PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60023404T2 14.06.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001073062
Titel Magnetische Direktzugriffsspeicheranordnung
Anmelder Hewlett-Packard Development Company, L.P., Houston, Tex., US
Erfinder Brug, James A., Menlo Park, US;
Bhattacharyya, Manoj K., Cupertino, US
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Aktenzeichen 60023404
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 27.07.2000
EP-Aktenzeichen 003063781
EP-Offenlegungsdatum 31.01.2001
EP date of grant 26.10.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.06.2006
IPC-Hauptklasse G11C 11/16(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Direktzugriffsspeicher zur Datenspeicherung, insbesondere auf eine magnetische Direktzugriffsspeichervorrichtung, die ein Array von Speicherzellen und eine Schreibschaltung für die Speicherzellen umfasst.

Ein magnetischer Direktzugriffsspeicher („MRAM") ist ein Typ nicht-flüchtigen Speichers, der als Langzeitdatenspeicher betrachtet wird. Ein Zugreifen auf Daten von MRAM-Vorrichtungen wäre um Größenordnungen schneller als ein Zugreifen auf Daten von herkömmlichen Langzeitspeichervorrichtungen, wie z. B. Festplatten. Zusätzlich wären die MRAM-Vorrichtungen kompakter und würden weniger Leistung verbrauchen als Festplatten und andere herkömmliche Langzeitspeichervorrichtungen.

Eine typische MRAM-Vorrichtung umfasst ein Array von Speicherzellen. Wortleitungen erstrecken sich entlang Zeilen der Speicherzellen und Bitleitungen erstrecken sich entlang Spalten der Speicherzellen. Jede Speicherzelle befindet sich an einem Kreuzungspunkt einer Wortleitung und einer Bitleitung. Eine Speicherzelle speichert ein Bit Informationen als eine Ausrichtung einer Magnetisierung. Die Magnetisierungsausrichtung jeder Speicherzelle nimmt zu einer bestimmten Zeit eine zweier stabiler Ausrichtungen an. Diese beiden stabilen Ausrichtungen, parallel und antiparallel, stellen Logikwerte „0" und „1" dar. Die Magnetisierungsausrichtung einer ausgewählten Speicherzelle könnte durch ein Liefern von Strömen an eine Wortleitung und eine Bitleitung, die die ausgewählte Speicherzelle kreuzen, verändert werden. Die Ströme erzeugen zwei orthogonale Magnetfelder, die, wenn sie kombiniert werden, die Magnetisierungsausrichtung einer ausgewählten Speicherzelle von parallel zu antiparallel umschalten oder umgekehrt.

Wenn eine Speicherzelle ausgewählt ist, sehen alle Speicherzellen entlang der Wortleitung, die die ausgewählte Speicherzelle kreuzt, eines der beiden Magnetfelder und alle Speicherzellen entlang der Bitleitung, die die ausgewählte Speicherzelle kreuzt, sehen das andere der beiden Magnetfelder. Die Speicherzellen, die eines der beiden Magnetfelder sehen, werden im Folgenden als „halb-ausgewählte" Speicherzellen bezeichnet. Eine Magnetisierungspolarisation aller halb-ausgewählten Speicherzellen sollte unbeeinflusst sein, wenn eine ausgewählte Speicherzelle umgeschaltet wird. Andernfalls werden in halb-ausgewählten Speicherzellen gespeicherte Informationen unbeabsichtigt gelöscht, wenn Bits in ausgewählte Speicherzellen geschrieben werden. In der Praxis jedoch kann ein Umschalten der halb-ausgewählten Speicherzellen auftreten. So kann die Zuverlässigkeit eines Speicherns von Daten in der MRAM-Vorrichtung zu einem Problem werden.

Dieses Problem mit dem unbeabsichtigten Umschalten der halb-ausgewählten Speicherzellen kann stärker werden, wenn die Speicherzellengröße reduziert wird. So kann die Zuverlässigkeit einer MRAM-Vorrichtung weiter reduziert werden, wenn die Speicherzellengröße weiter reduziert wird. Es ist jedoch noch immer ein Ziel der Industrie, eine Zellengröße zu reduzieren, um eine Speicherdichte zu erhöhen. Ein Erhöhen der Speicherdichte reduziert MRAM-Kosten und -Größe. Ein Unterdrücken des unbeabsichtigten Umschaltens halb-ausgewählter Speicherzellen würde eine weitere Reduzierung der Zellengröße erlauben. Deshalb besteht ein Bedarf, das unbeabsichtigte Umschalten halb-ausgewählter Speicherzellen von MRAM-Vorrichtungen zu unterdrücken.

S. Tehrani u. a. „High Density Nonvolatile Magnetoresistive RAM" (Nicht-flüchtiger magnetoresistiver RAM mit hoher Dichte), 8. Dezember 1996, Electron Devices Meeting, 1996, International San Francisco, CA, USA, 8. – 11. Dez. 1996, High Density Nonvolatile Magnetoresistive RAM, IEEE, US, New York, USA, XP010207566, offenbart nicht-flüchtige Speicherzellen, die auf einem ferromagnetisch gekoppelten Riesen-Magnetoresistiv-Material basieren.

Das U.S.-Patent Nr. 5,748,524 offenbart eine mehrschichtige magnetische Speicherzelle mit magnetischen Endvektoren benachbart zu den Enden der Zelle, die in einer festen Richtung festgelegt ist.

Die WO 00/07191 offenbart ein Verfahren zum Schreiben und Lesen eines Arrays magnetoresistiver Zellen, wobei das Verfahren ein anfängliches Anlegen eines Stroms umfasst, um ein Hartachsenfeld zu erzeugen, um Endbereiche in allen Zellen in dem Array in eine feste Richtung umzuschalten.

Die vorliegende Erfindung möchte eine verbesserte Speichervorrichtung bereitstellen.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine magnetische Direktzugriffsspeichervorrichtung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Schreiben in eine ausgewählte Speicherzelle gemäß Anspruch 7 bereitgestellt.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem durch ein Anlegen eines ersten, zweiten und dritten Magnetfelds in eine ausgewählte Speicherzelle der MRAM-Vorrichtung geschrieben wird. Das erste und das zweite Magnetfeld werden an die ausgewählte Speicherzelle angelegt. Das erste und das zweite Magnetfeld schalten, wenn sie kombiniert werden, die ausgewählte Speicherzelle um. Das dritte Magnetfeld wird an halb-ausgewählte Speicherzellen angelegt und könnte auch an die ausgewählte Speicherzelle angelegt werden. Das dritte Magnetfeld weist eine Polarität auf, die entgegengesetzt zu derjenigen eines des ersten und des zweiten Magnetfeldes ist, sowie eine Stärke, die ein unbeabsichtigtes Umschalten der Mehrzahl der halb-ausgewählten Speicherzellen unterdrückt.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist unten lediglich beispielhaft Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:

1 ist eine Darstellung einer MRAM-Vorrichtung, die ein Array von Speicherzellen umfasst;

2a sind Darstellungen einer parallelen bzw. einer und 2b antiparallelen Magnetisierung einer Speicherzelle;

3 ist eine Darstellung einer MRAM-Speicherzelle, die ausgewählt wurde, während einer Schreiboperation;

4 ist eine Darstellung einer Magnetisierung in einer freien Schicht einer MRAM-Speicherzelle;

5 ist eine Darstellung einer Umschaltkurve für eine MRAM-Speicherzelle;

6 ist eine Darstellung einer festgelegten bzw. gepinnten und einer freien Schichtmagnetisierung einer alternativen MRAM-Speicherzelle, wobei die Magnetisierung ausgerichtet ist, um eine Magnetfeldvorspannung bereitzustellen;

7 ist eine Darstellung einer alternativen MRAM-Vorrichtung;

8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Umschalten einer ausgewählten Speicherzelle und zum Unterdrücken eines unbeabsichtigten Umschaltens halb-ausgewählter Speicherzellen in der MRAM-Vorrichtung aus 7;

9 ist eine Darstellung einer MRAM-Vorrichtung, die mehrere Schichten umfasst; und

10 ist eine Darstellung einer Maschine, die einen oder mehrere MRAM-Chips umfasst.

Wie in den Zeichnungen zu Darstellungszwecken gezeigt ist, ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einer magnetischen Direktzugriffsspeichervorrichtung beschrieben. Während in eine ausgewählte Speicherzelle geschrieben wird, wird eine Magnetfeldvorspannung an halb-ausgewählte Speicherzellen angelegt. Die Magnetfeldvorspannung unterdrückt das unbeabsichtigte Umschalten der halb-ausgewählten Speicherzellen, wodurch eine Datenspeicherzuverlässigkeit der MRAM-Vorrichtung verbessert wird.

Nun wird Bezug auf 1 genommen, die eine MRAM-Vorrichtung 8 darstellt, die ein Array 10 von Speicherzellen 12 umfasst. Die Speicherzellen 12 sind in Zeilen und Spalten angeordnet, wobei sich die Zeilen entlang einer x-Richtung erstrecken und die Spalten sich entlang einer y-Richtung erstrecken. Nur eine relativ kleine Anzahl von Speicherzellen 12 ist gezeigt, um die Beschreibung der Erfindung zu vereinfachen. In der Praxis könnten Arrays von 1.024 × 1.024 Speicherzellen oder mehr verwendet werden.

Leiterbahnen, die als Wortleitungen 14 fungieren, erstrecken sich entlang der x-Richtung in einer Ebene auf einer Seite des Speicherzell-Arrays 10. Leiterbahnen, die als Bitleitungen 16 fungieren, erstrecken sich entlang der y-Richtung in einer Ebene auf einer gegenüberliegenden Seite des Speicherzell-Arrays 10. Es könnte eine Wortleitung 14 für jede Zeile des Arrays 10 und eine Bitleitung 16 für jede Spalte des Speicherzell-Arrays 10 geben. Jede Speicherzelle 12 befindet sich an einem Kreuzungspunkt einer entsprechenden Wortleitung 14 und einer Bitleitung 16.

Die MRAM-Vorrichtung 8 umfasst ferner eine Schreibschaltung 18 zum Liefern von Strömen Ix und Iy an die Wort- und Bitleitungen 14 und 16 während einer Schreiboperation. Die Schreibschaltung 18 umfasst eine Wortleitungsstromquelle 20 und einen ersten und einen zweiten Zeilenauswahltransistor 22 und 24 für jede Wortleitung 14. Jeder erste Zeilenauswahltransistor 22 ist zwischen eine entsprechende Wortleitung 14 und die Wortleitungsstromquelle 20 geschaltet. Jeder zweite Zeilenauswahltransistor 24 ist zwischen eine entsprechende Wortleitung 14 und ein Referenzpotential 26 (z. B. Masse) geschaltet.

Die Schreibschaltung 18 umfasst ferner eine Bitleitungsstromquelle 28 und einen ersten und einen zweiten Spaltenauswahltransistor 30 und 32 für jede Bitleitung. Jeder erste Spaltenauswahltransistor 30 ist zwischen eine entsprechende Bitleitung 16 und die Bitleitungsstromquelle 28 geschaltet. Jeder zweite Spaltenauswahltransistor 32 ist zwischen eine entsprechende Bitleitung 16 und das Referenzpotential 26 geschaltet.

Daten könnten in m-Bit-Wörtern geschrieben werden. Wenn die Daten in m-Bit-Wörtern geschrieben werden, decodiert eine Decodierschaltung 34 eine Adresse Ax und schaltet die entsprechenden Zeilen- und Spaltenauswahltransistoren 22, 24, 30 und 32 ein (Leiterbahnen, die sich von der Decodierschaltung 34 zu Gates der Auswahltransistoren 22, 24, 30 und 32 erstrecken, sind nicht gezeigt).

Die MRAM-Vorrichtung 8 umfasst außerdem eine Leseschaltung zum Erfassen des Widerstandswerts jeder ausgewählten Speicherzelle 12. Die Leseschaltung ist nicht gezeigt, um die Erläuterung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen. Zusätzlich wurde die Schreibschaltung 18 vereinfacht, um die Erläuterung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen. Obwohl nur eine einzige Wortleitungsstromquelle 20 für alle Wortleitungen 14 gezeigt ist, könnte die Schreibschaltung 18 mehr als eine Wortleitungsstromquelle 20 umfassen. Obwohl nur eine einzelne Bitleitungsstromquelle 28 für alle Bitleitungen 16 gezeigt ist, könnte die Schreibschaltung 18 mehr als eine Bitleitungsstromquelle 28 umfassen. Ferner gibt es viele unterschiedliche Weisen eines Verbindens von Schaltern und Stromquellen mit den Zeilen und Spalten.

Die Speicherzellen 12 sind auf keinen bestimmten Typ von Vorrichtung eingeschränkt. Die Speicherzellen 12 könnten z. B. spinabhängige Tunnelungs-(„SDT"-)Vorrichtungen sein. Eine typische SDT-Vorrichtung umfasst eine „festgelegte" bzw. „gepinnte" Schicht und eine „freie" Schicht. Die festgelegte Schicht weist eine Magnetisierung auf, die in einer Ebene ausgerichtet ist, jedoch festgelegt ist, um sich bei Vorliegen eines angelegten Magnetfeldes in einem Bereich von Interesse nicht zu drehen. Die freie Schicht weist eine Magnetisierungsausrichtung auf, die nicht festgelegt ist. Vielmehr kann die Magnetisierung in einer von zwei Richtungen entlang einer Achse (der „Vorzugs"-Achse), die in einer Ebene liegt, ausgerichtet werden. Wenn die Magnetisierung der freien und der festgelegten Schicht 36 und 38 in der gleichen Richtung ist, spricht man von einer „parallelen" Ausrichtung (wie in 2a durch die Pfeile angezeigt ist). Wenn die Magnetisierung der freien und der festgelegten Schicht 36 und 38 in entgegengesetzte Richtungen zeigen, spricht man von einer „antiparallelen" Ausrichtung (wie in 2b durch die Pfeile angezeigt ist).

Die freie Schicht 36 und die festgelegte Schicht 38 sind durch eine isolierende Tunnelbarriere getrennt. Die isolierende Tunnelbarriere erlaubt das Auftreten eines quantenmechanischen Tunnelns zwischen der freien und der festgelegten Schicht. Dieses Tunnelungsphänomen ist elektronenspinabhängig, was den Widerstandswert der SDT-Vorrichtung zu einer Funktion der relativen Ausrichtungen der Magnetisierung der freien und der festgelegten Schicht 36 und 38 macht.

Der Widerstandswert einer Speicherzelle 12 ist z. B. ein erster Wert R, wenn die Ausrichtung der Magnetisierung der freien und der festgelegten Schicht 36 und 38 parallel ist (siehe 2a). Der Widerstandswert der Speicherzelle 12 wird auf einen zweiten Wert R + &Dgr;R erhöht, wenn die Magnetisierung der Ausrichtung von parallel zu antiparallel verändert wird (siehe 2b).

Daten werden in einer Speicherzelle 12 gespeichert, indem die Magnetisierung entlang der Vorzugsachse der freien Schicht 36 ausgerichtet wird. Ein logischer Wert „0" könnte durch ein Ausrichten der Magnetisierung der freien Schicht 36 derart, dass die Magnetisierungsausrichtung parallel ist, in der Speicherzelle 12 gespeichert werden und ein logischer Wert „1" könnte durch ein Ausrichten der Magnetisierung der freien Schicht 36 derart, dass die Magnetisierungsausrichtung antiparallel ist, in der Speicherzelle 12 gespeichert werden.

Der in einer ausgewählten Speicherzelle 12 gespeicherte Logikwert könnte durch ein Erfassen des Widerstandswerts der ausgewählten Speicherzelle 12 gelesen werden. Eine Spannung könnte z. B. über die Wort- und die Bitleitung 14 und 16, die die ausgewählte Speicherzelle 12 kreuzen, angelegt werden, wodurch die Erzeugung eines Stroms bewirkt wird. Der Strom kann gemessen werden, um zu bestimmen, ob die Speicherzelle einen Widerstandswert R, der einem Logikwert entspricht, oder den Wert R + &Dgr;R, der dem anderen Logikwert entspricht, aufweist.

Jede Speicherzelle 12 behält die Ausrichtung einer Magnetisierung selbst in Abwesenheit einer externen Leistung bei. Deshalb sind die Speicherzellen 12 nicht-flüchtig.

Nun wird zusätzlich Bezug auf 3 genommen, die eine ausgewählte Speicherzelle 12 während einer Schreiboperation darstellt. Die Magnetisierung in der freien Schicht 36 der ausgewählten Speicherzelle 12 wird durch ein Anlegen der Ströme Ix und Iy an sowohl die Wortleitung 14 als auch die Bitleitung 16, die diese Speicherzelle 12 kreuzen, ausgerichtet. Das Anlegen des Stroms Ix an die Wortleitung 14 bewirkt, dass sich ein Magnetfeld Hy1 um die Wortleitung 14 herum bildet. Das Anlegen des Stroms Iy an die Bitleitung 16 bewirkt, dass sich ein Magnetfeld Hx um die Bitleitung 16 herum bildet. Wenn ein ausreichend großer Strom durch beide Leitungen 14 und 16 geleitet wird, bewirkt das kombinierte Magnetfeld Hx + Hy1 in der Umgebung der freien Schicht 36, dass sich die Magnetisierung der freien Schicht 36 von der parallelen Ausrichtung in die antiparallele Ausrichtung dreht, oder umgekehrt.

Wenn der Strom Ix an die Wortleitung 14 geliefert wird, die die ausgewählte Speicherzelle 12 kreuzt, werden zusätzliche Speicherzellen 12 entlang dieser Wortleitung 14 dem Magnetfeld Hy1 ausgesetzt, und wenn der Strom Iy an die Bitleitung 16 geliefert wird, die die ausgewählte Speicherzelle 12 kreuzt, werden wieder zusätzliche Speicherzellen 12 entlang dieser Bitleitung 16 dem Magnetfeld Hx ausgesetzt. Idealerweise sollten diese halb-ausgewählten Speicherzellen nicht bei Vorliegen von nur einem einzelnen Magnetfeld umgeschaltet werden. „Entmagnetisierungsfelder" an den Enden der Speicherzellen 12 jedoch können die Wahrscheinlichkeit eines Umschaltens der halb-ausgewählten Speicherzellen erhöhen.

Nun wird zusätzlich Bezug auf 4 genommen, die eine Magnetisierung in der freien Schicht 36 einer quadratischen Speicherzelle 12 darstellt. In sehr kleinen MRAM-Vorrichtungen, wie z. B. MRAM-Vorrichtungen, die für Speichervorrichtungen mit hoher Speicherdichte vorgeschlagen werden, treibt das Entmagnetisierungsfeld die Magnetisierung 4 an Endregionen der freien Schicht 36 in eine Ausrichtung entlang der Kanten (z. B. in der y-Richtung). Diese Endmagnetisierung 4 übt ein Drehmoment auf den Rest der Magnetisierung 5 in der freien Schicht 36 aus (durch ferromagnetische Austauschwechselwirkung). Das Drehmoment neigt dazu, die Magnetisierung 5 in der y-Richtung zu drehen. Tatsächlich unterstützt die Endmagnetisierung 4 ein Umschalten halb-ausgewählter Speicherzellen 12.

Das Drehmoment wird markanter, wenn die freie Schicht 36 dicker wird. Für eine relativ dünne Schicht (z. B. eine freie Schicht, die eine Dicke von etwa 2 Nanometer aufweist) ist das Entmagnetisierungsfeld von der Endmagnetisierung 4 klein und deshalb besteht eine starke Abhängigkeit des Umschaltens von beiden Feldern Hx und Hy1. Für eine dickere freie Schicht (z. B. eine freie Schicht, die eine Dicke von etwa 2 Nanometern aufweist) besteht jedoch ein stärkeres Feld von der Endmagnetisierung 4 und eine schwächere Abhängigkeit von dem einen Umschaltfeld Hy1. Dieses stärkere Feld von der Endmagnetisierung 4 kann das unbeabsichtigte Umschalten einer halb-ausgewählten Speicherzelle 12 bewirken.

Da ein durchgehender Film aufgebracht ist, um gleichzeitig die freien Schichten mehrerer MRAM-Vorrichtungen zu bilden, und eine Dicke des durchgehenden Films normalen Herstellungsvariationen unterworfen ist, könnte das Drehmoment in einigen Vorrichtungen markanter sein, in anderen jedoch nicht. Deshalb könnte das Problem eines unbeabsichtigten Umschaltens halb-ausgewählter Speicherzellen in bestimmten Vorrichtungen entstehen, in anderen jedoch nicht.

Um ein unbeabsichtigtes Umschalten der halb-ausgewählten Speicherzellen zu unterdrücken, wird eine Magnetfeldvorspannung -Hy2 an alle Speicherzellen 12 angelegt. Die Richtung der Magnetfeldvorspannung -Hy2 ist entgegengesetzt zu derjenigen des Umschaltfelds Hy1. Die Stärke der Magnetfeldvorspannung -Hy2 könnte kleiner sein als die Stärke des Umschaltfelds Hy1. Die Stärke der Magnetfeldvorspannung Hy2 z. B. könnte etwa 0,25 der Stärke des Umschaltfelds Hy1 sein. Die tatsächliche Stärke der Magnetfelder Hy1 und Hy2 jedoch ist vorrichtungsabhängig.

Bezug nehmend auf 5 würde ein Umschaltpunkt 42, der aus dem Umschaltfeld Hx allein resultiert (d. h. dem Umschaltfeld Hx in Abwesenheit eines Drehmoments, das aus der Endmagnetisierung entsteht), links von der Umschaltkurve 40 liegen. Deshalb würde das Umschaltfeld Hx allein kein Umschalten der Speicherzelle 12 bewirken. Aufgrund typischer Herstellungsvariationen jedoch könnten die Felder auf einer tatsächlichen Vorrichtung derart sein, dass das effektive Feld Heff den Umschaltpunkt zu 44 bewegt. Da der Umschaltpunkt 44 auf der Umschaltkurve 40 liegt, würde ein derartiges effektives Feld Heff ein unbeabsichtigtes Umschalten einer halb-ausgewählten Speicherzelle 12 bewirken. Die Hinzufügung der Magnetfeldvorspannung -Hy2 schiebt den Umschaltpunkt 46, der rechts von der Umschaltkurve 40 liegt. Deshalb unterdrückt die Hinzufügung der Magnetfeldvorspannung -Hy2 das unbeabsichtigte Umschalten der halb-ausgewählten Speicherzelle 12.

Verschiedene Weisen, auf die die Magnetfeldvorspannung -Hy2 angelegt werden könnte, sind unten erläutert. Eine Weise ist in 3 gezeigt. Die Speicherzelle 12 umfasst einen Abschnitt 13 zum Bereitstellen der Magnetfeldvorspannung -Hy2. Der Abschnitt 13 zum Bereitstellen der Magnetfeldvorspannung -Hy2 könnte ein unabhängiger Magnetfilm zwischen einer der Schichten 36 oder 38 und der Wortleitung 14 sein. Eine Magnetisierung des unabhängigen Films ist in der positiven y-Richtung fest, wenn das effektive Magnetfeld Heff in der negativen y-Richtung ist. Der unabhängige Magnetfilm könnte aus einer Vielzahl magnetischer Materialien hergestellt sein. Der unabhängige Magnetfilm könnte z. B. aus einer Legierung aus Kobalt und Chrom hergestellt sein, wobei die Legierung eine Dicke aufweist, die mit der Dicke der freien Schicht 36 vergleichbar ist. Während einer Herstellung der MRAM-Vorrichtung 8 könnte der Magnetfilm aufgebracht und mit den Wortleitungen 14 strukturiert werden. Bei der Alternative könnte der Film Teil der Speicherzelle 12 sein. Ein derartiger Film könnte gemeinsam mit den Speicherzellen 12 hergestellt werden.

6 zeigt eine andere Weise, auf die die Magnetfeldvorspannung -Hy2 angelegt werden könnte. Eine Magnetisierung 48 der festen Schicht 38 könnte winkelmäßig relativ zu einer Magnetisierung 50 der freien Schicht 36 um einen Winkel A gedreht sein. Resultieren würden eine Magnetisierungskomponente in der y-Richtung und ein Vorspannungsfeld -Hy2, das an die Vorrichtung angelegt wird. Diese Drehung der festen Schicht 38 relativ zu der freien Schicht 36 könnte durch ein Ausheilen der festen Schicht 38 in einem Magnetfeld mit dem Winkel A erzielt werden.

Nun wird Bezug auf 7 genommen, die eine weitere MRAM-Vorrichtung 108 und eine weitere Weise zum Anlegen der Magnetfeldvorspannung -Hy2 zeigt. Die MRAM-Vorrichtung 108 umfasst ein Array 10 von Speicherzellen 12. Wortleitungen 14 erstrecken sich entlang der x-Richtung in einer Ebene auf einer Seite des Speicherzell-Arrays 10. Bitleitungen 16 erstrecken sich entlang der y-Richtung in einer Ebene auf einer gegenüberliegenden Seite des Speicherzell-Arrays 10. Jede Speicherzelle 12 befindet sich an einem Kreuzungspunkt einer entsprechenden Wortleitung 14 und Bitleitung 16.

Die MRAM-Vorrichtung 108 umfasst ferner eine Schreibschaltung 110 zum Liefern von Strömen Ix1, -Ix2 und Iy an die Wort- und Bitleitungen 14 und 16 während einer Schreiboperation. Die Schreibschaltung 110 umfasst eine Bitleitungsstromquelle 28 zur Bereitstellung des Stroms Iy und einen ersten und einen zweiten Spaltenauswahltransistor 30 und 32 für jede Bitleitung 16.

Die Schreibschaltung 110 umfasst ferner eine erste Wortleitungsstromquelle 20 zum Bereitstellen des Stroms Ix1, eine zweite Wortleitungsstromquelle 112 zum Bereitstellen des Stroms -Ix2, Zeilenauswahltransistoren 24, die zwischen die Wortleitungen 14 und Masse 26 geschaltet sind, und einen Zeilenauswahldecodierer 114, der zwischen die Wortleitungen 14 und die Stromquellen 20 und 112 geschaltet ist.

Eine Decodierschaltung 116 decodiert eine Adresse Ax und schaltet die geeigneten Spaltenauswahltransistoren 30 und 32 ein, um einen Strom Iy an die Bitleitung zu liefern, die eine ausgewählte Speicherzelle 12 kreuzt. Der Strom Iy von der Bitleitungsstromquelle 28 bewirkt die Erzeugung des Magnetfeldes Hx um die Bitleitung 16 herum, die die ausgewählte Speicherzelle 12 kreuzt.

Der Zeilenauswahldecodierer 114 decodiert die Adresse Ax und verbindet die erste Wortleitungsstromquelle 20 mit der Wortleitung 14, die die ausgewählte Speicherzelle 12 kreuzt. Der Strom Ix1 von der ersten Wortleitungsstromquelle 20 bewirkt die Erzeugung des Magnetfelds Hy1, um die Wortleitung 14 herum, die die ausgewählte Speicherzelle 12 kreuzt.

Der Zeilenauswahldecodierer 114 verbindet außerdem die zweite Wortleitungsstromquelle 112 mit den Wortleitungen 14, die die halb-ausgewählten Speicherzellen 12 entlang des mit Energie versorgten Bits kreuzen. Der Strom -Ix2 von der zweiten Wortleitungsstromquelle 112 bewirkt die Erzeugung der Magnetfeldvorspannung -Hy2 um die Wortleitungen 14 herum, die die halb-ausgewählten Speicherzellen 12 kreuzen. So unterdrückt die Magnetfeldvorspannung Hy2, dass die halb-ausgewählten Speicherzellen 12 entlang der mit Energie versorgten Bitleitung 16 unbeabsichtigt umgeschaltet werden.

Nun wird Bezug auf 8 genommen, die ein allgemeines Verfahren zum Anlegen der Ströme Ix1, Ix2 und Iy an die halb-ausgewählten und voll-ausgewählten Speicherzellen 12 zeigt. Der Strom -Ix2 von der zweiten Wortleitungsstromquelle 112 wird an Wortleitungen 14 geliefert, die halb-ausgewählte Speicherzellen 12 kreuzen (Block 202), und die Umschaltströme Ix1 und Iy werden an die Wort- und die Bitleitung 14 und 16 geliefert, die eine vollständig ausgewählte Speicherzelle 12 kreuzen (Block 204).

Nun wird Bezug auf 9 genommen, die einen Mehrebenen-MRAM-Chip 300 darstellt. Der MRAM-Chip 300 umfasst eine Anzahl N von Speicherzellebenen 302, die in einer z-Richtung auf einem Substrat 304 gestapelt sind. Die Anzahl N ist eine positive Ganzzahl, wobei N ≤ 1 gilt. Die Speicherzellebenen 302 könnten durch ein isolierendes Material (nicht gezeigt), wie z. B. Silizium-Dioxid, getrennt sein. Lese- und Schreibschaltungen könnten auf dem Substrat 304 hergestellt sein. Die Lese- und Schreibschaltungen könnten zusätzliche Multiplexer zum Auswählen der Ebenen, von denen gelesen und an die geschrieben wird, umfassen.

So ist eine Erfindung offenbart, bei der eine Magnetfeldvorspannung das unbeabsichtigte Umschalten halba-usgewählter Speicherzellen unterdrückt. Folglich wird die Zuverlässigkeit eines Speicherns von Daten in MRAM-Vorrichtungen erhöht.

Eine MRAM-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann Filme mit niedrigerer Anisotropie, wie z. B. NiFe, verwenden, die normalerweise ein Problem mit einem unbeabsichtigten Umschalten halb-ausgewählter Speicherzellen hätten. Filme mit niedrigerer Anisotropie schalten üblicherweise bei Vorliegen kleinerer Magnetfelder um. Folglich kann eine MRAM-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer niedrigeren Leistung arbeiten, da Filme, die bei Vorliegen kleinerer Felder umschalten, verwendet werden könnten.

Eine MRAM-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung könnte Speicherzellen mit kleinerer Fläche verwenden, die Endeffekte aufweisen, die stärker sind. Quadratische Speicherzellen könnten z. B. mit der minimalen lithographischen Merkmalsgröße hergestellt werden, da Wirkungen auf die Endregionen gelindert werden. Folglich kann ein Speicher mit höherer Dichte erzielt werden.

MRAM-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können mit dickeren Filmen, die eine stärkere Entmagnetisierung aufweisen, hergestellt werden. Deshalb können die Vorrichtungen mit höherem Ertrag hergestellt werden.

Die MRAM-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung könnte in einer breiten Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. 10 zeigt eine exemplarische allgemeine Anwendung für einen oder mehrere MRAM-Chips 300. Die allgemeine Anwendung ist durch eine Maschine 400 ausgeführt, die ein MRAM-Speichermodul 402, ein Schnittstellenmodul 404 und einen Prozessor 406 umfasst. Das MRAM-Speichermodul 402 umfasst einen oder mehrere MRAM-Chips 300 zur Langzeitspeicherung. Das Schnittstellenmodul 404 liefert eine Schnittstelle zwischen dem Prozessor 406 und dem MRAM-Speichermodul 402. Die Maschine 400 könnte auch einen schnellen flüchtigen Speicher (z. B. SRAM) zur Kurzzeitspeicherung umfassen.

Für eine Maschine 400, wie z. B. einen Notebook-Computer oder einen Personalcomputer, könnte das MRAM-Speichermodul 402 eine Anzahl von MRAM-Chips 300 umfassen und das Schnittstellenmodul 404 könnte eine EIDE- oder SCSI-Schnittstelle umfassen. Für eine Maschine 400, wie z. B. einen Server, könnte das MRAM-Speichermodul 402 eine größere Anzahl von MRAM-Chips 300 umfassen und das Schnittstellenmodul 404 könnte einen Faserkanal oder eine SCSI-Schnittstelle umfassen. Derartige MRAM-Speichermodule 402 könnten herkömmliche Langzeitspeichervorrichtungen, wie z. B. Festplatten, ersetzen oder ergänzen.

Für eine Maschine 400, wie z. B. eine Digitalkamera, könnte das MRAM-Speichermodul 402 eine kleinere Anzahl von MRAM-Chips 300 umfassen und das Schnittstellenmodul 404 könnte eine Kameraschnittstelle umfassen. Ein derartiges MRAM-Speichermodul 402 würde eine Langzeitspeicherung von digitalen Bildern auf der Digitalkamera erlauben.

Die oben beschriebene MRAM-Vorrichtung kann viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Langzeitdatenspeichervorrichtungen, wie z. B. Festplatten, bieten. Ein Zugreifen auf Daten von den MRAM-Vorrichtungen ist um Größenordnungen schneller als ein Zugreifen auf Daten von herkömmlichen Langzeitspeichervorrichtungen, wie z. B. Festplatten. Zusätzlich sind MRAM-Vorrichtungen kompakter als Festplatten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nicht auf die Verwendung spinabhängiger Tunnelungsvorrichtungen eingeschränkt. Andere Typen von Vorrichtungen, die verwendet werden könnten, umfassen Riesen-Magnetowiderstands-(„GMR"-)Vorrichtungen, sind jedoch nicht darauf beschränkt.

Ähnlich könnten die Zeilen und Spalten vertauscht werden, wobei in diesem Fall die Spalten entlang der Vorzugsachse ausgerichtet wären und die Magnetfeldvorspannung um die Wortleitungen herum erzeugt würde.


Anspruch[de]
  1. Eine MRAM-Vorrichtung (8, 108) mit folgenden Merkmalen:

    einem Array (10) von Speicherzellen (12);

    Zeilen erster Leiterbahnen (14), die die Speicherzellen (12) kreuzen;

    Spalten zweiter Leiterbahnen (16), die die Speicherzellen (12) kreuzen, wobei die ersten Leiterbahnen (14) im Wesentlichen orthogonal zu den zweiten Leiterbahnen (16) sind;

    einer Einrichtung (20, 28) zum Liefern eines ersten und eines zweiten Stroms an die ersten und zweiten Leiterbahnen (14, 16), die ausgewählte Speicherzellen (12) kreuzen, wobei der erste und der zweite Strom ein erstes und ein zweites Magnetfeld (Hx, Hy1) erzeugen, die ein Umschalten der ausgewählten Speicherzellen (12) bewirken;

    dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe ferner folgendes Merkmal aufweist:

    eine Einrichtung (13, 48/50, 112) zum Anlegen eines dritten Magnetfelds (Hy2) in einer Richtung, die entgegengesetzt zu einer des ersten und des zweiten Magnetfelds (Hx, Hy1) ist, an zumindest einige halb-ausgewählte Speicherzellen (12), um ein unbeabsichtigtes Umschalten zu unterdrücken, wobei das dritte Magnetfeld angelegt wird, während der erste und der zweite Strom an die ersten und zweiten Leiterbahnen (14, 16) geliefert werden.
  2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Anlegen des dritten Magnetfelds (Hy2) eine Einrichtung (13, 48/50) zum Anlegen einer Permanentmagnetfeldvorspannung an jede Speicherzelle umfasst.
  3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der jede Speicherzelle (12) einen unabhängigen Magnetfilm (13) zum Bereitstellen der Permanentmagnetfeldvorspannung umfasst.
  4. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der unabhängige Magnetfilm (13) jeder Speicherzelle (12) auf einer kreuzenden Wortleitung (14) aufgebracht ist.
  5. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der jede Speicherzelle (12) eine festgelegte Schicht (38) und eine freie Schicht (36) umfasst, wobei eine Magnetisierung (48) der festgelegten Schicht (38) winkelmäßig relativ zu einer Magnetisierung (50) der freien Schicht (36) gedreht ist, um die Permanentmagnetfeldvorspannung anzulegen.
  6. Die Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Einrichtung zum Anlegen des dritten Magnetfelds (Hy2) eine Einrichtung (12) zum Liefern eines dritten Stroms an zusätzliche erste Leiterbahnen (14), die halb-ausgewählte Speicherzellen (12) kreuzen, umfasst.
  7. Ein Verfahren zum Schreiben in eine ausgewählte Speicherzelle (12) einer MRAM-Vorrichtung (8, 108), wobei die ausgewählte Speicherzelle durch eine erste und eine zweite Leiterbahn (14, 16) gekreuzt wird, wobei die erste und die zweite Leiterbahn (14, 16) im Wesentlichen orthogonal sind, wobei eine Mehrzahl zusätzlicher Speicherzellen auch durch die erste und die zweite Leiterbahn gekreuzt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

    Anlegen eines ersten und eines zweiten Magnetfelds (Hx, Hy1) an die ausgewählte Speicherzelle (12), wobei das erste und das zweite Magnetfeld (Hx, Hy1) im Wesentlichen orthogonal sind und das erste und das zweite Magnetfeld (Hx, Hy1), wenn sie kombiniert werden, ein Umschalten der ausgewählten Speicherzelle bewirken;

    dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe ferner folgenden Schritt aufweist:

    Anlegen eines dritten Magnetfelds (Hy2) an zumindest einige der zusätzlichen Speicherzellen (12), während das erste und das zweite Magnetfeld (Hx, Hy1) anliegen;

    wobei das dritte (Hy2-) Magnetfeld eine Richtung aufweist, die entgegengesetzt zu der eines des ersten und des zweiten Magnetfelds (Hx, Hy1) ist,

    wobei das dritte Magnetfeld (Hy2) ein unbeabsichtigtes Umschalten der Mehrzahl zusätzlicher Speicherzellen unterdrückt.
  8. Das Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das dritte Magnetfeld (Hy2) durch ein Anlegen einer Permanentmagnetvorspannung an jede Speicherzelle angelegt wird.
  9. Das Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Permanentmagnetvorspannung durch die Hinzufügung eines unabhängigen Magnetfilms zu jeder Magnetzelle angelegt wird, wobei der Magnetfilm das erste Magnetfeld liefert.
  10. Das Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Speicherzelle eine freie Schicht und eine festgelegte Schicht umfasst, und bei dem die Permanentmagnetvorspannung durch die Winkeldrehung der Magnetisierung der festgelegten Schicht relativ zu der Magnetisierung der freien Schicht angelegt wird.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com