dicke der gesamten Speicherzel­ leneinrichtung verringert werden kann. Die Wort- und Bitlei­ tung einer Speicherzelleneinrichtung liegen enger beieinan­ der, so dass ein hinreichend hohes Feld an das weichmagneti­ sche Lese- und Schreibschichtsystem gelegt werden kann. Ab­ standsbedingte Verluste können vermieden werden.

Insgesamt kann hierdurch eine äußerst stabile und dickenredu­ zierte Speicherzelleneinrichtung erhalten werden, die trotz allem einfach hinsichtlich der Biasschichtmagnetisierung ein­ gestellt werden kann. Dies gilt auch bezüglich einer aus ei­ ner Vielzahl solcher Speicherzelleneinrichtungen gebildeten Speichereinrichtung.

Die ferrimagnetische Schicht kann erfindungsgemäß aus einer Legierung eines magnetischen Übergangsmetalls und eines Sel­ ten-Erd-Metalls bestehen. Alternativ dazu kann die ferri­ magnetische Schicht auch ein Mehrschichtsystem aus einem mag­ netischen Übergangsmetall und einem Selten-Erd-Metall sein. Als Übergangsmetall kann z. B. Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) verwendet werden, als Selten-Erd-Metall kann z. B. Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd) oder Terbium (Tb) ver­ wendet werden.

Für eine feste und stabile Kopplung der Momente der jeweils gekoppelten Schichten ist es zweckmäßig, wenn dies über eine RKKY-Kopplung (RKKY = Ruderman-Kittel-Kasuya-Joshida) er­ folgt.

Das magnetische Nettomoment des ein AAF-System bildenden Re­ ferenzschichtsystems sollte im Operationsfenster der Spei­ cherzelleneinrichtung verschwindend sein. Im Hinblick auf die zu erzielende möglichst hohe Stabilität ist ein Gesamtmoment von Null am Zweckmäßigsten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine Schicht des Referenzschichtsystems eine uniaxiale Anisotropie auf­ weist, längs welcher die Magnetisierung im Operationstempera­ turfenster gerichtet ist. Die Anisotropie führt zu einer wei­ teren Versteifung des Systems. Die uniaxiale Anisotropie kann in Richtung einer leichten Achse der Speicherzelleneinrich­ tung, die ihrerseits durch die Geometrie und die Orientierung der Speicherzelleneinrichtung bestimmt wird, induziert wer­ den.

Die uniaxiale Anisotropie kann im Rahmen einer ersten Erfin­ dungsausgestaltung durch schräges Abscheiden der einen oder aller Schichten des Referenzschichtsystems erzeugt werden. Die Schichten werden hierbei z. B. unter einem Winkel bezüg­ lich der Ebene des Substrats aufgedampft.

Alternativ oder zusätzlich kann die uniaxiale Anisotropie auch durch Einprägen einer Vorzugsrichtung in einem bei der Schichtsystemerzeugung anliegenden Magnetfeld erzeugt sein. Hierbei bestimmt die Richtung des anliegenden Magnetfelds die Vorzugsrichtung des dabei erzeugten Schichtsystems.

Eine weitere Möglichkeit der Anisotropieerzeugung ist eine Keimschicht, auf der das Referenzschichtsystem aufgewachsen ist. Diese Keimschicht besitzt selbst eine ausgezeichnete Richtung, die sich auf das aufwachsende Schichtsystem über­ trägt und die Vorzugsrichtung oder die leichte Richtung defi­ niert.

Eine weitere Möglichkeit ist die Erzeugung der uniaxialen Anisotropie durch Einprägen einer Vorzugsrichtung während ei­ ner thermischen Ausheilphase in einem Magnetfeld.

Eine andere Möglichkeit zur Anisotropieerzeugung sieht vor, dass die mindestens eine Schicht oder alle Schichten des Re­ ferenzschichtsystems, vorzugsweise dessen ferrimagnetische Schicht einen großen Magnetostriktionskoeffizienten aufweist. In diesem Fall kann die uniaxiale Anisotropie durch anisotro­ pe Verformungsrelaxation erzeugt sein. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn die Kristallite der oder aller Schichten des Referenzschichtsystems, zumindest die Kristallite der ferri­ magnetischen Schicht eine längliche Form aufweisen.

Eine andere Möglichkeit zur Anisotropieerzeugung besteht schließlich darin, dass wenigstens eine Verformungs- oder Spannungsschicht zur Verstärkung einer anisotropen Verfor­ mungsrelaxation vorgesehen ist. Diese Schicht kann z. B. aus SiO₂ sein. Durch die hierüber aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens induzierten Spannungen im Schichtsystem wird die Vorzugsrichtung induziert.

Es versteht sich von selbst, dass natürlich auch zwei oder mehr der beschriebenen Möglichkeiten zur Anisotropieerzeugung gleichzeitig angewandt werden können.

Schließlich kann ein ein weichmagnetisches Mehrschichtsystem und ein Referenzschichtsystem entkoppelndes Entkopplungs­ schichtsystem eine Metallschicht oder eine Isolierschicht oder eine Halbleiterschicht sein.

Die Speicherzelleneinrichtung selbst kann ein giant­ magnetoresistive-, ein magnetic-tunnel-junction- oder ein spin-valve-transistor-System sein.

Schließlich betrifft die Erfindung neben der Speicherzellen­ einrichtung selbst eine digitale Speichereinrichtung, beste­ hend aus mehreren, in Form eines Arrays oder einer Matrix an­ geordneter Speicherzelleneinrichtungen der beschriebenen Art.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Spei­ cherzelleneinrichtung einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung des temperaturabhängi­ gen Magnetisierungsverlaufs eines Ferrimagneten,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Speicherzelleneinrichtung ei­ ner zweiten Ausführungsform mit einem mehrschichti­ gen Biasschichtsystem,

Fig. 4 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Spei­ cherzelleneinrichtung einer dritten Ausführungsform mit einem mehrschichtigen AAF- Referenzschichtsystem,

Fig. 5 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Spei­ cherzelleneinrichtung einer vierten Ausführungsform mit einer Keimschicht zur Erzeugung einer Anisotro­ pie, und

Fig. 6 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Spei­ cherzelleneinrichtung einer fünften Ausführungsform mit einer Spannungsschicht zur Erzeugung der Ani­ sotropie.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Speicherzelleneinrichtung 1 einer ersten Ausführungsform. Diese besteht aus einem Refe­ renzschichtsystem 2, das über ein Entkopplungsschicht 3 von einem Lese- und Schreibschichtsystem 4 entkoppelt ist. Ge­ zeigt sind ferner die Wort- und Bitleitungen 5a, 5b, die oberhalb und unterhalb rechtwinklig zueinander verlaufen. Das Referenzschichtsystem 2 besteht aus einem Schichtabschnitt 6, der ein unteres Biasschichtsystem 7 umfasst, das im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer ferrimagnetischen Schicht 8 und einer damit gekoppelten ferromagnetischen Schicht 26 besteht. Im gezeigten Beispiel ist die ferrimagnetische Schicht 8 eine Legierungsschicht, wobei als Legierungskomponenten ein Über­ gangsmetall, z. B. Fe, Co, Ni und ein Selten-Erd-Metall, z. B. Gd, Dy, Tb verwendet werden können. Es bilden sich innerhalb der ferrimagnetischen Schicht 8 zwei magnetische Untergitter mit einander entgegengesetzten magnetischen Momenten M, wie in Fig. 1 durch die einander entgegengesetzt gerichteten Pfeile dargestellt ist. Die magnetischen Momente der beiden Untergitter sind jedoch hinsichtlich Anzahl und/oder Stärke verschieden, das heißt, sie kompensieren sich bis auf einen schmalen Kompensationstemperaturbereich nicht. Hieraus resul­ tiert ein Nettomoment des Biasschichtsystems 7 im Bereich au­ ßerhalb des Kompensationstemperaturbereichs. Hierauf wird Nachfolgend noch eingegangen.

Über ein antiferromagnetisches Kopplungsschichtsystem 9 wird das magnetische Nettomoment des Biasschichtsystems 7 antipa­ rallel mit den magnetischen Momenten M einer Referenzschicht 10 gekoppelt. Das heißt, die magnetischen Momente M und damit die Magnetisierung der Referenzschicht 10 steht zu dem resul­ tierenden Nettomoment des Biasschichtsystems 7 entgegenge­ setzt. Das Referenzschichtsystem 2 bildet insgesamt ein AAF- System. Die Kopplung zwischen der Magnetisierung des Bias­ schichtsystems 7, also der ferrimagnetischen Schicht 8, der ferromagnetischen Schicht 26 und der Magnetisierung der Refe­ renzschicht 10 ist sehr stark, das heißt, die Magnetisierung der Referenzschicht 10 ist sehr stabil ausgerichtet. Dieses Biasschichtsystem 7 bzw. die ferrimagnetische Schicht 8 selbst weist eine uniaxiale Anisotropie auf, längs welcher sich die Magnetisierungen der Untergitter ausrichten. Diese Anisotropie führt dazu, dass die Magnetisierung des Bias­ schichtsystems 7 selbst sehr stabil ist, was wiederum zur Stabilität des gesamten Referenzschichtsystems führt.

Fig. 2 beschreibt den Verlauf der temperaturabhängigen Magne­ tisierung der ferrimagnetischen Schicht 8. Gezeigt ist längs der Abszisse die anliegende Temperatur, längs der Ordinate die jeweilige Magnetisierung des Untergitters der Übergangs­ metallkomponente (J_TM), die Magnetisierung der Selten-Erd- Komponente (J_RE) sowie die resultierende Nettomagnetisierung (J_RE-TM).

Anhand des Verlaufs der Nettomagnetisierung J_RE-TM ist er­ sichtlich, dass im gezeigten Ausführungsbeispiel aufgrund der größeren Magnetisierung J_RE der Selten-Erd-Komponente eine mit zunehmender Temperatur abnehmende Gesamtmagnetisierung gegeben ist. Bei einer Kompensationstemperatur T_comp ist die Gesamtmagnetisierung jedoch Null, das heißt, die Magnetisie­ rungen J_RE und J_TM sind bei entgegengesetzter Ausrichtung gleich groß. Mit weiterer Temperaturerhöhung überwiegt die Magnetisierung J_TM. Die Gesamtmagnetisierung bricht bei Er­ reichen der Curietemperatur T_C zusammen.

Ersichtlich ist ferner, dass die Koerzitivfeldstärke H_c um diese Kompensationstemperatur T_comp sehr stark ansteigt bzw. bei der Kompensationstemperatur T_comp aufgrund des hier gege­ benen Nettomoments von Null unendlich ist.

Gemäß der Erfindung wird nun die ferrimagnetische Schicht 8 so hinsichtlich der verwendeten Materialien, ihrer Dimensio­ nierung und ihrer Geometrie etc. gewählt, dass der Bereich um die Kompensationstemperatur T_comp in dem Operationstemperatur­ bereich, innerhalb welchem die Speicherzelleneinrichtung 1 betrieben wird, liegt oder mit diesem zusammenfällt. Das heißt, beim normalen Betrieb der Speicherzelleneinrichtung ist das magnetische Gesamtmoment der ferrimagnetischen Schicht annähernd Null, das heißt, sie ist sehr stabil gegen ein anliegendes externes Feld, da die Koerzitivfeldstärke H_c sehr groß ist. Das bedeutet, dass auch die Kopplung zur Refe­ renzschicht 10 sehr stabil ist, da die die Kopplung bewirken­ de ferrimagnetische Schicht 8 bzw. das Biasschichtsystem 7 sich im anliegenden Feld nicht ändert.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Ausrichtung der Magneti­ sierung der Referenzschicht 10 relativ einfach ist. Die Mag­ netisierung der Referenzschicht 10 muss bei derartigen Spei­ cherzelleneinrichtungen bekanntermaßen sehr stabil sein. Das Signal, dessen Höhe ein Maß für die eingeschriebene Informa­ tion ist, ist bekanntermaßen abhängig von der Richtung der Magnetisierung des weichmagnetischen Messschichtsystems 4, die in dem anliegenden externen und zu messenden Magnetfeld sehr leicht drehbar ist, bezüglich der Richtung der festste­ henden, harten Magnetisierung der Referenzschicht 10. Infol­ gedessen ist es erforderlich, diese Magnetisierung der Refe­ renzschicht 10 einzustellen.

Diese Ausrichtung ist bei der erfindungsgemäßen Speicherzel­ leneinrichtung aufgrund der Verwendung der ferrimagnetischen Schicht 8 relativ einfach. Hierzu muss lediglich die Tempera­ tur soweit erhöht oder erniedrigt werden, dass man sich aus dem Bereich um die Kompensationstemperatur T_comp weit genug hinausbewegt, so dass ein resultierendes Nettomoment gegeben ist. Durch ein vergleichsweise geringes externes Feld kann nun die Magnetisierung der ferrimagnetischen Schicht einge­ stellt werden, zumal die Koerzitivfeldstärke einer ferri­ magnetischen Schicht relativ niedrig ist. Aufgrund der sich dann ergebenden Kopplung zur Referenzschicht 10 stellt sich dessen Magnetisierung wiederum antiparallel ein. Durch einfa­ che, geringe Temperaturerhöhung oder Erniedrigung unter Ver­ wendung eines geringen Einstellfelds kann also die Magneti­ sierung der ferrimagnetischen Schicht in die gewünschte Rich­ tung, in welcher die ferrimagnetische Schicht bevorzugt eine uniaxiale Anisotropie aufweist, eingestellt werden. Es ist nicht wie beim Stand der Technik unter Verwendung eines na­ türlichen Antiferromagneten mit aufgesetztem AAF-System er­ forderlich, eine hohe Temperatur anzufahren, um über die blo­ cking-Temperatur zu kommen und anschließend in einem hohen externen Magnetfeld abzukühlen.

Fig. 3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Speicherzellenein­ richtung 11. Auch hier ist ein Referenzschichtsystem 2' vor­ gesehen, bestehend aus einem Biasschichtsystem 7', einer an­ tiferromagnetischen Kopplungsschicht 9' sowie einer Referenz­ schicht 10'. Im Unterschied zum Biasschichtsystem 7 aus Fig. 1 ist das Fixierschichtsystem 7 ein Mehrschichtsystem beste­ hend aus separaten Schichten 8', 8'', wobei die eine Schicht 8' z. B. vom Übergangsmetall und die Schicht 8'' vom Selten- Erd-Metall gebildet ist. Die Funktionsweise bzw. die Eigen­ schaften dieses Fixierschichtsystems 7' sind jedoch die glei­ chen wie des Systems aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt als Prinzipskizze eine Speicherzelleneinrichtung 12 mit einem mehrschichtigen Referenzschichtsystem 2''. Sie umfasst einen unteren Schichtabschnitt 2''a bestehend aus ei­ ner unteren Ferromagnetschicht 27 (z. B. Co), einer ferri­ magnetischen Schicht 28 (z. B. CoTb) und einer oberen Ferro­ magnetschicht 29 (z. B. Co). Über eine antiferromagnetisch koppelnde Zwischenschicht 30 (z. B. Cu oder Ro) ist ein oberer Schichtabschnitt 2''b mit seiner unteren ferromagnetischen Schicht 31 (z. B. Co) gekoppelt. Auf der Schicht 31 ist wie­ derum eine ferrimagnetische Schicht 32 (z. B. CoTb) und auf dieser eine ferromagnetische Schicht 33 (z. B. Co) aufge­ bracht. Über eine Entkopplungsschicht 34 ist schließlich das eigentliche Lese- und Schreibschichtsystem 35 entkoppelt. Der gesamte Referenzschichtaufbau bildet ein AAF-System.

Fig. 5 zeigt schließlich eine weitere erfindungsgemäße Spei­ cherzelleneinrichtung 13, die in ihrem Aufbau im gezeigten Ausführungsbeispiel dem aus Fig. 1 entspricht. Zur Erzeugung einer Anisotropie in dem Biasschichtsystem 7''' ist hier eine Keimschicht 14 vorgesehen, auf welcher das Biasschichtsystem 7''' bzw. die ferrimagnetische Schicht 8''' abgeschieden ist. Die Keimschicht besitzt eine Vorzugsrichtung bzw. Anisotro­ pie, die sich beim Schichtwachstum auf die ferrimagnetische Schicht 8''' überträgt. Längs dieser Anisotropie oder leich­ ten Richtung stellt sich die Magnetisierung der jeweiligen Untergitter bevorzugt ein.

Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung dieser Anisotropie ist bezüglich der in Fig. 6 gezeigten Speicherzelleneinrichtung 15 beschrieben, die im Aufbau dem aus Fig. 5 ähnlich ist. Dort ist jedoch anstelle der Keimschicht 14 (die natürlich ebenfalls vorgesehen sein könnte) auf das Biasschichtsystem 7'''' bzw. die ferrimagnetische Schicht 8'''' eine Spannungs­ schicht 16 aufgebracht, z. B. aus SiO₂, die in die ferri­ magnetische Schicht uniaxial gerichtete Spannungen induziert, die wiederum eine uniaxiale Anisotropie induzieren.

Neben den in Fig. 5 und 6 beschriebenen Möglichkeiten zur Induzierung oder Erzeugung einer uniaxialen Anisotropie be­ steht natürlich auch die Möglichkeit, diese durch ein schrä­ ges Abscheiden der ferrimagnetischen Schicht oder durch Ein­ prägen einer Vorzugsrichtung in einem anliegenden Feld, gege­ benenfalls während eines thermischen Ausheilschritts oder un­ ter Verwendung einer ferrimagnetischen Schicht mit einem gro­ ßen Magnetostriktionskoeffizienten und gegebenenfalls ent­ sprechender Formgabe der Schichtkörner zu erzeugen. Dem Fach­ mann sind hinreichende Möglichkeiten zur Erzeugung einer Ani­ sotropie bekannt, die er sämtlich einzeln oder in Kombination anwenden kann.

Claims (19)

1. Digitale magnetische Speicherzelleneinrichtung für Lese- und/oder Schreiboperationen, mit einem weichmagnetischen Le­ se- und/oder Schreibschichtsystem und mindestens einem hart­ magnetischen, als AAF-System ausgebildeten Referenzschicht­ system mit wenigstens einer Referenzschicht, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzschichtsys­ tem (2, 2', 2'', 2'''a, 2'''b) einen Schichtabschnitt umfas­ send wenigstens ein Biasschichtsystem (7, 7', 7''', 7'''') mit wenigstens einer ferrimagnetischen Schicht (8, 8''', 8'''') aufweist, wobei die magnetischen Momente des Bias­ schichtsystems (7, 7', 7''', 7'''') und der Referenzschicht (10, 10', 10''a) über eine Kopplungsschicht (9, 9') entgegen­ gesetzt gekoppelt sind.

2. Speicherzelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ferrimagnetische Schicht (8) aus einer Legierung eines magnetischen Übergangs­ metalls und eines Selten-Erd-Metalls besteht.

3. Speicherzelleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, dass das Bias­ schichtsystem lediglich aus der ferrimagnetischen Schicht (8) besteht.

4. Speicherzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ferrimagnetische Schicht ein Mehrschichtsystem (8', 8'') aus einem magnetischen Übergangsmetall und einem Selten-Erd- Metall ist.

5. Speicherzelleneinrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Momente zumindest eines Teils der jeweils gekoppel­ ten Schichten über die jeweilige Kopplungsschicht durch eine RKKY-Kopplung gekoppelt sind.

6. Speicherzelleneinrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Nettomoment des ein AAF-System bildenden Referenzschichtsystems (2, 2', 2'', 2'''a, 2'''b) im Operati­ onsfenster der Speicherzelleneinrichtung (1, 11, 12, 13, 15, 18) deutlich kleiner als bei Sättigung und vorzugsweise Null ist.

7. Speicherzelleneinrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht des Referenzschichtsystems (2, 2', 2'', 2'''a, 2'''b) eine uniaxiale Anisotropie aufweist.

8. Speicherzelleneinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die uniaxiale Anisotro­ pie durch schräges Abscheiden der einen oder aller Schichten des Referenzschichtsystems (2, 2', 2'', 2'''a, 2'''b) erzeugt ist.

9. Speicherzelleneinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, da­ durch gekennzeichnet, dass die uniaxia­ le Anisotropie durch Einprägen einer Vorzugsrichtung in einem bei der Schichtsystemerzeugung anliegenden Magnetfeld erzeugt ist.

10. Speicherzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die uniaxiale Anisotropie mittels einer Keimschicht (14), auf der das Referenzschichtsystem aufgewachsen ist erzeugt ist.

11. Speicherzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die uniaxiale Anisotropie durch Einprägen einer Vorzugsrich­ tung während einer thermischen Ausheilpflase in einem magneu­ feld erzeugt ist.

12. Speicherzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht oder alle Schichten des Referenz­ schichtsystems, vorzugsweise dessen ferrimagnetische Schicht einen großen Magnetostriktionskoeffizienten aufweist.

13. Speicherzelleneinrichtung nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, dass die uniaxia­ le Anisotropie durch anisotrope Verformungsrelaxation erzeugt ist.

14. Speicherzelleneinrichtung nach Anspruch 13, da­ durch gekennzeichnet, dass die Kristal­ lite der einen oder aller Schichten des Referenzschichtsys­ tems, vorzugsweise die Kristallite der ferrimagnetischen Schicht eine längliche Form aufweisen.

15. Speicherzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Verformungs- oder Spannungsschicht (16) zur Verstärkung einer anisotropen Verformungsrelaxation vorgese­ hen ist.

16. Speicherzelleneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzschichtsystem (2'') aus zwei Schichtab­ schnitten (2''a, 2''b) besteht, von denen jeder zwei ferro­ magnetische Schichten (27, 29, 31, 33) mit einer dazwischen angeordneten ferrimagnetischen Schicht (28, 32) aufweist, wo­ bei die Schichtsysteme über eine antiferromagnetisch koppeln­ de Zwischenschicht (30) gekoppelt sind.

17. Speicherzelleneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein weichmagnetisches Messschichtsystem (4, 4''') und ein Referenzschichtsystem (2, 2', 2'', 2'''a, 2'''b) ent­ koppelndes Entkopplungsschichtsystem (3, 3''') eine Metall­ schicht oder eine Isolierschicht oder eine Halbleiterschicht ist.

18. Speicherzelleneinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein giantmagnetoresistive, ein magnetic-tunnel­ junction oder ein spin-valve-transistor-System ist.

19. Digitale Speichereinrichtung, umfassend mehrere Speicher­ zelleneinrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 18.