DE60309190T2

DE60309190T2 - Magnetelement mit spintransfer und mram-bauelement mit dem magnetelement

Info

Publication number: DE60309190T2
Application number: DE60309190T
Authority: DE
Inventors: Yiming Pleasanton HUAI; P. Paul San Jose NGUYEN
Original assignee: Grandis Inc
Current assignee: Grandis Inc
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: US6714444B2; EP1552526A2; US6920063B2; EP1552526B1; DE60309190D1; WO2004013861A2; AU2003258117A1; WO2004013861A3; US20040130940A1; AU2003258117A8; US7106624B2; US20050201023A1; JP2005535125A; EP1552526A4; US20040027853A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Speichersysteme und insbesondere ein Verfahren und ein System, das ein Element angibt, welches für das Schalten einen Spin-Transfereffekt verwendet, und welches in einem Magnetspeicher etwa einem magnetischen RAM (magnetic random access memory – MRAM) verwendet werden kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Magnetspeicher werden vielfach zur Speicherung von Daten verwendet. Eine Art von Speicherelement, dem derzeit Interesse entgegengebracht wird, verwendet den Magnetwiderstand eines Magnetelements zur Speicherung von Daten. Die 1A und 1B stellen konventionelle Magnetelemente 1 und 1' dar. Das konventionelle Magnetelement 1 wirkt als Spin-Ventil (spin valve) und umfasst eine konventionelle antiferromagnetische Schicht 2, eine konventionelle gepinnte Schicht 4, eine konventionelle Abstandsschicht 6 und eine konventionelle freie Schicht 8. Die konventionelle gepinnte Schicht 4 und die konventionelle freie Schicht 8 sind ferromagnetisch. Die konventionelle Abstandsschicht 6 ist nicht magnetisch. Die konventionelle Abstandsschicht 6 ist leitfähig. Die antiferromagnetische Schicht 2 wird dazu verwendet, die Magnetisierung der gepinnten Schicht 4 in eine bestimmte Richtung zu fixieren oder zu pinnen. Die Magnetisierung der freien Schicht 8 ist frei drehbar, wobei dies typischerweise als Reaktion auf das Anlegen eines externen äußeren Verhältnisses geschieht.
Das konventionelle Magnetelement 1' stellt einen magnetischen Spin-Tunnelkontakt dar. Teilbereiche des magnetischen Spin-Tunnelkontakts 1' entsprechen dem konventionellen Spin-Ventil 1. Folglich umfasst das konventionelle Magnetelement 1' eine antiferromagnetische Schicht 2', eine konventionelle gepinnte Schicht 4', eine isolierende Barriereschicht 6' und eine freie Schicht 8'. Die konventionelle Barriereschicht 6' ist dünn genug, so dass die Elektronen in einen konventionellen magnetischen Spin-Tunnelkontakt 1' tunneln können.
In Abhängigkeit der Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht 8 oder 8' und jener der gepinnten Schicht 4 oder entsprechend 4' wird der Widerstand des konventionellen Magnetelements 1 oder entsprechend 1' variieren. Für den Fall, dass die Magnetisierung der freien Schicht 8 und der gepinnten Schicht 4 parallel zueinander orientiert sind, wird der Widerstand des konventionellen Spin-Ventils 1 klein sein. Wenn die Magnetisierungsrichtungen der freien Schicht 8 und der gepinnten Schicht 4 antiparallel zueinander orientiert sind, wird der Widerstand des konventionellen Spin-Ventils 1 hoch sein. Entsprechend wird für den Fall, dass die Magnetisierungsrichtungen der freien Schicht 8' und der gepinnten Schicht 4' parallel zueinander verlaufen, der Widerstand des konventionellen Spin-Tunnelkontakts 1' klein sein. Wenn die Magnetisierungsrichtungen für die freie Schicht 8' und die gepinnte Schicht 4' antiparallel zueinander orientiert sind, wird der Widerstand des konventionellen Spin-Tunnelkontakts 1' hoch sein.
Um den Widerstand des konventionellen Magnetelements 1/1' zu bestimmen, wird durch das konventionelle Magnetelement 1/1' Strom geleitet. Die Stromdurchleitung im konventionellen Magnetelement 1 kann in einer von zwei Anordnungen erfolgen, als „Strom in der Schichtebene" (current in plane – CIP) oder als „Strom senkrecht zur Schichtebene" (current perpendicular to plane – CPP). Allerdings erfolgt für den konventionellen Spin-Tunnelkontakt 1' die Stromdurchleitung in der CPP-Anordnung. Für die CIP-Anordnung wird der Strom parallel zu den Schichtebenen des konventionellen Spin-Ventils 1 geleitet. Demnach wird für die CIP-Anordnung aus der Sicht von 1A der Strom von links nach rechts oder von rechts nach links geleitet. In der CPP-Anordnung wird der Strom senkrecht zu den Schichtebenen des konventionellen Magnetelements 1/1' geleitet. Folglich wird für die CPP-Anordnung entsprechend den Darstellungen in 1A oder 1B der Strom nach oben oder nach unten geleitet. Die CPP-Anordnung wird für MRAMs mit einem konventionellen Spin-Tunnelkontakt 1' in der Speicherzelle verwendet.
2 zeigt eine konventionelle Speichermatrix 10, die konventionelle Speicherzellen 20 verwendet. Jede der konventionellen Speicherzellen 20 umfasst ein konventionelles Magnetelement 1/1', welches als Widerstand in 2 dargestellt ist. Die konventionelle Speichermatrix 10 verwendet typischerweise Spin-Tunnelkontakte 1'. Die konventionelle Matrix 10 wird mit vier konventionellen Speicherzellen 20 dargestellt. Jede der Speicherzellen 20 umfasst einen konventionellen Spin-Tunnelkontakt 1' und einen Transistor 22. Die Speicherzellen 20 sind für das Lesen/Schreiben mit den Bitleitungen 32 und 34 für die Spaltenauswahl 30 und für die Zeilenauswahl 50 mit den Wortleitungen 52 und 54 verbunden. Ferner werden die Schreibleitungen 60 und 62 dargestellt, welche zur Übertragung von Strömen dienen, die externe magnetische Felder für die jeweiligen konventionellen Speicherzellen 20 während des Schreibens erzeugen. Die Spaltenauswahl für das Lesen/Schreiben 30 ist mit der Quelle für den Schreibstrom 42 und mit der Quelle für den Auslesestrom 40 verbunden, welche wiederum mit der Spannungsversorgung Vdd 48 über die Leitung 46 in Verbindung stehen.
Für einen Schreibzugriff auf die konventionelle Speichermatrix 10 wird ein Schreibstrom Iw 42 über die Bit-Leitung 32 oder 34 übertragen, welche durch die Spaltenauswahl für das Lesen/Schreiben 30 ausgewählt wurde. Der Auslesestrom Ir 40 wird nicht angelegt. Beide Wortleitungen 52 und 54 sind nicht aktiv. Die Transistoren 22 in jeder der Speicherzellen werden nicht angesteuert. Ferner trägt eine der Schreibleitungen 60 und 62 einen Strom, der dazu verwendet wird, einen Schreibzugriff auf die ausgewählte konventionelle Speicherzelle 20 auszuführen. Die Kombination des Stroms in der Schreibleitung 60 oder 62 und des Stroms in der Bitleitung 32 oder 34 erzeugt ein magnetisches Feld, das groß genug ist, um die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 8' zu ändern und folglich einen Schreibeintrag in der gewünschten konventionellen Speicherzelle 20 auszuführen. In Abhängigkeit der in die konventionelle Speicherzelle 20 geschriebenen Daten wird der konventionelle magnetische Tunnelkontakt 1' einen hohen oder einen niedrigen Widerstand aufweisen.
Wenn eine konventionelle Zelle 20 in der konventionellen Speichermatrix 10 ausgelesen wird, wird stattdessen ein Auslesestrom Ir 40 angelegt. Die für das Auslesen ausgewählte Speicherzelle 20 wird durch die Zeilenauswahl 50 und die Spaltenauswahl 30 festgelegt.
Die Ausgangsspannung wird über die Ausgangsleitung 44 ausgelesen. Obwohl konventionelle magnetische Speicher 10, welche konventionelle Spin-Tunnelkontakte 1' verwenden, funktionsfähig sind, wird ein Fachmann unmittelbar erkennen, dass für die Verwendung konventioneller magnetischer Elemente 1' und konventioneller Magnetspeicher 10 Grenzen für höhere Speicherzellendichten existieren. Insbesondere werden konventionelle magnetische Speicher 10 mittels eines externen Magnetfelds beschrieben, das durch die durch die Bitleitungen 32 oder 34 und die Schreibleitungen 60 oder 62 fließenden Stroms bewirkt wird. In anderen Worten wird die Magnetisierung der freien Schicht 8' durch das externe magnetische Feld umgeschaltet, welches durch den über die Bit-Leitung 32 oder 34 und die Schreibleitung 60 oder 62 übertragenen Strom erzeugt wird. Das magnetische Feld, das zur Umschaltung der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 8' notwendig ist, wird als Schaltfeld bezeichnet und ist invers proportional zur Ausdehnung des konventionellen Magnetelements 1'. Als Folge nimmt das Schaltfeld für konventionelle Speicher mit kleinen Magnetelementen 1' zu. Aufgrund der höheren Schaltfelder nimmt der durch die Bit-Leitung 32 oder 34 und insbesondere durch die Schreibleitung 60 oder 62 zu leitende Strom drastisch für eine höhere Dichte der magnetischen Speicherzellen zu. Derart große Ströme können für konventionelle magnetische Speicher 10 zu einer Vielzahl von Problemen führen. Beispielsweise nehmen das Übersprechen und die Leistungsaufnahme zu. Zusätzlich nimmt die Flächengröße und die Komplexität der Steuerschaltkreise zur Steuerung der Ströme, welche das Umschaltfeld an der gewünschten Speicherzelle 20 erzeugen, zu. Ferner müssen die konventionellen Schreibströme groß genug sein, um ein Umschalten in einer magnetischen Speicherzelle zu bewirken, jedoch nicht derart groß, dass die benachbarten Zellen unbeabsichtigter Weise umgeschaltet werden. Diese obere Grenze für die Amplitude der Schreibströme betrifft Fragen der Ausfallsicherheit, da in Zellen, welche schwerer als andere zu schalten sind (aufgrund von Ungleichmäßigkeiten in der Fertigung und des Materials) ein wiederholbares Beschreiben nicht möglich sein wird.
Entsprechend besteht die Notwendigkeit für ein System oder ein Verfahren, die zu einem magnetischen Speicherelement führen, das in einer Speichermatrix hohe Dichte mit einer geringen Leistungsaufnahme, einem geringen Übersprechen und hoher Ausfallsicherheit verwendet werden kann, während gleichzeitig ein ausreichendes Auslesesignal zur Verfügung gestellt wird. Die vorliegende Erfindung zielt auf die Nachfrage für ein solches magnetisches Speicherelement.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Magnetelement und einen magnetischen Speicher, der ein Magnetelement verwendet. Das Magnetelement umfasst eine erste gepinnte Schicht, eine nicht magnetische Abstandsschicht, eine freie Schicht, eine Barriereschicht und eine zweite gepinnte Schicht. Die gepinnte Schicht weist eine erste Magnetisierung auf, welche in eine erste Richtung gepinnt ist. Die nicht magnetische Abstandsschicht ist leitfähig und zwischen der ersten gepinnten Schicht und der freien Schicht angeordnet. Die freie Schicht weist eine zweite Magnetisierung auf. Die Barriereschicht befindet sich zwischen der freien Schicht und der zweiten gepinnten Schicht und ist ein Isolator mit einer Dicke, welche es den Elektronen ermöglicht, durch die Barriereschicht hindurchzutunneln. Die zweite gepinnte Schicht weist eine dritte Magnetisierung auf, welche in eine zweite Richtung gepinnt ist. Das Magnetelement ist so ausgestaltet, dass ein Wechsel der zweiten Magnetisierung der freien Schicht aufgrund von Spin-Transfers beim Durchleiten des Schreibstroms durch das Magnetelement ermöglicht wird.
Gemäß des Systems und des Verfahrens, welche vorliegend offenbart werden, führt die vorliegende Erfindung zu einem Magnetelement und zu einem Magnetspeicher, welcher mittels eines effizienteren und besser zu lokalisierenden Prinzips beschrieben werden kann und der gleichzeitig ein hohes Ausgangssignal erzeugt.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1A zeigt ein Diagramm eines konventionellen Magnetelements in Form eines Spin-Ventils.
1B zeigt ein Diagramm eines konventionellen Magnetelements in Form eines Spin-Tunnelkontakts, entsprechend der Elemente, welche in einem Magnetspeicher verwendet werden.
2 zeigt ein Diagramm einer konventionellen magnetischen Speichermatrix.
3 zeigt ein Diagramm, das ein Ausgestaltungsbeispiel eines Magnetelements gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
4 zeigt ein Diagramm, welches ein weiteres, bevorzugtes Ausgestaltungsbeispiel für ein Magnetelement gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
5 zeigt ein Diagramm, das ein Ausgestaltungsbeispiel für einen Magnetspeicher gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, welcher ein erfindungsgemäßes Magnetelement verwendet.
6 zeigt ein Flussdiagramm als Übersicht, welches ein Ausgestaltungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren darstellt, welches dazu dient, ein Magnetelement gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung für Magnetelemente und Magnetspeicher, beispielsweise MRAMs. Die nachfolgende Beschreibung soll einen Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung zu realisieren und zu verwenden und wird im Zusammenhang mit einer Patentanmeldung und den hieraus sich ergebenden Anforderungen dargelegt. Unterschiedliche Modifikationen für das bevorzugte Ausgestaltungsbeispiel sind für einen Fachmann unmittelbar ersichtlich und die nachfolgend dargelegten grundlegenden Prinzipien können für andere Ausgestaltungen angewandt werden. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränkt sein, sondern ist im weitest möglichen Rahmen der nachfolgend beschriebenen Prinzipien und Merkmale zu sehen.
Wie voranstehend dargelegt besteht eine der Herausforderungen bei einer Erhöhung der Dichte konventioneller Magnetspeicher darin, dass ein starker Strom benötigt wird, um eine Schreiboperation in einem konventionellen Magnetspeicher vorzunehmen, beispielsweise dem konventionellen Magnetspeicher 10 entsprechend der Darstellung in 2, welcher die konventionellen Magnetelemente 1' aus 1B verwendet. In anderen Worten ausgedrückt, ist der zur Schaltung des magnetischen Feldes der freien Schicht notwendige Strom groß. Dieser große Strom kann deshalb problematisch sein, da hieraus ein Übersprechen und eine hohe Leistungsaufnahme resultieren können.
Um einige der Schwierigkeiten zu überwinden, welche mit Magnetspeichern, die eine hohe Dichte an Speicherzellen aufweisen, verbunden sind, kann das kürzlich entdeckte Phänomen des Spin-Transfers verwendet werden. Der derzeitige Wissensstand über den Spin-Transfer wird detailliert in J. C. Slonczewski, „Current-driven Excitation of Magnetic Multilayers", Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 159, S. L1–L5 (1996); L. Berger, „Emission of Spin Waves by A Magnetic Multilayer Traversed by a Current," Phys. Rev. B., Vol. 54, S. 9353 (1996), und in F.J. Albert, J.A. Katine and R.A. Buhman, "Spin-polarized Current Switching of a Co Thin Film Nanomagnet," App. Phys. Lett., Vol. 77, No. 23, S. 3809–3811 (2000), beschrieben. Folglich gründet die nachfolgende Beschreibung zum Spin-Transfer auf dem derzeitigen Kenntnisstand und soll den Umfang der Erfindung nicht begrenzen.
Der Effekt des Spin-Transfers entsteht durch die vom Spin abhängigen Transporteigenschaften der Elektronen in ferromagnetischen/normalmetallischen Mehrfachschichten. Durchläuft ein spinpolarisierter Strom eine magnetische Mehrfachschicht in einer CPP-Anordnung, tritt der Spin-Drehimpuls der in die ferromagnetische Schicht eintretenden Elektronen in eine Wechselwirkung mit den magnetischen Momenten in der ferromagnetischen Schicht in der Nähe der Grenzfläche zwischen der ferromagnetischen und der normalmetallischen Schicht. Durch diese Wechselwirkung übertragen die Elektronen einen Teil ihrer Drehimpulse auf die ferromagnetische Schicht. Als Folge kann ein spinpolarisierter Strom die Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht umschalten, falls die Stromdichte hoch genug ist (ungefähr 10⁷–10⁸ A/cm²) und falls die Abmessungen der Mehrfachschicht klein sind (ungefähr kleiner als 200 nm), so dass die Eigenfeldeffekte nicht von Bedeutung sind. Zusätzlich muss zur Ermöglichung einer Umschaltung der Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht durch Spin-Transfer die ferromagnetische Schicht hinreichend dünn sein, beispielsweise bevorzugt eine Stärke von weniger als 10 nm für Co aufweisen.
Der Effekt des Spin-Transfers kann in einer CPP-Anordnung als Alternative oder zusätzlich zur Verwendung eines externen Umschaltfeldes zur Umschaltung der Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht 8 oder 8' eines konventionellen Spin-Ventils 1 oder entsprechend eines konventionellen Spin-Tunnelkontakts 1' verwendet werden. Wenn die Abmessungen eines konventionellen Magnetelements 1/1' klein sind, etwa im Bereich von einigen 100 nm, tritt der Effekt des Spin-Transfers dominanter hervor und kann folglich beobachtet werden. Als Folge ist der Spin-Transfer für Magnetspeicher mit höherer Dichte, welche kleinere Magnetelemente 1/1' aufweisen, verwendet werden.
Beispielhaft wird das Umschalten der Magnetisierungsrichtung für eine konventionelle freie Schicht 8 in einem konventionellen Spin-Ventil 1 mittels Spin-Transfer beschrieben. Ein Strom kann von der konventionellen freien Schicht 8 zur konventionellen gepinnten Schicht 4 geleitet werden, um die Magnetisierung der konventionellen freien Schicht 8 so umzuschalten, dass diese parallel zur Magnetisierung der konventionellen gepinnten Schicht 4 verläuft. Die Magnetisierungsrichtung der konventionellen freien Schicht 8 wird als ursprünglich antiparallel zur konventionellen gepinnten Schicht 4 verlaufend angenommen. Wird ein Strom von der konventionellen freien Schicht 8 zur konventionell gepinnten Schicht 4 geleitet, so bewegen sich Leitungselektronen von der konventionellen gepinnten Schicht 4 zur konventionellen freien Schicht 8. Die Majoritätselektronen von der konventionellenen gepinnten Schicht 4 weisen einen Spin auf, welcher entsprechend zur Magnetisierung der konventionellen, gepinnten Schicht 4 polarisiert ist. Diese Elektronen treten in Wechselwirkung zu den magnetischen Momenten der konventionellen freien Schicht 8 im Bereich der Grenzfläche zwischen der konventionellen freien Schicht 8 und der konventionellen Abstandsschicht 6. Als Folge dieser Wechselwirkung transferieren die Elektronen ihren Spin-Drehimpuls zur konventionellen freien Schicht 8. Folglich wird ein Drehimpuls zur konventionellen freien Schicht transferiert, welcher entsprechend den Spins antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der konventionellen freien Schicht 8 orientiert ist (parallel zur konventionellen gepinnten Schicht 4). Wird ein ausreichender Drehimpuls von den Elektronen transferiert, kann die Magnetisierung der konventionellen freien Schicht 8 zu einer parallel zur Magnetisierung der konventionellen gepinnten Schicht verlaufenden Orientierung umgeschaltet werden.
Alternativ kann der Strom von der konventionellen gepinnten Schicht 4 zur konventionellen freien Schicht 8 geleitet werden, um die Orientierung der Magnetisierung der konventionellen freien Schicht 8 als antiparallel zur Magnetisierung der konventionellen gepinnten Schicht 8 verlaufend umzuschalten. Für diesen Fall wird angenommen, dass die Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht 8 ursprünglich parallel zu jener der gepinnten Schicht 4 verläuft. Wird ein Strom von der konventionellen gepinnten Schicht 4 zur konventionellen freien Schicht 8 zugeleitet, werden sich die Elektronen in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Die Majoritätselektronen weisen einen Spin auf, welcher in die Richtung der Magnetisierung der konventionellen freien Schicht 8 orientiert ist, welche ursprünglich in die mit der Orientierung der Magnetisierung der konventionellen gepinnten Schicht 4 übereinstimmenden Richtung ausgerichtet ist. Diese Majoritätselektronen werden durch die konventionelle gepinnte Schicht 4 hindurchgeleitet. Die Minoritätselektronen, welche einen Spin aufweisen, der antiparallel zur konventionellen freien Schicht 8 und zur konventionellen gepinnten Schicht 4 orientiert ist, werden von der konventionellen gepinnten Schicht 4 reflektiert und bewegen sich zurück zur konventionellen freien Schicht 8. Die von der konventionellen gepinnten Schicht 4 reflektierten Minoritätselektronen wechselwirken mit den magnetischen Momenten in der konventionellen freien Schicht 8 und transferieren wenigstens einen Teil ihres Spin-Drehimpulses zur konventionellen freien Schicht 8. Wird durch die Elektronen ein ausreichender Drehimpuls zur konventionellen freien Schicht 8 transferiert, so kann ein Umschalten der Magnetisierungsrichtung für die freie Schicht 8 bewirkt werden, so dass diese antiparallel zur Magnetisierung der konventionellen gepinnten Schicht 4 verläuft.
Durch das Anlegen eines Stroms, der durch das konventionelle Magnetelement 1 oder 1' in CPP-Anordnung geleitet wird, ist es möglich, über den Spin-Transfer die Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht 8 oder entsprechend 8' umzuschalten. Demgemäß kann Spin-Transfer dazu verwendet werden, auf Magnetelemente 1 oder 1' in einem Magnetspeicher zu schreiben, indem Strom durch die konventionellen Magnetelemente 1 oder 1' geleitet wird. Das Wirkprinzip einer Schreiboperation mittels Spin-Transfer ist demgemäß stärker lokalisiert und erzeugt weniger Übersprechen. Spin-Transfer führt zu einer höheren Ausfallsicherheit, da hohe effektive Felder über dem Spin-Transfer in den konventionellen Magnetelementen 1/1' für ein Bauteil, wie etwa einem MRAM resultieren. Zusätzlich ist für ein Magnetelement 1 oder 1' mit einer Größe, die klein genug ist, der notwendige Strom zur Umschaltung der Magnetisierungsrichtung wesentlich geringer als der Strom, der notwendig ist, um das Umschaltfeld in einem konventionellen Magnetspeicher 10 zu erzeugen. Demnach liegt eine geringere Leistungsaufnahme für die Schreiboperation vor.
Obwohl der Effekt des Spin-Transfers für die Umschaltung der Magnetisierungsrichtung für eine konventionelle freie Schicht 8/8' angewandt werden kann, wird ein Fachmann unmittelbar erkennen, dass für die Verwendung konventioneller Magnetelemente 1/1' als Speicher weitere Beschränkungen bestehen. Für ein konventionelles Spin-Ventil 1 resultiert für die CPP-Anordnung ein deutlich reduziertes Signal. Beispielsweise beträgt das Verhältnis für den Magnetwiderstand für ein konventionelles Spin-Ventil 1 in CPP-Anordnung nur ungefähr 2%. Zusätzlich ist der Gesamtwiderstand des konventionellen Spin-Ventils 1 gering. Obwohl Spin-Transfer für eine Schreiboperation eines konventionellen Spin-Ventils 1 verwendet werden kann, ist das Ausgangssignal beim Auslesen des konventionellen Spin-Ventils 1 so schwach, dass es schwierig ist, das konventionelle Spin-Ventil 1 in einem Magnetspeicher zu verwenden, welcher für die Schreiboperationen Spin-Transfer verwendet.
Andererseits weist ein konventioneller Spin-Tunnelkontakt 1 mit Ra ~ kΩ μm² typischerweise ein großes Produkt aus Widerstand und Fläche auf. Eine hohe Stromdichte, welche zur Erzeugung eines Spin-Transfers notwendig ist, kann aufgrund ohmscher Verluste die dünne Isolationsschicht zerstören. Weiterhin wurde Spin-Transfer für konventionelle Spin-Tunnelkontakte 1' nicht bei Raumtemperatur beobachtet. Folglich sind konventionelle Spin-Tunnelkontakte 1 mit hohen Ra-Werten wahrscheinlich nicht dafür geeignet, in einem MRAM verwendet zu werden, welches für Schreiboperationen in die magnetischen Speicherzellen Spin-Transfer verwendet. Folglich wird ein Fachmann erkennen, dass eine verlässliche, lokalisierte Methode zur Durchführung einer Schreiboperation in einem Magnetspeicher hoher Dichte und mit kleinen Magnetelementen weiterhin gesucht wird.
Die vorliegende Erfindung führt zu einem Magnetelement und einem Magnetspeicher, der das Magnetelement verwendet. Das Magnetelement umfasst eine erste gepinnte Schicht, eine nicht magnetische Abstandsschicht, eine freie Schicht, eine Barriereschicht und eine zweite gepinnte Schicht. Die erste und die zweite gepinnte Schicht wie auch die freie Schicht sind ferromagnetisch. Die gepinnte Schicht weist eine erste Magnetisierung auf, die in eine erste Richtung gepinnt ist. Die nicht magnetische Abstandsschicht ist leitfähig und ist zwischen der ersten gepinnten Schicht und der freien Schicht angeordnet. Die freie Schicht weist eine zweite Magnetisierung auf. Die Barriereschicht ist zwischen der freien Schicht und der zweiten gepinnten Schicht angeordnet und stellt einen Isolator dar, der eine Dicke aufweist, welche ein Durchtunneln der Barriereschicht erlaubt. Die zweite gepinnte Schicht weist eine dritte Magnetisierung auf, die in eine zweite Richtung gepinnt ist. Das Magnetelement ist so ausgestaltet, dass eine Richtungsänderung der zweiten Magnetisierung für die freie Schicht aufgrund von Spin-Transfer möglich ist für den Fall, dass ein Schreibstrom durch das Magnetelement geleitet wird.
Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit einem bestimmten Magnetspeicher und einem bestimmten Magnetelement, das bestimmte Komponenten aufweist, beschrieben. Allerdings wird ein Fachmann unmittelbar erkennen, dass dieses Verfahren und das System auch für andere magnetische Speicherelemente mit unterschiedlichen und/oder zusätzlichen Komponenten und anderen Magnetspeichern, welche unterschiedliche und/oder weitere Merkmale aufweisen, welche nicht mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmen, effizient funktioniert. Die vorliegende Erfindung wird ferner im Zusammenhang mit dem gegenwärtigen Verständnis des Spin-Transfereffekts beschrieben. Entsprechend wird ein Fachmann unmittelbar erkennen, dass theoretische Erklärungen für das Verfahren und das System auf dem gegenwärtigen Verständnis des Spin-Transfers basieren. Ein Fachmann wird unmittelbar erkennen, dass das Verfahren und das System im Zusammenhang mit einer Struktur beschrieben werden, welche ein bestimmtes Verhältnis zum Substrat aufweist. Allerdings wird ein Fachmann unmittelbar erkennen, dass das Verfahren und das System auch mit anderen Strukturen verträglich sind. Beispielsweise wird die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem unterseitig angeordneten Spin-Ventil (die gepinnte Schicht befindet sich im unteren Bereich des Spin-Ventils) in Verbindung mit einem oberseitig angeordneten Spin-Tunnelkontakt (die gepinnte Schicht befindet sich im oberen Bereich des Spin-Tunnelkontakts) beschrieben. Die vorliegende Erfindung steht ferner in Übereinstimmung mit einem oberseitig angeordneten Spin-Ventil und einem unterseitig angeordneten Spin-Tunnelkontakt. Weiterhin werden das Verfahren und das System im Zusammenhang mit bestimmten synthetischen Schichten beschrieben. Allerdings wird ein Fachmann unmittelbar erkennen, dass andere und/oder zusätzliche Schichten synthetisch hergestellt sein können.
Um das Verfahren und das System gemäß der vorliegenden Erfindung besser darstellen zu können, wird nun Bezug auf 3 genommen, welche eine Ausgestaltung des Magnetelements 100 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt. Anzumerken ist, dass weitere Lagen, wie beispielsweise Bekeimungs- oder Capping-Schichten zur besseren Klarheit nicht dargestellt sind. Das Magnetelement 100 wird auf einem Substrat 101 ausgebildet. Das Magnetelement 100 umfasst eine erste antiferromagnetische Schicht 102, eine erste gepinnte Schicht 104, eine leitfähige Abstandsschicht 106, eine freie Schicht 108, eine isolierende Barriereschicht 110, eine zweite gepinnte Schicht 112 und eine zweite antiferromagnetische Schicht 114. So ist ersichtlich, dass die erste gepinnte Schicht 104, die freie Schicht 108 und die zweite gepinnte Schicht 112 als einkomponentige ferromagnetische Schichten dargestellt sind. Allerdings wird ein Fachmann unmittelbar erkennen, dass jeder Bereich der Schichten 104, 108 und 112 synthetisch sein kann. Das Magnetelement 100 kann als eine Kombination aus einem Spin-Ventil und einem Spin-Tunnelkontakt angesehen werden. Für ein Spin-Ventil wird angenommen, dass dies eine erste antiferromagnetische Schicht 102, eine erste gepinnte Schicht 104, eine leitfähige Abstandsschicht 106 und eine freie Schicht 108 umfasst. Für den Spin-Tunnelkontakt wird angenommen, dass dieser eine freie Schicht 108, eine isolierende Barriereschicht 110, eine zweite gepinnte Schicht 112 und eine zweite antiferromagnetische Schicht 114 umfasst. Für die bevorzugte Ausgestaltung erfolgt eine Schreiboperation auf die freie Schicht 108 mittels Spin-Transfer durch den das Spin-Ventil umfassenden Teilbereich des Magnetelements 100, während der Bereich mit dem Spin-Tunnelkontakt des Magnetelements 100 zur Auslesung des Magnetelements 100 verwendet wird.
Das Magnetelement 100 ist so ausgestaltet, dass eine Umschaltung der Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht 108 mittels Spin-Transfer möglich ist. Entsprechend sind die Größendimensionen des Magnetelements 100 klein und bewegen sich im Bereich einiger 100 nm. Für ein bevorzugtes Ausgestaltungsbeispiel sind die Größendimensionen des Magnetelements 100 geringer als 200 nm und bevorzugt ungefähr 100 nm. Das Magnetelement 100 weist bevorzugt eine Tiefe senkrecht zur Papierebene in 3 auf, welche ungefähr 50 nm beträgt. Bevorzugt ist die Tiefe kleiner als die Weite des Magnetelements 100, so dass das Magnetelement eine gewisse Anisotropie in der Form aufweist, wodurch sichergestellt wird, dass die freie Schicht 108 eine Vorzugsrichtung aufweist. Zusätzlich ist die Stärke der freien Schicht 108 klein genug, so dass der Spin-Transfer groß genug ist, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zur Magnetisierungsrichtung der gepinnten Schichten 104 und 112 auszurichten. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die freie Schicht 108 eine Stärke von 10 nm oder kleiner auf.
Die gepinnten Schichten 104 und 112 und die freie Schicht 108 sind ferromagnetisch. Die gepinnten Schichten 104 und 112 wie auch die freie Schicht 108 umfassen bevorzugt Co, Fe, Ni sowie deren Legierungen. Ferner wird für eine bevorzugte Ausgestaltung die jeweilige Materialstärke der ferromagnetischen Schichten 104, 108 und 112 so ausgewählt, dass die Wechselwirkung und die entmagnetisierenden Felder der ferromagnetischen Schichten ausgeglichen werden, so dass die freie Schicht 108 keine starke Nettospannung spürt. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass sich die Gesamtheit aus dem magnetostatischen Feld, der Effekt der Zwischenschicht und die statisch gekoppelten Felder bevorzugt zu Null aufsummieren, um die Vorspannung auf die freie Schicht 108 zu reduzieren. Ferner weist das Magnetelement, wie voranstehend beschrieben, bevorzugt eine anisotrope Form auf, so dass die freie Schicht 108 eine Vorzugsrichtung aufweist. Zusätzlich wird bevorzugt eine Bekeimungsschicht (nicht dargestellt) wie Ta oder NiFeCr unter der antiferromagnetischen Schicht vorgesehen, um sicherzustellen, dass die antiferromagnetische Schicht 102 die gewünschte Struktur und die gewünschten Eigenschaften aufweist. Die leitfähige Abstandsschicht 106 ist bevorzugt aus Cu oder aus einem anderen nicht magnetischen Übergangsmetall. Die Barriereschicht 110 ist dünn genug, um das Durchtunneln der Elektronen durch die Barriereschicht 110 zu ermöglichen und besteht bevorzugt aus Aluminium. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann die Barriereschicht 110 andere dielektrische Materialien umfassend, wobei diese ohne Beschränkung AlN, Ta₂U₅, SiO₂, HfO₂, ZrO₂, MgO, MgF₂ und CaF₂ sein können.
Die Magnetisierungsrichtungen der ersten gepinnten Schicht 104 und der zweiten gepinnten Schicht 112 sind als in entgegengesetzte Richtungen gepinnt dargestellt. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung sind für die gepinnten Schichten 104 und 112 die Magnetisierungen in die gleiche Richtung gepinnt. Wird beispielsweise eine synthetische freie Schicht verwendet, so sind die gepinnten Schichten 104 und 112 bevorzugt in die gleiche Richtung gepinnt. Für eine Ausgestaltung, welche möglicherweise nicht so leistungsfähig wie die bevorzugte Ausgestaltung ist, können die gepinnten Schichten 104 und 112 auch für den Fall, dass eine einfache freie Schicht verwendet wird, in die gleiche Richtung gepinnt sein. Folglich wird für eine bevorzugte Ausgestaltung vorgesehen, dass die gepinnten Schichten 104 und 112, die benachbart zur Abstandsschicht 106 und entsprechend der Barriereschicht 110 angeordnet sind, in entgegengesetzte Richtungen zueinander ausgerichtet sind. Diese Orientierung wird deshalb bevorzugt, da für den nachfolgend beschriebenen Fall, dass der Spin-Tunnelkontaktbereich des Magnetelements 100 einen Beitrag zum Spin-Transfer leistet, eine Schreiboperation auf das Magnetelement mit Hilfe einer kleineren Stromdichte ausgeführt werden.
Die antiferromagnetischen Schichten 102 und 114 werden dazu verwendet, die Magnetisierung der gepinnten Schichten 104 und entsprechend 112 zu pinnen. Die antiferromagnetischen Schichten 102 und 114 bestehen bevorzugt aus PtMn. Allerdings besteht kein Hinderungsgrund, dass die antiferromagnetischen Schichten 102 und 114 weitere antiferromagnetische Materialien, wie beispielsweise NiMn, PtMn und IrMn, umfassen. PtMn wird bevorzugt für die antiferromagnetischen Schichten 102 und 114 verwendet, da PtMn eine hohe Blockadetemperatur und ein hohes Austausch-Bias-Feld aufweist, wodurch die thermische Stabilität des Magnetelements 100 verbessert wird. Für eine solche Ausgestaltung kann die Orientierung der antiferromagnetischen Schichten durch das Tempern des Magnetelements 100 in einem Feld von wenigstens 5000 Oersted bei ungefähr 270° Celsius für drei bis zehn Stunden eingestellt werden. Unterschiedliche Blockadetemperaturen aufweisende antiferromagnetische Schichten 102 und 114 werden bevorzugt dazu verwendet, die gepinnten Schichten 104 und 112 in unterschiedliche Richtungen zu pinnen. Weist die antiferromagnetische Schicht 102 eine höhere Blockadetemperatur im Vergleich zur antiferromagnetischen Schicht 114 auf, so kann die Orientierung der antiferromagnetischen Schicht 114 unabhängig von jener der antiferromagnetischen Schicht 102 durch Tempern des Magnetelements 100 bei der Blockadetemperatur der antiferromagnetischen Schicht 114 eingestellt werden. Als Resultat kann das Pinnen der Magnetisierung der gepinnten Schichten 102 und 114 in unterschiedliche Richtungen erfolgen.
Im Betrieb wird das Magnetelement 100 mittels Spin-Transfer beschrieben. Derzeit erfolgt der Spin-Transfer-Effekt vorwiegend über den das Spin-Ventil umfassenden Bereich des Magnetelements 100. Insbesondere kann ein Stromfluss von der zweiten gepinnten Schicht 112 durch die freie Schicht 108 zur ersten gepinnten Schicht 104 erfolgen. Ein solcher Strom entspricht einer Polarisierung der Spins der Elektronen in Richtung der Magnetisierung der ersten gepinnten Schicht 104 und kann daher die Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht 108 in die gleiche Richtung wie die erste gepinnte Schicht 104 einstellen. Entsprechend können für den Fall, dass der Stromfluss in die Gegenrichtung erfolgt, Minoritätselektronen von der ersten gepinnten Schicht 104 reflektiert werden und zur freien Schicht 104 zurückkehren, wodurch die Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht 108 entgegengesetzt zur Magnetisierung der gepinnten Schicht 104 umgeschaltet werden kann.
Entsprechend kann Spin-Transfer dazu verwendet werden, eine Schreiboperation auf dem Magnetelement 100 auszuführen. Als Folge ist es nicht notwendig, ein Umschaltfeld zu verwenden, welches durch einen externen Strom entsteht. Stattdessen wird ein stark lokalisierter und verlässlicher Effekt zur Durchführung einer Schreiboperation auf das Magnetelement 100 verwendet. Zusätzlich kann für ein Magnetelement mit den bevorzugten Abmessungen eine hinreichende Stromdichte in der Größenordnung von 10⁷ Amps/cm² verwendet werden, welche zu einem relativ kleinen Stromfluss führt. Beispielsweise kann durch einen Strom von ungefähr 0,5 mA eine Stromdichte von ungefähr 10⁷ Amps/cm² für ein Magnetelement mit einer elliptischen Form mit 0,06 × 0,12 μm² bereitgestellt werden. Als Folge kann die Verwendung spezieller Schaltkreise zur Erzeugung sehr hoher Ströme vermieden werden.
Weitere Fortschritte für Spin-Tunnelkontakte mit einem kleinen Ra-Wert von einigen wenigen Ω μm² können zu der Möglichkeit führen, den den Spin-Tunnelkontakt (108, 110, 112 und 114) umfassenden Bereich des Magnetelements 100 am Spin-Transfer beitragen zu lassen, da der Elektronen-Spin während des Tunnelns erhalten bleibt. Entsprechend weisen für eine bevorzugte Ausgestaltung die Magnetisierungsrichtungen der gepinnten Schichten 104 und 112 in entgegengesetzte Richtungen, so dass der den Spin-Tunnelkontakt umfassende Bereich des Magnetelements 100 die Möglichkeit erhält, geeignet zum Spin-Transfer beizutragen. Für eine solche Ausgestaltung wirkt der Spin-Transfer aufgrund der von der gepinnten Schicht 104 zur freien Schicht 108 wandernden Elektronen und jener, der durch die Leitungselektronen verursacht wird, die von der gepinnten Schicht 112 reflektiert und zur freien Schicht 108 zurückgeführt werden, zusammen, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 108 in Übereinstimmung mit der Magnetisierungsrichtung der gepinnten Schicht 104 zu bringen. Entsprechend wird der Spin-Transfer aufgrund der Bewegung der Leitungselektronen von der gepinnten Schicht 112 zur freien Schicht 108 und jener, der durch die Leitungselektronen, die von der gepinnten Schicht 104 reflektiert werden und zur freien Schicht 108 zurückkehren, zusammen, um die Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht 8 mit der Magnetisierungsrichtung der gepinnten Schicht 112 in Übereinstimmung zu bringen. Da die Magnetisierungsrichtungen der gepinnten Schichten 104 und 112 in entgegengesetzte Richtungen weisen, tragen für eine solche Ausgestaltung Fortschritte für die Spin-Tunnelkontakte dazu bei, die Möglichkeit eines Schreibzugriffs auf das Magnetelement 100 mittels Spin-Transfer zur verbessern. Für eine solche Ausgestaltung kann der notwendige Strom zum Umschalten der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 108 weiter verringert werden, beispielsweise um einen Faktor 2.
Während des Auslesens werden bevorzugt die Eigenschaften des den Spin-Tunnelkontakt umfassenden Teilbereichs des Magnetelements 100 ausgenutzt. Aufgrund des Vorhandenseins der isolierenden Barriere 110 und der zweiten gepinnten Schicht 112 dominiert der den Spin-Tunnelkontakt umfassende Bereich des Magnetelements 100 das Ausgangssignal. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass obwohl bei der Schreiboperation auf das Magnetelement 100 die Magnetisierung der freien Schicht 108 im Verhältnis zur ersten gepinnten Schicht 104 festgelegt wird, die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 108 im Verhältnis zu jener der zweiten gepinnten Schicht 110 dominierend für das Ausgangssignal des Magnetelements sowohl betreffend den Gesamtwiderstand wie auch Änderungen des Magnetwiderstands ist. Demnach bestimmt beim Auslesen der Zustand der freien Schicht 108 im Verhältnis zur zweiten gepinnten Schicht 112 (antiparallel oder parallel zur zweiten gepinnten Schicht 112) das Ausgangssignal des Magnetelements 100. Für den Fall, dass die freie Schicht 108 parallel zur zweiten gepinnten Schicht 112 orientiert ist, wird der Widerstand des Magnetelements 100 niedrig sein. Für den Fall, dass die freie Schicht 108 antiparallel zur zweiten gepinnten Schicht 112 orientiert ist, wird der Widerstand des Magnetelements 100 hoch sein. Der Ra-Wert des Magnetelements 100 ist bevorzugt in der Größenordnung von einigen Ω μm². Als Folge kann eine höhere Stromdichte in der Größenordnung von 10⁷ Amps/cm² zugeführt werden, ohne das Magnetelement 100 zu zerstören. Ferner weist das Magnetelement 100 ein hinreichendes Signal bei geringeren Stromdichten in der CPP-Anordnung auf, da der Magnetwiderstand, der aus dem den Spin-Tunnelkontakten umfassenden Teilbereich des Magnetelements 100 resultiert, viel größer ist, als jener, der durch den das Spin-Ventil umfassenden Teilbereich in der CPP-Anordnung gebildet wird (bevorzugt wird der 20-fache Wert).
Eine Schreib- und Ausleseoperation kann am Magnetelement 100 folglich durch einen Stromfluss durch das Magnetelement 100 bewirkt werden. Der durch das Magnetelement 100 geleitete Auslesestrom ist kleiner als der Stromfluss während des Schreibbetriebs des Magnetelements. Der Auslesestrom ist kleiner als der Strom für den Schreibbetrieb, um sicherzustellen, dass die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 108 des Magnetelements 100 nicht unbeabsichtigterweise während des Auslesens umgeschaltet wird. Für eine bevorzugte Ausgestaltung ist der Auslesestrom um eine Größenordnung kleiner als der Strom für den Schreibbetrieb.
Demnach kann ein Schreibzugriff auf das Magnetelement 100 erfolgen, indem der Effekt des Spin-Transfers ausgenutzt wird. Da Spin-Transfer verwendet wird, ist ein externer Strom, welcher ein externes Schaltmagnetfeld erzeugt, nicht länger notwendig, um eine Schreiboperation auf der freien Schicht 108 des Magnetelements 100 auszuführen. Stattdessen wird ein Strom verwendet, welcher durch das Magnetelement 100 geleitet wird. Als Folge entstehen ein verringertes Übersprechen, da ein starker lokalisierter Umschaltmechanismus verwendet wird, und eine geringere Leistungsaufnahme erfolgt. Darüber hinaus wurde erkannt, dass der Spin-Transfer einen verlässlicheren Schaltmechanismus darstellt im Vergleich zur Anwendung eines externen Umschaltfelds. Der Spin-Transfer erzeugt sehr hohe effektive Felder und kann daher einen höheren Anteil von Magnetelementen 100 im Speicher schalten. Ferner kann für ein Magnetelement mit den bevorzugten Größenabmessungen der Strom, welcher für den Schreibbetrieb des Magnetelements 100 notwendig ist, reduziert werden. Das Magnetelement 100 weist im Vergleich zu einem konventionellen Spin-Ventil ein deutlich größeres Ausgangssignal auf, wenn es in einer CPP-Anordnung ausgelesen wird, was sich durch das Vorliegen der Spin-Tunnelkontaktbereiche (Schichten 108, 110, 112 und 114) des Magnetelements 100 erklärt. Demnach ist das Magnetelement 100 für die Verwendung als Speicherelement in einem Magnetspeicher hoher Dichte, beispielsweise einem MRAM, geeignet.
4 zeigt ein Diagramm, welches ein weiteres, bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Magnetelements 100' gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Magnetelement 100' weist einige Komponenten auf, welche mit denen des in 3 dargestellten Magnetelements 100 übereinstimmen. Entsprechend werden identische Strukturen übereinstimmend zu dem in 4 gezeigten Magnetelement 100' bezeichnet. Zusätzlich werden diese Komponenten bevorzugt auf die gleiche Art und Weise hergestellt und bestehen aus den gleichen Materialien wie die analogen Komponenten des Magnetelements 100. Allerdings ist die zweite gepinnte Schicht 112' des Magnetelements 100' eine synthetische gepinnte Schicht 112'. Folglich umfasst die synthetische gepinnte Schicht 112' die ferromagnetischen Schichten 111 und 115, die voneinander durch eine nicht magnetische, leitfähige Abstandsschicht 113 getrennt sind. Die magnetischen Schichten 111 und 115 umfassen bevorzugt Co, Fe, Ni und die daraus resultierenden ferromagnetischen Legierungen, wie beispielsweise NiFe, CoFe oder CoNiFe. Weiterhin können die voranstehend genannten Materialien, welche ein gewisses Maß an Verunreinigungen aus B enthalten, ebenfalls als magnetische Schichten 111 und 115 verwendet werden. Die Verunreinigungen aus B führen zu einer größeren thermischen Stabilität des Materials. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung werden die Schichten 111 und 115 aus anderen magnetischen Materialien wie beispielsweise Halbmetallen als Ferromagneten umfassend CrO₂, NiMnSb und PtMnSb hergestellt sind. Die nichtmagnetischen Abstandsschichten 113 umfassen bevorzugt Materialien wie Ru, Ir und Re. Die Stärke der nichtmagnetischen Abstandsschichten wird so gewählt, dass die ferromagnetischen Schichten 111 und 115 antiferromagnetisch gekoppelt sind.
Die synthetische, gepinnte Schicht 112' wird deshalb bevorzugt, da so der Temper-Prozess vereinfacht wird, bei dem die gepinnten Magnetisierungsrichtungen der zweiten gepinnten Schicht 112' und der ersten gepinnten Schicht 104' festgelegt werden. Insbesondere erlaubt die Verwendung einer synthetischen, gepinnten Schicht 112 die Herstellung der antiferromagnetischen Schichten 102' und 114' aus dem gleichen Material, bevorzugt PtMn, und deren Ausrichtung in die gleiche Richtung. Die Orientierung der antiferromagnetischen Schichten 102' und 114' kann folglich im gleichen Herstellungsschritt bewirkt werden. Entsprechend sind die Magnetisierungsrichtungen der ersten gepinnten Schicht 104' und der ferromagnetischen Schicht 115 in die gleiche Richtung gepinnt. Die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 111 ist entgegengesetzt zur Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 115 und der gepinnten Schicht 104' orientiert. Als Folge können die gewünschten Magnetisierungsrichtungen für die ferromagnetischen Schichten 104' und 111 in der Nachbarschaft zur Abstandsschicht 106' und entsprechend zur Barriereschicht 110' einfacher eingestellt werden.
Folglich kann das Magnetelement 100' ebenfalls unter Ausnutzung des Spin-Transfereffekts beschrieben werden. Da Spin-Transfer verwendet wird, ist es nicht länger nötig, einen externen Strom, welcher ein externes Umschaltmagnetfeld erzeugt, zur Durchführung einer Schreiboperation auf die freie Schicht 108' des Magnetelements 100' zu verwenden. Als Folge ist der Mechanismus, der für das Umschalten der Magnetisierung der freien Schicht 108' verwendet wird, stärker lokalisiert. Zusätzlich kann Spin-Transfer einen größeren Anteil der magnetischen Speicherelemente schalten und ist daher ausfallsicherer. Ferner kann für einen Speicher höherer Dichte für ein Magnetelement 100' mit der bevorzugten Größe der notwendige Strom zur Ausführung einer Schreiboperation auf das Magnetelement 100' im Vergleich zum verwendeten Strom zur Ausführung einer Schreiboperation auf ein konventionelles Magnetelement 1' deutlich reduziert werden. Zusätzlich ist die Einstellung der Richtung der Pinnung des Magnetelements 100' vereinfacht, da eine synthetische, gepinnte Schicht 112' vorliegt, welche die Verwendung des gleichen antiferromagnetischen Materials, etwa PtMn, für beide gepinnte Schichten 104' und 112' zulässt. Die Verwendung antiferromagnetischer Materialien aus PtMn verbessert die thermische Stabilität des Magnetelements 100' wesentlich.
Ferner weist das Magnetelement 100 für den Fall, dass das Auslesen in einer CPP-Anordnung erfolgt, ein wesentlich erhöhtes Ausgangssignal im Vergleich zu einem konventionellen Spin-Ventil auf, was auf den Spin-Tunnelkontaktbereich (Schichten 108', 110', 112' und 114') des Magnetelements 100' zurückzuführen ist. Als Folge ist das Magnetelement 100' für die Verwendung als Speicherelement in einem Magnetspeicher höherer Dichte, beispielsweise einem MRAM, geeignet.
5 zeigt ein Diagramm, das eine Ausgestaltung einer magnetischen Speichermatrix 150 in Übereinstimmung zur vorliegenden Erfindung darstellt, welche das erfindungsgemäße Magnetelement 100 oder 100' verwendet. Die magnetische Speichermatrix 150 ist lediglich exemplarisch dargestellt und zeigt folglich eine Speichermatrix 150, in der die Magnetelemente 100 oder 100' unmittelbar in einen konventionellen Speicher aufgenommen sind. Folglich umfasst jede Speicherzelle 160 ein Magnetelement 100 oder 100' und einen Transistor 162. Die magnetische Speichermatrix 150 umfasst ferner einen Zeilenauswahlmechanismus 170, einen Spaltenauswahlmechanismus 180, Wortleitungen 172 und 174 und Bit-Leitungen 182 und 184. Die magnetische Speichermatrix 150 umfasst ferner eine Quelle für den Schreibstrom 190 und eine Quelle für den Auslesestrom 192. Allerdings umfasst die magnetische Speichermatrix 150 keine Schreibleitungen.
Da Spin-Transfer zum Durchführen einer Schreiboperation auf die Magnetelemente 100 und 100' verwendet wird, sind zusätzliche Leitungen, etwa die in 2 dargestellten Schreibleitungen 60 und 62 für einen konventionellen Speicher 10, nicht notwendig. Als Folge kann die Dichte des Magnetspeichers 150 weiter erhöht werden, ohne dass eine höhere Leistungsaufnahme eintritt oder weitere Probleme auftreten, welche mit dem konventionellen Schreibbetrieb für konventionelle Speicherelemente 1 und 1' verbunden sind. Zusätzlich kann der Schaltkreis vereinfacht werden, welcher für die Durchführung einer Schreiboperation auf das Magnetelement 100/100' verwendet wird, da auf separate Schreibleitungen verzichtet werden kann.
6 zeigt ein übergeordnetes Flussdiagramm, welches eine Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Verfahren 200 zur Herstellung eines Magnetelements gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Zur besseren Verständlichkeit ist das Verfahren 200 mit Bezug auf das Magnetelement 100 dargestellt. Allerdings kann das Verfahren 200 auch an andere Magnetelemente angepasst werden. Durch den Verfahrensschritt 202 wird die antiferromagnetische Schicht 102 erzeugt. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung entsteht die antiferromagnetische Schicht 102 auf einer geeigneten Bekeimungsschicht. Die erste gepinnte Schicht 104 und die leitfähige Abstandsschicht 106 entstehen in den Verfahrensschritten 204 und entsprechend 206. Der Verfahrensschritt 204 kann ferner die Erstellung einer synthetischen gepinnten Schicht umfassen. Die freie Schicht 108 und die Barriereschicht 110 entstehen in den Verfahrensschritten 208 und entsprechend 210. Der Verfahrensschritt 208 kann die Herstellung einer synthetischen freien Schicht umfassen. Die zweite gepinnte Schicht 112 und die zweite antiferromagnetische Schicht 114 werden durch die Verfahrensschritte 212 und entsprechend 214 hergestellt. Die Orientierungen der antiferromagnetischen Schichten 114 und 102 werden im Verfahrensschritt 216 festgelegt. Der Verfahrensschritt 216 kann die unabhängige Einstellung der Orientierung der antiferromagnetischen Schichten 102 und 114 umfassen, für den Fall, dass die gepinnten Schichten 104 und 112 in unterschiedliche Richtungen fixiert sind. Entsprechend können in Verfahrensschritt 216 die Orientierungen der antiferromagnetischen Schichten 102 und 114 festgelegt werden. Das Magnetelement 100 ist dann vollendet und weitere Prozessschritte können dann vervollständigt werden. Entsprechend können die Magnetelemente 100 und/oder 100' mittels des Verfahrens 200 hergestellt werden.
Es wurde ein Verfahren und ein System offenbart, die zu einem Magnetelement führen, welches mittels Spin-Transfer beschrieben werden kann und für welches ein kleiner und lokalisierter Umschaltstrom notwendig ist und welches zu einem adäquaten Auslesesignal führt. Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit den dargelegten Ausgestaltungsbeispielen beschrieben wurde, wird ein Fachmann unmittelbar erkennen, dass diese Ausführungsbeispiele variiert werden können und dass solche Variationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Entsprechend können von einem Fachmann vielzählige Modifikationen ausgeführt werden, ohne vom Schutzumfang gemäß der beigeschlossenen Ansprüche abzuweichen.

Claims

Magnetelement (100), umfassend: eine erste gepinnte Schicht (104), wobei die gepinnte Schicht elektromagnetisch ist und eine erste Magnetisierung aufweist und wobei die erste Magnetisierung in eine erste Richtung gepinnt ist; eine nicht magnetische Abstandsschicht (106), wobei die nicht magnetische Abstandsschicht nicht leitend ist; eine freie Schicht (108), wobei die erste nicht magnetische Abstandsschicht (106) zwischen der ersten gepinnten Schicht (104) und der freien Schicht (108) angeordnet ist und wobei die freie Schicht (108) ferromagnetisch ist und eine zweite Magnetisierung aufweist; eine Barriereschicht (110), wobei die Barriereschicht ein Isolator ist und eine solche Schichtstärke aufweist, dass ein Durchtunneln der Barriereschicht möglich ist; eine zweite gepinnte Schicht (112), wobei die zweite gepinnte Schicht (112) ferromagnetisch ist und eine dritte Magnetisierung, die in eine zweite Richtung gepinnt ist, aufweist, wobei die Barriereschicht zwischen der ersten freien Schicht (108) und der zweiten gepinnten Schicht (112) angeordnet ist; das Magnetelement (100) ist so ausgestaltet, dass ein Wechsel der zweiten Magnetisierung der freien Schicht (108) aufgrund von Spinntransfers beim Durchleiten eines Schreibstroms durch das Magnetelement (100) eintritt.
Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die erste Richtung entgegengesetzt zur zweiten Richtung verläuft.
Magnetelement nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine erste antiferromagnetische Schicht (102), die an die erste gepinnte Schicht (104) angrenzt, wobei die erste antiferromagnetische Schicht (102) dem Pinnen der ersten Magnetisierung für die erste gepinnte Schicht (104) dient; und eine zweite antiferromagnetische Schicht (114), die an die zweite gepinnte Schicht (112) angrenzt, wobei die zweite antiferromagnetische Schicht (114) dem Pinnen der dritten Magnetisierung für die zweite gepinnte Schicht (112) dient.
Magnetelement nach Anspruch 3, wobei die erste antiferromagnetische Schicht (102) eine erste Sperrtemperatur und die zweite antiferromagnetische Schicht (114) eine zweite Sperrtemperatur aufweisen, wobei die zweite Sperrtemperatur von der ersten Sperrtemperatur abweicht.
Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die erste gepinnte Schicht (104) eine synthetische, gepinnte Schicht ist.
Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die zweite gepinnte Schicht (112) eine synthetische, gepinnte Schicht ist.
Magnetelement nach Anspruch 1, wobei die freie Schicht (108) eine synthetische, freie Schicht ist.
Verfahren zur Verwendung eines magnetischen Speichers umfassend die Verfahrensschritte: (a) im Schreibmodus wird ein erster Teil einer Vielzahl von magnetischen Speicherzellen mittels des Durchleitens eines Schreibstroms in einer CPP-Konfiguration (CPP – Current Perpendicular to Plane) durch einen ersten Teil einer Vielzahl von Magnetelementen (100) beschrieben, wobei jedes der Magnetelemente (100) eine erste gepinnte Schicht (104), eine nicht magnetische Abstandsschicht (106), eine freie Schicht (108), eine Barriereschicht (110) und eine zweite gepinnte Schicht (112) umfasst, wobei die erste gepinnte Schicht (104) ferromagnetisch ist und eine erste Magnetisierung aufweist und wobei die erste Magnetisierung in eine erste Richtung gepinnt ist und wobei die nicht magnetische Abstandsschicht (106) leitend und zwischen der ersten gepinnten Schicht (104) und der freien Schicht (108) ausgebildet ist, die freie Schicht (108) ist ferromagnetisch und weist eine zweite Magnetisierung auf, die Barriereschicht (110) ist ein Isolator und hat eine Schichtstärke, welche die Durchtunnelung durch die Barriereschicht erlaubt, die zweite gepinnte Schicht (112) ist ferromagnetisch und weist eine dritte Magnetisierung auf, die in eine zweite Richtung gepinnt ist, die Barriereschicht (110) ist zwischen der freien Schicht (108) und der zweiten gepinnten Schicht (112) angeordnet, jedes der Mehrzahl der Magnetelemente (100) ist so ausgestaltet, dass die zweite Magnetisierung der freien Schicht (108) aufgrund eines Spinntransfers beim Durchleiten eines Schreibstroms durch das Magnetelement (100) ihre Richtung ändert; (b) im Lesemodus wird ein Signal aus einem zweiten Teil einer Vielzahl von Speicherzellen ausgelesen.
Verfahren zum Bereitstellen eines Magnetelements (100), umfassend die Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen einer ersten gepinnten Schicht (104), wobei die erste gepinnte Schicht (104) ferromagnetisch ist und eine erste Magnetisierung aufweist und wobei die erste Magnetisierung in eine erste Richtung gepinnt ist; (b) Bereitstellen einer nicht magnetischen Abstandsschicht (106), wobei die nicht magnetische Abstandsschicht (106) leitfähig ist; (c) Bereitstellen einer freien Schicht (108), wobei die erste nicht magnetische Abstandsschicht (106) zwischen der ersten gepinnten Schicht (104) und der freien Schicht (108) angeordnet ist und wobei die freie Schicht (108) ferromagnetisch ist und eine zweite Magnetisierung aufweist; (d) Bereitstellen einer Barriereschicht (110), wobei die Barriereschicht (110) ein Isolator ist und eine Schichtstärke aufweist, die ein Durchtunneln der Barriereschicht erlaubt; (e) Bereitstellen einer zweiten gepinnten Schicht (112), wobei die zweite gepinnte Schicht (112) ferromagnetisch ist und eine dritte Magnetisierung aufweist, die in eine zweite Richtung gepinnt ist und die Barriereschicht (110) zwischen der freien Schicht (108) und der zweiten gepinnten Schicht (112) angeordnet ist; (f) Bereitstellen einer ersten antiferromagnetischen Schicht (102), die an die erste gepinnte Schicht angrenzt, wobei die erste antiferromagnetische Schicht dem Pinnen der ersten Magnetisierung der ersten gepinnten Schicht (104) dient; und (g) Bereitstellen einer zweiten antiferromagnetischen Schicht (114), die an die zweite gepinnte Schicht (112) angrenzt, wobei die zweite antiferromagnetische Schicht (114) dem Pinnen der dritten Magnetisierung für die zweite gepinnte Schicht (112) dient.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste antiferromagnetische Schicht (102) eine erste Sperrtemperatur aufweist und die zweite antiferromagnetische Schicht (114) eine zweite Sperrtemperatur aufweist, wobei die zweite Sperrtemperatur von der ersten Sperrtemperatur abweicht und wobei das Verfahren ferner folgenden Verfahrensschritt umfasst: (h) Tempern der ersten antiferromagnetischen Schicht (102) und der zweiten antiferromagnetischen Schicht (114), so dass die erste Richtung und die zweite Richtung übereinstimmen.