Unión túnel magnética (MTJ) y procedimiento de formación de la misma.

Una unión túnel magnética, MTJ, (70) en una memoria magnética de acceso aleatorio, MRAM, que comprende:

un primer electrodo

(83) y un segundo electrodo (82);

una barrera túnel (74) entre el primer electrodo (83) y el segundo electrodo (82);

una capa libre (76) entre el segundo electrodo (82) y la barrera túnel (74); y

una capa inmovilizada (72) entre el primer electrodo (83) y la barrera túnel (74);

en la que la capa inmovilizada (72) se extiende más allá de la capa libre (76) en todas las direcciones paralelas a la capa libre (76) y caracterizada porque el área superficial de la capa inmovilizada es al menos un diez por ciento mayor que el área superficial de la capa libre (76).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2010/031080.

Solicitante: QUALCOMM INCORPORATED.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: Attn: International IP Administration 5775 Morehouse Drive San Diego, CA 92121 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: KANG,Seung H, ZHU,XIAOCHUN, NOWAK,MATTHEW, LI,XIA.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > REGISTRO DE LA INFORMACION > REGISTRO DE LA INFORMACION BASADO EN UN MOVIMIENTO... > Registro por magnetización o desmagnetización de... > G11B5/39 (utilizando dispositivos magneto-resistivos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS... > Dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes... > H01L27/115 (Memorias de solo lectura programables eléctricamente (EPROM))
  • SECCION G — FISICA > REGISTRO DE LA INFORMACION > MEMORIAS ESTATICAS (registro de la información basado... > Memorias digitales caracterizadas por la utilización... > G11C11/15 (que utilizan capas magnéticas múltiples (G11C 11/155 tiene prioridad))

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Fragmento de la descripción:

Unión túnel magnética (MTJ) y procedimiento de formación de la misma Antecedentes

I. Campo de la divulgación

La tecnología de la presente solicitud versa, en general, sobre uniones túnel magnéticas (MTJ), procedimientos relacionados y el uso de una MTJ en una memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM).

II. Antecedentes

La memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM) es una memoria no volátil en la que los datos se almacenan programando una unión túnel magnética (MTJ). La MRAM es ventajosa, porque puede usarse una MTJ para almacenar información incluso cuando está cortada la alimentación. Los datos se almacenan en la MTJ como un pequeño elemento magnético, no como una carga o una corriente eléctrica. En la Figura 1 se ilustra una MTJ 1 ejemplar. Los datos se almacenan en la MTJ 1 según la orientación magnética entre dos capas: una capa libre 12 dispuesta por encima de una capa fija o inmovilizada 14. Las capas libre e inmovilizada 12,14 están formadas de un material ferromagnético. La MTJ 1 está configurada en una configuración convencional de "válvula inferior de espín" en la que la capa inmovilizada 14 está dispuesta debajo de la capa libre 12. Las capas libre e inmovilizada 12, 14 están separadas por una unión o barrera túnel 16 formada por una capa dieléctrica delgada no magnética. Las capas libre e inmovilizada 12, 14 pueden almacenar información incluso cuando el campo magnético H es ` debido al ciclo 18 de histéresis de la MTJ 1. Los electrones pueden atravesar la barrera túnel 16 si se aplica una tensión de polarización entre dos electrodos 2, 22 acoplados a los extremos de la MTJ 1. La corriente de tunelización depende de la orientación relativa de las capas libre e inmovilizada 12, 14. Cuando se usa una MTJ de par de transferencia de espín (STT), la diferencia en la corriente de tunelización cuando el alineamiento del espín de las capas libre e inmovilizada se conmuta entre P y AP se denomina relación de magnetorresistencia túnel (TMR).

Cuando la orientación magnética de las capas libre e inmovilizada 12, 14 es mutuamente antiparalela (AP) (mostrado en la Figura 1 como MTJ 1'), existe un primer estado de memoria (por ejemplo, un `1 lógico). Cuando la orientación magnética de las capas libre e inmovilizada 12, 14 es mutuamente paralela (P) (mostrado en la Figura 1 como MTJ 1"), existe un segundo estado de memoria (por ejemplo, un ` lógico). La orientación magnética de las capas libre e inmovilizada 12, 14 puede ser detectada para leer datos almacenados en la MTJ 1 detectando la resistencia cuando la corriente fluye a través de la MTJ 1. También pueden escribirse y almacenarse datos en la MTJ 1 aplicando un campo magnético para cambiar la orientación de una capa ferromagnética libre 12 a una orientación magnética ya sea P o AP con respecto a la capa inmovilizada 14. La orientación magnética de la capa libre 12 puede cambiar, pero la orientación magnética de la capa inmovilizada 14 es fija.

La Figura 2 ilustra una MTJ 23 de STT (a la que se hace referencia como "MTJ 23") de diseño similar a la MTJ 1 de la Figura 1. Se proporciona la MTJ 23 como parte de una célula 24 de un bit de MRAM para almacenar datos no volátiles. La célula 24 de un bit de MRAM puede ser proporcionada en una matriz de memoria y ser usada como almacenamiento de memoria para cualquier tipo de sistema que requiera memoria electrónica, tal como una unidad de procesamiento de ordenador (CPU) o un sistema basado en procesadores, como ejemplos. Se proporciona un transistor 26 de acceso de semiconductor de óxido metálico (normalmente, un MOS de tipo n, es decir, NMOS) para controlar la lectura y la escritura en la MTJ 23. El drenador (D) del transistor 26 de acceso está acoplado al electrodo inferior 22 de la MTJ 23, acoplado a la capa inmovilizada 14. Una línea de escritura (Vwl) está acoplada a la puerta (G) del transistor 26 de acceso. La fuente (S) del transistor 26 de acceso está acoplada a una fuente de tensión (Vs). Una línea de bit (Vbl) está acoplada al electrodo superior 2 de la MTJ 23, que está acoplado a la capa libre 12.

Cuando se leen datos almacenados en la MTJ 23, se activa la línea de bit (Vbl) para el transistor 26 de acceso para permitir que fluya corriente por la MTJ 23 entre los electrodos 2, 22. Una orientación P entre las capas libre e inmovilizada 12, 14 lleva asociada una baja resistencia, medida por la tensión aplicada en la línea de bit (Vbl) dividida por la corriente medida. Una orientación AP entre las capas libre e inmovilizada 12, 14 lleva asociada una resistencia mayor. Cuando se escriben datos a la MTJ 23, se activa la puerta (G) del transistor 26 de acceso activando la línea de escritura (Vwl). Se aplica una tensión diferencial entre la línea de bit (Vbl) y la línea de fuente (Vs). En consecuencia, se genera una corriente de escritura (I) entre el drenador (D) y la fuente (S). Si ha de cambiarse la orientación magnética de AP a P, se genera una corriente de escritura (Iap-p) que fluye del electrodo superior 2 al electrodo inferior 22, que induce un par de transferencia de espín (STT) en la capa libre 12 para cambiar la orientación magnética de la capa libre 12 a P con respecto a la capa inmovilizada 14. Si ha de cambiarse la orientación magnética de P a AP, se produce una corriente (Ip-ap) que fluye del electrodo inferior 22 al electrodo superior 2, que induce un STT en la capa libre 12 para cambiar la orientación magnética de la capa libre 12 a AP con respecto a la capa inmovilizada 14.

Según se ilustra en la Figura 2, la circuitería puede suministrar más corriente de escritura (I) para conmutar la MTJ 23 de la célula 24 de un bit de MRAM de un estado AP a uno P (Iap-p) que de un estado P a uno AP (Ip-ap). Esto se debido a la carga de la fuente del transistor 26 de acceso de la célula 24 de un bit de MRAM. La carta de la fuente

del transistor 26 de acceso tiene el efecto de proporcionar más corriente de escritura corriente de escritura (I) para conmutar la MTJ 23 de un estado AP a uno P que de un estado P a uno AP. Sin embargo, las características magnéticas inherentes de la MTJ 23 requieren lo contrario. Es decir, cuando se emplea la MTJ 23 en la célula 24 de un bit de MRAM, según se ilustra en la Figura 2, se requiere más corriente de escritura (I) para conmutar la MTJ 23 de un estado P a uno AP que de un estado AP a uno P. Esto se muestra con el gráfico 3 de la Figura 3, que ilustra las características magnéticas inherentes de la MTJ 23 en función de la corriente de escritura (le). Según se muestra en la misma, la cantidad de corriente de escritura (I) requerida para conmutar la MTJ 23 de un estado P a uno AP (le p-ap) es mucho mayor que la cantidad de corriente de escritura (I) requerida para conmutar la MTJ 23 de un estado AP a uno P (le ap-p). Esto presenta un conflicto de diseño. Por una parte, las características magnéticas inherentes de la MTJ 23 requieren más corriente de escritura (I) para conmutar la MTJ 23 de un estado P a uno AP que de un estado AP a uno P. Sin embargo, cuando se emplea la MTJ 23 en la célula 24 de un bit de MRAM, la circuitería puede suministrar más corriente de escritura (I) para conmutar la MTJ 23 de un estado AP a uno P que de un estado P a uno AP.

En resumen, como consecuencia de este conflicto de diseño, las características inherentes de la corriente de escritura de la MTJ 23 no están alineadas con la capacidad de suministro de corriente de escritura de la MTJ 23 cuando se emplea en la célula 24 de un bit de MRAM. Cuando se emplea en la célula 24 de un bit de MRAM, se requiere más corriente de escritura para conmutar la MTJ 23 del estado P a uno AP. Sin embargo, la célula 24 de un bit de MRAM puede proporcionar más corriente de escritura para conmutar la MTJ 23 de un estado AP a uno P. Así, existe... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Una unión túnel magnética, MTJ, (7) en una memoria magnética de acceso aleatorio, MRAM, que comprende:

un primer electrodo (83) y un segundo electrodo (82);

una barrera túnel (74) entre el primer electrodo (83) y el segundo electrodo (82); una capa libre (76) entre el segundo electrodo (82) y la barrera túnel (74); y una capa inmovilizada (72) entre el primer electrodo (83) y la barrera túnel (74);

en la que la capa inmovilizada (72) se extiende más allá de la capa libre (76) en todas las direcciones paralelas a la capa libre (76) y caracterizada porque el área superficial de la capa inmovilizada es al menos un diez por ciento mayor que el área superficial de la capa libre (76).

2. El dispositivo de la reivindicación 1 que, además, comprende una capa de material antiferromagnético, AFM, con una longitud de la capa AFM entre el primer electrodo y la capa inmovilizada, siendo al área superficial de la capa AFM igual o mayor que el área superficial de la capa inmovilizada.

3. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la capa inmovilizada comprende una estructura de capa inmovilizada antiferromagnética sintética, SAF, comprendiendo la estructura de la capa inmovilizada SAF al menos dos capas ferromagnéticas separadas por una capa de acoplamiento.

4. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que al menos una de la capa inmovilizada y la capa libre está formada de un material ferromagnético.

5. El dispositivo de la reivindicación 1 que, además, comprende una segunda capa inmovilizada entre el segundo electrodo y la capa libre.

6. El dispositivo de la reivindicación 5 que, además, comprende una capa separadora no magnética o una capa separadora sustancialmente no magnética entre la capa libre y la segunda capa inmovilizada.

7. El dispositivo de la reivindicación 1 que, además, comprende una segunda barrera túnel entre la capa libre y el segundo electrodo.

8. El dispositivo de la reivindicación 7 que, además, comprende una segunda capa inmovilizada entre la segunda barrera túnel y el segundo electrodo.

9. El dispositivo de la reivindicación 1 integrado en al menos un chip semiconductor.

1. El dispositivo de la reivindicación 1 que, además, comprende un dispositivo seleccionado del grupo que consiste en un decodificador, una unidad de entretenimiento, un dispositivo de navegación, un dispositivo de comunicaciones, una agenda electrónica PDA, una unidad de datos de ubicación fija, una unidad de datos de ubicación móvil, un teléfono móvil, y un teléfono celular, un ordenador, un ordenador portátil, un ordenador de sobremesa, un monitor, un monitor de ordenador, un televisor, un sintonizador, una radio, una radio por satélite, un reproductor musical, un reproductor musical digital, un reproductor musical portátil, un reproductor de vídeo, un reproductor de vídeo digital, un reproductor de disco de vídeo digital DVD y un reproductor de vídeo digital portátil, en el que está integrada la MTJ.

11. El dispositivo de la reivindicación 1 en el que el área superficial de la capa inmovilizada comprende un área superficial de un lado de la capa inmovilizada próximo a la barrera túnel y el área superficial de la capa libre comprende un área superficial de un lado de la capa libre próximo a la barrera túnel.

12. El dispositivo de cualquier reivindicación precedente que comprende un transistor de acceso que tiene una puerta, una fuente y un drenador, en el que una línea de escritura está acoplada a la puerta, el segundo electrodo está acoplado al drenador y una línea de bit está acoplada al primer electrodo.

13. Un procedimiento de formación de una unión túnel magnética, MTJ, (7) en una memoria magnética de acceso aleatorio, MRAM, que comprende:

proporcionar un primer electrodo (83) y un segundo electrodo (82);

situar una barrera túnel (74) entre el primer electrodo (83) y el segundo electrodo (82);

situar una capa libre (76) entre el segundo electrodo (82) y la barrera túnel (74);

situar una capa inmovilizada (72) entre el primer electrodo (83) y la barrera túnel (74);

en el que la capa inmovilizada (72) se extiende más allá de la capa libre (76) en todas las direcciones

paralelas a la capa libre (76) y tiene el área superficial de la capa inmovilizada es al menos un diez por

ciento mayor que el área superficial de la capa libre (76).