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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine nichtflüchtige Speicheranordnung mit
einem Speicherzellenfeld aus einer Vielzahl von Speicherzellen und
mit Redundanz-Speicherzellen, bei der die Adressen von zu ersetzenden
Speicherzellen nichtflüchtig
in zusätzlichen
Speicherzellen der Speicheranordnung ablegbar sind.
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Um
in einer Speicheranordnung, beispielsweise einem DRAM-Speicher (DRAM =
dynamischer Speicher), defekte Speicherzellen reparieren zu können, werden
Redundanz-Speicherzellen vorgesehen. Diese Redundanz-Speicherzellen
können
sich auf dem gleichen Speicherchip wie die Speicherzellen der Speicheranordnung
befinden. Die Adressen von zu ersetzenden Bit- und Wortleitungen
von in einem Test ermittelten defekten Speicherzellen werden nichtflüchtig abgelegt,
was beispielsweise durch gezieltes Durchbrennen von Fuses (Sicherungen)
geschehen kann.
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Für solche
Fuses werden bisher in erster Linie Laserfuses eingesetzt. Bei diesen
handelt es sich um dünne
Metallbahnen, die mit einem Laserstrahl durchgebrannt werden können. Ein
Nachteil von Laserfuses ist darin zu sehen, dass sie auf einem Speicherchip
relativ viel Chipfläche
beanspruchen.
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Ein
anderer Typ von Fuses, welche auch bei DRAMs eingesetzt werden,
sind sogenannte E-Fuses, d. h. elektrische Fuses, bei denen ein
Dielektrikum mittels eines Spannungsimpulses gezielt zum Durchbruch
gebracht wird.
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Schließlich werden
derzeit auch noch elektrische Fuses diskutiert, die aus einem Gateleiter
bestehen. Durch Hindurchschicken eines ausreichend großen Stromes
können
diese Fuses gebrannt werden.
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Für MRAM-
und auch FeRAM-Anordnungen bietet sich die Übernahme dieser bestehenden,
bei DRAMs erfolgreich eingesetzten Fuses ohne weiteres an (MRAM
= magnetoresistiver RAM, FeRAM = ferroelektrischer RAM). Mit anderen
Worten, auch bei MRAMs können
die bestehenden Fuses der DRAMs eingesetzt werden, ohne grundsätzliche
Veränderungen
an diesen vornehmen zu müssen.
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Im
einzelnen ist aus der nachveröffentlichten
DE 100 26 993 A1 ein
Flash-Speicherbauelement bekannt, bei dem Fehleradressen in einer
gesonderten Redundanz-Ansteuerschaltung abgelegt sind, die aber
nicht wie eine Redundanzzellenmatrix am Rand eines Hauptspeicherzellenfeldes
gelegen ist.
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Weiterhin
beschreibt die
DE
690 33 438 T2 eine Speicheranordnung, bei der eine Fehlerkarte vorgesehen
ist, um Adressen von fehlerhaften Speicherzellen zu speichern.
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Aus
der
DE 198 21 459
A1 ist eine Anordnung zur Redundanzauswertung bei einem
Halbleitertyp bekannt, bei der die Zuordnung zwischen redundanten
Speicherzellen und ausgefallenen Speicherzellen eines Speicherzellenfeldes
mittels eines nichtflüchtigen
Speichers vorgenommen wird. Dieser nichtflüchtige Speicher ist ein Festwertspeicher,
der aber mit dem Speicherzellenfeld des Halbleiterspeichers nicht
integriert ist.
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Schließlich ist
aus der
DE 197 44
095 A1 eine Speicherzellenanordnung bekannt, bei der die einzelnen
Speicherzellen einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen. Auf die Adressen
von zu ersetzenden Speicherzellen und deren Abspeicherung in zusätzlichen
Speicherzellen wird dabei nicht eingegangen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine nichtflüchtige Speicheranordnung eine
einfach aufgebaute und platzsparende Fusetechnik zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird bei einer MRAM-Anordnung der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die zusätzlichen
Speicherzellen am Rand des Speicherzellenfeldes vorgesehen sind, und
dass die Redundanz-Speicherzellen und/oder die zusätzlichen
Speicherzellen gleich aufgebaut sind wie die Speicherzellen des
Speicherzellenfeldes.
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Die
erfindungsgemäße nichtflüchtige Speicheranordnung,
vorzugsweise eine MRAM- oder FeRAM-Anordnung, benutzt also damit
Speicherzellen des gleichen Aufbaus wie die Speicherzellen des Speicherzellenfeldes
und wie die Redundanz-Speicherzellen zur nichtflüchtigen Redundanzspeicherung,
also als Fuses, was eine flächensparende
und wenig aufwendige Lösung
obiger Aufgabe bedeutet. Dabei werden anstelle von Fuses mit vom
eigentlichen Speicherzellenfeld abweichendem Aufbau zusätzliche
Speicherzellen herangezogen, die sich von den eigentlichen Speicherzellen
grundsätzlich
nicht unterscheiden. Das der erfindungsgemäßen Speicheranordnung zugrunde
liegende Fusekonzept eignet sich in besonders vorteilhafter Weise
für hochdichte
MRAM-Anordnungen oder auch FeRAM-Anordnungen: werden beispielsweise
die MRAM-Zellenfelder vertikal gestapelt, so steigt entsprechend die
Anzahl der benötigten
Fuses. Die Funktion dieser Fuses kann ohne weiteres von zusätzlichen MRAM-Zellen übernommen
werden, in denen die Adressen der als fehlerhaft ermittelten MRAM-Zellen abgelegt
sind. Da die zusätz lichen
MRAM-Zellen nur wenig Fläche
benötigen,
ermöglicht
die Erfindung eine äußerst einfache
Lösung
obiger Aufgabe bei minimalem Flächenbedarf.
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Eine
Speicherzelle einer MRAM-Anordnung, eine sogenannte TMR-Zelle (TMR = Tunnel-Magnet-Widerstand)
besteht bekanntlich aus einer weichmagnetischen Schicht, einer Tunnelbarrierenschicht aus
beispielsweise Al2O3 mit
einer Schichtdicke unterhalb 2 nm, und einer hartmagnetischen Schicht. Eine
solche TMR-Zelle ist schematisch in 2 gezeigt,
in welcher eine weichmagnetische Schicht 13, eine Tunnelbarrierenschicht 14 und
eine hartmagnetische Schicht 15 übereinander gestapelt zwischen einer
Wortleitung WL und einer diese senkrecht kreuzenden Bitleitung BL
liegen. Beim Schreiben wird die weichmagnetische Schicht 13 mit
ihrer Magnetisierungsrichtung durch ein Magnetfeld, das durch die
in der Wortleitung WL und in der Bitleitung BL fließenden Ströme erzeugt
ist, parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der hartmagnetischen
Schicht 13 ausgerichtet.
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Beim
Auslesen wird der Widerstand des Stapels aus den Schichten 13, 14 und 15 ausgewertet: er
ist im Fall einer parallelen Magnetisierung der Schichten 13 und 15 um
etwa 10 bis 40 % niedriger als im Fall einer antiparallelen Magnetisierung
dieser Schichten 13 und 15.
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Aufgrund
dieser physikalischen Gegebenheiten bestehen erfindungsgemäß für die Ausnutzung
einer MRAM-Zelle als Fuse grundsätzlich
im Wesentlichen die folgenden zwei Möglichkeiten:
Da eine MRAM-Zelle
nichtflüchtig
ist, kann die Redundanzinformation in ihr abgelegt werden; unmittelbar
nach dem Einschalten der MRAM-Anordnung wird diese Redundanzinformation
ausgelesen und in Latches (Verriegelungsglieder) zwischengespeichert,
damit sie schnell zugänglich
ist.
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Ein
größeres und
zuverlässigeres
Signal kann aber erhalten werden, wenn gemäß der zweiten Möglichkeit
die dünne
Tunnelbarrierenschicht in der MRAM-Zelle gezielt zum Durchbruch
gebracht wird, wozu Spannungen zwischen etwa 1,5 und 2 V über der
Speicherzelle notwendig sind. Der genaue Wert der für einen
solchen Durchbruch erforderlichen Spannung hängt von der Dicke der Tunnelbarrierenschicht
ab. Bei einem Durchbruch wird der Widerstandswert der Tunnelbarrierenschicht
viel geringer und ändert
sich um mehrere Größenordnungen,
so dass die Speicherzelle, die nun an sich als Anti-Fuse wirkt,
beim Einschalten der MRAM-Anordnung zuverlässig ausgelesen und die Redundanzinformation
in Latches zwischengespeichert werden kann, um einen raschen Zugriff
beim Lesen der MRAM-Anordnung zu gewährleisten.
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Entsprechende Überlegungen
gelten für
eine FeRAM-Anordnung oder auch eine Flash-Speicheranordnung als
einem anderen Beispiel einer nichtflüchtigen Speicheranordnung.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer MRAM-Anordnung als einem Beispiel
der erfindungsgemäßen nichtflüchtigen
Speicheranordnung und
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2 eine
schematische Darstellung einer MRAM-Zelle.
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Die 2 ist
bereits eingangs erläutert
worden.
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1 zeigt
eine MRAM-Anordnung, bei der mehrere Speicherzellenfelder 1 bis 4 in
einem Stapel übereinander
vorgesehen sind. Jedes Speicherzellenfeld 1 bis 4 weist
eine Vielzahl von MRAM-Zellen auf, wie diese schematisch in 2 gezeigt
sind. Die Speicherzellenfelder können
gegebenenfalls auch nebeneinander vorgesehen oder auch nur teilweise gestapelt
sein.
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Jedes
Speicherzellenfeld 1 bis 4 hat außerdem Redundanz-Speicherzellen,
die in Randbereichen 5 bis 8 der Speicherzellenfelder 1 bis 4 untergebracht
sind. Diese Redundanz-Speicherzellen sind in gleicher Weise wie
die Speicherzellen der Speicherzellenfelder 1 bis 4 aufgebaut.
Das heißt,
die Redundanz-Speicherzellen haben grundsätzlich ebenfalls den in 2 gezeigten
Aufbau, wobei allerdings Wortleitungen WL und Bitleitungen BL des
Speicherzellenfeldes durch entsprechende redundante Wortleitungen
und Bitleitungen ersetzt sind.
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Erfindungsgemäß sind bei
der in 1 gezeigten MRAM-Anordnung die Adressen der zu
ersetzenden Speicherzellen in zusätzlichen MRAM-Zellen abgelegt,
die in Randbereichen 9 bis 12 der Speicherzellenfelder 1 bis 4 untergebracht sind.
Auch diese zusätzlichen
MRAM-Zellen sind in der in 2 dargestellten
Weise aufgebaut. Bei diesen zusätzlichen
MRAM-Zellen, die als Fuses wirken, kann die Tunnelbarrierenschicht 2 gegebenenfalls zum
Durchbruch gebracht werden, so dass eine Änderung der Leitfähigkeit
um mehrere Größenordnungen
eintritt, da beim Durchbruch Metall aus den Elektroden bildenden
Wort- und Bitleitungen aufschmilzt und in den Durchbruchskanal eindringt.
Mit anderen Worten, nach dem Durchbruch liegt eine erheblich höhere Leitfähigkeit
der zusätzlichen
MRAM-Zellen vor, so dass diese Anti-Fuses bilden. In diesen Anti-Fuses
wird die Adressinformation für
die zu ersetzenden Speicherzellen abgelegt, so dass die entsprechenden
Redundanz-Speicherzellen angesteuert werden, wie dies durch entsprechende
Verbindungsleitungen 16 zwischen den Bereichen 9 und 5 andeutende
Strichlinien für
das Speicherzellenfeld 1 dargestellt ist. Wird ein Signal
mit einer Adresse eingespeist, welche einer in den zusätzlichen MRAM-Zellen
abgespeicherten Adresse entspricht, so wird dieses Signal zu der
dieser Adresse zugeordneten Redundanz-Speicherzelle geleitet.
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- 1,
2, 3, 4
- Speicherzellenfelder
- 5,
6, 7, 8
- Rand
für Redundanz-Speicherzellen
- 9,10,
11, 12
- Rand
für zusätzliche
MRAM-Zellen
- 13
- weichmagnetische
Schicht
- 14
- Tunnelbarrierenschicht
- 15
- hartmagnetische
Schicht
- 16
- Verbindungsleitungen
- BL
- Bitleitung
- WL
- Wortleitung