DE10118197C2 - Integrierte magnetoresistive Halbleiterspeicheranordnung und Verfahren zum Beschreiben derselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte magnetoresistive Halbleiterspeicheranordnung (MRAM) gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Beschreiben der ma­ gnetoresistiven Speicherzellen einer derartigen integrierten Halbleiterspeicheranordnung.

Eine derartige integrierte magnetoresistive Halbleiterspei­ cheranordnung ist bekannt aus WO 99/14760 A1.

Bei magnetoresistiven Speichern (MRAM) liegt der Speicheref­ fekt im magnetisch veränderbaren elektrischen Widerstand der Speicherzelle. Bei einem heute üblichen MRAM-Zellenkonzept sind die Speicherzellen in eine Matrix aus Auswahlleitungen, die auch Wortleitungen und Bitleitungen genannt werden, und die in unterschiedlichen Leitungsebenen verlaufen, eingebet­ tet.

Die beiliegende Fig. 2 zeigt das bislang übliche matrixför­ mige MRAM-Zellengrundkonzept. An jedem Kreuzungspunkt der in zwei voneinander separaten Leitungsebenen 1 und 2 verlaufen­ den Auswahlleitungen 5 und 6 befindet sich eine MRAM-Spei­ cherzelle 10, zum Beispiel eine MTJ-Zelle (MTJ = Magnetic Tunnel Junction). Beim Beschreiben einer bestimmten Spei­ cherzelle 10 werden durch jeweils eine zugehörige Leitung 5 und 6 in jeder Leitungsebene 1 und 2 zwei Ströme I1, I2 ein­ geprägt, die - durch die Überlagerung der resultierenden Ma­ gnetfelder dieser beiden Ströme - zu einem Beschreiben der Zelle am Kreuzungspunkt dieser beiden Auswahlleitungen 5 und 6 führt. Die überlagerten Magnetfelder führen zu einer Umma­ gnetisierung der Speicherzelle 10, die sich am Kreuzungs­ punkt der beiden Auswahlleitungen 5 und 6 befindet. Da die eingeprägten Schreibströme I1, I2 relativ groß sind, bildet sich entlang den Auswahlleitungen 5, 6 ein Spannungsabfall aus. Dies führt dazu, dass über die Zellen 10, die an den Auswahlleitungen liegen, eine Spannung abfällt, die zu uner­ wünschten Leckströmen I1L und I2L durch diese Zellen führt.

Bei der aus der oben genannten dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 entsprechenden WO 99/14760 A1 bekannten magnetore­ sistiven Halbleiterspeicheranordnung sind zusätzlich in ei­ ner von der Ebene, in der die Bitleitungen verlaufen und der Ebene, in der die Wortleitungen verlaufen getrennten Ebene parallel verlaufende Schreibleitungen vorgesehen, wie die zum Beispiel parallel zu den Bitleitungen verlaufen. Diese Schreibleitungen sind somit gegenüber den Wortleitungen und den Bitleitungen isoliert. Beim Schaltvorgang kann durch An­ legen eines Signals an die entsprechende Schreibleitung das Magnetfeld am Kreuzungspunkt mit der ausgewählten Wortlei­ tung verstärkt und damit der Schreibvorgang unterstützt wer­ den.

Aus Roy E. Scheuerlein: "Magneto-Resistive IC Memory Limita­ tions and Architecture Implications" in "Proc. 7^th IEEE In­ ternational Nonvolatile Memory Technology Conference" (22.-24. June 1998), pp. 47-50, ist auf Seite 48, 2. Absatz, mit Fig. 3 eine Matrixanordnung eines TMR-MRAM beschrieben, bei der die Schreibleitungen sowohl von den Wortleitungen als auch von den in einer X-Y-Matrix angeordneten Mess-/Le­ seleitungen (sense lines) und natürlich auch von den an den jeweiligen Kreuzungspunkten der Matrix befindlichen TMR- Speicherelementen räumlich und elektrisch separiert sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine integrierte magnetoresi­ stive Halbleiterspeicheranordnung sowie ein Verfahren zum Beschreiben von Speicherzellen einer derartigen Halbleiterspeicheranordnung so anzugeben, dass diese Leckströme zumin­ dest reduziert und bevorzugt zu Null gemacht werden können.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Demnach ist eine integrierte magnetoresistive Halbleiter­ speicheranordnung (MRAM), bei der

• - die MRAM-Speicherzellen jeweils an Kreuzungspunkten von in verschiedenen voneinander separaten Leitungsebenen eingebet­ teten Auswahlleitungen liegen, in die jeweils zum Beschrei­ ben jeder MRAM-Speicherzelle und zum Lesen einer darin ein­ geschriebenen Information ein Lese/Schreibstrom einprägbar ist,
• - die Auswahlleitungen, die zum Lesen einer Zelleninformati­ on dienen, jeweils in in direktem Kontakt mit den Speicher­ zellen stehenden separaten ersten und zweiten Leitungsebenen liegen und
• - eine dritte von der ersten und zweiten Leitungsebene räum­ lich und elektrisch getrennte Leitungsebene vorgesehen ist, die mit Schreibauswahlleitungen zum Schreiben einer Zellen­ information belegt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche vierte von der ersten, zweiten und dritten Leitungsebene beabstandete und elektrisch getrennte Leitungsebene vorgesehen und mit Schreibauswahlleitungen belegt ist.

Das die obige Aufgabe lösende Verfahren zum Beschreiben ma­ gnetoresistiver Speicherzellen einer integrierten magnetore­ sistiven Halbleiterspeicheranordnung ist dadurch gekenn­ zeichnet, dass zusätzlich zu einem durch eine jeweilige Schreibauswahlleitung in der dritten und/oder vierten Lei­ tungsebene fließenden Hauptschreibstrom ein kleiner Zusatz­ schreibstrom jeweils in derselben Richtung wie der zugeord­ nete Hauptstrom in die benachbarte an die MRAM-Speicherzelle angrenzende Auswahlleitung eingeprägt wird.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene integrierte magnetoresis­ tive Halbleiterspeicheranordnung verringert die Leckströme dadurch, dass zusätzliche Leitungsebenen eingesetzt werden, in der sich die Auswahlleitungen zum Beschreiben des Zellen­ feldes befinden. Mit anderen Worten werden die Auswahllei­ tungen zum Lesen einer Zelleninformation, die einen direkten elektrischen Kontakt zu der Zelle benötigen, elektrisch und räumlich getrennt von den Auswahlleitungen zum Schreiben ei­ ner Zelleninformation, bei denen kein direkter elektrischer Kontakt nötig ist.

Die integrierte magnetoresistive Halbleiterspeicheranordnung weist die zusätzliche vierte Leitungsebene entweder oberhalb der ersten Leitungsebene oder unterhalb der zweiten Lei­ tungsebene auf, die die zum Lesen im direkten Kontakt mit der MRAM-Speicherzelle stehenden Leseauswahlleitungen ent­ halten. Diese vierte Leitungsebene ist elektrisch von den anderen Leitungsebenen entkoppelt. Da die in dieser zusätz­ lichen vierten Leitungsebene laufenden Schreibauswahlleitun­ gen von den anderen Leitungsebenen elektrisch entkoppelt sind, führt der Spannungsabfall entlang der stromdurchflos­ senen Schreibauswahlleitung nicht zu einem Leckstrom durch das MRAM-Zellenfeld. Hierdurch wird der Leckstrom der inte­ grierten magnetoresistiven Halbleiterspeicheranordnung auf Null verringert.

Das Besondere dieser Struktur liegt darin, dass die Auswahl­ leitungen zum Beschreiben des Zellenfeldes von denen zum Le­ sen elektrisch entkoppelt sind. Das heißt, dass zum Lesen einer Zelleninformation weiterhin die direkt die MRAM-Spei­ cherzellen kontaktierenden Auswahlleitungen genutzt werden. Hierdurch eröffnet sich auch die Möglichkeit Informationen parallel zu schreiben und zu lesen.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Struktur einer inte­ grierten magnetoresistiven Halbleiterspeicheranordnung liegt also der Gedanke zugrunde, sich den besonderen Schreibmecha­ nismus von MRAM-Speicherzellen zunutze zu machen, um der Leckstrom durch das Speicherzellenfeld beim Schreiben zu re­ duzieren, da zum Beschreiben von MRAM-Zellen das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter ausgenutzt wird, und nur zum Lesen einer in einer MRAM-Speicherzelle gespeicherten Information ein elektrischer Kontakt zur Speicherzelle not­ wendig ist. Je nach Einsatzmöglichkeit kann es vorteilhaft sein, die Schreibauswahlleitungen in der dritten und/oder vierten Leitungsebene nicht parallel zu den zugehörigen, an die MRAM-Zellen angrenzenden Leseauswahlleitungen zu prozes­ sieren. Ein Winkel von beispielsweise 90° kann die elektro­ statische Kopplung zwischen den sonst dicht übereinanderlau­ fenden Auswahlleitungen reduzieren. Andere Winkel als 90° können zu resultierenden Magnetfeldern führen, die eventuell eine günstigere räumliche Orientierung haben.

Ein die oben vorgeschlagene erfindungsgemäße Struktur einer integrierten magnetoresistiven Halbleiterspeicheranordnung nutzendes Verfahren zum Beschreiben einer magnetoresistiven Speicherzelle kann zusätzlich zu einem durch eine jeweilige Schreibauswahlleitung in der dritten und/oder vierten Lei­ tungsebene eingeprägten Hauptschreibstrom durch die an den MRAM-Speicherzellen angrenzenden (Lese-)Auswahlleitungen ei­ nen kleinen Zusatzschreibstrom einprägen, der jeweils in derselben Richtung wie der Hauptstrom fließen muss.

Dabei kann vorteilhafterweise die Stromstärke des kleiner Zusatzschreibstroms so gewählt sein, dass der maximale Span­ nungsabfall entlang der an die MRAM-Speicherzelle angrenzen­ den Auswahlleitung im Bereich hohen Widerstandes der Strom- Spannungskennlinie der MRAM-Speicherzelle liegt. Diese Strom-Spannungskennlinie durch eine MRAM-Speicherzelle ist nichtlinear und ähnelt einer Diodenkennlinie. Das erfin­ dungsgemäße Schreibverfahren schlägt deshalb vor, dass zu­ sätzlich zu dem (Haupt-)Schreibstrom durch die dritte und/oder vierte Leitungsebene ein kleiner (Zusatz-)Schreib­ strom in die an die MRAM-Zellen angrenzenden Auswahlleitun­ gen eingeprägt wird. Dabei ist es vorteilhaft, den maximalen Spannungsabfall entlang der an die MRAM-Zellen angrenzenden Auswahlleitung so zu halten, dass man sich in einem Bereich der Kennlinie der Speicherzelle mit hohem Widerstand befin­ det, so dass ein fließender Leckstrom minimiert wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend bezogen auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeich­ nungsfiguren zeigen im einzelnen:

Fig. 1 schematisch und perspektivisch ein Ausführungs­ beispiel einer erfindungsgemäßen integrierten ma­ gnetoresistiven Halbleiterspeicheranordnung, und

Fig. 2 schematisch und perspektivisch die bereits be­ sprochene herkömmliche Struktur einer integrier­ ten magnetoresistiven Halbleiterspeicheranord­ nung.

Es ist zu erwähnen, dass in der das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen integrierten magnetoresistiven Halbleiter­ speicheranordnung darstellenden Fig. 1 für dieselben Elemen­ te wie in Fig. 2 dieselben Bezugszahlen verwendet sind.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen integrierten magnetoresistiven Halbleiterspeicheranordnung. Magnetoresistive Speicherzellen 10 befinden sich an den Kreuzungspunkten unmittelbar zwischen Leseauswahlleitungen 5 und 6, so dass diese mit den magnetoresistiven Speicherzel­ len elektrischen Kontakt haben. Diese Leseauswahlleitungen 5 und 6 liegen jeweils in einer (oberen) ersten Leitungsebene 1 und in einer (unteren) zweiten Leitungsebene 2, die von­ einander elektrisch und räumlich getrennt sind.

Oberhalb der ersten Leitungsebene 1 ist eine dritte Lei­ tungsebene 3 vorgesehen, in der räumlich beabstandet und elektrisch getrennt von den oberen Leseauswahlleitungen 5 (schräg schraffiert gezeichnete) Schreibauswahlleitungen 7 geführt sind. Da in dem Ausführungsbeispiel die in der drit­ ten Leitungsebene 3 laufenden Schreibauswahlleitungen 7 von den Auswahlleitungen 5 in der darunterliegenden ersten Lei­ tungsebene 1 elektrisch entkoppelt sind, kann der Spannungs­ abfall entlang der von einem Schreibstrom I1 durchflossenen oberen Auswahlleitung 7 nicht zu einem Leckstrom durch das Zellenfeld führen.

Es ist zu erwähnen, dass die in der dritten Leitungsebene 3 geführten Auswahlleitungen 7 nicht notwendigerweise parallel zu den darunterliegenden Auswahlleitungen 5 laufen müssen. Statt dessen kann es vorteilhaft sein, wenn die Schreibaus­ wahlleitungen 7 unter einem bestimmten Winkel, zum Beispiel im Winkel 90° relativ zu den darunterliegenden Auswahllei­ tungen 5 laufen. Ein derartiger Winkel kann die elektrosta­ tische Kopplung zwischen den ansonsten dicht übereinander­ laufenden Auswahlleitungen reduzieren. Andere Winkel können zu resultierenden Magnetfeldern führen, die eventuell eine günstigere räumliche Orientierung haben.

Zusätzlich zu den in der dritten Leitungsebene 3 laufenden Schreibauswahlleitungen 7 ist unterhalb der zweiten Lei­ tungsebene 2 eine vierte Leitungsebene 4 vorgesehen, und darin sind zusätzliche Schreibauswahlleitungen 8 geführt, die gemäß dem dargestellten Beispiel parallel zu den (unte­ ren) Leseauswahlleitungen 6 laufen. Durch diese Maßnahme lässt sich der Leckstrom auf Null reduzieren. Es ist zu erwähnen, dass in Fig. 1 die (oberste) dritte Leitungsebene 3 und die (unterste) vierte Leitungsebene 4, von der eingebet­ teten Struktur, die dem in Fig. 2 gezeigten üblichen MRAM- Zellenfeld entspricht, elektrisch entkoppelt sind. Zum Be­ schreiben einer MRAM-Speicherzelle 10 wird jeweils ein Schreibstrom I1 einer der oberen Schreibauswahlleitungen 7 und ein Schreibstrom I2 einer der unteren Schreibauswahllei­ tungen 8 eingeprägt. Durch die elektrische Entkopplung die­ ser Leiter zu den dazwischenliegenden Zellen führt der Span­ nungsabfall entlang der stromdurchflossenen Schreibauswahl­ leitungen 7 und 8 nicht zu einem Leckstrom durch das Zellen­ feld. Somit sind gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungs­ beispiel alle zum Beschreiben des Zellenfeldes dienenden Auswahlleitungen 7 und 8 von den Leseauswahlleitungen 5 und 6 elektrisch entkoppelt. Dabei werden zum Lesen einer Zel­ leninformation weiterhin die die MRAM-Zellen direkt kontak­ tierenden Leseauswahlleitungen 5 und 6 genutzt. Hierdurch ist ein paralleles Schreiben und Lesen von Informationen er­ möglicht.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist es nicht notwendig, dass die Schreibauswahlleitungen 7 und die unte­ ren Schreibauswahlleitungen 8 jeweils parallel zu den unmit­ telbar darunter und darüber liegenden Leseauswahlleitungen 5 und 6 geführt sind. Ein bestimmter Winkel der von 0° ab­ weicht, zum Beispiel 90°, kann vorteilhaft sein.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie durch eine MRAM-Speicherzelle (z. B. MTJ-Speicherzelle) ist sehr nichtlinear und ähnelt der Kennlinie einer Diode. Diese Eigenschaft macht sich ein er­ findungsgemäß vorgeschlagenes Verfahren zum Beschreiben ei­ ner MRAM-Speicherzelle zunutze. Dieses Verfahren prägt zu­ sätzlich zu einem in eine jeweilige Schreibauswahlleitung 7 oder 8 in der dritten oder vierten Leitungsebene 3 oder 4 eingeprägten (Haupt-)Schreibstrom einen kleinen Zusatzschreibstrom in die jeweils an die MRAM-Speicherzelle an­ grenzenden Auswahlleitungen 5 und 6 ein. Dieser Zusatz­ schreibstrom muss in derselben Richtung fließen, wie der ge­ nannte Hauptschreibstrom. Vorteilhafterweise kann dann die Stromstärke dieses kleinen Zusatzschreibstroms so gewählt werden, dass der sich entlang der an die MRAM-Zellen angren­ zenden Auswahlleitung einstellende maximale Spannungsabfall in einem Bereich der Strom-Spannungskennlinie der MRAM-Spei­ cherzelle mit hohem Widerstand befindet, das heißt, dass dann der Leckstrom verschwindend klein wird.

Bezugszeichenliste

1

,

2

,

3

,

4

erste bis vierte Leitungsebene

5

,

6

Leseauswahlleitungen

7

,

8

zusätzliche Schreibauswahlleitungen

10

magnetoresistive Speicherzelle
I1, I2 Schreibströme
I1L, I2L Leckströme

Claims (6)

1. Integrierte magnetoresistive Halbleiterspeicheranordnung (MRAM), bei der
die MRAM-Speicherzellen (10) jeweils an Kreuzungspunk­ ten von in verschiedenen voneinander separaten Lei­ tungsebenen (1, 2) eingebetteten Auswahlleitungen (5, 6) liegen, in die jeweils zum Beschreiben jeder MRAM- Speicherzelle (10) und zum Lesen einer darin einge­ schriebenen Information ein Lese/Schreibstrom einpräg­ bar ist,
die Auswahlleitungen (5, 6), die zum Lesen einer Zel­ leninformation dienen, jeweils in in direktem Kontakt mit den Speicherzellen (10) stehenden separaten ersten und zweiten Leitungsebenen (1, 2) liegen und
eine dritte von der ersten und zweiten Leitungsebene (1, 2) räumlich und elektrisch getrennte Leitungsebene (3) vorgesehen ist, die mit Schreibauswahlleitungen (7, 8) zum Schreiben einer Zelleninformation belegt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zusätzliche vierte von der ersten, zweiten und dritten Leitungsebene beabstandete und elektrisch ge­ trennte Leitungsebene (4) vorgesehen und mit Schreibaus­ wahlleitungen (8) belegt ist.

2. Integrierte magnetoresistive Halbleiterspeicheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Leitungsebene (3) oberhalb der ersten Leitungsebene (1) oder unterhalb der zweiten Leitungsebe­ ne (2) liegt und dass die vierte Leitungsebene (4) unter­ halb der zweiten Leitungsebene (2) liegt, wenn die dritte Leitungsebene (3) oberhalb der ersten Leitungsebene (1) liegt, oder oberhalb der ersten Leitungsebene (1) liegt, wenn die dritte Leitungsebene (3) unterhalb der zweiten Leitungsebene (2) liegt.

3. Integrierte magnetoresistive Halbleiterspeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schreibauswahlleitungen (7, 8) der dritten und/oder oder vierten Leitungsebene (3, 4) jeweils paral­ lel zu den Auswahlleitungen (5, 6) in der unmittelbar be­ nachbarten Leitungsebene laufen.

4. Integrierte magnetoresistive Halbleiterspeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schreibauswahlleitungen (7, 8) in der dritten und/oder vierten Leitungsebene (3, 4) jeweils in einem bestimmten Winkel zu den Auswahlleitungen in der unmit­ telbar benachbarten Leitungsebene laufen.

5. Verfahren zum Beschreiben magnetoresistiver Speicherzel­ len (10) einer integrierten magnetoresistiven Halbleiter­ speicheranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu einem durch eine jeweilige Schreibaus­ wahlleitung (7, 8) in der dritten und/oder vierten Lei­ tungsebene (3, 4) fließenden Hauptschreibstrom ein klei­ ner Zusatzschreibstrom jeweils in derselben Richtung wie der zugeordnete Hauptstrom in die benachbarte an die MRAM-Speicherzelle (10) angrenzende Auswahlleitung (5, 6) eingeprägt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke des kleinen Zusatzschreibstroms so gewählt wird, dass sich ein maximaler Spannungsabfall entlang der an die MRAM-Speicherzelle (10) angrenzenden Auswahlleitung (5, 6) einstellt, der in der Strom-Span­ nungskennlinie der MRAM-Speicherzelle (10) im Bereich ho­ hen Widerstandes liegt.