DE60133622T2

DE60133622T2 - Spin polarisierte magnetische dreischichtige Stapelanordnung und Speicher unter Verwendung einer solchen

Info

Publication number: DE60133622T2
Application number: DE60133622T
Authority: DE
Inventors: Olivier Redon; Bernard Dieny; Bernard Rodmacq
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2000-12-07
Filing date: 2001-12-05
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2021-12-06
Also published as: JP5148566B2; JP4398127B2; EP1223585B1; JP2009239317A; FR2817999A1; US6603677B2; US20020105827A1; FR2817999B1; DE60133622D1; JP2002305337A; EP1223585A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Vorrichtung mit Spin- und Rotationspolarisierung sowie einen diese Vorrichtung umfassenden Speicher und ein Schreibverfahren.
Sie findet eine Anwendung in der Elektronik und insbesondere bei der Realisierung von Speicherpunkten und Speichern des Typs MRAM ("Magnetic Random Access Memory") oder Datenspeichern mit Direktzugriff (oder Random-Zugriff).
Stand der Technik
Die Datenspeicher des Typs MRAM sind wieder interessant geworden durch die Entwicklung der Technik des magnetischen Tunnelübergangs (MTC für "Magnetic Tunnel Junction") mit einem starken Magnetowiderstand bei Umgebungstemperatur. Die beigefügten 1A und 1B zeigen schematisch die Struktur und die Funktion eines solchen Übergangs.
Der Übergang trägt das Bezugszeichen 2. Es handelt sich um einen Stapel mit einer Oxidschicht im Sandwich zwischen zwei magnetischen Schichten. Dieses System fungiert als Spinventil, mit dem Unterschied, dass der Strom senkrecht zu den Ebenen der Schichten fließt. Eine der magnetischen Schichten wird mit "frei" bezeichnet, denn ihre Magnetisierung kann sich in einem äußeren Magnetfeld ausrichten (Zweirichtungspfeil); die andere wird mit "gefangen" bezeichnet, denn ihre Magnetisierungsrichtung wird durch eine antiferromagnetische Schicht festgelegt (Einrichtungspfeil). Wenn die Magnetisierungen der magnetischen Schichten antiparallel sind, ist der Übergangswiderstand hoch; wenn die Magnetisierungen parallel sind, wird der Widerstand klein. Die relative Widerstandsänderung zwischen diesen beiden Zuständen kann durch eine entsprechende Wahl der Materialien 40% erreichen.
Der Übergang 2 befindet sich zwischen einem Schalttransistor 4 und einer Stromzuführungsleitung 6. Ein in dieser Leitung fließender Strom erzeugt ein Magnetfeld 7. Ein Leiter 8, orthogonal zu der Leitung 6 (das heißt im vorliegenden Fall senkrecht zu der Ebene der Figur), ermöglicht, ein zweites Magnetfeld 9 zu erzeugen (in der Ebene der Figur befindlich).
Im Schreibmodus (1A) ist der Transistor 4 gesperrt. In der Stromzuführungsleitung 6 und in dem Leiter 8 fließen Ströme. Der Übergang 2 ist also zwei orthogonalen Magnetfeldern ausgesetzt. Das eine agiert gemäß der Achse der schwierigen Magnetisierung der freien Schicht, um ihr Umkehrfeld zu reduzieren, und das andere agiert gemäß ihrer leichten Achse, um die Umkehrung der Magnetisierung und die Beschreibung des Speicherpunkts zu bewirken. Im Prinzip wird nur der an der Überkreuzung der beiden Leitungen 6 und 8 befindliche Speicherpunkt umgekehrt, denn jedes Magnetfeld ist für sich genommen nicht ausreichend groß, um ein Kippen der Magnetisierung zu verursachen.
Im Lesemodus (1B) wird der Transistor in den gesättigten Betriebszustand versetzt (das heißt, dass der ihn durchquerende Strom maximal ist), indem man einen positiven Stromimpuls in die Basis sendet. Der durch die Leitung 6 gesendete Strom durchquert nur den Speicherpunkt, dessen Transistor offen ist. Dieser Strom ermöglicht, den Widerstand des Übergangs zu messen. Durch Vergleich mit einem Bezugsspeicherpunkt kann der Zustand des Speicherpunkts ("0" oder "1") also bestimmt werden.
Ein solcher Schreibmechanismus hat insbesondere in einem Übergangsnetzwerk Nachteile:

1) Da die Umkehrung der Magnetisierung der freien Schicht eines Übergangs sich unter der Einwirkung von äußeren Feldern ereignet, und da die Umkehrfelder statistisch verteilt sind, ist es nicht ausgeschlossen, dass ungewollt einige benachbarte Übergänge einfach unter der Einwirkung des längs der Adressierungsleitung erzeugten Magnetfelds umgekehrt werden. Da bei Speichern mit hoher Dichte die Größe der Speicherpunkte deutlich submikrometrisch ist, nimmt die Zahl der Adressierungsfehler zu.
2) Die Abnahme der Größe der Speicherpunkte bringt eine Erhöhung des Werts des einzelnen Umkehrfelds mit sich; es ist dann ein größerer Strom notwendig, um die Speicherpunkte zu beschreiben, was dazu tendiert, den elektrischen Verbrauch zu erhöhen.
3) Das Schreiben erfordert zwei Stromleitungen unter 90°, die aufgrund ihrer Präsenz die Integrationsdichte begrenzen.
4) Der benutzte Schreibmodus ermöglicht nicht, mehrere Speicherpunkte gleichzeitig zu beschreiben, wenn man die Adressierungsfehlergefahr minimieren will.

Kürzlich sind andere Arten von magnetischen Vorrichtungen präsentiert worden, bei denen die Magnetisierungsumkehrung nicht mehr durch äußere Magnetfelder erfolgt, sondern durch Elektronen, die den Stapel senkrecht zu der Ebene der Schichten durchqueren. Diese Vorrichtungen werden in dem Dokument US-A-5,695,864 beschrieben. Der angewendete Mechanismus basiert auf einem Transfer des magnetischen Moments zwischen den Elektronen einerseits und der Magnetisierung der freien Schicht andererseits. Bei einem solchen System wird der Stapel durch elektrisch leitfähige Schichten gebildet, um die Leistungsdissipation zu begrenzen. Daraus resultieren mehrere Nachteile:

a) der Widerstand der Vorrichtung ist so schwach, dass man einen sehr starken Strom einspeisen muss, um an den Anschlüssen eine Spannung zu erhalten, die mit derjenigen der alten Systeme vergleichbar ist,
b) eine solche Stärke erfordert einen großen Transistor, was die Integrationsdichte des Speichers begrenzt,
c) die Amplitude der erzielten Widerstandsänderung ist sehr gering (2–3%), was die Ausgangsspannung begrenzt,
d) bei der Anwendung bei den MRAMs sieht das genannte Dokument drei Niveaus von Leitern und zwei Spannungsquellen vor. Ein Zentralleiter hat den Zweck, den Polarisierungsstrom zurückzugewinnen, der zur Umkehrung der freien Schicht gedient hat. Die Vorrichtung ist also komplex.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen. US-A-5 966 323 beschreibt einen Tunnelübergang mit Magnetowiderstand und schwachem Schaltfeld für Netze mit hoher Dichte. EP-A-1 187 103 beschreibt eine Vorrichtung mit Magnetowiderstandseffekt und einem diese Vorrichtung verwendenden Speicher.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung ist bestrebt, die kritische Stromdichte, ab der sich in der freien Schicht die Magnetisierungsumkehrung ereignet, zu reduzieren. Die Arbeiten und Reflektionen des Anmelders haben ermöglicht, zu erkennen, dass diese kritische Dichte mit dem Entmagnetisierungsfeld der freien Schicht verknüpft ist. Die Erfindung schlägt also eine Vorrichtung vor, bei der dieses Entmagnetisierungsfeld sehr schwach ja sogar null ist. Dazu benutzt man einen Stapel mit drei Schichten (in der Folge Dreischichtenstapel oder einfach "Dreierschicht" genannt, gebildet durch zwei magnetische Schichten, getrennt durch eine unmagnetische leitfähige Schicht, wobei diese letztere eine so geringe Dicke hat, dass die Kopplung zwischen den beiden magnetischen Schichten so groß ist, dass die Magnetisierungen in diesen Schichten antiparallel sind. Global weist ein solches System kein (oder ein sehr schwaches) Entmagnetisierungsfeld auf. Der Anmelder qualifiziert solche Stapel als "synthetisch".
Die Erfindung hat also genau eine magnetische Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Gegenstand.
Bei einer Realisierungsart wird auch die gefangene Schicht durch einen Dreischichtenstapel gebildet, wobei dieser zweite Stapel mit einer ferromagnetischen Wechselschicht bedeckt ist, welche die Richtung der Magnetisierung in dem genannten zweiten Dreischichtenstapel festlegt.
Bei einer anderen Realisierungsart umfasst die Vorrichung einen dritten Dreischichtenstapel, gebildet durch zwei magnetische Schichten mit antiparallelen Magnetisierungen, von dem ersten getrennt durch eine unmagnetische Leiterschicht, wobei dieser dritte Dreischichtenstapel auf einer zweiten antiferromagnetischen Wechselschicht ruht, welche die Magnetisierungen in dem genannten dritten Dreischichtenstapel festlegt.
Das Material der magnetischen Schichten des ersten und/oder des zweiten und/oder des dritten Dreischichtenstapels wird vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt, die Co, Fe, Ni und ihre Legierungen enthält.
Die unmagnetische Leiterschicht des ersten und/oder des zweiten und/oder des dritten Dreischichtenstapels ist vorzugsweise aus einem Metall, das aus der Gruppe stammt, die gebildet wird durch Ru, Re, Cu, Cr, Pt, Ag.
Die erste und/oder die zweite antiferromagnetische Schicht kann aus einer Legierung auf der Basis von Mn sein (zum Beispiel FeMn, IrMn, NiMn, PtMn, PtPdMn, RuRhMn).
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die 1A und 1B, schon beschrieben, zeigen eine bekannte Vorrichtung zum Einschreiben und Auslesen einer binären Information in einem magnetischen Übergang mit Tunneleffekt durch äußere Magnetfelder;
die 2 zeigt eine erste Realisierungsart einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt;
die 3A und 3B zeigen die Orientierungen der Magnetisierungen in den verschiedenen Schichten in Abhängigkeit davon, ob man bei dieser ersten Realisierungsart eine "0" oder eine "1" schreibt;
die 4A und 4B zeigen die transitorischen Veränderungen der Magnetisierungskomponente gemäß einer zur Ebene der Schichten senkrechten Achse Oz und gemäß einer zu der Ebene der Schichten parallelen Achse Oy für eine schwache und eine starke Anisotropie;
die 5 zeigt im Schnitt eine zweite Realisierungsart einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
die 6A und 6B zeigen die Orientierungen der Magnetisierungen in den verschiedenen Schichten in Abhängigkeit davon, ob man bei dieser zweiten Realisierungsart eine "0" oder eine "1" schreibt;
die 7 zeigt schematisch einen Speicher mit einer Matrix von erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
Beschreibung besonderer Realisierungsarten
Bezüglich des Phänomens der Spinpolarisation von in Tunnelübergangsvorrichtungen zirkulierenden Elektronen sei an die folgenden Prinzipien erinnert. Ein in einem Leiter fließender elektrischer Strom wird durch Elektronen gebildet, deren Spin a priori nicht in eine bestimmte Richtung orientiert ist. Aber bei der Durchquerung einer magnetischen Schicht mit einer bestimmten Magnetisierung werden die Spins durch Wechselphänomene des magnetischen Moments orientiert, so dass die Elektronen diese Schicht mit einem polarisierten Spin verlassen. Eine solche Schicht (oder eine Vielzahl solcher Schichten) bildet also einen "Polarisator". Dieses Phänomen kann sich sowohl bei Transmission (durch eine Schicht hindurch) als auch Reflexion (auf einer Schicht) ereignen, je nach Fließrichtung des Stroms. Es kann sich auch in umgekehrter Richtung ereignen, wobei vorzugsweise Elektronen mit einem in einer bestimmten Richtung polarisierten Spin durchgelassen werden. Die Funktion der Schicht ist dann die eines Analysators.
Bei der ersten Realisierungsart der Erfindung wird ein Tunnelübergang verwendet, der durch zwei Dreischichtenstapel gebildet wird, die sich auf beiden Seiten einer Isolierschicht, zum Beispiel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) befinden. Die Magnetisierungsrichtung einer der Dreischichten wird durch Austausch- bzw. Wechselkopplung mit einer antiferromagnetischen Schicht fixiert. Diese Schicht hat die Doppelrolle des Polarisators (beim Schreiben) und Analysators (beim Schreiben und Lesen). Eine Dreierschicht wurde gewählt, um die magnetostatische Kopplung mit der zweiten Dreierschicht zu eliminieren und folglich um den Speicher ohne äußeres Kompensationsfeld verwenden zu können. Die andere Dreierschicht kann sich frei gemäß der Polarisationsrichtung der Spins orientieren. Diese Schicht besitzt eine planare Anisotropie, die eine Achse leichter und eine Achse schwerer Magnetisierung definiert, um die Schreibzeit zu verkürzen. Die Dicken der magnetischen Schichten dieses Dreischichtensystems sind quasi gleich, um den Entmagnetisierungsfeldeffekt zu eliminieren und folglich der Magnetisierung dieser Schicht zu ermöglichen, leicht außerhalb der Ebene zu präzessieren.
Im Schreibmodus verursacht ein den Übergang durchquerender Strom von höherer Dichte als der kritische Dichte eine Präzession und eine Ausrichtung der Magnetisierung der freien Schicht (am nächsten bei der Oxidbarriere) durch Transfer des magnetischen Moments der polarisierten Elektronen zum magnetischen Moment der freien Schicht. Die an den Anschlüssen des Übergangs auftretende Spannung ermöglicht, den magnetischen Zustand der freien Schicht zu verfolgen. Das Schreiben kann mittels Gleichstrom oder gepulstem Strom erfolgen, wobei die Impulsdauer angepasst werden muss in Abhängigkeit von dem Umkehrungsprozess der Magnetisierung.
Im Lesemodus durchquert ein Strom mit einer niedrigeren Dichte als der kritischen Dichte den Übergang und ermöglicht, den magnetischen Zustand der Vorrichtung zu lesen, die sich dann wie ein Speicherpunkt verhält.
Die 2 zeigt diese erste Realisierungsart. So wie dargestellt, umfasst die Vorrichtung zwei dreischichtige (oder "synthetische") Stapel, jeweils 12 und 16, den einen für die gefangene Schicht (12) und den anderen für die freie Schicht (16). Bei der dargestellten Variante umfasst die Vorrichtung nacheinander von oben nach unten eine antiferromagnetische Austausch- bzw. Wechselschicht 10, die gefangene Schicht 12, eine unmagnetische Isolierschicht 14 und die freie Schicht 16, wobei das einen magnetischen Übergangstunnel bildende Ganze mit 18 bezeichnet ist. Dieser Übergang ruht auf einem leitfähigen Substrat 20 und ist eingefügt zwischen einem Leiter 22 und einem Transistor 24.
Gemäß der dargestellten Realisierungsart ist die gefangene Schicht 12 eine Dreierschicht, gebildet durch zwei magnetische Schichten 121, 123, getrennt durch eine leitfähige unmagnetische Schicht 162.
Bei den beiden Dreierschichten 12 und 16 sind die Magnetisierungen der beiden magnetischen Schichten antiparallel, wie symbolisch in der Figur durch die Magnetisierung repräsentierende Pfeile mit wechselnden Richtungen dargestellt. Diesen Antiparallelismus bewirkt eine sehr starke antiferromagnetische Kopplung, vorhanden zwischen den magnetischen Schichten. Die Dicken der magnetischen Schichten 121, 123 sind vorteilhafterweise dieselben, um in der freien Schicht 16 eine magnetostatische Kopplung null zu haben.
Die freie Schicht 16 hat ähnliche Charakteristika wie die gefangene Schicht 12. Da sie jedoch nicht durch Austausch bzw. Wechsel gefangen (piegée par échange) ist, ist sie frei und wechselt ihre Magnetisierung, wenn ein spinpolarisierter Strom sie durchquert. Dieser Wechsel ist verbunden mit dem Transfer des magnetischen Moments der Elektronen zur Magnetisierung der Schicht.
Die Barriere 14 ist vorzugsweise eine Schicht aus Aluminium- oder Nitridoxid und wird durch dem Fachmann bekannte Verfahren erzeugt (Plasmaoxidation, natürliche In-situ-Oxidation, Atomarsauerstoffquelle, ...). Es können auch Halbleitermaterialien verwendet werden, aber die Magnetowiderstandseigenschaften sind nicht so gut wie bei den Nitriden und den Oxiden.
Die 3A illustriert das Schreiben einer "0" und die 3B das Schreiben einer "1". In diesen Figuren ist weder die Stromzuführung noch der Transistor dargestellt. Die verschiednen Richtungen sind festgelegt in Bezug auf einen dreirechtwinkligen Trider Oxyz, wobei die Richtung Oz senkrecht ist zu der Ebene der Schichten. Außerdem zeigt die 4A, wie die Komponente My der Magnetisierung der Schicht 161 das Vorzeichen wechselt, und die 4B zeigt die Oszillation der Komponente Mz während der Präzessionsbewegung, welche die Umkehrung der Magnetisierung begleitet.
Um eine "0" zu schreiben, lässt man in dem Stapel von oben nach unten, also in Richtung Transistor, einen Strom mit postivem Vorzeichen fließen (Gleichstrom oder Pulsstrom). Der Spin der Elektronen ist bzw. wird in der Schicht 123 gemäß der Richtung (–y) polarisiert. Sie übertragen ihr magnetisches Element auf die Momente der Schicht der Schicht 161, deren Magnetisierung sich dann parallel zu derjenigen der Schicht 123 ausrichtet. Die Schicht 163, antiparallel gekoppelt mit der Schicht 161, wird sich also auch neu orientieren. Während des Transfers des magnetischen Moments tritt die Magnetisierung der Schicht 161 in eine Präzession um die Achse (–y) ein, mit einer Komponente Mz, die im Laufe der Zeit oszilliert, wie dargestellt in der 4B. Wenn der Winkel des Präzessionskegels 90° überschreitet, kehrt sich die Rotationsrichtung um und die Magnetisierung richtet sich wieder gemäß (+y) aus. Die Anzahl der zur Umkehrung notwendigen Präzessionen hängt von der Anisotropie der Schicht in ihrer Ebene. Wenn die Anisotropie schwach ist (Kurven 30 und 32), verlangt die Umkehrung eine große Anzahl von Präzessionsoszillationen, aber einen schwachen kritischen Strom. Bei einer stärkeren Anisoptropie (Kurven 31 und 34 ist die Umkehrungszeit kürzer, aber es ist ein stärkerer Strom notwendig, um die Anisotropie zu überwinden.
Wie oben gesagt, kann das Schreiben mit Gleichstrom oder Pulsstrom erfolgen. Im Falle eines Pulsstroms muss die Dauer der Impulse groß genug für eine vollständige Umkehrung sein. Die Kontrolle der Umkehrung kann durch das Messen der Spannung an den Anschlüssen des Übergangs erfolgen. Wen die Magnetisierungen der Schichten 123 und 161 parallel sind, ist die Wahrscheinlichkeit des Transfers der Elektronen durch Tunneleffekt groß und der Widerstand des Übergangs ist groß. Wenn die Umkehrung nicht vollständig ist, ist der Widerstand groß. Durch Vergleich mit der an den Anschlüssen eines Referenzübergangs abgegriffenen Spannung bestimmt man den magnetischen Zustand der Vorrichtung. Bei diesem Kontrollschritt des magnetischen Zustands spielt die Schicht 123 (wechselfixiert (fixée par échange) die Rolle des Analysators, um die Ausrichtung der freien Schicht 161 zu sondieren.
Um eine "1" zu schreiben, lässt man einen Strom mit negativem Vorzeichen fließen, wie dargestellt in der 3B. Ausgehend vom Zustand "0" durchqueren die in der Schicht 161 gemäß (–y) polarisierten Majoritätselektronen die Schicht 123, während die gemäß (+y) polarisierten Minoritätselektronen die sich vor der Schicht 23 akkumulieren. Diese Elektronen mit zur Schicht 161 antiparallelen Spins transferieren ihr magnetisches Moment zu den Momenten der Schicht 41 und verursachen eine Präzession bis zur Umkehrung der Magnetisierung der Schicht 161, wie dargestellt in der 3B. Diese magnetische Konfiguration entspricht dem Schreiben einer "1" und der Widerstand des Übergangs ist maximal.
Zum Lesen sendet man einen Strom, dessen Dichte niedriger ist als die kritische Dichte, und man vergleicht die Ausgangsspannung mit der Spannung eines Referenzübergangs, um den magnetischen Zustand der Vorrichtung zu bestimmen.
Bei einer zweiten Realisierungsart umfasst die Vorrichtung drei Dreierschichten, wobei zwei der Dreierschichten auf beiden Seiten einer Isolierschicht, zum Beispiel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) abgeschieden sind. Die Magnetisierungsrichtungen von einer der Dreierschichten werden fixiert durch Austausch- bzw. Wechselkopplung (couplage d'échange) mit einer antiferromagnetischen Schicht. Diese Schicht spielt die Doppelrolle des Polarisators (beim Schreiben) und des Analysators (beim Schreiben und Lesen). Die Wahl einer Dreierschicht ermöglicht, die magnetostatische Kopplung in der zweiten Dreierschicht zu eliminieren und folglich den Speicher ohne äußeres Kompensationsfeld benutzen zu können. Die andere Dreierschicht kann sich frei gemäß der Polarisationsrichtung der Spins orientieren. Diese Schicht kann einen planare Anisotropie besitzen, die eine Achse leichter und eine Achse schwieriger Magnetisierung definiert, um die Schreibzeit zu reduzieren. Die Dicken der magnetischen Schichten dieses Systems sind quasi gleich, um den entmagnetisierenden Feldeffekt zu eliminieren. Die Vorrichtung umfasst noch einen von dem Tunnelübergang durch eine nicht leitfähige unmagnetische getrennten Polarisator, vorzugsweise gebildet durch einen Dreischichtenstapel, gefangen durch Wechsel bzw. Austausch (piégé par échange) mit einer antiferromagnetischen Schicht, um seine Magnetisierungsrichtung aufrechtzuerhalten.
Die 5 zeigt diese zweite Realisierungsart. Die drei Dreierschichten tragen die Bezugszeichen 16, 12 und 32. Die dritte Dreierschicht 32 ist von der ersten 16 getrennt durch eine leitfähige unmagnetische Schicht 30. Diese dritte Dreierschicht umfasst zwei magnetische Schichten 321, 323, getrennt durch eine leitfähige unmagnetische Schicht 322. Sie ruht auf einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht 34, welche die Magnetisierung in der Schicht 323 und folglich in der Schicht 321 fixiert. Die dritte Dreierschicht 32 ist folglich wie die zweite (12) vom gefangenen Typ. Das Ganze ruht auf einem leitfähigen Substrat 36.
Die die erste und die zweite Dreierschicht trennende Schicht 30 kann aus einem Edelmetall sein. Ihre Dicke wird zwischen 3 und 10 nm gewählt, um unerwünschte magnetische Kopplungen zwischen den Dreierschichten 16 und 32 zu vermeiden.
Das Schreiben der magnetischen Zustände "1" und "0" erfolgt wie oben durch die Wahl der Orientierung der Stromrichtung, wie dargestellt in den 6A und 6B. Das Hinzufügen der dritten Dreierschicht 32 stabilisiert die magnetischen Zustande und ermöglicht so, die kritische Stromdicht um einen Faktor 2 zu reduzieren. Im Falle des Schreibens einer "0" (6A) verursacht der in der Schicht 123 gemäß (–y) polarisiert Strom (in Bezug auf einen selben nicht dargestellten dreirechteckigen Trieder Oxyz) die Ausrichtung der Schicht 161 durch Transfer des Moments der Elektronen zur Magnetisierung der Schicht 161. Am Ausgang der Schicht 161 sind die Elektronen wieder bzw. noch immer gemäß (–y) polarisiert und polarisieren sich nach dem Durchqueren der Schicht 163 gemäß (+y), ohne das Kippen der Schicht 163 zu verursachen aufgrund des antiferromagnetischen Austausches bzw. Wechsels zwischen den Schichten 161 und 163, der sehr viel größer ist als die durch die Elektronen ausgeübte Kopplung. Bei der Ankunft in Höhe der Schicht 321 akkumulieren sich die Majoritätselektronen in den Schichten 30 und 163, was die Orientation der Schicht 163 stabilisiert. Man kann es so betrachten, dass der Polarisator 12 mittels Transmission polarisierter Elektronen agiert, während der Polarisator 32 mittels Reflexion polarisierter Elektronen agiert.
Zum Schreiben einer "1" werden die Rollen der Polarisatoren umgekehrt, aber die Effekte der Stabilisierung und Reduzierung der kritischen Dichte bleiben.
Der Polarisator 32 eliminiert das magnetostatische Kopplungsfeld in der Schicht 16 und ermöglicht auch eine identische Wechsel- bzw. Austauschrichtung zwischen den Schichten 121 und 323, um die magnetische Anordnung der antiferromagnetischen Austausch- bzw. Wechselschichten 10 und 34 möglich zu machen. Es ist nämlich schwierig, zwei entgegengesetzt Wechsel- bzw. Austauschschichten in einem System zu definieren, das einen einzigen antiferromagnetischen Materialtyp verwendet.
Das Lesen erfolgt wie in der ersten Variante, indem man einen Strom von niedrigerer Dichte als der kritischen Dichte einspeist und die gelesene Spannung mit der Spannung eines Referenzübergangs vergleicht.
Die beiden oben beschriebenen Realisierungsarten können verglichen werden in der nachfolgenden Tabelle mit den folgenden Kenndaten:

t: ist die Dicke der umzukehrenden magnetischen Schicht,
Ms: ist die Sättigungsmagnetisierung der umzukehrenden Schicht (mit CoFe Ms = 1500 emu/cc),
Hk: ist die Anisotropie der umzukehrenden magnetischen Schicht,
Jc: (Schreiben) ist die Stromdichte zum Beschreiben eines Speicherpunkts,
RA_max: ist das Produkt aus Widerstand mal Oberfläche des Tunnelübergangs, so definiert, dass die Schreibspannung 0,6 V nicht überschreitet,
RA_max: ist das Produkt aus Widerstand mal Oberfläche des Tunnelübergangs, so definiert, dass die Schreibspannung 0,6 V nicht überschreitet,
Jc: (Lesen) ist die Stromdichte bei einer Lesespannung von 0,3 V mit RA_max,
a_min: ist die minimale Größe bzw. Länge einer Seite des Speicherpunkts (für einen quadratischen Speicherpunkt), ehe die superparametrische Grenze erreicht wird.

Der Wert von arm wird nach folgender Formel berechnet:

in der der Wert 84 berechnet wird, indem man von einer Betriebsdauer des Speichers von 100 Jahren bei einer Umgebungstemperatur von 100°C ausgeht.

Realisierungsart	1	2
T (nm)	5	2
Ms (emu/cc)	1500	1500
Hk effektiv (G)	40	40
Jc (Schreiben) (A/cm²)	3,2E + 05	1,6E + 05
RA_max (Ohm.μm²)	188	375
Jc (Lesen) (A/cm²)	1,6E + 05	8E + 04
a_min(μm)	0,12	0,12

Man sieht in dieser Tabelle, dass man mit der Erfindung niedrige Schreibstromdichten erzielen kann, kompatibel mit Übergängen mit vernünftigen RA-Produkten (> 100 Ω.μm²). Solche RA-Produkte kann man entweder mittels Plasmaoxidation oder, vorzugsweise, durch natürliche In-situ-Oxidation realisieren.
Die 7 zeigt schließlich einen Speicher, gebildet durch eine Matrix von Speicherpunkten, adressierbar mittels Zeilen und Spalten. Jeder Speicherpunkt umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Stapel von Schichten, symbolisiert durch einen Widerstand 60 und eine Schalteinrichtung, hier ein Transistor 70. Jeder Stapel ist mit einer Adressierleitung 80 und die Basis (oder der Anschluss) des Transistors mit einer Adressierspalte 90 verbunden. Die Leitungen 80 werden "Bitleitungen" und die Spalten 90 "Wortleitungen" genannt. Die Leitungen 80 sind mit den Ausgängen einer Zeilenadressierschaltung 85 verbunden, und die Spalten 90 mit den Ausgängen einer Spaltenadressierschaltung 95.
Wenn eine Bitsequenz geschrieben werden muss (zum Beispiel 100110), befiehlt man die Adressierung einer Spalte durch einen Impuls, der fähig ist, die Transistoren der Spalte zu öffnen, und man speist in jede Leitung einen Stromimpuls von entsprechender Polarität ein (im gewählten Beispiel jeweils +––++–). Alle Bits werden also simultan in die Spalte des Speichers geschrieben.
Diese multiple Adressierung ist dank der Erfindung möglich, da, wie in der Einführung erklärt, ein Speicherpunkt ohne die Gefahr beschrieben werden kann, ungewollt Nachbarpunkte zu stören oder zu beschreiben.
Das Beschreiben des ganzen Speichers kann auch Spalte für Spalte erfolgen.
Irgendwo in dem Speicher, zum Beispiel in der Mitte, befindet sich eine Referenzspalte 100, welche die multiple Lektüre ermöglicht. Wenn ein Lesestrom in den Speicherpunkten einer Spalte 90 fließt, vergleicht man die Lesespannung jedes Punkts mit der in dem Speicherpunkt der zu derselben Zeile gehörenden Referenzspalte gelesenen Spannung.
Dieser Mechanismus, spaltenweise zu schreiben und zu lesen, reduziert die Zykluszeit des Speichers beträchtlich.

Claims

Magnetische Vorrichtung, umfassend: • eine erste, sogenannte "gefangene" magnetische Schicht (12), die eine Magnetisierung mit festgelegter Richtung hat, • eine zweite, sogenannte "freie" magnetische Schicht (16), die eine Magnetisierung mit variabler Richtung hat, • eine die gefangene Schicht und die freie Schicht trennende Isolier- oder Halbleiterschicht (14), • Einrichtungen (22, 24) um in den Schichten und senkrecht zu diesen einen Elektronenstrom fließen zu lassen, wobei die gefangene magnetische Schicht oder die freie magnetische Schicht fähig ist, den Spin dieser Elektronen zu polarisieren, und wenigstens die freie magnetische Schicht (16) durch einen ersten Dreischichtenstapel gebildet wird, bestehend aus zwei magnetischen Schichten (161, 163) mit antiparallelen Magnetisierungen, getrennt durch eine nichtmagnetische Leiterschicht (162), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (22, 24), fähig in den Schichten und senkrecht zu diesen einen Elektronenstrom fließen zu lassen, Schreibeinrichtungen sind, die einen Elektronenstrom in einer Richtung und in der entgegengesetzten Richtung durch die Schichten fließen lassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die gefangene magnetische Schicht (12) durch einen zweiten Dreischichtenstapel gebildet wird, bestehend aus zwei magnetischen Schichten (121, 123) mit antiparallelen Magnetisierungen, getrennt durch eine nichtmagnetische Leiterschicht (122), wobei dieser zweite Stapel mit einer ersten antiferromagnetischen Austauschschicht (10) bedeckt ist, welche die Richtung der Magnetisierungen in dem genannten zweiten Dreischichtenstapel (12) festlegt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, mit außerdem einem dritten Dreischichtenstapel (32), gebildet durch zwei magnetische Schichten (321, 323) mit antiparallelen Magnetisierungen, getrennt durch eine nichtmagnetische Leiterschicht (322), wobei dieser dritte Dreischichtenstapel (32) von dem ersten (16) durch eine nichtmagnetische Leiterschicht (30) getrennt ist, und dieser dritte Dreischichtenstapel (32) auf einer zweiten antiferromagnetischen Austauschschicht (34) ruht, welche die Magnetisierungen in dem genannten dritten Dreischichtenstapel (32) festlegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die beiden magnetischen Schichten (161, 163) des ersten Dreischichtenstapels (16) dieselbe Dicke haben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die beiden magnetischen Schichten des ersten (16) und/oder zweiten (12) und/oder dritten (32) Dreischichtenstapels aus einem Material sind, das aus der Gruppe stammt, die durch Co, Fe, Ni und ihren Legierungen gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die nichtmagnetische Leiterschicht des ersten (162) und/oder zweiten (122) und/oder dritten (322) Dreischichtenstapels aus einem Metall ist, das aus der Gruppe stammt, die gebildet wird durch Ru, Re, Cu, Cr, Pt, Ag.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, bei der die erste (10), und/oder zweite (34) antiferromagnetische Schicht aus einer Legierung auf der Basis von Mn ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der Elektronenstrom eine Dichte aufweist, die höher ist als eine bestimmte kritische Dichte.
Vorrichtung nach Anspruch 8 mit außerdem Leseeinrichtungen, fähig einen Elektronenstrom durch die Schichten fließen zu lassen, dessen Dichte niedriger ist als die genannte kritische Dichte, und Einrichtungen zum Messen der Spannung an den Anschlüssen des Schichtenstapels.
Speicher mit einer Matrix von Speicherpunkten, adressierbar durch Adressierungszeilen (80) und -spalten (90), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Speicherpunkt gebildet wird durch eine magnetische Vorrichtung (60) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und durch eine Stromschalteinrichtung (70), in Serie mit der magnetischen Vorrichtung (60) angeordnet, wobei jede magnetische Vorrichtung (60) mit einer Adressierungsleitung (80) und jede Schalteinrichtung (70) mit einer Adressierungsspalte (90) verbunden ist.
Speicher nach Anspruch 10 mit außerdem einer Referenzspalte (100) und Einrichtungen zum Vergleichen der an den Anschlüssen der an der Kreuzung einer bestimmten Zeile (80) und einer bestimmten Spalte (90) befindlichen Vorrichtung abgegriffenen Spannung mit der an den Anschlüssen derjenigen magnetischen Vorrichtung abgegriffenen Spannung, die sich in derselben Zeile (80), aber in der Referenzspalte (100) befindet.