DE102019116096A1

DE102019116096A1 - Senkrechte sot-mram-speicherzelle unter verwendung von spin-swapping- induziertem spinstrom

Info

Publication number: DE102019116096A1
Application number: DE102019116096.0A
Authority: DE
Inventors: Goran Mihajlovic; Oleksandr Mosendz
Original assignee: SanDisk Technologies LLC
Current assignee: SanDisk Technologies LLC
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2020-02-06
Also published as: CN110797060A; US10726893B2; KR102249705B1; US20200043538A1; CN110797060B; KR20200015373A

Abstract

Eine MRAM-Speicherzelle mit senkrechtem Spin-Orbit-Drehmoment weist einen magnetischen Tunnelübergang auf, der eine freie Schicht in einer Ebene, eine ferromagnetische Schicht und eine Abstandhalterschicht zwischen der ferromagnetischen Schicht und der freien Schicht beinhaltet. Die freie Schicht weist eine umschaltbare Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Ebene auf. Die ferromagnetische Schicht ist eingerichtet, um als Reaktion auf einen elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht senkrecht polarisierten Spinstrom zu erzeugen und den senkrecht polarisierten Spinstrom durch die Abstandhalterschicht in die freie Schicht zu injizieren, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 2. August 2018 eingereichten vorläufigen Anmeldung 62/714.001 mit dem Titel „Senkrechte SOT-MRAM-Speicherzelle unter Verwendung von Spin-Swapping-induziertem Spinstrom“, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wurde.
HINTERGRUND
Speicher wird in verschiedenen elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen, Digitalkameras, persönlichen digitalen Assistenten, medizinischer Elektronik, mobilen Computergeräten, nicht-mobilen Computergeräten und Datenservern verwendet. Der Speicher kann einen nichtflüchtigen Speicher oder einen flüchtigen Speicher aufweisen. Ein nichtflüchtiger Speicher ermöglicht, dass Informationen gespeichert und behalten werden, selbst wenn der nichtflüchtige Speicher nicht mit einer Stromquelle (z. B. einer Batterie) verbunden ist.
Ein Beispiel für einen nichtflüchtigen Speicher ist der magnetoresistive Direktzugriffsspeicher (MRAM), der die Magnetisierung zur Darstellung gespeicherter Daten verwendet, im Gegensatz zu einigen anderen Speichertechnologien, die elektronische Ladungen zur Datenspeicherung verwenden. Im Allgemeinen beinhaltet MRAM eine große Anzahl von magnetischen Speicherzellen, die auf einem Halbleitersubstrat gebildet werden, bei dem jede Speicherzelle ein Bit von Daten darstellt. Ein Bit von Daten wird in eine Speicherzelle geschrieben, indem die Richtung der Magnetisierung eines magnetischen Elements innerhalb der Speicherzelle geändert wird, und ein Bit wird durch Messen des Widerstands der Speicherzelle gelesen (ein geringer Widerstand stellt typischerweise ein „0“-Bit und ein hoher Widerstand stellt typischerweise ein „1“-Bit dar). Wie hierin verwendet, ist die Magnetisierungsrichtung die Richtung, in die das magnetische Moment orientiert ist.
Obwohl MRAM eine vielversprechende Technologie ist, wurden bisherige MRAM-Speicherzellen ineffizient betrieben und/oder nicht deterministisch geschaltet.
Figurenliste
Gleich nummerierte Elemente beziehen sich auf gemeinsame Komponenten in den verschiedenen Figuren.

1A ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
1B ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
1C ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
1D ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
1E stellt die Elektronenstreuung durch eine negative Ladung dar.
2 stellt eine Ausführungsform einer vorgeschlagenen MRAM-Speicherzelle dar, die Spin-Swapping verwendet.
3 stellt eine Ausführungsform einer vorgeschlagenen MRAM-Speicherzelle dar, die Spin-Swapping verwendet.
4 stellt eine Ausführungsform einer vorgeschlagenen MRAM-Speicherzelle dar, die Spin-Swapping verwendet.
5 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Prozesses zur Programmierung einer MRAM-Speicherzelle beschreibt.
6 ist ein Blockdiagramm eines Speichersystems unter Verwendung der hierin vorgeschlagenen neuen Speicherzelle.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1A ist eine schematische perspektivische Ansicht einer früheren MRAM-Speicherzelle 10, die feldinduziertes Schalten verwendet. Im Allgemeinen beinhaltet die MRAM-Zelle 10 einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 11, aufweisend eine obere ferromagnetische Schicht 12, eine untere ferromagnetische Schicht 14 und eine Tunnelbarriere (TB) 16, die eine Isolierschicht zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten ist. In diesem Beispiel ist die obere ferromagnetische Schicht 12 eine freie Schicht FL und die Richtung ihrer Magnetisierung kann umgeschaltet werden. Die untere ferromagnetische Schicht 14 ist eine verstiftete (oder fixierte) Schicht PL und die Richtung ihrer Magnetisierung ändert sich nicht.
Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht FL 12 parallel zur Magnetisierung in der verstifteten Schicht PL 14 verläuft, ist der Widerstand über der Speicherzelle relativ gering, zumindest teilweise aufgrund der spinabhängigen Streuung der Minoritätselektronen. Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht FL 12 antiparallel zur Magnetisierung in der verstifteten Schicht PL 14 ist, ist der Widerstand über der Speicherzelle 10 relativ hoch, zumindest teilweise aufgrund der spinabhängigen Streuung von Minoritäts- und Majoritätselektronen. Die Daten („0“ oder „1“) in Speicherzelle 10 werden durch Messen des Widerstands der Speicherzelle 10 gelesen. In diesem Zusammenhang werden elektrische Leiter 20/30, die an der Speicherzelle 10 befestigt sind, zum Lesen der MRAM-Daten verwendet.
Die Richtung der Magnetisierung in der freien Schicht 12 ändert sich als Reaktion auf den Strom 34, der in einer Ziffernleitung 32 fließt, und als Reaktion auf den Strom 22, der in einer Schreibleitung 20 fließt, die jeweils Magnetfelder 36 und 26 erzeugen. 1A stellt die Situation, in welcher der Strom 34 in der Ziffernleitung 32 aus der Seite fließt und der Strom 22 in der Schreibleitung 20 von links nach rechts fließt dar, was zu zwei orthogonalen Feldern führt, was dazu führt, dass die Magnetisierung in der freien Schicht 12 von parallel zu antiparallel relativ zur Magnetisierung in der festen Schicht 14 wechselt. Die Orientierungen eines Bits wird durch Umkehrung der Polarität des Stroms 22 in der Schreibleitung 20 unter Beibehaltung einer konstanten Polarität des Stroms 34 in der Ziffernleitung 32 geändert.
Die vorstehend für die Speicherzelle von 1A beschriebene feldinduzierte Schalttechnik hat einige praktische Einschränkungen, insbesondere wenn das Design eine Skalierung der Speicherzelle auf kleinere Abmessungen erfordert. Da diese Technik beispielsweise zwei Sätze von Magnetfeldschreibleitungen erfordert, ist das Array der MRAM-Zellen anfällig für Bitstörungen (d. h. benachbarte Zellen können unbeabsichtigt verändert werden, wenn der Schreibstrom auf eine bestimmte Zelle gerichtet wird). Außerdem führt die Verringerung der physischen Größe der MRAM-Speicherzellen zu einer geringeren magnetischen Stabilität gegen Magnetisierungswechsel aufgrund von Temperaturschwankungen. Die Stabilität des Bits kann durch die Verwendung eines magnetischen Materials für die freie Schicht mit einer großen magnetischen Anisotropie und daher einem großen Schaltfeld verbessert werden, aber dann sind die Ströme, die benötigt werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das stark genug ist, um das Bit zu schalten, in bestehenden Anwendungen unpraktisch.
Das Spin-Transfer-Torque (STT)-Schalten ist eine weitere Technik zur Programmierung von MRAM-Speicherzellen. 1B ist eine schematische Darstellung einer STT-Schalttechnik für eine MRAM-Zelle 50, die einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 51 beinhaltet, aufweisend eine obere ferromagnetische Schicht 52, eine untere ferromagnetische Schicht 54 und eine Tunnelbarriere (TB) 56, die eine Isolierschicht zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten ist. In diesem Beispiel ist die untere ferromagnetische Schicht 54 die freie Schicht FL und die Richtung ihrer Magnetisierung kann umgeschaltet werden. Die obere ferromagnetische Schicht 52 ist die verstiftete (oder feste) Schicht PL und die Richtung ihrer Magnetisierung lässt sich nicht leicht ändern. Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht 54 parallel zur Magnetisierung in der verstifteten Schicht PL 52 verläuft, ist der Widerstand über der Speicherzelle 50 relativ gering. Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht FL 54 antiparallel zur Magnetisierung in der verstifteten Schicht PL 52 ist, ist der Widerstand über der Speicherzelle 50 relativ hoch. Die Daten („0“ oder „1“) in Speicherzelle 50 werden durch Messen des Widerstands der Speicherzelle 50 gelesen. In diesem Zusammenhang werden elektrische Leiter 60/70, die an der Speicherzelle 50 befestigt sind, zum Lesen der MRAM-Daten verwendet. Standardmäßig bleiben sowohl die parallele als auch die antiparallele Konfiguration im Ruhezustand und/oder während eines Lesevorgangs (bei ausreichend geringerem Lesestrom) stabil.
Im übrigen Text und den Figuren ist die Richtung des Schreibstroms als die Richtung des Elektronenstroms definiert. Daher bezieht sich der Begriff Schreibstrom auf einen Elektronenstrom.
Um den Bitwert der MRAM-Zelle „einzustellen“ (d. h. die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu wählen), wird ein elektrischer Schreibstrom 62 von Leiter 60 auf Leiter 70 angelegt. Die Elektronen im Schreibstrom werden beim Durchlaufen der verstifteten Schicht 52 spinpolarisiert, da die verstiftete Schicht 52 ein ferromagnetisches Metall ist. Während Leitungselektronen in einem ferromagnetischen Metall eine Spinorientierung aufweisen, die mit der Richtung der Magnetisierung kollinear ist, weist eine beträchtliche Mehrheit von ihnen eine bestimmte Orientierung auf, die parallel zur Richtung der Magnetisierung verläuft, wodurch ein polarisierter Netto-Spinstrom entsteht. (Elektronenspin bezieht sich auf Drehimpulse, die direkt proportional zu, aber antiparallel in Richtung des magnetischen Moments des Elektrons sind, aber diese Richtungsunterscheidung wird in Zukunft zur Erleichterung der Diskussion nicht mehr verwendet.) Wenn sich die spinpolarisierten Elektronen durch die Tunnelbarriere 56 bewegen, kann die Erhaltung des Drehimpulses dazu führen, dass sowohl auf der freien Schicht 54 als auch auf der verstifteten Schicht 52 ein Drehmoment übertragen wird, aber dieses Drehmoment ist (absichtlich) nicht ausreichend, um die Magnetisierungsrichtung der verstifteten Schicht zu beeinflussen. Im Gegensatz dazu ist dieses Drehmoment (absichtlich) ausreichend, um die Magnetisierungsorientierung in der freien Schicht 54 so zu verändern, dass sie parallel zu derjenigen der verstifteten Schicht 52 verläuft, wenn die anfängliche Magnetisierungsorientierung der freien Schicht 54 antiparallel zur verstifteten Schicht 52 war. Die parallelen Magnetisierungen bleiben dann vor und nach dem Abschalten des Schreibstroms stabil. Im Gegensatz dazu kann, wenn die Magnetisierung der freien Schicht 54 und der verstifteten Schicht 52 zunächst parallel sind, die Magnetisierung der freien Schicht STT-geschaltet werden, um antiparallel zur verstifteten Schicht 52 zu werden, indem ein Schreibstrom entgegengesetzt zu dem oben genannten Fall angelegt wird. Somit kann über die gleiche STT-Physik die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 54 durch gezielte Wahl der Schreibstromrichtung (Polarität) deterministisch in eine von zwei stabilen Orientierungen eingestellt werden.
Die MRAM-Speicherzelle in 1B verwendet Materialien, bei denen die Magnetisierung sowohl der verstifteten als auch der freien Schicht in der Ebene liegen. Im Gegensatz dazu stellt 1C eine schematische Darstellung einer STT-schaltenden MRAM-Speicherzelle 75 dar, in der die Magnetisierung sowohl der verstifteten als auch der freien Schicht in senkrechter Richtung erfolgen. Die Speicherzelle 75 beinhaltet einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 76, aufweisend eine obere ferromagnetische Schicht 78, eine untere ferromagnetische Schicht 80 und eine Tunnelbarriere (TB) 82, die eine Isolierschicht zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten ist. In diesem Beispiel ist die untere ferromagnetische Schicht 80 die freie Schicht FL und die Richtung ihrer Magnetisierung kann umgeschaltet werden. Die obere ferromagnetische Schicht 78 ist die verstiftete (oder fixierte) Schicht PL und die Richtung ihrer Magnetisierung lässt sich nicht leicht ändern. Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht 80 parallel zur Magnetisierung in der verstifteten Schicht PL 78 verläuft, ist der Widerstand über der Speicherzelle 75 relativ gering. Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht FL 80 antiparallel zur Magnetisierung in der verstifteten Schicht PL 78 ist, ist der Widerstand über der Speicherzelle 50 relativ hoch. Die Daten („0“ oder „1“) in Speicherzelle 75 werden durch Messen des Widerstands der Speicherzelle 75 gelesen. In diesem Zusammenhang werden elektrische Leiter 84/88, die an der Speicherzelle 75 befestigt sind, zum Lesen der MRAM-Daten verwendet. Standardmäßig bleiben sowohl die parallele als auch die antiparallele Konfiguration im Ruhezustand und/oder während eines Lesevorgangs (bei ausreichend geringerem Lesestrom) stabil. Um den Bitwert der MRAM-Zelle „einzustellen“ (d. h. die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu wählen), wird ein elektrischer Schreibstrom 86 von Leiter 84 auf Leiter 88 angelegt und die Speicherzelle arbeitet wie oben in Bezug auf 1B beschrieben.
Im Vergleich zu den frühesten MRAM-Zellen, die Magnetfelder von stromführenden Leitern in der Nähe der MRAM-Zelle verwendeten, benötigt die STT-Schalttechnik relativ wenig Leistung, eliminiert praktisch das Problem der angrenzenden Bitstörungen und hat eine günstigere Skalierung für höhere Zelldichten (reduzierte MRAM-Zellengröße). Die letztere Ausgabe begünstigt auch STT-MRAM, bei dem die Magnetisierungen der freien und verstifteten Schicht senkrecht zur Filmebene und nicht in der Ebene orientiert sind. In der Praxis erfordert das STT-Schalten jedoch, dass der volle Schreibstrom durch die Tunnelbarriere fließt, was sich negativ auf die Langzeitzuverlässigkeit der STT-MRAM-Zelle auswirkt, da die notwendige Belastung durch moderate bis hohe Schreibspannungen über die Tunnelbarriere erfolgt.
1D stellt eine alternative MRAM-Speicherzelle 100 dar, die das Spin-Orbit-Drehmoment (SOT) zum Umschalten der freien Schicht mittels Spinstrom nutzt. Der Spin des Elektrons ist ein intrinsischer Drehimpuls, der aufgrund seiner Orbitalbewegung vom Drehimpuls getrennt ist. In einem Festkörper können die Spins vieler Elektronen zusammenwirken, um die magnetischen und elektronischen Eigenschaften eines Materials zu beeinflussen, z. B. indem sie ihm ein permanentmagnetisches Moment verleihen, wie bei einem Ferromagneten. In vielen Materialien sind Elektronenspins sowohl in der Aufwärts- als auch in der Abwärtsrichtung gleichermaßen vorhanden, und keine Transporteigenschaften sind vom Spin abhängig. Es können jedoch verschiedene Techniken verwendet werden, um eine spinpolarisierte Elektronenpopulation zu erzeugen, die zu einem Überschuss an Spin-up- oder Spin-down-Elektronen führt, um die Eigenschaften eines Materials zu verändern. Diese spinpolarisierte Population von Elektronen, die sich in eine gemeinsame Richtung durch ein gemeinsames Material bewegen, wird als Spinstrom bezeichnet. Wie hierin beschrieben, kann ein Spinstrom verwendet werden, um eine MRAM-Speicherzelle zu betreiben.
Im Allgemeinen kann der Spin-Hall-Effekt (SHE) verwendet werden, um einen in Querrichtung (senkrecht zur Ebene) fließenden Spinstrom zu erzeugen, wenn ein Ladestromfluss in Längsrichtung (in der Ebene) angelegt wird. Die Spinpolarisationsrichtung eines solchen von SHE erzeugten Spinstroms liegt in der Ebene orthogonal zum Ladestromfluss. Die Speicherzelle 100 beinhaltet drei Anschlüsse A, B und C; einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 101; und ein SHE-Material 120. In einer Implementierung könnte MTJ 101 eine freie Schicht, eine Tunnelbarriere und eine verstiftete Schicht aufweisen. In einer weiteren Implementierung weist MTJ 101 die verstiftete Schicht (PL) 102 auf, die Zwischenschicht zur Kopplung (ILC) 104, die Referenzschicht (RL) 106, die Tunnelbarriere (TB) 108 und die freie Schicht (FL) 110. Die ILC-Schicht 104 fördert eine starke antiferromagnetische (d. h. antiparallele) Kopplung zwischen PL (102) und RL (106), so dass ihr magnetisches Nettomoment weitgehend aufgehoben wird, wodurch unerwünschtes Streufeld auf der freien Schicht stark reduziert wird. Die SHE-Schicht 120 weist ein Schwermetall auf, wie Platin, Tantal oder Wolfram, das einen starken SHE hat. Die Magnetisierungsrichtung der Freien Schicht 110 wird zwischen aufwärts und abwärts gewechselt.
Ein Vorteil des SOT-Schaltkonzepts, das den SHE nutzt, ist, dass der Schreibstrom 122 ausschließlich durch die SHE-Schicht 120 fließt und nicht durch die Tunnelbarriere 108. Damit entfällt die bereits erwähnte langfristige Verschlechterung der Tunnelbarriere durch den Schaltstrom im vorherigen STT-Schaltdesign für MRAM-Zellen. Ein Nachteil des SOT-Schaltkonzeptes von 1D ist jedoch die Tatsache, dass der von SHE 120 in die freie Schicht 110 fließende SHE-generierte Spinstrom eine Spinpolarisation in der Ebene (d. h. orthogonal zur Magnetisierung der freien Schicht) und nicht senkrecht zur Ebene (d. h. kollinear mit Magnetisierung der freien Schicht) umfasst, wie es beim STT-Schaltkonzept der Fall war ( 1B). Die negativen Folgen dieser Orthogonalität sind zweifach. Erstens kann die kritische Schreibstromdichte in der SHE-Schicht 120, die benötigt wird, um den Beginn des Schaltprozess zu starten, um ein Vielfaches größer sein als bei der STT-Schaltung, da die Physik des Schaltprozess die orthogonale SOT-Schaltung weniger intrinsisch effizient macht (z. B. mehr Strom benötigt) als die der STT-Schaltung. Zweitens ist der SHE-induzierte orthogonal polarisierte Spinstrom, der in die freie Schicht 110 eintritt, in beiden Orientierungen der freien Schicht destabilisierend und kann an sich nicht dazu verwendet werden, deterministisch eine bevorzugte Richtung der freien Schicht zu bestimmen. Während dieses Problem gemildert werden kann, indem ein externes Vorspannungsfeld in einer Richtung kollinear mit dem Ladestromfluss in der SHE-Schicht 120 angelegt wird, wäre es eine große technische Schwierigkeit, Mittel zu erreichen, um die notwendige Stärke des Magnetfeldes auf Zellenebene in einem praktischen MRAM-Speicher bereitzustellen.
Ein weiterer Ansatz zur Lösung des „Orthogonalitätsproblems“, das der SOT-Schaltung innewohnt, wie in 1D dargestellt, besteht darin, stattdessen in der Ebene magnetisierte freie Schichten und verstiftete Schichten zu verwenden, so dass die Magnetisierung wieder kollinear mit der Spin-Polarisationsrichtung des injizierten SHE-induzierten Spinstroms ist. Diese Option hat jedoch die gleichen Nachteile bei der Skalierung der MRAM-Zellgröße, die vorher die technologische Präferenz zugunsten des senkrechten MRAM-Zelldesigns auslösten. Benötigt wird ein effizientes MRAM-Speicherzellenkonzept, bei dem der Schreibstrom nicht durch die Tunnelbarriere fließt und das ein deterministisches Schalten einer senkrechten freien Schicht einfach durch die Wahl der Schreibstrompolarität ermöglicht. Man würde es auch vorziehen, das TMR-basierte Rückleseschema beizubehalten, das einen schnellen Rücklesevorgang ermöglicht und das gesamte System für Speicheranwendungen geeignet macht.
Um die oben beschriebenen Mängel früherer MRAM-Speicherzellen zu beheben, wird eine neue SOT-MRAM-Speicherzelle vorgeschlagen, die den Spin-Swapping-induzierten Spinstrom verwendet, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern. Spin-Swapping ist ein Mechanismus, bei dem ein erster Spinstrom einen Querspinstrom mit vertauschter Spinrichtung und Strömungsrichtung induziert. Bei Ferromagneten weist die resultierende Spinakkumulation ein komplexes räumliches Profil auf, bei dem der Spin-Swapping-Effekt durch Spinpolarisation und Spinpräzision verstärkt wird, was zu zusätzlichen Beiträgen zu den anomalen Ladungs- und Spinströmen führt. Diese Effekte können genutzt werden, um Spin-Orbit-vermittelte Drehmomente zu erzeugen und die Magnetisierung in zentrosymmetrischen Strukturen reversibel zu steuern.
Bevor die Struktur der vorgeschlagenen neuen Speicherzelle beschrieben wird, wird der Hintergrund für den Spin-Swapping-Effekt bereitgestellt. Der Spinstrom wird durch einen Tensor q_ij beschrieben, bei dem der erste Index die Strömungsrichtung anzeigt und der zweite zeigt, welche Spin-Komponente fließt. Nachfolgend sind die phänomenologischen Gleichungen aufgeführt, die die Kopplung zwischen Spin- und Ladeströmen, q_ij und q_i, beschreiben (genauer gesagt, q ist die Elektronenflussdichte, bezogen auf die elektrische Stromdichte j durch q= j/e, bei dem e die Elementarladung ist). $q_{i} = q_{i}^{(0)} + ϒ ε_{i j k} q_{j k}^{(0)}$
$q_{i j} = q_{i j}^{(0)} + ϒ ε_{i j k} q_{j k}^{(0)}$
wobei $q_{i}^{(0)} und q_{i j}^{(0)}$
die Primärströme sind, die in Abwesenheit einer Spin-Orbit-Interaktion vorhanden sein können, ε_ijk der antisymmetrische Tensor der Einheit ist und γ ein dimensionsloser Parameter ist, der proportional zur Stärke der Spin-Orbit-Interaktion ist.
Reine Symmetriebetrachtungen erlauben zusätzliche Begriffe in Gleichung (2) proportional zu $q_{i j}^{(0)} und δ_{i j} q_{k k}^{(0)},$
die Transformationen von Spinströmen beschreiben. In Anwesenheit des elektrischen Feldes E und der Spin-Polarisation P, würde dies zu zusätzlichen Beiträgen zu q_ij proportional zu E_jP_i und δ_ij(E·P) führen. Diese Beiträge sind auf das bestehende Spin-Swapping zurückzuführen; daher sollte Gleichung (2) modifiziert werden als: $q_{i j} = q_{i j}^{(0)} + ϒ ε_{i j k} q_{k}^{(0)} + X (q_{j i}^{(0)}) - δ_{i j} q_{k k}^{(0)})$
mit einem neuen dimensionslosen Parameter X. Das daraus resultierende Vertauschen von Spinströmen ergibt sich aus der Korrelation zwischen Streurichtung und Spinrotation bei Kollisionen. Dieser Effekt ist robuster als die Spin-Ladekopplung: Die Austauschkonstante X existiert bereits in der Born-Approximation, während Y nur über diese Approximation hinaus erscheint.
1E stellt die Elektronenstreuung, einschließlich der spinabhängigen Streuung, durch eine negative Ladung dar. Der Elektronenspin sieht ein Magnetfeld B ~ v X E senkrecht zur Trajektorienebene 180. Es ist zu beachten, dass das Magnetfeld (und damit die Richtung der Spin-Drehung) für nach links (Elektronenbahn 182) und nach rechts (Elektronenbahn 184) gestreute Elektronen entgegengesetzte Richtungen umfasst.
1E zeigt das Magnetfeld B, das im Bewegungsrahmen des Elektrons vorhanden ist und durch den Elektronenspin gesehen wird. Dieses Feld steht senkrecht zur Ebene 180 und zur Elektronenbahn und weist entgegengesetzte Vorzeichen für Elektronen auf, die sich nach rechts (Elektronenbahn 184) und links (Elektronenbahn 182) des geladenen Zentrums bewegen. Die Zeeman-Energie des Elektronenspins in diesem Feld ist die Spin-Orbit-Interaktion.
Drei spinabhängige Effekte sind in 1E zu sehen. Wenn es ein metallisches Material mit Ladungsverunreinigung gibt, fühlt ein Elektron, das sich in dem Material bewegt, das elektrische Feld von der Verunreinigung. Die Spin-Orbit-Kopplung beinhaltet das sich bewegende Elektron mit Geschwindigkeit v, das ein elektrisches Feld erfährt, das in ein effektives Magnetfeld umgewandelt wird. (1) Die Elektronen, die das Magnetfeld spüren, werden sich um das Magnetfeld herum prozessieren, was den Spin des Elektrons verändert. Diese Präzession des Elektronenspins um B während der Kollision wird als Elliott-Yafet Spin-Relaxation bezeichnet. (2) Die Spinasymmetrie in der Streuung (Mott-Effekt oder Schrägstreuung) ergibt sich aus der zusätzlichen Kraft proportional zum Gradienten der Elektronen-Zeeman-Energie. Das heißt, der Spin-Hall-Effekt beinhaltet eine Kraft, die auf die Elektronen einwirkt, basierend auf ihrer Drehrichtung. Einige werden in eine Richtung umgeleitet, während andere in eine entgegengesetzte Richtung umgeleitet werden. Dadurch entsteht ein Spinstrom basierend auf SHE. Dieses Phänomen ist stärker bei Schwermetallen, die nicht ferromagnetisch sind. (3) Der dritte auf Spin zurückzuführende Effekt ist der Spin-Swapping-Effekt, der auf einer Korrelation zwischen den Richtungen der Elektronenspinpräzession und der Streuung basiert. Während der Spin auf der linken Trajektorie 182 im Uhrzeigersinn gedreht wird, wird der Spin auf der rechten Trajektorie gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Diese Korrelation führt zu einer Transformation der Spinströme. Bei ferromagnetischen Materialien ist das Spin-Swapping stärker und SHE schwächer, während bei Schwermetallen das Spin-Swapping schwächer und SHE stärker ist.
Angenommen, die ankommenden Elektronen bewegen sich in y-Richtung und sind entlang von y polarisiert (Spinstrom zu $q_{y y}^{(0)}$
). Die links verstreuten Elektronen erhalten eine kleine positive Projektion des Spin auf der x-Achse. Die rechts verstreuten Elektronen erhalten eine kleine positive negative Projektion des Spin auf der x-Achse. Das bedeutet, dass der anfängliche zu $q_{y y}^{(0)}$
Spinstrom teilweise in -q_xxumgewandelt wird. Für den Fall, dass eingehende (entlang y) Elektronen entlang x polarisiert sind, zeigt eine ähnliche Argumentation, dass der anfängliche Spinstrom $q_{y x}^{(0)} .$
. zu q_xy führt. Somit werden im letzteren Fall die Drehrichtung und die Strömungsrichtung vertauscht. Weitere Details zum Spin-Swapping finden Sie unter „Swapping Spin Current: Interchange Spin and Flow Directions,“ Maria B. Lifshits and Michel I. Dyakonov, Physical Review Letters, Vol. 103, 20. Oktober 2009, S. 18660, die hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wurden.
Das oben beschriebene Vertauschen von Spinströmen, der so genannte Spin-Swapping-Effekt, kann in einer MRAM-Speicherzelle verwendet werden, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern. Das heißt, eine M RAM-Speicherzelle mit senkrechtem Spin-Orbit-Drehmoment wird vorgeschlagen, mit deterministischem Schalten ohne externes Feld, das durch senkrecht polarisierten Spinstrom in z-Richtung bereitgestellt wird, der durch den Spin-Swapping-Effekt erzeugt wird. Eine beispielhafte Ausführungsform weist einen magnetischen Tunnelübergang auf, der eine freie Schicht in einer Ebene, eine ferromagnetische Schicht und eine Abstandhalterschicht zwischen der ferromagnetischen Schicht und der freien Schicht beinhaltet. Die freie Schicht weist eine umschaltbare Magnetisierungsrichtung auf, die senkrecht zur Ebene steht. Die ferromagnetische Schicht ist eingerichtet, um als Reaktion auf einen elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht senkrecht polarisierten Spinstrom zu erzeugen und den senkrecht polarisierten Spinstrom durch die Abstandhalterschicht in die freie Schicht zu injizieren, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern. Die ferromagnetische Schicht wird auch als Spin-Swapping-Schicht bezeichnet, da sie den senkrecht polarisierten Spinstrom durch Spin-Swapping als Reaktion auf den elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht induziert.
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der vorgeschlagenen MRAM-Speicherzelle mit senkrechtem Spin-Orbit-Drehmoment, die eine deterministische Umschaltung (ohne externes Feld) umfasst, die durch senkrecht polarisierten Spinstrom in der z-Richtung bereitgestellt wird, der durch den Spin-Swapping-Effekt erzeugt wird. Für die Zwecke dieses Dokuments ist eine Speicherzelle eine Speichereinheit in einem Speichersystem. Die Speicherzelle 200 beinhaltet die drei Anschlüsse A, B und C; den magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 202; den Abstandhalter 214; und die Spin-Swapping-Schicht 220 (auch als ferromagnetische Schicht bezeichnet).
Im Allgemeinen ist ein magnetischer Tunnelübergang (MTJ) eine Vorrichtung aufweisend zwei Ferromagnete, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind. Somit beinhaltet eine Ausführungsform des MTJ-Stapels 202 eine verstiftete Schicht, eine freie Schicht und eine Tunnelbarriere (Isolationsschicht) zwischen der verstifteten Schicht und der freien Schicht. MTJ 202 kann auch mehr als drei Schichten aufweisen. Wie in 2 dargestellt, weist MTJ 202 beispielsweise die verstiftete Schicht (PL) 204 auf, die Zwischenschicht zur Kopplung (ILC) 206, die Referenzschicht (RL) 208, die Tunnelbarriere (TB) 210 und die freie Schicht (FL) 212. Die verstiftete Schicht 204 und die Referenzschicht 208 haben feste Magnetisierungsrichtungen, so dass sich ihre Magnetisierungsrichtung nicht ändert. Die verstiftete Schicht 204 kann aus vielen verschiedenen Arten von Materialien bestehen, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) mehrere Schichten Kobalt und/oder eine Legierung aus Kobalt und Eisen. Die Referenzschicht 208 kann aus vielen verschiedenen Arten von Materialien bestehen, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) mehrere Schichten Kobalt und eine Legierung aus Kobalt, Eisen und Bor. In einem Beispiel besteht die ILC-Schicht 206 aus Ruthenium; jedoch können auch andere Materialien verwendet werden. Die verstiftete Schicht 204 weist eine Magnetisierungsrichtung auf, die in Richtung der Referenzschicht 208 entgegengesetzt ist. So zeigt beispielsweise 2 die Richtung der Magnetisierung der verstifteten Schicht 204 nach unten und die Richtung der Magnetisierung der Referenzschicht 208 nach oben. Die Magnetisierungsrichtung für die verstiftete Schicht 204 und die Referenzschicht 208 liegt senkrecht zur Richtung in der Ebene. Die Magnetisierung der Referenzschicht 208 hebt die Magnetisierung der verstifteten Schicht 204 weitgehend auf (oder umgekehrt), um insgesamt eine kombinierte Schicht mit einer Nettomagnetisierung nahe Null zu erzeugen. Die ILC-Schicht 206 fördert diese antiparallele (d. h. antiferromagnetische) Kopplung zwischen der verstifteten Schicht 204 und der Referenzschicht 208. Die verstiftete Schicht 204 ist mit dem Anschluss A (dem ersten Anschluss) verbunden.
In einer Ausführungsform besteht die Tunnelbarriere 210 aus Magnesiumoxid (MgO); jedoch können auch andere Materialien verwendet werden. Die Tunnelbarriere 210 befindet sich zwischen der freien Schicht 212 und der einen oder den mehreren Schichten der festen Magnetisierung; daher ist die Tunnelbarriere 210 in einer Ausführungsform zwischen der freien Schicht 212 und der Referenzschicht 208 angeordnet. Die freie Schicht 212 ist ein ferromagnetisches Metall, das die Fähigkeit besitzt, seine Richtung der Magnetisierung zu ändern/zu schalten. Multischichten auf Basis von Übergangsmetallen wie Co, Fe und deren Legierungen können zur Bildung der freien Schicht 212 verwendet werden. In einer Ausführungsform weist die freie Schicht 212 eine Legierung aus Kobalt, Eisen und Bor auf. In einer Ausführungsform weist die freie Schicht 212 eine Magnetisierungsrichtung auf, die zwischen aufwärts und abwärts umschaltbar ist. Somit ist die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212 senkrecht zur Richtung in der Ebene.
Wenn die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212 parallel zur Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 208 ist, hat die Speicherzelle 200 einen geringeren Widerstand. Wenn die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212 antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 208 ist, dann hat die Speicherzelle 200 einen höheren Widerstand. In einigen Ausführungsformen stellt der geringe Widerstand ein „0“-Bit und der hohe Widerstand ein „1“-Bit dar oder umgekehrt. Die in der Speicherzelle 100 gespeicherten Daten („0“ oder „1“) werden durch Messen des Widerstands der Speicherzelle 200 gelesen. Das Lesen wird durch Leiten eines elektrischen Stroms zwischen Anschluss A und entweder Anschluss B oder Anschluss C erreicht, um den Widerstand der Speicherzelle 200 zu erfassen.
Unterhalb von MTJ 202 befindet sich die Spin-Swapping-Schicht 220. Der Abstandhalter 214 befindet sich zwischen der freien Schicht 212 und der Spin-Swapping-Schicht 220 (und somit zwischen MTJ 202 und der Spin-Swapping-Schicht 220). In einer Ausführungsform grenzt eine obere Oberfläche des Abstandhalters 214 an die freie Schicht 212 an und berührt sie, und eine untere Oberfläche des Abstandhalters 214 grenzt an die Spin-Swapping-Schicht 220 an und berührt sie. In einer Beispielimplementierung hat der Abstandhalter 214 die gleiche Form wie der MTJ 202, so dass der Abstandhalter 214 unter den MTJ 202 passt.
Für die Zwecke dieses Dokuments ist eine Spin-Swapping-Schicht eine Materialschicht, die einen resultierenden Spinstrom als Reaktion auf einen Schreibstrom durch die Spin-Swapping-Schicht erzeugt, bei dem der resultierende Spinstrom hauptsächlich durch einen Spin-Swapping-Effekt erzeugt wird, der Elektronen des Schreibstroms beinhaltet, die eine Spin-Orbit-Drehmoment-Wechselwirkung erfahren, die einen ersten Spinstrom in der Spin-Swapping-Schicht aufweist, der einen Querspinstrom mit vertauschter Spinrichtung und Flussrichtung induziert. Die Spin-Swapping-Schicht 220 kann ein Ferromagnet oder ein Halbmetall mit einem hohen Spinpolarisationsgrad an der Fermi-Oberfläche sein, was eine effizientere Umwandlung des Ladestroms in den Spinstrom der gewünschten senkrechten Polarisation ermöglicht. In einem Satz von Ausführungsformen ist es wünschenswert, einen hohen Grad an Spinpolarisation und eine lange Spindiffusionslänge in dem für die Spin-Swapping-Schicht 220 verwendeten Material zu haben. In einer Ausführungsform ist die Spin-Swapping-Schicht 220 ein ferromagnetisches Material, dessen magnetisches Moment in der Ebene ausgerichtet ist. Heusler-Legierungen können auch zum Spin-Swapping der Schicht 220 verwendet werden. Weitere Beispiele von Materialien für die Spin-Swapping-Schicht schließen Kobalt-Mangan-Germanium und Kobalt-Mangan-Silizium ein. In einer Ausführungsform ist die Spindiffusionslänge der Spin-Swapping-Schicht 220 größer als die Hälfte der Dicke der Spin-Swapping-Schicht 220. In einer weiteren Ausführungsform ist die Spindiffusionslänge der Spin-Swapping-Schicht 220 größer als die Gesamtdicke der Spin-Swapping-Schicht 220.
In einem Satz von Ausführungsformen ist es wünschenswert, dass die Spin-Swapping-Schicht 220 die freie Schicht 212 nicht berührt, da sowohl die Spin-Swapping-Schicht 220 als auch die freie Schicht 212 aus ferromagnetischem Material gebildet sind, das versucht, sich auszurichten, wenn sie sich berühren. Daher wird der Abstandhalter 214 (z. B. 1-10 Nanometer dick) zwischen der Spin-Swapping-Schicht 220 und der freien Schicht 212 positioniert, so dass die Spin-Swapping-Schicht 220 und die freie Schicht 212 magnetisch entkoppelt sind. In einer Ausführungsform ist der Abstandhalter 214 ein Material, das Spinstrom effizient übertragen kann und eine lange Spindiffusionslänge und einen hohen spezifischen Widerstand aufweist, um den Schreibstrom 222 nicht zu shunten. Der Abstandhalter kann eine Legierung der Form A_xB_1-x sein, bei dem A aus dem folgenden Satz ausgewählt werden kann (ohne darauf beschränkt zu sein): Au, Ag, Cu, Pd; und B kann aus dem folgenden Satz ausgewählt werden (ohne darauf beschränkt zu sein): Sn, Zn, Pt, Ni. Der Abstandhalter kann ein \Material mit geringerer Leitfähigkeit und hoher Spindiffusion sein. Es kann auch ein topologischer Isolator oder Rashba-2D-Material verwendet werden. In einem Satz von Ausführungsformen wird der Abstandhalter 214 aus Kupfer, Silber oder einer Silber-ZinnLegierung hergestellt.
Die in 2 grafisch dargestellte Ausführungsform zeigt die Magnetisierungsrichtung der verstifteten Schicht 204 nach unten, die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 208 nach oben und die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212 nach oben und unten, die alle senkrecht zur Ebene (z. B. die Ebene der freien Schicht 212) stehen.
Die Daten werden in die Speicherzelle von 2 geschrieben, indem ein elektrischer Strom durch Spin-Swapping-Schicht 220 angelegt wird. Das heißt, für einen Schreibvorgang, bei dem die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212 umgeschaltet werden soll, wird ein Strom zwischen Anschluss B und Anschluss C angelegt. So zeigt beispielsweise 2 einen elektrischen Schreibstrom 222 durch Spin-Swapping-Schicht 220 von Anschluss B nach Anschluss C, mit dem Daten in die Speicherzelle von 2 geschrieben werden, indem die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 212 in eine erste Richtung geändert wird. Ein Schreibstrom durch Spin-Swapping-Schicht 220 von Anschluss C zu Anschluss B wird verwendet, um Daten in die Speicherzelle von 2 zu schreiben, indem die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 212 in eine zweite Richtung geändert wird, die antiparallel zur ersten Richtung ist.
Die Elektronen des Schreibstroms 222 erfahren eine Spin-Orbit-Drehmoment-Wechselwirkung, die den vorstehend beschriebenen Spin-Swapping-Effekt beinhaltet, so dass als Reaktion auf den elektrischen Schreibstrom 222 ein senkrecht polarisierter Spinstrom durch die Spin-Swapping-Schicht 220 als Spin-Orbit-Wechselwirkung erzeugt wird, die einen ersten Spinstrom in der Spin-Swapping-Schicht 220 aufweist, der einen Querspinstrom mit vertauschter Spin-Richtung und Flussrichtung induziert. In der Spin-Swapping-Schicht 220, die eine Magnetisierungsrichtung M in x-Richtung aufweist, fließt elektrischer Strom in x-Richtung. Elektronen, die sich in der Ebene der Spin-Swapping-Schicht 220 über/unter dem Streuzentrum bewegen, fühlen ein effektives Magnetfeld B, das in +/- y-Richtung liegt. Dieses Magnetfeld induziert den Spinstrom J_s in z-Richtung, bei dem der Spinstrom J_s eine Polarisationsrichtung aufweist, die senkrecht zur Ebene der Spin-Swapping-Schicht 220 liegt (was bedeutet, dass die Polarisationsrichtung des Spinstroms J_s in z-Richtung liegt - parallel oder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212). Somit fließt der Spinstrom J_s aufgrund des Spin-Swapping-Effekts nach oben in Richtung Abstandhalter 214, durch den Abstandhalter 214 und in die freie Schicht 212. Dieser Spinstrom wird in Richtung parallel oder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212 polarisiert, wodurch ein effizienteres Drehmoment auf die freie Schicht 212 ausgeübt wird. Dieses Drehmoment ermöglicht auch das deterministische Schalten der freien Schicht 212
Die Spinrichtung des Spinstroms, der von der Spin-Swapping-Schicht 220 in die freie Schicht 212 injiziert wird, ist die gleiche Polarisationsrichtung wie die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212. Der Strom in der Spin-Swapping-Schicht 220 ist in der Ebene. Das magnetische Moment wird in der Ebene ausgerichtet. Die Spins sind in die gleiche Richtung orientiert. Ein Spinstrom wird in die Spin-Swapping-Schicht 220 in z-Richtung (z. B. nach oben - siehe 2) induziert, die kollinear mit der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212 ist. Somit ist die Spin-Swapping-Schicht 220 in der Ebene und parallel zu einer Flussrichtung des elektrischen Schreibstroms 222 magnetisiert.
Um das Lesen durchzuführen, wird ein Lesestrom von Anschluss A durch MTJ 202 hindurch an Anschluss B oder Anschluss C angelegt. Der Lesestrom (nicht dargestellt) ist typischerweise ein geringerer Strom, der die Tunnelbarriere 210 nicht beschädigt. Durch Erfassen des Spannungsabfalls an den Anschlüssen A und B kann der Widerstand von MTJ 202 bestimmt werden. Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht 212 parallel zur Magnetisierung in der Referenzschicht 208 (oder der Kombination aus verstifteter Schicht 204 und Referenzschicht 208) verläuft, ist der Widerstand über der Speicherzelle 200 relativ gering. Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht 212 antiparallel zur Magnetisierung in der Referenzschicht 208 (oder der Kombination aus verstifteter Schicht 204 und Referenzschicht 208) ist, ist der Widerstand über die Speicherzelle 200 relativ hoch. Somit weist MTJ 202 (d. h. die freie Schicht 212) einen programmierbaren Widerstand auf, der als Reaktion auf eine Lesevorspannung erkannt werden kann.
Einige frühere MRAM-Geräte waren zwei Anschlussspeicherzellen, die gemeinsame Lese- und Schreibpfade durch den magnetischen Tunnelübergang enthielten. Die gemeinsamen Lese- und Schreibpfade verursachten Probleme bei der Ausdauer und Zuverlässigkeit. Zum Schreiben sollte die Tunnelbarriereschicht im magnetischen Tunnelübergang ausreichend dünn (und mit relativ geringem Widerstand) sein, damit ein zum Schalten notwendiger Strom fließen konnte. Jedoch ist eine dünne Barriereschicht aufgrund wiederholter Schreibvorgänge anfälliger für dielektrischen Durchbruch. Das neue vorgeschlagene Design von 2 erfordert keinen Schreibstrom, der durch die Tunnelbarriere 210 fließt. Während der Spinstrom in die freie Schicht 212 diffundieren kann, wird der Schreibstrom 222 durch die Spin-Swapping-Schicht 220 und nicht durch MTJ 202 geleitet. Das heißt, die erzeugte senkrechte Spinpolarisation, die vorstehend diskutiert wurde, diffundiert in die freie Schicht 212 und übt ein Drehmoment auf die freie Schicht 212 aus, um die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212 zu ändern, ohne dass ein hoher elektrischer Strom durch die Tunnelbarriere 210 (die Isolationsschicht) fließt.
Obwohl oben erwähnt wird, dass einige Ausführungsformen der Struktur von 2 Daten schreiben, indem die senkrechte Spinpolarisation ein Drehmoment auf die freie Schicht ausübt, ohne dass ein elektrischer Strom durch den magnetischen Tunnelübergangsstapel fließt, schreiben andere Ausführungsformen Daten, indem sie die senkrechte Spinpolarisation ein Drehmoment auf die freie Schicht ausüben lassen, während ein kleiner elektrischer Strom durch den magnetischen Tunnelübergangsstapel fließt. So übt beispielsweise die erzeugte senkrechte Spinpolarisation in einer Ausführungsform ein Drehmoment auf die freie Schicht aus, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht ohne elektrischen Strom durch die Isolationsschicht zu ändern, der größer als 1 MA/cm² ist.
3 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen MRAM-Speicherzelle mit senkrechtem Spin-Orbit-Drehmoment, die eine deterministische Umschaltung (ohne externes Feld) aufweist, die durch senkrecht polarisierten Spinstrom in z-Richtung bereitgestellt wird, der durch den Spin-Swapping-Effekt erzeugt wird. Die Speicherzelle 300 von 3 beinhaltet den gleichen MTJ 202, den Abstandhalter 214 und die Spin-Swapping-Schicht (auch als ferromagnetische Schicht bezeichnet) 220 wie die Speicherzelle 200 von 2. Zusätzlich beinhaltet die Speicherzelle 300 eine antiferromagnetische Schicht 302 angrenzend und unter der Spin-Swapping-Schicht 220. Die antiferromagnetische Schicht und die Spin-Swapping-Schicht sind so eingerichtet, dass die Austauschvorspannung der antiferromagnetischen Schicht 302 eine Magnetisierungsrichtung der Spin-Swapping-Schicht 220 verstiftet. Auf diese Weise wird die Magnetisierungsrichtung der Spin-Swapping-Schicht 220 in der Richtung fixiert und gehalten, die die Erzeugung der senkrecht polarisierten Spinstromdichte durch den Spin-Swapping-Effekt maximiert.
In Materialien, die einen Antiferromagnetismus aufweisen, richten sich die magnetischen Momente von Atomen oder Molekülen (bezogen auf die Spin-Elektronen) in einem regelmäßigen Muster mit benachbarten Spins (auf verschiedenen Untergittern) aus, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen, um eine Null-Netto-Magnetisierung zu realisieren. Das heißt, magnetische Momente richten sich in entgegengesetzten oder antiparallelen Anordnungen im gesamten Material aus, so dass es fast keinen äußeren Gesamtmagnetismus aufweist. Wenn ein antiferromagnetisches Material mit einem ferromagnetischen Material in Kontakt steht, koppelt das ferromagnetische Material an der Grenzfläche an das antiferromagnetische Material, so dass eine starke Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten an der Grenzfläche zwischen dem antiferromagnetischen Material und dem ferromagnetischen Material besteht, um sie auszurichten und dadurch eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung für den Ferromagneten zu erzeugen. Dieses Phänomen wird als „Austauschvorspannung“ bezeichnet. Durch die Kopplung zwischen dem antiferromagnetischen Material und dem ferromagnetischen Material ist es wesentlich schwieriger, die Richtung der Magnetisierung des ferromagnetischen Materials zu ändern. Beispiele für geeignete Materialien für die antiferromagnetische Schicht 302 sind IrMn, FeMn, PtMn und NiMn. Es können auch andere Materialien verwendet werden.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der vorgeschlagenen MRAM-Speicherzelle mit senkrechtem Spin-Orbit-Drehmoment, die eine deterministische Umschaltung (ohne externes Feld) aufweist, die durch senkrecht polarisierten Spinstrom in z-Richtung bereitgestellt wird, der durch den Spin-Swapping-Effekt erzeugt wird. Die Speicherzelle 400 von 4 beinhaltet den gleichen MTJ 202 wie die Speicherzelle 200 von 2. Die Speicherzelle 300 beinhaltet auch die Spin-Swapping-Schicht 402 (auch als ferromagnetische Schicht bezeichnet), die analog zur Spin-Swapping-Schicht 220 in 2 ist. Zwischen der Spin-Swapping-Schicht 402 und der freien Schicht 212 befindet sich der SHE-Abstandhalter 404.
Der SHE-Abstandhalter 404 dient zur magnetischen Entkopplung der Spin-Swapping-Schicht 402 und der freien Schicht 212. Zusätzlich bietet der SHE-Abstandhalter 404 eine zweite Quelle für den Spinstrom, der auf der Spin-Orbit-Interaktion basiert. Somit beinhaltet die Speicherzelle 400 das Erzeugen von zwei verschiedenen Spinströmen als Reaktion auf den elektrischen Schreibstrom 406 zwischen Anschluss B und Anschluss C. Der erste Spinstrom ist ein senkrechter Spinstrom, der in der Spin-Swapping-Schicht 402 aufgrund des Spin-Swapping-Effekts als Reaktion auf den elektrischen Schreibstrom 406 erzeugt wird. Der zweite Spinstrom ist der in der Ebene erzeugte Spinstrom, der im SHE-Abstandhalter 404 aufgrund des Spin-Hall-Effekts als Reaktion auf den elektrischen Schreibstrom 406 erzeugt wird. Die Menge des Spinstroms in der Ebene kann mit der Dicke des SHE-Abstandhalters 404 und dem Leitfähigkeitsverhältnis gesteuert werden. Der SHE-Abstandhalter 404 kann aus einer nichtferromagnetischen konventionellen SOT-Schicht, wie Pt oder beta W, hergestellt werden. Beide Spinströme werden in die freie Schicht 212 injiziert, um ein Spin-Orbit-Drehmoment auf die freie Schicht 212 aufzubringen, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 212 zu ändern (z. B. entweder nach unten oder nach oben). In dieser Ausführungsform weist die Speicherzelle 400 beide Polarisationen (in der Ebene und senkrecht) des in die freie Schicht 212 injizierten Spinstroms auf, die einen unterstützten Schaltmechanismus erzeugen. In einer Ausführungsform ist der senkrechte Spinstrom der primäre Spinstrom zum Schalten und der in der Ebene befindliche, in die freie Schicht 212 injizierte polarisierte Spinstrom unterstützt die Änderung der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 212. Jedoch können die Rollen des primären Spinstroms und des unterstützenden Spinstroms geändert und/oder konstruiert werden. Die Dicke und der Widerstand der SHE-Abstandhalterschicht 404 sowie die Dicke und der Widerstand der Spin-Swapping-Schicht 402 können eingestellt werden, um die jeweilige Menge des Spinstroms anzupassen. Eine größere Dicke und ein geringerer Widerstand führen zu einem größeren Spinstrom für die jeweilige Schicht.
Im Falle, dass der Spinstrom durch die Spinpolarisation in der Ebene dominiert wird (z. B. dickere und widerstandsärmere SHE-Abstandhalterschicht mit dünnerer und widerstandsstärkerer Spin-Swapping-Schicht.), wird die Umschaltung durch den Spin-Hall-Effektbasierten Spinstrom bestimmt, aber der unterstützende Spinstrom aus der Spin-Swapping-Schicht erzeugt ein effektives Magnetfeld in der Ebene, das ein deterministisches Schalten bereitstellt. Dadurch entfällt das externe Magnetfeld auf dem Chip. Somit bietet die Spin-Swapping-Schicht 402 in einer Ausführungsform ein effektives magnetisches Feld in der Ebene, um die Symmetrie zu brechen, und die Umkehrung der freien Schicht 212 wird über den SHE-Mechanismus erreicht.
Wenn der Spinstrom von senkrechter Spinpolarisation dominiert wird (z. B. dickere und niedrigere Spin-Swapping-Schicht mit dünnerer und widerstandsstärkerer SHE-Abstandhalterschicht), wird der Schaltstrom im präzessiven Bereich (Sub 10 ns) reduziert, da die Spinpolarisation in der Ebene von der SHE-Schicht 404 die Magnetisierung von ihrer einfachen Achse wegbewegt und hilft, den Staupunkt zu überwinden. Somit stellt die SHE-Abstandhalterschicht 404 in einer Ausführungsform einen Initiationsmechanismus zum Kippen der Magnetisierung der freien Schicht von ihrer einfachen Achse weg zur Verfügung, wodurch der Schaltstrom im schnellen Bereich (<10 ns) reduziert wird.
5 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Prozesses beschreibt, der zum Programmieren einer MRAM-Speicherzelle ausgeführt wird, wie beispielsweise die Speicherzelle 200 aus 2, die Speicherzelle 300 aus 3 und/oder die Speicherzelle 400 aus 4. In Schritt 502 wird ein elektrischer Strom (z. B. Schreibstrom 222 oder Schreibstrom 406) durch eine ferromagnetische Schicht (z. B. Spin-Swapping-Schicht 220 oder 402) angrenzend einer Abstandhalterschicht (z. B. Abstandhalter 214 oder Abstandhalter 404) geleitet. Die Abstandhalterschicht befindet sich zwischen der ferromagnetischen Schicht und einer freien Schicht. Die freie Schicht ist in der Lage, die Richtung der Magnetisierung zu wechseln, wie vorstehend in Bezug auf die freie Schicht 212 erläutert. In Schritt 504 wird in der ferromagnetischen Schicht senkrecht polarisierter Spinstrom erzeugt (z. B. Spin-Swapping-Schicht 220 oder 402) als Reaktion auf den elektrischen Strom (z. B. Schreibstrom 222 oder Schreibstrom 406) durch Spin-Swapping. In Schritt 506 wird der erzeugte senkrecht polarisierte Spinstrom durch die Abstandhalterschicht in die freie Schicht injiziert, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern. Dadurch werden Daten in die Speicherzelle geschrieben. Schritt 508 wird durchgeführt, um die Speicherzelle zu lesen, indem ein elektrischer Lesestrom durch den MTJ (auch durch die freie Schicht) geleitet wird. Der aktuelle Zustand der freien Schicht wird durch den Abtastwiderstand des MTJ erfasst, basierend auf dem Erfassen des Lesestroms durch den MTJ. 5 zeigt eine gestrichelte Linie zu Schritt 508, um anzuzeigen, dass Schritt 508 viel später nach Abschluss von Schritt 506 ausgeführt werden kann (oder unmittelbar nach Schritt 506).
6 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Speichersystem 600 darstellt, das die hier beschriebene Technologie implementieren kann. Das Speichersystem 600 beinhaltet ein Speicherarray 602, das jede der oben beschriebenen Speicherzellen beinhalten kann. Die Array-Anschluss-Leitungen des Speicherarrays 602 beinhalten die verschiedenen Schichten von Wortleitungen, die als Zeilen organisiert sind, und die verschiedenen Schichten von Bitleitungen, die als Spalten organisiert sind. Jedoch können aber auch andere Orientierungen umgesetzt werden. Das Speichersystem 600 beinhaltet eine Zeilensteuerschaltung 620, deren Ausgänge 608 mit den entsprechenden Wortleitungen des Speicherarrays 602 verbunden sind. Die Zeilensteuerschaltung 620 empfängt eine Gruppe von M-Zeilenadresssignalen und ein oder mehrere verschiedene Steuersignale von der Systemsteuerungslogik 660 und kann typischerweise solche Schaltungen wie Zeilendecoder 622, Array-Anschluss-Treiber 624 und Blockauswahlschaltung 626 für Lese- und Schreibvorgänge beinhalten. Das Speichersystem 600 beinhaltet auch eine Spaltensteuerschaltung 610, deren Ein-/Ausgänge 606 mit den entsprechenden Bitleitungen des Speicherarrays 602 verbunden sind. Die Spaltensteuerschaltung 606 empfängt eine Gruppe von N Spaltenadresssignalen und ein oder mehrere verschiedene Steuersignale von der Systemsteuerungslogik 660 und kann typischerweise solche Schaltungen wie Spaltendecoder 612, Array-Anschluss-Empfänger oder -Treiber 614, Blockauswahlschaltung 616 sowie Lese-/Schreibschaltungen und I/O-Multiplexer beinhalten. Die Systemsteuerungslogik 660 empfängt Daten und Befehle von einem Host und stellt dem Host Ausgabedaten und den Status zur Verfügung. In weiteren Ausführungsformen empfängt die Systemsteuerungslogik 660 Daten und Befehle von einer separaten Steuerschaltung und stellt dieser Steuerschaltung Ausgangsdaten zur Verfügung, wobei die Steuerschaltung mit dem Host kommuniziert. Die Systemsteuerungslogik 660 kann eine oder mehrere Zustandsmaschinen, Register und andere Steuerlogik zum Steuern des Betriebs des Speichersystems 600 beinhalten.
In einer Ausführungsform sind alle in 6 dargestellten Komponenten auf einer einzigen integrierten Schaltung angeordnet. So werden beispielsweise die Systemsteuerungslogik 660, die Spaltensteuerschaltung 610 und die Zeilensteuerschaltung 620 auf der Oberfläche eines Substrats gebildet, und das Speicherarray 602 wird auf oder über dem Substrat gebildet.
Die obige Diskussion liefert Details zu einer neuen vorgeschlagenen MRAM-Speicherzelle mit senkrechtem Spin-Orbit-Drehmoment, die die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht durch senkrecht polarisierten Spinstrom in einer z-Richtung, die über einen Spin-Swapping-Effekt ohne externes Magnetfeld erzeugt wird, deterministisch umschalten kann.
Eine Ausführungsform beinhaltet eine Vorrichtung, die einen magnetischen Tunnelübergang aufweist, der eine freie Schicht in einer Ebene, eine ferromagnetische Schicht und eine Abstandhalterschicht zwischen der ferromagnetischen Schicht und der freien Schicht beinhaltet. Die freie Schicht weist eine umschaltbare Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Ebene auf. Die ferromagnetische Schicht ist eingerichtet, um als Reaktion auf einen elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht senkrecht polarisierten Spinstrom zu erzeugen und den senkrecht polarisierten Spinstrom durch die Abstandhalterschicht in die freie Schicht zu injizieren, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern.
Eine Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren aufweisend das Leiten eines elektrischen Stroms durch eine ferromagnetische Schicht angrenzend an eine Abstandhalterschicht, wobei sich die Abstandhalterschicht zwischen der ferromagnetischen Schicht und einer freien Schicht befindet, wobei die freie Schicht in der Lage ist, die Magnetisierungsrichtung zu wechseln; Erzeugen eines senkrecht polarisierten Spinstroms in der ferromagnetischen Schicht als Reaktion auf den elektrischen Strom; und das Injizieren des senkrecht polarisierten Spinstroms durch die Abstandhalterschicht in die freie Schicht, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern. In einer beispielhaften Implementierung ist die ferromagnetische Schicht eingerichtet, um den senkrecht polarisierten Spinstrom als Reaktion auf den elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht mithilfe einer Spin-Orbit-Wechselwirkung (d. h. Spin-Swapping) zu erzeugen, die einen ersten Spinstrom in der ferromagnetischen Schicht aufweist, der einen Querspinstrom mit vertauschter Spinrichtung und Flussrichtung induziert (der Querspinstrom ist der senkrecht polarisierte Spinstrom).
Eine Ausführungsform beinhaltet eine MRAM-Speicherzelle mit senkrechtem Spin-Orbit-Drehmoment, aufweisend einen magnetischen Tunnelübergang, der eine freie Schicht beinhaltet, die in der Lage ist, die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu wechseln, und Mittel zum deterministischen Umschalten der Richtung der Magnetisierung der freien Schicht durch senkrecht polarisierten Spinstrom in einer z-Richtung, die über einen Spin-Swapping-Effekt ohne externes Magnetfeld erzeugt wird. Eine Ausführungsform der Mittel zum deterministischen Umschalten der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht weist eine ferromagnetische Schicht und eine Abstandhalterschicht zwischen der ferromagnetischen Schicht und der freien Schicht auf. Beispiele für die ferromagnetische Schicht sind die Spin-Swapping-Schicht 220 der 2 und 3, die den Prozess der 5 durchführt, und die Spin-Swapping-Schicht 402 der 4, die den Prozess der 5 durchführt. Beispiele für die Abstandhalterschicht sind die Abstandhalterschicht 214 der 2 und 3 und die Abstandhalterschicht 404 der 4.
Für die Zwecke dieses Dokuments kann eine Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform“, „einige Ausführungsformen“ oder „eine andere Ausführungsform“ verwendet werden, um verschiedene Ausführungsformen oder dieselbe Ausführungsform zu beschreiben.
Für die Zwecke dieses Dokuments kann eine Verbindung eine direkte oder indirekte Verbindung sein (z. B. über einen oder mehrere andere Teile). In einigen Fällen, wenn ein Element als mit einem anderen Element verbunden oder gekoppelt bezeichnet wird, kann das Element direkt mit dem anderen Element verbunden sein oder indirekt über zwischenliegende Elemente mit dem anderen Element verbunden sein. Wenn ein Element als direkt mit einem anderen Element verbunden bezeichnet wird, gibt es keine Zwischenelemente zwischen dem Element und dem anderen Element. Zwei Geräte sind „in Kommunikation“, wenn sie direkt oder indirekt miteinander verbunden sind, so dass sie elektronische Signale untereinander übertragen zu können.
Für die Zwecke dieses Dokumentes kann der Begriff „basierend auf“ als „zumindest teilweise basierend auf“ gelesen werden.
Für die Zwecke dieses Dokuments impliziert ohne zusätzlichen Kontext die Verwendung numerischer Ausdrücke, wie z. B. ein „erstes“ Objekt, ein „zweites“ Objekt und ein „drittes“ Objekt möglicherweise keine Sortierung von Objekten, sondern kann stattdessen zu Identifikationszwecken verwendet werden, um verschiedene Objekte zu identifizieren.
Für die Zwecke dieses Dokuments kann sich der Ausdruck „Satz“ von Objekten auf einen „Satz“ von einem oder mehreren der Objekte beziehen.
Die vorhergehende detaillierte Beschreibung wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung vorgelegt. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die genaue offenbarte Form beschränken. Viele Modifikationen und Variationen sind unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Lehre möglich. Die beschriebenen Ausführungsformen wurden gewählt, um die Prinzipien der vorgeschlagenen Technologie und ihre praktische Anwendung am besten zu erläutern und damit anderen Fachleuten die Möglichkeit zu geben, sie in verschiedenen Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen, die für die jeweilige vorgesehene Verwendung geeignet sind, am besten zu nutzen. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang durch die hier beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Vorrichtung, aufweisend: einen magnetischen Tunnelübergang, der eine freie Schicht in einer Ebene beinhaltet, wobei die freie Schicht eine schaltbare Richtung der Magnetisierung senkrecht zur Ebene aufweist; eine ferromagnetische Schicht; und eine Abstandhalterschicht zwischen der ferromagnetischen Schicht und der freien Schicht, wobei die ferromagnetische Schicht eingerichtet ist, um als Reaktion auf einen elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht senkrecht polarisierten Spinstrom zu erzeugen und den senkrecht polarisierten Spinstrom durch die Abstandhalterschicht in die freie Schicht zu injizieren, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ferromagnetische Schicht eine Spin-Swapping-Schicht ist, die eingerichtet ist, um senkrecht polarisierten Spinstrom durch Spin-Swapping als Reaktion auf den elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht zu induzieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ferromagnetische Schicht eingerichtet ist, um den senkrecht polarisierten Spinstrom als Reaktion auf den elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht mittels einer Spin-Orbit-Wechselwirkung zu erzeugen, die einen ersten Spinstrom in der ferromagnetischen Schicht aufweist, der einen Querspinstrom mit vertauschter Spinrichtung und Flussrichtung induziert, wobei der Querspinstrom den senkrecht polarisierten Spinstrom aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ferromagnetische Schicht in der Ebene magnetisiert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ferromagnetische Schicht parallel zu einer Flussrichtung des elektrischen Stroms magnetisiert wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ferromagnetische Schicht ein Metall mit einem hohen Grad an Spinpolarisation ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ferromagnetische Schicht eine Spindiffusionslänge aufweist, die größer als die Hälfte einer Dicke der ferromagnetischen Schicht ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ferromagnetische Schicht eine Spindiffusionslänge aufweist, die größer ist als eine Dicke der ferromagnetischen Schicht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: der magnetische Tunnelübergang, die ferromagnetische Schicht und der Abstandhalter eine Spin-Orbit-Drehmoment MRAM-Speicherzelle aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die ferromagnetische Schicht eine Heusler-Legierung ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die Abstandhalterschicht eingerichtet ist, um die ferromagnetische Schicht und die freie Schicht magnetisch zu entkoppeln.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die Abstandhalterschicht eine Spin-Hall-Effekt (SHE)-Schicht ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: die Abstandhalterschicht eine nicht-ferromagnetische SHE-Schicht aufweist, die eingerichtet ist, um in der Ebene polarisierten Spinstrom als Reaktion auf den elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht zu erzeugen und den in der Ebene polarisierten Spinstrom in die freie Schicht zu injizieren, um das Ändern der Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu unterstützen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: eine antiferromagnetische Schicht, die an die ferromagnetische Schicht angrenzt, wobei die antiferromagnetische Schicht und die ferromagnetische Schicht so eingerichtet sind, dass eine Austauschvorspannung von der antiferromagnetischen Schicht eine Richtung der Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht fixiert.
Verfahren, aufweisend: Leiten eines elektrischen Stroms durch eine ferromagnetische Schicht angrenzend an eine Abstandhalterschicht, wobei sich die Abstandhalterschicht zwischen der ferromagnetischen Schicht und einer freien Schicht befindet, wobei die freie Schicht in der Lage ist, die Magnetisierungsrichtung zu wechseln; Erzeugen eines senkrecht polarisierten Spinstroms in der ferromagnetischen Schicht als Reaktion auf den elektrischen Strom; und das Injizieren des senkrecht polarisierten Spinstroms durch die Abstandhalterschicht in die freie Schicht, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das Erzeugen eines senkrecht polarisierten Spinstroms in der ferromagnetischen Schicht aufweist: einen ersten Spinstrom in der ferromagnetischen Schicht, der einen Querspinstrom mit vertauschter Spinrichtung und Flussrichtung induziert, wobei der Querspinstrom der senkrecht polarisierte Spinstrom ist, wobei die ferromagnetische Schicht und die freie Schicht eine MRAM-Speicherzelle mit Spin-Orbit-Drehmoment aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 15, weiterhin aufweisend: Erfassen eines aktuellen Zustands der freien Schicht durch Leiten eines Lesestroms, der elektrisch ist, durch die freie Schicht, wobei die ferromagnetische Schicht und die freie Schicht eine MRAM-Speicherzelle mit Spin-Orbit-Drehmoment aufweisen, wobei das Erfassen des Stroms das Lesen der MRAM-Speicherzelle mit Spin-Orbit-Drehmoment aufweist, das Injizieren des senkrecht polarisierten Spinstroms durch die Abstandhalterschicht in die freie Schicht, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern, das Schreiben in die MRAM-Speicherzelle mit Spin-Orbit-Drehmoment aufweist.
Vorrichtung aufweisend: eine MRAM-Speicherzelle mit senkrechtem Spin-Orbit-Drehmoment, aufweisend: einen magnetischen Tunnelübergang, der eine freie Schicht beinhaltet, die in der Lage ist, die Richtung der Magnetisierung zu wechseln; und Mittel zum deterministischen Umschalten der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht durch senkrecht polarisierten Spinstrom in einer z-Richtung, der über einen Spin-Swapping-Effekt ohne externes Magnetfeld erzeugt wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei das Mittel zum deterministischen Umschalten der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht aufweist: eine ferromagnetische Schicht mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss; und eine Abstandhalterschicht zwischen der ferromagnetischen Schicht und der freien Schicht, so dass die ferromagnetische Schicht die freie Schicht nicht berührt, wobei die ferromagnetische Schicht eingerichtet ist, um den senkrecht polarisierten Spinstrom als Reaktion auf einen elektrischen Strom durch die ferromagnetische Schicht zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu erzeugen, wobei die ferromagnetische Schicht eingerichtet ist, um den Spinstrom durch die Abstandhalterschicht in die freie Schicht zu injizieren, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 19, wobei: die ferromagnetische Schicht in der Ebene und parallel zu einer Richtung des elektrischen Stroms zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss magnetisiert ist.