DE112017005863T5 - Mram mit spin-akkumulations-drehmoment - Google Patents

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Neil Smith
Jordan Asher Katine
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Abstract

Es wird eine MRAM-Speicherzelle vorgeschlagen, die auf einem Spin-Akkumulations-Drehmoment basiert. Eine Ausführungsform umfasst einen magnetischen Tunnelübergang, eine Spin-Akkumulationsschicht, die mit dem magnetischen Tunnelübergang verbunden ist, und eine Polarisationsschicht, die mit der Spin-Akkumulationsschicht verbunden ist. Die Polarisationsschicht und die Spin-Akkumulationsschicht verwenden Spin-Akkumulation, um ein Spin-Akkumulations-Drehmoment an der freien magnetischen Schicht des magnetischen Tunnelübergangs bereitzustellen, um die Magnetisierungsrichtung der freien magnetischen Schicht zu ändern.

Description

  • 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, Magnetoresistive Random Access Memory), der die Magnetisierung zur Darstellung gespeicherter Daten verwendet, im Gegensatz zu einigen anderen Speichertechnologien, die elektronische Ladungen zur Datenspeicherung verwenden. Im Allgemeinen schließt MRAM eine große Anzahl von magnetischen Speicherzellen ein, die auf einem Halbleitersubstrat gebildet werden, bei dem jede Speicherzelle ein Datenbit darstellt. Ein Datenbit 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 ausgelesen (ein geringer Widerstand stellt typischerweise ein „0“-Bit und ein hoher Widerstand stellt typischerweise ein „1“-Bit dar).
  • Obwohl MRAM eine vielversprechende Technologie ist, waren bisherige MRAM-Speicherzellen zu kompliziert herzustellen, wurden ineffizient betrieben und/oder haben 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.
    • 2A ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 2B ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 3A ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Prozesses zum Beschreiben einer MRAM-Speicherzelle aufzeigt.
    • 3B ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Prozesses zum Beschreiben einer MRAM-Speicherzelle aufzeigt.
    • 4 ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 5 ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 5A ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 6 ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 7 ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 7A ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 8 ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 9 ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 10 ist ein Blockdiagramm einer MRAM-Speicherzelle.
    • 11 stellt einen Abschnitt eines Kreuzpunkt-Speicherarrays dar.
    • 11A stellt einen Abschnitt eines Kreuzpunkt-Speicherarrays dar.
    • 12 ist ein Blockdiagramm für ein Speichersystem.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1A ist eine schematische perspektivische Ansicht einer früheren MRAM-Speicherzelle 10, die feldinduziertes Schalten verwendet. Im Allgemeinen beinhaltet eine MRAM-Zelle 10 einen magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 11, der eine obere ferromagnetische Schicht 12, eine untere ferromagnetische Schicht 14 und eine Tunnelbarriere (TB) 16 aufweist, 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 Ziffemleitung 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. In einem typischen MRAM wird die Orientierungen eines Bits durch Umkehrung der Polarität des Stroms 22 in der Schreibleitung 20 unter Beibehaltung einer konstanten Polarität des Stroms 34 in der Ziffemleitung 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 fixierte) 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 der Speicherzelle 50 werden durch Messen des Widerstands der Speicherzelle 50 ausgelesen. In diesem Zusammenhang werden elektrische Leiter 60/70, die an die Speicherzelle 50 angeschlossen sind, zum Auslesen 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 nicht parallel 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 ausgelesen. In diesem Zusammenhang werden die elektrischen Leiter 84/88, die an der Speicherzelle 75 angeschlossen sind, zum Auslesen 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. 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; den magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 101 und das 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.
  • 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 (1D) ist jedoch die Tatsache, dass der vom SHE 120 in die freie Schicht 110 fließende SHE-generierte Spinstrom eine Spin-Polarisation in der Ebene (d. h. orthogonal zur Magnetisierung der freien Schicht) und nicht senkrecht zur Ebene (d. h. kollinear mit der Magnetisierung der freien Schicht) aufweist, 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 beim STT-Schalten, da die Physik des Schaltprozess die orthogonale SOT-Schaltung weniger intrinsisch effizient macht als das STT-Schalten. 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.
  • Um die oben beschriebenen Mängel bekannter MRAM-Speicherzellen zu beheben, wird eine neue MRAM-Speicherzelle vorgeschlagen, die auf einem Spin-Akkumulations-Drehmoment basiert. Eine Ausführungsform umfasst einen magnetischen Tunnelübergang, eine Spin-Akkumulationsschicht (SAL), die elektrisch mit dem magnetischen Tunnelübergang verbunden ist, und eine ferromagnetische Polarisationsschicht, die elektrisch mit dem SAL verbunden ist. Der polarisierte Spinstrom, der von der Polarisationsschicht in die SAL injiziert wird, kann sich dann ausbreiten und eine Netto-Spindichte durch die SAL akkumulieren. Die Spins, die sich direkt unterhalb der Position der freien Schicht ansammeln, können vertikal in die freie Schicht hineindiffundieren. Sie stellen einen induzierten spin-polarisierten Strom in die freie Schicht hinein dar, in etwa analog zur SHE-MRAM-Zelle aus 1D. Jedoch wird im Falle der Spin-Akkumulation die Spin-Polarisationsrichtung durch diejenige der ferromagnetischen Polarisationsschicht bestimmt. Wenn die Magnetisierung der Polarisationsschicht senkrecht zur Ebene festgelegt ist, dann hat die vorliegende Erfindung das Potential, die Vorteile von SHE (d. h. kein Schreibstromfluss durch die Tunnelbarriere) und STT (effizientes, deterministisches Schalten einer senkrechten magnetisierten freien Schicht) ohne die jeweiligen Nachteile zu kombinieren. Zur Vollständigkeit sei erwähnt, dass die Spin-Akkumulations-MRAM-Zelle auch mit Designs mit Magnetisierung in der Ebene kompatibel ist.
  • 2A und 2B zeigen eine Ausführungsform einer MRAM-Speicherzelle 200, die ein Spin-Akkumulations-Drehmoment zum Schalten verwendet. Die MRAM-Speicherzelle 200 schließt drei Anschlüsse T1, T2 und T3 ein; den magnetischen Tunnelübergang (MTJ) 101; die Spin-Akkumulationsschicht 202; und die Polarisationsschicht 204. In einer Ausführungsform könnte MTJ 101 eine freie Schicht, eine Tunnelbarriere und eine verstiftete Schicht umfassen. In einer Ausführungsform, wie in 2A gezeigt ist, ist MTJ 101 auf und in elektrischem Kontakt mit der Spin-Akkumulations-Schicht (SAL) 202 angeordnet und umfasst eine verstiftete Schicht (PL) 102, eine Zwischenschicht zur Schichtenkopplung (ILC) 104, eine Referenzschicht (RL) 106, die Tunnelbarriere (TB) 108 und eine freie Schicht (FL) 110. In der in 2A grafisch dargestellten Ausführungsform ist die freie Schicht 110 über der SAL 202 angeordnet, die Tunnelbarriere 108 ist über der freien Schicht 110 angeordnet, die Referenzschicht 106 ist über der Tunnelbarriere 108 angeordnet, die ILC Schicht 104 ist über der Referenzschicht 106 angeordnet, und die verstiftete Schicht 102 ist über der ILC-Schicht 104 angeordnet. Andere Positionierungen der verschiedenen Schichten können ebenfalls implementiert werden.
  • Die verstiftete Schicht 102 und die Referenzschicht 106 haben feste Magnetisierungsrichtungen, so dass sich ihre Magnetisierungsrichtung nicht ändert. Die verstiftete Schicht 102 kann aus vielen verschiedenen Arten von Materialien bestehen, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) mehrere Schichten Kobalt und/oder einer Legierung aus Kobalt und Eisen. Die Referenzschicht 106 kann aus vielen verschiedenen Arten von Materialien bestehen, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) mehrere Schichten Kobalt und Platin sowie einer Legierung aus Kobalt, Eisen und Bor. In einem Beispiel besteht die ILC-Schicht 104 aus Ruthenium; jedoch können auch andere Materialien verwendet werden. Die verstiftete Schicht 102 weist eine Magnetisierungsrichtung auf, die zur Richtung der Referenzschicht 106 entgegengesetzt ist. So zeigt beispielsweise in 2A die Richtung der Magnetisierung der verstifteten Schicht 102 nach unten und die Richtung der Magnetisierung der Referenzschicht 106 nach oben. Zu einem gewissen Grad löscht die Magnetisierung der Referenzschicht 106 einen Teil der Magnetisierung der verstifteten Schicht 102 (oder umgekehrt). Zusammen stellen Sie eine oder mehrere Schichten mit fester Magnetisierung dar (d. h. feste Magnetisierungsrichtung), was auch als feste ferromagnetische Schicht bezeichnet wird.
  • In einer Ausführungsform besteht die Tunnelbarriere 108 aus Magnesiumoxid (MgO); jedoch können auch andere Materialien verwendet werden. Die Tunnelbarriere 108 befindet sich zwischen der freien Schicht 110 und der einen oder den mehreren Schichten mit fester Magnetisierung; daher ist die Tunnelbarriere 108 zwischen der freien Schicht 110 und der Referenzschicht 102 angeordnet. Die freie Schicht 110 ist ein ferromagnetisches Metall, das die Fähigkeit besitzt, seine Magnetisierungsrichtung zu ändern/zu schalten. Mehrfachschichten auf der Basis von Übergangsmetallen wie Co, Fe und CoFe und Edelmetallen wie Pt, Pd und Au können verwendet werden. Einige Beispiele umfassen Co/Pd, Co/Pt und Co/Ni. In einer Ausführungsform weist die freie Schicht 110 eine Legierung aus Kobalt, Eisen und Bor auf.
  • Die SAL 202 kann ein gut leitendes Metall (oder möglicherweise Halbleiter) mit langer Spin-Diffusionslänge und guten Spin-Mischungs-Grenzflächeneigenschaften mit der Polarisationsschicht 204 sein, um Spin-Injektion und -Akkumulation zu maximieren. Beispiele für Materialien, die verwendet werden können, um die SAL 202 zu implementieren, schließen Silber, Kupfer oder Legierungen mit Silber/Kupfer ein. Andere Materialien können ebenfalls verwendet werden. Somit ist, während die SHE-Schicht 120 der in 1C gezeigten MRAM-Speicherzelle 100 typischerweise ein (Schwer-)Metall mit hoher Spin-Orbit-Kopplung ist (und in der Regel entsprechend mit hohem Widerstand und kurzer Spin-Diffusionslänge), SAL 202 der Speicherzelle 200 ein elektrisch gut leitendes Metall (oder gegebenenfalls ein Halbleiter), der den Spin-Strom von der Polarisationsschicht der MRAM-Zelle leicht transportieren kann.
  • Die Polarisationsschicht 204, die eine feste Richtung der (mit vorzugsweise senkrechten) Magnetisierung aufweist, ist über und in gutem elektrischen Kontakt mit der Spin-Akkumulationsschicht 202 und seitlich von MTJ 101 angeordnet. Die Polarisationsschicht 204 ist eine hoch spin-polarisierte ferromagnetische Schicht. Beispielsweise kann die Polarisationsschicht 204 eine Legierung aus Kobalt und Eisen oder eine Legierung aus Kobalt und Mangan sein. Andere Materialien können ebenfalls verwendet werden.
  • Die in 2A grafisch dargestellte Ausführungsform zeigt die (senkrechte) Magnetisierungsrichtung der verstifteten Schicht 102 nach unten, die Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 106 nach oben, die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 110, die nach oben und unten geschaltet werden kann, und die Magnetisierungsrichtung der Polarisationsschicht 204 nach unten. Daher sind die verstiftete Schicht 102, die Referenzschicht 106, die freie Schicht 110 und die Polarisationsschicht 204 senkrecht magnetisiert. In einer anderen Ausgestaltung können die verstiftete Schicht 102, die Referenzschicht 106, die freie Schicht 110 und die Polarisationsschicht 204 eine Magnetisierung in ihrer Ebene aufweisen.
  • Der Anschluss T1 ist mit der verstifteten Schicht 102 verbunden. Der Anschluss T2 ist mit der Polarisationsschicht 204 verbunden. Der Anschluss T3 ist mit einem Ende der Spin-Akkumulationsschicht 202 am nahen Ende von MTJ 200 verbunden.
  • Mit Bezug auf 2A würde für eine Schreiboperation, bei welcher der die Magnetisierung der freien Schicht von oben nach unten umgeschaltet werden soll, der Fluss der injizierten Elektronen vom Anschluss T2 zum Anschluss T3 erfolgen. Dieser erzeugt eine Spin-Akkumulation von Spins nach unten in der SAL, was zu einem (Diffusions-)Spin-Stromfluss in die freie Schicht mit nach unten polarisierten Spins führt. Wenn die Magnetisierung der freien Schicht bereits nach unten war, würde keine Änderung auftreten. Analog dazu würde bei einer Schreiboperation, mit der die Magnetisierung der freien Schicht von unten nach oben umgeschaltet werden soll, die Schreibstrompolarität umgekehrt erfolgen (Elektronen fließen vom Anschluss 3 zum Anschluss 2). Dies erzeugt eine Spin-Akkumulation von Spins nach oben in der SAL. Wenn die Magnetisierung der freien Schicht bereits nach oben gerichtet war, würde dann keine Änderung auftreten. Was die Spin-Ströme angeht (anstatt einer Ladung), ist die Situation dabei analog zur zuvor beschriebenen STT-MRAM-Zelle aus 1B, wenn man sich die Magnetisierung der Polarisationsschicht mit analoger Rolle wie die Magnetisierung der verstifteten Schicht 52 vorstellt. Für die Ausführungsform aus 2A wird die Schreibeffizienz maximiert, wenn die laterale Breite der Polarisationsschicht 204 und die Ausdehnung (falls vorhanden) der linken Kante der SAL über die linke Kante der Polarisationsschicht 204 hinaus vergleichbar oder (vorzugsweise) kleiner ist als die Spin-Diffusionslänge im SAL-Material. Dies minimiert die Spin-Diffusion nach links und maximiert die Spin-Akkumulation in der SAL rechts von der Polarisationsschicht 204, die der Stelle des MTJ 101 am nächsten liegt.
  • 3A ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Prozesses zum Beschreiben einer MRAM-Speicherzelle aufzeigt. Der Schreibstrom 210 wird vom Anschluss T2 zum Anschluss T3 angelegt, so dass der Elektronenstrom von der Polarisationsschicht 204 zur und durch die Spin-Akkumulationsschicht 202 geliefert wird, um eine Spin-Akkumulation unter der freien Schicht 110 aufgrund der Spin-Injektion zu erzeugen. Diese Spins üben über die Spin-Diffusion ein Spin-Drehmoment auf die freie Schicht 110 aus. Zum Schreiben von 1 und 0 (Umschalten der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 110) werden unterschiedliche Polaritäten des Schreibstroms 210 angelegt. Wenn der Schreibstrom 210 vom Anschluss T2 zum Anschluss T3 (Schritt 250) angelegt wird, werden die Elektronen spin-polarisiert, wenn sie durch die Polarisationsschicht 204 laufen (Schritt 252), weil die Polarisationsschicht 204 aus einem ferromagnetischen Metall besteht, und alle Elektronen in einem ferromagnetischen Metall haben eine Spin-Orientierung kollinear zur Magnetisierung. Die spin-polarisierten Elektronen, welche die gleiche Magnetisierungsrichtung wie die Polarisationsschicht 204 aufweisen (z.B. Nach unten), werden in die Spin-Akkumulationsschicht 202 injiziert, wie Pfeil 210 zeigt (Schritt 254). Aus der Spin-Akkumulationsschicht 202 diffundieren einige der spin-polarisierten Elektronen in die freie Schicht 110 (Schritt 256). Wenn die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht 110 entgegengesetzt (z.B. nach oben) zur Richtung der Richtung der Magnetisierung in der Polarisationsschicht 204 ist, dann geben die Elektronen aufgrund der Erhaltung des Drehimpulses ein Drehmoment an die freie Schicht 110 ab (Schritt 258). Dieses Drehmoment bewirkt, dass sich die Magnetisierungsausrichtung in der freien Schicht 110 in die gleiche wie in der Polarisationsschicht 204 verändert (Schritt 260), wodurch die Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht 110 parallel (also die gleiche Richtung) zur Magnetisierungsrichtung der polarisierten Schicht 204 und parallel zur Magnetisierungsrichtung der verstifteten Schicht 102 wird.
  • Die parallelen Magnetisierungen bleiben stabil, bis ein Schreibstrom entgegengesetzter Richtung die Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht 110 so umschaltet, dass sie antiparallel zur Magnetisierungsrichtung in der Polarisationsschicht 204 wird, wie durch den Prozess aus 3B beschrieben wird. Das passiert, wenn ein Schreibstrom in entgegengesetzter Richtung zum Strom 210 (z.B. ein angelegter Schreibstrom vom Anschluss T3 zum Anschluss T2) angelegt wird (Schritt 270). Die Elektronen werden von der Spin-Akkumulationsschicht 202 in Richtung Polarisationsschicht 204 gedrängt (Schritt 272). Einige dieser Elektronen haben dann einen Spin mit der gleichen Richtung der Magnetisierung der Polarisationsschicht 204 (die nun in der gleichen Richtung wie die Magnetisierung der freien Schicht 110 vorliegt) und einige der Elektronen haben dann einen Spin mit einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Magnetisierung der Polarisationsschicht 204. Diejenigen Elektronen mit einem Spin parallel (antiparallel) zur Magnetisierung der Polarisationsschicht werden an der Grenzschicht zwischen SAL/Polarisationsschicht vorzugsweise übertragen (reflektiert), was zu einer Netto-Spin-Akkumulation in der SAL-Schicht führt, die in der entgegengesetzten Richtung zur Magnetisierungsrichtung der Polarisationsschicht polarisiert ist. (Schritt 274) Von der SAL 202 diffundieren einige der spin-polarisierten Elektronen in die freie Schicht 110 (Schritt 276). Durch die Erhaltung des Drehimpulses über diese Elektronen ein Drehmoment auf die freie Schicht 110 aus (Schritt 278). Dieses Drehmoment bewirkt die Drehung der Spin-Ausrichtung in der freien Schicht entgegengesetzt zur Polarisationsschicht; damit wird die Richtung der Magnetisierung in der freien Schicht antiparallel zur Richtung der Magnetisierung der Polarisationsschicht und antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der verstifteten Schicht (Schritt 280).
  • Um das Lesen auszuführen, wird ein Lesestrom 212 (siehe 2B) vom Anschluss T1 über MTJ 101 an den Anschluss T3 angelegt. Der Lesestrom 212 ist typischerweise ein geringer Strom, der die Tunnelbarriere 108 nicht beschädigt. Durch Erfassen des Spannungsabfalls über die Anschlüsse T1 und T3 kann der Widerstand von MTJ 101 bestimmt werden. Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht 110 parallel zur Magnetisierung in der Referenzschicht 106 (oder der Kombination aus verstifteter Schicht 102 und Referenzschicht 106) verläuft, ist der Widerstand über die Speicherzelle 200 relativ gering. Wenn die Magnetisierung in der freien Schicht 110 antiparallel zur Magnetisierung in der Referenzschicht 106 (oder der Kombination aus verstifteter Schicht 102 und Referenzschicht 106) ist, ist der Widerstand über die Speicherzelle 200 relativ hoch. Somit weist MTJ 101 einen programmierbaren Widerstand auf, der als Reaktion auf eine Lesevorspannung erkannt werden kann.
  • Im Vergleich zu den Speicherzellen der 1A-D schaltet die MRAM-Speicherzelle 200 die Magnetisierung effizienter und deterministischer um, ohne dass ein externes Feld erforderlich ist und ohne dass ein hoher Schreibstrom durch die Tunnelbarriere 108 fließt. Zusätzlich kann die M RAM-Speicherzelle 200 ohne die Störungsprobleme für andere Speicherzellen skaliert werden.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Spin-Akkumulations-MRAM-Speicherzelle. Wie dargestellt, beinhaltet die Speicherzelle 300 die gleiche MTJ 101, SAL 202 und Polarisationsschicht 204 wie die Speicherzelle 200 aus 2A und 2B. Jedoch ist in der Speicherzelle 300 aus 4 der Anschluss T3 am entgegengesetzten Ende der Spin-Akkumulationsschicht 202 (SAL) im Vergleich zur Speicherzelle 200 aus 2A und 2B positioniert. Der Schreibstrom 210 aus 2A wird durch den Schreibstrom 302 vom Anschluss T2 zu T3 ersetzt, so dass der Schreibstrom 302 von der Polarisationsschicht 204 über die SAL 202 zum Anschluss T3 erfolgt, ohne dass er unter MJT 101 durchläuft (während in 2A der Schreibstrom 210 unter MTJ 101 durchgeleitet wird). Im Ausführungsbeispiel aus 2A ist der magnetische Tunnelübergang 101 zwischen der ersten Polarisationsschicht 204 und dem dritten Anschluss T3 also an der SAL 202 angeordnet, während bei der Ausführungsform aus 4 die erste Polarisationsschicht 204 an der Spin-Akkumulationsschicht 202 zwischen der magnetischen Tunnelverbindung 101 und dem dritten Anschluss angeordnet ist. Der dritte Anschluss T3 braucht nicht bis auf der anderen Seite von MTJ 101 zu liegen, da spin-polarisierte Elektronen ungeachtet der Richtung/des Pfades durch die SAL 202 diffundieren. Der Betrieb der Speicherzelle 300 (sowohl Schreiboperationen als auch die Leseoperation) sind die gleichen wie oben für die Speicherzelle 200 aus 2A und 2B beschrieben, einschließlich dem Auslesen durch Leitung eines Stroms durch MTJ 101. Die Speicherzelle 300 ist mit senkrechter Magnetisierung dargestellt, könnte aber auch mit Magnetisierung in der Ebene implementiert werden. Für die Speicherzelle 300 kann die Schreibeffizienz maximiert werden, wenn die laterale Ausdehnung von SAL 202 hinter der MTJ 101 (z. B. rechts von MTJ 101 in 4) so begrenzt ist, dass sie vergleichbar oder geringer als die Spin-Diffusionslänge im SAL-Material ist. Dies hilft, die Spin-Akkumulation in SAL 202 auf den Ort unterhalb von MTJ 101 zu begrenzen, und somit steigt das Spin-Akkumulations-Drehmoment in der freien Schicht 110. Dies kompensiert auch den Verlust (im Vergleich zur Ausführungsform aus 2A) der Spin-Akkumulation in der SAL-Schicht, die sich in der Nähe von MTJ 101 befindet, aufgrund von Spin-Diffusion in der SAL 202 links (in 4) in der Polarisationsschicht 204 und weg von der MJT 101. Der Entwurf der Speicherzelle 300 verringert oder eliminiert auch eine hohe Ladestromdichte unter der freien Schicht 110, wodurch (bis zu einem gewissen Grad) die thermische Belastung von MTJ 101 aufgrund der Joule'schen Erwärmung der SAL 202 reduziert wird.
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer MRAM-Speicherzelle mit zwei Polarisationsschichten. Die Speicherzelle 320 beinhaltet die MTJ 101, SAL 202, die Polarisationsschicht 204 und die Polarisationsschicht 342. In einer Ausführungsform kann die Polarisationsschicht 342 aus einem beliebigen der Materialien hergestellt werden, die oben in Bezug auf die Polarisationsschicht 204 erörtert wurden. Die Polarisationsschicht 342 hat eine festgelegte Magnetisierungsrichtung in der entgegengesetzten Richtung zur Magnetisierungsrichtung der Polarisationsschicht 204 und befindet sich ähnlich in elektrischem Kontakt mit der SAL-Schicht 202 auf der gegenüberliegenden Seite von MTJ 101 wie die Polarisationsschicht 204. In der Ausführungsform aus 5 ist der Anschluss T1 mit der verstifteten Schicht 102 verbunden, der Anschluss T2 ist mit der Polarisationsschicht 204 verbunden und der Anschluss T3 ist mit der Polarisationsschicht 342 verbunden.
  • Der Schreibstrom 210 aus 2A wird durch den Schreibstrom 344 von (zum) Anschluss T2 zu (von) T3 ersetzt, so dass der Schreibstrom 344 von (zur) Polarisationsschicht 204 zur (von der) Polarisationsschicht 342 über die SAL 202 fließt (und unter MTJ 101 hindurchfließt). Das Vorhandensein der zwei Polarisationsschichten 204 und 342 erzeugt jeweils einen Spin-Strom, der während Schreiboperationen in die freie Schicht 110 injiziert wird. Da die zwei Polarisationsschichten in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert sind, tragen die zwei Spin-Ströme gemeinsam zur Spin-Akkumulation in der SAL bei, um das Schreiben effizienter zu gestalten (möglicherweise bis zum Doppelten). Die Schreibeffizienz wird weiter erhöht (wiederum um das Doppelte), wenn die lateralen Breiten der Polarisationsschichten 204 und 342 und die Ausdehnung (falls vorhanden, aber nicht in 5 gezeigt) der entfernten Kanten der SAL-Schicht über die fernen Kanten der Polarisationsschichten 204 und 342 hinaus vergleichbar oder (vorzugsweise) kleiner als die Spin-Diffusionslänge im SAL-Material sind Dies minimiert Spin-Diffusion in die äußeren Regionen von SAL 202 und maximiert Spin-Akkumulation in der SAL-Schicht im zentralen Bereich der SAL, wo sie der MTJ 101 am nächsten gelegen ist. Eine optimierte Auslegung der Ausführungsform aus 5 könnte also 2-4 mal effizienter sein als die Ausführungsformen aus den 2A Und 4.
  • Der Betrieb der Speicherzelle 320 (sowohl Schreiboperationen als auch Leseoperation) ist derselbe wie oben für die Speicherzelle 200 aus 2A und 2B beschrieben, einschließlich dem Auslesen durch Leitung eines Stroms durch MTJ 101. Die Speicherzelle 320 ist mit senkrechter Magnetisierung dargestellt, könnte aber auch mit Magnetisierung in der Ebene implementiert werden.
  • In der Praxis kann das Erreichen der festen antiparallelen Magnetisierungsrichtungen von POL 1 (204) und POL 2 (342), wie in 5 gezeigt, schwierig sein. 5A zeigt eine weitere Ausführungsform einer MRAM-Speicherzelle 360 mit zwei Polarisationsschichten 204 und 370. Die MRAM-Speicherzelle 360 aus 5A ist der MRAM-Speicherzelle 320 aus 5 ähnlich, mit der Ausnahme, dass die zweite Polarisationsschicht 342 aus 5 durch die zweite Polarisationsschicht 370 aus 5A ersetzt wird. Die Polarisationsschicht POL 2 370 ist durch eine Struktur mit einer „hart“ polarisierenden Schicht (HPL) 372, einer Kopplungs-Zwischenschicht (ILC) 374, und einer „weich“ polarisierenden Schicht (SPL) 376 umgesetzt. Da sie an die SAL 202 angrenzt, ist die Richtung der Magnetisierung von SPL 376, welche die induzierte Spin-Polarisation des Schreibstroms beim Passieren durch POL 2 (370) bestimmt. In dieser Ausführungsform können POL 1 (204), der Verbund aus PL/ILC/RL (Schichten 102, 104 und 106) der MRAM-Zelle 360, die HPL-Schicht 372 und die SPL-Schicht 374 alle gleichzeitig durch ein großes Magnetfeld in der „Abwärts“-Richtung initialisiert werden. Wie in analoger Weise im Falle der PL/ILC/RL-Struktur ist auch der HPL/ILC/SPL-Verbund so ausgelegt, dass die Magnetisierung der HPL Schicht 372 (und auch die Magnetisierung von PL 102) nach Entfernung des Initialisierungsfeldes „nach unten“ ausgerichtet bleibt, während die SPL 376 (und analog die RL 106) ihre Magnetisierung als direktes Ergebnis der durch die ILC-Schichten (entweder 374 oder 104) vermittelten Austauschinteraktion umkippen lassen. Die Schicht POL 1 204 bleibt ebenfalls nach „unten“ magnetisiert, weil sie auch magnetisch „hart“ ist. Im Ergebnis kann die gewünschte Magnetisierungsrichtungen aller magnetischen Schichten 204, 102, 106, und 376 wie in 5A gezeigt durch eine einzige Anwendung eines Initialisierungsfeldes mit fester Richtung erreicht werden. Danach ist die MRAM-Speicherzelle 360 dein funktionales Äquivalent der MRAM-Speicherzelle 320 aus 5.
  • 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer MRAM-Speicherzelle mit zwei Polarisationsschichten unter und in der Spin-Akkumulationsschicht. Die Speicherzelle 400 schließt die MTJ 101, die Spin-Akkumulationsschicht 402, die Polarisationsschicht 410 und die Polarisationsschicht 412 ein. Der Anschluss T1 ist mit der verstifteten Schicht 102 verbunden, der Anschluss T2 ist mit der Polarisationsschicht 410 verbunden und der Anschluss T3 ist mit der Polarisationsschicht 412 verbunden. Die Spin-Akkumulationsschicht 402 kann aus den gleichen Materialien wie die Spin-Akkumulationsschicht 202 hergestellt werden. Die Polarisationsschicht 410 und die Polarisationsschicht 412 können aus den gleichen Materialien wie die Polarisationsschicht 204 hergestellt sein. Die Polarisationsschicht 410 und Polarisationsschicht 412 haben entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen; zum Beispiel weist die Polarisationsschicht 410 eine Magnetisierungsrichtung nach unten auf, und die Polarisationsschicht 412 weist eine Magnetisierungsrichtung nach oben auf. Die Polarisationsschicht 410 und die Polarisationsschicht 412 sind in der Spin-Akkumulationsschicht 202 eingebettet. Die Speicherzelle 400 arbeitet in der gleichen Weise wie die Speicherzelle 320, wobei der Schreibstrom 344 der Speicherzelle 320 als Schreibstrom 420 implementiert ist. Die Speicherzelle 400 ist mit senkrechter Magnetisierung dargestellt, könnte aber auch mit Magnetisierung in der Ebene implementiert werden.
  • 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines MRAM-Speicherzelle mit zwei Polarisationsschichten unter und in der Spin-Akkumulationsschicht. Die Speicherzelle 440 umfasst die MTJ 101, die Spin-Akkumulationsschicht 450, die Polarisationsschicht 410 und die Polarisationsschicht 412. Der Anschluss T1 ist mit der verstifteten Schicht 102 verbunden, der Anschluss T2 ist mit der Polarisationsschicht 410 verbunden und der Anschluss T3 ist mit der Polarisationsschicht 412 verbunden. Die Spin-Akkumulationsschicht 450 kann aus den gleichen Materialien wie die Spin-Akkumulationsschicht 202 hergestellt werden. Die Polarisationsschicht 410 und die Polarisationsschicht 412 sind unter der Spin-Akkumulationsschicht 450 positioniert. Der Isolator 464 wird ebenfalls unter der Spin-Akkumulationsschicht 450, zwischen der Polarisationsschicht 410 und der Polarisationsschicht 412, angeordnet. Der Isolator 464 kann aus Al2O3, SiN, SiO2, TaOx oder anderen geeigneten Materialien sein. Die Speicherzelle 440 arbeitet in der gleichen Weise wie die Speicherzelle 400, wobei der Schreibstrom 420 der Speicherzelle 400 als Schreibstrom 470 (von T2 nach T3) implementiert ist. Die Speicherzelle 440 ist mit senkrechter Magnetisierung dargestellt, könnte aber auch mit Magnetisierung in der Ebene implementiert werden. In einer Ausgestaltung kann die zweite Polarisationsschicht 412 der MRAM-Speicherzelle 440 durch eine Struktur mit einer „hart“ polarisierenden Schicht, einer Koppel-Zwischenschicht und einer „weich“ polarisierenden Schicht in der gleichen Weise wie die Polarisationsschicht 370 aus 5A umgesetzt werden.
  • 7A zeigt eine weitere Ausführungsform einer MRAM-Speicherzelle mit der Polarisationsschicht direkt unter der Spin-Akkumulationsschicht und der freien Schicht. Diese Ausführungsform ist wichtig, da sie Leistungsprobleme mit potentiell geringer Spin-Diffusionslänge im Bereich der Spin-Akkumulationsschicht vermeidet, der sich über die Kanten der freien Schicht FL hinaus erstreckt, welche durch Fräsen des magnetischen Materials darüber entstehen können. Die Speicherzelle 478 enthält die MTJ 101, die Spin-Akkumulationsschicht 480 (SAL), die Polarisationsschicht 482, den Isolator 484 und den Isolator 486. Isolator 484 und Isolator 486 sind unterhalb von SAL 480 positioniert. Die Polarisationsschicht 482 ist unter SAL 480 und zwischen Isolator 484 und Isolator 486 positioniert. Die Polarisationsschicht 482 ist direkt unter der freien Schicht 110 positioniert. Der Anschluss T1 ist mit der verstifteten Schicht 102 verbunden, der Anschluss T2 ist mit der Polarisationsschicht 482 verbunden, und der Anschluss T3 ist mit SAL 480 verbunden. Die SAL-Schicht 480 kann aus den gleichen Materialien wie SAL 202 hergestellt werden. Die Isolatoren 484 und 486 können aus Al2O3, SiN, SiO2, TaOx oder anderen geeigneten Materialien sein. Die Speicherzelle 478 arbeitet in der gleichen Weise wie die Speicherzelle 400, wobei der Schreibstrom 488 aus der Speicherzelle 478 als ein Schreibstrom von T2 nach T3 implementiert ist. Die Speicherzelle 478 ist mit senkrechter Magnetisierung dargestellt, könnte aber auch mit Magnetisierung in der Ebene implementiert werden.
  • Die Breite der Polarisationsschicht 482 ist ungefähr gleich der Breite von FL 110; Jedoch kann die Polarisationsschicht 482 breiter oder schmaler als die freie Schicht FL 110 sein. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass sie die kompakteste Realisierung der Spin-Akkumulation-Drehmoment-MRAM-Speicherzelle ist, so dass sie die höchste Speicherdichte auf der Grundlage dieses Schaltmechanismus ermöglichen würde. Ein Nachteil der obigen Auslegung (im Vergleich zur Polarisationsschicht außerhalb der Kante der freien Schicht) besteht darin, dass nur ungefähr nur die Hälfte des Spin-Akkumulationsstroms erzeugt wird. Dieser Verlust wird jedoch wahrscheinlich ungefähr durch die Effizienz wettgemacht, die dadurch gewonnen wird, dass die Polarisationsschicht in solch großer Nähe zur freien Schicht angeordnet ist.
  • Die Speicherzellen 200 (2A), 300 (4), 320 (5), 360 (5A), 400 ( 6), 440 (7) und 478 (7A) sind sämtlich Spin-Akkumulations-Drehmoment-MRAM-Speicherzellen mit drei Anschlüssen, in denen die Magnetisierung senkrecht oder in der Ebene implementiert werden kann. 8-10 (unten diskutiert) zeigen Spin-Akkumulations-Drehmoment-MRAM-Speicherzellen mit zwei Anschlüssen, in denen die Magnetisierung senkrecht oder in der Ebene implementiert werden kann.
  • 8 zeigt eine Ausführungsform einer MRAM-Speicherzelle, die ein Spin-Akkumulationsdrehmoment mit einem Spin-Transferdrehmoment (STT) kombiniert. 8 zeigt eine MRAM-Speicherzelle 500, welche die MTJ 101, eine Spin-Akkumulationsschicht 502 und die Polarisationsschicht 506 enthält. Die Polarisationsschicht 506, die eine feste Magnetisierungsrichtung aufweist, ist über der Spin-Akkumulations-Schicht 502 und seitlich von MTJ 101 angeordnet und steht in elektrischem Kontakt mit ersterer (ist aber getrennt davon). Die Polarisationsschicht 506 kann aus den gleichen Materialien wie die Polarisationsschicht 204 hergestellt sein. MTJ 101 ist über der Spin-Akkumulationsschicht 502 angeordnet. Der Anschluss T1 ist mit der verstifteten Schicht 102 verbunden, und der Anschluss T2 ist mit der Polarisationsschicht 506 verbunden. Das Auslesen erfolgt in der gleichen Art und Weise wie oben mit Bezug auf die 2A und 2B beschrieben.
  • Die Speicherzelle 500 kombiniert das Spin-Akkumulations-Drehmoment auf der Unterseite der freien Schicht 110 mit dem Spin-Transfer-Drehmoment auf der oberen Oberfläche der freien Schicht 110. Da die Magnetisierungsrichtungen von RL 106 und Polarisationsschicht 506 antiparallel sind, addieren sich die beiden Drehmomente in ihrer Wirkung und arbeiten so zusammen mit einem geringeren Schreibstrom 504 (von T1 über MTJ 101 zu T2) im Vergleich zum Stand der Technik (nur mit) STT. Dies verringert die Schädigung der Tunnelbarriere 108. Im Gegensatz zur vorherigen Ausführungsform einer (alleinigen) Spin-Akkumulations-MRAM-Zelle, wie hierin beschrieben, eliminiert die Ausführungsform aus 8 den Schreibstrom durch die Tunnelbarriere jedoch nicht vollständig.
  • 9 zeigt eine andere Ausführungsform einer MRAM-Speicherzelle, die das Spin-Akkumulations-Drehmoment mit dem Spin-Transfer-Drehmoment kombiniert, wobei die Polarisationsschicht unter der Spin-Akkumulationsschicht hergestellt wird. Die Speicherzelle 540 enthält die MTJ 101, die Spin-Akkumulationsschicht 550 und die Polarisationsschicht 552. Die Polarisationsschicht 552, die eine feste Magnetisierungsrichtung aufweist, ist in und/oder unter (aber getrennt von) der Spin-Akkumulationsschicht 550 und seitlich von MTJ 101 positioniert. Die Polarisationsschicht 552 kann aus den gleichen Materialien wie die Polarisationsschicht 204 hergestellt sein. MTJ 101 ist über der Spin-Akkumulationsschicht 550 angeordnet. Der Anschluss T1 ist mit der verstifteten Schicht 102 verbunden, und der Anschluss T2 ist mit der Polarisationsschicht 552 verbunden. Das Auslesen erfolgt in der gleichen Art und Weise wie oben mit Bezug auf 8 beschrieben. Das Beschreiben auf der Basis des Schreibstroms 554 von T1 nach T2 erfolgt in der gleichen Art und Weise wie oben mit Bezug auf 8 beschrieben.
  • 10 zeigt eine andere Ausführungsform einer MRAM-Speicherzelle, die das Spin-Akkumulationsdrehmoment mit dem Spin-Transfer-Drehmoment kombiniert, wobei der Polarisator unter der Spin-Akkumulationsschicht hergestellt ist und ein Isolator enthalten ist. Die Speicherzelle 600 enthält MTJ 101, die Spin-Akkumulationsschicht 602 und die Polarisationsschicht 604. Die Polarisationsschicht 604, die eine feste Magnetisierungsrichtung aufweist, ist in und/oder unter (aber getrennt von) der Spin-Akkumulationsschicht 602 und seitlich von MTJ 101 positioniert. Die Polarisationsschicht 604 kann aus den gleichen Materialien wie die Polarisationsschicht 204 hergestellt sein. MTJ 101 ist über der Spin-Akkumulationsschicht 602 angeordnet. Der Anschluss T1 ist mit der verstifteten Schicht 102 verbunden, und der Anschluss T2 ist mit der Polarisationsschicht 604 verbunden. Das Auslesen erfolgt in der gleichen Art und Weise wie oben mit Bezug auf 8 beschrieben. Das Beschreiben auf der Basis des Schreibstroms 608 von T1 nach T2 erfolgt in der gleichen Art und Weise wie oben mit Bezug auf 8 beschrieben.
  • 11 stellt einen Abschnitt eines Kreuzpunkt-Speicherarrays dar. Drei Speicherzellen sind dargestellt; jedoch hat ein ganzes Speicherarray wahrscheinlich Millionen von Speicherzellen. Die erste Speicherzelle enthält MTJ 802 und die Polarisationsschicht 812. Die zweite Speicherzelle enthält MTJ 804 und die Polarisationsschicht 814. Die dritte Speicherzelle enthält MTJ 806 und die Polarisationsschicht 816. Über und verbunden mit MTJ 802, MTJ 804 und MTJ 806 liegt die MTJ-Spalte 820, die ein Leiter (d. h. eine Metallleitung) ist. Der Transistor 840 (auch mit VMTJ verbunden) wird verwendet, um die POL-Spalte 820 zu aktivieren/anzusteuern. Über und mit der Polarisationsschicht 812 verbunden stellen die Polarisationsschicht 814 und die Polarisationsschicht 816 die POL-Spalte 822 dar, bei der es sich um einen Leiter (d.h. eine Metallleitung) handelt. Der Transistor 842 (ebenfalls verbunden mit VPOL ) wird verwendet, um die POL-Spalte 822 zu aktivieren/anzusteuern. Unten und verbunden mit der Polarisationsschicht 812 und MTJ 802 befindet sich die Zeile 824, die eine Ausführungsform einer Spin-Akkumulationsschicht ist. Unten und verbunden mit der Polarisationsschicht 814 und MTJ 804 befindet sich die Zeile 826, die eine Ausführungsform einer Spin-Akkumulationsschicht ist. Unten und verbunden mit der Polarisationsschicht 816 und MTJ 806 befindet sich die Zeile 828, die eine Ausführungsform einer Spin-Akkumulationsschicht ist. Transistor 850 wird verwendet, um die Zeile 824 zu aktivieren/anzusteuern. Transistor 852 wird verwendet, um die Zeile 826 zu aktivieren/anzusteuern. Transistor 854 wird verwendet, um die Zeile 828 zu aktivieren/anzusteuern. Die Struktur aus 11 kann viele Male repliziert werden, um ein größeres Speicherfeld zu bilden.
  • 11A zeigt einen Teil einer anderen Ausführungsform einer Kreuzpunkt-Speicheranordnung, in der die MRAM-Speicherzellen jeweils zwei Polarisationsschichten enthalten, beispielsweise gemäß den Speicherzellen der 5, 5A, 6 und 7. In einer Beispielimplementierung wird jede Polarisationsschicht von zwei benachbarten Speicherzellen geteilt. In 11A sind drei Speicherzellen dargestellt; jedoch hat ein ganzes Speicherarray wahrscheinlich Millionen von Speicherzellen. Die erste Speicherzelle enthält MTJ 860, die Polarisationsschicht 862 und die Polarisationsschicht 864. Die zweite Speicherzelle enthält MTJ 866, die Polarisationsschicht 868 und die Polarisationsschicht 870. Die dritte Speicherzelle enthält MTJ 872, die Polarisationsschicht 874 und die Polarisationsschicht 876. Über und verbunden mit MTJ 860, MTJ 866 und MTJ 872 befindet sich die MTJ-Spalte 878, die ein Leiter (d. h. eine Metallleitung) ist. Der Transistor 880 (auch mit VMTJ verbunden) wird verwendet, um die MTJ-Spalte 878 zu aktivieren/anzusteuern. Über und mit der Polarisationsschicht 862 verbunden liegen die Polarisationsschicht 868 und die Polarisationsschicht 874, welche die POL1 Spalte 882 bilden, die ein Leiter (d.h. eine Metallleitung) ist. Transistor 884 (auch mit VPOL1 verbunden) wird verwendet, um die POL1-Spalte 882 zu aktivieren/anzusteuern. Über und mit der Polarisationsschicht 864 verbunden liegen die Polarisationsschicht 870 und die Polarisationsschicht 876 und bilden POL2-Spalte 886, die ein Leiter (d.h. eine Metallleitung) ist. Der Transistor 888 (auch mit VPOL2 verbunden) wird verwendet, um die POL2-Spalte 886 zu aktivieren/anzusteuern. Über und mit der Polarisationsschicht 862 verbunden liegen MTJ 860 und die Polarisationsschicht 864, welche die Zeile 890 bilden, die eine Ausführungsform einer Spin-Akkumulationsschicht ist. Über und mit der Polarisationsschicht 868 verbunden liegen MTJ 866 und die Polarisationsschicht 870 und bilden die Zeile 892, die eine Ausführungsform einer Spin-Akkumulationsschicht ist. Über und mit der Polarisationsschicht 874 verbunden liegen MTJ 872 und die Polarisationsschicht 876 und bilden die Zeile 894, die eine Ausführungsform einer Spin-Akkumulationsschicht ist. Der Transistor 895 wird verwendet, um die Zeile 890 zu aktivieren/anzusteuern. Der Transistor 896 wird verwendet, um die Zeile 892 zu aktivieren/anzusteuern. Der Transistor 897 wird verwendet, um die Zeile 894 zu aktivieren/anzusteuern. Die Struktur aus 11 kann viele Male repliziert werden, um ein größeres Speicherfeld zu bilden.
  • 12 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel für ein Speichersystem 900 darstellt, das die hier beschriebene Technologie implementieren kann. Das Speichersystem 900 schließt ein Speicherarray 902 ein, das jede der oben beschriebenen Speicherzellen beinhalten kann. Die Array-Anschluss-Leitungen des Speicherarrays 902 schließen die verschiedenen Schichten von Wortleitungen ein, 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 900 beinhaltet eine Zeilensteuerschaltung 920, deren Ausgänge 908 mit den entsprechenden Wortleitungen des Speicherarrays 902 verbunden sind. Die Zeilensteuerschaltung 920 empfängt eine Gruppe von M Zeilenadresssignalen und ein oder mehrere verschiedene Steuersignale von der Systemsteuerungslogik 990 und kann typischerweise solche Schaltungen wie Zeilendecoder 922, Array-Anschluss-Treiber 924 und Blockauswahlschaltungen 926 für Lese- und Schreibvorgänge beinhalten. Das Speichersystem 900 beinhaltet auch eine Spaltensteuerschaltung 910, deren Ein-/Ausgänge 906 mit den entsprechenden Bitleitungen des Speicherarrays 902 verbunden sind. Die Spaltensteuerschaltung 906 empfängt eine Gruppe von N Spaltenadresssignalen und ein oder mehrere verschiedene Steuersignale von der Systemsteuerungslogik 990 und kann typischerweise solche Schaltungen wie Spaltendecoder 912, Array-Anschluss-Empfänger oder -Treiber 914, Blockauswahlschaltungen 916 sowie Lese-/Schreibschaltungen und I/O-Multiplexer beinhalten. Die Systemsteuerungslogik 990 empfängt Daten und Befehle von einem Host und stellt dem Host Ausgabedaten zur Verfügung. In weiteren Ausführungsformen empfängt die Systemsteuerungslogik 990 Daten und Befehle von einer separaten Steuerschaltung und stellt dieser Steuerschaltung Ausgangsdaten zur Verfügung, wobei die Steuerschaltung mit dem Host kommuniziert. Die Systemsteuerungslogik 990 kann eine oder mehrere Zustandsmaschinen, Register und andere Steuerlogiken zum Steuern des Betriebs des Speichersystems 900 beinhalten.
  • In einer Ausführungsform sind alle in 12 dargestellten Komponenten auf einer einzigen integrierten Schaltung angeordnet. Beispielsweise sind die Systemsteuerlogik 990, die Spaltensteuerschaltung 910 und die Zeilensteuerschaltung 920 auf der Oberfläche eines Substrats ausgebildet, und das Speicherarray 902 ist ein monolithisches dreidimensionales Speicherarray, das über dem Substrat (und somit über der Systemsteuerlogik 990, der Zeilensteuerschaltung 910 und der Zeilensteuerschaltung 920) ausgebildet ist. In einigen Fällen kann ein Teil der Steuerschaltung auf den gleichen Schichten wie ein Teil des Speicherarrays ausgebildet sein.
  • Integrierte Schaltungen mit einem Speicherarray unterteilen die Anordnung in der Regel in eine Anzahl von Untergruppen oder Blöcken. Blöcke sind benachbarte Gruppe von Speicherzellen mit benachbarten Wortleitungen und Bitleitungen, die in der Regel nicht durch Decoder, Treiber, Leseverstärker, Eingangs/Ausgangsschaltungen ununterbrochen sind.
  • Eine Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung mit einer magnetischen Tunnelverbindung, einer Spin-Akkumulationsschicht in elektrischem Kontakt mit der magnetischen Tunnelverbindung, und einer ersten Polarisationsschicht in elektrischem Kontakt mit der Spin-Akkumulationsschicht. Die erste Polarisationsschicht ist vom magnetischen Tunnelübergang getrennt und von der Spin-Akkumulationsschicht getrennt.
  • Eine Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung mit einem ersten Anschluss, einer festen ferromagnetischen Schicht mit Verbindung zum ersten Anschluss, eine freie ferromagnetische Schicht, eine Tunnelbarriere zwischen der festen ferromagnetischen Schicht und der freien ferromagnetischen Schicht, eine Zwischenschicht in Verbindung mit der freien ferromagnetischen Schicht zum Injizieren des Spin-Stroms in die freie Schicht, um die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht zu ändern, so dass die feste ferromagnetischen Schicht, ein zweiter Anschluss, ein dritter Anschluss zur Zwischenschicht, und Polarisator mit dem zweiten Anschluss und der Zwischenschicht verbunden sind. Die Tunnelbarriere und die freie ferromagnetische Schicht bilden ein nichtflüchtiges Speicherelement.
  • Eine Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung mit einer fixierten magnetischen Schicht mit einer festgelegten Magnetisierungsrichtung, eine freie magnetische Schicht mit veränderbarer Magnetisierungsrichtung, eine Tunnelbarriere zwischen der festen ferromagnetischen Schicht und der freien ferromagnetischen Schicht, und eine Einrichtung zum Umschalten der Richtung der Magnetisierung der freien magnetischen Schicht durch Einbringen von Spin-Akkumulations-Drehmoment in die freie magnetische Schicht.
  • Eine Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung, die eine Kreuzpunkt-Anordnung aus nichtflüchtigen Speicherzellen umfasst. Die Kreuzungspunkt-Anordnung aus nichtflüchtigen Speicherzellen weist eine Mehrzahl von magnetischen Tunnelübergängen auf; eine Vielzahl von Polarisationsschichten; eine Vielzahl von Reihen, die unter der Vielzahl von magnetischen Tunnelübergängen und der Vielzahl von Polarisationsschichten verbunden sind; eine Vielzahl von ersten Spalten, die über einer ersten Teilmenge der mehreren Polarisationsschichten verbunden sind; eine Vielzahl von zweiten Spalten, die auf der Oberseite der Vielzahl von magnetischen Tunnelübergängen verbunden sind; und mehrere dritte Spalten, die auf einer zweiten Untergruppe der Vielzahl von Polarisationsschichten verbunden sind, wobei jede Spalte der ersten Spalten und der zweiten Spalten zwischen benachbarten Speicherzellen geteilt ist.
  • Eine Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Beschreiben einer MRAM-Speicherzelle mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss, der Speicherzelle mit einem magnetischen Tunnelübergang, einer Spin-Akkumulations-Schicht mit dem magnetischen Tunnelkontakt und einer ersten Polarisationsschicht, die mit der Spin-Akkumulations-Schicht verbunden ist; der erste Anschluss ist mit dem magnetischen Tunnelkontakt, der zweite Anschluss ist mit der Polarisationsschicht und der dritte Anschluss ist mit der Spin-Akkumulationsschicht verbunden, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anlegen eines Schreibstroms an den zweiten Anschluss zur Polarisationsschicht; Spin-Polarisierung der Elektronen des Schreibstroms, wenn sie durch die Polarisationsschicht hindurchgehen; Injektion der spin-polarisierten Elektronen in die Spin-Akkumulationsschicht; Diffundieren von zumindest einigen der spin-polarisierten Elektronen von der Spin-Akkumulationsschicht zu einer freien Schicht des magnetischen Tunnelübergangs; Übertragung eines Drehmoments auf die freie Schicht durch die spin-polarisierten Elektronen; und durch das Drehmoment bewirkte Änderung der Spin-Orientierung in der freien Schicht, so dass sie die gleiche ist wie die verstiftete Schicht des magnetischen Tunnelübergangs.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner: Anlegen einer Spannung über den zweiten Anschluss und den dritten Anschluss, um Strom in entgegengesetzter Richtung zum Schreibstrom zu verursachen; Verdrängen von Elektronen von der Spin-Akkumulationsschicht zur Polarisationsschicht hin; Verdrängen von Elektronen mit einem Spin mit der gleichen Ausrichtung, welche der Magnetisierung der Polarisationsschicht entspricht, in die Polarisationsschicht; Verdrängen von Elektronen zur Verbindung zwischen der Spin-Akkumulationsschicht und der Polarisationsschicht Elektronen mit einem Spin mit einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung der Magnetisierung der Polarisationsschicht, so dass ein Teil der Elektronen durch die Verbindung zwischen der Spin-Akkumulationsschicht und der Polarisationsschicht in die Polarisationsschicht diffundieren und einige der Elektronen wieder in die Spin-Akkumulatiohnsschicht zurückreflektiert werden; Injektion der in die Spin-Akkumulationsschicht reflektierten Elektronen zurück in die freie Schicht; und Elektronen, die in die freie Schicht injiziert werden, verursachen die Übertragung eines Drehmoments auf die freie Schicht, was bewirkt, dass sich die Spin-Orientierung in der freien Schicht derjenigen der Polarisationsschicht entgegengesetzt ist, so dass die Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der verstifteten Schicht wird.
  • 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.
  • Im Sinne dieses Dokuments kann eine Verbindung eine direkte Verbindung oder eine 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 Vorrichtungen 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 (15)

  1. Vorrichtung, die Folgendes umfasst: einen magnetischen Tunnelübergang; eine Spin-Akkumulationsschicht in elektrischem Kontakt mit dem magnetischen Tunnelübergang; und eine erste Polarisationsschicht in elektrischem Kontakt mit der Spin-Akkumulationsschicht, wobei die erste Polarisationsschicht vom magnetischen Tunnelübergang getrennt und von der Spin-Akkumulationsschicht getrennt ist.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: einen ersten Anschluss, der mit dem magnetischen Tunnelübergang verbunden ist; einen zweiten Anschluss, der mit der ersten Polarisationsschicht verbunden ist; und einen dritten Anschluss, der mit der Spin-Akkumulationsschicht verbunden ist.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei: der magnetische Tunnelübergang so eingerichtet ist, dass er auf eine Lesevorspannung durch den magnetischen Tunnelübergang von dem ersten Anschluss zum dritten Anschluss einen programmierbaren Widerstand aufweist.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei: der magnetische Tunnelübergang dazu eingerichtet ist, den Widerstand als Reaktion auf einen Schreibstrom, der von dem zweiten Anschluss an den dritten Anschluss angelegt wird, zu ändern.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei: der magnetische Tunnelübergang eine verstiftete ferromagnetische Schicht, eine freie ferromagnetische Schicht und eine Tunnelbarriere zwischen der festen ferromagnetischen Schicht und der freien ferromagnetischen Schicht aufweist; und der magnetische Tunnelübergang dazu eingerichtet ist, den Widerstand als Reaktion auf einen angelegten Schreibstrom vom zweiten Anschluss zum dritten Anschluss, der für eine Spin-Akkumulation von polarisierte Spins im in der Spin-Akkumulationsschicht sorgt, indem die polarisierten Spins der Spin-Diffusion ein Spin-Drehmoment auf die freie ferromagnetische Schicht ausüben.
  6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: die Spin-Akkumulationsschicht ein gut leitendes Metall umfasst.
  7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: die erste Polarisationsschicht eine feste Magnetisierungsrichtung aufweist und eine hoch spin-polarisierte ferromagnetische Schicht ist.
  8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der magnetische Tunnelübergang Folgendes aufweist: eine feste ferromagnetische Schicht; eine freie ferromagnetische Schicht; und eine Tunnelbarriere zwischen der festen ferromagnetischen Schicht und der freien ferromagnetischen Schicht.
  9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der magnetische Tunnelübergang Folgendes aufweist: eine verstiftete ferromagnetische Schicht mit einer festen Magnetisierungsrichtung; eine ferromagnetische Referenzschicht mit einer festen Magnetisierungsrichtung; eine antiferromagnetische Kopplungs-Zwischenschicht, die zwischen der verstifteten ferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Referenzschicht angeordnet ist; eine freie ferromagnetische Schicht; und eine Tunnelbarriere zwischen der festen ferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Referenzschicht.
  10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei: die Magnetisierung im magnetischen Tunnelübergang in der Ebene erfolgt.
  11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei: die Magnetisierung im magnetischen Tunnelübergang senkrecht zu einer Ebene des magnetischen Tunnelübergangs verläuft.
  12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: eine Kreuzpunktanordnung, die eine Mehrzahl von Reihen umfasst, die unterhalb einer Vielzahl von magnetischen Tunnelübergängen und einer Mehrzahl von Polarisationsschichten verbunden sind, eine Vielzahl von ersten Spalten, die auf der Vielzahl von Polarisationsschichten verbunden sind, und mehrere zweite Spalten, die auf der Vielzahl von magnetischen Tunnelübergängen angeschlossen sind.
  13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: einen ersten Anschluss, der mit dem magnetischen Tunnelübergang verbunden ist; und einen zweiten Anschluss der ersten Polarisationsschicht; der magnetische Tunnelübergang ist dazu eingerichtet, einen programmierbaren Widerstand zu zeigen, der als Reaktion auf eine Lesevorspannung durch den magnetischen Tunnelkontakt vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss erfasst werden kann; der magnetische Tunnelübergang ist dazu eingerichtet, seinen Widerstand als Reaktion auf einen Schreibstrom vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss, der eine Spin-Akkumulation von polarisierte Spins in der Spin-Akkumulationsschicht erzeugt, zu ändern, weil die polarisierten Spins per Spin-Diffusion ein Spin-Drehmoment auf den magnetischen Tunnelübergang ausüben.
  14. Verfahren zum Beschreiben einer MRAM-Speicherzelle mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss, wobei die Speicherzelle einen magnetischen Tunnelübergang, eine Spin-Akkumulationsschicht mit Verbindung zum magnetischen Tunnelübergang, und eine erste Polarisationsschicht mit Verbindung zur Spin-Akkumulationsschicht aufweist; der erste Anschluss ist mit dem magnetischen Tunnelübergang, der zweite Anschluss ist mit der Polarisationsschicht und der dritte Anschluss ist mit der Spin-Akkumulationsschicht verbunden, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: das Anlegen eines Schreibstroms an den zweiten Anschluss zur Polarisationsschicht; Spin-Polarisierung der Elektronen des Schreibstroms, wenn sie durch die Polarisationsschicht hindurchgehen; Injektion der spin-polarisierten Elektronen in die Spin-Akkumulationsschicht; Diffundieren von zumindest einigen der spin-polarisierten Elektronen von der Spin-Akkumulationsschicht zu einer freien Schicht des magnetischen Tunnelübergangs; Übertragung eines Drehmoments auf die freie Schicht durch die spin-polarisierten Elektronen; und wobei das Drehmoment bewirkt, dass sich die Spin-Orientierung in der freien Schicht ändert und die Gleiche wird wie bei der verstifteten Schicht des magnetischen Tunnelübergangs.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, weiterhin Folgendes einschließend: Anlegen einer Spannung über den zweiten Anschluss und den dritten Anschluss, um Strom in entgegengesetzter Richtung zum Schreibstrom zu verursachen; Verdrängen von Elektronen von der Spin-Akkumulationsschicht zur Polarisationsschicht hin; Verdrängen von Elektronen mit einem Spin mit der gleichen Ausrichtung, welche der Magnetisierung der Polarisationsschicht entspricht, in die Polarisationsschicht; Verdrängen von Elektronen mit einem Spin mit der entgegengesetzten Ausrichtung, als der Magnetisierung der Polarisationsschicht entspricht, in die Verbindung zwischen Spin-Akkumulationsschicht und Polarisationsschicht verdrängt werden, so dass ein Teil der Elektronen durch den Tunnel zwischen der Spin-Akkumulationsschicht und der Polarisationsschicht in die Polarisationsschicht diffundieren und einige der Elektronen wieder zurück in die Spin-Akkumulationsschicht reflektiert werden; Injektion der in die Spin-Akkumulationsschicht reflektierten Elektronen zurück in die freie Schicht; und wobei Elektronen, die in die freie Schicht injiziert werden, verleihen der freien Schicht ein Drehmoment, was bewirkt, dass sich die Spin-Orientierung in der freien Schicht der Polarisationsschicht entgegengesetzt ändert, so dass die Magnetisierungsrichtung in der freien Schicht antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der inneren Schicht wird.
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