DE102006038510A1

DE102006038510A1 - MRAM cell and method for storing information in an MRAM cell

Info

Publication number: DE102006038510A1
Application number: DE200610038510
Authority: DE
Inventors: Michael Prof. Dr. Huth; Fabrizio Dr. Porrati
Original assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Current assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2006-08-17
Publication date: 2008-02-21
Also published as: WO2008019851A1

Abstract

Eine MRAM-Zelle (1) mit einer auf einem Substrat geführten ersten Steuerleitung (4) und einer auf dem Substrat geführten zweiten Steuerleitung (6), zwischen denen in ihrem Kreuzungsbereich ein Mehrschichtpaket (2) angeordnet ist, das mindestens eine magnetische Referenzschicht (8) und eine darüber angeordnete, eine Anisotropieachse (20) aufweisende schaltbare Magnetschicht (12) umfasst, soll auf besonders einfache Weise Schreib- oder Umschaltprozesse mit hoher Zuverlässigkeit bei besonders kurz gehaltenen Schaltzeiten ermöglichen. Dazu ist erfindungsgemäß die Anisotropieachse (20) annähernd senkrecht zur zweiten Steuerleitung (6) ausgerichtet, wobei die erste Steuerleitung (4) gegenüber der Anisotropieachse (20) um einen Verkippungswinkel (beta) verkippt geführt ist. Vorteilhafterweise ist die erste Steuerleitung (4) segmentiert ausgeführt. Die Schaltfelder werden durch geeignet gewählte additive Strom... auf den Steuerleitungen (4, 6) erzeugt.An MRAM cell (1) having a first control line (4) guided on a substrate and a second control line (6) guided on the substrate, between which a multilayer packet (2) is arranged in its intersection region, which has at least one magnetic reference layer (8 ) and an arranged above it, an anisotropy axis (20) having switchable magnetic layer (12) is to allow in a particularly simple manner writing or switching processes with high reliability with particularly short switching times. For this purpose, according to the invention, the anisotropy axis (20) is aligned approximately perpendicular to the second control line (6), wherein the first control line (4) is tilted relative to the anisotropy axis (20) by a tilt angle (beta). Advantageously, the first control line (4) is segmented. The switching fields are generated by suitably selected additive current ... on the control lines (4, 6).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine MRAM-Zelle mit einer auf einem Substrat geführten ersten Steuerleitung und einer auf dem Substrat geführten zweiten Steuerleitung, in deren Kreuzungsbereich ein Mehrschichtpaket angeordnet ist, das mindestens eine magnetische Referenzschicht und eine darüber oder darunter angeordnete, eine Anisotropieachse aufweisende schaltbare Magnetschicht umfasst. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Einspeichern einer Information in eine derartige MRAM-Zelle.The This invention relates to an MRAM cell having one on a substrate guided first Control line and a guided on the substrate second control line, in the crossing region a multilayer package is arranged, the at least a reference magnetic layer and an over or under, comprising an anisotropic axis switchable magnetic layer. It further relates to a method for storing information in such a MRAM cell.

Magnetische „Random Access-Speicher" (Magnetic random access memory, kurzgefasst bezeichnet als „MRAM") können die Grundlage bilden für eine nicht flüchtige Random-Access-Speichertechnologie, die die derzeitig als Standard in Computersystemen verwendete „Dynamic Random Access Memory (DRAM)"-Speichertechnologie oder auch andere gängige Speichertypen, wie beispielsweise SRAMS (statische, also nicht-flüchtige RAMs), FRAMs (ferroelektrische RAMs) oder auch Flash – Speicher ersetzen könnte. In einer derartigen MRAM-Speichertechnologie kommen so genannte MRAM-Elemente oder MRAM-Zellen zum Einsatz, die üblicherweise eine Schichtfolge von magnetischen und nicht-magnetischen Schichten umfassen, die ein Mehrschichtsystem bilden. Dieses Mehrschichtsystem kann dabei beispielsweise eine Mehrzahl ferromagnetischer Schichten umfassen, die geeignet durch nicht-magnetische Schichten voneinander getrennt sind. Die ferromagnetischen Schichten können dabei in der Art eines magnetischen Tunnelkontakts zueinander angeordnet sein.Magnetic "Random Access Memory "(Magnetic random access memory, in short referred to as "MRAM") can Basis for a non-volatile one Random access memory technology, which is currently used as the default in computer systems "Dynamic Random Access Memory (DRAM) "storage technology or other common ones Memory types, such as SRAMS (static, ie non-volatile RAMs), FRAMs (ferroelectric RAMs) or even flash memory could replace. In Such an MRAM memory technology is known as MRAM elements or MRAM cells are used, usually a layer sequence of magnetic and non-magnetic layers comprising form a multi-layer system. This multi-layer system can be included for example, comprise a plurality of ferromagnetic layers, which are suitably separated by non-magnetic layers are. The ferromagnetic layers can be in the nature of a magnetic tunnel contact to each other.

Digitale Information kann in derartigen Speicherelementen in der Form der relativen Stellung der Magnetisierung zweier benachbarter ferromagnetischer Schichten zueinander gespeichert sein, wobei beispielsweise der logische Zustand „0" einer antiparallelen Stellung und der logische Zustand „1" einer parallelen Stellung der Magnetisierungsvektoren in den magnetischen Schichten entsprechen kann. Derartige Speicherzellen können beispielsweise in der so genannten Tunnelkontakt-Bauweise oder auch in der so genannten Giant Magnetoresisance-Bauweise ausgeführt sein. Bei der Tunnelkontakt-Bauweise ändert sich der elektrische Widerstand des Schichtsystems bei Stromfluss senkrecht durch die Schichtfolge in Abhängigkeit von der relativen Stellung der Magnetisierung der be nachbarten ferromagnetischen Schichten zueinander. Bei der Giant Magnetoresisance-Bauweise ändert sich hingegen der Flächenwiderstand des Schichtsystems in Abhängigkeit von der relativen Stellung der Magnetisierungen der benachbarten ferromagnetischen Schichten. Ein Auslesen der in einer derartigen MRAM-Zelle gespeicherten Information kann somit über eine elektrische Widerstandsmessung erfolgen. Bei sogenannten TMR-Elementen (Tunnel Magneto Resistance) ist die Distanzschicht zwischen den magnetischen Schichten isolierend. Es fließt ein Tunnelstrom senkrecht durch die Schichtfolge. Bei sogenannten GMR-Elementen (Giant Magneto Resistance) ist die Distanzschicht zwischen den magnetischen Schichten leitend. Der Strom kann senkrecht oder parallel zur Schichtfolge fließen. Die Widerstandswerte können für die „0"-Konfiguration um einige Prozent bis einige 100% verschieden sein.digital Information can be stored in such memory elements in the form of relative position of the magnetization of two adjacent ferromagnetic Layers be stored to each other, for example, the logical state "0" of an antiparallel Position and the logic state "1" of a parallel position of the magnetization vectors can correspond in the magnetic layers. Such memory cells can For example, in the so-called tunnel contact construction or be executed in the so-called giant magnetoresisance design. At the tunnel contact construction changes the electrical resistance of the layer system at current flow perpendicular through the layer sequence as a function of the relative Position of the magnetization of the adjacent feromagnetic layers to each other. In contrast, the Giant Magnetoresisance design changes the sheet resistance of the shift system as a function of the relative position of the magnetizations of the adjacent ferromagnetic Layers. A readout of the stored in such a MRAM cell Information can thus over an electrical resistance measurement done. In so-called TMR elements (tunnel Magneto Resistance) is the distance layer between the magnetic Insulating layers. It flows a tunnel current perpendicular through the layer sequence. In so-called GMR elements (Giant Magneto Resistance) is the distance layer conducting between the magnetic layers. The stream can be vertical or parallel to the sequence of layers. The resistance values can be changed for the "0" configuration a few percent to some 100% different.

Zur Einstellung definierter, reproduzierbarer Zustände in derartigen Speicherzellen umfasst das Mehrschichtpaket dabei üblicherweise zumindest eine magnetische Referenzschicht, deren Magnetisierung durch geeignete Wechselwirkung, beispielsweise aufgrund kristallografischer Eigenschaften oder aufgrund topografischer Vorgaben auf dem Substrat, in einer vorgegeben Richtung fixiert ist. Diese Referenzschicht wird auch als so genannte „pinned layer" bezeichnet. Benachbart zu dieser magnetischen Referenzschicht und von dieser durch eine nicht-magnetische Schicht getrennt ist sodann üblicherweise eine schaltbare Magnetschicht vorgesehen, deren Magnetisierungsrichtung geeignet beeinflusst werden kann.to Setting defined, reproducible states in such memory cells The multilayer package usually comprises at least one magnetic reference layer whose magnetization by suitable Interaction, for example due to crystallographic properties or due to topographical specifications on the substrate, in a given Direction is fixed. This reference layer is also called "pinned layer ". Adjacent to and from this reference magnetic layer separated by a non-magnetic layer is then usually a switchable magnetic layer is provided whose magnetization direction can be influenced appropriately.

Zur gezielten Beeinflussung dieser Magnetisierungsrichtung während eines Schreibprozesses für digitale Information ist das Mehrschichtpaket der MRAM-Zelle üblicherweise am Kreuzungspunkt zwischen zwei auf einem Substrat geführten Leiterbahnen, nämlich einerseits einer auch als Wordline bezeichneten ersten Steuerleitung und andererseits einer auch als Bitline bezeichneten zweiten Steuerleitung, zwischen diesen angeordnet. Alternativ können sich beide Steuerleitungen auch gemeinsam oberhalb oder unterhalb des Mehrschichtpakets befinden, wobei sie selbstverständlich geeignet elektrisch voneinander isoliert sein müssen. Zur Änderung des Zustands von „0" nach „1" bzw. „1" nach „0" (Schreib- oder Umschaltprozess) wird in MRAM-Speicherelementen eine Mehrzahl derartiger Zellen in einer von den jeweiligen Steuerleitungen gebildeten Leitungsmatrix verwendet, wobei die von der ersten und zweiten Steuerleitung jeweils gemeinsam erzeugten Magnetfelder an ihrem Kreuzungspunkt ein für das Umschalten der Magnetisierungsrichtung der jeweiligen schaltbaren Magnetschicht ausreichendes Magnetfeld erzeugen.to targeted influencing this magnetization direction during a Writing process for digital information is usually the multilayer packet of the MRAM cell at the point of intersection between two printed conductors routed on a substrate, namely on the one hand, also called Wordline first control line and on the other hand a second control line, also referred to as bitline, arranged between these. Alternatively, both control lines can also together above or below the multilayer package, wherein of course must be electrically isolated from each other. For changing the state from "0" to "1" or "1" to "0" (writing or switching process) In MRAM memory elements, a plurality of such cells in a line matrix formed by the respective control lines used, wherein the first and second control line respectively jointly generated magnetic fields at their intersection point for switching the magnetization direction of the respective switchable magnetic layer generate sufficient magnetic field.

Durch geeignete Ansteuerung gezielt ausgewählter erster und zweiter Steuerleitungen ist somit die Information gezielt in einzelnen, durch den Kreuzungspunkt der jeweiligen Steuerleitungen definierten MRAM-Zellen ermöglicht.By suitable control of selectively selected first and second control lines Thus, the information is targeted in individual, by the crossing point allows the respective control lines defined MRAM cells.

Die in derartigen MRAM-Zellen verwendeten ferromagnetischen Materialen sind üblicherweise magnetisch anisotrop ausgeführt, um nach Einschreiben eines magnetischen Bits die lokale Magnetisierungsrichtung stabil zu erhalten. Die zum Umschalten der lokalen Magnetisierungsrichtung nötigen Magnetfelder sollten allerdings aus technischen Gründen wenige 100 A/m nicht übersteigen. Eine Anisotropie der magnetischen Schichten kann aufgrund der Kristallanisotropie des verwendeten Materials, der lateralen Formgebung des Schichtpakets, durch gezielte Schichtverspannungseffekte und/oder auch durch Vorstrukurierung des verwendeten Substrats erzielt werden. Es kommt damit zur Auszeichnung von mindestens einer Achse der leichten Magnetisierbarkeit, die sogenannte uniaxiale magnetische Anisotropie. Auch Anisotropien mit zwei leichten Achsen der Magnetisierbarkeit sind möglich, die sogenannte vierzählige oder auch kubische Anisotropie. Stabile Zustände der Magnetisierungsrichtung sind solche im wesentlichen parallel oder antiparallel zur Anisotropieachse.The ferromagnetic materials used in such MRAM cells are conventional magnetically anisotropic, in order to obtain the local magnetization direction stable after writing a magnetic bit. However, the magnetic fields necessary for switching the local magnetization direction should not exceed a few 100 A / m for technical reasons. Anisotropy of the magnetic layers may be achieved due to the crystal anisotropy of the material used, the lateral shaping of the layer package, by targeted layer-stretching effects and / or also by pre-structuring of the substrate used. It comes to the award of at least one axis of easy magnetization, the so-called uniaxial magnetic anisotropy. Also anisotropies with two easy axes of magnetizability are possible, the so-called fourfold or even cubic anisotropy. Stable states of the magnetization direction are those substantially parallel or antiparallel to the anisotropy axis.

Zum Umschalten können derartige MRAM-Zellen üblicherweise im so genannten Dämpfungsmodus oder im so genannten Präzessionsmodus betrieben werden. Das Umschalten im Dämpfungsmodus basiert dabei auf der Nukleation einer magnetischen Domäne mit einer Magnetisierung in gegenüber der aktuellen Magnetisierungsrichtung der schaltbaren Magnetschicht der Zelle umgekehrter Richtung. Diese Umkehrdomäne wächst als Funktion der Zeit so lange, wie das Schaltfeld anliegt, bis die Gesamtmagnetisierung der Zelle invertiert ist. Das Umschalten im Präzessionsmodus basiert hingegen auf einer Präzession der Gesamtmagnetisierung der schaltbaren Magnetschicht der Zelle um die lokale Richtung des angelegten Magnetfeldes. Bei vergleichbaren Magnetfeldstärken ist das Umschalten im Präzessionsmodus um etwa 1 bis 2 Größenordnungen schneller als das Umschalten im Dämpfungsmodus, wobei hierfür allerdings erhebliche Instabilitäten in Kauf genommen werden müssen. Beim Umschalten im Präzessionsmodus führt nämlich nach dem eigentlichen Umschaltprozess die Gesamtmagnetisierung der schaltbaren Magnetschicht der Zelle auch weiterhin eine gedämpfte Präzessionsbewegung um das ursprünglich lokal vorhandene Magnetfeld durch. Infolge dieses als „magnetisation ringing" bezeichneten Effekts steigen die Umschaltzeiten auch beim Präzessionsmodus bis in den ns-Bereich und werden damit den Umschaltzeiten beim Schalten im Dämpfungsmodus vergleichbar.To the Can switch Such MRAM cells usually in the so-called damping mode or in the so-called precession mode operate. Switching in the damping mode is based on this on the nucleation of a magnetic domain with a magnetization in opposite the current direction of magnetization of the switchable magnetic layer the cell reversed direction. This reversal domain grows as a function of time as long as the control panel is applied until the total magnetization the cell is inverted. Switching in precession mode, on the other hand, is based on a precession the total magnetization of the switchable magnetic layer of the cell around the local direction of the applied magnetic field. In comparable magnetic field strengths is switching in precession mode by about 1 to 2 orders of magnitude faster than switching in the damping mode, but for this considerable instabilities must be accepted. When switching in precession mode leads after the actual switching process, the total magnetization of the switchable Magnetic layer of the cell continues to be a damped precession movement around the originally local existing magnetic field. As a result of this effect called "magnetization ringing" The switching times also increase in the precession mode to the ns range and thus become the switching times when switching in the damping mode comparable.

Dieses so genannte „ringing" kann durch eine gezielte und genaue Auswahl von Größe und Zeit des angelegten magnetischen Schaltfeldes verhindert werden. Dabei wird die Pulslänge des magnetischen Schaltfeldpulses derart abgestimmt, dass das magnetische Schaltfeld gerade dann abgeschaltet wird, wenn sich die Gesamtmagnetisierung der schaltbaren Magnetschicht der Zelle im energetischen Minimum – gerade also in invertierter Richtung – befindet. Ein derartiger Schaltvorgang wird als „ballistisches Schalten" bezeichnet, da er dem ballistischen Grenzfall der gedämpften Schwingung analog ist. Derartiges ballistisches Schalten, das grundsätzlich verkürzte Schaltzeiten mit vergleichsweise hoher Stabilität und Zuverlässigkeit liefern könnte, setzt jedoch eine sehr exakte Anpassung von Stärke, Feldrichtung und Pulsdauer des magnetischen Schaltfeldes voraus. Gerade beim Betrieb eines MRAM-Speichers mit einer Vielzahl derartiger MRAM-Zellen ist es daher nur mit erheblichem Aufwand möglich, die erforderlichen Schaltparameter mit der notwendigen Genauigkeit einzustellen.This So-called "ringing" can be achieved through a targeted and accurate selection of size and time of the applied magnetic switching field can be prevented. The pulse length of the magnetic switching pulse so tuned that the magnetic Switch panel is switched off just when the total magnetization the switchable magnetic layer of the cell in the energetic minimum - even ie in inverted direction - is. Such a switching operation is referred to as "ballistic switching", as he The ballistic limit of the damped oscillation is analogous. Such ballistic switching, the generally shortened switching times with comparatively high stability and reliability could deliver However, it sets a very exact adaptation of strength, field direction and pulse duration the magnetic field ahead. Especially when operating a It is MRAM memory with a plurality of such MRAM cells therefore only with considerable effort possible, the required switching parameters to adjust with the necessary accuracy.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine MRAM-Zelle der oben genannten Art anzugeben, mit der auf besonders einfache Weise Schreib- oder Umschaltprozesse mit hoher Zuverlässigkeit bei besonders kurz gehaltenen Schaltzeiten ermöglicht sind. Des Weiteren soll ein besonders geeignetes Verfahren zum Einspeichern einer Information in eine derartige MRAM-Zelle angegeben werden.Of the Invention is therefore based on the object, an MRAM cell of the above-mentioned type, with which it is possible to write in a particularly simple manner. or switching processes with high reliability at particularly short held switching times allows are. Furthermore, a particularly suitable method for storing information in such an MRAM cell.

Bezüglich der MRAM-Zelle wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Anisotropieachse oder magnetisch leichte Achse der schaltbaren Magnetschicht annähernd senkrecht zur zweiten Steuerleitung ausgerichtet ist, wobei die erste Steuerleitung gegenüber der Anisotropieachse und/oder gegenüber der Orthogonalen zur zweiten Steuerleitung um einen Verkippungswinkel > 0° geführt ist.Regarding the MRAM cell this object is achieved according to the invention by the anisotropy axis or magnetically easy axis of the switchable magnetic layer approximately perpendicular is aligned to the second control line, wherein the first control line across from the anisotropy axis and / or the orthogonal to the second Control line is guided by a tilt angle> 0 °.

Wie sich nämlich überraschend herausgestellt hat, können bei einer derartigen Anordnung die ersten Steuerleitung einerseits und die zweiten Steuerleitung andererseits derart gezielt mit Steuerstrompulsen beaufschlagt werden, dass lokal im Bereich der jeweiligen schaltbaren Magnetschicht eine für den Schaltvorgang besonders günstige Abfolge magnetischer Schaltfelder eingestellt werden kann. Durch die Verkippung der ersten Steuerleitung ist dabei insbesondere durch geeignete Bestromung von der ersten- und ggf. der zweiten Steuerleitung die Erzeugung zweier magnetischer Schaltfelder im Bereich der schaltbaren Magnetschicht möglich, die vom Betrag her gleich groß und ausreichend hoch sind, um überhaupt eine Änderung der Magnetisierung in der schaltbaren Magnetschicht zu erzeugen, die andererseits in ihrer Komponente parallel zur Anisotropieachse entgegengesetzt zueinander ausgerichtet sind. Durch geeignete sequentielle Erzeugung dieser beiden Schaltfelder kann dabei in einer ersten Phase des Schreibvorgangs durch Erzeugung eines dieser Schaltfelder der magnetische Zustand der schaltbaren Magnetschicht destabilisiert werden, so dass unabhängig vom vorhergehenden Zustand der MRAM-Zelle eine gezielte Einstellung der Magnetisierung erfolgen kann. Dies wird in einer zweiten Phase des Schaltvorgangs vorgenommen, indem das jeweils andere Schaltfeld erzeugt wird. Der Endzustand d.h. die nach dem Schaltvorgang verbleibende Magnetisierung, wird dabei über das jeweils letzte Schaltfeld und dessen Feldkomponente parallel zur Anisotropieachse definiert.As has surprisingly been found, in such an arrangement, the first control line on the one hand and the second control line on the other hand can be selectively applied with control pulses so that locally in the region of the respective switchable magnetic layer for the switching process particularly favorable sequence of magnetic panels can be adjusted. Due to the tilting of the first control line, the generation of two magnetic switching fields in the region of the switchable magnetic layer is possible in particular by suitable current supply from the first and possibly the second control line, which are the same size and sufficiently high in magnitude, to even a change of To generate magnetization in the switchable magnetic layer, on the other hand, in its component parallel to the anisotropy axis are aligned opposite to each other. By suitable sequential generation of these two switching fields, the magnetic state of the switchable magnetic layer can be destabilized in a first phase of the writing process by generating one of these switching fields, so that a specific adjustment of the magnetization can take place independently of the preceding state of the MRAM cell. This will be in a second Phase of the switching process made by the other button is generated. The final state, that is, the magnetization remaining after the switching process, is defined here via the respective last switching field and its field component parallel to the anisotropy axis.

Wie sich in zahlreichen Versuchen herausgestellt hat, ist für den Verkippungswinkel zur Gewährleistung besonders zuverlässiger Umschaltergebnisse und einer besonders hohen Stabilität der Schaltvorgänge vorteilhafterweise ein Wert zwischen 0,5° und 45°, vorzugsweise zwischen 3° und 35°, gewählt.As has been found in numerous experiments, is for the tilt angle to guarantee especially reliable Switching results and a particularly high stability of the switching operations advantageously a value between 0.5 ° and 45 °, preferably between 3 ° and 35 °, chosen.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die erste Steuerleitung aus einer Mehrzahl von elektrisch parallel geschalteten Segmenten, vorzugsweise aus zwei oder drei Segmenten, gebildet. Die Segmente sind dabei zweckmäßigerweise unabhängig voneinander bestrombar ausgeführt, wobei zu diesem Zweck beispielsweise geeignete Isolierungen zwischen den jeweiligen Segmenten vorgesehen sein können. Durch die segmentierte Ausführung kann jedes der parallel geschalteten Segmente der ersten Steuerleitung mit lediglich einem Teilstrom des eigentlich benötigten Ansteuerstroms beaufschlagt werden, wobei durch geeignete elektrische Verschaltung der Segmente miteinander lediglich im Bereich der eigentlichen MRAM-Zelle ein für den Schaltvorgang ausreichend hohes Magnetfeld durch Überlagerung der von den Segment-Teilströmen jeweils gelieferten Magnetfelder erreicht wird. In anderen Bereichen, insbesondere in den Raumbereichen anderer MRAM-Zellen, deren Schaltung nicht gewünscht ist, beträgt das durch den Ansteuerstrom für die erste Steuerleitung erzeugte Magnetfeld jeweils lediglich einen Bruchteil des benötigten Schaltfeldes, so dass keine unerwünschten Schaltvorgänge in derzeit nicht angesteuerten MRAM-Zellen auftreten.In Particularly advantageous embodiment is the first control line from a plurality of electrically parallel connected segments, preferably formed of two or three segments. The segments are expediently independently of each other energized, for this purpose, for example, suitable insulation between can be provided the respective segments. By the segmented Execution can each of the parallel connected segments of the first control line be acted upon with only a partial flow of the actually required drive current, wherein by suitable electrical interconnection of the segments with each other only in the area of the actual MRAM cell one for the switching process sufficiently high magnetic field by superposition of the segment partial streams respectively supplied magnetic fields is achieved. In other areas, in particular in the spatial areas of other MRAM cells whose circuit is not is desired is that by the drive current for the first control line generated only one magnetic field Fraction of the needed Switch panel, so no unwanted switching operations in currently untreated MRAM cells occur.

Die Anisotropieachse der schaltbaren Magnetschicht ist vorteilhafterweise in der Art einer „magnetisch leichten" Achse durch die Kristallstruktur des die Magnetschicht bildenden Materials und/oder durch die laterale oder äußere Formgebung des Mehrschichtpakets oder der schaltbaren Magnetschicht und/oder durch eine geeignete Vorstrukturierung des Substrats gegeben. Die für die Ausbildung der gewünschten magnetischen Vorzugsrichtung vorgesehene Anisotropie in der schaltbaren Magnetschicht kann dabei beispielsweise durch eine geeignet gewählte anisotrope Kristallstruktur des Materials, durch die Wahl einer anisotropen Konturierung des Mehrschichtpakets, wie beispielsweise einer ellipsenförmigen Ausführung, oder auch durch eine geeignete Kombination beider Maßnahmen hergestellt sein. Die Konturierung des Mehrschichtpakts kann dabei beispielsweise dadurch vorgenommen werden, dass das Substrat vor der Aufbringung des Mehrschichtpakets in seiner Oberfläche geeignet vorstrukturiert wird, so dass bei der Deponierung des Mehrschichtpakets eine Abscheidung nur auf ausgewählten Oberflächenteilen des Substrats erfolgt.The Anisotropy axis of the switchable magnetic layer is advantageously in the manner of a "magnetic light "axle by the crystal structure of the material forming the magnetic layer and / or by the lateral or external shaping of the multilayer package or the switchable magnetic layer and / or by a suitable Pre-structuring of the substrate given. The one for the training of the desired magnetic preferred direction provided anisotropy in the switchable Magnetic layer can, for example, by an appropriately selected anisotropic Crystal structure of the material, by choosing an anisotropic Contouring of the multilayer package, such as an elliptical design, or also be prepared by a suitable combination of both measures. The Contouring of the multilayer pac may thereby for example by be made that the substrate before the application of the multilayer package in its surface is suitably prestructured, so that when depositing the multi-layer package a deposition only on selected surface portions of the substrate.

Vorteilhafterweise ist als Basismaterial für die schaltbare Magnetschicht ein bei Raumtemperatur ferromagnetisches Material mit kubischer oder uniaxialer Anisotropie vorgesehen. Als kubische Materialien besonders geeignet sind insbesondere Eisen, Eisen-Kobalt (FeCo), Eisen-Platin (Feet) oder Kobalt mit kubischer -flächenzentrierter Kristallstruktur (Fcc-Co). Als uniaxiale Materialien besonders geeignet sind vorzugsweise Kobalt mit hexagonaler Struktur und/oder Permalloy (Eisen-Nickel-Legierung) Dabei kann durch laterale Formgebung ein aufgrund der Kristallstruktur ferromagnetisch kubisch anisotropes Material auch für die Bildung eines Schichtpakets mit uniaxialer magnetischer Anisotropie verwendet werden. Dazu ist bspw. die lange Achse eines lateral elliptisch geformten Schichtpakets entlang einer der Anisotropieachse der ferromagnetischen Schicht zu legen.advantageously, is as a base material for the switchable magnetic layer a ferromagnetic at room temperature Material with cubic or uniaxial anisotropy provided. When cubic materials are particularly suitable, in particular iron, Iron-cobalt (FeCo), iron-platinum (Feet) or cobalt with cubic -flächenzentrierter Crystal structure (Fcc-Co). Particularly suitable as uniaxial materials are preferably cobalt with hexagonal structure and / or permalloy (Iron-nickel alloy) It can by lateral shaping a due to the crystal structure ferromagnetic cubic anisotropic Material also for the formation of a layer package with uniaxial magnetic anisotropy be used. For this purpose, for example, the long axis of a lateral elliptical formed layer packet along one of the anisotropy axis of the ferromagnetic Layer to lay.

Ein besonders zuverlässiges und stabiles Umschalten zwischen zwei denkbaren Magnetisierungszuständen der schaltbaren Magnetschicht, bei dem insbesondere auch auf ein ansonsten notwendiges so genanntes „Pre-Read", also ein vorheriges Einlesen des derzeitigen Ist-Zustands der schaltbaren Magnetschicht, verzichtet werden kann, kann erreicht werden, indem die schaltbare Magnetschicht mit einer geeignet gewählten spezifischen Sequenz zweier magnetischer Schaltfelder beaufschlagt wird. Die magnetischen Schaltfelder sollten dabei derart erzeugt werden, dass sie von ihrem Betrag her annähernd gleich groß sind, dass sie aber gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse der schaltbaren Magnetschicht – und somit zur zweiten Steuerleitung – um entgegengesetzte Winkel verkippt sind. Unter Rückgriff auf eine geeignete Bestromung der zweiten Steuerleitung der MRAM-Zelle einerseits und der ersten Steuerleitung der MRAM-Zelle andererseits können derartige Schaltfelder auf besonders einfache Weise erzeugt werden, indem vorteilhafterweise zur Erzeugung eines der Schaltfelder H₁ die erste Steuerleitung mit einer ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt wird. Aufgrund der verkippten Ausführung der ersten Steuerleitung weist das solchermaßen erzeugte Schaltfeld H₁ eine Verkippung gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse der Magnetschicht entsprechend der Verkippung der ersten Steuerleitung gegenüber der Anisotropieachse der Magnetschicht auf.A particularly reliable and stable switching between two conceivable states of magnetization of the switchable magnetic layer, in which in particular also an otherwise necessary so-called "pre-read", ie a previous reading in of the current actual state of the switchable magnetic layer, can be dispensed with By applying the switchable magnetic layer with a suitably chosen specific sequence of two magnetic switch fields, the magnetic switch fields should be generated in such a way that their magnitude is approximately equal, but they are opposite the orthogonal to the anisotropy axis of the switchable magnetic layer By resorting to a suitable current supply of the second control line of the MRAM cell on the one hand and the first control line of the MRAM cell on the other hand, such switching fields can be set to a particular be generated manner by advantageously for the generation of one of the panels H _1, the first control line is supplied with a first control line drive current. Due to the tilted design of the first control line, the switching field H ₁ generated in this way has a tilting with respect to the orthogonal to the anisotropy axis of the magnetic layer in accordance with the tilting of the first control line relative to the anisotropy axis of the magnetic layer.

Das für den zweiten Schaltpuls vorgesehene, vom Betrag etwa gleich große, aber gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse gegenläufig verkippte zweite Schaltfeld H₂ kann dabei erzeugt werden, indem die erste Steuerleitung weiterhin mit der ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt wird, wobei gleichzeitig die zweite Steuerleitung mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt wird, dessen Betrag näherungsweise gleich dem doppelten Produkt aus dem Betrag der ersten Steuerleitung-Ansteuerstroms und dem Sinus des Verkippungswinkels gewählt ist. Durch die Überlagerung der über die erste Steuerleitung einerseits und über die zweite Steuerleitung andererseits jeweils erzeugten Magnetfelder entsteht in diesem Fall das gewünschte, vom Betrag her dem ersten Schaltfeld etwa gleiche, aber gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse gegenläufig gekippte Schaltfeld H₂.The second switching field H ₂ provided for the second switching pulse and approximately the same size as the absolute value but opposite the orthogonal to the anisotropic axis can thereby be generated by the first control line continuing to be generated the first control line drive current is applied, wherein at the same time the second control line is supplied with a second control line drive current whose amount is approximately equal to twice the product of the amount of the first control line drive current and the sine of the tilt angle is selected. Due to the superimposition of the magnetic fields generated in each case via the first control line on the one hand and the second control line on the other hand, in this case the desired switching field H _{2, which is} approximately equal in magnitude to the first switching field, but opposite to the orthogonal to the anisotropy axis, is produced.

Bei einer derartigen Bestromung und Erzeugung lokaler Schaltfelder kann ein besonders stabiles Umschalten erreicht werden, indem – je nach gewünschtem Endzustand, in den die MRAM-Zelle überführt werden soll – entweder zunächst im ersten Schaltpuls das Schaltfeld H₁ und sodann im zweiten Schaltpuls das Schaltfeld H₂ erzeugt wird oder umgekehrt. Die besonders günstigen Schalteigenschaften rühren bei einer derartigen Ausgestaltung daher, dass während des ersten Schaltpulses die Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht unabhängig von ihrem zuvor eingenommenen Zustand ausreichend destabilisiert wird, so dass durch den zweiten Schaltpuls die Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht endgültig in den gewünschten Endzustand überführt werden kann.In such an energization and generation of local switching fields, a particularly stable switching can be achieved by - depending on the desired final state in which the MRAM cell is to be transferred - either first in the first switching pulse, the H ₁ and then in the second switching pulse, the H panel _{2 is} generated or vice versa. The particularly favorable switching properties are due to such an embodiment, that during the first switching pulse, the magnetization of the switchable magnetic layer is sufficiently destabilized regardless of their previously assumed state, so that the magnetization of the switchable magnetic layer can finally be converted into the desired final state by the second switching pulse ,

Um Schaltvorgänge der genannten Art zu ermöglichen, ist ein MRAM-Speichersystem mit einer Anzahl von MRAM-Zellen der genannten Art vorteilhafterweise mit einer Ansteu erelektronik versehen, über die die erste Steuerleitung der oder jeder MRAM-Zelle mit einer ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom und die zweite Steuerleitung der oder jeder MRAM-Zelle mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom in der gewünschten Höhe des doppelten Produkts aus der ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom und Sinus des Verkippungswinkels beaufschlagbar ist.Around switching operations to enable the said type is an MRAM memory system with a number of MRAM cells of the mentioned type advantageously provided with a Ansteu erelektronik on the the first control line of the or each MRAM cell having a first one Control line drive current and the second control line of the or each MRAM cell with a second control line drive current in the desired Height of double product from the first control line drive current and Sine of the tilt angle can be acted upon.

Bezüglich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gelöst, indem in einer ersten Steuerleitung-Ansteuerphase die erste Steuerleitung mit einer ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom und in einer zweiten Steuerleitunge-Ansteuerphase die zweite Steuerleitung mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt werden, wobei der Betrag der zweiten Steuerleitung-Ansteuerstroms zumindest näherungsweise gleich dem doppelten Produkt aus dem Betrag der ersten Steuerleitung-Ansteuerstroms und dem Sinus des Verkippungswinkels gewählt wird.Regarding the Method, the above object is achieved by in a first control line drive phase the first control line with a first control line drive current and in a second control line drive phase, the second control line be applied with a second control line drive current, wherein the amount of the second control line drive current at least approximately equal to twice the product of the amount of the first control line drive current and the sine of the tilt angle is selected.

Um dabei besonders stabile und zuverlässige Schaltergebnisse zu gewährleisten, erfolgt die Ansteuerung vorteilhafterweise derart, dass zwar eine Schaltung im Präzessionsmodus erfolgt, die aber nicht notwendig ballistisch ausgeführt wird. Dazu werden die Pulsdauern bei der Ansteuerung der ersten Steuerleitung einerseits und der zweiten Steuerleitunge andererseits vorteilhafterweise geeignet gewählt. Insbesondere wird die erste Steuerleitung-Ansteuerphase vorteilhafterweise über eine der Präzessionszeit des Materials der Magnetschicht im durch den Ansteuerstrom erzeugten Magnetfeld entsprechender Zeitdauer durchgeführt. Über diese Zeitspanne hinweg wird somit im Bereich der schaltbaren Magnetschicht ein erstes magnetisches Schaltfeld H₁ = H_word erzeugt, das in seiner Richtung um den Verkippungswinkel gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse der schaltbaren Magnetschicht verkippt ist.In order to ensure particularly stable and reliable switching results, the control advantageously takes place in such a way that, although a circuit takes place in precession mode, which is not necessarily performed ballistically. For this purpose, the pulse durations in the activation of the first control line, on the one hand, and the second control line, on the other hand, are advantageously chosen suitably. In particular, the first control line drive phase is advantageously carried out over one of the precession time of the material of the magnetic layer in the magnetic field of corresponding time duration generated by the drive current. Over this period of time, a first magnetic switching field H ₁ = H _word is thus generated in the region of the switchable magnetic layer, which is tilted in its direction by the tilt angle with respect to the orthogonal to the anisotropy axis of the switchable magnetic layer.

Zur Erzeugung des gewünschten zweiten magnetischen Schaltfeldes, das dem Betrag nach gleich dem ersten Schaltfeld H₁ sein soll, aber gegenüber der Orthogonalen zur Anisotropieachse um den Verkippungswinkel in die Gegenrichtung zum ersten Schaltfeld H₁ verkippt sein soll, wird in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung die zweite Steuerleitung-Ansteuerphase über eine Zeitdauer von der Hälfte der Zeitdauer für die erste Steuerleitung-Ansteuerphase durchgeführt. Vorzugsweise fällt dabei die zweite Steuerleitung-Ansteuerphase zeitlich mit der ersten oder mit der zweiten Hälfte der ersten Steuerleitung-Ansteuerphase zusammen. Durch eine derartige Wahl der Ansteuerparameter wird somit erreicht, dass entweder in der ersten Hälfte der ersten Steuerleitung-Ansteuerphase im Bereich der schaltbaren Magnetschicht das erste Schaltfeld H₁ und in der zweiten Hälfte der ersten Stuerleitung-Ansteuerphase das zweite Ansteuerfeld H₂ erzeugt wird oder umgekehrt. Damit ist je nach gewünschtem Endzustand, in den die jeweilige MRAM-Zelle geschaltet werden soll, eine gezielte Beaufschlagung der schaltbaren Magnetschicht mit einem Schaltfeld von H₂ in der ersten Halbphase der Umschaltung und H₁ in der zweiten Halbphase der Umschaltung (Schaltschema: "H₂" > "H₁") oder von H₁ in der ersten Halbphase und H₂ in der zweiten Halbphase (Schaltschema: "H₁" > "H₂") ermöglicht.To generate the desired second magnetic switching field, which should be equal in magnitude to the first switching field H ₁ , but should be tilted relative to the orthogonal to the anisotropy axis by the tilt angle in the opposite direction to the first switching field H ₁ , in a further advantageous embodiment, the second control line -Ansteuerphase carried out over a period of half of the time duration for the first control line drive phase. In this case, the second control line activation phase preferably coincides in time with the first or the second half of the first control line activation phase. By such a selection of the drive parameters is thus achieved that either in the first half of the first control line drive phase in the region of the switchable magnetic layer, the first switching field H ₁ and in the second half of the first Stuerleitung-drive phase, the second drive field H _{2 is} generated or vice versa , Thus, depending on the desired final state, in which the respective MRAM cell is to be switched, a targeted actuation of the switchable magnetic layer with a switching field of H ₂ in the first half-phase of switching and H ₁ in the second half-phase of switching (Schematic: "H ₂ ">" H ₁ ") or of H ₁ in the first half phase and H ₂ in the second half phase (circuit diagram:" H ₁ ">" H ₂ ").

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die relativ zur Anisotropieachse der schaltbaren Magnetschicht und/oder relativ zur Orthogonalen zur zweiten Stuerleitung um den Verkippungswinkel verkippt ausgeführte Anordnung der ersten Steuerleitung und eine geeignete Beaufschlagung von der ersten und der zweiten Steuerleitung mit geeigneten Ansteuerströmen während des Schaltvorgangs die gezielte Erzeugung von zwei sequentiell aufeinander folgenden magnetischen Schaltpulsen für die schaltbare Magnetschicht ermöglicht ist, wobei im ersten Schaltpuls ein um den Betrag des Verkippungswinkels gegenüber der Orthogonalen zur Aniostropieachse verkipptes magnetisches Schaltfeld und in der zweiten Phase ein magnetisches Schaltfeld gleichen Betrages, das aber um den Verkippungswinkel in entgegengesetzter Richtung zur Orthogonalen der Anisotropieachse verkippt ist, ermöglicht ist. Gerade durch eine derartige Pulsfolge, deren Dauer zudem noch geeignet im Hinblick auf die für die Präzession der Magnetisierung charakteristische Zeitdauer gewählt sein sollte, ist ein so genanntes nicht-ballistisches Schalten im Präzessionsmodus ermöglicht, bei dem nach einer geeigneten Destabilisierung der Magnetisierung während der ersten Schaltphase in der zweiten Schaltphase die gezielte Überführung der Magnetisierung in den gewünschten Endzustand mit besonders kurzer Zeitkonstante erfolgen kann. Der Schaltprozess wird damit weitaus toleranter gegenüber Variationen in den Eigenschaften des Schichtpakets (Materialtoleranzen, Formgebungstoleranzen) sowie der nötigen Schaltfelder und deren zeitliche Abstimmung.The advantages achieved by the invention are in particular that arranged by the relative to the anisotropy axis of the switchable magnetic layer and / or relative to the orthogonal to the second Stuerleitung tilted by the tilt angle arrangement of the first control line and a suitable application of the first and the second control line with suitable Control currents during the switching operation, the targeted generation of two sequentially successive magnetic switching pulses for the switchable magnetic layer is made possible, wherein tilting in the first switching pulse by the amount of the tilt angle relative to the orthogonal to the aniostropic axis Magnetic switching field and in the second phase, a magnetic switching field of the same magnitude, but which is tilted by the tilt angle in the opposite direction to the orthogonal of the anisotropy axis, is possible. Precisely by such a pulse train, the duration of which should also be selected with regard to the time period characteristic for the precession of the magnetization, a so-called non-ballistic switching in the precession mode is made possible, in which after a suitable destabilization of the magnetization during the first switching phase in the second switching phase the targeted transfer of the magnetization can be carried out in the desired final state with a particularly short time constant. The switching process is thus far more tolerant of variations in the properties of the layer package (material tolerances, shaping tolerances) and the necessary switching fields and their timing.

Ein derartiger Schaltprozess benötigt insbesondere kein vorheriges Ermitteln des Ist-Zustandes oder Bit-Wertes der zu beschreibenden MRAM-Zelle, so dass ein aufeinander folgendes Beschreiben mehrerer MRAM-Zellen ohne Zeitverzögerung erfolgen kann. Weiterhin ist ein derartiger Schaltprozess auch in Gegenwart bipolarer Streufelder, wie sie von den benachbarten MRAM-Zellen aufgebaut werden, ohne Qualitätseinbußen durchführbar, so dass eine besonders hohe Dichte der magnetischen Speicherzellen er reichbar ist. Weiterhin ist für den genannten Schreibprozess nur die Verwendung unipolarer Magnetfelder notwendig, so dass für die erste und zweite Steuerleitung jeweils lediglich eine Stromrichtung erforderlich ist.One requires such switching process in particular, no prior determination of the actual state or bit value the MRAM cell to be described so that one consecutive Describe multiple MRAM cells can be done without time delay. Farther is such a switching process even in the presence of bipolar stray fields, as they are built by the adjacent MRAM cells, without Quality losses feasible, so that is, a particularly high density of the magnetic memory cells he is achievable. Furthermore, for the mentioned writing process only the use of unipolar magnetic fields necessary, so for the first and second control line only one current direction is required.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:One embodiment The invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 eine MRAM-Zelle im Querschnitt, 1 an MRAM cell in cross-section,

2 die MRAM-Zelle nach 1 in Aufsicht, 2 the MRAM cell after 1 in supervision,

3 ein MRAM-Speicherelement mit einer Mehrzahl von MRAM-Zellen, und 3 an MRAM memory element having a plurality of MRAM cells, and

4 eine Anzahl von Diagrammen für den zeitlichen Verlauf von Magnetfeldern. 4 a number of diagrams for the time course of magnetic fields.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Same Parts are provided with the same reference numerals in all figures.

Die MRAM-Zelle 1, die in 1 im Querschnitt dargestellt ist, umfasst ein als Speicherzelle für ein Informationselement oder ein Bit vorgesehenes Mehrschichtpaket 2, das im Kreuzungsbereich zwischen einer ersten Steuerleitung 4 und einer zweiten Steuerleitung 6 angeordnet ist. Die erste Steuerleitung 4 und die zweite Steuerleitung 6 können dabei im Hinblick auf bekannte ähnliche Systeme auch als „Wordline" bzw. als „Bitline" bezeichnet werden. Die erste Steuerleitung 4 und die zweite Steuerleitung 6 sind dabei in der Art herkömmlicher Leiterbahnen auf einem nicht näher dargestellten, in der Darstellung gemäß 1 unterhalb der zweiten Steuerleitung 6 angeordneten Substrat geführt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist somit die erste Steuerleitung 4 oberhalb der zweiten Steuerleitung 6 und somit auch oberhalb des Mehrschichtpakets 2 angeordnet; alternativ könnten aber auch die erste Steuerleitung 4 unterhalb und die zweite Steuerleitung 6 oberhalb des Mehrschichtpakets 2 oder beide Steuerleitungen 4, 6 oberhalb oder unterhalb des Mehrschichtpakts 2 angeordnet sein.The MRAM cell 1 , in the 1 is shown in cross-section comprises a multi-layer packet provided as a memory cell for an information element or a bit 2 in the crossing area between a first control line 4 and a second control line 6 is arranged. The first control line 4 and the second control line 6 may be referred to as "Wordline" or "Bitline" with respect to known similar systems. The first control line 4 and the second control line 6 are in the nature of conventional traces on a non-illustrated, in the illustration according to 1 below the second control line 6 arranged substrate out. In the embodiment according to 1 is thus the first control line 4 above the second control line 6 and thus also above the multilayer package 2 arranged; Alternatively, but could also be the first control line 4 below and the second control line 6 above the multilayer package 2 or both control lines 4 . 6 above or below the multilayer pact 2 be arranged.

Das Mehrschichtpaket 2 umfasst oberhalb einer auf der zweiten Steuerleitung 6 angeordneten isolierenden Zwischenschicht 7 eine magnetische Referenzschicht 8, die eine durch geeignete technologische Methoden wie beispielsweise Oberflächentexturen, Kopplung an eine weitere magnetische Referenzschicht oder dergleichen räumlich fixierte Magnetisierung in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der zweiten Steuerleitung 6 aufweist. Oberhalb der magnetischen Referenzschicht 8 und von dieser über eine Distanzschicht 10 getrennt ist eine schaltbare Magnetschicht 12 aufgebracht, deren Magnetisierungsrichtung umschaltbar ist. Sie dient entweder als Tunnelbarriere beim Aufbau des Schichtpakets als TMR-MRAM-Zelle oder als leitende, nichtmagnetische Zwischenschicht beim Aufbau des Schichtpakets als GMR-MRAM-Zelle. Die Distanzschicht 10 ist dabei vergleichsweise dünn ausgeführt. Die Referenzschicht 8 und auch die schaltbare Magnetschicht 12 sind jeweils als ferromagnetische Schichten ausgeführt, wobei als Basismaterialien geeignete ferromagnetische Materialien wie beispielsweise Nickel, Eisen, Kobalt oder Legierungen dieser Materialien miteinander oder mit anderen nicht-magnetischen oder magnetischen Materialien verwendet sein können.The multi-layer package 2 includes above one on the second control line 6 arranged insulating intermediate layer 7 a magnetic reference layer 8th comprising a magnetization fixed in space in a direction substantially perpendicular to the direction of extension of the second control line by suitable technological methods such as, for example, surface textures, coupling to a further magnetic reference layer or the like 6 having. Above the magnetic reference layer 8th and from this over a distance layer 10 separated is a switchable magnetic layer 12 applied, whose magnetization direction is switchable. It serves either as a tunnel barrier in the construction of the layer package as a TMR MRAM cell or as a conductive, non-magnetic intermediate layer in the construction of the layer package as a GMR MRAM cell. The distance layer 10 is running comparatively thin. The reference layer 8th and also the switchable magnetic layer 12 are each in the form of ferromagnetic layers, wherein as base materials suitable ferromagnetic materials such as nickel, iron, cobalt or alloys of these materials may be used with each other or with other non-magnetic or magnetic materials.

Nach oben hin ist das Mehrschichtpaket 2 mittels einer Isolierschicht 14 von der darüber liegenden ersten Steuerleitung 4 getrennt. Wie der Darstellung in 1 weiterhin entnehmbar ist, ist die erste Steuerleitung 4 segmentiert ausgeführt. Sie umfasst dabei im Ausführungsbeispiel drei elektrisch voneinander durch Zwischenschichten 16 isolierte, parallel geschaltete und unabhängig voneinander bestrombare Segmente 18.At the top is the multi-layer package 2 by means of an insulating layer 14 from the overlying first control line 4 separated. As the illustration in 1 is still removable, is the first control line 4 segmented executed. It comprises in the embodiment three electrically from each other by intermediate layers 16 isolated, parallel and independently energizable segments 18 ,

Die schaltbare Magnetschicht 12 weist eine Magnetisierung auf, die im Wesentlichen parallel zur Basalebene des Substrats ausgerichtet ist, in dieser Ebene aber verschiedene Ausrichtungen einnehmen kann. Um dabei sicherzustellen, dass die Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht 12 im Wesentlichen zwei Zustände oder Ausrichtungen einnehmen kann, nämlich entweder parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der Referenzschicht 8, ist die schaltbare Magnetschicht 12 mit einer im Wesentlichen uniaxialen oder kubischen Anisotropie ausgeführt derart, dass sie eine leichte Achse der Magnetisierbarkeit in Richtung parallel zur Magnetisierung der Referenzschicht 8 und orthogonal zur Verlaufsrichtung der zweiten Steuerleitung 6 erzeugt. Diese Anisotropie, die durch eine in Richtung der möglichen Magnetisierungszustände verlaufende Anisotropieachse 20 symbolisiert ist, ist im Ausführungsbeispiel durch eine magnetokristalline Anisotropie des Basismaterials der Magnetschicht 12 in Kombination mit einer Formanisotropie des Mehrschichtpakets 2 in der Substratebene erzeugt.The switchable magnetic layer 12 has a magnetization which is aligned substantially parallel to the basal plane of the substrate, but can assume different orientations in this plane. To ensure that the magnetisie tion of the switchable magnetic layer 12 may occupy substantially two states or orientations, namely either parallel or antiparallel to the magnetization of the reference layer 8th , is the switchable magnetic layer 12 having a substantially uniaxial or cubic anisotropy, such that it has a slight axis of magnetizability in the direction parallel to the magnetization of the reference layer 8th and orthogonal to the direction of the second control line 6 generated. This anisotropy is caused by an anisotropy axis running in the direction of the possible magnetization states 20 is symbolized in the embodiment by a magnetocrystalline anisotropy of the base material of the magnetic layer 12 in combination with a shape anisotropy of the multilayer package 2 generated in the substrate plane.

Dazu ist, wie der Darstellung gemäß 2 entnehmbar, das Mehrschichtpaket 2 in seiner flächigen Gestaltung ellipsenförmig ausgeführt, wobei die längere Hauptachse parallel zur Anisotropieachse 20 verläuft. Die Anisotropieachse 20 ist somit senkrecht zur zweiten Steuerleitung 6 ausgerichtet. Zur Verstärkung und Unterstützung der gewünschten Anisotropieeffekte ist zudem als Basismaterial für die Magnetschicht 12 als besonders geeignetes Material Eisen mit kubischer Anisotropie oder auch Permalloy mit uniaxialer Anisotropie vorgesehen. Grundsätzlich können hierbei aber sämtliche bei Raumtemperatur ferromagnetischen Materialien mit kubischer oder uniaxialer magnetokristalliner Anisotropie, wie beispielsweise Eisen-Kobalt (FeCo), Eisen-Platin (Feet), kubisch – flächenzentriertes Kobalt (fee-Co) oder hexasonales Kobalt in besonders günstiger Weise zum Einsatz kommen.This is, as the representation according to 2 removable, the multilayer package 2 designed elliptical in its planar configuration, wherein the longer major axis parallel to the anisotropy axis 20 runs. The anisotropy axis 20 is thus perpendicular to the second control line 6 aligned. To reinforce and support the desired anisotropy effects is also as a base material for the magnetic layer 12 as a particularly suitable material iron with cubic anisotropy or Permalloy provided with uniaxial anisotropy. Basically, however, all room temperature ferromagnetic materials with cubic or uniaxial magnetocrystalline anisotropy, such as iron-cobalt (FeCo), iron-platinum (Feet), face-centered cubic cobalt (fairy-Co) or hexasonal cobalt can be used in a particularly favorable manner come.

Die MRAM-Zelle 1 ist für ein besonders stabiles und zuverlässiges Umschalten mit besonders kurz gehaltenen Umschaltzeiten im Bereich von weniger als einer Nanosekunde ausgelegt. Dazu ist für die MRAM-Zelle 1 ein Verfahren zum Einspeichern von Informationen oder zum Umschalten der Magnetisierung im nicht – balistischen Präzessionsmodus vorgesehen. Um dies auf vergleichsweise einfache Weise zu ermöglichen, ist die erste Steuerleitung 4 um einen Verkippungswinkel β verkippt gegenüber der Anisotropieachse 20 geführt. Dadurch ist die erste Steuerleitung 4 auch um den Verkippungswinkel β zur Normalen der zweiten Steuerleitung 6 verkippt geführt.The MRAM cell 1 is designed for a particularly stable and reliable switching with particularly short switching times in the range of less than a nanosecond. This is for the MRAM cell 1 a method is provided for storing information or switching the magnetization in non-balistic precession mode. To enable this in a comparatively simple way, the first control line 4 by a tilt angle β tilted with respect to the anisotropy axis 20 guided. This is the first control line 4 also by the tilt angle β to the normal of the second control line 6 tilted led.

Bei der Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 mit einer geeignet gewählten ersten Steuerleitung – Ansteuerstrom wird im Bereich des Mehrschichtpakets 2 ein magnetisches Schaltfeld H₁ erzeugt, das aufgrund der verkippten Anordnung der ersten Steuerleitung 4 seinerseits um den Verkippungswinkel β verkippt zur zweiten Steuerleitung 6 und somit zur Orthogonalen zur Anisotropieachse 20 ausgerichtet ist. Als weiterer Bestandteil für einen Schaltvorgang ist zudem noch die geeignete Beaufschlagung der zweiten Steuerleitung 6 mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom während einer gesonderten Phase des Schaltvorgangs vorgesehen. Die Ansteuerung der zweiten Steuerleitung 6 soll dabei derart erfolgen, dass in der Phase, in der sowohl die erste Steuerleitung – Ansteuerstrom als auch die zweiten Steureleitung-Ansteuerstrom aktiv geschaltet sind, im Bereich des Mehrschichtpakets 2 ein zweites magnetisches Schaltfeld H₂ anliegt, das vom Betrag her etwa gleich groß wie das erste magnetische Schaltfeld H₁ ist, das aber gegenüber der zweiten Steuerleitung 6 um den Verkippungswinkel β in die andere Richtung verkippt ist. Wie dabei der durch die Pfeile repräsentierten vektoriellen Darstellung in 2 entnehmbar ist, wird dazu zusätzlich zu dem über die erste Steuerleitung-Ansteuer strom erzeugten ersten magnetischen Schaltfeld H₁ ein Bitstrom – Magnetfeld H_BIT mit einem Betrag von H_BIT = 2 × H₁ × sinβ erzeugt, so dass sich das zweite magnetische Schaltfeld H₂ durch Addition des ersten magnetischen Schaltfelds H₁ mit dem Bitstrom – Magnetfeld H_BIT ergibt. Hierzu wird bedarfsweise zusätzlich zur Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 mit der ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom die zweite Steuerleitung 6 mit einer zweiten Steuerleitung-Ansteuerstrom beaufschlagt, dessen Betrag annähernd gleich dem doppelten Produkt aus dem Betrag der ersten Steuerleitung-Ansteuerstroms und dem sinus des Verkippungswinkels β gewählt ist.When applying the first control line 4 with a suitably selected first control line - drive current is in the range of the multilayer package 2 generates a magnetic switching field H ₁ , due to the tilted arrangement of the first control line 4 in turn tilted by the tilt angle β to the second control line 6 and thus to the orthogonal to the anisotropy axis 20 is aligned. As a further component of a switching process is also still the appropriate admission of the second control line 6 provided with a second control line drive current during a separate phase of the switching operation. The activation of the second control line 6 should be such that in the phase in which both the first control line - drive current and the second control line drive current are switched active, in the region of the multilayer package 2 a second magnetic switching field H ₂ is applied, the magnitude of which is about the same size as the first magnetic switching field H ₁ , but with respect to the second control line 6 tilted by the tilt angle β in the other direction. Like the vector representation represented by the arrows in 2 can be removed, in addition to the current generated via the first control line drive first magnetic switching field H ₁ a bitstream - H _BIT magnetic field with an amount of H _BIT = 2 × H ₁ × sinβ generated, so that the second magnetic switching field H ₂ by addition of the first magnetic switching field H ₁ with the bitstream - magnetic field H _BIT results. For this purpose, if necessary, in addition to the admission of the first control line 4 with the first control line drive current, the second control line 6 is applied to a second control line drive current whose amount is approximately equal to twice the product of the amount of the first control line drive current and the sine of the tilt angle β is selected.

Im Ergebnis sind bei einer derartigen Anordnung durch geeignete Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 und der zweiten Steuerleitung 6 mit den genannten Ansteuerströmen zwei Schaltfelder H₁, H₂ im Bereich des Mehrschichtpakets 2 erzeugbar, deren Betrag jeweils gleich groß und ausreichend hoch ist, um eine Umschaltung der Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht 12 zu bewirken. Aufgrund der Verkippung der ersten Steuerleitung 4 weisen diese Schaltmagnetfelder H₁, H₂ jeweils auch eine gewissen Feldkomponente in Richtung parallel zur Anisotropieachse 20 und somit zur magnetisch leichten Achse der schaltbaren Magnetschicht 12 auf, so dass eine gezielte Umschaltung der Magnetisierung erreicht werden kann. Durch geeignete Wahl einer Pulsfolge, bei der in einem erstem Schaltpuls eines der Schaltfelder H₁, H₂ und in einem nachfolgenden Schaltpuls das jeweils andere Schaltfeld H₂ bzw. H₁ erzeugt wird, kann dabei in der ersten Schaltphase die bereits existierende Magnetisierung der schaltbaren Magnetschicht 12 destabilisiert werden, wobei in der zweiten Schaltphase aus dem instabilen Zustand heraus ein gezieltes Umschalten in die gewünschte Magnetisierungsrichtung erfolgt. Auf diese Weise ist durch die verkippte Anordnung der ersten Steuerleitung 4 insbesondere in Kombination mit der geeigneten Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 und der zweiten Steuerleitung 6 mit geeigneten Ansteuerströmen ein sicheres und zuverlässiges Schalten der MRAM-Zelle 1 möglich, ohne dass zuvor ein Auslesen des Magnetisierungszustands der schaltbaren Magnetschicht 12 (sogenanntes „Pre-read") erforderlich wäre.As a result, in such an arrangement by suitable loading of the first control line 4 and the second control line 6 with the aforementioned drive currents two panels H ₁ , H ₂ in the multilayer package 2 can be generated, the amount of which is the same size and sufficiently high, to a switching of the magnetization of the switchable magnetic layer 12 to effect. Due to the tilting of the first control line 4 These switching magnetic fields H ₁ , H ₂ each also have a certain field component in the direction parallel to the anisotropy axis 20 and thus to the magnetically easy axis of the switchable magnetic layer 12 on, so that a targeted switching of the magnetization can be achieved. By suitable choice of a pulse sequence, in which in a first switching pulse of the switching fields H ₁ , H ₂ and in a subsequent switching pulse, the respective other switching field H ₂ or H _{1 is} generated, can in the first switching phase, the already existing magnetization of the switchable magnetic layer 12 destabilized, wherein in the second switching phase from the unstable state, a targeted switching takes place in the desired direction of magnetization. In this way, by the tilted arrangement of the first control line 4 in particular in combination with the appropriate admission of the first control line 4 and the second control line 6 with suitable Neten control currents safe and reliable switching of the MRAM cell 1 possible, without previously reading the magnetization state of the switchable magnetic layer 12 (so-called "pre-read") would be required.

Für eine zuverlässige Umsetzung des beabsichtigten Schaltprozesses sollte der Verkippungswinkel β je nach ferromagnetischem Material und Art des Schichtpakts einen geeigneten Wert von bis zu 45° einnehmen. Wie umfangreiche Ermittlungen ergeben haben, ist ein besonders günstiges, insbesondere ein besonders stabiles und zuverlässiges, Schaltverhalten erreichbar, indem der Verkippungswinkel β in einem Bereich zwischen 3° und 35°, besonders vorzugsweise in einen Bereich von mindestens 7,5° und/oder bis zu 20°, gewählt ist. Dementsprechend ist im Ausführungsbeispiel gemäß 2 als Verkippungswinkel β ein Winkel von etwa 19° gewählt.For a reliable implementation of the intended switching process, the tilt angle β should assume a suitable value of up to 45 °, depending on the ferromagnetic material and the type of layer pacemaker. As extensive investigations have shown, a particularly favorable, in particular a particularly stable and reliable, switching behavior can be achieved by the tilt angle β in a range between 3 ° and 35 °, particularly preferably in a range of at least 7.5 ° and / or to to 20 °, is selected. Accordingly, in the embodiment according to 2 chosen as tilt angle β an angle of about 19 °.

Wie in 3 gezeigt ist, ist in einem MRAM-Speicherelement 30 vorzugsweise eine Mehrzahl von MRAM-Zellen 1 der genannten Art auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Die MRAM-Zellen 1 sind dabei jeweils an Kreuzungspunkten einer ersten Steuerleitung 4 und einer zweiten Steuerleitung 6 angeordnet, von denen jeweils eine Mehrzahl in der Art eines Gitters auf dem Substrat aufgebracht ist. Durch geeignete Verschaltung ist die erste Steuerleitung 4 dabei segmentweise ausgeführt, wobei durch eine Anzahl von Querverbindungs-Leitungen 32 eine geeignete elektrische Verschaltung parallel geschalteter Segmente 18 der jeweiligen ersten Steuerleitung 4 gewährleistet ist. Mit einer derartigen Anordnung ist es ermöglicht, den zur Erzeugung des Schaltfeldes H₁ benötigten ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom der jeweils parallel geschalteten Segment verteilt, also beispielsweise über drei oder zwei parallel geschaltete erste Steuerleitungen-Segmente, der jeweiligen MRAM-Zelle 1 zu zuführen. Pro aktivierter Leitung ist dabei lediglich ein Bruchteil des insgesamt benötigten Ansteuerstroms zu führen, so dass die benötigten Stromstärken auf besonders einfache Weise erreicht werden können.As in 3 is shown in an MRAM memory element 30 preferably a plurality of MRAM cells 1 of the type mentioned arranged on a common substrate. The MRAM cells 1 are each at crossing points of a first control line 4 and a second control line 6 arranged, each of which a plurality is applied in the manner of a grid on the substrate. By suitable interconnection is the first control line 4 thereby segmented, wherein by a number of cross-connection lines 32 a suitable electrical connection of parallel connected segments 18 the respective first control line 4 is guaranteed. With such an arrangement, it is possible to distribute the first control line drive current required for generating the switching field H _{1 of} the respective segment connected in parallel, that is, for example via three or two first control line segments connected in parallel, the respective MRAM cell 1 to feed. Pro activated line is only a fraction of the total required drive current to lead, so that the required currents can be achieved in a particularly simple manner.

In 4 ist eine Anzahl von Diagrammen dargestellt, von denen jedes den zeitlichen Verlauf eines magnetischen Feldes während eines möglichen Schaltvorgangs zeigt. In 4a ist dabei für einen typischen Schaltvorgang erkennbar, dass zum Startzeitpunkt (t = 0) des Schaltvorgangs das erste magnetische Schaltfeld H₁ durch Beaufschlagung der ersten Steuerleitung 4 mit einem geeignet gewählten ersten Steuerleitung-Ansteuerstrom auf einen konstanten Wert eingestellt und für einen gewissen Zeitraum aufrecht erhalten wird. Diese erste Steuerleitung-Ansteuerphase erstreckt sind über eine an die Präzessionszeit des Materials der Magnetschicht 12 im Schaltfeld H₁ angepaßte Gesamtzeitdauer von T. Wie in 4b erkennbar ist, wird zusätzlich dazu ab dem Zeitpunkt T/2 über eine Zeitdauer von der Hälfte der Zeitdauer für die erste Steuerleitung-Ansteuerphase, also bis zum Zeitpunkt T, eine zweite Steuerleitung-Ansteuerphase durchgeführt. Dabei wird über eine geeignete Beaufschlagung der zweiten Steuerleitung 6 mit einem geeignet gewählten Ansteuerstrom ein zusätzliches Magnetfeld in Höhe von H_BIT = 2 × H₁ × sinβ erzeugt, das dem durch die erste Steuerleitung erzeugten Schaltfeld H₁ überlagert wird. Im dargestellten Fall wird somit an die schaltbare Magnetschicht 12 in einer ersten Schaltpulsphase das magnetische Schaltfeld H₁ angelegt, wohingegen in einer zweiten Schalt pulsphase, nämlich für den Zeitraum von T/2 bis T, das zweite magnetische Schaltfeld H₂ erzeugt wird. Analog kann selbstverständlich auch in der ersten Schaltpulsphase das zweite magnetische Schaltfeld H₂ und in der zweiten Schaltpulsphase das erste magnetische Schaltfeld H₁ erzeugt werden, wobei die Sequenz der Schaltpulse abhängig vom gewünschten Endzustand der Magnetisierung in der MRAM-Zelle 1 geeignet gewählt wird. Ein exaktes Einhalten dieser Zeitdauern ist jedoch aufgrund der inhärenten Stabilität des nicht-ballistischen Schaltprozesses nicht notwendig.In 4 a number of diagrams are shown, each of which shows the time course of a magnetic field during a possible switching operation. In 4a is for a typical switching process recognizable that at the start time (t = 0) of the switching operation, the first magnetic switching field H ₁ by acting on the first control line 4 is set to a constant value with a suitably selected first control line drive current and maintained for a certain period of time. This first control line drive phase extends over one to the precession time of the material of the magnetic layer 12 in the H _{1 field, the} total time duration of T. is adjusted 4b is recognizable, in addition to this from the time T / 2 over a period of half of the time duration for the first control line drive phase, ie until the time T, a second control line drive phase is performed. In this case, via a suitable admission of the second control line 6 with an appropriately selected drive current generates an additional magnetic field in the amount of H _BIT = 2 × H ₁ × sinβ, which is superimposed on the switching field H ₁ generated by the first control line. In the case shown is thus to the switchable magnetic layer 12 in a first switching pulse phase, the magnetic switching field H ₁ applied, whereas in a second switching pulse phase, namely for the period of T / 2 to T, the second magnetic switching field H _{2 is} generated. Analogously, of course, in the first switching pulse phase, the second magnetic switching field H ₂ and in the second switching pulse phase, the first magnetic switching field H _{1 are} generated, the sequence of switching pulses depending on the desired final state of the magnetization in the MRAM cell 1 is suitably chosen. However, exact adherence to these durations is not necessary due to the inherent stability of the non-ballistic switching process.

11: MRAM-ZelleMRAM cell
22: MehrschichtpaketMultilayer package
4, 64, 6: Steuerleitungcontrol line
88th: Referenzschichtreference layer
1010: Distanzschichtspacer layer
1212: Magnetschichtmagnetic layer
1414: Isolierschichtinsulating
1616: Zwischenschichtinterlayer
1818: Segmentsegment
2020: Anisotropieachseanisotropy
3030: MRAM-SpeicherelementMRAM memory element
3232: QuerverbindungsleitungenTie lines
ββ: Verkippungswinkeltilt

Claims

MRAM cell ( 1 ) with a guided on a substrate first control line ( 4 ) and a guided on the substrate second control line ( 6 ), in whose crossing area a multilayer package ( 2 ), the at least one reference magnetic layer ( 8th ) and one anisotropy axis ( 20 ) having switchable magnetic layer ( 12 ), wherein the anisotropy axis ( 20 ) approximately perpendicular to the second control line ( 6 ), and wherein the first control line ( 4 ) with respect to the anisotropy axis ( 20 ) is guided by a tilt angle (β) tilted.

MRAM cell ( 1 ) according to claim 1, wherein the tilt angle (β) is selected between 0.5 ° and 45 °, preferably between 3 ° and 35 °.

MRAM cell ( 1 ) according to claim 1 or 2, whose first control line ( 4 ) of a plurality of electrically parallel connected, independently energizable segments ( 18 ), preferably of three segments ( 18 ) is formed.

MRAM cell ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, in which the anisotropy axis ( 20 ) of the switchable magnetic layer ( 12 ) by the crystal structure of the magnetic material used and / or by the lateral shaping of the multilayer package ( 2 ) and / or by pre-structuring the substrate.

MRAM cell ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, whose switchable magnetic layer ( 12 ) comprises as a base material a room temperature ferromagnetic material having cubic or uniaxial anisotropy.

MRAM memory system with an MRAM memory element ( 30 ), in which on a common substrate a number of MRAM cells ( 1 ) is arranged according to one of claims 1 to 5, and with a control electronics, via which the first Steuerlei device ( 4 ) of the or each MRAM cell ( 1 ) with a first drive current and the second control line ( 6 ) of the or each MRAM cell ( 1 ) can be acted upon by a second drive current in the amount of twice the product of the first drive current and the sine of the tilt angle (β).

Method for storing information in an MRAM cell ( 1 ) according to one of Claims 1 to 5, in which, in a first activation phase, the first control line ( 4 ) with a first drive current and in a second drive phase, the second control line ( 6 ) are applied to a second drive current, wherein the amount of the second drive current is at least approximately equal to twice the product of the amount of the first drive current and the sine of the tilt angle (β) is selected.

Method according to Claim 7, in which the first drive phase is at least over approximately the precession time (T) of the material of the magnetic layer ( 12 ) is performed in the magnetic field generated by the drive current corresponding time duration.

The method of claim 8, wherein the second drive phase via a Duration of half of the Duration for the first drive phase performed becomes.

The method of claim 9, wherein the second drive phase in time with the first or the second half of the first drive phase coincides.